JP5477166B2

JP5477166B2 - エンジンの異常検出方法及び異常検出装置

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Publication number: JP5477166B2
Application number: JP2010120152A
Authority: JP
Inventors: 元末次
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2010-05-26
Filing date: 2010-05-26
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2030-05-26
Also published as: JP2011247149A

Description

本発明は、エンジンの異常、特に空燃比を制御する燃料供給システムの異常を検出する方法および装置に関する。

自動車用等のエンジンでは、燃料消費量を低減させると共に排気ガスに含まれる有害物質の排出量を低減するために、エンジンの燃焼室に供給される空気と燃料との混合比（空燃比）が理論空燃比又はその付近の適正範囲になるように制御される。具体的に、空燃比は、排気通路に設けられた空燃比センサの出力値に基づき、排気ガス中の残存酸素濃度が多いとき（リーン）には燃料噴射量を増量し、残存酸素濃度が少ないとき（リッチ）には燃料噴射量を減量して、前記理論空燃比ないしその付近の適正範囲にフィードバック制御される。

前記空燃比センサとしては、リニア酸素センサとラムダ酸素センサとが知られている。リニア酸素センサは、理論空燃比に対する実際の空燃比のずれ量を検出できる利点を有するが、理論空燃比及びその付近における感度がラムダ酸素センサよりも劣る。一方、ラムダ酸素センサは、理論空燃比及びその付近においてリッチ又はリーンのいずれであるかを高感度で検出できるが、理論空燃比に対する実際の空燃比のずれ量を検出できない欠点を有する。つまり、上記フィードバック制御に使用する上で、いずれのセンサにも一長一短がある。

そこで、リニア酸素センサとラムダ酸素センサのそれぞれの短所を補うべく、排気通路において排気浄化触媒の上流側に設けたリニア酸素センサと、前記触媒の下流側に設けたラムダ酸素センサとを組み合わせて使用することで、空燃比のフィードバック制御を行う技術が開発されている。

この技術について具体的に説明すると、上流側センサ（リニア酸素センサ）の出力値が目標値前後の所定範囲を逸脱しているときは、上流側センサの出力値と前記目標値とのずれ量に応じた量だけ燃料噴射量を増減し、上流側センサの出力値が前記所定範囲内にあるときは、下流側センサ（ラムダ酸素センサ）の出力に基づいて燃料噴射量を増減することで、空燃比のフィードバック制御を行う。このように上流側センサと下流側センサとを組み合わせて使用するフィードバック制御によれば、空燃比が目標値から大きくずれているときは、上流側センサの出力値に基づく制御により空燃比を素早く目標値に近づけることができ、空燃比が目標値に比較的近いときは、下流側センサの出力に基づき空燃比を精密に制御することができる。

なお、このフィードバック制御を行っているにも拘わらず、上流側センサ又は下流側センサの出力がリッチ側又はリーン側に固定されるようになったときは、燃料供給システムの異常が判定される。

ところで、多気筒エンジンの場合、複数気筒の排気通路が合流した排気集合部に空燃比センサが設けられるため、特定の一部の気筒について空燃比の異常が発生しているにも拘わらず、全体としては空燃比のずれが比較的小さくなって、この異常が空燃比センサの出力に反映されないことがある。この場合、燃料システムの異常が判定されないことになるが、近年、このような場合にも異常判定できるようにすることが要求されつつある。

特許文献１には、排気通路における触媒の上流側に設けられた空燃比センサ（リニア酸素センサ）の出力値に基づき、特定の一部の気筒についてのみ空燃比異常が発生している場合でも該空燃比異常を判定できるようにするための技術が開示されている。

具体的に、特許文献１の技術では、空燃比異常の判定に際して、空燃比センサの出力値の変化率の絶対値が所定時間積算され、この積算値が判定に用いられる。より具体的に説明すると、いずれの気筒にも空燃比異常が発生していない場合、空燃比センサの出力値は大きく変動しないため、前記積算値は比較的小さくなるが、特定の一部の気筒について空燃比異常が発生すると、この気筒（異常気筒）からの排気時に空燃比センサの出力変化が大きくなるため、前記積算値が大きくなる。よって、該積算値が所定値以上であるか否かによって、いずれかの気筒で空燃比異常が発生しているかどうかを判定することができる。

特開２００８−１２１５３３号公報

しかしながら、多気筒エンジンの場合、各気筒から排気集合部までの排気通路の形状が気筒によって異なるため、該集合部下流の排気集合通路における集合部に比較的近い位置に設けられる触媒上流の空燃比センサに対しては、排気ガスの当たり方が気筒毎に異なる。そのため、同程度の空燃比異常であっても、いずれの気筒で発生したかにより触媒上流の空燃比センサの出力値の変化量が異なる。したがって、特許文献１の方法により特定気筒についての空燃比異常の有無を判定する際、いずれの気筒に空燃比異常が発生している場合にも対応し得る閾値を設定することが困難であり、それゆえ、高精度の判定が困難である。

また、排気通路における触媒の下流側に設けられた空燃比センサの出力に基づいて、特定の気筒についての空燃比異常の有無を判定することも考えられる。しかしながら、下流側のセンサは、各気筒から比較的遠い位置に配置されるとともに、触媒を経由した排気ガス中の酸素濃度を検出することになるため、触媒の上流側に設ける空燃比センサの出力に比べて、気筒間の空燃比ずれによる出力変化が顕著に現れ難い。よって、下流側のセンサの出力に基づき特定気筒についての空燃比異常の有無を判定することも困難である。

そこで、本発明は、特定の一部の気筒についてのみ空燃比異常が発生している場合に、この異常を精度よく検出することができるエンジンの異常検出方法及び異常検出装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明に係るエンジンの異常検出方法及び異常検出装置は、次のように構成したことを特徴とする。

まず、本願の請求項１に記載の発明は、
各気筒の燃焼室内における混合気の空燃比の異常を検出する多気筒エンジンの異常検出方法であって、
前記エンジンの排気集合通路における排気浄化触媒よりも上流側に設けられた上流側空燃比センサにより前記空燃比を検出する第１の空燃比検出工程と、
該第１の空燃比検出工程における前記上流側空燃比センサの出力値が、所定の目標値よりも大きな上限値よりも大きいとき、及び、前記目標値よりも小さな下限値よりも小さいとき、該上流側空燃比センサの出力値と前記目標値との差に基づいて、空燃比が前記目標値に近づくように前記燃焼室への燃料噴射量を増減する燃料噴射量制御工程と、
前記排気集合通路における前記排気浄化触媒よりも下流側に設けられた下流側空燃比センサにより前記空燃比を検出する第２の空燃比検出工程と、
前記第１の空燃比検出工程における前記上流側空燃比センサの出力値が前記下限値以上前記上限値以下であるとき、該上流側空燃比センサの出力値ではなく、前記第２の空燃比検出工程における前記下流側空燃比センサの出力値と前記目標値との比較に基づいて、空燃比が前記目標値に近づくように前記燃焼室への燃料噴射量を補正する燃料噴射量補正工程と、
該燃料噴射量補正工程中の燃料噴射量の補正状態の異常の有無を判定する第１の異常判定工程と、
前記燃料噴射量補正工程中に、前記第１の空燃比検出工程において前記上側空燃比センサにより検出される空燃比の変動状態の異常の有無を判定する第２の異常判定工程と、
前記第１及び第２の異常判定工程の判定結果に基づき、前記空燃比の異常の有無を判定する空燃比異常判定工程と、を有し、
該空燃比異常判定工程では、前記第１の異常判定工程において燃料噴射量の補正状態が異常であると判定され、且つ、前記第２の異常判定工程において空燃比の変動状態が異常であると判定されたとき、前記エンジンの一部の気筒における空燃比が異常であると判定することを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、前記請求項１に記載の発明において、
前記空燃比異常判定工程では、前記第１の異常判定工程において燃料噴射量の補正状態が異常であると判定され、且つ、前記第２の異常判定工程において空燃比の変動状態が正常であると判定されたとき、前記一部の気筒における空燃比異常以外の空燃比異常が発生していると判定することを特徴とする。

さらに、請求項３に記載の発明は、前記請求項１または請求項２に記載の発明において、
前記空燃比異常判定工程では、前記第１の異常判定工程において燃料噴射量の補正状態が正常であると判定されたとき、前記空燃比が正常であると判定することを特徴とする。

またさらに、請求項４に記載の発明は、前記請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の発明において、
前記第２の異常判定工程で判定される空燃比の変動状態は、前記上流側空燃比センサの出力値の振幅又は変化率であり、
前記第２の異常判定工程は、前記振幅又は変化率が所定値以上であるとき、空燃比の変動状態が異常であると判定することを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、
各気筒の燃焼室内における混合気の空燃比の異常を検出する多気筒エンジンの異常検出装置であって、
前記エンジンの排気集合通路における排気浄化触媒よりも上流側に設けられ、前記空燃比を検出する上流側空燃比検出手段と、
前記排気集合通路において前記排気浄化触媒よりも下流側に設けられ、前記空燃比を検出する下流側空燃比検出手段と、
前記燃焼室へ燃料を噴射する燃料噴射手段と、
前記上流側空燃比検出手段の出力値が、所定の目標値よりも大きな上限値よりも大きいとき、及び、前記目標値よりも小さな下限値よりも小さいときは、該上流側空燃比検出手段の出力値と前記目標値との差に基づいて、空燃比が前記目標値に近づくように前記燃料噴射手段による燃料噴射量を増減することで前記空燃比を制御し、前記上流側空燃比検出手段の出力値が前記下限値以上前記上限値以下であるときは、該上流側空燃比検出手段の出力値ではなく、前記下流側空燃比検出手段の出力値と前記目標値との比較に基づいて、空燃比が前記目標値に近づくように前記燃料噴射手段による燃料噴射量を補正することで前記空燃比を制御する空燃比制御手段と、
前記空燃比の異常の有無を判定する判定手段と、を有し、
前記判定手段は、
前記下流側空燃比検出手段の出力値と前記目標値との比較に基づいた前記空燃比制御手段による燃料噴射量の補正状態が異常であり、且つ、該補正中に前記上流側空燃比検出手段により検出される空燃比の変動状態が異常であるとき、前記エンジンの一部の気筒における空燃比が異常であると判定することを特徴とする。

まず、請求項１に記載の発明によれば、下流側空燃比センサの出力に基づく燃料噴射量の補正状態の異常の有無が判定されるとともに、上側空燃比センサにより検出される空燃比の変動状態の異常の有無が判定されて、これらの判定の結果、下流側空燃比センサの出力に基づく燃料噴射量の補正状態が異常であり、且つ、空燃比の変動状態が異常であるとき、エンジンの一部の気筒における空燃比が異常であると判定されるため、かかる空燃比異常を精度よく検出することができる。

また、請求項１に記載の発明に請求項２に記載の発明を適用すれば、下流側空燃比センサの出力に基づく燃料噴射量の補正状態が異常であり、且つ、空燃比の変動状態が正常であるとき、一部の気筒における空燃比異常以外の空燃比異常が発生していると判定されるため、空燃比異常が発生している場合において、その異常の態様を判別することができる。

さらに、請求項１または請求項２に記載の発明に請求項３に記載の発明を適用すれば、下流側空燃比センサの出力に基づく燃料噴射量の補正状態が正常であるとき、上側空燃比センサの出力状態を検出するまでもなく、空燃比が正常であると判定することができる。

また、請求項４に記載の発明によれば、上流側空燃比センサの出力値の振幅又は変化率が所定値以上であるとき、空燃比の変動状態が異常であると判定されることにより、請求項１から請求項３のいずれかに記載の発明を有効に実現することができる。

さらに、請求項５に記載の発明によれば、下流側空燃比センサの出力に基づく燃料噴射量の補正状態が異常であり、且つ、上側空燃比センサにより検出される空燃比の変動状態が異常であるとき、エンジンの一部の気筒における空燃比が異常であると判定されるため、かかる空燃比異常を精度よく検出することができる。

車両用エンジンの制御システムの概略構成図である。エンジンの排気通路を示す図である。空燃比と三元触媒の浄化率との関係を示す図である。上流側センサによる空燃比制御と、下流側センサによる空燃比制御との使い分けを説明するための図である。上流側センサによる空燃比のフィードバック制御の各処理の流れを示すフローチャートである。下流側センサによる空燃比のフィードバック制御の各処理の流れを示すフローチャートである。下流側センサの出力に基づく燃料噴射量の補正制御の一例を示す図である。第１の実施形態に係る空燃比異常の判定制御の各処理の流れを示すフローチャートである。上流側センサの出力値の推移に関して、正常時と、特定の一部の気筒についての空燃比異常時とを比較した図である。第２の実施形態に係る空燃比異常の判定制御の各処理の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について説明する。

図１は、本実施形態に係る車両用エンジンの制御システムの概略構成図である。

エンジン１は、直列４気筒型の火花点火式直噴ガソリンエンジンであり、エンジン１の各種動作は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェース回路等で構成されたＰＣＭ２１により制御される。なお、図１では、４気筒のうち１気筒のみが図示されており、残りの３気筒の図示を省略している。

エンジン１は、シリンダブロック３と、該シリンダブロック３の上部に固定されたシリンダヘッド５とを備えている。シリンダブロック３は気筒毎にシリンダ１３を有する。各シリンダ１３内には、往復動可能なピストン７が嵌挿されており、該ピストン７の上方には、該ピストン７の頂面とシリンダ１３の内壁面とシリンダヘッド５のペントルーフ型の底面とに囲まれた燃焼室１１が形成されている。また、ピストン７は、コネクティングロッド１７を介して、該ピストン７の下方のクランクケース内に配設された図示しないクランク軸に連結されている。

また、シリンダブロック３には、図示しないウォータジャケット内を流れる冷却水の温度を検出するためのエンジン水温センサ２３と、エンジンオイルの温度を検出するためのエンジンオイル温度センサ３３とが設けられている。

一方、シリンダヘッド５には、シリンダ１３毎に点火プラグ９が設けられている。各点火プラグ９は、その先端電極が燃焼室１１内を臨むように配設されるとともに、例えばシリンダヘッド５上部に設けられた点火回路１９に接続されている。

点火回路１９は、ＰＣＭ２１から送信される制御信号に基づき点火放電電流を流し、点火プラグ９を点火放電させるように構成されている。また、点火回路１９は、点火プラグ９の点火放電によって充電されるコンデンサ１９ａと、該コンデンサ１９ａの充電電荷が放電することで流れる電流をイオン電流として検出するイオン電流検出回路１９ｂとを備え、イオン電流検出回路１９ｂによって検出されたイオン電流の検出信号をＰＣＭ２１へ出力するように構成されている。

さらに、シリンダヘッド５には、燃焼室１１に連通する吸気ポート１５と排気ポート２５とが燃焼室１１毎に２つずつ形成されている。吸気ポート１５のポート開口部には吸気弁３５が、排気ポート２５のポート開口部には排気弁４５がそれぞれ設けられており、これら吸気弁３５及び排気弁４５は、電磁ＶＶＴ（電磁式の可変バルブタイミング機構）３５ａ，４５ａによって所定タイミングで独立に開閉動作が行われるようになっている。また、吸気弁３５及び排気弁４５は、電磁ＶＶＴ３５ａ，４５ａによって、開閉動作タイミングが進角側及び遅角側に変更可能となっており、これによりオーバーラップ期間が変化し、燃焼室１１に残留する既燃ガスの量を変化させることが可能となっている。

またさらに、各気筒には、吸気ポート１５に連通するように吸気通路５５が配設されているとともに、排気ポート２５に連通するように排気通路６５が配設されている。これら吸気通路５５と排気通路６５とはＥＧＲ通路８５を介して接続されており、該ＥＧＲ通路８５に設けられた開度調節可能な電気式のＥＧＲ弁５１により、排気通路６５の排気ガスの一部が吸気通路５５に還流されるようになっている。

また、吸気通路５５には、上流側から順に、エアクリーナ７５、吸気温度センサ４３、吸気流量を検出するエアフローセンサ２９、吸気通路５５を絞るスロットル弁４１、燃焼室１１内の吸気流動の強さを調整するＴＳＣＶ（タンブルスワールコントロール弁）３１、供給されるガソリンを燃焼室１１内に直接噴射供給するためのガソリン直噴用のインジェクタ（燃料噴射弁）３９とが配設されている。

一方、図２に示すように、４つの気筒♯１〜♯４からそれぞれ延びる排気通路６５（６５ａ〜６５ｄ）は排気集合部（エグマニ集合部）９５で集合するように設けられており、該排気集合部９５から下流側に向かって排気集合通路６６が形成されている。

この排気集合通路６６には、エンジン１の排気ガス中の酸素濃度に基づいて燃焼室１１内における混合気の空燃比を検出する空燃比センサ４７，１４７と、排気ガスを浄化するための触媒コンバータ４９とが配設されている。空燃比センサ４７，１４７としては、排気集合通路６６において触媒コンバータ４９よりも上流側に配設された上流側センサ４７と、触媒コンバータ４９よりも下流側に配設された下流側センサ１４７とが用いられている。上流側センサ４７としては、例えば、酸素濃度を連続的に検出するリニア酸素センサが用いられ、下流側センサ１４７としては、例えば、理論空燃比（λ＝１）に対応する所定値に比べて酸素濃度が高いか否かを検出するラムダ酸素センサが用いられている。一方、触媒コンバータ４９としては、例えば、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘの３成分を同時に浄化し得る三元触媒を用いることができる。

図１に戻って、ＰＣＭ２１は、上述したエンジン水温センサ２３、エアフローセンサ２９、及び空燃比センサ４７，１４７に加えて、スロットル開度を検出するスロットル開度センサ５３、及びエンジン回転数を検出するエンジン回転数センサ５７に電気的に接続されており、これらのセンサの出力信号が入力されるようになっている。また、ＰＣＭ２１は、エンジン１１の動作に関連する各種機器に電気的に接続されており、該各種機器へ、各種センサから受信した信号に基づく制御信号を送信することで、エンジン１の種々の動作を制御するように構成されている。

このＰＣＭ２１は、空燃比センサ４７，１４７の出力に基づき空燃比をフィードバック制御するフィードバック制御部２１ａと、燃焼室１１に供給される混合気の空燃比異常の有無を判定する空燃比異常判定部２１ｂとを有する。

［空燃比のフィードバック制御］
図３は、空燃比と触媒コンバータ４９による排気浄化率との関係を示す。図３に示すように、空燃比が理論空燃比（λ＝１）又はその付近の適正範囲（図３における斜線部分）であるときはＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘのいずれについても高い浄化率を示すが、空燃比が前記適正範囲よりもリッチであるときはＨＣ、ＣＯが浄化されないまま排出されやすくなり、空燃比が前記適正範囲よりもリーンであるときはＮＯｘの排出量が増大する。なお、前記適正範囲は、例えば、理論空燃比に対して約０．２５リッチ側の空燃比から約０．２５リーン側の空燃比までの範囲をいう。

よって、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ等の有害物質の排出量を抑制するため、前記フィードバック制御部２１ａは、空燃比が前記適正範囲に収まるように空燃比センサ４７，１４７の出力に基づくフィードバック制御を行う。

本実施形態において、空燃比のフィードバック制御には、上流側センサ４７と下流側センサ１４７とが組み合わせて使用される。具体的には、図４に示すように、上流側センサ４７の出力値Ｏ１が、目標値ＴＧよりも小さな所定値αよりも小さいとき、及び、目標値ＴＧよりも大きな所定値βよりも大きいときに、上流側センサ４７の出力に基づくフィードバック制御が行われる。一方、上流側センサ４７の出力値Ｏ１が所定値α以上で且つ所定値β以下であるときは、下流側センサ１４７の出力に基づくフィードバック制御が行われる。

図５のフローチャートを参照しながら、上流側センサ４７の出力に基づく空燃比のフィードバック制御について説明する。

先ず、ステップＳ１では、上流側センサ４７により空燃比が検出されて、ステップＳ２に進む。

ステップＳ２では、ステップＳ１における上流側センサ４７の出力値Ｏ１が前記所定値βよりも大きいか否かが判定される。ステップＳ２において、上流側センサ４７の出力値Ｏ１が所定値βよりも大きいと判定されるとステップＳ４に進み、所定値β以下であると判定されるとステップＳ３に進む。

ステップＳ３では、上流側センサ４７の出力値Ｏ１が前記所定値αよりも小さいか否かが判定される。ステップＳ３において、上流側センサ４７の出力値Ｏ１が所定値αよりも小さいと判定されるとステップＳ４に進み、所定値α以上であると判定されるとステップＳ７に進み、フラグＦがＦ＝１にセットされて、図５のルーチンが終了する。

ここで、フラグＦは、下流側センサ１４７の出力に基づくフィードバック制御の実行条件が成立したときに「１」にセットされ、該実行条件が成立していないときに「０」にセットされるフラグである。

ステップＳ４では、前記フラグＦがＦ＝０にセットされて、ステップＳ５に進む。

ステップＳ５では、上流側センサ４７の出力値Ｏ１と目標値ＴＧとのずれに基づいて、燃料噴射量の増減量Ｘが算出される。具体的に、この増減量Ｘは、例えば、出力値Ｏ１と目標値ＴＧとのずれ量Ｄに所定の係数ｋ（０＜ｋ＜１）を乗じることで得られる。

最後に、ステップＳ６では、ステップＳ５で算出された増減量Ｘだけ燃料噴射量が増量または減量されることで、空燃比が目標値ＴＧに近づくように制御されて、図５のルーチンが終了する。

このように、上流側センサ４７の出力値Ｏ１が目標値ＴＧから大きくずれているときは、上流側センサ４７の出力に基づいて、空燃比が目標値ＴＧに素早く近づくようにフィードバック制御される。

続いて、図６のフローチャートを参照しながら、下流側センサ１４７の出力に基づく空燃比のフィードバック制御について説明する。

先ず、ステップＳ１１では、前記フラグＦがＦ＝１にセットされているか否か、すなわち、下流側センサ１４７の出力に基づくフィードバック制御の実行条件が成立しているか否かが判定される。このステップＳ１１において、Ｆ＝０にセットされていると判定されると図６のルーチンは終了し、Ｆ＝１にセットされていると判定されるとステップＳ１２に進む。

ステップＳ１２では、下流側センサ１４７により空燃比が検出されて、ステップＳ１３に進む。

ステップＳ１３では、ステップＳ１２における下流側センサ１４７の出力に基づき、空燃比が目標値ＴＧよりもリッチであるか否かが判定される。このステップＳ１３において、リッチであると判定されると燃料噴射量が減量され（ステップＳ１４）、リーンであると判定されると燃料噴射量が増量されて（ステップＳ１５）、図６のルーチンが終了する。

このように、上流側センサ４７の出力値Ｏ１が目標値ＴＧに比較的近いときは、下流側センサ１４７の出力に基づいて、空燃比が目標値ＴＧ前後に維持されるように精密にフィードバック制御される。

図７は、下流側センサ１４７の出力に基づく空燃比のフィードバック制御、具体的には燃料噴射量の補正の一例を示している。

下流側センサ１４７の出力に基づく燃料噴射量の補正に関しては、該補正開始時の燃料噴射量（基準量）Ｆｏよりも所定量ｄだけ少ない下限値Ｆａと、前記基準量Ｆｏよりも所定量ｄだけ多い上限値Ｆｂとが設定されており、燃料噴射量は下限値Ｆａ以上で且つ上限値Ｆｂ以下の範囲内で補正されるようになっている。なお、下限値Ｆａと上限値ＦｂとはＰＣＭ２１に予め記憶されている。

図７の実線は、下流側センサ１４７の出力に基づく燃料噴射量の補正状態が正常である場合について、下流側センサ１４７の出力および燃料噴射量の推移の一例を示している。図７の実線に示す例によれば、補正開始時において、下流側センサ１４７の出力は目標値ＴＧよりもリッチであるため、燃料噴射量は減量され（図６のステップＳ１４）、これにより空燃比がリーン側に変化する。この結果、下流側センサ１４７の出力は、燃料噴射量が下限値Ｆａまで減量される前にリッチからリーンに切り替わる。このように下流側センサ１４７の出力がリーンになると、燃料噴射量は増量され（図６のステップＳ１５）、これにより空燃比がリッチ側に変化する。この結果、下流側センサ１４７の出力は、燃料噴射量が上限値Ｆｂまで増量される前にリーンからリッチに切り替わる。このように、燃料噴射量の補正状態が正常であれば、燃料噴射量の増減が繰り返されながら、空燃比は常に目標値ＴＧ前後に維持される。

一方、図７の二点鎖線は、下流側センサ１４７の出力に基づく燃料噴射量の補正状態が異常である場合について、下流側センサ１４７の出力および燃料噴射量の推移の一例を示している。図７の二点鎖線に示す例によれば、補正開始時において、下流側センサ１４７の出力は目標値ＴＧよりもリッチであるため、正常時と同様、燃料噴射量は減量される（図６のステップＳ１４）。ところが、燃料噴射量が下限値Ｆａに達し、この時点から所定時間ｔ１が経過しても、下流側センサ１４７の出力はリッチからリーンへ切り替わらないという異常が発生している。

このように、下流側センサ１４７の出力に基づく燃料噴射量の補正状態が正常であれば、空燃比は正常に制御されるが、該補正状態に異常が発生すると、空燃比制御は適正に制御されなくなる。よって、下流側センサ１４７の出力に基づく燃料噴射量の補正状態が正常であるか否かによって、空燃比が正常に制御されているか否かを判定することができる。

［空燃比異常の判定制御］
（第１の実施形態）
図８のフローチャートを参照しながら、第１の実施形態に係る空燃比異常の判定制御について説明する。

なお、図８のルーチンは、所定の実行条件が成立しているとき、すなわち、空燃比異常の有無を適正に判定し得る運転状態であるときに実行される。該実行条件の成立の有無は、例えば、エンジン回転数センサ５７により検出されたエンジン回転数Ｎｅ１、スロットル開度センサ５３により検出されたスロットル開度Ｔｈ１、エアフローセンサ２９により検出された吸気流量Ａ１、エンジン水温センサ２３により検出されたエンジン水温Ｔｗ１等に基づき判定される。具体的には、例えば、エンジン水温Ｔｗ１が暖機完了を示す所定温度以上になっているとき、及び／又は、エンジン回転数Ｎｅ１、吸気充填効率及び／又はスロットル開度Ｔｈ１の変動量が十分に小さく且つ安定しているとき、前記実行条件が成立していると判定される。

先ず、ステップＳ２１では、下流側センサ１４７の出力に基づく空燃比のフィードバック制御における燃料噴射量の補正状態が検出される。図７を参照しながら具体的に説明すると、該補正状態として、例えば、燃料噴射量の前記基準量Ｆｏからの増加量Ｙまたは減少量Ｚが検出され、該増加量Ｙ又は減少量Ｚが前記所定量ｄに達している場合、すなわち、燃料噴射量が前記上限値Ｆｂ又は前記下限値Ｆｂに達している場合は、さらに、燃料噴射量が上限値Ｆｂ又は下限値Ｆａに達してから経過した時間ｔが検出される。

次のステップＳ２２では、ステップＳ２１で検出された補正状態が正常であるか否かが判定される。具体的には、例えば、ステップＳ２１で検出された増加量Ｙ又は減少量Ｚが所定量ｄ未満であるか否かが判定され、この判定の結果、増加量Ｙ又は減少量Ｚが所定量ｄに達している場合は、さらに、ステップＳ２１で検出された前記経過時間ｔが前記所定時間ｔ１未満であるか否かが判定される。ただし、ステップＳ２２の判定方法は、燃料噴射量を所定量以上補正したにも拘わらず、下流側空燃比センサ１４７の出力がリッチ側からリーン側へ、又はリーン側からリッチ側へ変化しなかったときに、燃料噴射量の補正状態が異常であると判定するものであれば特に限定されるものでない。

ステップＳ２２において、補正状態が正常であると判定されたとき、具体的には、例えば、増加量Ｙ又は減少量Ｚが所定量ｄ未満であるか、又はステップＳ２１で検出された経過時間ｔが所定時間ｔ１未満であるときはステップＳ２３に進み、空燃比制御が正常に実行されていると判定される。

一方、ステップＳ２２において、補正状態が異常であると判定されたとき、具体的には、例えば、ステップＳ２１で検出された経過時間ｔが所定時間ｔ１以上であるときは、空燃比制御に何らかの異常が発生しているとみなされて、ステップＳ２４以降の処理が実行される。

ステップＳ２４では、上流側センサ４７の出力状態が検出される。ここでいう上流側センサ４７の出力状態とは、上流側センサ４７の出力値の変動状態を指し、一部の気筒について空燃比の異常が発生しているか否かを判定するために検出される。つまり、気筒間に空燃比差が生じていない場合は図９の実線で示されるように上流側センサ４７の出力値の変動が少なく、気筒間に空燃比差が生じている場合、すなわち、一部の気筒について空燃比の異常が発生している場合は図９の破線のような高周波の波形を描くように空燃比センサ４７の出力値が短い周期で大きく変動することに鑑みて、上流側センサ４７の出力値の変動状態が検出される。

ステップＳ２４において検出される上流側センサ４７の出力状態として、具体的には、例えば、所定時間ｔ２における上流側センサ４７の出力値の振幅（センサ４７の出力値の最大値と最小値との差）Ｌ、所定時間ｔ３における上流側センサ４７の出力値の変化率（所定時間ｔ３よりも短い単位時間当たりのセンサ４７の出力値の変化量）Ｐ等が挙げられる。

続くステップＳ２５では、ステップＳ２４で検出された出力状態が正常であるか否かが判定される。具体的には、例えば、ステップＳ２４で検出されたセンサ４７の出力値の振幅Ｌが所定値Ｌｏ未満であるか否か、又は、ステップＳ２４で検出されたセンサ４７の出力値の変化率Ｐが所定値Ｐｏ未満であるか否かが判定される。

このステップＳ２５では、例えば図９の実線で示されるようにセンサ４７の出力値の変動が小さい場合、センサ４７の出力状態が正常であると判定され、例えば図９の破線のような高周波の波形を示すようにセンサ４７の出力値が周期的に大きく変動する場合、センサ４７の出力状態が異常であると判定される。

ステップＳ２５の判定は、ステップＳ２２において空燃比制御に何らかの異常があると判定された後に実行されるものであるため、ステップＳ２５の判定に使用される閾値（例えば前記所定値Ｌｏ又は／及び前記所定値Ｐｏ）は、仮にステップＳ２２の判定処理を省略する場合、すなわち上流側センサ４７のみを用いて空燃比異常の判定制御を行う場合に比べて低い値に設定することができる。

ステップＳ２５において、出力状態が正常であると判定された場合は、特定気筒の空燃比異常以外の空燃比異常が発生していると判定される（ステップＳ２６）。特定気筒の空燃比異常以外の空燃比異常としては、例えば、燃料供給ポンプ又は空燃比センサ４７，１４７の故障等に起因する全気筒についての空燃比異常が考えられる。

一方、ステップＳ２５において、出力状態が異常であると判定された場合、特定の一部の気筒について空燃比異常が発生していると判定される（ステップＳ２７）。

以上のように、本実施形態によれば、上流側センサ４７と下流側センサ１４７とを組み合わせて使用することで、ステップＳ２５の判定に使用する閾値を低く設定できるため、特定の一部の気筒についての空燃比異常が発生している場合、この異常気筒がいずれの気筒であっても、その異常を高精度で検出することができる。

（第２の実施形態）
図１０のフローチャートを参照しながら、第２の実施形態に係る空燃比異常の判定制御について説明する。

なお、図１０のルーチンは、図８のルーチンと同様の所定の実行条件が成立しているときに実行される。

先ず、ステップＳ３１では、上流側センサ４７の出力状態が検出される。この上流側センサ４７の出力状態として、具体的には、例えば、所定時間ｔ２における上流側センサ４７の出力値の振幅（センサ４７の出力値の最大値と最小値との差）Ｌ、所定時間ｔ３における上流側センサ４７の出力値の変化率（所定時間ｔ３よりも短い単位時間当たりのセンサ４７の出力値の変化量）Ｐ等が挙げられる。

続くステップＳ３２では、ステップＳ３１で検出された出力状態が正常であるか否かが判定される。具体的には、例えば、ステップＳ３１で検出されたセンサ４７の出力値の振幅Ｌが所定値Ｌｏ未満であるか否か、又は、ステップＳ３１で検出されたセンサ４７の出力値の変化率Ｐが所定値Ｐｏ未満であるか否かが判定される。

このステップＳ３２では、例えば図９の実線で示されるようにセンサ４７の出力値の変動が小さい場合、センサ４７の出力状態が正常であると判定され、例えば図９の破線のような高周波の波形を示すようにセンサ４７の出力値が周期的に大きく変動する場合、センサ４７の出力状態が異常であると判定される。

ステップＳ３２において、出力状態が正常であると判定された場合は、特定の一部の気筒についての空燃比異常が発生していないと判定される（ステップＳ３３）。

一方、ステップＳ３２において、出力状態が異常であると判定された場合、特定の一部の気筒について空燃比異常が発生している可能性があるため、ステップＳ３４以降の処理が実行される。

ステップＳ３４では、下流側センサ１４７の出力に基づく空燃比のフィードバック制御における燃料噴射量の補正状態が検出される。図７を参照しながら具体的に説明すると、該補正状態として、例えば、燃料噴射量の前記基準量Ｆｏからの増加量Ｙまたは減少量Ｚが検出され、該増加量Ｙ又は減少量Ｚが前記所定量ｄに達している場合、すなわち、燃料噴射量が前記上限値Ｆｂ又は前記下限値Ｆｂに達している場合は、さらに、燃料噴射量が上限値Ｆｂ又は下限値Ｆａに達してから経過した時間ｔが検出される。

次のステップＳ３５では、ステップＳ３４で検出された補正状態が正常であるか否かが判定される。具体的には、例えば、ステップＳ３４で検出された増加量Ｙ又は減少量Ｚが所定量ｄ未満であるか否かが判定され、この判定の結果、増加量Ｙ又は減少量Ｚが所定量ｄに達している場合は、さらに、ステップＳ３４で検出された前記経過時間ｔが前記所定時間ｔ１未満であるか否かが判定される。ただし、ステップＳ３５の判定方法は、燃料噴射量を所定量以上補正したにも拘わらず、下流側空燃比センサ１４７の出力がリッチ側からリーン側へ、又はリーン側からリッチ側へ変化しなかったときに、燃料噴射量の補正状態が異常であると判定するものであれば特に限定されるものでない。

ステップＳ３５おいて、補正状態が正常であると判定されたとき、具体的には、例えば、増加量Ｙ又は減少量Ｚが所定量ｄ未満であるか、又は経過時間ｔが所定時間ｔ１未満であるときは、空燃比制御が正常に実行されていると判定される（ステップＳ３６）。

一方、ステップＳ３５において、補正状態が異常であると判定されたとき、具体的には、例えば、ステップＳ３４で検出された経過時間ｔが所定時間ｔ１以上であるときは、特定の一部の気筒について空燃比異常が発生していると判定される（ステップＳ３７）。

以上のように、本実施形態においても、上流側センサ４７と下流側センサ１４７とを組み合わせて使用することで、特定の一部の気筒についての空燃比異常が発生している場合、この異常を高精度で検出することができる。

以上、上述の実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。

１：エンジン、１１：燃焼室、２１：ＰＣＭ、２１ａ：フィードバック制御部、２１ｂ：空燃比異常判定部、３９：インジェクタ（燃料噴射手段）、４７：上流側センサ、４９：触媒コンバータ、６５：排気通路、６６：排気集合通路、９５：排気集合部、１４７：下流側センサ。

Claims

各気筒の燃焼室内における混合気の空燃比の異常を検出する多気筒エンジンの異常検出方法であって、
前記エンジンの排気集合通路における排気浄化触媒よりも上流側に設けられた上流側空燃比センサにより前記空燃比を検出する第１の空燃比検出工程と、
該第１の空燃比検出工程における前記上流側空燃比センサの出力値が、所定の目標値よりも大きな上限値よりも大きいとき、及び、前記目標値よりも小さな下限値よりも小さいとき、該上流側空燃比センサの出力値と前記目標値との差に基づいて、空燃比が前記目標値に近づくように前記燃焼室への燃料噴射量を増減する燃料噴射量制御工程と、
前記排気集合通路における前記排気浄化触媒よりも下流側に設けられた下流側空燃比センサにより前記空燃比を検出する第２の空燃比検出工程と、
前記第１の空燃比検出工程における前記上流側空燃比センサの出力値が前記下限値以上前記上限値以下であるとき、該上流側空燃比センサの出力値ではなく、前記第２の空燃比検出工程における前記下流側空燃比センサの出力値と前記目標値との比較に基づいて、空燃比が前記目標値に近づくように前記燃焼室への燃料噴射量を補正する燃料噴射量補正工程と、
該燃料噴射量補正工程中の燃料噴射量の補正状態の異常の有無を判定する第１の異常判定工程と、
前記燃料噴射量補正工程中に、前記第１の空燃比検出工程において前記上側空燃比センサにより検出される空燃比の変動状態の異常の有無を判定する第２の異常判定工程と、
前記第１及び第２の異常判定工程の判定結果に基づき、前記空燃比の異常の有無を判定する空燃比異常判定工程と、を有し、
該空燃比異常判定工程では、前記第１の異常判定工程において燃料噴射量の補正状態が異常であると判定され、且つ、前記第２の異常判定工程において空燃比の変動状態が異常であると判定されたとき、前記エンジンの一部の気筒における空燃比が異常であると判定することを特徴とするエンジンの異常検出方法。
前記空燃比異常判定工程では、前記第１の異常判定工程において燃料噴射量の補正状態が異常であると判定され、且つ、前記第２の異常判定工程において空燃比の変動状態が正常であると判定されたとき、前記一部の気筒における空燃比異常以外の空燃比異常が発生していると判定することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの異常検出方法。
前記空燃比異常判定工程では、前記第１の異常判定工程において燃料噴射量の補正状態が正常であると判定されたとき、前記空燃比が正常であると判定することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のエンジンの異常検出方法。
前記第２の異常判定工程で判定される空燃比の変動状態は、前記上流側空燃比センサの出力値の振幅又は変化率であり、
前記第２の異常判定工程は、前記振幅又は変化率が所定値以上であるとき、空燃比の変動状態が異常であると判定することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のエンジンの異常検出方法。
各気筒の燃焼室内における混合気の空燃比の異常を検出する多気筒エンジンの異常検出装置であって、
前記エンジンの排気集合通路における排気浄化触媒よりも上流側に設けられ、前記空燃比を検出する上流側空燃比検出手段と、
前記排気集合通路において前記排気浄化触媒よりも下流側に設けられ、前記空燃比を検出する下流側空燃比検出手段と、
前記燃焼室へ燃料を噴射する燃料噴射手段と、
前記上流側空燃比検出手段の出力値が、所定の目標値よりも大きな上限値よりも大きいとき、及び、前記目標値よりも小さな下限値よりも小さいときは、該上流側空燃比検出手段の出力値と前記目標値との差に基づいて、空燃比が前記目標値に近づくように前記燃料噴射手段による燃料噴射量を増減することで前記空燃比を制御し、前記上流側空燃比検出手段の出力値が前記下限値以上前記上限値以下であるときは、該上流側空燃比検出手段の出力値ではなく、前記下流側空燃比検出手段の出力値と前記目標値との比較に基づいて、空燃比が前記目標値に近づくように前記燃料噴射手段による燃料噴射量を補正することで前記空燃比を制御する空燃比制御手段と、
前記空燃比の異常の有無を判定する判定手段と、を有し、
前記判定手段は、
前記下流側空燃比検出手段の出力値と前記目標値との比較に基づいた前記空燃比制御手段による燃料噴射量の補正状態が異常であり、且つ、該補正中に前記上流側空燃比検出手段により検出される空燃比の変動状態が異常であるとき、前記エンジンの一部の気筒における空燃比が異常であると判定することを特徴とするエンジンの異常検出装置。