JPH03210041A - エンジンの空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明はエンジンの空燃比制御装置、特に過渡時空燃
比を制御するものに関する。

（従来の技術） エンジンの燃料供給量を適正に制御するものとして、空
燃比フィードバック制御装置があり、この装置によれば
、排気系に設けた空燃比センサからの出力に基づいて、
燃料噴射量を補正することにより、常時空燃比を一定に
保つようにしている。

（発明が解決しようとする課題） この上うな空燃比フィードバック制御装置においても、
エンジン吸気量が激しく変化する過渡運松時には燃料補
正の応答遅れにより、空燃比制御精度の低下が避けられ
なかった。過渡時の応答性を高めようとフィードバック
デインを大きくすると制御過敏となって不安定になり、
この逆にフィードパ７クデインを小さくすると、応答遅
れが発生じ、いずれにしても十分な過渡性能を得ること
ができない。

ところで、この上うな空燃比フィードバック制御装置を
含めて、一般の制御系において、入力信号と出力信号と
の間に発生する関連性、つまり伝達関数を求めれば、過
渡的な制御時にあっても、出力の変化を十分に予測で外
、入力を伝達関数にもとづいて補正しておくことにより
常に収束性の高い制御が実現できる。なお、入力信号Ｘ
（Ｓ）と出力信号ｙ（ｓ）を用いれば、伝達関数Ｇ（Ｓ
）はＧ（Ｓ　）＝　Ｙ　（Ｓ　）／Ｘ　（Ｓ　）として
求められる。

しかしながら、空燃比制御における場合の入力信号であ
る燃料噴射量信号は、インゾェクタの噴射量バラツキや
エア７ｔｌ−メータの＠気脈動に伴う出力変動等により
大きく影響を受けるので、出力信号、たとえば発生トル
クや排気組成に対して正確な値でないことがあり、した
がって伝達関数Ｇ（Ｓ）も正確に求まらない。また、仮
に求められたとしても、これを生産エンジンの各々に適
用することは、上記した個々のバラツキのため個々のの
制御性を高めることがらは無意味に近い。

この発明はこのような従来の課題に着目してなされたも
ので、擬似不規則信号を用いた相関法を利用して、その
エンジンの制ｍ系の固有な動特性を推定し、これにもと
づいてとくに過渡時に必要な燃料補正量を演算すること
により、燃料供給の適正化をはかった装置を提供するこ
とを目的とする。

（課題を解決するための手段） この発明は、エンジンの負荷（たとえば吸入空気量Ｑａ
）と回転数Ｎｅをそれぞれ検出するセンサ２１．２２と
、これらセンサの検出値から基本噴射量Ｔｐを計算する
手段２３と、この噴射量Ｔｐを燃料供給装置２５に出力
する手段２４とを備えるエンジンの空燃比制御装置にお
いて、周期的な微小擬似不規則信号（たとえばＭ系列信
号党）を発生する装置２６と、この擬似不規則信号を前
記基本噴射量の信号に重畳させる手段２７と、この擬似
不規則信号が重畳されて燃焼した〃スの空燃比を検出す
るセンサ２８と、前記擬似不規則信号が重畳された場合
に、対応する空燃比センサ出力ｙと擬似不規則信号党と
から両信号の相互相関関数φ９ｙを計算する手段２９と
、この相互相関関数φ９ｙからインパルス応答ｇ（α）
を計算する手段３０と、このインパルス応答ｇ（ｌを積
分することによりステップ応答ｒ（αＬ）を求める手段
３１と、この求められたステップ応答ｒ＜　ＯＬ）に対
応して燃料の増減補正量ＨＯ８を設定する手段３２と、
この増減補正量ＨＯＳを過渡時に前記基本噴射量Ｔｐに
加算する手段３３とを備える。（作用） 運転条件が変化した場合の基本噴射量の変化はステップ
変化で表され、これに応じて燃料がステップ的に増量さ
れても、燃料は応答遅れをもってシリングへと流入する
。この燃料の応答遅れのために加速初期に空燃比がリー
ン化する。

これに対して、この発明によれば、この燃料の応答遅れ
分を表す増減補正量ＨＯＳが、基本噴射量に加えられる
。

この場合に、擬似不規則信号を重畳させての相関法を用
いであるので、ステップ応答ｒ（（’Ｌ）、つまり燃料
の供給遅れが正確に求まる。このため、この応答遅れを
考慮して求めた増減補正ｊｉＨＯ３も正確な値を与える
ことになる。

（実施例） 第２図は一実施例のシステム図である。同図において、
エア７０−メータ２にて吸入空気量Ｑａが、クランク角
センサ３にてエンジン回転数Ｎｅが、空燃比センサ４に
て排気中の空燃比がそれぞれ検出される。

これらの信号はコントロールユニット５に入力され、こ
のコントロールユニット５では、第３図〜第５図に示す
ところにしたがって、過渡時の燃料噴射量を最適化する
。

６は燃料噴射量信号が出力されるインゾェクタ（燃料供
給装置）、７は点火コイルである。

第３図は擬似不規則信号の一つであるＭｉ列信号を燃料
噴射量信号に重畳させるためのルーチンで、Ｓｌでは運
転条件が定常状態にあるかどうかみて、定常状態にあれ
ばＳ２に進む。

この８２は第１図の信号重畳手段２７の機能を果たす部
分で、ここでは従来装置により演Ｗ、される燃料噴射パ
ルス幅（後述する）Ｔ　ｉＢにＭ系列信号９“（１）を
重畳する。つまり、この場合の燃料噴射パルス幅Ｔｉは Ｔ　ｉ＝　Ｔ　ｉＢ十党（ｉ である。このＴｉがインジェクタ６に与えられると、イ
ンジェクタ６はこのＴｉのあいだエンジンの吸気ボート
に向は燃料を噴射する。

Ｍ系列信号臭（ｔ）は、第６図の上段に示すように、振
幅ａ１最小パルス幅Δ、−周期ＮΔ（Ｎは最大シーケン
スで実施例では１５であるが、７，３１６使用できる）
のパラメータを有する周期関数である。このため、その
自己相関関数φ絨（τ）も周期関数であって、第６図の
下段のように幅の狭い三角形状の周期的なパルス列にな
る。このＭ系列信号は微小信号であｌ）、噴射量信号に
重畳させても、エンジン回転の変動は少なく、ドライバ
ーの運転感性を損なうものではない。

なお、Ｍ、１％列信号に限るものでなく、周期的な擬似
不規則信号であれば、Ｌ系列信号や双子素数列信号など
を用いても構わない。

第４図は基本噴射パルス幅Ｔｐに対する過渡時補正量）
１０Ｓを求めるためのルーチンである。

ＳｌｌからＳ１４まではＭ系列信号を用いた相関法によ
りインパルス応答を求める部分であり、この相関法自体
は公知である。

先に、この手法を数式を用いて説明してお（。

エンジンｉｌＩ御系（プラント）に対する入力信号をｘ
（ｔ）、この入力に基づく出力信号を空燃比センサ出力
ｙ　（ｔ）とするとき、これらは次式■、■で表現され
る。

ｘ　（ｔ）”党（１）＋マ（１）・・・■ｙ　（ｔ）＝
　９　（ｔ）＋　Ｖ　（ｔ）・・・■ただし、？（ｔ）
はＭ系列信号ｘ（ｔ）に対応する出力成分、ｘ　（ｔ）
と７（１）は直流分である。その理由はｘ（ｔ）はエン
ジン制御系の本来の入力であり、Ｍ系列信号の周期に対
して、その周期が長いので直流分とみなせるからである
。

ここでＭ系列信号９（ｔ）の振幅ａが十分に小さければ
、その振幅内でのエンジンの燃焼効率特性（燃料量に対
する出力トルク特性）が線形とみなせるため、Ｍ系列信
号２　（ｔ−）と出力成分９（ｔ）との関係は、インパ
ルス応答ｇ（τ）を用いて０〜０式で表さらに、 ｘ（ｔ）と９（Ｌ）との相互相関関数φ貧（αで与えら
れる。

一方、Ｍ系列信号ｘ　（Ｌ）はあらゆる周波数成分を含
んでいるので、そのパワースペクトル密度関数Φ交９（
ω）は一定であるからΦ絨（ω）＝ΦＱｘ（０）である
。

その結果、０式中の自己相関関数φ臭突（α−τ）はデ
ルタ関数δを用いて０式で表される。

φｘ９（Ｑ−τ）＝Φｘ′ｘ（０）・δ（α−τ）・・
・■したがって、０式に示された相互相関関数φ９９（
α）は次のように変形される。

＝Φ９９（０）・　ｇ（α）・・・■ 上式■から明らかなように、インパルス応答ｇ（α）は
？（Ｌ）と９（ｔ）の相互相関関数φ９９（α）を用い
［相］式で与えられる。

ｇ（α）＝φ９９（α）／φ９交（０）・・・［株］こ
こで、ΦＱ２（０）は自己相関関数φ９９の積分値に相
当し、 Φ９２（０）＝　（Ｎ　＋　１　）Δ・ａ２／Ｎ＝Ｚ（
一定）・・・■ で与えられる。

相互相関関数φ９９（α）は０式から次式のように＝φ
ＱｙＣα）−φ貧＜ａ＞・・・＠ したがって、 ｇ　（α）＝　１φ　≦’Ｕ（α　ン−φ　Ｑｙ（α　
））／Ｚ　・・・■となる。

ここで、０式の第２項φ２マ＜ａ＞は、Ｍ系列信号９（
ｔ）と、出力の直流分Ｖ　（ｔ）との相互相関関数であ
る。第１項のφ９バα）はＭ系列信号党（１）と出力ｙ
　（ｔ）との相互相関関数である。ｙ　（ｔ）はＭ系列
信号ｘ（ｔ）の影響による変動成分と、直流成分とから
なっているが、その成分を分離して検出するのは難しく
、直接に求められるのは次式〇′に示ユニで、φ９マ（
α）の値は、ａの値を９（ｔ）の影響が無くなるまで十
分大きくとれば、φ２ｙＣＱ）の値と一致する。したが
って、φＱｙ（ａ）をφ′ｘｙ（ａ）の区間α１．α２
における平均値ｇ（ｌで近似することができる。

ただし、積分範囲を示すａＩｓα２はインパルス応答ｇ
（α）が十分静定する時点におけるαの値を用いる。ａ
２−α１はＮ・Δに近い値を選よ。

以上がインパルス応答を求める手順である。

実際の制御ではインパルス応答よりも、ステップ応答の
ほうが制御が容易である。この場合、ステップ応答はイ
ンパルス応答を積分したものであるから、０式で求めら
れたインパルス応答ｇ（α）を区間α５−ＯＬで積分す
ると、時刻α、におけるただし、α５はＭＭ列信号のＩ
ｍ！似白色白色性るインパルス応答の立ち上がりのずれ
を考慮した積分開始時刻（零に近い）である。ＯＬはイ
ンパルス応答を積分するときの積分区間の終了時刻で、
インパルス応答の特性に合わせて予め設定しておく。

なお、ｒ（ＯＬ）は０式に示すＺで正規化しているので
、単位入力を与えたときのステップ応答に相当する。

以上で、理論的な説明を終える。

なお、実際には、出力信号である空燃比センサ出力は一
定間隔でサンプリングされ、かつコントロールユニット
内ではディジタル信号処理されるので、相互相関関数φ
２ｙ（”）や各応答ｇ（ｆｆＬｒ（ＯＬ）を求める際に
必要となる積分値は積算値で置き換えられる。つまり、
実際の制御系は離散値系で構成されることになる。

第４図に戻り、Ｓｌｌでは一定のサンプリング周期ごと
にＭ系列信号？とこの入力に基づく空燃比センサ出力ｙ
とをデータ入力し記憶しておく。

Ｓ１２ではＭ系列信号党とｙの一周期分のデータ入力が
終了したかどうかをみて、終了してν１ればＳ１３に進
む。

Ｓ１３は第１図の相互相関関数計算手段２９の機能を果
たす部分で、ここではサンプリング周期ごとの９とｙの
相互相関関数φ２バα）を■′式により計算する６ Ｓ１４はｔＪＳ１図のインパルス応答計算手段３０の機
能を果たす部分で、ここでは０式によりインパルス応答
ｇ（α）を求める。

Ｓｉ２は第１図のステップ応答計算手段３１の機能を果
たす部分で、ここではインパルス応答ｇ（α）を用いて
、０式からステップ応答ｒ（ＯＬ）を求める。

この場合、ｒ（ＯＬ）は燃料がステップ的に変化した後
の時刻ａＬにおける値を表しているので、第７図の上段
で示すように早い時刻から順にｆｆＬｌ＊αＬ２、αＬ
３ｒ・・・と区別すれば、これらの各時刻に対するステ
ップ応答ｒ（αｕＬｒ（Ｑ　Ｌ２）ｔｒ（αｔ３）ｔ−
は、ｔＩＳ７図の上段に示す値である。

なお、第７図は燃料をステップ的に１だけ増量した場合
にシリング内に流入する燃料は曲線のように応答遅れを
もって流入することを、示している。

８１Ｇは第１図の増減補正量設定手段３２の機能を果た
す部分で、ここではステップ応答ｒ（Ｑ　Ｌ）から基本
噴射パルス幅Ｔｐに対する過渡時補正量ＨＯ８を求める
。

第７図の上段において、１−ｒ（ＯＬ）が応答遅れとし
て不足する燃料分であるがら、この１−ｒ（ＣＩＬ）を
過渡時補正量として増量しなければならない。

この１　　ｒ（ｆｆＬ）の波形を第７図の中段に示す。

なお、第７図の上段で示したステップ応答１（ａＬ）は
燃料量が１だけ増加した場合に対するものであるから、
実際にはＴｐの増量ステ・ンプ幅に応じて、１−ｒ（ａ
Ｌ）を定数倍したものを補正量とする。

Ｓ１７では計算した過渡時補正量ＨＯ３を記憶しておく
。

第５図は燃料噴射パルス幅を演算するためのルーチンで
ある。

Ｓ２１では吸入空気量Ｑａとエンジン回転数Ｎｅを読み
込み、Ｓ２２に進む。

Ｓ２２は第１図の基本噴射量計算手段２３の機能を果た
す部分で、ここでは基本噴射パルス幅Ｔｐ　（”　Ｋ−
Ｑ　ａ／　Ｎ　ｓ　ただしＫは基本空燃比を与える定数
）をマツプ参照等により求める。この場合、Ｔｐは定常
状態に対する値を与えるものである。

Ｓ２３では過渡時であるかどうかみて、過渡時でなけれ
ば、Ｓ２５で従来装置と同様に次式■にて燃料噴射パル
ス幅ＴｉＢを計算する。

Ｔ　ｉＢ＝　Ｔ　ｐ−Ｃｏ＋　Ｔ　ｓ−＠）ただし、Ｃ
ｏは１と水温増量補正係数等との和、Ｔｓは無効パルス
幅である。

Ｓ２３で過渡時であると判断されると３２４に進む。

Ｓ２４は第１図の加算手段３３の機能を果たす部分で、
ここでは次式Ｏにより燃料噴射パルス幅Ｔｉを計算する
。

Ｔｉ＝（Ｔｐ＋ＨＯ３）・Ｃｏ十Ｔｓ−＠第３図ないし
第５図はＣＰＵに与えるルーチンであるが、ブロック図
で構成すると、第８図に示すようになる。

ここで、この例の作用を説明する。

運転条件が変化した場合のＴｐの変化はステップ変化で
表され、これに応じて燃料がステップ的に増量されても
、燃料は第７図の上段で示したように応答遅れをもって
シリングへと流入する。この燃料の応答遅れのために加
速初期に空燃比がリーン化する。

これに対して、この例によれば、この燃料の応答遅れ分
が過渡時補正量ＨＯ８として導入されており、この過渡
時補正量ＨＯ８が、第７図の下段のように、Ｔｐに対し
て加えられる。

この場合に、Ｍ系列信号を重畳させての相関法を用いで
あるので、第７図の上段に示したステップ応答ｒ（ｆｆ
Ｌ）、つまり燃料の供給遅れが正確に求まる。このため
、この応答遅れを考慮して求めた過渡時補正量ＨＯＳも
正確な値を与えることになり、過渡時であっても過不足
なく燃料をシリンダへと供給することができる。つまり
、フィードバック制御と相違して、過渡時であるにも拘
わらず、制御の安定性や応答遅れを招くことがないので
ある。

なお、燃料噴射量を最適化するため、Ｍ系列信号を重畳
させるといっても、この信号は微小であり、しかも定常
運転時に行うため、重畳中の運転性が害されることはな
い。

最後に、実施例ではステップ増量の場合で説明したが、
ステップ減量の場合も同様であることはいうまでもない
。

（発明の効果） この発明・は、擬似不規則信号を重畳させての相関法を
用いてステップ応答を求め、このステップ応答に対応し
て燃料の増減補正量を計算し、この補正量を過渡時に基
本噴射量に加えることで、過渡時の燃料噴射量を最適化
するようにしたため、過渡時にあっても過不足なく燃料
供給を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明のクレーム対応図、第２図は一実施例
のシステム図、第３図ないし第５図はこの実施例の制御
動作を説明するための流れ図、第６図はＭ系列信号？（
ｔ）とこの信号の自己相関関数φ９９（τ）を示す波形
図、第７図はこの実施例の作用を説明するための波形図
、第８図は他の実施例のブロック図である。 ２・・・エア７０−メータ（エンジン負荷センサ）、３
・・・クランク角センサ（エンジン回転数センサ）、４
・・・空燃比センサ、５・・・コントロールユニット、
６・・・インノエクタ（燃料供給装置）、２１・・・エ
ンジン負荷センサ、２２・・・エンジン回転数センサ、
２３・・・基本噴射量計算手段、２４・・・出力手段、
２５・・・燃料供給装置、２６・・・擬似不規則信号発
生装置、２７・・・信号重畳手段、２８・・・空燃比セ
ンサ、２９・・・相互相関関数計算手段、３０・・・イ
ンパルス応答計算手段、３１・・・ステップ応答計算手
段、３２・・・増減補正量設定手段、３３・・・加算手
段。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. エンジンの負荷と回転数をそれぞれ検出するセンサと、
   これらセンサの検出値から基本噴射量を計算する手段と
   、この噴射量を燃料供給装置に出力する手段とを備える
   エンジンの空燃比制御装置において、周期的な微小擬似
   不規則信号を発生する装置と、この擬似不規則信号を前
   記基本噴射量の信号に重畳させる手段と、この擬似不規
   則信号が重畳されて燃焼したガスの空燃比を検出するセ
   ンサと、前記擬似不規則信号が重畳された場合に、対応
   する空燃比センサ出力と擬似不規則信号とから両信号の
   相互相関関数を計算する手段と、この相互相関関数から
   インパルス応答を計算する手段と、このインパルス応答
   を積分することによりステップ応答を求める手段と、こ
   の求められたステップ応答に対応して燃料の増減補正量
   を設定する手段と、この増減補正量を過渡時に前記基本
   噴射量に加算する手段とを備えることを特徴とするエン
   ジンの空燃比制御装置。