JP2015169191A - 気筒間ばらつき異常検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】経年劣化等により空燃比センサの応答性が悪化した場合であっても、確実に気筒間ばらつき異常を検知することが可能な気筒間ばらつき異常検知装置を提供する。
【解決手段】ＥＣＵ５０は、エンジン１０の回転変動（３６０°回転差分値）に基づいて気筒間ばらつき異常の有無を判定する回転変動式異常判定部５２と、空燃比の変動に基づいて気筒間ばらつき異常の有無を判定する空燃比変動式異常判定部５３と、３６０°回転差分値に含まれる、エンジン１０の１燃焼サイクルに相当する周波数成分に基づいて気筒間ばらつき異常の有無を判定する周波数成分式異常判定部５５と、回転変動式異常判定部５２により異常があると判定され、空燃比変動式異常判定部５３により異常がないと判定された場合において、周波数成分式異常判定部５５により異常があると判定されたときには、気筒間ばらつき異常であると確定する気筒間ばらつき異常確定部５６とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、空燃比の気筒間ばらつき異常検知装置に関する。

従来から、エンジンの排気ガス中に含まれるＨＣ（炭化水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、ＮＯｘ（窒素酸化物）などの有害成分を低減するために、排気浄化触媒（以下、単に「触媒」ともいう）を用いた排気ガスの後処理が行われている。このような触媒として、ＣＯとＨＣの酸化反応とＮＯｘの還元反応とを同時に行い、無害なＣＯ_２（二酸化炭素）、Ｈ_２Ｏ（水）、Ｎ_２（窒素）に転換する機能を持つ三元触媒が、近年一般的に使用されている。

三元触媒では、高い浄化率を得ようとした場合に、混合気の空燃比を理論空燃比（λ＝１）近傍の狭い範囲に制御（空燃比フィードバック制御）する必要がある。そのため、このような三元触媒を用いたシステムでは、エンジンの気筒間で空燃比がばらつくと排気エミッションが悪化するおそれがある。なお、北米法規では、このような排気エミッションの悪化要因である空燃比の気筒間ばらつき異常（インバランス故障）を車載状態で検知するように定めている（ＯＢＤ２：Ｏｎ−Ｂｏａｒｄ Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃｓ ２）。

このような空燃比の気筒間ばらつき異常を検知する手法として、従来から、エンジン回転角速度の変動を利用した回転変動法（例えば特許文献１参照）や、排気浄化触媒の上流に設けた空燃比センサにより検出される混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）の変動を利用した空燃比（Ａ／Ｆ）変動法（例えば特許文献２参照）が知られている。

ところで、気筒間ばらつき異常には、燃料が多くなる（混合気が濃くなる）リッチ故障と、燃料が少なくなる（混合気が薄くなる）リーン故障とがあるが、上記回転変動法は、リッチ故障に対する感度が低い。そのため、該回転変動法を、リッチ故障に対する感度が高い空燃比変動法と組み合わせること、すなわち、双方で気筒間ばらつき異常であると判定された場合に異常と確定することにより、診断（検知）の精度を高めることも行われている。

特開２０１２−１５４３００号公報 特開２０１２−３１７７４号公報

しかしながら、例えば、空燃比センサの経年劣化等により、空燃比センサの応答性が悪化すると、空燃比センサの出力波形の振幅が減少し、気筒間ばらつき異常を検知できなくなるおそれがある。すなわち、気筒間ばらつきが生じているにも拘らず空燃比変動法では正常と誤判定してしまうおそれがある。そうした場合には、回転変動法と空燃比変動法と組み合わせて、双方において気筒間ばらつき異常であると判定された場合に異常と確定する手法では、気筒間ばらつきが生じているにも拘らず正常と誤判定してしまうおそれがある。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、回転変動法と空燃比変動法とを組み合わせて気筒間ばらつき異常を検知する気筒間ばらつき異常検知装置において、空燃比センサの経年劣化等により空燃比センサの応答性が悪化した場合であっても、確実に気筒間ばらつき異常を検知することが可能な気筒間ばらつき異常検知装置を提供することを目的とする。

本願の発明者は、上記の問題点につき鋭意検討を重ねた結果、回転変動を周波数解析することにより、気筒間ばらつき発生時には、正常時と比較して特定の周波数成分が増大するとの知見を得た。

そこで、本発明に係る気筒間ばらつき異常検知装置は、複数の気筒を有するエンジンの気筒間の回転変動を検出する回転変動検出手段と、回転変動検出手段により検出された回転変動に基づいて気筒間ばらつき異常の有無を判定する回転変動式異常判定手段と、エンジンの排気ガス中の酸素濃度、未燃ガス濃度から混合気の空燃比を検出する空燃比検出手段と、空燃比検出手段により検出された空燃比の変動に基づいて気筒間ばらつき異常の有無を判定する空燃比変動式異常判定手段と、回転変動検出手段により検出された回転変動に含まれる、エンジンの燃焼サイクルに応じた特定の周波数成分を抽出する周波数成分抽出手段と、周波数成分抽出手段により抽出された特定の周波数成分に基づいて気筒間ばらつき異常の有無を判定する周波数成分式異常判定手段と、回転変動式異常判定手段により異常があると判定され、かつ空燃比変動式異常判定手段により異常があると判定された場合に、気筒間ばらつき異常であると確定する気筒間ばらつき異常確定手段とを備え、該気筒間ばらつき異常確定手段が、回転変動式異常判定手段により異常があると判定され、空燃比変動式異常判定手段により異常がないと判定された場合において、周波数成分式異常判定手段により異常があると判定されたときには、気筒間ばらつき異常であると確定することを特徴とする。

本発明に係る気筒間ばらつき異常検知装置によれば、回転変動に基づいて気筒間ばらつき異常の有無を判定する回転変動式異常判定手段と、空燃比の変動に基づいて気筒間ばらつき異常の有無を判定する空燃比変動式異常判定手段とに加えて、回転変動に含まれるエンジンの燃焼サイクルに応じた特定の周波数成分に基づいて、気筒間ばらつき異常の有無を判定する周波数成分式異常判定手段を備えている。そして、回転変動式異常判定手段により異常があると判定されたときには、空燃比変動式異常判定手段により異常がないと判定されたとしても、周波数成分式異常判定手段により異常があると判定されれば、気筒間ばらつき異常であると確定する。そのため、空燃比センサの劣化等により該空燃比センサの応答性が悪化し、気筒間ばらつき異常を検知できなくなったとしても（気筒間ばらつきが生じているにも拘らず空燃比変動法では正常と誤判定してしまったとしても）、正確な気筒間ばらつき異常判定を行うことができる。よって、経年劣化等により空燃比センサの応答性が悪化した場合であっても、確実に気筒間ばらつき異常を検知することが可能となる。

一方、本発明に係る気筒間ばらつき異常検知装置では、気筒間ばらつき異常確定手段が、回転変動式異常判定手段により異常がないと判定された場合には、気筒間ばらつき異常がないと確定し、回転変動式異常判定手段により異常があると判定され、空燃比変動式異常判定手段により異常がないと判定された場合において、周波数成分式異常判定手段により異常がないと判定されたときには、気筒間ばらつき異常がないと確定することが好ましい。

空燃比変動式異常判定手段により異常がないと判定され、かつ、周波数成分式異常判定手段により異常がないと判定されたときには、空燃比センサの劣化はなく（応答性が低下しておらず）、空燃比変動式異常判定手段による判定結果は正しいと推測される。よって、このような場合には、回転変動式異常判定手段により異常があると判定されたとしても、気筒間ばらつき異常が生じていないと確定することにより、誤検知を適切に防止することが可能となる。

本発明に係る気筒間ばらつき異常検知装置では、回転変動検出手段が、エンジンの気筒毎に７２０°／（気筒数／２）クランク角間の回転角速度を算出し、気筒間の回転角速度差から回転変動を検出することが好ましい。このようにすれば、気筒間の回転変動を精度よく取得することが可能となる。

本発明に係る気筒間ばらつき異常検知装置では、周波数成分抽出手段が、エンジンの１燃焼サイクルに相当する周波数成分を選択的に通過させるバンドパスフィルタを有し、該バンドパスフィルタによりエンジンの１燃焼サイクルに相当する周波数成分を抽出することが好ましい。

上述したように、気筒間ばらつき異常発生時には、正常時と比較して特定の周波数成分が増大する。ここで、より詳細には、気筒間ばらつきはエンジンの１燃焼サイクルで変動する特徴がある。よって、この場合、回転変動に含まれるエンジンの１燃焼サイクルに相当する周波数成分を抽出することにより、気筒間ばらつき異常に特有の周波数成分を抽出することができ、精度よく気筒間ばらつき異常の有無を判定することが可能となる。

本発明に係る気筒間ばらつき異常検知装置では、周波数成分抽出手段が、エンジンがアイドリング状態にあるときに、エンジンの１燃焼サイクルに相当する周波数成分を抽出することが好ましい。

上述したように、気筒間ばらつきはエンジンの１燃焼サイクルで変動する特徴があるため、気筒間ばらつきが生じたときに増大する周波数成分はエンジン回転数に依存する。よって、この場合には、エンジンがアイドリング状態にあるとき、すなわち、エンジン回転数が略一定で安定しているときに、エンジンの１燃焼サイクルに相当する周波数成分を抽出することにより、気筒間ばらつき異常発生時に特徴的な周波数成分を的確に抽出することが可能となる。

本発明に係る気筒間ばらつき異常検知装置では、周波数成分式異常判定手段が、上記周波数成分を２乗した値を所定時間積算した値が、所定のしきい値を超えた場合に気筒間ばらつき異常があると判定することが好ましい。このようにすれば、誤検知を防止しつつ、確実に気筒間ばらつき異常を検知することが可能となる。

本発明によれば、回転変動法と空燃比変動法とを組み合わせて気筒間ばらつき異常を検知する気筒間ばらつき異常検知装置において、空燃比センサの経年劣化等により空燃比センサの応答性が悪化した場合であっても、確実に気筒間ばらつき異常を検知することが可能となる。

実施形態に係る気筒間ばらつき異常検知装置の構成を示す図である。 回転変動法による気筒間ばらつき異常検知を説明するための図である。 空燃比（Ａ／Ｆ）変動法による気筒間ばらつき異常検知を説明するための図である。 アイドリング時における３６０°回転差分値に対する周波数解析結果を示す図である。 アイドリング時における３６０°回転差分値の波形を示す図である。 周波数成分の積算値（診断値）による気筒間ばらつき異常検知を説明するための図である。 空燃比（Ａ／Ｆ）変動法における、空燃比センサの応答性劣化度合と診断値推移との関係を示す図である。 実施形態に係る気筒間ばらつき異常検知装置による気筒間ばらつき異常検知処理の処理手順を示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図中、同一又は相当部分には同一符号を用いることとする。また、各図において、同一要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。

まず、図１を用いて、実施形態に係る気筒間ばらつき異常検知装置１の構成について説明する。図１は、気筒間ばらつき異常検知装置１および該気筒間ばらつき異常検知装置１が適用されたエンジン１０の構成を示す図である。

エンジン１０は、例えば水平対向型の４気筒ガソリンエンジンである。また、エンジン１０は、シリンダ内（筒内）に燃料を直接噴射する筒内噴射式のエンジンである。エンジン１０では、エアクリーナ１６から吸入された空気が、吸気管１５に設けられた電子制御式スロットルバルブ（以下、単に「スロットルバルブ」ともいう）１３により絞られ、インテークマニホールド１１を通り、エンジン１０に形成された各気筒に吸入される。ここで、エアクリーナ１６から吸入された空気の量は、エアクリーナ１６とスロットルバルブ１３との間に配置されたエアフローメータ１４により検出される。また、インテークマニホールド１１を構成するコレクター部（サージタンク）の内部には、インテークマニホールド１１内の圧力（吸気マニホールド圧力）を検出するバキュームセンサ３０が配設されている。さらに、スロットルバルブ１３には、該スロットルバルブ１３の開度を検出するスロットル開度センサ３１が配設されている。

シリンダヘッドには、気筒毎に吸気ポート２２と排気ポート２３とが形成されている（図１では片バンクのみ示した）。各吸気ポート２２、排気ポート２３それぞれには、該吸気ポート２２、排気ポート２３を開閉する吸気バルブ２４、排気バルブ２５が設けられている。吸気バルブ２４を駆動する吸気カム軸と吸気カムプーリとの間には、吸気カムプーリと吸気カム軸とを相対回動してクランク軸１０ａに対する吸気カム軸の回転位相（変位角）を連続的に変更して、吸気バルブ２４のバルブタイミング（開閉タイミング）を進遅角する可変バルブタイミング機構２６が配設されている。この可変バルブタイミング機構２６により吸気バルブ２４の開閉タイミングがエンジン運転状態に応じて可変設定される。

同様に、排気カム軸と排気カムプーリとの間には、排気カムプーリと排気カム軸とを相対回動してクランク軸１０ａに対する排気カム軸の回転位相（変位角）を連続的に変更して、排気バルブ２５のバルブタイミング（開閉タイミング）を進遅角する可変バルブタイミング機構２７が配設されている。この可変バルブタイミング機構２７により排気バルブ２５の開閉タイミングがエンジン運転状態に応じて可変設定される。

エンジン１０の各気筒には、シリンダ内に燃料を噴射するインジェクタ１２が取り付けられている。インジェクタ１２は、高圧燃料ポンプ（図示省略）により加圧された燃料を各気筒の燃焼室内へ直接噴射する。

また、各気筒のシリンダヘッドには、混合気に点火する点火プラグ１７、及び該点火プラグ１７に高電圧を印加するイグナイタ内蔵型コイル２１が取り付けられている。エンジン１０の各気筒では、吸入された空気とインジェクタ１２によって噴射された燃料との混合気が点火プラグ１７により点火されて燃焼する。燃焼後の排気ガスは排気管１８を通して排出される。

本実施形態では、排気管１８として、排気を干渉させないようにするために、１番シリンダ（＃１）と２番シリンダ（＃２）、３番シリンダ（＃３）と４番シリンダ（＃４）をまず合流（集合）させ、その後１本に集合した４−２−１レイアウトを採用した。なお、４−２−１レイアウトに変えて、例えば、４−１レイアウト等を採用してもよい。

排気管１８の集合部の下流かつ後述する排気浄化触媒２０の上流には、空燃比センサ１９が取り付けられている。空燃比センサ１９としては、排気ガス中の酸素濃度、未燃ガス濃度に応じた信号（すなわち混合気の空燃比に応じた信号）を出力でき、空燃比をリニアに検出することができるリニア空燃比センサ（ＬＡＦセンサ）が用いられる。空燃比センサ１９（以下「ＬＡＦセンサ」ともいう）は、特許請求の範囲に記載の空燃比検出手段として機能する。

ＬＡＦセンサ１９の下流には排気浄化触媒２０が配設されている。排気浄化触媒２０は三元触媒であり、排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）及び一酸化炭素（ＣＯ）の酸化と、窒素酸化物（ＮＯｘ）の還元を同時に行い、排気ガス中の有害ガス成分を無害な二酸化炭素（ＣＯ_２）、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）及び窒素（Ｎ_２）に清浄化するものである。

上述したエアフローメータ１４、ＬＡＦセンサ１９、バキュームセンサ３０、スロットル開度センサ３１に加え、エンジン１０のカムシャフト近傍には、エンジン１０の気筒判別を行うためのカム角センサ３２が取り付けられている。また、エンジン１０のクランクシャフト１０ａ近傍には、クランクシャフト１０ａの回転位置を検出するクランク角センサ３３が取り付けられている。ここで、クランクシャフト１０ａの端部には、例えば、２歯欠歯した３４歯の突起が１０°間隔で形成されたタイミングロータ３３ａが取り付けられており、クランク角センサ３３は、タイミングロータ３３ａの突起の有無を検出することにより、クランクシャフト１０ａの回転位置を検出する。カム角センサ３２及びクランク角センサ３３としては、例えば電磁ピックアップ式のものなどが用いられる。

これらのセンサは、電子制御装置（以下「ＥＣＵ」という）５０に接続されている。さらに、ＥＣＵ５０には、エンジン１０の冷却水の温度を検出する水温センサ３４、潤滑油の温度を検出する油温センサ３５、及び、アクセルペダルの踏み込み量すなわちアクセルペダルの開度を検出するアクセルペダル開度センサ３６等の各種センサも接続されている。

ＥＣＵ５０は、演算を行うマイクロプロセッサ、該マイクロプロセッサに各処理を実行させるためのプログラム等を記憶するＲＯＭ、演算結果などの各種データを記憶するＲＡＭ、１２Ｖバッテリによってその記憶内容が保持されるバックアップＲＡＭ、及び入出力Ｉ／Ｆ等を有して構成されている。また、ＥＣＵ５０は、インジェクタ１２を駆動するインジェクタドライバ、点火信号を出力する出力回路、及び、電子制御式スロットルバルブ１３を開閉する電動モータ１３ａを駆動するモータドライバ等を備えている。

ＥＣＵ５０では、カム角センサ３２の出力から気筒が判別され、クランク角センサ３３の出力から回転角速度およびエンジン回転数が求められる。また、ＥＣＵ５０では、上述した各種センサから入力される検出信号に基づいて、吸入空気量、吸気管負圧、アクセルペダル開度、混合気の空燃比、及びエンジン１０の水温や油温等の各種情報が取得される。そして、ＥＣＵ５０は、取得したこれらの各種情報に基づいて、燃料噴射量や点火時期、及び、スロットルバルブ１３等の各種デバイスを制御することによりエンジン１０を総合的に制御する。

特に、ＥＣＵ５０は、上述した回転変動法と空燃比（Ａ／Ｆ）変動法に加えて、回転差分値に対して周波数処理を施すことにより得られる診断値を用いて気筒間ばらつき異常の検知を行うことにより（周波数成分法という）、経年劣化等によりＬＡＦセンサ１９の応答性が悪化した場合であっても、確実に気筒間ばらつき異常を検知する機能を有している。そのため、ＥＣＵ５０は、回転変動検出部５１、回転変動式異常判定部５２、空燃比変動式異常判定部５３、周波数成分抽出部５４、バンドパスフィルタ５４ａ、周波数成分式異常判定部５５、および気筒間ばらつき異常確定部５６を機能的に備えている。ＥＣＵ５０では、ＲＯＭに記憶されているプログラムがマイクロプロセッサによって実行されることにより、回転変動検出部５１、回転変動式異常判定部５２、空燃比変動式異常判定部５３、周波数成分抽出部５４、バンドパスフィルタ５４ａ、周波数成分式異常判定部５５、および気筒間ばらつき異常確定部５６の各機能が実現される。

回転変動検出部５１は、エンジン１０の気筒間の回転変動を検出する。すなわち、回転変動検出部５１は、特許請求の範囲に記載の回転変動検出手段として機能する。より具体的には、回転変動検出部５１は、エンジン１０の気筒毎に３６０°（＝７２０°／（気筒数４／２））クランク角間の回転角速度を算出し、気筒間（対向気筒間、例えば＃１と＃２、＃３と＃４など）の回転角速度差（３６０°回転差分値）から回転変動を検出する。なお、回転変動検出部５１により検出された３６０°回転差分値（回転変動）は、回転変動式異常判定部５２に出力される。

回転変動式異常判定部５２は、回転変動検出部５１により検出された３６０°回転差分値（回転変動）に基づいて気筒間ばらつき異常の有無を判定する。すなわち、回転変動式異常判定部５２は、特許請求の範囲に記載の回転変動式異常判定手段として機能する。

より具体的には、回転変動式異常判定部５２は、図２に示されるように、３６０°回転差分値（回転変動）が、所定のしきい値を予め定められた回数を超えた場合に、気筒間ばらつき異常が生じていると判定する。なお、図２は、回転変動法による気筒間ばらつき異常検知を説明するための図であり、横軸は時間（ｓｅｃ．）、縦軸は３６０°回転差分値（°）である。回転変動式異常判定部５２による判定結果（気筒間ばらつき異常の有無）は、気筒間ばらつき異常確定部５６に出力される。

空燃比変動式異常判定部５３は、ＬＡＦセンサ１９により検出された空燃比の変動に基づいて、気筒間ばらつき異常の有無を判定する。すなわち、空燃比変動式異常判定部５３は、特許請求の範囲に記載の空燃比変動式異常判定手段として機能する。

より具体的には、空燃比変動式異常判定部５３は、図３に示されるように、ＬＡＦセンサ出力（波形、図３（拡大図）の破線参照）を増幅した増幅値（波形、図３（拡大図）の実線参照）と、ＬＡＦセンサ出力のなまし値（波形、図３（拡大図）の一点鎖線参照）との差分の面積（図３（拡大図）のハッチング部分参照）を一定時間積算したものを診断値とし（図３（右下）の実線参照）、該診断値がしきい値（図３（右下）の破線参照）を超えたときに気筒間ばらつき異常が生じていると判定する。なお、図３は、空燃比（Ａ／Ｆ）変動法による気筒間ばらつき異常検知を説明するための図である。空燃比変動式異常判定部５３による判定結果（気筒間ばらつき異常の有無）は、気筒間ばらつき異常確定部５６に出力される。

ところで、３６０°回転差分値の周波数解析を行った結果、気筒間ばらつき発生時には、正常時と比較して特定の周波数成分が増大するとの知見が得られた。ここで、アイドリング時における３６０°回転差分値に対する周波数解析結果（ＦＦＴ解析結果）を図４に示す。図４（各グラフ）の横軸は周波数（Ｈｚ）であり、縦軸はスペクトル強度である。図４（中央および右側のグラフ）に示されるように、アイドリング時に気筒間ばらつきが発生したときには、正常時（図４の左側のグラフ）と比較して、特定の成分が増大することが判明した。

そこで、図１に戻り、周波数成分抽出部５４は、回転変動検出部５１により検出された３６０°回転差分値に含まれる、エンジン１０の燃焼サイクルに応じた特定の周波数成分を抽出する。すなわち、周波数成分抽出部５４は、特許請求の範囲に記載の周波数成分抽出手段として機能する。

ここで、図５に示されるように、気筒間ばらつき異常（回転変動）は、エンジン１０の１燃焼サイクルを１周期として変動する。そのため、抽出する周波数成分（帯域）はエンジン回転数に依存して変化する。よって、より具体的には、周波数成分抽出部５４は、エンジン１０の１燃焼サイクルに相当する周波数成分を選択的に通過させるバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）５４ａを有し、該バンドパスフィルタ５４ａによりエンジンの１燃焼サイクルに相当する周波数成分を抽出する。なお、図５は、アイドリング時における３６０°回転差分値の波形を示す図である。図５の横軸は時間（ｓｅｃ．）であり、縦軸は３６０°回転差分値である。

また、上述したように、抽出する周波数成分（帯域）はエンジン回転数に依存して変化するため、所望する成分をより安定して抽出するために、周波数成分抽出部５４では、エンジン１０がアイドリング状態にあるときに、エンジンの１燃焼サイクルに相当する周波数成分を抽出することが好ましい。ここで、アイドリング時の回転数を例えば８００ｒｐｍとした場合、１燃焼サイクルに要する時間は８００ｒｐｍ＝４００ｃｙｃｌｅ／ｍｉｎ＝６．６６７Ｈｚとなる。よって、この帯域の周波数成分を抽出するよう通過周波数帯域を設定した。

また、本実施形態では、バンドパスフィルタ５４ａとして、例えば、次式（１）で表されるフィルタ出力値算出式を用いた。
ｈ（０）〜ｈ（Ｎ）をフィルタ関数、ｘ（ｎ）〜ｘ（ｎ−Ｎ）を３６０°回転差分値、ｙ（ｎ）をフィルタ出力値とすると
ｙ（ｎ）＝ｘ（ｎ）＊ｈ（０）＋ｘ（ｎ−１）＊ｈ（１）＋・・・＋ｘ（ｎ−Ｎ）＊ｈ（Ｎ） ・・・（１）
なお、周波数成分抽出部５４により抽出された（すなわちバンドパスフィルタ５４ａから出力された）周波数成分は、周波数成分式異常判定部５５に出力される。

周波数成分式異常判定部５５は、周波数成分抽出部５４により抽出された周波数成分に基づいて、気筒間ばらつき異常の有無を判定する。すなわち、周波数成分式異常判定部５５は、特許請求の範囲に記載の周波数成分式異常判定手段として機能する。

より具体的には、周波数成分式異常判定部５５は、図６に示されるように、上記周波数成分を２乗した値を所定時間積算した値（診断値）が、所定のしきい値を超えた場合に気筒間ばらつき異常が生じていると判定する。ここで、図６は、特定周波数成分の積算値（診断値）による気筒間ばらつき異常検知を説明するための図である。図６の横軸は時間（ｓｅｃ．）、縦軸は診断値（パラメータ）である。また、図６では、気筒間ばらつき異常時のデータを実線で、正常時のデータを一点鎖線でそれぞれ示した。周波数成分式異常判定部５５による判定結果（気筒間ばらつき異常の有無）は、気筒間ばらつき異常確定部５６に出力される。

気筒間ばらつき異常確定部５６は、回転変動式異常判定部５２、空燃比変動式異常判定部５３、および周波数成分式異常判定部５５それぞれの判定結果に基づいて、気筒間ばらつき異常の有無を確定する。すなわち、気筒間ばらつき異常確定部５６は、特許請求の範囲に記載の気筒間ばらつき異常確定手段として機能する。

より具体的には、気筒間ばらつき異常確定部５６は、回転変動式異常判定部５２により異常がないと判定された場合には、気筒間ばらつき異常が発生していないと確定する。一方、気筒間ばらつき異常確定部５６は、回転変動式異常判定部５２により異常があると判定され、かつ空燃比変動式異常判定部５３により異常があると判定された場合に、気筒間ばらつき異常が発生していると確定する。

また、気筒間ばらつき異常確定部５６は、回転変動式異常判定部５２により異常があると判定され、空燃比変動式異常判定部５３により異常がないと判定された場合において、周波数成分式異常判定部５５により異常があると判定されたときには、気筒間ばらつき異常が発生していると確定する。

さらに、気筒間ばらつき異常確定部５６は、回転変動式異常判定部５２により異常があると判定され、空燃比変動式異常判定部５３により異常がないと判定された場合において、周波数成分式異常判定部５５により異常がないと判定されたときには、気筒間ばらつき異常が発生していないと確定する。

ここで、空燃比（Ａ／Ｆ）変動法における、ＬＡＦセンサ１９の応答性劣化度合と上記診断値との関係を図７に示す。図７に示されるように、ＬＡＦセンサ１９の応答性が悪化すると、気筒間ばらつき異常発生時に特有の周期的な振動の振幅が減少する（又は振動が出力されなくなる）。その結果、上記診断値の値が小さくなり、気筒間ばらつき異常が生じているにもかかわらず、正常であると誤判定するおそれがある。ここで、ＬＡＦセンサ１９の劣化度合が大きければセンサ異常（フェイル）であると認識することができるが、センサ異常（フェイル）にまでは至らない劣化度合であると、センサ異常（フェイル）とされず、かつ気筒間ばらつき異常を検知できない領域が生じてしまう。本実施形態は、このような劣化度合のときであっても、気筒間ばらつき異常を確実に検知することを可能とする。

次に、図８を参照しつつ、気筒間ばらつき異常検知装置１の動作について説明する。図８は、気筒間ばらつき異常検知装置１による気筒間ばらつき異常検知処理の処理手順を示すフローチャートである。本処理は、ＥＣＵ５０において、所定のタイミングで繰り返して実行される。

まず、ステップＳ１００では、エンジン１０の気筒毎に３６０°クランク角間の回転角速度が算出され、気筒間（対向気筒間、例えば＃１と＃２、＃３と＃４など）の回転角速度差、すなわち３６０°回転差分値が取得される。

次に、ステップＳ１０２では、ステップＳ１００で取得された３６０°回転差分値に基づいて、回転変動法による気筒間ばらつき異常が検知されたか否かについての判断が行われる。なお、回転変動法による気筒間ばらつき異常検知方法は上述した通りであるので、ここでは詳細な説明を省略する。ここで、回転変動法による気筒間ばらつき異常が検知された場合には、ステップＳ１０６に処理が移行する。一方、回転変動法による気筒間ばらつき異常が検知されなかったときには、ステップＳ１０４において、気筒間ばらつき異常が生じていないこと（すなわち正常であること）が確定された後、本処理から一旦抜ける。

ステップＳ１０６では、ＬＡＦセンサ１９により検出された空燃比が読み込まれる。そして、続くステップＳ１０８では、ステップＳ１０６で読み込まれた空燃比の変動に基づいて、空燃比（Ａ／Ｆ）変動法による気筒間ばらつき異常が検知されたか否かについての判断が行われる。なお、空燃比変動法による気筒間ばらつき異常検知方法は上述した通りであるので、ここでは詳細な説明を省略する。ここで、空燃比変動法による気筒間ばらつき異常が検知されなかった場合には、ステップＳ１１０に処理が移行する。一方、空燃比変動法による気筒間ばらつき異常が検知されたときには、ステップＳ１１２において、気筒間ばらつき異常が生じていること（すなわち異常であること）が確定された後、本処理から一旦抜ける。

ステップＳ１１０では、ステップＳ１００で取得された３６０°回転差分値に基づいて、周波数成分法による気筒間ばらつき異常が検知されたか否かについての判断が行われる。なお、周波数成分法による気筒間ばらつき異常検知方法は上述した通りであるので、ここでは詳細な説明を省略する。ここで、周波数成分法による気筒間ばらつき異常が検知されなかった場合には、ステップＳ１０４において、気筒間ばらつき異常が生じていないこと（すなわち正常であること）が確定された後、本処理から一旦抜ける。一方、周波数成分法による気筒間ばらつき異常が検知されたときには、ステップＳ１１２において、気筒間ばらつき異常が生じていること（すなわち異常であること）が確定される。そして、その後、本処理から一旦抜ける。

以上、詳細に説明したように、本実施形態によれば、３６０°回転差分値（回転変動）に基づいて気筒間ばらつき異常の有無を判定する回転変動式異常判定部５２と、空燃比の変動に基づいて気筒間ばらつき異常の有無を判定する空燃比変動式異常判定部５３とに加えて、３６０°回転差分値（回転変動）に含まれるエンジン１０の燃焼サイクルに応じた特定の周波数成分に基づいて、気筒間ばらつき異常の有無を判定する周波数成分式異常判定部５５を備えている。そして、回転変動式異常判定部５２により異常があると判定されたときには、空燃比変動式異常判定部５３により異常がないと判定されたとしても、周波数成分式異常判定部５５により異常があると判定されれば、気筒間ばらつき異常であると確定する。そのため、経年劣化等によりＬＡＦセンサ１９の応答性が悪化し、気筒間ばらつき異常を検知できなくなったとしても（すなわち気筒間ばらつきが生じているにも拘らず空燃比変動法では正常と誤判定してしまったとしても）、正確な気筒間ばらつき異常判定を行うことができる。よって、経年劣化等によりＬＡＦセンサ１９の応答性が悪化した場合であっても、確実に気筒間ばらつき異常を検知することが可能となる。

ところで、空燃比変動式異常判定部５３により異常がないと判定され、かつ、周波数成分式異常判定部５５により異常がないと判定されたときには、ＬＡＦセンサ１９の劣化がなく（応答性が低下しておらず）、空燃比変動式異常判定部５３による判定結果は正しい蓋然性が高い。よって、このような場合には、回転変動式異常判定部５２により異常があると判定されたとしても、気筒間ばらつき異常が生じていないと確定することにより、誤検知を適切に防止することが可能となる。

本実施形態によれば、エンジン１０の気筒毎に３６０°クランク角間の回転角速度が算出され、気筒間の回転角速度差（３６０°回転差分値）から回転変動が検出される。そのため、気筒間の回転変動を精度よく取得することが可能となる。

本実施形態によれば、バンドパスフィルタ５４ａによって３６０°回転差分値（波形）からエンジン１０の１燃焼サイクルに相当する周波数成分が抽出されるため、気筒間ばらつき異常に特有の周波数成分を抽出することができ、精度よく気筒間ばらつき異常の有無を判定することが可能となる。

また、本実施形態によれば、エンジン１０がアイドリング状態にあるとき、すなわち、エンジン回転数が略一定で安定しているときに、エンジン１０の１燃焼サイクルに相当する周波数成分が抽出されることにより、気筒間ばらつき異常発生時に特徴的な周波数成分を的確に抽出することが可能となる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、本発明を４気筒エンジンに適用した場合を例にして説明したが、本発明は、２気筒以上のエンジンであれば、４気筒エンジンに限られることなく、適用することができる。また、本発明は、水平対向型のエンジンに限られず、直列型やＶ型等のエンジンにも適用することができる。

上記実施形態では、エンジン１０の気筒毎に３６０°クランク角間の回転角速度を算出し、気筒間（対向気筒間）の回転角速度差（３６０°回転差分値）を求めたが、回転角速度差を求めるクランク角間隔は３６０°ＣＡに限られることなく、要件等に応じて任意に設定することができる。また、上記実施形態では、４気筒エンジンの場合を例にして３６０°に設定したが、４気筒以外のエンジンの場合には、気筒数に応じて（７２０°／（気筒数／２））変更することが好ましい。

上記実施形態では、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）５４を用いて３６０°回転差分値からエンジン１０の１燃焼サイクルに相当する周波数成分を抽出したが、例えば、ＦＦＴを用いた周波数解析により当該周波数のスペクトル強度を取得し、該スペクトル強度に応じて気筒間ばらつき異常の有無を判定する構成とすることもできる。

上記実施形態では、本発明を筒内噴射式のエンジンに適用した場合を例にして説明したが、本発明は、ポート噴射式のエンジン等にも適用することができる。

１ 気筒間ばらつき異常検知装置
１０ エンジン
１０ａ クランクシャフト
１１ インテークマニホールド
１２ インジェクタ
１３ 電子制御式スロットルバルブ
１４ エアフローメータ
１７ 点火プラグ
１９ 空燃比センサ（ＬＡＦセンサ）
３１ スロットル開度センサ
３２ カム角センサ
３３ クランク角センサ
３３ａ タイミングロータ
５０ ＥＣＵ
５１ 回転変動検出部
５２ 回転変動式異常判定部
５３ 空燃比変動式異常判定部
５４ 周波数成分抽出部
５４ａ バンドパスフィルタ
５５ 周波数成分式異常判定部
５６ 気筒間ばらつき異常確定部

Claims (6)

1. 複数の気筒を有するエンジンの気筒間の回転変動を検出する回転変動検出手段と、
   前記回転変動検出手段により検出された回転変動に基づいて、気筒間ばらつき異常の有無を判定する回転変動式異常判定手段と、
   エンジンの排気ガス中の酸素濃度、未燃ガス濃度から混合気の空燃比を検出する空燃比検出手段と、
   前記空燃比検出手段により検出された空燃比の変動に基づいて、気筒間ばらつき異常の有無を判定する空燃比変動式異常判定手段と、
   前記回転変動検出手段により検出された回転変動に含まれる、エンジンの燃焼サイクルに応じた特定の周波数成分を抽出する周波数成分抽出手段と、
   前記周波数成分抽出手段により抽出された特定の周波数成分に基づいて、気筒間ばらつき異常の有無を判定する周波数成分式異常判定手段と、
   前記回転変動式異常判定手段により異常があると判定され、かつ前記空燃比変動式異常判定手段により異常があると判定された場合に、気筒間ばらつき異常であると確定する気筒間ばらつき異常確定手段と、を備え、
   前記気筒間ばらつき異常確定手段は、前記回転変動式異常判定手段により異常があると判定され、前記空燃比変動式異常判定手段により異常がないと判定された場合において、前記周波数成分式異常判定手段により異常があると判定されたときには、気筒間ばらつき異常であると確定することを特徴とする気筒間ばらつき異常検知装置。
2. 前記気筒間ばらつき異常確定手段は、
   前記回転変動式異常判定手段により異常がないと判定された場合には、気筒間ばらつき異常がないと確定し、
   前記回転変動式異常判定手段により異常があると判定され、前記空燃比変動式異常判定手段により異常がないと判定された場合において、前記周波数成分式異常判定手段により異常がないと判定されたときには、気筒間ばらつき異常がないと確定する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の気筒間ばらつき異常検知装置。
3. 前記回転変動検出手段は、エンジンの気筒毎に７２０°／（気筒数／２）クランク角間の回転角速度を算出し、気筒間の回転角速度差から回転変動を検出することを特徴とする請求項１又は２に記載の気筒間ばらつき異常検知装置。
4. 前記周波数成分抽出手段は、エンジンの１燃焼サイクルに相当する周波数成分を選択的に通過させるバンドパスフィルタを有し、該バンドパスフィルタによりエンジンの１燃焼サイクルに相当する周波数成分を抽出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の気筒間ばらつき異常検知装置。
5. 前記周波数成分抽出手段は、エンジンがアイドリング状態にあるときに、エンジンの１燃焼サイクルに相当する周波数成分を抽出することを特徴とする請求項４に記載の気筒間ばらつき異常検知装置。
6. 前記周波数成分式異常判定手段は、前記周波数成分を２乗した値を所定時間積算した値が、所定のしきい値を超えた場合に気筒間ばらつき異常があると判定することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の気筒間ばらつき異常検知装置。
   

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