JP4700079B2 - 気筒間の空燃比の不均衡を判断するための装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関の気筒間の空燃比の不均衡（imbalance）を判断するための装置に関する。

複数の気筒を備える内燃機関において、気筒間で混合気の空燃比がばらつくと、排ガスを浄化する三元触媒の浄化率が低下し、エミッションが悪化するおそれがある。

エミッションを悪化させるものとして失火があるが、下記の特許文献１では、空燃比センサの出力平均値および出力振れ幅に基づいて失火の生じた気筒を特定する手法が記載されている。
特開平３−１８９３７１号公報

複数の気筒間において空燃比がばらついているかどうかを、より効率的かつ良好な精度で判断することができれば、該ばらつきを補償する制御の効率性および精度を向上させることができる。したがって、この発明は、良好な精度を維持しつつ、より簡単に、気筒間において空燃比がばらついているかどうかを判断する手法を提案する。

この発明の一つの側面によると、複数の気筒を備える内燃機関の制御装置は、内燃機関の空燃比を検出する検出手段（１６）と、該検出された空燃比を示す信号（ＫＡＣＴ）から、内燃機関の回転数の０．５次の周波数成分を抽出するよう、該信号をバンドパスフィルタでフィルタリングするフィルタリング手段（５２）と、該フィルタリングされた信号を所定期間にわたって積算し、第１の積算値を算出する積算手段（５３）と、該所定期間経過後、該第１の積算値が所定のしきい値より大きければ、複数の気筒間において空燃比がばらついている状態が生じていると判断する判断手段（５５）と、を備える。

複数の気筒のうちのいずれかの気筒の空燃比と他の気筒の空燃比との間に不均衡がある場合、または、燃料の噴射が連続する２つの気筒の空燃比と他の気筒の空燃比との間に不均衡がある場合には、空燃比センサから検出される空燃比を示す信号において、エンジン回転数の０．５次周波数成分における値が高い。この発明は、この知見に鑑みてなされたものであり、検出された該空燃比を示す信号から、エンジン回転数の０．５次周波数成分を抽出し、該抽出した周波数成分の大きさを調べることにより、気筒間において空燃比の不均衡が生じているかどうかを簡単に調べることができる。

この発明の一実施形態では、さらに、上記検出された空燃比を示す信号から、内燃機関の回転数の１次の周波数成分を抽出するよう、該信号を第２のバンドパスフィルタでフィルタリングする手段（５２ｂ）と、該第２のバンドパスフィルタによってフィルタリングされた信号を上記所定期間にわたって積算し、第２の積算値を算出する手段（５３ｂ）と、を備える。該所定期間経過後、第１の積算値が上記所定のしきい値より大きい、または第２の積算値が所定の第２のしきい値より大きければ、複数の気筒間において空燃比がばらついている状態が生じていると判断する。

内燃機関の形態によっては、燃料噴射が不連続の２つの気筒の空燃比と他の気筒の空燃比との間に不均衡がある場合には、検出された空燃比を示す信号において、エンジン回転数の１次の周波数成分が高い値として現れる。したがって、０．５次だけでなく１次の周波数成分を抽出することにより、このような形態の内燃機関についても、気筒間で空燃比に不均衡が生じているかどうかを簡単な手法で見極めることができる。

この発明の一実施形態では、さらに、内燃機関の運転状態に応じて、補正係数を決定する手段（５４）と、上記第１の積算値を、該補正係数で補正する手段（５４）と、を備える。検出された空燃比を示す信号は、内燃機関の運転状態に応じて異なる値を呈することがある。この発明によれば、該運転状態に応じた補正係数で補正することにより、積算値を、該運転状態に依存しない値とすることができる。したがって、運転状態に係わらず、しきい値を一定にすることができる。一実施形態では、該運転状態は、内燃機関の回転数（ＮＥ）および吸気管圧力（ＰＢ）を含む。

この発明の一実施形態では、内燃機関の運転状態に基づいて、所定の条件が満たされるかどうかを判断する手段（５１）を備え、該所定の条件が満たされたならば、上記フィルタリング、積算、および判断処理を許可する。

運転状態の領域によっては、排ガスボリュームの不足や空燃比センサの応答性の低下等によって、良好な精度で空燃比の不均衡判断を行うのが難しい場合がある。したがって、このような場合には、不均衡判断を禁止する。一実施形態では、所定の条件には、内燃機関の回転数が所定範囲内にあり、かつ該内燃機関の吸気管圧力が所定値より大きいことを含む。こうすることにより、空燃比センサの応答性が確保される運転状態において空燃比不均衡を判断することができる。

この発明の一実施形態では、上記の所定期間中に、或る周期で上記所定の条件が満たされなくなったならば、積算処理を禁止して、前回の周期で算出された積算値を保持し、その後、該所定の条件が満たされたことに応じて、該保持された積算値を用いて積算処理を再開する。こうして、積算処理を実行している期間中に、たとえば運転状態の変動等によって所定の条件を満たさなくなった場合でも、積算処理を一時的に停止した後に該積算処理を再開するので、空燃比不均衡の判断結果を得ることができる。

次に図面を参照してこの発明の実施の形態を説明する。図１は、この発明の一実施形態に従う、内燃機関（以下、エンジンと呼ぶ）およびその制御装置の全体的な構成図である。

電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」）という）１は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）およびメモリを備えるコンピュータである。メモリには、車両の様々な制御を実現するためのコンピュータ・プログラムおよび該プログラムの実施に必要なデータ（マップを含む）を格納することができる。ＥＣＵ１は、車両の各部から信号を受取ると共に、該メモリに記憶されたデータおよびプログラムに従って演算を行い、車両の各部を制御するための制御信号を生成する。

エンジン２は、たとえば４気筒を有するエンジンである。エンジン２には、吸気通路３および排気通路４が連結されている。吸気通路３には、スロットル弁５が設けられている。スロットル弁５の開度は、ＥＣＵ１からの制御信号に従って制御される。スロットル弁５の開度を制御することにより、エンジン２に吸入される空気の量を制御することができる。スロットル弁５には、スロットル弁の開度を検出するスロットル弁開度（θＴＨ）センサ６が連結されており、この検出値は、ＥＣＵ１に送られる。

燃料噴射弁７が、エンジン２とスロットル弁５との間であって、エンジン２の吸気弁（図示せず）の少し上流側に、気筒ごとに設けられている。燃料噴射弁７は、燃料タンク２９に接続されており、燃料タンク２９からの燃料を噴射する。燃料噴射弁７の燃料噴射時期および燃料噴射量は、ＥＣＵ１からの制御信号に従って変更される。

スロットル弁の上流には、吸気通路３を流れる空気の量を検出するエアフローメータ（ＡＦＭ）８が設けられている。

スロットル弁５の下流には、絶対圧（ＰＢ）センサ１０が設けられており、吸気通路３内の圧力ＰＢを検出する。また、絶対圧センサ１０の下流には吸気温（ＴＡ）センサ１１が設けられており、吸気通路３内の温度を検出する。これらの検出値は、ＥＣＵ１に送られる。また、エンジン２には、エンジンの水温ＴＷを検出するためのエンジン水温センサ１２が設けられており、該センサの検出値は、ＥＣＵ１に送られる。

ＥＣＵ１には、エンジン１のクランク軸の回転角度を検出するクランク角センサ１３が接続されており、該センサの検出値はＥＣＵ１に供給される。クランク角センサ１３は、所定のクランク角度（たとえば３０度）毎に１パルス（ＣＲＫパルス）を発生し、該パルスにより、クランク軸の回転角度位置を特定することができる。ＥＣＵ１は、該ＣＲＫパルスに基づいてエンジン回転数ＮＥを算出する。また、クランク角センサ１３は、ピストンの上死点（ＴＤＣ）位置に関連したクランク角度で、ＴＤＣ信号をＥＣＵ１に出力する。

排気通路４には、たとえば種々の触媒によって実現されることのできる排ガス浄化装置１５が設けられており、各気筒から排気通路４に流出される排ガスを浄化して、大気に放出する。

排ガス浄化装置１５の上流には、空燃比（ＬＡＦ）センサ１６が設けられている。空燃比センサ１６は、混合気のリーンからリッチにわたる領域の空燃比をリニアに検出してＥＣＵ１に送る。この実施例では、空燃比センサの出力から、検出当量比ＫＡＣＴが検出される。検出当量比ＫＡＣＴは、空燃比を示す信号であり、「空燃比／理論空燃比」によって算出される。検出当量比の値が１より小さければ、空燃比がリーンであることを示し、１より大きければリッチであることを示す。

ＥＧＲ通路１８が、吸気通路３と排気通路４の間に接続されており、ＥＧＲ通路１８を介して、排気通路４の排ガスを吸気通路３に還流し、各気筒に供給することができる。還流率（還流する排ガスの量／新気の吸入空気量）は、ＥＧＲ弁１９により調整することができる。ＥＧＲ弁１９の開度は、ＥＣＵ１からの制御信号に従って変更される。

燃料タンク２９は、チャージ通路２０を介してキャニスタ２１に接続されている。キャニスタ２１は、燃料タンク９内で発生する蒸発燃料を吸着する吸着剤２２を内蔵すると共に、外気取り込み口２３を有する。

キャニスタ２１は、パージ通路２７を介して吸気通路３のスロットル弁５の下流側に接続されている。パージ通路２７にはパージ制御弁２８が設けられている。パージ制御弁は、ＥＣＵ１からの制御信号に従って、デューティ制御される。制御信号すなわちデューティ信号で表される開弁（オン）時間と閉弁（オフ）時間の比率（デューティ比）を変更することにより、パージ制御弁の開弁量を連続的に制御することができる。こうして、パージ制御弁２８は、パージ通路２７を吸気通路３に向けて流れる蒸発燃料の量を制御する。

こうして、燃料噴射弁７からの燃料、ＥＧＲ通路１８からのＥＧＲガス、パージ通路２７からの蒸発燃料、および吸気通路３からの空気の混合気が、エンジン２の燃焼室内で燃焼する。

ＥＣＵ１は、上記各種センサからの入力信号に応じて、メモリに記憶されたプログラムおよびデータ（マップを含む）に従い、エンジン２の運転状態を検出すると共に、スロットル弁５、燃料噴射弁７、ＥＧＲ弁１９およびパージ制御弁２８等を制御するための制御信号を生成する。

ここで、本願発明の原理を説明する。図２を参照すると、直列４気筒エンジンにおいて、空燃比センサ１６によって検出された空燃比を当量比ＫＡＣＴで表したグラフが示されている。前述したように、検出当量比ＫＡＣＴは、値１より大きければ混合気がリッチであることを示し、値１より小さければ混合気がリーンであることを示す。図に示す１サイクルは、第１気筒〜第４気筒について燃焼が順番に実行されるサイクル（より具体的には、第１気筒―＞第３気筒―＞第４気筒―＞第２気筒の順番）を示し、この実施例では、７２０度のクランク角度期間に対応する。したがって、クランク角度１８０度毎に、いずれか１つの気筒の燃焼が行われる。

（ａ）は、４気筒間において空燃比が均衡されている状態（バランス状態）を示しており、検出当量比ＫＡＣＴが、すべての気筒において、矢印１０１で示すような所定のレンジ（この例では、０．０１のレンジ）内に収まっている。

（ｂ）は、４気筒間において空燃比が不均衡になっている状態（インバランス状態）を示しており、１サイクルにおいて、検出当量比ＫＡＣＴが、（ａ）に示すような所定のレンジ内に収まっていない部分がある。この例では、第１気筒のみが、他の気筒よりも２０％だけ空燃比がリッチになるよう燃料が噴射された場合を示している。このように、インバランス状態は、少なくとも１つの気筒についての空燃比と、他の気筒の空燃比との間に不均衡（ずれ）がある状態を示し、たとえば、燃料噴射弁７、パージ制御弁２８等を含む蒸発燃料を処理する装置、ＥＧＲ制御弁１９等を含むＥＧＲガスを処理する装置に関する構成要素の不具合等に起因して起こり得る。

図から明らかなように、バランス状態においては、検出当量比ＫＡＣＴに周期的な変動が生じないが、インバランス状態においては、周期的な変動が生じている。したがって、検出当量比ＫＡＣＴから、変動する成分（変動成分）を抽出することにより、インバランス状態かどうかを判断することができる。

以下、直列４気筒エンジンとＶ型６気筒エンジンを例にあげて、インバランス状態を判断する手法の原理について説明する。

図３の（ａ）は、図１のエンジン２が、直列４気筒エンジンである場合の、空燃比（ＬＡＦ）センサ１６の配置を説明するための概略図である。このエンジンでは、４つの気筒２ａから２ｄが設けられ、吸気通路３の集合部３２で分岐された吸気管３ａから３ｄは各気筒に連結され、各気筒の排気管４ａ〜４ｂは、集合部３１において排気通路４に連結されている。空燃比センサ１６は、該排気通路４に設けられている。

図３の（ｂ）は、図１のエンジン２がＶ型６気筒エンジンである場合の、空燃比（ＬＡＦ）センサの配置を説明するための概略図である。このエンジンでは、第１のバンクおよび第２のバンクのそれぞれに３個の気筒２ａ〜２ｃおよび２ｄ〜2eが設けられている。第１のバンクについて、吸気通路３の集合部３２で分岐された吸気管３ａから３ｃが各気筒に連結され、各気筒からの排気管４ａから４ｃは、集合部３１ａにおいて排気通路３５ａに連結されており、該排気通路３５ａに１個の空燃比センサ１６ａが設けられている。第２のバンクについても、同様の構成を有する。

図４は、図３（ａ）に示されるような直列４気筒エンジンの場合を示し、当該エンジンでは、１サイクルの間（クランク角度７２０度期間）に、＃１―＞＃３―＞＃４―＞＃２の気筒の順番で燃料が噴射される。（ａ）は、気筒間において空燃比が均衡されている状態の検出当量比ＫＡＣＴの周波数スペクトルを示す。横軸の「０．５次」は、エンジン回転数の０．５次周波数成分を示し、「１次」は、エンジン回転数の１次周波数成分を示す。

（ｂ）は、第１の気筒のみをリッチにし、他の気筒をリーンにした場合、（ｃ）は、燃料噴射が連続する２つの気筒（この例では、第１および第３気筒）においてリッチにし、他の気筒をリーンにした場合、（ｄ）燃料噴射が不連続の２つの気筒（この例では、第１および第４の気筒であり、以下、対向２気筒と呼ぶ）においてリッチにし、他の気筒をリーンにした場合を示し、それぞれの場合について、リッチおよびリーンを示す信号、検出当量比ＫＡＣＴ、および検出当量比ＫＡＣＴの周波数スペクトルが示されている。

図に示されるように、（ｂ）のように１つの気筒のみについて空燃比がずれている場合には、エンジン回転数の０．５次周波数成分において出力が高くなっている。（ｃ）のように連続２気筒について空燃比がずれている場合にも、０．５次周波数成分において出力が高くなっている。（ｄ）のように対向２気筒について空燃比がずれている場合には、エンジン回転数の１次の周波数成分において出力が高くなっている。

仮に、エンジン回転数が１０００ｒｐｍとすると、１次周波数は、（１０００／６０）Ｈｚであり、よって、６０ミリ秒（クランク角度３６０度の期間＝１／２サイクル）の周期に対応し、０．５次周波数は、（１０００／１２）Ｈｚであり、よって、１２０ミリ秒（クランク角度７２０度の期間＝１サイクル）の周期に対応する。エンジン回転数が３０００ｒｐｍの場合には、１次周波数は２０ミリ秒（クランク角度３６０度の期間）の周期に対応し、０．５次周波数は４０ミリ秒（クランク角度７２０度の期間）の周期に対応する。したがって、（ｂ）および（ｃ）の場合には、検出当量比ＫＡＣＴが１サイクルの周期で変動し、（ｄ）の場合には、検出当量比ＫＡＣＴが、２分の１サイクルの周期で変動する。

このように、直列４気筒のエンジンの場合には、エンジン回転数の０．５次周波数および１．０次周波数成分を空燃比センサの出力から抽出することにより、空燃比の不均衡に起因する変動成分を良好に抽出することができる。

図５は、図３（ｂ）に示すようなＶ型６気筒型のエンジンの場合を示す。当該エンジンでは、１サイクルの間（クランク角度７２０度期間）に、＃１―＞＃４―＞＃２―＞＃５―＞＃３―＞＃６の気筒の順番で燃料が噴射される。前述したように、Ｖ型エンジンの場合には、バンクごとに空燃比センサが設けられるので、図には、第１〜第３気筒を備える第１のバンクについての検出当量比ＫＡＣＴの波形が示されている。当然ながら、第２のバンクについても同様のことがあてはまる。

（ａ）は、気筒間において空燃比が均衡されている状態の検出当量比ＫＡＣＴの周波数スペクトルを示す。（ｂ）は、第１の気筒のみをリッチにし、他の気筒をリーンにした場合、（ｃ）は、燃料噴射が連続する２つの気筒（この例では、第１および第２気筒）においてリッチにし、他の気筒をリーンにした場合の、リッチおよびリーンを示す信号、検出当量比ＫＡＣＴ、および検出当量比ＫＡＣＴの周波数スペクトルが示されている。１つのバンクの気筒数が３個であるので、図４（ｄ）のような対向２気筒のケースは存在しない。したがって、エンジン回転数の０．５次周波数成分のみを抽出すれば、気筒間における空燃比の不均衡を判断することができる。

図６は、本願発明の一実施形態に従う、気筒間において空燃比がインバランス状態にあるかどうかを診断するための制御装置のブロック図を示す。

診断条件判定部５１は、インバランス状態を見極めるための診断プロセスの実行を許可するための所定の条件が満たされたかどうかを、エンジンの運転状態に基づいて判断する。この実施例では、該所定の条件には、空燃比センサ１６の応答特性に依存した条件が含まれる。該応答特性は、主に、エンジン回転数ＮＥと吸気管圧力ＰＢに基づいて決まる。

ここで、図７（ａ）を参照すると、エンジン回転数ＮＥと吸気管圧力ＰＢとに基づく空燃比センサの応答特性の概略が示されている。この例では、所定範囲のエンジン回転数を４つのレンジに分けており、ＮＥ１〜ＮＥ４に向かって回転数の値は高くなっている。また、所定範囲の吸気管圧力を４つのレンジに分けており、ＰＢ１からＰＢ４に向かって吸気管圧力の値は高く（すなわち負荷が高く）なっている。なお、ここで示すレンジの数は一例であり、他の数のレンジを設定してもよい。

低回転数および低負荷（低吸気管圧力）の領域では、排ガスのボリュームが不足するため、空燃比センサの出力が比較的小さい。また、高回転数の領域では、１サイクルの時間長が短いので、空燃比センサの出力が実際の空燃比変化に追従することが困難になる（空燃比センサの応答性の限界領域である）。したがって、エンジンの現在の運転状態がこれらの領域にあるときには、診断プロセスの実行を禁止するのが好ましい。

診断可能領域では、図７（ｂ）に示されるように、空燃比センサの応答性（空燃比センサの出力の大きさで表される）が最大、大、中および小とランク付けされることができる。エンジン回転数が低くなるほど、１サイクルの時間長が長くなるので、空燃比センサの応答性は良好になる。また、高負荷になるほど、排ガスボリュームが大きくなるので、応答性が良好になる。診断条件判定部５１は、エンジンの運転状態がこれらの診断可能領域にあるときには、診断プロセスの実行を許可する。

上記では、排ガスボリューム不足となる領域を、吸気管圧力およびエンジン回転数に基づいて説明したが、排ガスボリュームが不足しているかどうかは、吸気管圧力およびエンジン回転数とは異なる運転状態パラメータに基づいて判断してもよい。たとえば、吸入空気量（これは、ＡＦＭ８により検出されることができる）に基づいて判断してもよいし、燃料噴射量に基づいて判断してもよい。また、吸入空気量および燃料噴射量から排ガスボリュームの値を算出し、該算出した排ガスボリュームの値に基づいて判断してもよい。

診断プロセスの実行を許可するかどうかの上記所定の条件には、他の条件を含めることができ、この具体例については後述される。

図６に戻り、バンドパスフィルタ５２は、空燃比センサ１６から検出された当量比ＫＡＣＴから、エンジン回転数の０．５次の周波数成分を抽出するよう構成されている。当該バンドバスフィルタのフィルタ式の一例を、以下に示す。該フィルタは、この実施例では、再帰型デジタルフィルタとして実現される。ここで、ａ_０からａ_Ｎおよびｂ_１〜ｂ_Ｍは、シミュレーション等によって決定されることができるフィルタ係数を示す。ｘは、空燃比センサからの検出当量比ＫＡＣＴを示す。ｙは、フィルタの出力値を示す。ｎは、制御周期を示し、各制御周期の長さは、この実施例では、後述される積算および補正の周期と等しいか、またはそれ以下の長さを持つよう設定される。

検出当量比ＫＡＣＴがバンドパスフィルタ５２によってフィルタリングされることにより、フィルタ済み当量比が算出される。ここで、図８を参照すると、フィルタ済み当量比の一例が（ａ）に示されている。

図６に戻り、積算部５３は、前述したエンジン回転数の０．５次周波数に対応する周期毎に、該フィルタ済み当量比を積算する。具体的には、該周期毎に、フィルタ済み当量比を受け取り、該フィルタ済み当量比を積算値の前回値に加算することにより、積算値の今回値を算出する。こうして、図８の（ｂ）に示されるように、積算値は、該周期毎にステップ状に増加していく。積算値の初期値はゼロに設定されることができる。

補正部５４は、エンジンの現在の運転状態に応じた補正係数を取得し、上記の周期毎に該補正係数で該積算値を補正する。ここで、該補正係数の取得も、該周期毎に行ってもよい。

ここで、図７（ｃ）を参照すると、前述した図７（ｂ）の応答性のランク付けに従って、補正係数が割り振られている。応答性が大きくなるほど、低い値の補正係数が割り振られる。応答性が最大の領域では、１．０の補正係数が割り振られ、よって、実質的な補正は行われない。図に示すような補正係数を、たとえばマップとしてＥＣＵ１のメモリに記憶することができる。補正部５４は、現在のエンジン回転数ＮＥおよび吸気管圧力ＰＢに基づいて該マップを参照し、対応する補正係数を取得し、該補正係数を積算値に乗算することにより、補正を実行する。

前述した周期毎に補正係数を取得する場合、好ましくは、該周期中のエンジン回転数の平均値および吸気管圧力の平均値に基づいて該マップを参照し、対応する補正係数を取得する。平均値を用いることにより、周期中にエンジンの運転状態に変動が生じた場合でも、より適切な補正係数を選択することができる。

なお、図に示す補正係数の値は一例であり、これらの値に限定されるものではない。該補正により得られた値を、結果値と呼ぶ。エンジンの運転状態に応じた補正係数で補正することにより、結果値を、運転状態に依存しない値とすることができる。

再び図８を参照すると、結果値の一例が（ｃ）に示されている。時間ｔ０からｔ３にわたる期間では、補正係数として値１．２が取得され、周期毎に、該補正係数を積算値に乗算することにより得られた結果値が示されている。時間ｔ３以降の期間では、補正係数として値１．５が取得され、周期毎に、該補正係数を積算値に乗算することにより得られた結果値が示されている。（ａ）に示すように、時間ｔ１から開始する周期における時間ｔ２の時点で、エンジンの運転状態の変動に応じてフィルタ済み当量比の値に変動が生じている。時間ｔ２以降の期間の空燃比センサの応答性が、時間ｔ０〜ｔ２の期間の空燃比センサの応答性に比べて低下している。したがって、時間ｔ３から開始する次の周期では、より大きい値の補正係数が用いられ、これにより、（ｃ）に示すように、時間ｔ０〜ｔ３の領域における結果値の周期毎の増し分と、時間ｔ３以降の領域における結果値の周期毎の増し分とを同じにすることができる。こうして、運転状態に依存することなく、結果値を一定の増し分で増大させることができる。

積算部５３および補正部５４による周期毎の処理は、所定期間にわたって行われる。該所定期間は、予め設定されることができる（たとえば、２０サイクルに相当する期間であり、エンジン回転数が３０００ｒｐｍの場合には、０．８秒）。

図６に戻り、診断部５５は、該所定期間が経過した後の結果値を、所定のしきい値と比較する。前述したように、結果値は、運転状態に依存しない値であるので、しきい値は、運転状態とは関係なく一定の値に設定されることができる。該結果値がしきい値より大きければ、検出当量比ＫＡＣＴの変動が大きいことを示すので、気筒間において空燃比がインバランス状態にあると判断する。該結果値がしきい値以下であれば、検出当量比ＫＡＣＴの変動が小さいことを示すので、気筒間において空燃比がバランス状態にあると判断する。

ここで、しきい値の設定について、簡単に説明する。図９を参照すると、図７（ａ）で示した診断可能領域における上記結果値の分布（度数）について、シミュレーション結果の一例が示されている。この例は、吸気管圧力が、図７に示すＰＢ２の値であって、エンジン回転数が、図７に示すＮＥ２の値である場合のものである。符号１１１および１１２は、それぞれ、第１および第２気筒を他の気筒に比べて１０％リッチにした場合を示し、符号１２１および１２２は、それぞれ、第１および第２気筒を他の気筒に比べて２０％リッチにした場合を示す。

図から明らかなように、或る気筒と他の気筒との間の空燃比のずれが１０％以下であればバランス状態と判断し、或る気筒と他の気筒との間の空燃比のずれが２０％以上であればインバランス状態と判断する場合には、符号１１１および１１２で表される結果値と、符号１２１および１２２で表される結果値との間に、符号１３１に示されるようなしきい値を設定すればよい。このように、何パーセントのずれを境にバランス状態およびインバランス状態を区別するかに応じて、しきい値を設定することができる。

図１０は、本願発明の図６の実施形態に従う手法のシミュレーション結果の一例を示す。（ａ）には、バランス状態におけるバンドパスフィルタの出力と積算値の推移が示されており、（ｂ）には、インバランス状態におけるバンドパスフィルタの出力と積算値の推移が示されている（この例では、補正部５４による補正は行われていないと仮定する）。図に示されるように、バンドパスフィルタによって、検出当量比の変動成分が良好に抽出されている。該フィルタ済み当量比を積算することにより、インバランス状態を、バランス状態とより良好に区別して判断することができる。

図６に示す実施形態では、積算値に補正係数を乗算することにより補正を行ったが、代替的に、しきい値側を補正するようにしてもよい。この場合、図１１に示すように、しきい値を補正するしきい値補正部６３が設けられ、該しきい値補正部６３は、周期毎に、図７（ｃ）に示すような運転状態に応じた補正係数を取得し、該補正係数で、所定のしきい値を除算する。積算部５３は、フィルタ５２からのフィルタ済み当量比を積算し、診断部５５は、該積算値と該補正されたしきい値とを比較する。該積算値が該補正されたしきい値より大きければ、検出当量比ＫＡＣＴの変動が大きいことを示すので、気筒間において空燃比がインバランス状態にあると判断する。該積算値が該補正されたしきい値以下ならば、検出当量比ＫＡＣＴの変動が小さいことを示すので、気筒間において空燃比がバランス状態にあると判断する。

図１２は、本願発明の他の実施形態に従う制御装置のブロック図である。図６と異なるのは、図３を参照して前述した直列４気筒エンジンの対向２気筒の空燃比ずれについても検出可能なように、バンドパスフィルタは、空燃比センサ１６によって検出された当量比ＫＡＣＴから、エンジン回転数の０．５次周波数成分を抽出する第１のフィルタ５２ａと、エンジン回転数の１次周波数成分を抽出する第２のフィルタ５２ｂから成り、それぞれ、第１のフィルタ済み当量比および第２のフィルタ済み当量比が算出される。第１のフィルタ済み当量比は、該０．５次周波数に対応する周期（第１の周期と呼ぶ）毎に、第１の積算部５３ａによって積算され、第１の積算値を算出する。第２のフィルタ済み当量比は、該１次周波数に対応する周期（第２の周期と呼ぶ）毎に、第２の積算部５３ｂによって積算され、第２の積算値を算出する。

第１の積算値は、エンジンの運転状態に基づいて得られた補正係数により、前述したように、第１の周期毎に第１の補正部５４ａによって補正され、第１の結果値を算出する。第２の積算値は、エンジンの運転状態に基づいて得られた補正係数により、前述したように、第２の周期毎に第２の補正部５４ｂによって補正され、第２の結果値を算出する。診断部５５は、第１の結果値を第１のしきい値と比較し、第２の結果値を第２のしきい値と比較する。

一実施例では、第１の積算値を補正するための補正係数を、第１の周期毎に取得することができ、また、第２の積算値を補正するための補正係数を、第２の周期毎に取得することができる。

また、図４に示されるように、０．５次周波数成分における値の大きさと、１次周波数成分における値の大きさとは異なることがあるので、好ましくは、第１および第２のしきい値は、別個に設定され、たとえば図９を参照して説明したように設定されることができる。

診断部５５は、該２つの比較の結果、第１および第２の結果値のうちの少なくとも一方が、対応するしきい値より大きければ、気筒間の空燃比がインバランス状態にあると判断する。また、診断部５５は、該２つの比較の結果、第１および第２の結果値の両方が、対応するしきい値以下ならば、気筒間の空燃比がバランス状態にあると判断する。

当然ながら、図１２に示す実施形態を、図１１を参照して説明したようにしきい値を補正するよう変形することができ、第１および第２のしきい値を補正し、第１の積算値を補正済み第１のしきい値と比較し、第２の積算値を補正済み第２のしきい値と比較するようにしてもよい。

図１３は、本願発明の一実施形態に従う、診断条件を判断するプロセスのフローを示す。このプロセスは、ＥＣＵ１のＣＰＵにより、より具体的には図６、１１および１２の診断条件判定部５１により、所定の周期で実行される。一実施例では、後述する診断プロセスの周期と同様に、前述した０．５次周波数に対応する周期で実行することができる。

ステップＳ１において、エンジン回転数ＮＥが所定範囲内にあるかどうかを判断する。また、ステップＳ２において、吸気管圧力ＰＢが、所定値より大きいかどうかを判断する。これは、図７（ａ）を参照して述べたように、現在の運転状態が、空燃比センサ１６の応答特性が良好な診断可能領域内にあるかどうかを判断するための処理である。診断可能領域内になければ、ステップＳ１５に進み、診断条件フラグをゼロに設定して診断を禁止する。

前述したように、排ガスボリュームについては、エンジン回転数および吸気管圧力を用いず、吸入空気量および（または）燃料噴射量を用いてもよい。この場合には、たとえばステップＳ１において、ＡＦＭ８によって検出される吸入空気量が所定値以上かどうかを判断し、所定値以上ならば、エンジンの運転状態が、排ガスボリュームが不足している領域にはないと判断することができるので、ステップＳ２に進む。あるいは、燃料噴射量が所定値以上かどうかを判断し、該所定値以上ならば、ステップＳ２に進むようにしてもよいし、吸入空気量と燃料噴射量から排ガスボリュームを算出し、これが所定値以上ならば、ステップＳ２に進むようにしてもよい。そして、ステップＳ２では、エンジンの運転状態が、空燃比センサの応答性限界領域にないかどうかを判断するため、たとえば図７に示すように、エンジン回転数が所定値より低いかどうかを判断することができる。エンジン回転数が所定値より低ければ、ステップＳ３に進む。

ステップＳ３において、空燃比センサ１６が活性化しているかどうかを判断する。活性化していなければ、空燃比センサから正確な出力を得ることはできないので、ステップＳ１５において診断を禁止する。

ステップＳ４において、空燃比のフィードバック（ＦＢ）制御が実行されているかどうかを判断する。空燃比のフィードバックは、空燃比を所定の目標空燃比に収束させるための制御であり、任意の制御手法で実現されることができる。これは、空燃比が目標空燃比に制御されているにもかかわらず、空燃比が気筒間でばらついているかどうかを判断するようにするためである。したがって、フィードバック制御中でないときには、診断を禁止する（Ｓ１５）。

ステップＳ５において、エンジン水温ＴＷが所定値より大きいかどうかを判断する。エンジン水温ＴＷが低いと、燃料の付着によって検出当量比にスパイク状の変動が生じるおそれがあるので、診断を禁止する（Ｓ１５）。

ステップＳ６およびＳ７において、エンジン回転数の変動ΔＮＥおよび吸気管圧力ΔＰＢの変動が所定値より小さいかどうかを判断する。これらの変動が大きいと、空燃比センサの出力が安定しないおそれがあり、また、補正係数による補正を行いきれずにしきい値との比較において誤差を生じやすくなるので、診断を禁止する（Ｓ１５）。変動ΔＮＥは、たとえば、前回の制御周期と今回の制御周期の間の回転数ＮＥの差により表されることができ、変動ΔＰＢは、前回の制御周期と今回の制御周期の間の吸気管圧力ＰＢの差により表されることができる。

ステップＳ８において、燃料を増量する制御が行われているかどうかを判断する。燃料を増量する制御が行われていると、該燃料の増量によって空燃比のバランスが崩れやすくなるので、診断を禁止する（Ｓ１５）。

ステップＳ９において、パージ制御弁２８のデューティ比が、エンジン回転数ＮＥと同期しているかどうかを判断する。パージ制御弁は、前述したように、所定のデューティ比で開閉される。この開閉の周期が、エンジン回転数と同期していると（たとえば、パージ制御弁の開閉の周期とエンジン回転数の周期とが同じ時間長であるとき）、気筒に導入される蒸発燃料が増加して空燃比のバランスを崩すおそれがある。したがって、このような時には診断を禁止する（Ｓ１５）。

ステップＳ１０において、ＥＧＲの還流率が所定値より高いかどうかを判断する。ＥＧＲ還流率は、ＥＧＲ弁１９の開度によって制御されることができる。ＥＧＲの還流が動作中でないと、ＥＧＲ弁の故障等のＥＧＲ還流に関する故障に起因した気筒間の空燃比のインバランス状態を検出することができない。また、ＥＧＲ還流率が所定値より高くないと、該ＥＧＲ還流に関する故障に起因したインバランス状態が空燃比センサに現れないおそれがある。したがって、ＥＧＲ還流率が該所定値以下の場合には、診断を禁止する（Ｓ１５）。

ステップＳ１１において、空燃比センサの出力が、所定の上限値または下限値に張り付いているかどうかを判断する。上限値または下限値に張り付いていると、空燃比センサから周期的な波形が得られないので、診断を禁止する（Ｓ１５）。

ステップＳ１２では、エンジンが気筒休止機構を備えている場合において、気筒休止が行われている最中であるかどうかを判断する。気筒の休止中は、該休止している気筒の空燃比にずれが生じていても故障と判断されないおそれがある。したがって、このような時には診断を禁止する（Ｓ１５）。

ステップＳ１３において、空燃比センサの応答が劣化しているかどうかを判断する。たとえば、空燃比センサから得られる前述した検出当量比ＫＡＣＴ（実際の空燃比を表している）の目標空燃比ＫＣＭＤ（当量比で表されることができる）に対する追従性を調べ、該追従性が悪い場合（たとえば、両者の偏差が所定値以上である場合）に、空燃比センサの応答が劣化していると判断することができる。劣化していると判断した場合には、診断を禁止する（Ｓ１５）。

ステップＳ１〜Ｓ１３のすべての条件が満たされたならば、ステップＳ１４において診断条件フラグに１を設定し、診断を許可する。いずれかの条件が満たされなければ、ステップＳ１５において、診断条件フラグにゼロを設定し、診断を禁止する。

図１４は、この発明の一実施形態に従う、診断プロセスのフローを示す。このプロセスは、ＥＣＵ１のＣＰＵにより、より具体的には図６のフィルタ５２、積算部５３、補正部５４、および診断部５５により、前述した０．５次周波数に対応する周期で実行される。

ステップＳ２１において、図１２を参照して述べた診断条件フラグが１に設定されているならば、診断プロセスを開始する。そうでなければ、診断を禁止するため、このルーチンを抜ける。

ステップＳ２２において、空燃比センサ１６の出力から得られた検出当量比ＫＡＣＴにバンドパスフィルタを適用することにより算出されたフィルタ済み当量比を受け取る。フィルタ済み当量比は、前述したように、当量比ＫＡＣＴから抽出されたエンジン回転数の０．５次周波数成分を表している。

ステップＳ２３において、該フィルタ済み当量比を、積算値の前回値に加算することにより、積算値の今回値を算出する。

ステップＳ２４において、エンジンの運転状態（この実施例では、回転数ＮＥおよび吸気管圧力ＰＢ）に基づいて、たとえば図７（ｃ）に示すようなマップを参照することにより、補正係数を求める。

ステップＳ２５において、該補正係数で、ステップＳ２３で得られた積算値を補正する。補正は、前述したように、該補正係数を該積算値に乗算することによって行われることができる。該補正により、結果値が得られる。

ステップＳ２６において、所定期間が経過したかどうかを判断する。該所定期間は、診断条件フラグに１が設定された時から所定のタイマ（図示せず）で計時されている。該所定期間が経過していなければ、該ルーチンを抜ける。該所定期間が経過したならば、ステップＳ２５で算出された結果値を所定のしきい値と比較し、該結果値が該しきい値より大きければインバランス状態を判断して、ＮＧフラグに１を設定する。そうでなければ、バランス状態と判断してＯＫフラグに１を設定する。

前述した図１２に示す実施形態のように、エンジン回転数の１次周波数を抽出する場合には、ステップＳ２２〜２５の処理を、０．５次周波数成分と１次周波数成分のそれぞれについて並列に実行すればよい。ステップＳ２６において所定期間が経過したならば、ステップＳ２７において、第１の結果値と第１のしきい値とを比較すると共に、第２の結果値と第２のしきい値とを比較する。第１および第２の結果値の少なくとも一方が、対応するしきい値より大きければ、ステップＳ２８に進み、インバランス状態であると判断してＮＧフラグをセットする。第１および第２の結果値の両方が、対応するしきい値以下ならば、ステップＳ２９に進み、バランス状態であると判断してＯＫフラグをセットする。

また、前述した図１１に示す実施形態にように、しきい値側を補正する場合には、ステップＳ２５において、しきい値が補正係数で補正される。ステップＳ２７において、ステップＳ２３で求めた積算値と、該補正したしきい値とを比較する。

図１５〜図１７を参照して、本願発明の手法に従うシミュレーション結果の例を説明する。

図１５は、気筒間において空燃比がバランス状態にある場合のシミュレーション結果を示す。ＮＥの上限および下限は、図１３のステップＳ１における所定範囲に相当し、ＰＢの下限は、図１３のステップＳ２における所定値に相当している。

安定待ちタイマ（空燃比センサの出力を安定させるための時間を計時するタイマである）によって所定時間が計時された後、時間ｔ１において、所定の診断条件が満たされたことに応じて診断フラグがゼロから１に変化する。図には示されていないが、診断フラグが１に変化したことに応じて、所定期間を計時するタイマが作動する。

時間ｔ１から時間ｔ２までの所定期間にわたり、前述した０．５次周波数に対応する周期で、空燃比センサからの検出当量比ＫＡＣＴをバンドパスフィルタでフィルタリングした当量比を積算し、該積算値を補正する、というプロセスが繰り返される。これにより、結果値は、所定期間ｔ１〜ｔ２にわたって増加していく（図には直線で示されているが、より詳細に見ると、図８に示すように周期毎にステップ状に増加する）。補正を行っているので、エンジン回転数ＮＥおよび吸気管圧力ＰＢに依存することなく、結果値は、一定の増し分で増大していくこととなる。

所定期間が経過した時間ｔ２において、結果値を所定のしきい値と比較する。この例では、結果値が該しきい値以下であるので、ＯＫフラグに１が設定され、バランス状態であると判断される。

図１６は、気筒間の空燃比がインバランス状態の場合のシミュレーション結果例を示す。空燃比センサからの検出当量比ＫＡＣＴは、図１５に比べて大きな変動を示している。そのため、時間ｔ１からｔ２までの所定期間にわたり、結果値が増大する量は、図１５よりも大きい。

時間ｔ２において、結果値を所定のしきい値と比較する。この例では、結果値が該しきい値より大きいので、ＮＧフラグに１が設定され、インバランス状態であると判断される。

図１７は、気筒間の空燃比がインバランス状態の場合のシミュレーション結果の他の例を示す。図１６と異なるのは、時間ｔ２において、吸気管圧力ＰＢに変動が生じている点である。該変動ΔＰＢは、前述した診断条件を満たさない大きさの変動である（図１３のステップＳ７）。したがって、該変動が生じたことに応じて、診断条件判定プロセス（図１３）において診断条件フラグがゼロに設定される。したがって、その後に続く診断プロセス（図１４）は実行されない。診断が停止されている間、該停止の直前の周期で算出されていた積算値は、たとえばＥＣＵ１のメモリに保持される。また、時間ｔ２で診断条件フラグがゼロに設定されたことに応じて、上記所定期間を計時するタイマは、値を保持したまま停止する。

その後の周期の診断条件判定プロセスにおいて診断条件フラグが１に設定されると（時間ｔ３）、再び、上記所定期間を計時するタイマを作動させると共に、図１４の診断プロセスが開始される。すなわち、検出当量比ＫＡＣＴがフィルタリングされた当量比は、メモリに保持されていた積算値に加算され、該積算値が補正されて結果値が算出される。こうして、時間ｔ４において所定期間の計時が満了すると（すなわち、（ｔ１〜ｔ２）＋（ｔ３〜ｔ４）＝所定期間であり、これは、図１６の所定期間と同じ時間長さである）、結果値をしきい値と比較することによって、インバランス状態かどうかの判断が行われる。この例では、結果値がしきい値を超えたので、インバランス状態と判断され、ＮＧフラグが１に設定される。

なお、図６、１１および１２に示されるフィルタおよび積算部は、コンピュータプログラムによって実現してもよいし、ハードウェア構成要素によって実現してもよい。

以上にこの発明を具体的な実施例について説明したが、この発明はこのような実施例に限定されるものでなく、また、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジンのいずれに対しても使用することができる。

この発明の一実施形態に従う、エンジンおよびその制御装置の全体的な構成を示す図。 気筒間において空燃比が均衡されている状態および不均衡な状態の検出当量比ＫＡＣＴを示す図。 この発明の一実施形態に従う、直列４気筒のエンジンおよびＶ型６気筒のエンジンの空燃比センサの配置を示す図。 直列４気筒エンジンにおける空燃比のバランスおよびインバランス状態における検出当量比の周波数スペクトルを示す図。 Ｖ型６気筒エンジンにおける空燃比のバランスおよびインバランス状態における検出当量比の周波数スペクトルを示す図。 この発明の一実施形態に従う、気筒間における空燃比のインバランス状態を判断する制御装置のブロック図。 この発明の一実施形態に従う、空燃比センサの応答特性を説明するための図。 この発明の一実施形態に従う、フィルタ済み当量比、積算値および結果値の一例を示す図。 この発明の一実施形態に従う、しきい値を設定する手法を説明するための図。 この発明の一実施形態に従う、気筒間の空燃比がバランス状態およびインバランス状態の時のフィルタ済み当量比および積算値を示す図。 この発明の他の実施形態に従う、制御装置のブロック図。 この発明の他の実施形態に従う、制御装置のブロック図。 この発明の一実施形態に従う、診断条件を判定するプロセスのフロー。 この発明の一実施形態に従う、空燃比のバランスおよびインバランス状態を診断するプロセスのフロー。 この発明の一実施形態に従う、空燃比がバランス状態にある場合のシミュレーション結果の一例を示す図。 この発明の他の実施形態に従う、空燃比がインバランス状態にある場合のシミュレーション結果の一例を示す図。 この発明の他の実施形態に従う、空燃比がインバランス状態にある場合のシミュレーション結果の一例を示す図。

符号の説明

１ 電子制御ユニット（ECU）
２ エンジン
１６ 空燃比センサ

Claims (4)

1. 複数の気筒を備える内燃機関の制御装置であって、
   前記内燃機関の空燃比を検出する検出手段と、
   前記検出された空燃比を示す信号から、前記内燃機関の回転数の０．５次の周波数成分を抽出するよう、該信号をバンドパスフィルタでフィルタリングするフィルタリング手段と、
   前記フィルタリングされた信号を所定期間にわたって積算し、第１の積算値を算出する積算手段と、
   前記内燃機関の回転数および吸気管圧力に基づき前記検出手段の応答性をランク付けし、当該ランク付けに応じて補正係数を決定する手段と、
   前記第１の積算値を、前記補正係数で補正する手段と、
   前記所定期間経過後、前記補正された第１の積算値が所定のしきい値より大きければ、前記複数の気筒間において空燃比がばらついている状態が生じていると判断する判断手段と、
   を備える、制御装置。
2. さらに、前記検出された空燃比を示す信号から、前記内燃機関の回転数の１次の周波数成分を抽出するよう、該信号を第２のバンドパスフィルタでフィルタリングする手段と、
   前記第２のバンドパスフィルタによってフィルタリングされた信号を所定期間にわたって積算し、第２の積算値を算出する手段と、
   前記第２の積算値を、前記補正係数で補正する手段と、を備え、
   前記判断手段は、前記所定期間経過後、前記補正された第１の積算値が前記所定のしきい値より大きい、または前記補正された第２の積算値が所定の第２のしきい値より大きければ、前記複数の気筒間において空燃比がばらついている状態が生じていると判断する、請求項１に記載の制御装置。
3. 前記内燃機関の回転数が所定範囲内にあり、かつ該内燃機関の吸気管圧力が所定値より大きいという条件下で、前記フィルタリング手段によるフィルタリング、前記積算手段による積算、および前記判断手段による判断を許可する、請求項１に記載の制御装置。
4. 前記所定期間中に、或る周期で前記条件が満たされなくなったならば、前記積算手段による積算を禁止して、前回の周期で算出された積算値を保持し、その後、前記条件が満たされたことに応じて、該保持された積算値を用いて該積算手段による積算を再開する、請求項３に記載の制御装置。

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