JPH01110853A - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は内燃機関に供給される燃料量を制御して空燃比
を目標空燃比に制御する内燃機関の空燃比制御装置に関
し、詳しくは、空燃比を応答性良く制御しえる内燃機関
の空燃比制御装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、この種の空燃比制御装置は、内燃機関の空燃比を
検出して燃料供給量をフィードバック制御しており、そ
の制御には所謂ＰＩＤ（比例、積分、微分）制御が広く
適用されていた。しかしながら、こうした制御では空燃
比が変化して初めて燃料供給量の制御を行うため、応答
性、特に過渡応答性が十分でなく、内燃機関に過渡変化
が生じた時、空燃比が安定となるのにかなりの時間を要
するといった問題があった。

そこで、近年では、内燃機関の空燃比を制御する系の動
的なモデルを考え、その内部状態を推定して空燃比をフ
ィードバックゲイン制御し、制御の応答性を飛躍的に改
善しようとする提案がなされている（例えば、特開昭５
９−１９６９３０号公報、特開昭６０−３６７４８号公
報、実開昭５９−１６５９４１号公報等）。

〔発明が解決しようとする問題点〕

こうした空燃比の制御は、所謂現代制御理論を基に、緻
密な制御モデルを構築して制御を行うものであるが、次
の問題があり、猶−層の改善が強く望まれていた。

（１）現代制御では、空燃比制御する系の内部状態を状
態変数量によって代表させ、これを知って必要な制御入
力（ここでは燃料供給量の制御Ｉ）を決定するが、こう
した状態変数量は状態観測器（オブザーバ）を構築して
求めなければならない。

このオブザーバの設計手法は種々提案されてはい−るが
、膨大なシュミレーションを行って妥当なパラメータ等
を選択せねばならず、多大な時間と、手間とを必要とす
るという問題があった。

（２）また、オブザーバは、制御対象の動的なモデルに
対応して構築されるので、空燃比を制御する系の動的な
モデルを構築する際の精度に依存した確からしさてしか
状態変数量を観測することができない、従って、オブザ
ーバによる状態変数量の観測精度を高（しようとすれば
、制御対象のモデル化を高精度に行わねばならず、モデ
ルが複雑化して、実際の制御における演算等の負荷が大
きくなり、現実の制御には供しえなくなるという問題が
考えられた。

本発明・は、こうした問題を解決することを目的として
なされ、オブザーバを用いることなく状態変数量を知っ
て空燃比を応答性良く制御する内燃機関の空燃比制御装
置を提供するものである。

〔問題点を解決するための手段〕

かかる目的を達成すべく、本発明は問題点を解決するた
めの手段として次の構成をとった。即ち、第１図に例示
するように、 内燃機関Ｍ１の空燃比ＡＦｉを検出する空燃比検出手段
Ｍ２と、 前記内燃機関Ｍ１への燃料供給量を制御する燃料供給量
制御手段Ｍ３と、 前記検出された空燃比ＡＦｉに基づいて、前記燃料供給
量制御手段Ｍ３の制ａ量Ｔを定め、前記内燃機関Ｍｌの
空燃比ＡＦｉを目標空燃比ＡＦ。

に制御する空燃比制御手段Ｍ４と を備えた空燃比制御装置において、 前記空燃比制御手段Ｍ４は、空燃比を決定する内燃機関
の動的なモデルを、むだ時間ｐ　（ｐ−０゜１．２．…
）を持つ次数１の自己回帰モデルにより近僚し、更に外
乱を考慮して構築すると共に、前記内燃機関Ｍｌの空燃
比ＡＦｉと前記燃料供給量制御手段Ｍ３の制御量Ｔとを
、前記内燃機関Ｍ１の動的なモデルの内部状態を代表す
る状態変態量Ｘとして出力する状態変数量出力部Ｍ５と
、前記目標空燃比と前記検出された空燃比との偏差（Ａ
Ｆｏ−ＡＦＬ）を累積する（Σ（ＡＦｏ−ＡＦ　ｉ））
累積部Ｍ６と、 前記動的なモデルに基づいて予め定められた最適フィー
ドバックゲインＦと前記状態変数ｆｆ１Ｘ及び前記累積
値Σ（ＡＦｏ−ＡＦｉ）とから、前記燃料供給量制御手
段Ｍ３の制御量Ｔを算出する制御量算出部Ｍ７と を備えたことを特徴とする空燃比制御装置の構成がそれ
である。

ここで、空燃比検出手段Ｍ２とは、内燃機関Ｍ１の空燃
比を検出する手段であって、内燃機関Ｍｌに供給された
混合気の空燃比に応じたリニアな信号を出力するものを
考えることができる。

燃料供給量制御手段Ｍ３としては、吸気通路に設けられ
た燃料噴射弁を制御する周知の構成を始め、機関に供給
される燃料量を緻密に制御しえるならば、どのような構
成でもよい。

空燃比制御手段Ｍ４は、むだ時間ｐ　（ｐ＝０゜１．２
．…）を持つ次数１の自己回帰モデルによる近似と共に
外乱を考慮して構築された内燃機関Ｍ１の空燃比を制御
する系の動的なモデルに基づいて設計されたものであり
、状態変数出力部Ｍ５、累積部Ｍ６及び制御量算出部Ｍ
７を備える。むだ時間ｐをもつ次数１の自己回帰モデル
とは、ＡＦ　ｉ　（ｋ）　＝ａ−ＡＦ　ｉ　（ｋ−１）
　＋ｂ−Ｔ（ｋ−１−ｐ）…（１） の形式で空燃比ＡＦｉが定められると空燃比制御系を近
似するものをいい、更に本発明では、これに外乱ｄを考
慮して、 ＡＦ　ｉ　　（ｋ）　　＝ａ−ＡＦ　ｉ　　（ｋ−１）
　　＋ｂ−Ｔ（ｋ−１−ｐ）　＋ｄ　（ｋ−１）…（２
）として空燃比を制御する系の動的なモデルの構築がな
される。

この結果、状態変数量Ｘ　（ｋ）　＝ （ＸＩ　（ｋ）　　Ｘ２　（ｋ）…Ｘｐ＋１　（ｋ））
’を用いた表示をすると、 …（３） となり、状態変数量Ｘ（ｋ）として、 Ｘ（ｋ）＝　（ＡＦ　ｉ　　（ｋ）　　　Ｔ　（ｋ　　
Ｐ）Ｔ　（ｋ−１＋ｐ）…Ｔ　（ｋ−２）　　Ｔ　（ｋ
−１））’…（４） を用いることができることになる。状態変数量出力部Ｍ
５は、現在までの制御において用いたＡＦｉ　　（ｋ）
、　Ｔ　（ｋ−ｐ）、　Ｔ　（ｋ−ｐ＋１）、…Ｔ（ｋ
−１）を記憶しておき、これを出力するものである。

一方、累積部Ｍ６は、内燃機関Ｍ１の目標空燃比ＡＦｏ
と空燃比ＡＦｉ（ｋ）との偏差を累積してその累積値Ｚ
＝Σ（ＡＦ　ｏ−ＡＦ　ｉ　（ｋ）　）を出力するもの
であり、系のモデル化において生じて誤差（近似の粗さ
）や外乱、例えば内燃機関Ｍ１の負荷の変動、あるいは
内燃機関Ｍｌや噴射弁の経時変化等による制御系モデル
の変化等を修正するために設けられている。尚、ディジ
タル制御においては演算において必ず生じる誤差、例え
ば量子化誤差等に起因する制御上の誤差を修正するとい
う役割も負っている。

制御量算出部Ｍ７は、空燃比を制御する系の動的なモデ
ルに基づいて定められた最適のフィードバックゲインＦ
と状態変数量出力部Ｍ５より出力される状態変数量Ｘ及
び累積部Ｍ６より出力される累積値Ｚとから燃料供給量
制御手段Ｍ３の制御量を算出するものである。ここで最
適フィードバックゲインＦは評価関数を用いたシュミレ
ーションにより予め定めておくことができる。

尚、以上の説明では、空燃比の制御系は線形であること
を前提としたが、本発明の空燃比制御装置を適用する対
象である内燃機関Ｍ１の空燃比の制御系が非線形である
場合には、定常点のまわりに線形性が保たれると近似し
える幾つかの範囲に分けてモデルを構築すればよい。ま
た動的なモデルの構築、具体的には第（１）式における
ａ、ｂを求める作業は、システム固定によって行うこと
ができ、例えばステップ応答等により実験的に求めるこ
とができる。

〔作用〕

上記構成を有する本発明の空燃比制御装置によれば、空
燃比検出手段Ｍ２によって検出された内燃機関Ｍ１の空
燃比ＡＦｉ及び現在までの燃料供給量制御手段Ｍ３の制
御量Ｔを状態変数量出力部Ｍ５により空燃比を制御する
系の内部状態を代表する状態変数、ｌｘとして出力し、
これと累積部Ｍ６により出力される目標空燃比ＡＦｏと
空燃比ＡＦｉとの偏差の累積値Ｚと最適フィードバック
ゲインＦとから制御量算出部Ｍ７により燃料供給量制御
手段Ｍ３の制ｊＴｄ　Ｉ　Ｔを算出し、空燃比制御手段
Ｍ４により該制御量Ｔを用いて燃料供給量制御手段Ｍ３
を制御して空燃比ＡＦｉを目標空燃比ＡＦＯに制御する
。

〔実施例］ 以上説明した本発明の構成を一層明らかにする為に、次
に本発明の好適な実施例としての空燃比制御装置につい
て説明する。第２図は、以下に説明する空燃比制御が行
われるエンジン１０とその周辺装置を示す概略構成図で
ある。図示するように本実施例では、エンジン１０の点
火時期、燃料噴射量の各々の制御が、電子制御装置２０
により行われるが、ここでは空燃比の制御を中心に説明
する。

エンジン１０は、第２図に示すように、４気筒４サイク
ルの火花点式のものであって、その吸入空気は上流より
、エアクリーナ２１．エアフローメータ２２．吸気管２
３．サージタンク２４．吸気分岐管２５．を介して各気
筒に吸入され、一方燃料は図示しない燃料タンクより圧
送されて吸気分岐管２５に設けられた燃料噴射弁２６ａ
、２６ｂ、２６ｃ、２６ｄから噴射・供給されるよう構
成されている。また、エンジン１０には、点火回路２７
から供給される高電圧の電気信号を各気筒の点火プラグ
２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄ。

に分配するディストリビュータ２９、このディストリビ
ュータ２９内に設けられエンジン１０の回転数Ｎｅを検
出する回転数センサ３０、スロットルバルブ３１の開度
ＴＨを検出するスロットルセンサ３２、エンジン１０の
冷却水Ｑ　Ｔ　ｈ　ｗを検出する暖機センサ３３、同じ
くその吸気温度Ｔａｍを検出する吸気温センサ３４が備
えられている。

回転数センサ３０はエンジン１０のクランク軸と同期し
て回転するリングギアに対向して設けられるもので、エ
ンジン回転数に比例してエンジン１０の１回転、即ち７
２０”ＣＡに２４発のパルス信号を出力する。スロット
ルセンサ３２はスロットルバルブ３１の開度ＴＨに応じ
たアナログ信号と共に、スロットルバルブ３１がほぼ全
閉であることを検出するアイドルスイッチからのオン−
オフ信号も出力する。

一方、エンジン１０の排気管３５には、エンジン１０か
ら排出される排気ガス成分に応じて、エンジンＩＯに供
給された混合気の空燃比ＡＦｉに応じたリニアな信号を
出力する空燃比センサ３６が設けられている。

電子制御装置２０は、周知のＣＰＵ５１．ＲＯＭ５２．
ＲＡＭ５３．バックアツプＲＡＭ５４等を中心に算術論
理演算回路として構成され、上述した各センサからの入
力を行う入力ボート５６や各アクチュエータへ制御信号
を出力する出力ボート５８等と、バス５９を介して相互
に接続されている。電子制御装置２０は、入力ボート５
６を介して、吸入空気量ＡＲ１吸気温度Ｔａｍ、スロッ
トル開度ＴＨ１冷却水温Ｔｈｗ、空燃比ＡＦｉおよび回
転数Ｎｅ等を入力し、これらに基づいて燃料噴射量τ、
点火時期１ｇを算出し、出力ポート５８を介して燃料噴
射弁２６ａないし２６ｄ、点火回路３１の各々に制御信
号を出力する。これらの制御のうち、空燃比制御につい
て以下に説明する。

電子制御装置２０は、空燃比制御を行うために、予め次
の手法で設計されている。

（１）制御対象のモデリング 空燃比を制御する系を、次数１の自己回帰モデルを用い
、これにサンプリング時間（むだ時間）による遅れＰを
ｐ＝１として、既述した第（１）式から ＡＦ　　ｉ　　（ｋ）　　＝ａ　　−ＡＦ　　ｉ　　（
ｋ−１）　　＋ｂ−Ｔ（ｋ−２）　　…（５） を得る。これに更に外乱ｄを考慮して空燃比を制御する
系のモデルを、 ＡＦ　ｉ　　（ｋ）　＝ａ　−ＡＦ　ｉ’（ｋ−１）　
＋ｂ−Ｔ（ｋ−２）＋ｄ（ｋ−１）…（６） として近似する。尚、ここで、Ｔは燃料噴射弁２６の制
御量を示すものであって、本実施例では噴射弁２６に印
加される噴射パルス幅τに相当する。

また、ｋは最初のサンプリング開始からの制御回数を示
す変数である。

こうして近似したモデルに対し、ステップ応答を用いて
空燃比を制御する系の伝達関数Ｇを求め、これから上記
モデルの各定数ａ、ｂを実験的に定めることは容易であ
る。定数ａ、ｂを定めることにより、空燃比を制御する
系のモデルが定まったことになる。

（２）状態変数量Ｘ表示の方法 上式（６）を状態変数量Ｘ　（ｋ）　＝　（ＸＩ　（ｋ
）　Ｘ２　（ｋ）　）”を用いて書き直すと、第（３）
式より、（以下余白） …（力 を得る。従って、取りもなおさず状態変数１ｘ（ｋ）は
、 となる。

（３）付加積分型レギュレータの設計 誤差を吸収させるための積分項を加味して、上記（７）
、　（８）式について付加積分型レギュレータを設計す
ると、第３図に示すように、最適フィードバックゲイン
Ｆ＝　（ＦＯ−Ｆｌ　　−Ｆ２）と拡大された状態変数
量 （Ｚ　（ｋ）　　Ｘｉ　（ｋ）　　Ｘ２　（ｋ））”　
＝（Ｚ　　（ｋ）　　　ＡＦ　　ｉ　　（ｋ）　　　Ｔ
　　（ｋ−１）　　）　　丁　とを用いて、 Ｔ　（ｋ）＝Ｆ−Ｘ　（ｋ） ＝ＦＯ・Ｚ　（ｋ）　　　Ｆｌ−ＡＦｉ　　（ｋ）−Ｆ
２・Ｔ　（ｋ−１）　　　　　…（９）として燃料噴射
弁２６の制？ＢＩＴ（ｋ）を求めることができることに
なる。尚、ここで、Ｚ　（ｋ）は、目標空燃比ＡＦｏと
実際の空燃比ＡＦｉ（ｋ）との偏差ΔＺ　（ｋ）＝ＡＦ
ｏ−ＡＦ　ｉ　（ｋ）の累積イ直であり、 Ｚ　（ｋ＋１）＝Ｚ　（ｋ）＋ΔＺ　（ｋ）　　…０ω
として求められる。また第３図では、制御量Ｔ（ｋ−１
）をＴ　（ｋ）から導くためにｚ−’変換を用いて表示
したが、これは過去の制［ｔＴ（ｋ−１）をＲＡＭ５３
に記憶しておき、次の制御の時点で読み出して用いるこ
とに相当する。第４図は、第（９）、　０１式を基に、
書き直したプロ・ンク線図である。図において、Ｐｌが
状態変数量Ｘ表示に、Ｆ２が累積部に、Ｆ３が制御量算
出部に、各々相当する。

（４）最適フィードバックゲインＦの決定最適フィード
バックゲインＦは、以下の手法によって決定できる。

（最適サーボ系） 最適フィードバックゲインＦは、評価関数、ΔＪ＝Σ（
Ｑ　（ＡＦ　ｉ　（ｋ）　−ＡＦ　ｏ）　”＋Ｒ（Ｔ　
（ｋ）　−Ｔ　（ｋ−１）　）　”　）…（ｌｌ） を最小とするように決定される。ここで、評価関数Ｊと
は°、噴射弁２６の制御ＩＴ（ｋ）の動きを制約しつつ
、制御出力としての空燃比ＡＦｉ（ｋ）の目標空燃比Ａ
Ｆｏからの偏差を最小にしようと意図したものであり、
制ＷｔＴ（ｋ）に対する制約の重ね付けは、重みパラメ
ータＱ、　　Ｒの値によって変更することができる。従
って重みパラメータＱ、Ｈの値を種々変えて最適な制御
特性かえられるまでシュミレーションを繰り返し、最適
フィードバックゲインＦを定めればよい。本実施例（Ｐ
＝１）の場合について結果のみを示すと、最適フィード
バックゲイン Ｆ＝　（ＦＯ−Ｆｌ−Ｆ２）は、既に定めたモデル定数
ａ、ｂを用いて、 として定められる。ここでは王は、 ａ−ｂ−Ｒ−ｔ”　＋　（１−ａ”　・Ｒ＋ｂ”　−Ｑ
）ｔ−ａ−ｂ−Ｑ＝ｏの解である（ただし、Ｔ〉０）。

第０２１式かられかるように、最適フィードバックゲイ
７Ｆ＝　（ＦＯ−Ｆｌ−Ｆ２）はモデル定数ａ。

ｂに依存している。そこで、実際の空燃比を制御する系
の変動（パラメータ変動）に対する系の安定性（ロバス
ト性）を保証しようとすると、モデル定数ａ、ｂの変動
分を見込んで最適フィードバックゲインＦを設計する必
要がある。従ってシュミレーションはモデル定数ａ、ｂ
の現実に生じえる変動を加味して行い、安定性を満足す
る最適フィードバックゲインＦを定める。

以上、制御対象のモデリング、状態変数量表示の方法、
付加積分型レギュレータの設計、最適フィードバックゲ
インの決定について説明したが、これらは予め決定され
求められており、電子制御装置２０の内部ではその結果
すなわち第（９）、　ＧＯ）式のみを用いて実際の制御
を行うのである。

そこで、次に第５図のフローチャートに拠って電子制御
装置２０が実際に行なう処理について説明する。

電子制御装置２０は、電源が投入されると、第５図に示
す空燃比制御ルーチンを実行する。まず、起動直後には
所謂初期化の処理を行なう（ステップ１００）、ここで
初期化の処理とは、例えばサンプリング回数を示す変数
ｋを零に、燃料噴射弁２６の制御量の初期値Ｔ（−１）
を定数Ｔｉに、目標空燃比ＡＦｏと実際の空燃比ＡＦｉ
（ｋ）との偏差の累積Ｚ（０）を定数Ｚｉに、ＲＡＭ５
３の所定のエリアにおいて各々セットする処理をいう。

続いて、入力ボート５６を介して空燃比センサ３５より
実際の空燃比ＡＦｉ（ｋ）を読み込み（ステップ１１０
）、噴射弁２６の制御量Ｔ　（ｋ）を、最適フィードバ
ックゲインＦと状態変数量Ｘとから求める処理を行なう
（ステップ１２０）。

こうした求めた制御Ｎ（本実施例ではパルス幅）Ｔ　（
ｋ）を用いて、噴射弁２６を出力ボート５８を介して制
御しくステップ１３０）、更にこの制重量Ｔ　（ｋ）を
次回の処理に備えて（Ｔ（ｋ−１）として）ＲＡＭ５３
の所定エリアに記憶・更新する処理を行なう（ステップ
１４０）。

続いて目標空燃比ＡＦｏと空燃比ＡＦｉ（ｋ）の偏差Δ
Ｚ　（ｋ）を求め（ステップ１５０Ｌこれを累積する処
理を行なう（ステップ１６０）。

その後、変数にの値を１だけインクリメントしてから（
ステップ１７０）、ステップ１１０へ戻り、上述したス
テップ１１０ないしステップ１７０の処理を繰り返し実
行する。

以上のように構成された本実施例の空燃比制御装置は、
エンジン１０の空燃比を制御する系の内部状態を代表す
る状態変数量Ｘ　（ｋ）を空燃比を制御する系の過去の
入出力ＡＦｉ　（ｋ）、　Ｔ　（ｋ−１）ならびに目標
空燃比と実際の空燃比との偏差の累積値Ｚ　（ｋ）をそ
のままの値を用いて構成して、この状態変数量Ｘ　（ｋ
）を構成する各値に、上記最適フィードバックゲインＦ
を掛は合わせた各値を加算することで、噴射弁２６の制
御量Ｔ（ｋ）を定めることができるので、オブザーバ等
を必要としない簡易な構成でもって、極めて精度良くか
つ安定にエンジン１０の空燃比を制御することができる
。

以上本発明の一実施例について説明したが、本発明はこ
うした実施例に何ら限定されるものではなく、例えば系
のモデリングにおいて遅れｐ＝１以外の構成をとるなど
、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様
で実施しえることは勿論である。

〔発明の効果〕

以上詳述したように、本発明の内燃機関の空燃比制御装
置によれば、簡易な構成により、従来の空燃比制御装置
では到底実現しえなかった高い応答性と安定性とを実現
することができるという極めて優れた効果を奏する。ま
た、構成が簡易となってオブザーバも必要としないこと
から、製造工数・コストが低減できる上、演算時間が短
縮でき、制御特性を一層向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の基本的構成を例示するブロック図、第
２図は本発明一実施例としての空燃比制御装置を適用す
るエンジンとその周辺装置を示す概略構成図、第３図、
第４回は各々空燃比を制御する系のブロック線図、第５
図は実施例における空燃比制御ルーチンを示すフローチ
ャートである。 １０…内燃機関、２０…電子制御装置、２６ａ〜２６ｄ
…燃料噴射弁、３５…空燃比センサ、５１…ＣＰＵ。 １・・・ＣＰＵ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　内燃機関の空燃比を検出する空燃比検出手段と、 前記内燃機関への燃料供給量を制御する燃料供給量制御
   手段と、 前記検出された空燃比に基づいて、前記燃料供給量制御
   手段の制御量を定め、前記内燃機関の空燃比を目標空燃
   比に制御する空燃比制御手段とを備えた空燃比制御装置
   において、 前記空燃比制御手段は、空燃比を決定する内燃機関の動
   的なモデルを、むだ時間ｐ（ｐ＝０、１、２、…）を持
   つ次数１の自己回帰モデルにより近似し、更に外乱を考
   慮して構築すると共に、前記内燃機関の空燃比と前記燃
   料供給量制御手段の制御量とを、前記内燃機関の動的な
   モデルの内部状態を代表する状態変数量として出力する
   状態変数量出力部と、 前記目標空燃比と前記検出された空燃比との偏差を累積
   する累積部と、 前記動的なモデルに基づいて予め定められた最適フィー
   ドバックゲインと前記状態変数量及び前記累積値とから
   、前記燃料供給量制御手段の制御量を算出する制御量算
   出部と、 を備えたことを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。 ２　前記制御量算出部は、最適フィードバックゲインが
   、空燃比を制御する系の特性変化に対する安定性を考慮
   して予め定められている特許請求の範囲第１項記載の内
   燃機関の空燃比制御装置。