JP2014202163A - 多気筒内燃機関の気筒間空燃比インバランス検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気流量の変化に伴う排気ガスの空燃比センサへの当たり具合の変化を抑制して、検出精度を更に向上し、誤検出を抑制する。【解決手段】気筒間空燃比インバランス判定を実行するときには、ＷＧＶ２７が開弁されると共に、ＷＧＶ２７の開度が、排気流量に基づいて制御される。排気流量に応じて、排気ガスの空燃比センサへの当たり具合が検出により適した状態に誘導され、且つ、排気流量に応じた主流位置の変化が、ＷＧＶ２７を利用して補償ないし抑制される。排気流量の変化に伴う排気ガスの空燃比センサ１７への当たり具合の変化を抑制して、検出精度を更に向上し、誤検出を抑制することができる。【選択図】図２

Description

本発明は、多気筒内燃機関の気筒間空燃比のインバランス（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、排出ガス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、すなわち空燃比をコントロールしている。空燃比は、内燃機関の排気通路に設けられた空燃比センサ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に、フィードバック制御される。

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。このばらつきの程度が小さい場合には、これを空燃比フィードバック制御で吸収可能であり、また触媒でも排出ガス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、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、排気エミッションの悪化した車両の走行を未然に防止するため、気筒間空燃比インバランスを車載状態（オンボード）で検出することが要請されており、近年ではこれを法規制化する動きもある。

そこで、例えば特許文献１に記載の装置では、排気集合部よりも下流側であって触媒の上流側の排気通路に空燃比センサを設け、この空燃比センサの出力に基づいて、各気筒の空燃比を個別に推定している。

また、特許文献２に記載の装置では、ターボチャージャおよびウェイストゲートバルブを備えた排気系において、空燃比の検出を精度よく行うために、空燃比インバランスを検出する場合にウェイストゲートバルブを開弁させ、バイパス通路から吐出された排気ガスを直接空燃比センサに当てている。

特開平１１−００９０３８号公報 特開２０１２−１８０７９３号公報

しかしながら、特許文献１のようなシステムを、ターボチャージャ、当該ターボチャージャのタービンをバイパスするバイパス通路、およびバイパス通路を開閉するウェイストゲートバルブを備えた排気系に適用するために、排気タービンの下流側に空燃比センサを設けた場合、排気タービンによる排出ガスの攪拌の影響によって、各気筒の空燃比の検出の精度が悪化するおそれがある。

また、特許文献２の構成によれば、バイパス通路から吐出された排気ガスを直接空燃比センサに当てているため、空燃比の検出精度がある程度改善されることが期待できる。しかしながら、排気ガスの流量は必ずしも一定でないため、流量によって排気ガスの空燃比センサへの当たり具合が変化するおそれがあり、これを更に改善することが望ましい。

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、排気流量の変化に伴う排気ガスの空燃比センサへの当たり具合の変化を抑制して、検出精度を更に向上し、誤検出を抑制し得る多気筒内燃機関の気筒間空燃比インバランス検出装置を提供することにある。

本発明の一の態様は、
多気筒内燃機関に関連して設置された過給機と、
前記過給機のタービンをバイパスするように前記多気筒内燃機関の排気通路の設けられたバイパス通路と、
前記バイパス通路を開閉するウェイストゲートバルブと、
前記排気通路における前記タービンの下流側と前記バイパス通路の下流側との合流点よりも下流側の部分に設置された空燃比センサと、
前記ウェイストゲートバルブを制御するウェイストゲートバルブ制御手段と、
前記空燃比センサの出力の変動度合い又はこれに相関するパラメータの値を所定のしきい値と比較して気筒間空燃比インバランス判定を実行する判定手段と、
を備えた多気筒内燃機関の気筒間空燃比インバランス検出装置において、
前記ウェイストゲートバルブ制御手段は、前記気筒間空燃比インバランス判定を実行するときには、前記ウェイストゲートバルブを開弁させると共に、前記ウェイストゲートバルブの開度を排気流量に基づいて制御することを特徴とする多気筒内燃機関の気筒間空燃比インバランス検出装置である。

この態様では、ウェイストゲートバルブ制御手段は、気筒間空燃比インバランス判定を実行するときに、ウェイストゲートバルブを開弁させると共に、ウェイストゲートバルブの開度を排気流量に基づいて制御する。このため、排気流量に応じて、排気ガスの空燃比センサへの当たり具合が検出に適した状態になるようにウェイストゲートバルブの開度を設定することが可能になる。したがって、排気流量の変化に伴う排気ガスの空燃比センサへの当たり具合の変化を抑制して、検出精度を更に向上し、誤検出を抑制することが可能になる。

好ましくは、前記ウェイストゲートバルブ制御手段は、前記ウェイストゲートバルブを通過した排気ガスの主流の位置と前記空燃比センサの位置とが、空燃比の検出に適した所定範囲内で常に一致するように、前記ウェイストゲートバルブの開度を制御する。

さらに好ましくは、前記ウェイストゲートバルブ制御手段は、前記ウェイストゲートバルブを通過した排気の主流が前記空燃比センサに当たるように、前記ウェイストゲートバルブの開度を制御する。これらの態様によれば、排気流量の変化に伴う排気ガスの空燃比センサへの当たり具合の変化を抑制して、検出精度を向上することができる。

本発明の別の態様は、上記各態様において、
前記気筒間空燃比インバランス判定を実行する際に、通常制御時よりも低機関回転数かつ高負荷となるように前記多気筒内燃機関およびこれに接続された自動変速機を制御する低回転高負荷制御手段を更に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インバランス検出装置である。

一般に気筒間空燃比インバランス判定は、「低機関回転数かつ高負荷」であるほど、ノイズ成分が相対的に減少し分解能が高まるため、精度よく実行できる。したがって、この態様によれば、インバランス判定を実行する際に、通常制御時よりも低機関回転数かつ高負荷となるように多気筒内燃機関および自動変速機が制御されるので、インバランス判定を精度よく実行することができる。

本発明によれば、排気流量の変化に伴う排気ガスの空燃比センサへの当たり具合の変化を抑制して、検出精度を更に向上し、誤検出を抑制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。 タービン、ウェイストゲートバルブ及び触媒前センサの近傍の排気通路を示す要部拡大図である。 ＷＧＶ開度マップの設定例を示すグラフである。 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が生じていない場合（線図ａ）および生じている場合（線図ｂ）の空燃比センサ出力の変動を示すグラフである。 図５のＶＩ部に相当する拡大図である。 気筒間空燃比インバランス検出のため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気筒の火花点火式内燃機関即ちガソリンエンジンである。但し本発明が適用可能な内燃機関はこのようなものに限られず、複数の気筒を有する内燃機関であれば気筒数、形式等は特に限定されない。内燃機関１の不図示の出力軸は、不図示のトルクコンバータ、自動変速機３０および不図示のディファレンシャルギヤアセンブリに接続されており、駆動輪を駆動する。自動変速機３０は有段であるが、無段であってもよい。

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、カムシャフト又はソレノイドアクチュエータ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内の混合気を点火するための点火プラグ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は過給機２５のコンプレッサ２５ａの出口に連結されている。コンプレッサ２５ａの入口は、エアクリーナ９に連結されている。

吸気管１３には、吸入空気量（単位時間当たりの吸入空気の量すなわち吸気流量）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および吸気管１３により吸気通路が形成される。吸気管１３の周りには、吸気管１３内を流れる吸入空気を冷却するためのインタークーラ１１が配置されている。インタークーラ１１内に機関冷却水が導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。

過給機２５のコンプレッサ２５ａをバイパスするように、エアバイパス通路２０、およびこれを開閉する電子制御式のエアバイパスバルブ（ＡＢＶ)２１が設置されている。このＡＢＶ２１は、スロットルバルブ１０が急閉された場合に、スロットルバルブ１０の上流側の圧力が一時的に急上昇するのを防止し、ひいては過給機２５からのサージ音の発生を防止する。

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と、その下流部をなす排気集合部とからなる。排気集合部の下流側は、過給機２５の排気タービン２５ｂの入口に連結されている。排気タービン２５ｂの出口は、排気管６に接続されている。排気ポート、排気マニフォールド１４および排気管６により排気通路が形成される。

排気管６には、過給機２５の排気タービン２５ｂをバイパスするように、バイパス通路２６、およびこれを開閉する電子制御式のウェイストゲートバルブ（ＷＧＶ）２７が設置されている。ＷＧＶ２７は、モータおよび歯車機構によって弁体を駆動するように構成されている。この歯車機構は、例えばウォームギヤおよびヘリカルギヤを含んで構成されており、このヘリカルギヤの回転位置を検出することで弁体の開度を検出するためのＷＧＶ開度センサ２８が設けられている。なおＷＧＶ２７は、過給圧又は吸気管圧力によって制御されるダイヤフラム式のものであってもよい。

排気管６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。これら上流触媒１１および下流触媒１９は、例えばアルミナに、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｈ）あるいはロジウム（Ｒｄ）などの貴金属を担持させたものであり、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）および窒素酸化物（ＮＯｘ）等をまとめて触媒反応により浄化できる。

上流触媒１１の上流側および下流側に、それぞれ排出ガスの空燃比を検出するための触媒前センサ１７および触媒後センサ１８が設置されている。これら触媒前センサ１７および触媒後センサ１８は、上流触媒１１の直前および直後の位置に設置され、排出ガス中の酸素濃度に基づいて空燃比を検出する。触媒前センサ１７が本発明にいう空燃比センサに該当し、排気通路における排気タービン２５ｂの下流側とバイパス通路２６の下流側との合流点よりも下流側の排気管６に設置される。

図２に示されるように、バイパス通路２６と、排気タービン２５ｂを経由する排気通路とは、排気タービン２５ｂよりも下流の合流地点において合流する。ＷＧＶ２７はバイパス通路２６を、合流地点において開閉する。ＷＧＶ２７の開度は、クランク角センサ１６や不図示の過給圧センサの検出値などに基づく運転状況に応じて決定される。例えば、エンジン１の始動時やアイドリング時には、ＷＧＶ２７を開くようにして触媒１１の床温を維持する一方、加速時などの、大きな過給圧が必要な場合には、ＷＧＶ２７を閉じるようにする。

本実施形態では、ＷＧＶ２７は、支点を中心に、０度（全閉）から９０度（全開）の間で回動することで、排気タービン２５ｂを通過する排気ガス流量を制御すると共に、バイパス通路２６から吐出される吐出方向を制御する。特に、排気タービン２５ｂを通過する排気ガス流量は０度から４５度以下の間で調整され、ＷＧＶ２７の開度が４５度以上のときは、開度に拠らず、排気ガスはバイパス通路２６と排気タービン２５ｂとにそれぞれ一定の流量が流れるようになっている。すなわち、ＷＧＶ２７の開度が所定以上のときには、ＷＧＶ２７の開度に拠らず、排気タービン２５ｂの回転速度は一定となる。

上述した触媒前センサ１７は、バイパス通路２６の吐出口よりも下流であって、バイパス通路２６の延長方向に備えられている。触媒前センサ１７は、排気管６におけるＷＧＶ２７の支点が設けられた側の管壁から、排気通路内に突出するように設けられている。

ところで、バイパス通路２６の少なくとも出口近傍における軸線２６ａは、排気管６の軸線６ａとは平行でなく、且つ、排気管６の軸線６ａよりも触媒前センサ１７の基部に近い方向に偏向している。他方、バイパス通路２６から出た排気ガスは、排気流量が大きいほど、直進する傾向が強くなる。その結果、ＷＧＶ２７の開度が同じ場合であっても、排気ガスの主流の経路は、排気流量に応じて変化することになる。

具体的には、ＷＧＶ２７が図２において実線で示された或る開度にある場合に、排気ガスの主流は、排気流量が比較的大きい場合には、矢印ｆ１のように、排気管６の軸線６ａよりも触媒前センサ１７の基部に近い位置を通り、排気流量が比較的小さい場合には、矢印ｆ２のように、矢印ｆ１よりも排気管６の軸線６ａに近い位置を通ることになる。

このような排気流量に応じた主流位置の変化を、ＷＧＶ２７を利用して補償ないし抑制し、排気ガスの主流の触媒前センサ１７への当たり具合（すなわち、主流と触媒前センサ１７との相対位置）を、空燃比の検出に適した状態で所定範囲内で一定にするために、本実施形態では、気筒間空燃比インバランス判定を実行するときには、ＷＧＶ２７の開度を、排気流量に基づいて制御することとしている。

すなわち、本実施形態では、気筒間空燃比インバランス判定を実行する際に、排気流量が比較的小さい場合には、ＷＧＶ２７の開度を、図２において二点鎖線２７ａで示されるような比較的大きい開度に制御し、また排気流量が比較的大きい場合には、ＷＧＶ２７の開度を、図２において実線で示されるような比較的小さい開度に制御し、これによって、排気ガスの主流が常に矢印ｆ１の位置を通るようにし、排気ガスの主流の触媒前センサ１７への当たり具合を、空燃比の検出に適した状態で所定範囲内で一定にしている。すなわち、本実施形態では、ＷＧＶ２７を通過した排気ガスの主流の位置と触媒前センサ１７の位置とが、空燃比の検出に適した所定範囲内で常に一致するように、ＷＧＶ２７の開度が制御されるものである。

再び図１において、上述の点火プラグ７、スロットルバルブ１０、インジェクタ１２、ＡＢＶ２１およびＷＧＶ２７等は、コントローラとしての電子制御ユニット（以下ＥＣＵと称す）２２に電気的に接続されている。ＥＣＵ２２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ＥＣＵ２２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、ＷＧＶ開度センサ２８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２３、吸気管１３におけるインタークーラ１１の下流側に配置され、スロットルバルブ１０上流側の圧力（過給圧）を検出する過給圧センサ２９、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。

ＥＣＵ２２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および自動変速機３０等を制御し、点火時期、スロットル開度、燃料噴射量、燃料噴射時期および変速比等を制御する。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。ＥＣＵ２２はまた、ＡＢＶ２１およびＷＧＶ２７を制御し、吸気および排出ガスを必要に応じてバイパスさせる。

また、本実施形態では、排気流量に基づいてＷＧＶ２７を制御するために、排気流量とＷＧＶ２７の目標開度とを関連付けたＷＧＶ目標開度マップが予め作成され、ＥＣＵ２２のＲＯＭに格納されている。このＷＧＶ目標開度マップは、ＷＧＶ２７を通過した排気の主流が、常に触媒前センサ１７に当たるように定められている。このＷＧＶ目標開度マップでは、例えば図３に示されるように、ＷＧＶ２７の開度は、排気流量が小さいほど、大きくなるように定められている。

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４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、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４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（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１８の出力電圧は所定の範囲（例えば０〜１（Ｖ））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および下流触媒１９は、それぞれに流入する排出ガスの空燃比Ａ／Ｆがストイキ近傍のときにＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯを同時に浄化するが、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。

上流触媒１１に流入する排出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ＥＣＵ２２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および＃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および＃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インバランスを検出する装置が装備されている。

図５に示すように、触媒前センサ１７によって検出される排気空燃比Ａ／Ｆは、１エンジンサイクル（＝７２０°ＣＡ）を１周期として周期的に変動する傾向にある。そして気筒間空燃比ばらつきが発生すると、１エンジンサイクル内での変動が大きくなる。図５（Ｂ）部の空燃比線図ａは気筒間空燃比ばらつきが発生していない場合、ｂは気筒間空燃比ばらつきが発生している場合をそれぞれ示す。なお、この図５は理解の容易のために模式的に示したものである。

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を表すパラメータである。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）の燃料噴射量すなわ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。

［気筒間空燃比インバランス検出］
上記の説明から理解されるように、空燃比インバランスが発生すると触媒前センサ出力の変動が大きくなる。そこでこの変動度合いをモニタすることで、空燃比インバランスを検出することが可能である。本実施形態では、触媒前センサ出力の変動度合いに相関するパラメータである変動パラメータを算出すると共に、この変動パラメータを所定の異常判定値と比較してインバランスを検出する。

ここで変動パラメータの算出方法について説明する。図６は、図５のＶＩ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示す。ここで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６の（Ｂ）部に示すように、ＥＣＵ２２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を、次式（１）により求める。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絶対値で大きくなり、差ΔＡ／Ｆｎが絶対値で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の値を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／Ｆｎの平均値を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／Ｆｎ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／Ｆｎ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／Ｆｎ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／Ｆｎの平均値を求める。

触媒前センサ出力の変動度合いが大きいほど、Ｍエンジンサイクル内の差ΔＡ／Ｆｎの平均値も絶対値で大きくなる。そこで当該平均値が絶対値で所定の異常判定値以上であればインバランスありと判定され、当該平均値が異常判定値より小さければインバランスなし、即ち正常と判定される。

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／Ｆｎあるいはその平均値を求め、これを変動パラメータとすることができる。特に１気筒のみリッチずれの場合、当該１気筒に対応した排出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（リッチインバランス判定）。この場合には、図６の（Ｂ）部のグラフにおける右下がりの領域のみを、リッチずれ検出のために利用することになる。一般にリーンからリッチへの移行は、リッチからリーンへの移行よりも急峻に行われる場合が多いため、この方法によればリッチずれを精度よく検出することが期待できる。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、あるいは、減少側と増加側の双方の値を用いる（差ΔＡ／Ｆｎの絶対値を積算し、この積算値をしきい値と比較することで）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の触媒前センサ出力の最大値と最小値の差（所謂ピークトゥピーク; peak to peak）に基づいて、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当該差も大きくなるからである。

［気筒間空燃比インバランス検出ルーチン］
次に、図７を用いて、気筒間空燃比インバランス検出ルーチンについて説明する。

まずステップＳ１０１では、気筒間インバランス検出を行うの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。この前提条件は、次の各条件が成立したときに成立する。
（１）内燃機関１の暖機が終了している。例えば水温センサ２３で検出された水温が所定値以上であるとき暖機終了とされる。
（２）少なくとも触媒前センサ１７が活性化している。
（３）内燃機関１が定常運転中である。
（４）ストイキ制御中である。
（５）内燃機関１が検出領域内で運転している。
（６）触媒前センサ１７の出力Ａ／Ｆが減少中である。

これらのうち（６）は、このルーチンが上述したリッチインバランス判定（減少側の値のみをリッチずれ検出のために用いる方法）によっていることを示す。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、前提条件が成立している場合には、次にＥＣＵ２２は、エンジン１および自動変速機３０を制御して、通常制御時に比べて「低機関回転数かつ高負荷」の運転領域を選択するように制御を変更する（Ｓ１０２）。

一般に気筒間空燃比インバランス検出は、「低機関回転数かつ高負荷」であるほど、ノイズ成分が相対的に減少し分解能が高まるため、精度よく実行できる。本実施形態では、このことを考慮して、インバランス検出の際に、内燃機関１およびこれに接続された自動変速機３０を制御して、通常制御時に比べて「低機関回転数かつ高負荷」の運転領域を選択するように制御を変更するものである。ここにいう通常制御とは、このような制御の変更が行われない場合における制御状態のことをいい、通常制御時における機関回転数と変速段ないし変速比は、基本的には車速と要求負荷に基づいて所定の変速段マップによって定められる。この制御の変更は、例えば、選択すべき変速段を車速または機関回転数および要求負荷に応じて定めた変速段マップを、通常運転時と比較して高いギヤ比（高い変速段）を選択するように変更すること（すなわち、アップシフトを通常運転時と比較して低車速または低回転数で実行するように、いわゆる変速線を変更すること）によって行うことができる。

次に、このようにして制御が変更された状態で、ＷＧＶ開度が、上述したＷＧＶ開度マップに従って制御される（Ｓ１０３）。この制御では、排気流量が例えばエアフローメータ５及びクランク角センサ１６の検出値に基づいて算出され、この排気流量に基づいて、ＷＧＶ開度マップに従ってＷＧＶ開度の目標値が算出される。そして、ＷＧＶ開度センサ２８からの信号により検出されたＷＧＶ２７の開度と、目標値とが一致するように、ＷＧＶ２７に対して制御出力が行われる。

このような排気流量に基づくＷＧＶ開度の制御が終了し、ＷＧＶ２７の開度が排気流量に基づいて定められた目標値に一致すると、次に、触媒前センサ１７の出力に基づいて、空燃比変動が検出される（Ｓ１０４）。ここでは、今回のタイミングにおける触媒前センサ１７（第１空燃比センサ）の出力Ａ／Ｆｎが取得され、今回のタイミングにおける出力差ΔＡ／Ｆｎが、前式（１）より算出され記憶される。そして、これらの処理がＭサイクル（Ｍは任意の自然数）について終了するまで繰返し実行される。Ｍサイクルが終了すると、これまでに算出された出力差ΔＡ／Ｆｎの平均値ΔＡ／ＦＡＶが、例えば上述のように差ΔＡ／Ｆｎの積算値をサンプル数Ｎおよびエンジンサイクル数Ｍで除することによって算出される。この平均値ΔＡ／ＦＡＶが空燃比変動を表す。

そして、検出された空燃比変動に基づいて、インバランス判定が実行される（Ｓ１０５）。ここでは具体的には、差ΔＡ／Ｆｎの平均値ΔＡ／ＦＡＶの絶対値が、予め定められた異常しきい値αよりも大であるかが判定される。平均値ΔＡ／ＦＡＶの絶対値が異常しきい値αよりも小さい場合には、インバランス無しすなわち正常と判定され、異常しきい値α以上であるときは、インバランス有りすなわち異常と判定されて、ルーチンが終了される。なお、異常判定と同時に、あるいは異常判定が２トリップ（すなわち、エンジン始動から停止までの１トリップを２回連続で）続けて出された場合に、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させ、且つ所定のダイアグノーシスメモリに異常情報を、整備作業者による呼び出しが可能な態様で記憶させるのが好ましい。

このような一連の処理の結果、本実施形態では、気筒間空燃比インバランス判定を実行するときには、ＷＧＶ２７が開弁されると共に、ＷＧＶ２７の開度が、排気流量に基づいて、排気流量が小さいほど大きくなるように制御される。このため、排気流量に応じて、排気ガスの空燃比センサへの当たり具合が検出により適した状態に誘導され、且つ、当該ＷＧＶ２７の制御を行わない場合に比べて、排気流量の変化に応じた主流位置の変化がより少なくなるように、主流位置の変化が補償ないし抑制される。すなわち、本実施形態では、排気流量に基づくＷＧＶ２７の制御により、排気ガスの主流の位置と触媒前センサ１７の位置とが、空燃比の検出に適した所定範囲内で常に一致するように、且つＷＧＶ２７を通過した排気ガスの主流が触媒前センサ１７に当たるように維持される。このため、本実施形態では、排気流量の変化に伴う排気ガスの空燃比センサ１７への当たり具合の変化を抑制して、検出精度を更に向上し、誤検出を抑制することができる。

また、本実施形態では、インバランス検出を実行する際には、エンジン１および自動変速機３０を制御して、通常制御時に比べて「低機関回転数かつ高負荷」の運転領域を選択するように制御が変更されるので（Ｓ１０２）、インバランス検出を精度よく実行することができる。

なお、ステップＳ１０２における制御の変更、すなわち、通常制御時に比べて「低機関回転数かつ高負荷」の運転領域を選択するような制御の変更は、別の態様によって行うこともでき、また、本実施形態と異なる駆動系の機械的構成を有する車両にも適用できる。例えば、内燃機関とモータジェネレータとを走行に利用するハイブリッド車両においては、モータジェネレータによる回生量を増加させることによって、通常制御時に比べて「低機関回転数かつ高負荷」の運転領域の選択を実現することができ、これによって本実施形態の処理をそのまま適用することが可能である。

本発明は前述の態様のみに限らず、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。

例えば、上記実施形態におけるインバランス検出では、出力差ΔＡ／Ｆｎの平均値Ａ／ＦＡＶを用いたが、出力の変動度合いに相関するパラメータであれば他の値を用いてもよい。

また、上記実施形態ではＷＧＶ２７の開度を検出するためのＷＧＶ開度センサ２８を設けたが、ＷＧＶ２７の開度はＷＧＶ２７の弁体を駆動するためのモータないしアクチュエータへの制御量など、他のパラメータに基づいて算出または推定してもよい。

また、上記実施形態では減少時（リッチ側への変化時）のみの空燃比センサ出力を利用してリッチずれ異常を検出した。しかしながら、増大時（リーン側への変化時）のみの空燃比センサ出力を利用する態様や、減少時および増大時の両者の空燃比センサ出力を利用する態様も可能である。またリッチずれ異常のみならず、リーンずれ異常をも検出することが可能であるし、これらリッチずれおよびリーンずれを区別せず、広く空燃比インバランスを検出するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、排気流量が小さいほどＷＧＶ２７の開度が大きくなるように、ＷＧＶ２７の開度を制御したが、本発明における排気流量とＷＧＶの開度との関係は、バイパス通路・ウェイストゲートバルブ・タービン・空燃比センサ及びこれらを結ぶ排気通路の幾何学的な位置関係に応じて、実験的にあるいはシミュレーションによって、任意の各種の態様に設計することができる。いずれの場合にも、排気流量に応じて、排気ガスの空燃比センサへの当たり具合が検出により適した状態に誘導され、且つ、ＷＧＶの当該制御を行わない場合に比べて、排気流量の変化に応じた主流位置の変化がより少なくなるように、主流位置の変化を補償ないし抑制するように、排気流量とＷＧＶの開度との関係を設計することができるものであって、このような構成のいずれも、排気流量の変化に伴う排気ガスの空燃比センサへの当たり具合の変化が抑制される限りにおいて、本発明の範疇に属するものである。

１ 内燃機関
３ 燃焼室
５ エアフローメータ
６ 排気管
１１ 上流触媒
１２ インジェクタ
１４ 排気マニフォールド
１７ 触媒前センサ
１８ 触媒後センサ
２２ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
２６ バイパス通路
２７ ウェイストゲートバルブ（ＷＧＶ）
２８ ＷＧＶ開度センサ

Claims (4)

1. 多気筒内燃機関に関連して設置された過給機と、
   前記過給機のタービンをバイパスするように前記多気筒内燃機関の排気通路の設けられたバイパス通路と、
   前記バイパス通路を開閉するウェイストゲートバルブと、
   前記排気通路における前記タービンの下流側と前記バイパス通路の下流側との合流点よりも下流側の部分に設置された空燃比センサと、
   前記ウェイストゲートバルブを制御するウェイストゲートバルブ制御手段と、
   前記空燃比センサの出力の変動度合い又はこれに相関するパラメータの値を所定のしきい値と比較して気筒間空燃比インバランス判定を実行する判定手段と、
   を備えた多気筒内燃機関の気筒間空燃比インバランス検出装置において、
   前記ウェイストゲートバルブ制御手段は、前記気筒間空燃比インバランス判定を実行するときには、前記ウェイストゲートバルブを開弁させると共に、前記ウェイストゲートバルブの開度を排気流量に基づいて制御することを特徴とする多気筒内燃機関の気筒間空燃比インバランス検出装置。
2. 請求項１に記載の多気筒内燃機関の気筒間空燃比インバランス検出装置であって、
   前記ウェイストゲートバルブ制御手段は、前記ウェイストゲートバルブを通過した排気ガスの主流の位置と前記空燃比センサの位置とが、空燃比の検出に適した所定範囲内で常に一致するように、前記ウェイストゲートバルブの開度を制御することを特徴とする多気筒内燃機関の気筒間空燃比インバランス検出装置。
3. 請求項１に記載の多気筒内燃機関の気筒間空燃比インバランス検出装置であって、
   前記ウェイストゲートバルブ制御手段は、前記ウェイストゲートバルブを通過した排気の主流が前記空燃比センサに当たるように、前記ウェイストゲートバルブの開度を制御することを特徴とする多気筒内燃機関の気筒間空燃比インバランス検出装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の多気筒内燃機関の気筒間空燃比インバランス検出装置であって、
   前記気筒間空燃比インバランス判定を実行する際に、通常制御時よりも低機関回転数かつ高負荷となるように前記多気筒内燃機関およびこれに接続された自動変速機を制御する低回転高負荷制御手段を更に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インバランス検出装置。

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