JPH1047131A

JPH1047131A - 内燃機関の気筒別空燃比推定装置

Info

Publication number: JPH1047131A
Application number: JP21814496A
Authority: JP
Inventors: Toru Kitamura; 徹北村; Hiroshi Ono; 弘志大野; Yusuke Hasegawa; 祐介長谷川; Yoichi Nishimura; 要一西村; Kenichiro Ishii; 健一郎石井
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1996-08-01
Filing date: 1996-08-01
Publication date: 1998-02-17
Anticipated expiration: 2016-08-01
Also published as: JP3683355B2

Abstract

(57)【要約】【課題】空燃比（ＬＡＦ）センサの応答遅れを適切に
補償して各気筒の空燃比を精度よく推定し、ノイズに対
するタフネスを向上させた気筒別空燃比推定装置を提供
する。【解決手段】ＬＡＦセンサ１７の出力がＬＰＦ２２及
びブロックＢ１０を介して、オブザーバ（Ｂ１１）に入
力される。オブザーバは、ＬＡＦセンサ出力の応答遅れ
を含めて排気系集合部の空燃比を推定するとともに、各
気筒毎の気筒別空燃比を推定する。排気系集合部の空燃
比の推定には、各気筒毎の推定空燃比が用いられる。推
定した気筒別空燃比に応じてＰＩＤ制御により各気筒毎
の燃料供給量が制御される。

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
方法が、従来より知られている（特開平５−１８００５
９号公報）。

【０００３】一般に空燃比センサは応答遅れを有してい
るため、この応答遅れを補償せずに上記推定を行うと、
推定の精度が低下する。このため上記方法では、空燃比
センサを１次遅れ系で近似してモデル化し、そのモデル
の伝達関数から逆伝達関数を求めて、センサ出力に乗算
することにより、センサの応答遅れを補償している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の方法では、ノイズの影響を受けやすく、改善の余地
が残されていた。

【０００５】本発明はこの問題を解決するためになされ
たものであり、空燃比センサの応答遅れを適切に補償し
て各気筒の空燃比を精度よく推定し、その上、ノイズに
よる影響を受け難くし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、内燃機関の排気系集合部に設
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、前記空燃比検出手段の応答遅
れを補償し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
段の出力を用いて前記各気筒の空燃比を推定し、該集合
部空燃比推定手段は、前記推定した各気筒の空燃比を用
いて前記排気系集合部における空燃比の推定を行うこと
を特徴とする。

【０００７】請求項２に記載の発明は、請求項１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出力と前記集合部空燃比
推定手段の出力との偏差に応じて前記各気筒の空燃比を
推定することを特徴とする。

【０００８】請求項３に記載の発明は、請求項１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、前記排気系集合部における空燃比を前記オブザ
ーバの観測対象に含め、（前記排気系集合部に対応する
気筒数＋１）次のオブザーバとしたことを特徴とする。

【０００９】請求項４に記載の発明は、請求項１から３
のいずれかに記載の気筒別空燃比推定装置において、前
記集合部空燃比推定手段は、少なくとも前記機関の回転
数に応じて設定される遅れ時定数を用いて前記推定を行
うことを特徴とする。

【００１０】請求項１記載の気筒別空燃比推定装置によ
れば、推定した気筒別の空燃比を用いて空燃比検出手段
の応答遅れを含めて、排気系集合部の空燃比が推定さ
れ、該推定された集合部空燃比を用いて、気筒別空燃比
が推定される。

【００１１】

【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。

【００１２】（第１の実施形態）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。

【００１３】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。

【００１４】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。

【００１５】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。

【００１６】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。

【００１７】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。直、本実施形態においては、４気筒
のエンジンにて説明するが、例えばＶ型エンジンのよう
にバンク毎に設けられた排気系集合部のそれぞれにＬＡ
Ｆセンサ１７を設けてもよい。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，ＣＯ，ＮＯｘ等の浄化を行う。

【００１８】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。

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】

【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。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】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。

【００３６】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。

【００３７】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。

【００３８】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。

【００３９】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。

【００４０】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。

【００４１】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。

【００４２】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。

【００４３】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。

【００４４】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。

【００４５】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。

【００４６】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。

【００４７】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。

【００４８】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（応答遅れ）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。

【００４９】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。

【００５０】なお、量産したＬＡＦセンサの反応時間の
ばらつきが予想される場合には、予めＬＡＦセンサの反
応時間をＬＡＦセンサ毎に計測してｍ個のランクに分け
ておき、上記タイミングマップより読み出された値に対
して加減算する補正項を複数（ｍ個）、あるいは上記タ
イミングマップを各バルブタイミング毎に複数（ｍ個）
設けるとともに、ＥＣＵの基板上にそのタイミングマッ
プに対応したｍ個のジャンパ線を予め設けておき、その
ＥＣＵと組み合わされるＬＡＦセンサの反応特性に応じ
てジャンパ線を選択することにより、ＬＡＦセンサの反
応時間にあわせたタイミングを選択できるようにしても
よい。

【００５１】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。

【００５２】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。

【００５３】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。

【００５４】

【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１０のようにな
り、その状態方程式は数式３のようになる。

【００５５】

【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。

【００５６】

【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。

【００５７】

【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。

【００５８】

【数６】

【００５９】

【数７】

【００６０】

【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１１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。

【００６１】

【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。

【００６２】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。

【００６３】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。

【００６４】

【数１０】

【００６５】

【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１２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。

【００６６】なお、数式１０及び１１において、Ｘハッ
ト（ｋ）の初期ベクトルは、例えば構成要素（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」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」とする。

【００６７】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。

【００６８】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１３を
参照して説明する。

【００６９】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。

【００７０】

【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。

【００７１】

【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））

【００７２】

【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。

【００７３】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。

【００７４】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。

【００７５】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。

【００７６】図１４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。

【００７７】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ＦＫＬＡ
ＦＨＯＬＤ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。

【００７８】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
１６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）。

【００７９】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１６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。

【００８０】図１５は、図１４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。

【００８１】同図において、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）。

【００８２】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。

【００８３】（第２の実施形態）本実施形態では、第１
の実施形態における数式１０及び１１を、下記数式１５
に代えて気筒別燃空比の演算を行う。すなわち、第１の
実施形態では４次の（４つの気筒の燃空比を観測対象と
する）オブザーバにおいて、ＬＡＦセンサの応答遅れを
含めた集合部燃空比の推定値ｙハット（ｋ）を導入した
が、本実施形態では集合部燃空比の推定値ｙハット
（ｋ）をオブザーバに含めた５次の（４つの気筒の燃空
比＋集合部燃空比を観測対象とする）オブザーバによ
り、気筒別燃空比を推定するようにしたものである。

【００８４】

【数１５】上記数式１５において、ＤＬは第１の実施形態と同様
に、ＬＡＦセンサ１７の応答遅れの時定数であり、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。また本実施形態では、ゲインベクトルＫ’も少
なくともエンジン回転数ＮＥに応じて設定される。な
お、この場合エンジン回転数ＮＥを複数の領域に分割
し、分割した複数の領域毎に時定数ＤＬ及びゲインベク
トルＫ’が異なるオブザーバを構成し、検出したエンジ
ン回転数ＮＥの応じて、使用するオブザーバを選択する
ことが望ましい。

【００８５】以上の点以外は第１の実施形態と同様であ
る。

【００８６】本実施形態においても、ＬＡＦセンサ１７
の応答遅れを含めて集合部燃空比を推定し、該推定した
集合部燃空比を用いて気筒別空燃比が推定されるので、
より正確な推定を行うことができる。さらに、本実施形
態によれば、ゲインベクトルＫ’を適切に設定すること
により、４次のオブザーバ（第１の実施形態）より安定
且つ高速に収束させることが可能であり、オブザーバの
応答性を向上させることができる。

【００８７】なお、例えばＶ型６気筒エンジンでバンク
毎に排気系集合部を設けて、それぞれＬＡＦセンサを配
置する場合には、１つのＬＡＦセンサ出力に基づいて空
燃比を推定する気筒の数は３個となるので、４（排気系
集合部に対応する気筒数＋１）次のオブザーバとする。

【００８８】

【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、推定した気筒別の空燃比を
用いて空燃比検出手段の応答遅れを含めて、排気系集合
部の空燃比が推定され、該推定された集合部空燃比を用
いて、気筒別空燃比が推定されるので、空燃比検出手段
の応答遅れを適切に補償して各気筒の空燃比を精度よく
推定し、しかもノイズの影響を受け難くすることができ
る。

【００８９】請求項３記載の気筒別空燃比推定装置によ
れば、（排気系集合部に対応する祈祷する＋１）次のオ
ブザーバにより、排気系集合部における空燃比をオブザ
ーバの観測対象に含めて気筒別空燃比の推定が行われる
ので、オブザーバの推定精度を向上できるとともに、高
次のオブザーバによる安定性の向上により、ゲインを大
きくできるため、安定且つ高速に収束させることが可能
となり、オブザーバの応答性を向上させることができ
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】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１１】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１２】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１３】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１４】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１５】気筒別空燃比推定処理のフローチャートであ
る。

【図１６】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 (72)発明者西村要一埼玉県和光市中央１丁目４番１号株式会社本田技術研究所内 (72)発明者石井健一郎埼玉県和光市中央１丁目４番１号株式会社本田技術研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関の排気系集合部に設けられた空
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
手段の出力を用いて前記各気筒の空燃比を推定し、該集
合部空燃比推定手段は、前記推定した各気筒の空燃比を
用いて前記排気系集合部における空燃比の推定を行うこ
とを特徴とする内燃機関の気筒別空燃比推定装置。
【請求項２】前記気筒別空燃比推定手段は、前記空燃
比検出手段の出力と前記集合部空燃比推定手段の出力と
の偏差に応じて前記各気筒の空燃比を推定することを特
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。
【請求項３】前記気筒別空燃比推定手段は、前記排気
系集合部における空燃比を前記オブザーバの観測対象に
含め、（前記排気系集合部に対応する気筒数＋１）次の
オブザーバとした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。
【請求項４】前記集合部空燃比推定手段は、少なくと
も前記機関の回転数に応じて設定される遅れ時定数を用
いて前記推定を行うことを特徴とする請求項１から３の
いずれかに内燃機関の気筒別空燃比推定装置。