JPH0711995A - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】空燃比の制御をより柔軟に、且つ応答性よく実
現することのできる内燃機関の空燃比制御装置を提供す
る。 【構成】空燃比センサが安定して空燃比検出の可能な状
態か否かを判定する判定手段を設けるとともに、空燃比
センサのそれら安定な状態／不安定な状態にそれぞれ対
応した制御モデルを予め求めてこれを適宜記憶してお
く。これら制御モデルは、空燃比センサによって検出さ
れる空燃比を目標空燃比に制御する状態フィードバック
系の最適フィードバックゲインに相当する。実際の空燃
比制御に際しては、判定手段を通じて空燃比センサの上
記状態をまず判定し、その判定結果に応じて、空燃比補
正係数を算出するための制御モデル（最適フィードバッ
クゲイン）を切り換える。内燃機関に噴射供給すべき燃
料量は、こうして算出される空燃比補正係数に基づいて
決定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、内燃機関に供給され
る燃料量を制御して、混合気の空燃比を目標空燃比に制
御する内燃機関の空燃比制御装置に関し、特に、内燃機
関の空燃比を制御する系の動的なモデルを考え、その都
度供給すべき燃料量を、該モデルの内部状態を推定した
最適なゲイン（最適フィードバックゲイン）のもとでフ
ィードバック制御する装置にあって、こうした空燃比の
制御をより柔軟且つ応答性よく行うための改良に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の空燃比制御装置として
は、例えば、特開平１−１１０８５３号公報に記載され
ている装置がある。すなわち、この装置も基本的には、
内燃機関の空燃比を制御する系の動的なモデルを考え、
その都度供給すべき燃料量を、該モデルの内部状態を推
定した最適なゲインのもとでフィードバック制御するい
わゆる現代制御理論を活用したものではあるが、このよ
うな現代制御理論が通常、オブザーバと称される状態観
測器の構築が必要とされて、その制御量や制御規模が膨
大となることに鑑みて、この装置では特に、 ( 1)内燃機関の空燃比を検出する空燃比検出手段 ( 2)内燃機関への燃料供給量を制御する燃料供給量制御
手段 ( 3)検出された空燃比に基づいて燃料供給量制御手段の
制御量を定め、内燃機関の空燃比を目標空燃比に制御す
る空燃比制御手段を基本的に具え、 ( 4)空燃比制御手段は、空燃比を決定する内燃機関の動
的なモデルを、無駄時間を次数１の自己回帰モデルによ
り近似し、更に外乱を考慮して構築するとともに、 ( 5)内燃機関の空燃比と燃料供給量制御手段の制御量と
を、内燃機関の動的なモデルの内部状態を代表する状態
変数量として出力する状態変数量出力部 ( 6)目標空燃比と検出された空燃比との偏差を累積する
累積部 ( 7)動的なモデルに基づいて予め定められた最適フィー
ドバックゲインと状態変数量及び累積部による累積値と
から、燃料供給量制御手段の制御量を算出する制御量算
出部を更に具えることで、こうしたオブザーバの構築を
不要としている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
構成においては、上述のモデルが、内燃機関への燃料供
給量と混合気の空燃比との間にてきちんとして成立した
動的なモデル関係でもって常に構成されなければならな
い。

【０００４】然るに、通常にリッチ出力やリーン出力を
生ずる酸素濃度センサが約３００（℃）で活性化するの
に対し、前記空燃比検出手段を構成する空燃比センサに
おいては、その出力である限界電流のリッチリーン出力
は４００（℃）から始まる。通常は、限界温度が安定す
る温度で使用しなければならないので、空燃比をここま
での範囲に亘り計測しようとすると、素子温において６
３０（℃）程度が必要であり、これに達するまでは空燃
比のフィードバックを開始できない。その結果、このフ
ィードバックの開始時期が、通常の酸素濃度センサによ
る空燃比のフィードバックに比べかなり遅延されてしま
い、排気ガス中のＨＣが悪化するという不具合が生ず
る。

【０００５】この対策として、限界電流が出力し始めた
ら、即座にフィードバックを開始するという方法が考え
られるが、上述の空燃比センサの半暖機状態では、空燃
比センサの出力特性が安定しない。このため、燃料噴射
量と空燃比との間の動的モデル関係が崩れてしまい、そ
の結果、現代制御理論の活用により期待される空燃比の
制御が適正には実現できないという不具合が生ずる。特
に、上述のような構成の空燃比制御装置においては、高
応答性故に、空燃比制御は益々不安定になりハンチング
現象を招くおそれがある。

【０００６】また、空燃比センサのこのような出力特性
に鑑みて、空燃比センサが安定状態にあるか否かを判定
し、安定状態にあれば、空燃比センサの出力に基づく空
燃比のフィードバック制御を実行し、不安定状態であれ
ば、その制御を予めメモリに格納した擬似データにて代
用するもの（特開平１−２１９３２７号公報参照）、ま
た或いは、同じく空燃比センサが安定状態にあるか否か
を判定し、安定状態にあれば、理論空燃比以外の所望空
燃比となるようフィードバック制御を行い、不安定状態
であれば、理論空燃比となるようフィードバック制御を
行うもの（特開昭６０−２７７４９号公報参照）、など
もあるにはあるが、実際の制御系の内情に沿った柔軟性
やフィードバック系の応答性（収束速度）となると、な
お改良の余地を残す。

【０００７】この発明は、こうした実情に鑑みてなされ
たものであり、上述した空燃比制御をより柔軟に、且つ
応答性よく実現することのできる内燃機関の空燃比制御
装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】こうした目的を達成する
ため、この発明では、図９に示されるように、内燃機関
Ｍ１へ供給する混合気を形成すべく同内燃機関Ｍ１へ吸
入される空気へ燃料を噴射供給する燃料供給手段Ｍ２
と、内燃機関Ｍ１の排気ガスに基づいて前記混合気の空
燃比を検出する空燃比検出手段Ｍ３と、これら燃料供給
手段Ｍ２から空燃比検出手段Ｍ３までの制御対象に近似
して設定された制御モデルに基づき前記検出される空燃
比を目標空燃比に制御するための状態フィードバックを
実行しつつその都度の空燃比補正係数を求める空燃比制
御手段Ｍ４と、この求められる空燃比補正係数に基づい
て前記燃料供給手段Ｍ２が供給する燃料量を制御する燃
料供給量制御手段Ｍ５とを具える内燃機関の空燃比制御
装置であって、前記空燃比検出手段Ｍ３が安定して空燃
比検出の可能な状態か否かを判定する判定手段Ｍ６と、
前記制御モデルとして、前記空燃比検出手段Ｍ３が安定
して空燃比検出の可能な状態にあるとき、及びないと
き、のそれぞれの状態に対応して、前記状態フィードバ
ックが最も早く収束されるための最適フィードバックゲ
インが各々設定記憶された記憶手段Ｍ７と、前記判定手
段Ｍ６の判定結果に応じて、これら設定記憶された最適
フィードバックゲインを選択的に読み出す制御モデル切
換手段Ｍ８と、をそれぞれ具えるようにする。そして前
記空燃比制御手段Ｍ４は、前記制御モデル切換手段Ｍ８
から選択的に読み出される最適フィードバックゲインに
基づいて前記空燃比補正係数を求めるようにする。

【０００９】

【作用】記憶手段Ｍ７に前記制御モデルとして、すなわ
ち第１及び第２の制御モデルとして各々設定記憶される
最適フィードバックゲインとは、空燃比検出手段Ｍ３が
安定して空燃比検出の可能な状態にあるとき、及びない
とき、のそれぞれ実際に適用される状態フィードバック
系の状態に対応して、それが最も早く収束されるための
ゲインが予め経験的に求められたものである。

【００１０】したがって、判定手段Ｍ６の判定結果に応
じてこれら第１及び第２の制御モデル（最適フィードバ
ックゲイン）が選択的に空燃比制御手段Ｍ４に読み込ま
れることは、空燃比検出手段Ｍ３のその都度の状態に最
も即したかたちで、供給される燃料量と検出される空燃
比との動的な関係に基づく空燃比補正係数の算出が行わ
れることを意味し、結局、柔軟性に富み、且つ応答性に
も優れた前記現代制御理論に基づく空燃比フィードバッ
ク制御は、如何なる場合も好適に維持されるようにな
る。

【００１１】なお、判定手段Ｍ６による判定手法として
は、例えば ( a)空燃比検出手段Ｍ３の温度が所定温度に達するこ
と、及び該所定温度に達して所定時間が経過されるこ
と、の論理積条件に基づいて同空燃比検出手段Ｍ３が安
定して空燃比検出の可能な状態にある旨を判定する。或
いは ( b)前記制御される燃料供給量と前記検出される空燃比
との動的な関係が維持されていることを条件に、前記空
燃比検出手段Ｍ３が安定して空燃比検出の可能な状態に
ある旨を判定する。 などの方法がある。何れの場合も、単に空燃比検出手段
Ｍ３の温度のみを検出してその安定状態／不安定状態を
判定する方法に比べれば、これら状態について、格段に
信頼性の高い判定を行うことが可能となる。

【００１２】

【実施例】図１に、この発明の一実施例として、４気筒
４サイクル型火花点火式内燃機関Ｅ、及びその燃料噴射
制御システムに、この発明にかかる内燃機関の空燃比制
御装置を適用した例を示す。

【００１３】この図１に示される内燃機関Ｅは、その作
動下において、 ( 1)エアクリーナ１０を通り吸気管２０内に流入する空
気流を、同吸気管２０内のスロットルバルブ２０ａ及び
サージタンク３０を介してインテークマニホールド４０
内に流入させる。 ( 2)図示しない燃料タンクより圧送され、燃料噴射弁４
１〜４４を通じて噴射される燃料と、この流入させた空
気流とを、同インテークマニホールド４０内で混合して
混合気を形成する。 ( 3)この形成した混合気を機関本体５０の各気筒の燃焼
室に供給して点火プラグ５１〜５４の点火のもとに燃焼
させる。 ( 4)この燃焼させたガスをイグゾーストマニホールド６
０及び三元触媒７０を通し排気ガスとして排気管８０内
に排出する。 といった動作を繰り返す。

【００１４】なおここで、上記各点火プラグ５１〜５４
は、ディストリビュータ９０から点火回路１００との協
働により配電される高電圧を受けて点火する。また、三
元触媒７０はイグゾーストマニホールド６０からの排気
ガス中の有害成分（ＣＯ、ＨＣ、ＮＯX 等）を低減する
役割を果たす。

【００１５】また、燃料噴射制御システムは、回転数セ
ンサ１１０、スロットルセンサ１２０、負圧センサ１３
０、水温センサ１４０、空気温センサ１５０、空燃比セ
ンサ１６０、及び酸素濃度センサ１７０をそれぞれ有し
ている。以下に、これら各センサの機能を簡単に説明す
る。

【００１６】回転数センサ１１０は、ディストリビュー
タ９０に配設されて、機関本体５０の出力軸の現実の回
転数（内燃機関Ｅの現実の回転数に相当する）を検出
し、この検出結果に比例する周波数にてパルス信号を順
次発生する。ただし、回転数センサ１１０からのパルス
信号の発生数は、内燃機関Ｅの２回転（すなわち７２０
度クランク角）あたり、２４個である。

【００１７】スロットルセンサ１２０は、スロットルバ
ルブ２０ａの現実の開度を検出し、これを開度検出信号
として発生する。また、スロットルセンサ１２０は、ア
イドルスイッチをも内蔵しているものとする。このアイ
ドルスイッチは、スロットルバルブ２０ａの全閉時にこ
れを検出して全閉検出新語を発生する。

【００１８】負圧センサ１３０は、吸気管２０内のスロ
ットルバルブ２０ａの下流に生ずる現実の負圧を検出
し、これを負圧検出信号として発生する。水温センサ１
４０は、機関本体５０の冷却系統内の現実の冷却水温を
検出し、これを水温検出信号として発生する。

【００１９】空気温センサ１５０は、吸気管２０内スロ
ットルバルブ２０ａの上流に流入する空気流の現実の温
度を空気温検出信号として発生する。また、空燃比セン
サ１６０は、排気管８０内の三元触媒７０の上流におけ
る排気ガス中の現実の未燃焼酸素濃度を検出し、これを
空燃比検出信号として発生する。かかる場合、同空燃比
検出信号は、機関本体５０に供給される混合気の現実の
空燃比λに対しリニアな値をとる。

【００２０】酸素濃度センサ１７０は、排気管８０内の
三元触媒７０の下流における排気ガス中の現実の未燃焼
酸素濃度を検出し、これを酸素濃度検出信号として発生
する。ただし、この酸素濃度センサ１７０からの酸素濃
度検出信号は、空燃比λが理論空燃比λ0 に対しリッチ
かリーンであるかを表す。

【００２１】以上説明したセンサは何れも周知であり、
その構造等についての詳細な説明は割愛する。マイクロ
コンピュータ１８０は、ＣＰＵ１８１、ＲＯＭ１８２、
ＲＡＭ１８３、バックアップＲＡＭ１８４、入力ポート
１８５、出力ポート１８６及びバスライン１８７等によ
り構成されている。

【００２２】ＣＰＵ１８１は、上述した回転数センサ１
１０からのパルス信号、スロットルセンサ１２０からの
開度検出信号並びに全閉検出信号、負圧センサ１３０か
らの負圧検出信号、水温センサ１４０からの水温検出信
号、空気温センサ１５０からの空気温検出信号、空燃比
センサ１６０からの空燃比検出信号、及び酸素濃度セン
サ１７０からの酸素濃度検出信号についてはこれを入力
ポート１８５及びバスライン１８７を介して受入すると
ともに、ＲＯＭ１８２、ＲＡＭ１８３、及びバックアッ
プＲＡＭ１８４に記憶されているデータについてもこれ
をバスライン１８７を介して受入して、該燃料噴射制御
システムとしての所定のコンピュータプログラムを実行
し、この実行中において、バスライン１８７及び出力ポ
ート１８６を介して燃料噴射弁４１〜４４及び点火回路
１００を駆動制御するに必要な演算処理を行う。

【００２３】ただし、上述のコンピュータプログラムは
ＲＯＭ１８２内に予め記憶されている。また、このＲＯ
Ｍ１８２内には、後述する制御モデルとして、上記空燃
比センサ１６０が安定して空燃比検出の可能な状態にあ
るとき、及びないとき、のそれぞれの状態に対応して、
後述する状態フィードバックが最も早く収束されるため
の最適フィードバックゲインも各々設定記憶されてい
る。

【００２４】次に、上述した燃料噴射制御システムにお
いて、空燃比制御を行うために予め設計されている手法
について順次説明する。 （１）制御対象のモデリング この実施例では、内燃機関Ｅの空燃比λを制御するシス
テムのモデルに、無駄時間Ｐ＝３を有する次数１の自己
回帰移動平均モデルを用い、更に外乱ｄを考慮して近似
している。

【００２５】まず、自己回帰移動平均モデルを用いた空
燃比λを制御するシステムのモデルは、次の（１）式に
より近似できる。 λ（Ｋ）＝ａ・λ（Ｋ−１）＋ｂ・ＦＡＦ（Ｋ−３） …（１） ただし、この（１）式において、符号ＦＡＦは空燃比補
正係数を表す。また、符号ａ、ｂはそれぞれ定数を表
す。また、符号Ｋは、最初のサンプリング開始からの制
御回数を示す変数を表す。

【００２６】更に、外乱ｄを考慮すると、制御システム
のモデルは、次の（２）式で近似できる。 λ（Ｋ）＝ａ・λ（Ｋ−１）＋ｂ・ＦＡＦ（Ｋ−３）＋ｄ（Ｋ−１） …（２） 以上のように近似したモデルに対し、ステップ応答を用
いた回転周期（３６０度クランク角）サンプリングで離
散化して上記各定数ａ、ｂを定めること、すなわち空燃
比λを制御する系の伝達関数Ｇを求めることは容易であ
る。 （２）状態変数量ＩＸの表示方法（ただし、ＩＸはベク
トル量である） 上記（２）式を、次の（３）式により表される状態変数
量ＩＸ（Ｋ）を用いて書き直すと、（４）式の如き行列
式となり、更には（５）式のようになる。ただし、
（３）式において、符号Ｔは、転置行列を示す。また、
式中の記号「＾」はべき乗を示すものとする。 ＩＸ（Ｋ）＝［Ｘ１（Ｋ），Ｘ２（Ｋ），Ｘ３（Ｋ），Ｘ４（Ｋ）］＾T …（３） ｜Ｘ１（Ｋ＋１）｜ ｜ａｂ００｜｜Ｘ１（Ｋ）｜ ｜０｜ ｜Ｘ２（Ｋ＋１）｜ ｜００１０｜｜Ｘ２（Ｋ）｜ ｜０｜ ｜Ｘ３（Ｋ＋１）｜＝｜０００１｜｜Ｘ３（Ｋ）｜＋｜０｜ＦＡＦ（Ｋ） ｜Ｘ４（Ｋ＋１）｜ ｜００００｜｜Ｘ４（Ｋ）｜ ｜１｜ ｜１｜ ｜０｜ ＋｜０｜ｄ（Ｋ） …（４） ｜０｜ Ｘ１（Ｋ＋１）＝ａＸ１（Ｋ）＋ｂＸ２（Ｋ）＋ｄ（Ｋ）＝λ（Ｋ＋１） Ｘ２（Ｋ＋１）＝ＦＡＦ（Ｋ−２） Ｘ３（Ｋ＋１）＝ＦＡＦ（Ｋ−１） Ｘ４（Ｋ＋１）＝ＦＡＦ（Ｋ） …（５） （３）レギュレータの設計 上記（３）式〜（５）式に基づいてレギュレータを設計
すると、空燃比補正係数ＦＡＦは、最適フィードバック
ゲインＩＫ（ベクトル量を有する）に関する次の（６）
式、及び状態変数量ＩＸ（Ｋ）に関する（７）式を用い
て、（８）式のように表せる。ここでも、式中の記号
「＾」はべき乗を示す。 ＩＫ＝［Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４］ …（６） ＩＸ＾T （Ｋ）＝［λ（Ｋ），ＦＡＦ（Ｋ−３），ＦＡＦ（Ｋ−２）， ＦＡＦ（Ｋ−１）］ …（７） ＦＡＦ（Ｋ）＝ＩＫ・ＩＸ＾T （Ｋ） ＝Ｋ１・λ（Ｋ）＋Ｋ２・ＦＡＦ（Ｋ−３） ＋Ｋ３・ＦＡＦ（Ｋ−２）＋Ｋ４・（Ｋ−１） …（８） 更に、この（８）式において、誤差を吸収させるための
積分項ＺＩ（Ｋ）加えると、空燃比補正係数ＦＡＦは、
次の（９）式によって与えられる。 ＦＡＦ（Ｋ）＝Ｋ１・λ（Ｋ）＋Ｋ２・ＦＡＦ（Ｋ−３） ＋Ｋ３・ＦＡＦ（Ｋ−２）＋Ｋ４・ＦＡＦ（Ｋ−１） ＋ＺＩ（Ｋ） …（９） なお、上記の積分項ＺＩ（Ｋ）は、目標空燃比λTG及び
現実の空燃比λ（Ｋ）間の偏差と積分定数Ｋａとから決
まる値であって、次の（１０）式により与えられる。 ＺＩ（Ｋ）＝ＺＩ（Ｋ−１）＋Ｋａ・（λTG−λ（Ｋ）） …（１０） 図２に、上述のようにモデル設計した空燃比λの制御シ
ステムのブロック線図を表す。

【００２７】なお、この図２においては、空燃比補正係
数ＦＡＦ（Ｋ）をＦＡＦ（Ｋ−１）から導出するために
（１／Ｚ）変換を用いて表記したが、これは実際には、
過去の空燃比補正係数ＦＡＦ（Ｋ−１）をＲＡＭ１８３
に記憶しておき、次の制御タイミングで読み出して用い
ている。因みに、「ＦＡＦ（Ｋ−１）」は１回前の空燃
比補正係数を表し、「ＦＡＦ（Ｋ−２）」は２回前の空
燃比補正係数を表し、「ＦＡＦ（Ｋ−３）」は３回前の
空燃比補正係数を表す。

【００２８】また、同図２において、一点鎖線で囲まれ
たブロックＰ１が、空燃比λ（Ｋ）を目標空燃比λTGに
フィードバック制御している状態にて状態変数量ＩＸ
（Ｋ）を定める部分であり、ブロックＰ２が、積分項Ｚ
Ｉ（Ｋ）を求める部分（累積部）であり、そしてブロッ
クＰ３が、ブロックＰ１で定められた状態変数量ＩＸ
（Ｋ）とブロックＰ２で求められた積分項ＺＩ（Ｋ）と
から今回の空燃比補正係数ＦＡＦ（Ｋ）を演算する部分
である。 （４）最適フィードバックゲインＩＫ及び積分定数Ｋａ
の決定 最適フィードバックゲインＩＫ及び積分定数Ｋａは、例
えば、次の（１１）式で示される評価関数Ｊを最小にす
ることで設定できる。式中の記号「＾」がべき乗を示す
ことはこれまでと同様である。 Ｊ＝Σ［Ｑ｛λ（Ｋ）−λTG｝＾2 （Ｋ＝０から∞） ＋Ｒ｛ＦＡＦ（Ｋ）−ＦＡＦ（Ｋ−１）｝＾2 ］ …（１１） ただしこの（１１）式において、評価関数Ｊは、空燃比
補正係数ＦＡＦ（Ｋ）の動きを制約しつつ、空燃比λ
（Ｋ）と目標空燃比λTGとの偏差を最小にすることを意
図したものである。また、空燃比補正係数ＦＡＦ（Ｋ）
に対する制約の重み付けは、重みのパラメータＱ、及び
Ｒの値によって変更できる。したがって、重みパラメー
タＱ、及びＲの値を種々変えて最適な制御特性が得られ
るまでシミュレーションを繰り返して、最適フィードバ
ックゲインＩＫ及び積分定数Ｋａを定めればよい。

【００２９】更に、最適フィードバックッゲインＩＫ及
び積分定数Ｋａは、先のモデル定数ａ、及びｂ（先の
（２）式、或いは（４）式参照）に依存している。した
がって、現在の空燃比λを制御する系の変動（パラメー
タ変動）に対するシステムの安定性（ロバスト性）を保
証するためには、これら各モデル定数ａ、及びｂの変動
分を見込んで、最適フィードバックゲインＩＫ及び積分
定数Ｋａを設定する必要がある。

【００３０】よって、シミュレーションは、各モデル定
数ａ、及びｂの現実に生じ得る変動を加味して行い、安
定性を満足する最適フィールドバックゲインＩＫ及び積
分定数Ｋａを定める。

【００３１】以上、制御対象のモデリング、状態変数量
の表示方法、レジュレータの設計、並びに最適フィール
ドバックゲイン及び積分定数の決定について説明した
が、該実施例の装置では、これらは何れも既に設定され
ているものとする。そして以下では、上記（９）式及び
（１０）式のみを用いて、該燃料噴射制御システムにお
ける空燃比制御を実行するものとする。

【００３２】さて、以上のように構成したこの実施例の
装置において、燃料噴射制御システムを作動状態におけ
ば、マイクロコンピュータ１８０（正確にはそのＣＰＵ
１８１）は、図３〜図５のフローチャートに従ってコン
ピュータプログラムの実行を開始する。

【００３３】すなわちＣＰＵ１８１は、ステップ２００
にて同プログラムの実行を開始した後、ステップ３００
にて、インテークマニホールド４０内へ噴射供給する燃
料の基本噴射量Ｔｐを演算する。この基本噴射量Ｔｐを
演算は、内燃機関Ｅの３６０度クランク角毎に回転数セ
ンサ１１０から出力されるパルス信号の周波数（これに
応じて同内燃機関Ｅの回転数Ｎｅが自ずと求まる）や、
負圧センサ１３０から出力される負圧検出信号の値（以
下、負圧ＰＭという）等に基づいて行われる。こうして
燃料の基本噴射量Ｔｐを演算したＣＰＵ１８１は次い
で、空燃比演算処理ルーチン４００（図４及び図５参
照）に進み、ここで前述した空燃比補正係数ＦＡＦの算
出、設定を開始する。

【００３４】以下、図４に基づいて、この空燃比演算処
理ルーチン４００におけるＣＰＵ１８１の処理手順を説
明する。ステップ４００ａとしてこの空燃比演算処理ル
ーチン４００を開始したＣＰＵ１８１は、次のステップ
４１０にて、空燃比λのフィードバック条件の成立の有
無を判別する。ただし、このフィードバック条件の成立
は、機関本体５０の冷却系統内の冷却水温が所定水温以
上であること、及び内燃機関Ｅの回転数及び負荷が高く
ないこと、等であるとする。

【００３５】現段階にてフィードバック条件が成立して
いなければ、ＣＰＵ１８１は、このステップ４１０にお
いて「ＮＯ」と判断し、ステップ４８０にて、空燃比補
正係数ＦＡＦを「ＦＡＦ＝１．０」とセットする。すな
わちこのことは、空燃比λを補正しないことを意味し、
この場合には、いわゆるオープン制御となる。

【００３６】このようにして空燃比演算処理ルーチン４
００の演算処理がステップ４００ｂにて終了すると、Ｃ
ＰＵ１８１は、ステップ５００（図３参照）にて、次の
（１２）式に基づき、そのときに制御すべき燃料噴射量
ＴＡＵを算出、設定する。 ＴＡＵ＝ＦＡＦ・Ｔｐ・ＦＡＬＬ …（１２） 因みにこの（１２）式において、ＦＡＦは、この空燃比
演算処理ルーチン４００で求められた空燃比補正係数、
Ｔｐは、上記ステップ３００で求められた燃料の基本噴
射量、そしてＦＡＬＬは、該燃料噴射制御システムがこ
こで実行される空燃比制御以外の要素で燃料噴射量を補
正するための補正係数である。この補正係数ＦＡＬＬに
基づく補正としては例えば、ＥＧＲ（エキゾーストガス
リサキュレイションシステム）による補正、その時点の
電圧による補正、その時点の水温による補正、等々があ
る。

【００３７】一方、コンピュータープログラムが上述の
ようにステップ４１０（図４）に進んだときに空燃比λ
のフィードバック条件が成立しておれば、ＣＰＵ１８１
は同ステップ４１０にて「ＹＥＳ」と判断する。

【００３８】こうしてフィードバック条件が成立してい
る旨判断したＣＰＵ１８１は、ステップ４２０にて、内
燃機関Ｅのその時点での運転状態に応じた目標空燃比入
TGを設定した後、ステップ４３０にて、前記空燃比セン
サ１６０が安定して空燃比検出の可能な状態か否かを判
定する。この判定のためのルーチンについては、後に図
５を併せ参照して詳述する。

【００３９】さてここで、空燃比センサ１６０が安定状
態にある旨判定される場合、ＣＰＵ１８１は、前記ＲＯ
Ｍ１８２に各々設定記憶されている最適フィードバック
ゲインＩＫｎ（ｎ＝１，２，３，４，Ａ）のうち、空燃
比センサ１６０の安定状態に対応してモデル化した制御
モデルにあって、先の図２に示されるフィードバック系
を最も早く収束させ得るフィードバックゲイン（便宜
上、これを「第１の制御モデル」という）を選択的に読
み込むステップ４４０を実行する。他方、同空燃比セン
サ１６０が不安定な状態にある旨判定される場合には、
ＣＰＵ１８１は、同ＲＯＭ１８２に各々設定記憶されて
いる最適フィードバックゲインＩＫｎ（ｎ＝１，２，
３，４，Ａ）のうち、空燃比センサ１６０の不安定な状
態に対応してモデル化した制御モデルにあって、同図２
に示されるフィードバック系を最も早く収束させ得るフ
ィードバックゲイン（便宜上、これを「第２の制御モデ
ル」という）を選択的に読み込むステップ４５０を実行
する。

【００４０】これら最適フィードバックゲインＩＫｎ
（ｎ＝１，２，３，４，Ａ）とは、先の（９）式におけ
るフィードバック定数「Ｋ１」〜「Ｋ４」、及び先の
（１０）式におけるフィードバック定数「Ｋａ」をそれ
ぞれ特定する値である。通常、このように空燃比センサ
の安定状態／不安定状態に応じて制御モデルが違えば、
先の（４）式での定数ａ、及びｂも自ずと違った値とな
り、ひいては該最適フィードバックゲインＩＫｎ（ｎ＝
１，２，３，４，Ａ）の値も、それら制御モデルの違い
に応じて異なった値となる。そして、これら制御モデル
の違いに応じて異なった最適フィードバックゲインＩＫ
ｎ（ｎ＝１，２，３，４，Ａ）、すなわち第１及び第２
の制御モデルが、先の（１１）式に基づいて予め経験的
に設定できることは前述した通りである。

【００４１】しかしてＣＰＵ１８１は、次のステップ４
６０にて、その選択的に読み込んだ最適フィードバック
ゲインＩＫｎ（ｎ＝Ａ）を先の（１０）式に代入して積
分項ＺＩ（Ｋ）を演算し、更にステップ４７０にて、同
選択的に読み込んだ最適フィードバックゲインＩＫｎ
（ｎ＝１，２，３，４）を先の（９）式に代入して空燃
比補正係数ＦＡＦを演算する。

【００４２】このようにして、ステップ４７０における
空燃比補正係数ＦＡＦの演算を終えると、ＣＰＵ１８１
は、ステップ５００（図３）にて、先と同様、（１２）
式に基づいて、そのときに制御すべき燃料噴射量ＴＡＵ
を算出、設定する。

【００４３】そしてＣＰＵ１８１はその後、この設定し
た燃料噴射量ＴＡＵを燃料噴射出力信号として、バスラ
イン１８７及び出力ポート１８６を介して燃料噴射弁４
１〜４４に付与することとなる。これにより燃料噴射弁
４１〜４４は、燃料タンクから圧送される燃料をこの燃
料噴射出力信号の値に相当する量にてインテークマニホ
ールド４０内に噴射するようになる。

【００４４】なお、上記ステップ４３０での判定におい
て、空燃比センサ１６０が不活性である旨判定される場
合には、先のステップ４８０を通じて、この空燃比補正
係数ＦＡＦを強制的に「１．０」とする。すなわち、た
とえ前記フィードバック条件が成立していようとも、空
燃比センサ１６０が不活性であれば、正常な空燃比制御
などそもそも不可能であるため、この場合にもオープン
制御として、空燃比の補正は行わない。

【００４５】ここで、上記ステップ４３０にあたる判定
ルーチンについて、その一例を図５に基づき詳述する。
すなわちこの判定ルーチンでは、ステップ４３１１に
て、空燃比センサ１６０の素子温ＴAFを検出した後、ス
テップ４３１２で、この素子温ＴAFが７００℃以上か否
かを判定する。素子温ＴAFが７００℃以上であれば、ス
テップ４３１４に進む。ステップ４３１４では、マイク
ロコンピュータ１８０自身に内蔵されるとするカウンタ
ＣAFを１インクリメントし、ステップ４３１５で、この
素子温ＴAFが７００℃以上にある時間が、同カウンタＣ
AFでいう例えばカウント値「１０」に相当する時間以上
続いたかどうかを判定する。この条件が満たされていれ
ば、ステップ４３１８に進んで、「出力安定」状態であ
る旨判定する。また、このステップ４３１５での判定に
おいて、上記素子温ＴAFの持続条件が満たされていない
旨判断される場合には、ステップ４３１７にて「出力不
安定」状態である旨判定する。

【００４６】他方、上記ステップ４３１２において、素
子温ＴAFが７００℃に満たない旨判断される場合には、
ステップ４３１３で更に、同素子温ＴAFが５５０℃以上
か否かを判定する。そしてその結果、素子温ＴAFが５５
０℃以上であれば、ステップ４３１７にて「出力不安
定」状態である旨判定し、同素子温ＴAFが５５０℃未満
であれば、ステップ４３１６で「不活性」状態である旨
判定する。

【００４７】こうした判定ルーチンによれば、単に空燃
比センサ１６０の温度のみを検出してその安定状態／不
安定状態を判定する方法に比べ、同空燃比センサ１６０
のそれら状態について、はるかに信頼性の高い判定を行
うことができる。

【００４８】図６は、こうした空燃比センサの温度−限
界電流特性を参考までに示したものであるが、上述した
実施例の装置を通じて上記判定ルーチンに基づく空燃比
制御が行われることにより、同図６に付記する態様で、
上記第１の制御モデルによるフィードバック制御、上記
第２の制御モデルによるフィードバック制御、及びそれ
らに該当しないオープン制御がそれぞれ実施されるよう
になる。なお、第１の制御モデルによるフィードバック
制御が行われるためには、正確には、上記素子温ＴAFが
７００℃以上に維持される「時間要素」も加味されるこ
ととなるが、この図６では便宜上、該「時間要素」につ
いての図示は割愛した。

【００４９】以上のように、この実施例によれば、空燃
比センサの安定状態／不安定状態の判定結果に応じて、
これら第１及び第２の制御モデルに応じたフィードバッ
ク制御が選択的に実行されることとなる。すなわち、同
空燃比センサが不活性である場合を除く如何なる状態に
あっても、柔軟性に富み、且つ応答性にも優れた現代制
御理論に基づく空燃比制御が実現されるようになる。

【００５０】ところで、上記の実施例にあっては、空燃
比センサの安定状態／不安定状態を判定するのに、図５
に例示した判定ルーチンを用いるとしたが、このような
判定ルーチンの選択は任意であり、他に例えば、図７に
例示するような判定ルーチンを用いるようにしてもよ
い。

【００５１】一般に、空燃比センサの出力が安定してい
ないときは、燃料噴射量−空燃比の動的関係が崩れるた
め、燃料噴射量の動きに空燃比が追従しない。図８は、
燃料噴射量−空燃比のこのような動的関係について例示
している。すなわち、図８（ｂ）に示される空燃比補正
係数ＦＡＦの変動に追従して、燃料噴射量が例えば１０
％だけ減ったとすると、そのときの空燃比λも、図８
（ａ）に一点鎖線にて示されるように、１０％だけ燃料
が薄くなった旨を示す値として検出されるべきものが、
このように空燃比センサ自身の出力が安定していないと
きには、例えば同図８（ａ）に実線にて示されるよう
に、せいぜい２％程度燃料が薄くなった旨を示す値とし
て検出される可能性がある。

【００５２】そこで、この図７に例示する判定ルーチン
では、ステップ４３２１で、内燃機関Ｅが同一運転条件
にあることを確認し、ステップ４３２２で、現在フィー
ドバック中であることを確認した後、ステップ４３２３
で、その時点で設定されている空燃比補正係数ＦＡＦと
検出された空燃比λとを前記ＲＡＭ１８３に記憶する。
そしてその後、ステップ４３２４で、燃料噴射量（ここ
では空燃比補正係数ＦＡＦをもって燃料噴射量としてい
る）と空燃比λとの動的関係を確認する。なお、このス
テップ４３２４の判定式で、「λ」はその時点で検出さ
れている空燃比、「λBF」は前回検出された空燃比、
「ＦＡＦ」はその時点で設定されている空燃比補正係
数、「ＦＡＦBF」は前回設定された空燃比補正係数、を
それぞれ示すとする。したがって、（λ−λBF）と（Ｆ
ＡＦ−ＦＡＦBF）との比の絶対値である「α」の値は、
上記動的関係が保たれているほど「１．０」に近づき、
逆に上記動的関係が崩れているほど小さくなる（「０．
１」に近づく）。このためここでは、上記「α」の値を
監視して、同値が「０．８＜α≦１．０」であれば、ス
テップ４３２５で「出力安定」状態と判定し、同値が
「０．６＜α≦０．８」であれば、ステップ４３２６で
「出力不安定」状態と判定し、同値が「α≦０．６」で
あれば、ステップ４３２７で「不活性」状態と判定す
る。もっとも、上記の実施例では、内燃機関Ｅの空燃比
λを制御するシステムのモデルに無駄時間Ｐ＝３を有す
る次数１の自己回帰移動平均モデルを用いて近似してい
るため、上記検出される空燃比λも３回転分だけ遅れる
こととなり、ここでエンジン回転数をｉとおけば、この
判定式も正確には、 ｜｛λ（ｉ＋３）−λBF（ｉ＋３）｝／｛ＦＡＦ（ｉ）
−ＦＡＦBF（ｉ）｝｜＝α となる。

【００５３】なお、上記ステップ４３２１において、内
燃機関Ｅが同一運転条件にあるか否かは、例えばエンジ
ン回転数と吸気管圧力について各々前回のサンプル値と
今回のサンプル値を比較することで判断できる。それら
値が近ければ同一運転条件にあると判断される。

【００５４】また、上記ステップ４３２２において、フ
ィードバック中であるか否かは、先のフィードバック条
件の成立の有無（図４ステップ４１０参照）によって判
断することができる。

【００５５】そして、これらステップ４３２１及び４３
２２において「ＮＯ」と判定される場合には、ステップ
４３２８の処理として、該判定ルーチンとしての前回の
判定結果を返す（リターンする）ものとする。

【００５６】このような判定方法によっても、前記空燃
比センサ１６０が安定して空燃比検出の可能な状態か否
かを、非常に高い信頼性を持って判定することができ
る。なお、上記実施例においては、それが適用される内
燃機関並びにその燃料噴射制御システムが図１に示され
る構成を有するとしたが、この発明にかかる内燃機関の
空燃比制御装置がこの図１に示される内燃機関やその燃
料噴射制御システムへの適用に限られるものでないこと
は勿論であり、例えば先の図２に示される態様にてその
制御対象がモデリングできるものであれば、他のいかな
る内燃機関並びにその燃料噴射制御システムについて
も、上記同様にこの発明を適用することができる。

【００５７】また、空燃比補正係数を求めるための具体
処理として図４に示した手順も一例にすぎない。例えば
目標空燃比の設定に関しても、積分項の演算などでそれ
が用いられる以前であれば、同フロー中の何れの箇所で
設定されてもよい。

【００５８】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、空燃比検出手段のその都度の状態に最も即したかた
ちで、供給される燃料量と検出される空燃比との動的な
関係に基づく空燃比補正係数の算出が行われ、ひいては
柔軟性に富み、且つ応答性にも優れた現代制御理論に基
づく空燃比フィードバック制御が、如何なる場合も好適
に維持されるようになる。

【００５９】またこの発明によれば、冒頭に示した従来
の空燃比制御装置に比べてフィードバックの開始時期を
早めることができ、その結果、適正な空燃比制御のもと
に、排気ガス中の有害成分のエミッションの低減をより
一層促進することができるようにもなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明にかかる内燃機関の空燃比制御装置に
ついてその一実施例が適用される内燃機関及びその燃料
噴射制御システムの構成例を示すブロック図である。

【図２】実施例の空燃比制御装置においてその制御対象
としてモデリングされた状態フィードバック系の構成を
示すブロック図である。

【図３】同実施例の空燃比制御装置の燃料噴射量設定の
ためのメイン処理ルーチンを示すフローチャートであ
る。

【図４】図３に示される手順のうち、空燃比補正係数の
設定手順についてそのその具体的な処理手順を示すフロ
ーチャートである。

【図５】図４に示される空燃比センサ出力の安定状態／
不安定状態判定処理についてその具体的な処理手順を示
すフローチャートである。

【図６】上記実施例の空燃比制御装置に適用される空燃
比センサの温度−限界電流特性とともに、同実施例の空
燃比制御装置による制御態様推移を併せ示すグラフであ
る。

【図７】図４に示される空燃比センサ出力の安定状態／
不安定状態判定処理について他の処理手順例を示すフロ
ーチャートである。

【図８】燃料噴射量の動きに空燃比が追従しない場合の
燃料噴射量−空燃比の動的関係について例示したタイミ
ングチャートである。

【図９】この発明にかかる内燃機関の空燃比制御装置に
ついてその構成概念を示すクレーム対応図である。

【符号の説明】

１０…エアクリーナ、２０…吸気管、２０ａ…スロット
ルバルブ、３０…サージタンク、４０…インテークマニ
ホールド、４１、４２、４３、４４…燃料噴射弁、５０
…機関本体、６０…イグゾーストマニホールド、７０…
三元触媒、８０…排気管、９０…ディストリビュータ、
１００…点火回路、１１０…回転数センサ、１２０…ス
ロットルセンサ、１３０…負圧センサ、１４０…水温セ
ンサ、１５０…空気温センサ、１６０…空燃比センサ、
１７０…酸素濃度センサ、１８０…マイクロコンピュー
タ、１８１…ＣＰＵ、１８２…ＲＯＭ、１８３…ＲＡ
Ｍ、１８４…バックアップＲＡＭ、１８５…入力ポー
ト、１８６…出力ポート、１８７…バスライン。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】内燃機関へ供給する混合気を形成すべく同
   内燃機関へ吸入される空気へ燃料を噴射供給する燃料供
   給手段と、内燃機関の排気ガスに基づいて前記混合気の
   空燃比を検出する空燃比検出手段と、これら燃料供給手
   段から空燃比検出手段までの制御対象に近似して設定さ
   れた制御モデルに基づき前記検出される空燃比を目標空
   燃比に制御するための状態フィードバックを実行しつつ
   その都度の空燃比補正係数を求める空燃比制御手段と、
   この求められる空燃比補正係数に基づいて前記燃料供給
   手段が供給する燃料量を制御する燃料供給量制御手段と
   を具える内燃機関の空燃比制御装置であって、 前記空燃比検出手段が安定して空燃比検出の可能な状態
   か否かを判定する判定手段と、 前記制御モデルとして、前記空燃比検出手段が安定して
   空燃比検出の可能な状態にあるとき、及びないとき、の
   それぞれの状態に対応して、前記状態フィードバックが
   最も早く収束されるための最適フィードバックゲインが
   各々設定記憶された記憶手段と、 前記判定手段の判定結果に応じて、これら設定記憶され
   た最適フィードバックゲインを選択的に読み出す制御モ
   デル切換手段と、 を具え、前記空燃比制御手段は、該制御モデル切換手段
   から選択的に読み出される最適フィードバックゲインに
   基づいて前記空燃比補正係数を求めることを特徴とする
   内燃機関の空燃比制御装置。
2. 【請求項２】前記判定手段は、前記空燃比検出手段の温
   度が所定温度に達すること、及び該所定温度に達して所
   定時間が経過されること、の論理積条件に基づいて同空
   燃比検出手段が安定して空燃比検出の可能な状態にある
   旨を判定する請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装
   置。
3. 【請求項３】前記判定手段は、前記制御される燃料供給
   量と前記検出される空燃比との動的な関係が維持されて
   いることを条件に、前記空燃比検出手段が安定して空燃
   比検出の可能な状態にある旨を判定する請求項１に記載
   の内燃機関の空燃比制御装置。