JPH0783097A - 内燃機関の空燃比検出方法 - Google Patents

内燃機関の空燃比検出方法

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JPH0783097A
JPH0783097A JP5251140A JP25114093A JPH0783097A JP H0783097 A JPH0783097 A JP H0783097A JP 5251140 A JP5251140 A JP 5251140A JP 25114093 A JP25114093 A JP 25114093A JP H0783097 A JPH0783097 A JP H0783097A
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internal combustion
combustion engine
equation
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Yusuke Hasegawa
祐介 長谷川
Yoichi Nishimura
要一 西村
Isao Komoriya
勲 小森谷
Naosuke Akasaki
修介 赤崎
Eisuke Kimura
英輔 木村
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Honda Motor Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【構成】 多気筒内燃機関の排気集合部に広域空燃比セ
ンサを設け、その応答遅れを１次遅れで同定して状態方
程式を求め、周期ΔＴで離散化して伝達関数を求め、そ
の逆伝達関数と補正係数をセンサ出力に乗じて入力空燃
比を推定するとき、低回転域では補正係数を零とする。 【効果】 低回転域の推定精度が向上する。

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の空燃比検出
方法に関し、より具体的には多気筒内燃機関の排気系集
合部に単一の広域空燃比センサを設け、排気系の挙動を
記述するモデルを設定してセンサ出力を入力すると共
に、その内部状態を観測するオブザーバを設け、その出
力から各気筒の空燃比を推定する空燃比検出方法におい
て、低回転域での空燃比の推定精度を向上させる様にし
たものに関する。
【０００２】
【従来の技術】内燃機関の排気系に空燃比センサを設け
て空燃比を検出することは良く行われており、その一例
として特開昭５９−１０１５６２号公報記載の技術を挙
げることができる。また、本出願人も先に特願平３−３
５９３３９号（特開平５−１８００５９号）において、
排気系の挙動を記述するモデルを設定して排気系集合部
に設けた単一の空燃比センサの出力を入力し、オブザー
バを介して各気筒の空燃比を推定する技術を提案してい
る。尚、そこにおいて、空燃比センサは広域空燃比セン
サ、即ち、理論空燃比で出力が反転するＯ2 センサでは
なく、理論空燃比の前後を通じて排気ガス中の酸素濃度
に比例した出力特性を有するものを使用している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、内燃機関に
おいて排気ガスは排気行程で排出されることから、多気
筒内燃機関の排気系集合部における空燃比の挙動は明ら
かにＴＤＣに同期している。従って、内燃機関の排気系
に前記した広域空燃比センサを設けて空燃比をサンプリ
ングするときもＴＤＣに同期して、即ち、クランク角度
に依存して行うことになる。そのとき、サンプリング間
隔が機関回転数によって変化することから、前記したモ
デルおよびオブザーバを用いて空燃比を推定するとき、
入力空燃比が正しく推定できない場合が生じ得る。
【０００４】従って、この発明の目的は上記した不都合
を解消し、前記したモデルおよびオブザーバを用いて多
気筒内燃機関の各気筒の空燃比を推定する様にしたもの
において、機関回転数の影響を最小限度に低減して精度
良く空燃比を推定する様にした内燃機関の空燃比検出方
法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記の目的を解決するた
めに本発明に係る内燃機関の空燃比検出方法は、内燃機
関の排気系に配置される空燃比センサの出力をクランク
角度に同期しつつサンプリングして空燃比を検出する方
法であって、前記センサの応答遅れを１次遅れ系で擬似
的にモデル化し、その挙動を記述する状態方程式を求
め、前記状態方程式を周期ΔＴで離散化して伝達関数を
求め、前記伝達関数の逆伝達関数を求め、その補正係数
と共に前記センサ出力のサンプリング値に乗じて内燃機
関に入力される空燃比の推定値を求める、ものにおい
て、前記逆伝達関数の補正係数を機関回転数に対して予
め設定しておくと共に、機関回転数が所定値以下の低回
転域において該補正係数を零にする如く構成した。
【０００６】
【作用】低回転域ではサンプリング間隔が長くなってサ
ンプリング数が減少し、よって空燃比を的確に推定でき
ない場合が生じ得るが、逆伝達関数の補正係数を低回転
域では零にすることによって、それを回避することがで
き、低回転域における空燃比の推定精度を向上させるこ
とができる。また、補正係数そのものも予め機関回転数
に対して特性を設定しておくことから、演算時間を短縮
することができ、高回転域における推定精度の向上も図
ることができる。
【０００７】
【実施例】以下、添付図面に即して本発明の実施例を説
明する。
【０００８】図１は本発明に係る内燃機関の空燃比検出
方法を実現するための空燃比フィードバック制御装置を
全体的に示す概略図である。図において符号１０は４気
筒の内燃機関を示しており、吸気路１２の先端に配置さ
れたエアクリーナ１４から導入された吸気は、スロット
ル弁１６でその流量を調節されつつインテークマニホル
ド１８を経て第１ないし第４気筒に流入される。各気筒
の吸気弁（図示せず）の付近にはインジェクタ２０が設
けられて燃料を噴射する。噴射されて吸気と一体となっ
た混合気は、各気筒内で図示しない点火プラグで点火さ
れて燃焼してピストン（図示せず）を駆動する。燃焼後
の排気ガスは排気弁（図示せず）を介してエキゾースト
マニホルド２２に排出され、エキゾーストパイプ２４を
経て三元触媒コンバータ２６で浄化されつつ機関外に排
出される。また、吸気路１２には、スロットル弁配置位
置付近に、それをバイパスするバイパス路２８が設けら
れる。
【０００９】内燃機関１０のディストリビュータ（図示
せず）内にはピストン（図示せず）のクランク角度位置
を検出するクランク角センサ３４が設けられると共に、
スロットル弁１６の開度を検出するスロットル開度セン
サ３６、スロットル弁１６下流の吸気圧力を絶対圧力で
検出する絶対圧センサ３８も設けられる。更に、排気系
においてエキゾーストマニホルド２２と三元触媒コンバ
ータ２６の間には酸素濃度検出素子からなる広域空燃比
センサ４０が設けられ、排気ガス中の酸素濃度に比例し
た値を出力する。これらセンサ３４などの出力は、制御
ユニット４２に送られる。
【００１０】図２は制御ユニット４２の詳細を示すブロ
ック図である。広域空燃比センサ４０の出力は検出回路
４６に入力され、そこで適当な線形化処理が行われ、理
論空燃比を中心としてリーンからリッチにわたる広い範
囲において排気ガス中の酸素濃度に比例したリニアな特
性からなる空燃比（Ａ／Ｆ）が検出される。その詳細は
先に本出願人が提案した別の出願（特願平３−１４９４
５６号）に述べられているので、これ以上の説明は省略
する。尚、以下の説明において、このセンサを「ＬＡＦ
センサ」（リニア・エーバイエフ・センサ）と称する。
検出回路４６の出力はＡ／Ｄ変換回路４８を介してＣＰ
Ｕ５０，ＲＯＭ５２，ＲＡＭ５４などからなるマイクロ
コンピュータに取り込まれ、ＲＡＭ５４に格納される。
【００１１】同様に、スロットル開度センサ３６などの
アナログ出力はレベル変換回路５６、マルチプレクサ５
８および第２のＡ／Ｄ変換回路６０を介して、またクラ
ンク角センサ３４の出力は波形整形回路６２で波形整形
された後、カウンタ６４で出力値がカウントされ、カウ
ント値はマイクロ・コンピュータ内に入力される。マイ
クロコンピュータにおいてＣＰＵ５０は、ＲＯＭ５２に
格納された命令に従って検出値から空燃比のフィードバ
ック制御値を演算し、駆動回路６６を介して各気筒のイ
ンジェクタ２０を駆動すると共に、第２の駆動回路６８
を介して電磁弁７０を駆動し、図１に示したバイパス路
２８を通る２次空気量を制御する。
【００１２】図３は本発明に係る空燃比の検出方法を示
すフロー・チャートであるが、同図の説明に入る前に理
解の便宜上、先に提案した排気系の挙動を記述するモデ
ルについて簡単に説明する。
【００１３】先ず、１個のＬＡＦセンサの出力から各気
筒の空燃比を精度良く分離抽出するためには、ＬＡＦセ
ンサの検出応答遅れを正確に解明する必要がある。そこ
で、とりあえずこの遅れを１次遅れ系と擬似的にモデル
化し、図４に示す如きモデルを作成した。ここでＬＡ
Ｆ：ＬＡＦセンサ出力、Ａ／Ｆ：入力Ａ／Ｆ、とする
と、その状態方程式は下記の数１で示すことができる。
【００１４】
【数１】
【００１５】これを周期ΔＴで離散化すると、数２で示
す様になる。図５は数２をブロック線図で表したもので
ある。
【００１６】
【数２】
【００１７】従って、数２を用いることによってセンサ
出力より真の空燃比を求めることができる。即ち、数２
を変形すれば数３に示す様になるので、時刻ｋのときの
値から時刻ｋ−１のときの値を数４の様に逆算すること
ができる。
【００１８】
【数３】
【００１９】
【数４】
【００２０】具体的には数２をＺ変換を用いて伝達関数
で示せば数５の如くになるので、その逆伝達関数を今回
のセンサ出力ＬＡＦに乗じることによって前回の入力空
燃比をリアルタイムに推定することができる。図６にそ
のリアルタイムのＡ／Ｆ推定器のブロック線図を示す。
【００２１】
【数５】
【００２２】続いて、上記の如く求めた真の空燃比に基
づいて各気筒の空燃比を分離抽出する手法について説明
すると、先願でも述べた様に、排気系の集合部の空燃比
を各気筒の空燃比の時間的な寄与度を考慮した加重平均
であると考え、時刻ｋのときの値を、数６の様に表し
た。尚、Ｆ（燃料量）を制御量としたため、ここでは
『燃空比Ｆ／Ａ』を用いているが、後の説明においては
理解の便宜のため、支障ない限り「空燃比」を用いる。
尚、空燃比（ないしは燃空比）は、先に数５で求めた応
答遅れを補正した真の値を意味する。
【００２３】
【数６】
【００２４】即ち、集合部の空燃比は、気筒ごとの過去
の燃焼履歴に重みＣ（例えば直近に燃焼した気筒は４０
％、その前が３０％．．．など）を乗じたものの合算で
表した。このモデルをブロック線図であらわすと、図７
の様になる。
【００２５】また、その状態方程式は数７の様になる。
【００２６】
【数７】
【００２７】また集合部の空燃比をｙ（ｋ）とおくと、
出力方程式は数８の様に表すことができる。
【００２８】
【数８】
【００２９】上記において、ｕ（ｋ）は観測不可能のた
め、この状態方程式からオブザーバを設計してもｘ
（ｋ）は観測することができない。そこで４ＴＤＣ前
（即ち、同一気筒）の空燃比は急激に変化しない定常運
転状態にあると仮定してｘ（ｋ＋１）＝ｘ（ｋ−３）と
すると、数９の様になる。
【００３０】
【数９】
【００３１】ここで、上記の如く求めたモデルについて
シミュレーション結果を示す。図８は４気筒内燃機関に
ついて３気筒の空燃比を１４．７にし、１気筒だけ１
２．０にして燃料を供給した場合を示す。図９はそのと
きの集合部の空燃比を上記モデルで求めたものを示す。
同図においてはステップ状の出力が得られているが、こ
こで更にＬＡＦセンサの応答遅れを考慮すると、センサ
出力は図１０に「モデル出力値」と示す様になまされた
波形となる。図中「実測値」は同じ場合のＬＡＦセンサ
出力の実測値であるが、これと比較し、上記モデルが多
気筒内燃機関の排気系を良くモデル化していることを検
証している。
【００３２】よって、数１０で示される状態方程式と出
力方程式にてｘ（ｋ）を観察する通常のカルマンフィル
タの問題に帰着する。その荷重行列Ｑ，Ｒを数１１の様
においてリカッチの方程式を解くと、ゲイン行列Ｋは数
１２の様になる。
【００３３】
【数１０】
【００３４】
【数１１】
【００３５】
【数１２】
【００３６】これよりＡ−ＫＣを求めると、数１３の様
になる。
【００３７】
【数１３】
【００３８】一般的なオブザーバの構成は図１１に示さ
れる様になるが、今回のモデルでは入力ｕ（ｋ）がない
ので、図１２に示す様にｙ（ｋ）のみを入力とする構成
となり、これを数式で表すと数１４の様になる。
【００３９】
【数１４】
【００４０】ここでｙ（ｋ）を入力とするオブザーバ、
即ちカルマンフィルタのシステム行列は数１５の様に表
される。
【００４１】
【数１５】
【００４２】今回のモデルで、リカッチ方程式の荷重配
分Ｒの要素：Ｑの要素＝１：１のとき、カルマンフィル
タのシステム行列Ｓは、数１６で与えられる。
【００４３】
【数１６】
【００４４】図１３に上記したモデルとオブザーバを組
み合わせたものを示す。シミュレーション結果は先の出
願に示されているので省略するが、これにより集合部空
燃比より各気筒の空燃比を的確に抽出することができ
る。
【００４５】オブザーバによって集合部空燃比より各気
筒空燃比を推定することができたことから、例えば図１
４に示す様にＰＩＤなどの制御則を用いて空燃比を気筒
別に制御することが可能となる。
【００４６】ここで、再び排気系の挙動を記述するモデ
ルの説明に戻ると、ＬＡＦセンサの応答遅れを１次遅れ
と同定してその挙動を記述する状態方程式を求め、それ
を周期ΔＴで離散化して伝達関数を求め、その逆伝達関
数を求めてセンサ出力に乗じることにより、空燃比を推
定することができた。この補正係数αハットは数２に示
す様に、サンプリング間隔（ΔＴ）に依存する。そし
て、前記した様に空燃比の挙動はＴＤＣに同期すること
から、サンプリングはクランク角度を基準に行われるこ
とになり、サンプリング間隔は機関回転数に依存するこ
ととなって機関回転数の増減に応じて変化する。
【００４７】即ち、図１６に示す様に、機関回転数Ｎｅ
が比較的高い領域にあってはサンプリング値が比較的多
く得られることから、同図に想像線で示す様に、ほぼ真
の空燃比（Ａ／Ｆ）に近い推定空燃比（Ａ／Ｆ）を得る
ことができる。ところが、低回転域、例えば１０００ｒ
ｐｍ以下のアイドル回転域などにあってはサンプリング
値が少ないため、推定値が真の値からかけ離れたものと
なってしまう。またノイズが混入した場合も同様であ
る。従って、この様な低回転域にあっては、補正を中止
し、むしろサンプリング値から破線で示す様に推定した
方が誤りが少ない。この発明は以上の知見に基づいてな
された。
【００４８】以上を前提として図３フロー・チャートに
従って説明すると、先ずＳ１０において機関回転数Ｎｅ
を読み出し、Ｓ１２に進んで読み出した機関回転数から
補正係数テーブルを検索して補正係数αハットを求め、
Ｓ１４に進んで求めた補正係数を用いて入力空燃比（前
回の）を推定する。
【００４９】ここで、補正係数テーブルは図１５に示す
如き特性で予め設定され、前記したＲＯＭ５２に格納し
ておくものとする。図示の如く、補正係数αハットはサ
ンプリング間隔を均一化するために機関回転数の増加に
比例して増加する様に設定されると共に、所定回転数、
例えば１０００ｒｐｍ以下では零に設定される。その結
果、その回転域にあるとき、数４に示す式でαハットに
は０が代入され、Ａ／Ｆ（ｋ−１）＝ＬＡＦ（ｋ）、と
なる。即ち、制御ユニット４２がサンプリング値から認
識した値（図１６に破線で示す値）を入力空燃比と推定
する。もちろん、センサの応答遅れを考慮していないこ
の値は真の空燃比とは一致しないが、想像線に示す推定
値に比較すれば、推定誤差は格段に減少する。
【００５０】この実施例は上記の如く構成したので、多
気筒内燃機関の排気系集合部に広域空燃比センサを配置
し、排気系の挙動を記述するモデルに入力すると共に、
その内部状態を観測するオブザーバを設けて各気筒の空
燃比を推定する検出手法において、アイドル回転域にお
ける推定精度を向上させることができ、またそれを用い
て空燃比フィードバック制御を行うときの制御精度を向
上させることができる。
【００５１】尚、上記実施例において、広域空燃比セン
サの応答遅れを解析して真の空燃比を求め、それに基づ
いて１個のセンサの集合部出力から空燃比を検出する例
を示したが、それに限られるものではなく、多気筒内燃
機関の排気系に気筒数と同数のセンサを配置し、その出
力から空燃比を検出する場合にも妥当する。
【００５２】更には、空燃比センサとして広域空燃比セ
ンサを使用する場合を例にとって説明したが、いわゆる
Ｏ2 センサを用いて空燃比を制御する場合にも妥当す
る。
【００５３】
【発明の効果】多気筒内燃機関の排気系集合部に設けた
単一の広域空燃比センサの出力をクランク角度に同期し
てサンプリングし、その値からオブザーバを介して各気
筒の空燃比を推定するとき、低回転域の推定精度を向上
させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る内燃機関の空燃比検出方法を実
現する、内燃機関の空燃比フィードバック制御装置を全
体的に示すブロック図である。
【図２】図１中の制御ユニットの詳細を示すブロック図
である。
【図３】この発明を示すフロー・チャートである。
【図４】先の出願で述べた空燃比センサの検出動作をモ
デル化した例を示すブロック図である。
【図５】図４に示すモデルを周期ΔＴで離散化したモデ
ルである。
【図６】空燃比センサの検出挙動をモデル化した真の空
燃比推定器を示すブロック線図である。
【図７】内燃機関の排気系の挙動を示すモデルを表すブ
ロック線図である。
【図８】図６に示すモデルを用いて４気筒内燃機関につ
いて３気筒の空燃比を１４．７に、１気筒の空燃比を１
２．０にして燃料を供給する場合を示すデータ図であ
る。
【図９】図８に示す入力を与えたときの図７モデルの集
合部の空燃比を表すデータ図である。
【図１０】図８に示す入力を与えたときの図７モデルの
集合部の空燃比をＬＡＦセンサの応答遅れを考慮して表
したデータと、同じ場合のＬＡＦセンサ出力の実測値を
比較するグラフ図である。
【図１１】一般的なオブザーバの構成を示すブロック線
図である。
【図１２】先の出願で用いるオブザーバの構成を示すブ
ロック線図である。
【図１３】図７に示すモデルと図１２に示すオブザーバ
を組み合わせた構成を示す説明ブロック図である。
【図１４】図１３の構成を用いた空燃比の一般的なＰＩ
Ｄフィードバック制御を示すブロック図である。
【図１５】図３フロー・チャートで使用する補正係数テ
ーブルの特性を示す説明図である。
【図１６】高回転域および低回転域におけるオブザーバ
の推定を対比的に示す説明図である。
【符号の説明】
１０ 内燃機関 １８ インテークマニホルド ２０ インジェクタ ２２ エキゾーストマニホルド ４０ 空燃比センサ ４２ 制御ユニット
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 赤崎 修介 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内 (72)発明者 木村 英輔 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式会 社本田技術研究所内

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 内燃機関の排気系に配置される空燃比セ
    ンサの出力をクランク角度に同期しつつサンプリングし
    て空燃比を検出する方法であって、 ａ．前記センサの応答遅れを１次遅れ系で擬似的にモデ
    ル化し、その挙動を記述する状態方程式を求め、 ｂ．前記状態方程式を周期ΔＴで離散化して伝達関数を
    求め、 ｃ．前記伝達関数の逆伝達関数を求め、その補正係数と
    共に前記センサ出力のサンプリング値に乗じて内燃機関
    に入力される空燃比の推定値を求める、ものにおいて、
    前記逆伝達関数の補正係数を機関回転数に対して予め設
    定しておくと共に、機関回転数が所定値以下の低回転域
    において該補正係数を零にすることを特徴とする内燃機
    関の空燃比検出方法。
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