JP3816293B2

JP3816293B2 - 内燃機関の空燃比フィードバック制御装置

Info

Publication number: JP3816293B2
Application number: JP2000075266A
Authority: JP
Inventors: 浩二高橋; 重男大隈
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2000-03-17
Filing date: 2000-03-17
Publication date: 2006-08-30
Anticipated expiration: 2020-03-17
Also published as: US6453896B2; US20010029936A1; JP2001263137A

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】
車両用内燃機関では、排気浄化や燃費向上等を目的として、燃焼混合気の空燃比を目標値にフィードバック制御することが一般的である。
【０００３】
このため、排気通路等に設けた空燃比センサによって空燃比を逐次検出しつつ、該検出空燃比を目標空燃比に収束させるように、ＰＩＤ制御（比例・積分・微分）等を用いて燃料供給量をフィードバック制御している。
【０００４】
一方、外乱の影響を抑制したロバスト性の高い制御として、スライディングモード制御が知られており、ロボット制御等で多用されているが、該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提案されている（特開平８−２３２７１３号公報等参照）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記特開平８−２３２７１３号公報に開示される制御装置では、大きな空燃比偏差を速やかに収束させるために、適応制御やオブザーバ制御を用いる構成となっているが、適応制御やオブザーバ制御は制御設計が複雑で、多くのメモリ容量を必要とし、オンボード化し難いという問題があった。
【０００６】
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、簡便な制御構成で大きな空燃比偏差を速やかに収束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、空燃比の検出値と目標空燃比とに基づくスライディングモード制御によって線形項及び非線形項を含む空燃比フィードバック制御量を算出する構成であって、前記線形項のゲインを、空燃比の検出値と目標空燃比との偏差に応じて切り換える構成とした。
【０００８】
かかる構成によると、空燃比の検出値と目標空燃比との偏差に応じたゲインで線形項が算出され、この線形項と別途算出される非線形項とから空燃比フィードバック制御量を算出し、空燃比フィードバック制御量により例えば燃料噴射量の補正を行って、燃焼混合気の空燃比を調整する。
【０００９】
請求項２記載の発明では、空燃比の検出値と目標空燃比との偏差の絶対値が大きいほど線形項のゲインを大きくする構成とした。
かかる構成によると、実際の空燃比の目標空燃比に対するずれが大きいときほど線形項のゲインを大きくし、前記ずれが大きいときほど線形項による補正量を大きくする。
【００１０】
請求項３記載の発明では、空燃比の検出値と目標空燃比との偏差を切換関数とするスライディングモード制御によって線形項及び非線形項を算出するよう構成し、かつ、前記切換関数の正負に応じて正負が切り換えられるゲインを積分して前記非線形項を算出する構成とした。
【００１１】
かかる構成によると、空燃比の状態が切換線を横切る毎に切換関数の正負が反転し、これに応じて正負が反転するゲインを積分した値である非線形項により、空燃比の状態を切換線上に拘束しつつ目標空燃比に収束させる。
【００１２】
請求項４記載の発明では、前記非線形項のゲインを、機関運転状態に応じて切り換える構成とした。
かかる構成によると、機関負荷・回転速度などの機関運転状態に応じたゲインを用いて空燃比フィードバック制御量の非線形項が算出される。
【００１３】
請求項５記載の発明では、前記線形項を、空燃比の検出値に対する空燃比偏差の割合に比例した値として算出する構成とした。
かかる構成によると、空燃比の状態が切換線から離れたときほど、これに比例して大きな線形項が設定されることになる。
【００１４】
【発明の効果】
請求項１，２記載の発明によると、目標空燃比と実際の空燃比との間に大きな空燃比ずれが生じたときに、大きなゲインで線形項が算出されることで、前記空燃比ずれを速やかに収束させることができ、簡便な制御構成で収束性に優れた空燃比フィードバック制御を行わせることができるという効果がある。
【００１５】
請求項３記載の発明によると、空燃比を目標空燃比付近に拘束して速やかに目標空燃比に収束させることができるという効果がある。
請求項４記載の発明によると、空燃比の検出遅れ時間中に非線形項の値が過剰に積算されることを回避でき、応答性を確保しつつ実空燃比の目標空燃比からのずれ量を適度に小さくして、安定した空燃比フィードバック制御を行えるという効果がある。
【００１６】
請求項５記載の発明によると、切換線上を目標空燃比に向けて速やかにかつオーバーシュートを抑制しつつ収束させることができるという効果がある。
【００１７】
【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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
非線形項演算部101では、フィードバック制御量の非線形項Ｕ_NLを、次式により算出する。
【００３８】
Ｕ_NL＝（ゲイン１）×（実空燃比−目標空燃比）／（｜実空燃比−目標空燃比｜）＋Ｕ_NL(OLD)
尚、上式で、ゲイン１は予め決定された固定値、目標空燃比はそのときの運転条件に応じて設定される空燃比の目標値、実空燃比は前記空燃比センサ２７で検出されたそのときの実際の空燃比、Ｕ_NL(OLD)は非線形項Ｕ_NLの前回値である。
【００３９】
本実施形態でのスライディングモード制御では、直接切換関数法によって、切換関数Ｓを切換関数Ｓ＝実空燃比−目標空燃比とすることにより、切換線Ｓ＝０が所望の状態である実空燃比＝目標空燃比となり、該切換線を横切る毎にフィードバックゲインの増減方向（正負）が切り換えられる。そして、このように切換線Ｓ＝０で増減方向（正負）が切り換えられるフィードバックゲインを積分した値として非線形項Ｕ_NLが算出される。
【００４０】
また、線形項演算部102では、フィードバック制御量の線形項Ｕ_Lを、次式により算出する。
Ｕ_L＝（ゲイン２）×（実空燃比−目標空燃比）／実空燃比
そして、前記線形項制御量Ｕ_Lと、非線形項制御量Ｕ_NLとを加算した値を、空燃比フィードバック補正係数αの中央値（＝１．０）に加算し、該加算結果をリミッタ処理部103で、上・下限値以内となるようにリミッタ処理を行なった後、最終的な空燃比フィードバック補正係数αとして出力する。
【００４１】
吸入空気量，機関回転速度に応じて算出される基本燃料噴射量Ｔｐ（理論空燃比相当の基本燃料噴射量Ｔｐ）に前記空燃比フィードバック補正係数αを乗算することで、そのときの目標空燃比相当の噴射量に補正して、これを最終的な燃料噴射量Ｔｉとし、該燃料噴射量Ｔｉ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。
【００４２】
また、空燃比の検出遅れ時間が機関運転状態により変化することに対応して、非線形項Ｕ_NLのゲイン１を補正するためのゲイン補正値演算部104が設けられており、前記遅れ時間が長くなる機関運転状態のときほど（例えば吸入空気量が小さいときほど）、ゲイン１をより小さい値に補正する。
【００４３】
更に、前記線形項制御量Ｕ_Lのゲイン２を、実空燃比と目標空燃比との偏差に応じて切り換えるゲイン切り換え設定部105が設けられており、該ゲイン切り換え設定部105では、実空燃比と目標空燃比との偏差の絶対値（｜実空燃比−目標空燃比｜）が大きいときほど、前記ゲイン２をより大きな値に切り換える。これにより、目標空燃比に対して実空燃比が大きくずれると、線形項制御量Ｕ_Lの演算ゲインが高くなって、目標空燃比への収束性が高められる。
【００４４】
図４のフローチャートは、上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の様子を示すものであり、ステップＳ１では、空燃比センサ２７で検出される実空燃比、及び、目標空燃比を読み込む。
【００４５】
ステップＳ２では、
Ｕ_NL＝（ゲイン１）×（実空燃比−目標空燃比）／（｜実空燃比−目標空燃比｜）＋Ｕ_NL(OLD)
として、非線形項Ｕ_NLを算出する。
【００４６】
ステップＳ３では、機関運転状態として機関の吸入空気量を読み込む。
ステップＳ４では、前記読み込んだ吸入空気量に応じてゲイン補正値を設定し、次のステップＳ５では、ステップＳ２で算出した非線形項Ｕ_NLに前記ゲイン補正値を乗算して非線形項Ｕ_NLを補正設定する。
【００４７】
ステップＳ６では、実空燃比と目標空燃比との偏差の絶対値に応じて線形項Ｕ_Lの演算に用いるゲイン２を設定する。
ステップＳ７では、上記ゲイン２を用いて、線形項Ｕ_Lを次式により算出する。
【００４８】
Ｕ_L＝（ゲイン２）×（実空燃比−目標空燃比）／実空燃比
ステップＳ８では、空燃比フィードバック補正係数αを、
α＝Ｕ_NL＋Ｕ_L＋1.0
として算出し、次のステップＳ９では、前記空燃比フィードバック補正係数αによって燃料噴射量を補正する。
【００４９】
ステップＳ１０では、次回の演算に備えて、今回算出された非線形項Ｕ_NLを前回値Ｕ_NL(OLD)にセットする。
【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】実施の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】実施の形態における空燃比フィードバック制御を示すフローチャート。
【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
２７…空燃比センサ

Claims

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、
前記空燃比の検出値と前記目標空燃比とに基づくスライディングモード制御によって線形項及び非線形項を含む空燃比フィードバック制御量を算出するよう構成する一方、
前記線形項のゲインを、前記空燃比の検出値と前記目標空燃比との偏差に応じて切り換え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。
前記空燃比の検出値と前記目標空燃比との偏差の絶対値が大きいほど前記線形項のゲインを大きく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。
前記空燃比の検出値と目標空燃比との偏差を切換関数とするスライディングモード制御によって線形項及び非線形項を算出するよう構成され、前記切換関数の正負に応じて正負が切り換えられるゲインを積分して前記非線形項を算出することを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の空燃比フィードバック制御装置。
前記非線形項のゲインが、機関運転状態に応じて切り換えられ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。
前記線形項が、前記空燃比の検出値に対する前記偏差の割合に比例した値として算出されることを特徴とする請求項３又は４記載の内燃機関の空燃比フィードバック制御装置。