JP2006152845A - 内燃機関の気筒別空燃比推定装置及び気筒別空燃比制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃焼間隔が不等間隔のエンジンの各気筒の空燃比を精度良く推定できるようにする。
【解決手段】 Ｖ型８気筒エンジン１１のように、１つのバンク（気筒グループ）の各気筒の燃焼間隔が不等間隔のエンジンの各気筒の空燃比を推定するシステムにおいて、燃焼順に各気筒の空燃比と空燃比センサ１６の検出値との関係を表す気筒別空燃比推定モデルを用いて各気筒の空燃比を推定する際に、燃焼間隔の相違（不等間隔燃焼）による各気筒の空燃比の位相ずれを考慮して各気筒の空燃比を推定する。このようにすれば、気筒別空燃比推定モデル自体に燃焼間隔の相違による各気筒の空燃比の位相ずれを補償する機能が含まれていなくても、この気筒別空燃比推定モデルを用いて、燃焼間隔が不等間隔なエンジン１１の各気筒の空燃比を精度良く推定することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の複数気筒の排気マニホールドが接続された集合排気管に設置した空燃比センサで検出したガスの空燃比に基づいて各気筒の空燃比を推定する内燃機関の気筒別空燃比推定装置及び気筒別空燃比制御装置に関する発明である。

近年、内燃機関の気筒間の空燃比ばらつきを少なくして空燃比制御精度を向上させるために、特許文献１（特許第２７１７７４４号公報）に記載されているように、内燃機関の排気系の挙動を記述するモデルを設定して、集合排気管に設置した１つの空燃比センサの検出値（集合排気管を流れるガスの空燃比）を該モデルに入力し、その内部状態を観測するオブザーバによって各気筒の空燃比（気筒別空燃比）を推定すると共に、その推定値に基づいて各気筒の空燃比を目標値にフィードバック制御するようにしたものがある。
特許第２７１７７４４号公報（第１頁〜第２頁等）

例えば、Ｖ型エンジンのように、複数のバンク（気筒グループ）からなる内燃機関においては、各バンク毎にそれぞれ集合排気管を設け、各集合排気管にそれぞれ空燃比センサを設置したものがある。この構成では、各バンク毎に空燃比センサの検出値に基づいて気筒別空燃比を推定することになるが、１つのバンクに設けられた複数の気筒の燃焼間隔（排気行程の間隔）は等間隔とはならない。この理由を、Ｖ型８気筒エンジンを例にして説明する。Ｖ型８気筒エンジンは、２つのバンクからなり、各バンクにそれぞれ４気筒ずつ設けられている。エンジン全体（８気筒全体）で見れば、燃焼間隔は等間隔（９０℃Ａ間隔）であるが、図２に示すように、片方のバンクの４つの気筒＃１，＃３，＃５，＃７についてのみ見れば、燃焼間隔（排気行程の間隔）が９０℃Ａ、１８０℃Ａ、２７０℃Ａの３通りに変化するため、燃焼間隔が不等間隔になる。燃焼間隔が長い場合（２７０℃Ａの場合）は、空燃比センサの位置に到達するガスの中に、他の燃焼気筒から排出されるガスが混じっていないが、燃焼間隔が短い場合（９０℃Ａの場合）は、空燃比センサの位置に到達するガスの中に他の燃焼気筒から排出されるガスが混じり込んで空燃比が変化しているものと思われる。

しかし、従来の気筒別空燃比推定モデルは、排気系が１系統のエンジンのように、燃焼間隔が等間隔になるエンジンの排気系の挙動をモデル化したものであるため、このモデルを燃焼間隔が不等間隔になるＶ型８気筒エンジン等に適用しても、気筒別空燃比を精度良く推定できないという問題があった。

そこで、本発明の第１の目的は、燃焼間隔が不等間隔の場合でも、各気筒の空燃比を精度良く推定できる内燃機関の気筒別空燃比推定装置を提供することであり、また、本発明の第２の目的は、燃焼間隔が不等間隔の場合でも、気筒別空燃比制御を精度良く実施することができる内燃機関の気筒別空燃比制御装置を提供することである。

上記第１の目的を達成するために、請求項１に係る発明は、内燃機関の燃焼間隔が不等間隔な複数気筒の排気マニホールドが接続された集合排気管に、各気筒から排出されたガスの空燃比を検出する空燃比センサを設置し、この空燃比センサで検出したガスの空燃比に基づいて各気筒の空燃比を推定する気筒別空燃比推定手段を備えた内燃機関の気筒別空燃比推定装置において、前記気筒別空燃比推定手段は、燃焼順に各気筒の空燃比と前記空燃比センサの検出値との関係を表すモデルを用いて各気筒の空燃比を推定する際に、燃焼間隔の相違による各気筒の空燃比の位相ずれを考慮して各気筒の空燃比を推定するようにしたものである。このようにすれば、各気筒の空燃比を推定するモデル自体に燃焼間隔の相違による各気筒の空燃比の位相ずれを補償する機能が含まれていなくても、このモデルを用いて、燃焼間隔が不等間隔な内燃機関の各気筒の空燃比を精度良く推定することができる。

本発明は、請求項２のように、複数の気筒グループからなる内燃機関であって、各気筒グループ毎にそれぞれ燃焼間隔が不等間隔な複数気筒の排気マニホールドが接続された集合排気管が設けられていると共に、各集合排気管にそれぞれ空燃比センサが設置されたシステムにおいて、各気筒グループ毎に前記モデルを用いて各気筒の空燃比を推定する際に、燃焼間隔の相違による各気筒の空燃比の位相ずれを考慮して各気筒の空燃比を推定するようにすると良い。複数の気筒グループからなる内燃機関では、１つの気筒グループについてのみ見れば、燃焼間隔が不等間隔になるため、従来の気筒別空燃比推定方法では、各気筒の空燃比を精度良く推定できないが、本発明を適用すれば、燃焼間隔が不等間隔になる気筒グループの各気筒の空燃比を精度良く推定できる。

また、請求項３のように、各気筒の空燃比を推定するモデルは、燃焼間隔が等間隔と仮定して、該燃焼間隔よりも短い間隔で各気筒の空燃比を推定できるようにモデリングすると良い。このようにすれば、モデルを容易に作成できると共に、燃焼間隔の相違による各気筒の空燃比の位相ずれを精度良く補償することができる。

また、前記第２の目的を達成するために、請求項４のように、請求項１乃至３のいずれかに記載の内燃機関の気筒別空燃比推定装置と、この気筒別空燃比推定装置により推定した気筒別空燃比の気筒間ばらつきを小さくする方向に各気筒の空燃比を制御する気筒別空燃比制御手段を備える構成としても良い。このようにすれば、燃焼間隔が不等間隔の場合でも、気筒別空燃比制御を精度良く実施することができる。

以下、本発明を例えばＶ型８気筒エンジンに適用した一実施例を説明する。
まず、図１に基づいてＶ型８気筒エンジンの排気系の構成を説明する。Ｖ型８気筒エンジン１１は、２つの気筒グループを構成する２つのバンク（ＡバンクとＢバンク）をＶ字型に配置し、Ａバンクには、４つの気筒＃１，＃３，＃５，＃７を直列に配置し、Ｂバンクには、残りの４つの気筒＃２，＃４，＃６，＃８を直列に配置した構成となっている。ＡバンクとＢバンクには、それぞれ別々の排気系が構成され、各バンクの４本の排気マニホールド１２は、それぞれ別々の集合排気管１４に接続されている。各バンクの集合排気管１４には、それぞれ排出ガスの空燃比を検出する空燃比センサ１６が設置され、各空燃比センサ１６の下流側に排出ガス浄化用の触媒１８が設置されている。

上記空燃比センサ１６等の各種センサの出力は、エンジン制御回路（ＥＣＵ）２０に入力される。このＥＣＵ２０は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された各種のエンジン制御プログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じて各気筒の燃料噴射量や点火時期を制御する。

本実施例では、ＥＣＵ２０は、後述する気筒別空燃比制御用の各ルーチンを実行することで、後述する気筒別空燃比推定モデルを用いて各バンクの空燃比センサ１６の検出値（各バンクの集合排気管１４を流れる排出ガスの実空燃比）に基づいて各バンク毎に各気筒の空燃比（以下「気筒別空燃比」という）を推定する際に、燃焼間隔の相違（不等間隔燃焼）による各気筒の空燃比の位相ずれを考慮して気筒別空燃比を推定し、各バンク毎に気筒別空燃比推定値の平均値を算出して、その平均値を基準空燃比（各バンクの目標空燃比）に設定する。そして、各バンク毎に気筒別空燃比推定値と基準空燃比との偏差を各気筒毎に算出して、その偏差（気筒間の空燃比ばらつき）が小さくなるように気筒別補正量（各気筒の燃料補正量）を算出し、その算出結果に基づいて気筒別燃料噴射量を補正することで、各気筒に供給する混合気の空燃比を各気筒毎に補正して気筒間の空燃比ばらつきを少なくするように制御する（以下、この制御を「気筒別空燃比制御」という）。

ここで、各バンクの空燃比センサ１６の検出値（各バンクの集合排気管１４を流れる排出ガスの実空燃比）に基づいて各バンクの気筒別空燃比を推定する方法を説明する。

Ｖ型８気筒エンジン１１は、エンジン全体（８気筒全体）で見れば、隣接する燃焼気筒の間隔（以下「燃焼間隔」という）は、等間隔（９０℃Ａ間隔）であるが、図２に示すように、片方のバンク（Ａバンク）の４つの気筒＃１，＃３，＃５，＃７についてのみ見れば、燃焼間隔（排気行程の間隔）が９０℃Ａ、１８０℃Ａ、２７０℃Ａの３通りに変化するため、燃焼間隔が不等間隔になる。燃焼間隔が長い場合（２７０℃Ａの場合）は、空燃比センサ１６の位置に到達するガスの中に、他の燃焼気筒から排出されるガスが混じっていないが、燃焼間隔が短い場合（９０℃Ａの場合）は、空燃比センサ１６の位置に到達するガスの中に他の燃焼気筒から排出されるガスが混じり込んで空燃比が変化しているものと思われる。

そこで、本実施例では、各気筒の空燃比を推定する気筒別空燃比推定モデルを用いて各気筒の空燃比を推定する際に、燃焼間隔の相違（不等間隔燃焼）による各気筒の空燃比の位相ずれを考慮して各気筒の空燃比を推定するようにしている。従って、気筒別空燃比推定モデル自体には、燃焼間隔の相違（不等間隔燃焼）による各気筒の空燃比の位相ずれを補償する機能が組み込まれていない。

この気筒別空燃比推定モデルは、燃焼順に各気筒の空燃比と空燃比センサ１６の検出値との関係を表すモデルであり、燃焼間隔が等間隔と仮定して、該燃焼間隔（１８０℃Ａ）の１／２の間隔（９０℃Ａ）で気筒別空燃比を推定できるようにモデリングされている。
この気筒別空燃比推定モデルは、次式で与えられる。

ここで、ｙ_s は空燃比センサ１６の検出値、ｕは各気筒の入力空燃比（ｕ₁ は気筒＃１の入力空燃比、ｕ₃ は気筒＃３の入力空燃比、ｕ₅ は気筒＃５の入力空燃比、ｕ₇ は気筒＃７の入力空燃比）、ａ_j ，ｂ_j はモデルパラメータである。ｉは現在の演算タイミングを表し、ｊは現在の演算タイミングｉから何回前の演算タイミングであるかを表している。本実施例では、演算間隔が燃焼間隔（１８０℃Ａ）の１／２の間隔（９０℃Ａ）に設定されているため、１サイクル（７２０℃Ａ）当たりｊは１から８まで変化する。
ｊの最大値＝７２０℃Ａ／９０℃Ａ＝８

この気筒別空燃比推定モデルの式を状態空間モデルに変換すると、次の（３）、（４）式が導き出される。
Ｘ(i+1) ＝Ａ・Ｘ(i) ＋Ｂ・ｕ(i) ＋Ｗ(i) ……（３）
Ｙ(i) ＝Ｃ・Ｘ(i) ＋Ｄ・ｕ(i) ……（４）
ここで、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは気筒別空燃比推定モデルのパラメータ、Ｙは空燃比センサ１６の検出値、Ｘは状態変数としての気筒別空燃比の影響の総和、Ｗはノイズである。

更に、上記（３）、（４）式によりカルマンフィルタを設計すると、次の（５）式が得られる。
Ｘ＾(k+1｜k)＝Ａ・Ｘ＾(k｜k-1)＋Ｋ｛Ｙ(k) −Ｃ・Ａ・Ｘ＾(k｜k-1)｝ ……（５） ここで、Ｘ＾（エックスハット）は気筒別空燃比の影響の総和の推定値、Ｋはカルマンゲインである。Ｘ＾(k+1｜k)の意味は、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。

以上のようにして、気筒別空燃比推定モデル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の影響の総和を順次推定することができる。尚、空燃比偏差を入力とする場合は、上記式（５）において出力Ｙが空燃比偏差に置き換えられる。

ここで、不等間隔燃焼による排出ガスの重なりを考慮するために、燃焼間隔に対応した位相ずれを、気筒別空燃比の影響の総和の推定値Ｘ＾（エックスハット）に考慮することで、次式が得られる。
ｕ＾(i) ＝Ｘ＾(i−β)
β＝−１，０，１

ここで、βは不等間隔燃焼による排気の重なりを考慮するためのパラメータであり、予め隣接する燃焼気筒のガス量の重なり度合いに応じて設定されている。本実施例では、図２に示すように、燃焼間隔によるガス量の重なりを３種類（重なり“大”、重なり“中”、重なり“無”）に分類し、重なり“大”の場合は、β＝−１、重なり“中”の場合は、β＝０、重なり“無”の場合は、β＝１に設定している。これは、隣接する燃焼気筒のガス量の重なりが大きくなるほど、合流部２２から集合排気管１４に流入するガス量が増加してガスの流速が速くなり、ガスが合流部２２から空燃比センサ１６の位置に到達するまでの時間が短くなるという事情を考慮するためである。

ＥＣＵ２０は、図３乃至図５に示す気筒別空燃比制御用の各ルーチンを実行することで、上記気筒別空燃比推定モデルにより各バンクの空燃比センサ１６の検出値に基づいて各バンクの気筒別空燃比を推定する際に、燃焼間隔の相違（不等間隔燃焼）による各気筒の空燃比の位相ずれを考慮して各バンクの気筒別空燃比を推定し、各バンク毎に気筒間の空燃比ばらつきを少なくするように各気筒の燃料噴射量を補正する気筒別空燃比制御を実行する。以下、各ルーチンの処理内容を説明する。

［気筒別空燃比制御メインルーチン］
図３の気筒別空燃比制御メインルーチンは、クランク角センサ（図示せず）の出力パルスに同期して所定クランク角毎（例えば３０℃Ａ毎）に起動される。本ルーチンが起動されると、まずステップ１０１で、後述する図４の実行条件判定ルーチンを実行して、気筒別空燃比制御の実行条件が成立しているか否かを判定する。この後、ステップ１０２に進み、図４の実行条件判定ルーチンでセットされた実行フラグがＯＮであるか否かで、気筒別空燃比制御の実行条件が成立しているか否かを判定する。その結果、実行フラグがＯＦＦ（実行条件が不成立）と判定された場合は、以降の処理を行うことなく、本ルーチンを終了する。

一方、実行フラグがＯＮ（実行条件成立）と判定された場合は、ステップ１０３に進み、現在のクランク角が各気筒の空燃比検出タイミング（空燃比センサ１６の出力のサンプルタイミング）であるか否かを判定し、空燃比検出タイミングでなければ、以降の処理を行うことなく、本ルーチンを終了する。

これに対して、現在のクランク角が空燃比検出タイミングであれば、ステップ１０４に進み、後述する図５の気筒別空燃比制御実行ルーチンを起動して、気筒別空燃比制御を実行する。

［実行条件判定ルーチン］
図４の実行条件判定ルーチンは、図３の気筒別空燃比制御メインルーチンのステップ１０１で実行されるサブルーチンである。本ルーチンが起動されると、まずステップ２０１で、空燃比センサ１６が使用可能な状態であるか否かを判定する。ここで、使用可能な状態とは、例えば、空燃比センサ１６が活性状態で、且つ、故障していない状態であることである。空燃比センサ１６が使用可能な状態でなければ、以降の処理をを行うことなく、本ルーチンを終了する。

一方、空燃比センサ１６が使用可能な状態であれば、ステップ２０２に進み、冷却水温が所定温度以上（エンジン１１が暖機状態）であるか否かを判定し、所定温度未満であれば、以降の処理をを行うことなく、本ルーチンを終了する。冷却水温が所定温度以上であれば、ステップ２０３に進み、エンジン回転速度と負荷（例えば吸気管圧力）とをパラメータとする運転領域マップを参照して、現在のエンジン運転領域が気筒別空燃比制御の実行領域であるか否かを判定する。高回転域や低負荷域では、気筒別空燃比の推定精度が悪化されるため、気筒別空燃比制御が禁止される。

現在のエンジン運転領域が気筒別空燃比制御の実行領域であれば、ステップ２０４に進み、実行フラグをＯＮにセットし、気筒別空燃比制御の実行領域でなければ、ステップ２０５に進み、実行フラグをＯＦＦにセットする。

［気筒別空燃比制御実行ルーチン］
図５の気筒別空燃比制御実行ルーチンは、図３の気筒別空燃比制御メインルーチンのステップ１０４で実行されるサブルーチンである。本ルーチンが起動されると、まずステップ３０１で、空燃比センサ１６の出力（空燃比検出値）を読み込み、次のステップ３０２で、前記気筒別空燃比推定モデルを用いて今回の空燃比推定対象となる気筒の空燃比を空燃比センサ１６の検出値に基づいて推定する。この際、不等間隔燃焼による各気筒の空燃比の位相ずれを考慮して気筒別空燃比を推定する。このステップ３０２の処理が特許請求の範囲でいう気筒別空燃比推定手段としての役割を果たす。この後、ステップ３０３に進み、全気筒の推定空燃比の平均値を算出して、その平均値を基準空燃比（全気筒の目標空燃比）に設定する。

この後、ステップ３０４に進み、各気筒の推定空燃比と基準空燃比との偏差を算出して、その偏差が小さくなるように気筒別補正量を算出した後、ステップ３０５に進み、気筒別補正量に基づいて気筒別燃料噴射量を補正することで、各気筒に供給する混合気の空燃比を各気筒毎に補正して気筒間の空燃比ばらつきを少なくするように制御する。

以上説明した本実施例では、燃焼順に各気筒の空燃比と空燃比センサ１６の検出値との関係を表す気筒別空燃比推定モデルを用いて各気筒の空燃比を推定する際に、燃焼間隔の相違による各気筒の空燃比の位相ずれを考慮して各気筒の空燃比を推定するようにしたので、気筒別空燃比推定モデル自体に不等間隔燃焼による各気筒の空燃比の位相ずれを補償する機能が含まれていなくても、この気筒別空燃比推定モデルを用いて、燃焼間隔が不等間隔なエンジン１１の各気筒の空燃比を精度良く推定することができる。

尚、本発明は、Ｖ型８気筒エンジンに限定されず、これ以外の気筒数のエンジンにも適用することができ、また、水平対向エンジン等、Ｖ型以外の型式のエンジンにも適用することができる。

本発明の一実施例におけるエンジン排気系の概略構成図である。 隣接する燃焼気筒の排出ガスの重なりを説明する図である。 気筒別空燃比制御メインルーチンの処理の流れを示すフローチャートである。 実行条件判定ルーチンの処理の流れを示すフローチャートである。 気筒別空燃比制御実行ルーチンの処理の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１１…エンジン（内燃機関）、１２…排気マニホールド、１４…集合排気管、１６…空燃比センサ、１８…触媒、２０…ＥＣＵ（気筒別空燃比推定手段，気筒別空燃比制御手段）、２２…合流部

Claims (4)

1. 内燃機関の燃焼間隔が不等間隔な複数気筒の排気マニホールドが接続された集合排気管に、各気筒から排出されたガスの空燃比を検出する空燃比センサを設置し、この空燃比センサで検出したガスの空燃比に基づいて各気筒の空燃比を推定する気筒別空燃比推定手段を備えた内燃機関の気筒別空燃比推定装置において、
   前記気筒別空燃比推定手段は、燃焼順に各気筒の空燃比と前記空燃比センサの検出値との関係を表すモデルを用いて各気筒の空燃比を推定する際に、燃焼間隔の相違による各気筒の空燃比の位相ずれを考慮して各気筒の空燃比を推定することを特徴とする内燃機関の気筒別空燃比推定装置。
2. 複数の気筒グループからなる内燃機関であって、各気筒グループ毎にそれぞれ燃焼間隔が不等間隔な複数気筒の排気マニホールドが接続された集合排気管が設けられていると共に、各集合排気管にそれぞれ前記空燃比センサが設置され、
   前記気筒別空燃比推定手段は、各気筒グループ毎に前記モデルを用いて各気筒の空燃比を推定する際に、燃焼間隔の相違による各気筒の空燃比の位相ずれを考慮して各気筒の空燃比を推定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の気筒別空燃比推定装置。
3. 前記モデルは、燃焼間隔が等間隔と仮定して、該燃焼間隔よりも短い間隔で各気筒の空燃比を推定できるようにモデリングされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の気筒別空燃比推定装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の内燃機関の気筒別空燃比推定装置と、この気筒別空燃比推定装置により推定した各気筒の空燃比の気筒間ばらつきを小さくする方向に各気筒の空燃比を制御する気筒別空燃比制御手段とを備えていることを特徴とする内燃機関の気筒別空燃比制御装置。

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