JP3490475B2 - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、排気系に三元触媒コン
バータを有する内燃機関の空燃比制御装置に関する。 【０００２】 【従来の技術】一般的に内燃機関の排気系には、排気ガ
ス中の有害成分を浄化するための触媒コンバータが設け
られている。この触媒コンバータとして、三元触媒コン
バータが広く使用されており、これは排気ガス中の有害
三成分である一酸化炭素及び炭化水素を酸化すると共に
酸化窒素を還元して、無害な二酸化炭素、水蒸気、及び
窒素に変換させるものである。この三元触媒コンバータ
による浄化特性は、燃焼室内に形成される混合気の空燃
比に依存し、それが理論空燃比近傍である時に三元触媒
コンバータは最も有効に機能することがわかっている。
これは、空燃比がリーンであり排気ガス中の酸素量が多
いと、酸化作用が活発となるが還元作用が不活発とな
り、また空燃比がリッチであり排気ガス中の酸素量が少
ないと、逆に還元作用が活発となるが酸化作用が不活発
となり、前述の有害三成分を全て良好に浄化させること
ができないためである。従って、三元触媒コンバータを
有する内燃機関において、排気通路の三元触媒上流に設
けられた酸素センサを使用して混合気を理論空燃比にフ
ィードバック制御することが提案されている。 【０００３】このようなフィードバック制御を実行して
も、機関過渡運転状態の時、例えば、機関加速時は吸気
量が急増するために混合気空燃比は一時的にリーン状態
となり、また機関減速時は逆にリッチ状態となる。この
時、通常であれば三元触媒の排気ガスの浄化性能が低下
するが、三元触媒に酸素を貯蔵する能力（Ｏ2 ストレー
ジ効果）を持たせることが提案されており、それにより
空燃比がリーン状態の時に余分な酸素を貯蔵し、またリ
ッチ状態の時に貯蔵された酸素を使用することにより、
排気ガスの浄化性能を維持することができる。 【０００４】しかし、三元触媒に貯蔵可能な酸素量は有
限であるために、次回の機関加速又は減速に備えて三元
触媒には常に所定量の酸素が貯蔵されていることが好ま
しい。特開平３−２１７６３３号公報には、三元触媒上
流に設けられた出力リニア型酸素センサから得られる排
気ガス中の酸素濃度を時間積分したものを三元触媒の酸
素貯蔵量とし、これを所定量に維持すべく、空燃比が必
然的にリーン又はリッチ状態となる時に、その後空燃比
を意図的に反対の状態にする空燃比制御が提案されてい
る。但し、本明細書中で使用する酸素濃度とは、排気ガ
スの酸素不足状態においてマイナス値として表されるも
のである。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】前述の空燃比制御にお
いて、酸素濃度の積分値は、排気ガス量が考慮されてい
ないために、特に排気ガス量が変化する機関過渡運転状
態時には、三元触媒の酸素貯蔵量を正確に把握すること
はできず、この値を基に空燃比制御を実行しても三元触
媒の酸素貯蔵量を所定値に維持することはできない。さ
らに、三元触媒の酸素貯蔵量だけを考慮して空燃比制御
するために、理論空燃比への収束速度が遅く、これは機
関運転にとって好ましいものではない。 【０００６】従って、本発明の目的は、三元触媒の酸素
貯蔵量を正確に所定量に維持すると共に、混合気を理論
空燃比に比較的速く収束させることができる内燃機関の
空燃比制御装置を提供することである。 【０００７】 【課題を解決するための手段】本発明による内燃機関の
空燃比制御装置は、気筒内の空気量を推定する筒内空気
量推定手段と、前記筒内空気量推定手段により推定され
る前記空気量を基に理論空燃比となるように目標燃料量
を決定する目標燃料量決定手段と、機関排気系における
三元触媒上流に設けられた空燃比センサの出力と前記筒
内空気量推定手段により推定される前記空気量とから前
記気筒内に実際に供給された燃料量を推定する燃料量推
定手段と、空燃比を理論空燃比とすると共に三元触媒に
貯蔵されている酸素量を所定量に維持するために、前記
燃料量推定手段により推定される前記燃料量と前記目標
燃料量との差及び前記差の時間積分値を同時にゼロに収
束させるように燃料噴射量を決定する燃料噴射量決定手
段、とを具備することを特徴とする。 【０００８】 【作用】前述の内燃機関の空燃比制御装置は、筒内空気
量推定手段が気筒内の空気量を推定し、目標燃料量決定
手段が筒内空気量推定手段により推定される空気量を基
に理論空燃比となるように目標燃料量を決定し、燃料量
推定手段が筒内空気量推定手段により推定される空気量
と機関排気系における三元触媒上流に設けられた空燃比
センサとの出力から気筒内に実際に供給された燃料量を
推定し、燃料噴射量決定手段が燃料量推定手段により推
定される燃料量と目標燃料量との偏差及びこの偏差の時
間積分値、すなわち三元触媒に貯蔵されている酸素の排
気ガス量を考慮した正確な変化量を、同時にゼロに収束
させるように燃料噴射量を決定する。 【０００９】 【実施例】図１は、本発明による空燃比制御装置が取り
付けられた内燃機関の概略断面図である。同図におい
て、１は機関本体、２は吸気通路、３は排気通路であ
る。吸気通路２の最上流にはエアクリーナ４が設置さ
れ、その下流には吸気量を測定するエアフローメータ５
が設けられている。吸気通路２のサージタンク２ａの上
流にはスロットル弁６が、また下流には各気筒毎に燃料
噴射弁７が配置されている。排気通路３には排気ガスを
浄化するための三元触媒８が設けられ、その上流には排
気ガス中の酸素濃度を検出するための出力リニア型酸素
センサ９が配置されている。さらに、点火時期制御装置
であるディストリビュータ１０には、クランク角センサ
１１が設置されている。 【００１０】前述のエアフローメータ５、酸素センサ
９、及びクランク角センサ１１は、制御装置２０に接続
され、この制御装置２０によって燃料噴射弁７の燃料噴
射量を制御する。図２は、本発明によるこの空燃比制御
を示すブロック図である。同図において、３０は前述の
内燃機関である。３１は、エアフローメータ５及びクラ
ンク角センサ１１から測定される吸気量ｍａ及び回転数
Ｎを基にマップ等を使用して気筒内の空気量ｍｃを推定
する気筒内空気量推定手段である。 【００１１】３２は、気筒内空気量推定手段３１により
推定される空気量ｍｃを、酸素センサ９の出力を基に計
算されるこの時の混合気空燃比αで割ることによって気
筒内に供給された燃料量ｆｃを推定する燃料量推定手段
である。また、３３は、気筒内空気量推定手段３１によ
り推定される空気量ｍｃを理論空燃比αｒで割ることに
よって気筒内に供給すべき目標燃料量ｆｃｒを計算する
目標燃料量設定手段である。 【００１２】前述の両燃料量ｆｃ及びｆｃｒは、減算器
３４に出力されて差ｆｃ−ｆｃｒが計算され、この差が
燃料噴射量設定手段３５と共に第１加算手段３６に出力
され、第１加算手段３６においてこの差の時間積分値ｘ
１が計算されて、燃料噴射量設定手段３５に出力され
る。燃料噴射量設定手段３５において、この差及びその
時間積分値ｘ１を同時に０とすべく燃料噴射量ｆｉが計
算される。 【００１３】前述の時間積分値ｘ１が０となる時、三元
触媒８に貯蔵されている酸素量は当初の量と等しくな
る。なぜなら、空燃比がリーンであり前述の差が負の値
である時、これに微小時間Δｔを掛けた値は、三元触媒
８に新たに貯蔵される酸素量を等価的に表すことがで
き、また、空燃比がリッチであり前述の差が正の値であ
る時、これに微小時間Δｔを掛けた値は、この時の排気
ガスを浄化するために三元触媒８から放出される酸素量
を等価的に表すことができるためである。 【００１４】それにより、燃料噴射量設定手段３５にお
いて、差ｆｃ−ｆｃｒ及びその時間積分値ｘ１を０とす
べく燃料噴射量ｆｉを計算すれば、機関過渡運転時に空
燃比が必然的にリッチ又はリーンとなっても、比較的短
時間で三元触媒８に貯蔵されている酸素を所定量にする
と同時に空燃比を理論空燃比にすることができる。 【００１５】燃料噴射量設定手段３５における燃料噴射
量ｆｉの設定を確実なものとするために、第２加算手段
３７により前述の時間積分値ｘ１のさらなる時間積分値
ｘ２が計算され燃料噴射量設定手段３５へ出力される。
また、噴射された燃料全てが気筒内に供給される場合に
おいては必要ないが、本実施例の内燃機関３０は、吸気
通路２に燃料を噴射するものであり、燃料噴射弁７から
噴射された燃料はその一部が吸気通路２壁面に付着する
ために、噴射した燃料量と気筒内に供給される燃料量と
は必ずしも同量でなく、前者を基に後者を予測すること
が必要であり、そのための手段として基本燃料量推定手
段３８が設けられ、目標燃料量ｆｃｒを基に基本燃料噴
射量ｆｉｍが計算され燃料噴射量設定手段３５へ出力さ
れる。燃料噴射量ｆｉ設定までの具体的な計算方法を以
下に説明する。 【００１６】この空燃比制御には、式（１）及び（２）
に示す燃料挙動モデルを利用する。 【数１】 これらの式において、ｆｉ（ｋ）は今回の燃料噴射量で
あり、Ｒは噴射された燃料のうち吸気通路壁面等に付着
して気筒内へ供給されない割合であり、またｆｗ（ｋ）
は今回吸気通路壁面等に付着している燃料量であり、Ｐ
は吸気通路壁面等に付着している燃料のうち依然として
気筒内へ供給されない割合である。従って、ｆｗ（ｋ＋
１）は次回吸気通路壁面等に付着している燃料量を表
し、またｆｃ（ｋ）は今回気筒内へ供給される燃料量を
表している。Ｐ及びＲは実験から求めることができ、こ
こでは定数とされている。 【００１７】式（３）によって表現される気筒内へ供給
される燃料量ｆｃと気筒内へ供給すべき目標燃料量ｆｃ
ｒの差の一階積分値ｘ１は、式（４）のように表すこと
ができる。 【数２】 【００１８】式（４）に式（２）を代入することにより
式（５）が得られる。 【数３】 【００１９】次に、燃料噴射量ｆｉ（ｋ）、吸気通路壁
面等に付着する燃料量ｆｗ（ｋ）、及び気筒内へ供給さ
れる燃料量ｆｃ（ｋ）をそれぞれ式（６）、（７）、
（８）で示すようにノミナル値ｆｉｍ（ｋ），ｆｗｍ
（ｋ），ｆｃｍ（ｋ）と偏差δｆｉ（ｋ），δｆｗ
（ｋ），δｆｃ（ｋ）との和として表す。但し、各ノミ
ナル値は式（９）、（１０）、（１１）が成り立つよう
に設定される。 【数４】【００２０】これらを式（４）、（１）、（２）に代入
することにより、式（１２）、（１３）、（１４）を得
ることができる。式（１２）及び（１３）を行列形式で
表すと式（１５）のようになり、また、ｘ１（ｋ）＝ｘ
１（ｋ）及び式（１４）を行列形式で表すと式（１６）
のようになる。以下現代制御理論を適用すると、式（１
５）はＸ（ｋ＋１）＝ＡＸ（ｋ）＋ＢＵ（ｋ）で表され
る状態方程式となり、式（１６）はＹ（ｋ）＝ＣＸ
（ｋ）＋ＤＵ（ｋ）で表される出力方程式となる。（参
照、入門現代制御理論、白石昌武著、啓学出版） 【数５】 【００２１】前述の二式に対する評価関数Ｊは式（１
７）によって表される。この式において、Ｑ及びＲは重
み行列で、Ｑ＞＝０及びＲ＞０なる対称行列である。こ
れを最小化することで消費エネルギを小さくし、かつ過
渡特性をよくする最適制御が実現される。このための最
適フィードバック制御入力Ｕ0 は−Ｒ-1ＢT ＰＸとな
り、この式においてＰはＡT Ｐ＋ＰＡ＋Ｑ−ＰＢＲ-1Ｂ
T Ｐ＝０で表されるリカッチ型行列方程式の唯一な正定
値の解として与えられる。従って、式（１５）、（１
６）に対する評価関数Ｊは式（１８）によって表すこと
ができ、最適フィードバック制御入力δｆｉ（ｋ）はｆ
１及びｆ２を定数として式（１９）によって表すことが
できる。式（１９）に従って制御を実行すれば、この制
御目的は達成されるが、吸気通路壁面等に付着する燃料
量ｆｗ（ｋ）の偏差δｆｗ（ｋ）は、計測不可能である
ために、観測器を使用して推定する必要がある。 【数６】【００２２】式（１５）、（１６）に対する観測器とし
て、式（２０）は良く知られている。ここでａ，ｂ，ｊ
は定数である。式（１９）と式（２０）を使用してδｆ
ｗを消去すると、式（２１）が得られる。 【数７】 【００２３】式（２１）で制御すればｘ１及びδｆｃが
最適に０に収束するはずである。しかし、式（１０）が
実際と一致しない場合があり、これを防止するためにス
ミスデビットソンの方法による式（２２）で表される拡
大系によってサーボ系を設計する。ここでΔｘ１（ｋ）
＝ｘ１（ｋ）−ｘ１（ｋ−１）である。 【数８】 【００２４】前述と同等に評価関数を求め、それを最小
とするΔδｆｉ（ｋ）はｆ１’，ｆ２’，ｆ３’，ｆ
４’を定数として式（２３）のように表される。式（２
３）から式（２４）が得られ、前述と同様に観測器を使
用してδｆｗを消去すると、式（２５）が得られる。式
（２５）をｆ１からｆ７の新たな定数を使用し、ｘ１の
積分値をｘ２として表現すれば式（２６）が得られる。
この式（２６）によってδｆｉ（ｋ）を決定すること
で、ｘ１及びδｆｃを最適に０に収束させることができ
る。 【数９】【００２５】この計算方法による具体的な制御フローチ
ャートを図３に示す。本フローチャートにおいて、ダッ
シュは前回の値を示し、ツーダッシュは前々回の値を示
している。本フローチャートはスタータのＯＮ信号と共
に実行され、所定時間毎に繰り返される。また機関停止
と共に、δｆｃ’、ｆｗｍ、δｆｉ’、ｘ１、ｘ１’、
ｘ１”、ｘ２、ｘ２’、ｘ２”は０にリセットされる。 【００２６】まずステップ１０１において、気筒内空気
量推定手段３１が気筒内へ供給された空気量ｍｃを推定
する。次にステップ１０２において、この空気量ｍｃを
基に燃料量推定手段３２が気筒内へ供給された燃料量ｆ
ｃを推定し、ステップ１０３において、目標燃料量設定
手段３３が同様に気筒内へ供給すべき目標燃料量ｆｃｒ
を計算する。ステップ１０４において、減算器３４が燃
料量ｆｃと目標燃料量ｆｃｒとの差δｆｃを算出する。
次にステップ１０５において、基本燃料噴射量推定手段
３８が基本燃料噴射量ｆｉｍを算出する。この値は燃料
噴射量ｆｉの前述のノミナル値であり、前述の式
（９）、（１０）をここで図示したように変形し、目標
燃料量ｆｃｒ及び当初０にリセットされている吸気通路
壁面等に付着している燃料量のノミナル値ｆｗｍを基に
算出される。 【００２７】次にステップ１０６において、第１加算手
段３６がステップ１０４において計算された差δｆｃの
一階積分値ｘ１を計算する。またステップ１０７におい
て、第２加算手段３７が差δｆｃの二階積分値ｘ２を計
算する。 【００２８】以下の処理は燃料噴射量設定手段が担当す
る。ステップ１０８において、基本燃料噴射量ｆｉｍに
対する補正量δｆｉが前述の式（２６）を使用して算出
され、ステップ１０９において、燃料噴射量ｆｉがステ
ップ１０５において計算された基本燃料噴射量ｆｉｍに
この補正量δｆｉを加えることによって求められ、燃料
噴射が実行される。ステップ１０８における計算におい
て、δｆｃ’、δｆｉ’、ｘ１’、ｘ１”、ｘ２’、ｘ
２”は当初０にリセットされているがステップ１１０以
下の処理で更新される。 【００２９】ステップ１１０において、吸気通路壁面等
に付着している燃料量のノミナル値ｆｗｍが、その今回
の値及びステップ１０５において計算されたｆｉｍを基
に更新され、ステップ１１１において、前回の差δｆ
ｃ’には今回の差δｆｃが代入されて更新され、ステッ
プ１１２において、前回の補正量δｆｉ’には今回の値
δｆｉが代入されて更新され、ステップ１１３におい
て、前回の一階積分値ｘ１’には今回の値δｘ１が代入
されて更新され、ステップ１１４において、前々回の一
階積分値ｘ１”には前回の値ｘ１’が代入されて更新さ
れ、ステップ１１５において、前回の二階積分値ｘ２’
には今回の値ｘ２が代入されて更新され、ステップ１１
６において、前々回の二階積分値ｘ２”には前回の値ｘ
２’が代入されて更新され、処理を終了する。 【００３０】本フローチャートにおいて、噴射された燃
料のうち吸気通路壁面等に付着して気筒内へ供給されな
い割合Ｒ及び吸気通路壁面等に付着している燃料のうち
依然として気筒内へ供給されない割合Ｐは、計算を簡単
化するために定数としたが、厳密には機関状態に応じて
変化する変数である。従って、機関状態からマップ等を
利用してフローチャート実行毎に変えることで、この空
燃比制御をさらに良好なものとすることができる。 【００３１】 【発明の効果】このように、本発明による内燃機関の空
燃比制御装置によれば、気筒内へ供給された燃料量と気
筒内へ供給すべき燃料量との差、及びその積分値を同時
に０にするように燃料噴射量を制御することで、機関過
渡運転状態によって空燃比が必然的にリッチ又はリーン
となっても、空燃比を理論空燃比に、また三元触媒に貯
蔵されている酸素量は当初の所定量に比較的短時間で収
束させることができ、三元触媒がＯ2 ストレージ効果を
利用して十分に機能すると共に、理論空燃比での良好な
機関運転が実現される。
バータを有する内燃機関の空燃比制御装置に関する。 【０００２】 【従来の技術】一般的に内燃機関の排気系には、排気ガ
ス中の有害成分を浄化するための触媒コンバータが設け
られている。この触媒コンバータとして、三元触媒コン
バータが広く使用されており、これは排気ガス中の有害
三成分である一酸化炭素及び炭化水素を酸化すると共に
酸化窒素を還元して、無害な二酸化炭素、水蒸気、及び
窒素に変換させるものである。この三元触媒コンバータ
による浄化特性は、燃焼室内に形成される混合気の空燃
比に依存し、それが理論空燃比近傍である時に三元触媒
コンバータは最も有効に機能することがわかっている。
これは、空燃比がリーンであり排気ガス中の酸素量が多
いと、酸化作用が活発となるが還元作用が不活発とな
り、また空燃比がリッチであり排気ガス中の酸素量が少
ないと、逆に還元作用が活発となるが酸化作用が不活発
となり、前述の有害三成分を全て良好に浄化させること
ができないためである。従って、三元触媒コンバータを
有する内燃機関において、排気通路の三元触媒上流に設
けられた酸素センサを使用して混合気を理論空燃比にフ
ィードバック制御することが提案されている。 【０００３】このようなフィードバック制御を実行して
も、機関過渡運転状態の時、例えば、機関加速時は吸気
量が急増するために混合気空燃比は一時的にリーン状態
となり、また機関減速時は逆にリッチ状態となる。この
時、通常であれば三元触媒の排気ガスの浄化性能が低下
するが、三元触媒に酸素を貯蔵する能力（Ｏ2 ストレー
ジ効果）を持たせることが提案されており、それにより
空燃比がリーン状態の時に余分な酸素を貯蔵し、またリ
ッチ状態の時に貯蔵された酸素を使用することにより、
排気ガスの浄化性能を維持することができる。 【０００４】しかし、三元触媒に貯蔵可能な酸素量は有
限であるために、次回の機関加速又は減速に備えて三元
触媒には常に所定量の酸素が貯蔵されていることが好ま
しい。特開平３−２１７６３３号公報には、三元触媒上
流に設けられた出力リニア型酸素センサから得られる排
気ガス中の酸素濃度を時間積分したものを三元触媒の酸
素貯蔵量とし、これを所定量に維持すべく、空燃比が必
然的にリーン又はリッチ状態となる時に、その後空燃比
を意図的に反対の状態にする空燃比制御が提案されてい
る。但し、本明細書中で使用する酸素濃度とは、排気ガ
スの酸素不足状態においてマイナス値として表されるも
のである。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】前述の空燃比制御にお
いて、酸素濃度の積分値は、排気ガス量が考慮されてい
ないために、特に排気ガス量が変化する機関過渡運転状
態時には、三元触媒の酸素貯蔵量を正確に把握すること
はできず、この値を基に空燃比制御を実行しても三元触
媒の酸素貯蔵量を所定値に維持することはできない。さ
らに、三元触媒の酸素貯蔵量だけを考慮して空燃比制御
するために、理論空燃比への収束速度が遅く、これは機
関運転にとって好ましいものではない。 【０００６】従って、本発明の目的は、三元触媒の酸素
貯蔵量を正確に所定量に維持すると共に、混合気を理論
空燃比に比較的速く収束させることができる内燃機関の
空燃比制御装置を提供することである。 【０００７】 【課題を解決するための手段】本発明による内燃機関の
空燃比制御装置は、気筒内の空気量を推定する筒内空気
量推定手段と、前記筒内空気量推定手段により推定され
る前記空気量を基に理論空燃比となるように目標燃料量
を決定する目標燃料量決定手段と、機関排気系における
三元触媒上流に設けられた空燃比センサの出力と前記筒
内空気量推定手段により推定される前記空気量とから前
記気筒内に実際に供給された燃料量を推定する燃料量推
定手段と、空燃比を理論空燃比とすると共に三元触媒に
貯蔵されている酸素量を所定量に維持するために、前記
燃料量推定手段により推定される前記燃料量と前記目標
燃料量との差及び前記差の時間積分値を同時にゼロに収
束させるように燃料噴射量を決定する燃料噴射量決定手
段、とを具備することを特徴とする。 【０００８】 【作用】前述の内燃機関の空燃比制御装置は、筒内空気
量推定手段が気筒内の空気量を推定し、目標燃料量決定
手段が筒内空気量推定手段により推定される空気量を基
に理論空燃比となるように目標燃料量を決定し、燃料量
推定手段が筒内空気量推定手段により推定される空気量
と機関排気系における三元触媒上流に設けられた空燃比
センサとの出力から気筒内に実際に供給された燃料量を
推定し、燃料噴射量決定手段が燃料量推定手段により推
定される燃料量と目標燃料量との偏差及びこの偏差の時
間積分値、すなわち三元触媒に貯蔵されている酸素の排
気ガス量を考慮した正確な変化量を、同時にゼロに収束
させるように燃料噴射量を決定する。 【０００９】 【実施例】図１は、本発明による空燃比制御装置が取り
付けられた内燃機関の概略断面図である。同図におい
て、１は機関本体、２は吸気通路、３は排気通路であ
る。吸気通路２の最上流にはエアクリーナ４が設置さ
れ、その下流には吸気量を測定するエアフローメータ５
が設けられている。吸気通路２のサージタンク２ａの上
流にはスロットル弁６が、また下流には各気筒毎に燃料
噴射弁７が配置されている。排気通路３には排気ガスを
浄化するための三元触媒８が設けられ、その上流には排
気ガス中の酸素濃度を検出するための出力リニア型酸素
センサ９が配置されている。さらに、点火時期制御装置
であるディストリビュータ１０には、クランク角センサ
１１が設置されている。 【００１０】前述のエアフローメータ５、酸素センサ
９、及びクランク角センサ１１は、制御装置２０に接続
され、この制御装置２０によって燃料噴射弁７の燃料噴
射量を制御する。図２は、本発明によるこの空燃比制御
を示すブロック図である。同図において、３０は前述の
内燃機関である。３１は、エアフローメータ５及びクラ
ンク角センサ１１から測定される吸気量ｍａ及び回転数
Ｎを基にマップ等を使用して気筒内の空気量ｍｃを推定
する気筒内空気量推定手段である。 【００１１】３２は、気筒内空気量推定手段３１により
推定される空気量ｍｃを、酸素センサ９の出力を基に計
算されるこの時の混合気空燃比αで割ることによって気
筒内に供給された燃料量ｆｃを推定する燃料量推定手段
である。また、３３は、気筒内空気量推定手段３１によ
り推定される空気量ｍｃを理論空燃比αｒで割ることに
よって気筒内に供給すべき目標燃料量ｆｃｒを計算する
目標燃料量設定手段である。 【００１２】前述の両燃料量ｆｃ及びｆｃｒは、減算器
３４に出力されて差ｆｃ−ｆｃｒが計算され、この差が
燃料噴射量設定手段３５と共に第１加算手段３６に出力
され、第１加算手段３６においてこの差の時間積分値ｘ
１が計算されて、燃料噴射量設定手段３５に出力され
る。燃料噴射量設定手段３５において、この差及びその
時間積分値ｘ１を同時に０とすべく燃料噴射量ｆｉが計
算される。 【００１３】前述の時間積分値ｘ１が０となる時、三元
触媒８に貯蔵されている酸素量は当初の量と等しくな
る。なぜなら、空燃比がリーンであり前述の差が負の値
である時、これに微小時間Δｔを掛けた値は、三元触媒
８に新たに貯蔵される酸素量を等価的に表すことがで
き、また、空燃比がリッチであり前述の差が正の値であ
る時、これに微小時間Δｔを掛けた値は、この時の排気
ガスを浄化するために三元触媒８から放出される酸素量
を等価的に表すことができるためである。 【００１４】それにより、燃料噴射量設定手段３５にお
いて、差ｆｃ−ｆｃｒ及びその時間積分値ｘ１を０とす
べく燃料噴射量ｆｉを計算すれば、機関過渡運転時に空
燃比が必然的にリッチ又はリーンとなっても、比較的短
時間で三元触媒８に貯蔵されている酸素を所定量にする
と同時に空燃比を理論空燃比にすることができる。 【００１５】燃料噴射量設定手段３５における燃料噴射
量ｆｉの設定を確実なものとするために、第２加算手段
３７により前述の時間積分値ｘ１のさらなる時間積分値
ｘ２が計算され燃料噴射量設定手段３５へ出力される。
また、噴射された燃料全てが気筒内に供給される場合に
おいては必要ないが、本実施例の内燃機関３０は、吸気
通路２に燃料を噴射するものであり、燃料噴射弁７から
噴射された燃料はその一部が吸気通路２壁面に付着する
ために、噴射した燃料量と気筒内に供給される燃料量と
は必ずしも同量でなく、前者を基に後者を予測すること
が必要であり、そのための手段として基本燃料量推定手
段３８が設けられ、目標燃料量ｆｃｒを基に基本燃料噴
射量ｆｉｍが計算され燃料噴射量設定手段３５へ出力さ
れる。燃料噴射量ｆｉ設定までの具体的な計算方法を以
下に説明する。 【００１６】この空燃比制御には、式（１）及び（２）
に示す燃料挙動モデルを利用する。 【数１】 これらの式において、ｆｉ（ｋ）は今回の燃料噴射量で
あり、Ｒは噴射された燃料のうち吸気通路壁面等に付着
して気筒内へ供給されない割合であり、またｆｗ（ｋ）
は今回吸気通路壁面等に付着している燃料量であり、Ｐ
は吸気通路壁面等に付着している燃料のうち依然として
気筒内へ供給されない割合である。従って、ｆｗ（ｋ＋
１）は次回吸気通路壁面等に付着している燃料量を表
し、またｆｃ（ｋ）は今回気筒内へ供給される燃料量を
表している。Ｐ及びＲは実験から求めることができ、こ
こでは定数とされている。 【００１７】式（３）によって表現される気筒内へ供給
される燃料量ｆｃと気筒内へ供給すべき目標燃料量ｆｃ
ｒの差の一階積分値ｘ１は、式（４）のように表すこと
ができる。 【数２】 【００１８】式（４）に式（２）を代入することにより
式（５）が得られる。 【数３】 【００１９】次に、燃料噴射量ｆｉ（ｋ）、吸気通路壁
面等に付着する燃料量ｆｗ（ｋ）、及び気筒内へ供給さ
れる燃料量ｆｃ（ｋ）をそれぞれ式（６）、（７）、
（８）で示すようにノミナル値ｆｉｍ（ｋ），ｆｗｍ
（ｋ），ｆｃｍ（ｋ）と偏差δｆｉ（ｋ），δｆｗ
（ｋ），δｆｃ（ｋ）との和として表す。但し、各ノミ
ナル値は式（９）、（１０）、（１１）が成り立つよう
に設定される。 【数４】【００２０】これらを式（４）、（１）、（２）に代入
することにより、式（１２）、（１３）、（１４）を得
ることができる。式（１２）及び（１３）を行列形式で
表すと式（１５）のようになり、また、ｘ１（ｋ）＝ｘ
１（ｋ）及び式（１４）を行列形式で表すと式（１６）
のようになる。以下現代制御理論を適用すると、式（１
５）はＸ（ｋ＋１）＝ＡＸ（ｋ）＋ＢＵ（ｋ）で表され
る状態方程式となり、式（１６）はＹ（ｋ）＝ＣＸ
（ｋ）＋ＤＵ（ｋ）で表される出力方程式となる。（参
照、入門現代制御理論、白石昌武著、啓学出版） 【数５】 【００２１】前述の二式に対する評価関数Ｊは式（１
７）によって表される。この式において、Ｑ及びＲは重
み行列で、Ｑ＞＝０及びＲ＞０なる対称行列である。こ
れを最小化することで消費エネルギを小さくし、かつ過
渡特性をよくする最適制御が実現される。このための最
適フィードバック制御入力Ｕ0 は−Ｒ-1ＢT ＰＸとな
り、この式においてＰはＡT Ｐ＋ＰＡ＋Ｑ−ＰＢＲ-1Ｂ
T Ｐ＝０で表されるリカッチ型行列方程式の唯一な正定
値の解として与えられる。従って、式（１５）、（１
６）に対する評価関数Ｊは式（１８）によって表すこと
ができ、最適フィードバック制御入力δｆｉ（ｋ）はｆ
１及びｆ２を定数として式（１９）によって表すことが
できる。式（１９）に従って制御を実行すれば、この制
御目的は達成されるが、吸気通路壁面等に付着する燃料
量ｆｗ（ｋ）の偏差δｆｗ（ｋ）は、計測不可能である
ために、観測器を使用して推定する必要がある。 【数６】【００２２】式（１５）、（１６）に対する観測器とし
て、式（２０）は良く知られている。ここでａ，ｂ，ｊ
は定数である。式（１９）と式（２０）を使用してδｆ
ｗを消去すると、式（２１）が得られる。 【数７】 【００２３】式（２１）で制御すればｘ１及びδｆｃが
最適に０に収束するはずである。しかし、式（１０）が
実際と一致しない場合があり、これを防止するためにス
ミスデビットソンの方法による式（２２）で表される拡
大系によってサーボ系を設計する。ここでΔｘ１（ｋ）
＝ｘ１（ｋ）−ｘ１（ｋ−１）である。 【数８】 【００２４】前述と同等に評価関数を求め、それを最小
とするΔδｆｉ（ｋ）はｆ１’，ｆ２’，ｆ３’，ｆ
４’を定数として式（２３）のように表される。式（２
３）から式（２４）が得られ、前述と同様に観測器を使
用してδｆｗを消去すると、式（２５）が得られる。式
（２５）をｆ１からｆ７の新たな定数を使用し、ｘ１の
積分値をｘ２として表現すれば式（２６）が得られる。
この式（２６）によってδｆｉ（ｋ）を決定すること
で、ｘ１及びδｆｃを最適に０に収束させることができ
る。 【数９】【００２５】この計算方法による具体的な制御フローチ
ャートを図３に示す。本フローチャートにおいて、ダッ
シュは前回の値を示し、ツーダッシュは前々回の値を示
している。本フローチャートはスタータのＯＮ信号と共
に実行され、所定時間毎に繰り返される。また機関停止
と共に、δｆｃ’、ｆｗｍ、δｆｉ’、ｘ１、ｘ１’、
ｘ１”、ｘ２、ｘ２’、ｘ２”は０にリセットされる。 【００２６】まずステップ１０１において、気筒内空気
量推定手段３１が気筒内へ供給された空気量ｍｃを推定
する。次にステップ１０２において、この空気量ｍｃを
基に燃料量推定手段３２が気筒内へ供給された燃料量ｆ
ｃを推定し、ステップ１０３において、目標燃料量設定
手段３３が同様に気筒内へ供給すべき目標燃料量ｆｃｒ
を計算する。ステップ１０４において、減算器３４が燃
料量ｆｃと目標燃料量ｆｃｒとの差δｆｃを算出する。
次にステップ１０５において、基本燃料噴射量推定手段
３８が基本燃料噴射量ｆｉｍを算出する。この値は燃料
噴射量ｆｉの前述のノミナル値であり、前述の式
（９）、（１０）をここで図示したように変形し、目標
燃料量ｆｃｒ及び当初０にリセットされている吸気通路
壁面等に付着している燃料量のノミナル値ｆｗｍを基に
算出される。 【００２７】次にステップ１０６において、第１加算手
段３６がステップ１０４において計算された差δｆｃの
一階積分値ｘ１を計算する。またステップ１０７におい
て、第２加算手段３７が差δｆｃの二階積分値ｘ２を計
算する。 【００２８】以下の処理は燃料噴射量設定手段が担当す
る。ステップ１０８において、基本燃料噴射量ｆｉｍに
対する補正量δｆｉが前述の式（２６）を使用して算出
され、ステップ１０９において、燃料噴射量ｆｉがステ
ップ１０５において計算された基本燃料噴射量ｆｉｍに
この補正量δｆｉを加えることによって求められ、燃料
噴射が実行される。ステップ１０８における計算におい
て、δｆｃ’、δｆｉ’、ｘ１’、ｘ１”、ｘ２’、ｘ
２”は当初０にリセットされているがステップ１１０以
下の処理で更新される。 【００２９】ステップ１１０において、吸気通路壁面等
に付着している燃料量のノミナル値ｆｗｍが、その今回
の値及びステップ１０５において計算されたｆｉｍを基
に更新され、ステップ１１１において、前回の差δｆ
ｃ’には今回の差δｆｃが代入されて更新され、ステッ
プ１１２において、前回の補正量δｆｉ’には今回の値
δｆｉが代入されて更新され、ステップ１１３におい
て、前回の一階積分値ｘ１’には今回の値δｘ１が代入
されて更新され、ステップ１１４において、前々回の一
階積分値ｘ１”には前回の値ｘ１’が代入されて更新さ
れ、ステップ１１５において、前回の二階積分値ｘ２’
には今回の値ｘ２が代入されて更新され、ステップ１１
６において、前々回の二階積分値ｘ２”には前回の値ｘ
２’が代入されて更新され、処理を終了する。 【００３０】本フローチャートにおいて、噴射された燃
料のうち吸気通路壁面等に付着して気筒内へ供給されな
い割合Ｒ及び吸気通路壁面等に付着している燃料のうち
依然として気筒内へ供給されない割合Ｐは、計算を簡単
化するために定数としたが、厳密には機関状態に応じて
変化する変数である。従って、機関状態からマップ等を
利用してフローチャート実行毎に変えることで、この空
燃比制御をさらに良好なものとすることができる。 【００３１】 【発明の効果】このように、本発明による内燃機関の空
燃比制御装置によれば、気筒内へ供給された燃料量と気
筒内へ供給すべき燃料量との差、及びその積分値を同時
に０にするように燃料噴射量を制御することで、機関過
渡運転状態によって空燃比が必然的にリッチ又はリーン
となっても、空燃比を理論空燃比に、また三元触媒に貯
蔵されている酸素量は当初の所定量に比較的短時間で収
束させることができ、三元触媒がＯ2 ストレージ効果を
利用して十分に機能すると共に、理論空燃比での良好な
機関運転が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による空燃比制御装置が取り付けられた
内燃機関の概略断面図である。 【図２】本発明による内燃機関の空燃比制御装置の構成
を示すブロック図である。 【図３】空燃比制御のためのフローチャートである。 【符号の説明】 １…機関本体 ２…吸気通路 ３…排気通路 ５…エアフローメータ ７…燃料噴射弁 ８…三元触媒 ９…出力リニア型酸素センサ
内燃機関の概略断面図である。 【図２】本発明による内燃機関の空燃比制御装置の構成
を示すブロック図である。 【図３】空燃比制御のためのフローチャートである。 【符号の説明】 １…機関本体 ２…吸気通路 ３…排気通路 ５…エアフローメータ ７…燃料噴射弁 ８…三元触媒 ９…出力リニア型酸素センサ
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 気筒内の空気量を推定する筒内空気量推
定手段と、前記筒内空気量推定手段により推定される前
記空気量を基に理論空燃比となるように目標燃料量を決
定する目標燃料量決定手段と、機関排気系における三元
触媒上流に設けられた空燃比センサの出力と前記筒内空
気量推定手段により推定される前記空気量とから前記気
筒内に実際に供給された燃料量を推定する燃料量推定手
段と、空燃比を理論空燃比とすると共に三元触媒に貯蔵
されている酸素量を所定量に維持するために、前記燃料
量推定手段により推定される前記燃料量と前記目標燃料
量との差及び前記差の時間積分値を同時にゼロに収束さ
せるように燃料噴射量を決定する燃料噴射量決定手段、
とを具備することを特徴とする内燃機関の空燃比制御装
置。
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| JP06839193A JP3490475B2 (ja) | 1993-03-26 | 1993-03-26 | 内燃機関の空燃比制御装置 |
| US08/217,109 US5485826A (en) | 1993-03-26 | 1994-03-24 | Air-fuel ratio control device for internal combustion engine |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP06839193A JP3490475B2 (ja) | 1993-03-26 | 1993-03-26 | 内燃機関の空燃比制御装置 |
Publications (2)
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Family
ID=13372370
Family Applications (1)
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Country Status (2)
| Country | Link |
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- 1994-03-24 US US08/217,109 patent/US5485826A/en not_active Expired - Lifetime
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