JP5297508B2 - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数気筒を有する内燃機関の空燃比制御装置に関し、特に複数気筒のそれぞれに対応する空燃比が許容限度を超えてばらつくインバランス故障を判定する機能を有する空燃比制御装置に関する。

特許文献１には、機関排気系に設けられた空燃比センサの出力信号に基づいてインバランス故障を判定する機能を有する空燃比制御装置が示されている。この装置によれば、
機関運転中に空燃比を所定周波数で振動させる空燃比振動制御を実行し、その制御実行中における空燃比センサ出力信号に含まれる０．５次周波数成分強度を、所定周波数成分強度で除算することにより得られる比率パラメータを用いて、インバランス故障が判定される。０．５次周波数成分は、機関の回転速度に対応する周波数の１／２の周波数成分であり、インバランス故障が発生すると、この０．５次周波数成分の強度が増加し、インバランス度合が増加するほど比率パラメータの値が増加する。したがって、比率パラメータと所定閾値とを比較することによって、インバランス故障を判定することができる。

特開２０１１−１４４７５４号公報

特許文献１に示された装置では、空燃比振動制御における空燃比の振動振幅は一定値に固定されるため、実際の空燃比のインバランス度合によって、判定精度が低下するという課題がある。空燃比のインバランスは、例えば気筒毎に設けられる燃料噴射弁の何れかの故障によって発生する。したがって、例えばインバランス度合は、１つ燃料噴射弁の燃料噴射量の、正常値からのずれ率で表すことができる。

図１３（ａ）はこの課題を説明するための図であり、図の横軸は判定回数ＮＤＥＴに対応し、縦軸は比率パラメータＲＴに対応する。データ群ＤＧ１は空燃比ばらつきが全く無い状態に対応し、データ群ＤＧ２は１気筒の燃料噴射量が１０％ずれた低インバランス状態に対応し、データ群ＤＧ３は１気筒の燃料噴射量が４０％ずれた高インバランス状態に対応する。データ群ＤＧ１及びＤＧ２では、比率パラメータＲＴのばらつき幅は比較的狭いのに対し、データ群ＤＧ３ではばらつき幅が非常に大きくなっている。したがって、この図に示す例では、高インバランス状態での比率パラメータＲＴの精度が低下し、誤判定が発生する可能性が高くなる。なお、図１３（ａ）に示すデータ群ＤＧ１及びＤＧ２は、黒く塗りつぶされたように示されているが、これは得られたデータが集中していることを示している。

本発明はこの点に着目してなされたものであり、空燃比振動制御における空燃比の振動振幅を適切に設定し、空燃比のインバランス度合にかかわらず正確なインバランス故障判定を行うことができる空燃比制御装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、複数気筒を有する内燃機関の排気通路において空燃比を検出する空燃比検出手段（１５）を備える内燃機関の空燃比制御装置において、前記機関の回転速度（ＮＥ）に対応する周波数の１／２の周波数である０．５次周波数（ｆＩＭＢ）とは異なる設定周波数（ｆ１）で前記空燃比を振動させるための振動信号を生成する振動信号生成手段と、前記振動信号に応じて前記空燃比を振動させる空燃比振動手段と、前記空燃比検出手段の出力信号（ＳＬＡＦ）に含まれる前記０．５次周波数成分の強度（ＭＩＭＢ）を算出する０．５次周波数成分強度算出手段と、前記空燃比振動手段の作動中に、前記空燃比検出手段の出力信号に含まれる前記設定周波数成分の強度（ＭＰＴｆ１）を算出する設定周波数成分強度算出手段と、前記０．５次周波数成分強度（ＭＩＭＢ）と、前記設定周波数成分強度（ＭＰＴｆ１）とに応じて前記複数気筒のそれぞれに対応する空燃比のインバランス度合を判定するための判定パラメータ（ＲＳＲＣ）を算出する判定パラメータ算出手段と、前記判定パラメータ（ＲＳＲＣ）を用いて、前記空燃比のインバランス度合が許容限度を超えているインバランス故障を判定するインバランス故障判定手段と、前記インバランス度合の予測値である予測インバランス値（ＲＳＲＣ，ＵＡＤＰ）を算出する予測インバランス値算出手段と、前記予測インバランス値（ＲＳＲＣ，ＵＡＤＰ）に応じて前記振動信号の振幅（ＤＡＦ）を設定する振幅設定手段とを備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置において、前記振幅設定手段は、前記予測インバランス値（ＲＳＲＣ，ＵＡＤＰ）が大きいほど前記振動信号の振幅（ＤＡＦ）をより大きな値に設定することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の内燃機関の空燃比制御装置において、前記判定パラメータ算出手段は、前記設定周波数成分強度（ＭＰＴｆ１）に対する前記０．５次周波数成分強度（ＭＩＭＢ）の比率（ＲＴ）に前記振動信号の振幅（ＤＡＦ）を乗算することにより、前記判定パラメータ（ＲＳＲＣ）を算出することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１からの３の何れか１項に記載の内燃機関の空燃比制御装置において、前記予測インバランス値算出手段は、前記設定周波数成分強度（ＭＰＴｆ１）に対する前記０．５次周波数成分強度（ＭＩＭＢ）の比率（ＲＴ）に前記振動信号の振幅（ＤＡＦ）を乗算した値が大きいほど、前記予測インバランス値（ＲＳＲＣ，ＵＡＤＰ）が大きくなるように前記予測インバランス値の算出を行うことを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１から３の何れか１項に記載の内燃機関の空燃比制御装置において、前記排気通路には排気浄化触媒（１４）が設けられ、前記空燃比検出手段（１５）は前記排気浄化触媒の上流側に配置される上流側空燃比検出手段であり、前記排気浄化触媒（１４）の下流側には下流側空燃比検出手段（１６）が設けられており、前記下流側空燃比検出手段の検出値（ＶＯ２）が下流側目標値（ＶＯ２ＴＲＧＴ）と一致するように、制御偏差を示すパラメータ（σ）の積分制御項（ＵＡＤＰ）を用いて目標空燃比（ＫＣＭＤ）を設定する第１フィードバック制御手段と、前記上流側空燃比検出手段（１５）による検出空燃比（ＫＡＣＴ）が前記目標空燃比（ＫＣＭＤ）と一致するように前記機関で燃焼する混合気の空燃比を制御する第２フィードバック制御手段とを備え、前記予測インバランス値算出手段は、前記積分制御項（ＵＡＤＰ）が大きいほど前記予測インバランス値（ＵＡＤＰ）が大きくなるように前記予測インバランス値の算出を行うことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、０．５次周波数とは異なる設定周波数で空燃比を振動させるための振動信号を用いて空燃比振動制御が実行され、空燃比振動制御実行中に、空燃比検出手段の出力信号に含まれる設定周波数成分の強度が算出されるとともに、空燃比検出手段の出力信号に含まれる０．５次周波数成分の強度が算出される。そして、０．５次周波数成分強度及び設定周波数成分強度に応じて複数気筒のそれぞれに対応する空燃比のインバランス度合を判定するための判定パラメータが算出され、この判定パラメータを用いて、インバランス度合が許容限度を超えているインバランス故障が判定される。さらにインバランス度合の予測値である予測インバランス値が算出され、振動信号の振幅が予測インバランス値に応じて設定される。予測されるインバランス度合に応じて振動信号の振幅を適切に設定することにより、実際のインバランス度合に適した振幅で空燃比振動制御を行うことができ、空燃比のインバランス度合にかかわらず正確な判定を行うことが可能となる。

請求項２に記載の発明によれば、予測インバランス値が大きいほど振動信号の振幅がより大きな値に設定される。インバランス度合が大きいほど振幅を大きな値に設定することにより、算出される判定パラメータのばらつき幅が減少し、判定精度が高くなることが確認されており、インバランス度合にかかわらず正確にインバランス故障判定を行うことができる。

請求項３に記載の発明によれば、設定周波数成分強度に対する０．５次周波数成分強度の比率に振動信号の振幅を乗算することにより、判定パラメータが算出される。振動信号振幅を乗算することによって、設定周波数成分強度に含まれる振幅の大きさに依存する成分が相殺され、判定精度を高めることができる。

請求項４に記載の発明によれば、設定周波数成分強度に対する０．５次周波数成分強度の比率に振動信号の振幅を乗算した値が大きいほど、予測インバランス値が大きくなるように算出される。すなわち、予測インバランス値は判定パラメータの演算処理と同一若しくは類似の演算処理で算出されるので、故障判定処理が複雑化することを防止できる。

請求項５に記載の発明によれば、下流側空燃比検出手段の検出値が下流側目標値と一致するように、制御偏差を示すパラメータの積分制御項を用いて目標空燃比が設定されるとともに、上流側空燃比検出手段による検出空燃比が目標空燃比と一致するように燃焼混合気の空燃比が制御され、積分制御項が大きいほど予測インバランス値が大きくなるように算出される。空燃比のインバランス度合が大きくなるほど積分制御項が増加することが確認されているので、積分制御項が大きいほど予測インバランス値が大きくなるように算出することにより、インバランス度合の正確な予測値が得られる。また、判定パラメータの算出手法とは異なる手法で予測インバランス値が算出されるので、外乱や部品交換などの影響で判定パラメータの誤差が一時的に増加するような場合でも、振動信号振幅の設定を適切に行い、判定精度の低下を抑制できる。

本発明の第１の実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。 空燃比振動制御を行う処理のフローチャートである。 インバランス故障判定処理のフローチャートである（第１の実施形態）。 図３の処理で参照されるテーブルを示す図である。 図３の処理の変形例を示すフローチャートである。 本発明の第２の実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。 通常の空燃比制御において目標当量比（ＫＣＭＤ）を算出する処理のフローチャートである。 図７の処理で算出される適応則制御入力（ＵＡＤＰ）の推移を示すタイムチャートである。 比例型酸素濃度センサの検出特性を示す図である。 インバランス故障判定処理のフローチャートである（第２の実施形態）。 図１０の処理で参照されるテーブルを示す図である。 図２の処理の変形例を示すフローチャートである。 従来技術の課題及び本発明の効果を説明するための図である。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
［第１の実施形態］
図１は、本発明の一実施形態にかかる内燃機関（以下「エンジン」という）及びその空燃比制御装置の全体構成図であり、例えば４気筒のエンジン１の吸気管２の途中にはスロットル弁３が配されている。スロットル弁３にはスロットル弁開度ＴＨを検出するスロットル弁開度センサ４が連結されており、その検出信号は電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）５に供給される。

燃料噴射弁６はエンジン１とスロットル弁３との間かつ吸気管２の図示しない吸気弁の少し上流側に各気筒毎に設けられており、各噴射弁は図示しない燃料ポンプに接続されていると共にＥＣＵ５に電気的に接続されて当該ＥＣＵ５からの信号により燃料噴射弁６の開弁時間が制御される。

スロットル弁３の上流側には吸入空気流量ＧＡＩＲを検出する吸入空気流量センサ７が設けられている。またスロットル弁３の下流側には吸気圧ＰＢＡを検出する吸気圧センサ８、及び吸気温ＴＡを検出する吸気温センサ９が設けられている。これらのセンサの検出信号は、ＥＣＵ５に供給される。エンジン１の本体には、エンジン冷却水温ＴＷを検出する冷却水温センサ１０が装着されており、その検出信号はＥＣＵ５に供給される。

ＥＣＵ５には、エンジン１のクランク軸（図示せず）の回転角度を検出するクランク角度位置センサ１１が接続されており、クランク軸の回転角度に応じた信号がＥＣＵ５に供給される。クランク角度位置センサ１１は、エンジン１の特定の気筒の所定クランク角度位置でパルス（以下「ＣＹＬパルス」という）を出力する気筒判別センサ、各気筒の吸入行程開始時の上死点（ＴＤＣ）に関し所定クランク角度前のクランク角度位置で（４気筒エンジンではクランク角１８０度毎に）ＴＤＣパルスを出力するＴＤＣセンサ及びＴＤＣパルスより短い一定クランク角周期（例えば６度周期）で１パルス（以下「ＣＲＫパルス」という）を発生するＣＲＫセンサから成り、ＣＹＬパルス、ＴＤＣパルス及びＣＲＫパルスがＥＣＵ５に供給される。これらのパルスは、燃料噴射時期、点火時期等の各種タイミング制御、エンジン回転数（エンジン回転速度）ＮＥの検出に使用される。

排気通路１３には三元触媒１４が設けられている。三元触媒１４は、酸素蓄積能力を有し、エンジン１に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりリーン側に設定され、排気中の酸素濃度が比較的高い排気リーン状態では、排気中の酸素を蓄積し、逆にエンジン１に供給される混合気の空燃比が理論空燃比よりリッチ側に設定され、排気中の酸素濃度が低く、ＨＣ、ＣＯ成分が多い排気リッチ状態では、蓄積した酸素により排気中のＨＣ，ＣＯを酸化する機能を有する。

三元触媒１４の上流側であって各気筒に連通する排気マニホールドの集合部より下流側には、比例型酸素濃度センサ１５（以下「ＬＡＦセンサ１５」という）が装着されており、このＬＡＦセンサ１５は排気中の酸素濃度（空燃比）にほぼ比例した検出信号を出力し、ＥＣＵ５に供給する。

ＥＣＵ５には、エンジン１により駆動される車両のアクセルペダルの踏み込み量（以下「アクセルペダル操作量」という）ＡＰを検出するアクセルセンサ２１及び当該車両の走行速度（車速）ＶＰを検出する車速センサ２２が接続されており、それらセンサの検出信号がＥＣＵ５に供給される。スロットル弁３は図示しないアクチュエータにより開閉駆動され、スロットル弁開度ＴＨはアクセルペダル操作量ＡＰに応じてＥＣＵ５により制御される。
なお、図示は省略しているが、エンジン１には周知の排気還流機構が設けられている。

ＥＣＵ５は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）、該ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路、燃料噴射弁６に駆動信号を供給する出力回路を備えている。

ＥＣＵ５のＣＰＵは、上述の各種センサの検出信号に基づいて、種々のエンジン運転状態を判別するとともに、該判別されたエンジン運転状態に応じて、次式（１）を用いて、ＴＤＣパルスに同期して開弁作動する燃料噴射弁６の燃料噴射時間ＴＯＵＴを演算する。燃料噴射時間ＴＯＵＴは、噴射される燃料量にほぼ比例するので、以下「燃料噴射量ＴＯＵＴ」という。
ＴＯＵＴ＝ＴＩＭ×ＫＣＭＤ×ＫＡＦ×ＫＴＯＴＡＬ （１）

ここに、ＴＩＭは基本燃料量、具体的には燃料噴射弁６の基本燃料噴射時間であり、吸入空気流量ＧＡＩＲに応じて設定されたＴＩＭテーブルを検索して決定される。ＴＩＭテーブルは、エンジンにおいて燃焼する混合気の空燃比ＡＦがほぼ理論空燃比になるように設定されている。

ＫＣＭＤはエンジン１の運転状態に応じて設定される目標空燃比係数である。目標空燃比係数ＫＣＭＤは、空燃比Ａ／Ｆの逆数、すなわち燃空比Ｆ／Ａに比例し、理論空燃比のとき値１．０をとるので、以下「目標当量比」という。後述するように、空燃比のインバランス故障判定を行うときは、１．０±ＤＡＦの範囲で時間経過に伴って正弦波状に変化するように設定される。

ＫＡＦは、空燃比フィードバック制御の実行条件が成立するときは、ＬＡＦセンサ１５の検出値から算出される検出当量比ＫＡＣＴが目標当量比ＫＣＭＤに一致するようにＰＩＤ（比例積分微分）制御あるいは適応制御器（Self Tuning Regulator）を用いた適応制御により算出される空燃比補正係数である。

ＫＴＯＴＡＬは夫々各種エンジンパラメータ信号に応じて演算される他の補正係数（エンジン冷却水温ＴＭに応じた補正係数ＫＴＷ、吸気温ＴＡに応じた補正係数ＫＴＡなど）の積である。

ＥＣＵ５のＣＰＵは上述のようにして求めた燃料噴射量ＴＯＵＴに基づいて燃料噴射弁６を開弁させる駆動信号を出力回路を介して燃料噴射弁６に供給する。また、ＥＣＵ５のＣＰＵは、以下に説明するように空燃比のインバランス故障判定を行う。

本実施形態におけるインバランス故障判定手法は、特許文献１に示される手法をより改良したものであり、エンジン運転中に空燃比を周波数ｆ１で振動させる空燃比振動制御を実行し、その制御実行中におけるＬＡＦセンサ１５の出力信号ＳＬＡＦに含まれる０．５次周波数成分強度ＭＩＭＢを、周波数ｆ１成分強度ＭＰＴｆ１で除算することにより得られる比率パラメータＲＴを用いて、インバランス故障が判定される。０．５次周波数成分強度ＭＩＭＢは、エンジン回転数ＮＥ［ｒｐｍ］に対応するエンジン回転周波数ｆＮＥ（＝ＮＥ／６０）の１／２に相当する０．５次周波数ｆＩＭＢに対応する成分の強度である。

図２は、インバランス故障判定のための空燃比振動制御を実行する処理のフローチャートである。この処理は所定クランク角度ＣＡＣＡＬ（例えば３０度）毎にＥＣＵ５のＣＰＵで実行される。

ステップＳ１では、判定実行条件フラグＦＭＣＮＤが「１」であるか否かを判別する。判定実行条件フラグＦＭＣＮＤは、例えば下記の条件１）〜１１）がすべて満たされると「１」に設定される。

１）エンジン回転数ＮＥが所定上下限値の範囲内にある。
２）吸気圧ＰＢＡが所定圧より高い（判定に必要な排気流量が確保されている）。
３）ＬＡＦセンサ１５が活性化している。
４）ＬＡＦセンサ１５の出力に応じた空燃比フィードバック制御が実行されている。
５）エンジン冷却水温ＴＷが所定温度より高い。
６）エンジン回転数ＮＥの単位時間当たりの変化量ＤＮＥが所定回転数変化量より小さい。
７）吸気圧ＰＢＡの単位時間当たりの変化量ＤＰＢＡＦが所定吸気圧変化量より小さい。
８）燃料の加速増量（急加速時に実行される）が行われていない。
９）排気還流率が所定値より大きい。
１０）ＬＡＦセンサ出力が上限値または下限値に張り付いた状態ではない。
１１）ＬＡＦセンサの応答特性が正常である（応答特性の劣化故障が発生しているとの判定が行われていない）。

ステップＳ１の答が否定（ＮＯ）であるときは、空燃比振動制御フラグＦＰＴを「０」に設定し（ステップＳ５）、処理を終了する。ＦＭＣＮＤ＝１であるときは、目標当量比ＫＣＭＤを下記式（２）を用いて算出し、空燃比を正弦波状に振動させるとともに、空燃比補正係数ＫＡＦを所定値ＫＡＦ０（例えば「１．０」）に固定する。式（２）のＫｆ１は、例えば「０．４」に設定される振動周波数係数であり、ｋは本処理の実行周期ＣＡＣＡＬで離散化した離散化時刻である。またＤＡＦは、振動制御の振幅であり、後述するように予測される空燃比のインバランス度合に応じて設定される。
ＫＣＭＤ＝ＤＡＦ×ｓｉｎ（Ｋｆ１×ＣＡＣＡＬ×ｋ）＋１ （２）

ステップＳ３では、空燃比振動制御の開始時点から所定安定化時間ＴＳＴＢＬが経過したか否かを判別する。その答が否定（ＮＯ）であるときは前記ステップＳ５に進む。ステップＳ３の答が肯定（ＹＥＳ）となると、空燃比振動制御フラグＦＰＴを「１」に設定する。

図３は、インバランス故障判定処理のフローチャートである。この処理は、図２の処理と同様に所定クランク角度ＣＡＣＡＬ毎にＥＣＵ５のＣＰＵで実行される。
ステップＳ１１では、空燃比振動制御フラグＦＰＴが「１」であるか否かを判別し、その答が否定（ＮＯ）であるときは直ちに処理を終了する。ステップＳ１１の答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、検出当量比ＫＡＣＴを取得し、メモリに格納する処理を行う（ステップＳ１２）。メモリには、０．５次周波数成分強度ＭＩＭＢ及び周波数ｆ１成分強度ＭＰＴｆ１の算出に必要な数の過去値が格納される。

ステップＳ１３では、０．５次周波数成分を抽出するバンドパスフィルタ処理を実行し、抽出された信号の振幅を積算することにより、０．５次周波数成分強度ＭＩＭＢを算出する。ステップＳ１４では、周波数ｆ１成分を抽出するバンドパスフィルタ処理を実行し、抽出された信号の振幅を積算することにより、周波数ｆ１成分強度ＭＰＴｆ１を算出する。

ステップＳ１５では、周波数成分強度の算出開始時点から所定積算時間ＴＩＮＴが経過したか否かを判別し、その答が否定（ＮＯ）である間は直ちに処理を終了する。ステップＳ１５の答が肯定（ＹＥＳ）となると、下記式（３）により比率パラメータＲＴを算出する（ステップＳ１６）。
ＲＴ＝ＭＩＭＢ／ＭＰＴｆ１ （３）

ステップＳ１７では、比率パラメータＲＴ及び振動制御振幅ＤＡＦを下記式（４）に適用し、判定パラメータＲＳＲＣを算出する。判定パラメータＲＳＲＣは、本実施形態ではインバランス度合の予測値である予測インバランス値としても使用される。
ＲＳＲＣ＝ＤＡＦ×ＲＴ （４）

ステップＳ１８では、判定パラメータＲＳＲＣが判定閾値ＲＳＲＣＴＨより大きいか否かを判別し、その答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、インバランス故障が発生していると判定する（ステップＳ１９）。一方、ステップＳ１８の答が否定（ＮＯ）であるときは、空燃比のインバランス度合は許容限度内にある（正常）と判定する（ステップＳ２０）。

ステップＳ２１では、判定パラメータＲＳＲＣに応じて図４に示すＤＡＦテーブルを検索し、次回の空燃比振動制御に適用する振動制御振幅ＤＡＦ(n+1)を算出する。ＤＡＦテーブルは、判定パラメータＲＳＲＣが大きくなるほど振動制御振幅ＤＡＦが大きくなるように設定されている。振動制御振幅ＤＡＦの初期値は、例えばインバランス度合が低い状態に対応する所定値に設定され、以後はステップＳ２１で更新される振幅ＤＡＦ(n+1)が適用される。

図１３（ｂ）は、振動制御振幅ＤＡＦを高インバランス状態に対応させて、図１３（ａ）に示す例より大きな値に設定したときの、比率パラメータＲＴの分布を示す。この図から明らかなように、データ群ＤＧ３ａはデータ群ＤＧ３よりばらつきが減少する一方、データ群ＤＧ２ａは逆にデータ群ＤＧ２よりばらつきが増加する。したがって、予測されるインバランス度合に応じて振動制御振幅ＤＡＦを設定することにより、比率パラメータＲＴの精度を高めて、空燃比のインバランス度合にかかわらず正確なインバランス故障判定を行うことができる。

以上のように本実施形態では、０．５次周波数ｆＩＭＢとは異なる周波数ｆ１で空燃比を振動させるための振動信号を用いて空燃比振動制御が実行され、空燃比振動制御実行中に、ＬＡＦセンサ出力信号ＳＬＡＦに含まれる０．５次周波数成分の強度ＭＩＭＢと、周波数ｆ１成分の強度ＭＰＴｆ１とが算出され、０．５次周波数成分強度ＭＩＭＢ及び周波数ｆ１成分強度ＭＰＴｆ１に応じて判定パラメータＲＳＲＣが算出され、この判定パラメータＲＳＲＣを用いてインバランス故障が判定される。さらに判定パラメータＲＳＲＣが空燃比のインバランス度合の予測値として使用され、振動制御振幅ＤＡＦが判定パラメータＲＳＲＣに応じて設定される。すなわち、予測されるインバランス度合が大きくなるほど振動制御振幅ＤＡＦが増加するように設定されるので、実際のインバランス度合に適した振幅ＤＡＦで空燃比振動制御を行うことができ、空燃比のインバランス度合にかかわらず正確な判定を行うことが可能となる。

また比率パラメータＲＴに振動制御振幅ＤＡＦを乗算することにより、判定パラメータＲＳＲＣが算出されるので、周波数ｆ１成分強度ＭＰＴｆ１に含まれる振動制御振幅ＤＡＦに依存する成分が相殺され、判定精度を高めることができる。すなわち、予測されるインバランス度合に応じて振動制御振幅ＤＡＦを大きくしても、判定パラメータＲＳＲＣがそのことに起因して増加することがないので、実際のインバランス度合を正確に判定することができる。

また本実施形態では、判定パラメータＲＳＲＣを予測インバランス値として使用するようにしたので、故障判定における演算処理の複雑化を防止できる。

本実施形態では、ＬＡＦセンサ１５が空燃比検出手段に相当し、燃料噴射弁６が空燃比振動手段の一部を構成し、ＥＣＵ５が、振動信号生成手段、空燃比振動手段の一部、０．５次周波数成分強度算出手段、設定周波数成分強度算出手段、判定パラメータ算出手段、インバランス故障判定手段、予測インバランス値算出手段、及び振幅設定手段を構成する。具体的には、図２のステップＳ２が振動信号生成手段に相当し、図３のステップＳ１３が０．５次周波数成分強度算出手段に相当し、ステップＳ１４が設定周波数成分強度算出手段に相当し、ステップＳ１６及びＳ１７が判定パラメータ算出手段に相当し、ステップＳ１８〜Ｓ２０がインバランス故障判定手段に相当し、ステップＳ１７が予測インバランス値算出手段に相当し、ステップＳ２１が振幅設定手段に相当する。

［変形例１］
図３に示す処理は、図５に示すように変形してもよい。図５の処理は、図３のステップＳ１７〜Ｓ２１を削除し、ステップＳ３１〜Ｓ３６を追加したものである。

ステップＳ３１では、比率パラメータＲＴが比率閾値ＲＴＴＨより大きいか否かを判別し、その答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、インバランス故障が発生していると判定する（ステップＳ３５）。

一方、ステップＳ３１の答が否定（ＮＯ）であるときは、前記式（５）により予測インバランス値（判定パラメータ）ＲＳＲＣを算出し（ステップＳ３２）、予測インバランス値ＲＳＲＣに応じて図６に示すＤＡＦテーブルを検索して、次回の振動制御振幅ＤＡＦを算出する（ステップＳ３３）。ステップＳ３４では、算出した振動制御振幅ＤＡＦが振幅閾値ＤＡＦＴＨより大きいか否かを判別する。その答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、インバランス故障が発生していると判定する。ステップＳ３４の答が否定（ＮＯ）であるときは、空燃比のインバランス度合は許容限度内にある（正常）と判定する（ステップＳ３６）。

本変形例では、先行技術と同様に比率パラメータＲＴが主たる判定用のパラメータとして使用され、比率閾値ＲＴＴＨは、インバランス度合が低いにもかかわらず故障と誤判定されないように比較的大きい値に設定される。比率パラメータＲＴが比率閾値ＲＴＴＨ以下であるときは、上述した実施形態と同様の手法で次回の振動制御振幅ＤＡＦが算出され、その振動制御振幅ＤＡＦが振幅閾値ＤＡＦＴＨより大きいときは、インバランス故障が発生していると判定される。したがって、上述した実施形態と同程度の判定精度を確保することができる。

本変形例では、図５のステップＳ１６が判定パラメータ算出手段に相当し、ステップＳ３２が予測インバランス値算出手段に相当し、ステップＳ３３が振幅設定手段に相当し、ステップＳ３１及びＳ３５がインバランス故障判定手段に相当する。

［変形例２］
上述した実施形態では、今回の振動制御振幅ＤＡＦと比率パラメータＲＴを式（４）に適用して判定パラメータＲＳＲＣを算出し、判定パラメータＲＳＲＣを予測インバランス値として使用して次回の振動制御振幅ＤＡＦ(n+1)を算出するようにしたが、今回の振動制御振幅ＤＡＦと、比率パラメータＲＴとに応じて予め算出された次回の振動制御振幅ＤＡＦ(n+1)を、ＤＡＦマップとしてメモリに記憶しておき、今回の振動制御振幅ＤＡＦと、比率パラメータＲＴとに応じてＤＡＦマップを検索することにより、次回の振動制御振幅ＤＡＦ(n+1)を算出するようにしてもよい。

［第２の実施形態］
図６は本発明の第２の実施形態にかかる内燃機関及びその空燃比制御装置の構成を示す図である。図６に示す空燃比制御装置は、図１に示す空燃比制御装置において、三元触媒１４の下流側に二値型酸素濃度センサ（以下「Ｏ２センサ」という）１６を追加し、その検出信号をＥＣＵ５に供給するようにしたものである。以下に説明する点以外は、第１の実施形態と同一である。

Ｏ２センサ１６は、空燃比ＡＦが理論空燃比ＡＦＳＴ近傍にあるとき、センサ出力ＶＯ２が急激に変化する特性を有し、Ｏ２センサ出力ＶＯ２は、空燃比ＡＦが理論空燃比ＡＦＳＴよりリッチ側にあるとき高レベルとなり、リーン側にあるとき低レベルとなる。

本実施形態では、検出当量比ＫＡＣＴが目標当量比ＫＣＭＤと一致するように空燃比補正係数ＫＡＦを算出するＬＡＦフィードバック制御が実行されるとともに、Ｏ２センサ出力ＶＯ２が目標値ＶＯ２ＴＲＧＴと一致するように目標当量比ＫＣＭＤを設定するＯ２フィードバック制御が実行される。なお、このように２つフィードバック制御を並行して実行する空燃比制御方法はすでに周知であり（例えば特開２００１−２４１３４９号公報などに示されている）、本実施形態における空燃比制御方法も同じものである。Ｏ２フィードバック制御は、スライディングモード制御を用いて行われる。以下、図７を参照して、Ｏ２フィードバック制御の概要を説明する。

図７のステップＳ４１では、下記式（１１）にＯ２センサ出力ＶＯ２及び目標値ＶＯ２ＴＲＧＴを適用して制御偏差ＤＶＯ２を算出し、制御偏差ＤＶＯ２を下記式（１２）に適用して切換関数値σを算出する。下記式の「ｉ」は、図７の処理の実行周期（ＫＣＭＤの算出周期）で離散化した離散化時刻である。式（１２）のＶＰＯＬＥは制御偏差ＤＶＯ２の減衰特性を決める応答特性指定パラメータであり、「−１」より大きく「０」より小さい値に設定される。
ＤＶＯ２(i)＝ＶＯ２(i)−ＶＯ２ＴＲＧＴ(i) （１１）
σ(i)＝ＤＶＯ２(i)＋ＶＰＯＬＥ×ＤＶＯ２(i-1) （１２）

ステップＳ４２では、切換関数値σを用いてスライディングモード制御における等価制御入力ＵＥＱ、到達則制御入力ＵＲＣＨ、及び適応則制御入力ＵＡＤＰを下記式（１３）〜（１５）により算出する。これらの式におけるＡ１，Ａ２，Ｂ，及びＣは、制御対象モデルのモデルパラメータ及び応答特性指定パラメータＶＰＯＬＥを用いて算出される制御係数であり、式（１３）の「ｄ」は、制御対象の離散化むだ時間でり、式（１５）のＤＴはＫＣＭＤの算出周期である。
ＵＥＱ＝Ａ１×ＤＶＯ２(i+d)＋Ａ２×ＤＶＯ２(i+d-1) （１３）
ＵＲＣＨ＝Ｂ×σ(i) （１４）
ＵＡＤＰ＝Ｃ×Σ（σ(i)×ＤＴ） （１５）

ステップＳ４３では、等価制御入力ＵＥＱ、到達則制御入力ＵＲＣＨ、及び適応則制御入力ＵＡＤＰを下記式（１６）に適用し、当量比偏差量ＤＫＣＭＤを算出する。
ＤＫＣＭＤ＝ＵＥＱ＋ＵＲＣＨ＋ＵＡＤＰ （１６）

ステップＳ４４では、当量比偏差量ＤＫＣＭＤを下記式（１７）に適用して、目標当量比ＫＣＭＤを算出する。式（１７）のＫＣＭＤＲＥＦは、「１．０」近傍の値をとる学習値である。
ＫＣＭＤ＝ＤＫＣＭＤ＋ＫＣＭＤＲＥＦ （１７）

上記式（１５）により算出される適応則制御入力ＵＡＤＰは、ＰＩＤ制御（比例積分微分制御）における積分項に相当し、制御偏差ＤＶＯ２に応じた値をとる切換関数値σの積算値に比例する。

空燃比のインバランス度合が大きくなると、図８に示すように適応則制御入力ＵＡＤＰが負の値をとり、時間経過とともに減少することが確認されている。これは空燃比のインバランスが発生している状態における検出当量比ＫＡＣＴ（ＬＡＦセンサ出力ＶＬＡＦに応じて算出される）は、実際の平均的な当量比よりリッチ側の値を示すことに起因している。図９はＬＡＦセンサ出力ＶＬＡＦと空燃比ＡＦとの関係を示す図であり、理論空燃比ＡＦＳＴよりリッチ側とリーン側で直線の傾きが異なり、リッチ側の傾きがリーン側の傾きより大きい。ＬＡＦセンサ１５は、図９に示すような特性を有しているため、空燃比のインバランスが発生している状態では、ＬＡＦセンサ出力ＶＬＡＦは、実際の平均的な当量比よりリッチ側の値を示す。

そのため、Ｏ２センサ出力ＶＯ２は定常的に目標値ＶＯ２ＴＲＧＴより低くなる（リーン方向にずれる）傾向を示し、適応制御入力ＵＡＤＰはこの定常偏差を解消するように修正される。その結果、適応制御入力ＵＡＤＰは、図８に示すように時間経過とともに増加し、制御が定常状態に達した時点における適応則制御入力ＵＡＤＰは、インバランス度合が大きくなるほど大きくなる。本実施形態では、制御偏差ＤＶＯ２は式（１１）で算出されるため、インバランス度合が大きくなるほど切換関数値σは負の方向に減少する（絶対値が増加する）。したがって、式（１５）の積算項（Σ（σ(i)×ＤＴ）は負の方向に減少するが、式（１５）の制御係数Ｃが負の値をとるので、適応制御入力ＵＡＤＰが増加する。その結果目標当量比ＫＣＭＤが増加して、Ｏ２センサ出力ＶＯ２の定常偏差が解消される。

そこで、本実施形態では、適応則制御入力ＵＡＤＰを予測インバランス値として使用し、適応則制御入力ＵＡＤＰに応じて振動制御振幅ＤＡＦを設定するようにしている。

図１０は本実施形態におけるインバランス故障判定処理のフローチャートである。この処理は、図２のステップＳ２１をステップＳ２１ａに代えたものである。ステップＳ２１ａでは、適応則制御入力ＵＡＤＰに応じて図１１に示すＤＡＦテーブルを検索し、振動制御振幅ＤＡＦを算出する。
なお、空燃比振動制御を実行するときは、目標当量比ＫＣＭＤは前記式（２）により算出される。

本実施形態によれば、Ｏ２センサ出力ＶＯ２が目標値ＶＯ２ＴＲＧＴと一致するように、制御偏差に応じた切換関数値σの積分項に相当する適応則制御入力ＵＡＤＰを用いて目標当量比ＫＣＭＤが設定されるとともに、検出当量比ＫＡＣＴが目標当量比ＫＣＭＤと一致するように空燃比補正係数ＫＡＦが算出され、適応則制御入力ＵＡＤＰが予測インバランス値として使用される。空燃比のインバランス度合が大きくなるほど適応則制御入力ＵＡＤＰが増加することが確認されているので、適応則制御入力ＵＡＤＰを予測インバランス値として使用することができる。判定パラメータＲＳＲＣの算出手法とは異なる手法で予測インバランス値が算出されるので、外乱や部品交換などの影響で判定パラメータＲＳＲＣの誤差が一時的に増加するような場合でも、振動信号振幅ＤＡＦの設定を適切に行い、判定精度の低下を抑制することができる。

本実施形態では、ＬＡＦセンサ１５が上流側空燃比検出手段に相当し、Ｏ２センサ１６が下流側空燃比検出手段に相当し、図７の処理が第１フィードバック制御手段に相当し、検出当量比ＫＡＣＴが目標当量比ＫＣＭＤと一致するように空燃比補正係数ＫＡＦを算出する処理が第２フィードバック制御手段に相当し、図８のステップＳ４２が予測インバランス値算出手段に相当し、図１０のステップＳ２１ａが振幅設定手段に相当する。

［変形例１］
本実施形態では、図２の処理に代えて図１２に示す処理により、空燃比振動制御を実行するようにしてもよい。図１２の処理は、図２の処理にステップＳ１ａを追加したものである。
ステップＳ１ａでは、適応則制御入力ＵＡＤＰに応じて図１１のＤＡＦテーブルを検索し、振幅ＤＡＦを算出する。その後ステップＳ２に進む。

適応則制御入力ＵＡＤＰは、インバランス故障判定を実行しない通常制御中に算出されるので、インバランス故障判定の実行条件が成立したときに、適応則制御入力ＵＡＤＰに応じて振幅ＤＡＦを算出し、その振幅ＤＡＦを用いて空燃比振動制御を実行することにより、より適切な空燃比振動制御を行うことができる。
この変形例では、図１２のステップＳ１ａが振幅設定手段に相当する。

［変形例２］
本実施形態においても、第１の実施形態の変形例１と同様の処理を適用するようにしてもよい。

［変形例３］
上述した実施形態では、図７に示すＫＣＭＤ算出処理では、スライディングモード制御を用いて目標当量比ＫＣＭＤを算出するようにしたが、ＰＩＤ（比例積分微分）制御を用いて目標当量比ＫＣＭＤを算出するようにしてもよい。その場合には制御偏差ＤＶＯ２の積算値に比例する積分項ＩＤＶＯ２（制御偏差ＤＶＯ２の積算値に乗算される制御ゲインが負の値に設定されるので、インバランス度合が増加すると積分項ＩＤＶＯ２が増加する）を、予測インバランス値として使用することができる。また、適応則制御入力ＵＡＤＰまたは積分項ＩＤＶＯ２そのものを予測インバランス値として使用することに代えて、所定数倍することによりインバランス度合を示すパラメータに適した値となるようによう変換した値を予測インバランス値としてもよい。

なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上述した実施形態では、空燃比振動制御の周波数ｆ１をエンジン回転周波数ｆＮＥの定数倍の値（エンジン回転に同期した周波数）に設定したが、例えば４Ｈｚ程度の固定周波数に設定するようにしてもよい。ただし、固定周波数とする場合には、インバランス故障判定の実行条件におけるエンジン回転数ＮＥの範囲を比較的狭い範囲に限定することが望ましい。

また周波数成分強度の算出処理は、インバランス故障判定処理とは別に最適の実行周期で実行するようにしてもよい。その場合には、インバランス故障判定処理では周波数成分強度算出を行わず、並行して実行される周波数成分強度算出処理で算出された周波数成分強度（０．５次周波数成分強度ＭＩＭＢ，周波数ｆ１成分強度ＭＰＴｆ１）を読み込んで、判定処理を行う。また、空燃比振動制御が安定化した時点から所定サンプリング期間において、最適周期でＬＡＦセンサ出力信号ＳＬＡＦのサンプリングを行って、サンプリングデータをメモリに格納し、所定サンプリング期間終了後にサンプリングデータを一括処理することによって、各周波数成分強度を算出するようにしてもよい。その場合には、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理を用いることもできる。

また上述した実施形態では、０．５次周波数成分強度ＭＩＭＢの算出を、空燃比振動制御実行中に行うようにしたが、空燃比振動制御を行っていないときに算出するようにしてもよい。その場合には、空燃比振動制御を実行して周波数ｆ１成分強度ＭＰＴｆ１を算出するエンジン運転領域を比較的狭い範囲に限定し、０．５次周波数成分強度ＭＩＭＢの算出をその限定したエンジン運転領域において行うことが望ましい。

また本発明は、クランク軸を鉛直方向とした船外機などのような船舶推進機用エンジンなどの空燃比制御装置にも適用が可能である。

１ 内燃機関
５ 電子制御ユニット（振動信号生成手段、空燃比振動手段、０．５次周波数成分強度算出手段、設定周波数成分強度算出手段、インバランス故障判定手段、予測インバランス値算出手段、振幅設定手段）
６ 燃料噴射弁（空燃比変動手段）
１５ 比例型酸素濃度センサ（空燃比検出手段、上流側空燃比検出手段）
１６ 二値型酸素濃度センサ（下流側空燃比検出手段）

Claims (5)

1. 複数気筒を有する内燃機関の排気通路において空燃比を検出する空燃比検出手段を備える内燃機関の空燃比制御装置において、
   前記機関の回転速度に対応する周波数の１／２の周波数である０．５次周波数とは異なる設定周波数で前記空燃比を振動させるための振動信号を生成する振動信号生成手段と、
   前記振動信号に応じて前記空燃比を振動させる空燃比振動手段と、
   前記空燃比検出手段の出力信号に含まれる前記０．５次周波数成分の強度を算出する０．５次周波数成分強度算出手段と、
   前記空燃比振動手段の作動中に、前記空燃比検出手段の出力信号に含まれる前記設定周波数成分の強度を算出する設定周波数成分強度算出手段と、
   前記０．５次周波数成分強度と、前記設定周波数成分強度とに応じて前記複数気筒のそれぞれに対応する空燃比のインバランス度合を判定するための判定パラメータを算出する判定パラメータ算出手段と、
   前記判定パラメータを用いて、前記空燃比のインバランス度合が許容限度を超えているインバランス故障を判定するインバランス故障判定手段と、
   前記インバランス度合の予測値である予測インバランス値を算出する予測インバランス値算出手段と、
   前記予測インバランス値に応じて前記振動信号の振幅を設定する振幅設定手段とを備えることを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
2. 前記振幅設定手段は、前記予測インバランス値が大きいほど前記振動信号の振幅をより大きな値に設定す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制御装置。
3. 前記判定パラメータ算出手段は、前記設定周波数成分強度に対する前記０．５次周波数成分強度の比率に前記振動信号の振幅を乗算することにより、前記判定パラメータを算出する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制御装置。
4. 前記予測インバランス値算出手段は、前記設定周波数成分強度に対する前記０．５次周波数成分強度の比率に前記振動信号の振幅を乗算した値が大きいほど、前記予測インバランス値が大きくなるように前記予測インバランス値の算出を行うことを特徴とする請求項１からの３の何れか１項に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
5. 前記排気通路には排気浄化触媒が設けられ、前記空燃比検出手段は前記排気浄化触媒の上流側に配置される上流側空燃比検出手段であり、前記排気浄化触媒の下流側には下流側空燃比検出手段が設けられており、
   前記下流側空燃比検出手段の検出値が下流側目標値と一致するように、制御偏差を示すパラメータの積分制御項を用いて目標空燃比を設定する第１フィードバック制御手段と、
   前記上流側空燃比検出手段による検出空燃比が前記目標空燃比と一致するように前記機関で燃焼する混合気の空燃比を制御する第２フィードバック制御手段とを備え、
   前記予測インバランス値算出手段は、前記積分制御項が大きいほど前記予測インバランス値が大きくなるように前記予測インバランス値の算出を行うことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の内燃機関の空燃比制御装置。

Images