JP2548273B2 - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、自動車等内の内燃機関の燃料噴射制御装置
に係り、詳しくはエンジンの運転状態に応じて基本噴射
量を補正することによって最適な燃料噴射量を決定する
装置に関する。

（従来の技術） 一般に、機関の加減速時における空燃比の目標空燃比
からのずれは、ほとんどが吸気系の吸気マニホールドや
吸気ポートに付着した付着燃料および浮遊燃料の量的変
化に起因するものであり、この付着、浮遊燃料量は機関
の運転状態に応じて大きく変化する。また、付着、浮遊
燃料量は運転状態の変化に対してステップ的に変化する
のではなく、ある遅れをもって変化し、この遅れの時定
数も一定ではない。さらに、付着、浮遊燃料量の変化
は、運転状態の変化だけでなく、その時点における量と
平衡状態（定常状態）における量との差の大きさによっ
て異なる。すなわち、吸気管の燃料系の動特性は、吸気
管に噴射された燃料の一部が吸気管壁面に付着するか、
あるいは付着した燃料が蒸発し噴射された燃料と共にシ
リンダ内に吸入されることから、噴射した燃料の全部が
シリンダに吸入されず、理論空燃比を保持できないこと
がある。

従来のこの種の内燃機関の燃料噴射制御装置として
は、例えば特開昭60−166731号公報に記載の装置があ
る。この装置では、エンジン回転数によって変化するO₂
センサのむだ時間変化を考慮し、付着した燃料量を推
定、予測し、それを基に燃料噴射量を制御することによ
り、空燃比を理論空燃比付近に保持して、有害排気ガス
の低減を図ろうとしている。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、このような従来の内燃機関の燃料噴射
制御装置にあっては、次のような問題点があった。

すなわち、壁面付着量が多く、かつその蒸発率が高い
ような機関ではO₂センサのフィードバックにより燃料噴
射量がハンチングしてしまうという不具合が発生するこ
とがあり、このような場合には正常な補正が行えないの
で補正を行わない場合よりも混合比が悪化してしまうこ
とがある。

（発明の目的） そこで本発明は、排出ガスの空燃比を検出し、該空燃
比によりエンジンのシリンダ内に流入した燃料量を演算
するとともに、該燃料量が運転状態に応じて設定された
目標燃料量に一致するように燃料噴射量を決定すること
により、壁面付着燃料量による燃料伝達系の遅れを除去
して、シリンダ内の空燃比を適切なものとし、排気エミ
ッション特性や運転性、燃費を向上させることを目的と
している。

（課題を解決するための手段） 本発明による内燃機関の燃料噴射制御装置は上記目的
達成のためその基本概念図を第１図に示すように、エン
ジンの運転状態を検出する運転状態検出手段ａと、排出
ガスの空燃比を検出する空燃比検出手段ｂと、エンジン
のシリンダ内に流入する空気量を検出する空気量検出手
段ｃと、エンジンの運転状態に基づいて目標空燃比を演
算し、該目標空燃比となるための目標燃料量を設定する
目標燃料量設定手段ｄと、空燃比検出手段の出力および
空気量検出手段の出力に基づいて前回エンジンのシリン
ダ内に流入した燃料量を演算するとともに、該燃料量と
前回の燃料噴射量とに基づき今回の壁面付着燃料量を推
定する付着燃料量推定手段ｅと、前記壁面付着燃料量と
今回の燃料噴射量とから今回エンジンのシリンダに流入
する燃料量を予測して予測値を演算し、該予測値と前記
目標燃料量とに基づいて今回の燃料噴射量を演算する燃
料噴射量演算手段ｆと、燃料噴射量演算手段の出力に基
づいてエンジンに燃料を供給する燃料供給手段ｇと、を
備えている。

（作用） 本発明では、排出ガスの空燃比が検出され、該空燃比
によりエンジンのシリンダ内に流入した燃料量が演算さ
れる。そして、該燃料量が運転状態に応じて設定された
目標燃料量に一致するように燃料噴射量が決定される。
したがって、壁面付着燃料量による燃料伝達系の遅れが
除去され、シリンダ内の空燃比を適切なものとなり、排
気エミッション特性や運転性、燃費が向上する。

（実施例） 以下、本発明を図面に基づいて説明する。

第２〜７図は本発明の一実施例を示す図であり、本発
明を４気筒エンジンに適用した例である。

まず、構成を説明する。１は４気筒エンジン（エンジ
ン）であり、吸入空気は吸気管２を通しインテークマニ
ホールド３の各ブランチにより各気筒に供給され、燃料
は噴射信号Siに基づき各気筒に設けられたインジェクタ
（燃料供給手段）4a〜4dにより噴射される。

各気筒には点火プラグ5a〜5dが装着されており、点火
プラグ５にはイグナイダ６からの高圧パルスPiがディス
トリビュータ７を介して供給される。点火プラグ5a〜5d
およびディストリビュータ７は混合気に点火する点火手
段を構成しており、点火手段８は点火信号Spに基づいて
高圧パルスPiを発生して放電させる。そして、気筒内の
混合気は高圧パルスPiの放電によって着火、爆発し、排
気となって排気管９を通して図示しないコンバータで排
気中の有害成分（CO,HC,NOx）を三元触媒により清浄化
して排出される。

吸気管２内の圧力PMは吸気管圧力センサ10により検出
され、吸入空気の流量はスロットル弁11によって制御さ
れる。スロットル弁11の開度THはスロットル開度センサ
12により検出され、４気筒エンジン１のクランク角はデ
ィストリビュータ７に内蔵されたクランク角センサ13に
より検出される。クランク角センサ13は爆発間隔（４気
筒エンジンでは180゜、６気筒エンジンでは120゜）毎に
各気筒の圧縮圧上死点（TDC）前の所定位置、例えばBTD
C70゜で〔Ｈ〕レベルのパルスとのなる基準信号Caを出
力するとともに、クランク角の単位角度（例えば、２
゜）毎に〔Ｈ〕レベルのパルスとなる単位信号C₁を出力
する。なお、信号C₁のパルスを計数することにより、エ
ンジン回転数Ｎを知ることができる。ウォータジャケッ
トを流れる冷却水の温度TWは水温センサ14により検出さ
れ、吸入空気の温度TAは吸気温センサ15により検出され
る。また、排気中の酸素濃度O₂は酸素センサ（空燃比検
出手段）16により検出され、車両の速度VSPは車速セン
サ17により検出される。さらに、エアコンのON/OFFはエ
アコンスイッチ18により検出され、スタータモータの作
動状態はスタータスイッチ19により検出される。また、
後述するコントロールユニット30には図示しないキース
イッチを介してバッテリ20から、所定の電圧が供給され
ると共に、インジェクタへの供給電圧VBが入力されてい
る。上記吸気管圧力センサ10、スロットル開度センサ1
2、クランク角センサ13および吸気温センサ15は運転状
態検出手段21を構成しており、運転状態検出手段21、水
温センサ14、酸素センサ16、車速センサ17、エアコンス
イッチ18およびスタートスイッチ19からの出力はコント
ロールユニット30に入力される。コントロールユニット
30は空気量検出手段、目標燃料量設定手段、付着燃料量
推定手段および燃料噴射量演算手段としての機能を有
し、CPU31、ROM32、RAM32、バックアップRAM34、A/D変
換器35およびI/Oポート36により構成され、これらはコ
モンバス37により互いに接続される。A/D変換器35はア
ナログ信号として入力されるPM等をディジタル信号に変
換し、CPU31の指示に従って所定の時期にCPU31あるいは
RAM33、バックアップRAM34に出力する。CPU31はROM32に
書き込まれているプログラムに従って必要とする外部デ
ータを取り込んだり、またRAM33やバックアップRAM34と
の間でデータの授受を行ったりしながら燃料噴射制御に
必要な処理値を演算処理し、必要に応じて処理したデー
タをI/Oポート36へ出力する。I/Oポート36には各種セン
サからの信号が入力されるとともに、I/Oポート36から
は噴射信号Siや点火信号Spが出力される。ROM32はCPU31
における演算プログラムや演算に必要なデータを格納し
ており、RAM33は演算に使用するデータをマップ等の形
で一時的に記憶している。また、バックアップRAM34
は、例えば不揮発性メモリからなり、４気筒エンジン１
停止後もその記録内容を保持する。

次に、コントロールユニット30により実行されるプロ
グラムの内容に基づいて作用を説明する。第３図はプロ
グラムの内容を説明するためのブロック図、第４図は各
変数値の時間的位置関係を時刻ｋ−２、ｋ−１およびｋ
における爆発、排気、吸気、圧縮の１サイクル毎に示す
図であり、以下第５〜７図に示すプログラムでは時刻ｋ
での１つの気筒に対する燃料噴射量QF（ｋ）の決定方法
について述べる。

第５図はシリンダに流入する空気量QACを演算するプ
ログラムを示すフローチャートであり、本プログラムは
吸入空気量の挙動を表すのに十分な速さの所定時間毎に
割り込み処理される。まず、P₁でスロットル開度信号T
H、吸気管圧力PMおよび吸気温度TAをA/D変換器35により
読み込み、P₂でシリンダ流入する空気量QACの予測値を
演算して処理を終える。ここで、シリンダに流入する空
気量QACの算出方法については、例えば特開昭62−20624
1号公報に記載のものがあり、ここでは詳しい説明は省
略する。

第６図は排気管内の空燃比を検出するプログラムを示
すフローチャートであり、本プログラムは所定のタイミ
ング毎に一度割り込み処理される。まず、P₁₀で当該気
筒の排気管内の混合比MRE（ｋ）を読込む。読込みタイ
ミングは第４図に示すように当該気筒の前回の（直前
の）爆発による排気の混合比を検出する時期であり、検
出タイミングは排気バルブ開の時点から回転速度、吸入
空気量、排気バルブから混合比検出点までの排気ガス伝
達経路長に応じた遅れを考慮に入れた時期である。

第７図は燃料噴射パルス幅Tiを演算するプログラムを
示すフローチャートであり、本プログラムはエンジン回
転に同期して所定周期毎（例えば、180゜CA毎）に一度
実行される。まず、P₁₁で第５図に示すプログラムで演
算した当該シリンダに流入した空気量QAC（ｋ−１）、
当該シリンダに流入する空気量QAC（ｋ）および第６図
に示すプログラムで演算した当該気筒の排気管内の混合
比MRE（ｋ）を読み出し、P₁₂でエンジンの運転状態に応
じた目標嵌合比MRR（ｋ）を読み出す。なお、目標混合
比MRR（ｋ）は機関の運転状態に応じて決定されるもの
であり、定常運転状態と過渡運転状態とでそれぞれ異な
る値を有する場合であってもよいことは言うまでもな
い。また、空気量QAC（ｋ）は当該気筒の未来値である
ために前述の予測を用いたが、特開昭62−20246号公報
等に記載の方法で求めるようにしてもよい。次いで、P
₁₃で空気量QAC（ｋ）および目標混合比MRR（ｋ）に基づ
き次式に従って目標燃料量QFR（ｋ）を演算する。

QFR（ｋ）＝QAC（ｋ）÷MRR（ｋ） …… 次いで、P₁₄でシリンダに流入した空気量QAC（ｋ−
１）および混合比MRE（ｋ）に基づき次式に従ってシ
リンダ内に流入した燃料量QFC（ｋ−１）を演算し、こ
のQFC（ｋ−１）と前回の燃料噴射量QF（ｋ−１）から
現時刻ｋでのインテークマニホールド内壁に付着する壁
面付着燃料量ｘ（ｋ）を推定する（推定方法は後述す
る）。

QFC（ｋ−１）＝QAC（ｋ−１） ÷MRE（ｋ） …… ここに、MRE（ｋ）は前述のように前回の爆発による
シリンダ内混合比を排気混合比として検出したものであ
る。また、QAC（ｋ−１）としては前述のQAC（ｋ）の前
回の値、あるいは、前回の吸気行程での実測値であって
もよい。次いで、P₁₅で前記推定量ｘ（ｋ）と今回の燃
料噴射量QF（ｋ）とに基づき今回のシリンダ内へ流入す
る燃料量の予測値QFC（ｋ）を推定し（推定方法は後述
する）、今回の目標燃料量QFR（ｋ）に前記燃料量QFC
（ｋ）が一致するように今回の燃料噴射量QF（ｋ）を算
出する。P₁₆では機関の構造、インジェクタ4a〜4dの形
状、インジェクタ4a〜4dに加わる燃料の圧力等によって
定まるインジェクタの流量特性を用いて、燃料噴射量が
QF（ｋ）になるように次式、に従って今回の噴射パ
ルス幅Ti（ｋ）を算出し、このTiをI/Oポート36の出力
レジスタにストアして、所定のクランク角度でこのTiに
対応する燃料噴射パルス幅を有する噴射信号Siをインジ
ェクタ4a〜4dに出力し、今回の処理を終了する。

Ti（ｋ）＝TE（ｋ）＋TS（ｋ） …… TE（ｋ）＝l₁×QF（ｋ）＋l₂ …… TS（ｋ）＝l₃×VB＋l₄ 但し、l₁〜l₄:定数 VB:バッテリ電圧 第４図は、前述したように、各変数値の発生、計測で
きる時刻を示したタイミングチャートであり、矢印は、
各変数値の生成の流れ又は、関係を示している。

すなわち、今回の燃料噴射量QF（ｋ）は、１サイクル
前シリンダに流入したQAC（ｋ−１）、前述のとおり予
測して得られたQAC（ｋ）、混合比MRE（ｋ）に基づいて
算出される。そして、今回の燃料噴射量QF（ｋ）と推定
された壁面付着量ｘ（ｋ）とに基づいて、今回シリンダ
内へ流入する燃料量QFC（ｋ）が得られる様子がわか
る。

次に、前述のｘ（ｋ）、QFC（ｋ）の推定方法につい
て説明する。

いま、ある運転動作点（初期状態）からの変化量をΔ
を付けて表現するものとすると、インジェクタからの排
気混合比までの燃料の伝達特性は壁面付着による燃料の
シリンダ内への流入遅れと排気混合比検出による遅れが
合わさった形で表現され、プラント（モデル対象システ
ム）は、例えば次式あるいは次式のように示され
る。

ここで、ΔQFC（ｋ−１）、ΔQF（ｋ−１）を用いる
ことにより、次式に従ってΔｘ（ｋ）の推定値Δｖ
（ｋ）を求めることができる。

Δｗ（ｋ＋１）＝（１−β−βｌ）×Δｗ（ｋ） ＋〔（１−β）ｌ−βl²〕×ΔQFC（ｋ−１） ＋〔（１−α−αｌ）×ΔQF（ｋ） Δｖ（ｋ）＝Δｗ（ｋ）＋ｌ×ΔQFC（ｋ−１） …… 但し、Δｗ（ｋ）：補助変数 l:定数（|1−β−βl|＜１） 前記式に従ってΔｘ（ｋ）の推定値Δｖ（ｋ）が求
められるのは、次の通りである。すなわち、Δｘ（ｋ）
の推定値をΔｖ（ｋ）とおくと、オブザーバ（状態観測
器）における関係式は次式およびのように示され
る。

但し、 はΔQFCの推定値を示すものであり、前記式および
から を消去すると、次式のように示される。

Δｖ（ｋ＋１）＝〔（１−β）−βｌ〕×Δｖ（ｋ） ＋（１−α−αｌ）×ΔQF（ｋ）＋ｌ×ΔQFC（ｋ） …… 一方、ΔQFC（ｋ）はΔQF（ｋ）の結果の値である未
来値であり、計測できるのは、ΔQFC（ｋ−１）である
から、前記式をΔQFC（ｋ−１）を用いる式に以下整
理していく。まず前記式は次式のように示される。

Δｖ（ｋ＋１）−ｌ×ΔQFC（ｋ） ＝（１−β−βｌ）×Δｖ（ｋ） ＋（１−α−αｌ）×ΔQF（ｋ） …… ここでΔｗ（ｋ＋１）＝Δｖ（ｋ＋１）−ｌ×ΔQFC
（ｋ）とおく前記式は次式のように示される。

Δｗ（ｋ）＝Δｖ（ｋ）−ｌ×ΔQFC（ｋ−１） Δｖ（ｋ）＝Δｗ（ｋ）＋ｌ×ΔQFC（ｋ−１） …… 従って前記式に前記式を代入すると、次式のよ
うに示される。

Δｗ（ｋ＋１）＝（１−β−βｌ）×（Δｗ（ｋ） ＋ｌ×ΔQFC（ｋ−１）） ＋（１−α−αｌ）×ΔQF（ｋ） ＝（１−β−βｌ）×Δｗ（ｋ） ＋（１−β−βｌ）×ｌ×ΔQFC（ｋ−１） ＋（１−α−αｌ）×ΔQF（ｋ） …… つまり、前記式が求められたわけである。

ここでΔｅ（ｋ）＝Δｖ（ｋ）−Δｘ（ｋ）とする
と、Δｅが０に収束するならば、ΔｖをΔｘの推定値と
みなせる。以下に説明すると、Δｖ（ｋ）は前記式お
よび前記式から次式のように示される。

Δｖ（ｋ＋１）＝（１−β）×Δｖ（ｋ） ＋（１−α）×ΔQF（ｋ） ＋１×β×Δｘ（ｋ）＋α×ｌ×ΔQF（ｋ） −ｌ×β×Δｖ（ｋ）−ｌ×α×ΔQF（ｋ） Δｖ（ｋ＋１）＝（１−β−ｌ×β）×Δｖ（ｋ） ＋（１−α）×ΔQF（ｋ） ＋ｌ×β×Δｘ（ｋ） …… 前記式から前記式を減算すると次式のように示
される。

Δｖ（ｋ＋１）−Δｘ（ｋ＋１） ＝（１−β−ｌ×β）×Δｖ（ｋ） ＋ｌ×β×Δｘ（ｋ）−（１−β）×Δｘ（ｋ） ＝（１−β−ｌ×β）×（Δｖ（ｋ）−Δｘ（ｋ）） …… よって、次式が得られる。

Δｅ（ｋ＋１）＝（１−β−ｌ×β）×Δｅ（ｋ） …… 従って前記（１−β−ｌ×β）の固有値が１未満であ
るならば、ｋ→∞で前記Δｅは０に収束することから、
ΔｖをΔｘの推定値とできるのである。

さて、最も簡単な場合として第式において１−β＝
βｌとなるようにすれば第式は となり、 と表現することができる。

また、ΔQFC（ｋ）は ΔQFC（ｋ）＝β×Δｖ（ｋ） ＋α×ΔQF（ｋ） …… となる。一方、今回の噴射量QF（ｋ）はその変動量ΔQF
（ｋ）として次式により決定される。

ここで、上記Δｙ（ｋ）は補助変数で、偏差（ΔQFR
（ｋ）−ΔQFC（ｋ））の積分量に相当するものであ
り、F,K,Nは以下の条件を満たす定数である。

条件 閉ループ系（制御したとき）が安定である。

条件 一定目標値にｋ→∞で収束し、ΔQFCがΔQFRと
一致する。

これを満足するものとして、例えば、閉ループ系の固
有値をゼロにすれば、次式を得、 ΔQFの単位入力に対する補助変数Δｙの最終値をΔｙ
^＊とすれば次式を得る。

特に、Δｙ^＊＝０とすれば、次式を得る。

ここで、QF（ｋ）＝QF0＋ΔQF（ｋ） ΔQFR（ｋ）＝QFR（ｋ）−QFR0 であることは前述の通りである（QF0,QFR0は該初期値を
示す）。

このように、本実施例では排気管内の混合比を検出
し、シリンダ内に流入する燃料量を算出することで、運
転状態に応じた目標燃料量にシリンダ内に流入する燃料
量が一致するように燃料噴射量が決定される。したがっ
て、壁面付着量による燃料伝達系の遅れが除去されるた
め、シリンダ内の混合比を適切なものにすることがで
き、良好な運転性を得られると共に燃費および排気エミ
ッション特性を向上させることができる。また、機関の
運転点により、前述の伝達特性パラメータのα、βは異
なるため、運転状態に応じてα、βを読み出し前述の補
正計算を行うようにすれば、全運転域を補正することが
でき、従来例ではできないような場合にも有効である。

なお、本実施例では吸入空気を得るのに吸気管内圧力
PMを用いているが、エアフローメータなど吸気管の空気
流量を計測する態様でもよいことは言うまでもない。

（効果） 本発明によれば、排出ガスの空燃比を検出し、該空燃
比によりエンジンのシリンダ内に流入した燃料量を演算
するととともに、該燃料量が運転状態に応じて設定され
た目標燃料量に一致するように燃料噴射量を決定するよ
うにしているので、壁面付着燃料量による燃料伝達系の
遅れを除去して、シリンダ内の空燃比を適切なものとす
ることができ、排気エミッション特性や運転性、燃費を
向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本概念図、第２〜７図は本発明の一
実施例を示す図であり、第２図はその全体構成図、第３
図はそのブロック図、第４図はその各変数値の時間的位
置関係を時刻ｋにおける爆発、排気、吸気、圧縮の１サ
イクル毎に示す図、第５図はそのシリンダに流入する空
気量を演算するプログラムを示すフローチャート、第６
図はその排気管内の空燃比を検出するプログラムを示す
フローチャート、第７図はその燃料噴射パルス幅を演算
するプログラムを示すフローチャートである。 １……４気筒エンジン（エンジン）、 4a〜4d……インジェクタ（燃料供給手段）、 16……酸素センサ（空燃比検出手段）、 21……運転状態検出手段、 30……コントロールユニット（空気量検出手段、目標燃
料量設定手段、付着燃料量推定手段、燃料噴射量演算手
段）。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−206241（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−166731（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−182552（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−61940（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−8238（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−162029（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ａ）エンジンの運転状態を検出する運転状
   態検出手段と、 ｂ）排出ガスの空燃比を検出する空燃比検出手段と、 ｃ）エンジンのシリンダ内に流入する空気量を検出する
   空気量検出手段と、 ｄ）エンジンの運転状態に基づいて目標空燃比を演算
   し、該目標空燃比となるための目標燃料量を設定する目
   標燃料量設定手段と、 ｅ）空燃比検出手段の出力および空気量検出手段の出力
   に基づいて前回エンジンのシリンダ内に流入した燃料量
   を演算するとともに、該燃料量と前回の燃料噴射量とに
   基づき今回の壁面付着燃料量を推定する付着燃料量推定
   手段と、 ｆ）前記壁面付着燃料量と今回の燃料噴射量とから今回
   エンジンのシリンダに流入する燃料量を予測して予測値
   を演算し、該予測値と前記目標燃料量とに基づいて今回
   の燃料噴射量を演算する燃料噴射量演算手段と、 ｇ）燃料噴射量演算手段の出力に基づいてエンジンに燃
   料を供給する燃料供給手段と、 を備えたことを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装
   置。