JP3850620B2 - 内燃機関の空燃比フィードバック制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の空燃比をフィードバック制御する装置に関し、特にスライディングモード制御を用いて燃焼混合気の空燃比を目標空燃比にフィードバック制御する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、スライディングモード制御を用いて空燃比のフィードバック制御を行なうことが、特開平８−２３２７１３号公報等において提案されている。
【０００３】
また、特開平９−２７４５０４号公報には、超平面（切換線）上への収束状態に応じて超平面（切換線）の傾きを変更することで、平衡点（目標空燃比）への収束応答性と収束安定性とを両立させる構成の開示がある。具体的には、超平面（切換線）上に略収束している状態では傾きを増大変化させ、逆に、超平面（切換線）上に収束していない状態では傾きを減少変化させるようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、空燃比をフィードバック制御する場合、実際の空燃比を排気中の酸素濃度に基づいて検出するのが一般的であるが、この場合、排気の輸送遅れによって空燃比の検出遅れが生じ、該検出遅れが大きいときには超平面（切換線）上への収束安定性が悪化するという問題があった。
【０００５】
前記特開平９−２７４５０４号公報に開示されるものでは、超平面（切換線）上に収束していない状態が判定されてから傾きを変化させる構成で、換言すると、超平面（切換線）上への収束安定性が悪化していることが検出されてから傾きを変化させる構成であるため、傾きの変更が後追いとなって、空燃比フィードバック制御において目標空燃比への収束応答性及び収束安定性を高い次元で両立させることができない場合があった。
【０００６】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、前記空燃比の検出遅れに応じた適切な傾きの超平面（切換線）を設定することで、運転状態の変化によって前記検出遅れが変化しても、常に収束応答性及び収束安定性を高い次元で両立させることができる、スライディングモード制御を用いた空燃比フィードバック制御装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そのため、請求項１記載の発明は、実際の空燃比と目標空燃比との偏差及び該偏差の微分値で示される位相平面上に設定される切換線上に拘束させるスライディングモード制御によって、実際の空燃比を目標空燃比にフィードバック制御するよう構成する一方、機関運転状態によるフィードバック制御の無駄時間の変化に応じて前記切換線の傾きを設定するよう構成した。
【０００８】
かかる構成によると、実際の空燃比と目標空燃比との偏差、即ち、エラー量及び該エラー量の微分値で示される位相平面上に切換線が設定され、この切換線上に拘束されて原点（目標空燃比）に近づくように制御されるが、フィードバック制御の無駄時間（例えば空燃比の検出遅れ時間）が、機関の運転状態に応じて変化することに対応して切換線の傾きが変更される。
【０００９】
請求項２記載の発明では、前記無駄時間を空燃比の検出遅れ時間とし、この検出遅れ時間に関与する機関運転状態に応じて切換線の傾きを設定する構成とした。
【００１０】
かかる構成によると、例えば排気中の酸素濃度に基づいて空燃比を検出する場合には、機関運転状態によって空燃比の検出遅れ時間が変化するので、前記空燃比の検出遅れ時間に影響する運転状態を検出し、該検出した運転状態に応じて切換線の傾きを変更する。
【００１１】
請求項３記載の発明では、機関の吸入空気量に応じて前記切換線の傾きを設定する構成とした。
かかる構成によると、排気中の酸素濃度に基づいて空燃比を検出する場合に、機関の吸入空気量が少ないときほど、燃焼混合気の空燃比変化に対する検出空燃比の遅れが大きくなるので、吸入空気量に応じて切換線の傾きを設定し、空燃比の検出遅れ時間に応じた傾きに変更する。
【００１２】
請求項４記載の発明では、機関の吸入空気量に応じて設定された前記切換線の傾きを、前記吸入空気量の微分値に応じて補正する構成とした。
かかる構成によると、吸入空気量の微分値によって吸入空気量の変化方向と変化速度が分かり、これから空燃比の検出遅れ時間の変化傾向を判断して、吸入空気量の瞬時値に対応して設定された切換線の傾きを補正する。
【００１３】
請求項５記載の発明では、機関の回転速度に応じて前記切換線の傾きを設定する構成とした。
かかる構成によると、排気中の酸素濃度に基づいて空燃比を検出する場合に、機関の回転速度が低いときほど、燃焼混合気の空燃比変化に対する検出空燃比の遅れが大きくなるので、機関回転速度に応じて切換線の傾きを設定し、空燃比の検出遅れ時間に応じた傾きに変更する。
【００１４】
請求項６記載の発明では、機関の回転速度に応じて設定された前記切換線の傾きを、前記機関回転速度の微分値に応じて補正する構成とした。
かかる構成によると、機関回転速度の微分値によって機関回転速度の変化方向と変化速度が分かり、これから空燃比の検出遅れ時間の変化傾向を判断して、機関回転速度の瞬時値に対応して設定された切換線の傾きを補正する。
【００１５】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によると、切換線の傾きを、そのときの無駄時間に対応した適切な値に予め設定できるので、目標空燃比への収束安定性及び収束応答性を向上させて、空燃比の過渡的なエラーを小さくできるという効果がある。
【００１６】
請求項２記載の発明によると、空燃比の検出遅れによるフィードバック制御の無駄時間の変化に対応して切換線の傾きを適切な値に設定できるという効果がある。
【００１７】
請求項３記載の発明によると、特に排気中の酸素濃度から燃焼混合気の空燃比を検出する場合に、空燃比の検出遅れ時間が吸入空気量によって変化することに対応して、切換線の傾きを空燃比の検出遅れ時間に応じた値に設定できるという効果がある。
【００１８】
請求項４記載の発明によると、吸入空気量が変化する過渡運転時に、空燃比の検出遅れ時間の推定に大きな過不足が生じることを回避でき、実際の検出遅れ時間に精度良く対応する傾きを設定できるという効果がある。
【００１９】
請求項５記載の発明によると、特に排気中の酸素濃度から燃焼混合気の空燃比を検出する場合に、空燃比の検出遅れ時間が機関回転速度によって変化することに対応して、切換線の傾きを空燃比の検出遅れ時間に応じた値に設定できるという効果がある。
【００２０】
請求項６記載の発明によると、機関回転速度が変化する過渡運転時に、空燃比の検出遅れ時間の推定に大きな過不足が生じることを回避でき、実際の検出遅れ時間に精度良く対応する傾きを設定できるという効果がある。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を説明する。
図１は実施の形態における内燃機関のシステム構成図である。
【００２２】
この図１において、車両に搭載される内燃機関１の各気筒の燃焼室には、エアクリーナ２，吸気通路３，モータで開閉駆動される電子制御式スロットル弁４を介して空気が吸入される。各気筒の燃焼室内に燃料（ガソリン）を直接噴射する電磁式の燃料噴射弁５が設けられており、該燃料噴射弁５から噴射される燃料と前記吸入される空気とによって燃焼室内に混合気が形成される。
【００２３】
燃料噴射弁５は、コントロールユニット２０から出力される噴射パルス信号によりソレノイドに通電されて開弁し、所定圧力に調圧された燃料を噴射する。そして、噴射された燃料は、吸気行程噴射の場合は燃焼室内に拡散して均質な混合気を形成し、また圧縮行程噴射の場合は点火栓６回りに集中的に層状の混合気を形成する。燃焼室内に形成される混合気は、点火栓６により着火燃焼する。
【００２４】
但し、内燃機関1を上記の直接噴射式ガソリン機関に限定するものではなく、吸気ポートに燃料を噴射する構成の機関であっても良い。
機関１からの排気は排気通路７より排出される。前記排気通路７には排気浄化用の触媒８が介装されている。
【００２５】
また、燃料タンク９にて発生した蒸発燃料を燃焼処理する蒸発燃料処理装置が設けられている。
キャニスタ１０は、密閉容器内に活性炭などの吸着剤１１を充填したもので、燃料タンク９から延設される蒸発燃料導入管１２が接続されている。従って、燃料タンク９にて発生した蒸発燃料は、前記蒸発燃料導入管１２を通って、キャニスタ１０に導かれ吸着捕集される。
【００２６】
また、キャニスタ１０には、新気導入口１３が形成されると共に、パージ配管１４が導出され、前記パージ配管１４には、コントロールユニット２０からの制御信号によって開閉が制御されるパージ制御弁１５が介装される。
【００２７】
上記構成において、パージ制御弁１５が開制御されると、機関１の吸入負圧がキャニスタ１０に作用する結果、新気導入口１３から導入される空気によってキャニスタ１０の吸着剤１１に吸着されていた蒸発燃料がパージされ、パージエアがパージ配管１４を通って吸気通路３のスロットル弁４下流に吸入され、その後、機関１の燃焼室内で燃焼処理される。
【００２８】
コントロールユニット２０は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ，Ａ／Ｄ変換器及び入出力インターフェイス等を含んで構成されるマイコンを備え、各種センサからの入力信号を受け、これらに基づいて演算処理して、燃料噴射弁５，点火栓６及びパージ制御弁１５などの作動を制御する。
【００２９】
前記各種センサとして、機関１のクランク角を検出するクランク角センサ２１、カム軸から気筒判別信号を取り出すカムセンサ２２が設けられており、前記クランク角センサ２１からの信号に基づき機関の回転速度が算出される。
【００３０】
この他、吸気通路３のスロットル弁４上流で吸入空気流量Ｑａを検出するエアフローメータ２３、アクセルペダルの踏込み量（アクセル開度）ＡＰＳを検出するアクセルセンサ２４、スロットル弁４の開度ＴＶＯを検出するスロットルセンサ２５、機関１の冷却水温Ｔｗを検出する水温センサ２６、排気中の酸素濃度に応じて燃焼混合気の空燃比をリニアに検出する広域型の空燃比センサ２７、車速ＶＳＰを検出する車速センサ２８などが設けられている。
【００３１】
ここで、前記広域型の空燃比センサ２７の構造を、図２に基づいて説明する。
ジルコニア（ＺｒＯ2）等の固体電解質部材からなる基板３１上には、酸素濃度測定用の＋電極３２が設けられている。また、基板３１には大気が導入される大気導入孔３３が開設され、この大気導入孔３３には、−電極３４が＋電極３２に対向させて取り付けられている。
【００３２】
このようにして、基板３１と＋電極３２と−電極３４とにより酸素濃度検出部３５が形成される。
また、ジルコニア等からなる固体電解質部材３６の両面に一対の白金からなるポンプ電極３７，３８を設けて形成される酸素ポンプ部３９を有している。
【００３３】
そして、該酸素ポンプ部３９を、例えばアルミナで枠状に形成したスペーサ４０を介して酸素濃度検出部３５の上方に積層して、酸素濃度検出部３５と酸素ポンプ部３９との間に中空室４１が設けられ、かつ、この中空室４１に機関の排気を導入するための導入孔４２が酸素ポンプ部３９の固体電解質部材３６に形成されている。
【００３４】
尚、前記スペーサ４０の外周にはガラス製の接着剤４３が充填され、中空室４１の密閉性を確保すると共に、基板３１及びスペーサ４０と固体電解質３６とを接着固定するようにしてある。ここで、スペーサ４０と基板３１とは同時焼成して結合されるため、中空室４１の密閉性はスペーサ４０と固体電解質部材３６とを接着することによって確保されるものである。また、酸素濃度検出部３９には、暖機用のヒーター４４が内蔵されている。
【００３５】
そして、導入孔４２を介して中空室４１に導入された排気の酸素濃度を前記＋電極３２の電圧から検出する。具体的には、大気導入孔３３内の大気中の酸素と中空室４１内の排気中の酸素との濃度差に応じて基板３１内を酸素イオン電流が流れ、これに伴って、＋電極３２に排気中の酸素濃度に対応する電圧が発生する。
【００３６】
そして、この検出結果に応じて中空室４１内の雰囲気を一定（例えば理論空燃比) に保つように酸素ポンプ部３９に流す電流値を可変制御し、その時の電流値から排気中の酸素濃度を検出する。
【００３７】
具体的には、前記＋電極３２の電圧を、制御回路４５によって増幅処理した後、電圧検出抵抗４６を介して電極３７，３８間に印加し、中空室４１内の酸素濃度を一定に保つようにする。
【００３８】
例えば、排気中の酸素濃度の高いリーン領域での空燃比を検出する場合には、外側のポンプ電極３７を陽極、中空室４１側のポンプ電極３８を陰極にして電圧を印加する。すると、電流に比例した酸素（酸素イオンＯ^2- )が中空室４１から外側に汲み出される。そして、印加電圧が所定値以上になると、流れる電流は限界値に達し、この限界電流値を前記制御回路４５で測定することにより排気中の酸素濃度、換言すれば、空燃比を検出できる。
【００３９】
逆に、ポンプ電極３７を陰極、ポンプ電極３８を陽極にして中空室４１内に酸素を汲み入れるようにすれば、排気中の酸素濃度の低い空燃比リッチ領域での検出ができる。
【００４０】
かかる限界電流は、前記電圧検出抵抗４６の端子間電圧を検出する差動増幅器４７の出力電圧から検出する。
前記コントロールユニット２０は、所定の空燃比フィードバック制御条件が成立するときに、前記空燃比センサ２７で検出される空燃比（実空燃比）を運転条件に応じた目標空燃比に一致させるべく、本発明に係るスライディングモード制御による空燃比フィードバック制御を行なう。
【００４１】
図３は、前記スライディングモード制御による空燃比フィードバック制御を示すブロック図である。
図３において、エラー演算部１０１では、機関の運転条件（負荷、回転、水温等）に応じて設定される目標空燃比と、空燃比センサ２７で検出された実際の空燃比（以下、実空燃比という）とから、空燃比エラー量（偏差）を下式に従って演算する。
【００４２】
エラー量＝実空燃比−目標空燃比
微分演算部１０２では、前記エラー量の微分値を演算する。
切換関数設定部１０３では、前記エラー量，前記エラー量の微分値及び傾き係数Ｋに基づき、切換関数Ｓを、
Ｓ＝Ｋ×（エラー量−所定値ｑ）＋微分値
として設定する。
【００４３】
非線形分演算部１０４では、前記切換関数Ｓに基づき、非線形分を下式に従って演算する。
非線形分＝非線形分ゲイン×Ｓ／｜Ｓ｜
一方、線形分演算部１０５では、前記エラー量に基づき、線形分を下式に従って演算する。
【００４４】
線形分＝線形分ゲイン×エラー量
そして、空燃比フィードバック補正係数演算部１０６では、前記非線形分，前記線形分及び空燃比フィードバック補正係数αの中央値（＝１．０）を加算し、該加算結果を、新たな空燃比フィードバック補正係数αとする。
【００４５】
α＝１．０＋非線形分＋線形分
前記空燃比フィードバック補正係数αは、機関運転条件に応じて算出される基本燃料噴射量に乗算され、該乗算した結果を最終的な燃料噴射量とし、該燃料噴射量に相当するパルス幅の噴射パルス信号を燃料噴射弁５に出力することで燃料を噴射させる。
【００４６】
前記線形分は、切換線（Ｓ＝０）上に沿ってシステム状態を目標値へ向けて動かし、前記非線形分は、システム状態を切換線（Ｓ＝０）に向かわせ、切換線（Ｓ＝０）上に拘束させる働きをする。これにより、エラー量と該エラー量の微分値とで示される位相平面における切換線（Ｓ＝０）上にシステム状態を向かわせ、切換線（Ｓ＝０）上にシステム状態が乗ったら、切換線（Ｓ＝０）上に拘束され滑りながら原点（目標空燃比）に到達する（図４参照）。
【００４７】
ここで、上記切換関数設定部１０３で用いる傾き係数Ｋは、以下のようにして設定される。
まず、基本値設定部１０７では、傾き係数Ｋの基本値であるＫ１を、エアフローメータ２３で検出された吸入空気流量Ｑａに応じて設定する。具体的には、吸入空気流量Ｑａが多いときほど傾き係数Ｋとして大きな値を設定し、切換線（Ｓ＝０）の傾きを急にする。
【００４８】
燃焼混合気の空燃比変化が空燃比センサ２７で検出されるまでの検出遅れ時間は、空燃比フィードバック制御の無駄時間となり、吸入空気流量Ｑａが少ないと排気の輸送遅れにより前記検出遅れ時間が長くなり、前記無駄時間が長くなる。前記無駄時間が長いときに、急な傾きの切換線上にシステム状態を拘束しようとすると、切換線上への収束安定性・収束応答性が悪くなってしまうので、切換線の傾きを緩くするが、吸入空気流量Ｑａが多く前記検出遅れ時間（無駄時間）が短いときには、切換線の傾きを急にしても、切換線上への収束安定性・収束応答性が悪くなることがないので、切換線の傾きを急にして最大限の応答性で目標空燃比に近づくようにするものである。
【００４９】
一方、過渡補正項設定部１０８では、前記吸入空気流量Ｑａの微分値に基づいて、前記基本値Ｋ１を補正するための補正値Ｋ２を設定する。具体的には、吸入空気流量Ｑａの微分値がプラスであるとき（吸入空気流量Ｑａの増大変化時）には、補正値Ｋ２がプラスの値に設定され、吸入空気流量Ｑａの微分値がマイナスであるとき（吸入空気流量Ｑａの減少変化時）には、補正値Ｋ２がマイナスの値に設定され、吸入空気流量Ｑａの微分値の絶対値が大きいほど補正値Ｋ２の絶対値が大きくなるようにしてある。
【００５０】
前記基本値Ｋ１は、吸入空気流量Ｑａの瞬時値に基づき設定されるため、吸入空気流量Ｑａが変化していると、傾きの設定に遅れを生じることになってしまう。そこで、吸入空気流量Ｑａの微分値から吸入空気流量Ｑａ（換言すれば検出遅れ時間）の変化方向及び変化速度を判断し、吸入空気流量Ｑａの変化による検出遅れ時間の変化に遅れなく追従して傾き（傾き係数Ｋ）が設定されるように、基本値Ｋ１を、吸入空気流量Ｑａの微分値に応じた補正値Ｋ２で補正する。
【００５１】
傾き係数設定部１０９では、前記基本値Ｋ１に前記補正値Ｋ２を加算して、傾き係数Ｋを設定し、これを、前記切換関数設定部１０３に出力する。
ところで、上記では、空燃比の検出遅れ時間に関与する機関運転状態として吸入空気流量Ｑａを用いたが、機関回転速度Ｎｅによっても空燃比の検出遅れ時間が変化するので、図５に示すように、吸入空気流量Ｑａに代えて機関回転速度Ｎｅに応じて傾き係数Ｋを設定させる構成としても良い。
【００５２】
図５に示す第２の実施形態は、基本値設定部１０７及び過渡補正項設定部１０８における処理内容のみが図３に示した第１の実施形態と異なるので、基本値設定部１０７及び過渡補正項設定部１０８における処理のみを以下に説明する。
【００５３】
図５に示す第２の実施形態において、基本値設定部１０７では、機関回転速度Ｎｅが高く空燃比の検出遅れ時間が短いときほど、傾き係数Ｋの基本値Ｋ１を大きな値に設定する。
【００５４】
即ち、機関回転速度が低いと排気の輸送遅れにより空燃比の検出遅れ時間が長くなり、フィードバック制御の無駄時間が長くなるので、基本値Ｋ１として小さい値を設定し、切換線の傾きを緩くする。逆に、機関回転速度が高いと排気の輸送遅れが少なく空燃比の検出遅れ時間が短くなるので、基本値Ｋ１として比較的大きな値を設定し、切換線の傾きを急にする。
【００５５】
また、過渡補正項設定部１０８では、機関回転速度Ｎｅの微分値がプラスであるとき（機関回転速度Ｎｅの増大変化時）に補正値Ｋ２をプラスの値に設定し、機関回転速度Ｎｅの微分値がマイナスであるとき（機関回転速度Ｎｅの減少変化時）に、補正値Ｋ２をマイナスの値に設定し、機関回転速度Ｎｅの微分値の絶対値が大きいほど補正値Ｋ２の絶対値が大きくなるようにする。
【００５６】
尚、吸入空気流量Ｑａと機関回転速度Ｎｅとの双方に基づいて傾き係数Ｋを設定する構成としても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態における内燃機関のシステム構成図。
【図２】実施の形態における空燃比センサ及びその周辺回路を示す図。
【図３】第１の実施形態における空燃比フィードバック制御を示す制御ブロック図。
【図４】実施形態におけるスライディングモード制御の様子を示す線図。
【図５】第２の実施形態における空燃比フィードバック制御を示す制御ブロック図。
【符号の説明】
１…内燃機関
３…吸気通路
４…スロットル弁
５…燃料噴射弁
６…点火栓
２０…コントロールユニット
２１…クランク角センサ
２３…エアフローメータ
２７…空燃比センサ

Claims (6)

1. 内燃機関の燃焼混合気の空燃比を目標空燃比にフィードバック制御する空燃比フィードバック制御装置であって、
   実際の空燃比と目標空燃比との偏差及び該偏差の微分値で示される位相平面上に設定される切換線上に拘束させるスライディングモード制御によって、実際の空燃比を目標空燃比にフィードバック制御するよう構成する一方、
   機関運転状態によるフィードバック制御の無駄時間の変化に応じて前記切換線の傾きを設定するよう構成したことを特徴とする内燃機関の空燃比フィードバック制御装置。
2. 前記無駄時間が空燃比の検出遅れ時間であり、該検出遅れ時間に関与する機関運転状態に応じて前記切換線の傾きを設定することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の空燃比フィードバック制御装置。
3. 機関の吸入空気量に応じて前記切換線の傾きを設定することを特徴とする請求項２記載の内燃機関の空燃比フィードバック制御装置。
4. 前記機関の吸入空気量に応じて設定された前記切換線の傾きを、前記吸入空気量の微分値に応じて補正することを特徴とする請求項３記載の内燃機関の空燃比フィードバック制御装置。
5. 機関の回転速度に応じて前記切換線の傾きを設定することを特徴とする請求項２記載の内燃機関の空燃比フィードバック制御装置。
6. 前記機関の回転速度に応じて設定された前記切換線の傾きを、前記機関回転速度の微分値に応じて補正することを特徴とする請求項５記載の内燃機関の空燃比フィードバック制御装置。

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