JP2014177897A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン１への基本的な機能要求を物理量調停によってバランス良く満たすとともに、制御の演算負荷を徒に増大させることなく、物理量調停に馴染まない要求も好適に実現する。
【解決手段】各種機能に関する要求値を生成して出力する要求発生階層５１０、要求値を所定の物理量毎に集約して調停する物理量調停階層５２０、および、調停された要求値に基づいてアクチュエータの制御量を設定する制御量設定階層５３０を備えて、上位の階層から下位の階層へ一方向に信号を伝達する。制御量設定階層５３０の下位に、要求発生階層５１０から物理量調停階層５２０を介さずに伝達される要求値を、物理量調停階層５３０にて調停された要求値とともに集約して調停する制御量調停階層５４０を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関の各種の機能に関する要求を複数のアクチュエータの協調制御によって実現させる制御装置に関する。

内燃機関の制御装置に関して、例えば特許文献１や特許文献２に開示されるように階層型の制御構造を備えて、上位の階層から下位の階層へ一方向に信号を伝達するようにしたものは知られている。前記各文献に記載の例では、最上位の要求発生階層においてドライバビリティ、排気ガスおよび燃費という、車両用の内燃機関における基本的な３つの機能の要求をトルク、効率および空燃比という３種の物理量で表現した要求値を生成する。

そして、その要求値の信号を下位の物理量調停階層に伝達し、ここではトルク、効率および空燃比のそれぞれに要求値を集約して、予め定められた規則に従って１つの要求値に調停する。こうして調停したトルク、効率および空燃比それぞれ１つずつの要求値の信号を下位の制御量設定階層に伝達し、ここでは各要求値を相互の関係に基づいて調整した上で、これに基づいてアクチュエータの制御量を設定する。

このように内燃機関への要求をトルク、効率および空燃比という３種の物理量の組み合わせによって表現し、調停することによって、アクチュエータの特性や種類に拠らず、その制御によって実現すべき内燃機関全体としての動作が決まり、内燃機関のドライバビリティ、排気ガスおよび燃費という基本的な要求がバランス良く満たされるような好適な制御を実現できる。

特開２００９−４７１０１号公報 特開２００９−４７１０２号公報

ところで、内燃機関の運転中には、フェールセーフや部品保護といった緊急性の高い要求に応じて運転状態を変更する場合があり、このような場合には可能な限り高速で制御の処理を行わなくてはならない。このような緊急性の高い要求を一旦、トルクや効率、空燃比の要求値に置き換えて調停した上で、アクチュエータの制御量を設定するのでは、余計な演算負荷が生じてしまい、処理の高速化には不利になる。

例えば、機関回転数の上昇を抑えるために吸入空気量を制限する場合は、単純にスロットル開度（スロットルアクチュエータの制御量）を制限すれば済むにもかかわらず、スロットル開度の制限値を一旦、トルクに変換した上で、その他の要求とともに物理量調停階層で調停し、この調停した要求値に基づいて再度、スロットル開度を計算し直すことになるからである。

また、内燃機関にはその通常の運転状態以外に例えば始動、停止やＯＢＤというような特定の状況のみでの要求もあるが、これらの要求も単純にスロットル開度や燃料噴射量、点火時期などの制御のシーケンスで表現すれば済むので、トルク、効率および空燃比の組み合わせによって表現した上で調停することの意義は小さく、こうすると前記のフェールセーフなどの場合と同様に、余計な演算負荷が生じることとなる。

さらに、例えば気筒内へ燃料を直接、噴射するようにした筒内噴射式内燃機関の場合は、噴射制御の自由度が高く、気筒内における良好な混合気形成のためには噴射時期や噴射回数などを適宜、変更したいという要求もある。この噴射時期や噴射回数などはインジェクタの動作、即ちインジェクタの制御量そのものであるから、これをトルク、効率または空燃比などの物理量によって表現するよりも直接、制御量として設定する方が演算負荷は軽くなる。

かかる諸点に鑑みて本発明の目的は、内燃機関への基本的な要求を物理量調停によってバランス良く満たすようにした階層構造を有する制御装置において、制御演算の負荷を徒に増大させることなく、物理量調停に馴染まない要求も好適に実現できるようにすることにある。

前記の目的を達成するために本発明では、要求発生階層から物理量調停階層を介さずに伝達される信号の要求値を、制御量毎に集約して調停し、アクチュエータ制御量を決定するようにした。

すなわち、本発明は、内燃機関の各種の機能に関する要求を、当該内燃機関の動作に関わる複数のアクチュエータを協調制御して実現する内燃機関の制御装置を対象として、前記内燃機関の機能に関する要求値を生成して出力する要求発生階層と、この要求発生階層の下位に設けられ、前記要求値のうち所定の物理量で表現されたものを集約し、予め定められた規則に従って１つの要求値に調停する物理量調停階層と、この物理量調停階層の下位に設けられ、前記の調停された要求値に基づいて前記アクチュエータの制御量を設定する制御量設定階層とを備え、前記要求発生階層、物理量調停階層および制御量設定階層の順に上位の階層から下位の階層へ一方向に信号が伝達される階層型の制御構造を有している。

そして、さらに前記制御量設定階層の下位に、前記要求発生階層から出力される要求値のうち前記アクチュエータの制御量で表現されたものが、前記物理量調停階層を介さずに伝達され、この要求値を制御量毎に集約して調停する制御量調停階層を設けたことを特徴とする。

前記のように構成された内燃機関の制御装置では、まず、最上位の要求発生階層から出力された要求が下位の物理量調停階層、その下位の制御量設定階層、その下位の制御量調停階層へと一方向に伝達され、上下の階層間で信号のやり取りを伴うことがないことから、制御の演算負荷の軽減が図られる。

また、内燃機関の各種の機能に関する要求が所定の物理量（例えばトルク、効率、空燃比など）によって表現されて調停され、この調停された要求値に基づいて各アクチュエータの制御量が設定されることから、これら複数のアクチュエータの協調制御によって、内燃機関の基本的な機能要求（例えばドライバビリティ、排気ガス、燃費など）がバランス良く満たされるようになる。

さらに、例えばフェールセーフ要求や始動要求、或いはインジェクタの動作に関する要求などがアクチュエータの制御量で表現されて、前記要求発生階層から物理量調停階層や制御量設定階層を介さずに、その下位の制御量調停階層に伝達される。そして、その要求値が制御量毎に集約されて調停されることで、物理量調停に馴染まないフェールセーフやインジェクタの動作などの要求も内燃機関の制御に反映されることになる。

つまり、内燃機関の各種の機能に関する要求を、物理量調停とアクチュエータ量調停のうち適したものに振り分けて処理することによって、制御の演算負荷を徒に増大させることなく、全ての要求を反映させた好適な制御を実現できる。

しかも、そうして制御量調停階層に直接的に要求を伝達するような機能を追加する場合には、物理量調停階層や制御量設定階層の制御処理を変更する必要がないので、制御プログラムの変更箇所が少なく済み、工数削減に寄与するという効果もある。よって、制御の仕様変更にも容易に対応できるようになる。

ここで、前記要求発生階層から物理量調停階層を介さずに制御量調停階層に伝達される要求（信号）は、前記したように内燃機関の運転中にバランス良く満たされることが求められる基本的な要求とは異なり、例えば、その基本的な要求（物理量調停階層を介して伝達される要求）に比べて優先度の高い要求であってもよいし、また、前記物理量で表現するよりもアクチュエータの制御量で表現する方が容易な要求であってもよい。

例えば、フェールセーフや部品保護のための要求には緊急性があるので、これらの要求が生じた場合には、通常の運転中のドライバビリティ、排気ガス、燃費などに比べて優先度が高い。そこで、これらの要求値を一旦、物理量に置き換えて調停することなく、アクチュエータの制御量で表現して直接的に制御量調停階層に伝達することで、余計な演算負荷の発生を防止でき、処理の高速化が図られる。

また、例えば始動要求やＯＢＤ要求のような特定の状況のみでの要求も、これら特定の状況においては優先度の高い要求であり、しかも、物理量で表現するよりも単にアクチュエータの制御シーケンスで表現する方が容易なことが多い。よって、これらの要求値も一旦、物理量に置き換えて調停することなく、アクチュエータの制御量で表現して直接的に制御量調停階層に伝達することが好ましい。

さらに、例えば筒内噴射式内燃機関における燃料の噴射時期や噴射回数なども、そのままインジェクタの制御量として表現して直接的に制御量調停階層に伝達することにより、余計な演算負荷の発生を防止できる。

そして、そのように物理量調停階層を介さずに制御量調停階層に伝達される要求（信号）には、それぞれの要求に予め優先順位を設定しておき、前記制御量調停階層において優先順位を加味して調停を行うようにすればよい。こうすれば、優先順位の高い要求を十分に制御に反映させながら、優先順位の低い要求も適度に反映させることができる。

前記の制御装置の構成について、より具体的には、前記要求発生階層に、前記内燃機関の機能毎に、該各機能に関する要求値を前記物理量で表現して出力する要求出力部と、前記アクチュエータの制御量で表現して出力する要求出力部と、を設けるとともに、前記物理量調停階層には前記物理量毎に物理量調停部を設け、各物理量調停部は、前記要求出力部から出力された要求値のうち担当する物理量の要求値を集約して、１つの要求値に調停するように構成してもよい。また、前記制御量設定階層は、前記物理量調停部によって調停された各要求値を相互の関係に基づいて調整して、前記複数のアクチュエータのそれぞれの制御量を設定するように構成してもよい。

また、前記内燃機関の各種の機能としては、その運転中にバランス良く満たされるべき基本的な要求であるドライバビリティに関する機能と、排気ガスに関する機能と、燃料消費に関する機能とが含まれる。一方、内燃機関の出力としてはトルク、熱、排気ガスなどが挙げられ、これらの出力を制御するためのパラメータはトルク、効率および空燃比の３種の物理量に集約することができる。よって、内燃機関の機能に関する要求はトルク、効率および空燃比の３種の物理量を用いて表現するのが好ましい。

なお、ドライバビリティに関する要求は、例えば、トルクや効率で表現することができる。排気ガスに関する要求は、例えば、効率や空燃比で表現することができる。燃料消費に関する要求は、例えば、効率や空燃比で表現することができる。

一方、内燃機関の備える複数のアクチュエータとしては、例えば火花点火式の内燃機関の場合、その吸入空気量を調整するスロットルバルブ、点火時期を調整可能なイグナイタ、燃料噴射量を調整可能なインジェクタ、および、このインジェクタに燃料を供給する燃料ポンプなどが挙げられる。吸入空気量、点火時期および燃料噴射量の制御によって内燃機関の各機能に関する要求を容易に実現することができるからである。

それらのアクチュエータの制御量は、基本的には前記の如くアクチュエータ毎に集約して調停するのであるが、アクチュエータ調停階層には、２以上のアクチュエータの制御量の調停を互いに関連づけて一体的に行う一体調停部を設けてもよい。一体的に調停するためには、例えば制御プログラムの同じ処理ステップで調停を行うようにすればよく、こうすることで、２以上のアクチュエータの制御量の調停の同時性を確保できる。

例えば前記複数のアクチュエータに、内燃機関へ燃料を噴射供給するインジェクタと、このインジェクタに燃料を供給する燃料ポンプと、が含まれている場合、前記一体調停部は、前記インジェクタの制御量と前記燃料ポンプの制御量とを互いに関連づけて調停する噴射機能調停部とすればよい。こうすれば、燃焼室における混合気の形成ひいてはその燃焼性に大きな影響を及ぼす噴射量、噴射時期および燃圧などの制御の同時性を確保して、良好な混合気形成をより確実に実現できる。

一例として噴射機能調停部は、前記インジェクタの動作を停止させるようにその制御量を調停する際に、これに関連づけて前記燃料ポンプの動作を停止させるようにその制御量を調停する構成としてもよい。こうすれば、例えば車両の停止に伴い自動的に内燃機関の運転を停止させる場合に、燃料噴射を停止させるのと同時に燃料ポンプの動作を停止させることができ、ポンプ駆動ロスの低減によって燃費の改善が図られる。

また、前記インジェクタが燃焼室に直接、燃料を噴射するものであり、前記燃料ポンプがインジェクタに所定以上の高圧の燃料を供給可能な高圧ポンプである場合に、噴射機能調停部は、内燃機関の気筒の圧縮行程で前記インジェクタを動作させるようにその制御量を調停する際に、これに関連づけて前記高圧ポンプによって燃料の圧力を上昇させるようにその制御量を調停する構成としてもよい。

こうすれば、気筒内が高圧になる圧縮行程で燃料を噴射するときには、高圧ポンプによって燃料の圧力を上昇させて良好な混合気形成が実現できる一方、圧縮行程で燃料を噴射しないときには燃料の圧力は相対的に低くすることで、ポンプ駆動ロスを低減し燃費の改善が図られる。

加えて、前記複数のアクチュエータに、内燃機関の点火時期を調整可能なイグナイタが含まれている場合、前記アクチュエータ量調停部として、前記イグナイタによる点火時期を調停する点火時期調停部とは別に、前記イグナイタによる点火を停止させる点火カット調停部を備えることが好ましい。

こうすれば、フェールセーフや部品保護などの要求に応じて点火を停止させる処理を高速化するために、点火時期調停部とは別の点火カット調停部の演算処理だけ高速化すればよいので、点火時期調停部の演算処理も高速化するのに比べて演算負荷を軽減することができる。

同様に前記複数のアクチュエータに、内燃機関へ燃料を噴射供給するインジェクタが含まれている場合は、前記アクチュエータ量調停部として、前記インジェクタの制御量を調停するインジェクタ制御調停部とは別に、前記インジェクタの動作を停止させるように制御量を調停する噴射カット調停部を備えることが好ましい。

こうすれば、フェールセーフなどの要求に応じて燃料噴射を停止させる処理を高速化するために、インジェクタ制御調停部とは別の噴射カット調停部の演算処理だけ高速化すればよいので、インジェクタ制御調停部の演算処理も高速化するのに比べて演算負荷を軽減できる。噴射カット調停部の演算処理を高速化すれば、燃料噴射を一旦、停止した後に復帰する際の処理も高速化され、エンストの防止に有利になる。

本発明によれば、要求発生階層から下位の物理量調停階層、制御量設定階層および制御量調停階層まで一方向に信号を伝達することで、制御演算負荷の低減が図られる。また、例えばドライバビリティ、排気ガスおよび燃費といった内燃機関の基本的な機能要求を物理量で表現し、物理量調停階層で調停することにより、その基本的な要求がバランス良く満たされるような好適な制御を実現できる。

さらに、例えばフェールセーフや始動、或いはインジェクタの動作などの要求は、前記物理量調停階層を介さずに制御量調停階層に伝達して調停することにより、即ち、物理量調停と制御量調停のうち適した調停に要求を振り分けて処理することによって、制御の演算負荷を徒に増大させることなく、内燃機関の各種機能に関する要求を好適に実現することができる。

本発明の実施の形態に係る内燃機関の一例を示す構成図である。 実施の形態に係るＥＣＵの一例を示す構成図である。 実施の形態としての制御装置の階層構造を示すブロック図である。 実施の形態における始動要求の調停の一例を示すブロック図である。 フェールセーフおよび部品保護の要求の調停に係る図４相当図である。 噴射機能調停の一例としてマルチ噴射の要求について示す図４相当図である。 噴射停止時に低圧ポンプの動作を停止させる要求についての図４相当図である。 触媒急速暖機の要求についての図４相当図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、実施の形態では、本発明の制御装置を自動車に搭載される内燃機関（以下、エンジンという）、特に、火花点火式のエンジンに適用した場合について説明する。

［エンジンの構成例］
以下に、まず図１を参照して、実施形態に係る火花点火式エンジン１の構成の一例を説明する。図にはエンジン１の本体部分における１つの気筒２の構成のみを示しているが、エンジン１は例えば直列４気筒エンジンであって、シリンダブロック１ａに形成された気筒２内には、図の上下方向に往復動するようにピストン３が収容されている。シリンダブロック１ａの上部にはシリンダヘッド１ｂが組み付けられ、その下面とピストン３の上面との間が燃焼室となる。

ピストン３はコネクティングロッド４を介してクランクシャフト５に連結されていて、クランクシャフト５は、シリンダブロック１ａの下部のクランクケースに収容されている。クランクシャフト５にはロータ３０１ａが取り付けられ、その側方近傍には例えば電磁ピックアップからなるクランクポジションセンサ３０１が配設されている。クランクポジションセンサ３０１は、ロータ３０１ａの外周の歯が通過する際にパルス信号を出力する。この信号からエンジン回転数を算出することができる。

また、シリンダブロック１ａの側壁には気筒２を取り囲むようにウォータジャケットが形成され、ここにはエンジン冷却水ｗの温度を検出するように水温センサ３０３が配設されている。シリンダブロック１ａの下部は下方に向かって拡大されてクランクケースの上半分を構成し、その下方には、クランクケースの下半分を構成するようにオイルパン１ｃが取り付けられている。オイルパン１ｃには、エンジン各部に供給される潤滑油（エンジンオイル）が貯留されている。

一方、シリンダヘッド１ｂには気筒２内の燃焼室に臨むように点火プラグ６が配設されていて、その電極にはイグナイタ７から高電圧が供給されるようになっている。こうして高電圧を供給し点火プラグ６に通電するタイミング、即ちエンジン１の点火時期はイグナイタ７によって調整される。つまり、イグナイタ７は、エンジン１の点火時期を調整可能なアクチュエータであり、後述するＥＣＵ（Electronic Control Unit）５００によって制御される。

また、シリンダヘッド１ｂには、気筒２内の燃焼室に臨んでそれぞれ開口するように、吸気ポート１１ａおよび排気ポート１２ａが形成されている。吸気ポート１１ａには吸気マニホールド１１ｂが連通していて、吸気通路１１における吸気の流れの下流側を構成している。また、排気ポート１２ａには排気マニホールド１２ｂが連通していて、排気通路１２における排気ガスの流れの上流側を構成している。

吸気通路１１の上流側には、図示は省略のエアクリーナの近傍に、吸入空気量を検出するエアフロメータ３０４（図２を参照）が配設され、その下流側に吸入空気量を調整するためのスロットルバルブ８が配設されている。また、吸気通路１１（吸気マニホールド１１ｂ）には、エンジン１に吸入される前の空気の温度（吸気温）を検出する吸気温センサ３０７（図２を参照）も配設されている。

この例ではスロットルバルブ８は、図外のアクセルペダルとの機械的な連結が切り離されていて、電動のスロットルモータ８ａにより駆動されて、その開度が調整される。スロットル開度を検出するスロットル開度センサ３０５からの信号は、後述するＥＣＵ５００に送信される。ＥＣＵ５００は、エンジン１の運転状態に応じて好適な吸入空気量が得られるように、スロットルモータ８ａを制御する。つまり、スロットルバルブ８は、エンジン１の吸入空気量を調整する（内燃機関の動作に関わる）アクチュエータである。

前記のように燃焼室に臨む吸気ポート１１ａの開口は吸気バルブ１３によって開閉され、これにより吸気通路１１と燃焼室とが連通または遮断される。同様に排気ポート１２ａの開口は排気バルブ１４によって開閉され、これにより排気通路１２と燃焼室とが連通または遮断される。これら吸排気バルブ１３，１４の開閉駆動は、クランクシャフト５の回転がタイミングチェーンなどを介して伝達される吸気および排気の各カムシャフト１５，１６によって行われる。

この例では吸気カムシャフト１５の近傍に、特定の気筒２のピストン３が圧縮上死点に達したときにパルス信号を発生するカムポジションセンサ３０２が設けられている。カムポジションセンサ３０２は例えば電磁ピックアップからなり、前記のクランクポジションセンサ３０１と同様に、吸気カムシャフト１５に設けられたロータの回転に伴いパルス信号を出力する。

また、排気通路１２において排気マニホールド１２ｂの下流には、一例として三元触媒からなる触媒１７が配設されている。この触媒１７においては、気筒２内の燃焼室から排気通路１２に排気された排気ガス中のＣＯ、ＨＣの酸化およびＮＯｘの還元が行われ、それらを無害なＣＯ₂、Ｈ₂Ｏ、Ｎ₂とすることで排気ガスの浄化が図られる。

この例では触媒１７の上流側の排気通路１２に空燃比（Ａ／Ｆ）センサ３０９が配設され、触媒１７の下流側の排気通路１２には、排気温センサ３０８と、Ｏ₂センサ３１０とが配設されている。

−燃料噴射系−
次に、エンジン１の燃料噴射系について説明する。

エンジン１の各気筒２には、それぞれ燃焼室内に直接、燃料を噴射するように筒内噴射用インジェクタ２１が配設されている。４つの気筒２のそれぞれの筒内噴射用インジェクタ２１は共通の高圧燃料用デリバリパイプ２０に接続されている。また、エンジン１の吸気通路１１には、各吸気ポート１１ａ内に燃料を噴射するようにポート噴射用インジェクタ２２が配設されている。ポート噴射用インジェクタ２２も４つの気筒２にそれぞれ設けられ、共通の低圧燃料用デリバリパイプ２３に接続されている。

前記高圧燃料用デリバリパイプ２０および低圧燃料用デリバリパイプ２３への燃料供給は、燃料ポンプである低圧ポンプ２４および高圧ポンプ２５（以下、単に燃料ポンプ２４，２５ともいう）によって行われる。低圧ポンプ２４は、燃料タンク２６内の燃料を汲み上げて、低圧燃料用デリバリパイプ２３および高圧ポンプ２５に供給する。高圧ポンプ２５は、供給される低圧の燃料を所定以上の高圧にまで加圧して、高圧燃料用デリバリパイプ２０に供給する。

この例では高圧燃料用デリバリパイプ２０に、筒内噴射用インジェクタ２１に供給する高圧燃料の圧力（燃圧）を検出するための高圧燃料用燃圧センサ３１１（図２を参照）が配設され、低圧燃料用デリバリパイプ２３には、ポート噴射用インジェクタ２２に供給する低圧燃料の圧力（燃圧）を検出するための低圧燃料用燃圧センサ３１２（図２を参照）が配設されている。

筒内噴射用インジェクタ２１およびポート噴射用インジェクタ２２は、いずれも所定電圧が印加されたときに開弁して燃料を噴射する電磁駆動式のアクチュエータである。また、高圧ポンプ２５および低圧ポンプ２４は、インジェクタ２１，２２に燃料を供給するアクチュエータである。インジェクタ２１，２２の動作（噴射期間、即ち噴射量および噴射時期）および燃料ポンプ２４，２５の吐出量、吐出圧などは、後述するＥＣＵ５００によって制御される。

そして、筒内噴射用インジェクタ２１およびポート噴射用インジェクタ２２のいずれか一方または両方のインジェクタからの燃料噴射により、燃焼室内には空気と燃料ガスとの混合気が形成される。この混合気が点火プラグ６によって点火されて燃焼・爆発するときに生じた高温高圧の燃焼ガスにより、ピストン３が押し下げられてクランクシャフト５を回転させる。燃焼ガスは、排気バルブ１４の開弁に伴い排気通路１２に排出される。

−ＥＣＵ−
ＥＣＵ５００は、図２に模式的に示すように、ＣＰＵ（Central Processing Unit）５０１、ＲＯＭ（Read Only Memory）５０２、ＲＡＭ（Random Access Memory）５０３、および、バックアップＲＡＭ５０４などを備えている。

ＲＯＭ５０２は、各種制御プログラムや、それら各種制御プログラムを実行する際に参照されるマップなどが記憶されている。ＣＰＵ５０１は、ＲＯＭ５０２に記憶された各種制御プログラムやマップに基づいて各種の演算処理を実行する。また、ＲＡＭ５０３は、ＣＰＵ５０１での演算結果や各センサから入力されたデータ等を一時的に記憶するメモリであり、バックアップＲＡＭ５０４は、例えばエンジン１の停止時にその保存すべきデータ等を記憶する不揮発性のメモリである。

以上のＣＰＵ５０１、ＲＯＭ５０２、ＲＡＭ５０３およびバックアップＲＡＭ５０４は、バス５０７を介して互いに接続されるとともに、入力インターフェース５０５および出力インターフェース５０６と接続されている。

入力インターフェース５０５には、クランクポジションセンサ３０１、カムポジションセンサ３０２、水温センサ３０３、エアフロメータ３０４、スロットル開度センサ３０５、アクセル開度センサ３０６、吸気温センサ３０７、排気温センサ３０８、空燃比センサ３０９、Ｏ₂センサ３１０、高圧燃料用燃圧センサ３１１、および、低圧燃料用燃圧センサ３１２などの各種センサ類が接続されている。

また、入力インターフェース５０５にはイグニッションスイッチ３１３も接続されており、このイグニッションスイッチ３１３がオン操作されると、スタータモータ（図示せず）によるエンジン１のクランキングが開始されるようになっている。一方、出力インターフェース５０６には、点火プラグ６のイグナイタ７、スロットルバルブ８のスロットルモータ８ａ、筒内噴射用インジェクタ２１、ポート噴射用インジェクタ２２、低圧ポンプ２４、および高圧ポンプ２５などが接続されている。

そして、ＥＣＵ５００は、前記した各種センサ３０１〜３１２やスイッチ３１３からの信号などに基づいて、前記イグナイタ７による点火プラグ６の通電制御、スロットルバルブ８（スロットルモータ８ａ）の制御、インジェクタ２１，２２およびポンプ２４，２５の動作制御による燃料噴射制御などを含むエンジン１の各種制御を実行する。

これによってエンジン１の運転状態は、ドライバビリティ、排気ガスおよび燃費という基本的な機能要求がバランス良く満たされるよう、好適に制御される。つまり、ＥＣＵ５００は、エンジン１の各種の機能に関する要求を複数のアクチュエータ（イグナイタ７、スロットルバルブ８，インジェクタ２１，２２、ポンプ２４，２５など）の協調制御によって実現するものである。ＥＣＵ５００により実行される制御プログラムによって、本発明の実施形態としての内燃機関の制御装置が実現する。

［制御装置の階層構造］
次に、本実施形態の特徴である制御装置の構成、およびその特徴について詳細に説明する。図３は、制御装置の各要素をブロックで示し、ブロック間の信号の伝達を矢印で示している。この例では制御装置は、６つの階層５１０〜５６０からなる階層型の制御構造を有し、最上位には要求発生階層５１０が、その下位には物理量調停階層５２０および制御量設定階層５３０が、さらにその下位には制御量調停階層５４０およびアクチュエータ駆動量算出階層５５０が設けられ、最下位に制御出力階層５６０が設けられている。

前記の６つの階層５１０〜５６０間では信号の流れは一方向であり、最上位の要求発生階層５１０から下位の物理量調停階層５２０へ、物理量調停階層５２０から下位の制御量設定階層５３０へ、さらに制御量設定階層５３０から下位の制御量調停階層５４０へ、と信号が伝達される。また、図示は省略するが、それらの階層５１０〜５６０とは独立して各階層５１０〜５５０にそれぞれ共通の信号を並列に配信する共通信号配信系統が設けられている。

階層５１０〜５６０間を伝達される信号と、共通信号配信系統により配信される信号とには次のような違いがある。階層５１０〜５６０間を伝達される信号はエンジン１の機能に関する要求を信号化したものであり、最終的にはアクチュエータ７，８，…の制御量に変換される信号である。これに対し、共通信号配信系統によって配信される信号は、要求を発生させたり制御量を演算したりする上で必要な情報を含んだ信号である。

具体的には、共通信号配信系統により配信される信号は、エンジン１の運転条件や運転状態に関する情報（エンジン回転数、吸入空気量、推定トルク、現時点の実点火時期、冷却水温度、運転モードなど）であり、その情報源はエンジン１に設けられた各種のセンサ３０１〜３１２や制御装置内部の推定機能などである。これらの情報は各階層５１０〜５５０で共通に利用される共通エンジン情報であるので、各階層５１０〜５５０に並列に配信することとすれば、階層５１０〜５５０間の通信量を削減できるだけでなく、階層５１０〜５５０間における情報の同時性を保つこともできる。

−要求発生階層−
以下、各階層５１０〜５６０の構成と、そこで行われる処理について上位の階層から順に説明する。まず、要求発生階層５１０には、複数の要求出力部５１１〜５１８が配置されている。ここでいう要求とはエンジン１の機能に関する要求（エンジン１に求められている性能とも言える）であり、要求出力部５１１〜５１８はエンジン１の機能毎に設けられている。エンジン１の機能は種々多様であり、エンジン１に何を求めるか、何を優先するかによって、要求発生階層５１０に配置する要求出力部の内容は異なってくる。

本実施形態では、エンジン１を車両のドライバの運転操作に応じて効率良く運転するとともに、自然環境の保護という要請にも応えるべく、基本的な機能としてドライバビリティ、排気ガス、燃費をバランス良く満たすことを制御の前提としている。このため要求発生階層５１０には、まず、ドライバビリティに関する機能に対応して要求出力部５１１が設けられ、排気ガスに関する機能に対応して要求出力部５１２が設けられ、燃費に関する機能に対応して要求出力部５１３が設けられている。

なお、本実施形態では、前記３つの基本的な機能要求以外の要求として、例えば、始動要求、フェールセーフ要求、部品保護要求、ＯＢＤ要求、ノック防止要求なども考慮している。このため、図３に表れているように要求発生階層５１０には、それぞれの要求に対応する要求出力部５１４〜５１８も設けられている。これらの要求出力部５１４〜５１８について詳しくは後述する。

前記の要求出力部５１１〜５１３は、エンジン１のドライバビリティ、排気ガスおよび燃費という基本的な機能要求を数値化して出力する。アクチュエータ７，８，…の制御量は、以下に説明するように演算によって決定されるので、要求を数値化することでアクチュエータ７，８，…の制御量に要求を反映させることが可能になる。本実施形態では、前記の基本的な機能要求については、エンジン１の動作に係る物理量で表現する。

その物理量としてはトルク、効率および空燃比の３種のみを用いる。エンジン１の出力（広義の出力）は主としてトルク、熱、排気ガス（熱と成分）ということができ、これらの出力は上述のドライバビリティ、排気ガス、燃費といった機能に関係している。そして、これらの出力を制御するためにはトルク、効率および空燃比の３種の物理量を決めればよいので、これら３種の物理量を用いて要求を表現し、アクチュエータ７，８，…の動作を制御することで、エンジン１の出力に要求を反映させることが可能になる。

図３では、一例として要求出力部５１１が、ドライバビリティに関する要求（ドラビリ要求）をトルクや効率で表現した要求値として出力している（図に実線の矢印で示す）。例えば、要求が車両の加速であれば、その要求はトルクによって表現することができる。要求がエンストの防止であれば、その要求は効率（効率アップ）によって表現することができる。

また、要求出力部５１２は、排気ガスに関する要求を効率や空燃比で表現した要求値として出力している（図に実線の矢印で示す）。例えば、要求が触媒１７の暖機であれば、その要求は効率（効率ダウン）によって表現することができるし、空燃比によっても表現することができる。効率ダウンによれば、排気ガス温度を高めることができ、空燃比によれば、触媒１７で反応がしやすい雰囲気にすることができる。

さらに、要求出力部５１３は、燃費に関する要求を効率や空燃比で表現した要求値として出力している（図に実線の矢印で示す）。例えば、要求が燃焼効率の上昇であれば、その要求は効率（効率アップ）によって表現することができる。要求がポンピングロスの低減であれば、その要求は空燃比（リーンバーン）によって表現することができる。

なお、前記のように各要求出力部５１１〜５１３からそれぞれ出力される要求値は、各物理量につき１つには限定されない。一例として、要求出力部５１１からは、ドライバからの要求トルク（アクセル開度から計算されるトルク）だけでなく、ＶＳＣ（Vehicle Stability Control system）、ＴＲＣ（Traction Control System）、ＡＢＳ（Antilock Brake System）、トランスミッション等の車両制御にかかる各種デバイスから要求されるトルクも同時に出力されている。効率に関しても同様である。

また、図３に点線の矢印で示すように、本実施形態では要求出力部５１２，５１３は、アクチュエータ７，８，…の動作に関わる特定の要求について、当該アクチュエータ７，８，…の制御量で表現した要求値として出力している。これについては後述する。

要求発生階層５１０には共通信号配信系統から共通エンジン情報が配信されている。各要求出力部５１１〜５１３では、共通エンジン情報を参照して出力すべき要求値を決定している。エンジン１の運転条件や運転状態によって要求の内容が変わるからである。例えば排気温センサ３０８により触媒温度が測定されている場合、要求出力部５１２では、その温度情報に基づいて触媒１７の暖機の必要性を判定し、判定結果に応じて効率要求値や空燃比要求値を出力する。

さて、上述のように、要求発生階層５１０の要求出力部５１１〜５１３からは、トルク、効率或いは空燃比で表現された複数の要求が出力されるが、それらの要求を全て同時に且つ完全に実現することはできない。複数のトルク要求があったとしても実現できるトルクは１つだからである。同様に、複数の効率要求に対して実現できる効率は１つであり、複数の空燃比要求に対して実現できる空燃比は１つである。このため、要求の調停という処理が必要となる。

−物理量調停階層−
物理量調停階層５２０では、要求発生階層５１０から出力される要求値の調停が行なわれる。物理量調停階層５２０には、要求の分類である物理量毎に調停部５２１〜５２３が設けられている。調停部５２１はトルクで表現された要求値を集約して１つのトルク要求値に調停する。調停部５２２は効率で表現された要求値を集約して１つの効率要求値に調停する。そして、調停部５２３は空燃比で表現された要求値を集約して１つの空燃比要求値に調停する。

これらの各調停部５２１〜５２３は、予め定められた規則に従って調停を行なう。ここでいう規則とは、例えば最大値選択、最小値選択、平均、或いは重ね合わせなど、複数の数値から１つの数値を得るための計算規則であり、それら複数の計算規則を適宜に組み合わせたものとすることもできる。但し、どのような規則とするかは設計に委ねられるものであって、本発明に関しては規則の内容に限定はない。

また、物理量調停階層５２０にも共通信号配信系統から共通エンジン情報が配信されており、各調停部５２１〜５２３において共通エンジン情報を利用することは可能である。例えば、エンジン１の運転条件や運転状態によって調停の規則を変更することができるが、以下に説明するように、エンジン１の実現可能範囲を考慮して規則を変更することは行なわない。

なお、調停部５２１〜５２３においては、エンジン１が実際に実現することができる上限トルクや下限トルクを調停に加味していない。また、他の調停部５２１〜５２３の調停結果も調停に加味していない。つまり、各調停部５２１〜５２３はそれぞれ、エンジン１の実現可能範囲の上下限や他の調停部の調停結果は加味せずに調停を行なっている。このことも制御の演算負荷の軽減に寄与している。

以上のように各調停部５２１〜５２３にて調停が行なわれることで、物理量調停階層５２０からは１つのトルク要求値と、１つの効率要求値と、１つの空燃比要求値とが出力される。そして、その下位の階層である制御量設定階層５３０では、これら調停されたトルク要求値、効率要求値および空燃比要求値に基づいて各アクチュエータ７，８，…の制御量が設定される。

−制御量設定階層−
本実施形態では、制御量設定階層５３０に１つの調整変換部５３１が設けられ、まず、物理量調停階層５２０にて調停されたトルク要求値、効率要求値および空燃比要求値の大きさを調整する。前述のように物理量調停階層５２０ではエンジン１の実現可能範囲は調停に加味されていないため、各要求値の大きさによっては、エンジン１を適正に運転できない可能性がある。そこで、調整変換部５３１は、エンジン１の適正運転が可能になるように各要求値を相互の関係に基づいて調整する。

制御量設定階層５３０よりも上位の階層では、トルク要求値、効率要求値および空燃比要求値はそれぞれが独立に演算され、演算に係る要素間で演算値が相互に使用されたり参照されたりすることはなかった。つまり、制御量設定階層５３０において初めてトルク要求値、効率要求値、空燃比要求値が相互に参照されることになる。調整対象はトルク要求値、効率要求値および空燃比要求値の３つに限定されるので、調整に要する演算負荷は小さくて済む。

前記の調整をどのように行なうかは設計に委ねられるものであって、本発明に関しては調整の内容に限定はない。但し、トルク要求値、効率要求値および空燃比要求値の間に優先順位がある場合には、より優先順位の低い要求値を調整（修正）するのが好ましい。例えば、優先順位が高い要求値は、できるだけそのままアクチュエータ７，８，…の制御量に反映し、優先順位が低い要求値は調整した上でアクチュエータ７，８，…の制御量に反映する。

こうすれば、エンジン１の適正運転が可能な範囲内で、優先順位が高い要求を十分に実現しつつ、優先順位が低い要求も或る程度は実現することができる。一例として、トルク要求値が最も優先順位が高い場合には、効率要求値と空燃比要求値とを修正し、そのうちより優先順位が低いほうの修正度合いを大きくする。エンジン１の運転条件等によって優先順位が変わるのであれば、共通信号配信系統から配信される共通エンジン情報に基づいて優先順位を判定し、どの要求値を修正するのか決定すればよい。

また、制御量設定階層５３０では、物理量調停階層５２０から入力される要求値と、共通信号配信系統から配信される共通エンジン情報とを用いて新たな信号を生成する。例えば、調停部５２１にて調停されたトルク要求値と、共通エンジン情報に含まれる推定トルクとの比が除算部（図示せず）にて演算される。推定トルクは、現在の吸入空気量および空燃比のもと点火時期をＭＢＴとした場合に出力されるトルクである。推定トルクの演算は制御装置の別のタスクにて行なわれている。

詳しい説明は省略するが、前記のようにトルク要求値の優先順位が最も高い場合には、以上の処理の結果として制御量設定階層５３０において、トルク要求値、修正された効率要求値、修正された空燃比要求値、およびトルク効率が算出される。これらの信号のうちトルク要求値および修正された効率要求値からスロットル開度が算出（変換）されて、制御量調停階層５４０に伝達される。

具体的には、まず、修正された効率要求値でトルク要求値が除算される。修正された効率要求値は１以下の値なので、これによりトルク要求値を除算すれば、トルク要求値は嵩上げされることになる。こうして嵩上げされたトルク要求値が空気量に変換され、空気量からスロットル開度が演算される。なお、トルク要求値の空気量への変換、および空気量からのスロットル開度の演算は、予め設定したマップを参照して行われる。

また、点火時期については主にトルク効率から算出（変換）される。この際、トルク要求値や修正された空燃比要求値も参照信号として用いられる。具体的にはトルク効率からマップを参照して、ＭＢＴに対する遅角量が演算される。トルク効率が小さいほど遅角量は大きい値になり、結果、トルクダウンが行われることになる。前記のトルク要求値の嵩上げは、遅角によるトルクダウンを補償するための処理である。

本実施形態では、トルク効率に基づく点火時期の遅角と、効率要求値に基づいたトルク要求値の嵩上げとによって、トルク要求値と効率要求値の双方の実現を可能にしている。なお、前記のトルク要求値および修正された空燃比要求値は、トルク効率を遅角量に変換するためのマップの選定に用いられる。そして、遅角量とＭＢＴ（或いは基本点火時期）とから最終的な点火時期が演算される。

さらに、修正された空燃比要求値とエンジン１の気筒２内への吸入空気量とから燃料噴射量が演算される。吸入空気量は共通エンジン情報に含まれており、共通信号配信系統から調整変換部５３１に配信される。

以上の処理の結果として、制御量設定階層５３０（調整変換部５３１）から制御量調停階層５４０に伝達される信号は、スロットル開度の要求値、点火時期の要求値および燃料噴射量の要求値となる。これらの信号はそれぞれ、制御量調停階層５４０の調停部５４１，５４２，５４５に入力されて、詳しくは後述するように調停される。

−制御量調停階層−
一例として図３に示すように制御量調停階層５４０には、要求の分類であるアクチュエータ７，８，…の制御量毎に調停部５４１〜５４５（５４５ａ〜５４５ｃ）が設けられている。図示の例では調停部５４１は、スロットル開度の要求値を集約して１つの要求値に調停する。また、調停部５４２は、点火時期の要求値を集約して１つの要求値に調停する。さらに調停部５４３は点火の停止（点火カット）を表す要求値を調停し、調停部５４４は燃料噴射の停止（噴射カット）を表す要求値を調停する。

さらにまた、調停部５４５は、燃料噴射に関連する複数の制御量の要求値を一括して調停する。図示の例では調停部５４５は、インジェクタ２１，２２の制御量を調停する調停部５４５ａ（インジェクタ制御量調停部）と、低圧ポンプ２４の制御量を調停する調停部５４５ｂと、高圧ポンプ２５の制御量を調停する調停部５４５ｃとが一体的に組み合わされた噴射機能調停部（一体調停部）である。

こうしてインジェクタ２１，２２、低圧ポンプ２４、高圧ポンプ２５といった複数のアクチュエータの制御量の調停を互いに関連づけて一体的に行うために、噴射機能調停部５４５は、例えば制御プログラムの同じ処理ステップにおいて、３つの調停部５４５ａ，５４５ｂ，調停部５４５ｃの機能を実現するように構成されている。こうすると、インジェクタ２１，２２、低圧ポンプ２４および高圧ポンプ２５の制御量の調停の同時性を確保することができる。

前記の各調停部５４１〜５４５（５４５ａ〜５４５ｃ）も、物理量調停階層５２０の各調停部５２１〜５２３と同様に、予め定められた規則に従って調停を行なう。その規則については設計に委ねられるもので、本発明に関しては規則の内容に限定はない。但し、制御量調停階層５４０で行われる調停の場合は、伝達される信号の要求に予め優先順位が設定されており、詳しくは後述するが、その優先順位に基づいて調停が行われる。なお、制御量調停階層５４０にも共通信号配信系統から共通エンジン情報が配信されており、各調停部５４１〜５４５において共通エンジン情報を利用することができる。

以上のように各調停部５４１〜５４５にて調停が行なわれ、制御量調停階層５４０からは１つのスロットル開度要求値と、１つの点火時期要求値（または点火カット要求値）と、１組のインジェクタ２１，２２についての１組の噴射量要求値（または噴射カット要求値）および１組の噴射時期要求値と、１つの低圧ポンプ吐出量要求値と、１つの高圧ポンプ吐出圧要求値と、が出力される。

−アクチュエータ駆動量算出階層および制御出力階層−
制御量調停階層５４０の下位の階層であるアクチュエータ駆動量算出階層５５０では、前記の各要求値に基づき必要に応じて、アクチュエータ７，８，…の各制御量が算出される。図示の例では、制御量調停階層５４０の噴射機能調停部５４５（５４５ａ）から伝達される噴射量要求値から算出部５５１において噴射量（噴射期間）が算出される。また、同調停部５４５ｂから伝達される低圧ポンプ吐出量要求値から算出部５５２において低圧ポンプ駆動デューティが算出され、同調停部５４５ｃから伝達される高圧ポンプ燃圧要求値から算出部５５３において高圧ポンプ吐出量が算出される。

そして、最下位の制御出力階層５６０には、前記アクチュエータ駆動量算出階層５５０から伝達される信号に対応して制御出力部５６１〜５６５が設けられている。制御出力部５６１（スロットル駆動制御部）にはスロットル開度要求値が伝達され、これに応じてスロットル駆動信号が出力される。制御出力部５６２（イグナイタ通電制御部）には点火時期要求値または点火カット要求値が伝達され、これに応じてイグナイタ通電信号が出力される。

また、制御出力部５６３（インジェクタ駆動制御部）には、噴射量および噴射時期の要求値または噴射カット要求値が伝達され、これらに応じてインジェクタ駆動信号が出力される。制御出力部５６４（低圧ポンプ駆動制御部）には低圧ポンプ駆動デューティが伝達され、これに応じて低圧ポンプ駆動信号が出力される。制御出力部５６５（高圧ポンプ駆動制御部）には高圧ポンプ吐出量の要求値が伝達され、これに応じて高圧ポンプ駆動信号が出力される。

−アクチュエータの制御量の調停−
次に、上述した制御量調停階層５４０におけるアクチュエータの制御量の調停について、図３の他に図４〜６も参照して具体的に説明する。上述したように本実施形態の制御装置では、ドライバビリティ、排気ガスおよび燃費というエンジン１の基本的な機能要求をトルク、効率および空燃比という３種の物理量の組み合わせによって表現し、物理量調停階層５２０にて調停することで、エンジン１をその基本的な機能要求がバランス良く満たされるような好適な運転状態とすることができる。

しかしながら、エンジン１に要求される機能には、ドライバビリティ、排気ガスおよび燃費という基本的な機能以外にも、例えばフェールセーフなどの緊急性の高い要求があり、また、始動やＯＢＤなど特定の状況のみでの要求もあり、さらに、インジェクタ２１，２２の動作など制御量そのものの要求もある。これらの機能は、トルク、効率および空燃比という３種の物理量で表現して調停するという手法には馴染まない。

例えば、フェールセーフや部品保護といった緊急性の高い要求に応じて運転状態を変更する場合には、可能な限り高速で処理を行わなくてはならないところ、そのような要求を一旦、トルクや効率、空燃比の要求値に置き換えて調停した上で、イグナイタ７やインジェクタ２１，２２などのアクチュエータの制御量を設定するのでは、余計な演算負荷が生じてしまい、処理の高速化には不利になる。

すなわち、例えばエンジン回転数の上昇を抑えるために吸入空気量を制限するのであれば、単純にスロットル開度（スロットルバルブ８の制御量）を制限すれば済むので、これを一旦、トルクなどの物理量に変換した上で物理量調停階層５２０で調停し、調停した要求値に基づいて再度、スロットル開度を計算し直すのでは、余計な計算を行うことになるからである。

また、エンジン１にはその通常の運転状態以外に例えば始動、停止やＯＢＤというような特定の状況のみでの要求もあるが、これらの要求も単純にスロットル開度や燃料噴射量、点火時期などの制御のシーケンスで表現すれば済むので、わざわざトルクなどの物理量で表現した上で調停することの意義は小さく、こうすると、前記のフェールセーフなどと同じく余計な演算負荷が生じることとなる。

さらに、本実施形態のエンジン１では、筒内噴射用インジェクタ２１から気筒２内の燃焼室へ燃料を直接、噴射することができるので、噴射制御の自由度が高く、良好な混合気形成のためには噴射時期や噴射回数などを適宜、変更したいという要求もある。この噴射時期や噴射回数などはインジェクタ２１，２２の動作、即ちインジェクタ２１，２２の制御量そのものであるから、これをトルクなどの物理量によって表現するよりも直接、制御量として設定する方が演算負荷は軽くなる。

このような観点から本実施形態では、上述した図３に表れているように、要求発生階層５１０に例えば始動要求、フェールセーフ要求、部品保護要求、ＯＢＤ要求、ノック防止要求などにそれぞれ対応する要求出力部５１４〜５１８を設けている。そして、これらの要求出力部５１４〜５１８からはそれぞれ要求を物理量ではなく、アクチュエータ７，８，…の制御量で表現した要求値として出力する。

これらの要求値の信号は、図３に点線の矢印で示すように物理量調停階層５２０や制御量設定階層５３０を介さず、直接的に制御量調停階層５４０に伝達される。そして、これらの要求値が、上述したように制御量設定階層５３０から制御量調停階層５４０に伝達されるスロットル開度、点火時期または燃料噴射量の要求値とともに各制御量毎に集約されて、制御量調停階層５４０の各調停部５４１〜５４５により制御量毎に１つの要求値に調停される。

具体的には、図４にも示すように要求発生階層５１０の始動の要求出力部５１４からの信号は、制御量調停階層５４０のスロットル開度要求の調停部５４１と、点火時期要求の調停部５４２と、噴射機能調停部５４５（５４５ａ、５４５ｂ、５４５ｃ）とへ伝達される。また、図５にも示すように、フェールセーフの要求出力部５１５からの信号は、点火カット要求の調停部５４３と、噴射カット要求の調停部５４４とへ伝達される。

同じく図５にも示すように、部品保護の要求出力部５１６からの信号は、点火カット要求の調停部５４３と、噴射カット要求の調停部５４４と、噴射機能調停部５４５（５４５ａ）とへ伝達される。また、図３に点線の矢印で示すようにＯＢＤの要求出力部５１７からの信号と、ノック防止の要求出力部５１８からの信号とはそれぞれ、噴射機能調停部５４５（５４５ａ）へ伝達される。

さらに、図３には点線の矢印で示すとともに、図６にも示すように要求発生階層５１０の排気ガスの要求出力部５１２および燃費の要求出力部５１３からも、インジェクタ２１，２２や燃料ポンプ２４，２５の動作などに関わる特定の要求（後述するマルチ噴射など）についての信号が、物理量調停階層５２０を介さず直接的に制御量調停階層５４０に伝達される。そして、詳しくは後述する噴射機能調停部５４５などで調停される。

本実施形態では、前記の要求出力部５１４〜５１８からの信号には予め優先順位が設定されている。一例として優先順位は、エンジン１の停止中であれば始動要求が１番高いが、始動後のエンジン運転中であればフェールセーフ要求が１番高く、以下、部品保護、ＯＢＤ、ノック防止の要求順に優先順位が高く設定されている。また、それらの要求はいずれも運転中の基本的な要求（ドライバビリティ、排気ガスおよび燃費）よりも優先順位が高く設定されている。

−始動制御−
例えば、イグニッションスイッチ３１３の操作に応じて要求発生階層５１０の要求出力部５１４で始動要求が発生すると、図４に示すように、アクチュエータの制御量で表現された要求値、即ち、エンジン始動のための始動時スロットル開度、始動時点火時期、始動時噴射量および噴射時期（インジェクタ２１，２２の動作）、始動時燃料流量（低圧ポンプ２４の吐出量）、始動時燃圧（高圧ポンプ２５の吐出圧）などの要求値が生成されて、それぞれ制御量調停階層５４０の調停部５４１，５４２，５４５（５４５ａ、５４５ｂ、５４５ｃ）へと伝達される。

これらの要求値は、予め設定された始動制御のシーケンスに従ってイグナイタ７、スロットルバルブ８、インジェクタ２１，２２、低圧ポンプ２４および高圧ポンプ２５などのアクチュエータを動作させるものである。そして、これらの要求値の信号を受けた各調停部５４１，５４２，５４５（５４５ａ、５４５ｂ、５４５ｃ）では、それぞれ始動制御のための要求値を選択して出力する。そして、例えば調停部５４１からスロットル開度の要求値が伝達される制御出力部５６１は、スロットル駆動信号を出力し、調停部５４２から点火時期の要求値が伝達される制御出力部５６２は、イグナイタ通電信号を出力する。

また、噴射機能調停部５４５から噴射量の要求値を受けて算出部５５１から噴射量（噴射期間）の信号が出力され、この信号が伝達される制御出力部５６３はインジェクタ駆動信号を出力する。さらに、低圧ポンプ２４の吐出量の要求値を受けた算出部５５２から駆動デューティの信号が出力され、これが伝達される制御出力部５６４は、低圧ポンプ駆動信号を出力する。高圧ポンプ２５の吐出圧の要求値を受けた算出部５５３から燃圧要求値の信号が出力され、これが伝達される制御出力部５６５は、高圧ポンプ駆動信号を出力する。これにより好適なエンジン始動制御が実行される。

一例として本実施形態では、エンジン１の始動応答性を高めるために、失火の虞がある極低温時を除いて始動時の最初の所定燃焼サイクルは、筒内噴射用インジェクタ２１により気筒２の圧縮行程で燃料を噴射させ、いわゆる成層燃焼状態とする（ポート噴射用インジェクタ２２からも燃料を噴射させるようにしてもよい）。このため、低圧ポンプ２４の動作により燃料をインジェクタ２１，２２に供給するだけでなく、高圧ポンプ２５からの燃料の吐出圧力を所定以上に上昇させるようにしている。

その際、インジェクタ２１，２２へ燃料を供給する配管中に気泡があると、高圧ポンプ２５の最初の１、２回転では燃料が送り出されず、始動応答性が低下することがあるので、予め低圧ポンプ２４を動作させるようにする。例えば、車両の電源オンで先に低圧ポンプ２４の吐出量要求の信号が出力され、その後にイグニッションオンでスロットル開度、点火時期、インジェクタ動作、および高圧ポンプ２５の吐出圧要求が出力される。

これにより、エンジン１の始動制御が始まる前に低圧ポンプ２４の動作が開始され、配管中の燃料の圧力が上昇して気泡が消滅する。よって、その後に高圧ポンプ２５の回転が開始されるのと同時に、燃料が高圧燃料用デリバリパイプ２０から筒内噴射用インジェクタ２１に供給され、燃料噴射が行われるようになって、始動応答性の向上が図られる。

−フェールセーフおよび部品保護−
また、例えばエンジン１の運転中に何らかの故障が検出されたり、部品の過度の温度上昇が検出されたりすると、要求発生階層５１０の要求出力部５１５、５１６などでフェールセーフ要求や部品保護要求が発生する。そして、図５に示すように、一時的にエンジン１の運転を停止させるためのアクチュエータ制御量で表現された要求値、即ち、点火カットおよび噴射カットの要求値がそれぞれ制御量調停階層５４０の各調停部５４３，５４４へと伝達される。

これらの要求値は優先順位が高いので、各調停部５４３，５４４からは点火カット要求値および噴射カット要求値が出力され、この信号が伝達される制御出力階層５６０の制御出力部５６２（イグナイタ通電制御部）はイグナイタ通電信号の出力を停止するとともに、制御出力部５６３（インジェクタ駆動制御部）もインジェクタ駆動信号の出力を停止する。これにより点火プラグ６による点火およびインジェクタ２１，２２による燃料の噴射が停止され、速やかにエンジン１の運転が停止される。

なお、部品保護要求の場合はエンジン１の運転を停止させなくてもよい場合もあり、この場合は要求出力部５１６から噴射機能調停部５４５のインジェクタ２１，２２の制御量の調停部５４５ａに、燃料の噴射量を減量するような要求値が伝達される。これを受けて調停部５４５ａから伝達される噴射量要求値に基づいて噴射量の算出部５５１において噴射量が算出され、これに応じて制御出力部５６３が、燃料を減量させるようなインジェクタ駆動信号を出力する。

このように本実施形態では制御量調停階層５４０において、点火時期を調停する調停部５４２とは別に点火カットの調停部５４３を備えており、また、インジェクタ２１，２２の制御量を調停する噴射機能調停部５４５（５４５ａ）とは別に噴射カットの調停部５４４を備えている。これは、フェールセーフや部品保護などの要求に応じてエンジン１の運転を停止させるという緊急性の高い状況下で、処理を高速に実行可能とするためである。

すなわち、仮に点火時期の調停部５４１や噴射機能調停部５４５において点火カットや噴射カットの要求も調停するようにした場合、点火や燃料噴射にかかる処理の全てを高速化しなくてはならず、演算負荷が大きくなってしまう。そこで、点火カットおよび噴射カットの調停部５４３，５４４を別に設けて、その処理だけを高速化するようにしている。なお、噴射カット調停部５４４の処理を高速化すれば、燃料噴射を一旦、停止した後に復帰する際の処理も高速化され、エンストの防止に有利になる。

−ＯＢＤおよびノッキング防止−
図３に点線の矢印で示すように、例えば要求発生階層５１０の要求出力部５１７で故障診断のためのＯＢＤ要求が発生すると、イグナイタ７やスロットルバルブ８、インジェクタ２１，２２等に所定の故障診断動作を行わせるための制御量の要求値が、噴射機能調停部５４５へ伝達される。これを受けて噴射機能調停部５４５では故障診断のための要求値を選択し、アクチュエータ駆動量算出階層５５０へ信号を出力する。これによりエンジン１は所定の運転状態になり、故障診断が行われる。

また、例えばエンジン１の運転中にノッキングが検出され、要求発生階層５１０の要求出力部５１８でノック防止要求が発生すると、燃焼温度を下げるために燃料噴射量を増量させる要求値が制御量調停階層５４０の噴射機能調停部５４５へ伝達される。これを受けて噴射機能調停部５４５ではノック防止のための増量を選択し、アクチュエータ駆動量算出階層５５０へ信号を出力する。これによりノッキングの防止が図られる。なお、併せて点火時期を遅角させるようにしてもよい。

−噴射機能調停−
さらに、図６に示すように、排気ガスや燃費の要求出力部５１２、５１３からは、エンジン１の運転中に所定の条件が成立すれば、マルチ噴射（筒内噴射用およびポート噴射用の両方のインジェクタ２１，２２を動作させて、１回の燃焼サイクル中に複数回に分けて行う燃料噴射）を実行するために、インジェクタ２１，２２の動作（噴射量および噴射時期）の要求値と、燃圧を上昇させる高圧ポンプ２５の吐出圧の要求値とが出力される。

一例として、筒内噴射用インジェクタ２１の噴孔に堆積したデポジットを除去する場合、または燃料によるオイル希釈を抑制する場合などに、排気ガスの要求出力部５１２からマルチ噴射のための要求値が出力される。また、筒内噴射用インジェクタ２１のノイズが車両のドライバに聞こえ難い運転状態において、燃料噴霧の分散性を高めて燃費低減を図る場合には、燃費の要求出力部５１３からマルチ噴射のための要求値が出力される。

これらの要求値が伝達される噴射機能調停部５４５（調停部５４５ａ，５４５ｃ）は、エンジン１の運転中であって且つ前記フェールセーフや部品保護、ＯＢＤ、ノッキング防止等のための要求がなければ、マルチ噴射のための要求値、即ち筒内噴射用インジェクタ２１およびポート噴射用インジェクタ２２をそれぞれ動作させる制御量と、これに関連して高圧ポンプ２５の燃料の吐出圧を上昇させる制御量とを同時に選択（調停）する。

そして、前記の調停部５４５ａから伝達される噴射量の要求値を受けて、アクチュエータ駆動量算出階層５５０の算出部５５１が噴射量（噴射期間）を算出し、この信号が制御出力階層５６０の制御出力部５６３に伝達されるとともに、噴射時期の信号は前記調停部５４５ａから直接的に制御出力部５６３に伝達される。これを受けて制御出力部５６３が、エンジン１の１回の燃焼サイクルにおいて複数回の噴射動作を行うようにインジェクタ駆動信号を出力する。

また、調停部５４５ｃから伝達される高圧ポンプ２５の吐出量の要求値を受けて算出部５５３では、これを満たすように高圧ポンプ２５からの吐出量を調整する要求値の信号が出力される。この信号が伝達される制御出力部５６５は、吐出量を上昇させるような高圧ポンプ駆動信号を出力する。こうして高圧ポンプ２５からの吐出量、吐出圧が増大することで、高圧燃料用デリバリパイプ２０から筒内噴射用インジェクタ２１に所定以上の高圧の燃料が供給されて、圧縮行程で高圧の気筒２内に燃料を噴射できるようになる。

また、図７に示すように所定の状態で燃費の要求出力部５１３から出力される要求によって、インジェクタ２１，２２の動作と低圧ポンプ２４の動作とが同時に停止される。すなわち、例えば車両の停車に伴いエンジン１の運転を自動的に停止させる場合に（アイドルストップ）は、燃費の要求出力部５１３からインジェクタ２１，２２による燃料の噴射量を零にする（噴射停止）要求値と、低圧ポンプ２４の吐出量を零にする（動作停止）要求値とが出力される。

これらの信号を受けて噴射機能調停部５４５の調停部５４５ａからは噴射量を零とする要求値が出力され、アクチュエータ駆動量算出階層５５０の算出部５５１からは噴射量を零とする噴射動作の信号が伝達されて、制御出力部５６３がインジェクタ２１，２２の動作を停止させるようにインジェクタ駆動信号を出力する。また、調停部５４５ｂからは低圧ポンプ２４の吐出量を零とする要求値が出力され、算出部５５２からは吐出量を零とする制御デューティの信号が出力されて、制御出力部５６４が低圧ポンプ２４の動作を停止させるように低圧ポンプ駆動信号を出力する。

こうして、エンジン１の運転を停止させる場合にインジェクタ２１，２２による燃料の噴射を停止させるとともに、低圧ポンプ２４の動作も停止させることで、低圧ポンプ２４の無駄な動作による電力消費を削減でき、エンジン１の燃費の低減に有利になる。

−触媒急速暖機−
さらに、図８に示すように、排気ガスの要求出力部５１２からは触媒急速暖機のためのスロットル開度、点火時期、燃料の噴射量および噴射時期、並びに高圧ポンプ２５の吐出圧などの要求値が物理量調停階層５２０を介さず、直接的に制御量調停階層５４０へ伝達される。通常は、触媒１７の活性化のためにその温度を上昇させるために、要求出力部５１２から物理量調停階層５２０の調停部５２２，５２３に伝達される効率の要求値が変更され、効率ダウンにより排気ガス温度が上昇する。

これに対し、エンジン１の冷間始動直後のように最短時間で触媒１７を暖機するために、排気温を最大限に上昇させようとすれば、前記の触媒暖機に比べてさらに効率をダウンさせるために、点火時期をＴＤＣ以後まで遅角させることになる。こうして点火時期を大幅に遅角させると燃焼性が悪化するので、失火の起きることを抑制するために空気量を増やし、圧縮行程で行う燃料噴射もさらに遅角させて、点火プラグ６の周りの混合気濃度を高めるようにする。

そのために、要求出力部５１２で触媒急速暖機の要求が発生すると、スロットル開度を増大させる要求値（スロットル開）、点火遅角の要求値、圧縮行程噴射の要求値、および燃圧上昇の要求値の信号が、制御量調停階層５４０の調停部５４１，５４２、５４５に伝達される。これを受けて各調停部からはスロットル開度、点火時期、インジェクタ２１，２２の動作（噴射量および噴射時期）、高圧ポンプ２５の吐出量などの要求値が出力される。

そして、調停部５４１からスロットル開度の要求値が伝達される制御出力部５６１は、スロットル開度を増大させるようにスロットル駆動信号を出力し、調停部５４２から点火時期の要求値が伝達される制御出力部５６２は、点火時期を遅角させるようにイグナイタ通電信号を出力する。また、噴射機能調停部５４５から噴射量の要求値を受けた算出部５５１から噴射量の信号が出力され、この信号が伝達される制御出力部５６３は、気筒２の圧縮行程で筒内噴射用インジェクタ２１に噴射動作を行わせるように、インジェクタ駆動信号を出力する。

さらに、噴射機能調停部５４５から高圧ポンプ２５の吐出圧の要求値を受けた算出部５５３からは、その吐出圧を得るために必要な吐出量の要求値が出力され、これを受けた制御出力部５６５は、吐出量を増大させるように高圧ポンプ駆動信号を出力する。これらの信号を受けてイグナイタ７やスロットルバルブ８、インジェクタ２１，２２、燃料ポンプ２４，２５が動作し、排気温が可及的に高くなって触媒１７の温度が急速に上昇する。点火時期の大幅な遅角による燃焼の不安定化は、吸入空気量の増量と点火プラグ６の周りの混合気のリッチ化によって抑制される。

−本実施形態の制御装置の奏する効果−
以上、説明したとおり本実施形態の制御装置では、まず、階層構造の最上位の要求発生階層５１０からその下位の物理量調停階層５２０、制御量設定階層５３０、制御量調停階層５４０を経てアクチュエータ駆動量算出階層５５０まで一方向に信号が伝達されるので、制御演算負荷の低減が図られる。

しかも、ドライバビリティ、排気ガスおよび燃費というエンジン１の基本的な機能要求をトルク、効率および空燃比という３種の物理量の組み合わせによって表現し、物理量調停階層５２０にて調停するようにしているので、それらの基本的な要求をバランス良く満たした好適な状態でエンジン１を運転することができる。

一方、フェールセーフや始動或いはマルチ噴射などの要求は、物理量調停を介さずに直接的に制御量調停階層５４０に伝達し、調停するようにしており、言い換えるとエンジン１の機能に関する各種の要求を物理量調停と制御量調停のうち、適したものに振り分けて処理することにより、制御の演算負荷を徒に増大させることなく、全ての機能要求を好適に実現することができる。

また、要求発生階層５１０から物理量調停階層５２０、制御量設定階層５３０、制御量調停階層５４０への信号の伝達は一方向であるから、制御量調停階層５４０に直接的に要求を伝達するような機能を追加する場合には、物理量調停階層５２０や制御量設定階層５３０の処理を変更する必要がない。よって、制御プログラムの変更箇所が少なく済み、工数削減に寄与するという効果もある。

さらに、本実施形態では、制御量調停階層５４０においてインジェクタ２１，２２の制御量を調停する調停部５４５ａと、燃料ポンプ２４，２５の制御量を調停する調停部５４５ｂ，５４５ｃとを一体的に組み合わせて、互いに関連づけて調停する噴射機能調停部５４５としている。これにより、燃料噴射に関わる制御量の調停の同時性を確保し、良好な混合気形成による良好な燃焼を実現できる。

また、本実施形態では、制御量調停階層５４０に点火時期の調停部５４２とは別に点火カットの調停部５４３を備え、噴射機能調停部５４５とは別に噴射カットの調停部５４４を備えて、点火カットおよび噴射カットの調停部５４３，５４４の処理だけを高速化している。これにより、制御の演算負荷の増大を抑制しながら、フェールセーフや部品保護などの処理は高速で実行できる。

−その他の実施形態−
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば前記の実施形態ではエンジン１への基本的な機能要求としてドライバビリティ、排気ガスおよび燃費の３つを挙げており、これらをトルク、効率および空燃比の３つの物理量で表現して調停するようにしているが、これに限定されることはない。

また、前記３つの物理量ではなく、アクチュエータ７，８，…の制御量で表現して調停する機能要求も、前記実施形態で挙げている始動、フェールセーフ、部品保護、ＯＢＤ、ノッキング防止などに限定されない。それ以外にも例えば、アイドルストップの際のエンジン自動停止や触媒１７の性能回復など各種機能要求が挙げられる。

また、前記の実施形態では、エンジン１の運転条件および運転状態に関する信号（共通情報）を共通信号配信系統によって配信しているが、これらも要求値とともに階層内を上位の階層から下位の階層へ配信するようにしてもよい。

さらに、エンジン１のアクチュエータも前記実施形態のイグナイタ７、スロットルバルブ８、インジェクタ２１，２２、燃料ポンプ２４，２５などに限定されない。例えば、バルブタイミング可変装置（ＶＶＴ）、バルブリフト量可変装置（ＶＶＬ）、外部ＥＧＲ装置を制御対象のアクチュエータとすることもできる。気筒停止機構や圧縮比可変機構を備えるエンジンでは、それらの機構を制御対象のアクチュエータとすることもできる。

また、モータアシスト付きターボチャージャ（ＭＡＴ）を備えるエンジンでは、ＭＡＴを制御対象のアクチュエータとして用いてもよい。オルタネータ等のエンジン補機によっても間接的にエンジン１の出力を制御することができるので、これら補機をアクチュエータとして用いることもできる。

さらにまた、前記の実施形態では、本発明の制御装置を車両に搭載される火花点火式エンジン１に適用した場合について説明したが、本発明は火花点火式エンジン１以外のエンジン、例えばディーゼルエンジンにも適用可能であり、電動機も備えたハイブリッドシステムに備わるエンジンにも適用可能である。

１ エンジン（内燃機関）
７ イグナイタ（アクチュエータ）
８ スロットルバルブ（アクチュエータ）
２１，２２ インジェクタ（アクチュエータ）
２４ 低圧ポンプ（燃料ポンプ：アクチュエータ）
２５ 高圧ポンプ（燃料ポンプ：アクチュエータ）
５００ ＥＣＵ
５１０ 要求発生階層
５１１，５１２，５１３ 要求出力部
５２０ 物理量調停階層
５２１，５２２，５２３ 調停部（物理量調停部）
５３０ 制御量設定階層
５３１ 調整変換部
５４０ 制御量調停階層
５４２ 点火時期調停部
５４３ 点火カット調停部
５４４ 噴射カット調停部
５４５ 噴射機能調停部（一体調停部）
５４５ａ 調停部（インジェクタ制御調停部）

そして、さらに前記制御量設定階層の下位に、前記要求発生階層から出力される要求値のうち前記アクチュエータの制御量で表現されたものが、前記物理量調停階層を介さずに伝達され、当該制御量で表現された要求値を前記制御量設定階層にて設定された制御量とともに、制御量毎集約して調停する制御量調停階層を設けたことを特徴とする。

さらに、例えばフェールセーフ要求や始動要求、或いはインジェクタの動作に関する要求などがアクチュエータの制御量で表現されて、前記要求発生階層から物理量調停階層や制御量設定階層を介さずに、その下位の制御量調停階層に伝達される。そして、その制御量で表現された要求値が前記制御量設定階層にて設定された制御量とともに、制御量毎に集約されて調停されることで、物理量調停に馴染まないフェールセーフやインジェクタの動作などの要求も内燃機関の制御に反映されることになる。

ここで、前記要求発生階層から物理量調停階層を介さずに制御量調停階層に伝達される要求（信号）は、前記したように内燃機関の運転中にバランス良く満たされることが求められる基本的な要求とは異なり、その基本的な要求（物理量調停階層を介して伝達される要求）に比べて優先度（例えば制御量調停階層における優先度）の高い要求であってもよいし、また、前記物理量で表現するよりもアクチュエータの制御量で表現する方が容易な要求であってもよい。

Claims (10)

1. 内燃機関の各種の機能に関する要求を、当該内燃機関の動作に関わる複数のアクチュエータを協調制御して実現する内燃機関の制御装置であって、
   前記内燃機関の機能に関する要求値を生成して出力する要求発生階層と、
   前記要求発生階層の下位に設けられ、前記要求値のうち所定の物理量で表現されたものを集約して調停する物理量調停階層と、
   前記物理量調停階層の下位に設けられ、前記の調停された要求値に基づいて前記アクチュエータの制御量を設定する制御量設定階層と、を備え、
   前記要求発生階層、物理量調停階層および制御量設定階層の順に上位の階層から下位の階層へ一方向に信号が伝達される階層型の制御構造を有しており、
   さらに前記制御量設定階層の下位には、前記要求発生階層から出力される要求値のうち前記アクチュエータの制御量で表現されたものが、前記物理量調停階層を介さずに伝達され、この要求値を制御量毎に集約して調停する制御量調停階層が設けられている、ことを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記要求発生階層から物理量調停階層を介さずに制御量調停階層に伝達される信号は、物理量調停階層を介して伝達される信号に比べて要求の優先度が高いものである、内燃機関の制御装置。
3. 請求項１または２のいずれかに記載の内燃機関の制御装置において、
   前記要求発生階層から物理量調停階層を介さずに制御量調停階層に伝達される信号は、それぞれの要求に予め優先順位が設定されたものであり、
   前記制御量調停階層では、前記優先順位を加味してアクチュエータの制御量を調停する、内燃機関の制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置において、
   前記要求発生階層には、前記内燃機関の機能に関する要求値を前記物理量で表現して出力する要求出力部と、前記アクチュエータの制御量で表現して出力する要求出力部と、がそれぞれ機能毎に設けられ、
   前記物理量調停階層には前記物理量毎に物理量調停部が設けられ、各物理量調停部は、前記要求出力部から出力された要求値のうち担当する物理量の要求値を集約して、１つの要求値に調停するように構成され、
   前記制御量設定階層は、前記物理量調停部によって調停された各要求値を相互の関係に基づいて調整して、前記複数のアクチュエータのそれぞれの制御量を設定するように構成されている、内燃機関の制御装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置において、
   前記制御量調停階層には、２以上のアクチュエータの制御量の調停を互いに関連づけて一体的に行う一体調停部が設けられている、内燃機関の制御装置。
6. 請求項５に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記複数のアクチュエータには、内燃機関へ燃料を噴射供給するインジェクタと、このインジェクタに燃料を供給する燃料ポンプと、が含まれ、
   前記一体調停部は、前記インジェクタの制御量と前記燃料ポンプの制御量とを互いに関連づけて調停する噴射機能調停部である、内燃機関の制御装置。
7. 請求項６に記載の内燃機関の制御装置において、
   前記噴射機能調停部は、前記インジェクタの動作を停止させるようにその制御量を調停する際に、これに関連づけて前記燃料ポンプの動作を停止させるようにその制御量を調停する、内燃機関の制御装置。
8. 請求項６または７のいずれかに記載の内燃機関の制御装置において、
   前記インジェクタが燃焼室に直接、燃料を噴射するものであり、
   前記燃料ポンプが、前記インジェクタに所定以上の高圧の燃料を供給可能な高圧ポンプであり、
   前記噴射機能調停部は、内燃機関の気筒の圧縮行程で前記インジェクタを動作させるようにその制御量を調停する際に、これに関連づけて前記高圧ポンプによって燃料の圧力を上昇させるようにその制御量を調停する、内燃機関の制御装置。
9. 請求項１〜８のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置において、
   前記複数のアクチュエータには内燃機関の点火時期を調整可能なイグナイタが含まれ、
   前記制御量調停階層には、前記イグナイタによる点火時期を調停する点火時期調停部と、これとは別に前記イグナイタによる点火を停止させるように制御量を調停する点火カット調停部とを備える、内燃機関の制御装置。
10. 請求項１〜９のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置において、
    前記複数のアクチュエータには内燃機関へ燃料を噴射供給するインジェクタが含まれ、
    前記制御量調停階層には、前記インジェクタの制御量を調停するインジェクタ制御調停部と、これとは別に前記インジェクタの動作を停止させるように制御量を調停する噴射カット調停部とを備える、内燃機関の制御装置。

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