JP3976639B2

JP3976639B2 - 内燃機関の空燃比制御装置

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Publication number: JP3976639B2
Application number: JP2002233286A
Authority: JP
Inventors: 裕司安井
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-08-09
Filing date: 2002-08-09
Publication date: 2007-09-19
Anticipated expiration: 2022-08-09
Also published as: JP2004068791A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、内燃機関の排気系に設けられた排ガスセンサの出力に基づいて空燃比を制御する制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の排気系には、触媒装置が設けられている。触媒装置は、内燃機関に供給される混合気の空燃比がリーンのとき、排気ガス中に存在する過剰の酸素でＨＣおよびＣＯを酸化し、空燃比がリッチのとき、ＨＣおよびＣＯによってＮｏｘを還元する。空燃比が理論空燃比領域にあるとき、ＨＣ、ＣＯおよびＮｏｘが同時にかつ効果的に浄化される。
【０００３】
触媒装置の下流には、排ガスセンサが設けられる。排ガスセンサは、排気系に排気されたガス中の酸素濃度を検出する。排ガスセンサの出力に基づいて、内燃機関の空燃比のフィードバック制御が実施される。
【０００４】
空燃比のフィードバック制御の一例として、特開平１１−１５３０５１公報には、切換関数を設定する応答指定型制御が提案されている。この制御は、該切換関数の値をゼロに収束することによって、排ガスセンサの出力を所定の目標値に収束させる。排ガスセンサの出力を所定の目標値に収束させるための操作量が算出される。該操作量に応じて、内燃機関への燃料供給量が制御される。こうして、空燃比が安定的に制御される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
失火等の理由によって触媒の劣化が過度に進行した状態（以下、ＮＧＣＡＴ状態とも呼ぶ）では、切換関数値が収束するにもかかわらず、排ガスセンサの出力が目標値に収束しない状態が生じることがある。排ガスセンサの出力が目標値に収束しないと、空燃比を安定的に制御することができなくなり、排ガスの有害成分が排出されるおそれがある。
【０００６】
したがって、触媒が過度に劣化した状態等においても、空燃比を安定的に制御して、触媒の浄化率をできるだけ高く維持して、排ガスの有害成分の排出量を低減することができる制御が必要とされている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明の一つの側面によると、空燃比制御装置は、排気系に配置された排ガスセンサの出力を所定の目標値に収束することによって空燃比を制御する。該制御は、排ガスセンサの出力の前記目標値への収束挙動を指定する関数の値をフィードバックする制御である、制御装置は、排ガスセンサの出力の目標値に対する偏差を評価し、該偏差が所定の停滞状態にあると判断されたとき、関数の値を変更する。
【０００８】
この発明によれば、停滞している排ガスセンサの出力を、目標値に収束させることができる。特に、触媒の劣化が過度に進んでいる場合においても、触媒の浄化率をできるだけ高く維持し、排ガスの有害成分を低減させることができる。
【０００９】
この発明の他の側面によると、関数の値の変更は、内燃機関が所定の運転状態のときに実施される。
【００１０】
一般に、内燃機関の運転状態が低負荷の場合、制御状態が不安定になりやすい傾向がある。この発明によれば、運転状態が低負荷の場合でも、関数の値を変更することにより、制御系の安定性が損なわれるのを防止することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
内燃機関および制御装置の構成
次に図面を参照してこの発明の実施の形態を説明する。図１は、この発明の実施形態による内燃機関（以下、「エンジン」という）およびその制御装置の全体的なシステム構成図である。
【００１２】
電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」）という）５は、車両の各部から送られてくるデータを受け入れる入力インターフェース５ａ、車両の各部の制御を行うための演算を実行するＣＰＵ５ｂ、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）およびランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）を有するメモリ５ｃ、および車両の各部に制御信号を送る出力インターフェース５ｄを備えている。メモリ５ｃのＲＯＭには、車両の各部の制御を行うためのプログラムおよび各種のデータが格納されている。この発明に従う空燃比制御を実現するためのプログラム、および該プログラムの実行の際に用いるデータおよびテーブルは、このＲＯＭに格納されている。ＲＯＭは、ＥＥＰＲＯＭのような書き換え可能なＲＯＭでもよい。ＲＡＭには、ＣＰＵ５ｂによる演算のための作業領域が設けられる。車両の各部から送られてくるデータおよび車両の各部に送り出す制御信号は、ＲＡＭに一時的に記憶される。
【００１３】
エンジン１は、たとえば４気筒を備えるエンジンである。吸気管２が、エンジン１に連結されている。吸気管２の上流側にはスロットル弁３が設けられている。スロットル弁３に連結されたスロットル弁開度センサ（θＴＨ）４は、スロットル弁３の開度に応じた電気信号を、ＥＣＵ５に供給する。
【００１４】
スロットル弁３をバイパスする通路２１が、吸気管２に設けられている。エンジン１に供給する空気量を制御するためのバイパス弁２２が、バイパス通路２１に設けられている。バイパス弁２２は、ＥＣＵ５からの制御信号に従って駆動される。
【００１５】
燃料噴射弁６は、エンジン１とスロットル弁３の間であって、吸気管２の吸気弁（図示せず）の少し上流側に各気筒毎に設けられている。燃料噴射弁６は、燃料ポンプ（図示せず）に接続され、該燃料ポンプを介して燃料タンク（図示せず）から燃料の供給を受ける。燃料噴射弁６は、ＥＣＵ５からの制御信号に従って駆動される。
【００１６】
吸気管圧力（Ｐｂ）センサ８および吸気温（Ｔａ）センサ９は、吸気管２のスロットル弁３の下流側に設けられている。Ｐｂセンサ８およびＴａセンサ９によって検出された吸気管圧力Ｐｂおよび吸気温Ｔａは、それぞれＥＣＵ５に送られる。
【００１７】
エンジン水温（Ｔｗ）センサ１０は、エンジン１のシリンダブロックの、冷却水が充満した気筒周壁（図示せず）に取り付けられる。Ｔｗセンサ１０によって検出されたエンジン冷却水の温度Ｔｗは、ＥＣＵ５に送られる。
【００１８】
回転数（Ｎｅ）センサ１３は、エンジン１のカム軸またはクランク軸（共に図示せず）周辺に取り付けられる。Ｎｅセンサ１３は、たとえばピストンのＴＤＣ位置に関連したクランク角度で出力されるＴＤＣ信号パルスの周期よりも短いクランク角度（たとえば、３０度）の周期で、ＣＲＫ信号パルスを出力する。ＣＲＫ信号パルスは、ＥＣＵ５によってカウントされ、エンジン回転数Ｎｅが検出される。
【００１９】
エンジン１の下流側には排気管１４が連結されている。エンジン１は、排気管１４を介して排気する。排気管１４の途中に設けられた触媒装置１５は、排気管１４を通る排気ガス中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘなどの有害成分を浄化する。触媒装置１５には、２つの触媒が設けられている。上流側に設けられた触媒を上流触媒と呼び、下流側に設けられた触媒を下流触媒と呼ぶ。
【００２０】
広域空燃比センサ（ＬＡＦ）センサ１６は、触媒装置１５の上流に設けられている。ＬＡＦセンサ１６は、リーンからリッチにわたる広範囲の空燃比を検出する。検出された空燃比は、ＥＣＵ５に送られる。
【００２１】
Ｏ２（排ガス）センサ１７は、上流触媒と下流触媒の間に設けられている。Ｏ２センサ１７は２値型の排気ガス濃度センサである。Ｏ２センサは、空燃比が理論空燃比よりもリッチであるとき高レベルの信号を出力し、空燃比が理論空燃比よりもリーンであるとき低レベルの信号を出力する。出力された電気信号は、ＥＣＵ５に送られる。
【００２２】
ＥＣＵ５に向けて送られた信号は入力インターフェース５ａに渡され、アナログ−デジタル変換される。ＣＰＵ５ｂは、変換されたデジタル信号を、メモリ５ｃに格納されているプログラムに従って処理し、車両のアクチュエータに送るための制御信号を作り出す。出力インターフェース５ｄは、これらの制御信号を、バイパス弁２２、燃料噴射弁６、およびその他の機械要素のアクチュエータに送る。
【００２３】
図２は、触媒装置１５の構造を示す。排気管１４に流入した排気ガスは、上流触媒２５を通過し、その後下流触媒２６を通過する。上流および下流触媒の間に設けられたＯ２センサの出力に基づく空燃比制御の方が、下流触媒の下流に設けられたＯ２センサの出力に基づく空燃比制御よりも、Ｎｏｘの浄化率を最適に維持しやすいことがわかっている。そのため、この発明に従う実施形態では、Ｏ２センサ１７を、上流および下流触媒の間に設ける。Ｏ２センサ１７は、上流触媒２５を通過した後の排気ガスの酸素濃度を検出する。
【００２４】
代替的に、Ｏ２センサを、下流触媒２６の下流に設けてもよい。また、１つの触媒によって触媒装置１５が実現されている場合には、該触媒装置１５の下流にＯ２センサは設けられる。
【００２５】
図３は、上流触媒および下流触媒の浄化の挙動を示す。ウィンドウ２７は、ＣＯ、ＨＣおよびＮＯｘが最適に浄化される空燃比領域を示す。上流触媒２５において、排気ガス中の酸素が浄化作用に消費されるため、下流触媒２６に供給される排気ガスは、ウィンドウ２８によって示されるような還元雰囲気（すなわち、リッチ状態）を有している。このような還元雰囲気において、さらなる量のＮＯｘが浄化される。こうして排気ガスは、クリーンな状態で排気される。
【００２６】
この発明に従う空燃比の適応制御は、触媒１５の浄化性能を最適に維持するため、Ｏ２センサ１７の出力を目標値に収束させることにより、空燃比がウィンドウ２７内に収まるようにする。
【００２７】
参照番号２９は、適応空燃比制御において空燃比の操作量の限界を規定する許容範囲を例示しており、これについての詳細は後述される。
【００２８】
図４は、図２のＬＡＦセンサ１６からＯ２センサ１７にいたるブロック図である。ＬＡＦセンサ１６は、上流触媒２５に供給される排ガスの空燃比KACTを検出する。Ｏ２センサ１７は、上流触媒２５によって浄化された排ガスの酸素濃度を、電圧Vo2/OUTとして出力する。ＬＡＦセンサ１６からＯ２センサ１７までの排気系１９が、この発明に従う適応空燃比制御の制御対象（プラント）となる。
【００２９】
適応空燃比制御モード
図５は、適応空燃比制御の制御ブロック図を示す。制御対象である排気系１９のＯ２センサ１７の出力Vo2/OUTが、目標値Vo2/TARGETと比較される。比較結果に基づいて、制御器３１は、空燃比偏差ｋｃｍｄを求める。空燃比偏差ｋｃｍｄを基準値ＦＬＡＦ／ＢＡＳＥに加算し、目標空燃比ＫＣＭＤを求める。目標空燃比ＫＣＭＤによって補正された燃料噴射量が、エンジン１に供給される。その後、排気系のＯ２センサ１７の出力Vo2/OUTが再び検出される。
【００３０】
このように、制御器３１は、Ｏ２センサ１７の出力Vo2/OUTを目標値Vo2/TARGETに収束するよう目標空燃比ＫＣＭＤを求めるフィードバック制御を実行する。制御対象である排気系１９を、出力をVo2/OUT、入力をＬＡＦセンサの出力ＫＡＣＴとして、式（１）のようにモデル化することができる。排気系１９は離散時間系モデルとしてモデル化される。離散時間系モデルは、空燃比制御のアルゴリズムをコンピュータ処理に適した簡易なものとする。前述したように、ｋはサイクルを識別する識別子である。
【００３１】
【数１】

【００３２】
Ｖｏ２は、式（１）に示されるように、Ｏ２センサ１７の出力値Vo2/OUTの目標値Vo2/TARGETに対する偏差（以下、センサ出力偏差と呼ぶ）を示す。実空燃比偏差ｋａｃｔは、基準値ＦＬＡＦ／ＢＡＳＥに対するＬＡＦセンサの出力ＫＡＣＴの偏差を示す（kact=KACT-FLAF/BASE）。空燃比の基準値ＦＬＡＦ／ＢＡＳＥは、目標空燃比の中心的な値になるように設定され、たとえば理論空燃比を示す値（すなわち、１）に設定される。基準値ＦＬＡＦ／ＢＡＳＥは、一定値でもよいし、または運転状態に応じて決めるようにしてもよい。
【００３３】
ｄ１は、排気系１９が有するむだ時間を示す。むだ時間ｄ１は、ＬＡＦセンサ１６によって検出された空燃比がＯ２センサ１７の出力に反映されるのに要する時間を示す。ａ１、ａ２およびｂ１はモデルパラメータであり、後述する同定器によって生成される。
【００３４】
一方、エンジン１およびＥＣＵ５からなる空燃比を操作する系は、式（２）のようにモデル化されることができる。目標空燃比偏差ｋｃｍｄは、基準値ＦＬＡＦ／ＢＡＳＥに対する目標空燃比ＫＣＭＤの偏差を示す（kcmd=KCMD-FLAF/BASE）。ｄ２は、該空燃比操作系におけるむだ時間を示す。むだ時間ｄ２は、算出された目標空燃比ＫＣＭＤがＬＡＦセンサ１６の出力ＫＡＣＴに反映されるのに要する時間を示す。
【００３５】
【数２】

【００３６】
図６は、図５に示される制御器３１のさらに詳細なブロック図を示す。制御器３１は、同定器３２、推定器３３、スライディングモード制御器３４およびリミッタ３５を備える。
【００３７】
同定器３２は、式（１）におけるモデルパラメータａ１、ａ２およびｂ１を、モデル化誤差をなくすように同定する。同定器３２によって実施される同定方法を以下に示す。
【００３８】
前回の制御サイクルで算出されたモデルパラメータａ１(k-1)、ａ２(k-1)およびｂ１(k-1)を用い（以下、これらのパラメータをａ１(k-1)ハット、ａ２(k-1)ハットおよびｂ１(k-1)ハットと呼ぶ）、式（１）に従って今回のサイクルのセンサ出力偏差Ｖｏ２(k)（以下、これをセンサ出力偏差Ｖｏ２(k)ハットと呼ぶ）を式（３）に従って求める。
【００３９】
【数３】

【００４０】
式（４）は、式（３）で算出されたセンサ出力偏差Ｖｏ２(k)ハットと、今回の制御サイクルで実際に検出されたセンサ出力偏差Ｖｏ２(k)との偏差id/e(k)を示す。
【００４１】
【数４】

【００４２】
同定器３２は、偏差id/e(k)を最小にするように、今回のサイクルにおけるa1(k)ハット、a2(k)ハットおよびb1(k)ハットを算出する。ここで、式（５）に示されるようにベクトルΘを定義する。
【００４３】
【数５】

【００４４】
同定器３２は、式（６）に従い、a1(k)ハット、a2(k)ハットおよびb1(k)ハットを求める。式（６）に示されるように、前回の制御サイクルで決定されたa1(k)ハット、a2(k)ハットおよびb1(k)ハットを、偏差id/e(k)に比例する量だけ変化させることにより、今回の制御サイクルにおけるa1(k)ハット、a2(k)ハットおよびb1(k)ハットを求める。
【００４５】
【数６】

【００４６】
推定器３３は、排気系１９のむだ時間ｄ１および空燃比を操作する系のむだ時間ｄ２を補償するため、むだ時間ｄ（＝ｄ１＋ｄ２）後のセンサ出力偏差Ｖｏ２を推定する。
【００４７】
まず、排気系のモデル式（１）に、空燃比を操作する系のモデル式（２）を代入すると、式（７）が導かれる。
【００４８】
【数７】

【００４９】
式（７）で示されるモデル式は、排気系１９および上記の空燃比を操作する系を合わせた系を表現している。式（７）を用いることにより、むだ時間ｄ後のセンサ出力偏差Vo2(k+d)の推定値Vo2(k+d)バーが、式（８）のようにして求められる。係数α１、α２およびβｊは、同定器３２で算出されたモデルパラメータを用いて算出される。目標空燃比偏差の過去の時系列データｋｃｍｄ(k-j)（ただし、ｊ＝１、２、．．．ｄ）は、むだ時間ｄの長さの間に取得された目標空燃比偏差を含む。
【００５０】
【数８】

【００５１】
むだ時間ｄ２以前の空燃比偏差ｋｃｍｄの過去の値kcmd(k-d2)、kcmd(k-d2-1)、．．．kcmd(k-d)の値を、上記の式（２）を用いてＬＡＦセンサ１６の偏差出力kac(k)、kact(k-1)、．．．kact(k-d+d2)で置き換えることができる。その結果、式（９）が得られる。
【００５２】
【数９】

【００５３】
スライディングモード制御器３４は、スライディングモード制御を実行するため、切換関数σを式（１０）のように設定する。
【００５４】
【数１０】

【００５５】
ここで、Ｖｏ２(k-1)は、前述したように前回のサイクルで検出されたセンサ出力偏差を示す。Ｖｏ２(k)は、今回のサイクルで検出されたセンサ出力偏差を示す。ｓは、切換関数σの設定パラメータであり、−１＜ｓ＜１となるよう設定される。
【００５６】
切換関数σ(k)＝０とした式は等価入力系と呼ばれ、制御量であるセンサ出力偏差Ｖｏ２の収束特性を規定する。σ(k)＝０とすると、式（１０）は以下の式（１１）のように変形することができる。
【００５７】
【数１１】

【００５８】
ここで、図７および式（１１）を参照して、切換関数σの特性を説明する。図７は、縦軸がＶｏ２(k)および横軸がＶｏ２(k-1)の位相平面上に、式（１１）を線４１で表現したものである。この線４１を切換直線と呼ぶ。Ｖｏ２(k-1)およびＶｏ２(k)の組合せからなる状態量（Ｖｏ２(k-1), Ｖｏ２(k)）の初期値が、点４２で表されているとする。スライディングモード制御は、点４２で表される状態量を、切換直線４１上に載せて該直線４１上に拘束するよう動作する。スライディングモード制御によると、状態量を切換直線４１上に保持することにより、該状態量を、外乱等の影響されることなく、極めて安定的に位相平面上の原点０に収束させることができる。言い換えると、状態量（Ｖｏ２(k-1),Ｖｏ２(k)）を、式（１１）に示される入力の無い安定系に拘束することにより、外乱およびモデル化誤差に対してロバストにセンサ出力偏差Vo2/OUTを目標値Vo2/TARGETに収束させることができる。
【００５９】
切換関数設定パラメータｓは、可変に設定することができるパラメータである。設定パラメータｓを調整することにより、センサ出力偏差Ｖｏ２の減衰（収束）特性を指定することができる。
【００６０】
図８は、スライディングモード制御の応答指定特性の一例を示すグラフである。グラフ４３は、ｓの値が“１”である場合を示し、グラフ４４はｓの値が“０．８”である場合を示し、グラフ４５はｓの値が“０．５”である場合を示す。グラフ４３〜４５から明らかなように、ｓの値に従って、センサ出力偏差Ｖｏ２の収束速度が変化する。ｓの絶対値を小さくするほど、収束速度が速くなる。
【００６１】
切換関数σの値をゼロにするよう、３つの制御入力が決定される。すなわち、状態量を切換直線上に拘束するための制御入力Ｕeq、状態量を切換直線上に載せるための制御入力Ｕrch、およびモデル化誤差および外乱を抑制しつつ、状態量を切換直線に載せるための制御入力Ｕadpが算出される。これら３つの制御入力Ｕeq、ＵrchおよびＵadpの和を算出して、空燃比偏差ｋｃｍｄを算出するための要求偏差Ｕslを求める。
【００６２】
等価制御入力Ｕeqは、状態量を切換直線上に拘束するための入力であるので、式（１２）を満たすことが条件となる。
【００６３】
【数１２】

【００６４】
したがって、σ(k+1)＝σ(k)とするための等価制御入力Ｕeqは、式（７）および（１０）から、式（１３）のように算出される。
【００６５】
【数１３】

【００６６】
切換関数σの値に応じた値を持つ到達則入力Ｕrchを、式（１４）に従って算出する。この実施例では、到達則入力Ｕrchは切換関数σの値に比例した値を持つ。Ｋrchは到達則のフィードバックゲインを示し、これは、切換直線σ＝０への収束の安定性および速応性等を考慮して、シミュレーション等に基づいて予め定められる。
【００６７】
【数１４】

【００６８】
切換関数σの積算値に応じた値を持つ適応則入力Ｕadpを、式（１５）に従って算出する。この実施例では、適応則入力Ｕadpは切換関数σの積算値に比例した値を持つ。Ｋadpは適応則のフィードバックゲインを示し、これは、切換直線σ＝０への収束の安定性および速応性等を考慮して、シミュレーション等に基づいて予め定められる。ΔＴは、制御サイクルの周期を示す。
【００６９】
【数１５】

【００７０】
センサ出力偏差Ｖｏ２(k+d)およびＶｏ２(k+d-1)と、切換関数の値σ(k+d)は、むだ時間ｄが考慮された予測値であるので、これらを直接求めることはできない。そこで、推定器３３によって求められた推定偏差Ｖｏ２(k+d)バーおよびＶｏ２(k+d-1)バーを用い、等価制御入力Ｕeqを求める。
【００７１】
【数１６】

【００７２】
また、推定器３３によって算出された推定偏差を用いて、式（１７）に示されるように切換関数σバーが算出される。
【００７３】
【数１７】

【００７４】
切換関数σバーを用いて、到達則入力Ｕrchおよび適応則入力Ｕadpを算出する。
【００７５】
【数１８】

【００７６】
【数１９】

【００７７】
式（２０）に示されるように、等価制御入力Ｕeq、到達則入力Ｕrchおよび適応則入力Ｕadpを加算し、要求偏差Ｕslを求める。
【００７８】
【数２０】

【００７９】
リミッタ３５は、要求偏差Ｕslに対してリミット処理を行い、空燃比偏差ｋｃｍｄを求める。具体的には、リミッタ３５は、要求偏差Ｕslが許容範囲内にあれば、該要求偏差Ｕslを空燃比偏差ｋｃｍｄとする。要求偏差Ｕslが許容範囲から逸脱している場合は、該許容範囲の上限値または下限値を、空燃比偏差ｋｃｍｄに設定する。
【００８０】
リミッタ３５で使用される許容範囲は、図３の参照番号２９に示されるように、ウィンドウ２７を略中心として、これを含むさらに広い範囲に設定される。この許容範囲は、要求偏差Ｕslおよび運転状態等に応じてアクティブに移動する。また、この許容範囲は、空燃比の変動によるエンジンの燃焼変動を抑制しつつ、触媒の浄化能力がウィンドウ２７の最適な状態から外れた際に速やかに該最適な状態に復帰させるのに十分な幅を持つ。よって、過渡状態での触媒浄化率を高く保つことができ、有害な排ガス成分を低減することができる。
【００８１】
具体的には、許容範囲は、算出された要求偏差Ｕslに応じて可変に更新される。たとえば、要求偏差Ｕslの許容範囲からの逸脱量に応じて、許容範囲を拡大する。または、要求偏差Ｕslが許容範囲内にあるとき、該許容範囲を縮小する。こうして、Ｏ２センサ１７の出力を目標値に収束させるのに必要な空燃比を規定する要求偏差Ｕslに適した許容範囲が設定される。
【００８２】
さらに、許容範囲は、Ｏ２センサ１７の出力の不安定さが高いほど狭く設定される。また、許容範囲は、始動時、アイドリング運転状態および燃料カットが解除された時等を含め、運転状態に応じて設定されるようにしてもよい。
【００８３】
求められた空燃比偏差ｋｃｍｄを基準値ＦＬＡＦ／ＢＡＳＥに加算して目標空燃比ＫＣＭＤを求める。該目標空燃比ＫＣＭＤを、制御対象である排気系１９に与えることにより、Ｏ２センサの出力Vo2/OUTを目標値Vo2/TARGETに収束させることができる。
【００８４】
代替の実施形態においては、空燃比の基準値ＦＬＡＦ／ＢＡＳＥは、リミッタ３５によるリミット処理が終了した後、スライディングモード制御器３４によって算出される適応則入力Ｕadpに応じて可変に更新される。具体的には、基準値ＦＬＡＦ／ＢＡＳＥは、初期値として理論空燃比が設定される。適応則Ｕadpが予め決められた上限値を超えているならば、基準値ＦＬＡＦ／ＢＡＳＥは所定量だけ増やされる。適応則Ｕadpが予め決められた下限値を下回っているならば、基準値ＦＬＡＦ／ＢＡＳＥは所定量だけ減らされる。適応則Ｕadpが上限値および下限値の間にあれば、基準値ＦＬＡＦＢＡＳＥは更新されない。更新されたＦＬＡＦ／ＢＡＳＥは、次回のサイクルにおいて用いられる。こうして、基準値ＦＬＡＦ／ＢＡＳＥは、目標空燃比ＫＣＭＤの中心的な値になるよう調整される。
【００８５】
基準値ＦＬＡＦ／ＢＡＳＥの更新処理を上記のリミット処理と組み合わせることにより、要求偏差Ｕslの許容範囲が正負にバランスされる。基準値ＦＬＡＦ／ＢＡＳＥの更新処理は、Ｏ２センサ出力Vo2/OUTが目標値Vo2/TARGETにほぼ収束し、スライディングモード制御が安定状態にあると判断されたときに行われるのが好ましい。
【００８６】
ＮＧＣＡＴ状態における空燃比制御の挙動
図９は、触媒が過度に劣化した状態における、従来の空燃比制御の挙動の一例を示す。グラフ５１は、切換関数値σの推移を示す。グラフ５２は、切換関数値σの積算値の推移を示す。グラフ５３は、排ガスセンサの目標値Vo2/TARGETをゼロとした時のセンサ出力Vo2/OUTの推移を示す。
【００８７】
グラフ５１に示されるように、切換関数値σはゼロに収束していく。それに応じて、切換関数値σの積算値もゼロに収束していく。センサ出力Vo2/OUTは、切換関数値σがゼロに収束していくにもかかわらず、目標値Vo2/TARGETに対して定常偏差を呈している。これは、切換関数σをゼロにすることでセンサ出力偏差Ｖｏ２を収束させるというスライディングモードが生じていないことを示す。
【００８８】
このように、従来の空燃比制御では、触媒が過度に劣化した状態等の特定の状態において、切換関数値σがゼロに収束するにもかかわらず、センサ出力Vo2/OUTが目標値Vo2/TARGETに収束しない場合がある。
【００８９】
切換関数の設定パラメータの可変設定
図１０は、本発明に従うスライディングモード制御器３４の詳細な機能ブロック図を示す。設定パラメータ決定部６１は、切換関数σの設定パラメータ“ｓ”を決定する。切換関数算出部６２は、設定パラメータ決定部６１によって決定された設定パラメータｓを受け取り、該設定パラメータｓを用いて、上記式（１７）に示される切換関数σバーを算出する。制御入力算出部６３は、上記の式（１６）、（１８）および（１９）に従い、制御入力Ｕslを算出する。
【００９０】
本発明の一実施形態によれば、切換関数σの応答特性を規定する設定パラメータｓは、運転状態に応じて決定される。
【００９１】
設定パラメータ決定部６１は、図９に示されるような制御状態を検知する。具体的には、以下の３つの条件が満たされたとき、図９に示されるようなスライディングモード未発生が生じていると判断する。
【００９２】
１）切換関数値σの絶対値＜所定値
２）センサ出力偏差Ｖｏ２が所定範囲内
３）上記１）および２）を満たす状況が、所定期間にわたって継続する。
【００９３】
条件１）および２）の両方が満たされる場合は、切換関数値σが収束しているにもかかわらず、センサ出力偏差Ｖｏ２が停滞している状態を示す。条件３）を含めることにより、スライディングモード未発生が誤って検知されることを防ぐことができる。
【００９４】
設定パラメータ決定部６１は、スライディングモード未発生を検知すると、設定パラメータ“ｓ”の絶対値を小さくする。したがって、ｓ＜０の場合は、設定パラメータｓの値は正の方向に向かって大きくなるよう変更される。こうして、収束速度が大きくなる方向へ、設定パラメータｓが変更される。
【００９５】
図１１は、設定パラメータｓの切換を概略的に示す図である。この例では、設定パラメータｓはゼロより小さい負の値を持つ。上記の式（１１）から明らかなように、ｓの絶対値が大きいほど切換直線の傾きが大きくなることがわかる。
【００９６】
通常の空燃比制御における設定パラメータｓを持つ切換直線７１が示されている。状態量７２は、設定パラメータｓによって指定される収束速度で、ゼロに向かって収束する。
【００９７】
スライディングモード未発生が検知されると、設定パラメータｓは、ｓ’に変更される。ここで、｜ｓ’｜＜｜ｓ｜である。その結果、切換直線は、参照番号７３によって表されるような直線に変更される。状態量７４は、設定パラメータｓ’によって指定される収束速度でゼロに向かって収束する。切換直線７３の設定パラメータｓ’の絶対値は、切換直線７１の設定パラメータｓの絶対値より小さい。したがって、切換直線７３上の状態量７４の方が、切換直線７１上の状態量７２よりも、早い速度で収束する。
【００９８】
こうして、設定パラメータｓの絶対値を小さくすることにより、状態量のゼロへの収束力を高めることができる。スライディングモード未発生が検知されたとき、設定パラメータｓの大きさを調整することにより、スライディングモードを再び発生させることができる。
【００９９】
図１２は、この発明の一実施形態に従う、触媒が過度に劣化した場合のセンサ出力Vo2/OUTの推移を示す。図９と目盛りのスケールが異なることに注意されたい。図９の（ａ）においては、定常偏差が約数百ｍＶのオーダー（たとえば、４００ｍＶ）で現れていたが、図１２では、約１０ｍＶに低減している。すなわち、この実施形態によれば、触媒が過度に劣化した場合でも、センサ出力偏差Ｖｏ２をゼロに収束させることができる。
【０１００】
制御入力算出フロー
図１３は、本発明の一実施形態に従う制御入力Ｕslを求めるメインルーチンを示す。ステップＳ１０１において、切換関数の設定パラメータを決定するルーチン（図１４、１５）を実行する。ステップＳ１０２において、切換関数σを算出するルーチン（図１６）を実行する。ステップＳ１０３において、切換関数２の積算値SUMSGMFを算出するルーチン（図１７）を実行する。
【０１０１】
ステップＳ１０４〜Ｓ１０６において、等価制御入力Ｕeq、到達則入力Ｕrchおよび適応則入力Ｕadpをそれぞれ算出する。これらのステップは、並列に実行してもよい。ステップＳ１０７において、等価制御入力Ｕeq、到達則入力Ｕrchおよび適応則入力Ｕadpの和を算出し、制御入力Ｕslを求める。
【０１０２】
図１４および図１５は、図１３のステップＳ１０１で実行される設定パラメータｓを決定するルーチンのフローチャートを示す。ここで、設定パラメータｓは、ＶＰＯＬＥで表現されており、−１＜ＶＰＯＬＥ＜０である。ステップＳ１１１において、アイドル運転状態かどうかを判断する。アイドル運転状態ならば、一時変数ＷＳＳＴＥをゼロに初期化する（Ｓ１１２）。また、ステップＳ１１３において、設定パラメータの最大値vpolemaxとして、所定値ＰＯＬＥＨを設定する。
【０１０３】
ステップＳ１１４において、燃料カット後フラグＦＡＣの値を調べる。燃料カット後であることを示すＦ＿ＦＡＣ＝１ならば、ステップＳ１３２に進み、現在の設定パラメータＶＰＯＬＥの値を、所定値ＶＰＨＩＮＣだけ大きくする。これは、収束速度を速くすることを示す。
【０１０４】
ステップＳ１１５において、エンジンが始動してから所定期間経過しているかどうかを調べる。該所定期間がまだ経過していなければ、ステップＳ１３２に進み、現在の設定パラメータＶＰＯＬＥの値を所定値ＶＰＨＩＮＣだけ大きくする。
【０１０５】
一般に、エンジンの運転状態が低負荷の際は、制御状態が不安定になりやすい。このような低負荷の状態のときには、ステップＳ１３２に示されるように、設定パラメータの値を大きくする（収束速度を速くする）ことで、制御系の安定が損なわれるのを防止することができる。
【０１０６】
燃料カット後でもなく、またエンジンが始動してから所定期間が経過していなければ、ステップＳ１１６（図１５）に進む。ステップＳ１１６において、空燃比制御において切換関数値σバーが収束している状態かどうかを判断する。これは、前回のサイクルで算出された切換関数値σバーがゼロであるかどうかを調べることにより判断することができる。収束していなければ、ステップＳ１１７に進み、現在の設定パラメータＶＰＯＬＥの値を所定値ＶＰＨＤＥＣだけ小さくする。これは、収束速度を遅くすることを示す。収束速度を遅くして、切換関数値σバーが切換直線上に載るのを待つ。
【０１０７】
ステップＳ１１６において切換関数値σバーが収束しているならば、空燃比制御が安定しているかどうかを判断する（Ｓ１１８）。これは、たとえば安定判別基本パラメータＰstb（＝σ(k+d)バー・Δσバー）の値を調べることによって判断される。Pstbは、切換関数σバーに関するリアプノフ関数σバー^２／２の時間微分値に相当する。Pstb≦０となる状態は、切換関数σバーの値がゼロに収束しているか、またはゼロに収束しつつある状態を示す。Pstb＞０となる状態は、切換関数σバーの値がゼロから離間しつつある状態を示す。Pstb＞０であって、空燃比制御が安定していないと判断されたならば、ステップＳ１１７に進み、現在の設定パラメータＶＰＯＬＥの値を所定値ＶＰＨＤＥＣだけ小さくして、空燃比制御が安定するのを待つ。
【０１０８】
Pstb≦０であって、空燃比制御が安定していると判断されたならば、ステップＳ１１９に進み、現在の設定パラメータＶＰＯＬＥの値を所定値ＶＰＨＩＮＣだけ大きくし、収束速度を速める。
【０１０９】
代替的に、他の安定判別法を用いて、空燃比制御が安定しているかどうかを判断してもよい。
【０１１０】
ステップＳ１１１に戻り、アイドル運転状態でなければ、ステップＳ１２１に進む。ステップＳ１２１およびＳ１２２において、前回のサイクルで算出された切換関数値σバーの絶対値が、所定値ＳＴＥＳＩＧより小さく、かつセンサ出力偏差Ｖｏ２の絶対値が、所定範囲内にあるかどうかを判断する。ステップＳ１２１およびＳ１２２では、前述した条件１）および２）が満たされているかどうかを判断している。
【０１１１】
ステップＳ１２１およびＳ１２２の両方の判断がＹｅｓならば、重み付けカウンタｗｓｓｔｅを所定値（たとえば、＋２）だけインクリメントする（Ｓ１２３）。ステップＳ１２１およびＳ１２２のいずれかの判断がＮｏならば、重み付けカウンタｗｓｓｔｅを所定値（たとえば、−１）だけデクリメントする（Ｓ１２４）。重み付けカウンタｗｓｓｔｅは、ステップＳ１２１およびＳ１２２の条件が満たされる期間を計測するカウンタである。
【０１１２】
この実施例では、インクリメントする値とデクリメントする値とが異なる重み付けカウンタを用いる。これにより、センサ出力偏差の停滞を早期に発見して、設定パラメータを調整することが可能となる。しかしながら、インクリメントする値とデクリメントする値が同じカウンタを用いてもよい。
【０１１３】
ステップＳ１２５〜Ｓ１２７においてカウンタｗｓｓｔｅのリミット処理を行う。ステップＳ１２５において、カウンタｗｓｓｔｅが最大値ＳＴＥＭＡＸを超えたならば、一時変数ＷＳＳＴＥに最大値ＳＴＥＭＡＸをセットする（Ｓ１２６）。カウンタｗｓｓｔｅが最大値ＳＴＥＭＡＸより小さければ、一時変数ＷＳＳＴＥにカウンタ値ｗｓｓｔｅをセットする（Ｓ１２７）。
【０１１４】
ステップＳ１２８において、一時変数ＷＳＳＴＥが所定期間を超えたかどうかを判断する。ステップＳ１２８は、前述した条件３）が満たされているかどうかを判断している。一時変数ＷＳＳＴＥが所定期間を超えたならば、前述したように、センサ出力偏差Ｖｏ２が所定期間にわたって停滞していることを示す。ステップＳ１２９に進み、設定パラメータの最大値vpolemaxとして、所定値ＰＯＬＥＥＳＴＨがセットされる（Ｓ１２９）。一時変数ＷＳＳＴＥが所定期間を超えていなければ、設定パラメータの最大値vpolemaxとして、通常の空燃比制御で用いられる所定値ＰＯＬＥＨが設定される（Ｓ１３０）。ここで、設定される所定値の関係は、ＰＯＬＥＥＳＴＨ＞ＰＯＬＥＨである。こうして、センサ出力偏差Ｖｏ２が停滞しているときは、通常の状態よりも最大値がより大きな値に設定される。これにより、設定パラメータの値がより大きな値に変更されることが許容される。
【０１１５】
ステップＳ１３１において、不安定フラグの値を調べる。不安定フラグが、空燃比制御が不安定であることを示す値１を持つならば、ステップＳ１３３に進み、現在の設定パラメータＶＰＯＬＥの値を所定値ＶＰＨＤＥＣだけ小さくして、空燃比制御が安定するのを待つ。不安定フラグがゼロならば、ステップＳ１３２に進み、現在の設定パラメータＶＰＯＬＥの値を所定値ＶＰＨＩＮＣだけ大きくし、収束速度を速める。
【０１１６】
不安定フラグは、前述した安定判別基本パラメータＰstb（＝σ(k+d)バー・Δσバー）がゼロ以下ならばゼロがセットされ、ゼロより大きければ１がセットされる。
【０１１７】
ステップＳ１２０において、設定パラメータの一時変数vpole_tmpのリミット処理が実施され、設定パラメータＶＰＯＬＥが決定される。vpole_tmpが最大値vpolemaxより大きければ、該最大値がＶＰＯＬＥに設定され、vpole_tmpが所定の最小値より小さければ、該最小値がＶＰＯＬＥに設定される。vpole_tmpが所定の最大値と最小値の間にあれば、vpole_tmpの値がＶＰＯＬＥに設定される。
【０１１８】
こうして、設定パラメータは、空燃比の制御状態に応じて決定される。したがって、センサ出力偏差Ｖｏ２がゼロが停滞している状態を発見して、該センサ出力偏差Ｖｏ２がゼロに収束させることができる。
【０１１９】
図１６は、図１３のステップＳ１０２で実行される、切換関数算出ルーチンを示す。ステップＳ１４１において、前述の式（１７）に示されるように、推定器によって算出されたセンサ出力偏差Ｖｏ２(k)バーに、Ｖｏ２(k-1)バーに設定パラメータｓ（これは、図１４および図１５において、ＶＰＯＬＥとして算出された）を掛けたものを加算し、得られた値を一時変数sigmf_tmpに格納する。
【０１２０】
ステップＳ１４２〜Ｓ１４６は、切換関数値のリミット処理を示す。一時変数sigmf_tmpが、予め決められた最大値SIGMFHよりも大きければ、切換関数σバーの値に該最大値を設定する（Ｓ１４３）。一時変数sigmf_tmpが、予め決められた最小値SIGMFLよりも小さければ、切換関数σバーの値に該最小値を設定する（Ｓ１４５）。一時変数sigmf_tmpが、最大値SIGMFHと最小値SIGMFLの間にあるならば、一時変数sigmf_tmpの値を切換関数σバーに代入する（Ｓ１４６）。
【０１２１】
図１７は、図１３のステップＳ１０３で実行される切換関数の積算値SUMSGMFの算出ルーチンを示す。ステップＳ１５１において、前回のサイクルで算出された積算値SUMSGMF(k-1)の値が予め決められたリミット値に達しているかどうかを判断する。達していたならば、ステップＳ１５２に進み、前回のサイクルで算出された積算値の値(k-1)に、予め決められた値SUMSGMFLをセットする。これは、積算値の値が過剰に大きくなると、適応則入力の値の信頼性が低下するおそれがあるからである。
【０１２２】
ステップＳ１５３において、前回のサイクルで算出された積算値SUMSGMFに、今回のサイクルで算出された切換関数σバーの値を加算し、一時変数ssigmf_tmpに加算する。ステップＳ１５４〜Ｓ１５８は、積算値のリミット処理である。具体的には、一時変数ssigmf_tmpが、予め決められた最大値SUMSFHよりも大きければ、積算値SUMSGMFに該最大値を設定する（Ｓ１５５）。一時変数ssigmf_tmpが、予め決められた最小値SUMSFLよりも小さければ、積算値SUMSGMFに該最小値を設定する（Ｓ１５７）。一時変数ssigmf_tmpが、最大値SUMSFHと最小値SUMSFLの間にあるならば、一時変数ssigmf_tmpの値を積算値SUMSGMFに代入する（Ｓ１５８）。
【０１２３】
図１８は、図１３のステップＳ１０４で実行される、等価制御入力算出ルーチンを示す。ステップＳ１６１において、前述した式（１６）に示されるＶｏ２(k)バーの項ＫＵeq1を計算する。ステップＳ１６２において、式（１６）に示されるＶｏ２(k-1)バーの項ＫＵeq2を計算する。
【０１２４】
ステップＳ１６３において、ステップＳ１６１および１６２で求められたＫＵeq１およびＫＵeq２に基づき、式（１６）に従って等価制御Ｕeqを求める。ここで、ステップ１６１および１６２は、並列に実行してもよい。
【０１２５】
図１９は、図１４のステップＳ１０５で実行される、到達則入力算出ルーチンを示す。ステップＳ１７１において、前述した式（１７）に従い、切換関数σバーにフィードバックゲインＫrchを乗算し、得られた値を一時変数urch_tmpに代入する。ステップＳ１４２〜Ｓ１４６は、到達則入力のリミット処理である。具体的には、一時変数urch_tmpが、予め決められた最大値URCHFHよりも大きければ、到達則入力Ｕrch該最大値を設定する（Ｓ１７３）。一時変数urch_tmpが、予め決められた最小値URCHFLよりも小さければ、到達則入力Ｕrchに該最小値を設定する（Ｓ１７５）。一時変数urch_tmpが、最大値URCHFHと最小値URCHFLの間にあるならば、一時変数urch_tmpの値を到達則入力Ｕrchに代入する（Ｓ１７６）。
【０１２６】
図２０は、図１３のステップＳ１０６で実行される、適応則入力算出ルーチンを示す。ステップＳ１８１において、前述した式（１８）に従い、切換関数σの積算値SUMSGMFにフィードバックゲインＫadpを乗算し、適応則入力Ｕadpを求める。
【０１２７】
この明細書においては、スライディングモード制御を用いて適応空燃比制御を実施する例を説明した。しかしながら、他の応答指定型制御を用いて適応空燃比制御を実施する場合にも、本発明を適用することができる。
【０１２８】
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にも適用が可能である。
【０１２９】
【発明の効果】
この発明によると、制御対象の出力が停滞して目標値に収束しない状況を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例に従う、内燃機関およびその制御装置を概略的に示す図。
【図２】この発明の一実施例に従う、触媒装置および排ガスセンサの配置を示す図。
【図３】この発明の一実施例に従う、空燃比制御の概要を示す図。
【図４】この発明の一実施例に従う、制御対称である排気系を示すブロック図。
【図５】この発明の一実施例に従う、空燃比制御の制御ブロック図。
【図６】この発明の一実施例に従う、制御器の詳細な機能ブロック図。
【図７】この発明の一実施例に従う、応答指定型制御における切換直線を概略的に示す図。
【図８】この発明の一実施例に従う、応答指定型制御における応答特性を示す図。
【図９】触媒の劣化が過度に進んだ状態における切換関数および排ガスセンサ出力の推移の一例を示す図。
【図１０】この発明の一実施例に従う、スライディングモード制御器の機能ブロック図。
【図１１】この発明の一実施例に従う、切換関数の設定パラメータの切換を概略的に示す図。
【図１２】この発明の一実施例に従う、触媒が過度に劣化した状態における排ガスセンサ出力の推移の一例を示す図。
【図１３】この発明の一実施例に従う、制御入力を算出するメインルーチンを示すフローチャート。
【図１４】この発明の一実施例に従う、切換関数の設定パラメータを決定するメインルーチンを示すフローチャート。
【図１５】この発明の一実施例に従う、切換関数の設定パラメータを決定するメインルーチンを示すフローチャート。
【図１６】この発明の一実施例に従う、切換関数を算出するフローチャート。
【図１７】この発明の一実施例に従う、切換関数の積算値を算出するフローチャート。
【図１８】この発明の一実施例に従う、等価制御入力を算出するフローチャート。
【図１９】この発明の一実施例に従う、到達則入力を算出するフローチャート。
【図２０】この発明の一実施例に従う、適応則入力を算出するフローチャート。
【符号の説明】
１エンジン
５ＥＣＵ
１４排気管
１５触媒装置
１７Ｏ２センサ
２５上流触媒
２６下流触媒

Claims

排気系に配置された排ガスセンサの出力を所定の目標値に収束することによって空燃比を制御する内燃機関の空燃比制御装置であって、
前記制御は、前記排ガスセンサの出力の前記目標値への収束速度をパラメータで指定する関数の値をフィードバックする制御であり、
前記関数の値が、所定値未満で収束しているかどうかを判断する手段と、
前記排ガスセンサの出力の前記目標値に対する偏差が停滞しているかどうかを判断する手段と、
前記関数の値が前記所定値未満で収束しており、かつ、前記偏差が停滞していると判断した場合には、前記収束速度が速くなるように前記パラメータを変更する変更手段と、
を備える、内燃機関の空燃比制御装置。
前記変更手段は、前記内燃機関が所定の運転状態のときに前記パラメータの変更を実施する、請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置。