JP2009287531A

JP2009287531A - 内燃機関の空燃比制御装置

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Publication number: JP2009287531A
Application number: JP2008143708A
Authority: JP
Inventors: Isato Nakada; 勇人仲田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-05-30
Filing date: 2008-05-30
Publication date: 2009-12-10

Abstract

【課題】経年変化によらず内燃機関の運転状態を正確に判定し、判定された運転状態に応じて高精度な制御が可能な内燃機関の空燃比制御装置を提供する。
【解決手段】内燃機関の空燃比制御装置が、実際の燃料噴射量である実燃料噴射量ｕ及びその噴射による空燃比である実空燃比ｙを保存する記憶手段と、保存された実燃料噴射量ｕ及び実空燃比ｙに基づいて所定時間経過後の内燃機関の運転状態である先読み運転状態ｆｃを推定する運転状態推定手段と、保存された実燃料噴射量ｕ及び実空燃比ｙ並びに先読み運転状態ｆｃに基づいて前記所定時間経過後の空燃比である先読み空燃比ｆａを推定する空燃比推定手段と、先読み空燃比ｆａに基づいて燃料噴射量を補正する燃料噴射量補正手段とを具備する。
【選択図】図２

Description

本発明は内燃機関の空燃比制御装置に関する。

予め定められた基準に基づいて内燃機関の運転状態が定常状態であるか過渡状態であるかを判定し、各運転状態において非線形な動特性を単一の線形モデルを用いることで、燃料噴射量から空燃比への伝達特性を同定し、高精度な制御を行う内燃機関の空燃比制御装置が公知である（特許文献１参照）。

特開２０００−２１３３９５号公報

しかしながら、この空燃比制御装置では、内燃機関の経年変化による燃料噴射弁等の燃料系の特性の変化のため、上述の予め定められた判定基準に基づいて求められた内燃機関の運転状態と、実際の運転状態とが異なってくるという問題がある。そのため、同定された燃料噴射量から空燃比への伝達特性も最適なものではなく、空燃比制御の性能が大きく劣化してしまう可能性がある。また、各運転状態においてそれぞれ単一のモデルを用いているため、空燃比制御の精度向上には限界がある。

そこで本発明は上記問題に鑑み、経年変化によらず内燃機関の運転状態を正確に判定し、判定された運転状態に応じて高精度な制御が可能な内燃機関の空燃比制御装置を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために請求項１に記載の発明によれば、内燃機関の空燃比制御装置であって、実際の燃料噴射量である実燃料噴射量及びその噴射による空燃比である実空燃比を保存する記憶手段と、保存された実燃料噴射量及び実空燃比に基づいて所定時間経過後の内燃機関の運転状態である先読み運転状態を推定する運転状態推定手段と、保存された実燃料噴射量及び実空燃比並びに先読み運転状態に基づいて前記所定時間経過後の空燃比である先読み空燃比を推定する空燃比推定手段と、先読み空燃比に基づいて燃料噴射量を補正する燃料噴射量補正手段とを具備した内燃機関の空燃比制御装置が提供される。

本発明によれば、内燃機関の非線形な動特性を運転状態に応じた推定手段を用いるので、高精度な空燃比制御を行うことが可能となる。また、過去の実燃料噴射量及び実空燃比を学習し、それに基づいて空燃比を推定し燃料噴射量を補正するので、経年変化によらず高精度な空燃比制御を行うことが可能となる。

以下、図面を参照しながら本発明による内燃機関の空燃比制御装置について説明する。図１は本発明の空燃比制御装置が搭載される内燃機関全体の図である。図１に示した実施形態では本発明の空燃比制御装置が筒内直噴型火花点火式内燃機関に用いられた場合を示しているが、他の火花点火式内燃機関や圧縮自着火式内燃機関等にも用いることができる。

図１を参照すると１は機関本体、２はシリンダブロック、３はシリンダブロック２内で往復動するピストン、４はシリンダブロック２上に固定されたシリンダヘッド、５はピストン３とシリンダヘッド４との間に形成された燃焼室、６は吸気弁、７は吸気ポート、８は排気弁、９は排気ポートをそれぞれ示す。図１に示したようにシリンダヘッド４の内壁面の中央部には点火プラグ１０が配置され、シリンダヘッド４内壁面周辺部には燃料噴射弁１１が配置される。またピストン３の頂面上には燃料噴射弁１１の下方から点火プラグ１０の下方まで延びるキャビティ１２が形成されている。

各気筒の吸気ポート７はそれぞれ対応する吸気枝管１３を介してサージタンク１４に連結され、サージタンク１４は吸気管１５を介してエアクリーナ（図示せず）に連結される。吸気管１５内にはエアフロメータ１６が配置されると共にステップモータ１７によって駆動されるスロットル弁１８が配置される。一方、各気筒の排気ポート９は排気マニホルド１９に連結され、この排気マニホルド１９は三元触媒２０を内蔵した触媒コンバータ２１に連結される。触媒コンバータ２１の出口は排気管２２に連結される。排気マニホルド１９、即ち排気浄化触媒２０上流側の排気通路内には空燃比センサ２３が配置される。燃料は燃料タンク２４に貯蔵され、燃料供給管を介して電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２５によって燃料噴射弁１１へ供給され、噴射される。また、本実施形態では、排気浄化触媒として三元触媒２０を用いているが、酸素吸蔵能力を有していれば、他のタイプの触媒、例えばＮＯx吸蔵還元触媒、リーンＮＯx触媒、ＤＰＮＲ等を用いてもよい。更に、空燃比センサ２３の代わりに、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチであるかリーンであるかによって大きく異なる出力電圧を発生する酸素センサを用いてもよい。

電子制御ユニット（ＥＣＵ）３１はディジタルコンピュータからなり、双方向性バス３２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）３４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３５、バックアップＲＡＭ３６、入力ポート３７及び出力ポート３８を具備する。バックアップＲＡＭ３６は常時電源に接続されており、車両のイグニッションスイッチを切っても記憶した内容を保存することが可能である。

エアフロメータ１６は吸入空気流量に比例した出力電圧を発生し、その出力電圧は対応するＡＤ変換器３９を介して入力ポート３７に入力される。また、空燃比センサ２３は、排気マニホルド１９内を通過する排気ガス中の酸素濃度に基づいて、排気ガスの空燃比に略比例した出力電圧を発生する。出力電圧は対応するＡＤ変換器３９を介して入力ポート３７に入力される。

また、アクセルペダル４１にはアクセルペダル４１の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４２が接続され、負荷センサ４２の出力電圧は対応するＡＤ変換器３９を介して入力ポート３７に入力される。クランク角センサ４３は例えばクランクシャフトが３０度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート３７に入力される。ＣＰＵ３５ではこのクランク角センサ４３の出力パルスから機関回転数Ｎｅが計算される。一方、出力ポート３８は対応する駆動回路３９を介して点火プラグ１０、燃料噴射弁１１、ステップモータ１７及び燃料ポンプ２５に接続される。

上述した三元触媒２０は、酸素吸蔵能力を有しており、これにより三元触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリーンであるときには排気ガス中の酸素を吸蔵すると共に、三元触媒２０に流入する排気ガスの空燃比がリッチであるときには吸蔵している酸素を放出することにより排気ガス中に含まれるＨＣ、ＣＯを酸化・浄化する。

そこで、本実施形態では、三元触媒２０よりも上流排気通路内に配置された空燃比センサ２３によって排気空燃比（三元触媒２０上流側の排気通路、燃焼室５及び吸気通路に供給された空気と燃料との比率）を検出すると共に、空燃比センサ２３の出力値が目標空燃比となるように燃料噴射弁１１からの燃料供給量についてフィードバック制御を行うこととしている。本実施形態において、目標空燃比は理論空燃比である。

図２は、本発明による空燃比制御装置に用いられる制御システムの概要を示す図である。まず、ブロック１１では、後に詳述する空燃比挙動モデルを用いて、所定時刻経過後の内燃機関の運転状態が過渡状態であるか定常状態であるかを推定し、推定結果である先読み運転状態ｆｃと、先読み運転状態ｆｃに応じた同定式に基づき、推定された空燃比の先読み値、即ち所定時刻経過後の空燃比の予測値である先読み空燃比ｆａが出力される。

次いで、ブロック１２では、ブロック１１で出力された先読み運転状態ｆｃと先読み空燃比ｆａとに基づいて先読み補正値ｃを算出する。算出された先読み補正値ｃは、ブロック１３におけるフィードバック制御（例えば、ＰＩＤ制御）によって決定された基本燃料噴射量ｄに加算され、その結果得られた実際の燃料噴射量が実燃料噴射量ｕとして、内燃機関１４に噴射される。そして、実際の空燃比である実空燃比ｙが検出される。先読み補正値ｃによってフィードバック補正による基本燃料噴射量ｄを補正することで、経年変化による特性の変化を補償し、精度の良い空燃比制御が実現できる。

なお、実燃料噴射量ｕと、その量の燃料噴射の結果得られる実空燃比ｙとは、空燃比挙動モデルに用いるための基礎データとして、破線で示されるように空燃比挙動モデルで再度用いるため、バックアップＲＡＭ３６に都度保存される。

次に、本発明による空燃比挙動モデルの詳細について説明する。まず、本実施形態では、空燃比挙動モデルとして区分的ＡＲＸモデル（区分的外部入力付自己回帰モデル）と呼ばれる統計的手法を用いる。この手法について以下、説明する。

時刻ｋにおける実燃料噴射量をｕ（ｋ）、その噴射による出力である実空燃比をｙ（ｋ）とする。これらの過去の時系列データｕ（ｋ−１）、ｕ（ｋ−２）、・・・及びｙ（ｋ−１）、ｙ（ｋ−２）、・・・から内燃機関の動特性の同定を行う。ここで、本発明において内燃機関の動特性は以下の式（１）及び式（２）で表されると仮定する。ここで、式（１）は内燃機関の運転状態が過渡状態を表し、式（２）は内燃機関の運転状態が定常状態を表している。ｘ（ｋ）は回帰ベクトルであり、バックアップＲＡＭ３６に保存された過去の実燃料噴射量ｕ及びその量の燃料噴射の結果得られる実空燃比ｙ（以下、これらをまとめて「観測データ」と称す）を用いて以下の式（３）によって表される。

ｅ（ｋ）は式誤差であり、θ₁、θ₂は同定する未知パラメータのベクトルを表す。データ数はＮであり、離散時刻はｋ＝１，２，・・・，Ｎである。自然数ｎ_u，ｎ_yは、モデルを記述するために必要とされる実燃料噴射量ｕ（ｋ）及び実空燃比ｙ（ｋ）の過去の時系列データの個数を表す。式（１）及び式（２）がそれぞれＡＲＸモデルを表し、それが内燃機関の運転状態に応じて区分的にモデル化されていることから、区分的ＡＲＸモデルと称される。なお、Ｔは転置行列を意味する。

式（１）で表される過渡状態と、式（２）で表される定常状態とは、各式の横に条件として付記されているように、回帰ベクトル空間における解空間として、以下の式（４）で表される超平面と呼ばれる平面によって分割される。この超平面を特に分離超平面と称す。ａ，ｂは算出すべき未知パラメータである。

以上を前提として、以下の３つのステップにより、観測データを各運転状態（過渡状態又は定常状態）にクラスタリング（分類）して、各運転状態に対応する未知パラメータθ₁、θ₂と式（４）で表される分離超平面とを決定する。

ステップ１
ステップ１では、観測データのクラスタリングを行う。そのため、観測データからなる観測データベクトルを式（５）のように定義したとき、観測データが以下の式（６）に示される密度関数によって表される混合正規分布に従うと仮定する。式（６）の右辺第１項が過渡状態における観測データの密度関数を表し、右辺第２項が定常状態における観測データの密度関数を表している。

αは各正規分布の確率の重み付け、即ち混合比を表し、μ、Σはそれぞれ平均、分散を表しており、さらに以下の式（７）から式（１０）で表される。ｄｅｔは行列式を表す。

本実施形態において、混合正規分布の式（７）で表されるパラメータΦは最尤推定法を用いて求める。パラメータΦを求めることは、非凸最適化問題を解くことになる。そこで、本実施形態では、汎用的なパラメータ推定方法であるＥＭアルゴリズムを用いた反復計算を行い、以下の式（１１）で表される尤度関数を最大化するパラメータΦを求める。パラメータΦを求めるために、ＥＭアルゴリズム以外、その他のアルゴリズムを用いてもよい。

次に、尤度関数を最大化するような最適なパラメータΦを用いて、観測データを過渡状態と定常状態とに分類するクラスタリングを行う。そのため、離散時刻ｋ＝１，２，・・・，Ｎの各観測データを、過渡状態又は定常状態の正規分布のうち、帰属確率のより高い方の部分分布に対応するクラスタに分類し、過渡状態に属するクラスタをクラスタＣ₁とし、定常状態に属するクラスタをクラスタＣ₂とする。

ステップ２
ステップ２では、分離超平面を表す上述の式（４）の未知パラメータａ，ｂは、以下の式（１３）から式（１５）に基づいて、式（１２）の最小値を求めるような２次最適化問題を解くことによって求められる。

ステップ３
ステップ３では、最小二乗法を用いることによって、過渡状態に分類されたクラスタＣ₁に属する観測データから、以下の式（１６）から式（１９）に基づいて未知パラメータθ₁を推定し、定常状態に分類されたクラスタＣ₂に属する観測データから、以下の式（２０）から式（２３）に基づいて未知パラメータθ₂を推定する。但し、Ｎ₁，Ｎ₂はそれぞれクラスタＣ₁，Ｃ₂に含まれる要素の個数である。

以上のステップ１から３によって各運転状態に対応する未知パラメータθ₁、θ₂と式（４）で表される分離超平面とが決定された。これにより、式（１）及び（２）による区分的ＡＲＸモデルの空燃比挙動モデルを用いることによって、先読み運転状態ｆｃ及び先読み空燃比ｆａを推定することが可能となる。

例えば、現在時刻をｋとしたとき、次回の離散時刻ｋ＋１における先読み空燃比ｆａ、即ちｙ（ｋ＋１）は、現在時刻までの観測データ、即ち実燃料噴射量ｕ（ｋ）と、その噴射による実空燃比ｙ（ｋ）を用いて、以下の式（２４）から（２６）のように表される。このとき、離散時刻ｋ＋１において、式（４）で表される分離超平面に対して過渡状態にあるか定常状態にあるか、先読み運転状態ｆｃが推定される。それに基づいて、式（２４）の同定式を使用するか式（２５）の同定式を使用するかが決定される。決定された同定式を用いて、先読み空燃比ｆａ推定することが可能となる。

先読み空燃比ｆａを用いて、図２に示すような本発明による空燃比制御を行うことによって、以下のような利点が得られる。即ち、内燃機関の非線形な動特性を運転状態に応じた複数の同定式を用いることで、高精度な空燃比制御を行うことが可能となる。過去の観測データを学習し、同定式のパラメータを変化させるので、経年変化によらず高精度な空燃比制御を行うことが可能となる。

最後に、先読み空燃比算出操作のフローチャートについて図３を参照しながら説明する。この操作はＥＣＵ３１によって予め定められた所定時間毎の割り込みによって実行されるルーチンとして行われる。

まず、ステップ１０１では、バックアップＲＡＭ３６に保存された過去の観測データ（実燃料噴射量ｕ及び実空燃比ｙ）を読み込み、ステップ１０２へと進む。次いで、ステップ１０２では、空燃比挙動モデル作成のために必要な観測データの個数ｎ_u，ｎ_yの設定を行い、ステップ１０３へと進む。これらの値は、モデル化の精度に合わせて予め定められる。

次いで、ステップ１０３では、前述のステップ１に基づいて観測データをクラスタＣ₁又はクラスタＣ₂に分類するクラスタリングを行い、ステップ１０４へと進む。次いで、ステップ１０４では、前述のステップ２に基づいて分離超平面のパラメータａ，ｂを算出し、ステップ１０５へと進む。次いで、ステップ１０５では、前述のステップ３に基づいて区分的ＡＲＸモデルの未知パラメータθ₁、θ₂を算出し、ステップ１０６へと進む。次いで、ステップ１０６では、先読み運転状態ｆｃを推定し、ステップ１０７へと進む。次いで、ステップ１０７では、先読み運転状態ｆｃに応じた区分的ＡＲＸモデルの同定式を用いて先読み空燃比ｆａを推定し、ルーチンを終了する。

本発明の空燃比制御装置が搭載される内燃機関全体の図である。本発明による空燃比制御装置に用いられる制御システムの概要を示す図である。先読み空燃比算出操作のフローチャートである。

符号の説明

１機関本体
３ピストン
５燃焼室
６吸気弁
８排気弁
１０点火栓
１１燃料噴射弁
２３空燃比センサ
３１ＥＣＵ

Claims

内燃機関の空燃比制御装置であって、実際の燃料噴射量である実燃料噴射量及びその噴射による空燃比である実空燃比を保存する記憶手段と、保存された実燃料噴射量及び実空燃比に基づいて所定時間経過後の内燃機関の運転状態である先読み運転状態を推定する運転状態推定手段と、保存された実燃料噴射量及び実空燃比並びに先読み運転状態に基づいて前記所定時間経過後の空燃比である先読み空燃比を推定する空燃比推定手段と、先読み空燃比に基づいて燃料噴射量を補正する燃料噴射量補正手段とを具備した内燃機関の空燃比制御装置。