JP4716283B2 - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の空燃比制御装置に関する。より詳細には、筒内圧センサを用いて各気筒の空燃比を推定し、気筒間の空燃比を均一化するための装置に関する。

内燃機関の吸気系や動弁系部品の経年変化などによって、複数の気筒への吸入空気量が、目標値に対して誤差を生じることがある。この誤差は、機械的な不具合に依存するので、気筒ごとに異なるものとなる。また、各気筒には均一の空燃比を実現するように制御が行われるので、各気筒に送られる燃料噴射量の指令値は同一である。したがって、各気筒が同じ制御指令値を受けているにも関わらず、気筒間に空燃比のばらつきが発生することになる。

各気筒の空燃比がばらつきを生じると、触媒浄化率が低下してエミッション性能の低下を招く。また、空燃比のばらつきが過大になると、過剰なリーン／リッチ状態となった気筒は失火する可能性もある。失火に至らなくても、気筒間に大きなトルク段差を生じるため、アイドル振動やサージングなどのドライバビリティの低下を生じる。

特許文献１では、気筒ごとに設置された筒内圧センサを用いて筒内圧が最大となるクランク角度を計測し、点火時点のクランク角度との関係から各気筒の空燃比を推定して空燃比を制御する技術が開示されている。特許文献１の手法は、気筒内の空燃比の変化と、燃焼時間との間に相関関係があることに基づいて、実空燃比を目標空燃比に一致させるように制御を行うものである。
特開平２−９９７４５号

しかしながら、実際には点火時期から混合気への着火時間と、着火してから当内圧が最大となるまでの時間は、燃料性状（揮発性）または気筒内温度によって変動するため、点火時期から筒内圧が最大となるまでの時間で空燃比を推定すると、推定される空燃比の精度も悪くなり、これに伴う空燃比制御も誤制御となる可能性がある。

本発明の目的は、空燃比制御を精度良く実行するための装置を提供することである。

本発明は、筒内圧センサを利用して各気筒の着火遅れを算出し、着火遅れに基づいて各気筒の空燃比を推定する、内燃機関の空燃比制御装置を提供する。この装置は、内燃機関の燃焼室の筒内圧力を検出する圧力検出手段と、内燃機関のモータリング圧力を推定する推定手段と、内燃機関の圧縮行程から燃焼行程に至る期間において、筒内圧力とモータリング圧力との差が所定値を超える時点を燃焼開始時点として検出し、気筒ごとに点火時点から該燃焼開始時点までの着火遅れを算出する、着火遅れ算出手段と、着火遅れに基づいて各気筒の空燃比を推定し、該空燃比に応じて各気筒の空燃比が均一になるように各気筒への燃料噴射量を算出する、燃料噴射量算出手段と、を有する。

この発明により、筒内圧センサから各気筒の着火遅れを正確することができ、この着火遅れに基づいて気筒ごとの空燃比を精度良く推定できるので、空燃比制御を精度良く実行することができる。また、本発明の空燃比制御により気筒間の空燃比のバラツキを吸収できるので、回転変動やエミッション悪化を抑制することができる。

本発明の一実施形態によると、推定手段は、所定の演算式によりクランク角度ごとにモータリング圧力を推定し、着火遅れ算出手段は、内燃機関の圧縮行程において、気筒内圧力とモータリング圧力との偏差を最小にするように気筒内圧力を補正する補正手段をさらに有し、補正手段により補正された気筒内圧力と、モータリング圧力との差が所定値を超える時点を燃焼開始時点として検出する。

本発明の一実施形態によると、圧力検出手段は、内燃機関の各気筒に備えられている。燃料噴射量算出手段は、各気筒の着火遅れの平均値と各気筒の着火遅れとの偏差により、各気筒の空燃比の平均値と各気筒の空燃比との偏差を算出する。

本発明の一実施形態によると、空燃比制御装置は、空燃比の偏差がなくなるように各気筒の空燃比を補正するための補正係数を算出する手段をさらに有し、燃焼噴射量算出手段は、この補正係数により各気筒への燃料噴射量を算出する。

本発明の一実施形態によると、補正係数算出手段は、補正係数の平均値を算出し、補正係数を該平均値で正規化する。燃料噴射量算出手段は、この正規化された補正係数により各気筒への燃料噴射量を算出する。

次に図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の一実施形態である空燃比制御装置の全体的構成を示すブロック図である。電子制御ユニット１０は、中央演算装置（CPU）を備えたコンピュータである。電子制御ユニットは、コンピュータ・プログラムを格納する読取専用メモリ（ROM）およびプロセサに作業領域を提供し、データおよびプログラムを一時記憶するランダムアクセス・メモリ（RAM）を備えている。入出力インタフェイス１１は、エンジンの各部から検出信号を受け取って、A/D（アナログ・ディジタル）変換を行って次の段階に渡す。また、入出力インタフェイス１１は、CPUの演算結果に基づく制御信号をエンジンの各部に送る。図１では、電子制御ユニットをこの発明に関連する機能を示す機能ブロックで示している。

まず図２を参照して、この発明の一実施形態におけるセンサ出力補正手法の原理を説明する。図２は、クランク角度-180度から180度の領域における気筒の燃焼室の圧力を示しており、およそクランク角度-180度から０度の範囲が圧縮行程であり、０度から180度までが膨張（燃焼）行程である。曲線１は、エンジンの１つの気筒のモータリング圧力（失火時の圧力）の推移を示し、曲線３は、同じ気筒において正常な燃焼が行われたときの筒内圧力の推移を示す。クランク角０度が上死点であり、モータリング圧力は上死点でピークとなり、燃焼時の筒内圧力（曲線３）は、上死点を過ぎた点火時点付近でピークとなる。

この実施形態では、圧縮行程において上死点に達する前の期間、たとえば図２に”a”で示す期間において、圧力検出手段（図１の筒内圧力センサ１２）の検出出力を補正する補正式のパラメータを同定する。黒色のドット５は、筒内圧力センサ１２による検出出力を示す。筒内圧力センサ１２は、エンジンの燃焼室という過酷な環境に置かれており、温度の影響、経年変化などによって特性が変化する。この実施形態では、筒内圧力センサ１２の検出出力がほぼモータリング圧力の曲線１上にくるよう、検出出力を補正する。こうして補正された検出出力を白色のドット７で示す。

検出出力の補正は、筒内圧力センサの検出出力PD(θ)に、補正式 PS = PD(θ)k₁ + C₁ を適用することによって行われる。k₁ は補正係数であり、C₁ は定数である。θはクランク角度である。この補正式の２つのパラメータk₁およびC₁は、圧縮行程の、たとえば図２に”a”で示す期間において、モータリング圧力の推定値PMと、筒内圧力センサの検出出力を上述の補正式によって補正した値PSとの差(PM−PS)の二乗が最小になるよう、最小二乗法により演算して算出される。

このように補正されるセンサ出力を利用して、気筒の燃焼状態を判定することができる。燃焼（膨張）行程において混合気の燃焼開始後、たとえば図２に”b”で示す期間において、筒内圧力センサ１２の出力を補正して得られる検出出力７（白色のドット）と、状態方程式で算出されるモータリング圧力PM（曲線１）との関係に基づいて、燃焼状態、たとえば、失火が生じたかどうかを判定する。例えば、PS/PMが予め定めたしきい値より小さいとき、失火が生じたと判定することができる。

再び図１を参照すると、筒内圧力センサ１２は、圧電素子であり、エンジンの各気筒（シリンダ）の点火プラグ付近に設けられている。圧力センサ１２は、気筒内の圧力に応じた電荷信号を出力する。この信号をチャージアンプ３１により電圧信号に変換して出力し、ローパスフィルタ３３を介して入出力インタフェイス１１に出力する。入出力インタフェイス１１は、圧力センサ１２からの信号をサンプリング部１３に送る。サンプリング部１３は、この信号を所定の周期、たとえば１０kHz分の１の周期でサンプリングし、サンプル値をセンサ出力検出部１５に渡す。

センサ出力補正部１７は、上述の補正式 PS = PD(θ)k₁ + C₁ に従って、センサ出力PD(θ)を補正する。センサ出力補正部１７は、クランク角１５度ごとに補正されたセンサ出力値PSを燃焼圧力検出部４１に渡す。

一方において、燃焼室容積計算部１９は、クランク角θに応じた気筒の燃焼室の容積V_cを次の数式により計算する。

上の式で、mは、図３の関係から計算される、ピストン８の上死点からの変位を示す。rをクランク半径、l（エル）をコンロッド長とすると、λ=l/r である。V_deadは、ピストンが上死点にあるときの燃焼室の容積、A_pstnは、ピストンの断面積である。

一般に燃焼室の状態方程式は、次の（３）式で表されることが知られている。

(３)式で、Gは、例えばエアフローメータ、またはエンジン回転数および吸気圧に基づいて得られる吸入空気量、Rは気体定数、Tは、例えば吸気温度センサ、またはエンジン水温などの運転状態に基づいて得られる吸気温度である。ｋは補正係数、Cは定数である。

本実施形態では、予めセンサ取り付け部の温度変化等の影響を受けない水晶圧電式の圧力センサを用いて燃焼室の圧力を実測し、この実測値を（３）式と対応させることによりｋの値ｋ₀およびＣの値Ｃ₀を求めておく。これを（３）式に代入して得られる次の（４）式を用いてモータリング圧力を推定する。

モータリング圧力推定部２０は、基本モータリング圧力計算部２１およびモータリング圧力補正部２２から構成される。基本モータリング圧力計算部２１が（３）式の中の基本項目である基本モータリング圧力GRT/Vを計算する。モータリング圧力補正部２２は、上述のようにして予め求められているパラメータk₀およびC₀を用いて、基本モータリング圧力を補正する。このパラメータk₀およびC₀は、吸気管圧力またはエンジン回転数などエンジンの負荷状態を表すパラメータに従って参照することができるテーブルとして用意されている。

なお、モータリング圧力推定部２０は、代替的に、基本モータリング圧力計算部２１のみで構成する形式でも良い。この場合、モータリング圧力ＰＭは、基本モータリング圧力計算部２１が算出した基本モータリング圧力GRT/Vである。

パラメータ同定部２３は、圧縮行程においてモータリング圧力推定部２０が算出するモータリング圧力推定値PMとセンサ出力補正部１７が出力する筒内圧力センサ１２に基づく筒内圧力PSとの誤差(PM-PS)が最小になるよう、最小二乗法によりセンサ出力を補正する補正式のパラメータk₁およびC₁を同定する。センサ出力検出部１５は、たとえば10kHz分の１の周期で圧力センサの出力をサンプリングし、クランク角度に同期したタイミングでサンプル値の平均値をセンサ出力値PD(θ)として、パラメータ同定部２３に渡す。パラメータ同定部２３は、気筒の圧縮行程において補正式のパラメータを同定する演算を実行する。モータリング圧力補正部から得られるクランク角度に応じたモータリング圧力推定値PM(θ)と、同じクランク角度におけるセンサ出力値PD(θ)に補正式PS = PD(θ)k₁ + C₁ を適用した値PSとの差の二乗、すなわち（PM(θ) - PD(θ)k₁ - C₁）² が最小になる k₁ および C₁を既知の最小二乗法により求める。

PMの離散値をy(i)で表し、筒内圧力センサから得られる筒内圧力PDのサンプル値（離散値）をx(i)で表すと、X(i)^T=[x(0), x(1), …,x(n)]、Y(i)^T=[y(0), y(1), …,y(n)]と表される。誤差の離散値の二乗の和は、次の式（５）で表される。サンプル値は、10kHz分の１の周期でとられ、iの値は、たとえば100までとする。

このFの値を最小にするkおよびCを求めるには、F(k,C)のkおよびCに関する偏微分が０となるkおよびCを求めればよい。これを数式で表すと、次のようになる。

式(６)および(７)の右辺を整理すると、次のようになる。

これを行列で表現すると、次のようになる。

この式を逆行列を使って変形すると、次のようになる。

ここで、右辺の逆行列は、次の式で表される。

センサ出力補正部１７は、こうして同定されたパラメータを用いて燃焼行程においてセンサ出力を補正する。

補正部１７は、こうして同定されたパラメータを用いてセンサ出力PD（θ）を補正する。補正された所定クランク角（たとえば15度）ごとのセンサ出力PS（θ）が燃焼圧力検出部４１に渡される。補正部１７を省略し、センサ出力検出部１５が出力する所定クランク角度ごとの出力PD（θ）をそのままセンサ出力PS（θ）として使用してもよい。

燃焼圧力検出部４１は、エンジンの気筒において混合気が燃焼する際の純粋に燃焼によって生じる圧力PC（θ）を算出する。図２を参照すると、筒内圧力センサ１２の出力に基づいて検出される圧力PS（θ）（曲線３）は、燃焼がないときの気筒圧力であるモータリング圧力PM（θ）に、燃焼によって生じる圧力PC（θ）を加算したものになっている。したがって、PC（θ）= PS（θ）- PM（θ）の演算式によりPC（θ）を算出することができる。

図４を参照すると、燃焼開始時点検出部４３は、吸入空気圧力PBをパラメータとするテーブルから燃焼開始ポイントを判定するための判定値DP_Cを検索し（S101）、上記のようにして算出された燃焼圧力PC（θ）(S103)がこの判定値を超えると（S105）、着火フラグを１にセットする(S105)。混合気の燃焼開始時点付近では、算出される燃焼圧力PC（θ）が振動するので、最初にPC（θ）が判定値を超えたときのクランク角度を着火時点として用いることにし、この角度をθ_DLY_bsで表す(S111)。

図１の着火遅れ算出部４５は、点火プラグに点火したクランク角度IG （θ）から着火時点θ_DLY_bsを引き算して着火遅れD_θ_DLY(n)を算出する（図４、S113）。この着火遅れが予め定めた最大値より大きいときは（S115）、最大値を平均値算出のためのパラメータD_θ_DLY_IG(n)に設定する(S123)。着火遅れD_θ_DLY(n)が予め定めた最小値より小さいときは（S117）、最小値をパラメータD_θ_DLY_IG(n)に設定する(S121)。着火遅れD_θ_DLY_(n)が最大値と最小値の間にあるときは、これをパラメータD_θ_DLY_IG(n)に設定する(S119)。このパラメータD_θ_DLY_IG(n)の16個の移動平均を平均着火遅れθ_DLY_avとする(S125)。

再び図１を参照すると、空燃比補正部４７および燃料噴射量算出部４９は、エンジンの各バンクにおいて、バンクに含まれる各気筒の着火遅れに基づき、各気筒の空燃比が均一となるように気筒ごとに空燃比を補正して、各気筒の燃料噴射量を調整する。図６に示すように、空燃比と着火遅れとの間には相関関係がある。例えば、空燃比がリーン状態側に進むほど、気筒の着火遅れは増大する。したがって、各気筒の着火遅れから空燃比を推定し、この推定した空燃比を均一にするように各気筒の空燃比を補正して燃料噴射量を調節することにより、空燃比のフィードバック制御を行う。

図５を参照すると、空燃比補正部４７は、まず、平均着火遅れ算出部４５で算出された各気筒の着火遅れθ_DLY_av#（#は気筒の番号）から、バンクごとの着火遅れの平均値D_θDLYAVBを求め（Ｓ２０１）、式（１１）より各気筒の着火遅れθ_DLY_av#と、平均値D_θDLYAVBとの偏差DD_θDLYAV#を算出する（Ｓ２０３）。

DD_θDLYAV# ＝θ_DLY_av# − D_θDLYAVB （１１）
ただし、＃は気筒の番号であり、気筒ごとに偏差を算出する。

つづいて、各気筒の着火遅れの偏差DD_θDLYAV#を、空燃比の偏差KCPERRX#に変換する（Ｓ２０５）。この変換は、例えば、図６に示すような空燃比と着火遅れとの相関関係に基づく変換マップを利用して行われる。ここで、空燃比の偏差KCPERRX#とは、各気筒の空燃比と、バンク内の全気筒の空燃比の平均値との偏差である。

なお、ステップＳ２０１〜Ｓ２０５は、代替的に、平均着火遅れ算出部４５で算出された各気筒の着火遅れθ_DLY_av#から、変換マップを用いて各気筒の空燃比を推定し、これらの空燃比の平均値を算出し、各気筒の推定空燃比と平均値との偏差KCPERRX#を算出する形式でも良い。

各気筒の空燃比の偏差KCPERRX#に基づいて、式（１２）に示されるように、各気筒の空燃比補正係数kcpcyl#を算出する（Ｓ２０７）。

ここで、KpおよびKiは、フィードバックゲインである。式（１２）の右辺の第二項は比例項であり、第三項は積分項である。つまり、式（１２）は、入力を空燃比の偏差KCPERRX#としたＰＩ制御のフィードバック量を計算し、１を中心とした補正係数を算出している。

ここで、式（１２）の右辺の第二項以降には、微分項を加えたＰＩＤ制御を適用しても良い。また、そのほかのフィードバック制御手法を適用することも可能である。

続いて、バンクごとに空燃比補正係数kcpcyl#の平均値KCPCYLAVBを求め（Ｓ２０９）、式（１３）のように、各気筒の空燃比補正係数を、平均値で正規化する（Ｓ２１１）。

KCPCYL# ＝ kcpcyl# ／ KCPCYLAVB （１３）
このような正規化により、空燃比補正係数の平均値が１になるので、バンク全体の空燃比は変化させずに、各気筒の空燃比を補正することができる。

さらに、空燃比補正係数KCPCYL#をリミット処理し（Ｓ２１３）、補正係数KCPCYL#を燃料噴射量算出部４９に送る。

燃料噴射量算出部４９は、気筒内の燃料噴射量を決めるインジェクタ５１の開弁時間TOUTを、式（１４）から算出する（図５のＳ２１５）。

TOUT ＝ KCPCYL# × 要求開弁時間 ＋ 電源電圧補正値 （１４）
算出された開弁時間TOUTの指令値が、インジェクタ５１へ送られる。

このように、各気筒の燃料噴射量を調整して空燃比を補正することにより、バンク内の各気筒の空燃比が均一化される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこのような実施形態に限定されるものではない。また、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンのいずれに対しても使用することができる。

本発明の一実施形態である空燃比制御装置の全体的構成を示すブロック図である。 モータリング圧力曲線および燃焼時のセンサ出力の補正値の曲線を示す図である。 ピストン位置を計算するための概念図である。 着火遅れ算出のメインフローを示すフローチャートである。 各気筒の燃料噴射量を算出する処理を示すフローチャートである。 着火遅れと空燃比との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
１２ 筒内圧センサ
１５ センサ出力検出部
２０ モータリング圧力推定部
４５ 平均着火遅れ算出部
４７ 空燃比補正部
４９ 燃料噴射量算出部

Claims (4)

1. 複数の気筒を有する内燃機関の空燃比制御装置であって、
   前記内燃機関の各気筒に備えられるとともに、該気筒内の圧力を検出する圧力検出手段と、
   前記内燃機関のモータリング圧力を推定する推定手段と、
   前記内燃機関の圧縮行程から燃焼行程に至る期間において、前記気筒内圧力と前記モータリング圧力との差が所定値を超える時点を燃焼開始時点として検出し、気筒ごとに点火時点から該燃焼開始時点までの着火遅れを算出する、着火遅れ算出手段と、
   前記複数の気筒の着火遅れの平均値と各気筒の着火遅れとの差により、前記複数の気筒の空燃比の平均値と各気筒の空燃比との差を算出するとともに、前記空燃比の差がなくなるように各気筒の空燃比を補正するための補正係数を算出する補正係数算出手段と、
   前記補正係数に応じて各気筒の空燃比が均一になるように各気筒への燃料噴射量を算出する、燃料噴射量算出手段と、
   を有する内燃機関の空燃比制御装置。
2. 前記圧力検出手段の出力を補正式に従って補正する補正手段と、
   前記内燃機関のクランク角度を検出するクランク角度検出手段と、
   前記内燃機関の圧縮行程における所定の期間に、前記モータリング圧力の推定値と、前記圧力検出手段の出力を前記補正手段によって補正した値との差が最小にするように、前記補正式のパラメータを同定するパラメータ同定手段とを備え、
   前記推定手段は、前記クランク角度検出手段によって検出されるクランク角度に基づいて前記内燃機関のモータリング圧力を推定し、
   前記着火遅れ算出手段は、前記内燃機関の圧縮行程において、同定された前記パラメータにより補正された前記圧力検出手段の出力と前記モータリング圧力との差が所定値を超える時点を燃焼開始時点として検出する、請求項１に記載の空燃比制御装置。
3. 前記推定手段は、前記クランク角度検出手段によって検出されるクランク角度に基づいて算出する前記内燃機関の燃焼室の容積に基づいて基本モータリング圧力を計算するモータリング圧力計算手段と、
   前記内燃機関の負荷に応じた補正パラメータを用いて前記基本モータリング圧力を補正する本モータリング圧力補正手段と、を備える請求項１に記載の空燃比制御装置。
4. 前記補正係数算出手段が、前記複数の気筒の補正係数の平均値を算出し、前記補正係数を該平均値で正規化し、前記燃料噴射量算出手段が、該正規化された補正係数により各気筒への燃料噴射量を算出する、請求項１〜３のいずれかに記載の空燃比制御装置。

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