JPH09273438A - 内燃機関の空燃比制御装置 - Google Patents

内燃機関の空燃比制御装置

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JPH09273438A
JPH09273438A JP8084048A JP8404896A JPH09273438A JP H09273438 A JPH09273438 A JP H09273438A JP 8084048 A JP8084048 A JP 8084048A JP 8404896 A JP8404896 A JP 8404896A JP H09273438 A JPH09273438 A JP H09273438A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】内燃機関の排気系に設けた触媒装置の下流側の
排気ガスの特定成分の濃度を、その排気系に存在するむ
だ時間や外乱によらずに高精度で所定の適正値に整定さ
せることができる内燃機関の空燃比制御装置を提供す
る。 【解決手段】触媒装置4の上流側の空燃比を検出する排
気ガスセンサ6及び触媒装置4の下流側の特定成分の濃
度(酸素濃度)を検出する排気ガスセンサ7との出力に
基づき、両センサ間の排気系Aのむだ時間後の触媒装置
4下流側の特定成分の濃度を推定する状態予測部18
と、その推定濃度が所定の適正値に収束するようエンジ
ン1の空燃比を補正するための補正量を適応スライディ
ングモード制御を用いて求める制御部19とを備え、求
められた補正量と排気ガスセンサ6の出力とに基づき、
触媒装置4下流側の特定成分の濃度を所定の適正値に収
束させるようにエンジン1の空燃比を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の空燃比
を制御する装置に関する。
【0002】
【従来の技術】例えば自動車等、内燃機関の排気ガスを
触媒装置により浄化して放出するシステムにおいては、
内燃機関の排気ガスの空燃比を触媒装置の排気ガス浄化
能力が良好となるような適正空燃比に制御することが環
境保護の観点から望まれている。
【0003】このような空燃比制御を行うものとして
は、従来、次のような装置が本願出願人により提案され
ている(例えば特開平5−321721号公報参照)。
【0004】すなわち、この空燃比制御装置では、内燃
機関の排気系に、触媒装置の上流側で排気ガスの空燃比
を検出するための排気ガスセンサ(空燃比センサ)を設
けると共に、触媒装置の下流側で触媒装置を通過した排
気ガスの特定成分の濃度、例えば酸素濃度(これは触媒
装置を通過した後の排気ガスの空燃比に相当する)を検
出する排気ガスセンサ(酸素濃度センサ)を設け、触媒
装置の上流側の基準空燃比を内燃機関の吸気圧や回転数
に応じて設定する。そして、触媒装置の下流側の排気ガ
スセンサにより検出される酸素濃度(空燃比)が、適正
値になるようにPID制御を用いて前記基準空燃比を補
正して、触媒装置の上流側の目標空燃比を求める。さら
に、触媒装置の上流側の排気ガスセンサにより検出され
る空燃比が求めた目標空燃比に収束するように内燃機関
への燃料供給量をPID制御や適応制御を用いてフィー
ドバック制御する。これにより、触媒装置の上流側の内
燃機関の排気ガスの空燃比を、触媒装置の良好な浄化能
力が得られる適正範囲(ウィンドウ)内に収まるように
して、触媒装置による排気ガスの浄化能力を高める。
【0005】ところで、このような内燃機関の空燃比制
御によって、触媒装置の経年劣化等によらずに排気ガス
の良好な浄化性能を確保するためには、触媒装置の下流
側の排気ガスの酸素濃度等の特定成分の濃度を高精度で
所定の適正値に整定することが必要であることが本願発
明者等に種々の検討により判明した。
【0006】しかしながら、前述の従来の空燃比制御装
置では、触媒装置の下流側の排気ガスセンサにより検出
される酸素濃度を適正値に合致させるために、PID制
御を用いて触媒装置の上流側の基準空燃比を補正して目
標空燃比を決定するようにしていたため、排気ガスセン
サ等に作用する外乱や、触媒装置を含む排気系に存する
むだ時間等の影響で、触媒装置の下流側の排気ガスの酸
素濃度(空燃比)を高精度で適正値に整定すること困難
なものとなっていた。特に、触媒装置を含む排気系に存
するむだ時間は一般に長く、このように長いむだ時間
は、上記のような制御を行う上で、大きな妨げとなって
いた。
【0007】このため、触媒装置を含む排気系に存する
むだ時間の影響を排除することができる制御手法が望ま
れていた。
【0008】また一方、本願発明者等は、外乱等の影響
を排除するために、内燃機関の空燃比を補正するための
前記補正量を現代制御のスライディングモード制御によ
って求めることを試みている。
【0009】このスライディングモード制御は、制御対
象の複数の状態量を変数とする線形関数により表される
超平面(図7参照)をあらかじめ構築しておき、それら
の状態量をハイゲイン制御によって、超平面上に高速で
収束させ、さらに、所謂、等価制御入力によって、状態
量を超平面上に拘束しつつ超平面上の所要の平衡点(収
束点)に収束させる、可変構造型のフィードバック制御
手法である。
【0010】このようなスライディングモード制御は、
制御対象の複数の状態量が超平面上に収束してしまえ
ば、外乱等の影響をほとんど受けずに、超平面上の平衡
点に状態量を安定に収束させることができるという優れ
た特性をもっている。
【0011】従って、前述のように、触媒装置の下流側
の排気ガスの酸素濃度等の特定成分の濃度を所定の適正
値に整定させるように、内燃機関の空燃比の補正量を求
める場合、例えば触媒装置の下流側の排気ガスの特定成
分の濃度の値とその変化速度とを制御対象である排気系
の状態量として、それらの状態量をそれぞれスライディ
ングモード制御を用いて超平面上の平衡点(濃度の値及
びその変化速度がそれぞれ所定の適正値及び“0”とな
る点)に収束させるように、空燃比の補正量を求めるこ
とが考えられる。そして、このようにスライディングモ
ード制御を用いて空燃比の補正量を求めれば、前述のよ
うなスライディングモード制御の特性によって、従来の
PID制御等に較べて触媒装置の下流側の排気ガスの特
定成分の濃度を精度よく所定の適正値に整定させること
が可能であると考えられる。
【0012】しかしながら、本願発明者等の種々の検討
によれば、一般のスライディングモード制御は、その制
御対象の状態量が超平面上に収束するまでの間は、制御
対象に存在するむだ時間や外乱の影響を受ける。
【0013】そして、該スライディングモード制御を前
述の如く内燃機関の空燃比制御に適用するにあっては、
その制御対象となる前記触媒装置を含む排気系には、前
述の通り特に長いむだ時間が存在し、また、種々の外乱
も存在する。
【0014】このため、単に、スライディングモード制
御を用いて、基準空燃比の補正量を求めるようにして
も、触媒装置の下流側の空燃比の状態量(空燃比の値及
びその変化速度)が超平面に安定して収束せず、その結
果、触媒装置の下流側の空燃比が所定の適正値に安定し
て収束しないという事態が生じる虞れがある。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】本発明はかかる背景に
鑑み、内燃機関の排気系に設けた触媒装置の下流側の排
気ガスの特定成分の濃度を、その排気系に存在するむだ
時間の影響を排除して精度よく所定の適正値に整定させ
ることができ、触媒装置の所要の排気ガス浄化能力を十
分に確保することができる内燃機関の空燃比制御装置を
提供することを目的とする。
【0016】またさらには、内燃機関の排気系に設けた
触媒装置の下流側の排気ガスの特定成分の濃度を、その
排気系に存在するむだ時間や外乱によらずにスライディ
ングモード制御を用いて高精度で所定の適正値に整定さ
せることができ、触媒装置の所要の排気ガス浄化能力を
確実に確保することができる内燃機関の空燃比制御装置
を提供することを目的とする。
【0017】そして、特に触媒装置の排気ガス浄化能力
を安定して最大限に引き出すことができ、触媒装置を経
た内燃機関の排気性能を極めて高いものとすることがで
きる内燃機関の空燃比制御装置を提供することを目的と
する。
【0018】
【課題を解決するための手段】本発明の内燃機関の空燃
比制御装置は、かかる目的を達成するために、内燃機関
の排気系に設けられた排気ガス浄化用の触媒装置と、該
触媒装置の上流側で前記内燃機関の排気ガスの空燃比を
検出すべく前記排気系に設けられた第1排気ガスセンサ
と、前記触媒装置の下流側で該触媒装置を通過した前記
内燃機関の排気ガスの特定成分の濃度を検出すべく前記
排気系に設けられた第2排気ガスセンサと、前記第2排
気ガスセンサの出力に基づき、前記触媒装置の下流側の
排気ガスの特定成分の濃度が所定の適正値となるよう前
記内燃機関の空燃比を補正するための補正量を求める補
正量算出手段とを備え、その求められた補正量と前記第
1排気ガスセンサの出力とに基づき、前記触媒装置の下
流側の排気ガスの特定成分の濃度を前記所定の適正値に
収束させるように前記内燃機関の空燃比を制御する内燃
機関の空燃比制御装置において、前記第1及び第2排気
ガスセンサの現在の出力に基づき、両排気ガスセンサ間
の前記触媒装置を含む排気系に存するむだ時間後に前記
第2排気ガスセンサにより検出される前記触媒装置の下
流側の排気ガスの前記特定成分の濃度を推定する状態予
測手段を具備し、前記補正量算出手段は、該状態予測手
段により推定された前記触媒装置の下流側の排気ガスの
特定成分の濃度に基づき、その特定成分の濃度が所定の
適正値となるよう前記内燃機関の空燃比の補正量を求め
ることを特徴とするものである。
【0019】かかる本発明によれば、前記補正量算出手
段によって、前記内燃機関の空燃比を補正するための補
正量を求めるに際しては、前記状態予測手段により、前
記両排気ガスセンサ間の前記触媒装置を含む排気系に存
するむだ時間後に前記第2排気ガスセンサにより検出さ
れる前記触媒装置の下流側の排気ガスの前記特定成分の
濃度を推定し、その推定された前記触媒装置の下流側の
特定成分の濃度に基づき、その濃度が所定の適正値とな
るよう前記内燃機関の空燃比を補正するための補正量を
求めるので、上記排気系に存在するむだ時間が補償され
る。これにより、前記補正量算出手段は、触媒装置の下
流側の排気ガスの特定成分の濃度を上記排気系のむだ時
間によらずに安定して前記所定の適正値に収束させるよ
うに、前記補正量を求めることができるようになる。そ
して、本発明は、このようにして補正量算出手段により
求められる補正量と前記第1排気ガスセンサの出力とに
基づき、前記触媒装置の下流側の排気ガスの特定成分の
濃度を前記所定の適正値に収束させるように前記内燃機
関の空燃比を制御する。
【0020】これにより、本発明によれば、上記排気系
に存在するむだ時間の影響を排除して、触媒装置の下流
側の排気ガスの特定成分の濃度を精度よく所定の適正値
に整定させることができ、ひいては、触媒装置の所要の
排気ガス浄化能力を十分に確保することができる。
【0021】かかる本発明において、好ましくは、前記
特定成分の濃度の所定の適正値は、前記触媒装置の浄化
能力が最大となる値に定める。
【0022】これにより、触媒装置の下流側の排気ガス
の特定成分の濃度は、該触媒装置の浄化能力が最大とな
る値に精度よく整定されることとなるため、触媒装置の
排気ガス浄化能力を安定して最大限に引き出すことがで
き、触媒装置を経た内燃機関の排気性能を極めて高いも
のとすることができる。
【0023】尚、前記第2排気ガスセンサは、例えば酸
素濃度センサとする。この場合には、該第2排気ガスセ
ンサが検出する前記特定成分の濃度は前記触媒装置を通
過した排気ガスの酸素濃度となり、該酸素濃度は、該排
気ガスの空燃比に対応したものとなる。
【0024】また、本発明では、前記状態予測手段は、
前記両排気ガスセンサ間の前記触媒装置を含む排気系
を、あらかじめ前記第1及び第2排気ガスセンサにより
それぞれ検出される排気ガスの空燃比及び前記特定成分
の濃度をそれぞれ入力及び出力とする二次遅れ以上の遅
れ要素を含むモデルとしてモデル化し、前記第1排気ガ
スセンサにより検出される排気ガスの現在の空燃比が、
前記むだ時間の経過後に該モデルに入力されるものとし
て、該モデルに基づき、前記触媒装置の下流側の排気ガ
スの前記特定成分の濃度を推定する。
【0025】このように上記排気系を二次遅れ以上の遅
れ要素を含むモデルとしてモデル化することで、上記排
気系を、その実際の動的な特性を考慮した適正なモデル
により表すことができる。そして、このモデルにおい
て、前記第1排気ガスセンサにより検出される現在の空
燃比が、前記むだ時間の経過後に該モデルに入力される
ものとすることで、上記排気系のむだ時間を考慮した前
記触媒装置の下流側の排気ガスの特定成分の濃度を的確
に推定することができる。
【0026】この場合、前記モデルは、バネと減衰器と
を遅れ要素として含み、且つ該バネの長さを前記触媒装
置の下流側の排気ガスの前記特定成分の濃度を示す量と
するバネマス系によりモデル化することで、該モデルを
比較的簡略なものとすることができる。
【0027】かかる本発明にあっては、前記補正量算出
手段は、例えばPID制御等を用いて前記内燃機関の空
燃比を補正するための補正量を求めてもよいが、より好
ましくは、前記補正量算出手段は、前記内燃機関の空燃
比を補正するための補正量をスライディングモード制御
を用いて求めるスライディングモード制御手段を含む。
【0028】かかる本発明によれば、前記スライディン
グモード制御手段は、前記状態予測手段により推定され
た触媒装置の下流側の排気ガスの前記特定成分の濃度に
基づき、その濃度が前記所定の適正値となるように前記
内燃機関の空燃比を補正するための補正量を求めるの
で、その補正量を求めるに際して、前記排気系に存在す
るむだ時間が補償される。これにより、前記スライディ
ングモード制御手段は、触媒装置の下流側の排気ガスの
特定成分の濃度の状態量(該濃度の値やその変化速度
等)を上記排気系のむだ時間によらずに安定してスライ
ディングモード制御の超平面上に収束させ、さらには、
該超平面上の平衡点に収束させるように、前記補正量を
求めることができるようになる。そして、この場合、該
超平面上では、スライディングモード制御は、本来の極
めて高い安定性を発揮して、外乱等の影響はもちろん、
前記状態予測手段による触媒装置の下流側の特定成分の
濃度の推定誤差の影響、さらには、制御対象のモデル化
に際して生じるモデル誤差の影響も排除される。
【0029】従って、このようにスライディングモード
制御を用いる本発明によれば、上記排気系に存在するむ
だ時間や外乱によらずにスライディングモード制御を用
いて高精度で所定の適正値に整定させることができ、ひ
いては、触媒装置の所要の排気ガス浄化能力を確実に確
保することができる。
【0030】この場合、本発明では、特に好ましくは、
前記スライディングモード制御手段は、適応スライディ
ングモード制御を用いて前記内燃機関の空燃比を補正す
るための補正量を求める。このように適応スライディン
グモード制御を用いることで、前記触媒装置の下流側の
特定成分の濃度の前記所定の適正値への整定をさらに安
定して行うことができる。すなわち、適応スライディン
グモード制御は、制御対象の状態量の超平面への収束に
際して外乱等の影響を考慮したスライディングモード制
御であり、かかる適応スライディングモード制御を前記
スイライディングモード制御手段で用いれば、前記状態
予測手段による前記排気系のむだ時間の補償と併せて、
触媒装置の下流側の特定成分の濃度の状態量(該濃度の
値やその変化速度等)を、前記むだ時間だけでなく外乱
の影響も排除して、安定してスライディングモード制御
の超平面上に収束させることができる。そして、触媒装
置の下流側の特定成分の濃度が超平面上に収束した後
は、通常のスライディングモード制御と同様に、極めて
高い安定性で該状態量を超平面上の平衡点(触媒装置の
下流側の特定成分の濃度が所定の適正値に一致する点)
に収束させることができる。
【0031】従って、かかる適応スライディングモード
制御を用いた本発明によれば、上記排気系に存在するむ
だ時間だけでなく、外乱の影響も排除して、触媒装置の
下流側の排気ガスの特定成分の濃度を高精度で所定の適
正値に整定させることができる。
【0032】このように適応スライディングモード制御
を用いる本発明では、前記スライディングモード制御手
段は、前記両排気ガスセンサ間の前記触媒装置を含む排
気系を、あらかじめ前記第1排気ガスセンサにより検出
される排気ガスの空燃比と前記状態予測手段により推定
される前記触媒装置の下流側の排気ガスの前記特定成分
の濃度とをそれぞれ入力及び出力とする二次遅れ以上の
遅れ要素を含むモデルとしてモデル化し、そのモデルに
おける出力が前記所定の適正値となるように前記内燃機
関の空燃比を補正するための補正量を適応スライディン
グモード制御により求める。
【0033】このように上記排気系を二次遅れ以上の遅
れ要素を含むモデルとしてモデル化することで、適応ス
ライディングモード制御を行う上で、上記排気系の実際
の動的な特性を適正なモデルにより表すことができる。
そして、そのモデルにおける出力、すなわち、状態予測
手段により前記むだ時間を考慮して推定される浄化装置
の下流側の特定成分の濃度を前記所定の適正値を一致さ
せるように内燃機関の空燃比を補正するための補正量を
求めることで、内燃機関の空燃比を、触媒装置の下流側
の排気ガスの特定成分の濃度を所定の適正値に合致させ
る上で最適な空燃比に制御することができる。
【0034】この場合、前記モデルは、バネと減衰器と
を遅れ要素として含み、且つ該バネの長さを前記触媒装
置の下流側の排気ガスの特定成分の濃度を示す量とする
バネマス系によりモデル化することで、該モデルを比較
的簡略なものとすることができる。
【0035】尚、上記のような触媒装置を含む排気系の
モデル化において、内燃機関の運転状態の変化や触媒装
置の経年劣化等に基づくモデル誤差は、適応スライディ
ングモード制御によって吸収できる。
【0036】前記適応スライディングモード制御を用い
るスライディングモード制御手段は、具体的には、少な
くとも前記状態予測手段により推定される前記触媒装置
の下流側の排気ガスの前記特定成分の濃度及び該濃度の
変化度合を含む前記排気系の複数の状態量と、該複数の
状態量を変数とする所定の線形関数とが定められている
と共に、適応スライディングモード制御の到達則及び適
応則に従って各状態量を前記線形関数により表される超
平面に収束させるように前記内燃機関の空燃比の補正量
を求める非線形入力演算手段と、各状態量を前記超平面
上に拘束しつつ該超平面上の平衡点に収束させるように
前記内燃機関の空燃比の補正量を求める等価制御入力演
算手段とを備え、両演算手段により求められた補正量の
総和により前記内燃機関の空燃比を補正するための補正
量を求める。
【0037】このようなスライディングモード制御手段
の構成において、少なくとも前記状態予測手段により推
定される前記触媒装置の下流側の排気ガスの特定成分の
濃度及び該濃度の変化度合を含む前記排気系の複数の状
態量を前記超平面上に収束させれば、前記等価制御入力
演算手段により求められる補正量によって、それらの状
態量は、外乱やモデル誤差等の影響を受けることなく確
実に該超平面上の平衡点(触媒装置の下流側の特定成分
の濃度が所定の適正値に一致する点)に収束する。そし
て、前記非線形入力演算手段により求められる補正量
は、触媒装置の下流側の特定成分の濃度等を含む状態量
を超平面上に収束させるように作用するもので、このと
き、該補正量を適応スライディングモード制御の到達則
及び適応則に従って求め、また、上記状態量として前記
状態予測手段により推定されたものを用いることで、外
乱やモデル誤差、むだ時間等の影響を排除しつつ上記状
態量を超平面上に収束させることができる。
【0038】従って、等価制御入力演算手段及び非線形
入力演算手段により求められる補正量の総和を、前記内
燃機関の空燃比を補正するための最終的な補正量として
求めることで、触媒装置の下流側の特定成分の濃度の所
定の適正値への制御を、排気系のむだ時間や外乱、モデ
ル誤差等に対して極めて安定して行うことができる。
【0039】また、本発明では、前記線形関数の値に基
づき、前記内燃機関の空燃比を補正するための補正量を
算出する前記適応スライディングモード制御手段の安定
性を判別する安定性判別手段と、その判別結果に応じて
前記補正量の算出を制限する補正量算出制限手段とを備
える。
【0040】すなわち、前記状態予測手段により推定さ
れた排気ガスの特定成分の濃度を用いる適応スライディ
ングモード制御では、基本的は、排気系のむだ時間や外
乱等によらずに前記状態量を前記超平面上(該超平面上
では前記線形関数の値は“0”となる)に収束させて、
さらに、超平面上の前記平衡点に収束させることができ
るのであるが、該状態量が前記超平面上になく、前記線
形関数の値が“0”でない状態では、外乱の種類等によ
っては、該状態量の超平面への収束が不安定なものとな
ることもあり得る。そこで、前記線形関数の値に基づき
前記適応スライディングモード制御手段による前記補正
量の算出制御の安定性を判別し、その判別結果に応じて
前記補正量の算出を制限することで、上記のような事態
を排除することが可能となる。
【0041】
【発明の実施の形態】本発明の一実施形態を図1乃至図
17を参照して説明する。
【0042】図1を参照して、1は本実施形態において
空燃比制御を行う例えば4気筒のエンジン(内燃機関)
であり、このエンジン1の各気筒毎の排気管2はエンジ
ン1の近傍で単一の主排気管3に集合され、この主排気
管3に二つの三元触媒装置4,5が上流側から順に介装
されている。尚、下流側の触媒装置5はこれを省略して
もよい。
【0043】このエンジンシステムの空燃比制御を行う
本実施形態の空燃比制御装置は、触媒装置4の上流側で
エンジン1の各気筒毎の排気管2の集合箇所に設けられ
た第1排気ガスセンサとしての広域空燃比センサ6と、
触媒装置4の下流側(触媒装置5の上流側)で主排気管
3に設けられた第2排気ガスセンサとしてのO2 センサ
(酸素濃度センサ)7と、これらのセンサ6,7の出力
等に基づき後述の制御を行う制御ユニット8とにより構
成されている。尚、制御ユニット8には、前記広域空燃
比センサ6やO2 センサ7の他に、図示しない回転数セ
ンサや吸気圧センサ、冷却水温センサ等の各種のセンサ
の検出信号が与えられるようになっている。
【0044】広域空燃比センサ6は、O2 センサにより
構成されたものであり、触媒装置4の上流側の排気管2
の集合箇所における排気ガスの空燃比を示す酸素濃度
(これはエンジン1に供給された混合気の空燃比に相当
する)に応じたレベルの信号を出力する。この場合、広
域空燃比センサ6の出力信号は、制御ユニット8に設け
られたフィルタ9を介して高周波ノイズが除去された後
にリニアライザ10によって、排気ガスの酸素濃度(空
燃比)の広い範囲にわたって、それに比例したレベルの
信号に変換される。以下、本実施形態では、出力信号を
このようにリニアライズしてなる広域空燃比センサ6を
LAFセンサ6と称する。
【0045】また、触媒装置4の下流側のO2 センサ7
は、触媒装置4を通過した排気ガスの酸素濃度(触媒装
置4を通過した後の排気ガスの空燃比)に応じたレベル
の信号を出力する。この場合、このO2 センサ7の出力
信号は、図2に示すように、エンジン1に供給される空
燃比(排気ガスの空燃比)が所定の適正値の近傍範囲に
存するような状態で、その排気ガスが触媒装置4を通過
した後の酸素濃度にほぼ比例した高感度な変化を生じる
ものとなっている。尚、O2 センサ7の出力信号は制御
ユニット8に設けられたフィルタ11により高周波ノイ
ズが除去される。
【0046】制御ユニット8はマイクロコンピュータを
用いて構成されたものであり、その主要な機能的構成と
して、エンジン1への基本燃料噴射量Timを求める基本
燃料噴射量算出部12と、エンジン1の排気還流率(エ
ンジン1の吸入空気中に含まれる排気ガスの割合)や、
エンジン1の図示しないキャニスタのパージ時にエンジ
ン1に供給される燃料のパージ量、エンジン1の冷却水
温、吸気温等を考慮して基本燃料噴射量Timを補正する
ための第1補正係数KTOTALを求める第1補正係数算出部
13と、LAFセンサ6の箇所の目標空燃比からその目
標空燃比に対応したエンジン1の吸入空気の充填効率を
考慮して基本燃料噴射量Timを補正するための第2補正
係数KCMDM を求める第2補正係数算出部14と、エンジ
ン1の基準空燃比KBS (LAFセンサ6の箇所の基準空
燃比)を設定する基準空燃比設定部15と、その基準空
燃比KBS をO2 センサ7の出力に基づき補正してLAF
センサ6の箇所の目標空燃比KCMDを求める目標空燃比算
出部16と、この目標空燃比KCMDにLAFセンサ6の箇
所の空燃比を収束させるようにエンジン1の燃料噴射量
(燃料供給量)をLAFセンサ6の出力に基づきフィー
ドバック制御するフィードバック制御部17とを備えて
いる。
【0047】この場合、基本燃料噴射量算出部12は、
エンジン1の回転数と吸気圧とから、それらにより規定
される基準の燃料噴射量をあらかじめ設定されたマップ
を用いて求め、その基準の燃料噴射量をエンジン1の図
示しないスロットル弁の有効開口面積に応じて補正する
ことで基本燃料噴射量Timを算出する。
【0048】尚、このような基本燃料噴射量Timや、前
記第1補正係数KTOTAL、第2補正係数KCMDM の具体的な
算出手法は、特開平5−79374号公報等に本願出願
人が開示しているので、ここでは詳細な説明を省略す
る。また、第1補正係数KTOTAL及び第2補正係数KCMDM
による基本燃料噴射量Timの補正は、第1補正係数KTOT
AL及び第2補正係数KCMDM を基本燃料噴射量Timに乗算
することで行われ、これにより要求燃料噴射量Tcyl が
得られる。
【0049】また、基準空燃比設定部15は、エンジン
1の回転数と吸気圧とから、それらにより規定されるエ
ンジン1の基準空燃比KBS をあらかじめ設定されたマッ
プを用いて求める。
【0050】目標空燃比算出部16は、LAFセンサ6
の箇所からO2 センサ7の箇所にかけての主排気管3の
触媒装置4を含む排気系(図1で参照符号Aを付した部
分)の状態量(詳しくはO2 センサ7の箇所での酸素濃
度の値、及びその変化量もしくは変化速度等の変化度
合)を該排気系Aに存するむだ時間を考慮して推定する
状態予測部18と、その状態予測部18により推定され
た状態量に基づき適応スライディングモード制御を用い
て前記基準空燃比KBS の補正量を求める適応スライディ
ングモード制御部19(補正量算出手段)とを具備し、
求められた補正量により基準空燃比KBS を補正する(補
正量を基準空燃比KBS に加算する)ことで、前記目標空
燃比KCMDを算出する。かかる目標空燃比算出部16の状
態予測部18及び適応スライディングモード制御部19
の詳細は後述する。
【0051】フィードバック制御部17は、本実施形態
では、LAFセンサ6の検出空燃比が前記目標空燃比に
収束するように、エンジン1の各気筒への全体的な燃料
噴射量をフィードバック制御する大局的フィードバック
制御部20と、エンジン1の各気筒毎の燃料噴射量をフ
ィードバック制御する局所的フィードバック制御部21
とにより構成されている。
【0052】ここで、大局的フィードバック制御部20
は、LAFセンサ6の検出空燃比が目標空燃比に収束す
るように、前記要求燃料噴射量Tcyl を補正するフィー
ドバック補正係数KFB を求めるものである。この場合、
大局的フィードバック制御部20は、LAFセンサ6の
検出空燃比と目標空燃比とからそれらの偏差が解消する
ように周知のPID制御を用いてフィードバック補正係
数KFB を求めるPID制御部22と、LAFセンサ6の
検出空燃比と目標空燃比とからエンジン1の運転状態の
変化や特性変化等の動的変化を考慮してフィードバック
補正係数KFB を適応的に求める漸化式形式の制御器であ
る適応制御部23(図ではSTRと称している)とをそ
れぞれ独立的に具備している。そして、大局的フィード
バック制御部20は、それらのPID制御部22及び適
応制御部23により各別に求められるフィードバック補
正係数KFB を切換部24で適宜、切り換えて、いずれか
一方のフィードバック補正係数KFB を前記要求燃料噴射
量Tcyl に乗算してこれを補正する。以下、PID制御
部22によるフィードバック補正係数KFB をKLAFと称
し、適応制御部23によるフィードバック補正係数KFB
をKSTRと称する。かかる大局的フィードバック制御部2
0の詳細は後述する。
【0053】尚、LAFセンサ6の出力は、PID制御
部22と適応制御部23とに、それぞれの制御特性に合
わせた周波数帯域のフィルタ24,25を介して入力さ
れる。
【0054】一方、局所的フィードバック制御部21
は、LAFセンサ6の検出空燃比(エンジン1の気筒毎
の排気管2の集合部の空燃比)から、各気筒毎の実空燃
比#nA/F (n=1,2,3,4) を推定するオブザーバ26と、こ
のオブザーバ26により推定された各気筒毎の実空燃比
#nA/F から各気筒毎の空燃比のばらつきを解消するよ
う、PID制御を用いて各気筒毎の燃料噴射量のフィー
ドバック補正係数#nKLAFをそれぞれ求める複数(気筒数
個)のPID制御部27とを具備する。
【0055】ここで、オブザーバ26は、それを簡単に
説明すると、各気筒毎の実空燃比#nA/F の推定を次のよ
うに行うものである。すなわち、エンジン1からLAF
センサ6にかけてのシステムを、各気筒毎の実空燃比#n
A/F を入力として、排気管2の集合部にLAFセンサ6
により検出される空燃比を出力するシステムと考え、こ
れを、LAFセンサ6の検出応答遅れ(例えば一次遅
れ)や、排気管2の集合部の空燃比に対する各気筒毎の
空燃比の時間的寄与度を考慮して、モデル化する。そし
て、そのモデルの基で、LAFセンサ6の検出空燃比か
ら、逆算的に各気筒毎の実空燃比#nA/F を推定する。
【0056】尚、このようなオブザーバ26は、本願出
願人が例えば特開平7−83094号公報に詳細に開示
しているので、ここでは、詳細な説明を省略する。
【0057】また、局所的フィードバック制御部21の
各PID制御部27は、LAFセンサ6の検出空燃比
を、前回のサイクルタイムで各PID制御部27により
求められたフィードバック補正係数#nKLAFの全気筒につ
いての平均値により除算してなる値を各気筒の空燃比の
目標値として、その目標値とオブザーバ26により求め
られた各気筒毎の実空燃比#nA/F との偏差が解消するよ
うに、今回サイクルタイムにおける、各気筒毎のフィー
ドバック補正係数#nKLAFを求める。そして、局所的フィ
ードバック制御部21は、前記要求燃料噴射量Tcyl に
大局的フィードバック制御部20のフィードバック補正
係数KFB を乗算・補正してなる値に、各気筒毎のフィー
ドバック補正係数#nKLAFを乗算することで、各気筒の出
力燃焼噴射量#nTout(n=1,2,3,4)を求める。
【0058】このようにして求められた各気筒の出力燃
焼噴射量#nTout は、制御ユニット8に備えた付着補正
部28により吸気管の壁面付着を考慮した補正が各気筒
毎になされた後、エンジン1の図示しない燃料噴射装置
に与えられ、その付着補正がなされた出力燃料噴射量#n
Tout で、エンジン1の各気筒への燃料噴射が行われる
ようになっている。尚、上記付着補正については、本願
出願人が例えば特開平8−21273号公報に詳細に開
示しているので、ここでは詳細な説明を省略する。
【0059】次に、前記目標空燃比算出部16の状態予
測部18及び適応スライディングモード制御部19を詳
細に説明する。
【0060】本実施形態では、目標空燃比算出部16
は、触媒装置4の下流側のO2 センサ7の箇所における
排気ガスの酸素濃度を触媒装置4の排気ガス浄化能力が
最大となる所定の適正値に整定させるように、前記基準
空燃比KBS を補正して、触媒装置4の上流側のLAFセ
ンサ6の箇所における目標空燃比KCMDを求めるものであ
り、LAFセンサ6の箇所からO2 センサ7の箇所にか
けての主排気管3の触媒装置4を含む排気系A(図1参
照)を制御対象(プラント)としている。そして、上記
のように基準空燃比KBS を補正するための補正量を、状
態予測部18及び適応スライディングモード制御部19
により、制御対象である上記排気系Aに存するむだ時間
を考慮して適応スライディングモード制御を用いて求め
るものである。尚、以下の説明に際して、LAFセンサ
6の箇所の空燃比をCAT前A/Fと称し、O2 センサ
7の箇所の酸素濃度をCAT後A/Fと称する。
【0061】上記のように制御対象である排気系A(以
下、対象排気系Aという)にむだ時間を考慮した適応ス
ライディングモード制御を適用するために、本実施形態
では、まず、対象排気系Aを図3に示すようにむだ時間
を含むバネマス系(二次遅れ系)によりモデリングし
た。
【0062】図3において、このバネマス系では、質量
体29(この質量Mは“1”とする)がバネ定数Kのバ
ネ30と減衰係数Cの減衰器31とにより支持されてお
り、質量体29に加わる加振力がCAT前A/Fに相当
するものとし、その加振力による質量体29の変位量x
1 がCAT後A/Fに相当するものとする。また、CA
T前A/Fは、前記フィードバック制御部17等により
制御可能な空燃比成分u(ここでは単に入力uと称す
る)と、ノイズ等の制御不能な空燃比成分L(ここでは
外乱Lと称する)との総和(加算したもの)であるとす
る。そして、これらの入力u及び外乱Lには、排気系A
のむだ時間dが含まれるものとし、むだ時間d前の入力
u(t−d)及び外乱L(t−d)がこのバネマス系の
加振力として入力されるのとする。
【0063】このようなバネマス系モデルにおいて、質
量体29の変位量に相当するCAT後A/Fの値を
1 、その変化速度をx2 とすると、そのモデルの状態
方程式は、前記バネ定数K、減衰係数C等を用いて次式
(1)により表される。
【0064】
【数1】
【0065】そして、この状態方程式(1)をブロック
図で示すと、図4に示すように対象排気系Aのプラント
モデルが得られる。尚、同図において“s”はラプラス
演算子である。
【0066】本実施形態の状態予測部18及び適応スラ
イディングモード制御部19は、このような対象排気系
Aのプラントモデルの基で構築されたものであり、以下
にこれらの詳細を説明する。
【0067】まず、状態予測部18は、後に詳細を説明
する適応スライディングモード制御部19による適応ス
ライディングモード制御に際して、対象排気系Aのむだ
時間dを補償するためのものであり、LAFセンサ6に
より検出されるCAT前A/FとO2 センサ7により検
出されるCAT後A/Fとから、現在までのCAT前A
/Fに対応して排気系Aのむだ時間d後にO2 センサ7
により検出されるCAT後A/Fの状態量を推定するも
のである。ここで、上記状態量は、本実施形態では、O
2 センサ7により検出されるCAT後A/Fの値(実際
にはO2 センサの出力レベル)と、そのCAT後A/F
の変化量もしくは変化速度(実際にはO 2 センサの出力
レベルの変化量もしくは変化速度)との二つである。
【0068】状態予測部18は、このような推定を行う
ために、次のような処理を行うように構築されている。
【0069】すなわち、状態予測部18は、前記図4の
プラントモデルからむだ時間項(図4の“e-ds ”で表
された部分)を省き、且つ、前記各定数C,K,bをそ
れぞれあらかじめ定めた設定値CM ,KM ,bM で置き
換えてなる図5に示す遅れ要素のモデル(プラントモデ
ル)を用いて、前記の推定を行う。この場合、図5の遅
れ要素のモデルでは、前記式(1)に対応する状態方程
式は、次式(2)により表される。
【0070】
【数2】
【0071】ここで、図6及び式(2)において、
1M,x2Mは、図5の遅れ要素のモデルにおけるCAT
後A/Fの値、及びその変化量もしくは変化速度(状態
量)である。尚、上記設定値CM ,KM ,bM は実験等
に基づき定める。
【0072】そして、状態予測部18は、この式(2)
の入力U(t) として、前記LAFセンサ6により実際に
検出されたCAT後A/Fを用いて、状態方程式(2)
を時系列で解き、上記状態量x1M,x2Mを求める。さら
に、この求めた状態量x1M,x2Mと現在時刻tのCAT
後A/Fの状態量x1 ,x2 とから次式(3)により、
現在時刻tからむだ時間d後の前記CAT後A/Fの状
態量の推定値x1 ハット(=CAT後A/Fの推定
値)、x2 ハット(=CAT後A/Fの変化量もしくは
変化速度の推定値)を求める。
【0073】
【数3】
【0074】ここで、式(3)において、“eAt”は状
態方程式(2)を解いた時に得られる行列指数関数であ
り、“dM ”は対象排気系Aのむだ時間dの設定値(同
定値)である。この場合、むだ時間dM は実際のむだ時
間dと同じか、もしくは大きめの値に設定されている
(dM ≧d)。また、式(3)の第1項では、O2 セン
サ7の出力により実際に得られた状態量x1 ,x2 (C
AT後A/Fの値、及びその変化量もしくは変化速度)
を用いる。
【0075】上式(3)において、右辺第1項は、現在
時刻tから対象排気系Aのむだ時間d後の時刻t+dま
での間で対象排気系Aに入力される入力U(時刻t−d
から時刻tまでのCAT前A/F)が“0”である場合
に、むだ時間d後にO2 センサ7により検出されるCA
T後A/Fの状態量を推定する演算項である。
【0076】また、式(3)の右辺第2項及び第3項
は、現在時刻tからむだ時間d後の時刻t+dまでの間
で対象排気系Aに入力される入力U(時刻t−dから時
刻tまでのCAT前A/F)によるむだ時間d後のO2
センサ7により検出されるCAT後A/Fの状態量の変
化量を推定する演算項である。
【0077】このような推定演算を行う状態予測部18
は、それをブロック図で表すと、図6に示すように構成
されている。すなわち、該状態予測部18は、その構成
を大別すると前記式(3)の右辺第1項の推定演算を行
う推定部32と、前記状態方程式(2)を解く演算や式
(3)の右辺第2項及び第3項の推定演算を行う推定部
33とにより構成されている。
【0078】そして、推定部32には、前記の推定演算
を行うために、O2 センサ7の出力から実際に得られる
状態量(CAT後A/Fの値x1 、及びその変化量もし
くは変化速度x2 )が与えられる。この場合、O2 セン
サ7の出力により得られる状態量は必要に応じて要素3
4によりフィルタリングやスケーリングが施されて、推
定部32に与えられる。尚、図6では、説明の便宜上、
2 センサ7から直接的にCAT後A/Fの値x1 、及
びその変化量もしくは変化速度x2 の両者が与えられる
ように記載したが、実際には、CAT後A/Fの変化量
もしくは変化速度x2 は、制御ユニット8内で演算によ
り求められる。
【0079】また、推定部33には、前記の推定演算を
行うために、LAFセンサ6の出力から実際に得られる
CAT前A/Fが前記入力U(=u+L)として与えら
れる。この場合、LAFセンサ6の出力により得られる
CAT前A/Fは必要に応じて要素35によりフィルタ
リングやスケーリングが施されて、推定部33に与えら
れる。
【0080】そして、状態予測部18は、各推定部3
2,33により求められた値を加算し、それを、むだ時
間d後にO2 センサ7により検出されるCAT後A/F
の状態量の推定値x1 ハット,x2 ハットとして適応ス
ライディングモード制御部19に出力する。この場合、
各推定部32,33により求められた値は、それぞれ必
要に応じて要素36,37によりフィルタリングやスケ
ーリングが施された後に加算され、さらに、その加算結
果(むだ時間d後のCAT後A/Fの状態量の推定値x
1 ハット,x2 ハット)も、必要に応じて要素38によ
りフィルタリングやスケーリングが施された後に適応ス
ライディングモード制御部19に出力される。以下、前
記推定値x1 ハット,x2 ハットを推定状態量x1 ハッ
ト,x2 ハットと称する。
【0081】次に、適応スライディングモード制御部1
9を詳説する。
【0082】ここで、まず、一般的なスライディングモ
ード制御について図7を参照して簡単に説明しておく。
【0083】スライディングモード制御は、可変構造型
のフィードバック制御手法であり、この制御手法におい
ては、例えば制御対象の状態量をx1 ,x2 の二つとし
た場合、これらの状態量x1 ,x2 を変数とする線形関
数σ=s1 1 +s2 2 (s1 ,s2 は係数)を用い
て、σ=0により表される超平面Hをあらかじめ設計し
ておく。この超平面Hは位相空間が二次系の場合は、し
ばしば切換線(S)と呼ばれ、線形関数σは切換関数と
呼ばれている。位相空間の次数が大きくなると、切換線
から切換面となり、さらには幾何学的に図示できなくな
る超平面になる。尚、超平面はすべり面と呼ばれること
もある。
【0084】そして、例えば図7の点Pで示すように、
状態量x1 ,x2 がσ≠0となっている場合に、所謂、
到達則に従って、状態量x1 ,x2 をハイゲイン制御に
よって超平面H(σ=0)上に高速で収束させ(モード
1)、さらに所謂、等価制御入力によって、状態量
1 ,x2 を超平面H上に拘束しつつ超平面H上の平衡
点(収束点、x1 =x2 =0の点)に収束させる(モー
ド2)ものである。
【0085】このようなスライディングモード制御にお
いては、状態量x1 ,x2 を超平面H上に収束させさえ
すれば、等価制御入力によって、外乱等の影響を受ける
ことなく、極めて安定に状態量x1 ,x2 を超平面H上
の平衡点に収束させることができるという特性をもって
いる。従って、上記モード1において状態量x1 ,x 2
をいかにして安定に超平面H上に収束させるかが重要な
課題となる。この場合、外乱等の影響があると、一般に
は、前記到達則だけでは、状態量x1 ,x2 を超平面H
上に安定に収束させることが困難である。このため、近
年では、例えばコロナ社により1994年10月20日
に発刊された「スライディングモード制御 −非線形ロ
バスト制御の設計理論−」と題する文献の第134頁〜
第135頁に見られるように、到達則に加えて、外乱の
影響を排除しつつ状態量を超平面上に収束させるための
適応則を用いた適応スライディングモード制御という手
法が提案されている。
【0086】本実施形態の前記適応スライディングモー
ド制御部19は、このような適応スライディングモード
制御を用いて、前記CAT後A/Fの推定状態量x1
ット,x2 ハットから、前記基準目標空燃比の補正量を
算出するものであり、次のように構築されている。
【0087】まず、適応スライディングモード制御部1
9の適応スライディングモード制御に必要な超平面及び
前記等価制御入力の構築について説明する。
【0088】本実施形態では、適応スライディングモー
ド制御部19は、CAT後A/Fを所定の適正値に整定
させるように基準空燃比KBS の補正量を求めるものであ
るので、前記CAT後A/Fの推定状態量x1 ハット,
2 ハット(CAT後A/Fのむだ時間d後の値の推定
値、及びその変化量もしくは変化速度の推定値)の目標
値(すなわち収束させるべき値)を、それぞれ“適正
値”及び“0”とする。
【0089】そこで、上記CAT後A/Fの適正値をq
として、適応スライディングモード制御を行うための超
平面を次式(4)の線形関数により表す。
【0090】
【数4】
【0091】一方、前記推定状態量x1 ハット,x2
ットを用いた場合、対象排気系Aのむだ時間dは状態予
測部18により補償されるので、この場合の対象排気系
Aのプラントモデルは、図5に示した形で、同図の状態
量x1M,x2Mを推定状態量x 1 ハット,x2 ハットで置
き換えたもので表される。
【0092】従って、そのプラントモデルの状態方程式
は次式(5)で表される。
【0093】
【数5】
【0094】ここで、状態方程式(5)において、式
(4)に基づき次式(6)で表される線形変換を行い、
【0095】
【数6】
【0096】さらに、外乱Lを“0”と置くと、次式
(7)が得られる。
【0097】
【数7】
【0098】ここで、式(4)により表される超平面を
用いてスライディングモード制御を行う場合、前述の如
く、推定状態量x1 ハット,x2 ハットを超平面上に拘
束しつつその超平面上の平衡点に収束させる前記モード
2では、次式(8)の条件を満たさなければならない。
【0099】
【数8】
【0100】従って、前記式(7)から前記モード2で
必要な等価制御入力ueq(=u)は、次式(9)により
表される。
【0101】
【数9】
【0102】次に、この等価制御入力ueqによって、推
定状態量x1 ハット,x2 ハットを超平面上に拘束した
状態では、σ=0であるので、式(7)の下段式から次
式(10)が得られる。
【0103】
【数10】
【0104】ここで、簡略化のためにs1 =k,s2
1(k=s1 /s2 )とし、また、推定状態量x1 ハッ
トの目標値q(CAT後A/Fの適正値)が時刻t<0
では“0”(一定値)で、時刻t≧0では“q”(一定
値)となるステップ関数入力であることを考慮して、式
(10)をラプラス変換すると、次式(11)が得られ
る。
【0105】
【数11】
【0106】式(11)において、X1 ハットは、推定
状態量x1 ハットをラプラス変換したもので、sはラプ
ラス演算子である。
【0107】故に、式(11)を逆ラプラス変換する
と、推定状態量x1 ハットは、時間軸上で、次式(1
2)により表される。
【0108】
【数12】
【0109】従って、式(12)において、k>0(s
1 >0,s2 =1)とすれば、推定状態量x1 ハット
は、t→∞で目標値qに収束する。尚、このことは、式
(11)の特性根−k(制御系の極)が、図8に示すよ
うに、複素平面上の安定領域(極の実部が負となる領
域)に配置されることを意味する。
【0110】よって、本実施形態で用いる超平面は、次
式(13)により設定する。
【0111】
【数13】
【0112】尚、式(13)のkの具体的な値は、各種
実験やシミュレーションに基づき、基本的には推定状態
量x1 ハット,x2 ハットが超平面上に迅速に収束する
ように設定する。また、このkの値は、本実施形態で
は、適宜、変更するようにしているのであるが、これに
ついては後述する。また、本実施形態では、適応スライ
ディングモード制御部19を、サーボ型コントローラと
して構築したため、推定状態量x1 ハットの目標値qを
q≠0としているが、レギュレータ型のコントローラと
して構築する場合には、推定状態量x1 ハットの目標値
を“0”として本実施形態と同様に構築することができ
る。
【0113】次に、本実施形態の適応スライディングモ
ード制御部19における適応スライディングモード制御
の到達則は、上記のように構築された超平面σ=0を用
いて以下のように構築されている。
【0114】スライディングモード制御の到達則は、線
形関数σを超平面(σ=0)に収束させるための制御則
であり、この到達則には、種々のものが公知となってい
る。そして、本実施形態では、それらの到達則のうち、
最も超平面への収束時間が短い加速率則を採用した。
【0115】この加速率則では、σの動特性(σの値の
時間的変化率)が次式(14)により表されるように制
御する。
【0116】
【数14】
【0117】式(14)において、J,αは、あらかじ
め設定する正の定数であり、特に0<α<1である。ま
た、sgn(σ) は、σの符号関数で、σ<0のときsgn
(σ) =−1、σ=0のときsgn(σ) =0、σ>0のと
きsgn(σ) =1である。
【0118】ここで、前記式(13)を時間微分し、さ
らに、外乱L=0として、前記状態方程式(5)を用い
ると、次式(15)が得られる。
【0119】
【数15】
【0120】従って、式(14)と式(15)とから、
対象排気系Aへの入力usl(=u)は、次式(16)と
なる。
【0121】
【数16】
【0122】この式(16)により表される対象排気系
Aへの入力uslが、本実施形態において、外乱L=0と
した場合に、CAT後A/Fを適正値qに整定させるた
めに対象排気系Aに与えるべき入力(CAT前A/F)
である。ここで、上式(16)の第1項及び第2項は、
σ=0の時、すなわち、推定状態量x1 ハット,x2
ットが超平面上に収束したとき、前記式(9)により表
された等価制御入力u eqと一致する。すなわち、
【0123】
【数17】
【0124】尚、このことは、式(9)においてs1
2 =kとし、さらに式(13)をい用いてqをx1
ット,x2 ハットにより表して、それを式(9)に代入
すれば、明らかとなる。
【0125】また、式(16)の第3項は、外乱L=0
とした場合に、前記の到達則に従って、推定状態量x1
ハット,x2 ハットを超平面上に収束させるための制御
入力を示すものである。以下、この到達則に基づく制御
入力を到達制御入力urch と称する。すなわち、
【0126】
【数18】
【0127】次に、本実施形態の適応スライディングモ
ード制御部19における適応スライディングモード制御
の適応則は、以下のように構築されている。
【0128】前述のように、本実施形態における超平面
や等価制御入力ueq、到達制御入力urch の構築は、外
乱L=0との前提の基で行ったが、対象排気系Aには、
実際には種々の外乱が存在し、また、上記超平面等を構
築する上で用いたプラントモデルには、実際の対象排気
系Aに対してモデル誤差が存在する。この場合、推定状
態量x1 ハット,x2 ハットが超平面上に収束すれば、
前記の等価制御入力u eqによって、推定状態量x1 ハッ
ト,x2 ハットは、外乱やモデル誤差の影響を受けるこ
となく、超平面上の平衡点に収束するのであるが、超平
面上に収束していない段階にあっては、前記到達則によ
る到達制御入力urch では、推定状態量x1 ハット,x
2 ハットを超平面に収束させることができない。
【0129】本実施形態の適応スライディングモード制
御部19で用いる適応則は、このような不都合を解消す
るためのものである。
【0130】本実施形態では、適応スライディングモー
ド制御部19に適応則を構築するにあたって、外乱Lが
時間や推定状態量x1 ハット,x2 ハットに依存するこ
となく不変なものであるとし、次式(19)により表せ
る前記線形関数σの積算項u adp を適応則項(以下、u
adp を適応制御入力と称する)として、前記式(16)
の右辺に付加し、対象排気系Aへの最終的な入力usl
して求めることとした。
【0131】
【数19】
【0132】従って、適応則を用いた対象排気系Aへの
入力uslは、次式(20)により求められる。
【0133】
【数20】
【0134】尚、この式(20)は、適応スライディン
グモード制御の最も簡単な形式のものであり、さらに発
展させた適応則を用いることも可能である。
【0135】本実施形態の適応スライディングモード制
御部19は、式(20)の演算を行うことで、対象排気
系Aへの入力uslを求める。この場合、本実施形態で
は、推定状態量x1 ハットを適正値qに整定させる(x
1 ハット=q,x2 ハット=0とする)ように、前記基
準空燃比KBS を補正し、それによって間接的にCAT後
A/Fを適正値qに整定させるものであるので、適応ス
ライディングモード制御部19は、式(20)により求
められる入力uslを基準空燃比KBS の補正量として出力
する。以下、式(20)により求められる入力uslを基
準空燃比補正量u slと称する。
【0136】以上のように構築された適応スライディン
グモード制御部19は、それをブロック図で表すと、図
9に示すように構成されている。すなわち、該適応スラ
イディングモード制御部19は、その主要な構成とし
て、前記等価制御入力ueqを求める等価制御入力演算部
39と、前記到達制御入力urch 及び適応制御入力uad
p の総和unl(=urch +uadp 、以下、非線形入力と
称する)を求める非線形入力演算部40とを具備し、こ
れらの演算部39,40に、状態予測部18により求め
られた推定状態量x1 ハット,x2 ハットが前記要素3
8を介して与えられる。
【0137】そして、適応スライディングモード制御部
19は、基本的には、これらの演算部39,40により
求められた等価制御入力ueqと、非線形入力unlとを加
算してなる前記基準空燃比補正量usl(=ueq+unl
を出力し、それが必要に応じて要素41によってスケー
リングやフィルタリングが施された後、図示しないメモ
リに保持される。この場合、基準空燃比補正量uslの算
出は、あらかじめ定められた所定周期(一定周期)のサ
イクルタイムで行われるようになっている。
【0138】また、この適応スライディングモード制御
部19や前記状態予測部18を具備した前記目標空燃比
算出部16は、上記メモリに保持された基準空燃比補正
量u slを基準空燃比KBS に加算することで、該基準空燃
比KBS を補正して前記目標空燃比KCMDを求める。この場
合、目標空燃比算出手段16による目標空燃比KCMDの算
出は、適応スライディングモード制御部19による基準
空燃比補正量uslの算出とは非同期で、エンジン1のク
ランク角周期(所謂TDC)に同期して行われるのであ
るが、これについては後述する。
【0139】前記図9に示したように、本実施形態の適
応スライディングモード制御部19は、前記演算部3
9,40の他に、さらに適応スライディングモード制御
の安定性を判別する安定性判別部42と、その判別結果
に応じて基準空燃比KBS の補正を制限する補正制限部4
3(補正量算出制限手段)とを具備している。
【0140】ここで、安定性判別部42は、前記基準空
燃比補正量uslの算出が行われる毎に、図16のフロー
チャートに示すように安定性の判別を行う。すなわち、
安定性判別部42は、まず、前記式(13)で表される
線形関数σ(これは、図9に示す非線形入力演算部40
により求められる)の時間的変化率σドット(σの時間
微分値)を求める(STEP16−1)。そして、線形
関数σの絶対値があらかじめ定めた所定値σ1 よりも大
きいか(|σ|>σ1 )、または、σドットの値があら
かじめ定めた所定値σ2 (>0)よりも大きいか(σド
ット>σ2 )を判断する(STEP16−2)。この判
断で、|σ|>σ1 またはσドット>σ 2 であれば(S
TEP16−2でYES)、安定性判別部42は、適応
スライディングモード制御が不安定であると判別して
(STEP16−3)今回の安定性判別を終了する。
尚、この場合に、不安定と判断される状態は、前記推定
状態量x1 ハット,x2 ハットが超平面σ=0から大き
く離間しているか、または、超平面σ=0から離間する
方向に大きな時間的変化を生じている状態である。
【0141】STEP16−2の条件を満たしていない
場合には(STEP16−2でNO)、次に安定性判別
部42は、σの値とσドットの値との積σ・σドット
(これはσに関するリアプノフ関数σ2 /2の時間微分
関数に相当する)がこれに対応してあらかじめ定めた所
定値a(≧0)よりも大きいか(σ・σドット>a)を
判断する(STEP16−4)。この判断で、σ・σド
ット>aであれば、(STEP16−4でYES)、安
定性判別部42は、適応スライディングモード制御が不
安定であると判別して(STEP16−3)、今回の安
定性判別を終了する。そして、STEP16−4の条件
を満たしていない場合には、安定性判別部42は、適応
スライディングモード制御が安定であると判別して(S
TEP16−5)今回の安定性判別を終了する。尚、こ
の場合、不安定と判断される状態は、σ2 が増加する側
で、前記推定状態量x1 ハット,x2 ハットが超平面
(σ=0)から離間する方向へ変移している状態であ
る。
【0142】尚、本実施形態では、STEP16−2、
STEP16−4の二つの条件で安定性を判別するよう
にしたが、どちらか一方のみで判別してもよく、さらに
は、STEP16−2の中の一つの条件のみで判別して
もよい。
【0143】このような安定性判別部42による適応ス
ライディングモード制御の安定性判別により、推定状態
量x1 ハット,x2 ハットが超平面σ=0に収束しない
虞れのある状況では、制御が不安定であると判断される
こととなる。
【0144】そして、前記補正制限部43は、安定性判
別部42により、適応スライディングモード制御が不安
定であると判別された場合には、今回のサイクルタイム
で適応スライディングモード制御部19により算出され
た前記基準空燃比補正量uslの出力を阻止して、適応ス
ライディングモード制御部19の出力を前回のサイクル
タイムで算出された基準空燃比補正量uslに保持し、こ
れにより、該基準空燃比補正量uslによる基準空燃比KB
S の補正を制限する。
【0145】また、安定性判別部42により、制御が安
定であると判別された場合には、補正制限部43は、今
回のサイクルタイムで算出された前記基準空燃比補正量
slをそのまま出力せしめる。
【0146】尚、本実施形態では、適応スライディング
モード制御が不安定である場合に、基準空燃比補正量u
slを前回のサイクルタイムで算出された基準空燃比補正
量u slに保持して基準空燃比KBS の補正を制限するよう
にしたが、適応スライディングモード制御が不安定であ
る場合に、基準空燃比補正量uslを強制的に“0”とし
て(基準空燃比KBS の補正を行わないようにする)、そ
の補正を制限するようにしてもよい。
【0147】ところで、本実施形態で用いる適応スライ
ディングモード制御において、前記推定状態量x1 ハッ
ト,x2 ハットが前記式(13)の超平面σ=0又はそ
の近傍(σ≒0)に収束した段階において、推定状態量
1 ハット,x2 ハットの目標値“q”,“0”(超平
面の平衡点)への収束の安定性は、該超平面σ=0の傾
きが大きい程、換言すれば、式(13)中の係数k(>
0)の値が大きい程、高くなる。このことは、前記図8
に示した制御系の極−kが実軸の負方向で大きくなる
程、系の安定性が高まることと等価である。また、前記
式(12)から明らかなように、係数kの値が大きいほ
ど、超平面上では、推定状態量x1 ハット,x2 ハット
の目標値“q”,“0”への収束時間も短くなる。従っ
て、この観点からすれば、係数kは、その値をなるべく
大きなものに設定することが好ましい。
【0148】しかるに、式(13)中の係数kの値を大
きくしすぎると、推定状態量x1 ハット,x2 ハットが
超平面σ=0に収束していない段階では、同式(13)
から明らかなように、線形関数σの値も大きなものとな
り、従って、推定状態量x1ハット,x2 ハットを超平
面上に収束させるための前記非線形入力unl(=urc h
+uadp )も大きなものとなる(式(18),(19)
参照)。そして、該非線形入力unlが過大なものとなる
と、推定状態量x1 ハット,x2 ハットが超平面に対し
振動的な応答を生じたりして、超平面上への収束時間が
長くなってしまい、その収束安定性や速応性が低下す
る。従って、この観点からすれば、係数kの値はあまり
大きなものとすることは好ましくない。
【0149】そこで、本実施形態の適応スライディング
モード制御部19は前述の構成に加えて、さらに、前記
図9に示したように、式(13)中の係数kの値を可変
とすることで適応スライディングモード制御の超平面を
可変とする超平面可変制御部44(超平面設定手段)を
具備している。
【0150】この場合、本実施形態の超平面可変制御部
44は、次のようにして、適応スライディングモード制
御の超平面を可変制御する。
【0151】すなわち、本実施形態では、超平面可変制
御部44は、現在の前記係数kの値を用いて前記線形関
数σの値を推定状態量x1 ハット,x2 ハットから前記
式(13)に従って求め、求めたσの値の絶対値|σ|
の大きさに応じて、次式(21)のようにあらかじめ定
義されたパラメータfの値を求める。
【0152】
【数21】
【0153】ここで、上式(21)において、σlimit
は、現在の推定状態量x1 ハット,x2 ハットに対応し
た線形関数σが、超平面σ=0とほぼ一致している状態
であるか否か、すなわち、推定状態量x1 ハット,x2
ハットが超平面σ=0にほぼ収束しているか否かを判断
するためにあらかじめ定めた所定の閾値である。
【0154】そして、超平面可変制御部44は、このよ
うにして定まるパラメータfの値を適応スライディング
モード制御のサイクルタイム毎に積算して、次式(2
2)に示すようにその積算値sum(f)を求め、
【0155】
【数22】
【0156】その求めた積算値sum(f)から次式
(23)により今回の係数kの値を決定する。
【0157】
【数23】
【0158】上式(23)において、k0 は、超平面を
規定する係数kの初期値(>0)であり、γは係数kの
値の変化速度を調整するための所定のゲイン係数であ
る。初期値k0 は、前記推定状態量x1 ハット,x2
ットが超平面σ=0に最も短い時間で収束するように設
定されている。
【0159】超平面可変制御部44は、このようにして
式(23)により求めた係数kの値を、前記等価制御入
力演算部39や、非線形入力演算部40、安定性判別部
42にそれらの前述の演算や判別を行うための係数kの
値として与える。
【0160】尚、本実施形態では、係数kの値が負の値
となったり、初期値k0 よりも小さくなるのを防止する
ために、式(22)により求められる積算値sum
(f)がsum(f)<0である場合には、式(23)
におけるsum(f)の値を強制的に“0”として補正
係数kを求める(この場合、k=k0 となる)。また、
係数kの値が過剰に大きくなり過ぎると、係数kの値を
減少させるべき場合に、その減少が遅れることなるの
で、これを回避するために、式(22)により求められ
る積算値sum(f)があらかじめ定めた所定値αより
も大きくなった場合には、式(23)におけるsum
(f)の値を強制的に“α”として補正係数kを求める
(この場合、k=k0 +α=係数kの上限値となる) このようにして求められる係数kは、推定状態量x1
ット,x2 ハットが超平面σ=0に収束していない段階
では、前記パラメータfの値が初期値k0 の近傍で変動
し、従って、該初期値k0 を前述のように設定しておく
ことで、推定状態量x1 ハット,x2 ハットを超平面σ
=0にほぼ最短時間で収束させることができることとな
る。そして、推定状態量x1 ハット,x2 ハットが超平
面σ=0にほぼ収束した段階では、前記パラメータfの
値がほぼ定常的に“1”に固定されるため、係数kの値
が徐々に増加する。従って、推定状態量x1 ハット,x
2ハットが超平面σ=0にほぼ収束した段階では、本実
施形態の適応スライディングモード制御に使用する超平
面は、図10に示すように、傾きが次第に増加され、こ
れにより、前述のように推定状態量x1 ハット,x2
ットの目標値“q”,“0”(超平面の平衡点)への収
束の安定性が高められると同時に、その収束が短時間で
行われる(速応性が高まる)こととなる。尚、このよう
に係数kの値を次第に大きくしていくということは、前
記図8の複素平面上で制御系の極−kを実軸Reの負方
向の安定領域側へと移動させていくことと等価である。
【0161】尚、超平面を可変とするための係数kの値
の設定の仕方は、上記の態様に限られるものではなく、
例えば式(21)で用いたパラメータfの値として、
“1”及び“−1”以外の組み合わせ(“2”と“−
1”、“1”と“−2”等)を用いてもよい。このよう
な組み合わせを用いることで、線形関数σの値が超平面
σ=0にほぼ一致したか否かで超平面の変化速度を異な
らせることが可能となる。さらに、パラメータfの値を
線形関数σの値の関数として与え、線形関数σの値に応
じて超平面を変化させるようにしてもよい。また、式
(23)のγの値を、式(22)により求められる値の
変化方向(増加傾向か減少傾向か)に応じて異ならせる
ことや、γの値を線形関数σの値に応じて変更すること
も可能である。このように超平面を可変化する手法は、
その制御対象に応じて最適なものを選択することが可能
で、係数kの具体的な求め方は、制御の安定性や速応性
を考慮して実験等を通じて定めればよい。
【0162】以上説明した内容が、本実施形態で用いる
適応スライディングモード制御の詳細である。
【0163】次に、前記図1で示した大局的フィードバ
ック制御部20に具備した前記適応制御部23を詳説す
る。
【0164】同図1を参照して、大局的フィードバック
制御部20は、前述のようにLAFセンサ6の箇所の空
燃比(CAT前A/F)を、目標空燃比算出部16によ
り前述の通り求められる目標空燃比KCMDに収束させるよ
うにフィードバック制御を行うものであるが、このと
き、このようなフィードバック制御を周知のPID制御
だけで行うようにすると、エンジン1の運転状態の変化
や経年的特性変化等、動的な挙動変化に対して、安定し
た制御性を確保することが困難である。
【0165】このため、本実施形態の大局的フィードバ
ック制御部20では、周知のPID制御を行うPID制
御部22と共に、上記のような動的な挙動変化を補償す
ることができる適応制御部23を具備し、それらの制御
部22,23により各別に求められるフィードバック補
正係数KFB を切り換えてフィードバック制御を行うよう
にしている。
【0166】この場合、上記適応制御部23は、I.
D.ランダウ等により提唱されているパラメータ調整則
を用いて、図11に示すように、複数の適応パラメータ
を設定するパラメータ調整部45と、設定された適応パ
ラメータを用いて前記フィードバック補正係数KSTRを算
出する補正係数算出部46とにより構成されている。
【0167】ここで、パラメータ調整部45について説
明すると、ランダウ等の調整則では、離散系の制御対象
の伝達関数B(Z-1)/A(Z-1)の分母分子の多項式
を一般的に次式(24),(25)のようにおいたと
き、パラメータ調整部45が設定する適応パラメータθ
ハット(j) (jは制御サイクルの番数を示す。以下、同
様)は、式(26)のようにベクトル(転置ベクトル)
で表される。また、パラメータ調整部45への入力ζ
(j) は、式(27)のように表される。この場合、本実
施形態では、フィードバック制御部20の制御対象であ
るエンジン1が一次系で3制御サイクル分のむだ時間d
p (エンジン1の燃焼サイクルの3サイクル分の時間)
を持つプラントと考え、式(24)〜式(27)でm=
n=1,dp=3とし、設定する適応パラメータは
0 ,r1 ,r2 ,r3 ,b0 の5個とした(図11参
照)。尚、式(27)の上段式及び中段式における
s ,ys は、それぞれ、制御対象への制御入力(操作
量)及び制御対象の出力(制御量)を一般的に表したも
のであるが、本実施形態では、上記制御入力はフィード
バック補正係数KSTR、制御対象(エンジン1)の出力は
前記LAFセンサ6により実際に検出されるCAT前A
/F(これを以下、KACTと称する)であるので、パラメ
ータ調整部45への入力をζ(j) は、式(27)の下段
式により表す(図11参照)。
【0168】
【数24】
【0169】
【数25】
【0170】
【数26】
【0171】
【数27】
【0172】ここで、前記式(26)に示される適応パ
ラメータθハットは、適応制御部23のゲインを決定す
るスカラ量要素b0 ハット-1(j) 、操作量を用いて表現
される制御要素BR ハット(Z-1,j)、及び制御量を
用いて表現される制御要素S(Z-1,j)からなり、そ
れぞれ、次式(28)〜(30)により表現される(図
11の補正係数算出部46のブロック図を参照)。
【0173】
【数28】
【0174】
【数29】
【0175】
【数30】
【0176】パラメータ調整部45は、これらのスカラ
量要素や制御要素の各係数を設定して式26に示す適応
パラメータθハットとして補正係数算出部46に与える
もので、現在から過去に渡る操作量としてのフィードバ
ック補正係数KSTRと制御量であるCAT前A/F(=KA
CT)とを用いて、CAT前A/Fが前記目標空燃比に一
致するように、適応パラメータθハットを算出する。
【0177】この場合、具体的には、適応パラメータθ
ハットは、次式(31)により算出する。
【0178】
【数31】
【0179】同式(31)において、Γ(j) は、適応パ
ラメータθハットの設定速度を決定するゲイン行列(m
+n+dp )、eアスタリスク(j) は、適応パラメータ
θハットの推定誤差を示すもので、それぞれ式(3
2),(33)のような漸化式で表される。
【0180】
【数32】
【0181】
【数33】
【0182】ここで、式(33)中の“D(Z-1)”
は、収束性を調整するための、漸近安定な多項式であ
り、本実施形態ではD(Z-1)=1としている。
【0183】尚、式(33)のλ1(j),λ2(j)の選び方
により、種々の具体的なアルゴリズムが得られる。例え
ば、λ1(j)=1、λ2(j)=λ(0<λ<2)とすると、
漸減ゲインアルゴリズム(λ=1の場合には最小自乗
法)、λ1(j)=λ1 (0<λ1<1)、λ2(j)=λ
2 (0<λ2 <λ)とすると、可変ゲインアルゴリズム
(λ 2 =1の場合には重み付き最小自乗法)、λ1(j)/
λ2(j)=ηとおき、λ3 を式(34)のように表したと
き、λ1(j)=λ3 とすると、固定トレースアルゴリズム
となる。ここで、式(34)中の“trΓ(0) ”は、行
列Γ(0) のトレース関数で、行列Γ(0) の対角成分の和
(スカラー量)である。また、λ1(j)=1、λ 2(j)=0
のとき、固定ゲインアルゴリズムとなる。この場合は、
式(32)から明らかな如く、Γ(j) =Γ(j-1) とな
り、よってΓ(j) は固定値となる。エンジン1の燃料噴
射あるいは空燃比等の時変プラントでは、漸減ゲインア
ルゴリズム、可変ゲインアルゴリズム、固定ゲインアル
ゴリズム、および固定トレースアルゴリズムのいずれも
が適している。
【0184】
【数34】
【0185】前述のようにパラメータ調整部45に設定
される適応パラメータθハット(s 0 ,r1 ,r2 ,r
3 ,b0 )と、前記目標空燃比算出部16により前述の
通り算出される目標空燃比KCMDM とを用いて、補正係数
算出部46は、次式(35)の漸化式により、フィード
バック補正係数KSTRを求める。図11の補正係数算出部
46は、同式(35)の演算をブロック図で表したもの
である。
【0186】
【数35】
【0187】ここで、同式(35)中の“d' ”は、前
記目標空燃比KCMDに対応するCAT前A/FがLAFセ
ンサ6により検出されるまでのむだ時間であり、このむ
だ時間d' は、本実施形態ではクランク角周期(所謂T
DC)を単位として12サイクル分の時間(=4・
p )である。
【0188】このように構築された適応制御部23は、
前述したことから明らかなように、制御対象であるエン
ジン1の動的な挙動変化を考慮した漸化式形式の制御器
であり、換言すれば、エンジン1の動的な挙動変化を補
償するために、漸化式形式で記述された制御器である。
そして、より詳しくは、漸化式形式の適応パラメータ調
整機構を備えた制御器と定義することができる。
【0189】尚、この種の漸化式形式の制御器は、所
謂、最適レギュレータを用いて構築する場合もあるが、
この場合には、一般にはパラメータ調整機構は備えられ
ていない。
【0190】以上が、本実施形態で採用した適応制御部
23の詳細である。
【0191】尚、適応制御部23と共に、大局的フィー
ドバック制御部20に具備したPID制御部22は、一
般のPID制御と同様に、LAFセンサ6により検出さ
れるCAT前A/F(KACT)と、その目標空燃比KCMDと
の偏差から、比例項(P項)、積分項(I項)及び微分
項(D項)を算出し、それらの各項の総和をフィードバ
ック補正係数KLAFとして算出する。この場合、本実施形
態では、フィードバック補正係数KLAFを燃料噴射量に乗
算して該燃料噴射量を補正するので、CAT前A/F
(KACT)と、その目標空燃比KCMDとの偏差が“0”のと
きに、フィードバック補正係数KLAFを“1”とするた
め、積分項(I項)の初期値を“1”としている。ま
た、比例項、積分項及び微分項のゲインは、エンジン1
の回転数と吸気圧とから、あらかじめ定められたマップ
を用いて決定される。
【0192】また、大局的フィードバック制御部20の
前記切換部24は、エンジン1の冷却水温の低温時や、
高速回転運転時、吸気圧の低圧時等、エンジン1の燃焼
が不安定なものとなりやすい場合、あるいは、目標空燃
比KCMDの変化が大きい時や、空燃比のフィードバック制
御の開始直後等、これに応じたLAFセンサ6の検出空
燃比KACTが、そのLAFセンサ6の応答遅れ等によっ
て、信頼性に欠ける場合、あるいは、エンジン1のアイ
ドル運転時のようエンジン1の運転状態が極めて安定し
ていて、適応制御部23による高ゲイン制御を必要とし
ない場合には、PID制御部22により求められるフィ
ードバック補正係数KLAFを燃焼噴射量を補正するための
フィードバック補正係数KFB として出力し、上記のよう
な場合以外の状態で、適応制御部23により求められる
フィードバック補正係数KSTRを燃焼噴射量を補正するた
めのフィードバック補正係数KFB として出力する。これ
は、適応制御部23が、高ゲイン制御で、LAFセンサ
6による検出されるCAT前A/Fを急速に目標空燃比
KCMDに収束させるように機能するため、上記のようにエ
ンジン1の燃焼が不安定となったり、LAFセンサ6の
検出空燃比KACTの信頼性に欠ける等の場合に、適応制御
部23のフィードバック補正係数KSTRを用いると、かえ
って空燃比の制御が不安定なものとなる虞れがあるから
である。
【0193】このような切換部24の作動は、例えば特
願平7−227303号に本願出願人が詳細に開示して
いるので、ここでは、詳細な説明を省略する。
【0194】次に、本実施形態の空燃比制御装置の全体
的作動を説明する。
【0195】図1及び図13のフローチャートを参照し
て、まず、エンジン1の各気筒毎の出力燃料噴射量#nT
out(n=1,2,3,4)の算出について説明すると、制御ユニッ
ト8は、各気筒毎の出力燃料噴射量#nTout をエンジン
1のクランク角周期と同期したサイクルタイムで次のよ
うな算出処理を行う。
【0196】まず、前記LAFセンサ6及びO2 センサ
7を含む各種センサの出力が読み込まれた後(STEP
13−1)、基本燃料噴射量算出部12によって、前述
の如くエンジン1の回転数及び吸気圧に対応する燃料噴
射量をスロットル弁の有効開口面積に応じて補正してな
る基本燃料噴射量Timが求められる(STEP13−
2)。さらに、第1補正係数算出部13によって、エン
ジン1の冷却水温やキャニスタのパージ量等に応じた第
1補正係数KTOTALが算出され(STEP13−3)、ま
た、基準空燃比設定部15によって、エンジン1の回転
数及び吸気圧に応じた基準空燃比KBS が設定される(S
TEP13−4)。
【0197】次いで、目標空燃比算出部16において、
適応スライディングモード制御部19によって算出され
た基準空燃比補正量uslが図示しないメモリから読みだ
され(STEP13−5)、この基準空燃比補正量usl
をSTEP13−4で設定された基準空燃比KBS に加算
して、該基準空燃比KBS を補正することで、目標空燃比
KCMDが求められる(STEP13−6)。
【0198】また、局所的フィードバック制御部21に
おいて、オブザーバ26によりLAFセンサ6の出力か
ら推定された各気筒毎の実空燃比#nA/F に基づき、PI
D制御部27により、各気筒毎のばらつきを解消するよ
うにフィードバック補正係数#nKLAFが算出され(STE
P13−7)、さらに、大局的フィードバック制御部2
0により、フィードバック補正係数KFB が算出される
(STEP13−8)。
【0199】この場合、フィードバック補正係数KFB の
算出は、前記STEP13−1で読み込まれた各種セン
サの出力や、STEP13−6で求められた目標空燃比
KCMDを用いて、図14のフローチャートに示すように行
われる。すなわち、適応制御部23と、PID制御部2
2とにより、それぞれLAFセンサ6により検出された
CAT前A/Fを目標空燃比KCMDに収束させるようにフ
ィードバック補正係数KSTR及びKLAFが求められる(ST
EP14−1,14−2)。そして、前述のように切換
部24において、エンジン1の燃焼やLAFセンサ6の
検出空燃比が不安定なものとなりやすい状態であるか否
か等により、適応制御を行うべき運転領域であるか否か
が判断され(STEP14−3)、適応制御を行うべき
運転領域では、適応制御部23により求められたフィー
ドバック補正係数KSTRが、エンジン1の燃料噴射量を補
正するためのフィードバック補正係数KFB として求めら
れ(STEP14−4)、PID制御を行うべき運転領
域では、PID制御部22により求められたフィードバ
ック補正係数KLAFが、フィードバック補正係数KFBとし
て求められる(STEP14−5)。
【0200】尚、この場合、フィードバック補正係数KF
B を、フィードバック補正係数KLAFからフィードバック
補正係数KSTRに切り換える際には、該補正係数KFB の急
変を回避するために、適応制御部23は、今回のサイク
ルタイムに限り、補正係数KFB (=KSTR)を前回の補正
係数KFB (=KLAF)に保持するように、補正係数KSTRを
求める。同様に、補正係数KFB を、補正係数KSTRから補
正係数KLAFに切り換える際には、PID制御部22は、
自身が前回のサイクルタイムで求めた補正係数KLAFが、
前回の補正係数KFB (=KSTR)であったものとして、今
回の補正係数KLAFを算出する。
【0201】図13に戻って、前述のフィードバック補
正係数KFB の算出後、さらに、前記STEP13−6で
求められた目標空燃比KCMDに応じた第2補正係数KCMDM
が第2補正係数算出部14により算出される(STEP
13−9)。
【0202】次いで、制御ユニット8は、前述のように
求められた基本燃料噴射量Timに、第1補正係数KTOTA
L、第2補正係数KCMDM 、フィードバック補正係数KFB
、及び各気筒毎のフィードバック補正係数#nKLAFを乗
算することで、各気筒毎の出力燃料噴射量#nTout を求
める(STEP13−10)。そして、この各気筒毎の
出力燃料噴射量#nTout が、付着補正部28によって、
エンジン1の吸気管の壁面付着を考慮した補正を施した
後(STEP13−11)、エンジン1の図示しない燃
料噴射装置に出力される(STEP13−12)。
【0203】そして、エンジン1にあっては、各気筒毎
の出力燃料噴射量#nTout に従って、各気筒への燃料噴
射が行われる。
【0204】以上のような各気筒毎の出力燃料噴射量#n
Tout の算出及びそれに応じたエンジン1への燃料噴射
がエンジン1のクランク角周期に同期したサイクルタイ
ムで逐次行われ、これによりLAFセンサ6により検出
されるCAT前A/Fが、目標空燃比算出部16により
算出された目標空燃比KCMDに収束するように、エンジン
1の運転状態が制御される。この場合、特に、フィード
バック補正係数KFB として、適応制御部23により求め
たフィードバック補正係数KSTRを使用している状態で
は、エンジン1の運転状態の変化や特性変化等の挙動変
化に対して、高い安定性を有して、CAT前A/Fが迅
速に目標空燃比KCMDに収束制御される。
【0205】一方、前記STEP13−5で読みだされ
る基準空燃比uslは、所定周期(一定周期)のサイクル
タイム毎に、図15のフローチャートに示すように求め
られる。
【0206】すなわち、図6、図9及び図15を参照し
て、LAFセンサ6及びO2 センサ7の出力が読み込ま
れた後(STEP15−1)、状態予測部18により、
対象排気系Aのむだ時間d後のCAT後A/Fの推定状
態量x1 ハット及びx2 ハット(CAT後A/Fの値の
推定値、及びその変化量もしくは変化速度の推定値)が
前記式(2),(3)に従って求められる(STEP1
5−2)。
【0207】次いで、適応スライディングモード制御部
19において、超平面可変制御部44により前述の通り
前記係数kの値が設定された後(STEP15−3)、
等価制御入力演算部39により前記式(17)に従って
等価制御入力ueqが算出される(STEP15−4)。
さらに、非線形入力算出部19により、線形関数σの値
が式(13)に従って算出された後(STEP15−
5)、適応制御入力uad p (適応則項)が前記式(1
9)に従って算出される(STEP15−6)。
【0208】さらに、非線形入力演算部40において、
線形関数σの絶対値があらかじめ定めた微小な所定値ε
と比較され(STEP15−7)、このとき、|σ|>
εであれば、到達制御入力urch (到達則項)が前記式
(18)に従って算出される(STEP15−8)。ま
た、|σ|≦εであれば、すなわち、推定状態量x1
ット,x2 ハットがほぼ超平面上に収束している状態で
は、到達制御入力urc h を強制的に“0”とする(ST
EP15−9)。
【0209】次いで、基準空燃比補正量uslが、上記の
ように求められた等価制御入力ueq、到達制御入力u
rch 及び適応制御入力uadp から前記式(20)に従っ
て算出される(STEP15−10)。
【0210】次いで、前記安定性判別部42により、前
述の図16のフローチャートに従って適応スライディン
グモード制御の安定性が判別され(STEP15−1
1)、この判別結果が“安定”であれば(STEP15
−12でYES)、STEP15−10で求められた基
準空燃比補正量uslが前記補正制限部43を介して出力
される(STEP15−13)。また、上記判別結果が
“不安定”であれば(STEP15−12でNO)、前
回のサイクルタイムで求められた基準空燃比補正量usl
が今回の基準空燃比補正量uslとされ(STEP15−
14)、それが、STEP15−13で出力される。
尚、STEP15−13で出力された基準空燃比補正量
slは図示しないメモリに保持され、それが、前記図1
3のSTEP13−5において読みだされて(この読み
出し手法については、後に説明を行う)、目標空燃比KC
MDの算出に使用される。
【0211】このようにして、適応スライディングモー
ド制御部19により求められる基準空燃比補正量u
slは、前述の如く、O2 センサ7により検出されるCA
T後A/Fを所定の適正値qに収束させるように求めら
れるものであるので、この基準空燃比補正量uslにより
基準空燃比KBS を補正してなる目標空燃比KCMDに、CA
T前A/Fを前記フィードバック制御部17によりフィ
ードバック制御を行うことで、CAT後A/Fが、フィ
ードバック制御部17によるフィードバック制御を介し
て間接的に、適正値qに制御される。
【0212】この場合、適応スライディングモード制御
部19により行うスイライディングモード制御は、所定
の適正値qに整定させるべきCAT後A/Fの状態量
(CAT後A/Fの値、及びその変化量もしくは変化速
度)が前記超平面上に収束しさえすれば、前記等価制御
入力ueqによって外乱や制御対象のモデル誤差等の影響
を受けることなく、該状態量が超平面上の平衡点(収束
点)に安定に収束させることができるという特性を持っ
ている。従って、CAT後A/Fの状態量を前記超平面
上に収束させさえすれば、エンジン1の運転状態の変化
や、触媒装置4の経年劣化等によらずにCAT後A/F
を適正値qに整定させることができる。
【0213】そして、CAT後A/Fの状態量を前記超
平面上に収束させるに際しては、本実施形態では、適応
則を用いて外乱等の影響を考慮した適応スライディング
モード制御を採用しているため、CAT後A/Fの状態
量が超平面上に収束していない段階では、外乱やモデル
誤差の影響を極力小さいものとして、安定に該状態量を
超平面上に収束させることができる。
【0214】この場合、スライディングモード制御の制
御対象である対象排気系Aには一般に比較的長いむだ時
間dが存在し、このむだ時間dは制御の不安定さを招く
虞れがある。しかるに、本実施形態では、基準空燃比補
正量uslを適応スライディングモード制御を用いて求め
るに際して、O2 センサ7によりリアルタイムで検出さ
れるCAT後A/Fの状態量をそのまま用いるのではな
く、上記むだ時間dを状態予測部18により補償してな
る推定状態量x1 ハット,x2 ハットを用いるため、極
めて安定してそれらの推定状態量x1 ハット,x2 ハッ
トを超平面上に収束させることができる。そして、推定
状態量x1 ハット,x2 ハットが超平面上に収束してし
まえば、スライディングモード制御が本来有する特性に
よって、そのらの推定状態量x1 ハット,x2 ハットの
推定誤差も吸収されてしまう。
【0215】従って、本実施形態の空燃比制御装置によ
れば、CAT後A/Fを、エンジン1の運転状態の変化
や触媒装置4の劣化、外乱、モデル誤差等によらずに、
極めて高い精度で適正値qに整定させることができ、こ
れにより、エンジン1の空燃比を、触媒装置4の排気ガ
ス浄化能力が最大限に発揮されるような空燃比に制御す
ることができ、最適なエミッション性を確保することが
できる。
【0216】また、本実施形態では、前記超平面可変制
御部44によって、CAT後A/Fの推定状態量x1
ット,x2 ハットの超平面への収束状況に応じて、その
超平面を規定する係数kを変更して、該超平面を可変と
しているので、推定状態量x 1 ハット,x2 ハットの超
平面への収束を短時間で安定して行うことができると同
時に、推定状態量x1 ハット,x2 ハットが超平面に収
束した状態でも、推定状態量x1 ハット,x2 ハットを
超平面上の平衡点、すなわち、x1 ハット=q,x2
ット=0となる収束点に短時間で安定して収束させるこ
とができる。従って、CAT後A/Fを短い収束時間
(高い速応性)で且つ高度な安定性で迅速に適正値qに
整定させることができる。
【0217】ところで、本実施形態において、前記フィ
ードバック制御部17による出力燃料噴射量#nTout の
算出(各補正係数の算出や目標空燃比の算出を含む)
は、エンジン1の回転に同期して行う必要があることか
ら、前述の如くクランク角周期に同期したサイクルタイ
ムで行われる。従って、出力燃料噴射量#nTout の算出
タイミングは、図12の上段に示すように示すように一
定の時間間隔では行われず、不規則な時間間隔となる。
【0218】一方、適応スライディングモード制御部1
9による基準空燃比補正量uslの算出は、同図12の下
段に示すように所定周期CTのサイクルタイムで行われ
て、算出された基準空燃比補正量uslが図示しないメモ
リに保持される。そして、メモリに保持された基準空燃
比補正量uslは、基準空燃比補正量uslが新たに求めら
れる毎に更新される。従って、基準空燃比補正量usl
算出及びその保持のタイミングは、出力燃料噴射量#nT
out の算出と非同期なものとなる。この場合、本実施形
態では、基準空燃比補正量uslの算出の周期CTは、通
常のクランク角周期よりも長いものとされている。
【0219】このように本実施形態では、基準空燃比補
正量uslの算出を、出力燃料噴射量#nTout の算出と非
同期で行うようにしているため、基準空燃比補正量usl
を用いて目標空燃比KCMDを算出し、さらに出力燃料噴射
量#nTout を算出する処理は次のように行っている。
【0220】すなわち、同図12に示すように、目標空
燃比KCMDを算出し、さらに出力燃料噴射量#nTout を算
出する際には、それ以前で最新に適応スライディングモ
ード制御部19により算出されてメモリに保持された基
準空燃比補正量uslを用いる。但し、この場合、出力燃
料噴射量#nTout の算出タイミングと、基準空燃比補正
量uslの算出タイミングとがたまたま一致した場合に
は、既にメモリに保持されている基準空燃比補正量usl
を用いて出力燃料噴射量#nTout を算出し、その後に、
新たに求められた基準空燃比補正量uslをメモリに保持
させる。
【0221】このように、基準空燃比補正量uslの算出
を、出力燃料噴射量#nTout の算出とをそれぞれ独立し
たサイクルタイムで行うようにすることで、適応スライ
ディングモード制御部19とフィードバック制御部17
とをそれぞれの制御特性や制御対象に適合したサイクル
タイムで、演算処理を行うことができる。特に、適応ス
ライディングモード制御部19による基準空燃比補正量
slの算出を対象排気系Aに存する比較的長いむだ時間
dと応答遅れ時間に対応して、比較的長い周期CTのサ
イクルタイムで行うようにすることで、サイクルタイム
が一定ならば式(3)におけるdM は一定で良いため、
その演算負荷が軽減されると共に、基準空燃比補正量u
slの算出をその演算誤差を排除しつつ高精度で行うこと
ができる。そして、その結果、CAT後A/Fの適正値
qへの整定の精度を高めることができる。
【0222】次に、本実施形態の空燃比制御装置による
制御のシミュレーションについて説明する。
【0223】本願発明者等は、本実施形態の空燃比制御
装置において、図17(a)に示すようにCAT前A/
Fに外乱Lを与えたときの、CAT後A/Fの収束性に
ついてシミュレーションを行った。その結果を図17
(b)に示す。また、これと比較するために、基準空燃
比補正量を従来のPID制御を用いて求めた場合につい
ても、同様のシミュレーションを行った。その結果を図
17(c)に示す。
【0224】図17(b)に見られるように、本実施形
態によれば、CAT前A/Fは外乱Lによらずに極めて
精度よく適正値qに整定し、また、適正値qに収束する
までの時間も短時間で済む。
【0225】これに対して、従来のPID制御を用いた
場合には、CAT後A/Fが適正値qに対して変動を生
じ、該適正値qに精度よく収束させることができないも
のとなった。
【0226】このことから、本実施形態の空燃比制御装
置では、基準空燃比補正量の算出に適応スライディング
モード制御を用いることで、外乱等によらずに極めて高
い精度でCAT後A/Fを適正値qに整定させることが
できることが判る。
【0227】次に、本発明の空燃比制御装置の他の実施
形態を図18を参照して説明する。尚、本実施形態の空
燃比制御装置は前述の図1の空燃比制御装置の一部のみ
を変更したものであるので、同一構成部分については、
図1のものと同一の参照符号を付して詳細な説明を省略
する。
【0228】図18を参照して、本実施形態の空燃比制
御装置は、大局的フィードバック制御部20の構成のみ
を図1のものと異なるものとしたものであり、この大局
的フィードバック制御部20は、図1のものと同様にP
ID制御部22、適応制御部23及び切換部24を具備
する一方、LAFセンサ6から前記フィルタ24,25
を介してそれぞれ得られるCAT前A/F(=KACT)を
それぞれ前記目標空燃比算出部16により前述の通り算
出される目標空燃比KCMDにより除算する(CAT前A/
Fと目標空燃比KCMDとの比KACT/KCMDを求める)除算部
47,48と、その比KACT/KCMDの目標値(=1)を設
定する目標値設定部49とを備えている。この場合、除
算部47,48により比KACT/KCMDを求めるに際して
は、LAFセンサ6から得られるCAT前A/F(=KA
CT)と目標空燃比算出部16により算出される目標空燃
比KCMDとの間に前記式(35)に示したむだ時間d’が
存在するため、各除算部47,48には、目標空燃比KC
MDがむだ時間d’分の調整を行うむだ時間調整部50を
介して与えられるようになっている。
【0229】そして、除算部47,48によりそれぞれ
求められた比KACT/KCMDがPID制御部22及び適応制
御部23に与えられると共に、その比の値の目標値(=
1)が目標値設定部49からPID制御部22及び適応
制御部23に与えられ、該PID制御部22及び適応制
御部23は、それぞれ与えられた比KACT/KCMDが目標値
(=1)に一致するように、図1のものと同様にフィー
ドバック補正係数KLAF,KSTRを求めるようにしている。
この場合、適応制御部23は、前記式(35)中の“KC
MD(j-d')”と“KACT(j) ”をそれぞれ“1”、“KACT/
KCMD”で置き換えた形の漸化式によりフィードバック補
正係数KSTRを求めることとなる。
【0230】他の構成は、図1のものと全く同一であ
る。
【0231】このような大局的フィードバック制御部2
0を備えた本実施形態の空燃比制御装置では、適応スラ
イディングモード制御を用いて補正してなる目標空燃比
KCMDとLAFセンサ6により検出されるCAT前A/F
との比KACT/KCMDが“1”に一致するように、換言すれ
ば、目標空燃比KCMDとCAT前A/Fとが一致するよう
にフィードバック補正係数KFB (=KLAFまたはKSTR)が
大局的フィードバック制御部20により求められるの
で、図1のものと同様の作用効果を奏することはもちろ
んである。そして、さらに、大局的フィードバック制御
部20がフィードバック補正係数KFB 求める際の目標値
が“1”に固定されるため、図1のもののように、目標
空燃比KCMD(これは時々刻々変動する)を目標値とする
場合に較べて大局的フィードバック制御部20による制
御の安定性が向上する。特に、大局的フィードバック制
御部20の適応制御部23にあっては、目標値が固定さ
れることで、前述したような適応パラメータθの変化が
小さくなるため、該適応制御部23の安定性が大幅に向
上する。
【0232】尚、本実施形態では、目標空燃比KCMDとL
AFセンサ6により検出されるCAT前A/Fとの比KA
CT/KCMDを目標値“1”に収束させるようにしたが、目
標空燃比KCMDとLAFセンサ6により検出されるCAT
前A/Fとの偏差を求め、その偏差がなくなるように
(偏差の目標値を“0”とする)制御してもよい。さら
には、スライディングモード制御部19の出力uslによ
り直接的にCAT前A/Fの検出値を補正し、それを別
途求めた目標値に一致させるように制御することも可能
である。
【0233】また、以上説明した各実施形態では、第1
排気ガスセンサとして、広域空燃比センサ(LAFセン
サ)6を用いたが、第1排気ガスセンサは排気ガスの空
燃比を検出できるものであれば、通常のO2 センサ等、
他の形式のセンサを用いてもよい。
【0234】また、前記各実施形態では、第2排気ガス
センサとして酸素濃度センサ(O2センサ)7を用いた
が、第2排気ガスセンサは、制御すべき触媒装置下流の
排気ガスの特定成分の濃度を検出できるセンサであれ
ば、他のセンサを用いてもよい。すなわち、例えば触媒
装置下流の排気ガス中の一酸化炭素(CO)を制御する
場合はCOセンサ、窒素酸化物(NOX )を制御する場
合にはNOX センサ、炭化水素(HC)を制御する場合
にはHCセンサを用いる。三元触媒装置を使用した場合
には、上記のいずれのガス成分の濃度を検出するように
しても、触媒装置の浄化性能を最大限に発揮させるよう
に制御することができる。また、還元触媒装置や酸化触
媒装置を用いた場合には、浄化したいガス成分を直接検
出することで、浄化性能の向上を図ることができる。
【0235】また、前記各実施形態では、状態予測部1
8の出力をスライディングモード制御部19に入力して
エンジン1の空燃比を補正するための補正量を求めるよ
うにしたが、状態予測手段の出力を通常のPID制御等
の他の制御手段に入力して、該制御手段により補正量を
求めるようにしてもよい。このようにしても、排気系の
むだ時間等の影響を排除して内燃機関の空燃比制御を行
うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の内燃機関の空燃比制御装置の一実施形
態の全体的システム構成図。
【図2】図1の空燃比制御装置で使用するO2 センサの
出力特性図。
【図3】図1の空燃比制御装置における制御対象のモデ
ルを説明するための説明図。
【図4】図3のモデルのブロック図。
【図5】図1の空燃比制御装置の状態予測部内の推定部
に使用するモデルのブロック図。
【図6】図1の空燃比制御装置における状態予測部のブ
ロック図。
【図7】スライディングモード制御を説明するための説
明図。
【図8】図1の空燃比制御装置における制御系の極配置
を示す説明図。
【図9】図1の空燃比制御装置における適応スライディ
ングモード制御部のブロック図。
【図10】図9の適応スライディングモード制御部が使
用する超平面の説明図。
【図11】図1の空燃比制御装置における適応制御部の
ブロック図。
【図12】図1の空燃比制御装置における出力燃料噴射
量と基準空燃比補正量との算出タイミングを説明するた
めの説明図。
【図13】図1の空燃比制御装置の作動を説明するため
のフローチャート。
【図14】図1の空燃比制御装置の作動を説明するため
のフローチャート。
【図15】図1の空燃比制御装置の作動を説明するため
のフローチャート。
【図16】図1の空燃比制御装置の作動を説明するため
のフローチャート。
【図17】図1の空燃比制御装置と従来の装置とのシミ
ュレーション結果を示す説明図。
【図18】本発明の内燃機関の空燃比制御装置の他の実
施形態の全体的システム構成図。
【符号の説明】
1…エンジン(内燃機関)、4…触媒装置、6…LAF
センサ(第1排気ガスセンサ)、7…O2 センサ(第2
排気ガスセンサ)、18…状態予測部、19…適応スラ
イディングモード制御部(補正量算出手段)、39…等
価制御入力演算部、40…非線型入力演算部、42…安
定性判別部、43…補正制限部(補正量算出制限手
段)。
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成9年3月21日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0057
【補正方法】変更
【補正内容】
【0057】また、局所的フィードバック制御部21の
各PID制御部27は、LAFセンサ6の検出空燃比
を、前回のサイクルタイムで各PID制御部27により
求められたフィードバック補正係数#nKLAFの全気筒につ
いての平均値により除算してなる値を各気筒の空燃比の
目標値として、その目標値とオブザーバ26により求め
られた各気筒毎の実空燃比#nA/F との偏差が解消するよ
うに、今回サイクルタイムにおける、各気筒毎のフィー
ドバック補正係数#nKLAFを求める。そして、局所的フィ
ードバック制御部21は、前記要求燃料噴射量Tcyl に
大局的フィードバック制御部20のフィードバック補正
係数KFB を乗算・補正してなる値に、各気筒毎のフィー
ドバック補正係数#nKLAFを乗算することで、各気筒の出
力燃噴射量#nTout(n=1,2,3,4)を求める。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0058
【補正方法】変更
【補正内容】
【0058】このようにして求められた各気筒の出力燃
噴射量#nTout は、制御ユニット8に備えた付着補正
部28により吸気管の壁面付着を考慮した補正が各気筒
毎になされた後、エンジン1の図示しない燃料噴射装置
に与えられ、その付着補正がなされた出力燃料噴射量#n
Tout で、エンジン1の各気筒への燃料噴射が行われる
ようになっている。尚、上記付着補正については、本願
出願人が例えば特開平8−21273号公報に詳細に開
示しているので、ここでは詳細な説明を省略する。
【手続補正3】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0072
【補正方法】変更
【補正内容】
【0072】そして、状態予測部18は、この式(2)
の入力U(t) として、前記LAFセンサ6により実際に
検出されたCATA/Fを用いて、状態方程式(2)
を時系列で解き、上記状態量x1M,x2Mを求める。さら
に、この求めた状態量x1M,x2Mと現在時刻tのCAT
後A/Fの状態量x1 ,x2 とから次式(3)により、
現在時刻tからむだ時間d後の前記CAT後A/Fの状
態量の推定値x1 ハット(=CAT後A/Fの推定
値)、x2 ハット(=CAT後A/Fの変化量もしくは
変化速度の推定値)を求める。
【手続補正3】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0126
【補正方法】変更
【補正内容】
【0126】
【数18】
【手続補正4】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0192
【補正方法】変更
【補正内容】
【0192】また、大局的フィードバック制御部20の
前記切換部24は、エンジン1の冷却水温の低温時や、
高速回転運転時、吸気圧の低圧時等、エンジン1の燃焼
が不安定なものとなりやすい場合、あるいは、目標空燃
比KCMDの変化が大きい時や、空燃比のフィードバック制
御の開始直後等、これに応じたLAFセンサ6の検出空
燃比KACTが、そのLAFセンサ6の応答遅れ等によっ
て、信頼性に欠ける場合、あるいは、エンジン1のアイ
ドル運転時のようエンジン1の運転状態が極めて安定し
ていて、適応制御部23による高ゲイン制御を必要とし
ない場合には、PID制御部22により求められるフィ
ードバック補正係数KLAFを燃噴射量を補正するための
フィードバック補正係数KFB として出力し、上記のよう
な場合以外の状態で、適応制御部23により求められる
フィードバック補正係数KSTRを燃噴射量を補正するた
めのフィードバック補正係数KFB として出力する。これ
は、適応制御部23が、高ゲイン制御で、LAFセンサ
6による検出されるCAT前A/Fを急速に目標空燃比
KCMDに収束させるように機能するため、上記のようにエ
ンジン1の燃焼が不安定となったり、LAFセンサ6の
検出空燃比KACTの信頼性に欠ける等の場合に、適応制御
部23のフィードバック補正係数KSTRを用いると、かえ
って空燃比の制御が不安定なものとなる虞れがあるから
である。

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】内燃機関の排気系に設けられた排気ガス浄
    化用の触媒装置と、該触媒装置の上流側で前記内燃機関
    の排気ガスの空燃比を検出すべく前記排気系に設けられ
    た第1排気ガスセンサと、前記触媒装置の下流側で該触
    媒装置を通過した前記内燃機関の排気ガスの特定成分の
    濃度を検出すべく前記排気系に設けられた第2排気ガス
    センサと、前記第2排気ガスセンサの出力に基づき、前
    記触媒装置の下流側の排気ガスの特定成分の濃度が所定
    の適正値となるよう前記内燃機関の空燃比を補正するた
    めの補正量を求める補正量算出手段とを備え、その求め
    られた補正量と前記第1排気ガスセンサの出力とに基づ
    き、前記触媒装置の下流側の排気ガスの特定成分の濃度
    を前記所定の適正値に収束させるように前記内燃機関の
    空燃比を制御する内燃機関の空燃比制御装置において、 前記第1及び第2排気ガスセンサの現在の出力に基づ
    き、両排気ガスセンサ間の前記触媒装置を含む排気系に
    存するむだ時間後に前記第2排気ガスセンサにより検出
    される前記触媒装置の下流側の排気ガスの前記特定成分
    の濃度を推定する状態予測手段を具備し、 前記補正量算出手段は、該状態予測手段により推定され
    た前記触媒装置の下流側の排気ガスの特定成分の濃度に
    基づき、その特定成分の濃度が所定の適正値となるよう
    前記内燃機関の空燃比の補正量を求めることを特徴とす
    る内燃機関の空燃比制御装置。
  2. 【請求項2】前記特定成分の濃度の所定の適正値は、前
    記触媒装置の浄化能力が最大となる値に定められている
    ことを特徴とする請求項1記載の内燃機関の空燃比制御
    装置。
  3. 【請求項3】前記第2排気ガスセンサは、酸素濃度セン
    サであることを特徴とする請求項1又は2記載の内燃機
    関の空燃比制御装置。
  4. 【請求項4】前記状態予測手段は、前記両排気ガスセン
    サ間の前記触媒装置を含む排気系を、あらかじめ前記第
    1及び第2排気ガスセンサによりそれぞれ検出される排
    気ガスの空燃比及び前記特定成分の濃度をそれぞれ入力
    及び出力とする二次遅れ以上の遅れ要素を含むモデルと
    してモデル化し、前記第1排気ガスセンサにより検出さ
    れる排気ガスの現在の空燃比が、前記むだ時間の経過後
    に該モデルに入力されるものとして、該モデルに基づ
    き、前記触媒装置の下流側の排気ガスの前記特定成分の
    濃度を推定することを特徴とする請求項1乃至3のいず
    れかに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
  5. 【請求項5】前記モデルは、バネと減衰器とを遅れ要素
    として含み、且つ該バネの長さを前記触媒装置の下流側
    の排気ガスの前記特定成分の濃度を示す量とするバネマ
    ス系によりモデル化したことを特徴とする請求項4記載
    の内燃機関の空燃比制御装置。
  6. 【請求項6】前記補正量算出手段は、前記内燃機関の空
    燃比を補正するための補正量をスライディングモード制
    御を用いて求めるスライディングモード制御手段を含む
    ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の内
    燃機関の空燃比制御装置。
  7. 【請求項7】前記スライディングモード制御手段は、適
    応スライディングモード制御を用いて前記内燃機関の空
    燃比を補正するための補正量を求めること特徴とする請
    求項6記載の内燃機関の空燃比制御装置。
  8. 【請求項8】前記スライディングモード制御手段は、前
    記両排気ガスセンサ間の前記触媒装置を含む排気系を、
    あらかじめ前記第1排気ガスセンサにより検出される排
    気ガスの空燃比と前記状態予測手段により推定される前
    記触媒装置の下流側の排気ガスの前記特定成分の濃度と
    をそれぞれ入力及び出力とする二次遅れ以上の遅れ要素
    を含むモデルとしてモデル化し、そのモデルにおける出
    力が前記所定の適正値となるように前記内燃機関の空燃
    比を補正するための補正量を適応スライディングモード
    制御により求めることを特徴とする請求項7記載の内燃
    機関の空燃比制御装置。
  9. 【請求項9】前記モデルは、バネと減衰器とを遅れ要素
    として含み、且つ該バネの長さを前記触媒装置の下流側
    の空燃比を示す量とするバネマス系によりモデル化した
    ことを特徴とする請求項8記載の内燃機関の空燃比制御
    装置。
  10. 【請求項10】前記スライディングモード制御手段は、
    少なくとも前記状態予測手段により推定される前記触媒
    装置の下流側の排気ガスの前記特定成分の濃度及び該濃
    度の変化度合を含む前記排気系の複数の状態量と、該複
    数の状態量を変数とする所定の線形関数とが定められて
    いると共に、適応スライディングモード制御の到達則及
    び適応則に従って各状態量を前記線形関数により表され
    る超平面に収束させるように前記内燃機関の空燃比の補
    正量を求める非線形入力演算手段と、各状態量を前記超
    平面上に拘束しつつ該超平面上の平衡点に収束させるよ
    うに前記内燃機関の空燃比の補正量を求める等価制御入
    力演算手段とを備え、両演算手段により求められた補正
    量の総和により前記内燃機関の空燃比を補正するための
    補正量を求めることを特徴とする請求項7乃至9のいず
    れかに記載の内燃機関の空燃比制御装置。
  11. 【請求項11】前記線形関数の値に基づき、前記内燃機
    関の空燃比を補正するための補正量を算出する前記適応
    スライディングモード制御手段の安定性を判別する安定
    性判別手段と、その判別結果に応じて前記補正量の算出
    を制限する補正量算出制限手段とを備えたことを特徴と
    する請求項10記載の内燃機関の空燃比制御装置。
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