JP2015113755A - 内燃機関の診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、内燃機関の診断装置に関し、理論空燃比よりもリッチな領域を含めて筒内圧検出手段を利用して気筒間の空燃比のずれ量を算出したり、あるいは空燃比指標値を算出したりすることを目的とする。
【解決手段】筒内圧センサ３０を備える。リッチ気筒とリーン気筒のどちらに該当するかを気筒毎に判別する。筒内圧センサ３０により検出される筒内圧力を用いて、膨張行程のポリトロープ指数ｍを気筒毎に算出する。空燃比のリーン度合いを推定した基準リーン気筒での膨張行程のポリトロープ指数ｍと当該リーン度合いとに基づいて、ｍ−ＡＦカーブと基準リーン気筒での膨張行程のポリトロープ指数ｍとを関連付ける。基準リーン気筒での膨張行程のポリトロープ指数ｍと、上記の関連付け後のｍ−ＡＦカーブと、基準リーン気筒以外の気筒での膨張行程のポリトロープ指数ｍとに基づいて、気筒間の空燃比のずれ量を算出する。
【選択図】図６

Description

この発明は、内燃機関の診断装置に係り、特に、多気筒型の内燃機関における気筒間の空燃比インバランスを検出し、あるいは任意の気筒の空燃比を検出する装置として好適な内燃機関の診断装置に関する。

従来、例えば特許文献１には、筒内圧センサを利用して空燃比もしくは気筒間の空燃比インバランスを検出する内燃機関の診断装置が開示されている。この従来の診断装置では、燃焼速度がピーク値に達するように対象気筒の燃料噴射量が変更される。そして、当該燃料噴射量の変更開始から燃焼速度のピーク値到達までの間に変更した燃料噴射量の変更量に基づいて、上記対象気筒の空燃比に関する情報が算出される。

特開２０１３−１４２３０２号公報 特開２０１２−１８０８１７号公報 特開２００９−１７４４０１号公報 特開平０３−０２３３４９号公報 特開２００５−１３３６０４号公報 特開２０１０−１３３３５３号公報

筒内圧センサの出力値を利用して、筒内ガスの空燃比と相関のある燃焼パラメータとして、例えば、燃焼による筒内の発熱量または燃焼速度を算出することができる。これらの発熱量および燃焼速度は、何れも、理論空燃比よりもリーンな領域では空燃比に対して高い感度を有している。しかしながら、理論空燃比よりもリッチな領域では、発熱量または燃焼速度の空燃比に対する感度が低く、発熱量または燃焼速度から正確な空燃比を特定することが困難であるばかりでなく、気筒間の空燃比インバランス検出に用いるレベルでの空燃比の情報を取得することも困難なものであった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、理論空燃比よりもリッチな領域を含めて筒内圧検出手段を利用して気筒間の空燃比のずれ量を算出したり、あるいは空燃比指標値を算出したりすることのできる内燃機関の診断装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、内燃機関の診断装置であって、
多気筒型の内燃機関の少なくとも一部の気筒からなる評価対象気筒群を対象として気筒間の空燃比のずれ量を評価する内燃機関の診断装置であって、
筒内圧力を検出する筒内圧力検出手段と、
空燃比が理論空燃比よりもリッチとなるリッチ気筒であるか、あるいは空燃比が理論空燃比よりもリーンとなるリーン気筒であるかを前記評価対象気筒群に関して気筒毎に判別する気筒空燃比判別手段と、
前記気筒空燃比判別手段によってリーン気筒の存在が認められた場合に、存在するリーン気筒での理論空燃比に対する空燃比のリーン度合いを推定するリーン度合推定手段と、
前記筒内圧力検出手段により検出される筒内圧力を用いて、膨張行程のポリトロープ指数を前記評価対象気筒群に関して気筒毎に算出するポリトロープ指数算出手段と、
空燃比のリーン度合いを推定したリーン気筒である基準リーン気筒での膨張行程のポリトロープ指数と当該リーン度合いとに基づいて、膨張行程のポリトロープ指数と空燃比指標値との関係を規定する関係情報と前記基準リーン気筒での膨張行程のポリトロープ指数とを関連付ける関係特定手段と、
前記基準リーン気筒での膨張行程のポリトロープ指数と、前記関係特定手段によって前記基準リーン気筒での膨張行程のポリトロープ指数と関連付けられた前記関係情報と、前記評価対象気筒群内の前記基準リーン気筒以外の気筒での膨張行程のポリトロープ指数とに基づいて、気筒間の空燃比のずれ量を算出する空燃比ずれ量算出手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、内燃機関の診断装置であって、
多気筒型の内燃機関の少なくとも一部の気筒からなる評価対象気筒群を対象として気筒間の空燃比のずれ量を評価する内燃機関の診断装置であって、
筒内圧力を検出する筒内圧力検出手段と、
空燃比が理論空燃比よりもリッチとなるリッチ気筒であるか否かを前記評価対象気筒群に関して気筒毎に判別するリッチ気筒判別手段と、
前記筒内圧力検出手段により検出される筒内圧力を用いて、膨張行程のポリトロープ指数を前記評価対象気筒群に関して気筒毎に算出するポリトロープ指数算出手段と、
前記評価対象気筒群のすべてがリッチ気筒となる場合に、前記評価対象気筒群内の各気筒での膨張行程のポリトロープ指数に基づいて気筒間の空燃比のずれ量を算出する空燃比ずれ量算出手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１の発明において、
前記リーン度合推定手段は、前記筒内圧力検出手段により検出される筒内圧力を用いて前記基準リーン気筒での発熱量もしくは燃焼速度を算出し、算出した発熱量が小さいほど、もしくは算出した燃焼速度が低いほど、前記基準リーン気筒の空燃比のリーン度合いが大きいと推定することを特徴とする。

また、第４の発明は、第１〜第３の発明の何れか１つにおいて、
前記空燃比ずれ量算出手段により算出された気筒間の空燃比のずれ量が所定の判定値よりも大きい場合に、空燃比が気筒間でインバランス状態にあると判定するインバランス検出手段をさらに備えることを特徴とする。

また、第５の発明は、内燃機関の診断装置であって、
多気筒型の内燃機関の少なくとも一部の気筒からなる評価対象気筒群を対象として空燃比を評価する内燃機関の診断装置であって、
筒内圧力を検出する筒内圧力検出手段と、
空燃比が理論空燃比よりもリッチとなるリッチ気筒であるか、あるいは空燃比が理論空燃比よりもリーンとなるリーン気筒であるかを前記評価対象気筒群に関して気筒毎に判別する気筒空燃比判別手段と、
前記気筒空燃比判別手段によってリーン気筒の存在が認められた場合に、存在するリーン気筒での空燃比指標値を算出する第１の空燃比指標値算出手段と、
前記筒内圧力検出手段により検出される筒内圧力を用いて、膨張行程のポリトロープ指数を前記評価対象気筒群に関して気筒毎に算出するポリトロープ指数算出手段と、
空燃比指標値を算出したリーン気筒である基準リーン気筒での膨張行程のポリトロープ指数と当該空燃比指標値とに基づいて、膨張行程のポリトロープ指数と空燃比指標値との関係を規定する関係情報と前記基準リーン気筒での膨張行程のポリトロープ指数とを関連付ける関係特定手段と、
前記関係特定手段によって前記基準リーン気筒での膨張行程のポリトロープ指数と関連付けられた前記関係情報と、前記評価対象気筒群内の前記基準リーン気筒以外の気筒での膨張行程のポリトロープ指数とに基づいて、前記基準リーン気筒以外の気筒の空燃比指標値を算出する第２の空燃比指標値算出手段と、
を備えることを特徴とする。

また、第６の発明は、第１〜第５の発明の何れか１つにおいて、
前記ポリトロープ指数算出手段は、燃焼終了点以降であって排気弁の開弁時期よりも前の膨張行程中の２点以上の筒内圧力および筒内容積を用いて、膨張行程のポリトロープ指数を算出することを特徴とする。

第１の発明によれば、評価対象気筒群に関して気筒毎に、リッチ気筒およびリーン気筒のどちらに該当するかが判別されるとともに膨張行程のポリトロープ指数が筒内圧力検出手段を用いて算出される。また、リーン気筒が存在する場合に、理論空燃比に対する空燃比のリーン度合いが推定された基準リーン気筒が設定される。膨張行程のポリトロープ指数と空燃比指標値との間には相関関係がある。本発明によれば、基準リーン気筒での膨張行程のポリトロープ指数とリーン度合いとに基づいて、上記相関関係を規定する関係情報が基準リーン気筒での膨張行程のポリトロープ指数と関連付けられる。したがって、基準リーン気筒での膨張行程のポリトロープ指数と、上記のように関連付けられた関係情報と、評価対象気筒群内の基準リーン気筒以外の気筒での膨張行程のポリトロープ指数とに基づいて、リッチ気筒を含めて気筒間の空燃比のずれ量を算出することが可能となる。

第２の発明によれば、評価対象気筒群に関して気筒毎に、リッチ気筒に該当するか否かが判別されるとともに膨張行程のポリトロープ指数が筒内圧力検出手段を用いて算出される。理論空燃比よりもリッチ側の領域においては、膨張行程のポリトロープ指数と空燃比指標値との間には、空燃比指標値が理論空燃比に対してリッチになるほどポリトロープ指数がほぼ直線的に増加するというリニアな関係が存在する。したがって、本発明によれば、評価対象気筒群のすべてがリッチ気筒となる場合に、評価対象気筒群内の各気筒での膨張行程のポリトロープ指数に基づいて気筒間の空燃比のずれ量を算出することができる。

第３の発明によれば、筒内圧力検出手段により検出される筒内圧力を用いて、基準リーン気筒の空燃比のリーン度合いを正確に推定することができる。

第４の発明によれば、前記第１または第３の発明によって算出される気筒間の空燃比のずれ量の大きさを評価することで、筒内圧力検出手段を利用して、リッチ気筒を含めて気筒間の空燃比インバランス検出を行えるようになる。

第５の発明によれば、評価対象気筒群に関して気筒毎に、リッチ気筒およびリーン気筒のどちらに該当するかが判別されるとともに膨張行程のポリトロープ指数が筒内圧力検出手段を用いて算出される。また、リーン気筒が存在する場合に、空燃比指標値が算出された基準リーン気筒が設定される。膨張行程のポリトロープ指数と空燃比指標値との間には相関関係がある。本発明によれば、基準リーン気筒での膨張行程のポリトロープ指数と空燃比指標値とに基づいて、上記相関関係を規定する関係情報が基準リーン気筒での膨張行程のポリトロープ指数と関連付けられる。したがって、基準リーン気筒での膨張行程のポリトロープ指数と、上記のように関連付けられた関係情報と、評価対象気筒群内の基準リーン気筒以外の気筒での膨張行程のポリトロープ指数とに基づいて、リッチ気筒を含めて空燃比指標値を算出することが可能となる。

第６の発明によれば、膨張行程のポリトロープ指数を好適に算出することができる。

本発明の実施の形態１における内燃機関のシステム構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態１において着目する既燃ガスの比熱比（κ）と空燃比（Ａ／Ｆ）との関係を表した図である。 比熱比とガス温度との関係を表した図である。 内燃機関の圧縮行程および膨張行程での両対数Ｐ−Ｖ線図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態１における気筒間の空燃比インバランスの検出手法の具体例を説明するための図である。 本発明の実施の形態２における気筒間の空燃比インバランスの検出手法を説明するための図である。 本発明の実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態３における各気筒の空燃比検出手法を説明するための図である。 本発明の実施の形態３において実行されるルーチンのフローチャートである。 燃焼速度と空燃比との関係を表した図である。

実施の形態１．
［実施の形態１のシステム構成］
図１は、本発明の実施の形態１における内燃機関１０のシステム構成を説明するための図である。
図１に示すシステムは、多気筒型の内燃機関１０を備えている。ここでは、内燃機関１０は、一例として、火花点火式の直列４気筒型のガソリンエンジンであるものとする。内燃機関１０の各気筒内には、ピストン１２が設けられている。筒内におけるピストン１２の頂部側には、燃焼室１４が形成されている。燃焼室１４には、吸気通路１６および排気通路１８が連通している。

吸気通路１６の吸気ポートには、当該吸気ポートを開閉する吸気弁２０が設けられており、排気通路１８の排気ポートには、当該排気ポートを開閉する排気弁２２が設けられている。また、吸気通路１６には、電子制御式のスロットルバルブ２４が設けられている。

内燃機関１０の各気筒には、燃焼室１４内（筒内）に直接燃料を噴射するための燃料噴射弁２６、および、混合気に点火するための点火プラグ２８を備える点火装置が、それぞれ設けられている。さらに、各気筒には、筒内圧力を検出するための筒内圧センサ３０が組み込まれている。また、排気通路１８には、各気筒からの排気ガスが合流した後の部位に、排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ３２が取り付けられている。空燃比センサ３２よりも下流側の排気通路１８には、排気ガスを浄化するための排気浄化触媒として、三元触媒３４が配置されている。

さらに、本実施形態のシステムは、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)４０を備えている。ＥＣＵ４０の入力部には、上述した筒内圧センサ３０に加え、クランク角度およびエンジン回転速度を取得するためのクランク角センサ４２、吸入空気量を計測するためのエアフローメータ４４、および、排気弁２２を駆動する排気カム軸（図示省略）の回転角度を検出するための排気カム角センサ４６等の内燃機関１０の運転状態を取得するための各種センサが接続されている。排気カム角センサ４６によれば、排気弁２２の開閉時期を可変とする排気可変バルブタイミング機構（図示省略）により調整される排気弁２２の開閉時期を検知することができる。また、ＥＣＵ４０の出力部には、上述したスロットルバルブ２４、燃料噴射弁２６および上記点火装置等の内燃機関１０の運転を制御するための各種アクチュエータが接続されている。ＥＣＵ４０は、筒内圧センサ３０の出力信号を、クランク角度と同期させてＡＤ変換して取得する機能を有している。これにより、ＡＤ変換の分解能が許す範囲で、任意のクランク角タイミングにおける筒内圧力を検出することができる。さらに、ＥＣＵ４０は、クランク角度の位置によって決まる筒内容積の値を、クランク角度に応じて算出する機能を有している。ＥＣＵ４０は、それらのセンサ出力と所定のプログラムとに基づいて上記各種のアクチュエータを駆動することにより、燃料噴射制御および点火制御等の所定のエンジン制御を行うものである。そのようなエンジン制御の１つとして、ＥＣＵ４０は、内燃機関１０の運転中に空燃比センサ３２および三元触媒３４が活性状態にある等の所定の実行条件が成立している場合に、三元触媒３４に流入する排気ガス（すなわち、各気筒からの排気ガスが合流した後の排気ガス）の空燃比が理論空燃比となるように各気筒の燃料噴射量を調整する空燃比のフィードバック制御を行う。

［実施の形態１における気筒間の空燃比インバランス検出］
（既燃ガスの比熱比と空燃比との関係）
図２は、本発明の実施の形態１において着目する既燃ガスの比熱比（κ）と空燃比（Ａ／Ｆ）との関係を表した図である。図３は、比熱比とガス温度との関係を表した図である。なお、図３は、内燃機関１０の燃料であるガソリンのものではないがガソリンと同様の傾向を有する炭化水素燃料（Ｃ_ｎＨ_２ｎ）を燃料とする理論空燃比（空気過剰率λ＝１）下での燃焼ガスと、空気とを例示したものである。

図２に示すように、筒内の既燃ガス（すなわち、燃焼終了点以降の膨張行程における筒内ガス）の比熱比は、理論空燃比で最も低くなり、筒内の空燃比が理論空燃比に対してリッチもしくはリーンになるほど高くなるという特性を有している。このような特性が得られる理由としては、次の２つの要因がある。

１つ目の要因はガス組成である。ガソリンなどの炭化水素燃料を燃焼させると、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ、ＣＯおよびＨ_２等が生成される。これらは何れも２原子分子もしくは３原子分子である。２原子分子の比熱比は０℃で約１．４であり、３原子分子の比熱比は同じ０℃で約１．３〜１．３３であり、３原子分子の方が２原子分子よりも比熱比が低い。このため、既燃ガス中の３原子分子の割合が増えると比熱比が低くなり、逆に、２原子分子の割合が増えると比熱比が高くなる。理論空燃比では、燃料と酸素とが燃焼によって過不足なく反応するため、３原子分子であるＣＯ_２、Ｈ_２Ｏの割合が最も多くなり、その結果として比熱比が最も低くなる。これに対し、理論空燃比よりもリッチな空燃比では、空燃比がリッチになるほど２原子分子であるＣＯおよびＨ_２の割合が理論空燃比と比べて多くなり、一方、理論空燃比よりもリーンな空燃比では、空燃比がリーンになるほど２原子分子であるＯ_２の割合が理論空燃比と比べて多くなる。このため、理論空燃比に対して空燃比がリッチもしくはリーンになるほど、比熱比が高くなる。以上のことから、ガス組成の影響分に着目すると、既燃ガスの比熱比は、図２中に細線で示すように理論空燃比で最低となり、理論空燃比に対して空燃比がリッチもしくはリーンになるほど高くなる。

２つ目の要因はガス温度である。空気量を同じ条件で考えると、燃料の発熱量に対する燃焼ガス量（＝燃焼に寄与する空気量と燃料量との和）の比は、理論空燃比において最も低くなり、空燃比が理論空燃比に対してリッチもしくはリーンになるほど高くなる。したがって、空燃比が理論空燃比に対してリッチもしくはリーンになるほど、既燃ガス温度が低下する。この点についてより具体的に説明すると、理論空燃比よりも空燃比がリッチになると、発熱量は理論空燃比下とあまり変わらないが燃料量の増加によって燃焼ガス量が多くなり、一方、理論空燃比よりも空燃比がリーンになると、燃料量の減少による燃焼ガス量の減少分よりも燃料量の減少による発熱量の減少分の方がガス温度に与える影響が大きくなる。また、図３に示すように、比熱比はガス温度が低いほど高くなる。以上のことから、ガス温度の影響分が上記のガス組成の影響分に加わることで、図２中に実線で示すように、理論空燃比で最低となり、理論空燃比に対して空燃比がリッチもしくはリーンになるほど高くなるという特性がより顕著に得られることになる。

（膨張行程のポリトロープ指数の算出）
筒内圧センサ３０の出力値を利用して既燃ガスの比熱比を算出することができれば、図２に示す関係を利用して空燃比を把握することが可能となる。しかしながら、実際の既燃ガスは理想気体ではなく、また、冷却損失があるため膨張行程は断熱過程ではなく、さらに、シリンダの圧縮抜けも生じ得る。このため、筒内圧センサ３０の出力値を利用して既燃ガスの比熱比自体を推定することは困難である。その一方で、膨張行程は、外部との熱の出入りを考慮したポリトロープ変化として扱うことができる。

図４は、内燃機関１０の圧縮行程および膨張行程での両対数Ｐ−Ｖ線図である。
膨張行程のポリトロープ変化では、ポリトロープ指数をｍとすると、関係式（ＰＶ^ｍ＝一定）が成立すると考えることができる。図４に示すように、両対数グラフ上では、膨張行程における筒内圧力Ｐと筒内容積Ｖとの関係は、傾きが−ｍの直線として表されるといえる。そして、燃焼期間の終了後（ただし、燃焼終了点以降から排気弁２２の開弁前）の膨張行程においては、ポリトロープ指数ｍは、実機に作用する既燃ガスの比熱比に相当する値（より具体的には、筒内圧センサ３０を利用して算出可能な燃焼パラメータの中で既燃ガスの比熱比に良好に近い値）となる。

膨張行程のポリトロープ指数ｍは、上記関係式と、燃焼終了点以降であって排気弁２２の開弁時期よりも前の膨張行程中の任意の２点（図４中に示すＡ点とＢ点がこれに相当）の筒内圧力Ｐと筒内容積Ｖとを用いて、当該２点でのポリトロープ指数ｍを一定とみなすことで、次の（２）式にしたがって算出することができる。なお、ポリトロープ指数ｍは、燃焼終了点以降であって排気弁２２の開弁時期よりも前の膨張行程中の２点のみを用いて算出されるものに限らず、上記膨張行程中の２点以上の筒内圧力Ｐと筒内容積Ｖとを用いた統計処理によって算出されるものであってもよい。

（気筒間の空燃比インバランスの検出手法）
燃焼期間終了後の膨張行程のポリトロープ指数ｍは、既燃ガスの比熱比に近い値であるので、ポリトロープ指数ｍと空燃比との間にも、図２を参照して上述した比熱比と空燃比との関係と同様の関係があるといえる（後述の図６（Ｂ）参照）。ポリトロープ指数ｍは筒内圧センサ３０の出力と上記（１）式とを利用して実機上で算出することができるので、ポリトロープ指数ｍと空燃比との関係が分かれば、空燃比を把握できるようになるといえる。しかしながら、比熱比やポリトロープ指数ｍは、空燃比に対して一律で定まるものではない。運転条件（エンジン負荷、エンジン回転速度および冷却水温度など）に応じて変化する筒内のガス温度の影響を受けるためである。

そこで、本実施形態では、ポリトロープ指数ｍと空燃比との関係を規定する関係情報（後述の図６（Ｂ）中に示すＶ字状のカーブであり、以下、「ｍ−ＡＦカーブ」と称する）を運転条件との関係で定めるマップをＥＣＵ４０に記憶しておくこととした。これにより、運転条件によらずに空燃比の変化に対してポリトロープ指数ｍがどのように変化するのか（すなわち、ｍ−ＡＦカーブの形状）を把握できるようになる。ただし、このようなマップによってｍ−ＡＦカーブの形状を得ることはできても、このｍ−ＡＦカーブを用いてポリトロープ指数ｍの値と空燃比の値とを絶対値で特定するまでの精度を得ることは困難である。つまり、ガス温度の影響等により、後述の図６（Ｂ）上におけるｍ−ＡＦカーブの上下方向の位置を正確に特定した状態で、ｍ−ＡＦカーブをマップから取得できるようにすることは難しい。

そこで、本実施形態では、各気筒の発熱量Ｑ（より具体的には、最大発熱量Ｑｍａｘ）の値に基づいて、空燃比が理論空燃比よりもリッチとなるリッチ気筒であるか、あるいは空燃比が理論空燃比よりもリーンとなるリーン気筒であるかが気筒毎に判別される。そして、リーン気筒が存在する場合には、気筒間の最大発熱量Ｑｍａｘの差に基づいて、当該リーン気筒での理論空燃比に対する空燃比のリーン度合いが推定される。また、燃焼終了点以降であって排気弁２２が開く前の膨張行程のポリトロープ指数ｍが気筒毎に算出される。次いで、空燃比のリーン度合いを推定したリーン気筒である基準リーン気筒での膨張行程のポリトロープ指数ｍと当該リーン度合いとに基づいて、現在の運転条件に応じたｍ−ＡＦカーブと基準リーン気筒での膨張行程のポリトロープ指数ｍとを関連付ける処理が行われる。そのうえで、基準リーン気筒での膨張行程のポリトロープ指数ｍと関連付けられたｍ−ＡＦカーブと各気筒での膨張行程のポリトロープ指数ｍとに基づいて、気筒間の空燃比のずれ量が算出される。そして、算出されたずれ量の大きさに基づいて、検出すべきレベルでの空燃比インバランス状態にあるか否かが判定される。

（実施の形態１における具体的処理）
図５は、本発明の実施の形態１における気筒間の空燃比インバランス検出手法を実現するために、ＥＣＵ４０が実行するルーチンを示すフローチャートである。なお、本ルーチンは、気筒間の空燃比インバランス検出を行う所定の実行条件が成立した際に起動される。当該実行条件は、基本的には、空燃比の上記フィードバック制御によって三元触媒３４に流入する排気ガスの空燃比（すなわち、全気筒からの排気ガスの合流後の排気ガスの空燃比）が理論空燃比となるように制御されている定常運転時に成立するものとする。ただし、検出処理に影響が出るレベルでの空燃比の荒れが認められたり、あるいは吸入空気量の大きな変化が認められたりする状況でなければ、本検出手法は内燃機関１０が厳密な定常状態にある時に限らずに行われるようになっていてもよい。

図５に示すルーチンでは、ＥＣＵ４０は、先ず、筒内圧センサ（ＣＰＳ）３０の検出値を用いて、連続するサイクル間で各気筒（全気筒）の１サイクル中のクランク角度同期での筒内圧データ（履歴）を記憶する（ステップ１００）。

次に、ＥＣＵ４０は、記憶された筒内圧履歴を用いて、各気筒の最大発熱量Ｑｍａｘを算出する（ステップ１０２）。任意のクランク角度での筒内圧力Ｐおよび筒内容積Ｖの発熱量Ｑは、次の（２）式にしたがって算出することができるので、算出された発熱量Ｑの最大値として、最大発熱量Ｑｍａｘを算出することができる。なお、クランク角度同期での発熱量Ｑのデータの算出期間の終期は、排気カム角センサ４６を用いて検出される排気弁２２の開き時期までとされる。

ただし、上記（２）式において、Ｐ_０およびＶ_０は、計算開始点θ_０（想定される燃焼開始点に対して余裕をもって定められた圧縮行程中（ただし、吸気弁２０の閉弁後）の所定クランク角度）での筒内圧力および筒内容積である。

次に、ＥＣＵ４０は、各気筒の最大発熱量Ｑｍａｘの値に基づいて、内燃機関１０の各気筒がリッチ気筒であるかあるいはリーン気筒であるかを判別する（ステップ１０４）。ここで、図６は、本発明の実施の形態１における気筒間の空燃比インバランスの検出手法の具体例を説明するための図であり、ステップ１０４以降の処理の説明は、図６に示す具体例を参照しつつ行うものとする。より具体的には、図６（Ａ）は最大発熱量Ｑｍａｘの計算値と空燃比との関係を表し、図６（Ｂ）は図６（Ａ）と同一運転条件におけるポリトロープ指数ｍと空燃比との関係を表した図である。

空燃比インバランスは、必ずしも１つの気筒の空燃比だけが残りの気筒の空燃比に対してずれているケースに限らない。しかしながら、空燃比の上記フィードバック制御の実行時に基本的に想定されるケースとしては、図６に示す例のように、１つの気筒の空燃比が残りの３つのリッチ気筒の空燃比に対して大きくリーン側にずれているケースと、逆に１つの気筒の空燃比が残りの３つのリーン気筒の空燃比に対して大きくリッチ側にずれているケースである。より具体的には、空燃比の上記フィードバック制御によって三元触媒３４の上流の排気ガスの空燃比の目標空燃比が理論空燃比に制御されている状況は、各気筒からの排気ガスの合流後の排気ガスの空燃比が理論空燃比になる状況である。したがって、全気筒の空燃比がちょうど理論空燃比となっている場合を除き、リーン気筒が存在すればリッチ気筒も存在することになる。

上記ステップ１０４では、最大発熱量Ｑｍａｘが相対的に大きな１つの気筒もしくは気筒群がリッチ気筒であると判定され、最大発熱量Ｑｍａｘが上記リッチ気筒よりも相対的に小さな気筒がリーン気筒であると判定される。図６（Ａ）に示すように、最大発熱量Ｑｍａｘは、理論空燃比よりもリッチ側のリッチ領域では空燃比に対する感度がなく、空燃比の変化に対してあまり変化しないことが分かる。したがって、空燃比の上記フィードバック制御による理論空燃比制御下においては、最大発熱量Ｑｍａｘが相対的に大きな気筒もしくは気筒群をリッチ気筒であると判定でき、最大発熱量Ｑｍａｘが相対的に小さな気筒もしくは気筒群をリーン気筒であると判定することが可能となる。一方、全気筒の空燃比がちょうど理論空燃比近傍に制御されている状況では、各気筒の最大発熱量Ｑｍａｘがすべて同等の値となる。本ルーチンは、空燃比インバランス検出のためのものであるため、このようなケースには、リッチ気筒およびリーン気筒はともに存在しないと判定してもよい。また、このようなケースと、リッチ気筒およびリーン気筒が存在するケースとを明確に区別するために、各気筒の最大発熱量Ｑｍａｘに所定値以上の差が認められる場合に限って、リッチ気筒およびリーン気筒が存在するケースに該当するとみなして上記判別処理を行うようにしてもよい。

次に、ＥＣＵ４０は、リーン気筒が存在しているか否かを判定する（ステップ１０６）。本ステップ１０６の判定は、理論空燃比制御下では、上記のように各気筒の最大発熱量Ｑｍａｘの値にリッチ気筒とリーン気筒の判別のための有意な差が生じていないケースを除いて基本的に成立する。

上記ステップ１０６の判定が成立する場合には、ＥＣＵ４０は、次いで、基準リーン気筒での空燃比の理論空燃比に対するリーン度合いを推定する（ステップ１０８）。ここでいう基準リーン気筒とは、後述のステップ１１４および１１６の処理によって気筒間の空燃比のずれ量を算出する際の基準となるリーン気筒のことである。図６に示す例はリーン気筒が１つしか存在しないケースであるので、このケースでは、存在するリーン気筒が基準リーン気筒に該当する。なお、リーン気筒が複数存在する場合には、任意の１または複数のリーン気筒を基準リーン気筒とすることができる。本ルーチンは空燃比インバランス検出のためのものであるため、空燃比の大きな気筒間の差を検出するために最大発熱量Ｑｍａｘの最も小さなリーン気筒（すなわち、空燃比が最もリーンとなるリーン気筒）を基準リーン気筒とすることが好適である。また、空燃比インバランス検出の態様次第では、複数のリーン気筒での最大発熱量Ｑｍａｘの平均値を算出し、この平均値を基準リーン気筒のリーン度合いの算出の基礎としてもよい。すなわち、この場合には、複数のリーン気筒での空燃比の平均値とリッチ気筒の空燃比との間で空燃比の気筒間のずれ量が算出されることになる。

本ステップ１０８では、リッチ気筒の最大発熱量Ｑｍａｘの値を理論空燃比での最大発熱量Ｑｍａｘの値と同等であるとみなし、リッチ気筒の最大発熱量Ｑｍａｘに対するリーン気筒の最大発熱量Ｑｍａｘの低下量に基づいて、リーン気筒での空燃比の理論空燃比に対するリーン度合いが推定される。より具体的には、基準リーン気筒での最大発熱量Ｑｍａｘが小さいほど、リーン度合いがより大きな値として推定される。最大発熱量Ｑｍａｘの絶対値はエンジン負荷等に応じて変化するものであるため、ここでは、リッチ気筒の最大発熱量Ｑｍａｘに対するリーン気筒の最大発熱量Ｑｍａｘの相対的な低下量と理論空燃比に対する空燃比のリーン度合いとの関係に基づいて、当該低下量に応じたリーン度合いが推定される。このような処理により、図６に示す例の場合には、基準リーン気筒での空燃比のリーン度合いが推定され、当該基準リーン気筒の空燃比が１８程度の値であると把握される。また、このような手法によれば、リッチ気筒での最大発熱量Ｑｍａｘの値を用いて図６（Ａ）に示す最大発熱量Ｑｍａｘのカーブの上下位置が特定され、上下位置が特定された当該カーブを利用してリーン気筒での最大発熱量Ｑｍａｘに対応する空燃比のリーン度合いが推定されているといえる。この図６に示す例のように、リッチ気筒が複数存在するケースでは、リーン度合いの推定のための基準となる最大発熱量Ｑｍａｘは、任意の１つのリッチ気筒での値であってもよいし、あるいは複数のリッチ気筒での最大発熱量Ｑｍａｘの平均値であってもよい。なお、エンジン負荷等に応じて最大発熱量Ｑｍａｘと空燃比との関係（上記カーブ）を取得可能な場合であれば、現在のエンジン負荷等に応じたカーブを利用して基準リーン気筒での最大発熱量Ｑｍａｘに対応する空燃比を直接的に取得してリーン度合いを推定するようにしてもよい。

次に、ＥＣＵ４０は、燃焼終了点（最大発熱量Ｑｍａｘが得られるクランク角度）以降であって排気弁２２の開弁前の膨張行程において筒内圧センサ３０を用いて得られる２点の筒内圧力Ｐ_Ａ、Ｐ_Ｂおよび筒内容積Ｖ_Ａ、Ｖ_Ｂと上記（１）式とを利用して、各気筒の膨張行程のポリトロープ指数ｍを算出する（ステップ１１０）。

次に、ＥＣＵ４０は、記憶している所定のマップを参照して、現在の運転条件に応じたｍ−ＡＦカーブを取得する（ステップ１１２）。次いで、ＥＣＵ４０は、基準リーン気筒での膨張行程のポリトロープ指数ｍと上記リーン度合いとに基づいて、現在の運転条件に応じたｍ−ＡＦカーブと基準リーン気筒での膨張行程のポリトロープ指数ｍとを関連付ける処理を実行する（ステップ１１４）。具体的には、図６に示す例で説明すると、基準リーン気筒でのポリトロープ指数ｍと空燃比（リーン度合いから把握された目安としての空燃比値）とで特定される点Ａがｍ−ＡＦカーブ上に位置するように、ポリトロープ指数ｍをｙ座標とし空燃比をｘ座標とするｘｙ平面上でのｍ−ＡＦカーブの上下方向の位置が特定される。これにより、基準リーン気筒を基準として、他の気筒のポリトロープ指数ｍの値とｍ−ＡＦカーブとを用いて相対的な空燃比のずれ量を評価できるようになる。なお、本ステップ１１４の処理によるｍ−ＡＦカーブの位置特定は、同一運転条件での空燃比インバランス検出を行う際には必ずしも毎回行う必要がなく、位置特定がなされたｍ−ＡＦカーブが運転条件との関係で記憶されている場合には、記憶されているｍ−ＡＦカーブを利用するようにしてもよい。

次に、ＥＣＵ４０は、気筒間の相対的な空燃比のずれ量を算出する（ステップ１１６）。具体的には、図６に示す例で説明すると、ｍ−ＡＦカーブの位置が特定されたことで、基準リーン気筒のポリトロープ指数ｍと各リッチ気筒のポリトロープ指数ｍとの差をｍ−ＡＦカーブ上で特定することによって、基準リーン気筒以外の各リッチ気筒のポリトロープ指数ｍが得られる点での空燃比の値を用いて、各リッチ気筒の空燃比の目安となる値が取得される。そして、基準リーン気筒の空燃比の値と各リッチ気筒の空燃比の値との差から、基準リーン気筒と各リッチ気筒間での空燃比のずれ量が算出される。このような手法により、基準リーン気筒を基準として他のすべての気筒との間の空燃比のずれ量が分かるので、基準リーン気筒以外の任意の気筒間での空燃比のずれ量も算出可能となる。このことは、図６に示す例とは異なり、基準リーン気筒以外にリーン気筒が存在する場合も同様である。また、図６に示す例であれば、基準リーン気筒の空燃比との間で最大となる空燃比のずれ量が、各気筒間での空燃比のずれ量の最大値として取得されることになる。なお、本ステップ１１６では、２つの気筒間での空燃比のずれ量を算出することとしているが、空燃比インバランスの検出のための空燃比のずれ量の算出手法は上記のものに限定されない。すなわち、例えば、図６に示す例であれば、複数のリッチ気筒でのポリトロープ指数ｍの平均値とｍ−ＡＦカーブから得られる空燃比の値と基準リーン気筒の空燃比の値との差が気筒間の空燃比のずれ量として算出されるものであってもよい。

次に、ＥＣＵ４０は、上記ステップ１１６において算出された気筒間の空燃比のずれ量（ここでは、得られたずれ量の最大値）が所定の判定値よりも大きいか否かを判定する（ステップ１１８）。本ステップ１１８で用いる判定値は、算出される気筒間の空燃比のずれ量が、内燃機関１０において検出されることが要求されたレベルでの空燃比インバランス状態を示すものであるか否かを判断するための閾値として予め設定された値である。本ステップ１１８の判定が成立する場合には、ＥＣＵ４０は、検出すべき大きなレベルでの空燃比インバランス状態にあると判定する（ステップ１２０）。

（実施の形態１における空燃比インバランスの検出手法の効果）
本実施形態で着目する比熱比と空燃比との関係は、既述したように理論空燃比にて比熱比が最低となり、空燃比が理論空燃比に対してリッチもしくはリーンになるほど比熱比が高くなるというものである。したがって、リッチ気筒間もしくはリーン気筒間であれば、比熱比の差が大きいほど気筒間の空燃比のずれ量が大きいといえるが、リッチ気筒とリーン気筒の間では同じことがいえない。そこで、本実施形態では、筒内圧センサ３０の出力を利用して算出可能な値であって空燃比に対して比熱比と同様の感度を有する膨張行程のポリトロープ指数ｍが気筒毎に算出されるとともに、リッチ気筒とリーン気筒のどちらであるかが気筒毎に判別される。ただし、既述したように、膨張行程のポリトロープ指数ｍと空燃比との関係（ｍ−ＡＦカーブ）は、運転条件に応じたカーブとして記憶させておくだけではポリトロープ指数ｍの値と空燃比の値とを絶対値で特定するまでの精度を得ることは困難である。

以上説明した図５に示すルーチンによれば、リッチ気筒とリーン気筒のどちらであるかが気筒毎に判別される。そのうえで、リーン気筒が存在する場合には、基準リーン気筒を選定したうえで、基準リーン気筒での理論空燃比からの空燃比のリーン度合いが推定される。そして、基準リーン気筒での空燃比のリーン度合いと膨張行程のポリトロープ指数ｍとがｍ−ＡＦカーブと関連付けられることにより、ｍ−ＡＦカーブの位置が特定される。ここで、上記の手法で気筒間の空燃比のずれ量を算出するうえでリッチ気筒ではなくリーン気筒が基準とされる理由について説明する。筒内圧センサ３０の出力値を利用して算出可能な燃焼パラメータである発熱量Ｑは、図６（Ａ）に示す波形からも分かるように、理論空燃比よりもリーン側の領域では空燃比に対して高い感度を有しているため、最大発熱量Ｑｍａｘの値の大きさからリーンの程度を判断することができる。しかしながら、最大発熱量Ｑｍａｘは、理論空燃比よりもリッチ側の領域では酸素量によって発熱量Ｑが制限されることに起因して空燃比に対する感度が低い。すなわち、リッチ側の領域では、最大発熱量Ｑｍａｘの値の大きさを用いて直接的にリッチの程度を判断することは難しい。このことは、後述する燃焼速度も同様である。したがって、上記の手法にて基準として用いることができるのはリーン気筒となる。以上説明した本実施形態の手法によれば、リッチ気筒とリーン気筒のどちらであるかが既に判定されている各気筒のポリトロープ指数ｍとｍ−ＡＦカーブとを用いて、算出対象にリッチ気筒が含まれているか否かに関係なく、気筒間の空燃比のずれ量を算出できるようになる。そして、算出されたずれ量の大きさを判断することで、リッチ気筒を含めて、検出すべき大きなレベルでの空燃比インバランス状態に該当するか否かを判定できるようになる。

また、圧縮行程のポリトロープ指数を利用して空燃比を推定する手法が公知である。しかしながら、従来の手法によって利用される圧縮行程のポリトロープ指数は、本実施形態の手法によって利用される膨張行程のポリトロープ指数とは異なり、空燃比に対する感度が低く、したがって、従来の手法は、空燃比の検出性が低いものであった。より具体的には、膨張行程のポリトロープ指数は既燃ガスを対象とするものであるのに対し、圧縮行程のポリトロープ指数は未燃混合気を対象とするものである。上記従来の手法は、燃料量の変化による空燃比の変化があった際に圧縮行程のポリトロープ指数が変化することに着目したものである。しかしながら、燃料量の変化によるポリトロープ指数の変化は、未燃混合気中に占める燃料の重量比ではなく燃料のモル数比の変化の影響に起因するものである。分子量の大きな炭化水素系の燃料の混合気中のモル数比は低いため、燃料量の変化に伴う空燃比の変化に対するポリトロープ指数の変化量は小さいものとなる。このため、圧縮行程のポリトロープ指数の空燃比に対する感度は低くなり、従来の手法は空燃比の検出性が低いものとなる。

ところで、上述した実施の形態１においては、理論空燃比を目標空燃比とする空燃比のフィードバック制御の実行中に行われる気筒間の空燃比インバランス検出手法を例に挙げて説明を行った。しかしながら、実施の形態１において説明した検出手法の対象には、上記フィードバック制御の実行中がそうであるように理論空燃比に対してリッチ側とリーン側とで各気筒の空燃比がばらつくケースに限られない。すなわち、上記の検出手法は、理論空燃比よりもリーンな空燃比下で燃焼を行うリーンバーン運転時において、すべての気筒の空燃比が理論空燃比よりもリーン側の領域でばらつくケースに対しても同様に適用することができる。

なお、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ４０が上記ステップ１００の処理を実行することにより前記第１の発明における「筒内圧力検出手段」が実現されており、ＥＣＵ４０が上記ステップ１０４の処理を実行することにより前記第１の発明における「気筒空燃比判別手段」が実現されており、ＥＣＵ４０が上記ステップ１０８の処理を実行することにより前記第１の発明における「リーン度合推定手段」が実現されており、ＥＣＵ４０が上記ステップ１１０の処理を実行することにより前記第１の発明における「ポリトロープ指数算出手段」が実現されており、ＥＣＵ４０が上記ステップ１１４の処理を実行することにより前記第１の発明における「関係特定手段」が実現されており、そして、ＥＣＵ４０が上記ステップ１１６の処理を実行することにより前記第１の発明における「空燃比ずれ量算出手段」が実現されている。
また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ４０が上記ステップ１１８および１２０の処理を実行することにより前記第４の発明における「インバランス検出手段」が実現されている。

実施の形態２．
次に、図７および図８を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
本実施形態のシステムは、図１に示すハードウェア構成を用いて、ＥＣＵ４０に図５に示すルーチンに代えて後述の図８に示すルーチンを実行させることにより実現することができるものである。

［実施の形態２における気筒間の空燃比インバランス検出］
図７は、本発明の実施の形態２における気筒間の空燃比インバランスの検出手法を説明するための図である。

本実施形態の検出手法は、理論空燃比よりもリッチな空燃比（例えば、出力空燃比（１２．５程度））となるように全気筒の空燃比が制御されているリッチバーン運転時を想定したものである。より具体的には、このようなリッチバーン運転時には、空燃比のばらつきの程度次第では、図７中に一例として示すように理論空燃比よりもリッチ側のリッチ領域でのみ各気筒の空燃比がばらつくことがある。上述した実施の形態１の検出手法は、理論空燃比に対する空燃比のリーン度合いを推定した基準リーン気筒を選定したうえで行う手法であるので、図７に示すようなケースには適用することができない。そこで、本実施形態では、全気筒の空燃比がリッチ領域でのみばらついている状況下において、次のような手法で気筒間の空燃比インバランス検出を行うこととした。

ｍ−ＡＦカーブのリッチ領域の部位だけに着目すると、図７中に実線で表したように、膨張行程のポリトロープ指数ｍと空燃比との間には、空燃比が理論空燃比に対してリッチになるほどポリトロープ指数ｍがほぼ直線的に増加するというリニアな関係が成立する。その一方で、既述したように、空燃比のリーン度合いが推定された基準リーン気筒を利用しないと、ｍ−ＡＦカーブを利用してポリトロープ指数ｍと空燃比とを絶対値で関連付けることが困難であるという問題がある。つまり、各気筒のポリトロープ指数ｍを算出しただけでは、図７に示すように各気筒のポリトロープ指数ｍの値を現在の運転条件に応じた実際のｍ−ＡＦカーブ上に乗せることはできない。しかしながら、リッチ領域でのポリトロープ指数ｍと空燃比との間には上記のリニアな関係が成立するという点に着目することで、気筒間の空燃比の相対的なずれ量であれば気筒間のポリトロープ指数ｍの差の大きさから推定可能であるといえる。

そこで、本実施形態では、全気筒がリッチ気筒となる場合には、各気筒での膨張行程のポリトロープ指数ｍに基づいて気筒間の空燃比のずれ量を算出することとした。より具体的には、気筒間のポリトロープ指数ｍの差を利用して、当該差が大きくなるほど、気筒間の空燃比のずれ量をより大きな値として算出することとした。

（実施の形態２における具体的処理）
図８は、本発明の実施の形態２における気筒間の空燃比インバランス検出手法を実現するために、ＥＣＵ４０が実行するルーチンを示すフローチャートである。なお、図８において、実施の形態１における図５に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。また、本ルーチンは、上記図５に示すルーチンとは異なり、リッチバーン運転時に気筒間の空燃比インバランス検出に関する他の実行条件が成立していることを条件として起動されるものである。

図８に示すルーチンでは、ＥＣＵ４０は、ステップ１０２において筒内圧履歴を用いて各気筒の最大発熱量Ｑｍａｘを算出した後に、全気筒がリッチ気筒となる状況であるか否かを判定する（ステップ２００）。本ステップ２００の判定処理の具体的な手法は特に限定されるものではないが、例えば、各気筒の最大発熱量Ｑｍａｘの値を用いるものであってもよい。すなわち、既述したように、最大発熱量Ｑｍａｘはリッチ領域では空燃比に対する感度がないので、リッチの程度によらずに最大発熱量Ｑｍａｘが近い値となる。したがって、リッチバーン運転時に全気筒の最大発熱量Ｑｍａｘの値が所定範囲内に収まっている場合に、全気筒がリッチ気筒であると判定することができるといえる。

次に、ＥＣＵ４０は、ステップ１１０において各気筒の膨張行程のポリトロープ指数ｍを算出したうえで、算出された各気筒のポリトロープ指数ｍを用いて気筒間の相対的な空燃比のずれ量を算出する（ステップ２０２）。ＥＣＵ４０は、各運転条件でのリッチ領域におけるｍ−ＡＦカーブの傾きを考慮して、運転条件との関係でポリトロープ指数ｍの差と空燃比のずれ量との関係を予め定めたマップを記憶している。ＥＣＵ４０は、そのようなマップを参照して、任意の２つの気筒間のポリトロープ指数ｍの差に基づいて当該気筒間の空燃比のずれ量を算出する。このような気筒間の空燃比のずれ量は、算出対象の気筒の組み合わせを変更しながら、すべての組み合わせに対して実行される。そして、最も大きなずれ量が最終的に取得される。本ルーチンでは、取得されたずれ量の最大値を利用して、ステップ１１８以降の処理が実行される。

以上説明した図８に示すルーチンによれば、全気筒がリッチ気筒となる場合（すなわち、基準リーン気筒が存在しない場合）であっても、膨張行程のポリトロープ指数ｍを利用して、気筒間の空燃比インバランス検出を行えるようになる。さらに付け加えると、筒内圧センサ３０の出力を利用して得られる燃焼パラメータ（例えば、発熱量Ｑまたは燃焼速度）だけでは理論空燃比に対する空燃比のリッチ度合いを特定することが難しいのでポリトロープ指数ｍを用いて気筒間の空燃比のずれ量を算出する際の基準となるリッチ気筒を得ることは難しい。しかしながら、本実施形態の手法によれば、気筒間のポリトロープ指数ｍの差に応じて気筒間の空燃比の相対的なずれ量を取得することができるので、そのような基準リッチ気筒を必要とせずに気筒間の空燃比インバランス検出を行えるようになる。

なお、上述した実施の形態２においては、ＥＣＵ４０が上記ステップ１００の処理を実行することにより前記第２の発明における「筒内圧力検出手段」が実現されており、ＥＣＵ４０が上記ステップ２００の処理を実行することにより前記第２の発明における「リッチ気筒判別手段」が実現されており、ＥＣＵ４０が上記ステップ１１０の処理を実行することにより前記第２の発明における「ポリトロープ指数算出手段」が実現されており、そして、ＥＣＵ４０が上記ステップ２０２の処理を実行することにより前記第２の発明における「空燃比ずれ量算出手段」が実現されている。
また、上述した実施の形態２においても、ＥＣＵ４０が上記ステップ１１８および１２０の処理を実行することにより前記第４の発明における「インバランス検出手段」が実現されている。

実施の形態３．
次に、図９および図１０を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。
本実施形態のシステムは、図１に示すハードウェア構成を用いて、ＥＣＵ４０に図５に示すルーチンに代えて後述の図１０に示すルーチンを実行させることにより実現することができるものである。

［実施の形態３における各気筒の空燃比検出］
図９は、本発明の実施の形態３における各気筒の空燃比検出手法を説明するための図である。
本実施形態の空燃比算出手法は、基本的に実施の形態１のインバランス検出手法を応用したものである。実施の形態１の手法によれば、基準リーン気筒の空燃比のリーン度合いを推定する過程で目安となる空燃比の値が算出されている。また、この基準リーン気筒のポリトロープ指数ｍと他の気筒（リッチ気筒とリーン気筒のどちらであるかが特定されている気筒）のポリトロープ指数ｍとの差をｍ−ＡＦカーブ上で取得することで、基準リーン気筒以外の気筒での目安となる空燃比の値がリッチ気筒であるかリーン気筒であるかを問わずに算出されている。本実施形態の手法は、図９に示すように、このようにして算出される空燃比の値を利用して各気筒の空燃比を検出するというものである。

（実施の形態３における具体的処理）
図１０は、本発明の実施の形態３における各気筒の空燃比検出手法を実現するために、ＥＣＵ４０が実行するルーチンを示すフローチャートである。なお、図１０において、実施の形態１における図５に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。また、本ルーチンが起動される条件については、上記図５に示すルーチンと同じであるものとする。

図１０に示すルーチンでは、ＥＣＵ４０は、ステップ１０６においてリーン気筒が存在していると判定した場合には、基準リーン気筒での空燃比を算出する（ステップ３００）。本ステップ３００で用いられる基準リーン気筒には、存在する１または複数のリーン気筒の中の任意の１つのリーン気筒が該当する。そして、選定された基準リーン気筒の空燃比が次の手法で算出される。すなわち、本ステップ３００では、実施の形態１でのステップ１０８の処理によって理論空燃比に対する空燃比のリーン度合いを推定する過程で目安として得られる空燃比に相当する値が上記基準リーン気筒の空燃比として算出される。

また、図１０に示すルーチンでは、ＥＣＵ４０は、ステップ１１２において現在の運転条件に応じたｍ−ＡＦカーブを取得した後に、基準リーン気筒での膨張行程のポリトロープ指数ｍと上記空燃比とに基づいて、現在の運転条件に応じたｍ−ＡＦカーブと基準リーン気筒での膨張行程のポリトロープ指数ｍとを関連付ける処理を実行する（ステップ３０２）。本ステップ３０２の具体的な処理内容は、上記ステップ１１８のものと同様の考えに基づくものである。次いで、ＥＣＵ４０は、基準リーン気筒以外の気筒の空燃比を算出する（ステップ３０４）。具体的には、基準リーン気筒でのポリトロープ指数ｍと空燃比とによって位置が特定されたｍ−ＡＦカーブと、基準リーン気筒以外の気筒の膨張行程のポリトロープ指数ｍとを用いて、基準リーン気筒以外の気筒の空燃比が算出される。

以上説明した図１０に示すルーチンによれば、膨張行程のポリトロープ指数ｍとｍ−ＡＦカーブとを利用して各気筒の空燃比の値を算出することができ、これにより、リッチ気筒を含めて各気筒の空燃比を検出できるようになる。また、本実施形態の検出手法によれば、リーンバーン運転時に評価対象のすべての気筒の空燃比が理論空燃比よりもリーン側に分布している場合であっても、同様に各気筒の空燃比を検出することができる。

なお、上述した実施の形態３においては、ＥＣＵ４０が上記ステップ１００の処理を実行することにより前記第５の発明における「筒内圧力検出手段」が実現されており、ＥＣＵ４０が上記ステップ１０４の処理を実行することにより前記第５の発明における「気筒空燃比判別手段」が実現されており、ＥＣＵ４０が上記ステップ３００の処理を実行することにより前記第５の発明における「第１の空燃比指標値算出手段」が実現されており、ＥＣＵ４０が上記ステップ１１０の処理を実行することにより前記第５の発明における「ポリトロープ指数算出手段」が実現されており、ＥＣＵ４０が上記ステップ３０２の処理を実行することにより前記第５の発明における「関係特定手段」が実現されており、そして、ＥＣＵ４０が上記ステップ３０４の処理を実行することにより前記第５の発明における「第２の空燃比指標値算出手段」が実現されている。

ところで、上述した実施の形態１〜３においては、筒内圧センサ３０により検出される筒内圧力を用いて算出される最大発熱量Ｑｍａｘを利用して、各気筒がリッチ気筒であるかリーン気筒であるかを判定するとともに、基準リーン気筒の空燃比のリーン度合いの推定もしくは空燃比の算出を行うようにしている。しかしながら、筒内圧センサ３０により検出される筒内圧力を用いて算出される燃焼パラメータであって、これらの判定等に用いられる燃焼パラメータは、発熱量Ｑに限らず、例えば、燃焼速度であってもよい。燃焼速度は、例えば、燃焼質量割合（ＭＦＢ）を利用して求めることができる主燃焼期間（１０−９０％燃焼期間）の長さに基づいて、主燃焼期間が短いほど燃焼速度が高いものとして算出することができる。なお、任意のクランク角度θにおけるＭＦＢは、クランク角度同期での発熱量Ｑのデータを用いて、次の（３）式にしたがって算出することができる。したがって、この（３）式を利用して、ＭＦＢが所定割合となる時のクランク角度を取得することができる。

ただし、上記（３）式において、θ_staは燃焼開始点であり、θ_finは燃焼終了点である。

図１１は、燃焼速度と空燃比との関係を表した図である。図１１に示すように、燃焼速度についても、発熱量Ｑ（図６（Ａ）に例示する最大発熱量Ｑｍａｘ）と同様に、理論空燃比よりもリーン側の領域では空燃比に対して高い感度を有しているが、理論空燃比よりもリッチ側の領域では燃料の層流燃焼速度の特性上の理由で空燃比に対する感度が低くなる。したがって、上述した実施の形態１等で用いる発熱量Ｑ（最大発熱量Ｑｍａｘ）に代え、燃焼速度を用いるようにしてもよい。より具体的には、基準リーン気筒の燃焼速度が低いほど、リーン度合いがより大きな値として推定される。

また、各気筒がリッチ気筒であるかリーン気筒であるかについての判定に関しては、必ずしも、筒内圧センサ３０により検出される筒内圧力に基づく燃焼パラメータを利用して行われるものに限らない。すなわち、各気筒がリッチ気筒であるかリーン気筒であるかを判定する手法としては、例えば、空燃比センサ３２を利用して、各気筒から排出される排気ガスが空燃比センサ３２に到達する時間を考慮して各気筒の空燃比が理論空燃比よりもリッチであるかリーンであるかを推定するものであってもよい。

ところで、上述した実施の形態１〜３においては、内燃機関１０の全気筒を対象として、気筒間の空燃比インバランス検出もしくは各気筒の空燃比検出を行う例について説明を行った。しかしながら、本発明における気筒間の空燃比のずれ量およびの評価および各気筒の空燃比の評価は、必ずしも全気筒を対象として行うものに限定されず、多気筒型の内燃機関の一部の気筒からなる評価対象気筒群を対象として実施されるものであってもよい。具体的には、例えば、１つの排気浄化触媒（例えば、三元触媒）を共用する気筒群が、全気筒ではなく一部の気筒であるようなケースでは、当該排気浄化触媒を共用する気筒群を評価対象気筒群として実施するものであってもよい。なお、そのようなケースとしては、例えば、Ｖ型エンジンのバンク毎に排気浄化触媒を備えるケース、もしくは、直列型エンジンであっても爆発間隔が等間隔もしくは略等間隔となる気筒群毎に排気浄化触媒を備えるケースが該当する。

また、上述した実施の形態１〜３においては、膨張行程のポリトロープ指数ｍと空燃比との関係を規定するｍ−ＡＦカーブを気筒間の空燃比のずれ量の算出もしくは空燃比の算出に用いることとしている。しかしながら、本発明における関係情報を規定するために膨張行程のポリトロープ指数とともに使用される空燃比指標値（図６等に示すｍ−ＡＦカーブの横軸に相当）は、空燃比と相関のある指標値であれば、いわゆる空燃比（すなわち、空気量と燃料量との重量比）自体に限らず、例えば、空気過剰率もしくは当量比などであってもよい。さらに、実施の形態１のように基準リーン気筒の空燃比のリーン度合いをｍ−ＡＦカーブの位置の特定に使用する場合であれば、空燃比指標値は、理論空燃比からの空燃比の乖離度合いを示す値（すなわち、リーン度合いもしくはリッチ度合いを示す指標値）そのものであってもよい。このような指標値には、例えば、実施の形態１で用いたリッチ気筒の最大発熱量Ｑｍａｘと基準リーン気筒の最大発熱量Ｑｍａｘとの差が該当する。

また、上述した実施の形態１〜３においては、炭化水素燃料の１つであるガソリンを燃料とする内燃機関１０を例に挙げて説明を行った。しかしながら、本発明の対象となる燃料は、空燃比に応じて既燃ガス中の２原子分子および３原子分子の割合が実施の形態１において説明したように変化するものであれば、ガソリンなどの炭化水素燃料に限定されるものではなく、例えば、水素燃料などであってもよい。

また、上述した実施の形態１〜３における空燃比インバランス検出処理および空燃比検出処理は、任意の組み合わせで適宜組み合わせて実施されるものであってもよい。

１０ 内燃機関
１２ ピストン
１４ 燃焼室
１６ 吸気通路
１８ 排気通路
２０ 吸気弁
２２ 排気弁
２４ スロットルバルブ
２６ 燃料噴射弁
２８ 点火プラグ
３０ 筒内圧センサ
３２ 空燃比センサ
３４ 三元触媒
４０ ＥＣＵ(Electronic Control Unit)
４２ クランク角センサ
４４ エアフローメータ
４６ 排気カム角センサ

Claims (6)

1. 多気筒型の内燃機関の少なくとも一部の気筒からなる評価対象気筒群を対象として気筒間の空燃比のずれ量を評価する内燃機関の診断装置であって、
   筒内圧力を検出する筒内圧力検出手段と、
   空燃比が理論空燃比よりもリッチとなるリッチ気筒であるか、あるいは空燃比が理論空燃比よりもリーンとなるリーン気筒であるかを前記評価対象気筒群に関して気筒毎に判別する気筒空燃比判別手段と、
   前記気筒空燃比判別手段によってリーン気筒の存在が認められた場合に、存在するリーン気筒での理論空燃比に対する空燃比のリーン度合いを推定するリーン度合推定手段と、
   前記筒内圧力検出手段により検出される筒内圧力を用いて、膨張行程のポリトロープ指数を前記評価対象気筒群に関して気筒毎に算出するポリトロープ指数算出手段と、
   空燃比のリーン度合いを推定したリーン気筒である基準リーン気筒での膨張行程のポリトロープ指数と当該リーン度合いとに基づいて、膨張行程のポリトロープ指数と空燃比指標値との関係を規定する関係情報と前記基準リーン気筒での膨張行程のポリトロープ指数とを関連付ける関係特定手段と、
   前記基準リーン気筒での膨張行程のポリトロープ指数と、前記関係特定手段によって前記基準リーン気筒での膨張行程のポリトロープ指数と関連付けられた前記関係情報と、前記評価対象気筒群内の前記基準リーン気筒以外の気筒での膨張行程のポリトロープ指数とに基づいて、気筒間の空燃比のずれ量を算出する空燃比ずれ量算出手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の診断装置。
2. 多気筒型の内燃機関の少なくとも一部の気筒からなる評価対象気筒群を対象として気筒間の空燃比のずれ量を評価する内燃機関の診断装置であって、
   筒内圧力を検出する筒内圧力検出手段と、
   空燃比が理論空燃比よりもリッチとなるリッチ気筒であるか否かを前記評価対象気筒群に関して気筒毎に判別するリッチ気筒判別手段と、
   前記筒内圧力検出手段により検出される筒内圧力を用いて、膨張行程のポリトロープ指数を前記評価対象気筒群に関して気筒毎に算出するポリトロープ指数算出手段と、
   前記評価対象気筒群のすべてがリッチ気筒となる場合に、前記評価対象気筒群内の各気筒での膨張行程のポリトロープ指数に基づいて気筒間の空燃比のずれ量を算出する空燃比ずれ量算出手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の診断装置。
3. 前記リーン度合推定手段は、前記筒内圧力検出手段により検出される筒内圧力を用いて前記基準リーン気筒での発熱量もしくは燃焼速度を算出し、算出した発熱量が小さいほど、もしくは算出した燃焼速度が低いほど、前記基準リーン気筒の空燃比のリーン度合いが大きいと推定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の診断装置。
4. 前記空燃比ずれ量算出手段により算出された気筒間の空燃比のずれ量が所定の判定値よりも大きい場合に、空燃比が気筒間でインバランス状態にあると判定するインバランス検出手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３の何れか１つに記載の内燃機関の診断装置。
5. 多気筒型の内燃機関の少なくとも一部の気筒からなる評価対象気筒群を対象として空燃比を評価する内燃機関の診断装置であって、
   筒内圧力を検出する筒内圧力検出手段と、
   空燃比が理論空燃比よりもリッチとなるリッチ気筒であるか、あるいは空燃比が理論空燃比よりもリーンとなるリーン気筒であるかを前記評価対象気筒群に関して気筒毎に判別する気筒空燃比判別手段と、
   前記気筒空燃比判別手段によってリーン気筒の存在が認められた場合に、存在するリーン気筒での空燃比指標値を算出する第１の空燃比指標値算出手段と、
   前記筒内圧力検出手段により検出される筒内圧力を用いて、膨張行程のポリトロープ指数を前記評価対象気筒群に関して気筒毎に算出するポリトロープ指数算出手段と、
   空燃比指標値を算出したリーン気筒である基準リーン気筒での膨張行程のポリトロープ指数と当該空燃比指標値とに基づいて、膨張行程のポリトロープ指数と空燃比指標値との関係を規定する関係情報と前記基準リーン気筒での膨張行程のポリトロープ指数とを関連付ける関係特定手段と、
   前記関係特定手段によって前記基準リーン気筒での膨張行程のポリトロープ指数と関連付けられた前記関係情報と、前記評価対象気筒群内の前記基準リーン気筒以外の気筒での膨張行程のポリトロープ指数とに基づいて、前記基準リーン気筒以外の気筒の空燃比指標値を算出する第２の空燃比指標値算出手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の診断装置。
6. 前記ポリトロープ指数算出手段は、燃焼終了点以降であって排気弁の開弁時期よりも前の膨張行程中の２点以上の筒内圧力および筒内容積を用いて、膨張行程のポリトロープ指数を算出することを特徴とする請求項１〜５の何れか１つに記載の内燃機関の診断装置。

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