JP2830461B2 - 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的挙動を表す精密
なシミュレーショモデルを使用した噴射燃料制御装置を
提案した（特開平１−200040公報参照）。

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とこの閉空間内で蒸発する燃料量fv
を状態変数とするシミュレーションモデルを構築し、排
気通路に設けられた空燃比センサの出力から実際にシリ
ンダ内に流入した燃料量を検出しその値が目標値と一致
するように前述の状態変数に基づいてインジェクタから
の燃料噴射量をフィードバック制御しているため、高い
精度で所定の空燃比を維持することができる。しかしな
がらこの方法はいわゆるフィードバック制御、即ち内燃
機関の排気空燃比が検出されて始めて燃料噴射量の修正
が可能となる制御であり一般的に制御速度が遅いという
欠点があり、運転状態が急激に変化する場合には制御の
精度が低下するという欠点があった。

この欠点を解消するために本出願人は、内燃機関の運
転状態に応じて予め定まる目標筒内流入燃料量から内燃
機関の動特性と逆特性の関係にある制御演算を実行する
制御装置によって内燃機関を制御するものを提案してい
る（特願平２−193806）。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら逆モデルを使用した制御装置にあっては
制御装置のパラメータが内燃機関の動特性と逆特性の関
係を有するモデルを正確に記述する必要があるが、内燃
機関の製造過程におけるばらつきや経時変化のために正
確なパラメータを知ることは困難であり、このパラメー
タの誤差が要因となって制御が不安定となるおそれがあ
る。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであって、内
燃機関の運転状態に迅速に対応して適切な燃料噴射量を
決定するとともに、内燃機関の経時的な変化に追従して
燃料噴射量を補正する内燃機関の燃料噴射制御装置を提
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
運転状態を検出する運転状態検出手段101と、空燃比セ
ンサ100の出力と運転状態検出手段101で検出された運転
状態量とから所定の排気ガス性状を得るために各気筒に
注入されるべき燃料量を演算する基準目標筒内燃料量演
算手段102と、基準目標筒内燃料量演算手段102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の逆モデルを使
用してインジェクタから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103の演
算結果に基づいて吸気弁近傍の吸気管流に燃料を噴射す
るインジェクタ104と、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に基
づき各気筒内に注入されたであろう予想筒内燃料量を演
算する燃料挙動シミュレーション手段105と、内燃機関
の運転状態が特定の運転状態にあることを検出する特定
状態検出手段107と、特定状態検出手段により内燃機関
が特定状態であることが検出されたときに燃料挙動シミ
ュレーション手段105に含まれるパラメータを同定する
パラメータ同定手段108と、特定状態検出手段107により
内燃機関が特定状態でないことが検出されたきに空熱比
センサ100の出力とパラメータ同定手段108による同定さ
れたパラメータを使用して燃料挙動シミュレーション手
段105により演算された予想筒内燃料量とに基づいて燃
料噴射量演算手段103により決定される燃料量を補正す
る燃料噴射量補正手段106と、から構成される。

［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、燃料動特性の逆モデルにより排気ガスの空
燃比を所定の値に制御するための適切な燃料噴射量が定
められるとともに、内燃機関の特性の変動に応じて燃料
噴射量が補正され制御を安定に維持する。

［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。こ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が全開が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を介して制御回路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。

また内燃機関の動特性は経時的あるいは燃料性状の変
化によって変化する。

上記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し、動特性の変化を検知して燃料
噴射量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（内部モデル）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がら流出する
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 モデル化に伴う誤差をδｆ とすれば次式が成立する。

fw（ｋ＋１）＝Ｐ・fw（ｋ） ＋Ｒ・fi（ｋ）−δｆ （１） fc（ｋ）＝（１−Ｐ）・fw（ｋ） ＋（１−Ｒ）・fi（ｋ）＋δｆ （２） なお、（２）式は第１図の燃料挙動シミュレーション
手段105を構成する。

２）内部モデルと逆モデルによる制御系の構築 第４図は内部モデルと制御装置を使用して構成した適
応制御系の基本構成を示す。

制御装置の等価伝達関数をＧ 内部モデルの等価伝達関数をＨ 実際の内燃機関の等価伝達関数をＰ 基準目標筒内燃料量をfcro 目標筒内燃料量をfcr 実際の筒内燃料をfc 内部モデルから演算された筒内燃料量をfcm 実際の筒内燃料量fcと内部モデルから演算された筒内
燃料量との誤差をδｆとすれば が成立する。従って（３）式から、 HG＝１ （５） であれば、即ち制御装置が内部モデルの逆モデルであれ
ば、 fcro＝fc （６） となり、内燃機関の動特性によらず筒内燃料量fcは基準
目標筒内燃料量fcroと等しくなる。

また第（４）式からHG＝１の時にfcとfcroの間に誤差
が生じるとδｆの値が無限大となり前述したように制御
が不安定となることが分る。

即ち第４図に示す制御系を構成すれば、排気ガスの空
燃比λを目標空燃比λｒに制御することが可能となる。

３）基準目標筒内燃料量fcroの演算 各気筒に注入するべき基準目標筒内燃料量fcroは所定
の排気ガス空燃比をλｒ、吸入空気量をmc（ｋ）とすれ
ば次式から求めることができる。

fcro＝λｒ・mc（ｋ） （７） ここで各気筒に流入する空気流量mc（ｋ）は次の何れ
かの方法で求めることができる。

（ａ）下記第（８）式により算出する。

mc（ｋ）＝ （β１・Ne・Pm−β２・Ne）/Ti （８） ただしNe＝内燃機関回転数 Pm＝吸気管圧力 Ti＝吸気温度 β、α＝定数 （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。

即ち第（７）式および上記（ａ）（ｂ）（ｃ）のいず
れかは第１図の基準目標筒内燃料量演算手段（102）の
一部を構成する。

（４）フィードフォワード制御系の構築 第４図に示す制御系において補正燃料量は、 δｆ＝fc（ｋ）−fcm（ｋ） （９） ただしfcm＝内部モデルから算出したモデル筒内燃料
量 となるが、筒内燃料量fc（ｋ）を直接計測することがで
きないため、空燃比センサ14の出力λおよび吸入空気量
mc（ｋ）から演算によって求めることとなる。

しかしながら空燃比λの計測には排気ガスの流動遅れ
およびセンサ固有の検出遅れが含まれるためにfc≠fcro
となり（４）式からも明らかなように第（９）式は不安
定となる。

この問題点を除去するために本出願人は、内燃機関の
運転状態量からフィードフォワード制御する補正燃料量
を決定する制御装置を提案している（特願平１−5442
0）。

したがって本発明においても、例えば δｆ＝ δｏ・fw（ｋ）｛Pm（ｋ）−Pm（ｋ−１）｝ ただしδｏ＝比例係数 （10） として、フィードフォワードする補正燃料量を決定する
ものとする。

即ち第１図の基準目標筒内燃料量演算手段（102）の
残りの部分は第（10）式で構成される。

従って目標筒内燃料量fcrは、 fcr＝fcro＋δｆ （11） によって演算される。

５）燃料噴射量の決定 （１）式から定まるfw（ｋ）を用いれば、インジェク
タ７から噴射されるべき基本燃料流量fio（ｋ）は
（２）式から、 fio（ｋ）＝｛fcr− （１−Ｐ）・fw（ｋ）｝／（１−Ｒ） （12） として求めることができる。

すなわち（12）式は第１図の燃料噴射量演算手段103
を構成する。

６）燃料噴射量の補正 実際に気筒内に注入される燃料量を fi＝fio＋Δｆ （13） とすれば、次式が成立する。

Δfc（ｋ）＝Ｐ・Δfc（ｋ−１） ＋（１−Ｒ）・Δfi（ｋ−ｄ＋１） ＋（Ｒ−Ｐ）・Δfi（ｋ−ｄ） （14） ここで ｙ（ｋ）＝Δfc（ｋ） ｕ（ｋ）＝Δfi（ｋ−ｄ） ｘ（ｋ）＝ｙ（ｋ）−（１−Ｒ）・ｕ（ｋ） Ｐ＝Po＋ΔＰ Ｒ＝Ro＋ΔＲ Po,Roは各パラメータの定常値 とすれば、次式を得る。

ｘ（ｋ＋１）＝Po・ｘ（ｋ） ＋Ro・（１−Po）・ｕ（ｋ） ＋w1 （15） ｙ（ｋ）＝ｘ（ｋ）＋（１−Ro）・ｕ（ｋ）＋w2 （16） ここでw1、w2はΔＰ、ΔＲの関数 さらにxs、usが次式を満足するものとする。

xs＝Po・xs＋Ro・（１−Po）・us＋w1 （17） ys＝xs＋（１−Ro）・us＋w2 （18） さらに変数を次式の様に変換する。

ｘ（ｋ）′＝ｘ（ｋ）−xs ｙ（ｋ）′＝ｙ（ｋ）−ys ｕ（ｋ）′＝ｕ（ｋ）−us Δｘ（ｋ）′＝ｘ（ｋ）′−ｘ（ｋ−１）′ Δｘ（ｋ）′＝ｕ（ｋ）′−ｕ（ｋ−１）′ （19） この結果第（17）（18）式は、次式のように状態変数
表示できる。

第（20）式で表されるシステムに対して、例えば基礎
システム理論（古田勝久他著、コロナ社刊）の114頁か
ら127頁に示される最適レギュレータを設計すると、次
式を得る。

Δｕ（ｋ）′ ＝−f1・Δｘ（ｋ）′−f2・ｙ（ｋ−１）′ （21） ここでf1、f2は最適ゲインである。

変数を基に戻せば、次式を得る。

ここでwPRはパラメータの補正項 第（22）式にはΔfcについて未来の値が含まれるた
め、第（14）式を用いて置き換える。

即ち第（14）式より 上記の式を順次代入することによって、Δfcについて
の未来の値を既知の値から演算することが可能となる。
なお、（22）、（23）式は第１図の燃料噴射量補正手段
106を構成する。

７）パラメータの同定 以上の説明において燃料の動特性を表すモデル中のパ
ラメータは既知であるとしてきたが、実際には内燃機関
の運転状態によって変動するため、逐次パラメータの同
定を行う。

このパラメータ同定方法としては、例えば本出願人が
提案した方法（特願平２−193806）を使用することがで
きる。

即ち燃料噴射量を既知の割合だけ摂動し、その時の空
燃比検出値から、 ε（ｋ）＝fcr（ｋ）−fc（ｋ） （24） として、下記の評価関数が最小値をとるように、周知の
最小２乗法を使用してパラメータＰ・Ｒを決定する。

ここでｈ＝同定に使用する時間ステップ数 なお、（24）、（25）式は第１図のパラメータ同定手
段108を構成する。

（３）制御の実行 第５図に以上の説明に従って構成された制御装置の機
能図を示す。

即ち501において、第（７）式および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に基づき基準目標筒内燃料量
fcroが演算される。

同時に502において、第（11）式により内燃機関回転
数Neおよび吸気管圧力Pmに基づき補正燃料量δｆが演算
される。

501および502における演算結果が加算され逆モデル50
3に導かれる。

503においては第（12）式に基づいてインジェクタ７
より噴射される基準燃料噴射量fioが決定される。

この基準燃料噴射量fioに基づき504で第（２）式を用
いて燃料動特性モデルからモデル筒内燃料量fcmが演算
される。

実際の内燃機関の筒内燃料量fcとモデル筒内燃料量fc
mとに基づいて505で第（21）、（22）式を用いて、燃料
噴射量補正量Δfiを演算する。

この燃料噴射量補正量Δfiと503で演算された基準燃
料噴射量fioとが加算されて、実際に内燃機関に供給さ
れる燃料噴射量fiとなる。

さらにこの燃料噴射量fiと内燃機関の筒内燃料量fcに
基づいて505において、燃料動特性モデルのパラメータ
が第（24）、（25）式を用いて同定される。

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において基準目標筒内燃料量fcroおよび
補正燃料量δｆが演算される。

そしてステップ603において内燃機関がアイドリング
状態であるか否かが判定される。

アイドリング状態であるか否かは例えばアイドルスイ
ッチ16がオンであるか否かによって検出できる。なおス
テップ603は第１図の特性状態検出手段107を構成する。

通常運転状態であるときは、ステップ603で否定判定
されて、ステップ604に進む。

ステップ604においては、逆モデルを使用して基準燃
料噴射量を演算する。

ステップ605において燃料噴射補正量が演算され、ス
テップ606において基準燃料噴射量と加算される。

そしてステップ607においてステップ606で定められた
燃料量が噴射される時間インジェクタ７を開とする。

内燃機関がアイドリング状態にあるときにはステップ
603で肯定判定され、燃料動特性モデルのパラメータを
同定するためにステップ608に進む。

ステップ608では燃料噴射量が一定割合摂動され、ス
テップ609でインジェクタ７より燃料が噴射される。

ステップ610で動特性モデルのパラメータＰおよびＲ
が同定され、ステップ611でパラメータの更新が実行さ
れる。

［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、
燃料動特性の逆モデルと燃料動特性モデルを組み合わせ
て応答性に優れた燃料噴射制御が実現できるばかりでな
く、内燃機関の特性の変動に応じて燃料噴射量を補正す
ることによって制御の安定性を増加することが可能とな
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実施例の構成を示す図、 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図は逆モデルと内部モデルを組み合わせた制御系の
基本構成図、 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ルーチンのフロー
チャートである。 100……空燃比センサ、 101……運転状態検出手段、 102……基準目標筒内燃料量演算手段、 103……補正燃料量演算手段、 104……燃料噴射量演算手段、 105……インジェクタ、 106……燃料挙動シミュレーション手段、 107……燃料噴射量補正手段。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−200040（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−211648（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−157453（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−9644（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) F02D 41/14 F02D 41/04 F02D 45/00

Claims (1)

(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を検出する運転状態検
   出手段（101）と、 該空燃比センサ（100）の出力と、該運転状態検出手段
   （101）で検出された運転状態量とから所定の排気ガス
   性状を得るために各気筒に注入されるべき燃料量を演算
   する基準目標筒内燃料量演算手段（102）と、 該基準目標筒内燃料量演算手段（102）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の逆モデルを使用し
   て、インジェクタから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）の演算結果に基づいて吸
   気弁近傍の吸気管流に燃料を噴射するインジェクタ（10
   4）と、から構成される燃料噴射制御装置において、 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に基づき、各気筒内に注入さ
   れたであろう予想筒内燃料量を演算する燃料挙動シミュ
   レーション手段（105）と、 内燃機関の運転状態が特定の運転状態にあることを検出
   する特定状態検出手段（107）と、 該特定状態検出手段により内燃機関が特定状態であるこ
   とが検出されたときに前記燃料挙動シミュレーション手
   段（105）に含まれるパラメータを同定するパラメータ
   同定手段（108）と、 前記特定状態検出手段（107）により内燃機関が特定状
   態でないことが検出されたときに、前記空熱比センサ
   （100）の出力と該パラメータ同定手段（108）による同
   定されたパラメータを使用して燃料挙動シミュレーショ
   ン手段（105）により演算された予想筒内燃料量とに基
   づいて、前記燃料噴射量演算手段（103）により決定さ
   れる燃料量を補正する燃料噴射量補正手段（106）を含
   むことを特徴とする燃料噴射制御装置。