JP5765350B2

JP5765350B2 - 多気筒内燃機関の気筒間空燃比インバランス検出装置

Info

Publication number: JP5765350B2
Application number: JP2013019627A
Authority: JP
Inventors: 角岡　卓; 卓角岡; 航福井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-02-04
Filing date: 2013-02-04
Publication date: 2015-08-19
Anticipated expiration: 2033-02-04
Also published as: CN104813012A; DE112013006583T5; JP2014148965A; US10006382B2; US20150292422A1; WO2014118850A1; CN104813012B; DE112013006583B4

Description

本発明は、多気筒内燃機関の気筒間空燃比のインバランス（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、排出ガス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、また触媒でも排出ガス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、気筒間空燃比インバランスを車載状態（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、ターボチャージャ、当該ターボチャージャのタービンをバイパスするバイパス通路、およびバイパス通路を開閉するウェイストゲートバルブを備えた駆動システムにおいて、気筒間空燃比インバランスを検出している。検出には、タービンの下流側とバイパス通路の下流側との合流点よりも下流側の排気通路に配置された空燃比センサが用いられる。この駆動システムでは、バイパス通路を経由した排出ガスに、空燃比の気筒間インバランスの影響が現れやすいことに着目して、ウェイストゲートバルブが開弁されているときに、空燃比センサの出力に基づいて気筒間空燃比インバランスを検出している。

特許文献２では、同様の機械的構成において、ウェイストゲートバルブが閉状態のときに空燃比インバランス検出を行うと、タービンによる排出ガスの攪拌の影響によって空燃比インバランス検出の精度が悪化する旨が指摘されている。これを回避するために、特許文献２が開示する装置では、インバランス検出時に（エンジン回転数とトルクとによって定義される座標系における）ウェイストゲートバルブ開領域外に動作点があるときに、実際の動作点が開領域内に移動するように、動作線（燃費最適線）が変更され、これに従ってエンジンおよび自動変速機が制御される。すなわち特許文献２の装置では、ウェイストゲートバルブが開状態のときにのみ、インバランス検出を実行している。

特開２０１１−１８５１５９号公報国際公開ＷＯ２０１２／０５９９５３号

ところで、特許文献１および２のように、排気通路におけるタービンの下流側とバイパス通路の下流側との合流点よりも下流側に空燃比センサが設置されている機械的構成においてインバランス検出を行う場合に、ウェイストゲートバルブが開状態のときにインバランス検出を行うと、過給機のタービンを通過した排出ガスと、バイパス通路を通過した排出ガスとの両者が、空燃比センサに供給されることになる。ここで、タービンを通過した排出ガスと、バイパス通路を通過した排出ガスとでは、排気経路長や排気管径が異なるため、空燃比センサに到達する排出ガスの位相が異なる。したがって、両者の混合によって、異常な波形であっても空燃比センサの出力がなまされて（あるいは、ならされて）しまい、精度よくインバランスを検出できないおそれがある。

そこで本発明は、以上の事情に鑑みて創案され、その目的は、検出精度を向上し、誤検出を抑制し得る多気筒内燃機関の気筒間空燃比インバランス検出装置を提供することにある。

本発明の一の態様は、
多気筒内燃機関に関連して設置された過給機と、
前記過給機のタービンをバイパスするバイパス通路と、
前記バイパス通路を開閉するウェイストゲートバルブと、
前記多気筒内燃機関の排気通路における前記タービンの下流側と前記バイパス通路の下流側との合流点よりも下流側の部分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又はこれに相関するパラメータの値を所定のしきい値と比較して気筒間空燃比インバランス判定を実行する判定手段と、
を備えた多気筒内燃機関の気筒間空燃比インバランス検出装置において、
前記判定手段は、前記ウェイストゲートバルブの開度が所定の基準開度以上の時には、前記気筒間空燃比インバランス判定を実行しないことを特徴とする多気筒内燃機関の気筒間空燃比インバランス検出装置である。

この態様では、判定手段は、ウェイストゲートバルブの開度が所定の基準開度以上の時には、気筒間空燃比インバランス判定を実行しない。したがって、タービンを通過した排出ガスとバイパス通路を通過した排出ガスとの混合による精度の低下を抑制でき、誤検出を抑制することが可能になる。

本発明の別の態様は、上記一の態様において、
前記ウェイストゲートバルブの開度を前記所定の基準開度よりも大きくすることが要請される所定の運転条件において、前記気筒間空燃比インバランス判定を実行する際には、前記ウェイストゲートバルブの開度を前記所定の基準開度よりも小さく制御すると共に、当該制御を行わない場合に対する吸入空気量の変動を抑制するように、前記多気筒内燃機関のスロットルバルブの開度を減少側に制御するウェイストゲート・スロットル連係制御手段を更に備えたことを特徴とする多気筒内燃機関の気筒間空燃比インバランス検出装置である。

通常制御時であればウェイストゲートバルブを開くことが要請されるような運転条件において、ウェイストゲートバルブを所定開度以下に閉じている状態に制御すると、トルクの上昇によってドライバビリティの意図しない悪化が生じる場合がある。この点、この態様によれば、スロットルバルブの開度の減少によって、トルクの増大に起因する吸入空気量の増大が抑制されるので、ドライバビリティの意図しない悪化を抑制することができる。

本発明の別の態様は、上記各態様において、
前記気筒間空燃比インバランス判定を実行する際に、通常制御時よりも低機関回転数かつ高負荷となるように前記多気筒内燃機関およびこれに接続された自動変速機を制御する低回転高負荷制御手段を更に備えたことを特徴とする多気筒内燃機関の気筒間空燃比インバランス検出装置である。

一般に気筒間空燃比インバランス判定は、「低機関回転数かつ高負荷」であるほど、ノイズ成分が相対的に減少し分解能が高まるため、精度よく実行できる。したがって、この態様によれば、インバランス判定を実行する際に、通常制御時よりも低機関回転数かつ高負荷となるように多気筒内燃機関および自動変速機が制御されるので、インバランス判定を精度よく実行することができる。

本発明によれば、タービンを通過した排出ガスとバイパス通路を通過した排出ガスとの混合による影響を抑制して検出精度を向上し、誤検出を抑制することができるという、優れた効果が発揮される。

本発明の第１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。ウェイストゲートバルブを開いている場合（線図ａ）および閉じている場合（線図ｂ）の空燃比センサ出力の変動を示すグラフである。図３のＩＶ部に相当する拡大図である。第１実施形態における気筒間空燃比インバランス検出のためのルーチンを示すフローチャートである。第２実施形態における気筒間空燃比インバランス検出のためのルーチンを示すフローチャートである。第３実施形態における気筒間空燃比インバランス検出のためのルーチンを示すフローチャートである。第４実施形態における気筒間空燃比インバランス検出のための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は、本実施形態に係る内燃機関の概略図である。図示されるように、内燃機関（エンジン）１は、シリンダブロック２に形成された燃焼室３の内部で燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室３内でピストンを往復移動させることにより動力を発生する。本実施形態の内燃機関１は、自動車に搭載された多気筒内燃機関であり、より具体的には直列４気筒の火花点火式内燃機関即ちガソリンエンジンである。但し本発明が適用可能な内燃機関はこのようなものに限られず、多気筒内燃機関であれば気筒数、形式等は特に限定されない。内燃機関１の不図示の出力軸は、不図示のトルクコンバータ、自動変速機３０および不図示のディファレンシャルギヤアセンブリに接続されており、駆動輪を駆動する。自動変速機３０は有段であるが、無段であってもよい。

図示しないが、内燃機関１のシリンダヘッドには、吸気ポートを開閉する吸気弁と、排気ポートを開閉する排気弁とが気筒ごとに配設されており、各吸気弁および各排気弁はカムシャフト又はソレノイドアクチュエータによって開閉させられる。シリンダヘッドの頂部には、燃焼室３内の混合気を点火するための点火プラグが気筒ごとに取り付けられている。

各気筒の吸気ポートは、気筒毎の枝管４を介して、吸気集合室であるサージタンク８に接続されている。サージタンク８の上流側には吸気管１３が接続されており、吸気管１３は過給機２５のコンプレッサ２５ａの出口に連結されている。コンプレッサ２５ａの入口は、エアクリーナ９に連結されている。吸気管１３には、吸入空気量（単位時間当たりの吸入空気の量すなわち吸気流量）を検出するためのエアフローメータ５と、電子制御式のスロットルバルブ１０とが組み込まれている。吸気ポート、枝管４、サージタンク８および吸気管１３により吸気通路が形成される。吸気管１３の周りには、吸気管１３内を流れる吸入空気を冷却するためのインタークーラ１１が配置されている。インタークーラ１１内に機関冷却水が導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。過給機２５のコンプレッサ２５ａをバイパスするように、エアバイパス通路２０、およびこれを開閉する電子制御式のエアバイパスバルブ（ＡＢＶ)２１が設置されている。このＡＢＶ２１は、スロットルバルブ１０が急閉された場合に、スロットルバルブ１０の上流側の圧力が一時的に急上昇するのを防止し、ひいては過給機２５からのサージ音の発生を防止する。

吸気通路、特に吸気ポート内に燃料を噴射するインジェクタ（燃料噴射弁）１２が、気筒ごとに配設される。インジェクタ１２から噴射された燃料は吸入空気と混合されて混合気をなし、この混合気が吸気弁の開弁時に燃焼室３に吸入され、ピストンで圧縮され、点火プラグ７で点火燃焼させられる。

一方、各気筒の排気ポートは、排気マニフォールド１４に接続される。排気マニフォールド１４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。排気集合部の下流側は、過給機２５の排気タービン２５ｂの入口に連結されている。排気タービン２５ｂの出口は、排気管６に接続されている。排気ポート、排気マニフォールド１４および排気管６により排気通路が形成される。そして排気管６には、過給機２５の排気タービン２５ｂをバイパスするように、バイパス通路２６、およびこれを開閉する電子制御式のウェイストゲートバルブ（ＷＧＶ）２７が設置されている。ＷＧＶ２７は、モータおよび歯車機構によって弁体を駆動するように構成されている。この歯車機構は、例えばウォームギヤおよびヘリカルギヤを含んで構成されており、このヘリカルギヤの回転位置を検出することで弁体の開度を検出するためのＷＧＶ開度センサ２８が設けられている。なおＷＧＶ２７は、過給圧又は吸気管圧力によって制御されるダイヤフラム式のものであってもよい。

排気管６には、それぞれ三元触媒からなる触媒、すなわち上流触媒１１と下流触媒１９が直列に取り付けられている。これら上流触媒１１および下流触媒１９は、例えばアルミナに、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｈ）あるいはロジウム（Ｒｄ）などの貴金属を担持させたものであり、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）および窒素酸化物（ＮＯｘ）等をまとめて触媒反応により浄化できる。

上流触媒１１の上流側および下流側に、それぞれ排出ガスの空燃比を検出するための触媒前センサ１７および触媒後センサ１８が設置されている。これら触媒前センサ１７および触媒後センサ１８は、上流触媒１１の直前および直後の位置に設置され、排出ガス中の酸素濃度に基づいて空燃比を検出する。触媒前センサ１７が本発明にいう空燃比センサに該当し、排気通路における排気タービン２５ｂの下流側とバイパス通路２６の下流側との合流点よりも下流側の排気管６に設置される。

上述の点火プラグ７、スロットルバルブ１０、インジェクタ１２、ＡＢＶ２１およびＷＧＶ２７等は、コントローラとしての電子制御ユニット（以下ＥＣＵと称す）２２に電気的に接続されている。ＥＣＵ２２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ＥＣＵ２２には、図示されるように、前述のエアフローメータ５、触媒前センサ１７、触媒後センサ１８、ＷＧＶ開度センサ２８のほか、内燃機関１のクランク角を検出するクランク角センサ１６、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ１５、内燃機関１の冷却水の温度を検出する水温センサ２３、吸気管１３におけるインタークーラ１１の下流側に配置され、スロットルバルブ１０上流側の圧力（過給圧）を検出する過給圧センサ２９、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。ＥＣＵ２２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、点火プラグ７、スロットルバルブ１０、インジェクタ１２および自動変速機３０等を制御し、点火時期、スロットル開度、燃料噴射量、燃料噴射時期および変速比等を制御する。なおスロットル開度は通常、アクセル開度に応じた開度に制御される。ＥＣＵ２２はまた、ＡＢＶ２１およびＷＧＶ２７を制御し、吸気および排出ガスを必要に応じてバイパスさせる。

触媒前センサ１７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１７の出力特性を示す。図示するように、触媒前センサ１７は、検出した排気空燃比（触媒前空燃比Ａ／Ｆｆ）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１８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１８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１８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１１および下流触媒１９は、それぞれに流入する排出ガスの空燃比Ａ／Ｆがストイキ近傍のときにＮＯｘ、ＨＣおよびＣＯを同時に浄化するが、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１１に流入する排出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ＥＣＵ２２により実行される。この空燃比制御は、触媒前センサ１７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１８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および＃４気筒よりも燃料噴射量が多くなり、その空燃比が大きくリッチ側にずれる場合である。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１７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および＃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インバランスを検出する装置が装備されている。

図３に示すように、触媒前センサ１７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。図３（Ｂ）部の空燃比線図ａはＷＧＶ２７を開いている場合、ｂはＷＧＶ２７を閉じている場合をそれぞれ示す。見られるように、ＷＧＶ２７を開いている場合には、空燃比変動の振幅が比較的小さくなる。このようにＷＧＶ２７を開いている場合に空燃比変動の振幅が比較的小さくなる理由は、タービンを通過した排出ガスと、バイパス通路を通過した排出ガスとでは、排気経路長や排気管径が異なるため、空燃比センサに到達する排出ガスの位相が異なり、このような両者の混合によって、異常な波形であっても空燃比センサの出力がなまされて（すなわち、ならされて）しまうことにあると考えられる。なお、この図３は理解の容易のために模式的に示したものである。

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）の燃料噴射量すなわ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。

［気筒間空燃比インバランス検出］
上記の説明から理解されるように、空燃比インバランス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、空燃比インバランス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インバランスを検出する。

ここで変動パラメータの算出方法について説明する。図４は、図３のＩＶ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１７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１７の出力電圧Ｖｆを直接用いることも可能である。

図４の（Ｂ）部に示すように、ＥＣＵ２２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絶対値で大きくなり、差ΔＡ／Ｆ_nが絶対値で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の平均値も絶対値で大きくなる。そこで当該平均値が絶対値で所定の異常判定値以上であればインバランスありと判定され、当該平均値が異常判定値より小さければインバランスなし、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気筒に対応した排出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４の（Ｂ）部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／Ｆ_n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。

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、過給機を有する内燃機関において、過給機のタービンの下流側とバイパス通路の下流側との合流点よりも下流側の排気通路に空燃比センサが配置されている場合には、タービンを通過した排出ガスと、バイパス通路を通過した排出ガスとで、排気経路長や排気管径が異なるため、触媒前センサ１７（空燃比センサ）に到達する排出ガスの位相が異なり、精度よくインバランスを検出できないおそれがある。例えば、上述したとおり、図３に示すように、ＷＧＶ２７を閉じた状態で測定（曲線ｂ）した場合に、Ａ／Ｆの値のばらつきが顕著であるエンジンでも、ＷＧＶ２７を開いた状態で測定（曲線ａ）した場合には、Ａ／Ｆの値のばらつきは顕著でなくなる。このため、ＷＧＶ２７の動作状態に関わらず空燃比インバランスを検出すると、検出精度が低下し、誤検出が発生する虞もある。このような現象を考慮して、本実施形態では次の異常検出ルーチンにより、検出精度の低下を抑制している。

［気筒間空燃比インバランス検出ルーチン］
次に、図５を用いて、気筒間空燃比インバランス検出ルーチンについて説明する。

まずステップＳ１０１では、気筒間インバランス検出を行うのに適した所定の前提条件が成立しているか否かが判断される。この前提条件は、次の各条件が成立したときに成立する。
（１）内燃機関１の暖機が終了している。例えば水温センサ２３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１７が活性化している。
（３）内燃機関１が定常運転中である。
（４）ストイキ制御中である。
（５）内燃機関１が検出領域内で運転している。
（６）触媒前センサ１７の出力Ａ／Ｆが減少中である。

これらのうち（６）は、このルーチンが上述したリッチインバランス判定（減少側の値のみをリッチずれ検出のために用いる方法）によっていることを示す。前提条件が成立していない場合にはルーチンが終了される。

他方、前提条件が成立している場合には、ＷＧＶ開度センサ２８からの信号により、ＷＧＶ２７の開閉状態が検出される（Ｓ１０２）。そして、この検出結果に基づいて、ＷＧＶ２７の開度が所定値以下であるかが判断される（Ｓ１０３）。このステップＳ１０３における閉判断の基準値は、ＷＧＶ２７の開度がそれより低ければ、位相の異なる排出ガスの混合が許容範囲内に抑制され、且つ排気タービン２５ｂを通過した十分な量の排出ガスが、触媒前センサ１７に到達するような値に設定される。

ステップＳ１０３で肯定、すなわちＷＧＶ２７の開度が所定値以下であるときは、位相の異なる排出ガスの混合が許容範囲内に抑制され、且つ排気タービン２５ｂを通過した十分な量の排出ガスが、触媒前センサ１７に到達することになる。この場合には次に、触媒前センサ１７の出力に基づいて、空燃比変動が検出される（Ｓ１０４）。ここでは、今回のタイミングにおける触媒前センサ１７（第１空燃比センサ）の出力Ａ／Ｆ_nが取得され、今回のタイミングにおける出力差ΔＡ／Ｆ_nが、前式（１）より算出され記憶される。そして、これらの処理がＭサイクル（Ｍは任意の自然数）について終了するまで繰返し実行される。Ｍサイクルが終了すると、これまでに算出された出力差ΔＡ／Ｆ_nの平均値ΔＡ／Ｆ_AVが、例えば上述のように差ΔＡ／Ｆ_nの積算値をサンプル数Ｎおよびエンジンサイクル数Ｍで除することによって算出される。この平均値ΔＡ／Ｆ_AVが空燃比変動を表す。

そして、検出された空燃比変動に基づいて、インバランス判定が実行される（Ｓ１０５）。ここでは具体的には、差ΔＡ／Ｆ_nの平均値ΔＡ／Ｆ_AVの絶対値が、予め定められた異常しきい値αよりも大であるかが判定される。平均値ΔＡ／Ｆ_AVの絶対値が異常しきい値αよりも小さい場合には、インバランス無しすなわち正常と判定され、異常しきい値α以上であるときは、インバランス有りすなわち異常と判定されて、ルーチンが終了される。なお、異常判定と同時に、あるいは異常判定が２トリップ（すなわち、エンジン始動から停止までの１トリップを２回連続で）続けて出された場合に、異常の事実をユーザに知らせるべくチェックランプ等の警告装置を起動させ、且つ所定のダイアグノーシスメモリに異常情報を、整備作業者による呼び出しが可能な態様で記憶させるのが好ましい。

他方、ステップＳ１０３で否定、すなわちＷＧＶ２７の開度が所定値より大であるときは、排気タービン２５ｂを通過した排出ガスと、これとは位相が異なり排気タービン２５ｂを通過せずバイパス通路２６を通過した排出ガスとが、許容できる範囲を超える程度に混ざり合って触媒前センサ１７に供給されるか、あるいは、排気タービン２５ｂを通過した十分な量の排出ガスが触媒前センサ１７に到達しないことになるため、触媒前センサ１７の出力に基づくインバランス検出は実行されずに、ルーチンが終了される。

このような一連の処理の結果、本実施形態では、ＷＧＶ２７の開度が所定値以下のときには、触媒前センサ１７（空燃比センサ）の出力に基づくインバランス検出が実行されるが、ＷＧＶ２７の開度が所定値より大であるときには、インバランス検出が禁止され、実行されない。したがって、排気タービン２５ｂを通過した排出ガスとバイパス通路２６を通過した排出ガスとの混合による精度の低下を抑制でき、誤検出を抑制することができる。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。上述した第１実施形態では、ＷＧＶ２７の開度を検出するためのＷＧＶ開度センサ２８を設け、その出力をインバランス検出を禁止するか否かの判定に利用することとしたが（Ｓ１０２）、第２実施形態は、ＷＧＶ開度センサ２８の出力を当該判定に利用せずに、過給圧の検出値を当該判定に利用するものである。第２実施形態の残余の機械的構成は、上述した第１実施形態と同様であるため、その詳細の説明は省略する。

図６に従って、第２実施形態における制御について説明する。まずＥＣＵ２２は、インバランス検出を行うのに適した所定の前提条件が成立しているか否かを判断する（Ｓ２０１）。このステップＳ２０１における処理は、上記第１実施形態（図５）におけるステップＳ１０１の処理と同様である。

次にＥＣＵ２２は、ＷＧＶ２７の開度を所定値以下に制御する（Ｓ２０２）。このＷＧＶ２７の制御は、ＷＧＶ開度センサ２８の出力を利用せずに、ＷＧＶ２７を駆動するモータの回転数のカウントによるオープンループ制御によって行われる。ここでの所定値すなわちＷＧＶ２７の開度の目標値は、ＷＧＶ２７の開度がそれより低ければ、位相の異なる排出ガスの混合が許容範囲内に抑制され、且つ排気タービン２５ｂを通過した十分な量の排出ガスが、触媒前センサ１７に到達するような所定以上の過給圧を実現可能な値にされる。

次に、ＥＣＵ２２は過給圧センサ２９の検出値を読み込むことにより、現在の過給圧を検出し（Ｓ２０３）、そして、検出した現在の過給圧が、所定の基準値以上であるかを判断する（Ｓ２０４）。

ステップＳ２０４で肯定、すなわち現在の過給圧が所定の基準値以上であるときは、位相の異なる排出ガスの混合が許容範囲内に抑制され、且つ排気タービン２５ｂを通過した十分な量の排出ガスが、触媒前センサ１７に到達することになる。この場合には次に、触媒前センサ１７の出力に基づいて、空燃比変動が検出され（Ｓ２０５）、気筒間インバランス判定が実行される（Ｓ２０６）。これらステップＳ２０５およびＳ２０６における処理は、上記第１実施形態におけるステップＳ１０４およびＳ１０５におけるものと同様である。

他方、ステップＳ２０４で否定、すなわち現在の過給圧が所定の基準値未満であるときは、排気タービン２５ｂを通過した排出ガスと、これとは位相が異なり排気タービン２５ｂを通過せずバイパス通路２６を通過した排出ガスとが、許容できる範囲を超える程度に混ざり合って触媒前センサ１７に供給されるか、あるいは、排気タービン２５ｂを通過した十分な量の排出ガスが触媒前センサ１７に到達しないことになるため、触媒前センサ１７の出力に基づくインバランス検出は行われずに、ルーチンが終了される。

このような一連の処理の結果、本実施形態では、現在の過給圧が所定の基準値以上であるときは、触媒前センサ１７（空燃比センサ）の出力に基づくインバランス検出が実行されるが、現在の過給圧が所定の基準値未満であるときには、インバランス検出が禁止され、実行されない。したがって、排気タービン２５ｂを通過した排出ガスとバイパス通路２６を通過した排出ガスとの混合による精度の低下を抑制でき、誤検出を抑制することができる。

次に、本発明の第３実施形態について説明する。一般に気筒間空燃比インバランス検出は、「低機関回転数かつ高負荷」であるほど、ノイズ成分が相対的に減少し分解能が高まるため、精度よく実行できる。第３実施形態は、このことを考慮して、インバランス検出の際に、内燃機関１およびこれに接続された自動変速機３０を制御して、通常制御時に比べて「低機関回転数かつ高負荷」の運転領域を選択するように制御を変更するものである。第３実施形態の残余の機械的構成は、上述した第１実施形態と同様であるため、その詳細の説明は省略する。

図７に従って、第３実施形態における制御について説明する。まずＥＣＵ２２は、異常検出を行うのに適した所定の前提条件が成立しているか否かを判断する（Ｓ３０１）。このステップＳ３０１における処理は、上記第１実施形態（図５）におけるステップＳ１０１の処理と同様である。

次にＥＣＵ２２は、エンジン１および自動変速機３０を制御して、通常制御時に比べて「低機関回転数かつ高負荷」の運転領域を選択するように制御を変更する（Ｓ３０２）。ここにいう通常制御とは、このような制御の変更が行われない場合における制御状態のことをいい、通常制御時における機関回転数と変速段ないし変速比は、基本的には車速と要求負荷に基づいて所定の変速段マップによって定められる。この制御の変更は、例えば、選択すべき変速段を車速または機関回転数および要求負荷に応じて定めた変速段マップを、通常運転時と比較して高いギヤ比（高い変速段）を選択するように変更すること（すなわち、アップシフトを通常運転時と比較して低車速または低回転数で実行するように、いわゆる変速線を変更すること）によって行うことができる。

次に、このようにして制御が変更された状態で、ＷＧＶ開度センサ２８からの信号により、ＷＧＶ２７の開閉状態が検出され（Ｓ３０３）、この検出結果に基づいて、ＷＧＶ２７の開度が所定値以下であるかが判断される（Ｓ３０４）。ステップＳ３０４で肯定の場合には、触媒前センサ１７の出力に基づいて、空燃比変動が検出され（Ｓ３０５）、検出した空燃比変動に基づいて、インバランス判定が実施される（Ｓ３０６）。これらステップＳ３０３〜Ｓ３０６における処理は、上述した第１実施形態（図５）におけるステップＳ１０２〜Ｓ１０５における処理と同様である。

このような一連の処理の結果、本実施形態では、ＷＧＶ２７の開度が所定値より大であるときには、インバランス検出が禁止され、実行されない。したがって、排気タービン２５ｂを通過した排出ガスとバイパス通路２６を通過した排出ガスとの混合による精度の低下を抑制でき、誤検出を抑制することができる。そして、インバランス検出を実行する際には、エンジン１および自動変速機３０を制御して、通常制御時に比べて「低機関回転数かつ高負荷」の運転領域を選択するように制御が変更されるので（Ｓ３０２）、インバランス検出を精度よく実行することができる。

なお、ステップＳ３０２における制御の変更、すなわち、通常制御時に比べて「低機関回転数かつ高負荷」の運転領域を選択するような制御の変更は、別の態様によって行うこともでき、また、第３実施形態と異なる駆動系の機械的構成を有する車両にも適用できる。例えば、内燃機関とモータジェネレータとを走行に利用するハイブリッド車両においては、モータジェネレータによる回生量を増加させることによって、通常制御時に比べて「低機関回転数かつ高負荷」の運転領域の選択を実現することができ、これによって第３実施形態の処理をそのまま適用することが可能である。

次に、本発明の第４実施形態について説明する。一般にバイパス通路およびウェイストゲートバルブを有する過給機つき内燃機関においては、過給をしなくても所望の出力を達成可能な運転領域、すなわち比較的低負荷の領域において、ポンピングロスを低減して燃費向上を図る目的で、ウェイストゲートバルブを開弁しつつスロットル開度を通常制御時よりも増大することがある（以下適宜「ポンピングロス低減制御」という）。しかしながら、ウェイストゲートバルブを開いている状態においては、上述のとおり、タービンを通過した排出ガスとバイパス通路を通過した排出ガスとの混合に起因して、精度よくインバランスを検出できないおそれがある。そこで第４実施形態は、通常制御時にはウェイストゲートバルブを開く運転条件であっても、気筒間インバランス判定を実行する場合には、ウェイストゲートバルブを所定開度以下に閉じている状態に制御し、吸入空気量はスロットル開度によって、ウェイストゲートバルブの閉じ制御を実行しない場合と同等になるように制御するものである。換言すれば、第４実施形態では、ウェイストゲートバルブの開度を前記所定の基準開度よりも大きくすることが要請される所定の運転条件において、気筒間空燃比インバランス判定を実行する際に、ウェイストゲートバルブの開度を所定の基準開度よりも小さく制御すると共に、ウェイストゲートバルブの制御を行わない場合に対する吸入空気量の増大を抑制するように、スロットルバルブの開度を減少側に制御する。ここでの基準開度は、上記第１実施形態におけるステップＳ１０３における閉判断の基準値と同じ値、すなわち、ＷＧＶ２７の開度がそれより低ければ、位相の異なる排出ガスの混合が許容範囲内に抑制され、且つ排気タービン２５ｂを通過した十分な量の排出ガスが、触媒前センサ１７に到達するような値に設定するのが好適である。第４実施形態の残余の機械的構成は、上述した第１実施形態と同様であるため、その詳細の説明は省略する。

図８に従って、第４実施形態における制御について説明する。まずＥＣＵ２２は、クランク角センサ１６およびエアフローメータ５の出力に基づいて、現在の機関回転数および吸入空気量が所定領域内かを判断する（Ｓ４０１）。ここでの所定領域は、通常制御時にはウェイストゲートバルブを開く運転条件に相当し、具体的には、過給をしなくても所望の出力を達成可能な運転領域、すなわち機関回転数および吸入空気量がいずれも比較的低い低負荷の領域に、マップによって設定される。否定の場合には処理がリターンされる。

ステップＳ４０１で肯定の場合には、次にＥＣＵ２２は、異常検出を行うのに適した所定の前提条件が成立しているか否かを判断する（Ｓ４０２）。このステップＳ４０２における処理は、上記第１実施形態（図５）におけるステップＳ１０１の処理と同様である。

ステップＳ４０２で否定の場合には、ＥＣＵ２２は、上述したポンピングロス低減制御として、ＷＧＶ２７を開くと共に（Ｓ４０７）、スロットル開度を通常制御時よりも増大する（Ｓ４０８）。その結果、ＷＧＶ２７の開度は、上記第１実施形態におけるステップＳ１０３における閉判断の基準値と同じ値よりも大きくされる。これによって過給機２５の利用が回避されて、内燃機関１がいわゆる自然給気エンジンとして運転され、ポンピングロスが低減される。なお、ここにいう通常制御とは、このような制御の変更（ＷＦＶ２７の開制御）が行われない場合における制御状態のことをいう。

他方、ステップＳ４０２で肯定の場合には、次にＥＣＵ２２は、ＷＧＶ２７の開度を所定値以下に制御する（Ｓ４０３）。このＷＧＶ２７の制御は、ＷＧＶ開度センサ２８の出力を利用したフィードバック制御によって行ってもよく、あるいは、ＷＧＶ開度センサ２８の出力を利用せずにＷＧＶ２７を駆動するモータの回転数のカウントによるオープンループ制御によって行ってもよい。ここでの所定値すなわちＷＧＶ２７の開度の目標値は、上記第１実施形態におけるステップＳ１０３における閉判断の基準値と同じ値、すなわち、ＷＧＶ２７の開度がそれより低ければ、位相の異なる排出ガスの混合が許容範囲内に抑制され、且つ排気タービン２５ｂを通過した十分な量の排出ガスが、触媒前センサ１７に到達するような所定以上の過給圧を実現可能な値にされる。その結果、ＷＧＶ２７の開度は、通常制御時における開度よりも小さくなる。なお、このステップＳ４０３における処理に代えて、ＷＧＶ２７の開度が所定値以下であるかを判定する処理を設け、否定の場合に処理がリターンされるようにルーチンを構成してもよい。この場合には当該判定の結果、ＷＧＶ２７の開度が所定値以上の時にはインバランス判定が禁止されることになる。

さて、ステップＳ４０３の処理が終了すると、次にＥＣＵ２２はスロットル弁１０に制御出力を行い、内燃機関１の機関回転数およびトルクを通常制御時と同等にしつつ、ステップＳ４０３におけるＷＧＶ２７の制御を実行しない場合と吸入空気量が同等になるように、スロットル開度を制御する（Ｓ４０４）。これによって、スロットルバルブ１０の開度が通常制御時よりも減少側に制御される。通常制御時であればＷＧＶ２７を開くことが要請されるような運転条件において、ＷＧＶ２７を所定開度以下に閉じている状態に制御（Ｓ４０３）すると、トルクの上昇によってドライバビリティの意図しない悪化が生じる場合がある。この点、この態様によれば、スロットル弁１０の開度の減少によって、トルクの増大に起因する吸入空気量の増大が抑制されるので、ドライバビリティの意図しない悪化を抑制することができる。なお、ここにいう同等とは、それぞれ同一値を含む所定の誤差範囲内であることを意味する。

次に、このようにしてＷＧＶ２７の開度が所定値以下に制御された状態で、触媒前センサ１７の出力に基づいて、空燃比変動が検出され（Ｓ４０５）、検出した空燃比変動に基づいて、インバランス判定が実施される（Ｓ４０６）。これらステップＳ４０５・Ｓ４０６における処理は、上述した第１実施形態（図５）におけるステップＳ１０４・Ｓ１０５における処理と同様である。

このような一連の処理の結果、本実施形態では、通常制御時であればＷＧＶ２７を開く（すなわち、ポンピングロス低減制御を実行する）ような運転条件（Ｓ４０１）であっても、気筒間インバランス判定を実行する場合（Ｓ４０２）には、ＷＧＶ２７を所定開度以下に閉じている状態に制御し（Ｓ４０３）、吸入空気量はスロットル開度によって制御する（Ｓ４０４）。したがって、排気タービン２５ｂを通過した排出ガスとバイパス通路２６を通過した排出ガスとの混合による精度の低下を抑制でき、誤検出を抑制してインバランス検出を精度よく実行することができる。

なお、第４実施形態では、ポンピングロス低減制御を実行するような運転条件（Ｓ４０１）の場合に、ＷＧＶ２７とスロットルバルブ１０との連係制御（Ｓ４０３・Ｓ４０４）を実行することとしたが、本発明における当該連係制御は、他の目的のためにＷＧＶ２７の開度を通常運転時よりも増大させるような所定の運転条件で実行してもよい。また、第４実施形態では、触媒前センサ１７に供給される排出ガス量がＷＧＶ２７の制御を実行しない場合と同等になるようにスロットルバルブ１０の開度を制御したが、スロットルバルブ１０の開度は、ＷＧＶ２７の閉じ制御（Ｓ４０３）を行わない場合に対する吸入空気量の増大を抑制するようにスロットルバルブ１０の開度を減少側に制御するものであればよく、これによって吸入空気量が同等（すなわち、同一値を含む所定の誤差範囲内）とならなくても良い。

本発明は前述の各態様のみに限らず、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。

例えば、各実施形態におけるインバランス検出では、出力差ΔＡ／Ｆ_nの平均値Ａ／Ｆ_AVを用いたが、出力の変動度合いに相関するパラメータであれば他の値を用いてもよい。

また、各実施形態では減少時（リッチ側への変化時）のみの空燃比センサ出力を利用してリッチずれ異常を検出した。しかしながら、増大時（リーン側への変化時）のみの空燃比センサ出力を利用する態様や、減少時および増大時の両者の空燃比センサ出力を利用する態様も可能である。またリッチずれ異常のみならず、リーンずれ異常をも検出することが可能であるし、これらリッチずれおよびリーンずれを区別せず、広く空燃比インバランスを検出するようにしてもよい。

また、本明細書に記載の各種の技術手段は、これを可能な限り組み合わせて用いることができる。例えば、第４実施形態におけるＷＧＶ２７とスロットルバルブ１０との連係制御（Ｓ４０３・Ｓ４０４）と、第３実施形態における通常制御時に比べ「低機関回転数かつ高負荷」の運転領域の選択（Ｓ３０２）とを、組み合わせて実行してもよく、そのような結合は、例えば第４実施形態（図８）におけるステップＳ４０２とＳ４０３との間に、第３実施形態におけるステップＳ３０２の処理を挿入することによって実現することができる。

１内燃機関
３燃焼室
５エアフローメータ
６排気管
１１上流触媒
１２インジェクタ
１４排気マニフォールド
１７触媒前センサ
１８触媒後センサ
２２電子制御ユニット（ＥＣＵ）
２６バイパス通路
２７ウェイストゲートバルブ（ＷＧＶ）
２８ＷＧＶ開度センサ

Claims

多気筒内燃機関に関連して設置された過給機と、
前記過給機のタービンをバイパスするバイパス通路と、
前記バイパス通路を開閉するウェイストゲートバルブと、
前記多気筒内燃機関の排気通路における前記タービンの下流側と前記バイパス通路の下流側との合流点よりも下流側の部分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又はこれに相関するパラメータの値を所定のしきい値と比較して気筒間空燃比インバランス判定を実行する判定手段と、
を備えた多気筒内燃機関の気筒間空燃比インバランス検出装置において、
前記判定手段は、前記多気筒内燃機関の暖機が終了しており且つ前記ウェイストゲートバルブの開度が所定の基準開度以上の時には、前記気筒間空燃比インバランス判定を実行しないことを特徴とする多気筒内燃機関の気筒間空燃比インバランス検出装置。
請求項１に記載の多気筒内燃機関の気筒間空燃比インバランス検出装置であって、
前記ウェイストゲートバルブの開度を前記所定の基準開度よりも大きくすることが要請される所定の運転条件において、前記気筒間空燃比インバランス判定を実行する際には、前記ウェイストゲートバルブの開度を前記所定の基準開度よりも小さく制御すると共に、当該制御を行わない場合に対する吸入空気量の変動を抑制するように、前記多気筒内燃機関のスロットルバルブの開度を減少側に制御するウェイストゲート・スロットル連係制御手段を更に備えたことを特徴とする多気筒内燃機関の気筒間空燃比インバランス検出装置。
請求項１または２に記載の多気筒内燃機関の気筒間空燃比インバランス検出装置であって、
前記気筒間空燃比インバランス判定を実行する際に、前記気筒間空燃比インバランス判定を実行しない通常制御時よりも低機関回転数かつ高負荷となるように前記多気筒内燃機関およびこれに接続された自動変速機を制御する低回転高負荷制御手段を更に備えたことを特徴とする多気筒内燃機関の気筒間空燃比インバランス検出装置。