JP2009281315A - エンジンの制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】始動時（触媒活性化前）において、エンジンから排出されるＨＣ量を最小化すべく、空燃比と点火時期の双方を最適化して、そのときの運転条件（環境条件）でのＨＣ最小性能を得ることのできるエンジンの制御装置を提供する。
【解決手段】エンジンが特定の運転状態（例えば冷機始動時〜アイドル時等の触媒が活性化していない状態）にあるとき、空燃比を所定範囲（例えば、１４．５〜１６．５）に制御する空燃比制御手段と、エンジンが前記特定の運転状態にあり、かつ、空燃比が前記所定範囲にあるとき、点火時期をリタード側に補正する点火時期補正手段と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、空燃比及び点火時期等を制御するエンジンの制御装置に係り、特に、始動時の排気エミッション特性の向上を図り得るエンジンの制御装置に関する。
近年、北米、欧州、国内など、世界各国の自動車用エンジン排気規制強化に伴い、エンジンの排気エミッション特性を一層向上させることが要求されている。触媒の高性能化及び触媒制御の高精度化が進み、最新もしくは今後の排気規制に適合するためには、触媒活性化前のエンジン始動後数十秒間に排出されるＨＣ（炭化水素）量の低減が主課題となっている。
触媒活性化前のＨＣ（排出量）低減には、点火時期のリタード（遅角）化が有効であることが知られている。特に、点火時期をリタードすると、熱効率が落ちるため、等トルクを維持するためには、燃料量（空気量）を増量する必要があり、それに伴って、燃焼による発生熱量が増える。発生熱量増大により、排気温度も上昇し、未燃燃料が燃焼室及び排気管で燃焼することで、ＨＣ濃度が大幅に低減する。さらに、排気温度上昇により触媒の活性化も早期化される。
図１９に示されるように、点火時期のリタードによるＨＣ低減効果は、空燃比により変化する。特に空燃比１５〜１６において、もっともＨＣ低減効果が高いことがわかる。一方、空燃比をリーン化すると、燃焼の安定性が悪化することが知られている。また、リタード量を増やすと、同じく、燃焼の安定性が悪化することが知られている。実用環境においては、燃料性状のばらつき、各種デバイスの製造誤差及び経時変化などの多くの外乱が発生するため、これら外乱に対するロバスト性を確保しなければならず、すなわち、空燃比及びリタード量ともに安定マージンを確保しなければならず、図２０に示されるように、空燃比及びリタード量をＨＣ濃度が最小となる条件に設定できなかった。
こうした事情から、下記特許文献１等に見られるように、始動時の極初期において、回転変動など空燃比と相関のあるパラメータを用いて、オンボードで空燃比を最適化する方式が多数提案されている。また、下記特許文献２に見られるように、同じく回転変動など燃焼の安定性と相関のあるパラメータを用いて、オンボードで点火時期（リタード量）を最適化する方式も多数提案されている。
特開２００７−３０３３５４号公報 特開平８−１２２０９９号公報（特許３５７４８５３号公報） 特開平９−８８６８０号公報
しかし、上述のように点火時期リタードによるＨＣ低減効果を最大限得るために、「オンボードで空燃比とリタード量の双方を最適化する方式」に関する出願は、ほとんどない。上記特許文献３においては、目標回転変動になるまで点火時期をリタードし、点火時期（リタード量）が所定値より少ないとき、燃料量を増量することが提案されている。しかし、かかる方策では、先ず点火時期をリタードさせているので、図２０に示されるように、安定マージン確保時の設定では、点火時期をリタードさせても、ＨＣ低減効果は小さい。加えて、リタード量が、所定値より小さいとき、燃料量を増量するため（空燃比を小さくするため）、ＨＣ排出量はむしろ増大することになる。
以上をまとめると、始動時（触媒活性化前）において、エンジンから排出されるＨＣ排出量を最小化するには、空燃比と点火時期の双方を最適化する必要があるが、その一方で実用環境での種々の外乱を考慮すると、初期設定値を、最適値に設定できないため、個々のエンジンにおいて、その時の運転条件（環境条件）での得られるＨＣ最小性能を発揮させることができなかった。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、個々のエンジンにおいて、そのときの運転条件（環境条件）でのＨＣ最小性能を得ることのできるエンジンの制御装置を提供することにある。
前記目的を達成すべく、空燃比リーン化による燃焼安定性メカニズムと点火時期リタード化による燃焼安定性悪化メカニズムを明らかにすると共に、その知見から、オンボードで空燃比と点火時期の双方を最適化する方式を検討した。以下に述べる。
図２１に示されるように、従来より、空燃比をリーン化すると、エンジン（燃焼）の安定性が悪化することは、経験的に知られている。図２２は、図２１中のＡ１：リッチにおける筒内圧のプロフィールを示している。運転条件は、アイドル、無負荷である。横軸は、クランク角度で、２７０°ＣＡ〜５４０°ＣＡの範囲を示している。ここに、３６０°ＣＡが、圧縮ＴＤＣを指す。縦軸は、筒内圧である。特に、「曲線」は、６０サイクル分の筒内圧の平均値であり、「＋」で表されているのは、１サイクル毎の筒内圧のサンプリング値である（サンプリングレートは、１０°ＣＡ）。すなわち、図２２は、空燃比リッチ時における６０サイクル分の筒内圧の平均値とサイクル毎のばらつきを表している。筒内圧のばらつきは、燃焼圧が発生する期間である３５０〜４００°ＣＡで発生していることがわかる。このばらつきが、燃焼が不安定になるそもそもの原因である。
図２３は、図２１中のＡ３：リーンにおける筒内圧のプロフィールを示している。運転条件は、図２２と同じである。また、横軸、縦軸も、図２２と同じである。また、「曲線」は、６０サイクル分の筒内圧の平均値であり、「＋」で表されているのは、１サイクル毎の筒内圧のサンプリング値である。すなわち、図２２は、空燃比リーン時における６０サイクル分の筒内圧の平均値とサイクル毎のばらつきを表している。燃焼が不安定になる原因である筒内圧のばらつきは、燃焼圧が発生する期間である３５０〜４３０°ＣＡで発生していることがわかる。
図２２と図２３を比較すると、運転条件は、同じであるので、双方で筒内圧プロフィールの平均値は、ほとんど差がない。一方で、筒内圧のばらつきが発生する期間は、空燃比がリーンのときの方が長期化している。これは、空燃比がリーンになるにつれて、燃焼速度が遅くなるためと考える。
図２４は、図２２及び図２３中に示した筒内圧プロフィールのサイクル毎ばらつき（図２２及び図２３中の“＋”で図示）を示している。分解能は、１０°ＣＡである。さらに、図２１中のＡ２：ストイキの場合も加えて図示している。空燃比がリーンになるにつれ、筒内圧（燃焼圧）のばらつきが大きくなり、かつ、ばらつき範囲も広がっていることがわかる。
重要なのは、この筒内圧のばらつきの度合いが、燃焼圧仕事（トルク）のばらつきと等価ではないということである。すなわち、単位角度変化あたりの燃焼圧仕事Ｗは、以下の式（１）で表される。
Ｗ ＝ Ｐ×ΔＶ ・・・・・（１）
ここに、Ｐは筒内圧、ΔＶは単位角度あたりのシリンダ内容積の変化分である。式（１）より、燃焼圧仕事Ｗのばらつきは、筒内圧Ｐのばらつきに、ΔＶを乗じた値として得られることがわかる。いわば、ΔＶは、筒内圧（燃焼圧）Ｐのばらつきを燃焼圧仕事Ｗのばらつきに変換する際のゲインとも言える。図２４は、筒内圧Ｐのばらつきが、空燃比がリーンになるにつれ、どのように変化するかを示している。これに、ΔＶのプロフィールを重ねて図示したのが、図２５である。ΔＶは、圧縮ＴＤＣで０となり、圧縮ＴＤＣから９０°ＣＡ回転した角度（４５０°ＣＡ）で、最大となる。なお、図２５中のΔＶは、シリンダ容積５００ｃｃの場合で示してある。圧縮ＴＤＣ近傍のΔＶと圧縮ＴＤＣ後９０°ＣＡ近傍のΔＶでは、その差は数十倍にもなる。このことから、圧縮ＴＤＣ後９０°ＣＡ近傍での筒内圧（燃焼圧）Ｐのばらつきは、圧縮ＴＤＣ近傍での筒内圧（燃焼圧）Ｐのばらつきよりも、数十倍も増幅されて、燃焼圧仕事（トルク）のばらつきとして現れる。
図２６は、空燃比に対する筒内圧（燃焼圧）Ｐのばらつきと燃焼圧仕事Ｗのばらつきを示している。ここに、筒内圧のばらつきは、圧縮ＴＤＣ〜圧縮ＴＤＣ後７０ｄｅｇ間の筒内圧の標準偏差であり、燃焼圧仕事のばらつきは、圧縮ＴＤＣ〜圧縮ＴＤＣ後７０ｄｅｇ間の筒内圧の標準偏差である。筒内圧Ｐのばらつきは、空燃比がリーン化するにつれて大きくなる。これは、図２５中の（１）で示される現象に起因している。一方、燃焼圧仕事のばらつきも、空燃比がリーン化するにつれて大きくなるものの、その大きさは、リーンになるにつれて、筒内圧のばらつきよりも大きくなる。これは、図２５中の（２）で示される現象に起因している。すなわち、空燃比がリーン化するにつれ、燃焼圧のばらつく範囲が広がり（遅くなり）、ΔＶの影響をより大きく受けるようになるため、燃焼圧仕事の次元では、よりばらつきが大きくなるためである。
以上が、空燃比がリーン化するとエンジン（燃焼）が不安定になるメカニズムである。
次に、点火時期をリタードするとエンジン（燃焼）が不安定になるメカニズムについて述べる。
図２７に示されるように、点火時期をリタードすると、同様に、エンジン（燃焼）の安定性が悪化することも知られている。図２２は、図２７中のＡ１：リタードなしにおける筒内圧のプロフィールを示している。運転条件は、アイドル、無負荷である。横軸は、クランク角度で、２７０°ＣＡ〜５４０°ＣＡの範囲を示している。ここに、３６０°ＣＡが、圧縮ＴＤＣを指す。縦軸は、筒内圧である。特に、「曲線」は、６０サイクル分の筒内圧の平均値であり、曲線状に表されているのは、１サイクル毎の筒内圧のサンプリング値である（サンプリングレートは、１０°ＣＡ）。すなわち、図２２は、リタードなしにおける６０サイクル分の筒内圧の平均値とサイクル毎のばらつきを表している。筒内圧のばらつきは、燃焼圧が発生する期間である３５０〜４００°ＣＡで発生していることがわかる。このばらつきが、燃焼が不安定になるそもそもの原因である。
図２８は、図２７中のＡ４：リタードありにおける筒内圧のプロフィールを示している。運転条件は、図２２と同じである。また、横軸、縦軸も、図２２と同じである。また、「曲線」は、６０サイクル分の筒内圧の平均値であり、曲線状に表されているのは、１サイクル毎の筒内圧のサンプリング値である。すなわち、図２８は、点火時期リタード時における６０サイクル分の筒内圧の平均値とサイクル毎のばらつきを表している。燃焼が不安定になる原因である筒内圧のばらつきは、燃焼圧が発生する期間である３８０〜４３０°ＣＡで発生していることがわかる。
図２２と図２８を比較すると、筒内圧のばらつきが発生する期間が、点火時期がリタード時の方が遅角側に移動している。これは、点火時期リタードに伴い、燃焼圧の発生時期も遅くなるためである。
図２９は、図２２及び図２８中に示した筒内圧プロフィールのサイクル毎ばらつき（図２２及び図２８中の曲線状に図示）を示している。分解能は、１０°ＣＡである。点火時期をリタードすると、筒内圧（燃焼圧）のばらつきはむしろ小さくなっているが、ばらつきの範囲が遅角側に移動している。
図２９は、筒内圧Ｐのばらつきが、点火時期をリタードしたときに、どのように変化するかを示している。これに、ΔＶのプロフィールを重ねて図示したのが、図３０である。前述したように、ΔＶは、圧縮ＴＤＣで０となり、圧縮ＴＤＣから９０°ＣＡ回転した角度（４５０°ＣＡ）で、最大となる。圧縮ＴＤＣ近傍のΔＶと圧縮ＴＤＣ後９０°ＣＡ近傍のΔＶでは、その差は数十倍にもなる。このことから、圧縮ＴＤＣ後９０°ＣＡ近傍での筒内圧（燃焼圧）Ｐのばらつきは、圧縮ＴＤＣ近傍での筒内圧（燃焼圧）Ｐのばらつきよりも、数十倍も増幅されて、燃焼圧仕事（トルク）のばらつきとして現れる。
図３１は、空燃比に対する筒内圧（燃焼圧）Ｐのばらつきと燃焼圧仕事Ｗのばらつきを示している。リタードなし時とリタードあり時、それぞれについて示している。ここに、筒内圧のばらつきは、圧縮ＴＤＣ〜圧縮ＴＤＣ後７０ｄｅｇ間の筒内圧の標準偏差であり、燃焼圧仕事のばらつきは、圧縮ＴＤＣ〜圧縮ＴＤＣ後７０ｄｅｇ間の筒内圧の標準偏差である。筒内圧Ｐのばらつきは、リタードあり時、リタードなし時ともに、空燃比がリーン化するにつれて大きくなる。一方、燃焼圧仕事のばらつきも、空燃比がリーン化するにつれて大きくなるものの、その大きさは、リタードあり時の方が、より筒内圧のばらつきよりも大きくなる。
これは、図３０中に示される現象に起因している。すなわち、点火時期をリタードすると、燃焼圧のばらつく範囲が遅角側に移動し、ΔＶの影響をより大きく受けるようになるためであり、その燃焼圧仕事の次元では、よりばらつきが大きくなるためである。
以上が、点火時期をリタードするとエンジン（燃焼）が不安定になるメカニズムである。
図２５で示されるように、空燃比がリーン化した場合も同様の現象が発生しているが、空燃比リーン化時は、燃焼速度遅延により、燃焼圧の発生領域が、ΔＶが大きくなる領域に及ぶだけである。したがって、ΔＶが大きくなる領域での燃焼圧のばらつきは比較的小さく、燃焼圧仕事に影響する度合いも比較的小さい。一方、点火時期をリタードした場合は、着火時期が、ΔＶが大きくなる領域に移動するため、燃焼圧発生期間のほとんどが、ΔＶが大きくなる領域となる。したがって、ΔＶが大きくなる領域での燃焼圧のばらつきも大きく、燃焼圧仕事に影響する度合いも大きくなる。
以上から、点火時期リタード時の方が、空燃比リーン時よりも、ΔＶ大の影響を大きく受けるため、筒内圧（燃焼圧）がばらついた場合、より安定性が悪化する（燃焼圧仕事のばらつきが大きくなる）。このことから、実用環境では、ほぼ、必然的に、リタード時の安定性から悪化すると考えた。
図１９に示されるように、リタードをせずに、空燃比をリーン化（１５〜１６に制御）するだけでも、ＨＣ低減効果はある。加えて、リタード効果を最大限出すには、空燃比をリーン化する必要がある。
以上の知見より、図２０で示される「安定マージン確保時の設定値」から「ＨＣ濃度が最小となる条件」へオンボードで、空燃比と点火時期を制御する場合、「比較的安定性が悪化しにくく」、かつ、「単独でも（リタードなしでも）ＨＣ低減効果があり」、かつ、「リタード効果を最大限得られる」空燃比のリーン化をまず行い、その後、安定性が悪化しやすいリタードを行う方式が、ロバスト性を確保しつつ、ＨＣを最小化できる制御方式との結論に至った。
本発明は、以上の知見及び検討に基づいてなされたもので、本発明に係るエンジンの制御装置の第１態様は、基本的には、エンジンが特定の運転状態にあるとき、空燃比を所定範囲に制御する空燃比制御手段と、エンジンが前記特定の運転状態にあり、かつ、空燃比が前記所定範囲にあるとき、点火時期をリタード側に補正する点火時期補正手段と、を備えていることを特徴としている（図１参照）。
すなわち、上述したように（図１９もしくは図２０より）、エンジン排気中のＨＣ濃度を最小化するには、空燃比を１５〜１６とし、さらに点火時期をリタードするのがもっとも効果的である。一方、同上述したように、実用環境では、ほぼ、必然的に、リタード時の安定性から悪化する。以上から、図２０で示される安定マージン確保時の設定値からＨＣ濃度が最小となる条件へ、オンボードで、空燃比と点火時期を制御する場合、比較的安定性が悪化しにくい、空燃比をまずリーン化し（空燃比を所定範囲に制御し）、その後、安定性が悪化しやすいリタードを行うのが、ロバスト性が高く、安定して、ＨＣを最小化可能な方式である。
本発明に係るエンジンの制御装置の第２態様では、前記空燃比制御手段で制御する空燃比の所定範囲は、１４．５〜１６．５に設定される（図２参照）。
すなわち、第１態様に記載の空燃比の所定範囲を定量的に明記するものである。なお、上述したように、空燃比は１５〜１６とするのがより望ましいが、図２０から空燃比１４．５〜１６．５にあれば、リタードによるＨＣ低減効果は、十分に得られる。これは、実用環境における制御の性能ばらつきを考慮したものである。
本発明に係るエンジンの制御装置の第３態様では、空燃比を直接的もしくは間接的に検出する空燃比検出手段と、エンジンの安定度を直接的もしくは間接的に検出する安定度検出手段と、を備え、前記空燃比制御手段は、前記検出空燃比に基づいて前記制御を行い、前記点火時期補正手段は、前記検出安定度に基づいて前記補正を行うようにされる（図３参照）。
すなわち、上述したように、エンジン排気中のＨＣ濃度を最小化するには、空燃比を１５〜１６とし、さらに点火時期をリタードするのがもっとも効果的である。オンボードで、空燃比を制御するために、空燃比を検出する手段を備える。また、点火時期は、各基準によって決められる安定限界まで、可能な限りリタードするのが望ましい。そのため、安定度を検出する手段を備えるものである。
本発明に係るエンジンの制御装置の第４態様では、前記点火時期補正手段は、前記空燃比制御手段により空燃比が前記所定範囲に制御されてから、前記検出安定度に基づいて、点火時期をリタード側に補正するようにされる（図４参照）。
すなわち、上述したように、エンジン排気中のＨＣ濃度を最小化するには、空燃比を１５〜１６とし、さらに点火時期をリタードするのがもっとも効果的である。さらに第３態様で記載した空燃比を検出する手段と安定度を検出する手段とを備え、まずは、検出した空燃比に基づいて空燃比を所定範囲（望ましくは１５〜１６）に制御し、空燃比が所定範囲にあると判断されたときは、検出した安定度に基づいて、所定の安定限界まで点火時期をリタードするものである。
本発明に係るエンジンの制御装置の第５態様では、前記空燃比検出手段として、排気通路に配設された空燃比センサ、酸素センサ、もしくは、その他の排気成分を検出するセンサが用いられる（図５参照）。
すなわち、空燃比検出手段として排気ガス中の酸素濃度等を検出空燃比センサや酸素センサあるいはその他の排気成分を検出するセンサが用いることを明記するものである。
本発明に係るエンジンの制御装置の第６態様では、前記空燃比検出手段は、エンジンの筒内圧変動及び／又は回転変動に基づいて、空燃比を検出するようにされる（図６、図７参照）。
すなわち、図２１に示されるように、空燃比をリーン化すると燃焼の安定性が悪化する。燃焼の安定度は、一般に筒内圧のサイクル変動の度合い、すなわち筒内圧変動を指すことが多い。また、エンジンの構造上、筒内圧の変動は、回転変動にも現れる。したがって、筒内圧変動もしくは／かつ回転変動から空燃比を検出することが可能である。これを明記するものである。
本発明に係るエンジンの制御装置の第７態様では、前記安定度検出手段は、エンジンの筒内圧変動及び／又は回転変動に基づいて、前記安定度を検出するようにされる（図８、図９参照）。
すなわち、第６態様の説明で述べたように、燃焼の安定度は、一般に筒内圧のサイクル変動の度合い、すなわち筒内圧変動を指すことが多い。また、エンジンの構造上、筒内圧の変動は、回転変動にも現れる。これを明記するものである。
本発明に係るエンジンの制御装置の第８態様では、前記空燃比検出手段及び／又は前記安定度検出手段は、前記エンジンの回転変動として、エンジンの回転速度のｎ次微分成分(ｎ＝１、２・・・)を求めるようにされる（図１０参照）。
すなわち、筒内圧変動とエンジントルク変動の間には、ほぼ線形の関係もしくは高い相関がある。さらに、エンジントルク変動とエンジンの回転角加速度との間にもほぼ線形の関係もしくは高い相関がある。さらに角加速度を微分していくと、微分処理には、いわゆる高周波成分を通過させ、低周波成分を遮断する効果があるため、祖リフトノイズへのロバスト性、及び、過渡運転状態時のＳ／Ｎ向上に効果がある。これを明記するものである。
本発明に係るエンジンの制御装置の第９態様では、前記空燃比検出手段及び前記安定度検出手段としての、前記エンジンの回転変動を検出する回転変動検出手段と、該回転変動検出手段により検出される回転変動に基づく前記空燃比制御手段による前記制御と前記回転変動に基づく前記点火時期補正手段による前記補正とを選択的に切り換える切り換え手段とを備える（図１１参照）。
すなわち、空燃比及び点火時期共に回転変動に基づいて制御するが、空燃比と点火時期を同時に回転変動に基づいて制御はせず、切り換える手段を備えるものである。
本発明に係るエンジンの制御装置の第１０態様では、前記切り換え手段は、前記空燃比制御手段に前記制御を行わせて、空燃比が前記所定範囲に制御された後に、前記点火時期補正手段に前記補正を行わせるようにされる（図１２参照）。
すなわち、第９態様に記載の制御装置において、切り換え手段は、まず、回転変動に基づいて、空燃比を所定範囲（望ましくは１５〜１６）に制御した後、回転変動に基づいて点火時期をリタード側に制御（補正）するように働く。これを明記するものである。
本発明に係るエンジンの制御装置の第１１態様では、前記空燃比制御手段は、前記回転変動に基づいて空燃比を前記所定範囲に制御した後、空燃比が前記所定範囲に維持されるように、空燃比制御パラメータを保持するようにされ、前記点火時期補正手段は、前記空燃比が前記所定範囲に維持されているとき、前記回転変動に基づいて点火時期をリタード側に補正するようにされる（図１３参照）。
すなわち、第９、１０態様に記載の制御装置について、より正確に動作（制御順序）を規定するものである。
本発明に係るエンジンの制御装置の第１２態様では、前記空燃比制御手段は、前記回転変動が所定範囲Ａより小さいとき、回転変動が所定範囲Ａに入るまで燃料噴射量を減量補正し、前記回転変動が所定範囲Ａより大きいとき、回転変動が所定範囲Ａに入るまで燃料噴射量を増量補正し、前記回転変動が所定範囲Ａにあるとき、前記燃料噴射量の補正量を保持するようにされ、前記点火時期補正手段は、前記空燃比制御手段が前記燃料噴射量の補正量を保持した後、前記回転変動が所定範囲Ｂより小さいとき、回転変動が所定範囲Ｂに入るまで点火時期をリタード側に補正し、前記回転変動が所定範囲Ｂより大きいとき、回転変動が所定範囲Ｂに入るまで点火時期を進角側に補正し、前記回転変動が所定範囲Ｂにあるとき、点火時期の補正の更新を停止し、補正値を維持するようにされる（図１４参照）。
本態様は、第９〜第１１態様に記載の制御装置について、より正確に処理を記載するものである。すなわち、空燃比の目標範囲に相当する回転変動の範囲を所定範囲Ａとする。所定範囲Ａは、空燃比１５〜１６に相当する回転変動が望ましい。回転変動が所定範囲Ａに入るように、燃料噴射量を補正する（空燃比を調節する）。回転変動が所定範囲Ａより大きいときは、空燃比が目標範囲よりリーンにあるとして、燃料噴射量を増量補正する。回転変動が所定範囲Ａより小さいときは、空燃比が目標範囲よりリッチにあるとして、燃料噴射量を減量補正する。回転変動が所定範囲Ａにあるときは、空燃比も目標範囲に制御完了として、回転変動の基づく燃料噴射量による補正を停止し、回転変動に基づく制御を点火時期のリタード制御に切り換える。
一方、安定限界に相当する回転変動の範囲を所定範囲Ｂとする。回転変動が所定範囲Ｂに入るように、点火時期を補正する（リタード量を調節する）。回転変動が所定範囲Ｂより大きいときは、安定限界よりも安定性が悪化しているとして、点火時期を進角側に補正する。回転変動が所定範囲Ｂより小さいときは、安定限界まで、余裕があるとして、点火時期をリタード側に補正する。回転変動が所定範囲Ｂにあるときは、安定限界に制御完了として、点火時期の補正を停止する。
本発明に係るエンジンの制御装置の第１３態様では、前記所定範囲Ａは前記所定範囲Ｂより小さく設定される（図１５参照）。
すなわち、第１２態様の説明で述べたように、所定範囲Ａは空燃比の目標範囲を指す。所定範囲Ａに入った後（空燃比を目標範囲に制御した後）、点火時期によるリタード制御を実行する。リタードすることにより、安定性（回転変動）は、悪化する。したがって、所定範囲Ａは、所定範囲Ｂより小さく（低く）、設定する必要がある。なお、同じく第１２態様の説明で述べたように、所定範囲Ｂは、安定限界に近傍に設定するのが望ましい。
本発明に係るエンジンの制御装置の第１４態様では、空燃比が前記所定範囲に制御されていないとき、点火時期をリタード側に制御することを禁止する手段を備える（図１６参照）。
すなわち、図１９で示されるように、リタードによるＨＣ低減効果を得るには、空燃比を少なくとも１４．５〜１６．５に制御する必要がある。この範囲に空燃比が制御されていないときに、リタードを行っても、ＨＣ低減効果は小さく、その一方で、前述したようにリタードにより安定性は大きく悪化する。したがって、空燃比が所定範囲（１４．５〜１６．５）に制御されていないとき、点火時期をリタード側に制御することを禁止する手段を備えるものである。
本発明に係るエンジンの制御装置の第１５態様では、空燃比が前記所定範囲に制御されないとき、点火時期が所定値よりリタード側にある場合は、前記点火時期補正手段に、一旦、点火時期を進角側に戻す動作を行わせた後、前記空燃比制御手段に空燃比を前記所定範囲に制御する動作を行わせる手段を備える（図１７参照）。
すなわち、第１４態様の説明で述べたように、リタードによるＨＣ低減効果を得るには、空燃比を少なくとも１４．５〜１６．５に制御する必要がある。この範囲に空燃比が制御されていないときに、点火時期のリタードを実行しても、ＨＣ低減効果は小さく、リタードにより安定性は大きく悪化する。一方で、空燃比を１５〜１６に制御することで、ＨＣを低減する余地が残っている。このことから、空燃比が所定範囲（１４．５〜１６．５）に制御されないとき、点火時期が所定値よりリタード側にある場合は、点火時期を、一旦、進角側に戻すことで、安定性を確保し、点火時期を進角側に戻した後、空燃比を上記所定範囲（１４．５〜１６．５）に制御することで、ＨＣを低減することを図るものである。
本発明に係るエンジンの制御装置の第１６態様では、前記空燃比制御手段及び点火時期補正手段は、排気通路に配設された触媒の温度が所定値以下もしくはその浄化効率が所定値以下のとき、前記制御及び前記補正を行うようにされる（図１８参照）。
すなわち、第１態様に記載の「エンジンが特定の運転状態にあるとき」の代表例として、「触媒の温度が所定値以下もしくはその浄化効率が所定値以下のとき」を明記するものである。前述したように、触媒が活性化した後は、エンジンから排出されるＨＣを触媒で高効率に浄化するために、空燃比をストイキに制御するのがよい。したがって、第１〜第１５態様に記載の制御は、触媒活性化前を意味する触媒の温度が所定値以下もしくは浄化効率が所定値以下のとき行うことが推奨される。
なお、本発明に係るエンジンの制御装置は、任意の空燃比、任意の点火時期から制御・補正可能である。したがって、初期設定が、空燃比をストイキよりもリーン化していて、かつ、点火時期をＭＢＴよりリタードしている設定であっても、その設定値から前記制御・補正を行うことで、さらなるＨＣ低減効果得られることを付言しておく。
本発明によれば、エンジン始動時（触媒活性化前）において、実用環境で発生する種々の外乱に応じて、ロバスト性を確保しつつ、ＨＣ排出量を最小化する空燃比と点火時期に、常時制御する。したがって、従来の安定マージンを考慮した空燃比と点火時期の設定と比較して、大幅にＨＣ排出量を低減することができる。
以下、本発明のエンジンの制御装置の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
図３２は、本発明に係るエンジンの制御装置の実施形態（第１〜第３実施例で共通）を、それが適用された車載用エンジンの一例と共に示す概略構成図である。
図示のエンジン１０は、例えば４つの気筒を有する多気筒エンジンであって、シリンダ１２と、このシリンダ１２の各気筒内に摺動自在に嵌挿されたピストン１５と、を有し、該ピストン１５上方には燃焼（作動）室１７が画成される。各気筒の燃焼室１７には、点火プラグ３５が臨設されている。
燃料の燃焼に供せられる空気は、吸気通路２０の始端部に設けられたエアクリーナ２１から取り入れられ、エアフローセンサ２４を通り、電制スロットル弁２５を通ってコレクタ２７に入り、このコレクタ２７から前記吸気通路２０の下流端に配在された吸気弁４７を介して各気筒の燃焼室１７に吸入される。また、前記吸気通路２０の下流部分（吸気ポート付近）には、燃料噴射弁３０が配置されている。
燃焼室１７に吸入された空気と燃料噴射弁３０から噴射された燃料との混合気は、点火プラグ３５による火花点火により燃焼せしめられ、その燃焼廃ガス（排気）は、燃焼室１７から排気弁４８を介して排気通路４０に排出され、そこに備えられた三元触媒５０に流入して浄化された後、外部に排出される。
また、排気通路４０における三元触媒５０より下流側には酸素（濃度）センサ５２が配在され、排気通路４０における触媒５０より上流側には、排気空燃比を検出するA/Fセンサ（空燃比センサ）５１が配在されている。
前記空燃比センサ５１は、排気中に含まれる酸素の濃度に対して線形の出力特性を持つ。排気中の酸素濃度と空燃比の関係はほぼ線形になっており、したがって、酸素濃度を検出する空燃比センサ５１により、触媒５０で浄化される前の排気空燃比を求めることが可能となる。コントロールユニット１００（後述）では、空燃比センサ５１からの信号から三元触媒５０上流の排気空燃比を求め、酸素センサ５２からの信号から、三元触媒５０下流の酸素濃度もしくはストイキに対してリッチもしくはリーンであるかを求める。また、両センサ５１、５２の出力を用いて三元触媒５０の浄化効率が最適となるよう燃料噴射量もしくは空気量を逐次補正するF/B制御を行う。
また、燃焼室１７から排気通路４０に排出された排気ガスの一部は、必要に応じてＥＧＲ通路４１を介して吸気通路２０に導入され、吸気通路２０を介して各気筒の燃焼室１７に還流される。前記ＥＧＲ通路４１には、ＥＧＲ率を調整するためのＥＧＲバルブ４２が介装されている。
そして、本実施形態の制御装置１においては、エンジン１０の種々の制御を行うため、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１００が備えられている。
コントロールユニット１００は、基本的には、図３３に示される如くに、ＣＰＵ１０１、入力回路１０２、入出力ポート１０３、ＲＡＭ１０４、ＲＯＭ１０５等で構成される。
コントロールユニット１００には、入力信号として、エアフローセンサ２４により検出される吸入空気量に応じた信号、スロットルセンサ２８により検出されるスロットル弁２５の開度に応じた信号、クランク角センサ（回転数センサ）３７から得られるクランクシャフト１８の回転（エンジン回転数）・位相をあらわす信号（クランク角センサ３７からは、例えば、回転角１度毎に信号パルスが出力される）、排気通路４０における三元触媒５０より下流側に配在された酸素センサ５２からの、三元触媒５０下流の酸素濃度もしくはストイキに対してリッチもしくはリーンであるかを表す信号、排気通路４０における触媒５０より上流側の排気集合部に配在された空燃比センサ５１により検出される酸素濃度（空燃比）に応じた信号、シリンダ１２に配設された水温センサ１９により検出されるエンジン冷却水温に応じた信号、アクセルセンサ３６から得られるアクセルペダル３９の踏み込み量（運転者の要求トルクを示す）に応じた信号、筒内圧センサ５６から得られる各気筒内（燃焼室１７内）の圧力に応じた信号、筒内温度センサ５７から得られる気筒内（燃焼室１７内）の温度に応じた信号、等が供給される。
コントロールユニット１００においては、空燃比センサ５１、酸素センサ５２、スロットルセンサ２８、エアフローセンサ２４、クランク角センサ３７、水温センサ１９、アクセルセンサ３６、筒内圧センサ５６等の各センサの出力が入力され、これらのセンサ出力からコントロールユニット１００は、エンジンの運転状態を認識し、この運転状態に基づいて、吸入空気量、燃料噴射量、点火時期のエンジンの主要な操作量を演算する。コントロールユニット１００で演算された燃料噴射量は開弁パルス信号に変換され、燃料噴射弁駆動回路１１７から燃料噴射弁３０に送られる。また、コントロールユニット１００で演算された点火時期で点火されるよう駆動信号が点火出力回路１１６から点火プラグ３５に送られる。
より詳細には、コントロールユニット１００においては、入力回路１０２にてノイズ除去等の信号処理を行った後、入出力ポート１０３に送られる。入力ポートの値はＲＡＭ１０４に保管され、ＣＰＵ１０１内で演算処理される。演算処理の内容を記述した制御プログラムはＲＯＭ１０４に予め書き込まれている。制御プログラムに従って演算された各アクチュエータ操作量を表す値はＲＡＭ１０５に保管された後、出力ポート１０３に送られる。
点火プラグ３５に対する駆動信号は点火出力回路１１６内の一次側コイルの通流時はＯＮとなり、非通流時はＯＦＦとなるＯＮ・ＯＦＦ信号がセットされる。点火時期はＯＮからＯＦＦになる時点である。出力ポート１０３にセットされた点火プラグ３５用の信号は点火出力回路１１６で点火に必要な十分なエネルギーに増幅され点火プラグ３５に供給される。また、燃料噴射弁３０の駆動信号（開弁パルス信号）は開弁時ＯＮ、閉弁時ＯＦＦとなるＯＮ・ＯＦＦ信号がセットされ、燃料噴射弁駆動回路１１７で燃料噴射弁３０を開弁するのに十分なエネルギーに増幅されて燃料噴射弁３０に供給される。電制スロットル弁２５の目標開度を実現する駆動信号は、電制スロットル駆動回路１１８を経て、電制スロットル弁３０に送られる。
次に、コントロールユニット１００が実行する処理内容を具体的に説明する。
以下、ＲＯＭ１０４に書き込まれる制御プログラムについて述べる。
［第１実施例（１Ａ）：図３４］
図３４は、第１実施例の制御装置１Ａを示す制御システム図である。図示の制御装置１Ａは、下記の演算手段、許可手段を備えている。
・基本燃料噴射量演算手段１２０（図３５）
・燃料噴射量補正許可手段１３０（図３６）
・燃料噴射量補正値演算手段１４０（図３７）
・基本点火時期演算手段１５０（図３８）
・点火時期補正許可手段１６０（図３９）
・点火時期補正量演算手段１７０（図４０）
本実施例（１Ａ）では、「基本燃料噴射量演算手段１２０」で、基本燃料噴射量(Tp)を演算する。「燃料噴射量補正許可手段１３０」で基本燃料噴射量(Tp)の補正を行うか否かの判断を行う。すなわち、空燃比が所定範囲内に入るように燃料噴射量の補正を行うか否かの判断を行う。補正を行う場合は、燃料噴射量補正許可フラグFp_fuel_hos=1とする。行わないときは、Fp_fuel_hos=0とする。「燃料噴射量補正値演算手段１４０」では、Fp_fuel_hos=1のとき、空燃比センサ５１の出力Rabfに基づいて、空燃比が所定範囲内に入るように燃料噴射量補正値(Alpha)の演算を行う。
「基本点火時期演算手段１５０」で、基本点火時期(Adv0)を演算する。「点火時期補正許可手段１６０」で基本点火時期(Adv0)の補正を行うか否かの判断を行う。すなわち、所定の安定度まで、点火時期のリタード補正を行うか否かの判断を行う。補正を行う場合は、点火時期補正許可フラグFp_adv_hos=1とする。行わないときは、Fp_adv_hos=0とする。「点火時期補正量演算手段」では、Fp_adv_hos=1のとき、筒内圧(燃焼圧)センサ５６の出力Pに基づいて、所定の安定度まで、点火時期のリタード補正量(Adv_hos)の演算を行う。
以下に、各制御（演算手段、許可手段）の詳細を述べる。
＜基本燃料噴射量演算手段１２０（図３５）＞
本演算手段１２０では基本燃料噴射量(Tp)を演算する。具体的には図３５に示される式で演算する。ここに、Cylは気筒数を表す。Ｋ0は、インジェクタの仕様（燃料噴射パルス幅と燃料噴射量の関係）に基づき決める。
＜燃料噴射量補正許可手段１３０（図３６）＞
本演算手段（許可手段）１３０では、基本燃料噴射量(Tp)の補正を行うか否かの判断を行う。具体的には図３６に示されるように、TgNe-K1≦Ne≦TgNe+K2の状態がK3［燃焼回数］以上持続したとき、基本燃料噴射量(Tp)の補正を許可し、Fp_fuel_hos=1とする。
なお、本条件は、始動後エンジン回転速度がアイドル時目標速度近傍に収束している状態を判定している。TgNeは、始動後のアイドル運転における目標回転速度である。また、各パラメータであるK1、K2、K3は、経験的に決めるのがよい。Fp_fuel_hos=1のとき、以下に述べる「燃料噴射量補正値演算手段（図３７）」で、燃料噴射量補正値(Alpha)の演算を行う。
＜燃料噴射量補正値演算手段１４０（図３７）＞
ここでは、Fp_fuel_hos=1のとき、A/Fセンサ５１で検出される空燃比に基づいて、空燃比が所定範囲となるようF/B（フィードバック）制御する。具体的には図３７に示されるように目標空燃比TabfとA/Fセンサ検出空燃比Rabfとの偏差Dltabfから、PI制御により燃料噴射量補正値Alphaを演算する。
なお、目標空燃比Tabfは、始動後Tcoldまでは、Tabf=Tabf_cold、始動後Thotまでは、Tabf=Tabf_hotとする。Thotは、三元触媒５０が活性化する時間に相当する。Tabf_coldは、エンジンから排出されるＨＣ濃度が最小となり、かつ、リタードの効果がもっとも得られる空燃比である１５〜１６に設定するのが望ましい。また、Tabf_hotは、三元触媒５０の浄化率がもっとも高くなる１４．６〜１４．７に設定するのが望ましい。
＜基本点火時期演算手段１５０（図３８）＞
本演算手段１５０では基本点火時期(Adv0)を演算する。具体的には図３８に示されるように、実空気量(Qa)とエンジン回転速度(Ne)から、テーブルを参照して、基本点火時期(Adv0)を求める。テーブルは、ＭＢＴになるように設定するのが望ましいが、各運転条件において、安定性も考慮した値（突発的な不安定時に、トルク補正が可能となるようにＭＢＴよりトルク補正マージンを持たせておく）のも良い。
＜点火時期補正許可手段１６０（図３９）＞
本演算手段（許可手段）１６０では、基本点火時期(Adv0)の補正を行うか否かの判断を行う。具体的には図３９に示されるように、
始動後時間Tas≦Tcold、かつ、Tgabf-K4≦Rabf≦Tgabf+K5の状態がK6［燃焼回数］以上持続したとき、基本点火時期(Adv0)の補正を許可し、Fp_adv_hos=1とする。
なお、本条件は、実空燃比が、リタードの効果がもっとも得られる空燃比に収束している状態を判定している。各パラメータであるK4、K5、K6は、経験的に決めるのがよい。Fp_adv_hos=1のとき、以下に述べる「点火時期補正量演算手段１７０（図４０）」で、点火時期補正量(Adv_hos)の演算を行う。
＜点火時期補正量演算手段１７０（図４０）＞
ここでは、Fp_adv_hos=1のとき、筒内圧(燃焼圧)センサ５６の出力Pに基づいて、所定の安定度まで、点火時期のリタード補正量(Adv_hos)の演算を行う。具体的には図４０に示されるように、下記の処理を行う。
・筒内圧センサ５６の出力値Ｐから１サイクルあたりの燃焼圧仕事（あるいは図示平均有効圧）Wを演算する。
・Wのばらつき度合い（不安定度合い）を演算するため、Wに対して統計処理（標準偏差の演算など）を行い、１サイクルあたりの燃焼圧仕事の標準偏差s_Wを求める。
・s_Wが所定範囲Ｂ_Wより小さいとき、Adv_hos=Adv_hos(前回値)-Rtd1とする。
s_Wが所定範囲Ｂ_Wより大きいとき、Adv_hos=Adv_hos(前回値)+Adv1とする。
s_Wが所定範囲Ｂ_Wにあるとき、Adv_hos=Adv_hos(前回値)とする。
B_Wは、安定限界相当値に設定するのが望ましい。Rtd1,Adv1などは、リタード速度、進角速度を決めるパラメータである。早いほど（大きいほど）、排気低減の効果が期待できるが、その分、点火時期制御系が不安定になりやすくなる。エンジンの特性（応答性など）に応じて、経験的に決めるのもよい。
＜第１実施例の作用効果＞
本第１実施例によれば、エンジン始動後、オンボードで、まず、空燃比を最適化（１５〜１６に制御）し、その後、点火時期を安定限界までリタードするので、実用環境で発生する種々の外乱によらず、当該エンジンの持つ、ＨＣ最小化ポテンシャルを使い切ることができる。
［第２実施例（１Ｂ）：図４１］
前述の第１実施例（１Ａ）では、空燃比センサ５１を用いて空燃比を最適化（燃料量を補正制御）し、筒内圧（燃焼圧）センサ５６を用いて、点火時期を安定限界までリタードさせた（点火時期を補正した）が、第２実施例（１Ｂ）では、エンジンのクランク角度信号を用いて、空燃比を最適化し、その後、点火時期を安定限界までリタード制御する。
図４１は第２実施例の制御装置１Ｂを示す制御システム図であり、第１実施例の制御装置１Ａの各部に対応する部分には同一の符号を付して重複説明を省略する。
本第２実施例の制御装置１Ｂは、下記の演算手段、許可手段を備えている。
・基本燃料噴射量演算手段１２０（図３５）
・燃料噴射量補正許可手段２３０（図４２）
・燃料噴射量補正値演算手段２４０（図４３）
・基本点火時期演算手段１５０（図３８）
・点火時期補正許可手段２６０（図４４）
・点火時期補正量演算手段２７０（図４５）
本実施例（１Ｂ）では、「基本燃料噴射量演算手段１２０」で、基本燃料噴射量(Tp)を演算する。「燃料噴射量補正許可手段２３０」で基本燃料噴射量(Tp)の補正を行うか否かの判断を行う。すなわち、空燃比が所定範囲内に入るように燃料噴射量の補正を行うか否かの判断を行う。補正を行う場合は、燃料噴射量補正許可フラグFp_fuel_hos=1とする。行わないときは、Fp_fuel_hos=0とする。「燃料噴射量補正値演算手段２４０」では、Fp_fuel_hos=1のとき、クランク角度センサ３７の出力に基づいて、空燃比が所定範囲内に入るように燃料噴射量補正値(Alpha)の演算を行う。
「基本点火時期演算手段１５０」で、基本点火時期(Adv0)を演算する。「点火時期補正許可手段２６０」で基本点火時期(Adv0)の補正を行うか否かの判断を行う。すなわち、所定の安定度まで、点火時期のリタード補正を行うか否かの判断を行う。補正を行う場合は、点火時期補正許可フラグFp_adv_hos=1とする。行わないときは、Fp_adv_hos=0とする。「点火時期補正量演算手段」では、Fp_adv_hos=1のとき、クランク角度センサ３７の出力に基づいて、所定の安定度まで、点火時期のリタード補正量(Adv_hos)の演算を行う。
以下に、各制御（演算手段、許可手段）の詳細を述べる。
＜基本燃料噴射量演算手段１２０（図３５）＞
本演算手段１２０では基本燃料噴射量(Tp)を演算する。具体的には図３５に示されるが、第１実施例と同じであるので、詳述しない。
＜燃料噴射量補正許可手段２３０（図４２）＞
本演算手段（許可手段）２３０では、基本燃料噴射量(Tp)の補正を行うか否かの判断を行う。具体的には図３６に示されるように、
・始動後時間Tas≦Tcold、
かつ、
・TgNe-K1≦Ne≦TgNe+K2 の状態がK3［燃焼回数］以上持続したとき、
かつ、
・ Fp_adv_hos（点火時期補正許可フラグ）が0のとき、
Fp_fuel_hos=1とする。
なお、条件・における、Thotは、三元触媒５０が活性化する時間に相当し、三元触媒５０が非活性の状態であるかを判断している。
条件・は、始動後エンジン回転速度がアイドル時目標速度近傍に収束している状態を判定している。TgNeは、始動後のアイドル運転における目標回転速度である。また、各パラメータであるK1、K2、K3は、経験的に決めるのがよい。
条件・は、点火時期の補正を実行していないときに空燃比の補正を行うことを意味している。これは、クランク角度センサ信号による補正は、空燃比と点火時期のどちらかのみを行うものであり、同時に補正は行わないためである。
Fp_fuel_hos=1のとき、以下に述べる「燃料噴射量補正値演算手段（図４３）」で、燃料噴射量補正値(Alpha)の演算を行う。
＜燃料噴射量補正値演算手段２４０（図４３）＞
ここでは、Fp_fuel_hos=1のとき、クランク角度センサ３７の出力に基づいて、空燃比が所定範囲となるように燃料噴射量の補正値を演算する。具体的には図４３に示されるように、下記の処理を行う。
・クランク角度センサ３７の出力値から１サイクル毎の回転速度の変動量すなわち角加速度dNeを演算する。
・dNeのばらつき度合い（不安定度合い）を演算するため、dNeに対して統計処理（標準偏差の演算など）を行い、角加速度の標準偏差s_dNeを求める。
・s_dNeが所定範囲A_dNeより小さいとき、Alpha=Alpha(前回値)−Lean1とする。
s_dNeが所定範囲A_dNeより大きいとき、Alpha=Alpha(前回値)＋Rich1とする。
s_dNeが所定範囲A_dNeにあるとき、Alpha=Alpha(前回値)とする。
A_dNeは、空燃比１５〜１６に設定するのが望ましい。Lean1, Rich1などは、リーン化速度、リッチ化速度を決めるパラメータである。早いほど（大きいほど）、排気低減の効果が期待できるが、その分、空燃比制御系が不安定になりやすくなる。エンジンの特性（応答性など）に応じて、経験的に決めるのもよい。
Fp_fuel_hos=0のとき、Alphaは前回値を維持する。
＜基本点火時期演算手段１５０（図３８）＞
本演算手段１５０では基本点火時期(Adv0)を演算する。具体的には図３８に示される処理を行うが、第１実施例と同じであるので、ここでは詳述しない。
＜点火時期補正許可手段２６０（図４４）＞
本演算手段（許可手段）２６０では、基本点火時期(Adv0)の補正を行うか否かの判断を行う。具体的には図４４に示されるように、
・始動後時間Tas≦Tcold、
かつ、
・Fp_fuel_hos（燃料噴射量補正許可フラグ）が１、かつ、s_dNeが所定範囲A_dNeの状態がK7［燃焼回数]以上持続したとき、基本点火時期(Adv0)の補正を許可し、Fp_adv_hos=1とする。
条件・における、Thotは、三元触媒５０が活性化する時間に相当し、三元触媒５０が非活性の状態であるかを判断している。
条件・は、実空燃比が、リタードの効果がもっとも得られる空燃比に収束している状態を判定している。
Fp_adv_hos=1のとき、以下に述べる「点火時期補正量演算手段（図４０）」で、点火時期補正量(Adv_hos)の演算を行う。
なお、Fp_adv_hosが0から１に切り換わると、燃料噴射量補正許可手段（図４２）で述べたように、Fp_fuel_hosが１から０に切り換わり、燃料噴射量補正を停止する。これは、クランク角度センサ信号による補正は、空燃比と点火時期のどちらかのみを実行するものであり、同時に補正は行わないためである。
Fp_adv_hos=1のとき、以下に述べる「点火時期補正量演算手段２７０（図４５）」で、点火時期補正量(Adv_hos)の演算を行う。
＜点火時期補正量演算手段２７０（図４５）＞
ここでは、Fp_adv_hos=1のとき、クランク角度センサ３７の出力に基づいて、所定の安定度まで、点火時期のリタード補正量(Adv_hos)の演算を行う。具体的には図４５に示されるように、下記の処理を行う。
・クランク角度センサ３７の出力値から１サイクル毎の回転速度の変動量すなわち角加速度dNeを演算する。
・dNeのばらつき度合い（不安定度合い）を演算するため、dNeに対して統計処理（標準偏差の演算など）を行い、角加速度の標準偏差s_dNeを求める。
・s_dNeが所定範囲Ｂ_dNeより小さいとき、Adv_hos=Adv_hos(前回値)-Rtd1とする。
s_dNeが所定範囲Ｂ_dNeより大きいとき、Adv_hos=Adv_hos(前回値)+Adv1とする。
s_dNeが所定範囲Ｂ_dNeにあるとき、Adv_hos=Adv_hos(前回値)とする。
B_dNeは、安定限界相当値に設定するのが望ましい。Rtd1,Adv1などは、リタード速度、進角速度を決めるパラメータである。早いほど（大きいほど）、排気低減の効果が期待できるが、その分、点火時期制御系が不安定になりやすくなる。エンジンの特性（応答性など）に応じて、経験的に決めるのもよい。
＜第２実施例の作用効果＞
本第２実施例によれば、エンジン始動後、クランク角度センサ信号を用いて、オンボードで、まず、空燃比を最適化（１５〜１６に制御）し、その後、点火時期を安定限界までリタードするので、実用環境で発生する種々の外乱によらず、当該エンジンの持つ、ＨＣ最小化ポテンシャルを使い切ることができる。
［第３実施例（１Ｃ）：図４１］
前述した第２実施例（１Ｂ）では、エンジンのクランク角度信号を用いて、空燃比を最適化し、その後、点火時期を安定限界までリタード制御した。
従来の始動制御においても、ある程度、点火時期のリタード補正を行っている。しかし、「課題を解決するための手段」で述べたように、リタード時の安定性悪化の度合いは、リーン時の安定性悪化の度合いよりも、ほぼ必然的に、大きくなる。そこで、第３実施例（１Ｃ）では、次のような制御を行う。すなわち、デフォルト設定で、ある程度リタードを行っていて、かつ、安定性が所定レベルよりも悪化している判断された場合は、一旦、リタード量を小さくして（点火時期を進角側に戻して）、安定性を向上させる。その後、空燃比をリーン化させて、ＨＣ排出量を低減させる。さらに、安定性に余裕があれば、再びリタードを行う。
図４６は第３実施例の制御装置１Ｃを示す制御システム図であり、第１、第２実施例の制御装置１Ａ、１Ｂの各部に対応する部分には同一の符号を付して重複説明を省略する。
本第３実施例の制御装置１Ｃは、下記の演算手段、許可手段を備えている。
・基本燃料噴射量演算手段１２０（図３５）
・燃料噴射量補正許可手段２３０（図４２）
・燃料噴射量補正値演算手段２４０（図４３）
・基本点火時期演算手段１５０（図３８）
・点火時期補正許可手段２６０（図４４）
・点火時期補正量演算手段３７０（図４７）
「基本燃料噴射量演算手段１２０」で、基本燃料噴射量(Tp)を演算する。「燃料噴射量補正許可手段２３０」で基本燃料噴射量(Tp)の補正を行うか否かの判断を行う。すなわち、空燃比が所定範囲内に入るように燃料噴射量の補正を行うか否かの判断を行う。補正を行う場合は、燃料噴射量補正許可フラグFp_fuel_hos=1とする。行わないときは、Fp_fuel_hos=0とする。「燃料噴射量補正値演算手段」では、Fp_fuel_hos=1のとき、クランク角度センサ３７の出力に基づいて、空燃比が所定範囲内に入るように燃料噴射量補正値(Alpha)の演算を行う。
「基本点火時期演算手段１５０」で、基本点火時期(Adv0)を演算する。「点火時期補正許可手段」で基本点火時期(Adv0)の補正を行うか否かの判断を行う。すなわち、所定の安定度まで、点火時期のリタード補正を行うか否かの判断を行う。補正を行う場合は、点火時期補正許可フラグFp_adv_hos=1とする。行わないときは、Fp_adv_hos=0とする。「点火時期補正量演算手段３７０」では、Fp_adv_hos=1のとき、クランク角度センサ３７の出力に基づいて、所定の安定度まで、点火時期のリタード補正量(Adv_hos)の演算を行う。ただし、クランク角度センサ３７の出力に基づいて、空燃比側の制御が行われているときに（リタード制御を行っていないときに）、点火時期が所定値よりリタード側にあるときは、一旦、進角側に戻して、安定余裕を確保し、空燃比をよりリーンに制御できる様にする。
以下に、各制御（演算手段、許可手段）の詳細を述べる。
＜基本燃料噴射量演算手段１２０（図３５）＞
本演算手段１２０では基本燃料噴射量(Tp)を演算する。具体的には図３５に示されるが、第１実施例と同じであるので、詳述しない。
＜燃料噴射量補正許可手段２３０（図４２）＞
本演算手段（許可手段）２３０では、基本燃料噴射量(Tp)の補正を行うか否かの判断を行う。具体的には図４２に示されるが、第２実施例と同じであるので、詳述しない。
＜燃料噴射量補正値演算手段２４０（図４３）＞
ここでは、Fp_fuel_hos=1のとき、クランク角度センサ３７の出力に基づいて、空燃比が所定範囲となるように燃料噴射量の補正値を演算する。具体的には図４３に示されるが、第２実施例と同じであるので、詳述しない。
＜基本点火時期演算手段１５０（図３８）＞
本演算手段１５０では基本点火時期(Adv0)を演算する。具体的には図３８に示される処理を行うが、第１及び第２実施例と同じであるので、ここでは詳述しない。
＜点火時期補正許可手段２６０（図４４）＞
本演算手段（許可手段）２６０では、基本点火時期(Adv0)の補正を行うか否かの判断を行う。具体的には図４４に示されるが、第２実施例と同じであるので、詳述しない。
＜点火時期補正量演算手段３７０（図４７）＞
ここでは、クランク角度センサ３７の出力に基づいて、点火時期の補正量(Adv_hos)の演算を行う。具体的には図４７に示されるように、下記の処理を行う。
Fp_adv_hos=1のとき
・クランク角度センサ３７の出力値から１サイクル毎の回転速度の変動量すなわち角加速度dNeを演算する。
・dNeのばらつき度合い（不安定度合い）を演算するため、dNeに対して統計処理（標準偏差の演算など）を行い、角加速度の標準偏差s_dNeを求める。
・s_dNeが所定範囲Ｂ_dNeより小さいとき、Adv_hos=Adv_hos(前回値)-Rtd1とする。
s_dNeが所定範囲Ｂ_dNeより大きいとき、Adv_hos=Adv_hos(前回値)+Adv1とする。
s_dNeが所定範囲Ｂ_dNeにあるとき、Adv_hos=Adv_hos(前回値)とする。
B_dNeは、安定限界相当値に設定するのが望ましい。Rtd1,Adv1などは、リタード速度、進角速度を決めるパラメータである。早いほど（大きいほど）、排気低減の効果が期待できるが、その分、点火時期制御系が不安定になりやすくなる。エンジンの特性（応答性など）に応じて、経験的に決めるのもよい。
Fp_adv_hos=0のとき
s_dNeが所定範囲A_dNeより小さいとき、
かつ、
Adv≦Adv_limitのとき、
Adv_hos=Adv_hos(前回値)+Adv1とする。
すなわち、クランク角度センサ信号に基づいて、空燃比側の制御が実行されているときに（リタード制御を行っていないときに）、点火時期が所定値よりリタード側にあるときは、一旦、進角側に戻して、安定余裕を確保し、空燃比をよりリーンに制御できる様にすることで、比較的安定性悪化させずに、ＨＣ排出量をより低減させるものである。空燃比をリーン化させた後、安定性に余裕があれば、上記の「Fp_adv_hos=1のとき」の処理により、再びリタードを行うものである。
＜第３実施例の作用効果＞
本実施例によれば、エンジン始動後、クランク角度センサ信号を用いて、オンボードで、まず、空燃比を最適化（１５〜１６に制御）し、その後、点火時期を安定限界までリタードするので、実用環境で発生する種々の外乱によらず、当該エンジンの持つ、ＨＣ最小化ポテンシャルを使い切ることができる。
特に、クランク角度センサ信号に基づいて、空燃比側の制御が実行されているときに（リタード制御を行っていないときに）、点火時期が所定値よりリタード側にあるときは、一旦、進角側に戻して、安定余裕を確保し、空燃比をよりリーンに制御できる様にすることで、比較的安定性悪化させずに、ＨＣ排出量をより低減させることができる。
本発明に係る制御装置の第１態様の説明に供される図。 本発明に係る制御装置の第２態様の説明に供される図。 本発明に係る制御装置の第３態様の説明に供される図。 本発明に係る制御装置の第４態様の説明に供される図。 本発明に係る制御装置の第５態様の説明に供される図。 本発明に係る制御装置の第６態様の説明に供される図。 本発明に係る制御装置の第６態様の説明に供される図。 本発明に係る制御装置の第７態様の説明に供される図。 本発明に係る制御装置の第７態様の説明に供される図。 本発明に係る制御装置の第８態様の説明に供される図。 本発明に係る制御装置の第９態様の説明に供される図。 本発明に係る制御装置の第１０態様の説明に供される図。 本発明に係る制御装置の第１１態様の説明に供される図。 本発明に係る制御装置の第１２態様の説明に供される図。 本発明に係る制御装置の第１３態様の説明に供される図。 本発明に係る制御装置の第１４態様の説明に供される図。 本発明に係る制御装置の第１５態様の説明に供される図。 本発明に係る制御装置の第１６態様の説明に供される図。 空燃比と排気中のＨＣ濃度の関係の説明に供される図。 ＨＣ濃度最小条件と安定マージン確保時の設定値についての説明に供される図。 空燃比に対する安定度の特性の説明に供される図。 空燃比リッチ時（リタードなし時）の筒内圧プロフィールの説明に供される図。 空燃比リーン時の筒内圧プロフィールに説明に供される図。 空燃比に対する筒内圧プロフィールのばらつきの特性の説明に供される図。 空燃比に対する筒内圧プロフィールのばらつきの特性（ΔＶ追加）の説明に供される図。 空燃比に対する筒内圧ばらつき、仕事量ばらつきの特性の説明に供される図。 点火時期リタードに対する安定度の特性の説明に供される図。 リタードあり時の筒内圧プロフィールの説明ち供される図。 リタードありとなし時の筒内圧プロフィールばらつきの特性の説明に供される図。 リタードありとなし時の筒内圧プロフィールばらつきの特性（ΔＶ追加）の説明に供される図。 リタードあり及びリタードなしそれぞれのときの、空燃比に対する筒内圧ばらつき、仕事量ばらつきの特性の説明に供される図。 本発明に係る制御装置の一実施形態が適用されたエンジンを示す概略構成図（第１〜第３実施例共通）。 図３２に示されるコントロールユニットの内部構成を示す図（第１〜第３実施例共通）。 第１実施例の制御システム図。 第１、第２、第３実施例における基本燃料噴射量演算手段の説明に供される図。 第１実施例における燃料噴射量補正許可手段の説明に供される図。 第１実施例における燃料噴射量補正値演算手段の説明に供される図。 第１実施例〜３における基本点火時期演算手段の説明に供される図。 第１実施例における点火時期補正許可手段の説明に供される図。 第１実施例における点火時期補正量演算手段の説明に供される図。 第２実施例の制御システム図。 第２、第３実施例における燃料噴射量補正許可手段の説明に供される図。 第２、第３実施例における燃料噴射量補正値演算手段の説明に供される図。 第２、第３実施例における点火時期補正許可手段の説明に供される図。 第２実施例における点火時期補正量演算手段の説明に供される図。 第３実施例の制御システム図。 第３実施例における点火時期補正量演算手段の説明に供される図。
符号の説明
１（１Ａ、１Ｂ、１Ｃ） 制御装置
１０ エンジン
１９ 水温センサ
２４ エアフローセンサ
３０ 燃料噴射弁
３５ 点火プラグ
３７ クランク角センサ（回転数センサ）
５０ 三元触媒
５１ 空燃比センサ（A/Fセンサ）
５２ 酸素センサ
５６ 筒内圧センサ
１００ コントロールユニット
１２０ 基本燃料噴射量演算手段
１３０ 燃料噴射量補正許可手段
１４０ 燃料噴射量補正値演算手段
１５０ 基本点火時期演算手段
１６０ 点火時期補正許可手段
１７０ 点火時期補正量演算手段
２３０ 燃料噴射量補正許可手段
２４０ 燃料噴射量補正値演算手段
２６０ 点火時期補正許可手段
２７０ 点火時期補正量演算手段
３７０ 点火時期補正量演算手段

Claims (16)

  1. エンジンが特定の運転状態にあるとき、空燃比を所定範囲に制御する空燃比制御手段と、エンジンが前記特定の運転状態にあり、かつ、空燃比が前記所定範囲にあるとき、点火時期をリタード側に補正する点火時期補正手段と、を備えていることを特徴とするエンジンの制御装置。
  2. 前記空燃比制御手段で制御する空燃比の所定範囲は、１４．５〜１６．５に設定されていることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの制御装置。
  3. 空燃比を直接的もしくは間接的に検出する空燃比検出手段と、エンジンの安定度を直接的もしくは間接的に検出する安定度検出手段と、を備え、前記空燃比制御手段は、前記検出空燃比に基づいて前記制御を行い、前記点火時期補正手段は、前記検出安定度に基づいて前記補正を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のエンジンの制御装置。
  4. 前記点火時期補正手段は、前記空燃比制御手段により空燃比が前記所定範囲に制御されてから、前記検出安定度に基づいて、点火時期をリタード側に補正することを特徴とする請求項３に記載のエンジンの制御装置。
  5. 前記空燃比検出手段として、排気通路に配設された空燃比センサ、酸素センサ、もしくは、その他の排気成分を検出するセンサが用いられていることを特徴とする請求項３又は４に記載のエンジン制御装置。
  6. 前記空燃比検出手段は、エンジンの筒内圧変動及び／又は回転変動に基づいて、空燃比を検出することを特徴とする請求項３又は４に記載のエンジン制御装置。
  7. 前記安定度検出手段は、エンジンの筒内圧変動及び／又は回転変動に基づいて、前記安定度を検出することを特徴とする請求項３から６のいずれか一項に記載のエンジンの制御装置。
  8. 前記空燃比検出手段及び／又は前記安定度検出手段は、前記エンジンの回転変動として、エンジンの回転速度のｎ次微分成分(ｎ＝１、２・・・)を求めることを特徴とする請求項６又は７に記載のエンジンの制御装置。
  9. 前記空燃比検出手段及び前記安定度検出手段としての、前記エンジンの回転変動を検出する回転変動検出手段と、該回転変動検出手段により検出される回転変動に基づく前記空燃比制御手段による前記制御と前記回転変動に基づく前記点火時期補正手段による前記補正とを選択的に切り換える切り換え手段と、を備えていることを特徴とする請求項７又は８に記載のエンジンの制御装置。
  10. 前記切り換え手段は、前記空燃比制御手段に前記制御を行わせて、空燃比が前記所定範囲に制御された後に、前記点火時期補正手段に前記補正を行わせることを特徴とする請求項９に記載のエンジンの制御装置。
  11. 前記空燃比制御手段は、前記回転変動に基づいて空燃比を前記所定範囲に制御した後、空燃比が前記所定範囲に維持されるように、空燃比制御パラメータを保持するようにされ、前記点火時期補正手段は、前記空燃比が前記所定範囲に維持されているとき、前記回転変動に基づいて点火時期をリタード側に補正することを特徴とする請求項９又は１０に記載のエンジンの制御装置。
  12. 前記空燃比制御手段は、前記回転変動が所定範囲Ａより小さいとき、回転変動が所定範囲Ａに入るまで燃料噴射量を減量補正し、前記回転変動が所定範囲Ａより大きいとき、回転変動が所定範囲Ａに入るまで燃料噴射量を増量補正し、前記回転変動が所定範囲Ａにあるとき、前記燃料噴射量の補正量を保持するようにされ、
    前記点火時期補正手段は、前記空燃比制御手段が前記燃料噴射量の補正量を保持した後、前記回転変動が所定範囲Ｂより小さいとき、回転変動が所定範囲Ｂに入るまで点火時期をリタード側に補正し、前記回転変動が所定範囲Ｂより大きいとき、回転変動が所定範囲Ｂに入るまで点火時期を進角側に補正し、前記回転変動が所定範囲Ｂにあるとき、点火時期の補正の更新を停止し、補正値を維持するようにされていることを特徴とする請求項９から１１のいずれか一項に記載のエンジンの制御装置。
  13. 前記所定範囲Ａは前記所定範囲Ｂより小さく設定されていることを特徴とする請求項１２に記載のエンジンの制御装置。
  14. 空燃比が前記所定範囲に制御されていないとき、点火時期をリタード側に制御することを禁止する手段を備えていることを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載のエンジンの制御装置。
  15. 空燃比が前記所定範囲に制御されないとき、点火時期が所定値よりリタード側にある場合は、前記点火時期補正手段に、一旦、点火時期を進角側に戻す動作を行わせた後、前記空燃比制御手段に空燃比を前記所定範囲に制御する動作を行わせる手段を備えていることを特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載のエンジンの制御装置。
  16. 前記空燃比制御手段及び点火時期補正手段は、排気通路に配設された触媒の温度が所定値以下もしくはその浄化効率が所定値以下のとき、前記制御及び前記補正を行うことを特徴とする請求項１から１５のいずれか一項に記載のエンジンの制御装置。
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