(57)【要約】【課題】触媒装置を通過した排気の酸素濃度を検出する酸素濃度センサの出力が所定の目標値となるように、触媒装置の上流側の排気空燃比を制御する構成において、排気の悪化を防止する。【解決手段】触媒装置の上流側の空燃比センサから前記酸素濃度センサまでの制御対象を表現するプラントモデルに対して、むだ時間設定部１１７は、酸素ストレージ量算出手段１１６の算出した酸素ストレージ量に基づいて触媒装置における排気浄化状態を判定し、該排気浄化状態に応じて異なるむだ時間を設定する。同定部１１８は、前記空燃比センサ及び酸素濃度センサの出力データに基づいてプラントモデルのパラメータを同定する。スライディングモード制御部１２０は、同定したパラメータを用いて触媒装置の上流側の目標空燃比を設定する。【選択図】図２
2004211604.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
機関の排気通路に介装される触媒装置の下流側に設けられ、触媒装置を通過した排気の酸素濃度を検出する酸素濃度センサを備え、該酸素濃度センサの出力が所定の目標値となるように前記触媒装置の上流側の排気空燃比を制御する内燃機関の空燃比制御装置であって、
前記触媒装置の上流側の排気空燃比を検出する空燃比センサと、
前記空燃比センサから前記酸素濃度センサまでを制御対象としたプラントモデルのパラメータを、前記酸素濃度センサ及び空燃比センサの出力データに基づいて逐次同定する同定手段と、
同定したパラメータと前記酸素濃度センサの出力データとを用いて、前記触媒装置の上流側の排気の目標空燃比を設定する目標空燃比設定手段と、
前記空燃比センサにより検出される排気空燃比が前記目標空燃比となるように機関の燃焼混合気の空燃比を制御する空燃比制御手段と、を含んで構成され、
前記プラントモデルに対して、前記触媒装置の排気浄化性能が良好な状態と低下している状態とで異なるむだ時間を設定するようにしたことを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項２】
機関の排気通路に介装される触媒装置の下流側に設けられ、触媒装置を通過した排気の酸素濃度を検出する酸素濃度センサを備え、該酸素濃度センサの出力が所定の目標値となるように前記触媒装置の上流側の排気空燃比を制御する内燃機関の空燃比制御装置であって、
前記触媒装置の上流側の排気空燃比を検出する空燃比センサと、
前記空燃比センサから前記酸素濃度センサまでを制御対象としたプラントモデルのパラメータを、前記酸素濃度センサ及び空燃比センサの出力データに基づいて逐次同定する同定手段と、
同定したパラメータと前記酸素濃度センサの出力データとを用いて、前記触媒装置の上流側の排気の目標空燃比を設定する目標空燃比設定手段と、
前記空燃比センサにより検出される排気空燃比が前記目標空燃比となるように機関の燃焼混合気の空燃比を制御する空燃比制御手段と、を含んで構成され、
前記触媒装置の排気浄化性能が良好な状態でかつ前記触媒装置の上流側の排気空燃比がリーンのときは、前記所定の目標値をリーン側に所定量シフトさせ、
前記触媒装置の排気浄化性能が良好な状態でかつ前記触媒装置の上流側の排気空燃比がリーンのときは、前記所定の目標値をリーン側に所定量シフトさせるようにしたことを特徴とする内燃機関の空燃比制御装置。
【請求項３】
前記触媒装置の上流側の排気空燃比に基づいて前記触媒装置の酸素ストレージ量を推定し、該酸素ストレージ量に基づいて前記触媒装置の排気浄化性能が良好であるか低下しているかを判定することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の内燃機関の空燃比制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の空燃比制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、機関の排気通路に介装される触媒装置の下流側に設けた酸素濃度センサの出力が所定の目標値となるように、前記触媒装置の上流側の目標空燃比を設定し、設定した目標空燃比に応じて機関の燃焼混合気の空燃比を制御することで、触媒装置の排気浄化性能を最適に維持するようにした技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
この技術では、触媒装置の上流側に空燃比センサを設け、この空燃比センサから前記酸素濃度センサまでを制御対象として、この制御対象を離散系モデル（プラントモデル）で表し、このプラントモデルのパラメータを前記空燃比センサ及び酸素濃度センサの出力データに基づいて同定し、同定したパラメータを用いて、前記制御対象の有するむだ時間後における酸素濃度センサの出力を予測しつつ、触媒装置の上流側の目標空燃比を逐次設定し、この目標空燃比となるように機関の燃焼混合気の空燃比を制御している。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１５３０５１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記触媒装置の排気浄化作用は、酸化・還元反応という化学反応を伴うものであるから、この化学反応が起こっている状態と、化学反応が全く又はほとんど起こっていない状態とでは、制御における遅れ、すなわち、前記制御対象の有するむだ時間も当然に異なることになる。
【０００６】
しかし、上記従来のものは、このような触媒装置の排気浄化作用よって生じる前記むだ時間の変動を全く考慮していないため、プラントモデルと実際の制御対象の挙動とがアンマッチとなって、排気が悪化してしまうおそれがある。
【０００７】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、触媒装置の下流側の酸素濃度センサの出力を所定の目標値となるように触媒装置の上流側の空燃比を制御するに際し、むだ時間の変化に基づくプラントモデルのアンマッチによって排気が悪化することを効果的に防止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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
そのため、本発明に係る内燃機関の空燃比制御装置は、触媒装置の下流側の酸素濃度センサの出力が所定の目標値となるように触媒装置の上流側の排気の空燃比を制御する構成において、触媒装置の上流側の空燃比センサから下流側の酸素濃度センサまでの制御対象を表現するプラントモデルのパラメータを前記酸素濃度センサ及び空燃比センサの出力データに基づいて逐次同定し、同定したパラメータと前記酸素濃度センサの出力データとを用いて前記触媒装置の上流側の排気の目標空燃比を設定し、前記空燃比センサにより検出される実空燃比が前記目標空燃比となるように、機関の燃焼混合気の空燃比を制御するようにし、前記プラントモデルに対して、前記触媒装置の排気浄化性能が良好な状態と低下している状態とで異なるむだ時間を設定するようにした。
【０００９】
このようにすれば、制御対象を表現するプラントモデルに対して、触媒装置における排気浄化状態、すなわち、酸化・還元反応という化学反応によって生じる遅れに対応させたむだ時間を設定することができ、このようにむだ時間が設定されたプラントモデルを酸素濃度センサ及び空燃比センサの出力データに基づいて逐次同定するので、触媒装置の排気浄化性能が良好であるときと低下しているときとのそれぞれの制御対象（プラント）の実際の挙動に精度よく適合させたプラントモデルを得ることができる。これにより、触媒装置の上流側の目標空燃比を精度よく設定することができ、ひいては、酸素濃度センサの出力をその目標値へと安定かつ高精度に制御することができるので、所望の排気浄化性能を確保できる。
【００１０】
また、請求項２に係る発明は、触媒装置の下流側の酸素濃度センサの出力が所定の目標値となるように触媒装置の上流側の排気の空燃比を制御する構成において、触媒装置の上流側の空燃比センサから下流側の酸素濃度センサまでの制御対象を表現するプラントモデルのパラメータを前記酸素濃度センサ及び空燃比センサの出力データに基づいて逐次同定し、同定したパラメータと前記酸素濃度センサの出力データとを用いて前記触媒装置の上流側の排気の目標空燃比を設定し、前記空燃比センサにより検出される実空燃比が前記目標空燃比となるように、機関の燃焼混合気の空燃比を制御するようにし、前記触媒装置の排気浄化性能が良好な状態でかつ前記触媒装置の上流側の排気空燃比がリーンのときは、前記所定の目標値をリーン側に所定量シフトさせ、前記触媒装置の排気浄化性能が良好な状態でかつ前記触媒装置の上流側の排気空燃比がリーンのときは、前記所定の目標値をリーン側に所定量シフトさせるようにした。
【００１１】
このようにすれば、触媒装置の排気浄化性能が良好な状態にあっては、触媒装置に流入する排気空燃比に対応する方向に、酸素濃度センサの（本来の）目標値をシフトさせるので、触媒装置における酸化・還元反応によって大きくなる（長くなる）むだ時間の変動によって、プラントモデルと制御対象の実際の挙動とがアンマッチとなり、設定される目標空燃比が変動して機関の燃焼混合気が誤って制御されるような事態（燃料噴射量が過剰又は不足するような事態）を、あらかじめ抑制することができるので、制御負荷を増大させることなく（比較的簡単な方法によって）排気の悪化を抑制できる。
【００１２】
また、請求項３に係る発明は、前記触媒装置の酸素ストレージ量に基づいて排気浄化状態を判定するようにした。
このようにすれば、前記空燃比センサの検出空燃比（及び吸入空気量）に基づいて触媒装置の酸素ストレージ量を推定し、推定した酸素ストレージ量と排気浄化の観点から理想的とされる量と偏差（ずれ）によって、排気浄化性能が良好な状態であるか、排気浄化性能が低下している状態であるかを判定できるので、専用のセンサ等を新たに設ける必要がなく、コストアップもない。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関の空燃比制御装置のシステム構成図である。図１において、エンジン１の燃焼排気は、排気通路２に排出され、三元触媒等の触媒装置３で浄化された後、大気中の放出される。
【００１４】
前記触媒装置３は、酸素ストレージ能力を有し、流入する排気空燃比が理論空燃比よりリーンのときに酸素を吸着し、理論空燃比よりリッチのときに酸素を脱離しつつ、理論空燃比近傍で排気中のＣＯ、ＨＣを酸化し、ＮＯｘを還元して他の無害な成分（Ｈ２Ｏ、ＣＯ２、Ｎ２）に転換する。
【００１５】
また、触媒装置３の上流側には、空燃比に対して出力がリニアに変化する、いわゆる広域型酸素濃度センサ（以下、Ａ／Ｆセンサという）４が設けられており、触媒装置３の下流側には、理論空燃比近傍で出力値が急変するストイキ型の酸素濃度センサ（以下、Ｏ２センサという）５が設けられている。
【００１６】
前記Ａ／Ｆセンサ１５としては、例えば、中空部内の酸素濃度を検出する酸素濃度検出部と、前記中空部に対する酸素（酸素イオン）の汲み入れ・汲み出しを行う酸素ポンプ部と、を備えてなり、前記中空室内の酸素濃度を一定に保つよう前記酸素ポンプ部への印加電圧を制御したときに、該酸素ポンプ部の電極間に流れる限界電流を測定することによって、排気中の酸素濃度（排気空燃比）を検出する空燃比センサが該当する。
【００１７】
前記Ｏ２センサ１６としては、排気通路２内に突出して設けられるジルコニアチューブを有しており、このジルコニアチューブ外側の排気中の酸素濃度と、内側の大気中の酸素濃度と、の比に応じた起電力を発生する公知の酸素濃淡電池型センサであって、理論空燃比よりもリッチであるときに起電力を発生し、理論空燃比よりもリーンであるときに殆ど起電力を発生せず、理論空燃比を境にＯＮ・ＯＦＦ的に出力が切り換わる酸素濃度センサが該当する。
【００１８】
マイクロコンピュータを内蔵するコントロールユニット１０には、前記Ａ／Ｆセンサ４、Ｏ２センサ５の出力の他に、吸入空気量Ｑａ、エンジン回転速度Ｎｅ、エンジン冷却水温度Ｔｗ等のエンジン運転状態を検出する各種センサ（図示省略）からの出力が入力される。
【００１９】
そして、コントロールユニット１０は、前記Ｏ２センサ５の出力が所定の目標値となるように触媒装置３の上流側の排気の目標空燃比λｔを設定し、前記Ａ／Ｆセンサ５の検出空燃比λｒが前記目標空燃比λｔとなるようエンジン１の燃焼混合気の空燃比（燃料噴射量）をフィードバック制御する。
【００２０】
ここで、前記コントロールユニット１０による空燃比フィードバック制御について説明する。
前記コントロールユニット１０は、図１に示すように、空燃比制御部１１と燃料噴射制御部２１とを含んで構成される。
【００２１】
前記空燃比制御部１１は、前記Ａ／Ｆセンサ４から前記Ｏ２センサ５までの間を制御対象（プラント）として、前記Ｏ２センサの出力ＶＯ２がその目標値（目標出力）ＴＧＶＯ２となるように、Ａ／Ｆセンサ４における（触媒装置３の上流側の）目標空燃比λｔを逐次設定する。
【００２２】
かかる空燃比制御部１１は、図中破線内に示すように、前記Ａ／Ｆセンサ４の出力（検出空燃比λｒ）と所定の空燃比基準値（理論空燃比相当の出力）λｂの偏差（以下、これを単に空燃比偏差という）ｕ（＝λｒ−λｂ）を算出する第１減算部１１１と、前記Ｏ２センサ５の目標出力ＴＧＶＯ２を設定する目標出力設定部１１２と、前記Ｏ２センサ５の出力ＶＯ２とその目標値（前記目標出力）ＴＧＶＯ２との偏差（以下、これを単に出力偏差という）ｙ（＝ＶＯ２−ＴＧＶＯ２）を算出する第２減算部１１３と、前記Ａ／Ｆセンサ４における目標空燃比λｔを設定する目標空燃比算出部１１４と、を備える。
【００２３】
目標出力設定部１１２は、触媒装置３の最適な排気浄化性能を確保するためのＯ２センサ５の出力を目標出力（例えば、理論空燃比相当の出力値である６００ｍＶ）として設定する。
【００２４】
目標空燃比算出部１１４は、図２に示すように、酸素ストレージ量算出部１１６と、むだ時間設定部１１７と、同定部１１８と、予測器１１９と、スライディングモード制御部１２０と、を含んで構成される。
【００２５】
酸素ストレージ量算出部１１６は、前記Ａ／Ｆセンサ５の検出した空燃比を示す空気過剰率λと、排気ガス量に相当する吸入空気量Ｑａと、に基づいて、次式（１）により前記触媒装置３の酸素ストレージ量Ｏｓを算出する。
【００２６】
Ｏｓ＝（λ−１）×Ｑａ×ｏｓ＋Ｏｓ（−１）    （１）
但し、ｏｓ：酸素吸着／脱離速度、Ｏｓ（−１）：酸素ストレージ量の前回算出値である。
【００２７】
むだ時間設定部１１７は、前記触媒装置３における排気浄化状態に応じて、すなわち、触媒装置３の排気浄化性能のレベルに応じて、前記プラントを表現するプラントモデルに対して異なるむだ時間を設定（導入）する。かかる設定は、具体的には、以下のように行われる。
【００２８】
なお、本実施形態においては、プラントモデルとして、次式（２）に示すように、前記空燃比偏差ｕ（＝λｒ−λｂ）を入力、前記出力偏差ｙ（＝ＶＯ２−ＴＧＶＯ２）を出力とした離散時間モデル（２次のＡＲＸモデル）を採用している。
【００２９】
【数１】
2004211604.tif 000003
【００３０】
但し、ａ１、ａ２、ｂ１はパラメータ（ゲイン係数）、τはむだ時間である。
そして、前記触媒装置３の酸素ストレージ量Ｏｓが、排気浄化の観点から理想的な酸素ストレージ量ＯＳＣに対して所定範囲内にあるときを排気浄化性能な良好な状態、それ以外を排気浄化性能が低下している状態と判断し、それぞれに異なるむだ時間を設定する。これは、排気浄化性能が良好な状態にあるときは、触媒装置３における化学反応（酸化・還元反応）の分「遅れ」が生じて、排気浄化性能が低下しているときよりも、前記プラントの有するむだ時間大きくなると考えられるからである。これにより、同定したプラントモデルと実際のプラント挙動とのアンマッチをあらかじめ回避するようにしている。
【００３１】
具体的には、図３に示すように、（ａ）酸素ストレージ量Ｏｓと理想的な酸素ストレージ量ＯＳＣとの偏差ΔＯＳＣが、あらかじめ設定された第１所定値ＯＳＣ１＃（＜ＯＳＣ）よりも小さいとき、又は、第２所定値ＯＳＣ２＃（＞ＯＳＣ）よりも大きいとき（ΔＯＳＣ＜ＯＳＣ１＃、ＯＳＣ２＃＜ΔＯＳＣ）は、排気浄化性能が低下している状態として、むだ時間τ＝τ０（プラントモデルａ）とする。
【００３２】
一方、（ｂ）排気浄化性能が良好な状態である、前記偏差ΔＯＳＣが第１所定値ＯＳＣ１＃から第２所定値ＯＳＣ２＃の間であるとき（ＯＳＣ１＃≦ΔＯＳＣ≦ＯＳＣ２＃）は、むだ時間τ＝τ１（＞τ０、プラントモデルｂ）とする。なお、ここで設定するむだ時間τ０、τ１は、あらかじめ実験等により求めておく。
【００３３】
また、本実施形態においては、前記触媒装置３の排気浄化性能が良好な状態と低下している状態とで異なる２つのむだ時間を設定しているが、排気浄化性能のレベル（酸素ストレージ量）を細分化して設定するむだ時間の数を増やすようにてもよいし、排気浄化性能のレベルに応じて変化させるようにしてもよい。更にまた、前記触媒装置３に流入する排気空燃比に応じて異なるむだ時間を設定するようにしてもよい。
【００３４】
同定部１１８は、前記むだ時間設定部１１７により該当するむだ時間が設定されたプラントモデルのパラメータ（ゲイン係数）ａ１、ａ２、ｂ１を、以下のようにして、所定の制御サイクル毎にオンラインで逐次同定する。
【００３５】
まず、上記式（２）において、パラメータベクトルθ（ｋ）は次式（３）となり、データベクトルφ（ｋ）を式（４）のように定義すると、上記記式（２）は、次式（５）により表すことができる。
【００３６】
【数２】
2004211604.tif 000004
【００３７】
そして、逐次最小二乗法（ＲＬＳ法）を用いて、その予測誤差（同定誤差）を最小とするように、前記プラントモデルのパラメータ（ａ１、ａ２、ｂ１）をオンラインで逐次算出することにより同定処理を行う。
【００３８】
具体的な演算処理は、一般の重み付き逐次最小二乗法と同一のものであり、詳細な説明は省略するが、次式（６）〜（８）に示す時間更新式：ｋ＝１、２、…、Ｎを計算することにより行う。
【００３９】
【数３】
2004211604.tif 000005
【００４０】
予測器１１９は、前記同定部１１８が同定した同定パラメータ（ａ１、ａ２、ｂ１）を用いて、後述するスライディングモード制御部１２０における目標空燃比λｔの設定に際し、プラントの有するむだ時間τの影響を補償するために、むだ時間τ後におけるＯ２センサ５の出力と前記目標出力との偏差の予測値（予測偏差）ｙ（ｋ＋τ）を逐次推定する。具体的な推定処理を以下に示す。
【００４１】
まず、プラントモデルを表す上記式（２）において、次式（９）により定義されるベクトルＸを導入すると、
【００４２】
【数４】
2004211604.tif 000006
上記式（２）は、次式（１０）のようになる。
【００４３】
【数５】
2004211604.tif 000007
従って、
【００４４】
【数６】
2004211604.tif 000008
【００４５】
となる。この場合、式（１１）における第１行成分が、むだ時間τ後のＯ２センサ５の予測偏差ｙ（ｋ＋τ）に相当するから、右辺の第１行成分を演算すれば予測偏差ｙ（ｋ＋τ）を求めることができる。よって、むだ時間τの値の予測偏差ｙ（ｋ＋τ）は、前記出力偏差ｙの時系列データｙ（ｋ）及びｙ（ｋ−１）と、前記空燃比偏差ｕの時系列データｕ（ｋ−ｊ）（ｊ＝１，２…，τ）と、を用いて次式（１２）により求めることができる。
【００４６】
【数７】
2004211604.tif 000009
【００４７】
なお、上記式（１２）における係数α１、α２及びβｊ（ｊ＝１，２…，τ）は、行列Ａ及びベクトルＢの成分を構成するパラメータａ１、ａ２及びｂ１として前記同定部１１９が同定した同定パラメータ（今回同定されたパラメータ）を用いて算出する。また、むだ時間τは、上記むだ時間設定部１１７で設定されたむだ時間τｉである。
【００４８】
スライディングモード制御部１２０は、スライディングモード制御の処理によって、前記Ｏ２センサ５の出力ＶＯ２をその目標値ＴＧＶＯ２に収束させるために（すなわち、出力偏差ｙを０に収束させるために）プラントに与えるべき入力量である空燃比偏差ｕ（＝λｔ−λｂ）を逐次設定する。
【００４９】
ここで、スライディングモード制御については周知であるので詳細な説明は省略するが、一般に、状態空間に設計した超平面上に状態を拘束することにより所望のダイナミクスを達成する制御法であり、例えば、制御すべき状態量をｘ１、ｘ２とした場合、これらを変数とした切換関数σ＝ｓ１・ｘ１＋ｓ２・ｘ２（ｓ１、ｓ２は係数）を用いて、σ＝０によって表される超平面をあらかじめ設計しておき、σ≠０となっている場合に、到達則にしたがって状態量ｘ１、ｘ２を超平面σ＝０上に収束させると共に、等価制御入力によって超平面σ＝０上に拘束しつつ超平面σ＝０上の平衡点（すなわち、ｘ１＝ｘ２＝０の点）に収束させるものである。但し、本実施形態においては、従来の技術で指摘したものと同様に、前記到達則に加えて、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る、いわゆる適応スライディングモード制御を採用することとし、その具体的な処理を以下に示す。
【００５０】
まず、制御すべき状態量として、前記第２減算部１１３で算出した出力偏差ｙ（ｋ）と、その１サイクル前に算出された出力偏差ｙ（ｋ−１）と、を用いてスライディングモード用の切換関数σを次式（１３）のように定義する。
【００５１】
【数８】
2004211604.tif 000010
【００５２】
なお、係数ｓ１、ｓ２は、−１＜（ｓ２／ｓ１）＜１を満たすように設定される。そして、スライディングモード制御部１２０は、状態量Ｘを超平面（σ＝０）の平衡点に収束させるための操作量ｕｓｌ（すなわち、空燃比偏差ｕ）を設定する。かかる操作量ｕｓｌは、状態量Ｘを超平面（σ＝０）上に拘束するための制御則に従って前記プラントに与えるべき等価制御入力ｕｅｑと、状態量Ｘを超平面（σ＝０）に収束させるための到達則に従って前記プラントに与えるべき到達則入力ｕｒｃｈと、外乱等の影響を補償して状態量Ｘを超平面（σ＝０）に収束させるための適応則にしたがってき制御則に従って前記プラントに与えるべき適応則入力ｕａｄと、の総和で表されるものであり（ｕｓｌ＝ｕｅｑ＋ｕｒｃｈ＋ｕａｄ）、それぞれ以下のようにして求める。
【００５３】
まず、等価制御入力ｕｅｑについて説明する。前記状態量Ｘを超平面（σ＝０）上に拘束する条件は、σ（ｋ＋１）＝σ（ｋ）＝０であり、上記式（１０）及び（１３）より次式（１４）のようになる。
【００５４】
【数９】
2004211604.tif 000011
上記式（１４）を満たす空燃比偏差ｕが等価制御入力ｕｅｑであるから、等価制御入力ｕｅｑは、次式（１５）のようになり、
【００５５】
【数１０】
2004211604.tif 000012
【００５６】
更に、上記式（１５）をむだ時間τ分シフトした次式（１６）により制御サイクル毎に等価制御入力ｕｅｑを算出する。
【００５７】
【数１１】
2004211604.tif 000013
【００５８】
次に、到達則入力ｕｒｃｈについて説明する。本実施形態における到達則入力ｕｒｃｈは、次式（１７）に示すように、むだ時間τ後の線形関数σ（ｋ＋τ）に比例させるように決定する。
【００５９】
【数１２】
2004211604.tif 000014
【００６０】
この場合、線形関数σの値が超平面（σ＝０）に安定して収束するために、式（１７）における係数Ｆ（これは到達則のゲインを規定する）は、０＜Ｆ＜２、望ましくは、０＜Ｆ＜１を満たすように設定する。
次に、適応則入力ｕａｄについて説明する。本実施形態における適応則入力ｕａｄは、次式（１８）に示すように、むだ時間τ後までの線形関数σの値の制御サイクル毎の積算値に比例させるように決定する。
【００６１】
【数１３】
2004211604.tif 000015
【００６２】
ここで、式（１８）におけるΔＴは、制御サイクル周期であり、また、線形関数σが外乱に対して安定となるために、係数Ｇ（これは適応則のゲインを規定する）は、次式（１９）を満たすように設定する。
【００６３】
【数１４】
2004211604.tif 000016
【００６４】
なお、上記式（１６）、（１７）において、ｙ（ｋ＋τ）、ｙ（ｋ＋τ−１）は、前記予測器１１９で算出される予測偏差であり、ａ１、ａ２、ｂ１は、前記同定器１１８で同定された最新のパラメータ値である。
そして、このようにして設定した操作量ｕｓｌ（ｋ）＝ｕｅｑ（ｋ）＋ｕｒｃｈ（ｋ）＋ｕａｄ（ｋ）、すなわち、空燃比偏差ｕ（ｋ）に空燃比基準値λｂを加算することで目標空燃比λｔを算出する。
一方、図１に戻って、燃料噴射制御部２１は、前記Ａ／Ｆセンサ４の検出空燃比λｒが前記目標空燃比λｔとなるように燃料噴射を実行するものであり、図中一点鎖線内に示すように、基本燃料噴射量算出部２１１と、第１補正係数算出部２１２と、第２補正係数算出部２１３と、フィードバック補正係数算出部２１４と、を含んで構成される。
【００６５】
基本燃料噴射量算出部２１１は、エンジン吸入空気量Ｑａ及びエンジン回転速度Ｎｅを用いて理論空燃比相当の基本燃料噴射量Ｔｐ（＝Ｋ×Ｑａ／Ｎｅ；Ｋは定数）を算出する。
【００６６】
第１補正係数算出部２１２は、エンジン冷却水温度Ｔｗに基づく水温補正係数等の前記基本燃料噴射量Ｔｐをフィードフォワード的に補正するための各種補正係数Ｋａを算出する。
【００６７】
第２補正係数算出部２１３は、前記目標空燃比λｔに対応して前記基本燃料噴射量Ｔｐをフィードフォワード的に補正するための補正係数Ｋｂを算出する。
そして、第１乗算部２１５、第２乗算部２１６において、前記基本燃料噴射量Ｔｐに前記補正係数Ｋａ、Ｋｂをそれぞれ乗算してエンジン要求燃料噴射量Ｔｉ０を算出する。
【００６８】
また、フィードバック補正係数算出部２１４は、前記Ａ／Ｆセンサ４の検出空燃比λｒと前記目標空燃比λｔとの偏差に基づいて、例えばＰＩＤ制御によって前記エンジン要求燃料噴射量Ｔｉ０を補正するフィードバック補正係数Ｋｃを算出する。
【００６９】
そして、第３乗算部２１７において、前記エンジン要求燃料噴射量Ｔｉ０にフィードバック補正係数Ｋｃを乗算して最終的な燃料噴射量Ｔｉとし、この燃料噴射量Ｔｉに相当する噴射パルス信号が、所定のタイミングでエンジン１の燃料噴射弁（図示省略）に出力されて燃料噴射が実行される。
【００７０】
以上のように、本実施形態においては、目標空燃比設定部１１が、触媒装置３の下流側のＯ２  センサ５の出力ＶＯ２が目標値ＴＧＶＯ２となるように、触媒装置３の上流側の（すなわち、触媒装置３に流入する）排気の目標空燃比λｔを逐次設定し、燃料噴射制御部２１が、前記目標空燃比λｔ（及びＡ／Ｆセンサ４の検出空燃比λｒ）に基づいて燃料噴射量をフィードバック制御する。
【００７１】
ここで、目標空燃比設定部１１においては、Ａ／Ｆセンサ４〜（触媒装置３〜）Ｏ２センサ５のプラントを表す離散時間モデル（プラントモデル）に対して、触媒装置３の排気浄化作用（化学反応）に伴う「遅れ（むだ時間）」の変化を考慮して、排気浄化性能が良好な状態であるときと低下している状態とで異なるむだ時間が設定され、これにより、同定したプラントモデルと実際のプラントの挙動がアンマッチとなることを防止する。
【００７２】
そして、かかるプラントモデルのパラメータ（ａ１、ａ２、ｂ１）をオンラインで逐次同定することにより、実際のプラントの挙動に精度よく適合させたものとすることができ、該同定したパラメータを用いてむだ時間後の出力（出力偏差）を予測しつつ、スライディングモード制御によりプラントへの操作量である目標空燃比（空燃比偏差）を設定し、燃料噴射制御部２１は、この目標空燃比に対応した燃料噴射制御を実行する。これにより、むだ時間の影響を補償すると共に外乱の影響を排除して、Ｏ２センサ５の出力ＶＯ２を目標値ＴＧＶＯ２に収束させるための適切な目標空燃比λｔを設定でき、この目標空燃比λｔに応じて機関の燃焼混合気の空燃比制御（より具体的には、燃料噴射制御）が行われる。この結果、Ｏ２センサ５の出力ＶＯ２が目標出力ＴＶＯ２へと高精度に制御され、所望の排気浄化性能を確保できる。
【００７３】
なお、以上の説明では、触媒装置３の酸素ストレージ量に基づいて触媒装置の排気浄化性能が良好な状態であるか否かを判定するようにしているが、これに限られるものではなく、例えば、触媒装置３の温度や排気温度に基づいて触媒装置３が活性状態にあるか否かを判定し、活性化しているときと非活性のときとでプラントモデルに対して異なるむだ時間を設定するようにしてもよい。
【００７４】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
この実施形態は、上述したような触媒装置３の排気浄化作用（排気浄化性能が良好であるか低下しているか）によって「遅れ（むだ時間）」が変化した場合であっても、制御負荷を増大させることなく、より簡単な方法により排気の悪化を防止するものである。
【００７５】
図４は、かかる第２実施形態に係るシステム構成図であり、目標空燃比設定部１１’における目標出力設定部１１２’と目標空燃比算出部１１４’を除き、前記第１実施形態（図１）と同様であるので説明を省略する。
本実施形態における目標出力設定部１１２’には、図４に示すように、前記酸素ストレージ量算出部１１６及び前記Ａ／Ｆセンサ４からそれぞれ酸素ストレージ量Ｏｓ、前記触媒装置３の上流側の検出空燃比が入力されるようになっており、前記触媒装置３における排気浄化状態（排気浄化性能が良好であるか低下しているか）及び前記触媒装置３に流入する排気空燃比に応じて、前記Ｏ２センサ５の目標出力ＴＶＯ２を設定する（詳細は後述する）。
【００７６】
また、目標空燃比算出部１１４’は、図５に示すように、酸素ストレージ量算出部１１６及びむだ時間設定部１１７を備えていない点が、前記第１実施形態における目標空燃比算出部１１４と異なっており、従って、本実施形態においては、プラントモデルに設定されるむだ時間は１つである。
【００７７】
ここで問題となるのは、上述したように、触媒装置３の排気浄化性能が良好なときと低下しているときでは、触媒装置３における化学反応の分、制御対象の有するむだ時間が異なることである。
【００７８】
以下、従来のように触媒装置３における化学反応を考慮せずにむだ時間を設定した場合を例に説明する。
この場合、触媒装置３の排気浄化性能が低下しているときのむだ時間（前記第１実施形態におけるτ０）が設定されていることになるが、排気浄化性能が良好な状態では、プラントモデルに設定したむだ時間と実際にプラントが有するむだ時間とが異なっているため同定精度が低下する。
【００７９】
すると、目標空燃比設定部１１において設定される目標空燃比λｔが本来設定されるべきでない値が設定されてしまうことがある。設定された目標空燃比λｔが、本来的に望ましい値である理論空燃比近傍であれば問題となることはないが、例えば、リーン側（酸素過剰）にずれてしまった場合には、以下のような事態が想定される。
【００８０】
すなわち、触媒装置３に流入する排気の空燃比がリーンであれば、その後Ｏ２センサ５の出力もリーン側に変化することになるが、排気浄化性能が良好な状態にあっては、触媒装置３に流入した排気は浄化されるので、図６に示すように、Ｏ２センサ５の実際の出力が変化するよりも、前記予測器１１９において予測されるＯ２センサ５の予測出力（むだ時間τ０後の予測値、図中破線で示す）の方が先にリーン側に変化してしまうことになる。このことは、同定精度が低下している場合はもちろんのこと比較的に高く維持されていた場合でも同様である。このため、図中のハッチング領域においては、必要以上の燃料が噴射され、排気を悪化させてしまうことになる（なお、触媒装置３に流入する排気の空燃比がリッチ側にずれた場合には、逆の傾向となる）。
【００８１】
このような事態を回避するには、直接的には燃料噴射量を減少させるようにすればよいのであるが、これでは、プラントモデルの同定精度の低下を防止できないため、本実施形態では、Ｏ２センサ５の目標出力をシフトさせることによって同様の効果を得ることにしている。なお、このようにすることにより、完全とは言えないものの、同定精度の低下も抑制できることが本願発明者らの実験によって確認されている。
【００８２】
上記のような点を考慮して、本実施形態における目標出力設定部１１２’は、図７に示すようにして前記Ｏ２センサ５の目標出力ＴＶＯ２を設定するよう構成されている。
【００８３】
図７において、目標出力設定部１１２’は、（ａ）触媒装置３の排気浄化性能が低下しているとき（すなわち、ΔＯＳＣ＜ＯＳＣ１＃、ＯＳＣ２＃＜ΔＯＳＣ）は、前記Ｏ２センサ５の目標出力ＴＶＯ２＝６００ｍＶ（理論空燃比相当の値であって本来の目標出力である。以下、基準目標出力という）とする。
【００８４】
一方、（ｂ）触媒装置３の排気浄化性能が良好な状態（すなわち、ＯＳＣ１＃≦ΔＯＳＣ≦ＯＳＣ２＃）においては、触媒装置３に流入する排気空燃比がリーン（酸素過剰）であるとき、すなわち、ΔＡ／Ｆ（＝λｒ−１４．７）＞０のときは、前記触媒装置３の排気浄化性能が低下しているときに設定される基準目標出力（６００ｍＶ）を所定量リーン側にシフトさせて前記Ｏ２センサ５の目標出力ＴＶＯ２＝５５０ｍＶ（６００−５０ｍＶ）とする。
【００８５】
また、（ｃ）触媒装置３に流入する排気空燃比が理論空燃比相当であるとき（ΔＡ／Ｆ＝０）は、上記のように本来的に良好な状態であるので、前記Ｏ２センサ５の目標出力ＴＶＯ２＝６００ｍＶ（前記基準目標出力のまま）とする。
【００８６】
また、（ｄ）触媒装置３に流入する排気空燃比がリッチ（酸素不足）であるとき（ΔＡ／Ｆ＜０）は、前記触媒装置３の排気浄化性能が低下しているときに設定される基準目標出力（６００ｍＶ）を所定量リッチ側にシフトさせて前記Ｏ２センサ５の目標出力ＴＶＯ２＝６３０ｍＶ（＝６００＋３０ｍＶ）とする。
【００８７】
なお、上記目標出力ＴＶＯ２を前記基準目標出力（６００ｍＶ）からどの程度リーン側又はリッチ側にシフトさせるかは、各車両に応じて設定されるものであり、また、上記のように一定値シフトさせるほか、触媒装置の排気浄化性能のレベル（酸素ストレージ量）に応じて変化させるようにしてもよい。
【００８８】
このようにして設定された目標出力ＴＶＯ２は、第１減算部１１１に出力される。そして、前記第１実施形態と同様に、目標空燃比λｔが設定され、燃料噴射制御部２１は、この目標空燃比に対応した燃料噴射制御を実行する。
【００８９】
以上のように、本実施形態では、Ｏ２センサ５の目標出力を、触媒装置３の排気浄化性能が良好な状態であり、かつ、触媒装置３に流入する排気空燃比がリーンであるときは、触媒装置３の排気浄化性能が低下している状態よりもリーン側の値となるようにし、触媒装置３の排気浄化性能が良好な状態であり、かつ、触媒装置３に流入する排気空燃比がリッチであるときは、触媒装置３の排気浄化性能が低下している状態よりもリッチ側の値となるようにすることにより、触媒装置３における化学反応によってむだ時間が変動したとしてもプラントモデルの同定精度の悪化を抑制でき、また、誤った燃料噴射によって排気が悪化してしまうような事態を回避できる。
【００９０】
なお、本実施形態においても、触媒装置３の酸素ストレージ量に基づいて排気浄化状態を判定するようにしているが、これに限られず、例えば、触媒装置３や排気温度に基づいて触媒装置３が活性化しているか否かを判定し、活性化しているときと、未活性のときと、で前記Ｏ２センサ５の目標出力ＴＶＯ２として異なる値を設定するようにしてもよい。
【００９１】
更に、上記実施形態から把握し得る請求項以外の技術的思想について、以下にその効果と共に記載する。
（イ）請求項１記載の内燃機関の空燃比制御装置において、前記むだ時間設定手段は、前記触媒装置の排気浄化性能が良好なときに、排気浄化性能が低下しているときよりも大きいむだ時間を設定することを特徴とする。
【００９２】
このようにすれば、触媒装置における酸化・還元反応により生じる制御の「遅れ」に対応させたむだ時間を設定できるので、プラントモデルの同定精度を向上させることができる。
（ロ）請求項１又は請求項２記載の内燃機関の空燃比制御装置において、前記同定手段は、前記酸素濃度センサの出力と前記目標値との偏差と、前記空燃比センサの出力とその基準値との偏差と、に基づいてプラントモデルのパラメータを逐次同定することを特徴とする。
【００９３】
このようにすれば、システム同定に伴うデータ処理等の負担を軽減できる。
（ハ）請求項１又は請求項２記載の内燃機関の空燃比制御装置において、前記目標空燃比設定手段は、前記酸素濃度センサの出力データとしてむだ時間後の酸素濃度センサの予測値を用いることを特徴とする。
【００９４】
このようにすれば、制御対象の有するむだ時間の影響を排除しつつ、酸素濃度センサの出力を目標値へ制御できるので、制御の安定性を高めることができる。
（ニ）請求項１又は請求項２記載の内燃機関の空燃比制御装置において、前記目標空燃比設定手段は、スライディングモード制御を用いて前記目標空燃比を設定することを特徴とする。
【００９５】
このようにすれば、外乱の影響を排除して、酸素濃度センサの出力を目標値へと制御できるので、制御の安定性を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る空燃比制御装置のシステム構成図。
【図２】第１実施形態の目標空燃比算出部を示す図。
【図３】第１実施形態のむだ時間設定部を示す図。
【図４】本発明の第２実施形態に係る空燃比制御装置のシステム構成図。
【図５】第２実施形態における目標空燃比算出部を示す図。
【図６】触媒装置の排気浄化性能が良好である状態におけるＯ２センサの予測出力と実際の出力との関係を説明する図。
【図７】第２実施形態における目標出力設定部を示す図。
【符号の説明】
１…エンジン、３…触媒装置、４…Ａ／Ｆセンサ、５…Ｏ２センサ、１０…コントロールユニット、１１…空燃比制御部、２１…燃料噴射制御部、（空燃比制御手段）、１１２…目標出力設定部、１１６…酸素ストレージ量算出部、１１７…むだ時間設定部、１１８…同定部（同定手段）、１２０…スライディングモード制御部（目標空燃比設定手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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