JP2014202122A - 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燃料噴射に関わる要求を好適に調停し、かつ、始動時など特定の状態におけるスロットルなどの制御との同時性を確保する。【解決手段】要求発生階層５１０と、物理量調停階層５２０と、制御量設定階層５３０とを備える。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調停する制御量調停階層５４０を備える。制御量調停階層５４０には噴射機能調停部５４３を備え、第１の調停部５４３ａ（噴射制御調停部）では、少なくとも燃料の噴射回数の調停を行って、エンジン１が特定の状態にあることの識別数とともに、２つ以上の数値の組として出力する。【選択図】図４

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す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つず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、個々の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、ドライバビリティ、排気ガスおよび燃費という内燃機関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。

特開２００９−４７１０１号公報 特開２００９−４７１０２号公報

ところで、気筒内へ燃料を直接、噴射する筒内噴射用の燃料噴射弁が備わる内燃機関では、噴射制御の自由度が高いことを活かして、気筒内における良好な混合気形成のために燃料噴射の態様を適宜、変更したいという要求がある。しかし、噴射の態様というのは燃料噴射弁の動作そのものであるから、これを一旦、トルクや効率など物理量に変換して調停した上で再度、制御量に計算し直すのは、余計な演算負荷を生じさせる。

そこで、噴射の態様については物理量ではなく、燃料噴射弁の制御量（噴射制御量）として表現して調停することも考えられるが、この場合には具体的にどのように表現するかが問題になる。すなわち、噴射の態様を表す制御量は、例えば噴射回数や各回の噴射時期、噴射割合など幾つもあるので、これらを全てまとめて調停しようとすると、ロジックが非常に複雑になってしまうからである。

特に、前記筒内噴射用の燃料噴射弁の他に一般的なポート噴射用の燃料噴射弁も備える場合は、それら種類の異なる燃料噴射弁によってそれぞれ噴射された燃料の混合気を形成する過程が大きく異なることから、どちらの燃料噴射弁によって何回、燃料を噴射するかが混合気分布やその燃焼性に大きな影響を及ぼすことになる。

また、内燃機関の始動時には運転中に比べて混合気形成が難しく、燃焼状態も悪化し易いので、望ましい燃料噴射の態様は運転中とは異なるものとなるし、これに伴い吸入空気量や点火時期の制御についても通常の運転中とは異なる要求が発生する。このような特定の状態では、燃料の噴射制御とスロットルや点火などの制御との同時性を確保する必要がある。

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、燃料噴射に関わる各種の要求を好適に調停できるようにするとともに、始動時など特定の状態におけるスロットルなど他のアクチュエータの制御との同時性を確保することにある。

前記の目的を達成するために本発明では、燃料噴射弁の制御量（噴射制御量）で表現された要求値が物理量調停階層を介さずに伝達される調停階層を設けて、噴射制御量として調停するとともに、この調停結果を燃料噴射弁の種類および内燃機関が特定の状態にあることを識別可能な数値の組として出力するようにした。

具体的に本発明は、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。

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る制御量調停階層を設けて、ここに伝達される要求値を集約して調停する。そして、この制御量調停階層には、前記アクチュエータの１つである燃料噴射弁の動作に関する噴射制御量の調停を行う噴射制御調停部を設けて、前記噴射制御量の調停結果を、前記燃料噴射弁の種類および内燃機関が特定の状態にあることを識別可能な数値の組として出力するようにした。

前記のように構成された内燃機関の制御装置では、まず、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。これにより複数のアクチュエータが協調制御され、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。

その際に燃料噴射弁の動作に関する要求は、例えば噴射回数、各回の噴射時期および噴射割合など、各種の噴射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、噴射制御調停部において調停されて、燃料噴射弁の制御量に反映される。つまり、噴射制御量が物理量調停を介さずに調停されて、内燃機関の制御に反映されるようになり、物理量に変換するための演算負荷が生じない。

その上さらに前記噴射制御調停部からは、前記噴射制御量の調停結果が、前記燃料噴射弁の種類（例えば筒内噴射用かポート噴射用かなど）および内燃機関が始動時など特定の状態にあることを識別可能な数値の組として出力される。燃料噴射を行う燃料噴射弁の種類は混合気形成に及ぼす影響が大きいので、これについて出力することで、各種要求を好適に燃焼状態に反映させることが可能になる。

また、前記特定の状態の識別については、例えば内燃機関の通常の運転中を「１」とし、これとは要求の異なる触媒の急速暖機中などを「２」、機関始動時などを「３」、というように特定の状態に対応づけて予め設定しておけば、内燃機関が始動など特定の状態にあることが識別できるので、これらの特定の状態においてそれぞれ燃料噴射制御と協調させるスロットル制御や点火制御との同時性を確保することが可能になる。

換言すれば前記特定の状態とは、燃料の噴射制御と、例えばスロットルバルブやイグナイタなど他のアクチュエータの制御とを同調させなくてはならないものであって、例えば成層燃焼状態での始動、触媒の急速暖機および気筒休止（複数の気筒の幾つかを休止させる制御）などが挙げられる。

ところで、内燃機関においては前記燃料噴射弁として、気筒内に直接、燃料を噴射するように配設された第１噴射弁と、気筒毎の吸気ポートに燃料を噴射するように配設された第２噴射弁との両方を備えることがある。この場合、２種類の燃料噴射弁の各々の噴射回数などが変更可能であるから、噴射制御の自由度が一層、高くなる反面、噴射態様の表現は一層、複雑になる。

これに対し、前記噴射制御調停部は、前記噴射制御量の１つとして少なくとも、前記第１噴射弁および第２噴射弁による燃料の噴射回数の調停を行い、この調停結果を、前記第１噴射弁による燃料の噴射回数、前記第２噴射弁による燃料の噴射回数、および内燃機関が特定の状態にあることを識別するための識別数と、をそれぞれの桁で表現した３桁の数値として出力することが好ましい。こうすれば、第１および第２噴射弁による噴射回数を簡潔なフォーマットで表現できる。

しかも、燃料噴射弁の数が異なり、例えば第２噴射弁を備えていない、第１噴射弁のみの内燃機関においても、３桁の数値のいずれかの桁を零（０）にするだけでよく、噴射態様のフォーマットを変更する必要がない。よって、異なる仕様の内燃機関にも共通の制御プログラムを容易に適用可能であり、仕様の変化に対しても制御プログラムの変更箇所が少なく済む。

なお、気筒毎に前記第２噴射弁を２つずつ設けることもあり得るが、この場合は、それぞれの噴射回数を表現するために４桁の数値とすればよいし、前記識別数で識別する内燃機関の特定の状態が多くなって１桁では表せなくなれば、これを２桁で表し、前記第１および第２噴射弁のそれぞれの噴射回数と併せて、４桁または５桁の数値とすればよい。

好ましくは前記噴射制御調停部に、内燃機関の所定の運転状態における燃料の噴射回数を、基本噴射回数として予め設定しておいてもよい。所定の運転状態とは、通常の車両などにおいて最も使用頻度の高い、内燃機関のいわば定格の運転状態であって、予め実験などによって設定される。この運転状態における燃料の噴射回数（基本噴射回数）を予め噴射制御調停部に設定しておけば、通常の運転状態では要求発生階層から噴射回数の要求値の信号を出力する必要がなくなり、処理の簡略化が図られる。

本発明によれば、まず、ドライバビリティ、排気ガスおよび燃費などの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可能である。また、燃料噴射弁の動作に関わる要求は、物理量調停を介さずに噴射制御量として調停することによって、演算負荷を徒に増大させることなく内燃機関の制御に好適に反映させることができる。

その際、前記噴射制御量の調停結果を、例えば筒内噴射用、ポート噴射用などの燃料噴射弁の種類、および機関の特定の状態を識別可能な数値の組として出力することで、噴射制御に関わる各種の要求を好適に調停し、スロットルや点火など他の制御との同時性を確保しながら好適な燃料噴射制御を実現できる。

本発明の実施の形態に関わる内燃機関の一例を示す構成図である。 実施の形態に関わる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。 噴射機能調停部における噴射制御量の調停について示すブロック図である。 インジェクタ駆動制御部の構成の一例を示すブロック図である。

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、実施形態に関わ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、排気温センサ３０８と空燃比（Ａ／Ｆ）センサ３０９とが配設され、触媒１７の下流側の排気通路１２にはＯ₂センサ３１０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（第１噴射弁）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（第２噴射弁）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、即ちそれぞれの燃料噴射回数（噴射モード）やその各回で噴射を開始する時期、および各回の噴射量など、並びに燃料ポンプ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、気筒２内の燃焼室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に排出されて排気ガスとなる。

−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、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）の駆動制御、インジェクタ２１，２２およびポンプ２４，２５の駆動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の動作が、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、制御装置の構成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、５つの階層５１０〜５５０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が設けられ、最下位に制御出力階層５５０が設けられている。

前記の５つの階層５１０〜５５０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５１０〜５５０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５１０〜５５０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５１０〜５５０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５１０〜５５０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５１１〜５１９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５１１〜５１９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。

また、本実施形態では、前記３つの基本的な機能要求以外に、例えばインジェクタ２１，２２のそれぞれによる噴射動作の回数や時期など、基本的な噴射機能の要求があり、それ以外にもＦ／Ｃ（燃料カット）前の燃圧低減、触媒１７の急速暖機、成層燃焼状態での始動（成層始動）、アイドリングストップであるＳ＆Ｓ停止等々、特定の状態で発生する各種要求があることも考慮している。よって、図３に表れているように要求発生階層５１０には、前記のような要求にそれぞれ対応する要求出力部５１４〜５１９も設けられているが、これらの要求出力部５１４〜５１９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の動作に関わ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。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。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。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、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。

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。

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、演算に関わ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。

以上の処理の結果として、本実施形態において制御量設定階層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（トルク要求に対応する第１の要求値）、点火時期の要求値および空燃比の要求値となる。これらの信号はそれぞれ、制御量調停階層５４０の調停部５４１，５４２，５４３に入力されて、詳しくは後述するが、要求発生階層５１０から直接的に伝達される他の要求値とともに調停される。

−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，…の制御量に対応して調停部５４１〜５４３（５４３ａ〜５４３ｉ）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、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５４３は、インジェクタ２１，２２の動作を表す７つの噴射制御量をそれぞれ調停する第１〜第７の調停部５４３ａ〜５４３ｇと、低圧ポンプ２４の吐出量（ポンプ制御量）を調停する第８の調停部５４３ｈと、高圧ポンプ２５の吐出圧（ポンプ制御量）を調停する第９の調停部５４３ｉとが一体的に組み合わされた噴射機能調停部である。

このようにインジェクタ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に関わる複数の制御量を互いに関連づけて一体的に調停するために、噴射機能調停部５４３は、例えば制御プログラムの同じ処理ステップにおいて９個の調停部５４３ａ〜５４３ｉ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や燃料ポンプ２４，２５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５４１〜５４３（５４３ａ〜５４３ｉ）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。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５４１〜５４３において共通エンジン情報を利用することができる。

以上の各調停部５４１〜５４３（５４３ａ〜５４３ｉ）においてそれぞれ、各種要求の調停が行なわれて、制御量調停階層５４０からは個々のアクチュエータ７，８，…の制御量の要求値、即ちスロットル開度要求値と、点火時期要求値と、インジェクタ２１，２２の動作に関わる後述の７つの噴射制御量の要求値と、低圧ポンプ２４の吐出量および高圧ポンプ２５の吐出圧、即ち２つのポンプ制御量の要求値と、が出力される。

−制御出力階層−
制御量調停階層５４０の下位の階層である制御出力階層５５０では、前記のように調停された要求値からアクチュエータ７，８，…のそれぞれの制御出力が算出される。図示の例では最下位の制御出力階層５５０には、前記制御量調停階層５４０から伝達される信号に対応して制御出力部５５１〜５５５が設けられている。制御出力部５５１（スロットル駆動制御部）には、前記スロットル開度の要求値の調停部５４１から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。

また、制御出力部５５２（イグナイタ通電制御部）には、前記制御量調停階層５４０の点火時期の要求値の調停部５４２から点火時期要求値が伝達され、これに応じてイグナイタ通電信号が出力される。制御出力部５５３（噴射弁駆動制御部であるインジェクタ駆動制御部）には、前記噴射機能調停部５４３の第１〜第７の調停部５４３ａ〜５４３ｇから噴射制御量の要求値が伝達され、これに応じてインジェクタ駆動信号が出力される。

さらに、制御出力部５５４（低圧ポンプ駆動制御部）には、噴射機能調停部５４３の第８の調停部５４３ｈから燃料の吐出量の要求値が伝達され、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５５５（高圧ポンプ駆動制御部）には、噴射機能調停部５４３の第９の調停部５４３ｉから燃料の吐出圧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。

なお、前記の制御出力部５５１におけるスロットル駆動信号の生成、制御出力部５５２におけるイグナイタ通電信号の生成、並びに制御出力部５５４，５５５における低圧ポンプおよび高圧ポンプ駆動信号の生成に際して、制御出力部５５３に伝達される噴射制御量の要求値のうち、後述する噴射モードの要求値が参照されて、これに含まれる識別数からエンジン１が例えば成層始動や触媒急速暖機などの特定の状態にあることが識別される。

−噴射機能要求の調停−
以下では、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、特に、本実施形態の特徴とする噴射機能要求の調停について、図３の他に図４、５も参照して詳細に説明する。

まず、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にて調停するようにしているが、燃料の噴射回数や各回の噴射時期、噴射割合（噴射量の割合）などはインジェクタ２１，２２の動作そのものの態様であるから、これを一旦、トルクや効率など物理量に変換して調停した上で再度、制御量を計算し直すというのでは余計な演算負荷が生じてしまう。

そこで、本実施形態では、上述したように制御量設定階層５３０の下位に制御量調停階層５４０を設けて、インジェクタ２１，２２の動作に関わる噴射制御量の要求値が物理量調停階層５２０を介さずに伝達され、調停されるようにした。なお、詳しい説明は省略するが本実施形態では、燃料ポンプ２４，２５の動作に関わるポンプ制御量の要求値についても、同様に制御量調停階層５４０で調停される。

まず、図３に表れているように要求発生階層５１０には、エンジン１を適切に運転するために最小限、必要な基本的な噴射機能の要求を出力する要求出力部５１４を設けるとともに、例えばＦ／Ｃ前燃圧低減、触媒急速暖機、成層始動、Ｓ＆Ｓ停止およびインジェクタ保護など、必要に応じて優先度の高い機能要求をそれぞれ出力する要求出力部５１５〜５１９も設けている。

これらの要求出力部５１４〜５１９からはそれぞれ要求が物理量ではなく、アクチュエータ７，８，…の制御量で表現された要求値として出力され、図３に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、点火時期および空燃比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５４１〜５４３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、要求発生階層５１０の基本噴射機能の要求出力部５１４からの信号は、詳しくは図４も参照して後述するように７つの噴射制御量で表現されて、制御量調停階層５４０の噴射機能調停部５４３（図４を参照して後述する５４３ｂ〜５４３ｄなど）へ伝達される。例えば、基本噴射機能要求としては、２つのインジェクタ２１，２２のそれぞれによる燃料の噴射回数（噴射モード）や各回の噴射時期、噴射割合などが挙げられる。

一例として、基本噴射の要求出力部５１４ａ（図４を参照）からは、エンジン１の高負荷側の所定運転領域において、燃料噴霧の分散性を高めて燃費低減を図るべく、いわゆるマルチ噴射（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）のための噴射時期などの要求値が出力される。

なお、本実施形態では要求出力部５１４に、部品保護やノック防止などのための燃料の増量要求を出力する要求出力部５１４ｂ〜５１４ｄが含まれている。詳しくは後述するが、このように燃料は増量するものの噴射モードなどは変更しない要求については、以下に述べる触媒急速暖機などのように噴射モードも変更する要求に比べると、混合気の燃焼性に及ぼす影響は小さいので、基本噴射機能の要求出力部５１４に含めている。

前記要求出力部５１４からの信号と同じように、Ｆ／Ｃ（燃料カット）前の燃圧低減の要求出力部５１５からの信号も噴射機能調停部５４３へ伝達される。これは、エンジン１の燃料カット制御が行われている間に高圧燃料用デリバリパイプ２０内の燃料の温度が上昇して、その圧力（燃圧）が高くなり過ぎることがないように、予め燃料カット制御を開始する直前に筒内噴射用インジェクタ２１を動作させ、少量の燃料を噴射させる制御である。そのために、要求出力部５１５からは筒内噴射用インジェクタ２１を動作させるような要求値の信号が出力されて、制御量調停階層５４０の調停部５４３に伝達される。

一方、触媒急速暖機の要求出力部５１６および成層始動の要求出力部５１７からの信号はそれぞれ、制御量調停階層５４０のスロットル開度の要求値の調停部５４１と、点火時期の要求値の調停部５４２と、噴射機能調停部５４３とへ伝達される。触媒１７の急速暖機というのは、エンジン１の冷間始動後などに最短時間で触媒１７を暖機するために、排気温を最大限に上昇させる特殊な制御を行うことである。

具体的には、例えば、排気の昇温のために点火時期をＴＤＣ以後まで遅角させるとともに、スロットルバルブ８を開いて空気量を増大させ、排気熱量を可及的に増大させる。また、圧縮行程での燃料噴射時期を遅角させて、点火プラグ６の周りの混合気濃度を高める。そのために、要求出力部５１６からはスロットル開度を増大させる要求値、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出力される。

また、成層始動というのは、始動時間の短縮とスムーズなエンジン回転の立ち上がりとを両立するために、成層燃焼状態で始動する制御であり、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）。そのために要求出力部５１７からもスロットル開度や点火遅角の要求値とともに、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出力される。

さらに、Ｓ＆Ｓ停止の要求出力部５１８からの信号も調停部５４１〜５４３へ伝達される。Ｓ＆Ｓ停止というのは、車両の停車に伴い所定の条件下でエンジン１の運転を自動停止させるアイドリングストップ制御のことであり、要求出力部５１８からはエンジン１の停止時の振動を抑制するためのスロットル閉の要求値と、点火を停止させる要求値と、燃料噴射および低圧ポンプ２４の動作をそれぞれ停止させる要求値と、がそれぞれ出力される。

また、インジェクタ保護の要求出力部５１９からの信号は調停部５４３のみへ伝達される。この例ではインジェクタ保護の要求として具体的に、筒内噴射用インジェクタ２１のＯリングの保護のために、高圧燃料用デリバリパイプ２０内の燃料圧力（燃圧）を低下させるようにしており、そのために要求出力部５１９からは高圧ポンプ２５の吐出圧を低下させる要求値が出力される。

なお、本実施形態では、前記のように物理量調停階層５２０を介さずに制御量調停階層５４０に伝達される要求出力部５１４〜５１９からの信号に、予め優先順位が設定されており、以下に説明するように、その優先順位に基づいて調停が行われる。具体的な優先順位については設計に委ねられるもので特に限定はないが、一例として要求出力部５１５〜５１９からの要求は、要求出力部５１４からの基本噴射機能の要求よりも優先順位が高く設定されている。

−噴射制御量の調停−
以下では図４、５を参照して、噴射機能調停部５４３における噴射制御量の調停について詳しく説明する。上述したように噴射機能調停部５４３には、インジェクタ２１，２２の動作を表す７つの噴射制御量をそれぞれ調停する第１〜第７の調停部５４３ａ〜５４３ｇと、燃料ポンプ２４，２５の動作を表すポンプ制御量を調停する第８、第９の調停部５４３ｈ，５４３ｉとが設けられ、それら噴射制御量とポンプ制御量とを一括して調停するようになっている。

第１の調停部５４３ａは、噴射制御量の１つとして噴射モード、即ちインジェクタ２１，２２のそれぞれによる燃料の噴射回数を調停する。具体的に第１の調停部５４３ａには要求発生階層５１０の要求出力部５１５〜５１８のそれぞれから、即ち、燃圧低減、触媒急速暖機、成層始動、Ｓ＆Ｓ停止のそれぞれの要求に対応する噴射モードとして、各インジェクタ２１，２２の噴射回数と、それぞれの要求の優先度を表す識別数と、からなる３桁の数値の信号が伝達される。

この噴射モードの３桁の数値について詳しくは後述するが、一例として、触媒急速暖機のために１回の燃焼サイクルにおいて筒内噴射用インジェクタ２１を１回と、ポート噴射用インジェクタ２２を１回との都合、２回の噴射が行われる場合、その噴射の順番にポート噴射の回数「１」と、筒内噴射の回数「１」と、触媒急速暖機の識別数「２」と、からなる３桁の数値（１１２）が伝達される。

なお、３桁目の識別数は、噴射モードの要求値が対応する制御を識別して、その要求の優先順位を表すものであり、表１を参照して後述するように、要求出力部５１５〜５１８からの信号の要求にはそれぞれ予め優先順位が設定されており、調停部５４３ａにおいては、いずれかの信号が入力されれば、そのうちの最も優先順位の高い１つの信号の要求値を選択（調停）する。但し限定されるものではなく、優先順位の高い要求値に大きな重み付けをしながら、優先順位の低い要求値も反映されるよう、加重平均などによって要求値を算出することもできる。

また、本実施形態では制御処理の簡略化のために、基本噴射機能の要求出力部５１４からは噴射モードの要求値の信号が伝達されないようになっている。基本噴射機能の要求に対応する噴射モードは、一例としてポート噴射の回数「１」、筒内噴射の回数「０」および通常運転（通常の車両などにおいて最も使用頻度の高い、エンジン１のいわば定格の運転状態）の識別数「１」の３桁の数値（１０１）が、基本モードとして予め噴射機能調停部５４３に設定されている。

前記第１の調停部５４３ａと同様に第２の調停部５４３ｂは、噴射制御量の１つとしてインジェクタ２１，２２のそれぞれによる燃料の噴射時期（噴射開始時期）を調停する。第２の調停部５４３ｂには、要求発生階層５１０の要求出力部５１４（５１４ａ），５１６，５１７からそれぞれ、基本噴射、触媒急速暖機、成層始動のそれぞれの要求に対応する噴射時期の要求値として、各インジェクタ２１，２２のそれぞれの噴射開始時期を表す要求値の信号が伝達される。

例えば、前記のように筒内噴射用インジェクタ２１を１回と、ポート噴射用インジェクタ２２を１回との都合、２回の噴射動作を行うのであれば、その各回の噴射動作の開始時期をクランク角で表現した要求値の信号が伝達される。そして、前記第１の調停部５４３ａと同様に予め定められた規則に従って調停が行われる。なお、噴射時期の要求値は、噴射モードで表された各回の噴射動作に順番に割り当てられるので、筒内噴射用インジェクタ２１とポート噴射用インジェクタ２２とを区別しなくてよい。

また、第３の調停部５４３ｃは噴射制御量の１つとして、エンジン１の始動時におけるインジェクタ２１，２２のそれぞれによる燃料噴射量を調停する。第３の調停部５４３ｃには、要求発生階層５１０の要求出力部５１４（５１４ａ），５１７からそれぞれ、基本噴射および成層始動のための噴射要求に対応する各回の燃料噴射量を表す要求値の信号が伝達される。

一例として成層始動のために筒内噴射用インジェクタ２１を１回と、ポート噴射用インジェクタ２２を１回との都合、２回の噴射動作を行うのであれば、その各回の噴射量を表す要求値の信号が伝達される。また、寒冷地などで均一燃焼状態で始動する場合は、ポート噴射用インジェクタ２２による１回分の燃料噴射量の要求値が伝達される。そして、前記第１、第２の調停部５４３ａ、５４３ｂと同様に予め定められた規則に従って調停が行われる。

このように始動時の燃料噴射量を運転状態と分けて調停するのは、始動時に気筒２への空気の充填量を精度良く算出することができないからである。エンジン１の運転中は、後述するように空気充填量と目標空燃比とから燃料噴射量を算出するが、始動時には空気の充填量を精度良く算出できないので、燃料噴射量は予め適合した値を設定しておかなくてはならない。そこで、成層燃焼での始動や均一燃焼での始動など、始動時のエンジン１の状態にマッチした燃料噴射量を予め設定しておき、その中から選択（調停）する。

第４の調停部５４３ｄは噴射制御量の１つとして、前記のような始動制御の完了を判定する基準値についての調停を行う。第４の調停部５４３ｄには、要求発生階層５１０の要求出力部５１４（５１４ａ），５１７から、均一燃焼の始動および成層始動のそれぞれの場合の始動完了判定のための判定値の信号が伝達される。そして、予め定められた規則に従って調停が行われる。

例えば、基本噴射による均一燃焼での始動の場合は、予め設定されているエンジン回転数（判定回転数）以上になれば始動完了と判定するが、成層始動の場合は比較すれば発生するトルクが小さいので、より高いエンジン回転数になってから始動完了と判定するように、判定回転数の選択（調停）が行われる。また、ハイブリッド自動車の場合、電動モータで走行しながらエンジンを始動することがあるので、さらに高い回転数になってから始動完了と判定するようにしてもよい。

すなわち、ハイブリッド自動車において電動モータで走行しながらエンジンを始動する場合は、始動制御の開始時点で既にエンジン回転数が通常の始動の判定回転数よりも高くなっていることがある。この場合に通常の判定回転数で始動完了と判定すると、始動制御の開始と同時に始動後の燃料噴射量が採用されてしまい、実際には１度も燃料噴射が行われていない気筒に過剰な燃料が噴射されることがあるからである。

第５の調停部５４３ｅは、噴射制御量の１つとして、エンジン１の運転中におけるインジェクタ２１，２２のそれぞれによる燃料噴射量の割合、即ち噴き分け率を調停する。第５の調停部５４３ｅには、要求発生階層５１０の要求出力部５１６，５１７からそれぞれ、触媒急速暖機および成層始動の要求に対応する噴き分け率の要求値として、各インジェクタ２１，２２による各回の噴射割合を表す要求値の信号が伝達される。

一例として筒内噴射用インジェクタ２１を２回と、ポート噴射用インジェクタ２２を１回との都合、３回の噴射動作を行うのであれば、その噴射動作の順番にポート噴射の１回と筒内噴射の最初の１回とのそれぞれの噴射割合（例えば４０％、４０％）の要求値が伝達され、予め定められた規則に従って選択（調停）される。

なお、筒内噴射の２回目については残りの噴射割合（例えば２０％）が割り当てられる。また、本実施形態では基本噴射機能の要求出力部５１４からは、噴き分け率の要求値の信号は伝達されない。基本噴射機能の要求に対応する噴き分け率は、基本モードによる１回のポート噴射に対応する基本値（即ち１００％）が、図４に示すように噴射機能調停部５４３に予め記憶されている。

第６の調停部５４３ｆは、噴射制御量の１つとして、燃料の総噴射量の補正係数を調停する。すなわち、本実施形態では基本噴射機能の要求出力部５１４に、基本噴射の要求以外に部品保護、ノック防止および未寄与分の補正などのための燃料増量補正係数の要求値をそれぞれ出力する要求出力部５１４ｂ〜５１４ｄが含まれている。これらの要求値（信号）は増量プレ調停部５４３ｊに伝達されて、予め定められた規則に従って選択（プレ調停）される。

こうしてプレ調停されて、増量プレ調停部５４３ｊから出力される噴射量補正係数の要求値が第６の調停部５４３ｆに伝達される一方、図４の例では、要求出力部５１６からも触媒急速暖機のための噴射量補正係数の要求値が第６の調停部５４３ｆに伝達され、予め定められた規則に従って調停される。このように分けて調停するのは、それぞれの調停に好適なロジックが異なっているからである。

すなわち、部品保護やノック防止などのようにプレ調停する要求（第１種の要求）は、燃料の総噴射量は変更するものの噴射モードなどは変更しない要求であり、一方、触媒急速暖機などの要求（第２種の要求）では、燃料の総噴射量だけでなく噴射モードも変更するので、気筒２内の混合気の燃焼性に及ぼす影響が大きい。そこで、前記のように増量プレ調停部５４３ｊにおいて第１種の要求に好適なロジックで噴射量補正係数を調停した上で、第６の調停部５４３ｆにおいて第２種の要求に好適なロジックで噴射量補正係数を調停するのである。

第７の調停部５４３ｇは、噴射制御量の１つとして、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する場合の上限値、即ち圧縮噴射上限値の調停を行う。すなわち、気筒２の圧縮行程での燃料噴射量が多くなり過ぎると、混合気の濃度の偏りが大きくなってしまい、例えば点火プラグの周りが過濃になって燃焼状態が悪化することがある。

そこで、一例として第７の調停部５４３ｇには、要求出力部５１６から触媒急速暖機制御の際の筒内噴射用インジェクタ２１による圧縮行程での燃料噴射量の上限値の信号が伝達され、また、要求出力部５１７からは成層始動の際の圧縮行程での燃料噴射量の上限値の信号が伝達される。そして、予め定められた規則に従って選択（調停）される。

なお、本実施形態では基本噴射機能の要求出力部５１４からは、圧縮行程での燃料噴射量の上限値の信号は伝達されない。基本噴射機能の要求に対応する噴射モードは基本モードであって、筒内噴射用インジェクタ２１による燃料の噴射は行われないからである。図４に示すように噴射機能調停部５４３には便宜上、基本値（最大値）が予め記憶されている。

以上のように、７つの噴射制御量が同時性を保って、言い換えると互いに関連づけて一体として調停されることで、エンジン１の運転中および始動時における各種要求に対して好適なインジェクタ２１，２２の動作制御を実現できる。なお、第１〜７の調停部５４３ａ〜５４３ｇが、インジェクタ２１，２２の動作に関する噴射制御量の調停を行う噴射制御調停部を構成している。

前記第１〜７の調停部５４３ａ〜５４３ｇからの信号は、図５に示すように、制御出力階層５５０の制御出力部５５３（インジェクタ駆動制御部）に伝達される。この制御出力部５５３は、インジェクタ２１，２２のそれぞれの燃料噴射量を算出する噴射量算出部５５３ａを有しており、噴射機能調停部５４３の第１の調停部５４３ａからの噴射モードの要求値と、第２の調停部５４３ｂからの噴射時期の要求値とが伝達されて、噴射モードに規定されている噴射動作のそれぞれの噴射量を算出する。

すなわち、前記噴射量算出部５５３ａには、噴射機能調停部５４３の第５〜７の調停部５４３ｅ〜５４３ｇからもそれぞれ噴き分け率、噴射量補正係数および圧縮噴射上限の要求値が伝達され、空燃比の目標値（基本値として予め理論空燃比が設定されている）と、気筒２内への空気の充填量（共通エンジン情報に含まれている）と、噴き分け率とから燃料の噴射量を算出する。また、噴射量算出部５５３ａは、噴射量補正係数を乗算して燃料噴射量を補正するとともに、圧縮行程での噴射動作についてはその噴射量を上限値までに制限する。

そうして算出された燃料噴射量の要求値と、噴射機能調停部５４３の第３の調停部５４３ｃからの始動時の燃料噴射量の要求値とが、制御出力部５５３の噴射量選択部５５３ｂに入力されて、いずれかの要求値が選択される。すなわち、噴射量選択部５５３ｂには、噴射機能調停部５４３の第４の調停部５４３ｄからの始動完了判定値（例えばエンジン回転数）が伝達され、これが実際のエンジン回転数（共通エンジン情報に含まれている）未満であれば始動時の燃料噴射量が選択される。一方、実際のエンジン回転数が始動完了判定値以上になれば、前記のように噴射量算出部５５３ａによって算出された燃料噴射量が選択される。

こうして選択された燃料噴射量の要求値と、現在の燃圧（共通エンジン情報に含まれている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の燃圧）と、各インジェクタ２１，２２の流量係数とに基づいて、噴射パルス算出部５５３ｃにより、それぞれのインジェクタ２１，２２による各回の燃料噴射期間、即ち噴射パルス巾が算出される。こうして算出されたパルス巾の噴射信号（インジェクタ駆動信号）がインジェクタ２１，２２へ出力される。

−噴射モード−
以下では、前記噴射機能調停部５４３の第１の調停部５４３ａにおける噴射モードの表現の仕方について詳しく説明する。上述したように噴射機能調停部５４３では、インジェクタ２１，２２の動作に関わる７つの噴射制御量を調停し、それらを一体として制御出力階層５５０に出力する。インジェクタ２１，２２の動作に関わる各種要求を全てまとめて調停しようとするとロジックが非常に複雑になってしまうので、噴射モード（噴射回数）、噴射時期、噴き分け率などに分けて、それぞれ調停した上で一体として出力するのである。

ここで、ポート噴射用インジェクタ２２によって吸気ポート１１ａに噴射された燃料は、予め空気と混合されて気筒２内に吸入される一方、筒内噴射用インジェクタ２１によって気筒２内に直接、噴射された燃料の噴霧は、燃焼室において拡散しつつ濃度の高い混合気を形成する。このように、噴射された燃料が混合気を形成する過程が大きく異なるため、どちらのインジェクタ２１，２２によって何回、燃料を噴射するかが混合気分布やその燃焼性に大きな影響を及ぼすことになる。

つまり、燃料の噴射回数は、噴射時期や噴き分け率など各種噴射制御量の中でも特に混合気の燃焼性、換言すればエンジン１の運転状態に及ぼす影響が大きいので、本実施形態では、噴射の態様を表す制御量、即ち噴射モードとして、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のそれぞれの噴射回数を用いている。

また、上述したエンジン１の成層始動や触媒１７の急速暖機など特定の状態では、通常の運転中とは異なる噴射制御が求められるとともに、併せてスロットルや点火などの制御についても通常の運転中とは異なる要求がある。そこで、このような特定の状態では、前記インジェクタ２１，２２の制御とスロットルバルブ８やイグナイタ７などの制御とを同調させるために、それらの制御の同時性を確保する必要がある。

このために本実施形態では前記の噴射モードとして、インジェクタ２１，２２のそれぞれの噴射回数に加えて、エンジン１が特定の状態にあることの識別数を含めた３桁の数値を採用している。具体的には以下の表１に示すように、例えばＳ＆Ｓ停止などの要求に応じて燃料噴射を停止させる場合、「停止」という特定の場合の識別数を「０」とすれば、噴射モードの要求値は（０００）となる。

また、エンジン１の通常の運転状態における基本噴射機能の要求は、ポート噴射用インジェクタ２２のみ１回、噴射させる（ポート１回噴射）基本モードであり、識別数を「１」とすれば、表１に表れているように要求値は（１０１）になる。通常の運転状態でも筒内噴射用インジェクタ２１のみ１回、噴射させる（筒内１回噴射）場合の要求値は（０１１）であり、筒内噴射用およびポート噴射用のインジェクタ２１，２２を１回ずつ噴射させる（ポート１回＋筒内１回噴射）マルチ噴射の場合は（１１１）になる。

さらに、同じ噴射回数であってもエンジン１の状態が異なれば識別数が異なるため、要求値も異なる。例えば触媒１７の急速暖機の要求に応じてマルチ噴射を行う場合、触媒急速暖機の識別数を「２」とすれば、インジェクタ２１，２２を１回ずつ噴射させるマルチ噴射の要求値は、表１に表れているように（１１２）になるし、筒内噴射用インジェクタ２１のみ２回、噴射させるのであれば要求値は（０２２）になる（触媒急速暖機時の筒内２回噴射）。

また、エンジン１の成層始動の識別数を「３」とすれば、表１に表れているように成層始動のための筒内１回噴射の要求値は（０１３）になり、マルチ噴射（ポート１回＋筒内１回噴射）の要求値は（１１３）になり、筒内２回噴射の要求値は（０２３）になる。このように２つのインジェクタ２１，２２のそれぞれの噴射回数と、始動など特定の場合の識別数とからなる３桁の数値によって、噴射モードを簡潔なフォーマットで表現することができる。

そして、その噴射モードについて第１の調停部５４３ａから調停後の要求値が伝達される制御出力部５５３では、少なくともインジェクタ２１，２２のそれぞれの噴射回数に基づいて駆動信号が生成されることにより、基本噴射、成層始動、触媒急速暖機などの各種要求に対応した良好な混合気形成が実現可能になる。勿論、実際の駆動信号の生成には、上述したように噴射時期や噴き分け率など他の噴射制御量の調停結果も用いられる。

また、識別数から成層始動時や触媒急速暖機時など特定の状態であることが識別可能なので、燃料噴射制御と協調させるべきスロットル制御や点火制御との同時性を確保することが可能になる。すなわち、制御出力階層５５０においてスロットル駆動信号やイグナイタ通電信号が生成されるときに噴射モードの要求値が参照され、識別数からエンジン１の特定の状態が識別されるからである。

一例として触媒急速暖機時には、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るとともに、スロットル開度を増大させ、点火時期を遅角させることになる。このとき、噴射モードの調停結果に含まれる識別数「２」を参照して触媒急速暖機時であることが識別されるので、仮に制御出力階層５５０の制御出力部５５１，５５２において制御演算に誤りが生じたとしても、生成されるスロットル駆動信号やイグナイタ通電信号と、インジェクタ駆動信号との間に不整合が生じることを阻止できる。

−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を経て制御出力階層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、燃料の噴射態様の要求や成層始動、触媒急速暖機などの要求は、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、各種の機能要求をいずれも好適に実現することができる。

さらに、燃料噴射の制御量（噴射制御量）の１つである噴射モードの要求値は、各インジェクタ２１，２２の噴射回数と、エンジン１の特定の状態の識別数とからなる３桁の数値で簡潔に表現することができ、この要求値が伝達される制御出力階層５５０において、スロットルや点火など他の制御との同時性を確保しながら好適な燃料噴射制御を実現できる。

加えて、例えば筒内噴射用インジェクタ２１を備えていないエンジンにおいては、３桁の数値の２番目の桁を零（０）にするだけでよく、３桁の数値という噴射態様のフォーマットを変更する必要はない。よって、異なる仕様のエンジンにも共通の制御プログラムを容易に適用可能であり、仕様の変化に対しても制御プログラムの変更箇所が少なく済む。

−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Ｆ／Ｃ前燃圧低減や成層始動、触媒急速暖機などの制御に限定されない。それ以外にも例えば、エンジン１の複数の気筒２の幾つかを休止させる気筒休止制御もあるし、フェールセーフ、ＯＢＤなどの各種機能要求も挙げられる。

また、前記の実施形態では、本発明の制御装置を、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を備えたエンジン１に適用した場合について説明したが、これにも限定されず、本発明は、筒内噴射用インジェクタ２１またはポート噴射用インジェクタ２２のいずれか一方のみを備えたエンジンの制御装置としても適用可能である。この場合は噴射モードの要求値は３桁でなく、いずれか一方のインジェクタ２１，２２の噴射回数と識別数との２桁の数値となる。

また、筒内噴射用インジェクタ２１の他に気筒２毎にポート噴射用インジェクタを２つずつ設けたエンジンの場合は、それら３つのインジェクタの噴射回数と識別数とで、噴射モードの要求値は４桁の数値になる。また、識別数で表すエンジン１の特定の状態が多くなって１桁では足りなくなれば、これを２桁で表し、インジェクタの噴射回数と併せて、噴射モードの要求値は４桁または５桁の数値とすれればよい。

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、それらの機構も制御対象のアクチュエータとすることができる。

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）
２ 気筒
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）
１１ａ 吸気ポート
２１ 筒内噴射用インジェクタ（第１噴射弁、燃料噴射弁：アクチュエータ）
２２ ポート噴射用インジェクタ（第２噴射弁、燃料噴射弁：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
５２０ 物理量調停階層
５３０ 制御量設定階層
５４０ 制御量調停階層
５４３ 噴射機能調停部
５４３ａ〜５４３ｇ 第１〜７の調停部（噴射制御調停部）

Claims (3)

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、この要求値を集約して調停する制御量調停階層が設けられ、
   前記制御量調停階層には、前記アクチュエータの１つである燃料噴射弁の動作に関する噴射制御量の調停を行う噴射制御調停部が設けられ、当該噴射制御調停部は、前記噴射制御量の調停結果を、前記燃料噴射弁の種類および内燃機関が特定の状態にあることを識別可能な数値の組として出力する、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、
   前記燃料噴射弁として、気筒内に直接、燃料を噴射するように配設された第１噴射弁と、気筒毎の吸気ポートに燃料を噴射するように配設された第２噴射弁とを備え、
   前記噴射制御調停部は、前記噴射制御量の１つとして少なくとも、前記第１噴射弁および第２噴射弁による燃料の噴射回数の調停を行い、この調停結果を、前記第１噴射弁による燃料の噴射回数、前記第２噴射弁による燃料の噴射回数、および内燃機関が特定の状態にあることを識別するための識別数と、をそれぞれの桁で表現した３桁の数値として出力する、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、
   前記噴射制御調停部には、内燃機関の所定の運転状態における燃料の噴射回数が基本噴射回数として予め設定されている、内燃機関の制御装置。

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