(57)【要約】【課題】エンジンの排気集合部に設置した空燃比センサの出力に基づいて各気筒の空燃比を推定し、その推定結果に基づいて各気筒の空燃比を気筒別に制御するシステムにおいて、排気圧脈動の影響による気筒別空燃比制御の精度の低下を防止する。【解決手段】各気筒の空燃比検出タイミング毎（空燃比センサ２４の出力のサンプルタイミング毎）に、エンジン運転状態（例えばエンジン回転速度とエンジン負荷等）と各気筒の排気マニホールド３９の長さ（又は容積）とに基づいて排気圧影響係数（空燃比センサ２４の出力に及ぼす排気圧の影響度合）を算出して、この排気圧影響係数を用いて空燃比センサ２４の出力を補正する。これにより、空燃比センサ２４の出力から排気圧脈動の影響分を排除して、その補正後の空燃比センサ２４の出力に基づいて各気筒の空燃比を推定することで、排気圧脈動の影響を受けずに各気筒の空燃比を精度良く推定する。【選択図】図１
2010203413.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の複数の気筒の排出ガスが合流して流れる排気集合部に空燃比センサを設置して、各気筒の空燃比検出タイミング毎に前記空燃比センサの出力に基づいて各気筒の空燃比を推定し、その推定結果に基づいて各気筒の空燃比を気筒別に制御する内燃機関の気筒別空燃比制御装置において、
前記各気筒の空燃比検出タイミング毎に前記空燃比センサの出力に及ぼす内燃機関の排気圧の影響度合を判定する排気圧影響度合判定手段と、
前記各気筒の空燃比検出タイミング毎に前記排気圧影響度合判定手段で判定した排気圧の影響度合に基づいて前記空燃比センサの出力を補正するセンサ出力補正手段と、
前記各気筒の空燃比検出タイミング毎に前記センサ出力補正手段で補正した前記空燃比センサの出力に基づいて各気筒の空燃比を推定する気筒別空燃比推定手段と
を備えていることを特徴とする内燃機関の気筒別空燃比制御装置。
【請求項２】
前記排気集合部に排気圧を検出する排気圧センサを備え、
前記排気圧影響度合判定手段は、前記排気圧センサの出力に基づいて前記排気圧の影響度合を判定する手段を有することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の気筒別空燃比制御装置。
【請求項３】
各気筒の排気マニホールド毎にそれぞれ排気圧を検出する排気圧センサを備え、
前記排気圧影響度合判定手段は、前記各気筒の排気圧センサの出力に基づいて前記排気圧の影響度合を判定する手段を有することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の気筒別空燃比制御装置。
【請求項４】
各気筒の筒内圧を検出又は推定する筒内圧取得手段を備え、
前記排気圧影響度合判定手段は、前記筒内圧取得手段で検出又は推定した各気筒の筒内圧と各気筒の排気マニホールドの長さ又は容積とに基づいて前記排気圧の影響度合を判定する手段を有することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の気筒別空燃比制御装置。
【請求項５】
前記排気圧影響度合判定手段は、内燃機関の運転状態と各気筒の排気マニホールドの長さ又は容積とに基づいて前記排気圧の影響度合を判定する手段を有することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の気筒別空燃比制御装置。
【請求項６】
内燃機関の複数の気筒の排出ガスが合流して流れる排気集合部に空燃比センサを設置して、該空燃比センサの出力に基づいて各気筒の空燃比を推定し、その推定結果に基づいて各気筒の空燃比を気筒別に制御する気筒別空燃比制御を実行する内燃機関の気筒別空燃比制御装置において、
前記空燃比センサの出力に及ぼす内燃機関の排気圧の影響度合が許容レベルを越えたか否かを判定する排気圧影響度合判定手段と、
前記排気圧影響度合判定手段により前記排気圧の影響度合が許容レベルを越えたと判定された場合に前記気筒別空燃比制御を中止又は禁止する中止手段と
を備えていることを特徴とする内燃機関の気筒別空燃比制御装置。
【請求項７】
前記排気集合部又は各気筒の排気マニホールド毎に排気圧を検出する排気圧センサを備え、
前記排気圧影響度合判定手段は、所定期間における前記排気圧センサの出力の変動量が所定値以上のときに、前記排気圧の影響度合が許容レベルを越えたと判定する手段を有することを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の気筒別空燃比制御装置。
【請求項８】
前記排気圧影響度合判定手段は、所定期間における前記空燃比センサの出力を周波数解析して該空燃比センサの出力のうちの燃焼間隔に関連する周波数成分の振幅が所定値以上のときに、前記排気圧の影響度合が許容レベルを越えたと判定する手段を有することを特徴とする請求項６又は７に記載の内燃機関の気筒別空燃比制御装置。
【請求項９】
前記排気圧影響度合判定手段は、所定期間における前記空燃比センサの出力のピーク値とボトム値との差が所定値以上のときに、前記排気圧の影響度合が許容レベルを越えたと判定する手段を有することを特徴とする請求項６乃至８のいずれかに記載の内燃機関の気筒別空燃比制御装置。
【請求項１０】
内燃機関の排気通路に設けた排気タービンによってコンプレッサを駆動して吸入空気を過給する排気タービン式過給機を備え、
前記排気タービンの上流側に前記空燃比センサが設置されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の内燃機関の気筒別空燃比制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の排気集合部に設置した空燃比センサの出力に基づいて各気筒の空燃比を推定し、その推定結果に基づいて各気筒の空燃比を気筒別に制御する内燃機関の気筒別空燃比制御装置に関する発明である。
【背景技術】
【０００２】
近年、内燃機関の空燃比制御精度を向上させるために、例えば、特許文献１（特開２００８−１４１７８号公報）に記載されているように、内燃機関の複数の気筒の排出ガスが集合して流れる排気集合部に設置した１つの空燃比センサの検出値（排気集合部の空燃比）と各気筒の空燃比とを関連付けたモデルを用いて各気筒の空燃比を推定し、その推定結果に基づいて各気筒の空燃比の気筒間ばらつきが小さくなるように各気筒の空燃比（例えば燃料噴射量）を気筒別に制御する気筒別空燃比制御を実行するようにしたものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−１４１７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、内燃機関の排気通路に設けた排気タービンによってコンプレッサを駆動して吸入空気を過給する排気タービン式過給機を備えたシステムで、気筒別空燃比制御を行う場合には、排気タービンの下流側よりも排気タービンの上流側に空燃比センサを設置した方が、空燃比センサの出力に各気筒の空燃比に応じた変化が現れ易いため、排気タービンの上流側に空燃比センサを設置するのが好ましい。
【０００５】
しかし、排気タービンの上流側は排気圧が大きく脈動（変動）する傾向があり、空燃比センサは排気圧によって出力が変化するという特性があるため、排気タービンの上流側に空燃比センサを設置すると、排気圧脈動の影響を受けて空燃比センサの出力の誤差が大きくなる可能性がある。このように排気圧脈動の影響によって空燃比センサの出力の誤差が大きくなると、空燃比センサの出力に基づく各気筒の空燃比の推定精度が低下して、気筒別空燃比制御の精度が低下してしまい、気筒別空燃比制御によるエミッション低減効果が減殺されてしまう。このような排気圧脈動の影響による課題は、過給機付きの内燃機関に限定されず、過給機の無い内燃機関についても、程度の差こそあれ、同様に生じる課題である。
【０００６】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、排気圧脈動の影響による気筒別空燃比制御の精度の低下を防止することができる内燃機関の気筒別空燃比制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、内燃機関の複数の気筒の排出ガスが合流して流れる排気集合部に空燃比センサを設置して、各気筒の空燃比検出タイミング毎に空燃比センサの出力に基づいて各気筒の空燃比を推定し、その推定結果に基づいて各気筒の空燃比を気筒別に制御する内燃機関の気筒別空燃比制御装置において、各気筒の空燃比検出タイミング毎に空燃比センサの出力に及ぼす内燃機関の排気圧の影響度合を判定する排気圧影響度合判定手段と、各気筒の空燃比検出タイミング毎に排気圧影響度合判定手段で判定した排気圧の影響度合に基づいて空燃比センサの出力を補正するセンサ出力補正手段と、各気筒の空燃比検出タイミング毎にセンサ出力補正手段で補正した空燃比センサの出力に基づい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構成としたものである。
【０００８】
この構成では、各気筒の空燃比検出タイミング毎に空燃比センサの出力に及ぼす排気圧の影響度合に基づいて空燃比センサの出力を補正することで、空燃比センサの出力から排気圧脈動の影響分を排除することができ、その補正後の空燃比センサの出力に基づいて各気筒の空燃比を推定することで、排気圧脈動の影響を受けずに各気筒の空燃比を精度良く推定することができる。これにより、排気圧脈動の影響による気筒別空燃比制御の精度の低下を防止することができて、気筒別空燃比制御によるエミッション低減効果の低下を回避することができる。
【０００９】
この場合、空燃比センサの出力に及ぼす排気圧の影響度合を判定する具体的な方法は、例えば、請求項２のように、排気集合部に排気圧を検出する排気圧センサを設け、この排気圧センサの出力に基づいて排気圧の影響度合を判定するようにしても良い。このようにすれば、排気圧センサで検出した排気集合部の排気圧に基づいて、排気集合部に設置された空燃比センサの出力に及ぼす排気圧の影響度合を精度良く判定することができる。
【００１０】
或は、請求項３のように、各気筒の排気マニホールド毎にそれぞれ排気圧を検出する排気圧センサを設け、各気筒の排気圧センサの出力に基づいて排気圧の影響度合を判定するようにしても良い。各気筒の排気圧によって排気集合部の排気圧が変化するため、各気筒の排気圧センサで検出した各気筒の排気圧を用いれば、排気集合部に設置された空燃比センサの出力に及ぼす排気圧の影響度合を精度良く判定することができる。
【００１１】
また、請求項４のように、各気筒の筒内圧を検出又は推定する筒内圧取得手段を設け、この筒内圧取得手段で検出又は推定した各気筒の筒内圧と各気筒の排気マニホールドの長さ又は容積（＝流路断面積×長さ）とに基づいて排気圧の影響度合を判定するようにしても良い。各気筒の筒内圧（例えば燃焼時の筒内圧や排気バルブ開弁時の筒内圧等）や各気筒の排気マニホールドの長さ又は容積によって各気筒の排気圧が変化して、排気集合部の排気圧が変化するため、各気筒の筒内圧と各気筒の排気マニホールドの長さ又は容積とを用いれば、排気集合部に設置された空燃比センサの出力に及ぼす排気圧の影響度合を精度良く判定することができる。
【００１２】
更に、請求項５のように、内燃機関の運転状態と各気筒の排気マニホールドの長さ又は容積とに基づいて排気圧の影響度合を判定するようにしても良い。内燃機関の運転状態（例えば回転速度や負荷等）に応じて各気筒の燃焼状態が変化して各気筒の筒内圧（例えば燃焼時の筒内圧や排気バルブ開弁時の筒内圧等）が変化し、各気筒の筒内圧や各気筒の排気マニホールドの長さや容積によって各気筒の排気圧が変化して、排気集合部の排気圧が変化するため、内燃機関の運転状態と各気筒の排気マニホールドの長さ又は容積とを用いれば、排気集合部に設置された空燃比センサの出力に及ぼす排気圧の影響度合を精度良く判定することができる。
【００１３】
また、請求項６のように、内燃機関の複数の気筒の排出ガスが合流して流れる排気集合部に空燃比センサを設置して、該空燃比センサの出力に基づいて各気筒の空燃比を推定し、その推定結果に基づいて各気筒の空燃比を気筒別に制御する気筒別空燃比制御を実行する内燃機関の気筒別空燃比制御装置において、空燃比センサの出力に及ぼす内燃機関の排気圧の影響度合が許容レベルを越えたか否かを判定する排気圧影響度合判定手段と、この排気圧影響度合判定手段により排気圧の影響度合が許容レベルを越えたと判定された場合に気筒別空燃比制御を中止又は禁止する中止手段とを備えた構成としても良い。
【００１４】
この構成では、空燃比センサの出力に及ぼす内燃機関の排気圧の影響度合が許容レベルを越えたと判定された場合には、排気圧脈動の影響を受けて空燃比センサの出力の誤差が大きくなるため、空燃比センサの出力に基づく各気筒の空燃比の推定精度が低下して、気筒別空燃比制御を精度良く行うことができないと判断して、気筒別空燃比制御を中止又は禁止することができる。これにより、排気圧脈動の影響による気筒別空燃比制御の精度の低下を未然に防止することができる。
【００１５】
この場合、空燃比センサの出力に及ぼす排気圧の影響度合が許容レベルを越えたか否かを判定する具体的な方法は、例えば、請求項７のように、排気集合部又は各気筒の排気マニホールド毎に排気圧を検出する排気圧センサを設け、所定期間（例えば１サイクルである７２０ＣＡ間）における排気圧センサの出力の変動量が所定値以上のときに、排気圧の影響度合が許容レベルを越えたと判定するようにしても良い。このようにすれば、排気集合部の排気圧の変動量や各気筒の排気圧の変動量が所定値以上になったときに、排気集合部に設置された空燃比センサの出力に及ぼす排気圧の影響度合が許容レベルを越えたと判定することができる。
【００１６】
或は、請求項８のように、所定期間（例えば１サイクルである７２０ＣＡ間）における空燃比センサの出力を周波数解析して該空燃比センサの出力のうちの燃焼間隔に関連する周波数成分（例えば４気筒の場合は１８０ＣＡ間隔の周期に相当する周波数の成分）の振幅が所定値以上のときに、排気圧の影響度合が許容レベルを越えたと判定するようにしても良い。このようにすれば、燃焼間隔毎に脈動する排気圧の影響によって空燃比センサの出力のうちの燃焼間隔に関連する周波数成分の振幅が所定値以上になったときに、空燃比センサの出力に及ぼす排気圧の影響度合が許容レベルを越えたと判定することができる。      
【００１７】
また、請求項９のように、所定期間（例えば１サイクルである７２０ＣＡ間）における空燃比センサの出力のピーク値とボトム値との差が所定値以上のときに、排気圧の影響度合が許容レベルを越えたと判定するようにしても良い。このようにすれば、排気圧の脈動によって空燃比センサの出力のピーク値とボトム値との差が所定値以上になったときに、空燃比センサの出力に及ぼす排気圧の影響度合が許容レベルを越えたと判定することができる。
【００１８】
また、本発明は、請求項１０のように、内燃機関の排気通路に設けた排気タービンによってコンプレッサを駆動して吸入空気を過給する排気タービン式過給機を備え、排気タービンの上流側に空燃比センサが設置されたシステムに適用しても良い。排気タービン式過給機を備えたシステムで、気筒別空燃比制御を行う場合には、排気タービンの下流側よりも排気タービンの上流側に空燃比センサを設置した方が、空燃比センサの出力に各気筒の空燃比に応じた変化が現れ易いため、排気タービンの上流側に空燃比センサを設置するのが好ましい。しかし、排気タービンの上流側に空燃比センサを設置すると、排気圧脈動の影響により空燃比センサの出力の誤差が大きくなって、気筒別空燃比制御の精度が低下する可能性がある。そこで、本発明を適用すれば、空燃比センサの出力に各気筒の空燃比に応じた変化が現れ易い排気タービンの上流側に空燃比センサを設置しながら、排気圧脈動の影響による気筒別空燃比制御の精度の低下を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は本発明の実施例１におけるエンジン制御システム全体の概略構成図である。
【図２】図２（ａ）は排気圧の挙動を示すタイムチャートであり、図２（ｂ）は空燃比センサ出力の挙動を示すタイムチャートである。
【図３】図３は空燃比センサ出力に及ぼす排気圧の影響度合を判定する方法及びその排気圧の影響度合に基づいて空燃比センサ出力を補正する方法を説明するブロック図である。
【図４】図４は空燃比センサ出力に及ぼす排気圧脈動の影響を説明する図である。
【図５】図５は実施例１の気筒別空燃比制御メインルーチンの処理の流れを説明するフローチャートである。
【図６】図６は実施例１の排気圧影響度合判定及びセンサ出力補正ルーチンの処理の流れを説明するフローチャートである。
【図７】図７は実施例２の排気圧影響度合判定ルーチンの処理の流れを説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を実施するための形態を排気タービン式過給機付きの内燃機関に適用して具体化した幾つかの実施例を説明する。
【実施例１】
【００２１】
本発明の実施例１を図１乃至図６に基づいて説明する。
まず、図１に基づいてエンジン制御システム全体の概略構成を説明する。
内燃機関であるエンジン１１の吸気管１２の最上流部には、エアクリーナ１３が設けられ、このエアクリーナ１３の下流側に、吸入空気量を検出するエアフローメータ１４が設けられている。このエアフローメータ１４の下流側には、後述する排気タービン式過給機２５のコンプレッサ２７と、このコンプレッサ２７で加圧された吸入空気を冷却するインタークーラー３１が設けられている。このインタークーラー３１の下流側には、モータ等によって開度調節されるスロットルバルブ１５と、このスロットルバルブ１５の開度（スロットル開度）を検出するスロットル開度センサ１６とが設けられている。
【００２２】
更に、スロットルバルブ１５の下流側には、サージタンク１７が設けられ、このサージタンク１７には、スロットルバルブ１５の下流側圧力（吸気圧）を検出する吸気圧センサ１８が設けられている。また、サージタンク１７には、エンジン１１の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド１９が設けられ、各気筒の吸気マニホールド１９の吸気ポート近傍に、それぞれ吸気ポートに向けて燃料を噴射する燃料噴射弁２０が取り付けられている。また、エンジン１１のシリンダヘッドには、各気筒毎に点火プラグ２１が取り付けられ、各点火プラグ２１の火花放電によって各気筒の混合気に着火される。
【００２３】
一方、エンジン１１の排気管２２（排気通路）のうちの各気筒の排気マニホールド３９が集合する排気集合部４０（各気筒の排出ガスが合流して流れる部分）には、排出ガスの空燃比を検出する空燃比センサ２４が設けられ、この空燃比センサ２４の下流側に、排出ガスを浄化する三元触媒等の触媒２３が設けられている。
【００２４】
このエンジン１１には、排気タービン式過給機２５が搭載されている。この排気タービン式過給機２５は、排気管２２のうちの空燃比センサ２４と触媒２３との間に排気タービン２６が配置され、吸気管１２のうちのエアフローメータ１４とスロットルバルブ１５との間にコンプレッサ２７が配置されている。過給機２５は、排気タービン２６とコンプレッサ２７とが連結され、排出ガスの運動エネルギーで排気タービン２６を回転駆動することでコンプレッサ２７を回転駆動して吸入空気を過給するようになっている。
【００２５】
更に、吸気管１２には、スロットルバルブ１５の上流側においてコンプレッサ２７の上流側と下流側とをバイパスさせる吸気バイパス通路２８が設けられ、この吸気バイパス通路２８の途中に、吸気バイパス通路２８を開閉するエアバイパスバルブ（以下「ＡＢＶ」と表記する）２９が設けられている。このＡＢＶ２９は、ＡＢＶ用バキュームスイッチングバルブ３０を制御することでＡＢＶ２９の開閉動作が制御されるようになっている。
【００２６】
一方、排気管２２には、排気タービン２６の上流側と下流側とをバイパスさせる排気バイパス通路３２が設けられ、この排気バイパス通路３２の途中に、排気バイパス通路３２を開閉するウェイストゲートバルブ（以下「ＷＧＶ」と表記する）３３が設けられている。このＷＧＶ３３は、ＷＧＶ用バキュームスイッチングバルブ３４を制御してダイヤフラム式のアクチュエータ３５を制御することでＷＧＶ３３の開度が制御されるようになっている。
【００２７】
また、エンジン１１のシリンダブロックには、冷却水温を検出する冷却水温センサ３６や、エンジン１１のクランク軸が所定クランク角回転する毎にパルス信号を出力するクランク角センサ３７が取り付けられている。このクランク角センサ３７の出力信号に基づいてクランク角やエンジン回転速度が検出される。
【００２８】
これら各種センサの出力は、エンジン制御回路（以下「ＥＣＵ」と表記する）３８に入力される。このＥＣＵ３８は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された各種のエンジン制御ルーチンを実行することで、エンジン運転状態に応じて燃料噴射弁２０の燃料噴射量や点火プラグ２１の点火時期を制御すると共に、ＷＧＶ３３の開度を制御して排気タービン２６に供給する排出ガス量を制御することで、排気タービン２６とコンプレッサ２７の回転を制御して過給圧を制御する。
【００２９】
また、ＥＣＵ３８は、後述する図５及び図６の気筒別空燃比制御用の各ルーチンを実行することで、後述する気筒別空燃比推定モデルを用いて空燃比センサ２４の検出値（排気集合部４０を流れる排出ガスの実空燃比）に基づいて各気筒の空燃比を推定し、各気筒の推定空燃比と基準空燃比（全気筒の推定空燃比の平均値又は制御目標値）との偏差を各気筒毎に算出して、その偏差が小さくなるように各気筒の空燃比補正量（各気筒の燃料噴射量の補正量）を算出し、その算出結果に基づいて各気筒の燃料噴射量を補正することで、各気筒に供給する混合気の空燃比を各気筒毎に補正して気筒間の空燃比のばらつきを小さくするように制御する気筒別空燃比制御を実行する。
【００３０】
ここで、空燃比センサ２４の検出値（排気集合部４０を流れる排出ガスの実空燃比）に基づいて各気筒の空燃比を推定するモデル（以下「気筒別空燃比推定モデル」という）の具体例を説明する。
【００３１】
排気集合部４０におけるガス交換に着目して、空燃比センサ２４の検出値を、排気集合部４０における各気筒の推定空燃比の履歴と空燃比センサ２４の検出値の履歴とにそれぞれ所定の重みを乗じて加算したものとしてモデル化し、このモデルを用いて各気筒の空燃比を推定するようにしている。この際、オブザーバとしてはカルマンフィルタを用いる。      
【００３２】
より具体的には、排気集合部４０におけるガス交換のモデルを次の（１）式にて近似する。
ｙs(t)＝ｋ1 ×ｕ(t-1) ＋ｋ2 ×ｕ(t-2) −ｋ3 ×ｙs(t-1)−ｋ4 ×ｙs(t-2)
……（１）
ここで、ｙs は空燃比センサ２４の検出値、ｕは排気集合部４０に流入するガスの空燃比、ｋ1 〜ｋ4 は定数である。
【００３３】
排気系では、排気集合部４０におけるガス流入及び混合の一次遅れ要素と、空燃比センサ２４の応答遅れによる一次遅れ要素とが存在する。そこで、上記（１）式では、これらの一次遅れ要素を考慮して過去２回分の履歴を参照することとしている。
【００３４】
上記（１）式を状態空間モデルに変換すると、次の（２ａ）、（２ｂ）式が導き出される。
Ｘ(t+1) ＝Ａ・Ｘ(t) ＋Ｂ・ｕ(t) ＋Ｗ(t)       ……（２ａ）
Ｙ(t) ＝Ｃ・Ｘ(t) ＋Ｄ・ｕ(t)                 ……（２ｂ）
ここで、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄはモデルのパラメータ、Ｙは空燃比センサ２４の検出値、Ｘは状態変数としての各気筒の推定空燃比、Ｗはノイズである。
【００３５】
更に、上記（２ａ）、（２ｂ）式によりカルマンフィルタを設計すると、次の（３）式が得られる。
Ｘ＾(k+1｜k)＝Ａ・Ｘ＾(k｜k-1)＋Ｋ｛Ｙ(k) −Ｃ・Ａ・Ｘ＾(k｜k-1)｝  ……（３）  ここで、Ｘ＾（エックスハット）は各気筒の推定空燃比、Ｋはカルマンゲインである。Ｘ＾(k+1｜k)の意味は、時間(k) の推定値により次の時間(k+1) の推定値を求めることを表す。
【００３６】
以上のようにして、気筒別空燃比推定モデルをカルマンフィルタ型オブザーバにて構成することにより、燃焼サイクルの進行に伴って各気筒の空燃比を順次推定することができる。
【００３７】
次に、各気筒の空燃比検出タイミング（空燃比センサ２４の出力のサンプルタイミング）の設定方法について説明する。本実施例１では、各気筒から排出される排出ガスが空燃比センサ２４付近に到達してその空燃比が検出されるまでの遅れ（以下「排気系の応答遅れ」という）がエンジン運転状態によって変化することを考慮して、エンジン運転状態（例えばエンジン負荷、エンジン回転速度等）に応じてマップ等により各気筒の空燃比検出タイミングを設定する。一般に、エンジン負荷やエンジン回転速度が低下するほど、排気系の応答遅れが大きくなるため、各気筒の空燃比検出タイミングは、エンジン負荷やエンジン回転速度が低下するほど、遅角側にシフトされるように設定されている。
【００３８】
ところで、排気タービン式過給機２５を備えたシステムで、気筒別空燃比制御を行う場合には、排気タービン２６の下流側よりも排気タービン２６の上流側に空燃比センサ２４を設置した方が、空燃比センサ２４の出力に各気筒の空燃比に応じた変化が現れ易いため、排気タービン２６の上流側に空燃比センサ２４を設置するのが好ましい。
【００３９】
しかし、図２（ａ）に示すように、排気タービン２６の上流側は排気圧が大きく脈動（変動）する傾向があり、空燃比センサ２４は排気圧によって出力が変化するという特性があるため、図２（ｂ）に示すように、排気タービン２６の上流側に空燃比センサ２４を設置した場合には、排気圧脈動の影響を受けて空燃比センサ２４の出力の誤差が大きくなる可能性がある。このように、排気圧脈動の影響による空燃比センサ２４の出力の誤差が大きくなると、空燃比センサ２４の出力に基づく各気筒の空燃比の推定精度が低下して、気筒別空燃比制御を精度良く行うことができなくなり、エミッションが悪化する可能性がある。
【００４０】
この対策として、本実施例１では、各気筒の空燃比検出タイミング毎（空燃比センサ２４の出力のサンプルタイミング毎）に、空燃比センサ２４の出力に及ぼす排気圧の影響度合を判定して、この排気圧の影響度合に基づいて空燃比センサ２４の出力を補正し、補正後の空燃比センサ２４の出力に基づいて各気筒の空燃比を推定する。
【００４１】
ここで、空燃比センサ２４の出力に及ぼす排気圧の影響度合を判定する方法及びその排気圧の影響度合に基づいて空燃比センサ２４の出力を補正する方法について説明する。尚、以下の説明では、理論空燃比に対する実空燃比の比率である空気過剰率λを「空燃比」の情報として用いる。
空気過剰率λ＝実空燃比／理論空燃比
【００４２】
図３に示すように、各気筒の空燃比検出タイミング毎に、エンジン運転状態（例えばエンジン回転速度とエンジン負荷等）と各気筒の排気マニホールド３９の長さ又は容積（＝流路断面積×長さ）とに基づいて排気集合部４０の排気圧をマップ等により算出（推定）し、この排気集合部４０の排気圧に基づいて排気圧影響係数ベース値（排気集合部４０に設置された空燃比センサ２４の出力に及ぼす排気圧の影響度合の情報）をマップ等により算出する。排気圧影響係数ベース値のマップは、排気集合部４０の排気圧が高くなるほど排気圧影響係数ベース値が大きくなるように設定されている。
【００４３】
尚、エンジン運転状態と各気筒の排気マニホールド３９の長さ（又は容積）とに基づいて各気筒の排気圧を算出（推定）し、各気筒の排気圧に基づいて排気圧影響係数ベース値を算出するようにしても良い。
【００４４】
エンジン運転状態に応じて各気筒の燃焼状態が変化して各気筒の筒内圧（例えば燃焼時の筒内圧や排気バルブ開弁時の筒内圧等）が変化し、各気筒の筒内圧や各気筒の排気マニホールド３９の長さや容積によって各気筒の排気圧が変化して排気集合部４０の排気圧が変化するため、エンジン運転状態と各気筒の排気マニホールド３９の長さ（又は容積）とを用いれば、排気圧影響係数ベース値を精度良く算出することができる。
【００４５】
更に、空燃比センサ２４の出力（検出空燃比）の平均値である平均空燃比が理論空燃比（空気過剰率λ＝１．０）から離れるほど排気圧の脈動の影響を受け易くなって、排気圧の脈動による空燃比センサ２４の出力の誤差が大きくなるという特性（図４参照）を考慮して、空燃比センサ２４の出力（検出空燃比）に基づいて１サイクル（７２０ＣＡ）間の平均空燃比を算出し、この平均空燃比と理論空燃比（空気過剰率λ＝１．０）との差を算出することで、理論空燃比に対する平均空燃比のずれを求め、この平均空燃比のずれを排気圧影響係数ベース値に乗算して最終的な排気圧影響係数を求める。
【００４６】
そして、空燃比センサ２４の出力（検出空燃比）と理論空燃比との差を算出することで、理論空燃比に対する空燃比センサ２４の出力（検出空燃比）のずれを求め、この空燃比センサ２４の出力（検出空燃比）のずれを排気圧影響係数で除算した値を理論空燃比に加算することで、空燃比センサ２４の出力を補正して、空燃比センサ２４の出力から排気圧脈動の影響分を排除する。
【００４７】
以上説明した本実施例１の気筒別空燃比制御は、ＥＣＵ３８によって図５及び図６の気筒別空燃比制御用の各ルーチンに従って実行される。以下、これらの各ルーチンの処理内容を説明する。
【００４８】
［気筒別空燃比制御メインルーチン］
図５に示す気筒別空燃比制御メインルーチンは、クランク角センサ３７の出力パルスに同期して所定クランク角毎（例えば３０℃Ａ毎）に起動される。本ルーチンが起動されると、まず、ステップ１０１で、後述する図６の排気圧影響度合判定及びセンサ出力補正ルーチンを実行することで、各気筒の空燃比検出タイミング毎（空燃比センサ２４の出力のサンプルタイミング毎）に、空燃比センサ２４の出力に及ぼす排気圧の影響度合の情報として排気圧影響係数を算出し、この排気圧影響係数を用いて空燃比センサ２４の出力を補正する。
【００４９】
この後、ステップ１０２に進み、各気筒の空燃比検出タイミング毎に前記気筒別空燃比推定モデルを用いて各気筒の空燃比を補正後の空燃比センサ３７の出力に基づいて推定する。このステップ１０２の処理が特許請求の範囲でいう気筒別空燃比推定手段としての役割を果たす。
【００５０】
この後、ステップ１０３に進み、全気筒の推定空燃比の平均値を算出して、その平均値を基準空燃比（全気筒の目標空燃比）に設定した後、ステップ１０４に進み、各気筒の推定空燃比と基準空燃比との偏差を算出して、その偏差が小さくなるように各気筒の空燃比補正量（各気筒の燃料噴射量の補正量）を算出した後、各気筒の空燃比補正量に基づいて各気筒の燃料噴射量を補正することで、各気筒に供給する混合気の空燃比を各気筒毎に補正して気筒間の空燃比ばらつきを小さくするように制御する。
【００５１】
［排気圧影響度合判定及びセンサ出力補正ルーチン］
図６に示す排気圧影響度合判定及びセンサ出力補正ルーチンは、前記図５の気筒別空燃比制御メインルーチンのステップ１０１で実行されるサブルーチンであり、特許請求の範囲でいう排気圧影響度合判定手段及びセンサ出力補正手段としての役割を果たす。
【００５２】
本ルーチンが起動されると、まず、ステップ２０１で、現在のクランク角が各気筒の空燃比検出タイミング（空燃比センサ２４の出力のサンプルタイミング）であるか否かを判定し、空燃比検出タイミングでなければ、ステップ２０２以降の処理を行うことなく、本ルーチンを終了する。
【００５３】
一方、上記ステップ２０１で、現在のクランク角が各気筒の空燃比検出タイミングであると判定されれば、ステップ２０２に進み、空燃比センサ２４の出力を読み込んだ後、ステップ２０３に進み、エンジン運転状態（例えばエンジン回転速度とエンジン負荷等）を読み込む。
【００５４】
この後、ステップ２０４に進み、エンジン運転状態（例えばエンジン回転速度とエンジン負荷等）と各気筒の排気マニホールド３９の長さ（又は容積）とに基づいて排気集合部４０の排気圧をマップ等算出（推定）し、この排気集合部４０の排気圧に基づいて排気圧影響係数ベース値をマップ等により算出する。尚、エンジン運転状態と各気筒の排気マニホールド３９の長さ（又は容積）とに基づいて各気筒の排気圧を算出（推定）し、各気筒の排気圧に基づいて排気圧影響係数ベース値を算出しても良い。
【００５５】
この後、ステップ２０５に進み、空燃比センサ２４の出力（検出空燃比）に基づいて１サイクル（７２０ＣＡ）間の平均空燃比を算出し、この平均空燃比と理論空燃比（空気過剰率λ＝１．０）との差を算出することで、理論空燃比に対する平均空燃比のずれを求め、この平均空燃比のずれを排気圧影響係数ベース値に乗算して最終的な排気圧影響係数を求める。
【００５６】
この後、ステップ２０６に進み、空燃比センサ２４の出力（検出空燃比）と理論空燃比）（空気過剰率λ＝１．０）との差を算出することで、理論空燃比に対する空燃比センサ２４の出力（検出空燃比）のずれを求め、この空燃比センサ２４の出力（検出空燃比）のずれを排気圧影響係数で除算した値を理論空燃比に加算することで、空燃比センサ２４の出力を補正して、空燃比センサ２４の出力から排気圧脈動の影響分を排除する。
【００５７】
以上説明した本実施例１では、空燃比センサ２４の出力に及ぼす排気圧の影響度合として排気圧影響係数を算出し、この排気圧影響係数を用いて空燃比センサ２４の出力を補正するようにしたので、空燃比センサ２４の出力から排気圧脈動の影響分を排除することができ、その補正後の空燃比センサ２４の出力に基づいて各気筒の空燃比を推定することで、排気圧脈動の影響を受けずに各気筒の空燃比を精度良く推定することができる。これにより、空燃比センサ２４の出力に各気筒の空燃比に応じた変化が現れ易い排気タービン２６の上流側に空燃比センサ２４を設置しながら、排気圧脈動の影響による気筒別空燃比制御の精度の低下を防止することができて、気筒別空燃比制御によるエミッション低減効果の低下を回避することができる。
【００５８】
尚、上記実施例１では、エンジン運転状態と各気筒の排気マニホールド３９の長さ（又は容積）とに基づいて排気圧影響係数（空燃比センサ２４の出力に及ぼす排気圧の影響度合）を算出するようにしたが、排気圧影響係数の算出方法は、適宜変更しても良い。
【００５９】
例えば、各気筒毎に筒内圧を検出する筒内圧センサ（筒内圧取得手段）を設け、各気筒の筒内圧センサで検出した各気筒の筒内圧（例えば燃焼時の筒内圧や排気バルブ開弁時の筒内圧等）と各気筒の排気マニホールド３９の長さ（又は容積）とに基づいて排気圧影響係数を求めるようにしても良い。或は、エンジン運転状態に基づいて各気筒の筒内圧を推定し、推定した各気筒の筒内圧と各気筒の排気マニホールド３９の長さ（又は容積）とに基づいて排気圧影響係数を求めるようにしても良い。各気筒の筒内圧や各気筒の排気マニホールド３９の長さや容積によって各気筒の排気圧が変化して、排気集合部４０の排気圧が変化するため、各気筒の筒内圧と各気筒の排気マニホールド３９の長さ（又は容積）とを用いれば、排気圧影響係数を精度良く求めることができる。
【００６０】
また、排気集合部４０に排気圧を検出する排気圧センサを設け、この排気圧センサの出力に基づいて排気圧影響係数を求めるようにしても良い。このようにすれば、排気圧センサで検出した排気集合部４０の排気圧に基づいて排気圧影響係数を精度良く求めることができる。
【００６１】
或は、各気筒の排気マニホールド３９毎にそれぞれ排気圧を検出する排気圧センサを設け、各気筒の排気圧センサの出力に基づいて排気圧影響係数を求めるようにしても良い。各気筒の排気圧によって排気集合部４０の排気圧が変化するため、各気筒の排気圧センサで検出した各気筒の排気圧を用いれば、排気圧影響係数を精度良く求めることができる。
【実施例２】
【００６２】
次に、図７を用いて本発明の実施例２を説明する。但し、前記実施例１と実質的に同一部分については説明を省略又は簡略化し、主として前記実施例１と異なる部分について説明する。
【００６３】
本実施例２では、ＥＣＵ３８により後述する図７の排気圧影響度合判定ルーチンを実行することで、空燃比センサ２４の出力に及ぼす排気圧の影響度合が許容レベルを越えたか否かを判定し、排気圧の影響度合が許容レベルを越えたと判定された場合に気筒別空燃比制御を中止するようにしている。
【００６４】
図７に示す排気圧影響度合判定ルーチンは、特許請求の範囲でいう排気圧影響度合判定手段及び中止手段としての役割を果たす。本ルーチンが起動されると、まず、ステップ３０１で、現在のクランク角が各気筒の空燃比検出タイミング（空燃比センサ２４の出力のサンプルタイミング）であるか否かを判定し、空燃比検出タイミングでなければ、ステップ３０２以降の処理を行うことなく、本ルーチンを終了する。
【００６５】
一方、上記ステップ３０１で、現在のクランク角が各気筒の空燃比検出タイミングであると判定されれば、ステップ３０２に進み、空燃比センサ２４の出力を読み込んだ後、ステップ３０３に進み、所定期間（例えば１サイクルである７２０ＣＡ間）における空燃比センサ２４の出力をＦＦＴ（Fast Fourier Transform：高速フーリエ変換）等により周波数解析して、空燃比センサ２４の出力の周波数成分毎の振幅を求める。
【００６６】
この後、ステップ３０４に進み、周波数解析結果に基づいて空燃比センサ２４の出力のうちの燃焼間隔に関連する周波数成分（例えば４気筒の場合は１８０ＣＡ間隔の周期に相当する周波数の成分）の振幅を抽出する。
【００６７】
この後、ステップ３０５に進み、空燃比センサ２４の出力のうちの燃焼間隔に関連する周波数成分の振幅が所定値以上であるか否かを判定する。その結果、燃焼間隔毎に脈動する排気圧脈動の影響によって空燃比センサ２４の出力のうちの燃焼間隔に関連する周波数成分の振幅が所定値以上になったと判定された場合には、空燃比センサ２４の出力に及ぼす排気圧の影響度合が許容レベルを越えたと判定する。この場合、排気圧脈動の影響を受けて空燃比センサ２４の出力の誤差が大きくなるため、空燃比センサ２４の出力に基づく各気筒の空燃比の推定精度が低下して、気筒別空燃比制御を精度良く行うことができないと判断して、ステップ３０６に進み、気筒別空燃比制御実行フラグを、気筒別空燃比制御の中止を意味する「ＯＦＦ」にリセットして、気筒別空燃比制御を中止又は禁止する。
【００６８】
一方、上記ステップ３０５で、空燃比センサ２４の出力のうちの燃焼間隔に関連する周波数成分の振幅が所定値よりも小さいと判定された場合には、空燃比センサ２４の出力に及ぼす排気圧の影響度合が許容レベルを越えていないと判定して、ステップ３０７に進み、気筒別空燃比制御実行フラグを、気筒別空燃比制御の実行を意味する「ＯＮ」にセットして、気筒別空燃比制御を実行（継続）する。
【００６９】
以上説明した本実施例２では、空燃比センサ２４の出力に及ぼす排気圧の影響度合が許容レベルを越えたと判定された場合には、排気圧脈動の影響を受けて空燃比センサ２４の出力の誤差が大きくなるため、空燃比センサ２４の出力に基づく各気筒の空燃比の推定精度が低下して、気筒別空燃比制御を精度良く行うことができないと判断して、気筒別空燃比制御を中止又は禁止するようにしたので、空燃比センサ２４の出力に各気筒の空燃比に応じた変化が現れ易い排気タービン２６の上流側に空燃比センサ２４を設置しながら、排気圧脈動の影響による気筒別空燃比制御の精度の低下を未然に防止することができて、気筒別空燃比制御によるエミッション低減効果の低下を回避することができる。
【００７０】
尚、上記実施例２では、空燃比センサ２４の出力のうちの燃焼間隔に関連する周波数成分の振幅が所定値以上のときに、空燃比センサ２４の出力に及ぼす排気圧の影響度合が許容レベルを越えたと判定するようにしたが、空燃比センサ２４の出力に及ぼす排気圧の影響度合が許容レベルを越えたか否かを判定する具体的な方法は、適宜変更しても良い。
【００７１】
例えば、排気集合部４０又は各気筒の排気マニホールド３９毎に排気圧を検出する排気圧センサを設け、所定期間（例えば１サイクルである７２０ＣＡ間）における排気圧センサの出力の変動量（例えば所定時間当りの変化量、最大値と最小値との差等）が所定値以上のときに、排気圧の影響度合が許容レベルを越えたと判定するようにしても良い。このようにすれば、排気集合部４０の排気圧の変動量や各気筒の排気圧の変動量が所定値以上になったときに、排気集合部４０に設置された空燃比センサ２４の出力に及ぼす排気圧の影響度合が許容レベルを越えたと判定することができる。
【００７２】
また、所定期間（例えば１サイクルである７２０ＣＡ間）における空燃比センサ２４の出力のピーク値とボトム値との差が所定値以上のときに、排気圧の影響度合が許容レベルを越えたと判定するようにしても良い。このようにすれば、排気圧の脈動によって空燃比センサ２４の出力のピーク値とボトム値との差が所定値以上になったときに、空燃比センサ２４の出力に及ぼす排気圧の影響度合が許容レベルを越えたと判定することができる。      
【００７３】
また、本発明は、排気タービン式過給機を備えたシステムに限定されず、空燃比センサの出力に基づいて各気筒の空燃比を推定し、その推定結果に基づいて各気筒の空燃比を気筒別に制御するシステムに広く適用して実施できる。
【００７４】
その他、本発明は、図１に示すような吸気ポート噴射式エンジンに限定されず、筒内噴射式エンジンや、吸気ポート噴射用の燃料噴射弁と筒内噴射用の燃料噴射弁の両方を備えたデュアル噴射式のエンジンにも適用して実施できる。
【符号の説明】
【００７５】
１１…エンジン（内燃機関）、１２…吸気管、１５…スロットルバルブ、２０…燃料噴射弁、２１…点火プラグ、２２…排気管、２４…空燃比センサ、２５…排気タービン式過給機、２６…排気タービン、２７…コンプレッサ、３８…ＥＣＵ（排気圧影響度合判定手段，センサ出力補正手段，気筒別空燃比推定手段，中止手段）、３９…排気マニホールド、４０…排気集合部
【図１】
2010203413.tif 000003
【図２】
2010203413.tif 000004
【図３】
2010203413.tif 000005
【図４】
2010203413.tif 000006
【図５】
2010203413.tif 000007
【図６】
2010203413.tif 000008
【図７】
2010203413.tif 000009