JP2005337194A - 多気筒内燃機関の気筒別空燃比算出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】気筒別空燃比の算出に適した信号処理を実施し、ひいては気筒別空燃比を精度良く算出する。
【解決手段】Ａ／Ｆセンサ１３の検出信号はバンドパスフィルタ処理部１４に取り込まれ、該バンドパスフィルタ処理部１４にてバンドパスフィルタ処理が施された後、空燃比偏差算出部２０に取り込まれる。空燃比偏差算出部２０では、バンドパスフィルタ処理後のセンサ検出信号から算出した検出空燃比と別途設定した目標空燃比との偏差が算出される。空燃比偏差算出部２０で算出された空燃比偏差は気筒別空燃比推定部２４に入力され、この気筒別空燃比推定部２４において気筒別空燃比が推定される。気筒別空燃比推定部２４では、排気マニホールド１２の排気集合部１２ｂにおけるガス交換に着目したモデルを用い、Ａ／Ｆセンサ１３の検出信号に基づいて気筒別空燃比が推定される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、多気筒内燃機関の気筒別空燃比算出装置に係り、詳しくは、多気筒内燃機関の排気集合部に設置した空燃比センサを用い、そのセンサ検出信号に基づいて気筒毎の空燃比を好適に算出するための技術に関するものである。

従来から、内燃機関の排気空燃比を検出して目標の空燃比になるように燃料噴射量を制御する空燃比制御装置が提案されているが、多気筒内燃機関の場合、吸気マニホールド形状や吸気バルブの動作などにより、気筒間の吸入空気量にばらつきが生じる。また、気筒毎に燃料噴射弁を設けて個別に燃料噴射を行うＭＰＩ（マルチポイントインジェクション）方式の場合、燃料噴射装置の個体差などから気筒間の燃料量にばらつきが生じる。これらの気筒間ばらつきに起因して燃料噴射量制御の精度悪化が生じるため、例えば特許文献１（特許第２７１７７４４号公報）では、排気集合部の空燃比を燃焼履歴に所定の重みを乗じた加重平均としてモデル化し、内部状態量を燃焼履歴としてオブザーバのような空燃比推定手段により気筒毎の空燃比ばらつきを推定するようにしている。また、外乱等により気筒毎空燃比ばらつきの推定精度が悪化すると燃料噴射量制御の精度も悪化するため、空燃比推定手段の精度悪化を抑制する技術として、例えば特許文献２（特開平１０−４７１３１号公報）のように、排気集合部の空燃比検出値に対してローパスフィルタにより高周波ノイズを取り除く処理を追加したものが存在する。

しかしながら、従来技術においては以下に挙げる課題が存在する。第１の課題としては、排気集合部の空燃比検出値に対して、気筒毎の空燃比ばらつきの推定に必要でない低周波側の変動を取り除く処理が施されていないことが挙げられる。この低周波側の変動は内燃機関の運転状態の過渡時等に発生するものである。また第２の課題としては、推定に必要な周波数域が運転状態によって変化するにもかかわらず、運転状態に基づくフィルタ処理を施していないため、気筒毎の空燃比ばらつきの推定に必要でない信号を十分に取り除くことができていないことが挙げられる。これらの課題により、気筒別空燃比の推定精度が低下するという問題が生じる。
特許第２７１７７４４号公報 特開平１０−４７１３１号公報

本発明は、気筒別空燃比の算出に適した信号処理を実施し、ひいては気筒別空燃比を精度良く算出することができる多気筒内燃機関の気筒別空燃比算出装置を提供することを主たる目的とするものである。

請求項１に記載の発明では、空燃比センサのセンサ検出信号に対してフィルタ処理を施して気筒別空燃比の算出に必要な信号を抽出し、該抽出した信号をもとに気筒別空燃比を算出することとしている。かかる構成によれば、空燃比センサのセンサ検出信号において気筒別空燃比の算出に必要でない周波数域の信号を取り除いて気筒別空燃比の算出を行うことができ、外乱等による気筒別空燃比の算出精度の悪化を防止することができるようになる。

請求項２に記載の発明では、フィルタ処理手段により、所定周波数よりも低周波数の信号の影響を抑制している。これにより、気筒別空燃比の算出に必要でない低周波側の信号の影響を抑制することができ、外乱等による気筒別空燃比の算出精度の悪化を防止することができるようになる。

請求項３に記載の発明では、フィルタ処理手段により、所定周波数よりも低周波数の信号に加え、所定周波数よりも高周波数の信号の影響を抑制している。これにより、気筒別空燃比の算出に必要でない低周波及び高周波側の信号の影響を抑制することができ、外乱等による気筒別空燃比の算出精度の悪化をより好適に防止することができるようになる。

請求項４に記載の発明では、空燃比センサのセンサ検出信号に対して、多気筒内燃機関のクランク軸の回転に同期した可変フィルタ処理を施し、該フィルタ通過後の信号をもとに気筒別空燃比を算出することとしている。かかる構成によれば、空燃比センサのセンサ検出信号において気筒別空燃比の算出に必要な周波数域の信号をエンジン回転速度の変化に同期して好適に抽出することができ、外乱等による気筒別空燃比の算出精度の悪化を防止することができるようになる。

請求項５に記載の発明では、多気筒内燃機関のクランク軸の回転に同期した可変フィルタ処理において、多気筒内燃機関のクランク角７２０度回転周期よりも低周波数の信号の影響を抑制している。これにより、気筒毎の燃焼間隔（クランク角７２０度間隔）よりも低周波の信号の影響を抑制することができ、気筒別空燃比の算出に必要でない周波数の信号（ノイズと考えられる）を内燃機関の回転速度に応じて好適に取り除くことができる。

請求項６に記載の発明では、多気筒内燃機関のクランク軸の回転に同期した可変フィルタ処理において、多気筒内燃機関の燃焼間隔よりも高周波数の信号の影響を抑制している。これにより、排気集合部において燃焼間隔毎（４気筒ではクランク角１８０度間隔毎）に各気筒のガスが混合されることによりセンサ検出信号が変動する際に、その変動よりも高周波の信号の影響を好適に抑制することができる。前記可変フィルタ処理を請求項５と請求項６に記載した両方の特性をもつものとして構成すれば、高周波側のノイズと低周波側のノイズとが共に好適に排除できる。

請求項７に記載の発明では、空燃比センサのセンサ検出信号に対して、多気筒内燃機関の使用運転領域に基づき設計したフィルタ処理を施し、該フィルタ通過後の信号をもとに気筒別空燃比を算出することとしている。かかる構成によれば、空燃比センサのセンサ検出信号において気筒別空燃比の算出に必要な周波数域の信号を、内燃機関の使用運転領域に基づき設計したフィルタ処理で好適に抽出することができ、外乱等による気筒別空燃比の算出精度の悪化を防止することができるようになる。本構成では特に、フィルタ処理手段を周波数固定のフィルタとしても所望の効果を得ることができる。

請求項８に記載の発明では、フィルタ処理手段により、多気筒内燃機関のアイドル回転速度におけるクランク角７２０度間隔よりも低周波数の信号の影響を抑制している。これにより、気筒毎の燃焼間隔（クランク角７２０度間隔）の最大値を周期とする信号よりも低周波の信号の影響を抑制することができ、気筒別空燃比の算出に必要でない周波数の信号（ノイズと考えられる）を好適に取り除くことができる。

請求項９に記載の発明では、フィルタ処理手段により、多気筒内燃機関の最高回転速度における燃焼間隔よりも高周波数の信号の影響を抑制している。これにより、燃焼間隔（４気筒ではクランク角１８０度間隔）の最小値を周期とする信号よりも高周波の信号の影響を抑制することができ、気筒別空燃比の算出に必要でない周波数の信号（ノイズと考えられる）を好適に取り除くことができる。また、前記フィルタ処理を請求項８と請求項９に記載した両方の特性をもつものとして構成すれば、高周波側のノイズと低周波側のノイズとが共に好適に排除できる。

ここで、空燃比センサのセンサ検出値に基づいて空燃比フィードバック制御を実施すると共に、気筒別空燃比算出装置により算出した気筒別空燃比に基づいて気筒別の空燃比補正処理を実施する空燃比制御装置では、請求項１０に記載したように、気筒別空燃比の算出には、フィルタ処理手段によるフィルタ処理を施した信号を用いるのに対し、空燃比フィードバック制御には、フィルタ処理手段によるフィルタ処理を施していない信号を用いると良い。つまり、空燃比センサの検出信号には低周波の変動成分が含まれるが、気筒別空燃比の算出に用いるセンサ検出信号と同様、空燃比フィードバック制御に用いるセンサ検出信号にも前記フィルタ処理を施すと、前記低周波の変動成分も除去されてしまい、空燃比偏差が正確に算出できなくなることも考えられる。これに対して請求項１０の構成によれば、空燃比フィードバック制御に用いるセンサ検出信号にはフィルタ処理が施されないため、当該フィードバック制御が好適に実施できる。

以下、本発明を具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態では、多気筒内燃機関である車載４気筒ガソリンエンジンを対象にエンジン制御システムを構築し、当該制御システムにおいてはエンジン制御用電子制御ユニット（以下、エンジンＥＣＵという）を中枢として燃料噴射量の制御や点火時期の制御等を実施することとしている。先ずは、図１を用いて本制御システムの主要な構成を説明する。

図１において、エンジン１０の吸気ポート近傍には気筒毎に電磁駆動式の燃料噴射弁１１が取り付けられている。燃料噴射弁１１からエンジン１０に燃料が噴射供給されると、各気筒の吸気ポートでは吸入空気と燃料噴射弁１１による噴射燃料とが混合されて混合気が形成され、この混合気が吸気バルブ（図示略）の開放に伴い各気筒の燃焼室に導入されて燃焼に供される。

エンジン１０で燃焼に供された混合気は、排気バルブ（図示略）の開放に伴い排気として排気マニホールド１２を介して排出される。排気マニホールド１２は気筒毎に分岐した分岐部１２ａとそれら各分岐部１２ａを集合させた排気集合部１２ｂとよりなり、排気集合部１２ｂには混合気の空燃比を検出するためのＡ／Ｆセンサ１３が設けられている。Ａ／Ｆセンサ１３は「空燃比センサ」に相当するものであって、広域の空燃比をリニアに検出する。また、クランク角センサ１５はエンジンの所定クランク角毎にクランク角信号を出力するものであり、エンジン回転速度算出部１６により回転速度が算出される。

図示は省略するが、本制御システムでは、前記Ａ／Ｆセンサ１３以外にも吸気管負圧を検出する吸気管負圧センサ、エンジン水温を検出する水温センサなど各種センサが設けられており、Ａ／Ｆセンサ１３の検出信号と同様、各種センサの検出信号もエンジンＥＣＵに適宜入力されるようになっている。

上記構成のエンジン１０では、Ａ／Ｆセンサ１３の検出信号に基づいて空燃比が算出され、その算出値が目標値に一致するよう気筒毎の燃料噴射量がＦ／Ｂ（フィードバック）制御される。空燃比Ｆ／Ｂ制御の基本構成を図１で説明すれば、空燃比偏差算出部２１では、Ａ／Ｆセンサ１３の検出信号から算出した検出空燃比と別途設定した目標空燃比との偏差が算出され、空燃比Ｆ／Ｂ制御部２２では、その偏差に基づいて空燃比補正係数が算出される。そして、噴射量算出部２３では、エンジン回転速度やエンジン負荷（例えば吸気管負圧）等に基づいて算出されたベース噴射量や前記空燃比補正係数などから最終噴射量が算出され、その最終噴射量により燃料噴射弁１１が制御される。

図１３は、空燃比Ｆ／Ｂ制御を実現するための燃料噴射制御処理を示すフローチャートであり、本処理は所定の時間周期でエンジンＥＣＵにより実行される。

図１３において、先ずステップＳ２０１では、例えば基本噴射量マップ等を用い、その都度のエンジン回転数や負荷等の運転状態パラメータに基づいて基本燃料噴射量ＴＰを算出する。続くステップＳ２０２では、空燃比Ｆ／Ｂの実行条件が成立しているか否かを判別する。かかる実行条件は、エンジン冷却水温が所定温度以上であること、エンジン運転状態が高回転・高負荷領域ではないこと等であり、これらの条件を全て満たしたときにＦ／Ｂ実行条件が成立する。実行条件不成立の場合、ステップＳ２０３に進み、空燃比補正係数ＦＡＦを１．０とする。この場合、空燃比のＦ／Ｂ補正は行われないこととなる。

また、空燃比Ｆ／Ｂの実行条件成立の場合、ステップＳ２０４では、Ａ／Ｆセンサ１３の出力に基づいて算出した実空燃比と所定目標空燃比との偏差に応じて空燃比補正係数ＦＡＦを算出する。なお、空燃比補正係数ＦＡＦの算出には任意のＦ／Ｂ手法を用いることができ、例えばＰＩＤ等、周知の手法を用いて空燃比補正係数ＦＡＦが算出される。続くステップＳ２０５では、後述する気筒別空燃比制御を実施し気筒別空燃比補正係数ＦＡＦcyl[i]の算出を行う。

気筒別空燃比補正係数の算出後、ステップＳ２０６では、上記補正以外の各種の補正係数ＦＡＬＬ（例えば冷却水温補正係数、学習補正係数、加減速時の補正係数等）を算出すると共に、基本燃料噴射量ＴＰ、空燃比補正係数ＦＡＦ、気筒別空燃比補正係数ＦＡＦcyl[i]及び他の各種補正係数ＦＡＬＬを用いて気筒毎の要求燃料噴射量ＴＡＵ[i]を算出し、その後本処理を終了する（ＴＡＵ[i]＝ＴＰ×ＦＡＦ×ＦＡＦcyl[i]×ＦＡＬＬ）。

上述した空燃比Ｆ／Ｂ制御は、排気マニホールド１２の排気集合部１２ｂで検出した空燃比情報に基づいて各気筒の燃料噴射量（空燃比）を制御するものであるが、現実には気筒毎に空燃比がばらつくため、Ａ／Ｆセンサ１３の検出値から気筒別空燃比を推定し、その気筒別空燃比に基づいて気筒別空燃比制御を実施する。その詳細を以下に説明する。

図１に示すように、Ａ／Ｆセンサ１３の検出信号はバンドパスフィルタ処理部１４に取り込まれ、該バンドパスフィルタ処理部１４にてバンドパスフィルタ処理が施された後、空燃比偏差算出部２０に取り込まれる。空燃比偏差算出部２０では、バンドパスフィルタ処理後のセンサ検出信号から算出した検出空燃比と別途設定した目標空燃比との偏差が算出される。つまり、空燃比偏差算出部２０では、前記空燃比偏差算出部２１と異なり、バンドパスフィルタ処理後のセンサ検出信号から空燃比偏差が算出される。

空燃比偏差算出部２０で算出した空燃比偏差は気筒別空燃比推定部２４に入力され、この気筒別空燃比推定部２４において気筒別空燃比が推定される。気筒別空燃比推定部２４では、排気マニホールド１２の排気集合部１２ｂにおけるガス交換に着目して、Ａ／Ｆセンサ１３の検出値を、排気集合部１２ｂにおける流入ガスの気筒別空燃比の履歴とＡ／Ｆセンサ１３の検出値の履歴とにそれぞれ所定の重みを乗じて加算したものとしてモデル化し、該モデルをもとに空燃比推定手段を設計し気筒別空燃比を推定することとしている。また、本実施の形態では、空燃比推定手段としてカルマンフィルタを用いている。

より具体的には、排気集合部１２ｂにおけるガス交換のモデルを次の（１）式にて近似する。（１）式中、ｙｓはＡ／Ｆセンサ１３の検出値、ｕは排気集合部１２ｂに流入するガスの空燃比、ｋ１〜ｋ４は定数である。

排気系では、排気集合部１２ｂにおけるガス流入及び混合の一次遅れ要素と、Ａ／Ｆセンサ１３の応答による一次遅れ要素とが存在する。そこで、（１）式では、これらの遅れ要素を考慮して過去２回分の履歴を参照することとしている。

上記（１）式を状態空間モデルに変換すると、次の（２）式が得られる。（２）式中、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄはモデルのパラメータ、ＹはＡ／Ｆセンサ１３の検出値、Ｘは状態変数としての気筒別空燃比、Ｗはノイズである。

更に、上記（２）式によりカルマンフィルタを設計すると、次の（３）式が得られる。（３）式中、Ｘ＾（エックスハット）は推定値としての気筒別空燃比、Ｋはカルマンゲインである。Ｘ＾（ｋ＋１｜ｋ）の表記は時間ｋの推定値により時間ｋ＋１の推定値を求めることを表す。

以上のように、気筒別空燃比推定部２４をカルマンフィルタ型オブザーバにて構成することにより、燃焼サイクルの進行に伴い気筒別空燃比が順次推定できる。なお、図１の構成では、空燃比偏差を気筒別空燃比推定部２４の入力としており、上記（３）式において出力Ｙが空燃比偏差に置き換えられる。

前述したように、気筒別空燃比推定部２４の入力である空燃比偏差は、バンドパスフィルタ処理を施したセンサ検出信号を用いて算出されるようになっており、そのバンドパスフィルタ処理について説明する。本実施の形態では、バンドパスフィルタ処理部１４を、連立チェビシェフ特性（楕円特性）をもつＩＩＲディジタルフィルタにより構成しており、その特性を図２に示す。なおバンドパスフィルタ処理部１４は、他の特性をもつフィルタであってもよい。また、少なくともハイパスフィルタを含む構成であれば、アナログフィルタとして構築してもよい。

エンジン１０の回転速度ｎｅ［ｒｐｍ］に対して、ハイパスカットオフ周波数ωｃ１をｎｅ／１２０［Ｈｚ］、ローパスカットオフ周波数ωｃ２をｎｅ／３０［Ｈｚ］とし、通過帯域リプル（うねり幅）Ｒｐを１．０ｄＢ、阻止帯域リプルＲｓを２０ｄＢとして設計した。この場合、ハイパスカットオフ周波数ωｃ１は、回転速度ｎｅ［ｒｐｍ］でのクランク角７２０度間隔に対応するものとして設定され、ローパスカットオフ周波数ωｃ２は、同じく回転速度ｎｅ［ｒｐｍ］での燃焼間隔（４気筒エンジンの場合１８０°ＣＡ）に対応するものとして設定される。これにより、エンジン１０の燃焼間隔に対応する周波数ωｃ２よりも高周波数の信号と、クランク角７２０度間隔に対応する周波数ωｃ１よりも低周波数の信号とが遮断されるようになっている。

上記フィルタを、回転速度ｎｅに同期する可変フィルタとしてオンラインで実現するための設計手順を図３に基づいて説明する。なお、ここでは説明の簡単化のため２次のフィルタの設計手順を示すが、高次のものも同様に設計できる。ステップＳ１０では、図４の上図に示すアナログ基準ローパスフィルタを設計する。その際に必要な情報は、本実施の形態で用いた連立チェビシェフ特性の場合、フィルタ次数、通過帯域リプル、阻止帯域リプルを決めることにより、伝達関数は（４）式のように定数係数で設計できる。ただし、後でバンドパスフィルタに周波数変換する際に次数が２倍されるためここでは１次のローパスフィルタとする。

ステップＳ２０では、ステップＳ４０の双一次Ｓ−Ｚ変換における写像の際に発生する振幅特性の歪みをあらかじめ補正するために、ハイパスカットオフ周波数ωｃ１とローパスカットオフ周波数ωｃ２に式（５）の変換式で表す周波数プリワーピングを施しておく。ただし、ｆｓはＡ／Ｆセンサ信号のサンプリング周波数である。

プリワーピングを施したカットオフ周波数から、式（６）によりバンドパスフィルタの通過帯域幅ωｂと通過帯域中心周波数ω０を決定する。上述したように、ωｃ１とωｃ２はエンジン回転速度ｎｅの関数とするため、ωｂとω０もエンジン回転速度ｎｅの関数となる。

次に、ステップＳ３０で、図４に示すアナログ基準ローパスフィルタからバンドパスフィルタへの変換を、式（４）に式（７）を代入することにより行うと、式（８）のアナログバンドパスフィルタとなる。ここで、ａ‘１は定数であり、ωｂとω０は式（６）のように回転速度ｎｅの関数である。

最後に、ステップＳ４０において、上記アナログフィルタからディジタルフィルタを算出するために、式（９）の双一次Ｓ−Ｚ変換を施す（式（８）に式（９）を代入する）と、式（１０）の２次ＩＩＲバンドパスフィルタが得られる。

式（１０）の係数は全てａ‘１、ωｂ及びω０で表されるため、ここまでｎｅを変数としてオフラインで設計可能であり、図５に示すようにデジタルバンドパスフィルタを構成する。なお図５中のａ１，ａ２，ｂ０〜ｂ２は上式（１０）の係数であり、全て回転速度ｎｅの関数として表せ、ｔａｎＸの項を適当な次数までのテイラー展開として近似すると、ＥＣＵでの逐次算出が可能である。

また、回転速度ｎｅの高周波振動による上記フィルタ性能の悪化を避けるために、エンジン回転速度算出部１６において適当なローパスフィルタをかけるか若しくはＡ／Ｄ変換時の分解能を大きな値に設定する必要がある。

ここで図６により、上記手法で算出したフィルタの効果を示す。但し、上記手法と同様にして設計した１２次のバンドパスフィルタである。（ａ）が検出空燃比信号の振幅スペクトルであり、（ｂ）がフィルタ通過後の信号の振幅スペクトルである。これらは回転速度ｎｅが２４００ｒｐｍの定常状態での信号であり、通過帯域ωｃ１〜ωｃ２に対応する２０Ｈｚ〜８０Ｈｚ以外の周波数成分すなわち気筒別空燃比の変動に関わりのない周波数成分が効率良く除去されている。なお、フィルタ次数はより低次若しくは高次のものとして構築しても良い。

図７には、センサ検出信号についてバンドパスフィルタ通過前の信号波形（ａ）と、バンドパスフィルタ通過後の信号波形（ｂ）とを示している。（ａ）に示すように、バンドパスフィルタ通過前のセンサ検出信号には、各気筒の燃焼に伴う燃焼周期の気筒別変動に、ノイズ等による高周波成分と低周波の変動成分（うねり成分）とが重畳している。これに対し、（ｂ）に示すように、バンドパスフィルタ通過後のセンサ検出信号は、気筒別空燃比の変化に無関係なノイズ等の高周波成分や低周波のうねり成分が除去されたものとなっている。

図１の説明に戻り、基準空燃比算出部２５では、前記気筒別空燃比推定部２４で推定した気筒別空燃比に基づいて基準空燃比が算出される。ここでは、気筒別空燃比の全気筒平均（本実施の形態では第１〜第４気筒の平均値）を基準空燃比としており、新たに気筒別空燃比が算出される度に基準空燃比が更新される。気筒別空燃比偏差算出部２６では、気筒別空燃比と基準空燃比との偏差（気筒別空燃比偏差）が算出される。

気筒別空燃比制御部２７では、気筒別空燃比偏差算出部２６で算出した偏差に基づいて気筒別補正量が算出され、その気筒別補正量により各気筒の最終噴射量が補正される。気筒別空燃比制御部２７のより詳しい構成を図８で説明する。

図８において、気筒毎に算出された気筒別空燃比偏差（図１の気筒別空燃比偏差算出部２６の出力）は、第１〜第４の各気筒の補正量算出部３１，３２，３３，３４にそれぞれ入力される。各補正量算出部３１〜３４では、気筒別空燃比偏差に基づいて気筒間の空燃比ばらつきが解消されるように、すなわち、該当する気筒の気筒別空燃比が基準空燃比に一致するようにして気筒別補正量が算出される。このとき、各気筒の補正量算出部３１〜３４で算出された気筒別補正量は全て補正量平均値算出部３５に取り込まれ、第１気筒〜第４気筒の各気筒別補正量の平均値が算出される。そして、その補正量平均値により第１気筒〜第４気筒の各気筒別補正量が減量補正される。結果この補正後の気筒別補正量により各気筒の最終噴射量が補正される。

上述したバンドパスフィルタ処理部１４、エンジン回転速度算出部１６、空燃比偏差算出部２０，２１、空燃比Ｆ／Ｂ制御部２２、噴射量算出部２３、気筒別空燃比推定部２４、基準空燃比算出部２５、気筒別空燃比偏差算出部２６及び気筒別空燃比制御部２７は、エンジンＥＣＵ内のマイクロコンピュータにより実現されれば良く、次に、エンジンＥＣＵによる気筒別空燃比制御の一連の流れをフローチャートに基づいて説明する。図９は、所定のクランク角度毎（本実施の形態では３０°ＣＡ毎）に実行されるクランク角同期ルーチンを示すフローチャートである。

図９において、先ずステップＳ１１０では、気筒別空燃比制御を許可又は禁止するための実行条件判定処理を実施する。実行条件判定処理を図１０に基づいて詳しく説明すれば、ステップＳ１１１では、Ａ／Ｆセンサ１３が使用可能な状態であるか否かを判別する。具体的には、Ａ／Ｆセンサ１３が活性化していること、フェイルしていないこと等を判別する。また、ステップＳ１１２では、エンジン水温が所定温度（例えば７０℃）以上であるか否かを判別する。そして、Ａ／Ｆセンサ１３が使用可能であり且つエンジン水温が所定温度以上であれば、ステップＳ１１３に進む。

ステップＳ１１３では、回転速度とエンジン負荷（例えば吸気管負圧）とをパラメータとする運転領域マップを参照し、今現在のエンジン運転状態が実行領域にあるかどうかを判定する。このとき、高回転域又は低負荷域では気筒別空燃比の推定が困難である、又は推定値の信頼性が低いと考えられるため、かかる運転領域で気筒別空燃比制御が禁止されるようにして、図示の如く実行領域が設定されている。

今現在のエンジン運転状態が実行領域にあれば、ステップＳ１１４を肯定判別し、ステップＳ１１５で実行フラグをＯＮする。実行領域になければ、ステップＳ１１４を否定判別し、ステップＳ１１６で実行フラグをＯＦＦする。その後本処理を終了する。

図９の説明に戻り、ステップＳ１２０では、実行フラグがＯＮであるか否かを判別し、実行フラグがＯＦＦの場合、ステップＳ１６０に進み、気筒別補正量としての気筒別空燃比補正係数ＦＡＦcylを１．０とする。この場合、気筒別空燃比補正は行われないこととなる。実行フラグがＯＮである場合にステップＳ１３０に進む。ステップＳ１３０では、気筒別空燃比の制御タイミングを決定する。このとき、エンジン負荷（例えば吸気管負圧）をパラメータとするマップを参照し、その時のエンジン負荷に応じて基準クランク角度を決定する。当該マップでは、低負荷域で基準クランク角度が遅角側にシフトされるようになっている。つまり、低負荷域では排気流速が遅くなることが考えられ、故にその遅延分に合わせて基準クランク角度が設定され、その基準クランク角度に基づいて制御タイミングが決定されるようになっている。

ここで、基準クランク角度は、気筒別空燃比の推定に用いるＡ／Ｆセンサ値（フィルタ処理を施したもの、以降も同様）を取得するための基準角度位置であり、これはエンジン負荷に応じて変動する。図１２で説明すれば、Ａ／Ｆセンサ値は気筒間の個体差等により変動し、クランク角に同期した所定パターンとなる。この変動パターンはエンジン負荷が小さい場合に遅角側にシフトする。例えば図のａ，ｂ，ｃ，ｄの各タイミングでＡ／Ｆセンサ値を取得したい場合に、負荷変動が生じるとＡ／Ｆセンサ値が本来欲しい値からずれるが、上記の通り基準クランク角度が可変設定されることにより最適なタイミングでＡ／Ｆセンサ値が取得できる。但し、Ａ／Ｆセンサ値を取り込むこと（例えばＡ／Ｄ変換すること）自体は、必ずしも上記基準クランク角度のタイミングに限定されず、この基準クランク角度よりも短い間隔で実施される構成であっても良い。

その後、気筒別空燃比の制御タイミング（ステップＳ１４０がＹＥＳ）であることを条件にステップＳ１５０に進み、気筒別空燃比補正処理を実行する。気筒別空燃比補正処理を図１１に基づいて説明する。この図１１の処理では、気筒別補正量としての気筒別空燃比補正係数ＦＡＦcylが算出される。

図１１において、ステップＳ１５１では、Ａ／Ｆセンサ１３の検出信号を読み込み、ステップＳ１５２ではバンドパスフィルタ処理を実施する。その際、該フィルタのカットオフ周波数はエンジン回転速度算出部１６により算出されるエンジン回転速度ｎｅにより逐次算出される。続くステップＳ１５３では、前記フィルタ処理後の信号から算出した空燃比に基づいて気筒別空燃比を推定する。気筒別空燃比の推定手法については既述の通りである。

その後、ステップＳ１５４では、前記推定した気筒別空燃比の全気筒分（本実施の形態では過去４気筒分）の平均値を算出し、その平均値を基準空燃比とする。最後に、ステップＳ１５５では、気筒別空燃比と基準空燃比との差に応じて気筒毎に気筒別補正量（気筒別空燃比補正係数ＦＡＦcyl）を算出する。なおこのとき、前記図８で説明したように、全気筒の気筒別補正量が各々算出されると共に全気筒平均値が算出され、気筒別補正量から全気筒平均値を減算した値が、最終的に気筒別補正量とされるようになっている。そして、この気筒別補正量を用いて気筒毎に最終噴射量が補正される。

以上詳述した本実施の形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

Ａ／Ｆセンサ１３の検出信号に対してバンドパスフィルタ処理を施し、該フィルタ処理後の信号をもとに気筒別空燃比を推定するようにしたため、センサ検出信号において気筒別空燃比の推定に必要な周波数域の信号を抽出することができ、外乱等による気筒別空燃比の推定精度の悪化を防止することができるようになる。ひいては空燃比制御の制御性が向上し、排気エミッションの改善等が実現できる。

Ａ／Ｆセンサ１３の検出信号に適用するバンドパスフィルタ処理部１４を、エンジン１０の回転速度に同期する燃焼間隔よりも高周波数の信号及びクランク角７２０度間隔よりも低周波数の信号を遮断する可変フィルタとして構築したため、排気集合部において燃焼間隔毎に気筒別のガスが混合することによりＡ／Ｆセンサ１３のセンサ検出信号が変動する際、その変動よりも高周波の信号及び気筒毎の燃焼間隔よりも低周波の信号を除去することができる。これにより、気筒別空燃比推定に必要でない周波数の信号（ノイズと考えられる）を好適に取り除くことができる。

なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施しても良い。

バンドパスフィルタ処理のハイパスカットオフ周波数とローパスカットオフ周波数を、エンジン回転速度の使用領域を考慮した所定の固定値としてフィルタを構築しても良い。この場合、バンドパスフィルタ処理部を、エンジンのアイドル回転速度におけるクランク角７２０度間隔よりも低周波数の信号、及びエンジンの最高回転速度における燃焼間隔よりも高周波数の信号の影響を抑制するものとして構成すると良い。これにより、気筒別空燃比の推定に必要でない周波数の信号を好適に取り除くことができる。

上記実施の形態では、Ａ／Ｆセンサ１３の検出信号に対してバンドパスフィルタ処理を施し、該フィルタ処理後の信号をもとに気筒別空燃比を推定する構成としたが、バンドパスフィルタ処理に代えて、ハイパスフィルタ処理を採用しても良い。本構成としても、Ａ／Ｆセンサ１３の検出信号に含まれる低周波側の変動成分（うねり成分）が除去され、結果として気筒別空燃比の推定精度が向上する。ハイパスフィルタのカットオフ周波数の設定は上記した通りである。

空燃比Ｆ／Ｂ制御において、気筒別空燃比（推定値）に基づいて気筒間の空燃比ばらつき量としての気筒別空燃比偏差（例えば気筒別空燃比から全気筒平均値を減算した値）を算出し、該算出した気筒別空燃比偏差に応じて空燃比Ｆ／Ｂ制御におけるＦ／Ｂゲインを可変設定する。例えば、気筒別空燃比偏差が所定値以上の場合に、Ｆ／Ｂゲインを減補正する。要するに、通常の空燃比Ｆ／Ｂ制御では気筒間の空燃比ばらつきが無い状態で最適にマッチングがとられており、気筒間の空燃比ばらつきによってモデル化誤差や外乱が大きくなり安定性が悪化するおそれがある。これに対し本構成によれば、気筒間の空燃比ばらつきを考慮した空燃比Ｆ／Ｂ制御が実現でき、制御の安定性が確保できる。

上記実施の形態では、気筒別空燃比の推定値に基づいて燃料噴射量を制御したが、これに代えて吸入空気量を制御するようにしても良い。何れにしても空燃比が精度良くＦ／Ｂ制御されるものであれば良い。

複数の気筒ずつで排気通路が集合される構成とした多気筒内燃機関であれば、任意の型式のエンジンに本発明が適用できる。例えば、６気筒エンジンにおいて３気筒ずつ二つに分けて排気系が構成される場合、各排気系の集合部に空燃比センサがそれぞれ配設されるとともに、各排気系でそれぞれ上記の通り気筒別空燃比が算出されると良い。

発明の実施の形態におけるエンジン制御システムの概略を示す構成図である。 バンドパスフィルタの特性図である。 ディジタルフィルタ設計手順を示すフローチャートである。 基準ローパスフィルタからバンドパスフィルタへの周波数変換を示す図である。 ２次ＩＩＲバンドパスフィルタの構成図である。 フィルタ通過前後の信号の周波数スペクトル図である。 バンドパスフィルタ通過前、通過後のセンサ検出信号を示す波形図である。 気筒別空燃比制御部の構成を示すブロック図である。 クランク角同期ルーチンを示すフローチャートである。 実行条件判定処理を示すフローチャートである。 気筒別空燃比補正処理を示すフローチャートである。 Ａ／Ｆセンサ値とクランク角との関係を示すタイムチャートである。 空燃比Ｆ／Ｂによる燃料噴射制御処理を示すフローチャートである。

符号の説明

１０…エンジン、１２…排気マニホールド、１２ａ…分岐部、１２ｂ…排気集合部、１３…Ａ／Ｆセンサ、１４…バンドパスフィルタ処理部、１５…クランク角センサ、１６…エンジン回転速度算出部、２２…空燃比Ｆ／Ｂ制御部、２４…気筒別空燃比推定部、２５…基準空燃比算出部、２７…気筒別空燃比制御部。

Claims (10)

1. 各気筒に通じる複数の排気通路を集合させ、その排気集合部に空燃比センサを配した多気筒内燃機関に適用され、前記排気集合部におけるガスの流入及び混合に着目したモデルを用い、前記空燃比センサによるセンサ検出信号に基づいて気筒別空燃比を算出する気筒別空燃比算出装置において、
   前記空燃比センサのセンサ検出信号に対して前記気筒別空燃比の算出に必要な信号を抽出するフィルタ処理手段を備え、該フィルタ処理を施した信号をもとに気筒別空燃比を算出することを特徴とする多気筒内燃機関の気筒別空燃比算出装置。
2. 前記フィルタ処理手段を、所定周波数よりも低周波数の信号の影響を抑制するものとして構成した請求項１の多気筒内燃機関の気筒別空燃比算出装置。
3. 前記フィルタ処理手段を、所定周波数よりも高周波数の信号の影響を抑制するものとして構成した請求項２の多気筒内燃機関の気筒別空燃比算出装置。
4. 各気筒に通じる複数の排気通路を集合させ、その排気集合部に空燃比センサを配した多気筒内燃機関に適用され、前記排気集合部におけるガスの流入及び混合に着目したモデルを用い、前記空燃比センサによるセンサ検出信号に基づいて気筒別空燃比を算出する気筒別空燃比算出装置において、
   前記空燃比センサのセンサ検出信号に対して、前記多気筒内燃機関のクランク軸の回転に同期した可変フィルタ処理を施すフィルタ処理手段を備え、該可変フィルタ処理を施した信号をもとに前記気筒別空燃比を算出することを特徴とする多気筒内燃機関の気筒別空燃比算出装置。
5. 前記フィルタ処理手段を、前記多気筒内燃機関のクランク角７２０度間隔よりも低周波数の信号の影響を抑制するものとして構成した請求項４の多気筒内燃機関の気筒別空燃比算出装置。
6. 前記フィルタ処理手段を、前記多気筒内燃機関の燃焼間隔よりも高周波数の信号の影響を抑制するものとして構成した請求項４又は５の多気筒内燃機関の気筒別空燃比算出装置。
7. 各気筒に通じる複数の排気通路を集合させ、その排気集合部に空燃比センサを配した多気筒内燃機関に適用され、前記排気集合部におけるガスの流入及び混合に着目したモデルを用い、前記空燃比センサによるセンサ検出信号に基づいて気筒別空燃比を算出する気筒別空燃比算出装置において、
   前記空燃比センサのセンサ検出信号に対して、前記多気筒内燃機関の使用運転領域に基づき設計したフィルタ処理を施すフィルタ処理手段を備え、該フィルタ処理を施した信号をもとに前記気筒別空燃比を算出することを特徴とする多気筒内燃機関の気筒別空燃比算出装置。
8. 前記フィルタ処理手段を、前記多気筒内燃機関のアイドル回転速度におけるクランク角７２０度間隔よりも低周波数の信号の影響を抑制するものとして構成した請求項７の多気筒内燃機関の気筒別空燃比算出装置。
9. 前記フィルタ処理手段を、前記多気筒内燃機関の最高回転速度における燃焼間隔よりも高周波数の信号の影響を抑制するものとして構成した請求項７又は８の多気筒内燃機関の気筒別空燃比算出装置。
10. 請求項１乃至９の何れかに記載の気筒別空燃比算出装置を具備し、前記空燃比センサのセンサ検出値と目標値との偏差に基づいて空燃比フィードバック制御を実施すると共に、前記気筒別空燃比算出装置により算出した気筒別空燃比に基づいて気筒別の空燃比補正処理を実施する空燃比制御装置において、
    前記気筒別空燃比の算出には、前記フィルタ処理手段によるフィルタ処理を施した信号を用いるのに対し、前記空燃比フィードバック制御には、前記フィルタ処理手段によるフィルタ処理を施していない信号を用いることを特徴とする多気筒内燃機関の空燃比制御装置。

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