(57)【要約】      （修正有）【課題】使用燃料のアルコール濃度に拘わらず正確な異常検出を可能とする。【解決手段】アルコール燃料を使用可能な多気筒内燃機関の気筒間空燃比ばらつき異常検出装置は、内燃機関の排気通路に設けられた空燃比センサと、空燃比センサの出力変動度合いに相関する出力変動パラメータを検出する検出手段と、検出手段により検出された出力変動パラメータに基づき、少なくとも正常または異常の判定を実行する判定手段と、検出手段による出力変動パラメータの検出時に、空燃比を所定の基準空燃比よりもリーンに制御する空燃比制御手段とを備える。【選択図】図７
2013015051.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルコール燃料を使用可能な多気筒内燃機関の気筒間空燃比ばらつき異常検出装置であって、
前記内燃機関の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変動度合いに相関する出力変動パラメータを検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された出力変動パラメータに基づき、少なくとも正常または異常の判定を実行する判定手段と、
前記検出手段による出力変動パラメータの検出時に、空燃比を所定の基準空燃比よりもリーンに制御する空燃比制御手段と、
を備えることを特徴とする気筒間空燃比ばらつき異常検出装置。
【請求項２】
前記空燃比制御手段は、空燃比を、前記基準空燃比よりもリッチまたはリーンな第１空燃比に制御し、前記検出手段は、この第１空燃比への制御中に出力変動パラメータの検出を行い、前記判定手段は、当該出力変動パラメータの検出値に基づき、正常、異常または保留の判定を実行し、
前記判定手段が保留の判定を実行したとき、前記空燃比制御手段は、空燃比を、前記基準空燃比および前記第１空燃比よりリーンな第２空燃比に制御し、前記検出手段は、この第２空燃比への制御中に出力変動パラメータの検出を行い、前記判定手段は、当該出力変動パラメータの検出値に基づき、正常または異常の判定を実行する
ことを特徴とする請求項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】
前記空燃比センサが使用初期状態にあるか否かを判定する判定手段をさらに備え、
前記空燃比制御手段は、前記判定手段により前記空燃比センサが使用初期状態にあると判定されたとき、空燃比を前記第１空燃比に制御する
ことを特徴とする請求項２に記載の気筒間空燃比ばらつき異常検出装置。
【請求項４】
前記基準空燃比に対する前記第１空燃比のずれ量が、前記基準空燃比に対する前記第２空燃比のずれ量よりも少ない
ことを特徴とする請求項２または３に記載の気筒間空燃比ばらつき異常検出装置。
【請求項５】
空燃比センサの下流側に設けられた触媒と、
前記触媒の下流側に設けられた別の空燃比センサと、
前記別の空燃比センサが前記基準空燃比よりもリーンな空燃比を検出しているとき、前記空燃比制御手段が空燃比を前記基準空燃比よりもリーンに制御することを禁止する禁止手段と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の気筒間空燃比ばらつき異常検出装置。
【請求項６】
前記基準空燃比がストイキである
ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の気筒間空燃比ばらつき異常検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多気筒内燃機関の気筒間空燃比のばらつき異常を検出するための装置に係り、特に、多気筒内燃機関において気筒間の空燃比が比較的大きくばらついていることを検出する装置に関する。
【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。このような排気エミッションを悪化させる程の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。特に自動車用内燃機関の場合、排気エミッションが悪化した車両の走行を未然に防止するため、気筒間空燃比ばらつき異常を車載状態（オンボード）で検出することが要請されている。
【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変動値（傾き）から気筒間空燃比ばらつきを検出するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開第２０１１／００１５３９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、代替燃料としてのアルコール燃料を使用可能な多気筒内燃機関を搭載した車両（所謂ＦＦＶ（Flexible Fuel Vehicle））が実用化されている。かかる内燃機関においては、基準のガソリン燃料に対し０〜１００％濃度のアルコール燃料を含む燃料が使用可能である。
【０００８】
かかる内燃機関に上述のばらつき異常検出を行うと、使用燃料のアルコール濃度に応じて検出結果が異なる場合があることが判明した。
【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、使用燃料のアルコール濃度に拘わらず正確な異常検出を可能とし、検出精度を向上できる気筒間空燃比ばらつき異常検出装置を提供することにある。
【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、
アルコール燃料を使用可能な多気筒内燃機関の気筒間空燃比ばらつき異常検出装置であって、
前記内燃機関の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変動度合いに相関する出力変動パラメータを検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された出力変動パラメータに基づき、少なくとも正常または異常の判定を実行する判定手段と、
前記検出手段による出力変動パラメータの検出時に、空燃比を所定の基準空燃比よりもリーンに制御する空燃比制御手段と、
を備えることを特徴とする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、前記空燃比制御手段は、空燃比を、前記基準空燃比よりもリッチまたはリーンな第１空燃比に制御し、前記検出手段は、この第１空燃比への制御中に出力変動パラメータの検出を行い、前記判定手段は、当該出力変動パラメータの検出値に基づき、正常、異常または保留の判定を実行し、
前記判定手段が保留の判定を実行したとき、前記空燃比制御手段は、空燃比を、前記基準空燃比および前記第１空燃比よりリーンな第２空燃比に制御し、前記検出手段は、この第２空燃比への制御中に出力変動パラメータの検出を行い、前記判定手段は、当該出力変動パラメータの検出値に基づき、正常または異常の判定を実行する。
【００１２】
好ましくは、前記気筒間空燃比ばらつき異常検出装置は、前記空燃比センサが使用初期状態にあるか否かを判定する判定手段をさらに備え、
前記空燃比制御手段は、前記判定手段により前記空燃比センサが使用初期状態にあると判定されたとき、空燃比を前記第１空燃比に制御する。
【００１３】
好ましくは、前記基準空燃比に対する前記第１空燃比のずれ量が、前記基準空燃比に対する前記第２空燃比のずれ量よりも少ない。
【００１４】
好ましくは、前記空燃比制御手段は、空燃比センサの下流側に設けられた触媒と、前記触媒の下流側に設けられた別の空燃比センサと、前記別の空燃比センサが前記基準空燃比よりもリーンな空燃比を検出しているとき、前記空燃比制御手段が空燃比を前記基準空燃比よりもリーンに制御することを禁止する禁止手段と、をさらに備える。
【００１５】
好ましくは、前記基準空燃比がストイキである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、使用燃料のアルコール濃度に拘わらず正確な異常検出を可能とし、検出精度を向上できるという、優れた効果が発揮される。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の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動パラメータの関係を示すグラフである。
【図６】アルコール濃度と出力変動パラメータの関係を示すグラフである。
【図７】第１の態様に係るばらつき異常検出ルーチンのフローチャートである。
【図８】空燃比センサ出力の変化の様子を示すタイムチャートである。
【図９】アドミタンスとカウント値との関係を規定するマップである。
【図１０】第２の態様に係るばらつき異常検出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】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づき説明する。
【００１９】
図１は、本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、燃焼室３内でピストンを往復移動させることにより動力を発生する。本実施形態の内燃機関１は自動車に搭載された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。内燃機関１は＃１〜＃４気筒を備える。但し気筒数、形式等は特に限定されない。
【００２０】
特に本実施形態の内燃機関１は、燃料として、アルコール燃料とガソリン燃料とをそれぞれ単独でまたは混合して使用可能なＦＦＶ用エンジンとして構成されている。燃料のアルコール濃度は０％（ガソリンのみ）〜１００％（アルコールのみ）の範囲内でユーザが任意に設定可能である。以下、特に言及しない限り、基準燃料であるガソリンのみが使用燃料であるとして説明を進める。
【００２１】
図示しないが、内燃機関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。
【００２２】
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。吸気ポート、枝管、サージタンク８及び吸気管１３により吸気通路が形成される。
【００２３】
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。
【００２４】
一方、各気筒の排気ポートは排気マニフォールド１４に接続される。排気マニフォールド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。排気ポート、排気マニフォールド１４及び排気管６により排気通路が形成される。
【００２５】
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触媒、すなわち上流触媒１１と下流触媒１９が直列に取り付けられている。これら触媒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、排気ガス中のＨＣ，ＣＯを酸化する。
【００２６】
上流触媒１１の上流側及び下流側にそれぞれ排気ガスの空燃比を検出するための第１及び第２の空燃比センサ、即ち触媒前センサ１７及び触媒後センサ１８が設置されている。これら触媒前センサ１７及び触媒後センサ１８は、上流触媒１１の直前及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。このように上流触媒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。上流触媒１１が本発明にいう「触媒」に該当し、触媒前センサ１７が本発明にいう「空燃比センサ」に該当し、触媒後センサ１８が本発明にいう「別の空燃比センサ」に該当する。
【００２７】
上述の点火プラグ７、スロットルバルブ１０及びインジェクタ１２等は、制御手段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、ＲＡＭ、入出力ポート、および記憶装置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、内燃機関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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
他方、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。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。
【００３３】
上流触媒１１及び下流触媒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。
【００３４】
そこで通常運転時、上流触媒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がＥＣＵ２０により実行される。この空燃比フィードバック制御は、触媒前センサ１７によっ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制御（主空燃比フィードバック制御）と、触媒後センサ１８によっ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制御（補助空燃比フィードバック制御）とからなる。
【００３５】
なお、このように目標空燃比をストイキとする空燃比フィードバック制御をストイキ制御という。ストイキは基準空燃比をなす。これに対し、目標空燃比をストイキ以外とする空燃比フィードバック制御も存在する。これについては後述する。
【００３６】
さて、例えば全気筒のうちの一部の気筒（特に１気筒）のインジェクタ１２が故障し、気筒間に空燃比のばらつき（インバランス：imbalance）が発生したとする。例えば＃１気筒が他の＃２、＃３及び＃４気筒よりも燃料噴射量が多くなり、その空燃比が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制御できる場合がある。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及び＃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。そこで本実施形態では、かかる気筒間空燃比ばらつき異常を検出する装置が装備されている。
【００３７】
［ばらつき異常検出の第１の態様］
以下、ばらつき異常検出の第１の態様を説明する。
【００３８】
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エンジンサイクル間（＝７２０°ＣＡ）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％のインバランス割合でリッチずれ、及び１気筒のみ５０％のインバランス割合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。
【００３９】
ここでインバランス割合（％）とは、気筒間空燃比のばらつき度合いに相関する一つのパラメータである。即ち、インバランス割合とは、全気筒のうちある１気筒のみが燃料噴射量ズレを起こしている場合に、その燃料噴射量ズレ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、燃料噴射量ズレを起こしていない気筒（バランス気筒）の燃料噴射量即ち基準噴射量からズレているかを示す値である。インバランス割合を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即ち基準噴射量をＱｓとすると、ＩＢ＝（Ｑｉｂ−Ｑｓ）／Ｑｓで表される。インバランス割合ＩＢ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、空燃比ばらつき度合いは大きい。
【００４０】
図３から理解されるように、インバランス割合が大きいほど、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。
【００４１】
よってこの特性を利用し、本実施形態では、触媒前センサ１７の出力変動度合いに相関する出力変動パラメータＸを、気筒間空燃比ばらつき度合いに相関するパラメータとして用い、且つ出力変動パラメータＸを検出する。そしてこの検出された出力変動パラメータに基づき、ばらつき異常を検出する。なお、前述のインバランス割合は説明目的のために用いる。
【００４２】
以下に出力変動パラメータの検出方法を説明する。図４は図３のＵ部に相当する拡大図であり、特に１エンジンサイクル内の触媒前センサ出力の変動を簡略的に示す。触媒前センサ出力としては、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を直接用いることも可能である。
【００４３】
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、所定のサンプル周期τ（単位時間、例えば４ｍｓ）毎に、触媒前センサ出力Ａ／Ｆの値を取得する。そして今回のタイミング（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の絶対値を次式（１）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。
【００４４】
【数１】
2013015051.tif 000003
【００４５】
最も単純には、この差ΔＡ／Ｆnが触媒前センサ出力の変動を表す。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の値を出力変動パラメータとすることができる。
【００４６】
但し、本実施形態では精度向上のため、複数の差ΔＡ／Ｆnの平均値を出力変動パラメータとする。本実施形態では、１エンジンサイクルの間、各タイミング毎に差ΔＡ／Ｆnを積算し、最終積算値をサンプル数Ｎで除し、１エンジンサイクル内の差ΔＡ／Ｆnの平均値を求める。そしてさらに、Ｍエンジンサイクル分（例えばＭ＝１００）だけ差ΔＡ／Ｆnの平均値を積算し、最終積算値をサイクル数Ｍで除し、Ｍエンジンサイクル内の差ΔＡ／Ｆnの平均値を求める。こうして求められた最終的な平均値を出力変動パラメータＸとする。触媒前センサ出力の変動度合いが大きくなるほど出力変動パラメータＸは大きくなる。
【００４７】
なお、触媒前センサ出力Ａ／Ｆは増加する場合と減少する場合とがあるので、これら各場合の一方についてだけ上記差ΔＡ／Ｆnあるいはその平均値を求め、これを出力変動パラメータとしても良い。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その出力が急速にリッチ側に変化（すなわち急減）するので、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。
【００４８】
また、触媒前センサ出力の変動度合いに相関する如何なる値をも出力変動パラメータとすることができる。例えば、１エンジンサイクル内における触媒前センサ出力の最大ピークと最小ピークの差（所謂ピークトゥピーク; peak to peak）、または２階微分値の最大ピークまたは最小ピークの絶対値に基づいて、出力変動パラメータを算出することもできる。触媒前センサ出力の変動度合いが大きいほど、触媒前センサ出力の最大ピークと最小ピークの差は大きくなり、また２階微分値の最大ピークまたは最小ピークの絶対値も大きくなるからである。
【００４９】
図５には、インバランス割合ＩＢ（％）と出力変動パラメータＸの関係を示す。図示されるように、インバランス割合ＩＢと出力変動パラメータＸの間には強い相関関係があり、インバランス割合ＩＢの絶対値が増加するほど空燃比変動パラメータＸも増加する。
【００５０】
検出された出力変動パラメータＸと、所定の判定値との比較結果に応じて、ばらつき異常の有無が判定される。例えば、検出された出力変動パラメータＸが判定値以上であればばらつき異常あり（異常）、検出された出力変動パラメータＸが判定値より小さければばらつき異常なし（正常）と判定される。
【００５１】
ところで、使用燃料にアルコールが含まれていると、使用燃料がガソリンのみの場合と比べて、触媒前センサ出力変動が変化し、出力変動パラメータＸの値が異なることが判明した。
【００５２】
すなわち、使用燃料にアルコールが含まれていると、使用燃料がガソリンのみの場合と比べて、燃料の気化特性や燃焼速度が異なり、排気中の水素（Ｈ2）濃度が増加する。水素は分子サイズが小さいため、触媒前センサの拡散層を選択的に通過可能である。従って排気中の水素濃度が増加するとセンサの反応が速くなる。この影響で、触媒前センサ出力変動が増大し、出力変動パラメータＸの値が増大する。
【００５３】
よって、このアルコール分の影響を解消若しくは抑制するため、本実施形態では、出力変動パラメータＸの検出時に、空燃比をストイキよりもリーンに制御する。
【００５４】
具体的には、空燃比フィードバック制御における目標空燃比をストイキよりも若干リーンな所定空燃比に設定し、この状態で空燃比フィードバック制御を実行する。所定空燃比は、ストイキに対し数％程度リーン側の空燃比である。例えばストイキ（＝１４．６）に対し５％リーン側の空燃比に設定することができ、この場合所定空燃比は１５．３である。この所定空燃比を目標空燃比とする空燃比フィードバック制御を「リーン制御」という。また所定空燃比を「リーン目標空燃比」という。
【００５５】
図６には、使用燃料のアルコール濃度と出力変動パラメータＸの関係を示す。なおここでいうアルコール濃度とはエタノール濃度のことである。
【００５６】
図中の各データないしプロットについて、黒菱形は、ばらつき異常なし（正常）且つストイキ制御を実行した場合である。白菱形はばらつき異常なし（正常）且つリーン制御を実行した場合である。黒四角はばらつき異常あり（異常）、且つストイキ制御を実行した場合とリーン制御を実行した場合である。ばらつき異常ありの場合、ストイキ制御時とリーン制御時とで同等のデータが取得されている。ここではばらつき異常ありの場合として、１気筒のみに＋４０％のインバランス割合のリッチずれが生じている場合を示す。
【００５７】
まず、使用燃料がガソリンのみ（アルコール濃度＝０（％））であり、ストイキ制御実行時であるときの正常時のデータａと異常時のデータｂに着目する。これらデータに鑑み、正常と異常を区別するための判定値を、例えばＸ＝０．０２５と等しく設定することができる。
【００５８】
しかし、ストイキ制御実行時の場合、アルコール濃度の増大につれ、正常時と異常時の出力変動パラメータＸの値が増大する傾向にある。
【００５９】
すると、例えばデータｃを見れば容易に分かるように、アルコール濃度が大きいとき、正常時の出力変動パラメータＸの値が判定値を上回り、本来正常なのに誤って異常と誤判定してしまうことがある。
【００６０】
これに対し、リーン制御実行時だと、アルコール濃度の増大につれ、異常時の出力変動パラメータＸの値は相変わらず増大傾向にあるが、正常時の出力変動パラメータＸの値はほぼ変わらなくなる。
【００６１】
よって、例えばデータｃ’を見れば容易に分かるように、アルコール濃度が大きいときでも、正常時の出力変動パラメータＸの値が判定値を上回ることがなく、上記の誤判定を防止することができる。
【００６２】
これから理解されるように、リーン制御を実行すると、使用燃料のアルコール濃度の増加に対して、水素発生量の増加を抑制し、正常時の出力変動パラメータＸの増加を抑制することができる。よって、正常と異常を正確に区別することができ、使用燃料のアルコール濃度に拘わらず正確な異常検出を可能とし、検出精度を向上できる。
【００６３】
また、使用燃料のアルコール濃度をアルコール濃度センサで検出若しくは推定する必要がない。検出若しくは推定アルコール濃度に基づく出力変動パラメータＸ若しくは判定値の補正の必要もない。よってシンプル、低廉な手法にて検出精度を向上できる。
【００６４】
ところで、リーン制御を実行すると、ストイキ制御時に比べ排ガス中のＮＯｘが増大する。そして上流触媒１１がＮＯｘを十分処理できない状態にあるときにリーン制御を実行すると、上流触媒１１からＮＯｘが排出されることが懸念される。
【００６５】
そこで本実施形態では、上流触媒１１がＮＯｘを十分処理できる状態にある場合に限ってリーン制御を許可し、上流触媒１１がＮＯｘを十分処理できる状態にない場合には、リーン制御を禁止する。
【００６６】
具体的には、触媒後センサ１８が、ストイキまたはこれよりリッチな空燃比を検出している場合に限って、リーン制御を許可し、触媒後センサ１８が、ストイキよりリーンな空燃比を検出している場合には、リーン制御を禁止する。
【００６７】
前者の場合には、上流触媒１１における吸蔵酸素が比較的少量または皆無であることが想定され、この場合にリーン制御を実行し、ＮＯｘが増大しても、上流触媒１１はそのＮＯｘを十分処理できると考えられる。従ってこの場合にはリーン制御を許可する。
【００６８】
逆に、後者の場合には、上流触媒１１における吸蔵酸素が比較的多量または満杯であることが想定され、この場合にリーン制御を実行し、ＮＯｘが増大すると、上流触媒１１はそのＮＯｘを十分処理できない可能性がある。従ってこの場合にはリーン制御を禁止する。
【００６９】
以下、図７を用いて、第１の態様のばらつき異常検出ルーチンを説明する。このルーチンはＥＣＵ２０により所定の演算周期τ毎に繰り返し実行される。
【００７０】
まずステップＳ１０１では、異常検出を行うのに適した所定の前提条件が成立しているか否かが判断される。この前提条件は、例えば次の各条件が成立したときに成立する。
（１）エンジンの暖機が終了している。ＥＣＵ２０は、図示しない水温センサで検出された水温が所定値（例えば７５℃）以上であるとき暖機終了と判断する。
（２）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。
（３）上流触媒１１および下流触媒１９が活性化している。ＥＣＵ２０は、別途推定した上流触媒１１および下流触媒１９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、両触媒が活性化していると判断する。
（４）エンジンが定常運転中である。
（５）エアフローメータ５により検出された吸入空気量Ｇａが所定値（例えば２０（ｇ／ｓ））以上である。
（６）ストイキ制御中である。
（７）触媒後センサ１８がストイキまたはこれよりリッチな空燃比を検出している。特にこの条件を含めることにより、前述したように、リーン制御時のＮＯｘを上流触媒１１で浄化し、エミッション悪化を抑制できる。
【００７１】
前提条件が成立していない場合にはルーチンが終了される。他方、前提条件が成立している場合には、ステップＳ１０２においてリーン制御が実行される。このとき、空燃比フィードバック制御における目標空燃比が、ストイキ（１４．６）から、これよりも若干リーンなリーン目標空燃比（例えば１５．３）に変更され、この状態で空燃比フィードバック制御が実行される。
【００７２】
次いでステップＳ１０３において、今回のタイミングにおける触媒前センサ出力Ａ／Ｆnが取得される。なお触媒前センサ出力Ａ／Ｆnは触媒前センサ１７の出力電圧Ｖｆを空燃比に換算した値である。
【００７３】
次に、ステップＳ１０４において、今回のタイミングにおける出力差ΔＡ／Ｆnが前式（１）より算出される。
【００７４】
次に、ステップＳ１０５において、出力差ΔＡ／Ｆnが積算され、すなわち今回のタイミングにおける積算出力差ΣΔＡ／Ｆnが次式（２）より算出される。
【００７５】
【数２】
2013015051.tif 000004
【００７６】
次に、ステップＳ１０６において、１エンジンサイクルが終了したか否かが判断される。終了してなければルーチンが終了され、終了した場合にはステップＳ１０７に進む。
【００７７】
ステップＳ１０７では、今回の１エンジンサイクル終了時点における最終的な積算出力差ΣΔＡ／ＦNがサンプル数Ｎで除して平均化され、平均出力差Ｒmが算出される。
【００７８】
そしてステップＳ１０８において、平均出力差Ｒmが積算され、すなわち今回のエンジンサイクル終了時における積算平均出力差ΣＲmが次式（３）より算出される。
【００７９】
【数３】
2013015051.tif 000005
【００８０】
次に、ステップＳ１０９において、Ｍエンジンサイクル（但しＭは２以上の整数で、例えば１００）が終了したか否かが判断される。終了してなければルーチンが終了され、終了した場合にはステップＳ１１０に進む。
【００８１】
ステップＳ１１０では、Ｍエンジンサイクル終了時点における最終的な積算平均出力差ΣＲMがサイクル数Ｍで除して平均化され、出力変動パラメータＸが算出される。この算出された出力変動パラメータＸが最終的な検出値としての出力変動パラメータＸとされる。
【００８２】
次いで、ステップＳ１１１において、出力変動パラメータＸが所定の正異常判定値αと比較される。正異常判定値αは例えば、図６の試験結果に従い０．０２５とされる。
【００８３】
出力変動パラメータＸが正異常判定値α以上である場合、ステップＳ１１２に進んでばらつき異常有り、すなわち異常と判定され、ルーチンが終了される。なお異常判定と同時に、異常の事実をユーザに知らせるべくチェックランプ等の警告装置を起動するのが好ましい。
【００８４】
他方、出力変動パラメータＸが正異常判定値α未満である場合、ステップＳ１１３に進んでばらつき異常無し、すなわち正常と判定され、ルーチンが終了される。
【００８５】
［ばらつき異常検出の第２の態様］
次に、ばらつき異常検出の第２の態様を説明する。なお前述の第１の態様と同様の部分については説明を省略し、以下相違点を中心に述べる。
【００８６】
触媒前センサ１７をなす空燃比センサの中には、基準空燃比としてのストイキ付近において応答性が低下するものがある。図８はこれを示し、ａは応答性が低下していないセンサ（通常センサという）の場合、ｂは応答性が低下したセンサ（応答性低下センサという）の場合である。図示例は、触媒前センサ１７に対する入力空燃比を１５．４から１４．４に切り替えた場合の各センサの出力を示す。
【００８７】
図中円内に示すように、応答性低下センサｂの場合、通常センサａに比べ、ストイキ付近を通過するときの応答性が低下しており、またストイキ付近を通過する前後よりも出力変化速度が一時的に遅くなる所謂息継ぎ現象が発生している。
【００８８】
このような息継ぎ現象は特に使用初期状態（「慣らし中」ともいう）のセンサに見られる。すなわち慣らし中だと、空燃比センサの電極反応と触媒反応がストイキ付近で低下し、このためにストイキ付近の応答性が低下するものと考えられる。一方、センサの慣らしが終了し、センサが使用初期状態でなくなる（この状態を「慣らし後」ともいう）と、息継ぎ現象が解消し、通常センサａの如くストイキ付近の応答性低下が解消する。
【００８９】
この応答性低下を考慮せず、ストイキ制御中に出力変動パラメータＸを検出してしまうと、通常センサ時と比べて出力変動パラメータＸの検出値が変化し、検出精度の低下や誤判定が生じる虞がある。
【００９０】
そこで本態様では、この対策として、出力変動パラメータＸの検出時に、ストイキよりもリッチまたはリーンな第１空燃比に空燃比を制御する。
【００９１】
具体的には、空燃比フィードバック制御における目標空燃比をストイキよりも若干リッチまたはリーンな所定の第１空燃比に設定し、この状態で空燃比フィードバック制御を実行する。第１空燃比は、ストイキに対し数％程度リッチまたはリーン側の空燃比である。例えばストイキ（＝１４．６）に対し３％リッチまたはリーン側の空燃比に設定することができ、この場合、第１空燃比は１４．２または１５．０である。この第１空燃比を目標空燃比とする空燃比フィードバック制御を「ずらし制御」という。
【００９２】
ずらし制御を行うと、息継ぎ現象が発生するストイキ付近の空燃比領域をできるだけ避けて出力変動パラメータＸを検出することができる。よってセンサ応答性低下の影響を抑制し、検出精度の低下や誤判定の可能性を低減することができる。
【００９３】
ここで、息継ぎ現象は使用初期状態の空燃比センサに特有の現象である。よって空燃比センサが使用初期状態にあるか否かを予め判定し、使用初期状態にあると判定した場合に限ってずらし制御を実行するのが好ましい。
【００９４】
空燃比センサの使用初期状態については次の通りである。エンジンが車両に搭載されている場合、空燃比センサの性能保証期間は例えば車両走行距離で150000mile（240000km）とされる。一方、息継ぎ現象が無くなるには、使用温度条件等によっても変わるが例えば最大で1000kmの走行が必要である。よって息継ぎ現象が無くなるまでの使用初期状態とは、例えば空燃比センサの性能保証期間の最初の約0.4%の期間をいう。
【００９５】
次に、空燃比センサとしての触媒前センサ１７が使用初期状態にあるか否かを判定する際の判定方法を説明する。この判定は、触媒前センサ１７の慣らし度合いに相関するパラメータに基づいて行うのが好適である。
【００９６】
第１の判定方法は、エンジンが車両に搭載されている場合に、上述の通り、車両の走行距離に基づいて判定を行う方法である。車両の走行距離が長くなるほど、触媒前センサ１７の新品時からの慣らし度合いが大きくなる。よって車両の走行距離は、触媒前センサ１７の慣らし度合いに相関するパラメータであるといえる。車両の走行距離を当該パラメータとすることにより、単純な方法で、触媒前センサ１７が使用初期状態にあるか否かを好適に判定することができる。車両の走行距離は、例えば車両に搭載された走行距離計により検出可能である。
【００９７】
例えば、走行距離計により検出された走行距離が所定距離（例えば1000km）未満であれば、触媒前センサ１７を使用初期状態と判定し、当該走行距離が所定距離以上であれば触媒前センサ１７を使用初期状態でないと判定する。
【００９８】
第２の判定方法は、触媒前センサ１７の温度に応じて変化する温度パラメータの積算値に基づいて判定を行う方法である。温度パラメータについては、触媒前センサ１７の温度自体のほか、触媒前センサ１７のセンサ素子のアドミタンスＹ（１／Ω）を好適に用いることができる。センサ素子の温度が高くなるほど、センサ素子のインピーダンスＺ（Ω）は低下し、インピーダンスＺの逆数であるアドミタンスＹは高くなる傾向にある。そこで、センサ素子のアドミタンスＹに応じたカウント値Ｃを、新品センサの使用開始時から所定時間毎に積算し、当該積算値が所定値以上に達した時以降、触媒前センサ１７が使用初期状態でなくなったと判定する。逆に、当該積算値が所定値以上に達する前は、触媒前センサ１７が使用初期状態であると判定する。
【００９９】
カウント値Ｃは、図９に示すような、アドミタンスＹとカウント値Ｃとの関係を予め定めたマップから求められる。ＥＣＵ２０は、新品センサの使用開始時から、所定時間（例えば１ｓ）毎に、アドミタンスＹを検出し、アドミタンスＹに対応したカウント値Ｃをマップから求め、求めたカウント値Ｃを積算（すなわちＳＲＡＭのカウンタをカウントアップ）する。
【０１００】
図９に示すように、アドミタンスＹが大きくなるほどカウント値Ｃも大きくなる。これは、センサ素子温度が高くなるほど大きなカウント値Ｃが得られることを意味する。こうしてＥＣＵ２０は、センサの新品時から所定時間毎にカウント値Ｃを積算し、その積算値ΣＣが所定値Ａ以上に達した時に、触媒前センサ１７が使用初期状態でなくなった、すなわち使用初期状態終了（慣らし終了）と判定する。
【０１０１】
この第２の判定方法ではカウント値Ｃが温度パラメータをなす。かかる温度パラメータの積算値に基づいて判定を行うことにより、センサの温度履歴を反映させつつ使用初期状態終了を判定することができる。例えば高温条件下で多くセンサが使用されたならば早期に使用初期状態終了と判定でき、逆に低温条件下で多くセンサが使用されたならば遅い時期に使用初期状態終了と判定でき、実状に即した判定が可能である。従って触媒前センサ１７が使用初期状態にあるか否かを、実際の使用状況に即して的確に判定することができる。
【０１０２】
ところで、アルコール燃料を使用可能な本実施形態のエンジンにおいては、上述のずらし制御を実行しても、使用燃料のアルコール濃度の変化により出力変動パラメータＸが変化するため、第１の態様と同様に誤判定する虞がある。
【０１０３】
そこでこの第２の態様では、まずずらし制御を実行し、その最中に１回目の出力変動パラメータＸの検出を行い、１回目の出力変動パラメータＸの検出値に基づき、正常、異常または保留の判定すなわち第１判定を実行する。そして第１判定において保留と判定されたとき、前述のリーン制御を行い、このリーン制御中に２回目の出力変動パラメータの検出を行い、２回目の出力変動パラメータの検出値に基づき、正常または異常の判定すなわち第２判定を実行する。
【０１０４】
ずらし制御の目標空燃比は、ストイキ（１４．６）に対しリッチまたはリーンな第１空燃比であり、例えば３％程度ずれた１４．２または１５．０である。これに対し、リーン制御の目標空燃比は、ストイキに対しリーンのリーン目標空燃比であり、例えば５％程度ずれた１５．３である。このリーン目標空燃比を第２空燃比ともいう。
【０１０５】
ずらし制御の目標空燃比は、リーン制御の目標空燃比よりも、ストイキに対し少量しかずれていない。言い換えれば、ずらし制御のリッチ化またはリーン化度合いは、リーン制御のリーン化度合いよりも少ない。よってずらし制御の方がリーン制御よりもエミッションおよびドライバビリティへの悪影響が少ない。
【０１０６】
上記によれば、ずらし制御の実行中に１回目の出力変動パラメータＸを検出し、正常または異常が明らかな場合には、１回目の出力変動パラメータＸの検出値に基づき正常または異常を判定する。そしてこの判定が困難な場合には保留の判定を行う。その後空燃比フィードバック制御をリーン制御に変更して２回目の出力変動パラメータＸを検出する。この２回目の出力変動パラメータＸの検出値に基づき正常または異常を判定する。
【０１０７】
まず、エミッション等への悪影響が相対的に小さいずらし制御を実行して出力変動パラメータＸを検出し、正常または異常が明らかな場合にはその旨判定するので、エミッション等への悪影響が相対的に大きいリーン制御を実行しないで済み、ばらつき異常検出に伴うエミッションおよびドライバビリティの悪化を抑制できる。またばらつき異常検出に要する時間も短縮できる。
【０１０８】
また、正常または異常の判定が困難な場合のみ、リーン制御を実行して出力変動パラメータＸを検出し、正常または異常を判定するので、エミッションおよびドライバビリティの悪化を最小限に抑制できると共に、アルコール濃度の影響を考慮した微妙な判定が可能となり、誤判定を防止できる。
【０１０９】
なお、ずらし制御の目標空燃比がストイキよりリーンな１５．０、リーン制御の目標空燃比が１５．３である場合、ずらし制御からリーン制御に制御変更すると目標空燃比は０．３だけリーン化される。またずらし制御の目標空燃比がストイキよりリッチな１４．２、リーン制御の目標空燃比が１５．３である場合、ずらし制御からリーン制御に制御変更すると目標空燃比は１．１だけリーン化される。
【０１１０】
以下、図１０を用いて、第２の態様のばらつき異常検出ルーチンを説明する。このルーチンはＥＣＵ２０により所定の演算周期τ毎に繰り返し実行される。
【０１１１】
まずステップＳ２０１では、前記ステップＳ１０１と同様、所定の前提条件が成立しているか否かが判断される。
【０１１２】
前提条件が成立していない場合にはルーチンが終了される。他方、前提条件が成立している場合には、ステップＳ２５１において、後述の保留判定（ステップＳ２５７）が既にあったか否かが判断される。保留判定ありの場合には、ステップＳ２０２に進んで、前記ステップＳ１０２と同様にリーン制御が実行され、ステップＳ２０３に進む。
【０１１３】
他方、保留判定なしの場合には、ステップＳ２５２に進んで、触媒前センサ１７が使用初期状態にあるか否かが、前述の第１および第２の判定方法のいずれかに従って判断される。
使用初期状態にある、すなわち触媒前センサ１７が慣らし中であると判断されたときには、ステップＳ２５３に進んでずらし制御が実行され、ステップＳ２０３に進む。
【０１１４】
他方、使用初期状態にない、すなわち触媒前センサ１７が慣らし後であると判断されたときには、ステップＳ２５４に進んでストイキ制御が実行され、ステップＳ２０３に進む。
【０１１５】
ステップＳ２０３〜Ｓ２１０は前記ステップＳ１０３〜Ｓ１１０と同様である。ステップＳ２１０に続くステップＳ２５５では、出力変動パラメータＸが、明らかに異常と判定できるような異常判定値α１と比較される。異常判定値α１は例えば、図６の試験結果に従い０．０３とされる。
【０１１６】
出力変動パラメータＸが異常判定値α１以上である場合、ステップＳ２１２に進んでばらつき異常有り、すなわち異常の判定がなされ、ルーチンが終了される。
【０１１７】
他方、出力変動パラメータＸが異常判定値α１未満である場合、ステップＳ２５６に進んで、出力変動パラメータＸが、明らかに正常と判定できるような正常判定値α２と比較される。正常判定値α２は例えば、図６の試験結果に従い０．０２とされる。
【０１１８】
出力変動パラメータＸが正常判定値α２未満である場合、ステップＳ２１３に進んでばらつき異常無し、すなわち正常の判定がなされ、ルーチンが終了される。
【０１１９】
他方、出力変動パラメータＸが正常判定値α２以上である場合、ステップＳ２５７に進んで保留の判定がなされ、ステップＳ２５８において保留時処理が行われた後、ルーチンが終了される。ここで保留時処理とは具体的には、保留判定の基礎となった各検出値および記憶値（出力変動パラメータＸ等）をクリアする処理である。
【０１２０】
このルーチンによれば、まず１回目の検出時には保留判定がなされていないので、ステップＳ２５１の判断結果がノーとなり、ステップＳ２５２で触媒前センサ１７が使用初期状態にあるか否かが判断される。使用初期状態にある場合、ステップＳ２５３でずらし制御が実行される。
【０１２１】
他方、触媒前センサ１７が慣らし終了後で使用初期状態にない場合には、ステップＳ２５４でストイキ制御が実行される。このように上記ルーチンによれば、１回目の検出時にストイキ制御を実行できるので、１回目の検出時にずらし制御を実行する場合よりもエミッションおよびドライバビリティの悪化を抑制できる。
【０１２２】
こうしてずらし制御またはストイキ制御が実行されている最中に、１回目の出力変動パラメータＸが検出される。そしてこの検出値に基づき保留判定がなされた場合、次の前提条件成立後（ステップＳ２０１）に２回目の検出が実行される。
【０１２３】
２回目の検出時には既に保留判定がなされているので、ステップＳ２５１の判断結果がイエスとなり、ステップＳ２０２で、よりリーン化度合いの大きいリーン制御が実行される。そして２回目の出力変動パラメータＸの検出値に基づき、異常または正常判定（ステップＳ２１２またはＳ２１３）がなされる。
【０１２４】
なお、このルーチンでは２回目の検出時に保留判定（ステップＳ２５７）がなされる可能性もある。これを防止するためには、２回目の検出時に、第１の態様と同様、２回目の出力変動パラメータＸの検出値を正異常判定値αと比較すればよい。
【０１２５】
以上、本発明の好適な実施形態を詳細に述べたが、本発明の実施形態は他にも様々なものが考えられる。上記の数値はあくまで例示であり、適宜変更が可能である。
【０１２６】
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】
【０１２７】
１  内燃機関（エンジン）
２  インジェクタ
１１  上流触媒
１７  触媒前センサ
１８  触媒後センサ
２０  電子制御ユニット（ＥＣＵ）
【図１】
2013015051.tif 000006
【図２】
2013015051.tif 000007
【図３】
2013015051.tif 000008
【図４】
2013015051.tif 000009
【図５】
2013015051.tif 000010
【図６】
2013015051.tif 000011
【図７】
2013015051.tif 000012
【図８】
2013015051.tif 000013
【図９】
2013015051.tif 000014
【図１０】
2013015051.tif 000015