WO2012157067A1

WO2012157067A1 - 内燃機関の空燃比インバランス検出装置

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Publication number: WO2012157067A1
Application number: PCT/JP2011/061193
Authority: WO
Inventors: 慎治池田; 佐野　健; 和正下出
Original assignee: トヨタ自動車株式会社
Priority date: 2011-05-16
Filing date: 2011-05-16
Publication date: 2012-11-22
Also published as: EP2711527A1; US20140290622A1; JP5382265B2; CN103547783B; EP2711527B1; CN103547783A; US9518523B2; JPWO2012157067A1; EP2711527A4

Abstract

　筒内圧センサがそれぞれ取り付けられた複数の気筒を備える。筒内圧センサの出力から燃焼パラメータ（例えば発生熱量）を計算する。燃焼パラメータが所定値と一致するように燃料噴射量を減量し、その気筒の空燃比をリーン空燃比とする。各気筒について、燃焼パラメータが所定値と一致するように燃料噴射量の減量の制御を行ったときの、燃料噴射量の減少量に基づいて、各気筒それぞれの空燃比を算出する。算出した空燃比を比較して、気筒間の空燃比インバランス検出を行う。

Description

内燃機関の空燃比インバランス検出装置

　この発明は、内燃機関の空燃比インバランス検出装置に関する。

　従来、例えば、特開２００７－２５５２３７号公報に開示されているように、複数の気筒を有する内燃機関において、空燃比（Ａ／Ｆ）の気筒間ばらつきに対処するための制御装置を備えた内燃機関が知られている。複数気筒を有する内燃機関の場合には、実際の気筒毎の吸入空気量は必ずしも均等ではなく、気筒間でばらつきが存在する。この原因は、吸気マニホールドの吸気管形状や吸気管長さが気筒毎に異なることなどにあると考えられる。

　気筒間で吸入空気量にばらつきが存在することから、内燃機関全体としては目標空燃比に制御されていたとしても、気筒毎に見ると、目標空燃比からのずれ、つまり最適な空燃比からのずれが存在している。このような空燃比の気筒間ばらつきの存在は、排気浄化性能に悪影響を及ぼし易い。また、燃費の改善という観点からは、点火時期を、トルクが最大となる最適な点火時期つまりＭＢＴ（Minimum advance for the Best Torque）に精度良く制御することが求められる。ＭＢＴは、吸入空気量や空燃比に応じて変化するため、吸入空気量や空燃比の気筒間ばらつきの存在は、燃費性能にも悪影響を及ぼし易い。こういった事情があることから、空燃比の気筒間ばらつき（インバランス）を正確に把握することが好ましい。

　そこで、上記従来の技術にかかる内燃機関の制御装置は、気筒毎の実筒内圧から算出される気筒毎の実熱発生率に基づいて、熱発生をモデル化するWiebe関数のパラメータの値を気筒毎に算出している。気筒毎の実筒内圧は、気筒に取り付けられた筒内圧センサの出力値に基づいて算出される。Wiebe関数パラメータの値と、筒内吸入空気量の指標となる空気量指標値との対応関係に基づいて、吸入空気量の気筒間ばらつきの状態を高精度に推定することができる。

特開２００７－２５５２３７号公報

　上述したような気筒間における空燃比（Ａ／Ｆ）のインバランス（ばらつき）を正確に評価するためには、気筒毎のＡ／Ｆを個別且つ正確に計測できることが好ましい。この要望を満たす技術として、近年では筒内圧センサに対する期待が高まってきている。筒内圧センサを気筒毎に取り付けた構成によれば、気筒毎の燃焼状態を個別かつ高精度に検知できるからである。

　筒内圧センサにより気筒ごとにＡ／Ｆを検出する技術として、具体的には、筒内圧センサの出力から取得できる筒内圧（最大筒内圧など）、内部エネルギ、図示トルク（仕事）、燃焼速度、発生熱量など様々な数値（以下、「燃焼パラメータ」とも称す）を用いてＡ／Ｆを検出する技術が考えられる。しかしながら、本願発明者が鋭意研究により見出した知見によれば、これらの各パラメータは、ある程度のリッチＡ／Ｆ領域（具体的にはＡ／Ｆ＝１３近傍）においてはＡ／Ｆ変化に対する感度が低下するという傾向を持っている。このような傾向の存在を考慮に入れずに、リッチ側Ａ／Ｆ領域で得た比較的精度が良好でない燃焼パラメータに依拠してＡ／Ｆインバランス検出を行おうとしても、高精度なＡ／Ｆインバランス検出は困難である。このような問題点に鑑みて鋭意研究を進めた結果、本願発明者は、筒内圧センサを用いた気筒間の空燃比インバランス検出を精度良く行なうことのできる新規な着想を得た。

　この発明は、筒内圧センサを用いた気筒間の空燃比インバランス検出を精度良く行うことのできる内燃機関の空燃比インバランス検出装置を提供することを目的とする。

　第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の空燃比インバランス検出装置であって、
　内燃機関の複数の気筒にそれぞれ取り付けられた筒内圧センサから出力を取得する出力取得手段と、
　前記出力取得手段で取得した筒内圧センサの出力に基づいて前記気筒の燃焼の状態を表す値である燃焼パラメータを算出する算出手段と、
　前記複数の気筒それぞれについて、前記算出手段で算出される燃焼パラメータが所定値と一致するように、燃料噴射量を減量して空燃比をリーンにする制御を行う噴射量制御手段と、
　前記複数の気筒それぞれについての前記噴射量制御手段の制御に応じた燃料噴射量の減少量に基づいて、前記複数の気筒の間の空燃比のインバランスを検出するインバランス検出手段と、
　を備えることを特徴とする。

　また、第２の発明は、第１の発明において、
　前記複数の気筒の排気ガスが合流する排気通路に設けられた空燃比センサと、
　前記空燃比センサの出力に基づく空燃比の値および所定のリーン空燃比の値の比と、前記複数の気筒における前記燃焼パラメータの平均値と、に基づいて、前記噴射量制御手段による前記燃焼パラメータを一致させるべき前記所定値を算出する所定値算出手段と、
　を備えることを特徴とする。

　また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
　前記噴射量制御手段は、
　前記複数の気筒ごとに、燃料噴射量について減量を行う減量手段と、
　前記減量手段による減量を開始した後に、前記燃焼パラメータと前記所定値との比較を行う比較手段と、
　前記比較の結果に基づいて、前記減量手段による減量を終了する終了手段と、
　を含むことを特徴とする。

　また、第４の発明は、前記第３の発明において、
　前記噴射量制御手段は、
　前記減量手段による減量の開始から前記終了手段による減量の終了までの燃料噴射量の減少量に基づいて、前記減量手段で燃料噴射量の減量を行った気筒の空燃比を算出する手段を、
含むことを特徴とする。

　また、第５の発明は、前記第３の発明において、
　前記減量手段は、
　燃料噴射量の減量を開始するときに、所定の量だけ当該減量を実行する手段と、
　前記比較手段での比較の結果において前記燃焼パラメータが前記所定値を上回っている場合に、前記減量の量を増加する減量分増加手段と、
　を含むことを特徴とする。

　また、第６の発明は、第１乃至第５の発明の何れか１つにおいて、
　前記噴射量制御手段は、前記複数の気筒から選択された１つの気筒である対象気筒について前記燃焼パラメータが所定値と一致するように前記複数の気筒の燃料噴射量を減量する手段を含み、
　前記インバランス検出手段は、
　前記複数の気筒が少なくとも一度ずつ前記対象気筒として選択されるように、前記複数の気筒から前記対象気筒を指定する手段と、
　前記対象気筒について前記噴射量制御手段の制御を行う前後での、前記対象気筒の燃料噴射量の減少量を計算する手段と、
　前記減少量に基づいて、前記対象気筒における前記噴射量制御手段を実行する前の前記対象気筒の空燃比の計算値を求める手段と、
　前記複数の気筒それぞれについての空燃比の前記計算値の比較に基づいて、前記複数の気筒の間の空燃比のインバランスを検出する手段と、
　を含むことを特徴とする。

　また、第７の発明は、第１乃至第６の発明の何れか１つにおいて、
　前記燃焼パラメータは、筒内圧、内部エネルギ、図示トルク、図示仕事、燃焼速度および発生熱量の群から選択した少なくとも１つの量、又は前記少なくとも１つの量と相関を有する物理量であることを特徴とする。

　第１の発明によれば、空燃比インバランスを、リーン側への空燃比制御の過程での燃料噴射量の減少量に基づいて検出することができる。これにより、筒内圧センサを用いた気筒間の空燃比インバランス検出を精度良く行うことができる。

　第２の発明によれば、内燃機関の運転中に、「複数の気筒の排気ガスから検出される平均の空燃比」および「複数の気筒の燃焼パラメータの平均値」を用いて、所定のリーン空燃比に応じた燃焼パラメータの目標値を算出することができる。

　第３の発明によれば、各気筒において、燃焼パラメータが所定値と一致しているかを正確に判定し、所望のリーン空燃比まで確実にリーン化を行うことができる。

　第４の発明によれば、燃料噴射量の減少量（変化量）を正確に特定し、空燃比インバランス検出に用いる空燃比情報を、気筒ごとに精度よく算出することができる。

　第５の発明によれば、燃焼パラメータと所定値との比較結果を、燃料噴射量の減量制御に適切にフィードバックすることができる。

　第６の発明によれば、対象気筒を変更しながら、各気筒について、空燃比インバランス検出に用いる空燃比情報を取得することができる。

　第７の発明によれば、内燃機関の燃焼状態を表す一般的な各種燃焼パラメータ又はこれと相関を有する物理量を、空燃比インバランス検出に用いることができる。

本発明の実施の形態１にかかる内燃機関の空燃比インバランス検出装置の概略構成を、これが適用される内燃機関システムの概略構成とともに示す図である。本発明の実施の形態１にかかる内燃機関の空燃比インバランス検出装置における制御動作について説明するための図である。本発明の実施の形態１にかかる内燃機関の空燃比インバランス検出装置における制御動作について説明するための図である。本発明の実施の形態１にかかる内燃機関の空燃比インバランス検出装置における制御動作について説明するための図である。本発明の実施の形態１にかかる内燃機関の空燃比インバランス検出装置おいてＥＣＵが実行するルーチンのフローチャートである。本発明の実施の形態２にかかる内燃機関の空燃比インバランス検出装置における制御動作について説明するための図である。本発明の実施の形態２にかかる内燃機関の空燃比インバランス検出装置における制御動作について説明するための図である。本発明の実施の形態２にかかる内燃機関の空燃比インバランス検出装置おいてＥＣＵが実行するルーチンのフローチャートである。

実施の形態１．
　図１は、本発明の実施の形態１にかかる内燃機関の空燃比インバランス検出装置の概略構成を、これが適用される内燃機関システムの概略構成とともに示す図である。図１に示すシステムは、内燃機関（以下、単にエンジンという。）１０を備えている。図１に示すエンジン１０は、点火プラグ１２を備えた火花点火式の４ストロークエンジンである。エンジン１０は、気筒内に燃料を直接噴射する直噴インジェクタ１４を備えた筒内直噴エンジンでもある。実施の形態１にかかる内燃機関の空燃比インバランス検出装置は、エンジン１０の運転を総合制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）の一つの機能として実現される。

　図１では１つの気筒のみが描かれているが、実施の形態におけるエンジン１０は４つの気筒（＃１～＃４気筒）を有する直列４気筒式エンジンである。車両用のエンジンは一般的に複数の気筒から構成されており、エンジン１０もこれと同様に複数の気筒を有するものである。各気筒の直噴インジェクタ１４には、図示省略する共通のデリバリーパイプが接続されている。デリバリーパイプには、図示省略する燃料タンクが接続されている。

　また、各気筒には筒内圧（燃焼圧）を検出するための筒内圧センサ（ＣＰＳ：Combustion Pressure Sensor）１６が取り付けられている。また、エンジン１０には、クランク角θに応じて信号ＣＡを出力するクランク角センサ１８が取り付けられている。

　エンジン１０の吸気系には、各気筒に接続された吸気通路２０が設けられている。吸気通路２０の入口には、エアクリーナ２２が設けられている。エアクリーナ２２の下流には、吸気通路２０に吸入される空気の流量に応じた信号ＧＡを出力するエアフローメータ２４が取り付けられている。エアフローメータ２４の下流には、電子制御式のスロットルバルブ２６が設けられている。スロットルバルブ２６の近傍には、スロットルバルブ２６の開度に応じた信号ＴＡを出力するスロットル開度センサ２７が取り付けられている。スロットルバルブ２６の下流には、サージタンク２８が設けられている。サージタンク２８の近傍には、吸気圧を測定するための吸気圧センサ３０が取り付けられている。

　エンジン１０の排気系には、各気筒に接続された排気通路３２が設けられている。排気通路３２は、具体的には、＃１～＃４気筒の排気ポートが合流する排気マニホールドと、この排気マニホールドと接続する排気管とを含んでいる。排気通路３２には、触媒３４、３６が設けられている。なお、触媒としては、例えば、三元触媒、ＮＯｘ触媒等が具体的なシステムに応じて用いられる。排気通路３２には、触媒上流排気センサ３３および触媒下流排気センサ３５が設けられている。触媒上流排気センサ３３は、酸素濃度を直線的に検出可能ないわゆる空燃比（Ａ／Ｆ）センサである。具体的には、触媒上流排気センサ３３としては、限界電流式空燃比センサ等の各種方式の空燃比センサを用いることができる。また、いわゆるサブ酸素センサを用いてサブフィードバックＡ／Ｆ制御を行うシステムが知られており、本実施形態ではこれと同様に触媒下流排気センサ３５をサブ酸素センサとする。ただし、本発明の適用対象となる排気系のシステム構成は上記の実施形態にかかる構成のみに限られるものではなく、排気通路の触媒が１つのみのシステムや排気ガスセンサが１つのみのシステム等であってもよい。

　エンジン１０の制御系には、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０が設けられている。ＥＣＵ５０の入力部には、上述した筒内圧センサ１６、クランク角センサ１８、エアフローメータ２４、スロットル開度センサ２７、吸気圧センサ３０等の各種センサが接続されている。また、ＥＣＵ５０の出力部には、上述した点火プラグ１２、直噴インジェクタ１４、スロットルバルブ２６等の各種アクチュエータが接続されている。ＥＣＵ５０は、入力された各種の情報に基づいて、エンジン１０の運転状態を制御する。また、ＥＣＵ５０は、クランク角センサ１８の信号ＣＡから、エンジン回転数（単位時間当たり回転数）や、ピストンの位置によって決まる筒内容積Ｖを計算することができる。ＥＣＵ５０は、エンジン回転数、負荷、吸入空気量等に基づいて、運転状態に応じた目標Ａ／Ｆを満たす適正な燃料噴射量を算出し、直噴インジェクタ１４に噴射させる。
　ＥＣＵ５０は、筒内圧センサ１６の出力に基づいて、気筒内の燃焼の状態を表す値である燃焼パラメータを算出する計算プログラムを記憶している。なお、筒内圧センサ１６の出力は所定周期（所定クランク角）ごとにサンプリングされており、このサンプリング値に基づく測定データを計算プログラムの入力値として用いることができる。本実施形態においては、燃焼パラメータとして、筒内圧センサ１６の出力に基づいて発生熱量Ｑを計算するプログラムをＥＣＵ５０が実行するものとする。なお、燃焼パラメータの計算プログラムは公知の各種計算式に従って計算が実施されるように各種公知技術を用いて作成、記憶、実行すればよく、その実現のための技術は新規な事項ではないため、具体的な説明は省略する。

［実施の形態１の動作］
　図２～４は、本発明の実施の形態１にかかる内燃機関の空燃比インバランス検出装置における制御動作（すなわち「実施の形態１にかかる空燃比インバランス検出制御」）について説明するための図である。
　図２は、実施の形態１にかかる内燃機関の空燃比インバランス検出装置が解決しようとする課題を説明するために示す図であり、問題点、課題が発生する理由を説明するための図である。図２に「リッチ検出困難」と示しているように、リーン側へのＡ／Ｆ変化についての燃焼速度の感度（変化率）に比較して、特定のリッチ領域（具体的にはＡ／Ｆ＝１３近傍）においてはＡ／Ｆ変化についての燃焼速度の感度（変化率）が小さい。本願発明者は、このような傾向を、燃焼速度以外の、筒内圧センサの出力から取得できる燃焼状態を表すパラメータ（以下、「燃焼パラメータ」とも称す）においても見出している。具体的には、本願発明者は、筒内圧センサの出力から取得できる筒内圧（最大筒内圧など）、内部エネルギ、図示トルク（仕事）、燃焼速度、発生熱量など様々な燃焼パラメータについても同様の傾向があることを見出している。

　そこで、実施の形態１にかかる内燃機関の空燃比インバランス検出装置は、上記のようなリッチ領域における燃焼パラメータの感度低下という影響を避けるように、次のような制御を実施する。すなわち、まず、エンジン１０の運転中に、気筒毎にリーン化を行う。ここでは、一例としてエンジン１０の有する複数の気筒のなかから＃１気筒を選択して先ず＃１気筒にリーン化を行うものとする。以下、実施の形態１にかかるリーン化制御の対象とする気筒を「対象気筒」とも称す。現時点では、＃１気筒が対象気筒ということになる。このリーン化は直噴インジェクタ１４における燃料噴射量の減量により行い、その減量は、筒内圧センサ１６の出力に基づく燃焼パラメータ（実施の形態１では、発生熱量とする）が所定の閾値まで低下するように行う。

　図３は、実施の形態１にかかる内燃機関の空燃比インバランス検出装置で行われる燃料噴射量の減量の様子を示す図である。図３には、Ａ／Ｆと発生熱量Ｑとの関係を模式的に示す曲線が記載されている。実施の形態１では、図３に矢印で示すように、「所定リーンＡ／Ｆ」となるようなリーン化が実施されたときの発生熱量Ｑの値を「閾値α」として設定する。この「所定リーンＡ／Ｆ」は、筒内圧センサ１６が有している感度公差や機差ばらつきを考慮して、それらの計測阻害要素の影響を排除できる程度に十分にリーン側に設定したＡ／Ｆとする。

　このように所定リーンＡ／Ｆおよび閾値αを検討する理由は、リーン側へのＡ／Ｆ変化が小さ過ぎる場合には、筒内圧センサ１６が有している感度公差や機差ばらつきによって、十分な精度で実施の形態１にかかる空燃比インバランス検出制御を実施できないおそれがあるからである。以下、この所定リーンＡ／Ｆを、「Ａ／Ｆ検出が可能となるリーン側Ａ／Ｆ」とも称す。以上のような「Ａ／Ｆ検出が可能となるリーン側Ａ／Ｆ」に応じて閾値αを定めておくことによって、リーン化の際に、発生熱量Ｑを閾値αまで低下させたときに、十分な検出精度を確保できる程度のリーン化を行うことができる。

　図３に示す如く発生熱量Ｑが閾値αと一致するまで燃料噴射量が減量されたら、その一致のときまでに減量された燃料噴射量の合計値（図３では噴射減量Ａと記載）から、その減量を行う前の＃１気筒のＡ／Ｆを計算する。この計算は、ＥＣＵ５０に「噴射減量ＡからＡ／Ｆを特定する所定の関数（相関を定めた数式やマップ）」を記憶させ、適宜に実行させることで実現すればよい。この「所定の関数」は、実施の形態１にかかる空燃比インバランス検出制御を実行させるときの運転条件、吸気温度、吸気圧、吸入空気量その他の各種環境に合わせて（それらを考慮して）作成しておけばよい。

　図４は、閾値αまでの噴射減量Ａから対象気筒（ここでは＃１気筒）のＡ／Ｆを算出するために作成したマップの一例を示す。このマップ等を利用した計算の結果、＃１気筒について、発生熱量Ｑが閾値αに一致するように燃料噴射量の減量が実施される。この減量により減少した噴射量の合計値（図３の噴射減量Ａ）から、実施の形態１にかかる空燃比インバランス検出制御で使用すべき＃１気筒のＡ／Ｆが算出される。

　以上の一連の処理を、＃１気筒以外の残りの＃２～＃４気筒に対しても実施する。その結果、＃１～＃４気筒のそれぞれについてＡ／Ｆが算出される。算出されたＡ／Ｆの値を相対的に比較することにより、燃料噴射量の減量の実施前において気筒間の空燃比インバランスが生じていたか否かを判断することができる。

　以上説明したように、実施の形態１にかかる内燃機関の空燃比インバランス検出装置によれば、筒内圧センサ１６の出力から算出される発生熱量Ｑが所定の閾値αと一致するように、エンジン１０の各気筒の燃料噴射量を減量することができる。すなわち、気筒間で空燃比インバランスが大きい場合には、そのインバランスの大きさに応じて、発生熱量Ｑが閾値αと一致するまでにそれぞれの気筒で減量される燃料噴射量も相当の大きさでばらつくはずである。この前提から、空燃比インバランスを、リーン側への空燃比制御の過程での燃料噴射量の減少量（噴射減量Ａ）に基づいて検出することができる。これにより、筒内圧センサ１６を用いた気筒間の空燃比インバランス検出を精度良く行うことができる。

　実施の形態１によれば、前述したリッチＡ／Ｆでの燃焼パラメータの感度低下の影響を避けつつ、Ａ／Ｆリッチ側のインバランス検出を、良好な精度で行うことができる。すなわち、図２を用いて説明したように、燃焼速度や発生熱量といった各種の燃焼パラメータは、ある程度のリッチＡ／Ｆ領域（具体的にはＡ／Ｆ＝１３近傍）においてはＡ／Ｆ変化に対する感度が低下するという傾向を持っている。このような傾向があるため、リッチ側Ａ／Ｆ領域で得た比較的精度が良好でない燃焼パラメータに依拠して、リッチＡ／ＦにおけるＡ／Ｆインバランス検出を行おうとしても、高精度なＡ／Ｆインバランス検出は困難である。この点、実施の形態１によれば、リーン側へとＡ／Ｆを変化させ、その変化に伴う燃料噴射量の減量の量に基づいてリーン化を実施する前のＡ／Ｆを算出し、その算出したＡ／Ｆを各気筒間で比較してインバランスの判定を行うことができる。これにより、リーン化前（つまり燃料噴射量の減量の実施前）においてエンジン１０がストイキ、リッチ、リーンのいずれの空燃比領域で運転されていても、リッチ空燃比における燃焼パラメータの感度低下の影響を避けつつ、空燃比インバランス検出を行うことができる。

［実施の形態１の具体的処理］
　図５は、本発明の実施の形態１にかかる内燃機関の空燃比インバランス検出装置おいてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。本ルーチンは、エンジン１０の運転中に所定の周期で実行される。

　図５に示すルーチンでは、先ず、ＥＣＵ５０が、空燃比インバランス検出を実行することができる条件が成立しているか否かを判定するための処理（実行条件判定処理）を実行する（ステップＳ１００）。このステップでは、実施の形態１では、具体的には、ＥＣＵ５０が、現時点においてエンジン１０がアイドル時あるいは定常運転時に該当しているかどうかを判定する処理を実行する。このステップの条件が成立しない場合には、今回のルーチンが終了する。

　ステップＳ１００の条件が成立した場合には、次に、ＥＣＵ５０が、対象気筒の燃料噴射量を減量する処理を実行する（ステップＳ１０２）。なお、このステップにおいては現在の対象気筒が何番気筒であるか設定されており、実施の形態１ではまず＃１気筒が対象気筒として設定されている。本ステップでは、＃１気筒の燃料噴射量が所定の量だけ減量される。

　一方、ＥＣＵ５０は、筒内圧センサ１６の出力に基づく発生熱量Ｑの算出プログラムを継続的に実施している。ステップＳ１０２の処理に応じて、ＥＣＵ５０は、ステップＳ１０２の燃料噴射量減量に応じた燃焼の結果としての発生熱量Ｑを算出する（ステップＳ１０４）。

　次には、ＥＣＵ５０は、ステップＳ１０４で算出された発生熱量Ｑが閾値α以下であるか否かを判定する処理を実行する（ステップＳ１０６）。このステップの条件が成立していない場合には、燃料噴射量を減量したものの、発生熱量Ｑが閾値αに達するほどのリーン化は達成されていない。そこで、この場合には、処理がループしてステップＳ１０２へと戻り、さらに燃料噴射量の減量が行われる。実施の形態１では、ＥＣＵ５０は、ループ後の２回目以降のステップＳ１０２の処理において、燃料噴射量の減量の大きさを、前回の分に加えて所定量だけ増加する処理（減量分増加処理）を実行するものとする。このようなステップＳ１０２、Ｓ１０４、Ｓ１０６の一連の処理により、対象気筒の発生熱量Ｑが閾値αに一致するまで、燃料噴射量を減量することができる。ステップＳ１０６の条件が成立した場合には、ＥＣＵ５０は、＃１気筒についての燃料噴射量の減量を終了する。

　なお、図５では、説明の便宜上、「対象気筒の変更」についての記載を省略しているが、実施の形態１の具体的処理においては、ＥＣＵ５０が、上述した実施の形態１の動作の記載内容に従って、各気筒ごとにステップＳ１０２～Ｓ１０６の燃料噴射量の減量、発生熱量Ｑと閾値αの一致、および対象気筒のＡ／Ｆ算出を行うものとする。つまり、ＥＣＵ５０が、「対象気筒」を１つずつ所定の順番で変更しながら、図５のステップＳ１０２、Ｓ１０４、Ｓ１０６、Ｓ１０８を＃１～＃４気筒のそれぞれについて少なくとも一度ずつ実行するものとする。或いは、複数の気筒を対象気筒に指定して、複数の対象気筒について並行して処理を進めてもよい。これにより、必要な気筒（実施の形態１では＃１～＃４気筒の全て）について、それぞれ、「発生熱量Ｑが閾値αと一致するまでの燃料噴射量の減少量」が得られた段階で、処理はステップＳ１０８に進むものとする。

　上記の処理の結果、ステップＳ１０８に処理が進んだ時点で、気筒ごとに、燃料噴射量の減少量（図３の噴射減量Ａ）が得られている。次に、ＥＣＵ５０は、トータル噴射減量Ａに基づいて、対象気筒のＡ／Ｆを算出するための処理を実行する（ステップＳ１０８）。このステップの処理の前提として、ＥＣＵ５０は、図４を用いて説明したような、閾値αまでの噴射減量Ａから対象気筒のＡ／Ｆを算出するために作成したマップ、数式その他の関数を記憶している。ＥＣＵ５０は、この記憶した関数に従って、＃１～＃４気筒のそれぞれについて、Ａ／Ｆを算出する。これにより、インバランス判定に必要な各気筒のＡ／Ｆ情報を得ることができる。

　次に、ＥＣＵ５０は、インバランス判定を行うための処理を実行する（ステップＳ１１０）。このステップの処理の前提として、ＥＣＵ５０が、ステップＳ１０８で算出された＃１～＃４気筒それぞれのＡ／Ｆの値を比較することにより、複数のＡ／Ｆ値のばらつきの評価（例えば、ばらつきが所定範囲内に収まっているか等）を判定する処理を記憶しているものとする。この判定処理は、気筒間空燃比インバランスの発生の有無の判定基準に応じて予め作成しておけばよい。その後、今回のルーチンが終了する。

　以上の処理によれば、筒内圧センサ１６の出力から算出される発生熱量Ｑが所定の閾値αと一致するように、エンジン１０の各気筒の燃料噴射量を減量することができる。これにより、筒内圧センサ１６を用いた気筒間の空燃比インバランス検出を精度良く行うことができる。

　また、上記の処理によれば、ステップＳ１０２～Ｓ１０６の処理を気筒ごとに行うことにより、ＥＣＵ５０が、エンジン１０の複数の気筒ごとに、直噴インジェクタ１４の燃料噴射量を減量する。そして、ＥＣＵ５０は、この燃料噴射量の減量を開始した後に、燃焼パラメータ（発生熱量Ｑ）と閾値αとの比較を行うステップＳ１０６の判定処理を実行する。ＥＣＵ５０は、ステップＳ１０６において、発生熱量Ｑと閾値αの比較判定の結果に基づいて燃料噴射量の減量制御を終了する。このような一連の処理によれば、各気筒において、燃焼パラメータ（発生熱量Ｑ）が閾値αと一致しているかを正確に判定し、閾値αに応じた所望のリーン空燃比まで確実にリーン化を行うことができる。

　また、上記の処理によれば、初回のステップＳ１０２の処理で燃料噴射量の減量を開始するとともに、その後、発生熱量Ｑが閾値αと一致してステップＳ１０６において減量を停止する。このように、燃焼パラメータ（発生熱量Ｑ）を筒内圧センサ１６の出力に基づき継続的に計算、モニタリングすることにより、減量の開始時点および終了時点を明確に特定することができる。これにより、燃料噴射量の減少量（変化量）を正確に特定し、空燃比インバランス検出に用いるＡ／Ｆ情報を、気筒ごとに精度よく算出することができる。

　また、上記の処理によれば、ＥＣＵ５０が、ステップＳ１０６の処理が不成立（つまり、発生熱量Ｑ＞閾値α）のときに処理がループして、第２回目のステップＳ１０２の処理が実行されるときに、前回の分に加えて所定量だけ増加する処理（減量分増加処理）を実行することができる。これにより、燃焼パラメータ（発生熱量Ｑ）と閾値αの比較結果を、燃料噴射量の減量制御に適切にフィードバックすることができる。

　また、上記の処理によれば、エンジン１０が有する＃１～＃４気筒のうち１つの気筒を対象気筒として選択したうえで、選択した対象気筒についてステップＳ１０２、Ｓ１０４およびＳ１０６の処理をそれぞれ実施することができる。そして、対象気筒を変更しながら、各気筒について、空燃比インバランス検出に用いるＡ／Ｆ情報を取得することができる。

　なお、上述した実施の形態１においては、筒内圧センサ１６が前記第１の発明における「筒内圧センサ」に、ＥＣＵ５０に記憶した発生熱量Ｑの計算プログラムが、前記第１の発明における「算出手段」に、それぞれ相当している。また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ５０が上記ステップＳ１０２、Ｓ１０４およびＳ１０６の処理を実行することにより、前記第１の発明における「噴射量制御手段」が、ＥＣＵ５０が上記ステップＳ１０８およびＳ１１０の処理を実行することにより、前記第１の発明における「インバランス検出手段」が、それぞれ実現されている。そして、上述した実施の形態１では、発生熱量Ｑが、前記第１の発明における「燃焼パラメータ」に、閾値αが、前記第１の発明における「所定値」に、それぞれ相当している。

［実施の形態１の変形例］
　実施の形態１においては、燃焼パラメータとして、筒内圧センサ１６の出力に基づいて発生熱量Ｑを計算するプログラムをＥＣＵ５０が実行する。しかしながら、本発明はこれに限られるものではない。ＥＣＵ５０が、筒内圧センサ１６の出力に基づいて他の燃焼パラメータを算出する計算プログラムを記憶してもよい。具体的には、燃焼パラメータとして、筒内圧、最大筒内圧、内部エネルギ、図示トルク、図示仕事または燃焼速度の１つ又は複数を計算するための計算プログラムをＥＣＵ５０に記憶させてもよい。また、これらの量と相関を有する物理量を計算するプログラムであってもよい。
　なお、実施の形態１にかかる内燃機関システムの構成は、触媒下流排気センサ３５をサブ酸素センサとし、いわゆるサブ酸素センサを用いてサブフィードバックＡ／Ｆ制御を行うシステムである。しかしながら、本発明はこれに限られない。排気系のシステム構成は、実施の形態１にかかる構成以外の、たとえば排気通路の触媒が１つのみのシステムや排気ガスセンサが１つのみのシステム等であってもよい。なお、実施の形態１では、ガソリンを燃料噴射弁から燃焼室内に直接噴射するシステムについて説明したが、ガソリンを吸気通路の吸気ポートに噴射するシステムを用いてもよい。さらに、ポート噴射および筒内噴射可能なシステムを用いてもよい。

実施の形態２．
　本発明の実施の形態２にかかる内燃機関の空燃比インバランス検出装置の構成およびこれが適用される内燃機関システムの構成は、実施の形態１の構成と同様のハードウェア構成を含んでいる。重複説明を避けるため、以下、ハードウェア構成については説明を適宜省略ないしは簡略する。以下に述べる実施の形態２においては、全気筒の発生熱量平均値と排気Ａ／Ｆ（空燃比センサである触媒上流排気センサ３３の出力に基づくＡ／Ｆ）が対応するという考え方に基づいて、ＥＣＵ５０が検出可能リーンＡ／Ｆからリーン化を行う際の閾値αを算出する処理を実行する。これにより、運転条件の変化に応じて発生熱量の閾値αの適切な値が変化する場合にも、その変化に対処して空燃比インバランス検出制度を確保することができる。

　図６および７は、本発明の実施の形態２にかかる内燃機関の空燃比インバランス検出装置における制御動作について説明するための図である。図６は、具体的には、実施の形態２にかかる閾値算出手法について説明するための図である。図６において、「平均値＝排気Ａ／Ｆ」の文字を付した破線（図６の紙面上側の破線）は、触媒上流排気センサ３３においてセンシングされた空燃比の値を模式的に示している。一方、図６において、「閾値α」の文字を付した破線（図６の紙面下側の破線）は、実施の形態２にかかる閾値算出手法に従って算出された閾値αを示している。算出された閾値αは、＃１～＃４気筒に対して共通に適用される。

　実施の形態１では、「Ａ／Ｆ検出が可能となるリーン側Ａ／Ｆ」に基づいて閾値αを設定し、ＥＣＵ５０がこの設定した閾値αを用いて図５に示すフローチャートを実行している。これに対し、実施の形態２においては、この閾値αを、下記の式（１）に従って、制御フローチャートを実行する度に適切な値に設定（更新）する。
　閾値α　＝　発生熱量平均値　×　（排気空燃比／所定リーン空燃比）
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（１）
式（１）において、「発生熱量平均値」とは、＃１～＃４気筒のそれぞれの筒内圧センサ１６から計算した発生熱量Ｑの平均値である。つまり、＃１気筒の発生熱量をＱ１、＃２気筒の発生熱量をＱ２、＃３気筒の発生熱量をＱ３、＃４気筒の発生熱量をＱ４とした場合に、これらＱ１～Ｑ４の平均値が、発生熱量平均値である。
　「排気空燃比」とは、排気通路３２に集合した排気ガスから検出される空燃比である。触媒上流排気センサ３３（空燃比センサ）が＃１～＃４気筒の排気ガスが合流する排気通路３２に備えられているので、この触媒上流排気センサ３３の出力から検出される空燃比を、「排気空燃比」として利用することができる。
　「所定リーン空燃比」とは、実施の形態１でも説明したように、筒内圧センサ１６が有している感度公差や機差ばらつきを考慮して、それらの計測阻害要素の影響を排除できる程度に十分にリーン側に設定したＡ／Ｆである。所定リーン空燃比の値は、予め設定しておく。
　式（１）によれば、現在の排気空燃比から所定リーン空燃比へとリーン化を行うことができるように、現在の発生熱量平均値から、発生熱量Ｑの目標値としての閾値αを算出することができる。

　実施の形態２では、下記の式（２）に従って、対象気筒のＡ／Ｆを算出する。図７は、この式（２）で規定される関係、つまりＡ／Ｆ検出の可能なリーン空燃比（所定リーン空燃比Ｂ）を基準として噴射減量Ａから対象気筒のＡ／Ｆを算出するという関係を示している。
　対象気筒Ａ／Ｆ　＝　Ａ／ａ＋Ｂ　　・・・（２）
　式（２）において、Ａは、実施の形態１のステップＳ１０８における「噴射減量Ａ」と同じであり、リーン化の際の燃料噴射量の減量によるトータルの減少量である。「ａ」は、予め設定した噴射量とＡ／Ｆの相関の傾きである。「Ｂ」は、予め設定した検出可能リーンＡ／Ｆ、つまり所定リーン空燃比である。

　図８は、本発明の実施の形態２にかかる内燃機関の空燃比インバランス検出装置においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。本ルーチンは、エンジン１０の運転中に所定の周期で実行される。図８のルーチンでは、ＥＣＵ５０が、ステップＳ２００において上記の式（１）に従って閾値αの算出処理を実行し、ステップＳ２０８において、上記の式（２）に従って対象気筒Ａ／Ｆの算出処理を実行する。その他の内容は、図５に示した実施の形態１にかかるルーチンのフローチャートと同様の内容である。

　以上説明した実施の形態２にかかる内燃機関の空燃比インバランス検出装置によれば、エンジン１０の運転中に、「＃１～＃４気筒から合流した排気ガスについて検出される平均の空燃比」および「＃１～＃４気筒の燃焼パラメータ（発生熱量Ｑ）の平均値」を用いて、所定のリーン空燃比に応じた燃焼パラメータの目標値（閾値α）を算出することができる。なお、実施の形態２においても、実施の形態１と同様に、発生熱量以外の種々のパラメータを用いても良い。また、実施の形態１と同様の各種変形を行ってもよい。

１０　エンジン
１２　点火プラグ
１４　直噴インジェクタ
１６　筒内圧センサ
１８　クランク角センサ
２０　吸気通路
２２　エアクリーナ
２４　エアフローメータ
２６　スロットルバルブ
２７　スロットル開度センサ
２８　サージタンク
３０　吸気圧センサ
３２　排気通路
３３　触媒上流排気センサ
３４、３６　触媒
３５　触媒下流排気センサ
５０　ＥＣＵ（Electronic Control Unit）

Claims

　内燃機関の複数の気筒にそれぞれ取り付けられた筒内圧センサから出力を取得する出力取得手段と、
　前記出力取得手段で取得した筒内圧センサの出力に基づいて前記気筒の燃焼の状態を表す値である燃焼パラメータを算出する算出手段と、
　前記複数の気筒それぞれについて、前記算出手段で算出される燃焼パラメータが所定値と一致するように、燃料噴射量を減量して空燃比をリーンにする制御を行う噴射量制御手段と、
　前記複数の気筒それぞれについての前記噴射量制御手段の制御に応じた燃料噴射量の減少量に基づいて、前記複数の気筒の間の空燃比のインバランスを検出するインバランス検出手段と、
　を備えることを特徴とする内燃機関の空燃比インバランス検出装置。
　前記複数の気筒の排気ガスが合流する排気通路に設けられた空燃比センサと、
　前記空燃比センサの出力に基づく空燃比の値および所定のリーン空燃比の値の比と、前記複数の気筒における前記燃焼パラメータの平均値と、に基づいて、前記噴射量制御手段による前記燃焼パラメータを一致させるべき前記所定値を算出する所定値算出手段と、
　を備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の空燃比インバランス検出装置。
　前記噴射量制御手段は、
　前記複数の気筒ごとに、燃料噴射量について減量を行う減量手段と、
　前記減量手段による減量を開始した後に、前記燃焼パラメータと前記所定値との比較を行う比較手段と、
　前記比較の結果に基づいて、前記減量手段による減量を終了する終了手段と、
　を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の空燃比インバランス検出装置。
　前記噴射量制御手段は、
　前記減量手段による減量の開始から前記終了手段による減量の終了までの燃料噴射量の減少量に基づいて、前記減量手段で燃料噴射量の減量を行った気筒の空燃比を算出する手段を、
含むことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の空燃比インバランス検出装置。
　前記減量手段は、
　燃料噴射量の減量を開始するときに、所定の量だけ当該減量を実行する手段と、
　前記比較手段での比較の結果において前記燃焼パラメータが前記所定値を上回っている場合に、前記減量の量を増加する減量分増加手段と、
　を含むことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の空燃比インバランス検出装置。
　前記噴射量制御手段は、前記複数の気筒から選択された１つの気筒である対象気筒について前記燃焼パラメータが所定値と一致するように前記複数の気筒の燃料噴射量を減量する手段を含み、
　前記インバランス検出手段は、
　前記複数の気筒が少なくとも一度ずつ前記対象気筒として選択されるように、前記複数の気筒から前記対象気筒を指定する手段と、
　前記対象気筒について前記噴射量制御手段の制御を行う前後での、前記対象気筒の燃料噴射量の減少量を計算する手段と、
　前記減少量に基づいて、前記対象気筒における前記噴射量制御手段を実行する前の前記対象気筒の空燃比の計算値を求める手段と、
　前記複数の気筒それぞれについての空燃比の前記計算値の比較に基づいて、前記複数の気筒の間の空燃比のインバランスを検出する手段と、
　を含むことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の内燃機関の空燃比インバランス検出装置。
　前記燃焼パラメータは、筒内圧、内部エネルギ、図示トルク、図示仕事、燃焼速度および発生熱量の群から選択した少なくとも１つの量、又は前記少なくとも１つの量と相関を有する物理量であることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項記載の内燃機関の空燃比インバランス検出装置。