JP3808816B2

JP3808816B2 - An air-fuel ratio control apparatus for an internal combustion engine that judges whether or not to update the reference value of the air-fuel ratio

Info

Publication number: JP3808816B2
Application number: JP2002259288A
Authority: JP
Inventors: 裕司安井; 章広新庄; 達人江崎; 直人藤村
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-09-04
Filing date: 2002-09-04
Publication date: 2006-08-16
Anticipated expiration: 2022-09-04
Also published as: JP2004100467A

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、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偏差（操作量）が算出される。該目標空燃比偏差を基準値に加算して、目標空燃比が算出される。該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。こうして、空燃比が安定的に制御される。
【０００５】
切換関数の適応則入力に応じて算出された学習値で、上記基準値を更新する手法が提案されている。具体的には、１）排ガスセンサ出力の目標値に対する偏差が所定値以下のとき、かつ２）空燃比制御の安定性が高いと判断されたとき、該学習値が更新される。該学習値は現在の基準値に加算され、新たな基準値が求められる。
【０００６】
一方、触媒が劣化すると、所定の周波数範囲における排ガスセンサ出力のパワースペクトルが上昇することが知られている。該所定の周波数範囲における排ガスセンサのパワースペクトルを調べて、触媒が劣化しているかどうかを判断する手法が提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来、エンジンの失火等に起因して触媒装置が過度に劣化した場合でも、上記の条件１）および２）が満たされれば、上記学習値は更新される。
【０００８】
図１６は、触媒が劣化した状態における排ガスセンサ出力の目標に対する偏差Vo2、切換関数値σ、空燃比制御の安定性を示すパラメータPstb、学習条件が成立した頻度、および学習値flaf/adpの遷移を示す。安定判別パラメータPstbは、切換関数値σに基づいて算出される。パラメータＰstbの値が所定値（＞０）以下のとき、空燃比制御は安定していると判断される。学習条件成立頻度のグラフは、条件が成立した時を値１で表し、条件が不成立の時をゼロで表している。
【０００９】
排ガスセンサ出力の目標値に対する偏差に基づいて、切換関数値σが算出される。上記の条件１）および２）が成立すると、上記学習値flaf/adpが、切換関数値σの積算値に応じて更新される。該積算値が所定値より大きいとき、学習値は増え続ける。学習値flaf/adpで基準値FLAF/BASEが更新される。触媒がすでに劣化している状態なので、この学習値flaf/adpの誤学習によって触媒の浄化率の低下は発生しない。
【００１０】
しかしながら、触媒の劣化が進むと、この学習値flaf/adpの増大によって排ガスセンサの偏差Vo2が高周波になり、所定周波数範囲における排ガスセンサのパワースペクトルを抽出することが困難になる。また、この誤学習が更に進むと、高周波成分が消滅し、この場合も排ガスセンサのパワースペクトルを抽出することが困難になる。そのため、触媒の劣化を安定的に検知することができなくなるおそれがある。このことは、誤学習によって学習値flaf/adpが減少し、排ガスセンサ出力が高周波になった場合にも当てはまる。
【００１１】
したがって、触媒が劣化している状態において、空燃比の基準値が更新されないようにする空燃比制御が必要とされている。
【００１２】
【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、空燃比を制御する内燃機関の空燃比制御装置は、切換関数を用いて、排気管に配置された排ガスセンサの出力を目標値に収束するよう、空燃比を操作する操作量を求める。操作量を基準値に加算して、目標空燃比が求められる。切換関数の値および排ガスセンサの出力を変数として持つ楕円を表す関数が定義される。該楕円を表す関数の値に従って、基準値の更新を許可するかどうかが判断される。基準値の更新を許可されたならば、切換関数の積算値に基づいて基準値を更新する。
【００１３】
この発明によれば、楕円関数の値に基づいて、触媒が劣化している状態を検知することができるので、触媒が劣化している状態における基準値の更新を防止することができる。
【００１４】
この発明の他の側面によると、楕円を表す関数によって表される楕円の中心は、排ガスセンサの出力の方向に予め決められた量だけオフセットされる。こうして、触媒が劣化している状態における基準値の更新を、より確実に防止することができる。
【００１５】
この発明の一つの側面によると、楕円関数の値が、所定時間にわたって所定値より小さければ、基準値の更新を許可する。この発明によれば、楕円関数の値を所定期間にわたって調べるので、触媒が劣化した状態において基準値が更新されることを確実に防止することができる。
【００１６】
この発明の他の側面によると、排ガスセンサの出力が停滞していると判断されたならば、基準値をリセットする手段を備える。この発明によれば、排ガスセンサ出力が停滞している場合に基準値がリセットされるので、適正な空燃比制御に速やかに復帰して、触媒浄化率を速やかに高めることができる。
【００１７】
この発明の他の側面によると、排ガスセンサの出力がリッチ側において停滞していると判断されたならば、目標空燃比がリーン方向に向かうよう基準値を補正し、排ガスセンサの出力がリーン側において停滞していると判断されたならば、目標空燃比がリッチ方向に向かうよう基準値を補正する。この発明によれば、排ガスセンサ出力がリッチ側またはリーン側において停滞している場合には、基準値が該停滞を解消するような方向に補正されるので、適正な空燃比制御に速やかに復帰して、触媒浄化率を速やかに高めることができる。
【００１８】
【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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
適応空燃比制御
図４は、適応空燃比制御の制御ブロック図を示す。排気系１９は、図２のＬＡＦセンサ１６からＯ２センサ１７にいたる系を示す。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。
【００３６】
制御対象（プラント）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、目標空燃比偏差kcmdを求める。目標空燃比偏差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。
【００３７】
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。ｋはサイクルを識別する識別子である。
【００３８】
【数１】

【００３９】
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、後述するように、各制御サイクルにおいて逐次的に設定される。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
【数２】

【００４３】
図５は、図４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、リミッタ３５、および基準値設定部３６を備える。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
【数３】

【００４７】
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)との同定誤差id/e(k)を示す。
【００４８】
【数４】

【００４９】
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、式（５）に示されるようにベクトルΘを定義する。
【００５０】
【数５】

【００５１】
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−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。
【００５２】
【数６】

【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、式（７）が導かれる。
【００５５】
【数７】

【００５６】
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。
【００５７】
【数８】

【００５８】
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。
【００５９】
【数９】

【００６０】
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。
【００６１】
【数１０】

【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
【数１１】

【００６５】
ここで、図６および式（１１）を参照して、切換関数σの特性を説明する。図６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（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Vo2/OUTを目標値Vo2/TARGETに収束させることができる。
【００６６】
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。
【００６７】
図７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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
【数１２】

【００７１】
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。
【００７２】
【数１３】

【００７３】
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。
【００７４】
【数１４】

【００７５】
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。
【００７６】
【数１５】

【００７７】
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。
【００７８】
【数１６】

【００７９】
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。
【００８０】
【数１７】

【００８１】
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。
【００８２】
【数１８】

【００８３】
【数１９】

【００８４】
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。
【００８５】
【数２０】

【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
基準値設定部３６は、目標空燃比KCMDおよび実空燃比KACTの基準値FLAF/BASEを、適応則入力Ｕadpに基づいて更新する。更新は、所定の条件が成立したときに実施される。
【００９２】
図８は、基準値FLAF/BASEの更新の一例を示す。基準値FLAF/BASEは、固定成分flaf/baseと可変成分flaf/adpの和である。固定成分flaf/baseは、固定値（たとえば、理論空燃比の値）を持つ。可変成分flaf/adpは、適応則入力Ｕadpに基づいて決定され、学習値と呼ばれる。可変成分flaf/adpの初期値は、たとえばゼロである。
【００９３】
期間Ｔ１、Ｔ３およびＴ５に示されるように、適応則入力Ｕadpが、上限値ＮＲＨおよび下限値ＮＲＬの間にあるとき、基準値FLAF/BASEは維持される。期間Ｔ２に示されるように、適応則入力Ｕadpが上限値ＮＲＨより大きいとき、学習値flaf/adpは、各制御サイクルにおいて所定値Δflaf1ずつ増やされる。増やされた学習値flaf/adpは、予め決められた固定値flaf/baseに加算され、基準値FLAF/BASEが求められる。
【００９４】
期間Ｔ４に示されるように、適応則入力Ｕadpが下限値ＮＲＬより小さいとき、学習値flaf/adpは、各制御サイクルにおいて所定値Δflaf1ずつ減らされる。減らされた学習値flaf/adpは、予め決められた固定値flaf/baseに加算され、基準値FLAF/BASEが求められる。こうして、基準値FLAF/BASEは、適応則入力Ｕadpに応じて調整される。
【００９５】
実際の空燃比と目標空燃比KCMDの間に定常的な誤差が含まれる場合、適応則入力Ｕadpの値は、最終的には該誤差の学習値に相当するものとなる。該誤差の学習値が比較的大きいと、適応則入力Ｕadpが該誤差の学習値に収束するまでに時間がかかることがある。本発明によれば、基準値FLAF/BASEを適応則入力Ｕadpに応じて調整することで、該適応則入力Ｕadpをゼロ近傍の十分小さい値にすることができる。言い換えると、該誤差を、基準値FLAF/BASEに吸収させることができる。その結果、Ｏ２センサ出力Vo2/OUTの目標値Vo2/TARGETへの収束の速応性を高めることができる。
【００９６】
さらに、前述のモデル式（１）に示されるように、排気系モデルは、センサ出力Vo2/OUTが目標値Vo2/TARGETに定常的に収束した状態において、実空燃比KCATが基準値FLAF/BASEになるというモデルである。したがって、排気系モデルにおいては、基準値FLAF/BASEは、センサ出力偏差Vo2がゼロに定常的に収束したときに、エンジンの空燃比の中心的な値となるべきものである。適応則入力Ｕadpを用いることで、センサ出力偏差Vo2を目標値に収束させるのに必要な空燃比の中心的な値に該基準値を調整することが可能となる。その結果、排気系モデルの挙動を、実際の排気系の挙動に良好に整合させることができる。従って、推定器によって算出される推定偏差Vo2バー、および同定器によって算出されるモデルパラメータの精度を高めることができる。
【００９７】
基準値FLAF/BASEの更新は、所定の条件が成立したときに実施される。以下に、この条件について詳細に述べる。
【００９８】
基準値 FLAF/BASE の更新
前述したように、触媒が劣化しているときに、基準値設定部３６により基準値FLAF/BASEが更新されるのは好ましくない。本願発明によれば、触媒が劣化しているときは、基準値FLAF/BASEの学習値flaf/adpによる更新を停止する。
【００９９】
本願発明者は、触媒が劣化しているときのセンサ出力偏差Vo2/OUTと切換関数値σの起こりうる組合せを考察した。図９に、該組合せの例を示す。示される２次元の座標空間は、センサ出力偏差Vo2の値を示す横軸と、切換関数値σを示す縦軸を持つ。示される複数の点のそれぞれ（たとえば、参照番号６１で表される点）は、触媒が劣化したときに検出されたセンサ出力偏差Vo2と切換関数値σに基づいてプロットされた点である。本願発明者の知見によると、これらの点が、主に、点６３を中心とした四辺形（たとえば、四辺形６４）の辺上に存在していることが判明した。点６３の座標は、（−FADPOR，０）である。ここで、FADPORは、Vo2軸上を負の方向にオフセットされた距離を示す。
【０１００】
本願発明者の知見によると、触媒が劣化しているときのセンサ出力偏差Vo2および切換関数σの組合せが、点６３を中心とする楕円６５内には存在しないことが判明した。従って、該楕円６５を定義し、センサ出力偏差Vo2および切換関数σの組合せが該楕円６５内にある時、基準値FLAF/BASEの更新を許可する。
【０１０１】
楕円６５は、以下の式（２１）で表現される。ここで、FADPAは、楕円６５の一方の径を表し、FADPBは、楕円６５の他方の径を表す。
【０１０２】
【数２１】

【０１０３】
式（２２）が成立するとき、センサ出力偏差Vo2および切換関数σの組合せが楕円６５内にある。
【０１０４】
【数２２】

【０１０５】
式（２２）が成立した時、基準値FLAF/BASEが学習値flaf/adpで更新される。こうして、触媒が劣化している時に、基準値FLAF/BASEが更新されることを防止することができる。
【０１０６】
センサ出力偏差Vo2および切換関数σの組合せが、所定期間TMFADPDにわたって継続して楕円６５内にあるときに、基準値FLAF/BASEの更新を許可するのが好ましい。所定期間TMFADPDは、たとえば数制御サイクル（２〜３サイクル）であることができる。これにより、触媒が劣化した状態における基準値FLAF/BASEの誤学習を、より確実に抑制することができる。
【０１０７】
図１０は、基準値設定部３６の詳細な機能ブロック図を示す。停滞判断部７１は、Ｏ２センサの出力Vo2/OUTが停滞しているかどうか判断する。リッチ側またはリーン側のいずれかの領域でＯ２センサが所定期間にわたって停滞していると判断されたならば、停滞判断部７１は、リセットフラグF_RSTを１に設定する。リセットフラグF_RSTが１に設定された後、Ｏ２センサの出力がリーン側の領域でなお所定期間にわたって停滞していると判断されたならば、停滞判断部７１は、リーンフラグF_LSを１に設定する。リセットフラグF_RSTが１に設定された後、Ｏ２センサの出力がリッチ側の領域でなお所定期間にわたって停滞していると判断されたならば、停滞判断部７１は、リッチフラグF_RSを１に設定する。
【０１０８】
停滞判断部７１によって、リセットフラグ、リーンフラグおよびリッチフラグのいずれもがセットされなければ、更新許可部７２は、学習値の更新を許可するかどうか判断する。前述したように、楕円関数の値OVFADPが、所定期間TMFADPDにわたって値１より小さければ、更新許可部７２は、学習値の更新を許可する。更新部７３は、適応則入力Ｕadpの値に応じて、学習値flaf/adpを更新する。
【０１０９】
リセット部７４は、リセットフラグF_RSTが１にセットされているとき、学習値を所定の値にリセットする。リーン補正部７５は、リーンフラグF_LSが１にセットされている時、Ｏ２センサ出力がリッチ方向へ向かうよう学習値を補正する。リッチ補正部７６は、リッチフラグF_RSが１にセットされている時、Ｏ２センサ出力がリーン方向へ向かうよう学習値を補正する。
【０１１０】
基準値算出部７７は、求められた学習値flaf/adpを、固定成分flaf/base（図８参照）に加算し、基準値FLAF/BASEを求める。
【０１１１】
センサ出力Vo2/OUTが目標値に対して所定期間にわたり、定常偏差を持つことがある。これは、たとえばＬＡＦセンサ、インジェクタ、Ｐｂセンサ等の燃料制御に関連するデバイスが交換された場合等に生じることがある。学習値flaf/adpをリセットするリセット部７４を設けることにより、変更されたデバイス構成に適合するように該学習値flaf/adpの学習を再開することができる。こうして、適切な空燃比制御に速やかに復帰して、触媒浄化率を速やかに高めることができる。さらに、学習値flaf/adpを補正する補正部７５および７６を設けることにより、センサ出力Vo2/OUTの停滞状態を確実に解消することができる。
【０１１２】
この実施例では、リセットフラグF_RSTが１にセットされた時に、上記補正部７５および７６による補正が実施される。代替的に、リセットフラグをセットすることなく、Ｏ２センサの出力が停滞していると判断されたならば、該補正を実施してもよい。
【０１１３】
図１１は、リセット手段および補正手段が設けられた実施形態における、センサ出力Vo2/OUTおよび学習値flaf/adpの遷移を示す。時間ｔ１〜ｔ２において、センサ出力Vo2/OUTがリッチ側に停滞している。時間ｔ２〜ｔ３における制御サイクルにおいて、所定期間FAMLJUDCにわたってセンサ出力Vo2/OUTが停滞していると判断され、リセットフラグF_RSTが１にセットされる。リセットフラグF_RSTが１にセットされると、学習値flaf/adpは、所定値（この例では、ゼロ）にリセットされる。
【０１１４】
時間ｔ２〜ｔ３における制御サイクルにおいて、センサ出力Vo2/OUTがまだ停滞している。時間ｔ３〜ｔ４における制御サイクルにおいて、所定期間FAMLJUDCにわたってセンサ出力Vo2/OUTがリッチ側に停滞していると判断され、リッチフラグF_RSが１にセットされる。
【０１１５】
リッチフラグF_RSが１にセットされると、学習値flaf/adpは、各制御サイクルにおいて所定値Δflaf2が減らされる。こうして、時間ｔ３〜ｔ４において、学習値flaf/adpは減少する。学習値flaf/adpが減少すると、目標空燃比の値が小さくなる。目標空燃比がリーン方向に向かって変化するので、Ｏ２センサ出力をリッチからリーン方向へ変化させることができる。こうして、Ｏ２センサ出力の停滞状態が解消される。
【０１１６】
図１２は、本発明の一実施形態に従う、触媒が劣化した場合のセンサ出力偏差Vo2、楕円関数値OVFADP、楕円関数値OVFADP＜１が成立した頻度、学習値flaf/adpの更新条件が成立した頻度、および学習値flaf/adpの遷移を示す。グラフ８３において、OVFADP＜１が成立した時を値１で表し、不成立の時をゼロで表している。グラフ８４において、学習条件が成立した時を値１で表し、不成立の時をゼロで表している。OVFADP＜１である状態が所定期間TMFADPDにわたって継続すると、学習条件が成立する。
【０１１７】
実線で表されるグラフ８５は、該学習条件に基づく学習値flaf/adpの遷移を示す。比較のために示される、点線で表されるグラフ８６は、前述した従来の手法による学習値flaf/adpの遷移を示す（図１６参照）。グラフ８７は、「OCFADP＜１」のみを学習条件とした場合の学習値flaf/adpの遷移を示す。
【０１１８】
グラフ８３に示されるように、OVFADP＜１が成立する状態が数回見られる。しかしながら、学習条件の成立を、「OVFADP＜１である状態が所定期間TMFADPDにわたって継続すること」と設定することにより、グラフ８４に示されるように、学習条件が成立する頻度をゼロにすることができる。この場合、グラフ８５に示されるように、学習値flaf/adpは一定の値に維持される。
【０１１９】
グラフ８６と比較して明らかなように、本願発明によれば、触媒が劣化しているとき、学習値flaf/adpの更新を防止することができる。また、グラフ８５および８７を比較して明らかなように、所定期間TMFADPDを学習条件に含めることにより、より確実に学習値flaf/adpの更新を防止することができる。
【０１２０】
こうして、触媒が劣化した場合には学習値flaf/adpの更新が停止されるので、触媒の劣化検知を安定的に実施することができる。
【０１２１】
空燃比制御フロー
図１３は、本発明の一実施形態に従う、空燃比の制御フローを示す。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どうかを判断する。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に設定されるフラグＦ＿ＩＤＣＡＬの値を調べる。Ｆ＿ＩＤＣＡＬ＝１ならば、ステップＳ１０３に進み、モデルパラメータa1、a2、およびb1を、前述した式（３）〜（６）従って求める。Ｆ＿ＩＤＣＡＬ＝０ならば、ステップＳ１０３をスキップする。
【０１２２】
ステップＳ１０４において、ステップＳ１０３で算出されたモデルパラメータを用い、センサ出力偏差Vo2バーを、前述した式（９）に従って求める。
【０１２３】
ステップＳ１０５において、切換関数σバー、等価制御入力Ｕeq、適応則入力Ｕadp、および到達側入力Ｕrchを、前述した式（１６）〜（１９）に従って求める。制御入力Ｕslを、式（２０）に従って求める。
【０１２４】
ステップＳ１０６において、前述したように、リミッタ３５により、制御入力Ｕslのリミット処理を実施し、目標空燃比偏差kcmdを求める。ステップＳ１０７において、ステップＳ１０６において求められた目標空燃比偏差kcmdに基準値FLAF/BASEを加算し、目標空燃比KCMDを求める。ステップＳ１０８において、基準値FLAF/BASEを設定する。
【０１２５】
図１４は、図１３のステップＳ１０８で実施される、基準値FLAF/BASEを設定するフローチャートを示す。
【０１２６】
ステップＳ１１１において、Ｏ２センサ出力の停滞を判断するルーチン（図１５）を実施する。ステップＳ１１２において、前述の式（２１）に示されるように楕円関数を定義し、該楕円関数の値OVFADPを求める。
【０１２７】
ステップＳ１１３において、現在の制御モードが触媒を還元する還元モードかどうかを判断する。還元モードにおいては、適応空燃比制御を実施しないので、学習値flaf/adpを維持する（Ｓ１１４）。
【０１２８】
ステップＳ１１３において還元モードでなければ、ステップＳ１１５に進み、前述したリセットフラグF_RSTの値を調べる。F_RST＝１ならば、学習値flaf/adpの値をゼロにセットする（Ｓ１１６）。
【０１２９】
ステップＳ１１７において、前述したリーンフラグF_LSの値を調べる。F_LS＝１ならば、学習値flaf/adpの値を所定値Δflaf2だけ増やす（Ｓ１１８）。学習値flaf/adpを増やすことにより、目標空燃比KCMDをリッチ方向へ変化させる。これにより、Ｏ２センサ出力の停滞を解消することができる。
【０１３０】
ステップＳ１１９において、前述したリッチフラグF_RSの値を調べる。F_RS＝１ならば、学習値flaf/adpの値を所定値Δflaf2だけ減らす（Ｓ１２０）。学習値flaf/adpを減らすことにより、目標空燃比KCMDをリーン方向へ変化させる。これにより、Ｏ２センサ出力の停滞を解消することができる。
【０１３１】
ステップＳ１２１において、楕円関数OVFADPの値が１より小さいかどうか調べる。OVFADP≧１ならばタイマに所定値TMFADPDをセットし（Ｓ１２２）、学習値flaf/adpの値を維持する（Ｓ１１４）。
【０１３２】
OVFADP＜１ならば、ステップＳ１２２において、ステップＳ１２２においてTMFADPDがセットされたタイマの値がゼロかどうかを調べる。ゼロでなければ、学習値flaf/adpの値を維持する（Ｓ１１４）。ゼロならば、所定期間TMFADPDにわたってOVFADP＜１であり、よって学習条件が成立したことを示す。
【０１３３】
ステップＳ１２４において、Ｕadp＜所定値ＮＲＬならば、学習値flaf/adpを所定値Δflaf1だけ減らす。ステップＳ１２６において、Ｕadp＞所定値ＮＲＨならば、学習値flaf/adpを所定値Δflaf1だけ増やす。ＮＲＬ≦Ｕadp≦ＮＲＨならば、学習値flaf/adpは更新されず、維持される（Ｓ１２８）。ここで、Δflaf1＞Δflaf2である。
【０１３４】
ステップＳ１２９において、固定成分flaf/baseに学習値flaf/adpを加算し、基準値FLAF/BASEを求める。
【０１３５】
このように、OVFADP＜１であって、所定期間TMFADPDが経過した時に、学習値flaf/adpを更新するので、触媒が劣化しているときの学習値flaf/adpの更新を確実に防止することができる。
【０１３６】
図１５は、図１４のステップＳ１１１で実施される、Ｏ２センサの出力が停滞しているかどうかを判断する処理を示すフローチャートである。ステップＳ１３１において、センサ出力がリッチ側で停滞しているかどうかを判断する。ステップＳ１３１の判断がＹｅｓならば、リッチカウンタcfamlrをインクリメントし（Ｓ１３２）、リーンカウンタcfamllの値を維持する（Ｓ１３３）。
【０１３７】
ステップＳ１３４において、センサ出力がリーン側で停滞しているかどうかを判断する。ステップＳ１３４の判断がＹｅｓならば、リッチカウンタcfamlrの値を維持し（Ｓ１３５）、リーンカウンタcfamllをインクリメントする（Ｓ１３６）。
【０１３８】
ステップＳ１３１およびＳ１３４の両方の判断がＮｏならば、リッチカウンタcfamlrの値およびリーンカウンタcfamllを値を維持する（Ｓ１３７およびＳ１３８）。ステップＳ１３９において、センサ出力Vo2/OUTの停滞期間を計測する計時カウンタcfamjdを１だけインクリメントする。
【０１３９】
ステップＳ１４１において、リッチカウンタcfamlrを、計時カウンタcfamjdで除算し、リッチ停滞率FAMRARを求める。FAMRARは、期間cfamjdに対するセンサ出力Vo2/OUTがリッチ側に停滞している期間の割合を示す。該率FAMRARの値が大きいとき、センサ出力が比較的長い間リッチ側に停滞していると判断することができる。
【０１４０】
ステップＳ１４２において、リーンカウンタcfamllを、計時カウンタcfamjdで除算し、リーン停滞率FAMRALを求める。FAMRALは、期間cfamjdに対するセンサ出力Vo2/OUTがリーン側に停滞している期間の割合を示す。該率FAMRALの値が大きいとき、センサ出力が比較的長い間リーン側に停滞していると判断することができる。
【０１４１】
ステップＳ１４３において、計時カウンタcfamjdが、所定期間FAMLJUDCより大きいかどうかを判断する。cfamjd≦FAMLJUDCならば、このままルーチンを抜ける。cfamjd＞FAMLJUDCならば、停滞期間が所定期間FAMLJUDCにわたって継続したことを示す。ステップＳ１４５に進み、ステップＳ１４１で求めたリッチ停滞率FAMRARが、所定値FAMLJUDRより大きいかどうかを判断する。この判断がYesならば、センサ出力Vo2/OUTが所定期間FAMLJUDCにわたってリッチ側で停滞していることを示す。ステップＳ１４６に進み、フラグF_FAMRの値を調べる。F_FAMR＝１ならば、前回の制御サイクルにおいてセンサ出力が停滞していると判断された（すなわちリセットフラグがセットされた）ことを示す。ステップＳ１４７において、フラグF_FAMRおよびリッチフラグF_RSの値を１にセットし、他のフラグの値をゼロにセットする。
【０１４２】
ステップＳ１４６の判断がNoならば、前回の制御サイクルにおいてはセンサ出力が停滞していると判断されなかったことを示す。ステップＳ１４８において、フラグF_FAMRおよびリセットフラグF_RSTの値を１にセットする。
【０１４３】
ステップＳ１４５の判断がNoならば、ステップＳ１４９において、リーン停滞率FAMRALが所定値FAMLJUDLより大きいかどうかを判断する。この判断がYesならば、センサ出力Vo2/OUTが所定期間FAMLJUDCにわたってリーン側で停滞していることを示す。ステップＳ１５０に進み、フラグF_FAMLの値を調べる。F_FAML＝１ならば、前回の制御サイクルにおいて、センサ出力が停滞していると判断されたことを示す。ステップＳ１５１において、フラグF_FAMLおよびリーンフラグF_LSの値を１にセットし、他のフラグの値をゼロにセットする。
【０１４４】
ステップＳ１５０の判断がNoならば、前回の制御サイクルにおいてはセンサ出力が停滞していると判断されなかったことを示す。ステップＳ１５２において、フラグF_FAMLおよびリセットフラグF_RSTの値を１にセットする。
【０１４５】
ステップＳ１４５およびＳ１４９の判断がNoであるならば、ステップＳ１５３において、すべてのフラグをゼロにセットする。ステップＳ１５４において、リッチカウンタcfamlr、リーンカウンタcfamll、および計時カウンタcfamjdをゼロにリセットする。
【０１４６】
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。
【０１４７】
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。
【０１４８】
【発明の効果】
触媒が劣化した状態において、空燃比の基準となる基準値を更新する処理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、空燃比制御の制御ブロック図。
【図５】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６】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７】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８】この発明の一実施例に従う、適応則入力に応じた基準値の遷移を示す図。
【図９】この発明の一実施例に従う、基準値の更新条件を説明するための図。
【図１０】この発明の一実施例に従う、基準値設定部の機能ブロック図。
【図１１】この発明の一実施例に従う、リセット手段および補正手段の動作を示す図。
【図１２】この発明の一実施例に従う、排ガスセンサ出力の偏差、楕円関数の値、学習条件の成立頻度、および学習値の遷移を示す図。
【図１３】この発明の一実施例に従う、空燃比の制御フローを示す図。
【図１４】この発明の一実施例に従う、基準値の設定処理を示すフローチャート。
【図１５】この発明の一実施例に従う、排ガスセンサ出力の停滞を判断する処理を示すフローチャート。
【図１６】従来の空燃比制御に従う、触媒が劣化した状態における、排ガスセンサ出力の偏差、切換関数値、安定判別パラメータ、学習条件の成立頻度、および学習値の遷移を示す図。
【符号の説明】
１エンジン
５ＥＣＵ
１４排気管
１５触媒装置
１６ＬＡＦセンサ
１７Ｏ２センサ
２５上流触媒[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a control device for an internal combustion engine that controls an air-fuel ratio based on an output of an exhaust gas sensor provided in an exhaust system of the internal combustion engine.
[0002]
[Prior art]
A catalyst device is provided in the exhaust system of the internal combustion engine. The catalyst device oxidizes HC and CO with excess oxygen present in the exhaust gas when the air-fuel ratio of the air-fuel mixture supplied to the internal combustion engine is lean, and when the air-fuel ratio is rich, the catalyst device converts Nox with HC and CO. Reduce. When the air-fuel ratio is in the stoichiometric air-fuel ratio region, HC, CO, and Nox are simultaneously and effectively purified.
[0003]
An exhaust gas sensor is provided downstream of the catalyst device. The exhaust gas sensor detects the oxygen concentration in the gas exhausted to the exhaust system. Based on the output of the exhaust gas sensor, feedback control of the air-fuel ratio of the internal combustion engine is performed.
[0004]
As an example of air-fuel ratio feedback control, Japanese Patent Laid-Open No. 2000-234550 proposes response assignment control using a switching function. This control converges the output of the exhaust gas sensor to a predetermined target value by converging the value of the switching function to zero. Specifically, a target air-fuel ratio deviation (operation amount) for causing the output of the exhaust gas sensor to converge to a predetermined target value is calculated. The target air-fuel ratio is calculated by adding the target air-fuel ratio deviation to the reference value. A fuel supply amount to the internal combustion engine is controlled according to the target air-fuel ratio. In this way, the air-fuel ratio is stably controlled.
[0005]
There has been proposed a method of updating the reference value with a learning value calculated according to an adaptive law input of a switching function. Specifically, the learning value is updated when 1) the deviation of the exhaust gas sensor output from the target value is less than or equal to the predetermined value, and 2) when it is determined that the stability of the air-fuel ratio control is high. The learned value is added to the current reference value to obtain a new reference value.
[0006]
On the other hand, it is known that when the catalyst deteriorates, the power spectrum of the exhaust gas sensor output in a predetermined frequency range increases. A method has been proposed in which the power spectrum of the exhaust gas sensor in the predetermined frequency range is examined to determine whether or not the catalyst has deteriorated.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
Conventionally, even when the catalyst device is excessively deteriorated due to engine misfire or the like, the learning value is updated if the above conditions 1) and 2) are satisfied.
[0008]
FIG. 16 shows the deviation Vo2 of the exhaust gas sensor output with respect to the target when the catalyst is deteriorated, the switching function value σ, the parameter Pstb indicating the stability of the air-fuel ratio control, the frequency at which the learning condition is satisfied, and the transition of the learning value flaf / adp. Indicates. The stability determination parameter Pstb is calculated based on the switching function value σ. When the value of the parameter Pstb is equal to or less than a predetermined value (> 0), it is determined that the air-fuel ratio control is stable. In the learning condition establishment frequency graph, when the condition is satisfied, the value is 1 and when the condition is not satisfied, it is expressed as zero.
[0009]
A switching function value σ is calculated based on the deviation of the exhaust gas sensor output from the target value. When the above conditions 1) and 2) are satisfied, the learning value flaf / adp is updated according to the integrated value of the switching function value σ. When the integrated value is larger than the predetermined value, the learning value continues to increase. The reference value FLAF / BASE is updated with the learning value flaf / adp. Since the catalyst has already deteriorated, the purification rate of the catalyst does not decrease due to erroneous learning of the learning value flaf / adp.
[0010]
However, as the catalyst deteriorates, the exhaust gas sensor deviation Vo2 becomes a high frequency due to the increase of the learning value flaf / adp, and it becomes difficult to extract the power spectrum of the exhaust gas sensor in a predetermined frequency range. Further, when this mislearning further proceeds, the high frequency component disappears, and in this case also, it becomes difficult to extract the power spectrum of the exhaust gas sensor. Therefore, there is a possibility that the deterioration of the catalyst cannot be detected stably. This is also true when the learning value flaf / adp decreases due to erroneous learning and the exhaust gas sensor output becomes high frequency.
[0011]
Therefore, there is a need for air-fuel ratio control that prevents the air-fuel ratio reference value from being updated when the catalyst is deteriorated.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
According to one aspect of the present invention, an air-fuel ratio control apparatus for an internal combustion engine that controls an air-fuel ratio uses a switching function to adjust the air-fuel ratio so that the output of an exhaust gas sensor disposed in an exhaust pipe converges to a target value. The operation amount to be operated is obtained. The target air-fuel ratio is obtained by adding the operation amount to the reference value. A function representing an ellipse having the value of the switching function and the output of the exhaust gas sensor as variables is defined. Whether to update the reference value is determined according to the value of the function representing the ellipse. If the update of the reference value is permitted, the reference value is updated based on the integrated value of the switching function.
[0013]
According to this invention, since the state in which the catalyst is deteriorated can be detected based on the value of the elliptic function, the update of the reference value in the state in which the catalyst is deteriorated can be prevented.
[0014]
According to another aspect of the invention, the center of the ellipse represented by the function representing the ellipse is offset by a predetermined amount in the direction of the output of the exhaust gas sensor. In this way, it is possible to more reliably prevent the reference value from being updated when the catalyst is deteriorated.
[0015]
According to one aspect of the present invention, if the value of the elliptic function is smaller than a predetermined value over a predetermined time, the update of the reference value is permitted. According to the present invention, since the value of the elliptic function is examined over a predetermined period, it is possible to reliably prevent the reference value from being updated when the catalyst is deteriorated.
[0016]
According to another aspect of the present invention, there is provided means for resetting the reference value when it is determined that the output of the exhaust gas sensor is stagnant. According to this invention, since the reference value is reset when the exhaust gas sensor output is stagnant, it is possible to quickly return to an appropriate air-fuel ratio control and to quickly increase the catalyst purification rate.
[0017]
According to another aspect of the present invention, if it is determined that the exhaust gas sensor output is stagnant on the rich side, the reference value is corrected so that the target air-fuel ratio is in the lean direction, and the exhaust gas sensor output is on the lean side. If it is determined that the air-fuel ratio is stagnant, the reference value is corrected so that the target air-fuel ratio is in the rich direction. According to the present invention, when the exhaust gas sensor output is stagnant on the rich side or the lean side, the reference value is corrected in such a direction as to eliminate the stagnation. Thus, the catalyst purification rate can be quickly increased.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Configuration of internal combustion engine and control device
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an overall system configuration diagram of an internal combustion engine (hereinafter referred to as “engine”) and a control device thereof according to an embodiment of the present invention.
[0019]
An electronic control unit (hereinafter referred to as “ECU”) 5 includes an input interface 5a that receives data sent from each part of the vehicle, a CPU 5b that executes calculations for controlling each part of the vehicle, and a read-only memory (ROM) ) And a random access memory (RAM) 5c, and an output interface 5d for sending control signals to various parts of the vehicle. The ROM of the memory 5c stores a program for controlling each part of the vehicle and various data. A program for realizing the air-fuel ratio control according to the present invention, and data and tables used in executing the program are stored in this ROM. The ROM may be a rewritable ROM such as an EEPROM. The RAM is provided with a work area for calculation by the CPU 5b. Data sent from each part of the vehicle and control signals sent to each part of the vehicle are temporarily stored in the RAM.
[0020]
The engine 1 is an engine having, for example, four cylinders. An intake pipe 2 is connected to the engine 1. A throttle valve 3 is provided on the upstream side of the intake pipe 2. A throttle valve opening sensor (θTH) 4 connected to the throttle valve 3 supplies an electric signal corresponding to the opening of the throttle valve 3 to the ECU 5.
[0021]
A passage 21 that bypasses the throttle valve 3 is provided in the intake pipe 2. A bypass valve 22 for controlling the amount of air supplied to the engine 1 is provided in the bypass passage 21. The bypass valve 22 is driven according to a control signal from the ECU 5.
[0022]
The fuel injection valve 6 is provided for each cylinder between the engine 1 and the throttle valve 3 and slightly upstream of the intake valve (not shown) of the intake pipe 2. The fuel injection valve 6 is connected to a fuel pump (not shown) and receives fuel from a fuel tank (not shown) via the fuel pump. The fuel injection valve 6 is driven in accordance with a control signal from the ECU 5.
[0023]
The intake pipe pressure (Pb) sensor 8 and the intake air temperature (Ta) sensor 9 are provided on the downstream side of the throttle valve 3 in the intake pipe 2. The intake pipe pressure Pb and the intake air temperature Ta detected by the Pb sensor 8 and the Ta sensor 9 are sent to the ECU 5, respectively.
[0024]
The engine water temperature (Tw) sensor 10 is attached to a cylinder peripheral wall (not shown) of the cylinder block of the engine 1 filled with cooling water. The engine coolant temperature Tw detected by the Tw sensor 10 is sent to the ECU 5.
[0025]
The rotation speed (Ne) sensor 13 is attached around the cam shaft or crank shaft (both not shown) of the engine 1. The Ne sensor 13 outputs a CRK signal pulse at a cycle of a crank angle (for example, 30 degrees) shorter than a cycle of a TDC signal pulse output at a crank angle related to the TDC position of the piston, for example. The CRK signal pulse is counted by the ECU 5, and the engine speed Ne is detected.
[0026]
An exhaust pipe 14 is connected to the downstream side of the engine 1. The engine 1 exhausts through the exhaust pipe 14. The catalyst device 15 provided in the middle of the exhaust pipe 14 purifies harmful components such as HC, CO, NOx in the exhaust gas passing through the exhaust pipe 14. The catalyst device 15 is provided with two catalysts. A catalyst provided on the upstream side is referred to as an upstream catalyst, and a catalyst provided on the downstream side is referred to as a downstream catalyst.
[0027]
The wide area air-fuel ratio sensor (LAF) sensor 16 is provided upstream of the catalyst device 15. The LAF sensor 16 detects a wide range of air-fuel ratios ranging from lean to rich. The detected air-fuel ratio is sent to the ECU 5.
[0028]
The O2 (exhaust gas) sensor 17 is provided between the upstream catalyst and the downstream catalyst. The O2 sensor 17 is a binary exhaust gas concentration sensor. The O2 sensor outputs a high level signal when the air-fuel ratio is richer than the stoichiometric air-fuel ratio, and outputs a low-level signal when the air-fuel ratio is leaner than the stoichiometric air-fuel ratio. The output electrical signal is sent to the ECU 5.
[0029]
The signal sent to the ECU 5 is transferred to the input interface 5a and converted from analog to digital. The CPU 5b processes the converted digital signal in accordance with a program stored in the memory 5c, and generates a control signal for sending to the vehicle actuator. The output interface 5d sends these control signals to the actuators of the bypass valve 22, the fuel injection valve 6, and other machine elements.
[0030]
FIG. 2 shows the structure of the catalyst device 15. The exhaust gas flowing into the exhaust pipe 14 passes through the upstream catalyst 25 and then passes through the downstream catalyst 26. The air-fuel ratio control based on the output of the O2 sensor provided between the upstream and downstream catalysts optimizes the NOx purification rate more than the air-fuel ratio control based on the output of the O2 sensor provided downstream of the downstream catalyst. I know it is easy to maintain. Therefore, in the embodiment according to the present invention, the O2 sensor 17 is provided between the upstream and downstream catalysts. The O2 sensor 17 detects the oxygen concentration of the exhaust gas after passing through the upstream catalyst 25.
[0031]
Alternatively, an O 2 sensor may be provided downstream of the downstream catalyst 26. When the catalyst device 15 is realized by one catalyst, an O2 sensor is provided downstream of the catalyst device 15.
[0032]
FIG. 3 shows the purification behavior of the upstream catalyst and the downstream catalyst. Window 27 shows an air-fuel ratio region in which CO, HC and NOx are optimally purified. In the upstream catalyst 25, oxygen in the exhaust gas is consumed for the purification action, so the exhaust gas supplied to the downstream catalyst 26 has a reducing atmosphere (ie, a rich state) as indicated by the window 28. . In such a reducing atmosphere, a further amount of NOx is purified. Thus, the exhaust gas is exhausted in a clean state.
[0033]
The air-fuel ratio adaptive control according to the present invention allows the air-fuel ratio to be within the window 27 by converging the output of the O2 sensor 17 to the target value in order to maintain the purification performance of the catalyst 15 optimally.
[0034]
Reference numeral 29 exemplifies an allowable range for defining the limit of the operation amount of the air-fuel ratio in the adaptive air-fuel ratio control, and details thereof will be described later.
[0035]
Adaptive air-fuel ratio control
FIG. 4 shows a control block diagram of adaptive air-fuel ratio control. The exhaust system 19 is a system from the LAF sensor 16 to the O2 sensor 17 in FIG. The LAF sensor 16 detects the air-fuel ratio KACT of the exhaust gas supplied to the upstream catalyst 25. The O2 sensor 17 outputs the oxygen concentration of the exhaust gas purified by the upstream catalyst 25 as a voltage Vo2 / OUT.
[0036]
The output Vo2 / OUT of the O2 sensor 17 of the exhaust system 19 that is the control target (plant) is compared with the target value Vo2 / TARGET. Based on the comparison result, the controller 31 obtains the target air-fuel ratio deviation kcmd. The target air-fuel ratio deviation kcmd is added to the reference value FLAF / BASE to obtain the target air-fuel ratio KCMD. The fuel injection amount corrected by the target air-fuel ratio KCMD is supplied to the engine 1. Thereafter, the output Vo2 / OUT of the exhaust system O2 sensor 17 is detected again.
[0037]
In this way, the controller 31 performs feedback control for obtaining the target air-fuel ratio KCMD so that the output Vo2 / OUT of the O2 sensor 17 converges to the target value Vo2 / TARGET. The exhaust system 19 to be controlled can be modeled as shown in Expression (1), where the output is Vo2 / OUT and the input is the output KACT of the LAF sensor. The exhaust system 19 is modeled as a discrete time system model. The discrete time system model makes the air-fuel ratio control algorithm simple and suitable for computer processing. k is an identifier for identifying a cycle.
[0038]
[Expression 1]

[0039]
Vo2 represents a deviation (hereinafter referred to as a sensor output deviation) of the output value Vo2 / OUT of the O2 sensor 17 with respect to the target value Vo2 / TARGET, as shown in Expression (1). The actual air-fuel ratio deviation kact indicates the deviation of the LAF sensor output KACT from the reference value FLAF / BASE (kact = KACT−FLAF / BASE). The air-fuel ratio reference value FLAF / BASE is sequentially set in each control cycle, as will be described later.
[0040]
d1 indicates the dead time that the exhaust system 19 has. The dead time d1 indicates the time required for the air-fuel ratio detected by the LAF sensor 16 to be reflected in the output of the O2 sensor 17. a1, a2 and b1 are model parameters and are generated by an identifier described later.
[0041]
On the other hand, a system for operating an air-fuel ratio composed of the engine 1 and the ECU 5 can be modeled as shown in Expression (2). The target air-fuel ratio deviation kcmd indicates a deviation of the target air-fuel ratio KCMD from the reference value FLAF / BASE (kcmd = KCMD−FLAF / BASE). d2 represents a dead time in the air-fuel ratio operation system. The dead time d2 indicates the time required for the calculated target air-fuel ratio KCMD to be reflected in the output KACT of the LAF sensor 16.
[0042]
[Expression 2]

[0043]
FIG. 5 shows a more detailed block diagram of the controller 31 shown in FIG. The controller 31 includes an identifier 32, an estimator 33, a sliding mode controller 34, a limiter 35, and a reference value setting unit 36.
[0044]
The identifier 32 identifies the model parameters a1, a2, and b1 in the equation (1) so as to eliminate the modeling error. The identification method implemented by the identifier 32 is shown below.
[0045]
Using model parameters a1 (k−1), a2 (k−1) and b1 (k−1) calculated in the previous control cycle (hereinafter these parameters are referred to as a1 (k−1) hat, a2 (k -1) hat and b1 (k-1) hat), according to equation (1), the sensor output deviation Vo2 (k) for the current cycle (hereinafter referred to as sensor output deviation Vo2 (k) hat) Obtain according to (3).
[0046]
[Equation 3]

[0047]
Expression (4) is an identification error id / e (k) between the sensor output deviation Vo2 (k) hat calculated in Expression (3) and the sensor output deviation Vo2 (k) actually detected in the current control cycle. ).
[0048]
[Expression 4]

[0049]
The identifier 32 calculates a1 (k) hat, a2 (k) hat, and b1 (k) hat in the current cycle so as to minimize the identification error id / e (k). Here, a vector Θ is defined as shown in Equation (5).
[0050]
[Equation 5]

[0051]
The identifier 32 obtains a1 (k) hat, a2 (k) hat, and b1 (k) hat according to Equation (6). As shown in the equation (6), the a1 (k−1) hat, a2 (k−1) hat, and b1 (k−1) hat determined in the previous control cycle are represented by the identification error id / e (k ) To obtain a1 (k) hat, a2 (k) hat, and b1 (k) hat in the current control cycle.
[0052]
[Formula 6]

[0053]
The estimator 33 estimates the sensor output deviation Vo2 after the dead time d (= d1 + d2) in order to compensate for the dead time d1 of the exhaust system 19 and the dead time d2 of the system that operates the air-fuel ratio.
[0054]
First, by substituting the model equation (2) of the system for operating the air-fuel ratio into the exhaust system model equation (1), the equation (7) is derived.
[0055]
[Expression 7]

[0056]
The model formula shown by Formula (7) expresses the system which combined the exhaust system 19 and the system which operates said air fuel ratio. By using Expression (7), an estimated value Vo2 (k + d) bar of the sensor output deviation Vo2 (k + d) after the dead time d is obtained as shown in Expression (8). The coefficients α1, α2, and βj are calculated using the model parameters calculated by the identifier 32. The past time-series data kcmd (k−j) (where j = 1, 2,... D) of the target air-fuel ratio deviation includes the target air-fuel ratio deviation acquired during the length of the dead time d. .
[0057]
[Equation 8]

[0058]
Past values kcmd (k−d2), kcmd (k−d2−1),... Of the air-fuel ratio deviation kcmd before the dead time d2. . . The value of kcmd (k−d) is calculated from the deviation outputs kac (k), kact (k−1),. . . It can be replaced with kact (k−d + d2). As a result, Expression (9) is obtained.
[0059]
[Equation 9]

[0060]
The sliding mode controller 34 sets the switching function σ as shown in Expression (10) in order to execute the sliding mode control.
[0061]
[Expression 10]

[0062]
Here, Vo2 (k−1) represents the sensor output deviation detected in the previous cycle as described above. Vo2 (k) indicates the sensor output deviation detected in the current cycle. s is a setting parameter for the switching function σ, and is set to satisfy −1 <s <1.
[0063]
The equation with the switching function σ (k) = 0 is called an equivalent input system, and defines the convergence characteristic of the sensor output deviation Vo2 that is the controlled variable. When σ (k) = 0, the expression (10) can be transformed as the following expression (11).
[0064]
## EQU11 ##

[0065]
Here, the characteristics of the switching function σ will be described with reference to FIG. 6 and Equation (11). FIG. 6 shows the expression (11) as a line 41 on the phase plane with the vertical axis Vo2 (k) and the horizontal axis Vo2 (k−1). This line 41 is called a switching straight line. Assume that an initial value of a state quantity (Vo2 (k−1), Vo2 (k)) composed of a combination of Vo2 (k−1) and Vo2 (k) is represented by a point 42. The sliding mode control operates to place the state quantity represented by the point 42 on the switching straight line 41 and restrain it on the straight line 41. According to the sliding mode control, by maintaining the state quantity on the switching straight line 41, the state quantity can be converged to the origin 0 on the phase plane very stably without being affected by disturbance or the like. In other words, the sensor output is robust against disturbances and modeling errors by constraining the state quantities (Vo2 (k−1), Vo2 (k)) to a stable system with no input shown in Equation (11). Vo2 / OUT can be converged to the target value Vo2 / TARGET.
[0066]
The switching function setting parameter s is a parameter that can be variably set. By adjusting the setting parameter s, the attenuation (convergence) characteristic of the sensor output deviation Vo2 can be specified.
[0067]
FIG. 7 is a graph showing an example of response designation characteristics of sliding mode control. A graph 43 shows a case where the value of s is “−1”, a graph 44 shows a case where the value of s is “−0.8”, and a graph 45 shows a case where the value of s is “−0.5”. The case is shown. As is apparent from the graphs 43 to 45, the convergence speed of the sensor output deviation Vo2 changes according to the value of s. The smaller the absolute value of s, the faster the convergence speed.
[0068]
Three control inputs are determined so that the value of the switching function σ is zero. That is, the control input Ueq for constraining the state quantity on the switching line, the control input Urch for placing the state quantity on the switching line, and the state quantity on the switching line while suppressing modeling errors and disturbances. The control input Uadp is calculated. A sum of these three control inputs Ueq, Urch and Uadp is calculated to obtain a required deviation Usl for calculating the air-fuel ratio deviation kcmd.
[0069]
Since the equivalent control input Ueq is an input for constraining the state quantity on the switching straight line, the condition is that the equation (12) is satisfied.
[0070]
[Expression 12]

[0071]
Therefore, the equivalent control input Ueq for setting σ (k + 1) = σ (k) is calculated as in Expression (13) from Expressions (7) and (10).
[0072]
[Formula 13]

[0073]
The reaching law input Urch having a value corresponding to the value of the switching function σ is calculated according to the equation (14). In this embodiment, the reaching law input Urch has a value proportional to the value of the switching function σ. Krch represents the feedback gain of the reaching law, which is determined in advance based on a simulation or the like in consideration of the stability of convergence to the switching line σ = 0, the quick response, and the like.
[0074]
[Expression 14]

[0075]
An adaptive law input Uadp having a value corresponding to the integrated value of the switching function σ is calculated according to the equation (15). In this embodiment, the adaptive law input Uadp has a value proportional to the integrated value of the switching function σ. Kadp represents the feedback gain of the adaptive law, which is determined in advance based on simulation or the like in consideration of the stability of convergence to the switching line σ = 0, the quick response, and the like. ΔT indicates the period of the control cycle.
[0076]
[Expression 15]

[0077]
Since the sensor output deviations Vo2 (k + d) and Vo2 (k + d−1) and the value σ (k + d) of the switching function are predicted values in which the dead time d is taken into account, they cannot be obtained directly. Therefore, the equivalent control input Ueq is obtained by using the estimated deviation Vo2 (k + d) bar and Vo2 (k + d−1) bar obtained by the estimator 33.
[0078]
[Expression 16]

[0079]
In addition, the switching function σ bar is calculated using the estimated deviation calculated by the estimator 33 as shown in the equation (17).
[0080]
[Expression 17]

[0081]
The reaching law input Urch and the adaptive law input Uadp are calculated using the switching function σ bar.
[0082]
[Formula 18]

[0083]
[Equation 19]

[0084]
As shown in Expression (20), the equivalent control input Ueq, the reaching law input Urch, and the adaptive law input Uadp are added to obtain the required deviation Usl.
[0085]
[Expression 20]

[0086]
The limiter 35 performs limit processing on the required deviation Usl to obtain an air-fuel ratio deviation kcmd. Specifically, the limiter 35 sets the required deviation Usl as the air-fuel ratio deviation kcmd if the required deviation Usl is within the allowable range. When the required deviation Usl deviates from the allowable range, the upper limit value or lower limit value of the allowable range is set to the air-fuel ratio deviation kcmd.
[0087]
As shown by reference numeral 29 in FIG. 3, the allowable range used in the limiter 35 is set to a wider range including the window 27 as a substantial center. This allowable range moves actively according to the required deviation Usl, the operating state, and the like. In addition, this allowable range is sufficient to quickly return to the optimal state when the purification capacity of the catalyst deviates from the optimal state of the window 27 while suppressing the combustion fluctuation of the engine due to the fluctuation of the air-fuel ratio. With width. Therefore, the catalyst purification rate in the transient state can be kept high, and harmful exhaust gas components can be reduced.
[0088]
Specifically, the allowable range is variably updated according to the calculated required deviation Usl. For example, the allowable range is expanded according to the deviation amount of the required deviation Usl from the allowable range. Alternatively, when the required deviation Usl is within the allowable range, the allowable range is reduced. In this way, an allowable range suitable for the required deviation Usl that defines the air-fuel ratio required to converge the output of the O2 sensor 17 to the target value is set.
[0089]
Furthermore, the allowable range is set narrower as the output of the O2 sensor 17 is more unstable. Further, the allowable range may be set according to the operation state including the time of start-up, the idling operation state, and when the fuel cut is released.
[0090]
The target air-fuel ratio KCMD is obtained by adding the obtained air-fuel ratio deviation kcmd to the reference value FLAF / BASE. By giving the target air-fuel ratio KCMD to the exhaust system 19 that is a control target, the output Vo2 / OUT of the O2 sensor can be converged to the target value Vo2 / TARGET.
[0091]
The reference value setting unit 36 updates the reference value FLAF / BASE of the target air-fuel ratio KCMD and the actual air-fuel ratio KACT based on the adaptive law input Uadp. The update is performed when a predetermined condition is satisfied.
[0092]
FIG. 8 shows an example of updating the reference value FLAF / BASE. The reference value FLAF / BASE is the sum of the fixed component flaf / base and the variable component flaf / adp. The fixed component flaf / base has a fixed value (for example, a theoretical air-fuel ratio value). The variable component flaf / adp is determined based on the adaptive law input Uadp and is called a learning value. The initial value of the variable component flaf / adp is, for example, zero.
[0093]
As shown in periods T1, T3, and T5, when adaptive law input Uadp is between upper limit value NRH and lower limit value NRL, reference value FLAF / BASE is maintained. As shown in the period T2, when the adaptive law input Uadp is larger than the upper limit value NRH, the learning value flaf / adp is increased by a predetermined value Δflaf1 in each control cycle. The increased learning value flaf / adp is added to a predetermined fixed value flaf / base to obtain a reference value FLAF / BASE.
[0094]
As shown in the period T4, when the adaptive law input Uadp is smaller than the lower limit value NRL, the learning value flaf / adp is decreased by a predetermined value Δflaf1 in each control cycle. The reduced learning value flaf / adp is added to a predetermined fixed value flaf / base to obtain a reference value FLAF / BASE. Thus, the reference value FLAF / BASE is adjusted according to the adaptive law input Uadp.
[0095]
When a steady error is included between the actual air-fuel ratio and the target air-fuel ratio KCMD, the value of the adaptive law input Uadp finally corresponds to the learned value of the error. If the error learning value is relatively large, it may take time for the adaptive law input Uadp to converge to the error learning value. According to the present invention, by adjusting the reference value FLAF / BASE according to the adaptive law input Uadp, the adaptive law input Uadp can be set to a sufficiently small value near zero. In other words, the error can be absorbed by the reference value FLAF / BASE. As a result, the speed of convergence of the O2 sensor output Vo2 / OUT to the target value Vo2 / TARGET can be improved.
[0096]
Further, as shown in the above model equation (1), the exhaust system model is such that the actual air-fuel ratio KCAT is the reference value FLAF / BASE when the sensor output Vo2 / OUT is constantly converged to the target value Vo2 / TARGET. It is a model to become. Therefore, in the exhaust system model, the reference value FLAF / BASE should be the central value of the air-fuel ratio of the engine when the sensor output deviation Vo2 steadily converges to zero. By using the adaptive law input Uadp, it becomes possible to adjust the reference value to the central value of the air-fuel ratio necessary to converge the sensor output deviation Vo2 to the target value. As a result, the behavior of the exhaust system model can be well matched with the behavior of the actual exhaust system. Therefore, the accuracy of the estimated deviation Vo2 bar calculated by the estimator and the model parameter calculated by the identifier can be improved.
[0097]
The reference value FLAF / BASE is updated when a predetermined condition is satisfied. This condition will be described in detail below.
[0098]
Standard value FLAF / BASE Update
As described above, it is not preferable that the reference value FLAF / BASE is updated by the reference value setting unit 36 when the catalyst is deteriorated. According to the present invention, when the catalyst is deteriorated, updating of the reference value FLAF / BASE with the learned value flaf / adp is stopped.
[0099]
The inventor of the present application considered possible combinations of the sensor output deviation Vo2 / OUT and the switching function value σ when the catalyst is deteriorated. FIG. 9 shows an example of the combination. The two-dimensional coordinate space shown has a horizontal axis indicating the value of the sensor output deviation Vo2 and a vertical axis indicating the switching function value σ. Each of the plurality of points shown (for example, a point represented by reference numeral 61) is a point plotted based on the sensor output deviation Vo2 detected when the catalyst deteriorates and the switching function value σ. According to the knowledge of the present inventor, it has been found that these points mainly exist on the sides of a quadrilateral (for example, quadrilateral 64) centered on the point 63. The coordinates of the point 63 are (−FADPOR, 0). Here, FADPOR indicates a distance offset in the negative direction on the Vo2 axis.
[0100]
According to the knowledge of the present inventor, it has been found that the combination of the sensor output deviation Vo2 and the switching function σ when the catalyst is deteriorated does not exist in the ellipse 65 centered on the point 63. Therefore, when the ellipse 65 is defined and the combination of the sensor output deviation Vo2 and the switching function σ is within the ellipse 65, the reference value FLAF / BASE is allowed to be updated.
[0101]
The ellipse 65 is expressed by the following equation (21). Here, FADPA represents one diameter of the ellipse 65, and FADPA represents the other diameter of the ellipse 65.
[0102]
[Expression 21]

[0103]
When Expression (22) is established, the combination of the sensor output deviation Vo2 and the switching function σ is within the ellipse 65.
[0104]
[Expression 22]

[0105]
When Expression (22) is satisfied, the reference value FLAF / BASE is updated with the learning value flaf / adp. Thus, the reference value FLAF / BASE can be prevented from being updated when the catalyst is deteriorated.
[0106]
The reference value FLAF / BASE is preferably allowed to be updated when the combination of the sensor output deviation Vo2 and the switching function σ is within the ellipse 65 continuously for a predetermined period TMFADPD. The predetermined period TMFADPD can be, for example, several control cycles (2 to 3 cycles). Thereby, erroneous learning of the reference value FLAF / BASE when the catalyst is deteriorated can be more reliably suppressed.
[0107]
FIG. 10 is a detailed functional block diagram of the reference value setting unit 36. The stagnation determination unit 71 determines whether the output Vo2 / OUT of the O2 sensor is stagnation. If it is determined that the O2 sensor is stagnating for a predetermined period in either the rich side or the lean side, the stagnation determining unit 71 sets the reset flag F_RST to 1. After the reset flag F_RST is set to 1, if it is determined that the output of the O2 sensor is still stagnating for a predetermined period in the lean region, the stagnation determining unit 71 sets the lean flag F_LS to 1. . After the reset flag F_RST is set to 1, if it is determined that the output of the O2 sensor is still stagnating for a predetermined period in the rich region, the stagnation determining unit 71 sets the rich flag F_RS to 1. .
[0108]
If any of the reset flag, the lean flag, and the rich flag is not set by the stagnation determination unit 71, the update permission unit 72 determines whether to permit the update of the learning value. As described above, if the value OVFADP of the elliptic function is smaller than the value 1 over the predetermined period TMFADPD, the update permission unit 72 permits the learning value to be updated. The updating unit 73 updates the learning value flaf / adp according to the value of the adaptive law input Uadp.
[0109]
The reset unit 74 resets the learning value to a predetermined value when the reset flag F_RST is set to 1. When the lean flag F_LS is set to 1, the lean correction unit 75 corrects the learning value so that the O2 sensor output goes in the rich direction. When the rich flag F_RS is set to 1, the rich correction unit 76 corrects the learning value so that the O2 sensor output goes in the lean direction.
[0110]
The reference value calculation unit 77 adds the obtained learning value flaf / adp to the fixed component flaf / base (see FIG. 8) to obtain the reference value FLAF / BASE.
[0111]
The sensor output Vo2 / OUT may have a steady deviation over a predetermined period with respect to the target value. This may occur, for example, when a device related to fuel control such as a LAF sensor, an injector, or a Pb sensor is replaced. By providing the reset unit 74 that resets the learning value flaf / adp, learning of the learning value flaf / adp can be resumed so as to conform to the changed device configuration. In this way, it is possible to quickly return to an appropriate air-fuel ratio control and to quickly increase the catalyst purification rate. Furthermore, by providing the

correction units

75 and 76 for correcting the learning value flaf / adp, the stagnation state of the sensor output Vo2 / OUT can be reliably eliminated.
[0112]
In this embodiment, when the reset flag F_RST is set to 1, the correction by the

correction units

75 and 76 is performed. Alternatively, if it is determined that the output of the O2 sensor is stagnant without setting the reset flag, the correction may be performed.
[0113]
FIG. 11 shows transition of the sensor output Vo2 / OUT and the learning value flaf / adp in the embodiment provided with the resetting means and the correcting means. From time t1 to t2, the sensor output Vo2 / OUT is stagnant on the rich side. In the control cycle at time t2 to t3, it is determined that the sensor output Vo2 / OUT is stagnant over a predetermined period FAMLJUDC, and the reset flag F_RST is set to 1. When the reset flag F_RST is set to 1, the learning value flaf / adp is reset to a predetermined value (in this example, zero).
[0114]
In the control cycle at time t2 to t3, the sensor output Vo2 / OUT is still stagnant. In the control cycle at time t3 to t4, it is determined that the sensor output Vo2 / OUT is stagnant on the rich side for a predetermined period FAMLJUDC, and the rich flag F_RS is set to 1.
[0115]
When the rich flag F_RS is set to 1, the learning value flaf / adp is decreased by a predetermined value Δflaf2 in each control cycle. Thus, the learning value flaf / adp decreases from time t3 to t4. As the learning value flaf / adp decreases, the value of the target air-fuel ratio decreases. Since the target air-fuel ratio changes in the lean direction, the O2 sensor output can be changed from rich to lean. Thus, the stagnant state of the O2 sensor output is eliminated.
[0116]
FIG. 12 shows the sensor output deviation Vo2, the frequency at which the elliptic function value OVFADP, the elliptic function value OVFADP <1 is satisfied, and the update condition for the learning value flaf / adp when the catalyst is deteriorated, according to an embodiment of the present invention. The frequency and the transition of the learning value flaf / adp are shown. In the graph 83, a value 1 is expressed when OVFADP <1 is established, and a zero is expressed when it is not established. In the graph 84, the time when the learning condition is satisfied is represented by a value 1, and the time when the learning condition is not satisfied is represented by zero. If the condition of OVFADP <1 continues for a predetermined period TMFADPD, the learning condition is satisfied.
[0117]
A graph 85 represented by a solid line shows the transition of the learning value flaf / adp based on the learning condition. A graph 86 represented by a dotted line shown for comparison shows the transition of the learning value flaf / adp by the conventional method described above (see FIG. 16). A graph 87 shows the transition of the learning value flaf / adp when only “OCFADP <1” is used as a learning condition.
[0118]
As shown in the graph 83, a state where OVFADP <1 is satisfied is seen several times. However, by setting the establishment of the learning condition as “the state where OVFADP <1 continues for the predetermined period TMFADPD”, the frequency at which the learning condition is satisfied can be reduced to zero as shown in the graph 84. it can. In this case, as shown in the graph 85, the learning value flaf / adp is maintained at a constant value.
[0119]
As is apparent from comparison with the graph 86, according to the present invention, it is possible to prevent the learning value flaf / adp from being updated when the catalyst is deteriorated. Further, as apparent from comparison between the

graphs

85 and 87, the learning value flaf / adp can be more reliably prevented from being updated by including the predetermined period TMFADPD in the learning condition.
[0120]
Thus, when the catalyst is deteriorated, the update of the learning value flaf / adp is stopped, so that the deterioration detection of the catalyst can be stably performed.
[0121]
Air-fuel ratio control flow
FIG. 13 shows an air-fuel ratio control flow according to an embodiment of the present invention. In step S101, it is determined whether calculation of model parameters by the identifier is permitted. In step S102, the value of the flag F_IDCAL set to 1 when the operation by the identifier is permitted is checked. If F_IDCAL = 1, the process proceeds to step S103, and the model parameters a1, a2, and b1 are obtained according to the above-described equations (3) to (6). If F_IDCAL = 0, step S103 is skipped.
[0122]
In step S104, the sensor output deviation Vo2 bar is obtained according to the above-described equation (9) using the model parameter calculated in step S103.
[0123]
In step S105, the switching function [sigma] bar, the equivalent control input Ueq, the adaptive law input Uadp, and the reaching side input Urch are obtained according to the aforementioned equations (16) to (19). The control input Usl is obtained according to the equation (20).
[0124]
In step S106, as described above, the limiter 35 limits the control input Usl to obtain the target air-fuel ratio deviation kcmd. In step S107, the reference value FLAF / BASE is added to the target air-fuel ratio deviation kcmd obtained in step S106 to obtain the target air-fuel ratio KCMD. In step S108, a reference value FLAF / BASE is set.
[0125]
FIG. 14 is a flowchart for setting the reference value FLAF / BASE, which is performed in step S108 of FIG.
[0126]
In step S111, a routine (FIG. 15) for determining stagnant O2 sensor output is performed. In step S112, an elliptic function is defined as shown in the above equation (21), and the value OVFADP of the elliptic function is obtained.
[0127]
In step S113, it is determined whether the current control mode is a reduction mode for reducing the catalyst. Since the adaptive air-fuel ratio control is not performed in the reduction mode, the learning value flaf / adp is maintained (S114).
[0128]
If it is not the reduction mode in step S113, the process proceeds to step S115, and the value of the reset flag F_RST described above is examined. If F_RST = 1, the learning value flaf / adp is set to zero (S116).
[0129]
In step S117, the above-described lean flag F_LS is checked. If F_LS = 1, the learning value flaf / adp is increased by a predetermined value Δflaf2 (S118). By increasing the learning value flaf / adp, the target air-fuel ratio KCMD is changed in the rich direction. Thereby, the stagnation of the O2 sensor output can be solved.
[0130]
In step S119, the value of the aforementioned rich flag F_RS is checked. If F_RS = 1, the learning value flaf / adp is reduced by a predetermined value Δflaf2 (S120). By reducing the learning value flaf / adp, the target air-fuel ratio KCMD is changed in the lean direction. Thereby, the stagnation of the O2 sensor output can be solved.
[0131]
In step S121, it is checked whether the value of the elliptic function OVFADP is smaller than 1. If OVFADP ≧ 1, a predetermined value TMFADPD is set in the timer (S122), and the learning value flaf / adp is maintained (S114).
[0132]
If OVFADP <1, it is checked in step S122 if the value of the timer for which TMFADPD was set in step S122 is zero. If not zero, the learning value flaf / adp is maintained (S114). If zero, OVFADP <1 over the predetermined period TMFADPD, thus indicating that the learning condition has been met.
[0133]
In step S124, if Uadp <predetermined value NRL, the learning value flaf / adp is reduced by a predetermined value Δflaf1. If Uadp> predetermined value NRH in step S126, the learning value flaf / adp is increased by a predetermined value Δflaf1. If NRL ≦ Uadp ≦ NRH, the learning value flaf / adp is not updated and maintained (S128). Here, Δflaf1> Δflaf2.
[0134]
In step S129, the learning value flaf / adp is added to the fixed component flaf / base to obtain the reference value FLAF / BASE.
[0135]
In this way, when OVFADP <1, and the predetermined period TMFADPD has elapsed, the learning value flaf / adp is updated, so that it is possible to reliably prevent the learning value flaf / adp from being updated when the catalyst is deteriorated. Can do.
[0136]
FIG. 15 is a flowchart illustrating processing for determining whether or not the output of the O2 sensor is stagnant, which is performed in step S <b> 111 of FIG. 14. In step S131, it is determined whether the sensor output is stagnant on the rich side. If the determination in step S131 is yes, the rich counter cfamlr is incremented (S132), and the value of the lean counter cfamll is maintained (S133).
[0137]
In step S134, it is determined whether the sensor output is stagnant on the lean side. If the determination in step S134 is Yes, the value of the rich counter cfamlr is maintained (S135), and the lean counter cfamll is incremented (S136).
[0138]
If the determinations in both steps S131 and S134 are No, the values of the rich counter cfamlr and the lean counter cfamll are maintained (S137 and S138). In step S139, the time counter cfamjd that measures the stagnation period of the sensor output Vo2 / OUT is incremented by one.
[0139]
In step S141, the rich counter cfamlr is divided by the time counter cfamjd to obtain the rich stagnation rate FAMRAR. FAMRAR indicates a ratio of a period in which the sensor output Vo2 / OUT is stagnant on the rich side with respect to the period cfamjd. When the value of the rate FAMRAR is large, it can be determined that the sensor output stays on the rich side for a relatively long time.
[0140]
In step S142, the lean counter cfamll is divided by the time counter cfamjd to obtain the lean stagnation rate FAMRAL. FAMRAL indicates a ratio of a period in which the sensor output Vo2 / OUT is stagnant on the lean side with respect to the period cfamjd. When the value of the rate FAMRAL is large, it can be determined that the sensor output stays on the lean side for a relatively long time.
[0141]
In step S143, it is determined whether or not the time counter cfamjd is larger than the predetermined period FAMLJUDC. If cfamjd ≦ FAMLJUDC, exit the routine as it is. If cfamjd> FAMLJUDC, it indicates that the stagnation period has continued for a predetermined period of FAMLJUDC. Proceeding to step S145, it is determined whether the rich stagnation rate FAMRAR obtained at step S141 is greater than a predetermined value FAMLJUDR. If this determination is Yes, it indicates that the sensor output Vo2 / OUT is stagnant on the rich side for a predetermined period FAMLJUDC. In step S146, the value of the flag F_FAMR is checked. If F_FAMR = 1, it is determined that the sensor output is stagnant in the previous control cycle (that is, the reset flag is set). In step S147, the values of the flag F_FAMR and the rich flag F_RS are set to 1, and the values of the other flags are set to zero.
[0142]
If the determination in step S146 is No, it indicates that it was not determined that the sensor output is stagnant in the previous control cycle. In step S148, the values of the flag F_FAMR and the reset flag F_RST are set to 1.
[0143]
If the determination in step S145 is No, it is determined in step S149 whether the lean stagnation rate FAMRAL is greater than a predetermined value FAMLJUDL. If this determination is Yes, it indicates that the sensor output Vo2 / OUT is stagnant on the lean side for a predetermined period FAMLJUDC. In step S150, the value of the flag F_FAML is checked. If F_FAML = 1, it indicates that the sensor output is determined to be stagnant in the previous control cycle. In step S151, the values of the flag F_FAML and the lean flag F_LS are set to 1, and the values of the other flags are set to zero.
[0144]
If the determination in step S150 is No, it indicates that it was not determined that the sensor output was stagnant in the previous control cycle. In step S152, the values of the flag F_FAML and the reset flag F_RST are set to 1.
[0145]
If the determinations in steps S145 and S149 are No, in step S153, all the flags are set to zero. In step S154, the rich counter cfamlr, the lean counter cfamll, and the time counter cfamjd are reset to zero.
[0146]
In this specification, an example in which adaptive air-fuel ratio control is performed using sliding mode control has been described. However, the present invention can also be applied to the case where the adaptive air-fuel ratio control is performed using another response assignment type control.
[0147]
The present invention can also be applied to a marine vessel propulsion engine such as an outboard motor having a vertical crankshaft.
[0148]
【The invention's effect】
In a state where the catalyst has deteriorated, it is possible to prevent the process of updating the reference value serving as the reference of the air-fuel ratio.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically showing an internal combustion engine and a control device thereof according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing an arrangement of a catalyst device and an exhaust gas sensor according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing an overview of air-fuel ratio control according to one embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a control block diagram of air-fuel ratio control according to one embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a detailed functional block diagram of a controller according to one embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram schematically showing a switching straight line in response assignment control according to one embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing response characteristics in response designation type control according to one embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a transition of a reference value according to an adaptive law input according to one embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram for explaining a reference value update condition according to one embodiment of the present invention;
FIG. 10 is a functional block diagram of a reference value setting unit according to one embodiment of the present invention.
FIG. 11 is a diagram showing operations of the reset unit and the correction unit according to one embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a diagram showing an exhaust gas sensor output deviation, an elliptic function value, a learning condition establishment frequency, and a learning value transition according to one embodiment of the present invention;
FIG. 13 is a diagram showing an air-fuel ratio control flow according to one embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a flowchart showing reference value setting processing according to one embodiment of the present invention;
FIG. 15 is a flowchart showing a process for determining stagnant exhaust gas sensor output according to one embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a diagram showing an exhaust gas sensor output deviation, a switching function value, a stability determination parameter, a learning condition establishment frequency, and a learning value transition in a state in which a catalyst is deteriorated according to conventional air-fuel ratio control.
[Explanation of symbols]
1 engine
5 ECU
14 Exhaust pipe
15 Catalytic device
16 LAF sensor
17 O2 sensor
25 Upstream catalyst

Claims

An air-fuel ratio control apparatus for an internal combustion engine that controls an air-fuel ratio,
An operation amount calculation means for obtaining an operation amount for operating the air-fuel ratio so that the output of the exhaust gas sensor arranged in the exhaust pipe converges to a target value using a switching function;
Target air-fuel ratio calculating means for adding the manipulated variable to a reference value to obtain a target air-fuel ratio;
Defining a function representing an ellipse having the value of the switching function and the output of the exhaust gas sensor as variables, and an elliptic function calculating means for obtaining a value of the function representing the ellipse;
Permission means for judging whether or not to update the reference value according to the value of the function representing the ellipse;
Means for updating the reference value based on an integrated value of the switching function if the permission means permits the update of the reference value;
An air-fuel ratio control device comprising:

The air-fuel ratio control apparatus according to claim 1, wherein the center of the ellipse represented by the function representing the ellipse is offset by a predetermined amount in the direction of the output of the exhaust gas sensor.

3. The air-fuel ratio control apparatus according to claim 1, wherein the permission unit permits the update of the reference value if the value of the elliptic function is smaller than a predetermined value over a predetermined time.

The air-fuel ratio control apparatus according to any one of claims 1 to 3, further comprising means for resetting the reference value if it is determined that the output of the exhaust gas sensor is stagnant.

If it is determined that the output of the exhaust gas sensor is stagnant on the rich side, means for correcting the reference value so that the target air-fuel ratio is in the lean direction;
If it is determined that the output of the exhaust gas sensor is stagnant on the lean side, the means for correcting the reference value so that the target air-fuel ratio is in the rich direction;
The air-fuel ratio control apparatus according to any one of claims 1 to 4, further comprising: