JP4905588B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関し、詳しくは、点火プラグ近傍の空燃比と筒内全体の空燃比とが異なる内燃機関の制御装置に関する。

内燃機関のトルク制御に関する技術としては、例えば、特開２００３−３０１７６６号公報に開示されたものが知られている。ここに開示された技術では、アクセル開度に基づいてドライバが要求する要求図示トルクが算出されるとともに、制御装置の内部にて目標空燃比が決定されている。そして、要求図示トルクを点火時期に対するトルク効率と目標空燃比に対するトルク効率とで補正し、その補正トルクから求まる目標空気量に基づいて目標スロットル開度が決定されている。また、目標空気量と機関回転速度とから吸気遅れ補正量が算出され、吸気遅れ補正量から決まる推定トルクと前述の補正トルクとから点火時期遅角量が算出され、筒内空気量から決まる基本点火時期と点火時期遅角量とから最終点火時期が決定されている。また、筒内空気量と目標空燃比とから目標燃料噴射量が決定されている。つまり、特開２００３−３０１７６６号公報には、ドライバからの要求である要求図示トルクと、制御装置内部の要求である目標空燃比とを共に実現するように、スロットル開度、点火時期及び燃料噴射量の３種の操作量を設定するという技術が開示されている。

ところで、内燃機関における混合気の燃焼形態として、均質燃焼と成層燃焼とが知られている。均質燃焼は、空気と燃料とを筒内で均質に混合させて燃焼させる燃焼形態である。これに対して成層燃焼は、点火プラグの近傍に濃い混合気の層を形成し、その周囲には薄い混合気を形成して燃焼させる燃焼形態である。均質燃焼では、筒内の混合気の濃度は均一となるため、点火プラグ近傍の空燃比と筒内全体の空燃比（平均空燃比）とは一致する。ところが、成層燃焼では、点火プラグ近傍に燃料が集まるために、そこでの燃焼ガスの空燃比と筒内全体の空燃比とは異なったものになる。

特開２００３−３０１７６６号公報に記載の技術は、均質燃焼を行う内燃機関を前提にしたものと考えられる。均質燃焼を行う内燃機関であれば、特開２００３−３０１７６６号公報に記載の技術のようにスロットル開度、点火時期及び燃料噴射量の３種のアクチュエータ操作量でトルク制御を行うことができる。トルクは吸入空気量と点火時期と燃焼空燃比とによって制御できるが、均質燃焼の場合には点火プラグ近傍の空燃比は筒内全体の空燃比に一致する。したがって、スロットル開度によって吸入空気量を決定し、吸入空気量と燃料噴射量とにより筒内全体の空燃比を決定することで、それらによりトルクを制御することができる。

しかし、成層燃焼のように点火プラグ近傍の空燃比と筒内全体の空燃比とが異なる内燃機関の場合には、上記３種の操作量のみでは適切なトルク制御を行うことができない。筒内全体の空燃比が同じであっても点火プラグ近傍の空燃比が異なれば燃焼速度に違いが生じ、結果、トルクと点火時期との間の関係（以下、トルク−点火時期特性という）は異なったものになる。したがって、この種の内燃機関においてトルク制御を行うためには、筒内全体の空燃比とは別に点火プラグ近傍の空燃比（すなわち実際の燃焼空燃比）も調整する必要があるが、上記３種の操作量のみではそれを調整することができない。目標空燃比を実現しつつ目標トルクも実現するためには、上記３種の操作量に加えて別の操作量を用いる必要がある。

また、特開２００３−３０１７６６号公報に記載の技術において、要求図示トルクはドライバビリティに関する要求であり、目標空燃比は排気ガスに関する要求であると見ることができる。ドライバビリティも排気ガスも内燃機関の１つの機能であり、これらの他にも燃費やノック等、内燃機関の機能は各種存在する。そして、それら機能毎に要求があり、例えば機能が燃費であれば、燃焼効率を高めたいという要求や、ポンプロスを低減したいという要求がある。また、機能が排気ガスであるならば、排気ガス温度を高めたいという要求や、触媒での反応を促進したいという要求がある。このように内燃機関には各種の機能が存在し、それら機能毎に次元の異なる様々な要求がある。しかし、特開２００３−３０１７６６号公報に記載の技術はその一部の要求を実現するものに過ぎず、内燃機関の多種多様な要求に対応するためには改善の余地が残されている。

本発明は、上述のような課題に鑑みなされたもので、点火プラグ近傍の空燃比と筒内全体の空燃比とが異なる内燃機関において、内燃機関の各種の機能に関する要求を各アクチュエータの操作に的確に反映させ、それら要求を適切に実現できるようにした内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の制御装置及び方法は、点火プラグ近傍の空燃比と筒内全体の空燃比とが異なる内燃機関を制御対象とする。そのような内燃機関には、成層燃焼等のように筒内の空燃比分布を意図的に不均一にして燃焼させる内燃機関が含まれる。また、均質燃焼を行う内燃機関であっても、運転状態によって結果的に筒内の空燃比分布に不均一が生じることになる内燃機関は本発明の制御対象に含まれる。

本発明によれば、トルク、効率及び空燃比の３種の物理量が内燃機関の制御量として用いられる。そして、内燃機関の機能に関する要求の少なくとも一部がこれら３種の物理量に集約されることによって各制御量の目標値が設定される。内燃機関の出力にはトルク以外にも熱と排気ガスとが含まれ、これらの出力全体によって内燃機関の各種の機能が決定される。また、トルク、効率及び空燃比は内燃機関の出力を決定する３要素である。したがって、内燃機関の各種の機能に関する要求の少なくとも一部を前記３種の物理量に集約して制御量の目標値とすれば、それら要求については内燃機関の出力に適切に反映させることができる。

本発明によれば、トルク、効率及び空燃比の３種の制御量の各目標値に基づいて、吸気量調整弁の開度、点火時期及び燃料噴射量の３種の操作量が設定される。吸気量調整弁の開度を操作することで筒内の吸入空気量を調整することができ、点火時期を操作することで主として効率を制御することができ、燃料噴射量を操作することで主として筒内全体の空燃比を制御することができる。

本発明によれば、吸気量調整弁の開度、点火時期及び燃料噴射量の３種の操作量に加えて、さらに、筒内の空燃比分布を調整することができる第４の操作量が設定される。筒内全体の空燃比が均一である場合には、前記３種の操作量によって吸入空気量、効率及び空燃比を調整することによってトルクを制御することができるが、本発明の制御対象である内燃機関は、点火プラグ近傍の空燃比と筒内全体の空燃比とが異なるので、吸入空気量、効率及び筒内全体の空燃比だけではトルクを的確に制御することは難しい。この点において本発明によれば、前記第４の操作量によって筒内の空燃比分布を調整することで、筒内全体の空燃比とは別に点火プラグ近傍の空燃比を制御することが可能であり、ひいては、的確なトルク制御を行うことができる。

前記第４の操作量には、例えば、本発明の制御対象である内燃機関が燃料を筒内に直接噴射することができる内燃機関であるならば、筒内への燃料噴射時期が含まれる。燃料噴射時期を操作することで、燃料噴射によって生じたリッチな空燃比のガス塊が点火プラグ近傍へ到達する時期を調整することができる。また、前記第４の操作量には、バルブタイミング可変機構によって調整される吸気弁のバルブタイミング、スワールコントロールバルブ或いはタンブルコントロールバルブのバルブ開度等も含まれる。これらの操作量によれば、筒内での燃料噴射によって生じた、或いは、吸気ポートから吸入されたリッチな空燃比のガス塊が点火プラグ近傍へ到達する際の輸送速度を調整することができる。

本発明によれば、設定した前記４種の操作量はそれぞれ操作対象となるアクチュエータへ出力される。操作量としての吸気量調整弁の開度は吸気量調整弁に出力される。本発明における吸気量調整弁には、スロットルの他、リフト量又は作用角が可変の吸気弁も含まれる。操作量としての点火時期は点火装置に出力され、操作量としての燃料噴射量は燃料噴射装置に出力される。燃料噴射装置は筒内に燃料を直接噴射するものでもよいし、吸気ポートに燃料を噴射するものでもよい。或いは、一部の燃料を吸気ポートに噴射して、残りの燃料を筒内に直接噴射するものでもよい。前記第４の操作量は、例えばそれが燃料噴射時期である場合には、燃料噴射量とともに燃料噴射装置に出力される。ただし、この場合の燃料噴射装置は、燃料の少なくとも一部を筒内に直接噴射することができる装置とする。また、前記第４の操作量の種類によっては、吸気バルブタイミング可変機機構、スワールコントロールバルブ或いはタンブルコントロールバルブ等のアクチュエータに出力される場合もある。

本発明の他の形態（第２の形態）では、前記の各操作量を設定する手段は、所定の規則に従って点火プラグ近傍の空燃比の目標値を生成し、トルク、効率及び空燃比の３種の制御量の各目標値と生成した点火プラグ近傍の空燃比の目標値とから各操作量を算出する。点火プラグ近傍の空燃比はトルク−点火時期特性を左右するので、その目標値を内部で生成してそれを各操作量の算出に用いることで的確なトルク制御が可能になる。

本発明のさらに他の形態（第３の形態）では、前記の各操作量を設定する手段は、点火プラグ近傍の空燃比の目標値を固定値として持っている。この固定値を用いて各操作量を算出することによって、点火プラグ近傍の空燃比を一定の空燃比に制御することができる。

本発明のさらに他の形態（第４の形態）では、前記の各操作量を設定する手段は、点火プラグ近傍の空燃比の目標値を内燃機関の運転状態毎に固定値として持っている。内燃機関の運転状態毎に目標値を変えて各操作量を算出することによって、点火プラグ近傍の空燃比を内燃機関の運転状態に応じた最適な空燃比に制御することができる。これによれば、トルク制御の精度をより高めることができる。

本発明のさらに他の形態（第５の形態）では、前記の各操作量を設定する手段は、筒内全体の空燃比と点火プラグ近傍の空燃比との目標対応関係を予め定めている。この目標対応関係を用いて制御量である空燃比の目標値から点火プラグ近傍の空燃比の目標値を決定して各操作量を算出することによって、点火プラグ近傍の空燃比を筒内全体の空燃比に応じた最適な空燃比に制御することができる。これによれば、トルク制御の精度をより高めることができる。

本発明のさらに他の形態（第６の形態）では、前記の各操作量を設定する手段は、まず、トルク、効率及び空燃比の３種の制御量の各目標値に基づいて吸気量調整弁の開度、点火時期及び燃料噴射量の３種の操作量を算出する。そして、これら３種の操作量のもとでトルク、効率及び空燃比の３種の制御量の各目標値を実現するために必要な燃焼空燃比を点火プラグ近傍の空燃比の目標値として算出する。前記第４の操作量は、こうして算出された点火プラグ近傍の空燃比の目標値を用いて算出する。つまり、吸気量調整弁の開度、点火時期及び燃料噴射量を優先的に決定した上で、それらによって実際に実現できる制御量の各値と各目標値とのずれを補償するように燃焼空燃比の目標値を設定し、最後に前記第４の操作量を決定する。このような手順で各操作量を設定することで、どのような運転状態のもとでもトルク、効率及び空燃比の３種の制御量を同時に各目標値へ高精度に追従させることが可能となる。

本発明のさらに他の形態（第７の形態）では、前記の各操作量を設定する手段は、まず、トルク、効率及び空燃比の３種の制御量の各目標値に基づいて吸気量調整弁の開度、点火時期及び燃料噴射量を算出する。そして、操作量としての燃料噴射量と点火プラグ近傍の空燃比の目標値とから前記第４の操作量を算出する。つまり、トルク、効率及び空燃比の３種の制御量の各目標値から直接算出するのは吸気量調整弁の開度、点火時期及び燃料噴射量の３種の操作量とし、前記第４の操作量は燃料噴射量と火プラグ近傍の燃焼ガスの空燃比の目標値とから算出する。このような手順で各操作量を設定することで、制御量の操作量への変換に必要な計算処理の複雑化を回避しつつ、制御量の各目標値を前記第４の操作量を含む４種の操作量に的確に反映させることが可能となる。

本発明の実施の形態１としての内燃機関の制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１にかかる実現部の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態２にかかる実現部の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態２にかかる各操作量の算出手順を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態３にかかる実現部の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態３にかかる燃焼空燃比の目標値の設定方法を説明するための図である。 本発明の実施の形態３にかかる各操作量の算出手順を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態４としての内燃機関の制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態４にかかる実現部の構成を示すブロック図である。

符号の説明

２ スロットル
４ 点火装置
６ 燃料噴射装置
８ スワールコントロールバルブ
１０ 機能要求発生部
１２，１４，１６ 要求出力要素
２０ 目標値設定部
２２ トルク調停要素
２４ 効率調停要素
２６ Ａ／Ｆ調停要素
３０ 実現部
４０ 実現部
３０２ 変換部
３０４ 目標燃焼Ａ／Ｆ設定部
３１２ 変換部
３１４ 目標燃焼Ａ／Ｆ設定部
３１６ 変換部
３２２ 変換部
３２４ 目標燃焼Ａ／Ｆ設定部
３２６ 変換部
４０２ 変換部
４０４ 目標燃焼Ａ／Ｆ設定部

実施の形態１．
本発明の実施の形態１について図１及び図２を用いて説明する。

まず、本実施の形態の前提として、本実施の形態にかかる内燃機関の仕様について説明する。本実施の形態にかかる内燃機関は、成層燃焼による運転を行う内燃機関である。そして、その動作を制御するためのアクチュエータとして、吸気量調整弁としてのスロットル２、点火時期を調整する点火装置４、及び、燃料を筒内に直接噴射する燃料噴射装置６を備えている。本実施の形態にかかる内燃機関の仕様は、後述する実施の形態２及び３にも共通する仕様である。

本実施の形態の制御装置は、図１のブロック図にて示すように構成されている。図１で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（主なもの）を矢印で示している。以下、図１を参照して本実施の形態の制御装置の全体的な構成と、その特徴とについて説明する。

図１に示すように、制御装置は、大きく分けて３つの部分１０，２０，３０から構成されている。このうち、最上位に位置するのは機能要求発生部１０である。機能要求発生部１０の下位には目標値設定部２０が設けられ、さらにその下位には実現部３０が設けられている。前述の各アクチュエータ２，４，６は実現部３０に接続されている。なお、図１中に矢印で示すブロック間の伝達信号とは別に、制御装置内には種々の信号が流れている。そのような信号の一例が、内燃機関の運転条件や運転状態に関する情報（以下、機関情報という）を含んだ信号である。機関情報には、機関回転数、スロットル開度センサの出力値、空燃比センサの出力値、現時点の実点火時期、冷却水温度、吸気弁及び排気弁のバルブタイミング等が含まれる。

以下、制御装置を構成する各部分１０，２０，３０の構成と、そこで行われている処理について順に説明していく。

機能要求発生部１０は、複数の要求出力要素１２，１４，１６から構成されている。要求出力要素１２，１４，１６は内燃機関の機能毎に設けられている。内燃機関の機能には、ドライバビリティ、排気ガス、燃費、騒音、振動等が挙げられる。これらは内燃機関に求められている性能とも言い換えることができる。内燃機関に何を求めるか、何を優先するかによって機能要求発生部１０に配置する要求出力要素の内容は異なってくる。本実施の形態では、ドライバビリティに関する機能に対応して要求出力要素１２が設けられ、排気ガスに関する機能に対応して要求出力要素１４が設けられ、燃費に関する機能に対応して要求出力要素１６が設けられている。

要求出力要素１２，１４，１６は、内燃機関の機能に関する要求を数値化して出力する。アクチュエータ２，４，６の操作量は演算により決定されるので、要求を数値化することによってアクチュエータ２，４，６の操作量に機能要求を反映させることが可能になる。本実施の形態では、機能要求の表現に使用する物理量として、トルク、効率及びＡ／Ｆ（空燃比）の３種を用いることとする。ドライバビリティ、排気ガス或いは燃費といった内燃機関の各種の機能に関する要求はトルク、効率及びＡ／Ｆの何れかの物理量で表現することができるからである。なお、効率は、トルクに変換可能な熱エネルギのトルクへの変換効率に相当し、点火時期がＭＢＴのときを基準にして設定される無次元パラメータである。

図１では、これは一例ではあるが、要求出力要素１２はドライバビリティに関する要求をトルクや効率で表現した要求値にして出力している。要求出力要素１４は排気ガスに関する要求を効率やＡ／Ｆで表現した要求値にして出力している。また、要求出力要素１６は燃費に関する要求を効率やＡ／Ｆで表現した要求値にして出力している。なお、各要求出力要素１２，１４，１６から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。例えば、要求出力要素１２からは、ドライバからの要求トルクだけでなく、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。効率やＡ／Ｆに関しても同様である。

次に、目標値設定部２０について説明する。目標値設定部２０は内燃機関の制御量の目標値を設定する。本実施の形態の制御装置は、前述のトルク、効率及びＡ／Ｆを内燃機関の制御量として用いる。前述のように、内燃機関の各種の機能に関する要求はトルク、効率及びＡ／Ｆの何れかの物理量で表現することができ、且つ、トルク、効率及びＡ／Ｆは内燃機関の出力を決定する３要素である。ここでいう内燃機関の出力にはトルク以外にも熱と排気ガスとが含まれ、これらの出力全体によって前述のドライバビリティ、排気ガス、燃費といった内燃機関の各種の機能が決定される。したがって、トルク、効率及びＡ／Ｆの３種の物理量を内燃機関の制御量とすることで、内燃機関の出力に的確に機能要求を反映させることが可能になる。

目標値設定部２０は、機能要求発生部１０から出力される複数の機能要求を集約して各制御量の目標値を設定する。目標値設定部２０には、制御量毎に調停部２２，２４，２６が設けられている。トルク調停部２２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し、そのトルク要求値を制御量であるトルクの目標値として設定する。効率調停部２４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し、その効率要求値を制御量である効率の目標値として設定する。そして、Ａ／Ｆ調停部２６はＡ／Ｆで表現された要求値を集約して１つのＡ／Ｆ要求値に調停し、そのＡ／Ｆ要求値を制御量であるＡ／Ｆの目標値として設定する。調停とは各機能要求の優先度や機能要求間の関係に鑑みて全体として最も満足度の高い数値を決定する処理である。各調停部２２，２４，２６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、或いは重ね合わせ等、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。ただし、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、調停に用いる規則の内容に限定はない。

次に、実現部３０について説明する。実現部３０は、目標値設定部２０で設定されたトルク、効率及びＡ／Ｆの３種の制御量の各目標値を実現するために必要な各アクチュエータ２，４，６の操作量を算出する。実現部３０で算出される操作量は、スロットル２を操作するためのスロットル開度、点火装置４を操作するための点火時期、そして、燃料噴射装置６を操作するための燃料噴射量及び燃料噴射時期である。

均質燃焼による運転を行う内燃機関であれば、アクチュエータ操作量はスロットル開度、点火時期及び燃料噴射量の３種で足りる。しかし、成層燃焼による運転を行う内燃機関では、上記３種の操作量では適切なトルク制御ができない。成層燃焼では実際の燃焼Ａ／Ｆと筒内全体のＡ／Ｆとが異なるが、上記３種の操作量によって直接調整できるのは筒内全体のＡ／Ｆに限られるからである。燃焼Ａ／Ｆはトルク−点火時期特性に影響するので、筒内全体のＡ／Ｆとは別に実際の燃焼Ａ／Ｆも調整する必要があるが、上記３種の操作量のみではそれを調整することができない。この点に関して本実施の形態の制御装置では、スロットル開度、点火時期及び燃料噴射量に加えて燃料噴射時期も操作量として用いている。燃料噴射時期を変化させれば、筒内での燃料噴霧の流れも変化して点火プラグ周辺に計算される濃い混合気の濃度にも変化が生じる。したがって、燃料噴射時期を操作量の一つとして用いることで、筒内全体のＡ／Ｆとは別に実際の燃焼Ａ／Ｆも調整することができる。

図２は実現部３０の構成を示すブロック図である。本実施の形態にかかる実現部３０は目標燃焼Ａ／Ｆ設定部３０４を備えている。目標燃焼Ａ／Ｆ設定部３０４は、燃焼Ａ／Ｆの目標値を固定値として持っている。燃焼Ａ／Ｆはトルク−点火時期特性を左右する重要なトルク影響因子であるが、燃焼Ａ／Ｆは制御量としては用いられていない。本実施の形態で制御量として用いられているのは筒内全体のＡ／Ｆである。実現部３０内で燃焼Ａ／Ｆの目標値を内生し、それをアクチュエータ操作量の算出に用いることによって的確なトルク制御が可能になる。

実現部３０は、各操作量の算出を変換部３０２によって行う。変換部３０２は、本実施の形態にかかる内燃機関の逆モデルであって、マップや関数で表された複数の統計モデルや物理モデルで構成されている。変換部３０２には、トルク、効率及びＡ／Ｆの３種の制御量の各目標値と燃焼Ａ／Ｆの目標値とが入力される。そして、それらの目標値から変換された４種の操作量、すなわち、スロットル開度、点火時期、燃料噴射量及び燃料噴射時期が変換部３０２から出力される。なお、変換部３０２における変換処理には機関回転数等の機関情報が参照される。

ところで、本実施の形態にかかる制御装置の各種動作は、コンピュータとしての制御装置がメモリに読み出して実行するプログラムによって実現することが可能である。このプログラムは、
ａ．トルク、効率及び空燃比の３種の物理量を内燃機関の制御量として用い、内燃機関の機能に関する要求の少なくとも一部をこれら３種の物理量に集約することよって各制御量の目標値を設定するステップ
ｂ．トルク、効率及び空燃比の３種の制御量の各目標値に基づいて、スロットル開度、点火時期及び燃料噴射量の３種の操作量と、筒内の空燃比の分布を調整することができる第４の操作量としての燃料噴射時期を設定するステップ
ｃ．設定した４種の操作量をそれぞれ操作対象となるアクチュエータへ出力するステップ
を行うためのコードから構成されている。このプログラムはＲＯＭ等の記録媒体に格納して制御装置に備えることができる。

以上が本発明の実施の形態１に関する説明である。図１に示す構成において、目標値設定部２０は本発明の「目標値設定手段」に相当し、実現部３０は本発明の「操作量設定手段」及び「操作量出力手段」に相当する。また、図２に示す構成の実現部３０は、本発明の第２及び第３の形態の「操作量設定手段」に相当する。

なお、実施の形態１では燃焼Ａ／Ｆの目標値を固定値としているが、目標燃焼Ａ／Ｆ設定部３０４が燃焼Ａ／Ｆの目標値を内燃機関の運転状態毎に固定値として持つようにしてもよい。これよれば、内燃機関の運転状態に応じた最適な燃焼Ａ／Ｆの実現によって、トルク制御の精度を高めることができる。この場合、図２に示す構成の実現部３０は本発明の第２及び第４の形態の「操作量設定手段」に相当することになる。或いは、筒内全体のＡ／Ｆと実際の燃焼Ａ／Ｆとの目標対応関係を予め設定しておき、目標燃焼Ａ／Ｆ設定部３０４が制御量であるＡ／Ｆの目標値から燃焼Ａ／Ｆの目標値を決定するようにしてもよい。これよれば、筒内全体のＡ／Ｆの目標値に応じた最適な燃焼Ａ／Ｆの実現によって、トルク制御の精度を高めることができる。この場合、図２に示す構成の実現部３０は本発明の第２及び第５の形態の「操作量設定手段」に相当することになる。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について図１，図３及び図４を用いて説明する。

本実施の形態の制御装置の全体の構成は、実施の形態１と同じく、図１のブロック図にて示される。本実施の形態の制御装置と実施の形態１の制御装置との違いは、制御装置を構成する一要素である実現部３０の構成とその機能にある。本実施の形態にかかる実現部３０の構成を示したのが図３のブロック図である。

本実施の形態にかかる実現部３０は、変換部３１２、変換部３１６及び目標燃焼Ａ／Ｆ設定部３１４から構成されている。実施の形態１では、変換部３０２が内燃機関の逆モデルに相当していたが、本実施の形態では、変換部３１２及び変換部３１６によって内燃機関の逆モデルが構成されている。目標燃焼Ａ／Ｆ設定部３１４は燃焼Ａ／Ｆの目標値を固定値として持っている。

実現部３０は、必要な４種の操作量のうち、まず、スロットル開度、点火時期及び燃料噴射量の３種の操作量の算出を変換部３１２によって行う。変換部３１２には、トルク、効率及びＡ／Ｆの３種の制御量の各目標値が入力される。そして、それらの目標値から変換された上記３種の操作量が変換部３１２から出力される。残る１つの操作量、すなわち、燃料噴射時期は変換部３１６で算出される。変換部３１６には、変換部３１２で算出された燃料噴射量と燃焼Ａ／Ｆの目標値とが入力される。そして、燃料噴射量と燃焼Ａ／Ｆの目標値とから変換された燃料噴射時期が変換部３１６から出力される。なお、各変換部３１２，３１６における変換処理には機関回転数等の機関情報が参照される。

以上のような実現部３０の機能により、本実施の形態によれば各操作量は図４のフローチャートに示す手順にて算出されることになる。その最初のステップＳ１１０では、ドライバビリティ、排気ガス或いは燃費といった内燃機関の機能に関する各種の要求がトルク、効率及びＡ／Ｆの３種の制御量に集約される。この処理は目標値設定部２０によって行われる。

次のステップＳ１２０では、３種の制御量がスロットル開度（ＴＡ）、点火時期（ＳＡ）及び燃料噴射量に変換される。この処理は実現部３０の一要素である変換部３１２にて行われる。

次のステップＳ１３０では、目標燃焼Ａ／Ｆ設定部３１４で設定された燃焼Ａ／Ｆの目標値、変換部３１２で算出された燃料噴射量、及び機関回転数等の機関情報に基づいて燃料噴射時期が導出される。この処理は実現部３０の一要素である変換部３１６にて行われる。

最後のステップＳ１４０では、実現部３０で算出された各操作量、すなわち、スロットル開度（ＴＡ）、点火時期（ＳＡ）、燃料噴射量及び燃料噴射時期が各アクチュエータ２，４，６にセットされる。

以上のように、本実施の形態の制御装置は、スロットル開度、点火時期及び燃料噴射量の算出と、燃料噴射時期の算出とを分けて行うようにしている。このような各操作量の算出方法を採ることで、制御量の操作量への変換に必要な計算処理の複雑化を回避しつつ、制御量の各目標値を燃料噴射時期を含む４種の操作量に的確に反映させることが可能となる。

以上が本発明の実施の形態２に関する説明である。実施の形態２と本発明との対応関係については実施の形態１の場合と同様である。ただし、図３に示す構成の実現部３０は、本発明の第２，第３及び第７の形態の「操作量設定手段」に相当する。なお、実施の形態２では燃焼Ａ／Ｆの目標値を固定値としているが、目標燃焼Ａ／Ｆ設定部３１４は燃焼Ａ／Ｆの目標値を内燃機関の運転状態毎に固定値として持つようにしてもよい。或いは、制御量であるＡ／Ｆの目標値から燃焼Ａ／Ｆの目標値を決定するようにしてもよい。

実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３について図１，図５乃至図７を用いて説明する。

本実施の形態の制御装置の全体の構成は、実施の形態１と同じく、図１のブロック図にて示される。本実施の形態の制御装置と実施の形態１の制御装置との違いは、制御装置を構成する一要素である実現部３０の構成とその機能にある。本実施の形態にかかる実現部３０の構成を示したのが図５のブロック図である。

本実施の形態にかかる実現部３０は、変換部３２２、変換部３２６及び目標燃焼Ａ／Ｆ設定部３２４から構成されている。実施の形態１では、変換部３０２が内燃機関の逆モデルに相当していたが、本実施の形態では、変換部３２２、変換部３２６及び目標燃焼Ａ／Ｆ設定部３２４の全てによって内燃機関の逆モデルが構成されている。

実現部３０は、必要な４種の操作量のうち、まず、スロットル開度、点火時期及び燃料噴射量の３種の操作量の算出を変換部３２２によって行う。変換部３２２には、トルク、効率及びＡ／Ｆの３種の制御量の各目標値が入力される。そして、それらの目標値から変換された上記３種の操作量が変換部３２２から出力される。残る１つの操作量、すなわち、燃料噴射時期は変換部３２６で算出される。変換部３２６には、変換部３２２で算出された燃料噴射量と燃焼Ａ／Ｆの目標値とが入力される。そして、燃料噴射量と燃焼Ａ／Ｆの目標値とから変換された燃料噴射時期が変換部３２６から出力される。なお、各変換部３２２，３２６における変換処理には機関回転数等の機関情報が参照される。

本実施の形態の一つの特徴は燃焼Ａ／Ｆの目標値が変数とされていることにある。目標燃焼Ａ／Ｆ設定部３２４には、制御量であるトルク及びＡ／Ｆと、操作量であるスロットル開度及び点火時期が入力される。目標燃焼Ａ／Ｆ設定部３２４は、これらの入力値から燃焼Ａ／Ｆの目標値を算出する。詳しくは、目標燃焼Ａ／Ｆ設定部３２４は図６に示すようなトルク−点火時期特性のマップを有している。このマップは吸入空気量やＡ／Ｆ等のトルク影響因子（点火時期及び燃料噴射時期以外）毎に用意されている。目標燃焼Ａ／Ｆ設定部３２４は、まず、スロットル開度から吸入空気量を算出し、吸入空気量とＡ／Ｆ等に基づいてトルク−点火時期特性のマップを選択する。図６に示すように、各マップには複数のトルク−点火時期特性曲線が設定されている。これらのトルク−点火時期特性曲線は燃焼Ａ／Ｆ毎に設定されている。実際の燃焼Ａ／Ｆが異なれば燃焼速度にも違いが生じ、結果、トルク−点火時期特性は異なったものになるからである。目標燃焼Ａ／Ｆ設定部３２４は、選択したマップにおいて所望のトルクＴｋと所望の点火時期ＳＡｋとを共に実現できるトルク−点火時期特性曲線を特定する。そして、特定したトルク−点火時期特性曲線が得られる燃焼Ａ／Ｆを燃焼Ａ／Ｆの目標値として設定する。

以上のような実現部３０の機能により、本実施の形態によれば各操作量は図７のフローチャートに示す手順にて算出されることになる。その最初のステップＳ２１０では、ドライバビリティ、排気ガス或いは燃費といった内燃機関の機能に関する各種の要求がトルク、効率及びＡ／Ｆの３種の制御量に集約される。この処理は目標値設定部２０によって行われる。

次のステップＳ２２０では、３種の制御量がスロットル開度（ＴＡ）、点火時期（ＳＡ）及び燃料噴射量に変換される。この処理は実現部３０の一要素である変換部３２２にて行われる。

次のステップＳ２３０では、図６に示すマップを用いて所望のトルクと点火時期とを同時に満たすトルク−点火時期特性曲線が特定される。そして、特定したトルク−点火時期特性曲線が得られる燃焼Ａ／Ｆが燃焼Ａ／Ｆの目標値として設定される。これらの処理は実現部３０の一要素である目標燃焼Ａ／Ｆ設定部３２４にて行われる。

次のステップＳ２４０では、目標燃焼Ａ／Ｆ設定部３２４で設定された燃焼Ａ／Ｆの目標値と、変換部３２２で算出された燃料噴射量とから燃料噴射時期が導出される。この処理は実現部３０の一要素である変換部３２６にて行われる。

ステップＳ２５０では、実現部３０で算出された各操作量、すなわち、スロットル開度（ＴＡ）、点火時期（ＳＡ）、燃料噴射量及び燃料噴射時期が各アクチュエータ２，４，６にセットされる。

以上のように、本実施の形態の制御装置は、まず、３種の制御量の各目標値からスロットル開度、点火時期及び燃料噴射量を決定している。スロットル開度が決定されることで吸入空気量が決まり、吸入空気量と燃料噴射量とから制御量の一つである筒内全体のＡ／Ｆが決まる。また、点火時期によって制御量の一つである効率が決まる。残り一つの制御量であるトルクは、実際の燃焼Ａ／Ｆに依存する。本実施の形態の制御装置は、所望のトルクと点火時期とに対応するトルク−点火時期特性曲線を特定し、その特性曲線を得られる燃焼Ａ／Ｆを燃焼Ａ／Ｆの目標値として設定する。こうして設定された燃焼Ａ／Ｆの目標値を実現するように燃料噴射時期を決めることで、先に決定した３種の操作量のもとでトルク、効率及びＡ／Ｆの３種の制御量の各目標値を実現することが可能になる。つまり、本実施の形態の制御装置によれば、どのような運転状態のもとでもトルク、効率及びＡ／Ｆの３種の制御量を同時に各目標値へ高精度に追従させることができる。

以上が本発明の実施の形態３に関する説明である。実施の形態３と第１の発明との対応関係については実施の形態１の場合と同様である。ただし、図５に示す構成の実現部３０は、本発明の第６及び第７の形態の「操作量設定手段」に相当する。

なお、実燃焼Ａ／Ｆに差異が生じた場合、実際に燃焼する混合気量にも差異が生じる。その差異がトルク−点火時期特性に与える影響は大きくないため、図６に示すマップでは実混合気量の差異については考慮していない。ただし、より高精度に燃焼Ａ／Ｆの目標値を設定するのであれば、実混合気量の影響を考慮した３次元マップに作り替えてもよい。或いは、図６に示すマップから導出した燃焼Ａ／Ｆの目標値に対して事前に実験等でもとめたマップや係数等によって補正を施すようにしてもよい。

実施の形態４．
本発明の実施の形態４について図８及び図９を用いて説明する。

まず、本実施の形態の前提として、本実施の形態にかかる内燃機関の仕様について説明する。本実施の形態にかかる内燃機関は、成層燃焼による運転を行う内燃機関である。そして、その動作を制御するためのアクチュエータとして、吸気量調整弁としてのスロットル２、点火時期を調整する点火装置４、燃料を筒内に直接噴射する燃料噴射装置６、及び、筒内のスワール流を調整するスワールコントロールバルブ（以下、ＳＣＶ）８を備えている。

本実施の形態の制御装置は、図８のブロック図にて示すように構成されている。図８で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（主なもの）を矢印で示している。以下、図８を参照して本実施の形態の制御装置の全体的な構成と、その特徴とについて説明する。

図８に示すように、制御装置は、大きく分けて３つの部分１０，２０，４０から構成されている。このうち、最上位に位置するのは機能要求発生部１０である。機能要求発生部１０の下位には目標値設定部２０が設けられ、さらにその下位には実現部４０が設けられている。前述の各アクチュエータ２，４，６，８は実現部４０に接続されている。機能要求発生部１０及び目標値設定部２０の各構成と、そこで行われている処理の内容に関しては実施の形態１にかかるそれらと同様である。以下では、本実施の形態にかかる実現部４０の構成と、そこで行われている処理について説明する。

実現部４０は、目標値設定部２０で設定されたトルク、効率及びＡ／Ｆの３種の制御量の各目標値を実現するために必要な各アクチュエータ２，４，６，８の操作量を算出する。実現部４０で算出される操作量は、スロットル２を操作するためのスロットル開度、点火装置４を操作するための点火時期、燃料噴射装置６を操作するための燃料噴射量、そして、ＳＣＶ８を操作するためのＳＣＶ開度である。なお、燃料噴射時期も操作量ではあるが、本実施の形態においてはトルク、効率及びＡ／Ｆの３種の制御量から算出される操作量には含まれていない。燃料噴射時期は、成層燃焼を実現するうえで適切な所定の時期に設定されている。

上述のように、本実施の形態ではスロットル開度、点火時期及び燃料噴射量に加えてＳＣＶ開度を操作量として用いている。ＳＣＶ開度を操作することで筒内でのスワール流を調整することができる。スワール流が変化すれば、燃料噴射によって生じた濃いＡ／Ｆのガス塊が点火プラグ近傍に到達する際の輸送速度にも変化が生じる。したがって、ＳＣＶ開度を操作量の一つとして用いることで、筒内全体のＡ／Ｆとは別に点火プラグ近傍のＡ／Ｆ、すなわち、実際の燃焼Ａ／Ｆも調整することができる。

図９は実現部４０の構成を示すブロック図である。本実施の形態にかかる実現部４０は目標燃焼Ａ／Ｆ設定部４０４を備えている。目標燃焼Ａ／Ｆ設定部４０４は、燃焼Ａ／Ｆの目標値を固定値として持っている。燃焼Ａ／Ｆはトルク−点火時期特性を左右する重要なトルク影響因子であるが、燃焼Ａ／Ｆは制御量としては用いられていない。本実施の形態で制御量として用いられているのは筒内全体のＡ／Ｆである。実現部４０内で燃焼Ａ／Ｆの目標値を内生し、それをアクチュエータ操作量の算出に用いることによって的確なトルク制御が可能になる。

実現部４０は、各操作量の算出を変換部４０２によって行う。変換部４０２は、本実施の形態にかかる内燃機関の逆モデルであって、マップや関数で表された複数の統計モデルや物理モデルで構成されている。変換部４０２には、トルク、効率及びＡ／Ｆの３種の制御量の各目標値と燃焼Ａ／Ｆの目標値とが入力される。そして、それらの目標値から変換された４種の操作量、すなわち、スロットル開度、点火時期、燃料噴射量及びＳＣＶ開度が変換部４０２から出力される。なお、変換部４０２における変換処理には機関回転数や燃料噴射時期等の機関情報が参照される。

以上が本発明の実施の形態４に関する説明である。実施の形態４においても実施の形態１と同様の変形例を採用することができる。また、実施の形態１にかかる実現部３０の構成を図３又は図５のブロック図に示す構成に代えてもよいように、本実施の形態にかかる実現部４０の構成も図３又は図５のブロック図に示すような構成に代えてもよい。ただし、その場合、実現部４０から算出されるのは燃料噴射時期ではなくＳＣＶ開度である。

その他．
本発明は上述の実施の形態には限定されない。上述の実施の形態には、本発明にかかる「目標値設定手段」や「操作量設定手段」や「操作量出力手段」が具現化されているが、そこに開示されている構成はこれらの手段が採り得る構成の一例にすぎない。本発明にかかる「目標値設定手段」や「操作量設定手段」や「操作量出力手段」の機能を実現することが可能な全ての構成がそれら各手段の範囲に含まれる。

上述の実施の形態は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することができる。例えば、上述の実施の形態では吸気量調整弁としてスロットルを用いているが、リフト量或いは作用角を連続的に変換させることができる可変機構付きの吸気弁でもよい。この場合、リフト量或いは作用角が吸気量調整弁の操作量となる。

また、本発明にかかる「第４の操作量」としては、筒内の空燃比分布を調整することができる操作量であれば燃料噴射時期やＳＣＶ開度には限定されない。例えば、タンブルコントロールバルブを有する内燃機関であれば、そのバルブ開度を第４の操作量として用いることができる。バルブタイミング可変機機構によって調整される吸気弁のバルブタイミングを第４の操作量として用いることもできる。これらの操作量によれば、ＳＣＶ開度と同様に、リッチな空燃比のガス塊が点火プラグ近傍へ到達する際の輸送速度を調整することができる。

また、本発明の内燃機関の制御装置及び方法が制御対象とするのは、点火プラグ近傍のＡ／Ｆと筒内全体のＡ／Ｆとが異なる内燃機関である。そのような内燃機関には、筒内のＡ／Ｆ分布を意図的に不均一にして燃焼させる内燃機関が含まれるが、上述の各実施の形態にかかる成層燃焼による運転はその一例に過ぎない。また、均質燃焼を行う内燃機関であっても、運転状態によって結果的に筒内のＡ／Ｆ分布に不均一が生じることになる内燃機関は本発明の制御対象に含まれる。ミクロな視点でみたときには均質燃焼であっても筒内のＡ／Ｆの分布にムラが生じる場合があり、必ずしも点火プラグ近傍のＡ／Ｆと筒内全体のＡ／Ｆとが一致するとはかぎらない。トルク−点火時期特性に影響するのは点火プラグ近傍のＡ／Ｆであるので、第４の操作量によって筒内のＡ／Ｆ分布を調整することでルク制御の精度を高めることができる。

Claims (4)

1. 点火プラグ近傍の空燃比と筒内全体の空燃比とが異なる内燃機関の制御装置であって、前記内燃機関を複数のアクチュエータの操作によって制御する制御装置において、
   前記内燃機関から出力されるトルク、トルクに変換可能な熱エネルギのトルクへの変換効率、及び空燃比の３種の物理量を前記内燃機関の制御量として用い、前記内燃機関の機能に関する要求の少なくとも一部を前記３種の物理量に集約することによって各制御量の目標値を設定する目標値設定手段と、
   前記３種の制御量の各目標値に基づいて、吸気量調整弁の開度、点火時期及び燃料噴射量の３種の操作量と、筒内の空燃比分布を調整することができる第４の操作量とを設定する操作量設定手段と、
   設定した前記４種の操作量をそれぞれ操作対象となるアクチュエータへ出力する操作量出力手段とを備え、
   前記操作量設定手段は、
   前記３種の制御量の各目標値に基づいて、吸気量調整弁の開度、点火時期及び燃料噴射量の３種の操作量の設定値を算出する手段と、
   吸入空気量と筒内全体の空燃比と点火プラグ近傍の空燃比とで定まるトルク−点火時期特性に関するデータに基づいて、吸気量調整弁の開度の設定値から算出した吸入空気量、点火時期の設定値、空燃比の目標値、及びトルクの目標値を同時に実現することのできる点火プラグ近傍の空燃比を特定し、特定した点火プラグ近傍の空燃比をその目標値として設定する手段と、
   燃料噴射量の設定値と点火プラグ近傍の空燃比の目標値とから前記第４の操作量の設定値を算出する手段とを備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記操作量設定手段は、前記第４の操作量として燃料噴射時期を設定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 点火プラグ近傍の空燃比と筒内全体の空燃比とが異なる内燃機関を複数のアクチュエータの操作によって制御する方法であって、
   前記内燃機関から出力されるトルク、トルクに変換可能な熱エネルギのトルクへの変換効率、及び空燃比の３種の物理量を前記内燃機関の制御量として用い、前記内燃機関の機能に関する要求の少なくとも一部を前記３種の物理量に集約することよって各制御量の目標値を設定するステップと、
   前記３種の制御量の各目標値に基づいて、吸気量調整弁の開度、点火時期及び燃料噴射量の３種の操作量と、筒内の空燃比の分布を調整することができる第４の操作量とを設定するステップと、
   設定した前記４種の操作量をそれぞれ操作対象となるアクチュエータへ出力するステップとを実行し、
   前記の操作量を設定するステップでは、
   前記３種の制御量の各目標値に基づいて、吸気量調整弁の開度、点火時期及び燃料噴射量の３種の操作量の設定値を算出するステップと、
   吸入空気量と筒内全体の空燃比と点火プラグ近傍の空燃比とで定まるトルク−点火時期特性に関するデータに基づいて、吸気量調整弁の開度の設定値から算出した吸入空気量、点火時期の設定値、空燃比の目標値、及びトルクの目標値を同時に実現することのできる点火プラグ近傍の空燃比を特定し、特定した点火プラグ近傍の空燃比をその目標値として設定するステップと、
   燃料噴射量の設定値と点火プラグ近傍の空燃比の目標値とから前記第４の操作量の設定値を算出するステップとを実行することを特徴とする内燃機関の制御方法。
4. 前記の操作量を設定するステップでは、前記第４の操作量として燃料噴射時期を設定することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の制御方法。

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