JP6107378B2

JP6107378B2 - 空燃比インバランス判定装置

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Publication number: JP6107378B2
Application number: JP2013092490A
Authority: JP
Inventors: 光司本田; 佐藤　哲; 哲佐藤; 真紀子中山; 嘉之遠藤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-04-25
Filing date: 2013-04-25
Publication date: 2017-04-05
Anticipated expiration: 2033-04-25
Also published as: JP2014214668A

Description

本発明は、過給機を備えた多気筒内燃機関の空燃比インバランス判定装置に関する。

複数の気筒を有する多気筒内燃機関においては、各気筒に設けられたインジェクタの噴射性能のばらつきや、気筒毎の吸入空気配分量のばらつき等によって、実際の空燃比が気筒間でばらつくことがあり、このような状況になると、特定気筒の燃焼悪化によりエミッションが悪化する場合がある。こうした観点から、自動車の分野では、排気エミッションが悪化した車両の走行を防止するために、車載状態で気筒間の空燃比ばらつき（空燃比インバランス）の異常を検出している（空燃比インバランス検出ＯＢＤ（ＯｎＢｏａｒｄＤｉａｇｎｏｓｉｓ））。

一方、過給機を備えた内燃機関（過給機付き内燃機関）にあっては、過給機のタービンホイールをバイパスするバイパス通路と、このバイパス通路への排気ガスの量（バイパス量）を制御するウエストゲートバルブとを備え、上記過給機のタービンホイール及びウエストゲートバルブの下流側に空燃比センサを設けたものがある。このような過給機付き内燃機関において、上記空燃比センサの出力に基づいて気筒間の空燃比インバランスを判定する場合、ウエストゲートバルブの開度を所定開度以上に開いている（例えば、特許文献１参照）

特開２０１１−１８５１５９号公報

ところで、上記した従来の気筒間空燃比インバランス判定（以下、単に「インバランス判定」ともいう）では、インバランス判定の際に、常にウエストゲートバルブを開弁しているので、インバランス判定の前提条件が成立してから、ウエストゲートバルブの開度（以下、ＷＧＶ開度ともいう）が所定開度になるまでに応答遅れが発生する場合がある。また、ＷＧＶ開度が低開度域であってもインバランス判定の精度が出る場合もあるが、上記したインバランス判定（従来技術）では、そのような低開度域でのインバランス判定を行うことはできない。

本発明はそのような実情を考慮してなされたもので、過給機付きの多気筒内燃機関において、判定精度を確保できるウエストゲートバルブ開度域を選択してインバランス判定を実行することが可能な空燃比インバランス判定装置を提供することを目的とする。

本発明は、吸入空気を過給する過給機と、前記過給機のタービンホイールをバイパスするバイパス通路と、前記バイパス通路に設けられたウエストゲートバルブと、前記タービンホイール及びウエストゲートバルブの排気流れの下流側であって触媒の排気流れの上流側に設けられた空燃比センサとを備えた多気筒内燃機関において、前記空燃比センサの出力に基づいて気筒間の空燃比のインバランス判定を行う空燃比インバランス判定装置を前提としている。

このような空燃比インバランス判定装置において、前記ウエストゲートバルブの開度が第１所定開度以下の低開度域、または、前記ウエストゲートバルブの開度が前記第１所定開度よりも大きい第２所定開度以上の高開度域のいずれかの開度域において前記インバランス判定を実行するように構成されており、過給中である場合は前記ウエストゲートバルブの開度が前記第１所定開度以下の低開度域で前記インバランス判定を実行し、自然吸気中である場合は前記ウエストゲートバルブの開度が前記第２所定開度以上の高開度域で前記インバランス判定を実行することを特徴とする。

以下、本発明の作用について説明する。

まず、過給機のタービンホイール及びウエストゲートバルブの下流側に配置の空燃比センサの出力に基づいてインバランス判定を行う場合、ウエストゲートバルブの開度（ＷＧＶ開度）の大きさによって、タービンホイールを通過した排気ガス（タービン流）とバイパス通路（ウエストゲートバルブ）を通過した排気ガス（ＷＧＶ流）との量比率及びガスベクトルなどが変化し、空燃比センサへの排気ガスのガス当たりが変化する（空燃比センサの出力値が変化する）。このため、ＷＧＶ開度によってはインバランス判定の精度（Ｓ／Ｎ）が良い領域と悪い領域とが存在するようになる。

例えば、図５に示すように、ＷＧＶ開度が第２所定開度Ｄ２以上の高開度域（例えば、３５〜５５ｄｅｇ）では、Ｓ／Ｎ（正常時に対するインバランス異常時の空燃比センサの出力値の比率）が大きくなる。これは次の理由よる。すなわち、ＷＧＶ開度が第２所定開度Ｄ２以上の高開度域では、バイパス通路（ウエストゲートバルブ）を通過した排気ガスの流量が多く、そのＷＧＶ流による空燃比センサへのガス当たりが強くなる（タービン流が混合されないＷＧＶ流によるガス当たりが支配的となる）ので、インバランス異常がある場合は、その影響が空燃比センサの出力に現れやすくなってＳ／Ｎが大きくなるためである。

また、ＷＧＶ開度が第１所定開度Ｄ１以下の低開度域（例えば、０〜５ｄｅｇ）においてもＳ／Ｎが大きくなる。すなわち、ＷＧＶ開度が第１所定開度Ｄ１以下の低開度域では、ＷＧＶ流が殆ど発生しないのでタービン流によるガス当たりが支配的となる。したがって、第１所定開度Ｄ１以下の低開度域においても、インバランス異常がある場合は、その影響が空燃比センサの出力に現れやすくなってＳ／Ｎが大きくなる。

なお、上記低開度域及び高開度域以外のＷＧＶ開度域では、タービン流とＷＧＶ流とが混合されるため、インバランス異常があっても空燃比センサの出力がなまされてしまい、Ｓ／Ｎが小さくなってしまう。

以上のように、空燃比センサへの排気ガスのガス当たりを考慮すると、Ｓ／Ｎ（判定精度）を確保できるＷＧＶ開度域は２領域（低開度域・高開度域）がある。このような点を考慮し、本発明では、ＷＧＶ開度が第１所定開度Ｄ１以下の低開度域と、ＷＧＶ開度が第２所定開度Ｄ２以上の高開度域とを選択してインバランス判定を実行する。さらに、第１所定開度Ｄ１以下でのインバランス判定と、第２所定開度Ｄ２以上でのインバランス判定とを、過給中であるか、または自然吸気中であるかによって切り替えるようにする。この点について以下に説明する。

まず、近年、過給機付き内燃機関では、通常時（過給域以外）においてウエストゲートバルブを開弁状態にする、いわゆるノーマルオープン制御が行われている。

こうしたノーマルオープン制御を採用した場合、自然吸気（過給域以外）のときには、ＷＧＶ開度は開き側で上記第２所定開度Ｄ２に近い側（もしくは第２所定開度Ｄ２以上）となる。したがって、インバランス判定の前提条件が成立した状況で、自然吸気（ＮＡ）中である場合は上記第２所定開度Ｄ２以上の高開度域でインバランス判定を行うようにすることで、インバランス判定の前提条件成立時からインバランス判定を実行（開始）するまでの時間を短くすることが可能になる。また、過給域（過給中）である場合にはＷＧＶ開度は閉じ側で第１所定開度Ｄ１以下となる。したがって、過給域（過給中）となる場合は上記第１所定開度Ｄ１以下の低開度域でインバランス判定を行うようにすることで、インバランス判定の前提条件成立時からインバランス判定を実行（開始）するまでの時間を短くすることが可能になる。

以上のように、本発明によれば、判定精度（Ｓ／Ｎ）を確保できる２つの領域（ＷＧＶ開度が第１所定開度Ｄ１以下の低開度域と第２所定開度Ｄ２以上の高開度域）を選択してインバランス判定を実行するので、インバランス判定を常に精度良く行うことができる。しかも、そのような第１所定開度Ｄ１以下でのインバランス判定と第２所定開度Ｄ２以上でのインバランス判定とを、過給中であるか、または自然吸気中であるかによって切り替えている。具体的には、過給中である場合は第１所定開度Ｄ１以下でインバランス判定を実行し、自然吸気中である場合は第２所定開度Ｄ２以上でインバランス判定を実行しているので、インバランス判定の応答遅れを抑制することができる。

本発明によれば、判定精度を確保できるウエストゲートバルブ開度域を選択してインバランス判定を実行することが可能であるので、インバランス判定を常に精度良く行うことができる。また、インバランス判定の応答性遅れを抑制することも可能になる。

本発明の空燃比インバランス判定装置を適用するエンジンの一例を示す概略構成図である。図１のエンジンの１気筒のみを示す概略構成図である。ＥＣＵ等の制御系の構成を示すブロック図である。空燃比センサの出力波形を示す図である。ＷＧＶ開度と空燃比センサの出力との関係を示す図である。空燃比インバランス判定処理の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

−エンジン−
図１及び図２は本発明を適用する多気筒エンジンの概略構成を示す図である。なお、図２にはエンジンの１気筒の構成のみを示している。また、図２においてターボチャージャ等の図示は省略している。

この例のエンジン１は、車両に搭載されるポート噴射式４気筒エンジン（火花点火式内燃機関）であって、その各気筒＃１，＃２，＃３，＃４を構成するシリンダブロック１ａ内には上下方向に往復動するピストン１ｃが設けられている。ピストン１ｃはコネクティングロッド１６を介してクランクシャフト１５に連結されており、ピストン１ｃの往復運動がコネクティングロッド１６によってクランクシャフト１５の回転へと変換される。

クランクシャフト１５にはシグナルロータ１７が取り付けられている。シグナルロータ１７の外周には複数の歯（突起）１７ａが等角度（この例では、例えば１０°ＣＡ（クランク角度））ごとに設けられている。また、シグナルロータ１７は、歯１７ａの２枚分が欠落した欠歯部１７ｂを有している。

シグナルロータ１７の側方近傍には、クランク角を検出するクランクポジションセンサ３１が配置されている。クランクポジションセンサ３１は、例えば電磁ピックアップであって、クランクシャフト１５が回転する際にシグナルロータ１７の歯１７ａに対応するパルス状の信号（電圧パルス）を発生する。このクランクポジションセンサ３１の出力信号からエンジン回転数ＮＥを算出することができる。

エンジン１のシリンダブロック１ａにはエンジン冷却水の水温を検出する水温センサ３２が配置されている。また、シリンダブロック１ａの上端にはシリンダヘッド１ｂが設けられており、このシリンダヘッド１ｂとピストン１ｃとの間に燃焼室１ｄが形成されている。エンジン１の燃焼室１ｄには点火プラグ３が配置されている。点火プラグ３の点火タイミングはイグナイタ４によって調整される。イグナイタ４はＥＣＵ（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＣｏｎｔｒｏｌＵｎｉｔ）２００によって制御される。

エンジン１の燃焼室１ｄには吸気通路１１と排気通路１２とが接続されている。吸気通路１１の一部は吸気ポート１１ａ及び吸気マニホールド１１ｂによって形成されている。また、排気通路１２の一部は排気ポート１２ａ及び排気マニホールド１２ｂによって形成されている。

エンジン１の吸気通路１１には、吸気を濾過するエアクリーナ７、熱線式のエアフロメータ３３、吸気温センサ３４（エアフロメータ３３に内蔵）、後述するターボチャージャ１００のコンプレッサインペラ１０２、インタークーラ１０４、及び、エンジン１の吸入空気量を調整するためのスロットルバルブ５などが配置されている。スロットルバルブ５はスロットルモータ６によって駆動される。スロットルバルブ５の開度はスロットル開度センサ３５によって検出される。スロットルバルブ５のスロットル開度はＥＣＵ２００によって制御される。

上記吸気通路１１と燃焼室１ｄとの間に吸気バルブ１３が設けられており、この吸気バルブ１３を開閉駆動することにより、吸気通路１１と燃焼室１ｄとが連通または遮断される。また、排気通路１２と燃焼室１ｄとの間に排気バルブ１４が設けられており、この排気バルブ１４を開閉駆動することにより排気通路１２と燃焼室１ｄとが連通または遮断される。これら吸気バルブ１３及び排気バルブ１４の開閉駆動は、クランクシャフト１５の回転がタイミングチェーン等を介して伝達される吸気カムシャフト２１及び排気カムシャフト２２の各回転によって行われる。

吸気カムシャフト２１の近傍には、特定の気筒（例えば、第１気筒＃１）のピストン１ｃが圧縮上死点（ＴＤＣ）に達したときにパルス状の信号を発生するカムポジションセンサ３９が設けられている。カムポジションセンサ３９は、例えば電磁ピックアップであって、吸気カムシャフト２１に一体的に設けられたロータ外周の１個の歯（図示せず）に対向するように配置されており、その吸気カムシャフト２１が回転する際にパルス状の信号（電圧パルス）を出力する。

そして、吸気通路１１の吸気ポート１１ａには、燃料を噴射可能なインジェクタ（燃料噴射弁）２が配置されている。インジェクタ２は各気筒＃１〜＃４毎に設けられている。これらインジェクタ２・・２は共通のデリバリパイプ９１に接続されている。デリバリパイプ９１には、後述する燃料供給系９０の燃料タンク９４に貯留の燃料が供給され、これによって、インジェクタ２から吸気ポート１１ａ内に燃料が噴射される。この噴射燃料は吸入空気と混合されて混合気となってエンジン１の燃焼室１ｄに導入される。燃焼室１ｄに導入された混合気（燃料＋空気）は点火プラグ３にて点火されて燃焼・爆発する。このときに生じた高温高圧の燃焼ガスによりピストン１ｃが往復動され、クランクシャフト１５が回転されてエンジン１の駆動力（出力トルク）が得られる。燃焼ガスは、排気バルブ１４の開弁にともない排気通路１２に排出される。なお、エンジン１は、第１気筒＃１→第３気筒＃３→第４気筒＃４→第２気筒＃２の順で燃焼・爆発する。以上のエンジン１の運転状態はＥＣＵ２００によって制御される。

燃料供給系９０は、各気筒＃１〜＃４のインジェクタ２・・２に共通に接続されたデリバリパイプ９１、このデリバリパイプ９１に接続された燃料供給管９２、燃料ポンプ（例えば電動ポンプ）９３、及び、燃料タンク９４などを備えており、燃料ポンプ９３を駆動することにより、燃料タンク９４内に貯留の燃料を、燃料供給管９２を介してデリバリパイプ９１に供給することができる。このような構成の燃料供給系９０によって各気筒＃１〜＃４のインジェクタ２に燃料が供給される。

以上の構成の燃料供給系９０において、燃料ポンプ９３の駆動はＥＣＵ２００によって制御される。

一方、エンジン１の排気通路１２には上流触媒８１と下流触媒８２とが直列に配置されている。これら上流触媒８１及び下流触媒８２は共に三元触媒であって、酸素を貯蔵（吸蔵）するＯ₂ストレージ機能（酸素貯蔵機能）を有しており、この酸素貯蔵機能により、空燃比が理論空燃比（ストイキ）からある程度まで偏移したとしても、ＨＣ，ＣＯ及びＮＯｘを浄化することが可能となっている。すなわち、各触媒８１，８２に流入する排気ガス中の酸素及びＮＯｘが増加すると、酸素の一部を各触媒８１，８２が吸蔵することでＮＯｘの還元・浄化を促進する。一方、各触媒８１，８２に流入する排気ガスにＨＣ，ＣＯが多量に含まれると、各触媒８１，８２は、内部に吸蔵している酸素分子を放出し、これらのＨＣ，ＣＯに酸素分子を与え、酸化・浄化を促進する。

上流触媒８１の上流側（排気流れの上流側）の排気通路１２に空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ）３７が設けられている。この空燃比センサ３７は、後述するターボチャージャ１００のタービンホイール１０１及びウエストゲートバルブ１０５よりも下流側（排気流れの下流側）に配置されている。空燃比センサ３７は、例えば、限界電流式の酸素濃度センサが適用されており、広い空燃比領域にわたって空燃比を連続的に検出することが可能である。

ここで、空燃比センサ３７に配置位置については、当該空燃比センサ３７への排気ガスのガス当たりを考慮し、図５に示すようなＳ／Ｎ（正常時に対するインバランス異常時の出力値の比率）が大きなＷＧＶ開度域（低開度域と高開度域との２つの領域）が得られるようなセンサ位置を実験・シミュレーション等によって適合し、その位置に空燃比センサ３７を配置している。

また、上流触媒８１の下流側（排気流れの下流側）の排気通路１２にはＯ₂センサ（酸素センサ）３８が配置されている。Ｏ₂センサ３８は、理論空燃比（ストイキ）近傍で出力値がステップ状に変化する特性（Ｚ特性）を示すセンサであって、この例では、例えば起電力式（濃淡電池式）の酸素濃度センサが適用されている。

以上の空燃比センサ３７及びＯ₂センサ３８の各出力信号はＥＣＵ２００に入力される。ＥＣＵ２００は、空燃比センサ３７及びＯ₂センサ３８の出力に基づいて空燃比フィードバック制御（ストイキ制御）を実行する。この空燃比フィードバック制御としては、上流触媒８１の上流側の空燃比センサ３７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メインフィードバック制御と、上流触媒８１の下流側のＯ₂センサ３８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サブフィードバック制御とが行われる（例えば、特開２０１０−００７５６１号公報、特開２０１２−１６７６４６号公報に記載の技術参照）。

−ターボチャージャ−
この例のエンジン１には、排気圧を利用して吸入空気を過給するターボチャージャ（過給機）１００が装備されている。

ターボチャージャ１００は、図１に示すように、排気通路１２に配置されたタービンホイール１０１、吸気通路１１に配置されたコンプレッサインペラ１０２、及び、これらタービンホイール１０１とコンプレッサインペラ１０２とを回転一体に連結する連結シャフト１０３などを備えており、排気通路１２に配置のタービンホイール１０１が排気のエネルギによって回転し、これに伴って吸気通路１１に配置のコンプレッサインペラ１０２が回転する。そして、コンプレッサインペラ１０２の回転により吸入空気が過給され、エンジン１の各気筒＃１〜＃４の燃焼室１ｄに過給空気が強制的に送り込まれる。

タービンホイール１０１はタービンハウジング１１０内に収容されており、コンプレッサインペラ１０２はコンプレッサハウジング１２０内に収容されている。これらタービンハウジング１１０とコンプレッサハウジング１２０とはセンターハウジング１３０の両側に取り付けられている。そして、上記コンプレッサインペラ１０２及びコンプレッサハウジング１２０などによってコンプレッサ１００Ｂが構成されており、また、上記タービンホイール１０１及びタービンハウジング１１０などによってタービン１００Ａが構成されている。

また、この例のターボチャージャ１００のタービンハウジング１１０には、図１に示すように、タービンホイール１０１の上流側と下流側とを連通（タービンホイール１０１をバイパス）するバイパス通路１１１が形成されており、このバイパス通路１１１にウエストゲートバルブ１０５が設けられている。

ウエストゲートバルブ１０５は、バイパス通路１１１の出口（タービンハウジング１１０の下流側の開口端）を開閉することが可能な弁体、この弁体を開閉方向に移動（揺動）する揺動アーム、及び、揺動アームに連結されたＷＧＶアクチュエータ１５０（図３参照）などを備えており、ＷＧＶアクチュエータ１５０を駆動することによって、ウエストゲートバルブ１０５の開度（ＷＧＶ開度）を調整（例えば図５に示すＷＧＶ開度範囲において調整）することができる。そして、そのウエストゲートバルブ１０５のＷＧＶ開度を調整することにより、タービンホイール１０１をバイパスする排気ガス量を調整することができる。ＷＧＶアクチュエータ１５０の駆動（ウエストゲートバルブ１０５のＷＧＶ開度）はＥＣＵ２００によって制御される。

なお、ＷＧＶアクチュエータ１５０は、電動モータを駆動源とする電動式アクチュエータであってもよいし、また、負圧源から供給される負圧を動力源として作動する負圧アクチュエータや、正圧アクチュエータなどの他の形式（駆動源）のアクチュエータであってもよい。

ここで、本実施形態にあっては、通常時（過給域以外）はウエストゲートバルブ１０５を運転状態に応じた所定の開度で開いた状態とし、高出力が要求される場合（過給が要求される場合）に閉じる制御（いわゆるノーマルオープン制御）を採用している。このようなノーマルオープン制御によれば、通常時はウエストゲートバルブ１０５を開くことにより、排気圧力の低下による排気損失を低減することができるので、燃料消費率の向上を図ることができる。

なお、上記ノーマルオープン制御において、通常時（過給域以外）には、例えばエンジン回転数ＮＥ及び負荷率ＫＬに基づいて、予め実験・シミュレーション等によって作成されたマップを参照してＷＧＶ開度を求めてウエストゲートバルブ１０５のＷＧＶ開度を調整（制御）する（ＥＣＵ２００による制御）。

−ＥＣＵ−
ＥＣＵ２００は、図３に示すように、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）２０１、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）２０２、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）２０３及びバックアップＲＡＭ２０４などを備えている。

ＲＯＭ２０２は、各種制御プログラムや、それら各種制御プログラムを実行する際に参照されるマップ等が記憶されている。ＣＰＵ２０１は、ＲＯＭ２０２に記憶された各種制御プログラムやマップに基づいて各種の演算処理を実行する。また、ＲＡＭ２０３は、ＣＰＵ２０１での演算結果や各センサから入力されたデータ等を一時的に記憶するメモリであり、バックアップＲＡＭ２０４は、例えばエンジン１の停止時にその保存すべきデータ等を記憶する不揮発性のメモリである。

以上のＣＰＵ２０１、ＲＯＭ２０２、ＲＡＭ２０３及びバックアップＲＡＭ２０４は、バス２０７を介して互いに接続されるとともに、入力インターフェース２０５及び出力インターフェース２０６と接続されている。

入力インターフェース２０５には、クランクポジションセンサ３１、水温センサ３２、エアフロメータ３３、吸気温センサ３４、スロットル開度センサ３５、アクセルペダルの踏み込み量に応じた検出信号を出力するアクセル開度センサ３６、空燃比センサ３７、Ｏ₂センサ３８、カムポジションセンサ３９、吸気通路１１におけるスロットルバルブ５の下流側の圧力（過給圧）を検出するため過給圧センサ４０、及び、ウエストゲートバルブ１０５の開度を検出するＷＧＶ開度センサ４１などの各種センサ類が接続されている。

出力インターフェース２０６には、インジェクタ２、点火プラグ３のイグナイタ４、スロットルバルブ５のスロットルモータ６、燃料供給系９０の燃料ポンプ９３、及び、ウエストゲートバルブ１０５を開閉駆動するＷＧＶアクチュエータ１５０などが接続されている。

そして、ＥＣＵ２００は、上記した各種センサの検出信号に基づいて、インジェクタ２の駆動制御（燃料噴射量調整制御）、点火プラグ３の点火時期制御、スロットルバルブ５のスロットルモータ６の駆動制御（吸入空気量制御）、上記した空燃比フィードバック制御、及び、上記したウエストゲートバルブ１０５の開度制御などを含むエンジン１の各種制御を実行する。さらに、ＥＣＵ２００は、下記の「気筒間の空燃比インバランス判定処理」を実行する。

以上のＥＣＵ２００により実行されるプログラムによって、本発明の空燃比インバランス判定装置が実現される。

−気筒間の空燃比インバランス判定−
ＥＣＵ２００が実行する気筒間の空燃比インバランス判定方法について説明する。

まず、インジェクタ２などの燃料供給系やエアフロメータ３３などの空気系に、エンジン１の全気筒＃１〜＃４に影響を及ぼすような異常が発生した場合、空燃比のメインフィードバック制御の補正量の絶対値が大きくなるため、これをＥＣＵ２００でモニタすることで、その異常を検出できる。

例えば、空燃比フィードバック制御中（ストイキ制御中）において、燃料噴射量が全体的にストイキ相当量に対して、例えば５％ずれている場合（すなわち、全ての気筒＃１〜＃４において燃料噴射量がストイキ相当量に対して５％ずつ、ずれている場合）、メインフィードバック制御におけるフィードバック補正量はその５％のずれ量を補正するような値、つまり、−５％相当の補正量となり、これによって、燃料供給系もしくは空気系が５％ずれていることを検出することができる。そして、このフィードバック補正量が所定の判定閾値以上となったときに、燃料供給系もしくは空気系が異常であることを検出することができる。

一方、燃料供給系や空気系が全体的にずれているのではなく、気筒間の空燃比にばらつき（インバランス：ｉｍｂａｌａｎｃｅ）が発生する場合がある。例えば、各気筒に設けたインジェクタ２の噴射性能のばらつきや、気筒毎の吸入空気配分量のばらつきなどによって、実際の空燃比が気筒間でばらつくこと（空燃比インバランス）がある。気筒間に空燃比インバランスが発生すると、１機関サイクル間（＝７２０°ＣＡ）での排気空燃比の変動が大きくなり、空燃比センサ３７の出力が変動する。図４に空燃比センサ３７の出力波形の一例を示す。この図４において、破線の波形は空燃比インバランス無の状態（正常時）を示しており、実線の波形は空燃比インバランス有の状態（インバランス異常時）を示している。

図４に示すように、空燃比センサ３７の出力波形（以下、Ａ／Ｆセンサ出力波形ともいう）は、ストイキを中心として振動する傾向にあるが、気筒間の空燃比インバランスが発生すると、そのインバランス度合に応じてＡ／Ｆセンサ出力波形の振動の振幅が大きくなる。このような現象を利用して、気筒間の空燃比インバランスを判定することができる。そのインバランス判定方法の例について以下に列記する。

（１）上述の如く、気筒間空燃比のインバランスが大きいほど、空燃比センサ３７の出力波形の振動の振幅が大きくなる点、つまり、上記インバランス率が大きいほどＡ／Ｆセンサ出力波形の傾きが大きくなる点（図４参照）を利用して、Ａ／Ｆセンサ出力波形の傾きから気筒間の空燃比のインバランスの発生を判定する。

具体的には、空燃比センサ３７の出力信号（出力値）に基づいて、Ａ／Ｆセンサ出力波形をモニタし、そのＡ／Ｆセンサ出力波形の傾き（リーンピークＬｐからリッチピークＲｐに向かう部分のＡ／Ｆ傾きα：図４参照）を取得する。そして、そのＡ／Ｆセンサ出力波形のＡ／Ｆ傾きαと所定の判定閾値（傾き）とを比較し、Ａ／Ｆ傾きα（絶対値）が所定の判定閾値以上である場合は気筒間にインバランスが発生していると判定（インバランス異常と判定）する。このインバランス判定に用いる判定閾値については、例えば、エンジン１の気筒間における空燃比が均衡していると判定可能な範囲の上限を実験・計算等により取得しておき、その結果を基に適合した値を判定閾値とする。

また、上記センサ出力波形のＡ／Ｆ傾きαから気筒間の空燃比インバランス率（％）を求めることができる。インバランス率とは、気筒間空燃比のばらつき度合に関するパラメータであって、全気筒のうちある１気筒のみが空燃比ずれを起こしている場合に、その空燃比ずれを起こしている気筒（インバランス気筒）の空燃比がどれくらいの割合で、空燃比ずれを起こしていない気筒（バランス気筒）の空燃比（ストイキ相当）からずれているかを示す値である。

なお、図４に示すＡ／Ｆセンサ出力波形において、リッチピークからリーンピークに向かう部分の傾きを取得して、その取得したＡ／Ｆ傾きに基づいて気筒間の空燃比インバランスの発生を判定することも可能である。

（２）空燃比センサ３７の出力信号に基づいて、その各Ａ／Ｆセンサ出力波形（図４参照）をモニタし、そのＡ／Ｆセンサ出力波形のリーンピークＬｐに至ったときの空燃比の値（リーンピーク値ＡＦａ）を取得する。次に、Ａ／Ｆセンサ出力波形のリッチピークＲｐに至ったときの空燃比の値（リッチピーク値ＡＦｂ）を取得し、これらリーンピーク値ＡＦａとリッチピーク値ＡＦｂの差分（振幅）ΔＡＦ（ΔＡＦ＝｜ＡＦａ−ＡＦｂ｜：図４参照）を求め、この差分ΔＡＦが所定の判定閾値以上である場合に気筒間に空燃比インバランスが発生していると判定（インバランス異常と判定）する。

なお、このようなリーンピークとリッチピークとの差分ΔＡＦに替えて、互いに隣り合う２つのリーンピークの間（または２つのリッチピークの間）の時間を計測して、そのピーク間時間に基づいて気筒間の空燃比インバランスの発生を判定することも可能である。

また、これらの以外の方法で、空燃比センサ３７の出力に基づいて気筒間の空燃比インバランスの発生を判定するようにしてもよい。

以上のように、本実施形態では、空燃比センサ３７の出力に基づいて、気筒間の空燃比インバランスを車載状態で判定（検出）することができる（気筒間空燃比インバランス検出ＯＢＤ）。

次に、ウエストゲートバルブ１０５の開度（ＷＧＶ開度）と空燃比センサ３７の出力値との関係について説明する。

まず、本実施形態のエンジン１では、ターボチャージャ１００のタービンホイール１０１及びウエストゲートバルブ１０５の下流側（排気流れの下流側）に空燃比センサ３７が配置されているため、空燃比センサ３７のへの排気ガス当たりが変化する。すなわち、ウエストゲートバルブ１０５のＷＧＶ開度の大きさによって、タービンホイール１０１を通過した排気ガス（タービン流）と、バイパス通路１１１（ウエストゲートバルブ１０５）を通過した排気ガス（ＷＧＶ流）との量比率及びガスベクトルなどが変化するため、空燃比センサ３７のへの排気ガス当たりが変化し、空燃比センサ３７の出力値が変化する。

図５に、ＷＧＶ開度と空燃比センサ３７の出力値との関係を示す。この図５において、破線は気筒間の空燃比インバランスが発生していない正常時を示しており、実線は空燃比インバランスが発生しているインバランス異常時を示している。

図５に示すように、ＷＧＶ開度が第１所定開度Ｄ１以下の低開度域（０〜５ｄｅｇ）、及び、ＷＧＶ開度が第２所定開度Ｄ２以上の高開度域（３５〜５５ｄｅｇ）にあっては、上述したように、Ｓ／Ｎ（正常時に対するインバランス以上時の空燃比センサの出力値の比率）が大きくなる。つまり、Ｓ／Ｎ（判定精度）を確保できるＷＧＶ開度域は２領域（低開度域・高開度域）がある。このような点を考慮し、本実施形態では、ＷＧＶ開度が第１所定開度Ｄ１以下の低開度域と、ＷＧＶ開度が第２所定開度Ｄ２以上の高開度域とを選択してインバランス判定を実行する。

その具体的な処理（空燃比インバランス判定処理）の例について図６のフローチャートを参照して説明する。図６の処理ルーチンはＥＣＵ２００において所定時間毎に繰り返して実行される。

まず、ステップＳ１０１では、インバランス判定の前提条件が成立しているか否かを判定する。この前提条件は、例えば次の各条件が成立したときに成立する。
（ａ）エンジンの暖機が終了している。ＥＣＵ２００は、水温センサ３２の出力から得られるエンジン水温が所定値以上であるとき暖機終了と判断する。
（ｂ）空燃比センサ３７及びＯ₂センサ３８が活性化している。ＥＣＵ２００は、空燃比センサ３７及びＯ₂センサ３８の各インピーダンスがそれぞれ所定の活性温度相当の値になっているとき、これら２つのセンサ３７，３８が活性化していると判断する。
（ｃ）少なくとも上流触媒８１が活性化している。ＥＣＵ２００は、エンジン運転状態に基づいて推定した上流触媒８１の温度が所定の活性温度相当の値になっているとき、上流触媒８１が活性化したと判断する。
（ｄ）エンジン１が定常運転中である。ＥＣＵ２００は、エンジン回転数ＮＥ及び負荷率ＫＬの所定時間内における変動幅が所定値以内のとき、エンジン１が定常運転中と判断する。
（ｅ）空燃比フィードバック制御中（ストイキ制御中）である。

なお、インバランス判定の前提条件はこれらの条件に限定されない。

このステップＳＴ１０１の判定結果が否定判定（ＮＯ）である場合はリターンする。ステップＳＴ１０１の判定結果が肯定判定（ＹＥＳ）である場合（インバランス判定の前提条件成立の場合）はステップＳＴ１０２に進む。

ステップＳＴ１０２では、過給が必要なエンジン運転域（過給要のエンジン運転域）であるか否かを判定する。具体的には、クランクポジションセンサ３１の出力信号から算出されるエンジン回転数ＮＥ及び負荷率ＫＬに基づいてマップを参照して過給が必要なエンジン運転域であるか否かを判定する。

なお、負荷率ＫＬは、エンジン１への最大吸入空気量に対する現在の運転状態における吸入空気量の割合（充填率）であって、例えば、エアフロメータ３３の出力信号から得られる吸入空気量とクランクポジションセンサ３１の出力信号から得られるエンジン回転数ＮＥとに基づいて算出される。

また、上記判定マップは、エンジン回転数ＮＥ及び負荷率ＫＬをパラメータとして過給が必要なエンジン運転域（例えば高出力が要求される領域）を実験・シミュレーション等によって適合したマップであって、ＥＣＵ２００のＲＯＭ２０２内に記憶されている。

上記ステップＳＴ１０２の判定結果が肯定判定（ＹＥＳ）である場合は、過給域となると判断してステップＳＴ１０３に進む。ステップＳＴ１０３では、ＷＧＶ開度センサ４１の出力信号に基づいてＷＧＶアクチュエータ１５０を駆動制御して、ウエストゲートバルブ１０５のＷＧＶ開度を第１所定開度Ｄ１以下（ＷＧＶ開度≦Ｄ１）の低開度域（例えば、０〜５ｄｅｇ）に設定する。そして、ステップＳＴ１０５においてインバランス判定（ＯＢＤ）を実行する。このような処理により、インバランス判定の前提条件が成立した状況で、過給中である場合は、ウエストゲートバルブ１０５のＷＧＶ開度が第１所定開度Ｄ１以下の低開度域（判定精度（Ｓ／Ｎ）を確保できる領域）でインバランス判定（ＯＢＤ）を実行することができる。

なお、インバランス判定の前提条件が成立したときに、過給中でウエストゲートバルブ１０５のＷＧＶ開度が第１所定開度Ｄ１以下になっている場合は、そのままの状態で（ステップＳＴ１０３の処理は実行せずに）インバランス判定（ＯＢＤ）を実行する。

一方、上記ステップＳＴ１０２の判定結果が否定判定（ＮＯ）である場合（自然吸気中）である場合はステップＳＴ１０４に進む。ステップＳＴ１０４では、ＷＧＶ開度センサ４１の出力信号に基づいてＷＧＶアクチュエータ１５０を駆動制御して、ウエストゲートバルブ１０５のＷＧＶ開度を第２所定開度Ｄ２以上（ＷＧＶ開度≧Ｄ２）の高開度域（例えば、３５〜５５ｄｅｇ）に設定する。そして、ステップＳＴ１０５においてインバランス判定（ＯＢＤ）を実行する。このような処理により、インバランス判定の前提条件が成立した状況で、自然吸気中である場合は、ウエストゲートバルブ１０５のＷＧＶ開度が第２所定開度Ｄ２以上の開度域（判定精度（Ｓ／Ｎ）を確保できる領域）でインバランス判定（ＯＢＤ）を実行することができる。

なお、インバランス判定の前提条件が成立し、ステップＳＴ１０２の判定結果が否定判定（ＮＯ）となったときに、ウエストゲートバルブ１０５のＷＧＶ開度が第２所定開度Ｄ２以上になっている場合は、そのままの状態で（ステップＳＴ１０４の処理は実行せずに）インバランス判定（ＯＢＤ）を実行する。

なお、上記したインバランス判定（ＯＢＤ）により、インバランス異常と判定された場合、例えば、ＥＣＵ２００は不揮発性メモリ（例えば、バックアップＲＡＭ２０４）などに所定の異常フラグをセットする。この異常フラグは、他の制御処理において適宜参照され、例えば、異常フラグがセットされている場合には空燃比フィードバック制御が禁止または制限される。また、異常フラグの参照により車室内のディスプレイに故障情報を表示し、あるいは故障履歴として整備の際に整備作業者に出力するようにしてもよい。
＜効果＞
以上説明したように、本実施形態によれば、判定精度（Ｓ／Ｎ）を確保できる２つの領域（ＷＧＶ開度が第１所定開度Ｄ１以下の低開度域と第２所定開度Ｄ２以上の高開度域）を選択してインバランス判定（ＯＢＤ）を実行するので、インバランス判定を常に精度良く行うことができる。しかも、そのような第１所定開度Ｄ１以下でのインバランス判定と第２所定開度Ｄ２以上でのインバランス判定とを、過給中であるか、または、自然吸気中であるかによって切り替えている。具体的には、過給中である場合は第１所定開度Ｄ１以下でインバランス判定を実行し、自然吸気中である場合は第２所定開度Ｄ２以上でインバランス判定を実行しているので、インバランス判定の前提条件が成立してからインバランス判定を実行（開始）するまでの時間を短くすることが可能となり、インバランス判定の応答遅れを抑制することができる。

−他の実施形態−
なお、今回開示した実施形態は、すべての点で例示であって、限定的な解釈の根拠となるものではない。したがって、本発明の技術的範囲は、上記した実施形態のみによって解釈されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて画定される。また、本発明の技術的範囲には、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれる。

例えば、インバランス判定の前提条件が成立した際に、過給圧センサ４０の出力に基づいて過給域（過給中）であるか否かを判定し、過給域である場合は第１所定開度Ｄ１以下でインバランス判定を実行し、自然吸気中である場合は第２所定開度Ｄ２以上でインバランス判定を実行するようにしてもよい。

なお、今回開示した実施形態では、第１所定開度Ｄ１以下でのインバランス判定と第２所定開度Ｄ２以上でのインバランス判定とを、過給中であるか、または自然吸気中であるかによって切り替えており、自然吸気中である場合は第２所定開度Ｄ２以上でインバランス判定を実行している。しかしながら、過給中から、自然吸気中へ状態が変化した直後は、自然吸気中であっても所定期間であれば引き続き第１所定開度Ｄ１以下でインバランス判定を実行してもよい。このように第１所定開度Ｄ１以下もしくは第２所定開度Ｄ２以上を運転状態に応じて選択することとしてもよい。

以上の例では、４気筒ガソリンエンジンの空燃比インバランス判定に本発明を適用した例を示したが、本発明はこれに限られることなく、例えば６気筒や８気筒などの他の任意の気筒数の多気筒内燃機関の空燃比インバランス判定にも適用可能である。

以上の例では、ポート噴射型多気筒ガソリンエンジンの空燃比インバランス判定に本発明を適用した例を示したが、本発明はこれに限られることなく、筒内直噴型多気筒ガソリンエンジンの空燃比インバランス判定にも適用可能である。また、直列多気筒ガソリンエンジンのほか、Ｖ型多気筒ガソリンエンジンの空燃比インバランス判定にも本発明を適用することができる。また、筒内噴射用インジェクタと吸気ポート噴射用インジェクタとを備えたデュアル噴射式多気筒ガソリンエンジンの空燃比インバランス判定にも本発明は適用可能である。さらに、ガスエンジンや、バイオマス由来燃料を用いるエンジンの空燃比インバランス判定にも適用可能である。

以上の例では、エンジン（内燃機関）のみが搭載されたコンベンショナル車両のエンジンの空燃比インバランス判定に本発明を適用した例を示したが、本発明はこれに限られることなく、エンジン及び電動機（モータジェネレータまたはモータ等）が搭載されたハイブリッド車両に搭載されたエンジンの空燃比インバランス判定にも適用可能である。

本発明は、過給機付き多気筒内燃機関において、気筒間の空燃比インバランス状態を判定する空燃比インバランス判定装置に利用可能である。

１エンジン
１１吸気通路
１２排気通路
３１クランクポジションセンサ
３３エアフロメータ
３７空燃比センサ
４１ＷＧＶ開度センサ
１００ターボチャージャ（過給機）
１０１タービンホイール
１０２コンプレッサインペラ
１０５ウエストゲートバルブ
１５０ＷＧＶアクチュエータ
１１１バイパス通路
２００ＥＣＵ

Claims

吸入空気を過給する過給機と、前記過給機のタービンホイールをバイパスするバイパス通路と、前記バイパス通路に設けられたウエストゲートバルブと、前記タービンホイール及びウエストゲートバルブの排気流れの下流側であって触媒の排気流れの上流側に設けられた空燃比センサとを備えた多気筒内燃機関において、前記空燃比センサの出力に基づいて気筒間の空燃比のインバランス判定を行う空燃比インバランス判定装置であって、
前記ウエストゲートバルブの開度が第１所定開度以下の低開度域、または、前記ウエストゲートバルブの開度が前記第１所定開度よりも大きい第２所定開度以上の高開度域のいずれかの開度域において前記インバランス判定を実行するように構成されており、
過給中である場合は、前記ウエストゲートバルブの開度が前記第１所定開度以下の低開度域で前記インバランス判定を実行し、
自然吸気中である場合は、前記ウエストゲートバルブの開度が前記第２所定開度以上の高開度域で前記インバランス判定を実行することを特徴とする空燃比インバランス判定装置。