JP2012255364A

JP2012255364A - 多気筒内燃機関

Info

Publication number: JP2012255364A
Application number: JP2011128094A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Iwasaki; 靖志岩▲崎▼
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-06-08
Filing date: 2011-06-08
Publication date: 2012-12-27

Abstract

【課題】使用燃料のアルコール濃度を把握する。
【課題手段】アルコール燃料を使用可能な多気筒内燃機関は、排気通路に設けられた触媒の温度を検出する温度センサと、排気通路に設けられた空燃比センサとを備える。空燃比センサの出力変動度合いに相関する出力変動パラメータＸを算出する。少なくとも温度センサによって検出された触媒温度Ｔｃと、算出された出力変動パラメータＸとに基づき、使用燃料のアルコール濃度を推定する。
【選択図】図７

Description

本発明は多気筒内燃機関に係り、特にアルコール燃料を使用可能な多気筒内燃機関に関する。

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（オンボード）で検出することが要請されている。

例えば特許文献１に記載の装置では、触媒の前後に設置された空燃比センサの出力乖離に基づき、気筒間空燃比ばらつき異常を検出するようにしている。

特開２００９−３０４５５号公報

ところで、代替燃料としてのアルコール燃料を使用可能な多気筒内燃機関を搭載した車両（所謂ＦＦＶ（Flexible Fuel Vehicle））が実用化されている。かかる内燃機関においては、基準のガソリン燃料に対し一定濃度のアルコール燃料を含む燃料が使用可能である。

かかる内燃機関において上述のばらつき異常検出を行うと、使用燃料のアルコール濃度に応じて検出結果が異なる場合があることが判明した。よってばらつき異常検出を実施する上で、使用燃料のアルコール濃度を把握することが好適である。

そこで本発明は、上記事情に鑑みて創案され、その目的は、使用燃料のアルコール濃度を把握することが可能な多気筒内燃機関を提供することにある。

本発明の一の態様によれば、
アルコール燃料を使用可能な多気筒内燃機関であって、
前記内燃機関の排気通路に設けられた触媒の温度を検出する温度センサと、
前記内燃機関の排気通路に設けられた空燃比センサと、
前記空燃比センサの出力変動度合いに相関する出力変動パラメータを算出する算出手段と、
少なくとも前記温度センサによって検出された触媒温度と、前記算出手段によって算出された出力変動パラメータとに基づき、使用燃料のアルコール濃度を推定する推定手段と、
を備えることを特徴とする多気筒内燃機関が提供される。

好ましくは、前記多気筒内燃機関は、前記内燃機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段をさらに備え、
前記推定手段は、前記吸入空気量検出手段によって検出された吸入空気量にも基づいて前記アルコール濃度を推定する。

好ましくは、前記推定手段は、少なくとも前記触媒温度および前記出力変動パラメータと、前記アルコール濃度との間の所定の関係を利用して前記アルコール濃度を推定する。

好ましくは、前記多気筒内燃機関は、前記算出手段によって算出された出力変動パラメータと所定の判定値とに基づき、気筒間空燃比ばらつき異常を検出する異常検出手段をさらに備え、
前記異常検出手段は、前記推定手段によって推定されたアルコール濃度に基づき、前記出力変動パラメータと前記判定値の一方を補正し、この補正された一方と他方とに基づきばらつき異常を検出する。

好ましくは、前記異常検出手段は、いずれも補正されていない前記出力変動パラメータと所定の第１判定値とに基づき、ばらつき異常無しとする正常判定、ばらつき異常有りとする異常判定、および保留判定のいずれかを実行し、且つ、前記保留判定を実行したとき、前記推定手段によって推定されたアルコール濃度に基づき、前記出力変動パラメータと所定の第２判定値の一方を補正し、この補正された一方と他方とに基づきばらつき異常を検出する。

好ましくは、前記異常検出手段は、前記推定手段によりアルコール濃度が適切に推定されなかった場合、前記触媒および前記温度センサの少なくとも一つを異常と判定する。

本発明によれば、使用燃料のアルコール濃度を把握することが可能な多気筒内燃機関を提供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。インバランス割合と触媒温度の関係を示すグラフである。アルコール濃度推定マップの一例を示す。アルコール濃度推定マップの一例を示す。ばらつき異常検出ルーチンのフローチャートである。保留時処理のフローチャートである。アルコール濃度補正係数の算出マップである。本実施形態の変形例に係る異常判定用マップである。

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。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。内燃機関１は＃１〜＃４気筒を備える。但し気筒数、形式等は特に限定されない。

特に本実施形態の内燃機関１は、燃料として、アルコール燃料とガソリン燃料とをそれぞれ単独でまたは混合して使用可能なＦＦＶ用エンジンとして構成されている。燃料のアルコール濃度は０％（ガソリンのみ）〜１００％（アルコールのみ）の範囲内でユーザが任意に設定可能である。以下、特に言及しない限り、基準燃料であるガソリンのみが使用燃料であるとして説明を進める。なお使用燃料がガソリンのみである状態を基準状態という。

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ごとに配設されており、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が気筒ごと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、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が気筒ごとに配設されている。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。

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。

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。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。上流触媒１１が本発明にいう「触媒」に該当し、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、制御手段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、内燃機関１の冷却水の温度を検出する水温センサ２２、上流触媒１１の温度（床温）を検出する温度センサ２１、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。なおスロットル開度は通常アクセル開度に応じた開度に制御される。

温度センサ２１は、その温度検出部（素子部）が上流触媒１１に挿入されて触媒床温を直接検出するようになっている。その温度検出部の位置については基本的には任意であるが、本実施形態では後述する理由から、上流触媒１１の流路長Ｌの中間位置Ｌ／２よりも上流側（前側）とされている。

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（理論空燃比、例えばＡ／Ｆ＝１４．６）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、空燃比制御（ストイキ制御）がＥＣＵ２０により実行される。この空燃比制御は、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な主空燃比制御（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な補助空燃比制御（補助空燃比フィードバック制御）とからなる。

さて、例えば全気筒のうちの一部の気筒（特に１気筒）のインジェクタ１２が故障し、気筒間に空燃比のばらつき（インバランス：imbalance）が発生したとする。例えば＃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主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１７に供給されるトータル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、＃２、＃３及び＃４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。

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エンジンサイクル間（＝７２０°ＣＡ）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関するパラメータである。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。

空燃比ばらつき異常が発生すると触媒前センサ１７の出力変動が大きくなるので、この特性を利用し、当該出力変動に基づいてばらつき異常を検出することが可能である。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を算出すると共に、この出力変動パラメータと、所定の異常判定値とに基づき、気筒間空燃比ばらつき異常を検出する。

以下に出力変動パラメータ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（単位時間、例えば４ｍｓ）毎に、触媒前センサ出力Ａ／Ｆの値を取得する。そして今回のタイミング（第２のタイミング）で取得した値Ａ／Ｆ_nと、前回のタイミング（第１のタイミング）で取得した値Ａ／Ｆ_n-1との差ΔＡ／Ｆ_nの絶対値を次式（１）により求める。この差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と言い換えることができる。

最も単純には、この差ΔＡ／Ｆ_n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、差ΔＡ／Ｆ_n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差ΔＡ／Ｆ_nの値を出力変動パラメータ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、複数の差ΔＡ／Ｆ_nの平均値を出力変動パラメータとする。本実施形態では、１エンジンサイクル内において、各タイミング毎に差ΔＡ／Ｆ_nを積算し、最終積算値をサンプル数Ｎで除し、１エンジンサイクル内の差ΔＡ／Ｆ_nの平均値を求める。そしてさらに、Ｍエンジンサイクル分（例えばＭ＝１００）だけ差ΔＡ／Ｆ_nの平均値を積算し、最終積算値をサイクル数Ｍで除し、Ｍエンジンサイクル内の差ΔＡ／Ｆ_nの平均値を求める。こうして求められた最終的な平均値を出力変動パラメータとし、以下「Ｘ」で表示する。触媒前センサ出力の変動度合いが大きいほど出力変動パラメータＸは大きくなる。

なお、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差ΔＡ／Ｆ_nあるいはその平均値を求め、これを出力変動パラメータとしても良い。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リッチ側に変化（すなわち急減）するので、減少側のみの値をリッチずれ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如何なる値をも出力変動パラメータ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空燃比変動パラメータＸも増加する。

基本的には、算出された出力変動パラメータＸが所定の判定値以上であればばらつき異常ありとする異常判定を実行することができ、算出された出力変動パラメータＸが判定値より小さければばらつき異常なしとする正常判定を実行することができる。しかしながら、本実施形態では、後述するように、検出精度向上の観点からこのような判定を２段階に分けて実行する。最初に行われる第１判定においては正常、異常および保留判定のいずれかを実行し、保留判定の場合に所定の処理を行って正常判定または異常判定する第２判定を実行する。

他方、気筒間空燃比ばらつきが発生し、図３に示したような１エンジンサイクル間における排気空燃比の変動が生じると、上流触媒１１において短い周期で酸化還元反応が繰り返され、上流触媒１１の活性が促進される。その結果、気筒間空燃比ばらつきが無いときに比べ、上流触媒１１の温度が上昇する。ここで上流触媒１１（下流触媒１９も同様）は酸素吸蔵能（Ｏ₂ストレージ能）を有し、供給された排気ガスの空燃比がストイキよりリーンのときに排気ガス中の過剰酸素を吸着保持する一方、供給された排気ガスの空燃比がストイキよりリッチのときには吸着保持していた酸素を放出する。このときの酸素吸着が酸化反応、酸素放出が還元反応である。図３に示したように、気筒間空燃比ばらつきが発生すると上流触媒１１に供給される排気ガスの空燃比が１エンジンサイクル間でリーン、リッチと変化するので、その度に酸化還元反応が行われ、上流触媒１１の温度が上昇する。

図６にはインバランス割合ＩＢ（％）と上流触媒１１の触媒温度Ｔｃ（℃）との関係を示す。図中の三角及び菱形は、内燃機関１を搭載した車両がそれぞれ１２０ｋｍ／ｈ及び６０ｋｍ／ｈで定速走行したときのデータである。見られるように、インバランス割合ＩＢの絶対値が増加するほど触媒温度Ｔｃは上昇する傾向にある。

ところで、使用燃料にアルコールが含まれていると、使用燃料がガソリンのみの場合と比べて、触媒前センサ出力変動が変化し、出力変動パラメータＸの値が異なることが判明した。

すなわち、使用燃料にアルコールが含まれていると、使用燃料がガソリンのみの場合と比べて、排気中の水素（Ｈ₂）濃度が増加する。水素は分子サイズが小さいため、触媒前センサの拡散層を選択的に通過可能である。従って排気中の水素濃度が増加することによりセンサの反応が速くなる。また燃料の気化特性や燃焼速度も異なる。これらの影響で、触媒前センサ出力変動が増大し、出力変動パラメータＸの値が増大する。

よって、検出精度向上のためには、使用燃料のアルコール濃度に基づき、出力変動パラメータＸとその比較対象である判定値の一方を補正するのが望ましい。そしてこのためには、使用燃料のアルコール濃度を推定することが望ましい。

ここで使用燃料のアルコール濃度は、例えばアルコール濃度センサを用いて直接検出することも可能である。しかしアルコール濃度センサは比較的高価であり、これを採用するとコストアップに繋がる。そこで本実施形態では、アルコール濃度センサの代わりに比較的安価な温度センサ２１を用いてアルコール濃度を推定する。これにより比較的低廉な構成および方法にて使用燃料のアルコール濃度を把握することが可能である。

以下に本実施形態のアルコール濃度推定について述べる。

使用燃料のアルコール濃度ＡＬは、出力変動パラメータＸの値に影響を与えるほか、触媒温度Ｔｃにも影響を与える。すなわち、使用燃料のアルコール濃度ＡＬが高いほど、排気温度が低下し、触媒温度Ｔｃが低下する傾向にある。

そこで本実施形態では、少なくとも出力変動パラメータＸおよび触媒温度Ｔｃに基づいて使用燃料のアルコール濃度ＡＬを推定する。特に本実施形態では、推定精度をより高めるため、出力変動パラメータＸおよび触媒温度Ｔｃに加えて吸入空気量Ｇａにも基づいて使用燃料のアルコール濃度ＡＬを推定する。以下、出力変動パラメータＸおよび触媒温度Ｔｃを「２者」、出力変動パラメータＸ、触媒温度Ｔｃおよび吸入空気量Ｇａを「３者」ともいう。

推定は、３者とアルコール濃度ＡＬとの間で予め定められた所定の関係を利用して行う。この関係はマップまたは関数（モデル式）の形式とすることができる。

図７および図８に推定マップの一例を示す。図７はＧａ＝Ｇａ１のときのマップ、図８はＧａ＝Ｇａ２のときのマップである。Ｇａ１＜Ｇａ２であり、例えばＧａ１＝２０（ｇ／ｓ）、Ｇａ２＝３０（ｇ／ｓ）である。図示するようなマップが各吸入空気量毎に定められている。

図７を参照して説明すると、マップによれば、出力変動パラメータＸおよび触媒温度Ｔｃに対応したアルコール濃度ＡＬが推定ないし算出可能である。例えば出力変動パラメータＸ＝０のとき、触媒温度Ｔｃが６００（℃）ならＡＬ＝０（％）という値が算出され、触媒温度Ｔｃが５８０（℃）ならＡＬ＝２０（％）という値が算出され、触媒温度Ｔｃが５６０（℃）ならＡＬ＝５０（％）という値が算出され、触媒温度Ｔｃが５４０（℃）ならＡＬ＝８５（％）という値が算出される。

また、例えば触媒温度Ｔｃが６００（℃）のとき、出力変動パラメータＸが０ならＡＬ＝０（％）という値が算出され、出力変動パラメータＸが０．０２ならＡＬ＝２０（％）という値が算出され、出力変動パラメータＸが０．０４ならＡＬ＝５０（％）という値が算出され、出力変動パラメータＸが０．０６ならＡＬ＝８５（％）という値が算出される。

このように、出力変動パラメータＸが大きいほど、また触媒温度Ｔｃが低いほど、高いアルコール濃度ＡＬが推定ないし算出される。これは前述の特性に合致している。

マップ中「−」で示される領域は、アルコール濃度ＡＬが推定ないし算出されない非推定領域である。すなわち、３者およびアルコール濃度ＡＬの関係からしてあり得ないような領域である。例えば、出力変動パラメータＸ＝０で触媒温度Ｔｃ＝６２０（℃）のときにはアルコール濃度ＡＬは推定されない。

他方、吸入空気量Ｇａがより多い（すなわちエンジン負荷がより大きい）図８のマップの場合、触媒温度条件が高温側にシフトされる。例えば出力変動パラメータＸ＝０のとき、触媒温度Ｔｃが７００（℃）ならＡＬ＝０（％）という値が算出され、触媒温度Ｔｃが６８０（℃）ならＡＬ＝２０（％）という値が算出され、触媒温度Ｔｃが６６０（℃）ならＡＬ＝５０（％）という値が算出され、触媒温度Ｔｃが６４０（℃）ならＡＬ＝８５（％）という値が算出される。

一方、マップではなく関数を用いてアルコール濃度ＡＬを推定する場合、関数は例えば次式（２）で表すことができる。Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは適合によって予め定められる一定値である。

このように、アルコール濃度ＡＬは少なくとも２者に基づいて推定される。
ここで２者すなわち出力変動パラメータＸおよび触媒温度Ｔｃの一方のみに基づいてアルコール濃度ＡＬを推定すると次の問題が生じる。例えば出力変動パラメータＸのみに基づいてアルコール濃度ＡＬを推定すると仮定して、出力変動パラメータＸの値がＸ１からＸ２に増大した場合、この増大がアルコール濃度ＡＬの増大によるものなのか、あるいはばらつき異常の発生によるものなのかを区別することができない。

また、例えば触媒温度Ｔｃのみに基づいてアルコール濃度ＡＬを推定すると仮定して、触媒温度Ｔｃの値がＴｃ１からＴｃ２に低下した場合、この低下はアルコール濃度ＡＬの増大によるものと推測できる。しかし、アルコール濃度ＡＬの増大と併せてばらつき異常が発生すると、両者の影響が相殺され、触媒温度Ｔｃの値はそれ程変化しない。それ故、ばらつき異常発生時にアルコール濃度ＡＬを正確に推定することができない。

これに対し本実施形態では、アルコール濃度ＡＬを少なくとも２者に基づいて推定するので、たとえばらつき異常発生時であってもアルコール濃度ＡＬを正確に推定することが可能である。

なおここでは３者に基づきアルコール濃度ＡＬを推定する例を説明したが、２者に基づいてアルコール濃度ＡＬを推定してもよい。

次に、出力変動パラメータＸおよび判定値αの一方の推定アルコール濃度ＡＬに基づく補正（アルコール濃度補正）について述べる。

まず出力変動パラメータＸを補正する場合を述べる。この補正に際しては、推定アルコール濃度ＡＬに応じて異なる補正値を用いて出力変動パラメータＸを補正し、推定アルコール濃度ＡＬが高いほど、出力変動パラメータＸの値を減少側に補正する。アルコール濃度ＡＬが高いほど出力変動パラメータＸが大きくなる傾向にあるからである。

こうすることで、使用燃料のアルコール濃度に拘わらず正確なばらつき異常検出を可能とし、検出精度を向上することができる。

他方、判定値αを補正する場合には、推定アルコール濃度ＡＬが高いほど判定値αを増大側に補正する。

なお、上流触媒１１においては、その上流端（前端）から供給ガスを受けるので、その上流端から下流側（後側）に向けて徐々に温度変化するようになる。よって上流触媒１１の温度変化を即座に検知すべく、温度センサ２１の温度検出部は、本実施形態の如く上流触媒１１の流路長Ｌの中間位置Ｌ／２よりも上流側に位置されるのが好ましく、より言えばできるだけ上流側に位置されるのが好ましい。

次に、図９を用いてばらつき異常検出ルーチンを説明する。このルーチンはＥＣＵ２０により所定の演算周期τ毎に繰り返し実行される。

まずステップＳ１０１では、異常検出を行う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。この前提条件は、例えば次の各条件が成立したときに成立する。
（１）エンジンの暖機が終了している。ＥＣＵ２０は、水温センサ２２で検出された水温が所定値（例えば７５℃）以上であるとき暖機終了と判断する。
（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。ＥＣＵ２０は、両センサのインピーダンスがそれぞれ所定の活性温度相当の値になっているとき、両センサが活性化していると判断する。
（３）上流触媒１１および下流触媒１９が活性化している。ＥＣＵ２０は、温度センサ２１により検出された上流触媒１１の温度と、別途推定した下流触媒１９の温度がそれぞれ所定の活性温度相当の値になっているとき、両触媒が活性化していると判断する。
（４）エンジンが定常運転中である。
（５）ストイキ制御中である。
（６）直近の燃料給油判定時から所定時間以上経過している。

条件（６）に関して、ＥＣＵ２０は、燃料タンクに設置された燃料残量センサ（図示せず）の検出値に基づき燃料給油があったことを判定する。すなわち、燃料残量センサの検出値が所定量以上増大したとき、ＥＣＵ２０は燃料給油があったと判定する。

既存の使用燃料に対しアルコール濃度の異なる燃料が新たに給油された場合、給油直後は燃料経路内に既存の燃料が残っており、これらが消費されるまでの間は、燃料タンク内の燃料のアルコール濃度と実際に噴射される燃料のアルコール濃度とが異なる状態が続く。よってこの間はばらつき異常検出を実行しないようにする。こうすることで誤判定や誤検出を未然に防止することができる。

ここで所定時間は、燃料経路内に残った既存燃料が消費され尽くす積算燃料噴射量となるまでの時間とするのが好ましい。

前提条件が成立していない場合にはルーチンが終了される。他方、前提条件が成立した場合には、ステップＳ１０２において、今回のタイミングにおける触媒前センサ出力Ａ／Ｆ_nが取得される。なお触媒前センサ出力Ａ／Ｆ_nは触媒前センサ１７の出力電圧を空燃比に換算した値である。

次に、ステップＳ１０３において、今回のタイミングにおける出力差ΔＡ／Ｆ_nが前式（１）より算出される。

次に、ステップＳ１０４において、出力差ΔＡ／Ｆ_nが積算され、すなわち今回のタイミングにおける積算出力差ΣΔＡ／Ｆ_nが次式（３）より算出される。

次に、ステップＳ１０５において、１エンジンサイクルが終了したか否かが判断される。終了してなければルーチンが終了され、終了した場合にはステップＳ１０６に進む。

ステップＳ１０６では、今回の１エンジンサイクル終了時点における最終的な積算出力差ΣΔＡ／Ｆ_Nがサンプル数Ｎで除して平均化され、平均出力差Ｒ_mが算出される。

そしてステップＳ１０７において、平均出力差Ｒ_mが積算され、すなわち今回のエンジンサイクル終了時における積算平均出力差ΣＲ_mが次式（４）より算出される。

次に、ステップＳ１０８において、Ｍエンジンサイクル（但しＭは２以上の整数）が終了したか否かが判断される。終了してなければルーチンが終了され、終了した場合にはステップＳ１０９に進む。

ステップＳ１０９では、Ｍエンジンサイクル終了時点における最終的な積算平均出力差ΣＲ_Mがサイクル数Ｍで除して平均化され、出力変動パラメータＸが算出される。

次いで、ステップＳ１１０〜Ｓ１１４において第１判定が実行される。ここでは判定値として、アルコール濃度の影響があっても確実に異常と判定できるような異常判定値α１と、アルコール濃度の影響があっても確実に正常と判定できるような正常判定値α２とが用いられる。これら異常判定値α１と正常判定値α２は予め実験等に基づいて設定され、ＥＣＵ２０に記憶される。異常判定値α１は比較的大きい値であり、正常判定値α２は比較的小さい値であり、異常判定値α１は正常判定値α２より大きい値である。これら異常判定値α１および正常判定値α２が本発明にいう「第１判定値」をなす。

まずステップＳ１１０において、出力変動パラメータＸが異常判定値α１と比較される。

出力変動パラメータＸが異常判定値α１以上である場合、ステップＳ１１１に進んでばらつき異常有りとする異常判定が実行され、ルーチンが終了される。なお異常判定と同時に、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を起動するのが好ましい。

他方、出力変動パラメータＸが異常判定値α１未満である場合、ステップＳ１１２に進んで出力変動パラメータＸが正常判定値α２と比較される。

出力変動パラメータＸが正常判定値α２未満である場合、ステップＳ１１３に進んでばらつき異常無しとする正常判定が実行され、ルーチンが終了される。

他方、出力変動パラメータＸが正常判定値α２以上である場合、ステップＳ１１４に進んで保留判定が実行され、ステップＳ１１５において保留時処理が行われた後、ルーチンが終了される。

このように、アルコール濃度の影響があっても明らかに正常または異常と判定できる場合には正常判定または異常判定を実行するので、正常または異常が明らかな場合にステップＳ１１５の保留時処理を省略でき、検出時間を短縮できる。また異常が明らかな場合に即座に異常判定を実行して触媒保護等のための他の制御に移行でき、触媒保護等を図れる。他方、それ以外の場合には保留判定を実行し、ある程度の時間をかけて保留時処理を実行するので、アルコール濃度の影響を含めた微妙な判定が可能であり、検出精度を向上できる。

次に、図１０を用いて保留時処理のルーチンを説明する。このルーチンもＥＣＵ２０により所定の演算周期τ毎に繰り返し実行される。

ステップＳ２０１では、今回のタイミングにおいて検出された触媒温度Ｔｃと吸入空気量Ｇａの値が取得される。

ステップＳ２０２では、本ルーチンの開始時から所定時間ｔｓ（例えば１０ｓ）が経過したか否かが判断される。所定時間ｔｓが経過してなければルーチンが終了され、所定時間ｔｓが経過したならばステップＳ２０３に進む。

ステップＳ２０３では、使用燃料のアルコール濃度ＡＬが例えば図７および図８に示したようなマップを用いて推定される。このとき、推定精度向上のため、所定時間ｔｓ内に取得された触媒温度の平均値が触媒温度Ｔｃとして使用され、所定時間ｔｓ内に取得された吸入空気量の平均値が吸入空気量Ｇａとして使用される。そしてこれら触媒温度Ｔｃおよび吸入空気量Ｇａに加え、ステップＳ１０９で算出された出力変動パラメータＸに基づき、マップを用いてアルコール濃度ＡＬが推定される。

なお、代替的に、出力変動パラメータＸの算出中（ステップＳ１０２〜Ｓ１０９）に触媒温度Ｔｃと吸入空気量Ｇａの検出値を取得し、これらを平均化して触媒温度Ｔｃおよび吸入空気量Ｇａの値としてもよい。

次に、ステップＳ２０４では、推定されたアルコール濃度ＡＬに対応する補正値、すなわち補正係数Ｋａが算出される。補正係数Ｋａは、算出された出力変動パラメータＸに乗算される値である。なお加算によって出力変動パラメータＸを補正してもよい。補正係数Ｋａの算出には図１１に示すような所定のマップ（関数でもよい）が用いられる。マップはＥＣＵ２０に予め記憶されている。

次いでステップＳ２０５では、次式（５）により出力変動パラメータＸが補正され、補正後の出力変動パラメータＸ’が算出される。

推定アルコール濃度ＡＬが基準の０（％）であるとき補正係数Ｋａ＝１が算出され、出力変動パラメータＸは実質的に補正されない。また例えば推定アルコール濃度ＡＬが２０（％）であるとき補正係数Ｋａ＝０．９が算出され、出力変動パラメータＸは減少側に補正される。推定アルコール濃度ＡＬが高いほど、より小さな補正係数Ｋａが算出され、出力変動パラメータＸはより減少側に補正される。

これは、使用燃料のアルコール濃度が高いほど出力変動パラメータＸの値が大きくなるという前述の特性に対応している。かかる補正により、アルコール燃料によるズレを補償して出力変動パラメータＸの値を基準状態相当に補正できる。

次いで、ステップＳ２０６〜Ｓ２０８において第２判定が実行される。ここでは判定値として、アルコール濃度等の影響を考慮しない（基準状態を前提とした）正異常判定値α３が用いられる。この正異常判定値α３も予め実験等に基づいて設定され、ＥＣＵ２０に記憶される。正異常判定値α３は、異常判定値α１より小さく正常判定値α２より大きな値である。正異常判定値α３が本発明にいう「第２判定値」をなす。

まずステップＳ２０６において、補正後の出力変動パラメータＸ’が正異常判定値α３と比較される。

補正後の出力変動パラメータＸ’が正異常判定値α３以上である場合、ステップＳ２０７に進んでばらつき異常有りとする異常判定が実行され、ルーチンが終了される。

他方、補正後の出力変動パラメータＸ’が正異常判定値α３未満である場合、ステップＳ２０８に進んでばらつき異常無しとする正常判定が実行され、ルーチンが終了される。

このように、第１判定で保留判定した場合、アルコール濃度の影響を無くすよう補正した上で再度第２判定を実行し、正常又は異常を最終判定するので、アルコール濃度の影響を排除した正確な異常検出が可能であり、検出精度を向上することが可能である。特に、正常または異常が微妙なケースであっても正確に異常検出を実行することが可能である。

なお代替的に、出力変動パラメータＸを補正せず、正異常判定値α３を補正してもよい。この場合、推定アルコール濃度ＡＬが高いほど正異常判定値α３をより増大側に補正する。

ところで、上記の如きアルコール濃度推定によってもアルコール濃度が適切に推定されない場合がある。それは、上流触媒１１および温度センサ２１の少なくとも一つに異常が発生した場合である。

例えば図７のマップにおいては、触媒前センサ１７の検出値に基づいて算出される出力変動パラメータＸと、温度センサ２１により検出される上流触媒１１の触媒温度Ｔｃと、アルコール濃度ＡＬとの間の予め定められた関係を利用してアルコール濃度を推定する。

しかし、上流触媒１１および温度センサ２１の少なくとも一つに異常が発生すると、それらの関係が崩れ、検出値ないし実際値が通常あり得ないような値になってしまうことがある。例えばＧａ＝Ｇａ１の条件下でＴｃ＝６４０（℃）、Ｘ＝０．０２などという値が検出されてしまい、図７のマップによる推定が行えない。

またマップではなく、例えば前式（２）で示したような関数を用いてアルコール濃度を推定する場合でも、推定されたアルコール濃度があり得ないような値、例えば１２０（％）などという値になってしまうことがある。

そこで本実施形態の変形例では、所定の関係（マップまたは関数）を利用してもアルコール濃度が適切に推定されなかった場合、上流触媒１１および温度センサ２１の少なくとも一つを異常と判定する。以下この点について述べる。

図１２に、当該異常判定に用いるマップ（異常判定用マップ）の一例を示す。このマップは図７と同様、Ｇａ＝Ｇａ１のときのマップである。なおかかる異常判定用マップも各吸入空気量毎に予め定められている。

図示するように、アルコール濃度の値が入力されてない非推定領域が三つの領域Ｉ〜ＩＩＩに区分されている。第１領域Ｉは、アルコール濃度の値が入力されている推定領域に対し、触媒温度Ｔｃが高い領域である。第２領域ＩＩは、推定領域に対し触媒温度Ｔｃが低い領域であり、第３領域ＩＩは、推定領域さらには第２領域ＩＩに対しても触媒温度Ｔｃが低い領域である。

Ｇａ＝Ｇａ１という条件下で第１領域Ｉ内に該当するような触媒温度Ｔｃおよび出力変動パラメータＸが検出された場合、触媒前センサ１７の出力変動の大きさに対して触媒温度Ｔｃが高過ぎるため、温度センサ２１を異常と判定する。

また、Ｇａ＝Ｇａ１という条件下で第２領域ＩＩ内に該当するような触媒温度Ｔｃおよび出力変動パラメータＸが検出された場合、触媒前センサ１７の出力変動の大きさに対して触媒温度Ｔｃが低いため、上流触媒１１および温度センサ２１の少なくとも一つを異常と判定する。ここで、上流触媒１１が劣化するとその反応部位が減少し、触媒温度が低下する。よって触媒温度Ｔｃが低い場合、上流触媒１１の劣化も異常原因の一つとして考えられる。そこでかかる場合には上流触媒１１および温度センサ２１の少なくとも一つを異常と判定する。

さらにＧａ＝Ｇａ１という条件下で第３領域ＩＩＩ内に該当するような触媒温度Ｔｃおよび出力変動パラメータＸが検出された場合、触媒前センサ１７の出力変動の大きさに対して触媒温度Ｔｃが低過ぎるため、温度センサ２１を異常と判定する。

これによれば、ばらつき異常に加え、上流触媒１１および温度センサ２１の少なくとも一つの異常を簡易的に検出でき、検出範囲を拡大することができる。また、同一の異常判定用マップを用いてアルコール濃度の推定と、上流触媒１１および温度センサ２１の少なくとも一つの異常判定とを実施でき、極めて便利である。

なお、ここでは異常判定の対象を上流触媒１１および温度センサ２１としたが、これらに加え、触媒前センサ１７およびエアフローメータ５を異常判定の対象に含めてもよい。これらもアルコール濃度推定時のパラメータ（出力変動パラメータＸおよび吸入空気量Ｇａ）に関与するからである。

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。例えば本発明に係るアルコール濃度推定に関する特徴は、気筒間空燃比ばらつき異常検出を実行しない多気筒内燃機関にも適用可能である。また前記実施形態では保留判定した場合のみアルコール濃度推定および補正を実行したが、これに限らず、常にアルコール濃度推定および補正を実行して直接的に（第１判定のみで）正異常判定を実行してもよい。

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
５エアフローメータ
１１上流触媒
１７触媒前センサ
１８触媒後センサ
２０電子制御ユニット（ＥＣＵ）
２１温度センサ

Claims

アルコール燃料を使用可能な多気筒内燃機関であって、
前記内燃機関の排気通路に設けられた触媒の温度を検出する温度センサと、
前記内燃機関の排気通路に設けられた空燃比センサと、
前記空燃比センサの出力変動度合いに相関する出力変動パラメータを算出する算出手段と、
少なくとも前記温度センサによって検出された触媒温度と、前記算出手段によって算出された出力変動パラメータとに基づき、使用燃料のアルコール濃度を推定する推定手段と、
を備えることを特徴とする多気筒内燃機関。
前記内燃機関の吸入空気量を検出する吸入空気量検出手段をさらに備え、
前記推定手段は、前記吸入空気量検出手段によって検出された吸入空気量にも基づいて前記アルコール濃度を推定する
ことを特徴とする請求項１に記載の多気筒内燃機関。
前記推定手段は、少なくとも前記触媒温度および前記出力変動パラメータと、前記アルコール濃度との間の所定の関係を利用して前記アルコール濃度を推定する
ことを特徴とする請求項１または２に記載の多気筒内燃機関。
前記算出手段によって算出された出力変動パラメータと所定の判定値とに基づき、気筒間空燃比ばらつき異常を検出する異常検出手段をさらに備え、
前記異常検出手段は、前記推定手段によって推定されたアルコール濃度に基づき、前記出力変動パラメータと前記判定値の一方を補正し、この補正された一方と他方とに基づきばらつき異常を検出する
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。
前記異常検出手段は、いずれも補正されていない前記出力変動パラメータと所定の第１判定値とに基づき、ばらつき異常無しとする正常判定、ばらつき異常有りとする異常判定、および保留判定のいずれかを実行し、且つ、前記保留判定を実行したとき、前記推定手段によって推定されたアルコール濃度に基づき、前記出力変動パラメータと所定の第２判定値の一方を補正し、この補正された一方と他方とに基づきばらつき異常を検出する
ことを特徴とする請求項４に記載の多気筒内燃機関。
前記異常検出手段は、前記推定手段によりアルコール濃度が適切に推定されなかった場合、前記触媒および前記温度センサの少なくとも一つを異常と判定する
ことを特徴とする請求項４または５に記載の多気筒内燃機関。