JP2008274876A - 内燃機関の燃料制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の気筒間の燃焼のばらつきを良好に平滑化する。
【解決手段】複数の気筒を備える内燃機関において、各気筒の燃焼のばらつきを平滑化するための燃料制御装置は、内燃機関の運転状態を表す出力信号（ｄωａｃｔ）を検出し、複数の気筒のそれぞれについて、基準信号（Ｆｃｒ＃ｉ）を設定し、複数の気筒のそれぞれについて、出力信号と、対応する基準信号との相関を取り、相関関数（Ｃｒ＃ｉ）の値を算出する。複数の気筒についての目標値（Ｃｒ＿ｔｒｇ）を算出し、複数の気筒のそれぞれについて、相関関数の値を目標値に収束させるよう、該気筒への燃料噴射量（Ｋｉｎ＃ｉ）を補正するための補正値（Ｋｃｏｍ＃ｉ）を算出する。ここで、複数の気筒のうちの１つの気筒を基準気筒とし、複数の気筒のそれぞれについて設定される基準信号を、該基準気筒に該当する部分を出力信号から抽出することにより得た信号に基づいて生成する。
【選択図】図６

Description

本発明は、内燃機関の複数の気筒間の燃焼のばらつきを平滑化するための制御装置に関する。

複数の気筒を備える内燃機関において、気筒間に燃焼のばらつきが生じると、トルクのみでなく排出ガス成分についても気筒間にばらつきが生じ、ドライバビリティ低下を生じさせるだけでなく、エミッションが悪化するおそれがある。したがって、このような気筒間のばらつきを補償する手法が提案されている。

下記の特許文献１の手法によると、気筒間の空燃比のばらつきを抑制するために、各気筒について、空燃比を表すセンサ検出値と、所定の基準信号との間の相関を表す相関関数の値を演算する。目標値として、全気筒について該相関関数の値を平滑した値を用いる。各気筒について、該気筒の相関関数の値が目標値に収束するように、該気筒への制御入力を算出する。
特開２００６−１６１５７７号公報

上記の手法によると、基準信号は、予め決められた信号であり、通常の運転状態においてセンサ検出値が該基準信号に対して高い類似度を持つ前提で設定されている。このような基準信号との相関をとることにより、センサ検出値を基準信号に近づけるよう制御することができる。

しかしながら、内燃機関によっては、またセンサが検出する運転状態パラメータの種類によっては、上記前提が満たされない場合がある。たとえば、センサ検出値と基準信号の波形の大きさ（後述するように、波形の大きさの類似度は、振幅方向の類似度を示し、波形の面積がどの程度近いかを示す）は同様であるにもかかわらず、センサ検出値と基準信号の波形形状（後述するように、波形形状の類似度は、時間方向の類似度を示し、波形の時間ステップ毎の値の大きさの関係が時間的にどの程度近いかを示す）が異なると、相関関数の値が低くなり、よって、気筒間ばらつきを補償するための制御入力の算出精度が低くなるおそれがある。

多様な燃焼形態を持たない内燃機関や、空燃比（ＬＡＦ）センサのように燃焼形態やクランク軸に加わる外力の影響を受けにくい運転状態パラメータのセンサ検出値に基づく場合には、センサ検出値の波形形状のずれも小さく、よって基準信号を固定してもよい。しかしながら、ディーゼルエンジンや燃料の多段噴射を行うような多様な燃焼形態を実現する内燃機関や、クランク角センサのように、燃焼形態やクランク軸に加わる外力の影響を受けやすいセンサの検出値を用いる場合には、センサ検出値の波形形状が運転状態によって大きく変化するため、上記のような問題が生じうる。このような問題を回避するためには、燃焼形態ごとに基準信号を設定したり、用いるセンサの種類ごとに基準信号を設定する必要があるが、これは困難であり、また、演算を複雑にする。

したがって、多様な燃焼状態や運転状態を実現する内燃機関においても複数の気筒間の燃焼のばらつきを平滑化することができる内燃機関の制御装置が望まれている。また、センサにより検出する運転状態パラメータの種類に依存することなく、複数の気筒間の燃焼のばらつきを平滑化することができる内燃機関の制御装置が望まれている。

本願発明の一つの側面によると、複数の気筒を備える内燃機関において、各気筒の燃焼のばらつきを平滑化するための燃料制御装置は、内燃機関の運転状態を表す出力信号（ｄωａｃｔ）を検出する検出手段と、複数の気筒のそれぞれについて、基準信号（Ｆｃｒ＃ｉ）を設定する手段と、複数の気筒のそれぞれについて、出力信号と、対応する基準信号との相関を取り、相関関数（Ｃｒ＃ｉ）の値を算出する手段と、複数の気筒についての目標値（Ｃｒ＿ｔｒｇ）を算出する手段と、複数の気筒のそれぞれについて、相関関数の値を目標値に収束させるよう、該気筒への燃料噴射量（Ｋｉｎ＃ｉ）を補正するための補正値（Ｋｃｏｍ＃ｉ）を算出する手段と、を備える。ここで、複数の気筒のうちの１つの気筒を基準気筒とし、複数の気筒のそれぞれについて設定される基準信号を、該基準気筒に該当する部分を出力信号から抽出することにより得た信号に基づいて生成する。

この発明によれば、基準気筒に該当する部分を出力信号から抽出することにより得た信号に基づいて各気筒の基準信号を生成し、該基準信号を、各気筒の相関関数値の算出に用いる。したがって、内燃機関の燃焼状態や出力信号として検出される運転状態パラメータの種類が変化した場合でも、相関関数値から、出力信号の基準信号に対する波形形状の違いに起因する不一致成分を除去することができる。結果として、相関関数値は、出力信号と基準信号との間の波形の大きさに関する類似度を表すものとなる。波形の大きさに関する類似度は、気筒間の燃焼のばらつきを表しており、よって、相関関数値に基づいて燃料噴射量を補正することにより、良好な精度で気筒間の燃焼のばらつきを平滑化することができる。このような燃焼ばらつきの平滑化により、出力トルクおよび排出ガス成分等のような出力特性についての気筒間バラツキを平滑化することができる。また、このような基準信号の設定により、燃焼状態ごとに基準信号を設定したり、検出する運転状態パラメータの種類ごとに基準信号を設定する必要がなくなる。

本願発明の一実施形態によると、基準信号は、燃焼サイクルごとに算出される。こうして、各燃焼サイクルにおいて、燃焼状態および運転状態の変化に速やかに対応するよう基準信号を更新することができる。

本願発明の一実施形態によると、出力信号は、内燃機関の出力（ｄωｒａｗ）の変動成分のみを表す信号である。気筒間ばらつきは、内燃機関の出力の変動成分によってもたらされるので、変動成分のみを表した信号を用いることにより、相関関数値の演算負荷を低減することができると共に、補正値の算出精度を向上させることができる。

本願発明の一実施形態によると、目標値（Ｃｒ＿ｔｒｇ）は、基準気筒について算出された相関関数の値である。これにより、各気筒の出力トルクおよび排出ガス成分等のような出力特性を、基準気筒の出力特性に収束させることができる。

本願発明の一実施形態によると、基準信号（Ｆｃｒ＃ｉ）の標準偏差（Ｓ_ＦＣＲ＃ｉ）の２乗により相関関数（Ｃｒ＃ｉ）を正規化することにより、正規化済み相関関数（ＣｒＨ＃ｉ）を算出する。このような正規化により、算出される相関関数値が定量的に得られるので、気筒間ばらつきを定量的に取り扱うことができる。また、基準信号の標準偏差で正規化することにより、基準気筒の相関関数値に対する他の気筒の相関関数値の大きさの差を良好な精度で抽出することができる。

本願発明の一実施形態によると、所定の条件を満たしたとき、相関関数値の算出および補正値の算出を所定期間停止する。所定の条件は、一実施形態では、エンジン回転数が所定値以上となった時、を含む。出力信号は、エンジン回転の角速度を示す信号である。エンジン回転数が高いときには角速度の変動量が小さくなり、よって出力信号の精度が低下するおそれがあるからである。他の実施形態では、所定の条件は、燃料噴射量が所定値以下となった時である。燃料噴射量が小さいときには、内燃機関の出力に与える影響も小さくなり、よって気筒間ばらつきの検出精度が低下するおそれがあるからである。また、上記停止の所定期間は、基準信号が算出される周期に基づいて設定されることができる。こうして、適切な相関関数値を算出することができない期間については、相関関数値および補正値の算出を停止することができる。

本願発明の一実施形態によると、基準信号（Ｆｃｒ＃ｉ）の標準偏差（Ｓ_Ｆｃｒ＃ｉ）および出力信号の標準偏差（Ｓ_{ｄωｄｉｖ}＃ｉ）で相関関数（Ｃｒ＃ｉ）を正規化することにより算出される第２の相関関数（ＣｒＳ＃ｉ）が所定値以下の時には、補正値の算出を停止する。基準信号と出力信号の波形形状が一致しないとき、相関関数値にその影響が含まれ、よって補正値の算出精度が低下するおそれがある。したがって、このような場合には、補正値の算出を停止する。

本願発明の一実施形態によると、複数の気筒のそれぞれについて、出力信号（ｄωａｃｔ）から、該気筒に対応するクランク角領域における値を切り出すと共に、他の気筒に対応するクランク角領域における値をゼロに設定した信号が、気筒毎出力信号（ｄωｄｉｖ＃ｉ）として生成される。上記第２の相関関数を算出するのに用いられる出力信号の標準偏差は、該気筒毎出力信号の標準偏差である。こうして、他の気筒の影響を除去することにより、第２の相関関数の算出精度が向上する。

本願発明の一実施形態によると、内燃機関はディーゼルエンジンであり、出力信号は、エンジン回転の角速度を表す。こうして、多様な燃焼形態を持つディーゼルエンジンについても、相関関数値を随時適切に算出することができ、よって気筒間ばらつきを良好な精度で平滑化することができる。

次に図面を参照してこの発明の実施の形態を説明する。図１は、この発明の一実施形態に従う、内燃機関（以下、エンジンと呼ぶ）およびその制御装置の全体的な構成図である。

電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」）という）１は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）およびメモリを備えるコンピュータである。メモリには、車両の様々な制御を実現するためのコンピュータ・プログラムおよび該プログラムの実施に必要なデータを格納することができる。ＥＣＵ１は、車両の各部から送られてくるデータを受け取って演算を行い、車両の各部を制御するための制御信号を生成する。

エンジン２は、この実施例ではディーゼルエンジンであり、４つの気筒３ａ〜３ｄを備えている。これらの気筒には、それぞれ、第１〜第４（＃１〜＃４）の識別番号が割り振られている。図では、これらの気筒が直列に配列されているが、このような配列に本願発明は限定されない。

エンジン２の各気筒３ａ〜３ｄには、吸気通路４から分岐した吸気管４ａ〜４ｄがそれぞれ連結されると共に、排気管５ａ〜５ｄがそれぞれ連結され、該排気管５ａから５ｄは、集合部において排気通路５に接続されている。それぞれの気筒３ａ〜３ｄには、燃料噴射弁７ａ〜７ｄが、該気筒の燃焼室に臨むように取り付けられている。

燃料噴射弁７ａ〜７ｄは、コモンレール（図示せず）を介して、高圧ポンプおよび燃料タンク（図示せず）に接続されている。高圧ポンプは、燃料タンク内の燃料を昇圧した後、コモンレールを介して燃料噴射弁７ａ〜７ｄに送り、燃料噴射弁７ａ〜７ｄは、受取った燃料を対応する燃焼室内に噴射する。燃料噴射弁７ａ〜７ｄにより噴射される燃料の量は、ＥＣＵ１からの制御信号に従って制御される。この実施例では、４つの気筒３ａ〜３ｄについて、＃１→＃３→＃４→＃２の順で燃料噴射が実行される。

エンジン２のクランク軸（図示せず）には、クランク角センサ９が取り付けられている。クランク角センサ９は、クランク軸の回転に従い、いずれもパルス信号であるＣＲＫ信号およびＴＤＣ信号をＥＣＵ２に出力する。ＣＲＫ（クランク）信号は、所定のクランク角（例えば３０度）ごとに１パルスが出力される信号である。ＥＣＵ１は、このクランクパルス信号に応じ、エンジン２の回転数ＮＥを算出する。ＴＤＣ信号は、各気筒のピストン（図示せず）の上死点（ＴＤＣ）位置に関連したクランク角度で出力される。４気筒タイプの本例では、クランク角１８０度ごとに１パルスが出力される。

この実施例においては、ＥＣＵ１は、クランク角センサ９からの信号に応じて、メモリに記憶されたプログラムおよびデータ（マップを含む）を用い、各気筒への燃料噴射量を算出する。算出された燃料噴射量に従う制御信号が各気筒の燃料噴射弁７ａ〜７ｄに送られ、該燃料噴射弁７ａ〜７ｄを駆動する。これにより、気筒間において、燃焼の平滑化が図られ、よって出力トルクおよび排出ガス成分等の出力特性を平滑化することができる。

ここで、図２〜図５を参照して、本願発明の理解を深めるため、本願発明の目的および原理を説明する。図２は、前述した従来の手法に従い、４つの気筒＃１〜＃４について、（ａ）内燃機関の運転状態を各気筒について検出する所定のセンサ（たとえば、クランク角センサ）の出力に基づく信号（出力信号）Ｓと、（ｂ）所定の基準信号Ｆと、（ｃ）両者の相関関数Ｃの挙動の一例を示す。

この実施例では、１燃焼サイクルＴ１（クランク角度７２０度）の間に、＃１、＃３、＃４および＃２の順番で燃焼が実施されるので、出力信号Ｓの波形は、＃１、＃３、＃４および＃２の順番にピークが生成されるような形状をしている。各気筒の燃焼に割り当てられる周期Ｔ２は、この実施例では気筒が４つであるので、クランク角度１８０度である。たとえば、クランク角センサの出力からエンジン回転の角速度を算出すると、各気筒の燃焼に応じて、一旦上昇した後に下降するような挙動を呈し、（ａ）のような波形が得られる。

（ｂ）に示す基準信号Ｆは、予め決められた信号であり、上記センサから得られる出力信号Ｓの特徴を表すよう予め生成される。（ｃ）には、出力信号Ｓと基準信号Ｆとが重ねて表示されており、さらに、両者の相関関数Ｃの値が示されている。ここで、相関関数Ｃは、以下の式（１）で算出されることができ、各気筒＃ｉ（ｉ＝１〜４）について、基準信号Ｆと出力信号Ｓの積を、１燃焼サイクルに相当する期間にわたって積分した値を平滑化することにより算出される。Ｎは、１燃焼サイクルあたりのクランクパルス数を示し、この例では２４である。ｋは、時間ステップを示し、相関関数Ｃの値は逐次的に算出される。図では、４つの気筒の相関関数Ｃの値が重ねて表示されている。

時間ｔ０〜ｔ１の第１の燃焼サイクルにおいて、出力信号Ｓと基準信号Ｆは一致しており、波形の大きさおよび波形形状の類似度は高い。ここで、波形の大きさの類似度は、両者の波形が振幅方向にどの程度類似しているかを示し、波形形状の類似度は、波形が時間方向にどの程度類似しているかを示す。より具体的には、前者は、両者の波形の面積がどの程度近いかを示しており、後者は、両者の波形の時間ステップ毎の値の大きさの関係が時間的にどの程度近いかを示している。相関関数Ｃの値は、波形の大きさの類似度だけでなく、波形形状の類似度をも反映している。したがって、第１の燃焼サイクルにおける相関関数Ｃの値は、比較的高い値ｃ１を保持している。

時間ｔ１〜ｔ２の第２の燃焼サイクルでは、第１の燃焼サイクルと比較して、出力信号Ｓが、たとえば燃焼形態の変化等に起因して変化している。出力信号Ｓの波形の面積は、基準信号Ｆの波形の面積とほぼ同じであり、よって、波形の大きさの類似度は高い。しかしながら、符号１１に示すように、出力信号Ｓの立ち上がりに時間的遅延が生じており、結果として、出力信号Ｓのピークは、基準信号Ｆのピークに対し、時間的にずれている。両者の波形形状の類似度が低下するので、（ｃ）に示すように、第２の燃焼サイクルにおける相関関数Ｃの値ｃ２は、第１の燃焼サイクルにおける相関関数Ｃの値ｃ１に比べて低下する。

時間ｔ２〜ｔ３の第３の燃焼サイクルでは、出力信号Ｓがさらに変化する。出力信号Ｓの波形の面積は、基準信号Ｆの波形の面積とほぼ同じであるが、符号１２に示すように、出力信号Ｓの立ち上がりにさらなる時間的遅延が生じており、結果として、出力信号Ｓのピークは、基準信号Ｆのピークに対し、時間的にずれている。（ｃ）に示すように、両者の波形形状の類似度がさらに低下するので、第３の燃焼サイクルにおける相関関数Ｃの値ｃ３は、第２の燃焼サイクルにおける相関関数Ｃの値ｃ２に比べてさらに低下する。

このように、出力信号Ｓと基準信号Ｆの波形の大きさの類似度が高くても、波形形状の類似度が低下するにつれ、相関関数Ｃの値は低くなる。しかしながら、気筒間のばらつきは、主に、波形の大きさの類似度に基づいて判断すべきである。波形の面積が、その気筒の出力の大きさを表しているからである。符号１１および１２のような時間的遅延が波形に生じたとしても、各気筒の出力信号Ｓの面積は気筒間で同じであり、よって気筒間の燃焼は平滑されているといえる。したがって、波形形状の不一致に主に起因して低い値となった相関関数Ｃに基づいて気筒間のバラツキを算出すると、該算出精度が低下するおそれがある。相関関数Ｃの値は、波形形状の類似度ではなく、波形の大きさの類似度を主に反映した値となるよう算出するのが好ましい。

前述したように、多様な燃焼形態を持たない内燃機関や、ＬＡＦセンサの出力のように、燃焼形態やクランク軸に加わる外力の影響を受けにくいセンサの出力を用いる場合には、出力信号Ｓの波形形状がほぼ一定となり、基準信号を固定してもよい。しかしながら、ディーゼルエンジンや燃料の多段噴射を行うような多様な燃焼形態を実現する内燃機関や、クランク角センサのように、燃焼形態やクランク軸に加わる外力の影響を受けやすいセンサを用いる場合には、波形形状が運転状態によって大きく変化するため、上記のような問題が生じうる。

したがって、本願発明では、基準信号を、予め決められた信号として生成するのではなく、センサの出力（すなわち、実値）から生成する。図３の例を参照すると、気筒＃１を基準気筒とし、各燃焼サイクルにおける気筒＃１の出力信号Ｓの波形を、すべての気筒の基準信号に用いる。より具体的には、各燃焼サイクルにおいて、符号１３に示される気筒＃１の波形を時間方向にシフトすることにより、＃３、＃４および＃２の気筒の基準信号Ｆを生成する。

各気筒について、こうして生成された基準信号Ｆと出力信号Ｓとの相関関数Ｃの値を算出する。実値を用いて基準信号Ｆを生成するので、（ｃ）に示されるように、第１〜第３の燃焼サイクルにわたって出力信号Ｓの波形形状が変化した場合でも、相関関数Ｃの値はｃ１に維持されており、相関関数値の低下が防止されている。

この実施例では、式（１）に示されるように、相関関数Ｃが、出力信号Ｓと基準信号Ｆの積を１燃焼サイクルに相当する期間にわたって積分した値に基づくので、符号１５に示されるように、波形形状が切り替わったタイミング（第１から第２の燃焼サイクルに切り替わるタイミング、および第２から第３の燃焼サイクルに切り替わるタイミング）では、相関関数Ｃの値に一時的な乱れが生じているが（これは、後述するように除去可能である）、相関関数Ｃの値は一定に維持されている点に注意されたい。たとえば、現時点がｔｘ３で示される時点であるとすると、１燃焼サイクル前の時点ｔｘ１で演算された気筒＃１の相関関数Ｃの値と、現時点ｔｘ３で演算された気筒＃１の相関関数Ｃの値とは、第１および第２の燃焼サイクルの間で波形形状が変化しているので、異なる値となる。すなわち、ｔｘ３で演算された相関関数Ｃの値は、ｔｘ１で演算された相関関数Ｃの値より低くなっている。しかしながら、波形１６および波形１７の面積が同じであるので、時点ｔｘ４で計算された相関関数Ｃの値ｃ１は、時点ｔｘ２で計算された相関関数Ｃの値ｃ１と等しくなる。このように、各気筒の周期Ｔ２の終わりでは、相関関数Ｃの値が一定値ｃ１に収束している。

図４の（ａ）は、燃焼形態の変化等により、出力信号Ｓの波形の大きさが変化する場合を示す。基準信号Ｆは、図３を参照して説明したように、基準気筒＃１の出力信号Ｓに基づいて生成される。出力信号Ｓと基準信号Ｆは一致しており、簡略のため、両者は重ねて示されている。

出力信号Ｓの面積が増大するにつれ、相関関数Ｃの値もｃ１〜ｃ３と増大している。このように相関関数Ｃの値が大きくなると、気筒間にバラツキが無くても、相関関数Ｃが、第１〜第３燃焼サイクルにわたって異なる値となる。これは、気筒間のバラツキの算出精度を低下させるおそれがある。このような問題は、ＬＡＦセンサ等のように、出力信号の大きさがほとんど変化しない場合には問題とならないが、クランク角センサのように、運転状態によって出力信号の大きさが随時変化する場合には問題となりうる。相関関数Ｃの値は、定量的に得るのが好ましい。

したがって、より好ましい実施形態では、基準信号Ｆの標準偏差の２乗により相関関数Ｃを正規化する。相関関数Ｃは、式（１）に示すように、基準信号Ｆと出力信号Ｓの共分散と考えることができるので、基準信号Ｆの標準偏差の２乗で正規化することにより、相関関数Ｃを定量的に算出することができる。図４の（ｂ）は、このような正規化済み相関関数Ｃ’の値を示しており、出力信号Ｓの大きさが変化しても、正規化済み相関関数Ｃ’の値は一定となっている。

さらに、図５は、出力信号Ｓの波形の大きさおよび波形形状が同時に変化した場合を示す。（ａ）は、正規化されていない相関関数Ｃの値を示し、（ｂ）は、図４を参照して述べたような正規化済み相関関数Ｃ’の値を示す。基準信号Ｆは、図３を参照して説明したように、各燃焼サイクルにおいて気筒＃１の出力信号Ｓから生成されている。また、出力信号Ｓと基準信号Ｆは一致しており、簡略のため、両者は重ねて示されている。

（ａ）に示すように、相関関数を正規化していない場合には、図３を参照して述べたような相関関数Ｃの乱れが、出力信号Ｓの波形形状が切り替わったタイミングで生じている。しかしながら、この乱れは、出力信号Ｓの基準信号Ｆに対する波形形状の不一致に基づくものではなく、出力信号Ｓと基準信号Ｆの波形は一致している。したがって、このような乱れは、（ｂ）に示すように、相関関数を正規化することにより解消されることができる。

次に、図３〜図５を参照して述べたことを実現するための具体的な実施形態を説明する。図６は、本発明の一実施形態による、燃料制御装置のブロック図を示す。各機能ブロックは、ＥＣＵ１において実現される。

クランク角センサ９からのクランクパルスは、クランク角度３０度ごとに変動量抽出部５１により受け取られる。変動量抽出部５１は、受け取ったクランクパルスに基づいて、エンジンの角速度ｄωｒａｗ（rad／秒）を算出する。クランク角センサ９のクランクパルスの発生時間間隔から角速度ｄωｒａｗ（rad／秒）を算出することができる。

ここで、図７の（ａ）を参照すると、角速度信号ｄωｒａｗの一例が示されている。ｋは、時間ステップを示し、典型的には、クランク角度で表される。この実施形態では、前述したように、１燃焼サイクル（クランク角度７２０度）の間に、＃１＝＞＃３＝＞＃４＝＞＃２の気筒の順番で燃焼が行われる。角速度ｄωｒａｗは、各気筒において、燃料と空気の混合気の燃焼により一旦上昇した後、減少する。

変動量抽出部５１は、図７の（ａ）のような角速度信号ｄωｒａｗにおいて、符号６１に示すように、各気筒の燃焼の開始点（この例では、各気筒の燃料噴射タイミングに着火遅れを考慮したタイミングに相当する）における角速度をゼロに設定し、角速度信号ｄωｒａｗの該ゼロに対する差分（変動量）を抽出する。すなわち、該ゼロのラインで角速度ｄωｒａｗの変動成分を抽出し、図７の（ｂ）に示すような角速度信号ｄωａｃｔを得る。

代替的に、変動量抽出部５１は、各燃焼サイクルにおいて、符号６２に示すように、角速度ｄωｒａｗの全気筒についての平均値を算出し、これをゼロに設定してもよい。該ゼロに対する角速度ｄωｒａｗの変動成分を抽出すると、図７の（ｃ）のような角速度信号ｄωａｃｔが得られる。

変動量抽出部５１の目的は、各気筒について、エンジンの運転状態、より具体的にはエンジンの出力（燃料量と相関のある出力を示し、例えば、トルク、空燃比、筒内圧等を含む）を表す信号を得ることである。上記のように、気筒間のばらつきは、該出力の変動成分に現れるので、定常成分は不要である。変動成分のみを抽出することにより、後述する相関関数の値の絶対値のうち気筒間のばらつき量が占める割合が大きくなり、演算精度を向上させることができる。

図６に戻り、気筒別信号抽出部５２は、各燃焼サイクルにおいて、角速度信号ｄωａｃｔを気筒毎に切り分ける。この実施例では、４つの気筒を備えるので、クランク角度１８０度ごとに、＃１＝＞＃３＝＞＃４＝＞＃２の気筒の順番で燃焼が行われる。したがって、角速度信号ｄωａｃｔを１８０度ごとに切り出せばよい。

ここで図８を参照すると、角速度信号ｄωａｃｔから、気筒＃１の角速度信号ｄωｄｉｖ＃１、気筒＃３の角速度信号ｄωｄｉｖ＃３、気筒＃４の角速度信号ｄωｄｉｖ＃４、気筒＃２の角速度信号ｄωｄｉｖ＃２が切り出される。図に示されるように、各気筒の角速度信号ｄωｄｉｖ＃ｉは、他の気筒のクランク角度領域においてはゼロの値を持つよう生成される。たとえば、気筒＃１の角速度信号ｄωｄｉｖ＃１は、クランク角度０〜１８０度の間のみ値を持ち、クランク角度１８０〜７２０度の間ではゼロである。

図６に戻り、基準信号生成部５３は、任意の気筒（この実施例では、気筒＃１）を基準気筒とする。ここで図９を参照すると、各燃焼サイクル中の気筒＃１の角速度信号ｄωｄｉｖ＃１を、気筒＃１に対応する基準信号Ｆｃｒ＃１とする。

基準信号Ｆｃｒ＃１を、遅延回路５３ｂ（図６）によってクランク角度５４０度遅らせることにより、気筒＃２に対応する基準信号Ｆｃｒ＃２を生成する（遅延回路５３ｂのＺ^−１８は、クランクパルスがクランク角度３０ごとに得られるので、これに同期して１８回シフトすることを示している）。

また、基準信号Ｆｃｒ＃１を、遅延回路５３ｃによってクランク角度１８０度遅らせることにより、気筒＃３に対応する基準信号Ｆｃｒ＃３を生成する。また、基準信号Ｆｃｒ＃１を、遅延回路５３ｄによってクランク角３６０度遅らせることにより、気筒＃４に対応する基準信号Ｆｃｒ＃４を生成する。こうして、各燃焼サイクルにおいて、基準気筒の角速度信号ｄωｄｉｖ＃１に基づき、それぞれの気筒の基準信号が生成される。

Ｆｃｒ＃２〜Ｆｃｒ＃４は、他の遅延手法で生成してもよい。たとえば、Ｆｃｒ＃２は、Ｆｃｒ＃３を３６０度遅らせることにより生成することができる。

図６に戻り、相関関数算出部５４は、式（２）に従い、各気筒について、該気筒について得られた角速度信号ｄωｄｉｖ＃ｉと、該気筒について生成された基準信号Ｆｃｒ＃ｉとの間の相関を表す相関関数Ｃｒ＃ｉを算出する。ここで、ｉは気筒番号であり、この実施例ではｉ＝１〜４である。Ｎは、１燃焼サイクル（クランク角度７２０度）あたりのクランクパルスの数であり、この実施例では３０度ごとにクランクパルスを得るので、Ｎ＝２４である。ｋは、前述したように時間ステップを示す。

このように、各気筒の相関関数Ｃｒ＃ｉは、該気筒について生成された基準信号Ｆｃｒ＃ｉの値と、該気筒について抽出された角速度信号ｄωｄｉｖ＃ｉの値との積を、１燃焼サイクルの長さに相当する期間にわたって積分した値を平均したものを表している。基準信号Ｆｃｒ＃ｉの波形と角速度信号ｄωｄｉｖ＃ｉの波形との間の類似度が高いほど、相関関数Ｃｒ＃ｉは高い値をとる。

さらに、相関関数算出部５４は、各気筒について、式（３）に従って基準信号Ｆｃｒ＃ｉの標準偏差Ｓ_ＦＣＲ＃ｉを算出し、式（４）に従って該標準偏差Ｓ_ＦＣＲ＃ｉの２乗で相関関数Ｃｒ＃ｉを正規化して、正規化済み相関関数ＣｒＨ＃ｉを算出する。この正規化により、図４および図５を参照して説明したように、出力信号（この実施例では、角速度信号ｄωａｃｔ）の大きさの変化にかかわらず、相関関数の値を定量的に得ることができる。

制御部５５は、式（５）に示すように、基準気筒＃１について正規化された相関関数ＣｒＨ＃１を、目標値Ｃｒ＿ｔｒｇに設定する。基準気筒については、角速度信号の波形と基準信号の波形とが一致しているので、適切な相関関数値が算出される。したがって、この相関関数値を目標値とすることにより、他の気筒について、該他の気筒の出力特性が基準気筒の出力特性に収束するよう、燃料噴射量を適切に補正することができる。

所定の制御手法を用いて、各気筒について、正規化済み相関関数ＣｒＨ＃ｉを目標値Ｃｒ＿ｔｒｇに収束させるための補正係数Ｋｃｏｍ＃ｉを算出する。この実施例では、応答指定型制御を用いる。応答指定型制御によれば、収束速度を指定することができる。より好ましくは、２自由度応答指定型制御を用いる。２自由度応答指定型制御は、制御量の目標値に対する収束速度と、外乱が印加された時に生じる偏差の収束速度を個別に指定可能な制御である。この制御を実施するため、以下の式に従い、目標値Ｃｒ＿ｔｒｇをフィルタリングする。ここで、Ｒは、上記の制御量の目標値に対する収束速度を表すパラメータであり、好ましくは−１＜Ｒ＜０を満たすように設定される。このフィルタリングにより、目標値の波形が、漸近特性を有する波形に変換され、よって制御量をスムーズに目標値に収束させることができる。

制御部５５は、さらに、各気筒について、式（７）に示すように切り換え関数σ＃ｉを定義する。ここで、Ｓは、上記の外乱が印加された時の偏差の収束速度を表すパラメータであり、好ましくは−１＜Ｓ＜０を満たすように設定される。Ｅ＃ｉは、式（８）に示すように、正規化済み相関関数ＣｒＨ＃ｉとフィルタ済み目標値Ｃｒ＿ｔｒｇ＿ｆとの偏差である。

切換関数σ＃ｉ(k)＝０とした式は等価入力系と呼ばれ、制御量（ここでは、偏差Ｅ＃ｉ）の収束特性を規定する。σ＃ｉ(k)＝０とすると、式（７）は次のように表される。
Ｅ＃ｉ（ｋ）＝−Ｓ・Ｅ＃ｉ（ｋ−１） （９）

縦軸がＥ＃ｉ（ｋ）および横軸がＥ＃ｉ（ｋ−１）の位相平面上に、上記式（９）を直線（切り換え線と呼ぶ）で表すことができる。応答指定型制御は、Ｅ＃ｉ（ｋ−１）およびＥ＃ｉ（ｋ）の組合せからなる状態量（Ｅ＃ｉ（ｋ−１）, Ｅ＃ｉ（ｋ））を、該切り換え線上に載せるよう動作する。これにより、該状態量を、外乱等の影響されることなく、極めて安定的に位相平面上の原点０に収束させることができる。パラメータＳの絶対値が小さくなるほど、収束速度は速くなる。

偏差Ｅ＃ｉを収束させるための制御入力すなわち補正係数Ｋｃｏｍ＃ｉは、式（１０）に従って算出される。ここで、第１項は、切換関数σの比例項により表される到達則入力であり、これは、状態量を切り換え線上に載せるための入力である。第２項は、切換関数σの積算項で表される適応則入力であり、定常偏差を抑制しつつ、状態量を切換線に載せるための入力である。ＫｒｃｈおよびＫａｄｐは、フィードバックゲインであり、それぞれ、シミュレーション等によって予め定められる。到達則入力と適応則入力とを加算することにより、補正係数Ｋｃｏｍ＃ｉが算出される。なお、図６に示すように、気筒＃１については偏差Ｅが生じないので、補正係数Ｋｃｏｍは算出されない。

補正部５６は、各気筒について、算出された補正係数Ｋｃｏｍ＃ｉで、燃料噴射量の基準値を補正する。基準値は、運転状態に従って決められる値であり、所望のエンジン出力を得るよう算出されている。たとえば、要求トルク（たとえば、アクセルペダルの開度に基づいて求めることができる）およびエンジン回転数に基づいて所定のマップ（ＥＣＵ１のメモリに記憶されることができる）を参照することにより、基準値を求めることができる。補正部５６は、式（１１）に示すように、各気筒について、基準値に、該気筒について算出された補正係数Ｋｃｏｍ＃ｉを乗算することにより該基準値を補正し、燃料噴射量Ｋｉｎ＃ｉを算出する。なお、基準気筒＃１については、補正係数Ｋｃｏｍが算出されていないので、基準値の補正は行われず、該基準値がそのまま用いられる。
Ｋｉｎ＃ｉ（ｋ）＝基準値（ｋ）×Ｋｃｏｍ＃ｉ（ｋ） （１１）

各気筒について、該気筒について算出された燃料噴射量Ｋｉｎ＃ｉが燃料噴射弁から噴射されるように、燃料噴射弁を駆動する制御信号がエンジン２に送出される。こうして、気筒間の燃焼が平滑化されるよう燃料噴射量が制御される。

好ましくは、実行条件判断部５７が設けられる。実行条件判断部５７は、相関関数算出部５４による相関関数算出の実行条件と、制御部５５による補正係数算出の実行条件とを判断する。

実行条件判断部５７は、各気筒について相関関数を算出するに先立ち、以下の条件１）〜３）のいずれかでも満たされたとき、該気筒についての相関関数の算出および補正係数の算出の両方を所定期間停止する。所定期間は、基準信号が算出（更新）される周期が好ましく、この実施例では１燃焼サイクルに相当する期間（この実施例では、クランク角度７２０度）である。停止している間、該気筒の補正係数Ｋｃｏｍの値は保持されたままであり、更新されない。

１）基準気筒の角速度信号が得られていない
２）エンジン回転数ＮＥが所定値より大きいとき
３）燃料噴射量の基準値が所定値より小さいとき

上記１）は、基準気筒の角速度信号が得られないと、基準信号を生成することができないためである。上記２）は、エンジン回転数ＮＥが高いときには角速度の変動量の値が小さくなり、よって角速度の変動量の検出精度が低下するおそれがあるからである。上記３）は、燃料噴射量の基準値が小さいと、燃料噴射量がエンジン回転の変動に与える影響が小さくなり、よって角速度の変動量の検出精度が低下するおそれがあるからである。

好ましくは、実行条件判断部５７は、さらに、各気筒について補正係数を算出するに先立ち、以下の条件４）および５）のいずれかが満たされたとき、該気筒についての補正係数の算出を、所定期間（たとえば、１０秒）停止し、運転状態が安定するのを待つ。代替的に、所定期間を、１燃焼サイクルに相当する期間としてもよい。停止している間、該気筒の補正係数Ｋｃｏｍは保持されたままであり、更新されない。

４）正規化済み相関関数ＣｒＨ＃ｉ（ｋ）の変化量が所定値より大きいとき
５）ＣｒＳ＃ｉ（ｋ）が所定値より小さいとき

ここで、正規化済み相関関数ＣｒＨ＃ｉ（ｋ）の変化量は、たとえば、各気筒について、正規化済み相関関数の今回値ＣｒＨ＃ｉ（ｋ）と、正規化済み相関関数の前回値ＣｒＨ＃ｉ（ｋ―１）の差により表されることができる。

上記４）は、運転状態または燃焼状態が変化し、基準信号Ｆｃｒ＃ｉと角速度信号ｄωｄｉｖ＃ｉとの間の波形形状に不一致が生じている可能性が高いためである。図４を参照して説明したように、相関関数を正規化することにより、角速度信号の波形の大きさが変化しても、相関関数の値を一定にすることができる。しかしながら、たとえば運転状態または燃焼状態が、基準気筒の燃焼と他の気筒の燃焼との間で急変すると、基準気筒以外の気筒について、角速度信号の波形形状が基準信号の波形形状に対して不一致を起こすことがあり、この不一致が大きいほど、正規化済み相関関数の値が低下する。このような場合には、図２を参照して説明したように、気筒間のバラツキを正確に判断できないおそれがあるので、補正係数の更新を行わないのが好ましい。

上記５）は、基準信号Ｆｃｒ＃ｉと角速度信号ｄωｄｉｖ＃ｉの波形形状が不一致なことを表しているからである。ここで、ＣｒＳは、式（１２）に従って、相関関数Ｃｒを、基準信号Ｆｃｒと角速度信号ｄωｄｉｖで正規化した値である（第２の相関関数と呼ぶ）。

前述したように、相関関数Ｃｒは、基準信号Ｆｃｒと角速度信号ｄωｄｉｖの共分散を表していると考えることができるので、第２の相関関数ＣｒＳ＃ｉの値は、基準信号Ｆｃｒ＃ｉの大きさおよび角速度信号ｄωｄｉｖ＃ｉの大きさの両方に影響されない相関関数値である。しかし、基準信号と角速度信号の間に波形形状の不一致が生じると、図２を参照して説明したように、相関関数ＣｒＳ＃ｉの値は低くなる。したがって、いずれかの気筒において、第２の相関関数ＣｒＳ＃ｉの値が所定値より小さいときには、すべての気筒について補正係数の更新を停止するのが好ましい。

図１０は、本発明の一実施形態に従う、ＥＣＵ１のＣＰＵにより実行される、燃料制御プロセスを示すフローである。より具体的には、該プロセスは、図６に示す制御装置によって実行される。この実施例では、該プロセスは、所定のクランク角度（たとえば、３０度）毎に実施される。

ステップＳ１において、クランク角センサ９からのクランクパルスを受け取り、エンジン回転の角速度信号ｄωｒａｗを生成する。さらに、図７の（ａ）および（ｂ）を参照して説明したように、各気筒の燃焼の開始時点の角速度信号ｄωｒａｗの値をゼロに設定して、該角速度信号ｄωｒａｗを該ゼロのラインで切り出す。または、図７の（ｃ）のように、該燃焼サイクル中の角速度ｄωｒａｗの平均をゼロとしてもよい。こうして、図７の（ｂ）または（ｃ）に示すような角速度信号ｄωａｃｔを抽出する。

ステップＳ２において、図８を参照して説明したように、角速度信号ｄωａｃｔから、気筒毎の角速度信号ｄωｄｉｖ＃ｉを切り出す。ステップＳ３において、気筒毎に、基準信号Ｆｃｒ＃ｉを生成する。

ステップＳ４において、上記１）〜３）の実行条件を満たすかどうかを判断する。条件１）〜３）のいずれかでも満たさなければ、ステップＳ５において第１フラグをセットする。第１フラグにはカウンタ（図示せず）が関連づけられており、第１フラグがセットされるたびに、該カウンタは、所定期間（たとえば、クランク角度７２０度）をカウントし、該所定期間が経過した後、ゼロにリセットされる。

条件１）〜３）のすべてが満たされるならば、ステップＳ６において、第１フラグがゼロにリセットされているかどうかを判断する。この判断がＮｏならば、上記所定期間が経過していないことを示すので、ステップＳ１３に進む。こうして、条件１）〜３）のいずれかでも満たされなければ、相関関数および補正係数の更新は所定期間にわたり停止される。

ステップＳ６の判断がＹｅｓならば、所定期間が経過したことを示す。ステップＳ７において、式（２）に従って、気筒毎に相関関数Ｃｒ＃ｉを算出する。ステップＳ８において、式（４）に従って、気筒毎に正規化済み相関関数ＣｒＨ＃ｉを算出する。

ステップＳ９において、上記４）および５）の実行条件を満たすかどうか判断する。条件４）および５）のいずれかでも満たされなければ、ステップＳ１０において第２フラグをセットする。第２フラグにはカウンタ（図示せず）が関連づけられており、第２フラグがセットされるたびに、該カウンタは、所定期間（たとえば、１０秒）をカウントし、該所定期間が経過した後、ゼロにリセットされる。

条件４）および５）の両方が満たされるならば、ステップＳ１１において、第２フラグがリセットされているかどうかを判断する。この判断がＮｏならば、該所定期間が経過していないことを示すので、ステップＳ１３に進む。こうして、条件４）および５）のいずれかでも満たされなければ、補正係数の更新は所定期間にわたり停止される。

ステップＳ９の判断がＹｅｓならば、所定期間が経過したことを示す。ステップＳ１２において、応答指定型制御を実施し、式（１０）に従って、気筒毎に燃料補正係数Ｋｃｏｍ＃ｉを算出する。

ステップＳ１３において、算出した燃料補正係数Ｋｃｏｍ＃ｉで燃料噴射量基準値を補正し、補正済み燃料噴射量Ｋｉｎ＃ｉを算出する。こうして、各気筒の燃料噴射タイミングが到来したならば、該補正済み燃料噴射量Ｋｉｎ＃ｉに従って燃料が噴射されるよう、該気筒の燃料噴射弁が駆動されることとなる。なお、燃料噴射すべき気筒が基準気筒ならば、燃料噴射量基準値の燃料が噴射されるよう、基準気筒の燃料噴射弁が駆動されることとなる。

上記実施形態では、相関関数Ｃｒ＃ｉを算出するのに、気筒別角速度信号ｄωｄｉｖ＃ｉを用いた。気筒別角速度信号ｄωｄｉｖ＃ｉを算出することにより、第２の相関関数の算出精度を向上させることができる。しかしながら、代替的に、相関関数Ｃｒ＃ｉを算出するのに、角速度信号ｄωａｃｔを用い、該角速度信号ｄωａｃｔと基準信号Ｆｃｒ＃ｉとの相関を取ってもよい。この場合、式（２）中のｄωｄｉｖ＃ｉ（ｊ）はｄωａｃｔ（ｊ）に置き換えられる。この形態においても、各気筒について、角速度信号ｄωａｃｔの該気筒のクランク角領域における値と、該気筒の基準信号Ｆｃｒ＃ｉとの類似度が反映されるよう、相関関数Ｃｒ＃ｉの値は算出される。

上記実施形態では、相関関数の算出に用いるセンサとしてクランク角センサを用いているが、本願発明は、このセンサに限定されることなく、内燃機関の運転状態（より具体的には、前述したように、燃料量と相関のある出力）を示す様々なセンサ（たとえば、空燃比センサ等）に適用可能である。また、上記実施形態では、ディーゼルエンジンの燃料制御装置として説明したが、他のエンジン（通常のガソリンエンジン）にも適用可能である。また、上記の実施形態では、４つの気筒を備える内燃機関を例に説明したが、他の任意の数の気筒を備える内燃機関に本願発明は適用可能である。

さらに、本願発明は、汎用の（例えば、船外機等の）内燃機関に適用可能である。

本発明の一実施形態に従う、内燃機関の制御装置の概略的な構成図である。 従来の相関関数の算出についての課題を説明するための図。 本発明の一実施形態に従う、相関関数の算出手法を説明するための図。 本発明の一実施形態に従う、相関関数の算出手法を説明するための図。 本発明の一実施形態に従う、相関関数の算出手法を説明するための図。 本発明の一実施形態に従う、制御装置のブロック図。 本発明の一実施形態に従う、角速度信号を抽出する手法を説明するための図。 本発明の一実施形態に従う、気筒別に角速度信号を切り分ける手法を説明するための図。 本発明の一実施形態に従う、基準信号を生成する手法を説明するための図。 本発明の一実施形態に従う、制御プロセスを示すフローチャート。

符号の説明

１ ＥＣＵ
２ エンジン
３ 気筒
７ 燃料噴射弁
９ クランク角センサ

Claims (12)

1. 複数の気筒を備える内燃機関において、各気筒の燃焼を平滑化するための燃料制御装置であって、
   前記内燃機関の運転状態を表す出力信号を検出する検出手段と、
   前記複数の気筒のそれぞれについて、基準信号を設定する基準信号設定手段と、
   前記複数の気筒のそれぞれについて、前記出力信号と、対応する前記基準信号との相関を取り、相関関数の値を算出する相関関数値算出手段と、
   前記複数の気筒についての目標値を算出する手段と、
   前記複数の気筒のそれぞれについて、前記相関関数の値を前記目標値に収束させるよう、該気筒への燃料噴射量を補正するための補正値を算出する補正値算出手段と、を備え、
   前記基準信号設定手段は、前記複数の気筒のうちの１つの気筒を基準気筒とし、該複数の気筒のそれぞれについて設定される前記基準信号を、該基準気筒に該当する部分を前記出力信号から抽出することにより得た信号に基づいて生成する、
   内燃機関の燃料制御装置。
2. 前記基準信号設定手段は、前記基準信号を、燃焼サイクルごとに生成する、
   請求項１に記載の燃料制御装置。
3. 前記出力信号は、前記内燃機関の出力の変動成分のみを表す信号である、
   請求項１または２に記載の燃料制御装置。
4. 前記目標値は、前記基準気筒について算出された前記相関関数の値である、
   請求項１から３のいずれかに記載の燃料制御装置。
5. 前記相関関数値算出手段は、さらに、前記基準信号の標準偏差の２乗により前記相関関数を正規化して、正規化済み相関関数を算出し、
   前記補正値算出手段は、前記複数の気筒のそれぞれについて、前記正規化済み相関関数の値を前記目標値に収束させるよう、該気筒への燃料噴射量を補正するための補正値を算出する、
   請求項１から４のいずれかに記載の燃料制御装置。
6. 所定の条件を満たしたとき、前記相関関数値の算出および前記補正値の算出を所定期間停止する、
   請求項１から５のいずれかに記載の燃料制御装置。
7. 前記所定の条件は、前記内燃機関の回転数が所定値以上となった時、を含み、
   前記出力信号は、該内燃機関の回転の角速度を示す信号である、
   請求項６に記載の燃料制御装置。
8. 前記所定の条件は、前記燃料噴射量が所定値以下となった時、を含む、
   請求項６または７に記載の燃料制御装置。
9. 前記所定期間は、前記基準信号が算出される周期に基づいて設定される、
   請求項６から８のいずれかに記載の燃料制御装置。
10. 前記複数の気筒のそれぞれについて、前記基準信号の標準偏差および前記出力信号の標準偏差で前記相関関数を正規化することにより算出される第２の相関関数が所定値以下の時、前記補正値算出手段による補正値の算出を停止する、
    請求項１から９のいずれかに記載の燃料制御装置。
11. 前記複数の気筒のそれぞれについて、前記出力信号から、該気筒に対応するクランク角領域における値を切り出すと共に、他の気筒に対応するクランク角領域における値をゼロに設定した信号を、気筒毎出力信号として生成する手段を備え、
    前記複数の気筒のそれぞれについて前記第２の相関関数を算出するのに用いられる前記出力信号の標準偏差は、該気筒毎出力信号の標準偏差である、
    請求項１０に記載の燃料制御装置。
12. 前記内燃機関はディーゼルエンジンであり、前記出力信号は、該エンジンのクランク軸に取り付けられたセンサの出力に基づく信号である、
    請求項１から１１のいずれかに記載の燃料制御装置。

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