WO2023199509A1 - 内燃機関制御装置 - Google Patents

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WO2023199509A1
WO2023199509A1 PCT/JP2022/017916 JP2022017916W WO2023199509A1 WO 2023199509 A1 WO2023199509 A1 WO 2023199509A1 JP 2022017916 W JP2022017916 W JP 2022017916W WO 2023199509 A1 WO2023199509 A1 WO 2023199509A1
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WO
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cylinder
fuel
air
ratio
exhaust pipe
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Application number
PCT/JP2022/017916
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English (en)
French (fr)
Inventor
雅彦 井上
邦彦 鈴木
Original Assignee
日立Astemo株式会社
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/02—Circuit arrangements for generating control signals
    • F02D41/14—Introducing closed-loop corrections
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D45/00—Electrical control not provided for in groups F02D41/00 - F02D43/00
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/40—Engine management systems

Definitions

  • the present invention relates to an internal combustion engine control device that controls an internal combustion engine based on an air-fuel ratio.
  • an air-fuel ratio sensor attached to the exhaust pipe is used to measure the air-fuel ratio.
  • the exhaust gas discharged from each cylinder is mixed in the exhaust pipe, and it takes time for the exhaust gas to reach the air-fuel ratio sensor, resulting in a delay. Therefore, the air-fuel ratio sensor cannot directly detect variations in the air-fuel ratio between cylinders.
  • Patent Document 1 discloses a method of simulating the delayed behavior of the air-fuel ratio of a gas exchange model in an exhaust collection section in which a plurality of exhaust passages leading to each cylinder are assembled using a transfer function between the air-fuel ratio and the air amount.
  • an internal combustion engine control device provides fuel control based on the air flow rate flowing into a plurality of cylinders of a multi-cylinder internal combustion engine having an exhaust pipe where exhaust gas from each cylinder collects.
  • This is an internal combustion engine control device that controls the injection amount. It calculates the mass balance of fuel and air at the inlet and outlet of each cylinder, estimates the air-fuel ratio in the exhaust pipe from the results of each mass balance calculation, and
  • the control unit includes a control unit that estimates the different fuel mass proportions and calculates the air-fuel ratio of each cylinder from the exhaust pipe air-fuel ratio and the cylinder-specific fuel mass proportion.
  • the air-fuel ratio in a multi-cylinder engine that employs multi-stage injection, can be accurately calculated for each cylinder, so it is possible to suppress variations in injection amount between cylinders.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a fuel injection system including a fuel injection device and a control device including an ECU according to an embodiment of the present invention.
  • 1 is a diagram showing an example of a vertical cross section of an internal structure of a fuel injection device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing an example of the structure of a drive section of a fuel injection device in an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of the configuration of the inside of a cylinder of an engine and the surroundings of the engine in an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a configuration diagram showing part of an intake system and an exhaust system of an engine in an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining a delay in the output of an air-fuel ratio sensor in an exhaust pipe.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining an estimated air-fuel ratio of air and fuel for each cylinder.
  • FIG. 2 is a block diagram for realizing cylinder-by-cylinder air-fuel ratio control according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram showing a block diagram of functions used for constructing a control model.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a method of describing the state inside the intake pipe using a state space model.
  • FIG. 2 is a block diagram showing an example of the internal configuration of a Kalman filter.
  • 3 is a flowchart illustrating an example of a Kalman filter algorithm.
  • 7 is a graph illustrating an example of a change in the exhaust pipe equivalence ratio due to inter-cylinder variation in fuel injection amount.
  • 7 is a graph showing an example of changes in the fuel mass ratio for each cylinder.
  • 7 is a graph showing an example of an estimation result of the behavior of the equivalence ratio in the exhaust pipe due to inter-cylinder variation in fuel injection amount and an example of the estimation result of the cylinder-by-cylinder equivalence ratio in an embodiment of the present invention.
  • 7 is a graph illustrating an example of a correction result of cylinder-by-cylinder air-fuel ratio according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing an example of a fuel injection system in this embodiment.
  • a fuel injection system 1 shown in FIG. 1 is a system that performs fuel injection in a direct injection engine (an example of an internal combustion engine) that injects fuel directly into a cylinder, but the fuel injection system is not limited to this example.
  • the direct injection engine is simply referred to as an "engine.”
  • the direct injection engine in this embodiment includes four cylinders 108 (engine cylinders).
  • the fuel injection system 1 includes four fuel injection devices 101A to 101D corresponding to the four cylinders 108, and an ECU (Engine Control Unit) 104 as an example of a fuel injection control device.
  • the ECU 104 includes a CPU (Central Processing Unit) 120 and a memory 121 (an example of a storage medium).
  • the memory 121 can be configured using, for example, a main storage device such as a RAM (Random Access Memory) or an auxiliary storage device such as a flash memory.
  • a main storage device such as a RAM (Random Access Memory)
  • auxiliary storage device such as a flash memory.
  • fuel injection devices 101A to 101D for side injection are installed so that atomized fuel is directly injected into the combustion chamber 107 from the fuel injection holes 219 (see FIG. 2 described later). It is installed in Fuel stored in a fuel tank (not shown) is pressurized by a fuel pump 106, sent to a rail-shaped fuel pipe 105 via a high-pressure pipe 115, and delivered from the fuel pipe 105 to each fuel injection device 101A to 101D. It has become.
  • a pressure sensor 102 is installed at one end of the fuel pipe 105 to measure the pressure of the fuel within the fuel pipe 105.
  • the fuel pressure within the fuel pipe 105 varies depending on the balance between the flow rate of fuel discharged by the fuel pump 106 and the injection amount of fuel injected into each combustion chamber 107 by each fuel injection device 101.
  • the ECU 104 controls the fuel pump 106 so that the fuel pressure in the fuel pipe 105 reaches a predetermined target pressure value based on the sensor information (information indicating the fuel pressure value) output from the pressure sensor 102. control the amount of fuel discharged.
  • Fuel injection by the fuel injection device 101 is controlled by injection pulses sent from the CPU 120 (an example of a control unit) of the ECU 104. For example, a command based on an injection pulse (pulse signal) with an adjusted pulse width is input to the drive circuit 103 provided for each fuel injection device 101.
  • the drive circuit 103 determines the waveform of the drive current based on a command (injection pulse) from the CPU 120, and supplies the drive current of the waveform to the fuel injection device 101 for a time based on the pulse width.
  • the drive circuit 103 is formed, for example, as a drive IC (Integrated Circuit).
  • the control unit (CPU 120 of the ECU 104) of the fuel injection control device controls the fuel injection device (fuel injection device 101) based on the pulse width of the injection pulse when changing the injection amount during fuel injection in one combustion cycle, which will be described later. Change the driving current waveform. In this way, by changing the current waveform based on the pulse width of the injection pulse, the amount of fuel injected by the fuel injection device can be adjusted. For example, by changing the current value of the drive current supplied to the fuel injection device, the lift amount of the fuel injection valve (valve body 214 in FIG. 2) is changed, and the injection amount is adjusted. Further, by changing the timing (off/on switching) of the injection pulse sent from the CPU 120 to the drive circuit 103, the timing at which the fuel injection device injects fuel can be adjusted.
  • the drive circuit 103 may be mounted as a component or a board integrated with the ECU 104.
  • a device in which the drive circuit 103 and the ECU 104 are integrated is called a control device 150.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of a vertical cross section of the internal structure of the fuel injection device 101.
  • FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view showing an example of the drive unit structure (near the movable element and the valve body) of the fuel injection device 101.
  • the CPU 120 of the ECU 104 inputs signals indicating the state of the engine from various sensors into the ECU 104, and determines the width of the injection pulse and drive current for controlling the amount of fuel injected from the fuel injection device 101 according to the operating conditions of the engine. The current value and injection timing are calculated. CPU 120 outputs an injection pulse corresponding to the calculation result to drive circuit 103.
  • the ECU 104 includes an A/D converter (not shown), an I/O port, etc. for receiving signals from various sensors.
  • Various sensors include, for example, a temperature sensor that measures the temperature of the engine's cooling water (an example of the environmental temperature of the engine), a sensor that measures the number of rotations (rotational speed) of the engine (for example, a sensor that measures the rotation of the engine's crankshaft (not shown), A pressure sensor 102 that measures the fuel pressure in the fuel pipe 105, and an exhaust temperature sensor that measures the exhaust temperature.
  • the injection pulse output from the ECU 104 is input to the drive circuit 103 through the signal line 110.
  • the drive circuit 103 controls the voltage applied to the solenoid 205 (an example of a coil) of the fuel injection device 101 and supplies current to the solenoid 205.
  • ECU 104 can communicate with drive circuit 103 through communication line 111.
  • the ECU 104 switches the drive current generated by the drive circuit 103, and changes the set value of the drive current and the set value of the time for outputting the drive current, depending on the pressure of the fuel supplied to the fuel injection device 101, operating conditions, etc. You can do it.
  • the fuel injection device 101 shown in FIG. 3 is a normally closed solenoid valve (electromagnetic fuel injection device), and includes a solenoid 205 as an example of a coil, a mover 202, a fixed core 207, and a substantially rod-shaped A valve body 214 (an example of a fuel injection valve) is provided.
  • the solenoid 205 when the solenoid 205 is not energized, the valve body 214 is biased in the valve closing direction (downward in the drawing) by the spring 210, which is the first spring, and the valve body 214 is pressed against the valve seat 218. They are in a close contact state (valve closed state).
  • the valve body 214 and the movable element 202 are configured to be relatively movable, and both are housed in the nozzle holder 201.
  • the nozzle holder 201 has an end surface 303 that serves as a spring seat for the return spring 212 therein.
  • the biasing force exerted by the spring 210 is adjusted during assembly by the pushing amount of a spring retainer 224 fixed to the inner diameter of the fixed core 207.
  • a fixed core 207, a movable element 202, a nozzle holder 201, and a housing 203 constitute a magnetic circuit.
  • a gap 301 is provided between the movable element 202 and the fixed core 207.
  • a magnetic aperture 211 is formed by forming a circumferential groove on the outer peripheral surface of the nozzle holder 201.
  • the solenoid 205 is attached to the outer peripheral side of the nozzle holder 201 while being wound around the bobbin 204.
  • a rod guide 215 is fixed to the nozzle holder 201 at a position near the tip of the valve body 214 on the valve seat 218 side.
  • the valve body 214 has two sliding locations: a location where the collar portion 302 of the valve body 214 and the fixed core 207 slide, and a location where the valve body 214 and the rod guide 215 slide. The valve is guided to move in the direction of the valve shaft (in the vertical direction in the drawing).
  • An orifice 216 in which a valve seat 218 and a fuel injection hole 219 are formed is fixed to the tip of the nozzle holder 201. With this configuration, the tip of the valve body 214 comes into contact with the valve seat 218 of the orifice 216, thereby sealing the internal space (fuel passage) between the nozzle holder 201 and the tip of the valve body 214. (valve closed state).
  • the fuel injection device 101 When the fuel injection device 101 is in the closed state, the fuel supplied from the fuel pipe 105 to the fuel injection device 101 flows through the fuel passage hole 231 to the tip side of the valve body 214. The tip portion on the seat 218 side contacts the valve seat 218 of the orifice 216 to seal the fuel injection hole 219. At this time, fuel is not injected to the outside from the fuel injection hole 219.
  • a pressure difference is generated between the upper and lower parts of the valve body 214 due to fuel pressure, and the pressure difference and spring are calculated by multiplying the fuel pressure and the pressure receiving area at the valve seat position.
  • the valve body 214 is pushed in the valve closing direction by the load 210.
  • the mover 202 After the mover 202 collides with the fixed core 207, the mover 202 receives a reaction force from the fixed core 207 and rebounds, but the magnetic attraction force acting on the mover 202 causes the mover 202 to collide with the fixed core 207. is sucked in, and eventually stops, completing the valve opening operation. At this time, since a force is applied to the movable element 202 in the direction of the fixed core 207 by the return spring 212, the time required for the rebound to settle down can be shortened. Since the rebound action is small, the time during which the gap between the movable element 202 and the fixed core 207 becomes large is shortened, and stable operation can be performed even with injection pulses having a shorter pulse width.
  • the mover 202 and the valve body 214 stand still in the valve open state.
  • a gap is created between the valve body 214 and the valve seat 218, and fuel is injected from the fuel injection hole 219.
  • the fuel supplied through the fuel passage hole 231 passes through the center hole provided in the fixed core 207 and the lower fuel passage hole 305 provided in the movable element 202, and then flows in the downstream direction (fuel injection hole). 219 side).
  • valve body 214 changes from the open state to the closed state, after the valve body 214 comes into contact with the valve seat 218, the mover 202 separates from the valve body 214 and moves in the valve closing direction. After moving for a certain period of time, the return spring 212 returns the valve to its initial closed position. That is, the movable element 202 separates from the valve body 214 at the moment the valve body 214 enters the closed state. As a result, the mass of the movable member at the moment when the valve body 214 collides with the valve seat 218 can be reduced by the mass of the mover 202, so that the movable member (substantially the valve body 214) collides with the valve seat 218. It is possible to reduce the collision energy at the time of collision. Therefore, bouncing of the valve body 214 caused by the valve body 214 colliding with the valve seat 218 can be suppressed.
  • valve body 214 and the valve body 214 collide with each other for a short period of time, at the moment when the movable element 202 collides with the fixed core 207 when the valve is opened, and at the moment when the valve body 214 collides with the valve seat 218 when the valve is closed.
  • a relative displacement occurs between the movable member 202 and the movable member 202 .
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a configuration example of the inside of the cylinder 108 and the surroundings of the engine of the direct injection engine in this embodiment.
  • FIG. 4 shows an example of a schematic cross section at the center within the cylinder 108 of the engine.
  • the engine includes a fuel injection device 101, a spark plug 604, an intake port 607, an exhaust port 608, a piston 609, an intake valve 605, and an exhaust valve 610.
  • a fuel injection device 101 a spark plug 604, an intake port 607, an exhaust port 608, a piston 609, an intake valve 605, and an exhaust valve 610.
  • the intake valves 605 and exhaust valves 610 are originally Although not visible, the intake valve 605 and exhaust valve 610 are illustrated in FIG. 4 for the sake of explanation.
  • the fuel injection device 101 is arranged so as to inject fuel toward the combustion chamber 107 from a direction (angle) intersecting the stroke direction of the piston 609 on the intake port 607 side. Fuel is injected from the tip of the orifice 216 of the fuel injection device 101 into the cylinder 108 (combustion chamber 107). In a direct cylinder injection engine, fuel is injected directly into the cylinder 108 .
  • a cavity 606 (recess) lower than the upper end (right side in the figure) of the piston 609 on the spark plug 604 side is formed on the surface (crown surface) of the piston 609 on the spark plug 604 side.
  • the cavity 606 has a function of temporarily holding at least a portion of the air-fuel mixture composed of the air taken in from the intake port 607 and the fuel injected from the fuel injection device 101.
  • the cavity 606 refers to the deepest part from the upper end (furthest from the spark plug 604 side) in the crown surface of the piston 609 on the spark plug 604 side.
  • the cavity 606 is designed such that an extension line 618 of a dashed line drawn from the center gap 617 between the negative electrode 612 and the positive electrode 613 of the spark plug 604 in the stroke direction (sliding direction) of the piston 609 is inside the cavity 606. It is formed within a certain range.
  • the center gap 617 is a region including the firing position where a spark is generated between the negative electrode 612 and the positive electrode 613.
  • the cavity 606 is located from the intake port 607 side (left side in the drawing) to the exhaust port 608 side (right side in the drawing) from the intersection with the extension line 618 passing through the center gap 617 of the spark plug 604. It has been formed to the extent that . With this configuration, the air-fuel mixture held in the cavity 606 is located directly below the center gap 617 of the spark plug 604 (on the extension line 618). With this configuration, the air-fuel mixture in the cavity 606 can be pushed up toward the spark plug 604, and the air-fuel mixture can be effectively combusted by ignition by the spark plug 604.
  • a fixed partition wall 602 is attached to the intake port 607 to separate the air flow between an upper flow path (first flow path) 620 and a lower flow path (second flow path) 611 of the intake port 607. ing.
  • a valve 601 that opens and closes (opens/blocks) the lower flow path 611 is provided upstream of the lower flow path 611 .
  • This valve 601 is configured such that its opening/closing can be controlled by the CPU 120 of the ECU 104. In FIG. 4, the valve 601 is shown in a closed state.
  • FIG. 5 is a configuration diagram showing part of the intake system and exhaust system of the engine including the cylinder 108 shown in FIG. 4. As shown in FIG. 5,
  • Air is taken into the cylinder 108 (combustion chamber 107) of the engine from an intake port (not shown) via an air cleaner 701, a supercharging chamber 704, an intercooler 705, a throttle valve 706, and an intake port 607.
  • An air cleaner 701 provided at the entrance of the supercharging chamber 704 removes dust from the inhaled air and prevents dust from being sucked into the engine. This suppresses wear and the like inside the engine.
  • the supercharging chamber 704 is equipped with a supercharger 702.
  • the supercharger 702 includes a compressor 702A placed on the intake side to compress air, a turbine 702B placed on the exhaust side and rotated by the flow of exhaust gas, and a shaft 707 connecting the compressor 702A and the turbine 702B. Equipped with In the supercharger 702, a turbine 702B is rotated according to the flow rate of exhaust gas, and a compressor 702A is further rotated via a shaft 707. As a result, the air that has passed through the air cleaner 701 is compressed by the rotation of the compressor 702A and flows toward the intercooler 705. Thereby, the amount of air flowing into the combustion chamber 107 of the engine can be increased, and the output of the engine can be improved.
  • the intercooler 705 cools the air that has been compressed by the compressor 702A and whose temperature has increased.
  • the throttle valve 706 adjusts the amount of air flowing into the cylinder 108 (combustion chamber 107) from the intake port 607.
  • the opening degree of the throttle valve 706 is controlled by the ECU 104 based on the opening degree of an accelerator (not shown), etc.
  • An intake valve 605 is provided at the intake port 607.
  • the lift amount of the intake valve 605 (and exhaust valve 610) relative to the reference position is controlled by the ECU 104.
  • the incoming air and the fuel injected from the fuel injection device 101 are mixed to form an air-fuel mixture, and the air-fuel mixture is ignited by the spark plug 604 to be combusted.
  • the force generated by the combustion of this air-fuel mixture is transmitted to a crankshaft (not shown) via a piston 609 and a connecting rod 711.
  • the engine is equipped with a cooling device that cools the engine and maintains it at an appropriate temperature.
  • a cooling device that cools the engine and maintains it at an appropriate temperature.
  • cooling water passes through a water jacket (not shown) provided around a cylinder 108 of the engine, thereby absorbing heat generated in the engine and maintaining an appropriate temperature.
  • the temperature of the engine cooling water (hereinafter referred to as engine water temperature) is adjusted by a thermostat 712 provided in the water jacket.
  • Engine water temperature is an example of environmental temperature.
  • a coupler for a temperature sensor is attached to the top of the thermostat 712.
  • a temperature sensor detects a change in the resistance value of the thermostat 712 via a coupler, and outputs a detection result (output signal) to the ECU 104.
  • the cooling water is guided to a radiator (not shown) via a water jacket, a thermostat 712, and a radiator hose 713, where heat is radiated.
  • Exhaust gas generated by combustion of the air-fuel mixture in the combustion chamber 107 passes through the exhaust port 608 and rotates the turbine 702B of the supercharger 702 when the exhaust valve 610 is opened during the expansion stroke.
  • the exhaust gas that rotates the turbine 702B passes through the catalyst 703 provided in the exhaust pipe 722, and HC (hydrocarbons), NOx (nitrogen oxides), and CO (carbon monoxide) are reduced and discharged to the outside. be done.
  • the exhaust ports 608 of each cylinder 108 are connected, and the exhaust gas discharged from each cylinder 108 flows into the catalyst 703 after being collected.
  • the catalyst 703 is a three-way catalyst having a catalyst made of, for example, palladium, rhodium, and platinum.
  • the catalyst 703 removes HC, NOx, and CO contained in the exhaust gas by causing a reduction reaction and an oxidation reaction using the catalyst. Since this catalyst 703 has a low reducing ability when the temperature is low, combustion (catalyst warm-up) is required to quickly warm up the temperature of the catalyst 703 under low temperature conditions such as when starting an engine. ing.
  • an air-fuel ratio sensor 710 is installed downstream of the exhaust port 608 and upstream of the catalyst 703. Further, an air flow rate sensor 708 and an intake pipe pressure sensor 709 that detects the pressure inside the intake pipe 721 are provided between the intercooler 705 and the throttle valve 706 of the intake pipe 721.
  • an air-fuel ratio sensor 710 attached to an exhaust pipe 722 is normally used to measure the air-fuel ratio.
  • the exhaust gas discharged from each cylinder is mixed in the exhaust pipe 722, and it takes time for the exhaust gas to reach the air-fuel ratio sensor 710, resulting in a delay.
  • FIG. 6 shows an example in which there is a time delay in the detected value y s (t-1) of the air-fuel ratio sensor 710 with respect to the air-fuel ratio u(t) of the exhaust gas flowing into the exhaust pipe 722. .
  • FIG. 7 shows that when the combustion cycle is run in the order of cylinder No. 1, cylinder No. 3, cylinder No. 4, and cylinder No. 2, at a certain point (here, the exhaust gas of No. 4 cylinder It represents the air-fuel ratio to be estimated in the exhaust pipe 722 in a state where the exhaust gas has completely flowed to the downstream side.
  • the air-fuel ratio to be estimated is the ratio of the mass of air contained in the exhaust gas collected from the first, second, and third cylinders to the mass of fuel contained in the same exhaust gas.
  • air is represented by diagonal lines and fuel is represented by dots for each cylinder.
  • FIG. 8 is a block diagram showing functions for realizing cylinder-by-cylinder air-fuel ratio control in the ECU 104 according to an embodiment of the present invention.
  • the CPU 120 FIGS. 1 and 2
  • the functions of each block shown in FIG. 8 are realized.
  • the ECU 104 includes a cylinder inflow air amount calculation section 801, a cylinder fuel injection amount calculation section 802, a cylinder-specific air mass balance calculation section 803, a cylinder-specific fuel mass balance calculation section 804, an exhaust pipe air-fuel ratio estimation section 805, and a cylinder-specific fuel balance calculation section 804.
  • a mass ratio calculation unit 806 is provided.
  • the ECU 104 also includes a Kalman filter 807, a cylinder-specific air-fuel ratio estimation section 808, and a cylinder-specific fuel injection amount correction section 809.
  • This embodiment particularly includes a cylinder-by-cylinder air mass balance calculation unit 803, a cylinder-by-cylinder fuel mass balance calculation unit 804, an exhaust pipe air-fuel ratio estimation unit 805, a cylinder-by-cylinder fuel mass ratio calculation unit 806, a Kalman filter 807, and a cylinder-by-cylinder air mass balance calculation unit 803.
  • a feature is that a fuel ratio estimating section 808 is provided.
  • the cylinder inflow air amount calculation unit 801 calculates the values from the intake pipe internal state (intake manifold internal state, not shown), such as the detected value of the air flow rate sensor 708 (inflow air amount), the detected value of the intake pipe pressure sensor 709 (intake pipe pressure), etc.
  • the cylinder inflow air amount is calculated, and the calculation results are output to the cylinder fuel injection amount calculation section 802 and the cylinder-specific air mass balance calculation section 803. Note that if the engine is equipped with an EGR (Exhaust Gas Recirculation) system, the EGR rate is reflected in the cylinder inflow air amount calculation.
  • EGR exhaust Gas Recirculation
  • the cylinder fuel injection amount calculation unit 802 calculates the fuel injection amount for each cylinder 108 using the calculation result of the cylinder inflow air amount by the cylinder inflow air amount calculation unit 801 and the target air-fuel ratio of each cylinder 108.
  • the air mass balance calculation unit 803 for each cylinder uses the inlet flow rate and the outlet flow rate, when the air flow rate and fuel flow rate for each cylinder 108 are taken as the "inlet flow rate", and the discharged mixed gas flow rate is taken as the "outlet flow rate”. Calculate the mass balance of air. For example, the cylinder-by-cylinder air mass balance calculation unit 803 calculates the air mass balance for each cylinder 108 based on the calculation result of the cylinder inflow air amount by the cylinder inflow air amount calculation unit 801, taking into account the mixing and delay of exhaust gas in the exhaust pipe 722. The air mass balance in the exhaust pipe 722 is calculated. Exhaust gas mixing and delays are taken into account by performing simulations using a model created in advance, setting operating conditions, and calculating air mass and fuel mass for inlet flow rate and outlet flow rate for each cylinder 108. be able to.
  • the cylinder-by-cylinder fuel mass balance calculation unit 804 calculates the fuel mass balance using the above-mentioned inlet flow rate and outlet flow rate. For example, the cylinder-by-cylinder fuel mass balance calculation unit 804 calculates the amount of fuel for each cylinder 108 based on the cylinder fuel injection amount calculation result of the cylinder fuel injection amount calculation unit 802, taking into account the mixing and delay of exhaust gas in the exhaust pipe 722. The fuel mass balance in the exhaust pipe 722 is calculated. As mentioned above, the mixing and delay of exhaust gas is simulated using a model created in advance, operating conditions are set, and the air mass and fuel mass are calculated for the inlet flow rate and outlet flow rate for each cylinder 108. This can be taken into consideration by doing so. For example, the following Equation 2 can be used to calculate the fuel mass balance for each cylinder 108.
  • the m ex, fi dots on the left side are the fuel mass balance of the i-th cylinder 108, and in this embodiment, the dots represent the mass flow rate [kg/s].
  • the m fi dot on the right side is the mass flow rate [kg/s] of the fuel that has flowed into the i-th cylinder 108 .
  • r n ⁇ m cat dot is the mass flow rate [kg/s] of the exhaust gas discharged from the i-th cylinder 108 to the exhaust pipe 722 (catalyst 703).
  • r i is a cylinder-specific fuel mass ratio shown in Equation 5, which will be described later.
  • m cat dot is the mass flow rate [kg/s] of the exhaust gas discharged into the exhaust pipe 722 (catalyst 703). Note that the air mass balance calculation for each cylinder 108 described above can be applied by replacing the fuel in Formula 2 with air.
  • Equation 3 can be used to calculate the total mass balance in the exhaust pipe 722.
  • m ex dot is the mass flow rate of exhaust gas for all cylinders (ie, exhaust pipe 722).
  • m ai dot is the mass flow rate of air flowing into the i-th cylinder 108 .
  • the exhaust pipe air-fuel ratio estimation unit 805 estimates the exhaust pipe air-fuel ratio based on the air mass balance and fuel mass balance of the exhaust pipe 722. For example, the exhaust pipe air-fuel ratio estimating unit 805 uses the calculation result of the cylinder-specific air mass balance by the cylinder-specific air mass balance calculation unit 803, the calculation result of the cylinder-specific fuel mass balance by the cylinder-specific fuel mass balance calculation unit 804, and the following.
  • the air-fuel ratio ⁇ ex in the exhaust pipe 722 is calculated using Equation 4.
  • m ex,fi is the fuel mass injected into the i-th cylinder 108;
  • the estimation result of the exhaust pipe air-fuel ratio is output to the cylinder-by-cylinder air-fuel ratio estimation section 808 and the Kalman filter 807.
  • the fuel mass proportion calculation unit 806 for each cylinder calculates the fuel mass proportion for each cylinder based on the air mass balance and fuel mass balance of the exhaust pipe 722.
  • the cylinder-by-cylinder fuel mass ratio calculation unit 806 uses the cylinder-by-cylinder air mass balance calculation result by the cylinder-by-cylinder air mass balance calculation unit 803, the cylinder-by-cylinder fuel mass balance calculation result by the cylinder-by-cylinder fuel mass balance calculation unit 804, Using Equation 5 below, the fuel mass ratio r i of each cylinder 108 to the fuel mass of the exhaust pipe 722 is estimated.
  • the calculation result of the cylinder-specific fuel mass proportion by the cylinder-specific fuel mass proportion calculation unit 806 is fed back to the cylinder-specific fuel mass balance calculation unit 804.
  • the latest cylinder-specific fuel mass proportion calculated by the cylinder-specific fuel mass proportion calculation unit 806 is reflected in the fuel mass balance calculation for each cylinder in the cylinder-specific fuel mass balance calculation unit 804.
  • the Kalman filter 807 receives the exhaust pipe air-fuel ratio estimation result obtained by the exhaust pipe air-fuel ratio estimation unit 805 as an input variable, and receives the actual measurement value of the air-fuel ratio sensor 710 as an output variable. Further, although no arrow is shown in the Kalman filter 807, the exhaust pipe volume is input as a model constant. Exhaust pipe volume is a parameter related to delay. Based on these variables, the Kalman filter 807 outputs the air mass in the exhaust pipe and the fuel mass in the exhaust pipe as state variables, and sends them to the cylinder-by-cylinder fuel mass ratio calculation unit 806. Thereby, the cylinder-by-cylinder fuel mass ratio calculation unit 806 corrects the calculation result of the cylinder-by-cylinder fuel mass ratio based on the output of the Kalman filter 807, and aims to improve model accuracy.
  • the cylinder-specific air-fuel ratio estimating unit 808 calculates the amount of change in the air-fuel ratio in the exhaust pipe 722 estimated at a given cylinder timing from the exhaust valve opening timing to the exhaust valve closing timing, and the cylinder in the cylinder 108 at the exhaust valve closing timing.
  • the air-fuel ratio of the cylinder 108 is estimated using the fuel mass ratio for each cylinder estimated by the separate fuel mass ratio estimation unit 806.
  • the cylinder-specific air-fuel ratio estimation unit 808 calculates, at a certain cylinder timing, the exhaust pipe air-fuel ratio ⁇ ex estimated by the exhaust pipe air-fuel ratio estimation unit 805 and the cylinder-specific fuel mass proportion calculated by the cylinder-specific fuel mass proportion calculation unit 806.
  • Equation 6 For each cylinder 108 , use The air-fuel ratio ⁇ cyl,i is estimated. Equation 6 below can be used to estimate the air-fuel ratio for each cylinder. In Equation 6, the average exhaust pipe air-fuel ratio ⁇ ex,ave in a plurality of combustion cycles is used as the exhaust pipe air-fuel ratio.
  • the cylinder-specific fuel injection amount correction section 809 corrects the fuel injection amount for each cylinder 108 using the output of the cylinder-specific air-fuel ratio estimation section 808.
  • the cylinder-by-cylinder fuel injection amount correction unit 809 corrects the fuel injection amount for each cylinder 108 based on the difference between the air-fuel ratio estimated value for each cylinder 108 by the cylinder-by-cylinder air-fuel ratio estimation unit 808 and the target air-fuel ratio. That is, the injection pulse width of the fuel injection device 101 is determined.
  • the ECU 104 can correct the fuel injection amount for each cylinder 108 and control combustion in each combustion chamber 107.
  • the correction amount of the fuel injection amount for each cylinder can be defined by the following Equation 7.
  • the cylinder-specific fuel injection correction results are fed back to the cylinder fuel injection amount calculation unit 802. Then, by correcting the cylinder fuel injection amount in the cylinder fuel injection amount calculation unit 802, the air-fuel ratio variation between the cylinders is corrected.
  • FIG. 9 is a conceptual diagram showing functions used in constructing a control model using a block diagram.
  • the estimator 910 obtains an output variable based on input variables, internal state variables and model constants, and static and dynamic characteristics defined by the model constants. Thereby, it is possible to estimate the output behavior and the behavior of the internal state with respect to the input.
  • the estimator 910 describes the controlled object as a forward problem
  • the control model requires solving an inverse problem. That is, the controller inputs an output variable as a target value and outputs an input variable (control amount) for realizing the target value.
  • the controller inputs an output variable as a target value and outputs an input variable (control amount) for realizing the target value.
  • the following functional blocks are defined.
  • the observer 920 can be constructed by setting input variables, output variables, and model constants as block inputs and outputting state variables.
  • One of the methods for realizing the observation device 920 is the Kalman filter employed in this embodiment.
  • the input variables are, for example, the cylinder inflow air amount, the cylinder fuel injection amount, and the exhaust pipe exhaust gas amount.
  • state variables for example, the amount of air in the exhaust pipe and the amount of fuel in the exhaust pipe are set.
  • an output variable for example, the air-fuel ratio in the exhaust pipe is set.
  • the detected value of the air-fuel ratio sensor 710 is set as the exhaust pipe air-fuel ratio.
  • the exhaust pipe volume is set as a model constant.
  • FIG. 10 is a diagram showing mathematical expressions representing the state space model of the state inside the intake pipe.
  • the time differential of the state variable is defined as a discrete equation according to Euler's first-order forward difference as shown in Equation (8).
  • Equation (8) the subscript k added to the upper right of x represents the current value when discretized on the time axis.
  • Equation (8) the state space model of Equations (9) and (10) below.
  • A, B, and C indicated by alphabets are matrices, respectively.
  • x k is a state vector
  • u k is an input vector
  • y k is an output vector, which are given by the following equations (11), (12), and (13), respectively.
  • the exhaust pipe air-fuel ratio estimating unit 805 (FIG. 8) organizes the state equation in a state space model and passes the vectors defined by equations (11) to (13) to the processing executed in the Kalman filter 807.
  • FIG. 11 is a block diagram showing an example of the internal configuration of the Kalman filter 807.
  • FIG. 12 is a flowchart illustrating an example of the Kalman filter algorithm executed by the Kalman filter 807.
  • the system of this embodiment employs a linear Kalman filter algorithm
  • the present invention is not limited to this. That is, the same effect can be obtained even if an extended Kalman filter known as a nonlinear Kalman filter or an ensemble Kalman filter is applied.
  • an algorithm for the Kalman filter 807 which is one of the components of the cylinder-by-cylinder air-fuel ratio correction control, and a method of applying it to this control will be described.
  • the Kalman filter 807 describes the state in the intake pipe, which is the controlled object, using a state equation, and defines sensor measurement information as an output variable of the state equation. Then, based on the sensor measurement information specified as the output variable, a state variable (hereinafter referred to as "internal state variable") representing the state inside the intake pipe that cannot be directly measured is estimated.
  • the CPU 120 of the ECU 104 first determines whether the Kalman filter 807 can be executed (S1201).
  • the sensor state and the predicted range of the prerequisite state equation are taken into consideration as indicators for determining whether or not the process can be carried out. For example, if the diagnosis determines that the sensor status is such that no sensor output can be obtained due to a sensor failure or disconnection, or that the sensor has deteriorated and an unacceptable error has occurred in the sensor output, Kalman filter 807 is not executed because accurate filter processing cannot be performed.
  • the state quantities targeted by the state equation are the intake pipe internal pressure and the intake pipe EGR rate.
  • the CPU 120 determines that the Kalman filter 807 cannot be executed (NO in S1201) and ends this process, and if it determines that the Kalman filter 807 can be executed (YES in S1201), it proceeds to step S1202. to move to. Note that when the CPU 120 determines that the Kalman filter 807 cannot be executed, it may set a failsafe processing flag for the engine system.
  • the arithmetic expressions executed in steps S1202 to S1206 are specifically shown below.
  • the Kalman filter 807 is based on a state equation including system noise Q and observation noise R defined by the following equations (14) and (15).
  • k means the current value in discrete time.
  • the processing of the Kalman filter 807 is divided into a prediction step and a filtering step.
  • the prediction step the internal state variable vector x and covariance matrix P are calculated (updated) based on the input variables and system noise Q using the following equations (16) and (17) (S1202, S1203).
  • the Kalman filter 807 calculates the Kalman gain K defined by the updated covariance matrix P and observation noise R using the following equation (18) (S1204). Note that the Kalman filter 807 may be configured to calculate the covariance matrix P in step S1203.
  • the Kalman filter 807 uses the Kalman gain K and observation data (detected value of the air-fuel ratio sensor 710) to update the internal state variable vector x and covariance matrix P again according to the following equations (19) and (20). (S1205, S1206).
  • the alphabet “I” in Equation (20) is an identity matrix.
  • k), which is difficult to directly measure, is estimated based on the output information of the measurable air-fuel ratio sensor 710. can do.
  • information on internal state variables output from the Kalman filter 807 is used for internal state feedback control, that is, for improving model accuracy.
  • FIG. 13 is a graph showing an example of a change in the equivalence ratio when there is variation in the fuel injection amount for each cylinder.
  • the horizontal axis represents time and the vertical axis represents the exhaust pipe equivalence ratio.
  • the first cylinder is “-10%”
  • the second cylinder is "0%”
  • the third cylinder is "-10%" with respect to the command value (target value) of the fuel injection amount for each cylinder.
  • the No. 4 cylinder has an injection amount variation of "+10%” and "0%”, and shows a change in the equivalence ratio as shown in the graph.
  • the injection amount variation of each cylinder is defined as the difference (variation rate) between the command value (target value) of the fuel injection amount of each cylinder and the fuel injected in each cylinder.
  • the injection amount variation is “-10%” for the 1st cylinder, "0%” for the 2nd cylinder, "0%” for the 3rd cylinder, and "+10%” for the 4th cylinder.
  • the equivalent ratio changes as shown in the graph.
  • each graph shows the timing of EVO and EVC in the order of cylinder order 1-3-4-2, and the amount of change at each timing can be seen.
  • the 3rd cylinder with "variation 1" and the 4th cylinder with “variation 2" have the same variation of "+10%", but there is a difference in the peak values seen in their respective EVCs.
  • FIG. 14 is a graph showing an example of a change in the fuel mass ratio by cylinder, and shows an example of a change in the fuel mass ratio by cylinder for "variation 1" and "variation 2" in FIG.
  • the horizontal axis represents time
  • the vertical axis represents fuel mass ratio by cylinder.
  • the solid line represents the fuel mass ratio of the No. 1 cylinder
  • the two-dot chain line represents the fuel mass ratio of the No. 2 cylinder
  • the dashed line represents the fuel mass ratio of the No. 3 cylinder
  • the one-dot chain line represents the fuel mass ratio of the No. 4 cylinder.
  • Due to variations in the fuel injection amount for each cylinder there are differences in the waveforms of the fuel mass ratio for each cylinder.
  • FIG. 15 is a graph showing an example of the estimation result of the behavior of the equivalence ratio in the exhaust pipe due to inter-cylinder variation in the fuel injection amount and an example of the estimation result of the cylinder-by-cylinder equivalence ratio in an embodiment of the present invention.
  • Figure 15 shows the estimation results of various equivalence ratios for "variation 1" and “variation 2" in Figures 13 and 14, where the horizontal axis is time and the vertical axis is the exhaust pipe equivalence ratio and the cylinder-by-cylinder equivalence ratio. represent.
  • the estimation result of the exhaust pipe equivalence ratio is obtained from the estimated value of the exhaust pipe air-fuel ratio calculated by the exhaust pipe air-fuel ratio estimation unit 805 and the stoichiometric air-fuel ratio.
  • the estimation result of the cylinder-specific equivalence ratio is obtained from the estimated value of the cylinder-specific air-fuel ratio calculated by the cylinder-specific air-fuel ratio estimation unit 808 and the stoichiometric air-fuel ratio.
  • the estimation results of the behavior of the equivalence ratio in the exhaust pipe are obtained as changes as shown by the polygonal lines, and the estimation results of the cylinder-by-cylinder equivalence ratio are obtained as the values shown as the bar graphs.
  • FIG. 16 is a graph showing an example of the correction result of the air-fuel ratio for each cylinder in an embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 shows the correction results of the cylinder-by-cylinder air-fuel ratio for "variation 1" and "variation 2" in FIGS. 13 and 14, where the horizontal axis represents time and the vertical axis represents the exhaust pipe equivalence ratio.
  • the correction result by the cylinder-specific air-fuel ratio control is the estimated value of the cylinder-specific air-fuel ratio obtained by the cylinder-specific air-fuel ratio estimation unit 808 as a result of correcting the fuel injection amount for each cylinder in the cylinder-specific fuel injection amount correction unit 809. Equivalent to.
  • the exhaust pipe equivalence ratio before and after correction is shown by a broken line and a solid line, respectively.
  • the fluctuation width of the air-fuel ratio in the exhaust pipe that occurred before the correction is suppressed after the correction.
  • the air-fuel ratio fluctuation range is reduced from 5.5% to 1%.
  • the air-fuel ratio variation width is reduced from 5.7% to 2%.
  • the internal combustion engine control device (for example, the ECU 104 or the control device 150) according to the present embodiment is a multi-cylinder internal combustion engine (for example, a multi-cylinder
  • This is an internal combustion engine control device that controls the fuel injection amount based on the air flow rate flowing into a plurality of cylinders 108 of an internal direct injection engine.
  • This internal combustion engine control device performs mass balance calculations for fuel and air at the inlet and outlet of each cylinder 108 (air mass balance calculation for each cylinder, fuel mass balance calculation for each cylinder), and calculates the exhaust gas based on the results of each mass balance calculation.
  • a control unit (for example, CPU 120) that estimates the air-fuel ratio of the pipe 722 and the fuel mass ratio for each cylinder, and calculates the air-fuel ratio of each cylinder 108 from the air-fuel ratio of the exhaust pipe 722 and the fuel mass ratio for each cylinder. .
  • the internal combustion engine control device by performing fuel and air balance calculation and mass ratio calculation for each cylinder, it is possible to simulate the mixing and delay of exhaust gas from a plurality of cylinders. .
  • the air-fuel ratio for each cylinder can be estimated with high accuracy, and as a result, it is possible to suppress variations in the air-fuel ratio (fuel injection amount) between cylinders due to multi-stage injection. Therefore, it becomes possible to reduce PN and comply with recent exhaust gas regulations.
  • the air-fuel ratio for each cylinder can be estimated with high accuracy without requiring a large number of man-hours for adaptation.
  • the control section uses the output of the cylinder-specific air-fuel ratio estimation section (cylinder-specific air-fuel ratio estimation section 808) to It includes a fuel injection amount correction section (cylinder-specific fuel injection amount correction section 809) that corrects the fuel injection amount of each cylinder.
  • the control section uses the output of the cylinder-specific air-fuel ratio estimation section (cylinder-specific air-fuel ratio estimation section 808) to It includes a fuel injection amount correction section (cylinder-specific fuel injection amount correction section 809) that corrects the fuel injection amount of each cylinder.
  • the control unit (CPU 120) outputs the output of the exhaust pipe air-fuel ratio estimation unit (the cylinder-specific air-fuel ratio estimation unit 808) and the exhaust pipe
  • the estimated value of the fuel mass ratio of each cylinder is corrected based on the detected value of an air-fuel ratio sensor (air-fuel ratio sensor 710) provided in the cylinder.
  • the control unit uses state variables output from a Kalman filter (Kalman filter 807) that receives the exhaust pipe air-fuel ratio estimated by the exhaust pipe air-fuel ratio estimation unit and the detection value of the air-fuel ratio sensor as input, and uses the state variable for each cylinder. Correct the estimated fuel mass fraction.
  • model estimation results for example, the fuel mass of each cylinder
  • the robustness can be improved by correcting the model estimation result using the actual measurement result of the air-fuel ratio sensor.
  • the control unit (CPU 120) of the ECU 104 is configured to learn correction of the estimated value of the fuel mass ratio of each cylinder for each fuel pressure. Thereby, the ECU 104 can estimate the air-fuel ratio for each cylinder while appropriately considering the injection amount variation for each cylinder due to fuel pressure.
  • control unit (CPU 120) of the ECU 104 is configured to equally reflect the correction of the estimated value of the fuel mass ratio of each cylinder to each stage of the multistage injection. Thereby, the ECU 104 can reduce the injection period correction amount for correcting the injection amount variation between cylinders.
  • control unit (CPU 120) of the ECU 104 is configured to correct the estimated value of the fuel mass proportion of each cylinder at the stage with the largest fuel injection amount ratio among the multistage injections. Thereby, the ECU 104 can prevent the injection period from becoming too short, which is caused by correcting the step with the smallest ratio of fuel injection amount among the multi-step injections.
  • the control unit (CPU 120) of the ECU 104 corrects the estimated value of the fuel mass ratio of each cylinder, if the total fuel injection amount due to multistage injection becomes less than a predetermined value due to the correction, the multistage injection
  • the structure is designed to reduce the number of injections. Thereby, the ECU 104 can prevent the injection period from becoming too short when correcting the injection amount variation.
  • control unit (CPU 120) of the ECU 104 diagnoses an abnormality when the estimated value of the fuel mass ratio of each cylinder is corrected to a predetermined value or more, and switches to fail-safe control or replaces the fuel injection device with the instrument panel. (instrument panel) or external terminal, etc. Thereby, the ECU 104 can appropriately perform abnormality diagnosis and fail-safe control when an abnormality occurs in the fuel injection system.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it goes without saying that various other applications and modifications can be made without departing from the gist of the present invention as set forth in the claims.
  • the configuration of an internal combustion engine system is explained in detail and specifically in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and the embodiment is not necessarily limited to having all the components described.
  • the present invention was applied to an engine system equipped with a supercharger, but the present invention is not limited to this example.
  • the present invention can be applied to an engine system without a supercharger.
  • the present invention can be applied to an engine system equipped with an EGR system.
  • each of the above-mentioned configurations, functions, processing units, etc. may be partially or entirely realized by hardware, for example, by designing an integrated circuit.
  • a broadly defined processor device such as an FPGA (Field Programmable Gate Array) or an ASIC (Application Specific Integrated Circuit) may be used.
  • control lines and information lines are shown that are considered necessary for explanation, and not all control lines and information lines are necessarily shown in terms of the product. In reality, almost all the components may be considered to be interconnected.
  • Fuel injection system 101... Fuel injection device, 108... Cylinder, 104... ECU, 150... Control device, 120... CPU, 121... Memory, 710... Air-fuel ratio sensor, 721... Intake pipe, 722... Exhaust pipe, 801 ...Cylinder inflow air amount calculation section, 802...Cylinder fuel injection amount calculation section, 803...Cylinder-specific air mass balance calculation section, 804...Cylinder-specific fuel mass balance calculation section, 805...Exhaust pipe air-fuel ratio estimation section, 806...Cylinder-specific air mass balance calculation section Fuel mass ratio calculation unit, 807...Kalman filter, 808...Cylinder-specific air-fuel ratio estimation unit, 809...Cylinder-specific fuel injection amount correction unit

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Abstract

各気筒からの排気ガスが集合する排気管を有する多気筒内燃機関の、複数の気筒に流入する空気流量に基づき燃料噴射量を制御する内燃機関制御装置において、気筒毎の入口と出口における燃料と空気のそれぞれの質量収支演算を行い、各質量収支演算の結果から排気管の空燃比を推定するとともに気筒別燃料質量割合を推定し、排気管の空燃比と気筒別燃料質量割合とから、各気筒の空燃比を求める制御部を備える。

Description

内燃機関制御装置
　本発明は、空燃比に基づいて内燃機関を制御する内燃機関制御装置に関する。
　近年、自動車の排気規制強化に対応するため、ＰＮ（Particulate Number）排出量の低減が必要となり、そのための対策が講じられている。ＤＩ（Direct Injection）エンジンにおいては、燃料噴射において燃料圧力の高燃圧化や多段噴射が用いられるが、高燃圧多段噴射の多用により多気筒エンジンの気筒毎の噴射量にばらつきが生じる。それにより、トータル（エンジン全体）としての空燃比がストイキであったとしても、気筒によってはリッチ状態になりＰＮが悪化することが懸念される。
　通常、空燃比の測定には排気管に取り付けられた空燃比センサが用いられる。しかし、各気筒から排出される排気ガスが排気管内で混合され、また、空燃比センサに排気ガスが到達するまでに時間がかかり遅れを伴う。このため、空燃比センサでは、気筒間空燃比のばらつきを直接は検出することができない。
　例えば、空燃比と空気量の伝達関数によって、各気筒に通じる複数の排気通路を集合させた排気集合部におけるガス交換モデルの空燃比の遅れ挙動を模擬する方法が特許文献１に開示されている。
特開２００５－３３７１９４号公報
　しかしながら、空気量と燃料量が変化すると空燃比の遅れ挙動そのものが変化する。そのため、特許文献１に記載の伝達関数を用いる方法では正確に空燃比の遅れ挙動を模擬することは困難である。また、上記伝達関数を用いる方法では、モデル定数を求めるために大規模な適合工数が必要となる。
　上記の状況から、多段噴射を採用する多気筒エンジンにおいて、気筒間の噴射量ばらつきを抑制するため、気筒毎に空燃比を精度よく算出する手法が求められていた。
　上記課題を解決するために、本発明の一態様の内燃機関制御装置は、各気筒からの排気ガスが集合する排気管を有する多気筒内燃機関の、複数の気筒に流入する空気流量に基づき燃料噴射量を制御する内燃機関制御装置であって、気筒毎の入口と出口における燃料と空気のそれぞれの質量収支演算を行い、各質量収支演算の結果から排気管の空燃比を推定するとともに、気筒別燃料質量割合を推定し、排気管の空燃比と気筒別燃料質量割合とから、各気筒の空燃比を求める制御部を備える。
　本発明の少なくとも一態様によれば、多段噴射を採用する多気筒エンジンにおいて、気筒毎に空燃比を精度よく算出することができるため、気筒間の噴射量ばらつきを抑制することができる。
　上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
本発明の一実施形態における燃料噴射装置と、ＥＣＵを含む制御装置とを有する燃料噴射システムの一例を示す概略図である。 本発明の一実施形態における燃料噴射装置の内部構造の縦断面の例を示す図である。 本発明の一実施形態における燃料噴射装置の駆動部構造の例を示す断面拡大図である。 本発明の一実施形態におけるエンジンの気筒内及びエンジン周囲の構成例を示す模式図である。 本発明の一実施形態におけるエンジンの吸気系及び排気系の一部を示す構成図である。 排気管での空燃比センサ出力の遅れを説明するための図である。 気筒毎の空気と燃料による推定空燃比を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る気筒別空燃比制御を実現するブロック図である。 制御モデル構築に用いられる機能をブロック線図で表した概念図である。 吸気管内状態を状態空間モデルにより記述する方法を説明する図である。 カルマンフィルタの内部構成例を示すブロック図である。 カルマンフィルタアルゴリズムの例を示すフローチャートである。 燃料噴射量の気筒間ばらつきによる排気管内当量比の変化の例を示すグラフである。 気筒別燃料質量割合の推移の例を示すグラフである。 本発明の一実施形態における燃料噴射量の気筒間ばらつきによる排気管内当量比挙動の推定結果の例と、気筒別当量比の推定結果の例を示すグラフである。 本発明の一実施形態による気筒別空燃比の補正結果の例を示すグラフである。
　以下、本発明を実施するための形態（以下、「実施形態」と称する）の例について、添付図面を参照して説明する。本明細書及び添付図面において、同一の構成要素又は実質的に同一の機能を有する構成要素には同一の符号を付して重複する説明を省略する。
［燃料噴射システムの構成］
　本発明の一実施形態に係る燃料噴射制御装置と制御対象の燃料噴射装置とを含む燃料噴射システムについて、図１～図１６を用いて説明する。
　始めに、本実施形態における燃料噴射システムについて図１を用いて説明する。
　図１は、本実施形態における燃料噴射システムの一例を示した概略図である。図１に示す燃料噴射システム１は、筒内に直接燃料を噴射する筒内直接噴射式エンジン（内燃機関の一例）において燃料噴射を行うシステムであるが、燃料噴射システムはこの例に限らない。本明細書において、筒内直接噴射式エンジンを単に「エンジン」と称する。
　本実施形態における筒内直接噴射式エンジンは、４つの気筒１０８（エンジンシリンダ）を備える。燃料噴射システム１は、４つの気筒１０８に対応して、４つの燃料噴射装置１０１Ａ～１０１Ｄと、燃料噴射制御装置の一例としてのＥＣＵ（Engine Control Unit）１０４を備える。ＥＣＵ１０４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１２０とメモリ１２１（記憶媒体の一例）を備える。メモリ１２１は、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）などの主記憶装置やフラッシュメモリなどの補助記憶装置を用いて構成することができる。以下の説明において、燃料噴射装置１０１Ａ～１０１Ｄを区別する必要がない場合には、燃料噴射装置１０１と称する。
　燃料噴射システム１の各気筒１０８には、サイド噴射用の燃料噴射装置１０１Ａ～１０１Ｄが、その燃料噴射孔２１９（後述する図２参照）から霧状の燃料が燃焼室１０７に直接噴射されるように設置されている。図示しない燃料タンクに貯留された燃料は、燃料ポンプ１０６によって昇圧されて高圧配管１１５を介してレール状の燃料配管１０５に送出され、燃料配管１０５から各燃料噴射装置１０１Ａ～１０１Ｄに配送されるようになっている。燃料配管１０５の一端部には、燃料配管１０５内の燃料の圧力を測定する圧力センサ１０２が設置されている。
　燃料配管１０５内の燃料圧力は、燃料ポンプ１０６によって吐出された燃料の流量と、各燃料噴射装置１０１によって各燃焼室１０７内に噴射された燃料の噴射量とのバランスによって変動する。本実施形態では、ＥＣＵ１０４が、圧力センサ１０２から出力されるセンサ情報（燃料圧力値を示す情報）に基づいて、燃料配管１０５内の燃料圧力が所定の目標圧力値となるように、燃料ポンプ１０６の燃料の吐出量を制御する。
　燃料噴射装置１０１による燃料の噴射は、ＥＣＵ１０４のＣＰＵ１２０（制御部の一例）から送出される噴射パルスによって制御される。例えば、パルス幅が調整された噴射パルス（パルス信号）による指令が、燃料噴射装置１０１ごとに設けられた駆動回路１０３に入力される。駆動回路１０３は、ＣＰＵ１２０からの指令（噴射パルス）に基づいて駆動電流の波形を決定し、パルス幅に基づく時間だけ燃料噴射装置１０１に上記波形の駆動電流を供給する。駆動回路１０３は、例えば駆動ＩＣ（Integrated Circuit）として形成される。
　燃料噴射制御装置の制御部（ＥＣＵ１０４のＣＰＵ１２０）は、後述する１燃焼サイクルにおける燃料噴射時の噴射量を変更するときに、噴射パルスのパルス幅に基づいて燃料噴射装置（燃料噴射装置１０１）を駆動する電流波形を変更する。このように、噴射パルスのパルス幅に基づいて電流波形を変更することで、燃料噴射装置が噴射する燃料の噴射量を調整することができる。例えば、燃料噴射装置に供給する駆動電流の電流値を変更することで、燃料噴射弁（図２の弁体２１４）のリフト量が変わり、噴射量が調整される。また、ＣＰＵ１２０から駆動回路１０３に送出する噴射パルスのタイミング（オフ／オンの切り替わり）を変更することで、燃料噴射装置が燃料を噴射するタイミングを調整することができる。
　なお、駆動回路１０３は、ＥＣＵ１０４と一体の部品や基板として実装されている場合もある。駆動回路１０３とＥＣＵ１０４が一体となった装置を制御装置１５０と称する。
　次に、燃料噴射装置１０１及びＥＣＵ１０４の構成と基本的な動作について、図２及び図３を参照して説明する。
　図２は、燃料噴射装置１０１の内部構造の縦断面の例を示す図である。
　図３は、燃料噴射装置１０１の駆動部構造（可動子及び弁体の近傍）の例を示す断面拡大図である。
　ＥＣＵ１０４のＣＰＵ１２０は、エンジンの状態を示す信号を各種センサからＥＣＵ１０４に取り込んで、エンジンの運転条件に応じて燃料噴射装置１０１から噴射する燃料の噴射量を制御するための噴射パルスの幅や駆動電流の電流値、噴射タイミングの演算を行う。ＣＰＵ１２０は、演算結果に対応する噴射パルスを駆動回路１０３に出力する。
　ＥＣＵ１０４は、各種センサからの信号を取り込むための図示しないＡ／Ｄ変換器、Ｉ／Ｏポート等を備えている。各種センサとしては、例えば、エンジンの冷却水の温度（エンジンの環境温度の一例）を測定する温度センサ、エンジンの回転数（回転速度）を測定するセンサ（例えば、エンジンの図示しないクランク軸の回転角を検出するセンサ）、燃料配管１０５内の燃料圧力を測定する圧力センサ１０２、及び排気温度を測定する排気温度センサ等がある。
　ＥＣＵ１０４から出力された噴射パルスは、信号線１１０を通して駆動回路１０３に入力される。駆動回路１０３は、燃料噴射装置１０１のソレノイド２０５（コイルの一例）に印加する電圧を制御し、ソレノイド２０５に電流を供給する。ＥＣＵ１０４は、通信ライン１１１を通して、駆動回路１０３と通信可能である。ＥＣＵ１０４は、燃料噴射装置１０１に供給されている燃料の圧力や運転条件等によって、駆動回路１０３により生成する駆動電流を切り替えたり、駆動電流の設定値及び駆動電流を出力する時間の設定値を変更したりすることができる。
　図３に示す燃料噴射装置１０１は、通常時閉弁型の電磁弁（電磁式燃料噴射装置）であり、コイルの一例としてのソレノイド２０５と、可動子２０２と、固定コア２０７と、略棒状の弁体２１４（燃料噴射弁の一例）とを備える。燃料噴射装置１０１は、ソレノイド２０５が通電されていない状態では、第１のばねであるスプリング２１０によって弁体２１４が閉弁方向（図面下方向）に付勢され、弁体２１４が弁座２１８に密着した状態（閉弁状態）となっている。
　閉弁状態においては、可動子２０２には、第２のばねである戻しばね２１２によって開弁方向へ向かう力が作用している。このとき、スプリング２１０により弁体２１４に作用する力が、戻しばね２１２による力に比べて大きいため、可動子２０２の上端面２０２Ａが弁体２１４のつば部３０２に接触し、可動子２０２は静止した状態となる。
　弁体２１４と可動子２０２とは、相対変位可能に構成されており、共にノズルホルダ２０１に内包されている。ノズルホルダ２０１は、その内部に戻しばね２１２のばね座となる端面３０３を有している。スプリング２１０による付勢力は、固定コア２０７の内径に固定されるバネ押さえ２２４の押し込み量によって組み立て時に調整されている。
　燃料噴射装置１０１においては、固定コア２０７、可動子２０２、ノズルホルダ２０１、及びハウシング２０３によって磁気回路が構成されている。可動子２０２と、固定コア２０７との間には、空隙３０１が設けられている。ノズルホルダ２０１の空隙３０１に対応する部分（空隙３０１の外周側）には、ノズルホルダ２０１の外周面に周方向の溝部が形成されてなる磁気絞り２１１が形成されている。
　ソレノイド２０５は、ボビン２０４に巻き付けられた状態でノズルホルダ２０１の外周側に取り付けられている。ノズルホルダ２０１には、弁体２１４の弁座２１８側の先端部の近傍となる位置に、ロッドガイド２１５が固定されている。このような構成により、弁体２１４は、弁体２１４のつば部３０２と固定コア２０７とが摺動する箇所と、弁体２１４とロッドガイド２１５とが摺動する箇所との２つの摺動箇所により、弁軸方向（図面上下方向）にガイドされて動くようになっている。
　ノズルホルダ２０１の先端部には、弁座２１８と燃料噴射孔２１９とが形成されたオリフィス２１６が固定されている。このような構成により、弁体２１４の先端部と、オリフィス２１６の弁座２１８とが接触することにより、ノズルホルダ２０１と弁体２１４の先端部との間の内部空間（燃料通路）を封止した状態（閉弁状態）にできるようになっている。
　燃料配管１０５から燃料噴射装置１０１に供給された燃料は、燃料噴射装置１０１が閉弁状態の場合においては、燃料通路孔２３１を通って弁体２１４の先端側まで流れるが、弁体２１４の弁座２１８側の先端部分とオリフィス２１６の弁座２１８とが接触して燃料噴射孔２１９を封止している。このとき、燃料は、燃料噴射孔２１９から外部に噴射されない。燃料噴射装置１０１が閉弁状態の場合には、燃料圧力によって弁体２１４の上部と下部との間に差圧が生じ、燃料圧力と弁座位置における受圧面積とを乗じて求まる差圧力及びスプリング２１０の荷重によって、弁体２１４が閉弁方向に押されている。
　そして、燃料噴射装置１０１が閉弁状態のときにソレノイド２０５への電流の供給が開始されると、磁気回路に磁界が生じ、固定コア２０７と可動子２０２との間に磁束が通過して、可動子２０２に磁気吸引力が作用する。可動子２０２に作用する磁気吸引力が、差圧力及びスプリング２１０による荷重を超えるタイミングで、可動子２０２は、固定コア２０７に向かう方向に変位を開始する。そして、可動子２０２の移動に伴い弁体２１４が開弁動作を開始した後、可動子２０２は固定コア２０７に近づくように移動し、可動子２０２が固定コア２０７に衝突する。
　可動子２０２が固定コア２０７に衝突した後には、可動子２０２は固定コア２０７からの反力を受けて跳ね返る動作をするが、可動子２０２に作用する磁気吸引力によって可動子２０２は固定コア２０７に吸引され、やがて停止し開弁動作を終了する。このとき、可動子２０２には、戻しばね２１２によって固定コア２０７の方向に力が作用しているため、跳ね返りが収束するまでの時間を短縮できる。跳ね返り動作が小さいことで、可動子２０２と固定コア２０７との間のギャップが大きくなってしまう時間が短くなり、より短いパルス幅の噴射パルスに対しても安定した動作が行えるようになる。
　このようにして開弁動作を終えた可動子２０２及び弁体２１４は、開弁状態で静止する。開弁状態では、弁体２１４と弁座２１８との間には隙間が生じており、燃料噴射孔２１９より燃料が噴射される。なお、燃料通路孔２３１を通って供給される燃料は、固定コア２０７に設けられた中心孔と、可動子２０２に設けられた下部燃料通路孔３０５とを通過して、下流方向（燃料噴射孔２１９側）へ流れる。
　この後、燃料噴射装置１０１のソレノイド２０５への通電が断たれると、磁気回路中に生じていた磁束が消滅し、可動子２０２に作用する磁気吸引力も消滅する。このように可動子２０２に作用する磁気吸引力が消滅すると、可動子２０２及び弁体２１４は、スプリング２１０の荷重と、差圧力とによって、弁座２１８に接触する閉弁位置に押し戻される。
　また、弁体２１４が開弁状態から閉弁状態となる際には、弁体２１４が弁座２１８と接触した後、可動子２０２が弁体２１４から分離して閉弁方向に移動して、ある程度の時間運動した後に、戻しばね２１２の作用によって、閉弁状態の初期位置まで戻される。すなわち、弁体２１４が閉弁状態となる瞬間に可動子２０２が、弁体２１４から離間する。これにより、弁体２１４が弁座２１８と衝突する瞬間の可動部材の質量を可動子２０２の質量分だけ低減することができるため、可動部材（実質的には弁体２１４）が弁座２１８と衝突する際の衝突エネルギーを小さくすることが可能である。したがって、弁体２１４が弁座２１８に衝突することによって生じる弁体２１４のバウンドを抑制できる。
　本実施形態における燃料噴射装置１０１では、開弁時に可動子２０２が固定コア２０７と衝突した瞬間、及び、閉弁時に弁体２１４が弁座２１８と衝突した瞬間の短い時間において、弁体２１４と可動子２０２との間で相対的な変位を生じる。それにより、可動子２０２の固定コア２０７に対するバウンドや、弁体２１４の弁座２１８に対するバウンドを抑制することができる。
　次に、本実施形態におけるエンジンの気筒１０８内及びエンジン周囲の構成について図４を参照して説明する。
　図４は、本実施形態における筒内直接噴射式エンジンの気筒１０８内及びエンジン周囲の構成例を示した模式図である。図４には、エンジンの気筒１０８内の中心における概略断面の例が示されている。
　エンジンは、燃料噴射装置１０１と、点火プラグ６０４と、吸気ポート６０７と、排気ポート６０８と、ピストン６０９と、吸気バルブ６０５と、排気バルブ６１０とを備える。なお、吸気バルブ６０５を２個、及び排気バルブ６１０を２個備えている一般的な筒内直接噴射式エンジンでは、気筒１０８内の中心軸を通る断面では、本来吸気バルブ６０５及び排気バルブ６１０は見えないが、図４では、説明上、吸気バルブ６０５と排気バルブ６１０とを図示している。
　エンジンにおいて、吸気ポート６０７側のピストン６０９のストローク方向と交わる方向（角度）から燃焼室１０７に向けて燃料を噴射するように、燃料噴射装置１０１が配置されている。燃料噴射装置１０１のオリフィス２１６の先端部から気筒１０８内（燃焼室１０７）に燃料が噴射される。筒内直接噴射式エンジンでは、気筒１０８内に直接燃料が噴射される。
　ピストン６０９の点火プラグ６０４側の面（冠面）には、ピストン６０９の点火プラグ６０４側の上端部（図中右側）よりも低いキャビティ６０６（凹部）が形成されている。このキャビティ６０６は、吸気ポート６０７から吸気された空気と燃料噴射装置１０１から噴射された燃料とで構成される混合気の少なくとも一部を、一時的に保持する機能を有している。
　ここで、本実施形態では、キャビティ６０６とは、ピストン６０９の点火プラグ６０４側の冠面において、上端部から最も深い（点火プラグ６０４側から最も遠い）部分のことをいう。キャビティ６０６は、点火プラグ６０４のマイナス電極６１２とプラス電極６１３との間の中心ギャップ６１７から、ピストン６０９のストローク方向（摺動方向）へ引いた一点鎖線の延長線６１８がキャビティ６０６内となるような範囲に形成されている。中心ギャップ６１７は、マイナス電極６１２とプラス電極６１３との間の火花が発生する発火位置を含む領域である。
　例えば、キャビティ６０６は、ストローク方向に垂直な方向については、吸気ポート６０７側（図面左側）から、点火プラグ６０４の中心ギャップ６１７を通る延長線６１８との交点よりも排気ポート６０８側（図面右側）となる範囲まで形成されている。このような構成により、キャビティ６０６に保持された混合気が、点火プラグ６０４の中心ギャップ６１７の直下（延長線６１８上）に位置することとなる。このような構成により、キャビティ６０６の混合気を点火プラグ６０４側に押し上げ、点火プラグ６０４による点火によって混合気を効果的に燃焼させることができる。
　吸気ポート６０７には、当該吸気ポート６０７の上部流路（第１流路）６２０と下部流路（第２流路）６１１との間の空気の流れを分断する固定式の隔壁６０２が取り付けられている。下部流路６１１の上流には、下部流路６１１側の開閉（開放／遮断）を行うバルブ６０１が設けられている。このバルブ６０１は、ＥＣＵ１０４のＣＰＵ１２０により開弁／閉弁を制御できるように構成されている。図４においては、バルブ６０１が閉弁している状態を示している。
　次に、エンジンにおける吸気及び排気に関わる構成の一部について図５を参照して説明する。図５は、図４に示した気筒１０８を含むエンジンの吸気系及び排気系の一部を示す構成図である。
　エンジンの気筒１０８内（燃焼室１０７）には、図示しない吸気口から、エアークリーナー７０１、過給室７０４、インタークーラー７０５、スロットルバルブ７０６、及び吸気ポート６０７を介して、空気が吸入される。過給室７０４の入り口に設けられるエアークリーナー７０１は、吸入した空気中のごみを取り除き、エンジンにごみが吸入されることを防止する。これにより、エンジン内部が摩耗等することが抑制される。
　過給室７０４には、過給機７０２が備えられている。過給機７０２は、吸気側に配置されて空気を圧縮するコンプレッサ７０２Ａと、排気側に配置されて排気ガスの流れにより回転されるタービン７０２Ｂと、コンプレッサ７０２Ａとタービン７０２Ｂとを接続するシャフト７０７とを備える。過給機７０２においては、排気ガスの流速に応じてタービン７０２Ｂが回転され、さらにシャフト７０７を介してコンプレッサ７０２Ａが回転される。その結果、エアークリーナー７０１を通過した空気が、コンプレッサ７０２Ａの回転により圧縮されてインタークーラー７０５側に流される。これにより、エンジンの燃焼室１０７への流入空気量を増加することができ、エンジンの出力を向上することができる。
　なお、過給室７０４を通過した空気は、コンプレッサ７０２Ａにより圧縮されるので、温度が上昇する。インタークーラー７０５は、コンプレッサ７０２Ａで圧縮されて温度が上昇した空気を冷却する。
　スロットルバルブ７０６は、吸気ポート６０７から気筒１０８内（燃焼室１０７）へ流入する空気量を調整する。スロットルバルブ７０６の開度は、図示しないアクセルの開度等に基づいて、ＥＣＵ１０４により制御される。
　吸気ポート６０７には、吸気バルブ６０５が設けられている。吸気バルブ６０５（及び排気バルブ６１０）の基準位置に対するリフト量は、ＥＣＵ１０４により制御される。所定のタイミングで吸気バルブ６０５が開弁することにより、エンジンの燃焼室１０７内に空気が流入する。
　エンジンの燃焼室１０７では、流入した空気と、燃料噴射装置１０１から噴射された燃料とが混合されて混合気となり、点火プラグ６０４による着火により、混合気が燃焼される。この混合気の燃焼により発生する力が、ピストン６０９及びコンロッド（コネクティングロッド）７１１を介して、図示しないクランクシャフトに伝達される。
　エンジンには、エンジンの熱を冷却し適温に保つための冷却装置が設けられている。例えば、水冷式の冷却装置は、冷却水がエンジンの気筒１０８の周囲に設けられたウォータージャケット（符号省略）を通過することでエンジンに発生した熱を奪い、適温を維持する。エンジンの冷却水の温度（以下、エンジン水温と称す）は、ウォータージャケットに設けられたサーモスタット７１２により調整される。エンジン水温は、環境温度の一例である。サーモスタット７１２の上部には、温度センサ用のカプラーが取り付けられている。温度センサ（図示略）は、カプラーを介してサーモスタット７１２の抵抗値の変化を検知し、検知結果（出力信号）をＥＣＵ１０４へ出力する。冷却水は、ウォータージャケット、サーモスタット７１２、及びラジエータホース７１３を経由して不図示のラジエータに導かれ放熱される。
　燃焼室１０７において混合気が燃焼して発生した排気ガスは、膨張行程で排気バルブ６１０が開弁された際に、排気ポート６０８を通過して、過給機７０２のタービン７０２Ｂを回転させる。タービン７０２Ｂを回転させた排気ガスは、排気管７２２に設けられた触媒７０３を通過して、ＨＣ（炭化水素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）、ＣＯ（一酸化炭素）が低減されて外部に排出される。多気筒エンジンにおいては、各気筒１０８の排気ポート６０８が結合されており、各気筒１０８から排出された排気ガスは集合した後に触媒７０３に流れ込む。
　触媒７０３は、例えば、パラジウム、ロジウム、及びプラチナなどにより作製された触媒を有する３元触媒である。触媒７０３は、排ガス中に含まれるＨＣ、ＮＯｘ、ＣＯを、触媒により還元反応及び酸化反応を生じさせることにより除去する。この触媒７０３は、温度が低い場合では、還元能力が低いため、例えば、エンジン始動時などの低温の条件においては、触媒７０３の温度を早期に暖めるための燃焼（触媒暖機）が必要とされている。
　また、図５に示したエンジン構成では、排気ポート６０８の下流かつ触媒７０３の上流に、空燃比センサ７１０が設置されている。また、吸気管７２１のインタークーラー７０５とスロットルバルブ７０６との間には、空気流量センサ７０８と、吸気管７２１内の圧力を検出する吸気管圧力センサ７０９とが設けられている。
　なお、図４及び図５では、ピストン６０９が気筒１０８内で往復運動するレシプロエンジンを用いて説明したが、ピストンの代わりにローターが回転運動するロータリーエンジンであってもよい。
　背景技術の欄でも述べたように、近年の排ガス規制の強化に対応するため、ＰＮ排出量の低減が必要となっている。ＰＮの発生要因である燃焼室内壁面への噴射燃料の付着を低減するために、１サイクル中に１回の燃料噴射を行うのではなく、複数回に分けて燃料を噴射する多段噴射が採用される傾向にある。多段噴射により１回の噴射量が少なくなるため、噴霧のペネトレーション（噴射時間）が短くなり、対向壁への付着が抑制される効果がある。しかしながら、多段噴射を多用することにより、前述のような燃料噴射装置の動作に個体間の微妙な相違が生じて、気筒間空燃比ばらつきが発生する。
　図６に示すように、通常、空燃比の測定には排気管７２２に取り付けられた空燃比センサ７１０が用いられる。この場合、各気筒から排出される排気ガスが排気管７２２内で混合され、また、空燃比センサ７１０に排気ガスが到達するまでに時間がかかり遅れを伴う。図６では、排気管７２２に流入する排気ガスの空燃比ｕ（ｔ）に対して空燃比センサ７１０の検出値ｙｓ（ｔ－１）に時間的な遅れが生じている例を示している。例えば、排気集合部における空燃比の挙動を、特許文献１に記載の数式（１）のような二次遅れ系で近似した場合、空燃比の伝達遅れが過渡条件で変化する。このため、空燃比を精度良く推定するためには、数式（１）の係数ｋ１～ｋ４を適合によって決定する必要があるが、空燃比伝達遅れモデルのモデル定数を求めるための適合工数が大規模化する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　このような課題に対して、本発明では、多段噴射により生じる気筒間空燃比ばらつきを抑制する補正制御を提案する。ここで、図７に、１番気筒、３番気筒、４番気筒及び２番気筒の順で燃焼サイクルを回す場合に、ある時点（ここでは、４番気筒の排気ガスが空燃比センサ７１０の下流側へ完全に流れた状態）での排気管７２２内の推定すべき空燃比を表している。推定すべき空燃比は、１番気筒、２番気筒、及び３番気筒から集合した排気ガスに含まれる空気の質量と、同排気ガスに含まれる燃料の質量との比である。図中、気筒毎に空気を斜線、燃料をドットで表している。図７に示すような燃料と空気のそれぞれの質量収支演算と各気筒の燃料質量割合演算とによって、混合と遅れを模擬することで、気筒毎の空燃比ばらつきを高精度に推定できる。
以下、本発明の一実施形態に係る多段噴射のエンジンにおける気筒間空燃比ばらつきを抑制するための気筒別空燃比制御について詳細に説明する。
［気筒別空燃比制御］
　図８は、本発明の一実施形態に係るＥＣＵ１０４において気筒別空燃比制御を実現するための機能を示したブロック図である。ＥＣＵ１０４のＣＰＵ１２０（図１及び図２）がメモリ１２１に記録された制御プログラムを読み出して実行することにより、図８に示す各ブロックの機能が実現される。
　ＥＣＵ１０４は、気筒流入空気量演算部８０１、気筒燃料噴射量演算部８０２、気筒別空気質量収支演算部８０３、気筒別燃料質量収支演算部８０４、排気管空燃比推定部８０５、及び、気筒別燃料質量割合演算部８０６を備える。また、ＥＣＵ１０４は、カルマンフィルタ８０７、気筒別空燃比推定部８０８、及び、気筒別燃料噴射量補正部８０９を備える。本実施形態は、特に、気筒別空気質量収支演算部８０３、気筒別燃料質量収支演算部８０４、排気管空燃比推定部８０５、気筒別燃料質量割合演算部８０６、カルマンフィルタ８０７、及び、気筒別空燃比推定部８０８を備えることに特徴がある。
　気筒流入空気量演算部８０１では、空気流量センサ７０８の検出値（流入空気量）、吸気管圧力センサ７０９の検出値（吸気管圧力）等の吸気管内状態（不図示のインテークマニホールド内状態）から気筒流入空気量演算を行い、気筒燃料噴射量演算部８０２と気筒別空気質量収支演算部８０３へ演算結果を出力する。なお、エンジンがＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）システムを備える場合には、気筒流入空気量演算にＥＧＲ率を反映する。
　気筒燃料噴射量演算部８０２では、気筒流入空気量演算部８０１による気筒流入空気量の演算結果と各気筒１０８の目標空燃比とを用いて、気筒１０８毎の燃料噴射量を演算する。
　気筒別空気質量収支演算部８０３は、気筒１０８毎の空気流量と燃料流量を「入口流量」とし、排出される混合ガス流量を「出口流量」とした場合に、入口流量と出口流量を用いて空気の質量収支を演算する。例えば、気筒別空気質量収支演算部８０３は、気筒流入空気量演算部８０１の気筒流入空気量の演算結果に基づいて、排気管７２２での排気ガスの混合、遅れを考慮して、気筒１０８毎の排気管７２２内の空気質量収支演算を行う。排気ガスの混合、遅れは、予め作成したモデルを用いてシミュレーション等を行い、運転条件を設定して気筒１０８毎に入口流量と出口流量に対して空気質量及び燃料質量を計算することで考慮することができる。
　気筒別燃料質量収支演算部８０４は、上述した入口流量と出口流量を用いて燃料の質量収支を演算する。例えば、気筒別燃料質量収支演算部８０４は、気筒燃料噴射量演算部８０２の気筒燃料噴射量の演算結果に基づいて、排気管７２２での排気ガスの混合、遅れを考慮して、気筒１０８毎の排気管７２２内の燃料質量収支演算を行う。上述したように、排気ガスの混合、遅れは、予め作成したモデルを用いてシミュレーション等を行い、運転条件を設定して気筒１０８毎に入口流量と出口流量に対して空気質量及び燃料質量を計算することで考慮することができる。例えば、気筒１０８別の燃料質量収支演算には、次の数式２を用いることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　左辺のｍｅｘ，ｆｉドットは、ｉ番目の気筒１０８の燃料質量収支であり、本実施形態においてドットは質量流量［ｋｇ／ｓ］を表す。右辺のｍｆｉドットは、ｉ番目の気筒１０８に流入した燃料の質量流量［ｋｇ／ｓ］である。また、ｒｎ×ｍｃａｔドットは、ｉ番目の気筒１０８から排気管７２２（触媒７０３）に排出された排気ガスの質量流量［ｋｇ／ｓ］である。ここで、ｒｉは、後述する数式５に示す気筒別燃料質量割合である。ｍｃａｔドットは、排気管７２２（触媒７０３）に排出された排気ガスの質量流量［ｋｇ／ｓ］である。なお、上述した気筒１０８別の空気質量収支演算には、数式２の燃料を空気に置き換えて適用することができる。
　排気管７２２における全質量収支演算は、次の数式３を用いることができる。ｍｅｘドットは、全気筒（すなわち排気管７２２）の排気ガスの質量流量である。ｍａｉドットは、ｉ番目の気筒１０８に流入した空気の質量流量である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　排気管空燃比推定部８０５は、排気管７２２の空気質量収支と燃料質量収支とに基づいて、排気管空燃比を推定する。例えば、排気管空燃比推定部８０５は、気筒別空気質量収支演算部８０３の気筒別空気質量収支の演算結果と、気筒別燃料質量収支演算部８０４の気筒別燃料質量収支の演算結果と、次の数式４とを用いて、排気管７２２内の空燃比φｅｘを演算する。ｍｅｘ，ｆｉは、ｉ番目の気筒１０８に噴射された燃料質量である。排気管空燃比の推定結果は、気筒別空燃比推定部８０８と、カルマンフィルタ８０７とに出力される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　気筒別燃料質量割合演算部８０６は、排気管７２２の空気質量収支と燃料質量収支とに基づいて、気筒別燃料質量割合を演算する。例えば、気筒別燃料質量割合演算部８０６は、気筒別空気質量収支演算部８０３の気筒別空気質量収支の演算結果と、気筒別燃料質量収支演算部８０４の気筒別燃料質量収支の演算結果と、次の数式５とを用いて、排気管７２２の燃料質量に対する各気筒１０８の燃料質量割合ｒｉを推定する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　本実施形態では、気筒別燃料質量割合演算部８０６による気筒別燃料質量割合の演算結果は、気筒別燃料質量収支演算部８０４にフィードバックされる。これにより、気筒別燃料質量割合演算部８０６で算出された最新の気筒別燃料質量割合が、気筒別燃料質量収支演算部８０４における気筒毎の燃料質量収支演算に反映される。
　カルマンフィルタ８０７には、入力変数として排気管空燃比推定部８０５で求められた排気管空燃比推定結果が入力され、出力変数として空燃比センサ７１０の実測値が入力される。また、カルマンフィルタ８０７には、矢印を記載していないが、モデル定数として排気管容積が入力される。排気管容積は、遅れに関係するパラメータである。そして、カルマンフィルタ８０７は、これらの変数に基づいて、状態変数として排気管内の空気質量と排気管内の燃料質量とを出力し、気筒別燃料質量割合演算部８０６に送る。これにより、気筒別燃料質量割合演算部８０６は、カルマンフィルタ８０７の出力に基づいて、気筒別燃料質量割合の演算結果を補正し、モデル精度の改善を図る。
　気筒別空燃比推定部８０８は、任意の気筒タイミングにおける推定された排気管７２２内の空燃比の排気開弁時期から排気閉弁時期までの変化量と、排気閉弁時期における当該気筒１０８における気筒別燃料質量割合推定部８０６で推定した気筒別燃料質量割合とを用いて、当該気筒１０８の空燃比を推定する。例えば、気筒別空燃比推定部８０８は、ある気筒タイミングにおいて、排気管空燃比推定部８０５で推定した排気管空燃比φｅｘと、気筒別燃料質量割合演算部８０６で演算した気筒別燃料質量割合ｒｉとを用いて、ＥＶＯ（排気弁開）及びＥＶＣ（排気弁閉）のタイミングにおける排気管空燃比φｅｖｏ，ｉ及びφｅｖｃ，ｉと当該気筒１０８の燃料質量割合とから、気筒１０８毎に空燃比φｃｙｌ，ｉを推定する。気筒別空燃比の推定には、次の数式６を用いることができる。数式６では、排気管空燃比として、複数の燃焼サイクルにおける平均の排気管空燃比φｅｘ，ａｖｅを用いている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　気筒別燃料噴射量補正部８０９は、気筒別空燃比推定部８０８の出力を用いて気筒１０８ごとの燃料噴射量を補正する。例えば、気筒別燃料噴射量補正部８０９は、気筒別空燃比推定部８０８の気筒１０８毎の空燃比推定値と目標空燃比との差分に基づいて、気筒１０８毎に燃料噴射量を補正する、すなわち燃料噴射装置１０１の噴射パルス幅を決定する。これにより、ＥＣＵ１０４は、気筒１０８毎に燃料噴射量を補正し、各燃焼室１０７内における燃焼を制御することができる。気筒別燃料噴射量の補正量は、次の数式７で定義することができる。また、気筒別燃料噴射補正結果は、気筒燃料噴射量演算部８０２にフィードバックされる。そして、気筒燃料噴射量演算部８０２で気筒燃料噴射量が補正されることで、気筒間の空燃比ばらつき分が補正される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
［制御モデル］
　次に、気筒別空燃比制御を実現する制御モデルを構築するにあたり、用いられる機能について説明する。
　図９は、制御モデルを構築するにあたり、用いられる機能をブロック線図で表した概念図である。推定器９１０は、入力変数と、内部の状態変数及びモデル定数と、このモデル定数で規定される静特性及び動特性に基づき、出力変数を求める。これにより、入力に対する出力挙動や内部状態の挙動を推定することができる。
　推定器９１０が制御対象を順問題として記述しているのに対して、制御モデルでは逆問題を解く必要がある。すなわち、出力変数を目標値として入力し、それを実現するための入力変数（制御量）を出力するのが制御器である。この制御器を導出するにあたり、以下の機能ブロックを定義する。
　ここでは、推定器９１０の入出力関係を変更し、観測器９２０を構築する。入力変数、出力変数、及びモデル定数をブロック入力に設定し、状態変数を出力させることで観測器９２０を構築できる。観測器９２０を実現する手法の一つに、本実施形態で採用するカルマンフィルタが挙げられる。
　本実施形態では、入力変数として、例えば、気筒流入空気量、気筒燃料噴射量、排気管排出ガス量を設定する。また、状態変数として、例えば、排気管内空気量、排気管内燃料量を設定する。また、出力変数として、例えば、排気管内空燃比を設定する。排気管内空燃比には、空燃比センサ７１０の検出値を設定する。さらにまた、モデル定数として、例えば、排気管容積を設定する。
［吸気管内状態の状態空間モデル］
　次に、吸気管内状態を状態空間モデルで記述する方法を説明する
　図１０は、吸気管内状態の状態空間モデルを表す数式を記載した図である。状態変数の時間微分をオイラーの一次の前進差分に従って離散式を数式（８）のように定義する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　ここで、ｘの右上に付された添え字ｋは、時間軸で離散化した際の現在値を表す。ここでは、一次精度の前進差分を用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。数式（８）に従い離散化して、次の数式（９），（１０）の状態空間モデルで記述する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　ここで、数式（９），（１０）において、アルファベットで示されたＡ、Ｂ及びＣはそれぞれ行列である。ｘｋは状態ベクトル、ｕｋは入力ベクトル、ｙｋは出力ベクトルであり、それぞれ次の数式（１１），（１２），（１３）で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
　排気管空燃比推定部８０５（図８）では、状態方程式を状態空間モデルで整理し、数式（１１）～（１３）で定義されたベクトルを、カルマンフィルタ８０７において実行される処理に受け渡す。
［カルマンフィルタの内部構成及びカルマンフィルタアルゴリズム］
　次に、カルマンフィルタ８０７の内部構成及びカルマンフィルタアルゴリズムについて、図１１及び図１２を参照して説明する。
　図１１は、カルマンフィルタ８０７の内部構成例を示すブロック図である。図１２は、カルマンフィルタ８０７で実行されるカルマンフィルタアルゴリズムの例を示すフローチャートである。
　本実施形態のシステムでは、線形カルマンフィルタアルゴリズムを採用しているが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、非線形カルマンフィルタとして知られる拡張カルマンフィルタや、アンサンブルカルマンフィルタなどを適用しても同様の効果を奏する。以下、気筒別空燃比補正制御の構成要素の一つであるカルマンフィルタ８０７について、アルゴリズム及び本制御への適用方法を述べる。
　カルマンフィルタ８０７は、制御対象である吸気管内状態を状態方程式で記述し、状態方程式の出力変数にセンサ測定情報を規定する。そして、出力変数に規定されたセンサ測定情報に基づき、直接測定できない吸気管内状態を表す状態変数（以下「内部状態変数」と称する）が推定される。
　図１２に示すように、カルマンフィルタ８０７を実行するに際し、ＥＣＵ１０４のＣＰＵ１２０は、始めにカルマンフィルタ８０７の実行可否を判断する（Ｓ１２０１）。実行可否の判断指標として、センサ状態や前提とする状態方程式の予測範囲が考慮される。例えば、センサ状態として、センサの故障や断線によりセンサ出力が得られないこと、あるいは、センサが劣化してセンサ出力に許容できない誤差が発生していることなどが診断によって判断された場合には、正確なフィルタ処理ができないためカルマンフィルタ８０７を実行しない。状態方程式で対象としている状態量は、ここでは吸気管内圧力と吸気管ＥＧＲ率である。状態方程式の変数のいずれかが予測範囲（状態方程式で取りうる理論的／物理的範囲）を超える場合、すなわち状態方程式がカバーできない領域では、正確なフィルタ処理ができないためカルマンフィルタ８０７を実行しない。
　ＣＰＵ１２０は、これらの状況を検知した場合には、カルマンフィルタ８０７を実行不可（Ｓ１２０１のＮＯ）と判断して本処理を終了し、カルマンフィルタ８０７を実行可（Ｓ１２０１のＹＥＳ）と判断したときはステップＳ１２０２に移行する。なお、ＣＰＵ１２０は、カルマンフィルタ８０７を実行不可と判断したとき、エンジンシステムに対するフェールセーフ処理フラグを設定するようにしてもよい。
　以下に、ステップＳ１２０２～Ｓ１２０６で実行される演算式を具体的に示す。カルマンフィルタ８０７では、次の数式（１４），（１５）で定義したシステムノイズＱ、及び観測ノイズＲを含む状態方程式を前提とする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
　ここで、“ｋ”は離散時間の現在値を意味する。カルマンフィルタ８０７の処理は、予測ステップとフィルタリングステップに分けられる。予測ステップでは、入力変数とシステムノイズＱに基づき、次の数式（１６），（１７）により内部状態変数ベクトルｘ及び共分散行列Ｐを計算（更新）する（Ｓ１２０２、Ｓ１２０３）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
　次に、フィルタリングステップでは、カルマンフィルタ８０７は、更新後の共分散行列Ｐと観測ノイズＲで規定されるカルマンゲインＫを、次の数式（１８）により計算する（Ｓ１２０４）。なお、カルマンフィルタ８０７が、ステップＳ１２０３で共分散行列Ｐを計算する構成としてもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000018
　さらに、カルマンフィルタ８０７は、カルマンゲインＫと観測データ（空燃比センサ７１０の検出値）を用いて、次の数式（１９），（２０）により内部状態変数ベクトルｘ及び共分散行列Ｐを再度更新する（Ｓ１２０５、Ｓ１２０６）。数式（２０）のアルファベット“Ｉ”は単位行列である。ステップＳ１２０５，Ｓ１２０６の処理が終了後、処理の手順がステップＳ１２０１に戻る。このように、内部状態変数ベクトルｘ及び共分散行列Ｐが、実際の観測データｙ（ｋ）（空燃比センサ７１０の検出値）によって補正される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000019
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000020
　以上の計算より、直接測定することが困難な内部状態変数ｘ（ｋ｜ｋ）の気筒別排気燃料質量と全気筒排気質量の挙動を、測定可能な空燃比センサ７１０の出力情報に基づいて推定することができる。本実施形態では、カルマンフィルタ８０７から出力される内部状態変数の情報を、内部状態フィードバック制御すなわちモデル精度改善に用いる。
［測定結果］
　次に、本実施形態による各種測定結果又はシミュレーション結果について図１３～図１６を参照して説明する。
　まず、燃料噴射量の気筒間ばらつきによる排気管内当量比（理論空燃比／空燃比）の変化の例について図１３を参照して説明する。
　図１３は、気筒毎の燃料噴射量にばらつきがある場合の当量比の変化の例を示すグラフである。図１３において横軸は時間、縦軸は排気管内当量比を表わす。図１３左側の「ばらつき１」では、各気筒の燃料噴射量の指令値（目標値）に対して１番気筒が“－１０％”、２番気筒が“０％”、３番気筒が“＋１０％”、４番気筒が“０％”の噴射量ばらつきを持った場合であり、グラフに示すような当量比の変化を示す。ここで、各気筒の噴射量ばらつきは、各気筒の燃料噴射量の指令値（目標値）と各気筒で噴射した燃料との差分（変動率）とする。図１３右側の「ばらつき２」では、１番気筒が“－１０％”、２番気筒が“０％”、３番気筒が“０％”、４番気筒が“＋１０％”の噴射量ばらつきを持った場合であり、同じく当量比はグラフに示すような変化が生じる。
　なお、それぞれのグラフには気筒順序１－３－４－２の順にＥＶＯ、ＥＶＣのタイミングを図示しており、それぞれのタイミングでの変化量を見ることができる。ここで、「ばらつき１」の３番気筒と「ばらつき２」の４番気筒は同じく“＋１０％”のばらつきを持っているが、それぞれのＥＶＣで見たピーク値には差異が生じる。
　次に、気筒別燃料質量割合の推移の例について図１４を参照して説明する。
　図１４は、気筒別燃料質量割合の推移の例を示すグラフであり、図１３の「ばらつき１」と「ばらつき２」についての気筒別燃料質量割合の推移の例を示している。図１４において横軸は時間、縦軸は気筒別燃料質量割合を表わす。
　図１４において、実線は１番気筒の燃料質量割合、２点鎖線は２番気筒の燃料質量割合、破線は３番気筒の燃料質量割合、１点鎖線は４番気筒の燃料質量割合を表している。気筒毎の燃料噴射量のばらつきにより、気筒別燃料質量割合の波形に違いが生じている。
［排気管内当量比挙動と気筒別当量比の推定結果］
　次に、燃料噴射量の気筒間ばらつきによる排気管内当量比挙動の推定結果の例と、気筒別当量比の推定結果の例について図１５を参照して説明する。
　図１５は、本発明の一実施形態における燃料噴射量の気筒間ばらつきによる排気管内当量比挙動の推定結果の例と、気筒別当量比の推定結果の例を示すグラフである。図１５では、図１３及び図１４の「ばらつき１」と「ばらつき２」についての各種当量比の推定結果を示しており、横軸は時間、縦軸は排気管内当量比と気筒別当量比を表す。排気管内当量比の推定結果は、排気管空燃比推定部８０５で演算された排気管空燃比の推定値と理論空燃比とにより得られる。また、気筒別当量比の推定結果は、気筒別空燃比推定部８０８で演算された気筒別空燃比の推定値と理論空燃比とにより得られる。
　図１５において、排気管内当量比挙動の推定結果はそれぞれ折れ線で示すような変化として得られ、気筒別当量比の推定結果はそれぞれ棒グラフで示すような値になる。
［気筒別空燃比の補正結果］
　次に、気筒別空燃比制御による補正結果の例について図１６を参照して説明する。
　図１６は、本発明の一実施形態における気筒別空燃比の補正結果の例を示すグラフである。図１６では、図１３及び図１４の「ばらつき１」と「ばらつき２」についての気筒別空燃比の補正結果を示しており、横軸は時間、縦軸は排気管内当量比を表す。気筒別空燃比制御による補正結果は、気筒別燃料噴射量補正部８０９において気筒ごとに燃料噴射量の補正を実施した結果、気筒別空燃比推定部８０８で得られる気筒別空燃比の推定値に相当する。
　図１６では、補正前及び補正後の排気管内当量比をそれぞれ、破線及び実線で示している。「ばらつき１」、「ばらつき２」ともに補正前に生じていた排気管内の空燃比の変動幅が、補正後には抑制されている。例えば、「ばらつき１」では、空燃比変動幅が５．５％から１％に低減している。また、「ばらつき２」では、空燃比変動幅が５．７％から２％に低減している。
　以上のとおり、本実施形態に係る内燃機関制御装置（例えば、ＥＣＵ１０４又は制御装置１５０）は、各気筒１０８からの排気ガスが集合する排気管７２２を有する多気筒内燃機関（例えば、多気筒の筒内直接噴射式エンジン）の、複数の気筒１０８に流入する空気流量に基づき燃料噴射量を制御する内燃機関制御装置である。この内燃機関制御装置は、気筒１０８毎の入口と出口における燃料と空気のそれぞれの質量収支演算（気筒別空気質量収支演算、気筒別燃料質量収支演算）を行い、各質量収支演算の結果から排気管７２２の空燃比を推定するとともに気筒別燃料質量割合を推定し、排気管７２２の空燃比と気筒別燃料質量割合とから、各気筒１０８の空燃比を求める制御部（例えば、ＣＰＵ１２０）を備える。
　本実施形態に係る内燃機関制御装置によれば、気筒毎の燃料と空気の収支演算と質量割合演算とを実施することによって、複数の気筒からの排気ガスの混合と遅れを模擬することができる。それにより、本実施形態では、気筒毎の空燃比を高精度に推定でき、その結果、多段噴射による空燃比（燃料噴射量）の気筒間ばらつきを抑制することができる。それゆえ、ＰＮを低減し、近年の排ガス規制に対応することが可能になる。また、本実施形態では、大きな適合工数を必要とすることなく、気筒毎の空燃比を高精度に推定できる。
　また、本実施形態に係る内燃機関制御装置（例えば、ＥＣＵ１０４又は制御装置１５０）では、制御部（ＣＰＵ１２０）は、気筒別空燃比推定部（気筒別空燃比推定部８０８）の出力を用いて当該気筒の燃料噴射量を補正する燃料噴射量補正部（気筒別燃料噴射量補正部８０９）を備える。このように、本実施形態では、推定した高精度の気筒別空燃比を用いることで、各気筒の燃料噴射量補正（燃料噴射量制御）の精度が向上する。
　また、本実施形態に係る内燃機関制御装置（例えば、ＥＣＵ１０４又は制御装置１５０）では、制御部（ＣＰＵ１２０）は、排気管空燃比推定部（気筒別空燃比推定部８０８）の出力と、排気管に設けられた空燃比センサ（空燃比センサ７１０）の検出値とに基づいて、各気筒の燃料質量割合の推定値を補正するように構成されている。例えば、制御部は、排気管空燃比推定部で推定した排気管空燃比と、空燃比センサの検出値とを入力とするカルマンフィルタ（カルマンフィルタ８０７）から出力される状態変数を用いて、各気筒の燃料質量割合の推定値を補正する。
　本実施形態に係る内燃機関制御装置によれば、カルマンフィルタを用いることで、センサ誤差やシステム誤差の影響を考慮しつつ、空燃比センサの実測結果に基づくモデル推定結果（例えば、各気筒の燃料質量割合）の補正が可能である。そして、本実施形態では、空燃比センサの実測結果によりモデル推定結果を補正することにより、ロバスト性を向上させることができる。
＜変形例＞
　なお、上述した本実施形態に係るＥＣＵ１０４による補正制御又は診断制御として、次のような形態が考えられる。
　ＥＣＵ１０４の制御部（ＣＰＵ１２０）において、各気筒の燃料質量割合の推定値の補正を燃料圧力毎に学習する構成とする。これにより、ＥＣＵ１０４は、燃料圧力に伴う気筒毎の噴射量ばらつきを適切に考慮して、気筒毎の空燃比を推定することができる。
　また、ＥＣＵ１０４の制御部（ＣＰＵ１２０）において、各気筒の燃料質量割合の推定値の補正を、多段噴射の各段に均等に反映する構成とする。これにより、ＥＣＵ１０４は、気筒間の噴射量ばらつき補正のための噴射期間補正量を小さくすることができる。
　また、ＥＣＵ１０４の制御部（ＣＰＵ１２０）において、各気筒の燃料質量割合の推定値の補正を、多段噴射のうち燃料噴射量の割合が最も大きい段に加える構成とする。これにより、ＥＣＵ１０４は、多段噴射のうち燃料噴射量の割合が最も小さい段に補正を行うことで生じる噴射期間の過少化を防止できる。
　また、ＥＣＵ１０４の制御部（ＣＰＵ１２０）において、各気筒の燃料質量割合の推定値の補正を実施する際に、補正により多段噴射による全燃料噴射量が所定値以下になる場合には、多段噴射の噴射回数を減らす構成とする。これにより、ＥＣＵ１０４は、噴射量ばらつき補正時に噴射期間の過少化を防止できる。
　また、ＥＣＵ１０４の制御部（ＣＰＵ１２０）において、各気筒の燃料質量割合の推定値の補正量が所定値以上となる場合に異常と診断し、フェールセーフ制御へ切り替える、又は燃料噴射装置の交換をインパネ（instrument panel）や外部端末等に警告する。これにより、ＥＣＵ１０４は、燃料噴射システムに異常が発生した場合に、適切に異常診断及びフェールセーフ制御を実施することができる。
　さらに、本発明は上述した一実施形態に限られるものではなく、請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、その他種々の応用例、変形例を取り得ることは勿論である。例えば、上述した一実施形態は本発明を分かりやすく説明するために内燃機関システムの構成を詳細かつ具体的に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成要素を備えるものに限定されない。また、一実施形態の構成の一部について、他の構成要素の追加又は置換、削除をすることも可能である。
　上述した一実施形態では、本発明を過給機を備えたエンジンシステムに適用した例を説明したが、本発明はこの例に限らない。例えば、過給機を備えないエンジンシステムの制御モデルを作成すれば、本発明を過給機のないエンジンシステムに適用することが可能である。また、例えば、ＥＧＲシステムを備えたエンジンシステムの制御モデルを作成すれば、本発明をＥＧＲシステムを備えたエンジンシステムに適用することが可能である。
　また、上記の各構成、機能、処理部等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計するなどによりハードウェアで実現してもよい。ハードウェアとして、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などの広義のプロセッサデバイスを用いてもよい。
　また、図１２に示すフローチャートにおいて、処理結果に影響を及ぼさない範囲で、複数の処理を並列的に実行したり、処理順序を変更したりしてもよい。
　また、上述した一実施形態において、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成要素が相互に接続されていると考えてもよい。
　１…燃料噴射システム、　１０１…燃料噴射装置、　１０８…気筒、　１０４…ＥＣＵ、　１５０…制御装置、　１２０…ＣＰＵ、　１２１…メモリ、　７１０…空燃比センサ、　７２１…吸気管、　７２２…排気管、　８０１…気筒流入空気量演算部、　８０２…気筒燃料噴射量演算部、　８０３…気筒別空気質量収支演算部、　８０４…気筒別燃料質量収支演算部、　８０５…排気管空燃比推定部、　８０６…気筒別燃料質量割合演算部、　８０７…カルマンフィルタ、　８０８…気筒別空燃比推定部、　８０９…気筒別燃料噴射量補正部

Claims (10)

  1. 　各気筒からの排気ガスが集合する排気管を有する多気筒内燃機関の、複数の気筒に流入する空気流量に基づき燃料噴射量を制御する内燃機関制御装置であって、
    　気筒毎の入口と出口における燃料と空気のそれぞれの質量収支演算を行い、各質量収支演算の結果から前記排気管の空燃比を推定するとともに気筒別燃料質量割合を推定し、前記排気管の前記空燃比と前記気筒別燃料質量割合とから、各気筒の空燃比を求める制御部を備える
    　内燃機関制御装置。
  2. 　前記制御部は、
    　気筒毎の空気流量と燃料流量を入口流量とし、排出される混合ガス流量を出口流量とした場合に、前記入口流量と前記出口流量を用いて空気の質量収支を演算する空気質量収支演算部と、
    　前記入口流量と前記出口流量を用いて燃料の質量収支を演算する燃料質量収支演算部と、
    　前記空気質量収支と前記燃料質量収支に基づいて、排気管内の空燃比を推定する排気管空燃比推定部と、
    　前記空気質量収支と前記燃料質量収支に基づいて、排気管の燃料質量に対する各気筒の燃料質量割合を推定する燃料質量割合推定部と、
    　任意の気筒タイミングにおける推定された排気管内の空燃比の排気開弁時期から排気閉弁時期までの変化量と、前記排気閉弁時期における当該気筒における前記燃料質量割合推定部で推定した燃料質量割合とを用いて、当該気筒の空燃比を推定する気筒別空燃比推定部と、を備える
    　請求項１に記載の内燃機関制御装置。
  3. 　前記制御部は、前記気筒別空燃比推定部の出力を用いて当該気筒の燃料噴射量を補正する燃料噴射量補正部を備える
    　請求項２に記載の内燃機関制御装置。
  4. 　前記制御部は、前記排気管空燃比推定部の出力と、前記排気管に設けられた空燃比センサの検出値とに基づいて、各気筒の前記燃料質量割合の推定値を補正する
    　請求項３に記載の内燃機関制御装置。
  5. 　前記制御部は、前記排気管空燃比推定部で推定した排気管空燃比と、前記空燃比センサの検出値とを入力とするカルマンフィルタから出力される状態変数を用いて、各気筒の前記燃料質量割合の推定値を補正する
    　請求項４に記載の内燃機関制御装置。
  6. 　前記制御部は、各気筒の前記燃料質量割合の推定値の補正を燃料圧力毎に学習する
    　請求項４に記載の内燃機関制御装置。
  7. 　前記制御部は、各気筒の前記燃料質量割合の推定値の補正を、多段噴射の各段に均等に反映する
    　請求項４に記載の内燃機関制御装置。
  8. 　前記制御部は、各気筒の前記燃料質量割合の推定値の補正を、多段噴射のうち燃料噴射量の割合が最も大きい段に加える
    　請求項４に記載の内燃機関制御装置。
  9. 　前記制御部は、各気筒の前記燃料質量割合の推定値の補正を実施する際に、補正により多段噴射による全燃料噴射量が所定値以下になる場合には、多段噴射の噴射回数を減らす
    　請求項４に記載の内燃機関制御装置。
  10. 　前記制御部は、各気筒の前記燃料質量割合の推定値の補正量が所定値以上となる場合に異常と診断し、フェールセーフ制御へ切り替える、又は燃料噴射装置の交換を警告する
    　請求項４に記載の内燃機関制御装置。
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