JP4715680B2 - エンジンの空燃比検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの空燃比検出装置に関する。

例えば特許文献１には、燃焼室内で発生するイオン電流の値と空燃比との関係における線形部分を表現する線形モデルと、各部品の製造ばらつきや燃焼室の加工ばらつき等に起因する非線形部分を表現するニューラルネットモデルと、を用いて、検出したイオン電流値から燃焼室内の空燃比を推定する装置が開示されている。
特開２００５−２３８６３号公報

ところで、前記の空燃比検出装置は、検出したイオン電流の絶対値に基づいて空燃比を推定しているが、イオン電流の検出絶対値は、点火プラグの汚損やその他の条件によって変動する。そのため、前記特許文献に記載された空燃比検出装置は、空燃比の推定精度が低いという問題がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃焼室内に発生するイオン電流に基づいて空燃比を推定する際の推定精度を向上させることにある。

本願発明者は、前記課題を解決すべく検討した結果、クランク角の進行に対するイオン電流波形の形状と燃焼室内の空燃比との間に相関関係が存在することを見出して、本願発明を完成するに至ったものである。

すなわち、本発明の一側面によると、エンジンの空燃比検出装置は、エンジンの燃焼室内に発生するイオン電流を検出するイオン電流検出手段と、前記燃焼室における着火後に前記イオン電流検出手段によって検出された、クランク角の進行に対するイオン電流の波形形状に基づいて、前記燃焼室内の空燃比を推定する空燃比推定手段と、を備える。

イオン電流検出手段によって検出されるイオン電流の波形には、例えば図２(b)に示すように、前半及び後半の２つの山が現れる。ここで、前半の山は、主に着火後の火炎面に発生するイオンを媒体とするイオン電流の変化を表すものと考えられる一方、後半の山の示すイオン電流は、燃焼の進行による燃焼室の温度上昇に伴い、既燃ガス中に存在するＮＯｘが熱電離して発生するイオンを媒体とするものと考えられる。よって、空燃比がリーン側で燃焼が緩慢になれば、前半の山のピークは相対的に低くなると共に遅角側に移動し、空燃比がリッチ側で燃焼が活発になれば、前半の山のピークは相対的に高くなると共に進角側に移動する。

このように、燃焼室内の空燃比に応じて、クランク角の進行に対するイオン電流波形の形状は変化することから、その形状に基づいて燃焼室内の空燃比を推定することが可能である。

前記空燃比推定手段は、クランク角の進行に対するイオン電流波形の形状に基づいて空燃比を推定しており、検出したイオン電流の絶対値（イオン電流レベル）に基づいていないため、点火プラグの汚損やその他の条件による悪影響が排除されて、空燃比の推定精度は高くなる。

前記空燃比推定手段は、前記燃焼室における着火後、圧縮上死点付近までの特定期間全体に亘って検出されたイオン電流値を積算し、その総積算値の所定割合までが積算されたクランク角位置を特定して、このクランク角位置に基づいて空燃比を推定する、とすればよい。

前述したイオン電流の波形において、空燃比がリーン側で燃焼が緩慢になれば後半の山は消滅することになる。そのため、検出したイオン電流波形の全体に基づいて空燃比を推定するのでは、後半の山が低くなったときに空燃比の推定精度が低下してしまう虞がある。

そこで、燃焼室における着火後、圧縮上死点付近までの特定期間全体に亘って検出されたイオン電流値、つまり前半の山の形状に基づいて空燃比を推定することが、その推定精度の点からは好ましい。

また、検出されるイオン電流波形はノイズ成分を多く含むため、例えば前半の山のピークのクランク角位置を正確に検出することは困難である。そこで、前記特定期間全体に亘って検出されたイオン電流値を積算し、その総積算値の所定割合までが積算されたクランク角位置を特定することによって、クランク角の進行に対する前半の山の形状を特定することができ、それによって、空燃比を精度よく推定することが可能になる。

前記イオン電流検出手段は、前記エンジンの気筒毎に備えられ、前記空燃比推定手段は、前記気筒毎に空燃比を推定すると共に、その推定した各気筒の空燃比に基づいて、前記エンジンの気筒間の空燃比ばらつき状態を判定する、としてもよい。

イオン電流検出手段を気筒毎に備えることによって、気筒毎に燃料室内の空燃比を推定することが可能になり、それに伴い気筒間の空燃比ばらつき状態を判定することが実現する。

前記空燃比検出装置は、気筒間の空燃比ばらつき状態に応じて、空燃比が気筒間で互いに一致するように気筒毎の空燃比の補正を行う空燃比補正手段をさらに備える、としてもよい。

気筒間で空燃比ばらつき状態に応じて気筒毎の空燃比の補正を行って、空燃比を気筒間で互いに一致させることにより、エミッションの悪化が抑制される。

前記空燃比推定手段は、前記エンジンが所定の運転条件下にあるときに燃料の重質判定を実行し、前記重質判定では、前記推定した空燃比が制御目標の空燃比に対して所定値以上リーンであるときに、前記燃料が重質燃料であると判定する、としてもよい。

ここで、所定の運転条件としては、例えばエンジンが冷間時であることが挙げられる。燃料が重質燃料であることの影響（ドライバビリティの悪化等）は、エンジンの冷間時に顕著だからである。

前記空燃比検出装置は、前記空燃比推定手段によって重質燃料であると判定されたときに、重質燃料対応制御を実行する重質燃料対応制御手段をさらに備える、としてもよい。

ここで、重質燃料対応制御としては、例えば空燃比のリッチ化や、点火時期の適正化等が挙げられる。こうした重質燃料対応制御を実行することによって、燃料が重質燃料であることに起因するドライバビリティの低下等が防止される。

以上説明したように、本発明によると、様々な要因で変動してしまうイオン電流の検出絶対値ではなく、クランク角の進行に対するイオン電流値の波形形状に基づいて燃焼室内の空燃比を推定することによって空燃比を精度よく推定することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

（エンジンの概略構成）
図１は、本発明に係る検出装置を備えた実施形態のエンジン１を模式的に示し、この例ではエンジン１は、複数のシリンダ２，２，…（図には１つのみ示す）が直列に配置された火花点火式エンジンである。図示の如く、シリンダ２の上端はシリンダブロック３の上端面に開口し、そこに載置されたシリンダヘッド４の下面により閉塞されている。シリンダ２内にはピストン５が往復動可能に嵌挿されていて、このピストン５の上面とシリンダヘッド４の下面との間に燃焼室６が区画される。一方、ピストン５の下方のクランクケース内には、図示しないがクランク軸が配設され、コネクティングロッドによってピストン５と連結されている。

前記シリンダヘッド４には各シリンダ２毎に点火プラグ７が配設され、その先端の電極が燃焼室６に臨むように配置される一方、該点火プラグ７の基端部は点火回路８に接続されている。この点火回路８には、図２(a)にのみ示すが、パワートランジスタからなるイグナイタ８ａとイグニッションコイル８ｂとが含まれており、後述のＰＣＭ３０からの制御信号を受けて各シリンダ２毎に所定のタイミング（点火時期）で点火プラグ７に通電するようになっている。この例では各点火回路８にイオン電流検出回路３３が接続されていて、同図(b)のようにシリンダ２毎にイオン電流を検出することができるようになっているが、これについては後述する。

また、シリンダヘッド４には、各シリンダ２毎の燃焼室６に臨んで開口するように吸気ポート９及び排気ポート１０がそれぞれ形成され、その各ポート開口部にはそれぞれカム軸により開閉されるように吸気弁１１及び排気弁１２が配設されている。同図には示さないが、カム軸は、吸気側及び排気側に１本ずつ設けられていて、共通のカムチェーンによりクランク軸に駆動連結されており、このクランク軸の回転に同期して吸気側及び排気側のカム軸がそれぞれ回転されることにより、吸気及び排気弁１１，１２がそれぞれ所定のタイミングで開閉されるようになっている。

また、この例では前記吸気側のカム軸に、クランク軸の回転に対する位相を所定の角度範囲（例えば４０〜６０°ＣＡ）内で連続的に変更可能な位相可変機構１３（Variable Valve Timing 以下、ＶＶＴともいう）が付設されており、このＶＶＴ１３によって、吸気弁１１のリフトカーブが進角側、遅角側に変更されるようになっている。このことで吸気の充填効率を高めることができ、また、排気弁１２のリフトカーブとのオーバーラップ期間を調整して、燃焼室６に残留する既燃ガス（内部ＥＧＲ）の量を変化させることもできる。

さらに、シリンダヘッド４の一側（図１の左側）には、下流端が吸気ポート９に連通するように吸気通路１５が配設されている。この吸気通路１５の上流端は外部から導入される新気を濾過するためのエアクリーナ１６に接続されており、そこから下流側に向かって順に、吸気流量を検出するエアフローセンサ１７と、電動モータ１８ａにより駆動されて吸気通路１５を絞るスロットル弁１８と、各シリンダ２毎に燃料を噴射供給する４つのインジェクタ１９，１９，…（図には１つのみ示す）とが配設されている。

一方、シリンダヘッド４の反対側（図１の右側）には、排気ポート１０に連通して各シリンダ２内の燃焼室６から既燃ガス（排気ガス）を排出するように、排気通路２０が配設されている。この排気通路２０には上流側から順に、排気ガス中の酸素濃度を基に混合気の空燃比を検出するための酸素濃度センサ（以下、Ｏ2センサ）２１と、排気ガスを浄化するための触媒コンバータ２２とが配設されている。

また、前記Ｏ2センサ２１よりも上流側の排気通路２０には、排気ガスの一部を吸気通路１５に還流するための排気還流通路２４（以下、ＥＧＲ通路）が分岐接続されていて、このＥＧＲ通路２４の下流端が前記スロットル弁１８よりも下流側の吸気通路１５に連通している。このＥＧＲ通路２４の下流端寄りには開度調節可能な電気式の流量制御弁２５（以下、ＥＧＲ弁）が配設されていて、ＥＧＲ通路２４を還流される排気ガス（外部ＥＧＲ）の流量を調節するようになっている。

さらにまた、エンジン１のシリンダブロック３下部のクランクケース内には、クランク軸の回転角（クランク角）を検出する電磁ピックアップ等からなるクランク角センサ２６が設けられている。このクランク角センサ２６は、クランク軸の端部に一体に回転するように取り付けられたロータ２７の回転に伴い、その外周部に設けられた凸部の通過に対応して信号を出力する電磁ピックアップコイル２６からなる。また、シリンダブロック３のウォータジャケット（図示せず）には、冷却水の温度状態を検出する水温センサ２８が臨設されている。

前記エアフローセンサ１７、Ｏ2センサ２１、クランク角センサ２６、水温センサ２８等からの出力信号は、それぞれＰＣＭ（Power-train Control Module）３０に入力されるようになっている。このＰＣＭ３０は、周知の如くＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェース回路等を備えており、前記各センサ以外に、少なくとも、吸気側カム軸の回転角（回転位置）を検出するカム角センサ３１と、アクセルペダルの操作量を検出するアクセル開度センサ３２と、からそれぞれ出力される信号を受け入れる。

そして、ＰＣＭ３０は、前記各センサ等から入力した信号に基づいてエンジン１の運転状態を判定し、これに応じてエンジン１の運転制御を行うようになっている。すなわち、ＰＣＭ３０は、点火回路８に対し各シリンダ２毎の点火時期の制御信号を出力し、ＶＶＴ１３に対し吸気弁１１の作動タイミングを制御するための信号を出力するとともに、スロットル弁１８に対し吸気流量を制御するための信号を出力し、さらに、各シリンダ２毎のインジェクタ１９，１９，…に対し燃料噴射量及び噴射タイミングを制御するためのパルス信号を出力する。また、ＰＣＭ３０は、ＥＧＲ通路２４によって吸気系に環流する排気ガス（外部ＥＧＲ）の量を制御するために、ＥＧＲ弁２５に対し制御信号を出力する。

そして、この実施形態のエンジン１では、上述の如く点火回路８に接続したイオン電流検出回路３３によって、点火後に燃焼室６に発生するイオン電流をシリンダ２毎に検出し、これによりシリンダ２毎に燃焼室６内の空燃比を推定するようにしており、その推定結果に基づいて、気筒間の空燃比ばらつき状態を判定したり、そのばらつき状態に応じて各気筒の空燃比を補正したり、燃料の重質判定を行ってその判定結果に応じた制御を行ったりするようにしている。

（イオン電流による空燃比の推定）
まず、検出したイオン電流値から空燃比と相関の高い評価値Ｉｐ（以下、イオンパラメータという）を求める考え方について説明する。イオン電流は、従来より、燃焼に伴い発生するイオンが媒体となって発生するものと考えられており、この実施形態では、前記図２(a)に示すように、エンジン１の点火回路８にイオン電流検出回路３３が接続されている。

図の例ではイオン電流検出回路３３は、イグニッションコイル８ｂの２次側が接地される点火プラグ７とは反対側の端部に直列に接続された電源コンデンサ３３ａと、検出回路３３ｂとからなり、イグナイタ８ａの作動によって点火プラグ７に通電される際（点火）に電源コンデンサ３３ａに蓄えられた電荷と、その後、燃焼室６において発生したイオンとで回路が構成されて電流が流れ、この電流を検出回路３３ｂが検出するようになっている。検出回路３３ｂからの信号はＰＣＭ３０へ出力される。

そうして検出されるイオン電流の値は、同図(b)に模式的に示すように点火後のクランク角の進行に伴い変化し、その波形には通常、前半及び後半の２つの山が現れる。前半の山に表されるイオン電流は、混合気が着火した後に、火炎核の成長に伴い拡大する火炎面に存在するイオン（ラジカル）を媒体とするものと考えられ、これは、特に初期燃焼の速度や燃焼室の流動強さの影響を強く受ける。すなわち、前半の山は、初期燃焼が活発であるほど急峻になり、そのピークが進角する。

一方、後半の山に表されるイオン電流は、前記のように燃焼反応そのものによって発生するイオン（ラジカル）の他に、燃焼室の温度上昇に伴い既燃ガス中に存在するＮＯｘが熱電離して発生するイオンをも媒体とするものと考えられ、そのピークは、燃焼室の温度が最高になるクランク角位置に現れて、全体として燃焼が活発であるほど高くなり、それが緩慢なほど低くなる。

従って、空燃比がリッチであり燃焼が全体として活発になれば、イオン電流波形の前半の山は相対的に高くなって、そのピークが進角側に移動する一方、空燃比がリーンであり燃焼が全体として緩慢になれば、イオン電流波形の前半の山は相対的に低くなって、そのピークが遅角側に移動する。また、空燃比がリーンであれば後半の山はそのピークが消滅する。

つまり、イオン電流波形の前半の山におけるピークまでの立ち上がりの様子を観れば、燃焼室内の空燃比を推定することができ、この場合、後半の山の様子は観ないことで空燃比がリーンになって後半の山のピークが消滅しても、その影響を受けることなく、空燃比が精度よく推定可能になる。

そこで、この実施形態では、図３に模式的に示すように、点火終了から圧縮上死点（ＴＤＣ）までの特定の期間に検出されたイオン電流値を積算し、その総積算値（図に斜線を入れて示す範囲の面積に相当する）の所定割合までが積算されたクランク角位置を、イオン電流の立ち上がり特性を表す評価値、すなわちイオンパラメータＩｐとして用いるようにしている。

図４は、前記ＴＤＣまでの間のイオン電流の総積算値に対して５０％までが積算されたクランク角位置をイオンパラメータＩｐとして、点火時期及び空燃比の変化に対応するイオンパラメータＩｐの変化を示した実験データである。これによると、点火時期が同じであれば、空燃比がリッチなほどイオンパラメータＩｐは進角側に移動し、空燃比がリーンなほどイオンパラメータＩｐは遅角側に移動しており、空燃比とイオンパラメータＩｐとの間の関係は、略線形である。

ここで、前記図４に示すデータは、積算率５０％のイオンパラメータＩｐであるが、積算率は任意の率で設定することが可能であり、例えば積算率１０％や２５％、又は９０％であっても同様の特性が得られる。本実施形態ではイオンパラメータＩｐを、積算率５０％に設定する。尚、この積算率５０％のクランク角位置は、初期燃焼の進行度合い（燃焼割合）５％程度のクランク角位置に相当する。

このように、クランク角の進行に対するイオン電流の波形形状に関係するイオンパラメータＩｐに基づき空燃比を推定することで、様々な要因で変動してしまうイオン電流の絶対値の影響を受けることなく、空燃比を精度よく推定することができる。

尚、このイオンパラメータＩｐは、イオン電流波形の前半の山のピークが少なくともＴＤＣよりも前に存在することが必要であり、それを満たす条件としては、エンジンの運転領域が有負荷領域であることが少なくとも挙げられる。

また、初期燃焼の立ち上がりは、空燃比以外にも、その温度や新気と合わせたシリンダ２への吸気充填量、燃焼室６内の流動強さ、さらには燃焼室６の温度等の影響を受けるから、イオンパラメータＩｐに基づいて空燃比を定量的に求めようとすれば、それと点火時期以外に、エンジンの運転状態も加味する必要がある。

そこで、この実施形態では、図５(a)に一例を示すように、エンジン１の負荷（同図では充填効率ｃｅ）と回転数ｎｅとによって規定されるエンジン運転領域において、適当な間隔を空けて複数の格子点（ｘ，ｙ）を設定する。そして、この各格子点毎に対応するエンジン運転状態において、前記図４のようにイオンパラメータＩｐ、点火時期及び空燃比の相関を表すデータを実験により求める。

そうして求めた実験データを整理して、図５(b)のようにイオンパラメータＩｐ（Ip-1，Ip-2，…，Ip-b）と点火時期（Igt-1，Igt-2，…，Igt-a）とから空燃比を求めるための演算マップを作成し、ＰＣＭ３０のメモリに電子的に格納する。こうすれば、エンジン１の運転中に検出したイオン電流値から前記イオンパラメータＩｐを算出し、このイオンパラメータＩｐと点火時期とに基づき、そのときのエンジン運転状態に対応する演算マップを参照して、空燃比を定量的に求めることができる。

尚、前記図５(a)における格子点（ｘ，ｙ）の間に相当するエンジン運転状態についてはデータ補間により対応すればよく、さらに、例えば外気温、エンジン水温、大気圧、空燃比、ＶＶＴ１３の作動状態等に応じて、イオンパラメータＩｐやこれにより求めた空燃比を補正するようにしてもよい。

次に、図６〜９を参照して、前記のようにイオン電流の検出値からイオンパラメータＩｐを求め、これにより空燃比を推定する手順を具体的に説明する。まず、図６は、イオン電流の検出値からイオンパラメータＩｐを計算する手順のフローチャートであり、例えば空燃比の検出フラグがオンされているときに、各シリンダ２の燃焼サイクル毎に実行される。

図示のスタート後のステップＳＡ１では、点火後、少なくともクランク角センサ２６及びイオン電流検出回路３３からの信号を入力して、点火ノイズがなくなったかどうか、すなわち点火終了かどうか判定し、この判定がＮＯであればリターンする一方、判定がＹＥＳで点火終了であればステップＳＡ２に進んで、検出したイオン電流値をクランク角と対応付けてメモリに記憶した後、ステップＳＡ３に進む。

ステップＳＡ３ではシリンダ２の圧縮上死点（ＴＤＣ）に達したかどうか判定し、ＴＤＣに達するまではステップＳＡ２に戻って、所定時間間隔（例えば０．１ミリ秒）毎にクランク角位置とイオン電流値とを対応付けてメモリに記憶する一方、ＴＤＣに達すればステップＳＡ４に進んで、イオンパラメータＩｐの計算を行う。すなわち、それまでに記憶したイオン電流の総積算値を求めて、その５０％までが積算されたクランク角位置をイオンパラメータＩｐとして特定する。

そして、ステップＳＡ５に進み、フラグオンであれば、ステップＳＡ１に戻って前記の手順を継続する（処理を継続）一方、例えばエンジン１の運転状態が変化して、フラグがオフになれば、処理を継続しないＮＯと判定して制御終了となる（エンド）。

（空燃比の気筒間分配の異常診断）
次に、そうして計算したイオンパラメータＩｐを用いて、空燃比の気筒間分配（気筒間ばらつき）の異常判定を行う手順を図７のフローチャートに示す。図示の如くスタート後のステップＳＢ１で異常判定の実行が指示された後の、ステップＳＢ２では、異常判定の実行条件が成立したか否かを判定する。ここでの実行条件には、エンジン水温、エンジン回転数及び充填効率が所定の範囲であるか否か、並びにＥＧＲ実行中であるか否か、等が含まれる。条件が成立したのＹＥＳのときにはステップＳＢ３に移行する一方、成立していないのＮＯのときにはステップＳＢ２を繰り返す。

ステップＳＢ３では、前記図６のフローのように、気筒毎に計算したイオンパラメータＩｐと、エンジン運転状態（ｃｅ、ｎｅ）と点火時期とに基づいて、上述したように図５の演算マップを参照等して、各気筒の空燃比を推定する。

続くステップＳＢ４では、空燃比の推定ばらつきを考慮して、各気筒の空燃比を必要回数だけ推定したか否かを判定し、推定できたのＹＥＳのときにはステップＳＢ５に移行する一方、推定できていないのＮＯのときにはステップＳＢ４に戻って、空燃比の推定を継続する。

ステップＳＢ５では、気筒毎に、複数回推定した空燃比の平均を計算すると共に、その各気筒の空燃比の平均値に基づいて空燃比の気筒間分配の程度を計算する。ここで、空燃比の気筒間分配の程度は、例えば標準偏差や上限値／下限値の差等の、評価指標によって計算すればよい。そうして、続くステップＳＢ６で、その空燃比の気筒間分配が予め設定した異常基準以下であるか否かを判定する。異常基準以下であるのＹＥＳのときにはステップＳＢ７に移行して正常判定を行う一方、異常基準よりも大きいのＮＯのときにはステップＳＢ８に移行して異常判定を行う。

このフローによって、例えば各気筒の吸気弁１１の開閉タイミングのずれ等によって生じる吸入空気量のばらつきや、各気筒のインジェクタ１９の燃料噴射量のばらつき等によって生じる、空燃比の気筒間分配のずれを把握することができる。

前記図７のフローにより、エンジン１の燃焼室６において着火後、ＴＤＣ付近まで検出されたイオン電流値を積算し、その総積算値の所定割合までが積算されたクランク角位置（イオンパラメータＩｐ）を特定して、これにより燃焼室内の空燃比を推定する空燃比推定手段４１が構成されている。この実施形態では推定手段４１は、推定した各気筒の空燃比に基づいて、前記エンジン１の気筒間の空燃比ばらつき状態を判定する。

（空燃比の気筒間分配ずれの補正）
次に、空燃比の気筒間分配ずれが生じている場合に、それを補正する制御について図８のフローチャートを参照しながら説明する。このフローでは、各気筒のインジェクタ１９の燃料噴射量のばらつきに起因して、空燃比の気筒間分配ずれが生じている場合に、それを補正する。

まず、ステップＳＣ１において空燃比の気筒間分配ずれの補正の実行が指示されれば、続くステップＳＣ２において、分配ずれ補正の実行条件が成立したか否かを判定し、条件が成立したのＹＥＳのときにはステップＳＣ３に移行する一方、条件が成立していないのＮＯのときにはステップＳＣ２を繰り返す。ここでの実行条件には、エンジン水温、エンジン回転数及び充填効率が所定の範囲であるか否か、並びにＥＧＲ実行中であるか否か、等が含まれる。

ステップＳＣ３では、前記図７のフローにおけるステップＳＢ３と同様に、気筒毎に計算したイオンパラメータＩｐとエンジン運転状態（ｃｅ、ｎｅ）と点火時期とに基づいて、上述したように図５の演算マップを参照等して、空燃比（ａｆｒ(n)）を推定する。また、推定した各気筒の空燃比に基づいて全気筒の平均空燃比（ａｆｒＴ）を算出する。尚、前記図７のフローと同様に、空燃比の推定ばらつきを考慮して、各気筒の空燃比を所定回数推定し、それの平均値を各気筒の空燃比としてもよい。

そうして、ステップＳＣ４では、前記平均空燃比と各気筒の推定空燃比とに基づいて、各気筒のインジェクタ１９による燃料噴射量の補正を行う。具体的には、各気筒の推定空燃比をａｆｒ(n)（但しｎは気筒番号であり、ｎ＝１，２，３，…）、全気筒の平均空燃比をａｆｒＴとし、各気筒への空気量は互いに同じＡと仮定すると、
ａｆｒ(n)＝Ａ／ｘ(n) …（１）
ａｆｒＴ＝Ａ／ｘＴ …（２）
となる。但し、ｘ(n)は気筒ｎにおける燃料噴射量であり、ｘＴは平均の燃料噴射量である。

ここで、ｘ(n)＝ｘＴ＋Δｘ(n)とすると、Δｘ(n)は、式（１）及び（２）から、
Δｘ(n)＝ｘ(n)−ｘＴ＝ｘ(n)・（１−ａｆｒ(n)／ａｆｒＴ） …（３）
となる。

各気筒の燃料噴射量を互いに同じにするには、各気筒の燃料噴射量をｘＴにする必要があることから、式（３）より、
ｘＴ＝ｘ(n)−Δｘ(n)＝ｘ(n)−ｘ(n)・（１−ａｆｒ(n)／ａｆｒＴ） …（４）
従って、ステップＳＣ４では、各気筒において、現在の燃料噴射量ｘ(n)に対し、ａｆｒ(n)／ａｆｒＴを乗算した噴射量となるように、各気筒のインジェクタ１９を制御する。

そうして、ステップＳＣ５において処理を継続するか否かを判定し、継続するのＹＥＳのときにはステップＳＣ２に戻る一方、処理を継続しないＮＯのときにはフローを終了する。

前記図８のフローにより、エンジン１の燃焼室６において着火後、ＴＤＣ付近まで検出されたイオン電流値を積算し、その総積算値の所定割合までが積算されたクランク角位置（イオンパラメータＩｐ）を特定して、これにより燃焼室内の空燃比を推定する空燃比推定手段４２が構成されている。また、図８のフローにより、気筒間の空燃比ばらつき状態に応じて、空燃比が気筒間で互いに一致するように気筒毎の空燃比の補正を行う空燃比補正手段４３が構成されている。

（重質燃料判定）
次に、推定した空燃比に基づいて重質燃料の判定を行う手順を、図９のフローチャートに示す。この制御は、燃料が重質燃料であるときに、エンジンの冷間時のドライバビリティの向上を図るために行う制御である。

図示の如くスタート後のステップＳＤ１で重質燃料判定の実行が指示された後の、ステップＳＤ２では、重質判定の実行条件が成立したか否かを判定する。ここでの実行条件には、エンジン水温、エンジン回転数及び充填効率が所定の範囲であるか否か、並びにＥＧＲ実行時であるか否か、等が含まれる。ここで、前述したように、本制御は、エンジンの冷間時のドライバビリティの向上を図るために行う制御であるため、前記実行条件においては、エンジン水温が所定温度以下の条件が含まれる。条件が成立したのＹＥＳのときにはステップＳＤ３に移行する一方、成立していないのＮＯのときにはステップＳＤ２を繰り返す。

ステップＳＤ３では、前記図７のフローのように、気筒毎に計算したイオンパラメータＩｐと、エンジン運転状態（ｃｅ、ｎｅ）と点火時期とに基づいて、上述したように図５の演算マップを参照等して空燃比を推定する。そうして、推定空燃比（例えば全気筒の推定空燃比の平均とすればよい）と、エンジンの運転状態に応じて決定される制御目標の空燃比との差（ΔＡＦＲ）を算出する。

続くステップＳＤ４では、空燃比の推定ばらつきを考慮して、空燃比の推定を必要回数だけ行ったか否かを判定し、推定できたのＹＥＳのときにはステップＳＤ５に移行する一方、推定できていないのＮＯのときにはステップＳＤ３に戻って、空燃比の推定及びΔＡＦＲの算出を継続する。

ステップＳＤ５では、ΔＡＦＲの平均を算出し、続くステップＳＤ６でそのΔＡＦＲの平均が、予め設定した判定基準以下であるか否かを判定する。判定基準以下のＹＥＳのときにはステップＳＤ７に移行して、通常燃料であると判定する一方、判定基準よりも大きいのＮＯのときにはステップＳＤ８に移行して、重質燃料であると判定する。そうして、ステップＳＤ９において、重質燃料対応制御を実行する。この重質燃料対応制御では、空燃比のリッチ化や点火時期の適正化の制御を行い、それによって燃焼性の悪化を抑制してドライバビリティの悪化を抑制する。

前記図９のフローにより、エンジン１の燃焼室６において着火後、ＴＤＣ付近まで検出されたイオン電流値を積算し、その総積算値の所定割合までが積算されたクランク角位置（イオンパラメータＩｐ）を特定して、これにより燃焼室内の空燃比を推定する空燃比推定手段４４が構成されている。この実施形態では推定手段４４は、推定した各気筒の空燃比に基づいて、推定した空燃比が制御目標の空燃比に対して所定値以上リーンであるときに燃料が重質燃料であると判定する、燃料の重質判定を行う。また、図９のフローにより、重質燃料であると判定されたときに、重質燃料対応制御を実行する重質燃料対応制御手段４５が構成されている。

したがって、この実施形態に係るエンジンの空燃比検出装置によると、シリンダ２内の燃焼室６において点火後、ＴＤＣまでの特定の期間に検出したイオン電流値に基づいて、すなわちクランク角の進行に対するイオン電流波形の前半の山の形状に基づいて、燃焼室６内の空燃比を推定することで、従来よりも正確に空燃比を推定することができる。

その際、前記特定期間におけるイオン電流の総積算値の所定割合までが積算されたクランク角位置を、イオン電流の立ち上がり特性を表す評価値（イオンパラメータＩｐ）として用い、このイオンパラメータＩｐの他、点火時期、充填効率ｃｅ及びエンジン回転数ｎｅに基づいて、空燃比の流量を定量的に推定することができる。こうして推定した空燃比に基づいて、空燃比の気筒間分配の異常判定や、燃料の重質判定等を正確に行うことができる。

また、そうして判定した空燃比の気筒間分配の状態に応じて、各気筒の空燃比の補正を行うことで、エミッションの悪化を抑制することができると共に、燃料の重質判定結果に応じて、重質燃料対応制御を行うことで、エンジン冷間時のドライバビリティを向上させることができる。

尚、この実施形態の検出装置では、エンジン１の燃焼室６において点火後、ＴＤＣまでの特定の期間に検出したイオン電流値に基づいて、空燃比を推定するようにしているが、特定の期間はＴＤＣまでに限らず、その前後５〜１０°ＣＡくらいまでの範囲とすることができる。

また、イオンパラメータＩｐとして、前記特定期間におけるイオン電流の総積算値の所定割合までが積算されたクランク角位置を用いているが、これに限らず、その所定割合が積算されるまでのイオン電流波形の傾き等の、イオン電流波形の形状に関係するパラメータであれば、それを燃焼室６内の空燃比を推定するためのイオンパラメータＩｐとすることができる。

以上説明したように、本発明は、燃焼室内の空燃比を精度よく推定することができるから、例えば自動車等に搭載されるエンジンの燃焼空燃比を推定する装置として有用である。

本発明の実施形態に係るエンジンの空燃比検出装置を備えたエンジンの概略構造図である。 イオン電流検出回路の構成(a)と、これにより検出されるイオン電流の波形(b)とを模式的に示す説明図である。 イオンパラメータの定義を模式的に示す説明図である。 点火時期及び空燃比の変化に対応するイオンパラメータの変化を示す実験結果のグラフ図である。 エンジンの運転領域に格子点を設定したイメージ図(a)と、その各格子点毎に対応するエンジン運転状態において、イオンパラメータと点火時期とから空燃比を求める演算マップ(b)とを模式的に示す説明図である。 イオンパラメータの計算の手順を示すフローチャートである。 空燃比の気筒間分配の異常診断の手順を示すフローチャートである。 空燃比の気筒間分配補正の手順を示すフローチャートである。 重質燃料判定の手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１ エンジン
３３ イオン電流検出回路（イオン電流検出手段）
４１，４２，４４ 空燃比推定手段
４３ 空燃比補正手段
４５ 重質燃料対応制御手段
６ 燃焼室

Claims (5)

1. エンジンの燃焼室内に発生するイオン電流を検出するイオン電流検出手段と、
   前記燃焼室における着火後に前記イオン電流検出手段によって検出された、クランク角の進行に対するイオン電流の波形形状に基づいて、前記燃焼室内の空燃比を推定する空燃比推定手段と、を備え、
   前記空燃比推定手段は、前記燃焼室における着火後、圧縮上死点付近までの特定期間全体に亘って検出されたイオン電流値を積算し、その総積算値の所定割合までが積算されたクランク角位置を特定して、このクランク角位置に基づいて空燃比を推定するエンジンの空燃比検出装置。
2. 請求項１に記載の空燃比検出装置において、
   前記イオン電流検出手段は、前記エンジンの気筒毎に備えられ、
   前記空燃比推定手段は、前記気筒毎に空燃比を推定すると共に、その推定した各気筒の空燃比に基づいて、前記エンジンの気筒間の空燃比ばらつき状態を判定する空燃比検出装置。
3. 請求項２に記載の空燃比検出装置において、
   気筒間の空燃比ばらつき状態に応じて、空燃比が気筒間で互いに一致するように気筒毎の空燃比の補正を行う空燃比補正手段をさらに備えたエンジンの空燃比検出装置。
4. 請求項１に記載の空燃比検出装置において、
   前記空燃比推定手段は、前記エンジンが所定の運転条件下にあるときに燃料の重質判定を実行し、
   前記重質判定では、前記推定した空燃比が制御目標の空燃比に対して所定値以上リーンであるときに、前記燃料が重質燃料であると判定する空燃比検出装置。
5. 請求項４に記載の空燃比検出装置において、
   前記空燃比推定手段によって重質燃料であると判定されたときに、重質燃料対応制御を実行する重質燃料対応制御手段をさらに備えた空燃比検出装置。

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