JP5099266B2

JP5099266B2 - 気筒間空燃比ばらつき異常検出装置

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Publication number: JP5099266B2
Application number: JP2011539205A
Authority: JP
Inventors: 孝之大塚; 泰之入澤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-11-01
Filing date: 2010-11-01
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2030-11-01
Also published as: CN103221661B; JPWO2012059953A1; CN103221661A; WO2012059953A1; US20120283931A1; US8433499B2

Description

本発明は、気筒間空燃比のばらつき異常を検出するための装置に係り、特に、多気筒内燃機関において気筒間の空燃比が比較的大きくばらついていることを検出する装置に関する。

一般に、触媒を利用した排気浄化システムを備える内燃機関では、排気中有害成分の触媒による浄化を高効率で行うため、内燃機関で燃焼される混合気の空気と燃料との混合割合、すなわち空燃比のコントロールが欠かせない。こうした空燃比の制御を行うため、内燃機関の排気通路に空燃比センサを設け、これによって検出された空燃比を所定の目標空燃比に一致させるようフィードバック制御を実施している。

一方、多気筒内燃機関においては、通常全気筒に対し同一の制御量を用いて空燃比制御を行うため、空燃比制御を実行したとしても実際の空燃比が気筒間でばらつくことがある。このときばらつきの程度が小さければ、空燃比フィードバック制御で吸収可能であり、また触媒でも排気中有害成分を浄化処理可能なので、排気エミッションに影響を与えず、特に問題とならない。

しかし、例えば一部の気筒の燃料噴射系が故障するなどして、気筒間の空燃比が大きくばらつくと、排気エミッションを悪化させてしまい、問題となる。このような排気エミッションを悪化させる程の大きな空燃比ばらつきは異常として検出するのが望ましい。特に自動車用内燃機関の場合、排気エミッションの悪化した車両の走行を未然に防止するため、気筒間空燃比ばらつき異常を車載状態（オンボード）で検出することが要請されており、最近ではこれを法規制化する動きもある。

例えば特許文献１に記載の装置では、気筒間の空燃比ばらつきに関するパラメータを検出し、この検出されたパラメータに基づき空燃比センサの出力を補正している。

空燃比ばらつき異常が発生すると空燃比センサ出力の変動が大きくなる。そこでこの変動度合いをモニタすることで、空燃比ばらつき異常を検出することが可能である。

しかしながら、ターボチャージャを備えたターボ過給式内燃機関の場合だと、排気ガスがタービンを通過する際に攪拌されるので、気筒毎の空燃比が平均化され、空燃比センサ出力の変動が小さくなる。よって空燃比ばらつき異常を正確に検出できなくなる虞がある。

また、ターボ過給式内燃機関の場合、バルブオーバーラップ時に吸気が排気側に吹き抜けるスカベンジが発生することがある。このスカベンジが発生すると、各気筒からの純粋な排気ガスに新気が混入し、空燃比が変化して、空燃比ばらつき異常を正確に検出できなくなる虞がある。

そこで本発明は、上記の事情に鑑みて創案され、その目的は、ターボ過給式内燃機関に特有の課題を解決することが可能な気筒間空燃比ばらつき異常検出装置を提供することにある。

特開２００９−２０９７４７号公報

本発明の一の態様によれば、
多気筒内燃機関の排気通路に設置されたターボチャージャのタービンと、
前記タービンをバイパスするバイパス通路を開閉するウェイストゲートバルブと、
前記バイパス通路の出口よりも下流側の前記排気通路に設置された空燃比センサと、
前記空燃比センサの出力の変動度合いに基づいて気筒間空燃比ばらつき異常を検出する異常検出手段と、
前記内燃機関に連結された無段変速機と、
エンジン回転数とエンジントルクによって規定される座標系における所定の動作線上を前記内燃機関の実際の動作点が移動するように、前記内燃機関および無段変速機を制御する制御手段と、
前記ばらつき異常の検出時に、前記座標系内のウェイストゲートバルブ開領域外に前記実際の動作点があるとき、この実際の動作点が前記ウェイストゲートバルブ開領域内に移動するよう、前記動作線を変更する変更手段と、
を備えたことを特徴とする気筒間空燃比ばらつき異常検出装置が提供される。

好ましくは、前記変更手段は、前記実際の動作点が、前記座標系内の同一の等出力線上で前記ウェイストゲートバルブ開領域内に移動するよう、前記動作線を変更する。

好ましくは、前記動作線が、燃費が最良となるような燃費最適線である。

本発明の他の態様によれば、
多気筒内燃機関の排気通路に設置されたターボチャージャのタービンと、
前記タービンよりも下流側の前記排気通路に設置された空燃比センサと、
前記空燃比センサの出力の変動度合いに基づいて気筒間空燃比ばらつき異常を検出する異常検出手段と、
前記内燃機関に連結された無段変速機と、
エンジン回転数とエンジントルクによって規定される座標系における所定の動作線上を前記内燃機関の実際の動作点が移動するように、前記内燃機関および無段変速機を制御する制御手段と、
前記ばらつき異常の検出時に、前記座標系内のスカベンジ領域内に前記実際の動作点があるとき、この実際の動作点が前記スカベンジ領域外に移動するよう、前記動作線を変更する変更手段と、
を備えたことを特徴とする気筒間空燃比ばらつき異常検出装置が提供される。

好ましくは、前記変更手段は、前記実際の動作点が、前記座標系内の同一の等出力線上で前記スカベンジ領域外に移動するよう、前記動作線を変更する。

本発明のさらに他の態様によれば、
多気筒内燃機関の排気通路に設置されたターボチャージャのタービンと、
前記タービンよりも下流側の前記排気通路に設置された空燃比センサと、
前記空燃比センサの出力の変動度合いに基づいて気筒間空燃比ばらつき異常を検出する異常検出手段と、
前記内燃機関に連結された無段変速機と、
エンジン回転数とエンジントルクによって規定される座標系における所定の動作線上を前記内燃機関の実際の動作点が移動するように、前記内燃機関および無段変速機を制御する制御手段と、
前記ばらつき異常の検出時に、前記座標系内のスカベンジ領域内に前記実際の動作点があるとき、吸気弁および排気弁のバルブオーバーラップを禁止するようバルブタイミングを変更する変更手段と、
を備えたことを特徴とする気筒間空燃比ばらつき異常検出装置が提供される。

好ましくは、前記異常検出手段は、前記空燃比センサ出力の変動度合いに相関するパラメータの値に基づいてばらつき異常を検出し、
前記パラメータは、異なる二つのタイミングにおける前記空燃比センサ出力の差に基づく値である。

好ましくは、前記空燃比センサは、前記排気通路のうち、各気筒の排気ガスが集合する集合部に設置されている。

本発明によれば、ターボ過給式内燃機関に特有の課題を解決することが可能な気筒間空燃比ばらつき異常検出装置を提供することができるという、優れた効果が発揮される。

図１は、本発明の実施形態に係る車両の駆動システムを概略的に示す図である。図２は、本実施形態に係る内燃機関の概略図である。図３は、触媒前センサおよび触媒後センサの出力特性を示すグラフである。図４は、気筒間空燃比ばらつき度合いに応じた空燃比センサ出力の変動を示すグラフである。図５は、図４のＶ部に相当する拡大図である。図６は、車両におけるエンジンの動作特性を示すグラフである。図７は、第１実施例における実際の動作を示すグラフであり、動作線変更前の状態を示す。図８は、第１実施例における実際の動作を示すグラフであり、動作線変更後の状態を示す。図９は、第１実施例に係るばらつき異常検出ルーチンを示すフローチャートである。図１０は、第２実施例における実際の動作を示すグラフであり、動作線変更前の状態を示す。図１１は、第２実施例における実際の動作を示すグラフであり、動作線変更後の状態を示す。図１２は、第２実施例に係るばらつき異常検出ルーチンを示すフローチャートである。図１３は、第２実施例の変形例に係るばらつき異常検出ルーチンを示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づき説明する。

図１に、本発明の実施形態に係る車両の駆動システムを概略的に示す。１は車両に搭載された内燃機関（エンジン）である。エンジン１は、多気筒内燃機関、特に直列４気筒の火花点火式内燃機関である。エンジン１の吸気通路２には、エアフローメータ３とスロットルバルブ４が設けられている。エアフローメータ３は、単位時間当たりにエンジン１に吸入される空気の量、すなわち吸入空気量を検出するためのものである。スロットルバルブ４は電子制御式であって、開閉することにより吸入空気量を調節する。

エンジン１のクランクシャフト５にはトルクコンバータ（Ｔ／Ｃ）６が接続されている。Ｔ／Ｃ６は、クランクシャフト５に接続された入力側のポンプインペラ７と、ポンプインペラ７に対向された出力側のタービンランナ８と、ステータ９とを有する。

タービンランナ８には、自動変速機が接続されている。本実施形態の自動変速機は、ベルト式無段変速機、すなわちＣＶＴ(Continuously Variable Transmission)１１からなる。ＣＶＴ１１は、入力側のプライマリープーリ１２と、出力側のセカンダリープーリ１３と、これらプーリの間を掛け渡される金属製ベルト１４とを備える。こうして車両は、無段階に自動変速可能なオートマチック車として構成される。そしてＣＶＴ１１は、Ｔ／Ｃ６を介してエンジン１に機械的に連結されている。

ＣＶＴ１１は、プライマリープーリ１２よりもさらに入力側に切替機構１０を備えている。切替機構１０は、Ｔ／Ｃ６から出力された回転ないし動力の伝達の有無を切り替えるクラッチ１０Ａと、当該回転ないし動力を逆転させてＣＶＴ１１に伝えるためのリバース機構とを含む。またＣＶＴ１１には、パーキング時にいずれかのプーリをロックするためのパーキングロック機構が含まれる。

セカンダリープーリ１３には、ディファレンシャル１５を介して駆動輪１６が接続されている。駆動輪１６および従動輪（図示せず）には制動のためのブレーキ１７が付設されている。

車両には、電子制御ユニット（ＥＣＵ）１００が設けられている。ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、および記憶装置等を含む。

ＥＣＵ１００には、エアフローメータ３から吸入空気量に関する検出信号が送られる。またＥＣＵ１００には、クランク角センサ１８からクランクシャフト５の回転角（クランク角）に関する検出信号が送られる。ＥＣＵ１００は当該信号に基づきエンジン１のクランク角を検出すると共に、エンジン１の回転数を計算する。ここで「回転数」とは、単位時間当たりの回転数のことをいい、回転速度と同義である。本実施形態では１分間当たりの回転数ｒｐｍのことをいう。

ＥＣＵ１００には、タービン回転数センサ１９から、タービン回転数すなわちＴ／Ｃ６の出力回転数に関する検出信号が送られる。同様に、ＥＣＵ１００には、ＣＶＴ入力回転数センサ２０およびＣＶＴ出力回転数センサ２１から、それぞれ、ＣＶＴ入力回転数およびＣＶＴ出力回転数に関する検出信号が送られる。

ＥＣＵ１００は、スロットルバルブ４の駆動モータに制御信号を送ってスロットルバルブ４の開度（スロットル開度）を制御する。またＥＣＵ１００は、スロットルバルブ４に設けられたスロットル開度センサ（図示せず）から実際のスロットル開度に関する検出信号を受け取る。

ＥＣＵ１００は、プライマリープーリ１２の油圧機構に送られる油圧を制御してＣＶＴ１１の変速比を制御する。

図２は、本実施形態に係るエンジンを概略的に示す。エンジン１は、気筒毎に、筒内燃焼室３０内に燃料を直接噴射するためのインジェクタ（燃料噴射弁）３１が設けられている。

エンジン１は過給機としてのターボチャージャ３２を備えている。ターボチャージャ３２は、排気通路３３に設けられたタービン３４と吸気通路２に設けられたコンプレッサ３５とを有し、排気通路３３を流れる排気ガスのエネルギを利用してタービン３４を駆動すると共に、タービン３４に同軸連結されたコンプレッサ３５を駆動して、吸気通路２内の吸気を過給するようになっている。過過給を防止すべく、排気通路３３にはタービン３４をバイパスするバイパス通路３６が設けられ、バイパス通路３７にはこれを開閉するウェイストゲートバルブ（ＷＧＶ）３８が設けられている。ＷＧＶ３８はこれを開閉するアクチュエータ３９を含む。

エアクリーナ４０から吸入された空気は、吸気通路２を通じて各気筒の燃焼室３０に分配供給される。吸気通路２は、上流側から順に配置された吸気管４１、吸気マニホールド４２及び吸気ポート４３により主に画成される。吸気管４１には、前記コンプレッサ３５と、コンプレッサ３５の下流側に配設されたインタークーラ４４と、インタークーラ４４の下流側に配設されたスロットルバルブ４とが設けられる。インタークーラ４４はこれを通過する吸気を冷却する。本実施形態のインタークーラ４４は空冷式であるが、水冷式などであってもよい。なお本実施形態のエンジン１は車両に搭載されるものであり、吸気はインタークーラ４４を介して外気（特に走行風）との間で熱交換を行い冷却される。吸気マニホールド４２は、その上流端が集合部としてのサージタンク４５に接続され、その下流側の分岐通路としての枝管が各気筒の吸気ポート４３に接続されている。吸気ポート４３はエンジン１のシリンダヘッド４４に気筒毎に形成される。

排気通路３３は、エンジン１のシリンダヘッド４４に気筒毎に形成された排気ポート４５と、これら排気ポート４５に接続される排気マニホールド４６と、排気マニホールド４６の下流側に位置された排気管４７とにより主に画成される。排気マニホールド４６と排気管４７との間に前記タービン３４が介設されている。

吸気ポート４３の出口が吸気弁４８により開閉され、排気ポート４５の入口が排気弁４９により開閉される。これら吸気弁４８と排気弁４９とはそれぞれ図示しないカムシャフトによって個別に開閉される。吸気弁４８と排気弁４９の少なくとも一方のバルブタイミングを可変とすべく、バルブタイミング可変機構（ＶＶＴ）５０が設けられている。

エンジン１のシリンダ５１内にはピストン５２が往復動可能に配設され、ピストン５２の上方には筒内燃焼室３０が画成される。筒内燃焼室３０に臨んで点火プラグ５３がシリンダヘッド４４に取り付けられる。

インジェクタ３１は、吸気行程及び圧縮行程のいずれか一方又は両方で燃料噴射を行う。圧縮行程噴射の場合、上昇してくるピストン５２の頂部の凹部５４に向けて燃料を噴射し、凹部５４内面に沿って巻き上がるタンブル状の流れを生成する過程で燃料と空気とを混合させ、点火プラグ５３付近に比較的リッチな混合気層を形成する。このリッチな混合気層の周りにはリーンな混合気層或いは空気層が形成され、これにより筒内燃焼室３０内の混合気が成層化され、成層燃焼が実現される。インジェクタ３１は、ＥＣＵ１００からの開弁信号に基づいて開弁し、燃料を噴射し、ＥＣＵ１００からの開弁信号が停止すると閉弁して燃料噴射を停止する。筒内燃焼室３０内の混合気は、ＥＣＵ１００からの点火信号に基づき、点火プラグ５３により点火され、燃焼する。筒内燃焼室３０内の排気は排気通路３３を通じて排出される。

なお、本実施形態のエンジンは筒内噴射式或いは直噴式だが、これに限らず、例えば吸気通路噴射式（特にポート噴射式）や双方の噴射方式を併せ持つデュアル噴射式などであってもよい。図示省略するが、インジェクタ３１には、燃料タンク内の燃料が図示しない燃料供給装置を介して供給される。

排気マニホールド４６は、その上流部をなす気筒毎の枝管と、その下流部をなす排気集合部とからなる。排気集合部の下流端にタービン３４が接続されている。排気通路３３のうち、排気マニホールド４６の排気集合部から下流側の部分が、各気筒の排気ガスが集合する集合部を形成する。

タービン３４の下流側、特にバイパス通路３６の出口の下流側における排気通路３３には、排気ガスの空燃比を検出するための第１の空燃比センサ６０と、三元触媒からなる触媒６１と、同じく排気ガスの空燃比を検出するための第２の空燃比センサ６２とが、上流側からこの順番で直列に設けられている。以下、第１及び第２の空燃比センサを触媒前センサ及び触媒後センサという。これら触媒前センサ６０及び触媒後センサ６２は、触媒６１の直前及び直後の位置に設置され、排気中の酸素濃度に基づいて空燃比を検出する。このように排気通路の集合部には単一の触媒前センサ６０が設置されている。この触媒前センサ６０が本発明にいう「空燃比センサ」に該当する。なお触媒後センサ６２の下流側にさらに三元触媒からなる触媒を設けてもよい。

ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ａ／Ｄ変換器及び入出力インターフェイス等を含んで構成されるマイクロコンピュータを備え、上述の各センサを含む各種センサ類からの入力信号を受け、これに基づいて所定の処理を行い、インジェクタ３１、点火プラグ５３、スロットルバルブ４、ＶＶＴ５０等を制御する。

前記センサ類には、アクセル開度を検出するためのアクセル開度センサ６４、エンジン１の冷却水温度を検出するための水温センサ６５が含まれる。アクセル開度センサ６４は、車両の運転手により操作されるアクセルペダルの開度に応じた信号をＥＣＵ１００に出力する。

触媒前センサ６０は所謂広域空燃比センサからなり、比較的広範囲に亘る空燃比を連続的に検出可能である。図３に触媒前センサ６０の出力特性を示す。図示するように、触媒前センサ６０は、検出した排気空燃比（触媒前空燃比ともいう）に比例した大きさの電圧信号Ｖｆを出力する。排気空燃比がストイキ（理論空燃比、例えばＡ／Ｆ＝１４．６）であるときの出力電圧はＶｒｅｆｆ（例えば約３．３Ｖ）である。

他方、触媒後センサ６２は所謂Ｏ₂センサからなり、ストイキを境に出力値が急変する特性を持つ。図３に触媒後センサ６２の出力特性を示す。図示するように、排気空燃比（触媒後空燃比Ａ／Ｆｒ）がストイキであるときの出力電圧、すなわちストイキ相当値はＶｒｅｆｒ（例えば０．４５Ｖ）である。触媒後センサ６２の出力電圧は所定の範囲（例えば０〜１（Ｖ））内で変化する。排気空燃比がストイキよりリーンのとき、触媒後センサの出力電圧はストイキ相当値Ｖｒｅｆｒより低くなり、排気空燃比がストイキよりリッチのとき、触媒後センサの出力電圧はストイキ相当値Ｖｒｅｆｒより高くなる。

触媒１１は、これに流入する排気ガスの空燃比Ａ／Ｆがストイキ近傍のときに排気中の有害成分であるＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯを同時に浄化する。この三者を同時に高効率で浄化できる空燃比の幅（ウィンドウ）は比較的狭い。

触媒１１に流入する排気ガスの空燃比がストイキ近傍に制御されるように、空燃比制御（ストイキ制御）がＥＣＵ２０により実行される。この空燃比制御は、触媒前センサ６０によって検出された排気空燃比を所定の目標空燃比であるストイキに一致させるような主空燃比制御（主空燃比フィードバック制御）と、触媒後センサ６２によって検出された排気空燃比をストイキに一致させるような補助空燃比制御（補助空燃比フィードバック制御）とからなる。

さて、例えば全気筒のうちの一部の気筒のインジェクタ１２が故障し、気筒間に空燃比のばらつき（インバランス：imbalance）が発生したとする。例えば＃１気筒が他の＃２、＃３、＃４気筒よりも燃料噴射量が多くなり、＃１気筒の空燃比が他の＃２、＃３、＃４気筒の空燃比よりも大きくリッチ側にずれる場合等である。このときでも前述の主空燃比フィードバック制御により比較的大きな補正量を与えれば、触媒前センサ６０に供給されるトータルガスの空燃比をストイキに制御できる場合がある。しかし、気筒別に見ると、＃１気筒がストイキより大きくリッチ、＃２、＃３及び＃４気筒がストイキよりリーンであり、全体のバランスとしてストイキとなっているに過ぎず、エミッション上好ましくないことは明らかである。そこで本実施形態では、かかる気筒間空燃比ばらつき異常を検出する装置が装備されている。

図４に示すように、触媒前センサ６０によって検出される排気空燃比Ａ／Ｆは、１エンジンサイクル（＝７２０°ＣＡ）を１周期として周期的に変動する傾向にある。そして気筒間空燃比ばらつきが発生すると、１エンジンサイクル内での変動が大きくなる。（Ｂ）の空燃比線図ａ，ｂ，ｃはそれぞればらつき無し、１気筒のみ２０％のインバランス割合でリッチずれ、及び１気筒のみ５０％のインバランス割合でリッチずれの場合を示す。見られるように、ばらつき度合いが大きくなるほど空燃比変動の振幅が大きくなる。

ここでインバランス割合（％）とは、気筒間空燃比のばらつき度合いを表すパラメータである。即ち、インバランス割合とは、全気筒のうちある１気筒のみが燃料噴射量ズレを起こしている場合に、その燃料噴射量ズレを起こしている気筒（インバランス気筒）の燃料噴射量がどれくらいの割合で、燃料噴射量ズレを起こしていない気筒（バランス気筒）の燃料噴射量即ち基準噴射量からズレているかを示す値である。インバランス割合をＩＢ、インバランス気筒の燃料噴射量をＱｉｂ、バランス気筒の燃料噴射量即ち基準噴射量をＱｓとすると、ＩＢ＝（Ｑｉｂ−Ｑｓ）／Ｑｓで表される。インバランス割合ＩＢが大きいほど、インバランス気筒のバランス気筒に対する燃料噴射量ズレが大きく、空燃比ばらつき度合いは大きい。
［気筒間空燃比ばらつき異常検出］

上記の説明から理解されるように、空燃比ばらつき異常が発生すると触媒前センサ出力の変動が大きくなる。そこでこの変動度合いをモニタすることで、空燃比ばらつき異常を検出することが可能である。本実施形態では、触媒前センサ出力の変動度合いに相関するパラメータである変動パラメータを算出すると共に、この変動パラメータを所定の異常判定値と比較してばらつき異常を検出する。

ここで変動パラメータの算出方法について説明する。図５は、図４のＶ部に相当する拡大図であり、特に１エンジンサイクル内の触媒前センサ出力の変動を示す。ここで触媒前センサ出力としては、触媒前センサ６０の出力電圧Ｖｆを空燃比Ａ／Ｆに換算した値を用いる。但し触媒前センサ６０の出力電圧Ｖｆを直接用いることも可能である。

（Ｂ）図に示すように、ＥＣＵ２０は、１エンジンサイクル内において、所定のサンプル周期τ（単位時間、例えば４ｍｓ）毎に、触媒前センサ出力Ａ／Ｆの値を取得する。そして今回のタイミング（第２のタイミング）で取得した値Ａ／Ｆ_ｎと、前回のタイミング（第１のタイミング）で取得した値Ａ／Ｆ_ｎ−１との差ΔＡ／Ｆ_ｎの絶対値を次式（１）により求める。この差ΔＡ／Ｆ_ｎは今回のタイミングにおける微分値あるいは傾きと言い換えることができる。

最も単純には、この差ΔＡ／Ｆ_ｎが触媒前センサ出力の変動を表す。変動度合いが大きくなるほど空燃比線図の傾きが大きくなり、差ΔＡ／Ｆ_ｎが大きくなるからである。そこで所定の１タイミングにおける差ΔＡ／Ｆ_ｎの値を変動パラメータとすることができる。

但し、本実施形態では精度向上のため、複数の差ΔＡ／Ｆ_ｎの平均値を変動パラメータとする。本実施形態では、１エンジンサイクル内において、各タイミング毎に差ΔＡ／Ｆ_ｎを積算し、最終積算値をサンプル数Ｎで除し、１エンジンサイクル内の差ΔＡ／Ｆ_ｎの平均値を求める。そしてさらに、Ｍエンジンサイクル分（例えばＭ＝１００）だけ差ΔＡ／Ｆ_ｎの平均値を積算し、最終積算値をサイクル数Ｍで除し、Ｍエンジンサイクル内の差ΔＡ／Ｆ_ｎの平均値を求める。

触媒前センサ出力の変動度合いが大きいほど、Ｍエンジンサイクル内の差ΔＡ／Ｆ_ｎの平均値も大きくなる。そこで当該平均値が所定の異常判定値以上であればばらつき異常ありと判定され、当該平均値が異常判定値より小さければばらつき異常なし、即ち正常と判定される。

なお、触媒前センサ出力Ａ／Ｆは増加する場合と減少する場合とがあるので、これら各場合の一方についてだけ上記差ΔＡ／Ｆ_ｎあるいはその平均値を求め、これを変動パラメータとしても良い。特に１気筒のみリッチずれの場合、当該１気筒に対応した排気ガスを触媒前センサが受けた時にその出力が急速にリッチ側に変化（すなわち急減）するので、減少側のみの値をリッチずれ検出のために用いることも可能である。もっとも、これに限定されず、増加側の値のみを用いることも可能である。

また、触媒前センサ出力の変動度合いに相関する如何なる値をも変動パラメータとすることができる。例えば、１エンジンサイクル内の触媒前センサ出力の最大値と最小値の差（所謂ピークトゥピーク; peak to peak）に基づいて、変動パラメータを算出することもできる。触媒前センサ出力の変動度合いが大きいほど当該差も大きくなるからである。

ところで、本実施形態のようなターボチャージャ３２を備えたターボ過給式エンジンの場合だと、ばらつき異常検出の際に下記のような特有の課題があることが判明した。

まず第１に、排気ガスがタービン３４を通過する際に攪拌され、特にタービン３４内に残留するガスと新たにタービン３４に流入するガスとが攪拌される。すると、気筒毎のガスひいては空燃比が平均化され、空燃比センサ出力の変動が小さくなる。よって空燃比ばらつき異常を正確に検出できなくなる虞がある（第１の課題）。

第２に、ターボ過給式エンジンの場合、バルブオーバーラップ時に吸気が排気側に吹き抜けるスカベンジが発生することがある。すなわち、吸気弁４８と排気弁４９が開状態になっているバルブオーバーラップ時、過給により吸気圧が排気圧より高くなっていると、吸気弁４８を通過して燃焼室３０内に流入した吸気がそのまま排気弁４９を通過して排気通路３３に流出する。このような吸気の素通りないし吹き抜けをスカベンジという。出力性能の観点からはスカベンジを利用して燃焼室３０内のガスを掃気できるので、出力向上を期待できる。しかし、気筒間空燃比ばらつき異常検出の観点からは、吹き抜けた吸気により排気ガスの空燃比が変化してしまうので、空燃比ばらつき異常を正確に検出できなくなる虞がある（第２の課題）。なお、自然吸気式エンジンの場合だとバルブオーバーラップがあってもスカベンジは発生しづらい。通常、吸気圧より排気圧の方が高いからである。

第１の課題の解決策として、ＷＧＶ３８の開弁時にばらつき異常検出を行うことが考えられる。こうすれば、排気ガスがタービン３４を通過しないでバイパスし、タービン３４による排気ガスの攪拌が防止され、気筒毎に空燃比が変化する排気ガスをそのまま空燃比センサに供給することができるからである。

しかし、これだとばらつき異常検出を行う機会がＷＧＶ３８の開弁時に限定される。本来、ＷＧＶ３８は過過給を防止するために開くバルブなので、エンジン運転領域全体で見た場合、ＷＧＶ開領域というのは比較的狭い領域に限られている。従って、何等対策を施さないと、ばらつき異常検出を行う機会が少なくなり、検出頻度が低下してしまう。

そこで、これらターボ過給式エンジンに特有の課題を解決するため、本実施形態では以下に詳述するような検出方法を採用する。
［第１実施例］

以下、本実施形態に係るばらつき異常検出の第１実施例を説明する。この第１実施例は前記第１の課題に関連する。

図６に、本実施形態の車両におけるエンジンの動作特性を示す。図示するように、エンジン回転数（ｒｐｍ）とエンジントルク（Ｎｍ）をそれぞれ横軸および縦軸とする座標系によって、エンジンの運転領域が規定されている。ａで示す複数の円形線は等燃費線を表し、円の中心に向かうほど燃費は向上する。ｂで示す複数の斜線はエンジン出力に関する等出力線を表し、図の右上に向かうほど出力は増大する。なお、トルクが力に相当するのに対し、出力は単位時間当たりの仕事量に相当するため、トルクが一定でも回転数が高いほど出力は大きくなる。ｅはアイドル点である。

本実施形態の車両制御では、座標系内の複数の動作線がＥＣＵ１００に予め記憶されており、アクセル開度センサ６４によって検出されたアクセル開度、すなわち出力要求に応じて、一の動作線が選択され、且つエンジンの実際の動作点が選択された動作線上を移動するように、エンジン１およびＣＶＴ１１が制御される。ここで実際の動作点とは、実際のエンジンの回転数とトルクの組によって表される座標系上の点である。

この動作線の典型的な一例は、図６にｃで示される、燃費が最良となるような燃費最適線である。この燃費最適線ｃはエンジンの高トルク域に存在する。通常走行においては、実際の動作点が燃費最適線ｃ上を移動するように、エンジン１およびＣＶＴ１１が制御される。

動作線の別の一例は、図６にｄで示されるような、各回転毎の最大トルクが得られる走行出力線である。アクセル開度全開等の出力要求があった場合に走行出力線ｄ上を実際の動作点が移動するようにエンジン１およびＣＶＴ１１が制御される。

本実施形態では、出力要求に対しＣＶＴ１１の変速比を制御することでエンジン回転数を所望の値に制御することができ、また出力要求に対しスロットルバルブ開度を制御することでエンジントルクを所望の値に制御することができる。

図７には図６と同様の図を示す。ここで簡略化のため、等燃費線ａ、アイドル点ｅおよび走行出力線ｄは省略されている。燃費最適線ｃが破線で描かれている。境界線ｆから高回転且つ高トルク側の領域ｇは、ＷＧＶ開領域であり、当該ＷＧＶ開領域ｇ内においてＷＧＶ３８は開とされ、当該領域ｇ外ではＷＧＶ３８は閉とされる。

いま仮に、実際の動作点ｈが燃費最適線ｃ上にあり、且つ、ｂ４という等出力線上にあるとする。このときＷＧＶ３８は閉なので、このとき仮にばらつき異常検出が行われてしまうと、上述したタービン３４による排気ガス攪拌により、ばらつき異常検出の精度が保てなくなる虞がある。

そこで、このような場合にばらつき異常検出が行われるときには、図８に示すように、燃費最適線がｃ（破線）からより高トルク側のｃ’（実線）へと変更される。すなわち、ばらつき異常の検出時に、ＷＧＶ開領域ｇ外に実際の動作点ｈがあるとき、実際の動作点ｈがＷＧＶ開領域ｇ内に移動するよう、動作線（燃費最適線）が変更される。特に、実際の動作点ｈが、同一の等出力線ｂ４上でＷＧＶ開領域ｇ内に移動するよう、動作線が変更される。

これにより、動作線の変更に伴って実際の動作点ｈをＷＧＶ開領域ｇ内に移動することができ、ＷＧＶ３８が開の状態でばらつき異常検出を行うことができ、上述の問題を解消し、ばらつき異常検出を正確に行うことが可能となる。

また、実際の動作点ｈが、同一の等出力線ｂ４上でＷＧＶ開領域ｇ内に移動するよう、動作線が変更されるので、変更前後でエンジン出力を同一とし、同一の車速を維持することが可能となる。

ここで本実施形態では、ＷＧＶ３８を開閉するアクチュエータ３９として、吸気圧に応じてダイヤフラムを変形させて駆動を行う機械式のものが採用されている。上述のＷＧＶ開領域ｇは、予め実験的に求められ、図７に示した如き回転数およびトルクにより規定されるマップに予め記憶されている。このマップ上のＷＧＶ開領域ｇと、実際の動作点ｈとの比較により、動作線を変更するか否かの判断がなされる。そして動作線を変更する場合には、少なくとも実際の動作点ｈが境界線ｆを超えてＷＧＶ開領域ｇ内に入るような量だけ、動作線が変更される。

このような変更を行うことにより、本来実際の動作点ｈがＷＧＶ開領域ｇ外にある場合でも、ばらつき異常検出を行うことができ、ＷＧＶ開領域を実質的に拡大すると共に、ばらつき異常検出の頻度を増大することが可能である。

なお、ＷＧＶ３８は過過給を防止しエンジン損傷を未然に防止するために開くものなので、図示されるようなＷＧＶ開領域ｇ内においてＷＧＶ３８を強制的に閉じることはできない。一方、本来ＷＧＶ３８が閉じているときにＷＧＶ３８を開くことは可能である。但しこの場合、過給圧が低下しエンジン出力が低下する可能性がある。そこでこれを防止するため、変更しない場合と変更する場合とで二種類のエンジン制御マップを予め用意し、これらマップを変更の有無に応じて切り替え、変更時の出力低下を補償するようにしても良い。つまりＷＧＶの開閉特性の変更に合わせてエンジン制御特性を変更してもよい。

次に、図９を用いて、第１実施例に係るばらつき異常検出ルーチンを説明する。このルーチンはＥＣＵ２０により例えば前記サンプル周期τ毎に繰り返し実行されることができる。

まずステップＳ１０１では、ばらつき異常検出が実行中であるか否かが判断される。ばらつき異常検出は所定の前提条件が成立していると実行され、前提条件は次の各条件が成立したときに成立する。
（１）エンジンの暖機が終了している。例えば水温センサ６５で検出された水温が所定値以上であるとき暖機終了とされる。
（２）少なくとも触媒前センサ６０が活性化している。
（３）ストイキ制御中である。
（４）吸入空気量Ｇａが所定値以上である。

（４）の条件は、触媒前センサ６０への良好なガス当たりを確保するためである。エンジンが定常運転中であるという条件を含めるのが好ましいが、必ずしも含めなくてもよい。この前提条件は適宜変更可能である。

ばらつき異常検出実行中であるとき、ステップＳ１０２に進んで、実際の動作点がＷＧＶ開領域内にあるか否かが判断される。

ＷＧＶ開領域内になければ、ステップＳ１０３に進んで、上述の如く動作線（例えば燃費最適線ｃ）が変更される。これにより実際の動作点を同一の等出力線上でＷＧＶ開領域内に移動することができ、同一の車速を維持したまま、ＷＧＶ開状態でばらつき異常検出を行うことができる。

他方、ＷＧＶ開領域内にあれば、ステップＳ１０４に進んで、動作線の変更はなしとされる。これにより、通常ないし既定の動作線上を実際の動作点が移動し、この最中にＷＧＶ開状態でばらつき異常検出が実行される。なおステップＳ１０１でばらつき異常検出実行中でないと判断された場合もステップＳ１０４に進む。

なお、動作線が変更された場合、ばらつき異常検出終了後には動作線も通常の動作線に戻される。動作線は燃費最適線ｃに限らず、選択された任意の動作線であってよい。
［第２実施例］

次に、本実施形態に係るばらつき異常検出の第２実施例を説明する。この第２実施例は前記第２の課題に関連する。

図１０に、図７と同様の図を示す。但しＷＧＶ開領域ｇおよびその境界線ｆの代わりに、スカベンジ領域ｋおよびその境界線ｊが描かれている。燃費最適線ｃが参考的に破線で描かれているが、ここではより高トルク側の別の動作線ｉ上を実際の動作点ｈが移動するように制御がなされている。

スカベンジ領域ｋは、予め実験的に求められ、図１０に示す如き回転数およびトルクにより規定されるマップに予め記憶されている。このスカベンジ領域ｋ内で上述のスカベンジが発生する。スカベンジ領域ｋは、エンジンの低回転且つ高トルク側に存在する。

図１０に示すように、仮に実際の動作点ｈがスカベンジ領域ｋ内の動作線ｉ上にあり、且つ、ｂ２という等出力線上にあるとする。このときスカベンジが発生するので、このとき仮にばらつき異常検出が行われてしまうと、吸気の排気側への吹き抜けにより、ばらつき異常検出の精度が保てなくなる虞がある。

そこで、このような場合にばらつき異常検出が行われるときには、図１１に示すように、動作線がｉ（破線）からより低トルク側のｉ’（実線）へと変更される。すなわち、ばらつき異常の検出時に、スカベンジ領域ｋ内に実際の動作点ｈがあるとき、実際の動作点ｈがスカベンジ領域ｋ外に移動するよう、動作線が変更される。特に、実際の動作点ｈが、同一の等出力線ｂ２上でスカベンジ領域ｋ外に移動するよう、動作線が変更される。

これにより、動作線の変更に伴って実際の動作点ｈをスカベンジ領域ｋ外に移動することができ、スカベンジが発生しない状態でばらつき異常検出を行うことができ、上述の問題を解消し、ばらつき異常検出を正確に行うことが可能となる。

また、実際の動作点ｈが、同一の等出力線ｂ２上でスカベンジ領域ｋ外に移動するよう、動作線が変更されるので、変更前後でエンジン出力を同一とし、同一の車速を維持することが可能となる。

動作線の変更に際しては、マップ上のスカベンジ領域ｋと、実際の動作点ｈとの比較により、動作線を変更するか否かの判断がなされる。そして動作線を変更する場合には、少なくとも実際の動作点ｈが境界線ｊを超えてスカベンジ領域ｋ外に出るような量だけ、動作線が変更される。

このような変更を行うことにより、本来実際の動作点ｈがスカベンジ領域ｋ内にある場合でも、ばらつき異常検出を行うことができ、スカベンジ領域を実質的に縮小すると共に、ばらつき異常検出の頻度を増大することが可能である。

なお、前記同様、変更しない場合と変更する場合とで二種類のエンジン制御マップを予め用意し、これらマップを変更の有無に応じて切り替え、変更時の出力変化を補償するようにしても良い。

上記では燃費最適線ｃとは別の動作線ｉ上に実際の動作点ｈがある場合を説明した。しかしながら、燃費最適線ｃの少なくとも一部がスカベンジ領域ｋ内に位置するような場合には、当該一部上の実際の動作点ｈがスカベンジ領域ｋ外に移動するよう、燃費最適線ｃを変更してもよい。

次に、図１２を用いて、第２実施例に係るばらつき異常検出ルーチンを説明する。このルーチンはＥＣＵ２０により例えば前記サンプル周期τ毎に繰り返し実行されることができる。

まずステップＳ２０１では、前記ステップＳ１０１と同様、ばらつき異常検出が実行中であるか否かが判断される。

ばらつき異常検出実行中であるときには、ステップＳ２０２に進んで、実際の動作点がスカベンジ領域内にあるか否かが判断される。

スカベンジ領域内にあれば、ステップＳ２０３に進んで、上述の如く動作線（例えば動作線ｉ）が変更される。これにより実際の動作点を同一の等出力線上でスカベンジ領域外に移動することができ、同一の車速を維持したまま、スカベンジの無い状態でばらつき異常検出を行うことができる。

他方、スカベンジ領域内になければ、ステップＳ２０４に進んで、動作線の変更はなしとされる。これにより、通常ないし既定の動作線上を実際の動作点が移動し、この最中にスカベンジの無い状態でばらつき異常検出が実行される。なおステップＳ２０１でばらつき異常検出実行中でないと判断された場合もステップＳ２０４に進む。

次に、第２実施例の変形例を説明する。

上述のように、実際の動作点ｈがスカベンジ領域ｋ内にあるときにばらつき異常検出を行うと、正確なばらつき異常検出を行えなくなる虞がある。一方、スカベンジは吸排気弁間のオーバーラップがあるときにのみ発生し、スカベンジ領域ｋ内では当然にこのようなオーバーラップが存在する。

そこでこの変形例では、ばらつき異常の検出時に、実際の動作点ｈがスカベンジ領域ｋ内にあるとき、吸気弁４８および排気弁４９のバルブオーバーラップを禁止するようバルブタイミングを変更する。この変更はＥＣＵ１００がＶＶＴ５０を制御することによりなされる。

これによりスカベンジの発生を防止でき、スカベンジが発生しない状態でばらつき異常検出を行うことができ、上述の問題を解消し、ばらつき異常検出を正確に行うことが可能となる。

図１３を用いて、第２実施例の変形例に係るばらつき異常検出ルーチンを説明する。このルーチンはＥＣＵ２０により例えば前記サンプル周期τ毎に繰り返し実行されることができる。

ステップＳ３０１，Ｓ３０２は前記ステップＳ２０１，２０２と同様である。ステップＳ３０２において実際の動作点がスカベンジ領域内にあると判断された場合、ステップＳ３０３に進んで、バルブオーバーラップを禁止するようバルブタイミングが変更される。これにより、スカベンジの無い状態でばらつき異常検出を行うことができる。

他方、ステップＳ３０２において実際の動作点がスカベンジ領域外にあると判断された場合、バルブタイミング変更はなしとされる。これにより、通常ないし既定のバルブタイミングとされ、なおかつスカベンジの無い状態でばらつき異常検出が実行される。なおステップＳ３０１でばらつき異常検出実行中でないと判断された場合もステップＳ３０４に進む。

以上、本発明の好適な実施形態を詳細に述べたが、本発明の実施形態は他にも様々なものが考えられる。例えば本発明は、二つの動力源としての内燃機関と電気モータを無段変速機を介して駆動輪に連結したハイブリッド車にも適用可能である。このようなハイブリッド車においては、モータ回転数を制御することでエンジン回転数を所望の値に制御可能である。

本発明が適用可能な内燃機関も上記のものに限られず、多気筒内燃機関であれば気筒数、形式、用途等は特に限定されない。火花点火式内燃機関の場合、代替燃料（アルコール、ＣＮＧ等の気体燃料等）を用いるものであってもよい。

本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

Claims

多気筒内燃機関の排気通路に設置されたターボチャージャのタービンと、
前記タービンをバイパスするバイパス通路を開閉するウェイストゲートバルブと、
前記バイパス通路の出口よりも下流側の前記排気通路に設置された空燃比センサと、
前記空燃比センサの出力の変動度合いに基づいて気筒間空燃比ばらつき異常を検出する異常検出手段と、
前記内燃機関に連結された無段変速機と、
エンジン回転数とエンジントルクによって規定される座標系における所定の動作線上を前記内燃機関の実際の動作点が移動するように、前記内燃機関および無段変速機を制御する制御手段と、
前記ばらつき異常の検出時に、前記座標系内のウェイストゲートバルブ開領域外に前記実際の動作点があるとき、この実際の動作点が前記ウェイストゲートバルブ開領域内に移動するよう、前記動作線を変更する変更手段と、
を備えたことを特徴とする気筒間空燃比ばらつき異常検出装置。
前記変更手段は、前記実際の動作点が、前記座標系内の同一の等出力線上で前記ウェイストゲートバルブ開領域内に移動するよう、前記動作線を変更する
ことを特徴とする請求項１に記載の気筒間空燃比ばらつき異常検出装置。
前記動作線が、燃費が最良となるような燃費最適線である
ことを特徴とする請求項１または２に記載の気筒間空燃比ばらつき異常検出装置。
多気筒内燃機関の排気通路に設置されたターボチャージャのタービンと、
前記タービンよりも下流側の前記排気通路に設置された空燃比センサと、
前記空燃比センサの出力の変動度合いに基づいて気筒間空燃比ばらつき異常を検出する異常検出手段と、
前記内燃機関に連結された無段変速機と、
エンジン回転数とエンジントルクによって規定される座標系における所定の動作線上を前記内燃機関の実際の動作点が移動するように、前記内燃機関および無段変速機を制御する制御手段と、
前記ばらつき異常の検出時に、前記座標系内のスカベンジ領域内に前記実際の動作点があるとき、この実際の動作点が前記スカベンジ領域外に移動するよう、前記動作線を変更する変更手段と、
を備えたことを特徴とする気筒間空燃比ばらつき異常検出装置。
前記変更手段は、前記実際の動作点が、前記座標系内の同一の等出力線上で前記スカベンジ領域外に移動するよう、前記動作線を変更する
ことを特徴とする請求項４に記載の気筒間空燃比ばらつき異常検出装置。
多気筒内燃機関の排気通路に設置されたターボチャージャのタービンと、
前記タービンよりも下流側の前記排気通路に設置された空燃比センサと、
前記空燃比センサの出力の変動度合いに基づいて気筒間空燃比ばらつき異常を検出する異常検出手段と、
前記内燃機関に連結された無段変速機と、
エンジン回転数とエンジントルクによって規定される座標系における所定の動作線上を前記内燃機関の実際の動作点が移動するように、前記内燃機関および無段変速機を制御する制御手段と、
前記ばらつき異常の検出時に、前記座標系内のスカベンジ領域内に前記実際の動作点があるとき、吸気弁および排気弁のバルブオーバーラップを禁止するようバルブタイミングを変更する変更手段と、
を備えたことを特徴とする気筒間空燃比ばらつき異常検出装置。
前記異常検出手段は、前記空燃比センサ出力の変動度合いに相関するパラメータの値に基づいてばらつき異常を検出し、
前記パラメータは、異なる二つのタイミングにおける前記空燃比センサ出力の差に基づく値である
ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の多気筒内燃機関の気筒間空燃比ばらつき異常検出装置。
前記空燃比センサは、前記排気通路のうち、各気筒の排気ガスが集合する集合部に設置されている
ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載の多気筒内燃機関の気筒間空燃比ばらつき異常検出装置。