JP3162521B2 - 内燃機関の気筒別空燃比推定器 - Google Patents

内燃機関の気筒別空燃比推定器

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は内燃機関の気筒別空燃
比推定器に関し、より具体的には多気筒内燃機関の排気
系集合部に設けた１個の空燃比センサ出力から各気筒の
空燃比を推定する推定器であって、マイクロコンピュー
タからなる車載ＥＣＵにおいて実現できる様にしたもの
に関する。
【０００２】
【従来の技術】内燃機関の排気系に酸素濃度検出素子か
らなる空燃比センサを設けて入力した混合気の空燃比を
検出し、検出値に応じて燃料供給量を目標値にフィード
バック制御することは良く行われており、その一例とし
て特開昭５９−１０１５６２号公報記載の技術を挙げる
ことができる。
【０００３】ところで４気筒、６気筒などの多気筒内燃
機関の排気系集合部に１個の空燃比センサのみを配置し
て空燃比を検出する場合、センサ検出値は全ての気筒の
空燃比を混合した出力を示すこととなり、気筒ごとの空
燃比を正確に検出することができず、それぞれの空燃比
を目標値に精度良く制御することができない。それを解
消するには気筒ごとに空燃比センサを設ければ良いが、
それではコスト高を招くと共に、センサの耐久性も心配
される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】そこで、本出願人は先
に特願平３−３５９３３８号（平成３年１２月２７日出
願）において、排気系集合部に単一の空燃比センサを配
置してなる多気筒内燃機関について排気系のモデルを構
築し、各気筒の空燃比を内部状態変数とする状態方程式
と出力方程式を求め、その内部状態を観測するオブザー
バ（観測器）を設計してその出力から各気筒の空燃比を
推定する技術を提案した。
【０００５】その様な制御器を実際に設計する場合、全
ての数値についてその変化範囲と最小値とを規定する必
要がある。これは使用するコンピュータのビット数に限
りがあるからである。一般的には、物理的にとり得る最
大の値をその変化範囲とし、その最大値をビット数で割
った値を最小値とすると共に、入力または計算結果が各
変数の変化範囲を超えるときは、超えない限度まで範囲
を拡大し、それをビット数で割って最小値とすることに
なる。
【０００６】しかし、オブザーバは状態変数を収束計算
によって求めるものであり、収束計算の途中の段階では
推定値が物理的にはあり得ない値となることも当然生じ
る。しかも、最小分解能は、実際の変数と同じ精度でな
くてはならない。従って、車載ＥＣＵのマイクロコンピ
ュータなど比較的低レベルのものを用いて実現しようと
すると、範囲を大きくとれば分解能が粗くなり、分解能
を細かくすれば範囲が限定されると言う、相対立する問
題が生ずる。
【０００７】従って、本発明の目的は上記した問題点を
解決し、多気筒内燃機関の排気系集合部に配置した単一
の空燃比センサの出力から各気筒の空燃比を推定する推
定器を車載ＥＣＵのマイクロコンピュータなどの比較的
低レベルのもので実現できる様にした内燃機関の気筒別
空燃比推定器を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記の目的を解決するた
めに本発明は、多気筒内燃機関の排気系の挙動を記述す
るモデルを設定して排気系集合部に配置される単一の空
燃比センサの出力を入力すると共に、その内部状態を観
測するオブザーバを設定し、その出力から各気筒に入力
された混合気の空燃比を推定する推定器であって、前記
推定器の状態変数の少なくとも１つに上下限値を設定
し、その値を超えたとき前記状態変数を前記上下限値の
範囲内の所定の値に持ち替えるように構成した。
【０００９】
【作用】状態変数に上下限値を設定し、その値を超えた
ときは所定の値に持ち替える様に構成したので、状態変
数の変化範囲が比較的狭いもので足り、従って最小分解
能を得るにも比較的ビット数が少なくて足りることとな
り、車載ＥＣＵなどの比較的低レベルのマイクロコンピ
ュータを用いて実現することも可能となる。尚、収束計
算は初期値（ないしは所定値）に戻されることによって
初めからやり直しとなる結果、収束に時間が多少かかる
が、系が安定である限り発散することはない。
【００１０】
【実施例】以下、添付図面に即して本発明の実施例を説
明する。
【００１１】図１は本発明を実現するための内燃機関の
空燃比制御装置を全体的に示す概略図である。図におい
て、符号１０は４気筒の内燃機関を示しており、吸気路
１２の先端に配置されたエアクリーナ１４から導入され
た吸気は、スロットル弁１６でその流量を調節されつつ
インテークマニホルド１８を経て第１〜第４気筒に流入
される。各気筒の吸気弁（図示せず）の付近にはインジ
ェクタ２０が設けられて燃料を噴射する。噴射され吸気
と一体となった混合気は各気筒内で図示しない点火プラ
グで点火されて燃焼してピストン（図示せず）を駆動す
る。燃焼後の排気ガスは排気弁（図示せず）を介してエ
キゾーストマニホルド２２に排出され、エキゾーストパ
イプ２４を経て三元触媒コンバータ２６で浄化されつつ
機関外に排出される。また吸気路１２にはスロットル弁
１６を配置した位置付近にそれをバイパスするバイパス
路２８が設けられる。
【００１２】また内燃機関１０のディストリビュータ
（図示せず）内にはピストン（図示せず）のクランク角
度位置を検出するクランク角センサ３４が設けられると
共に、スロットル弁１６の開度を検出するスロットル開
度センサ３６と、スロットル弁１６下流の吸気圧力を絶
対圧力で検出する絶対圧センサ３８も設けられる。更
に、排気系においてエキゾーストマニホルド２２の下流
側で三元触媒コンバータ２６の上流側のエキゾーストパ
イプ２４の適宜位置には酸素濃度検出素子からなる空燃
比センサ４０が設けられ、排気ガスの空燃比を検出す
る。これらセンサ３４などの出力は、主としてマイクロ
コンピュータからなる制御ユニット（ＥＣＵ）４２に送
られる。
【００１３】図２はＥＣＵ４２の詳細を示すブロック図
である。空燃比センサ４０の出力は検出回路４６に入力
され、そこで適宜な線形化処理が行われてリーンからリ
ッチにわたる広い範囲において排気ガス中の酸素濃度に
比例したリニアな特性からなる空燃比（Ａ／Ｆ）が検出
される。尚、その詳細は先に本出願人が提案した出願
（特願平３─１６９４５６号）に述べてあるので、これ
以上の説明は省略する。また以下の説明においてこのセ
ンサを「ＬＡＦセンサ」（リニア・エーバイエフ・セン
サ）と称する。
【００１４】検出回路４６の出力はＡ／Ｄ変換回路４８
を介してＣＰＵ５０，ＲＯＭ５２，ＲＡＭ５４からなる
マイクロ・コンピュータ内に取り込まれ、ＲＡＭ５４に
格納される。同様にスロットル開度センサ３６などのア
ナログ出力はレベル変換回路５６、マルチプレクサ５８
及び第２のＡ／Ｄ変換回路６０を介して、またクランク
角センサ３４の出力は波形整形回路６２で波形整形され
た後、カウンタ６４で出力値がカウントされ、カウント
値はマイクロ・コンピュータ内に入力される。マイクロ
・コンピュータにおいてＣＰＵ５０はＲＯＭ５２に格納
された命令に従って後述する様に各気筒の空燃比を推定
して制御値を演算し、駆動回路６６を介して各気筒のイ
ンジェクタ２０を駆動すると共に、第２の駆動回路６８
を介して電磁弁７０を駆動し、図１に示したバイバス路
２８を通る２次空気量を制御する。
【００１５】続いて、この構成において排気系の集合部
（エキゾーストパイプ２４）に設けた単一の空燃比セン
サ４０の出力から各気筒の空燃比を推定する手法につい
て説明する。尚、これについては前述した先願に詳細に
述べてあり、この発明の要旨はそれをマイクロコンピュ
ータからなる車載制御ユニット（ＥＣＵ）で実現するこ
とにあるので、説明は簡単に止める。
【００１６】先ず、１個の空燃比センサの出力から各気
筒の空燃比を精度良く分離抽出するためには、空燃比セ
ンサの検出応答遅れを正確に解明する必要がある。そこ
で、とりあえずこの遅れを１次遅れ系と擬似的にモデル
化し、図３に示す如きモデルを作成した。ここでＬＡ
Ｆ：ＬＡＦセンサ出力、Ａ／Ｆ：入力Ａ／Ｆ、とする
と、その状態方程式は下記の数１で示すことができる。
【００１７】
【数１】
【００１８】これを周期ΔＴで離散化すると、数２で示
す様になる。図４は数２をブロック線図で表したもので
ある。
【００１９】
【数２】
【００２０】従って、数２を用いることによってセンサ
出力より真の空燃比を求めることができる。即ち、数２
を変形すれば数３に示す様になるので、時刻ｋのときの
値から時刻ｋ−１のときの値を数４の様に逆算すること
ができる。
【００２１】
【数３】
【００２２】
【数４】
【００２３】具体的には数２をＺ変換を用いて伝達関数
で示せば数５の如くになるので、その逆伝達関数を今回
のセンサ出力ＬＡＦに乗じることによって前回の入力空
燃比をリアルタイムに推定することができる。図５にそ
のリアルタイムのＡ／Ｆ推定器のブロック線図を示す。
【００２４】
【数５】
【００２５】続いて、上記の如く求めた真の空燃比に基
づいて各気筒の空燃比を分離抽出する手法について説明
すると、先願でも述べた様に、排気系の集合部の空燃比
を各気筒の空燃比の時間的な寄与度を考慮した加重平均
であると考え、時刻ｋのときの値を、数６の様に表し
た。尚、Ｆ（燃料量）を制御量としたため、ここでは
『燃空比Ｆ／Ａ』を用いているが、後の説明においては
理解の便宜のため、支障ない限り「空燃比」を用いる。
空燃比をＦ／Ａで表した。また、＃ｎは気筒番号を示
し、その燃焼（点火）順序は、１，３，４，２とする。
尚、空燃比（燃空比Ｆ／Ａ）は、先に数５で求めた応答
遅れを補正した真の値を意味する。
【００２６】
【数６】
【００２７】即ち、集合部の空燃比は、気筒ごとの過去
の燃焼履歴に重みＣ（例えば直近に燃焼した気筒は４０
％、その前が３０％．．．など）を乗じたものの合算で
表した。このモデルをブロック線図であらわすと、図６
の様になる。
【００２８】また、その状態方程式は数７の様になる。
【００２９】
【数７】
【００３０】また集合部の空燃比をｙ（ｋ）とおくと、
出力方程式は数８の様に表すことができる。
【００３１】
【数８】
【００３２】上記において、ｕ（ｋ）は観測不可能のた
め、この状態方程式からオブザーバを設計してもｘ
（ｋ）は観測することができない。そこで４ＴＤＣ前
（即ち、同一気筒）の空燃比は急激に変化しない定常運
転状態にあると仮定してｘ（ｋ＋１）＝ｘ（ｋ−３）と
すると、数９の様になる。
【００３３】
【数９】
【００３４】ここで、上記の如く求めたモデルについて
シミュレーション結果を示す。図７は４気筒内燃機関に
ついて３気筒の空燃比を１４．７にし、１気筒だけ１
２．０にして燃料を供給した場合を示す。図８はそのと
きの集合部（即ち、図１のエキゾーストマニホルドパイ
プ２４に空燃比センサ４０を配置した位置）の空燃比を
上記モデルで求めたものを示す。図８においてはステッ
プ状の出力が得られているが、ここで更にＬＡＦセンサ
の応答遅れを考慮すると、センサ出力は図９に「シミュ
レーション」と示す様になまされた波形となる。図中
「実測値」は同じ場合のＬＡＦセンサ出力の実測値であ
るが、これと比較し、上記モデルが多気筒内燃機関の排
気系を良くモデル化していることを検証している。
【００３５】よって、数１０で示される状態方程式と出
力方程式にてｘ（ｋ）を観察する通常のカルマンフィル
タの問題に帰着する。その荷重行列Ｑ，Ｒを数１１の様
においてリカッチの方程式を解くと、ゲイン行列Ｋは数
１２の様になる。
【００３６】
【数１０】
【００３７】
【数１１】
【００３８】
【数１２】
【００３９】これよりＡ−ＫＣを求めると、数１３の様
になる。
【００４０】
【数１３】
【００４１】一般的なオブザーバの構成は図１０に示さ
れる様になるが、今回のモデルでは入力ｕ（ｋ）がない
ので、図１１に示す様にｙ（ｋ）のみを入力とする構成
となり、これを数式で表すと数１４の様になる。
【００４２】
【数１４】
【００４３】ここでｙ（ｋ）を入力とするオブザーバ、
即ちカルマンフィルタのシステム行列は数１５の様に表
される。
【００４４】
【数１５】
【００４５】今回のモデルで、リカッチ方程式の荷重配
分Ｒの要素：Ｑの要素＝１：１のとき、カルマンフィル
タのシステム行列Ｓは、数１６で与えられる。
【００４６】
【数１６】
【００４７】ここで数１０の式に立ち戻り、Ｘ（ｋ）、
即ち、Ｆ／Ａ値のとり得る範囲について考える。Ａ／Ｆ
値はせいぜい１０〜３０の範囲と考えられるので、Ｆ／
Ａ値は１／３０〜１／１０ということになり、最小分解
能もそれに応じて決定することができる。
【００４８】ところが、オブザーバによる推定Ａ／Ｆ値
は最終的には実測Ａ／Ｆ値と同じ様な範囲に収まっては
いるが、推定の途中の値は図１２のシミュレーション結
果に示す如く、はるかに大きな値となってしまう。これ
では机上で検討する段階では問題ないが、実際の制御器
への適用は困難である。
【００４９】そこで、Ａ／Ｆ値を１０〜３０の範囲と考
え、通常のリミッタ、即ち、リミット値（上下限値）を
超えたら、そのリミット値とする様にしてオブザーバに
よる推定を行った。そのシミュレーション結果を図１３
に示す。この例では入力値に対して推定値は発散してし
まって収束せず、正しい入力Ａ／Ｆ値を推定できなかっ
た。これは前記した数１４の式にリミッタを設けたこと
で、系が非線形となってしまったためと考えられる。
【００５０】次に、リミット値を超えたら値を初期値
（所定値）、即ち、１４．７に戻す様にした。そのシミ
ュレーション結果を図１４に示す。推定値はリミット値
を超えることなく、入力Ａ／Ｆ値に迅速に収束した。理
論的には、収束計算は初期値に戻されることによって初
めからやり直しとなることから、収束に多少時間がかか
る筈であるが、シミュレーションでは予想したよりも短
時間で収束した。いずれにしても、これから、系が安定
である限り、発散しないことが分かる。
【００５１】上記した実施例において、この様に状態変
数に上下限値を設定し、設定した上下限値を超えた場
合、状態変数を初期値と置き換える様にしたので、状態
変数の変化範囲を比較的狭く抑えることができ、従って
必要とする最小分解能を確保するにも多くのビット数を
必要しない。その結果、車載ＥＣＵなどのマイクロコン
ピュータを用いて実現することができ、排気系集合部に
空燃比センサを１個配置するのみで、その検出値から各
気筒の空燃比を正確に推定することができ、それによっ
て機関の空燃比を所望の値に制御することができる。
尚、収束計算は初期値に戻されることによって初めから
やり直しとなり、多少収束に時間がかかるが、系が安定
である限り発散することはない。
【００５２】尚、上記実施例においては、初期値に戻す
様にしたが、適宜設定する他の所定値に戻す様にしても
良い。また、内燃機関の気筒別の空燃比を推定する場合
を例にとって説明したが、それに限られるものではな
く、全ての制御器に利用できるものである。
【００５３】
【発明の効果】請求項１項は、多気筒内燃機関の排気系
の挙動を記述するモデルを設定して排気系集合部に配置
される単一の空燃比センサの出力を入力すると共に、そ
の内部状態を観測するオブザーバを設定し、その出力か
ら各気筒に入力された混合気の空燃比を推定する推定器
であって、前記推定器の状態変数の少なくとも１つに上
下限値を設定し、その値を超えたとき前記状態変数を前
記上下限値の範囲内の所定の値に持ち替えるように構成
したので、状態変数の変化範囲が小さくて足り、比較的
少ないビット数でも最小分解能を確保することができ
る。その結果、車載ＥＣＵのマイクロコンピュータなど
の比較的低レベルのものを用いて実現することができ、
排気系集合部に１個の空燃比センサを配置するのみで各
気筒の空燃比を推定することができ、内燃機関の空燃比
を所望の値に制御することができる。尚、収束計算は初
期値（ないしは所定値）に戻されることによって初めか
らやり直しとなり、多少収束に時間がかかるが、系が安
定である限り、発散することはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明を実現するための内燃機関の空燃比制
御装置を全体的に示す概略図である。
【図２】図１中の制御ユニット（ＥＣＵ）の構成を示す
ブロック図である。
【図３】空燃比センサの検出動作をモデル化した例を示
すブロック線図である。
【図４】図３に示すモデルを周期ΔＴで離散化したモデ
ルである。
【図５】実施例に係る空燃比センサの検出挙動をモデル
化した真の空燃比推定器を示すブロック線図である。
【図６】この発明で用いる内燃機関の排気系の挙動を示
すモデルを表すブロック線図である。
【図７】図６に示すモデルを用いて４気筒内燃機関につ
いて３気筒の空燃比を１４．７に、１気筒の空燃比を１
２．０にして燃料を供給する場合を示すデータ図であ
る。
【図８】図７に示す入力を与えたときの図６モデルの集
合部の空燃比を表すデータ図である。
【図９】図７に示す入力を与えたときの図６モデルの集
合部の空燃比をＬＡＦセンサの応答遅れを補正して表し
たデータと、同じ場合のＬＡＦセンサ出力の実測値を比
較するグラフ図である。
【図１０】一般的なオブザーバの構成を示すブロック線
図である。
【図１１】この発明で用いるオブザーバの構成を示すブ
ロック線図である。
【図１２】図１１のオブザーバの動作を示すシミュレー
ション・データ図である。
【図１３】図１１のオブザーバにリミッタを設けたとき
の動作を示すシミュレーション・データ図である。
【図１４】図１１のオブザーバにリミット値（上下限
値）を設けると共に、それを超えたら初期値に戻す様に
したときの動作を示すシミュレーション・データ図であ
る。
【符号の説明】
１０ 内燃機関 １８ インテークマニホルド ２０ インジェクタ ２２ エキゾーストパイプ ４０ 空燃比センサ ４２ 制御ユニット（ＥＣＵ）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F02D 45/00

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 多気筒内燃機関の排気系の挙動を記述す
    るモデルを設定して排気系集合部に配置される単一の空
    燃比センサの出力を入力すると共に、その内部状態を観
    測するオブザーバを設定し、その出力から各気筒に入力
    された混合気の空燃比を推定する推定器であって、前記
    推定器の状態変数の少なくとも１つに上下限値を設定
    し、その値を超えたとき前記状態変数を前記上下限値の
    範囲内の所定の値に持ち替えるようにしたことを特徴と
    する内燃機関の気筒別空燃比推定器。
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