JP3957180B2 - デシメーションフィルタを用いた内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、内燃機関の排気系に設けられた排ガスセンサの出力に基づいて空燃比を制御する制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
内燃機関の排気系には、触媒装置が設けられている。触媒装置は、内燃機関に供給される混合気の空燃比がリーンのとき、排気ガス中に存在する過剰の酸素でHCおよびCOを酸化し、空燃比がリッチのとき、HCおよびCOによってNoxを還元する。空燃比が理論空燃比領域にあるとき、HC、COおよびNoxが同時にかつ効果的に浄化される。
【0003】
触媒装置の下流には、排ガスセンサが設けられる。排ガスセンサは、排気系に排気されたガス中の酸素濃度を検出する。排ガスセンサの出力に基づいて、内燃機関の空燃比のフィードバック制御が実施される。
【0004】
空燃比のフィードバック制御の一例として、特開平11−153051公報には、切換関数を設定する応答指定型制御が提案されている。この制御は、該切換関数の値をゼロに収束することによって、排ガスセンサの出力を所定の目標値に収束させる。排ガスセンサの出力を所定の目標値に収束させるための操作量(目標空燃比)が算出される。該操作量に応じて、内燃機関への燃料供給量が制御される。操作量の算出には、排ガスセンサの出力と、触媒装置の上流に設けられた空燃比(LAF)センサの出力が用いられる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
最近、触媒劣化を検知する精度を安定化させるため、およびNox排出量を低減させるため、排ガスセンサの素子の応答性を速める傾向にある。素子の応答を速めた排ガスセンサの出力には、ケミカルノイズと呼ばれる高周波成分が混入することがある。このケミカルノイズの影響により、排ガスセンサの出力に基づいて算出される目標空燃比に振動が生じ、触媒に流入する排ガスの空燃比に大きな変動を引き起こすことがある。これは、触媒浄化率を低下させるおそれがある。
【0006】
一方、内燃機関および触媒を保護するために、空燃比をリッチ化することがある。リッチ化によるCOの排出量を低減するために、リッチ化される空燃比を閉ループで制御したいという要望がある。さらに、燃費の向上のために空燃比をリーン化する運転状態において、リーン化される空燃比を閉ループで制御したいという要望もある。これらの要望に応えるため、空燃比を検出するLAFセンサの検知レンジを拡大させる傾向がある。
【0007】
しかしながら、LAFセンサからのアナログ信号をデジタル信号に変換するA/D変換器の性能の限界により、LAFセンサによって検出される実空燃比の分解能に限界が生じる。この分解能の限界は、空燃比フィードバック制御における、目標空燃比に対する実空燃比の追従精度を低下させるおそれがある。さらに、実空燃比に対応して決定されるモデルパラメータの同定精度を低下させるおそれがある。これらの精度の低下により、触媒の浄化率が低下する。
【0008】
【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、排ガスの空燃比を制御する内燃機関の制御装置は、排ガスの濃度を検出する第1の排ガスセンサと、該第1の排ガスセンサの出力に接続されたデシメーションフィルタと、該デシメーションフィルタから出力された値が目標値に収束するよう、排ガスの空燃比を操作する操作量を決定する操作量決定手段を備える。デシメーションフィルタは、上記操作量を算出する周期よりも速い周期で、第1の排ガスセンサの出力をオーバーサンプリングし、オーバーサンプリングしたサンプル値をローパスフィルタによって平滑し、平滑されたサンプル値を、操作量を算出する周期でリサンプリングし、リサンプリングされた値を出力するよう構成される。
【0009】
この発明によると、応答性を向上させた排ガスセンサの出力に生じるおそれのあるケミカルノイズを除去することができるので、良好な精度で空燃比制御を実施することができる。
【0010】
この発明の他の側面によると、排ガスの空燃比を制御する内燃機関の制御装置は、排気管の触媒装置の下流側に設けられ、排ガスの濃度を検出する第1の排ガスセンサと、該触媒装置の上流側に設けられ、排ガスの空燃比を検出する第2の排ガスセンサと、該第2の排ガスセンサの出力に接続されたデシメーションフィルタと、該デシメーションフィルタから出力された値を用いて、該第1の排ガスセンサの出力が目標値に収束するよう、空燃比を操作する操作量を決定する手段とを備える。デシメーションフィルタは、該操作量を算出する周期よりも速い周期で、第2の排ガスセンサの出力をオーバーサンプリングし、オーバーサンプリングしたサンプル値をローパスフィルタによって平滑し、平滑されたサンプル値を、操作量を算出する周期でリサンプリングし、リサンプリングされた値を出力するよう構成される。
【0011】
この発明によると、デシメーションフィルタを用いることにより、第2の排ガスセンサの分解能未満の出力の挙動を推定することができる。第2の排ガスセンサにおいて不足する分解能が補われので、空燃比制御の制御性能および安定性を向上させることができる。
【0012】
この発明の一実施形態によると、空燃比を操作する操作量は、応答指定型制御によって決定される。応答指定型制御により、第1の排ガスセンサの出力を、安定的かつ迅速に目標値に収束させることができる。
【0013】
この発明の他の実施形態によると、空燃比を操作する操作量は、ΔΣ変調、Δ変調、およびΣΔ変調アルゴリズムのいずれかを用いた制御によって決定される。これらのアルゴリズムを用いた制御を実施することにより、空燃比を操作する際の精度が低い場合や制御対象における応答遅れが大きい場合でも、第1の排ガスセンサの出力を安定的に目標値に収束させることができる。
【0014】
この発明の一実施形態によると、制御対象は、触媒装置と第1の排ガスセンサとを含む排気系である。排気系におけるむだ時間は、第1の排ガスセンサの出力に接続されたデシメーションフィルタから出力された値に基づいて決定される。排気系におけるむだ時間が補償されるよう、第1の排ガスセンサの出力の推定値が算出される。排気系に進入する排ガスの空燃比を操作する操作量は、該推定値に基づいて決定される。他の実施形態においては、排気系におけるむだ時間は、第2の排ガスセンサの出力に接続されたデシメーションフィルタから出力された値に基づいて決定される。
【0015】
この発明によると、排気系におけるむだ時間を、デシメーションフィルタ処理によって生じるむだ時間を考慮したものとして求めることができるので、第1の排ガスセンサの出力の推定値が、振動的または不安定になることが防止される。よって、第1の排ガスセンサの出力を安定かつ迅速に目標値に収束させることができる。
【0016】
この発明の一実施形態によると、制御対象は、さらに、空燃比を操作する操作量を決定する手段から、内燃機関を経て触媒装置の前に設けられた第2の排ガスセンサまでの空燃比操作系を含む。空燃比操作系におけるむだ時間が、第1の排ガスセンサの出力に接続されたデシメーションフィルタから出力された値に基づいて決定される。排気系のむだ時間および空燃比操作系のむだ時間が補償されるよう推定値が算出される。他の実施形態においては、空燃比操作系におけるむだ時間は、第2の排ガスセンサの出力に接続されたデシメーションフィルタから出力された値に基づいて決定される。排気系および空燃比操作系の両方のむだ時間を考慮することにより、第1の排ガスセンサの出力を、安定的に目標値に収束させることができる。
【0017】
この発明の一実施形態によると、制御装置は、操作量を決定する際に用いられる、排気系の動特性の変化およびバラツキなどの状態変化に空燃比操作を適合させるためのパラメータを算出する。パラメータの算出は、第1の排ガスセンサの出力に接続されたデシメーションフィルタから出力された値に基づいて行われる。他の実施形態においては、該パラメータは、第2の排ガスセンサの出力に接続されたデシメーションフィルタから出力された値に基づいて算出される。この発明によると、良好な精度でパラメータを算出することができるので、第1の排ガスセンサの出力を安定かつ迅速に目標値に収束させることができる。
【0018】
この発明の一実施形態によると、ローパスフィルタのカットオフ周波数は、触媒装置の故障検知において使用する周波数よりも高い周波数に設定される。こうして、触媒装置の故障検知の精度を低下させることなく、安定した空燃比制御を実施することができる。
【0019】
【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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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領域において、排気ガス中の酸素濃度をリニアに検出する。検出された酸素濃度は、ECU5に送られる。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
第1の実施例に従う適応空燃比制御モード
図4は、第1の実施例に従う適応空燃比制御の制御ブロック図を示す。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。
【0037】
O2センサ17の出力Vo2/OUTは、第1のデシメーションフィルタ36に渡される。第1のデシメーションフィルタ36は、O2センサ17の出力Vo2/OUTをオーバーサンプリングし、ローパスフィルタでフィルタリングし、ダウンサンプリングし、サンプル値Vo2_dfを出力する。サンプル値Vo2_dfは、目標値Vo2/TARGETと比較される。サンプル値Vo2_dfと目標値Vo2/TARGETの偏差Vo2が、制御器31に供給される。
【0038】
適応空燃比制御の制御対象(プラント)は、LAFセンサ16から上流触媒25を通ってO2センサ17までの排気系19である。制御器31は、偏差Vo2に基づいて、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、O2センサ17の出力Vo2/OUTが再び検出される。
【0039】
このように、制御器31は、偏差Vo2がゼロになるよう目標空燃比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。
【0040】
【数1】
【0041】
kはサイクルを識別する識別子である。センサ出力偏差Vo2’は、O2センサ出力Vo2/OUTの目標値Vo2/TARGETに対する偏差を示す。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。空燃比の基準値FLAF/BASEは、目標空燃比KCMDの中心的な値となるよう設定され、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。
【0042】
d3は、排気系19におけるむだ時間を示す。むだ時間d3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。
【0043】
O2センサ出力Vo2/OUTと、第1のデシメーションフィルタの出力Vo2_dfの関係は、式(2)のように表される。
【0044】
【数2】
【0045】
d5は、第1のデシメーションフィルタ36におけるむだ時間を示す。むだ時間d5は、O2センサ出力Vo2/OUTがオーバーサンプリングされ、ローパスフィルタによってフィルタリングされ、ダウンサンプリングされるのに要する時間を示す。むだ時間d5は、たとえば1制御サイクルである(すなわち、d5=1)。
【0046】
排気系19および第1のデシメーションフィルタ36を合わせた系は、式(1)および(2)から、式(3)のように求めることができる。
【0047】
【数3】
【0048】
このように、第1のデシメーションフィルタ36を設けることで、排気系におけるむだ時間が増える。
【0049】
一方、エンジン1およびECU5からなる空燃比を操作する系18は、式(4)のようにモデル化されることができる。
【0050】
【数4】
【0051】
目標空燃比偏差kcmdは、基準値FLAF/BASEに対する目標空燃比KCDMの偏差を示す。d2は、該空燃比を操作する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。
【0052】
空燃比を操作する系18を、適応空燃比制御の制御対象に含めてもよい。この場合の制御対象のモデル式は、式(3)および(4)に基づいて式(5)のように表現される。むだ時間dは、空燃比を操作する系18、排気系19および第1のデシメーションフィルタ36から成る系のむだ時間の総和である。第1のデシメーションフィルタ36を設けることで、むだ時間は増える。
【0053】
【数5】
【0054】
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コントローラ34およびリミッタ35を備える。
【0055】
同定器32は、式(3)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。
【0056】
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(3)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(6)に従って求める。
【0057】
【数6】
【0058】
式(7)は、式(6)で算出されたセンサ出力偏差Vo2(k)ハットと、今回の制御サイクルで実際に検出されたセンサ出力偏差Vo2(k)との偏差id/e(k)を示す。
【0059】
【数7】
【0060】
同定器32は、偏差id/e(k)を最小にするように、今回のサイクルにおけるa1(k)ハット、a2(k)ハットおよびb1(k)ハットを算出する。ここで、式(8)に示されるようにベクトルΘを定義する。
【0061】
【数8】
【0062】
同定器32は、式(9)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(9)に示されるように、前回の制御サイクルで決定されたa1(k)ハット、a2(k)ハットおよびb1(k)ハットを、偏差id/e(k)に比例する量だけ変化させることにより、今回の制御サイクルにおけるa1(k)ハット、a2(k)ハットおよびb1(k)ハットを求める。
【0063】
【数9】
【0064】
推定器33は、排気系19のむだ時間d1および空燃比操作系のむだ時間d2を補償するため、式(5)に示されるモデル式に基づき、むだ時間d(=d1+d2)後のセンサ出力偏差Vo2を推定する。式(5)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(10)のようにして求められる。係数α1、α2およびβjは、同定器72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。
【0065】
【数10】
【0066】
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(11)が得られる。
【0067】
【数11】
【0068】
スライディングモードコントローラ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(12)のように設定する。
【0069】
【数12】
【0070】
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。
【0071】
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)は以下の式(13)のように変形することができる。
【0072】
【数13】
【0073】
ここで、図6および式(13)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(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、外乱等の影響されることなく、極めて安定的に位相平面上の原点0に収束させることができる。言い換えると、状態量(Vo2(k-1), Vo2(k))を、式(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偏差Vo2をゼロに収束させることができる。
【0074】
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。
【0075】
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。
【0076】
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。
【0077】
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(14)を満たすことが条件となる。
【0078】
【数14】
【0079】
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(4)、(5)および(12)から、式(15)のように算出される。
【0080】
【数15】
【0081】
切換関数σの値に応じた値を持つ到達則入力Urchを、式(16)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。
【0082】
【数16】
【0083】
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(17)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。
【0084】
【数17】
【0085】
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。
【0086】
【数18】
【0087】
また、推定器33によって算出された推定偏差を用いて、式(19)に示されるように切換関数σバーが算出される。
【0088】
【数19】
【0089】
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。
【0090】
【数20】
【0091】
【数21】
【0092】
式(22)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。
【0093】
【数22】
【0094】
リミッタ35は、要求偏差Uslに対してリミット処理を行い、目標空燃比偏差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。
【0095】
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。
【0096】
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。
【0097】
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。
【0098】
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、センサ出力偏差Vo2をゼロに収束させることができる。
【0099】
代替の実施形態においては、空燃比の基準値FLAF/BASEは、リミッタ35によるリミット処理が終了した後、スライディングモード制御器34によって算出される適応則入力Uadpに応じて可変に更新される。具体的には、基準値FLAF/BASEは、初期値として理論空燃比が設定される。適応則Uadpが予め決められた上限値を超えているならば、基準値FLAF/BASEは所定量だけ増やされる。適応則Uadpが予め決められた下限値を下回っているならば、基準値FLAF/BASEは所定量だけ減らされる。適応則Uadpが上限値および下限値の間にあれば、基準値FLAF/BASEは更新されない。更新されたFLAF/BASEは、次回のサイクルにおいて用いられる。こうして、基準値FLAF/BASEは、目標空燃比KCMDの中心的な値となるよう調整される。
【0100】
基準値FLAF/BASEの更新処理を上記のリミット処理と組み合わせることにより、要求偏差Uslの許容範囲が正負にバランスされる。基準値FLAF/BASEの更新処理は、O2センサ出力Vo2/OUTが目標値Vo2/TARGETにほぼ収束し、スライディングモード制御が安定状態にあると判断されたときに行われるのが好ましい。
【0101】
第1のデシメーションフィルタ
図8は、第1のデシメーションフィルタ36のブロック図である。第1のオーバーサンプラー51は、O2センサ出力Vo2/OUTを、空燃比を操作する操作量Uslを算出するための制御周期(すなわち、上記の計算式において示される“k”)よりも速い周期nでオーバーサンプリングする。オーバーサンプリングの周期nは、たとえば、制御周期kの1/5である。オーバーサンプリングされたサンプル値Vo2_ovは、第1のローパスフィルタ52に渡される。
【0102】
第1のローパスフィルタ52は、式(23)に従って、サンプル値Vo2_ovにフィルタリング処理を施し、Vo2_ovfを出力する。a1ovf,a2ovf,a3ovf,b0ovf,b1ovf,b2ovf,b3ovfは、予めシミュレーション等で定められるフィルタ係数である。
【0103】
【数23】
【0104】
第1のダウンサンプラー53は、第1のローパスフィルタ52によってフィルタリングされた値Vo2_ovfを、空燃比を操作する操作量Uslを算出するための制御周期kでリサンプリングし、サンプル値Vo2_dfを出力する。
【0105】
所定の周波数域におけるO2センサ出力に基づいて、触媒の劣化を検知する手法が提案されている。したがって、この触媒劣化の検知を無効にすることなく、第1のローパスフィルタ52を設計するのが好ましい。
【0106】
図9および図10は、触媒の劣化を検知するのに必要な周波数域を示す。図9は、(a)触媒が新品の時、(b)触媒の浄化率が十分残っている時、(c)触媒の浄化率が不十分な時の、O2センサ出力Vo2/OUTのパワースペクトルを示す。図9の(a)〜(c)における、周波数3〜7Hzにおけるセンサ出力Vo2/OUTのパワースペクトルのレベル変化が、参照番号61によって示されている。
【0107】
図10の(a)から(c)は、図9の(a)から(c)のセンサ出力Vo2/OUTに、バンドパスフィルタによってフィルタリング処理を施した結果をそれぞれ示す。周波数3〜7Hzにおけるセンサ出力Vo2/OUTのパワースペクトルが、フィルタによって強調されている。参照番号62によって示されるように、触媒が劣化するほど、周波数3〜7Hzにおけるセンサ出力Vo2/OUTのパワースペクトルが増加している。このように、周波数3〜7Hzにおけるセンサ出力Vo2/OUTを評価することにより、触媒の劣化状態を判定することができる。したがって、第1のローパスフィルタ52は、3〜7Hzの周波数域をカットしないように設計されるのが好ましい。
【0108】
図11は、第1のローパスフィルタ52のフィルタ特性を示す。触媒の劣化検知に必要な周波数は、参照番号64によって示される線よりも低い周波数域に存在する。カットオフ周波数は、触媒の劣化検知に必要な周波数よりも十分大きく設定されている。したがって、第1のローパスフィルタ52は、触媒の劣化検知の精度を低下させない。
【0109】
第1のデシメーションフィルタを用いることの効果
図12の(a)は、O2センサの素子の応答を速めた場合の、本発明の一実施形態に従う、制御周期kでサンプリングされたO2センサ出力の推移65、および図11に示されるフィルタ特性を持つ第1のデシメーションフィルタの出力Vo2_dfの推移66を示す。O2センサ出力は、たとえば領域67の推移66によって示されるように、ケミカルノイズのために大きな変動を持つ。しかしながら、第1のデシメーションフィルタの値Vo2_dfにおいては、このケミカルノイズの変動が除去されている。
【0110】
図12の(b)における推移65は、図12の(a)に示されるものと同じである。しかし、グラフ68は、図13に示されるフィルタ特性を持つローパスフィルタを用いてO2センサ出力をフィルタリングした値Vo2_fの推移を示す。図13に示されるように、このローパスフィルタは、触媒の劣化検知に必要な周波数よりも大きいカットオフ周波数を持つ。したがって、触媒の劣化検知の精度を低下させない。しかしながら、このローパスフィルタが、オーバーサンプリングされていないO2センサ出力に適用されている点に注意されたい。
【0111】
領域69の推移65によって示されるように、ケミカルノイズに起因したO2センサ出力の大きな変動に応じて、フィルタリングした値Vo2_fにも大きな変動が現れている(見にくいが、推移65のO2センサ出力の変動に応じて、フィルタリングされた値Vo2_fが凸状に変化している)。このように、図12の(b)の例では、O2センサ出力のケミカルノイズを除去することができない。
【0112】
図12の(c)における推移65は、図12の(a)に示されるものと同じである。しかし、グラフ70は、図14に示されるフィルタ特性を持つローパスフィルタを用いてO2センサ出力をフィルタリングした値Vo2_f’の推移70を示す。図15に示されるように、このローパスフィルタは、触媒の劣化検知に必要な周波数よりも低いカットオフ周波数を持つ。したがって、触媒の劣化検知の精度を低下させるおそれがある。さらに、このローパスフィルタは、オーバーサンプリングされていないO2センサ出力に適用される。
【0113】
領域71の推移65および70によって示されるように、O2センサ出力は、ケミカルノイズに起因した大きな変動を持つが、フィルタリングされた値Vo2_f’には、変動がほとんど現れていない。しかしながら、領域72に顕著に表れているように、フィルタリングされた値Vo2_f’は、O2センサ出力に対して大きな位相遅れを持つ。図12の(c)の例は、触媒の劣化検知の精度を低下させ、さらにO2センサの素子の応答性を速めた効果を無にするものである。
【0114】
このように、第1のデシメーションフィルタを用いることにより、位相遅れを生じさせることなく、センサ出力Vo2/OUTに現れるケミカルノイズを除去することができる。
【0115】
図15は、O2センサの素子の応答性を速めた場合における、従来の空燃比制御における排ガスセンサ出力Vo2/OUT、および目標空燃比偏差kcmdの推移を示す。参照番号75によって示されるように、O2センサの素子の応答性を速めたことにより、センサ出力に高周波のケミカルノイズが現れている。このノイズに起因して、参照番号76に示されるように、目標空燃比偏差kcmdの変動が増大している。このような目標空燃比偏差kcmdの変動の増大は、触媒に流入する排ガスの空燃比の変動を大きくするので、触媒浄化率を低下させるおそれがある。
【0116】
図16は、O2センサの素子の応答性を速めた場合における、本発明の一実施形態に従う空燃比制御における、排ガスセンサ出力Vo2/OUTの推移81、第1のデシメーションフィルタの出力Vo2_dfの推移82、および目標空燃比偏差kcmdの推移83を示す。センサ出力Vo2/OUTには、高周波のケミカルノイズが現れている。しかしながら、第1のデシメーションフィルタの出力Vo2_dfでは、このケミカルノイズによる変動が除去されている。第1のデシメーションフィルタの出力Vo2_dfを用いることにより、目標空燃比偏差kcmdが安定する。
【0117】
第2の実施例に従う適応空燃比制御
図17は、第2の実施例に従う適応空燃比制御の制御ブロック図を示す。第1の実施例と異なる点は、第1のデシメーションフィルタ36が取り除かれ、第2のデシメーションフィルタ37が設けられていることである。
【0118】
O2センサ17の出力Vo2/OUTは、目標値Vo2/TARGETと比較される。センサ出力Vo2/OUTと目標値Vo2/TARGETの偏差Vo2が、制御器31に供給される。
【0119】
LAFセンサ16の出力KACTは、第2のデシメーションフィルタ37に渡される。第2のデシメーションフィルタ37は、実空燃比KACTをオーバーサンプリングし、ローパスフィルタでフィルタリングし、ダウンサンプリングし、サンプル値KACT_dfを出力する。サンプル値KACT_dfは、目標値FLAF/BASEと比較される。サンプル値KACT_dfと目標値FLAF/BASEの偏差kactが、制御器31に供給される。
【0120】
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(24)のようにモデル化することができる。
【0121】
【数24】
【0122】
センサ出力偏差Vo2は、O2センサ出力Vo2/OUTの目標値Vo2/TARGETに対する偏差を示す。実空燃比偏差kact’は、LAFセンサの出力KACTの基準値FLAF/BASEに対する偏差を示す。
【0123】
d3は、排気系19におけるむだ時間を示す。a1、a2およびb1は、前述した同定器によって生成されるモデルパラメータである。
【0124】
LAFセンサ出力KACTと、第2のデシメーションフィルタの出力KACT_dfの関係は、式(25)のように表される。
【0125】
【数25】
【0126】
d6は、第2のデシメーションフィルタ37におけるむだ時間を示す。むだ時間d6は、LAFセンサ出力KACTがオーバーサンプリングされ、ローパスフィルタによってフィルタリングされ、ダウンサンプリングされるのに要する時間を示す。むだ時間d6は、たとえば1制御サイクルである(すなわち、d6=1)。
【0127】
排気系19および第2のデシメーションフィルタ37を合わせた系は、式(24)および(25)から、式(26)のように求めることができる。
【0128】
【数26】
【0129】
このように、第2のデシメーションフィルタ37を設けることで、排気系におけるむだ時間が減る。
【0130】
一方、エンジン1およびECU5からなる空燃比を操作する系18は、式(27)のようにモデル化されることができる。
【0131】
【数27】
【0132】
目標空燃比偏差kcmdは、基準値FLAF/BASEに対する目標空燃比KCDMの偏差を示す。d4は、該空燃比を操作する系におけるむだ時間を示す。
【0133】
空燃比操作系18および第2のデシメーションフィルタ37を合わせた系は、式(25)および(27)から、式(28)のように求めることができる。
【0134】
【数28】
【0135】
このように、第2のデシメーションフィルタ37を設けることで、空燃比操作系におけるむだ時間が増える。
【0136】
空燃比を操作する系18を、適応空燃比制御の制御対象に含めてもよい。この場合の制御対象のモデル式は、式(26)および(28)に基づいて式(29)のように表現される。むだ時間dは、空燃比を操作する系18、排気系19および第2のデシメーションフィルタ37から成る系のむだ時間の総和である。
【0137】
【数29】
【0138】
このように、排気系19、空燃比操作系18および第2のデシメーションを合わせた系におけるむだ時間は、排気系19におけるむだ時間d3と空燃比操作系におけるむだ時間d4の和に等しい。第2のデシメーションフィルタにおけるむだ時間d6は、該系に影響しない。
【0139】
第2の実施例において、制御器31の構成は、第1の実施例と同じである。制御器31における同定器32、推定器33およびスライディングモードコントローラ34におけるむだ時間d1、d2およびdは、それぞれ、(d3−d6)、(d4+d6)、および(d3+d4)である。
【0140】
第2のデシメーションフィルタ
図18は、第2のデシメーションフィルタ37のブロック図である。第2のオーバーサンプラー55は、LAFセンサの出力KACTを、空燃比を操作する操作量Uslを算出するための制御周期(すなわち、上記の計算式において示される“k”)よりも速い周期nでオーバーサンプリングする。オーバーサンプリングの周期nは、たとえば、制御周期kの1/5である。オーバーサンプリングされたサンプル値KACT_ovは、第2のローパスフィルタ56に渡される。
【0141】
第2のローパスフィルタ56は、式(30)に従って、サンプル値KACT_ovにフィルタリング処理を施し、KACT_ovfを出力する。a1ovf’,a2 ovf’,a3ovf’,b0ovf’,b1ovf’,b2ovf’,b3ovf’は、予めシミュレーション等で定められるフィルタ係数である。図19に、第2のローパスフィルタ56のフィルタ特性を示す。
【0142】
【数30】
【0143】
第2のダウンサンプラー56は、第2のローパスフィルタ55によってフィルタリングされた値KACT_ovfを、空燃比を操作する操作量Uslを算出するための制御周期kでリサンプリングし、サンプル値KACT_dfを出力する。
【0144】
第2のデシメーションフィルタを用いることの効果
図20は、LAFセンサの検知レンジを拡大した場合の、従来の空燃比制御における、LAFセンサによって検出された実空燃比偏差kactの遷移91、偏差kactに従って算出された目標空燃比偏差kcmdの遷移92を示す。グラフ93は、同定器32によって算出されるモデルパラメータb1の推移を示す。モデルパラメータb1は、前述したように、モデル化された制御系の入力である空燃比偏差kactと、制御系の出力であるセンサ出力偏差Vo2の間の相関を同定する。
【0145】
たとえば領域94を参照すると、実空燃比偏差kactが−P2〜+P2の間で連続的に変動しているとしても、LAFセンサの分解能が低いために、-P2, -P1, 0, +P1, +P2のいずれかの値しかとることができない。たとえば、0と+P1の中間の値を持つ実空燃比偏差は検出されない。したがって、領域94に示されるフラット部分で表されるように、実空燃比偏差kactが連続してゼロであると検出されることも多い。
【0146】
このようなフラット部分が連続的に検出されると、同定器は、空燃比偏差kactとセンサ出力偏差Vo2の間に相関が無いと判断し、グラフ93に示されるように、モデルパラメータb1を小さくしていく。こうして、モデルパラメータb1の同定精度が低下する。モデルパラメータb1の値が小さくなるにつれ、スライディングモード制御は過補正状態になる。このことは、グラフ92の領域95に示されるように、目標空燃比偏差kcmdの変動の増大を引き起こし、結果として触媒浄化率を低下させる。
【0147】
図21は、LAFセンサの検知レンジを拡大した場合の、本発明の一実施形態に従う第2のデシメーションフィルタを用いた空燃比制御における、LAFセンサによって検出された実空燃比偏差kactの推移97、第2のデシメーションフィルタ37の出力KACT_dfの推移98を示す。第2のデシメーションフィルタを実空燃比KACTに適用することにより、LAFセンサによって検出することのできない値(すなわち、分解能未満の値)が推定されていることがわかる。Kact_dfの推移には、連続したフラット部分が存在せず、よって同定器によって実空燃比偏差kactとセンサ出力偏差Vo2の間が無相関と判断されることはない。その結果。グラフ99に示されるように、同定パラメータb1の値が安定する。
【0148】
このように、第2のデシメーションフィルタを用いることで、LAFセンサの分解能不足を補償することができる。第2のデシメーションフィルタ37におけるオーバーサンプリングの周期nは、第1のデシメーションフィルタ36におけるオーバーサンプリングの周期と同じでもよいし、異なってもよい。
【0149】
第3の実施例に従う適応空燃比制御
図22は、第3の実施例に従う適応空燃比制御の制御ブロック図を示す。第3の実施例においては、第1のデシメーションフィルタ36および第2のデシメーションフィルタ37の両方が設けられる。
【0150】
O2センサ17の出力Vo2/OUTは、第1のデシメーションフィルタ36に渡される。第1のデシメーションフィルタ36からの出力Vo2_dfは、目標値Vo2/TARGETと比較される。サンプル値Vo2_dfと目標値Vo2/TARGETの偏差Vo2が、制御器31に供給される。
【0151】
LAFセンサ16の出力KACTは、第2のデシメーションフィルタ37に渡される。第2のデシメーションフィルタ37からの出力KACT_dfは、目標値FLAF/BASEと比較される。サンプル値KACT_dfと目標値FLAF/BASEの偏差kactが、制御器31に供給される。
【0152】
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(31)のようにモデル化することができる。
【0153】
【数31】
【0154】
センサ出力偏差Vo2’は、O2センサ出力Vo2/OUTの目標値Vo2/TARGETに対する偏差を示す。実空燃比偏差kact’は、LAFセンサの出力KACTの基準値FLAF/BASEに対する偏差を示す。
【0155】
d3は、排気系19におけるむだ時間を示す。a1、a2およびb1は、前述した同定器によって生成されるモデルパラメータである。
【0156】
O2センサ出力Vo2/OUTと、第1のデシメーションフィルタの出力Vo2_dfの関係は、上記式(2)のように表される。LAFセンサ出力KACTと、第2のデシメーションフィルタの出力KACT_dfの関係は、上記の式(25)のように表される。
【0157】
排気系19、第1および第2のデシメーションフィルタ36および37を合わせた系は、式(2)、(25)および(31)から、式(32)のように求めることができる。
【0158】
【数32】
【0159】
第1のデシメーションフィルタ36におけるむだ時間d5と、第2のデシメーションフィルタ37におけるむだ時間d6が等しければ、第1および第2のデシメーションフィルタ36および37が設けられた排気系のむだ時間はd3である。すなわち、第1および第2のデシメーションフィルタ36および37を設けた場合は、むだ時間は変化しない。
【0160】
一方、エンジン1およびECU5からなる空燃比を操作する系18は、上記(27)のようにモデル化される。空燃比操作系18、第1および第2のデシメーションフィルタ36および37を合わせた系は、上記の式(28)により表される。空燃比操作系18には、第1のデシメーションにおけるむだ時間は影響しない。
【0161】
空燃比を操作する系18を、適応空燃比制御の制御対象に含めてもよい。この場合の制御対象のモデル式は、式(32)および(28)に基づいて式(33)のように表現される。むだ時間dは、空燃比を操作する系18、排気系19および第2のデシメーションフィルタ37から成る系のむだ時間の総和である。
【0162】
【数33】
【0163】
このように、排気系19、空燃比操作系18および第2のデシメーションを合わせた系におけるむだ時間は、排気系19におけるむだ時間d3と空燃比操作系におけるむだ時間d4の和に等しい。第2のデシメーションフィルタにおけるむだ時間d6は、該系に影響しない。
【0164】
第3の実施例において、制御器31の構成は、第1の実施例と同じである。制御器31における同定器32、推定器33およびスライディングモードコントローラ34におけるむだ時間d1およびd2は、それぞれ、(d3+d5−d6)、(d4+d6)および(d3+d4+d5)である。
【0165】
第3の実施例によれば、O2センサの出力に現れるケミカルノイズを低減することができ、かつLAFセンサの分解能不足を補うことができる。
【0166】
制御器の他の実施形態
上記の実施例において、制御器31(図4、17、22)は、スライディングモード制御の代わりに、他の応答指定型制御を実施してもよい。
【0167】
図23は、制御器の他の実施形態を示す。図4と異なる点は、制御器31が、スライディングモードコントローラの代わりに、ΔΣ変調アルゴリズムを用いた制御を実施するDSMコントローラ38を備えることである。
【0168】
図24は、DSMコントローラ38のブロック図を示す。ΔΣ変調アルゴリズムは、従来使用されているアルゴリズムであるので、簡単に説明する。推定器33によって推定されたセンサ出力偏差Vo2バーは、増幅器101により、ゲイン“−G”を乗算され、参照信号rとして出力される。差分器102は、参照信号rと、前回のサイクルで算出されたΔΣ変調信号u’’(k-1)の差を算出し、差分信号δ(k)を出力する。
【0169】
積分器103は、今回のサイクルで算出された差分信号δ(k)を、前回のサイクルで算出された積算信号σ’(k-1)に加算し、今回のサイクルにおける積算信号σ’(k)を算出する。積算信号σ’(k)は、符号関数104により+/−が判断され、信号u’’(k)として出力される。増幅器105は、信号u’’(k)にゲイン“F”を乗算し、乗算された値をΔΣ変調信号u(k)として出力する。ΔΣ変調信号u(k)は、目標空燃比偏差kcmdを示す信号である。ΔΣ変調信号u(k)に基準値FLAF/BASEを加算することで、目標空燃比KCMDが算出される。
【0170】
代替的に、DSMコントローラ38は、積分器を含まないΔ変調アルゴリズム、または積分器の次に差分器が続くΣΔ変調アルゴリズムを実施するものでもよい。
【0171】
他の実施形態では、制御器31は、スライディングモードコントローラ34およびDSMコントローラ38の両方を備える。制御器31は、内燃機関の運転状態に応じて、スライディングモード制御(または、他の応答指定型制御)と、ΔΣ変調による制御(または、ΣΔ変調、Δ変調)とを切り換えることができる。たとえば、低負荷のときは、ΔΣ変調コントローラによって空燃比を制御し、高負荷のときは、スライディングモードコントローラによって空燃比を制御する。
【0172】
制御フロー
図25は、前述した第3の実施例に従う、適応空燃比制御のフローチャートを示す。第1および第2のデシメーションフィルタのオーバーサンプリングの周期nは、同じである。このルーチンは、この周期nで実施される。
【0173】
ステップS111において、O2センサの出力Vo2/OUTを、サンプリングし、ローパスフィルタでフィルタリングし、Vo2_ovfを求める。ステップS112において、LAFセンサの出力KACTを、ローパスフィルタでフィルタリングし、KACT_ovfを求める。前述したように、周期nは、空燃比操作量Uslを算出する周期kより小さいので、O2センサ出力Vo2/OUTおよびLAFセンサ出力KACTは、オーバーサンプリングされる。ステップS111およびS112は、並列に実行してもよい。
【0174】
ステップS113において、カウンタCPRISMがゼロかどうかを判断する。カウンタCPRISMは、初期値として「k/n−1」が設定されている。たとえば、nが10ミリ秒であり、kが50ミリ秒であるとき、カウンタCPRISMの初期値は“4”である。カウンタCPRISMの値がゼロでなければ、ステップS114においてカウンタを1だけデクリメントし、このルーチンを抜ける。カウンタCPRISMがゼロになったならば、ステップS115に進み、カウンタをリセットする。こうして、ステップS111およびS112が周期nで実行されるのに対し、ステップS114〜S122の処理は、周期kで実行される。
【0175】
ステップS116において、実行許可フラグが1かどうか判断される。実行許可フラグは、空燃比制御の実施が許可されたときに1がセットされるフラグである。たとえば、エンジンのリーン運転が実施されているとき、または点火時期を遅角側に制御する運転が行われているとき、空燃比制御の実施は許可されない。実行許可フラグがゼロならば、目標空燃比偏差kcmdに所定値をセットし(S123)、ステップS124に進む。
【0176】
実行許可フラグが1ならば、ステップS111でフィルタリングされた値Vo2_ovfを、周期kでサンプリングし、Vo2_dfを求める。さらに、ステップS112でフィルタリングされた値KACT_ovfを、周期kでサンプリングし、KACT_dfを求める(S117)。
【0177】
ステップS118において、前述したように、同定器による演算処理を実施し、モデルパラメータa1、a2およびb1を求める。ステップS119において、前述したように、推定器による演算処理を実施し、推定値Vo2バーを算出する。ステップS120において、前述したように、制御入力Uslを算出する。
【0178】
ステップS121において、スライディングモード制御の安定判別を実施する。たとえば、安定判別基本パラメータPstb(=σ(k+d)バー・Δσバー)がゼロ以下ならば、安定と判定する。Pstbは、切換関数σバーに関するリアプノフ関数σバー2/2の時間微分値に相当する。Pstb≦0となる状態は、切換関数σバーの値がゼロに収束しているか、またはゼロに収束しつつある状態を示す。Pstb>0となる状態は、切換関数σバーの値がゼロから離間しつつある状態を示す。
【0179】
ステップS122において、リミッタによるリミッタ処理を実施し、目標空燃比偏差kcmdを求める。ステップS124に進み、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。前述したような、基準値FLAF/BASEを設定する場合には、ステップS124の次に該設定処理を実施することができる。
【0180】
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。
【0181】
【発明の効果】
この発明によると、触媒の劣化から区別して、排ガスセンサの故障を検出することができる。
【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、第1のデシメーションフィルタのブロック図。
【図9】排ガスセンサ出力の周波数応答が、触媒の劣化の程度に応じて変化する様子を示す図。
【図10】フィルタリングされた排ガスセンサ出力の周波数応答が、触媒の劣化の程度に応じて変化する様子を示す図。
【図11】この発明の一実施例に従う、第1のデシメーションフィルタのローパスフィルタのフィルタ特性を示す図。
【図12】この発明の一実施例に従う、(a)第1のデシメーションフィルタを用いた場合のO2センサ出力のフィルタリング値、(b)(c)他のフィルタを用いた場合のO2センサ出力のフィルタリング値を示す図。
【図13】図12の(b)の場合に用いられる他のローパスフィルタのフィルタ特性を示す図。
【図14】図12の(c)の場合に用いられる他のローパスフィルタのフィルタ特性を示す図。
【図15】従来の空燃比制御における、O2センサ出力におけるケミカルノイズの出現および目標空燃比偏差kcmdの変動の一例を示す図。
【図16】この発明の一実施例に従う、第1のデシメーションフィルタの出力Vo2_df、および目標空燃比偏差kcmdの推移の一例を示す図。
【図17】この発明の他の実施例に従う、空燃比制御の制御ブロック図。
【図18】この発明の他の実施例に従う、第2のデシメーションフィルタのブロック図。
【図19】この発明の他の実施例に従う、第2のデシメーションフィルタのローパスフィルタのフィルタ特性を示す図。
【図20】従来の空燃比制御における、LAFセンサ出力の分解能不足、目標空燃比偏差kcmdの変動、および同定パラメータb1の推移の一例を示す図。
【図21】この発明の他の実施例に従う、第2のデシメーションフィルタの出力KACT_df、および目標空燃比偏差kcmdの推移の一例を示す図。
【図22】この発明の他の実施例に従う、空燃比制御の制御ブロック図。
【図23】この発明の他の実施例に従う、制御器の機能ブロック図。
【図24】この発明の他の実施例に従う、DSMコントローラの機能ブロック図。
【図25】この発明の他の実施例に従う、適応空燃比制御のメインルーチンを示すフローチャート。
【符号の説明】
1 エンジン
5 ECU
14 排気管
15 触媒装置
17 O2センサ
25 上流触媒
26 下流触媒
Claims (16)
- 排ガスの空燃比を制御する内燃機関の制御装置であって、
排ガスの濃度を検出する第1の排ガスセンサと、
前記第1の排ガスセンサの出力に接続された、該第1の排ガスセンサの出力に含まれるケミカルノイズを除去するためのデシメーションフィルタと、
前記デシメーションフィルタから出力された値が目標値に収束するよう、前記排ガスの空燃比を操作する操作量を決定する操作量決定手段と、を備え、
前記デシメーションフィルタは、
前記操作量を決定する周期よりも短い周期で、前記第1の排ガスセンサの出力をオーバーサンプリングする手段と、
前記オーバーサンプリングしたサンプル値をローパスフィルタによって平滑する手段と、
前記平滑されたサンプル値を、前記操作量を算出する周期でリサンプリングする手段と、
前記リサンプリングされた値を出力する手段と、を備え、該リサンプリングされた値は、前記第1の排ガスセンサの出力に含まれるケミカルノイズが除去された値を示す、
内燃機関の制御装置。 - 前記操作量は、応答指定型制御によって決定される、請求項1に記載の制御装置。
- 前記操作量は、ΔΣ変調、Δ変調、およびΣΔ変調アルゴリズムのいずれかを用いた制御によって決定される、請求項1に記載の制御装置。
- 前記空燃比の制御対象は、触媒装置と前記第1の排ガスセンサを含む排気系であり、
さらに、前記デシメーションフィルタから出力された値に基づいて前記制御対象におけるむだ時間を決定し、該決定されたむだ時間が補償されるよう前記第1の排ガスセンサの出力の推定値を算出する推定値算出手段を備え、
前記操作量決定手段は、前記算出された推定値に基づいて、前記排気系に進入する排ガスの空燃比を操作する操作量を決定する、請求項1から請求項3のいずれかに記載の制御装置。 - 前記空燃比の制御対象は、さらに、前記操作量を決定する手段から前記内燃機関を経て前記触媒装置の前に設けられた第2の排ガスセンサまでの空燃比操作系を含み、
前記推定値算出手段は、さらに、前記空燃比操作系におけるむだ時間を決定し、決定された前記排気系におけるむだ時間および該空燃比操作系におけるむだ時間が補償されるよう前記推定値を算出する、請求項4に記載の制御装置。 - さらに、前記操作量を決定する際に用いられる、前記排気系の状態変化に前記空燃比の操作を適合させるためのパラメータを算出するパラメータ算出手段を備え、
前記パラメータ算出手段は、前記デシメーションフィルタから出力された値に基づいて、前記パラメータを算出する、請求項4または請求項5に記載の制御装置。 - 前記ローパスフィルタのカットオフ周波数は、触媒装置の故障検知において使用する周波数よりも高い周波数に設定される、請求項1から請求項6のいずれかに記載の制御装置。
- 排ガスの空燃比を制御する内燃機関の制御装置であって、
排気管の触媒装置の下流側に設けられ、排ガスの濃度を検出する第1の排ガスセンサと、
前記触媒装置の上流側に設けられ、排ガスの空燃比を検出する第2の排ガスセンサと、
前記第2の排ガスセンサの出力に接続され、該第2の排ガスセンサの分解能未満の出力を推定するためのデシメーションフィルタと、
前記デシメーションフィルタから出力された値を用いて、前記第1の排ガスセンサの出力が目標値に収束するよう、前記空燃比を操作する操作量を決定する操作量決定手段と、を備え、
前記デシメーションフィルタは、
前記操作量を決定する周期よりも短い周期で、前記第2の排ガスセンサの出力をオーバーサンプリングする手段と、
前記オーバーサンプリングしたサンプル値をローパスフィルタによって平滑する手段と、
前記平滑されたサンプル値を、前記操作量を算出する周期でリサンプリングする手段と、
前記リサンプリングされた値を出力する手段と、を備え、該リサンプリングされた値は、前記第2の排ガスセンサの分解能未満の出力が推定された値を示す、
内燃機関の制御装置。 - 前記操作量は、応答指定型制御によって決定される、請求項8に記載の制御装置。
- 前記操作量は、ΔΣ変調、Δ変調、およびΣΔ変調アルゴリズムのいずれかを用いた制御によって決定される、請求項8に記載の制御装置。
- 前記空燃比の制御対象は、前記第2の排ガスセンサから、前記触媒装置を経て前記第1の排ガスセンサまでの排気系であり、
さらに、前記デシメーションフィルタから出力された値に基づいて前記制御対象におけるむだ時間を決定し、該決定されたむだ時間が補償されるよう前記第1の排ガスセンサの出力の推定値を算出する推定値算出手段を備え、
前記操作量決定手段は、前記算出された推定値に基づいて、前記排気系に進入する排ガスの空燃比を操作する前記操作量を決定する、請求項8から請求項10のいずれかに記載の制御装置。 - 前記空燃比の制御対象は、さらに、前記操作量を決定する手段から前記内燃機関を経て前記第2の排ガスセンサまでの空燃比操作系を含み、
前記推定値算出手段は、さらに、前記空燃比操作系におけるむだ時間を決定し、決定された前記排気系におけるむだ時間および該空燃比操作系におけるむだ時間が補償されるよう前記推定値を算出する、請求項11に記載の制御装置。 - さらに、前記操作量を決定する際に用いられる、前記排気系の状態変化に前記空燃比の操作を適合させるためのパラメータを算出するパラメータ算出手段を備え、
前記算出手段は、前記デシメーションフィルタから出力された値に基づいて、前記パラメータを算出する、請求項11または請求項12に記載の制御装置。 - 前記ローパスフィルタのカットオフ周波数は、前記触媒装置の故障検知において使用する周波数よりも高い周波数に設定される、請求項8から請求項13のいずれかに記載の制御装置。
- 前記ローパスフィルタのカットオフ周波数は、触媒装置の故障検知において使用する周波数よりも高い周波数に設定され、前記デシメーションフィルタは、前記操作量を決定する周期で得られた前記第1の排ガスセンサの出力に該ローパスフィルタを適用しただけでは除去しきれないケミカルノイズを、位相遅れなく除去することを可能にする、
請求項1から請求項6のいずれかに記載の制御装置。 - 前記パラメータは、前記排気系をモデル化するのに用いられるモデルパラメータであって、前記第2の排ガスセンサの出力と前記第1の排ガスセンサの出力との間の相関を示すモデルパラメータを含んでおり、
前記パラメータ算出手段は、前記デシメーションフィルタから出力された値に基づいて、該相関を示すモデルパラメータを算出することにより、該相関を示すモデルパラメータが、前記第2の排ガスセンサの出力と前記第1の排ガスセンサの出力との間に相関が無いことを示すような値に算出されることを回避し、
前記操作量決定手段は、前記パラメータ算出手段により算出された前記モデルパラメータを用いて、前記操作量を決定する、
請求項13に記載の制御装置。
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