JP3299120B2 - 内燃機関の気筒別空燃比推定装置 - Google Patents

内燃機関の気筒別空燃比推定装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、現代制御理論に基
づくオブザーバを応用して、内燃機関の気筒別の空燃比
を推定する気筒別空燃比推定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】内燃機関の排気系の挙動を記述するモデ
ルに基づいてその内部状態を観測するオブザーバを設定
し、機関の排気系集合部に設けられ、空燃比に比例する
出力を発生する空燃比センサの出力に基づいて、機関の
気筒別の空燃比を推定するようにした気筒別空燃比推定
装置が、従来より知られている（特開平６−１７３７５
５号公報）。
【０００３】この装置では、オブザーバの推定空燃比が
演算の途中で大きく変化する点に着目し、推定空燃比が
所定上下限値の範囲からはずれたときは、その推定空燃
比を理論空燃比相当の値に初期化するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の装置を用いると、例えば気筒別空燃比フィードバッ
ク制御の開始時やフュエルカット状態からの復帰時（燃
料供給開始時）等の過渡時においては、推定気筒別空燃
比は、一律に理論空燃比相当の値に初期化されるため、
オブザーバ出力（推定気筒別空燃比）の収束が遅くなる
場合があった。その結果、オブザーバ出力の用いた空燃
比のフィードバック制御の結果得られる、実際の気筒別
空燃比が所望値からずれる場合があった。
【０００５】本発明はこの点に着目してなされたもので
あり、推定気筒別空燃比の初期化を適切に行い、気筒別
空燃比フィードバック制御開始時等の過渡時におけるオ
ブザーバの収束速度を向上させた気筒別空燃比推定装置
を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
請求項１に記載の発明は、内燃機関の排気系に設けられ
た空燃比検出手段と、前記機関の排気系の挙動を記述す
るモデルに基づいてその内部状態を観測するオブサーバ
を設定し、前記空燃比検出手段の出力を入力として各気
筒の空燃比を推定する気筒別空燃比推定手段とを備えた
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、前記機関の運転状態に応じて前記各
気筒の空燃比を前記空燃比検出手段の出力に初期化する
初期化手段を有することを特徴とする。
【０００７】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の気筒別空燃比推定装置において、前記空燃比検出手段
は、前記機関の排気系集合部に取り付けられていること
を特徴とする。
【０００８】請求項３に記載の発明は、請求項２に記載
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、前記空燃比検出手段の応答遅れを含めて前記
排気系集合部における空燃比を推定する集合部空燃比推
定手段を有し、該集合部空燃比推定手段は、前記機関の
運転状態の応じて前記排気系集合部の空燃比を前記空燃
比検出手段の出力に初期化することを特徴とする。
【０００９】請求項１記載の気筒別空燃比推定装置によ
れば、機関の運転状態に応じて各気筒の推定空燃比が空
燃比検出手段の出力に初期化される。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態を図面を
参照して説明する。
【００１１】図１は本発明の実施の一形態にかかる内燃
機関（以下「エンジン」という）及びその制御装置の構
成を示す図である。同図中、１は各気筒に吸気弁及び排
気弁（図示せず）を各１対ずつ設けた４気筒のエンジン
である。
【００１２】エンジン１の吸気管２は分岐部（吸気マニ
ホルド）１１を介してエンジン１の各気筒の燃焼室に連
通する。吸気管２の途中にはスロットル弁３が配されて
いる。スロットル弁３にはスロットル弁開度（θＴＨ）
センサ４が連結されており、スロットル弁開度θＴＨに
応じた電気信号を出力して電子コントロールユニット
（以下「ＥＣＵ」という）５に供給する。吸気管２に
は、スロットル弁３をバイパスする補助空気通路６が設
けられており、該通路６の途中には補助空気量制御弁７
が配されている。補助空気量制御弁７は、ＥＣＵ５に接
続されており、ＥＣＵ５によりその開弁量が制御され
る。
【００１３】吸気管２のスロットル弁３の上流側には吸
気温（ＴＡ）センサ８が装着されており、その検出信号
がＥＣＵ５に供給される。吸気管２のスロットル弁３と
吸気マニホルド１１の間には、チャンバ９が設けられて
おり、チャンバ９には吸気管内絶対圧（ＰＢＡ）センサ
１０が取り付けられている。ＰＢＡセンサ１０の検出信
号はＥＣＵ５に供給される。
【００１４】エンジン１の本体にはエンジン水温（Ｔ
Ｗ）センサ１３が装着されており、その検出信号がＥＣ
Ｕ５に供給される。ＥＣＵ５には、エンジン１のクラン
ク軸（図示せず）の回転角度を検出するクランク角度位
置センサ１４が接続されており、クランク軸の回転角度
に応じた信号がＥＣＵ５に供給される。クランク角度位
置センサ１４は、エンジン１の特定の気筒の所定クラン
ク角度位置で信号パルス（以下「ＣＹＬ信号パルス」と
いう）を出力する気筒判別センサ、各気筒の吸入行程開
始時の上死点（ＴＤＣ）に関し所定クランク角度前のク
ランク角度位置で（４気筒エンジンではクランク角１８
０度毎に）ＴＤＣ信号パルスを出力するＴＤＣセンサ及
びＴＤＣ信号パルスより短い一定クランク角周期（例え
ば３０度周期）で１パルス（以下「ＣＲＫ信号パルス」
という）を発生するＣＲＫセンサから成り、ＣＹＬ信号
パルス、ＴＤＣ信号パルス及びＣＲＫ信号パルスがＥＣ
Ｕ５に供給される。これらの信号パルスは、燃料噴射時
期、点火時期等の各種タイミング制御及びエンジン回転
数ＮＥの検出に使用される。
【００１５】吸気マニホルド１１の吸気弁の少し上流側
には、各気筒毎に燃料噴射弁１２が設けられており、各
噴射弁は図示しない燃料ポンプに接続されているととも
にＥＣＵ５に電気的に接続されて、ＥＣＵ５からの信号
により燃料噴射時期及び燃料噴射時間（開弁時間）が制
御される。エンジン１の点火プラグ（図示せず）もＥＣ
Ｕ５に電気的に接続されており、ＥＣＵ５により点火時
期θＩＧが制御される。
【００１６】排気管１６は分岐部（排気マニホルド）１
５を介してエンジン１の燃焼室に接続されている。排気
管１６には分岐部１５が集合する部分の直ぐ下流側に、
広域空燃比センサ（以下「ＬＡＦセンサ」という）１７
が設けられている。さらにＬＡＦセンサ１７の下流側に
は直下三元触媒１９及び床下三元触媒２０が配されてお
り、またこれらの三元触媒１９及び２０の間には酸素濃
度センサ（以下「Ｏ２センサ」という）１８が装着され
ている。三元触媒１９、２０は、排気ガス中のＨＣ，Ｃ
Ｏ，ＮＯｘ等の浄化を行う。
【００１７】ＬＡＦセンサ１７は、ローパスフィルタ２
２を介してＥＣＵ５に接続されており、排気ガス中の酸
素濃度（空燃比）に略比例した電気信号を出力し、その
電気信号をＥＣＵ５に供給する。Ｏ２センサ１８は、そ
の出力が理論空燃比の前後において急激に変化する特性
を有し、その出力は理論空燃比よりリッチ側で高レベル
となり、リーン側で低レベルとなる。Ｏ２センサ１８
は、ローパスフィルタ２３を介してＥＣＵ５に接続され
ており、その検出信号はＥＣＵ５に供給される。
【００１８】排気還流機構３０は、吸気管２のチャンバ
９と排気管１６とを接続する排気還流路３１と、排気還
流路３１の途中に設けられ、排気還流量を制御する排気
還流弁（ＥＧＲ弁）３２と、ＥＧＲ弁３２の弁開度を検
出し、その検出信号をＥＣＵ５に供給するリフトセンサ
３３とから成る。ＥＧＲ弁３２は、ソレノイドを有する
電磁弁であり、ソレノイドはＥＣＵ５に接続され、その
弁開度がＥＣＵ５からの制御信号により変化させること
ができるように構成されている。
【００１９】エンジン１は、吸気弁及び排気弁のバルブ
タイミングを、エンジンの高速回転領域に適した高速バ
ルブタイミングと、低速回転領域に適した低速バルブタ
イミングとの２段階に切換可能なバルブタイミング切換
機構６０を有する。このバルブタイミングの切換は、弁
リフト量の切換も含み、さらに低速バルブタイミング選
択時は２つの吸気弁のうちの一方を休止させて、空燃比
を理論空燃比よりリーン化する場合においても安定した
燃焼を確保するようにしている。
【００２０】バルブタイミング切換機構６０は、バルブ
タイミングの切換を油圧を介して行うものであり、この
油圧切換を行う電磁弁及び油圧センサがＥＣＵ５接続さ
れている。油圧センサの検出信号はＥＣＵ５に供給さ
れ、ＥＣＵ５は電磁弁を制御してバルブタイミングの切
換制御を行う。
【００２１】また、ＥＣＵ５には、大気圧を検出する大
気圧（ＰＡ）センサ２１が接続されており、その検出信
号がＥＣＵ５に供給される。
【００２２】ＥＣＵ５は、上述した各種センサからの入
力信号波形を整形して電圧レベルを所定レベルに修正
し、アナログ信号値をデジタル信号値に変化する等の機
能を有する入力回路と、中央処理回路（ＣＰＵ）と、該
ＣＰＵで実行される各種演算プログラムや後述する各種
マップ及び演算結果等を記憶するＲＯＭ及びＲＡＭから
なる記憶回路と、燃料噴射弁１２等の各種電磁弁や点火
プラグに駆動信号を出力する出力回路とを備えている。
【００２３】ＥＣＵ５は、上述の各種エンジン運転パラ
メータ信号に基づいて、ＬＡＦセンサ１７及びＯ２セン
サ１８の出力に応じたフィードバック制御運転領域やオ
ープン制御運転領域等の種々のエンジン運転状態を判別
するとともに、エンジン運転状態に応じ、下記数式１に
より燃料噴射弁１２の燃料噴射時間ＴＯＵＴを演算し、
この演算結果に基づいて燃料噴射弁１２を駆動する信号
を出力する。
【００２４】
【数１】ＴＯＵＴ（Ｎ）＝ＴＩＭＦ×ＫＴＯＴＡＬ×Ｋ
ＣＭＤＭ×ＫＬＡＦ×ＫＯＢＳＶ＃Ｎ 図２は上記数式１による燃料噴射時間ＴＯＵＴ（Ｎ）の
算出手法を説明するための機能ブロック図であり、これ
を参照して本実施形態における燃料噴射時間ＴＯＵＴ
（Ｎ）の算出手法の概要を説明する。ここでＮは、気筒
番号を表し、これを付したパラメータは気筒毎に算出さ
れる。なお、本実施形態ではエンジンへの燃料供給量は
燃料噴射時間として算出されるが、これは噴射される燃
料量に対応するので、ＴＯＵＴを燃料噴射量若しくは燃
料量とも呼んでいる。
【００２５】図２においてブロックＢ１は、吸入空気量
に対応した基本燃料量ＴＩＭＦを算出する。この基本燃
料量ＴＩＭＦは、基本的にはエンジン回転数ＮＥ及び吸
気管内絶対圧ＰＢＡに応じて設定されるが、スロットル
弁３からエンジン１の燃焼室に至る吸気系をモデル化
し、その吸気系モデルに基づいて吸入空気の遅れを考慮
した補正を行うことが望ましい。その場合には、検出パ
ラメータとしてスロットル弁開度θＴＨ及び大気圧ＰＡ
をさらに用いる。
【００２６】ブロックＢ２〜Ｂ８は乗算ブロックであ
り、ブロックの入力パラメータを乗算して出力する。こ
れらのブロックにより、上記数式１の演算が行われ、ブ
ロックＢ５〜Ｂ８の出力として、気筒毎の燃料噴射量Ｔ
ＯＵＴ（Ｎ）が得られる。
【００２７】ブロックＢ９は、エンジン水温ＴＷに応じ
て設定されるエンジン水温補正係数ＫＴＷ，排気還流実
行中に排気還流量に応じて設定されるＥＧＲ補正係数Ｋ
ＥＧＲ等のフィードフォワード系補正係数をすべて乗算
することにより、補正係数ＫＴＯＴＡＬを算出し、ブロ
ックＢ２に入力する。
【００２８】ブロックＢ２１は、エンジン回転数ＮＥ、
吸気管内絶対圧ＰＢＡ等に応じて目標空燃比係数ＫＣＭ
Ｄを決定し、ブロックＢ２２に入力する。目標空燃比係
数ＫＣＭＤは、空燃比Ａ／Ｆの逆数、すなわち燃空比Ｆ
／Ａに比例し、理論空燃比のとき値１．０をとるので、
目標当量比ともいう。ブロックＢ２２は、ローパスフィ
ルタ２３を介して入力されるＯ２センサ出力ＶＭＯ２に
基づいて目標空燃比係数ＫＣＭＤを修正し、ブロックＢ
１８及びＢ２３に入力する。ブロックＢ２３は、ＫＣＭ
Ｄ値に応じて燃料冷却補正を行い最終目標空燃比係数Ｋ
ＣＭＤＭを算出し、ブロックＢ３に入力する。
【００２９】ブロックＢ１０は、ローパスフィルタ２２
を介して入力されるＬＡＦセンサ出力値を、ＣＲＫ信号
パルスの発生毎にサンプリングし、そのサンプル値をリ
ングバッファメモリに順次記憶し、エンジン運転状態に
応じて最適のタイミングでサンプリングしたサンプル値
を選択し（ＬＡＦセンサ出力選択処理）、ブロックＢ１
１並びにローパスフィルタブロックＢ１６を介してブロ
ックＢ１８に入力する。このＬＡＦセンサ出力選択処理
は、サンプリングのタイミングによっては変化する空燃
比を正確に検出できないこと、燃焼室から排出される排
気ガスがＬＡＦセンサ１７に到達するまでの時間やＬＡ
Ｆセンサ自体の反応時間がエンジン運転状態によって変
化することを考慮したものである。
【００３０】ブロックＢ１８は、検出空燃比と目標空燃
比との偏差に応じてＰＩＤ制御によりＰＩＤ補正係数Ｋ
ＬＡＦを算出してブロックＢ２０に入力する。
【００３１】ブロックＢ１１は、いわゆるオブザーバと
しての機能を有し、ＬＡＦセンサ１７によって検出され
る集合部（各気筒から排出された排気ガスの混合ガス）
の空燃比に基づいて、各気筒毎の空燃比を推定し、４つ
の気筒に対応しているブロックＢ１２〜Ｂ１５に入力す
る。図２においては、ブロックＢ１２が気筒＃１に対応
し、ブロックＢ１３が気筒＃２に対応し、ブロックＢ１
４が気筒＃３に対応し、ブロックＢ１５が気筒＃４に対
応する。ブロックＢ１２〜Ｂ１５は、各気筒の空燃比
（オブザーバブロックＢ１２が推定した空燃比）が、集
合部空燃比に一致するようにＰＩＤ制御により気筒別補
正係数ＫＯＢＳＶ＃Ｎ（Ｎ＝１〜４）を算出し、それぞ
れブロックＢ５〜Ｂ８に入力する。
【００３２】以上のように本実施形態では、ＬＡＦセン
サ１７の出力に応じて通常のＰＩＤ制御により算出した
ＰＩＤ補正係数ＫＬＡＦを上記数式１に適用するととも
に、ＬＡＦセンサ出力に基づいて推定した各気筒の空燃
比に応じて設定される気筒別補正係数ＫＯＢＳＶ＃Ｎを
さらに上記数式１に適用して、気筒毎の燃料噴射量ＴＯ
ＵＴ（Ｎ）を算出している。気筒別補正係数ＫＯＢＳＶ
＃Ｎにより気筒毎の空燃比のばらつきを解消して、触媒
の浄化率を向上させ、種々のエンジン運転状態において
良好な排気ガス特性を得ることができる。
【００３３】本実施形態では、上述した図２の各ブロッ
クの機能は、ＥＣＵ５のＣＰＵによる演算処理により実
現されるので、この処理のフローチャートを参照して処
理の内容を具体的に説明する。
【００３４】図３は、ＬＡＦセンサ１７の出力に応じて
ＰＩＤ補正係数ＫＬＡＦ及び気筒別補正係数ＫＯＢＳＶ
＃Ｎを算出する処理のフローチャートである。本処理は
ＴＤＣ信号パルスの発生毎に実行される。
【００３５】ステップＳ１では、始動モードか否か、す
なわちクランキング中か否かを判別し、始動モードのと
きは始動モードの処理へ移行する。始動モードでなけれ
ば、エンジン運転状態に応じて目標空燃比係数（目標当
量比）ＫＣＭＤ及び最終目標空燃比係数ＫＣＭＤＭの算
出（ステップＳ２）及びＬＡＦセンサ出力選択処理を行
う（ステップＳ３）とともにＬＡＦセンサ出力に応じた
検出当量比ＫＡＣＴの演算を行う（ステップＳ４）。検
出当量比ＫＡＣＴは、ＬＡＦセンサ１７の出力を当量比
に変換したものである。
【００３６】次いでＬＡＦセンサ１７の活性化が完了し
たか否かの活性判別を行う（ステップＳ５）。これは、
例えばＬＡＦセンサ１７の出力電圧とその中心電圧との
差を所定値（例えば０．４Ｖ）と比較し、該差が所定値
より小さいとき活性化が完了したと判別するものであ
る。
【００３７】次にエンジン運転状態がＬＡＦセンサ１７
の出力に基づくフィードバック制御を実行する運転領域
（以下「ＬＡＦフィードバック領域」という）にあるか
否かの判別を行う（ステップＳ６）。これは、例えばＬ
ＡＦセンサ１７の活性化が完了し、且つフュエルカット
中やスロットル全開運転中でないとき、ＬＡＦフィード
バック領域と判定するものである。この判別の結果、Ｌ
ＡＦフィードバック領域にないときはリセットフラグＦ
ＫＬＡＦＲＥＳＥＴを「１」に設定し、ＬＡＦフィード
バック領域にあるときは「０」とする。
【００３８】続くステップＳ７では、リセットフラグＦ
ＫＬＡＦＲＥＳＥＴが「１」か否かを判別し、ＦＫＬＡ
ＦＲＥＳＥＴ＝１のときは、ステップＳ８に進んでＰＩ
Ｄ補正係数ＫＬＡＦを「１．０」、気筒別補正係数ＫＯ
ＢＳＶ＃Ｎを後述する気筒別補正係数学習値ＫＯＢＳＶ
＃Ｎｓｔｙに設定するとともに、ＰＩＤ制御の積分項Ｋ
ＬＡＦＩを「０」に設定して、本処理を終了する。ここ
で、気筒別補正係数ＫＯＢＳＶ＃Ｎを気筒別補正係数学
習値ＫＯＢＳＶ＃Ｎｓｔｙに設定することにより、フィ
ードフォワード制御時に経年変化等による燃料供給状態
の変化に起因する内燃機関の失火や、機関回転変動に対
する機関の安定性を確保できる。
【００３９】また、ＦＫＬＡＦＲＥＳＥＴ＝０のとき
は、気筒別補正係数ＫＯＢＳＶ＃Ｎ及びＰＩＤ補正係数
ＫＬＡＦの演算を行って（ステップＳ９、Ｓ１０）、本
処理を終了する。
【００４０】ＰＩＤ補正係数ＫＬＡＦは、ステップＳ１
０において検出当量比ＫＡＣＴと目標空燃比係数（目標
当量比）ＫＣＭＤとの偏差に応じて、周知のＰＩＤ制御
手法を用いて算出される。
【００４１】次に図３のステップＳ３におけるＬＡＦセ
ンサ出力選択処理について説明する。
【００４２】エンジンの排気ガスは排気行程で排出され
ることから、多気筒エンジンの排気系集合部において空
燃比の挙動を見ると、明らかにＴＤＣ信号パルスに同期
している。したがって、ＬＡＦセンサ１７により空燃比
を検出するときもＴＤＣ信号パルスに同期して行う必要
がある。ところが、センサ出力のサンプルタイミングに
よっては空燃比の挙動を正確に把握できない場合が生じ
る。例えば、ＴＤＣ信号パルスに対して排気系集合部の
空燃比が図４のようであるとき、ＥＣＵ５が認識する空
燃比は図５に示すように、サンプルタイミングによって
全く異なる値となる。この場合、実際のＬＡＦセンサの
出力変化を可能な限り正確に把握できるタイミングでサ
ンプリングすることが望ましい。
【００４３】さらに、空燃比の変化は排気ガスのセンサ
までの到達時間やセンサの反応時間によっても相違す
る。そのうち、センサまでの到達時間は排気ガス圧力、
排気ガスボリューム等に依存して変化する。さらに、Ｔ
ＤＣ信号パルスに同期してサンプリングすることはクラ
ンク角度に基づいてサンプリングすることになるので、
必然的にエンジン回転数ＮＥの影響を受ける。このよう
に、空燃比の検出の最適なタイミングは、エンジン運転
状態に大きく依存する。
【００４４】そこで、本実施形態では図６に示すよう
に、ＣＲＫ信号パルス（クランク角度３０度毎に発生す
る）の発生毎にサンプリングしたＬＡＦセンサ出力をリ
ングバッファ（本実施形態では１８個の格納場所を有す
る）に順次格納し、最適タイミングの出力値（１７回前
の値から今回値までの中の最適の値）を検出当量比ＫＡ
ＣＴに変換してフィードバック制御に使用するようにし
ている。
【００４５】図７は、図３のステップＳ３におけるＬＡ
Ｆセンサ出力選択処理のフローチャートある。
【００４６】先ずステップＳ８１では、エンジン回転数
ＮＥ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡを読み出し、次いで現在
のバルブタイミングが高速バルブタイミングか否かを判
別する（ステップＳ８２）。その結果高速バルブタイミ
ングのときは高速バルブタイミング用のタイミングマッ
プを検索し（ステップＳ８３）、低速バルブタイミング
のときは低速バルブタイミング用のタイミングマップを
検索し（ステップＳ８４）、その検索結果に応じてリン
グバッファに格納したＬＡＦセンサ出力ＶＬＡＦを選択
して（ステップＳ８５）、本処理を終了する。
【００４７】上記タイミングマップは、図８に示すよう
に、エンジン回転数ＮＥ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡに応
じて、エンジン回転数ＮＥが低いほど、あるいは吸気管
内絶対圧ＰＢＡが高いほど早いクランク角度位置でサン
プリングした値を選択するように設定されている。ここ
で、「早い」とは、前のＴＤＣ位置により近い位置でサ
ンプリングした値（換言すれば古い値）を意味する。こ
のように設定したのは、ＬＡＦセンサ出力は、図５に示
したように、実際の空燃比の極大値又は極小値（以下
「極値」という）に可能な限り近い位置でサンプリング
するのが最良であるが、その極値、例えば最初のピーク
値は、センサの反応時間を一定と仮定すれば、図９に示
すように、エンジン回転数ＮＥが低下するほど早いクラ
ンク角度位置で生じ、また、負荷が高いほど排気ガス圧
力や排気ガスボリュームが増加し、排気ガスの流速が増
してセンサへの到達時間が早まるからである。
【００４８】以上のように、図７の処理によれば、エン
ジン運転状態に応じて最適なタイミングでサンプリング
したセンサ出力ＶＬＡＦが選択されるので、空燃比の検
出精度を向上させることができる。その結果、オブザー
バによる気筒毎の空燃比の推定精度が向上し、気筒毎の
空燃比フィードバック制御の精度を向上させることがで
きる。
【００４９】図１０は、図３のステップＳ６におけるＬ
ＡＦフィードバック領域判別処理のフローチャートであ
る。
【００５０】先ずステップＳ１２１では、ＬＡＦセンサ
１７が不活性状態にあるか否かを判別し、活性状態にあ
るときはフュエルカット中であることを「１」で示すフ
ラグＦＦＣが「１」か否かを判別し（ステップＳ１２
２）、ＦＦＣ＝０であるときは、スロットル弁全開中で
あることを「１」で示すフラグＦＷＯＴが「１」か否か
を判別し（ステップＳ１２３）、ＦＷＯＴ＝１でないと
きは、図示しないセンサによって検出したバッテリ電圧
ＶＢＡＴが所定下限値ＶＢＬＯＷより低いか否かを判別
し（ステップＳ１２４）、ＶＢＡＴ≧ＶＢＬＯＷである
ときは、理論空燃比に対応するＬＡＦセンサ出力のずれ
（ＬＡＦセンサストイキずれ）があるか否かを判別す
る。そして、ステップＳ１２１〜Ｓ１２５のいずれかの
答が肯定（ＹＥＳ）のときは、ＬＡＦセンサ出力に基づ
くフィードバック制御を停止すべき旨を「１」で示すＫ
ＬＡＦリセットフラグＦＫＬＡＦＲＥＳＥＴを「１」に
設定する（ステップＳ１３２）。
【００５１】一方、ステップＳ１２１〜Ｓ１２５の答が
すべて否定（ＮＯ）のときは、ＬＡＦセンサ出力に基づ
くフィードバック制御を実行可能と判定して、ＫＬＡＦ
リセットフラグＦＫＬＡＦＲＥＳＥＴを「０」に設定す
る（ステップＳ１３１）。
【００５２】続くステップＳ１３３では、Ｏ２センサ１
８が不活性状態にあるか否かを判別し、活性状態にある
ときは、エンジン水温ＴＷが所定下限水温ＴＷＬＯＷ
（例えば０℃）より低いか否かを判別する（ステップＳ
１３４）。そして、Ｏ２センサ１８が不活性状態のとき
またはＴＷ＜ＴＷＬＯＷであるときは、ＰＩＤ補正係数
ＫＬＡＦを現在値に維持すべきことを「１」で示すホー
ルドフラグＦＫＬＡＦＨＯＬＤを「１」に設定して（ス
テップＳ１３６）、本処理を終了する。一方、Ｏ２セン
サ１８が活性状態にあり且つＴＷ≧ＴＷＬＯＷであると
きは、ＦＫＬＡＦＨＯＬＤ＝０として（ステップＳ１３
５）、本処理を終了する。
【００５３】次に図３のステップＳ９における気筒別補
正係数ＫＯＢＳＶ＃Ｎの算出処理について説明する。
【００５４】最初にオブザーバによる気筒別空燃比の推
定手法について説明し、次に推定した気筒別空燃比に応
じた気筒別補正係数ＫＯＢＳＶ＃Ｎの算出手法を説明す
る。
【００５５】排気系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のときの値を数式２のように表した。なお、燃料量
（Ｆ）を操作量としたため、数式２では燃空比Ｆ／Ａを
用いている。
【００５６】
【数２】 すなわち、集合部の燃空比は、気筒毎の過去の燃焼履歴
に重みＣ（例えば直前に燃焼した気筒は４０％、その前
が３０％、…など）を乗算したものの合計で表した。こ
のモデルをブロック線図で表すと、図１１のようにな
り、その状態方程式は数式３のようになる。
【００５７】
【数３】 また、集合部の燃空比をｙ（ｋ）とおくと、出力方程式
は数式４のように表すことができる。
【００５８】
【数４】 数式４において、ｕ（ｋ）は観測不可能であるため、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（すなわ
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、数式４は数式５のようになる。
【００５９】
【数５】 このように設定したモデルが４気筒エンジンの排気系を
よくモデル化していることは実験的に確認されている。
従って、集合部Ａ／Ｆから気筒別空燃比を推定する問題
は、数式６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を数式７のようにおいてリカ
ッチの方程式を解くと、ゲイン行列Ｋは数式８のように
なる。
【００６０】
【数６】
【００６１】
【数７】
【００６２】
【数８】 本実施形態のモデルでは、一般的なオブザーバの構成に
おける入力ｕ（ｋ）がないので、図１２に示すようにｙ
（ｋ）のみを入力とする構成となり、これを数式で表す
と数式９のようになる。
【００６３】
【数９】 したがって、集合部燃空比ｙ（ｋ）及び過去の気筒別燃
空比の推定値Ｘハット（ｋ）から、今回の気筒別燃空比
の推定値Ｘハット（ｋ）を算出することができる。
【００６４】上記数式９を用いて気筒別燃空比Ｘハット
（ｋ＋１）を算出する場合、集合部燃空比ｙ（ｋ）とし
て、検出当量比ＫＡＣＴ（ｋ）が適用されるが、この検
出当量比ＫＡＣＴ（ｋ）は、ＬＡＦセンサ１７の応答遅
れを含んでいるのに対し、ＣＸハット（ｋ）（４つの気
筒別燃空比の重み付け加算値）は、遅れを含んでいな
い。そのため、数式９を用いたのでは、ＬＡＦセンサ１
７の応答遅れの影響で、気筒別燃空比を正確に推定する
ことはできない。特にエンジン回転数ＮＥが高いとき
は、ＴＤＣ信号パルスの発生間隔が短くなるので応答遅
れの影響が大きくなる。
【００６５】そこで本実施形態では、数式１０により集
合部燃空比の推定値ｙハット（ｋ）を算出し、これを数
式１１に適用することにより、気筒別燃空比の推定値Ｘ
ハット（ｋ＋１）を算出するようにした。
【００６６】
【数１０】
【００６７】
【数１１】 上記数式１０において、ＤＬはＬＡＦセンサ１７の応答
遅れの時定数に相当するパラメータであり、本実施形態
では図１３に示すＤＬテーブルを用いて算出される。Ｄ
Ｌテーブルは、ＤＬ値がエンジン回転数ＮＥ及び吸気管
内絶対圧ＰＢＡに応じて０から１．０の間の値となるよ
うに設定されている。同図において、ＰＢＡ１〜３はそ
れぞれ例えば、６６０ｍｍＨｇ，４６０ｍｍＨｇ，２６
０ｍｍＨｇであり、適宜補間演算を行って、検出したエ
ンジン回転数ＮＥ及び吸気管内絶対圧ＰＢＡに応じた時
定数ＤＬの算出を行う。なお、時定数ＤＬの値は、実際
の応答遅れ時間に相当する値より２０％程度遅い時間に
相当する値が最適であることが実験的に確認されてい
る。
【００６８】従来は、数式１０及び１１において、Ｘハ
ット（ｋ）の初期ベクトルは、構成要素（ｘハット（ｋ
−３），ｘハット（ｋ−２），ｘハット（ｋ−１），ｘ
ハット（ｋ））の値が全て「１．０」（理論空燃比相当
の値）のベクトルとし、数式１０においてｙハット（ｋ
−１）の初期値は「１．０」としていたが、本実施形態
では後述するように検出当量比ＫＡＣＴ（ｋ）に設定す
るようにしている。
【００６９】このように、数式９におけるＣＸハット
（ｋ）を、ＬＡＦセンサの応答遅れを含んだ集合部燃空
比の推定値ｙハット（ｋ）に置き換えた数式１１を用い
ることにより、ＬＡＦセンサの応答遅れを適切に補償し
て正確な気筒別空燃比の推定を行うことができる。特に
従来技術に比してノイズの影響を受け難くすることがで
きる。なお、以下の説明における各気筒の推定当量比Ｋ
ＡＣＴ＃１（ｋ）〜ＫＡＣＴ＃４（ｋ）が、それぞれｘ
ハット（ｋ）に相当する。
【００７０】次に推定した気筒別空燃比に基づいて気筒
別補正係数ＫＯＢＳＶ＃Ｎを算出する手法を、図１４を
参照して説明する。
【００７１】先ず、数式１２に示すように、集合部Ａ／
Ｆに対応する検出当量比ＫＡＣＴを全気筒の気筒別補正
係数ＫＯＢＳＶ＃Ｎの平均値の前回演算値で除算して目
標Ａ／Ｆに対応する当量比としての目標値ＫＣＭＤＯＢ
ＳＶ（ｋ）を算出し、＃１気筒の気筒別補正係数ＫＯＢ
ＳＶ＃１は、その目標値ＫＣＭＤＯＢＳＶ（ｋ）と＃１
気筒の推定当量比ＫＡＣＴ＃１（ｋ）との偏差ＤＫＡＣ
Ｔ＃１（ｋ）（＝ＫＡＣＴ＃１（ｋ）−ＫＣＭＤＯＢＳ
Ｖ（ｋ））が０となるように、ＰＩＤ制御により求め
る。
【００７２】
【数１２】 より具体的には、数式１３により比例項ＫＯＢＳＶＰ＃
１、積分項ＫＯＢＳＶＩ＃１及び微分項ＫＯＢＳＶＤ＃
１を求め、さらに数式１４により気筒別補正係数ＫＯＢ
ＳＶ＃１を算出する。
【００７３】
【数１３】 ＫＯＢＳＶＰ＃１（ｋ）＝ＫＰＯＢＳＶ×ＤＫＡＣＴ＃１（ｋ） ＫＯＢＳＶＩ＃１（ｋ）＝ＫＩＯＢＳＶ×ＤＫＡＣＴ＃１（ｋ） ＋ＫＯＢＳＶＩ＃１（ｋ−１） ＫＯＢＳＶＤ＃１（ｋ）＝ＫＤＯＢＳＶ ×（ＤＫＡＣＴ＃１（ｋ）−ＤＫＡＣＴ＃１（ｋ−１））
【００７４】
【数１４】ＫＯＢＳＶ＃１（ｋ）＝ＫＯＢＳＶＰ＃１
（ｋ）＋ＫＯＢＳＶＩ＃１（ｋ）＋ＫＯＢＳＶＤ＃１
（ｋ）＋１．０ ＃２〜＃４気筒についても同様の演算を行い、ＫＯＢＳ
Ｖ＃２〜＃４を算出する。
【００７５】これにより、各気筒の空燃比は集合部空燃
比に収束し、集合部空燃比はＰＩＤ補正係数ＫＬＡＦに
より、目標空燃比に収束するので、結果的にすべての気
筒の空燃比を目標空燃比に収束させることができる。
【００７６】さらに、この気筒別補正係数ＫＯＢＳＶ＃
Ｎの学習値である気筒別補正係数学習値ＫＯＢＳＶ＃Ｎ
ｓｔｙを以下の式により算出し記憶する。
【００７７】ＫＯＢＳＶ＃Ｎｓｔｙ＝Ｃｓｔｙ×ＫＯＢ
ＳＶ＃Ｎ＋（１−Ｃｓｔｙ）×ＫＯＢＳＶ＃Ｎｓｔｙ ここで、Ｃｓｔｙは重み係数、右辺のＫＯＢＳＶ＃Ｎｓ
ｔｙは前回学習値である。
【００７８】図１５は、図３のステップＳ９における気
筒別補正係数ＫＯＢＳＶ＃Ｎ算出処理のフローチャート
である。
【００７９】先ずステップＳ３３１では、ＬＡＦセンサ
１７のリーン劣化を検出しているか否かを判別し、検出
していないときは、直ちにステップＳ３３６に進む一
方、検出しているときは、目標当量比ＫＣＭＤが１．０
であるか否か、即ち目標空燃比が理論空燃比か否かを判
別する（ステップＳ３３２）。ここで、ＬＡＦセンサの
リーン劣化とは、理論空燃比よりリーン側の空燃比に対
応する出力のずれが所定以上となった状態をいう。そし
て、ＫＣＭＤ＝１．０であるときは、ステップＳ３３６
に進む一方、ＫＣＭＤ≠１．０であるときは、すべての
気筒の気筒別補正係数ＫＯＢＳＶ＃Ｎを１．０に設定し
て（ステップＳ３４４）、即ち気筒別空燃比フィードバ
ック制御は行わずに本処理を終了する。ステップＳ３３
６では、上述したオブザーバによる気筒別空燃比の推定
処理を行い、次いでホールドフラグＦＫＬＡＦＨＯＬＤ
が「１」か否かを判別し、ＦＫＬＡＦＨＯＤ＝１である
ときは、直ちに本処理を終了する。
【００８０】続くステップＳ３３８では、リセットフラ
グＦＫＬＡＦＲＥＳＥＴが「１」か否かを判別し、ＦＫ
ＬＡＦＲＥＳＥＴ＝０であるときは、エンジン回転数Ｎ
Ｅが所定回転数ＮＯＢＳＶ（例えば３５００ｒｐｍ）よ
り高いか否かを判別し（ステップＳ３３９）、ＮＥ≦Ｎ
ＯＢＳＶであるときは、吸気管内絶対圧ＰＢＡが所定上
限圧ＰＢＯＢＳＶＨ（例えば６５０ｍｍＨｇ）より高い
か否かを判別し（ステップＳ３４０）、ＰＢＡ≦ＰＢＯ
ＢＳＶＨであるときは、エンジン回転数ＮＥに応じて図
１７に示すように設定されたＰＢＯＢＳＶＬテーブルを
検索して、下限圧ＰＢＯＢＳＶＬを決定し（ステップＳ
３４１）、吸気管内絶対圧ＰＢＡが下限圧ＰＢＯＢＳＶ
Ｌより低いか否かを判別する（ステップＳ３４２）。
【００８１】以上の判別の結果、ステップＳ３３８〜Ｓ
３４０またはＳ３４２のいずれかの答が肯定（ＹＥＳ）
のときは、前記ステップＳ３４４に進み、気筒別空燃比
フィードバック制御は行わない。一方、ステップＳ３３
８〜Ｓ３４０及びＳ３４２の答がすべて否定（ＮＯ）の
ときは、エンジン運転状態が図１７に斜線で示す領域に
あり、気筒別空燃比フィードバック制御が実行可能と判
定して、上述した手法により気筒別補正係数ＫＯＢＳＶ
＃Ｎの演算を行って（ステップＳ３４３）、本処理を終
了する。
【００８２】図１６は、図１５のステップＳ３３６にお
ける気筒別空燃比の推定処理のフローチャートである。
【００８３】同図において、ステップＳ３５９では、初
期化条件が成立するか否かを判別する。初期化条件は、
例えば気筒別空燃比フィードバック制御開始時、フュエ
ルカット状態への移行時又はフュエルカット状態からの
復帰時（燃料供給再開時）、アイドル状態からアイドル
以外の運転状態への移行時又はその逆の移行時に成立す
る。
【００８４】そして初期化条件不成立のときは、直ちに
ステップＳ３６１に進み、初期化条件が成立するとき
は、前記数式１０のｙハット（ｋ−１）、前記数式１０
及び１１のＸハット（ｋ）の各構成要素（ｘハット（ｋ
−３），ｘハット（ｋ−２），ｘハット（ｋ−１），ｘ
ハット（ｋ））を何れも検出当量比ＫＡＣＴ（ｋ）に初
期化して（ステップＳ３６０）、ステップＳ３６１に進
む。
【００８５】これにより、気筒別空燃比フィードバック
制御開始時やフュエルカット状態からの復帰時等におい
てオブザーバの収束速度を向上させることができ、この
ような過渡時においても安定した気筒別空燃比を得るこ
とができる。その結果、気筒別の空燃比制御が適切に行
われて排気ガス特性や燃費の悪化を防止することができ
る。
【００８６】なお、オブザーバのゲインＫを大きくする
ことによっても、収束速度を速めることができるが、ゲ
インを上げすぎると推定空燃比が不安定になるという問
題があり、本実施形態のように初期化を行うことによ
り、そのような問題を回避することができる。
【００８７】ステップＳ３６１では、高速バルブタイミ
ング用のオブザーバ演算（即ち気筒別空燃比の推定演
算）を行い、続くステップＳ３６２では、低速バルブタ
イミング用のオブザーバ演算を行う。そして、現在のバ
ルブタイミングが高速バルブタイミングか否かを判別し
（ステップＳ３６３）、高速バルブタイミングのとき
は、高速バルブタイミング用のオブザーバ演算結果を選
択し（ステップＳ３６４）、低速バルブタイミングのと
きは、低速バルブタイミング用のオブザーバ演算結果を
選択する（ステップＳ３６５）。
【００８８】このように、現在のバルブタイミングに拘
わらず、高速及び低速バルブタイミング用のオブザーバ
演算をともに行い、現在のバルブタイミングに応じて、
演算結果を選択するようにしたのは、気筒別空燃比の推
定演算は、収束するまでに数回の演算を要するからであ
る。これにより、バルブタイミング切換直後の気筒別空
燃比の推定精度を向上させることができる。
【００８９】
【発明の効果】以上詳述したように請求項１記載の気筒
別空燃比推定装置によれば、機関の運転状態に応じて各
気筒の推定空燃比が空燃比検出手段の出力に初期化され
るので、気筒別空燃比フィードバック制御開始時やフュ
エルカット状態からの復帰時等においてオブザーバの収
束速度を向上させることができ、このような過渡時にお
いても安定した気筒別空燃比を得ることができる。その
結果、気筒別の空燃比制御が適切に行われて排気ガス特
性や燃費の悪化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例にかかる内燃機関及びその制
御装置の構成を示す図である。
【図２】本実施形態における空燃比制御手法を説明する
ための機能ブロック図である。
【図３】ＬＡＦセンサ出力に基づいて空燃比補正係数を
算出する処理のフローチャートである。
【図４】ＴＤＣ信号パルスとＬＡＦセンサ出力との関係
を示す図である。
【図５】ＬＡＦセンサ出力の最適なサンプリング時期を
説明するための図である。
【図６】ＬＡＦセンサ出力選択処理を説明するための図
である。
【図７】ＬＡＦセンサ出力選択処理のフローチャートで
ある。
【図８】ＬＡＦセンサ出力選択用タイミングマップを示
す図である。
【図９】図８のマップの設定傾向説明するための図であ
る。
【図１０】ＬＡＦフィードバック領域判別処理のフロー
チャートである。
【図１１】内燃機関の排気系の挙動を示すモデルのブロ
ック図である。
【図１２】本実施形態におけるオブザーバの構成を示す
ブロック図である。
【図１３】ＬＡＦセンサの応答遅れ時定数（ＤＬ）を設
定するためのテーブルを示す図である。
【図１４】気筒別空燃比フィードバック制御を説明する
ためのブロック図である。
【図１５】気筒別補正係数（ＫＯＢＳＶ＃Ｎ）を算出す
る処理のフローチャートである。
【図１６】気筒別空燃比推定処理のフローチャートであ
る。
【図１７】気筒別空燃比フィードバック制御を実行する
運転領域を示す図である。
【符号の説明】
１ 内燃機関（本体） ２ 吸気管 ５ 電子コントロールユニット（ＥＣＵ） １２ 燃料噴射弁 １６ 排気管 １７ 広域空燃比センサ １８ 酸素濃度センサ
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−209940（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−127502（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−173755（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−180040（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−28328（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−83094（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−124435（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−109046（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−252833（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−133738（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−17680（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−101044（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F02D 41/00 - 45/00

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 内燃機関の排気系に設けられた空燃比検
    出手段と、前記機関の排気系の挙動を記述するモデルに
    基づいてその内部状態を観測するオブサーバを設定し、
    前記空燃比検出手段の出力を入力として各気筒の空燃比
    を推定する気筒別空燃比推定手段と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、前記機関の運転状態に応
    じて前記各気筒の空燃比を前記空燃比検出手段の出力に
    初期化する初期化手段を有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. 【請求項２】 前記空燃比検出手段は、前記機関の排気
    系集合部に取り付けられていることを特徴とする請求項
    １記載の内燃機関の気筒別空燃比推定装置。
  3. 【請求項３】 前記気筒別空燃比推定手段は、前記空燃
    比検出手段の応答遅れを含めて前記排気系集合部におけ
    る空燃比を推定する集合部空燃比推定手段を有し、該集
    合部空燃比推定手段は、前記機関の運転状態の応じて前
    記排気系集合部の空燃比を前記空燃比検出手段の出力に
    初期化することを特徴とする請求項２記載の内燃機関の
    気筒別空燃比推定装置。
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