JP5083386B2 - 内燃機関の空燃比診断装置 - Google Patents

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Description

本発明は、複数の気筒から排出された排気が合流して流れる排気管の集合部において排気の酸素濃度を検出する空燃比センサを備え、この空燃比センサの検出値に基づいて気筒間ばらつきに関する判定を行う内燃機関の空燃比診断装置に関する。
上記内燃機関の空燃比診断装置として特許文献１に記載のものが知られている。この空燃比診断装置では、空燃比センサの検出値に基づいて２つのピーク値の差である変化量を算出し、この変化量に基づいて気筒間ばらつきが発生しているか否かを判定している。
特開２００３−１３８９６２号公報
しかし、上記のように、空燃比の変化量のみを用いて気筒間ばらつきに関する判定を行う構成によれば、例えば、目標空燃比が目標空燃比ＡＦＸ１からこれよりもリーン側の目標空燃比ＡＦＸ２に変更された場合に次の問題をまねくおそれがある。
すなわち、目標空燃比の変更にともない空燃比が目標空燃比ＡＦＸ２に向けて変化したとき、気筒間ばらつきが生じていなくとも、２つのピーク値の差により算出された変化量が判定値よりも大きくなることがある。そしてこの場合には、変化量が判定値よりも大きいことに基づいて気筒間ばらつきが発生している旨判定されるため、実際の空燃比の状態を適切に反映した判定結果が得られない。
なお、ここでは特許文献１の内燃機関の空燃比診断装置を例に挙げて、気筒間ばらつきが発生しているか否かを判定する場合に生じる問題について言及したが、気筒間ばらつきに関する判定として、気筒間ばらつきの大きさを判定する場合、および気筒間ばらつきの方向がリーン側およびリッチ側のいずれであるかを判定する場合においても上記と同様の問題が生じるものと考えられる。
本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、気筒間ばらつきに関する判定の結果として適切なものが得られない頻度を少なくすることのできる内燃機関の空燃比診断装置を提供することにある。
本発明の課題を解決するための原理について説明する。
気筒間ばらつきが大きいとき、空燃比センサの検出値のリーン側のピーク値とリッチ側のピーク値との差が大きくなるため、リッチ変化率の絶対値およびリーン変化率の絶対値は大きくなる。また、気筒間ばらつきが発生しているとき、リッチ変化率の絶対値とリーン変化率の絶対値とは互いに異なる。
具体的には、特定の気筒の空燃比が他の気筒の空燃比よりもリッチ側に大きく乖離するリッチばらつきが発生している場合において、特定の気筒の排気の割合が多い排気が排気管の集合部を通過したとき、空燃比センサの検出値はリッチ側に変化する。その後、排気管の集合部において、他の気筒の排気の割合が特定の気筒の排気の割合よりも高くなることにより、空燃比センサの検出値はリーン側に変化する。このとき、空燃比センサの検出値がリッチ側のピーク値を示すとともに、気筒間ばらつきが大きくなるにつれてピーク値も大きくなる。また空燃比は、特定の気筒の排気により空燃比センサの検出値がリッチ側に変化する場合よりも緩やかに変化する。
また、特定の気筒の空燃比が他の気筒の空燃比よりもリーン側に大きく乖離するリーンばらつきが発生している場合において、特定の気筒の排気の割合が多い排気が排気管の集合部を通過したとき、空燃比センサの検出値はリーン側に変化する。その後、排気管の集合部において、他の気筒の排気の割合が特定の気筒の排気の割合よりも高くなることにより、空燃比センサの検出値はリッチ側に変化する。このとき、空燃比センサの検出値がリーン側のピーク値を示すとともに、気筒間ばらつきが大きくなるにつれてピーク値も大きくなる。また空燃比は、特定の気筒の排気により空燃比センサの検出値がリーン側に変化する場合よりも緩やかに変化する。
すなわち、特定の気筒の空燃比が他の気筒の空燃比よりもリーン側に偏るリーンばらつきが発生しているとき、リーン変化率の絶対値がリッチ変化率の絶対値よりも大きくなる。一方、特定の気筒の空燃比が他の気筒の空燃比よりもリッチ側に偏るリッチばらつきが発生しているとき、リッチ変化率の絶対値がリーン変化率の絶対値よりも大きくなる。また、気筒間ばらつきが大きくなるにつれてリーン変化率およびリッチ変化率がいずれも大きくなる。
このように、空燃比センサの検出値に基づくリッチ変化率およびリーン変化率には、気筒間ばらつきの状態が反映される。このため、各変化率に基づいて算出される変化率演算値にも気筒間ばらつきの状態が反映される。なお、気筒間ばらつきの状態には、気筒間ばらつきが発生しているか否か、気筒間ばらつきの大きさ、気筒間のばらつきがリッチばらつきおよびリーンばらつきのいずれであるかの少なくとも１つが含まれる。
そして本発明では、以上の事項に鑑み、リッチ変化率およびリーン変化率に基づいて気筒間ばらつきに関する判定を行うことにより、気筒間ばらつきに関する判定の結果として適切なものが得られない旨の課題の解決を図るようにしている。
以下、本発明の目的を達成するための手段およびその作用効果について記載する。
（１）請求項１に記載の発明は、複数の気筒から排出された排気が合流して流れる排気管の集合部において排気の酸素濃度を検出する空燃比センサを備え、この空燃比センサの検出値に基づいて前記複数の気筒間の空燃比のばらつきである気筒間ばらつきに関する判定を行う内燃機関の空燃比診断装置において、前記検出値がリーン側のピーク値からリッチ側のピーク値に向けて変化しているときの単位時間あたりの前記検出値の変化量をリッチ変化率とし、前記検出値がリッチ側のピーク値からリーン側のピーク値に向けて変化しているときの単位時間あたりの前記検出値の変化量をリーン変化率として、前記リッチ変化率および前記リーン変化率に基づいて前記気筒間ばらつきの大きさを判定することを要旨としている。
この発明では、気筒間ばらつきの大きさに応じて変化するリッチ変化率およびリーン変化率に基づいて気筒間ばらつきの大きさを判定しているため、空燃比センサの検出値の変化量に基づいて気筒間ばらつきを判定する場合と比較して、気筒間ばらつきに関する判定の結果として適切なものが得られない頻度を少なくすることができる。
（２）請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の空燃比診断装置において、前記リッチ変化率と前記リーン変化率との和に基づいて前記気筒間ばらつきの大きさを判定することを要旨としている。
この発明では、気筒間ばらつきの大きさに応じて変化するリッチ変化率とリーン変化率との和に基づいて気筒間ばらつきの大きさを判定しているため、気筒間ばらつきに関する判定の結果として適切なものが得られない頻度を少なくすることができる。
なお、リッチ変化率およびリーン変化率は互いの符号が反対の関係にある。また、リッチ変化率の絶対値およびリーン変化率の絶対値はいずれも気筒間ばらつきが大きくなるにつれて大きくなる。そこで、気筒間ばらつきの大きさを適切に求めるためには、一方の変化率の符号を他方の変化率の符号に合わせたうえでリッチ変化率とリーン変化率との和を求めることが好ましい。このような算出方法の例としては次のものが挙げられる。すなわち、負の変化率の絶対値と正の変化率との和を求める、または正の変化率の符号を負にした値と負の変化率との和を求める、またはリッチ変化率の絶対値とリーン変化率の絶対値との和を求めるものが挙げられる。
（３）請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の空燃比診断装置において、前記リッチ変化率と前記リーン変化率との積に基づいて前記気筒間ばらつきの大きさを判定することを要旨としている。
この発明によれば、気筒間ばらつきの大きさに応じて変化するリッチ変化率とリーン変化率との積に基づいて気筒間ばらつきの大きさを判定しているため、気筒間ばらつきに関する判定の結果として適切なものが得られない頻度を少なくすることができる。
（４）請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の空燃比診断装置において、前記リッチ変化率と前記リーン変化率との差に基づいて前記気筒間ばらつきの大きさを判定することを要旨としている。
リッチ変化率およびリーン変化率は気筒間ばらつきが変化しても互いに異なる値となる。また、リッチ変化率とリーン変化率との比は、気筒間ばらつきの大きさの変化に対する変化度合いが小さい。このため、気筒間のばらつきの大きさの変化に応じてリッチ変化率とリーン変化率との差も変化する。この発明では、気筒間ばらつきの大きさに応じて変化するリッチ変化率とリーン変化率との差に基づいて気筒間ばらつきの大きさを判定しているため、気筒間ばらつきに関する判定の結果として適切なものが得られない頻度を少なくすることができる。
なお、リッチ変化率およびリーン変化率は互いの符号が反対の関係にある。また、リッチ変化率の絶対値およびリーン変化率の絶対値はいずれも気筒間ばらつきが大きくなるにつれて大きくなる。そこで、気筒間ばらつきの大きさを適切に求めるためには、一方の変化率の符号を他方の変化率の符号に合わせたうえでリッチ変化率とリーン変化率との差を求めることが好ましい。このような算出方法の例としては次のものが挙げられる。すなわち、負の変化率の絶対値と正の変化率との差を求める、または正の変化率の符号を負にした値と負の変化率との差を求める、またはリッチ変化率の絶対値とリーン変化率の絶対値との差を求めるものが挙げられる。
（５）請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の内燃機関の空燃比診断装置において、前記リッチ変化率および前記リーン変化率に基づいて前記気筒間ばらつきがリッチばらつきおよびリーンばらつきのいずれであるかを判定することを要旨としている。
この発明では、気筒間ばらつきがリッチばらつきおよびリーンばらつきのいずれであるかに応じて互いの大小関係が変化するリッチ変化率およびリーン変化率に基づいて、気筒間ばらつきがリッチばらつきおよびリーンばらつきのいずれであるかを判定している。このため、空燃比センサの検出値の変化量に基づいて気筒間ばらつきを判定する場合と比較して、気筒間ばらつきに関する判定の結果として適切なものが得られない頻度を少なくすることができる。
（６）請求項６に記載の発明は、複数の気筒から排出された排気が合流して流れる排気管の集合部において排気の酸素濃度を検出する空燃比センサを備え、この空燃比センサの検出値に基づいて前記複数の気筒間の空燃比のばらつきである気筒間ばらつきに関する判定を行う内燃機関の空燃比診断装置において、前記検出値がリーン側のピーク値からリッチ側のピーク値に向けて変化しているときの単位時間あたりの前記検出値の変化量をリッチ変化率とし、前記検出値がリッチ側のピーク値からリーン側のピーク値に向けて変化しているときの単位時間あたりの前記検出値の変化量をリーン変化率として、前記リッチ変化率および前記リーン変化率に基づいて前記気筒間ばらつきがリッチばらつきおよびリーンばらつきのいずれであるかを判定することを要旨としている。
この発明では、気筒間ばらつきがリッチばらつきおよびリーンばらつきのいずれであるかに応じて互いの大小関係が変化するリッチ変化率およびリーン変化率に基づいて気筒間ばらつきがリッチばらつきおよびリーンばらつきのいずれであるかを判定している。このため、空燃比センサの検出値の変化量に基づいて気筒間ばらつきを判定する場合と比較して、気筒間ばらつきに関する判定の結果として適切なものが得られない頻度を少なくすることができる。
（７）請求項７に記載の発明は、請求項５または６に記載の内燃機関の空燃比診断装置において、前記リッチ変化率に対する前記リーン変化率の割合または前記リーン変化率に対する前記リッチ変化率の割合に基づいて前記気筒間ばらつきが前記リッチばらつきおよび前記リーンばらつきのいずれであるかを判定することを要旨としている。
リーン変化率の絶対値とリッチ変化率の絶対値とは互いに異なる。また、リーンばらつきが発生しているときにはリーン変化率の絶対値がリッチ変化率の絶対値よりも大きくなり、リッチばらつきが発生しているときにはリッチ変化率の絶対値がリーン変化率の絶対値よりも大きくなる。すなわち、リーン変化率とリッチ変化率との比には、気筒間ばらつきがリッチばらつきおよびリーンばらつきのいずれであるかが反映される。
この発明では、気筒間ばらつきがリッチばらつきおよびリーンばらつきのいずれであるかに応じて互いの大小関係が変化するリッチ変化率に対するリーン変化率の割合またはリーン変化率に対するリッチ変化率の割合に基づいて、気筒間ばらつきがリッチばらつきおよびリーンばらつきのいずれであるかを判定している。このため、気筒間ばらつきに関する判定の結果として適切なものが得られない頻度を少なくすることができる。
（８）請求項８に記載の発明は、請求項５または６に記載の内燃機関の空燃比診断装置において、前記リッチ変化率と前記リーン変化率との差に基づいて前記気筒間ばらつきが前記リッチばらつきおよび前記リーンばらつきのいずれであるかを判定することを要旨としている。
この発明では、気筒間ばらつきがリッチばらつきおよびリーンばらつきのいずれであるかに応じて互いの大小関係が変化するリッチ変化率とリーン変化率との差に基づいて、気筒間ばらつきがリッチばらつきおよびリーンばらつきのいずれであるかを判定している。このため、気筒間ばらつきに関する判定の結果として適切なものが得られない頻度を少なくすることができる。
（９）請求項９に記載の発明は、請求項５を引用する請求項７または請求項５を引用する請求項８に記載の内燃機関の空燃比診断装置において、前記リッチ変化率および前記リーン変化率に基づいて算出された値を変化率演算値とし、この変化率演算値に対する前記気筒間ばらつきの大きさの変化度合いをばらつき変化度合いとして、前記変化率演算値の絶対値に基づいて前記気筒間ばらつきの大きさを算出するものであり、前記気筒間ばらつきが前記リーンばらつきかつ前記変化率演算値の絶対値が基準値よりも大きいとき、前記気筒間ばらつきが前記リーンばらつきかつ前記変化率演算値の絶対値が前記基準値以下のときに比べて、前記ばらつき変化度合いが小さくなるように前記気筒間ばらつきの大きさを算出することを要旨としている。
気筒の空燃比がリーン側に大きく偏る場合には失火が発生しやすくなる。そして失火が発生した気筒の排気の割合が高い排気が排気管の集合部を通過したときには、空燃比センサの検出値は気筒間ばらつきに起因したリーン側の値よりもさらにリーン側の値を示す。すなわち、リーンばらつきの発生時かつ空燃比センサの検出値がリーン側に大きいときには、気筒間ばらつきおよび失火の状態が空燃比センサの検出値に反映されている可能性がある。このため、適切な気筒間のばらつきの大きさの値を得るためには、失火による影響分を小さくすること、すなわちばらつき変化度合いを小さくすることが好ましい。この発明では、気筒間ばらつきがリーンばらつきかつ変化率演算値の絶対値が基準値よりも大きいとき、気筒間ばらつきがリーンばらつきかつ変化率演算値の絶対値が基準値以下のときに比べて、ばらつき変化度合いが小さくなるように気筒間ばらつきを算出している。このため、失火の発生に起因して、実際の気筒間ばらつきの大きさと算出される気筒間ばらつきの大きさとが過度に乖離することを抑制することができる。
（１０）請求項１０に記載の発明は、請求項１〜９のいずれか一項に記載の内燃機関の空燃比診断装置において、前記リッチ変化率および前記リーン変化率に基づいて前記気筒間ばらつきが発生しているか否かを判定することを要旨としている。
この発明では、気筒間ばらつきの大きさに応じて変化するリッチ変化率およびリーン変化率に基づいて気筒間ばらつきの発生を判定しているため、空燃比センサの検出値の変化量に基づいて気筒間ばらつきを判定する場合と比較して、気筒間ばらつきに関する判定の結果として適切なものが得られない頻度を少なくすることができる。
（１１）請求項１１に記載の発明は、複数の気筒から排出された排気が合流して流れる排気管の集合部において排気の酸素濃度を検出する空燃比センサを備え、この空燃比センサの検出値に基づいて前記複数の気筒間の空燃比のばらつきである気筒間ばらつきに関する判定を行う内燃機関の空燃比診断装置において、前記検出値がリーン側のピーク値からリッチ側のピーク値に向けて変化しているときの単位時間あたりの前記検出値の変化量をリッチ変化率とし、前記検出値がリッチ側のピーク値からリーン側のピーク値に向けて変化しているときの単位時間あたりの前記検出値の変化量をリーン変化率として、複数の前記リッチ変化率および複数の前記リーン変化率を算出し、複数の前記リッチ変化率と複数の前記リーン変化率との和が和判定値よりも大きいか否かに基づいて前記気筒間ばらつきが発生しているか否かを判定することを要旨としている。
この発明によれば、気筒間ばらつきの大きさに応じて変化するリッチ変化率とリーン変化率との和に基づいて気筒間ばらつきが発生しているか否かを判定している。このため、空燃比センサの検出値の変化量に基づいて気筒間ばらつきを判定する場合と比較して、気筒間ばらつきに関する判定の結果として適切なものが得られない頻度を少なくすることができる。
本発明の内燃機関の空燃比診断装置の第１実施形態について、内燃機関の構造を模式的に示す模式図。 同実施形態の内燃機関について、空燃比の変化態様の例を示すタイミングチャート。 同実施形態の内燃機関について、図２の空燃比の変化態様の一部を示すタイミングチャート。 同実施形態の内燃機関について、電子制御装置により実行される「ばらつき率判定処理」の手順を示すフローチャート。 同実施形態の内燃機関について、（ａ）はリッチばらつき時に用いられる変化率和とばらつき率との関係を示すマップ、（ｂ）はリーンばらつき時に用いられる変化率和とばらつき率との関係を示すマップ。 本発明の内燃機関の空燃比診断装置の第２実施形態について、電子制御装置により実行される「ばらつき発生判定処理」の手順を示すフローチャート。
（第１実施形態）
図１〜図５を参照して、本発明の第１実施形態について説明する。なお、本実施形態では、直列４気筒の火花点火内燃機関の空燃比診断装置として本発明を具体化した一例を示している。
図１に示されるように、内燃機関１は、空気と燃料との混合気を燃焼する機関本体１０と、この機関本体１０の燃焼室１２に空気および燃料を供給する吸気装置２０と、燃焼室１２での燃焼後のガスを外部に送り出す排気装置３０と、これら装置をはじめ各種の装置を統括的に制御する制御装置４０とを含む。
吸気装置２０は、燃焼室１２に接続される吸気管２１と、吸気管２１に設けられて吸入した空気の流路面積を変更するスロットルバルブ２４と、吸気管２１内に燃料を噴射するインジェクタ２５とを含む。吸気管２１は、スロットルバルブ２４が設けられるとともに吸気管２１の入口となる集合部２３と、集合部２３の下流側に接続されて４つの気筒１１に対応して分岐した４つの分岐部２２とを含む。各分岐部２２には、それぞれインジェクタ２５が設けられている。各インジェクタ２５は、気筒１１に対して各別に燃料を噴射する。
排気装置３０は、燃焼室１２に接続される排気管３１と、排気管３１に設けられて排気を浄化する三元触媒装置３４とを含む。排気管３１は、三元触媒装置３４が設けられるとともに排気管３１の出口となる集合部３３と、集合部３３の上流側に接続されて４つの気筒１１に対応して分岐した４つの分岐部３２とを含む。
機関本体１０は、ピストンの往復運動を回転運動に変換するクランクシャフト１６と、吸気管２１と燃焼室１２との接続部を開閉する吸気バルブ１３と、排気管３１と燃焼室１２との接続部を開閉する排気バルブ１４と、混合気の燃焼を開始するための点火プラグ１５とを含む。
制御装置４０は、内燃機関１を制御するための各種の演算処理等を行う電子制御装置４１と、クランクポジションセンサ４２、スロットルポジションセンサ４３、エアフロメータ４４および空燃比センサ４５をはじめとする各種のセンサとを含む。
クランクポジションセンサ４２は、クランクシャフト１６の回転角度（以下、「クランク角度ＣＡ」）に応じた信号を電子制御装置４１に出力する。スロットルポジションセンサ４３は、スロットルバルブ２４の開度（以下、「スロットル開度ＶＡ」）に応じた信号を電子制御装置４１に出力する。エアフロメータ４４は、吸気管２１のスロットルバルブ２４よりも上流に設けられて吸入空気量（以下、「吸入空気量ＧＡ」）に応じた信号を電子制御装置４１に出力する。空燃比センサ４５は、排気管３１の集合部３３の三元触媒装置３４よりも上流側に設けられて集合部３３を通過する排気の酸素濃度に応じた信号を電子制御装置４１に出力する。なお、空燃比センサ４５により出力される信号と酸素濃度とはリニアな関係を示す。
電子制御装置４１は、各種の制御に用いるためのパラメータとして次のものを算出する。すなわち、クランクポジションセンサ４２の出力信号に基づいてクランク角度ＣＡに相当する演算値を算出する。また、クランク角度ＣＡの演算値に基づいてクランクシャフト１６の回転速度（以下、「機関回転速度ＮＥ」）に相当する演算値を算出する。また、スロットルポジションセンサ４３の出力信号に基づいてスロットル開度ＶＡに相当する演算値を算出する。また、エアフロメータ４４の出力信号に基づいて吸入空気量ＧＡに相当する演算値を算出する。また、空燃比センサ４５の出力信号に基づいて空燃比（以下、「空燃比ＡＦ」）に相当する演算値を算出する。また、吸入空気量ＧＡおよび機関負荷に基づいて各インジェクタ２５の燃料の噴射量（以下、「燃料噴射量ＱＦ」）の指令値を演算する。
電子制御装置４１により行われる制御としては、内燃機関１の運転中において行われる空燃比制御と、気筒間ばらつきが生じているときの気筒間での空燃比ＡＦのばらつき度合い（以下、「ばらつき率ＩＲ」）、および気筒間ばらつきの発生の原因となる特定の気筒をそれぞれ判定するばらつき判定制御とが挙げられる。なお、気筒間ばらつきは、特定の気筒の空燃比ＡＦが他の気筒の空燃比ＡＦよりもリッチ側またはリーン側に大きく乖離している空燃比の異常状態を示す。
空燃比制御では、各気筒１１の空燃比ＡＦを目標の空燃比（以下、「目標空燃比ＡＦＸ」）に近づけるため、空燃比センサ４５の検出値に基づく空燃比ＡＦの演算値と目標空燃比ＡＦＸとの差に基づいて、燃料噴射量ＱＦのフィードバック補正量を設定する。
図２を参照して、気筒間ばらつきおよび空燃比ＡＦの変化態様について説明する。図中の一点鎖線ＤＭは、空燃比制御が行われているときの空燃比ＡＦの平均値および目標空燃比ＡＦＸを示している。なお、以下では各気筒１１をそれぞれ気筒＃１および気筒＃２および気筒＃３および気筒＃４として示す。また、気筒＃１および気筒＃３および気筒＃４および気筒＃２の順に点火が行われる。
特定の気筒に対応したインジェクタ２５にデポジットが付着するなどして、特定の気筒に対する燃料噴射量ＱＦが減少しているとき、この気筒の空燃比ＡＦが目標空燃比ＡＦＸよりもリーン側に大きく偏ることがある。以下では、このように他の気筒の空燃比ＡＦに対して特定の気筒の空燃比ＡＦが大きくリーン側に乖離した気筒間ばらつきを「リーンばらつき」とする。
また、特定の気筒に対応したインジェクタ２５の開弁異常が発生するなどして、特定の気筒に対する燃料噴射量ＱＦが増加しているとき、この気筒の空燃比ＡＦが目標空燃比ＡＦＸよりもリッチ側に大きく偏ることがある。以下では、このように他の気筒の空燃比ＡＦに対して特定の気筒の空燃比ＡＦが大きくリッチ側に乖離した気筒間ばらつきを「リッチばらつき」とする。
図２（ａ）〜（ｃ）のそれぞれを参照して、機関運転状態毎の空燃比ＡＦの変化態様について説明する。なお、図２（ａ）〜（ｃ）においては目標空燃比ＡＦＸが変更されない場合の空燃比ＡＦの変化態様をそれぞれ例として挙げている。
図２（ａ）は、気筒間ばらつきが発生していないときの空燃比ＡＦの変化態様の一例を示している。気筒間ばらつきが発生していないとき、空燃比ＡＦは目標空燃比ＡＦＸを中心として変動し、かつ目標空燃比ＡＦＸに対する偏差が十分に小さい状態に維持される。
図２（ｂ）は、気筒＃１の空燃比ＡＦが気筒群＃２〜＃４の空燃比ＡＦに対して大きくリーン側に乖離したリーンばらつきが発生しているときの空燃比ＡＦの変化態様の一例を示している。
空燃比制御が行われる内燃機関１においては、図中の一点鎖線ＤＭで示されるように、リーンばらつきが発生しているときの空燃比ＡＦの平均値が目標空燃比ＡＦＸと略同じ値にされる。一方、空燃比制御が行われない仮想の内燃機関においては、図中の二点鎖線ＤＬで示されるように、リーンばらつきが発生しているときの空燃比ＡＦの平均値が目標空燃比ＡＦＸに対してリーン側に偏った値に維持される。
内燃機関１においては、具体的には次のように空燃比ＡＦが変化する。
時刻ｔ１１すなわち、気筒＃１の排気行程が開始されてから所定時間が経過したとき、気筒＃１の排気の割合が高い排気が集合部３３において空燃比センサ４５の設けられた部分を通過する。このとき、それまでに空燃比センサ４５により検出されていたリッチ側の空燃比の排気に対して、リーン側に大きく乖離した空燃比の排気の酸素濃度が空燃比センサ４５により検出されるため、空燃比ＡＦがリーン側に向けて急激に変化する。
時刻ｔ１２すなわち、気筒＃４の排気行程が開始されてから所定時間が経過したとき、気筒＃３の排気の割合が高い排気、すなわち時刻ｔ１１〜時刻ｔ１２までの期間に比べて気筒＃１の排気の割合が低下した排気が集合部３３において空燃比センサ４５の設けられた部分を通過する。このとき、空燃比制御のフィードバック補正によりリッチ補正された気筒＃３の排気を多く含む排気の酸素濃度が空燃比センサ４５により検出されるため、空燃比ＡＦの変化方向がリーン側からリッチ側に向けて変化する。また、時刻ｔ１１〜時刻ｔ１２の期間と比較して緩やかに空燃比ＡＦが変化する。
時刻ｔ１３すなわち、気筒＃４の排気行程が開始されてから所定時間が経過したとき、気筒＃４の排気の割合が高い排気が集合部３３において空燃比センサ４５の設けられた部分を通過する。このとき、空燃比制御のフィードバック補正によりリッチ補正された気筒＃４の排気を多く含む排気の酸素濃度が空燃比センサ４５により検出されるため、空燃比ＡＦが引き続きリッチ側に向けて変化する。
時刻ｔ１４すなわち、気筒＃２の排気行程が開始されてから所定時間が経過したとき、気筒＃２の排気の割合が高い排気が集合部３３において空燃比センサ４５の設けられた部分を通過する。このとき、空燃比制御のフィードバック補正によりリッチ補正された気筒＃２の排気を多く含む排気の酸素濃度が空燃比センサ４５により検出されるため、空燃比ＡＦが引き続きリッチ側に向けて変化する。
時刻ｔ１５すなわち、時刻ｔ１１を基準として内燃機関１の１燃焼サイクル分（クランク角度７２０度）にわたりクランクシャフト１６が回転したとき、気筒＃１の排気の割合が高い排気が集合部３３において空燃比センサ４５の設けられた部分を再び通過する。このため、時刻ｔ１１のときと同様に空燃比ＡＦがリーン側に向けて急激に変化する。
これ以降、リーンばらつきが発生している状態が継続されている限り、時刻ｔ１１〜時刻ｔ１５までの空燃比ＡＦの変化を１サイクルとした空燃比ＡＦの変化サイクルが繰り返される。
図２（ｃ）は、気筒＃１の空燃比ＡＦが気筒群＃２〜＃４の空燃比ＡＦに対して大きくリッチ側に乖離したリッチばらつきが発生しているときの空燃比ＡＦの変化態様の一例を示している。
空燃比制御が行われる内燃機関１においては、図中の一点鎖線ＤＭで示されるように、リッチばらつきが発生しているときの空燃比ＡＦの平均値が目標空燃比ＡＦＸと略同じ値にされる。一方、空燃比制御が行われない仮想の内燃機関においては、図中の二点鎖線ＤＲで示されるように、リッチばらつきが発生しているときの空燃比ＡＦの平均値が目標空燃比ＡＦＸに対してリッチ側に偏った値に維持される。
内燃機関１においては、具体的には次のように空燃比ＡＦが変化する。
時刻ｔ１１すなわち、気筒＃１の排気行程が開始されてから所定時間が経過したとき、気筒＃１の排気の割合が高い排気が集合部３３において空燃比センサ４５の設けられた部分を通過する。このとき、それまでに空燃比センサ４５により検出されていたリーン側の空燃比の排気に対して、リッチ側に大きく乖離した空燃比の排気の酸素濃度が空燃比センサ４５により検出されるため、空燃比ＡＦがリッチ側に向けて急激に変化する。
時刻ｔ１２すなわち、気筒＃３の排気行程が開始されてから所定時間が経過したとき、気筒＃３の排気の割合が高い排気、すなわち時刻ｔ１１〜時刻ｔ１２までの期間に比べて気筒＃１の排気の割合が低下した排気が集合部３３において空燃比センサ４５の設けられた部分を通過する。このとき、空燃比制御のフィードバック補正によりリーン補正された気筒＃３の排気を多く含む排気の酸素濃度が空燃比センサ４５により検出されるため、空燃比ＡＦの変化方向がリッチ側からリーン側に向けて変化する。また、時刻ｔ１１〜時刻ｔ１２の期間と比較して緩やかに空燃比ＡＦが変化する。
時刻ｔ１３すなわち、気筒＃４の排気行程が開始されてから所定時間が経過したとき、気筒＃４の排気の割合が高い排気が集合部３３において空燃比センサ４５の設けられた部分を通過する。このとき、空燃比制御のフィードバック補正によりリーン補正された気筒＃４の排気を多く含む排気の酸素濃度が空燃比センサ４５により検出されるため、空燃比ＡＦが引き続きリーン側に向けて変化する。
時刻ｔ１４すなわち、気筒＃２の排気行程が開始されてから所定時間が経過したとき、気筒＃２の排気の割合が高い排気が集合部３３において空燃比センサ４５の設けられた部分を通過する。このとき、空燃比制御のフィードバック補正によりリーン補正された気筒＃２の排気を多く含む排気の酸素濃度が空燃比センサ４５により検出されるため、空燃比ＡＦが引き続きリーン側に向けて変化する。
時刻ｔ１５すなわち、時刻ｔ１１を基準として内燃機関１の１燃焼サイクル分（クランク角度７２０度）にわたりクランクシャフト１６が回転したとき、気筒＃１の排気の割合が高い排気が集合部３３において空燃比センサ４５の設けられた部分を再び通過する。このため、時刻ｔ１１のときと同様に空燃比ＡＦがリッチ側に向けて急激に変化する。
これ以降、リッチばらつきが発生している状態が継続されている限り、時刻ｔ１１〜時刻ｔ１５までの空燃比ＡＦの変化を１サイクルとした空燃比ＡＦの変化サイクルが繰り返される。
図３を参照して、ばらつき率ＩＲとリッチ変化率Ｒおよびリーン変化率Ｌとの関係について説明する。なお同図には、図２の時刻ｔ１１〜時刻ｔ１５までの空燃比ＡＦの変化態様と同様のものが示されている。
図３（а）において線分Ｃ１で示されるように、リーンばらつきの発生時においてばらつき率ＩＲが比較的小さいとき（以下、「リーン小ばらつき時」）、空燃比ＡＦのリーン側のピーク値とリッチ側のピーク値との差ＤＡは小さくなる。このため、リーン小ばらつき時のリーン変化率Ｌの絶対値およびリッチ変化率Ｒの絶対値はいずれも小さい。なお、このときのリーン変化率Ｌは、差ＤＡを期間ＸＡで除算した値に近似している。また、このときのリッチ変化率Ｒは、差ＤＡを期間ＸＢで除算した値に近似している。
図３（а）において線分Ｃ２で示されるように、リーンばらつきの発生時においてばらつき率ＩＲが線分Ｃ１のリーン小ばらつき時よりも大きいとき（以下、「リーン大ばらつき時」）、空燃比ＡＦのリーン側のピーク値とリッチ側のピーク値との差ＤＢが差ＤＡよりも大きくなる。このため、リーン大ばらつき時のリーン変化率Ｌの絶対値およびリッチ変化率Ｒの絶対値は、いずれもリーン小ばらつき時のリーン変化率Ｌの絶対値およびリッチ変化率Ｒの絶対値よりも大きい。なお、このときのリーン変化率Ｌは、差ＤＢを期間ＸＡで除算した値に近似している。また、このときのリッチ変化率Ｒは、差ＤＢを期間ＸＢで除算した値に近似している。
図３（ｂ）において線分Ｃ３で示されるように、リッチばらつきの発生時においてばらつき率ＩＲが比較的小さいとき（以下、「リッチ小ばらつき時」）、空燃比ＡＦのリッチ側のピーク値とリーン側のピーク値との差ＤＣは小さくなる。このため、リッチ小ばらつき時のリッチ変化率Ｒの絶対値およびリーン変化率Ｌの絶対値はいずれも小さい。なお、このときのリッチ変化率Ｒは、差ＤＣを期間ＸＡで除算した値に近似している。また、このときのリーン変化率Ｌは、差ＤＣを期間ＸＢで除算した値に近似している。
図３（ｂ）において線分Ｃ４で示されるように、リッチばらつきの発生時においてばらつき率ＩＲが線分Ｃ３のリッチ小ばらつき時よりも大きいとき（以下、「リッチ大ばらつき時」）、空燃比ＡＦのリッチ側のピーク値とリーン側のピーク値との差ＤＤが差ＤＣよりも大きくなる。このため、リッチ大ばらつき時のリッチ変化率Ｒの絶対値およびリーン変化率Ｌの絶対値は、いずれもリッチ小ばらつき時のリッチ変化率Ｒの絶対値およびリーン変化率Ｌの絶対値よりも大きい。なお、このときのリッチ変化率Ｒは、差ＤＤを期間ＸＡで除算した値に近似している。また、このときのリーン変化率Ｌは、差ＤＤを期間ＸＢで除算した値に近似している。
以上のように、空燃比ＡＦのリーン変化率Ｌおよびリッチ変化率Ｒには気筒間ばらつきの状態が反映される。このため、リーン変化率Ｌおよびリッチ変化率Ｒの大きさに基づいてばらつき率ＩＲを把握することが可能となる。
ところで、気筒間ばらつきが発生しているときには、空燃比制御により空燃比ＡＦの平均値が目標空燃比ＡＦＸに維持されるものの、空燃比ＡＦがリッチ側とリーン側との間で大きく変動する。そして、気筒間ばらつきの発生の原因となる特定の気筒について燃料噴射量ＱＦの補正が適切が行われない限りは、そうした空燃比ＡＦの大きな変動が継続して繰り返される。
そこで、電子制御装置４１においては、ばらつき率ＩＲを把握するためにばらつき判定制御を行う。このばらつき判定制御は、ばらつき率ＩＲを判定するための「ばらつき率判定処理」と、気筒間ばらつきの発生の原因となる特定の気筒を判定するための「ばらつき気筒判定処理」とを含む。
図３を参照して、リッチ変化率Ｒおよびリーン変化率Ｌの算出態様について説明する。
リッチ変化率Ｒは次のように算出される。すなわち、空燃比ＡＦがリーン側のピーク値からリッチ側のピーク値に向けて変化している期間ＸＡにおいて、空燃比ＡＦに基づく関数の微分値が複数の異なるクランク角度毎に算出され、算出された複数の微分値の平均値としてリッチ変化率Ｒが算出される。リッチ変化率Ｒは、負の値として算出されるとともに、空燃比ＡＦが期間ＸＡにおいて変化しているときの単位時間あたりの空燃比ＡＦの変化量を示す。
リーン変化率Ｌは次のように算出される。すなわち、空燃比ＡＦがリッチ側のピーク値からリーン側のピーク値に向けて変化している期間ＸＢにおいて、空燃比ＡＦに基づく関数の微分値が複数の異なるクランク角度毎に算出され、算出した複数の微分値の平均値としてリーン変化率Ｌが算出される。リーン変化率Ｌは、正の値として算出されるとともに、空燃比ＡＦが期間ＸＢにおいて変化しているときの単位時間あたりの空燃比ＡＦの変化量を示す。
図３（ａ）に示されるように、線分Ｃ１のリーン小ばらつき時において、リーン変化率Ｌ（線分ＭＬ１の傾き）の絶対値がリッチ変化率Ｒ（線分ＭＲ１の傾き）の絶対値よりも大きくなる。また、線分Ｃ２のリーン大ばらつき時において、リーン変化率Ｌ（線分ＭＬ２の傾き）の絶対値がリッチ変化率Ｒ（線分ＭＲ２の傾き）の絶対値よりも大きくなる。すなわち、リーンばらつきが発生しているときには気筒間ばらつきの大きさが変化しても「リーン変化率Ｌの絶対値＞リッチ変化率Ｒの絶対値」の関係が維持される。
図３（ｂ）に示されるように、線分Ｃ３のリッチ小ばらつき時において、リッチ変化率Ｒ（線分ＭＲ３の傾き）の絶対値がリーン変化率Ｌ（線分ＭＬ３の傾き）の絶対値よりも大きくなる。また、線分Ｃ４のリッチ大ばらつき時において、リッチ変化率Ｒ（線分ＭＲ４の傾き）の絶対値がリーン変化率Ｌ（線分ＭＬ４の傾き）の絶対値よりも大きくなる。すなわち、リッチばらつきが発生しているときには気筒間ばらつきの大きさが変化しても「リッチ変化率Ｒの絶対値＞リーン変化率Ｌの絶対値」の関係が維持される。
図４を参照して、「ばらつき率判定処理」の内容について説明する。この処理は、内燃機関１の運転中において予め定められた所定の演算周期毎に電子制御装置４１により繰り返し実行される。
電子制御装置４１は「ばらつき率判定処理」として以下の各処理を行う。
ステップＳ１１において、リッチ変化率Ｒおよびリーン変化率Ｌを算出する。算出されたリッチ変化率Ｒおよびリーン変化率Ｌはメモリに記憶される。リッチ変化率Ｒおよびリーン変化率Ｌの算出は、メモリに記憶されたリッチ変化率Ｒおよびリーン変化率Ｌのデータ数が所定数に達するまでの間、１燃焼サイクルに相当する期間毎に繰り返し行われる。
ステップＳ１２において、メモリに記憶されているリッチ変化率Ｒおよびリーン変化率Ｌのデータ数が所定数以上である旨判定したとき、ステップＳ１３において、所定数のリッチ変化率Ｒの平均値（以下、「平均リッチ変化率ＲＡ」）を算出する。また、所定数のリーン変化率Ｌの平均値（以下、「平均リーン変化率ＬＡ」）を算出する。また、平均リッチ変化率ＲＡと平均リーン変化率ＬＡとの和（以下、「変化率和Ｓ」）を算出する。また、平均リーン変化率ＬＡに対する平均リッチ変化率ＲＡの割合である商の絶対値（以下、「変化率商Ｔ」）を算出する。
ステップＳ１４では、変化率商Ｔと所定値ＴＸとの比較に基づいて、気筒間ばらつきとしてリッチばらつきおよびリーンばらつきのいずれの気筒間ばらつきが発生しているかを判定する。リッチばらつきが発生しているときは、変化率商Ｔが所定値ＴＸ以上となる。反対にリーンばらつきが発生しているときは、変化率商Ｔが所定値ＴＸ未満となる。
ステップＳ１４において、変化率商Ｔの絶対値が所定値ＴＸ以上である旨判定したとき、ステップＳ１５において、図５（ａ）のリッチばらつき時マップとステップＳ１３で算出した変化率和Ｓとを用いてばらつき率ＩＲを算出する。
ステップＳ１４において、変化率商Ｔの絶対値が所定値ＴＸ未満である旨判定したとき、ステップＳ１６において、図５（ｂ）のリーンばらつき時マップとステップＳ１３で算出した変化率和Ｓとを用いてばらつき率ＩＲを算出する。
所定値ＴＸとしては、「１」、または「１」よりも大きくかつ「１」に近い値、または「１」よりも小さくかつ「１」に近い値が予め設定される。ここでは、所定値ＴＸとして「１」よりも大きくかつ「１」に近い値である「１．２」が設定されている。
所定値ＴＸとして「１」が設定されている場合において変化率商Ｔの演算結果が「１」付近のとき、実際にはリーンばらつきが発生しているもののリッチばらつきが発生している旨判定されるおそれがある。この場合、リッチばらつきが発生している旨の判定結果に基づいて燃料噴射量ＱＦの補正が行われたとすると、空燃比ＡＦがリーン側に変更されるため失火の可能性が高くなる。そこで、変化率商Ｔの演算結果が「１」付近のときにリッチばらつきが発生している旨の判定結果が得られる頻度を少なくするため、所定値ＴＸとして「１」よりも大きい値が設定されている。
図５（ａ）を参照して、リッチばらつきのときに用いられるマップの内容について説明する。このマップには、ばらつき率ＩＲと変化率和Ｓとの関係として以下のものが予め設定されている。
変化率和Ｓが「０」から和判定値ＳＸまでの範囲においては、ばらつき率ＩＲが「０％」に設定されている。変化率和Ｓが和判定値ＳＸ以上の範囲においては、変化率和Ｓが大きくなるにつれてばらつき率ＩＲが大きくなる。
図５（ｂ）を参照して、リーンばらつきのときに用いられるマップの内容について説明する。このマップには、ばらつき率ＩＲと変化率和Ｓとの関係として以下のものが予め設定されている。
変化率和Ｓが「０」から和判定値ＳＸまでの範囲においては、ばらつき率ＩＲが「０％」に設定されている。変化率和Ｓが和判定値ＳＸ以上かつ失火判定値ＳＹ以下の範囲においては、変化率和Ｓが大きくなるにつれてばらつき率ＩＲが大きくなる。変化率和Ｓが失火判定値ＳＹよりも大きい範囲においては、変化率和Ｓが失火判定値ＳＹ以下かつ和判定値ＳＸ以上のときに比べて、変化率和Ｓに対するばらつき率ＩＲの変化度合い（以下、「ばらつき変化度合い」）が小さくなるように変化率和Ｓとばらつき率ＩＲとの関係が設定されている。ここでは、変化率和Ｓが失火判定値ＳＹよりも大きいとき、変化率和Ｓに関わらずばらつき率ＩＲが一定の値として設定されている。
リーンばらつきが発生している状態かつ失火が発生していない状態においては、空燃比ＡＦが失火判定値ＳＹに対応した失火空燃比ＡＦＹよりも大きくなる可能性が低い。すなわち、空燃比ＡＦが失火空燃比ＡＦＹよりも大きいとき、リーンばらつきに起因して失火が発生したものと予測される。
このときの空燃比ＡＦは、リーンばらつきに起因して他の気筒の空燃比ＡＦに対してリーン側に乖離した分、および失火に起因して他の気筒の空燃比ＡＦに対してリーン側に乖離した分が反映されている。このため、そのときのリーンばらつきに対応したばらつき率ＩＲを算出するためには、失火による影響をなくすまたは小さくすることが必要となる。
そこで、リーンばらつき時マップにおいては、変化率和Ｓが失火判定値ＳＹよりも大きい範囲のばらつき変化度合いを変化率和Ｓが失火判定値ＳＹ以下の範囲のばらつき変化度合いよりも小さくしている。
本実施形態によれば以下に示す効果が得られる。
（１）本実施形態では、ばらつき率ＩＲに応じて変化するリッチ変化率Ｒおよびリーン変化率Ｌに基づいてばらつき率ＩＲを判定している。このため、空燃比ＡＦの変化量に基づいて気筒間ばらつきを判定する場合と比較して、気筒間ばらつきに関する判定の結果として適切なものが得られない頻度を少なくすることができる。
（２）本実施形態では、ばらつき率ＩＲに応じて変化する変化率和Ｓに基づいてばらつき率ＩＲを判定している。このため、気筒間ばらつきに関する判定の結果として適切なものが得られない頻度を少なくすることができる。
（３）本実施形態では、気筒間ばらつきがリッチばらつきおよびリーンばらつきのいずれであるかに応じて互いの大小関係が変化するリッチ変化率Ｒおよびリーン変化率Ｌに基づいて、気筒間ばらつきがリッチばらつきおよびリーンばらつきのいずれであるかを判定している。このため、空燃比ＡＦの変化量に基づいて気筒間ばらつきを判定する場合と比較して、気筒間ばらつきに関する判定の結果として適切なものが得られない頻度を少なくすることができる。
（４）リーン変化率Ｌの絶対値とリッチ変化率Ｒの絶対値とは互いに異なる。また、リーンばらつきが発生しているときには、リーン変化率Ｌの絶対値がリッチ変化率Ｒの絶対値よりも大きくなる。また、リッチばらつきが発生しているときには、リッチ変化率Ｒの絶対値がリーン変化率Ｌの絶対値よりも大きくなる。すなわち、リーン変化率Ｌとリッチ変化率Ｒとの比には、気筒間ばらつきがリッチばらつきおよびリーンばらつきのいずれであるかが反映される。
本実施形態では、気筒間ばらつきがリッチばらつきおよびリーンばらつきのいずれであるかに応じて互いの大小関係が変化するリーン変化率Ｌに対するリッチ変化率Ｒの割合に基づいて、気筒間ばらつきがリッチばらつきおよびリーンばらつきのいずれであるかを判定している。このため、気筒間ばらつきに関する判定の結果として適切なものが得られない頻度を少なくすることができる。
（５）特定の気筒の空燃比がリーン側に大きく偏る場合には失火が発生しやすくなる。そして、失火が発生した特定の気筒の排気の割合が高い排気が排気管３１の集合部３３を通過したときには、空燃比ＡＦは気筒間ばらつきに起因したリーン側の値よりもさらにリーン側の値を示す。すなわち、リーンばらつきの発生時かつ空燃比ＡＦがリーン側に大きいときには、気筒間ばらつきおよび失火の状態が空燃比ＡＦに反映されている可能性がある。このため、適切なばらつき率ＩＲの値を得るためには、失火による影響分を小さくすること、すなわちばらつき変化度合いを小さくすることが好ましい。
本実施形態では、気筒間ばらつきがリーンばらつきかつ変化率和Ｓが失火判定値ＳＹよりも大きいとき、気筒間ばらつきがリーンばらつきかつ変化率和Ｓの絶対値が失火判定値ＳＹ以下のときに比べて、ばらつき変化度合いが小さくなるようにばらつき率ＩＲを算出している。このため、失火の発生に起因して、実際のばらつき率ＩＲと算出されるばらつき率ＩＲとが過度に乖離することを抑制することができる。
（６）図２（ｄ）に、気筒＃１の空燃比ＡＦが気筒群＃２〜＃４の空燃比ＡＦに対して大きくリッチ側に乖離したリッチばらつきが発生しているとき、かつ空燃比ＡＦがリーン側のピーク値からリッチ側のピーク値に向けて変化しているときに不安定な燃焼状態が発生した場合の空燃比ＡＦの変化態様の一例を示す。なお、燃焼状態が不安定になること以外については図２（ｃ）のケースと同様の状態にあるものとする。
時刻ｔ１１〜時刻ｔ１２の期間、すなわち空燃比ＡＦがリーン側のピーク値からリッチ側のピーク値に向けて変化している期間において、不安定な燃焼状態が生じたとすると、燃焼状態が安定しているとき（図２（ｃ））とは空燃比ＡＦの変化傾向が異なる。
ここで、時刻ｔ１１〜時刻ｔ１２の期間において得られる空燃比ＡＦの情報（例えば２つのピーク値）に基づいて、気筒間ばらつきの大きさを判定する方法によれば、気筒間ばらつき以外の影響を大きく受けたものに基づいて同判定が行われることになる。このため、気筒間ばらつきに関する判定の結果として適切なものが得られない可能性が高い。
これに対して本実施形態では、リッチ変化率Ｒすなわち時刻ｔ１１〜時刻ｔ１２の期間において得られる空燃比ＡＦの情報、およびリーン変化率Ｌすなわち時刻ｔ１２〜時刻ｔ１５の期間において得られる空燃比ＡＦの情報に基づいて、気筒間ばらつきに関する判定を行う。すなわち、燃焼状態が不安定なときのリッチ変化率Ｒと燃焼状態が安定しているときのリーン変化率Ｌとに基づいて同判定を行う。これにより、上記で想定した別の判定方法に比べて、不安定な燃焼状態の影響が小さくなるため、気筒間ばらつきに関する判定の結果として適切なものが得られない頻度が少なくなる。
（７）図２（ｅ）に、気筒間ばらつきが発生していないときにおいて目標空燃比ＡＦＸがリッチ側に変更されたときの空燃比ＡＦの変化態様の一例を示す。
時刻ｔ１３すなわち、目標空燃比ＡＦＸがリッチ側の目標空燃比に変更されたとき、空燃比ＡＦはリーン側からリッチ側に向けて変化する。その後、空燃比ＡＦが新たな目標空燃比付近に維持される。
ここで、目標空燃比の変更にともない空燃比ＡＦが変化する期間において得られる空燃比ＡＦの情報（例えば２つのピーク値）に基づいて、気筒間ばらつきの大きさを判定する方法によれば、上記空燃比ＡＦの変化を気筒間ばらつきに起因するものと判定することもある。すなわち、２つのピーク値から算出される空燃比ＡＦの変化量が気筒間ばらつきを判定するための判定値よりも大きいときには、実際には気筒間ばらつきが発生していないにもかかわらず、空燃比ＡＦの変化量が判定値よりも大きいことに基づいて気筒間ばらつきが発生している旨判定される。
これに対して本実施形態では、リッチ変化率Ｒおよびリーン変化率Ｌに基づいて気筒間ばらつきに関する判定を行うため、すなわちリーン側からリッチ側への空燃比ＡＦの変化傾向に加えて、リッチ側からリーン側への空燃比ＡＦの変化傾向も含めて判定を行うため、気筒間ばらつきに関する判定の結果として適切なものが得られない頻度が少なくなる。すなわち、上述のように目標空燃比ＡＦＸの変更にともないリーン側からリッチ側への空燃比ＡＦの変化が生じたとしても、気筒間ばらつきの発生時であればその後に見られるリッチ側からリーン側への空燃比ＡＦの変化が生じていないため、上記で想定した別の判定方法のように誤った判定結果が得られることは抑制される。
（８）本実施形態では、複数のリッチ変化率Ｒ（平均リッチ変化率ＲＡ）および複数のリーン変化率Ｌ（平均リーン変化率ＬＡ）に基づいて気筒間ばらつきに関する判定を行う。このため、１つのリッチ変化率Ｒおよび１つのリーン変化率Ｌの和に基づいて気筒間ばらつきに関する判定を行う構成と比較して、気筒間ばらつきに関する判定の結果として適切なものが得られない頻度を少なくすることができる。
（第２実施形態）
図６を参照して、本発明の第２実施形態について説明する。
第１実施形態では、ばらつき判定制御において「ばらつき率判定処理」を行うことにより、気筒間ばらつきのばらつき率ＩＲを算出している。本実施形態では、この「ばらつき率判定処理」に代えて、気筒間ばらつきが発生しているか否かを判定するための「ばらつき発生判定処理」を行う。以下に、この変更された部分についての詳細を示す。なお、その他の点については第１実施形態と同様の構成が採用されているため、共通する構成については同一の符号を付してその説明を省略する。
図６を参照して、「ばらつき発生判定処理」の内容について説明する。この処理は、内燃機関１の運転中において予め定められた所定の演算周期毎に電子制御装置４１により繰り返し実行される。
電子制御装置４１は「ばらつき発生判定処理」として以下の各処理を行う。
ステップＳ２１において、リッチ変化率Ｒおよびリーン変化率Ｌを算出する。算出されたリッチ変化率Ｒおよびリーン変化率Ｌはメモリに記憶される。リッチ変化率Ｒおよびリーン変化率Ｌの算出は、メモリに記憶されたリッチ変化率Ｒおよびリーン変化率Ｌのデータ数が所定数に達するまでの間、１燃焼サイクルに相当する期間毎に繰り返し行われる。
ステップＳ２２において、メモリに記憶されているリッチ変化率Ｒおよびリーン変化率Ｌのデータ数が所定数以上である旨判定したとき、ステップＳ２３において、所定数のリッチ変化率Ｒの平均値である平均リッチ変化率ＲＡを算出する。また、所定数のリーン変化率Ｌの平均値である平均リーン変化率ＬＡを算出する。また、平均リッチ変化率ＲＡと平均リーン変化率ＬＡとの和である変化率和Ｓを算出する。
ステップＳ２４では、変化率和Ｓと和判定値ＳＸとの比較に基づいて、気筒間ばらつきが発生しているか否かを判定する。気筒間ばらつきが発生しているときには、変化率和Ｓが和判定値ＳＸ以上となる。反対に気筒間ばらつきが発生していないときには、変化率和Ｓが和判定値ＳＸ未満となる。
ステップＳ２４において、変化率和Ｓが和判定値ＳＸ以上である旨判定したとき、ステップＳ２５において、気筒間ばらつきが発生している旨判定してばらつき発生フラグをオンに設定する。
ステップＳ２４において、変化率和Ｓが和判定値ＳＸ未満である旨判定したとき、ステップＳ２６において、気筒間ばらつきが発生していない旨判定してばらつき発生フラグをオフに設定する。
本実施形態によれば、第１実施形態の（１）の効果、すなわち気筒間ばらつきに関する判定の結果として適切なものが得られない頻度を少なくすることができる旨の効果、および（８）の効果に加えて以下に示す効果が得られる。
（９）本実施形態では、ばらつき率ＩＲに応じて変化するリッチ変化率Ｒおよびリーン変化率Ｌに基づいて気筒間ばらつきの発生を判定している。このため、空燃比ＡＦの変化量に基づいて気筒間ばらつきを判定する場合と比較して、気筒間ばらつきに関する判定の結果として適切なものが得られない頻度を少なくすることができる。
（１０）本実施形態では、平均リッチ変化率ＲＡおよび平均リーン変化率ＬＡを算出し、変化率和Ｓが和判定値ＳＸよりも大きいか否かに基づいて気筒間ばらつきが発生しているか否かを判定している。このように、ばらつき率ＩＲに応じて変化する変化率和Ｓに基づいて気筒間ばらつきが発生しているか否かを判定しているため、気筒間ばらつきに関する判定の結果として適切なものが得られない頻度を少なくすることができる。
（その他の実施形態）
なお、本発明の実施態様は上記各実施形態に限られるものではなく、例えば以下に示すように変更して実施することもできる。また以下の各変形例は、上記各実施形態についてのみ適用されるものではなく、異なる変形例同士を互いに組み合わせて実施することもできる。
・上記第１実施形態では、変化率演算値としての変化率和Ｓに基づいてばらつき率ＩＲを算出したが、これを以下の（Ａ１）〜（Ａ３）のいずれかに変更することもできる。
（Ａ１）平均リッチ変化率ＲＡと平均リーン変化率ＬＡとの積に基づいてばらつき率ＩＲを算出する。
（Ａ２）平均リッチ変化率ＲＡの絶対値と平均リーン変化率ＬＡの絶対値との差、または、平均リッチ変化率ＲＡの絶対値と平均リーン変化率ＬＡとの差、または平均リッチ変化率ＲＡと平均リーン変化率ＬＡの符号を負に反転した値との差に基づいて、ばらつき率ＩＲを算出する。
（Ａ３）平均リッチ変化率ＲＡに対する平均リーン変化率ＬＡの割合、または平均リーン変化率ＬＡに対する平均リッチ変化率ＲＡの割合に基づいてばらつき率ＩＲを算出する。
・上記第１実施形態では、平均リーン変化率ＬＡに対する平均リッチ変化率ＲＡの割合の絶対値を変化率商Ｔとして算出したが、これを以下の（Ｂ１）〜（Ｂ３）のいずれかに変更することもできる。
（Ｂ１）平均リッチ変化率ＲＡに対する平均リーン変化率ＬＡの割合の絶対値を変化率商Ｔとして算出する。
（Ｂ２）平均リーン変化率ＬＡに対する平均リッチ変化率ＲＡの割合を変化率商Ｔとして算出する。
（Ｂ３）平均リッチ変化率ＲＡの符号を反転した変化率に対する平均リーン変化率ＬＡの割合を変化率商Ｔとして算出する。
（Ｂ４）平均リーン変化率ＬＡの符号を反転した変化率に対する平均リッチ変化率ＲＡの割合を変化率商Ｔとして算出する。
・上記第１実施形態では、図４の「ばらつき率判定処理」において、変化率商Ｔに基づいてリーンばらつきおよびリッチばらつきのいずれが発生しているかを判定したが、これを次のように変更することもできる。すなわち、平均リッチ変化率ＲＡの絶対値と平均リーン変化率ＬＡの絶対値との差、または平均リッチ変化率ＲＡの絶対値と平均リーン変化率ＬＡとの差、または平均リッチ変化率ＲＡと平均リーン変化率ＬＡの符号を負に反転した値との差に基づいて、リーンばらつきおよびリッチばらつきのいずれが発生しているかを判定する。
・上記第１実施形態では、変化率和Ｓに基づいてばらつき率ＩＲを判定する処理と、変化率商Ｔに基づいてリッチばらつきおよびリーンばらつきのいずれが発生しているかを判定する処理とを行う構成としたが、前者の処理を省略して後者の処理のみを行う構成、または後者の処理を省略して前者の処理のみを行う構成に変更することもできる。
・上記第１実施形態では、ばらつき率ＩＲを算出するためのマップとして、リッチばらつき時マップおよびリーンばらつき時マップを予め用意したが、マップの構成を以下の（Ｃ１）または（Ｃ２）のように変更することもできる。
（Ｃ１）リーンばらつきの発生時かつ変化率和Ｓが失火判定値ＳＹよりも大きいときに用いるマップと、リーンばらつきの発生時かつ変化率和Ｓが失火判定値ＳＹ以下のとき、およびリッチばらつきの発生時のときに用いるマップとを予め用意する。
（Ｃ２）リーンばらつきの発生時およびリッチばらつきの発生時の双方に共通する１つのマップを予め用意する。
・上記第２実施形態では、「ばらつき率判定処理」において、変化率和Ｓに基づいて気筒間ばらつきが発生しているか否かを判定したが、これを以下の（Ｄ１）〜（Ｄ４）のいずれかに変更することもできる。
（Ｄ１）平均リッチ変化率ＲＡと平均リーン変化率ＬＡとの積を算出し、この積の絶対値が積判定値以上か否かに基づいて、気筒間ばらつきが発生しているか否かを判定する。
（Ｄ２）平均リッチ変化率ＲＡの絶対値と平均リーン変化率ＬＡの絶対値との差を算出し、この差が差判定値以上か否かに基づいて、気筒間ばらつきが発生しているか否かを判定する。
（Ｄ３）平均リッチ変化率ＲＡおよび平均リーン変化率ＬＡの一方の変化率の符号を反転したものと他方の変化率との差を算出し、この差が差判定値以上か否かに基づいて、気筒間ばらつきが発生しているか否かを判定する。
（Ｄ４）平均リッチ変化率ＲＡに対する平均リーン変化率ＬＡの割合または平均リーン変化率ＬＡに対する平均リッチ変化率ＲＡの割合に基づいて、気筒間ばらつきが発生しているか否かを判定する。
・上記第２実施形態では、変化率和Ｓが和判定値ＳＸよりも大きいときに気筒間ばらつきが発生している旨判定したが、気筒間ばらつきの発生についての判定方法を次のように変更することもできる。すなわち、平均リッチ変化率ＲＡの絶対値および平均リーン変化率ＬＡの絶対値のうちの大きい方の絶対値が第１判定値以上、かつ小さい方の絶対値が第２判定値（＜第１判定値）以上かつ第１判定値未満のとき、気筒間ばらつきが発生している旨を判定することもできる。
・上記各実施形態では、平均リッチ変化率ＲＡの絶対値と平均リーン変化率ＬＡの絶対値との和を変化率和Ｓとして算出したが、これを以下の（Ｅ１）または（Ｅ２）に変更することもできる。
（Ｅ１）平均リッチ変化率ＲＡの絶対値と平均リーン変化率ＬＡとの和を変化率和Ｓとして算出する。
（Ｅ２）平均リッチ変化率ＲＡと平均リーン変化率ＬＡの符号を負に反転した値との和を変化率和Ｓとして算出する。
・上記各実施形態では、空燃比ＡＦがリーン側のピーク値からリッチ側のピーク値に向けて変化する期間の複数の微分値の平均値をリッチ変化率Ｒとして算出したが、リーン側のピーク値付近の微分値を除外した複数の微分値に基づいてリッチ変化率Ｒを算出することもできる。
・上記各実施形態では、空燃比ＡＦがリッチ側のピーク値からリーン側のピーク値に向けて変化する期間の複数の微分値の平均値をリーン変化率Ｌとして算出したが、リッチ側のピーク値付近の微分値を除外した複数の微分値に基づいてリーン変化率Ｌを算出することもできる。
・上記各実施形態では、空燃比ＡＦがリーン側のピーク値からリッチ側のピーク値に向けて変化する期間の複数の微分値の平均値をリッチ変化率Ｒとして算出したが、リッチ変化率Ｒの算出方法を次のように変更することもできる。すなわち、空燃比ＡＦがリーン側のピーク値からリッチ側のピーク値に向けて変化する期間の１つの微分値をリッチ変化率Ｒとして算出することもできる。
・上記各実施形態では、空燃比ＡＦがリッチ側のピーク値からリーン側のピーク値に向けて変化する期間の複数の微分値の平均値をリーン変化率Ｌとして算出したが、リーン変化率Ｌの算出方法を次のように変更することもできる。すなわち、空燃比ＡＦがリッチ側のピーク値からリーン側のピーク値に向けて変化する期間の１つの微分値をリーン変化率Ｌとして算出することもできる。
・上記各実施形態では、空燃比ＡＦがリーン側のピーク値からリッチ側のピーク値に向けて変化する期間の複数の微分値の平均値をリッチ変化率Ｒとして算出したが、リッチ変化率Ｒの算出方法を次のように変更することもできる。すなわち、空燃比ＡＦがリーン側のピーク値からリッチ側のピーク値に向けて変化するときの空燃比ＡＦの変化量、すなわち空燃比ＡＦのリーン側のピーク値とリッチ側のピーク値との差を算出し、この差を前者のピーク値から後者のピーク値に到達するまでの期間で除算した値をリッチ変化率Ｒとして算出することもできる。
・上記各実施形態では、空燃比ＡＦがリッチ側のピーク値からリーン側のピーク値に向けて変化する期間の複数の微分値の平均値をリーン変化率Ｌとして算出したが、リーン変化率Ｌの算出方法を次のように変更することもできる。すなわち、空燃比ＡＦがリッチ側のピーク値からリーン側のピーク値に向けて変化するときの空燃比ＡＦの変化量、すなわち空燃比ＡＦのリッチ側のピーク値とリーン側のピーク値との差を算出し、この差を前者のピーク値から後者のピーク値に到達するまでの期間で除算した値をリーン変化率Ｌとして算出することもできる。
・上記各実施形態では、平均リッチ変化率ＲＡおよび平均リーン変化率ＬＡに基づいて変化率和Ｓおよび変化率商Ｔを算出したが、１つのリッチ変化率Ｒおよび１つのリーン変化率Ｌに基づいて変化率和Ｓおよび変化率商Ｔを算出することもできる。
・上記各実施形態では、平均リッチ変化率ＲＡおよび平均リーン変化率ＬＡに基づいて変化率和Ｓおよび変化率商Ｔを算出したが、変化率和Ｓおよび変化率商Ｔの算出方法を次のように変更することもできる。すなわち、１つのリッチ変化率Ｒおよび１つのリーン変化率Ｌに基づいて変化率和Ｓまたは変化率商Ｔを算出し、この演算を繰り返して複数の変化率和Ｓまたは複数の変化率商Ｔを算出し、複数の変化率和Ｓの平均値または複数の変化率商Ｔの平均値を変化率和Ｓまたは変化率商Ｔとして算出することもできる。
・上記各実施形態では、平均リッチ変化率ＲＡの絶対値および平均リーン変化率ＬＡの絶対値の和を変化率和Ｓとして算出したが、リッチ変化率Ｒおよびリーン変化率Ｌとは別の演算値を用いて変化率和Ｓを算出することもできる。例えば、複数のリッチ変化率Ｒの和の絶対値と複数のリーン変化率Ｌの和の絶対値を変化率和Ｓとして算出することもできる。
・上記各実施形態では、平均リッチ変化率ＲＡに対する平均リーン変化率ＬＡの割合を変化率商Ｔとして算出したが、リッチ変化率Ｒおよびリーン変化率Ｌの平均値とは別の演算値を用いて変化率商を算出することもできる。例えば、複数のリッチ変化率Ｒの和に対する複数のリーン変化率Ｌの和の割合の絶対値を変化率商として算出することもできる。
・上記各実施形態では、平均リッチ変化率ＲＡの絶対値と平均リーン変化率ＬＡの絶対値との和を変化率和Ｓとして算出したが、平均リッチ変化率ＲＡの絶対値および第１定数の積と平均リーン変化率ＬＡの絶対値および第２定数の積との和を変化率和Ｓとして算出することもできる。このとき、第１定数と第２定数とを互いに異なるものにすることにより、リッチ変化率Ｒおよびリーン変化率Ｌのいずれか一方に重み付けされた変化率和Ｓを算出することができる。
・上記各実施形態では、平均リッチ変化率ＲＡの絶対値の和および平均リーン変化率ＬＡの絶対値の和を用いて「ばらつき率判定処理」および「ばらつき発生判定処理」を行う構成としたが、平均リッチ変化率ＲＡおよび平均リーン変化率ＬＡの少なくとも一方に所定の演算処理を加えた値を用いて変化率和を算出することもできる。この場合、各変化率の一方に演算処理を加えた値と他方の変化率との和を算出する構成、または各変化率の双方に演算処理を加えた値同士の和を算出する構成を採用することができる。
例えば、平均リッチ変化率ＲＡおよび平均リーン変化率ＬＡの一方を二乗するとともに、この計算により得られた値と他方の変化率との和を変化率和Ｓとすることもできる。また、平均リッチ変化率ＲＡおよび平均リーン変化率ＬＡの一方に定数を加算するとともに、これと他方の変化率との和を変化率和Ｓとすることもできる。なお、変化率商Ｔについても同様に、平均リッチ変化率ＲＡおよび平均リーン変化率ＬＡの少なくとも一方を操作して変化率商を算出することもできる。
・上記各実施形態では、直列４気筒の火花点火内燃機関の空燃比診断装置に本発明を適用したが、本発明を適用することのできる空燃比診断装置はこれに限らない。例えば、直列６気筒または８気筒の火花点火式内燃機関の空燃比診断制御装置に本発明を適用することもできる。要するに、複数の気筒から排出された排気が合流して流れる排気管の集合部の排気の酸素濃度を検出する空燃比センサを備え、空燃比センサの検出値に基づいて気筒間ばらつきに関する判定を行う内燃機関の空燃比診断装置であれば、いずれの空燃比診断装置に対しても本発明を適用することができる。また、その場合にも上記各実施形態の効果に準じた効果が得られる。
１…内燃機関、１０…機関本体、１１…気筒、１２…燃焼室、１３…吸気バルブ、１４…排気バルブ、１５…点火プラグ、１６…クランクシャフト、２０…吸気装置、２１…吸気管、２２…分岐部、２３…集合部、２４…スロットルバルブ、２５…インジェクタ、３０…排気装置、３１…排気管、３２…分岐部、３３…集合部、３４…三元触媒装置、４０…制御装置、４１…電子制御装置、４２…クランクポジションセンサ、４３…スロットルポジションセンサ、４４…エアフロメータ、４５…空燃比センサ。

Claims (11)

  1. 複数の気筒から排出された排気が合流して流れる排気管の集合部において排気の酸素濃度を検出する空燃比センサを備え、この空燃比センサの検出値に基づいて前記複数の気筒間の空燃比のばらつきである気筒間ばらつきに関する判定を行う内燃機関の空燃比診断装置において、
    前記検出値がリーン側のピーク値からリッチ側のピーク値に向けて変化しているときの単位時間あたりの前記検出値の変化量をリッチ変化率とし、前記検出値がリッチ側のピーク値からリーン側のピーク値に向けて変化しているときの単位時間あたりの前記検出値の変化量をリーン変化率として、前記リッチ変化率および前記リーン変化率に基づいて前記気筒間ばらつきの大きさを判定する
    ことを特徴とする内燃機関の空燃比診断装置。
  2. 請求項１に記載の内燃機関の空燃比診断装置において、
    前記リッチ変化率と前記リーン変化率との和に基づいて前記気筒間ばらつきの大きさを判定する
    ことを特徴とする内燃機関の空燃比診断装置。
  3. 請求項１に記載の内燃機関の空燃比診断装置において、
    前記リッチ変化率と前記リーン変化率との積に基づいて前記気筒間ばらつきの大きさを判定する
    ことを特徴とする内燃機関の空燃比診断装置。
  4. 請求項１に記載の内燃機関の空燃比診断装置において、
    前記リッチ変化率と前記リーン変化率との差に基づいて前記気筒間ばらつきの大きさを判定する
    ことを特徴とする内燃機関の空燃比診断装置。
  5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の内燃機関の空燃比診断装置において、
    前記リッチ変化率および前記リーン変化率に基づいて前記気筒間ばらつきがリッチばらつきおよびリーンばらつきのいずれであるかを判定する
    ことを特徴とする内燃機関の空燃比診断装置。
  6. 複数の気筒から排出された排気が合流して流れる排気管の集合部において排気の酸素濃度を検出する空燃比センサを備え、この空燃比センサの検出値に基づいて前記複数の気筒間の空燃比のばらつきである気筒間ばらつきに関する判定を行う内燃機関の空燃比診断装置において、
    前記検出値がリーン側のピーク値からリッチ側のピーク値に向けて変化しているときの単位時間あたりの前記検出値の変化量をリッチ変化率とし、前記検出値がリッチ側のピーク値からリーン側のピーク値に向けて変化しているときの単位時間あたりの前記検出値の変化量をリーン変化率として、前記リッチ変化率および前記リーン変化率に基づいて前記気筒間ばらつきがリッチばらつきおよびリーンばらつきのいずれであるかを判定する
    ことを特徴とする内燃機関の空燃比診断装置。
  7. 請求項５または６に記載の内燃機関の空燃比診断装置において、
    前記リッチ変化率に対する前記リーン変化率の割合または前記リーン変化率に対する前記リッチ変化率の割合に基づいて前記気筒間ばらつきが前記リッチばらつきおよび前記リーンばらつきのいずれであるかを判定する
    ことを特徴とする内燃機関の空燃比診断装置。
  8. 請求項５または６に記載の内燃機関の空燃比診断装置において、
    前記リッチ変化率と前記リーン変化率との差に基づいて前記気筒間ばらつきが前記リッチばらつきおよび前記リーンばらつきのいずれであるかを判定する
    ことを特徴とする内燃機関の空燃比診断装置。
  9. 請求項５を引用する請求項７または請求項５を引用する請求項８に記載の内燃機関の空燃比診断装置において、
    前記リッチ変化率および前記リーン変化率に基づいて算出された値を変化率演算値とし、この変化率演算値に対する前記気筒間ばらつきの大きさの変化度合いをばらつき変化度合いとして、
    前記変化率演算値の絶対値に基づいて前記気筒間ばらつきの大きさを算出するものであり、前記気筒間ばらつきが前記リーンばらつきかつ前記変化率演算値の絶対値が基準値よりも大きいとき、前記気筒間ばらつきが前記リーンばらつきかつ前記変化率演算値の絶対値が前記基準値以下のときに比べて、前記ばらつき変化度合いが小さくなるように前記気筒間ばらつきの大きさを算出する
    ことを特徴とする内燃機関の空燃比診断装置。
  10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の内燃機関の空燃比診断装置において、
    前記リッチ変化率および前記リーン変化率に基づいて前記気筒間ばらつきが発生しているか否かを判定する
    ことを特徴とする内燃機関の空燃比診断装置。
  11. 複数の気筒から排出された排気が合流して流れる排気管の集合部において排気の酸素濃度を検出する空燃比センサを備え、この空燃比センサの検出値に基づいて前記複数の気筒間の空燃比のばらつきである気筒間ばらつきに関する判定を行う内燃機関の空燃比診断装置において、
    前記検出値がリーン側のピーク値からリッチ側のピーク値に向けて変化しているときの単位時間あたりの前記検出値の変化量をリッチ変化率とし、前記検出値がリッチ側のピーク値からリーン側のピーク値に向けて変化しているときの単位時間あたりの前記検出値の変化量をリーン変化率として、複数の前記リッチ変化率および複数の前記リーン変化率を算出し、複数の前記リッチ変化率と複数の前記リーン変化率との和が和判定値よりも大きいか否かに基づいて前記気筒間ばらつきが発生しているか否かを判定する
    ことを特徴とする内燃機関の空燃比診断装置。
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