JP3591671B2 - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、触媒下流側の空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射量をフィードバック制御する内燃機関の空燃比制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、内燃機関の燃料噴射量は、触媒の浄化能力を最大限に発揮させるべく、実際の排出ガスの空燃比が理論空燃比付近に収束するようにフィードバック制御される。そして、このフィードバック制御は、触媒の吸着状態が最も反映される触媒の下流側の空燃比に基づいて実行するのが望ましいとされている。
【０００３】
そこで、近年、特開平６−１２９２８３号公報に示すように、触媒下流側に排出ガスの空燃比をリニアに検出する空燃比センサを設置し、燃料噴射弁から空燃比センサまでの制御対象を近似する現代制御のモデルを設定し、そのモデルに対する現在及び過去の入出力（例えば燃料噴射弁の噴射量、空燃比センサにより検出された触媒下流側の空燃比等）を状態量とし、触媒下流側の空燃比を目標空燃比に制御すべく状態フィードバックを実行して燃料噴射弁の噴射量を制御することが考えられている。この空燃比制御に用いるモデルは、触媒モデルを単純な二次遅れ系のモデルで近似したものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、触媒に流入する排出ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ，Ｈ２ 等のガス成分に対して触媒は次のように作用する。
【０００５】
▲１▼触媒内における流入ガス成分の吸着反応
触媒内に流入したガス成分の一部は、触媒内部に吸着される。
【０００６】
▲２▼流入ガス成分と触媒内吸着物質との酸化還元反応
例えば、吸着物質がリーン成分（ＮＯｘ，Ｏ２ 等の酸化性成分）の場合には、このリーン成分と流入ガス中のリッチ成分（ＨＣ，ＣＯ，Ｈ２ 等の還元性成分）とが酸化還元反応して無害の中性ガス成分（ＣＯ２ ，Ｈ２ Ｏ，Ｎ２ 等）が生成され、触媒から排出される。
【０００７】
▲３▼触媒内吸着物質の離脱反応
触媒内吸着物質の一部は、酸化還元反応を起こさずに触媒から離脱して触媒下流に排出される。
【０００８】
▲４▼流入ガス成分の未反応部分の存在（以下「すり抜け」という）
流入ガス成分の一部は、触媒内で吸着反応も酸化還元反応も起こさずにそのまま触媒下流に排出される。
【０００９】
従って、触媒による排出ガスの浄化効率を高めるには、▲１▼の吸着反応と▲２▼の酸化還元反応を増加させ、▲３▼の離脱反応を少なくすると共に、▲４▼のすり抜けを低減することが必要となる。これら▲１▼〜▲４▼の条件は、触媒内の吸着状態によって大きく変動し、排出ガスの浄化効率を変動させる。例えば、リーン成分の吸着量が増加するに従って、リーン成分の吸着反応が低下し、リーン成分のすり抜けが多くなるが、この状態でも、流入ガス中のリッチ成分の割合が増えれば、酸化還元反応が増加して吸着物質量が減少する。
【００１０】
このような触媒の特性から、本来的には触媒内の吸着状態に応じて空燃比を制御することが理想的であるが、前述したように、従来は、触媒モデルを単純な二次遅れ系のモデルで近似しているため、触媒内の吸着状態が適正に反映されず、これが空燃比制御の精度を低下させる原因となっている。
【００１１】
本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、触媒内の吸着状態を適正に反映させた精度の良い空燃比制御を行うことができる内燃機関の空燃比制御装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１の内燃機関の空燃比制御装置は燃料噴射手段から前記下流側空燃比検出手段までの制御対象に近似して設定された制御モデルに対する現在及び過去の入出力を状態量とし、触媒下流側の空燃比を目標空燃比に制御すべく状態フィードバックを実行して燃料噴射手段の噴射量を噴射量演算手段により演算する。この際、制御モデルのうちの触媒モデルとして、触媒内における流入ガス成分の吸着反応、流入ガス成分と触媒内吸着物質との酸化還元反応、触媒内吸着物質の離脱反応及び流入ガス成分の未反応部分の存在を全て考慮に入れて設定されたモデルを使用する。これにより、触媒内で起こる全ての反応が考慮され、触媒内の吸着状態を適正に反映させた精度の良い空燃比制御を行うことができる。
【００１３】
更に、請求項２では、触媒の上流側において排出ガスの空燃比を検出する上流側空燃比検出手段を設け、検出した触媒上流側の空燃比を含む現在及び過去の入出力を状態量とし、触媒下流側の空燃比を目標空燃比に制御すべく状態フィードバックを実行して、燃料噴射手段の噴射量を演算する。これにより、触媒の下流側と上流側の双方で空燃比を検出しながら、状態フィードバックを実行でき、高精度な状態フィードバックが可能となる。
【００１４】
また、請求項３では、前記触媒モデルは、前記触媒に流入・流出する量、離脱量と未反応成分量について、それぞれリーン成分とリッチ成分とを正負反対の符号で表す。このようにすれば、符号によってリーン成分かリッチ成分かを簡単に判別でき、演算処理が容易となる。
【００１５】
また、請求項４では、触媒流入ガス成分及び触媒内吸着物質がリーン成分かリッチ成分かによって触媒内での反応形態を推定し、反応形態毎に触媒モデルのパラメータをパラメータ切替手段によって切り替える。これにより、反応形態に応じた最適の触媒モデルで演算でき、触媒流出ガス成分を精度良く算出することができる。
【００１６】
更に、請求項５では、反応形態毎又は触媒モデルのパラメータ切替毎にフィードバックゲインをフィードバックゲイン切替手段によって切り替える。これにより、反応形態毎又は触媒モデルのパラメータ切替毎にフィードバックゲインを最適なゲインに設定でき、フィードバック特性を向上できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面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（吸気通路）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の下流側に吸気温度Ｔａｍを検出する吸気温センサ１４が設けられ、この吸気温センサ１４の下流側にスロットルバルブ１５とスロットル開度ＴＨ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。更に、スロットルバルブ１５の下流側には、吸気管圧力ＰＭを検出する吸気管圧力センサ１７が設けられ、この吸気管圧力センサ１７の下流側にサージタンク１８が設けられている。このサージタンク１８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が接続され、この吸気マニホールド１９の各気筒の分岐管部にそれぞれ燃料を噴射する燃料噴射弁２０が取り付けられている。
【００１８】
また、エンジン１１には各気筒毎に点火プラグ２１が取り付けられ、各点火プラグ２１には、点火回路２２で発生した高圧電流がディストリビュータ２３を介して供給される。このディストリビュータ２３には、７２０℃Ａ（クランク軸２回転）毎に例えば２４個のパルス信号を出力するクランク角センサ２４が設けられ、このクランク角センサ２４の出力パルス間隔によってエンジン回転数Ｎｅを検出するようになっている。また、エンジン１１のシリンダブロックには、エンジン冷却水温Ｔｈｗを検出する水温センサ３８が取り付けられている。
【００１９】
一方、エンジン１１の排気ポート（図示せず）には、排気マニホールド２５を介して排気管２６（排気通路）が接続され、この排気管２６の途中に、排出ガス中の有害成分（ＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等）を低減させる三元触媒等の触媒２７が設けられている。この触媒２７の上流側と下流側には、それぞれ排出ガスの空燃比λＦ ，λＲ に応じたリニアな空燃比信号（限界電流）を出力する上流側空燃比センサ２８（上流側空燃比検出手段）と下流側空燃比センサ２９（下流側空燃比検出手段）が設けられている。
【００２０】
上述した各種のセンサの出力は電子制御回路３０内に入力ポート３１を介して読み込まれる。電子制御回路３０は、マイクロコンピュータを主体として構成され、ＣＰＵ３２、ＲＯＭ３３、ＲＡＭ３４、バックアップＲＡＭ３５を備え、各種センサ出力から得られたエンジン運転状態パラメータを用いて燃料噴射量ＴＡＵや点火時期Ｉｇ等を演算し、その演算結果に応じた信号を出力ポート３６から燃料噴射弁２０や点火回路２２に出力してエンジン１１の運転を制御する。
【００２１】
以下、これらの制御のうち空燃比制御（燃料噴射量ＴＡＵの制御）について説明する。本実施形態の空燃比制御では、空燃比制御に現代制御理論が適用されており、制御対象全体をモデル化して、下流側空燃比λＲ を理論空燃比λ＝１に収束させるように状態フィードバックを実行する。この現代制御における各要素の設定手順は次の通りである。
【００２２】
［Ａ］制御対象のモデリング
燃料噴射弁２０から下流側空燃比センサ２９までの制御対象全体をモデル化している。但し、制御対象全体を一括してモデル化すると、系全体が大きくなり過ぎて精度が低下するため、制御対象の中間位置における信頼性の高いセンサ情報として上流側空燃比センサ２８により検出された触媒上流側の空燃比λＦ を利用し、燃料噴射弁２０から上流側空燃比センサ２８までの系と、触媒２７から下流側空燃比センサ２９までの系とに分割してモデル化している。
【００２３】
（１）燃料噴射弁２０から上流側空燃比センサ２８までの系のモデル
燃料噴射弁２０から上流側空燃比センサ２８までのモデルに、むだ時間Ｐ＝３を持つ次数１の自己回帰移動平均モデルを用い、更に外乱ｄを考慮して近似している。即ち、燃料噴射弁２０から上流側空燃比センサ２８までの系の伝達関数Ｇは、図３に示すように設定される。図３においてａ１ ，ｂ１ はモデルの応答性を決定するための定数である。尚、モデルのむだ時間Ｐとしては、エンジン１１及び周辺機器の仕様等に応じてＰ＝３以外の種々の値に設定しても良い。
【００２４】
自己回帰移動平均モデルを用いた燃料噴射弁２０から上流側空燃比センサ２８までの系のモデルは、次式で近似できる。
λＦ（ｉ＋１）＝ａ１ ・λＦ（ｉ）＋ｂ１ ・ＦＡＦ（ｉ−２）
ここで、λＦ は触媒上流側の排出ガスの空燃比、ＦＡＦは燃料噴射弁２０の噴射量を補正するための空燃比補正係数、ｉ は最初のサンプリング開始からの回数を示す変数である。
【００２５】
上式において、外乱ｄ１ を考慮すると、燃料噴射弁２０から上流側空燃比センサ２８までの系のモデルは、次式で近似できる。
λＦ（ｉ＋１）＝ａ１ ・λＦ（ｉ）＋ｂ１ ・ＦＡＦ（ｉ−２） ＋ｄ１（ｉ） ……（１）
以上のようにして近似したモデルに対し、ステップ応答を用いて回転周期（３６０℃Ａ）のサンプリングで離散化して定数ａ１ 、ｂ１ を定めること、即ち、燃料噴射弁２０から上流側空燃比センサ２８までの系の伝達関数Ｇを求めることは容易である。
【００２６】
（２）触媒２７のモデル（触媒モデル）
この触媒モデルは、▲１▼触媒２７内における流入ガス成分の吸着反応（リーン成分の吸着とリッチ成分の吸着）、▲２▼流入ガス成分と触媒内吸着物質との酸化還元反応（触媒内リッチ成分が流入ガスのリーン成分により酸化され、触媒内リーン成分が流入ガスのリッチ成分により還元される）、▲３▼触媒内吸着物質の離脱反応、▲４▼流入ガス成分の未反応部分の存在（すり抜け）が全て考慮されている。
【００２７】
上記▲１▼，▲２▼による触媒内反応量ｈａｎｎｏｕは次の（２）式で表される。
ｈａｎｎｏｕ＝αｏ ・ｋｋｈ・Δ・ＩｎＧ ……（２）
ここで、αｏ ＝１−ＪＹＯＵＫＡであり、ＪＹＯＵＫＡは燃焼空燃比に対する浄化率である（図４参照）。また、ｋｋｈは触媒２７の浄化特性から求まる浄化されない割合のうち、触媒２７への吸着又は酸化還元反応に寄与する割合である。また、Δは反応形態毎に切り替えられる定数であり、ＩｎＧは触媒２７に流入するガス量（触媒流入ガス量）である。触媒２７内で起こる反応形態は、下記の表１に示すように４つの反応形態ＬＫ，ＬＨ，ＲＨ，ＲＫに分類される。
【００２８】
【表１】
【００２９】
これら各反応形態ＬＫ，ＬＨ，ＲＨ，ＲＫ毎に、上述した触媒モデルのパラメータＪＹＯＵＫＡ，ｋｋｈ，Δが下記の表２のように切り替えられる。
【００３０】
【表２】
【００３１】
また、前記▲３▼による離脱反応量ｄｒｏｐは次の（３）式で表される。
ｄｒｏｐ＝ｋ’’・ＯＳＩＯ ……（３）
ここで、ｋ’’は離脱時定数であり、ＯＳＩＯは前回演算時の触媒内吸着物質量である。
【００３２】
また、前記▲４▼による未反応成分量（すり抜け量）ｓｕｒｉｎｕｋｅは次の（４）式で表される。
ｓｕｒｉｎｕｋｅ＝αｏ ・（１−ｋｋｈ）・ＩｎＧ ……（４）
そして、触媒内吸着物質量ＯＳＩは次の（５）式で表される。
ＯＳＩ＝ＯＳＩＯ＋ｈａｎｎｏｕ−ｄｒｏｐ ……（５）
また、触媒２７から流出するガス量（触媒流出ガス量）ＯｕｔＧは次の（６）式で表される。
ＯｕｔＧ＝ｓｕｒｉｎｕｋｅ＋ｄｒｏｐ ……（６）
【００３３】
以上説明した（２）〜（６）式で表される触媒モデルをブロック線図で表すと図２のようになる。この触媒モデルの入力を触媒流入ガス量ＩｎＧ、出力を触媒流出ガス量ＯｕｔＧとすると、伝達関数は次の（７）式で表される。
【００３４】
【数１】
【００３５】
ここで、α´＝αｏ ・ｋｋｈ・Δ
α＝αｏ ・（１−ｋｋｈ）
上記（２）〜（７）においては、リーン成分をプラス値で表し、リッチ成分をマイナス値で表す。
【００３６】
次に、触媒流入ガスＩｎＧの各成分のモル数を演算する流入ガスモル数演算ルーチンを図５のフローチャートに従って説明する。本ルーチンは、所定クランク角毎又は所定時間毎に繰り返し処理される。処理が開始されると、まずステップ１０１で、上流側空燃比センサ２８の出力信号を読み込んで、流入ガスの空燃比Ａ／Ｆを検出する。次のステップ１０２で、流入ガス中のＯ２ モル濃度Ｏ２ＩＮＭＣ，Ｈ２ モル濃度Ｈ２ＩＮＭＣ，ＣＯモル濃度ＣＯＩＮＭＣ，ＣＯ２ モル濃度ＣＯ２ＩＮＭＣを空燃比Ａ／Ｆに応じてテーブル検索又は理論式で算出し（図６参照）、これらの算出値を用いて、次のステップ１０３にて、Ｈ２ Ｏモル濃度Ｈ２ＯＩＮＭＣを算出する。次のステップ１０４では、後述するステップ１０７で用いる分数式の分母ＫＫＫＢＵＮＢＯを算出し、続くステップ１０５で、基本噴射量Ｔｐｇ（ｇ換算）を基本噴射時間Ｔｐ，インジェクタサイズＩＮＪＳＩＺＥ，燃料比重ρを用いて次式により算出する。
Ｔｐｇ＝Ｔｐ×ＩＮＪＳＩＺＥ×ρ
【００３７】
更に、ステップ１０６では、次のステップ１０７で用いる変数ＯＦＩＮ，ＯＭＯＬを算出する。この後、ステップ１０７で、上述したステップ１０２〜１０６の処理で求めた数値を用いて流入ガス中のＯ２ モル数Ｏ２ＩＮＭ，Ｈ２ モル数Ｈ２ＩＮＭ，ＣＯモル数ＣＯＩＮＭ，ＣＯ２ モル数ＣＯ２ＩＮＭ，Ｈ２ Ｏモル数Ｈ２ＯＩＮＭを算出する。
【００３８】
この算出結果を基に、触媒流入ガス成分がリーン成分かリッチ成分かを判定すると共に、前記（５）式で算出される触媒内吸着物質量ＯＳＩがプラス値かマイナス値かによって触媒内吸着物質量ＯＳＩがリーン成分（Ｌ）かリッチ成分（Ｒ）かを判定し、前掲した表２に従って触媒２７内での反応形態が、リーン成分の吸着反応ＬＫ、触媒内リーン成分が流入ガスのリッチ成分により還元される反応ＬＨ、触媒内リッチ成分が流入ガスのリーン成分により酸化される反応ＲＨ、リッチ成分の吸着反応ＲＫのいずれに該当するかを判定し、その判定結果に基づいて反応形態ＬＫ，ＬＨ，ＲＨ，ＲＫ毎に、触媒モデルのパラメータＪＹＯＵＫＡ，ｋｋｈ，Δを表２に従って切り替える。
【００３９】
（３）触媒２７から下流側空燃比センサ２９までの系のモデル
下流側空燃比センサ２９を１次遅れ系で近似している。これにより、触媒２７から下流側空燃比センサ２９までの系の伝達関数Ｇは図７に示すように設定される。図７において、ａ２ ＝１−ｋ’’、ｂ２ ＝ｋ’’・α´であり、ａ３ ，ｂ３ は定数である。図７のモデルにおいて触媒上流側空燃比λＦ と触媒下流側空燃比λＲ との関係は次のようになる。
【００４０】
【数２】
【００４１】
従って、図７のモデルは図８のように表すことができる。この図８のモデルから次のような関係が求められる。
λＲ （ｉ＋３） −Ａ１ λＲ （ｉ＋２） ＋Ａ２ λＲ （ｉ＋１） ＝Ｂ１ λＦ （ｉ＋１） ＋Ｂ２ λＦ （ｉ） この関係から、λＲ （ｉ＋１） は次式で算出される。
【００４２】
以上のようにして近似したモデルに対し、ステップ応答を用いて回転周期（３６０℃Ａ）のサンプリングで離散化して定数Ａ１ ，Ａ２ ，Ｂ１ ，Ｂ２ を定めること、即ち、触媒２７から下流側空燃比センサ２９までの系の伝達関数Ｇを求めることは容易である。
【００４３】
［Ｂ］状態変数量Ｘの表示方法（但しＸはベクトル量である）
（１）燃料噴射弁２０から上流側空燃比センサ２８までの系
前記（１）式を状態変数量Ｘ（ｉ） ＝［Ｘ１（ｉ），Ｘ２（ｉ），Ｘ３（ｉ），Ｘ４（ｉ）］Ｔ を用いて書き直すと、次のようになる。
【００４４】
【数３】
【００４５】
これらの式から次式の関係が求められる。
Ｘ１（ｉ＋１）＝ａ１ Ｘ１（ｉ）＋ｂ１ Ｘ４（ｉ）＋ｄ１＝λＦ（ｉ＋１）
Ｘ２（ｉ＋１）＝ＦＡＦ（ｉ）
Ｘ３（ｉ＋１）＝Ｘ２（ｉ）＝ＦＡＦ（ｉ−１）
Ｘ４（ｉ＋１）＝Ｘ３（ｉ）＝ＦＡＦ（ｉ−２）
【００４６】
（２）触媒２７から下流側空燃比センサ２９までの系
前記（８）式を状態変数量Ｚ（ｉ） ＝［Ｚ１（ｉ），Ｚ２（ｉ），Ｚ３（ｉ），Ｚ４（ｉ）］Ｔ を用いて書き直すと、次のようになる。
【００４７】
【数４】
【００４８】
これらの式から次式の関係が求められる。
【００４９】
（３）制御対象全体
上記した各式から制御対象全体の状態数量は次の様になる。
【００５０】
【数５】
【００５１】
［Ｃ］レギュレータの設計
まず、レギュレータの設計にあたり、偏差ｅ（ｉ）を次式のように定義する。
ｅ（ｉ） ＝λＴＧ−λＲ（ｉ）
ここで、λＴＧは触媒下流側空燃比λＲ の目標空燃比であり、本実施形態では、λＴＧ＝１（理論空燃比）に設定されている。そして、この偏差ｅ（ｉ） を０にする状態フィードバックを設計すべく、上記した［数５］に基づいて次の拡大系を設定する。
【００５２】
【数６】
【００５３】
ここで、ｑ−１は時間遅れ要素である。
そして、Ｘ（ｉ＋１） ＝ＡＸ（ｉ） ＋ｂＦＡＦ（ｉ） とおくと、このときの状態フィードバックは、次式で表される。
【００５４】
ここで、積分項ＺＩ（ｉ） は、目標空燃比ＡＴＧ（＝１，０）と実際の下流側空燃比λＲ との偏差ｅ（ｉ） と、積分定数ＫＩとから決定される値であって、次式により求められる。
ＺＩ（ｉ） ＝ＺＩ（ｉ−１） ＋ＫＩ・（１．０一λＲ（ｉ）） ……（１０）
ここで、フィードバックゲインＫ１ 〜Ｋ８ 及び積分定数ＫＩは最適レギュレータ手法により算出できるが、触媒モデルは、反応形態毎に４種類の定数を持つので、反応形態毎又は触媒モデルのパラメータ切替毎にフィードバックゲインＫ１ 〜Ｋ８ を切り替える。
【００５５】
図９は上述のようにモデルを設計した空燃比制御システムにおける現代制御の状態フィードバックを示すブロック線図である。この図９において、空燃比補正係数ＦＡＦ（ｉ） を前回のＦＡＦ（ｉ−１） から導くためにＺ−１変換を用いて表示したが、これは前回処理で求められたＦＡＦ（ｉ） を前回の値ＦＡＦ（ｉ−１） としてＲＡＭ３４に記憶しておき、次の制御タイミングで読み出して用いている。ちなみに、ＦＡＦ（ｉ−１） は前回の空燃比補正係数を表し、ＦＡＦ（ｉ−２） は前々回の空燃比補正係数を表し、ＦＡＦ（ｉ−３） は前々々回の空燃比補正係数を表す。
【００５６】
また、図９の二点鎖線で囲まれたブロックＰ１は、触媒下流側空燃比λＲ（ｉ）を目標空燃比λＴＧにフィードバック制御している状態において、状態変数量Ｘ（ｉ） 及び状態変数量Ｚ（ｉ） を定める部分であり、ブロックＰ２は、積分項ＺＩ（ｉ） を求める部分（累積部）であり、ブロックＰ３は、ブロックＰ１で定められた状態変数量Ｘ（ｉ） 及び状態変数量Ｚ（ｉ） とブロックＰ２で求められた積分項ＺＩ（ｉ） とから今回の空燃比補正係数ＦＡＦ（ｉ） を演算する部分である。
【００５７】
［Ｄ］最適フィードバックゲインＫ及び積分定数ＫＩの決定
最適フィードバックゲインＫ及び積分定数ＫＩは、例えば、次式で示される評価関数Ｊを量小とすることで設定できる。
【００５８】
【数７】
【００５９】
上式で示される評価関数Ｊとは、空燃比補正係数ＦＡＦ（ｉ） の動きを制約しつつ、目標空燃比λＴＧと実際の触媒下流側空燃比λＲ（ｉ）との偏差ｅ（ｉ） を量小にすることを意図したものである。また、空燃比補正係数ＦＡＦ（ｉ） に対する制約の重み付けは、重みのパラメータＱ、Ｒの値によって変更することができる。従って、重みパラメータＱ、Ｒの値を種々換えて最適な制御特性が得られるまでシュミレーションを繰り返し、最適フィードバックゲインＫ及び積分定数ＫＩを定めれば良い。
【００６０】
更に、最適フィードバックゲインＫ及び積分定数ＫＩはモデル定数ａ１ ，ｂ１ ，Ａ１ ，Ａ２ ，Ｂ１ ，Ｂ２ に依存している。従って実際の触媒下流側空燃比λＲ を制御する系の変動（パラメータ変動）に対するシステムの安定性（ロバスト性）を保証するためには、モデル定数ａ１ ，ｂ１ ，Ａ１ ，Ａ２ ，Ｂ１ ，Ｂ２ の変動分を見込んで最適フィードバックゲインＫ及び積分定数ＫＩを設計する必要がある。従って、シュミレーションはモデル定数ａ１ ，ｂ１ ，Ａ１ ，Ａ２ ，Ｂ１ ，Ｂ２ の現実に生じ得る変動を加味して行い、安定性を満足する最適フィードバックゲインＫ及び積分定数ＫＩを定める。
【００６１】
以上、［Ａ］制御対象のモデリング、［Ｂ］状態変数の表示方法、［Ｃ］レギュレータの設計、［Ｄ］最適フィードバックゲインＫ及び積分定数ＫＩの決定について説明したが、本実施形態の空燃比制御システムでは、これらはいずれも予め設定されているものとし、電子制御回路３０では、前記（９）式及び（１０）式のみを用いて空燃比制御を実行するものとする。
【００６２】
次に、上記のように設定された現代制御に基づき電子制御回路３０内のＣＰＵ３２が実行する空燃比制御を説明する。
【００６３】
《燃料噴射量ＴＡＵの算出処理》
図１０は燃料噴射量ＴＡＵを演算する燃料噴射量演算ルーチンを示すフローチャートである。本ルーチンは、エンジン１１の回転に同期して３６０℃Ａ毎に実行され、特許請求の範囲でいう噴射量演算手段として機能する。本ルーチンの処理が開始されると、まずステップ１１１で、吸気圧ＰＭ、エンジン回転数Ｎｅ等に基づいて基本燃料噴射量Ｔｐを算出し、続くステップ１１２で、空燃比のフィードバック条件が成立しているか否かを判定する。このフィードバック条件は、例えばエンジン冷却水温Ｔｈｗが所定水温以上で、且つ高回転・高負荷ではないときに成立する。
【００６４】
もし、フィードバック条件が成立しているときには、ステップ１１３に進み、予めＲ０Ｍ３３に格納されている目標空燃比λＴＧ（本実施形態では理論空燃比λ＝１）を読み出し、続くステップ１１４で後述するように触媒下流側空燃比λＲ を目標空燃比λＴＧ（＝１，０）に一致させるように空燃比補正係数ＦＡＦを設定してステップ１１５に移行する。即ち、ステップ１１４では目標空燃比λＴＧと下流側空燃比センサ２９で検出された触媒下流側空燃比λＲ とに応じて前記した（９）式及び（１０）式により空燃比補正係数ＦＡＦを算出する。
【００６５】
一方、前記ステップ１１２で、空燃比のフィードバック条件が成立していない場合には、ステップ１１６に進み、空燃比補正係数ＦＡＦを１．０に設定し、続くステップ１１７で、空燃比のフィードバック実行中を示すフィードバック実行フラグＸＦをクリアした後、ステップ１１５に移行する。
【００６６】
そして、ステップ１１５では、基本燃料噴射量Ｔｐ、空燃比補正係数ＦＡＦ及びその他の補正係数ＦＡＬＬから燃料噴射量ＴＡＵを次式により算出する。
ＴＡＵ＝Ｔｐ×ＦＡＦ×ＦＡＬＬ
【００６７】
このようにして設定された燃料噴射量ＴＡＵに基づく制御信号が燃料噴射弁２０に出力されて噴射時間（開弁時間）、つまり燃料噴射量が制御され、実際の空燃比が目標空燃比λＴＧ（＝１，０）に収束するように制御される。
【００６８】
《空燃比補正係数ＦＡＦの設定処理》
図１１は空燃比補正係数ＦＡＦの設定ルーチンを示すフローチャートである。本ルーチンは、前述した図１０のステップ１１４で実行される。本ルーチンの処理が開始されると、まずステップ２０１で、フィードバック実行フラグＸＦがフィードバック実行中を示す「１」にセットされているか否かを判定する。このフィードバック実行フラグＸＦがセットされていない場合には、図１０のステップｌ１６の処理の実行中に、フィードバック条件が成立して初めて本ルーチンに移行したとして、ステップ２０２で初期化処理を実行する。この初期化処理は、例えばサンプリング回数を示す変数ｉ を０にセットすると共に、初期値ＦＡＦ（−１）、ＦＡＦ（−２）及びＦＡＦ（−３）を共に定数ＦＡＦ０ にセットし、目標空燃比λＴＧと触媒下流側空燃比λＲ（ｉ）との偏差の累積ＺＩ（−１）を定数ＺＩ０ にセットし、初期値λＦ（−１） を定数λＦ０にセットし、初期値λＲ（−１） 及びλＲ（−２） を定数λＲ０にセットする。
【００６９】
そして、次のステップ２０３で、フィードバック実行フラグＸＦを「１」にセットしてステップ２０４に移行する。従って、次回以降に本ルーチンを実行するときには、フィードバック条件が成立している限り、ステップ２０１から直接ステップ２０４に移行し、ステップ２０２の初期化処理が行なわれることはない。その後、フィードバック条件が不成立になって、図１０のステップ１０６の処理（ＦＡＦ＝１．０）が実行された後に、再びフィードバック条件が成立して図１０のステップ１０４に移行すると、再びステップ２０２の初期化処理が１回のみ実行される。
【００７０】
図１１のステップ２０４では、上流側空燃比センサ２８と下流側空燃比センサ２９により検出した実際の空燃比λＦ（ｉ），λＲ（ｉ）を読み込み、続くステップ２０５にて、前記（４）式を用いて目標空燃比λＴＧ（＝１．０）と触媒下流側空燃比λＲ（ｉ）との偏差ｅ（ｉ） を算出し、この偏差ｅ（ｉ） を累積して積分項ＺＩ（ｉ） を演算する。この後、ステップ２０６で、前記（３）式を用いて前記積分項ＺＩ（ｉ） 、最適フィードバックゲインＫ、状態変数量Ｘ及び状態変数量Ｚ等から空燃比補正係数ＦＡＦ（ｉ） を演算する。そして、次のステップ２０７で、次回の処理に備えて、今回の空燃比λＦ（ｉ）、λＲ（ｉ）及び空燃比補正係数ＦＡＦ（ｉ） を、前回の空燃比λＦ（ｉ−１）、λＲ（ｉ−１）及び空燃比補正係数ＦＡＦ（ｉ−１） としてＲＡＭ３４の所定エリアに更新記憶する。その後、変数ｉ を「１」インクリメントして、本ルーチンを終了する。
【００７１】
以上説明した実施形態によれば、燃料噴射弁２０から下流側空燃比センサ２９までの制御対象に近似して設定された制御モデルのうちの触媒モデルとして、触媒２７内における流入ガス成分の吸着反応、流入ガス成分と触媒内吸着物質との酸化還元反応、触媒内吸着物質の離脱反応及び流入ガス成分の未反応部分の存在を全て考慮に入れて設定されたモデルを使用し、この触媒モデルを含む制御モデルに対する現在及び過去の入出力を状態量とし、触媒下流側の空燃比λＲ を目標空燃比λＴＧに制御すべく状態フィードバックを実行して燃料噴射弁２０の噴射量ひいては空燃比を制御する。これにより、触媒２７内の吸着状態を適正に反映させた精度の良い空燃比制御を行うことができる。
【００７２】
ところで、燃料噴射弁２０から下流側空燃比センサ２９までの制御対象全体を一括してモデル化すると、系全体が大きくなり過ぎて、却って制御精度が低下してしまう。
【００７３】
そこで、上記実施形態では、触媒２７の上流側に上流側空燃比センサ２８を設け、制御対象の中間位置における信頼性の高いセンサ情報として上流側空燃比センサ２８により検出された触媒上流側空燃比λＦ を利用し、燃料噴射弁２０から上流側空燃比センサ２８までの系と、触媒２７から下流側空燃比センサ２９までの系とに分割してモデル化している。これにより、モデルが適度な大きさとなり、高精度な状態フィードバックが可能となる。
【００７４】
また、上記実施形態の触媒モデルでは、触媒２７に流入・流出する量、離脱量と未反応成分量について、それぞれリーン成分とリッチ成分とを正負反対の符号で表すようにしたので、符号によってリーン成分かリッチ成分かを簡単に判別でき、演算処理を簡単にすることができる。
【００７５】
更に、上記実施形態では、触媒流入ガス成分及び触媒内吸着物質がリーン成分かリッチ成分かによって触媒２７内での反応形態を推定し、反応形態毎に触媒モデルのパラメータを切り替えるので、反応形態に応じた最適の触媒モデルで演算でき、触媒流出ガス成分を精度良く算出することができる。
【００７６】
しかも、反応形態毎又は触媒モデルのパラメータ切替毎にフィードバックゲインを切り替えるので、反応形態毎又は触媒モデルのパラメータ切替毎にフィードバックゲインを最適なゲインに設定でき、フィードバック特性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すエンジン制御システム全体の概略構成図
【図２】触媒モデルを示すブロック線図
【図３】燃料噴射弁から上流側空燃比センサまでをモデル化したブロック線図
【図４】流入ガスの空燃比と浄化率との関係を示す図
【図５】流入ガスモル数演算ルーチンの処理の流れを示すフローチャート
【図６】流入ガスの空燃比と各成分の濃度との関係を示す図
【図７】触媒から下流側空燃比センサまでをモデル化したブロック線図
【図８】触媒から下流側空燃比センサまでの伝達関数を示す図
【図９】現代制御の状態フィードバックを示すブロック線図
【図１０】燃料噴射量演算ルーチンの処理の流れを示すフローチャート
【図１１】ＦＡＦ設定ルーチンの処理の流れを示すフローチャート
【符号の説明】
１１…エンジン（内燃機関）、１２…吸気管（吸気通路）、１７…吸気管圧力センサ、２０…燃料噴射弁（燃料噴射手段）、２６…排気管（排気通路）、２７…触媒、２８…上流側空燃比センサ（上流側空燃比検出手段）、２９…下流側空燃比センサ（下流側空燃比検出手段）、３０…電子制御回路（噴射量演算手段，反応形態推定手段，パラメータ切替手段，フィードバックゲイン切替手段）。
【発明の属する技術分野】
本発明は、触媒下流側の空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射量をフィードバック制御する内燃機関の空燃比制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、内燃機関の燃料噴射量は、触媒の浄化能力を最大限に発揮させるべく、実際の排出ガスの空燃比が理論空燃比付近に収束するようにフィードバック制御される。そして、このフィードバック制御は、触媒の吸着状態が最も反映される触媒の下流側の空燃比に基づいて実行するのが望ましいとされている。
【０００３】
そこで、近年、特開平６−１２９２８３号公報に示すように、触媒下流側に排出ガスの空燃比をリニアに検出する空燃比センサを設置し、燃料噴射弁から空燃比センサまでの制御対象を近似する現代制御のモデルを設定し、そのモデルに対する現在及び過去の入出力（例えば燃料噴射弁の噴射量、空燃比センサにより検出された触媒下流側の空燃比等）を状態量とし、触媒下流側の空燃比を目標空燃比に制御すべく状態フィードバックを実行して燃料噴射弁の噴射量を制御することが考えられている。この空燃比制御に用いるモデルは、触媒モデルを単純な二次遅れ系のモデルで近似したものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、触媒に流入する排出ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ，Ｈ２ 等のガス成分に対して触媒は次のように作用する。
【０００５】
▲１▼触媒内における流入ガス成分の吸着反応
触媒内に流入したガス成分の一部は、触媒内部に吸着される。
【０００６】
▲２▼流入ガス成分と触媒内吸着物質との酸化還元反応
例えば、吸着物質がリーン成分（ＮＯｘ，Ｏ２ 等の酸化性成分）の場合には、このリーン成分と流入ガス中のリッチ成分（ＨＣ，ＣＯ，Ｈ２ 等の還元性成分）とが酸化還元反応して無害の中性ガス成分（ＣＯ２ ，Ｈ２ Ｏ，Ｎ２ 等）が生成され、触媒から排出される。
【０００７】
▲３▼触媒内吸着物質の離脱反応
触媒内吸着物質の一部は、酸化還元反応を起こさずに触媒から離脱して触媒下流に排出される。
【０００８】
▲４▼流入ガス成分の未反応部分の存在（以下「すり抜け」という）
流入ガス成分の一部は、触媒内で吸着反応も酸化還元反応も起こさずにそのまま触媒下流に排出される。
【０００９】
従って、触媒による排出ガスの浄化効率を高めるには、▲１▼の吸着反応と▲２▼の酸化還元反応を増加させ、▲３▼の離脱反応を少なくすると共に、▲４▼のすり抜けを低減することが必要となる。これら▲１▼〜▲４▼の条件は、触媒内の吸着状態によって大きく変動し、排出ガスの浄化効率を変動させる。例えば、リーン成分の吸着量が増加するに従って、リーン成分の吸着反応が低下し、リーン成分のすり抜けが多くなるが、この状態でも、流入ガス中のリッチ成分の割合が増えれば、酸化還元反応が増加して吸着物質量が減少する。
【００１０】
このような触媒の特性から、本来的には触媒内の吸着状態に応じて空燃比を制御することが理想的であるが、前述したように、従来は、触媒モデルを単純な二次遅れ系のモデルで近似しているため、触媒内の吸着状態が適正に反映されず、これが空燃比制御の精度を低下させる原因となっている。
【００１１】
本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、触媒内の吸着状態を適正に反映させた精度の良い空燃比制御を行うことができる内燃機関の空燃比制御装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１の内燃機関の空燃比制御装置は燃料噴射手段から前記下流側空燃比検出手段までの制御対象に近似して設定された制御モデルに対する現在及び過去の入出力を状態量とし、触媒下流側の空燃比を目標空燃比に制御すべく状態フィードバックを実行して燃料噴射手段の噴射量を噴射量演算手段により演算する。この際、制御モデルのうちの触媒モデルとして、触媒内における流入ガス成分の吸着反応、流入ガス成分と触媒内吸着物質との酸化還元反応、触媒内吸着物質の離脱反応及び流入ガス成分の未反応部分の存在を全て考慮に入れて設定されたモデルを使用する。これにより、触媒内で起こる全ての反応が考慮され、触媒内の吸着状態を適正に反映させた精度の良い空燃比制御を行うことができる。
【００１３】
更に、請求項２では、触媒の上流側において排出ガスの空燃比を検出する上流側空燃比検出手段を設け、検出した触媒上流側の空燃比を含む現在及び過去の入出力を状態量とし、触媒下流側の空燃比を目標空燃比に制御すべく状態フィードバックを実行して、燃料噴射手段の噴射量を演算する。これにより、触媒の下流側と上流側の双方で空燃比を検出しながら、状態フィードバックを実行でき、高精度な状態フィードバックが可能となる。
【００１４】
また、請求項３では、前記触媒モデルは、前記触媒に流入・流出する量、離脱量と未反応成分量について、それぞれリーン成分とリッチ成分とを正負反対の符号で表す。このようにすれば、符号によってリーン成分かリッチ成分かを簡単に判別でき、演算処理が容易となる。
【００１５】
また、請求項４では、触媒流入ガス成分及び触媒内吸着物質がリーン成分かリッチ成分かによって触媒内での反応形態を推定し、反応形態毎に触媒モデルのパラメータをパラメータ切替手段によって切り替える。これにより、反応形態に応じた最適の触媒モデルで演算でき、触媒流出ガス成分を精度良く算出することができる。
【００１６】
更に、請求項５では、反応形態毎又は触媒モデルのパラメータ切替毎にフィードバックゲインをフィードバックゲイン切替手段によって切り替える。これにより、反応形態毎又は触媒モデルのパラメータ切替毎にフィードバックゲインを最適なゲインに設定でき、フィードバック特性を向上できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面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（吸気通路）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の下流側に吸気温度Ｔａｍを検出する吸気温センサ１４が設けられ、この吸気温センサ１４の下流側にスロットルバルブ１５とスロットル開度ＴＨ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。更に、スロットルバルブ１５の下流側には、吸気管圧力ＰＭを検出する吸気管圧力センサ１７が設けられ、この吸気管圧力センサ１７の下流側にサージタンク１８が設けられている。このサージタンク１８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が接続され、この吸気マニホールド１９の各気筒の分岐管部にそれぞれ燃料を噴射する燃料噴射弁２０が取り付けられている。
【００１８】
また、エンジン１１には各気筒毎に点火プラグ２１が取り付けられ、各点火プラグ２１には、点火回路２２で発生した高圧電流がディストリビュータ２３を介して供給される。このディストリビュータ２３には、７２０℃Ａ（クランク軸２回転）毎に例えば２４個のパルス信号を出力するクランク角センサ２４が設けられ、このクランク角センサ２４の出力パルス間隔によってエンジン回転数Ｎｅを検出するようになっている。また、エンジン１１のシリンダブロックには、エンジン冷却水温Ｔｈｗを検出する水温センサ３８が取り付けられている。
【００１９】
一方、エンジン１１の排気ポート（図示せず）には、排気マニホールド２５を介して排気管２６（排気通路）が接続され、この排気管２６の途中に、排出ガス中の有害成分（ＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等）を低減させる三元触媒等の触媒２７が設けられている。この触媒２７の上流側と下流側には、それぞれ排出ガスの空燃比λＦ ，λＲ に応じたリニアな空燃比信号（限界電流）を出力する上流側空燃比センサ２８（上流側空燃比検出手段）と下流側空燃比センサ２９（下流側空燃比検出手段）が設けられている。
【００２０】
上述した各種のセンサの出力は電子制御回路３０内に入力ポート３１を介して読み込まれる。電子制御回路３０は、マイクロコンピュータを主体として構成され、ＣＰＵ３２、ＲＯＭ３３、ＲＡＭ３４、バックアップＲＡＭ３５を備え、各種センサ出力から得られたエンジン運転状態パラメータを用いて燃料噴射量ＴＡＵや点火時期Ｉｇ等を演算し、その演算結果に応じた信号を出力ポート３６から燃料噴射弁２０や点火回路２２に出力してエンジン１１の運転を制御する。
【００２１】
以下、これらの制御のうち空燃比制御（燃料噴射量ＴＡＵの制御）について説明する。本実施形態の空燃比制御では、空燃比制御に現代制御理論が適用されており、制御対象全体をモデル化して、下流側空燃比λＲ を理論空燃比λ＝１に収束させるように状態フィードバックを実行する。この現代制御における各要素の設定手順は次の通りである。
【００２２】
［Ａ］制御対象のモデリング
燃料噴射弁２０から下流側空燃比センサ２９までの制御対象全体をモデル化している。但し、制御対象全体を一括してモデル化すると、系全体が大きくなり過ぎて精度が低下するため、制御対象の中間位置における信頼性の高いセンサ情報として上流側空燃比センサ２８により検出された触媒上流側の空燃比λＦ を利用し、燃料噴射弁２０から上流側空燃比センサ２８までの系と、触媒２７から下流側空燃比センサ２９までの系とに分割してモデル化している。
【００２３】
（１）燃料噴射弁２０から上流側空燃比センサ２８までの系のモデル
燃料噴射弁２０から上流側空燃比センサ２８までのモデルに、むだ時間Ｐ＝３を持つ次数１の自己回帰移動平均モデルを用い、更に外乱ｄを考慮して近似している。即ち、燃料噴射弁２０から上流側空燃比センサ２８までの系の伝達関数Ｇは、図３に示すように設定される。図３においてａ１ ，ｂ１ はモデルの応答性を決定するための定数である。尚、モデルのむだ時間Ｐとしては、エンジン１１及び周辺機器の仕様等に応じてＰ＝３以外の種々の値に設定しても良い。
【００２４】
自己回帰移動平均モデルを用いた燃料噴射弁２０から上流側空燃比センサ２８までの系のモデルは、次式で近似できる。
λＦ（ｉ＋１）＝ａ１ ・λＦ（ｉ）＋ｂ１ ・ＦＡＦ（ｉ−２）
ここで、λＦ は触媒上流側の排出ガスの空燃比、ＦＡＦは燃料噴射弁２０の噴射量を補正するための空燃比補正係数、ｉ は最初のサンプリング開始からの回数を示す変数である。
【００２５】
上式において、外乱ｄ１ を考慮すると、燃料噴射弁２０から上流側空燃比センサ２８までの系のモデルは、次式で近似できる。
λＦ（ｉ＋１）＝ａ１ ・λＦ（ｉ）＋ｂ１ ・ＦＡＦ（ｉ−２） ＋ｄ１（ｉ） ……（１）
以上のようにして近似したモデルに対し、ステップ応答を用いて回転周期（３６０℃Ａ）のサンプリングで離散化して定数ａ１ 、ｂ１ を定めること、即ち、燃料噴射弁２０から上流側空燃比センサ２８までの系の伝達関数Ｇを求めることは容易である。
【００２６】
（２）触媒２７のモデル（触媒モデル）
この触媒モデルは、▲１▼触媒２７内における流入ガス成分の吸着反応（リーン成分の吸着とリッチ成分の吸着）、▲２▼流入ガス成分と触媒内吸着物質との酸化還元反応（触媒内リッチ成分が流入ガスのリーン成分により酸化され、触媒内リーン成分が流入ガスのリッチ成分により還元される）、▲３▼触媒内吸着物質の離脱反応、▲４▼流入ガス成分の未反応部分の存在（すり抜け）が全て考慮されている。
【００２７】
上記▲１▼，▲２▼による触媒内反応量ｈａｎｎｏｕは次の（２）式で表される。
ｈａｎｎｏｕ＝αｏ ・ｋｋｈ・Δ・ＩｎＧ ……（２）
ここで、αｏ ＝１−ＪＹＯＵＫＡであり、ＪＹＯＵＫＡは燃焼空燃比に対する浄化率である（図４参照）。また、ｋｋｈは触媒２７の浄化特性から求まる浄化されない割合のうち、触媒２７への吸着又は酸化還元反応に寄与する割合である。また、Δは反応形態毎に切り替えられる定数であり、ＩｎＧは触媒２７に流入するガス量（触媒流入ガス量）である。触媒２７内で起こる反応形態は、下記の表１に示すように４つの反応形態ＬＫ，ＬＨ，ＲＨ，ＲＫに分類される。
【００２８】
【表１】
これら各反応形態ＬＫ，ＬＨ，ＲＨ，ＲＫ毎に、上述した触媒モデルのパラメータＪＹＯＵＫＡ，ｋｋｈ，Δが下記の表２のように切り替えられる。
【００３０】
【表２】
また、前記▲３▼による離脱反応量ｄｒｏｐは次の（３）式で表される。
ｄｒｏｐ＝ｋ’’・ＯＳＩＯ ……（３）
ここで、ｋ’’は離脱時定数であり、ＯＳＩＯは前回演算時の触媒内吸着物質量である。
【００３２】
また、前記▲４▼による未反応成分量（すり抜け量）ｓｕｒｉｎｕｋｅは次の（４）式で表される。
ｓｕｒｉｎｕｋｅ＝αｏ ・（１−ｋｋｈ）・ＩｎＧ ……（４）
そして、触媒内吸着物質量ＯＳＩは次の（５）式で表される。
ＯＳＩ＝ＯＳＩＯ＋ｈａｎｎｏｕ−ｄｒｏｐ ……（５）
また、触媒２７から流出するガス量（触媒流出ガス量）ＯｕｔＧは次の（６）式で表される。
ＯｕｔＧ＝ｓｕｒｉｎｕｋｅ＋ｄｒｏｐ ……（６）
【００３３】
以上説明した（２）〜（６）式で表される触媒モデルをブロック線図で表すと図２のようになる。この触媒モデルの入力を触媒流入ガス量ＩｎＧ、出力を触媒流出ガス量ＯｕｔＧとすると、伝達関数は次の（７）式で表される。
【００３４】
【数１】
ここで、α´＝αｏ ・ｋｋｈ・Δ
α＝αｏ ・（１−ｋｋｈ）
上記（２）〜（７）においては、リーン成分をプラス値で表し、リッチ成分をマイナス値で表す。
【００３６】
次に、触媒流入ガスＩｎＧの各成分のモル数を演算する流入ガスモル数演算ルーチンを図５のフローチャートに従って説明する。本ルーチンは、所定クランク角毎又は所定時間毎に繰り返し処理される。処理が開始されると、まずステップ１０１で、上流側空燃比センサ２８の出力信号を読み込んで、流入ガスの空燃比Ａ／Ｆを検出する。次のステップ１０２で、流入ガス中のＯ２ モル濃度Ｏ２ＩＮＭＣ，Ｈ２ モル濃度Ｈ２ＩＮＭＣ，ＣＯモル濃度ＣＯＩＮＭＣ，ＣＯ２ モル濃度ＣＯ２ＩＮＭＣを空燃比Ａ／Ｆに応じてテーブル検索又は理論式で算出し（図６参照）、これらの算出値を用いて、次のステップ１０３にて、Ｈ２ Ｏモル濃度Ｈ２ＯＩＮＭＣを算出する。次のステップ１０４では、後述するステップ１０７で用いる分数式の分母ＫＫＫＢＵＮＢＯを算出し、続くステップ１０５で、基本噴射量Ｔｐｇ（ｇ換算）を基本噴射時間Ｔｐ，インジェクタサイズＩＮＪＳＩＺＥ，燃料比重ρを用いて次式により算出する。
Ｔｐｇ＝Ｔｐ×ＩＮＪＳＩＺＥ×ρ
【００３７】
更に、ステップ１０６では、次のステップ１０７で用いる変数ＯＦＩＮ，ＯＭＯＬを算出する。この後、ステップ１０７で、上述したステップ１０２〜１０６の処理で求めた数値を用いて流入ガス中のＯ２ モル数Ｏ２ＩＮＭ，Ｈ２ モル数Ｈ２ＩＮＭ，ＣＯモル数ＣＯＩＮＭ，ＣＯ２ モル数ＣＯ２ＩＮＭ，Ｈ２ Ｏモル数Ｈ２ＯＩＮＭを算出する。
【００３８】
この算出結果を基に、触媒流入ガス成分がリーン成分かリッチ成分かを判定すると共に、前記（５）式で算出される触媒内吸着物質量ＯＳＩがプラス値かマイナス値かによって触媒内吸着物質量ＯＳＩがリーン成分（Ｌ）かリッチ成分（Ｒ）かを判定し、前掲した表２に従って触媒２７内での反応形態が、リーン成分の吸着反応ＬＫ、触媒内リーン成分が流入ガスのリッチ成分により還元される反応ＬＨ、触媒内リッチ成分が流入ガスのリーン成分により酸化される反応ＲＨ、リッチ成分の吸着反応ＲＫのいずれに該当するかを判定し、その判定結果に基づいて反応形態ＬＫ，ＬＨ，ＲＨ，ＲＫ毎に、触媒モデルのパラメータＪＹＯＵＫＡ，ｋｋｈ，Δを表２に従って切り替える。
【００３９】
（３）触媒２７から下流側空燃比センサ２９までの系のモデル
下流側空燃比センサ２９を１次遅れ系で近似している。これにより、触媒２７から下流側空燃比センサ２９までの系の伝達関数Ｇは図７に示すように設定される。図７において、ａ２ ＝１−ｋ’’、ｂ２ ＝ｋ’’・α´であり、ａ３ ，ｂ３ は定数である。図７のモデルにおいて触媒上流側空燃比λＦ と触媒下流側空燃比λＲ との関係は次のようになる。
【００４０】
【数２】
従って、図７のモデルは図８のように表すことができる。この図８のモデルから次のような関係が求められる。
λＲ （ｉ＋３） −Ａ１ λＲ （ｉ＋２） ＋Ａ２ λＲ （ｉ＋１） ＝Ｂ１ λＦ （ｉ＋１） ＋Ｂ２ λＦ （ｉ） この関係から、λＲ （ｉ＋１） は次式で算出される。
以上のようにして近似したモデルに対し、ステップ応答を用いて回転周期（３６０℃Ａ）のサンプリングで離散化して定数Ａ１ ，Ａ２ ，Ｂ１ ，Ｂ２ を定めること、即ち、触媒２７から下流側空燃比センサ２９までの系の伝達関数Ｇを求めることは容易である。
【００４３】
［Ｂ］状態変数量Ｘの表示方法（但しＸはベクトル量である）
（１）燃料噴射弁２０から上流側空燃比センサ２８までの系
前記（１）式を状態変数量Ｘ（ｉ） ＝［Ｘ１（ｉ），Ｘ２（ｉ），Ｘ３（ｉ），Ｘ４（ｉ）］Ｔ を用いて書き直すと、次のようになる。
【００４４】
【数３】
これらの式から次式の関係が求められる。
Ｘ１（ｉ＋１）＝ａ１ Ｘ１（ｉ）＋ｂ１ Ｘ４（ｉ）＋ｄ１＝λＦ（ｉ＋１）
Ｘ２（ｉ＋１）＝ＦＡＦ（ｉ）
Ｘ３（ｉ＋１）＝Ｘ２（ｉ）＝ＦＡＦ（ｉ−１）
Ｘ４（ｉ＋１）＝Ｘ３（ｉ）＝ＦＡＦ（ｉ−２）
【００４６】
（２）触媒２７から下流側空燃比センサ２９までの系
前記（８）式を状態変数量Ｚ（ｉ） ＝［Ｚ１（ｉ），Ｚ２（ｉ），Ｚ３（ｉ），Ｚ４（ｉ）］Ｔ を用いて書き直すと、次のようになる。
【００４７】
【数４】
これらの式から次式の関係が求められる。
（３）制御対象全体
上記した各式から制御対象全体の状態数量は次の様になる。
【００５０】
【数５】
［Ｃ］レギュレータの設計
まず、レギュレータの設計にあたり、偏差ｅ（ｉ）を次式のように定義する。
ｅ（ｉ） ＝λＴＧ−λＲ（ｉ）
ここで、λＴＧは触媒下流側空燃比λＲ の目標空燃比であり、本実施形態では、λＴＧ＝１（理論空燃比）に設定されている。そして、この偏差ｅ（ｉ） を０にする状態フィードバックを設計すべく、上記した［数５］に基づいて次の拡大系を設定する。
【００５２】
【数６】
ここで、ｑ−１は時間遅れ要素である。
そして、Ｘ（ｉ＋１） ＝ＡＸ（ｉ） ＋ｂＦＡＦ（ｉ） とおくと、このときの状態フィードバックは、次式で表される。
ここで、積分項ＺＩ（ｉ） は、目標空燃比ＡＴＧ（＝１，０）と実際の下流側空燃比λＲ との偏差ｅ（ｉ） と、積分定数ＫＩとから決定される値であって、次式により求められる。
ＺＩ（ｉ） ＝ＺＩ（ｉ−１） ＋ＫＩ・（１．０一λＲ（ｉ）） ……（１０）
ここで、フィードバックゲインＫ１ 〜Ｋ８ 及び積分定数ＫＩは最適レギュレータ手法により算出できるが、触媒モデルは、反応形態毎に４種類の定数を持つので、反応形態毎又は触媒モデルのパラメータ切替毎にフィードバックゲインＫ１ 〜Ｋ８ を切り替える。
【００５５】
図９は上述のようにモデルを設計した空燃比制御システムにおける現代制御の状態フィードバックを示すブロック線図である。この図９において、空燃比補正係数ＦＡＦ（ｉ） を前回のＦＡＦ（ｉ−１） から導くためにＺ−１変換を用いて表示したが、これは前回処理で求められたＦＡＦ（ｉ） を前回の値ＦＡＦ（ｉ−１） としてＲＡＭ３４に記憶しておき、次の制御タイミングで読み出して用いている。ちなみに、ＦＡＦ（ｉ−１） は前回の空燃比補正係数を表し、ＦＡＦ（ｉ−２） は前々回の空燃比補正係数を表し、ＦＡＦ（ｉ−３） は前々々回の空燃比補正係数を表す。
【００５６】
また、図９の二点鎖線で囲まれたブロックＰ１は、触媒下流側空燃比λＲ（ｉ）を目標空燃比λＴＧにフィードバック制御している状態において、状態変数量Ｘ（ｉ） 及び状態変数量Ｚ（ｉ） を定める部分であり、ブロックＰ２は、積分項ＺＩ（ｉ） を求める部分（累積部）であり、ブロックＰ３は、ブロックＰ１で定められた状態変数量Ｘ（ｉ） 及び状態変数量Ｚ（ｉ） とブロックＰ２で求められた積分項ＺＩ（ｉ） とから今回の空燃比補正係数ＦＡＦ（ｉ） を演算する部分である。
【００５７】
［Ｄ］最適フィードバックゲインＫ及び積分定数ＫＩの決定
最適フィードバックゲインＫ及び積分定数ＫＩは、例えば、次式で示される評価関数Ｊを量小とすることで設定できる。
【００５８】
【数７】
上式で示される評価関数Ｊとは、空燃比補正係数ＦＡＦ（ｉ） の動きを制約しつつ、目標空燃比λＴＧと実際の触媒下流側空燃比λＲ（ｉ）との偏差ｅ（ｉ） を量小にすることを意図したものである。また、空燃比補正係数ＦＡＦ（ｉ） に対する制約の重み付けは、重みのパラメータＱ、Ｒの値によって変更することができる。従って、重みパラメータＱ、Ｒの値を種々換えて最適な制御特性が得られるまでシュミレーションを繰り返し、最適フィードバックゲインＫ及び積分定数ＫＩを定めれば良い。
【００６０】
更に、最適フィードバックゲインＫ及び積分定数ＫＩはモデル定数ａ１ ，ｂ１ ，Ａ１ ，Ａ２ ，Ｂ１ ，Ｂ２ に依存している。従って実際の触媒下流側空燃比λＲ を制御する系の変動（パラメータ変動）に対するシステムの安定性（ロバスト性）を保証するためには、モデル定数ａ１ ，ｂ１ ，Ａ１ ，Ａ２ ，Ｂ１ ，Ｂ２ の変動分を見込んで最適フィードバックゲインＫ及び積分定数ＫＩを設計する必要がある。従って、シュミレーションはモデル定数ａ１ ，ｂ１ ，Ａ１ ，Ａ２ ，Ｂ１ ，Ｂ２ の現実に生じ得る変動を加味して行い、安定性を満足する最適フィードバックゲインＫ及び積分定数ＫＩを定める。
【００６１】
以上、［Ａ］制御対象のモデリング、［Ｂ］状態変数の表示方法、［Ｃ］レギュレータの設計、［Ｄ］最適フィードバックゲインＫ及び積分定数ＫＩの決定について説明したが、本実施形態の空燃比制御システムでは、これらはいずれも予め設定されているものとし、電子制御回路３０では、前記（９）式及び（１０）式のみを用いて空燃比制御を実行するものとする。
【００６２】
次に、上記のように設定された現代制御に基づき電子制御回路３０内のＣＰＵ３２が実行する空燃比制御を説明する。
【００６３】
《燃料噴射量ＴＡＵの算出処理》
図１０は燃料噴射量ＴＡＵを演算する燃料噴射量演算ルーチンを示すフローチャートである。本ルーチンは、エンジン１１の回転に同期して３６０℃Ａ毎に実行され、特許請求の範囲でいう噴射量演算手段として機能する。本ルーチンの処理が開始されると、まずステップ１１１で、吸気圧ＰＭ、エンジン回転数Ｎｅ等に基づいて基本燃料噴射量Ｔｐを算出し、続くステップ１１２で、空燃比のフィードバック条件が成立しているか否かを判定する。このフィードバック条件は、例えばエンジン冷却水温Ｔｈｗが所定水温以上で、且つ高回転・高負荷ではないときに成立する。
【００６４】
もし、フィードバック条件が成立しているときには、ステップ１１３に進み、予めＲ０Ｍ３３に格納されている目標空燃比λＴＧ（本実施形態では理論空燃比λ＝１）を読み出し、続くステップ１１４で後述するように触媒下流側空燃比λＲ を目標空燃比λＴＧ（＝１，０）に一致させるように空燃比補正係数ＦＡＦを設定してステップ１１５に移行する。即ち、ステップ１１４では目標空燃比λＴＧと下流側空燃比センサ２９で検出された触媒下流側空燃比λＲ とに応じて前記した（９）式及び（１０）式により空燃比補正係数ＦＡＦを算出する。
【００６５】
一方、前記ステップ１１２で、空燃比のフィードバック条件が成立していない場合には、ステップ１１６に進み、空燃比補正係数ＦＡＦを１．０に設定し、続くステップ１１７で、空燃比のフィードバック実行中を示すフィードバック実行フラグＸＦをクリアした後、ステップ１１５に移行する。
【００６６】
そして、ステップ１１５では、基本燃料噴射量Ｔｐ、空燃比補正係数ＦＡＦ及びその他の補正係数ＦＡＬＬから燃料噴射量ＴＡＵを次式により算出する。
ＴＡＵ＝Ｔｐ×ＦＡＦ×ＦＡＬＬ
【００６７】
このようにして設定された燃料噴射量ＴＡＵに基づく制御信号が燃料噴射弁２０に出力されて噴射時間（開弁時間）、つまり燃料噴射量が制御され、実際の空燃比が目標空燃比λＴＧ（＝１，０）に収束するように制御される。
【００６８】
《空燃比補正係数ＦＡＦの設定処理》
図１１は空燃比補正係数ＦＡＦの設定ルーチンを示すフローチャートである。本ルーチンは、前述した図１０のステップ１１４で実行される。本ルーチンの処理が開始されると、まずステップ２０１で、フィードバック実行フラグＸＦがフィードバック実行中を示す「１」にセットされているか否かを判定する。このフィードバック実行フラグＸＦがセットされていない場合には、図１０のステップｌ１６の処理の実行中に、フィードバック条件が成立して初めて本ルーチンに移行したとして、ステップ２０２で初期化処理を実行する。この初期化処理は、例えばサンプリング回数を示す変数ｉ を０にセットすると共に、初期値ＦＡＦ（−１）、ＦＡＦ（−２）及びＦＡＦ（−３）を共に定数ＦＡＦ０ にセットし、目標空燃比λＴＧと触媒下流側空燃比λＲ（ｉ）との偏差の累積ＺＩ（−１）を定数ＺＩ０ にセットし、初期値λＦ（−１） を定数λＦ０にセットし、初期値λＲ（−１） 及びλＲ（−２） を定数λＲ０にセットする。
【００６９】
そして、次のステップ２０３で、フィードバック実行フラグＸＦを「１」にセットしてステップ２０４に移行する。従って、次回以降に本ルーチンを実行するときには、フィードバック条件が成立している限り、ステップ２０１から直接ステップ２０４に移行し、ステップ２０２の初期化処理が行なわれることはない。その後、フィードバック条件が不成立になって、図１０のステップ１０６の処理（ＦＡＦ＝１．０）が実行された後に、再びフィードバック条件が成立して図１０のステップ１０４に移行すると、再びステップ２０２の初期化処理が１回のみ実行される。
【００７０】
図１１のステップ２０４では、上流側空燃比センサ２８と下流側空燃比センサ２９により検出した実際の空燃比λＦ（ｉ），λＲ（ｉ）を読み込み、続くステップ２０５にて、前記（４）式を用いて目標空燃比λＴＧ（＝１．０）と触媒下流側空燃比λＲ（ｉ）との偏差ｅ（ｉ） を算出し、この偏差ｅ（ｉ） を累積して積分項ＺＩ（ｉ） を演算する。この後、ステップ２０６で、前記（３）式を用いて前記積分項ＺＩ（ｉ） 、最適フィードバックゲインＫ、状態変数量Ｘ及び状態変数量Ｚ等から空燃比補正係数ＦＡＦ（ｉ） を演算する。そして、次のステップ２０７で、次回の処理に備えて、今回の空燃比λＦ（ｉ）、λＲ（ｉ）及び空燃比補正係数ＦＡＦ（ｉ） を、前回の空燃比λＦ（ｉ−１）、λＲ（ｉ−１）及び空燃比補正係数ＦＡＦ（ｉ−１） としてＲＡＭ３４の所定エリアに更新記憶する。その後、変数ｉ を「１」インクリメントして、本ルーチンを終了する。
【００７１】
以上説明した実施形態によれば、燃料噴射弁２０から下流側空燃比センサ２９までの制御対象に近似して設定された制御モデルのうちの触媒モデルとして、触媒２７内における流入ガス成分の吸着反応、流入ガス成分と触媒内吸着物質との酸化還元反応、触媒内吸着物質の離脱反応及び流入ガス成分の未反応部分の存在を全て考慮に入れて設定されたモデルを使用し、この触媒モデルを含む制御モデルに対する現在及び過去の入出力を状態量とし、触媒下流側の空燃比λＲ を目標空燃比λＴＧに制御すべく状態フィードバックを実行して燃料噴射弁２０の噴射量ひいては空燃比を制御する。これにより、触媒２７内の吸着状態を適正に反映させた精度の良い空燃比制御を行うことができる。
【００７２】
ところで、燃料噴射弁２０から下流側空燃比センサ２９までの制御対象全体を一括してモデル化すると、系全体が大きくなり過ぎて、却って制御精度が低下してしまう。
【００７３】
そこで、上記実施形態では、触媒２７の上流側に上流側空燃比センサ２８を設け、制御対象の中間位置における信頼性の高いセンサ情報として上流側空燃比センサ２８により検出された触媒上流側空燃比λＦ を利用し、燃料噴射弁２０から上流側空燃比センサ２８までの系と、触媒２７から下流側空燃比センサ２９までの系とに分割してモデル化している。これにより、モデルが適度な大きさとなり、高精度な状態フィードバックが可能となる。
【００７４】
また、上記実施形態の触媒モデルでは、触媒２７に流入・流出する量、離脱量と未反応成分量について、それぞれリーン成分とリッチ成分とを正負反対の符号で表すようにしたので、符号によってリーン成分かリッチ成分かを簡単に判別でき、演算処理を簡単にすることができる。
【００７５】
更に、上記実施形態では、触媒流入ガス成分及び触媒内吸着物質がリーン成分かリッチ成分かによって触媒２７内での反応形態を推定し、反応形態毎に触媒モデルのパラメータを切り替えるので、反応形態に応じた最適の触媒モデルで演算でき、触媒流出ガス成分を精度良く算出することができる。
【００７６】
しかも、反応形態毎又は触媒モデルのパラメータ切替毎にフィードバックゲインを切り替えるので、反応形態毎又は触媒モデルのパラメータ切替毎にフィードバックゲインを最適なゲインに設定でき、フィードバック特性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すエンジン制御システム全体の概略構成図
【図２】触媒モデルを示すブロック線図
【図３】燃料噴射弁から上流側空燃比センサまでをモデル化したブロック線図
【図４】流入ガスの空燃比と浄化率との関係を示す図
【図５】流入ガスモル数演算ルーチンの処理の流れを示すフローチャート
【図６】流入ガスの空燃比と各成分の濃度との関係を示す図
【図７】触媒から下流側空燃比センサまでをモデル化したブロック線図
【図８】触媒から下流側空燃比センサまでの伝達関数を示す図
【図９】現代制御の状態フィードバックを示すブロック線図
【図１０】燃料噴射量演算ルーチンの処理の流れを示すフローチャート
【図１１】ＦＡＦ設定ルーチンの処理の流れを示すフローチャート
【符号の説明】
１１…エンジン（内燃機関）、１２…吸気管（吸気通路）、１７…吸気管圧力センサ、２０…燃料噴射弁（燃料噴射手段）、２６…排気管（排気通路）、２７…触媒、２８…上流側空燃比センサ（上流側空燃比検出手段）、２９…下流側空燃比センサ（下流側空燃比検出手段）、３０…電子制御回路（噴射量演算手段，反応形態推定手段，パラメータ切替手段，フィードバックゲイン切替手段）。
Claims (5)
- 内燃機関の吸気通路に配設され、燃料を噴射する燃料噴射手段と、
内燃機関の排気通路に配設され、排出ガスを浄化する触媒と、
前記触媒の下流側において排出ガスの空燃比を検出する下流側空燃比検出手段と、
前記燃料噴射手段から前記下流側空燃比検出手段までの制御対象に近似して設定された制御モデルに対する現在及び過去の入出力を状態量とし、触媒下流側の空燃比を目標空燃比に制御すべく状態フィードバックを実行して前記燃料噴射手段の噴射量を演算する噴射量演算手段とを備え、
前記噴射量演算手段は、前記制御モデルのうちの触媒モデルとして、前記触媒内における流入ガス成分の吸着反応、流入ガス成分と触媒内吸着物質との酸化還元反応、触媒内吸着物質の離脱反応及び流入ガス成分の未反応部分の存在を考慮に入れて設定されたモデルを使用することを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。 - 前記触媒の上流側において排出ガスの空燃比を検出する上流側空燃比検出手段を備え、
前記噴射量演算手段は、前記上流側空燃比検出手段により検出された触媒上流側の空燃比を含む現在及び過去の入出力を状態量とし、触媒下流側の空燃比を目標空燃比に制御すべく状態フィードバックを実行して、前記燃料噴射手段の噴射量を演算す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制御装置。 - 前記触媒モデルは、前記触媒に流入・流出する量、離脱量と未反応成分量について、それぞれリーン成分とリッチ成分とを正負反対の符号で表すことを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の空燃比制御装置。
- 触媒流入ガス成分及び触媒内吸着物質がリーン成分かリッチ成分かで触媒内での反応形態を推定する反応形態推定手段と、
前記反応形態毎に前記触媒モデルのパラメータを切り替えるパラメータ切替手段と
を備えていることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の空燃比制御装置。 - 前記反応形態毎又は前記触媒モデルのパラメータ切替毎にフィードバックゲインを切り替えるフィードバックゲイン切替手段を備えてい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制御装置。
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