JP2002317680A - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料噴射系の制御対象モデルの入出力を両方
とも直接観測可能な物理量として、モデルパラメータを
精度良くオンライン同定できるようにする。 【解決手段】 燃料噴射制御系を極零指定制御コントロ
ーラによるセルフチューニングレギュレータを用いて構
成する。制御対象モデル（実プラント）は、燃料噴射量
ｕ(k) を入力とし、空燃比センサ２３の空燃比検出値の
逆数（１／λ）を出力とする。これにより、制御対象モ
デルの入出力を両方とも直接観測可能な物理量とし、適
応観測器の理論を用いて、制御対象モデルの入出力の時
系列データ群から該制御対象モデルのモデルパラメータ
を逐次同定する。そして、このモデルパラメータに基づ
いて、極零指定制御コントローラのＦ／Ｆ項とＦ／Ｂ項
の制御パラメータを逐次更新し、Ｆ／Ｆ項で演算した燃
料噴射量をＦ／Ｂ項で演算したフィードバック補正量に
より補正して最終的な燃料噴射量を求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料噴射量の演算
に用いる制御パラメータを逐次更新する機能を備えた内
燃機関の燃料噴射制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年の車両に搭載された内燃機関（エン
ジン）の燃料噴射制御システムにおいては、燃料噴射弁
から噴射した燃料量に対し、吸気ポート壁面に付着する
燃料（ウエット）とその燃料の蒸発を考慮した燃料輸送
モデルを用いて、筒内に正味流入する燃料量を推定し、
空燃比制御精度を向上させる方法が提案されている。そ
の一例として、特開平６−４２３８５公報では、燃料噴
射量を入力とし、筒内流入燃料量を出力とする制御対象
モデルの動特性を状態空間又は等価な伝達関数式で表現
し、この制御対象モデルの動特性を表すモデルパラメー
タを、エンジン運転中に制御対象モデルの入出力に基づ
いてオンラインで自動更新する方法が提案されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記公
報の方法では、制御対象モデルの出力を筒内流入燃料量
としているため、モデルパラメータを正確にオンライン
同定するために重要となる出力値（筒内流入燃料量）が
直接センサで計測困難な物理量となっている。このた
め、制御対象モデルの出力をエンジン運転条件に基づい
て推定する必要があり、その推定誤差によってモデルパ
ラメータの同定精度が低下してしまい、エンジン運転条
件によっては、好ましい空燃比制御精度を得ることがで
きないという問題があった。

【０００４】本発明はこのような事情を考慮してなされ
たものであり、従ってその目的は、燃料噴射制御系の制
御対象モデルの入出力を両方とも直接観測可能な物理量
とすることで、モデルパラメータを精度良くオンライン
同定することができ、空燃比制御精度を向上することが
できる内燃機関の燃料噴射制御装置を提供することにあ
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項１の内燃機関の燃料噴射制御装置
は、内燃機関の運転条件に基づいて目標空燃比を設定す
る目標空燃比設定手段と、目標空燃比等に基づいて燃料
噴射量を演算する燃料噴射量演算手段と、内燃機関から
排出される排出ガスの空燃比に関する情報を検出する空
燃比検出手段とを備えたシステムにおいて、燃料噴射弁
から噴射される燃料噴射量を入力とし、空燃比検出手段
の検出値を出力とする制御対象モデルの入出力の時系列
データ群から該制御対象モデルのモデルパラメータをモ
デルパラメータ同定手段によって逐次同定し、同定した
モデルパラメータに基づいて燃料噴射量演算手段で用い
る制御パラメータを制御パラメータ調整手段によって逐
次更新するようにしたものである。

【０００６】この構成では、制御対象モデルの入出力
（燃料噴射量と空燃比）が両方とも直接観測可能な物理
量となるため、これを推定する必要がなくなり、その
分、モデルパラメータの同定精度を向上することができ
る。しかも、このモデルパラメータに基づいて燃料噴射
量演算手段で用いる制御パラメータを逐次更新すること
ができるため、システムの特性ばらつきや経時変化、或
は環境条件の変化による動特性の変化に対しても、その
変化の影響を排除した高精度の空燃比制御（燃料噴射制
御）を行うことができる。

【０００７】この場合、請求項２のように、制御対象モ
デルの出力となる前記空燃比検出手段の検出値を、空燃
比の逆数又は空気過剰率の逆数で表すようにすると良
い。ここで、空燃比と空気過剰率は次のような関係があ
る。

【０００８】空燃比＝空気量／燃料量 ∴ １／空燃比＝燃料量／空気量 空気過剰率＝空燃比／理論空燃比＝空燃比／１４．７ ＝空気量／（１４．７×燃料量） ∴ １／空気過剰率＝１４．７×燃料量／空気量

【０００９】この関係から明らかなように、空燃比の逆
数や空気過剰率の逆数は、燃料量が分子で空気量が分母
となる物理量となるため、制御対象モデルの出力とし
て、空燃比の逆数又は空気過剰率の逆数を用いれば、制
御対象モデルの入力と出力が両方とも燃料量に比例する
物理量となる。これにより、制御対象モデルが線形型に
近いモデルとなり、演算処理が容易となる。

【００１０】また、請求項３のように、内燃機関の運転
条件に基づいて筒内に充填される空気量（以下「筒内充
填空気量」という）を筒内充填空気量推定手段により推
定し、目標空燃比と筒内充填空気量の推定値とに基づい
てフィードフォワード的に燃料噴射量をＦ／Ｆ系燃料噴
射量演算手段により演算すると共に、目標空燃比と空燃
比検出手段の検出値とに基づいて燃料噴射量に対するフ
ィードバック補正量をＦ／Ｂ系燃料噴射量補正手段によ
り演算し、最終燃料噴射量演算手段において、Ｆ／Ｆ系
燃料噴射量演算手段で演算した燃料噴射量をＦ／Ｂ系燃
料噴射量補正手段で演算したフィードバック補正量によ
り補正して最終的な燃料噴射量を求めるようにしても良
い。この場合は、モデルパラメータ同定手段で同定した
モデルパラメータに基づいてＦ／Ｆ系燃料噴射量演算手
段及びＦ／Ｂ系燃料噴射量補正手段で用いる制御パラメ
ータを逐次更新するようにすれば良い。

【００１１】この構成では、目標空燃比と筒内充填空気
量の推定値とに基づいてフィードフォワード的に燃料噴
射量を演算するため、内燃機関の運転条件や環境条件の
変化による動特性の変化に対して、応答性良く燃料噴射
量を演算することができる。しかも、フィードフォワー
ド的に演算した燃料噴射量を、目標空燃比と空燃比検出
手段の検出値との偏差が小さくなる方向にフィードバッ
ク補正するようにしているので、システムの特性ばらつ
きや経時変化による燃料噴射量の誤差をフィードバック
補正により補償することができ、ロバスト安定性に優れ
た高精度、高応答の空燃比制御（燃料噴射制御）を行う
ことができる。更に、同定したモデルパラメータに基づ
いてＦ／Ｆ系燃料噴射量演算手段及びＦ／Ｂ系燃料噴射
量補正手段で用いる制御パラメータを逐次更新するよう
にしたので、システムの特性ばらつきや経時変化、或
は、運転条件や環境条件の変化による動特性の変化に対
応して、Ｆ／Ｆ系とＦ／Ｂ系の両方の制御パラメータを
自動的に更新することができ、応答性とロバスト安定性
を更に向上させることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】《実施形態（１）》以下、本発明
の実施形態（１）を図１乃至図６に基づいて説明する。
まず、図１に基づいてエンジン制御システム全体の概略
構成を説明する。内燃機関であるエンジン１１の吸気管
１２の最上流部には、エアクリーナ１３が設けられ、こ
のエアクリーナ１３の下流側には、吸入空気量を検出す
るエアフローメータ１４が設けられている。このエアフ
ローメータ１４の下流側には、モータ１０等のアクチュ
エータによって駆動されるスロットルバルブ１５と、ス
ロットル開度を検出するスロットル開度センサ１６とが
設けられている。

【００１３】更に、スロットルバルブ１５の下流側に
は、サージタンク１７が設けられ、このサージタンク１
７に、吸気圧力を検出する吸気圧力センサ１８が設けら
れている。また、サージタンク１７には、エンジン１１
の各気筒に吸入空気を導入する吸気マニホールド１９が
設けられ、各気筒の吸気マニホールド１９の吸気ポート
近傍に、それぞれ燃料を噴射する燃料噴射弁２０が取り
付けられている。

【００１４】一方、エンジン１１の排気管２１の途中に
は排出ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等を浄化する三元触
媒等の触媒２２が設置されている。この触媒２２の上流
側には、排出ガスの空燃比を検出する空燃比センサ２３
（空燃比検出手段）が設けられている。また、エンジン
１１のシリンダブロックには、冷却水温を検出する冷却
水温センサ２４や、エンジン回転速度を検出するための
クランク角センサ２５が取り付けられている。また、ア
クセルペダルの開度（アクセル開度）を検出するアクセ
ルセンサ２６が設けられている。

【００１５】これら各種センサの出力は、エンジン制御
回路（以下「ＥＣＵ」と表記する）２７に入力される。
このＥＣＵ２７は、マイクロコンピュータを主体として
構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された
図５及び図６のプログラムを実行することで、図１に示
された目標空燃比設定手段１、Ｆ／Ｆ系燃料噴射量演算
手段２、Ｆ／Ｂ系燃料噴射量補正手段３、最終燃料噴射
量演算手段４、筒内充填空気量推定手段５、モデルパラ
メータ同定手段６、制御パラメータ調整手段７としての
役割を果たす。また、Ｆ／Ｆ系燃料噴射量演算手段２、
Ｆ／Ｂ系燃料噴射量補正手段３及び最終燃料噴射量演算
手段４から特許請求の範囲でいう燃料噴射量演算手段が
構成されている。

【００１６】ここで、目標空燃比設定手段１は、エンジ
ン運転条件に基づいて目標空燃比を設定し、Ｆ／Ｆ系燃
料噴射量演算手段２は、この目標空燃比と筒内充填空気
量の推定値とに基づいてフィードフォワード的に燃料噴
射量を演算する。筒内充填空気量の推定値は、筒内充填
空気量推定手段５によってエンジン運転条件（例えば吸
入空気量と吸気管圧力）に基づいて演算される。

【００１７】また、Ｆ／Ｂ系燃料噴射量補正手段３は、
目標空燃比と空燃比検出手段２３の検出値とに基づい
て、燃料噴射量に対するフィードバック補正量を演算す
る。最終燃料噴射量演算手段４は、Ｆ／Ｆ系燃料噴射量
演算手段２で演算した燃料噴射量を、Ｆ／Ｂ系燃料噴射
量補正手段３で演算したフィードバック補正量により補
正して最終的な燃料噴射量を求める。

【００１８】一方、モデルパラメータ同定手段６は、燃
料噴射弁２０から噴射される燃料噴射量を入力とし、空
燃比検出手段２３の検出値を出力とする制御対象モデル
の入出力の時系列データ群から該制御対象モデルのモデ
ルパラメータを逐次同定する。制御パラメータ調整手段
７は、モデルパラメータ同定手段６で同定したモデルパ
ラメータに基づいて、Ｆ／Ｆ系燃料噴射量演算手段２及
びＦ／Ｂ系燃料噴射量補正手段３で用いる制御パラメー
タを逐次更新する。

【００１９】本実施形態（１）の燃料噴射制御系は、図
３に示すように、極零指定制御コントローラによるセル
フチューニングレギュレータ（ＳＴＲ：Self Tuning Re
gurator ）を用いて構成されている。制御対象モデル
（プラント）は、燃料噴射量ｕ(k) を入力とし、空燃比
センサ２３の空燃比検出値の逆数（１／λ）を出力ｙ
(k) とする。これにより、制御対象モデルの入出力を両
方とも直接観測可能な物理量とし、適応観測器の理論を
適用することで、制御対象モデルの動特性を表すモデル
パラメータのみならず、制御対象モデル内部の状態変数
も同時にオンライン同定できるようにする。

【００２０】制御対象モデルは、燃料噴射量に対する筒
内流入燃料量（これは状態変数の一つと見なす）の遅れ
要素、筒内燃焼ガスが空燃比センサ２３の位置に到達す
るまでの時間遅れ、及び空燃比センサ２３の検出出力の
動特性（応答遅れ）により構成される。

【００２１】上記制御対象モデルに適応観測器の理論を
適用するために、可観測標準系に等価変換し、入力（燃
料噴射量）と出力（１／λ）の時系列データ群からモデ
ルパラメータと内部状態変数をオンライン同定する。

【００２２】そして、極零指定制御等のモデル規範型適
応制御により、望ましい１／λの値を目標値（規範値）
とするコントローラを構成し、このコントローラのＦ／
Ｆ項とＦ／Ｂ項の制御パラメータを上記方法でオンライ
ン同定した制御対象モデルのモデルパラメータにより逐
次更新する。以下、この燃料噴射制御系について詳細に
説明する。

【００２３】［燃料輸送系のモデル］まず、制御対象モ
デルに含まれる燃料輸送系のモデルについて説明する。
図４は、４気筒エンジンの＃１気筒と＃３気筒の行程の
関係を示している。ここで、１サンプリング時間を１８
０℃Ａとし、＃３気筒における１サンプリング前の壁面
付着燃料量Ｍ_FW、吹き戻し燃料量Ｍ_FB、及び筒内に流入
した正味の燃料量Ｍ_FCは、仮想的に＃１気筒における１
サンプリング前のそれらに等しいと考えられる。現時点
(k) よりも１サンプリング後(k+1) の壁面付着燃料量Ｍ
_FW(k+1)、吹き戻し燃料量Ｍ_FB(k+1) 、筒内流入燃料量
Ｍ_FC(k+1) は、それぞれ次式で計算される。

【００２４】 壁面付着燃料量Ｍ_FW(k+1) の計算式 Ｍ_FW(k+1) ＝ａ・Ｍ_FW(k) ＋Ｘ・Ｍ_FI(k) ……（１） 吹き戻し燃料量Ｍ_FB(k+1) の計算式 Ｍ_FB(k+1) ＝｛（１−Ｘ）・Ｍ_FI(k) ＋（１−ａ）・Ｍ_FW(k) ＋Ｍ_FB(k) ｝・Ｘ_B ……（２） 筒内流入燃料量Ｍ_FC(k+1) の計算式 Ｍ_FC(k+1) ＝｛（１−Ｘ）・Ｍ_FI(k) ＋（１−ａ）・Ｍ_FW(k) ＋Ｍ_FB(k) ｝・（１−Ｘ_B ） ＝（１−Ｘ_B ）／Ｘ_B ・Ｍ_FB(k+1) ……（３） Ｍ_FI：燃料噴射量 ａ：壁面残存率 ａ＝１−ｔs ／τ （ｔs ：サンプリング時間 τ：蒸発時定数） Ｘ：壁面付着率 Ｘ_B ：吹き戻し率

【００２５】［空燃比センサモデル］筒内への燃料の流
入から燃焼を経て、排出ガスの空燃比（空気過剰率λ）
として空燃比センサ２３で検出されるまでの挙動を模擬
する空燃比センサモデルを、１次遅れ＋むだ時間要素で
近似する。この空燃比センサモデルを線形モデルとする
ために、変数は、空燃比（空気過剰率λ）の代わりに、
その逆数１／λ（燃料過剰率）を用いる。これにより、
空燃比センサモデルは、次式で表される。

【００２６】

【数１】

【００２７】ここで、１／λ＝Ｌｍ（燃料過剰率）と置
き、零次ホールドで上記空燃比センサモデルの式を離散
化し、サンプリング時間をｔs とし、ｓ＝（１／ｔs ）
（ｚ−１）で変換すると、次式が得られる。

【００２８】

【数２】

【００２９】上式から、次式が導き出される。 Ｌｍ＝α・ｚ^-1Ｌｍ＋β・（１−α）・ｚ^-(d+1)Ｍ_FC ∴ Ｌｍ(k) ＝α・Ｌｍ(k-1) ＋β・（１−α）・Ｍ_FC(k-d-1) ＝α・Ｌｍ(k-1) ＋（１−Ｘ_B ）／Ｘ_B ・β・（１−α）・Ｍ_FB(k-d-1) この式から、次式が導き出される。 Ｌｍ(k+d+1) ＝α・Ｌｍ(k+d)＋（１−Ｘ_B ）／Ｘ_B ・
β・（１−α）・Ｍ_FB(k)

【００３０】ここで、むだ時間ｄは、ｋ時刻の吸気行程
終了時の筒内流入燃料量Ｍ_FC(k) に対し、圧縮行程(k+
1) と爆発行程(k+2) を経て、排気行程(k+3) で空燃比
（空気過剰率λ）として検出されることから、ｄ＝２と
する。そして、状態方程式を構成するため、以下のよう
に置く。 Ｌｍ１(k) ＝Ｌｍ(k) Ｌｍ２(k) ＝Ｌｍ１(k+1) ＝Ｌｍ(k+1) Ｌｍ３(k) ＝Ｌｍ２(k+1) ＝Ｌｍ(k+2)

【００３１】これらの関係から次式が導き出される。 Ｌｍ１(k+1) ＝Ｌｍ２(k) ……（４） Ｌｍ２(k+1) ＝Ｌｍ３(k) ……（５） Ｌｍ３(k+1) ＝Ｌｍ(k+3) ＝α・Ｌｍ(k+2) ＋β・（１−α）・Ｍ_FC(k) ＝α・Ｌｍ３(k) ＋（１−Ｘ_B ）／Ｘ_B ・β・（１−α）・Ｍ_FB(k) ……（６）

【００３２】［制御対象の状態空間モデル］上記（１）
〜（６）式をまとめると、以下の基礎方程式が得られ
る。 Ｍ_FW(k+1) ＝ａ・Ｍ_FW(k) ＋Ｘ・Ｍ_FI(k) Ｍ_FB(k+1) ＝｛（１−Ｘ）・Ｍ_FI(k) ＋（１−ａ）・Ｍ
_FW(k)＋Ｍ_FB(k) ｝・Ｘ_B Ｌｍ１(k+1) ＝Ｌｍ２(k) Ｌｍ２(k+1) ＝Ｌｍ３(k) Ｌｍ３(k+1) ＝α・Ｌｍ３(k)＋（１−Ｘ_B ）／Ｘ_B ・
β・（１−α）・Ｍ_FB(k) 従って、状態方程式と出力方程式は次のように表され
る。

【００３３】

【数３】

【００３４】［制御対象の伝達関数モデル］制御対象の
伝達関数モデルは次のように表される。

【００３５】

【数４】

【００３６】［可観測標準形への変換］上述した制御対
象の伝達関数モデルの各パラメータｂ0 〜ｂ5 、ａ1 〜
ａ5 を用いて、前記（７）式で表される制御対象の状態
空間モデルのシステム行列を可観測標準形に変換する
と、次のように表される。

【００３７】

【数５】

【００３８】上記可観測標準形のシステム表現により、
システムは次式の形で表され、伝達関数は、制御対象の
伝達関数モデルの（８）式と同一となる。

【００３９】

【数６】

【００４０】［離散時間系Klreisselmeier形適応観測
器］ここで、次式で表される１入力１出力の線形固定係
数システムを考える。

【００４１】

【数７】

【００４２】また、この１入力１出力の線形固定係数シ
ステムは、次のようにも表される。 ｙ(k) ＝−ａ1 ｙ(k-1) −ａ2 ｙ(k-2) −……−ａn ｙ(k-n) ＋ｂ1 ｕ(k-1) ＋ｂ2 ｕ(k-2) ＋……＋ｂm ｕ(k-m) 上式に対する可観測標準形のシステム表現として、次式
のように変換する。

【００４３】

【数８】

【００４４】ここで、ｘ(k) はｎ次元状態ベクトル、出
力ｙ(k) はｙ(k) ＝ｘ１(k) であり、測定可能な状態変
数はｘ１(k) ［本モデルの場合はＬｍ(k) ］のみであ
る。一般に、適応観測器の設計問題は、測定可能な入出
力信号ｕ(k) 、ｙ(k) を用いて、２ｎ個の未知のパラメ
ータを同定し、且つ、測定不可能なｎ個の状態変数ｘ
(k) を推定する適応システムを構成することである。上
記（９）式を、漸近安定な（ｎｘｎ）マトリックスＦを
用いて、次式のように表す。

【００４５】

【数９】

【００４６】ここで、（ｎｘｎ）マトリックスＲy(k)、
Ｒu(k)を次のように定義する。

【００４７】

【数１０】

【００４８】上式を用い、初期値項を省略して前記（１
０）式を解くと、次式が導き出される。

【００４９】

【数１１】

【００５０】上記（１１）、（１２）式において、ｎ次
元状態ベクトルｆy(k)、ｆu(k)は、次式で表される状態
変数フィルタの出力である。

【００５１】

【数１２】

【００５２】また、Ｒy(k)、Ｒu(k)は、上記（１３）式
の解ｆy(k)、ｆu(k)を用いると、次の関係式から計算す
ることもできる。

【００５３】

【数１３】

【００５４】 ここで、θ^T ＝［（ａ−ｆ）^T Ｂn ^T ］ ……（１４ａ） ξ^T (k) ＝［ｆy ^T (k) ｆu ^T (k) ］ ……（１４ｂ） と置くと、出力ｙ(k) は次のように表される。 ｙ(k) ＝θ^T ξ^T (k) 適応観測器の構造を上記（１１）、（１４ａ）、（１４
ｂ）式に対応させて、次のように設定する。

【００５５】

【数１４】

【００５６】上記（１６）式は、静的誤差モデル表現で
あり、パラメータ調整則を適用できる。従って、ｋ→∞
で、ε1(k)→∞となる。このとき、上記の（１６）式か
ら、θ^T ξ^T (k) →０となる。ξ(k) が十分なＰＥ性を
持つときは、φ(k) →０となり、次の関係が成立して、
パラメータ同定が可能となる。

【００５７】

【数１５】

【００５８】また、同時に、前記（１１）、（１５）式
から、次の関係が成立して、状態量の推定も可能とな
る。

【００５９】

【数１６】

【００６０】［セルフチューニングレギュレータ（ＳＴ
Ｒ）］前述した制御対象の状態空間モデルより求めた伝
達関数モデル［数４］を次のように書き直す。

【００６１】

【数１７】

【００６２】また、この１入力１出力の線形固定係数シ
ステムは、次のようにも表される。 ｙ(k) ＝−ａ1 ｙ(k-1) −ａ2 ｙ(k-2) −……−ａn ｙ(k-n) ＋ｂ0 ｕ(k-d) ＋ｂ1 ｕ(k-d-1) ＋ｂ2 ｕ(k-d-2) ＋……＋ｂm ｕ(k-d-m) 本例では、ｎ＝３、ｍ＝２、ｄ＝４である。上式に対
し、望ましい極零配置となる規範モデルは次のように与
えられる。

【００６３】

【数１８】

【００６４】セルフチューニングレギュレータ（ＳＴ
Ｒ）の目的は、設定入力ｕm(k)に対する前記（１６）式
或は（１７）式で表される実プラントの出力ｙ(k) の閉
ループ伝達関数がｙm(k)／ｕm(k)に等しくなるように、
すなわち、ｙ(k) →ｙm(k)となる制御入力ｕ(k) を決め
ることである。

【００６５】但し、これは、実プラントのパラメータが
既知である場合を前提としている。本例では、実プラン
トのパラメータが未知であるから、まず、前述した離散
時間系Klreisselmeier形適応観測器によりパラメータを
同定し、上記既知パラメータの代わりに、同定したパラ
メータｂ0 〜ｂm 、ａ0 〜ａm を用いることになる。

【００６６】［極零指定制御システムによるＳＴＲの設
計］まず、漸近安定な多項式Ｔ（ｚ^-1）を定義する。こ
のとき、次のDiophantine 方程式により多項式Ｒ
（ｚ^-1）、Ｓ（ｚ^-1）を一意に決定できる。

【００６７】

【数１９】

【００６８】これらの多項式Ｔ（ｚ^-1）、Ｒ（ｚ^-1）、
Ｓ（ｚ^-1）を用いて、望ましい出力ｙ(k) ＝ｙm(k)を得
る制御入力ｕ(k) は、次式で与えられる。

【００６９】

【数２０】

【００７０】本問題に対し、多項式Ｒ（ｚ^-1）、Ｓ（ｚ
^-1）の具体的な形を次のようにして導き出す。まず、漸
近安定なｎ次、すなわち３次の多項式Ｄ（ｚ^-1）を次の
ように置く。 Ｄ（ｚ^-1）＝１＋ｄ1 ｚ^-1＋ｄ2 ｚ^-2＋ｄ3 ｚ^-3 ……（１９） ここで、Ｄ（ｚ^-1）は、（ｚ・Ｉ−Ｄ）の固有値がｚ平
面上の単位円内に存在するように決定する。

【００７１】次に、求めるべき多項式Ｒ（ｚ^-1）、Ｓ
（ｚ^-1）の次数は、Ｒ（ｚ^-1）が（ｄ−１）次、Ｓ（ｚ
^-1）が（ｎ−１）次であるから、Ｒ（ｚ^-1）、Ｓ
（ｚ^-1）は、次のように表される。

【００７２】

【数２１】

【００７３】上記（１９）〜（２１）式より、前記した
Diophantine 方程式を満たす多項式Ｒ（ｚ^-1）、Ｓ（ｚ
^-1）の各項の係数を求める。 Ａ（ｚ^-1）・Ｒ（ｚ^-1） ＝（１＋ａ1 ｚ^-1＋ａ2 ｚ^-2＋ａ3 ｚ^-3)(１＋ｒ1 ｚ^-1＋ｒ2 ｚ^-2＋ｒ3 ｚ^-3） ＝１＋（ａ1 ＋ｒ1 ）ｚ^-1＋（ａ2 ＋ｒ2 ＋ａ1 ・ｒ1 ）ｚ^-2 ＋（ａ3 ＋ｒ3 ＋ａ1 ・ｒ2 ＋ａ2 ・ｒ1 ）ｚ^-3 ＋（ａ1 ・ｒ3 ＋ａ3 ・ｒ1 ＋ａ2 ・ｒ2 ）ｚ^-4 ＋（ａ2 ・ｒ3 ＋ａ3 ・ｒ2 ）ｚ^-5＋ａ3 ・ｒ3 ・ｚ^-6 …（２２） ｚ^-dＳ（ｚ^-1）＝ｚ^-4（ｓ0 ＋ｓ1 ｚ^-1＋ｓ2 ｚ^-2） ＝ｓ0 ｚ^-4＋ｓ1 ｚ^-5＋ｓ2 ｚ^-6 ……（２３）

【００７４】上記（２２）、（２３）式を前記（１９）
式のDiophantine 方程式に代入し、左右両辺の係数を比
較すると、次の関係式が得られる。 ｄ1 ＝ａ1 ＋ｒ1 ｄ2 ＝ａ2 ＋ｒ2 ＋ａ1 ・ｒ1 ｄ3 ＝ａ3 ＋ｒ3 ＋ａ1 ・ｒ2 ＋ａ2 ・ｒ1 ０＝ａ1 ・ｒ3 ＋ａ3 ・ｒ1 ＋ａ2 ・ｒ2 ＋ｓ0 ０＝ａ2 ・ｒ3 ＋ａ3 ・ｒ2 ＋ｓ1 ０＝ａ3 ・ｒ3 ＋ｓ2

【００７５】これらの関係式より、求めるべき多項式Ｒ
（ｚ^-1）、Ｓ（ｚ^-1）の各係数は、次の形で与えられる
ことになる。 ｒ1 ＝ｄ1 −ａ1 ｒ2 ＝ｄ2 −ａ2 −ａ1 ・ｒ1 ＝ｄ2 −ａ2 −ａ1 （ｄ1 −ａ1 ） ｒ3 ＝ｄ3 −ａ3 −ａ1 ・ｒ2 −ａ2 ・ｒ1 ＝ｄ3 −ａ3 −ａ1 ｛ｄ2 −ａ2 −ａ1 （ｄ1 −ａ1
）｝−ａ2 （ｄ1 −ａ1 ） ｓ0 ＝−ａ1 ・ｒ3 −ａ3 ・ｒ1 −ａ2 ・ｒ2 ＝−ａ1 ［ｄ3 −ａ3 −ａ1 ｛ｄ2 −ａ2 −ａ1 （ｄ1
−ａ1 ）｝−ａ2 （ｄ1 −ａ1 ）］−ａ3 （ｄ1 −ａ1
）−ａ2 ｛ｄ2 −ａ2 −ａ1 （ｄ1 −ａ1 ）｝ ｓ1 ＝−ａ2 ・ｒ3 −ａ3 ・ｒ2 ＝−ａ2 ［ｄ3 −ａ3 −ａ1 ｛ｄ2 −ａ2 −ａ1 （ｄ1
−ａ1 ）｝−ａ2 （ｄ1 −ａ1 ）］−ａ3 ｛ｄ2 −ａ2
−ａ1 （ｄ1 −ａ1 ）｝ ｓ2 ＝−ａ3 ・ｒ3 ＝−ａ3 ［ｄ3 −ａ3 −ａ1 ｛ｄ2 −ａ2 −ａ1 （ｄ1
−ａ1 ）｝−ａ2 （ｄ1 −ａ1 ）］

【００７６】以上のようにして求めた多項式Ｒ
（ｚ^-1）、Ｓ（ｚ^-1）と、前記（１９）式で与えられる
Ｄ（ｚ^-1）を用いれば、望ましい出力ｙ(k) ＝ｙm(k)を
得る制御入力ｕ(k) は、次式で求められる。

【００７７】

【数２２】

【００７８】以上説明した極零指定制御コントローラに
よるＳＴＲを用いた燃料噴射制御は、ＥＣＵ２７により
図５及び図６のプログラムに従って実行される。以下、
これらのプログラムの処理内容を説明する。

【００７９】図５の燃料噴射制御プログラムは、各気筒
の噴射タイミングに同期して周期的に実行される。本プ
ログラムが起動されると、まず、ステップ１０１で、エ
ンジン運転条件（例えば吸入空気量と吸気管圧力）に基
づいて筒内充填空気量を推定し、次のステップ１０２
で、エンジン運転条件に基づいて目標空燃比を設定す
る。この後、ステップ１０３に進み、極零指定制御コン
トローラのＦ／Ｆ項によって目標空燃比と筒内充填空気
量の推定値とに基づいてフィードフォワード的に燃料噴
射量を演算する。このＦ／Ｆ項の制御パラメータは、後
述する図６の制御パラメータ調整プログラムによって逐
次更新される。

【００８０】この後、ステップ１０４に進み、極零指定
制御コントローラのＦ／Ｂ項によって燃料噴射量に対す
るＦ／Ｂ補正量を算出する。このＦ／Ｂ項の制御パラメ
ータも、後述する図６の制御パラメータ調整プログラム
によって逐次更新される。

【００８１】この後、ステップ１０５に進み、Ｆ／Ｆ項
によって算出した燃料噴射量を、Ｆ／Ｂ項で算出したＦ
／Ｂ補正量により補正して最終燃料噴射量を求める。こ
れにより、目標空燃比と空燃比センサ２３の検出値との
偏差が小さくなる方向に燃料噴射量をフィードバック補
正する。そして、次のステップ１０６で、今回の最終燃
料噴射量をＥＣＵ２７のＲＡＭに記憶し、今回までの最
終燃料噴射量の時系列データを記憶保持する。

【００８２】そして、次のステップ１０７で、最終燃料
噴射量に対応する燃料噴射弁２０の駆動パルス（噴射時
間）を演算し、次のステップ１０８で、この駆動パルス
を燃料噴射弁２０に出力して、燃料噴射を実行する。

【００８３】一方、図６の制御パラメータ調整プログラ
ムは、所定時間毎又は所定クランク角毎に実行される。
本プログラムが起動されると、まず、ステップ２０１
で、空燃比センサ２３の出力をＡ／Ｄ変換処理し、次の
ステップ２０２で、このＡ／Ｄ変換値に基づいて排出ガ
スの空気過剰率λを算出する。この後、ステップ２０３
に進み、空気過剰率λの逆数１／λを算出する。そし
て、次のステップ２０４で、今回の１／λをＥＣＵ２７
のＲＡＭに記憶し、今回までの１／λの時系列データを
記憶保持する。

【００８４】この後、ステップ２０５に進み、最終燃料
噴射量の時系列データと１／λの時系列データとに基づ
いてモデルパラメータを同定する。そして、次のステッ
プ２０６で、極零指定制御コントローラのＦ／Ｆ項の制
御パラメータを、モデルパラメータとDiophantine 方程
式とによって更新する。この後、ステップ２０７に進
み、極零指定制御コントローラのＦ／Ｂ項の制御パラメ
ータを、モデルパラメータとDiophantine 方程式とによ
って更新する。

【００８５】以上説明した本実施形態（１）では、燃料
噴射弁２０から噴射される燃料噴射量（最終燃料噴射
量）を入力とし、空燃比センサ２３の検出値（１／λ）
を出力とする制御対象モデルの入出力の時系列データ群
から該制御対象モデルのモデルパラメータを逐次同定
し、そのモデルパラメータに基づいて極零指定制御コン
トローラの制御パラメータを逐次更新するようにしたの
で、制御対象モデルの入出力が両方とも直接観測可能な
物理量となり、これを推定する必要がなくなり、その
分、モデルパラメータの同定精度を向上することができ
る。しかも、このモデルパラメータに基づいて極零指定
制御コントローラの制御パラメータを逐次更新すること
ができるため、システムの特性ばらつきや経時変化、或
は環境条件の変化による動特性の変化に対しても、その
変化の影響を排除した高精度の空燃比制御（燃料噴射制
御）を行うことができると共に、適合工数を削減するこ
とができる。

【００８６】本実施形態（１）では、制御対象モデルの
出力となる空燃比センサ２３の検出値を、空気過剰率λ
の逆数（１／λ）で表すようにしている。前述したよう
に、１／λは、燃料量が分子で空気量が分母となる物理
量となるため、制御対象モデルの出力として、１／λを
用いれば、制御対象モデルの入力と出力が両方とも燃料
量に比例する物理量となる。これにより、制御対象モデ
ルが線形型に近いモデルとなり、演算処理が容易となる
利点がある。

【００８７】尚、１／λに代えて、１／空燃比＝／（１
４．７×λ）を用いても本実施形態（１）と同様の効果
を得ることができる。但し、本発明は、制御対象モデル
の出力として、空気過剰率λ又は空燃比を用いるように
しても良い。

【００８８】また、本実施形態（１）では、内燃機関の
運転条件に基づいて筒内充填空気量を推定し、極零指定
制御コントローラのＦ／Ｆ項によって、この筒内充填空
気量の推定値と目標空燃比とに基づいてフィードフォワ
ード的に燃料噴射量を演算すると共に、極零指定制御コ
ントローラのＦ／Ｂ項によって、目標空燃比と空燃比セ
ンサ２３の検出値（１／λ）とに基づいて、燃料噴射量
に対するフィードバック補正量を演算し、このフィード
バック補正量で燃料噴射量を補正して最終的な燃料噴射
量を求めるようにしている。

【００８９】この構成では、目標空燃比と筒内充填空気
量の推定値とに基づいてフィードフォワード的に燃料噴
射量を演算するため、エンジン運転条件や環境条件の変
化による動特性の変化に対して、応答性良く燃料噴射量
を演算することができる。しかも、フィードフォワード
的に演算した燃料噴射量を、目標空燃比と空燃比検出手
段の検出値との偏差が小さくなる方向にフィードバック
補正するようにしているので、システムの特性ばらつき
や経時変化による燃料噴射量の誤差をフィードバック補
正により補償することができ、ロバスト安定性に優れた
高精度、高応答の空燃比制御（燃料噴射制御）を行うこ
とができる。

【００９０】《実施形態（２）》上記実施形態（１）
は、極零指定制御等のモデル規範型適応制御を用いて構
成した燃料噴射制御システムに本発明を適用したもので
あるが、図７に示す実施形態（２）は、状態Ｆ／Ｂ制御
を用いて構成した燃料噴射制御システムに本発明を適用
したものである。

【００９１】本実施形態（２）においても、前記実施形
態（１）と同様の方法で、適応観測器によって制御対象
モデルのモデルパラメータと状態変数Ｘを同定する。そ
して、このモデルパラメータと状態変数Ｘとに基づいて
状態Ｆ／ＢゲインＫを逐次更新すると共に、モデルパラ
メータに基づいてサーボ拡張系の積分ゲインＫｉを逐次
更新する。また、Ｆ／Ｆ制御系コントローラは、目標空
燃比とエンジン運転条件（エンジン回転速度Ｎｅ、目標
筒内充填空気量等）に基づいてフィードフォワード的に
燃料噴射量を演算し、この燃料噴射量を状態Ｆ／Ｂ制御
によるＦ／Ｂ補正量で補正して最終燃料噴射量を求め
る。

【００９２】以上説明した本実施形態（２）において
も、前記実施形態（１）と同様の効果を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態（１）を示すエンジン制御シ
ステム全体の概略構成図

【図２】実施形態（１）の燃料噴射制御系全体の機能を
概略的に示すブロック図

【図３】実施形態（１）の燃料噴射制御系全体の機能を
詳細に示すブロック図

【図４】燃料輸送系のモデルを説明するための図

【図５】実施形態（１）の燃料噴射制御プログラムの処
理の流れを示すフローチャート

【図６】実施形態（１）の制御パラメータ調整プログラ
ムの処理の流れを示すフローチャート

【図７】実施形態（２）の燃料噴射制御系全体の機能を
詳細に示すブロック図

【符号の説明】

１１…エンジン（内燃機関）、１２…吸気管、１４…エ
アフローメータ、１５…スロットルバルブ、１８…吸気
圧力センサ、２０…燃料噴射弁、２１…排気管、２２…
触媒、２３…空燃比センサ（空燃比検出手段）、２５…
クランク角センサ、２７…ＥＣＵ（目標空燃比設定手
段，燃料噴射量演算手段，筒内充填空気量推定手段，モ
デルパラメータ同定手段，制御パラメータ調整手段，Ｆ
／Ｆ系燃料噴射量演算手段，Ｆ／Ｂ系燃料噴射量補正手
段，最終燃料噴射量演算手段）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3G084 BA09 BA13 EB12 EC04 FA07 FA10 FA11 FA13 FA29 FA33 FA38 3G301 JA18 MA01 MA11 NA09 ND02 ND42 PA01 PA07 PD02 PE01 PE03

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内燃機関の運転条件に基づいて目標空燃
   比を設定する目標空燃比設定手段と、 目標空燃比等に基づいて燃料噴射量を演算する燃料噴射
   量演算手段と、 内燃機関から排出される排出ガスの空燃比に関する情報
   を検出する空燃比検出手段と、 燃料噴射弁から噴射される燃料噴射量を入力とし、前記
   空燃比検出手段の検出値を出力とする制御対象モデルの
   入出力の時系列データ群から該制御対象モデルのモデル
   パラメータを逐次同定するモデルパラメータ同定手段
   と、 前記モデルパラメータ同定手段で同定された前記モデル
   パラメータに基づいて前記燃料噴射量演算手段で用いる
   制御パラメータを逐次更新する制御パラメータ調整手段
   とを備えていることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制
   御装置。
2. 【請求項２】 前記制御対象モデルの出力となる前記空
   燃比検出手段の検出値は、空燃比の逆数又は空気過剰率
   の逆数で表されることを特徴とする請求項１に記載の内
   燃機関の燃料噴射制御装置。
3. 【請求項３】 内燃機関の運転条件に基づいて筒内に充
   填される空気量（以下「筒内充填空気量」という）を推
   定する筒内充填空気量推定手段を備え、 前記燃料噴射量演算手段は、前記目標空燃比と前記筒内
   充填空気量の推定値とに基づいてフィードフォワード的
   に燃料噴射量を演算するＦ／Ｆ系燃料噴射量演算手段
   と、前記目標空燃比と前記空燃比検出手段の検出値とに
   基づいて前記燃料噴射量に対するフィードバック補正量
   を演算するＦ／Ｂ系燃料噴射量補正手段と、前記Ｆ／Ｆ
   系燃料噴射量演算手段で演算した燃料噴射量を前記Ｆ／
   Ｂ系燃料噴射量補正手段で演算したフィードバック補正
   量により補正して最終的な燃料噴射量を求める最終燃料
   噴射量演算手段とを備え、 前記制御パラメータ調整手段は、前記モデルパラメータ
   同定手段で同定された前記モデルパラメータに基づいて
   前記Ｆ／Ｆ系燃料噴射量演算手段及び前記Ｆ／Ｂ系燃料
   噴射量補正手段で用いる制御パラメータを逐次更新する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の燃
   料噴射制御装置。