JP5907111B2 - 気筒間空燃比ばらつき異常検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、多気筒内燃機関の気筒間空燃比ばらつき異常検出装置に係り、特に、一部の気筒の異常に起因して当該一部の気筒の空燃比が残部の気筒の空燃比に対し比較的大きくずれる異常（インバランス異常）を検出するための装置に関する。

一般に、触媒を利用した排気浄化システムを備える内燃機関では、排気中有害成分の触媒による浄化を高効率で行うため、内燃機関で燃焼される混合気の空気と燃料との混合割合、すなわち空燃比のコントロールが欠かせない。こうした空燃比の制御を行うため、内燃機関の排気通路に空燃比センサを設け、これによって検出された空燃比を所定の目標空燃比に一致させるようフィードバック制御を実施している。

一方、多気筒内燃機関においては、通常全気筒に対し同一の制御量を用いて空燃比制御を行うため、空燃比制御を実行したとしても実際の空燃比が気筒間でばらつくことがある。このときばらつきの程度が小さければ、空燃比フィードバック制御で吸収可能であり、また触媒でも排気中有害成分を浄化処理可能なので、排気エミッションにそれ程影響を与えず、特に問題とならない。

しかし、例えば一部の気筒の燃料噴射系が故障するなどして、気筒間の空燃比が大きくばらつくと、排気エミッションを悪化させてしまい、問題となる。このような排気エミッションを悪化させる程の大きな空燃比ばらつきは異常として検出するのが望ましい。特に自動車用内燃機関の場合、排気エミッションが悪化した車両の走行を未然に防止するため、気筒間空燃比ばらつき異常を車載状態（オンボード）で検出することが要請されている。

特開２００７−１１３５１５号公報

ところで、気筒間空燃比ばらつき異常を検出する場合、空燃比センサの出力変動度合いに相関するパラメータの値を算出し、この算出されたパラメータに基づいてばらつき異常を検出することが考えられる。

また、ばらつき異常の原因となっている異常気筒をも特定できるようにすることが、その後の迅速な修理等のため望ましい。特に、異常気筒は１気筒とは限らず、２気筒の場合もある。よって異常気筒が２気筒である場合にその２気筒を特定できるようにすることが望ましい。

そこで本発明は、上記事情に鑑みて創案され、その目的は、ばらつき異常の原因となっている異常気筒が２気筒である場合に、異常気筒の可能性がある２気筒の組み合わせを特定可能な気筒間空燃比ばらつき異常検出装置を提供することにある。

本発明の一の態様によれば、
少なくとも３つ以上の複数の気筒に共通の排気通路に設置された空燃比センサの出力変動度合いが大きくなるほど大きくなるパラメータの値を算出し、該算出されたパラメータの値に基づいて気筒間空燃比ばらつき異常を検出する気筒間空燃比ばらつき異常検出装置であって、該気筒間空燃比ばらつき異常検出装置は、異常気筒が２気筒である場合に異常気筒の可能性がある２気筒の組み合わせを特定するものであり、
（Ａ）前記複数の気筒のうちの２気筒に対する燃料噴射量を強制的に変更して前記パラメータの値を算出するステップと、
（Ｂ）前記２気筒を全ての２気筒の組み合わせのうちの他の組み合わせの２気筒に変更して前記ステップ（Ａ）を繰り返すステップと、
（Ｃ）前記ステップ（Ａ）および（Ｂ）で算出された複数の前記パラメータの値のうちの最小値に対応する２気筒の組み合わせを特定するステップと、
を実行するように構成され、
前記ステップ（Ｂ）において、全ての２気筒の組み合わせについて前記燃料噴射量の変更と前記パラメータの値の算出とが実行されるよう、前記ステップ（Ａ）を繰り返す、
ことを特徴とする気筒間空燃比ばらつき異常検出装置が提供される。

好ましくは、前記ステップ（Ａ）において、燃料噴射量の変更が燃料噴射量の増量である。

本発明によれば、ばらつき異常の原因となっている異常気筒が２気筒である場合に、異常気筒の可能性がある２気筒の組み合わせ特定することができるという、優れた効果が発揮される。

本発明の実施形態に係る内燃機関の概略図である。 触媒前センサおよび触媒後センサの出力特性を示すグラフである。 気筒間空燃比ばらつき度合いに応じた排気空燃比の変動を示すグラフである。 図３のＵ部に相当する拡大図である。 インバランス割合と出力変動パラメータの関係を示すグラフである。 異常気筒特定の方法および原理を説明するための図である。 各気筒の空燃比のばらつき状態を示す図であり、＃１，＃３気筒にリーンずれが発生している例を示す。 各気筒の空燃比のばらつき状態を示す図であり、＃１，＃４気筒にリーンずれが発生している例を示す。 各気筒の空燃比のばらつき状態を示す図であり、＃１，＃３気筒にリーンずれが発生している例を示す。 各気筒の空燃比のばらつき状態を示す図であり、＃１，＃４気筒にリーンずれが発生している例を示す。 ばらつき異常検出処理のフローチャートである。 強制アクティブ制御の実行パターンを示す表である。 異常気筒と異常種別を特定するためのテーブルを示す。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づき説明する。

図１は、本実施形態に係る内燃機関の概略図である。図示されるように、内燃機関（エンジン）１は、シリンダブロック２に形成された燃焼室３の内部で燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室３内でピストンを往復移動させることにより動力を発生する。内燃機関１は複数の気筒を備え、本実施形態では＃１から＃４までの四つの気筒を備える。また本実施形態の内燃機関１は自動車に搭載された多気筒内燃機関であり、より具体的には直列４気筒火花点火式内燃機関である。本発明に係る内燃機関の気筒数、形式等は特に限定されないが、気筒数は３以上である。

図示しないが、内燃機関１のシリンダヘッドには吸気ポートを開閉する吸気弁と、排気ポートを開閉する排気弁とが気筒毎に配設されており、各吸気弁および各排気弁はカムシャフトによって開閉させられる。シリンダヘッドの頂部には、燃焼室３内の混合気に点火するための点火プラグ７が気筒毎に取り付けられている。

各気筒の吸気ポートは気筒毎の枝管４を介して吸気集合室であるサージタンク８に接続されている。サージタンク８の上流側には吸気管１３が接続されており、吸気管１３の上流端にはエアクリーナ９が設けられている。そして吸気管１３には、上流側から順に、吸入空気量を検出するためのエアフローメータ５（吸入空気量検出装置）と、電子制御式のスロットルバルブ１０とが組み込まれている。吸気ポート、枝管４、サージタンク８及び吸気管１３により吸気通路が形成される。

吸気通路、特に吸気ポート内に燃料を噴射するインジェクタ（燃料噴射弁）１２が気筒毎に配設されている。インジェクタ１２から噴射された燃料は吸入空気と混合されて混合気をなし、この混合気が吸気弁の開弁時に燃焼室３に吸入され、ピストンで圧縮され、点火プラグ７で点火燃焼させられる。なおインジェクタは燃焼室３内に燃料を直接噴射するものであってもよい。

一方、各気筒の排気ポートは排気マニフォールド１４に接続される。排気マニフォールド１４は、その上流部をなす気筒毎の枝管１４ａと、その下流部をなす排気集合部１４ｂとからなる。排気集合部１４ｂの下流側には排気管６が接続されている。排気ポート、排気マニフォールド１４及び排気管６により排気通路が形成される。

また、排気マニフォールド１４の排気集合部１４ｂから下流側の排気通路は、複数の気筒である＃１〜＃４気筒に共通の排気通路を形成する。

排気管６の上流側と下流側にはそれぞれ三元触媒からなる触媒、すなわち上流触媒１１と下流触媒１９が直列に取り付けられている。これら触媒１１，１９は酸素吸蔵能（Ｏ_２ストレージ能）を有する。すなわち、触媒１１，１９は、排気ガスの空燃比がストイキ（理論空燃比、例えばＡ／Ｆ＝１４．６）より大きい（リーンな）ときに排気ガス中の過剰酸素を吸蔵し、ＮＯｘを還元する。また触媒１１，１９は、排気ガスの空燃比がストイキより小さい（リッチな）ときに吸蔵酸素を放出し、排気ガス中のＨＣ，ＣＯを酸化する。

上流触媒１１の上流側及び下流側にそれぞれ排気ガスの空燃比を検出するための第１及び第２の空燃比センサ、即ち触媒前センサ１７及び触媒後センサ１８が設置されている。これら触媒前センサ１７及び触媒後センサ１８は、上流触媒１１の直前及び直後の位置に設置され、排気中の酸素濃度に基づいて空燃比を検出する。このように上流触媒１１の上流側の排気合流部に単一の触媒前センサ１７が設置されている。本実施形態の場合、触媒前センサ１７が本発明にいう「空燃比センサ」に該当する。

上述の点火プラグ７、スロットルバルブ１０及びインジェクタ１２等は、制御装置としての電子制御ユニット（以下ＥＣＵと称す）２０に電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、何れも図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、および記憶装置等を含むものである。またＥＣＵ２０には、図示されるように、前述のエアフローメータ５、触媒前センサ１７、触媒後センサ１８のほか、内燃機関１のクランク角を検出するクランク角センサ１６、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ１５、その他の各種センサが図示されないＡ／Ｄ変換器等を介して電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、各種センサの検出値等に基づいて、所望の出力が得られるように、点火プラグ７、スロットルバルブ１０、インジェクタ１２等を制御し、点火時期、燃料噴射量、燃料噴射時期、スロットル開度等を制御する。

スロットルバルブ１０にはスロットル開度センサ（図示せず）が設けられ、スロットル開度センサからの信号がＥＣＵ２０に送られる。ＥＣＵ２０は、通常、アクセル開度に応じて定まる目標スロットル開度に、スロットルバルブ１０の開度（スロットル開度）をフィードバック制御する。

ＥＣＵ２０は、エアフローメータ５からの信号に基づき、単位時間当たりの吸入空気の量である吸入空気量すなわち吸気流量を検出する。そしてＥＣＵ２０は、検出したアクセル開度、スロットル開度および吸入空気量の少なくとも一つに基づき、エンジン１の負荷を検出する。

ＥＣＵ２０は、クランク角センサ１６からのクランクパルス信号に基づき、クランク角自体を検出すると共にエンジン１の回転数を検出する。ここで「回転数」とは単位時間当たりの回転数のことをいい、回転速度と同義である。本実施形態では１分間当たりの回転数ｒｐｍのことをいう。

触媒前センサ１７は所謂広域空燃比センサからなり、比較的広範囲に亘る空燃比を連続的に検出可能である。図２に触媒前センサ１７の出力特性を示す。図示するように、触媒前センサ１７は、排気空燃比に比例した大きさの電圧信号Ｖｆを出力する。排気空燃比がストイキであるときの出力電圧はＶｒｅｆｆ（例えば約３．３Ｖ）である。

他方、触媒後センサ１８は所謂Ｏ₂センサからなり、ストイキを境に出力値が急変する特性を持つ。図２に触媒後センサ１８の出力特性を示す。図示するように、排気空燃比がストイキであるときの出力電圧、すなわちストイキ相当値はＶｒｅｆｒ（例えば０．４５Ｖ）である。触媒後センサ１８の出力電圧は所定の範囲（例えば０〜１Ｖ）内で変化する。排気空燃比がストイキよりリーンのとき、触媒後センサの出力電圧はストイキ相当値Ｖｒｅｆｒより低くなり、排気空燃比がストイキよりリッチのとき、触媒後センサの出力電圧はストイキ相当値Ｖｒｅｆｒより高くなる。

上流触媒１１及び下流触媒１９は、それぞれに流入する排気ガスの空燃比Ａ／Ｆがストイキ近傍のときに排気中の有害成分であるＮＯｘ，ＨＣおよびＣＯを同時に浄化する。この三者を同時に高効率で浄化できる空燃比の幅（ウィンドウ）は比較的狭い。

そこで通常運転時、上流触媒１１に流入する排気ガスの空燃比がストイキ近傍に制御されるように、空燃比フィードバック制御がＥＣＵ２０により実行される。この空燃比フィードバック制御は、触媒前センサ１７によって検出された排気空燃比を所定の目標空燃比であるストイキに一致させるように燃料噴射量を制御する主空燃比制御（主空燃比フィードバック制御）と、触媒後センサ１８によって検出された排気空燃比をストイキに一致させるように燃料噴射量を制御する補助空燃比制御（補助空燃比フィードバック制御）とからなる。

このように目標空燃比をストイキとする空燃比フィードバック制御をストイキ制御という。ストイキは基準空燃比をなす。ストイキ制御においては、全気筒の燃料噴射量が同一量だけ一律に補正される。

さて、全気筒のうちの一部の気筒に燃料系もしくは空気系の異常が発生し、気筒間に空燃比のばらつき（インバランス：imbalance）が発生する場合がある。例えば＃１気筒のインジェクタ１２が故障し、＃１気筒が他の＃２、＃３及び＃４気筒よりも燃料噴射量が多くなり、その空燃比が大きくリッチ側にずれる場合等である。このときでも前述のストイキ制御により比較的大きな補正量を与えれば、触媒前センサ１７に供給されるトータルガスの空燃比、すなわち全気筒の平均空燃比をストイキに制御できる場合がある。しかし、気筒別に見ると、＃１気筒がストイキより大きくリッチ、＃２、＃３及び＃４気筒がストイキより若干リーンであり、全体のバランスとしてストイキとなっているに過ぎず、エミッション上好ましくないことは明らかである。そこで本実施形態では、かかる気筒間空燃比ばらつき異常を検出する装置が装備されている。

以下、本実施形態におけるばらつき異常検出の態様を説明する。

図３に示すように、気筒間空燃比ばらつきが発生すると、１エンジンサイクル（＝７２０°ＣＡ）内での排気空燃比の変動が大きくなる。（Ｂ）の空燃比線図ａ，ｂ，ｃはそれぞればらつき無し、１気筒のみ２０％のインバランス割合でリッチずれ、及び１気筒のみ５０％のインバランス割合でリッチずれの場合の、触媒前センサ１７による検出空燃比Ａ／Ｆを示す。見られるように、ばらつき度合いが大きくなるほど空燃比変動の振幅が大きくなる。

ここでインバランス割合（％）とは、気筒間空燃比のばらつき度合いに相関する一つのパラメータである。即ち、インバランス割合とは、全気筒のうちある１気筒のみが燃料噴射量ズレを起こしている場合に、その燃料噴射量ズレを起こしている気筒（インバランス気筒）の燃料噴射量がどれくらいの割合で、燃料噴射量ズレを起こしていない気筒（バランス気筒）の燃料噴射量即ち基準噴射量からズレているかを示す値である。インバランス割合をＩＢ、インバランス気筒の燃料噴射量をＱｉｂ、バランス気筒の燃料噴射量即ち基準噴射量をＱｓとすると、ＩＢ＝（Ｑｉｂ−Ｑｓ）／Ｑｓで表される。インバランス割合ＩＢが大きいほど、インバランス気筒のバランス気筒に対する燃料噴射量ズレが大きく、空燃比ばらつき度合いは大きい。なお本実施形態の場合、基準噴射量Ｑｓはストイキ相当の燃料噴射量に等しい。

図３から理解されるように、インバランス割合が大きいほど、すなわち気筒間空燃比のばらつき度合いが大きいほど、触媒前センサ１７の出力変動が大きくなる。

よってこの特性を利用し、本実施形態では、触媒前センサ１７の出力変動度合いに相関するパラメータである出力変動パラメータＸを、気筒間空燃比ばらつき度合いに相関するパラメータとして用い、且つ出力変動パラメータＸの値を算出（あるいは検出）する。そしてこの算出された出力変動パラメータＸの値に基づき、ばらつき異常を検出する。なお、前述のインバランス割合は単に説明目的のためだけに用いる。

以下に出力変動パラメータＸの値の算出方法を説明する。図４は図３のＵ部に相当する拡大図であり、特に１エンジンサイクル内の触媒前センサ出力の変動を簡略的に示す。触媒前センサ出力としては、触媒前センサ１７の出力電圧Ｖｆを空燃比Ａ／Ｆに換算した値を用いる。但し触媒前センサ１７の出力電圧Ｖｆを直接用いることも可能である。

図４（Ｂ）に示すように、ＥＣＵ２０は、１エンジンサイクル内において、所定のサンプル周期τ毎に、触媒前センサ出力Ａ／Ｆの値を取得する。そして今回（ｎ）のタイミングで取得した値Ａ／Ｆ_ｎと、前回（ｎ−１）のタイミングで取得した値Ａ／Ｆ_ｎ−１との差の絶対値（出力差という）ΔＡ／Ｆ_ｎを次式（１）により求める。この出力差ΔＡ／Ｆ_ｎは今回のタイミングにおける微分値あるいは傾きの絶対値と言い換えることができる。

最も単純には、この出力差ΔＡ／Ｆｎが触媒前センサ出力の変動を表す。変動度合いが大きくなるほど空燃比線図の傾きが大きくなり、出力差ΔＡ／Ｆｎが大きくなるからである。そこで所定の１タイミングにおける出力差ΔＡ／Ｆｎの値を出力変動パラメータの値とすることができる。

但し、本実施形態では精度向上のため、複数の出力差ΔＡ／Ｆｎの平均値を出力変動パラメータの値とする。本実施形態では、Ｍエンジンサイクルの間（Ｍは２以上の整数。例えばＭ＝１００）、出力差ΔＡ／Ｆｎをサンプル周期τ毎に積算し、最終積算値をサンプル数で除して出力変動パラメータＸの値を求める。触媒前センサ出力の変動度合いが大きくなるほど出力変動パラメータＸの値は大きくなる。

触媒前センサ出力Ａ／Ｆは増加する場合と減少する場合とがあるので、これら各場合の一方についてだけ上記出力差ΔＡ／Ｆｎあるいはその平均値を求め、これを出力変動パラメータの値としても良い。特に１気筒のみリッチずれの場合、当該１気筒に対応した排気ガスを触媒前センサが受けた時にその出力が急速に減少（リッチ側に変化）する傾向があるので、減少側のみの値をリッチずれ異常検出のために用いることも可能である。もっとも、これに限定されず、増加側の値のみを用いることも可能である。

また、触媒前センサ出力の変動度合いに相関する値のうち、その変動度合いが大きくなるほど大きくなる値を出力変動パラメータの値とすることができる。例えば、１エンジンサイクル内における触媒前センサ出力の最大ピークと最小ピークの差（所謂ピークトゥピーク; peak to peak）、または２階微分値の最大ピークまたは最小ピークの絶対値に基づいて、出力変動パラメータを算出することもできる。触媒前センサ出力の変動度合いが大きいほど、触媒前センサ出力の最大ピークと最小ピークの差は大きくなり、また２階微分値の最大ピークまたは最小ピークの絶対値も大きくなるからである。

図５には、インバランス割合ＩＢ（％）と出力変動パラメータＸの値の関係を示す。図示されるように、インバランス割合ＩＢと出力変動パラメータＸの値の間には強い相関関係があり、インバランス割合ＩＢの絶対値が増加するほど出力変動パラメータＸの値も増加する傾向にある。

算出された出力変動パラメータＸの値を、所定の判定値と比較して、ばらつき異常の有無を判定することが可能である。例えば、算出された出力変動パラメータＸの値が判定値以上であればばらつき異常あり（異常）、算出された出力変動パラメータＸの値が判定値より小さければばらつき異常なし（正常）と判定することができる。

ところで、ばらつき異常を検出する場合、併せて、ばらつき異常の原因となっている異常気筒、すなわち空燃比ずれを起こしている気筒をも特定できるようにすることが、その後の迅速な修理等のため望ましい。一方、異常気筒は１気筒とは限らず、２気筒の場合もある。よって異常気筒が２気筒である場合には、その２気筒を特定できるようにすることが望ましい。

そこで本実施形態では、以下の方法によりばらつき異常を検出し、併せて、異常気筒が２気筒である場合にもその２気筒を特定できるようにしている。

ここで、本実施形態における異常気筒特定方法および原理を図６を参照しつつ説明する。

図６（Ａ）に示すように、例えば＃１気筒のみに異常が発生し、＃１気筒の燃料噴射量がストイキ相当量に対し４０％の割合で多くなり（即ちインバランス割合が＋４０％）、他の＃２，＃３，＃４気筒では燃料噴射量がストイキ相当量である（即ちインバランス割合が０％）場合を想定する。このとき、ストイキ制御をある程度の時間実行すると、やがて図６（Ｂ）に示すように、トータルの燃料噴射量がストイキ相当量となるように＃１気筒では＋３０％のインバランス割合、他の＃２，＃３，＃４気筒ではそれぞれ−１０％のインバランス割合となる。このときにもやはり各気筒でストイキ相当量に対し＋または−の噴射量ずれが生じている。

この図６（Ｂ）の状態から、例えば図６（Ｃ）に示すように、＃１気筒の燃料噴射量をストイキ相当量の４０％だけ強制的もしくはアクティブに減量したとする。すると＃１気筒は−１０％のインバランス割合となり、他の＃２，＃３，＃４気筒のインバランス割合と等しくなる。

この状態から、＃１気筒の強制減量状態を維持しつつ、ストイキ制御をある程度の時間実行すると、やがて図６（Ｄ）に示すように、各気筒の燃料噴射量が＋１０％ずつ補正され、各気筒の燃料噴射量がストイキ相当量になる（即ち各気筒のインバランス割合は０％）。

図示しないが、出力変動パラメータＸの値は、図６（Ａ）に示した状態では大きい値であるが、図６（Ｄ）に示した状態では小さい値となる。このことから、燃料噴射量を強制的に減量したときに出力変動パラメータＸの値が所定値以上低下した気筒、もしくは所定値以下に低下した気筒は、異常気筒（特にリッチずれ異常気筒）であると特定することができる。

一方、図６（Ｂ）の状態から、例えば図６（Ｅ）に示すように、正常な＃２気筒において燃料噴射量をストイキ相当量の４０％だけ強制的に減量したとする。こうすると各気筒のインバランス割合は＃１気筒では変わらず＋３０％、＃２気筒では−５０％、＃３，＃４気筒では変わらずー１０％となる。

この状態から、＃２気筒の強制減量状態を維持しつつ、ストイキ制御をある程度の時間実行すると、やがて図６（Ｆ）に示すように、トータルの燃料噴射量がストイキ相当量となるように＃１気筒では＋４０％、＃２気筒では−４０％、＃３，＃４気筒では０％となる。

この場合、図示しないが、出力変動パラメータＸの値は、図６（Ａ）に示した状態から図６（Ｆ）に示した状態にかけてそれ程低下しない。このことから、燃料噴射量を強制的に減量したときに出力変動パラメータＸの値が所定値以上低下しなかった気筒、もしくは所定値以下に低下しなかった気筒は、異常気筒ではなく、正常気筒であると特定することができる。

図示しないが、逆のパターンで、例えば図６（Ａ）の例のうち＃１気筒のみが異常でその燃料噴射量が−４０％少なくなっている（即ちインバランス割合が−４０％）場合を想定する。すると、気筒毎に燃料噴射量を強制的に増量した場合に、出力変動パラメータＸの値が所定値以上低下した気筒もしくは所定値以下に低下した気筒は異常気筒（特にリーンずれ異常気筒）であり、そうでない気筒は正常気筒であると特定することができる。

なお、これら燃料噴射量の増量および減量を総称して燃料噴射量の変更という。また上記のように燃料噴射量を強制的に変更する制御を強制アクティブ制御という。

ここで述べた方法は異常気筒が１気筒の場合である。しかし、異常気筒が２気筒の場合だと、全く同じ方法で異常気筒を特定するのが困難である。

図７には、各気筒の空燃比のばらつき状態を示す。縦軸は空燃比Ａ／Ｆを表し、横軸の気筒は点火順すなわち＃１，＃３，＃４，＃２の順に記載されている。破線が強制アクティブ制御前の状態、実線が強制アクティブ制御後の状態を示す。

図７の例では、破線で示すように、点火順で連続する２気筒、具体的には＃１，＃３気筒にリーンずれが発生している。そしてストイキ制御の結果、トータルの空燃比がストイキになるように、＃４，＃２気筒の空燃比がストイキに対しリッチ側にずらされている。

この状態から、先の方法と同じように、＃１気筒のみに対してリーンずれを少なくするように燃料噴射量の強制増量を行ったとする。すると各気筒の空燃比は図中実線で示す如くなる。＃３気筒のリーンずれは解消せず、むしろ増大している。気筒間の空燃比ばらつき度合いが依然として大きいため、強制アクティブ制御の前から後にかけての出力変動パラメータＸの値の低下量は少なく、＃１，＃３気筒をリーンずれ異常気筒と特定することが困難である。＃１気筒の代わりに＃３気筒に対して燃料噴射量の強制増量を行ったとしても同様である。

図８の例では、破線で示すように、点火順で１８０°ＣＡ離れた２気筒、具体的には＃１，＃４気筒にリーンずれが発生している。そしてストイキ制御の結果、トータルの空燃比がストイキになるように、＃３，＃２気筒の空燃比がストイキに対しリッチ側にずらされている。

この状態から、＃１気筒のみに対してリーンずれを少なくするように燃料噴射量の強制増量を行ったとする。すると各気筒の空燃比は図中実線で示す如くなる。＃４気筒のリーンずれは解消せず、むしろ増大している。気筒間の空燃比ばらつき度合いが依然として大きいため、強制アクティブ制御の前から後にかけての出力変動パラメータＸの値の低下量は少なく、＃１，＃４気筒をリーンずれ異常気筒と特定するのが困難である。＃１気筒の代わりに＃４気筒に対して燃料噴射量の強制増量を行ったとしても同様である。

このように、異常気筒が１気筒であれば、その１気筒に対し空燃比ずれを少なくするような燃料噴射量の強制変更を行うことにより、出力変動パラメータＸの値を低下させ、その異常な１気筒を特定することが出来る。しかし、異常気筒が２気筒の場合だと、その２気筒のうちのいずれか１気筒に対し、空燃比ずれを少なくするような燃料噴射量の強制変更を行っても、出力変動パラメータＸの値を低下させることが出来ず、異常な２気筒を特定することが出来ない。

そこで本実施形態では、１気筒に対する燃料噴射量の強制変更に加えて、２気筒に対する燃料噴射量の強制変更をも併せて行う。これにより、詳しくは後述するように、異常気筒が２気筒である場合にその２気筒を確実に特定することができる。

図９には、図７と同様に＃１，＃３気筒にリーンずれが発生している例を示す。ここでは、＃１気筒と＃３気筒の２気筒に対し、リーンずれを少なくするように燃料噴射量の強制増量を行っている。増量後の各気筒の空燃比は図中実線で示す通りであり、＃１，＃３気筒のリーンずれが解消していると共に、気筒間の空燃比ばらつき度合いが小さくなっている。よって強制アクティブ制御の前から後にかけての出力変動パラメータＸの値の低下量が大きくなり、＃１，＃３気筒をリーンずれ異常気筒と特定することが可能である。

図１０には、図８と同様に＃１，＃４気筒にリーンずれが発生している例を示す。ここでも、＃１気筒と＃４気筒の２気筒に対し、リーンずれを少なくするように燃料噴射量の強制増量を行っている。増量後の各気筒の空燃比は図中実線で示す通りであり、＃１，＃４気筒のリーンずれが解消していると共に、気筒間の空燃比ばらつき度合いが小さくなっている。よって強制アクティブ制御の前から後にかけての出力変動パラメータＸの値の低下量が大きくなり、＃１，＃４気筒をリーンずれ異常気筒と特定することが可能である。

リッチずれ異常が発生している２気筒についても同様に、燃料噴射量の強制減量を行うことにより、それら２気筒を特定することが可能である。

本実施形態における４気筒エンジンの場合、燃料噴射量を１気筒ずつ順番に強制増量する４パターン、燃料噴射量を１気筒ずつ順番に強制減量する４パターン、および燃料噴射量を２気筒ずつ順番に強制増量する６パターンの計１４パターンを実行し、各パターンについて出力変動パラメータＸの値の算出を行う。そして、１４パターンのうち、最小の出力変動パラメータＸの算出値が得られたパターンにおける気筒を、異常気筒と特定する。

次に、本実施形態における具体的なばらつき異常検出処理について説明する。当該検出処理はＥＣＵ２０により、図１１のフローチャートに表されるようなアルゴリズムに従って実行される。

まずステップＳ１０１において、ばらつき異常検出を実行するのに適した所定の前提条件が成立したか否かが判断される。例えば次の各条件が成立した場合に前提条件が成立する。
（１）エンジンの暖機が終了している。
（２）触媒前センサ１７および触媒後センサ１８が活性化している。
（３）上流触媒１１および下流触媒１９が活性化している。
（４）エンジンの回転数Ｎｅと負荷ＫＬが所定範囲内にある。例えば回転数Ｎｅが１２００〜２０００（ｒｐｍ）の範囲内にあり、且つ負荷ＫＬが４０〜６０（％）の範囲内にある。
（５）ストイキ制御中である。

なお前提条件については他の例も可能である。例えば、（６）エンジンが定常運転中である、という条件を加えてもよい。

前提条件が成立してなければ待機し、前提条件が成立したならばステップＳ１０２に進む。なおＳ１０２以降の各ステップは前提条件が成立している場合に限って実行されるものとする。

ステップＳ１０２〜Ｓ１０４では、強制アクティブ制御を実行していないとき（あるいは実行する前）の状態、すなわち成行状態での出力変動パラメータＸ１の値が算出される。

まずステップＳ１０２において、前述の出力差ΔＡ／Ｆ_ｎが逐次的に算出および積算される。そしてステップＳ１０３において、Ｍエンジンサイクルが経過したか否かが判断される。経過してなければステップＳ１０２に戻り、経過したならばステップＳ１０４において出力変動パラメータＸ１の値が算出される。このとき、Ｍエンジンサイクルの間積算された出力差ΔＡ／Ｆ_ｎの積算値がサンプル数で除され、出力変動パラメータＸ１の値が求められる。

次いで、ステップＳ１０５において出力変動パラメータＸ１の値が所定の一次判定値α１と比較される。Ｘ１＜α１のとき、ステップＳ１２１に進んで、ばらつき異常は生じていない旨の正常判定がなされ、検出処理が終了される。他方、Ｘ１≧α１のときには、正常と確定できずばらつき異常が生じている可能性があるので、正常か異常かを最終的に確定すべくＳ１０６以降のステップに進む。

このステップＳ１０５においては、正常か否かについての一次判定が実質的に実行されている。そして正常でないと判定されたとき、後のステップＳ１１４またはＳ１１７において、正常か異常かについての最終的な二次判定が実行されることとなる。

ステップＳ１０６では、所定のパターンｉに従って強制アクティブ制御が実行される。ｉは１から１４までの整数であり、各パターンは図１２に示す通りである。

図１２に示すように、例えばパターン１は、＃１気筒の燃料噴射量をストイキ相当量に対し１０％増量する（＋１０％で表記）パターンである。同様に、パターン２，３，４はそれぞれ、＃２，＃３，＃４気筒の燃料噴射量をストイキ相当量に対し１０％増量するパターンである。

パターン５は、＃１気筒の燃料噴射量をストイキ相当量に対し１０％減量する（−１０％で表記）パターンである。同様に、パターン６，７，８はそれぞれ、＃２，＃３，＃４気筒の燃料噴射量をストイキ相当量に対し１０％減量するパターンである。

パターン９は、＃１気筒と＃２気筒の燃料噴射量をそれぞれストイキ相当量に対し１０％増量するパターンである。同様に、パターン１０は＃１気筒と＃３気筒の燃料噴射量を増量するパターン、パターン１１は＃１気筒と＃４気筒の燃料噴射量を増量するパターン、パターン１２は＃２気筒と＃３気筒の燃料噴射量を増量するパターン、パターン１３は＃２気筒と＃４気筒の燃料噴射量を増量するパターン、パターン１４は＃３気筒と＃４気筒の燃料噴射量を増量するパターンである。これらパターン９〜１４により全ての２気筒の組み合わせが網羅される。ここで燃料噴射量を減量するパターンがないのは、２気筒増量するパターンと２気筒減量するパターンとで同じ結果が得られるからである。

こうして、１気筒に対する増量と減量、および２気筒に対する増量との全ての組み合わせが網羅されることとなり、異常気筒を精度良く特定することができる。なお、増量や減量の方法は上記以外の方法も可能である。

図１１に戻って、ステップＳ１０６の最初の実行時にはｉ＝１であり（つまりｉの初期値は１）、パターン１で強制アクティブ制御が実行される。すなわち、＃１気筒に対し燃料噴射量の強制増量が実行される。

次いでステップＳ１０７では、ステップＳ１０２と同様に出力差ΔＡ／Ｆｎが算出および積算される。そしてステップＳ１０８において、ステップＳ１０３と同様にＭエンジンサイクルが経過したか否かが判断される。経過してなければステップＳ１０７に戻る。経過したならばステップＳ１０９において、強制アクティブ制御実行時における出力変動パラメータＸ２_ｉの値が算出される。このときの算出方法はステップＳ１０４と同様である。

次いで、ステップＳ１１０において、ｉの値が１４以上に達したか否かが判断される。達してなければステップＳ１２０においてｉの値が１だけインクリメントされ、ステップＳ１０６に戻る。これにより次のパターンで出力変動パラメータＸ２ｉの値が算出されることとなる。こうして、燃料噴射量の増量または減量の対象となる１気筒または２気筒が次々と変更され、その都度、燃料噴射量の増量または減量と、出力変動パラメータＸ２ｉの値の算出とが繰り返される。

他方、ｉの値が１４以上に達したならば、これは１４パターンの全てについて出力変動パラメータＸ２ｉの値の算出を終えたことになるから、ステップＳ１１１に進む。

ステップＳ１１１においては、算出済みの１４個の出力変動パラメータＸ２ｉの値のうちの最小値に対応したパターンｉｘが決定される。この最小値は、空燃比ばらつき度合いが最小となるような出力変動パラメータの値を意味する。

そして、ステップＳ１１２において、決定されたパターンｉ_ｘに基づき、異常気筒と異常種別が特定される。この特定は、予め定められ図１３に示されるようなテーブルを用いて実行される。

図１３に示すように、例えば決定されたパターンｉ_ｘがパターン１であるとき、異常気筒は＃１気筒であり（単に「＃１」と表記）、異常種別は空燃比リーンずれ（単に「リーン」と表記）であると特定される。

また、例えば決定されたパターンｉ_ｘがパターン９であるとき、異常気筒は＃１気筒と＃２気筒であり（単に「＃１＃２」と表記）、異常種別は空燃比リーンずれであるか、または、異常気筒は＃３気筒と＃４気筒であり（単に「＃３＃４」と表記）、異常種別は空燃比リッチずれ（単に「リッチ」と表記）であると特定される。

この２気筒異常のパターンについて説明する。パターン９は、図１２から理解されるように、＃１気筒と＃２気筒の燃料噴射量を強制増量して出力変動パラメータＸ２の値が一番小さくなったパターンである。これは、元々の＃１，＃２気筒のリーンずれが減少させられて出力変動パラメータＸ２の値が小さくなった場合と、元々の＃３，＃４気筒のリッチずれに合うように＃１，＃２気筒がリッチずれし、その後ストイキ制御により＃１〜＃４気筒のリッチずれが一律に減少させられて出力変動パラメータＸ２の値が小さくなった場合との２通りがある。よって図１３において、パターン９は、＃１，＃２気筒のリーンずれと、＃３，＃４気筒のリッチずれとの何れかであることを意味する。

図１１に戻って、異常気筒と異常種別が特定されたならば、ステップＳ１１３に進んで、異常気筒が１気筒であるか否かが判断される。言い換えれば、ステップＳ１１１で決定されたパターンｉ_ｘがパターン１〜８の何れかかどうかが判断される。
イエスならば、ステップＳ１１４に進んで、パターンｉ_ｘのときに算出された強制アクティブ制御実行時の出力変動パラメータＸ２_ｉｘの値が、所定の二次判定値（第１の二次判定値）α２_１と比較される。なおこの出力変動パラメータＸ２_ｉｘは前述の最小の出力変動パラメータに該当する。

Ｘ２_ｉｘ≧α２_１のとき、ステップＳ１１５に進んで、ばらつき異常が生じている旨の異常判定がなされ、検出処理が終了される。他方、Ｘ２_ｉｘ＜α２_１のときには、ステップＳ１１６に進んで正常判定がなされ、検出処理が終了される。この二次判定により、正常か異常かが最終的に確定することになる。なお、異常判定がなされた場合、異常の事実をユーザに知らせるべくチェックランプ等の警告装置が起動される。また異常気筒と異常種別に関する情報がＥＣＵ２０に記憶され、後の修理段階での利用に供される。

ここで、パターンｉｘで強制アクティブ制御を実行したときには、異常気筒の元々の空燃比ずれを解消させるように燃料噴射量を強制変更するので、強制アクティブ制御実行時の出力変動パラメータＸ２_ｉｘの値は、強制アクティブ制御実行前の出力変動パラメータＸ１の値よりも小さくなるのが通常である。従って、二次判定値α２_１は、基本的に一次判定値α１よりも小さい値に設定される。

なお、ステップＳ１１６で正常と判定された場合、ステップＳ１１２で特定された異常気筒は、異常の可能性はあったが実は異常でなかったことになる。従ってここでは、現に異常な気筒だけでなく、異常の可能性がある気筒も含めて異常気筒という。他方、ステップＳ１１５で異常と判定された場合には、ステップＳ１１２で特定された異常気筒が現に異常であることが確定する。また、異常気筒に対しその空燃比ずれを少なくするように強制アクティブ制御を実行すると、当該空燃比ずれをある程度解消し、出力変動パラメータの値を減少させることができる。しかし、元々の異常気筒の空燃比ずれ量が大きいと空燃比ずれを十分解消することができない。よってステップＳ１１５で異常判定されることとなる。なお、触媒前センサ１７の応答性が遅い場合には、異常気筒に対し強制アクティブ制御を実行しても出力変動パラメータの値は大きく減少しない。このような場合にも、ステップＳ１１５で異常判定される。

一方、ステップＳ１１３がノーの場合、異常気筒は２気筒であり、ステップＳ１１１で決定されたパターンｉ_ｘはパターン９〜１４の何れかであることを意味する。この場合も、異常気筒が１気筒のときと同様の処理が行われる。

すなわち、ステップＳ１１７に進んで、パターンｉ_ｘのときに算出された強制アクティブ制御実行時の出力変動パラメータＸ２_ｉｘの値が、所定の二次判定値（第２の二次判定値）α２_２と比較される。

この二次判定値α２_２は、異常気筒が２気筒のときに最適な値となるよう、予め実験等を通じて適合されている。この二次判定値α２_２も基本的に一次判定値α１よりも小さい値である。またこの二次判定値α２_２は、通常、異常気筒が１気筒のときの前述の二次判定値（第１の二次判定値）α２_１と異なる値である。

Ｘ２_ｉｘ≧α２_２のとき、ステップＳ１１８に進んで異常判定がなされ、検出処理が終了される。他方、Ｘ２_ｉｘ＜α２_２のときには、ステップＳ１１９に進んで正常判定がなされ、検出処理が終了される。これにより正常か異常かが確定されることになる。

なお、図１１に示した検出処理からステップＳ１１３〜Ｓ１１９を省略した変形例が可能である。つまり上述のような一次判定、二次判定といった二段階の判定を行わず、ステップＳ１０５の判定により正常か異常かを最終的に判定し、この判定結果が異常であった場合、ステップＳ１０６〜Ｓ１１２で異常気筒を特定することが可能である。具体的には、ステップＳ１０５においてＸ１＜α１のときステップＳ１２１に進んで正常判定する。他方、ステップＳ１０５においてＸ１≧α１のとき図示しないステップにおいて異常判定し、その後ステップＳ１０６〜Ｓ１１２を実行する。

以上、本発明の好適な実施形態を詳細に述べたが、本発明の実施形態は他にも様々なものが考えられる。例えば上記の数値は例示であり、種々の変更が可能である。また上記の説明において、リッチ側とリーン側の一方についてしか説明していない箇所があるが、一方への説明が他方へも適用可能であることが、当業者によって容易に理解されるであろう。

２気筒に対し燃料噴射量の変更を行う際、上記実施形態ではパターン９〜１４の如く燃料噴射量の増量を行った。しかしながら、当該２気筒に対し燃料噴射量の減量を行ってもよい。あるいは、パターンを増やして、２気筒に対する燃料噴射量の増量と減量を順次行ってもよい。例えばパターン９〜１４で燃料噴射量の増量を行い、パターン１５〜２０で燃料噴射量の減量を行う。

本発明が適用されるエンジンの気筒数は任意である。またＶ型８気筒エンジンの場合、本実施形態の直列４気筒エンジンの構成を各バンクに適用してＶ型８気筒エンジンを構成することができる。この場合、各バンクに対して個別に上述の検出処理を適用することが可能である。

本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

１ 内燃機関（エンジン）
６ 排気管
１１ 上流触媒
１２ インジェクタ
１４ 排気マニフォールド
１７ 触媒前センサ
１８ 触媒後センサ
１９ 下流触媒
２０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims (2)

1. 少なくとも３つ以上の複数の気筒に共通の排気通路に設置された空燃比センサの出力変動度合いが大きくなるほど大きくなるパラメータの値を算出し、該算出されたパラメータの値に基づいて気筒間空燃比ばらつき異常を検出する気筒間空燃比ばらつき異常検出装置であって、該気筒間空燃比ばらつき異常検出装置は、異常気筒が２気筒である場合に異常気筒の可能性がある２気筒の組み合わせを特定するものであり、
   （Ａ）前記複数の気筒のうちの２気筒に対する燃料噴射量を強制的に変更して前記パラメータの値を算出するステップと、
   （Ｂ）前記２気筒を全ての２気筒の組み合わせのうちの他の組み合わせの２気筒に変更して前記ステップ（Ａ）を繰り返すステップと、
   （Ｃ）前記ステップ（Ａ）および（Ｂ）で算出された複数の前記パラメータの値のうちの最小値に対応する２気筒の組み合わせを特定するステップと、
   を実行するように構成され、
   前記ステップ（Ｂ）において、全ての２気筒の組み合わせについて前記燃料噴射量の変更と前記パラメータの値の算出とが実行されるよう、前記ステップ（Ａ）を繰り返す、
   ことを特徴とする気筒間空燃比ばらつき異常検出装置。
2. 前記ステップ（Ａ）において、燃料噴射量の変更が燃料噴射量の増量である
   ことを特徴とする請求項１に記載の気筒間空燃比ばらつき異常検出装置。

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