JP2551038B2 - 内燃機関の空燃比制御装置 - 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
59-196930号公報、特開昭60-36748号公報、実開昭59-16
5941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、猶一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量）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でしか
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くしようとすれ
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。

ここで、本発明の前提とするシステムの基本的構成を
説明する。即ち、 前記内燃機関M1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 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（AF
o-AFi）を累積する｛Σ（AFo-AFi）｝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 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M1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初め、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M7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、 AFi（ｋ）＝ａ・AFi（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、 AFi（ｋ）＝ａ・AFi（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、 を用いた表示をすると、 となり、状態変数量 として、 を用いることができることになる。状態変数量出力部M5
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｛A
Fo-AFi（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M1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 と状態変数量出力部M5より出力される状態変数量 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 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。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、設計自体が非常に煩雑であり、しかも一旦
設計したら変更のきかなかったオブザーバを使用する代
わりに空燃比制御の過去の制御結果をパラメータとして
導入することで、状態変数量を順次決定していくことが
できるようにしたものである。

即ち、その構成は第６図に示したとおり、 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
動的なモデルを近似的に構築すると共に、前記動的なモ
デルに基づいて予めフィードバックゲインを定めてお
き、 前記目標空燃比と前記検出された空燃比との偏差を所
定回数累積した累積値Ｚを記憶する累積部と、 前記検出された空燃比の過去の値AFi、前記燃料供給
量制御手段の制御量の過去の値Ｔおよび前記累積値Ｚの
３つの値をそのまま使用し、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、 前記動的なモデルに基づいて予め定められたフィード
バックゲインと前記状態変数量とに基づいて、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
えたことを特徴としている。

〔作用〕

上記構成によれば、内燃機関への燃料供給量制御手段
の制御量を定めるための空燃比制御手段は、目標空燃比
と実際に検出された空燃比との偏差を所定回数累積した
累積値Ｚと、実際に検出された空燃比の過去の値AFi
と、燃料供給量決定手段の実際の制御量の過去の値Ｔと
の少なくとも３つの値をそのまま使用して機関の動的モ
デルを代表する状態変数量として出力されることになる
ので、機関が過去に実際に運転された状況での入出力関
係にしたがって状態変数量を修正していくことが可能と
なり、適合精度上煩雑な作業と演算処理能力を必要とし
たいわゆるオブザーバを不要としても高精度のを空燃比
制御を実行していくことが可能となる。

〔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23,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の冷却水温Thwを検出する暖機センサ3
3、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720℃Ａ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10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
アップ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ポート56や
各アクチュエータへ制御信号を出力する出力ポート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、入力ポート56を介して、吸入空気量AR、吸気温
度Tam、スロットル開度TH、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Ig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 AFi（ｋ）＝ａ・AFi（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、 AFi（ｋ）＝ａ・AFi（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。

上式（６）を状態変数量 を用いて書き直すと、第（３）式より、 を得る。従って、取りもなおさず状態変数量 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 と拡大された状態変数量 〔Z(k) X1(k) X2(k)〕^T＝〔Z(k) AFi(k) T(k-1)〕^Tとを
用いて、 として燃料噴射弁26の制御量Ｔ（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）＝AFo-
AFi（ｋ）の累積値であり、 Ｚ（ｋ＋１）＝Ｚ（ｋ）＋ΔＺ（ｋ） …（10） 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^-1変換を用いて表示し
たが、これは過去の制御量Ｔ（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），（10）式を基に、書き直
したブロック線図である。図において、P1が状態変数量
出力部に、P2が累積部に、P3が制御量算出部に、各々相
当する。

最適フィードバックゲイン 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 評価関数、 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の制御量Ｔ（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AFoからの
偏差を最小にしようと意図したものであり、制御量Ｔ
（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,Rの値を種々変えて最適な制御特性がえられるま
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 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 既に定めたモデル定数a,bを用いて、 として定められる。ここではは、 ａ・ｂ・Ｒ・²＋（１−a²・Ｒ＋b²・Ｑ）−ａ・ｂ
・Ｑ＝０の解である（ただし、＞０）。

第（12）式からわかるように、最適フィードバックゲ
イン 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 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 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），（10）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、RAM53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、入力ポート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12
0）。こうした求めた制御量（本実施例ではパルス幅）
Ｔ（ｋ）を用いて、噴射弁26を出力ポート58を介して制
御し（ステップ130）、更にこの制御量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ΔＺ
（ｋ）を求め（ステップ150）、これを累積する処理を
行なう（ステップ160）。その後、変数ｋ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 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 を構成する各値に、上記最適フィードバックゲイン を掛け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図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、第６図は本発明のクレーム対応図である。 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。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項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
   的なモデルを近似的に構築すると共に、前記動的なモデ
   ルに基づいて予めフィードバックゲインを定めておき、 前記目標空燃比と前記検出された空燃比との偏差を所定
   回数累積した累積値を記憶する累積部と、 前記検出された空燃比の過去の値、前記燃料供給量制御
   手段の制御量の過去の値および前記累積値の３つの値を
   そのまま使用し、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、 前記動的なモデルに基づいて予め定められたフィードバ
   ックゲインと前記状態変数量とに基づいて、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。