(57)【要約】【課題】排気タービンよりも下流側に配置した空燃比センサの出力に基づいて気筒間インバランス異常の有無を精度良く判定できるようにする。【解決手段】排気タービン２６をバイパスする排気バイパス通路２２を開閉するＷＧＶ３３が開弁されているときには、各気筒の排出ガスが排気タービン２６をバイパスして排気タービン２６の下流側の空燃比センサ２３の検出位置を通過するため、各気筒の排出ガスが排気タービン２６によって混ぜられることを回避でき、気筒間インバランス異常による空燃比の気筒間ばらつきの影響が空燃比センサ２３の出力波形に現れ易くなる。この点に着目して、ＷＧＶ３３が開弁されているときに空燃比センサ２３の出力に基づいて気筒間インバランス異常の有無を判定する。これにより、気筒間インバランス異常の有無を精度良く判定して、気筒間インバランス異常の検出精度を向上させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられた排気タービンによってコンプレッサを駆動して吸入空気を過給する過給機と、前記排気タービンをバイパスする排気バイパス通路を開閉するウェイストゲートバルブ（以下「ＷＧＶ」と表記する）とを備えた過給機付き内燃機関の異常診断装置において、
前記排気通路のうちの前記排気タービンよりも下流側に配置された空燃比センサの出力に基づいて内燃機関の気筒間インバランス異常の有無を判定する異常診断（以下「気筒間インバランス異常診断」という）を行う異常診断手段を備え、
前記異常診断手段は、前記ＷＧＶが開弁されているときに前記気筒間インバランス異常診断を実行することを特徴とする過給機付き内燃機関の異常診断装置。
【請求項２】
前記異常診断手段は、前記気筒間インバランス異常診断を実行する際に前記ＷＧＶを強制的に開弁させる手段を有することを特徴とする請求項１に記載の過給機付き内燃機関の異常診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、過給機付き内燃機関の排気通路に配置した空燃比センサの出力に基づいて気筒間インバランス異常の有無を判定する過給機付き内燃機関の異常診断装置に関する発明である。
【背景技術】
【０００２】
車両に搭載される内燃機関においては、例えば、特許文献１（特開２００９−２３５９２０号公報）に記載されているように、排気タービン式過給機（いわゆるターボチャージャ）を搭載したものがある。この排気タービン式過給機は、内燃機関の排気通路に設けた排気タービンと吸気通路に設けたコンプレッサとを連結し、排出ガスのエネルギで排気タービンを回転駆動することでコンプレッサを回転駆動して吸入空気を過給するようにしている。このような過給機付き内燃機関においては、排気系のレイアウト上の制約や空燃比センサの耐熱性等を考慮して、排気通路のうちの排気タービンよりも下流側に空燃比センサを配置するようにしたものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２３５９２０号公報（図１等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、内燃機関の気筒間インバランス（例えば、燃料噴射量や吸入空気量等の気筒間ばらつき）が大きくなると、空燃比の気筒間ばらつきが大きくなって、排気エミッションが悪化する可能性がある。そこで、本発明者は、内燃機関の排気通路に配置した空燃比センサの出力に基づいて気筒間インバランス異常（例えば、空燃比の気筒間ばらつきが許容レベルを越えるような異常）の有無を判定するシステムを研究しているが、その研究過程で次のような新たな課題が判明した。
【０００５】
過給機付き内燃機関において、排気タービンよりも下流側に空燃比センサを配置したシステムでは、各気筒の排出ガスが排気タービンを通過するときには、各気筒の排出ガスが排気タービンによって混ぜられた後に空燃比センサの検出位置を通過するため、気筒間インバランス異常による空燃比の気筒間ばらつきの影響が空燃比センサの出力波形に現れ難くなる。このため、空燃比センサの出力を監視しても、気筒間インバランス異常の有無を精度良く判定することが困難になり、気筒間インバランス異常の検出精度が低下するという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、排気タービンよりも下流側に配置した空燃比センサの出力に基づいて気筒間インバランス異常の有無を精度良く判定することができ、気筒間インバランス異常の検出精度を向上させることができる過給機付き内燃機関の異常診断装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、内燃機関の排気通路に設けられた排気タービンによってコンプレッサを駆動して吸入空気を過給する過給機と、排気タービンをバイパスする排気バイパス通路を開閉するウェイストゲートバルブ（以下「ＷＧＶ」と表記する）とを備えた過給機付き内燃機関の異常診断装置において、排気通路のうちの排気タービンよりも下流側に配置された空燃比センサの出力に基づいて内燃機関の気筒間インバランス異常の有無を判定する異常診断（以下「気筒間インバランス異常診断」という）を行う異常診断手段を備え、この異常診断手段は、ＷＧＶが開弁されているときに気筒間インバランス異常診断を実行する構成としたものである。
【０００８】
排気タービンよりも下流側に空燃比センサを配置したシステムにおいて、ＷＧＶが開弁されているときには、各気筒の排出ガスが排気タービンをバイパスして排気タービンの下流側の空燃比センサの検出位置を通過するため、各気筒の排出ガスが排気タービンによって混ぜられることを回避でき、気筒間インバランス異常による空燃比の気筒間ばらつきの影響が空燃比センサの出力波形に現れ易くなる。従って、ＷＧＶが開弁されているときに、空燃比センサの出力に基づいて気筒間インバランス異常の有無を判定する気筒間インバランス異常診断を実行することで、気筒間インバランス異常の有無を精度良く判定することができ、気筒間インバランス異常の検出精度を向上させることができる。気筒間インバランスに対する規制は、将来益々厳しくなる傾向にあるが、本発明を適用することで、将来益々厳しくなる気筒間インバランスに対する規制に対応することが可能となる。
【０００９】
本発明は、例えば、ＷＧＶの開度を制御することで排気タービンの回転を制御して過給圧を制御する過給圧制御等によってＷＧＶが開弁されたときに気筒間インバランス異常診断を実行するようにしても良いが、請求項２のように、気筒間インバランス異常診断を実行する際にＷＧＶを強制的に開弁させるようにしても良い。このようにすれば、ＷＧＶを強制的に開弁させて気筒間インバランス異常診断を実行することができるため、気筒間インバランス異常診断の実行頻度を多くすることができ、気筒間インバランス異常が発生した場合に、その気筒間インバランス異常を早期に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は本発明の実施例１におけるエンジン制御システムの概略構成を示す図である。
【図２】図２は気筒間インバランス異常が発生した状態を説明する図である。
【図３】図３はＷＧＶ閉弁時の空燃比センサの出力波形を示すタイムチャートである。
【図４】図４はＷＧＶ開弁時の空燃比センサの出力波形を示すタイムチャートである。
【図５】図５は比較例のシステムにおいて気筒間インバランス異常が発生した状態を説明する図である。
【図６】図６は比較例のシステムにおける空燃比センサの出力波形を示すタイムチャートである。
【図７】図７は実施例１の気筒間インバランス異常診断ルーチンの処理の流れを説明するフローチャートである。
【図８】図８は実施例２の気筒間インバランス異常診断ルーチンの処理の流れを説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための形態を具体化した幾つかの実施例を説明する。
【実施例１】
【００１２】
本発明の実施例１を図１乃至図７に基づいて説明する。
まず、図１に基づいてエンジン制御システム全体の概略構成を説明する。
内燃機関であるエンジン１１の吸気管１２の最上流部には、エアクリーナ１３が設けられ、このエアクリーナ１３の下流側に、吸入空気量を検出するエアフローメータ１４が設けられている。このエアフローメータ１４の下流側には、後述する排気タービン式過給機２５のコンプレッサ２７と、このコンプレッサ２７で加圧された吸入空気を冷却するインタークーラー３１が設けられている。このインタークーラー３１の下流側には、モータ等によって開度調節されるスロットルバルブ１５と、このスロットルバルブ１５の開度（スロットル開度）を検出するスロットル開度センサ１６とが設けられている。
【００１３】
更に、スロットルバルブ１５の下流側には、サージタンク１７が設けられ、このサージタンク１７には、スロットルバルブ１５の下流側圧力（吸気圧）を検出する吸気圧センサ１８が設けられている。また、サージタンク１７には、エンジン１１の各気筒に空気を導入する吸気マニホールド１９が設けられ、各気筒の吸気マニホールド１９の吸気ポート近傍に、それぞれ吸気ポートに向けて燃料を噴射する燃料噴射弁２０が取り付けられている。また、エンジン１１のシリンダヘッドには、各気筒毎に点火プラグ２１が取り付けられ、各気筒の点火プラグ２１の火花放電によって筒内の混合気に着火される。
【００１４】
一方、エンジン１１の排気管２２（排気通路）には、排出ガスの空燃比を検出する空燃比センサ２３が後述する排気タービン式過給機２５の排気タービン２６よりも下流側に設けられ、この空燃比センサ２３の下流側に、排出ガスを浄化する三元触媒等の触媒２４が設けられている。
【００１５】
このエンジン１１には、排気タービン式過給機２５が搭載されている。この排気タービン式過給機２５は、排気管２２のうちの空燃比センサ２３よりも上流側に排気タービン２６が配置され、吸気管１２のうちのエアフローメータ１４とスロットルバルブ１５との間にコンプレッサ２７が配置されている。過給機２５は、排気タービン２６とコンプレッサ２７とが連結され、排出ガスの運動エネルギで排気タービン２６を回転駆動することでコンプレッサ２７を回転駆動して吸入空気を過給するようになっている。
【００１６】
更に、吸気管１２には、スロットルバルブ１５の上流側においてコンプレッサ２７の上流側と下流側とをバイパスさせる吸気バイパス通路２８が設けられ、この吸気バイパス通路２８の途中に、吸気バイパス通路２８を開閉するエアバイパスバルブ（以下「ＡＢＶ」と表記する）２９が設けられている。このＡＢＶ２９は、ＡＢＶ用バキュームスイッチングバルブ３０を制御することでＡＢＶ２９の開閉動作が制御されるようになっている。
【００１７】
一方、排気管２２には、排気タービン２６の上流側と下流側とをバイパスさせる排気バイパス通路３２が設けられ、この排気バイパス通路３２の途中に、排気バイパス通路３２を開閉するウェイストゲートバルブ（以下「ＷＧＶ」と表記する）３３が設けられている。このＷＧＶ３３は、ＷＧＶ用バキュームスイッチングバルブ３４を制御してダイヤフラム式のアクチュエータ３５を制御することでＷＧＶ３３の開度が制御されるようになっている。
【００１８】
また、エンジン１１のシリンダブロックには、冷却水温を検出する冷却水温センサ３６や、エンジン１１のクランク軸が所定クランク角回転する毎にパルス信号を出力するクランク角センサ３７が取り付けられている。このクランク角センサ３７の出力信号に基づいてクランク角やエンジン回転速度が検出される。
【００１９】
これら各種センサの出力は、エンジン制御回路（以下「ＥＣＵ」と表記する）３８に入力される。このＥＣＵ３８は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された各種のエンジン制御プログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じて燃料噴射弁２０の燃料噴射量や点火プラグ２１の点火時期を制御すると共に、ＷＧＶ３３の開度を制御して排気タービン２６に供給する排出ガス量を制御することで、排気タービン２６とコンプレッサ２７の回転を制御して過給圧を制御する過給圧制御を実行する。
【００２０】
その際、ＥＣＵ３８は、所定の空燃比フィードバック制御実行条件が成立したときに、空燃比センサ２３の出力に基づいて排出ガスの空燃比を目標空燃比（例えば理論空燃比）に一致させるように空燃比フィードバック補正量を算出し、この空燃比フィードバック補正量を用いて燃料噴射弁２１の燃料噴射量を補正する空燃比フィードバック制御を実行する。
【００２１】
ところで、エンジン１１の気筒間インバランス（例えば、燃料噴射量や吸入空気量等の気筒間ばらつき）が大きくなると、空燃比の気筒間ばらつきが大きくなって、排気エミッションが悪化する可能性がある。例えば、図２に示すように、１つの気筒の燃料噴射量が増量側にばらつく異常が発生して、その異常気筒の空燃比がリッチになると、空燃比センサ２３で検出する空燃比（各気筒の平均空燃比）がリッチ方向に変化するため、空燃比フィードバック制御によって空燃比センサ２３で検出する空燃比（各気筒の平均空燃比）が目標空燃比になるように各気筒の燃料噴射量がリーン方向に補正される。この場合、異常気筒では空燃比がリッチに制御され、その他の気筒では空燃比がリーンに制御されることになるため、全気筒が理論空燃比（ストイキ）に制御される正常時に比べて、異常気筒ではリッチ成分（ＨＣ等）が多く排出され、その他の気筒ではリーン成分（ＮＯｘ等）が多く排出されて、排気エミッションが悪化する。
【００２２】
ここで、図５に示す比較例のように、排気タービン２６よりも上流側に空燃比センサ２３を配置したシステムでは、各気筒の排出ガスが排気タービン２６によって混ぜられる前に空燃比センサ２３の検出位置を通過するため、気筒間インバランス異常による空燃比の気筒間ばらつきの影響が空燃比センサ２３の出力波形に現れ易い（図６参照）。このため、空燃比センサ２３の出力を監視すれば、気筒間インバランス異常の有無を精度良く判定することができる。
【００２３】
しかし、図２に示すように、排気タービン２６よりも下流側に空燃比センサ２３を配置したシステムでは、ＷＧＶ３３が閉弁されて各気筒の排出ガスが排気タービン２６を通過するときには、各気筒の排出ガスが排気タービン２６によって混ぜられた後に空燃比センサ２３の検出位置を通過するため、気筒間インバランス異常による空燃比の気筒間ばらつきの影響が空燃比センサ２３の出力波形に現れ難くなる（図３参照）。このため、空燃比センサ２３の出力を監視しても、気筒間インバランス異常の有無を精度良く判定することが困難になる。
【００２４】
そこで、本実施例１では、排気タービン２６よりも下流側に空燃比センサ２３を配置したシステムにおいて、ＥＣＵ３８により後述する図７の気筒間インバランス異常診断ルーチンを実行することで、ＷＧＶ３３が開弁されているときに空燃比センサ２３の出力に基づいて気筒間インバランス異常（例えば、空燃比の気筒間ばらつきが許容レベルを越えるような異常）の有無を判定する気筒間インバランス異常診断を実行する。
【００２５】
排気タービン２６よりも下流側に空燃比センサ２３を配置したシステムにおいて、ＷＧＶ３３が開弁されているときには、各気筒の排出ガスが排気タービン２６をバイパスして排気タービン２６の下流側の空燃比センサ２３の検出位置を通過するため、各気筒の排出ガスが排気タービン２６によって混ぜられることを回避でき、気筒間インバランス異常による空燃比の気筒間ばらつきの影響が空燃比センサ２３の出力波形に現れ易くなる（図４参照）。従って、ＷＧＶ３３が開弁されているときに、空燃比センサ２３の出力に基づいて気筒間インバランス異常の有無を判定する気筒間インバランス異常診断を実行することで、気筒間インバランス異常の有無を精度良く判定することができる。
【００２６】
以下、ＥＣＵ３８が実行する図７の気筒間インバランス異常診断ルーチンの処理内容を説明する。
図７に示す気筒間インバランス異常診断ルーチンは、ＥＣＵ３８の電源オン中に所定周期で繰り返し実行され、特許請求の範囲でいう異常診断手段としての役割を果たす。本ルーチンが起動されると、まず、ステップ１０１で、気筒間インバランス異常診断の実行条件が成立しているか否かを判定する。ここで、気筒間インバランス異常診断の実行条件は、例えば、次の(1) 〜(3) の条件を全て満たすことである。
【００２７】
(1) 空燃比センサ２３が活性化していること
(2) エンジン１１が定常運転状態であること
(3) エンジン運転状態が高負荷領域又は低回転領域であること
【００２８】
ここで、高負荷領域は、各気筒の排出ガス量が多くなって気筒間インバランス異常の影響が空燃比センサ２３の出力波形に現れ易くなる運転領域であり、低回転領域は、各気筒の排出ガスの排出間隔が広がって気筒間インバランス異常の影響が空燃比センサ２３の出力波形に現れ易くなる運転領域であるため、上記(3) の条件が気筒間インバランス異常診断の実行条件の１つとして設定されている。尚、上記(3) の条件は適宜変更しても良く、例えば、「エンジン運転状態が高負荷領域であること」ととしても良い。或は、「エンジン運転状態が低回転領域であること」としても良い。また、「エンジン運転状態が高負荷領域且つ低回転領域であること」としても良い。
【００２９】
上記(1) 〜(3) の条件を全て満たせば、気筒間インバランス異常診断の実行条件が成立するが、上記(1) 〜(3) の条件のうちいずれか１つでも満たさない条件があれば、気筒間インバランス異常診断の実行条件が不成立となる。尚、気筒間インバランス異常診断の実行条件は、適宜変更しても良い。
このステップ１０１で、気筒間インバランス異常診断の実行条件が不成立と判定された場合には、ステップ１０２以降の処理を実行することなく、本ルーチンを終了する。
【００３０】
一方、上記ステップ１０１で、気筒間インバランス異常診断の実行条件が成立していると判定された場合には、ステップ１０２以降の処理を次のようにして実行する。
まず、ステップ１０２で、過給圧制御等によってＷＧＶ３３が開弁されているか否かを判定する。この場合、ＷＧＶ３３が全開位置まで開弁されているか否かを判定するようにしても良いし、或は、ＷＧＶ３３が所定開度（気筒間インバランス異常の影響が空燃比センサ２３の出力波形に現れ易くなる開度）以上開弁されているか否かを判定するようにしても良い。
【００３１】
このステップ１０２で、ＷＧＶ３３が開弁されていると判定されたときに、ステップ１０３に進み、空燃比センサ２３の出力に基づいて気筒間インバランス度合（気筒間インバランスの度合を評価する情報）を算出する。この場合、気筒間インバランス度合としては、例えば、空燃比センサ２３の出力波形の振幅（所定期間におけるピーク値とボトム値との差）、空燃比センサ２３の出力波形の面積（所定期間における出力波形と正常時の出力波形とによって囲まれる面積）、空燃比センサ２３の出力波形の傾き（所定期間における出力波形の変化量又は変化割合）、空燃比センサ２３の出力波形の長さ（所定期間における軌跡長）、空燃比センサ２３の出力波形の周波数等のうちのいずれかを算出する。気筒間インバランスが大きくなって、空燃比の気筒間ばらつきが大きくなると、空燃比センサ２３の出力の変動が大きくなって、空燃比センサ２３の出力の振幅、面積、傾き、長さ、周波数等が大きくなるため、これらのパラメータは、いずれも気筒間インバランスの度合を精度良く反映した情報となる。
【００３２】
この後、ステップ１０４に進み、気筒間インバランス度合が所定の異常判定値を越えているか否かを判定する。この場合、異常判定値を予め設定した固定値としても良い。或は、エンジン運転状態等に応じて異常判定値を変化させるようにしても良い。
【００３３】
その結果、気筒間インバランス度合が異常判定値を越えていると判定された場合には、ステップ１０５に進み、気筒間インバランス異常有りと判定して異常フラグをＯＮにセットし、運転席のインストルメントパネルに設けられた警告ランプ（図示せず）を点灯したり、或は、運転席のインストルメントパネルの警告表示部（図示せず）に警告表示して運転者に警告すると共に、その異常情報（異常コード等）をＥＣＵ３８のバックアップＲＡＭ（図示せず）等の書き換え可能な不揮発性メモリ（ＥＣＵ３８の電源オフ中でも記憶データを保持する書き換え可能なメモリ）に記憶して、本ルーチンを終了する。
【００３４】
これに対して、上記ステップ１０４で、気筒間インバランス度合が異常判定値以下であると判定された場合には、ステップ１０６に進み、気筒間インバランス異常無し（正常）と判定して異常フラグをＯＦＦに維持して、本ルーチンを終了する。
【００３５】
以上説明した本実施例１では、排気タービン２６よりも下流側に空燃比センサ２３を配置したシステムにおいて、ＷＧＶ３３が開弁されているときには、気筒間インバランス異常による空燃比の気筒間ばらつきの影響が空燃比センサ２３の出力波形に現れ易くなることに着目して、過給圧制御等によってＷＧＶ３３が開弁されているときに、空燃比センサ２３の出力に基づいて気筒間インバランス異常の有無を判定する気筒間インバランス異常診断を実行するようにしたので、空燃比センサ２３の出力に基づいて気筒間インバランス異常の有無を精度良く判定することができ、気筒間インバランス異常の検出精度を向上させることができる。気筒間インバランスに対する規制は、将来益々厳しくなる傾向にあるが、本発明を適用することで、将来益々厳しくなる気筒間インバランスに対する規制に対応することが可能となる。
【実施例２】
【００３６】
次に、図８を用いて本発明の実施例２を説明する。但し、前記実施例１と実質的に同一部分については説明を省略又は簡略化し、主として前記実施例１と異なる部分について説明する。
【００３７】
前記実施例１では、過給圧制御等によってＷＧＶ３３が開弁されているときに気筒間インバランス異常診断を実行するようにしたが、本実施例２では、ＥＣＵ３８により後述する図８の気筒間インバランス異常診断ルーチンを実行することで、気筒間インバランス異常診断を実行する際にＷＧＶ３３を強制的に開弁させるようにしている。図８のルーチンは、前記実施例１で説明した図７のルーチンのステップ１０２の処理をステップ１０２ａの処理に変更したものであり、それ以外の各ステップの処理は図７と同じである。
【００３８】
図８の気筒間インバランス異常診断ルーチンでは、ステップ１０１で、気筒間インバランス異常診断の実行条件が成立していると判定された場合に、ステップ１０２ａに進み、ＷＧＶ３３を強制的に開弁させる。この場合、ＷＧＶ３３を全開位置まで開弁させても良いし、或は、ＷＧＶ３３を所定開度（気筒間インバランス異常の影響が空燃比センサ２３の出力波形に現れ易くなる開度）以上開弁させるようにしても良い。
【００３９】
この後、空燃比センサ２３の出力に基づいて気筒間インバランス度合を算出し、この気筒間インバランス度合が異常判定値を越えているか否かを判定する（ステップ１０３、１０４）。その結果、気筒間インバランス度合が異常判定値を越えていると判定された場合には、気筒間インバランス異常有りと判定する（ステップ１０５）。これに対して、気筒間インバランス度合が異常判定値以下であると判定された場合には、気筒間インバランス異常無し（正常）と判定する（ステップ１０６）。
【００４０】
以上説明した本実施例２では、気筒間インバランス異常診断の実行条件が成立したときにＷＧＶ３３を強制的に開弁させて気筒間インバランス異常診断を実行するようにしたので、気筒間インバランス異常診断の実行頻度を多くすることができ、気筒間インバランス異常が発生した場合に、その気筒間インバランス異常を早期に検出することができる。
【００４１】
尚、空燃比センサ２３の出力に基づいて気筒間インバランス異常の有無を判定する気筒間インバランス異常診断の具体的な方法は、上記各実施例１，２で説明した方法に限定されず、適宜変更しても良く、例えば、空燃比センサ２３の出力に基づいて各気筒の空燃比を気筒別に推定し、その推定結果に基づいて気筒間インバランス異常の有無を判定するようにしても良い。
【００４２】
その他、本発明は、図１に示すような吸気ポート噴射式エンジンに限定されず、筒内噴射式エンジンや、吸気ポート噴射用の燃料噴射弁と筒内噴射用の燃料噴射弁の両方を備えたデュアル噴射式のエンジンにも適用して実施できる。
【符号の説明】
【００４３】
１１…エンジン（内燃機関）、１２…吸気管、１６…スロットルバルブ、２０…燃料噴射弁、２１…点火プラグ、２２…排気管（排気通路）、２３…空燃比センサ、２５…排気タービン式過給機、２６…排気タービン、２７…コンプレッサ、３２…排気バイパス通路、３３…ＷＧＶ、３８…ＥＣＵ（異常診断手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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