JP3742048B2 - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

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内燃機関の制御装置に関し、より詳細には
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の排気系には、一般に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は同時にかつ効果的に浄化される。
【０００３】
触媒装置に供給される空燃比を理論空燃比とするために、空燃比のフィードバック制御が行われる。空燃比のフィードバック制御は、一般に排ガスセンサの出力に基づいて実施される。排ガスセンサには、触媒装置の上流に設けられリーンからリッチにわたる広範囲の空燃比を検出する広域空燃比（ＬＡＦ）センサや、触媒装置の下流に設けられ、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２値型の酸素（Ｏ２）センサ等がある。
【０００４】
空燃比のフィードバック制御の一例として、特開２０００−２３４５５０公報には、切換関数を用い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。具体的には、切換関数を用いて、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目標空燃比（操作量）が算出される。この目標空燃比に応じて内燃機関への燃料供給量が制御されることによって、空燃比が安定的に制御される。
【０００５】
上記の応答指定型制御を実施するシステムには、同定器が設けられている。同定器とは、応答指定型制御の制御対象に関連するモデルパラメータを適宜算出するものである。そして、上記の目標空燃比は、同定器により算出されたモデルパラメータを用いて算出される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の同定器では、むだ時間前のＬＡＦセンサ出力（ＫＡＣＴ）と現在のＯ２センサ出力（ＶＯ２）の相関関係から、制御対象である排気系のモデルパラメータの同定を行っている。ところが、エンジンの失火等によって過度に触媒が劣化すると、Ｏ２ストレージ効果が極端に低下すること等によりむだ時間が予め設定されている値より小さくなるために、ＬＡＦセンサ出力とＯ２センサ出力のタイミングのずれが大きくなってしまう。そうすると、モデルパラメータを適切な組合せに同定できないことがある。
【０００７】
このため、ＬＡＦセンサ出力やＯ２センサ出力がリーン/リッチの反転したときに、モデルパラメータが不適正な組合せに同定され、その誤同定されたモデルパラメータに基づいて算出される目標空燃比も不適正な値となり、結果としてＯ２センサ出力が目標値に対して停滞してしまう（つまり、リーンまたはリッチの何れかに固定されてしまう）ことがあった（図１４(ａ)参照）。
【０００８】
なお、このようにＯ２センサ出力が停滞状態になったとしても、すでに触媒は過度の劣化により浄化率が非常に低くなっているため、触媒浄化率がさらに低下することはない。しかし、Ｏ２センサ出力の停滞は、触媒の劣化状態を判定する触媒劣化検知パラメータの算出に影響を与えるので、触媒劣化検知の判定を安定化するためにはＯ２センサ出力の停滞を防止することが好ましい。
【０００９】
この状態を解決する一手法として、触媒劣化検知処理によって判定された触媒劣化状態に応じて同定器のむだ時間を変更するという考え方もある。しかし、このようにすると、「モデルパラメータの誤同定→触媒劣化検知パラメータへの悪影響→むだ時間の変更→モデルパラメータの同定精度のさらなる低下」という悪循環が発生する可能性がある。
【００１０】
従って、同定器のむだ時間を変更することなく、モデルパラメータの誤同定状態を速やかに判定し、これを解消する方法が必要とされている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の一実施形態は、触媒装置および排気管に配置された排ガスセンサを含む系をモデル化した制御対象モデルのモデルパラメータを算出する同定器と、同定器によって算出されたモデルパラメータを用いて、排ガスセンサの出力を所定の目標値に収束するよう空燃比を制御する制御手段と、モデルパラメータが誤同定状態にあると判定される期間が所定期間を超えたとき、同定器をリセットする同定器リセット手段と、を備える内燃機関の空燃比制御装置である。
【００１２】
この発明によれば、同定器により算出されるモデルパラメータの誤同定状態を速やかに検出して、同定器をリセットすることによって誤同定状態を解消することができる。
【００１３】
ここで、誤同定状態とは、触媒装置の劣化により制御対象モデルのモデルパラメータの組合せが不適切となり、その結果、前記制御手段による制御量、つまり応答指定型制御による制御量（目標空燃比ＫＣＭＤ）がリーンまたはリッチの何れかに固定される状態のことをいう。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、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、本発明の実施形態に係る内燃機関（以下、「エンジン」という）１および電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）５の概略的な構成図である。
【００１５】
エンジン１は、たとえば４気筒を備えるエンジンであり、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に送る。
【００１６】
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）に接続されており、この燃料ポンプによって燃料タンク（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。
【００１７】
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および吸気温は、それぞれＥＣＵ５に送られる。
【００１８】
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。検出されたエンジン冷却水の温度は、ＥＣＵ５に送られる。
【００１９】
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、エンジン回転数が検出される。
【００２０】
エンジン１の下流側には排気管１４が連結されている。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。
【００２１】
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して電気信号に変換し、ＥＣＵ５に送る。
【００２２】
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り、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。
【００２３】
ＥＣＵ５は、車両の各部から送られてくるデータを受け取りアナログ−デジタル変換を行う入力インターフェース５ａ、変換されたデジタル信号をＲＯＭ５ｃに格納されているプログラムに従って処理し、車両各部のアクチュエータに送るための制御信号を作り出すＣＰＵ５ｂ、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と、プログラムの実行の際に用いるデータが格納されている読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）５ｃ、ＣＰＵ５ｂによる演算のための作業領域が設けられ、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が一時的に記憶されるランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）５ｄ、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５ｅを備えている。
【００２４】
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、本発明による実施形態では、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。
【００２５】
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、Ｏ２センサはこの触媒装置１５の下流に設けられる。
【００２６】
図３は、上流触媒および下流触媒における排気ガス浄化の様子を示す。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によって示すような還元雰囲気（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。
【００２７】
本発明の実施形態に係る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に、Ｏ２センサ１７の出力を目標値に収束させることによって、空燃比をウィンドウ２７内に収めるようにする。
【００２８】
図４は、ＬＡＦセンサ１６からＯ２センサ１７までの排気系を示すブロック図である。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、上記適応空燃比制御の制御対象（プラント）となる。
【００２９】
図５は、適応空燃比制御の制御ブロック図である。制御対象である排気系１９のＯ２センサ１７の出力ＶＯ２/ＯＵＴは、目標値ＶＯ２/ＴＡＲＧＥＴと比較される。この比較結果に基づいて、制御器３１は、目標空燃比偏差ｋｃｍｄを求める。目標空燃比偏差ｋｃｍｄは、空燃比の基準値ＦＬＡＦ/ＢＡＳＥに加算され、目標空燃比ＫＣＭＤが求められる。この目標空燃比ＫＣＭＤによって補正された燃料噴射量が燃料噴射弁６によりエンジン１に供給される。そして、エンジン１からの排気ガスが排気系１９に流れ込み、Ｏ２センサ１７はＶＯ２/ＯＵＴを再び出力する。
【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に収束させるように目標空燃比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は、入力をＬＡＦセンサの出力ＫＡＣＴ、出力をＶＯ２/ＯＵＴとして、式(１)のように離散時間系でモデル化することができる。
【００３１】
【数１】

【００３２】
ここで、ｋはサイクル数を表す。
【００３３】
ＶＯ２は、式(１)に示すように、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）である。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の偏差である（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。
【００３４】
ｄ１は、排気系１９が有するむだ時間を表す。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である。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求められる。
【００３５】
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、次式のようにモデル化することができる。
【００３６】
【数２】

【００３７】
目標空燃比偏差ｋｃｍｄは、基準値ＦＬＡＦ/ＢＡＳＥに対する目標空燃比ＫＣＭＤの偏差である（ｋｃｍｄ＝ＫＣＭＤ-ＦＬＡＦ/ＢＡＳＥ）。ｄ２は、この空燃比操作系におけるむだ時間を表しており、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に相当する。
【００３８】
図６は、図５に示した制御器３１のさらに詳細なブロック図である。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。
【００３９】
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述べる。
【００４０】
まず、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)を用いて（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）、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）を次式に従って計算する。
【００４１】
【数３】

【００４２】
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)との同定誤差ｉｄ/ｅ(ｋ)は、次式に従って求められる。
【００４３】
【数４】

【００４４】
同定器３２は、同定誤差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、ベクトルΘを以下のように定義する。
【００４５】
【数５】

【００４６】
同定器３２は、以下に示す式(６)のように、前回の制御サイクルで決定されたａ１(ｋ−１)ハット、ａ２(ｋ−１)ハットおよびｂ１(ｋ−１)ハットを同定誤差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。
【００４７】
【数６】

【００４８】
ここで、ベクトルKθは次式に従って算出される。
【００４９】
【数７】

【００５０】
また、行列Ｐは次式に従って算出される。
【００５１】
【数８】

【００５２】
行列Ｐの初期値Ｐ(０)は、各対角成分を正の数とする対角行列である。
【００５３】
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。
【００５４】
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、次式が導かれる。
【００５５】
【数９】

【００５６】
式(９)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(９)を用いることによって、むだ時間ｄ後のセンサ出力偏差ＶＯ２(ｋ＋ｄ)の推定値ＶＯ２(ｋ＋ｄ)バーが次式のようにして求められる。
【００５７】
【数１０】

【００５８】
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。
【００５９】
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)の値は、上記の式(２)を用いてＬＡＦセンサ１６の偏差出力ｋａｃｔ(ｋ)、ｋａｃｔ(ｋ−１)、…、ｋａｃｔ(ｋ−ｄ＋ｄ２)で置き換えることができる。その結果、次式が得られる。
【００６０】
【数１１】

【００６１】
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に、切換関数σを次式のように設定する。
【００６２】
【数１２】

【００６３】
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であり、ＶＯ２(ｋ)は、今回のサイクルで検出されたセンサ出力偏差である。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。
【００６４】
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(１２)は以下のように変形することができる。
【００６５】
【数１３】

【００６６】
ここで、図７および式(１３)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(１３)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、該状態量を外乱等に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(１３)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ＶＯ２/ＯＵＴを目標値ＶＯ２/ＴＡＲＧＥＴに収束させることができる。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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が求められる。
【００７０】
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、次式を満たすことが条件となる。
【００７１】
【数１４】

【００７２】
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(９)および(１２)から、次式のように算出される。
【００７３】
【数１５】

【００７４】
切換関数σの値に応じた値を持つ到達則入力Ｕｒｃｈは、式(１６)に従って算出される。
【００７５】
【数１６】

【００７６】
本実施形態では、到達則入力Ｕｒｃｈは切換関数σの値に比例した値を持つ。また、式(１６)のＫｒｃｈは到達則のフィードバックゲインを示している。この値は、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。
【００７７】
切換関数σの積算値に応じた値を持つ適応則入力Ｕａｄｐは、式(１７)に従って算出される。ここで、ΔＴは、制御サイクルの周期を示す。
【００７８】
【数１７】

【００７９】
本実施形態では、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。また、式(１７)のＫａｄｐは適応則のフィードバックゲインを示している。この値は、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。
【００８０】
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)バーを用いて、等価制御入力Ｕｅｑを求める。
【００８１】
【数１８】

【００８２】
また、推定器３３によって算出された推定偏差を用いて、次式のように切換関数σバーが算出される。
【００８３】
【数１９】

【００８４】
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が算出される。
【００８５】
【数２０】

【００８６】
【数２１】

【００８７】
そして、等価制御入力Ｕｅｑ、到達則入力Ｕｒｃｈおよび適応則入力Ｕａｄｐを加算して、要求偏差Ｕｓｌが算出される。
【００８８】
【数２２】

【００８９】
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。
【００９０】
リミッタ３５で使用される許容範囲は、図３の範囲２９に示すように、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。
【００９１】
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、この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。
【００９２】
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。
【００９３】
リミッタ３５によって求められた空燃比偏差ｋｃｍｄは基準値ＦＬＡＦ/ＢＡＳＥに加算され、目標空燃比ＫＣＭＤが求められる。この目標空燃比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。
【００９４】
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に応じて設定される。具体的には、基準値ＦＬＡＦ/ＢＡＳＥには、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ＦＬＡＦ/ＢＡＳＥは維持される。設定された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。
【００９５】
基準値ＦＬＡＦ/ＢＡＳＥの設定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の設定処理は、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。
【００９６】
図９は、本発明の一実施形態に係る空燃比制御のフローチャートである。
【００９７】
まず、ステップＳ１０１において、同定器によるモデルパラメータの算出を許可するか否かが判定される。
【００９８】
次に、ステップＳ１０２において、同定器による演算が許可されたときに「１」がセットされるフラグＦ＿ＩＤＣＡＬの値を調べる。燃料カット中などのために同定器による演算が許可されていない場合は、ステップＳ１０６に進む。演算が許可されている場合は、ステップＳ１０３において、「１」でモデルパラメータの誤同定状態を示す誤同定状態判定フラグＦ＿ＩＤＩＮＣＲの値を調べる。この値が「０」である場合は、ステップＳ１０５に進む。この値が「１」である場合は、ステップＳ１０４において、同定器をリセットするべきときに「１」にセットされる同定器リセットフラグＦ＿ＩＤＲＳＥＴに「１」をセットする。
【００９９】
続いて、ステップＳ１０５において、同定器により前述のモデルパラメータａ１、ａ２およびｂ１が算出される。この処理については、図１０を参照して後述する。
【０１００】
次に、ステップＳ１０６において、算出されたモデルパラメータを用いて、推定器により、推定偏差ＶＯ２バーが前述した式(１１)に従って求められる。
【０１０１】
ステップＳ１０７において、切換関数σバー、等価制御入力Ｕｅｑ、適応側入力Ｕａｄｐ、および到達側入力Ｕｒｃｈが、前述した式(１８)〜(２１)に従って求められ、さらに式(２２)に従って制御入力Ｕｓｌが求められる。そして求められた制御入力Ｕｓｌに対し、ステップＳ１０７において、リミッタ３５によりリミット処理が実行される。
【０１０２】
続いて、ステップＳ１０９において、誤同定状態判定フラグＦ＿ＩＤＩＮＣＲを設定するためのモデルパラメータ誤同定状態判定処理が実行される。この処理については、図１３を参照して後述する。
【０１０３】
最後に、ステップＳ１１０において、制御入力Ｕｓｌに基準値ＦＬＡＦ/ＢＡＳＥを加えて目標空燃比ＫＣＭＤが算出されて、このルーチンを終了する。
【０１０４】
図１０は、同定器によるモデルパラメータを算出する処理のフローチャートである。
【０１０５】
ステップＳ１２１において、リセットフラグＦ＿ＩＤＲＳＥＴの値を調べる。リセットフラグＦ＿ＩＤＲＳＥＴは、同定器の初期化を行うよう判断されたときに値「１」がセットされるフラグである。たとえば、Ｏ２センサまたは広域空燃比センサが活性化していないときや、エンジンの始動直後の触媒の早期活性化を図るためにエンジンの点火時期を遅角側に制御する運転状態にあるとき、リセットフラグＦ＿ＩＤＲＳＥＴは「１」にセットされる。
【０１０６】
Ｆ＿ＩＤＲＳＥＴ＝１ならば、ステップＳ１２２において同定器を初期化する。具体的には、前述したａ１ハット、ａ２ハットおよびｂ１ハットのそれぞれの値が予め定められた初期値に設定される。また、式(８)に示した行列Ｐの各成分が予め定められた初期値に設定される。さらに、リセ)トフラグＦ＿ＩＤＲＳＥＴは「０」にセットされる。
【０１０７】
Ｆ＿ＩＤＲＳＥＴ≠１ならば、ステップＳ１２３に進み、式(３)に従って、今回のサイクルにおけるＶＯ２ハット(ｋ)を算出する。続いてステップＳ１２４において、今回のサイクルにおけるａ１ハット、ａ２ハットおよびｂ１ハットを求めるため、ベクトルＫθ(ｋ)を式(７)に従って求める。
【０１０８】
次にステップＳ１２５において、同定誤差ｉｄ/ｅ(ｋ)を式(４)に従って求める。好ましくは、式(４)によって得られた値（＝ＶＯ２−ＶＯ２ハット）にローパスフィルタを適用して、同定誤差ｉｄ/ｅを求める。これは、排気系は一般にローパス特性を有するので、排気系の低周波領域における挙動を考慮してモデルパラメータａ１、ａ２およびｂ１を同定するのが好ましいからである。代替的に、センサ出力偏差ＶＯ２およびセンサ出力偏差ＶＯ２ハットのそれぞれにローパスフィルタを適用した後に、同定誤差ｉｄ/ｅを求めてもよい。
【０１０９】
ステップＳ１２６において、ステップＳ１２４で得られたベクトルＫθおよびステップＳ１２５で得られた同定誤差ｉｄ/ｅを用いて、前述した式(６)に従って、ベクトルΘ(ｋ)を算出する。これにより、今回のサイクルにおけるモデルパラメータａ１(ｋ)ハット、ａ２(ｋ)ハットおよびｂ１(ｋ)ハットが得られる。
【０１１０】
ステップＳ１２７において、ステップＳ１２６で得られたモデルパラメータの値を制限する処理を行う。そして、ステップＳ１２８において、次の制御サイクルで使用される行列Ｐ(ｋ)を式(８)に従って算出する。
【０１１１】
次に、図１０のステップＳ１２７におけるモデルパラメータの値を制限する処理について、詳細に説明する。この処理を行うのは、モデルパラメータの値を特に制限しない場合には、スライディングモード制御器３４により求められる要求偏差空燃比Ｕｓｌ、ひいては目標空燃比ＫＣＭＤが、高周波振動的な時間変化を呈する場合があるからである。このような状態は、エンジンの円滑な運転を行う上で好ましくない。そこで、本実施形態では、この高周波振動を排除するために、以下に述べるような制限を課している。
【０１１２】
具体的には、同定器３２により同定するモデルパラメータａ１ハット、ａ２ハットの値の組合せについて、これらの値により定まる係数値α１、α２（式(１０)）をそれぞれ成分とする座標平面を設定したときに、係数値α1、α２の組により定まる座標平面上の点が図１１の斜線を付した領域（三角形Ｑ１Ｑ２Ｑ３で囲まれた領域。以下、この領域を推定係数安定領域という）にあるように制限する。
【０１１３】
なお、図１１において、上記推定係数安定領域を含む三角形領域Ｑ１Ｑ４Ｑ３は、次式により定義される系が理論上安定となるような係数値α１、α２の組合せを規定する領域である。
【０１１４】
【数２３】

【０１１５】
従って、推定係数安定領域は、前記式(２３)により表される系が安定となるような係数値α１、α２の組合せのうち、α１≧０となる領域である。
【０１１６】
一方、係数値α１、α２は、モデルパラメータａ１、ａ２の組合せにより定まるので、逆算的に、図１１の推定係数安定領域は、モデルパラメータａ１、ａ２を座標成分とする座標平面上に変換することができる。この領域を図１２に表す。この変換により、推定係数安定領域は、例えば図１２の仮想線で囲まれた領域（下部に凹凸を有するほぼ三角形状の領域。以下、同定係数安定領域という）に変換される。すなわち、モデルパラメータａ１、ａ２の組により定まる座標平面上の点が同定係数安定領域にあるとき、係数値α１、α２の組に対応する点は図１１の推定係数安定領域にあることになる。従って、同定器３２により求められる同定モデルパラメータａ１ハット、ａ２ハットは、基本的には、これらの座標上の点が同定係数安定領域にあるように制限することが好ましい。
【０１１７】
但し、図１２に仮想線で示した同定係数安定領域の境界の一部（図の下部）は凹凸を有する複雑な形状を呈しているため、実用上の理由から、本実施形態では同定係数安定領域を図１２の実線で囲まれた四角形Ｑ５Ｑ６Ｑ７Ｑ８の領域（境界を直線上に形成した領域。以下、同定係数制限領域という）により近似する。この場合、この領域は、式|ａ１|＋ａ２＝１により表される折れ線（線分Ｑ５Ｑ６および線分Ｑ５Ｑ８）と、ａ１＝Ａ１Ｌ（Ａ１Ｌは定数）により表される直線（線分Ｑ６Ｑ７）と、ａ２＝Ａ２Ｌ（Ａ２Ｌは定数）により表される直線（線分Ｑ７Ｑ８）とにより囲まれた領域となる。この場合、同定係数制限領域の下辺部の一部は同定係数安定領域を逸脱しているものの、現実には同定器３２が求める同定モデルパラメータａ１ハット、ａ２ハットの値により定まる点は上記の逸脱領域には入らないことを実験的に確認しており、実用上は支障がない。
【０１１８】
また、モデルパラメータｂ１ハットを制限するための条件は、実験やシミュレーションを通じて、ｂ１ハットの値の上限値Ｂ１Ｈおよび下限値Ｂ１Ｌを定めておくことである。
【０１１９】
このような制限によって、目標空燃比ＫＣＭＤが高周波振動的になものとなるような状況が排除される。
【０１２０】
図１３は、図９のステップＳ１０９におけるモデルパラメータ誤同定状態判定処理のフローチャートである。
【０１２１】
まず、ステップＳ１４１において、同定器により求められるモデルパラメータａ１、ａ２が所定の状態、すなわち|ａ１|＋ａ２が所定値ＩＮＣＲＡより小さいか否かを判定する。|ａ１|＋ａ２≧ＩＮＣＲＡであれば、ステップＳ１４２においてカウンタｃｉｄｉｎｃｒに０をセットする。|ａ１|＋ａ２＜ＩＮＣＲＡであれば、ステップＳ１４３においてカウンタｃｉｄｉｎｃｒを１だけインクリメントする。
【０１２２】
続いてステップＳ１４４において、カウンタｃｉｄｉｎｃｒが所定値ＩＤＩＮＣＲＣより小さいか否かを判定する。この判定がＹＥＳであれば、ステップＳ１４５において、「１」でモデルパラメータが誤同定状態であることを表す誤同定状態判定フラグＦ＿ＩＤＩＮＣＲに「０」をセットし、ステップＳ１４６において現在のカウンタの値をＣＤＩＮＣＲにセットして、本処理を終了する。
【０１２３】
ステップＳ１４４における判定がＮＯであれば、|ａ１|＋ａ２＜ＩＮＣＲＡとなる状態が所定の期間以上継続しているので、ステップＳ１４７で誤同定状態判定フラグＦ＿ＩＤＩＮＣＲに「１」をセットし、ステップＳ１４８においてカウンタをリセットして、本処理を終了する。
【０１２４】
本処理において誤同定状態判定フラグＦ＿ＩＤＩＮＣＲに「１」がセットされると、図９のＳ１０３における判定がＹＥＳとなり、Ｓ１０４においてリセットフラグＦ＿ＩＤＲＳＥＴに「１」がセットされ、これによって図１０のＳ１２２において同定器が初期化される。従って、誤同定状態が速やかに解消されることになる。
【０１２５】
図１３において、モデルパラメータの誤同定状態を、|ａ１|＋ａ２＜ＩＮＣＲＡ（Ｓ１４１）なる状態が所定期間ＩＤＩＮＣＲＣ（Ｓ１４４）だけ継続したときとしたのは、以下の理由による。
【０１２６】
すなわち、ＶＯ２が停滞するのは、スライディングモードの制御入力Ｕｓｌを構成するＵｅｑ、ＵｒｃｈおよびＵａｄｐのバランスが|Ｕｅｑ|＞＞|Ｕｒｃｈ＋Ｕａｄｐ|となった場合に起きる。これは、本来Ｕｅｑが状態（ＶＯ２(ｋ)とＶＯ２(ｋ−１)の組合せ）をホールドさせる特性があるために起きる現象である。
【０１２７】
この減少は、触媒が過度に劣化した際に、状態が切換直線の近傍に到達し、次式で示す関係が成立したときに起こりやすい。
【０１２８】
【数２４】

【０１２９】
しかし、上記式(１５)のＵｅｑの算出式におけるＶＯ２(ｋ)およびＶＯ２(ｋ−１)に、停滞中のＶＯ２として値ＶＯ２_ｓｔを共に代入すると、式(１５)は次式のようになる。
【０１３０】
【数２５】

【０１３１】
前述したように、Ｕｓｌのリミット処理において、モデルパラメータａ１とａ２の組合せは|ａ１|＋ａ２＜１となるように同定されているので、ａ１＋ａ２−１＜０が成り立つ。従って、式(２４)において、ＶＯ２_ｓｔにかかる係数は必ず正になる。これによってＵｅｑも正となり、従ってＫＣＭＤも正の値をとり続けることになる（図１４(a)を参照）。
【０１３２】
また|ａ１|＋ａ２＜＜１となるほど、式(２５)のＶＯ２_ｓｔにかかる係数は大きくなる。このとき、ＵｅｑひいてはＫＣＭＤも大きくなるため、ＶＯ２の停滞値が目標値から次第に離れていくことになる。
【０１３３】
従って、|ａ１|＋ａ２＜ＩＮＣＲＡ＜＜１となる所定値ＩＮＣＲＡを実験等により決定し、|ａ１|＋ａ２＜ＩＮＣＲＡとなる状態が所定時間以上継続した場合を誤同定状態と判定して、同定器をリセットすることが好ましい。このリセットにより、モデルパラメータａ１とａ２の組合せが変更される（例えば、初期値にされる）ため、ＫＣＭＤが適切な値に制御されることになる。
【０１３４】
図１４(ａ)は、モデルパラメータ誤同定状態となったときのＶＯ２、|ａ１|＋ａ２およびＫＣＭＤの様子を示す図である。図から分るように、時刻αにおけるＶＯ２の反転を機に、モデルパラメータが不正な組合せとなり、これによってＶＯ２が弱リッチ状態にあるにもかかわらず、ＫＣＭＤはリーン側に算出されず、弱リッチの値を示し続けている。これに対し、本発明による同定器のリセット処理を適用した場合のＶＯ２、|ａ１|＋ａ２およびＫＣＭＤの様子を図１４(ｂ)に示す。図１４(ａ)と同様に、時刻αにおいてモデルパラメータ誤同定状態になっても、|ａ１|＋ａ２＜ＩＮＣＲＡである状態が所定時間ＩＤＩＮＣＲだけ継続した時点で同定器がリセットされ、これによってＶＯ２とＫＣＭＤのリーン／リッチの関係が適切なものとなっていることが分かる。
【０１３５】
以上、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場合について本発明の一実施形態を説明したが、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。
【０１３６】
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器用エンジンの制御にも適用が可能である。
【０１３７】
【発明の効果】
本発明によれば、同定器により算出されるモデルパラメータの誤同定状態を速やかに検出して、同定器をリセットすることによって誤同定状態を解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関とその制御装置を概略的に示す図である。
【図２】図１の触媒をより詳細に説明する図である。
【図３】空燃比制御における排気ガス浄化の概要を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態の制御対称である排気系を示すブロック図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る空燃比制御の制御ブロック図である。
【図６】図５の制御器をより詳細に説明するブロック図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る応答指定型制御における切換直線を概略的に示す図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る応答指定型制御における応答特性を示す図である。
【図９】空燃比制御のフローチャートである。
【図１０】同定器によるモデルパラメータ算出処理のフローチャートである。
【図１１】Ｕｓｌのリミット処理を説明するための図である。
【図１２】Ｕｓｌのリミット処理を説明するための図である。
【図１３】モデルパラメータの誤同定状態判定処理のフローチャートである。
【図１４】(ａ)は従来のモデルパラメータの誤同定状態を説明するための図であり、(ｂ)は本発明を適用したときの誤同定状態の解消を説明するための図である。
【符号の説明】
１ エンジン
５ ＥＣＵ
１４ 排気管
１５ 触媒装置
１６ ＬＡＦセンサ
１７ Ｏ２センサ
２５ 上流触媒

Claims (2)

1. 触媒装置および排気管に配置された排ガスセンサを含む系をモデル化した制御対象モデルのモデルパラメータを算出する同定器と、
   前記同定器によって算出されたモデルパラメータを用いて、前記排ガスセンサの出力を所定の目標値に収束するよう空燃比を制御する制御手段と、
   前記モデルパラメータのとる値が予め定めた関係にある状態が所定期間を越えて継続するとき、該モデルパラメータが誤同定状態にあると判定する手段と、
   前記誤同定状態が判定されたとき、前記同定器をリセットする同定器リセット手段と、
   を備え、前記誤同定状態は、前記触媒装置の劣化により前記制御対象モデルのモデルパラメータの組合せが不適切となり、その結果前記制御手段による制御量がリーンまたはリッチの何れかに固定される状態である、
   内燃機関の空燃比制御装置。
2. 前記排気系に設けられたＯ２センサの出力を VO2/OUT 、該出力の目標値を VO2/TARGET 、前記排気系に設けられた広域空燃比センサの出力を kact 、前記排気系が有するむだ時間を d1 で表し、 VO2(k) = VO2/OUT(k) − VO2/TARGET とするとき、前記モデル化は、 VO2(k+1) = a1 ・ VO2(k) + a2 ・ VO2(k-1) + b1 ・ kact(k-d1) で表され、前記誤同定状態を判定する手段は、 |a1| + a2 が所定値より小さい状態が所定期間継続するとき、誤同定状態を判定する、請求項１に記載の内燃機関の空燃比制御装置。

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