JP2600698B2 - 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、内燃機関のシリンダ内に流入する燃料の挙
動を表す物理モデルに則って燃料噴射弁からの燃料噴射
量を制御する内燃機関の燃料噴射量制御装置に関する。

［従来の技術］ 従来より、内燃機関に供給される燃料混合気の空燃比
が目標空燃比になるよう燃料噴射弁からの燃料噴射量を
制御する燃料噴射量制御装置の一つとして、例えば特開
昭59−196930号公報に記載の如く、内燃機関の回転速度
と吸入空気量とから求められる基本燃料噴射量を補正す
る補正値を制御入力、空燃比センサを用いて検出される
空燃比の実測値を制御出力とし、該制御入力と制御出力
との間に線形な近似が成り立つものとして同定を行い、
内燃機関の動的な振舞いを記述する物理モデルを求め、
これに基づき設計された制御則により燃料噴射量を制御
するよう構成された、所謂線形制御理論に基づく制御装
置が知られている。

［発明が解決しようとする問題点］ しかし上記制御入力量と制御出力量との関係は本来非
線形であり、単に線形近似により物理モデルを求めたの
では内燃機関の動的な振舞いを極めて狭い運転条件下で
しか正確に記述することができない。このため従来の制
御装置では、線形近似が成り立つとみなし得る複数の運
転領域毎に物理モデルを求め、該物理モデルに基づき各
運転領域毎に制御則を設計しなければならなかった。こ
のため上記従来の制御装置では、制御に用いる制御則を
上記物理モデルに対応して内燃機関の各運転領域毎に切
り替えなければならず、制御が煩雑になるといった問題
があった。また各運転領域の境界点では制御則の切り替
えのために制御が不安定になるといった問題もある。

また更に上記従来の制御装置では、空燃比センサを用
いて検出される空燃比の実測値を制御出力として燃料噴
射量を制御しているため、空燃比センサを備えない内燃
機関では制御を実行することはできなかった。

そこで本発明は、上記のように制御則を切り替えるこ
となく（即ち一つの制御則で）燃料噴射量制御を実行で
き、しかも空燃比センサを使用することなく空燃比を目
標空燃比に制御し得る内燃機関の燃料噴射量制御装置を
提供することを目的としてなされた。

［問題点を解決するための手段］ 即ち上記目的を達成するためになされた本発明の構成
は、第１図に例示する如く、 吸気管M1壁面への付着燃料量fw、及び吸気管内での蒸
発燃料量fvを状態変数として、燃料噴射弁M4からの燃料
噴射量ｑ、内燃機関M2の回転速度ω、吸気管壁面付着燃
料の蒸発量Vf、シリンダM3内に流入した燃料混合気の燃
料と空気との比を表す燃空比λ、及びシリンダM3内に流
入する空気量ｍに基づき、内燃機関M2のシリンダM3内に
流入される燃料の挙動を、 （但し、ｋは吸気行程におけるｋ番目のサイクル、α２
〜α６は定数を表す。） なる式にて記述した物理モデルに則って燃料噴射弁M4か
らの燃料噴射量ｑを制御する内燃機関の燃料噴射量制御
装置であって、 内燃機関M2の運転状態に基づき、内燃機関M2の回転速
度ω、上記吸気管壁面付着燃料の蒸発量Vf、及びシリン
ダM3内に流入する空気量ｍを求める運転状態検出手段M5
と、 該運転状態検出手段M5で求められた吸気管壁面付着燃
料の蒸発量Vfを回転速度ωで除算する除算手段M6と、 上記物理モデルに従って、上記除算手段M6の算出結果
Vf/ω、及び上記燃料噴射弁M4からの燃料噴射量ｑに基
づき、吸気管壁面への付着燃料量fw、及び吸気管M1内で
の蒸発燃料量fvを推定する推定手段M7と、 上記物理モデルに従って設定された ｑ（ｋ）＝f1・fw（ｋ）＋f2・fv（ｋ）＋f3・λrm
（ｋ）＋f4・Vf（ｋ）／ω（ｋ） （但し、ｋは吸気行程におけるｋ番目のサイクル、f1〜
f4は定数を表す。） なる制御則を使用して、上記除算手段M6の算出結果Vf/
ω、上記推定手段M7の推定結果fw,fv、上記運転状態検
出手段M5で求められた空気量ｍと目標燃空比λｒとの積
λrmに基づき、上記燃料噴射弁M4からの燃料噴射量ｑを
算出する燃料噴射量算出手段M8と、 を備えたことを特徴とする内燃機関の燃料噴射量制御
装置を要旨としている。

ここで運転状態検出手段M5とは、内燃機関M2の回転速
度ω、吸気管壁面に付着した燃料の蒸発量Vf、及び上記
シリンダM3内に流入する空気量ｍを内燃機関M2の運転状
態から求めるものである。そして内燃機関M2の回転速度
ωを求めるには、周知の回転速度センサを用いることが
できる。

次に吸気管M1の壁面からの燃料の蒸発量Vfは、吸気管
M1内での燃料の飽和蒸気圧Psと吸気管M1内部の圧力（吸
気管圧力）Ｐとの関数として求めることができる。また
飽和蒸気圧Psはセンサにより直接検出することは難しい
が、飽和蒸気圧Psは吸気管壁面への付着燃料温度Ｔの関
数であり、付着燃料温度Ｔは内燃機関M2のウォータジャ
ケット水温或は吸気ポート付近のシリンダヘッド温度に
よって代表させることができるので、温度センサにより
ウォータジャケット水温或はシリンダヘッド温度を検出
し、その検出結果Ｔ（°Ｋ）をパラメータとする例えば
次式（１）に示す如き演算式を用いて、飽和蒸気圧Psを
求めることができる。

Ps＝β１・T²−β２・Ｔ＋β３ …（１） （但し、β1,β2,β3:定数） このため吸気管壁面からの燃料の蒸気量Vfを求めるに
は、ウォータジャケット水温或はシリンダヘッド温度を
検出する温度センサからの検出信号に基づき飽和蒸気圧
Psを求めると共に、周知の吸気圧センサを用いて吸気管
圧力Ｐを検出し、これら各値Ps及びＰをパラメータとす
るデータマップ或は演算式を用いて蒸発量Vfを求めるよ
うすればよい。また燃料蒸発量Vfは、飽和蒸気圧Psによ
って大きく変化するので、飽和蒸気圧Psをパラメータと
する次式（１）′ Vf＝β４・Pa …（１）′ （但し、β4:定数） を用いて近似的に求めるようにしてもよい。

次にシリンダM3内に流入する空気量ｍは、例えば吸気
管圧力Ｐと吸気温度Tiと内燃機関M2の回転速度ωとをパ
ラメータとする次式（２） ｍ＝｛β×（ω）・Ｐ−βｙ（ω）｝/Ti …（２） により容易に算出することができる。このため空気量ｍ
は、吸気管圧力Ｐ及び吸気温度Tiを周知の吸気圧センサ
及び吸気温センサにより検出し、その検出結果と上記回
転速度センサによる検出結果とに基づき上式（２）を用
いて求めることができる。また吸気管圧力Ｐと回転速度
ωとをパラメータとするマップにより基本空気量ｍを求
めその算出結果を吸気温度Tiによって補正することで空
気量ｍを求めることもできる。またスロットルバルブ上
流に周知のエアフロメータを設けて吸気管M1内に流入す
る空気量を検出し、その検出結果に基づき吸気行程時に
シリンダM3内に流入する空気量ｍを推定するようにして
もよい。

次に本発明の基本となる上記物理モデルついて説明す
る。

まず内燃機関M2のシリンダM3内に流入する燃料量fc
は、燃料噴射弁M4からの燃料噴射量ｑと、吸気管M1壁面
への付着燃料量fwと、吸気管M1内部での蒸発燃料量fvと
を用いて次式（３）のように記述することができる。

fc＝α１・ｑ＋α２・fw＋α３・fv …（３） 即ち上記燃料量fcは、燃料噴射弁M3からの噴射燃料の
直接流入量α１・ｑと、その噴射燃料が付着した吸気管
M1からの間接流入量α２・fwと、噴射燃料或は壁面付着
燃料の蒸発により吸気管M1内部に存在する蒸発燃料の流
入量α３・fvとの総和であると考えられることから、上
式（３）のようにシリンダM3内に流入する燃料量fcを記
述することができるのである。

上式（３）において、燃料噴射量ｑは燃料噴射弁M4の
制御量によって定まるので、吸気管M1壁面への付着燃料
量fw及び吸気管M1内での蒸発燃料量fvを知ることができ
れば、燃料量fcを予測することができる。

そこで次に上記付着燃料量fw及び蒸発燃料量fvについ
て考える。

まず吸気管M1壁面への付着燃料量fwは、吸気行程時の
シリンダM3内への流入によって、吸気サイクル毎にその
一部α２が減少する他、吸気管M1内部への蒸発によって
減少し、吸気サイクルと同期して燃料噴射弁M4から噴射
される燃料噴射量ｑの一部α４が付着することによって
増加する。また吸気行程毎の燃料蒸発量はα５・Vf/ω
として表すことができる。このため吸気管M1壁面への付
着燃料量fwは次式（４）に示す如く記述できる。

fw（ｋ＋１）＝（１−α２）・fw（ｋ）＋α４・ｑ
（ｋ） −α５・Vf（ｋ）／ω（ｋ） …（４） （但し、k:吸気サイクル） 一方吸気管M1内部での蒸発燃料量fvは、吸気行程時の
シリンダM3内への流入によって、吸気サイクル毎にその
一部α３が減少する他、燃料噴射量ｑの一部α６が蒸発
することによって増加し、更に上記付着燃料の燃料蒸発
によって増加する。このため吸気管M1内の蒸発燃料量fv
は次式（５）に示す如く記述できる。

fv（ｋ＋１）＝（１−α３）・fv（ｋ）＋α６・ｑ
（ｋ） ＋α５・Vf（ｋ）／ω（ｋ） …（５） 次に内燃機関M1のシリンダM3内に吸入された燃料量fc
（ｋ）は、排気中の酸素濃度に基づき検出可能な燃空比
λ（ｋ）と、シリンダM3内に流入した空気量ｍ（ｋ）と
から、次式（６）のように記述できる。

fc（ｋ）＝λ（ｋ）・ｍ（ｋ） …（６） したがって上記各式の係数α１〜α６をシステム同定
の手法により決定すれば、次式（７）及び（８）に示す
如く、内燃機関M2の吸気サイクルをサンプリング周期と
して離散系で表現された、吸気管壁面への付着燃料量と
蒸発燃料量とを状態変数とする状態方程式（７）及び出
力方程式（８）を得ることができ、これによって内燃機
関での燃料挙動を表す物理モデルが定まる。

推定手段M7は、上記物理モデルに従って、上記変数fw
及びfvを推定するものである。即ち付着燃料量fw及び蒸
発燃料量fvは、回転速度ωのようにセンサを用いて直接
検出できず、また燃料の蒸発量Vfや空気量ｍのようにセ
ンサによる検出結果をパラメータとする演算式等を用い
て間接的に検出することもできないので、この推定手段
M7を用いて推定するようされているのである。

尚この推定手段M7としては、例えば、最少次元オブザ
ーバ（Minimal Order Observer）、同一次元オブザーバ
（Identity Observer）、有限整定オブザーバ（Dead Be
at Observer）、線形関数オブザーバ（Linear Function
Observer）或は適応オブザーバ（Adaptive Observer）
として、古田勝久他著「基礎システム理論」（昭和53
年）コロナ社、或は古田勝久他著「メカニカルシステム
制御」（昭和59年）オーム社等、に詳解されている周知
の設計法によりオブザーバとして構成してもよく、上記
（７）式をそのまま用いて状態変数を算出するよう構成
してもよい。

次に燃料噴射量算出手段M8は、上記物理モデルに従っ
て設定された上記制御速を使用して、除算手段M6の算出
結果Vf/ω、推定手段M7の推定結果w,ｖ、及び運転
状態検出手段M5で求められた空気量ｍと目標燃空比λｒ
との積λｍに基づき燃料噴射弁M4からの燃料噴射量ｑを
算出する。即ち燃料噴射量算出手段M8は、上記推定手段
M7で推定された状態変数量（付着燃料量ｗ及び蒸発燃
料量ｖ）、除算手段M6の算出結果Vf/ω、及び運転状
態検出手段で求められた空気量ｍと目標燃空比λｒとの
積（即ちシリンダM3内に流入させる目標燃料量）λrm
に、夫々、上記物理モデルに基づき予め設定された係数
f1,f2,f4及びf3を掛け、それら各乗算値を加えた値を制
御量として算出するよう構成されている。

［作用］ このように構成された本発明の燃料噴射量制御装置に
おいては、推定手段M7が、除算手段M6の算出結果Vf/ω
及び燃料噴射弁M4からの燃料噴射量ｑに基づき状態変数
ｗ及びｖを推定し、燃料噴射量算出手段M8が、除算
手段M6の算出結果Vf/ω、推定手段M7の推定結果w,
ｖ、及び運転状態検出手段で求められた空気量ｍと目標
燃空比λｒとの積λrmに基づき燃料噴射弁M4からの燃料
噴射量ｑを算出する。

即ち本発明の燃料噴射制御装置では、吸気管壁面への
付着燃料量と蒸発燃料量とを状態変数として内燃機関で
の燃料挙動を記述する、上記（７）式及び（８）式に示
す如き物理モデルに基づき設定された制御則により、空
燃比センサによる空燃比（A/F）の実測値を用いること
なく燃空比（F/A）が目標燃空比λｒとなるよう燃料噴
射量を算出し、内燃機関の燃料噴射量を制御する。

［実施例］ 以下本発明の実施例を図面と共に説明する。

まず第２図は本発明が適用された内燃機関２及びその
周辺装置の構成を表す概略構成図である。

図に於て４はエアクリーナ６を介して空気を吸入する
吸気管を表し、この吸気管４には、吸気量を制御するた
めのスロットルバルブ８、吸気の脈動を抑えるためのサ
ージタンク10、その内部の圧力（吸気管圧力）Ｐを検出
する吸気圧センサ12、及び吸気温度Tiを検出する吸気温
センサ14が備えられている。

一方16は排気管で、排気を浄化するための三元触媒コ
ンバータ18が備えられている。

また当該内燃機関２には、その運転状態を検出するた
めのセンサとして、上記吸気圧センサ12及び吸気温セン
サ14の他、ディストリビュータ20の回転から内燃機関２
の回転速度ωを検出するための回転速度センサ22、同じ
くディストリビュータ20の回転から内燃機関２への燃料
噴射タイミングを検出するためのクランク角センサ24、
及び内燃機関２のウォータジャケットに取り付けられ、
冷却水温Ｔを検出する水温センサ26が備えられている。
尚ディストリビュータ20はイグナイタ98からの高電圧を
所定の点火タイミングで点火プラグ29に印加するための
ものである。

そして上記各センサからの検出信号は、マイクロコン
ピュータを中心とする論理演算回路として構成された電
子制御回路30に出力され、燃料噴射弁32を駆動して燃料
噴射弁32からの燃料噴射量を制御するのに用いられる。

即ち電子制御回路30は、予め設定された制御プログラ
ムに従って燃料噴射量制御のための演算処理を実行する
CPU40、CPU40で演算処理を実行するのに必要な制御プロ
グラムや初期データが予め記録されたROM42、同じくCPU
40で演算処理を実行するのに用いられるデータが一時的
に読み書きされるRAM44、上記各センサからの検出信号
を入力するための入力ポート46、及びCPU40での演算結
果に応じて燃料噴射弁32に駆動信号を出力するための出
力ポート48、等から構成され、内燃機関２のシリンダ2a
内に流入する燃料混合気の燃空比λが予め設定された目
標燃空比λｒになるよう燃料噴射弁32からの燃料噴射量
ｑを制御するよう構成されている。

次にこの燃料噴射制御に使用される制御系を第３図に
示すブロックダイヤグラムに基づいて説明する。尚、第
３図は制御系を示す図であって、ハード的な構成を示す
ものではなく、実際には第４図のフローチャートに示し
た一連のプログラムの実行により、離散系として実現さ
れる。また本実施例の制御系は、前述の（７）及び
（８）式に示した物理モデルに基づき設計されている。

第３図に示すように、本実施例の制御系では、まず吸
気圧センサ12で検出された吸気管圧力Ｐ及び水温センサ
26で検出された冷却水温Ｔが第１演算部P1に入力され
る。すると第１演算部P1では、その入力された冷却水温
Ｔが前述の（１）式の如き演算式を用いて吸気管４内で
の燃料の飽和蒸気圧Psに変換され、更にその変換された
飽和蒸気圧Psと吸気管圧力Ｐとから吸気管４の壁面に付
着した燃料の蒸気量Vfが算出される。またその変換され
た蒸発量Vfは除算部P2に入力され、蒸気回転速度センサ
22を用いて検出される内燃機関２の回転速度ωによって
除算される。そしてその除算結果Vf/ωは係数f4乗算部P
3に入力され、予め設定された係数f4が乗算される。

一方吸気圧センサ12により検出される吸気管圧力Ｐ及
び回転速度センサ22により検出される回転速度ωは、吸
気温センサ14により検出される吸気温Tiと共に第２演算
部P4にも入力される。第２演算部P4は、上述の（２）式
の如き演算式を用いて内燃機関２の回転速度ωと吸気管
圧力Ｐと吸気温度Tiとからシリンダ2a内に流入する空気
量ｍを算出するためのもので、その算出結果は乗算部P5
に出力される。すると乗算部P5では、上記第２演算部P4
で算出された空気量ｍと予め設定された目標燃空比λｒ
とが乗算され、これによってシリンダ2a内に流入すべき
燃料量（目標燃料量）λrmが算出される。そしてこの乗
算部P5で算出された目標燃料量λrmは係数f3乗算部P6に
入力され、予め設定された係数f3が乗算される。

一方上記除算部P2の除算結果Vr/ωは状態変数推定部P
7にも出力される。状態変数推定部P7は、予め設定され
た演算式（本実施例では前述の（７）式）を用いて、除
算部P2の除算結果Vf/ωと、燃料噴射弁32からの燃料噴
射量ｑと、前回推定した吸気管４壁面への付着燃料量
ｗ及び吸気管４内での蒸発燃料量ｖとから、前述の
（７）及び（８）式で示した物理モデルの状態変数量、
即ち付着燃料量fwと蒸発燃料量fv、を推定するためのも
ので、その推定結果ｗ及びｖには、係数f1乗算部P8
及び係数f2乗算部P9で、夫々、係数f1及びf2が乗算され
る。

そしてこれら乗算部P8及びP9からの乗算結果は、他の
乗算部P3、P6での乗算結果と共に加算部P10〜P12で加算
され、これによって燃料噴射弁32からの燃料噴射量ｑが
決定される。

次に上記第３図の制御系の設計方法について説明す
る。尚、この種の制御系の設計方法としては、例えば、
古田勝久「実システムのデジタル制御」システムと制
御,Vol.28,ωo.12（1984年）計測自動制御学会等に詳し
いので、ここでは簡単に説明する。

上述のように本実施例の制御系は、前述の（７）及び
（８）式に示した物理モデルに基づき設計されている。
この物理モデルは非線形であるので、まず上記物理モデ
ルを線形近似する。

上記（７），（８）式において、 とおくと、（７），（８）式は で表すことができる。

ここで、 で定常となるとき、 とすると、上式（19）及び（20）は次式（19）′、（2
0）′に示す如くなる。

上式（19），（19）′及び（20），（20）′より、 次に、上式（21），（22）において、 とおくと、（21），（22）式は次式（26）（27）の如く
なる。

この（26）及び（27）において、Ｘ（ｋ）→０とすれ
ば、Ｙ（ｋ）＝０となり、 であれば、 となる。従って上式（26）の最適レギュレータを設計す
ればよい。即ち、離散型リカッチ方程式を説くことで、
最適制御は次式（28）の如く求まる。

またこの（28）式は、上記（23）及び（24）式より次式
（29）の如くなる。

従って、上記（19）′及び（20）′式において、 が について解ければ上式（29）が確定し、 を求めることができるようになる。

本実施例の場合、上式（30）は、前述の（10）〜（1
8）式より、次式（31）の如くなり、 （即ちfwr、fvr、qr）が夫々次式（32）〜（34）の如く
求まる。

（但し、β11〜β23は定数） 従って上記（29）式より、f1〜f4を定数として、 となり、上記第３図に示す制御系が設計できる。

尚上式（35）は燃料噴射量で求めるための上述の燃料
噴射量算出手段M8での演算式となる。

次に状態変数推定部P7は、上式（35）における吸気管
４壁面への付着燃料量fw及び吸気管４内での蒸発燃料量
fvを直接測定できないため、その値を推定するためのも
のである。この種の推定装置は、通常、ゴピナスの設計
法等によって設計されるオブザーバとして構成される
が、本実施例では内燃機関２に実際に供給された燃料混
合気の空燃比λを測定できないため、通常のオブザーバ
を使用することができない。しかし内燃機関２での燃料
挙動は上記（７）式によって記述できるので、（７）式
をそのまま用いることで吸気管４壁面への付着燃料量fw
及び吸気管４内での蒸発燃料量fvを求めることができ
る。

即ち、まず（７）式において、ｑ（ｋ）は制御量とし
て電子制御回路30側で知ることができ、またVf（ｋ）は
水温センサ26により検出される冷却水温Ｔから飽和蒸気
圧Psを求め、この値と吸気圧センサ12により検出された
吸気管圧力Ｐとから検出することができ、更にω（ｋ）
は回転速度センサ22により検出することができるので、
右辺第２項、第３項は計算可能である。そこで、 δｗ（ｋ）＝fw（ｋ）−ｗ（ｋ） …（36） δｖ（ｋ）＝fv（ｋ）−ｖ（ｋ） …（37） とおくと、 となる。上式（38）において１−α２＜１、１−α３＜
１であるから（38）は安定で、δｗ（ｋ）、δｖ（ｋ）
→０、即ちｗ（ｋ）→fw（ｋ）、ｖ（ｋ）→ｖ
（ｋ）となる。従って上記fw（ｋ）、fv（ｋ）として適
当な初期値を与えれば、fw（ｋ）及びfv（ｋ）は上式
（７）によって推定できるようになるのである。

このため本実施例では、この状態変数推定部P7が、上
記（７）式を用いて吸気管４壁面への付着燃料量fw及び
吸気管４内での蒸発燃料量fvを推定するように構成され
ている。尚外乱によって、fw（ｋ）≠ｗ、fv（ｋ）
ｖとなっても、ｗ（ｋ）、ｖ（ｋ）は、fw（ｋ）、
fv（ｋ）に追従するので、上記（35）式により （ｋ）（即ち燃料噴射量ｑ（ｋ））を問題なく算出でき
る。

次に電子制御回路30で実行される燃料噴射制御を第４
図に示すフローチャートに基づいて説明する。なお、以
下の説明では現在の処理にといて扱われる量を添字
（ｋ）で表す。

当該燃料噴射制御30は内燃機関２の運転開始と共に起
動され、内燃機関２の運転中常時繰り返し実行される。

処理が開始されると、まずステップ100を実行して、
付着燃料量wo、蒸発燃料量vo、燃料噴射量ｑを初期
設定する。そして続くステップ110では、上記各センサ
からの出力信号に基づき、吸気管圧力Ｐ（ｋ）、吸気温
度Ti（ｋ）、内燃機関２の回転速度ω（ｋ）、冷却水温
Ｔ（ｋ）を求め、ステップ120に移行する。

ステップ120では、上記ステップ110で求めた吸気管圧
力Ｐ（ｋ）と、内燃機関２の回転速度ω（ｋ）とに基づ
き、内燃機関２の負荷に応じた目標燃空比λｒを算出す
る。尚このステップ120では、通常、燃料混合気の空気
過剰率が１（即ち理論空燃比）となるよう目標燃空比λ
ｒが設定され、内燃機関２の高負荷運転時等には燃料を
通常より増量して内燃機関の出力を上げるため、目標燃
空比λｒがリッチ側に設定され、内燃機関２の軽負荷運
転時等には、燃料を通常より減量して燃費を向上するた
め、目標燃空比λｒがリーン側に設定される。

ステップ120で目標燃空比λｒ（ｋ）が設定される
と、今度はステップ130に移行し、上記ステップ120で求
めた吸気管圧力Ｐ（ｋ）と吸気温度Ti（ｋ）と内燃機関
２の回転速度ω（ｋ）とに基づき、前述の（２）式に示
した如き演算式またはデータマップを用いてシリンダ2a
内に流入する空気量ｍ（ｋ）を算出する、前記演算部P4
としての処理を実行する。

また続くステップ140では、上記ステップ110で求めた
冷却水温Ｔ（ｋ）と吸気管圧力Ｐ（ｋ）とに基づき吸気
管2a壁面への付着燃料の蒸気量Vfを求め、その値を内燃
機関２の回転速度ω（ｋ）で除算し、前回の吸気行程か
ら次の吸気行程迄の間に吸気管４壁面からの燃料の蒸気
量Vfw（ｋ）（即ち、Vf（ｋ）／ω（ｋ）を算出する。
演算部P1及び除算部P2としての処理を実行する。

続くステップ150は、上記ステップ140で求めた吸気管
壁面からの燃料蒸発量Vfw（ｋ）と、前回の燃料噴射量
ｑと、前回求めた付着燃料量wo及び蒸発燃料量voと
により、前記（７）式に基づき設定された次式（39） を用いて付着燃料量ｗ（ｋ）及び蒸発燃料量ｖ
（ｋ）を推定する、状態変数推定部P7としての処理を実
行する。

そして続くステップ160では、上記ステップ120で設定
した目標燃空比λｒ（ｋ）と上記ステップ130で求めた
空気量ｍ（ｋ）とを乗算して、シリンダ2a内に流入する
目標燃料量λrm（ｋ）を算出する、乗算部P5としての処
理を実行した後、ステップ170に移行する。

ステップ170では、上記ステップ150で求めた付着燃料
量ｗ（ｋ）及び蒸発燃料量ｖ（ｋ）と、ステップ16
0で求めた目標燃料量λrm（ｋ）と、ステップ140で求め
た燃料蒸発量Vfw（ｋ）とから、前述の（35）式を用い
て燃料噴射量ｑ（ｋ）を算出し、ステップ180に移行す
る。

そしてステップ180では、上記クランク角センサ24か
らの検出信号に基づき決定される燃料噴射タイミング
で、上記ステップ170で算出された燃料噴射量ｑ（ｋ）
に応じた時間燃料噴射弁32を開弁して実際に燃料噴射を
行なう、燃料噴射制御を実行する。

上記ステップ180で燃料噴射制御が実行され、内燃機
関２への燃料供給が一旦終了すると、次にステップ190
に移行し、次回の処理で付着燃料量ｗ及び蒸発燃料量
ｖを推定するために用いる付着燃料量及び蒸発燃料量
の基準値wo、voとして、今回上記ステップ150で求
めた付着燃料量ｗ（ｋ）及び蒸発燃料量ｖ（ｋ）を
設定し、再度ステップ110に移行する。

以上説明したように本実施例の燃料噴射制御装置で
は、制御則が内燃機関２における燃料の挙動を記述した
物理モデルに基づき設定されるため、内燃機関２の吸気
管温度、即ち内燃機関２の暖気状態によって変化する燃
料の挙動をVfw（即ちVf/ω）によって非線形補償するこ
とができ、単一の制限則によって燃料噴射量を制御する
ことができる。従って従来のように内燃機関の運転状態
に応じて制御則を変更するといった煩雑な制御が不要と
なり、制御軽の簡素化を図ることができる。

また空燃比センサを用いて内燃機関２に実際に供給さ
れた燃料混合比の燃空比λを測定することなく燃空比を
目標燃空比に制御することができるので、装置全体の構
成は簡単となる。

また更に状態変数は、吸気管壁面への付着燃料量と蒸
発燃料量であるので、状態変数が状態変数推定部で正確
に推定されているか否かを判断して制御系の異常を検出
するといったこともできる。

ここで上記実施例では、吸気管壁面から蒸発した燃料
が全て蒸発燃料となるものとして求められた（７）及び
（８）式の物理モデルに基づき制御系を設計したが、内
燃機関の吸気行程時に吸気管壁面から蒸発する燃料（４
サイクル内燃機関の場合、吸気行程から吸気行程迄の燃
料蒸発量α５・Vf/ωの1/4となる）は、蒸発燃料として
吸気管内部に留まらず、直接内燃機関のシリンダ内に流
入するといったことも考えられるので、上記（５）式及
び（６）式を夫々次式（40）及び（41）式の如く変更
し、 fv（ｋ＋１）＝（１−α３）・fv（ｋ）＋α６・ｑ
（ｋ） ＋３・α５・Vf（ｋ）/4・ω（ｋ） …（40） fc（ｋ）＝λ（ｋ）・ｍ（ｋ） ＋α５・Vf（ｋ）/4・ω（ｋ） …（41） 物理モデルを、次式（42）及び（43）の如く求め、 （但し、α7:α５・3/4、α8:α5/4） これに基づき制御系を設計するようにしてもよい。

また上記実施例では状態変数推定部P7を（７）式をそ
のまま用いることで設計したが、周知のオブザーバとし
て構成し、燃空比λが目標燃空比λｒに制御されている
ものとして状態変数を推定するようにしてもよい。

即ち上記（７）式より最小次元オブザーバを設計した
場合、 となり、燃空比λを検出しない装置では、このオブザー
バを直接使用できないが、燃料噴射制御によって燃空比
λが目標燃空比λｒに制御されているものと仮定し、第
２項を として、付着燃料量fw及び蒸発燃料量fvを推定するよう
にしてもよい。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明の内燃機関の燃料噴射量制
御装置によれば、内燃機関における燃料の挙動を、吸気
管壁面への付着燃料量fw、及び吸気管内での蒸発燃料量
fvを状態変数として、燃料噴射弁からの燃料噴射量ｑ、
内燃機関の回転速度ω、吸気管壁面付着燃料の蒸発量V
f、シリンダ内に流入した燃料混合気の燃料と空気との
比を表す燃空比λ、及びシリンダ内に流入する空気量ｍ
に基づき、記述した上述の物理モデルに従って設定され
た、、 ｑ（ｋ）＝f1・fw（ｋ）＋f2・fv（ｋ）＋f3・λrm
（ｋ）＋f4・Vf（ｋ）／ω（ｋ） なる制御則に則って、内燃機関の吸気サイクル毎に燃料
噴射量を算出するので、単一の制御則に基づき、内燃機
関の広範囲な運転条件下で、燃料噴射量を精度よく制御
することができる。

即ち、本発明の基本となる物理モデルは、既述したよ
うに、内燃機関のシリンダ内に流入する燃料量は、燃料
噴射弁からの噴射燃料の直接流入量と、その噴射燃料が
付着した吸気管からの間接流入量と、噴射燃料或は壁面
付着燃料の蒸発により吸気管内部に存在する蒸発燃料の
流入量の総和であた、吸気管壁面への付着燃料量と吸気
管内での蒸発燃料量とを知ることができれば、空燃比を
目標空燃比に制御するのに必要な燃料噴射量を正確に求
めることができる、といった考えの下に構築されたもの
である。

そして、この物理モデルは燃料噴射量、吸気管壁面へ
の付着燃料量、及び、吸気管内の蒸発燃料量だけでな
く、内燃機関の運転状態に応じて変化する吸気管壁面か
らの燃料の蒸発量をパラメータとしており、しかも、シ
リンダ内には内燃機関の吸気行程毎に燃料が流入するの
で、内燃機関の吸気サイクルをサンプリング周期として
いる。

この結果、上記物理モデルは、内燃機関においてシリ
ンダ内に流入する燃料の挙動を正確に記述したものとな
り、内燃機関の全運転領域で燃料挙動を記述することが
可能になる。

そして、本発明では、内燃機関の運転状態から求める
ことのできない蒸発燃料量及び付着燃料量については、
推定手段において上記物理モデルに従って推定し、内燃
機関の運転状態から求めることができる他のパラメータ
については、運転状態検出手段において内燃機関の運転
状態から求め、最終的には、上記物理モデルに従って設
定された上記制御則を使用して、燃料噴射弁から吸気行
程毎に噴射する燃料噴射量を決定している。

従って、本発明によれば、制御入力と制御出力との関係
から状態変数を同定した物理モデルに従って制御則を設
定した装置のように、物理モデルによって内燃機関の振
る舞いを記述可能な運転領域毎に制御則を切り換える必
要がなく、単一の制御則に基づき、内燃機関の広範囲な
運転条件下で、燃料噴射量を精度よく制御することがで
きるようになるのである。

また本発明においては、従来より現代制御理論に則っ
た制御装置において制御誤差を吸収するために一般に用
いられている目標値と実測値との偏差の積分値を用いる
ことなく、燃料噴射量を算出するようにしている。これ
は、本発明の制御則が、上記物理モデルに従って設定さ
れ、上記除算手段の除算結果によって線形補償されてい
るためである。そして、このように本発明では、目標値
と実測値との偏差の積分値を求める必要がないので、内
燃機関に実際に供給された燃料混合気の空燃比を検出す
ることなく、空燃比を目標空燃比に制御することが可能
となり、制御装置の構成を簡素化することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の構成を表すブロック図、第２図は実施
例の内燃機関及びその周辺装置を表す概略構成図、第３
図は同じくその制御系を示すブロックダイヤグラム、第
４図は同じくその制御を示すフローチャート、である。 M1、４……吸気管、M2、２……内燃機関 M3、2a……シリンダ、M4、32……燃料噴射弁 M5……運転状態検出手段、M6……除算手段 M7……推定手段、M8……逐次加算手段 M9……燃料噴射量算出手段、12……吸気圧センサ 14……吸気温センサ、20……回転速度センサ 26……水温センサ、30……電子制御回路

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】吸気管壁面への付着燃料量fw、及び吸気管
   内での蒸発燃料量fvを状態変数として、燃料噴射弁から
   の燃料噴射量ｑ、内燃機関の回転速度ω、吸気管壁面付
   着燃料の蒸発量Vf、シリンダ内に流入した燃料混合気の
   燃料と空気との比を表す燃空比λ、及びシリンダ内に流
   入する空気量ｍに基づき、内燃機関のシリンダ内に流入
   される燃料の挙動を、 （但し、ｋは吸気行程におけるｋ番目のサイクル、a2〜
   a6は定数を表す。） なる式にて記述した物理モデルに則って燃料噴射弁から
   の燃料噴射量ｑを制御する内燃機関の燃料噴射量制御装
   置であって、 内燃機関の運転状態に基づき、内燃機関の回転速度ω、
   上記吸気管壁面付着燃料の蒸発量Vf、及びシリンダ内に
   流入する空気量ｍを求める運転状態検出手段と、 該運転状態検出手段で求められた吸気管壁面付着燃料の
   蒸発量Vfを回転速度ωで除算する除算手段と、 上記物理モデルに従って、上記除算手段の算出結果Vf/
   ω、及び上記燃料噴射弁からの燃料噴射量ｑに基づき、
   吸気管壁面への付着燃料量fw、及び吸気管内での蒸発燃
   料量fvを推定する推定手段と、 上記物理モデルに従って設定された ｑ（ｋ）＝f1・fw（ｋ）＋f2・fv（ｋ）＋f3・λrm
   （ｋ）＋f4・Vf（ｋ）／ω（ｋ） （但し、ｋは吸気行程におけるｋ番目のサイクル、f1〜
   f4は定数を表す。） なる制御則を使用して、上記除算手段の算出結果Vf/
   ω、上記推定手段の推定結果fw,fv、上記運転状態検出
   手段で求められた空気量ｍと目標燃空比λｒとの積λrm
   に基づき、上記燃料噴射弁からの燃料噴射量ｑを算出す
   る燃料噴射量算出手段と、 を備えたことを特徴とする内燃機関の燃料噴射量制御装
   置。