JP3467455B2 - 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】この発明は内燃機関の気筒別
空燃比推定装置に関し、より詳しくは、予混合リーン運
転モードあるいは成層燃焼運転モードなど複数の運転モ
ードで運転される筒内噴射型の火花点火式内燃機関の気
筒別空燃比推定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】複数気筒を備えた内燃機関の排気系集合
部に空燃比センサを１個だけ配置した場合、センサ出力
は全ての気筒の排気空燃比を混合した空燃比を示すこと
となり、気筒ごとの空燃比を正確に検出することができ
ない。そこで、本出願人は先に特許第２７１７７４４号
などにおいて、空燃比センサ出力が各気筒の燃焼履歴に
重み係数を乗じた加重平均値からなるものとみなして設
定されたモデルとその内部状態を観測すべく設定された
オブザーバに基づき、単一の空燃比センサ出力から各気
筒別の空燃比を精度良く推定する技術を提案している。
【０００３】また、排気ガスが空燃比センサに到達する
までの時間（あるいはクランク角度）は運転状態などに
よって異なることから、本出願人は先に特許第２７５０
６７３号において、空燃比センサ出力を順次サンプリン
グすると共に、運転状態などに応じて予め設定されたマ
ップ特性に従ってサンプリングされた出力のいずれかを
選択する技術を提案している。
【０００４】また、運転状態に応じて上記したモデルの
重み係数（パラメータ）が変化するため、本出願人は先
に特許第２６８９３６８号において、複数の運転状態に
対応してオブザーバ行列を設定しておき、運転状態に応
じて設定したオブザーバ行列のいずれかを選択して使用
する技術を提案している。
【０００５】ところで、近時、ガソリン燃料を気筒燃焼
室に噴射する筒内噴射（直接噴射）型の火花点火式内燃
機関が提案されており、その例として、特公平４−３７
２６４号公報などの技術を挙げることができる。火花点
火式筒内噴射機関にあっては、要求される機関負荷に応
じ、目標空燃比を理論空燃比に設定する理論空燃比運転
モード、それよりリーン側の空燃比に設定する予混合リ
ーン運転モード、あるいはさらにリーン側の空燃比に設
定する成層燃焼運転モードの中のいずれかの運転モード
に決定され、運転される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】そのような複数の運転
モードで運転される内燃機関においては、機関負荷が同
一であっても、運転モードによって排出される排気ガス
流量が相違する結果、排気ガスが空燃比センサに到達す
るまでの時間（あるいはクランク角度）が変化する。さ
らに、排気ガスが空燃比センサに与える挙動も運転モー
ドによって異なる。
【０００７】従って、この発明の目的は、複数の運転モ
ードで運転される内燃機関において、運転モードが切り
替えられたときも、サンプリングされた空燃比センサ出
力を適正に選択して各気筒の空燃比を精度良く推定する
ようにした内燃機関の気筒別空燃比推定装置を提供する
ことにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに請求項１項において、複数気筒を備えた内燃機関の
排気系集合部あるいはその下流に配置され、前記内燃機
関の排気空燃比に応じた信号を出力する単一の空燃比セ
ンサ、前記空燃比センサ出力を順次サンプリングするサ
ンプリング手段、少なくとも機関回転数および機関負荷
を含む前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出
手段、前記検出された運転状態の中の少なくとも機関回
転数および機関負荷に応じて予め設定された特性に従っ
て前記サンプリングされた空燃比センサ出力のいずれか
を選択する選択手段、および前記空燃比センサ出力が各
気筒の燃焼履歴に重み係数を乗じた加重平均値からなる
ものとみなして設定されたモデルとその内部状態を観測
すべく設定されたオブザーバに基づき、前記選択された
空燃比センサ出力から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、少なくとも前記検出された機関負荷に基づ
き、前記内燃機関の運転モードを、目標空燃比を理論空
燃比に設定する理論空燃比運転モード、および前記目標
空燃比を前記理論空燃比よりリーン側の空燃比に設定す
る予混合リーン運転モードと、前記目標空燃比を前記リ
ーン側の空燃比よりさらにリーン側の空燃比に設定する
成層燃焼運転モードからなる少なくとも２種の希薄燃焼
運転モードを含む３種の中のいずれかに決定する運転モ
ード決定手段、および前記決定された運転モードを判別
する運転モード判別手段を備え、前記選択手段は、前記
判別された運転モードに応じて予め設定された複数の特
性の中の対応する特性を選択し、前記選択した特性に従
って前記サンプリングされた空燃比センサ出力のいずれ
かを選択する如く構成した。
【０００９】判別された運転モードに応じて予め設定さ
れた複数の特性の中の対応する特性を選択し、選択した
特性に従ってサンプリングされた空燃比センサ出力のい
ずれかを選択する如く構成したので、運転モードが切り
替えられたときも、サンプリングされた空燃比センサ出
力を適正に選択することができ、オブザーバの気筒別空
燃比推定精度を向上させることができ、各気筒の空燃比
を精度良く推定することができる。
【００１０】請求項２項にあっては、複数気筒を備えた
内燃機関の排気系集合部あるいはその下流に配置され、
前記内燃機関の排気空燃比に応じた信号を出力する単一
の空燃比センサ、前記空燃比センサ出力を順次サンプリ
ングするサンプリング手段、少なくとも機関回転数およ
び機関負荷を含む前記内燃機関の運転状態を検出する運
転状態検出手段、前記検出された運転状態の中の少なく
とも機関回転数および機関負荷に応じて予め設定された
特性に従って前記サンプリングされた空燃比センサ出力
のいずれかを選択する選択手段、および前記空燃比セン
サ出力が各気筒の燃焼履歴に重み係数を乗じた加重平均
値からなるものとみなして設定されたモデルとその内部
状態を観測すべく設定されたオブザーバに基づき、前記
選択された空燃比センサ出力から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、少なくとも前記検出された機関
負荷に基づき、前記内燃機関の運転モードを、目標空燃
比を理論空燃比に設定する理論空燃比運転モード、およ
び前記目標空燃比を前記理論空燃比よりリーン側の空燃
比に設定する予混合リーン運転モードと、前記目標空燃
比を前記リーン側の空燃比よりさらにリーン側の空燃比
に設定する成層燃焼運転モードからなる少なくとも２種
の希薄燃焼運転モードを含む３種の中のいずれかに決定
する運転モード決定手段、および前記決定された運転モ
ードを判別する運転モード判別手段を備え、前記気筒別
空燃比推定手段は、前記判別された運転モードに応じて
予め設定された複数の前記モデルの中の対応するモデル
を示す行列および前記オブザーバのゲイン行列を選択
し、前記選択した行列に基づき、前記選択された空燃比
センサ出力から各気筒の空燃比を推定する如く構成し
た。
【００１１】判別された運転モードに応じて予め設定さ
れた複数のモデルの中の対応するモデルを示す行列およ
びオブザーバのゲイン行列を選択し、選択した行列に基
づき、選択された空燃比センサ出力から各気筒の空燃比
を推定する如く構成したので、運転モードが切り替えら
れたときも、サンプリングされた空燃比センサ出力を適
正に選択することができ、オブザーバの気筒別空燃比推
定精度を向上させることができ、各気筒の空燃比を精度
良く推定することができる。
【００１２】尚、上記において「少なくとも」と記載し
たのは、それ以外のパラメータを用いても良いことを示
すためである。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下、添付図面に即してこの発明
の実施の形態を説明する。
【００１４】図１はこの発明に係る内燃機関の気筒別空
燃比推定装置を全体的に示す概略図である。
【００１５】図において、符号１０はＯＨＣ直列４気筒
の内燃機関（以下「エンジン」という）を示し、吸気管
１２の先端に配置されたエアクリーナ１４から導入され
た吸気は、サージタンク１６を通り、スロットルバルブ
１８でその流量を調節されつつ吸気（インテーク）マニ
ホルド２０を経て、２個の吸気バルブ（図示せず）を介
して第１（＃１）から第４（＃４）気筒（シリンダ）２
２に流入する。図１では１つの気筒のみ示す。
【００１６】各気筒２２にはピストン２４が移動自在に
設けられると共に、その頂部に凹部が形成され、ピスト
ン２４の頂部とシリンダヘッド２６の内壁との間に、燃
焼室２８が形成される。燃焼室２８に臨む位置の中央付
近には、インジェクタ（燃料噴射弁）３０が設けられ
る。
【００１７】インジェクタ３０は燃料供給管３２を通じ
て燃料タンク３４に接続され、燃料タンク３４の内部に
配置された燃料ポンプ３４ａによって汲み上げられて高
圧ポンプおよびレギュレータ（共に図示せず）で所定の
高圧に調圧された燃料（ガソリン燃料）の供給を受け、
開弁するとき、燃料を燃焼室２８に噴射する。
【００１８】各気筒２２の燃焼室２８には点火プラグ３
６が配置される。点火プラグ３６は点火コイルを含む点
火装置３８から点火エネルギの供給を受け、所定の点火
時期において噴射燃料と吸入空気の混合気を点火する。
点火された混合気は燃焼して爆発し、ピストン２４を駆
動する。
【００１９】このように、この実施の形態に係るエンジ
ン１０は、ガソリン燃料をインジェクタ３０を介して各
気筒２２の燃焼室２８に直接噴射する、筒内噴射型の火
花点火式の内燃機関である。
【００２０】燃焼後の排気ガスは、２個の排気バルブ
（図示せず）を介して排気（エキゾースト）マニホルド
４０に排出され、排気管４２を進んでＮＯｘ成分除去触
媒装置４４および三元触媒装置４６に達し、そこで浄化
されてエンジン１０外に排出される。
【００２１】排気マニホルド４０の下流において、排気
管４２はＥＧＲ管４８を介してスロットルバルブ１８の
下流で吸気管１２に接続される。ＥＧＲ管４８にはＥＧ
Ｒ制御バルブ５０が設けられ、所定の運転状態において
開弁させられて流量（ＥＧＲ量）を調節しつつ排気ガス
の一部を吸気系に還流させる。
【００２２】また、燃料タンク３４の液面上方空間はキ
ャニスタ５４に接続され、蒸発燃料はキャニスタ５４に
送られ、そこに充填される活性炭に吸着される。キャニ
スタ５４はパージ管５６を介してスロットルバルブ１８
の下流で吸気管１２に接続される。パージ管５６にはキ
ャニスタパージ制御バルブ５８が設けられ、所定の運転
状態において開弁させられて流量（パージ流量）を調節
しつつ蒸発燃料の一部を吸気系にパージさせる。
【００２３】また、スロットルバルブ１８と車両運転席
床面に配置されたアクセルペダル（図示せず）と機械的
に連結されず、スロットルバルブ１８はパルスモータ６
０に連結され、その出力で駆動されて吸気管１２を開閉
する。このように、スロットルバルブ１８は、ＤＢＷ方
式で駆動される。
【００２４】ピストン２４はコンロッド６２を介してク
ランクシャフト６４に連結されると共に、クランクシャ
フト６４の付近にはクランク角センサ６６が配置され
る。クランク角センサ６６は、クランクシャフト６４に
取り付けられたパルサ６６ａおよびそれに対向配置され
た磁気ピックアップ６６ｂからなる。
【００２５】クランク角センサ６６は、クランク角度７
２０度ごとに気筒判別用のＣＹＬ信号を、各気筒２２の
ＢＴＤＣ所定クランク角度ごとにＴＤＣ信号を、ＴＤＣ
信号間隔を６個に細分したクランク角度３０度（以下
「ＳＴＡＧＥ」という）ごとにＣＲＫ信号を出力する。
【００２６】パルスモータ６０にはスロットル開度セン
サ６８が接続され、パルスモータ開度を通じてスロット
ルバルブ１８の開度ＴＨに応じた信号を出力する。
【００２７】吸気管１２のスロットルバルブ１８の配置
位置付近には絶対圧（ＭＡＰ）センサ７０が設けられ、
スロットル下流の吸気圧力を図示しない通路を介して導
入して吸気管内絶対圧ＰＢＡに応じた信号を出力する。
また、吸気管１２においてスロットルバルブ１８の配置
位置の上流側には吸気温センサ７２が設けられ、吸入空
気の温度ＴＡに応じた信号を出力する。
【００２８】また、気筒２２の付近には水温センサ７４
が設けられ、エンジン水温ＴＷに応じた信号を出力す
る。排気マニホルド４０の集合部の下流で触媒装置４
４，４６の上流側において排気管４２には広域空燃比セ
ンサ（以下「ＬＡＦセンサ」という）７６が１個設けら
れ、排気空燃比、より正確には排気ガス中の酸素濃度に
比例した信号を出力する。
【００２９】具体的には、図２に模式的に示すように、
ＬＡＦセンサ７６は、排気マニホルド４０の集合部４０
ａの下流に１個配置され、エンジン１０の排気空燃比に
応じた信号を出力する。
【００３０】また、触媒装置４４，４６の下流側にはＯ
2 センサ８０が設けられ、排気空燃比が理論空燃比に対
してリーンあるいはリッチ方向に変化する度に反転する
信号を出力する。
【００３１】さらに、アクセルペダルの付近にはアクセ
ル開度センサ８２が設けられ、運転者により操作される
アクセル開度（アクセルペダル位置）θＡＰに応じた信
号を出力する。また、エンジン１０の適宜位置には大気
圧センサ８４が設けられ、エンジン１０が位置する場所
の大気圧ＰＡに応じた信号を出力する。
【００３２】これらセンサ出力は、電子制御ユニット
（以下「ＥＣＵ」という）９０に送られる。ＥＣＵ９０
はマイクロコンピュータからなり、入力回路９０ａ、Ｃ
ＰＵ９０ｂ，メモリ９０ｃおよび出力回路９０ｄならび
にカウンタ（図示せず）を備える。クランク角センサ６
６が出力するＣＲＫ信号は、カウンタでカウントされて
エンジン回転数ＮＥが検出される。
【００３３】ＬＡＦセンサ７６の出力はＳＴＡＧＥ（ク
ランク角度３０度。ＳＴＡＧＥ Ｎｏで０から５までの
数字を付して特定される）ごとにサンプリング（Ａ／Ｄ
変換）され、メモリ９０ｃに記憶（格納）される。
【００３４】ＥＣＵ９０は、検出したエンジン回転数Ｎ
Ｅおよび入力したセンサ出力値に基づいて燃料噴射量お
よび点火時期を算出する。
【００３５】ＥＣＵ９０の燃料噴射量算出処理について
説明すると、検出したエンジン回転数ＮＥとアクセル開
度θＡＰからエンジン負荷（あるいは運転者要求出力）
を示す目標トルクＰＭＥを算出する。次いで、算出した
目標トルクＰＭＥと検出したエンジン回転数ＮＥとから
前記した運転モードを決定すると共に、算出した目標ト
ルクＰＭＥと検出したエンジン回転数ＮＥとから目標空
燃比ＫＣＭＤを算出する。
【００３６】具体的には、算出した目標トルクＰＭＥが
高負荷であるとき、運転モード（以下「ＳＴ．ＥＭＯ
Ｄ」という）は、目標空燃比ＫＣＭＤを理論空燃比ある
いはその近傍、例えば、１２．０：１から１５．０：１
に設定する理論空燃比運転モード（ＳＴ．ＥＭＯＤ＝
０）に決定する。
【００３７】また、算出した目標トルクＰＭＥが中負荷
であるとき、運転モードは、目標空燃比ＫＣＭＤを理論
空燃比よりリーン側の空燃比、例えば１５．０：１から
２２．０：１に設定する予混合リーン運転モード（Ｓ
Ｔ．ＥＭＯＤ＝１）に決定すると共に、低負荷であると
きは前記リーン側の空燃比よりさらにリーン側の空燃
比、例えば２２．０：１から６０．０：１に設定する成
層燃焼運転モード（ＳＴ．ＥＭＯＤ＝２）に決定する。
このように、希薄燃焼運転モードとして予混合リーン運
転モードおよび成層燃焼運転モードからなる２種を備え
る。
【００３８】理論空燃比運転モードあるいは予混合リー
ン運転モードに決定されるときは吸入行程で燃料噴射が
実行される。噴射された燃料は吸入空気と一体化し、点
火されて予混合燃焼（均質燃焼）を生じる。成層燃焼運
転モードに決定されるときは、圧縮行程（および必要に
応じて部分的に吸入工程）で燃料噴射が実行され、成層
燃焼（Direct Injection Stratified Charge) を生じ
る。
【００３９】尚、上で述べたように検出したエンジン回
転数ＮＥと算出した目標トルクＰＭＥとから運転モード
（負荷）を決定するが、点火プラグ近傍の空燃比は、運
転モード（負荷）に関わらず１２．０：１から１５．
０：１となるように燃料噴射が実行される。
【００４０】他方、検出したエンジン回転数ＮＥと吸気
管内絶対圧ＰＢＡに基づき、基本燃料噴射量ＴＩＭを算
出する。基本燃料噴射量ＴＩＭは、インジェクタ３０の
開弁時間で算出する。このように算出して得た値に基づ
いて出力燃料噴射量ＴＯＵＴが算出される。 ＴＯＵＴ＝ＴＩＭ×ＫＣＭＤＭ×ＫＡＦ×ＫＴ＋ＴＴ
【００４１】上記で、ＫＣＭＤＭは目標空燃比補正係数
であり、前記した目標空燃比ＫＣＭＤに充填効率補正を
施して算出する。尚、目標空燃比ＫＣＭＤも目標空燃比
補正係数ＫＣＭＤＭも、実際には、当量比で示される。
【００４２】ＫＡＦは前記したＬＡＦセンサ出力に基づ
く空燃比フィードバック補正係数である（後述）。ＫＴ
は残余の乗算形式による補正項、ＴＴは残余の加算形式
による補正項である。
【００４３】ＥＣＵ９０の点火時期算出処理について説
明すると、成層燃焼運転モードにおいては検出したエン
ジン回転数ＮＥと算出した目標トルクＰＭＥに基づいて
基本点火時期ＩＧＭＡＰを算出すると共に、予混合リー
ン運転モードあるいは理論空燃比運転モードにおいては
検出したエンジン回転数ＮＥと吸気管内絶対圧ＰＢＡに
基づいて基本点火時期ＩＧＭＡＰを算出する。次いで、
エンジン水温補正項ＩＧＴＷなどの補正項の総和ＩＧＣ
Ｒを加算して出力点火時期ＩＧを以下のように算出す
る。 ＩＧ＝ＩＧＭＡＰ＋ＩＧＣＲ 上記で：ＩＧＣＲは、エンジン水温補正項ＩＧＴＷなど
の補正項の総和である。
【００４４】そして、算出した点火時期に相当するクラ
ンク角度において点火装置３８および点火プラグ３６を
介して混合気を着火する。
【００４５】次いでこの発明に係る内燃機関の気筒別空
燃比推定装置の動作を説明する。
【００４６】図３はその動作を示すフロー・チャートで
ある。図示のプログラムは各気筒のＴＤＣ付近の所定の
クランク角度で実行されて気筒別の空燃比が推定され
る。
【００４７】同図の説明に入る前に、ここで本出願人が
先に提案した空燃比推定技術を説明する。
【００４８】前記したように、本出願人は特許第２７１
７７４４号などにおいて、オブザーバを用いた気筒別空
燃比推定技術を提案した。オブザーバは、既知である制
御入力および測定入力を用い、一般に測定不可能である
状態変数を推定するものであるが、本出願人は、排気マ
ニホルド４０の集合部４０ａの集合部空燃比は、各気筒
空燃比の混ざり合ったものであり、各気筒（この場合４
気筒）の集合部空燃比への寄与度は、周期的に変化する
ものとみなすと共に、時刻ｋの排気気筒の空燃比（Ａ／
Ｆ）をＸ(k) として、排気マニホルドの挙動を数１のよ
うにモデル化した。
【００４９】
【数１】
【００５０】数１でＸ(k+1) ＝Ｘ(k-3) であり、同一気
筒の空燃比（Ａ／Ｆ）は変化しないものと仮定する。時
刻ｋにおいて最も寄与度が高い気筒の寄与率をＥＸＭＣ
４とし、次いで順にＥＸＭＣ３，ＥＸＭＣ２，ＥＸＭＣ
１とすると共に、寄与率ＥＸＭＣｎの和を１．０とする
とき、集合部空燃比（Ａ／Ｆ）を示す出力Ｙ(k) は、数
２のような加重平均で表すことができる。即ち、ＬＡＦ
出力が各気筒の燃焼履歴に重み係数（ＥＸＭＣｎあるい
は後述するＣ）を乗じた加重平均値からなるものとみな
すことができる。
【００５１】
【数２】
【００５２】また、ＬＡＦセンサ７６のモデルを一次遅
れモデルで表現すると共に、一次遅れ係数をＴＤＬＡＦ
とすると、数３のように表すことができる。
【００５３】
【数３】
【００５４】上記した排気マニホルドモデルのオブザー
バの構成をブロック図で示すと、図４のようになる。こ
こで、前々回から次回排気気筒の空燃比推定値ＯＢＳＶ
Ｚ２からＯＢＳＶＮ１は、数４および数５に示す行列計
算で求める。
【００５５】
【数４】
【００５６】
【数５】
【００５７】数５において、係数Ａは、気筒分の次数を
持つ、数６に示すような行列である。
【００５８】
【数６】
【００５９】また係数Ｃは、数２に示す、排気マニホル
ド混ざりモデルの行列で，数７のように示される。
【００６０】
【数７】
【００６１】また係数Ｇは、数８に示すようなオブザー
バゲイン行列であり、数９に示す如く、リカッティ方程
式を解くことによって求めることができる。
【００６２】
【数８】
【００６３】
【数９】
【００６４】尚、数９において、Ｑ，Ｒはセッテイング
変数であり、例えば数１０のように設定される。
【００６５】
【数１０】
【００６６】図４に示す構成において、＃１から＃４気
筒の推定空燃比ＫＡＣＴＯＢＳＶ１からＫＡＣＴＯＢＳ
Ｖ４は、以下のようになる。 ＫＡＣＴＯＢＳＶ１＝ＯＢＳＶＺ０(k) ＫＡＣＴＯＢＳＶ２＝ＯＢＳＶＺ０(k) ＫＡＣＴＯＢＳＶ３＝ＯＢＳＶＺ０(k) ＫＡＣＴＯＢＳＶ４＝ＯＢＳＶＺ０(k)
【００６７】尚、本出願人はさらに、特許第２７５０６
７３号において、運転状態などに応じて予め設定された
特性（マップ）に従ってサンプリングされたＬＡＦセン
サ出力のいずれかを選択する技術を提案すると共に、特
許第２６８９３６８号において、運転状態に応じて予め
設定したオブザーバのゲイン行列のいずれかを選択して
使用する技術を提案している。
【００６８】上記を前提として以下説明すると、先ずＳ
１０において前記したＳＴ．ＥＭＯＤの値を判断し、０
であるときはＳ１２に進み、検出された運転状態の中の
エンジン回転数ＮＥと吸気管内絶対圧ＰＢＡ（エンジン
負荷）に応じて予め設定された特性（ＣＳＥＬ．ＳＴマ
ップ）を選択する。
【００６９】また、１であるときはＳ１４に進み、エン
ジン回転数ＮＥと目標トルクＰＭＥに応じて予め設定さ
れた特性（ＣＳＥＬ．ＬＥマップ）を選択すると共に、
２であるときはＳ１６に進み、エンジン回転数ＮＥと目
標トルクＰＭＥに応じて予め設定された特性（ＣＳＥ
Ｌ．ＤＩマップ）を選択する。
【００７０】次いでＳ１８に進み、マップ検索して得た
値をＣＳＥＬとし、Ｓ２０に進み、値ＣＳＥＬに応じた
ＬＡＦセンサ出力ＶＬＡＦＡＤを選択する。
【００７１】図５は上記したマップの中、ＣＳＥＬ．Ｓ
Ｔマップの構成を示す説明図である。図示は省略する
が、他のＣＳＥＬ．ＬＥマップおよびＣＳＥＬ．ＤＩマ
ップの構成も同様である。このようなマップを検索して
得られる値ＣＳＥＬは、排気ガスが排出されてからＬＡ
Ｆセンサ７６に到達して出力を生じるまでの時間あるい
は時間的な遅れを示す値である。
【００７２】即ち、先の提案技術で述べたように、運転
状態によって排気ガスがＬＡＦセンサ７６に到達するま
での時間は相違する。
【００７３】図６は第１気筒（＃１気筒（ＣＹＬ））に
焦点をおき、その排気工程で排出された排気ガスが時間
あるいはクランク角度において遅れて到着することを示
す。運転状態に起因する遅れにＬＡＦセンサ７６の応答
遅れも加わることから、同図にハッチングで示す第１気
筒の寄与度が最大となる時点でサンプリングされたセン
サ出力を選択する必要がある。
【００７４】そこで、図６末尾に示すように、ＳＴＡＧ
ＥごとにサンプリングされたＬＡＦセンサ出力をＣＳＥ
Ｌ（より詳しくはＣＳＥＬ Ｎｏ．）で特定すると共
に、選択されたマップを検出したエンジン回転数ＮＥお
よび吸気管内絶対圧ＰＢＡ（あるいは目標トルクＰＭ
Ｅ）から検索してＣＳＥＬを求め、それに対応するセン
サ出力を選択するようにした。
【００７５】さらに、排気ガスの到達時間は、運転モー
ドによっても相違する。即ち、負荷として吸気管内絶対
圧ＰＢＡを基準に考えると、同一吸気管内絶対圧ＰＢＡ
では理論空燃比運転モードから予混合リーン運転モー
ド、さらには成層燃焼運転モードと移行するにつれて燃
料量が少なくなることから、排気温度が低下して燃焼後
の排気ガス体積（ボリューム）は減少する。
【００７６】従って、ＬＡＦセンサ７６に到達するまで
の時間が長くなり、時間的に後でサンプリングされた出
力を選択しなければならない。具体的には、図６におい
て右方向の値、より具体的には、同図下部に示すＣＳＥ
Ｌで言えば小さい方の値を選択する必要がある。
【００７７】他方、目標トルクＰＭＥを規準に考える
と、目標トルクＰＭＥが同一であれば、運転モードが異
なっても、必要な燃料噴射量はほぼ同一と考えられる。
このとき、吸気管内絶対圧ＰＢＡは運転モードが異なる
と相違し、理論空燃比運転モードから予混合リーン運転
モード、さらには成層燃焼運転モードと移行するにつれ
て（絶対圧において）高くなる。これは、燃焼後の排気
ガス体積の増加を意味する。従って、目標トルクＰＭＥ
を規準に考えると、理論空燃比運転モードから予混合リ
ーン運転モード、さらには成層燃焼運転モードと移行す
るにつれて排気ガス体積が増加し、ＬＡＦセンサ７６に
到達する時間は短くなると考えられる。
【００７８】そこで、この実施の形態においては、その
両者を勘案して図５に示すマップの特性を、具体的に
は、図７に示すように設定した。即ち、同図（ａ）から
（ｃ）に示す如く、理論空燃比運転モードから予混合リ
ーン運転モードに、さらに成層燃焼運転モードになるに
つれてＣＳＥＬの値（即ち、Ｎｏ）が減少するように、
換言すれば、時間的に後のサンプリング値が選択される
ように構成した。
【００７９】尚、先の提案技術で述べたと同様に、ＣＳ
ＥＬは、エンジン回転数が低く、負荷が高いほど増加さ
せられ、よって時間的に早い時点のサンプリング値が選
択される。
【００８０】図３の説明に戻ると、Ｓ２０において、図
６に示す如く、マップ検索して得られたＣＳＥＬから該
当するサンプリング値ＶＬＡＦＡＤを選択する。
【００８１】次いでＳ２２に進み、検出した大気圧ＰＡ
から図８にその特性を示すテーブルを検索して大気圧補
正係数ＫＶＬＡＦＰＡを算出し、Ｓ２４に進み、選択し
たサンプリング値ＶＬＡＦＡＤに乗じて補正し、よって
得た値をＶＬＡＦとする。
【００８２】次いでＳ２６に進み、値ＶＬＡＦから図９
にその特性を示すテーブルを検索して値ＫＡＣＴＡＤを
算出する。
【００８３】次いでＳ２８に進み、算出したＫＡＣＴＡ
Ｄが適宜設定する上下限値内にあるか否か判断し、肯定
されるときは算出値ＫＡＣＴＡＤをＫＡＣＴとすると共
に、否定されるときは算出値を上限値あるいは下限値に
置き換え、置き換えた値をＫＡＣＴとする。
【００８４】よって求めた値ＫＡＣＴは、図９に示す如
く、１．０（理論空燃比相当値）を中心として当該気筒
の排気ガス中の酸素濃度に比例したリーンあるいはリッ
チ方向の具体的な値（空燃比相当）を示す。この求めた
値ＫＡＣＴが数３に示す式中の排気Ａ／Ｆに相当し、数
３に示す式を用いて推定値ＫＡＣＴＨＡＴ（ｋ）が算出
され、それを数４および数５に示す式を用いて当該気筒
の推定空燃比ＫＡＣＴＯＢＳＶｎを算出する。
【００８５】次いで、算出した推定空燃比ＫＡＣＴＯＢ
ＳＶｎと目標空燃比ＫＣＭＤとの偏差が算出され、偏差
を解消すべくＰＩＤゲインが乗じられて前記した空燃比
フィードバック補正係数ＫＡＦが算出され、検出された
排気空燃比ＫＡＣＴが目標空燃比ＫＣＭＤに一致するよ
うに基本燃料噴射量ＴＩＭに乗じられて出力燃料噴射量
ＴＯＵＴが算出される。
【００８６】この実施の形態は上記の如く構成したの
で、理論空燃比運転モード、予混合リーン運転モードお
よび成層燃焼運モード転からなる複数の運転モードで運
転されるエンジン１０において、運転モードが切り替え
られたときも、サンプリングされた空燃比センサ出力を
適正に選択することで、オブザーバによる気筒別空燃比
推定精度を向上させることができ、各気筒の空燃比を精
度良く推定することができる。また、その結果、必要に
応じて気筒別空燃比制御を精度良く行うことができる。
【００８７】図１０は、この発明の第２の実施の形態に
係る内燃機関の気筒別空燃比推定装置の動作を示すフロ
ー・チャートである。
【００８８】第２の実施の形態では運転モードに応じて
混ざりモデル行列Ｃとオブザーバゲイン行列Ｇを別々に
設定するようにした。
【００８９】即ち、第１の実施の形態においては運転モ
ードに応じて３種のＣＳＥＬマップのいずれかを選択
し、選択したマップからＣＳＥＬを検索してサンプリン
グ値を選択するようにしたが、第２の実施の形態では混
ざりモデル行列Ｃとオブザーバゲイン行列Ｇを別々に設
定し、運転モードに応じて選択するようにした。
【００９０】即ち、理論空燃比運転モードから予混合リ
ーン運転モードに、さらに成層燃焼運転モードになるに
従って排気ガスが到達する時間が長くなることは、換言
すれば、当該気筒より前に排気された気筒の影響が、よ
り長い時間残ることを意味する。
【００９１】そこで、第２の実施の形態にあっては、排
気マニホルド混ざりモデル（係数）行列Ｃ（数７）と、
Ｃで決定されるオブザーバゲイン行列Ｇ（数８）を運転
モードおよび運転状態に応じて相違させるようにした。
【００９２】即ち、数９から明らかな如く、オブザーバ
ゲイン行列Ｇは、混ざりモデル行列Ｃから一意に決定さ
れる。よって、Ｃ，Ｇの組み合わせを運転モードおよび
運転状態（即ち、エンジン回転数ＮＥおよび吸気管内絶
対圧ＰＢＡ（あるいは目標トルクＰＭＥで定義される運
転状態）に応じて相違させるようにした。
【００９３】図１０を参照して第２の実施の形態に係る
内燃機関の気筒別空燃比推定装置の動作を説明すると、
Ｓ１００で検出したエンジン回転数ＮＥおよび吸気管内
絶対圧ＰＢＡ（あるいは目標トルクＰＭＥ）に応じてＣ
ＳＥＬマップを検索する。ＣＳＥＬマップの特性は、図
７（ａ）に示すものに類似する。
【００９４】次いでＳ１０２からＳ１０８まで第１の実
施の形態と同様な処理を行ってＳ１１０に進み、選択し
たＫＡＣＴＡＤテーブルをＶＬＡＦから検索し、Ｓ１１
２に進んでＫＡＣＴを算出する。
【００９５】次いでＳ１１４に進み、前記したＳＴ．Ｅ
ＭＯＤの値を判断し、判断結果に応じてＳ１１６からＳ
１２０のいずれかに進み、エンジン回転数ＮＥおよび吸
気管内絶対圧ＰＢＡ（あるいは目標トルクＰＭＥ）に応
じて予め設定されている特性（図示せず）を検索して行
列Ｃ，Ｇを検索する。
【００９６】次いでＳ１２２に進み、数４に示す式を用
いてＫＡＣＴＨＡＴ(k) を算出し、Ｓ１２４に進み、数
５に示す式を用いて当該気筒の推定空燃比ＫＡＣＴＯＢ
ＳＶｎを算出する。
【００９７】第２の実施の形態は上記の如く構成したの
で、運転モードが切り替えられたときも、第１の実施の
形態と同様にオブザーバによる気筒別空燃比推定精度を
向上させることができ、各気筒の空燃比を精度良く推定
することができる。
【００９８】この実施の形態にあっては上記の如く、複
数気筒２２を備えた内燃機関（エンジン１０）の排気系
集合部あるいはその下流（排気マニホルド４０の集合部
４０ａの下流の排気管４２）に配置され、前記内燃機関
の排気空燃比に応じた信号を出力する単一の空燃比セン
サ（ＬＡＦセンサ７６）、前記空燃比センサ出力を順次
サンプリングするサンプリング手段（メモリ９０ｃ）、
少なくとも機関回転数（エンジン回転数ＮＥ）および機
関負荷（吸気管内絶対圧ＰＢＡあるいは目標トルクＰＭ
Ｅ）を含む前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態
検出手段（クランク角センサ６６、絶対圧センサ７０、
アクセル開度センサ８２）、前記検出された運転状態の
中の少なくとも機関回転数および機関負荷に応じて予め
設定された特性に従って前記サンプリングされた空燃比
センサ出力のいずれかを選択する選択手段（ＥＣＵ９
０，Ｓ２０からＳ２４，Ｓ２８）、および前記空燃比セ
ンサ出力が各気筒の燃焼履歴に重み係数（ＥＸＭＣｎあ
るいはＣ）を乗じた加重平均値からなるものとみなして
設定されたモデルとその内部状態を観測すべく設定され
たオブザーバに基づき、前記選択された空燃比センサ出
力から各気筒の空燃比を推定する気筒別空燃比推定手段
（ＥＣＵ９０）を備えた内燃機関の気筒別空燃比推定装
置において、少なくとも前記検出された機関負荷に基づ
き、前記内燃機関の運転モードを、少なくとも前記検出
された機関負荷に基づき、前記内燃機関の運転モード
を、前記目標空燃比を理論空燃比に設定する理論空燃比
運転モード、および前記理論空燃比よりリーン側の空燃
比に設定する予混合リーン運転モードと、前記リーン側
の空燃比よりさらにリーン側の空燃比に設定する成層燃
焼運転モードからなる少なくとも２種の希薄燃焼運転モ
ードを含む３種の中のいずれかに決定する運転モード決
定手段（ＥＣＵ９０）、および前記決定された運転モー
ドを判別する運転モード判別手段（ＥＣＵ９０，Ｓ１
０）を備え、前記選択手段は、前記判別された運転モー
ドに応じて予め設定された複数の特性（ＣＳＥＬ．ＳＴ
マップ、ＣＳＥＬ．ＬＥマップ、ＣＳＥＬ．ＤＩマッ
プ）の中の対応する特性を選択し、前記選択した特性に
従って前記サンプリングされた空燃比センサ出力のいず
れかを選択する（Ｓ１２からＳ２８）如く構成した。
【００９９】また、複数気筒２２を備えた内燃機関（エ
ンジン１０）の排気系集合部あるいはその下流（排気マ
ニホルド４０の集合部４０ａの下流の排気管４２）に配
置され、前記内燃機関の排気空燃比に応じた信号を出力
する単一の空燃比センサ（ＬＡＦセンサ７６）、前記空
燃比センサ出力を順次サンプリングするサンプリング手
段（メモリ９０ｃ）、少なくとも機関回転数（エンジン
回転数ＮＥ）および機関負荷（吸気管内絶対圧ＰＢＡあ
るいは目標トルクＰＭＥ）を含む前記内燃機関の運転状
態を検出する運転状態検出手段（クランク角センサ６
６、絶対圧センサ７０、アクセル開度センサ８２）、前
記検出された運転状態の中の少なくとも機関回転数およ
び機関負荷に応じて予め設定された特性に従って前記サ
ンプリングされた空燃比センサ出力のいずれかを選択す
る選択手段（ＥＣＵ９０，Ｓ１００からＳ１０８，Ｓ１
２０）、および前記空燃比センサ出力が各気筒の燃焼履
歴に重み係数（ＥＸＭＣｎあるいはＣ）を乗じた加重平
均値からなるものとみなして設定されたモデルとその内
部状態を観測すべく設定されたオブザーバに基づき、前
記選択された空燃比センサ出力から各気筒の空燃比を推
定する気筒別空燃比推定手段（ＥＣＵ９０）を備えた内
燃機関の気筒別空燃比推定装置において、少なくとも前
記検出された機関負荷に基づき、前記内燃機関の運転モ
ードを、少なくとも前記検出された機関負荷に基づき、
前記内燃機関の運転モードを、前記目標空燃比を理論空
燃比に設定する理論空燃比運転モード、および前記理論
空燃比よりリーン側の空燃比に設定する予混合リーン運
転モードと、前記リーン側の空燃比よりさらにリーン側
の空燃比に設定する成層燃焼運転モードからなる少なく
とも２種の希薄燃焼運転モードを含む３種の中のいずれ
かに決定する運転モード決定手段（ＥＣＵ９０）、およ
び前記決定された運転モードを判別する運転モード判別
手段（ＥＣＵ９０，Ｓ１１４）を備え、前記気筒別空燃
比推定手段は、前記判別された運転モードに応じて予め
設定された複数の前記モデルの中の対応するモデルを示
す行列Ｃおよび前記オブザーバのゲイン行列Ｇを選択
し、前記選択した行列に基づき、前記選択された空燃比
センサ出力から各気筒の空燃比を推定する（ＥＣＵ９
０，Ｓ１１６からＳ１２４）如く構成した。
【０１００】尚、この発明の実施の形態を筒内噴射型の
火花点火式ガソリンエンジンを例にとって説明したが、
この発明は、ガソリン燃料を吸気弁の前に噴射する通常
のエンジンで理論空燃比運転モードと予混合リーン運転
モードで運転されるものにも、妥当する。
【０１０１】また、スロットルバルブ１８の駆動にパル
スモータ６０を使用したが、パルスモータ６０に代えて
トルクモータあるいはＤＣモータなどのアクチュエータ
を用いても良い。
【０１０２】
【発明の効果】請求項１項にあっては、判別された運転
モードに応じて予め設定された複数の特性の中の対応す
る特性を選択し、選択した特性に従ってサンプリングさ
れた空燃比センサ出力のいずれかを選択する如く構成し
たので、運転モードが切り替えられたときも、サンプリ
ングされた空燃比センサ出力を適正に選択することがで
き、オブザーバの気筒別空燃比推定精度を向上させるこ
とができ、各気筒の空燃比を精度良く推定することがで
きる。
【０１０３】請求項２項にあっては、判別された運転モ
ードに応じて予め設定された複数のモデルの中の対応す
るモデルを示す行列およびオブザーバゲイン行列を選択
し、選択した行列に基づき、選択された空燃比センサ出
力から各気筒の空燃比を推定する如く構成したので、運
転モードが切り替えられたときも、サンプリングされた
空燃比センサ出力を適正に選択することができ、オブザ
ーバの気筒別空燃比推定精度を向上させることができ、
各気筒の空燃比を精度良く推定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る内燃機関の気筒別空燃比推定装
置を全体的に示す概略図である。
【図２】図１装置の空燃比センサ（ＬＡＦセンサ）の排
気系集合部における配置を模式的に示す説明図である。
【図３】図１装置の動作を示すフロー・チャートであ
る。
【図４】図１装置で使用する排気マニホルドモデルのオ
ブザーバの構成を示すブロック図である。
【図５】図３フロー・チャートで使用するＣＳＥＬ．Ｓ
Ｔマップの構成を示す説明図である。
【図６】図３フロー・チャートの動作を示すタイム・チ
ャートである。
【図７】図３フロー・チャートで使用するＣＳＥＬ．Ｓ
Ｔマップなどの特性を示す説明グラフである。
【図８】図３フロー・チャートで使用するＫＶＬＡＦＰ
Ａテーブルの特性を示す説明グラフである。
【図９】図３フロー・チャートで使用するＫＡＣＴＡＤ
テーブルの特性を示す説明グラフである。
【図１０】この発明の第２の実施の形態に係る内燃機関
の気筒別空燃比推定装置の動作を示すフロー・チャート
である。
【符号の説明】
１０ 内燃機関（エンジン） １２ 吸気管 ２２ 気筒（シリンダ） ２８ 燃焼室 ４０ 排気（エキゾースト）マニホルド ４２ 排気管 ６６ クランク角センサ ７０ 絶対圧（ＭＡＰ）センサ ７６ 空燃比センサ（ＬＡＦセンサ） ８２ アクセル開度センサ ９０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｆ０２Ｄ 45/00 ３７０ Ｆ０２Ｄ 45/00 ３７０Ｂ 41/04 ３０５ 41/04 ３０５Ｃ 41/14 ３１０ 41/14 ３１０Ｆ ３１０Ｌ (72)発明者 佐藤 正浩 埼玉県和光市中央１丁目４番１号 株式 会社本田技術研究所内 (56)参考文献 特開 平10−9038（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−37264（ＪＰ，Ａ) 特許2717744（ＪＰ，Ｂ２) 特許2750673（ＪＰ，Ｂ２) 特許2689368（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F02D 41/00 - 41/40 F02D 43/00 - 43/04 F02D 45/00 G01M 15/00

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ａ．複数気筒を備えた内燃機関の排気系集
    合部あるいはその下流に配置され、前記内燃機関の排気
    空燃比に応じた信号を出力する単一の空燃比センサ、 ｂ．前記空燃比センサ出力を順次サンプリングするサン
    プリング手段、 ｃ．少なくとも機関回転数および機関負荷を含む前記内
    燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段、 ｄ．前記検出された運転状態の中の少なくとも機関回転
    数および機関負荷に応じて予め設定された特性に従って
    前記サンプリングされた空燃比センサ出力のいずれかを
    選択する選択手段、および ｅ．前記空燃比センサ出力が各気筒の燃焼履歴に重み係
    数を乗じた加重平均値からなるものとみなして設定され
    たモデルとその内部状態を観測すべく設定されたオブザ
    ーバに基づき、前記選択された空燃比センサ出力から各
    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、 ｆ．少なくとも前記検出された機関負荷に基づき、前記
    内燃機関の運転モードを、目標空燃比を理論空燃比に設
    定する理論空燃比運転モード、および前記目 標空燃比を
    前記理論空燃比よりリーン側の空燃比に設定する予混合
    リーン運転モードと、前記目標空燃比を前記リーン側の
    空燃比よりさらにリーン側の空燃比に設定する成層燃焼
    運転モードからなる少なくとも２種の希薄燃焼運転モー
    ドを含む３種の中のいずれかに決定する運転モード決定
    手段、および ｇ．前記決定された運転モードを判別する運転モード判
    別手段、を備え、前記選択手段は、前記判別された運転
    モードに応じて予め設定された複数の特性の中の対応す
    る特性を選択し、前記選択した特性に従って前記サンプ
    リングされた空燃比センサ出力のいずれかを選択するこ
    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】ａ．複数気筒を備えた内燃機関の排気系集
    合部あるいはその下流に配置され、前記内燃機関の排気
    空燃比に応じた信号を出力する単一の空燃比センサ、 ｂ．前記空燃比センサ出力を順次サンプリングするサン
    プリング手段、 ｃ．少なくとも機関回転数および機関負荷を含む前記内
    燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段、 ｄ．前記検出された運転状態の中の少なくとも機関回転
    数および機関負荷に応じて予め設定された特性に従って
    前記サンプリングされた空燃比センサ出力のいずれかを
    選択する選択手段、および ｅ．前記空燃比センサ出力が各気筒の燃焼履歴に重み係
    数を乗じた加重平均値からなるものとみなして設定され
    たモデルとその内部状態を観測すべく設定されたオブザ
    ーバに基づき、前記選択された空燃比センサ出力から各
    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、 ｆ．少なくとも前記検出された機関負荷に基づき、前記
    内燃機関の運転モードを、目標空燃比を理論空燃比に設
    定する理論空燃比運転モード、および前記目 標空燃比を
    前記理論空燃比よりリーン側の空燃比に設定する予混合
    リーン運転モードと、前記目標空燃比を前記リーン側の
    空燃比よりさらにリーン側の空燃比に設定する成層燃焼
    運転モードからなる少なくとも２種の希薄燃焼運転モー
    ドを含む３種の中のいずれかに決定する運転モード決定
    手段、および ｇ．前記決定された運転モードを判別する運転モード判
    別手段、を備え、前記気筒別空燃比推定手段は、前記判
    別された運転モードに応じて予め設定された複数の前記
    モデルの中の対応するモデルを示す行列および前記オブ
    ザーバのゲイン行列を選択し、前記選択した行列に基づ
    き、前記選択された空燃比センサ出力から各気筒の空燃
    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。
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