(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の各気筒より排出される排気ガス中の空燃比を検出する空燃比検出手段と、
排気ガスの一部を前記内燃機関の吸気通路に還流させるＥＧＲ手段と、
前記内燃機関の運転状態に基づいて目標空燃比を算出する目標空燃比算出手段と、
前記空燃比検出手段の出力を基に、気筒毎の空燃比に対応する第１の特性値を算出する気筒毎空燃比算出手段と、
前記空燃比検出手段の出力を基に、全気筒の平均空燃比に対応する第２の特性値を算出する平均空燃比算出手段と、
前記各気筒への燃料噴射量または前記ＥＧＲ手段によって前記吸気通路へ還流させるＥＧＲ量を補正することにより、前記空燃比検出手段で検出される空燃比が前記目標空燃比となるように前記気筒毎の空燃比及び全気筒の平均空燃比を制御する空燃比制御手段とを備え、
この空燃比制御手段は、
ＥＧＲ領域のうち比較的負荷が低い領域では、前記目標空燃比に対応する目標値と前記第２の特性値との差が小さくなるようにＥＧＲ量を補正する低負荷補正手段を有し、
ＥＧＲ領域のうち比較的負荷が高い領域では、前記気筒毎空燃比算出手段で算出される前記第１の特性値に基づき、その第１の特性値の気筒間のばらつきが所定値以上と判断されていた場合、各気筒間で前記第１の特性値のばらつきが小さくなるように前記気筒毎の燃料噴射量を補正し、各気筒の第１の特性値を揃えたその後、前記目標空燃比に対応する目標値と前記第２の特性値との差が小さくなるようにＥＧＲ量を補正する高負荷補正手段を有し、
非ＥＧＲ領域では、前記気筒毎空燃比算出手段で算出される前記第１の特性値に基づき、その第１の特性値の気筒間のばらつきが所定値以上と判断されていた場合、各気筒間で前記第１の特性値のばらつきが小さくなるように前記気筒毎の燃料噴射量を補正し、各気筒の第１の特性値を揃えたその後、前記目標空燃比に対応する目標値と前記第２の特性値との差が小さくなるように前記気筒間の平均噴射量を補正する非ＥＧＲ補正手段を有していることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載した内燃機関の空燃比制御装置において、
前記気筒毎空燃比算出手段は、前記内燃機関の１サイクル中に複数回サンプルした前記空燃比検出手段の出力を前記内燃機関の１サイクル／気筒数に対応した区間毎に平均化して前記第１の特性値を算出すると共に、前記平均化する区間の開始タイミングを前記内燃機関の運転条件毎に変更することを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項３】
請求項２に記載した内燃機関の空燃比制御装置において、
前記気筒毎空燃比算出手段は、区間毎に得られた前記第１の特性値を、対応する気筒毎に複数サイクルに渡って平均化して各気筒の特性値とすることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項４】
請求項２または３に記載した内燃機関の空燃比制御装置において、
前記気筒毎空燃比算出手段は、前記空燃比検出手段の出力を平均化する区間の開始タイミングを、前記内燃機関の回転数あるいは負荷が大きいほど早期とすることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項５】
請求項１〜４に記載した何れかの内燃機関の空燃比制御装置において、
前記内燃機関の吸気圧を検出する吸気圧検出手段を備え、
前記目標空燃比算出手段は、前記吸気圧検出手段の出力が小さいほど前記目標空燃比を大きくすることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項６】
請求項１〜５に記載した何れかの内燃機関の空燃比制御装置において、
前記内燃機関の燃料噴射圧を検出する噴射圧検出手段を備え、
前記目標空燃比算出手段は、前記噴射圧検出手段の出力が小さいほど前記目標空燃比を大きくすることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の燃料噴射量あるいはＥＧＲ量を調整して、空燃比を所定値に制御する内燃機関の空燃比制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の燃料噴射量は、機関出力やエミッションの排出量に、また内燃機関のＥＧＲ量はエミッションの排出量に直接影響を与えるため、燃料噴射量及びＥＧＲ量を精度良く所定値にコントロールすることが非常に重要である。しかし、これらは、燃料噴射弁やＥＧＲ弁等の特性のバラツキや環境条件の変化、あるいは経時劣化等により変化する。
一方、エミッションは、排気中の酸素濃度（空燃比）と強い相関がある。特にディーゼルエンジンでは、排気中のスモーク（黒煙）を低減することが重要課題であるが、スモークは、燃料燃焼時にシリンダ内部が局所的に酸素不足となることにより発生するため、その発生量は排気中の酸素濃度と非常に強い相関を有している。従って、内燃機関におけるエミッション（特にディーゼルエンジンのスモーク）を所定値とするための指標として空燃比を用いることは極めて有用である。
【０００３】
そこで、空燃比に基づいて燃料噴射量及びＥＧＲ量をフィードバック制御する従来技術がある。例えば特開平２−６１３４７号公報に開示されたディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置では、空燃比が所定値となるようにＥＧＲ領域ではＥＧＲ量を調整し、非ＥＧＲ領域では全気筒の平均燃料噴射量を調整することでエミッションを所定値に制御している。
しかし、ディーゼルエンジンの非ＥＧＲ領域（高負荷域）あるいはＥＧＲ領域の高負荷運転下においては、センサで検出される空燃比（全気筒の平均空燃比）が目標値となっていても、気筒間で空燃比にばらつきがあると、図６に示すように、そのばらつきが大きくなる程、スモーク量が急激に増加するという問題がある。この問題に対し、前記従来技術では気筒間空燃比のばらつきを修正できないため、スモークを十分に低減することが困難であった。
【０００４】
一方、従来技術として特開平９−２０３３３７号公報に開示された内燃機関の空燃比制御装置がある。この従来技術は、気筒間空燃比のばらつきを解消するもので、空燃比センサの出力と各気筒の排気タイミングとから気筒別に空燃比を算出し、その算出された気筒別の空燃比に基づいて、気筒毎に燃料噴射量をフィードバック制御している。
しかし、この従来技術をディーゼルエンジンに適用した場合、エンジンの低負荷時には排気中の酸素濃度が高いため、その中で気筒間空燃比のずれを検出するには、非常に高い空燃比の検出精度が必要となり、これは実用上困難である。
【０００５】
また、内燃機関の空燃比をセンサで検出する場合、以下の問題が生じる。
▲１▼内燃機関の空燃比は、例えば限界電流式の酸素濃度センサにより検出するのが一般的であり、このセンサの出力は、原理上、雰囲気圧力すなわち排気圧力の大きさにより変化し、排気圧力が高いほど大きくなる。従って、この方式のセンサをディーゼルエンジンに適用した場合、ディーゼルエンジンは圧縮比が高いことから、排気圧力の脈動が大きいという特徴を有するため、たとえ空燃比が一定でも、センサ出力には排気圧脈動に起因する１サイクル／気筒数に対応した周期的な変動（例えば４気筒内燃機関では１８０クランク角度毎の変動）が発生する。この変動の大きさは、エンジンの運転条件によって変化するため、正確な空燃比に関する情報を得ることが困難である。特に、１個のセンサの出力から気筒毎の空燃比を分離して求めようとする場合には、上記問題が顕著となり、気筒毎の空燃比の正確な検出及びその検出した空燃比に基づく制御が非常に困難となる。
【０００６】
▲２▼内燃機関の排気弁から排出された排気が排気管中に設けたセンサに到達するまでには時間がかかるため、時間的な遅れが発生し、この遅れは内燃機関の運転状態によって変化する。従って、この遅れを考慮しないと、１個のセンサの出力から気筒毎の空燃比を分離して求めようとする場合には、気筒毎の空燃比を正確に検出できない。
▲３▼特にディーゼルエンジンにおいては、その燃焼が燃料の自己着火によるため、サイクル毎の時間的あるいは空間的な燃焼の安定性が低く、得られる空燃比の情報がサイクル毎にばらつく。
【０００７】
▲４▼特にディーゼルエンジンでは、例えば高地において大気圧が変化したり、噴射系の仕様や特性により燃料噴射圧力が変化することでシリンダ内の空気が有効に利用される度合い（即ち、空気利用率）が変化すると、図３及び図４に示すように、空燃比とスモーク発生量との関係が変化してしまう。従って、これらの変化によらず目標とする空燃比を一定とすると、スモーク量を所定値に制御できない。
以上の説明のとおり、前記従来技術を用いて、検出した空燃比を基にディーゼルエンジンのエミッションを制御しようとした場合に多くの問題が存在する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の問題点を解決するためのものであり、内燃機関の各運転状態に応じて空燃比検出手段の出力を適切に処理し、且つ気筒毎の燃料噴射量及びＥＧＲ量の制御により空燃比を所望値に制御することで、内燃機関のエミッション（特にディーゼルエンジンにおけるスモーク）を低減できる内燃機関の空燃比制御装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
（請求項１の手段）
空燃比制御手段は、ＥＧＲ領域のうち比較的負荷が低い領域では、第２の特性値に基づいてＥＧＲ量を補正し、ＥＧＲ領域のうち比較的負荷が高い領域では、第１の特性値に基づいて気筒毎の燃料噴射量を補正するとともに、第２の特性値に基づいてＥＧＲ量を補正し、非ＥＧＲ領域では、第１の特性値に基づいて気筒毎の燃料噴射量を補正するとともに、第２の特性値に基づいて平均噴射量を補正する。
【００１０】
非ＥＧＲ領域（高負荷領域）及びＥＧＲ領域のうち比較的高負荷領域では、図６に示したように、気筒間空燃比のばらつきが大きくなると、スモークの発生量が急激に増加するため、気筒毎の燃料噴射量を補正して、気筒間空燃比のばらつきを抑える必要がある。ここで、特にディーゼルエンジンでは、高負荷時の方が、低負荷時と比較して排気中の酸素濃度が低いため、各気筒毎の空燃比のずれを検出するために、極めて高い検出精度が要求されることはなく、実用的な空燃比検出手段の出力に基づいて、各気筒毎の空燃比に対応する第１の特性値を算出し、その第１の特性値に基づいて気筒毎の燃料噴射量を補正することができる。
【００１１】
一方、ＥＧＲ領域のうち比較的低負荷領域では、前述したように排気中の酸素濃度が高く、その中で空燃比のずれを検出するためには、非常に高い空燃比の検出精度が必要となるため、気筒毎に空燃比を検出することは実用上困難である。しかし、低負荷領域では、図６に示したように、気筒毎の空燃比にばらつきが生じても、高負荷時と比較してスモークの発生量が低く、且つ気筒間空燃比のばらつきが大きくなってもスモーク発生量は殆ど変化しない。従って、気筒毎の噴射量補正を行わず、ＥＧＲ量を補正して気筒間の平均空燃比を制御する。
これにより、実用可能な精度の空燃比検出手段で、内燃機関の運転状態に応じた適切な気筒毎あるいは平均の空燃比制御が可能となり、エミッション改善が可能となる。
【００１２】
ＥＧＲ領域のうち比較的低負荷領域では、目標空燃比に対応する目標値と、全気筒の平均空燃比に対応する第２の特性値との差が小さくなるようにＥＧＲ量を補正している。これにより、気筒間の平均空燃比のずれ（目標空燃比に対するずれ）に起因するエミッションの悪化を改善できる。
【００１３】
ＥＧＲ領域のうち比較的高負荷領域では、第１の特性値の気筒間のばらつきが所定値以上と判断されていた場合、気筒毎の空燃比に対応する第１の特性値のばらつきが各気筒間で小さくなるように気筒毎の燃料噴射量を補正し、各気筒の第１の特性値を揃えたその後、目標空燃比に対応する目標値と第２の特性値との差が小さくなるようにＥＧＲ量を補正している。これにより、気筒間空燃比のばらつき、及び気筒間の平均空燃比のずれ（目標空燃比に対するずれ）に起因するエミッションの悪化を改善できる。
【００１４】
また、気筒毎の燃料噴射量を補正した後、平均空燃比と目標空燃比とのずれが小さくなるようにＥＧＲ量を補正することにより、空燃比の補正中にスモーク発生量が増加することを防止できる。即ち、内燃機関の負荷が大きいため、スモークが発生しやすい状態で、且つ気筒間空燃比がばらついたままで、全気筒に対するＥＧＲ量を先に補正すると、全気筒の平均空燃比を低く修正する場合には、空燃比のばらつきにより酸素が不足している気筒では、さらに酸素不足状態となり、多量のスモークが発生することとなる。これに対し、先ず気筒毎の燃料噴射量を調整して気筒毎の空燃比を補正した後、全気筒に対するＥＧＲ量を補正すれば、上記の不具合を解消することができる。
【００１５】
非ＥＧＲ領域では、第１の特性値の気筒間のばらつきが所定値以上と判断されていた場合、気筒毎の空燃比に対応する第１の特性値のばらつきが各気筒間で小さくなるように気筒毎の燃料噴射量を補正し、各気筒の第１の特性値を揃えたその後、目標空燃比に対応する目標値と第２の特性値との差が小さくなるように気筒間の平均噴射量を補正している。これにより、気筒間空燃比のばらつき、及び気筒間の平均空燃比のずれ（目標空燃比に対するずれ）に起因するエミッションの悪化を改善できる。
また、気筒毎の燃料噴射量を補正した後、平均空燃比と目標空燃比とのずれが小さくなるように気筒間の平均噴射量を補正することにより、空燃比の補正中にスモーク発生量が増加することを防止できる。
【００１６】
（請求項２の手段）
請求項１に記載した内燃機関の空燃比制御装置において、
気筒毎空燃比算出手段は、内燃機関の１サイクル中に複数回サンプルした空燃比検出手段の出力を内燃機関の１サイクル／気筒数に対応した区間毎に平均化して第１の特性値を算出すると共に、平均化する区間の開始タイミングを内燃機関の運転条件毎に変更する。これにより、一般的な限界電流式の酸素濃度センサを空燃比検出手段として用いた場合に、排気圧の脈動が大きいディーゼルエンジンにおいても排気圧脈動の影響を除去した上で、正確な気筒毎の空燃比を求めることが可能となる。また、排気が空燃比検出手段に到達するまでの遅れが内燃機関の運転状態に応じて変化することを考慮するため、運転状態によらず正確な気筒毎の空燃比を求めることが可能となる。
【００１８】
（請求項３の手段）
請求項２に記載した内燃機関の空燃比制御装置において、
気筒毎空燃比算出手段は、区間毎に得られた第１の特性値を、対応する気筒毎に複数サイクルに渡って平均化して各気筒の特性値とする。これにより、その燃焼が燃料の自己着火によるために燃焼毎の時間的あるいは空間的な安定性が低く、得られる空燃比の情報がサイクル毎にばらつくディーゼルエンジンにおいても、正確な空燃比を検出することが可能となる。
【００１９】
（請求項４の手段）
請求項２または３に記載した内燃機関の空燃比制御装置において、
気筒毎空燃比算出手段は、空燃比検出手段の出力を平均化する区間の開始タイミングを、内燃機関の回転数あるいは負荷が大きいほど早期とする。この場合、内燃機関の回転数および負荷が大きいほど、排気が空燃比検出手段に到達するまでの遅れが小さくなることを考慮するため、内燃機関の運転状態によらず正確な気筒毎の空燃比を求めることが可能となる。
【００２０】
（請求項５の手段）
請求項１〜４に記載した何れかの内燃機関の空燃比制御装置において、
目標空燃比算出手段は、吸気圧検出手段の出力が小さいほど目標空燃比（目標とする排気酸素濃度）を大きくする。
高地などで大気圧が低下し、それに伴って内燃機関、特にディーゼルエンジンの吸気圧が低下すると、空燃比（排気中の酸素濃度）が同一でも、シリンダ内に吸入される酸素の絶対量が低下する。このため、燃料燃焼時のシリンダ内の酸素利用度が低下し、結果的にシリンダ内で局所的に酸素不足となる領域が増加し、スモーク発生量が増加してしまう。  これに対し、本発明によれば、吸気圧が小さいほど、目標空燃比を大きくするために、上記の不具合を防止してスモーク発生量を所定値以下とすることが可能となる。
【００２１】
（請求項６の手段）
請求項１〜５に記載した何れかの内燃機関の空燃比制御装置において、
目標空燃比算出手段は、噴射圧検出手段の出力が小さいほど目標空燃比を大きくする。  内燃機関の特性変化等の理由により、燃料噴射圧力が低下すると、空燃比（排気中の酸素濃度）が同一でも、燃料噴霧の微粒化および空気との混合状態が悪化する。このため、燃料燃焼時のシリンダ内の酸素利用度が低下し、結果的にシリンダ内で局所的に酸素不足となる領域が増加し、スモーク発生量が増加してしまう。
これに対し、本発明によれば、噴射圧が小さいほど目標空燃比を大きくするために、上記の不具合を防止してスモーク発生量を所定値以下とすることが可能である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に、本発明を４気筒のディーゼルエンジンに適用した実施形態を図面に基づいて説明する。
図２はディーゼルエンジンの空燃比制御装置のシステム図である。
本発明の内燃機関であるディーゼルエンジン１は、各気筒毎にそれぞれ電磁弁式の燃料噴射弁２が取り付けられている。燃料噴射弁２は、高圧燃料ポンプ３から圧送された燃料を蓄圧するコモンレール４（蓄圧室）を介して高圧燃料が供給され、電磁弁の開閉動作に伴って気筒内への燃料噴射を行う。
コモンレール４には、コモンレール４の内圧（噴射圧力）を検出する噴射圧センサ５が設置されている。
【００２３】
ディーゼルエンジン１には、各気筒内に空気を導入する吸気通路と、各気筒内での燃焼によって生じた排気ガスを排出する排気通路が接続されている。
吸気通路は、図示しないエアクリーナを介して空気を導入する吸気管６と、この吸気管６と各気筒とを分岐接続する吸気マニホールド７を有し、吸気管６には吸気圧センサ８が設置されている。
排気通路は、大気に開口する排気管９と、各気筒より排出される排気ガスを排気管９へ送る排気マニホールド１０を有し、排気管９には排気中の酸素濃度（空燃比）を検出する酸度濃度センサ１１（本発明の空燃比検出手段）が設置されている。
【００２４】
酸素濃度センサ１１は、特にガソリンエンジン用として広く使われている限界電流形の酸素濃度センサ１１である。本センサ１１は、酸素濃度に対応した出力が得られるが、原理上、出力に圧力依存性があるため、たとえ酸素濃度が一定でも、圧力が高いほど出力が大きくなるという特徴を持つ。
排気管９と吸気管６との間には、排気の一部を吸気管６に還流させるためのＥＧＲ配管１２が接続され、このＥＧＲ配管１２の途中にＥＧＲ弁１３が設けられている。
ＥＧＲ弁１３は、ＥＧＲ制御弁１４により弁開度が調整され、その弁開度に応じてＥＧＲ配管１２を流れる排気量（以下ＥＧＲ量と呼ぶ）が制御される。
【００２５】
本システムは、空燃比制御手段としての機能を有するエンジン電子制御回路（以下ＥＣＵ１５と呼ぶ）により制御される。ＥＣＵ１５には、酸素濃度センサ１１、噴射圧センサ５、吸気圧センサ８、エンジン回転数センサ１６、アクセル開度センサ１７、その他、通常の電子制御式ディーゼルエンジン１に用いられる各種センサ類が入力回路に接続され、燃料噴射弁２、ＥＧＲ制御弁１４、高圧燃料ポンプ３等が出力回路に接続されている。
このＥＣＵ１５は、上記の各センサから入力したセンサ信号を基に燃料噴射時期、燃料噴射量、及びＥＧＲ量等を演算し、その演算結果に基づいて高圧燃料ポンプ３、燃料噴射弁２、及びＥＧＲ制御弁１４の作動を電子制御する。
【００２６】
ところが、燃料噴射弁２やＥＧＲ弁１３等の特性のバラツキや環境条件の変化、あるいは経時劣化等により、各気筒の燃料噴射量あるいはＥＧＲ量が予め計画された所定量からずれると、ディーゼルエンジン１にとって重要課題であるスモークを増加させてしまう可能性がある。
そこで、本システムでは、ディーゼルエンジン１のエミッション（特にスモーク）と相関が強い空燃比を酸素濃度センサ１１により検出し、その空燃比に基づいて各気筒の燃料噴射量及びＥＧＲ量をフィードバック制御して、エミッション（特にスモーク）が所定値となるようにするものである。
【００２７】
次に、空燃比に基づいて各気筒の燃料噴射量及びＥＧＲ量を補正する本システムの作動をＥＣＵ１５の処理手順に従って説明する。
図１はＥＣＵ１５の処理手順を示すフローチャートである。
Step100 ：エンジン回転数、アクセル開度、吸気圧、その他各種センサからの情報を基に現在のエンジン１の運転条件を読み込む。
Step101 ：予めＥＣＵ１５内に記憶されているマップ等とStep100 で得られた情報とを合わせて目標空燃比（目標排気酸素濃度）を算出する。
Step102 ：酸素濃度センサ１１の信号から実際の空燃比を読み込む。
Step103 ：後述する方法により全気筒の平均空燃比と各気筒毎の空燃比とをそれぞれ算出する。
【００２８】
Step104 ：エンジン負荷（出力トルク）が所定値より大きいか否かを判定する。具体的には、アクセル開度やＥＣＵ１５内で計算される燃料噴射指令量と所定値との比較により、その大小が判定される。
Step104 でエンジン負荷が低いと判定された場合（判定結果ＮＯ）は、Step105 へ進む。
エンジン負荷が低い場合は、排気中のＮＯX を低減するためにＥＧＲ制御が実行される（図７に示す▲１▼と▲２▼の領域）。また、エンジン負荷が低い場合は、図６に示すように、気筒間空燃比がばらついていても、スモークの発生量にそれほど影響を与えない。これに対し、ＥＧＲ量のずれにより各気筒間の平均空燃比が目標値からずれてしまうと、図５に示すように、エミッション（特にスモーク）が大きく悪化する。
【００２９】
そこで、Step105 では、ＥＧＲ量を補正する必要があるか否かを判断するために、以下の判定を行う。
Step105 ：Step101 で算出した目標空燃比とStep103 で算出した平均空燃比とのずれが所定値より小さいか否かを判定する。
このStep105 で平均空燃比のずれが所定値以上と判定された場合（判定結果ＮＯ）は、Step106 へ進む。
Step106 （本発明の低負荷補正手段）：ここでは、目標空燃比に対する平均空燃比のずれが大きいため、そのずれ量に基づいてＥＧＲ制御弁１４を操作し、ＥＧＲ弁１３の弁開度を変更してＥＧＲ量を補正する。これにより、平均空燃比を所定値に制御できるため、エミッションを改善できる。
【００３０】
一方、前記Step104 において、エンジン負荷が高いと判定された場合（判定結果ＹＥＳ）は、Step107 へ進む。
Step107 ：Step103 で算出した各気筒毎の空燃比のばらつきが予め決められた所定値と比較して大きいか否かを判定する。ここで、各気筒間空燃比のばらつきが所定値以上と判定された場合（判定結果ＮＯ）は、Step108 へ進む。
Step108 （本発明の高負荷補正手段と非ＥＧＲ補正手段）：各気筒毎の噴射量を補正する。即ち、エンジン負荷が大きい場合は、図６に示したように、気筒間空燃比のばらつきが大きいとエミッションが大きく悪化するため、先ず各気筒の空燃比を揃える（ばらつきを無くす）ことで、エミッションを改善する。具体的には、空燃比が低く酸素濃度が低い気筒は噴射量を減らし、逆に空燃比が高く酸素濃度が高い気筒は噴射量を増やす。
【００３１】
前記Step107 において、気筒間の空燃比ばらつきが所定値より小さいと判定された場合（判定結果ＹＥＳ）は、Step109 へ進む。
Step109 ：Step105 と同様に、Step101 で算出した目標空燃比とStep103 で算出した平均空燃比とのずれが所定値より小さいか否かを判定する。
なお、Step107 とStep109 は、この順序、つまりStep107 の後にStep109 を設定した方が良い。その理由は、気筒間空燃比のばらつきが所定値以上ある場合、先に平均空燃比のずれを調整すると、全気筒の平均空燃比を低く補正する場合には、空燃比のばらつきにより酸素が不足している気筒では、さらに酸素不足状態となり、多量のスモークが発生することとなる。これに対し、先ず気筒毎の燃料噴射量を調整して気筒毎の空燃比を補正した後、全気筒の平均空燃比を補正すれば、上記の不具合を解消することができるためである。
【００３２】
Step109 で目標空燃比に対する平均空燃比のずれが所定値以上と判定された場合（判定結果ＮＯ）は、Step110 へ進む。
Step110 ：運転条件がＥＧＲ領域にあるか否かを判定する。ここで運転条件がＥＧＲ領域にあると判定された場合（判定結果ＹＥＳ）は、Step111 へ進む。
Step111 （本発明の高負荷補正手段）：ＥＧＲ量を補正する。
一方、Step110 で運転条件がＥＧＲ領域に無いと判定された場合（判定結果ＮＯ）は、Step112 へ進む。
【００３３】
Step112 （非ＥＧＲ補正手段）：全気筒の平均噴射量を補正する。即ち、全気筒の噴射量を一律に増減補正する。
なお、平均空燃比のずれを補正するために、Step106 及びStep111 において噴射量ではなくＥＧＲ量を補正することには、以下の理由がある。
つまり、ＥＧＲが行われる領域は、図７に示すように、全負荷条件に対して比較的エンジン負荷が低いため、こういった領域で噴射量を増減すると、その増減に対してエンジン出力が敏感に変化し、運転性に悪影響を与える場合がある。これを防ぐために、噴射量ではなくＥＧＲ量を補正している。
【００３４】
次に、上記Step103 における平均空燃比及び気筒毎空燃比の算出方法について図８に示すフローチャートに基づいて詳細に説明する。
Step102 ：例えば１０クランク角（ＣＡ）毎に酸素濃度センサ１１の出力をサンプルする。
Step200 ：Step102 でサンプルした信号（センサ出力）を１サイクル分（４気筒エンジンでは７２０ＣＡ）に渡り平均化して平均空燃比を算出する。
Step201 ：続いて、気筒毎の空燃比を算出する。
【００３５】
各気筒から排出された排気ガスは、各気筒での燃焼順序に従い、例えば図９に示すように＃１気筒→＃３気筒→＃４気筒→＃２気筒の順に酸素濃度センサ１１に到達する。この時、排気ガスが酸素濃度センサに到達するまでは時間遅れ（図９のΔＣＡ）があり、この遅れはエンジン回転数が高い程、エンジン負荷が高い程、小さくなる。従って、前記のStep100 で読み込んだエンジン条件により、ΔＣＡ（＃１ＴＤＣを検出してから＃１気筒の排気ガスが酸素濃度センサ１１に到達するまでにエンジン１が回転するクランク角度）を算出する。
【００３６】
Step202 ：Step201 で算出したΔＣＡを基にサンプル信号を１８０ＣＡ毎に平均化して気筒毎の空燃比に対応する値を算出する。例えば、０〜１８０ＣＡの平均値→＃１気筒、１８０〜３６０ＣＡの平均値→＃３気筒、３６０〜５４０ＣＡの平均値→＃４気筒、５４０〜７２０ＣＡの平均値→＃２気筒とする。
これにより、排気圧脈動の影響を除去することができる。
続いて、特にディーゼルエンジン１の場合、図１０に示すように、サイクル毎の燃焼ばらつきが大きいため、正確な空燃比（特に気筒毎の空燃比情報）を得にくい。そこで、Step203 〜207 では、以下に示すように、Step200 で算出した平均空燃比、及びStep202 で算出した気筒毎空燃比を複数サイクル（例えば５サイクル）に渡って平均化する。
【００３７】
Step203 ：回転数、アクセル開度等の変化により、エンジン１の運転条件が変化したか否かを検出する。ここで、運転条件が大きく変化した場合（判定結果ＹＥＳ）は、Step204 へ進む。
Step204 ：カウンタＮをリセット（Ｎ＝０）して本制御を終了する。これは、例えば車両加速時等で運転条件が大きく変化している間は、空燃比が刻々と変化するため、正確な情報が得られないためである。
一方、Step203 で運転条件が変化していないと判定された場合（判定結果ＮＯ）は、Step205 へ進む。
【００３８】
Step205 ：カウンタＮが所定値（例えばＮ＝５）となったか否かを判定する。ここで、所定値となっていない場合（判定結果ＮＯ）は、今回算出した平均空燃比及び気筒毎空燃比の値を記憶した上で、Step206 へ進む。
Step206 ：カウンタＮをインクリメント（Ｎ＝Ｎ＋１）して、再びStep102 へ戻り、上述のStep102 〜203 の処理を繰り返す。
一方、Step205 でカウンタＮが所定値となった場合（判定結果ＹＥＳ）は、Step207 へ進む。
Step207 ：Step205 で記憶されたＮ回分の平均空燃比及び気筒毎空燃比の値を平均して複数サイクルの平均空燃比及び気筒毎空燃比を算出する。
これにより、図１１に示すように、排気圧脈動の影響とサイクル毎のバラツキを除去した上で、各気筒毎の空燃比に相当する値を安定的に求めることができる。
【００３９】
（本実施形態の効果）
上述したように、空燃比とスモーク発生量との関係では、目標空燃比に対する気筒間の平均空燃比のずれが大きくなると、高負荷時及び低負荷時ともにスモーク発生量が増大する（図５参照）。一方、気筒間空燃比のばらつきが大きくなると、高負荷時ではスモーク発生量が増大するが、低負荷時ではスモーク発生量が殆ど変化しない（図６参照）。この空燃比とスモークとの相関より、エンジン１の低負荷時、つまりＥＧＲ領域のうち低負荷領域では、気筒毎の噴射量を補正して気筒間空燃比のばらつきを小さくしても、スモークを低減できる効果が極めて小さいことが分かる。
【００４０】
そこで、本システムは、ＥＧＲ領域のうち低負荷領域では、気筒毎の噴射量補正を行わず、ＥＧＲ量を補正して気筒間の平均空燃比を制御し、エンジン１の高負荷時（非ＥＧＲ領域及びＥＧＲ領域のうち高負荷領域）では、気筒毎の噴射量補正によって気筒間空燃比のばらつきを小さくし、且つ気筒間の平均空燃比のずれを補正することで、それぞれスモーク発生量を所定値に制御している。これにより、実用可能な精度の酸素濃度センサ１１を用いて、エンジン１の運転状態に応じた適切な気筒毎あるいは平均の空燃比制御が可能となり、エミッションの改善が可能となる。
また、エンジン１の高負荷時（非ＥＧＲ領域及びＥＧＲ領域のうち高負荷領域）では、気筒間空燃比のばらつきを補正してから気筒間の平均空燃比のずれを補正しているので、空燃比補正中にスモーク発生量が増加することを防止できる。
【００４１】
本システムは、排気圧の脈動が大きいディーゼルエンジン１に適用しているが、酸素濃度センサ１１の出力を１サイクル／気筒数＝１８０ＣＡ毎に平均化して気筒毎の空燃比に対応する値を算出しているので、空燃比検出手段として一般的な限界電流式の酸素濃度センサ１１を用いた場合でも、排気圧脈動の影響を除去して正確な空燃比を検出することが可能である。
また、上述のStep200 で算出した平均空燃比、及びStep202 で算出した気筒毎の空燃比を複数サイクル（例えば５サイクル）に渡って平均化することにより、サイクル毎の燃焼ばらつきの影響を小さくできるので、各気筒毎の空燃比を安定的に求めることが可能である。
【００４２】
（変形例）
排気管９の形状の影響や過給機付きのエンジンにおいては排気タービンの影響により、各気筒の排気が気筒毎に明確に分離されず、燃焼順序が前後の気筒（例えば＃１気筒に対し＃３気筒と＃２気筒）の排気が混ざり合って酸素濃度センサ１１に到達する場合がある。また、酸素濃度センサ１１の応答遅れのために、特にエンジン回転数が高い場合には、気筒毎の空燃比変化にセンサ出力変化が追いつかない場合がある。これらいずれの場合でも、図８に示す方法で求めた気筒毎空燃比は、正確な意味での各気筒の空燃比と等しくなく、各気筒の空燃比の相対的な大小に対応する特性値（本発明の第１の特性値）となる。
【００４３】
本システムでは、各気筒の空燃比を直接、目標空燃比へと補正するのではなく、各気筒の空燃比に対応する特性値（センサ出力を１８０ＣＡに渡り平均した値）の偏差が極小となるように補正している。従って、前述したケース等にも対応可能な汎用性が非常に大きな空燃比制御装置とすることができる。
また、図１のStep101 において目標空燃比を算出する場合、エンジン回転数やアクセル開度等のエンジン条件だけから目標空燃比を決めると、スモークを所定値以下に抑制できない場合がある。具体的には、吸気圧あるいは燃料噴射圧が変化した場合である。例えば高地などで大気圧が低下し、それに伴い吸気圧が低下すると、たとえ空燃比が同一でもシリンダ内に吸入される酸素の絶対量が低下することから、燃料燃焼時のシリンダ内の酸素の利用率が低下し、結果的にシリンダ内で局所的に酸素不足となる領域が増加してスモーク発生量が増加してしまう。
【００４４】
一方、燃料噴射弁２の特性変化あるいは噴射圧目標値の変更等の理由により、燃料噴射圧力が低下すると、例えば空燃比が同一でも燃料噴霧の微粒化及び空気との混合状態が悪化することから、燃料燃焼時のシリンダ内の酸素の利用率が低下し、結果的にシリンダ内で局所的に酸素不足となる領域が増加してスモーク発生量が増加してしまう。
そこで、本システムでは、これらに対応するために、図１２に示すように、吸気圧が小さいほど目標空燃比を大きくするように補正変更し、また図１３に示すように、燃料噴射圧力が小さいほど目標空燃比を大きくするように補正変更している。これにより、吸気圧や噴射圧の変化によらず、スモーク量を所定値とすることが可能である。
【００４５】
なお、上述の実施形態では、４気筒のコモンレール式ディーゼルエンジン１を例に説明したが、それ以外の気筒毎に噴射量を調整可能な多気筒内燃機関へも適用可能である。例えば６気筒のエンジンに適用すると、気筒毎空燃比に対応する値を求める際には、排気圧脈動の影響を除去するための平均化区間を７２０ＣＡ／６＝１２０ＣＡとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】空燃比制御の処理手順を示すフローチャートである。
【図２】空燃比制御装置のシステム図である。
【図３】吸気圧とスモークとの相関図である。
【図４】燃料噴射圧とスモークとの相関図である。
【図５】平均空燃比のずれとスモークとの相関図である。
【図６】気筒間空燃比のばらつきとスモークとの相関図である。
【図７】ＥＧＲ領域を示すトルク特性図である。
【図８】空燃比を算出するための処理手順を示すフローチャートである。
【図９】酸素濃度センサの時間的な遅れを説明するタイムチャートである。
【図１０】酸素濃度センサの出力を１０ＣＡ毎にサンプルしたものを複数サイクル分、重ね書きした図面である。
【図１１】気筒毎に酸素濃度センサの出力を平均化した図面である。
【図１２】吸気圧と目標空燃比との相関図である。
【図１３】燃料噴射圧と目標空燃比との相関図である。
【符号の説明】
１  ディーゼルエンジン（内燃機関）
５  噴射圧センサ（噴射圧検出手段）
６  吸気管（吸気通路）
７  吸気マニホールド（吸気通路）
８  吸気圧センサ（吸気圧検出手段）
１１  酸素濃度センサ（空燃比検出手段）
１３  ＥＧＲ弁（ＥＧＲ手段）
１４  ＥＧＲ制御弁（ＥＧＲ手段）
１５  ＥＣＵ（空燃比制御手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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