JP2014015841A - 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

Abstract

【課題】気筒毎の回転変動を表すパラメータを用いて、ある気筒のリッチずれ異常を好適に検出する。
【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、気筒毎の回転変動を表す第１のパラメータを各気筒について検出し、任意の１気筒に対する第２のパラメータを、当該１気筒を除く残部気筒の第１のパラメータの和として算出し、当該第２のパラメータを各気筒について算出し、これら各気筒の第２のパラメータに基づいて、気筒間空燃比ばらつき異常を検出すると共に気筒間空燃比ばらつき異常が発生している異常気筒を特定する。
【選択図】図８

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ないし一律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、気筒間空燃比ばらつき異常を検出する方法として、気筒毎の回転変動を表すパラメータを検出し、これを利用する方法がある。

ある気筒の空燃比がリーン側にずれるリーンずれ異常が発生すると、この異常気筒の回転変動が大きくなり、あるいは悪化し、パラメータの値も回転変動大側に大きく変化する。よってそのパラメータの値を監視することによって、ある気筒のリーンずれ異常、ひいてはこれに基づく空燃比ばらつき異常を検出することができる。

しかし、これとは逆に、ある気筒の空燃比がリッチ側にずれるリッチずれ異常が発生した場合だと、同パラメータを用いても空燃比ばらつき異常を検出することが困難なことがある。

すなわち、内燃機関の発生トルクは燃料と酸素の反応に依存するが、燃料量を増量していっても燃料が過剰になるだけで、回転変動にはそれ程影響しない。回転変動への影響が強く出るのは、リッチ限界を超えるほどに燃料量が増加した場合だけである。よって気筒毎の回転変動を表すパラメータを用いても、リッチずれ異常を検出することが困難なことがある。

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、気筒毎の回転変動を表すパラメータを用いて、ある気筒のリッチずれ異常を好適に検出することが可能な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、
気筒毎の回転変動を表す第１のパラメータを各気筒について検出し、任意の１気筒に対する第２のパラメータを、当該１気筒を除く残部気筒の第１のパラメータの和として算出し、当該第２のパラメータを各気筒について算出し、これら各気筒の第２のパラメータに基づいて、気筒間空燃比ばらつき異常を検出すると共に気筒間空燃比ばらつき異常が発生している異常気筒を特定する
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、前記装置は、各気筒の第２のパラメータを所定の判定値と比較し、当該判定値に相当する回転変動よりも回転変動が大きくなり、且つ回転が遅くなるような第２のパラメータが存在する場合に、気筒間空燃比ばらつき異常を検出すると共に、当該第２のパラメータに対応する気筒を異常気筒と特定する。

好ましくは、前記気筒間空燃比ばらつき異常が、ある気筒の空燃比が所定の基準空燃比よりもリッチ側にずれるリッチずれ異常に基づくものである。

好ましくは、前記装置は、前記判定値を、前記内燃機関の負荷に応じて設定する。

好ましくは、前記装置は、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の実行中にばらつき異常検出を実行する。

好ましくは、前記内燃機関は、少なくとも３つの気筒を備える。

本発明によれば、気筒毎の回転変動を表すパラメータを用いて、ある気筒のリッチずれ異常を好適に検出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。 回転時間差を説明するためのタイムチャートである。 角速度差を説明するためのタイムチャートである。 比較例において正常時と異常時の気筒毎の角速度差を示すグラフである。 正常時と異常時の各気筒の角速度差とエンジン負荷の関係を示すグラフである。 正常時と異常時の各気筒の合計角速度差を示すグラフである。 正常時と異常時の各気筒の合計角速度差とエンジン負荷の関係を示すグラフである。 本実施形態におけるばらつき異常検出処理のルーチンを示す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。気筒数、形式、用途等は特に限定されないが、内燃機関１は少なくとも３つの気筒を備えるのが好ましい。

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。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。

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。

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、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、燃焼室内の空燃比、具体的には燃料噴射量を制御する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なメイン空燃比制御（メイン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サブ空燃比制御（サブ空燃比フィードバック制御）とからなる。

なお、このような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し、ストイキ相当の燃料噴射量は燃料噴射量の基準量をなす。

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が故障するなどして、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気筒に対し燃料噴射量が多くなり、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。

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、気筒間空燃比ばらつき異常の検出に際し、気筒毎の回転変動を表す第１のパラメータを用いる。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う。なお以下の説明において、インバランス率は説明目的のためだけに用いる。第１のパラメータは気筒毎に、各気筒について検出される。

以下に第１のパラメータの好適な一例を説明する。なお第１のパラメータは、公知のものも含め、以下に説明する以外のものも可能である。

まず図３を参照されたい。図中、（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／°ＣＡ）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、９０、１２０、１８０（°ＣＡ）等）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１６の出力に基づきＥＣＵ２０により検出される。なお、図から明らかなように各気筒の点火順序は＃１，＃３，＃４，＃２気筒の順である。

（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、その後の次点火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Ｔ_１およびΔＴ_１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ΔＴ_３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ΔＴ_４および＃２気筒の回転時間差ΔＴ_２はともに小さな負の値となっている。以上の特性がエンジンサイクル毎に繰り返される。

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。

このように、気筒毎の回転時間差ΔＴ_ｉ（ｉ＝１，２，３，４）は、気筒毎の回転変動を表す値であり、気筒毎の空燃比ずれ量に相関した値であることが分かる。すなわち、気筒毎の空燃比ずれ量が大きいほど、気筒毎の回転変動は大きくなり、気筒毎の回転時間差ΔＴ_ｉは大きくなる。よって気筒毎の回転時間差ΔＴ_ｉを、気筒毎の回転変動を表す第１のパラメータとすることができる。

しかし本実施形態では、代替的に、気筒毎の回転時間差ΔＴ_ｉに類似した下記の値を第１のパラメータとする。もっとも、気筒毎の回転時間差ΔＴ_ｉを第１のパラメータとしてもよいことは勿論である。

図４を参照されたい。図中、（Ａ）は、図３（Ａ）と同様、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（°ＣＡ／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、その後の次点火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ω_１およびΔω_１で表す。他の気筒についても同様である。

＃１気筒ＴＤＣにおける角速度ω１と＃３気筒ＴＤＣにおける角速度ω２との関係で言えば、ω１＞ω２であり、＃１気筒には減速側の回転変動が生じている。

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Δω_３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。なおこの場合、＃３気筒ＴＤＣにおける角速度ω１と＃４気筒ＴＤＣにおける角速度ω２との関係で言えば、ω１＜ω２であり、＃３気筒には増速側の回転変動が生じている。

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Δω_４および＃２気筒の角速度差Δω_２はともに小さな正の値となっている。以上の特性がエンジンサイクル毎に繰り返される。

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。

このように、気筒毎の角速度差Δω_ｉ（ｉ＝１，２，３，４）も、気筒毎の回転変動を表す値であり、気筒毎の空燃比ずれ量に相関した値であることが分かる。すなわち、気筒毎の空燃比ずれ量が大きいほど、気筒毎の回転変動は大きくなり、気筒毎の角速度差Δω_ｉは小さくなる（マイナス方向に大きくなる）。

そこで本実施形態では、この気筒毎の角速度差Δω_ｉを、気筒毎の回転変動を表す第１のパラメータとして用いる。

ところで、本実施形態に対する比較例として、気筒毎の角速度差Δω_ｉに基づいて気筒間空燃比ばらつき異常を検出するものが考えられる。この場合、各気筒の角速度差Δω_ｉを個々に所定の異常判定値α（＜０）と比較し、異常判定値αよりも小さい角速度差Δω_ｉが存在する場合に、気筒間空燃比ばらつき異常を検出すると共に、その角速度差Δω_ｉに対応する気筒を気筒間空燃比ばらつき異常が発生している異常気筒と特定する。言い換えれば、かかる場合に、その角速度差Δω_ｉに対応する気筒に空燃比ずれ異常が発生したことを検出する。なお、角速度差Δωが異常判定値αよりも小さいことは、角速度差Δωに相当する回転変動が異常判定値αに相当する回転変動よりも減速側に大きいこと、あるいは角速度差Δωに相当する回転変動が異常判定値αに相当する回転変動よりも回転変動が大きくなり、且つ回転が遅くなることと同義である。

この比較例は、図４に示したように、ある気筒の空燃比がリーン側にずれるリーンずれ異常の検出に好適である。ある気筒の空燃比が大きくリーン側にずれると、その気筒において、燃料量が過少となり、発生トルクが減少し、回転速度ないし回転変動が減速側に変化するからである。

しかし、これとは逆に、ある気筒の空燃比がリッチ側にずれるリッチずれ異常が発生した場合だと、比較例によって空燃比ばらつき異常を検出することが困難なことがある。ある気筒の空燃比が大きくリッチ側にずれても、その気筒において、燃料量が過剰になるだけで、発生トルクはむしろ増大し、回転速度ないし回転変動はそれ程変化しないかむしろ増速側に変化するからである。この場合、リッチずれ異常が発生した気筒の角速度差Δω_ｉは、正常時と同じゼロ付近か、もしくはプラス方向に大きくなる。よってマイナスの異常判定値αより小さくならず、空燃比ばらつき異常として検出することができない。

もっとも、ある気筒の空燃比がリッチ限界を超えるほどに大きくリッチ側にずれた場合には、燃料量があまりに多すぎるため点火しても燃焼が不十分となる。よってリーンずれ異常発生時と同様に、発生トルクが減少し、回転速度ないし回転変動が減速側に変化し、異常判定値αより小さい角速度差Δω_ｉが得られてばらつき異常検出可能となる。このようにリッチずれ異常発生時における比較例の効果は極めて限定的である。

図５には、比較例において正常時と異常時の気筒毎の角速度差Δω_ｉを示す。ここでは前述の空燃比フィードバック制御、具体的にはストイキ制御の実行中における値を示す。正常時とは、何れの気筒にも空燃比ずれが生じておらず、全ての気筒の燃料噴射量がストイキ相当量Ｑｓである場合をいう。異常時とは、＃１気筒のみにインバランス率ＩＢ＝＋５０（％）のリッチずれ異常が発生した場合をいう。なおここで示す数値はあくまで例示である。

図示されるように、正常時には、いずれの気筒の燃料噴射量もストイキ相当量Ｑｓであり、全気筒の角速度差Δω_ｉはゼロ付近である。しかしながら角速度差Δω_ｉには気筒毎の若干のばらつきが見られ、Δω_１＝０．３、Δω_２＝−０．２、Δω_３＝０．１、Δω_４＝−０．２となっている。

この状態から、＃１気筒のみにインバランス率ＩＢ＝＋５０（％）のリッチずれ異常が発生すると、＃１気筒のみの燃料噴射量がストイキ相当量Ｑｓの１．５倍、すなわち１．５Ｑｓに変化する。但しこの後、ストイキ制御が行われる結果、トータルガスの空燃比がストイキとなるよう、全気筒の燃料噴射量が一律にＩＢ＝１２．５（％）相当つまり０．１２５Ｑｓだけ減量され、＃１気筒の燃料噴射量は１．３７５Ｑｓに、＃２〜４気筒の燃料噴射量は０．８７５Ｑｓに、それぞれ変化する。こうしてリッチずれ異常発生時から暫くして、ストイキ制御により各気筒の燃料噴射量が変化し終えた時の角速度差Δω_ｉが、図示される異常時の角速度差Δω_ｉである。

図示されるように、異常時には、＃１気筒の燃料噴射量がストイキ相当量Ｑｓより顕著に多い１．３７５Ｑｓに増加するので、空燃比がストイキよりも顕著にリッチとなり、発生トルクが増加し、角速度差Δω_ｉは増速側の０．８に著しく増加している。一方、他の正常気筒＃２〜＃４については、燃料噴射量がストイキ相当量Ｑｓよりも若干少ない０．８７５Ｑｓに減少するので、発生トルクが減少し、角速度差Δω_ｉについても若干の減少傾向が見られる。＃２気筒の角速度差Δω_２は変わらず−０．２だが、＃３気筒の角速度差Δω_３は−０．３に、＃４気筒の角速度差Δω_４は−０．３に、それぞれ減速側に減少している。

しかし、角速度差Δω_ｉがマイナス傾向にある＃２〜＃４気筒においても、その絶対値がそれ程大きくなる訳ではない。また正常時から異常時に変化したときの角速度差Δω_ｉのマイナス方向（減速側）の変化量あるいは差がそれ程大きくない。よって正常時と異常時を切り分ける異常判定値を設定するのが困難であり、両者を判別し難い。正常時と異常時の角速度差Δω_ｉの差、すなわち判定代が少ないので、両者を切り分けるのが困難である。

なお、＃１気筒に関して、図示例だと、正常時から異常時に変化したときに角速度差Δω_１がプラス方向に比較的大きく（０．５）変化している。よってこのことを利用して＃１気筒のリッチずれ異常を検出することも考えられる。しかし、実際には、正常時の角速度差Δω_ｉがエンジン運転状態に応じて比較的大きいプラスの値になることがある（例えば加速時等）。よって必ずしも異常時だけ角速度差Δω_ｉがプラス方向に大きく変化する訳ではなく、かかる特性を利用するのは困難である。

図６には正常時と異常時の各気筒の角速度差Δω_ｉとエンジン負荷の関係を示す。なお正常時と異常時の定義は図５と同様であり、例えば「＃１」は＃１気筒の角速度差Δω_１を示す。

図示するように、異常時の各気筒の角速度差Δω_ｉのデータが、正常時の各気筒の角速度差Δω_ｉのデータの中に埋もれてしまっている。このような状況下では、異常判定値を設定するのは難しいし、ばらつき異常を検出するのも難しい。異常気筒の特定も当然に難しく、新たに異常気筒特定用ロジックの開発が必要になるかもしれない。

そこで本発明者は、鋭意研究の結果、第１のパラメータである気筒毎の角速度差Δω_ｉを利用して、ある気筒の空燃比リッチずれ異常あるいはこれに基づく気筒間空燃比ばらつき異常を好適に検出することができる手法を見出した。以下これについて説明する。

本実施形態では、任意の１気筒に対する第２のパラメータを、当該１気筒を除く残部気筒の第１のパラメータの和として算出する。具体的には、例えば＃１気筒の第２のパラメータを、＃２気筒の角速度差Δω_２と＃３気筒の角速度差Δω_３と＃４気筒の角速度差Δω_４との和として算出する。こうして算出される第２のパラメータを合計角速度差と称し、Ｘ_ｉで表示する。Ｘ_１＝Δω_２＋Δω_３＋Δω_４である。

同様に、＃２気筒の合計角速度差Ｘ_２はＸ_２＝Δω_１＋Δω_３＋Δω_４であり、＃３気筒の合計角速度差Ｘ_３はＸ_３＝Δω_１＋Δω_２＋Δω_４であり、＃４気筒の合計角速度差Ｘ_４はＸ_４＝Δω_１＋Δω_２＋Δω_３である。このようにして第２のパラメータを各気筒について算出する。

図５の例を用いて各気筒の合計角速度差Ｘ_ｉを算出した結果は図７に示す通りである。

図示されるように、正常時には、Ｘ_１＝−０．３、Ｘ_２＝０．２、Ｘ_３＝−０．１、Ｘ_４＝−０．２といったように、各値ともほぼゼロ付近である。

これに対し、異常時だと、Ｘ_１＝−０．８、Ｘ_２＝０．２、Ｘ_３＝０．３、Ｘ_４＝０．３となる。特に異常気筒である＃１気筒において、合計角速度差Ｘ_１が正常時の−０．３から異常時の−０．８へと大きくマイナス方向（減速側）に変化している。他方、正常気筒＃２〜＃４においては、このような大きなマイナス方向の変化は見られない。一の正常気筒において、＃１気筒の大きなプラスの角速度差Δω_１と、他の正常気筒の小さなマイナスの角速度差Δωとが相殺され、全体として小さなプラスの合計角速度差Ｘとなっている。

よってこの特性を活かして、ある気筒の空燃比リッチずれ異常あるいはこれに基づく気筒間空燃比ばらつき異常を好適に検出することができる。

正常時から異常時に変化したときの異常気筒の合計角速度差Ｘ_ｉのマイナス方向の変化量が大きい。よって正常時と異常時を切り分ける異常判定値を設定するのが容易である。正常時と異常時の合計角速度差Ｘ_ｉの差、すなわち判定代が多いので、両者を切り分けるのが容易である。図示例の場合、例えば−０．６といったように、異常判定値を設定することができ、且つこの異常判定値によって正常時と異常時を確実に切り分けることができる。

そして、このようなマイナス方向の大きな変化が発現するのは異常気筒のみである。よって異常気筒の特定も容易である。

結果的に本実施形態では、比較例と同様、各気筒の合計角速度差Ｘ_ｉを個々に所定の異常判定値β（＜０）と比較し、異常判定値βよりも小さい合計角速度差Ｘ_ｉが存在する場合に、リッチずれ異常に基づく気筒間空燃比ばらつき異常を検出すると共に、その角速度差Ｘ_ｉに対応する気筒を異常気筒と特定する。言い換えれば、かかる場合に、その合計角速度差Ｘ_ｉに対応する気筒にリッチずれ異常が発生したことを検出する。なお、合計角速度差Ｘが異常判定値βよりも小さいことは、合計角速度差Ｘに相当する回転変動が異常判定値βに相当する回転変動よりも減速側に大きいこと、あるいは合計角速度差Ｘに相当する回転変動が異常判定値βに相当する回転変動よりも回転変動が大きくなり、且つ回転が遅くなることと同義である。

本実施形態の場合、例えば＃１気筒の第２のパラメータ（合計角速度差Ｘ_１）を、＃１気筒以外の残部気筒すなわち＃２，＃３，＃４気筒の角速度差の和Δω_２＋Δω_３＋Δω_４として取り扱う。こうすると、＃１気筒のリッチずれ異常発生からストイキ制御を経て各残部気筒の空燃比がストイキより若干リーンになり、少しずつゼロに対して減速側に変化した各残部気筒の角速度差を、まとめて＃１気筒の第２のパラメータに反映させることができる。よって結果的に、＃１気筒の合計角速度差Ｘ_１をゼロに対して大きく減速側に変化させることができ、正常・異常間の合計角速度差Ｘ_１の差を拡大することができる。

図８には、図６と同様、正常時と異常時の各気筒の合計角速度差Ｘ_ｉとエンジン負荷の関係を示す。図示するように、異常時の＃１気筒（異常気筒）の合計角速度差Ｘ_１のみが、他のデータあるいはデータ群に対し、マイナス方向（減速側）に大きく乖離している。よって図示するように、これらの間に異常判定値βを設定することによって、ばらつき異常検出と異常気筒特定とを容易且つ正確に行うことができる。

特に、図示するように、異常時の＃１気筒の合計角速度差Ｘ_１は、エンジン負荷が大きくなるほどマイナス方向に大きくなる傾向にある。よってこの傾向に合わせ、異常判定値βも、エンジン負荷に応じて設定するのが好ましく、より具体的にはエンジン負荷が大きくなるほどマイナス方向に大きい値に設定するのが好ましい。本実施形態では、図示されるような異常判定値βとエンジン負荷との関係が、予めマップ（関数でもよい）の形式でＥＣＵ２０に記憶されている。

次に、本実施形態におけるばらつき異常検出処理について説明する。図９には当該処理のルーチンを示す。当該ルーチンはＥＣＵ２０により所定の演算周期毎に繰り返し実行される。

ステップＳ１０１では、異常検出に適した所定の前提条件が成立しているか否かが判断される。例えば、（１）エンジンが暖機状態にあり、（２）上流触媒１１および下流触媒１９が暖機状態にあり、（３）触媒前センサ１７および触媒後センサ１８が活性状態にあり、（４）エンジンが定常運転状態にあり、（５）ストイキ制御中である場合に、前提条件が成立する。

条件（１）の成否は図示しない水温センサの検出値に基づき判断され、例えば当該検出値が７５℃以上の場合に条件が成立する。条件（２）の成否は別途推定または検出される各触媒の温度に基づき判断される。条件（３）の成否は各センサの素子インピーダンスに基づく素子温度の検出値に基づき判断される。条件（４）の成否は、例えば吸入空気量Ｇａ及びエンジン回転速度Ｎｅの所定期間内における変動幅が所定範囲内に収まっているか否かによって判断される。なお前提条件については上記に限定されず上記以外の例も可能である。

前提条件が成立していない場合には今回の処理が終了され、前提条件が成立している場合にはステップＳ１０２に進む。

ステップＳ１０２では、各気筒の角速度差Δω_ｉとエンジン負荷ＫＬが検出される。

次いでステップＳ１０３では、ステップＳ１０２の検出開始からＮエンジンサイクルが終了したか否かが判断される。Ｎは予め定められた２以上の整数であり、例えば１００である。終了してなければ今回の処理が終了され、終了したならばステップＳ１０４に進む。

ステップＳ１０４では、各気筒の平均角速度差Δωａｖ_ｉが算出される。具体的には、気筒毎の角速度差Δω_ｉの検出値の和をサンプル数Ｎで除して平均値を求め、この平均値を気筒毎の平均角速度差Δωａｖ_ｉとする。

ステップＳ１０５では、各気筒の合計角速度差Ｘ_ｉが算出される。前述の説明から理解されるように、例えば＃１気筒の合計角速度差Ｘ_１はＸ_１＝Δωａｖ_２＋Δωａｖ_３＋Δωａｖ_４である。

次いで、ステップＳ１０６において、エンジン負荷ＫＬに応じた異常判定値βが算出される。具体的には、エンジン負荷ＫＬの検出値の和をサンプル数４Ｎ（気筒数×エンジンサイクル数）で除して平均負荷を求め、この平均負荷に対応した異常判定値βを図８に示したようなマップから算出する。異常判定値βは負の値である。

そしてステップＳ１０７において、各気筒の合計角速度差Ｘ_ｉが異常判定値βと比較される。

何れかの気筒の合計角速度差Ｘ_ｉが異常判定値βよりも小さい場合、すなわち異常判定値βよりも小さい合計角速度差Ｘ_ｉが存在する場合、ステップＳ１０８に進んでばらつき異常有りと判定される。そしてその合計角速度差Ｘ_ｉに対応する気筒が、気筒間空燃比ばらつき異常が発生している異常気筒と特定される。

他方、何れの気筒の合計角速度差Ｘ_ｉも異常判定値β以上である場合、すなわち異常判定値βよりも小さい合計角速度差Ｘ_ｉが存在しない場合、ステップＳ１０９に進んでばらつき異常無し、すなわち正常と判定される。

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。

また本発明は直列４気筒エンジン以外にも適用可能である。例えばＶ型多気筒（６気筒、８気筒等）エンジンにおいてバンク毎に複数の気筒を有する場合、このバンク毎の気筒群に対し、本実施形態で述べたのと同様の構成、制御およびばらつき異常検出処理等を適用することが可能である。

上述の実施形態では、合計角速度差Ｘ_ｉの値自体に基づきばらつき異常を検出した。しかしながら、正常とみなせる第１の時点（例えば出荷時）と、その後の第２の時点との合計角速度差Ｘ_ｉの差に基づきばらつき異常を検出してもよい。具体的には、第２の時点の合計角速度差Ｘ_ｉ（例えば図７の＃１気筒の−０．８）から第１の時点の合計角速度差Ｘ_ｉ（同−０．３）を減じて得られる差が、負の異常判定値（例えば−０．４５）よりも小さい（絶対値としては大きい）場合に、ばらつき異常が発生したことを検出してもよい。この場合、第１の時点の各気筒の合計角速度差Ｘ_ｉの値は個体毎にばらつくと考えられるから、第１の時点の各気筒の合計角速度差Ｘ_ｉの値は、実測してＥＣＵ２０に記憶した学習値とするのが好ましい。

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）
５ エアフローメータ
１０ スロットルバルブ
１１ 上流触媒
１２ インジェクタ
１５ アクセル開度センサ
１６ クランク角センサ
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 (6)

1. 気筒毎の回転変動を表す第１のパラメータを各気筒について検出し、任意の１気筒に対する第２のパラメータを、当該１気筒を除く残部気筒の第１のパラメータの和として算出し、当該第２のパラメータを各気筒について算出し、これら各気筒の第２のパラメータに基づいて、気筒間空燃比ばらつき異常を検出すると共に気筒間空燃比ばらつき異常が発生している異常気筒を特定する
   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. 各気筒の第２のパラメータを所定の判定値と比較し、当該判定値に相当する回転変動よりも回転変動が大きくなり、且つ回転が遅くなるような第２のパラメータが存在する場合に、気筒間空燃比ばらつき異常を検出すると共に、当該第２のパラメータに対応する気筒を異常気筒と特定する
   ことを特徴とする請求項１に記載の多気筒内燃機関の気筒間空燃比ばらつき異常検出装置。
3. 前記気筒間空燃比ばらつき異常が、ある気筒の空燃比が所定の基準空燃比よりもリッチ側にずれるリッチずれ異常に基づくものである
   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の気筒間空燃比ばらつき異常検出装置。
4. 前記判定値を、前記内燃機関の負荷に応じて設定する
   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. 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の実行中にばらつき異常検出を実行する
   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. 前記内燃機関は、少なくとも３つの気筒を備える
   ことを特徴とする請求項１〜５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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