JP5187409B2 - 空燃比ばらつき異常検出装置 - Google Patents

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、内燃機関の空燃比の変動に基づいて、気筒間の空燃比のばらつき異常を検出する。そして更に、複数の気筒のそれぞれに設けられた複数の燃料噴射弁につき、これら複数の燃料噴射弁の間における噴射割合を変更し、当該変更の前後にわたる空燃比の変動に基づいて、当該ばらつき異常の原因が、どの燃料噴射弁にあるかを識別している。

特開２００９−１８０１７１号公報

しかし、特許文献１の構成では、異常の有無、及び異常のある燃料噴射弁がどれかを識別することができるにとどまり、異常の程度を特定することはできない。

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、複数の気筒のそれぞれに設けられた複数の燃料噴射弁につき、ばらつき異常の原因が、どの燃料噴射弁にあるかを識別する構成において、異常の程度をも特定することの可能な装置を提供することにある。

本発明の一の態様は、
複数の気筒のそれぞれに燃料を供給するための複数の燃料噴射弁を有する内燃機関において、
前記内燃機関の所定の出力の変動に基づいて、気筒間の空燃比のばらつき異常を検出する異常検出手段と、
ばらつき異常が検出された場合に、前記複数の燃料噴射弁の間における噴射割合を変更した前後における前記所定の出力の変動に基づいて、当該ばらつき異常の原因が、各燃料噴射弁および当該気筒への吸気経路のうちのいずれにあるかを識別する異常個所識別手段と、
を備えた空燃比ばらつき異常検出装置であって、
前記ばらつき異常の原因がいずれかの燃料噴射弁にあると識別された場合に、当該燃料噴射弁についての前記所定の出力を、前記噴射割合に基づいて正規化することによって、異常の度合いを表す指標値を算出する指標値算出手段を更に備えたことを特徴とする空燃比ばらつき異常検出装置である。

好ましくは、前記指標値算出手段は、前記ばらつき異常の原因が前記吸気経路にあると識別された場合に、前記噴射割合を変更する前と後とにおける前記複数の燃料噴射弁の全てについての前記所定の出力の平均値を、前記吸気経路についての前記指標値として算出する。

好ましくは、前記指標値算出手段は、前記指標値の最新の算出値と過去の算出値とを平均化または平滑化することで当該指標値を更新する。

好ましくは、前記指標値算出手段は、ある燃料噴射弁について算出された前記指標値が所定値より小さい場合に、当該燃料噴射弁の噴射割合を増大させて前記所定の出力を再び取得すると共に、取得された当該所定の出力に基づいて前記指標値を算出する。

本発明によれば、複数の気筒のそれぞれに設けられた複数の燃料噴射弁につき、ばらつき異常の原因が、どの燃料噴射弁にあるかを識別する構成において、異常の程度をも特定することが可能になるという、優れた効果が発揮される。

本発明の実施形態に係る内燃機関の概略図である。 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。 噴射割合を設定するためのマップを示す。 空燃比センサ出力の変動を示すタイムチャートである。 図４のＶ部に相当する拡大図である。 インバランス割合と空燃比変動パラメータの関係を示すグラフである。 リッチずれ異常検出の原理を説明するための図である。 エンジン回転数ＮＥ及び吸入空気量ＧＡにより補正係数γを求めるための補正係数マップの設定例を示すグラフである。 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。 異常判定及び正規化の処理を示すフローチャートである。 第２実施形態の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に本実施形態に係る内燃機関を概略的に示す。図示される内燃機関（エンジン）１はＶ型６気筒デュアル噴射式ガソリンエンジンである。各気筒＃１〜＃６に吸気通路噴射用インジェクタ２と筒内噴射用インジェクタ３とが設けられている。エンジン１は第１のバンク４と第２のバンク５とを有し、第１のバンク４には奇数番気筒すなわち＃１，＃３，＃５気筒が設けられ、第２のバンク５には偶数番気筒すなわち＃２，＃４，＃６気筒が設けられている。

吸気通路噴射用インジェクタ２は、いわゆる均質燃焼を実現するよう、対応気筒の吸気通路特に吸気ポート６内に向けて燃料を噴射する。以下、吸気通路噴射用インジェクタを「ＰＦＩ」ともいう。他方、筒内噴射用インジェクタ３は、いわゆる成層燃焼を実現するよう、対応気筒の筒内（燃焼室内）に向けて燃料を直接噴射する。以下、筒内噴射用インジェクタを「ＤＩ」ともいう。

吸気を導入するための吸気通路７は、前記吸気ポート６の他、集合部としてのサージタンク８と、各気筒の吸気ポート６およびサージタンク８を結ぶ複数の吸気マニホールド９と、サージタンク８の上流側の吸気管１０とを含む。吸気管１０には、上流側から順にエアフローメータ１１と電子制御式スロットルバルブ１２とが設けられている。エアフローメータ１１は吸気流量に応じた大きさの信号を出力する。各気筒には、筒内の混合気に点火するための点火プラグ１３が設けられる。

排気ガスを排出するための排気通路は、本実施形態の場合、第１のバンク４に対する第１の排気通路１４Ａと第２のバンク５に対する第２の排気通路１４Ｂとが別系統で設置されている。つまり排気系統はバンク毎に独立して２系統ある。両バンクについて排気系統の構成は同じなので、ここでは第１のバンク４についてのみ説明し、第２のバンク５については図中同一符号を付して説明を省略する。

第１の排気通路１４Ａは、＃１，＃３，＃５の各気筒の排気ポート１５と、これら排気ポート１５の排気ガスを集合させる排気マニホールド１６と、排気マニホールド１６の下流端に接続する排気管１７とを含む。そして排気管１７の上流側と下流側にはそれぞれ三元触媒からなる触媒、すなわち上流触媒１８と下流触媒１９が直列に設けられている。上流触媒１８の上流側及び下流側に、それぞれ排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサ、即ち触媒前センサ２０及び触媒後センサ２１が設置されている。これらセンサは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、片バンクに対する排気通路の集合部には単一の触媒前センサ２０が設置されている。

特に、第１のバンク４に対する第１の排気通路１４Ａと、第２のバンク５に対する第２の排気通路１４Ｂとに、個別に触媒前センサ２０が設置されている。

上述のＰＦＩ２、ＤＩ３、スロットルバルブ１２及び点火プラグ１３等は、制御手段としての電子制御ユニット（以下ＥＣＵと称す）１００に電気的に接続されている。ＥＣＵ１００は、何れも図示されないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、および記憶装置等を含むものである。またＥＣＵ１００には、図示されるように、前述のエアフローメータ１１、触媒前センサ２０、触媒後センサ２１のほか、エンジン１のクランク角を検出するためのクランク角センサ２２、アクセル開度を検出するためのアクセル開度センサ２３、エンジン１の冷却水の温度を検出するための水温センサ２４、その他の各種センサが図示されないＡ／Ｄ変換器等を介して電気的に接続されている。ＥＣＵ１００は、各種センサの検出値等に基づいて、所望の出力が得られるように、ＰＦＩ２、ＤＩ３、スロットルバルブ１２及び点火プラグ１３等を制御し、燃料噴射量、燃料噴射時期、スロットル開度、点火時期等を制御する。またＥＣＵ１００は、クランク角センサ２２の出力に基づきエンジン１のクランク角を検出すると共に、エンジンの回転速度を計算する。ここでエンジンの回転速度としては１分当たりの回転数（ｒｐｍ）を用いる。

触媒前センサ２０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２に触媒前センサ２０の出力特性を示す。図示するように、触媒前センサ２０は、排気ガスの空燃比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２１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２に触媒後センサ２１の出力特性を示す。図示するように、排気ガスの空燃比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２１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。

上流触媒１８及び下流触媒１９は、それぞ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。

上流触媒１８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ＥＣＵ１００により実行される。この空燃比制御は、触媒前センサ２０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２１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。

このような空燃比制御はバンク毎に行われる。すなわち、第１のバンク４側の触媒前センサ２０および触媒後センサ２１の出力に基づいて、第１のバンク４に属する＃１，＃３，＃５気筒の空燃比制御が行われる。他方、第２のバンク５側の触媒前センサ２０および触媒後センサ２１の出力に基づいて、第２のバンク５に属する＃２，＃４，＃６気筒の空燃比制御が行われる。

また本実施形態では、１気筒で１噴射サイクル中に噴射される全燃料噴射量を、所定の噴射割合α，βに応じて、ＰＦＩ２及びＤＩ３に分担させる噴き分けが行われる。このときＥＣＵ１００は、噴射割合α，βに応じて、ＰＦＩ２から噴射される燃料量（ポート噴射量という）と、ＤＩ３から噴射される燃料量（筒内噴射量という）とを設定し、これら燃料量に応じて各インジェクタ２，３を通電制御する。噴射割合α，βは、ここでは全燃料噴射量に対するポート噴射量または筒内噴射量の百分率値をいい、０〜１００の値を持つ（β＝１００−α）。全燃料噴射量をＱｔとした場合、ポート噴射量Ｑｐはα×Ｑｔ／１００で表され、筒内噴射量Ｑｄはβ×Ｑｔ／１００で表され、両者の噴射割合はＱｐ：Ｑｄ＝α：βである。このように噴射割合α，βはＰＦＩ２とＤＩ３、もしくはポート噴射量Ｑｐと筒内噴射量Ｑｄとの噴射割合を規定する値である。全燃料噴射量は、ＥＣＵ１００によりエンジン運転状態（例えばエンジン回転数と負荷）に基づいて設定される。

図３に、噴射割合αを設定するためのマップを示す。図示するように、噴射割合αは、エンジン回転数Ｎｅと負荷ＫＬで規定される各領域に応じてα１からα４まで変化する。例えばα１＝０、α２＝３５、α３＝５０、α４＝７０であるが、これらの値や領域分けは任意に変更可能である。この例では、低回転高負荷側に向かうほどポート噴射量の割合が増加する。またα＝α１の領域では噴き分けは行われず筒内噴射のみで燃料が供給される。噴射割合α，βは、両バンクの各気筒に対し同一の値が用いられる。すなわち噴射割合α，βについてはバンク毎の設定はなされない。

さて、例えば全気筒のうちの一部の気筒のインジェクタが故障し、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〜＃６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〜＃６気筒の空燃比よりも大きくリッチ側にずれる場合である。このとき、＃１気筒を含む第１のバンク２について、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、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、＃３，＃５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は、本実施形態とは異なる直列４気筒エンジンにおける空燃比センサ出力の変動を示す。図示するように、空燃比センサ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。本実施形態のようなＶ型６気筒エンジンでも、片バンクについて同様の傾向がある。

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空燃比センサ出力の変動が大きくなる。そこでこの出力変動に基づいてばらつき異常を検出することが可能である。

ここで、ばらつき異常の種類としては、１気筒の燃料噴射量がリッチ側（過剰側）にずれているリッチずれ異常と、１気筒の燃料噴射量がリーン側（過少側）にずれているリーンずれ異常とがある。本実施形態では、リッチずれ異常を空燃比センサ出力変動に基づいて検出する。但し、リーンずれ異常を検出してもよく、また、リッチずれ異常およびリーンずれ異常を区別せず、広くばらつき異常を検出してもよい。

リッチずれ異常の検出に際しては、空燃比センサ出力の変動度合いに相関するパラメータである空燃比変動パラメータを算出すると共に、この空燃比変動パラメータを所定の異常判定値と比較して異常を検出する。ここで異常検出はバンク毎に、対応する空燃比センサである触媒前センサ２０の出力を用いて行う。

以下、空燃比変動パラメータの算出方法を説明する。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。触媒前センサ出力としては、触媒前センサ２０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２０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、ＥＣＵ１００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／Ｆｎと、前回のタイミング（第１のタイミング）で取得した値Ａ／Ｆｎ−１との差ΔＡ／Ｆｎの絶対値を次式（１）により求める。この差ΔＡ／Ｆｎ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／Ｆｎ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／Ｆｎ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／Ｆｎの値を空燃比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／Ｆｎの平均値を空燃比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／Ｆｎ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／Ｆｎ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／Ｆｎ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／Ｆｎの平均値を求める。こうして求められた最終的な平均値を空燃比変動パラメータとし、以下「Ｘ」で表示する。

触媒前センサ出力の変動度合いが大きいほど空燃比変動パラメータＸは大きくなる。そこで空燃比変動パラメータＸが所定の異常判定値以上であれば異常ありと判定され、空燃比変動パラメータＸが異常判定値より小さければ異常なし、即ち正常と判定される。なお、ＥＣＵ１００の気筒判別機能により、点火気筒とこれに対応する空燃比変動パラメータＸとの関連付けは可能である。

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／Ｆｎあるいはその平均値を求め、これを変動パラメータとすることができる。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（リッチインバランス判定）。この場合には、図５のグラフにおける右下がりの領域のみを、リッチずれ検出のために利用することになる。一般にリーンからリッチへの移行は、リッチからリーンへの移行よりも急峻に行われる場合が多いため、この方法によればリッチずれを精度よく検出することが期待できる。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、あるいは、減少側と増加側の双方の値を用いる（差ΔＡ／Ｆｎの絶対値を積算し、この積算値をしきい値と比較することで）ことも可能である。

図６には、インバランス割合ＩＢと空燃比変動パラメータＸの関係を示す。図示されるように、インバランス割合ＩＢと空燃比変動パラメータＸの間には強い相関性があり、インバランス割合ＩＢが増加するほど空燃比変動パラメータＸも増加する。ここで図中のＩＢ１は、正常と異常の境目であるクライテリアに相当するインバランス割合ＩＢの値であり、例えば６０（％）である。

以下、図７を用いて本実施形態のリッチずれ異常検出の原理を説明する。本実施形態では空燃比変動パラメータＸを用い、且つ噴射割合α，βを変更して、吸気系の故障等に起因する空燃比ずれ即ち吸気系異常をも検出するようにしている。図７中左側の状態Ｉは、ＰＦＩ２の噴射割合αが基準値Ａ＝４０％の場合である。また図７中右側の状態ＩＩは、噴射割合αが基準値Ａよりも大きいＢ＝８０％の場合である。状態Ｉから状態ＩＩに変わると、噴射割合αは４０％から８０％に変化し、ＤＩ３の噴射割合は６０％から２０％に減少し、ポート噴射量割合が増大する。ここでは仮に、異常判定値Ｚをインバランス割合２０％相当の値として定める。図示される波形は片バンクの触媒前センサ２０の出力波形である。すなわちここでは片バンクのみに着目する。他方のバンクについての検出は同時であっても別タイミングであってもよい。

図７（ａ）は、何れの気筒のＰＦＩ２およびＤＩ３にも異常が生じておらず、また吸気系にも異常が生じていない正常時を示す。この場合、状態Ｉではインバランス割合０％相当の空燃比変動パラメータＸ_Aが得られ、状態ＩＩでもインバランス割合０％相当の空燃比変動パラメータＸ_Bが得られる。Ｘ_A＜Ｚ且つＸ_B＜Ｚであり、この場合には正常と判定する。

図７（ｂ）は、何れの気筒のＰＦＩ２およびＤＩ３にも異常が生じていないが、吸気系にインバランス割合５０％相当の異常が生じている吸気系異常５０％時を示す。この場合、状態Ｉではインバランス割合５０％相当の空燃比変動パラメータＸ_Aが得られ、状態ＩＩでもインバランス割合５０％相当の空燃比変動パラメータＸ_Bが得られる。Ｘ_A≧ＺかつＸ_B≧Ｚであり、かつ｜Ｘ_A−Ｘ_B｜＜Ｙ（Ｙは所定の基準値）の場合には、吸気系異常と判定する。なお状態Ｉと状態ＩＩとで空燃比変動パラメータＸの値が変わらない理由は、ＰＦＩ２およびＤＩ３が正常なので空燃比が噴射割合αの変化の影響を受けないからである。

図７（ｃ）は、１気筒のＤＩ３にインバランス割合５０％相当の異常が生じており、残りのＰＦＩ２およびＤＩ３には異常が生じておらず、吸気系にも異常が生じていないＤＩ異常５０％時を示す。この場合、状態Ｉではインバランス割合３０％相当の空燃比変動パラメータＸ_Aが得られる。なぜならＤＩ３の噴射割合は（１００−４０）＝６０（％）であり、５０％×６０％＝３０％、つまりＤＩ３の異常の影響が噴き分けの結果減じられてしまうからである。他方、状態ＩＩではインバランス割合１０％相当の空燃比変動パラメータＸ_Bが得られる。なぜならＤＩ３の噴射割合は（１００−８０）＝２０（％）であり、５０％×２０％＝１０％だからである。Ｘ_A≧Ｚ且つＸ_B＜Ｚであり、この場合にはＤＩ異常と判定する。

図７（ｄ）は、１気筒のＰＦＩ２にインバランス割合５０％相当の異常が生じており、残りのＰＦＩ２およびＤＩ３には異常が生じておらず、吸気系にも異常が生じていないＰＦＩ異常５０％時を示す。この場合、状態Ｉではインバランス割合２０％相当の空燃比変動パラメータＸ_Aが得られる。なぜならＰＦＩ２の噴射割合は４０であり、５０％×４０％＝２０％、つまりＰＦＩ２の異常の影響が噴き分けの結果減じられてしまうからである。他方、状態ＩＩではインバランス割合４０％相当の空燃比変動パラメータＸ_Bが得られる。なぜならＰＦＩ２の噴射割合は８０％であり、５０％×８０％＝４０％だからである。Ｘ_A＜Ｚ且つＸ_B≧Ｚであり、この場合にはＰＦＩ異常と判定する。

上記の原理に従い、本実施形態では、各バンクに関するリッチずれ異常と吸気系異常とを検出し、さらに、空燃比変動パラメータを正規化・補正及び重み付き平均化する。図９は本実施形態における空燃比変動パラメータ算出処理を示す。この処理はＥＣＵ１００によって、所定の算出タイミング、例えば１０００ｋｍ走行したことをトリガとして１トリップ中に所定の複数回数連続して行われる。当該処理の実行を１トリップにつき複数回行うことにより、複数回の実行の間における検出条件の違いが少ないため精度を向上することができる。また当該処理は、所定のエンジン回転数以上での定常走行中及び緩やかな加減速時、すなわち、急激な加速及び減速を除く運転条件のときに実行される。

まずＥＣＵ１００は、噴射割合α，βを第１の所定割合Ａ：Ｂ（例えば７０：３０）として、ＰＦＩ２及びＤＩ３から燃料を噴射させる（Ｓ１１０）。そして空燃比センサである触媒前センサ２０の出力に基づいて、空燃比変動パラメータＸ_Aを算出する（Ｓ１２０）。

次にＥＣＵ１００は、噴射割合α，βを第２の所定割合Ｃ：Ｄ（例えば３０：７０）として、ＰＦＩ２及びＤＩ３から燃料を噴射させる（Ｓ１３０）。そして空燃比センサである触媒前センサ２０の出力に基づいて、空燃比変動パラメータＸ_Bを算出する（Ｓ１４０）。

このようにして空燃比変動パラメータＸ_A，Ｘ_Bが算出されると、ＥＣＵ１００はこれらを用いて、異常判定及び正規化を行う（Ｓ１５０）。

異常判定及び正規化の処理手順は、図１０に示されている。図１０において、ＥＣＵ１００はまず、空燃比変動パラメータＸ_A，Ｘ_Bをそれぞれ上述の異常判定値Ｚと比較し、Ｘ_A＜ＺかつＸ_B＜Ｚであるかを判定する（Ｓ２１０）。この判定は「インバランスがないか？」の判定に相当する。肯定の場合には正常判定がされ（Ｓ２５０）、その旨が所定のメモリ領域に記録されて本ルーチンを抜ける。

ステップＳ２１０で否定の場合（すなわち、ＰＦＩ２、ＤＩ３又は吸気系にインバランスが存在する場合）には、次にＥＣＵ１００は、空燃比変動パラメータＸ_A，Ｘ_Bの差の絶対値を、第２の異常判定値Ｙと比較する（Ｓ２２０）。この判定は「吸気系が異常か？」の判定に相当する。肯定の場合には、吸気系についての正規化された空燃比変動パラメータＸ_Intakeが、次の式（２）によって算出される（Ｓ２７０）。

ステップＳ２２０で否定、つまり異常がＰＦＩ２とＤＩ３とのいずれかにある場合には、空燃比変動パラメータＸ_Aが同Ｘ_Bよりも大であるかが判定される（Ｓ２３０）。ここで肯定、すなわち空燃比変動パラメータＸ_Aが同Ｘ_Bよりも大である場合には、異常がＰＦＩ２にあると判断され、ＰＦＩ２についての正規化された空燃比変動パラメータＸ_PFIが、次の式（３)によって算出される（Ｓ２４０）。

ステップＳ２３０で否定、すなわち空燃比変動パラメータＸ_Bが同Ｘ_A以上である場合には、異常がＤＩ３にあると判断され、ＤＩ２についての正規化された空燃比変動パラメータＸ_DIが、次の式（４)によって算出される（Ｓ２６０）。

再び図９において、ＥＣＵ１００は、算出された空燃比変動パラメータＸ_PFI，Ｘ_DIまたはＸ_Intakeを、空燃比検出時におけるエンジン回転数ＮＥ及び吸入空気量ＧＡに基づくマップの参照により補正する（Ｓ１６０）。一般に、低回転且つ高空気量であるほど、空燃比変動パラメータＸ_A，Ｘ_Bは大きい値になる。したがって、これらＮＥ及びＧＡの影響をキャンセルするように、当該マップでは、図８に示されるように、低回転且つ高空気量であるほど小さくなる補正係数γが設定されている。したがって、ステップＳ１６０の処理の結果、正規化された空燃比変動パラメータＸ_PFI，Ｘ_DIまたはＸ_Intakeから、エンジン回転数ＮＥ及び吸入空気量ＧＡの影響が排除される。

次にＥＣＵ１００は、正規化され補正された空燃比変動パラメータＸ_PFI，Ｘ_DIまたはＸ_Intakeの最新値を、メモリに保持されている当該処理の直近の実行までの平均値Ｘ_PFIave，Ｘ_DIaveまたはＸ_Intakeaveに、重み付け平均化処理によって反映させる（Ｓ１７０）。この処理は、次の式（５）によって行われる。Ｘ_PFInewは最新値、Ｘ_PFIaveは当該処理の直近の実行までの平均値である。なお、ＤＩ３及び吸気系についての空燃比変動パラメータＸ_DIまたはＸ_Intakeについての重み付け平均化処理も同様の数式によって行われる。

以上の処理によって得られた空燃比変動パラメータの平均値Ｘ_PFIave，Ｘ_DIaveまたはＸ_Intakeaveの値は、それぞれメモリに記憶される。

なお、記憶された空燃比変動パラメータの平均値Ｘ_PFIave，Ｘ_DIaveまたはＸ_Intakeaveは、インバランスを相殺するための各種の制御であって制御量が可変であるものにおいて、その制御量を決定するために用いることができる。そのような制御には、燃料噴射時期の変更（例えば、空燃比がリッチである気筒の燃料噴射時期を排気行程中に設定し、空燃比がリーンである気筒の燃料噴射時期を吸気行程中に設定する）、及び点火時期の変更（例えば、空燃比がリッチである気筒の点火時期を遅角し、空燃比がリーンである気筒の点火時期を進角する）が含まれる。

また、インバランスを相殺するために、燃料噴射時間の増大（減少）や、可変噴孔噴射弁の場合には有効開口面積の増大（減少）、吸気系異常を原因とするリーンずれであれば吸気弁の開度の増大（減少）又は開弁時間の増大（減少）のように、燃料噴射弁ＰＦＩ２，ＤＩ３または吸気弁の動作を、各異常原因を相殺する方向に補正する制御を行うことも考えられ、空燃比変動パラメータの平均値Ｘ_PFIave，Ｘ_DIaveまたはＸ_Intakeaveは、そのような制御の補正量に反映させることができる。例えば、異常の程度が大きいほど、制御量を大きくするのが好適である。

また、異常と判定された燃料噴射弁についてはその使用を禁止して他方（燃料噴射弁が３以上であれば、残余）の燃料噴射弁のみによって運転を継続してもよい。異常の程度（すなわち、空燃比変動パラメータの平均値Ｘ_PFIave，Ｘ_DIaveまたはＸ_Intakeave）が即座の修理又は交換を要しない程度に低い場合には、当該部材の修理又は交換の時期を予測して所定のダイアグノーシスメモリに記憶し、あるいは、車室内の警告表示を点灯させるなどの出力を行ってもよい。

以上のとおり、本実施形態では、複数の気筒のそれぞれに複数の燃料噴射弁が設けられた構成において、気筒間のばらつき異常の原因が複数の燃料噴射弁のうちのいずれかにあると識別された場合に、当該燃料噴射弁についての空燃比変動パラメータＸＡ，ＸＢを、その測定の際の噴射割合Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに基づいて正規化することによって、異常の度合いを表す指標値としての空燃比変動パラメータＸ_PFI，Ｘ_DIまたはＸ_Intakeを算出するので、噴射割合の影響をキャンセルないし抑制してインバランスの程度を特定することができ、インバランスの程度に応じた他の処理、例えばインバランスを相殺するための各種の制御を実行することが可能になる。

また、本実施形態では、ばらつき異常の原因が吸気経路にあると識別された場合に、噴射割合を変更する前と後とにおける複数の燃料噴射弁ＰＦＩ２，ＤＩ３の全てについての空燃比変動パラメータＸ_A，Ｘ_Bの平均値（Ｓ２７０，式（２））を、吸気経路についての指標値（正規化された空燃比変動パラメータＸIntake）として算出する。したがって、吸気経路についてもインバランスの程度を適切に特定することができる。

また、本実施形態では、指標値の最新の算出値と過去の算出値とを平均化または平滑化することで当該指標値を更新する（Ｓ１７０，式（５））。したがって、指標値を安定化させることにより、これを用いた制御などの処理を安定化させることができる。なお、本実施形態では１：９の重み付け平均化処理を行ったが、１：１など他の比率でもよく、また、最新値及び過去値に対する他の平均化処理（系列データを均す処理であり、相加平均および重み付き平均（加重平均）を含む）、または平滑化処理（系列データを平滑化する処理であり、単純移動平均及び加重移動平均を含む）を行ってもよい。

なお、本実施形態ではＰＦＩ２及びＤＩ３についての正規化を式（３），（４）によって行ったが、次の式（６）及び式（７）のように、異常とされた燃料噴射弁の噴射比率が高い状態で得られた空燃比変動パラメータ検出値（Ｘ_A又はＸ_B）のみを用いて正規化を行ってもよい。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態は、ある燃料噴射弁について算出された指標値（正規化された空燃比変動パラメータＸ_PFIまたはＸ_DI）が所定値より小さい場合に、当該燃料噴射弁（ＰＦＩ２またはＤＩ３）の噴射割合を増大させて、所定の出力（空燃比変動パラメータＸ_C）を再び取得すると共に、取得された当該所定の出力に基づいて指標値（正規化された空燃比変動パラメータＸ_PFIまたはＸ_DI）を再び算出するものである。第２実施形態の機械的構成は第１実施形態と同様である。

第２実施形態において実行される処理について、図１１に従って説明する。図１１において、ステップＳ３１０からＳ３６０までの処理は、上記第１実施形態におけるステップＳ１１０からＳ１６０までの処理と同様である。Ｓ３７０では、ＥＣＵ１００は、エンジン回転数ＮＥ及び吸入空気量ＧＡによって補正された空燃比変動パラメータＸ_PFI，Ｘ_DIまたはＸ_Intakeが、予め定められた基準値以上かを判定する。肯定の場合には、上記ステップＳ１７０と同様の重み付き平均化が行われ（Ｓ４１０）、処理がリターンされる。

否定、すなわち空燃比変動パラメータＸ_PFI，Ｘ_DIまたはＸ_Intakeが基準値未満である場合には、異常とされる燃料噴射弁（ＰＦＩ２又はＤＩ３）の噴射割合が増大限界（例えば１００％）かが判断され、肯定の場合には処理はステップＳ４１０に移行する。否定の場合には、ＥＣＵ１００は、異常とされる燃料噴射弁の噴射割合を所定割合（例えば１０％）増大して噴射を実行させ（Ｓ３９０）、その状態で空燃比変動パラメータＸ_Cを算出する（Ｓ４００）。

算出された空燃比変動パラメータＸ_Cは、再び異常判定及び正規化（Ｓ３５０）に用いられる。ここで、異常判定及び正規化（Ｓ３５０）の処理では、図１０の処理ルーチンにおける空燃比変動パラメータＸ_A，Ｘ_Bのうち、異常とされる燃料噴射弁の噴射割合の高いものが、空燃比変動パラメータＸ_Cによって代用される。

以上の処理の結果、第２実施形態では、ある燃料噴射弁について算出された指標値（正規化された空燃比変動パラメータＸ_PFIまたはＸ_DI）が所定値より小さい場合に、当該燃料噴射弁（ＰＦＩ２またはＤＩ３）の噴射割合を増大させて、所定の出力（空燃比変動パラメータＸ_C）を再び取得すると共に、取得された当該所定の出力に基づいて指標値（正規化された空燃比変動パラメータＸ_PFIまたはＸ_DI）を再び算出する。したがって、第２実施形態によれば、ばらつき異常の程度をより精度よく検出することができる。

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、上記各実施形態では、空燃比の変動に基づいて気筒間の空燃比ばらつき異常を検出したが、内燃機関の回転変動に基づいて検出してもよい。この場合には、例えばある気筒につきＴＤＣ近傍でクランクシャフトが３０°ＣＡ回転するのに要した時間が、他の気筒における値に対してなす比率をもって、空燃比変動パラメータとすることができる。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空燃比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、空燃比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。空燃比フィードバック補正量に基づいて、空燃比ばらつき異常を検出してもよい。

また、エンジンの気筒数、形式、用途等は特に限定されない。燃料噴射弁の数は３以上の任意の複数でよい。また吸気ポートと筒内のいずれに設けられていてもよく、全てが吸気ポートに設けられ、あるいは全てが筒内に設けられていてもよい。ガソリンエンジンのような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）の使用も可能である。

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。

１ 内燃機関
２ 吸気通路噴射用インジェクタ（ＰＦＩ）
３ 筒内噴射用インジェクタ（ＤＩ）
４ 第１のバンク
５ 第２のバンク
２０ 触媒前センサ
２２ クランク角センサ
１００ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims (4)

1. 複数の気筒のそれぞれに複数の燃料噴射弁を有する内燃機関において、
   前記内燃機関の所定の出力の変動に基づいて、気筒間の空燃比のばらつき異常を検出する異常検出手段と、
   ばらつき異常が検出された場合に、前記複数の燃料噴射弁の間における噴射割合を変更した前後における前記所定の出力の変動に基づいて、当該ばらつき異常の原因が、各燃料噴射弁および当該気筒への吸気経路のうちのいずれにあるかを識別する異常個所識別手段と、
   を備えた空燃比ばらつき異常検出装置であって、
   前記ばらつき異常の原因がいずれかの燃料噴射弁にあると識別された場合に、当該燃料噴射弁についての前記所定の出力を、前記噴射割合に基づいて正規化することによって、異常の度合いを表す指標値を算出する指標値算出手段を更に備えたことを特徴とする空燃比ばらつき異常検出装置。
2. 請求項１に記載の空燃比ばらつき異常検出装置であって、
   前記指標値算出手段は、前記ばらつき異常の原因が前記吸気経路にあると識別された場合に、前記噴射割合を変更する前と後とにおける前記複数の燃料噴射弁の全てについての前記所定の出力の平均値を、前記吸気経路についての前記指標値として算出することを特徴とする空燃比ばらつき異常検出装置。
3. 請求項１又は２に記載の空燃比ばらつき異常検出装置であって、
   前記指標値算出手段は、前記指標値の最新の算出値と過去の算出値とを平均化または平滑化することで当該指標値を更新することを特徴とする空燃比ばらつき異常検出装置。
4. 請求項１ないし３のいずれかに記載の空燃比ばらつき異常検出装置であって、
   前記指標値算出手段は、ある燃料噴射弁について算出された前記指標値が所定値より小さい場合に、当該燃料噴射弁の噴射割合を増大させて前記所定の出力を再び取得すると共に、取得された当該所定の出力に基づいて前記指標値を算出することを特徴とする空燃比ばらつき異常検出装置。

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