JPH1073049A - 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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JPH1073049A
JPH1073049A JP24546496A JP24546496A JPH1073049A JP H1073049 A JPH1073049 A JP H1073049A JP 24546496 A JP24546496 A JP 24546496A JP 24546496 A JP24546496 A JP 24546496A JP H1073049 A JPH1073049 A JP H1073049A
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JP
Japan
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fuel ratio
air
cylinder
value
engine
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Application number
JP24546496A
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English (en)
Inventor
Toru Kitamura
徹 北村
Hiroshi Ono
弘志 大野
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Honda Motor Co Ltd
Original Assignee
Honda Motor Co Ltd
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Publication date
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Priority to US08/900,879 priority patent/US5806506A/en
Publication of JPH1073049A publication Critical patent/JPH1073049A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02DCONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14Introducing closed-loop corrections
    • F02D41/1438Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor
    • F02D41/1444Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases
    • F02D41/1454Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases the characteristics being an oxygen content or concentration or the air-fuel ratio
    • F02D41/1456Introducing closed-loop corrections using means for determining characteristics of the combustion gases; Sensors therefor characterised by the characteristics of the combustion gases the characteristics being an oxygen content or concentration or the air-fuel ratio with sensor output signal being linear or quasi-linear with the concentration of oxygen

Landscapes

  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)
  • Combined Controls Of Internal Combustion Engines (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 空燃比センサの応答特性の劣化を適切に補償
し、各気筒の空燃比の推定精度を長期間に亘って維持す
ることができる気筒別空燃比推定装置を提供する。 【解決手段】 LAFセンサの応答劣化の度合を示す劣
化パラメータTLAFを算出し、TLAF値に応じてL
AFセンサ出力のサンプルタイミングCSELを補正す
る。また、TLAF値に応じてLAFセンサの応答遅れ
に対応した時定数のテーブル検索値DLTを補正係数K
DLにより補正することにより、応答遅れ時定数DLを
得る(S359)。時定数DLは、LAFセンサの応答
遅れを補償して、排気系集合部の空燃比を推定するため
に使用され、推定した集合部空燃比は、オブザーバによ
る気筒別空燃比の推定に使用される。

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】また、機関の所定クランク角度回転毎に、
空燃比センサの出力をサンプリングし、該サンプリング
したサンプル値を順次記憶するとともに、機関の運転状
態に応じて前記記憶したサンプル値の1つを選択するこ
とにより、空燃比センサの出力を最適のタイミングでサ
ンプリングするようにした空燃比検出装置が、従来より
知られている(特開平7−259588号公報)。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の空燃比検出装置は、空燃比センサの応答特性が経時
変化等により劣化した場合を考慮していないので、その
ような場合にはサンプルタイミングが最適タイミングか
らずれる。そのため、空燃比センサの応答特性が劣化し
た状態で上記空燃比検出装置を用いて気筒別空燃比の推
定を行うと、推定精度が低下するという問題があった。
【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特性の劣化を適切に
補償し、各気筒の空燃比の推定精度を長期間に亘って維
持することができる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
機関の所定クランク角度回転毎に、前記空燃比検出手段
の出力をサンプリングし、該サンプリングしたサンプル
値を順次記憶するサンプリング手段と、前記機関の運転
状態に応じてサンプルタイミングを決定し、前記記憶し
たサンプル値の1つを選択する選択手段と、前記空燃比
検出手段の応答特性の劣化を示す劣化パラメータを算出
する劣化パラメータ算出手段と、前記空燃比検出手段の
応答遅れを表す遅れパラメータを算出する遅れパラメー
タ算出手段とを備え、前記選択手段は、前記劣化パラメ
ータに応じて前記サンプルタイミングを補正し、前記気
筒別空燃比推定手段は、前記遅れパラメータを用いて前
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、前記集合部空燃比推定
手段は、前記遅れパラメータを前記劣化パラメータに応
じて補正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、前記サンプルタイミングを補正できないとき
は、前記各気筒の空燃比の推定を行わないことを特徴と
する。
【0008】請求項1記載の気筒別空燃比推定装置によ
れば、空燃比検出手段の検出値のサンプルタイミング及
び気筒別空燃比の推定に使用される空燃比検出手段の応
答遅れを表す遅れパラメータが、空燃比検出手段の応答
劣化を示す劣化パラメータに応じて補正される。
【0009】
【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。
【0010】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。
【0011】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。
【0012】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。
【0013】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。
【0014】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。
【0015】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。
【0016】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。
【0017】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。
【0018】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。
【0019】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。
【0020】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。
【0021】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。
【0022】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。
【0023】
【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。
【0024】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。
【0025】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。
【0026】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。
【0027】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。
【0028】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。
【0029】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。
【0030】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。
【0031】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。
【0032】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。
【0033】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。
【0034】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。
【0035】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。
【0036】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。
【0037】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。
【0038】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。
【0039】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。
【0040】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。
【0041】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。
【0042】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。
【0043】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。
【0044】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である。
【0045】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)、サンプルタイミングのマッ
プ値CSELMを得る。このマップ値CSELMは、本
実施形態では0から17の値のいずれかである(図6参
照)。次いでマップ値CSELMにサンプルタイミング
補正量DCSELを加算することにより、サンプルタイ
ミングCSELを算出する。サンプルタイミング補正量
DCSELは、後述する図10の処理により、LAFセ
ンサ17の応答特性の劣化を表すパラメータ(以下「劣
化パラメータ」という)TLAF及びサンプルタイミン
グCSELに応じて設定される補正量である。
【0046】続くステップS86では、算出したサンプ
ルタイミングCSELが所定上限値CSELLMTHよ
り大きいか否かを判別し、CSEL<CSELLMTH
であるときは直ちに、またCSEL≧CSELLMTH
であるときは、CSEL=CSELLMTHとして(ス
テップS87)、ステップS88に進む。
【0047】ステップS88では、算出したCSEL値
に対応する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。なお、補正によって
サンプルタイミングCSELが負の値となる場合がある
が、その場合には、CSEL=0に対応するサンプル値
を選択するとともに、後述するように気筒別空燃比の推
定を停止する。
【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。さらに、LAFセンサ1717の応答劣化を表す
劣化パラメータTLAFに応じて、サンプルタイミング
を補正するようにしたので、長期間に亘って最適のタイ
ミングのVLAF値を使用することができる。
【0050】図10は、LAFセンサ17の応答劣化を
表す劣化パラメータTLAFに応じて、前記サンプルタ
イミング補正量DCSEL等の補正パラメータを算出す
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。この処理の内容を説明する
前に、先ず劣化パラメータTLAFの算出手法を図11
を参照して説明する。
【0051】例えば目標空燃比が理論空燃比である状態
からフュエルカット状態に移行するときにおいて、フュ
エルカット実行開始時点t0から、LAFセンサ出力が
所定空燃比AF0(例えばA/F=30)に相当する値
となるまでの検出時間TD(例えば図11(a)のTD
1、TD2、TD3)を計測し、TD値に応じて同図
(b)に示すテーブルを検索し、劣化パラメータTLA
Fを算出する。LAFセンサが劣化すると、応答時間が
長くなる場合と短くなる場合とがあるので、本実施形態
では、TD=TD2を基準値(LAFセンサの使用開始
当初の値)としている。
【0052】図10に戻り、ステップS91では、劣化
パラメータTLAFに応じて、遅れ時定数補正係数KD
L及びステップS92でサンプルタイミング補正量DC
SELの算出に用いる演算パラメータKCSELを算出
する。具体的にはTLAF値に応じて図12(a)に示
すKDLテーブル及び同図(b)に示すKCSELテー
ブルを検索し、KDL値及びKCSEL値を算出する。
KDL値は、TLAF値が増加するほど減少するように
設定され、KCSEL値は、TLAF値が増加するほど
増加するように設定される。なお、遅れ時定数補正係数
KDLは、後述する図18の処理で遅れ時定数DLの補
正に使用される。
【0053】次いで、演算パラメータKCSEL及びサ
ンプルタイミングCSELに応じて図12(c)に示す
DCSELテーブルを検索して、サンプルタイミング補
正量DCSELを算出する。KCSEL値が図示以外の
値の場合は、補間演算を行ってDCSEL値を算出する
(ステップS92)。DCSEL値は、サンプルタイミ
ングCSELが増加するほど(より早いタイミングとな
るほど)、その絶対値が減少し、KCSEL値が増加す
るほど、増加するように設定される。ここで、0≦KC
SEL<0.5の範囲では、DCSEL値が負の値とな
るが、これはLAFセンサの応答時間が当初の値より長
くなった場合、すなわち劣化により応答が遅くなった場
合に相当する。
【0054】以上のようにして図7の処理で使用される
サンプルタイミング補正量DCSEL及び図18の処理
で使用される遅れ時定数補正係数KDLが算出される。
【0055】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。
【0056】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。
【0057】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。
【0058】
【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13のようにな
り、その状態方程式は数式3のようになる。
【0059】
【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。
【0060】
【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。
【0061】
【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。
【0062】
【数6】
【0063】
【数7】
【0064】
【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14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。
【0065】
【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。
【0066】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。
【0067】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。
【0068】
【数10】
【0069】
【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15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。
【0070】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。
【0071】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。な
お、以下の説明における各気筒の推定当量比KACT#
1(k)〜KACT#4(k)が、それぞれxハット
(k)に相当する。
【0072】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16を
参照して説明する。
【0073】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。
【0074】
【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。
【0075】
【数13】KOBSVP#1(k)=KPOBSV×D
KACT#1(k) KOBSVI#1(k)=KIOBSV×DKACT#
1(k)+KOBSVI#1(k−1) KOBSVD#1(k)=KDOBSV×(DKACT
#1(k)−DKACT#1(k−1))
【0076】
【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。
【0077】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。
【0078】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。
【0079】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。
【0080】図17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。
【0081】先ずステップS331では、サンプルタイ
ミングCSELが負の値か否かを判別し、CSEL<0
であるときは、すべての気筒の気筒別補正係数KOBS
V#Nを1.0に設定して(ステップS344)、即ち
気筒別空燃比の推定及び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。図6に示したように、
CSEL値は一番新しい(遅い)タイミングのとき
「0」であり、CSEL値が増加するほど、古い(早
い)タイミングとなる。したがって、CSEL値が負の
値に対応するサンプルデータは存在しないので、気筒別
空燃比の推定精度が低下することを回避すべく、気筒別
補正係数KOBSV#Nを1.0に設定して、直ちに本
処理を終了するようにしている。
【0082】ステップS331の答が否定(NO)のと
きは、ステップS336に進み、ステップS336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
を行う。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FKLAFH
OLD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。
【0083】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
19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)。
【0084】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19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。
【0085】図18は、図17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。
【0086】同図において、ステップS358では、図
15に示すDLテーブルを検索して、遅れ時定数のテー
ブル検索値DLTを得る。次にテーブル検索値DLT
に、遅れ時定数補正係数KDLを乗算することにより補
正し、遅れ時定数DLを算出する(ステップS35
9)。次いで、DL値のリミットチェック処理を行い
(ステップS360)、ステップS361に進む。リミ
ットチェック処理では、DL値が所定範囲をはずれたと
きは、所定範囲内の値に修正する。
【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】以上のように本実施形態では、LAFセン
サの応答劣化を表す劣化パラメータTLAFに応じて、
サンプルタイミングCSEL及びオブザーバの遅れ時定
数DLを補正するようにしたので、LAFセンサの特性
が経時変化しても気筒別空燃比を正確に推定することが
でき、推定精度を長期間に亘って維持することができ
る。
【0090】
【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、空燃比検出手段の検出値の
サンプルタイミング及び気筒別空燃比の推定に使用され
る空燃比検出手段の応答遅れを表す遅れパラメータが、
空燃比検出手段の応答劣化を示す劣化パラメータに応じ
て補正されるので、空燃比検出手段の応答特性の劣化を
適切に補償し、各気筒の空燃比の推定精度を長期間に亘
って維持することができる。
【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センサの応答劣化に対応した補正パラ
メータを算出する処理のフローチャートである。
【図11】LAFセンサの劣化パラメータ(TLAF)
の算出手法を説明するための図である。
【図12】図10の処理で使用されるテーブルを示す図
である。
【図13】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14】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15】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16】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17】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18】気筒別空燃比推定処理のフローチャートであ
る。
【図19】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

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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、 前記機関の所定クランク角度回転毎に、前記空燃比検出
    手段の出力をサンプリングし、該サンプリングしたサン
    プル値を順次記憶するサンプリング手段と、 前記機関の運転状態に応じてサンプルタイミングを決定
    し、前記記憶したサンプル値の1つを選択する選択手段
    と、 前記空燃比検出手段の応答特性の劣化を示す劣化パラメ
    ータを算出する劣化パラメータ算出手段と、 前記空燃比検出手段の応答遅れを表す遅れパラメータを
    算出する遅れパラメータ算出手段とを備え、 前記選択手段は、前記劣化パラメータに応じて前記サン
    プルタイミングを補正し、 前記気筒別空燃比推定手段は、前記遅れパラメータを用
    い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、前記集合部空燃
    比推定手段は、前記遅れパラメータを前記劣化パラメー
    タに応じて補正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】 前記気筒別空燃比推定手段は、前記サン
    プルタイミングを補正できないときは、前記各気筒の空
    燃比の推定を行わない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。
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