(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を噴射する燃料噴射弁と、排ガスの空燃比を検出する空燃比検出手段とを備え、前記燃料噴射弁から前記空燃比検出手段までの制御対象を模擬した制御モデルを用いて排ガスの空燃比を目標空燃比付近に制御するように前記燃料噴射弁の燃料噴射量を制御する内燃機関の空燃比制御装置において、
前記制御モデルの応答時定数を吸入空気量又は機関回転数及び吸気管圧力に応じて連続的に変化させる応答時定数可変手段と、
前記制御モデルの燃料噴射量を制御するための制御ゲインを前記応答時定数に応じて連続的に変化させる制御ゲイン可変手段と
を備えていることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項２】
前記制御モデルの応答時定数は、少なくとも前記空燃比検出手段の応答時定数を含んでい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。
【請求項３】
前記制御モデルから導き出された空燃比補正係数の算出式の係数となる制御パラメータを前記応答時定数と前記制御ゲイン等から算出する制御パラメータ算出手段と、
前記空燃比補正係数の算出式に前記空燃比検出手段の検出値と目標空燃比とのずれ量や過去の空燃比補正係数等を代入して現在の空燃比補正係数を算出する空燃比補正係数算出手段と、
内燃機関の運転状態に応じて求めた基本噴射量を前記現在の空燃比補正係数等で補正して燃料噴射量を求める燃料噴射量算出手段と
を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料噴射弁から空燃比検出手段までの制御対象を模擬した制御モデルを用いて燃料噴射量（空燃比）を制御する内燃機関の空燃比制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の自動車は、排気管に排ガス浄化用の三元触媒を設置すると共に、この三元触媒の上流側に空燃比センサを設置し、この空燃比センサの出力に基づいて排ガスの空燃比を理論空燃比付近に制御するように燃料噴射弁の燃料噴射量を制御することで、排ガスを効率良く浄化するようにしている。このような空燃比制御は、例えば特開平７−１１９９５号公報に示すように、燃料噴射弁から空燃比センサまでの制御対象をモデル化して、このモデルから空燃比補正係数の算出式を導き出し、この算出式に、空燃比センサの検出値（実空燃比）と目標空燃比とのずれ量や過去の空燃比補正係数等を代入して、現在の空燃比補正係数を算出し、エンジン運転状態に応じて求めた基本噴射量を現在の空燃比補正係数等で補正して燃料噴射量を求めるようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、燃料噴射弁から空燃比センサまでの制御モデルの応答時定数は、エンジン運転状態の変化、特に吸入空気量の変化に応じて変化する。この主要因は、制御モデルの応答時定数に大きな影響を与える空燃比センサの応答性がエンジン運転状態の変化、特に吸入空気量の変化に応じて変化するためである。例えば、吸入空気量が少ない運転領域ほど、空燃比センサの応答時定数が大きくなり、その結果、制御モデルの応答時定数が大きくなる。
【０００４】
ところが、従来の制御モデルは、エンジン運転状態の変化による応答時定数の変化を考慮したモデルとなっていなかったため、全運転領域での安定性を確保するために、制御ゲインを小さくする必要があった。しかし、制御ゲインを小さくすると、エンジン運転状態（特に吸入空気量）の変化に対する空燃比制御の追従性が悪くなり、その分、排気エミッションが悪くなるという欠点があった。
【０００５】
そこで、予めエンジン運転状態に応じて複数の制御モデルを設定して車載コンピュータのメモリに記憶しておき、エンジン運転状態が変化する毎に制御モデルを切り換えることが考えられる。しかし、この方法では、制御モデルを切り換える毎に制御モデルの特性が不連続に変化するため、制御モデルで算出する空燃比補正係数が制御モデルの切換前後で急変して空燃比が乱れてしまい、排気エミッションが悪くなってしまう。また、制御モデルの数を多くするほど、空燃比制御の精度を向上できるが、多くの制御モデルのデータをメモリに記憶するには、メモリの容量を増加する必要があり、コストアップにつながる欠点もある。
【０００６】
本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、複数の制御モデルを記憶しなくても、内燃機関の運転状態の変化に応じて制御モデルの特性を連続的に変化させることができ、全運転領域で空燃比制御精度を高めて排気エミッションを低減できる内燃機関の空燃比制御装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１の内燃機関の空燃比制御装置は、燃料噴射弁から空燃比検出手段までの制御対象を模擬した制御モデルの応答時定数を、応答時定数可変手段により吸入空気量又は機関回転数及び吸気管圧力に応じて連続的に変化させると共に、制御ゲイン可変手段によって制御モデルの燃料噴射量を制御するための制御ゲインを応答時定数に応じて連続的に変化させる。これにより、制御モデルの特性を内燃機関の運転状態に応じて連続的に変化させることができるため、全運転領域での安定性を確保しながら、内燃機関の運転状態の変化に対する空燃比制御の応答性を向上でき、全運転領域で空燃比制御精度を高めて排気エミッションを低減できる。
【０００８】
この場合、制御モデルの応答時定数に影響を与える要因は、空燃比センサの応答時定数や吸気ポート内壁等に付着する燃料量（ウエット量）等であるが、ウエット量はエンジン温度が上昇するに従って少なくなるため、暖機終了後は、空燃比センサの応答時定数が制御モデルの応答時定数に最も大きな影響を与える。この点を考慮して、請求項２のように、制御モデルの応答時定数には、少なくとも空燃比検出手段の応答時定数を含ませることが好ましい。これにより、制御モデルの応答時定数の精度を高めることができる。
【０００９】
更に、制御モデルの応答時定数に最も大きな影響を与える空燃比検出手段の応答時定数は、主として吸入空気量（排ガス量）によって変化するため、請求項１のように、制御モデルの応答時定数を、吸入空気量又はこれとほぼ同等の運転パラメータ（機関回転数及び吸気管圧力）に応じて連続的に変化させると良い。これにより、制御モデルの応答時定数の精度を高めることができる。
【００１０】
また、請求項３のように、制御モデルから導き出された空燃比補正係数の算出式の係数となる制御パラメータを、応答時定数と制御ゲイン等から制御パラメータ算出手段によって算出すると共に、空燃比補正係数の算出式に空燃比検出手段の検出値と目標空燃比とのずれ量や過去の空燃比補正係数等を代入して現在の空燃比補正係数を空燃比補正係数算出手段によって算出し、燃料噴射量算出手段によって内燃機関の運転状態に応じて求めた基本噴射量を現在の空燃比補正係数等で補正して燃料噴射量を求めるようにすると良い。このようにすれば、空燃比補正係数の算出式の係数となる制御パラメータを内燃機関の運転状態の変化に応じて連続的に変化させることができて、全運転領域で空燃比補正係数を精度良く算出することができ、内燃機関の運転状態に応じた燃料噴射量を精度良く算出することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
まず、図１に基づいてエンジン制御システム全体の概略構成を説明する。内燃機関であるエンジン１１の吸気管１２の最上流部には、エアクリーナ１３が設けられ、このエアクリーナ１３の下流側には、吸入空気量を検出するエアフローメータ１４が設けられている。このエアフローメータ１４の下流側には、スロットルバルブ１５とスロットル開度を検出するスロットル開度センサ１６とが設けられている。
【００１２】
更に、スロットルバルブ１５の下流側には、サージタンク１７が設けられ、このサージタンク１７に、吸気管圧力を検出する吸気管圧力センサ１８が設けられている。また、サージタンク１７には、エンジン１１の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド１９が設けられ、この吸気マニホールド１９の各気筒の分岐管部に、それぞれ燃料を噴射する燃料噴射弁２０（燃料噴射手段）が取り付けられている。
【００１３】
一方、エンジン１１の排気管２１の途中には、排ガス中の有害成分（ＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等）を低減させる三元触媒等の触媒２２が設置されている。この触媒２２の上流側には、排ガスの空燃比を検出する空燃比センサ２３（空燃比検出手段）が設けられている。また、エンジン１１のシリンダブロックには、冷却水温を検出する冷却水温センサ２４や、エンジン回転数ＮＥを検出するクランク角センサ２５が取り付けられている。
【００１４】
これら各種のセンサ出力は、エンジン制御回路（以下「ＥＣＵ」と表記する）２６に入力される。このＥＣＵ２６は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された図２乃至図４の燃料噴射制御（空燃比制御）用の各プログラムを実行することで、燃料噴射弁２０の燃料噴射量を制御する。
【００１５】
以下、燃料噴射量（空燃比）の制御方法について説明する。燃料噴射弁２０から空燃比センサ２３までの制御対象をモデル化して、この制御モデルから次式で表される空燃比補正係数ＦＡＦの算出式を導き出す。
【００１６】
ＦＡＦ（ｉ）  ＝ｂ１  ・ＦＡＦ（ｉ−１）  −ｂ２  ・ＦＡＦ（ｉ−２）
＋ａ０  ・Δφ（ｉ）  ＋ａ１  ・Δφ（ｉ−１）  ＋ａ２  ・Δφ（ｉ−２）
ここで、（ｉ）  は今回の値、（ｉ−１）  は前回の値、（ｉ−２）  は前々回の値であることを示している。また、Δφは、目標燃料過剰率（以下「目標φ」と表記する）と空燃比センサ２３で検出した燃料過剰率（以下「検出φ」と表記する）とのずれ量である（Δφ＝目標φ−検出φ）。ここで、燃料過剰率φは空気過剰率λの逆数であり（φ＝１／φ）、検出φは空燃比センサ２３の出力から換算される。
また、ａ０  ，ａ１  ，ａ２  ，ｂ１  ，ｂ２  は、それぞれ制御パラメータであり、制御モデルの応答時定数τ、制御ゲインω、演算間隔（噴射間隔）Δｔ、減衰係数ζを用いて次式により算出される。
【００１７】
【数１】
0003610839.tif 000002
【００１８】
ここで、ｋｆａは、理論空燃比（１４．６）を用いて吸入空気量から換算した燃料量である。また、制御モデルの応答時定数τは、空燃比センサ２３の応答時定数や吸気ポート内壁に付着する燃料量（ウエット量）等の影響を受けるが、その中でも、空燃比センサ２３の応答時定数の影響を最も大きく受け、この空燃比センサ２３の応答時定数は、主として吸入空気量（排ガス量）によって変化するため、制御モデルの応答時定数τも、主として吸入空気量（排ガス量）によって変化する。そこで、図５に示すように、予め単気筒当りの空気量と制御モデルの応答時定数τとの関係を実験又はシミュレーション等によって求めてマップ化（又は数式化）してＥＣＵ２６のＲＯＭに記憶しておき、このマップ（又は数式）から単気筒当りの空気量に応じた制御モデルの応答時定数τを算出する。これにより、制御モデルの応答時定数τは、単気筒当りの空気量（吸入空気量）に応じて連続的に変化する。
【００１９】
また、制御ゲインωの算出方法は、図６に示すように、予め応答時定数τと制御ゲインωとの関係を実験又はシミュレーション等によって求めてマップ化（又は数式化）してＥＣＵ２６のＲＯＭに記憶しておき、このマップ（又は数式）から応答時定数τに応じた制御ゲインωを算出する。これにより、制御ゲインωは応答時定数τ（ひいては単気筒当りの空気量）に応じて連続的に変化する。
【００２０】
ＥＣＵ２６は、図２乃至図４の燃料噴射制御（空燃比制御）用の各プログラムを実行することで、図７に示す各手段の機能を実現する。即ち、応答時定数可変手段３１により吸入空気量に応じて図５のマップから制御モデルの応答時定数τを算出した後、制御ゲイン可変手段３２によって制御モデルの制御ゲインωを応答時定数τに応じて図６のマップから算出する。そして、制御パラメータ算出手段３３は、制御モデルの応答時定数τ、制御ゲインω、演算間隔Δｔ、減衰係数ζを用いて前記［数１］式により制御パラメータａ０  ，ａ１  ，ａ２  ，ｂ１  ，ｂ２  を算出する。これにより、制御パラメータａ０  ，ａ１  ，ａ２  ，ｂ１  ，ｂ２  は、吸入空気量に応じて連続的に変化する。
【００２１】
その後、空燃比補正係数算出手段３４は、制御パラメータ算出手段３３で算出した制御パラメータａ０  ，ａ１  ，ａ２  ，ｂ１  ，ｂ２  と、目標φと検出φとのずれ量Δφ（ｉ）  ，Δφ（ｉ−１）  ，Δφ（ｉ−２）  及び過去の空燃比補正係数ＦＡＦ（ｉ−１）  ，ＦＡＦ（ｉ−２）  を用いて、前述した空燃比補正係数ＦＡＦの算出式から現在の空燃比補正係数ＦＡＦ（ｉ）  を算出する。この後、燃料噴射量算出手段３５は、エンジン運転状態に応じて求めた基本噴射量を現在の空燃比補正係数ＦＡＦ等で補正して燃料噴射量を求める。
【００２２】
次に、これら各手段の機能を実現する図２乃至図４の各プログラムの処理内容を説明する。図２の制御パラメータ算出プログラムは、例えば噴射毎に実行される。本プログラムが起動されると、まずステップ１０１で、演算間隔（噴射間隔）Δｔ、つまり前回の噴射から今回の噴射までの時間Δｔを算出し、次のステップ１０２で、図５のマップから現在の単気筒当りの空気量に応じた制御モデルの応答時定数τを算出する。この後、ステップ１０３で、図６のマップから現在の応答時定数τに応じた制御ゲインωを算出し、次のステップ１０４で、減衰係数ζを読み込む。この減衰係数ζは、制御の安定性と応答性を考慮して１．０よりも少し大きい値（例えば１．１）に設定されている。この後、ステップ１０５で、制御モデルの応答時定数τ、制御ゲインω、演算間隔Δｔ、減衰係数ζを用いて前記［数１］式により制御パラメータａ０  ，ａ１  ，ａ２  ，ｂ１  ，ｂ２  を算出する。これにより、吸入空気量に応じて制御パラメータａ０  ，ａ１  ，ａ２  ，ｂ１  ，ｂ２  が連続的に変化する。
【００２３】
以上説明した図２の制御パラメータ算出プログラムが終了すると、図３の空燃比補正係数算出プログラムが起動される。本プログラムが起動されると、まずステップ２０１で、図２のステップ１０５で算出した制御パラメータａ０  ，ａ１  ，ａ２  ，ｂ１  ，ｂ２  を読み込む。この後、ステップ２０２で、目標φと検出φとのずれ量Δφ（＝目標φ−検出φ）を算出し、次のステップ２０３で、制御パラメータａ０  ，ａ１  ，ａ２  ，ｂ１  ，ｂ２  と、目標φと検出φとのずれ量Δφ（ｉ）  ，Δφ（ｉ−１）  ，Δφ（ｉ−２）  及び過去の空燃比補正係数ＦＡＦ（ｉ−１）  、ＦＡＦ（ｉ−２）  を用いて前記空燃比補正係数ＦＡＦの算出式から現在の空燃比補正係数ＦＡＦ（ｉ）  を算出する。
【００２４】
以上説明した図３の空燃比補正係数算出プログラムが終了すると、図４の燃料噴射量算出プログラムが起動される。本プログラムが起動されると、まずステップ３０１で、吸入空気量、エンジン回転数等のエンジン運転状態を読み込み、次のステップ３０２で、エンジン運転状態に応じてマップ等により基本噴射量を算出する。この後、ステップ３０３で、基本噴射量に対する各種の補正係数Ｋ（例えば冷却水温による補正係数、加減速時の補正係数等）を算出し、次のステップ３０４で、図３のステップ２０３で算出した空燃比補正係数ＦＡＦを読み込む。この後、ステップ３０５で、基本噴射量に空燃比補正係数ＦＡＦと各種補正係数Ｋを乗算して燃料噴射量を求める。
【００２５】
以上説明した本実施形態では、制御モデルの応答時定数τが吸入空気量に応じて変化することに着目し、吸入空気量に応じて応答時定数τを算出すると共に、この応答時定数τに応じて制御ゲインωを算出するようにしたので、制御モデルの特性をエンジン運転状態に応じて連続的に変化させることができる。これにより、全運転領域での安定性を確保しながら、エンジン運転状態の変化に対する空燃比制御の応答性を向上でき、全運転領域で空燃比制御精度を高めて排気エミッションを低減できる。しかも、多数の制御モデルのデータをＥＣＵ２６のＲＯＭに記憶しなくても良いため、ＲＯＭの容量を増加する必要がなく、コストアップも抑えることができる。
【００２６】
尚、本実施形態では、吸入空気量に応じて応答時定数τを連続的に変化させるようにしたが、吸入空気量とほぼ同等の運転パラメータであるエンジン回転数及び吸気管圧力に応じて応答時定数τを連続的に変化させるようにしても良い。
【００２７】
また、制御モデルの応答時定数τは、吸入空気量の他に、吸気ポート内壁等に付着する燃料量（ウエット量）によっても変化するため、吸入空気量とウエット量とをパラメータとする二次元マップにより応答時定数τを算出するようにしても良い。この際、ウエット量は、冷却水温等から推定すれば良い。その他、吸入空気量、ウエット量以外の運転パラメータを用いて応答時定数τを算出するようにしても良い。
【００２８】
また、本実施形態では、空燃比補正係数ＦＡＦを算出する際に、目標空燃比と検出空燃比とのずれ量に関する情報として、目標燃料過剰率と検出燃料過剰率とのずれ量Δφを用いたが、これに代えて、目標空気過剰率と検出空気過剰率とのずれ量Δλを用いても良く、或は、目標空燃比と検出空燃比とのずれ量を用いても良い。
【００２９】
尚、図３のステップ２０３で用いる空燃比補正係数ＦＡＦの算出式を適宜変更しても良く、同様に、図２のステップ１０５で用いる制御パラメータａ０  ，ａ１  ，ａ２  ，ｂ１  ，ｂ２  の算出式を適宜変更しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態（１）を示すエンジン制御システム全体の概略構成図
【図２】制御パラメータ算出プログラムの処理の流れを示すフローチャート
【図３】空燃比補正係数算出プログラムの処理の流れを示すフローチャート
【図４】燃料噴射量算出プログラムの処理の流れを示すフローチャート
【図５】単気筒当りの空気量と制御モデルの応答時定数τとの関係を示す図
【図６】制御モデルの応答時定数τと制御ゲインωとの関係を示す図
【図７】ＥＣＵの空燃比制御に関する機能を説明する機能ブロック図
【符号の説明】
１１…エンジン（内燃機関）、１２…吸気管、２０…燃料噴射弁（燃料噴射手段）、２１…排気管、２２…触媒、２３…空燃比センサ（空燃比検出手段）、２６…ＥＣＵ（応答時定数可変手段、制御ゲイン可変手段、制御パラメータ算出手段、空燃比補正係数算出手段、燃料噴射量算出手段）。
【図１】
0003610839.tif 000003
【図２】
0003610839.tif 000004
【図３】
0003610839.tif 000005
【図４】
0003610839.tif 000006
【図５】
0003610839.tif 000007
【図６】
0003610839.tif 000008
【図７】
0003610839.tif 000009