JP2012246810A - 多気筒内燃機関の気筒間空燃比ばらつき異常検出装置 - Google Patents

多気筒内燃機関の気筒間空燃比ばらつき異常検出装置 Download PDF

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Abstract

【課題】燃料噴射量変更前のエンジン回転をできるだけ安定させ、検出精度向上に寄与する。
【課題手段】本発明に係る多気筒内燃機関の気筒間空燃比ばらつき異常検出装置は、所定の前提条件が成立したときに所定の対象気筒の燃料噴射量を変更し、変更前後の対象気筒の回転変動に基づき気筒間空燃比ばらつき異常を検出する。前提条件成立後で且つ燃料噴射量変更前に、内燃機関の回転数を所定の基準回転数から変化させ、内燃機関の回転変動が最小となる安定回転数を探索する。
【選択図】図7

Description

本発明は、多気筒内燃機関の気筒間空燃比のばらつき異常を検出するための装置に係り、特に、多気筒内燃機関において気筒間の空燃比が比較的大きくばらついていることを検出する装置に関する。
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で検出することが要請されている(所謂OBD;On-Board Diagnostics)。
例えば特許文献1に記載の装置においては、いずれかの気筒に空燃比異常が生じていると判断した場合に、空燃比異常となっている気筒が失火するまでの間、各気筒へ噴射する燃料の噴射時間を所定時間ずつ短縮させ、これによって異常気筒を特定している。
特開2010−112244号公報
ところで、いずれかの気筒に空燃比異常が生じている場合、当該気筒の燃料噴射量を強制的に変更(増量または減量)すると、当該気筒の回転変動が顕著に大きくなる。よってこのような回転変動の増大を検出することで、空燃比ばらつき異常を検出することが可能である。
一方、燃料噴射量の変更前はエンジン回転ができるだけ変動せず、安定している方が望ましい。その理由は、変更前のエンジン回転が安定している方が、安定していないときよりも、変更前の回転変動に対する変更後の回転変動が相対的に大きくなり、検出精度が向上するからである。
そこで本発明は以上の事情に鑑みて創案され、その目的は、燃料噴射量変更前のエンジン回転をできるだけ安定させ、検出精度向上に寄与し得る多気筒内燃機関の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、
所定の前提条件が成立したときに所定の対象気筒の燃料噴射量を変更し、当該変更前後の前記対象気筒の回転変動に基づき、気筒間空燃比ばらつき異常を検出する異常検出手段と、
前記前提条件成立後で且つ前記燃料噴射量変更前に、内燃機関の回転数を所定の基準回転数から変化させ、前記内燃機関の回転変動が最小となる安定回転数を探索する探索手段と、
を備えたことを特徴とする多気筒内燃機関の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、前記気筒間空燃比ばらつき異常検出装置は、前記探索手段によって前記安定回転数が探索された後、前記内燃機関の回転数を前記安定回転数に制御する回転制御手段をさらに備える。
好ましくは、前記異常検出手段は、前記回転制御手段によって前記内燃機関の回転数が前記安定回転数に制御されているときに、前記燃料噴射量変更前の前記対象気筒の回転変動を検出する。
好ましくは、前記探索手段は、前記基準回転数を含め、前記内燃機関の回転数の変化の過程で前記内燃機関の回転変動が最小となる回転数を前記安定回転数として決定する。
好ましくは、前記前提条件が、前記内燃機関の回転数が一定のアイドル回転数になっていることを含み、前記基準回転数が前記アイドル回転数からなり、
前記探索手段は、前記安定回転数を探索する際に前記内燃機関の回転数を前記アイドル回転数から段階的に変化させる。
好ましくは、前記探索手段は、前記内燃機関の回転数を前記アイドル回転数から段階的に増加させる。
好ましくは、前記前提条件が、前記内燃機関の回転数が一定になっていることを含み、前記基準回転数が前記一定の回転数からなり、
前記探索手段は、前記安定回転数を探索する際に前記内燃機関の回転数を前記一定の回転数から段階的に変化させる。
好ましくは、前記異常検出手段は、前記燃料噴射量変更前後の前記対象気筒の回転変動の差に基づき、前記対象気筒の空燃比ずれ異常を検出する。
本発明によれば、燃料噴射量変更前のエンジン回転をできるだけ安定させ、検出精度向上に寄与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。 回転変動を表す値を説明するためのタイムチャートである。 回転変動を表す別の値を説明するためのタイムチャートである。 燃料噴射量を増量または減量したときの回転変動の変化を示すグラフである。 燃料噴射量の増量と、増量前後の回転変動の変化との様子を示す図である。 ばらつき異常検出に際してのエンジン回転数の変化を示すタイムチャートである。 ばらつき異常検出処理のフローチャートである。
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に本実施形態に係る内燃機関を概略的に示す。図示される内燃機関(エンジン)1は自動車に搭載されたV型8気筒火花点火式内燃機関(ガソリンエンジン)である。エンジン1は第1のバンクB1と第2のバンクB2とを有し、第1のバンクB1には奇数番気筒すなわち#1,#3,#5,#7気筒が設けられ、第2のバンクB2には偶数番気筒すなわち#2,#4,#6,#8気筒が設けられている。#1,#3,#5,#7気筒が第1の気筒群をなし、#2,#4,#6,#8気筒が第2の気筒群をなす。
各気筒にインジェクタ(燃料噴射弁)2が設けられる。インジェクタ2は、対応気筒の吸気通路特に吸気ポート(図示せず)内に向けて燃料を噴射する。また各気筒には、筒内の混合気に点火するための点火プラグ13が設けられる。
吸気を導入するための吸気通路7は、前記吸気ポートの他、集合部としてのサージタンク8と、各気筒の吸気ポートおよびサージタンク8を結ぶ複数の吸気マニホールド9と、サージタンク8の上流側の吸気管10とを含む。吸気管10には、上流側から順にエアフローメータ11と電子制御式スロットルバルブ12とが設けられている。エアフローメータ11は吸気流量に応じた大きさの信号を出力する。
第1のバンクB1に対して第1の排気通路14Aが設けられ、第2のバンクB2に対して第2の排気通路14Bが設けられる。これら第1および第2の排気通路14A,14Bは下流触媒19の上流側で合流されている。この合流位置より上流側の排気系の構成は両バンクで同一なので、ここでは第1のバンクB1側についてのみ説明し、第2のバンクB2側については図中同一符号を付して説明を省略する。
第1の排気通路14Aは、#1,#3,#5,#7の各気筒の排気ポート(図示せず)と、これら排気ポートの排気ガスを集合させる排気マニホールド16と、排気マニホールド16の下流側に設置された排気管17とを含む。そして排気管17には上流触媒18が設けられている。上流触媒18の上流側及び下流側(直前及び直後)にそれぞれ、排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサである触媒前センサ20及び触媒後センサ21が設置されている。このように、一方のバンクに属する複数の気筒(あるいは気筒群)に対して、上流触媒18、触媒前センサ20及び触媒後センサ21が各一つずつ設けられている。
なお、第1および第2の排気通路14A,14Bを合流させないで、これらに個別に下流触媒19を設けることも可能である。
エンジン1には制御手段としての電子制御ユニット(以下ECUと称す)100が設けられている。ECU100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。ECU100には、前述のエアフローメータ11、触媒前センサ20、触媒後センサ21のほか、エンジン1のクランク角を検出するためのクランク角センサ22、アクセル開度を検出するためのアクセル開度センサ23、エンジン冷却水の温度を検出するための水温センサ24、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。ECU100は、各種センサの検出値等に基づき、所望の出力が得られるように、インジェクタ2、点火プラグ13、スロットルバルブ12等を制御し、燃料噴射量、燃料噴射時期、点火時期、スロットル開度等を制御する。
スロットルバルブ12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ECU100に送られる。ECU100は、通常、アクセル開度に応じて定まる開度に、スロットルバルブ12の開度(スロットル開度)をフィードバック制御する。
またECU100は、エアフローメータ11からの信号に基づき、単位時間当たりの吸入空気の量すなわち吸入空気量を検出する。そしてECU100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。
ECU100は、クランク角センサ22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20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20の出力特性を示す。図示するように、触媒前センサ20は、検出した排気空燃比(触媒前空燃比A/Ff)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(理論空燃比、例えばA/F=14.5)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21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21の出力特性を示す。図示するように、排気空燃比(触媒後空燃比A/Fr)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21の出力電圧は所定の範囲(例えば0〜1V)内で変化する。概して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Vr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Vrはストイキ相当値Vrefrより高くなる。
上流触媒18及び下流触媒19は三元触媒からなり、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、エンジンの通常運転時、上流触媒18に流入する排気ガスの空燃比をストイキ近傍に制御するための空燃比制御(ストイキ制御)がECU100により実行される。この空燃比制御は、触媒前センサ20によって検出された排気空燃比が所定の目標空燃比であるストイキになるように混合気の空燃比(具体的には燃料噴射量)をフィードバック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21によって検出された排気空燃比がストイキになるように混合気の空燃比(具体的には燃料噴射量)をフィードバック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。
このように本実施形態において、空燃比の基準値はストイキであり、このストイキに相当する燃料噴射量(ストイキ相当量という)が燃料噴射量の基準値である。但し、空燃比および燃料噴射量の基準値は他の値とすることもできる。
空燃比制御はバンク単位で若しくはバンク毎に行われる。例えば第1のバンクB1側の触媒前センサ20および触媒後センサ21の検出値は、第1のバンクB1に属する#1,#3,#5,#7気筒の空燃比フィードバック制御にのみ用いられ、第2のバンクB2に属する#2,#4,#6,#8気筒の空燃比フィードバック制御には用いられない。逆も同様である。あたかも独立した直列4気筒エンジンが二つあるように、空燃比制御が実行される。また空燃比制御においては、同一バンクに属する各気筒に対し同一の制御量が一律に用いられる。
さて、例えば全気筒のうちの一部の気筒(特に1気筒)において、インジェクタ2の故障等が発生し、気筒間に空燃比のばらつき(インバランス:imbalance)が発生することがある。例えば第1のバンクB1について、インジェクタ2の閉弁不良により#1気筒の燃料噴射量が他の#3,#5,#7気筒の燃料噴射量よりも多くなり、#1気筒の空燃比が他の#3,#5,#7気筒の空燃比よりも大きくリッチ側にずれる場合である。
このときでも、前述の空燃比フィードバック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20に供給されるトータルガス(合流後の排気ガス)の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、#3,#5,#7気筒がストイキよりリーンであり、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。
ここで、気筒間空燃比のばらつき度合いを表す指標値としてインバランス率なる値を用いる。インバランス率とは、複数の気筒のうちある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。インバランス率を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×100で表される。インバランス率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。
他方、本実施形態においては、所定の対象気筒の燃料噴射量をアクティブに若しくは強制的に変更(増量または減量)し、少なくとも変更後の対象気筒の回転変動に基づき、ばらつき異常を検出する。
まず、回転変動について説明する。回転変動とは、エンジン回転速度あるいはクランクシャフト回転速度の変化をいい、例えば次に述べるような値で表すことができる。本実施形態においては気筒毎の回転変動が検出可能である。
図3には回転変動を説明するためのタイムチャートを示す。図示例は直列4気筒エンジンの例であるが、本実施形態のようなV型8気筒エンジンにも適用可能であることが理解されよう。点火順序は#1,#3,#4,#2気筒の順である。
図3において、(A)はエンジンのクランク角(°CA)を示す。1エンジンサイクルは720(°CA)であり、図には逐次的に検出される複数サイクル分のクランク角が鋸歯状に示されている。
(B)は、クランクシャフトが所定角度だけ回転するのに要した時間、すなわち回転時間T(s)を示す。ここでは所定角度が30(°CA)であるが、他の値(例えば10(°CA))としてもよい。回転時間Tが長いほどエンジン回転速度は遅く、逆に回転時間Tが短いほどエンジン回転速度は速い。この回転時間Tはクランク角センサ22の出力に基づきECU100により検出される。
(C)は、後に説明する回転時間差ΔTを示す。図中、「正常」とは、いずれの気筒にも空燃比ずれが生じていない正常な場合を示し、「リーンずれ異常」とは、#1気筒のみに例えばインバランス率IB=−30(%)のリーンずれが生じている異常な場合を示す。リーンずれ異常は例えばインジェクタの噴孔詰まりや開弁不良により生じ得る。
まず、各気筒の同一タイミングにおける回転時間TがECUにより検出される。ここでは各気筒の圧縮上死点(TDC)のタイミングにおける回転時間Tが検出される。この回転時間Tが検出されるタイミングを検出タイミングという。
次いで、検出タイミング毎に、当該検出タイミングにおける回転時間T2と、直前の検出タイミングにおける回転時間T1との差(T2−T1)がECUにより算出される。この差が(C)に示す回転時間差ΔTであり、ΔT=T2−T1である。
通常、ある気筒のクランク角がTDCを超えた後の燃焼行程では回転速度が上昇するため回転時間Tが低下し、その後の次気筒の圧縮行程では回転速度が低下するため回転時間Tが増大する。
しかしながら、(B)に示すように#1気筒がリーンずれ異常の場合、#1気筒を点火させても十分なトルクが得られず、回転速度が上昇しづらいので、その影響で#3気筒TDCにおける回転時間Tは大きくなっている。それ故、#3気筒TDCにおける回転時間差ΔTは、(C)に示すように大きな正の値となる。この#3気筒TDCにおける回転時間および回転時間差をそれぞれ#1気筒の回転時間および回転時間差とし、それぞれT1およびΔT1で表す。他の気筒についても同様である。
次に、#3気筒は正常であるので、#3気筒を点火させたときには回転速度が急峻に上昇する。これにより次の#4気筒TDCのタイミングでは、#3気筒TDCのときに比べ回転時間Tが若干低下しているに過ぎない。それ故、#4気筒TDCにおいて検出された#3気筒の回転時間差ΔT3は、(C)に示すように小さな負の値となる。このようにある気筒の回転時間差ΔTが、次点火気筒TDC毎に検出される。
以降の#2気筒TDCおよび#1気筒TDCにおいても#4気筒TDCのときと同様の傾向が見られ、両タイミングにおいて検出された#4気筒の回転時間差ΔT4および#2気筒の回転時間差ΔT2はともに小さな負の値となっている。以上の特性が1エンジンサイクル毎に繰り返される。
このように、各気筒の回転時間差ΔTは、各気筒の回転変動を表す値であり、各気筒の空燃比ずれ量に相関した値であることが分かる。そこで各気筒の回転時間差ΔTを各気筒の回転変動の指標値として用いることができる。各気筒の空燃比ずれ量が大きいほど、各気筒の回転変動は大きくなり、各気筒の回転時間差ΔTは大きくなる。
他方、図3(C)に示すように、正常の場合には回転時間差ΔTが常時ゼロ付近である。
図3の例ではリーンずれ異常の場合を示したが、逆のリッチずれ異常、すなわち1気筒のみに大きなリッチずれが生じている場合にも、同様の傾向がある。大きなリッチずれが生じた場合、点火しても燃料過多のため燃焼が不十分となり、十分なトルクが得られず、回転変動が大きくなるからである。
次に、図4を参照して、回転変動を表す別の値を説明する。(A)は図3(A)と同様にエンジンのクランク角(°CA)を示す。
(B)は、前記回転時間Tの逆数である角速度ω(rad/s)を示す。ω=1/Tである。当然ながら、角速度ωが大きいほどエンジン回転速度は速く、角速度ωが小さいほどエンジン回転速度は遅い。角速度ωの波形は、回転時間Tの波形を上下反転した形となる。
(C)は、前記回転時間差ΔTと同様、角速度ωの差である角速度差Δωを示す。角速度差Δωの波形も、回転時間差ΔTの波形を上下反転した形となる。図中の「正常」および「リーンずれ異常」については図3と同様である。
まず、各気筒の同一タイミングにおける角速度ωがECUにより検出される。ここでも各気筒の圧縮上死点(TDC)のタイミングにおける角速度ωが検出される。角速度ωは、1を前記回転時間Tで除することにより算出される。
次いで、検出タイミング毎に、当該検出タイミングにおける角速度ω2と、直前の検出タイミングにおける角速度ω1との差(ω2−ω1)がECUにより算出される。この差が(C)に示す角速度差Δωであり、Δω=ω2−ω1である。
通常、ある気筒のクランク角がTDCを超えた後の燃焼行程では回転速度が上昇するため角速度ωが上昇し、その後の次気筒の圧縮行程では回転速度が低下するため角速度ωが低下する。
しかしながら、(B)に示すように#1気筒がリーンずれ異常の場合、#1気筒を点火させても十分なトルクが得られず、回転速度が上昇しづらいので、その影響で#3気筒TDCにおける角速度ωは小さくなっている。それ故、#3気筒TDCにおける角速度差Δωは、(C)に示すように大きな負の値となる。この#3気筒TDCにおける角速度および角速度差をそれぞれ#1気筒の角速度および角速度差とし、それぞれω1およびΔω1で表す。他の気筒についても同様である。
次に、#3気筒は正常であるので、#3気筒を点火させたときには回転速度が急峻に上昇する。これにより次の#4気筒TDCのタイミングでは、#3気筒TDCのときに比べ角速度ωが若干上昇するに過ぎない。それ故、#4気筒TDCにおいて検出された#3気筒の角速度差Δω3は、(C)に示すように小さな正の値となる。このようにある気筒の角速度差Δωが、次点火気筒TDC毎に検出される。
以降の#2気筒TDCおよび#1気筒TDCにおいても#4気筒TDCのときと同様の傾向が見られ、両タイミングにおいて検出された#4気筒の角速度差Δω4および#2気筒の角速度差Δω2はともに小さな正の値となっている。以上の特性が1エンジンサイクル毎に繰り返される。
このように、各気筒の角速度差Δωは、各気筒の回転変動を表す値であり、各気筒の空燃比ずれ量に相関した値であることが分かる。そこで各気筒の角速度差Δωを各気筒の回転変動の指標値として用いることができる。各気筒の空燃比ずれ量が大きいほど、各気筒の回転変動は大きくなり、各気筒の角速度差Δωは小さくなる(マイナス方向に大きくなる)。
他方、図4(C)に示すように、正常の場合には角速度差Δωが常時ゼロ付近である。
逆のリッチずれ異常の場合にも同様の傾向がある点は上述した通りである。
次に、ある1気筒の燃料噴射量をアクティブに増量または減量したときの回転変動の変化を、図5を参照して説明する。
図5において、横軸はインバランス率IBを示し、縦軸は回転変動の指標値としての角速度差Δωを示す。ここでは、全8気筒のうちある1気筒のみのインバランス率IBを変化させ、このときの当該1気筒のインバランス率IBと、当該1気筒の角速度差Δωとの関係を線aで示す。当該1気筒をアクティブ対象気筒という。他の気筒は全てバランス気筒であり、基準噴射量Qsとしてストイキ相当量を噴射しているものとする。
横軸において、IB=0(%)とは、アクティブ対象気筒のインバランス率IBが0(%)で、アクティブ対象気筒がストイキ相当量を噴射している正常な場合を意味する。このときのデータが線a上のプロットbで示される。このIB=0(%)の状態から図中左側に移動すると、インバランス率IBがプラス方向に増加し、燃料噴射量としては過多すなわちリッチな状態となる。逆に、IB=0(%)から図中右側に移動すると、インバランス率IBがマイナス方向に増加し、燃料噴射量としては過少すなわちリーンな状態となる。
特性線aから分かるように、アクティブ対象気筒のインバランス率IBが0(%)からプラス方向に増加してもマイナス方向に増加しても、アクティブ対象気筒の回転変動は大きくなり、アクティブ対象気筒の角速度差Δωが0付近からマイナス方向に大きくなる傾向にある。そして、インバランス率IBが0(%)から離れるほど、特性線aの傾きが急になり、インバランス率IBの変化に対する角速度差Δωの変化は大きくなる傾向にある。
ここで、矢印cで示すように、アクティブ対象気筒の燃料噴射量を、ストイキ相当量(IB=0(%))から所定量、強制的に増量したとする。図示例ではインバランス率で約40(%)相当の増量がなされている。このとき、IB=0(%)の近辺では特性線aの傾きが緩やかであることから、増量後においても角速度差Δωは増量前とほぼ変わらず、増量前後の角速度差Δωの差は極小さい。
他方、プロットdで示すように、アクティブ対象気筒において既にリッチずれが生じており、そのインバランス率IBが比較的大きなプラス側の値になっているときを考える。図示例ではインバランス率で約50(%)のリッチずれが生じている。この状態から矢印eで示すように、アクティブ対象気筒の燃料噴射量を同一量、強制的に増量したとすると、この領域では特性線aの傾きが急であることから、増量後の角速度差Δωは増量前より大きくマイナス側に変化し、増量前後の角速度差Δωの差は大きくなる。すなわち燃料噴射量の増量により、アクティブ対象気筒の回転変動は大きくなる。
よって、アクティブ対象気筒の燃料噴射量を強制的に所定量増量したときの少なくとも増量後のアクティブ対象気筒の角速度差Δωに基づき、ばらつき異常を検出することが可能である。
すなわち、増量後の角速度差Δωが図示するように所定の負の異常判定値αより小さい場合(Δω<α)には、ばらつき異常有りと判定し、且つアクティブ対象気筒を異常気筒と特定することができる。逆に、増量後の角速度差Δωが異常判定値αより小さくない場合(Δω≧α)には、少なくともアクティブ対象気筒を正常と判定することができる。
あるいは代替的に、図示するように、増量前後の角速度差Δωの差dΔωに基づき、ばらつき異常を検出することも可能である。この場合、増量前の角速度差をΔω1、増量後の角速度差をΔω2とすると、両者の差dΔωをdΔω=Δω1−Δω2と定義することができる。そして差dΔωが所定の正の異常判定値β1を超えた場合(dΔω>β1)、ばらつき異常有りと判定し、且つアクティブ対象気筒を異常気筒と特定することができる。逆に、差dΔωが異常判定値β1を超えない場合(dΔω≦β1)、少なくともアクティブ対象気筒を正常と判定することができる。
インバランス率が負の領域で強制減量を行ったときも同様のことが言える。矢印fで示すように、アクティブ対象気筒の燃料噴射量をストイキ相当量(IB=0(%))から所定量、強制的に減量したとする。図示例ではインバランス率で約10(%)相当の減量がなされている。増量量に比べ減量量が少ないのは、リーンずれ異常気筒に対しあまりに多くの減量を行ってしまうと失火してしまうからである。このとき、特性線aの傾きが比較的緩やかであることから、減量後の角速度差Δωは減量前より若干小さくなっているだけで、増量前後の角速度差Δωの差は小さい。
他方、プロットgで示すように、アクティブ対象気筒において既にリーンずれが生じており、そのインバランス率IBが比較的大きなマイナス側の値になっているときを考える。図示例ではインバランス率で約−20(%)のリーンずれが生じている。この状態から矢印hで示すように、アクティブ対象気筒の燃料噴射量を同一量、強制的に減量したとすると、この領域では特性線aの傾きが比較的急であることから、減量後の角速度差Δωは減量前より大きくマイナス側に変化し、減量前後の角速度差Δωの差は大きくなる。すなわち燃料噴射量の減量により、アクティブ対象気筒の回転変動は大きくなる。
よって、アクティブ対象気筒の燃料噴射量を強制的に所定量減量したときの少なくとも減量後のアクティブ対象気筒の角速度差Δωに基づき、ばらつき異常を検出することが可能である。
すなわち、減量後の角速度差Δωが図示するように所定の負の異常判定値αより小さい場合(Δω<α)には、ばらつき異常有りと判定し、且つアクティブ対象気筒を異常気筒と特定することができる。逆に、減量後の角速度差Δωが異常判定値αより小さくない場合(Δω≧α)には、少なくともアクティブ対象気筒を正常と判定することができる。
あるいは代替的に、図示するように、減量前後の角速度差Δωの差dΔωに基づき、ばらつき異常を検出することも可能である。この場合も両者の差dΔωをdΔω=Δω1−Δω2と定義することができる。差dΔωが所定の正の異常判定値β2を超えた場合(dΔω>β2)、ばらつき異常有りと判定し、且つアクティブ対象気筒を異常気筒と特定することができる。逆に、差dΔωが異常判定値β2を超えない場合(dΔω≦β2)、少なくともアクティブ対象気筒を正常と判定することができる。
ここでは増量量が減量量より顕著に多いため、増量時の異常判定値β1を減量時の異常判定値β2より大きくしている。しかしながら、両異常判定値は、特性線aの特性や増量量と減量量のバランス等を考慮して任意に定めることができる。両異常判定値を同じ値とすることも可能である。
各気筒の回転変動の指標値として回転時間差ΔTを用いた場合にも、同様の方法で異常検出および異常気筒特定が可能であることが理解されるであろう。また、各気筒の回転変動の指標値としては、上述した以外の他の値を用いることも可能である。
図6には、全8気筒についての燃料噴射量の増量と、増量前後の回転変動の変化との様子を示す。上段が増量前、下段が増量後である。左右方向の左端列に示されているように、増量の方法としては、全気筒一律且つ同時に同一量増量している。すなわちここでは所定の対象気筒が全気筒である。増量前は全気筒のインジェクタ2に対し、ストイキ相当量の燃料を噴射するよう開弁指令がなされており、増量後は全気筒のインジェクタ2に対し、ストイキ相当量より所定量多い燃料を噴射するよう開弁指令がなされている。
この増量の仕方は、全気筒同時に行う方法の他、任意数の気筒ずつ順番に且つ交互に行う方法がある。例えば1気筒ずつ増量したり、2気筒ずつ増量したり、4気筒ずつ増量したりする方法がある。増量を行う対象気筒の数および気筒番号は任意に設定できる。
対象気筒数が多いほど、全増量時間を短縮できるメリットがあり、排気エミッションが悪化するデメリットがある。逆に対象気筒数が少ないほど、排気エミッションの悪化を抑制できるメリットがあるが、全増量時間が長期化するデメリットがある。
各気筒の回転変動の指標値として、図5と同様、角速度差Δωを用いている。
例えば左右方向の中央列に示されている正常時、すなわちいずれの気筒においても空燃比ずれ異常が生じていない場合だと、増量前では全気筒の角速度差Δωがほぼ等しく0付近にあり、全気筒の回転変動が少ない。また増量後でも全気筒の角速度差Δωがほぼ等しく若干マイナス方向に大きくなるだけであり、全気筒の回転変動はそれ程大きくならない。故に、増量前後の角速度差の差dΔωは小さい。
しかしながら、左右方向の右端列に示されている異常時だと、正常時とは異なる挙動を示す。この異常時では、#8気筒にのみインバランス率で50%相当のリッチずれ異常が生じており、#8気筒のみが異常気筒である。この場合、増量前では、#8気筒以外の残部気筒の角速度差Δωはほぼ等しく0付近にあるが、#8気筒の角速度差Δωは残部気筒の角速度差Δωより若干マイナス方向に大きい。
しかしながらそれでも、#8気筒の角速度差Δωと残部気筒の角速度差Δωとの間にはそれ程差がない。よって増量前の角速度差Δωによっては、異常検出と異常気筒特定を十分な精度で行うことができない。
他方、増量後だと増量前に比べて、残部気筒の角速度差Δωはほぼ等しく若干マイナス方向に変化するだけであるが、#8気筒の角速度差Δωは大きくマイナス方向に変化する。よって#8気筒の増量前後の角速度差の差dΔωは、残部気筒のそれより顕著に大きくなる。よってこの違いを利用し、異常検出と異常気筒特定を十分な精度で行うことができる。
この場合、#8気筒の差dΔωのみが前記異常判定値β1より大きくなるので、#8気筒にリッチずれ異常があることを検出できる。
燃料噴射量を強制減量して何れかの気筒のリーンずれ異常を検出する場合にも、同様の方法を採用できることが理解されるであろう。
以上が本実施形態におけるばらつき異常検出の基本である。以下、特に言及しない限り、各気筒の回転変動の指標値として角速度差Δωを用いるものとする。
次に、本実施形態におけるばらつき異常検出の主な特徴を述べる。
前述したように、燃料噴射量の強制変更前はエンジン回転ができるだけ変動せず、安定している方が望ましい。その理由は、変更前のエンジン回転が安定している方が、安定していないときよりも、変更前の回転変動に対する変更後の回転変動が相対的に大きくなり、検出精度が向上するからである。
そこで本実施形態では、燃料噴射量の強制変更前にエンジン回転数をアクティブに若しくは強制的に変化させ、エンジンの回転変動が最小となる安定回転数を探索するようにしている。これにより、燃料噴射量の強制変更前のエンジン回転をできるだけ安定させ、検出精度向上に寄与することが可能となる。
図7には、ばらつき異常検出に際してのエンジン回転数の変化を示す。ここでは所定の前提条件、例えばエンジン暖機後で、且つエンジン回転数が一定のアイドル回転数になっているという前提条件が成立したとき、異常検出を開始する。図中の回転数N1が予め定められたアイドル回転数を意味し、その値は例えば600(rpm)である。アイドル回転数は基準回転数もしくは第1回転数をなす。
まず時刻t1から時刻t2までの所定期間の間で、前提条件が成立したか否かの判断がなされる。この間に、水温センサ24で検出された水温が常に所定値(例えば75(℃))以上であれば、エンジン暖機後の条件が満たされる。またこの間に、検出された実際のエンジン回転数が、アイドル回転数N1を中心とした比較的狭い所定範囲内に入っていれば、エンジン回転数が一定のアイドル回転数になっているという条件が満たされる。
図示例では、時刻t2で前提条件が成立したので、時刻t2においてアイドル回転数N1に対応するエンジン回転変動の値が検出されると共に、時刻t2から燃料噴射量変更前の回転数変更制御が開始される。
ここで、エンジンの回転変動は常時検出されている。すなわち、気筒毎回転変動が常時検出されると共に、現時点から過去の所定時点までの複数サンプル(例えば100サンプル、気筒番号は問わない)分の気筒毎回転変動(具体的には角速度差Δω)の単純平均値が計算され、この値が現時点のエンジン回転変動として常時検出されている。時刻t2において、その時点のエンジン回転変動の値が、アイドル回転数N1に対応する値として検出、記憶される。
回転数変更制御が開始されると、まずエンジン回転数は、アイドル回転数N1より所定回転数ΔNだけ高い第2回転数N2に制御される。これによりエンジン回転数はアイドル回転数N1から第2回転数N2に段階的に増加される。例えば所定回転数ΔNは100(rpm)、第2回転数N2は700(rpm)である。
こうしてエンジン回転数が第2回転数N2に変更されると、第2回転数N2に対応したエンジン回転変動の値が検出、記憶される。図中の時刻t3はこの検出および記憶が終了した時点である。
次に再び、エンジン回転数は、第2回転数N2より所定回転数ΔNだけ高い第3回転数N3に制御される。これによりエンジン回転数は第2回転数N2から第3回転数N3に段階的に増加される。例えば第3回転数N2は800(rpm)である。
そして第3回転数N3に対応したエンジン回転変動の値が検出、記憶される。図中の時刻t4はこの検出および記憶が終了した時点である。
この終了と同時に、アイドル回転数N1、第2回転数N2および第3回転数N3に対応した各エンジン回転変動のうち、最小となるものが決定され、この最小のエンジン回転変動に対応した回転数が安定回転数として決定される。これにより安定回転数が探索されたこととなる。またアイドル回転数を含め、エンジン回転数の変化の過程でエンジン回転変動が最小となる回転数が安定回転数として決定されることとなる。
図示例では第2回転数N2が最小のエンジン回転変動をもたらす安定回転数として決定されている。そこで次に、エンジン回転数を第2回転数N2に制御する回転制御が実行される。実際のエンジン回転数が一定の第2回転数N2となった時点t5から、実質的なばらつき異常検出が実行される。
すなわち、まず実際のエンジン回転数が一定の第2回転数N2となっている状態において、燃料噴射量変更前の各気筒の回転変動が検出される。
次に、各気筒の燃料噴射量が強制変更され、このときの各気筒の回転変動が検出される。ここで強制変更は全気筒同時に行ってもよいし、1気筒ずつ順番且つ交互に行ってもよいし、複数気筒ずつ順番且つ交互に行ってもよい。なお燃料噴射量の変更には増量と減量が含まれ、両方を順番に行う場合には、増量後の各気筒の回転変動と、減量後の各気筒の回転変動とがそれぞれ検出される。
この後、燃料噴射量変更前後の各気筒の回転変動の差が算出され、この差が異常判定値と比較され、空燃比ずれ異常の有無と異常気筒が検出される。なお、燃料噴射量の増量と減量の両方を行った場合には、増量と減量のそれぞれに対する各気筒の回転変動の差が算出され、異常判定値と比較される。
こうして実質的なばらつき異常検出が終了したら(時刻t6)、エンジン回転数が、ばらつき異常検出開始前の元の回転数であるアイドル回転数N1に復帰制御される。なお、安定回転数がアイドル回転数N1である場合にはこの復帰制御は実質的に省略される。
図8には、上記の如きばらつき異常検出の異常検出処理に係るフローチャートを示す。この異常検出処理はECU100によって実行される。
ステップS101では、所定の前提条件が成立したか否かが判断される。上述したように前提条件は、エンジン暖機後で且つエンジン回転数Neが一定のアイドル回転数N1になっているときに成立する。なお前提条件にはその他の条件が含まれていてもよい。
前提条件が成立してなければ待機状態となり、前提条件が成立したならばステップS102に進む。
ステップS102では、前提条件成立時におけるアイドル回転数N1に対応したエンジン回転変動の値Ω1が検出、記憶される。
次いでステップS103では、エンジン回転数Neが第2回転数N2に変更制御される。そしてステップS104において、第2回転数N2に対応したエンジン回転変動の値Ω2が検出、記憶される。
次にステップS105において、エンジン回転数Neが第3回転数N3に変更制御される。そしてステップS106において、第3回転数N3に対応したエンジン回転変動の値Ω3が検出、記憶される。
ステップS107では、各エンジン回転変動Ω1、Ω2、Ω3の中から最小となるものが決定され、この最小のエンジン回転変動に対応したエンジン回転数が安定回転数として決定される。
ステップS108では、エンジン回転数Neが安定回転数に制御される。
ステップS109では、エンジン回転数Neが安定回転数に制御されている状態において、燃料噴射量変更前の各気筒の角速度差Δω1iが検出される。ここでiは気筒番号である。
次に、ステップS110において各気筒の燃料噴射量が強制変更され、ステップS111において燃料噴射量変更後の各気筒の角速度差Δω2iが検出される。
この後、ステップS112において、燃料噴射量変更前後の各気筒の角速度差の差dΔωiが算出され、この差dΔωiに基づきばらつき異常検出が実行される。すなわち、差dΔωiが異常判定値(増量時はβ1、減量時はβ2)と比較され、空燃比ずれ異常の有無と異常気筒が検出される。
この後ステップS113にてエンジン回転数Neがアイドル回転数N1に復帰制御され、処理が終了される。
本実施形態の利点は次の通りである。上記のようにエンジン暖機後で且つエンジン回転数が一定のアイドル回転数になっている所謂ホットアイドルのときに異常検出を実行しようとする場合、アイドル回転数が燃費と振動騒音のバランスを考慮し、できるだけ低く定められていることから、エンジン回転安定性、すなわちエンジン回転変動低減の観点からは必ずしも最良の回転数でない場合がある。しかも、アイドル回転時のエンジン回転安定性は、電気負荷(エアコン、ライト等)の作動状態、雰囲気条件(大気圧、温度、湿度等)、エンジンマウント特性等に応じてその時々で変化し得る。
よって、異常検出実行時にエンジン回転変動が最も少ない回転数は、その異常検出実行時に実際に調べてみないと分からない。このような回転数すなわち安定回転数を探索できるのが本実施形態の利点である。燃料噴射量変更前のエンジン回転変動が少なければ各気筒の回転変動も少なくなり、その分、燃料噴射量変更前後の各気筒の回転変動の差を相対的に拡大することができ、検出精度を向上できる。
また本実施形態によれば、安定回転数が探索された後、エンジン回転数を安定回転数に制御し、このときに燃料噴射量変更前の各気筒の回転変動を検出するので、検出された各気筒の回転変動を最小にし、検出精度を向上できる。
前記実施形態は次のような変形例も可能である。例えば前記実施形態では三つのエンジン回転数N1,N2,N3の中から安定回転数を探索ないし抽出するようにしたが、探索回転数の数は変更可能であり、例えば四つや五つとすることも可能である。またエンジン回転数変更時の変更幅ΔNは、任意に設定でき、前記実施形態では一定であったが、変更毎に変えてもよい。すなわち前記実施形態ではエンジン回転数を等間隔に変化させたが、不等間隔に変化させてもよい。なお、エンジン回転数の変更幅ΔNおよび最大変化量は、ユーザに違和感を感じさせぬよう比較的少ない値とするのが好ましい。
また、前記実施形態ではエンジン回転数をアイドル回転数N1から増加させたが、エンジン回転数をアイドル回転数N1から減少させてもよい。但しこのときにはエンジン回転が過度に不安定にならないようにする必要がある。エンジン回転数を変化させる際には、エンジン回転数を増加させても減少させてもよい。
また、前記実施形態ではエンジン回転数が一定のアイドル回転数になっているとき(典型的には車両のアイドル停止中)に異常検出を実行したが、エンジン回転数がアイドル回転数以外の回転数で一定になっているとき(典型的には車両の定常走行中)に異常検出を実行してもよい。
この場合、前記前提条件は、エンジン回転数が一定になっているという条件を含む。当該一定の回転数、すなわち前提条件成立回転数が基準回転数もしくは第1回転数(図7,図8のN1)をなす。安定回転数を探索する際、エンジン回転数を前提条件成立回転数から段階的に変化させるのが好ましく、特に、前提条件成立回転数を中心に低回転側および高回転側に段階的に変化させるのが好ましい。勿論、エンジン回転数を前提条件成立回転数から増加だけさせたり、減少だけさせたりすることも可能である。かかるエンジン回転数の変化を補償して車速を維持するよう、無段変速機等を協調制御することも可能である。
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、増量前の角速度差Δω1と増量後の角速度差Δω2との差dΔωを用いる代わりに、両者の比を用いることができる。この点、減量前後の角速度差の差dΔω、または増量もしくは減量前後の回転時間差ΔTの差についても同様のことが言える。本発明はV型8気筒エンジンに限らず、他の様々な形式および気筒数のエンジンに適用可能である。触媒後センサとして、触媒前センサと同様の広域空燃比センサを用いてもよい。
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)
2 インジェクタ
11 エアフローメータ
12 スロットルバルブ
18 上流触媒
20 触媒前センサ
22 クランク角センサ
23 アクセル開度センサ
100 電子制御ユニット(ECU)

Claims (8)

  1. 所定の前提条件が成立したときに所定の対象気筒の燃料噴射量を変更し、当該変更前後の前記対象気筒の回転変動に基づき、気筒間空燃比ばらつき異常を検出する異常検出手段と、
    前記前提条件成立後で且つ前記燃料噴射量変更前に、内燃機関の回転数を所定の基準回転数から変化させ、前記内燃機関の回転変動が最小となる安定回転数を探索する探索手段と、
    を備えたことを特徴とする多気筒内燃機関の気筒間空燃比ばらつき異常検出装置。
  2. 前記探索手段によって前記安定回転数が探索された後、前記内燃機関の回転数を前記安定回転数に制御する回転制御手段をさらに備える
    ことを特徴とする請求項1に記載の多気筒内燃機関の気筒間空燃比ばらつき異常検出装置。
  3. 前記異常検出手段は、前記回転制御手段によって前記内燃機関の回転数が前記安定回転数に制御されているときに、前記燃料噴射量変更前の前記対象気筒の回転変動を検出する
    ことを特徴とする請求項2に記載の多気筒内燃機関の気筒間空燃比ばらつき異常検出装置。
  4. 前記探索手段は、前記基準回転数を含め、前記内燃機関の回転数の変化の過程で前記内燃機関の回転変動が最小となる回転数を前記安定回転数として決定する
    ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の多気筒内燃機関の気筒間空燃比ばらつき異常検出装置。
  5. 前記前提条件が、前記内燃機関の回転数が一定のアイドル回転数になっていることを含み、前記基準回転数が前記アイドル回転数からなり、
    前記探索手段は、前記安定回転数を探索する際に前記内燃機関の回転数を前記アイドル回転数から段階的に変化させる
    ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の多気筒内燃機関の気筒間空燃比ばらつき異常検出装置。
  6. 前記探索手段は、前記内燃機関の回転数を前記アイドル回転数から段階的に増加させる
    ことを特徴とする請求項5に記載の多気筒内燃機関の気筒間空燃比ばらつき異常検出装置。
  7. 前記前提条件が、前記内燃機関の回転数が一定になっていることを含み、前記基準回転数が前記一定の回転数からなり、
    前記探索手段は、前記安定回転数を探索する際に前記内燃機関の回転数を前記一定の回転数から段階的に変化させる
    ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の多気筒内燃機関の気筒間空燃比ばらつき異常検出装置。
  8. 前記異常検出手段は、前記燃料噴射量変更前後の前記対象気筒の回転変動の差に基づき、前記対象気筒の空燃比ずれ異常を検出する
    ことを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の多気筒内燃機関の気筒間空燃比ばらつき異常検出装置。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US11149705B2 (en) 2019-07-31 2021-10-19 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Engine controller and engine control method

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