(57)【要約】【課題】排気系の形式、センサ特性のばらつき、機構の経年変化などに対して、高いロバスト性および適応性を有する空燃比制御手法を提供する。【解決手段】本発明は、複数の気筒を備える内燃機関において、気筒間の空燃比のばらつきを平滑化するための空燃比制御装置を提供する。この装置は、内燃機関の出力を計測するセンサと、センサ計測値および気筒毎に設定された基準信号の相互相関を取ることにより、各気筒の相関関数を算出する手段と、各気筒に共通の平滑化目標値を算出する手段と、相関関数を平滑化目標値に収束させるように、各気筒への制御入力を生成する気筒別制御手段と、を有する。このような構成により、モデル化誤差やむだ時間の存在下でも、安定かつ迅速に各気筒の空燃比を推定し、さらに空燃比を安定かつ迅速に目標値に収束することができる。【選択図】図２
2006161577.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の気筒を備える内燃機関において、気筒間の空燃比のばらつきを平滑化するための空燃比制御装置であって、
前記内燃機関の出力を計測するセンサと、
前記センサ計測値および気筒毎に設定された基準信号の相互相関を取ることにより、各気筒の相関関数を算出する手段と、
各気筒に共通の平滑化目標値を算出する手段と、
前記相関関数を前記平滑化目標値に収束させるように、各気筒への制御入力を生成する気筒別制御手段と、
を有する内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項２】
前記基準信号は周期関数であり、前記相互相関は前記基準信号の周期の整数倍の区間において算出される、請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項３】
前記平滑化目標値は前記相関関数の平均値である、請求項１または請求項２に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項４】
前記制御入力は２自由度応答指定型制御アルゴリズムを用いて生成される、上記請求項のいずれかに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項５】
前記センサの計測値を所定の出力目標値に収束させるように、各気筒に共通の制御入力を生成する共通制御手段をさらに有する、上記請求項のいずれかに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項６】
前記共通の制御入力は２自由度応答指定型制御アルゴリズムを用いて生成され、前記共通制御手段の目標値応答性は、前記気筒別制御手段のものより高く設定されている、請求項５に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項７】
前記内燃機関はガソリンエンジンであり、前記各気筒への制御入力は燃料噴射量を補正するパラメータであり、前記センサは排気系に設置された排ガスセンサ（ＬＡＦセンサ）である、上記請求項のいずれかに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項８】
前記パラメータに応じて点火時期を補正する、請求項７に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項９】
前記点火時期の補正量は、エンジンの負荷の大きさに比例する、請求項８に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項１０】
前記内燃機関はディーゼルエンジンであり、前記各気筒への制御入力は燃料噴射量を補正するパラメータであり、前記センサはクランク軸に設置された角速度センサである、請求項１ないし請求項６に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の空燃比制御装置に関する。より詳細には、複数の気筒間の空燃比のばらつきを平滑化するための空燃比制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、気筒毎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、燃料噴射量は変わらない。したがって、同じ目標値を各気筒が受けているにもかかわらず、気筒間に空燃比のばらつきが発生することになる。
【０００３】
特にアイドル運転時などの低負荷条件では、吸気量への誤差の影響が大きくなるため、各気筒間の空燃比はさらに大きくばらつき、触媒浄化率の低下を招き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りすぎると、過剰なリーン／リッチ空燃比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。故に、気筒間の吸気量のばらつきを検出し、短時間でその影響を補償できる制御手法が望まれていた。
【０００４】
特許文献１では、排気系に取り付けられたＬＡＦセンサ（空燃比センサ）の出力に基づき、吸気量のばらつきを補償するためのオブザーバ制御手法が開示されている。しかし、この手法は、モデル化誤差やむだ時間に対する安定性が低く、ＬＡＦセンサの応答特性のばらつきや機構の経年変化が大きい場合に適用が困難だった。また、空燃比の観測に大きなむだ時間を生じる高出力／高トルク排気系（４−２−１集合排気系）などへの適用が困難であった。
【特許文献１】特許2689368号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、排気系の形式、センサ特性のばらつき、機構の経年変化などに対して、高いロバスト性および適応性を有する空燃比制御手法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、複数の気筒を備える内燃機関において、気筒間の空燃比のばらつきを平滑化するための空燃比制御装置を提供する。この装置は、内燃機関の出力を計測するセンサと、センサ計測値および気筒毎に設定された基準信号の相互相関を取ることにより、各気筒の相関関数を算出する手段と、各気筒に共通の平滑化目標値を算出する手段と、相関関数を平滑化目標値に収束させるように、各気筒への制御入力を生成する気筒別制御手段と、を有する。このような構成により、モデル化誤差やむだ時間の存在下でも、安定かつ迅速に各気筒の空燃比を推定し、さらに空燃比を安定かつ迅速に目標値に収束することができる。
【０００７】
本発明の一実施形態において、基準信号は周期関数であり、相互相関は前記基準信号の周期の整数倍の区間において算出される。これにより、空燃比の状態を示す相関関数の振動的な挙動を含まないものにできるため、制御系が共振状態となり、不安定化することを防止することができる。
【０００８】
本発明の一実施形態において、平滑化目標値は相関関数の平均値である。
【０００９】
本発明の一実施形態において、制御入力は２自由度応答指定型制御アルゴリズムを用いて生成される。このアルゴリズムは、空燃比をオーバーシュートすることなく目標値に収束させるので、不要な振動的な出力挙動を防ぐことができる。
【００１０】
本発明の一実施形態において、センサの計測値を所定の出力目標値に収束させるように、各気筒に共通の制御入力を生成する共通制御手段をさらに有する。これにより出力目標値に対して定常偏差の無い収束を実現することができる。
【００１１】
本発明の一実施形態において、共通の制御入力は２自由度応答指定型制御アルゴリズムを用いて生成され、共通制御手段の目標値応答性は、気筒別制御手段のものより高く設定されている。これにより、共通制御手段は気筒別制御手段より速く収束するので、出力目標値に対する定常偏差を高速かつ高精度に補償することができる。
【００１２】
本発明の一実施形態において、内燃機関はガソリンエンジンである。各気筒への制御入力は燃料噴射量を補正するパラメータであり、センサは排気系に設置された排ガスセンサ（ＬＡＦセンサ）である。また、この場合、パラメータに応じて点火時期を補正する。点火時期の補正量は、エンジンの負荷の大きさに比例する。これにより、空燃比の気筒間のばらつきを補償することができるので、回転変動低減によるドライバビリティの向上を図ることができる。
【００１３】
本発明の一実施形態において、内燃機関はディーゼルエンジンである。各気筒への制御入力は燃料噴射量を補正するパラメータであり、センサはクランク軸に設置された角速度センサである。これにより、気筒間の発生トルクのばらつきを補償することができるので、回転変動低減によるドライバビリティの向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の第1の実施形態による内燃機関（以下「エンジン」と呼ぶ）の空燃比制御装置の構成図である。図１に示すように、空燃比制御装置１は、ＥＣＵ２を備えており、センサ情報に基づいてエンジン３の各気筒の空燃比を平均化するよう制御指令をインジェクタ４に送る。
【００１５】
エンジン３は、ここでは図１に示すように４つの気筒＃１〜＃４を備える4サイクル直列４気筒ガソリンエンジンである。エンジンのクランクシャフト（図示せず）には、クランク角センサ８が取り付けられている。このクランク角センサ８は、クランクシャフトの回転に伴い、いずれもパルス信号であるＣＲＫ信号およびＴＤＣ信号をＥＣＵ２に出力する。ＣＲＫ信号は、所定のクランク角（例えば３０度）ごとに１パルスが出力される。ＥＣＵ２は、このＣＲＫ信号に応じ、エンジン３の回転数ＮＥを算出する。ＴＤＣ信号は、各気筒のピストン（図示せず）が吸気行程のＴＤＣ位置よりも若干手前の所定のクランク角位置にあることを表す信号であり、4気筒タイプの本例では、クランク角１８０度ごとに１パルスが出力される。
【００１６】
吸気管５は、吸気マニホールド５ａの４つの分岐部５ｂを介してエンジン３の４つの気筒＃１〜＃４へそれぞれ接続されている。各分岐部５ｂにはインジェクタ４が取り付けられている。各インジェクタ４は、エンジン３の運転時に、ＥＣＵ２からの駆動信号によって、その開弁時間である燃料噴射量および噴射タイミングが制御される。なおこの燃料噴射は、４つの気筒＃１〜＃４において、＃１→＃３→＃４→＃２の順で行われる。また、吸気管５内の吸気マニホールドより上流にはエアフローセンサ９が取り付けられている。エアフローセンサ９は、吸気管５への吸入空気量に比例する電気信号をＥＣＵ２に送る。
【００１７】
排気管６は、排気マニホールド６ａの４つの分岐部６ｂを介してエンジン３の４つの気筒へ接続されている。排気管６内には、排気マニホールド６ａの集合部付近にＬＡＦセンサ（空燃比センサ）７が取り付けられている。ＬＡＦセンサ７は、排気ガス中の酸素濃度をリッチ領域からリーン領域までの広範囲な空燃比の領域において検出し、検出する酸素濃度に比例する出力ＫＡＣＴをＥＣＵ２に送る。この出力ＫＡＣＴは、排気マニホールド６ａの集合部付近の排気ガス中の空燃比を当量比として表す。
【００１８】
ＥＣＵ２は、車両各部から送られてくるデータを受け入れる入力インタフェース２ａ、車両の各部の制御を行うための演算を実行するＣＰＵ２ｂ、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）および一時記憶用のランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を有するメモリ２ｃ、および車両の各部に制御信号を送る出力インタフェース２ｄを備えるコンピュータである。メモリ２ｃのＲＯＭには、車両の各部の制御を行うためのプログラムおよび各種のデータが格納される。この発明に従う空燃比制御を実施するためのプログラム、および該プログラムの実行の際に用いるデータおよびテーブルは、このＲＯＭに格納されている。読取り専用メモリは、ＥＥＰＲＯＭのような書替え可能なＲＯＭであっても良い。ＲＡＭには、ＣＰＵ２ｂによる演算の作業領域が設けられ、車両の各部から送られてくるデータおよび車両の各部に送り出す制御信号が一時的に記憶される。
【００１９】
本実施形態において、ＥＣＵ２は、ＬＡＦセンサ７より排気ガスの空燃比を制御入力として受け取り、この制御入力に基づいて各気筒の空燃比補正係数を算出する。この空燃比補正係数およびクランク角センサ８とエアフローセンサ９の計測値から、各気筒への燃料噴射量を算出する。そしてこれらの燃料噴射量を実現するよう制御指令を各インジェクタ４へ送ることにより、エンジン３の各気筒の空燃比を平均化するように制御を実行する。
【００２０】
図２は、本発明の第1の実施形態による空燃比制御装置１の制御ブロック図である。図に示すように、相関関数算出部１１，基準信号生成部１２，平滑化目標値算出部１３，気筒別制御器１４、および集合部制御器１５から構成される。制御対象はエンジン３である。
【００２１】
まず、ＬＡＦセンサ７において排気ガスの空燃比に対応する出力ＫＡＣＴが計測される。そして、基準信号生成部１２において、各気筒の排気ガスの排出挙動を模した基準信号Ｆｃｒ＃１〜＃４がクランク信号ＣＲＫ（本実施例では３０度毎）に同期して生成される。
【００２２】
次に、相関関数算出部１１において、ＬＡＦセンサ出力ＫＡＣＴと基準信号Ｆｃｒとの有限区間の相関関数Ｃｒが次式を用いて算出される。
【数１】
2006161577.tif 000003
【００２３】
ここで、ｉは気筒番号（４気筒の場合ｉ＝１〜４）であり、Ｎは１燃焼サイクル当りのＣＲＫ信号のパルス数である。図２の相関関数算出部１１では、ＣＲＫ信号は30度毎に計測されるので、Ｎ＝24である。また、ｋは時間ステップである。
【００２４】
ここで、ＬＡＦセンサ出力ＫＡＣＴと基準信号Fcr#iについて図３および図４を参照して説明する。図３はＬＡＦセンサ出力ＫＡＣＴの概略図である。この図では、ＫＡＣＴとＫＣＭＤは当量比で表されている。理論空燃比（例えば14.5）を実現している場合、１の値を示す。一方、理論空燃比よりリッチの場合、１以上の値を示し、リーンの場合１以下の値を示す。図３では気筒＃３がリッチ、気筒＃２がリーンの状態のＬＡＦセンサ出力ＫＡＣＴを示している。また、各気筒の燃料噴射タイミングによって排気タイミングも決まるので、ある気筒がリッチまたはリーンの場合、ＬＡＦセンサ出力ＫＡＣＴは周期的な変動を示す。
【００２５】
このようなＬＡＦセンサ出力ＫＡＣＴの特徴に注目して基準信号Fcr#iは生成されている。図４は基準信号Fcr#iの概略図である。基準信号Fcr#iは、１燃焼サイクルのうち各気筒の排気ガスの排出挙動に対応するように気筒別に生成されており、各気筒の基準信号は対象となる気筒の排気タイミングの範囲のみにサイン波状の信号を有する。これらの基準信号を用いることで、相関関数Ｃｒ＃ｉは、対応する気筒ｉの空燃比がリッチなほど大きな値をとり、リーンなほど小さい値をとる。例えば図３のＬＡＦセンサ出力ＫＡＣＴによる相関関数を考えると、気筒＃３の基準信号Fcr#3との相関関数Cr#3が最大値をとり、気筒＃２の基準信号Fcr#2との相関関数Cr#2が最小値をとる。
【００２６】
ここで基準信号Ｆｃｒは、エンジン３の１燃焼サイクルを１周期とする周期信号である。一般に、周期信号の相互相関は、周期信号の周期の整数倍以外の有限区間で算出すると周期的挙動を示し、周期信号の周期の整数倍の有限区間で算出すると一定値を示すという特徴がある。また、制御系の共振の発生を防ぐためにも、制御系内の内部変数は、周期的な挙動を持つものとしない方が良い。したがって、相関関数Ｃｒ＃ｉが周期的な挙動を持たないようにするため、積分区間を基準信号の周期と同じにした。
【００２７】
次に、平滑化目標値算出部１３において、各気筒の空燃比を平滑化するための平滑化目標値Cr_cmdを算出する。ここで相関関数Cr#iと各気筒の空燃比との関係に着目すると、各気筒の空燃比が一致するということは、各気筒の相関関数Cr#iが一致することになる。したがって、本実施形態では、各気筒の相関関数Cr#iを収束させるための平滑化目標値Cr_cmdを次式のように各相関関数の平均値で定義する。
【数２】
2006161577.tif 000004
【００２８】
ここで、ｍは気筒数であり、本実施形態ではｍ＝４である。
【００２９】
続いて、気筒別制御器１４において、各気筒の相関関数Cr#iを平滑化目標値Cr_cmdに収束するように、各気筒への燃料噴射量を調整するための気筒別平滑化係数Kcr#iが求められる。この気筒別平滑化係数の生成には、以下に詳述する2自由度応答指定型制御が用いられる。この制御手法を用いるメリットは、平滑化目標値Cr_cmdが急変したときや、相関関数Cr#iが大きく変化して平滑化目標値Cr_cmdに対して大きく離間してしまったときに、オーバーシュートや振動的挙動を生じずに安定的に気筒間の空燃比のばらつきを補正でき、エミッションやドライバビリティの低下を防止できる点にある。
【００３０】
気筒別制御器１４では、式（３）に示されるように、まず目標値応答指定パラメータRcrを用いて、平滑化目標値Cr_cmdにローパスフィルタリングを施す。この処理によりステップ状に変動する目標値波形を平滑化して、目標値に漸近収束する曲線に変換する。
【００３１】
Cr_cmd_f(k) = −Rcr・Cr_cmd_f(k-1) + (1+Rcr)Cr_cmd(k)    （3）
但し、Cr_cmd_fはフィルタ処理後の目標値であり、ｋは時間ステップである。また、応答指定パラメータの範囲を−1 < Rcr < 0と設定する。
【００３２】
式（３）に示されるように、目標値応答指定パラメータRcrにより、フィルタ処理後の目標値Cr_cmd_fの軌道が規定される。目標値をどのような軌道に設定するかにより、相関関数Cr#iの目標値Cr_cmdへの追従速度を指定することが可能となる。こうして設定された目標値Cr_cmd_fに相関関数Cr#iが収束するように、気筒別制御器１４は気筒別平滑化係数Kcr#iを算出する。
【００３３】
次に式（４）に示されるように、相関関数Cr#iと目標値Cr_cmd_fとの偏差Ecr#iを求める。
【００３４】
Ecr#i(k) = Cr#i(k) − Cr_cmd_f(k)   （４）
【００３５】
次に式（５）に示されるように、切り替え関数σcr#iを定義する。切り替え関数σcr#iは偏差Ecr#iの収束挙動を規定する。Scrは外乱抑制応答指定パラメータであり、外乱が印加された時の偏差Ecr#iの収束速度を規定する。外乱抑制応答指定パラメータScrは、−1 < Scr < 0を満たすように設定される。
【００３６】
σcr#i(k) = Ecr#i(k) + Scr・Ecr#i(k-1)        （５）
【００３７】
最後に式（６）に示されるように、気筒別平滑化係数Kcr#iを算出する。Krch_cr、Kadp_crはフィードバックゲインである。式（６）右辺の第一項は比例項であり、第二項は積分項である。つまり、式（６）は、入力を切り替え関数σcr#iとしたＰＩ制御のフィードバック量を計算していることと等価である。
【数３】
2006161577.tif 000005
【００３８】
このように算出された気筒別平滑化係数Kcr#iは、相関関数Cr#iを平滑化目標値Cr_cmdへ一致させるための補正入力である。この係数Kcr#iは、ＬＡＦセンサ出力ＫＡＣＴを目標空燃比ＫＣＭＤに制御するための制御量ではない。むしろ、気筒別平滑化係数Kcr#iは、平滑化目標値Cr_cmdが目標空燃比ＫＣＭＤと一致する場合を除いて、ＬＡＦセンサ出力ＫＡＣＴと目標空燃比ＫＣＭＤとの間に定常偏差を生じる。
【００３９】
このため、本実施形態では、気筒別制御器１４の他に、ＬＡＦセンサ出力ＫＡＣＴを目標空燃比ＫＣＭＤに収束させるための集合部制御器１５をさらに用いる。集合部制御器１５のアルゴリズムは、ＰＩＤ制御、適応制御、または最適制御などでも実現可能であるが、本実施形態では、気筒別制御器１４と同様に２自由度応答指定型制御を用いる。
【００４０】
このとき、集合部制御器１５の目標値応答および外乱抑制能力の指定を気筒別制御器のものよりも速く設定することにより、定常偏差を速やかに高精度に補償できる。
【００４１】
集合部制御器１５では、式（７）に示されるように、まず目標値応答指定パラメータRを用いて、目標空燃比KCMDにローパスフィルタリングを施す。この処理によりステップ状に変動する目標値波形を平滑化して、目標値に漸近収束する曲線に変換する。
【００４２】
KCMD_f(k) = −R・KCMD_f(k-1) + (1+R)KCMD(k)    （７）
但し、KCMD_fはフィルタ処理後の目標値であり、ｋは時間ステップである。また、応答指定パラメータの範囲は、気筒別制御器１４より高速化するために−1 ＜ Rcr ＜ R ＜ 0と設定される。
【００４３】
次に式（８）に示されるように、ＬＡＦセンサ出力KACTと目標値KCMD_fとの偏差Eを求める。
【００４４】
E(k) = KACT(k) − KCMD_f(k)                （８）
【００４５】
次に式（９）に示されるように、切り替え関数σを定義する。Sは外乱抑制応答指定パラメータであり、外乱が印加された時の偏差Eの収束速度を規定する。外乱抑制応答指定パラメータSは、気筒別制御器１４より高速化するために−1 ＜ Scr ＜ S ＜ 0を満たすように設定される。
【００４６】
σ(k) = E(k) + S・E(k-1)        （９）
【００４７】
最後に式（１０）に示されるように、空燃比補正係数ＫＡＦを算出する。Krch、Kadpはフィードバックゲインである。
【数４】
2006161577.tif 000006
【００４８】
なお、式（１０）は式（６）と比べて右辺第一項に「１」が追加されている。これは制御開始時に右辺第二項、第三項の初期値が０なので、補正係数が０となって燃料噴射量が０になるのを防ぐためである。なお、積分項である第3項の初期値を１とし、第一項の「１」を使用しない手法を用いることも可能である。
【００４９】
空燃比制御装置１は、最終的に、式（１１）のように気筒別平滑化係数Kcr#iに空燃比補正係数ＫＡＦを加算して気筒別空燃比補正係数ＫＡＦ＃ｉを算出する。
【００５０】
KAF#i(k) = Kcr#i(k) + KAF(k)                        （１１）
この気筒別空燃比補正係数ＫＡＦ＃ｉによってインジェクタ４の燃料噴射量が調整され、各気筒の空燃比が平滑化される。
【００５１】
図５乃至図８は、本発明の第1の実施形態による空燃比制御装置のシミュレーション結果を示す図である。各図中のグラフ（ａ）は、ＬＡＦセンサ出力ＫＡＣＴを示すグラフであり、グラフ（ｂ）は気筒別平滑化係数Kcr#iおよび集合部制御器１５の出力KAF’（式（１０）の右辺第２項および第3項）を示すグラフであり、グラフ（ｃ）は相関関数Cr#iを示すグラフである。
【００５２】
図５および図６は、気筒＃１が２０％リッチ、気筒＃３が２０％リーン状態のＬＡＦセンサ出力ＫＡＣＴに対するシミュレーション結果であり、さらに図５は集合部制御器が無い場合、図６は集合部制御器がある場合の結果を示している。
【００５３】
図５に示すように、この場合、制御開始（時点Ａ）の直後にはリッチ状態の気筒＃１の相関係数Cr#1は通常状態の気筒＃２、＃４の相関係数Cr#2、Cr#4よりも大きな値となり、一方リーン状態の気筒＃３の相関係数Cr#3は小さな値となる。そして制御が進むにつれて、気筒＃１の気筒別平滑化係数Kcr#1はリッチを解消するように負方向に増加していき、一方、気筒＃３の気筒別平滑化係数Kcr#3はリーンを解消するように正方向に増加する。これに伴い相関係数Cr#1およびCr#3は、徐々に通常状態のCr#2、Cr#4の値に収束していく。同時にＬＡＦセンサ出力ＫＡＣＴも目標空燃比ＫＣＭＤの値に安定化する。
【００５４】
なお、図５の場合、集合部制御器が無い状態なのでKAF’は常に０であり、空燃比補正係数KAFは常に１である。しかし、集合部制御器の補正が無くてもＬＡＦセンサ出力ＫＡＣＴが目標空燃比ＫＣＭＤの値に収束している。これは、気筒＃１と気筒＃３のリッチ、リーンの割合が２０％と同一であり、相関係数Cr#1の増加と相関係数Cr#3の減少の割合もほぼ同一なので、これらの平均値である平滑化目標値Cr_cmdも０となり、集合部制御器による補正が不要だからである。
【００５５】
図６は、図5のシミュレーションに集合部制御器を加えた結果であるが、挙動を注目すべき気筒＃１、＃３の各パラメータおよびＬＡＦセンサ出力ＫＡＣＴの挙動は図５とほぼ同様である。
【００５６】
図７および図８は、気筒＃１が２０％リッチ状態のＬＡＦセンサ出力ＫＡＣＴに対するシミュレーション結果であり、さらに図７は集合部制御器が無い場合、図８は集合部制御器がある場合の結果を示している。
【００５７】
図７に示すように、この場合、制御開始（時点Ａ）の直後にはリッチ状態の気筒＃１の相関係数Cr#1は通常状態の気筒＃２〜＃４の相関係数Cr#2〜Cr#4よりも大きな値となる。そしてこの場合の平滑化目標値Cr_cmdは、相関係数の平均値なので、リッチ状態の相関係数Cr#1と、通常状態の相関係数Cr#2〜Cr#4との間の値となる。つまりこの場合の平滑化目標値Cr_cmdは、ややリッチ状態となる。したがって、制御が進むにつれて、気筒＃１の気筒別平滑化係数Kcr#1はリッチを解消するように負方向に増加していくが、気筒＃２〜＃４の気筒別平滑化係数Kcr#2〜Kcr#4は、相関係数を平滑化目標値に収束させるように正方向に増加する。そして最終的に全ての相関係数がややリッチな平滑化目標値Cr_cmdに収束するので、ＬＡＦセンサ出力ＫＡＣＴも目標空燃比ＫＣＭＤに完全に収束せず、定常偏差が残ってしまう。
【００５８】
図８は、図７のシミュレーションに集合部制御器１５を加えた結果である。図７ではＬＡＦセンサ出力ＫＡＣＴはリッチ側に定常偏差が残ったが、集合部制御器１５による出力KAF’がリッチを解消するように負の値を取るので、ＬＡＦセンサ出力ＫＡＣＴの定常偏差が補正され、最終的に目標空燃比ＫＣＭＤに収束する。
【００５９】
このように、本発明の実施形態による空燃比制御装置が、ＬＡＦセンサ出力ＫＡＣＴと目標空燃比ＫＣＭＤの間の定常偏差補償と、気筒間の空燃比のばらつきの補償を両立する能力を有することが確認できる。
【００６０】
図９は、本発明の実施形態による空燃比制御を含む燃料噴射量制御の処理を示すフローチャートである。この処理はＥＣＵ２において実行される。
【００６１】
ステップＳ１０１において、各気筒への吸気量Gcylが算出される。エアフローセンサ９の出力Gin_afmと、ＣＲＫ信号から算出したエンジン回転数ＮＥを用いて、式（１２）から算出される。
【００６２】
Gcyl(k) = ６０・Gin_afm ／ (２・NE)                （１２）
【００６３】
ステップＳ１０２において、気筒別平滑化係数Kcr#iが算出される。これは相関関数算出部１１および気筒別制御器１４において、式（１）〜（６）を用いて求められる。
【００６４】
ステップＳ１０３において、空燃比補正係数KAFが算出される。これは集合部制御器１５において、式（７）〜式（１０）を用いて求められる。
【００６５】
ステップＳ１０４において、気筒別空燃比補正係数KAF#iが算出される。これは式（１１）を用いて求められる。
【００６６】
ステップＳ１０５において、気筒別の燃料噴射量Gfuel#i(k)が算出される。これは、吸気量Gcyl(k)、Gcylから燃料噴射量を算出するための換算係数Kgt、および算出した気筒別空燃比補正係数KAF#iを用いて式（１３）から求められる。
【００６７】
Gfuel#i(k) = Kgt・KAF#i・Gcyl(k)            （１３）
なお、燃料噴射量Gfuel#i(k)は、非線形なテーブル検索により算出することもある。
【００６８】
図１０（ａ）は、燃料噴射量制御と併せて実行可能な気筒別点火リタード制御の処理を示すフローチャートである。空燃比制御中、気筒間の空燃比補正係数の差が大きいと、出力トルクにも差が出てしまいドライバビリティに悪影響を与えるおそれがある。そこで、補正量の大きい気筒の点火時期をリタードすることにより、気筒間のトルクのばらつきを低減する。
【００６９】
ステップＳ２０１において、空燃比制御装置１で最終的に算出された気筒別空燃比補正係数KAF#iのうちから最小値を選び、KAF_minとする。このKAF_minがリタード制御の基準となる。
【００７０】
ステップＳ２０２において、気筒毎にリタードの遅角量Dig#iが算出される。まず、各気筒の空燃比補正係数KAF#iとKAF_minとの差分を求める。この値によって、図１０（ｂ）に示すマップを用いて遅角量Dig#iを求める。気筒別空燃比補正係数KAF#iがKAF_minに比べて大きいということは、燃料噴射量の増える割合も大きいということで、これによりトルクも大きくなる。故に、KAF_minとの差の大きさに応じて、点火時期の遅角量も大きくすることにより、気筒間のトルクのばらつきを緩和する。また、吸気量Gcylが多いほどトルク増大量が大きいため、図１０（ｂ）に示すように遅角量を増大する。ただし、異常な遅角は排ガス温度の上昇を招き、触媒や排気系にダメージを与えるため、所定値（たとえば−15度）以上の遅角処理は行わないようにする。
【００７１】
次に、制御対象をディーゼルエンジンとした本発明の第2の実施形態について説明する。ディーゼルエンジンでは、高圧でインジェクタから燃料を噴射するため、インジェクタの燃料噴射孔部などの摩耗が起きやすく、インジェクタの開弁時間指令値に対する実際の燃料噴射量が経年的に増加する傾向がある。そして、この増加傾向はインジェクタ毎にばらつきを有する。
【００７２】
一方、ディーゼルエンジンでは、バルブやスロットルによる吸気量制御によってトルクを調整するのではなく、燃料噴射量の増減によってトルク制御を行っている。つまり、各気筒のトルクは、燃料噴射量によって決定されている。このため、各気筒のインジェクタにおいて、開弁時間指令値に対する燃料噴射量特性のばらつきが生じると、各気筒のトルクにもばらつきが生じ、サージングなどドライバビリティの低下を引き起こす。
【００７３】
したがって、インジェクタの流量特性のばらつきを補償できる手法が求められており、その解決手法として本発明による空燃比制御装置を適用した。
【００７４】
ディーゼルエンジンの場合でも、燃料噴射量のばらつきは、排気系に取り付けられたＬＡＦセンサ出力の周期的変動として表れるため、排気系にＬＡＦセンサを設置して第1の実施形態と同様の制御手法を適用することも可能である。
【００７５】
しかし、ディーゼルエンジンの場合、燃料噴射量の増大が直接的にトルクの増減となる特徴を有する。これに注目すると、燃料噴射量が増大すると、トルクも増大し、これに伴いクランクの角速度が増加する。また、燃料噴射量が減少すると、トルクも減少し、クランクの角速度も減少する。つまり、各気筒の燃料噴射量のばらつきは、クランクの角速度Wcrkの周期的変動として表れる。
【００７６】
したがって、本実施形態では、ＬＡＦセンサを用いずに、クランクの角速度Wcrkに基づいて燃料補正係数を算出する。
【００７７】
図１１は、本発明の第２の実施形態による空燃比制御装置の制御ブロック図である。
【００７８】
図に示すように、この実施形態では、クランクの角速度Wcrkから各制御ブロックを介して気筒別燃料補正係数KINJ#iを算出する。なお、各制御ブロックの相関関数算出部２１，基準信号生成部２２，平滑化目標値算出部２３，および気筒別制御器２４の機能は第1の実施形態における同名の構成要素と同様である。
【００７９】
まず、エンジン２５のクランクに取り付けられたクランク角センサからＣＲＫ信号が計測され、この信号に基づいて角速度算出部２６でクランク角速度Wcrkが算出される。
【００８０】
次に、基準信号生成部２２において、各気筒による出力トルクの挙動を模した基準信号Ｆｃｒ＃１〜＃４がＣＲＫ信号に同期して生成される。
【００８１】
そして、相関関数算出部２１において、クランク角速度Wrckと基準信号Ｆｃｒとの有限区間の相関関数Ｃｒ’が次式を用いて算出される。
【数５】
2006161577.tif 000007
【００８２】
ここで、ｉは気筒番号（４気筒の場合ｉ＝１〜４）であり、Ｎは１燃焼サイクル当りのＣＲＫ信号のパルス数である。本実施形態では、ＣＲＫ信号は30度毎に計測されるので、Ｎ＝24である。また、ｋは時間ステップである。
【００８３】
次に、平滑化目標値算出部２３において、各気筒の燃料噴射量を平滑化するための平滑化目標値Cr’_cmdを算出する。平滑化目標値Cr’_cmdは、次式のように各相関関数の平均値で定義する。
【数６】
2006161577.tif 000008
【００８４】
ここで、ｍは気筒数であり、本実施形態ではｍ＝４である。
【００８５】
続いて、気筒別制御器２４において、各気筒の相関関数Cr’#iを平滑化目標値Cr’_cmdに収束するように、各気筒への燃料噴射量を調整するための気筒別燃料補正係数KINJ#iが求められる。この気筒別燃料補正係数の生成には、第1の実施形態と同様に、2自由度応答指定型制御が用いられる。
【００８６】
気筒別制御器２４では、式（１６）に示されるように、まず目標値応答指定パラメータR”を用いて、平滑化目標値Cr’_cmdにローパスフィルタリングを施す。
【００８７】
Cr’_cmd_f(k) = −R”・Cr’_cmd_f(k-1) + (1+R”)Cr’_cmd(k)    （１６）
但し、Cr’_cmd_fはフィルタ処理後の目標値であり、ｋは時間ステップである。また、応答指定パラメータの範囲を−1 < R” < 0と設定する。
【００８８】
次に式（１７）に示されるように、相関関数Cr’#iと目標値Cr’_cmd_fとの偏差E”#iを求める。
【００８９】
E”#i(k) = Cr’#i(k) − Cr’_cmd_f(k)              （１７）
【００９０】
次に式（１８）に示されるように、切り替え関数σ”#iを定義する。切り替え関数σ”#iは偏差E”#iの収束挙動を規定する。S”は外乱抑制応答指定パラメータであり、外乱が印加された時の偏差E”#iの収束速度を規定する。外乱抑制応答指定パラメータS”は、−1 < S”< 0を満たすように設定される。
【００９１】
σ”#i(k) = E”#i(k) + S”・E”#i(k-1)        （１８）
【００９２】
最後に式（１９）に示されるように、気筒別燃料補正係数KINJ#iを算出する。Krch”、Kadp”はフィードバックゲインである。
【数７】
2006161577.tif 000009
【００９３】
以上、本発明について、具体的な実施形態を記述したが、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。例えば、基準信号Fcr#iは図４に限らず、三角波、矩形波、台形波などでも良い。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】本発明の第1の実施形態による内燃機関の空燃比制御装置の構成図である。
【図２】図１の空燃比制御装置の制御ブロック図である。
【図３】ＬＡＦセンサ出力ＫＡＣＴの概略図である。
【図４】基準信号の概略図である。
【図５】本発明の第1の実施形態による空燃比制御装置のシミュレーション結果である。
【図６】本発明の第1の実施形態による空燃比制御装置のシミュレーション結果である。
【図７】本発明の第1の実施形態による空燃比制御装置のシミュレーション結果である。
【図８】本発明の第1の実施形態による空燃比制御装置のシミュレーション結果である。
【図９】本発明の第1の実施形態による空燃比制御を含む燃料噴射量制御の処理を示すフローチャートである。
【図１０】燃料噴射量制御と併せて実行可能な気筒別点火リタード制御の処理を示すフローチャートである。
【図１１】ディーゼルエンジンを制御対象とした本発明の第２の実施形態による空燃比制御装置の制御ブロック図である。
【符号の説明】
【００９５】
１  空燃比制御装置
７  ＬＡＦセンサ（空燃比センサ）
８  クランク角センサ
１１  相関関数算出部
１２  基準信号生成部
１３  平滑化目標値算出部
１４  気筒別制御器
１５  集合部制御器
【図１】
2006161577.tif 000010
【図２】
2006161577.tif 000011
【図３】
2006161577.tif 000012
【図４】
2006161577.tif 000013
【図５】
2006161577.tif 000014
【図６】
2006161577.tif 000015
【図７】
2006161577.tif 000016
【図８】
2006161577.tif 000017
【図９】
2006161577.tif 000018
【図１０】
2006161577.tif 000019
【図１１】
2006161577.tif 000020