気筒間空燃比ばらつき異常検出装置
【課題】複数の気筒を有する内燃機関において、排気通路に設けた空燃比センサの出力値の取得間隔が変化した場合でも、空燃比センサの出力値に基づいて、気筒間の空燃比ばらつき異常の有無を適切に検出する。
【解決手段】本発明の一態様によれば、所定時間間隔で排気通路に設けられた空燃比センサ１７の出力を取得するように作動する取得手段と、該取得手段によって取得された空燃比センサ１７の出力値に基づいて、所定時間における空燃比の変化を表す値を、取得手段による空燃比センサの出力値の取得タイミングに応じて補正しつつ、算出する値算出手段と、気筒間空然比ばらつき異常の有無を判定するように、値算出手段により算出された値と判定用閾値とを比較する比較手段とを備えた、気筒間空燃比ばらつき異常検出装置２２が提供される。
【解決手段】本発明の一態様によれば、所定時間間隔で排気通路に設けられた空燃比センサ１７の出力を取得するように作動する取得手段と、該取得手段によって取得された空燃比センサ１７の出力値に基づいて、所定時間における空燃比の変化を表す値を、取得手段による空燃比センサの出力値の取得タイミングに応じて補正しつつ、算出する値算出手段と、気筒間空然比ばらつき異常の有無を判定するように、値算出手段により算出された値と判定用閾値とを比較する比較手段とを備えた、気筒間空燃比ばらつき異常検出装置２２が提供される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の気筒を有する内燃機関において気筒間空燃比のばらつき異常を検出するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、排気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。
【０００３】
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、また触媒でも排気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。
【０００４】
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。
【０００５】
例えば特許文献１に記載の装置では、空燃比センサの出力値に基づいて検出空燃比の変化率に応じた値が求められ、この値と判定用閾値との比較結果に基づいて、空燃比気筒間インバランス状態が発生しているか否かが判定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−４７３３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記したような内燃機関では、空燃比センサを含む種々のセンサからの出力は電子制御ユニットに送られ、電子制御ユニットの演算処理によって、燃料噴射弁などの種々の装置の作動が制御される。したがって、電子制御ユニットは、複数のタスクを同時に処理することがあり、電子制御ユニットの演算処理の負荷度合いによっては、種々のセンサからの出力を取得する間隔が変化する虞がある。
【０００８】
例えば、上記特許文献１に記載の方法およびシステムで、空燃比センサの出力を取得する間隔が変化してばらつくとき、それが変化しない場合と同様に、検出空燃比の変化率を求めると、その取得間隔がばらつく場合における検出空燃比の変化率は、その取得間隔が一定の場合における検出空燃比の変化率と異なることが懸念される。このように検出空燃比の変化率が異なる場合、気筒間の空燃比のばらつきの検出精度の点で問題がある。
【０００９】
そこで、本発明は、上記事情に鑑みて創案され、その目的は、複数の気筒を有する内燃機関において、排気通路に設けた空燃比センサの出力値の取得間隔が変化した場合でも、空燃比センサの出力値に基づいて、気筒間の空燃比ばらつき異常の有無を適切に検出することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一の態様によれば、複数の気筒を有する内燃機関における気筒間空燃比ばらつき異常検出装置であって、所定時間間隔で排気通路に設けられた空燃比センサの出力を取得するように作動する取得手段と、該取得手段によって取得された空燃比センサの出力値に基づいて、所定時間における空燃比の変化を表す値を、取得手段による空燃比センサの出力値の取得タイミングに応じて補正しつつ、算出する値算出手段と、気筒間空然比ばらつき異常の有無を判定するように、値算出手段により算出された値と判定用閾値とを比較する比較手段とを備えた、気筒間空燃比ばらつき異常検出装置が提供される。
【００１１】
好ましくは、値算出手段は、所定時間における空燃比の変化を表す値を、取得手段による空燃比センサの出力値の取得間隔に応じて補正しつつ、算出する。具体的には、値算出手段は、取得手段による空燃比センサの出力値の取得間隔と所定時間との差が長くなるほど、補正量を大きくするとよい。
【００１２】
好ましくは、取得手段は、内燃機関のクランク角に関連付けて、空燃比センサの出力を取得するように作動し、値算出手段は、クランク角に応じた補正を行いつつ、所定時間における空燃比の変化を表す値を算出する。さらに好ましくは、取得手段は、さらにエンジン回転速度に関連付けて、空燃比センサの出力を取得するように作動し、値算出手段は、さらにエンジン回転速度に応じた補正を行いつつ、所定時間における空燃比の変化を表す値を算出する。
【００１３】
好ましくは、取得手段によって取得された空燃比センサの出力値が変曲点を有するように変化したとき、該変曲点に関連する所定期間では、所定時間における空燃比の変化を表す値を算出する際の補正を禁止する禁止手段がさらに備えられる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る内燃機関の概略図である。
【図２】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。
【図３】気筒間空燃比ばらつき度合いに応じた排気空燃比の変動を示すグラフである。
【図４】図３のＵ部に相当する拡大図である。
【図５】インバランス割合と出力変化量との関係を示すグラフである。
【図６】空燃比センサのセンサ出力値の時間に対する変化を表した一例としてのグラフであり、センサ出力の取得間隔がばらついている場合に関するグラフである。
【図７】第１実施形態の気筒間空然比ばらつき異常検出制御ルーチンのフローチャートである。
【図８】第１実施形態の出力変化量算出制御ルーチンのフローチャートである。
【図９】あるエンジン回転速度での、クランク角と補正係数との関係を表したグラフである。
【図１０】あるエンジン回転速度での、クランク角とセンサ出力値の平均取得間隔との関係を表したグラフである。
【図１１】空燃比センサのセンサ出力値の変化を時間に対して表したグラフであり、（Ａ）はセンサ出力値の取得間隔が一定である場合のグラフであり、（Ｂ）はセンサ出力値の取得間隔がばらついている場合のグラフである。
【図１２】第２実施形態の出力変化量算出制御ルーチンのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づき説明する。まず、第１実施形態を説明する。
【００１６】
図１は、本第１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、ピストンを往復移動させることにより動力を発生する。本実施形態のエンジン１は、自動車に搭載されていて、複数気筒を有する内燃機関つまり多気筒内燃機関であり、より具体的には直列４気筒火花点火式内燃機関である。エンジン１は＃１〜＃４気筒を備える。但し、本発明は、エンジンの気筒数、用途、形式等を特に限定しない。
【００１７】
図示しないが、エンジン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内の混合気に点火するための点火プラグ７が気筒ごとに取り付けられている。
【００１８】
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の上流端にはエアクリーナ９が設けられている。そして吸気管１３には、上流側から順に、吸入空気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。なお、吸気ポート、枝管４、サージタンク８および吸気管１３はそれぞれ吸気通路の一部を区画形成する。
【００１９】
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ている。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。
【００２０】
一方、各気筒の排気ポートは排気マニホールド１４に接続される。排気マニホールド１４は、その上流部をなす気筒毎の枝管１４ａと、その下流部をなす排気集合部１４ｂとからなる。排気集合部１４ｂの下流側には排気管６が接続されている。なお、排気ポート、排気マニホールド１４および排気管６はそれぞれ排気通路の一部を区画形成する。
【００２１】
排気管６の上流側と下流側にはそれぞれ三元触媒からなる排気浄化用触媒を有する上流触媒コンバータ１１と下流触媒コンバータ１９とが直列に取り付けられている。これら触媒コンバータ１１、１９は酸素吸蔵能（Ｏ２ストレージ能）を有する。すなわち、触媒コンバータ１１、１９は、排気ガスの空燃比がストイキ（理論空燃比、例えばＡ／Ｆ＝１４．６）より大きい（リーンな）ときに排気ガス中の過剰酸素を吸蔵し、ＮＯｘを還元する。また触媒コンバータ１１、１９は、排気ガスの空燃比がストイキより小さい（リッチな）ときに吸蔵酸素を放出し、ＨＣ，ＣＯを酸化する。
【００２２】
上流触媒コンバータ１１つまりそこの触媒の上流側および下流側の排気通路にそれぞれ排気ガスの空燃比を検出するための第１および第２の空燃比センサ、すなわち触媒前センサ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、上流触媒コンバータ１１の直前および直後の位置に設置され、排気中の酸素濃度に基づいて空燃比を検出することを可能にする。このように上流触媒コンバータ１１の上流側の排気合流部に単一の触媒前センサ１７が設置されている。
【００２３】
上述の点火プラグ７、スロットルバルブ１０およびインジェクタ１２等は、制御手段または制御装置としての電子制御ユニット（以下ＥＣＵと称す）２０に電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、何れも図示されないＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭを含む記憶装置、および入出力ポート等を含むものである。またＥＣＵ２０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のほか、エンジン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、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。ＥＣＵ２０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等を制御し、点火時期、燃料噴射量、燃料噴射時期、スロットル開度等を制御する。このように、ＥＣＵ２０は、点火制御手段、燃料噴射制御手段、吸入空気量制御手段、空燃比制御手段の各機能を実質的に担う。
【００２４】
スロットルバルブ１０にはスロットル開度センサ（図示せず）が設けられ、スロットル開度センサからの信号がＥＣＵ２０に送られる。ＥＣＵ２０は、通常、アクセル開度に応じて定まる目標スロットル開度に、スロットルバルブ１０の開度（スロットル開度）をフィードバック制御する。
【００２５】
ＥＣＵ２０は、エアフローメータ５からの信号に基づき、単位時間当たりの吸入空気の量すなわち吸入空気量を検出する。そしてＥＣＵ２０は、検出したアクセル開度、スロットル開度および吸入空気量の少なくとも一つに基づき、エンジン１の負荷を検出する。
【００２６】
ＥＣＵ２０は、クランク角センサ１６からのクランクパルス信号に基づき、クランク角自体を検出すると共にエンジン１の回転数を検出する。ここで「回転数」とは単位時間当たりの回転数のことをいい、回転速度と同義である。本実施形態では１分間当たりの回転数ｒｐｍのことをいう。
【００２７】
第１空燃比検出手段としての触媒前センサ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、排気空燃比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であるときの出力電圧はＶｒｅｆｆ（例えば約３．３Ｖ）である。
【００２８】
他方、第２空燃比検出手段としての触媒後センサ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。つまり、触媒後センサ１８は、触媒前センサ１７の出力特性に比べて、所定空燃比領域における空燃比変化に対して出力変動が大きいという出力特性を有する。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０〜１Ｖ）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。
【００２９】
上流触媒コンバータ１１および下流触媒コンバータ１９は、それぞれに流入する排気ガスの空燃比Ａ／Ｆがストイキ近傍のときに排気中の有害成分であるＮＯｘ，ＨＣおよびＣＯを同時に浄化する。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。
【００３０】
そこでエンジン１の通常運転時、ＥＣＵ２０の空燃比制御ここでは具体的に空燃比フィードバック制御の機能を担う部分は、上流触媒コンバータ１１に流入する排気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は、触媒前センサ１７を用い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フィードバック制御と、触媒後センサ１８を用い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フィードバック制御とからなる。具体的には、主空燃比フィードバック制御では、触媒前センサ１７の出力に基づいて検出される現状の排気空燃比を所定の目標空燃比に追従させるために、第１補正係数を演算して、この第１補正係数に基づいてインジェクタ１２からの燃料噴射量を調整するような制御が実行される。そして、さらに補助空燃比フィードバック制御では、触媒後センサ１８の出力に基づいて、第２補正係数を演算し、主空燃比フィードバック制御にて得られた第１補正係数を修正するような制御が実行される。
【００３１】
さて、例えば全気筒のうちの一部の気筒（特に１気筒）に何等かの異常が発生し、気筒間に空燃比のばらつき（インバランス：imbalance）が発生することがある。例えば＃１気筒のインジェクタ１２が故障し、＃１気筒の燃料噴射量が相対的に多くなる結果、＃１気筒の空燃比が他の＃２、＃３および＃４気筒の空燃比よりも大きくリッチ側にずれる場合等である。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近づけることができる場合があるかもしれない。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若干リーンであり、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。そこでエンジン１には、かかる気筒間空燃比ばらつきが発生した場合、それを異常として検出する気筒間空然比ばらつき異常検出装置２２が備えられている。
【００３２】
ここで、本実施形態における気筒間空燃比ばらつき異常の検出の概略を説明する。
【００３３】
図３に示すように、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（＝７２０°ＣＡ）間での排気空燃比の変動が大きくなる。（Ｂ）の空燃比線図ａ、ｂ、ｃはそれぞればらつき無し、１気筒のみ２０％のインバランス率でリッチずれ、および１気筒のみ５０％のインバランス率でリッチずれの場合の、触媒前センサ１７による検出空燃比Ａ／Ｆを示す。見られるように、ばらつき度合いが大きくなるほど空燃比変動の振幅が大きくなる。
【００３４】
ここでインバランス率（％）とは、気筒間空燃比のばらつき度合いを表す一つのパラメータである。すなわち、インバランス率とは、全気筒のうちある１気筒のみが燃料噴射量ずれを起こしている場合に、その燃料噴射量ずれ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、燃料噴射量ずれ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ずれているかを示す値である。インバランス率を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すなわち基準噴射量をＱｓとすると、ＩＢ＝（Ｑｉｂ−Ｑｓ）／Ｑｓ×１００で表される。インバランス率ＩＢの絶対値が大きいほど、インバランス気筒のバランス気筒に対する燃料噴射量ずれが大きく、空燃比ばらつき度合いは大きい。
【００３５】
図３から理解されるように、インバランス率が大きいほど、すなわち気筒間空燃比のばらつき度合いが大きいほど、触媒前センサ１７の出力変動が大きくなる。つまり、インバランス率が大きいほど、排気通路における空燃比の変化が大きくなる。
【００３６】
よってこの特性に着目して、気筒間空然比ばらつき異常の検出が実行される。つまり、以下に説明されるように、エンジン１に搭載された気筒間空然比ばらつき異常検出装置２２では、触媒前センサ１７の出力つまり出力値に基づいて、空燃比の変化（または変動）を表す値（以下、出力変化量）を算出し、この値に基づいて気筒間空然比ばらつき異常の検出が実行される。なお、触媒前センサ１７の出力値は触媒前センサ１７を用いて検出された検出値に相当し、空燃比の変化を表す値は検出空燃比の変化率に応じた値に相当する。
【００３７】
以下に、本実施形態における空燃比の変化を表す値つまり出力変化量の導出の演算を説明する。図４は図３のＵ部に相当する拡大模式図であり、特に１エンジンサイクル内の触媒前センサ１７の出力値の変化を簡略的に示す。触媒前センサの出力値としては、ここでは触媒前センサ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、出力値として用いることも可能である。
【００３８】
図４（Ｂ）に示すように、ＥＣＵ２０は、１エンジンサイクル内において、所定時間間隔つまり所定周期τ（単位時間、例えば４ｍｓ）毎に、触媒前センサの出力値Ａ／Ｆを取得するように作動する。そして今回（最新）のタイミング（第２のタイミング）で取得した値Ａ／Ｆｎと、前回のタイミング（第１のタイミング）で取得した値Ａ／Ｆｎ−１との差ΔＡ／Ｆｎを次の（１）式により求める。この差ΔＡ／Ｆｎ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。
ΔＡ／Ｆn＝Ａ／Ｆn−Ａ／Ｆｎ−１ （１）
最も単純には、この差ΔＡ／Ｆｎ、好ましくはその絶対値が空燃比の変化を表す値つまり出力変化量を表す。変動度合いが大きくなるほど空燃比線図の傾きが大きくなり、差ΔＡ／Ｆｎの絶対値が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／Ｆｎまたはその絶対値を出力変化量とすることができる。
【００３９】
但し、本実施形態では精度向上のため、複数の差ΔＡ／Ｆの平均値に関する値を出力変化量とする。特に、本実施形態では、以下の説明から明らかなように、差ΔＡ／Ｆが正の場合と、負の場合とで、差ΔＡ／Ｆの平均値をそれぞれ求め、それにより出力変化量が求められる。要するに、触媒前センサ１７に関する出力値Ａ／Ｆは増加する場合と減少する場合とがあるので、これら各場合について上記差ΔＡ／Ｆおよびその平均値を求め、それらの各絶対値が出力変化量として用いられ得る。
【００４０】
なお、差ΔＡ／Ｆが正であるか負であるかは無視されてもよい。例えば、正負にかかわらず差ΔＡ／Ｆが求められ、それらの絶対値の平均値が、出力変化量として用いられることもできる。
【００４１】
図５には、インバランス率ＩＢ（％）と、出力変化量Ｘとの関係例を示す。図示されるように、インバランス率ＩＢと出力変化量Ｘとの間には強い相関関係があり、インバランス率ＩＢの絶対値が増加するほど出力変化量Ｘの絶対値も増加する傾向にある。
【００４２】
それ故、出力変化量Ｘ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可能である。すなわち、絶対値である出力変化量Ｘが所定の判定値以上であればばらつき異常ありと判定し、絶対値である出力変化量Ｘが所定の判定値未満であればばらつき異常なし、すなわち正常と判定することができる。
【００４３】
また、例えば、特に１気筒のみリッチずれの場合、当該１気筒に対応した排気ガスを触媒前センサが受けた時に触媒前センサ出力が急速にリッチ側に変化（すなわち急減）するので、触媒前センサ出力の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。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も可能である。なお、出力変化量Ｘを用いて気筒間空然比ばらつき異常があるか否かが判定され、かつ、触媒前センサ出力が減少したときのみに関する差ΔＡ／Ｆの絶対値の平均値と触媒前センサ出力が増加したときのみに関する差ΔＡ／Ｆの絶対値の平均値との比較に基づいてリッチずれかリーンずれかが判定されることもできる。
【００４４】
ところで、上記したように、ＥＣＵ２０は、特にＥＣＵ２０の取得手段の機能を担う部分は、所定時間間隔で触媒前センサ１７の出力を取得するように作動する。しかし、ＥＣＵ２０は、上記したように、燃料噴射制御、点火制御などの各制御手段の機能を担い、複数のタスクを並行して担い実行するので、複数のタスクが集中するタイミングでは、その処理負荷また演算負荷が過大になり、触媒前センサ１７の出力値の取得間隔が所定時間よりも長くなることがある。一例を、図６に基づいて説明する。
【００４５】
図６には、空燃比センサ（上記触媒前センサ１７に相当）の出力値の時間変化の２つの例が重ねて表されている。図６では、ＥＣＵの取得手段または取得部で取得された出力値が取得タイミングに対してプロットされている。ただし、図６の実験では、センサの出力の取得間隔が所定時間で一定になるように、センサの出力の取得が実行された。しかし、図６から明らかなように、この実験のエンジンでは、センサの出力の取得間隔にはばらつきがある。これは、実験で用いたエンジンのＥＣＵの処理能力が、ある時期では限界に達し、センサの出力を適切な時期に取得できなかったからである。
【００４６】
ここで、図６の例Ｉに着目すると、センサの出力値の取得期間Ｉａは所定時間よりも長く、その間で、例Ｉの出力値は大きく変化している。したがって、このような例Ｉでの期間Ｉａでの差ΔＡ／Ｆの絶対値は、当初期待されていた所定時間での差ΔＡ／Ｆの絶対値よりも大きくなる。したがって、この期間Ｉａでの差ΔＡ／Ｆが、所定時間での差ΔＡ／Ｆとして扱われることには問題がある。他方、図６の例ＩＩに着目すると、出力値が大きく変化している期間ＩＩｂは、実質的に所定時間であるので、その期間ＩＩｂの差ΔＡ／Ｆは、所定時間での差ΔＡ／Ｆとして扱われることができる。このように、ＥＣＵの性能によっては、時間つまりエンジン１のクランク角に応じて、センサの出力の取得間隔が変化してばらつく場合があり、それは、差ΔＡ／Ｆの算出に影響を与え得る。そこで、ここでは、その時々に適した補正を行うことで、差ΔＡ／Ｆが、当初期待されていた所定期間または所定時間における値となるようにし、それにより気筒間空然比ばらつき異常の検出精度を高めるようにする。
【００４７】
なお、このような出力値の取得間隔のばらつきは、ＥＣＵの処理能力を高めることで抑制することができる。しかし、ＥＣＵの処理能力を高めることは、コスト増大をもたらし得る。それ故、このような改善策は、コストの面でも優れるであろう。
【００４８】
ここで、本第１実施形態における、このような気筒間空燃比ばらつき異常の検出制御に関して、図７および図８のフローチャートを用いて説明する。なお図７のルーチンは、ＥＣＵ２０により所定の演算周期毎に繰り返し実行され得る。
【００４９】
ただし、以下に詳述される気筒間空然比ばらつき異常検出装置の制御は、以下の説明から明らかなようにＥＣＵ２０により実質的に実行される。そして、ＥＣＵ２０は、気筒間空然比ばらつき異常検出装置の取得手段、値算出手段および比較手段のそれぞれとして機能する複数の部分を有し、それら部分は相互に関連している。取得手段としての機能を担うＥＣＵ２０の部分は、所定時間間隔で排気通路に設けられた空燃比センサの出力を取得するように作動することができる。値算出手段としての機能を担うＥＣＵ２０の部分は、空燃比センサの出力値に基づいて、所定時間における空燃比の変化を表す値を、取得手段としての部分により取得された空燃比センサの出力値の取得タイミングに応じて補正しつつ、算出することができる。また、比較手段としての機能を担うＥＣＵ２０の部分は、気筒間空然比ばらつき異常の有無を判定するように、値算出手段としての部分により算出された値と判定用閾値とを比較することができる。
【００５０】
まず、図７のステップＳ７０１では、所定の前提条件が成立しているか否かが判定される。例えば、所定の前提条件には、排気空燃比が所定の空燃比に追従するように上記空燃比フィードバック制御が実行されていることが含まれるとよい。この場合、所定の空燃比は、好ましくは、理論空燃比つまりストイキである。なお、所定の前提条件が成立していることは、図８の演算が行われるとき、特に、触媒前センサの出力取得のときのみに少なくとも満たされているとよい。
【００５１】
より具体的には、本第１実施形態のステップＳ７０１では、例えば次の（条件ａ）から（条件ｅ）が全て成立したときに、所定の前提条件が成立したと判定される。
（条件ａ）エンジンの暖機が終了している。ＥＣＵ２０は、水温センサ（図示せず）を用いて検出された水温が所定値（例えば７５℃）を越えているとき暖機終了と判断する。またエンジンオイルの温度を検出するための油温センサを設け、検出された油温が所定値を越えているとき暖機終了と判断してもよい。
（条件ｂ）触媒前センサ１７および触媒後センサ１８が活性化している。ＥＣＵ２０は、両センサの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、両センサが活性化していると判断する。
（条件ｃ）上流触媒コンバータ１１および下流触媒コンバータ１９のそれぞれの触媒が活性化している。ＥＣＵ２０は、エンジン運転状態に基づき推定した上流触媒コンバータ１１の触媒の温度および下流触媒コンバータ１９の触媒の温度がそれぞれ所定の活性温度相当の値になっているとき、両触媒が活性化したと判断する。
（条件ｄ）エンジンが定常運転中である。ＥＣＵ２０は、エンジン回転速度と負荷の所定時間内の変動幅が所定値以内のとき、エンジンが定常運転中と判断する。
（条件ｅ）通常の上記空燃比フィードバック制御が実行中である。通常の空燃比フィードバック制御実行時は、ここでは、排気ガスの空燃比がストイキ近傍に制御されるように、空燃比フィードバック制御が実行されているときである。
【００５２】
ステップＳ７０１で、所定の前提条件が成立しているので、肯定判定されると、ステップＳ７０３で、後述される図８に基づく出力変化量算出制御により、出力変化量Ｘが算出される。この出力変化量Ｘは、上記説明から理解され得るように、所定時間における触媒前センサ１７の出力の変化を表した値である。
【００５３】
そして、ステップＳ７０５で、ステップＳ７０３で算出された出力変化量Ｘが、予め定められている判定用閾値と比較される。なお、この閾値に相当するラインの一例が、図５では、点線で表されている。出力変化量が閾値未満である場合には、ステップＳ７０５で否定判定されて、該ルーチンは終了する。これは、出力変化量が小さいので、気筒間空然比ばらつき異常が検出されなかった、つまり、正常であると判定されたことを意味する。
【００５４】
これに対して、ステップＳ７０５で出力変化量が閾値以上であるので肯定判定された場合には、ステップＳ７０７で異常と判定するように、異常フラグがＯＮにされる。その結果、本実施形態では、運転席のフロントパネルなどに設けられ得る、図示しない警告ランプが点灯される。これにより、運転者などは、エンジン１の点検、修理などを行うことを促される。なお、異常フラグは初期状態では、ＯＦＦにされている。
【００５５】
さて、図８のフローチャートに基づいて、触媒前センサ１７の出力値に基づく出力変化量の算出に関して説明する。
【００５６】
上記したように、ＥＣＵ２０は、所定時間間隔ごとに、つまり、所定時間が経過するごとに、触媒前センサ１７の出力の取得が実行されるように、構築されている。このセンサ出力取得の所定時間間隔は例えば４ｍｓに設定される。しかし、この所定時間は４ｍｓ以外であってもよく、例えば、４ｍｓから１０ｍｓの間の任意の時間に設定される。より具体的には、クランク角に関連付けて、さらにエンジン回転速度にも関連付けて、センサ１７の出力を取得するように、ＥＣＵ２０は作動する。そして、取得された触媒前センサ１７の出力値Ａ／Ｆは、クランク角およびエンジン回転速度に関連付けて記憶される。
【００５７】
ステップＳ８０１では、今回の（最新の）出力値Ａ／Ｆｎと、それまでに取得されて記憶されている前回の出力値Ａ／Ｆｎ−１との差ΔＡ／Ｆｎが、上記（１）式に基づいて算出される。
【００５８】
そして、ステップＳ８０３では、補正係数が算出される。補正係数の算出は、図９のグラフに基づいて算出される。特に、ステップＳ８０３では、今回取得された出力値Ａ／Ｆｎに関連付けて記憶されているエンジン回転速度およびクランク角に基づいて図９のグラフに表すようなデータを検索することで、補正係数が算出される。
【００５９】
図９のグラフは、あるエンジン回転速度でのクランク角と補正係数との関係を表したグラフであり、実験に基づいて作成されて予めＥＣＵ２０に記憶されている。図９のグラフのクランク角は、所定の気筒のクランク角として表されていて、例えば＃１気筒のクランク角に相当する。そして、図９のグラフは、同様に実験に基づいて得られた図１０のグラフと相関関係にある。図１０のグラフは、図９と同じ、あるエンジン回転速度でのクランク角とセンサの出力値の平均取得間隔との関係を表したグラフである。図１０のグラフの横軸は、図９の横軸と同様に、所定の気筒のクランク角に相当する。図１０のグラフの縦軸は、複数のエンジンサイクルでの各クランク角での触媒前センサ１７の出力値の取得間隔の平均であり、その各取得間隔は、そのクランク角でのセンサの出力値の取得タイミングとその直前のセンサの出力値の取得タイミングとの間隔または時間差（例えばＡ／Ｆｎの取得タイミングとＡ／Ｆｎ−１の取得タイミングとの時間差）である。
【００６０】
図１０のグラフから、エンジン１では、クランク角が、０°（つまり７２０°）、１８０°、３６０°、５４０°のときに出力値の取得間隔が長いことが分かる。この取得間隔は、上記したセンサ出力取得の所定時間間隔（例えば４ｍｓ）よりも長い。これは、エンジン１が、直列４気筒エンジンであり、クランク角が０°から１８０°おきに、いずれかの気筒でピストンが圧縮上死点にあることに対応する。つまり、クランク角が１８０°進むごとに、エンジン１では、燃料噴射制御や点火時期制御などによりＥＣＵ２０での処理負荷が大きくなり、センサの出力値の取得を適切に行えないという傾向がある。なお、図１０のグラフの場合、そのように長い取得間隔を要した出力値の取得の直後の出力値の取得タイミングは、直近の出力値の取得タイミングに対して短い間隔を要する。この取得間隔はセンサ出力取得の所定時間間隔（例えば４ｍｓ）よりも短い。これは、ＥＣＵ２０の負荷がそのときに大きくなく、センサ出力取得の要求に対してその処理が直ぐに実行されたからである。
【００６１】
これに対して、図９では、センサの出力値の取得間隔と上記したセンサ出力取得の所定時間（間隔）との差が長くなるほど補正量が大きくなるように、補正係数がクランク角に対して設定されている。このような、クランク角と補正係数との関係は、ステップＳ８０１で算出された差ΔＡ／Ｆｎが、上記したセンサ出力取得の所定時間間隔（例えば４ｍｓ）つまり所定時間における値として扱うことが許容されるように、実験により定められ得る。なお、図９のグラフは、エンジン回転速度と、クランク角と、補正係数との関係を表した三次元のグラフまたはマップである。エンジン回転速度が関係するのは、エンジン回転速度により、例えば、排気の触媒前センサ１７の出力への影響や、ＥＣＵ２０の処理負荷の程度が変化し得るからである。
【００６２】
ステップＳ８０３で補正係数が算出されると、ステップＳ８０５で、ステップＳ８０１で算出された差ΔＡ／ＦとステップＳ８０３で算出された補正係数とをかけることで、補正後ΔＡ／Ｆ（＝ΔＡ／Ｆ×補正係数）が算出される。
【００６３】
このようにして求められた補正後ΔＡ／Ｆが正であるか否かがステップＳ８０７で算出される。ステップＳ８０７で、補正後ΔＡ／Ｆが正であるので肯定判定されると、ステップＳ８０９で補正後ΔＡ／Ｆが、正の補正後ΔＡ／Ｆに関する最大値（正の最大値）ｐｍよりも大きいか否かが判定される。そして、ステップＳ８０９で肯定判定されると、ステップＳ８１１で、ステップＳ８０５で算出された補正後ΔＡ／Ｆで正の最大値ｐｍが書き換えられて更新される。なお、正の最大値ｐｍは初期状態ではゼロに設定されている。
【００６４】
他方、ステップＳ８０７で、補正後ΔＡ／Ｆが正でない（概略的に負である）ので否定判定されると、ステップＳ８１３で、ステップＳ８０５で算出された補正後ΔＡ／Ｆの絶対値が負の補正後ΔＡ／Ｆの絶対値に関する最大値（負の最大値）ｎｍよりも大きいか否かが判定される。そして、ステップＳ８１３で肯定判定されると、ステップＳ８１５で、ステップＳ８０５で算出された補正後ΔＡ／Ｆの絶対値で負の最大値ｎｍが書き換えられて更新される。なお、負の最大値ｎｍは初期状態ではゼロに設定されている。
【００６５】
そして、ステップＳ８１７で、クランク角ＣＡが０°（つまり７２０°）であるか否かが判定される。なお、ステップＳ８１７でのクランク角は、図９のグラフのクランク角と同様に、所定の気筒のクランク角であり、例えば＃１気筒のクランク角である。ステップＳ８１７で肯定されると次のステップＳ８２１が実行されるが、ステップＳ８１７で否定判定されると該ルーチンは終了して、その結果ステップＳ８０１に戻り、上記演算が繰り返される。したがって、所定の気筒のクランク角が７２０°進むまで、上記ステップＳ８０１〜Ｓ８１７が繰り返し実行されて、上記値ｐｍ、ｎｍがそれぞれ求められる。
【００６６】
ステップＳ８１７で肯定判定されると、次のステップＳ８１９で、初期状態ではゼロに設定されているカウンタ値Ｃに１が加算される。そして、次のステップＳ８２１では、それまでの正の最大値ｐｍの積算値ｐｍｓｕｍに最新の正の最大値ｐｍが加算されて、正の最大値の積算値ｐｍｓｕｍが更新される。同様に、ステップＳ８２１では、さらに、それまでの負の最大値ｎｍの積算値ｎｍｓｕｍに最新の負の最大値ｎｍが加算されて、負の最大値の積算値ｎｍｓｕｍが更新される。なお、初期状態では、正の最大値の積算値ｐｍｓｕｍおよび負の最大値の積算値ｎｍｓｕｍはそれぞれゼロに設定されている。
【００６７】
次ぐステップＳ８２３では、正の最大値ｐｍおよび負の最大値ｎｍがそれぞれゼロリセットされる。そして、ステップＳ８２５ではカウンタＣが所定値Ｎを超えているか否かが判定される。なお、所定値Ｎは０であってもよく、また任意の正の整数であってもよい。ステップＳ８２５で否定判定されると、該ルーチンは終了し、その結果上記ステップＳ８０１からＳ８２３が繰り返される。
【００６８】
ステップＳ８２５で肯定判定されると、正の最大値の積算値ｐｍｓｕｍをカウンタ値Ｃで除することにより算出される正の最大値の平均値（＝ｐｍｓｕｍ／Ｃ）と、負の最大値の積算値ｎｍｓｕｍをカウンタ値Ｃで除することにより算出される負の最大値の平均値（＝ｎｍｓｕｍ／Ｃ）とが比較されて、これらのうちの大きい方が、出力変化量Ｘに設定される。
【００６９】
そして、ステップＳ８３１で、カウンタ値Ｃ、正の最大値の積算値ｐｍｓｕｍおよび負の最大値の積算値ｎｍｓｕｍがそれぞれゼロリセットされる。
【００７０】
以上述べたように、所定時間の間、触媒前センサ１７の出力値Ａ／Ｆが取得されて、これら出力値Ａ／Ｆに基づいて、所定時間における空燃比の変化を表す値としての出力変化量Ｘが算出される。この算出された出力変化量Ｘは、上記したように、ステップＳ７０５で閾値と比較されて、それにより、気筒間空然比ばらつき異常の検出が行われる。
【００７１】
なお、第１実施形態では、補正係数は、エンジン回転速度と、クランク角との両方に基づいて、算出されたが、これらの少なくとも一方、特にクランク角に基づいて算出されてもよい。つまり、上記補正は、クランク角およびエンジン回転速度の少なくとも一方、例えばクランク角に応じて実行行われ得る。
【００７２】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態のエンジンの構成は、概ね上記第１実施形態のエンジン１の構成と同じであるので、ここでは上記説明に用いた符号を同様に用いることで、第２実施形態のエンジンの構成の説明は省略される。
【００７３】
第２実施形態のエンジンに適用された、気筒間空然比ばらつき異常検出装置は、上記したような補正に関して、上記第１実施形態の気筒間空然比ばらつき異常検出装置２２に対して異なる点を有する。以下に、その特徴部分のみを説明し、その他の重複する説明は省略される。
【００７４】
第２実施形態の気筒間空然比ばらつき異常検出装置では、触媒前センサ１７の出力値が変曲点を有するように変化したとき、この変曲点に関連する所定期間では、上記したような所定時間における空燃比の変化を表す値を算出する際の補正を行わない。つまりそのようなとき、そのような補正は禁止される。
【００７５】
例えば図１１（Ａ）に示すように、触媒前センサ１７の出力値の取得間隔が所定時間間隔つまり一定の間隔である場合、上記（１）式に基づいて算出される差ΔＡ／Ｆは、センサ１７の出力値の変化傾向を適切に反映したものである。これに対して、例えば図１１（Ｂ）に示すように、触媒前センサ１７の出力値の取得間隔がばらついている場合、上記（１）式に基づいて単に算出される差ΔＡ／Ｆは、センサ１７の出力値の変化傾向を適切に反映したものではないので、上記第１実施形態で述べたような補正を行うことが考えられる。しかし、図１１（Ｂ）の期間ＩＩＩｃのようなピーク付近つまり変曲点付近の期間では、出力値Ａ／Ｆの変化幅つまり差ΔＡ／Ｆの絶対値がそもそも大きいので、上記したように補正をすると（補正係数の設定にもよるが）、図１１に点線で示すように補正後ΔＡ／Ｆの絶対値が過度に大きくなり、かえって補正後ΔＡ／Ｆは実情から逸脱した値になる可能性がある。そこで、本第２実施形態では、センサ１７の出力値が変曲点を有するように変化したとき、この変曲点に関連する所定期間（例えば図１１の期間ＩＩＩｃを含む。）では、上記したように算出される差ΔＡ／Ｆに対する上記したような補正の実行は禁止される。なお、この補正の禁止は、ＥＣＵ２０の禁止手段の機能を担う部分によって実行される。
【００７６】
第２実施形態の気筒間空然比ばらつき異常検出装置における出力変化量の算出を図１２のフローチャートに基づいて説明する。ただし、図１２のステップＳ１２０１、Ｓ１２０７〜Ｓ１２３３は、それぞれ、図８のステップＳ８０１〜Ｓ８２９に相当するので、これらの重複説明は省略される。なお、図１２のフローチャートに基づく出力変化量Ｘの算出は上記図７のステップＳ７０３に相当し、その出力変化量ＸはステップＳ７０５で閾値と比較されて、気筒間空然比ばらつき異常の検出が実行される。
【００７７】
ステップＳ１２０１で、差ΔＡ／Ｆｎ、ΔＡ／Ｆｎ−１、およびΔＡ／Ｆｎ−２が算出または読み込まれる。差ΔＡ／Ｆｎは、今回新たに取得した値Ａ／Ｆｎから直近に取得して記憶されている値Ａ／Ｆｎ−１を引いた値である。これに対して、差ΔＡ／Ｆｎ−１は、直近に取得した値Ａ／Ｆｎ−１からさらにその直前に取得して記憶されている値Ａ／Ｆｎ−２を引いた値である。さらに、差ΔＡ／Ｆｎ−２は、その前に取得した値Ａ／Ｆｎ−２からさらにその直前に取得して記憶している値Ａ／Ｆｎ−３を引いた値である。それ故に、差ΔＡ／Ｆｎ−１および差ΔＡ／Ｆｎ−２は、それぞれ、直近に算出された差ΔＡ／Ｆｎおよび差ΔＡ／Ｆｎ−１を読み込むことで、算出されてもよい。
【００７８】
次ぐステップＳ１２０３では、触媒前センサ１７の出力値が変曲点を有するように変化したか否かが判定される。これは、以下の演算を行うことで実行される。なお、この演算は、以下に説明される演算であることに限定されず、この演算として当業者が考え得るあらゆる演算が適用され得る。
【００７９】
ステップＳ１２０３では、以下の条件（条件ｆ、条件ｇ）の少なくともいずれかが成立するとき、触媒前センサ１７の出力値が変曲点を有するように変化したと判定される。なお、以下の２つの条件は、曲線の変曲点の特性に着目して定められている。
（条件ｆ）差ΔＡ／Ｆｎと差ΔＡ／Ｆｎ−１との積がゼロ未満つまり負である。
（条件ｇ）差ΔＡ／Ｆｎ−１が所定値未満であり、かつ、差ΔＡ／Ｆｎ−２と差ΔＡ／Ｆｎとの積がゼロ未満つまり負である。なお、所定値は、センサ出力取得の所定間隔が例えば４ｍｓである場合、０．００５に相当する値であり得る。
【００８０】
そして、ステップＳ１２０３で肯定判定されると、ステップＳ１２０５で補正係数が１にされ、ステップＳ１２０９で上記ステップＳ８０５と同様に補正後ΔＡ／Ｆが算出される。つまり、このように、触媒前センサ１７の出力値が変曲点を有するように変化したとき、補正は実行されず、禁止される。
【００８１】
これに対して、ステップＳ１２０３で触媒前センサ１７の出力値が変曲点を有するように変化していないとして否定判定されると、ステップＳ１２０７で上記ステップＳ８０３と同様に補正係数が算出されて、ステップＳ１２０９で補正後ΔＡ／Ｆが算出される。
【００８２】
本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、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。
【符号の説明】
【００８３】
１ 内燃機関（エンジン）
１１ 上流触媒コンバータ
１２ インジェクタ
１７ 触媒前センサ（空燃比センサ）
２０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
２２ 気筒間空然比ばらつき異常検出装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の気筒を有する内燃機関において気筒間空燃比のばらつき異常を検出するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、排気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。
【０００３】
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、また触媒でも排気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。
【０００４】
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。
【０００５】
例えば特許文献１に記載の装置では、空燃比センサの出力値に基づいて検出空燃比の変化率に応じた値が求められ、この値と判定用閾値との比較結果に基づいて、空燃比気筒間インバランス状態が発生しているか否かが判定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−４７３３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記したような内燃機関では、空燃比センサを含む種々のセンサからの出力は電子制御ユニットに送られ、電子制御ユニットの演算処理によって、燃料噴射弁などの種々の装置の作動が制御される。したがって、電子制御ユニットは、複数のタスクを同時に処理することがあり、電子制御ユニットの演算処理の負荷度合いによっては、種々のセンサからの出力を取得する間隔が変化する虞がある。
【０００８】
例えば、上記特許文献１に記載の方法およびシステムで、空燃比センサの出力を取得する間隔が変化してばらつくとき、それが変化しない場合と同様に、検出空燃比の変化率を求めると、その取得間隔がばらつく場合における検出空燃比の変化率は、その取得間隔が一定の場合における検出空燃比の変化率と異なることが懸念される。このように検出空燃比の変化率が異なる場合、気筒間の空燃比のばらつきの検出精度の点で問題がある。
【０００９】
そこで、本発明は、上記事情に鑑みて創案され、その目的は、複数の気筒を有する内燃機関において、排気通路に設けた空燃比センサの出力値の取得間隔が変化した場合でも、空燃比センサの出力値に基づいて、気筒間の空燃比ばらつき異常の有無を適切に検出することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一の態様によれば、複数の気筒を有する内燃機関における気筒間空燃比ばらつき異常検出装置であって、所定時間間隔で排気通路に設けられた空燃比センサの出力を取得するように作動する取得手段と、該取得手段によって取得された空燃比センサの出力値に基づいて、所定時間における空燃比の変化を表す値を、取得手段による空燃比センサの出力値の取得タイミングに応じて補正しつつ、算出する値算出手段と、気筒間空然比ばらつき異常の有無を判定するように、値算出手段により算出された値と判定用閾値とを比較する比較手段とを備えた、気筒間空燃比ばらつき異常検出装置が提供される。
【００１１】
好ましくは、値算出手段は、所定時間における空燃比の変化を表す値を、取得手段による空燃比センサの出力値の取得間隔に応じて補正しつつ、算出する。具体的には、値算出手段は、取得手段による空燃比センサの出力値の取得間隔と所定時間との差が長くなるほど、補正量を大きくするとよい。
【００１２】
好ましくは、取得手段は、内燃機関のクランク角に関連付けて、空燃比センサの出力を取得するように作動し、値算出手段は、クランク角に応じた補正を行いつつ、所定時間における空燃比の変化を表す値を算出する。さらに好ましくは、取得手段は、さらにエンジン回転速度に関連付けて、空燃比センサの出力を取得するように作動し、値算出手段は、さらにエンジン回転速度に応じた補正を行いつつ、所定時間における空燃比の変化を表す値を算出する。
【００１３】
好ましくは、取得手段によって取得された空燃比センサの出力値が変曲点を有するように変化したとき、該変曲点に関連する所定期間では、所定時間における空燃比の変化を表す値を算出する際の補正を禁止する禁止手段がさらに備えられる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施形態に係る内燃機関の概略図である。
【図２】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。
【図３】気筒間空燃比ばらつき度合いに応じた排気空燃比の変動を示すグラフである。
【図４】図３のＵ部に相当する拡大図である。
【図５】インバランス割合と出力変化量との関係を示すグラフである。
【図６】空燃比センサのセンサ出力値の時間に対する変化を表した一例としてのグラフであり、センサ出力の取得間隔がばらついている場合に関するグラフである。
【図７】第１実施形態の気筒間空然比ばらつき異常検出制御ルーチンのフローチャートである。
【図８】第１実施形態の出力変化量算出制御ルーチンのフローチャートである。
【図９】あるエンジン回転速度での、クランク角と補正係数との関係を表したグラフである。
【図１０】あるエンジン回転速度での、クランク角とセンサ出力値の平均取得間隔との関係を表したグラフである。
【図１１】空燃比センサのセンサ出力値の変化を時間に対して表したグラフであり、（Ａ）はセンサ出力値の取得間隔が一定である場合のグラフであり、（Ｂ）はセンサ出力値の取得間隔がばらついている場合のグラフである。
【図１２】第２実施形態の出力変化量算出制御ルーチンのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づき説明する。まず、第１実施形態を説明する。
【００１６】
図１は、本第１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、ピストンを往復移動させることにより動力を発生する。本実施形態のエンジン１は、自動車に搭載されていて、複数気筒を有する内燃機関つまり多気筒内燃機関であり、より具体的には直列４気筒火花点火式内燃機関である。エンジン１は＃１〜＃４気筒を備える。但し、本発明は、エンジンの気筒数、用途、形式等を特に限定しない。
【００１７】
図示しないが、エンジン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内の混合気に点火するための点火プラグ７が気筒ごとに取り付けられている。
【００１８】
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の上流端にはエアクリーナ９が設けられている。そして吸気管１３には、上流側から順に、吸入空気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。なお、吸気ポート、枝管４、サージタンク８および吸気管１３はそれぞれ吸気通路の一部を区画形成する。
【００１９】
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ている。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。
【００２０】
一方、各気筒の排気ポートは排気マニホールド１４に接続される。排気マニホールド１４は、その上流部をなす気筒毎の枝管１４ａと、その下流部をなす排気集合部１４ｂとからなる。排気集合部１４ｂの下流側には排気管６が接続されている。なお、排気ポート、排気マニホールド１４および排気管６はそれぞれ排気通路の一部を区画形成する。
【００２１】
排気管６の上流側と下流側にはそれぞれ三元触媒からなる排気浄化用触媒を有する上流触媒コンバータ１１と下流触媒コンバータ１９とが直列に取り付けられている。これら触媒コンバータ１１、１９は酸素吸蔵能（Ｏ２ストレージ能）を有する。すなわち、触媒コンバータ１１、１９は、排気ガスの空燃比がストイキ（理論空燃比、例えばＡ／Ｆ＝１４．６）より大きい（リーンな）ときに排気ガス中の過剰酸素を吸蔵し、ＮＯｘを還元する。また触媒コンバータ１１、１９は、排気ガスの空燃比がストイキより小さい（リッチな）ときに吸蔵酸素を放出し、ＨＣ，ＣＯを酸化する。
【００２２】
上流触媒コンバータ１１つまりそこの触媒の上流側および下流側の排気通路にそれぞれ排気ガスの空燃比を検出するための第１および第２の空燃比センサ、すなわち触媒前センサ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、上流触媒コンバータ１１の直前および直後の位置に設置され、排気中の酸素濃度に基づいて空燃比を検出することを可能にする。このように上流触媒コンバータ１１の上流側の排気合流部に単一の触媒前センサ１７が設置されている。
【００２３】
上述の点火プラグ７、スロットルバルブ１０およびインジェクタ１２等は、制御手段または制御装置としての電子制御ユニット（以下ＥＣＵと称す）２０に電気的に接続されている。ＥＣＵ２０は、何れも図示されないＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭを含む記憶装置、および入出力ポート等を含むものである。またＥＣＵ２０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のほか、エンジン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、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。ＥＣＵ２０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等を制御し、点火時期、燃料噴射量、燃料噴射時期、スロットル開度等を制御する。このように、ＥＣＵ２０は、点火制御手段、燃料噴射制御手段、吸入空気量制御手段、空燃比制御手段の各機能を実質的に担う。
【００２４】
スロットルバルブ１０にはスロットル開度センサ（図示せず）が設けられ、スロットル開度センサからの信号がＥＣＵ２０に送られる。ＥＣＵ２０は、通常、アクセル開度に応じて定まる目標スロットル開度に、スロットルバルブ１０の開度（スロットル開度）をフィードバック制御する。
【００２５】
ＥＣＵ２０は、エアフローメータ５からの信号に基づき、単位時間当たりの吸入空気の量すなわち吸入空気量を検出する。そしてＥＣＵ２０は、検出したアクセル開度、スロットル開度および吸入空気量の少なくとも一つに基づき、エンジン１の負荷を検出する。
【００２６】
ＥＣＵ２０は、クランク角センサ１６からのクランクパルス信号に基づき、クランク角自体を検出すると共にエンジン１の回転数を検出する。ここで「回転数」とは単位時間当たりの回転数のことをいい、回転速度と同義である。本実施形態では１分間当たりの回転数ｒｐｍのことをいう。
【００２７】
第１空燃比検出手段としての触媒前センサ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、排気空燃比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であるときの出力電圧はＶｒｅｆｆ（例えば約３．３Ｖ）である。
【００２８】
他方、第２空燃比検出手段としての触媒後センサ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。つまり、触媒後センサ１８は、触媒前センサ１７の出力特性に比べて、所定空燃比領域における空燃比変化に対して出力変動が大きいという出力特性を有する。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０〜１Ｖ）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。
【００２９】
上流触媒コンバータ１１および下流触媒コンバータ１９は、それぞれに流入する排気ガスの空燃比Ａ／Ｆがストイキ近傍のときに排気中の有害成分であるＮＯｘ，ＨＣおよびＣＯを同時に浄化する。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。
【００３０】
そこでエンジン１の通常運転時、ＥＣＵ２０の空燃比制御ここでは具体的に空燃比フィードバック制御の機能を担う部分は、上流触媒コンバータ１１に流入する排気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は、触媒前センサ１７を用い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フィードバック制御と、触媒後センサ１８を用い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フィードバック制御とからなる。具体的には、主空燃比フィードバック制御では、触媒前センサ１７の出力に基づいて検出される現状の排気空燃比を所定の目標空燃比に追従させるために、第１補正係数を演算して、この第１補正係数に基づいてインジェクタ１２からの燃料噴射量を調整するような制御が実行される。そして、さらに補助空燃比フィードバック制御では、触媒後センサ１８の出力に基づいて、第２補正係数を演算し、主空燃比フィードバック制御にて得られた第１補正係数を修正するような制御が実行される。
【００３１】
さて、例えば全気筒のうちの一部の気筒（特に１気筒）に何等かの異常が発生し、気筒間に空燃比のばらつき（インバランス：imbalance）が発生することがある。例えば＃１気筒のインジェクタ１２が故障し、＃１気筒の燃料噴射量が相対的に多くなる結果、＃１気筒の空燃比が他の＃２、＃３および＃４気筒の空燃比よりも大きくリッチ側にずれる場合等である。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近づけることができる場合があるかもしれない。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若干リーンであり、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。そこでエンジン１には、かかる気筒間空燃比ばらつきが発生した場合、それを異常として検出する気筒間空然比ばらつき異常検出装置２２が備えられている。
【００３２】
ここで、本実施形態における気筒間空燃比ばらつき異常の検出の概略を説明する。
【００３３】
図３に示すように、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（＝７２０°ＣＡ）間での排気空燃比の変動が大きくなる。（Ｂ）の空燃比線図ａ、ｂ、ｃはそれぞればらつき無し、１気筒のみ２０％のインバランス率でリッチずれ、および１気筒のみ５０％のインバランス率でリッチずれの場合の、触媒前センサ１７による検出空燃比Ａ／Ｆを示す。見られるように、ばらつき度合いが大きくなるほど空燃比変動の振幅が大きくなる。
【００３４】
ここでインバランス率（％）とは、気筒間空燃比のばらつき度合いを表す一つのパラメータである。すなわち、インバランス率とは、全気筒のうちある１気筒のみが燃料噴射量ずれを起こしている場合に、その燃料噴射量ずれ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、燃料噴射量ずれ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ずれているかを示す値である。インバランス率を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すなわち基準噴射量をＱｓとすると、ＩＢ＝（Ｑｉｂ−Ｑｓ）／Ｑｓ×１００で表される。インバランス率ＩＢの絶対値が大きいほど、インバランス気筒のバランス気筒に対する燃料噴射量ずれが大きく、空燃比ばらつき度合いは大きい。
【００３５】
図３から理解されるように、インバランス率が大きいほど、すなわち気筒間空燃比のばらつき度合いが大きいほど、触媒前センサ１７の出力変動が大きくなる。つまり、インバランス率が大きいほど、排気通路における空燃比の変化が大きくなる。
【００３６】
よってこの特性に着目して、気筒間空然比ばらつき異常の検出が実行される。つまり、以下に説明されるように、エンジン１に搭載された気筒間空然比ばらつき異常検出装置２２では、触媒前センサ１７の出力つまり出力値に基づいて、空燃比の変化（または変動）を表す値（以下、出力変化量）を算出し、この値に基づいて気筒間空然比ばらつき異常の検出が実行される。なお、触媒前センサ１７の出力値は触媒前センサ１７を用いて検出された検出値に相当し、空燃比の変化を表す値は検出空燃比の変化率に応じた値に相当する。
【００３７】
以下に、本実施形態における空燃比の変化を表す値つまり出力変化量の導出の演算を説明する。図４は図３のＵ部に相当する拡大模式図であり、特に１エンジンサイクル内の触媒前センサ１７の出力値の変化を簡略的に示す。触媒前センサの出力値としては、ここでは触媒前センサ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、出力値として用いることも可能である。
【００３８】
図４（Ｂ）に示すように、ＥＣＵ２０は、１エンジンサイクル内において、所定時間間隔つまり所定周期τ（単位時間、例えば４ｍｓ）毎に、触媒前センサの出力値Ａ／Ｆを取得するように作動する。そして今回（最新）のタイミング（第２のタイミング）で取得した値Ａ／Ｆｎと、前回のタイミング（第１のタイミング）で取得した値Ａ／Ｆｎ−１との差ΔＡ／Ｆｎを次の（１）式により求める。この差ΔＡ／Ｆｎ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。
ΔＡ／Ｆn＝Ａ／Ｆn−Ａ／Ｆｎ−１ （１）
最も単純には、この差ΔＡ／Ｆｎ、好ましくはその絶対値が空燃比の変化を表す値つまり出力変化量を表す。変動度合いが大きくなるほど空燃比線図の傾きが大きくなり、差ΔＡ／Ｆｎの絶対値が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／Ｆｎまたはその絶対値を出力変化量とすることができる。
【００３９】
但し、本実施形態では精度向上のため、複数の差ΔＡ／Ｆの平均値に関する値を出力変化量とする。特に、本実施形態では、以下の説明から明らかなように、差ΔＡ／Ｆが正の場合と、負の場合とで、差ΔＡ／Ｆの平均値をそれぞれ求め、それにより出力変化量が求められる。要するに、触媒前センサ１７に関する出力値Ａ／Ｆは増加する場合と減少する場合とがあるので、これら各場合について上記差ΔＡ／Ｆおよびその平均値を求め、それらの各絶対値が出力変化量として用いられ得る。
【００４０】
なお、差ΔＡ／Ｆが正であるか負であるかは無視されてもよい。例えば、正負にかかわらず差ΔＡ／Ｆが求められ、それらの絶対値の平均値が、出力変化量として用いられることもできる。
【００４１】
図５には、インバランス率ＩＢ（％）と、出力変化量Ｘとの関係例を示す。図示されるように、インバランス率ＩＢと出力変化量Ｘとの間には強い相関関係があり、インバランス率ＩＢの絶対値が増加するほど出力変化量Ｘの絶対値も増加する傾向にある。
【００４２】
それ故、出力変化量Ｘ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可能である。すなわち、絶対値である出力変化量Ｘが所定の判定値以上であればばらつき異常ありと判定し、絶対値である出力変化量Ｘが所定の判定値未満であればばらつき異常なし、すなわち正常と判定することができる。
【００４３】
また、例えば、特に１気筒のみリッチずれの場合、当該１気筒に対応した排気ガスを触媒前センサが受けた時に触媒前センサ出力が急速にリッチ側に変化（すなわち急減）するので、触媒前センサ出力の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。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も可能である。なお、出力変化量Ｘを用いて気筒間空然比ばらつき異常があるか否かが判定され、かつ、触媒前センサ出力が減少したときのみに関する差ΔＡ／Ｆの絶対値の平均値と触媒前センサ出力が増加したときのみに関する差ΔＡ／Ｆの絶対値の平均値との比較に基づいてリッチずれかリーンずれかが判定されることもできる。
【００４４】
ところで、上記したように、ＥＣＵ２０は、特にＥＣＵ２０の取得手段の機能を担う部分は、所定時間間隔で触媒前センサ１７の出力を取得するように作動する。しかし、ＥＣＵ２０は、上記したように、燃料噴射制御、点火制御などの各制御手段の機能を担い、複数のタスクを並行して担い実行するので、複数のタスクが集中するタイミングでは、その処理負荷また演算負荷が過大になり、触媒前センサ１７の出力値の取得間隔が所定時間よりも長くなることがある。一例を、図６に基づいて説明する。
【００４５】
図６には、空燃比センサ（上記触媒前センサ１７に相当）の出力値の時間変化の２つの例が重ねて表されている。図６では、ＥＣＵの取得手段または取得部で取得された出力値が取得タイミングに対してプロットされている。ただし、図６の実験では、センサの出力の取得間隔が所定時間で一定になるように、センサの出力の取得が実行された。しかし、図６から明らかなように、この実験のエンジンでは、センサの出力の取得間隔にはばらつきがある。これは、実験で用いたエンジンのＥＣＵの処理能力が、ある時期では限界に達し、センサの出力を適切な時期に取得できなかったからである。
【００４６】
ここで、図６の例Ｉに着目すると、センサの出力値の取得期間Ｉａは所定時間よりも長く、その間で、例Ｉの出力値は大きく変化している。したがって、このような例Ｉでの期間Ｉａでの差ΔＡ／Ｆの絶対値は、当初期待されていた所定時間での差ΔＡ／Ｆの絶対値よりも大きくなる。したがって、この期間Ｉａでの差ΔＡ／Ｆが、所定時間での差ΔＡ／Ｆとして扱われることには問題がある。他方、図６の例ＩＩに着目すると、出力値が大きく変化している期間ＩＩｂは、実質的に所定時間であるので、その期間ＩＩｂの差ΔＡ／Ｆは、所定時間での差ΔＡ／Ｆとして扱われることができる。このように、ＥＣＵの性能によっては、時間つまりエンジン１のクランク角に応じて、センサの出力の取得間隔が変化してばらつく場合があり、それは、差ΔＡ／Ｆの算出に影響を与え得る。そこで、ここでは、その時々に適した補正を行うことで、差ΔＡ／Ｆが、当初期待されていた所定期間または所定時間における値となるようにし、それにより気筒間空然比ばらつき異常の検出精度を高めるようにする。
【００４７】
なお、このような出力値の取得間隔のばらつきは、ＥＣＵの処理能力を高めることで抑制することができる。しかし、ＥＣＵの処理能力を高めることは、コスト増大をもたらし得る。それ故、このような改善策は、コストの面でも優れるであろう。
【００４８】
ここで、本第１実施形態における、このような気筒間空燃比ばらつき異常の検出制御に関して、図７および図８のフローチャートを用いて説明する。なお図７のルーチンは、ＥＣＵ２０により所定の演算周期毎に繰り返し実行され得る。
【００４９】
ただし、以下に詳述される気筒間空然比ばらつき異常検出装置の制御は、以下の説明から明らかなようにＥＣＵ２０により実質的に実行される。そして、ＥＣＵ２０は、気筒間空然比ばらつき異常検出装置の取得手段、値算出手段および比較手段のそれぞれとして機能する複数の部分を有し、それら部分は相互に関連している。取得手段としての機能を担うＥＣＵ２０の部分は、所定時間間隔で排気通路に設けられた空燃比センサの出力を取得するように作動することができる。値算出手段としての機能を担うＥＣＵ２０の部分は、空燃比センサの出力値に基づいて、所定時間における空燃比の変化を表す値を、取得手段としての部分により取得された空燃比センサの出力値の取得タイミングに応じて補正しつつ、算出することができる。また、比較手段としての機能を担うＥＣＵ２０の部分は、気筒間空然比ばらつき異常の有無を判定するように、値算出手段としての部分により算出された値と判定用閾値とを比較することができる。
【００５０】
まず、図７のステップＳ７０１では、所定の前提条件が成立しているか否かが判定される。例えば、所定の前提条件には、排気空燃比が所定の空燃比に追従するように上記空燃比フィードバック制御が実行されていることが含まれるとよい。この場合、所定の空燃比は、好ましくは、理論空燃比つまりストイキである。なお、所定の前提条件が成立していることは、図８の演算が行われるとき、特に、触媒前センサの出力取得のときのみに少なくとも満たされているとよい。
【００５１】
より具体的には、本第１実施形態のステップＳ７０１では、例えば次の（条件ａ）から（条件ｅ）が全て成立したときに、所定の前提条件が成立したと判定される。
（条件ａ）エンジンの暖機が終了している。ＥＣＵ２０は、水温センサ（図示せず）を用いて検出された水温が所定値（例えば７５℃）を越えているとき暖機終了と判断する。またエンジンオイルの温度を検出するための油温センサを設け、検出された油温が所定値を越えているとき暖機終了と判断してもよい。
（条件ｂ）触媒前センサ１７および触媒後センサ１８が活性化している。ＥＣＵ２０は、両センサの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、両センサが活性化していると判断する。
（条件ｃ）上流触媒コンバータ１１および下流触媒コンバータ１９のそれぞれの触媒が活性化している。ＥＣＵ２０は、エンジン運転状態に基づき推定した上流触媒コンバータ１１の触媒の温度および下流触媒コンバータ１９の触媒の温度がそれぞれ所定の活性温度相当の値になっているとき、両触媒が活性化したと判断する。
（条件ｄ）エンジンが定常運転中である。ＥＣＵ２０は、エンジン回転速度と負荷の所定時間内の変動幅が所定値以内のとき、エンジンが定常運転中と判断する。
（条件ｅ）通常の上記空燃比フィードバック制御が実行中である。通常の空燃比フィードバック制御実行時は、ここでは、排気ガスの空燃比がストイキ近傍に制御されるように、空燃比フィードバック制御が実行されているときである。
【００５２】
ステップＳ７０１で、所定の前提条件が成立しているので、肯定判定されると、ステップＳ７０３で、後述される図８に基づく出力変化量算出制御により、出力変化量Ｘが算出される。この出力変化量Ｘは、上記説明から理解され得るように、所定時間における触媒前センサ１７の出力の変化を表した値である。
【００５３】
そして、ステップＳ７０５で、ステップＳ７０３で算出された出力変化量Ｘが、予め定められている判定用閾値と比較される。なお、この閾値に相当するラインの一例が、図５では、点線で表されている。出力変化量が閾値未満である場合には、ステップＳ７０５で否定判定されて、該ルーチンは終了する。これは、出力変化量が小さいので、気筒間空然比ばらつき異常が検出されなかった、つまり、正常であると判定されたことを意味する。
【００５４】
これに対して、ステップＳ７０５で出力変化量が閾値以上であるので肯定判定された場合には、ステップＳ７０７で異常と判定するように、異常フラグがＯＮにされる。その結果、本実施形態では、運転席のフロントパネルなどに設けられ得る、図示しない警告ランプが点灯される。これにより、運転者などは、エンジン１の点検、修理などを行うことを促される。なお、異常フラグは初期状態では、ＯＦＦにされている。
【００５５】
さて、図８のフローチャートに基づいて、触媒前センサ１７の出力値に基づく出力変化量の算出に関して説明する。
【００５６】
上記したように、ＥＣＵ２０は、所定時間間隔ごとに、つまり、所定時間が経過するごとに、触媒前センサ１７の出力の取得が実行されるように、構築されている。このセンサ出力取得の所定時間間隔は例えば４ｍｓに設定される。しかし、この所定時間は４ｍｓ以外であってもよく、例えば、４ｍｓから１０ｍｓの間の任意の時間に設定される。より具体的には、クランク角に関連付けて、さらにエンジン回転速度にも関連付けて、センサ１７の出力を取得するように、ＥＣＵ２０は作動する。そして、取得された触媒前センサ１７の出力値Ａ／Ｆは、クランク角およびエンジン回転速度に関連付けて記憶される。
【００５７】
ステップＳ８０１では、今回の（最新の）出力値Ａ／Ｆｎと、それまでに取得されて記憶されている前回の出力値Ａ／Ｆｎ−１との差ΔＡ／Ｆｎが、上記（１）式に基づいて算出される。
【００５８】
そして、ステップＳ８０３では、補正係数が算出される。補正係数の算出は、図９のグラフに基づいて算出される。特に、ステップＳ８０３では、今回取得された出力値Ａ／Ｆｎに関連付けて記憶されているエンジン回転速度およびクランク角に基づいて図９のグラフに表すようなデータを検索することで、補正係数が算出される。
【００５９】
図９のグラフは、あるエンジン回転速度でのクランク角と補正係数との関係を表したグラフであり、実験に基づいて作成されて予めＥＣＵ２０に記憶されている。図９のグラフのクランク角は、所定の気筒のクランク角として表されていて、例えば＃１気筒のクランク角に相当する。そして、図９のグラフは、同様に実験に基づいて得られた図１０のグラフと相関関係にある。図１０のグラフは、図９と同じ、あるエンジン回転速度でのクランク角とセンサの出力値の平均取得間隔との関係を表したグラフである。図１０のグラフの横軸は、図９の横軸と同様に、所定の気筒のクランク角に相当する。図１０のグラフの縦軸は、複数のエンジンサイクルでの各クランク角での触媒前センサ１７の出力値の取得間隔の平均であり、その各取得間隔は、そのクランク角でのセンサの出力値の取得タイミングとその直前のセンサの出力値の取得タイミングとの間隔または時間差（例えばＡ／Ｆｎの取得タイミングとＡ／Ｆｎ−１の取得タイミングとの時間差）である。
【００６０】
図１０のグラフから、エンジン１では、クランク角が、０°（つまり７２０°）、１８０°、３６０°、５４０°のときに出力値の取得間隔が長いことが分かる。この取得間隔は、上記したセンサ出力取得の所定時間間隔（例えば４ｍｓ）よりも長い。これは、エンジン１が、直列４気筒エンジンであり、クランク角が０°から１８０°おきに、いずれかの気筒でピストンが圧縮上死点にあることに対応する。つまり、クランク角が１８０°進むごとに、エンジン１では、燃料噴射制御や点火時期制御などによりＥＣＵ２０での処理負荷が大きくなり、センサの出力値の取得を適切に行えないという傾向がある。なお、図１０のグラフの場合、そのように長い取得間隔を要した出力値の取得の直後の出力値の取得タイミングは、直近の出力値の取得タイミングに対して短い間隔を要する。この取得間隔はセンサ出力取得の所定時間間隔（例えば４ｍｓ）よりも短い。これは、ＥＣＵ２０の負荷がそのときに大きくなく、センサ出力取得の要求に対してその処理が直ぐに実行されたからである。
【００６１】
これに対して、図９では、センサの出力値の取得間隔と上記したセンサ出力取得の所定時間（間隔）との差が長くなるほど補正量が大きくなるように、補正係数がクランク角に対して設定されている。このような、クランク角と補正係数との関係は、ステップＳ８０１で算出された差ΔＡ／Ｆｎが、上記したセンサ出力取得の所定時間間隔（例えば４ｍｓ）つまり所定時間における値として扱うことが許容されるように、実験により定められ得る。なお、図９のグラフは、エンジン回転速度と、クランク角と、補正係数との関係を表した三次元のグラフまたはマップである。エンジン回転速度が関係するのは、エンジン回転速度により、例えば、排気の触媒前センサ１７の出力への影響や、ＥＣＵ２０の処理負荷の程度が変化し得るからである。
【００６２】
ステップＳ８０３で補正係数が算出されると、ステップＳ８０５で、ステップＳ８０１で算出された差ΔＡ／ＦとステップＳ８０３で算出された補正係数とをかけることで、補正後ΔＡ／Ｆ（＝ΔＡ／Ｆ×補正係数）が算出される。
【００６３】
このようにして求められた補正後ΔＡ／Ｆが正であるか否かがステップＳ８０７で算出される。ステップＳ８０７で、補正後ΔＡ／Ｆが正であるので肯定判定されると、ステップＳ８０９で補正後ΔＡ／Ｆが、正の補正後ΔＡ／Ｆに関する最大値（正の最大値）ｐｍよりも大きいか否かが判定される。そして、ステップＳ８０９で肯定判定されると、ステップＳ８１１で、ステップＳ８０５で算出された補正後ΔＡ／Ｆで正の最大値ｐｍが書き換えられて更新される。なお、正の最大値ｐｍは初期状態ではゼロに設定されている。
【００６４】
他方、ステップＳ８０７で、補正後ΔＡ／Ｆが正でない（概略的に負である）ので否定判定されると、ステップＳ８１３で、ステップＳ８０５で算出された補正後ΔＡ／Ｆの絶対値が負の補正後ΔＡ／Ｆの絶対値に関する最大値（負の最大値）ｎｍよりも大きいか否かが判定される。そして、ステップＳ８１３で肯定判定されると、ステップＳ８１５で、ステップＳ８０５で算出された補正後ΔＡ／Ｆの絶対値で負の最大値ｎｍが書き換えられて更新される。なお、負の最大値ｎｍは初期状態ではゼロに設定されている。
【００６５】
そして、ステップＳ８１７で、クランク角ＣＡが０°（つまり７２０°）であるか否かが判定される。なお、ステップＳ８１７でのクランク角は、図９のグラフのクランク角と同様に、所定の気筒のクランク角であり、例えば＃１気筒のクランク角である。ステップＳ８１７で肯定されると次のステップＳ８２１が実行されるが、ステップＳ８１７で否定判定されると該ルーチンは終了して、その結果ステップＳ８０１に戻り、上記演算が繰り返される。したがって、所定の気筒のクランク角が７２０°進むまで、上記ステップＳ８０１〜Ｓ８１７が繰り返し実行されて、上記値ｐｍ、ｎｍがそれぞれ求められる。
【００６６】
ステップＳ８１７で肯定判定されると、次のステップＳ８１９で、初期状態ではゼロに設定されているカウンタ値Ｃに１が加算される。そして、次のステップＳ８２１では、それまでの正の最大値ｐｍの積算値ｐｍｓｕｍに最新の正の最大値ｐｍが加算されて、正の最大値の積算値ｐｍｓｕｍが更新される。同様に、ステップＳ８２１では、さらに、それまでの負の最大値ｎｍの積算値ｎｍｓｕｍに最新の負の最大値ｎｍが加算されて、負の最大値の積算値ｎｍｓｕｍが更新される。なお、初期状態では、正の最大値の積算値ｐｍｓｕｍおよび負の最大値の積算値ｎｍｓｕｍはそれぞれゼロに設定されている。
【００６７】
次ぐステップＳ８２３では、正の最大値ｐｍおよび負の最大値ｎｍがそれぞれゼロリセットされる。そして、ステップＳ８２５ではカウンタＣが所定値Ｎを超えているか否かが判定される。なお、所定値Ｎは０であってもよく、また任意の正の整数であってもよい。ステップＳ８２５で否定判定されると、該ルーチンは終了し、その結果上記ステップＳ８０１からＳ８２３が繰り返される。
【００６８】
ステップＳ８２５で肯定判定されると、正の最大値の積算値ｐｍｓｕｍをカウンタ値Ｃで除することにより算出される正の最大値の平均値（＝ｐｍｓｕｍ／Ｃ）と、負の最大値の積算値ｎｍｓｕｍをカウンタ値Ｃで除することにより算出される負の最大値の平均値（＝ｎｍｓｕｍ／Ｃ）とが比較されて、これらのうちの大きい方が、出力変化量Ｘに設定される。
【００６９】
そして、ステップＳ８３１で、カウンタ値Ｃ、正の最大値の積算値ｐｍｓｕｍおよび負の最大値の積算値ｎｍｓｕｍがそれぞれゼロリセットされる。
【００７０】
以上述べたように、所定時間の間、触媒前センサ１７の出力値Ａ／Ｆが取得されて、これら出力値Ａ／Ｆに基づいて、所定時間における空燃比の変化を表す値としての出力変化量Ｘが算出される。この算出された出力変化量Ｘは、上記したように、ステップＳ７０５で閾値と比較されて、それにより、気筒間空然比ばらつき異常の検出が行われる。
【００７１】
なお、第１実施形態では、補正係数は、エンジン回転速度と、クランク角との両方に基づいて、算出されたが、これらの少なくとも一方、特にクランク角に基づいて算出されてもよい。つまり、上記補正は、クランク角およびエンジン回転速度の少なくとも一方、例えばクランク角に応じて実行行われ得る。
【００７２】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態のエンジンの構成は、概ね上記第１実施形態のエンジン１の構成と同じであるので、ここでは上記説明に用いた符号を同様に用いることで、第２実施形態のエンジンの構成の説明は省略される。
【００７３】
第２実施形態のエンジンに適用された、気筒間空然比ばらつき異常検出装置は、上記したような補正に関して、上記第１実施形態の気筒間空然比ばらつき異常検出装置２２に対して異なる点を有する。以下に、その特徴部分のみを説明し、その他の重複する説明は省略される。
【００７４】
第２実施形態の気筒間空然比ばらつき異常検出装置では、触媒前センサ１７の出力値が変曲点を有するように変化したとき、この変曲点に関連する所定期間では、上記したような所定時間における空燃比の変化を表す値を算出する際の補正を行わない。つまりそのようなとき、そのような補正は禁止される。
【００７５】
例えば図１１（Ａ）に示すように、触媒前センサ１７の出力値の取得間隔が所定時間間隔つまり一定の間隔である場合、上記（１）式に基づいて算出される差ΔＡ／Ｆは、センサ１７の出力値の変化傾向を適切に反映したものである。これに対して、例えば図１１（Ｂ）に示すように、触媒前センサ１７の出力値の取得間隔がばらついている場合、上記（１）式に基づいて単に算出される差ΔＡ／Ｆは、センサ１７の出力値の変化傾向を適切に反映したものではないので、上記第１実施形態で述べたような補正を行うことが考えられる。しかし、図１１（Ｂ）の期間ＩＩＩｃのようなピーク付近つまり変曲点付近の期間では、出力値Ａ／Ｆの変化幅つまり差ΔＡ／Ｆの絶対値がそもそも大きいので、上記したように補正をすると（補正係数の設定にもよるが）、図１１に点線で示すように補正後ΔＡ／Ｆの絶対値が過度に大きくなり、かえって補正後ΔＡ／Ｆは実情から逸脱した値になる可能性がある。そこで、本第２実施形態では、センサ１７の出力値が変曲点を有するように変化したとき、この変曲点に関連する所定期間（例えば図１１の期間ＩＩＩｃを含む。）では、上記したように算出される差ΔＡ／Ｆに対する上記したような補正の実行は禁止される。なお、この補正の禁止は、ＥＣＵ２０の禁止手段の機能を担う部分によって実行される。
【００７６】
第２実施形態の気筒間空然比ばらつき異常検出装置における出力変化量の算出を図１２のフローチャートに基づいて説明する。ただし、図１２のステップＳ１２０１、Ｓ１２０７〜Ｓ１２３３は、それぞれ、図８のステップＳ８０１〜Ｓ８２９に相当するので、これらの重複説明は省略される。なお、図１２のフローチャートに基づく出力変化量Ｘの算出は上記図７のステップＳ７０３に相当し、その出力変化量ＸはステップＳ７０５で閾値と比較されて、気筒間空然比ばらつき異常の検出が実行される。
【００７７】
ステップＳ１２０１で、差ΔＡ／Ｆｎ、ΔＡ／Ｆｎ−１、およびΔＡ／Ｆｎ−２が算出または読み込まれる。差ΔＡ／Ｆｎは、今回新たに取得した値Ａ／Ｆｎから直近に取得して記憶されている値Ａ／Ｆｎ−１を引いた値である。これに対して、差ΔＡ／Ｆｎ−１は、直近に取得した値Ａ／Ｆｎ−１からさらにその直前に取得して記憶されている値Ａ／Ｆｎ−２を引いた値である。さらに、差ΔＡ／Ｆｎ−２は、その前に取得した値Ａ／Ｆｎ−２からさらにその直前に取得して記憶している値Ａ／Ｆｎ−３を引いた値である。それ故に、差ΔＡ／Ｆｎ−１および差ΔＡ／Ｆｎ−２は、それぞれ、直近に算出された差ΔＡ／Ｆｎおよび差ΔＡ／Ｆｎ−１を読み込むことで、算出されてもよい。
【００７８】
次ぐステップＳ１２０３では、触媒前センサ１７の出力値が変曲点を有するように変化したか否かが判定される。これは、以下の演算を行うことで実行される。なお、この演算は、以下に説明される演算であることに限定されず、この演算として当業者が考え得るあらゆる演算が適用され得る。
【００７９】
ステップＳ１２０３では、以下の条件（条件ｆ、条件ｇ）の少なくともいずれかが成立するとき、触媒前センサ１７の出力値が変曲点を有するように変化したと判定される。なお、以下の２つの条件は、曲線の変曲点の特性に着目して定められている。
（条件ｆ）差ΔＡ／Ｆｎと差ΔＡ／Ｆｎ−１との積がゼロ未満つまり負である。
（条件ｇ）差ΔＡ／Ｆｎ−１が所定値未満であり、かつ、差ΔＡ／Ｆｎ−２と差ΔＡ／Ｆｎとの積がゼロ未満つまり負である。なお、所定値は、センサ出力取得の所定間隔が例えば４ｍｓである場合、０．００５に相当する値であり得る。
【００８０】
そして、ステップＳ１２０３で肯定判定されると、ステップＳ１２０５で補正係数が１にされ、ステップＳ１２０９で上記ステップＳ８０５と同様に補正後ΔＡ／Ｆが算出される。つまり、このように、触媒前センサ１７の出力値が変曲点を有するように変化したとき、補正は実行されず、禁止される。
【００８１】
これに対して、ステップＳ１２０３で触媒前センサ１７の出力値が変曲点を有するように変化していないとして否定判定されると、ステップＳ１２０７で上記ステップＳ８０３と同様に補正係数が算出されて、ステップＳ１２０９で補正後ΔＡ／Ｆが算出される。
【００８２】
本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、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。
【符号の説明】
【００８３】
１ 内燃機関（エンジン）
１１ 上流触媒コンバータ
１２ インジェクタ
１７ 触媒前センサ（空燃比センサ）
２０ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）
２２ 気筒間空然比ばらつき異常検出装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の気筒を有する内燃機関における気筒間空燃比ばらつき異常検出装置であって、
所定時間間隔で排気通路に設けられた空燃比センサの出力を取得するように作動する取得手段と、
該取得手段によって取得された前記空燃比センサの出力値に基づいて、前記所定時間における空燃比の変化を表す値を、前記取得手段による前記空燃比センサの出力値の取得タイミングに応じて補正しつつ、算出する値算出手段と、
気筒間空然比ばらつき異常の有無を判定するように、前記値算出手段により算出された値と判定用閾値とを比較する比較手段と
を備えた、気筒間空燃比ばらつき異常検出装置。
【請求項２】
前記値算出手段は、前記所定時間における空燃比の変化を表す値を、前記取得手段による前記空燃比センサの出力値の取得間隔に応じて補正しつつ、算出する、
請求項１に記載の気筒間空燃比ばらつき異常検出装置。
【請求項３】
前記値算出手段は、
前記取得手段による前記空燃比センサの出力値の取得間隔と前記所定時間との差が長くなるほど、補正量を大きくする、
請求項２に記載の気筒間空然比ばらつき異常検出装置。
【請求項４】
前記取得手段は、前記内燃機関のクランク角に関連付けて、前記空燃比センサの出力を取得するように作動し、
前記値算出手段は、クランク角に応じた補正を行いつつ、前記所定時間における空燃比の変化を表す値を算出する、
請求項１から３のいずれかに記載の気筒間空然比ばらつき異常検出装置。
【請求項５】
前記取得手段は、エンジン回転速度に関連付けて、前記空燃比センサの出力を取得するように作動し、
前記値算出手段は、エンジン回転速度に応じた補正を行いつつ、前記所定時間における空燃比の変化を表す値を算出する、
請求項４に記載の気筒間空然比ばらつき異常検出装置。
【請求項６】
前記取得手段によって取得された前記空燃比センサの出力値が変曲点を有するように変化したとき、該変曲点に関連する所定期間では、前記所定時間における空燃比の変化を表す値を算出する際の前記補正を禁止する禁止手段をさらに備える、
請求項１から５のいずれかに記載の気筒間空燃比ばらつき異常検出装置。
【請求項１】
複数の気筒を有する内燃機関における気筒間空燃比ばらつき異常検出装置であって、
所定時間間隔で排気通路に設けられた空燃比センサの出力を取得するように作動する取得手段と、
該取得手段によって取得された前記空燃比センサの出力値に基づいて、前記所定時間における空燃比の変化を表す値を、前記取得手段による前記空燃比センサの出力値の取得タイミングに応じて補正しつつ、算出する値算出手段と、
気筒間空然比ばらつき異常の有無を判定するように、前記値算出手段により算出された値と判定用閾値とを比較する比較手段と
を備えた、気筒間空燃比ばらつき異常検出装置。
【請求項２】
前記値算出手段は、前記所定時間における空燃比の変化を表す値を、前記取得手段による前記空燃比センサの出力値の取得間隔に応じて補正しつつ、算出する、
請求項１に記載の気筒間空燃比ばらつき異常検出装置。
【請求項３】
前記値算出手段は、
前記取得手段による前記空燃比センサの出力値の取得間隔と前記所定時間との差が長くなるほど、補正量を大きくする、
請求項２に記載の気筒間空然比ばらつき異常検出装置。
【請求項４】
前記取得手段は、前記内燃機関のクランク角に関連付けて、前記空燃比センサの出力を取得するように作動し、
前記値算出手段は、クランク角に応じた補正を行いつつ、前記所定時間における空燃比の変化を表す値を算出する、
請求項１から３のいずれかに記載の気筒間空然比ばらつき異常検出装置。
【請求項５】
前記取得手段は、エンジン回転速度に関連付けて、前記空燃比センサの出力を取得するように作動し、
前記値算出手段は、エンジン回転速度に応じた補正を行いつつ、前記所定時間における空燃比の変化を表す値を算出する、
請求項４に記載の気筒間空然比ばらつき異常検出装置。
【請求項６】
前記取得手段によって取得された前記空燃比センサの出力値が変曲点を有するように変化したとき、該変曲点に関連する所定期間では、前記所定時間における空燃比の変化を表す値を算出する際の前記補正を禁止する禁止手段をさらに備える、
請求項１から５のいずれかに記載の気筒間空燃比ばらつき異常検出装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−１００７５９（Ｐ２０１３−１００７５９Ａ）
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４４４４０（Ｐ２０１１−２４４４４０）
【出願日】平成２３年１１月８日（２０１１．１１．８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２３日（２０１３．５．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月８日（２０１１．１１．８）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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