JP5853709B2 - 内燃機関の空燃比検出装置および空燃比インバランス検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の空燃比検出装置および空燃比インバランス検出装置に関する。

従来、内燃機関の空燃比の検出を精度良く行うための各種技術が知られている。検出した空燃比の値は、従来から空燃比フィードバック制御等の空燃比制御処理に活用されている。特に近年では、複数気筒内燃機関の気筒間の空燃比のばらつきを検出して、各気筒の燃料噴射量の最適化や全体としての良好なエミッション特性確保等が図られている。気筒間の空燃比のばらつきは、「気筒間空燃比インバランス」とも称されている。気筒間の空燃比のばらつきが所定範囲を超えて大きくなった状態は、エミッション悪化やドライバビリティ悪化等の問題を生じさせる。そのような問題を防ぐために、気筒間空燃比インバランスの検出技術の研究開発が進められてきている。

例えば、特開２０１０−１１２２４４号公報には、「Ｏ２センサの検出結果に基づくサブ空燃比ＦＢ制御の演算値の平均値が、通常値を大きく超えるときに、気筒間の空燃比にインバランスが発生していると判断する」という気筒間空燃比インバランス検出技術が記載されている。また、特開２００９−２０９７４７号公報では、「インバランス割合」を検出し、インバランス割合が大きいほど、インバランス気筒のバランス気筒に対する燃料噴射量ズレが大きく、空燃比ばらつきは大きいと判断する気筒間空燃比インバランス検出技術が記載されている。当該公報では、このインバランス割合を、空燃比センサ出力の所定時間当たりの軌跡長又は軌跡面積に基づいて検出している。

特開２０１０−１１２２４４号公報 特開２００９−２０９７４７号公報 特開２０１０−１４４５７３号公報

従来の空燃比制御において典型的に用いられる空燃比情報取得技術は、排気ガスセンサ（酸素濃度センサ）による排気ガスのセンシングである。特に、空燃比センサは、排気ガスの酸素濃度に応じてほぼリニアに出力値を変化させることができ、広く一般に用いられている。この点、上記従来の技術についても、何れも、排気ガスセンサの出力値から得られる情報に基づいて気筒間空燃比インバランスの検出を行っている。

しかしながら、気筒間空燃比インバランスのそもそもの目的からすれば各気筒の空燃比情報を個別且つ正確に検出できることが好ましいのであり、このような観点からは排気ガスセンサに頼る空燃比検出技術には限界がある。すなわち、空燃比センサは、複数の気筒の排気ガスが合流する位置（具体的には、排気管内における排気触媒前）に配置させられるのが普通である。そうすると、空燃比センサが、各気筒の既燃ガスが合流して平均化された排気ガスに対してセンシングをすることになる。よって、不可避的に、空燃比センサが全気筒の平均的な空燃比情報を検出することになる。このような平均化された空燃比情報を検出できたとしても、気筒別の正確な空燃比を検出することは困難である。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、気筒別の空燃比の情報を精度良く検出できる内燃機関の空燃比検出装置を提供することを目的とする。
また、本発明の他の目的は、気筒別に取得した空燃比の情報を用いて精度良く気筒間空燃比インバランスを検出することが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、内燃機関の空燃比検出装置であって、
内燃機関の気筒の燃焼速度を算出する燃焼速度算出手段と、
前記燃焼速度算出手段で算出される前記燃焼速度がピーク値に達するように、前記気筒の燃料噴射弁を対象に燃料噴射量の変更をする噴射量変更手段と、
前記噴射量変更手段での燃料噴射量の変更開始から前記燃焼速度のピーク値到達までの間に前記噴射量変更手段で変更した燃料噴射量の変更量に基づいて、前記気筒の空燃比に関する情報を算出する空燃比情報算出手段と、
を備え、
前記空燃比情報算出手段は、
前記変更量に基づいて、所定の基準空燃比に対する前記気筒の空燃比ずれを算出する空燃比ずれ算出手段と、
所定の基準空燃比の値と前記変更量とを用いた計算により、前記気筒についての、前記燃料噴射量の変更開始時の空燃比の値を求める空燃比計算手段と、
のうち少なくとも一方を含むことを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、
前記噴射量変更手段は、
前記気筒の燃料噴射量の変更に応じて、前記気筒の前記燃焼速度が増加と減少の何れの方向に変化するかを判定する判定手段と、
前記判定手段で燃料噴射量の増加に応じて燃焼速度が増加すると判定されたときは燃料噴射量を増加させることにより、前記判定手段で前記燃料噴射量の増加に応じて前記燃焼速度が減少すると判定されたときは燃料噴射量を低減することにより、前記燃焼速度がピーク値に達するまで燃料噴射量の変更を行う変更手段と、
を備えることを特徴とする。

第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記内燃機関の前記気筒には筒内圧センサが取り付けられており、
前記燃焼速度算出手段は、
前記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前記筒内圧センサの出力に基づいて前記気筒についての燃焼割合を計算する燃焼割合計算手段と、
前記燃焼割合計算手段で計算した燃焼割合の変化率の最大値を、燃焼速度の値として算出する最大値算出手段と、
を含むことを特徴とする。

第４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、
複数の気筒を備える内燃機関の各気筒の燃焼速度を算出する燃焼速度算出手段と、
前記各気筒の燃料噴射弁のそれぞれについて、前記各気筒について前記燃焼速度算出手段で算出される燃焼速度がピーク値に達するように、燃料噴射量の変更をする噴射量変更手段と、
前記噴射量変更手段での燃料噴射量の変更開始から前記燃焼速度のピーク値到達までの間に前記噴射量変更手段により変化させられた前記各気筒の燃料噴射量の変化量に基づいて、前記複数の気筒の間の空燃比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。

第５の発明は、第４の発明において、
前記噴射量変更手段は、
前記気筒の燃料噴射量の変更に応じて、前記気筒の前記燃焼速度が増加と減少の何れの方向に変化するかを判定する判定手段と、
前記判定手段で燃料噴射量の増加に応じて燃焼速度が増加すると判定されたときは燃料噴射量を増加させることにより、前記判定手段で前記燃料噴射量の増加に応じて前記燃焼速度が減少すると判定されたときは燃料噴射量を低減することにより、前記燃焼速度がピーク値に達するまで燃料噴射量の変更を行う変更手段と、
を備えることを特徴とする。

第６の発明は、第４または第５の発明において、
前記内燃機関の各気筒には、それぞれ筒内圧センサが取り付けられており、
前記燃焼速度算出手段が、
前記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前記筒内圧センサの出力に基づいて前記気筒についての燃焼割合を計算する燃焼割合計算手段と、
前記燃焼割合計算手段で計算した燃焼割合の変化率の最大値を、燃焼速度の値として算出する最大値算出手段と、
を含むことを特徴とする。

第７の発明は、第４乃至６の発明のいずれか１つにおいて、
前記インバランス検出手段は、
所定の基準空燃比の値と前記変化量とを用いた計算により、前記各気筒についての、前記燃料噴射量の変更開始時の空燃比の値を求める空燃比計算手段と、
前記空燃比計算手段で求めた前記各気筒の前記空燃比の値の比較に基づいて前記複数の気筒の間の空燃比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。

本願発明者は、鋭意研究を進めた結果、燃焼速度と空燃比との間に、「ピーク燃焼速度を取る空燃比が、一定の値となる」という傾向があることを見出した。
第１の発明によれば、このような燃焼速度と空燃比の関係を利用して、気筒別の空燃比情報を精度良く検出できる。さらに、第１の発明によれば、空燃比情報として、空燃比ずれの大きさや、燃料噴射量の変更開始時の空燃比を定量的に求めることができる。

「燃焼速度は一定の空燃比でピークを取り、且つそのピークからリッチ側リーン側の何れの側に離れても燃焼速度が低下する」という傾向があることを本願発明者は見出した。
第２の発明によれば、この傾向を考慮に入れて燃料噴射量の変更方向（増加と減少）を決定することができるので、燃焼速度を確実にピーク値へ到達させることができる。

第３の発明によれば、気筒に取り付けた筒内圧センサの出力から、その気筒の個別且つ正確な燃焼状態を検出することができる。筒内圧センサの出力を用いることで、その気筒の個別且つ正確な燃焼速度を算出することができる。

本願発明者は、鋭意研究を進めた結果、燃焼速度と空燃比との間に、「ピーク燃焼速度を取る空燃比が、一定の値となる」という傾向があることを見出した。
第４の発明によれば、このような燃焼速度と空燃比の関係を利用して、気筒別に取得した空燃比の情報を用いて精度良く気筒間空燃比インバランスを検出することができる。

「燃焼速度は一定の空燃比でピークを取り、且つそのピークからリッチ側リーン側の何れの側に離れても燃焼速度が低下する」という傾向があることを本願発明者は見出した。
第５の発明によれば、この傾向を考慮に入れて燃料噴射量の変更方向（増加と減少）を決定することができるので、燃焼速度を確実にピーク値へ到達させることができる。

第６の発明によれば、気筒に取り付けた筒内圧センサの出力から、その気筒の個別且つ正確な燃焼状態を検出することができる。筒内圧センサの出力を用いることで、その気筒の個別且つ正確な燃焼速度を算出することができ、その燃焼速度を気筒間空燃比インバランス検出に利用することができる。

第７の発明によれば、空燃比情報として、空燃比ずれの大きさや、燃料噴射量の変更開始時の空燃比を定量的に求めることができる。その定量的な情報を用いて、気筒間空燃比インバランス検出を行うことができる。

本発明の実施の形態１にかかる内燃機関の空燃比検出装置および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検出装置および内燃機関の空燃比インバランス検出装置の動作を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検出装置および内燃機関の空燃比インバランス検出装置の動作を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検出装置および内燃機関の空燃比インバランス検出装置の動作を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検出装置および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。 本発明の実施の形態２にかかる内燃機関の空燃比検出装置および内燃機関の空燃比インバランス検出装置の動作を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検出装置および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。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
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検出装置および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。実施の形態１にかかる空燃比検出装置は、図１に示すエンジン１０の各気筒のそれぞれについて、所定の基準空燃比からの空燃比ずれの大きさを検出することができ、さらにその「空燃比ずれの大きさ」から各気筒の「空燃比の値」を算出することができる。実施の形態１にかかる空燃比インバランス検出装置は、その「空燃比ずれの大きさ」や「空燃比の値」を複数の気筒の間で比較することによって、気筒間空燃比インバランスの検出を行うことができる。

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１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気筒式ガソリンエンジンである。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。各気筒に筒内圧センサ１６を取り付けた構成によれば、１つ１つの気筒の燃焼圧を個別且つ正確に検出することができる。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センサ（Ａ／Ｆセンサ）である。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。

［実施の形態１の動作］
図２乃至４は、本発明の実施の形態１にかかる内燃機関の空燃比検出装置および内燃機関の空燃比インバランス検出装置の動作を説明するための図である。
図２は、本願発明者が見出した、燃焼速度と空燃比の関係を示す図である。以下の説明では、燃焼速度を単に「ＣＳ」で表すこともある。また、「燃焼速度のピーク値」のことを便宜上「ピーク燃焼速度」とも称す。本願発明者の知見によると、図２に示すように、「ピーク燃焼速度を取る空燃比が、一定の値となる」という傾向があり、具体的には、空燃比の値が１２であるときに燃焼速度がピーク値ＣＳ_Ｐｅａｋを示すという一定の関係が成立する。さらに、図からは、空燃比の値が１２からリーン化しても、或いはリッチ化しても、燃焼速度は低下するという傾向を読み取れる。本実施の形態は、図２に示すこのような物理現象を利用するものである。

（燃焼速度算出処理）
以下、実施の形態１にかかる燃焼速度ＣＳを算出する算出処理の内容を説明する。図３は、本発明の実施の形態１における燃焼速度の定義を説明するための図である。本実施の形態では、燃焼質量割合ＭＦＢ（Mass Fraction Burned）の接線の傾きの最大値を、燃焼速度と定義する。図３にＭＦＢの接線Ａを示すが、ＭＦＢの接線のＸ軸（クランク角度ＣＡ）に対する角度が最も大きい時、すなわち、燃焼質量割合の単位クランク角当りの変化率（ｄＭＦＢ／ｄθ）の最大値を、燃焼速度とする。

この点について具体的に説明すると、本実施の形態では、各気筒の燃焼割合ＭＦＢ（Mass Fraction Burned）の変化率を用いて、燃焼速度を算出する。図３は、筒内での発熱量とクランク角との関係を示す特性線図である。この図では、燃焼開始前の基準点をＢＴＤ６０°ＣＡに設定し、燃焼終了後の基準点をＡＴＤＣ６０°ＣＡに設定した場合を例示している。燃焼質量割合ＭＦＢは、燃焼開始前の発熱量と燃焼終了後の発熱量とを基準として、任意のクランク角での発熱量を正規化することにより算出される。また、筒内での発熱量は、筒内圧Ｐ、筒内容積Ｖ及び比熱比κに基いて算出されるＰＶ^κと比例する。従って、任意のクランク角θでの燃焼質量割合ＭＦＢ_θは、このクランク角におけるＰＶ^κ _θと、燃焼開始前のＰＶ^κ _-60°と、燃焼終了後のＰＶ^κ _+60°とに基いて、下記（１）式のように表される。

ＭＦＢ_θ＝（ＰＶ^κ _θ−ＰＶ^κ _-60°）／（ＰＶ^κ _+60°−ＰＶ^κ _-60°） ・・・（１）

ＥＣＵ５０は、各気筒の筒内圧センサ１６により検出した筒内圧Ｐと、クランク角に応じて算出した当該気筒の筒内容積Ｖと、予め記憶した比熱比κとに基いて、上記（１）式により燃焼質量割合ＭＦＢ_θを算出することができる。次いで、燃焼質量割合の単位クランク角当りの変化率（ｄＭＦＢ／ｄθ）を求める。そうすると、燃焼割合の単位クランク角当りの変化率（勾配）は、例えば５０°ＣＡ程度のクランク角において最大となる。以下の説明では、この変化率の最大値（つまり最大変化率）を、燃焼速度と定義するものとする。ＥＣＵ５０は、各気筒の燃焼質量割合ＭＦＢに基いて、燃焼速度ＣＳを気筒毎に算出することができる。

ＥＣＵ５０が有するＲＡＭは、上記の式（１）に従って燃焼質量割合ＭＦＢを算出する計算処理と、燃焼質量割合ＭＦＢの単位クランク角当りの変化率（ｄＭＦＢ／ｄθ）を計算するための計算処理と、ｄＭＦＢ／ｄθの最大値を今回の燃焼行程の燃焼速度ＣＳとして算出する処理とを実行するためのプログラムを記憶している。ＥＣＵ５０は、このプログラムの実行により、燃焼速度ＣＳを算出することができる。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。

（燃料噴射量変更処理）
図４は、本発明の実施の形態１における燃料噴射量変更処理による動作を説明するための図である。ＥＣＵ５０は、燃料噴射量変更処理を備えている。燃料噴射量変更処理は、燃焼速度ＣＳに基づいて、気筒ごとに燃焼速度ＣＳがピーク値ＣＳ_ｐｅａｋに達するように燃料噴射量の変更をするための処理である。

燃料噴射量変更処理では、先ず、ＥＣＵ５０が、空燃比を検出したい気筒の筒内圧センサ１６から、その気筒の燃焼圧を取得し、さらに上記の「燃焼速度算出処理」の説明に従って燃焼速度ＣＳを算出する処理を実行する。次いで、ＥＣＵ５０は、燃焼速度ＣＳがピーク値ＣＳ_Ｐｅａｋに達するまで、直噴インジェクタ１４を複数サイクルにわたって微小量ずつ増加させていく処理を実行する。微小量ずつの増加は、この燃料噴射量変更処理の開始時点における燃料噴射量に対して、補正係数ｅｋｃｙｌを漸増させつつ乗じていくことで実施できる。その結果、図４で模式的に示すように、直噴インジェクタ１４の燃料噴射量を増量して、空燃比をリッチ化することができる。

図４には燃焼速度のカーブ上に黒丸で補正係数ｅｋｃｙｌの増加の様子（つまり燃料噴射量の増量および空燃比のリッチ化の様子）が模式的に表されている。例えば補正係数ｅｋｃｙｌを、１．０５→１．１→１．１５→１．２と増加させていき、補正係数ｅｋｃｙｌが１．２５のときに燃焼速度ＣＳがそれまでの増加から減少に転じたとする。この場合、ＥＣＵ５０は、補正係数ｅｋｃｙｌ＝１．２の値を、変更量ｅｋｃｙｌｂとして記憶する。変更量ｅｋｃｙｌｂは、「燃料噴射量変更処理での燃料噴射量の変更開始」から「燃焼速度ＣＳのピーク値ＣＳ_Ｐｅａｋ到達まで」の間における燃料噴射量の増加量を表す値である。ここでは、燃焼速度ＣＳがピーク値ＣＳ_Ｐｅａｋに達するまで、燃料噴射量変更処理の開始前の燃料噴射量に対して１．２倍の増量がなされたことを意味する。

なお、補正係数ｅｋｃｙｌの増加幅は上記の０．５刻みに限らず、これより小さくても良く或いは大きくてもよい。なお、増加刻みが小さければ、その分だけピーク値ＣＳ_Ｐｅａｋ到達時の補正係数ｅｋｃｙｌの正確な特定が可能となり、その一方で、増加刻みが大きければ、その分だけピーク値ＣＳ_Ｐｅａｋ到達に要する燃焼サイクル数を少なく抑えることができる。エンジン１０の運転中に燃料噴射量変更処理がある程度の有限な燃焼サイクル数で完結することから、燃料噴射量変更処理の実施期間中は、実質的に、吸入空気量が一定であるものとして取り扱うことができる。但し、負荷および機関回転数の安定した定常運転域で燃料噴射量変更処理が実施されることがより好ましい。

（空燃比ずれ算出処理および空燃比算出処理）
ＥＣＵ５０は、各気筒について、燃料噴射量の変化量に基づいて、所定の基準空燃比（Ａ／Ｆ＝１２）からの空燃比ずれの大きさを算出する空燃比ずれ算出処理を備えている。この点について以下説明すると、先ず、図２で説明したように、本願発明者は、鋭意研究を進めた結果、燃焼速度と空燃比との間に、「ピーク燃焼速度を取る空燃比が、一定の値となる」という傾向があることを見出した。上記の燃料噴射量変更処理によれば、任意の気筒の燃料噴射量を変更することによって、その気筒の燃焼速度ＣＳをピーク値ＣＳ_Ｐｅａｋに到達させることができる。その処理の過程で、ピーク値ＣＳ_Ｐｅａｋに到達するのに要した燃料噴射量の変更量を示すｅｋｃｙｌｂが算出される。ｅｋｃｙｌｂが大きければ大きいほど、「燃料噴射量変更処理の開始時の空燃比」と「ピーク値ＣＳ_Ｐｅａｋを取る空燃比」との間の空燃比ずれが大きいと判断することができる。

「ピーク値ＣＳ_Ｐｅａｋを取る空燃比」は、本願発明者の知見により、Ａ／Ｆ＝１２という一定の値をとることがわかっている。よって、Ａ／Ｆ＝１２を基準空燃比として設定することによって、ｅｋｃｙｌｂに基づいて、基準空燃比に対する空燃比ずれの大きさを検出できる。例えば、１番気筒におけるｅｋｃｙｌｂを「ｅｋｃｙｌｂ１」とし、２番気筒におけるｅｋｃｙｌｂを「ｅｋｃｙｌｂ２」とした場合に、ｅｋｃｙｌｂ１が１．２であり、ｅｋｃｙｌｂ２が１．２５であった場合を想定する。この場合には、ｅｋｃｙｌｂ１＜ｅｋｃｙｌｂ２であるから、２番気筒の「ピーク値ＣＳ_Ｐｅａｋに到達するのに要した燃料噴射量の変更量」のほうが、１番気筒のそれよりも大きい。つまり、１番気筒の筒内空燃比よりも２番気筒の筒内空燃比のほうが、基準空燃比（Ａ／Ｆ＝１２）に対する乖離が大きかったという結論を得ることができる。ほかにも、ｅｋｃｙｌｂ１とｅｋｃｙｌｂ２の差分を取れば、１番気筒の筒内空燃比と２番気筒の筒内空燃比との間の空燃比ずれの大きさを検出したり、空燃比の相対的な大小の関係を特定することもできる。

さらに下記の式（２）に従って、空燃比の具体的数値を求めてもよい。
初期Ａ／Ｆ ＝ １２÷（１／ｅｋｃｙｌｂ） ・・・（２）
但し、「初期Ａ／Ｆ」とは、燃料噴射量変更処理の開始前における空燃比である。例えばｅｋｃｙｌｂ＝１．２を代入すれば、初期Ａ／Ｆは１４．４となる。

上記の空燃比ずれや空燃比の値の検出のためには、前述した燃料噴射量変更処理により、各気筒のうち検出対象とする気筒に対して直噴インジェクタ１４の燃料噴射量を変更すればよい。燃料噴射量の変更量ｅｋｃｙｌｂは気筒別に特定できるので、他の気筒の影響を避けつつ個別かつ正確に特定の気筒の空燃比ずれ、或いは空燃比の値を検出することができる。なお、本実施の形態では空燃比に関する情報を「空燃比情報」と総称するものとし、この空燃比情報には少なくとも以下の各情報が含まれる。
（i）基準空燃比からの空燃比ずれの大きさや、そこから計算した目標空燃比と筒内空燃比の乖離の大きさ
（ii）空燃比の値
（iii）複数の気筒の間での空燃比の乖離の大きさ
（iv）気筒間での空燃比の相対的な大小の関係

（インバランス検出処理）
ＥＣＵ５０は、各気筒の空燃比ずれの大きさ或いは各気筒の空燃比の値に基づいて、複数の気筒（本実施の形態では４気筒）の間の空燃比インバランスを検出するインバランス検出処理を備えている。ＥＣＵ５０は、上記の空燃比ずれ検出処理で１〜４番気筒の変更量ｅｋｃｙｌｂを１つずつ取得し、４つのｅｋｃｙｌｂの大きさを比較する。４つのｅｋｃｙｌｂの比較の結果から、基準空燃比（Ａ／Ｆ＝１２）に対して１〜４番気筒の筒内空燃比がそれぞれどの程度乖離していたかを検出できる。或いは、ＥＣＵ５０が上記の式（２）に従って１〜４番気筒の各筒内空燃比の値を算出した上で、それらを比較してもよい。例えば比較した複数のｅｋｃｙｌｂのうち、最も小さなｅｋｃｙｌｂ（ｅｋｃｙｌｂｍｉｎ）と最も大きなｅｋｃｙｌｂ（ｅｋｃｙｌｂｍａｘ）との差が許容範囲を超えた場合に異常と判定したり、或いは複数のｅｋｃｙｌｂの平均偏差が所定値以下かどうか等の各種判定を行えばよい。

以上説明したように、実施の形態１によれば、燃焼速度と空燃比の関係を利用して、気筒別の空燃比情報を精度良く検出できるとともに、気筒別に取得した空燃比の情報を用いて精度良く気筒間空燃比インバランスを検出することができる。

なお、負荷や機関回転数等の運転条件が変わると、燃焼速度の特性カーブも変化し、図２の燃焼速度のカーブの形状が変わる。しかしながら、実施の形態１においては、燃焼速度ＣＳをピーク値に到達させるまでの燃料噴射量の増大量（変化量ｅｋｃｙｌｂ）が特定できればよいので、運転領域ごとにマップを持ったり適合を行ったりしなくともよいという利点がある。

［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検出装置および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。図５のルーチンは、エンジン１０の運転中において、より具体的には、エンジン１０を搭載する車両の走行中（好ましくは定常運転域）において実行される。

図５のルーチンでは、先ず、ＥＣＵ５０が、燃焼速度算出処理を開始する（ステップＳ１００）。このステップの実行により、今回のルーチンにおける燃焼速度算出処理が開始する。図５のフローチャートでは、このステップＳ１００以後は、ＥＣＵ５０が、１〜４番気筒それぞれにおいて独立に、前述した燃焼速度算出処理を繰り返し実行するものとする。

次に、ＥＣＵ５０は、前述した燃料噴射量変更処理を実行する（ステップＳ１０２）。このステップで、一気筒ずつ噴射量を少しずつ増大してリッチにする処理が実行される。本実施の形態では、先ず、１番気筒の直噴インジェクタ１４を対象にして、燃料噴射量変更処理を実行するものとする。このステップでは、補正係数ｅｋｃｙｌを、１．０５→１．１→１．１５→１．２と所定刻みで増加させていく。その後、燃焼速度ＣＳが増加から減少に転じたときの補正係数ｅｋｃｙｌの値を、変更量ｅｋｃｙｌｂとして記憶する。

次に、ＥＣＵ５０は、空燃比ずれ算出処理および空燃比算出処理を実行する（ステップＳ１０４）。空燃比ずれ算出処理は、本実施の形態ではｅｋｃｙｌｂそのものを空燃比ずれの大きさを表す値として用いる。空燃比算出処理は、式（２）にｅｋｃｙｌｂを代入して、初期Ａ／Ｆの具体的数値を求める。

ＥＣＵ５０は、上記のステップＳ１０２およびＳ１０４の処理を残りの気筒（２番、３番および４番気筒）に対して同様に実施する（ステップＳ１０６）。なお、図５のフローチャートでは、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、各気筒についてステップＳ１０２およびステップＳ１０４の処理を行うものとする。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およびＳ１０４を＃１〜＃４気筒のそれぞれについて実行するものとする。ただし本発明はこれに限られるものではなく、例えば複数の気筒を一括して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。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、ｅｋｃｙｌｂの値が得られた段階で、処理はステップＳ１０８に進むものとする。

最後に、ＥＣＵ５０は、上記のステップＳ１０６により各気筒について得られた空燃比の値を比較して、気筒間空燃比インバランス判定処理を実施する（ステップＳ１０８）。ＥＣＵ５０は、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。

実施の形態２．
実施の形態２にかかる内燃機関の空燃比検出装置および空燃比インバランス検出装置は、実施の形態１にかかるそれらと同様のハードウェア構成を備えている。以下の説明では、実施の形態１との相違点である「燃焼速度変化判定処理」および「変更方向決定処理」の内容を中心に説明を行うこととし、実施の形態１と同様の構成、処理、動作等については説明を省略する。

図６は、本発明の実施の形態２にかかる内燃機関の空燃比検出装置および内燃機関の空燃比インバランス検出装置の動作を説明するための図である。実施の形態１において図２および図４に示したように、「燃焼速度は一定の空燃比でピークを取り、且つそのピークからリッチ側とリーン側の何れの側に離れても燃焼速度が低下する」という傾向があることを本願発明者は見出している。この傾向を考慮に入れると、図６に示すように領域（ア）と領域（イ）との間で、燃料噴射量変更処理における燃料噴射量の変更方向（増加と減少）を切り替える必要がある。仮に筒内空燃比がＡ／Ｆ＝１２以下（例えばＡ／Ｆ＝１１）となるようなリッチインバランスが発生している気筒がある場合に、その気筒に対して実施の形態１で述べたように燃料噴射量増量によるリッチ化を行ったとしても、燃焼速度ＣＳはピーク値ＣＳ_Ｐｅａｋに到達することができない。領域（イ）においてはリッチ化するほど燃焼速度ＣＳは却ってピーク値ＣＳ_Ｐｅａｋから遠ざかってしまうからである。

そこで、実施の形態２では、「燃焼速度変化判定処理」および「変更方向決定処理」を実施の形態１に追加して、上記の弊害を回避する。燃焼速度変化判定処理は、燃料噴射量の変更（実施の形態１では微増）に応じて、その気筒の燃焼速度ＣＳが増加と減少の何れの方向に変化するかを判定する処理である。変更方向決定処理は、燃料噴射量の増加に応じて燃焼速度ＣＳが増加すると判定されたときは燃料噴射量の変更方向を「増加」に設定し、燃料噴射量の増加に応じて燃焼速度ＣＳが減少すると判定されたときは燃料噴射量の変更方向を「低減」に設定する処理である。これにより、図６に示す燃焼速度の傾向（領域（ア）と領域（イ）の存在）を考慮に入れて、燃料噴射量の変更方向（増加と減少）を適切に決定することができる。その結果、燃焼速度を確実にピーク値へ到達させることができる。

図７は、本発明の実施の形態２にかかる内燃機関の空燃比検出装置および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。

図７のルーチンでは、先ず、実施の形態１と同様に、ＥＣＵ５０が燃焼速度算出処理を開始する（ステップＳ１００）。

次いで、ＥＣＵ５０が、対象気筒（ここでは１番気筒とする）に対して燃料噴射量を微増する処理を実行する。この微増の幅は、あらかじめ決定しておけばよいが、例えば実施の形態１の燃料噴射量変更処理における最小刻み幅と一致させて、補正係数ｅｋｃｙｌ＝１．０５を乗じてもよい。
次に、ＥＣＵ５０が、ステップＳ２０２の後に計算した燃焼速度の値が、ステップＳ２０２実行前の燃焼速度よりも増大したかどうかを判定する処理を実行する（ステップＳ２０４）。ステップＳ２０４の判定結果がＹＥＳであった場合には、現在、筒内空燃比は図６の領域（ア）に属するものと判断できる。一方、ステップＳ２０４の判定結果がＮＯであった場合には、現在、筒内空燃比は図６の領域（イ）に属するものと判断できる。

ステップＳ２０４の判定結果がＹＥＳであった場合には、処理はステップＳ２０６に進み、実施の形態１における具体的処理のステップＳ１０２と同様に、燃料噴射量を徐々に増量させて筒内空燃比をリッチ化する。一方、ステップＳ２０４の判定結果がＮＯであった場合には、処理はステップＳ２０８に進み、実施の形態１における具体的処理のステップＳ１０２とは反対に、燃料噴射量を徐々に減少させて筒内空燃比をリーン化する。その結果、いずれのステップの処理によっても、燃焼速度ＣＳが増大してピーク燃焼速度への到達が実現される。ステップＳ２０６とステップＳ２０８のいずれにおいても、燃焼速度ＣＳの変化が増加と減少との間で転じたときの補正係数ｅｋｃｙｌの値を、変更量ｅｋｃｙｌｂとして記憶する。

その後、実施の形態１と同様にステップＳ１０４、Ｓ１０６およびＳ１０８の処理が実行され、今回のルーチンが終了する。

なお、上記の実施の形態１においては、各気筒に直噴インジェクタ１４を備えた、直列４気筒式ガソリンエンジンであるエンジン１０に対して、本発明を適用した。しかしながら、本発明を適用可能なエンジンの具体的構造は、実施の形態１において述べた構造に限られるものではない。エンジン１０の気筒数や気筒配列方式に特に限定は無く、各気筒に筒内圧センサ１６および直噴インジェクタ１４を取り付ければよい。また、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。

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

Claims (7)

1. 内燃機関の気筒の燃焼速度を算出する燃焼速度算出手段と、
   前記燃焼速度算出手段で算出される前記燃焼速度がピーク値に達するように、前記気筒の燃料噴射弁を対象に燃料噴射量の変更をする噴射量変更手段と、
   前記噴射量変更手段での燃料噴射量の変更開始から前記燃焼速度のピーク値到達までの間に前記噴射量変更手段で変更した燃料噴射量の変更量に基づいて、前記気筒の空燃比に関する情報を算出する空燃比情報算出手段と、
   を備え、
   前記空燃比情報算出手段は、
   前記変更量に基づいて、所定の基準空燃比に対する前記気筒の空燃比ずれを算出する空燃比ずれ算出手段と、
   所定の基準空燃比の値と前記変更量とを用いた計算により、前記気筒についての、前記燃料噴射量の変更開始時の空燃比の値を求める空燃比計算手段と、
   のうち少なくとも一方を含むことを特徴とする内燃機関の空燃比検出装置。
2. 前記噴射量変更手段は、
   前記気筒の燃料噴射量の変更に応じて、前記気筒の前記燃焼速度が増加と減少の何れの方向に変化するかを判定する判定手段と、
   前記判定手段で燃料噴射量の増加に応じて燃焼速度が増加すると判定されたときは燃料噴射量を増加させることにより、前記判定手段で前記燃料噴射量の増加に応じて前記燃焼速度が減少すると判定されたときは燃料噴射量を低減することにより、前記燃焼速度がピーク値に達するまで燃料噴射量の変更を行う変更手段と、
   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検出装置。
3. 前記内燃機関の前記気筒には筒内圧センサが取り付けられており、
   前記燃焼速度算出手段は、
   前記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前記筒内圧センサの出力に基づいて前記気筒についての燃焼割合を計算する燃焼割合計算手段と、
   前記燃焼割合計算手段で計算した燃焼割合の変化率の最大値を、燃焼速度の値として算出する最大値算出手段と、
   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検出装置。
4. 複数の気筒を備える内燃機関の各気筒の燃焼速度を算出する燃焼速度算出手段と、
   前記各気筒の燃料噴射弁のそれぞれについて、前記各気筒について前記燃焼速度算出手段で算出される燃焼速度がピーク値に達するように、燃料噴射量の変更をする噴射量変更手段と、
   前記噴射量変更手段での燃料噴射量の変更開始から前記燃焼速度のピーク値到達までの間に前記噴射量変更手段により変化させられた前記各気筒の燃料噴射量の変化量に基づいて、前記複数の気筒の間の空燃比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。
5. 前記噴射量変更手段は、
   前記気筒の燃料噴射量の変更に応じて、前記気筒の前記燃焼速度が増加と減少の何れの方向に変化するかを判定する判定手段と、
   前記判定手段で燃料噴射量の増加に応じて燃焼速度が増加すると判定されたときは燃料噴射量を増加させることにより、前記判定手段で前記燃料噴射量の増加に応じて前記燃焼速度が減少すると判定されたときは燃料噴射量を低減することにより、前記燃焼速度がピーク値に達するまで燃料噴射量の変更を行う変更手段と、
   を備えることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の空燃比インバランス検出装置。
6. 前記内燃機関の各気筒には、それぞれ筒内圧センサが取り付けられており、
   前記燃焼速度算出手段が、
   前記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前記筒内圧センサの出力に基づいて前記気筒についての燃焼割合を計算する燃焼割合計算手段と、
   前記燃焼割合計算手段で計算した燃焼割合の変化率の最大値を、燃焼速度の値として算出する最大値算出手段と、
   を含むことを特徴とする請求項４または５に記載の内燃機関の空燃比インバランス検出装置。
7. 前記インバランス検出手段は、
   所定の基準空燃比の値と前記変化量とを用いた計算により、前記各気筒についての、前記燃料噴射量の変更開始時の空燃比の値を求める空燃比計算手段と、
   前記空燃比計算手段で求めた前記各気筒の前記空燃比の値の比較に基づいて前記複数の気筒の間の空燃比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４乃至６のいずれか１項に記載の内燃機関の空燃比インバランス検出装置。

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