JP3039162B2 - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

内燃機関の空燃比制御装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は内燃機関の空燃比制御装
置に関するものであり、特に、触媒の下流側の空燃比が
目標空燃比となるように燃料噴射量をフィードバック制
御する内燃機関の空燃比制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】周知のように、内燃機関の燃料噴射量
は、触媒の浄化作用を最大限に発揮させるべく、実際の
排気ガスの空燃比が理論空燃比付近に収束するようにフ
ィードバック制御される。そして、このときのフィード
バック制御は、触媒の吸着状態等が最も反映される触媒
の下流側の空燃比に基づいて実行するのが望ましいとさ
れている。
【０００３】このような内燃機関の空燃比制御装置とし
ては、例えば、特開平３−１８５２４４号公報に記載の
ものを挙げることができる。
【０００４】この空燃比制御装置は、触媒の上流側の排
気ガスの空燃比をＡ／Ｆセンサにて検出するとともに、
触媒の下流側の空燃比が理論空燃比に対してリッチかリ
ーンかをＯ2 センサにて検出している。Ａ／Ｆセンサの
検出値は、燃料噴射弁からＡ／Ｆセンサまでを制御対象
としてモデルを設定した現代制御に利用され、下流側の
空燃比が目標空燃比となるように状態フィードバックを
実行して、燃料噴射量を演算している。また、Ｏ2 セン
サの検出値は、現代制御の目標空燃比をフィードバック
制御するために利用され、理論空燃比に対する下流側の
空燃比の乱れと反対方向に目標空燃比を補正している。
即ち、触媒の下流側の空燃比は、目標空燃比を補正する
形で状態フィードバックに反映され、全体としての制御
は、下流側の空燃比を理論空燃比に収束させるように実
行される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】従来の内燃機関の空燃
比制御装置は、上記のように状態フィードバックの目標
空燃比を触媒の下流側の空燃比に応じて補正すること
で、結果として下流側の空燃比を理論空燃比に収束させ
ている。したがって、下流側の空燃比が乱れたときに
は、Ｏ2 センサの検出値に基づく通常のフィードバック
制御により目標空燃比が補正された後でなければ、現代
制御の状態フィードバックによる燃料噴射量の補正は実
行されない。よって、乱れた空燃比を理論空燃比に収束
させるための所要時間が長引き、空燃比制御の応答性の
点で今一つであった。
【０００６】そこで、本発明は、空燃比制御の応答性を
向上させて、触媒の下流側の空燃比が乱れた場合であっ
ても、直ちに目標空燃比に収束させることができる内燃
機関の空燃比制御装置の提供を課題とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明にかかる
内燃機関の空燃比制御装置は、図１に示すように、内燃
機関Ｍ１に所定量の燃料を噴射する燃料噴射手段Ｍ２
と、内燃機関Ｍ１の排気通路に配設されて、排気ガスを
浄化する触媒Ｍ３と、前記触媒Ｍ３の下流側における排
気ガスの空燃比を検出する空燃比検出手段Ｍ４と、前記
燃料噴射手段Ｍ２から空燃比検出手段Ｍ４までの制御対
象に近似して設定されたモデルに対する状態量で、触媒
Ｍ３の下流側の空燃比を目標空燃比に制御すべく状態フ
ィードバックを実行して、前記燃料噴射手段Ｍ２の噴射
量を演算する噴射量演算手段Ｍ５とを具備するものであ
る。
【０００８】請求項２の発明にかかる内燃機関の空燃比
制御装置は、図２に示すように、内燃機関Ｍ１に所定量
の燃料を噴射する燃料噴射手段Ｍ２と、内燃機関Ｍ１の
排気通路に配設されて、排気ガスを浄化する触媒Ｍ３
と、前記触媒Ｍ３の上流側における排気ガスの空燃比を
検出する上流側空燃比検出手段Ｍ６と、前記触媒Ｍ３の
下流側における排気ガスの空燃比を検出する下流側空燃
比検出手段Ｍ７と、前記燃料噴射手段Ｍ２から下流側空
燃比検出手段Ｍ７までの制御対象に近似して設定された
モデルに対する、前記上流側空燃比検出手段Ｍ６にて検
出された、上流側の空燃比を状態量とし、触媒Ｍ３の下
流側の空燃比を目標空燃比に制御すべく状態フィードバ
ックを実行して、前記燃料噴射手段Ｍ２の噴射量を演算
する噴射量演算手段Ｍ５とを具備するものである。
【０００９】
【作用】請求項１の発明においては、燃料噴射手段Ｍ２
から空燃比検出手段Ｍ４までの制御対象に近似して現代
制御モデルが設定され、そのモデルに対する入出力、例
えば、燃料噴射手段Ｍ２の噴射量、或いは空燃比検出手
段Ｍ４にて検出された触媒Ｍ３の下流側の空燃比等が状
態量とされる。これらの状態量に基づいて、噴射量演算
手段Ｍ５により触媒Ｍ３の下流側の空燃比を目標空燃比
に制御するための状態フィードバックが実行され、燃料
噴射手段Ｍ２の噴射量が演算される。
【００１０】そして、このように燃料噴射手段Ｍ２から
空燃比検出手段Ｍ４までの制御対象全体のモデルから燃
料噴射手段Ｍ２の噴射量が直接演算されることから、触
媒Ｍ３の下流側の空燃比が乱れたときには、その乱れに
応じた噴射量が速やかに演算されて、直ちに目標空燃比
に収束される。
【００１１】請求項２の発明においては、燃料噴射手段
Ｍ２から下流側空燃比検出手段Ｍ７までの制御対象に近
似して現代制御のモデルが設定され、そのモデルに対す
る入出力、例えば、燃料噴射手段Ｍ２の噴射量、上流側
空燃比検出手段Ｍ６にて検出された触媒Ｍ３の上流側の
空燃比、或いは下流側空燃比検出手段Ｍ７にて検出され
た下流側の空燃比等が状態量とされる。これらの状態量
に基づいて、噴射量演算手段Ｍ５により触媒Ｍ３の下流
側の空燃比を目標空燃比に制御するための状態フィード
バックが実行され、燃料噴射手段Ｍ２の噴射量が演算さ
れる。
【００１２】そして、このように燃料噴射手段Ｍ２から
下流側空燃比検出手段Ｍ７までの制御対象全体のモデル
から燃料噴射手段Ｍ２の噴射量が直接演算されることか
ら、触媒Ｍ３の下流側の空燃比が乱れたときには、その
乱れに応じた噴射量が速やかに演算されて、直ちに目標
空燃比に収束される。
【００１３】また、現代制御の状態量の一つとして用い
られる触媒Ｍ３の上流側の空燃比は、上流側空燃比検出
手段Ｍ６にて検出されたセンサ情報であるため、高精度
の状態フィードバックを実現可能となる。
【００１４】
【実施例】以下、本発明の一実施例の内燃機関の空燃比
制御装置について説明する。
【００１５】図３は本発明の一実施例である内燃機関の
空燃比制御装置が設けられた内燃機関とその周辺機器の
概略構成図である。
【００１６】図に示すように、内燃機関１は４気筒４サ
イクルの火花点火式内燃機関として構成されている。内
燃機関１の吸入空気は上流よりエアクリーナ２、吸気管
３、スロットルバルブ４、サージタンク５及びインテー
クマニホールド６を通過して、インテークマニホールド
６内で各燃料噴射弁７から噴射された燃料と混合され、
所定空燃比の混合気として各気筒に分配供給される。ま
た、内燃機関１の各気筒に設けられた点火プラグ８に
は、点火回路９から供給される高電圧がディストリビュ
ータ１０にて分配供給され、前記各気筒の混合気を所定
タイミングで点火する。そして、燃焼後の排気ガスはエ
キゾーストマニホールド１１及び排気管１２を通過し、
排気管１２に設けられた三元触媒１３にて有害成分（Ｃ
Ｏ、ＨＣ、ＮＯX 等）を浄化されて大気に排出される。
【００１７】前記吸気管３には吸気温センサ２１と吸気
圧センサ２２が設けられ、吸気温センサ２１は吸入温Ｔ
amを、吸気圧センサ２２はスロットルバルブ４の下流側
の吸気圧ＰＭをそれぞれ検出する。前記スロットルバル
ブ４にはスロットル開度ＴＨを検出するスロットルセン
サ２３が設けられ、このスロットルセンサ２３はスロッ
トル開度ＴＨに応じたアナログ信号と共に、スロットル
バルブ４がほぼ全閉であることを検出する図示しないア
イドルスイッチからのオン・オフ信号を出力する。ま
た、内燃機関１のシリンダブロックには水温センサ２４
が設けられ、この水温センサ２４は内燃機関１内の冷却
水温Ｔhwを検出する。前記ディストリビュータ１０には
内燃機関１の回転数Ｎe を検出する回転数センサ２５が
設けられ、この回転数センサ２５は内燃機関１の２回
転、即ち７２０°毎にパルス信号を２４回出力する。前
記排気管１２の三元触媒１３の上流側には上流側Ａ／Ｆ
センサ２６が設けられ、この上流側Ａ／Ｆセンサ２６
は、内燃機関１から排出された三元触媒１３の上流側に
おける排気ガスの空燃比（以下、単に『上流側空燃比λ
F』という）に応じたリニアな空燃比信号を出力する。
同様に三元触媒１３の下流側には下流側Ａ／Ｆセンサ２
７が設られ、この下流側Ａ／Ｆセンサ２７は、三元触媒
１３の下流側における排気ガスの空燃比（以下、単に
『下流側空燃比λR 』という）に応じたリニアな空燃比
信号を出力する。
【００１８】内燃機関１の運転状態を制御する電子制御
装置３１は、ＣＰＵ３２、ＲＯＭ３３、ＲＡＭ３４、バ
ックアップＲＡＭ３５等を中心に論理演算回路として構
成され、前記各センサの検出信号を入力する入力ポート
３６及び各アクチュエータに制御信号を出力する出力ポ
ート３７等に対しバス３８を介して接続されている。そ
して、電子制御装置３１は入力ポート３６を介して前記
各センサから吸気温Ｔam、吸気圧ＰＭ、スロットル開度
ＴＨ、冷却水温Ｔhw、機関回転数Ｎe に応じたパルス信
号、上流側空燃比λF 及び下流側空燃比λR に応じた空
燃比信号等を入力し、それらの各値に基づいて燃料噴射
量ＴＡＵ、点火時期Ｉg を算出して、出力ポート３７を
介して燃料噴射弁７及び点火回路９にそれぞれ制御信号
を出力する。
【００１９】以下、これらの制御の内の燃料噴射量ＴＡ
Ｕに関わる空燃比制御について説明する。
【００２０】本実施例の空燃比制御装置では、空燃比制
御に所謂現代制御理論が適用されており、制御対象全体
をモデル化して、下流側空燃比λR を理論空燃比λ=1に
制御するための状態フィードバックを実行している。そ
こで、まず、この現代制御における各要素の設定手順を
説明する。
【００２１】《現代制御の設定手順》図４は本発明の一
実施例である内燃機関の空燃比制御装置における燃料噴
射弁から上流側Ａ／Ｆセンサまでをモデル化する際の伝
達関数を示す説明図、図５は本発明の一実施例である内
燃機関の空燃比制御装置における触媒から下流側Ａ／Ｆ
センサまでをモデル化する際の伝達関数を示す説明図で
ある。
【００２２】［イ］制御対象のモデリング 本実施例では、燃料噴射弁７から下流側Ａ／Ｆセンサ２
７までの制御対象全体をモデル化している。但し、制御
対象全体を一括してモデル化すると、系全体が大きくな
り過ぎて精度が低下するため、中間の信頼性の高いセン
サ情報として上流側空燃比λF を利用し、燃料噴射弁７
から上流側Ａ／Ｆセンサ２６までと、三元触媒１３から
下流側Ａ／Ｆセンサ２７までとに分割してモデル化して
いる。
【００２３】(1)燃料噴射弁７から上流側Ａ／Ｆセンサ
２６ 本実施例では燃料噴射弁７から上流側Ａ／Ｆセンサ２６
までのモデルに、むだ時間Ｐ＝３を持つ次数１の自己回
帰移動平均モデルを用い、さらに外乱ｄを考慮して近似
している。即ち、燃料噴射弁７から上流側Ａ／Ｆセンサ
２６までの伝達関数Ｇは、図４に示すように設定され
る。図においてａ1,ｂ1 は定数である。なお、モデルの
むだ時間Ｐとしては、内燃機関１及び周辺機器の仕様等
に応じてＰ＝３以外の種々の値に設定することができ
る。
【００２４】したがって、自己回帰移動平均モデルを用
いた燃料噴射弁７から上流側Ａ／Ｆセンサ２６までのモ
デルは、
【００２５】
【数１】
【００２６】で近似できる。ここで、λF は三元触媒１
３の上流側における排気ガスの空燃比、ＦＡＦは燃料噴
射弁７の噴射量を補正するための空燃比補正係数、i 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。
【００２７】更に、外乱ｄを考慮すると、燃料噴射弁７
から上流側Ａ／Ｆセンサ２６までのモデルは、
【００２８】
【数２】
【００２９】と近似できる。
【００３０】以上のようにして近似したモデルに対し、
ステップ応答を用いて回転同期（３６０°ＣＡ）サンプ
リングで離散化して定数ａ1 、ｂ1 を定めること、即
ち、燃料噴射弁７から上流側Ａ／Ｆセンサ２６までの系
の伝達関数Ｇを求めることは容易である。
【００３１】 (2)三元触媒１３から下流側Ａ／Ｆセンサ２７ 本実施例では三元触媒１３をむだ時間Ｐ´＝１を持つ２
次のローパスフィルタとし、下流側Ａ／Ｆセンサ２７を
１次遅れ系として近似している。即ち、三元触媒１３か
ら下流側Ａ／Ｆセンサ２７までの伝達関数Ｇは、図５に
示すように設定される。なお、図において、ａ2 ，ａ3
，ｂ2 ，ｂ3 ，Ａ1 〜Ａ3 ，Ｂは定数であり、Ａ1 ＝
２ａ2 ＋ａ3 ，Ａ2 ＝ａ22＋２ａ2 ａ3 ，Ａ3 ＝ａ22ａ
3 ，Ｂ＝ｂ22＋ｂ3 である。
【００３２】したがって、三元触媒１３から下流側Ａ／
Ｆセンサ２７までのモデルは、
【００３３】
【数３】
【００３４】と近似できる。ここで、λR は三元触媒１
３の下流側の排気ガスの空燃比である。
【００３５】以上のようにして近似したモデルに対し、
ステップ応答を用いて回転同期（３６０°ＣＡ）サンプ
リングで離散化して定数Ａ1 〜Ａ3 ，Ｂを定めること、
即ち、三元触媒１３から下流側Ａ／Ｆセンサ２７までの
系の伝達関数Ｇを求めることは容易である。
【００３６】［ロ］状態変数の表示方法 (1)燃料噴射弁７から上流側Ａ／Ｆセンサ２６ 上記した数２を、 状態変数量Ｘ(i) ＝〔ｘ1(i), ｘ2(i), ｘ3(i), ｘ4(i)〕T を用いて書き直すと、
【００３７】
【数４】
【００３８】
【数５】
【００３９】を得る。
【００４０】
【数６】
【００４１】となる。
【００４２】(2)三元触媒１３から下流側Ａ／Ｆセンサ
２７ 上記した数３を、 状態変数量Ｚ(i) ＝〔ｚ1(i), ｚ2(i), ｚ3(i), ｚ4(i)〕T を用いて書き直すと、
【００４３】
【数７】
【００４４】
【数８】
【００４５】を得る。
【００４６】
【数９】
【００４７】となる。
【００４８】(3)制御対象全体 上記した数４及び数７より、制御対象全体の状態変数量
は次の様になる。
【００４９】
【数１０】
【００５０】［ハ］レギュレータの設計 まず、レギュレータの設計にあたり、偏差ｅ(i) を、
【００５１】
【数１１】
【００５２】と定義する。ここで、λTG(=1,0)は下流側
空燃比λR の目標空燃比であり、本実施例では理論空燃
比λ=1に設定されている。そして、この偏差ｅ(i) を０
にする状態フィードバックを設計すべく、上記した数１
０に基づいて次の拡大系を設定する。
【００５３】
【数１２】
【００５４】ここで、ｑ-1は時間遅れ要素である。
【００５５】そして、Ｘ(i+1) ＝ＡＸ(i) ＋ｂＦＡＦ
(i) とおくと、このときの状態フィードバックは、
【００５６】
【数１３】
【００５７】となる。なお、積分項ｚI(i)は、目標空燃
比λTG(=1,0)と実際の下流側空燃比λR との偏差ｅ(i)
と、積分定数ＫI とから決定される値であって、次式に
より求められる。
【００５８】
【数１４】
【００５９】また、フィードバックゲインＫ1 〜Ｋ8 及
び積分定数ＫI は最適レギュレータ手法により算出でき
る。
【００６０】図６は本発明の一実施例である内燃機関の
空燃比制御装置における現代制御の状態フィードバック
を示すブロック線図である。
【００６１】図において、過去の空燃比補正係数ＦＡＦ
(i-1) をＦＡＦ(i) から導くためにＺ-1変換を用いて表
示したが、これは空燃比補正係数ＦＡＦ(i) を過去の値
としてＲＡＭ３４に記憶しておき、次の制御タイミング
で読み出して用いている。
【００６２】また、図中の一点鎖線で囲まれたブロック
Ｐ１が、下流側空燃比λR(i)を目標空燃比λTGにフィー
ドバック制御している状態において、状態変数量Ｘ(i)
及び状態変数量Ｚ(i) を定める部分、ブロックＰ２が、
積分項ｚI(i)を求める部分（累積部）、ブロックＰ３が
ブロックＰ１で定められた状態変数量Ｘ(i) 及び状態変
数量Ｚ(i) と、ブロックＰ２で求められた積分項ｚI(i)
とから今回の空燃比補正係数ＦＡＦ(i) を演算する部分
である。
【００６３】［ニ］最適フィードバックゲインＫ及び積
分定数ＫI の決定 最適フィードバックゲインＫ及び積分定数ＫI は、例え
ば、次式で示される評価関数Ｊを最小とすることで設定
できる。
【００６４】
【数１５】
【００６５】ここで、評価関数Ｊとは、空燃比補正係数
ＦＡＦ(i) の動きを制約しつつ、目標空燃比λTGと実際
の下流側空燃比λR(i)との偏差ｅ(i) を最小にしようと
意図したものであり、空燃比補正係数ＦＡＦ(i) に対す
る制約の重み付けは、重みのパラメータＱ、Ｒの値によ
って変更することができる。したがって、重みパラメー
タＱ、Ｒの値を種々換えて最適な制御特性が得られるま
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Ｋ及び積分定数ＫI を定めればよい。
【００６６】さらに、最適フィードバックゲインＫ及び
積分定数ＫI はモデル定数ａ1 、ｂ1 ，Ａ1 〜Ａ3 ，Ｂ
に依存している。よって、実際の下流側空燃比λR を制
御する系の変動（パラメータ変動）に対するシステムの
安定性（ロバスト性）を保証するためには、モデル定数
ａ1 、ｂ1 ，Ａ1 〜Ａ3 ，Ｂの変動分を見込んで最適フ
ィードバックゲインＫ及び積分定数ＫI を設計する必要
がある。よって、シュミレーションはモデル定数ａ1 、
ｂ1 ，Ａ1 〜Ａ3 ，Ｂの現実に生じ得る変動を加味して
行ない、安定性を満足する最適フィードバックゲインＫ
及び積分定数ＫI を定める。
【００６７】以上、［イ］制御対象のモデリング、
［ロ］状態変数の表示方法、［ハ］レギュレータの設
計、［ニ］最適フィードバックゲインＫ及び積分定数Ｋ
I の決定について説明したが、これらは予め決定されて
おり、電子制御装置３１ではその結果、即ち、上記した
数１３及び数１４のみを用いて制御を実行する。
【００６８】そして、以上の説明から明らかなように、
本実施例の空燃比制御装置では、現代制御を適用する際
に、燃料噴射弁７から下流側Ａ／Ｆセンサ２７までの制
御対象全体をモデル化して、下流側空燃比λR を理論空
燃比λ=1に制御するための状態フィードバックを実行す
る。したがって、目標空燃比λTGと実際の下流側空燃比
λR(i)との偏差ｅ(i) に基づき、上記した数１３及び数
１４に従って空燃比補正係数ＦＡＦが直接演算されるた
め、下流側空燃比λR(i)が乱れたときには、その乱れに
応じた空燃比補正係数ＦＡＦが速やかに演算されて、下
流側空燃比λR(i)が直ちに理論空燃比λ=1に収束され
る。
【００６９】また、前記のように、上流側Ａ／Ｆセンサ
２６にて検出された上流側空燃比λF を利用し、制御対
象全体を、燃料噴射弁７から上流側Ａ／Ｆセンサ２６ま
でと、三元触媒１３から下流側Ａ／Ｆセンサ２７までと
に分割してモデル化している。そして、このように現代
制御の状態量の一つとして、信頼性の高いセンサ情報で
ある上流側空燃比λF を用いていることから、高精度の
状態フィードバックを実現可能となる。
【００７０】次に、上記のように設定された現代制御に
基づきＣＰＵ３２が実行する空燃比制御を説明する。
【００７１】《燃料噴射量ＴＡＵの算出処理》図７は本
発明の一実施例である内燃機関の空燃比制御装置のＣＰ
Ｕが実行する燃料噴射量算出ルーチンを示すフローチャ
ートである。
【００７２】この燃料噴射量算出ルーチンは内燃機関１
の回転に同期して３６０°ＣＡ毎に実行される。まず、
ＣＰＵ３２はステップＳ１０１で吸気圧ＰＭ、回転数Ｎ
e 等に基づいて基本燃料噴射量ＴP を算出し、続くステ
ップＳ１０２で空燃比のフィードバック条件が成立して
いるか否かを判定する。ここで、周知のようにフィード
バック条件とは、冷却水温Ｔhwが所定値以上で、かつ高
回転・高負荷ではないときに成立する。ステップＳ１０
２で空燃比のフィードバック条件が成立しているときに
は、ステップＳ１０３で予めＲＯＭ３３に格納された目
標空燃比λTG（本実施例では理論空燃比λ=1）を読出
し、ステップＳ１０４で、後述するように下流側空燃比
λR を目標空燃比λTG(=1,0)とするための空燃比補正係
数ＦＡＦを設定して、ステップＳ１０５に移行する。即
ち、ステップＳ１０４では目標空燃比λTGと下流側Ａ／
Ｆセンサ２７で検出された下流側空燃比λR とに応じ
て、前記した数１３及び数１４により空燃比補正係数Ｆ
ＡＦが算出される。
【００７３】また、前記ステップＳ１０２で空燃比のフ
ィードバック条件が成立していないときには、ステップ
Ｓ１０６で空燃比補正係数ＦＡＦを１．０に設定し、ス
テップＳ１０７で空燃比のフィードバック制御中を示す
フラグＸＦをクリアした後、ステップＳ１０５に移行す
る。
【００７４】その後、ＣＰＵ３２はステップＳ１０５で
次式に従って基本燃料噴射量ＴP 、空燃比補正係数ＦＡ
Ｆ及び他の補正係数ＦＡＬＬから燃料噴射量ＴＡＵを設
定する。
【００７５】ＴＡＵ＝ＴP ×ＦＡＦ×ＦＡＬＬ そして、このようにして設定された燃料噴射量ＴＡＵに
基づく制御信号が燃料噴射弁７に出力されて開弁時間、
つまり燃料噴射量が制御され、その結果、実際の空燃比
が目標空燃比λTG(=1,0)に収束する。
【００７６】《空燃比補正係数ＦＡＦの設定処理》図８
は本発明の一実施例である内燃機関の空燃比制御装置の
ＣＰＵが実行する空燃比補正係数の設定ルーチンを示す
フローチャートである。
【００７７】前記ステップＳ１０４で空燃比補正係数Ｆ
ＡＦの設定ルーチンがコールされると、ＣＰＵ３２は、
ステップＳ２０１でフラグＸＦがセットされているか否
かを判定する。フラグＸＦがセットされていない場合に
は、ステップＳ１０６の処理の実行中に、フィードバッ
ク条件が成立して初めてこのルーチンに移行したとし
て、ステップＳ２０２で所謂初期化の処理を実行する。
例えば、サンプリング回数を示す変数ｉを０に、初期値
ＦＡＦ(-1)，ＦＡＦ(-2)，ＦＡＦ(-3)を定数ＦＡＦ0
に、目標空燃比λTGと下流側空燃比λR(i)との偏差の累
積ＺI(-1) を定数ＺI0に、初期値λF(-1) を定数λF0
に、初期値λR(-1),λR(-2) を定数λR0に、ＲＡＭ３４
の所定のエリアにおいて各々セットする。
【００７８】その後、ＣＰＵ３２はステップＳ２０３で
フラグＸＦをセットして、ステップＳ２０４に移行す
る。したがって、以降はステップＳ２０１から直接ステ
ップＳ２０４に移行し、フィードバック条件が成立して
いる限り、ステップＳ２０２の初期化の処理が行なわれ
ることはない。また、フィードバック条件の不成立によ
りステップＳ１０６の処理が実行され、その後にフィー
ドバック条件が不成立してステップＳ１０４に移行する
と、再びステップＳ２０２の初期化の処理が１回のみ実
行される。
【００７９】次いで、ＣＰＵ３２はステップＳ２０４で
入力ポート３６を介して上流側Ａ／Ｆセンサ２６及び下
流側Ａ／Ｆセンサ２７より実際の空燃比λF(i)，λR(i)
を読み込み、ステップＳ２０５で数１４に従って目標空
燃比λTG(=1,0)と下流側空燃比λR(i)の偏差ｅ(i) を求
め、これを累積して積分項ＺI(i)を演算する。更に、ス
テップＳ２０６で数１３に従って、前記した積分項ＺI
(i)、最適フィードバックゲインＫ、状態変数量Ｘ及び
状態変数量Ｚ等から燃料補正係数ＦＡＦ(i) を演算す
る。そして、ステップＳ２０７で次回の処理に備えて、
今回の空燃比λF(i)，λR(i)及び燃料補正係数ＦＡＦ
(i) を、前回の空燃比λF(i-1)，λR(i-1)及び燃料補正
係数ＦＡＦ(i-1) としてＲＡＭ３４の所定エリアに記憶
更新する。その後、変数ｉを「＋１」インクリメントし
て、一旦このルーチンを終了する。
【００８０】以上のよう本実施例では、内燃機関Ｍ１と
して内燃機関１が機能し、燃料噴射手段Ｍ２として燃料
噴射弁７が、触媒Ｍ３として三元触媒１３が機能する。
また、空燃比検出手段Ｍ４及び上流側空燃比検出手段Ｍ
６として上流側Ａ／Ｆセンサ２６が、下流側空燃比検出
手段Ｍ７として下流側Ａ／Ｆセンサ２７が、噴射量演算
手段Ｍ５としてステップＳ２０４乃至ステップＳ２０６
の処理を実行するときのＣＰＵ３２がそれぞれ機能す
る。
【００８１】このように本実施例の内燃機関の空燃比制
御装置は、内燃機関１の吸気管３に配設されて、所定量
の燃料を噴射する燃料噴射弁７と、内燃機関１の排気管
１２に配設されて、排気ガスを浄化する三元触媒１３
と、下流側空燃比λR を検出する下流側Ａ／Ｆセンサ２
７と、前記燃料噴射弁７から下流側Ａ／Ｆセンサ２７ま
での制御対象に近似して設定されたモデルに対する現在
及び過去の入出力を状態量とし、下流側空燃比λR を目
標空燃比λTG(=1)に制御すべく状態フィードバックを実
行して、前記燃料噴射弁７の噴射量に対する空燃比補正
係数ＦＡＦを演算するＣＰＵ３２とを具備している。こ
の構成は請求項１の発明の実施例に相当するものであ
る。
【００８２】したがって、燃料噴射弁７から下流側Ａ／
Ｆセンサ２７までの制御対象全体のモデルから空燃比補
正係数ＦＡＦが直接演算されるため、下流側空燃比λR
(i)が乱れたときには、その乱れに応じた空燃比補正係
数ＦＡＦを速やかに演算して、直ちに理論空燃比λ=1に
収束させることができ、空燃比制御の応答性を飛躍的に
向上させることができる。
【００８３】また、本実施例の内燃機関の空燃比制御装
置は、内燃機関１の吸気管３に配設されて、所定量の燃
料を噴射する燃料噴射弁７と、内燃機関１の排気管１２
に配設されて、排気ガスを浄化する三元触媒１３と、上
流側空燃比λF を検出する上流側Ａ／Ｆセンサ２６と、
下流側空燃比λR を検出する下流側Ａ／Ｆセンサ２７
と、前記燃料噴射弁７から下流側Ａ／Ｆセンサ２７まで
の制御対象に近似して設定されたモデルに対する、前記
上流側Ａ／Ｆセンサ２６にて検出された上流側空燃比λ
F を含む現在及び過去の入出力を状態量とし、下流側空
燃比λR を目標空燃比λTG(=1)に制御すべく状態フィー
ドバックを実行して、前記燃料噴射弁７の噴射量に対す
る空燃比補正係数ＦＡＦを演算するＣＰＵ３２とを具備
している。この構成は請求項２の発明の実施例に相当す
るものである。
【００８４】したがって、前記した請求項１の発明の実
施例の効果に加えて、現代制御の状態量の一つとして、
信頼性の高いセンサ情報である上流側空燃比λF を用い
ていることから、高精度の状態フィードバックを実現し
て、空燃比制御の精度を向上させることができる。
【００８５】ところで、上記実施例では、状態量である
上流側空燃比λF 及び制御量である下流側空燃比λR
を、空燃比に応じてリニアな信号を出力するＡ／Ｆセン
サ２６，２７により検出したが、本発明を実施する場合
には、これに限定されるものではなく、三元触媒１３の
上流側及び下流側における排気ガスの空燃比を検出可能
なものであればよい。したがって、例えば、これらの空
燃比の検出にＯ2 センサを用いてもよい。以下、その一
例を説明する。
【００８６】図９は本発明の一実施例である内燃機関の
空燃比制御装置のＯ2 センサを用いた場合のＣＰＵが実
行する空燃比補正係数の設定ルーチンを示すフローチャ
ート、図１０は本発明の一実施例である内燃機関の空燃
比制御装置のＯ2 センサの出力電圧をリニアライズ処理
するためのマップを示す説明図である。
【００８７】図示はしないが、この例では、上流側Ａ／
Ｆセンサ２６を上流側Ｏ2 センサに変更し、下流側Ａ／
Ｆセンサ２７を下流側Ｏ2 センサに変更している。そし
て、ＣＰＵ３２はフィードバック条件が成立して、図９
のルーチンに基づいて空燃比補正係数ＦＡＦを設定する
ときには、前記した図８のルーチンと同様にステップＳ
２０３でフラグＸＦをセットした後に、ステップＳ３０
１で両Ｏ2 センサの出力電圧ＶＯＸ１，ＶＯＸ２を読込
む。次いで、ステップＳ３０２で図１０に示すマップに
従ってそれぞれの出力電圧ＶＯＸ１，ＶＯＸ２から空気
過剰率λF,λR（＝上流側空燃比λF 及び下流側空燃比
λR ）を算出する。つまり、Ｏ2 センサの出力電圧ＶＯ
Ｘ１，ＶＯＸ２が理論空燃比λ=1を境界として反転する
際に発生する僅かな過渡領域を利用して、空気過剰率λ
F,λR を算出しているのである。その後、ステップＳ２
０５で積分項ＺI(i)を演算し、以降は図８のルーチンと
同様の処理を実行する。
【００８８】以上のように構成した場合でも、上記実施
例と同じく現代制御の状態フィードバックを実施するこ
とが可能である。なお、当然のことながら、上流側空燃
比λF 及び下流側空燃比λR の一方をＡ／Ｆセンサにて
検出し、他方をＯ2 センサにて検出してもよい。
【００８９】
【発明の効果】以上のように、請求項１の発明の内燃機
関の空燃比制御装置によれば、燃料噴射手段Ｍ２から空
燃比検出手段Ｍ４までの制御対象全体のモデルから燃料
噴射手段Ｍ２の噴射量が直接演算されることから、触媒
Ｍ３の下流側の空燃比が乱れたときには、その乱れに応
じた噴射量を速やかに演算して、直ちに目標空燃比に収
束させることができ、空燃比制御の応答性を飛躍的に向
上させることができる。
【００９０】また、請求項２の発明の内燃機関の空燃比
制御装置によれば、請求項１の発明の効果に加えて、現
代制御の状態量の一つとして用いられる触媒Ｍ３の上流
側の空燃比が、上流側空燃比検出手段Ｍ６にて検出され
たセンサ情報であるため、高精度の状態フィードバック
を実現して、空燃比制御の精度を向上させることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は請求項１の発明に対応する実施例の内容
を概念的に示したクレーム対応図である。
【図２】図２は請求項２の発明に対応する実施例の内容
を概念的に示したクレーム対応図である。
【図３】図３は本発明の一実施例である内燃機関の空燃
比制御装置が設けられた内燃機関とその周辺機器の概略
構成図である。
【図４】図４は本発明の一実施例である内燃機関の空燃
比制御装置における燃料噴射弁から上流側Ａ／Ｆセンサ
までをモデル化する際の伝達関数を示す説明図である。
【図５】図５は本発明の一実施例である内燃機関の空燃
比制御装置における触媒から下流側Ａ／Ｆセンサまでを
モデル化する際の伝達関数を示す説明図である。
【図６】図６は本発明の一実施例である内燃機関の空燃
比制御装置における現代制御の状態フィードバックを示
すブロック線図である。
【図７】図７は本発明の一実施例である内燃機関の空燃
比制御装置のＣＰＵが実行する燃料噴射量算出ルーチン
を示すフローチャートである。
【図８】図８は本発明の一実施例である内燃機関の空燃
比制御装置のＣＰＵが実行する空燃比補正係数の設定ル
ーチンを示すフローチャートである。
【図９】図９は本発明の一実施例である内燃機関の空燃
比制御装置のＯ2 センサを用いた場合のＣＰＵが実行す
る空燃比補正係数の設定ルーチンを示すフローチャート
である。
【図１０】図１０は本発明の一実施例である内燃機関の
空燃比制御装置のＯ2 センサの出力電圧をリニアライズ
処理するためのマップを示す説明図である。
【符号の説明】
Ｍ１ 内燃機関 Ｍ２ 燃料噴射手段 Ｍ３ 触媒 Ｍ４ 空燃比検出手段 Ｍ５ 噴射量演算手段 Ｍ６ 上流側空燃比検出手段 Ｍ７ 下流側空燃比検出手段 １ 内燃機関 ７ 燃料噴射弁 １３ 三元触媒 ２６ 上流側Ａ／Ｆセンサ ２７ 下流側Ａ／Ｆセンサ ３２ ＣＰＵ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F02D 41/14 310

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 内燃機関に所定量の燃料を噴射する燃料
    噴射手段と、 内燃機関の排気通路に配設されて、排気ガスを浄化する
    触媒と、 前記触媒の下流側における排気ガスの空燃比を検出する
    空燃比検出手段と、 前記燃料噴射手段から空燃比検出手段までの制御対象に
    近似して設定されたモデルに対する状態量で、触媒の下
    流側の空燃比を目標空燃比に制御すべく状態フィードバ
    ックを実行して、前記燃料噴射手段の噴射量を演算する
    噴射量演算手段とを具備することを特徴とする内燃機関
    の空燃比制御装置。
  2. 【請求項２】 内燃機関に所定量の燃料を噴射する燃料
    噴射手段と、 内燃機関の排気通路に配設されて、排気ガスを浄化する
    触媒と、 前記触媒の上流側における排気ガスの空燃比を検出する
    上流側空燃比検出手段と、 前記触媒の下流側における排気ガスの空燃比を検出する
    下流側空燃比検出手段と、 前記燃料噴射手段から下流側空燃比検出手段までの制御
    対象に近似して設定されたモデルに対する、前記上流側
    空燃比検出手段にて検出された、上流側の空燃比を状態
    量とし、触媒の下流側の空燃比を目標空燃比に制御すべ
    く状態フィードバックを実行して、前記燃料噴射手段の
    噴射量を演算する噴射量演算手段とを具備することを特
    徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
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