控制空燃比用的车辆控制器的制作方法

专利名称：控制空燃比用的车辆控制器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种根据安置在内燃机排气系统中的排气传感器的输出控制空燃比的控制器。
背景技术：
车辆内燃机的排气系统中设有催化剂转换器。在引入发动机中的空气-燃料混合物的贫空燃比(1ean)时，催化剂转换器以排气中所含的过量氧气使HC和CO氧化。在富空燃比(rich)时，催化剂转换器以HC和CO还原NOx。当空燃比处于理论配比的空燃比范围内时，HC、CO和NOx同时被有效地净化。
在催化剂转换器的下游侧设置排气传感器。该排气传感器检测被排放到排气系统中的气体中所含氧的浓度。根据该排气传感器的输出实行对发动机空燃比的反馈控制。
作为对空燃比反馈控制的一个实例，日本专利申请未审公开特开平11-153051提出指定灵敏控制方案，其中定义一个转换函数。这种控制通过将所述转换函数的值汇集到0，把排气传感器的输出汇集到一个目标值。计算一个受到控制的变量，以将排气传感器的输出汇集成所述目标值。利用排气传感器的输出和空燃比传感器(LAF)来计算所述受到控制的变量，所述空燃比传感器设在催化剂转换器的上游侧，用以检测空燃比。根据所计算的受到控制的变量，控制拟加给发动机的燃料量。
最近，已有提高排气传感器的灵敏度，以使确定催化剂劣化的准确度稳定，并减少NOx排放量的趋势。在使排气传感器的灵敏度得到提高时，可能会将被称为化学噪声的高频成分引入排气传感器的输出中。这种化学噪声可能引起目标空燃比的变化，因为是根据排气传感器的输出计算的目标空燃比。目标空燃比的这种变化可能造成实际空燃比的较大变化，这就降低了催化剂的净化率。
有时使空燃比富，以保护发动机和催化剂。这种空燃比的浓集增加了CO的排放量。为了抑制CO的排放，最好按闭环形式实行空燃比的控制。另一方面，可能会实行用以使空燃比贫的空燃比控制，以便提高燃烧效率。在这种使空燃比较低情况下，最好按闭环形式实行空燃比的控制。为了稳定地进行闭环空燃比控制，趋向于扩展空燃比(LAF)传感器的检测范围。
A/D转换器在其性能方面的限制将空燃比传感器的模拟信号转换成数字信号。在使空燃比传感器的检测范围被扩展时，A/D转换器在性能方面的这种限制会降低空燃比传感器测得的空燃比的分辨率。这种分辨率的降低，在空燃比的控制过程中，会减小使实际空燃比追随目标空燃比的能力，这就降低了催化剂的净化率。这种分辨率的降低还可能降低识别空燃比控制模式(model)参数的精度，因为是根据实际空燃比来识别所述模式参数的。识别模式参数精度的降低也会使催化剂的净化率降低。
因而，在提高排气传感器灵敏度的时候，就需要一种从排气传感器的输出中除去化学噪声的设备和方法。还需要一种能够补偿空燃比传感器分辨率之不足的设备和方法。

发明内容
按照本发明的第一种实施例，一种用于控制内燃机空燃比的控制器，它包括第一排气传感器，用以检测排气中的氧浓度；与第一排气传感器相连的第一分样(decimation)滤波器；以及与第一分样滤波器相连的控制单元。所述控制单元确定控制(manipulating)空燃比的操作变量，使第一分样滤波器的输出值转换成目标值。所述第一分样滤波器还包括第一过采样器(oversampler)、第一低通滤波器和第一下采样器(downsampler)。所述第一过采样器以比确定操作变量所用周期更短的周期过采样第一排气传感器的输出。第一低通滤波器使过采样的值平滑。第一下采样器按确定操作变量所用的周期再采样(re-sampled)已被平滑的值。于是，第一分样滤波器输出所述被再采样的值。
如上所述，在使第一排气传感器的灵敏度提高时，在第一排气传感器的输出中可能出现化学噪声。所述第一分样滤波器能够消除这种化学噪声。以第一分样滤波器的输出为基础的空燃比控制防止催化剂的净化率变差。
按照本发明的第二种实施例，一种控制内燃机空燃比的控制器，它包括设于催化剂转换器下游侧的第一排气传感器，设于催化剂转换器上游侧的第二排气传感器，与第二排气传感器相连的第二分样滤波器，以及与第二分样滤波器相连的控制单元。第一排气传感器检测排气中的氧浓度。第二排气传感器检测排气中的空燃比。控制单元利用第二分样滤波器的输出值确定控制空燃比的操作变量，使第一排气传感器的输出值转换成目标值。第二分样滤波器还包括第二过采样器、第二低通滤波器和第二下采样器。所述第二过采样器以比确定操作变量所用周期更短的周期过采样第二排气传感器的输出。第二低通滤波器使过采样的值平滑。第二下采样器按确定操作变量所用的周期再采样已被平滑的值。于是，第二分样滤波器输出所述被再采样的值。
如上所述，在使第二排气传感器的检测范围扩展时，可以降低由第二排气传感器测得的空燃比分辨率。所述第二分样滤波器能够补偿第二排气传感器分辨率的不足。具体地说，第二分样滤波器估计检测值低于第二排气传感器的分辨率界限。以第二分样滤波器的输出为基础的空燃比控制防止催化剂的净化率劣化。
按照本发明的一种实施例，通过指定灵敏控制确定所述操作变量。指定灵敏控制能够稳定并快速地使第一排气传感器的输出转换成目标值。
按照本发明的另一种实施例，通过实行采用Δ∑(得尔他-希格玛)调制算法、Δ(得尔他)调制算法和∑Δ(希格玛-得尔他)调制算法之一的控制，确定所述操作变量。采用这样的算法的控制，即使在要通过空燃比控制而受到控制的目标灵敏度的延迟较大时，也能够稳定地使第一排气传感器的输出转换成目标值。
按照本发明的一种实施例，要被控制的目标是排气系统。这种排气系统从第二排气传感器通过催化剂转换器延伸到第一排气传感器。在上述第一种实施例中，根据第一分样滤波器的输出值，确定排气系统中的空载时间。计算第一排气传感器输出的估算值，使排气系统中的空载时间得到补偿。将所述估算值用于确定所述控制空燃比的操作变量。由于在考虑排气系统空载时间的同时确定第一排气传感器输出的估算值，因此，所述操作变量能够使第一排气传感器的输出值稳定地转换成目标值。在上述第二实施例中，根据第二分样滤波器的输出值，确定排气系统中的空载时间。
按照本发明的又一种实施例，所述空燃比控制的目标还包括空燃比操纵系统。这种空燃比操纵系统从确定操作变量的控制单元通过发动机延伸到第二排气传感器。在上述第一实施例中，根据第一分样滤波器的输出值，确定空燃比操纵系统中的空载时间。计算第一排气传感器输出的估算值，使排气系统中的空载时间和空燃比操纵系统中的空载时间得到补偿。将所述估算值用于确定所述控制空燃比的操作变量。由于在考虑排气系统和空燃比操纵系统二者的空载时间的同时确定第一排气传感器输出的估算值，因此，所述操作变量能够使第一排气传感器的输出值稳定地转换成目标值。在上述第二实施例中，根据第二分样滤波器的输出值，确定空燃比操纵系统中的空载时间。
按照本发明的再一种实施例，所述控制单元计算为确定操作变量所用的参数。这种参数的作用适于对排气系统状态变化的空燃比控制。在上述第一实施例中，根据第一分样滤波器的输出值计算所述参数。由于第一分样滤波器的输出不包含化学噪声，所以能以较好的精度计算所述参数。在上述第二实施例中，根据第二分样滤波器的输出值计算所述参数。由于第二分样滤波器提供在低于第二排气传感器的分辨率界限的检测值，所以能以较好的精度计算所述参数。
按照本发明的再一种实施例，将所述第一和第二分样滤波器的第一和第二低通滤波器的截止频率被设定成比检测催化剂失效所用的频率为更高的频率。于是，可以实行所述空燃比控制，而不会降低检测催化剂失效的精度。


图1是本发明一种实施例内燃机及其控制器的示意图；
图2是本发明一种实施例催化剂转换器和排气传感器布置的示意图；图3表示本发明一种实施例空燃比控制概图；图4是本发明第一种具体实施方式
空燃比控制的方框图；图5是本发明一种实施例控制器的详细功能方框图；图6以示意的方式表示本发明一种实施例用于指定灵敏控制的变换线；图7表示本发明一种实施例的指定灵敏控制的响应特性；图8是本发明一种实施例的第一分样滤波器的详细功能方框图；图9表示根据催化剂劣化的程度排气传感器输出变化的频率响应；图10表示根据催化剂劣化的程度排气传感器滤波输出变化的频率响应；图11表示本发明一种实施例的第一分样滤波器的低通滤波特性；图12(a)-(c)表示本发明一种实施例排气传感器的滤波输出，其中(a)为采用第一分样滤波器时，(b)、(c)为采用另一滤波器时；图13表示在图12(b)情况下所用滤波器的低通滤波特性；图14表示在图12(c)情况下所用滤波器的低通滤波特性；图15表示按照常规空燃比控制，排气传感器输出中的化学噪声表现，以及目标空燃比误差kcmd的变化；图16表示按照本发明一种实施例，第一分样滤波器的输出Vo2_df和目标空燃比误差kcmd；图17是本发明第二种具体实施方式
空燃比控制的方框图；图18是本发明一种实施例的第二分样滤波器的详细功能方框图；图19表示本发明一种实施例的第二分样滤波器的低通滤波特性；图20表示按照常规空燃比控制，空燃比(LAF)传感器分辨率的不足、目标空燃比误差kcmd，以及一个识别参数“b1”；图21表示按照本发明一种实施例，第二分样滤波器的输出KACT_df和目标空燃比误差kcmd；图22是本发明第三种具体实施方式
空燃比控制的方框图；图23表示本发明一种实施例控制器的详细功能方框图；
图24表示本发明一种实施例DMS控制器的详细功能方框图；图25是按照本发明一种实施例，用于自适应空燃比控制的主程序流程图。
具体实施例方式
内燃机和控制装置的结构以下将参照附图详细描述本发明的优选实施例。图1是表示本发明一种实施例的内燃机(下称发动机)控制器的方框图。
电动控制单元(下称ECU)5包括输入接口5a，用以接收发动机1各部分送来的数据；CPU5b，用以实现控制发动机1各部分的操作；存储单元5c，它包括只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)；以及输出接口5d，用以将控制信号送到发动机1的各个部分。用于控制车辆各部分的各种程序和数据被存储在ROM中。本发明控制空燃比的程序、为所述程序运行所用的数据和表格都被存储在ROM中。所述ROM可以是可重写的ROM，如EEPROM。RAM设有CPU5b操作的工作区域，其中同时存储有由发动机1各个部分送来的数据，以及要发送给发动机1各部分的控制信号。
发动机1比如是装备有四个缸的发动机。使进气管2与发动机1相连。节流阀3设置在进气管2的上游侧。与节流阀3相连的节流阀开启(θTH)传感器4，它输出与节流阀3的开启角度相应的电信号，并将该信号送到ECU5。
进气管2中设置旁路通道21，用以旁路节流阀3。旁路通道21中设置旁路阀门22，用以控制要供给发动机1的空气量。旁路阀门22按照ECU5的控制信号受到驱动。
在发动机1与节流阀3之间进气管2的中间点处对每个气缸设置一个燃料喷射阀门6。燃料喷射阀门6连到燃料泵(未示出)，以接受所燃料槽(未示出)供给的燃料。按照ECU5的控制信号，使燃料喷射阀门6受到驱动。
进气管压力(Pb)传感器8和外部空气温度(Ta)传感器9安装在节流阀3下游侧的进气管2中。把所测得的进气管压力Pb和外部空气温度Ta送给ECU5。
发电机水温(TW)传感器10被装到发动机1气缸体的气缸周壁上，该周壁被充满冷却水。将发电机水温传感器测得的发电机冷却水温度送到ECU5。
转速(Ne)检测器13被装在发动机1的凸轮轴或者曲轴(未示出)外围，并按预定的曲轴角周期(如30°角周期)输出CRK信号脉冲，这个周期要短于按与活塞的TDC位置相关的曲轴角周期所造成的TDC信号脉冲的周期。由ECU5计数CRK脉冲，以确定发动机1的转速Ne。
排气管14与发动机1相连。发动机1通过排气管14排放排气。催化剂转换器15除去流过排气管14的排气中所包含的诸如HC、CO和NOx等有害物质。催化剂转换器15包含两种催化剂，即上游催化剂和下游催化剂。
在催化剂转换器15的上游设有全范围空燃比(LAF)传感器16。所述LAF传感器16在整个宽度的空燃比区域线性地检测排气中所含氧的浓度，从高于理论配比空燃比的空燃比较富区域到极贫的区域。把所测得的氧浓度送到ECU5。
在所述上游催化剂与下游催化剂之间设置O2(氧气)传感器17。所述O2传感器17是二进制型的排气浓度传感器。当空燃比富于所述理论配比空燃比时，该O2传感器输出高电平信号，而当空燃比贫于所述理论配比空燃比时，输出低电平信号。所述电信号被送给ECU5。
可将O2传感器17称作第一排气传感器。可将LAN传感器16称作第二排气传感器。
送给ECU5的信号被传送到输入电路5a。输入接口5a把模拟信号值转换成数字信号值。CPU5b处理所得的数字信号，按照ROM中所存程序进行操作，并得到控制信号。输出接口5d把这些控制信号送给旁路阀门22、燃料喷射阀门6和其它机械组件的致动器。
图2表示催化剂转换器15的结构。被引入排气管14的排气通过上游催化剂25，然后再通过下游催化剂26。公知的是，与由设在下游催化剂之下游侧的O2传感器的输出为基础的空燃比控制相比，则通过设在所述上游催化剂与下游催化剂之间的O2传感器的输出为基础的空燃比控制，容易使NOx的净化率保持在最佳水平。因此，在下面将要叙述的本发明实施例中，把O2传感器17设在上游催化剂与下游催化剂之间。该O2传感器17检测通过上游催化剂25之后的排气中所含氧的浓度。
作为另外的选择，可将O2传感器配置于下游催化剂26的下游侧。如果催化剂转换器15由单独一种催化剂组成，就把O2传感器配置于这种催化剂转换器15的下游侧。
图3表示上游催化剂和下游催化剂的净化行为。窗口27指示一个空燃比的区域，其中HC、CO和NOx等都被最佳地净化。由于通过在上游催化剂25内的净化，排气中所含的氧已被消耗，所以提供给下游催化剂26的排气表现出空气减少(即富态)，如窗口28所示的那样。在这种空气减少的情况下，使NOx进一步受到净化。于是排放的是清洁的排气。
为了很好地保持催化剂转换器15的净化性能，本发明的空燃比自适应控制，使O2传感器17的输出聚集成目标值，以便把空燃比写入到窗口27中。
参考标号29表示可允许的范围，这个范围规定由自适应空燃比控制所控制的变量限制，这将在后面有详细的描述。按第一种具体实施方式
的自适应空燃比控制图4表示本发明第一种具体实施方式
的自适应空燃比控制的方框图。LAF传感器16检测提供给上游催化剂25的排气的空燃比KACT。所述O2传感器17输出电压Vo2/OUT，它表示经上游催化剂25净化之后，排气中的氧浓度。
将O2传感器17输出电压Vo2/OUT交给第一分样滤波器36。第一分样滤波器36过采样O2传感器17的输出电压Vo2/OUT，并对过采样的值实行低通滤波过程，然后再下采样经滤波处理的值。第一分样滤波器36的输出被表示为采样值Vo2_df。将采样值Vo2_df与目标值Vo2/TARGET比较。把采样值Vo2_df与目标值Vo2/TARGET之间的误差值Vo2送到控制器31。
拟由所述自适应空燃比控制所控制的目标(也就是设备)是从LAF传感器16通过上游催化剂25延伸到O2传感器17的排气系统19。控制器31根据所述误差Vo2确定目标空燃比误差“kcmd”。把这个目标空燃比误差kcmd与基准值FLAF/BASE相加，确定目标空燃比KCMD。根据目标空燃比KCMD修正燃料喷射量，并供给发动机1。喷射燃料之后，再次检测O2传感器17的输出Vo2/OUT。
于是，控制器31实行反馈控制，以确定目标空燃比KCMD，以使误差Vo2聚集为0。可如公式(1)所示那样设计排气系统19，也就是被控制的目标，其中的Vo2/OUT被定义为控制输出，而LAF传感器的输出KACT被定义为控制输入。排气系统19被设计成离散时间系统。这种设计可使空燃比控制运算简单，并适于计算机处理。
Vo2′(k+1)＝a1·Vo2′(k)+a2·Vo2′(k-1)+b1·kact(k-d3)其中 Vo2′(k)＝Vo2/OUT(k)-Vo2/TARGETkact(k)＝KACT(k)-FLAF/BASE (1)“k”是用以表示控制周期的标志符。传感器输出误差Vo2′表示O2传感器输出Vo2/OUT与目标值Vo2/TARGET之间的误差。实际空燃比误差“kact”表示LAF传感器的输出KACT与基准值FLAF/BASE之间的误差。所述基准值FLAF/BASE被设定成是目标空燃比KCMD的中心值。例如，把基准值设定成表示理论配比的值(即FLAF/BASE＝1)。基准值FLAF/BASE可以是一个恒定的值，或者可以根据发动机的工作状态确立它。
“d3”表示排气系统19的空载时间。空载时间d3是由LAF传感器16测得的空燃比要反映在O2传感器17的输出中所需的时间。“a1”、“a2”和“b1”是由标志符产生的模式参数。后面将叙述所述标志符。
公式(2)表示O2传感器的输出Vo2/OUT与第一分样滤波器的输出Vo2_df之间的关系Vo2/OUT(k)＝Vo2_df(k+d5) (2)“d5”表示第一分样滤波器36的空载时间。空载时间d5表示O2传感器的输出Vo2/OUT要被过采样、用低通滤波器滤波然后再被下采样所需的时间。空载时间d5比如是一个控制周期(即d5＝1)。
根据公式(1)和(2)确定包括排气系统19和第一分样滤波器36的系统，有如公式(3)所示者
Vo2(k+1)＝a1·Vo2(k)+a2·Vo2(k-1)+b1·kact(k-d3-d5)＝a1·Vo2(k)+a2·Vo2(k-1)+b1·kact(k-d1)其中 Vo2(k)＝Vo2_df(k)-Vo2/TARGETkact(k)＝KACT(k)-FLAF/BASEd1＝d3+d5 (3)于是，第一分样滤波器36的结合增加了排气系统的空载时间。
另一方面，可如公式(4)所表示的那样设计空燃比操纵系统18，它从ECU5通过发动机1延伸到LAF传感器16。
kact(k)＝kcmd(k-d2)其中 kact(k)＝KACT(k)-FLAF/BASEkcmd(k)＝KCMD(k)-FLAF/BASE (4)目标空燃比误差“kcmd”表示目标空燃比KCMD与基准值FLAF/BASE之间的误差。“d2”表示空燃比操纵系统18中的空载时间。空载时间d2是所计算的目标空燃比KCMD要反映在LAF传感器16的输出KACT中所需的时间。
可使空燃比操纵系统18被包含于要通过自适应空燃比控制所控制的目标中。在这种情况下，根据公式(3)和(4)表示模式公式，有如公式(5)所示那样。空载时间“d”是由空燃比操纵系统18、排气系统19以及第一分样滤波器36组成之系统中的总空载时间。第一分样滤波器36的结合增加了排气系统的空载时间。
Vo2(k+1)＝a1·Vo2(k)+a2·Vo2(k-1)+b1·kcmd(k-d1-d2)＝a1·Vo2(k)+a2·Vo2(k-1)+b1·kcmd(k-d)其中 d＝d1+d2＝d3+d5+d2(5)图5表示图4所示控制器31的更为详细的方框图。控制器31包括识别器(identifer)32、计算器(estimator)33、滑动模式控制器34和限幅器35。
识别器32识别公式(3)中的模式参数a1、a2和b1，以消除模式误差。以下将描述识别器32所执行分识别方法。
识别器32使用模式参数1(K-1)、2(K-1)和1(K-1)，这些参数已按以前的控制周期计算过，为的是按照公式(6)确定传感器输出对当前周期的误差V2(K)。
V2(k)＝1(k-1)·Vo2(k-1)+2(k-1)·Vo2(K-2)+1(k-1)·kact(k-d1-1) (6)公式(7)表示按照公式(6)计算的传感器输出误差V2(k)与在当前控制周期下实际测得的传感器输出误差Vo2(k)之间的误差id/e(k)id/e(k)＝Vo2(k)-V2(k) (7)识别器32对当前周期计算1(k)、2(k)和1(k)，以使误差id/e(K)最小化。这里的矢量θ被定义为如公式(8)所示ΘT(k)＝[1(k)2(k)b1(k)] (8)识别器32按照公式(9)确定1(k)、2(k)和1(k)。如公式(9)所示，通过对按以前的控制周期计算的1(k)、2(k)和1(k)改变一个与误差id/e(K)成正比的量，计算对当前控制周期的1(k)、2(k)和1(k)。
Θ(k)＝Θ(K-1)+Kθ(K)·id/e(K)其中Kθ(k)=P(k-1)ξ(k)1+ξT(k)P(k-1)ξ(k)]]>ξT(k)＝[Vo2(k-1) Vo2(k-2) kact(k-d1-1)]P(k)=1λ1(k)[I-λ2(k)P(k-1)ξ(k)ξT(k)λ1(k)+λ2(k)ξT(k)P(k-1)ξ(k)]P(k-1)]]>0＜λ1≤10＜λ2≤2I单位矩阵(9)为了补偿排气系统19的空载时间“d1”和空燃比操纵系统的空载时间“d2”，计算器33根据公式(5)估算空载时间d(＝d1+d2)之后的传感器输出误差Vo2。具体地说，确定空载时间d之后对于传感器输出误差Vo2(K+d)的计算值Vo2(k+d)，有如公式(10)所示者。利用识别器32所确定的模式参数计算系数α1、α2和β。空燃比误差的过去时间序列数据kcmd(k-j)(其中j＝1，2，...d)包括在空载时间“d”期间所得的空燃比误差。Vo2‾(k+d)=α1·Vo2(k)+α2·Vo2(k-1)+Σj=1dβj·kcmd(k-j)]]>其中 α1＝Ad的第1行第1列元素
α2＝Ad的第1行第2列元素βj＝Aj-1·B的第1行各元素A=a1a210]]>B=b10---(10)]]>利用公式(2)，可由实际空燃比误差kact(k)、kact(k-1)、...kact(k-d+d2)代替空载时间d2之前目标空燃比误差“kcmd”的过去值kcmd(k-d2)、kcmd(k-d2-1)、...kcmd(k-d)。于是，得到公式(11)Vo2‾(k+d)=α1·Vo2(k)+α2·Vo2(k-1)]]>+Σj=1d2-1βj·kcmd(k-j)+Σi=0d-d2βi+d2·kact(k-i)]]>=α1·Vo2(k)+α2·Vo2(k-1)]]>+Σj=1d2-1βj·kcmd(k-j)+Σi=0d1βi+d2·kact(k-i)---(11)]]>滑动模式控制器34设定转换函数σ，如公式(12)所示，以便实行滑动模式控制。
σ(k)＝s·Vo2(k-1)+Vo2(k) (12)如上所述，Vo2(k-1)代表前面周期测得的传感器输出误差。Vo2(k)代表当前周期测得的传感器输出误差。“s”是转换函数σ的设定参数，并被设定成满足-1＜s＜1。
在σ(k)＝0情况下的这个公式被称为等效输出系统，它确定传感器输出误差Vo2的聚集特性，或者被称为操作变量。假设σ(k)＝0，则公式(12)转变为公式(13)Vo2(k)＝-s·Vo2(k-1) (13)以下参照图6和公式(13)描述转换函数σ的特征。在图6中，把公式(13)表示为以Vo2(k-1)为横轴而以Vo2(k)为纵轴的相位平面上的线41。线41被称为转换直线。假设由点42表示作为Vo2(k-1)与Vo2(k)组合的状态变量(Vo2(k-1)，Vo2(k))的初始值。滑动模式控制操纵把点42所表示的状态变量置于直线41上，然后再将它约束在直线41上。按照这种滑动模式控制，由于把状态变量保持在转换直线41上，所以可将状态变量高度稳定地聚集在相位平面的原点0，而不会受各种干扰等的影响。换句话说，通过像公式(13)所示的那样，关于这种没有输入的稳定系统限制状态变量(Vo2(k-1)，Vo2(k))，可使传感器输出误差Vo2聚集成0，而坚定地抵抗各种干扰和模拟的误差。
转换函数设定参数“s”是能够被可变地选择的参数。借助这个设定的参数“s”，能够限定传感器输出误差Vo2的衰减(聚集)特性。
图7表示滑动模式控制的指定灵敏度特性的一个实例。线43表示设定参数的值为“1”的情况。曲线44表示设定参数的值为“0.8”的情况。曲线45表示设定参数的值为“0.5”的情况。有如图中所见者，传感器输出误差Vo2的聚集率随设定参数的值“s”而变化。看到随着“s”的绝对值变得越小，聚集率变得越快。
确定三种控制的输入，使转换函数σ聚集到0。也就是，用以将状态变量限制在转换线上的控制输入Ueq、用以将状态变量置于转换线上的控制输入Urch，以及用以将状态变量置于转换线上同时抑制模式误差和控制的控制输入Uadp。对三种控制输入Ueq、Urch和Uadp求和，以确定所需误差Usl。利用该所需误差Usl计算空燃比误差kcmd。
等效的控制输入Ueq必须满足公式(14)，因为它是将状态变量抑制在转换线上的输入σ(K+1)＝σ(K) (14)有如公式(15)所示者，由公式(4)、(5)和(12)确定满足σ(k+1)＝σ(k)的等效控制输出Ueq。Ueq(k)=-1b1[((a1-1)+s)·Vo2(k+d)+(a2-s)·Vo2(k+d-1)]---(15)]]>有效法定输入(reaching law input)Urch的值与转换函数σ的值有关。按照公式(16)确定所述有效法定输入Urch。在本实施例中，有效法定输入Urch的值与转换函数σ的值成正比。Krch代表所述有效法定输入的反馈增益，采用模拟预先确定它，按照所述模拟，比如考虑得到转换函数的值聚集到0(σ＝0)的稳定性和快速响应。Urch(K)=-1b1·Krch·σ(K+d)---(16)]]>自适应法定输入(adaptive law input)Uadp的值与转换函数σ的积分值有关。按照公式(17)确定所述自适应法定输入Uadp。在本实施例中，自适应法定输入Uadp与转换函数σ的积分值成正比。Kadp代表所述自适应法定输入的反馈增益，采用模拟预先确定，按照所述模拟，比如考虑得到转换函数的值聚集到0(σ＝0)的稳定性和快速响应。AT代表控制周期的时间。Uadp(k)=-1b1·Kadp·Σi=0k+d(σ(i)·ΔT)---(17)]]>由于传感器输出误差Vo2(k+d)和Vo2(k+d-1)以及转换函数的值σ(k+d)都包含空载时间“d”，所以不能直接得到这些值。因此，利用由计算器33所产生的估算误差Vo2(k+d)和Vo2(k+d-1)确定所述等效控制输出Ucq。Ucq(k)=-1b1[((a1-1)+s)·Vo2‾(k+d)+(a2-s)·Vo2‾(k+d-1)]---(18)]]>如公式(19)所示，利用由计算器33所产生的估算误差确定转换函数σ。σ‾=s·Vo2‾(k-1)+Vo2‾(k)---(19)]]>转换函数σ被用于确定有效法定输入Urch和自适应法定输入Uadp。Urch(k)=-1b1·Krch·σ‾(k+d)---(20)]]>Uadp(k)=-1b1·Kadp·Σi=0k+d(σ‾(i)·ΔT)---(21)]]>有如公式(22)所示者，使等效控制输入Ucq、有效法定输入Urch和自适应法定输入Uadp彼此相加，以确定所需误差Usl。
Usl(k)＝Ucq(k)+Urch(k)+Uadp(k) (22)限幅器35对所需误差Usl实行限幅处理，以确定空燃比误差kcmd。具体地说，如果所需误差Usl在可允许的范围内，则限幅器35将空燃比误差kcmd设定在所需误差Usl的值。如果所需误差Usl偏离可允许的范围，则限幅器35将空燃比误差kcmd设定在可允许范围的上限值或下限值。
如图3中的参考标号29所示，所示限幅器35所用的可允许范围被设定成它的中心几乎就位于窗口27内，而它的宽度比窗口27的宽度宽。实际是按照所需误差Usl、发动机的运行状态等设定所述可允许范围的。即使在催化剂转换器的净化能力偏离窗口27所示的最佳状态，所述可允许范围也有足够的宽度，使催化剂转换器能够快速地返回最佳状态，同时抑制可能是由于空燃比变化所引起的燃烧条件变化。因此，可使催化剂转换器的净化率保持在较高的水平，以减少排气中的有害物质。
具体地说，所述可允许范围根据确定的所需误差Usl以变化的方式受到修正。例如，根据所述所需误差Usl的逸出量，所述可允许范围被展宽。另一方面，当所述所需误差Usl在所述可允许范围内时，该可允许范围就减小。于是，设定能与所述所需误差Usl相适应的可允许范围，这设定了为使O2传感器17的输出转换成目标值所需的空燃比。
此外，将所述可允许范围设定成随着O2传感器17输出的不稳定程度变得较高而更窄。可以按照包括发动机起始，即怠速状态的发动机运行状态和取消切断燃油来设定所述可允许的范围。
将所确定的空燃比误差kcmd与基准值FLAF/BASE相加，确定目标空燃比KCMD。把目标空燃比KCMD给到排气系统(即要控制的目标)，从而使得传感器的输出误差Vo2转换成0。
作为另一种选择，在完成限幅处理之后，可由限幅器35按照滑动模式控制器34确定的自适应法定输入Uadp修正所述空燃比的基准值FLAF/BASE。具体地说，将基准值FLAF/BASE初始化成理论配比空燃比。如果所述自适应法定输入Uadp超过预先确定的上限值，就使所述基准值FLAF/BASE增加预定的量。如果所述自适应法定输入Uadp低于预先确定的下限值，就使所述基准值FLAF/BASE减少预定的量。如果所述自适应法定输入Uadp在所述上限值与下限值之间，则不修正所述基准值FLAF/BASE。如此被修正的基准值FLAF/BASE被用于下一个控制周期。于是，所述基准值FLAF/BASE被调节成是目标空燃比KCMD的中心值。
通过结合限幅处理实行上述基准值FLAF/BASE的修正处理，使所需误差Usl的可允许范围被平衡于正负值之间。最好在确定所述/O2传感器17输出Vo2/OUT基本上转换成目标值Vo2/TRAGET，并且所述滑动模式控制处于稳定状态时，实行对所述基准值FLAF/BASE的修正处理。第一分样滤波器图8是第一分样滤波器36的方框图。第一过采样器51按比控制周期“k”短的周期“n”过采样O2传感器的输出Vo2/OUT，其中所述控制周期“k”被用于计算用来控制空燃比的操作变量Usl(即“k”是上述各公式中的控制周期)。所述过采样过程的周期“n”比如是控制周期“k”的1/5。将过采样值Vo2_ov提供给第一低通滤波器52。
第一低通滤波器52按照公式(23)关于过采样值Vo2_ov实行滤波处理，输出Vo2_ovf。公式(23)中的a1ovf、a2ovf、a3ovf、b0ovf、b1ovf、b2ovf和b3ovf是采样模拟等预先确定的滤波系数。
Vo2_ovf(n)＝a1ovf·Vo2_ovf(n-1)+a2ovf·Vo2_ovf(n-2)+a3ovf·Vo2_ovf(n-3)+b0ovf·Vo2_ovf(n)+b1ovf·Vo2_ovf(n-1)+b2ovf·Vo2_ovf(n-2)+b3ovf·Vo2_ovf(n-3) (23)第一下采样器53以控制周期“k”再采样滤波值Vo2_ovf，输出采样值Vo2_df。
已经提出一种根据在一定的频率区间内O2传感器的输出检测催化剂劣化的方法。最好将第一低通滤波器设计成不会使这种催化剂劣化的检测无效。
参照图8和10，将描述用以检测催化剂劣化所需的频率区间。图9表示O2传感器的输出Vo2/OUT的功率谱，其中(a)是催化剂为新的情况，(b)是催化剂的净化率充分的情况，(c)是催化剂的净化率不足的情况。有如图9(a)到9(c)所看到的那样，传感器输出Vo2/OUT的功率谱的值在3到7Hz的频率区间内变化，这由参考标号61表示。
图10(a)到10(c)分别表示用带通滤波器对图9(a)到9(c)所示传感器的输出Vo2/OUT滤波的结果。由滤波器使传感器输出Vo2/OUT的功率谱在3到7Hz的频率区间内得到加强。如参考标号62所示，随着催化剂变差，传感器输出Vo2/OUT的功率谱在3到7Hz的频率区间内被增大。于是，通过评估在3到7Hz的频率区间内传感器的输出Vo2/OUT，可以确定是否处于使催化剂变差的状态。为了检测催化剂的变差，最好不将第一低通滤波器52设计成穿过3到7Hz的频率区间。
图11表示第一低通滤波器52的滤波特性。用于检测催化剂劣化所需的频率组分存在于低于参考标号64所表示的线的频率区间。截止频率被设定于明显高于为检测催化剂劣化所需频率的频率下。于是，第一低通滤波器52不会降低检测催化剂理解的精度。使用第一分样滤波器的效果图12(a)表示按照本发明第一种具体实施方式
，按控制周期“k”采样的O2传感器输出65的一个示例。本示例中，使用灵敏度得到提高的O2传感器。图12(a)还表示具有图11所示滤波特性之第一分样滤波器的输出Vo2_df 66。如区域67所示，在O2传感器输出65中出现因化学噪声所致的较大变化。这种因化学噪声所致的较大变化从第一分样滤波器的输出Vo2_df中被消除。
图12(b)所示O2传感器的输出65与图12(a)所示的相同。曲线68表示通过采用具有图13所示滤波特性之低通滤波器滤波O2传感器的输出所得的Vo2_f。如图13所示，该低通滤波器的截止频率比用于检测催化剂变差所需的频率高。因此，不会使检测催化剂变差的精度降低。应予说明的是，所述低通滤波器被应用于O2传感器的输出，该输出不会被过采样。
如区域69所示，与因化学噪声所引起的O2传感器输出65方面的较大变化一致，在被滤波的值Vo2_f中也出现较大的变化(虽然图中可能难于看出，但与O2传感器输出65方面的较大变化一致地，被滤波的值Vo2_f中产生凸形的变化)。于是，在图12(b)的示例中，不能使O2传感器输出中所包含的化学噪声被消除。
图12(c)所示O2传感器的输出65与图12(a)所示的相同。曲线70表示通过采用具有图14所示滤波特性之低通滤波器滤波O2传感器的输出所得的Vo2_f。如图14所示，该低通滤波器的截止频率比用于检测催化剂变差所需的频率低。因此，这种低通滤波器能够降低检测催化剂劣化的精度。这种低通滤波器被应用于O2传感器的输出，该输出不会被过采样。
如区域71所示，虽然在O2传感器输出65方面存在因化学噪声所致的较大变化，但在被滤波的值Vo2_f′中有很小的变化。被滤波的值Vo2_f′相对于所述O2传感器输出有较大的相位延迟，有如在区域71中所能清楚地看到的那样。在图12(c)的示例中，不仅检测催化剂劣化的精度变差，而且还使提高O2传感器灵敏度的效果也无效。
于是，第一分样滤波器能够消除传感器输出Vo2/OUT中出现的化学噪声，而不引起相位延迟。
图15表示按常规空燃比控制，排气传感器输出Vo2/OUT和目标空燃比误差“kcmd”的一个示例。本示例中使用灵敏度被增大的O2传感器。如参考标号75所示，在所述传感器输出中出现高频化学噪声，这是由O2传感器灵敏度的提高所引起的。如参考标号76所示，这种化学噪声引起目标空燃比误差kcmd的较大变化。目标空燃比误差kcmd的较大变化可能降低催化剂的净化率，因为流入催化剂之排气的实际空燃比随目标空燃比误差kcmd变化。
按照本发明的一种具体实施方式
，图16中的参考标号81表示排气传感器的输出Vo2/OUT，参考标号82表示第一分样滤波器的输出Vo2_df，以及参考标号83表示空燃比误差kcmd。本示例中使用灵敏度被增大的O2传感器。在所述传感器输出Vo2/OUT中出现高频化学噪声。像第一分样滤波器输出Vo2_df中所表示的那样，这种化学噪声被消除。利用第一分样滤波器的输出Vo2_df，能够使目标空燃比误差kcmd稳定。按第二具体实施方式
的自适应空燃比控制图17表示本发明第二种具体实施方式
的自适应空燃比控制的方框图。第二种具体实施方式
与第一种具体实施方式
不同，去掉第一种方式中的第一分样滤波器36，而按第二种方式设置第二分样滤波器37。
将O2传感器17的输出Vo2/OUT与目标值Vo2/TARGET比较。把传感器输出Vo2/OUT与目标值Vo2/TARGET之间的差提供给控制器31。
LAF传感器16的输出KACT交给第二分样滤波器37。第二分样滤波器37过采样实际空燃比KACT，通过低通滤波过程对过采样的值滤波，然后再下采样经滤波处理的值，以输出采样值KACT_df。将采样值KACT_df与目标值FLAF/BASE比较。把采样值KACT_df与目标值FLAF/BASE之间的误差值“kact”送到控制器31。
可如公式(24)所示那样成为作为拟被控制目标的排气系统19的模型，其中把Vo2/OUT定义为控制输出，把LAF传感器的输出KACT定义为控制输入。
Vo2(k+1)＝a1·Vo2(k)+a2·Vo2(k-1)+b1·kact′(k-d3)其中 Vo2(k)＝Vo2/OUT(k)-Vo2/TARGETkact′(k)＝KACT(k)-FLAF/BASE (24)传感器输出误差Vo2代表O2传感器输出Vo2/OUT与目标值Vo2/TARGET之间的误差。实际空燃比误差kact′代表LAF传感器输出KACT与基准值FLAF/BASE之间的误差。
“d3”代表排气系统19中的空载时间，a1、a2和b1是上述识别器产生的模式参数。
LAF传感器输出KACT与第二分样滤波器输出KACT_df之间的关系被表示为有如公式(25)所示那样。
KACT(k)＝KACT_df(k+d6) (25)“d6”代表第二分样滤波器37中的空载时间。这个空载时间d6表示拟被过采样，再通过低通滤波过程，然后再被下采样的LAF传感器输出KACT所需的时间。例如，所述空载时间d6是一个控制周期(即d6＝1)。
由公式(24)和(25)可以得到包含排气系统19和第二分样滤波器37的系统，如公式(26)所示Vo2(k+1)＝a1·Vo2(k)+a2·Vo2(k-1)+b1·kact(k-d3+d6)＝a1·Vo2(k)+a2·Vo2(k-1)+b1·kact(k-d1)其中 Vo2(k)＝Vo2/OUT(k)-Vo2/TARGETkact(k)＝KACT_df(k)-FLAF/BASEd1＝d3-d6 (26)因此，第二分样滤波器37的加入减少了排气系统的空载时间。
另一方面，可以如公式(27)所示那样，设定从ECU5通过发动机1延伸到LAF传感器16的空燃比操纵系统18。
kact′(k)＝kcmd(k-d4)其中 kact′(k)＝KACT(k)-FLAF/BASEkcmd(k)＝KCMD(k)-FLAF/BASE (27)
目标空燃比误差“kcmd”代表目标空燃比KCMD与基准值FLAF/BASE之间的误差。“d4”代表空燃比操纵系统18中的空载时间。
由公式(25)和(27)可以得到包含空燃比操纵系统18和第二分样滤波器37的系统，如公式(28)所示kact(k)＝kcmd(k-d4-d6)＝kcmd(k-d2)其中 kact(k)＝KACT_df(k)-FLAF/BASEkcmd＝KCMD-FLAF/BASEd2＝d4+d6(28)因此，第二分样滤波器37的加入增大了空燃比操纵系统的空载时间。
可使空燃比操纵系统18被包括在拟通过自适应空燃比控制的目标中。在这种情况下，有如公式(29)所示那样，根据公式(26)和(28)表示受到控制的目标所用的模式公式。空载时间“d”是包含空燃比操纵系统18、排气系统19和第二分样滤波器37的系统中的总控制时间。
Vo2(k+1)＝a1·Vo2(k)+a2·Vo2(k-1)+b1·kcmd(k-d1-d2)＝a1·Vo2(k)+a2·Vo2(k-1)+b1·kcmd(k-d)其中 d1＝d1+d2＝d3-d6+d4+d6＝d3+d4(29)因此，包含空燃比操纵系统18、排气系统19和第二分样滤波器37的系统中的空载时间等于排气系统19的空载时间d3与空燃比操纵系统18的空载时间d4之和。第二分样滤波器的空载时间d6对所述系统没有影响。
第二具体实施方式
中控制器31的结构与第一具体实施方式
中的相同。上述有关所述控制器31的识别器32、计算器33以及滑动模式控制器34的空载时间d1、d2和d分别是(d3-d6)、(d4+d6)和(d3+d4)。第二分样滤波器图18是第二分样滤波器37的方框图。第二过采样器55按比控制周期k短的周期“n”过采样LAF传感器的输出KACT，所述控制周期k用于计算空燃比控制的操作变量Usl(也即“k”是上述各式中所用的控制周期)。过采样过程所用的周期“n”比如是控制周期“k”的1/5。将过采样的值KACT_ov提供给第二低通滤波器56。
第二低通滤波器56按照公式(30)滤波过采样值KACT_ov，以输出KACT_ovf。公式(30)中的a1ovf′、a2ovf′、a3ovf′、b0ovf′、b1ovf′、b2ovf′和b3ovf′是通过模拟等确定的滤波系数。第二低通滤波器56的滤波特性如图19所示。
KACT_ovf(n)＝a1ovf′·KACT_ovf(n-1)+a2ovf′·KACT_ovf(n-2)+a3ovf′·KACT_ovf(n-3)+b0ovf′·KACT_ovf(n)+b1ovf′·KACT_ovf(n-1)+ba2ovf′·KACT_ovf(n-2)+b3ovf′·KACT_ovf(n-3) (30)第二下采样器57以控制周期“k”再采样滤波的值KACT_ovf，输出采样值KACT_df。使用第二分样滤波器的效果图20中的参考标号91表示由LAF传感器测得的实际空燃比kact，而参考标号92表示根据按常规空燃比控制的误差kact计算的目标空燃比误差kcmd。本例中使用其检测区间被扩展的LAF传感器。参考标号93表示由识别器32计算的模式参数b1。如上所述，模式参数b1的作用在于，确定作为被模式化的控制系统之输入的空燃比误差katc与作为被模式化的控制系统之输出的传感器输出误差Vo2之间的相互关系。
比如，有如从区域94可以看到的，即使所述实际空燃比误差kact在-P2到+P2之间的区间内连续变化，由于LAF传感器分辨率低，实际空燃比误差kact取-P2、-P1、0、+P1和+P2中的一个值。比如，不能测得实际空燃比误差的0和+P1之间的中间值。实际空燃比误差kact通常被测得连续为0，如区域94中所示的平直部分所表示的那样。
如果连续测得这样的平直部分，所述识别器确定所述空燃比误差kact与传感器输出误差Vo2之间无相互关系。如果确定无相互关系，则识别器减小模式参数b1，如参考标号93所示那样。于是，使模式参数b1的识别精度降低。当模式参数b1的变得很小时，所述滑动模式控制达到过度修正状态。这种状态加大了目标空燃比误差kcmd的变化，如曲线92的区间95所指示的那样，从而使催化剂的净化率降低。
图21中的参考标号97表示按本发明第二具体实施方式
由LAF传感器测得的实际空燃比误差kact，而参考标号98表示第二分样滤波器37的输出KACT_df。使用其检测区间扩展的LAF传感器。可以看到，通过应用第二分样滤波器，把不能被LAF传感器测得的值(也即LAF传感器分辨率界限以下的值)估算成实际空燃比误差KACT。KACT_df中不存在连续的平直部分。因而，识别器确定存在实际空燃比误差kact与传感器输出误差Vo2之间的相互关系。识别参数b1的值变得稳定，如曲线99所示。
因此，第二分样滤波器补偿了LAF传感器分辨率的不足。第二分样滤波器37中过采样过程所用的周期“n”可与第一分样滤波器36中过采样过程所用的周期相同。另外，第二分样滤波器37中所用的周期“n”也可与第一分样滤波器36中所用的周期不同。按第三具体实施方式
的自适应空燃比控制图22表示按本发明第三具体实施方式
的自适应空燃比控制的方框图。按照这种第三具体实施方式
，既设有第一分样滤波器36又有第二分样滤波器37。
把O2传感器输出Vo2/OUT交给第一分样滤波器36。将第一分样滤波器36的输出Vo2_df与目标值Vo2/TARGET相比较。把采样值Vo2_df与目标值Vo2/TARGET之间的误差Vo2提供给控制器31。
把LAF传感器16输出KACT传送给第二分样滤波器37。将第二分样滤波器37的输出KACT_df与目标值FLAF/BASE相比较。把采样值KACT_df与目标值FLAF/BASE之间的误差kact提供给控制器31。
可如公式(31)所示那样模制作为所要被控制对象的排气系统19，其中将Vo2/OUT定义为控制输出，而将LAF传感器输出KACT定义为控制输入。
Vo2′(k+1)＝a1·Vo2′(k)+a2·Vo2′(k-1)+b1·kact′(k-d3)其中 Vo2′(k)＝Vo2/OUT(k)-Vo2/TARGETkact′(k)＝KACT(k)-FLAF/BASE(31)
传感器输出误差Vo2′代表O2传感器输出Vo2/OUT与目标值FLAF/TARGET之间的误差。实际空燃比误差kact′代表LAF传感器输出KACT与基准值FLAF/BASE之间的误差。
“d3”表示排气系统19的空载时间，a1、a2和b1是上述识别器产生的模式参数。
由上述公式(2)表示所述O2传感器输出Vo2/OUT与第一分样滤波器的输出Vo2_df之间的关系。由上述公式(25)表示LAF传感器的输出KACT与第二分样滤波器的输出KACT_df之间的关系。
有如公式(32)所示那样，根据公式(2)、(25)和(31)，可以得到包含排气系统19和第一、第二分样滤波器36、37的系统。
Vo2(k+1)＝a1·Vo2(k)+a2·Vo2(k-1)+b1·kact(k-d3-d5+d6)＝a1·Vo2(k)+a2·Vo2(k-1)+b1·kact(k-d1)其中 Vo2(k)＝Vo2_df(k)-Vo2/TARGETkact(k)＝KACT_df(k)-FLAF/BASEd1＝d3+d5-d6 (32)如果第二分样滤波器37的空载时间d6等于第一分样滤波器36的空载时间d5，则排气系统的空载时间为d3，所述排气系统设有所述第一和第二分样滤波器36和37。也就是说，第一和第二分样滤波器36和37的并入未对排气系统造成影响。
另一方面，有如上述公式(27)所示那样模制从ECU5通过发动机1扩展到LAF传感器16的空燃比操纵系统18。由如上述公式(28)表示包含空燃比操纵系统18、第一和第二分样滤波器36和37的系统。第一分样滤波器的空载时间未对空燃比操纵系统18造成影响。
可将空燃比操纵系统18包括在要通过自适应空燃比控制的控制目标内。在这种情况下，有如公式(33)所示那样，根据公式(32)和(28)表示要被控制之目标的模式公式，空载时间d是包含空燃比操纵系统18、排气系统19和第一及第二分样滤波器36、37之系统的总空载时间。
Vo2(k+1)＝a1·Vo2(k)+a2·Vo2(k-1)+b1·kcmb(k-d1-d2)＝a1·Vo2(k)+a2·Vo2(k-1)+b1·kact(k-d)其中 d＝d1+d2＝d3+d5-d6+d4+d6＝d3+d4+d5 (33)
因此，包含空燃比操纵系统18、排气系统19和第一及第二分样滤波器36、37之系统的空载时间等于排气系统19的空载时间d3、空燃比操纵系统18的空载时间d4和第一分样滤波器36空载时间d5之和。第二分样滤波器的空载时间d6不对系统产生影响。
第三具体实施方式
的控制器31的结构与第一具体实施方式
的相同。上述各式中所示有关控制器31的识别器32、计算器33和滑动模式控制器34的空载时间d1、d2和d分别是(d3+d5-d6)、(d4+d6)和(d3+d4+d5)。
按照第三具体实施方式
，使O2传感器输出的化学噪声得以被消除。可使LAF传感器分辨率的不足得到补偿。控制器的其它实施方式上述各具体实施方式
中，控制器31(图4、17和22)可以代替滑动模式控制实行其它的响应的规定控制。
图23表示控制器的另一种具体实施方式
。与图4不同的是，控制器31包括DSM控制器38，用以实行代替滑动模式控制的ΔΣ(得尔他-希格玛)调制算法。
图24表示DSM控制器38的方框图。由于是按照惯例使用ΔΣ调制算法，所以省去详细叙述。放大器101以增益“-G”放大传感器输出误差Vo2，由计算机33估算，以输出一个参考信号“r”。减法器102计算参考信号r与前面周期所算出的ΔΣ调制信号u″(k-1)之间的差，输出差分信号δ(k)。
积分器103把当前周期算出的差分信号δ(k)加到前面周期所算出的积分信号σ′(k-1)上，输出当前周期的积分信号σ′(k)。符号函数104确定积分信号σ′(k)的+/-，输出信号u″(k)。放大器105以增益“F”放大信号u″(k)，输出ΔΣ调制信号u(k)。所述ΔΣ调制信号u(k)是代表整个空燃比误差kcmd的信号。通过把基准值FLAF/BASE加到ΔΣ调制信号u(k)上，计算整个空燃比误差KCMD。
作为选择的方式，可以将DSM控制器38构造成执行Δ(得尔他)调制算法，这时不包含所述积分器。还可以将DSM控制器38构造成执行∑Δ(希格玛-得尔他)调制算法，其中所述积分器接有减法器。
按照再一种具体实施方式
，控制器31既包含滑动模式控制器34，又包含DSM控制器38。按照发动机的运行状态，这种控制器31在滑动模式控制(或其它指定灵敏控制)与ΔΣ调制控制(或ΣΔ调制控制、Δ调制控制)之间切换。例如，当发动机的负载低时，由ΔΣ调制控制器控制空燃比，而当发动机的负载高时，由滑动模式控制器控制空燃比。控制流程图25表示按照上述本发明第三具体实施方式
自适应空燃比控制的流程图。第一分样滤波器中过采样过程的周期“n”与第二分样滤波器中过采样过程的周期相同。按周期“n”实行这种过程。
在步骤S111，对O2传感器输出Vo2/OUT采样，然后再由低通滤波器滤波，以确定Vo2_ovf。在步骤112，对LAF传感器输出KACT采样，然后再由低通滤波器滤波，以确定KACT_ovf。如上所述，由于周期“n”比计算为空燃比控制的操作变量Usl所用的周期“k”短，所以对O2传感器输出Vo2/OUT和LAF传感器输出KACT都采样。可以并行地实行步骤S111和S112。
在步骤S113，确定计数器CPRISM是否为0。计数器CPRISM的初始值是“k/n-1”。比如，当“n”是10毫秒，而“k”是50毫秒时，计数器CPRISM的初始值是“4”。当计数器CPRISM的值不是0时，在步骤S114中，只使计数器减少1，同时退出程序。如果在重新进入程序时计数器CPRISM的值是0，则过程继续进到步骤S115，这时重置所述计数器。于是，按周期“n”实现步骤S111和S112，而按周期“k”实现步骤S115和S122。
在步骤S116，确定允许标志(permission flag)是否为1。所述标志是在允许进行空燃比控制时要被设定为1的标志。譬如，在发动机中正在实行稀空燃比操作，或者正在实行延迟点火正时操作时，就不允许进行空燃比控制。当所述标志为0时，在步骤S123将目标空燃比误差kcmd设定成预定值，然后过程继续进到步骤S124。
当所述允许标志为1时，按周期“k”采样在步骤S111被滤波的Vo2_ovf，以确定Vo2_df。按周期“k”采样在步骤S112被滤波的KACT_ovf，以确定KACT_df。
在步骤S118，有如上述那样，由所述识别器实行计算过程，以确定模式参数a1、a2和b1。在步骤S119，有如上述那样，由所述计算机实行计算过程，以确定估算值Vo2。在步骤S120，有如上述那样，计算操作变量Usl。
在步骤S121，确定滑动模式控制的稳定性。譬如，当稳定性确定基准参数Pstb(＝σ(k+d)·Δσ)小于等于0时，确定滑动模式控制是稳定的。Pstb等价于有关转换函数σ的莱阿波诺夫(Lyapunove)函数σ2/2的时间微分。函数值Pstb小于等于0的状态表示转换函数σ的值汇集为0或者正在汇集成0的状态。函数值Pstb大于0的状态表示转换函数σ的值偏离0的状态。
在步骤S122，由限幅器实行限幅处理，以确定目标空燃比误差kcmd。在步骤S124，把基准值FLAF/BASE与目标空燃比误差kcmd相加，以确定目标空燃比KCMD。如果有如上述那样设定基准值FLAF/BASE，则可在步骤S124之后，实行设定基准值的步骤。
可将本发明用于要在船用推进机器，如外装马达的发动机，其中沿垂直方向安装曲轴。
权利要求
1.一种用于控制内燃机空燃比的控制器，它包括第一排气传感器，用以检测排气中的氧浓度；与第一排气传感器相连的第一分样滤波器；以及与第一分样滤波器相连的控制单元，所述控制单元被配置用以确定控制空燃比的操作变量，使第一分样滤波器的输出值转换成目标值；其中，所述第一分样滤波器还包括第一过采样器，它以比确定操作变量所用周期更短的周期过采样第一排气传感器的输出；第一低通滤波器，用以使过采样的值平滑和第一下采样器；第一下采样器，按确定操作变量所用的周期再采样已被平滑的值，以输出所述被再采样的值。
2.如权利要求1所述的控制器，其中，所述控制单元还被配置成用来执行指定灵敏控制，以确定所述操作变量。
3.如权利要求1所述的控制器，其中，所述控制单元还被配置成用来实行采用得尔他-希格玛(Δ∑)调制算法、得尔他(Δ)调制算法和希格玛-得尔他(∑Δ)调制算法之一的控制，以确定所述操作变量。
4.如权利要求1所述的控制器，其中，要通过空燃比控制而被控制的目标是排气系统，所述排气系统包括催化剂转换器和第一排气传感器，所述第一排气传感器安置在所述催化剂转换器的下游侧；其中，所述控制单元还被配置成用来根据第一分样滤波器的输出值确定排气系统中的空载时间；计算第一排气传感器输出的估算值，使所述空载时间得到补偿；根据所述估算值确定用以控制空燃比的所述操作变量。
5.如权利要求4所述的控制器，其中，以通过空燃比控制而被控制的目标还包括空燃比操纵系统，所述空燃比操纵系统从所述控制单元通过内燃机延伸到第二排气传感器；所述第二排气传感器安置在所述催化剂转换器的上游侧；其中，所述控制单元还被配置成用来确定空燃比操纵系统中的空载时间；计算第一排气传感器输出的估算值，使所述排气系统的空载时间和空燃比操纵系统中的空载时间得到补偿。
6.如权利要求4所述的控制器，其中，所述控制单元还被配置成用来根据第一分样滤波器的输出值确定参数；用所述参数确定所述操作变量；其中所述参数用于使空燃比的操纵与排气系统的状态变化相适应。
7.如权利要求1所述的控制器，其中，所述第一低通滤波器的截止频率被设定成比检测催化剂转换器的变劣所用频率更高的频率。
8.一种用于控制内燃机空燃比的控制器，它包括设于催化剂转换器下游侧的第一排气传感器，第一排气传感器检测排气中的氧浓度；设于催化剂转换器上游侧的第二排气传感器，第二排气传感器检测排气中的空燃比；与第二排气传感器相连的第二分样滤波器，以及与第二分样滤波器相连的控制单元，所述控制单元根据第二分样滤波器的输出值确定控制空燃比的操作变量，使第一排气传感器的输出值转换成目标值；其中，第二分样滤波器还包括第二过采样器，用以按比确定所述操作变量所用周期更短的周期过采样第二排气传感器的输出；第二低通滤波器，用以使过采样的值平滑；第二下采样器，用以按确定所述操作变量所用的周期再采样已被平滑的值，以输出所述被再采样的值。
9.如权利要求8所述的控制器，其中，所述控制单元还被配置成用来执行指定灵敏控制，以确定所述操作变量。
10.如权利要求8所述的控制器，其中，所述控制单元还被配置成用来实行采用得尔他-希格玛(Δ∑)调制算法、得尔他(Δ)调制算法和希格玛-得尔他(∑Δ)调制算法之一的控制，以确定所述操作变量。
11.如权利要求8所述的控制器，其中，要通过空燃比控制而被控制的目标是排气系统，所述排气系统从所述第二排气传感器通过所述催化剂转换器延伸到第一排气传感器；其中，所述控制单元还被配置成用来根据第二分样滤波器的输出值确定排气系统中的空载时间；计算第一排气传感器输出的估算值，使所述空载时间得到补偿；根据所述估算值确定用以操纵空燃比的所述操作变量。
12.如权利要求11所述的控制器，其中，要通过空燃比控制而被控制的目标还包括空燃比操纵系统，所述空燃比操纵系统从所述控制单元通过内燃机延伸到第二排气传感器；其中，所述控制单元还被配置用来确定空燃比操纵系统中的空载时间；计算第一排气传感器输出的估算值，使所述排气系统的空载时间和空燃比操纵系统中的空载时间得到补偿。
13.如权利要求11所述的控制器，其中，所述控制单元还被配置成用来根据第二分样滤波器的输出值确定参数；用所述参数确定所述操作变量；其中所述参数用于使空燃比的操纵与排气系统的状态变化相适应。
14.如权利要求8所述的控制器，其中，所述第二低通滤波器的截止频率被设定成比检测催化剂转换器的变劣所用频率更高的频率。
15.一种控制内燃机空燃比的方法，它包括如下步骤(a)过采样排气传感器的输出，所述排气传感器设于发动机的排气歧管内；(b)低通滤波所述被过采样的值；(c)再采样所述低通滤波的值；(d)根据所述被再采样的值确定用来操纵空燃比的操作变量；其中所述过采样步骤所用的采样周期比所述确定步骤所用的周期短；而且其中再采样步骤所用的采样周期与所述确定步骤所用的周期相同。
16.如权利要求15所述的方法，其中，所述排气传感器是检测流过排气歧管的排气中氧浓度的第一排气传感器，该第一排气传感器设在催化剂转换器下游侧。
17.如权利要求15所述的方法，其中，所述排气传感器是检测流过排气歧管的排气之空燃比的第二排气传感器，该第二排气传感器设在催化剂转换器上游侧。
18.如权利要求15所述的方法，其中，所述步骤(d)还包括实行指定灵敏控制以确定所述操作变量的步骤。
19.如权利要求15所述的方法，其中，所述步骤(d)还包括实行得尔他-希格玛(Δ∑)调制算法、得尔他(Δ)调制算法和希格玛-得尔他(∑Δ)调制算法之一的控制，以确定所述操作变量的步骤。
20.如权利要求16所述的方法，其中，还包括如下步骤根据所述再采样的值确定空载时间，所述空载时间是用于在第一排气传感器输出中要考虑的空燃比操纵所需的时间；计算第一排气传感器输出的估算值，使所述空载时间得到补偿；确定用以操纵空燃比的所述操作变量，以使所述估算值聚集成目标值。
21.如权利要求17所述的方法，其中，还包括如下步骤根据所述再采样的值确定空载时间，所述空载时间是用于在第一排气传感器输出中要考虑的空燃比操纵所需的时间，所述第一排气传感器设在催化剂转换器的下游侧；计算第一排气传感器输出的估算值，使所述空载时间得到补偿；确定用以操纵空燃比的所述操作变量，以使所述估算值聚集成目标值。
22.如权利要求15所述的方法，其中，还包括如下步骤根据所述再采样的值确定参数；将所述参数用于确定所述操作变量，所述参数用于使空燃比的操纵与发动机的排气系统的状态变化相适应。
23.如权利要求15所述的方法，其中，所述低通滤波步骤(b)所用的截止频率被设定成比检测催化剂转换器的变劣所用频率更高的频率。
全文摘要
一种用于控制发动机空燃比的车辆控制器，包括设在催化剂下游侧的第一排气传感器，用以检测排气中的氧浓度；与第一排气传感器相连的第一分样滤波器；以及与第一分样滤波器相连的控制单元。所述控制单元确定操纵空燃比的操作变量。第一分样滤波器过采样、低通滤波、然后再下采样第一排气传感器的输出。第一分样滤波器可以除去排气传感器输出的化学噪声。按照另一种具体方式，第二分样滤波器与设在催化剂上游侧的第一排气传感器相连，用以检测排气的空燃比。第二分样滤波器过采样、低通滤波、然后再下采样第二排气传感器的输出。第二分样滤波器可以补偿空燃比传感器分辨率的不足。
文档编号F02D41/14GK1480634SQ0315267
公开日2004年3月10日 申请日期2003年8月5日 优先权日2002年8月9日
发明者安井裕司, 岩城喜久, 新庄章广, 久, 广 申请人:本田技研工业株式会社