特許第6252093号(P6252093)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6252093
(24)【登録日】2017年12月8日
(45)【発行日】2017年12月27日
(54)【発明の名称】気筒間空燃比ばらつき異常検出装置
(51)【国際特許分類】
   F02D 41/14 20060101AFI20171218BHJP
   F02D 41/22 20060101ALI20171218BHJP
   F02D 45/00 20060101ALI20171218BHJP
【FI】
   F02D41/14 310F
   F02D41/14 310L
   F02D41/14 310K
   F02D41/22 330A
   F02D45/00 345A
   F02D45/00 368G
【請求項の数】9
【全頁数】19
(21)【出願番号】特願2013-216396(P2013-216396)
(22)【出願日】2013年10月17日
(65)【公開番号】特開2015-78651(P2015-78651A)
(43)【公開日】2015年4月23日
【審査請求日】2016年6月9日
(73)【特許権者】
【識別番号】000003207
【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001243
【氏名又は名称】特許業務法人 谷・阿部特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 健士
(72)【発明者】
【氏名】岩▲崎▼ 靖志
(72)【発明者】
【氏名】宮本 寛史
【審査官】 藤村 泰智
(56)【参考文献】
【文献】 特開2011−089443(JP,A)
【文献】 特開2008−144639(JP,A)
【文献】 特開2008−051003(JP,A)
【文献】 特開2012−241666(JP,A)
【文献】 特開2012−233425(JP,A)
【文献】 特開2013−024040(JP,A)
【文献】 特開2006−002579(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
F02D 41/00 〜 45/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
多気筒内燃機関の複数の気筒に共通の排気通路に設置さ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パラメータを算出し、該算出されたパラ
メータに基づいて気筒間空燃比ばらつき異常を検出するように構成された制御装置と、を
備え、
前記制御装置は、前記内燃機関の1サイクル中における前記空燃比センサの出力波形の
平均値または当該出力波形の変動の中心をなすような所定の一定値に対しリーン側および
リッチ側の少なくとも一方に存する領域であって、前記空燃比センサの出力波形と前記平
均値または一定値とで囲まれた領域の面積を2等分する分割クランク角を算出し、該分割
クランク角に基づいて、空燃比ずれを起こしている異常気筒を特定するように構成されて
いる
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】
前記制御装置は、
前記空燃比ずれを起こしている異常気筒の発生と判定した前記分割クランク角の算出時点に、前記空燃比センサに検出されている排ガスの出所気筒を前記異常気筒として特定する
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】
前記制御装置は、
前記平均値または一定値に対しリーン側に存する前記領域の面積を2等分する分割クラ
ンク角を算出すると共に、前記分割クランク角の時点で前記空燃比センサに検出されてい
る排ガスの出所気筒を決定し、該出所気筒を、空燃比のリーンずれを起こしている異常気
筒として特定する
ことを特徴とする請求項1または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】
前記制御装置は、
前記平均値または一定値に対しリッチ側に存する前記領域の面積を2等分する分割クラ
ンク角を算出すると共に、前記分割クランク角の時点で前記空燃比センサに検出されてい
る排ガスの出所気筒を決定し、該出所気筒を、空燃比のリッチずれを起こしている異常気
筒として特定する
ことを特徴とする請求項1〜3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5】
前記制御装置は、前記出力波形の平均値に基づいて前記分割クランク角を算出すると共
に、
(A)前記空燃比センサの出力値を取得するステップと、
(B)前記空燃比センサの出力値に基づいて前記平均値を算出するステップと、
(C)前記空燃比センサの出力値と前記平均値との差分を算出するステップと、
(D)前記空燃比センサの出力値が前記平均値に対しリーン側およびリッチ側の一方に存
する間、前記差分を積算し、これにより前記領域の面積を算出するステップと、
(E)前記領域の面積を2等分する前記分割クランク角を算出するステップと、
を実行するように構成されている
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】
前記制御装置は、
(F)前記分割クランク角の時点で前記空燃比センサに検出されている排ガスの出所気筒
を決定し、該出所気筒を前記異常気筒として特定するステップをさらに実行するように構
成されている
ことを特徴とする請求項5に記載の気筒間空燃比ばらつき異常検出装置。
【請求項7】
前記制御装置は、
前記ステップ(D)において、前記空燃比センサの出力値が前記平均値に対しリーン側
に存する間、前記差分を積算し、
前記ステップ(F)において、前記出所気筒を、空燃比のリーンずれを起こしている異
常気筒として特定する
ことを特徴とする請求項6に記載の気筒間空燃比ばらつき異常検出装置。
【請求項8】
前記制御装置は、
前記ステップ(D)において、前記空燃比センサの出力値が前記平均値に対しリッチ側
に存する間、前記差分を積算し、
前記ステップ(F)において、前記出所気筒を、空燃比のリッチずれを起こしている異
常気筒として特定する
ことを特徴とする請求項6に記載の気筒間空燃比ばらつき異常検出装置。
【請求項9】
前記空燃比センサの出力波形は、前記内燃機関の1サイクルに等しい周期を有する周期
的波形である
ことを特徴とする請求項1〜8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ばらつき異常検出装置に係り、特に、一部の気筒の異常に起因して当該一部の気筒の空燃比が残部の気筒の空燃比に対し比較的大きくずれる異常(インバランス異常)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それ程影響を与えず、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の故障が原因で、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2002−201984号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
ところで、気筒間空燃比ばらつき異常を検出する場合、空燃比センサの出力変動度合いに相関するパラメータを算出し、この算出されたパラメータに基づいてばらつき異常を検出することが考えられる。
【0007】
また、空燃比ずれを起こしてばらつき異常の原因となり得る異常気筒を特定できるようにすることが、その後の迅速な修理等のため望ましい。
【0008】
この異常気筒特定に関連して、例えば特許文献1には、変動する空燃比センサ出力のリッチ側またはリーン側ピーク位相を検出し、このピーク位相に基づいて、空燃比センサの出力値がずれていると推定される1つの気筒を特定することが開示されている。この気筒の燃料量は補正され、これにより各気筒の空燃比の均一化が図られる。
【0009】
しかし、空燃比センサ出力のピーク位相は、ばらつきが比較的大きい。従ってピーク位相に基づいて異常気筒を特定する方法には、誤った気筒を異常気筒として特定する可能性があるという欠点がある。
【0010】
そこで本発明は、上記事情に鑑みて創案され、その目的は、異常気筒の特定精度を高めることが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】
【0011】
本発明の一の態様によれば、
多気筒内燃機関の複数の気筒に共通の排気通路に設置さ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パラメータを算出し、該算出されたパラメータに基づいて気筒間空燃比ばらつき異常を検出するように構成された制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記内燃機関の1サイクル中における前記空燃比センサの出力波形の平均値または当該出力波形の変動の中心をなすような所定の一定値に対しリーン側およびリッチ側の少なくとも一方に存する領域であって前記空燃比センサの出力値と前記平均値または一定値とで囲まれた領域の面積を2等分する分割クランク角を算出し、該分割クランク角に基づいて、空燃比ずれを起こしている異常気筒を特定するように構成されている
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。
【0012】
好ましくは、前記制御装置は、
前記分割クランク角の時点で前記空燃比センサに検出されている排ガスの出所気筒を前記異常気筒として特定する。
【0013】
好ましくは、前記制御装置は、
前記平均値または一定値に対しリーン側に存する前記領域の面積を2等分する分割クランク角を算出すると共に、前記分割クランク角の算出の時点で前記空燃比センサに検出されている排ガスの出所気筒を決定し、該出所気筒を、空燃比のリーンずれを起こしている異常気筒として特定する。
【0014】
好ましくは、前記制御装置は、
前記平均値または一定値に対しリッチ側に存する前記領域の面積を2等分する分割クランク角を算出すると共に、前記分割クランク角の算出の時点で前記空燃比センサに検出されている排ガスの出所気筒を決定し、該出所気筒を、空燃比のリッチずれを起こしている異常気筒として特定する。
【0015】
好ましくは、前記制御装置は、前記出力波形の平均値に基づいて前記分割クランク角を算出すると共に、
(A)前記空燃比センサの出力値を取得するステップと、
(B)前記空燃比センサの出力値に基づいて前記平均値を算出するステップと、
(C)前記空燃比センサの出力値と前記平均値との差分を算出するステップと、
(D)前記空燃比センサの出力値が前記平均値に対しリーン側およびリッチ側の一方に存する間、前記差分を積算し、これにより前記領域の面積を算出するステップと、
(E)前記領域の面積を2等分する前記分割クランク角を算出するステップと、
を実行するように構成されている。
【0016】
好ましくは、前記制御装置は、
(F)前記分割クランク角の時点で前記空燃比センサに検出されている排ガスの出所気筒を決定し、該出所気筒を前記異常気筒として特定するステップをさらに実行するように構成されている。
【0017】
好ましくは、前記制御装置は、
前記ステップ(D)において、前記空燃比センサの出力値が前記平均値に対しリーン側に存する間、前記差分を積算し、
前記ステップ(F)において、前記出所気筒を、空燃比のリーンずれを起こしている異常気筒として特定する。
【0018】
好ましくは、前記制御装置は、
前記ステップ(D)において、前記空燃比センサの出力値が前記平均値に対しリッチ側に存する間、前記差分を積算し、
前記ステップ(F)において、前記出所気筒を、空燃比のリッチずれを起こしている異常気筒として特定する。
【0019】
好ましくは、前記空燃比センサの出力波形は、前記内燃機関の1サイクルに等しい周期を有する周期的波形である。
【発明の効果】
【0020】
本発明によれば、異常気筒の特定精度を高めることができるという、優れた効果が発揮される。
【図面の簡単な説明】
【0021】
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】クランク角に対する触媒前センサ出力の推移を示すグラフである。
図5】インバランス率と出力変動パラメータの関係を示すグラフである。
図6】比較例におけるピーク位相のばらつきの様子を示すグラフである。
図7】本実施形態における異常気筒特定方法を説明するためのグラフである。
図8】本実施形態における分割クランク角のばらつきの様子を示すグラフである。
図9】ばらつき異常検出処理のフローチャートである。
図10】異常気筒特定処理のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0022】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づき説明する。
【0023】
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。内燃機関1は複数の気筒を備え、本実施形態では#1から#4までの四つの気筒を備える。また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。本発明に係る内燃機関の気筒数、形式等は特に限定されないが、気筒数は3以上である。
【0024】
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毎に配設されており、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が気筒毎に取り付けられている。
【0025】
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(吸入空気量検出装置)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4、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。
【0026】
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が気筒毎に配設されている。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。なおインジェクタは燃焼室3内に燃料を直接噴射するものであってもよい。
【0027】
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。
【0028】
また、排気マニフォールド14の排気集合部14bから下流側の排気通路は、複数の気筒である#1〜#4気筒に共通の排気通路を形成する。
【0029】
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(O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。
【0030】
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。本実施形態の場合、触媒前センサ17が本発明にいう「空燃比センサ」に該当する。
【0031】
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、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。
【0032】
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。
【0033】
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である吸入空気量すなわち吸気流量を検出する。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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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に燃料噴射量を制御する主空燃比制御(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に燃料噴射量を制御する補助空燃比制御(補助空燃比フィードバック制御)とからなる。
【0039】
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。ストイキ制御においては、全気筒の燃料噴射量が同一量だけ一律に補正される。
【0040】
さて、全気筒のうちの一部の気筒(特に1気筒)に燃料系もしくは空気系の異常が発生し、気筒間に空燃比のばらつき(インバランス:imbalance)が発生する場合がある。例えば#1気筒のインジェクタ12が故障し、#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、#1気筒の空燃比が他の#2、#3及び#4気筒の空燃比に対し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ストイキ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、すなわち全気筒の平均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。
【0041】
以下、本実施形態におけるばらつき異常検出の態様を説明する。
【0042】
図3に示すように、気筒間空燃比ばらつきが発生すると、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、及び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による検出空燃比すなわち触媒前センサ出力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。
【0043】
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に相関する一つのパラメータである。即ち、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。インバランス率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。なお本実施形態の場合、基準噴射量Qsはストイキ相当の燃料噴射量に等しい。
【0044】
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。
【0045】
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パラメータであ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を算出(あるいは検出)する。そしてこの算出された出力変動パラメータX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率は単に説明目的のためだけに用いる。
【0046】
以下に出力変動パラメータXの算出方法を説明する。図4には、触媒前センサ出力のクランク角に対する推移を示す。なおクランク角をクランク位相または単に位相ともいう。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。
【0047】
図示するように、触媒前センサ出力A/Fは、エンジンの1サイクル(=720°CA、1エンジンサイクルともいう)を1周期として周期的に変動する。すなわち触媒前センサ17の出力波形は、エンジンの1サイクルに等しい周期を有する周期的波形である。
【0048】
図4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毎に、触媒前センサ出力値A/Fを取得する。そして今回(n)のタイミングで取得した値A/Fと、前回(n−1)のタイミングで取得した値A/Fn−1との差の絶対値(出力差という)ΔA/Fを次式(1)により求める。この出力差ΔA/Fは今回のタイミングにおける微分値あるいは傾きの絶対値と言い換えることができる。
【0049】
【数1】
【0050】
最も単純には、この出力差ΔA/Fが触媒前センサ出力の変動の大きさを表す。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、出力差ΔA/F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出力差ΔA/Fの値を出力変動パラメータとすることができる。
【0051】
但し、本実施形態では精度向上のため、複数の出力差ΔA/Fの平均値を出力変動パラメータとする。本実施形態では、Mエンジンサイクルの間(Mは2以上の整数。例えばM=100)、出力差ΔA/Fをサンプル周期τ毎に積算し、最終積算値をサンプル数で除して出力変動パラメータXを求める。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。
【0052】
なお、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リーン側(最大)ピークとリッチ側(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リーン側およびリッチ側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。
【0053】
図5には、インバランス率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、インバランス率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、インバランス率IBの絶対値が増加するほど出力変動パラメータXも増加する傾向にある。
【0054】
算出された出力変動パラメータXを、所定の判定値と比較して、ばらつき異常の有無を判定することが可能である。例えば、算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)、算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)と判定することができる。
【0055】
ところで、ばらつき異常を検出する場合、併せて、空燃比ずれを起こしてばらつき異常の原因となり得る異常気筒を特定もしくは判別できるようにすることが望ましい、その後の迅速な修理等に資するからである。
【0056】
一方、図4に示したような触媒前センサ出力波形のピーク(リーン側ピークとリッチ側ピーク)に対応したクランク角(ピーク位相という)に基づいて、異常気筒を特定する方法を採用すると、誤った気筒を異常気筒として特定する可能性があるという問題がある。
【0057】
そこで本実施形態では、異常気筒の特定精度を高めるため、ピーク位相に基づかない別の方法で異常気筒を特定する。以下に本実施形態の異常気筒特定方法を説明するが、その前にまず、理解容易のため、ピーク位相に基づく比較例の異常気筒特定方法を説明する。
【0058】
図4に示すように、エンジンは0°CAから720°CAまでの1サイクルを有する。本実施形態の場合、0°CAの時に#1気筒の圧縮上死点(圧縮TDC)、180°CAの時に#3気筒の圧縮上死点、360°CAの時に#4気筒の圧縮上死点、540°CAの時に#2気筒の圧縮上死点となっている。つまり点火順序は#1,#3,#4,#2気筒の順である。
【0059】
この場合、0〜180°CAの間が#2気筒の排気行程、180〜360°CAの間が#1気筒の排気行程、360〜540°CAの間が#3気筒の排気行程、540〜720°CAの間が#4気筒の排気行程となる。
【0060】
燃焼室3から排出された排ガスが触媒前センサ17に実際に検出されるようになるまでに、輸送遅れや応答遅れ等に起因する時間的な遅れが存在する。この遅れ時間をTdとする。図示例では便宜上、Td=360°CAとしているが、遅れ時間Tdの長さはエンジン個体やエンジン運転状態等に応じて様々に変化する。
【0061】
Td=360°CAの場合、各クランク角において触媒前センサ17に検出されている排ガスの出所気筒は図示の通りとなる。例えば0〜180°CAの間では、出所気筒は#3であり、#3気筒から排出された排ガスが触媒前センサ17によって検出されている。
【0062】
ところで、図示例の触媒前センサ出力波形において、リーン側ピーク位相θpLでの出所気筒は#2であり、リッチ側ピーク位相θpRでの出所気筒は#3である。従ってピーク位相に基づく比較例の方法では、#2および#3気筒が異常気筒として特定される。特に、#2気筒が空燃比のリーンずれを起こしているか、または#3気筒が空燃比のリッチずれを起こしている可能性が高いので、#2気筒がリーンずれ異常気筒、#3気筒がリッチずれ異常気筒として特定される。このように、ここではセンサ出力波形の2つのピークに対応させて2つの気筒が異常気筒として特定される。
【0063】
しかし、この比較例の方法だと次のような問題がある。一般に、触媒前センサ出力波形のピーク位相θpL,θpRのばらつきは比較的大きい。その原因として、エンジン運転中の小さい負荷変動や可変バルブタイミング機構のばらつき等を挙げることができる。ピーク位相θpLのばらつきの様子を図6に示す。比較例のばらつき幅をΔθb1で示す。
【0064】
このようにピーク位相θpL,θpRがばらつくと、これに伴って、誤った異常気筒の特定を行う可能性がある。例えば、触媒前センサ出力波形が図4の波形と異なり、ばらつき幅の中心位置にあるリッチ側ピーク位相θpRが180°CA付近にある場合(図示せず)、リッチ側ピーク位相θpRが小位相側にばらついて180°CAより小さくなれば#3気筒が異常気筒と特定され、リッチ側ピーク位相θpRが大位相側にばらついて180°CAより大きくなれば#4気筒が異常気筒と特定されてしまう。このように、ピーク位相というセンサ出力波形の局所的な情報に基づいて異常気筒を特定すると、ピーク位相のばらつき幅が大きいため、そのばらつきによって誤った異常気筒を特定する可能性がある。
【0065】
そこで本実施形態の方法では、ピーク位相に基づかずに異常気筒を特定する。具体的には、1エンジンサイクル中における触媒前センサ出力波形の平均値に対しリーン側およびリッチ側に存する領域であって触媒前センサ出力波形と平均値とで囲まれた2つの領域のうち、少なくとも一方の領域の面積を2等分する分割クランク角を算出し、この分割クランク角に基づいて異常気筒を特定する。このような特定はECU20により行われる。
【0066】
本実施形態の方法を図7に基づき概略的に説明する。なおここでは2つの領域の面積をそれぞれ2等分する2つの分割クランク角を算出し、2つの異常気筒を特定する方法を説明するが、いずれか一方の領域の面積を2等分する1つの分割クランク角を算出し、1つの異常気筒を特定するようにしてもよい。
【0067】
図中、Mは、触媒前センサ出力波形の平均値を示す。図示例においてこの平均値Mはクランク角の増加につれ僅かに減少しているが、この例に限らず、平均値Mはどのように変化してもよく、また変化せず一定であってもよい。もっともストイキ制御中なので、平均値Mはストイキ付近の値を採る。
【0068】
この平均値Mに対し、リーン側に存する領域すなわちリーン領域YLと、リッチ側に存する領域すなわちリッチ領域YRとの2つの領域が存在する。リーン領域YLとは、平均値Mと、平均値Mに対しリーン側に存する(上に凸の)出力波形とで囲まれた山形状の領域のことをいい、リッチ領域YRとは、平均値Mと、平均値Mに対しリッチ側に存する(下に凸の)出力波形とで囲まれた谷形状の領域のことをいう。
【0069】
例えばリーン領域YLに関して、リーン領域YLの面積を2等分するクランク角であるリーン側分割クランク角θhfLが算出される。リーン領域YLの面積とは、平均値Mと、平均値Mに対しリーン側に存する出力波形とで囲まれた領域の面積である。分割クランク角θhfLの位置でリーン領域YLの面積はS1とS2に等しく2分割される。図示しないが、リッチ領域YRに関しても同様にリッチ側分割クランク角θhfRが算出される。
【0070】
あとは比較例と同様に、リーン側ピーク位相θpLをリーン側分割クランク角θhfLで置き換え、リーン側分割クランク角θhfLの時点における出所気筒をリーンずれ異常気筒として特定する。例えばリーン側分割クランク角θhfLが図4のリーン側ピーク位相θpLの位置にある場合、#2気筒がリーンずれ異常気筒として特定される。
【0071】
リッチ側についても同様に、リッチ側分割クランク角θhfRの時点における出所気筒をリッチずれ異常気筒として特定する。例えばリッチ側分割クランク角θhfRが図4のリッチ側ピーク位相θpRの位置にある場合、#3気筒がリッチずれ異常気筒として特定される。
【0072】
このような分割クランク角θhfL,θhfRを用いると、分割クランク角θhfL,θhfRのばらつきがピーク位相θpL,θpRのばらつきよりも小さいため、異常気筒の特定精度を高めることができるという利点がある。分割クランク角θhfLのばらつきの様子を図8に示す。分割クランク角θhfLのばらつきΔθb2は、図6に示した比較例のばらつき幅Δθb1よりも小さい。
【0073】
分割クランク角θhfL,θhfRのばらつきがピーク位相θpL,θpRのばらつきよりも小さい理由は、センサ出力波形のピーク位相がずれた場合でも、領域の面積を2等分する分割クランク角はずれ難いためである。センサ出力波形がクランク角方向に平行移動しない限り、分割クランク角の位相変化はピーク位相の位相変化よりも少ない。このため、ばらつきに対するロバスト性を向上できる。本発明者らの試験結果によれば、比較例の場合に25°CAであったばらつき幅を、本実施形態の場合だと14°CAに低減できることが確認された。
【0074】
次に、本実施形態におけるばらつき異常検出処理について説明する。当該検出処理はECU20により、図9のフローチャートに表されるようなアルゴリズムに従って実行される。
【0075】
まずステップS101において、ばらつき異常検出を実行するのに適した所定の前提条件が成立したか否かが判断される。例えば次の各条件が成立した場合に前提条件が成立する。
(1)エンジンの暖機が終了している。
(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。
(3)上流触媒11および下流触媒19が活性化している。
(4)エンジンの回転数Neと負荷KLが所定範囲内にある。例えば回転数Neが1200〜2000(rpm)の範囲内にあり、且つ負荷KLが40〜60(%)の範囲内にある。
(5)ストイキ制御中である。
【0076】
なお前提条件については他の例も可能である。例えば、(6)エンジンが定常運転中である、という条件を加えてもよい。
【0077】
前提条件が成立してなければ待機し、前提条件が成立したならばステップS102に進む。なおS102以降の各ステップは前提条件が成立している場合に限って実行されるものとする。
【0078】
ステップS102〜S104では、出力変動パラメータXの算出処理が実行される。まずステップS102において、前述の出力差ΔA/Fが所定のサンプル周期τ(例えば10°CA)毎に逐次的に算出および積算される。そしてステップS103において、Mエンジンサイクルが経過したか否かが判断される。経過してなければステップS102に戻り、経過したならばステップS104において出力変動パラメータXの値が算出される。このとき、Mエンジンサイクルの間積算された出力差ΔA/Fの積算値がサンプル数で除され、出力変動パラメータXの値が求められる。
【0079】
次いで、ステップS105において出力変動パラメータXの値が所定の判定値αと比較される。X<αのときには、ステップS108に進んで、ばらつき異常は生じていない旨の正常判定がなされ、検出処理が終了される。他方、X≧αのときには、ステップS106に進んで、ばらつき異常が生じている旨(異常気筒が発生)の異常判定がなされ、次のステップS107に進む。
【0080】
ステップS107では、空燃比ずれを起こしている異常気筒が特定される。この特定は後述の特定処理によって実行される。特定された異常気筒に関する情報は、後の修理等のため、ECU20の書き込み可能なメモリ(RAM等)に保存される。これにより検出処理が終了される。
【0081】
次に、本実施形態における異常気筒特定処理について説明する。当該特定処理もECU20により、図10のフローチャートに表されるようなアルゴリズムに従って実行される。なおこの特定処理は、図9のステップS101に関して述べたような前提条件が成立している場合に限って実行されるのが好ましい。理解容易のため、図4も適宜参照されたい。
【0082】
まずステップS201において、現在の演算時期から1エンジンサイクル(=720°CA)前までの触媒前センサ17の出力値(センサ出力値)A/Fが取得される(i=n,n−1,n−2・・・)。現在の演算時期のセンサ出力値A/Fは、現時点で触媒前センサ17から得られる出力値そのものである。現在の演算時期より前の過去のセンサ出力値A/Fn−1,A/Fn−2・・・は、ECU20のバッファに予め保存されている。
【0083】
なお、本実施形態ではサンプル周期τが10°CAであり、ECU20による演算が10°CA毎に行われる。よって1エンジンサイクル間には720/10=72個のサンプルもしくはデータが含まれる。
【0084】
次に、ステップS202において、現在の演算時期から1エンジンサイクル前までのセンサ出力値A/Fの平均値、すなわち現在の演算時期におけるセンサ出力平均値Mが算出される。このセンサ出力平均値Mは次式(2)で表され、現時点でのセンサ出力値A/Fの移動平均値と言い換えることができる。mはサンプル数である。
【0085】
【数2】
【0086】
なお、図4にセンサ出力平均値Mを示す。この図示例ではセンサ出力平均値Mが一定だが、前述したように、これはクランク角の進行につれ変化し得るものである。ストイキ制御中の場合、センサ出力平均値Mはストイキに近い値である。
【0087】
次に、ステップS203において、現在の演算時期におけるセンサ出力値A/Fとセンサ出力平均値Mとの差分Dが算出される。差分Dは次式(3)で表される。
【0088】
【数3】
【0089】
ステップS204では、現在の演算時期における差分Dがゼロより大きいか否か、すなわちリーン領域の差分に相当するか否かが判断される。
【0090】
イエスの場合、ステップ205に進んで、現在の演算時期における差分Dnが積算される。また現在の演算時期におけるクランク角がクランク角センサ16から取得され、差分Dnの積算値とクランク角がセットで組データとしてECU20に保存される。これにより、リーン領域の面積を算出するステップが実行されることとなる。
【0091】
なお、図示する特定処理は、差分Dの符号が変化した時から開始される。リーン領域またはリッチ領域の始点から積算を開始するためである。
【0092】
次に、ステップ206でn=n+1とされ、すなわち1サンプル周期後の演算時期に移行される。
【0093】
ステップS207〜S209ではステップS201〜S203と同様の演算が行われる。すなわち、ステップS207において1サンプル周期後の演算時期から1エンジンサイクル前までのセンサ出力値A/Fが取得される(i=n+1,n,n−1・・・)。そしてステップ208において、1サンプル周期後の演算時期におけるセンサ出力平均値M(=Mn+1)が算出される。次いでステップ209において、1サンプル周期後の演算時期における差分D(=Dn+1)が算出される。
【0094】
次いでステップ210において、ステップS204と同様、1サンプル周期後の演算時期における差分Dがゼロより大きいか否かが判断される。
【0095】
イエスの場合、リーン領域の面積の算出が継続されているとみなして、ステップS205に戻り、ステップS205〜S209が繰り返し実行される。これにより、ステップ210でノーすなわち差分Dがゼロ以下となるまで、差分Dの積算が繰り返し実行される。
【0096】
ステップ210でノーとなった場合、リーン領域の面積の算出が終了したとみなして、ステップS211に進む。
【0097】
ステップS211では、差分Dnの最終積算値ΣDnを2で除した値(ΣDn)/2が算出される。そしてこの値(ΣDn)/2に最も近い差分Dnの積算値が、ステップS205で繰り返し保存された複数の組データの中から探索される。
【0098】
次にステップS212において、探索された差分Dnの積算値の時のクランク角が取得される。言い換えれば、探索された差分Dnの積算値を含む組データの中でその差分Dnの積算値とセットになっているクランク角が取得される。このクランク角は、リーン領域の面積を2等分するリーン側分割クランク角θhfLとして取得される。
【0099】
なお、演算が周期的に行われることから、領域の面積を完全に等しく2等分するクランク角を求めるのは比較的困難である。よって「領域の面積を2等分する分割クランク角」とは、領域の面積を実質的に若しくはできるだけ等しく2等分するクランク角を意味する。
【0100】
次いで、ステップS213において、リーン側分割クランク角θhfLの時の出所気筒がリーンずれ異常気筒として特定される。
【0101】
具体的には、ECU20は、図4に示すようなクランク角と出所気筒の関係、すなわちあるクランク角の時に触媒前センサ17に検出されている排ガスがどの気筒に由来するものであるかを、常時演算している。この際、エンジン運転状態(例えば回転数と負荷)に基づいて遅れ時間Tdを算出し、この遅れ時間Tdに基づいてあるクランク角の時点での出所気筒を決定してもよい。例えば現時点より遅れ時間Tdだけ前の時点で排気行程にある気筒を出所気筒と決定してもよい。あるいは代替的に、4つの出所気筒にそれぞれ対応する1エンジンサイクル内の4つのクランク角区分を、エンジン運転状態に基づいて、エンジンサイクル毎に定めてもよい。例えば図4に示されるような、#3出所気筒に対応する0〜180°CAのクランク角区分は、そのような4つのクランク角区分のうちの一つである。この場合、あるクランク角の時点がどのクランク角区分に属するかによって出所気筒を決定することができる。
【0102】
ステップS213では、このようなクランク角と出所気筒の関係を用いて、リーン側分割クランク角θhfLの時点での出所気筒が決定される。そしてこの決定された出所気筒が、空燃比のリーンずれを起こしているリーンずれ異常気筒として特定される。
【0103】
次いでステップS214に進み、空燃比のリッチずれを起こしているリッチずれ異常気筒を特定済みか否かが判断される。イエスならば特定処理が終了され、ノーならばリッチずれ異常気筒をさらに特定すべくステップS201に戻る。
【0104】
リッチずれ異常気筒特定のときにもリーンずれ異常気筒特定のときと同様の処理が行われる。以下概略的に説明する。
【0105】
ステップS201〜S203の実行後、ステップS204において現在の演算時期の差分Dnがゼロ以下の場合、すなわちリッチ領域の差分に相当する場合、ステップ215に進む。ステップS215では、現在の演算時期における差分Dnが積算されると共に、現在の演算時期における差分Dnの積算値とクランク角がセットで組データとしてECU20に保存される。これにより、リッチ領域の面積を算出するためのステップが実行されることとなる。なお、リーン側と異なりリッチ側のときには差分Dnおよびその積算値はマイナスの値を有するが、演算上は差し支えない。
【0106】
次にステップ216でn=n+1とされ、1サンプル周期後の演算時期に移行され、ステップS217で1サンプル周期後の演算時期から1エンジンサイクル前までのセンサ出力値A/Fが取得される(i=n+1,n,n−1・・・)。そしてステップ218において、1サンプル周期後の演算時期におけるセンサ出力平均値M(=Mn+1)が算出され、ステップ219において、1サンプル周期後の演算時期における差分D(=Dn+1)が算出される。
【0107】
次いでステップ220においては、1サンプル周期後の演算時期における差分Dがゼロ以下か否かが判断される。
【0108】
イエスの場合、リッチ領域の面積の算出が継続されているとみなして、ステップS215に戻り、ステップS215〜S219が繰り返し実行される。これにより、ステップ220でノーすなわち差分Dがゼロより大となるまで、差分Dの積算が繰り返し実行される。
【0109】
ステップ220でノーとなった場合、リッチ領域の面積の算出が終了したとみなして、ステップS221に進む。
【0110】
ステップS221では、差分Dnの最終積算値ΣDnを2で除した値(ΣDn)/2に最も近い差分Dnの積算値が、ステップS215で繰り返し保存された複数の組データの中から探索される。
【0111】
次にステップS222において、探索された差分Dnの積算値の時のクランク角が、リッチ領域の面積を2等分するリッチ側分割クランク角θhfRとして取得される。
【0112】
次いで、ステップS223において、リッチ側分割クランク角θhfRの時の出所気筒がリッチずれ異常気筒として特定される。このときの特定方法はステップS213と同様である。
【0113】
最後に、ステップS224において、リーンずれ異常気筒を特定済みか否かが判断される。先にリッチずれ異常気筒を特定した場合には、リーンずれ異常気筒は未だ未特定であるから、ステップS224はノーとなってステップS201に戻り、リーンずれ異常気筒を特定すべく特定処理が続行される。ステップS224がイエスならば特定処理が直ちに終了される。
【0114】
このように、本実施形態の特定処理にあっては、リーンずれ異常気筒およびリッチずれ異常気筒という2つの異常気筒を特定した。その理由は、図4に示すようなセンサ出力波形の場合、リーン側とリッチ側に2つのピークが存在し、各ピークに対応したリーンずれ異常気筒とリッチずれ異常気筒とのいずれかが現に存在すると考えられるからである。しかし、これらのうちいずれが存在するかをさらに特定するのは、比較的困難であるし、さらに追加の特定処理を必要とし複雑化を招く。従って本実施形態では上記2つの異常気筒を特定するに止めている。それでも、4気筒それぞれに対しリーンとリッチの2種類が存在し、合計8種類の異常類型があることを考慮すると、そのうちの2種類にまで絞り込みを行えることは大変有効である。
【0115】
一方、代替的に、リーン領域およびリッチ領域の一方を用いてリーンずれ異常気筒およびリッチずれ異常気筒の一方を特定してもよい。この場合、特定されなかった他方は異常気筒として扱われなくなり(あるいは異常気筒の候補に挙げられなくなり)、その意味で特定精度は幾分悪化する。しかしそれでも1つの異常気筒を特定できるので、これが許容される場合には有効である。また何より、分割クランク角を用いて異常気筒を特定するので、特定精度の点で大いに有利である。
【0116】
「異常気筒」とは、何等かの故障もしくは異常に起因して空燃比の基準値(本実施形態ではストイキ)に対し空燃比ずれを起こしている気筒をいう。異常気筒には、直ちに異常と判定できる大レベルの空燃比ずれを起こしている気筒のほか、直ちには異常とも正常とも判定できない中レベル(所謂グレーゾーン)の空燃比ずれを起こしている気筒も含まれる。本実施形態では、まずばらつき異常ありとの判定(図9のステップS106)を行い、その後異常気筒を特定する(図9のステップS107)ので、特定された異常気筒は確定的に大レベルまたは中レベルの空燃比ずれを起こしている異常気筒と特定される。これに対し、まず明らかな正常か異常かについて一次判定を実行し、一次判定で正常とも異常とも判定できない場合に、より判定精度を高めて二次判定を実行する場合がある。この場合、一次判定で異常気筒と特定された気筒が、二次判定で異常ではなく正常であることが判明することがあるが、こうした場合にも当該気筒は異常気筒である。
【0117】
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。例えば上記の数値は例示であり、種々の変更が可能である。また上記の説明において、リッチ側とリーン側の一方についてしか説明していない箇所があるが、一方への説明が他方へも適用可能であることが、当業者によって容易に理解されるであろう。
【0118】
本発明が適用されるエンジンの気筒数は任意である。またV型8気筒エンジンの場合、本実施形態の直列4気筒エンジンの構成を各バンクに適用してV型8気筒エンジンを構成することができる。この場合、各バンクに対して個別に上述の検出処理および特定処理を適用することが可能である。
【0119】
1エンジンサイクル中における空燃比センサ出力波形の平均値Mの代わりに、所定の一定値もしくは固定値を用いてもよい。すなわち前記実施形態では、ストイキ制御中であるため、ストイキ付近の平均値Mに基づきリーン領域YLおよびリッチ領域YRを画定した。前述したように、空燃比センサ出力波形がストイキをほぼ中心とした波形となるからである。しかしこれに限らず、予め定められた一定値に基づきリーン領域YLおよびリッチ領域YRを画定してもよい。この場合、一定値は、特にストイキ制御中であれば、ストイキに等しくするのが好ましい。もっとも、空燃比フィードバック制御の目標空燃比がストイキ以外の所定値であれば、触媒前センサ出力波形がその所定値をほぼ中心として変動するため、一定値を所定値に等しくしてもよい。この場合、平均値Mも所定値付近の値となる。
【0120】
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】
【0121】
1 内燃機関(エンジン)
6 排気管
11 上流触媒
12 インジェクタ
14 排気マニフォールド
17 触媒前センサ
18 触媒後センサ
19 下流触媒
20 電子制御ユニット(ECU)
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10