JPH09170473A - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents
内燃機関の空燃比制御装置Info
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- JPH09170473A JPH09170473A JP7331334A JP33133495A JPH09170473A JP H09170473 A JPH09170473 A JP H09170473A JP 7331334 A JP7331334 A JP 7331334A JP 33133495 A JP33133495 A JP 33133495A JP H09170473 A JPH09170473 A JP H09170473A
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- Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
- Combined Controls Of Internal Combustion Engines (AREA)
- Exhaust Gas Treatment By Means Of Catalyst (AREA)
- Feedback Control In General (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 触媒内の吸着状態を考慮に入れた精度の良い
空燃比制御を行う。 【解決手段】 燃料噴射弁２０から下流側空燃比センサ
２９までの制御対象をモデル化する際に、触媒モデルと
して、触媒２７内における流入ガス成分の吸着反応、流
入ガス成分と触媒内吸着物質との酸化還元反応、触媒内
吸着物質の離脱反応及び流入ガス成分の未反応部分の存
在を全て考慮に入れて設定されたモデルを使用する。そ
して、この触媒モデルを含む制御モデルに対する現在及
び過去の入出力を状態量とし、下流側空燃比センサ２９
で検出した触媒下流側の空燃比λR を目標空燃比λTGに
制御すべく状態フィードバックを実行して燃料噴射弁２
０の噴射量ひいては空燃比を制御する。上記触媒モデル
は、触媒２７に流入・流出する量、離脱量と未反応成分
量について、それぞれリーン成分とリッチ成分とを正負
反対の符号で表すことで、演算処理を簡単化する。
空燃比制御を行う。 【解決手段】 燃料噴射弁２０から下流側空燃比センサ
２９までの制御対象をモデル化する際に、触媒モデルと
して、触媒２７内における流入ガス成分の吸着反応、流
入ガス成分と触媒内吸着物質との酸化還元反応、触媒内
吸着物質の離脱反応及び流入ガス成分の未反応部分の存
在を全て考慮に入れて設定されたモデルを使用する。そ
して、この触媒モデルを含む制御モデルに対する現在及
び過去の入出力を状態量とし、下流側空燃比センサ２９
で検出した触媒下流側の空燃比λR を目標空燃比λTGに
制御すべく状態フィードバックを実行して燃料噴射弁２
０の噴射量ひいては空燃比を制御する。上記触媒モデル
は、触媒２７に流入・流出する量、離脱量と未反応成分
量について、それぞれリーン成分とリッチ成分とを正負
反対の符号で表すことで、演算処理を簡単化する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、触媒下流側の空燃
比が目標空燃比となるように燃料噴射量をフィードバッ
ク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。
比が目標空燃比となるように燃料噴射量をフィードバッ
ク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】従来より、内燃機関の燃料噴射量は、触
媒の浄化能力を最大限に発揮させるべく、実際の排出ガ
スの空燃比が理論空燃比付近に収束するようにフィード
バック制御される。そして、このフィードバック制御
は、触媒の吸着状態が最も反映される触媒の下流側の空
燃比に基づいて実行するのが望ましいとされている。
媒の浄化能力を最大限に発揮させるべく、実際の排出ガ
スの空燃比が理論空燃比付近に収束するようにフィード
バック制御される。そして、このフィードバック制御
は、触媒の吸着状態が最も反映される触媒の下流側の空
燃比に基づいて実行するのが望ましいとされている。
【０００３】そこで、近年、特開平６−１２９２８３号
公報に示すように、触媒下流側に排出ガスの空燃比をリ
ニアに検出する空燃比センサを設置し、燃料噴射弁から
空燃比センサまでの制御対象を近似する現代制御のモデ
ルを設定し、そのモデルに対する現在及び過去の入出力
（例えば燃料噴射弁の噴射量、空燃比センサにより検出
された触媒下流側の空燃比等）を状態量とし、触媒下流
側の空燃比を目標空燃比に制御すべく状態フィードバッ
クを実行して燃料噴射弁の噴射量を制御することが考え
られている。この空燃比制御に用いるモデルは、触媒モ
デルを単純な二次遅れ系のモデルで近似したものであ
る。
公報に示すように、触媒下流側に排出ガスの空燃比をリ
ニアに検出する空燃比センサを設置し、燃料噴射弁から
空燃比センサまでの制御対象を近似する現代制御のモデ
ルを設定し、そのモデルに対する現在及び過去の入出力
（例えば燃料噴射弁の噴射量、空燃比センサにより検出
された触媒下流側の空燃比等）を状態量とし、触媒下流
側の空燃比を目標空燃比に制御すべく状態フィードバッ
クを実行して燃料噴射弁の噴射量を制御することが考え
られている。この空燃比制御に用いるモデルは、触媒モ
デルを単純な二次遅れ系のモデルで近似したものであ
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】一般に、触媒に流入す
る排出ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ，Ｈ2 等のガス成分
に対して触媒は次のように作用する。
る排出ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ，Ｈ2 等のガス成分
に対して触媒は次のように作用する。
【０００５】触媒内における流入ガス成分の吸着反応 触媒内に流入したガス成分の一部は、触媒内部に吸着さ
れる。
れる。
【０００６】流入ガス成分と触媒内吸着物質との酸化
還元反応 例えば、吸着物質がリーン成分（ＮＯｘ，Ｏ2 等の酸化
性成分）の場合には、このリーン成分と流入ガス中のリ
ッチ成分（ＨＣ，ＣＯ，Ｈ2 等の還元性成分）とが酸化
還元反応して無害の中性ガス成分（ＣＯ2 ，Ｈ2 Ｏ，Ｎ
2 等）が生成され、触媒から排出される。
還元反応 例えば、吸着物質がリーン成分（ＮＯｘ，Ｏ2 等の酸化
性成分）の場合には、このリーン成分と流入ガス中のリ
ッチ成分（ＨＣ，ＣＯ，Ｈ2 等の還元性成分）とが酸化
還元反応して無害の中性ガス成分（ＣＯ2 ，Ｈ2 Ｏ，Ｎ
2 等）が生成され、触媒から排出される。
【０００７】触媒内吸着物質の離脱反応 触媒内吸着物質の一部は、酸化還元反応を起こさずに触
媒から離脱して触媒下流に排出される。
媒から離脱して触媒下流に排出される。
【０００８】流入ガス成分の未反応部分の存在（以下
「すり抜け」という） 流入ガス成分の一部は、触媒内で吸着反応も酸化還元反
応も起こさずにそのまま触媒下流に排出される。
「すり抜け」という） 流入ガス成分の一部は、触媒内で吸着反応も酸化還元反
応も起こさずにそのまま触媒下流に排出される。
【０００９】従って、触媒による排出ガスの浄化効率を
高めるには、の吸着反応との酸化還元反応を増加さ
せ、の離脱反応を少なくすると共に、のすり抜けを
低減することが必要となる。これら〜の条件は、触
媒内の吸着状態によって大きく変動し、排出ガスの浄化
効率を変動させる。例えば、リーン成分の吸着量が増加
するに従って、リーン成分の吸着反応が低下し、リーン
成分のすり抜けが多くなるが、この状態でも、流入ガス
中のリッチ成分の割合が増えれば、酸化還元反応が増加
して吸着物質量が減少する。
高めるには、の吸着反応との酸化還元反応を増加さ
せ、の離脱反応を少なくすると共に、のすり抜けを
低減することが必要となる。これら〜の条件は、触
媒内の吸着状態によって大きく変動し、排出ガスの浄化
効率を変動させる。例えば、リーン成分の吸着量が増加
するに従って、リーン成分の吸着反応が低下し、リーン
成分のすり抜けが多くなるが、この状態でも、流入ガス
中のリッチ成分の割合が増えれば、酸化還元反応が増加
して吸着物質量が減少する。
【００１０】このような触媒の特性から、本来的には触
媒内の吸着状態に応じて空燃比を制御することが理想的
であるが、前述したように、従来は、触媒モデルを単純
な二次遅れ系のモデルで近似しているため、触媒内の吸
着状態が適正に反映されず、これが空燃比制御の精度を
低下させる原因となっている。
媒内の吸着状態に応じて空燃比を制御することが理想的
であるが、前述したように、従来は、触媒モデルを単純
な二次遅れ系のモデルで近似しているため、触媒内の吸
着状態が適正に反映されず、これが空燃比制御の精度を
低下させる原因となっている。
【００１１】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、触媒内の吸着状態を
適正に反映させた精度の良い空燃比制御を行うことがで
きる内燃機関の空燃比制御装置を提供することにある。
たものであり、従ってその目的は、触媒内の吸着状態を
適正に反映させた精度の良い空燃比制御を行うことがで
きる内燃機関の空燃比制御装置を提供することにある。
【００１２】
【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
料噴射手段から前記下流側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対する現在及び過
去の入出力を状態量とし、触媒下流側の空燃比を目標空
燃比に制御すべく状態フィードバックを実行して燃料噴
射手段の噴射量を噴射量演算手段により演算する。この
際、制御モデルのうちの触媒モデルとして、触媒内にお
ける流入ガス成分の吸着反応、流入ガス成分と触媒内吸
着物質との酸化還元反応、触媒内吸着物質の離脱反応及
び流入ガス成分の未反応部分の存在を全て考慮に入れて
設定されたモデルを使用する。これにより、触媒内で起
こる全ての反応が考慮され、触媒内の吸着状態を適正に
反映させた精度の良い空燃比制御を行うことができる。
に、本発明の請求項１の内燃機関の空燃比制御装置は燃
料噴射手段から前記下流側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対する現在及び過
去の入出力を状態量とし、触媒下流側の空燃比を目標空
燃比に制御すべく状態フィードバックを実行して燃料噴
射手段の噴射量を噴射量演算手段により演算する。この
際、制御モデルのうちの触媒モデルとして、触媒内にお
ける流入ガス成分の吸着反応、流入ガス成分と触媒内吸
着物質との酸化還元反応、触媒内吸着物質の離脱反応及
び流入ガス成分の未反応部分の存在を全て考慮に入れて
設定されたモデルを使用する。これにより、触媒内で起
こる全ての反応が考慮され、触媒内の吸着状態を適正に
反映させた精度の良い空燃比制御を行うことができる。
【００１３】更に、請求項２では、触媒の上流側におい
て排出ガスの空燃比を検出する上流側空燃比検出手段を
設け、検出した触媒上流側の空燃比を含む現在及び過去
の入出力を状態量とし、触媒下流側の空燃比を目標空燃
比に制御すべく状態フィードバックを実行して、燃料噴
射手段の噴射量を演算する。これにより、触媒の下流側
と上流側の双方で空燃比を検出しながら、状態フィード
バックを実行でき、高精度な状態フィードバックが可能
となる。
て排出ガスの空燃比を検出する上流側空燃比検出手段を
設け、検出した触媒上流側の空燃比を含む現在及び過去
の入出力を状態量とし、触媒下流側の空燃比を目標空燃
比に制御すべく状態フィードバックを実行して、燃料噴
射手段の噴射量を演算する。これにより、触媒の下流側
と上流側の双方で空燃比を検出しながら、状態フィード
バックを実行でき、高精度な状態フィードバックが可能
となる。
【００１４】また、請求項３では、前記触媒モデルは、
前記触媒に流入・流出する量、離脱量と未反応成分量に
ついて、それぞれリーン成分とリッチ成分とを正負反対
の符号で表す。このようにすれば、符号によってリーン
成分かリッチ成分かを簡単に判別でき、演算処理が容易
となる。
前記触媒に流入・流出する量、離脱量と未反応成分量に
ついて、それぞれリーン成分とリッチ成分とを正負反対
の符号で表す。このようにすれば、符号によってリーン
成分かリッチ成分かを簡単に判別でき、演算処理が容易
となる。
【００１５】また、請求項４では、触媒流入ガス成分及
び触媒内吸着物質がリーン成分かリッチ成分かによって
触媒内での反応形態を推定し、反応形態毎に触媒モデル
のパラメータをパラメータ切替手段によって切り替え
る。これにより、反応形態に応じた最適の触媒モデルで
演算でき、触媒流出ガス成分を精度良く算出することが
できる。
び触媒内吸着物質がリーン成分かリッチ成分かによって
触媒内での反応形態を推定し、反応形態毎に触媒モデル
のパラメータをパラメータ切替手段によって切り替え
る。これにより、反応形態に応じた最適の触媒モデルで
演算でき、触媒流出ガス成分を精度良く算出することが
できる。
【００１６】更に、請求項５では、反応形態毎又は触媒
モデルのパラメータ切替毎にフィードバックゲインをフ
ィードバックゲイン切替手段によって切り替える。これ
により、反応形態毎又は触媒モデルのパラメータ切替毎
にフィードバックゲインを最適なゲインに設定でき、フ
ィードバック特性を向上できる。
モデルのパラメータ切替毎にフィードバックゲインをフ
ィードバックゲイン切替手段によって切り替える。これ
により、反応形態毎又は触媒モデルのパラメータ切替毎
にフィードバックゲインを最適なゲインに設定でき、フ
ィードバック特性を向上できる。
【００１７】
【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（吸気通路）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１
３の下流側に吸気温度Ｔａｍを検出する吸気温センサ１
４が設けられ、この吸気温センサ１４の下流側にスロッ
トルバルブ１５とスロットル開度ＴＨ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。更に、スロッ
トルバルブ１５の下流側には、吸気管圧力ＰＭを検出す
る吸気管圧力センサ１７が設けられ、この吸気管圧力セ
ンサ１７の下流側にサージタンク１８が設けられてい
る。このサージタンク１８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が接続され、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が取り付けられている。
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（吸気通路）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１
３の下流側に吸気温度Ｔａｍを検出する吸気温センサ１
４が設けられ、この吸気温センサ１４の下流側にスロッ
トルバルブ１５とスロットル開度ＴＨ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。更に、スロッ
トルバルブ１５の下流側には、吸気管圧力ＰＭを検出す
る吸気管圧力センサ１７が設けられ、この吸気管圧力セ
ンサ１７の下流側にサージタンク１８が設けられてい
る。このサージタンク１８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が接続され、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が取り付けられている。
【００１８】また、エンジン１１には各気筒毎に点火プ
ラグ２１が取り付けられ、各点火プラグ２１には、点火
回路２２で発生した高圧電流がディストリビュータ２３
を介して供給される。このディストリビュータ２３に
は、７２０℃Ａ（クランク軸２回転）毎に例えば２４個
のパルス信号を出力するクランク角センサ２４が設けら
れ、このクランク角センサ２４の出力パルス間隔によっ
てエンジン回転数Ｎｅを検出するようになっている。ま
た、エンジン１１のシリンダブロックには、エンジン冷
却水温Ｔｈｗを検出する水温センサ３８が取り付けられ
ている。
ラグ２１が取り付けられ、各点火プラグ２１には、点火
回路２２で発生した高圧電流がディストリビュータ２３
を介して供給される。このディストリビュータ２３に
は、７２０℃Ａ（クランク軸２回転）毎に例えば２４個
のパルス信号を出力するクランク角センサ２４が設けら
れ、このクランク角センサ２４の出力パルス間隔によっ
てエンジン回転数Ｎｅを検出するようになっている。ま
た、エンジン１１のシリンダブロックには、エンジン冷
却水温Ｔｈｗを検出する水温センサ３８が取り付けられ
ている。
【００１９】一方、エンジン１１の排気ポート（図示せ
ず）には、排気マニホールド２５を介して排気管２６
（排気通路）が接続され、この排気管２６の途中に、排
出ガス中の有害成分（ＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等）を低減さ
せる三元触媒等の触媒２７が設けられている。この触媒
２７の上流側と下流側には、それぞれ排出ガスの空燃比
λF ，λR に応じたリニアな空燃比信号（限界電流）を
出力する上流側空燃比センサ２８（上流側空燃比検出手
段）と下流側空燃比センサ２９（下流側空燃比検出手
段）が設けられている。
ず）には、排気マニホールド２５を介して排気管２６
（排気通路）が接続され、この排気管２６の途中に、排
出ガス中の有害成分（ＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等）を低減さ
せる三元触媒等の触媒２７が設けられている。この触媒
２７の上流側と下流側には、それぞれ排出ガスの空燃比
λF ，λR に応じたリニアな空燃比信号（限界電流）を
出力する上流側空燃比センサ２８（上流側空燃比検出手
段）と下流側空燃比センサ２９（下流側空燃比検出手
段）が設けられている。
【００２０】上述した各種のセンサの出力は電子制御回
路３０内に入力ポート３１を介して読み込まれる。電子
制御回路３０は、マイクロコンピュータを主体として構
成され、ＣＰＵ３２、ＲＯＭ３３、ＲＡＭ３４、バック
アップＲＡＭ３５を備え、各種センサ出力から得られた
エンジン運転状態パラメータを用いて燃料噴射量ＴＡＵ
や点火時期Ｉｇ等を演算し、その演算結果に応じた信号
を出力ポート３６から燃料噴射弁２０や点火回路２２に
出力してエンジン１１の運転を制御する。
路３０内に入力ポート３１を介して読み込まれる。電子
制御回路３０は、マイクロコンピュータを主体として構
成され、ＣＰＵ３２、ＲＯＭ３３、ＲＡＭ３４、バック
アップＲＡＭ３５を備え、各種センサ出力から得られた
エンジン運転状態パラメータを用いて燃料噴射量ＴＡＵ
や点火時期Ｉｇ等を演算し、その演算結果に応じた信号
を出力ポート３６から燃料噴射弁２０や点火回路２２に
出力してエンジン１１の運転を制御する。
【００２１】以下、これらの制御のうち空燃比制御（燃
料噴射量ＴＡＵの制御）について説明する。本実施形態
の空燃比制御では、空燃比制御に現代制御理論が適用さ
れており、制御対象全体をモデル化して、下流側空燃比
λR を理論空燃比λ＝１に収束させるように状態フィー
ドバックを実行する。この現代制御における各要素の設
定手順は次の通りである。
料噴射量ＴＡＵの制御）について説明する。本実施形態
の空燃比制御では、空燃比制御に現代制御理論が適用さ
れており、制御対象全体をモデル化して、下流側空燃比
λR を理論空燃比λ＝１に収束させるように状態フィー
ドバックを実行する。この現代制御における各要素の設
定手順は次の通りである。
【００２２】［Ａ］制御対象のモデリング 燃料噴射弁２０から下流側空燃比センサ２９までの制御
対象全体をモデル化している。但し、制御対象全体を一
括してモデル化すると、系全体が大きくなり過ぎて精度
が低下するため、制御対象の中間位置における信頼性の
高いセンサ情報として上流側空燃比センサ２８により検
出された触媒上流側の空燃比λF を利用し、燃料噴射弁
２０から上流側空燃比センサ２８までの系と、触媒２７
から下流側空燃比センサ２９までの系とに分割してモデ
ル化している。
対象全体をモデル化している。但し、制御対象全体を一
括してモデル化すると、系全体が大きくなり過ぎて精度
が低下するため、制御対象の中間位置における信頼性の
高いセンサ情報として上流側空燃比センサ２８により検
出された触媒上流側の空燃比λF を利用し、燃料噴射弁
２０から上流側空燃比センサ２８までの系と、触媒２７
から下流側空燃比センサ２９までの系とに分割してモデ
ル化している。
【００２３】（１）燃料噴射弁２０から上流側空燃比セ
ンサ２８までの系のモデル 燃料噴射弁２０から上流側空燃比センサ２８までのモデ
ルに、むだ時間Ｐ＝３を持つ次数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。即
ち、燃料噴射弁２０から上流側空燃比センサ２８までの
系の伝達関数Ｇは、図３に示すように設定される。図３
においてａ1 ，ｂ1 はモデルの応答性を決定するための
定数である。尚、モデルのむだ時間Ｐとしては、エンジ
ン１１及び周辺機器の仕様等に応じてＰ＝３以外の種々
の値に設定しても良い。
ンサ２８までの系のモデル 燃料噴射弁２０から上流側空燃比センサ２８までのモデ
ルに、むだ時間Ｐ＝３を持つ次数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。即
ち、燃料噴射弁２０から上流側空燃比センサ２８までの
系の伝達関数Ｇは、図３に示すように設定される。図３
においてａ1 ，ｂ1 はモデルの応答性を決定するための
定数である。尚、モデルのむだ時間Ｐとしては、エンジ
ン１１及び周辺機器の仕様等に応じてＰ＝３以外の種々
の値に設定しても良い。
【００２４】自己回帰移動平均モデルを用いた燃料噴射
弁２０から上流側空燃比センサ２８までの系のモデル
は、次式で近似できる。λF(i+1)＝ａ1 ・λF(i)＋ｂ1
・ＦＡＦ(i-2)ここで、λF は触媒上流側の排出ガスの
空燃比、ＦＡＦは燃料噴射弁２０の噴射量を補正するた
めの空燃比補正係数、i は最初のサンプリング開始から
の回数を示す変数である。
弁２０から上流側空燃比センサ２８までの系のモデル
は、次式で近似できる。λF(i+1)＝ａ1 ・λF(i)＋ｂ1
・ＦＡＦ(i-2)ここで、λF は触媒上流側の排出ガスの
空燃比、ＦＡＦは燃料噴射弁２０の噴射量を補正するた
めの空燃比補正係数、i は最初のサンプリング開始から
の回数を示す変数である。
【００２５】上式において、外乱ｄ1 を考慮すると、燃
料噴射弁２０から上流側空燃比センサ２８までの系のモ
デルは、次式で近似できる。 λF(i+1)＝ａ1 ・λF(i)＋ｂ1 ・ＦＡＦ(i-2) ＋ｄ1(i) ……（１） 以上のようにして近似したモデルに対し、ステップ応答
を用いて回転周期（３６０℃Ａ）のサンプリングで離散
化して定数ａ1 、ｂ1 を定めること、即ち、燃料噴射弁
２０から上流側空燃比センサ２８までの系の伝達関数Ｇ
を求めることは容易である。
料噴射弁２０から上流側空燃比センサ２８までの系のモ
デルは、次式で近似できる。 λF(i+1)＝ａ1 ・λF(i)＋ｂ1 ・ＦＡＦ(i-2) ＋ｄ1(i) ……（１） 以上のようにして近似したモデルに対し、ステップ応答
を用いて回転周期（３６０℃Ａ）のサンプリングで離散
化して定数ａ1 、ｂ1 を定めること、即ち、燃料噴射弁
２０から上流側空燃比センサ２８までの系の伝達関数Ｇ
を求めることは容易である。
【００２６】（２）触媒２７のモデル（触媒モデル） この触媒モデルは、触媒２７内における流入ガス成分
の吸着反応（リーン成分の吸着とリッチ成分の吸着）、
流入ガス成分と触媒内吸着物質との酸化還元反応（触
媒内リッチ成分が流入ガスのリーン成分により酸化さ
れ、触媒内リーン成分が流入ガスのリッチ成分により還
元される）、触媒内吸着物質の離脱反応、流入ガス
成分の未反応部分の存在（すり抜け）が全て考慮されて
いる。
の吸着反応（リーン成分の吸着とリッチ成分の吸着）、
流入ガス成分と触媒内吸着物質との酸化還元反応（触
媒内リッチ成分が流入ガスのリーン成分により酸化さ
れ、触媒内リーン成分が流入ガスのリッチ成分により還
元される）、触媒内吸着物質の離脱反応、流入ガス
成分の未反応部分の存在（すり抜け）が全て考慮されて
いる。
【００２７】上記，による触媒内反応量ｈａｎｎｏ
ｕは次の（２）式で表される。 ｈａｎｎｏｕ＝αo ・ｋｋｈ・Δ・ＩｎＧ ……（２） ここで、αo ＝１−ＪＹＯＵＫＡであり、ＪＹＯＵＫＡ
は燃焼空燃比に対する浄化率である（図４参照）。ま
た、ｋｋｈは触媒２７の浄化特性から求まる浄化されな
い割合のうち、触媒２７への吸着又は酸化還元反応に寄
与する割合である。また、Δは反応形態毎に切り替えら
れる定数であり、ＩｎＧは触媒２７に流入するガス量
（触媒流入ガス量）である。触媒２７内で起こる反応形
態は、下記の表１に示すように４つの反応形態ＬＫ，Ｌ
Ｈ，ＲＨ，ＲＫに分類される。
ｕは次の（２）式で表される。 ｈａｎｎｏｕ＝αo ・ｋｋｈ・Δ・ＩｎＧ ……（２） ここで、αo ＝１−ＪＹＯＵＫＡであり、ＪＹＯＵＫＡ
は燃焼空燃比に対する浄化率である（図４参照）。ま
た、ｋｋｈは触媒２７の浄化特性から求まる浄化されな
い割合のうち、触媒２７への吸着又は酸化還元反応に寄
与する割合である。また、Δは反応形態毎に切り替えら
れる定数であり、ＩｎＧは触媒２７に流入するガス量
（触媒流入ガス量）である。触媒２７内で起こる反応形
態は、下記の表１に示すように４つの反応形態ＬＫ，Ｌ
Ｈ，ＲＨ，ＲＫに分類される。
【００２８】
【表１】
【００２９】これら各反応形態ＬＫ，ＬＨ，ＲＨ，ＲＫ
毎に、上述した触媒モデルのパラメータＪＹＯＵＫＡ，
ｋｋｈ，Δが下記の表２のように切り替えられる。
毎に、上述した触媒モデルのパラメータＪＹＯＵＫＡ，
ｋｋｈ，Δが下記の表２のように切り替えられる。
【００３０】
【表２】
【００３１】また、前記による離脱反応量ｄｒｏｐは
次の（３）式で表される。 ｄｒｏｐ＝ｋ''・ＯＳＩＯ ……（３） ここで、ｋ''は離脱時定数であり、ＯＳＩＯは前回演算
時の触媒内吸着物質量である。
次の（３）式で表される。 ｄｒｏｐ＝ｋ''・ＯＳＩＯ ……（３） ここで、ｋ''は離脱時定数であり、ＯＳＩＯは前回演算
時の触媒内吸着物質量である。
【００３２】また、前記による未反応成分量（すり抜
け量）ｓｕｒｉｎｕｋｅは次の（４）式で表される。 ｓｕｒｉｎｕｋｅ＝αo ・（１−ｋｋｈ）・ＩｎＧ ……（４） そして、触媒内吸着物質量ＯＳＩは次の（５）式で表さ
れる。 ＯＳＩ＝ＯＳＩＯ＋ｈａｎｎｏｕ−ｄｒｏｐ ……（５） また、触媒２７から流出するガス量（触媒流出ガス量）
ＯｕｔＧは次の（６）式で表される。 ＯｕｔＧ＝ｓｕｒｉｎｕｋｅ＋ｄｒｏｐ ……（６）
け量）ｓｕｒｉｎｕｋｅは次の（４）式で表される。 ｓｕｒｉｎｕｋｅ＝αo ・（１−ｋｋｈ）・ＩｎＧ ……（４） そして、触媒内吸着物質量ＯＳＩは次の（５）式で表さ
れる。 ＯＳＩ＝ＯＳＩＯ＋ｈａｎｎｏｕ−ｄｒｏｐ ……（５） また、触媒２７から流出するガス量（触媒流出ガス量）
ＯｕｔＧは次の（６）式で表される。 ＯｕｔＧ＝ｓｕｒｉｎｕｋｅ＋ｄｒｏｐ ……（６）
【００３３】以上説明した（２）〜（６）式で表される
触媒モデルをブロック線図で表すと図２のようになる。
この触媒モデルの入力を触媒流入ガス量ＩｎＧ、出力を
触媒流出ガス量ＯｕｔＧとすると、伝達関数は次の
（７）式で表される。
触媒モデルをブロック線図で表すと図２のようになる。
この触媒モデルの入力を触媒流入ガス量ＩｎＧ、出力を
触媒流出ガス量ＯｕｔＧとすると、伝達関数は次の
（７）式で表される。
【００３４】
【数１】
【００３５】ここで、α´＝αo ・ｋｋｈ・Δ α＝αo ・（１−ｋｋｈ） 上記（２）〜（７）においては、リーン成分をプラス値
で表し、リッチ成分をマイナス値で表す。
で表し、リッチ成分をマイナス値で表す。
【００３６】次に、触媒流入ガスＩｎＧの各成分のモル
数を演算する流入ガスモル数演算ルーチンを図５のフロ
ーチャートに従って説明する。本ルーチンは、所定クラ
ンク角毎又は所定時間毎に繰り返し処理される。処理が
開始されると、まずステップ１０１で、上流側空燃比セ
ンサ２８の出力信号を読み込んで、流入ガスの空燃比Ａ
／Ｆを検出する。次のステップ１０２で、流入ガス中の
Ｏ2 モル濃度Ｏ２ＩＮＭＣ，Ｈ2 モル濃度Ｈ２ＩＮＭ
Ｃ，ＣＯモル濃度ＣＯＩＮＭＣ，ＣＯ2 モル濃度ＣＯ２
ＩＮＭＣを空燃比Ａ／Ｆに応じてテーブル検索又は理論
式で算出し（図６参照）、これらの算出値を用いて、次
のステップ１０３にて、Ｈ2 Ｏモル濃度Ｈ２ＯＩＮＭＣ
を算出する。次のステップ１０４では、後述するステッ
プ１０７で用いる分数式の分母ＫＫＫＢＵＮＢＯを算出
し、続くステップ１０５で、基本噴射量Ｔｐｇ（ｇ換
算）を基本噴射時間Ｔｐ，インジェクタサイズＩＮＪＳ
ＩＺＥ，燃料比重ρを用いて次式により算出する。 Ｔｐｇ＝Ｔｐ×ＩＮＪＳＩＺＥ×ρ
数を演算する流入ガスモル数演算ルーチンを図５のフロ
ーチャートに従って説明する。本ルーチンは、所定クラ
ンク角毎又は所定時間毎に繰り返し処理される。処理が
開始されると、まずステップ１０１で、上流側空燃比セ
ンサ２８の出力信号を読み込んで、流入ガスの空燃比Ａ
／Ｆを検出する。次のステップ１０２で、流入ガス中の
Ｏ2 モル濃度Ｏ２ＩＮＭＣ，Ｈ2 モル濃度Ｈ２ＩＮＭ
Ｃ，ＣＯモル濃度ＣＯＩＮＭＣ，ＣＯ2 モル濃度ＣＯ２
ＩＮＭＣを空燃比Ａ／Ｆに応じてテーブル検索又は理論
式で算出し（図６参照）、これらの算出値を用いて、次
のステップ１０３にて、Ｈ2 Ｏモル濃度Ｈ２ＯＩＮＭＣ
を算出する。次のステップ１０４では、後述するステッ
プ１０７で用いる分数式の分母ＫＫＫＢＵＮＢＯを算出
し、続くステップ１０５で、基本噴射量Ｔｐｇ（ｇ換
算）を基本噴射時間Ｔｐ，インジェクタサイズＩＮＪＳ
ＩＺＥ，燃料比重ρを用いて次式により算出する。 Ｔｐｇ＝Ｔｐ×ＩＮＪＳＩＺＥ×ρ
【００３７】更に、ステップ１０６では、次のステップ
１０７で用いる変数ＯＦＩＮ，ＯＭＯＬを算出する。こ
の後、ステップ１０７で、上述したステップ１０２〜１
０６の処理で求めた数値を用いて流入ガス中のＯ2 モル
数Ｏ２ＩＮＭ，Ｈ2 モル数Ｈ２ＩＮＭ，ＣＯモル数ＣＯ
ＩＮＭ，ＣＯ2 モル数ＣＯ２ＩＮＭ，Ｈ2 Ｏモル数Ｈ２
ＯＩＮＭを算出する。
１０７で用いる変数ＯＦＩＮ，ＯＭＯＬを算出する。こ
の後、ステップ１０７で、上述したステップ１０２〜１
０６の処理で求めた数値を用いて流入ガス中のＯ2 モル
数Ｏ２ＩＮＭ，Ｈ2 モル数Ｈ２ＩＮＭ，ＣＯモル数ＣＯ
ＩＮＭ，ＣＯ2 モル数ＣＯ２ＩＮＭ，Ｈ2 Ｏモル数Ｈ２
ＯＩＮＭを算出する。
【００３８】この算出結果を基に、触媒流入ガス成分が
リーン成分かリッチ成分かを判定すると共に、前記
（５）式で算出される触媒内吸着物質量ＯＳＩがプラス
値かマイナス値かによって触媒内吸着物質量ＯＳＩがリ
ーン成分（Ｌ）かリッチ成分（Ｒ）かを判定し、前掲し
た表２に従って触媒２７内での反応形態が、リーン成分
の吸着反応ＬＫ、触媒内リーン成分が流入ガスのリッチ
成分により還元される反応ＬＨ、触媒内リッチ成分が流
入ガスのリーン成分により酸化される反応ＲＨ、リッチ
成分の吸着反応ＲＫのいずれに該当するかを判定し、そ
の判定結果に基づいて反応形態ＬＫ，ＬＨ，ＲＨ，ＲＫ
毎に、触媒モデルのパラメータＪＹＯＵＫＡ，ｋｋｈ，
Δを表２に従って切り替える。
リーン成分かリッチ成分かを判定すると共に、前記
（５）式で算出される触媒内吸着物質量ＯＳＩがプラス
値かマイナス値かによって触媒内吸着物質量ＯＳＩがリ
ーン成分（Ｌ）かリッチ成分（Ｒ）かを判定し、前掲し
た表２に従って触媒２７内での反応形態が、リーン成分
の吸着反応ＬＫ、触媒内リーン成分が流入ガスのリッチ
成分により還元される反応ＬＨ、触媒内リッチ成分が流
入ガスのリーン成分により酸化される反応ＲＨ、リッチ
成分の吸着反応ＲＫのいずれに該当するかを判定し、そ
の判定結果に基づいて反応形態ＬＫ，ＬＨ，ＲＨ，ＲＫ
毎に、触媒モデルのパラメータＪＹＯＵＫＡ，ｋｋｈ，
Δを表２に従って切り替える。
【００３９】（３）触媒２７から下流側空燃比センサ２
９までの系のモデル 下流側空燃比センサ２９を１次遅れ系で近似している。
これにより、触媒２７から下流側空燃比センサ２９まで
の系の伝達関数Ｇは図７に示すように設定される。図７
において、ａ2 ＝１−ｋ''、ｂ2 ＝ｋ''・α´であり、
ａ3 ，ｂ3 は定数である。図７のモデルにおいて触媒上
流側空燃比λF と触媒下流側空燃比λRとの関係は次の
ようになる。
９までの系のモデル 下流側空燃比センサ２９を１次遅れ系で近似している。
これにより、触媒２７から下流側空燃比センサ２９まで
の系の伝達関数Ｇは図７に示すように設定される。図７
において、ａ2 ＝１−ｋ''、ｂ2 ＝ｋ''・α´であり、
ａ3 ，ｂ3 は定数である。図７のモデルにおいて触媒上
流側空燃比λF と触媒下流側空燃比λRとの関係は次の
ようになる。
【００４０】
【数２】
【００４１】従って、図７のモデルは図８のように表す
ことができる。この図８のモデルから次のような関係が
求められる。 λR (i+3) −Ａ1 λR (i+2) ＋Ａ2 λR (i+1) ＝Ｂ1 λF (i+1) ＋Ｂ2 λF (i) この関係から、λR (i+1) は次式で算出される。 λR (i+1) ＝Ａ1 λR (i) −Ａ2 λR (i-1) ＋Ｂ1 λF (i-1) ＋Ｂ2 λF (i-2) ……（８）
ことができる。この図８のモデルから次のような関係が
求められる。 λR (i+3) −Ａ1 λR (i+2) ＋Ａ2 λR (i+1) ＝Ｂ1 λF (i+1) ＋Ｂ2 λF (i) この関係から、λR (i+1) は次式で算出される。 λR (i+1) ＝Ａ1 λR (i) −Ａ2 λR (i-1) ＋Ｂ1 λF (i-1) ＋Ｂ2 λF (i-2) ……（８）
【００４２】以上のようにして近似したモデルに対し、
ステップ応答を用いて回転周期（３６０℃Ａ）のサンプ
リングで離散化して定数Ａ1 ，Ａ2 ，Ｂ1 ，Ｂ2 を定め
ること、即ち、触媒２７から下流側空燃比センサ２９ま
での系の伝達関数Ｇを求めることは容易である。
ステップ応答を用いて回転周期（３６０℃Ａ）のサンプ
リングで離散化して定数Ａ1 ，Ａ2 ，Ｂ1 ，Ｂ2 を定め
ること、即ち、触媒２７から下流側空燃比センサ２９ま
での系の伝達関数Ｇを求めることは容易である。
【００４３】［Ｂ］状態変数量Ｘの表示方法（但しＸは
ベクトル量である） （１）燃料噴射弁２０から上流側空燃比センサ２８まで
の系 前記（１）式を状態変数量Ｘ(i) ＝［Ｘ1(i)，Ｘ2(i)，
Ｘ3(i)，Ｘ4(i)］T を用いて書き直すと、次のようにな
る。
ベクトル量である） （１）燃料噴射弁２０から上流側空燃比センサ２８まで
の系 前記（１）式を状態変数量Ｘ(i) ＝［Ｘ1(i)，Ｘ2(i)，
Ｘ3(i)，Ｘ4(i)］T を用いて書き直すと、次のようにな
る。
【００４４】
【数３】
【００４５】これらの式から次式の関係が求められる。 Ｘ1(i+1)＝ａ1 Ｘ1(i)＋ｂ1 Ｘ4(i)＋ｄ１＝λF(i+1) Ｘ2(i+1)＝ＦＡＦ(i) Ｘ3(i+1)＝Ｘ2(i)＝ＦＡＦ(i-1) Ｘ4(i+1)＝Ｘ3(i)＝ＦＡＦ(i-2)
【００４６】（２）触媒２７から下流側空燃比センサ２
９までの系 前記（８）式を状態変数量Ｚ(i) ＝［Ｚ1(i)，Ｚ2(i)，
Ｚ3(i)，Ｚ4(i)］T を用いて書き直すと、次のようにな
る。
９までの系 前記（８）式を状態変数量Ｚ(i) ＝［Ｚ1(i)，Ｚ2(i)，
Ｚ3(i)，Ｚ4(i)］T を用いて書き直すと、次のようにな
る。
【００４７】
【数４】
【００４８】これらの式から次式の関係が求められる。 Ｚ1(i+1)＝Ａ1 Ｚ1(i)−Ａ2 Ｚ2(i)＋Ｂ1 Ｚ3(i)＋Ｂ2 Ｚ4(i) ＝λR(i+1) Ｚ2(i+1)＝Ｚ1(i)＝λR(i) Ｚ3(i+1)＝λR(i) Ｚ4(i+1)＝Ｚ3(i)＝λR(i-1)
【００４９】（３）制御対象全体 上記した各式から制御対象全体の状態数量は次の様にな
る。
る。
【００５０】
【数５】
【００５１】［Ｃ］レギュレータの設計 まず、レギュレータの設計にあたり、偏差ｅ（ｉ）を次
式のように定義する。 ｅ(i) ＝λTG−λR(i) ここで、λTGは触媒下流側空燃比λR の目標空燃比であ
り、本実施形態では、λTG＝１（理論空燃比）に設定さ
れている。そして、この偏差ｅ(i) を０にする状態フィ
ードバックを設計すべく、上記した［数５］に基づいて
次の拡大系を設定する。
式のように定義する。 ｅ(i) ＝λTG−λR(i) ここで、λTGは触媒下流側空燃比λR の目標空燃比であ
り、本実施形態では、λTG＝１（理論空燃比）に設定さ
れている。そして、この偏差ｅ(i) を０にする状態フィ
ードバックを設計すべく、上記した［数５］に基づいて
次の拡大系を設定する。
【００５２】
【数６】
【００５３】ここで、ｑ-1は時間遅れ要素である。そし
て、Ｘ(i+1) ＝ＡＸ(i) ＋ｂＦＡＦ(i) とおくと、この
ときの状態フィードバックは、次式で表される。 ＦＡＦ(i) ＝Ｋ1 λF(i)＋Ｋ2 ＦＡＦ(i-1) ＋Ｋ3 ＦＡＦ(i-2) ＋Ｋ4 ＦＡＦ(i-3) ＋Ｋ5 λR(i)＋Ｋ6 λR(i-1) ＋Ｋ7 λF(i-1)＋Ｋ8 λF(i-2)＋ＺＩ(i) ……（９）
て、Ｘ(i+1) ＝ＡＸ(i) ＋ｂＦＡＦ(i) とおくと、この
ときの状態フィードバックは、次式で表される。 ＦＡＦ(i) ＝Ｋ1 λF(i)＋Ｋ2 ＦＡＦ(i-1) ＋Ｋ3 ＦＡＦ(i-2) ＋Ｋ4 ＦＡＦ(i-3) ＋Ｋ5 λR(i)＋Ｋ6 λR(i-1) ＋Ｋ7 λF(i-1)＋Ｋ8 λF(i-2)＋ＺＩ(i) ……（９）
【００５４】ここで、積分項ＺＩ(i) は、目標空燃比Ａ
TG（＝１，０）と実際の下流側空燃比λR との偏差ｅ
(i) と、積分定数ＫＩとから決定される値であって、次
式により求められる。 ＺＩ(i) ＝ＺＩ(i-1) ＋ＫＩ・（１．０一λR(i)） ……（１０） ここで、フィードバックゲインＫ1 〜Ｋ8 及び積分定数
ＫＩは最適レギュレータ手法により算出できるが、触媒
モデルは、反応形態毎に４種類の定数を持つので、反応
形態毎又は触媒モデルのパラメータ切替毎にフィードバ
ックゲインＫ1〜Ｋ8 を切り替える。
TG（＝１，０）と実際の下流側空燃比λR との偏差ｅ
(i) と、積分定数ＫＩとから決定される値であって、次
式により求められる。 ＺＩ(i) ＝ＺＩ(i-1) ＋ＫＩ・（１．０一λR(i)） ……（１０） ここで、フィードバックゲインＫ1 〜Ｋ8 及び積分定数
ＫＩは最適レギュレータ手法により算出できるが、触媒
モデルは、反応形態毎に４種類の定数を持つので、反応
形態毎又は触媒モデルのパラメータ切替毎にフィードバ
ックゲインＫ1〜Ｋ8 を切り替える。
【００５５】図９は上述のようにモデルを設計した空燃
比制御システムにおける現代制御の状態フィードバック
を示すブロック線図である。この図９において、空燃比
補正係数ＦＡＦ(i) を前回のＦＡＦ(i-1) から導くため
にＺ-1変換を用いて表示したが、これは前回処理で求め
られたＦＡＦ(i) を前回の値ＦＡＦ(i-1) としてＲＡＭ
３４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。ちなみに、ＦＡＦ(i-1) は前回の空燃比補
正係数を表し、ＦＡＦ(i-2) は前々回の空燃比補正係数
を表し、ＦＡＦ(i-3) は前々々回の空燃比補正係数を表
す。
比制御システムにおける現代制御の状態フィードバック
を示すブロック線図である。この図９において、空燃比
補正係数ＦＡＦ(i) を前回のＦＡＦ(i-1) から導くため
にＺ-1変換を用いて表示したが、これは前回処理で求め
られたＦＡＦ(i) を前回の値ＦＡＦ(i-1) としてＲＡＭ
３４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。ちなみに、ＦＡＦ(i-1) は前回の空燃比補
正係数を表し、ＦＡＦ(i-2) は前々回の空燃比補正係数
を表し、ＦＡＦ(i-3) は前々々回の空燃比補正係数を表
す。
【００５６】また、図９の二点鎖線で囲まれたブロック
Ｐ１は、触媒下流側空燃比λR(i)を目標空燃比λTGにフ
ィードバック制御している状態において、状態変数量Ｘ
(i)及び状態変数量Ｚ(i) を定める部分であり、ブロッ
クＰ２は、積分項ＺＩ(i) を求める部分（累積部）であ
り、ブロックＰ３は、ブロックＰ１で定められた状態変
数量Ｘ(i) 及び状態変数量Ｚ(i) とブロックＰ２で求め
られた積分項ＺＩ(i)とから今回の空燃比補正係数ＦＡ
Ｆ(i) を演算する部分である。
Ｐ１は、触媒下流側空燃比λR(i)を目標空燃比λTGにフ
ィードバック制御している状態において、状態変数量Ｘ
(i)及び状態変数量Ｚ(i) を定める部分であり、ブロッ
クＰ２は、積分項ＺＩ(i) を求める部分（累積部）であ
り、ブロックＰ３は、ブロックＰ１で定められた状態変
数量Ｘ(i) 及び状態変数量Ｚ(i) とブロックＰ２で求め
られた積分項ＺＩ(i)とから今回の空燃比補正係数ＦＡ
Ｆ(i) を演算する部分である。
【００５７】［Ｄ］最適フィードバックゲインＫ及び積
分定数ＫＩの決定 最適フィードバックゲインＫ及び積分定数ＫＩは、例え
ば、次式で示される評価関数Ｊを量小とすることで設定
できる。
分定数ＫＩの決定 最適フィードバックゲインＫ及び積分定数ＫＩは、例え
ば、次式で示される評価関数Ｊを量小とすることで設定
できる。
【００５８】
【数７】
【００５９】上式で示される評価関数Ｊとは、空燃比補
正係数ＦＡＦ(i) の動きを制約しつつ、目標空燃比λTG
と実際の触媒下流側空燃比λR(i)との偏差ｅ(i) を量小
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(i) に対する制約の重み付けは、重みのパラメ
ータＱ、Ｒの値によって変更することができる。従っ
て、重みパラメータＱ、Ｒの値を種々換えて最適な制御
特性が得られるまでシュミレーションを繰り返し、最適
フィードバックゲインＫ及び積分定数ＫＩを定めれば良
い。
正係数ＦＡＦ(i) の動きを制約しつつ、目標空燃比λTG
と実際の触媒下流側空燃比λR(i)との偏差ｅ(i) を量小
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(i) に対する制約の重み付けは、重みのパラメ
ータＱ、Ｒの値によって変更することができる。従っ
て、重みパラメータＱ、Ｒの値を種々換えて最適な制御
特性が得られるまでシュミレーションを繰り返し、最適
フィードバックゲインＫ及び積分定数ＫＩを定めれば良
い。
【００６０】更に、最適フィードバックゲインＫ及び積
分定数ＫＩはモデル定数ａ1 ，ｂ1，Ａ1 ，Ａ2 ，Ｂ1
，Ｂ2 に依存している。従って実際の触媒下流側空燃
比λR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、
モデル定数ａ1 ，ｂ1 ，Ａ1 ，Ａ2 ，Ｂ1 ，Ｂ2 の変動
分を見込んで最適フィードバックゲインＫ及び積分定数
ＫＩを設計する必要がある。従って、シュミレーション
はモデル定数ａ1 ，ｂ1 ，Ａ1 ，Ａ2 ，Ｂ1 ，Ｂ2 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
適フィードバックゲインＫ及び積分定数ＫＩを定める。
分定数ＫＩはモデル定数ａ1 ，ｂ1，Ａ1 ，Ａ2 ，Ｂ1
，Ｂ2 に依存している。従って実際の触媒下流側空燃
比λR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、
モデル定数ａ1 ，ｂ1 ，Ａ1 ，Ａ2 ，Ｂ1 ，Ｂ2 の変動
分を見込んで最適フィードバックゲインＫ及び積分定数
ＫＩを設計する必要がある。従って、シュミレーション
はモデル定数ａ1 ，ｂ1 ，Ａ1 ，Ａ2 ，Ｂ1 ，Ｂ2 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
適フィードバックゲインＫ及び積分定数ＫＩを定める。
【００６１】以上、［Ａ］制御対象のモデリング、
［Ｂ］状態変数の表示方法、［Ｃ］レギュレータの設
計、［Ｄ］最適フィードバックゲインＫ及び積分定数Ｋ
Ｉの決定について説明したが、本実施形態の空燃比制御
システムでは、これらはいずれも予め設定されているも
のとし、電子制御回路３０では、前記（９）式及び（１
０）式のみを用いて空燃比制御を実行するものとする。
［Ｂ］状態変数の表示方法、［Ｃ］レギュレータの設
計、［Ｄ］最適フィードバックゲインＫ及び積分定数Ｋ
Ｉの決定について説明したが、本実施形態の空燃比制御
システムでは、これらはいずれも予め設定されているも
のとし、電子制御回路３０では、前記（９）式及び（１
０）式のみを用いて空燃比制御を実行するものとする。
【００６２】次に、上記のように設定された現代制御に
基づき電子制御回路３０内のＣＰＵ３２が実行する空燃
比制御を説明する。
基づき電子制御回路３０内のＣＰＵ３２が実行する空燃
比制御を説明する。
【００６３】《燃料噴射量ＴＡＵの算出処理》図１０は
燃料噴射量ＴＡＵを演算する燃料噴射量演算ルーチンを
示すフローチャートである。本ルーチンは、エンジン１
１の回転に同期して３６０℃Ａ毎に実行され、特許請求
の範囲でいう噴射量演算手段として機能する。本ルーチ
ンの処理が開始されると、まずステップ１１１で、吸気
圧ＰＭ、エンジン回転数Ｎｅ等に基づいて基本燃料噴射
量Ｔｐを算出し、続くステップ１１２で、空燃比のフィ
ードバック条件が成立しているか否かを判定する。この
フィードバック条件は、例えばエンジン冷却水温Ｔｈｗ
が所定水温以上で、且つ高回転・高負荷ではないときに
成立する。
燃料噴射量ＴＡＵを演算する燃料噴射量演算ルーチンを
示すフローチャートである。本ルーチンは、エンジン１
１の回転に同期して３６０℃Ａ毎に実行され、特許請求
の範囲でいう噴射量演算手段として機能する。本ルーチ
ンの処理が開始されると、まずステップ１１１で、吸気
圧ＰＭ、エンジン回転数Ｎｅ等に基づいて基本燃料噴射
量Ｔｐを算出し、続くステップ１１２で、空燃比のフィ
ードバック条件が成立しているか否かを判定する。この
フィードバック条件は、例えばエンジン冷却水温Ｔｈｗ
が所定水温以上で、且つ高回転・高負荷ではないときに
成立する。
【００６４】もし、フィードバック条件が成立している
ときには、ステップ１１３に進み、予めＲ０Ｍ３３に格
納されている目標空燃比λTG（本実施形態では理論空燃
比λ＝１）を読み出し、続くステップ１１４で後述する
ように触媒下流側空燃比λRを目標空燃比λTG（＝１，
０）に一致させるように空燃比補正係数ＦＡＦを設定し
てステップ１１５に移行する。即ち、ステップ１１４で
は目標空燃比λTGと下流側空燃比センサ２９で検出され
た触媒下流側空燃比λR とに応じて前記した（９）式及
び（１０）式により空燃比補正係数ＦＡＦを算出する。
ときには、ステップ１１３に進み、予めＲ０Ｍ３３に格
納されている目標空燃比λTG（本実施形態では理論空燃
比λ＝１）を読み出し、続くステップ１１４で後述する
ように触媒下流側空燃比λRを目標空燃比λTG（＝１，
０）に一致させるように空燃比補正係数ＦＡＦを設定し
てステップ１１５に移行する。即ち、ステップ１１４で
は目標空燃比λTGと下流側空燃比センサ２９で検出され
た触媒下流側空燃比λR とに応じて前記した（９）式及
び（１０）式により空燃比補正係数ＦＡＦを算出する。
【００６５】一方、前記ステップ１１２で、空燃比のフ
ィードバック条件が成立していない場合には、ステップ
１１６に進み、空燃比補正係数ＦＡＦを１．０に設定
し、続くステップ１１７で、空燃比のフィードバック実
行中を示すフィードバック実行フラグＸＦをクリアした
後、ステップ１１５に移行する。
ィードバック条件が成立していない場合には、ステップ
１１６に進み、空燃比補正係数ＦＡＦを１．０に設定
し、続くステップ１１７で、空燃比のフィードバック実
行中を示すフィードバック実行フラグＸＦをクリアした
後、ステップ１１５に移行する。
【００６６】そして、ステップ１１５では、基本燃料噴
射量Ｔｐ、空燃比補正係数ＦＡＦ及びその他の補正係数
ＦＡＬＬから燃料噴射量ＴＡＵを次式により算出する。 ＴＡＵ＝Ｔｐ×ＦＡＦ×ＦＡＬＬ
射量Ｔｐ、空燃比補正係数ＦＡＦ及びその他の補正係数
ＦＡＬＬから燃料噴射量ＴＡＵを次式により算出する。 ＴＡＵ＝Ｔｐ×ＦＡＦ×ＦＡＬＬ
【００６７】このようにして設定された燃料噴射量ＴＡ
Ｕに基づく制御信号が燃料噴射弁２０に出力されて噴射
時間（開弁時間）、つまり燃料噴射量が制御され、実際
の空燃比が目標空燃比λTG（＝１，０）に収束するよう
に制御される。
Ｕに基づく制御信号が燃料噴射弁２０に出力されて噴射
時間（開弁時間）、つまり燃料噴射量が制御され、実際
の空燃比が目標空燃比λTG（＝１，０）に収束するよう
に制御される。
【００６８】《空燃比補正係数ＦＡＦの設定処理》図１
１は空燃比補正係数ＦＡＦの設定ルーチンを示すフロー
チャートである。本ルーチンは、前述した図１０のステ
ップ１１４で実行される。本ルーチンの処理が開始され
ると、まずステップ２０１で、フィードバック実行フラ
グＸＦがフィードバック実行中を示す「１」にセットさ
れているか否かを判定する。このフィードバック実行フ
ラグＸＦがセットされていない場合には、図１０のステ
ップｌ１６の処理の実行中に、フィードバック条件が成
立して初めて本ルーチンに移行したとして、ステップ２
０２で初期化処理を実行する。この初期化処理は、例え
ばサンプリング回数を示す変数i を０にセットすると共
に、初期値ＦＡＦ(-1)、ＦＡＦ(-2)及びＦＡＦ(-3)を共
に定数ＦＡＦ0 にセットし、目標空燃比λTGと触媒下流
側空燃比λR(i)との偏差の累積ＺＩ(-1)を定数ＺＩ0 に
セットし、初期値λF(-1) を定数λF0にセットし、初期
値λR(-1) 及びλR(-2) を定数λR0にセットする。
１は空燃比補正係数ＦＡＦの設定ルーチンを示すフロー
チャートである。本ルーチンは、前述した図１０のステ
ップ１１４で実行される。本ルーチンの処理が開始され
ると、まずステップ２０１で、フィードバック実行フラ
グＸＦがフィードバック実行中を示す「１」にセットさ
れているか否かを判定する。このフィードバック実行フ
ラグＸＦがセットされていない場合には、図１０のステ
ップｌ１６の処理の実行中に、フィードバック条件が成
立して初めて本ルーチンに移行したとして、ステップ２
０２で初期化処理を実行する。この初期化処理は、例え
ばサンプリング回数を示す変数i を０にセットすると共
に、初期値ＦＡＦ(-1)、ＦＡＦ(-2)及びＦＡＦ(-3)を共
に定数ＦＡＦ0 にセットし、目標空燃比λTGと触媒下流
側空燃比λR(i)との偏差の累積ＺＩ(-1)を定数ＺＩ0 に
セットし、初期値λF(-1) を定数λF0にセットし、初期
値λR(-1) 及びλR(-2) を定数λR0にセットする。
【００６９】そして、次のステップ２０３で、フィード
バック実行フラグＸＦを「１」にセットしてステップ２
０４に移行する。従って、次回以降に本ルーチンを実行
するときには、フィードバック条件が成立している限
り、ステップ２０１から直接ステップ２０４に移行し、
ステップ２０２の初期化処理が行なわれることはない。
その後、フィードバック条件が不成立になって、図１０
のステップ１０６の処理（ＦＡＦ＝１．０）が実行され
た後に、再びフィードバック条件が成立して図１０のス
テップ１０４に移行すると、再びステップ２０２の初期
化処理が１回のみ実行される。
バック実行フラグＸＦを「１」にセットしてステップ２
０４に移行する。従って、次回以降に本ルーチンを実行
するときには、フィードバック条件が成立している限
り、ステップ２０１から直接ステップ２０４に移行し、
ステップ２０２の初期化処理が行なわれることはない。
その後、フィードバック条件が不成立になって、図１０
のステップ１０６の処理（ＦＡＦ＝１．０）が実行され
た後に、再びフィードバック条件が成立して図１０のス
テップ１０４に移行すると、再びステップ２０２の初期
化処理が１回のみ実行される。
【００７０】図１１のステップ２０４では、上流側空燃
比センサ２８と下流側空燃比センサ２９により検出した
実際の空燃比λF(i)，λR(i)を読み込み、続くステップ
２０５にて、前記（４）式を用いて目標空燃比λTG（＝
１．０）と触媒下流側空燃比λR(i)との偏差ｅ(i) を算
出し、この偏差ｅ(i) を累積して積分項ＺＩ(i) を演算
する。この後、ステップ２０６で、前記（３）式を用い
て前記積分項ＺＩ(i)、最適フィードバックゲインＫ、
状態変数量Ｘ及び状態変数量Ｚ等から空燃比補正係数Ｆ
ＡＦ(i) を演算する。そして、次のステップ２０７で、
次回の処理に備えて、今回の空燃比λF(i)、λR(i)及び
空燃比補正係数ＦＡＦ(i) を、前回の空燃比λF(i-1)、
λR(i-1)及び空燃比補正係数ＦＡＦ(i-1) としてＲＡＭ
３４の所定エリアに更新記憶する。その後、変数i を
「１」インクリメントして、本ルーチンを終了する。
比センサ２８と下流側空燃比センサ２９により検出した
実際の空燃比λF(i)，λR(i)を読み込み、続くステップ
２０５にて、前記（４）式を用いて目標空燃比λTG（＝
１．０）と触媒下流側空燃比λR(i)との偏差ｅ(i) を算
出し、この偏差ｅ(i) を累積して積分項ＺＩ(i) を演算
する。この後、ステップ２０６で、前記（３）式を用い
て前記積分項ＺＩ(i)、最適フィードバックゲインＫ、
状態変数量Ｘ及び状態変数量Ｚ等から空燃比補正係数Ｆ
ＡＦ(i) を演算する。そして、次のステップ２０７で、
次回の処理に備えて、今回の空燃比λF(i)、λR(i)及び
空燃比補正係数ＦＡＦ(i) を、前回の空燃比λF(i-1)、
λR(i-1)及び空燃比補正係数ＦＡＦ(i-1) としてＲＡＭ
３４の所定エリアに更新記憶する。その後、変数i を
「１」インクリメントして、本ルーチンを終了する。
【００７１】以上説明した実施形態によれば、燃料噴射
弁２０から下流側空燃比センサ２９までの制御対象に近
似して設定された制御モデルのうちの触媒モデルとし
て、触媒２７内における流入ガス成分の吸着反応、流入
ガス成分と触媒内吸着物質との酸化還元反応、触媒内吸
着物質の離脱反応及び流入ガス成分の未反応部分の存在
を全て考慮に入れて設定されたモデルを使用し、この触
媒モデルを含む制御モデルに対する現在及び過去の入出
力を状態量とし、触媒下流側の空燃比λR を目標空燃比
λTGに制御すべく状態フィードバックを実行して燃料噴
射弁２０の噴射量ひいては空燃比を制御する。これによ
り、触媒２７内の吸着状態を適正に反映させた精度の良
い空燃比制御を行うことができる。
弁２０から下流側空燃比センサ２９までの制御対象に近
似して設定された制御モデルのうちの触媒モデルとし
て、触媒２７内における流入ガス成分の吸着反応、流入
ガス成分と触媒内吸着物質との酸化還元反応、触媒内吸
着物質の離脱反応及び流入ガス成分の未反応部分の存在
を全て考慮に入れて設定されたモデルを使用し、この触
媒モデルを含む制御モデルに対する現在及び過去の入出
力を状態量とし、触媒下流側の空燃比λR を目標空燃比
λTGに制御すべく状態フィードバックを実行して燃料噴
射弁２０の噴射量ひいては空燃比を制御する。これによ
り、触媒２７内の吸着状態を適正に反映させた精度の良
い空燃比制御を行うことができる。
【００７２】ところで、燃料噴射弁２０から下流側空燃
比センサ２９までの制御対象全体を一括してモデル化す
ると、系全体が大きくなり過ぎて、却って制御精度が低
下してしまう。
比センサ２９までの制御対象全体を一括してモデル化す
ると、系全体が大きくなり過ぎて、却って制御精度が低
下してしまう。
【００７３】そこで、上記実施形態では、触媒２７の上
流側に上流側空燃比センサ２８を設け、制御対象の中間
位置における信頼性の高いセンサ情報として上流側空燃
比センサ２８により検出された触媒上流側空燃比λF を
利用し、燃料噴射弁２０から上流側空燃比センサ２８ま
での系と、触媒２７から下流側空燃比センサ２９までの
系とに分割してモデル化している。これにより、モデル
が適度な大きさとなり、高精度な状態フィードバックが
可能となる。
流側に上流側空燃比センサ２８を設け、制御対象の中間
位置における信頼性の高いセンサ情報として上流側空燃
比センサ２８により検出された触媒上流側空燃比λF を
利用し、燃料噴射弁２０から上流側空燃比センサ２８ま
での系と、触媒２７から下流側空燃比センサ２９までの
系とに分割してモデル化している。これにより、モデル
が適度な大きさとなり、高精度な状態フィードバックが
可能となる。
【００７４】また、上記実施形態の触媒モデルでは、触
媒２７に流入・流出する量、離脱量と未反応成分量につ
いて、それぞれリーン成分とリッチ成分とを正負反対の
符号で表すようにしたので、符号によってリーン成分か
リッチ成分かを簡単に判別でき、演算処理を簡単にする
ことができる。
媒２７に流入・流出する量、離脱量と未反応成分量につ
いて、それぞれリーン成分とリッチ成分とを正負反対の
符号で表すようにしたので、符号によってリーン成分か
リッチ成分かを簡単に判別でき、演算処理を簡単にする
ことができる。
【００７５】更に、上記実施形態では、触媒流入ガス成
分及び触媒内吸着物質がリーン成分かリッチ成分かによ
って触媒２７内での反応形態を推定し、反応形態毎に触
媒モデルのパラメータを切り替えるので、反応形態に応
じた最適の触媒モデルで演算でき、触媒流出ガス成分を
精度良く算出することができる。
分及び触媒内吸着物質がリーン成分かリッチ成分かによ
って触媒２７内での反応形態を推定し、反応形態毎に触
媒モデルのパラメータを切り替えるので、反応形態に応
じた最適の触媒モデルで演算でき、触媒流出ガス成分を
精度良く算出することができる。
【００７６】しかも、反応形態毎又は触媒モデルのパラ
メータ切替毎にフィードバックゲインを切り替えるの
で、反応形態毎又は触媒モデルのパラメータ切替毎にフ
ィードバックゲインを最適なゲインに設定でき、フィー
ドバック特性を向上できる。
メータ切替毎にフィードバックゲインを切り替えるの
で、反応形態毎又は触媒モデルのパラメータ切替毎にフ
ィードバックゲインを最適なゲインに設定でき、フィー
ドバック特性を向上できる。
【図１】本発明の一実施形態を示すエンジン制御システ
ム全体の概略構成図
ム全体の概略構成図
【図２】触媒モデルを示すブロック線図
【図３】燃料噴射弁から上流側空燃比センサまでをモデ
ル化したブロック線図
ル化したブロック線図
【図４】流入ガスの空燃比と浄化率との関係を示す図
【図５】流入ガスモル数演算ルーチンの処理の流れを示
すフローチャート
すフローチャート
【図６】流入ガスの空燃比と各成分の濃度との関係を示
す図
す図
【図７】触媒から下流側空燃比センサまでをモデル化し
たブロック線図
たブロック線図
【図８】触媒から下流側空燃比センサまでの伝達関数を
示す図
示す図
【図９】現代制御の状態フィードバックを示すブロック
線図
線図
【図１０】燃料噴射量演算ルーチンの処理の流れを示す
フローチャート
フローチャート
【図１１】ＦＡＦ設定ルーチンの処理の流れを示すフロ
ーチャート
ーチャート
１１…エンジン（内燃機関）、１２…吸気管（吸気通
路）、１７…吸気管圧力センサ、２０…燃料噴射弁（燃
料噴射手段）、２６…排気管（排気通路）、２７…触
媒、２８…上流側空燃比センサ（上流側空燃比検出手
段）、２９…下流側空燃比センサ（下流側空燃比検出手
段）、３０…電子制御回路（噴射量演算手段，反応形態
推定手段，パラメータ切替手段，フィードバックゲイン
切替手段）。
路）、１７…吸気管圧力センサ、２０…燃料噴射弁（燃
料噴射手段）、２６…排気管（排気通路）、２７…触
媒、２８…上流側空燃比センサ（上流側空燃比検出手
段）、２９…下流側空燃比センサ（下流側空燃比検出手
段）、３０…電子制御回路（噴射量演算手段，反応形態
推定手段，パラメータ切替手段，フィードバックゲイン
切替手段）。
フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０５Ｂ 13/02 Ｇ０５Ｂ 13/04 13/04 Ｂ０１Ｄ 53/36 ＺＡＢＢ
Claims (5)
- 【請求項１】 内燃機関の吸気通路に配設され、燃料を
噴射する燃料噴射手段と、 内燃機関の排気通路に配設され、排出ガスを浄化する触
媒と、 前記触媒の下流側において排出ガスの空燃比を検出する
下流側空燃比検出手段と、 前記燃料噴射手段から前記下流側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対する現在
及び過去の入出力を状態量とし、触媒下流側の空燃比を
目標空燃比に制御すべく状態フィードバックを実行して
前記燃料噴射手段の噴射量を演算する噴射量演算手段と
を備え、 前記噴射量演算手段は、前記制御モデルのうちの触媒モ
デルとして、前記触媒内における流入ガス成分の吸着反
応、流入ガス成分と触媒内吸着物質との酸化還元反応、
触媒内吸着物質の離脱反応及び流入ガス成分の未反応部
分の存在を考慮に入れて設定されたモデルを使用するこ
とを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。 - 【請求項２】 前記触媒の上流側において排出ガスの空
燃比を検出する上流側空燃比検出手段を備え、 前記噴射量演算手段は、前記上流側空燃比検出手段によ
り検出された触媒上流側の空燃比を含む現在及び過去の
入出力を状態量とし、触媒下流側の空燃比を目標空燃比
に制御すべく状態フィードバックを実行して、前記燃料
噴射手段の噴射量を演算す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】 前記触媒モデルは、前記触媒に流入・流
出する量、離脱量と未反応成分量について、それぞれリ
ーン成分とリッチ成分とを正負反対の符号で表すことを
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。 - 【請求項４】 触媒流入ガス成分及び触媒内吸着物質が
リーン成分かリッチ成分かで触媒内での反応形態を推定
する反応形態推定手段と、 前記反応形態毎に前記触媒モデルのパラメータを切り替
えるパラメータ切替手段とを備えていることを特徴とす
る請求項３に記載の内燃機関の空燃比制御装置。 - 【請求項５】 前記反応形態毎又は前記触媒モデルのパ
ラメータ切替毎にフィードバックゲインを切り替えるフ
ィードバックゲイン切替手段を備えていることを特徴と
する請求項４に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33133495A JP3591671B2 (ja) | 1995-12-20 | 1995-12-20 | 内燃機関の空燃比制御装置 |
| US08/673,123 US5784879A (en) | 1995-06-30 | 1996-07-01 | Air-fuel ratio control system for internal combustion engine |
| DE19626405A DE19626405B4 (de) | 1995-06-30 | 1996-07-01 | Luft/Kraftstoff-Verhältnis-Steuervorrichtung für einen Verbrennungsmotor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP33133495A JP3591671B2 (ja) | 1995-12-20 | 1995-12-20 | 内燃機関の空燃比制御装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09170473A true JPH09170473A (ja) | 1997-06-30 |
| JP3591671B2 JP3591671B2 (ja) | 2004-11-24 |
Family
ID=18242528
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP33133495A Expired - Fee Related JP3591671B2 (ja) | 1995-06-30 | 1995-12-20 | 内燃機関の空燃比制御装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3591671B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002081344A (ja) * | 2000-06-20 | 2002-03-22 | Denso Corp | 内燃機関の空燃比制御装置 |
| JP2010059878A (ja) * | 2008-09-04 | 2010-03-18 | Toyota Motor Corp | 車載内燃機関の排気浄化装置 |
-
1995
- 1995-12-20 JP JP33133495A patent/JP3591671B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002081344A (ja) * | 2000-06-20 | 2002-03-22 | Denso Corp | 内燃機関の空燃比制御装置 |
| JP2010059878A (ja) * | 2008-09-04 | 2010-03-18 | Toyota Motor Corp | 車載内燃機関の排気浄化装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3591671B2 (ja) | 2004-11-24 |
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