JP3602575B2 - 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 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は多気筒内燃機関の排気系集合部に空燃比センサを設け、排気系の挙動を状態方程式で同定すると共に、オブザーバを介して各気筒空燃比（気筒毎空燃比）を推定する内燃機関の気筒別空燃比推定装置において、オブザーバの収束状況、即ち、各気筒空燃比の推定精度を簡易かつ正確に判定するようにしたものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の排気系に空燃比センサを設けて空燃比を検出することは良く行われており、その一例として特開昭５９−１０１５６２号公報記載の技術を挙げることができる。また、本出願人も先に特願平３−３５９３３９号（特開平５−１８００５９号）において、排気系の挙動を状態方程式で同定し、オブザーバを介して各気筒空燃比を推定する技術を提案している。尚、そこにおいて、空燃比センサは広域空燃比センサ、即ち、理論空燃比で出力が反転するＯ２ センサではなく、理論空燃比の前後を通じて排気ガス中の酸素濃度に比例した出力特性を有するものを使用している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記した構成によって各気筒の空燃比を推定することができたが、運転状態によってはオブザーバの推定精度、換言すれば、オブザーバの収束状況が必ずしも良好ではない場合も生じる。そのようなオブザーバの推定値の信頼性が低い場合、それを用いて制御を行うと、却って制御性が悪化する事態が生じ得る。
【０００４】
従って、この発明の目的は、多気筒内燃機関の排気系集合部に空燃比センサを設け、排気系の挙動を状態方程式で同定すると共に、オブザーバを介して各気筒空燃比を推定する内燃機関の気筒別空燃比推定装置において、オブザーバの収束状況、即ち、各気筒空燃比の推定精度を簡易かつ正確に判定するようにした内燃機関の気筒別空燃比推定装置を提供することにある。
【０００５】
第２の目的は、多気筒内燃機関の排気系集合部に空燃比センサを設け、排気系の挙動を状態方程式で同定すると共に、オブザーバを介して各気筒空燃比を推定し、推定された各気筒空燃比に基づいて燃料噴射量を操作量として空燃比をフィードバック制御する内燃機関の気筒別空燃比推定装置において、オブザーバの収束状況、即ち、各気筒空燃比の推定精度を簡易かつ正確に判定し、それに応じてフィードバック補正項（ゲイン）の変更の可否を判断することで制御値が誤らないようにした内燃機関の気筒別空燃比推定装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を解決するために、請求項１項にあっては、多気筒内燃機関の排気系集合部に空燃比センサを配置してその出力から各気筒の入力混合気の空燃比を推定する装置であって、前記排気系の挙動を、各気筒空燃比を入力Ｕ（ｋ）とし、集合部空燃比を出力Ｙ（ｋ）とする状態方程式で同定し、入力Ｕ（ｋ）を所定の値としてオブザーバを構築して前記出力Ｙ（ｋ）を入力とし、各気筒空燃比を状態変数Ｘとして状態方程式からＸハット（ｋ）にて推定する推定手段、および推定された各気筒空燃比に基づいて燃料噴射量を操作量として空燃比をフィードバック制御するフィードバック制御手段を備えると共に、推定された状態変数Ｘハット（ｋ）から集合部空燃比の推定値ＣＸハット（ｋ）を算出し、前記出力Ｙ（ｋ）と比較してオブザーバの収束状況を判定する判定手段を備え、前記フィードバック制御手段は、オブザーバの収束状況が不良と判定されたとき、前記空燃比をフィードバック制御するのに使用されるフィードバック補正項の変更を停止する如く構成した。
【０００７】
尚、上記で「入力Ｕ（ｋ）を所定の値として」とは、例えば同一気筒の空燃比を前回燃焼以前の空燃比と同一と仮定する、あるいは各気筒空燃比を目標空燃比とする、の意味である。
【００１０】
上記の目的を達成するために、請求項２項にあっては、前記出力Ｙ（ｋ）として前記空燃比センサの出力を用いる如く構成した。
【００１１】
上記の目的を達成するために、請求項３項にあっては、前記判定手段は、集合部空燃比の推定値ＣＸハット（ｋ）と出力Ｙ（ｋ）の差Ｅ．ＨＡＴ（ｋ）およびその平均値のいずれか求め、所定値と比較してオブザーバの収束状況を判定する如く構成した。
【００１２】
上記の目的を達成するために、請求項４項にあっては、前記判定手段は、集合部空燃比の推定値ＣＸハット（ｋ）と出力Ｙ（ｋ）の差Ｅ．ＨＡＴ（ｋ）およびその平均値のいずれかを求め、第１の所定値と比較してそれを超えた回数をカウントし、カウント値を第２の所定値と比較してオブザーバの収束状況を判定する如く構成した。
【００１３】
【作用】
請求項１項にあっては、推定された状態変数Ｘハット（ｋ）から集合部空燃比の推定値ＣＸハット（ｋ）を算出し、前記出力Ｙ（ｋ）と比較してオブザーバの収束状況を判定する判定手段を備える如く構成したので、オブザーバの収束状況を簡易かつ正確に判定することができる。即ち、
とするとき、値（Ｙ（ｋ）−ＣＸハット（ｋ））がオブザーバの収束状況を示していることになるので、その値からオブザーバの収束状況を簡易かつ正確に判定することができる。
【００１４】
また、推定された状態変数Ｘハット（ｋ）から集合部空燃比の推定値ＣＸハット（ｋ）を算出し、前記出力Ｙ（ｋ）と比較してオブザーバの収束状況を判定する判定手段、を備え、フィードバック制御手段は、オブザーバの収束状況が不良と判定されたとき、フィードバック補正項（ゲイン）の変更を停止する如く構成したので、オブザーバの収束状況を簡易かつ正確に判定することができると共に、それに応じてフィードバック補正項の変更を停止することができることから、制御値を誤ることがない。
【００１５】
請求項２項にあっては、前記出力Ｙ（ｋ）として前記空燃比センサの出力を用いる如く構成したので、一層容易かつ正確にオブザーバの収束状況を判定することができる。
【００１６】
請求項３項にあっては、前記判定手段は、集合部空燃比の推定値ＣＸハット（ｋ）と出力Ｙ（ｋ）の差Ｅ．ＨＡＴ（ｋ）およびその平均値のいずれか求め、所定値と比較してオブザーバの収束状況を判定する如く構成したので、簡易かつ正確にオブザーバの収束状況を判定することができる。特に平均値を用いるときは、一過性の原因によって収束状況が低下したときは収束状況の低下と判定しないので、実際の運転状態に良くマッチした空燃比推定、ないしはそれに基づく空燃比フィードバック制御を行うことができる。
【００１７】
請求項４項にあっては、前記判定手段は、集合部空燃比の推定値ＣＸハット（ｋ）と出力Ｙ（ｋ）の差Ｅ．ＨＡＴ（ｋ）およびその平均値のいずれかを求め、第１の所定値と比較してそれを超えた回数をカウントし、カウント値を第２の所定値と比較してオブザーバの収束状況を判定する如く構成したので、一過性の原因によって収束状況が低下したときは収束状況の低下と判定しないので、実際の運転状態に良くマッチした空燃比推定、ないしはそれに基づく空燃比フィードバック制御を行うことができる。
【００１８】
【実施例】
以下、添付図面に即してこの発明の実施例を説明する。
【００１９】
図１はこの発明に係る内燃機関の気筒別空燃比推定装置を全体的に示す概略図である。図において符号１０は４気筒の内燃機関を示しており、吸気路１２の先端に配置されたエアクリーナ１４から導入された吸気は、スロットル弁１６でその流量を調節されつつインテークマニホルド１８を経て第１ないし第４気筒に流入される。各気筒の吸気弁（図示せず）の付近にはインジェクタ２０が設けられて燃料を噴射する。
【００２０】
噴射されて吸気と一体となった混合気は、各気筒内で図示しない点火プラグで点火されて燃焼してピストン（図示せず）を駆動する。燃焼後の排気ガスは排気弁（図示せず）を介してエキゾーストマニホルド２２に排出され、エキゾーストパイプ２４を経て三元触媒コンバータ２６で浄化されつつ機関外に排出される。また、吸気路１２には、スロットル弁配置位置付近に、それをバイパスするバイパス路２８が設けられる。
【００２１】
内燃機関１０のディストリビュータ（図示せず）内にはピストン（図示せず）のクランク角度位置を検出するクランク角センサ３４が設けられると共に、スロットル弁１６の開度を検出するスロットル開度センサ３６、スロットル弁１６下流の吸気圧力を絶対圧力で検出する絶対圧センサ３８も設けられる。更に、排気系においてエキゾーストマニホルド２２と三元触媒コンバータ２６の間には酸素濃度検出素子からなる広域空燃比センサ４０が設けられ、排気ガス中の酸素濃度に比例した値を出力する。これらセンサ３４などの出力は、制御ユニット４２に送られる。
【００２２】
図２は制御ユニット４２の詳細を示すブロック図である。広域空燃比センサ４０の出力は検出回路４６に入力され、そこで適当な線形化処理が行われ、理論空燃比を中心としてリーンからリッチにわたる広い範囲において排気ガス中の酸素濃度に比例したリニアな特性からなる空燃比（Ａ／Ｆ）が検出される。その詳細は先に本出願人が提案した別の出願（特開平４−３６９４７１号）に述べられているので、これ以上の説明は省略する。尚、以下の説明において、このセンサを「ＬＡＦセンサ」（リニア・エーバイエフ・センサ）と称する。検出回路４６の出力はＡ／Ｄ変換回路４８を介してＣＰＵ５０，ＲＯＭ５２，ＲＡＭ５４などからなるマイクロコンピュータに取り込まれ、ＲＡＭ５４に格納される。
【００２３】
同様に、スロットル開度センサ３６などのアナログ出力は、レベル変換回路５６、マルチプレクサ５８および第２のＡ／Ｄ変換回路６０を介してマイクロコンピュータに入力される。またクランク角センサ３４の出力は波形整形回路６２で波形整形された後、カウンタ６４で出力値がカウントされ、カウント値はマイクロ・コンピュータ内に入力される。マイクロコンピュータにおいてＣＰＵ５０は、ＲＯＭ５２に格納された命令に従って検出値から制御値を演算し、駆動回路６６を介して各気筒のインジェクタ２０を駆動すると共に、第２の駆動回路６８を介して電磁弁７０を駆動し、図１に示したバイパス路２８を通る２次空気量を制御する。
【００２４】
図３はこの発明に係る内燃機関の気筒別空燃比推定装置の動作を説明するフロー・チャートであるが、これは先に提案した排気系の挙動を状態方程式で同定すると共に、オブザーバを介して各気筒空燃比を推定する技術を前提としているので、理解の便宜上、それについて簡単に説明する。
【００２５】
先ず、１個のＬＡＦセンサの出力から各気筒の空燃比を精度良く分離抽出するためには、ＬＡＦセンサの検出応答遅れを正確に解明する必要がある。そこで、とりあえずこの遅れを１次遅れ系と擬似的にモデル化し、図４に示す如きモデルを作成した。ここでＬＡＦ：ＬＡＦセンサ出力、Ａ／Ｆ：入力Ａ／Ｆ、とすると、その状態方程式は下記の数１で示すことができる。
【００２６】
【数１】
【００２７】
これを周期ΔＴで離散化すると、数２で示すようになる。図５は数２をブロック線図で表したものである。
【００２８】
【数２】
【００２９】
従って、数２を用いることによってセンサ出力より真の空燃比を求めることができる。即ち、数２を変形すれば数３に示すようになるので、時刻ｋのときの値から時刻ｋ−１のときの値を数４のように逆算することができる。
【００３０】
【数３】
【００３１】
【数４】
【００３２】
具体的には数２をＺ変換を用いて伝達関数で示せば数５の如くになるので、その逆伝達関数を今回のセンサ出力ＬＡＦに乗じることによって前回の入力空燃比をリアルタイムに推定することができる。図６にそのリアルタイムのＡ／Ｆ推定器のブロック線図を示す。
【００３３】
【数５】
【００３４】
続いて、上記の如く求めた真の空燃比に基づいて各気筒の空燃比を分離抽出する手法について説明すると、先願でも述べたように、排気系の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６のように表した。尚、Ｆ（燃料量）を制御量としたため、ここでは『燃空比Ｆ／Ａ』を用いているが、後の説明においては理解の便宜のため、支障ない限り「空燃比」を用いる。尚、空燃比（ないしは燃空比）は、先に数５で求めた応答遅れを補正した真の値を意味する。
【００３５】
【数６】
【００３６】
即ち、集合部の空燃比は、気筒ごとの過去の燃焼履歴に重みＣ（例えば直近に燃焼した気筒は４０％、その前が３０％．．．など）を乗じたものの合算で表した。ここでＣはｎ×ｍの行列である。このモデルをブロック線図であらわすと、図７のようになる。
【００３７】
また、その状態方程式は数７のようになる。
【００３８】
【数７】
【００３９】
また集合部の空燃比をｙ（ｋ）とおくと、出力方程式は数８のように表すことができる。
【００４０】
【数８】
【００４１】
上記において、ｕ（ｋ）は観測不可能のため、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（即ち、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９のようになる。これは、ｕ（ｋ）を目標空燃比としても同様である。
【００４２】
【数９】
【００４３】
ここで、上記の如く求めたモデルについてシミュレーション結果を示す。図８は４気筒内燃機関について３気筒の空燃比を１４．７にし、１気筒だけ１２．０にして燃料を供給した場合を示す。図９はそのときの集合部の空燃比を上記モデルで求めたものを示す。同図においてはステップ状の出力が得られているが、ここで更にＬＡＦセンサの応答遅れを考慮すると、センサ出力は図１０に「モデル出力値」と示すようになまされた波形となる。図中「実測値」は同じ場合のＬＡＦセンサ出力の実測値であるが、これと比較し、上記モデルが多気筒内燃機関の排気系を良くモデル化していることを検証している。
【００４４】
よって、数１０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１１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１２のようになる。
【００４５】
【数１０】
【００４６】
【数１１】
【００４７】
【数１２】
【００４８】
これより行列Ａ−ＫＣを求めると、数１３のようになる。
【００４９】
【数１３】
【００５０】
一般的なオブザーバの構成は図１１に示されるようになるが、今回のモデルでは入力ｕ（ｋ）がないので、図１２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１４のようになる。
【００５１】
【数１４】
【００５２】
ここでｙ（ｋ）を入力とするオブザーバ、即ちカルマンフィルタのシステム行列は数１５のように表される。
【００５３】
【数１５】
【００５４】
今回のモデルで、リカッチ方程式の荷重配分Ｒの要素：Ｑの要素＝１：１のとき、カルマンフィルタのシステム行列Ｓは、数１６で与えられる。
【００５５】
【数１６】
【００５６】
図１３に上記したモデルとオブザーバを組み合わせたものを示す。シミュレーション結果は先の出願に示されているので省略するが、これにより集合部空燃比より各気筒の空燃比を的確に抽出することができる。
【００５７】
上記を前提として図３フロー・チャートに従って説明する。
【００５８】
尚、実施例の場合、各気筒空燃比を推定した後、推定値に基づいて各気筒空燃比を目標値にフィードバック制御する例を示す。即ち、オブザーバによって集合部空燃比より各気筒空燃比を推定することができたことから、ＰＩＤなどの制御則を用いて空燃比を気筒別に制御することが可能となるからである。
【００５９】
具体的には図１４に示すように、集合部空燃比を示すＬＡＦセンサ出力ＫＡＣＴと目標空燃比とからＰＩＤ制御則を用いて集合部フィードバック補正項（ゲイン）ＫＬＡＦを求めると共に、オブザーバ推定値＃ｎＡ／Ｆから気筒毎のフィードバック補正項（ゲイン）＃ｎＫＬＡＦ（ｎ：気筒）を求める。
【００６０】
気筒毎のフィードバック補正項＃ｎＫＬＡＦはより具体的には、集合部Ａ／Ｆを気筒毎のフィードバック補正項＃ｎＫＬＡＦの平均値の前回演算値で除算して求めた目標値とオブザーバ推定値＃ｎＡ／Ｆとの偏差を解消するようにＰＩＤ則を用いて求める。これにより、各気筒の空燃比は集合部空燃比に収束し、集合部空燃比は目標空燃比に収束することとなって、結果的に全ての気筒の空燃比が目標空燃比に収束する。
【００６１】
ここで、各気筒の燃料噴射量＃ｎＴｏｕｔ （インジェクタの開弁時間で規定される）は、
＃ｎＴｏｕｔ ＝Ｔｉｍ×ＫＣＭＤ×ＫＴＯＴＡＬ×＃ｎＫＬＡＦ×ＫＬＡＦ
で求められる。上記で、Ｔｉｍ：基本値、ＫＣＭＤ：目標空燃比、ＫＴＯＴＡＬ：その他の補正項、である。これ以外にバッテリ補正項などの加算項もあるが、省略する。尚、かかる制御の詳細は本出願人が先に提案した特願平６−３３２０１号に述べられているので、これ以上の説明は省略する。
【００６２】
以上を前提として実施例を図３フロー・チャートを参照して説明する。尚、このプログラムはＴＤＣからの所定のクランク角度において、即ち、噴射順位（第１、第３、第４、第２気筒の順）毎に各気筒の燃料噴射量を決定する。
【００６３】
先ず、Ｓ１００において機関回転数Ｎｅ、吸気圧力Ｐｂ、ＬＡＦセンサ出力ＫＡＣＴ（ｋ）（（ｋ）は前記の如く離散時間系での時刻を示す）などを読み込み、Ｓ１０２に進んでクランキングか否か判断し、否定されるときはＳ１０４に進んでフューエルカットか否か判断する。Ｓ１０４でも否定されるときはＳ１０６に進んで前記した基本値Ｔｉｍを検索する。これは機関回転数と吸気圧力とから設定されたマップ（特性図示せず）を検索して行う。
【００６４】
続いてＳ１０８に進んでＬＡＦセンサ４０の活性化が完了したか否か判断し、肯定されるときはＳ１１０に進んで前記したオブザーバ行列演算を行って各気筒空燃比（気筒毎Ａ／Ｆ）を推定する。続いてＳ１１２に進んで値Ｅ．ＨＡＴ（ｋ）を算出し、Ｓ１１４に進んで算出値Ｅ．ＨＡＴ（ｋ）を所定値と比較し、オブザーバの収束状況を判定する。
【００６５】
これについて説明すると、オブザーバの推定機能を表現する数１４を書き直すと、数１７に示すようになる。
【００６６】
【数１７】
【００６７】
数１７において、ｙ（ｋ）−ＣＸハット（ｋ）に着目すると、数１８のように示すことができる。
【００６８】
【数１８】
【００６９】
即ち、ｙ（ｋ）は前記した出力方程式で表される、排気系集合部空燃比、具体的にはＬＡＦセンサが検出する実際の集合部空燃比に相当し、ＣＸハット（ｋ）は推定された各気筒空燃比（内部状態変数Ｘハット）に各気筒排気ガスの混ざり度合いを示す行列Ｃを乗じたことにより、集合部空燃比推定値に相当する。従って、ｙ（ｋ）−ＣＸハット（ｋ）は、集合部空燃比の実際値（ＬＡＦセンサ出力ＫＡＣＴ）と推定値の差を表しており、換言すれば、差Ｅ．ＨＡＴ（ｋ）は、オブザーバの推定精度、即ち、オブザーバの収束状況を表す指標とみなすことができる。この発明は上記した知見に基づいてなされた。
【００７０】
図３フロー・チャートに戻ると、Ｓ１１２でこの差Ｅ．ＨＡＴ（ｋ）を求め、Ｓ１１４に進んで所定値と比較する。所定値は、オブザーバの収束状況を判定するに適当な値、例えば０．１などとする。
【００７１】
Ｓ１１４で差Ｅ．ＨＡＴ（ｋ）が所定値以下と判断されるときはオブザーバの収束状況が良好、即ち、所期の推定精度が得られていると判断し、Ｓ１１６に進んで気筒毎フィードバック補正項＃ｎＫＬＡＦを図１４に関して述べたように演算する。
【００７２】
続いてＳ１１８に進み、気筒毎フィードバック補正項＃ｎＫＬＡＦの学習値を演算する。具体的には、移動平均（ないしは加重移動平均）を求めて行う。尚、かく求めた学習値は、運転状態、具体的には燃料噴射量に応じて格納する。即ち、気筒毎フィードバック補正項＃ｎＫＬＡＦはインジェクタ２０の特性を示しているので、次に述べる出力燃料噴射量＃ｎＴｏｕｔと対にして格納しておく。
【００７３】
続いてＳ１２０に進み、図１４に関して述べたように集合部フィードバック補正項ＫＬＡＦを演算し、Ｓ１２２に進んで気筒毎の燃料噴射量＃ｎＴｏｕｔ を決定し、Ｓ１２４に進んで当該気筒のインジェクタ２０の駆動回路に出力する。
【００７４】
またＳ１１４で差Ｅ．ＨＡＴ（ｋ）が所定値を超えてオブザーバの収束状況が不良と判断されるときはＳ１２６に進んでオブザーバ（行列演算）の推定値（図１４に＃ｎＡ／Ｆで示す）を所定の値に固定する。所定の値は例えば、前回値＃ｎＡ／Ｆ（ｋ−１） （図示の簡略化のため、今回値にサブスクリプト（ｋ）を付すのは省略する）とする。更に、この推定値をパラメータとして格納している場合、差Ｅ．ＨＡＴ（ｋ）に応じてパラメータの更新を禁止する。
【００７５】
続いてＳ１２８に進んで気筒毎フィードバック補正項＃ｎＫＬＡＦを前回値＃ｎＫＬＡＦ（ｋ−１） とする。即ち、気筒との整合性からオブザーバ行列演算を間引くことなく、完全に中止し、オブザーバが停止される間は、停止直前の値に基づいて燃料噴射量を決定するようにした。これは、気筒間の空燃比のバラツキの度合いは本来的にそう変化するものではなく、気筒毎フィードバック補正項の値は集合部フィードバック補正項の値に比較すれば小さい値となり、１付近の値となるからである。そこで、オブザーバ推定値の信頼性が低い場合は、むしろ前回値を使用して誤った推定値を用いて却って制御性を悪化させることを回避した。
【００７６】
尚、Ｓ１０８でＬＡＦセンサ４０の活性化が完了していないと判断されるときはＳ１３０に進んで学習で求めた値＃ｎＫＬＡＦｓｔｙ を読み出し、Ｓ１３２に進んでその値を気筒毎フィードバック補正項＃ｎＫＬＡＦとした。即ち、気筒毎フィードバック補正項＃ｎＫＬＡＦの値をアイドル運転状態において、前回値（ｋ−１） との加重平均を
＃ｎＫＬＡＦｓｔｙ ＝Ｗ×＃ｎＫＬＡＦ＋（１−Ｗ）×＃ｎＫＬＡＦｓｔｙ（ｋ−１）
と求めて学習しておき、センサ活性化が完了していないときは最新の学習値を使用するようにした。ここで、＃ｎＫＬＡＦｓｔｙ ：最新学習値、Ｗ：重み係数、＃ｎＫＬＡＦｓｔｙ（ｋ−１）： 前回学習値、である。これによって気筒毎フィードバック補正項＃ｎＫＬＡＦに過去の燃焼履歴を一層良く反映させることができる。
【００７７】
続いてＳ１３４に進んで集合部フィードバック補正項ＫＬＡＦの値を１とし（集合部フィードバック制御の停止を意味する）、Ｓ１２２に進んで燃料噴射量＃ｎＴｏｕｔ を算出する。
【００７８】
また、Ｓ１０２でクランキングと判断されるときはＳ１３６に進んで水温センサ（図１で図示省略）を通じて検出した水温から所定の特性に従ってクランキング時の燃料噴射量Ｔｉｃｒ を算出し、Ｓ１３８に進んで始動モードの式（説明省略）に基づいて燃料噴射量Ｔｏｕｔ を決定する。
【００７９】
更に、Ｓ１０４でフューエル・カットと判断されるときはＳ１４０に進んで燃料噴射量Ｔｏｕｔ を零とし、Ｓ１４２に進んでＳ１２６と同様にオブザーバ（行列演算）の推定値を所定の値に固定し、Ｓ１４４に進んでＳ１２８と同様に気筒毎フィードバック補正項＃ｎＫＬＡＦを停止直前の値とする（これは学習値であっても良い）。尚、Ｓ１４２でオブザーバ（行列演算）推定値を所定の値に固定するのは、燃焼が行われず、正しい空燃比が計測できないためである。
【００８０】
この実施例は上記の如く構成したので、オブザーバの収束状況（推定精度）を簡易に判定することができ、推定値の信頼性が低い際に、誤った推定値による制御を行って却って制御性を悪化させることがない。
【００８１】
そしてオブザーバの収束状況が低下した場合には、燃料供給系の気筒間のバラツキは領域によって極端に変化することはないと思われることから、気筒毎フィードバック補正項＃ｎＫＬＡＦは停止直前に演算された値を用いるようにしたため、気筒間の空燃比のバラツキがかなりの程度まで吸収されて各気筒の空燃比を目標値に精度良く収束させることが可能となる。それによって、目標空燃比を理論空燃比とするときは、三元触媒２６の浄化率を向上させることができる。また、目標空燃比をリーン側に設定すれば、リーンバーン制御を精度良く実現することができる。
【００８２】
図１５はこの発明の第２実施例を示す、フロー・チャートの部分図である。第１実施例と相違する点に焦点をおいて説明すると、図３のＳ１１４に相当するＳ１１４ａにおいて差Ｅ．ＨＡＴ（ｋ）の移動平均値Ｅ．ＨＡＴｍｏｖ （ｋ）を求めて所定値と比較するようにした。
【００８３】
これにより、例えば一過性の原因から差Ｅ．ＨＡＴ（ｋ）が増加したときなども収束状況低下と判定することがなく、その結果、実際の運転状態によりマッチしてオブザーバの収束状況を判定することができる。残余の構成および効果は、第１実施例と異ならない。尚、移動平均を用いたが、移動加重平均、加重平均などを用いても良い。
【００８４】
図１６はこの発明の第３実施例を示す、フロー・チャートの部分図である。第２実施例と相違する点に焦点をおいて説明すると、図３のＳ１１４に相当するステップの後にＳ１１４ｂ，Ｓ１１４ｃ，Ｓ１１４ｄを追加し、差Ｅ．ＨＡＴ（ｋ）が所定値を超える回数をカウントし、カウント値が第２の所定値ＣＮＴＲＥＦ、例えば３回を超えるときオブザーバ収束状況低下と判断し、カウント値を０にリセットした後、Ｓ１２６に進むようにした。
【００８５】
これにより、第２実施例と同様に、例えば一過性の原因から差Ｅ．ＨＡＴ（ｋ）が増加したときなど収束状況低下と判定することがなく、その結果より実際の運転状態によりマッチしてオブザーバの収束状況を判定することができる。残余の構成および効果は、第１実施例と異ならない。
【００８６】
尚、上記において、気筒毎の空燃比の推定動作とそれに基づく空燃比フィードバック制御動作とを併せて示したが、この発明の要旨は第１の目的に限っては気筒毎の空燃比の推定動作、より正確には気筒毎の空燃比を推定するオブザーバの収束状況の判定にあり、空燃比フィードバック制御動作を必須とするものではない。
【００８７】
更には、空燃比センサとして広域空燃比センサを使用する場合を例にとって説明したが、いわゆるＯ２ センサを用いる場合にも妥当する。
【００８８】
【発明の効果】
請求項１項にあっては、オブザーバの収束状況を簡易かつ正確に判定することができる。
【００８９】
請求項２項にあっては、オブザーバの収束状況を簡易かつ正確に判定することができると共に、それに応じてフィードバック補正項の変更を停止することができて制御値を誤ることがない。
【００９０】
請求項３項にあっては、一層容易かつ正確にオブザーバの収束状況を判定することができる。
【００９１】
請求項４項にあっては、簡易かつ正確にオブザーバの収束状況を判定することができる。特に平均値を用いるときは、一過性の原因によって収束状況が低下したときは収束状況の低下と判定しないので、実際の運転状態に良くマッチした空燃比推定、ないしはそれに基づく空燃比フィードバック制御を行うことができる。
【００９２】
請求項５項にあっては、一過性の原因によって収束状況が低下したときは収束状況の低下と判定しないので、実際の運転状態に良くマッチした空燃比推定、ないしはそれに基づく空燃比フィードバック制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る内燃機関の気筒別空燃比推定装置を全体的に示すブロック図である。
【図２】図１中の制御ユニットの詳細を示すブロック図である。
【図３】この発明に係る内燃機関の気筒別空燃比推定装置の動作を示すフロー・チャートである。
【図４】この発明で前提とする空燃比センサの検出動作をモデル化した例を示すブロック図である。
【図５】図４に示すモデルを周期ΔＴで離散化したモデルである。
【図６】空燃比センサの検出挙動をモデル化した真の空燃比推定器を示すブロック線図である。
【図７】内燃機関の排気系の挙動を示すモデルを表すブロック線図である。
【図８】図７に示すモデルを用いて４気筒内燃機関について３気筒の空燃比を１４．７に、１気筒の空燃比を１２．０にして燃料を供給する場合を示すデータ図である。
【図９】図８に示す入力を与えたときの図７モデルの集合部の空燃比を表すデータ図である。
【図１０】図８に示す入力を与えたときの図７モデルの集合部の空燃比をＬＡＦセンサの応答遅れを考慮して表したデータと、同じ場合のＬＡＦセンサ出力の実測値を比較するグラフ図である。
【図１１】一般的なオブザーバの構成を示すブロック線図である。
【図１２】この発明で用いるオブザーバの構成を示すブロック線図である。
【図１３】図７に示すモデルと図１２に示すオブザーバを組み合わせた構成を示す説明ブロック図である。
【図１４】この発明で併用する空燃比の気筒別フィードバック制御を示すブロック図である。
【図１５】この発明の第２実施例を示す図３フロー・チャートの部分図である。
【図１６】この発明の第３実施例を示す図３フロー・チャートの部分図である。
【符号の説明】
１０ 内燃機関
１８ インテークマニホルド
２０ インジェクタ
２２ エキゾーストマニホルド
４０ 空燃比センサ（ＬＡＦセンサ）
４２ 制御ユニット
【産業上の利用分野】
この発明は多気筒内燃機関の排気系集合部に空燃比センサを設け、排気系の挙動を状態方程式で同定すると共に、オブザーバを介して各気筒空燃比（気筒毎空燃比）を推定する内燃機関の気筒別空燃比推定装置において、オブザーバの収束状況、即ち、各気筒空燃比の推定精度を簡易かつ正確に判定するようにしたものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の排気系に空燃比センサを設けて空燃比を検出することは良く行われており、その一例として特開昭５９−１０１５６２号公報記載の技術を挙げることができる。また、本出願人も先に特願平３−３５９３３９号（特開平５−１８００５９号）において、排気系の挙動を状態方程式で同定し、オブザーバを介して各気筒空燃比を推定する技術を提案している。尚、そこにおいて、空燃比センサは広域空燃比センサ、即ち、理論空燃比で出力が反転するＯ２ センサではなく、理論空燃比の前後を通じて排気ガス中の酸素濃度に比例した出力特性を有するものを使用している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記した構成によって各気筒の空燃比を推定することができたが、運転状態によってはオブザーバの推定精度、換言すれば、オブザーバの収束状況が必ずしも良好ではない場合も生じる。そのようなオブザーバの推定値の信頼性が低い場合、それを用いて制御を行うと、却って制御性が悪化する事態が生じ得る。
【０００４】
従って、この発明の目的は、多気筒内燃機関の排気系集合部に空燃比センサを設け、排気系の挙動を状態方程式で同定すると共に、オブザーバを介して各気筒空燃比を推定する内燃機関の気筒別空燃比推定装置において、オブザーバの収束状況、即ち、各気筒空燃比の推定精度を簡易かつ正確に判定するようにした内燃機関の気筒別空燃比推定装置を提供することにある。
【０００５】
第２の目的は、多気筒内燃機関の排気系集合部に空燃比センサを設け、排気系の挙動を状態方程式で同定すると共に、オブザーバを介して各気筒空燃比を推定し、推定された各気筒空燃比に基づいて燃料噴射量を操作量として空燃比をフィードバック制御する内燃機関の気筒別空燃比推定装置において、オブザーバの収束状況、即ち、各気筒空燃比の推定精度を簡易かつ正確に判定し、それに応じてフィードバック補正項（ゲイン）の変更の可否を判断することで制御値が誤らないようにした内燃機関の気筒別空燃比推定装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を解決するために、請求項１項にあっては、多気筒内燃機関の排気系集合部に空燃比センサを配置してその出力から各気筒の入力混合気の空燃比を推定する装置であって、前記排気系の挙動を、各気筒空燃比を入力Ｕ（ｋ）とし、集合部空燃比を出力Ｙ（ｋ）とする状態方程式で同定し、入力Ｕ（ｋ）を所定の値としてオブザーバを構築して前記出力Ｙ（ｋ）を入力とし、各気筒空燃比を状態変数Ｘとして状態方程式からＸハット（ｋ）にて推定する推定手段、および推定された各気筒空燃比に基づいて燃料噴射量を操作量として空燃比をフィードバック制御するフィードバック制御手段を備えると共に、推定された状態変数Ｘハット（ｋ）から集合部空燃比の推定値ＣＸハット（ｋ）を算出し、前記出力Ｙ（ｋ）と比較してオブザーバの収束状況を判定する判定手段を備え、前記フィードバック制御手段は、オブザーバの収束状況が不良と判定されたとき、前記空燃比をフィードバック制御するのに使用されるフィードバック補正項の変更を停止する如く構成した。
【０００７】
尚、上記で「入力Ｕ（ｋ）を所定の値として」とは、例えば同一気筒の空燃比を前回燃焼以前の空燃比と同一と仮定する、あるいは各気筒空燃比を目標空燃比とする、の意味である。
【００１０】
上記の目的を達成するために、請求項２項にあっては、前記出力Ｙ（ｋ）として前記空燃比センサの出力を用いる如く構成した。
【００１１】
上記の目的を達成するために、請求項３項にあっては、前記判定手段は、集合部空燃比の推定値ＣＸハット（ｋ）と出力Ｙ（ｋ）の差Ｅ．ＨＡＴ（ｋ）およびその平均値のいずれか求め、所定値と比較してオブザーバの収束状況を判定する如く構成した。
【００１２】
上記の目的を達成するために、請求項４項にあっては、前記判定手段は、集合部空燃比の推定値ＣＸハット（ｋ）と出力Ｙ（ｋ）の差Ｅ．ＨＡＴ（ｋ）およびその平均値のいずれかを求め、第１の所定値と比較してそれを超えた回数をカウントし、カウント値を第２の所定値と比較してオブザーバの収束状況を判定する如く構成した。
【００１３】
【作用】
請求項１項にあっては、推定された状態変数Ｘハット（ｋ）から集合部空燃比の推定値ＣＸハット（ｋ）を算出し、前記出力Ｙ（ｋ）と比較してオブザーバの収束状況を判定する判定手段を備える如く構成したので、オブザーバの収束状況を簡易かつ正確に判定することができる。即ち、
【００１４】
また、推定された状態変数Ｘハット（ｋ）から集合部空燃比の推定値ＣＸハット（ｋ）を算出し、前記出力Ｙ（ｋ）と比較してオブザーバの収束状況を判定する判定手段、を備え、フィードバック制御手段は、オブザーバの収束状況が不良と判定されたとき、フィードバック補正項（ゲイン）の変更を停止する如く構成したので、オブザーバの収束状況を簡易かつ正確に判定することができると共に、それに応じてフィードバック補正項の変更を停止することができることから、制御値を誤ることがない。
【００１５】
請求項２項にあっては、前記出力Ｙ（ｋ）として前記空燃比センサの出力を用いる如く構成したので、一層容易かつ正確にオブザーバの収束状況を判定することができる。
【００１６】
請求項３項にあっては、前記判定手段は、集合部空燃比の推定値ＣＸハット（ｋ）と出力Ｙ（ｋ）の差Ｅ．ＨＡＴ（ｋ）およびその平均値のいずれか求め、所定値と比較してオブザーバの収束状況を判定する如く構成したので、簡易かつ正確にオブザーバの収束状況を判定することができる。特に平均値を用いるときは、一過性の原因によって収束状況が低下したときは収束状況の低下と判定しないので、実際の運転状態に良くマッチした空燃比推定、ないしはそれに基づく空燃比フィードバック制御を行うことができる。
【００１７】
請求項４項にあっては、前記判定手段は、集合部空燃比の推定値ＣＸハット（ｋ）と出力Ｙ（ｋ）の差Ｅ．ＨＡＴ（ｋ）およびその平均値のいずれかを求め、第１の所定値と比較してそれを超えた回数をカウントし、カウント値を第２の所定値と比較してオブザーバの収束状況を判定する如く構成したので、一過性の原因によって収束状況が低下したときは収束状況の低下と判定しないので、実際の運転状態に良くマッチした空燃比推定、ないしはそれに基づく空燃比フィードバック制御を行うことができる。
【００１８】
【実施例】
以下、添付図面に即してこの発明の実施例を説明する。
【００１９】
図１はこの発明に係る内燃機関の気筒別空燃比推定装置を全体的に示す概略図である。図において符号１０は４気筒の内燃機関を示しており、吸気路１２の先端に配置されたエアクリーナ１４から導入された吸気は、スロットル弁１６でその流量を調節されつつインテークマニホルド１８を経て第１ないし第４気筒に流入される。各気筒の吸気弁（図示せず）の付近にはインジェクタ２０が設けられて燃料を噴射する。
【００２０】
噴射されて吸気と一体となった混合気は、各気筒内で図示しない点火プラグで点火されて燃焼してピストン（図示せず）を駆動する。燃焼後の排気ガスは排気弁（図示せず）を介してエキゾーストマニホルド２２に排出され、エキゾーストパイプ２４を経て三元触媒コンバータ２６で浄化されつつ機関外に排出される。また、吸気路１２には、スロットル弁配置位置付近に、それをバイパスするバイパス路２８が設けられる。
【００２１】
内燃機関１０のディストリビュータ（図示せず）内にはピストン（図示せず）のクランク角度位置を検出するクランク角センサ３４が設けられると共に、スロットル弁１６の開度を検出するスロットル開度センサ３６、スロットル弁１６下流の吸気圧力を絶対圧力で検出する絶対圧センサ３８も設けられる。更に、排気系においてエキゾーストマニホルド２２と三元触媒コンバータ２６の間には酸素濃度検出素子からなる広域空燃比センサ４０が設けられ、排気ガス中の酸素濃度に比例した値を出力する。これらセンサ３４などの出力は、制御ユニット４２に送られる。
【００２２】
図２は制御ユニット４２の詳細を示すブロック図である。広域空燃比センサ４０の出力は検出回路４６に入力され、そこで適当な線形化処理が行われ、理論空燃比を中心としてリーンからリッチにわたる広い範囲において排気ガス中の酸素濃度に比例したリニアな特性からなる空燃比（Ａ／Ｆ）が検出される。その詳細は先に本出願人が提案した別の出願（特開平４−３６９４７１号）に述べられているので、これ以上の説明は省略する。尚、以下の説明において、このセンサを「ＬＡＦセンサ」（リニア・エーバイエフ・センサ）と称する。検出回路４６の出力はＡ／Ｄ変換回路４８を介してＣＰＵ５０，ＲＯＭ５２，ＲＡＭ５４などからなるマイクロコンピュータに取り込まれ、ＲＡＭ５４に格納される。
【００２３】
同様に、スロットル開度センサ３６などのアナログ出力は、レベル変換回路５６、マルチプレクサ５８および第２のＡ／Ｄ変換回路６０を介してマイクロコンピュータに入力される。またクランク角センサ３４の出力は波形整形回路６２で波形整形された後、カウンタ６４で出力値がカウントされ、カウント値はマイクロ・コンピュータ内に入力される。マイクロコンピュータにおいてＣＰＵ５０は、ＲＯＭ５２に格納された命令に従って検出値から制御値を演算し、駆動回路６６を介して各気筒のインジェクタ２０を駆動すると共に、第２の駆動回路６８を介して電磁弁７０を駆動し、図１に示したバイパス路２８を通る２次空気量を制御する。
【００２４】
図３はこの発明に係る内燃機関の気筒別空燃比推定装置の動作を説明するフロー・チャートであるが、これは先に提案した排気系の挙動を状態方程式で同定すると共に、オブザーバを介して各気筒空燃比を推定する技術を前提としているので、理解の便宜上、それについて簡単に説明する。
【００２５】
先ず、１個のＬＡＦセンサの出力から各気筒の空燃比を精度良く分離抽出するためには、ＬＡＦセンサの検出応答遅れを正確に解明する必要がある。そこで、とりあえずこの遅れを１次遅れ系と擬似的にモデル化し、図４に示す如きモデルを作成した。ここでＬＡＦ：ＬＡＦセンサ出力、Ａ／Ｆ：入力Ａ／Ｆ、とすると、その状態方程式は下記の数１で示すことができる。
【００２６】
【数１】
これを周期ΔＴで離散化すると、数２で示すようになる。図５は数２をブロック線図で表したものである。
【００２８】
【数２】
従って、数２を用いることによってセンサ出力より真の空燃比を求めることができる。即ち、数２を変形すれば数３に示すようになるので、時刻ｋのときの値から時刻ｋ−１のときの値を数４のように逆算することができる。
【００３０】
【数３】
【数４】
具体的には数２をＺ変換を用いて伝達関数で示せば数５の如くになるので、その逆伝達関数を今回のセンサ出力ＬＡＦに乗じることによって前回の入力空燃比をリアルタイムに推定することができる。図６にそのリアルタイムのＡ／Ｆ推定器のブロック線図を示す。
【００３３】
【数５】
続いて、上記の如く求めた真の空燃比に基づいて各気筒の空燃比を分離抽出する手法について説明すると、先願でも述べたように、排気系の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６のように表した。尚、Ｆ（燃料量）を制御量としたため、ここでは『燃空比Ｆ／Ａ』を用いているが、後の説明においては理解の便宜のため、支障ない限り「空燃比」を用いる。尚、空燃比（ないしは燃空比）は、先に数５で求めた応答遅れを補正した真の値を意味する。
【００３５】
【数６】
即ち、集合部の空燃比は、気筒ごとの過去の燃焼履歴に重みＣ（例えば直近に燃焼した気筒は４０％、その前が３０％．．．など）を乗じたものの合算で表した。ここでＣはｎ×ｍの行列である。このモデルをブロック線図であらわすと、図７のようになる。
【００３７】
また、その状態方程式は数７のようになる。
【００３８】
【数７】
また集合部の空燃比をｙ（ｋ）とおくと、出力方程式は数８のように表すことができる。
【００４０】
【数８】
上記において、ｕ（ｋ）は観測不可能のため、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（即ち、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９のようになる。これは、ｕ（ｋ）を目標空燃比としても同様である。
【００４２】
【数９】
ここで、上記の如く求めたモデルについてシミュレーション結果を示す。図８は４気筒内燃機関について３気筒の空燃比を１４．７にし、１気筒だけ１２．０にして燃料を供給した場合を示す。図９はそのときの集合部の空燃比を上記モデルで求めたものを示す。同図においてはステップ状の出力が得られているが、ここで更にＬＡＦセンサの応答遅れを考慮すると、センサ出力は図１０に「モデル出力値」と示すようになまされた波形となる。図中「実測値」は同じ場合のＬＡＦセンサ出力の実測値であるが、これと比較し、上記モデルが多気筒内燃機関の排気系を良くモデル化していることを検証している。
【００４４】
よって、数１０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１１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１２のようになる。
【００４５】
【数１０】
【数１１】
【数１２】
これより行列Ａ−ＫＣを求めると、数１３のようになる。
【００４９】
【数１３】
一般的なオブザーバの構成は図１１に示されるようになるが、今回のモデルでは入力ｕ（ｋ）がないので、図１２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１４のようになる。
【００５１】
【数１４】
ここでｙ（ｋ）を入力とするオブザーバ、即ちカルマンフィルタのシステム行列は数１５のように表される。
【００５３】
【数１５】
今回のモデルで、リカッチ方程式の荷重配分Ｒの要素：Ｑの要素＝１：１のとき、カルマンフィルタのシステム行列Ｓは、数１６で与えられる。
【００５５】
【数１６】
図１３に上記したモデルとオブザーバを組み合わせたものを示す。シミュレーション結果は先の出願に示されているので省略するが、これにより集合部空燃比より各気筒の空燃比を的確に抽出することができる。
【００５７】
上記を前提として図３フロー・チャートに従って説明する。
【００５８】
尚、実施例の場合、各気筒空燃比を推定した後、推定値に基づいて各気筒空燃比を目標値にフィードバック制御する例を示す。即ち、オブザーバによって集合部空燃比より各気筒空燃比を推定することができたことから、ＰＩＤなどの制御則を用いて空燃比を気筒別に制御することが可能となるからである。
【００５９】
具体的には図１４に示すように、集合部空燃比を示すＬＡＦセンサ出力ＫＡＣＴと目標空燃比とからＰＩＤ制御則を用いて集合部フィードバック補正項（ゲイン）ＫＬＡＦを求めると共に、オブザーバ推定値＃ｎＡ／Ｆから気筒毎のフィードバック補正項（ゲイン）＃ｎＫＬＡＦ（ｎ：気筒）を求める。
【００６０】
気筒毎のフィードバック補正項＃ｎＫＬＡＦはより具体的には、集合部Ａ／Ｆを気筒毎のフィードバック補正項＃ｎＫＬＡＦの平均値の前回演算値で除算して求めた目標値とオブザーバ推定値＃ｎＡ／Ｆとの偏差を解消するようにＰＩＤ則を用いて求める。これにより、各気筒の空燃比は集合部空燃比に収束し、集合部空燃比は目標空燃比に収束することとなって、結果的に全ての気筒の空燃比が目標空燃比に収束する。
【００６１】
ここで、各気筒の燃料噴射量＃ｎＴｏｕｔ （インジェクタの開弁時間で規定される）は、
＃ｎＴｏｕｔ ＝Ｔｉｍ×ＫＣＭＤ×ＫＴＯＴＡＬ×＃ｎＫＬＡＦ×ＫＬＡＦ
で求められる。上記で、Ｔｉｍ：基本値、ＫＣＭＤ：目標空燃比、ＫＴＯＴＡＬ：その他の補正項、である。これ以外にバッテリ補正項などの加算項もあるが、省略する。尚、かかる制御の詳細は本出願人が先に提案した特願平６−３３２０１号に述べられているので、これ以上の説明は省略する。
【００６２】
以上を前提として実施例を図３フロー・チャートを参照して説明する。尚、このプログラムはＴＤＣからの所定のクランク角度において、即ち、噴射順位（第１、第３、第４、第２気筒の順）毎に各気筒の燃料噴射量を決定する。
【００６３】
先ず、Ｓ１００において機関回転数Ｎｅ、吸気圧力Ｐｂ、ＬＡＦセンサ出力ＫＡＣＴ（ｋ）（（ｋ）は前記の如く離散時間系での時刻を示す）などを読み込み、Ｓ１０２に進んでクランキングか否か判断し、否定されるときはＳ１０４に進んでフューエルカットか否か判断する。Ｓ１０４でも否定されるときはＳ１０６に進んで前記した基本値Ｔｉｍを検索する。これは機関回転数と吸気圧力とから設定されたマップ（特性図示せず）を検索して行う。
【００６４】
続いてＳ１０８に進んでＬＡＦセンサ４０の活性化が完了したか否か判断し、肯定されるときはＳ１１０に進んで前記したオブザーバ行列演算を行って各気筒空燃比（気筒毎Ａ／Ｆ）を推定する。続いてＳ１１２に進んで値Ｅ．ＨＡＴ（ｋ）を算出し、Ｓ１１４に進んで算出値Ｅ．ＨＡＴ（ｋ）を所定値と比較し、オブザーバの収束状況を判定する。
【００６５】
これについて説明すると、オブザーバの推定機能を表現する数１４を書き直すと、数１７に示すようになる。
【００６６】
【数１７】
数１７において、ｙ（ｋ）−ＣＸハット（ｋ）に着目すると、数１８のように示すことができる。
【００６８】
【数１８】
即ち、ｙ（ｋ）は前記した出力方程式で表される、排気系集合部空燃比、具体的にはＬＡＦセンサが検出する実際の集合部空燃比に相当し、ＣＸハット（ｋ）は推定された各気筒空燃比（内部状態変数Ｘハット）に各気筒排気ガスの混ざり度合いを示す行列Ｃを乗じたことにより、集合部空燃比推定値に相当する。従って、ｙ（ｋ）−ＣＸハット（ｋ）は、集合部空燃比の実際値（ＬＡＦセンサ出力ＫＡＣＴ）と推定値の差を表しており、換言すれば、差Ｅ．ＨＡＴ（ｋ）は、オブザーバの推定精度、即ち、オブザーバの収束状況を表す指標とみなすことができる。この発明は上記した知見に基づいてなされた。
【００７０】
図３フロー・チャートに戻ると、Ｓ１１２でこの差Ｅ．ＨＡＴ（ｋ）を求め、Ｓ１１４に進んで所定値と比較する。所定値は、オブザーバの収束状況を判定するに適当な値、例えば０．１などとする。
【００７１】
Ｓ１１４で差Ｅ．ＨＡＴ（ｋ）が所定値以下と判断されるときはオブザーバの収束状況が良好、即ち、所期の推定精度が得られていると判断し、Ｓ１１６に進んで気筒毎フィードバック補正項＃ｎＫＬＡＦを図１４に関して述べたように演算する。
【００７２】
続いてＳ１１８に進み、気筒毎フィードバック補正項＃ｎＫＬＡＦの学習値を演算する。具体的には、移動平均（ないしは加重移動平均）を求めて行う。尚、かく求めた学習値は、運転状態、具体的には燃料噴射量に応じて格納する。即ち、気筒毎フィードバック補正項＃ｎＫＬＡＦはインジェクタ２０の特性を示しているので、次に述べる出力燃料噴射量＃ｎＴｏｕｔと対にして格納しておく。
【００７３】
続いてＳ１２０に進み、図１４に関して述べたように集合部フィードバック補正項ＫＬＡＦを演算し、Ｓ１２２に進んで気筒毎の燃料噴射量＃ｎＴｏｕｔ を決定し、Ｓ１２４に進んで当該気筒のインジェクタ２０の駆動回路に出力する。
【００７４】
またＳ１１４で差Ｅ．ＨＡＴ（ｋ）が所定値を超えてオブザーバの収束状況が不良と判断されるときはＳ１２６に進んでオブザーバ（行列演算）の推定値（図１４に＃ｎＡ／Ｆで示す）を所定の値に固定する。所定の値は例えば、前回値＃ｎＡ／Ｆ（ｋ−１） （図示の簡略化のため、今回値にサブスクリプト（ｋ）を付すのは省略する）とする。更に、この推定値をパラメータとして格納している場合、差Ｅ．ＨＡＴ（ｋ）に応じてパラメータの更新を禁止する。
【００７５】
続いてＳ１２８に進んで気筒毎フィードバック補正項＃ｎＫＬＡＦを前回値＃ｎＫＬＡＦ（ｋ−１） とする。即ち、気筒との整合性からオブザーバ行列演算を間引くことなく、完全に中止し、オブザーバが停止される間は、停止直前の値に基づいて燃料噴射量を決定するようにした。これは、気筒間の空燃比のバラツキの度合いは本来的にそう変化するものではなく、気筒毎フィードバック補正項の値は集合部フィードバック補正項の値に比較すれば小さい値となり、１付近の値となるからである。そこで、オブザーバ推定値の信頼性が低い場合は、むしろ前回値を使用して誤った推定値を用いて却って制御性を悪化させることを回避した。
【００７６】
尚、Ｓ１０８でＬＡＦセンサ４０の活性化が完了していないと判断されるときはＳ１３０に進んで学習で求めた値＃ｎＫＬＡＦｓｔｙ を読み出し、Ｓ１３２に進んでその値を気筒毎フィードバック補正項＃ｎＫＬＡＦとした。即ち、気筒毎フィードバック補正項＃ｎＫＬＡＦの値をアイドル運転状態において、前回値（ｋ−１） との加重平均を
＃ｎＫＬＡＦｓｔｙ ＝Ｗ×＃ｎＫＬＡＦ＋（１−Ｗ）×＃ｎＫＬＡＦｓｔｙ（ｋ−１）
と求めて学習しておき、センサ活性化が完了していないときは最新の学習値を使用するようにした。ここで、＃ｎＫＬＡＦｓｔｙ ：最新学習値、Ｗ：重み係数、＃ｎＫＬＡＦｓｔｙ（ｋ−１）： 前回学習値、である。これによって気筒毎フィードバック補正項＃ｎＫＬＡＦに過去の燃焼履歴を一層良く反映させることができる。
【００７７】
続いてＳ１３４に進んで集合部フィードバック補正項ＫＬＡＦの値を１とし（集合部フィードバック制御の停止を意味する）、Ｓ１２２に進んで燃料噴射量＃ｎＴｏｕｔ を算出する。
【００７８】
また、Ｓ１０２でクランキングと判断されるときはＳ１３６に進んで水温センサ（図１で図示省略）を通じて検出した水温から所定の特性に従ってクランキング時の燃料噴射量Ｔｉｃｒ を算出し、Ｓ１３８に進んで始動モードの式（説明省略）に基づいて燃料噴射量Ｔｏｕｔ を決定する。
【００７９】
更に、Ｓ１０４でフューエル・カットと判断されるときはＳ１４０に進んで燃料噴射量Ｔｏｕｔ を零とし、Ｓ１４２に進んでＳ１２６と同様にオブザーバ（行列演算）の推定値を所定の値に固定し、Ｓ１４４に進んでＳ１２８と同様に気筒毎フィードバック補正項＃ｎＫＬＡＦを停止直前の値とする（これは学習値であっても良い）。尚、Ｓ１４２でオブザーバ（行列演算）推定値を所定の値に固定するのは、燃焼が行われず、正しい空燃比が計測できないためである。
【００８０】
この実施例は上記の如く構成したので、オブザーバの収束状況（推定精度）を簡易に判定することができ、推定値の信頼性が低い際に、誤った推定値による制御を行って却って制御性を悪化させることがない。
【００８１】
そしてオブザーバの収束状況が低下した場合には、燃料供給系の気筒間のバラツキは領域によって極端に変化することはないと思われることから、気筒毎フィードバック補正項＃ｎＫＬＡＦは停止直前に演算された値を用いるようにしたため、気筒間の空燃比のバラツキがかなりの程度まで吸収されて各気筒の空燃比を目標値に精度良く収束させることが可能となる。それによって、目標空燃比を理論空燃比とするときは、三元触媒２６の浄化率を向上させることができる。また、目標空燃比をリーン側に設定すれば、リーンバーン制御を精度良く実現することができる。
【００８２】
図１５はこの発明の第２実施例を示す、フロー・チャートの部分図である。第１実施例と相違する点に焦点をおいて説明すると、図３のＳ１１４に相当するＳ１１４ａにおいて差Ｅ．ＨＡＴ（ｋ）の移動平均値Ｅ．ＨＡＴｍｏｖ （ｋ）を求めて所定値と比較するようにした。
【００８３】
これにより、例えば一過性の原因から差Ｅ．ＨＡＴ（ｋ）が増加したときなども収束状況低下と判定することがなく、その結果、実際の運転状態によりマッチしてオブザーバの収束状況を判定することができる。残余の構成および効果は、第１実施例と異ならない。尚、移動平均を用いたが、移動加重平均、加重平均などを用いても良い。
【００８４】
図１６はこの発明の第３実施例を示す、フロー・チャートの部分図である。第２実施例と相違する点に焦点をおいて説明すると、図３のＳ１１４に相当するステップの後にＳ１１４ｂ，Ｓ１１４ｃ，Ｓ１１４ｄを追加し、差Ｅ．ＨＡＴ（ｋ）が所定値を超える回数をカウントし、カウント値が第２の所定値ＣＮＴＲＥＦ、例えば３回を超えるときオブザーバ収束状況低下と判断し、カウント値を０にリセットした後、Ｓ１２６に進むようにした。
【００８５】
これにより、第２実施例と同様に、例えば一過性の原因から差Ｅ．ＨＡＴ（ｋ）が増加したときなど収束状況低下と判定することがなく、その結果より実際の運転状態によりマッチしてオブザーバの収束状況を判定することができる。残余の構成および効果は、第１実施例と異ならない。
【００８６】
尚、上記において、気筒毎の空燃比の推定動作とそれに基づく空燃比フィードバック制御動作とを併せて示したが、この発明の要旨は第１の目的に限っては気筒毎の空燃比の推定動作、より正確には気筒毎の空燃比を推定するオブザーバの収束状況の判定にあり、空燃比フィードバック制御動作を必須とするものではない。
【００８７】
更には、空燃比センサとして広域空燃比センサを使用する場合を例にとって説明したが、いわゆるＯ２ センサを用いる場合にも妥当する。
【００８８】
【発明の効果】
請求項１項にあっては、オブザーバの収束状況を簡易かつ正確に判定することができる。
【００８９】
請求項２項にあっては、オブザーバの収束状況を簡易かつ正確に判定することができると共に、それに応じてフィードバック補正項の変更を停止することができて制御値を誤ることがない。
【００９０】
請求項３項にあっては、一層容易かつ正確にオブザーバの収束状況を判定することができる。
【００９１】
請求項４項にあっては、簡易かつ正確にオブザーバの収束状況を判定することができる。特に平均値を用いるときは、一過性の原因によって収束状況が低下したときは収束状況の低下と判定しないので、実際の運転状態に良くマッチした空燃比推定、ないしはそれに基づく空燃比フィードバック制御を行うことができる。
【００９２】
請求項５項にあっては、一過性の原因によって収束状況が低下したときは収束状況の低下と判定しないので、実際の運転状態に良くマッチした空燃比推定、ないしはそれに基づく空燃比フィードバック制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に係る内燃機関の気筒別空燃比推定装置を全体的に示すブロック図である。
【図２】図１中の制御ユニットの詳細を示すブロック図である。
【図３】この発明に係る内燃機関の気筒別空燃比推定装置の動作を示すフロー・チャートである。
【図４】この発明で前提とする空燃比センサの検出動作をモデル化した例を示すブロック図である。
【図５】図４に示すモデルを周期ΔＴで離散化したモデルである。
【図６】空燃比センサの検出挙動をモデル化した真の空燃比推定器を示すブロック線図である。
【図７】内燃機関の排気系の挙動を示すモデルを表すブロック線図である。
【図８】図７に示すモデルを用いて４気筒内燃機関について３気筒の空燃比を１４．７に、１気筒の空燃比を１２．０にして燃料を供給する場合を示すデータ図である。
【図９】図８に示す入力を与えたときの図７モデルの集合部の空燃比を表すデータ図である。
【図１０】図８に示す入力を与えたときの図７モデルの集合部の空燃比をＬＡＦセンサの応答遅れを考慮して表したデータと、同じ場合のＬＡＦセンサ出力の実測値を比較するグラフ図である。
【図１１】一般的なオブザーバの構成を示すブロック線図である。
【図１２】この発明で用いるオブザーバの構成を示すブロック線図である。
【図１３】図７に示すモデルと図１２に示すオブザーバを組み合わせた構成を示す説明ブロック図である。
【図１４】この発明で併用する空燃比の気筒別フィードバック制御を示すブロック図である。
【図１５】この発明の第２実施例を示す図３フロー・チャートの部分図である。
【図１６】この発明の第３実施例を示す図３フロー・チャートの部分図である。
【符号の説明】
１０ 内燃機関
１８ インテークマニホルド
２０ インジェクタ
２２ エキゾーストマニホルド
４０ 空燃比センサ（ＬＡＦセンサ）
４２ 制御ユニット
Claims (4)
- 多気筒内燃機関の排気系集合部に空燃比センサを配置してその出力から各気筒の入力混合気の空燃比を推定する装置であって、
ａ．前記排気系の挙動を、各気筒空燃比を入力Ｕ（ｋ）とし、集合部空燃比を出力Ｙ(ｋ ）とする状態方程式で同定し、入力Ｕ（ｋ）を所定の値としてオブザーバを構築して 前記出力Ｙ（ｋ）を入力とし、各気筒空燃比を状態変数Ｘとして状態方程式からＸハ ット（ｋ）にて推定する推定手段、
および
ｂ．推定された各気筒空燃比に基づいて燃料噴射量を操作量として空燃比をフィードバッ ク制御するフィードバック制御手段、
を備えると共に、
ｃ．推定された状態変数Ｘハット（ｋ）から集合部空燃比の推定値ＣＸハット（ｋ）を算 出し、前記出力Ｙ（ｋ）と比較してオブザーバの収束状況を判定する判定手段、
を備え、前記フィードバック制御手段は、オブザーバの収束状況が不良と判定されたとき、前記空燃比をフィードバック制御するのに使用されるフィードバック補正項の変更を停止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。 - 前記出力Ｙ（ｋ）として前記空燃比センサの出力を用いることを特徴とする請求項１項項記載の内燃機関の気筒別空燃比推定装置。
- 前記判定手段は、集合部空燃比の推定値ＣＸハット（ｋ）と出力Ｙ（ｋ）の差Ｅ．ＨＡＴ（ｋ）およびその平均値のいずれか求め、所定値と比較してオブザーバの収束状況を判定することを特徴とする請求項１項または２項記載の内燃機関の気筒別空燃比推定装置。
- 前記判定手段は、集合部空燃比の推定値ＣＸハット（ｋ）と出力Ｙ（ｋ）の差Ｅ．ＨＡＴ（ｋ）およびその平均値のいずれかを求め、第１の所定値と比較してそれを超えた回数をカウントし、カウント値を第２の所定値と比較してオブザーバの収束状況を判定することを特徴とする請求項１項または２項記載の内燃機関の気筒別空燃比推定装置。
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