(57)【要約】【課題】排ガスセンサの出力におけるケミカルノイズを低減し、空燃比センサの分解能不足を補償する。【解決手段】空燃比制御装置は、排ガスの濃度を検出する排ガスセンサと、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空燃比センサと、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、空燃比センサの出力に接続されたデシメーションフィルタを備える。制御装置は、第１および第２のデシメーションフィルタから出力された値を用いて、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。第１および第２のデシメーションフィルタは、操作量を算出する周期よりも速い周期で、排ガスセンサおよび空燃比センサの出力を、それぞれオーバーサンプリングし、ローパスフィルタで平滑し、操作量を算出する周期でリサンプリングする。【選択図】図２２
2004076593.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、
前記操作量を算出する周期よりも速い周期で、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、を備える、
内燃機関の制御装置。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
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た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、
前記操作量を算出する周期よりも速い周期で、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、を備える、
内燃機関の制御装置。
【請求項９】
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。
【請求項１０】
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。
【請求項１１】
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。
【請求項１２】
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。
【請求項１３】
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。
【請求項１４】
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。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、内燃機関の排気系に設けられた排ガスセンサの出力に基づいて空燃比を制御する制御装置に関する。
【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】
2004076593.tif 000003
【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】
2004076593.tif 000004
【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】
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【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】
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【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】
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【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】
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【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】
2004076593.tif 000009
【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】
2004076593.tif 000010
【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】
2004076593.tif 000011
【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】
2004076593.tif 000012
【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】
2004076593.tif 000013
【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】
2004076593.tif 000014
【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】
2004076593.tif 000015
【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】
2004076593.tif 000016
【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】
2004076593.tif 000017
【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】
2004076593.tif 000018
【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】
2004076593.tif 000019
【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】
2004076593.tif 000020
【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】
2004076593.tif 000021
【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】
2004076593.tif 000022
【００９１】
【数２１】
2004076593.tif 000023
【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】
2004076593.tif 000024
【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】
2004076593.tif 000025
【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】
2004076593.tif 000026
【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】
2004076593.tif 000027
【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】
2004076593.tif 000028
【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】
2004076593.tif 000029
【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】
2004076593.tif 000030
【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】
2004076593.tif 000031
【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】
2004076593.tif 000032
【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】
2004076593.tif 000033
【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】
2004076593.tif 000034
【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】
2004076593.tif 000035
【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
【図１】
2004076593.tif 000036
【図２】
2004076593.tif 000037
【図３】
2004076593.tif 000038
【図４】
2004076593.tif 000039
【図５】
2004076593.tif 000040
【図６】
2004076593.tif 000041
【図７】
2004076593.tif 000042
【図８】
2004076593.tif 000043
【図９】
2004076593.tif 000044
【図１０】
2004076593.tif 000045
【図１１】
2004076593.tif 000046
【図１２】
2004076593.tif 000047
【図１３】
2004076593.tif 000048
【図１４】
2004076593.tif 000049
【図１５】
2004076593.tif 000050
【図１６】
2004076593.tif 000051
【図１７】
2004076593.tif 000052
【図１８】
2004076593.tif 000053
【図１９】
2004076593.tif 000054
【図２０】
2004076593.tif 000055
【図２１】
2004076593.tif 000056
【図２２】
2004076593.tif 000057
【図２３】
2004076593.tif 000058
【図２４】
2004076593.tif 000059
【図２５】
2004076593.tif 000060
【手続補正書】
【提出日】平成15年6月4日(2003.6.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１６８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【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。


【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図２４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図２４】
2004076593.tif 000061