JP2014013017A - 空燃比センサ感受性評価装置および気筒間空燃比ばらつき異常検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の気筒を有する内燃機関において、排気通路の空燃比センサに対してガスガイド部材が設けられているとき、空燃比センサの感受性を評価する。
【解決手段】本発明の一態様の空燃比センサ感受性評価装置は、複数の気筒のうちの所定の対象気筒の燃料噴射量を強制的に所定量変更する燃料噴射量変更制御を実行する燃料噴射量変更制御手段と、この燃料噴射変更制御が実行されているときの空燃比センサ２０の出力と、燃料噴射変更制御が実行されていないときの空燃比センサ２０の出力とに基づいて、空燃比センサ２０の感受性を評価する評価手段とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の気筒を有する内燃機関の排気通路に設けられた空燃比センサの感受性を評価する空燃比センサ感受性評価装置、および、それを備えた気筒間空燃比ばらつき異常検出装置に関する。

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追従させるようフィードバック制御を実施している。

一方、複数の気筒を有する内燃機関つまり所謂多気筒内燃機関においては、通常全気筒に対して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や吸気バルブの動弁機構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。

例えば、排気通路に設けられた空燃比センサの出力に基づく検出空燃比変化率を判定用閾値と比較することにより気筒間に空燃比ばらつき異常つまり空燃比インバランスが発生していることを検出することが、従来、提案されている（例えば特許文献１を参照）。

他方、空燃比制御が良好に行われるように、空燃比センサへの排気の流れを制御する部材を設けることが提案されている。例えば、特許文献２は、複数の案内板が傾斜状に設けられた整流板を、排気通路の壁面にＯ２センサを取付けるための取付ナットに設け、案内板を介し排気がＯ２センサの感知部に導かれるようにすることを開示する。

国際公開第２０１１／０７０６８８号パンフレット 実開平０７−２６７５７号公報

上記したような気筒間の空燃比ばらつき異常の検出性能を高めるためには、空燃比センサに対してガスガイド部材を設けて、空燃比センサの検知部またはセンサ素子への排気の流れを制御することが有効である。しかし、ガスガイド部材のそのような効果を高めるために、ガスガイド部材が空燃比センサの一部を覆うように設けられ、このガスガイド部材と空燃比センサとの間の空間があまり広くされない場合、この空間には、種々の物質が堆積する可能性がある。このように堆積した物質つまりデポジットは、空燃比センサへのガスの流れを阻害し、センサ検出能力つまり感受性の低下をもたらす虞がある。このようにして空燃比センサの感受性が変化したとき、内燃機関がより適切に制御されるように、空燃比センサの感受性の変化に応じた種々の処理が行われることが望まれる。

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、排気通路の空燃比センサに対してガスガイド部材が設けられているとき、空燃比センサの感受性を適切に評価することにある。

本発明の一の態様によれば、複数の気筒を有する内燃機関の排気通路に設けられた空燃比センサであって、該空燃比センサの一部を覆うようにガスガイド部材が設けられた、空燃比センサの感受性を評価する空燃比センサ感受性評価装置であって、複数の気筒のうちの所定の対象気筒の燃料噴射量を強制的に所定量変更する燃料噴射量変更制御を実行する燃料噴射量変更制御手段と、該燃料噴射量変更制御手段により燃料噴射変更制御が実行されているときの空燃比センサの出力と、該燃料噴射変更制御が実行されていないときの該空燃比センサの出力とに基づいて、空燃比センサの感受性を評価する評価手段とを備えた、空燃比センサ感受性評価装置が提供される。

かかる構成によれば、燃料噴射変更制御が実行されているときの空燃比センサの出力と、燃料噴射変更制御が実行されていないときの空燃比センサの出力とに基づいて、空燃比センサの感受性を適切に評価することができる。したがって、ガスガイド部材と空燃比センサとの間の空間におけるデポジットの詰まりにより空燃比センサの感受性が低下した場合に、その感受性の低下をより的確に知ることができる。

好ましくは、評価手段は、燃料噴射量変更制御手段により燃料噴射変更制御が実行されているときの空燃比センサの出力変化を表す値と、燃料噴射変更制御が実行されていないときの空燃比センサの出力変化を表す値とに基づいて該空燃比センサの感受性を評価するとよい。このような空燃比センサの出力変化を表す値を用いることで、空燃比センサの感受性をより適切に評価することができる。

さらに好ましくは、評価手段は、燃料噴射量変更制御手段により燃料噴射変更制御が実行されているときの空燃比センサの出力変化を表す値と、燃料噴射変更制御が実行されていないときの空燃比センサの出力変化を表す値とに基づく値を所定値と比較することで、空燃比センサの感受性が所定レベル以下か否かを判定する判定手段を備えるとよい。これにより、より適切に、空燃比センサの感受性の低下を検知することができる。

さらに、本発明の他の態様は、気筒間空燃比ばらつき異常検出装置を提供する。

この気筒間空燃比ばらつき異常検出装置は、空燃比センサの出力に基づいて気筒間空燃比ばらつき異常を検出する空燃比異常検出手段と、上記空燃比センサ感受性評価装置により空燃比センサの感受性が所定レベル以下と評価されたとき、該空燃比異常検出手段による気筒間空燃比ばらつき異常の検出を禁止する禁止手段とを備えることができる。これにより、空燃比センサの感受性が低下した場合に、気筒間空燃比ばらつき異常の有無が誤検出されることを防ぐことができる。

あるいは、気筒間空燃比ばらつき異常検出装置は、空燃比センサの出力に基づく値と第２所定値とを比較することで気筒間空燃比ばらつき異常を検出する空燃比異常検出手段と、上記空燃比センサ感受性評価装置による評価結果に基づいて、その第２所定値を設定する設定手段とを備えることができる。好ましくは、設定手段は、空燃比センサ感受性評価装置により空燃比センサの感受性が所定レベル以下と評価されたとき、燃料噴射量変更制御手段により燃料噴射変更制御が実行されているときの空燃比センサの出力と、燃料噴射変更制御が実行されていないときの空燃比センサの出力との関係に基づいて、第２所定値を設定するとよい。これにより、空燃比センサの感受性が低下した場合であっても、より好適に、気筒間空燃比ばらつき異常を検出することができる。

本発明の第１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の程度に応じた排気空燃比の変動例を示すグラフである。 図３のＩＶ部に相当する拡大模式図である。 インバランス割合と出力変動パラメータとの関係を示すグラフである。 気筒間空燃比ばらつき異常の検出用のフローチャートである。 図１の内燃機関の排気系の一部の拡大模式図である。 図７の排気通路に位置づけられた触媒前センサの検出部の拡大模式図であり、カバーを省略した図である。 触媒前センサの、図７のＩＸ−ＩＸ線に沿った断面模式図である。 触媒前センサの図９に対応する模式図であり、触媒前センサとカバーとの間の空間にデポジットがあるときの一例としての図である。 触媒前センサの出力変化例を表したグラフである。 第１実施形態のフローチャートである。 第２実施形態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。まず、第１実施形態が説明される。

図１に本第１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。なお、エンジン１での点火順序は＃１、＃８、＃７、＃３、＃６、＃５、＃４、＃２気筒の順である。

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などによって区画形成されている。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は下流触媒コンバータ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などにより区画形成されている。そして排気管１７には上流触媒コンバータ１８が設けられている。上流触媒コンバータ１８の上流側および下流側（直前および直後）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および触媒後センサ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、上流触媒コンバータ１８、触媒前センサ２０および触媒後センサ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コンバータ１９を設けることも可能である。

エンジン１には各種制御手段（制御装置）および各種検出手段（検出部）などとしての各機能を担う電子制御ユニット（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といった中央処理装置、ＲＯＭおよびＲＡＭなどの記憶装置、並びに入出力ポート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。

このように、ＥＣＵ１００は、燃料噴射制御手段、点火制御手段、吸入空気量制御手段等のそれぞれの機能を担う。そして、以下の説明から明らかなように、ＥＣＵ１００は、空燃比制御手段、燃料噴射量変更制御手段、評価手段、空燃比異常検出手段、禁止手段の各機能を担う。なお、ここでは、評価手段は、判定手段を含み、ＥＣＵ１００は判定手段の機能も担う。

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。

そして、ＥＣＵ１００は、通常、吸入空気量およびエンジン回転速度つまりエンジン運転状態に基づいて、予め記憶装置に記憶するデータ等を用いて、燃料噴射量（または燃料噴射時間）を設定する。そして、その燃料噴射量に基づいて、インジェクタ２からの燃料の噴射が制御される。なお、このような通常時の燃料噴射制御による燃料噴射量をここでは通常時燃料噴射量と称し得る。

ところで、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＝１４．６）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。

上流触媒コンバータ１８および下流触媒コンバータ１９はそれぞれ三元触媒からなり、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１の通常運転時、上流触媒コンバータ１８に流入する排気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。具体的には、主空燃比フィードバック制御では、触媒前センサ２０の出力に基づいて検出される現状の排気空燃比を所定の目標空燃比に追従させるために、第１補正係数を演算して、この第１補正係数に基づいてインジェクタ２からの燃料噴射量を調整するような制御が実行される。そして、さらに補助空燃比フィードバック制御では、触媒後センサ２１の出力に基づいて、第２補正係数を演算し、主空燃比フィードバック制御にて得られた第１補正係数を修正するような制御が実行される。ただし、本実施形態において、上記所定の目標空燃比つまり空燃比の基準値（目標値）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（目標値）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、ここでは、かかる気筒間空燃比ばらつき異常を検出する装置（気筒間空燃比ばらつき異常検出装置）が装備されている。

本実施形態では、空燃比センサである触媒前センサ２０の出力に基づいて、気筒間空燃比ばらつき異常の検出が行われる。以下に、この検出の原理または思想が、図３から図５に基づいて説明される。ただし、図３および図４は、ある直列４気筒エンジンでの排気空燃比の変化例を表しているが、図３および図４に基づく以下の説明は上記エンジン１の片バンクにおける排気空燃比にも同様に当てはまる。また、図３〜図５に基づく以下の説明でも、上で既に説明された構成要素に相当する構成要素には同じ符号が付される。

図３に示すように、気筒間に空燃比ばらつきが発生すると、１エンジンサイクル（＝７２０°ＣＡ）間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はそれぞれ気筒間空燃比ばらつき無し、１気筒のみ２０％のインバランス率でリッチずれ、および１気筒のみ５０％のインバランス率でリッチずれの場合の、触媒前センサ２０による検出空燃比Ａ／Ｆの一例を示す。図３に見られるように、気筒間の空燃比ばらつきつまりインバランスの度合いまたは程度が大きくなるほど空燃比変動の振幅が大きくなる。これは、リーンずれの場合でも同様である。

ここでインバランス率（％）とは、気筒間空燃比のばらつき度合いつまりインバランス度合いを表す一つのパラメータである。すなわち、インバランス率とは、全気筒のうちある１気筒のみが燃料噴射量ずれを起こしている場合に、その燃料噴射量ずれ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、燃料噴射量ずれを起こしていない気筒（バランス気筒）の燃料噴射量からずれ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つまり基準燃料噴射量をＱｓとすると、ＩＢ＝（Ｑｉｂ−Ｑｓ）／Ｑｓ×１００で表される。インバランス率ＩＢの絶対値が大きいほど、インバランス気筒のバランス気筒に対する燃料噴射量ずれが大きく、気筒間空燃比ばらつきの度合いは大きい。

図３から理解されるように、インバランス率が大きいほど、すなわち気筒間空燃比ばらつきの度合いが大きいほど、触媒前センサ２０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２０の出力変動度合いを表す出力変動パラメータＸを、気筒間空燃比ばらつきの度合いつまり程度を表すパラメータとして用い、かつ出力変動パラメータＸを算出する。

以下に出力変動パラメータＸの算出方法を説明する。図４は図３のＩＶ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２０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２０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、ＥＣＵ１００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／Ｆｎと、前回のタイミング（第１のタイミング）で取得した値Ａ／Ｆｎ−１との差ΔＡ／Ｆｎ（＝Ａ／Ｆn−Ａ／Ｆn-1）を求める。この差ΔＡ／Ｆｎ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／Ｆｎまたはその大きさ（絶対値）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／Ｆｎの絶対値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／Ｆｎまたはその大きさを出力変動パラメータとすることができる。

ただし、本実施形態では、差ΔＡ／Ｆは、以下では、その大きさつまり絶対値とされる。そして、精度向上のため、複数の差ΔＡ／Ｆｎの平均値を出力変動パラメータとする。特に、本実施形態では、１エンジンサイクルでもよいが、さらにそれよりも多い、複数（例えば５０）のエンジンサイクルの間、触媒前センサ２０の出力を取得し、各タイミングでの差ΔＡ／Ｆｎを算出し、その差ΔＡ／Ｆの絶対値を積算し、最終積算値をサンプル数で除し、所定エンジンサイクル内の差ΔＡ／Ｆｎの絶対値の平均値を求める。こうして求められた最終的な平均値が出力変動パラメータＸとされる。出力変動パラメータＸは、触媒前センサ出力の変動度合いが大きくなるほど大きくなる。

図５には、インバランス率ＩＢ（％）と出力変動パラメータＸとの関係を示す。図示されるように、インバランス率ＩＢと出力変動パラメータＸとの間には強い相関関係があり、インバランス率ＩＢが増加するほど（気筒間空燃比ばらつきの程度が大きくなるほど）パラメータＸも増加する。

それ故、出力変動パラメータＸに基づいて気筒間空燃比ばらつき、特に所定レベル以上の気筒間空燃比ばらつき（気筒間空燃比ばらつき異常）が生じていることを検出することが可能である。

図６のフローチャートに基づいて、さらに気筒間空燃比ばらつき異常の検出を説明する。ただし、本実施形態では、エンジン１の始動後、停止までの間に、一度のみ、その異常の検出の実行が図られる。しかし、適宜の時期にそれは行われることができ、例えば、エンジン運転時間が所定時間を越える毎に、気筒間空燃比ばらつき異常の検出の実行が図られてもよい。

ステップＳ６０１では、気筒間空燃比ばらつき異常の検出を行うための前提条件が成立しているか否かが判定される。ここでは、エンジン運転状態が所定運転状態にあるとき、前提条件が成立していると判定される。具体的には、エンジン回転速度と、エンジン負荷（例えば、吸入空気量、アクセル開度）に基づいて、エンジン運転状態が所定運転状態にあるか否かが判定される。なお、所定運転状態は、ここでは、上記したような、排気の空燃比をストイキ近傍に制御するための空燃比制御つまりストイキ制御が実行される運転状態である。ただし、前提条件には、これに加えてまたはこれに代えて種々の条件が含まれることができる。

ステップＳ６０１で肯定判定されると、ステップＳ６０３で、既に説明したようにして、触媒前センサ２０の出力に基づいて出力変動パラメータＸが算出される。そして、ステップＳ６０５で、この算出された出力変動パラメータＸが所定値以上か否が判定される。所定値（閾値）は、ここでは、図５に表される値αであり、固定値とされている。しかし、この所定値は値α以外でもよく、可変とされてもよい。

ステップＳ６０５で否定判定されるとき、この場合は、ある程度以上の気筒間空燃比ばらつきが生じていないので、そのまま該ルーチンは終了する。一方、ステップＳ６０５で肯定判定されるとき、この場合は、ある程度以上の気筒間空燃比ばらつきつまり異常が生じていると判定するように、ステップＳ６０７で警告フラグがＯＮにされる。これにより、ここでは、運転席のフロントパネルなどに設けられたアラームが点灯される。なお、このようにして気筒間空燃比ばらつき異常が検出されたとき、気筒間空燃比ばらつき異常に応じて、例えば、ステップＳ６０３で算出された出力変動パラメータＸに基づいて、エンジン１が種々運転されるとよい。

さて、エンジン１０では、このような気筒間空燃比ばらつき異常の検出精度または検出性能を高めるように、空燃比センサ２０に対してカバー（ガス制御カバー）３０が設けられている。図７は、第１のバンクＢ１側の排気系の部分的な模式図であり、カバー３０が設けられている触媒前センサ２０を模式的に表す。このカバー３０は、空燃比センサ２０への排気の流れつまりガス流れを制御するように設けられ、本発明におけるガスガイド部材に相当する。なお、カバー３０は、ガスを案内する部分（ガイド部分またはガイド壁部）３０ａを有する。

図８は、触媒前センサ２０の検出部２０ａつまり排気通路１４Ａに位置する部分の模式図である。触媒前センサ２０は、センサ素子２０ｂと、センサ素子２０ｂを覆うと共に複数の穴２０ｃを有するセンサカバー２０ｄとを含んで構成されている。センサカバー２０ｄ内にはセンサ素子２０ｂが収容されていて、センサカバー２０ｄの複数の穴２０ｃを通してセンサ素子２０ｂにガスが到達することができるようになっている。

カバー３０は、触媒前センサ２０の検出部２０ａの一部を覆う（つまり囲う）、特にここでは排気の流れ方向（多くの場合、排気通路の軸線方向に対応）において検出部２０ａの下流側部分を覆うように形づくられて、触媒前センサ２０に対して設けられている。カバー３０は、カバー３０と触媒前センサ２０との間に所定の空間またはすき間３２を形成するように、触媒前センサ２０に対して設けられる。ここでは、カバー３０の内表面と触媒前センサ２０の外表面との間隔が所定距離になるように、カバー３０は触媒前センサ２０に対して設けられている。このようにカバー３０を設けることで、図９に矢印で示すように、空間３２には上流側から排気が流れ込み、カバー３０を設けないときに比べて、触媒前センサ２０の検出部２０ａの下流側の圧力を高めることができる。よって、下流側の穴２０ｃから排気が入ることが促され、検出部２０ａまたはセンサ素子２０ｂへ到達するガス流量が増大する。したがって、触媒前センサ２０の感受性が高まり、排気空燃比の変化による触媒前センサ２０の出力変化が大きくなり、結果として、上記した気筒間空燃比ばらつき異常の検出精度を高めることができる。

ところで、このようにカバー３０を設けることで排気を触媒前センサ２０に方向付けて、該センサ２０の検出性能または感受性を高めるようにしているが、それ故に、触媒前センサ２０とカバー３０との間の空間３２はさほど広くない。よって、このカバー３０と触媒前センサ２０との間の空間３２には、ＰＭ（Particulate Matter）などの種々の物質Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４（図１０参照）が堆積する可能性がある。このように堆積した物質つまりデポジットは、穴２０ｃまたは空間３２を塞ぎ、空燃比センサ２０へのガスの流れを阻害し、センサ２０における検出能力つまり感受性の低下をもたらす虞がある。そこで、触媒前センサ２０の感受性を評価するように評価装置（空燃比センサ感受性評価装置）が設けられている。

図１１は、エンジン１と同様の構成のエンジンにおける、片バンクの４つの＃１、＃３、＃５、＃７気筒からの排気の空燃比の変化として、触媒前センサ２０相当の空燃比センサの出力の変化を表すグラフである。なお、以下の図１１に関する説明では、既に説明された構成要素に相当する構成要素に同じ符号を用いる。

図１１の線ＮＤ１、ＮＤ２は空間３２にデポジッドがないときの空燃比変化の一例を表す。線ＮＤ１は各気筒の燃料噴射量を同じくするように燃料噴射制御を行っているとき（以下、通常時または強制アクティブ制御非実行時）であって、気筒間空燃比ばらつき異常がないときの空燃比変化である。これに対して、線ＮＤ２は、ある気筒ここでは＃１気筒でのみ燃料噴射量をアクティブにつまり強制的に変更したときであって（以下、強制アクティブ制御実行時）、５０％のインバランスを生じさせたときの空燃比変化である。また、線ＰＤ１、ＰＤ２は空間３２にある程度以上のデポジットがあるときの空燃比変化の一例を表す。そして、線ＰＤ１は、強制アクティブ非実行時であって、気筒間空燃比ばらつき異常がないときの空燃比変化である。これに対して、線ＰＤ２は、強制アクティブ実行時であって、ここでは＃１気筒にのみ５０％のインバランスを生じさせたときの空燃比変化である。

図１１から理解できるように、空燃比センサ２０とカバー３０との間の空間３２にデポジットが有る場合も無い場合も、強制的にインバランスを生じさせたとき、つまり、気筒間空燃比ばらつきの程度を大きくしたとき、空燃比変化は大きくなる。しかし、気筒間空燃比のばらつきの程度が同程度であるとき、空間３２におけるデポジットの有無で、空燃比変化に差が生じる。具体的には、空間３２にデポジットがあるほど、気筒間空燃比ばらつきの程度が同程度であれば、空燃比変化は小さくなる。したがって、空間３２にデポジットがあるほど、気筒間空燃比ばらつきの程度が同程度であれば、空燃比変化を反映した値つまり触媒前センサ２０の出力変化を表す値である、上記したように算出される出力変動パラメータＸは小さくなる。そこで、これらに着目して、ここでは、以下に図１２に基づいて説明されるようにして空間３２におけるデポジットの有無、つまり、それの有無に影響される触媒前センサ２０の検出能力つまり感受性が評価される。なお、以下では、図１２に基づいて、触媒前センサ２０の感受性の評価と、それに関連した気筒間空燃比ばらつき異常の検出とが説明される。ただし、本実施形態では、エンジン１の始動後、停止までの間に、気筒間空燃比ばらつき異常の検出と同様に、一度のみ、センサ２０の感受性の評価などの実行が図られる。しかし、それは適宜の時期に行われることができ、例えば、エンジン運転時間が所定時間を越える毎にその実行が図られてもよい。

まず、ステップＳ１２０１では、前提条件が成立しているか否かが判定される。なお、このステップＳ１２０１での判定は、上記ステップＳ６０１での判定と同じであるので、ここでの再度の説明は省略される。

ステップＳ１２０１で肯定判定されると、ステップＳ１２０３に進む。ステップＳ１２０３では、各気筒の燃料噴射量を同じくするように燃料噴射制御を行っているとき、つまり通常時または強制アクティブ制御非実行時の、触媒前センサ２０の出力に基づいて、触媒前センサ２０の出力変化を表す値である出力変動パラメータＸ１が算出される。この出力変動パラメータＸ１の算出は上記したようにして行われる。

次ぐ、ステップＳ１２０５では、＃１気筒の燃料噴射量のみをアクティブにつまり強制的に所定量（例えばインバランス率で５０％相当量）、増量変更させて、そのときの、つまり強制アクティブ制御実行時の、触媒前センサ２０の出力に基づいて、出力変動パラメータＸ２が算出される。このパラメータＸ２の算出も、それ自体は、上記したように行われる。ただし、ここでは、強制アクティブ制御により所定の対象気筒である＃１気筒の燃料噴射量が強制的に所定量増量変更されるが、本発明では燃料減の燃料噴射量変更制御も許容されるので、その燃料噴射量が減量変更されてもよい。また、強制アクティブ制御により上記通常時燃料噴射量に対して強制的に燃料量を変えられる所定の対象気筒は、１つの気筒であることに限定されず、複数の気筒であってもよいが、好ましくは、全気筒ではない。強制アクティブ制御の実行により、強制アクティブ制御の非実行時に比べて、触媒前センサ２０の出力変化をより好適に大きくするためである。また、同じ理由から、強制アクティブ制御により燃料量を変えられる所定の対象気筒は、触媒前センサ２０へのガス当たりの強い気筒、つまり、触媒前センサ２０の出力に対する排気の影響の強い気筒であるまたはそれを含むとよい。なお、ステップＳ１２０３とステップＳ１２０５の順番は逆であってもよい。

そして、ステップＳ１２０７で、ステップＳ１２０５で算出されたパラメータＸ２とステップＳ１２０３で算出されたパラメータＸ１との比Ｒ（＝Ｘ２／Ｘ１）が算出される。次に、算出された比Ｒは、（判定手段に相当する）ステップＳ１２０９で、所定値（閾値）と比較される。具体的には、比Ｒが所定値以下か否かが判定される。所定値は、図１１に基づいて説明されたような、空間３２におけるデポジットに着目した、強制アクティブ制御非実行時の触媒前センサ２０の出力変化と強制アクティブ制御実行時の触媒前センサ２０の出力変化との関係に基づいて、実験により、定められている。

ステップＳ１２０９で肯定判定されるときは、センサ２０の検出能力つまり感受性が所定レベル以下と評価されたときである。このときは、空間３２に所定量以上のデポジットがあるとみなすことができる。このとき、上記した気筒間空燃比ばらつき異常の検出精度は低下する。そこで、この場合、（禁止手段に相当する）ステップＳ１２１１で禁止フラグがＯＮにされて、図６に基づいて説明された気筒間空燃比ばらつき異常の検出が禁止される。つまり、本実施形態では、気筒間空燃比ばらつき異常の検出は、触媒前センサにおける検出能力つまり感受性の評価が行われた後、行われるように、プログラムおよびＥＣＵ１００が担う各種手段は構築されまたは関連付けられている。

他方、ステップＳ１２０９で否定判定されるとき、ステップＳ１２１３で禁止フラグがＯＦＦにされる。したがって、この場合、気筒間空燃比ばらつき異常の検出が実行される。

なお、このように触媒前センサ２０の感受性は、強制アクティブ制御非実行時の触媒前センサ２０の出力変化を表す値と、強制アクティブ制御実行時の同センサ２０の出力変化を表す値とに基づいて、評価される。したがって、エンジン１に気筒間空燃比ばらつき異常が生じている場合であっても、適切に、センサ２０の感受性を評価することができる。

なお、上記したように算出される比Ｒは、センサ２０の感受性を表す値であり、センサ２０の感受性を評価する値である。したがって、上記ステップＳ１３０７は、評価手段に関する。

次に、本発明にかかる第２実施形態について説明する。ただし、第２実施形態に係るエンジンの構成は、上記エンジン１と実質的に同じなので、その重複説明は省略される。ただし、ＥＣＵ１００は、上記禁止手段の機能を有さず、代わりに、後述する説明から明らかなように、設定手段の機能を担う。

以下、第２実施形態における、触媒前センサ２０の感受性の評価と、それに関連した気筒間空燃比ばらつき異常の検出とが、図１３のフローチャートに基づいて説明される。ただし、ステップＳ１３０１〜Ｓ１３０９は、それぞれ上記ステップＳ１２０１〜Ｓ１２０９に実質的に対応するので、これらの説明は以下の記載を除いて省略される。

ステップＳ１３０１で前提条件が成立しているので肯定判定されると、ステップＳ１３０３で強制アクティブ制御非実行時の出力変動パラメータＸ１が算出されて、次ぐステップＳ１３０５で強制アクティブ制御実行時の出力変動パラメータＸ２が算出される。そして、ステップＳ１３０７で、ステップＳ１３０５で算出されたパラメータＸ２とステップＳ１３０３で算出されたパラメータＸ１との比Ｒ（＝Ｘ２／Ｘ１）が算出されて、ステップＳ１３０９で、算出された比Ｒが所定値以下か否かが判断される。

ステップＳ１３０９で否定判定されるときは、触媒前センサ２０の感受性が所定レベル以下でないときである。よって、このときは、図６に基づいて説明されたように、気筒間空燃比ばらつき異常の検出が実行される（許容される）。

これに対して、ステップＳ１３０９で肯定判定されたときは、触媒前センサ２０の感受性が所定レベル以下と評価されたときであり、空間３２にある程度以上のデポジットがあり得る。このようなとき、図１１の線ＰＤ１と線ＮＤ１とを比較することで、または、図１１の線ＰＤ２と線ＮＤ２とを比較することで明らかなように、空間３２にデポジットが無いときに比べて、触媒前センサ２０の出力振幅の低下が認められる。したがって、このようなときは、空間３２にデポジットが無い場合と同じく気筒間空燃比ばらつき異常の検出を実行しても、十分にその異常を検出できない。そこで、本第２実施形態では、気筒間空燃比ばらつき異常検出用の閾値つまり所定値は補正変更される。

ステップＳ１３０９で肯定判定されると、ステップＳ１３１１で、センサ２０の感受性の評価結果に基づいて、気筒間空燃比ばらつき異常判定用閾値つまり所定値は算出されて設定される。具体的には、ステップＳ１３０５で算出された比Ｒに応じて不図示のマップ化されたデータを検索したり、これに加えてまたはこれに変えて所定の演算を行ったりすることで、補正後所定値が算出されて設定される。なお、比Ｒに基づいて補正値が算出されて、該補正値を用いて固定値（初期値）である所定値（例えば上記値α）が補正されて、補正後所定値が設定されてもよい。ただし、触媒前センサ２０の感受性の低下に伴い、補正後所定値が設定されるので、判定ハードルが下がるように、具体的には、図５のグラフにおいて矢印で示すように、補正後所定値は補正前所定値に比べて小さくなるように所定値は補正変更される。

これにより、気筒間空燃比ばらつき異常の検出は、補正後所定値に基づいて実行される。したがって、本第２実施形態によれば、空間３２にデポジットがあって、触媒前センサ２０の感受性が低下した場合であっても、気筒間空燃比ばらつき異常をより適切に検出することが出来る。

以上、本発明を、上記２つの実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらに限定されない。例えば、上記第２実施形態では、触媒前センサ２０の感受性が所定レベル以下にまで低下したときのみ、強制アクティブ制御非実行時のセンサ出力と強制アクティブ制御実行時のセンサ出力との関係を表す比Ｒに基づいて気筒間空燃比ばらつき異常検出用所定値が補正設定された。しかし、触媒前センサ２０の感受性がそこまで低下していないときであっても、センサ２０の感受性の評価結果、具体的にはそのときの比Ｒに基づいて気筒間空燃比ばらつき異常検出用所定値が補正設定されてもよい。これにより、気筒間空燃比ばらつき異常をさらにより適切に検出することが可能になる。

また、上記実施形態では、触媒前センサ２０の感受性の低下が認められたとき、この結果は気筒間空燃比ばらつき異常の検出に反映されたが、他の制御に活用されてもよい。例えば、空燃比制御、特にストイキ制御にも、触媒前センサ２０の感受性の評価結果は反映されてもよい。例えば、触媒前センサ２０の感受性の程度に応じて、具体的には比Ｒに基づいて、補正値が算出され、この補正値が空燃比フィードバック補正に活用されてもよい。

また、上記実施形態では、気筒間空燃比ばらつき異常は、通常のストイキ制御時の空燃比変化に基づいて検出された。しかし、既知の他の方法または演算に基づいて気筒間空燃比ばらつき異常が検出されてもよい。例えば、所定の対象気筒（任意の一気筒または複数気筒）の燃料噴射量を強制的に所定量変更する燃料噴射量変更制御を実行し、そのときの触媒前センサ２０の出力に基づいて出力変動パラメータＸを算出し、これに基づいて気筒間空燃比ばらつき異常の検出が実行されてもよい。

なお、本発明は、種々の形式の少なくとも２つの気筒つまり複数気筒を有する多気筒エンジンに適用され得、ポート噴射形式のエンジンのみならず、筒内噴射形式のエンジン、ガスを燃料として用いるエンジンなどにも適用され得る。

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。

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
１３ 点火プラグ
１８ 上流触媒コンバータ
２０ 触媒前センサ（空燃比センサ）
２２ クランク角センサ
２３ アクセル開度センサ
３０ カバー（ガスガイド部材）
１００ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims (6)

1. 複数の気筒を有する内燃機関の排気通路に設けられた空燃比センサであって、該空燃比センサの一部を覆うようにガスガイド部材が設けられた、空燃比センサの感受性を評価する空燃比センサ感受性評価装置であって、
   前記複数の気筒のうちの所定の対象気筒の燃料噴射量を強制的に所定量変更する燃料噴射量変更制御を実行する燃料噴射量変更制御手段と、
   該燃料噴射量変更制御手段により前記燃料噴射変更制御が実行されているときの前記空燃比センサの出力と、該燃料噴射変更制御が実行されていないときの該空燃比センサの出力とに基づいて、該空燃比センサの感受性を評価する評価手段と
   を備えた、空燃比センサ感受性評価装置。
2. 前記評価手段は、前記燃料噴射量変更制御手段により前記燃料噴射変更制御が実行されているときの前記空燃比センサの出力変化を表す値と、該燃料噴射変更制御が実行されていないときの該空燃比センサの出力変化を表す値とに基づいて該空燃比センサの感受性を評価する、請求項１に記載の空燃比センサ感受性評価装置。
3. 前記評価手段は、前記燃料噴射量変更制御手段により前記燃料噴射変更制御が実行されているときの前記空燃比センサの出力変化を表す値と、該燃料噴射変更制御が実行されていないときの該空燃比センサの出力変化を表す値とに基づく値を所定値と比較することで、空燃比センサの感受性が所定レベル以下か否かを判定する判定手段を備える、請求項１または２に記載の空燃比センサ感受性評価装置。
4. 前記空燃比センサの出力に基づいて気筒間空燃比ばらつき異常を検出する空燃比異常検出手段と、
   請求項３に記載の空燃比センサ感受性評価装置により前記空燃比センサの感受性が所定レベル以下と評価されたとき、該空燃比異常検出手段による気筒間空燃比ばらつき異常の検出を禁止する禁止手段と
   を備えた、気筒間空燃比ばらつき異常検出装置。
5. 前記空燃比センサの出力に基づく値と第２所定値とを比較することで気筒間空燃比ばらつき異常を検出する空燃比異常検出手段と、
   請求項１から３のいずれかに記載の空燃比センサ感受性評価装置による評価結果に基づいて、前記第２所定値を設定する設定手段と
   を備えた、気筒間空燃比ばらつき異常検出装置。
6. 前記設定手段は、前記空燃比センサ感受性評価装置により前記空燃比センサの感受性が所定レベル以下と評価されたとき、前記燃料噴射量変更制御手段により前記燃料噴射変更制御が実行されているときの前記空燃比センサの出力と、該燃料噴射変更制御が実行されていないときの該空燃比センサの出力との関係に基づいて、前記第２所定値を設定する、請求項５に記載の気筒間空燃比ばらつき異常検出装置。

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