JPH1047134A

JPH1047134A - 内燃機関の気筒別空燃比推定装置および制御装置

Info

Publication number: JPH1047134A
Application number: JP12785897A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Hasegawa; 祐介長谷川; Isao Komoriya; 勲小森谷; Eisuke Kimura; 英輔木村; Naosuke Akasaki; 修介赤崎; Yoichi Nishimura; 要一西村
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1997-05-02
Filing date: 1997-05-02
Publication date: 1998-02-17

Abstract

(57)【要約】【課題】オブザーバによる各気筒空燃比の推定精度を
向上させると共に、推定値を用いて空燃比フィードバッ
ク制御を行う。【構成】内燃機関で考慮すべき燃焼履歴の数を３以上
とするとき、直前の２つの燃焼履歴以上で、かつ前記考
慮すべき燃焼履歴の数より少ない燃焼履歴を除く、それ
以前の燃焼履歴についての加重平均の重み係数を零にす
る。また、空燃比のフィードバック制御に推定された値
を用いる。

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
空燃比推定装置および制御装置に関し、より具体的には
多気筒内燃機関の排気系集合部に空燃比センサを設け、
排気系の挙動を記述するモデルを設定してセンサ出力を
入力すると共に、その内部状態を観測するオブザーバを
設け、その出力から各気筒の空燃比を推定する内燃機関
の気筒別空燃比推定装置において、オブザーバによる各
気筒の空燃比の推定精度を向上させると共に、前記推定
値に基づいて空燃比をフィードバック制御するようにし
たものに関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の排気系に空燃比センサを設け
て空燃比を検出することは良く行われており、その一例
として特開昭５９−１０１５６２号公報記載の技術を挙
げることができる。また、本出願人も先に特願平３−３
５９３３９号（特開平５−１８００５９号）において、
排気系の挙動を記述するモデルを設定して排気系集合部
に設けた単一の空燃比センサの出力を入力し、オブザー
バを介して各気筒の空燃比を推定する技術を提案してい
る。尚、そこにおいて、空燃比センサは広域空燃比セン
サ、即ち、理論空燃比で出力が反転するＯ₂センサでは
なく、理論空燃比の前後を通じて排気ガス中の酸素濃度
に比例した出力特性を有するものを使用している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記した構成によって
各気筒の空燃比を精度良く推定することができたが、運
転状態は頻繁に変化し、それに応じて演算パラメータを
変更する必要があるが、実際の制御において演算時間は
必ずしも十分に得ることができない。

【０００４】従って、この発明は先に提案した技術の改
良にあり、演算を簡略化してオブザーバによる各気筒の
空燃比の推定精度を一層向上させた内燃機関の気筒別空
燃比推定装置を提供することを目的とする。

【０００５】更には、前記の如くして推定された値に基
づいて空燃比フィードバック制御を行うようにした内燃
機関の気筒別空燃比フィードバック制御装置を提供する
ことを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を解決するた
めに請求項１項にあっては、多気筒内燃機関の排気系集
合部に空燃比センサを配置してその出力から各気筒の入
力混合気の空燃比を推定する装置であって、前記センサ
の出力値を各気筒の燃焼履歴に重み係数Ｃｎを乗じた加
重平均値からなるものとみなして排気系の挙動を記述す
るモデルを設定して各気筒の空燃比を状態変数とする状
態方程式を設定し、その内部状態を観測するオブザーバ
を設定してその出力を求める第１の手段、および前記オ
ブザーバ出力から各気筒の空燃比を推定する第２の手段
を有する内燃機関の気筒別空燃比推定装置において、前
記内燃機関で考慮すべき燃焼履歴の数を３以上とすると
き、直前の２つの燃焼履歴以上で、かつ前記考慮すべき
燃焼履歴の数より少ない燃焼履歴を除く、それ以前の燃
焼履歴についての加重平均の重み係数Ｃｎを零にする如
く構成した。

【０００７】請求項２項に係る内燃機関の気筒別空燃比
フィードバック制御装置にあっては、多気筒内燃機関の
排気系集合部に配置された空燃比センサの出力値を各気
筒の燃焼履歴に重み係数Ｃｎを乗じた加重平均値からな
るものとみなすと共に、前記内燃機関で考慮すべき燃焼
履歴の数を３以上とするとき、直前の２つの燃焼履歴以
上で、かつ前記考慮すべき燃焼履歴の数より少ない燃焼
履歴を除く、それ以前の燃焼履歴についての加重平均の
重み係数Ｃｎを零にして排気系の挙動を記述するモデル
を設定して各気筒の空燃比を状態変数とする状態方程式
を設定し、その内部状態を観測するオブザーバを設定し
てその出力を求める第１の手段、前記オブザーバ出力か
ら各気筒の空燃比＃ｎＡ／Ｆを推定する第２の手段、前
記推定された各気筒の空燃比＃ｎＡ／Ｆを目標値にフィ
ードバック制御する気筒毎フィードバック補正項＃ｎＫ
ＬＡＦを演算する第３の手段、および前記気筒毎フィー
ドバック補正項＃ｎＫＬＡＦに基づいて前記内燃機関の
空燃比をフィードバック制御するフィードバック制御手
段を備える如く構成した。

【０００８】請求項３項にあっては、さらに、前記空燃
比センサの出力から前記排気系集合部の空燃比を検出
し、検出した排気系集合部の空燃比を目標値に制御する
ための集合部フィードバック補正項ＫＬＡＦを演算する
第４の手段を備え、前記フィードバック制御手段は、前
記集合部フィードバック補正項ＫＬＡＦと気筒毎フィー
ドバック補正項＃ｎＫＬＡＦに基づいて前記内燃機関の
空燃比をフィードバック制御する如く構成した。

【０００９】

【作用】請求項１項にあっては、加重平均の重み係数Ｃ
ｎは運転状態に応じて変化するが、例えば多気筒内燃機
関において直前の２つの燃焼履歴以前の燃焼履歴のそれ
を零にすれば、重み係数の合計値は１であるので、その
２つの燃焼履歴のいずれかについて同定し、他方は１よ
り減算することで求められる。その結果、４気筒である
とき、１気筒分の係数を同定すれば足り、３気筒分のそ
れを同定するのに比較すればオブザーバ行列の推定精度
が向上し、オブザーバの係数同定精度が向上するので、
各気筒空燃比の推定精度が向上する。

【００１０】請求項１項において、「直前の２つの燃焼
履歴以上で、かつ前記考慮すべき燃焼履歴の数より少な
い燃焼履歴を除く、それ以前の燃焼履歴についての加重
平均の重み係数Ｃｎを零にする」としたのは、推定すべ
き気筒数が多い内燃機関については、後で

【００１１】で述べるように、重み係数を求めるべき気
筒数を増加することになる可能性があるからである。
尚、オブザーバの次数自体は、推定気筒数の整数倍とす
る。

【００１２】請求項２項にあっては、請求項１項で述べ
たと同様の手法で推定された各気筒の空燃比＃ｎＡ／Ｆ
を目標値にフィードバック制御する気筒毎フィードバッ
ク補正項＃ｎＫＬＡＦを演算し、それに基づいて前記内
燃機関の空燃比をフィードバック制御する如く構成した
ので、請求項１項で述べた作用に加えて、単一のセンサ
を用いるのみで、各気筒の空燃比フィードバック制御を
精度良く行うことができる。

【００１３】尚、「前記内燃機関で考慮すべき燃焼履歴
の数を３以上とするとき、直前の２つの燃焼履歴以上
で、かつ前記考慮すべき燃焼履歴の数より少ない燃焼履
歴を除く、それ以前の燃焼履歴についての加重平均の重
み係数Ｃｎを零にする」としたが、実施の形態において
は、前記内燃機関で考慮すべき燃焼履歴の数を３以上と
するとき、直前の２つの燃焼履歴を除く、それ以前の燃
焼履歴についての加重平均の重み係数Ｃｎを零にするよ
うにした。

【００１４】請求項３項にあっては、さらに、前記空燃
比センサの出力から前記排気系集合部の空燃比を検出
し、検出した排気系集合部の空燃比を目標値に制御する
ための集合部フィードバック補正項ＫＬＡＦを演算する
第４の手段を備え、前記フィードバック制御手段は、前
記集合部フィードバック補正項ＫＬＡＦと気筒毎フィー
ドバック補正項＃ｎＫＬＡＦに基づいて前記内燃機関の
空燃比をフィードバック制御する如く構成したので、請
求項２項で述べた作用に加えて、各気筒の空燃比は集合
部空燃比に収束し、集合部空燃比は目標空燃比に収束す
ることとなって、結果的に全ての気筒の空燃比が目標空
燃比に収束し、空燃比フィードバック制御の収束性を向
上させることができる。

【００１５】

【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。

【００１６】図１はこの発明に係る内燃機関の気筒別空
燃比推定装置を実現するための空燃比フィードバック制
御装置を全体的に示す概略図である。図において符号１
０は４気筒の内燃機関を示しており、吸気路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、
スロットル弁１６でその流量を調節されつつインテーク
マニホルド１８を経て第１ないし第４気筒に流入され
る。各気筒の吸気弁（図示せず）の付近にはインジェク
タ２０が設けられて燃料を噴射する。噴射されて吸気と
一体となった混合気は、各気筒内で図示しない点火プラ
グで点火されて燃焼してピストン（図示せず）を駆動す
る。燃焼後の排気ガスは排気弁（図示せず）を介してエ
キゾーストマニホルド２２に排出され、エキゾーストパ
イプ２４を経て三元触媒コンバータ２６で浄化されつつ
機関外に排出される。また、吸気路１２には、スロット
ル弁配置位置付近に、それをバイパスするバイパス路２
８が設けられる。

【００１７】内燃機関１０のディストリビュータ（図示
せず）内にはピストン（図示せず）のクランク角度位置
を検出するクランク角センサ３４が設けられると共に、
スロットル弁１６の開度を検出するスロットル開度セン
サ３６、スロットル弁１６下流の吸気圧力を絶対圧力で
検出する絶対圧センサ３８も設けられる。更に、排気系
においてエキゾーストマニホルド２２と三元触媒コンバ
ータ２６の間には酸素濃度検出素子からなる広域空燃比
センサ４０が設けられ、排気ガス中の酸素濃度に比例し
た値を出力する。これらセンサ３４などの出力は、制御
ユニット４２に送られる。

【００１８】図２は制御ユニット４２の詳細を示すブロ
ック図である。広域空燃比センサ４０の出力は検出回路
４６に入力され、そこで適当な線形化処理が行われ、理
論空燃比を中心としてリーンからリッチにわたる広い範
囲において排気ガス中の酸素濃度に比例したリニアな特
性からなる空燃比（Ａ／Ｆ）が検出される。その詳細は
先に本出願人が提案した別の出願（特開平４−３６９４
７１号）に述べられているので、これ以上の説明は省略
する。尚、以下の説明において、このセンサを「ＬＡＦ
センサ」（リニア・エーバイエフ・センサ）と称する。
検出回路４６の出力はＡ／Ｄ変換回路４８を介してＣＰ
Ｕ５０，ＲＯＭ５２，ＲＡＭ５４などからなるマイクロ
コンピュータに取り込まれ、ＲＡＭ５４に格納される。

【００１９】同様に、スロットル開度センサ３６などの
アナログ出力はレベル変換回路５６、マルチプレクサ５
８および第２のＡ／Ｄ変換回路６０を介して、またクラ
ンク角センサ３４の出力は波形整形回路６２で波形整形
された後、カウンタ６４で出力値がカウントされ、カウ
ント値はマイクロ・コンピュータ内に入力される。マイ
クロコンピュータにおいてＣＰＵ５０は、ＲＯＭ５２に
格納された命令に従って検出値から制御値を演算し、駆
動回路６６を介して各気筒のインジェクタ２０を駆動す
ると共に、第２の駆動回路６８を介して電磁弁７０を駆
動し、図１に示したバイパス路２８を通る２次空気量を
制御する。

【００２０】ここで、この発明の説明に入る前に、理解
の便宜上、先に提案した排気系の挙動を記述するモデル
について簡単に説明する。

【００２１】先ず、１個のＬＡＦセンサの出力から各気
筒の空燃比を精度良く分離抽出するためには、ＬＡＦセ
ンサの検出応答遅れを正確に解明する必要がある。そこ
で、とりあえずこの遅れを１次遅れ系と擬似的にモデル
化し、図３に示す如きモデルを作成した。ここでＬＡ
Ｆ：ＬＡＦセンサ出力、Ａ／Ｆ：入力Ａ／Ｆ、とする
と、その状態方程式は下記の数１で示すことができる。

【００２２】

【数１】

【００２３】これを周期ΔＴで離散化すると、数２で示
すようになる。図４は数２をブロック線図で表したもの
である。

【００２４】

【数２】

【００２５】従って、数２を用いることによってセンサ
出力より真の空燃比を求めることができる。即ち、数２
を変形すれば数３に示すようになるので、時刻ｋのとき
の値から時刻ｋ−１のときの値を数４のように逆算する
ことができる。

【００２６】

【数３】

【００２７】

【数４】

【００２８】具体的には数２をＺ変換を用いて伝達関数
で示せば数５の如くになるので、その逆伝達関数を今回
のセンサ出力ＬＡＦに乗じることによって前回の入力空
燃比をリアルタイムに推定することができる。図５にそ
のリアルタイムのＡ／Ｆ推定器のブロック線図を示す。

【００２９】

【数５】

【００３０】続いて、上記の如く求めた真の空燃比に基
づいて各気筒の空燃比を分離抽出する手法について説明
すると、先願でも述べたように、排気系の集合部の空燃
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６のように表
した。尚、Ｆ（燃料量）を制御量としたため、ここでは
『燃空比Ｆ／Ａ』を用いているが、後の説明においては
理解の便宜のため、支障ない限り「空燃比」を用いる。
尚、空燃比（ないしは燃空比）は、先に数５で求めた応
答遅れを補正した真の値を意味する。

【００３１】

【数６】

【００３２】即ち、集合部の空燃比は、気筒ごとの過去
の燃焼履歴に重み係数Ｃｎ（例えば直近に燃焼した気筒
は４０％、その前が３０％．．．など）を乗じたものの
合算で表した。このモデルをブロック線図であらわす
と、図６のようになる。

【００３３】また、その状態方程式は数７のようにな
る。

【００３４】

【数７】

【００３５】また集合部の空燃比をｙ（ｋ）とおくと、
出力方程式は数８のように表すことができる。

【００３６】

【数８】

【００３７】上記において、ｕ（ｋ）は観測不可能のた
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
（即ち、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９のようになる。

【００３８】

【数９】

【００３９】ここで、上記の如く求めたモデルについて
シミュレーション結果を示す。図７は４気筒内燃機関に
ついて３気筒の空燃比を１４．７にし、１気筒だけ１
２．０にして燃料を供給した場合を示す。図８はそのと
きの集合部の空燃比を上記モデルで求めたものを示す。
同図においてはステップ状の出力が得られているが、こ
こで更にＬＡＦセンサの応答遅れを考慮すると、センサ
出力は図９に「モデル出力値」と示すようになまされた
波形となる。図中「実測値」は同じ場合のＬＡＦセンサ
出力の実測値であるが、これと比較し、上記モデルが多
気筒内燃機関の排気系を良くモデル化していることを検
証している。

【００４０】よって、数１０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１１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１２のようになる。

【００４１】

【数１０】

【００４２】

【数１１】

【００４３】

【数１２】

【００４４】これよりＡ−ＫＣを求めると、数１３のよ
うになる。

【００４５】

【数１３】

【００４６】一般的なオブザーバの構成は図１０に示さ
れるようになるが、今回のモデルでは入力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１４のようになる。

【００４７】

【数１４】

【００４８】ここでｙ（ｋ）を入力とするオブザーバ、
即ちカルマンフィルタのシステム行列は数１５のように
表される。

【００４９】

【数１５】

【００５０】今回のモデルで、リカッチ方程式の荷重配
分Ｒの要素：Ｑの要素＝１：１のとき、カルマンフィル
タのシステム行列Ｓは、数１６で与えられる。

【００５１】

【数１６】

【００５２】図１２に上記したモデルとオブザーバを組
み合わせたものを示す。シミュレーション結果は先の出
願に示されているので省略するが、これにより集合部空
燃比より各気筒の空燃比を的確に抽出することができ
る。

【００５３】オブザーバによって集合部空燃比より各気
筒空燃比を推定することができたことから、ＰＩＤなど
の制御則を用いて空燃比を気筒別に制御することが可能
となる。具体的には図１３に示すように、センサ出力
（集合部Ａ／Ｆ）と目標空燃比とからＰＩＤ制御則を用
いて集合部フィードバック補正項ＫＬＡＦを求めると共
に、オブザーバ推定値＃ｎＡ／Ｆから気筒毎のフィード
バック補正項＃ｎＫＬＡＦ（ｎ：気筒）を求める。気筒
毎のフィードバック補正項＃ｎＫＬＡＦはより具体的に
は、集合部Ａ／Ｆを気筒毎のフィードバック補正項＃ｎ
ＫＬＡＦの平均値の前回演算値で除算して求めた目標値
と、オブザーバ推定値＃ｎＡ／Ｆとの偏差を解消するよ
うにＰＩＤ則を用いて求める。

【００５４】これにより、各気筒の空燃比（Ａ／Ｆ）は
集合部空燃比（Ａ／Ｆ）に収束し、集合部空燃比（Ａ／
Ｆ）は目標空燃比（Ａ／Ｆ）に収束することとなって、
結果的に全ての気筒の空燃比（Ａ／Ｆ）が目標空燃比
（Ａ／Ｆ）に収束する。ここで、各気筒の燃料噴射量＃
ｎＴout （インジェクタ開弁時間で規定される）は、＃ｎＴout ＝Ｔｉｍ×ＫＣＭＤ×ＫＴＯＴＡＬ×＃ｎＫ
ＬＡＦ×ＫＬＡＦで求められる。上記で、Ｔｉｍ：基本値、ＫＣＭＤ：目
標空燃比、ＫＴＯＴＡＬ：その他の補正項、である。更
に、バッテリ補正などの加算項もあるが省略する。尚、
かかる制御の詳細は本出願人が先に提案した特願平５−
２５１１３８号に述べられているので、これ以上の説明
は省略する。

【００５５】上記を前提としてこの発明を説明する。

【００５６】図１４はこの発明の第１の実施の形態を示
す。前記した加重平均の重み係数Ｃ₁，Ｃ₂，Ｃ₃，Ｃ
₄について、今回排気（燃焼）気筒のそれをＣ_n、前
回、前々回および３ＴＤＣ前の排気（燃焼）気筒のそれ
をそれぞれＣ_n-1，Ｃ_n-2，Ｃ_n-3とするとき、前々回
および３ＴＤＣ前の排気（燃焼）気筒についての重み係
数Ｃ_n-2，Ｃ_n-3を零とし、図示の如く、直近（直前）
の２つの気筒について、即ち、直近（直前）の２つの燃
焼履歴についてのみ求める如くした。例えば、いま第１
気筒が排気（燃焼）気筒であるとすると、第３気筒と第
４気筒についての重み係数を零とするようにした。

【００５７】これは先の出願にも述べたが、集合部空燃
比の挙動を示す重み係数Ｃｎは運転状態に応じて変化さ
せる必要があるが、いずれにしても重み係数Ｃｎの値を
正確に知ることは困難である。そこで、４気筒内燃機関
において、排気（燃焼）順序において直近（直前）の２
つの燃焼履歴を除く、他の燃焼履歴の重み係数を零とし
た。尚、重み係数は全体として１であるから、直近（直
前）の燃焼履歴のいずれかについて求め、他方のそれは
求めた値を１から減算することで求められる（これは先
の出願において、重み係数を全ての気筒について求める
とした場合でも同様である）。即ち、図６の構成を図１
４のように修正した。

【００５８】これについて、シミュレーションで検証し
たところ、良好な結果を得た。即ち、本来的に重み係数
Ｃｎを３個、同定するのは現実問題として極めて困難で
あり、誤った同定値を用いてしまう恐れもある。上記の
如く構成することにより、同定すべき係数は１個で足り
ることから、演算間隔も短縮し、シミュレーションでの
検証において、かえって推定精度の向上を見た。尚、こ
の問題は気筒排気ポートから集合部空燃比センサ配置ま
での距離の遠近にも関係する。その距離が比較的短い場
合には、上記の如く構成することにより、推定精度を向
上させることができる。

【００５９】尚、実施の形態の場合は４気筒の内燃機関
を例にとったが、５気筒ないし６気筒までは重み係数は
同様に直近の２つの気筒について求めれば足ると予想さ
れる。それ以上の気筒数を持つ内燃機関については、重
み係数を求めるべき気筒数を増加することになる可能性
がある。

【００６０】また、Ｖ型機関にあってはバンク毎に空燃
比センサが設けられることから、それぞれのバンクで排
気順序に従って重み係数を零とする気筒を選択する。例
えば、Ｖ型６気筒（右バンクの気筒を第１、第２、第
３、左バンクの気筒を第４、第５、第６とする）で、点
火順序を１（右）−４（左）−２（右）−５（左）−３
（右）−６（左）とすると、右バンクについて今第３気
筒が燃焼したとすると、第１気筒についての重み係数を
零とする。左バンクについて今第４気筒が燃焼したとす
れば、第５気筒についての重み係数を零とする。尚、こ
こで留意されるべきことは、オブザーバの次数はあくま
でも推定気筒数の整数倍、望ましくは１倍、この実施の
形態の場合は４であることである。

【００６１】図１５はこの発明の第２の実施の形態を示
す説明図である。

【００６２】オブザーバ行列は数１４の式で示される。
そこで値Ａ−ＫＣは４×４の行列で示されるが、その中
で重み係数Ｃは上で述べたように機関運転状態に応じて
変化する。従って、この行列値について例えば機関回転
数と機関負荷とについて予想される変化範囲にわたって
予め解を求めておいてマップ化しておくことが考えられ
る。しかし、その場合でも、マップ値に該当する値がな
い際、補間演算で求めることは行列値として補償されて
いない故に、望ましくない。更に、数１４の式は漸化式
であるので、演算の途中で係数が変化したときは演算を
やり直す必要がある。

【００６３】そこで、図１５に示すように、オブザーバ
行列を１からｎまで複数個用意して平行的に演算させて
おき、機関運転状態に応じていずれかの行列値を選択す
るようにした。これによって演算時間を短縮することが
でき、オブザーバの各気筒空燃比の推定精度を向上させ
ることができる。尚、ここでオブザーバ行列の個数は２
個以上であればいくつでも良い。またオブザーバ行列の
演算も常に全てを同時に行う必要はなく、機関運転状態
の変化を予測して当該運転状態に対応するオブザーバ行
列についてのみ行わせても良い。

【００６４】尚、先の出願ではオブザーバを設計する上
でリカッチ方程式の加重配分Ｑ，Ｒを、Ｑ／Ｒ＝１／１
とした。この評価関数はオブザーバの性能上非常に重要
であるが、その後シミュレーションを通じて検証を重ね
た結果、Ｑ／Ｒの値を大きくしていくと収束時間は短縮
していくが、あるレベルを超えると、ほとんど変わらな
いことが確認された。そこでその限界からＱ／Ｒ≧１０
０と設定したところ、良好な推定結果を得ることができ
た。即ち、評価関数は無次元数であるため、どのような
値も取ることができ、却って決定し難いものであるが、
検証を重ねた結果、Ｑ／Ｒを１００以上とすることで推
定精度の向上を見た。

【００６５】図１６はこの発明の第３の実施の形態を示
すフロー・チャートである。第３の実施の形態は、いわ
ゆる可変バルブタイミング機構を備えた内燃機関につい
て空燃比を推定する場合に関する。

【００６６】図１７および図１８を参照して可変バルブ
タイミング機構について簡単に説明する。

【００６７】可変バルブタイミング機構６０は図示例の
場合、吸気弁５４と排気弁５６の付近にそれぞれ設けら
れたロッカシャフト６１２に回転自在に配置される３個
のロッカアーム６１４，６１６，６１８を備える（吸気
側と排気側とで構成が同一なため、図面で符号の後に添
字ｉ（ｅ）を付し、以下両者を共通に説明する）。該ロ
ッカアームはそれぞれカムシャフト（図示せず）に取り
付けられた低速用の２個のカムと、低速用のカムに比し
て径方向に突出した形状を備える１個の高速用のカム
（共に図示せず）に係合する。

【００６８】ロッカアーム６１４，６１６，６１８には
油路６５０、穴６３２，孔６３４，６３６およびピン６
４０，６４２，６４４などからなる連結機構６３０を備
え、油路６５０と油圧源（図示せず）との間に介挿され
た油圧切り換え機構６６０は電磁弁６８０を介して油路
６５０に圧油を供給／停止し、それによって前記ピンが
前進／後退してロッカアームが連結／解放される。ロッ
カアームが連結されるときは高速カムの動きに基づい
て、解放されたときは低速カムの動きに基づいてバルブ
タイミングとリフト量とが決定される。尚、可変バルブ
タイミング機構の詳細は前記した従来技術に述べられて
いるので、説明はこの程度に止める。

【００６９】この連結／解放は具体的には図１８に示す
如く、機関回転数Ｎｅと吸気圧力Ｐｂとから決定され
る。以下、高速カムによる場合を『ＨｉＶ／Ｔ』、低速
カムによる場合を『ＬｏＶ／Ｔ』と言うが、ＨｉＶ／Ｔ
においては、ＬｏＶ／Ｔに比して、バルブタイミングが
早まって結果的にそのオーバラップ量が増加すると共
に、リフト量も増加する。尚、油圧切り換え機構６６０
には油圧スイッチからなるＶ／Ｔセンサ６００が設けら
れ、油路６５０の油圧を通じてロッカアームの連結／解
放、即ち、バルブタイミングがＬｏＶ／ＴとＨｉＶ／Ｔ
のいずれに制御されているか検出する。図２に想像線で
示す如く、Ｖ／Ｔセンサ６００の出力は、制御ユニット
４２に入力される。

【００７０】集合部空燃比（Ａ／Ｆ）の時間的な挙動を
捉えるためには、各気筒空燃比（Ａ／Ｆ）推定オブザー
バ演算において空燃比（Ａ／Ｆ）のサンプルタイミング
の適正化を図る必要がある。即ち、ＬＡＦセンサ出力は
明らかに機関回転数に同期した特性を示すが、制御ユニ
ット側はデジタルサンプリングであるため、タイミング
によってその挙動を捉えることができない場合が生じ
る。適正なサンプルタイミングは機関回転数や機関負荷
によって変化するが、特にバルブタイミングによる影響
が大きいと思われる。そこで、上記のごとき可変バルブ
タイミング機構を備えた内燃機関にあっては、機関回転
数、機関負荷、およびバルブタイミングとからサンプル
タイミングを決定するようにした。

【００７１】同様に、バルブタイミングにより集合部空
燃比（Ａ／Ｆ）の挙動も変化するため、バルブタイミン
グの切り換えに同期してオブザーバ行列を変更する必要
がある。しかし、各気筒空燃比（Ａ／Ｆ）の推定は瞬時
に行えるものではなく、オブザーバ演算の収束に演算数
回を要するため、バルブタイミング変更前のオブザーバ
行列を用いた演算と変更後のオブザーバ行列を用いた演
算とをオーバーラップして同時に行い、オブザーバ演算
が収束したと判断された後、即ち、バルブタイミング変
更動作が終了してから、各気筒空燃比（Ａ／Ｆ）推定結
果を持ち替える。

【００７２】図１６フロー・チャートを参照して説明す
ると、先ずＳ１００において機関回転数Ｎｅ、吸気圧力
Ｐｂ、バルブタイミングＶ／Ｔを読み出し、Ｓ１０２に
進んでバルブタイミングがＨｉＶ／ＴかＬｏＶ／Ｔか判
断し、判断結果に従ってＳ１０４，１０６に進んでＨｉ
ないしＬｏバルブタイミング用のタイミングマップを検
索する。図１９にその特性を示す。

【００７３】ＬＡＦセンサ出力は実際の変局点に近い位
置でサンプリングするのが望ましいが、その変局点（ピ
ーク値）はセンサの反応時間を一定とすれば、機関回転
数が低くなるほど早いクランク角度で生じる。また機関
負荷が高いほど排気ガス圧力や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と予
想される。従って、マップの特性は、機関回転数Ｎｅが
低く、ないしは吸気圧力Ｐｂが高いほど、早いクランク
角でサンプリングされた値を選択するように設定する。
ここで、「早い」とは、前のＴＤＣにより近い位置でサ
ンプリングされた比較的古い値を意味する。

【００７４】更に、バルブタイミングとの関連について
触れると、機関回転数の任意の値Ｎｅ１をＬｏ側につい
てＮｅ１−Ｌｏ、Ｈｉ側についてＮｅ−ＨＩとし、吸気
圧力についてもその任意の値をＬｏ側についてＰｂ１−
Ｌｏ、Ｈｉ側についてＰｂ１−Ｈｉとすると、マップの
特性は、Ｐｂ１−Ｌｏ＞Ｐｂ１−Ｈｉ、Ｎｅ１−Ｌｏ＞
Ｎｅ１−Ｈｉとする。即ち、ＨｉＶ／Ｔにあっては排気
弁の開き時点がＬｏＶ／Ｔのそれより早いため、機関回
転数ないし吸気圧力の値が同一であれば、早期のサンプ
リング値を選択するように、設定する。

【００７５】続いてＳ１０８に進んで検索したマップ値
からセンサ出力のサンプリングを行い、Ｓ１１０に進ん
でサンプリング値から数１４に示すオブザーバ行列の演
算をＨｉＶ／Ｔについて行い、続いてＳ１１２に進んで
同様の演算をＬｏＶ／Ｔについて行う。続いてＳ１１４
に進んで再びバルブタイミングを判断し、判断結果に応
じてＳ１１６，１１８に進んで演算結果を選択して終わ
る。この演算結果に基づいて図１３で説明した如き気筒
毎の空燃比フィードバック制御が行われる。

【００７６】第３の実施の形態は上記の如く構成したの
で、機関回転数、吸気圧力およびバルブタイミングを考
慮して空燃比センサ出力のサンプリング値を選択するの
で、検出精度を向上すると共に、バルブタイミングに応
じてオブザーバ行列を持ち替えるようにしたので、各気
筒の空燃比の推定精度が向上する。

【００７７】図２０はこの発明の第４の実施の形態を示
す、図１６と同様のフロー・チャートである。

【００７８】第４の実施の形態は第３の実施の形態の変
形例であり、以下説明すると、Ｓ２００において機関回
転数Ｎｅなどを読み出した後Ｓ２０２に進んでＬｏＶ／
Ｔ用のタイミングマップを検索し、Ｓ２０４に進んでＬ
ｏＶ／Ｔ用にセンサ出力のサンプリング値を選択し、Ｓ
２０６に進んでＬｏＶ／Ｔ用にオブザーバ行列演算を行
う。続いてＳ２０８から２１２に進んでＨｉＶ／Ｔ側に
ついて同様の処理を行う。

【００７９】続いてＳ２１４に進んでバルブタイミング
を判断し、判断結果に応じてＳ２１６，２１８のいずれ
かに進んで演算結果を選択する。即ち、オブザーバ行列
演算において第３の実施の形態では選択されたＬｏない
しＨｉＶ／Ｔいずれかのサンプリング値を共通に使用し
て演算を行っていたのに対し、第４の実施の形態ではＬ
ｏおよびＨｉＶ／Ｔで別々のサンプリング値を用いて演
算を行う点で相違する。残余の構成および効果は第３の
実施の形態と同様である。

【００８０】尚、第３および第４の実施の形態におい
て、排気弁と吸気弁とが共に変更される可変バルブタイ
ミング機構を例にとったが、それに限られるものではな
く、既述の如く一方についてのみ変更される機構にも妥
当する。また吸気弁の休止が可能な機構にも妥当する。
更に、バルブタイミングを検出する手段として油圧スイ
ッチを例に上げたが、それに止まるものではなく、前記
したピン６４０，６４２，６４４の位置を検出しても良
く、あるいは可変バルブタイミング機構の制御ユニット
のバルブタイミング切り換え指令信号を参照して検出し
ても良い。

【００８１】尚、上記した第１ないし第４の実施の形態
は、排気系の挙動を記述するモデルを設定し、その内部
状態を観測するオブザーバを使用して空燃比制御を行う
場合を例にとって説明してきたが、この発明に係る空燃
比検出技術はそれに限定されるものではなく、空燃比セ
ンサの実測値に基づいて空燃比を制御する技術に全て妥
当する。

【００８２】更に、運転状態を機関回転数と吸気圧力な
どから検出したが、これに限られるものでなく、その他
のパラメータを追加しても良い。また機関負荷を示すパ
ラメータは吸気圧力に限られるものではなく、吸入空気
量、スロットル開度などでも良い。また大気圧で修正し
ても良い。

【００８３】更には、空燃比センサとして広域空燃比セ
ンサを使用する場合を例にとって説明したが、いわゆる
Ｏ₂センサを用いて空燃比を制御する場合にも妥当す
る。

【００８４】

【発明の効果】請求項１項にあっては、オブザーバ行列
の推定精度が向上し、オブザーバの係数同定精度が向上
するので、各気筒空燃比の推定精度が向上する。

【００８５】請求項２項にあっては、請求項１項で述べ
た効果に加え、単一のセンサを用いるのみで、各気筒の
空燃比フィードバック制御を精度良く行うことができ
る。

【００８６】請求項３項にあっては、請求項２項で述べ
た効果に加え、各気筒の空燃比は集合部空燃比に収束
し、集合部空燃比は目標空燃比に収束することとなっ
て、結果的に全ての気筒の空燃比が目標空燃比に収束
し、空燃比フィードバック制御の収束性を向上させるこ
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
置および制御装置を実現する、内燃機関の空燃比フィー
ドバック制御装置を全体的に示すブロック図である。

【図２】図１中の制御ユニットの詳細を示すブロック図
である。

【図３】先の出願で述べた空燃比センサの検出動作をモ
デル化した例を示すブロック図である。

【図４】図３に示すモデルを周期ΔＴで離散化したモデ
ルである。

【図５】空燃比センサの検出挙動をモデル化した真の空
燃比推定器を示すブロック線図である。

【図６】内燃機関の排気系の挙動を示すモデルを表すブ
ロック線図である。

【図７】図６に示すモデルを用いて４気筒内燃機関につ
いて３気筒の空燃比を１４．７に、１気筒の空燃比を１
２．０にして燃料を供給する場合を示すデータ図であ
る。

【図８】図７に示す入力を与えたときの図６モデルの集
合部の空燃比を表すデータ図である。

【図９】図７に示す入力を与えたときの図６モデルの集
合部の空燃比をＬＡＦセンサの応答遅れを考慮して表し
たデータと、同じ場合のＬＡＦセンサ出力の実測値を比
較するグラフ図である。

【図１０】一般的なオブザーバの構成を示すブロック線
図である。

【図１１】先の出願で用いるオブザーバの構成を示すブ
ロック線図である。

【図１２】図６に示すモデルと図１１に示すオブザーバ
を組み合わせた構成を示す説明ブロック図である。

【図１３】この発明で予定する空燃比の気筒別フィード
バック制御を示すブロック図である。

【図１４】この発明の第１の実施の形態を示す図６に部
分的に類似するモデルのブロック図である。

【図１５】この発明の第２の実施の形態を示すオブザー
バ行列を複数個設けた構成を示す説明図である。

【図１６】この発明の第３の実施の形態を示すフロー・
チャートである。

【図１７】第３の実施の形態で予定する可変バルブタイ
ミング機構を説明する、油圧回路図を含む部分断面図で
ある。

【図１８】バルブタイミングの切り換え特性を示す説明
図である。

【図１９】図１６フロー・チャートで使用する空燃比セ
ンサ出力のサンプルタイミング用のマップの特性を示す
説明図である。

【図２０】この発明の第４の実施の形態を示す、図１６
と同様のフロー・チャートである。

【符号の説明】

１０内燃機関１８インテークマニホルド２０インジェクタ２２エキゾーストマニホルド４０空燃比センサ（ＬＡＦセンサ）４２制御ユニット６０可変バルブタイミング機構６００Ｖ／Ｔセンサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者赤崎修介埼玉県和光市中央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

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】多気筒内燃機関の排気系集合部に空燃比
センサを配置してその出力から各気筒の入力混合気の空
燃比を推定する装置であって、ａ．前記センサの出力値を各気筒の燃焼履歴に重み係数
Ｃｎを乗じた加重平均値からなるものとみなして排気系
の挙動を記述するモデルを設定して各気筒の空燃比を状
態変数とする状態方程式を設定し、その内部状態を観測
するオブザーバを設定してその出力を求める第１の手
段、およびｂ．前記オブザーバ出力から各気筒の空燃比を推定する
第２の手段、を有する内燃機関の気筒別空燃比推定装置
において、前記内燃機関で考慮すべき燃焼履歴の数を３
以上とするとき、直前の２つの燃焼履歴以上で、かつ前
記考慮すべき燃焼履歴の数より少ない燃焼履歴を除く、
それ以前の燃焼履歴についての加重平均の重み係数Ｃｎ
を零に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。
【請求項２】ａ．多気筒内燃機関の排気系集合部に配置
された空燃比センサの出力値を各気筒の燃焼履歴に重み
係数Ｃｎを乗じた加重平均値からなるものとみなすと共
に、前記内燃機関で考慮すべき燃焼履歴の数を３以上と
するとき、直前の２つの燃焼履歴以上で、かつ前記考慮
すべき燃焼履歴の数より少ない燃焼履歴を除く、それ以
前の燃焼履歴についての加重平均の重み係数Ｃｎを零に
して排気系の挙動を記述するモデルを設定して各気筒の
空燃比を状態変数とする状態方程式を設定し、その内部
状態を観測するオブザーバを設定してその出力を求める
第１の手段、ｂ．前記オブザーバ出力から各気筒の空燃比＃ｎＡ／Ｆ
を推定する第２の手段、ｃ．前記推定された各気筒の空燃比＃ｎＡ／Ｆを目標値
にフィードバック制御する気筒毎フィードバック補正項
＃ｎＫＬＡＦを演算する第３の手段、およびｄ．前記気筒毎フィードバック補正項＃ｎＫＬＡＦに基
づいて前記内燃機関の空燃比をフィードバック制御する
フィードバック制御手段、を備えたことを特徴とする内
燃機関の気筒別空燃比フィードバック制御装置。
【請求項３】さらに、ｅ．前記空燃比センサの出力から前記排気系集合部の空
燃比を検出し、検出した排気系集合部の空燃比を目標値
に制御するための集合部フィードバック補正項ＫＬＡＦ
を演算する第４の手段、を備え、前記フィードバック制
御手段は、前記集合部フィードバック補正項ＫＬＡＦと
気筒毎フィードバック補正項＃ｎＫＬＡＦに基づいて前
記内燃機関の空燃比をフィードバック制御する如く構成
したことを特徴とする請求項２項記載の内燃機関の気筒
別空燃比フィードバック制御装置。