JPH0327758B2

JPH0327758B2 -

Info

Publication number: JPH0327758B2
Application number: JP57125885A
Authority: JP
Inventors: Tooru Takahashi
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1982-07-21
Filing date: 1982-07-21
Publication date: 1991-04-16
Also published as: JPS5918269A

Description

【発明の詳細な説明】（技術分野）この発明は、内燃機関において、気筒内圧力情
報から点火時期を適宜調整して機関の出力又は効
率が最大となる（これを通常MBT制御：
Minimun advance for Best Torqueと称する）
ように制御し、かつ所定空燃比（Ａ／Ｆ）に同時
に制御する燃焼制御方法に関する。

（背景技術）機関の燃焼制御方法としては、燃焼によるシリ
ンダ内圧を検出し、この圧力が最大となるクラン
ク角位置が、予め定められた所定値となるように
点火時期を制御する方法がある。機関によつて多
少の差異はあるが、燃焼室内圧が最大となる位置
（以後θ_Pnaxとする）が、クランク角で上死点後
（以後ATDCとする）10゜〜20゜の位置にくるよう
に点火時期を設定した場合に、その機関の発生ト
ルクが最大となる。従つて、点火時期やフイード
バツク制御して、燃焼室内圧が最大となるクラン
ク角位置がATDC10゜〜20゜となるように調整する
ことで、発生トルクを最大にすることができる。

第１図は、この方法を用いた点火時期制御装置
の原理を示すブロツク図である。同図において、
１はシリンダ内圧検出器、２はクランク角位置検
出器、３はθ_Pnax検出回路、４はメモリ、５は_P
_ｎａｘ演算回路、６は比較器、７は点火時期調整器
である。シリンダ内圧検出器１で検出されるシリ
ンダ内圧Ｐとクランク角位置検出器２で検出され
るクランク角回転位置θとの関係を第２図に示
す。同図において、P_naxは１サイクルについてシ
リンダ内圧Ｐが最大となる値を示し、θ_Pnaxはこ
の時の回転位置を示す。

θ_Pnax検出回路３は、シリンダ内圧検出器１及び
クランク角位置検出器２からの信号を入力し、連
続するサイクルについて各サイクルごとに、
（θ_Pnax）₁、（θ_Pnax）₂、…（θ_Pnax）_k、…（θ_Pna
x）_oを
求めメモリ４は、各サイクルごとの（θ_Pnax）_k、
ｋ＝１〜ｎを記憶する。_Pnax演算回路５は、所
定回数ｎ個の（θ_Pnax）_kの平均値_Pnax _Pnax＝１／ｎ_o 〓^k=1 （θ_Pnax）_k ……(1) を演算する。

前述したように、機関の出力又は効率が最大に
なるように制御するためには、この_Pnaxが基準
値C_nio〜C_nax度ATDCの範囲内にあるように、点
火時期を調整する必要がある。従つて、比較器６
はこの_PnaxをC_nio〜C_naxと比較し、 C_nio _PnaxC_nax ……(2) であれば、機関はMBT制御状態であると判定す
る。また _Pnax＜C_nio ……(3) であれば、機関はMBT制御状態ではないと判定
し、点火時期を ΔADV＝f₁（_Pnax−C_nio） ……(4) （但し、f₁は関数であることを示す）だけ遅らせ
る。同様に _Pnax＞C_nax であれば、機関はMBT制御状態ではないと判定
し、点火時期を ΔADV＝f₂（_Pnax−C_nax） ……(5) だけ進ませる。これらの点火時期の調整は、点火
時期調整器７で行なう。

第３図に、これらの動作のフローチヤートを示
す。

一方、空燃比（燃料と空気の混合気）の制御
は、先ず機関の回転速度Ｎと吸入空気流量Ｑから
基本燃料供給量T_PをT_P＝KQ／Ｎ（但しＫは定数）
によつて求める。そして、排気混合気の酸素濃度
に応じて空燃比に応じた信号を出力するO₂セン
サの出力値に基づいて、基本燃料供給量T_Pに対
する補正率αをPI制御（比例積分制御）するこ
とにより、実際の空燃比Ａ／Ｆを所定空燃比にフ
イードバツク制御している。

しかしながら、このような燃焼制御方法にあつ
ては、確率的にばらつくθ_Pnaxを平均操作した量
を見て行なうが、平均操作での時間的な遅れ、あ
るいは点火時期とθ_Pnaxの動的挙動（dynamic
behaivor）を考慮せずにフイードバツク制御す
る構成となつている上、空燃比フイードバツク制
御とは全く独立に行なう構成となつているため、
過渡時にはθ_Pnaxを所定値にレギユレートするこ
とが困難で、しかも所定空燃比からのズレが激し
く、燃費及び運転性の悪化を招くという問題点が
あつた。

（発明の目的）この発明は、このような従来の問題点に着目し
てなされたもので、過渡時に特にその振舞いが生
じる燃焼のダイナミクス及び燃料と空燃比間のダ
イナミクスを考慮して点火時期燃料噴射制御をす
ることにより、上記問題点を解決することを目的
とする。

（発明の構成及び作用）そこでこの発生は、従来のPID制御とは異な
り、以下に詳細に説明するδITとδFuelとを制御
入力とし、δθ^_PnaxとδA／Ｆとを制御出力とする制
御対象である機関のダイナミツクモデルに基づい
て、上記各入出力とで多変数制御することを特徴
とするものである。

以下、この発明を図面に基づいて説明する。

第４図はこの発明の一実施例を示す図である。
まず構成を説明する。８は、ある運動条件で
MBTとなる点火時期からの摂動分を表わすδIT
及び所定空燃比となる燃料噴射量からの摂動分
δFuelを入力とし、MBTとなる気筒内圧力が最
大となるクランク角度からの摂動分を統計処理
（例えば移動平均）した量を表わすδθ^_Pnax及び所
定空燃比からのズレ分δA／Ｆを出力とする制御
対象である機関の線形化されたシステムの回転同
期サンプル値系の、実験から得られた伝達関数行
列Ｔ（ｚ）、Ｔ（ｚ）＝T₁₁（ｚ）、T₁₂（ｚ） T₂₁（ｚ）、T₂₂（ｚ） ……(6) を示す。

９は制御対象である機関のダイナミツク状態情
報を記憶していて、入力δITとδFuel及び出力
δθ^_PnaxとδA／Ｆから機関のダイナミツクな内部状
態を推定する状態観測器であり、内部状態を代表
する状態変数量δx（例えばδx₁、δx₂、δx₃、δx₄を
要素とする状態変数ベクトル）の推定値δを計
算する。

状態観測器９は、制御対象である機関をシミユ
レーシヨンするもので、ダイナミツクな内部状態
を状態変数δx（ｎ次のベクトルδx₁〜δx_o）で代表
させる。この状態変数δxは、実際の内部状態を
表わす種々の物理量に対応させる必要はない。ま
た状態変数δxの次数ｎは、ｎが大きい程シミユ
レーシヨンが精確になるが、反面計算が複雑にな
る。この発明の２入力２出力の場合には、ｎ＝４
程度が妥当である。

１０は、状態観測器９により推定して得られた
状態情報をゲイン−Ｋ倍して入力フイードバツク
するゲインブロツクである。

次に作用を説明する。

一般に機関は、同一運転条件で同じ点火時期、
燃料噴射量であつても、燃焼挙動は確率的にばら
つき、気筒内圧の最大となるクランク角度θ_Pnax
も確率的に分散するこのようなシステムに対し確
定的に制御を行なうには、何らかの統計処理をし
て確定量を抽出しなければならない。

この発明は、ある機関に対してはMBTとなる
θ_Pnaxが一定になるという事実に基づき、点火時
期制御により常にθ_PnaxがMBTとなるようレギユ
レータ制御し、かつ所定（Ａ／Ｆ）^*にレギユレー
タ制御する方法であり、確率的にばらつくθ_Pnax
に統計処理し、又O₂センサのリツチリーン信号
からδA／Ｆを算出し制御出力として用いる。統
計処理の例としては平均があるが、単純加算平均
では長時間の観察が必要となり、過渡時には不利
であり、ここでは移動平均δθ^_Pnaxをとる。移動平
均することや、燃料供給から空燃比を検出するま
での間でも当然遅れ時間を生ずることになるが、
この遅れ時間は機関の伝達関数行列Ｔ（ｚ）の中
に含まれる。

まず、Ｔ（ｚ）から機関の動的な振舞いを記述
する状態変数モデル δx(n)＝Aδx(n-1)＋Bδu(n-1) ……(7) δy(n-1)＝Cδx(n-1) ……(8) を導く。各量カツコ内の（ｎ）は現時点を、また
（ｎ−１）は１つ前の時点を表わす。δu（ｎ−１）
は制御入力で、δIT（ｎ−１）、δFuel（ｎ−１）を
要素とする。δy（ｎ−１）は制御出力で、δθ_Pnax
（ｎ−１）、δA／Ｆを要素とする。行列Ａ、Ｂ、
Ｃは運転条件ごとの伝達関数行列Ｔ（ｚ）の係数
から決まる定数行列である。

ここで、次のようなアルゴリズムを持つ状態観
測器を構成する。

δ（ｎ）＝（Ａ−GC）δ（ｎ−１）＋Bδu（ｎ−１）＋Gδy（ｎ−１） ……(9) ここに、Ｇは任意に与えられる行列で、δ
（・）（（・）は任意のサンプル点を表わす）は推
定された機関の内部状態変数である。(7)(8)(9)式よ
り変形すると〔 δx（ｎ）−δ（ｎ）〕＝（Ａ−GC）〔δx（ｎ−１） −δ（ｎ−１）〕 ……(10) となり、（Ａ−GC）行列の固有値が単位円内にあ
るようにＧを選べばｎ→大で δ（ｎ）→δx（ｎ）となり、内部状態δx（ｎ）を入出力より推定する
ことができる。

また、Ｇを適当に選び、（Ａ−GC）の固有値が
全て零とすることも可能で、この時状態観測器は
有限整定状態観測器となる。

このように推定された状態情報から、θ_Pnax及
び空燃比の一定値制御を行なうため、次のような
状態フイードバツクを施す。

δu＝−Kδ（ｎ） ……(11) ここで、ゲインＫを、次の評価関数Ｊが最小に
なるように決定する。

Ｊ＝_∞ 〓^k=0 〔δy^tQδy＋δu^tRu〕 ……(12) ただし、Ｑ、Ｒは重みパラメータである。Ｒ
は、制御入力の制約項の重みを調整するもので、
δIT、δFuelの制御範囲、過度特性を見て決定す
る。(12)式の評価関数は、所定θ^* _Pnaxと所定（Ａ／
Ｆ）^*との偏差δθ^² _nax、δA／F²を常に最小にするも
ので、このようなゲインＫは次のリカツテイ
（Riccati）方程式Ｐ＝A^tPA−A^tPB（B^tPB＋Ｒ） ^-1B^tPA＋Ｑ ……（13）を解いたＰを用いて、Ｋ＝（Ｒ＋B^tPB）^-1B^tPA ……（14）となる。従つて、運転条件ごとのＡ、Ｂ、Ｃを用
いて解いて求めたゲインＫを記憶しておき、その
運転条件の合つたゲインをルツクアツプすればよ
い。

以上の燃焼制御手順を示したのが第５図であ
る。手順を説明すると、まず気筒内圧検出器及び
クランク角位置からの情報により、筒内圧最大と
なるクランク角度θ_Pnaxを検出し、またO₂センサ
からのリツチ・リーンのオン・オフ信号を検出す
る（ステツプ11）。次にθ_Pnaxを移動平均し、
MBTとなる。θ^* _Pnaxと比較し、δθ^_Pnaxを計算する
（ステツプ12）。また、第６図に示すように、O₂
センサからのリツチ・リーンのオン・オフ信号
（O₂センサは所定空燃比を境にして燃料のリツチ
（濃）側でオン信号を、リーン（淡）側でオフ信
号をそれぞれ出力する）を各制御周期ごと観測す
る。例えば最初の周期（０〜１）でオンの時間と
オフの時間を計測し、オン（リツチ）信号を
（＋）、オフ（リーン）信号を（−）として加算
し、 δA／Ｆ＝−t₁＋t₂−t₃ ……（15）により得られたδA／Ｆの値をもつて、その制御
周期内で空燃比が所定値（Ａ／Ｆ）^*よりどれだけ
ズレているかを表わす量とすればよい（ステツプ
12）。次に(9)式のアルゴリズムに従い状態推定を
行なう（ステツプ13）。この例では、Ａ−GC＝００００１００００１００００１０ ……（16）となるＧを選択し、有限整定状態観測器を構成し
ている。次にステツプ16で推定されたダイナミツ
ク状態情報δ₁、δ₂、δ₃、δ₄を用いて
フイードバツクゲイン−Ｋを乗じ、最適制御入力
の基準値からの増量分を計算する。以上の手順中
の係数Ｂ、Ｇ、Ｋは、運転条件ごとに求めてお
き、記憶し、適宜ルツクアツプする。

（発明の効果）以上説明してきたように、この発明によれば、
その構成を点火時期とθ_Pnax、供給燃料と空燃比、
更には確率的にばらつくθ_Pnaxの統計処理で生じ
る遅れ等のダイナミクスを考慮した上で最適制御
を行なう方法としたため、過渡時もθ_Pnaxを所定
値にレギユレートでき、しかも所定空燃比にレギ
ユレートでき、運転性、燃費を考慮した最大トル
ク運転ができるという効果が得られる。第７図の
加速時に従来法(A)と本方法(B)を適用した時の効果
を示した。本方法の制御性の良さが示されてい
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の内燃機関における燃焼制御装置
のブロツク図、第２図は機関軸回転位置とシリン
ダ内圧との関係を示すグラフ、第３図は第１図の
装置の動作を示すフローチヤート、第４図はこの
発明による内燃機関における燃焼制御方法を実現
する制御装置の構成図、第５図はこの発明による
制御方法を説明するフローチヤート、第６図は
O₂センサの出力波形図である。第７図は本方法
の効果を示した図である。１……シリンダ内圧検出器、２……クランク角
位置検出器、３……θ_Pnax検出回路、４……メモ
リ、５……_Pnax演算回路、６……比較器、７…
…点火時期調整器、８……内燃機関制御対象、９
……状態観測器、１０……ゲインブロツク、
θ_Pnax……気筒内圧力が最大となるクランク角位
置、C_nax，C_nio……θ_Pnaxの所定値。

Claims

【特許請求の範囲】

１内燃機関の気筒内圧力情報に基づき、点火時
期及び燃料供給量により機関の燃焼を制御する方
法において、点火時期及び燃料供給量と、気筒内
圧力が最大となるクランク角度を統計処理した量
θ^_Pnaxと空燃比Ａ／Ｆとの間の確定的ダイナミツ
クモデルに基づき、ある運転条件でMBT
（Minimun advance for Best Torque）となる
点火時期との摂動分δIT及び所定空燃比（Ａ／
Ｆ）^*となる燃料噴射量からの摂動分δFuelと、あ
る運転条件でMBTとなる気筒内圧力が最大とな
るクランク角度θ^* _Pnaxに対する気筒内圧検出器及
びクランク角位置検出器により検出された気筒内
圧力が最大となる各サイクルについて求めた所定
回数のクランク角度θ_Pnaxを統計処理した量θ^_Pnax
の摂動分δθ^_Pnax及び所定空燃比（Ａ／Ｆ）^*からの
摂動分δA／Ｆとから、前記内燃機関のダイナミ
ツクな内部状態を代表する適当な次数の状態変数
量δxi（ｉ＝１、２、…ｎ）を前記確定的ダイナミ
ツクモデルが推定し、該推定された状態変数量δ
ｘｉをゲインki（ｉ＝１、２、…ｎ）倍して点火
時期及び燃料供給量にフイードバツクすることに
より前記θ^_Pnax及び空燃比Ａ／Ｆが所定量となる
ように制御することを特徴とする燃焼制御方法。