(57)【要約】  【課題】リニアＡ／Ｆセンサを使用することなく、触媒後空燃比のウィンドウへの収束性を高める。  【解決手段】触媒３の上流側の空燃比と下流側の空燃比との関係を規定する触媒モデルの同定を行い、その逆モデルに基づいて触媒後空燃比の収束目標値を触媒前空燃比の目標値に変換する。同時に、上流側Ｏ2センサ１１の信号をデシメーションすることで触媒前空燃比の実測値を得る。そして、これら触媒前空燃比の目標値と実測値とを用いたフィードバック制御を行う。  【選択図】図４
2008248862.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関の排気系に装着された触媒の少なくとも上流側に設けられている、酸素濃度または空燃比に応じた信号を出力するセンサを参照して空燃比制御を行うものにおいて、
触媒の上流側の空燃比と下流側の空燃比との関係を規定する数学モデルに基づき、触媒の下流側において実現するべき目標空燃比を、上流側において実現するべき目標空燃比に対応したセンサ信号の目標値に変換するとともに、
触媒の上流側のセンサの出力信号の実測値を取得して、
これら目標値及び実測値を用いたフィードバック制御を実施することを特徴とする空燃比制御方法。
【請求項２】
前記センサがＯ2センサであり、このＯ2センサの出力信号をデシメーションした上で前記実測値を取得する請求項１記載の空燃比制御方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の空燃比制御方法を実施するために用いられるものであって、
触媒の上流側の空燃比と下流側の空燃比との関係を規定する数学モデルに基づき、触媒の下流側において実現するべき目標空燃比を、上流側において実現するべき目標空燃比に対応したセンサ信号の目標値に変換する目標値変換部と、
触媒の上流側のセンサの出力信号の実測値を取得する実測値取得部と、
これら目標値及び実測値を用いたフィードバック制御を実施する制御部と
を具備する空燃比制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として自動車等に適用される内燃機関の空燃比制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
触媒による排出ガス浄化効率を保つには、触媒後における空燃比をある一定範囲（ウィンドウと称す）に収束させる必要がある。従来、触媒の上流及び下流にそれぞれＯ2センサを配設しておき、各Ｏ2センサの出力が閾値に対してリーンであるかリッチであるかを２値判定した上、その判定結果を利用した制御を行うことが通例であった（例えば、下記特許文献を参照）。
【特許文献１】特許２９１２４７８号公報
【特許文献２】特願２００６−００７２０５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
昨今の排出ガス規制の強化に伴い、排出ガス中に含まれるＣＯ、ＨＣ、ＮＯｘをさらに低減することが求められている。そのために、触媒後空燃比のウィンドウへの収束性を高めることが課題となっている。空燃比制御性能を向上させる手段の一として、空燃比の多寡に比例した線形出力を発生させるＡ／Ｆセンサを使用してフィードバック制御を行うことも考えられるが、このようなリニアセンサは高コストである。
【０００４】
以上に鑑みてなされた本発明は、リニアＡ／Ｆセンサを使用することなく、触媒後空燃比のウィンドウへの収束性を高めることを所期の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明では、機関の排気系に装着された触媒の少なくとも上流側に設けられている、酸素濃度または空燃比に応じた信号を出力するセンサを参照して空燃比制御を行うものにおいて、触媒の上流側の空燃比と下流側の空燃比との関係を規定する数学モデルに基づき、触媒の下流側において実現するべき目標空燃比を、上流側において実現するべき目標空燃比に対応したセンサ信号の目標値に変換するとともに、触媒の上流側のセンサの出力信号の実測値を取得して、これら目標値及び実測値を用いたフィードバック制御を実施することとした。
【０００６】
本発明では、触媒モデルを同定し、その逆モデルに基づいて触媒後空燃比の収束目標値を触媒前空燃比の目標値に変換する。同時に、上流側Ｏ2センサ信号をデシメーションすることで触媒前空燃比の実測値を得る。そして、これら触媒前空燃比の目標値と実測値とを用いたフィードバック制御を行う。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、リニアＡ／Ｆセンサを使用することなく、触媒後空燃比のウィンドウへの収束性を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。本実施形態における空燃比制御装置は、機関２で燃料を燃焼させることによって発生する有害物質を無害化する触媒３の下流における空燃比を制御するものであって、図１に示すように、触媒３の上流側における酸素濃度または空燃比に応じた出力信号を出力する上流側センサ（フロントセンサ）１１と、触媒３の下流側における酸素濃度または空燃比に応じた出力信号を出力する下流側センサ（リアセンサ）１２と、両センサ１１、１２のそれぞれの出力信号を基に触媒３の数学モデルのパラメータをオンラインで推定する触媒モデル同定部１３と、同定した触媒モデルに基づき、触媒３の下流側において実現するべき目標空燃比を上流側において実現するべき目標空燃比に変換する目標値変換部１４と、上流側センサ１１の出力信号の実測値を取得する実測値取得部１５と、触媒３の上流側の目標空燃比と実測値とを用いた触媒後空燃比制御を実施する制御部１６とを具備する。
【０００９】
ハードウェア構成の概要を、図２に示す。内燃機関２は、例えば自動車用の多気筒の燃料噴射式エンジンである。内燃機関２で生成された燃焼ガスは排出ガスとなり、排気ポートから排気系を形成する排気マニホルド４１、触媒３及び排気管４２を通じて大気中に放出される。触媒３の上流側に位置する排気マニホルド４１には上流側センサ１１を設け、下流側に位置する排気管４２には下流側センサ１２を設ける。本実施形態では、上流側センサ１１、下流側センサ１２をともにＯ2センサとしている。Ｏ2センサは、排出ガスに接触して反応することにより、排出ガス中の酸素濃度に応じた電圧信号を出力する。Ｏ2センサの出力特性を、図３に例示する。Ｏ2センサは、空燃比に対して非線形な出力特性を有する。Ｏ2センサの出力は、触媒３が十分な排出ガス浄化性能を発揮するウィンドウの範囲（理論空燃比の周辺）では急峻な傾きを示すが、それよりも空燃比が大きい領域では低位飽和値（約０．１Ｖ）に飽和し、小さい領域では高位飽和値（約０．８Ｖ）に飽和する。
【００１０】
上流側センサ１１及び下流側センサ１２は、吸気圧センサ、回転数センサ、水温センサ、カムポジションセンサ、スロットルセンサ等の各種センサとともに、電子制御装置５に電気的に接続している。電子制御装置５は、プロセッサ５１、ＲＡＭ５２、ＲＯＭ（または、フラッシュメモリ）５３、Ａ／Ｄ変換器５４、Ｉ／Ｏインタフェース５５等を包有する。上流側センサ１１、下流側センサ１２やその他のセンサが出力する信号は、Ａ／Ｄ変換器５４を介して取得される。
【００１１】
プロセッサ５１が実行するべきプログラムはＲＯＭ５３に格納されており、その実行の際にＲＯＭ５３からＲＡＭ５２へ読み込まれ、プロセッサ５１によって解読される。電子制御装置５は、プログラムに従い、図１に示す触媒モデル同定部１３、目標値変換部１４、実測値取得部１５及び制御部１６としての機能を発揮する。
【００１２】
より具体的に述べると、電子制御装置５は、目標空燃比を実現するように燃料噴射量を決定し、決定した燃料噴射量に対応した制御信号をＩ／Ｏインタフェース５５を介して燃料噴射弁に入力して内燃機関２の燃料噴射を制御する。燃料噴射量は、吸気管圧力、エンジン回転数等を参照して基本噴射量を求め、その基本噴射量にエンジン温度（冷却水温）や要求量、排出ガスの空燃比等に応じた補正を加えて最終的に決定する。本実施形態では、図４に示すように、触媒３の前後に設けたＯ2センサ１１、１２の出力信号を用いる二重のフィードバックループを構築して空燃比のフィードバック制御を行う。図４中、ＴＴＡＵＳは基本噴射量を表す。Ｆｒｏｎｔ  Ａ／Ｆ、Ｒｅａｒ  Ａ／Ｆはそれぞれ、触媒３の上流側、下流側における排出ガスの空燃比である。上流側センサ１１は電圧ＯＸＡＤを出力し、下流側センサ１２は電圧ＯＸ２ＡＤを出力する。フロントフィードバックの出力ＦＡＦは燃料噴射補正量、即ち基本噴射量を何％補正するかを表す。リアフィードバックの出力ＦＡＣＦは、フロントフィードバックにおける制御誤差を補正する。ＯＸＡＤ*はＯＸＡＤの目標値、ＯＸ２ＡＤ*はＯＸ２ＡＤの目標値である。触媒後空燃比の目標値は、ウィンドウ内の空燃比に相当する値（約０．４〜０．６Ｖ）に設定する。触媒後空燃比の目標値は一定であることが多く、頻繁に変動はしない。
【００１３】
本実施形態の空燃比制御は、上記の補正量ＦＡＣＦの算出に特徴がある。即ち、逐時同定される触媒モデルの逆モデルに基づいて触媒後空燃比の目標値を触媒前空燃比の目標値に変換した上、変換した目標値と触媒前空燃比の実測値との偏差を参照したフィードバック制御を行い、補正量ＦＡＣＦを出力する。このような処理を行う理由は、リアフィードバックコントローラに直接触媒後空燃比をフィードバックすると制御の追従が遅れ、触媒後空燃比がウィンドウの範囲から外れる時間が増すからである。
【００１４】
触媒３の数学モデルの同定には、モデル規範形適用制御（ＭＲＡＣＳ）、逐時最小二乗法（ＲＬＳ）やその他既知の同定法を採用することができる。触媒モデルの逐時同定に際しては、図５に示すような触媒３を含むシステムを想定する。上流側センサ１１の出力信号を入力ｕ、下流側センサ１２の出力信号を出力ｙ、触媒３の特性をＰ、上流側センサ１１の特性をＳ1、下流側センサ１２の特性をＳ2とおくと、式（数１）が成立する。
【００１５】
【数１】
2008248862.tif 000003
【００１６】
上式より、システムの入力ｕと出力ｙとの関係について、式（数２）が成立する。
【００１７】
【数２】
2008248862.tif 000004
【００１８】
触媒３の前後に設けたＯ2センサ１１、１２の出力を上式（数２）のシステムの入出力データとすれば、触媒モデルのパラメータを逐時同定することが可能である。なお、厳密には、触媒３の特性に加えてＯ2センサ１１、１２の特性をも同定していることになる。この同定処理により、触媒３の経時変化及びセンサ１１、１２の経時変化を適切に織り込むことができる。そして、同定したモデルの逆モデルを用いれば、触媒後空燃比の目標値を触媒前空燃比の目標値に変換することができる。
【００１９】
リアフィードバックコントローラに入力する触媒前空燃比の実測値は、上流側Ｏ2センサ１１の出力信号をデシメーションしたものである。デシメーションとは、センサ１１の出力信号をローパスフィルタに通した後、より長いサンプリング周期で細サンプリングする処理である。既に述べたように、Ｏ2センサ１１の出力特性はウィンドウの範囲で急峻な傾きを示すため、出力信号を短いサンプリング周期でサンプリングすると上下に激しく振動した数値列が得られてしまい、実際の空燃比の大きさを把握し難い。センサ１１の出力にデシメーション処理を施せば、実際の空燃比の検出が容易となる。デシメーション後のサンプル数値と実際の空燃比との相関を検証する実験結果を、図６に示す。理論空燃比近傍では、サンプル数値と空燃比との相関は高い。デシメーション前のセンサ１１の出力信号とデシメーション結果との比較を、図７に示す。図７では、デシメーション前の出力信号を薄曲線で、デシメーション後の出力信号を濃曲線で示している。このように、デシメーション後の信号は、空燃比の変動を的確に表すものになっている。
【００２０】
リアフィードバックコントローラは、例えばスライディングモードコントローラ（ＳＭＣ）とする。リアフィードバック及びフロントフィードバックによる触媒前空燃比のフィードバック制御の実験結果を、図８に示す。図８では、触媒前空燃比の目標値を濃直線で、デシメーション前の出力信号を薄曲線で、デシメーション後の出力信号を濃曲線で示している。センサ１１の出力信号が、触媒前空燃比の目標値に遅延なく収束していることが分かる。
【００２１】
本実施形態では、触媒モデル同定部１３で同定した触媒３の数学モデルを基に、目標値変換部１４で触媒３の下流側において実現するべき目標空燃比を上流側において実現するべき目標空燃比に対応したセンサ１１の信号の目標値に変換し、かつ実測値取得部１５で上流側のセンサ１１の出力信号をデシメーションフィルタを介して取得して、制御部１６（のリアフィードバックコントローラ）でこれら目標値及び実測値を用いた制御を実施するようにしている。これにより、リニアＡ／Ｆセンサを使用することなく空燃比のウィンドウへの収束性を高めることができる。とりわけ、リアフィードバックコントローラに触媒後空燃比をフィードバックすることで発生していた追従遅れの解消が可能となっている。
【００２２】
なお、本発明は以上に詳述した実施形態に限られるものではない。各部の具体的構成や処理の手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の構成説明図。
【図２】本発明の一実施形態におけるプラントを示す概略図。
【図３】Ｏ2センサの出力特性を示す図。
【図４】空燃比フィードバック制御ループを示すブロック線図。
【図５】触媒システムを説明する図。
【図６】Ｏ2センサの出力信号をデシメーションして得た実測値と空燃比との相関を示す図。
【図７】Ｏ2センサの出力信号をデシメーションして得た実測値とデシメーション前の信号との相関を示す図。
【図８】触媒前空燃比制御の実験結果を示す図。
【符号の説明】
【００２４】
１１…上流側センサ
１２…下流側センサ
１４…目標値変換部
１５…実測値取得部
１６…制御部
２…内燃機関
３…触媒
【図１】
2008248862.tif 000005
【図２】
2008248862.tif 000006
【図３】
2008248862.tif 000007
【図４】
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【図５】
2008248862.tif 000009
【図６】
2008248862.tif 000010
【図７】
2008248862.tif 000011
【図８】
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