JP5045942B2

JP5045942B2 - 空燃比異常監視装置

Info

Publication number: JP5045942B2
Application number: JP2008144410A
Authority: JP
Inventors: 浩一冨田
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2008-06-02
Filing date: 2008-06-02
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2028-06-02
Also published as: JP2009287544A

Description

本発明は、複数気筒を有する内燃機関の空燃比の異常を検出し、当該異常を生じている気筒を判別する内燃機関の空燃比異常監視装置に関する。

一般に、複数気筒を有する内燃機関（以下エンジンともいう）では、吸入空気量やＥＧＲガスの還流量等に応じた燃料量を気筒内に供給することで目標の燃焼空燃比を実現させている。
しかし、例えば、各気筒に均一に吸入空気量が分配されなかったり、ＥＧＲガスが一部の気筒に偏ったり、燃料噴射弁に故障が生じている場合等には、目標空燃比を実現できず、各気筒間における燃焼空燃比がばらつく等の異常が生じる。このように燃焼空燃比に異常が生じれば必然的に排気空燃比（以下単に空燃比という）にも異常が生じ、これにより排気通路に設けられている排気浄化装置による排気浄化性能が悪化するという問題がある。

そこで、当該空燃比の異常を監視すべく、各気筒への燃料噴射量を一時的に基準値から増減させ、当該燃料噴射量の増減に伴う空燃比の変動量を検出し、全気筒平均と各気筒の排気空燃比の増減量との差から異常を生じている気筒を判別する装置がある（特許文献１参照）。
特開２００７−１１３５１５号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された技術では、空燃比の異常を検出するために燃料噴射量を基準値から増減させており、空燃比の異常検出と同時に異常を生じている気筒の判別を行っている。ここで、燃料噴射量を基準値から増減させると、排気エミッションや燃費の悪化を引き起こすこととなるから、空燃比の異常を常時監視することは困難であるといえる。一方、空燃比の異常の監視頻度を最小限に抑えれば、排気エミッションや燃費が大きく悪化することは抑えられるが、この場合は空燃比の異常の検出機会が少なくなるから、例えば特定の運転状態でのみ発生するような空燃比の異常を見落とす可能性が高くなる。あるいは、異常検出の実施時のみに偶発的に生じた空燃比の変動を誤判定するおそれもある。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、エンジンの運転状態に影響を与えることなく常時各気筒間における燃焼空燃比のばらつき等の空燃比の異常を検出することができる上、異常を検出し異常気筒を判別する際においてもエンジンの運転状態への影響を最小限に抑えつつ、異常気筒を判別することのできる空燃比異常監視装置を提供することにある。

上記した目的を達成するために、請求項１の空燃比異常監視装置では、複数気筒を有する内燃機関の排気通路に設けられ排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る空燃比に基づき、現時点から所定期間前までの間における空燃比の移動平均を算出する移動平均算出手段と、前記移動平均算出手段により算出される短期間の空燃比移動平均と長期間の空燃比移動平均との間の乖離度合いを算出し、該乖離度合いから前記複数気筒のうちのいずれかの気筒に空燃比の異常が生じているかを検出する空燃比異常検出手段と、前記空燃比異常検出手段により空燃比の異常が検出された場合に、前記複数気筒のうちの所定の気筒への燃料供給量を変動させる燃料供給制御手段と、前記燃料供給制御手段による前記所定の気筒への燃料供給量変動後、前記移動平均算出手段により算出される移動平均の変動を検出し、該変動検出時点と前記異常検出時点との時間間隔タイミングと前記所定の気筒とに基づき空燃比の異常を生じている気筒を判別する異常気筒判別手段と、を備えたことを特徴としている。

請求項２の空燃比異常監視装置では、請求項１において、前記空燃比異常検出手段は、前記短期間の空燃比移動平均を前記複数気筒のうちの１気筒分の排気が排出されるに相当する期間に設定し、前記長期間の空燃比移動平均を前記複数気筒の全ての排気が排出されるに相当する期間に設定することを特徴としている。
請求項３の空燃比異常監視装置では、請求項１または２において、前記燃料供給制御手段は、前記空燃比異常検出手段にて空燃比の異常を検出した際、前記長期間の移動平均に対し前記短期間の移動平均がリーン側に乖離している場合には前記所定の気筒への燃料供給量を増量側に変動させ、前記長期間の移動平均に対し前記短期間の移動平均がリッチ側に乖離している場合には前記所定の気筒への燃料供給量を減量側に変動させることを特徴としている。

上記手段を用いる本発明の請求項１の空燃比異常監視装置によれば、排気通路に設けられた空燃比検出手段により検出される空燃比から、短期間及び長期間の移動平均を算出し、当該移動平均間の乖離度合いから、空燃比の異常を監視する。
そして、空燃比の異常が検出された場合には所定の気筒の燃料供給量を変動させ、これに伴う空燃比の移動平均の変動を検出し、当該変動検出時点及び上記異常検出時点の時間間隔から空燃比異常を生じている気筒を判別する。

このように、短期間及び長期間という異なる期間の移動平均の乖離度合いから空燃比異常を検出することで、空燃比の瞬間的な変動を許容し、誤判定を防止することができる。また、空燃比の移動平均から空燃比を監視することで、特にエンジンの運転状態に影響与えることなく、常時各気筒の空燃比を監視することができる。
さらに、空燃比の異常が検出されたときには、所定の気筒の燃料供給量を変動させるだけで異常を生じている気筒を判別することができることから、エンジンの運転状態への影響を最小限に抑えることができる。

これらのことから、エンジンの運転状態に影響を与えることなく常時各気筒間における燃焼空燃比のばらつき等の空燃比の異常を正確に検出することができる上、異常気筒を判別する際においてもエンジンの運転状態への影響を最小限に抑えつつ、異常気筒を判別することができる。
請求項２の空燃比異常監視装置によれば、短期間の空燃比移動平均を複数気筒のうちの１気筒分の排気が排出される期間に設定し、長期間の空燃比移動平均を前記複数気筒の全ての排気が排出される期間に設定する。

つまり、短期間の空燃比移動平均から１気筒の空燃比の変動を監視し、長期間の空燃比移動平均から全気筒の空燃比の変動を監視し、この短期間及び長期間の空燃比移動平均の乖離度合いから空燃比の異常を検出する。
これにより、各気筒ごとの空燃比を正確に監視することができる。
請求項３の空燃比異常監視装置によれば、空燃比の移動を検出した際、長期間の移動平均に対し長期間の移動平均に対し短期間の移動平均がリーン側に乖離している場合には所定の気筒への燃料供給量を増量側に変動させ、リッチ側に乖離している場合には所定の気筒への燃料供給量を減量側に変動させる。

つまり、空燃比がリーン側に異常を生じている場合にはリッチ側に変動が生じるよう、空燃比がリッチ側に異常を生じている場合にはリーン側に変動が生じるように、燃料供給量を変動させる。
このように、空燃比の異常を検出した際に、短期間移動平均の乖離の方向とは逆側に変動を生じさせることで、この変動時点を的確に検出することができ、より正確に異常気筒を判別することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１を参照すると、本発明に係る空燃比異常監視装置の概略構成図が示されている。
図１に示すエンジン１は、４つの気筒２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ（併せて気筒２ともいう）が直列に並んで構成され１８０°ＣＡ毎に等間隔で燃焼を生起される吸気管噴射型（Multi Point Injection：MPI）の４サイクル直列４気筒型エンジンである。

この４つの気筒２はエンジン１の長手方向一側から他側に向かって順に第１気筒２ａ、第２気筒２ｂ、第３気筒２ｃ、第４気筒２ｄと配設されており、燃焼順序は第１気筒２ａ、第３気筒２ｃ、第４気筒２ｄ、第２気筒２ｂである。
エンジン１の一側面には、各気筒２と図示しない吸気ポートを介して連通する吸気マニホールド４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄ（併せて吸気マニホールド４ともいう）が接続されている。

この各吸気マニホールド４には、対応する気筒２へ燃料を噴射する燃料噴射弁６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ（併せて燃料噴射弁６ともいう）が設けられている。また、この各吸気マニホールド４はサージタンク８に接続されている。
サージタンク８には、吸気管１０の一端が接続されており、この吸気管１０の他端にはエアクリーナ１２が設けられている。

また、この吸気管１０には、吸気上流側に吸入空気量を検出するエアフローセンサ１４が設けられており、吸気下流側に吸入空気量を調節するスロットルバルブ１６が設けられている。
一方、エンジン１の他側面には、各気筒２と図示しない排気ポートを介して連通する排気マニホールド１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ（排気通路）が接続されている。この各排気マニホールド１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄは合流部２０（排気通路）を介して、排気管２２（排気通路）と接続されている。

この排気管２２には、排気中の空燃比を検出する空燃比センサ２４（空燃比検出手段）が設けられており、排気下流側には排気を浄化する排気浄化装置２６が設けられている。
また、エンジン１には、クランク角を検出するクランク角センサ２８が設けられている。
そして、上記各燃料噴射弁６、エアフローセンサ１４、空燃比センサ２４、クランク角センサ２８等の各種装置や各種センサ類はＥＣＵ（電子コントロールユニット）３０と電気的に接続されており、ＥＣＵ３０は各種センサ類からの各情報に基づき各種装置を作動制御するものである。

例えば、ＥＣＵ３０は各気筒２間の空燃比のばらつき等、空燃比の異常を検出するとともに、異常を生じている気筒２を判別する空燃比異常監視制御を行う機能を有している。
詳しくは、ＥＣＵ３０内には、空燃比センサ２４からの検出結果から空燃比の移動平均を算出する移動平均算出部３２（移動平均算出手段）、空燃比の異常を検出する空燃比異常検出部３４（空燃比異常検出手段）、燃料噴射弁６を制御する燃料噴射制御部３６（燃料供給制御手段）、異常の生じている気筒２を判別する異常気筒判別部３８（異常気筒判別手段）が形成されている。

以下このように構成された本発明に係る空燃比異常監視装置の作用について説明する。
図２乃至４を参照すると、図２には本発明に係る空燃比異常監視装置により実行される空燃比異常監視制御ルーチンを示すフローチャート、図３には空燃比異常監視時における空燃比状態の一例を示すタイムチャート、図４には空燃比異常を検出した際の燃料噴射量変動による空燃比状態の一例を示すタイムチャートがそれぞれ示されている。以下図３、４を参照しながら図２のフローチャートに沿って説明する。なお、図３、４は横軸に当たる時系列をクランク角により示している。

まず、図２に示すように、ＥＣＵ３０は、ステップＳ１として、移動平均算出部３２において、空燃比センサ２４により検出されるセンサ値から短期間及び長期間の空燃比移動平均を算出する。例えば、図３、４に示すように、一点鎖線で示すセンサ値Ａを基に、実線で示す短期間の空燃比移動平均Ｓ（短期間移動平均Ｓ）は現時点から１００degCA前までの期間、鎖線で示す長期間の空燃比移動平均Ｌ（長期間移動平均Ｌ）は現時点から７２０degCA前までの期間の空燃比の移動平均を算出する。つまり、この短期間移動平均Ｓは１気筒分の排気が排出されるに相当する期間であり、長期間移動平均Ｌは全気筒分の排気が排出されるに相当する期間である。

続くステップＳ２では、空燃比異常検出部３４において、上記ステップＳ１で算出した２つの移動平均の乖離差が所定差より大であるか否かを判別する。例えば本実施形態では、長期間移動平均Ｌに対する短期間移動平均Ｓの乖離差が空燃比±０．１０の範囲外であるか否かを判別する。
この判別結果が偽（Ｎｏ）である場合、即ち２つの移動平均との乖離差が所定差以下である場合には、各気筒２の空燃比はほぼ同一であり異常がないと判定し、当該ルーチンをリターンする。

一方、この判別結果が真（Ｙｅｓ）である場合、例えば図３に示すｔ１時点のように、短期間移動平均Ｓが長期間移動平均Ｌよりもリーン側に乖離している場合は、次のステップＳ３に進む。
ステップＳ３では、上記ステップＳ２における判別結果より、２つの移動平均の乖離差が所定差より大であることから、いずれかの気筒２において空燃比異常が生じていると判定し、乖離差の最も大きい時点を異常ポイントとする。なお、図３ではｔ１時点を異常ポイントｔ１とする。

そして、ステップＳ４では、この異常ポイントにおいて、短期間移動平均Ｓが長期間移動平均Ｌに対してリーン側であるか否かを判別する。
この判別結果が真（Ｙｅｓ）である場合、即ち図３のように短期間移動平均Ｓがリーン側に乖離している場合にはステップＳ５に進む。
ステップＳ５では、燃料噴射制御部３６が、４つの気筒２のうち予め定められた所定気筒のみ、他の気筒２より増量させた燃料噴射量を噴射するよう対応する燃料噴射弁６を制御し、ステップＳ７に進む。なお、当該実施形態では、この所定気筒を第３気筒２ｃとする。

一方、ステップＳ４の判別結果が偽（Ｎｏ）である場合、即ち短期間移動平均Ｓが長期間移動平均Ｌに対しリッチ側に乖離している場合にはステップＳ６に進む。そして、ステップＳ６では、燃料噴射制御部３６が所定気筒への燃料噴射量を減量させ、ステップＳ７に進む。
つまり、ステップＳ５、６では、短期間移動平均Ｓの乖離の方向と逆側に空燃比の変動が生じるよう所定気筒の燃料噴射量を変動させる。

ステップＳ７では、上記ステップＳ５またはステップＳ６において燃料噴射量を増減させた燃料噴射に対応する短期間移動平均Ｓの変動を検出し、この変動時点を変動ポイントとする。つまり、上記ステップＳ５で所定気筒の燃料噴射量を増量させた場合には、図４に示すように短期間移動平均Ｓがリッチ側に変動している時点を変動ポイントｔ２とする。一方、上記ステップＳ６で所定気筒の燃料噴射量を減量させた場合には短期間移動平均Ｓがリーン側に変動している時点を変動ポイントとする。

次のステップＳ８では、異常気筒判別部３８において、上記ステップＳ７にて設定した変動ポイントが所定気筒の排気空燃比に相当することから、この変動ポイントと上記ステップＳ３において設定した異常ポイントとの時間間隔から、異常ポイントの空燃比に対応する気筒、即ち空燃比異常を生じている気筒を判別する。例えば図４の場合では、変動ポイントｔ２と異常ポイントｔ１の時間間隔は１８０degCAであることから、異常ポイントｔ２に対応する気筒は第１気筒２ａと判別される。

このように本発明に係る空燃比異常監視装置では、空燃比センサ２４により検出される空燃比から、短期間及び長期間の空燃比移動平均を算出し、この移動平均間の乖離差から、空燃比の異常を監視する。
このとき、短期間移動平均Ｓを１気筒分の排気が排出されるに相当する期間に設定し、長期間の空燃比移動平均を前記複数気筒２の全ての排気が排出されるに相当する期間に設定していることで、この短期間及び長期間の移動平均間の乖離差から各気筒ごとの空燃比を正確に監視することができる。

そして、短期間及び長期間という異なる期間の移動平均の乖離差から空燃比の異常を検出することで、空燃比の一時的な変動等を許容し、誤判定を防止することができる。また、空燃比の移動平均から空燃比を監視することで、特にエンジン１の運転状態に影響与えることなく、常時各気筒２の空燃比を監視することができる。
また、当該空燃比異常監視装置では、空燃比の異常が検出された場合には、所定気筒の燃料噴射量を変動させ、これに伴う空燃比の短期間移動平均Ｓの変動を検出し、変動ポイント及び異常ポイントの時間間隔から空燃比異常を生じている気筒を判別する。つまり、当該空燃比異常監視装置では、
この所定気筒の燃料噴射量の変動においては、短期間移動平均Ｓの乖離の方向とは逆側に変動を生じさせることで、この変動時点を的確に検出することができ、より正確に異常気筒を判別することができる。

さらに、所定気筒の燃料噴射量を変動させるだけで異常を生じている気筒を判別することができることから、エンジン１の運転状態の影響を最小限に抑えることができる。
以上のことから、本発明に係る空燃比監視装置では、エンジン１の運転状態に影響を与えることなく常時各気筒２の空燃比の異常を正確に検出することができる上、異常気筒を判別する際においてもエンジン１の運転状態への影響を最小限に抑えつつ、異常気筒を判別することができる。

以上で本発明に係る空燃比異常監視装置の実施形態についての説明を終えるが、実施形態は上記実施形態に限られるものではない。
上記実施形態では、エンジン１は直列４気筒型エンジンだが、エンジンの気筒数等の構成はこれに限られるものではなく、当該空燃比異常監視装置は他の構成のエンジンにも適用可能である。例えば、４気筒以上の気筒数を備えるエンジンや、ＥＧＲ装置を備えたエンジン、気筒内に直接燃料噴射する筒内噴射型エンジン等に適用しても構わない。

また、上記実施形態では、短期間及び長期間の移動平均の乖離度合いとして、空燃比に基づく乖離差を用いているが、これに限られるものではなく、乖離率等であっても構わない。
また、上記実施形態では、空燃比監視制御のステップＳ８において、空燃比の異常ポイント及び変動ポイントとの時間間隔をクランク角から算出しているが、これはクランク角に限るものではなく、タイマ等を用いた時間差から算出しても構わない。

また、上記実施形態では、空燃比監視制御のステップＳ８において、ステップＳ７で設定した変動ポイントとステップＳ３で設定した異常ポイントとの時間間隔から異常気筒を判別しているが、この変動ポイントと次の異常ポイントとの時間間隔から異常気筒を判別しても構わない。例えば、図４に示すように、ステップ７において設定される変動ポイントｔ２以降の異常ポイントｔ３を検出し、この変動ポイントｔ２と異常ポイントｔ３との時間間隔（５４０degCA）から、異常気筒である第１気筒２ａを判別しても構わない。

また、上記実施形態では、空燃比監視制御のステップＳ８において、ステップＳ７で設定した変動ポイントとステップＳ３で設定した異常ポイントとの時間間隔から異常気筒を判別しているが、変動ポイントから次の異常ポイントまでの時間と、異常ポイントから次の変動ポイントまでの時間との比から異常気筒を判別しても構わない。
また、上記実施形態では、短期間及び長期間の２つの空燃比移動平均から空燃比異常の監視及び異常気筒の判別を行っているが、この空燃比移動平均は２つに限られない。例えば、異常気筒の判別の際には別の期間の空燃比移動平均を算出し、この空燃比移動平均を基に異常気筒を判別しても構わない。

また、上記実施形態では、短期間移動平均を現時点から１００degCA前までの期間及び長期間移動平均の期間を現時点から７２０degCA前までの期間に設定しているが、各期間の設定はこれに限られるものではない。

本発明に係る空燃比異常監視装置の概略構成図である。本発明に係る空燃比異常監視装置により実行される空燃比異常制御ルーチンを示すフローチャートである。空燃比異常監視時における空燃比状態の一例を示すタイムチャートである。空燃比異常を検出した際の燃料噴射量変動後の空燃比状態の一例を示すタイムチャートである。

符号の説明

１エンジン
２気筒
６燃料噴射弁
２２排気管（排気通路）
２４空燃比センサ（空燃比検出手段）
２６排気浄化装置
２８クランク角センサ
３０ＥＣＵ
３２移動平均算出部（移動平均算出手段）
３４空燃比異常検出部（空燃比異常検出手段）
３６燃料噴射制御部（燃料供給制御手段）
３８異常気筒判別部（異常気筒判別手段）

Claims

複数気筒を有する内燃機関の排気通路に設けられ排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る空燃比に基づき、現時点から所定期間前までの間における空燃比の移動平均を算出する移動平均算出手段と、
前記移動平均算出手段により算出される短期間の空燃比移動平均と長期間の空燃比移動平均との間の乖離度合いを算出し、該乖離度合いから前記複数気筒のうちのいずれかの気筒に空燃比の異常が生じているかを検出する空燃比異常検出手段と、
前記空燃比異常検出手段により空燃比の異常が検出された場合に、前記複数気筒のうちの所定の気筒への燃料供給量を変動させる燃料供給制御手段と、
前記燃料供給制御手段による前記所定の気筒への燃料供給量変動後、前記移動平均算出手段により算出される移動平均の変動を検出し、該変動検出時点と前記異常検出時点との時間間隔タイミングと前記所定の気筒とに基づき空燃比の異常を生じている気筒を判別する異常気筒判別手段と、
を備えたことを特徴とする空燃比異常監視装置。
前記空燃比異常検出手段は、前記短期間の空燃比移動平均を前記複数気筒のうちの１気筒分の排気が排出されるに相当する期間に設定し、前記長期間の空燃比移動平均を前記複数気筒の全ての排気が排出されるに相当する期間に設定することを特徴とする請求項１記載の空燃比異常監視装置。
前記燃料供給制御手段は、前記空燃比異常検出手段にて空燃比の異常を検出した際、前記長期間の移動平均に対し前記短期間の移動平均がリーン側に乖離している場合には前記所定の気筒への燃料供給量を増量側に変動させ、前記長期間の移動平均に対し前記短期間の移動平均がリッチ側に乖離している場合には前記所定の気筒への燃料供給量を減量側に変動させることを特徴とする請求項１または２記載の空燃比異常監視装置。