(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路に設けられた空燃比検出手段を有し、該空燃比検出手段の検出出力に基づいて空燃比を目標空燃比にフィードバック制御する内燃機関の空燃比制御装置において、
前記空燃比検出手段の検出出力に基づいて平均空燃比を算出する平均空燃比算出手段と、
前記空燃比検出手段の検出出力が各気筒の排気に対応する期間を判定する気筒別タイミング判定手段と、
該気筒別タイミング判定手段が判定した前記期間において前記空燃比検出手段の出力を複数回検出し気筒別に前記平均空燃比との偏差の平均を算出する気筒別偏差平均算出手段と、
前記偏差の平均が最大の気筒に対して該偏差が減少する方向に空燃比制御量を補正する補正制御手段と
を備えた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において、
前記気筒別偏差平均算出手段は、前記期間において所定の演算周期毎に前記空燃比検出手段の出力と前記平均空燃比との偏差を積算して積算回数で除すことで気筒別偏差平均を算出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、排気通路の検出空燃比に基づいて空燃比を目標空燃比にフィードバック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】
一般に、内燃機関の空燃比制御装置は、複数の気筒に応じて設けられた各排気管の合流部に排気センサを設け、この排気センサの検出結果に基づいて燃料噴射量を制御し、空燃比が目標空燃比となるようにフィードバック制御している。ところが、各気筒ごとに排出される排気ガスは、吸気量や燃料量等のばらつきにより空燃比が異なることがあり、上述した空燃比制御装置では、高精度の空燃比制御が困難となってしまう。この場合、各気筒ごとに排気センサを設け、各排気センサの検出結果に基づいて気筒別に燃料噴射量を制御すればよいが、排気センサの数が増加してコスト高を招いてしまう。
【０００３】
そこで、各気筒ごとに排気センサを設けずに、各気筒別の空燃比制御を可能としたものが、例えば、特公平４−８６１６号公報等に開示されている。
【０００４】
特公平４−８６１６号公報には、気筒別に空燃比検出値を取り込み、全気筒の空燃比検出値のうちの最大値と全気筒の平均値の偏差が所定値以上のときは、最大値を持つ気筒に対する燃料噴射量を減少させるべく当該気筒の空燃比補正値を補正することにより、各気筒間のばらつきを減少させるようにした「内燃機関の気筒別空燃比制御装置」が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した従来の「内燃機関の気筒別空燃比制御装置」にあっては、各気筒の空燃比検出に当たって、エンジン回転数に応じた特定クランク角での空燃比検出値しか使用していため、特定クランク角のみの１回の検出値に頼って気筒別の検出を行うことになる。従って、気筒別の空燃比検出値が不正確になりやすく結果的に各気筒間のばらつきを十分に解消できない虞があり、改良の余地があった。
【０００６】
本発明はこのような問題を解決するものであって、コストを増加させることなく気筒別の空燃比を高精度に検出して制御可能とした内燃機関の空燃比制御装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために本発明では、排気通路に設けられた空燃比検出手段を有し、この空燃比検出手段の検出出力に基づいて空燃比を目標空燃比にフィードバック制御する内燃機関の空燃比制御装置において、平均空燃比算出手段により、空燃比検出手段の検出出力に基づいて平均空燃比を算出し、気筒別タイミング判定手段により、空燃比検出手段の検出出力が各気筒の排気に対応する期間を判定し、気筒別偏差平均算出手段により、気筒別タイミング判定手段が判定した期間において空燃比検出手段の出力を複数回検出し気筒別に平均空燃比との偏差の平均を算出し、補正制御手段により、偏差の平均が最大の気筒に対して偏差が減少する方向に空燃比制御量を補正するようにしている。
【０００８】
従って、気筒別空燃比検出手段が検出する気筒別の空燃比は他の気筒の排気が混在した状態の空燃比であるが、全ての気筒の排気が影響する平均空燃比との偏差を用い、偏差の平均が最大の気筒に対して空燃比を補正することで、排気状態の影響による空燃比の段差を比較的正確に検出した状態で、各気筒の空燃比制御量を適正に制御できる。
【０００９】
そして、気筒別偏差平均算出手段は、期間において所定の演算周期毎に空燃比検出手段の出力と平均空燃比との偏差を積算して積算回数で除すことで気筒別偏差平均を算出するようにしている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１１】
図１に本発明の一実施例形態に係る内燃機関の空燃比制御装置を表す概略構成、図２に本実施形態の内燃機関の空燃比制御装置による制御のフローチャート、図３に各気筒の検出期間に対応する空燃比を表すグラフ、図４にリニアＡ／Ｆセンサの出力電圧と空燃比との関係を表すグラフを示す。
【００１２】
本実施形態の内燃機関の空燃比制御装置は、図１に示すように、４気筒エンジンに適用したものであって、エンジン１１には各気筒（燃焼室）に対応して吸気ポート及び排気ポートが設けられており、図示しない吸気バルブ及び排気バルブにより開閉自在となっている。上流部にエアクリーナ１２が装着された吸気管１３の下流側は、サージタンク１４を介して吸気マニホールド１５に連結され、この吸気マニホールド１５に形成された４つのマニホールド部がエンジン１１の各吸気ポートに連結されている。そして、この吸気管１３の上流側にはエアフローセンサ１６が装着されると共に、スロットルバルブ１７及びスロットル開度センサ１８が設けられている。また、吸気マニホールド１５の各マニホールド部には、燃料を噴射するインジェクタ１９がそれぞれ設けられている。
【００１３】
一方、排気通路としての排気管２０上流側には排気マニホールド２１が連結され、この排気マニホールド２１に形成された４つのマニホールド部がエンジン１１の各排気ポートに連結されている。そして、この排気管２０の上流部、つまり、排気マニホールド２１のマニホールド部が合流した下流側には空燃比検出手段としてのリニアＡ／Ｆセンサ２２が装着され、この排気管２０の下流部には触媒２３が装着されている。リニアＡ／Ｆセンサ２２の装着位置としては、排気マニホールド２１の合流部近傍もしくはその下流であればどこでもよい。また、エンジン１１には各気筒のクランク位置を検出するクランク角センサ２４が設けられている。
【００１４】
また、車両には制御装置としての電子制御ユニット（ＥＣＵ）２５が設けられ、このＥＣＵ２５には、入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶を行う記憶装置、中央処理装置及びタイマやカウンタ類が具備されており、このＥＣＵ２５によってエンジン１１の総合的な制御が実施される。即ち、前述した各種センサ類１６，１８，２２，２４の検出情報等がＥＣＵ２５に入力され、ＥＣＵ２５は各種センサ類の検出情報に基づいて、燃料噴射量や点火時期等を決定し、インジェクタ１９等を駆動制御する。
【００１５】
ところで、このように構成されたエンジン１１における空燃比制御にて、ＥＣＵ２５はリニアＡ／Ｆセンサ２２の検出出力に基づいて空燃比を目標空燃比にフィードバック制御するようにしている。ところが、エンジン１１の各気筒（排気マニホールド２１の各マニホールド部）ごとに排出される排気ガスは、吸気マニホールド１５の各マニホールド部に流入する空気量やインジェクタ１９からの燃料噴射量等のばらつきにより空燃比が異なる場合がある。そのため、排気マニホールド２１より下流側の排気管２０に設けられたリニアＡ／Ｆセンサ２２によりここを流通する排気ガスの濃度を検出し、この検出結果に基づいて吸気マニホールド１５の各マニホールド部に噴射される燃料量を単純に決定しても、高精度な空燃比制御は困難となる。
【００１６】
そこで、本実施形態の内燃機関の空燃比制御装置にあっては、リニアＡ／Ｆセンサ２２の検出出力に基づいて平均空燃比を算出（平均空燃比算出手段）すると共に、リニアＡ／Ｆセンサ２２の検出出力が各気筒の排気に対応してその気筒の排気の影響が最も支配的と思われる期間を判定（気筒別タイミング判定手段）し、この期間におけるリニアＡ／Ｆセンサ２２の検出出力に基づいて気筒別の空燃比を検出（気筒別空燃比検出手段）し、気筒別タイミング判定手段が判定した期間においてリニアＡ／Ｆセンサ２２の検出出力を複数回検出し気筒別に平均空燃比との偏差の平均を算出し（気筒別偏差平均算出手段）、偏差の平均が最大の気筒に対して偏差が減少する方向に空燃比制御量を補正（補正制御手段）するようにしている。
【００１７】
なお、各気筒の排気に対応する期間の判定は、図３に示すように、クランク角センサ２４の検出信号ＳＧＴとカムの回転位置信号（図示略）に基づいて行う。即ち、＃１気筒圧縮ＴＤＣ位置を基準とし、＃１気筒の偏差積算開始クランク角をＲＡ、偏差積算クランク角幅をＲＷとすると、＃１気筒の排気期間（積算範囲）Ｒ１が設定される。そして、この＃１気筒の排気期間Ｒ１に、１８０°ずつ加えていくことで、＃３、＃４、＃２気筒積算範囲Ｒ３，Ｒ４，Ｒ２が設定される。例えば、図中右端の＃１気筒圧縮ＴＤＣ位置を基準として、＃１気筒の偏差積算開始クランク角ＲＡが８９０°ＢＴＤＣ、偏差積算クランク角幅ＲＷを１５０°であったとすると、
＃１気筒の排気期間Ｒ１＝８９０〜７４０°ＢＴＤＣ
＃３気筒の排気期間Ｒ３＝７１０〜５６０°ＢＴＤＣ
＃４気筒の排気期間Ｒ４＝５３０〜３８０°ＢＴＤＣ
＃２気筒の排気期間Ｒ２＝３５０〜２００°ＢＴＤＣ
となる。
【００１８】
ここで、本実施形態の内燃機関の空燃比制御装置による偏差の平均が最大の気筒に対しての空燃比制御（偏差最大気筒空燃比制御）について、図２のフローチャートに基づいて説明する。
【００１９】
まず、ステップＳ０において、ＥＣＵ２５がリニアＡ／Ｆセンサ２２のLAFS出力信号（電圧）を所定時間間隔でサンプリングする。この場合、サンプリング間隔は各気筒の積算範囲Ｒ１〜Ｒ４ごとに複数回のサンプリングが行われる間隔となっている。ステップＳ１で排気ガス圧力による補正を行い、ステップＳ２でリニアＡ／Ｆセンサ２２のLAFS出力信号（電圧）を図４に示したマップに基づいて空燃比に相当する値に変換する（マップＡ／Ｆ変換）。これは、図４に示すように、リニアＡ／Ｆセンサ２２のLAFS出力信号に対して空燃比は一定には変化せず、ストイキ近傍を挟んで傾きが変化する。このため、リニアＡ／Ｆセンサ２２のLAFS出力信号を図４に示したマップに基づいて空燃比に相当する値に変換した後に、以降の制御に用いている。従って、以下に示した値は空燃比に相当して変換した値となっており、リニアＡ／Ｆセンサ２２の検出出力と記載されているものは、図４に示したマップに基づいて変換された空燃比相当の値である。仮に、空燃比に変換しなかった場合は、図４に示すように、LAFS出力信号（電圧）と空燃比が線形でないことから、制御上発散するおそれがある。
【００２０】
そして、ステップＳ３にて、偏差最大気筒空燃比補正制御の条件が成立しているかどうかを判定する。この偏差最大気筒空燃比補正制御の条件とは、ストイキフィードバック運転中であること、エンジン１１の冷却水温が所定温度以上であること、加減速運転中ではなく定常運転中であることである。なお、このストイキフィードバック運転の判定は、所定運転領域（エンジン回転数と体積効率とのマップ）にあることを判定する。
【００２１】
このステップＳ３にて、偏差最大気筒空燃比補正制御の条件が成立していれば、ステップＳ４において、平均値LAFSAVを下記数式により算出する。
平均値LAFSAV＝Ｋ１×LAFSAV(n-1) ＋（１−Ｋ１）×LAFS
この場合、平均値LAFSAVは実際にはフィルタを通した値であり、Ｋ１はフィルタ定数であり、LAFSはリニアＡ／Ｆセンサ２２の検出出力に排圧補正を実行した後の値である。なお、ステップＳ３で偏差最大気筒空燃比補正制御の条件が成立していなければ、前回の値を保持する。また、イグニッションキースイッチがオフのときは、バッテリでバックアップする。
【００２２】
ステップＳ４にて、平均値LAFSAVが算出されたら、ステップＳ５にて、偏差LAFSDを下記数式により算出する。
偏差LAFSD＝LAFS−LAFSAV
ここで、LAFSはＡ／Ｆセンサ２２の検出出力に排圧補正を実行した後の瞬時値であり、求めた偏差LAFSDがプラスであれば空燃比がリーン側に変位し、マイナスであればリッチ側に変位していると判定できる。
【００２３】
そして、ステップＳ５にて、偏差LAFSDが算出されたら、ステップＳ６にて、各気筒別に偏差積算平均値LAFSDAを算出する。つまり、前述した各気筒積算範囲Ｒ１，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ２各々について偏差LAFSDを積算したものを積算回数で除算することで、各気筒別の偏差積算平均値LAFSDAを算出することができる。
【００２４】
ステップＳ７乃至ステップＳ９では、各気筒別に算出された偏差積算平均値LAFSDAの比較を行う。即ち、ステップＳ７では、＃１気筒と＃２気筒の偏差積算平均値LAFSDAの絶対値を比較し、ステップＳ８では、＃３気筒と＃４気筒の偏差積算平均値LAFSDAの絶対値を比較する。そして、ステップＳ９では、ステップＳ７とステップＳ８の結果により＃１気筒から＃４気筒の偏差積算平均値LAFSDAの絶対値が最も大きい気筒を特定する。なお、ＥＣＵ２５の性能等により、＃１気筒から＃４気筒の偏差積算平均値LAFSDAの絶対値を一度に比較して偏差積算平均値LAFSDAの絶対値が最も大きい気筒を特定することも可能である。
【００２５】
ステップＳ９で偏差積算平均値LAFSDAの絶対値が最も大きい気筒を特定した後、ステップＳ１０では、特定された気筒の偏差積算平均値LAFSDAが正であるかどうか、つまり、偏差積算平均値LAFSDAが正であって空燃比がリーンであるためにリッチ側に補正する必要があるかどうかを判定する。ここで、偏差積算平均値LAFSDAが正であれば、ステップＳ１１にて、偏差最大気筒空燃比補正係数kcylを下記数式によりリッチ側に更新する。
偏差最大気筒空燃比補正係数kcyl(n) ＝kcyl(n-1) ＋Ｂ２
一方、偏差積算平均値LAFSDAが負であって空燃比がリッチであるためにリーン側に補正する必要があれば、ステップＳ１２にて、偏差最大気筒空燃比補正係数kcylを下記数式によりリーン側に更新する。
偏差最大気筒空燃比補正係数kcyl(n) ＝kcyl(n-1) −Ｂ２
なお、偏差最大気筒空燃比補正係数kcylの初期値は１．０とし、上限値及び下限値が設定されている。また、Ｂ２は予め設定された所定値である。
【００２６】
このようにステップＳ１１，１２にて、偏差最大気筒空燃比補正係数kcyl(n) が更新されると、ステップＳ１３にて、偏差最大気筒のインジェクタ１９による燃料噴射量を補正する。つまり、偏差最大気筒空燃比補正係数kcyl(n) を偏差最大気筒のインジェクタ１９の駆動パルス幅Tinjに下記数式により反映させる。
駆動パルス幅Tinj＝Tb×Kelse×kcyl＋加減速補正＋Td
ここで、Tbは機関運転状態により定まる基本パルス幅、Kelseはその他の補正係数、Tdはデットタイム（インジェクタ駆動信号が発信されてから実際に燃料がインジェクタから噴射されるまでの遅れ時間）である。
【００２７】
このようにしてステップＳ１０，１１，１２，１３の処理で偏差最大気筒空燃比補正係数kcyl(n) を更新して燃料噴射量を補正する。従って、Ａ／Ｆセンサ２２の出力が各気筒の排気に対応する期間において、気筒別の空燃比を複数回検出し平均空燃比との偏差の平均を算出しているので、気筒別の空燃比のずれを精度よく判定することができる。そして、偏差平均が最大の気筒に対して偏差が減少する方向に空燃比制御量を補正するので、精度よく空燃比のばらつきを解消することができる。また、偏差LAFSDを積算して積算回数で除算することで気筒別の偏差積算平均値LAFSDAを算出しているので、Ａ／Ｆセンサ２２の出力が各気筒の排気に対応する期間にわたって、気筒別に平均空燃比との偏差をモニタするため、より精度よく気筒別の空燃比のずれを判定でき、より精度よく空燃比のばらつきを解消できる。
【００２８】
なお、最も大きい偏差積算平均値LAFSDAの絶対値の値が所定値Ｂ１以上の場合にのみ上記処理を行うようにすることも可能である。また、偏差最大気筒のインジェクタ１９による燃料噴射量を補正している際に、他の気筒に対する空燃比の補正を積極的に禁止する制御を実施することも可能であり、これにより、補正制御の収束性が向上する。
【００２９】
このように本実施形態の内燃機関の空燃比制御装置にあっては、リニアＡ／Ｆセンサ２２のLAFS出力に基づいて空燃比の平均値LAFSAVを算出し、LAFS出力の瞬時値と平均値LAFSAVとの偏差LAFSDを算出し、各気筒ごとの排気期間として設定された積算範囲Ｒ１，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ２における偏差積算平均値LAFSDAを求め、全ての気筒の平均空燃比と各気筒別の空燃比との偏差を求め、偏差積算平均値LAFSDAが最大の気筒に対して偏差最大気筒空燃比補正係数kcylを更新して燃料噴射量を補正するようにしている。
【００３０】
従って、リニアＡ／Ｆセンサ２２が検出する気筒別の空燃比（LAFS出力）は他の気筒の排気が混在した状態の空燃比であるが、全ての気筒の排気が影響する平均空燃比平均値LAFSAVとの偏差を用いることで、この気筒の排気状態の影響による空燃比の偏差（偏差積算平均値LAFSDA）を正確に検出でき、各気筒の偏差を適正に求めることができる。そして、各気筒について、その気筒の排気が空燃比（LAFS出力）に及ぼす影響が最も大きいと思われるクランク角範囲Ｒ１，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ２について、全気筒の空燃比の平均値LAFSAVからの偏差積算平均値LAFSDAを求め、偏差積算平均値LAFSDAが最大となる気筒の空燃比の補正制御を行うようにしたので、複数の気筒の排気が入り混じった状態でも収束性よく正確に制御できる。
【００３１】
なお、上述した実施形態では、空燃比検出手段としてリニアＡ／Ｆセンサ２２を用いたが、通常のλ−Ｏ2 センサを用いてもよい。また、ステップＳ１１，１２での偏差最大気筒空燃比補正係数kcyl(n) の更新処理にて、所定値Ｂ２を加算あるいは減算したが、この所定値Ｂ２を偏差積算平均値LAFSDAの大きさに応じて変更してもよく、また、リッチ側とリーン側で異なる値としてもよく、更に、エンジン１１の運転条件（エンジン回転数、負荷）に応じて変更してもよい。
【００３２】
また、この偏差最大気筒空燃比補正係数kcylの更新処理を積分制御としたが、ＰＩ制御、ＰＩＤ制御、微分制御等としてもよい。例えば、ＰＩＤ制御の例として、
偏差最大気筒空燃比補正係数kcyl＝１．０＋kcylＰ＋kcylＩ＋kcylＤ
としてもよく、この場合、
比例係数kcylＰ＝LASFDA×GP                    (GP:比例ゲイン）
積分係数kcylＩ＝Σ（LASFDA×GI）              (GI:積分ゲイン）
微分係数kcylＤ＝（LASFDA(n) −LASFDA(n-1)     (GD 比例ゲイン）
となる。
【００３３】
更に、ステップＳ３で偏差最大気筒空燃比制御の条件が成立していなければ、その直前の偏差最大気筒に対して偏差最大気筒空燃比補正係数kcylを用いるようにしてもよい。また、ステップＳ６にて、偏差LAFSDを積算して積算回数で除算することで気筒別の偏差積算平均値LAFSDAを算出したが、制御の安定性を増すために、数サイクルについて偏差積算平均値LAFSDAを算出し、数サイクル（例えば、１０サイクルから２００サイクル程度）中に所定回数以上、ある気筒の偏差積算平均値LAFSDAの絶対値が所定値Ｂ１を上回ったとき、偏差最大気筒空燃比補正係数kcylを更新するようにしてもよい。また、所定値（しきい値）Ｂ１は、触媒の劣化度合い、特にＯ2 ストレージ能力に応じて変化させるようにしてもよい。例えば、走行距離が長くなるにしたがって所定値Ｂ１を小さくすればよい。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の内燃機関の空燃比制御装置によれば、各気筒の排気に対応する期間において空燃比検出手段の出力を複数回検出して気筒別に平均空燃比との偏差の平均を算出し、偏差の平均が最大の気筒に対して偏差が減少する方向に空燃比制御量を補正するようにしたので、気筒別空燃比検出手段が検出する気筒別の空燃比は他の気筒の排気が混在した状態の空燃比であるが、全ての気筒の排気が影響する平均空燃比との偏差を用い、偏差の平均が最大の気筒に対して空燃比を補正することで、排気状態の影響による空燃比の偏差を正確に検出した状態で、各気筒の空燃比制御量を適正に制御できる。この結果、気筒別の空燃比のずれの判定及び空燃比のばらつき解消が精度よく行えるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例形態に係る内燃機関の空燃比制御装置を表す概略構成図である。
【図２】本実施形態の内燃機関の空燃比制御装置による制御のフローチャートである。
【図３】各気筒の検出期間に対応する空燃比を表すグラフである。
【図４】リニアＡ／Ｆセンサの出力電圧と空燃比との関係を表すグラフである。
【符号の説明】
１１  エンジン
１３  吸気管
１５  吸気マニホールド
１９  インジェクタ
２０  排気管
２１  排気マニホールド
２２  リニアＡ／Ｆセンサ（空燃比検出手段）
２４  クランク角センサ
２５  電子制御ユニット（ＥＣＵ）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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