JP6137682B2 - 多気筒内燃機関の気筒間空燃比のインバランス診断装置 - Google Patents

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診断装置に関し、特に、診断を一旦中断した後に再開する際の診断を迅速化したものに関する。

例えば自動車の走行用動力源等として搭載される多気筒の内燃機関は、一般に各気筒の燃焼室内あるいは吸気ポート内に燃料を噴射するインジェクタを、気筒毎に設けて構成されている。
このような多気筒の内燃機関においては、例えばインジェクタ等の部品のばらつきや経年劣化等に起因して、各気筒の空燃比のインバランス（ばらつき）が生じる場合がある。
気筒間の空燃比のばらつきが大きくなった場合、特定の気筒でリッチ失火、リーン失火等の燃焼不安定状態が発生し、エンジンの回転変動等の原因となる。

このような気筒間の空燃比インバランスの検出等に係る従来技術として、例えば特許文献１には、所定の対象気筒の燃料噴射量を強制的に増量又は減量変更し、対象気筒に関する出力変動量に基づいて気筒間空燃比ばらつき異常を検出することが記載されている。
また、特許文献２には、気筒間の燃焼状態のばらつきを改善するために燃料噴射量を増加補正する技術において、燃焼状態の急変を抑制するために増加補正後にその補正量をゼロに向けて徐変させることが記載されている。
また、特許文献３には、内燃機関の回転変動量を所定値と比較して気筒間空燃比ばらつきについての判定を行うとともに、判定の結果、気筒間空燃比にばらつきの可能性があると判定した場合、燃料噴射量を強制的に所定量だけ増大させ、そのときの回転変動量に基づいて気筒間空燃比ばらつきの異常有無判定を確定させることが記載されている。
また、特許文献４には、回転変動量が設定範囲を超える回数が所定値を超えた場合に気筒間空燃比ばらつきが生じていると判定することが記載されている。
また、特許文献５には、空燃比の補正係数を用いて空燃比フィードバックを行うとともに、インバランス判定のために燃料噴射量を変更するときは、空燃比フィードバックを停止させることが記載されている。

特開２０１３− ２３９５号公報 特開２０１２− １２９９２号公報 特開２０１２−２４６８１３号公報 特開２０１０− ２４９７７号公報 特開２０１３− ７２７９号公報

上述したような気筒間空燃比のインバランス診断は、例えば暖機終了後のアイドリング中のように所定の条件下において実行されるようになっている。
インバランス診断においては、空燃比をリッチ側又はリーン側に徐変させながら回転変動を検出して行うことから、診断にある程度の時間を要するが、この間に例えばドライバが車両を走行させた場合等には、診断が中断され、その後再び診断実行条件が充足した場合に診断が再開されることになる。
しかし、この場合診断再開時に再び空燃比を初期値から徐変させることになるため、診断終了までの時間が長くかかってしまう。
また、ドライバが診断確定までに要する時間よりも短い周期で車両の発進、停止を繰り返した場合には、診断を終了できないことも懸念される。
上述した問題に鑑み、本発明の課題は、診断を一旦中断した後に再開する際の診断を迅速化した多気筒内燃機関の気筒間空燃比のインバランス診断装置を提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、上述した課題を解決する。
請求項１に係る発明は、多気筒内燃機関の気筒間空燃比のインバランス診断装置であって、出力変動を検出する出力変動検出手段と、前記出力変動検出手段の出力に基づいて気筒間空燃比のインバランス有無を検出する第１の診断手段と、気筒間空燃比のインバランスが検出されかつ診断条件が充足された場合に、空燃比フィードバック制御を停止するとともに空燃比をリッチ側又はリーン側へ除変させる燃料噴射量強制変更制御手段と、前記燃料噴射量強制変更制御手段による空燃比の徐変が行われた際の前記出力変動検出手段の出力に基づいて故障気筒を特定する第２の診断手段と、前記第２の診断手段による診断中に前記診断条件が非充足となった場合に、当該時点における空燃比のシフト量を保持する空燃比シフト量保持手段とを備え、前記第２の診断手段は、診断中に前記診断条件が非充足となり診断を中断した後に、前記診断条件が充足して診断を再開する際に、前記空燃比シフト量保持手段が保持するシフト量まで空燃比を通常の徐変に対して高速で推移させ、その後さらにリッチ側又はリーン側への除変を行って診断を行うことを特徴とする多気筒内燃機関の気筒間空燃比のインバランス診断装置である。
これによれば、診断が中断された際の空燃比のリッチ側又はリーン側へのシフト量を学習値として保持し、次回診断再開時には保持されたシフト量まで高速で推移させ、ここから空燃比の徐変を開始することによって、診断成立までの時間を短縮することができる。

以上説明したように、本発明によれば、診断を一旦中断した後に再開する際の診断を迅速化した多気筒内燃機関の気筒間空燃比のインバランス診断装置を提供することができる。

本発明を適用した多気筒内燃機関の気筒間空燃比のインバランス診断装置の実施例の構成を模式的に示すブロック図である。 図１のインバランス診断装置におけるインバランス診断時の動作を示すフローチャートである。 図１のインバランス診断装置におけるインバランス診断時における回転変動量、燃料増加量等の時間推移の一例を示すグラフである。

本発明は、診断を一旦中断した後に再開する際の診断を迅速化した多気筒内燃機関の気筒間空燃比のインバランス診断装置を提供する課題を、空燃比フィードバックを停止して空燃比をリッチ側又はリーン側に徐変させた際の回転変動に基づいてインバランス気筒の特定を行うとともに、診断実行条件が充足しなくなった場合にはそのときの空燃比を学習値として保持し診断を中断し、その後診断実行条件が再度充足した場合には学習値に係る空燃比から診断を再開することによって解決した。

以下、本発明を適用した多気筒内燃機関の気筒間空燃比のインバランス診断装置（以下、単に「インバランス診断装置」と称する。）の実施例について説明する。
実施例において、多気筒内燃機関は、例えば乗用車等の自動車に走行用動力源として搭載される水平対向４気筒の４ストローク直噴ガソリンエンジンである。

図１は、実施例のインバランス診断装置の構成を模式的に示すブロック図である。
図１に示すように、インバランス診断装置１は、エンジン制御ユニット１０、空燃比センサ１１、クランク角センサ１２、第１気筒インジェクタ２１、第２気筒インジェクタ２２、第３気筒インジェクタ２３、第４気筒インジェクタ２４等を有して構成されている。

エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）１０は、図示しないエンジン及びその補機類を総括的に制御するものである。
エンジン制御ユニット１０は、ＣＰＵ等の情報処理装置、ＲＡＭやＲＯＭ等の記憶装置、入出力インターフェイス及びこれらを接続するバス等を有して構成されている。
エンジン制御ユニット１０は、本発明にいう第１、第２の診断手段、燃料噴射量強制変更制御手段、及び、空燃比シフト量保持手段として機能する。
空燃比センサ１１は、エンジンの排気管路に設けられ、排ガス中の成分を検出することによって、４気筒平均での空燃比を逐次検出するものである。
クランク角センサ１２は、エンジンの出力軸であるクランクシャフトの角度位置（位相）を逐次検出するものである。
エンジン制御ユニット１０は、クランク角センサ１２の出力信号に基づいて、クランクシャフトの回転速度を実質的にリアルタイムで検出可能となっている。
ここで、特定気筒の燃焼が不安定となったり失火が生じることによって、エンジンに出力変動が生じた場合には、クランクシャフトの回転速度が当該気筒と相関する特定の位相において低下することになる。
クランク角センサ１２は、エンジンの出力変動を検出する出力変動検出手段として機能する。

第１気筒インジェクタ２１〜第４気筒インジェクタ２４は、エンジンの第１気筒〜第４気筒の燃焼室内（シリンダ筒内）に燃料を噴射するものである。
第１気筒インジェクタ２１〜第４気筒インジェクタ２４は、燃料ポンプによって加圧された燃料（ガソリン）が供給されるとともに、エンジン制御ユニット１０から伝達される開弁信号に応じて、ソレノイドやピエゾ素子等のアクチュエータによって開閉される弁体を備えている。
第１気筒インジェクタ２１〜第４気筒インジェクタ２４は、燃料噴射量及び噴射時期をエンジン制御ユニット１０によって個別に制御されている。
エンジン制御ユニット１０は、インバランス診断時等ではない通常の運転時には、空燃比センサ１１の出力を用いて、４気筒平均での空燃比が目標空燃比に近づくように空燃比のフィードバック制御を行なっている。

通常エンジン制御ユニット１０は、各気筒のインジェクタの燃料噴射量が実質的に等しくなるように制御を行なうが、例えばインジェクタの部品のばらつきや経年劣化等によって、気筒間で空燃比にインバランス（ばらつき）が生じる場合がある。
このようなインバランスには特定気筒の空燃比のみが他気筒に対してリッチとなるリッチ故障、リーンとなるリーン故障がある。
インバランス診断においては、回転変動が生じているクランクシャフトの角度位置に基づいてインバランス気筒の特定を行うが、必ずしも回転変動の原因となっている気筒がインバランス気筒であるとは限らない。

例えば、特定の気筒にリッチ故障が生じている場合には、空燃比フィードバック制御は全気筒の空燃比をリーン側に推移させる方向に作用するため、リッチ故障が生じている気筒以外の気筒がリーン失火するなどして回転変動を生じさせる場合がある。
このような場合には、フィードバック制御を停止して、全体の空燃比をリッチ側に徐変すると、リーン失火がなくなることによって回転変動は改善される。さらにリッチ側にシフトすると、リッチ故障が生じている気筒のリッチ失火が発生し、これによる新たな回転変動が検出される。
一方、特定の気筒にリーン故障が生じている場合には、当該気筒の燃焼が悪化して故障気筒の回転変動パラメータが大きくなる。

以下、上述したインバランス診断装置の診断時の動作について説明する。
図２は、図１のインバランス診断装置におけるインバランス診断時の動作を示すフローチャートである。
以下、ステップ毎に順を追って説明する。
＜ステップＳ０１：インバランス故障検出＞
エンジン制御ユニット１０は、空燃比センサ１１及びクランク角センサ１２の出力に基づいて、空燃比が所定範囲でありかつ回転変動が所定値以上である場合には、インバランス故障が生じているものと判定し、故障気筒を特定する必要があるとしてステップＳ０２に進む。

＜ステップＳ０２：仮故障気筒Ａをストア＞
エンジン制御ユニット１０は、クランクシャフトの回転変動の直接的原因となっている気筒（燃焼が不安定と認められる気筒）である気筒Ａを仮故障気筒としてストアする。
その後、ステップＳ０３に進む。

＜ステップＳ０３：回転変動パラメータを第１閾値と比較＞
エンジン制御ユニット１０は、回転変動パラメータ（例えば、所定時間における回転速度の変化量）を、予め設定された第１閾値と比較する。
回転変動パラメータが第１閾値より大きい場合はステップＳ０４に進み、その他の場合はステップＳ０６に進む。

＜ステップＳ０４：仮故障気筒Ａを故障気筒を確定＞
エンジン制御ユニット１０は、ステップＳ０２において仮故障気筒としてストアされた気筒Ａが故障気筒であると診断を確定させる。
その後、ステップＳ０５に進む。

＜ステップＳ０５：気筒特定完了フラグセット＞
エンジン制御ユニット１０は、気筒特定完了フラグをセットし、一連の処理を終了（リターン）する。

＜ステップＳ０６：気筒特定条件成立判断＞
エンジン制御ユニット１０は、予め設定された気筒特定条件が成立したか否かを判別する。
気筒特定条件として、例えば、暖機終了後（エンジン冷却水温所定値以上、ファストアイドル終了）でありかつアイドリング中であることなどが挙げられる。
気筒特定条件が成立している場合は、ステップＳ０８に進み、不成立である場合はステップＳ０７に進む。

＜ステップＳ０７：学習値をストア＞
エンジン制御ユニット１０は、現在の燃料増量値を学習値としてストアする。
その後、一連の処理を終了（リターン）する。

＜ステップＳ０８：フィードバックガード値徐変＞
エンジン制御ユニット１０は、空燃比フィードバック制御のＭＡＸ（最リッチ）、ＭＩＮ（最リーン）側のガード値を徐変して１とし、空燃比フィードバック制御を実質的に停止させる。
その後、ステップＳ０９に進む。

＜ステップＳ０９：空燃比リッチシフト＞
エンジン制御ユニット１０は、燃料増加量を学習値に応じて設定するとともに、ここからさらに燃料増加量を徐々に増加させながら所定のリッチ側ガード値に近づけ、各気筒の空燃比をリッチ側に徐変させるリッチシフト制御を行なう。
その後、ステップＳ１０に進む。

<ステップＳ１０：点火回数判断＞
エンジン制御ユニット１０は、空燃比リッチシフト後の点火回数を予め設定された診断開始ディレイ値と比較する。
点火回数が診断開始ディレイ値よりも大きい場合にはステップＳ１１に進み、その他の場合にはステップＳ０９に戻り、以後の処理を繰り返す。

＜ステップＳ１１：回転変動パラメータ判断＞
エンジン制御ユニット１０は、所定期間内に回転変動パラメータが所定値よりも大きくなった回数をカウントする。
そして、カウント値が予め設定された所定値であるＮ回よりも多かった場合にはステップＳ１３に進み、その他の場合にはステップＳ１２に進む。

＜ステップＳ１２：点火回数判断＞
エンジン制御ユニット１０は、エンジンの点火回数を予め設定された所定値と比較し、所定値よりも大きい場合にはステップＳ１３に進み、その他の場合にはステップＳ０９に戻り、以後の処理を繰り返す。

＜ステップＳ１３：特定診断実行＞
エンジン制御ユニット１０は、気筒特定診断実行を決定する。
その後、ステップＳ１４に進む。

＜ステップＳ１４：診断時間判断＞
エンジン制御ユニット１０は、ステップＳ１３において気筒特定診断実行を決定してからの経過時間（診断時間）を、予め設定された所定値と比較する。
そして、診断時間が所定値以上である場合にはステップＳ１５に進み、その他の場合にはステップＳ１４を繰り返す。

＜ステップＳ１５：仮故障気筒Ｂをストア＞
エンジン制御ユニット１０は、回転変動パラメータが大きくなっている気筒Ｂを仮故障気筒としてストアする。
その後、ステップＳ１６に進む。

＜ステップＳ１６：回転変動パラメータを第２閾値と比較＞
エンジン制御ユニット１０は、回転変動パラメータを、予め設定された第２閾値と比較する。
回転変動パラメータが第２閾値より大きい場合はステップＳ１７に進み、その他の場合はステップＳ１８に進む。

＜ステップＳ１７：仮故障気筒Ｂを故障気筒と確定＞
エンジン制御ユニット１０は、ステップＳ１５において仮故障気筒としてストアされた気筒Ｂが故障気筒であると診断を確定させる。
その後、ステップＳ２１に進む。

＜ステップＳ１８：対向気筒Ｃの回転変動パラメータ判断＞
エンジン制御ユニット１０は、仮故障気筒Ｂの対向気筒である気筒Ｃの回転変動パラメータを、仮故障気筒Ａの回転変動パラメータと比較する。
気筒Ｃの回転変動パラメータのほうが大きい場合にはステップＳ１９に進み、その他の場合にはステップＳ２０に進む。

＜ステップＳ１９：仮故障気筒Ｃを故障気筒と確定＞
エンジン制御ユニット１０は、気筒Ｃが故障気筒であると診断を確定させる。
その後、ステップＳ２１に進む。

＜ステップＳ２０：仮故障気筒Ａを故障気筒と確定＞
エンジン制御ユニット１０は、気筒Ａが故障気筒であると診断を確定させる。
その後、ステップＳ２１に進む。

＜ステップＳ２１：気筒特定完了フラグセット＞
エンジン制御ユニット１０は、気筒特定完了フラグをセットし、その後ステップＳ２２に進む。

＜ステップＳ２２：学習値復帰＞
エンジン制御ユニット１０は、燃料増加量の学習値を徐変して通常状態に復帰させる。
その後、ステップＳ２３に進む。

＜ステップＳ２３：フィードバック制御再開＞
エンジン制御ユニット１０は、空燃比フィードバック制御のＭＡＸ、ＭＩＮガード値を徐変して通常状態に復帰させ、空燃比フィードバック制御を再開させる。

図３は、図１のインバランス診断装置におけるインバランス診断時における回転変動量、燃料増加量等の時間推移の一例を示すグラフである。
図３において、横軸は時間を示し、縦軸は、回転変動量、増量条件成立フラグ、燃料増加量、車速をそれぞれ示している。

図３に示すように、実施例によれば、インバランス気筒を特定させるために予め設定された徐変量（時間あたりの燃料増加率）で、燃料増加量を決定している。
この燃料増加量は、逐次学習値として記憶されている。
その後、車両の走行によって診断が中断（キャンセル）され、再開するときは、初回診断時のように徐変させるのではなく、前回診断中断時の学習値に係る燃料増加量（空燃比）までステップ状に変化させるか、あるいは、初回診断時の徐変量よりも燃料増加率が大きくなるように徐変させて、短時間で燃料を増量させる。このため、診断成立までに要する時間が短縮される。

以上説明したように、実施例によれば、診断が中断された際の空燃比のリッチ側へのシフト量を学習値として保持し、次回診断再開時には保持されたシフト量から空燃比の徐変を開始することによって、診断成立までの時間を短縮することができる。

（変形例）
本発明は、以上説明した実施例に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の技術的範囲内である。
例えば、インバランス診断装置の構成は、上述した実施例に限定されず、適宜変更することが可能である。
また、診断対象となるエンジンの形式も特に限定されない。
例えば、実施例では診断対象のエンジンは水平対向４気筒であったが、直列エンジン、Ｖ型エンジンや、気筒数が異なるエンジンにも本発明は適用可能である。
例えば、直列４気筒である場合には、実施例における「対向気筒」を、「クランク角３６０°間隔で爆発する他気筒」と読み替えればよい。
また、Ｖ型エンジンや水平対向エンジンで空燃比フィードバックをバンク毎に行っている場合には、バンク毎に診断を行うようにするとよい。
また、実施例のエンジンは例えばガソリン直噴エンジンであるが、これに限らずポート噴射のエンジンや、ガソリン以外の燃料を用いるエンジンであってもよい。
また、実施例では、空燃比をリッチ側へ徐変して故障気筒の特定診断を行っているが、これに限らず、空燃比をリーン側へ徐変して故障気筒の特定診断を行うようにしてもよい。

１ インバランス診断装置 １０ エンジン制御ユニット
１１ 空燃比センサ １２ クランク角センサ
２１ 第１気筒インジェクタ ２２ 第２気筒インジェクタ
２３ 第３気筒インジェクタ ２４ 第４気筒インジェクタ

Claims (1)

1. 多気筒内燃機関の気筒間空燃比のインバランス診断装置であって、
   出力変動を検出する出力変動検出手段と、
   前記出力変動検出手段の出力に基づいて気筒間空燃比のインバランス有無を検出する第１の診断手段と、
   気筒間空燃比のインバランスが検出されかつ診断条件が充足された場合に、空燃比フィードバック制御を停止するとともに空燃比をリッチ側又はリーン側へ除変させる燃料噴射量強制変更制御手段と、
   前記燃料噴射量強制変更制御手段による空燃比の徐変が行われた際の前記出力変動検出手段の出力に基づいて故障気筒を特定する第２の診断手段と、
   前記第２の診断手段による診断中に前記診断条件が非充足となった場合に、当該時点における空燃比のシフト量を保持する空燃比シフト量保持手段とを備え、
   前記第２の診断手段は、診断中に前記診断条件が非充足となり診断を中断した後に、前記診断条件が充足して診断を再開する際に、前記空燃比シフト量保持手段が保持するシフト量まで空燃比を通常の徐変に対して高速で推移させ、その後さらにリッチ側又はリーン側への除変を行って診断を行うこと
   を特徴とする多気筒内燃機関の気筒間空燃比のインバランス診断装置。

Images