CN106103956B - 内燃机的空燃比检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种内燃机的空燃比检测装置。具备缸内压力传感器(30)。判定缸内的空燃比的算出对象气缸是浓气缸还是稀气缸。使用由缸内压力传感器(30)检测的缸内压力来算出膨胀行程的多变指数m。基于内燃机(10)的运行条件参数来修正所算出的多变指数m。基于修正后的膨胀行程的多变指数m、浓气缸/稀气缸的判定结果、和m－A/F曲线来算出缸内的空燃比。

Description

内燃机的空燃比检测装置
技术领域
本发明涉及内燃机的空燃比检测装置。
背景技术
以往，例如在专利文献1中公开了利用缸内压力传感器来检测空燃比或者气缸(汽缸)间的空燃比不平衡的内燃机的空燃比检测装置。在该以往的空燃比检测装置中，以燃烧速度达到峰值的方式变更对象气缸的燃料喷射量。并且，基于在从该燃料喷射量的变更开始起到到达燃烧速度的峰值为止的期间变更了的燃料喷射量的变更量，算出与上述对象气缸的空燃比有关的信息。
在先技术文献
专利文献1:日本特开2013－142302号公报
专利文献2:日本特开平03－023349号公报
专利文献3:日本特开2010－133353号公报
专利文献4:日本特开2012－180817号公报
专利文献5:日本特开2005－133604号公报
专利文献6:日本特开2010－007581号公报
专利文献7:日本特开2011－111906号公报
发明内容
利用缸内压力传感器的输出值，作为与缸内气体的空燃比存在关联的燃烧参数，例如能够算出由燃烧产生的缸内的发热量或燃烧速度。这些发热量以及燃烧速度都在比理论空燃比稀的区域中相对于空燃比具有高灵敏度。但是，在比理论空燃比浓的区域中，发热量或燃烧速度对于空燃比的灵敏度低，难以根据发热量或燃烧速度确定准确的空燃比。
本发明是为了解决如上述这样的课题而完成的，其目的在于提供能够包括比理论空燃比浓的区域在内地利用缸内压力检测单元来算出缸内的空燃比指标值的内燃机的空燃比检测装置。
第一发明是内燃机的空燃比检测装置，具备：
缸内压力检测单元，其检测缸内压力；
气缸空燃比判定单元，其判定缸内的空燃比指标值的算出对象气缸是缸内的空燃比比理论空燃比浓的浓气缸还是缸内的空燃比比理论空燃比稀的稀气缸；和
多变(polytrope)指数算出单元，其使用由所述缸内压力检测单元检测出的缸内压力来算出膨胀行程的多变指数，
所述多变指数算出单元基于内燃机的运行条件参数来修正所算出的多变指数，
还具备空燃比算出单元，所述空燃比算出单元基于修正后的膨胀行程的多变指数、缸内的空燃比指标值的算出对象气缸是浓气缸还是稀气缸的判定结果、和规定在基准运行条件下的膨胀行程的多变指数与缸内的空燃比指标值的关系的关系信息来算出缸内的空燃比指标值。
另外，第二发明为，在第一发明中，其特征在于，
在膨胀行程的多变指数的修正中使用的所述运行条件参数是发动机旋转速度、发动机冷却水温度、点火正时、EGR率以及发动机负荷率之中的至少一个。
另外，第三发明为，在第二发明中，其特征在于，
所述多变指数算出单元以如下方式进行修正：发动机旋转速度越高、发动机冷却水温度越高、点火正时越延迟、EGR率越高、或发动机负荷率越高，则膨胀行程的多变指数越是变得小。
另外，第四发明为，在第一～第三发明的任一项中，其特征在于，
所述气缸空燃比判定单元，使用由所述缸内压力检测单元检测出的缸内压力来算出发热量或者燃烧速度，在所算出的发热量或者燃烧速度比预定值大的情况下，判定为缸内的空燃比指标值算出对象气缸为浓气缸。
另外，第五发明为，在第一～第四发明的任一项中，其特征在于，
所述多变指数算出单元使用在燃烧结束点以后且排气门的打开正时之前的膨胀行程中的2点以上的缸内压力以及缸内容积来算出膨胀行程的多变指数。
另外，第六发明为，在第一～第五发明的任一项中，其特征在于，
所述内燃机具备多个气缸，
所述缸内压力检测单元检测所述多个气缸各自的缸内压力，
还具备不平衡检测单元，所述不平衡检测单在基于由所述空燃比算出单元算出的缸内的空燃比指标值的气缸间的空燃比的偏差量比预定的判定值大的情况下，判定为处于空燃比在气缸间不平衡状态。
另外，第七发明为，在第一～第六发明的任一项中，其特征在于，
所述基准运行条件是所述运行条件参数为任意的基准值时的运行条件。
另外，第八发明为，在第一～第七发明的任一项中，其特征在于，
所述关系信息是在将缸内的空燃比指标值设为X轴、将膨胀行程的多变指数设为Y轴的情况下，在XY平面上规定膨胀行程的多变指数与缸内的空燃比指标值的关系的曲线。
发明效果
在膨胀行程的多变指数与缸内的空燃比指标值之间存在相关关系。但是，比热比、多变指数m在与缸内的空燃比的关系中不是唯一确定的。其原因是，受到由根据发动机旋转速度以及发动机冷却水温度等内燃机的运行条件参数的值的变化而冷却损失发生变化引起而变化的缸内的气体温度的影响。另外，膨胀行程的多变指数与空燃比指标值的关系具有以下倾向：在理论空燃比下，多变指数为最低，空燃比相对于理论空燃比变得越浓或者越稀，多变指数变得越高。因此，即使空燃比指标值为不同的值，也可能得到相同的多变指数。根据第一发明、第七发明以及第八发明，判定缸内的空燃比指标值的算出对象气缸是缸内的空燃比比理论空燃比浓的浓气缸还是缸内的空燃比比理论空燃比稀的稀气缸。并且，基于内燃机的运行条件参数来修正使用缸内压力而算出的膨胀行程的多变指数。在此基础上，基于修正后的膨胀行程的多变指数、缸内的空燃比指标值的算出对象气缸是浓气缸还是稀气缸的判定结果、和规定在基准运行条件下的膨胀行程的多变指数与缸内的空燃比指标值的关系的关系信息来算出缸内的空燃比指标值。由此，能够包括比理论空燃比浓的区域在内，利用使用由缸内压力检测单元检测的缸内压力而算出的膨胀行程的多变指数来算出缸内的空燃比指标值。
根据第二发明以及第三发明，能够适当地修正由运行条件参数的值的变化引起的多变指数的变化量。
根据第四发明，能够使用由缸内压力检测单元检测的缸内压力来适当地判定缸内的空燃比指标值的算出对象气缸为浓气缸。
根据第五发明，能够适当地算出膨胀行程的多变指数。
根据第六发明，能够利用基于由缸内压力检测单元检测的缸内压力的膨胀行程的多变指数来适当地进行空燃比的气缸间不平衡检测。
附图说明
图1是用于说明本发明的实施方式1中的内燃机的系统结构的图。
图2是表示在本发明的实施方式1中着眼的已燃气体的比热比(κ)与空燃比(A/F)的关系的图。
图3是表示比热比与气体温度的关系的图。
图4是内燃机的压缩行程以及膨胀行程中的双对数P－V线图。
图5是用于说明缸内的气体温度的变化与膨胀行程的多变指数m的变化的关联性的图。
图6是在本发明的实施方式1中为了检测各气缸的空燃比而执行的例程的流程图。
图7是用于说明本发明的实施方式1中的空燃比检测方法的具体例的图。
图8是表示在图6所示的步骤108的处理中使用的各种多变指数修正量的设定的图。
图9是为了进行气缸间的空燃比不平衡检测而执行的例程的流程图。
图10是表示燃烧速度与缸内的空燃比的关系的图。
具体实施方式
实施方式1
[实施方式1的系统结构]
图1是用于说明本发明的实施方式1中的内燃机10的系统结构的图。
图1所示的系统具备多气缸型的内燃机10。在此，对于内燃机10，作为一例，设为火花点火式的直列四气缸型的汽油机。在内燃机10的各气缸内设置有活塞12。在缸内的活塞12的顶部侧形成有燃烧室14。进气通路16以及排气通路18与燃烧室14连通。
在进气通路16的进气端口设置有对该进气端口进行开闭的进气门20，在排气通路18的排气端口设置有对该排气端口进行开闭的排气门22。另外，在进气通路16设置有电子控制式的节气门24。
在内燃机10的各气缸，分别设置有用于向燃烧室14内(缸内)直接喷射燃料的燃料喷射阀26、以及具备用于对混合气体进行点火的火花塞28的点火装置。并且，在各气缸装有用于检测缸内压力的缸内压力传感器30。另外，在排气通路18，在来自各气缸的排气进行了合流后的部位安装有用于检测排气的空燃比的空燃比传感器32。在比空燃比传感器32靠下游侧的排气通路18中，作为用于净化排气的排气净化催化剂，配置有三元催化剂34。
另外，内燃机10具备连接排气通路18和进气通路16的EGR通路36。在EGR通路36设置有用于调整向进气通路16回流的排气(EGR气体)的量的EGR阀38。通过调整EGR阀38的开度，能够控制EGR率。
进而，本实施方式的系统具备ECU(Electronic Control Unit：电子控制单元)40。在ECU40的输入部，除了上述的缸内压力传感器30之外，还连接有用于取得曲轴转角以及发动机旋转速度的曲轴转角传感器42、用于计测吸入空气量的空气流量计44、以及用于对驱动排气门22的排气凸轮轴(省略图示)的旋转角度进行检测的排气凸轮角传感器46等用于取得内燃机10的运转状态的各种传感器。利用排气凸轮角传感器46，能够检测由使排气门22的开闭正时可变的排气可变气门正时机构(省略图示)调整的排气门22的开闭正时。另外，在ECU40的输出部连接有上述的节气门24、燃料喷射阀26、上述点火装置、以及EGR阀38等用于控制内燃机10的运转的各种执行器。ECU40具有与曲轴角度同步地进行AD转换来取得缸内压力传感器30的输出信号的功能。由此，能够在AD转换的分解力(resolution)允许的范围内检测任意的曲轴转角正时下的缸内压力。进而，ECU40具有根据曲轴角度来算出由曲轴角度的位置而决定的缸内容积的值的功能。ECU40通过基于上述各种传感器的输出和预定的程序驱动上述各种执行器，来进行燃料喷射控制以及点火控制等预定的发动机控制。作为这样的发动机控制之一，ECU40在内燃机10的运转中空燃比传感器32以及三元催化剂34处于活性状态等的预定的执行条件成立的情况下，进行空燃比的反馈控制，该空燃比的反馈控制中，调整各气缸的燃料喷射量以使得向三元催化剂34流入的排气(即，来自各气缸的排气进行了合流后的排气)的空燃比为理论空燃比。
[实施方式1中的各气缸内的空燃比检测]
(已燃气体的比热比与缸内的空燃比的关系)
图2是表示在本发明的实施方式1中着眼的已燃气体的比热比(κ)与空燃比(A/F)的关系的图。图3是表示比热比与气体温度的关系的图。再者，图3是示例了将虽然不是内燃机10的燃料即汽油但具有与汽油同样的倾向的烃燃料(CnH2n)作为燃料的在理论空燃比(空气过剩率λ＝1)下的已燃气体、和空气的图。
如图2所示，缸内的已燃气体(即，燃烧结束点以后的膨胀行程中的缸内气体)的比热比具有以下特性：在理论空燃比下最低，缸内的空燃比相对于理论空燃比变得越浓或稀，该比热比变得越高。作为得到这种特性的原因，有以下2个因素。
第一个因素是缸内的气体组成。当使汽油等烃燃料进行燃烧时，生成CO2、H2O、CO以及H2等。这些生成物都是双原子分子或者三原子分子。双原子分子的比热比在0℃下为约1.4，三原子分子的比热比在相同的0℃下为约1.3～1.33，三原子分子的比热比比双原子分子的比热比低。因而，当已燃气体中的三原子分子的比例增加时，比热比变低，相反地，当双原子分子的比例增加时，比热比变高。在理论空燃比下，燃料和氧气通过燃烧而正合适地发生反应，因此作为三原子分子的CO2、H2O的比例最大，作为其结果，比热比变得最低。相对于此，在比理论空燃比浓的空燃比下，空燃比越浓，则作为双原子分子的CO以及H2的比例比理论空燃比越大，而在比理论空燃比稀的空燃比下，空燃比越稀，则作为双原子分子的O2的比例比理论空燃比越大。因而，相对于理论空燃比，空燃比变得越浓或者越稀，比热比变得越高。综上所述，当着眼于气体组成的影响量时，已燃气体的比热比如图2中由细线所示的那样，在理论空燃比下变为最低，相对于理论空燃比，空燃比变得越浓或者越稀，已燃气体的比热比变得越高。
第二个因素是缸内的气体温度。当在相同的条件下考虑空气量时，燃烧气体量(＝有助于燃烧的空气量与燃料量之和)相对于燃料的发热量的比(燃烧气体量/发热量)，在理论空燃比下为最低，空燃比相对于理论空燃比变得越浓或者越稀，则越高。因此，空燃比相对于理论空燃比越浓或者越稀，已燃气体温度越下降。对于这一点，更具体地说明，当空燃比比理论空燃比浓时，发热量与理论空燃比时相比不怎么变化，但由于燃料量的增加，燃烧气体量变多，另一方面，当空燃比比理论空燃比稀时，与由燃料量的减少产生的燃烧气体量的减少量相比，由燃料量的减少产生的发热量的减少量对气体温度造成的影响大。另外，如图3所示，气体温度越低，则比热比越高。综上所述，通过气体温度的影响量加上上述的气体组成的影响量，如图2中由粗实线所示，更显著地得到在理论空燃比下为最低、空燃比相对于理论空燃比越浓或者越稀而变得越高这样的特性。
(膨胀行程的多变指数的算出)
如果能够利用缸内压力传感器30的输出值来算出已燃气体的比热比，则能够利用图2所示的关系来掌握空燃比。但是，实际的已燃气体不是理想气体，而且，由于有冷却损失，因此膨胀行程不是绝热过程，进而也可能发生气缸的压缩漏气。因而，难以利用缸内压力传感器30的输出值来推定已燃气体的比热比自身。另一方面，膨胀行程可以作为考虑了热相对于外部进出的多变变化来处理。
图4是内燃机10的压缩行程以及膨胀行程中的双对数P－V线图。
在膨胀行程的多变变化中，当将多变指数设为m时，可认为关系式(PVm＝恒定)成立。如图4所示，在双对数曲线图上，膨胀行程中的缸内压力P与缸内容积V的关系中，可以说倾斜度作为-m的直线来表示。并且，在燃烧期间结束后(其中，从燃烧结束点以后到排气门22打开前)的膨胀行程中，多变指数m为与在实际的内燃机中作用的已燃气体的比热比相当的值(更具体而言，在可利用缸内压力传感器30算出的燃烧参数之中的良好地接近于已燃气体的比热比的值)。
膨胀行程的多变指数m，通过使用上述关系式、以及在燃烧结束点以后且排气门22的打开正时之前的膨胀行程中的任意的2点(图4中所示的A点和B点相当于此)的缸内压力P和缸内容积V，将该2点下的多变指数m视为恒定，由此能够根据以下的(1)式来算出。再者，多变指数m并不限于仅使用在燃烧结束点以后且排气门22的打开正时之前的膨胀行程中的2点而算出，也可以是通过使用了上述膨胀行程中的2点以上的缸内压力P和缸内容积V的统计处理来算出。
(缸内的空燃比的检测方法)
燃烧期间结束后的膨胀行程的多变指数m是接近于已燃气体的比热比的值，因此可以说在多变指数m与缸内的空燃比之间也存在与参照图2而说明了的比热比和空燃比的关系同样的关系(参照后述的图7(B))。多变指数m可以利用缸内压力传感器30的输出和上述(1)式在实际的内燃机上算出，因此可以说如果知道多变指数m和空燃比的关系，就能够掌握缸内的空燃比。但是，比热比、多变指数m，在与缸内的空燃比的关系中不是唯一确定的。其原因是，受到由根据发动机旋转速度以及发动机冷却水温度等内燃机10的运行条件参数的值的变化而冷却损失发生变化导致变化的缸内的气体温度的影响。作为与冷却损失相关联的主要的运行条件参数，除上述的发动机旋转速度以及发动机冷却水温度以外，可列举点火正时、EGR率以及发动机负荷率。
图5是用于说明缸内的气体温度的变化与膨胀行程的多变指数m的变化的关联性的图。在图5中，作为上述运行条件参数的一例，使用发动机旋转速度，表示了伴随发动机旋转速度的高低的缸内的气体温度以及多变指数m的变化。
如图5(B)所示，缸内的气体温度(已燃气体温度)在理论空燃比附近最高，随着空燃比相对于理论空燃比变浓或者变稀而下降。另外，当发动机旋转速度变高时，各空燃比下的气体温度变高。与由这种发动机旋转速度的差异产生的气体温度差相应地，比热比产生差异，与该比热比的差相当的差也表现在膨胀行程的多变指数m上。更具体而言，如图5(A)所示，各空燃比下的多变指数m在发动机旋转速度高的情况下，与发动机旋转速度低的情况相比，变小。
综上所述，可以说，关于发动机旋转速度等的与冷却损失相关的运行条件参数，根据与在当前的运行条件下的运行条件参数的值相对于在某运行条件下的运行条件参数的值的变化相伴的缸内的气体温度的差来修正多变指数m，由此，能够不受修正对象的运行条件参数值的差异的影响来评价膨胀行程的多变指数m与缸内的空燃比的关系。
因此，在本实施方式中，将规定了在基准运行条件下的膨胀行程的多变指数m与缸内的空燃比的关系的关系信息(是后述的图7(B)中所示的V字状的曲线，以下称作“m－AF曲线”)做成映射而存储在ECU40中。即，这里所说的关系信息(m－AF曲线)是在将缸内的空燃比设为X轴、将膨胀行程的多变指数m设为Y轴的情况下，在XY平面上规定膨胀行程的多变指数m与缸内的空燃比的关系的曲线。另外，这里所说的基准运行条件是指与冷却损失相关的上述运行条件参数分别为任意的基准值时的运行条件。
并且，基于上述各种运行条件参数来修正使用缸内压力传感器30所算出的膨胀行程的多变指数m。更具体而言，以由在当前的运行条件下的运行条件参数的值相对于在基准运行条件下的运行条件参数的值之差引起的多变指数m的差值，修正使用缸内压力传感器30所算出的多变指数m。在此基础上，基于修正后的膨胀行程的多变指数m、空燃比的检测对象气缸是浓气缸还是稀气缸的判定结果、和在基准运行条件下的m－AF曲线来算出缸内的空燃比。
(实施方式1中的具体处理)
图6是表示为了实现在本发明的实施方式1中的各气缸的空燃比检测方法而由ECU40执行的例程的流程图。再者，本例程在进行各气缸的空燃比检测的预定的执行条件成立时被启动。该执行条件在此设为：在通过空燃比的上述反馈控制而控制成使得流入到三元催化剂34的排气的空燃比(即，来自所有气缸的排气的合流后的排气的空燃比)为理论空燃比的稳定运行时成立。但是，只要不是确认到对检测处理产生影响的程度的空燃比的大幅波动、和/或确认到吸入空气量的大的变化的状况，本检测方法就可以不限于内燃机10处于严格的稳定状态之时进行。另外，对于本例程的处理，在此作为一例，设为将所有气缸作为对象来对各气缸进行。
在图6所示的例程中，ECU40在步骤100中，使用缸内压力传感器(CPS)30的检测值，存储在连续的周期(循环)间各气缸(所有气缸)的1个周期中的与曲轴角度同步的缸内压力数据(历史记录)。
接着，ECU40进入步骤102，使用所存储的缸内压力历史记录来算出各气缸的最大发热量Qmax。任意的曲轴角度下的缸内压力P以及缸内容积V的发热量Q能够根据以下的(2)式来算出，因此作为所算出的发热量Q的最大值，能够算出最大发热量Qmax。再者，与曲轴角度同步的发热量Q的数据的算出期间的终期被设为直到使用排气凸轮角传感器46所检测的排气门22的打开正时为止。再者，在上述(2)式中，P0以及V0是计算开始点θ0(相对于设想的燃烧开始点具有余裕量而确定的压缩行程中(但是，是在进气门20关闭后)的预定曲轴角度)下的缸内压力以及缸内容积。
接着，ECU40进入步骤104，基于各气缸的最大发热量Qmax的值来判定内燃机10的各气缸是浓气缸还是稀气缸。在此，图7是用于说明本发明的实施方式1中的空燃比检测方法的具体例的图，步骤104以后的处理的说明，一边参照图7所示的具体例一边进行。更具体而言，图7(A)是表示在某运行条件下的最大发热量Qmax的计算值与缸内的空燃比的关系的图，图7(B)是表示在上述的基准运行条件下的多变指数m与缸内的空燃比的关系(即，m－AF曲线)的图。
在本步骤104中，在所算出的最大发热量Qmax大于预定值的情况下，判定为是空燃比比理论空燃比浓的浓气缸，而在最大发热量Qmax为预定值以下的情况下，判定为是空燃比比理论空燃比稀的稀气缸。这里所说的最大发热量Qmax的预定值是用于考虑具有图7(A)所示的倾向的最大发热量Qmax与空燃比的关系而区分检测对象气缸是浓气缸还是稀气缸的最大发热量Qmax的阈值，是作为与运行条件相应的值而预先设定的。
接着，ECU40进入步骤106，利用在燃烧结束点(得到最大发热量Qmax的曲轴角度)以后且排气门22打开前的膨胀行程中使用缸内压力传感器30得到的2点的缸内压力PA、PB以及缸内容积VA、VB、和上述(1)式，算出各气缸的膨胀行程的多变指数m。
接着，ECU40进入步骤108，基于与冷却损失相关的运行条件参数，修正在步骤106中所算出的多变指数m。在本步骤108中，进行基于发动机旋转速度、发动机冷却水温度、点火正时、EGR率以及发动机负荷率的修正。但是，本发明中的多变指数m的修正也可以不基于这些运行条件参数的全部而是基于一个或者多个(并非全部)来进行。另外，如果除了在此列举的运行条件参数以外，还有与冷却损失相关的运行条件参数，则也可以将这样的其他的运行条件参数与上述运行条件参数一起使用、或者取代之来使用。再者，作为上述运行条件参数以外的运行条件参数，例如如果是可变更压缩比的内燃机，则压缩比相当于该参数。
在本步骤108中，通过对由步骤106所算出的多变指数m加上以下说明的各种多变指数修正量，进行多变指数m的修正。图8是表示在步骤108的处理中使用的各种多变指数修正量的设定的图。在图8中的各图((A)～(E))中，与发动机旋转速度有关的多变指数修正量，考虑到与相对于发动机旋转速度的变化的冷却损失的变化相伴的多变指数m的变化的形式而被设定为发动机旋转速度越高而越小。同样地，与发动机冷却水温度有关的修正量被设定为发动机冷却水温度越高而越小，与点火正时有关的修正量被设定为使得点火正时越延迟(例如，相对于最佳点火正时(MBT)越延迟)而越小，与EGR率有关的修正量被设定为EGR率越高而越小，与发动机负荷率有关的修正量被设定为发动机负荷率越高而越小。另外，如图8所示，各多变指数修正量被设定为在基准运行条件下的值(即上述基准值)为零。通过使用了这样的各多变指数修正量的修正，能够以发动机旋转速度越高、发动机冷却水温度越高、点火正时越延迟、EGR率越高、并且发动机负荷率越高、则使用缸内压力传感器30所算出的多变指数m就变得越小的方式进行修正。
接着，ECU40进入步骤110。在步骤110中，ECU40基于步骤104的判定结果，在空燃比的检测对象气缸为浓气缸的情况下进入步骤112，而在空燃比的检测对象气缸为稀气缸的情况下进入步骤114。在步骤112中，如图7(B)所示，利用在基准运行条件下的m―AF曲线中的比理论空燃比浓侧的部位，将修正后的多变指数m换算为空燃比。更具体而言，在m―AF曲线中的浓侧的部位与修正后的多变指数m(圆形标记)的交点下的空燃比作为检测对象气缸的空燃比的值来算出。步骤114的处理也与之同样地，利用在基准运行条件下的m―AF曲线中的比理论空燃比稀侧的部位，将修正后的多变指数m换算为空燃比。
根据以上说明的图6所示的例程，基于修正后的膨胀行程的多变指数m、空燃比的检测对象气缸是浓气缸还是稀气缸的判定结果、和在基准运行条件下的m－AF曲线，算出缸内的空燃比。在本实施方式中着眼的多变指数m与空燃比的关系(m－AF曲线)如已叙述的那样具有以下倾向：在理论空燃比下，多变指数m为最低，空燃比相对于理论空燃比变得越浓或者越稀，多变指数m变得越高。因此，即使是不同的空燃比的值，也可能为相同的多变指数m。因而，如在本实施方式中设想的那样，在空燃比相对于理论空燃比的浓侧以及稀侧这双方会出现差异的状况下，需要判定空燃比的检测对象气缸是浓气缸还是稀气缸。另外，通过上述的多变指数m的修正，能够排除与冷却损失相关的运行条件参数对多变指数m的影响量(即，对多变指数m的缸内的气体温度影响量之中的空燃比以外的影响量)，仅保留由空燃比的变化产生的气体温度变化量作为对多变指数m的气体温度影响量。由此，能够包括比理论空燃比浓的区域在内，利用使用缸内压力传感器30所算出的膨胀行程的多变指数m的信息(也就是说，表示燃烧气体自身的状态的信息)来检测缸内的空燃比。
另外，也可以利用采用上述的实施方式1中的方法所算出的各气缸的空燃比，如以下参照图9进行说明的那样，进行气缸间的空燃比不平衡检测。图9是表示为了实现这种气缸间的空燃比不平衡检测处理而由ECU40执行的例程的流程图。
在图9所示的例程中，ECU40在步骤200中取得由上述图6所示的例程所算出的各气缸的空燃比。然后，ECU40进入步骤202，算出气缸间的相对的空燃比的偏差量。作为这种空燃比的偏差量，例如，可以使用偏差量为最大的气缸间的值。
接着，ECU40进入步骤204，判定在上述步骤202中所算出的气缸间的空燃比的偏差量是否大于预定的判定值。在本步骤204中使用的判定值是作为用于判断所算出的气缸间的空燃比的偏差量是否表示要求在内燃机10中被检测的程度的空燃比不平衡状态的阈值而预先设定的值。在本步骤204的判定成立的情况下，ECU40进入步骤206，判定为处于应该检测的大程度的空燃比不平衡状态。
另外，在上述的实施方式1中，利用使用由缸内压力传感器30检测的缸内压力而算出的最大发热量Qmax，判定各气缸是浓气缸还是稀气缸。但是，使用由缸内压力传感器30检测的缸内压力而算出的、在该浓/稀判定中使用的燃烧参数并不限于发热量Q，例如也可以是燃烧速度。燃烧速度例如可以基于能利用燃烧质量比例(MFB)求出的主燃烧期间(10－90％燃烧期间)的长度、以主燃烧期间越短而燃烧速度越高的方式来算出。任意的曲轴角度θ下的MFB可以使用与曲轴角度同步的发热量Q的数据、根据下面的(3)式来算出。因此，利用该(3)式，能够取得MFB为预定比例时的曲轴角度。再者，在上述(3)式中，θsta为燃烧开始点，θfin为燃烧结束点。
图10是表示燃烧速度与缸内的空燃比的关系的图。如图10所示，对于燃烧速度，也与发热量Q(图7(A)中示例的最大发热量Qmax)同样地，在比理论空燃比稀侧的区域中相对于空燃比具有高灵敏度，但在比理论空燃比浓侧的区域中，由于燃料的层流燃烧速度的特性上的缘故，相对于空燃比的灵敏度低。因此，也可以取代在上述的实施方式1中使用的发热量Q(最大发热量Qmax)来使用燃烧速度。更具体而言，也可以在燃烧速度比预定值高的情况下，判定为空燃比的检测对象气缸为浓气缸。
另外，关于对于各气缸是浓气缸还是稀气缸的判定，未必限定于利用基于由缸内压力传感器30检测的缸内压力的燃烧参数来进行。即，作为判定各气缸是浓气缸还是稀气缸的方法，例如，也可以是利用空燃比传感器32，考虑从各气缸排出的排气到达空燃比传感器32的时间来推定各气缸的空燃比是比理论空燃比浓还是比理论空燃比稀。
另外，在上述的实施方式1中，将规定膨胀行程的多变指数m与空燃比的关系的m－AF曲线用于空燃比的算出。但是，为了规定本发明中的关系信息而与膨胀行程的多变指数一起被使用的空燃比指标值(相当于图7所示的m－AF曲线的横轴)只要是与空燃比相关联的指标值即可，不限于所谓的空燃比(即空气量与燃料量的重量比)本身，例如也可以是空气过剩率或者当量比等。
另外，在上述的实施方式1中，以将作为烃燃料之一的汽油作为燃料的内燃机10为例进行了说明。但是，作为本发明的对象的燃料只要是已燃气体中的双原子分子以及三原子分子的比例根据空燃比如在实施方式1中说明的那样而变化即可，不限于汽油等烃燃料，例如也可以是氢燃料等。
另外，在上述的实施方式1中，对将内燃机10的所有气缸作为对象来进行各气缸的空燃比检测的例子进行了说明。但是，本发明中的缸内的空燃比的检测、进而气缸间的空燃比不平衡检测未必限定于将所有气缸作为对象来进行，也可以将由多气缸型的内燃机的一部分的气缸构成的评价对象气缸组作为对象来实施。具体而言，例如，也可以在共用一个排气净化催化剂(例如三元催化剂)的气缸组不是所有气缸而是一部分气缸这样的状况下，将共用该排气净化催化剂的气缸组作为评价对象气缸组来实施。再者，作为这种状况，符合的状况例如有：按照V型发动机的各排(bank)具备排气净化催化剂的状况、或者虽然是直列型发动机但是按照爆发间隔为等间隔或大致等间隔的各气缸组而具备排气净化催化剂的状况。
再者，在上述的实施方式1中，通过ECU40执行上述步骤100的处理来实现了所述第一发明中的“缸内压力检测单元”，通过ECU40执行上述步骤104的处理来实现了所述第一发明中的“气缸空燃比判定单元”，通过ECU40执行上述步骤106以及108的处理来实现了所述第一发明中的“多变指数算出单元”，通过ECU40执行上述步骤110～114的处理来实现了所述第一发明中的“空燃比算出单元”。
另外，在上述的实施方式1中，通过ECU40执行上述图9所示的例程的一连串的处理，实现了所述第六发明中的“不平衡检测单元”。
附图标记说明
10：内燃机
12：活塞
14：燃烧室
16：进气通路
18：排气通路
20：进气门
22：排气门
24：节气门
26：燃料喷射阀
28：火花塞
30：缸内压力传感器
32：空燃比传感器
34：三元催化剂
36：EGR通路
38：EGR阀
40：ECU(电子控制单元)
42：曲轴转角传感器
44：空气流量计
46：排气凸轮角传感器

Claims (8)

1.一种内燃机的空燃比检测装置，其特征在于，具备：
缸内压力检测单元，其检测缸内压力；
气缸空燃比判定单元，其判定缸内的空燃比指标值的算出对象气缸是缸内的空燃比比理论空燃比浓的浓气缸还是缸内的空燃比比理论空燃比稀的稀气缸；和
多变指数算出单元，其使用由所述缸内压力检测单元检测出的缸内压力来算出膨胀行程的多变指数，
所述多变指数算出单元基于内燃机的运行条件参数来修正所算出的多变指数，
还具备空燃比算出单元，所述空燃比算出单元基于修正后的膨胀行程的多变指数、缸内的空燃比指标值的算出对象气缸是浓气缸还是稀气缸的判定结果、和规定在基准运行条件下的膨胀行程的多变指数与缸内的空燃比指标值的关系的关系信息来算出缸内的空燃比指标值。
2.根据权利要求1所述的内燃机的空燃比检测装置，其特征在于，
在膨胀行程的多变指数的修正中使用的所述运行条件参数是发动机旋转速度、发动机冷却水温度、点火正时、EGR率以及发动机负荷率之中的至少一个。
3.根据权利要求2所述的内燃机的空燃比检测装置，其特征在于，
所述多变指数算出单元以如下方式进行修正：发动机旋转速度越高、发动机冷却水温度越高、点火正时越延迟、EGR率越高、或发动机负荷率越高，则膨胀行程的多变指数变得越小。
4.根据权利要求1～3中的任一项所述的内燃机的空燃比检测装置，其特征在于，
所述气缸空燃比判定单元，使用由所述缸内压力检测单元检测出的缸内压力来算出发热量或者燃烧速度，在所算出的发热量或者燃烧速度比预定值大的情况下，判定为缸内的空燃比指标值的算出对象气缸为浓气缸。
5.根据权利要求1～3中的任一项所述的内燃机的空燃比检测装置，其特征在于，
所述多变指数算出单元使用在燃烧结束点以后且排气门的打开正时之前的膨胀行程中的2点以上的缸内压力以及缸内容积来算出膨胀行程的多变指数。
6.根据权利要求1～3中的任一项所述的内燃机的空燃比检测装置，其特征在于，
所述内燃机具备多个气缸，
所述缸内压力检测单元检测所述多个气缸各自的缸内压力，
还具备不平衡检测单元，所述不平衡检测单元在基于由所述空燃比算出单元算出的缸内的空燃比指标值的气缸间的空燃比的偏差量比预定的判定值大的情况下，判定为处于空燃比在气缸间不平衡的状态。
7.根据权利要求1～3中的任一项所述的内燃机的空燃比检测装置，其特征在于，
所述基准运行条件是所述运行条件参数为任意的基准值时的运行条件。
8.根据权利要求1～3中的任一项所述的内燃机的空燃比检测装置，其特征在于，
所述关系信息是在将缸内的空燃比指标值设为X轴、将膨胀行程的多变指数设为Y轴的情况下，在XY平面上规定膨胀行程的多变指数与缸内的空燃比指标值的关系的曲线。
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