JP5002171B2 - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents
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Description
図1は本発明の一実施形態を示すエンジン(内燃機関)の空燃比制御装置のシステム図である。
エンジン1の各気筒の燃焼室には、エアクリーナ2から吸気ダクト3、スロットル弁4、吸気マニホールド5を経て空気が吸入される。吸気マニホールド5の各ブランチ部には各気筒毎に燃料噴射弁6が設けられている。但し、燃料噴射弁6は燃焼室内に直接臨ませる配置としてもよい。
エンジン1の各燃焼室からの排気は、排気マニホールド8を介して排出される。また、排気マニホールド8からEGR通路9が導出され、これによりEGR弁10を介して排気の一部を吸気マニホールド5に還流している。
ECU12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クロコンピュータを備え、各種センサからの入力信号を受け、後述のごとく演算処理して、燃料噴射弁6の作動を制御する。
スライディングモード制御については、本願出願人は、先に、プラント(エンジン)の入力をシリンダ内空燃比、出力を検出空燃比として、エンジンの排気系及び空燃比センサ16の動特性を離散系2次の伝達関数で表し、該伝達関数で示されるシステムに対し、スライディングモード制御を用いて、状態量(空燃比)を状態空間内の軌道に追従させるフィードバック制御を提案している(特開2003−90252号参照)。
スライディングモード制御では、目標空燃比が得られるようにスライディングモードコントローラ(スライディングモード制御部)22を有する。このスライディングモードコントローラ22は、切換関数演算部23、非線形入力演算部24、線形入力演算部25、積分器26、加算器27、換算部28及び補正制限部29を備える。このスライディングモードコントローラ22の制御の概要は以下のようである(詳細は特開2003−90252号参照)。
この状態量σ(n)に基づいて非線形入力演算部24で非線形入力unlを算出する。
同様に状態量σ(n)に基づいて線形入力である等価制御入力ueqを、線形入力演算部25で算出する。
そして燃料噴射量演算部31において、この空燃比フィードバック補正係数ALPHA及びこれ以外の各種補正を、基本噴射パルス幅TPに対して行って、次の式により燃料噴射パルス幅CTIを演算する。
CTI=(TP×TFBYA+KATHOS)×(ALPHA+KBLRC―1)
+TS+CHOS・・・(1)
ただし、
TFBYA:目標当量比
KATHOS:燃料フィードフォワード補正値
ALPHA:空燃比フィードバック補正係数
KBLRC:空燃比学習値
TS:無効噴射パルス幅
CHOS:気筒別燃料フィードフォワード補正値
である。
一方、本発明にかかるリッチ空燃比領域でのフィードバック制御を行う場合には、広域空燃比センサ16で検出される実空燃比AFSAFを、目標当量比TFBYAに応じたリッチな目標空燃比TGABFに収束させるようにフィードバック制御を行う。
図3は、ECU12にて時間同期または回転同期で実行される空燃比フィードバック制御ルーチンのフローチャートである。
ステップS1では、空燃比フィードバック制御条件が成立したかを判定する。具体的には、水温が所定値以上で空燃比センサ17が活性化している等の条件が満たされたときに空燃比フィードバック制御条件が成立したと判定する。なお、従来のフィードバック制御条件では、燃料噴射量を増量するリッチ空燃比領域も不成立条件としていたが、本発明では該領域もフィードバック制御を行うため、不成立条件から除外される。
ステップS2でリッチ空燃比領域でないと判定されたときは、目標当量比TFBYA=1での理論空燃比フィードバック制御を行う。本実施形態では、スライディングモード制御を用いてフィードバック制御を行う。
σs(n)=S×{x1(n)−θ1(n)}+{x1(n)−x1(n-1)}・・・(2)
ここで、x1(n)は制御プラント(エンジン)の状態量であり、具体的には、空燃比センサ16で検出される空燃比AFSAFである。また、θ1(n)は、状態量x1(n)の目標値、つまり目標空燃比TGABFである。上式右辺の第1項は状態量x1(n)とその目標値θ1(n)との差分を、第2項は状態量x1(n)の微分値(制御周期当たりの変化量)を表す。従って、σ(n)=0とすることは、差分をゼロ、微分値をゼロすることであり、差分をゼロにすることは目標値に到達させることを、しかも微分値をゼロにすることはその目標値の位置に静止させることを意味する。
unls(n)=−η×σ(n)/(|σ(n)|+δ)・・・(3)
ここで、ηは非線形ゲイン、δ(>0)は、平滑化係数である。
続いてステップS5において等価制御入力ueqs(n)を、次式(4)によって算出する。
ueqs(n)=(b0+b1)×[a1x1(n)+a0x2(n)
−(a0+a1)×θ1(n)+{x1(n)−θ1(n)}/(S+1)]・・・(4)
ここで、a0、a1、b0、b1は微分係数である。
ただし、CYLAFはシリンダ吸入空燃比
シリンダ吸入空燃比CYLAFは、次式(6)により導き出される。
CYLAF=14.7×TP/{TP×TFBYA×(ALPHA+KBLRC−1)}
・・・(6)
ステップS7では、前記ALPHASにリミッタをかける。
そして、空燃比センサ17が故障していないと判定されたときは、ステップS9以降へ進んで、リッチ空燃比フィードバック制御を行う。
ステップS9において切換関数σr(n)の値を求める。この切換関数σr(n)は次式(7)によって算出され、切換関数ゲインSに傾き補正係数SLNTGN(<1)を乗じて、ゲインを減少している。
ここで、既述したようにθ1(n)で表される目標空燃比TGABFは、目標当量比TFBYAから算出されるが、リッチ空燃比領域での目標当量比TFBYARは、次式(8)に示すように水温等に基づいて2つの方式で設定される当量比TFBYA1、TFBYA2のうちの大きい方を選択して設定される。
次にステップS10において非線形入力unlr(n)を、理論空燃比制御時と同様に次式(9)によって算出する。
unlr(n)=−η×σ(n)/(|σ(n)|+δ)・・・(9)
続いてステップS11において、傾き補正SLNTGNをいれた等価制御入力ueqr(n)を、次式(10)によって算出する。
−(a0+a1)×θ1(n)+{x1(n)−θ1(n)}/(SLNTGN×S+1)]
・・・(10)
ステップS12では、空燃比フィードバック補正係数ALPHARを、理論空燃比制御時と同様に次式(11)によって算出する。
ステップS13では、前記ALPHARにリミッタをかける。
ここで、リッチ空燃比フィードバック制御時には、下限リミッタALPMINARを80%、上限リミッタALPMAXARを120%に設定し、ステップS11で算出したALPHARが下限リミッタALPMINAR未満のときには、ALPHAR=80%とし、上限リミッタALPMAXARを超えたときには、ALPHAR=120%として、ALPHARを80%≦ALPHAR≦120%の範囲に制限する。
以上のように、リッチ空燃比領域でも空燃比センサの検出値に基づいてフィードバック制御を実行することにより、図5(A)に示すフィードフォワード制御した場合に比較し、同図(B)に示すように、良好な排気浄化性能を維持できると共に、安定した出力性能を確保できる。
これにより、図6に示すように、想定以上のスパイク外乱が付加された場合でも制限が強化されることにより過補正となることを防止できる。したがって、空燃比がリーン限界を超えることを抑制して、失火を防止できる。
また、切換関数の傾きを変化させることで非線形ゲイン、積分ゲインの元々の設定を流用してもフィードバック速度を低下することができ、積分も停止しないので、定常的に大きな外乱が付加された場合でも吸収することが可能である。
さらに、空燃比センサの故障時は、フィードバック制御を停止し、通常のリッチ空燃比よりさらにリッチ化したリッチ空燃比にフィードフォワード制御することで、図7(A)に示すフィードバック制御を継続した場合に比較し、同図(B)に示すようにバラツキに対しても十分にリッチ化することで、誤フィードバック制御によるリーン化を確実に防止できる。
この場合は、空燃比フィードバック制御時に目標空燃比が得られるようにPIDコントローラ(PID制御部)42を有する。そして、PIDコントローラ42は、比例分(P分)補正量算出部43、積分分(I分)補正量算出部44、微分分(D分)補正量算出部45、加算器46及び補正制限部47を備える。
図9はフィードバックゲイン(空燃比フィードバック補正係数ALPHA)を算出するフローチャートである。
ステップS21、S22については、スライディングモード制御の場合(ステップS1,S2)と同様であるので、説明を省略する。
一方、ステップS22でリッチ空燃比でのフィードバック制御領域であると判定した場合は、ステップS27でスライディングモード制御の場合と同様に空燃比センサ16の故障の有無を判定し、故障していないと判定された場合は、ステップS28以降に進む。
ここで、P分ゲインテーブルで参照した比例分補正量TALPGAIに対し、所定値以上とならないように、リミッタで制限するが、このリミッタを理論空燃比フィードバック制御時より小さい値に設定することにより、制限を強化する。ただし、燃料噴射量を減少する方向の比例分補正量のリミッタのみを小さくし、燃料噴射量を増量する方向の比例分補正量のリミッタについては、理論空燃比制御時と同一に設定してもよい。
積分ゲイン=TALIGAI×AFIGDWN#
ただし、TALIGAI:I分ゲインテーブル参照値
なお、AFIGDWNはゲイン補正量であり、1未満の定数(例えばAFIGDWN#=0.5)である。そのゲイン補正係数AFIGDWN#を乗算することで積分ゲインは小さくなる。
ステップS31では、ALPHARをスライディングモード制御の場合と同様に、理論空燃比制御時より強くリミット処理して、80%≦ALPHAR≦120%の範囲に制限する。
以上のようにすることで、スライディングモード制御の場合と同様に、想定以上のリッチスパイク等の外乱が付加された場合には、制限がかかるので過補正となることがなく、失火の発生を防止できる。
4 スロットル弁
5 吸気マニホールド
6 燃料噴射弁
11 排気浄化触媒
12 エンジンコントロールユニット
13 クランク角センサ
14 エアフローメータ
15 スロットルセンサ
16 水温センサ
17 空燃比センサ
18 酸素センサ
Claims (4)
- 理論空燃比を挟むリーン、リッチ両域に亘って空燃比を検出可能な空燃比センサを備え、該空燃比センサの検出値に基づいて、少なくとも所定の運転領域で実空燃比を目標空燃比とするようにフィードバック制御する内燃機関の空燃比制御装置であって、 空燃比を理論空燃比よりリッチとする領域においても、目標空燃比をリッチに設定して空燃比フィードバック制御を実行し、
空燃比をリッチにフィードバック制御するときは、空燃比をリッチ以外にフィードバック制御するときよりもフィードバック補正量の許容変化範囲を狭める、
ことを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。 - フィードバック制御をスライディングモード制御で行い、空燃比をリッチにフィードバック制御するときに、切換関数の傾きをリッチ以外のフィードバック制御時より小さくすることで、フィードバック補正量の制限値を大きく制限する値とする、
ことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の空燃比制御装置。 - フィードバック制御をPI制御またはPID制御で行い、空燃比をリッチにフィードバック制御するときに、比例分量をリッチ空燃比以外のフィードバック制御時より小さくすることで、フィードバック補正量の制限値を大きく制限する値とする、
ことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の空燃比制御装置。 - フィードバック制御をPI制御またはPID制御で行い、空燃比をリッチにフィードバック制御するときに、積分分ゲインをリッチ空燃比以外のフィードバック制御時より小さくすることで、フィードバック補正量の制限値を大きく制限する値とする、
ことを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
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