JP2712821B2 - 内燃機関の燃料噴射量制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は内燃機関の燃料噴射量の制御装置に係り、さ
らに詳しくは内燃機関の吸気管に取り付けられたインジ
ェクタ近傍の燃料の動的挙動を表す燃料挙動モデルに基
づいて燃料噴射量を決定する制御装置に関する。

［従来の技術］ 内燃機関のインジェクタから噴射されるべき燃料量を
制御する方法として、本出願人は内燃機関の吸気管に設
置されたインジェクタ近傍の燃料の動特性を表す精密な
シミュレーションモデルを使用した噴射燃料制御装置を
提案している（特開平２−193806）。

この方式においては、インジェクタ近傍の仮想的な閉
空間（コントロールボリューム）内の吸気管内壁面に付
着している燃料量fwを状態変数とするシミュレーション
モデルに基づきインジェクタからの燃料噴射量を決定す
るとともに、排気ガスの空燃比から測定された筒内に実
際に流入した燃料量とシミュレーションモデルにより演
算された筒内流入燃料量との偏差から前記シミュレーシ
ョンモデルのパラメータを同定しているため、高い精度
で所定の空燃比を維持することが可能となる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、実際には排気ガスの空燃比を検出する
空燃比センサは固有の検出時定数を有するだけでなく排
気弁から空燃比センサ取り付け位置までの排気ガスの流
動遅れが存在するため、または空燃比センサもしくはア
クチュエータに特性の変化があると定常偏差が生じるた
め、燃料のシミュレーションモデルのパラメータを正確
に同定することができなくなる。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであって、シ
ミュレーションモデルのパラメータを同定する際に空燃
比センサの検出遅れおよび排気ガスの流動遅れを補償す
るためのデータ処理部、および／または空燃比センサあ
るいはアクチュエータの特性の変動を検出するためのデ
ータ処理部を含む燃料噴射量制御装置を提供することを
目的とする。

［課題を解決するための手段］ このような内燃機関の燃料噴射量制御装置の基本構成
は第１図に示されるが、以下のように構成される。

即ち内燃機関の排気管に設置され排気ガスの空燃比を
検出する空燃比センサ100と、空燃比以外の内燃機関の
運転状態量を検出する運転状態検出手段101と、運転状
態検出手段101で検出された運転状態量から各気筒に吸
入される吸気量を演算する吸入空気量演算手段102と、
吸入空気量演算手段102との演算結果に基づいて各気筒
のインジェクタ近傍における燃料の動的挙動を表すシミ
ュレーションモデルを使用して噴射するべき燃料量を決
定する燃料噴射量演算手段103と、燃料噴射量演算手段1
03により決定された燃料噴射量と空燃比センサ100の出
力との関係を排気ガスの流動遅れ分補正する流動遅れ補
正手段104と、燃料噴射量演算手段103により決定された
燃料噴射量と空燃比センサ100の出力との関係を空燃比
センサ自体の検出遅れ分補正するセンサ検出遅れ補正手
段105と、流動遅れ補正手段（104）とセンサ検出遅れ補
正手段（106）により補正された燃料噴射量演算手段103
により決定された燃料噴射量と空燃比センサ100の出力
との関係に基づいて燃料噴射量演算手段103内のシミュ
レーションモデルのパラメータを推定するパラメータ推
定手段106と、から構成される。

第２の発明においては、センサ検出遅れ補正手段105
の代わりにセンサおよび／あるいはアクチュエータの定
常偏差を除去する定常偏差除去手段107を設ける。

［作用］ このように構成された内燃機関の燃料噴射量制御装置
においては、空燃比センサの排気ガスの流動遅れに起因
するおよび空燃比センサの検出遅れとセンサおよび／ま
たはアクチュエータの特性変化に起因する定常偏差を補
償することによって、燃料の動特性モデルのパラメータ
を正確に推定可能となる。

［実施例］ （１）実施例の構成 第２図は本発明に係る内燃機関の燃料噴射量制御装置
の１つの実施例を示す図である。第２図において内燃機
関１の吸気通路２にはエアフローメータ３が設置されて
いる。エアフローメータ３は内燃機関が吸入する空気量
を計測するための機器であって吸入空気の体積流量に比
例した電気信号を出力する。

また吸気管には吸気圧力を計測するために圧力検出器
17が取り付けられ、吸気圧力に比例した電気信号を出力
する。

これらの電気信号は制御回路10のA/Dコンバータ1001
に供給される。

ディストリビュータ４には、例えばクランク角度に換
算して720°毎にパルス信号を出力するクランク角度セ
ンサ５およびクランク角度に換算して30°毎にパルスを
出力するクランク角度センサ６が取り付けられている。
クランク角度センサのパルス出力は制御回路10の入出力
インターフェース1002に供給される。

また排気マニホールド11より下流の排気管13には空燃
比センサ14が設置され、排気ガス中の酸素濃度に応じた
電圧を出力し、A/Dコンバータ1001に供給される。

制御回路10は例えばマイクロコンピュータシステムで
構成され、A/Dコンバータ1001、入出力インターフェー
ス1002、CPU1003、ROM1004、RAM1005、バックアップRAM
1006、クロック発生回路1007等を含む。

また吸気通路２に設置されているスロットル弁15には
スロットル弁15が全開か否かを検出するためのアイドル
スイッチ16が設けられ、この出力は入出力インターフェ
ース1002を介して制御装置10に入力される。

また制御回路10において、ダウンカウンタ1008、フリ
ップフロップ1009および駆動回路1010はインジェクタ７
を制御するためのものである。即ち燃料噴射量が演算さ
れると、その演算結果がダウンカウンタ1008に設定され
同時にフリップフロップ1009もセット状態とされる。

この結果駆動回路1010がインジェクタ７を付勢する。

ダウンカウンタ1008はクロックパルス（図示せず）の
計数を開始しダウンカウンタ1008の値が零となったとき
にフリップフロップ1009をリセットし駆動回路1010は燃
料噴射弁の付勢を停止する。

即ち燃料噴射量制御手段で演算された期間だけインジ
ェクタ７が付勢され、演算結果に応じた燃料が内燃機関
１の各気筒に供給される。

（２）燃料噴射量制御装置の設計 制御精度が高く、かつ安定な制御が実行できる燃料噴
射量制御装置を構成するために考慮するべき点は以下の
通りである。

即ちインジェクタ７から噴射された燃料は全ては気筒
内に注入されず、一部吸気管壁面に付着する。

このため排気ガスの空燃比が所定の値となるようにイ
ンジェクタ７からの噴射量を決定しても、所定の空燃比
とはならない。

この点を考慮して吸気弁近傍の燃料の動特性を考慮し
て燃料噴射量を決定するものとするが、この動特性モデ
ルのパラメータを決定する前処理として排気ガスの流動
遅れおよび／または空燃比センサ固有の検出遅れを補正
する様に制御装置を構成する。

１）燃料の動特性モデルの構築 インジェクタ近傍の燃料の質量収支を得るために第３
図に示すようなインジェクタ近傍の仮想的なコントロー
ルボリュームCVを考える。

所定のクランク角度（サイクル）を表すインデックス
をｋ 所定のクランク角度（サイクル）ｋにCVに流入する燃
料流量をfi（ｋ） 所定のクランク角度（サイクル）ｋに壁面に付着して
いる燃料量をfw（ｋ） 所定のクランク角度（サイクル）ｋにCVから流出する
燃料流量をfc（ｋ） 流入燃料流量fi（ｋ）のうち壁面に付着する割合をＲ 壁面付着燃料量fw（ｋ）のうち壁面に残留する割合を
Ｐとすれば次式が成立する。

fw（ｋ＋１）＝Ｐ・fw（ｋ）＋Ｒ・fi（ｋ） （１） fc（ｋ）＝（１−Ｐ）・fw（ｋ）＋（１−Ｒ）・fi
（ｋ） （２） ２）燃料動特性モデルのパラメータ推定 第（１）式および第（２）式から壁面付着燃料量fwを消
去すると、 fc（ｋ）−fi（ｋ） ＝Ｐ・｛fc（ｋ−１）−fi（ｋ−１）｝−Ｒ・｛fi
（ｋ）−fi（ｋ−１）｝ （３） ここで ｙ（ｋ）＝fc（ｋ）−fi（ｋ） ｕ（ｋ）＝fi（ｋ−１）−fi（ｋ） （４） とすれば、第（３）式は、 ｙ（ｋ）＝Ｐ・ｙ（ｋ−１）＋Ｒ・ｕ（ｋ） （５） となり、ｙ（ｋ）、ｙ（ｋ−１）、ｕ（ｋ）が得られれ
ばパラメータＰおよびＲは周知の最小２乗法等により推
定することができる。

３）気筒内吸入空気量の決定 各気筒に吸入される空気流量mc（ｋ）は次の何れかの
方法で求めることができる。

（ａ）下記（６）式により算出する。

mc（ｋ）＝ （β１・Ne・Pm−β２・Ne）/Ti （６） ただしNe＝内燃機関回転数 Pm＝吸気圧力 Ti＝吸気温度 （ｂ）吸気圧力Pmおよび内燃機関回転数Neをパラメータ
とするマップから基本吸入空気量を求め、吸気温度Tiで
補正してmc（ｋ）を求める。

（ｃ）エアフローメータ３の検出値から推定する。

即ち吸入空気量演算手段102は上記（ａ）（ｂ）
（ｃ）のいずれかの方法を用いて演算される。

４）目標筒内燃料量の決定 目標とする空燃比をλｒとすれば、目標とする空燃比
を得るために気筒内に注入されるべき燃料量fcrは、 fcr＝mc（ｋ）／λｒ （７） により算出される。

５）筒内燃料量の決定 空燃比センサ14により計測された空燃比をλ（ｋ）と
すれば、空燃センサが設置されている位置に排気ガスが
到達するまでには流動遅れが存在するため、ｋ時点にお
ける空燃比センサ14の出力は（ｋ−ｄ）時点における燃
料量および空気吸入量であるため、筒内燃料量fc（ｋ）
は次式で表される。

fc（ｋ−ｄ）＝mc（ｋ−ｄ）／λ（ｋ） （８） ただしｄは離散系で表した時の排気ガスの流動遅れで
ある。

即ち流動遅れ補償手段106として第（８）式を使用す
る。

６）空燃比センサの検出遅れの補償 第（８）式を使用することによって排気ガスの流動遅
れは補償することが可能であるが、空燃比センサ14自体
が有する検出遅れを補償することはできない。

この点を解決するために、本発明に係る燃料噴射量制
御装置では燃料噴射量として、流動遅れを補償した燃料
噴射fi（ｋ−ｄ）を、その時定数が空燃比センサ14の検
出遅れ時定数τにほぼ等しいフィルタを通した補償燃料
噴射量fi（ｋ−ｄ）′を用いることとする。

即ち、センサ検出遅れ補償手段107として fi（ｋ−ｄ）′＝τ・fi（ｋ−ｄ−１）′＋（１−τ）
・fi（ｋ−ｄ−１） （９） を使用する。

第４図は、上記の補償方法の説明図であって、縦軸に
燃料量、横軸にサンプリング時刻をとる。

ａは実際の燃料噴射量fi（ｋ）、 ｂは空燃比センサの出力に基づいて決定した筒内燃料
量fc（ｋ）、 ｃは流動遅れを補償した筒内燃料量fc（ｋ−ｄ）、 ｄは真の筒内燃料量fcである。

第４図によればｋ時点における燃料噴射量ａによって
筒内に流入した燃料量fcは、排気ガスの流動遅れにより
ｋ＋４時点において空燃比センサにより検出される。従
って前述の第（８）式によりｋ時点の空燃比センサの出
力から（ｋ−ｄ）時点〔第４図においてはｄ＝４〕の筒
内燃料量fcを求めることにより排気ガスの流動遅れを補
償できる。

更に空燃比センサ固有の検出遅れにより、排気ガス流
動遅れを補償した筒内燃料量ｃは、真の筒内燃料量ｄに
対して第４図に示すように遅れを有する。

本実施例ではｋ時点の燃料噴射量fi（ｋ）に時定数τ
のフィルタを通したもの、即ちセンサの検出遅れ分を補
償した検出遅れ補償燃料噴射量fi（ｋ）′を算出してお
り、従って検出遅れ補償燃料噴射量fi（ｋ）′と排気ガ
ス流動遅れを補償した筒内燃料量fc（ｋ−ｄ）との関係
は、排気ガス流動遅れ及びセンサの検出遅れによる誤差
を含まない関係となる。

７）空燃比センサおよび／またはアクチュエータの定常
偏差の補償第（５）式を使用してパラメータＰおよびＲ
を推定するが、空燃比センサ又はエアフローメータのよ
うなセンサおよび／またはインジェクタのようなアクチ
ュエータの特性が変化すると、定常状態において fc（ｋ）≠fi（ｋ） （10） となり ｙ（ｋ）≠０ （11） であるが、燃料噴射量は一定値を維持するため、 ｕ（ｋ）＝０ となる。

従って第（５）式において、 Ｐ＝１ （12） でなければならず、正しいパラメータを推定できないこ
ととなる。

そこで ｙ（ｋ）＝fc（ｋ）−fi（ｋ） （13） に時定数Ｔのフィルタをかけ、その演算結果をｙ
（ｋ）′とすれば、 ｙ（ｋ＋１）′＝Ｔ・ｙ（ｋ）′＋（１−Ｔ）・ｙ
（ｋ） （14） そして Δｙ（ｋ）＝ｙ（ｋ）−ｙ（ｋ）′ （15） とし、第（５）式を Δｙ（ｋ）＝Ｐ・Δｙ（ｋ−１）＋Ｒ・ｕ（ｋ）（16） とすることによって、空燃比センサおよび／またはアク
チュエータの特性の変化に起因する定常偏差を除去する
ことが可能となる。

なおパラメータの推定精度を一層向上させるために、
流動遅れおよび検出遅れの補償および空燃比センサおよ
び／またはアクチュエータの特性変動の補償を同時に行
うこととしてもよい。

（３）制御の実行 第５図に２つの補償を同時に行うように構成された制
御装置の機能図を示す。

即ち501において、３）に記載の（ａ）（ｂ）（ｃ）
のいずれかの方法により内燃機関回転数Neおよび吸気管
圧力Pmに基づき各気筒の吸入空気量mc（ｋ）が演算され
る。

502において、mc（ｋ）に対して排気ガスの流動遅れ
が補償されmc（ｋ−ｄ）が演算される。

503において、空燃比センサ14の検出値λ（ｋ）を用
いて筒内燃料量fc（ｋ−ｄ）が演算される。

504においては、燃料噴射量fiに対して排気ガスの流
動遅れが補償されてfi（ｋ−ｄ）が演算される。

505において、空燃比センサ14固有の検出時定数τと
等しい時定数のフィルタを通して補償燃料噴射量fi（ｋ
−ｄ）′を求める。

506において、503で演算された筒内燃料量fc（ｋ−
ｄ）と、505で演算された流動遅れおよび検出遅れ時間
が補償された燃料噴射量fi（ｋ−ｄ）′との演算結果の
偏差が演算される。

507において、時定数Ｔのフィルタを用いて、空燃比
センサおよび／またはアクチュエータの定常偏差を補償
し、パラメータ推定に有効な変化分のみを取り出す。

508において、第（16）式を用いて動特性モデルのパ
ラメータの推定を行う。

一方509においては、mc（ｋ）と目標空燃比λｒとか
ら目標筒内燃料量fcr（ｋ）を演算する。

そして510で推定されたパラメータを用いて燃料の動
特性モデルから燃料噴射量fi（ｋ）を決定する。

第６図は、本発明による制御を実行するためのルーチ
ンであって、例えば各ストローク毎に実行される。

即ちステップ601でこのルーチンの実行に必要な検出
値、即ち内燃機関回転数Ne、吸気管圧力Pmおよび排気ガ
スの空燃比λを読み込む。

ステップ602において、吸入空気量mc（ｋ）を演算す
るとともに、流動遅れに相当する時間ステップｄ前の値
を読み出すことにより排気ガスの流動遅れを補正する。

そしてステップ603において、目標筒内燃料量が演算
され、第（１）式および第（２）式により燃料噴射量が
決定され、ステップ604で燃料噴射が実行される。

ステップ605において、機関がアイドリング等の定常
状態であるか否かを判定し定常状態であればパラメータ
の推定を行うためステップ606に進み、定常状態でなけ
れば本ルーチンを終了する。

ステップ606において燃料噴射量に対して排気ガスの
流動遅れを補償するためにｄステップ分前の値が読み出
される。

ステップ607において、空燃比センサ固有の検出遅れ
が補償される。

ステップ608において空燃比センサおよび／またはア
クチュエータの特性の変化に起因する定常偏差が補償さ
れる。

ステップ609で第（16）式により燃料動特性モデルの
パラメータが推定され、パラメータが更新されてこのル
ーチンを終了する。

［発明の効果］ 本発明による内燃機関の燃料噴射制御装置によれば、
シミュレーションモデルのパラメータを同定する際に空
燃比センサの検出値に含まれる排気ガスの流動遅れおよ
び空燃比センサ固有の検出遅れが補償され、さらに空燃
比センサおよび／またはアクチュエータの特性の変化に
起因する定常偏差を除去することにより、燃料の動特性
モデルのパラメータを正確に推定することが可能とな
り、燃料噴射制御性能が向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる燃料噴射量制御装置の基本構成
を示す図、 第２図は本発明の１実施例を構成を示す図、 第３図は燃料挙動シミュレーションモデルを説明するた
めの模式図、 第４図は遅れ補償方法の説明図、 第５図は本発明に係る燃料噴射制御装置の機能線図、 第６図は本発明に係る燃料噴射量制御を実行するための
フローチャートである。 100…空燃比センサ、101…運転状態検出手段、102…吸
入空気量演算手段、103…燃料噴射量演算手段、104…イ
ンジェクタ、105…パラメータ推定手段、106…流動遅れ
補償手段、107…センサ検出遅れ補償手段。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−81535（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−233850（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−36748（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−125542（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−157448（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内燃機関の排気管に設置され排気ガスの空
   燃比を検出する空燃比センサ（100）と、 空燃比以外の内燃機関の運転状態量を検出する運転状態
   検出手段（101）と、 該運転状態検出手段（101）で検出された運転状態量か
   ら各気筒に吸入される吸気量を演算する吸入空気量演算
   手段（102）と、 該吸入空気量演算手段（102）との演算結果に基づい
   て、各気筒のインジェクタ近傍における燃料の動的挙動
   を表すシミュレーションモデルを使用して噴射するべき
   燃料量を決定する燃料噴射量演算手段（103）と、 該燃料噴射量演算手段（103）により決定された燃料噴
   射量と前記空燃比センサ（100）の出力との関係を、排
   気ガスの流動遅れ分補正する流動遅れ補正手段（104）
   と、 さらに前記燃料噴射量演算手段（103）により決定され
   た燃料噴射量と前記空燃比センサ（100）の出力との関
   係を、空燃比センサ自体の検出遅れ分補正するセンサ検
   出遅れ補正手段（105）と、 該流動遅れ補正手段（104）と該センサ検出遅れ補正手
   段（105）により補正された前記燃料噴射量演算手段（1
   03）により決定された燃料噴射量と前記空燃比センサ
   （100）の出力との関係に基づいて前記燃料噴射量演算
   手段（103）内のシミュレーションモデルのパラメータ
   を推定するパラメータ推定手段（106）と、から構成さ
   れる燃料噴射量制御装置。
2. 【請求項２】前記センサ検出遅れ補正手段（105）の代
   わりにセンサおよび／あるいはアクチュエータの定常偏
   差を除去する定常偏差除去手段（107）を設けた請求項
   １記載の燃料噴射量制御装置。