JP5239906B2 - 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、スロットル開度と点火時期と燃料噴射量とによってトルクを制御する内燃機関の制御装置に関する。

目標トルクを設定し、その目標トルクを実現するように内燃機関を制御する、いわゆるトルクデマンド制御が知られている。特開２００８−６４００１号公報には、そのようなトルクデマンド制御に関する発明が開示されている。この特許文献に開示された発明よれば、目標トルクは、予め設定された分配優先順序にしたがってスロットルや点火装置等の各アクチュエータに分配される。また、各アクチュエータの信号の入力部には、分配される信号のうち当該アクチュエータの動作特性に合った信号のみを当該アクチュエータの指令信号として通過させる信号処理フィルタが設けられているので、アクチュエータの動作能力を超える指令信号が入力されることはない。

特開２００８−６４００１号公報

ところで、内燃機関の性能に関する要求には、ドライバビリティに関する要求、燃費に関する要求及びエミッションに関する要求が含まれる。ドライバビリティに関する要求はトルクによって数値化することができ、燃費に関する要求は効率によって数値化することができ、エミッションに関する要求は空燃比によって数値化することができる。これらの要求トルク、要求効率、要求空燃比を実現するように内燃機関を制御することで、内燃機関に求められる各種の性能を達成することができる。

しかしながら、上記特許文献に開示された発明を含めて、従来提案されているトルクデマンド制御では、トルク以外の要求については各アクチュエータの制御において考慮されていなかった。エミッション性能や燃費性能の向上のためには、要求トルクだけでなく要求空燃比や要求効率に関しても可能な限り実現できるようにしたい。

本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、要求トルクを優先しつつ要求空燃比や要求効率についても可能な限り実現させることができる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、第１の発明は、スロットル開度と点火時期と燃料噴射量とによってトルクを制御する内燃機関の制御装置において、
要求トルク、要求効率及び要求空燃比を取得する要求値取得手段と、
前記要求トルク、要求効率及び要求空燃比に基づいて目標筒内空気量、目標効率及び目標空燃比を設定する目標値設定手段と、
前記目標筒内空気量を実現するようにスロットル開度を制御するスロットル開度制御手段と、
前記目標効率を実現するように点火時期を制御する点火時期制御手段と、
前記目標空燃比を実現するように燃料噴射量を制御する燃料噴射量制御手段と、
を備え、
前記目標値設定手段は、
前記要求トルクを前記要求効率で除した値を要求ＭＢＴトルクとして算出する手段と、
スロットル開度を最大にし、且つ、点火時期をＭＢＴに設定し、且つ、空燃比をリッチ化することで実現されるトルクである第１判断基準トルクを算出する手段と、
スロットル開度を最大にし、且つ、点火時期をＭＢＴに設定し、且つ、空燃比を要求空燃比に設定することで実現されるトルクである第２判断基準トルクを算出する手段と、
スロットル開度を最小にし、且つ、点火時期をＭＢＴに設定し、且つ、空燃比を要求空燃比に設定することで実現されるトルクである第３判断基準トルクを算出する手段と、
を含み、
前記第１判断基準トルクよりも大きいトルク領域を領域Ａ、前記第１判断基準トルクから前記第２判断基準トルクまでのトルク領域を領域Ｂ、前記第２判断基準トルクから前記第３判断基準トルクまでのトルク領域を領域Ｃ、前記第３判断基準トルクよりも小さいトルク領域を領域Ｄと定義した場合に、
前記目標値設定手段は、
前記要求ＭＢＴトルクが前記領域Ｃにある場合は、前記要求ＭＢＴトルクを実現するための筒内空気量を目標筒内空気量として設定し、前記要求効率を前記目標効率として設定し、前記要求空燃比を前記目標空燃比として設定し、
前記要求ＭＢＴトルクが前記領域Ａ或いは領域Ｂにあり、且つ、前記要求トルクが前記領域Ｃ或いは領域Ｄにある場合には、スロットル開度を最大にしたときの筒内空気量を目標筒内空気量として設定し、前記要求空燃比を目標空燃比として設定し、前記目標筒内空気量及び目標空燃比のもとで実現されるＭＢＴトルクで前記要求トルクを除した値を目標効率として設定し、
前記要求トルクが前記領域Ｂにある場合には、スロットル開度を最大にしたときの筒内空気量を目標筒内空気量として設定し、目標効率を１に設定し、前記目標筒内空気量及び要求空燃比のもとで実現されるＭＢＴトルクと前記要求トルクとのずれに応じた空燃比修正量を前記要求空燃比に加えた値を目標空燃比として設定し、
前記要求トルクが前記領域Ａにある場合には、スロットル開度を最大にしたときの筒内空気量を目標筒内空気量として設定し、目標効率を１に設定し、前記目標筒内空気量のもとでのＭＢＴトルクを最大にする空燃比を目標空燃比として設定し、
前記要求ＭＢＴトルクが前記領域Ｄにある場合は、スロットル開度を最小にしたときの筒内空気量を目標筒内空気量として設定し、前記要求空燃比を目標空燃比として設定し、前記目標筒内空気量及び目標空燃比のもとで実現されるＭＢＴトルクで前記要求トルクを除した値を目標効率として設定することを特徴としている。

また、第２の発明は、スロットル開度と点火時期と燃料噴射量とによってトルクを制御する内燃機関の制御装置において、
要求トルク、要求効率及び要求空燃比を取得する要求値取得手段と、
前記要求トルク、要求効率及び要求空燃比に基づいて目標筒内空気量、目標効率及び目標空燃比を設定する目標値設定手段と、
前記目標筒内空気量を実現するようにスロットル開度を制御するスロットル開度制御手段と、
前記目標効率を実現するように点火時期を制御する点火時期制御手段と、
前記目標空燃比を実現するように燃料噴射量を制御する燃料噴射量制御手段と、
を備え、
前記目標値設定手段は、
前記要求トルクを前記要求効率で除した値を要求ＭＢＴトルクとして算出する手段と、
ノックが発生しない限界の効率を上限効率として算出する手段と、
失火が発生しない限界の効率を下限効率として算出する手段と、
スロットル開度を最大にし、且つ、点火時期をＭＢＴに設定し、且つ、空燃比をリッチ化することで実現されるトルクである第１判断基準トルクを算出する手段と、
スロットル開度を最大にし、且つ、点火時期をＭＢＴに設定し、且つ、空燃比を要求空燃比に設定することで実現されるトルクである第２判断基準トルクを算出する手段と、
スロットル開度を最小にし、且つ、点火時期をＭＢＴに設定し、且つ、空燃比を要求空燃比に設定することで実現されるトルクである第３判断基準トルクを算出する手段と、
を含み、
前記第１判断基準トルクよりも大きいトルク領域を領域Ａ、前記第１判断基準トルクから前記第２判断基準トルクまでのトルク領域を領域Ｂ、前記第２判断基準トルクから前記第３判断基準トルクまでのトルク領域を領域Ｃ、前記第３判断基準トルクよりも小さいトルク領域を領域Ｄと定義し、
前記第１判断基準トルクに前記上限効率を掛けた値よりも大きいトルク領域を領域Ｉ、前記第１判断基準トルクに前記上限効率を掛けた値から前記第２判断基準トルクに前記上限効率を掛けた値までのトルク領域を領域II、前記第２判断基準トルクに前記上限効率を掛けた値から前記第３判断基準トルクに前記上限効率を掛けた値までのトルク領域を領域III、前記第３判断基準トルクに前記上限効率を掛けた値から前記第３判断基準トルクに前記下限効率を掛けた値までのトルク領域を領域IV、前記第３判断基準トルクに前記下限効率を掛けた値よりも小さいトルク領域を領域Ｖと定義した場合に、
前記目標値設定手段は、
前記要求ＭＢＴトルクが前記領域Ｃにある場合は、前記要求ＭＢＴトルクを実現するための筒内空気量を目標筒内空気量として設定し、前記要求効率を前記目標効率として設定し、前記要求空燃比を前記目標空燃比として設定し、
前記要求ＭＢＴトルクが前記領域Ａ或いは領域Ｂにあり、且つ、前記要求トルクが前記領域III、領域IV或いは領域Ｖにある場合には、スロットル開度を最大にしたときの筒内空気量を目標筒内空気量として設定し、前記要求空燃比を目標空燃比として設定し、前記目標筒内空気量及び目標空燃比のもとで実現されるＭＢＴトルクで前記要求トルクを除した値を目標効率として設定し、
前記要求トルクが前記領域IIにある場合には、スロットル開度を最大にしたときの筒内空気量を目標筒内空気量として設定し、目標効率を前記上限効率に設定し、前記目標筒内空気量と目標効率と要求空燃比のもとで実現されるトルクと前記要求トルクとのずれに応じた空燃比修正量を前記要求空燃比に加えた値を目標空燃比として設定し、
前記要求トルクが前記領域Ｉある場合には、スロットル開度を最大にしたときの筒内空気量を目標筒内空気量として設定し、目標効率を前記上限効率に設定し、前記目標筒内空気量及び前記上限効率のもとでのトルクを最大にする空燃比を目標空燃比として設定し、
前記要求ＭＢＴトルクが前記領域Ｄにあり、且つ、前記要求トルクが前記領域IVにある場合には、スロットル開度を最小にしたときの筒内空気量を目標筒内空気量として設定し、前記要求空燃比を目標空燃比として設定し、前記目標筒内空気量及び目標空燃比のもとで実現されるＭＢＴトルクで前記要求トルクを除した値を目標効率として設定し、
前記要求ＭＢＴトルクが前記領域Ｄにあり、且つ、前記要求トルクが前記領域Ｖにある場合には、スロットル開度を最小にしたときの筒内空気量を目標筒内空気量として設定し、目標効率を前記下限効率に設定し、前記目標筒内空気量と目標効率と要求空燃比のもとで実現されるトルクと前記要求トルクとのずれに応じた空燃比修正量を前記要求空燃比に加えた値を目標空燃比として設定することを特徴とする内燃機関の制御装置。

第３の発明は、第２の発明の内燃機関の制御装置において、
前記目標値設定手段は、
失火が発生しない空燃比の限界を上限空燃比として算出する手段と、
スロットル開度を最小にし、且つ、点火時期をＭＢＴに設定し、且つ、空燃比を前記上限空燃比に設定することで実現されるトルクである第４判断基準トルクを算出する手段と、
をさらに含み、
前記領域Ｖを前記第３判断基準トルクに前記下限効率を掛けた値から前記第４判断基準トルクに前記下限効率を掛けた値までのトルク領域とし、前記第４判断基準トルクに前記下限効率を掛けた値よりも小さいトルク領域を領域VIと定義した場合に、
前記目標値設定手段は、
前記要求ＭＢＴトルクが前記領域Ｄにあり、且つ、前記要求トルクが前記領域VIにある場合には、スロットル開度を最小にしたときの筒内空気量を目標筒内空気量として設定し、目標効率を前記下限効率に設定し、目標空燃比を前記上限空燃比に設定することを特徴としている。

そして、第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明の内燃機関の制御装置において、
前記要求値取得手段は、
要求トルク及び要求空燃比を取得する手段と、
実際の筒内空気量及び前記要求空燃比のもとで実現されるＭＢＴトルクを推定ＭＢＴトルクとして算出する手段と、
前記要求トルクを前記推定ＭＢＴトルクで除した値を要求効率として算出する手段と、
を含み、
前記目標値設定手段は、
ノックが発生しない限界の効率を上限効率として算出する手段と、
失火が発生しない限界の効率を下限効率として算出する手段と、
をさらに含み、
前記目標値設定手段は、
前記要求効率が前記上限効率以上の場合には、目標効率を前記上限効率に設定し、前記推定ＭＢＴトルクに前記上限効率を掛けた値と前記要求トルクとのずれに応じた空燃比修正量を前記要求空燃比に加えた値を目標空燃比として設定し、
前記要求効率が前記下限効率以下の場合には、目標効率を前記下限効率に設定し、前記推定ＭＢＴトルクに前記下限効率を掛けた値と前記要求トルクとのずれに応じた空燃比修正量を前記要求空燃比に加えた値を目標空燃比として設定することを特徴としている。

第１の発明によれば、第１乃至第３の各判断基準トルクによって分けられるトルク領域Ａ乃至Ｄと要求トルク或いは要求ＭＢＴトルク（要求ＭＢＴトルク＝要求トルク／要求効率）との位置関係を調べることによって、要求トルク、要求効率及び要求空燃比のそれぞれの実現可能性を正確に判断することができる。そして、その判断結果に基づいて目標筒内空気量、目標効率及び目標空燃比を設定し、それらを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制御を行うことによって、要求トルク＞要求空燃比＞要求効率の優先順序でそれら要求を可能な限り実現させることができる。

第２の発明によれば、第１乃至第３の各判断基準トルクと上限・下限効率とから決まるトルク領域Ｉ乃至Ｖと要求トルクとの位置関係、及び、第１乃至第３の各判断基準トルクによって分けられるトルク領域Ａ乃至Ｄと要求ＭＢＴトルク（要求ＭＢＴトルク＝要求トルク／要求効率）との位置関係を調べることによって、ノックや失火の発生を考慮した上での要求トルク、要求効率及び要求空燃比のそれぞれの実現可能性を正確に判断することができる。そして、その判断結果に基づいて目標筒内空気量、目標効率及び目標空燃比を設定し、それらを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制御を行うことによって、ノックや失火の発生を防止しつつ要求トルク＞要求空燃比＞要求効率の優先順序でそれら要求を可能な限り実現させることができる。

第３の発明によれば、リーン空燃比による失火の発生を考慮した上での要求トルク、要求効率及び要求空燃比のそれぞれの実現可能性を正確に判断することができる。そして、その判断結果に基づいて目標筒内空気量、目標効率及び目標空燃比を設定し、それらを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制御を行うことによって、失火の発生をより確実に防止しつつ要求トルク＞要求空燃比＞要求効率の優先順序でそれら要求を可能な限り実現させることができる。

第４の発明によれば、ノックや失火の発生を防止しつつ、目標筒内空気量と実際の筒内空気量とのずれによって実際の実現トルクが要求トルクから乖離してしまうことを防止することができる。

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概略図である。 本発明の実施の形態１に係る要求トルク、要求効率及び要求空燃比のそれぞれの実現性の判断方法について説明するための図である。 本発明の実施の形態２に係る要求トルク、要求効率及び要求空燃比のそれぞれの実現性の判断方法について説明するための図である。 本発明の実施の形態３に係る要求トルク、要求効率及び要求空燃比のそれぞれの実現性の判断方法について説明するための図である。

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を参照して説明する。

図１は、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概略図である。この図に示すように、制御装置は要求トルク、要求効率及び要求空燃比（以下、Ａ／Ｆ）の入力を受け付け、それらに基づいて目標筒内空気量、目標効率及び目標Ａ／Ｆを設定する。そして、目標筒内空気量を実現するようにスロットル開度を制御し、目標効率を実現するように点火時期を制御し、また、目標Ａ／Ｆを実現するように燃料噴射量を制御する。それらの制御はフィードフォワード制御であり、統計モデルや物理モデルを用いて各目標値から各アクチュエータの操作量が算出される。例えば、スロットル開度の算出には、スロットルの動作に対する筒内空気量の応答を数式によってモデル化したエアモデルの逆モデルが用いられる。点火時期の算出には、点火時期と効率とを各種の運転条件をキーにして関連付けた点火時期マップが用いられる。また、燃料噴射量の算出には、インジェクタからの燃料噴射量に対する筒内燃料量の応答をモデル化した燃料付着モデルの逆モデルが用いられる。

本実施の形態の特徴は、各要求値に基づいて各目標値を設定する方法にある。本実施の形態では、まず、各要求値の実現性について判断し、その判断結果に応じた規則に従って各目標値を設定する。目標値の設定に用いる規則は、要求トルク＞要求Ａ／Ｆ＞要求効率の優先順序でそれら要求を可能な限り実現させるという観点で最適化された規則である。以下、各要求値の実現性の判断方法と、その判断結果に応じた各目標値の設定方法とについて説明する。

図２は、本実施の形態に係る要求トルク、要求効率及び要求Ａ／Ｆのそれぞれの実現性の判断方法について説明するための図である。図２に示すグラフは縦軸にトルク、横軸に点火時期をとったグラフであり、グラフ中には３つのトルクカーブが描かれている。

実線で示すトルクカーブは、スロットル開度（ＴＡ）を最大にし、且つ、Ａ／Ｆをリッチ化したときのトルクカーブである。このトルクカーブにおいてトルクが最大になるのは、点火時期がＭＢＴとなる丸印で示す位置である。以下、丸印に対応するトルクを第１判断基準トルクと呼ぶ。

破線で示すトルクカーブは、スロットル開度を最大にし、且つ、Ａ／Ｆを要求Ａ／Ｆに設定したときのトルクカーブである。このトルクカーブにおいてトルクが最大になるのは、点火時期がＭＢＴとなる四角印で示す位置である。以下、四角印に対応するトルクを第２判断基準トルクと呼ぶ。

そして、点線で示すトルクカーブは、スロットル開度を最小にし、且つ、Ａ／Ｆを要求Ａ／Ｆに設定したときのトルクカーブである。このトルクカーブにおいてトルクが最大になるのは、点火時期がＭＢＴとなる三角印で示す位置である。以下、三角印に対応するトルクを第３判断基準トルクと呼ぶ。

前記の３つの判断基準トルクにより、トルク領域は４つの領域に分けられる。本明細書においては、第１判断基準トルクよりも大きいトルク領域を領域Ａと定義する。また、第１判断基準トルクから第２判断基準トルクまでのトルク領域を領域Ｂと定義する。さらに、第２判断基準トルクから第３判断基準トルクまでのトルク領域を領域Ｃと定義する。そして、第４判断基準トルクよりも小さいトルク領域を領域Ｄと定義する。

要求トルク、要求効率及び要求Ａ／Ｆのそれぞれの実現性は、領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄと要求トルクとの位置関係、及び、領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄと要求トルクを要求効率で除した値との位置関係によって判断することができる。要求トルクを要求効率で除した値は、要求トルクと要求効率とをともに実現できた場合のＭＢＴトルクである。以下、この値を要求ＭＢＴトルクと呼ぶ。図２中には要求トルクの一例を二重丸印で示し、要求ＭＢＴトルクの一例を星印で示している。

ケース１：要求ＭＢＴトルク（要求ＭＢＴトルク＝要求トルク／要求効率）が領域Ｃにある場合
［実現性の判断］
この場合は、全ての要求値を実現することができる。
［目標値の設定］
要求ＭＢＴトルクを実現するための筒内空気量を目標筒内空気量として設定する。要求ＭＢＴトルクの筒内空気量への変換にはマップやモデルを用いることができる。要求効率をそのまま目標効率として設定する。また、要求空燃比をそのまま目標空燃比として設定する。

ケース２：要求ＭＢＴトルクが領域Ａ或いは領域Ｂにあり、要求トルクが領域Ｃ或いは領域Ｄにある場合
［実現性の判断］
この場合、要求Ａ／Ｆのもとでは要求トルクと要求効率の何れかが実現不可能となる。逆に、要求トルクと要求効率とを共に実現する場合には、Ａ／Ｆを要求Ａ／Ｆよりもリッチ化することが必要となる。したがって、ケース２では、要求トルク、要求効率、要求Ａ／Ｆのうち何れか１つは実現することができない。要求の優先順序を要求トルク＞要求Ａ／Ｆ＞要求効率とするならば、要求効率が実現できないことになる。
［目標値の設定］
スロットル開度を最大にしたときの筒内空気量を目標筒内空気量として設定する。また、要求空燃比を目標空燃比として設定する。そして、次の式に示すように、スロットル開度が最大でＡ／Ｆが目標Ａ／Ｆのときに実現されるＭＢＴトルクで要求トルクを除した値を目標効率として設定する。
目標効率＝要求トルク／ＭＢＴトルク＠スロットル開度最大＆目標Ａ／Ｆ

ケース３：要求トルクが領域Ｂにある場合
［実現性の判断］
効率は１以下であるので、この場合、要求ＭＢＴトルクは領域Ａか領域Ｂの何れかに存在する。要求ＭＢＴトルクが領域Ｂにある場合には、最優先の要求値のみ実現することができる。ただし例外があり、要求Ａ／Ｆの優先度が最も低ければ要求トルクと要求効率を共に実現することでき、要求トルクの優先度が最も低ければ要求効率と要求Ａ／Ｆを共に実現することできる。要求ＭＢＴトルクが領域Ａにある場合にも、最優先の要求値のみ実現することができる。ただし例外があり、要求トルクの優先度が最も低ければ要求効率と要求Ａ／Ｆを共に実現することできる。要求の優先順序を要求トルク＞要求Ａ／Ｆ＞要求効率とするならば、ケース３では、実現できるのは要求トルクのみとなる。
［目標値の設定］
スロットル開度を最大にしたときの筒内空気量を目標筒内空気量として設定する。また、目標効率は最大値である１に設定する。そして、次の式に示すように、要求トルクとスロットル開度が最大でＡ／Ｆが要求Ａ／Ｆのときに実現されるＭＢＴトルクとの比を算出し、その比に応じたＡ／Ｆ修正量を要求Ａ／Ｆに加えた値を目標Ａ／Ｆとして設定する。下式においてｆはトルク変化割合に対するＡ／Ｆ修正量のマップ或いは関数である。
目標Ａ／Ｆ＝要求Ａ／Ｆ＋ｆ（要求トルク／ＭＢＴトルク＠スロットル開度最大＆要求Ａ／Ｆ）

ケース４：要求トルクが領域Ａにある場合
［実現性の判断］
この場合は、全ての要求値を実現することができない。ただし例外があり、要求効率又は要求Ａ／Ｆが最優先であればその最優先値を実現することでき、要求トルクの優先度が最も低ければ要求効率と要求Ａ／Ｆを共に実現することできる。要求の優先順序を要求トルク＞要求Ａ／Ｆ＞要求効率とするならば、ケース４では、何れの要求値も実現できないことになる。
［目標値の設定］
スロットル開度を最大にしたときの筒内空気量を目標筒内空気量として設定する。目標効率は最大値である１に設定する。そして、スロットル開度が最大のときのＭＢＴトルクを最大にするＡ／Ｆを目標Ａ／Ｆとして設定する。

ケース５：要求ＭＢＴトルクが領域Ｄにある場合
［実現性の判断］
この場合、要求トルクと要求Ａ／Ｆとを実現することができる。
［目標値の設定］
スロットル開度を最小にしたときの筒内空気量を目標筒内空気量として設定する。また、要求空燃比を目標空燃比として設定する。そして、次の式に示すように、スロットル開度が最小でＡ／Ｆが目標Ａ／Ｆのときに実現されるＭＢＴトルクで要求トルクを除した値を目標効率として設定する。
目標効率＝要求トルク／ＭＢＴトルク＠スロットル開度最小＆目標Ａ／Ｆ

以上説明したように、本実施の形態によれば、第１乃至第３の各判断基準トルクによって分けられるトルク領域Ａ乃至Ｄと要求トルク或いは要求ＭＢＴトルク（要求ＭＢＴトルク＝要求トルク／要求効率）との位置関係を調べることによって、要求トルク、要求効率及び要求Ａ／Ｆのそれぞれの実現可能性を正確に判断することができる。そして、その判断結果に基づいて目標筒内空気量、目標効率及び目標Ａ／Ｆを設定し、それらを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制御を行うことによって、要求トルク＞要求Ａ／Ｆ＞要求効率の優先順序でそれら要求を可能な限り実現させることができる。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について図２及び図３を参照して説明する。

本実施の形態の特徴は、各要求値の実現性について判断する上でノックや失火の発生を考慮した点にある。本実施の形態では、まず、ノックや失火の発生を考慮した上での各要求値の実現性について判断し、その判断結果に応じた規則に従って各目標値を設定する。目標値の設定に用いる規則は、ノックや失火が発生しない範囲において要求トルク＞要求Ａ／Ｆ＞要求効率の優先順序でそれら要求を可能な限り実現させるという観点で最適化された規則である。以下、本実施の形態にて採っている各要求値の実現性の判断方法と、その判断結果に応じた各目標値の設定方法とについて説明する。

図３は、本実施の形態に係る要求トルク、要求効率及び要求Ａ／Ｆのそれぞれの実現性の判断方法について説明するための図である。図３に示すグラフは縦軸にトルク、横軸に点火時期をとったグラフであり、グラフ中には３つのトルクカーブが描かれている。これらのトルクカーブは図２に示すトルクカーブと共通している。また、丸印に対応するトルクは第１判断基準トルクであり、四角印に対応するトルクは第２判断基準トルクであり、三角印に対応するトルクは第３判断基準トルクである点も図２と共通である。

図３ではトルク領域が５つの領域に分けられている。本明細書においては、第１判断基準トルクに上限効率を掛けた値よりも大きいトルク領域を領域Ｉと定義する。上限効率とはノックが発生しない限界の効率であって運転条件から算出される。また、第１判断基準トルクに上限効率を掛けた値から第２判断基準トルクに上限効率を掛けた値までのトルク領域を領域IIと定義する。さらに、第２判断基準トルクに上限効率を掛けた値から第３判断基準トルクに上限効率を掛けた値までのトルク領域を領域IIIと定義する。さらに、第３判断基準トルクに上限効率を掛けた値から第３判断基準トルクに下限効率を掛けた値までのトルク領域を領域IVと定義する。下限効率とは失火が発生しない限界の効率であって運転条件から算出される。そして、第３判断基準トルクに下限効率を掛けた値よりも小さいトルク領域を領域Ｖと定義する。

ノックや失火の発生を考慮した上での要求トルク、要求効率及び要求Ａ／Ｆのそれぞれの実現性は、図３に示す領域Ｉ，II，III，IV，Ｖと要求トルクとの位置関係、及び、図２に示す領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄと要求ＭＢＴトルク（要求ＭＢＴトルク＝要求トルク／要求効率）との位置関係によって判断することができる。図３中には要求トルクの一例を二重丸印で示している。

ケース１：要求ＭＢＴトルク（要求ＭＢＴトルク＝要求トルク／要求効率）が領域Ｃにある場合
［実現性の判断］
この場合は、全ての要求値を実現することができる。
［目標値の設定］
要求ＭＢＴトルクを実現するための筒内空気量を目標筒内空気量として設定する。要求ＭＢＴトルクの筒内空気量への変換にはマップやモデルを用いることができる。要求効率をそのまま目標効率として設定する。また、要求空燃比をそのまま目標空燃比として設定する。

ケース２：要求ＭＢＴトルクが領域Ａ或いは領域Ｂにあって、要求トルクが領域III、領域IV或いは領域Ｖにある場合
［実現性の判断］
要求の優先順序を要求トルク＞要求Ａ／Ｆ＞要求効率とするならば、この場合、要求トルクと要求Ａ／Ｆを実現することができる。
［目標値の設定］
スロットル開度を最大にしたときの筒内空気量を目標筒内空気量として設定する。また、要求空燃比を目標空燃比として設定する。そして、次の式に示すように、スロットル開度が最大でＡ／Ｆが目標Ａ／Ｆのときに実現されるＭＢＴトルクで要求トルクを除した値を目標効率として設定する。
目標効率＝要求トルク／ＭＢＴトルク＠スロットル開度最大＆目標Ａ／Ｆ

ケース３：要求トルクが領域IIにある場合
［実現性の判断］
要求の優先順序を要求トルク＞要求Ａ／Ｆ＞要求効率とするならば、この場合、要求トルクのみを実現することができる。
［目標値の設定］
スロットル開度を最大にしたときの筒内空気量を目標筒内空気量として設定する。目標効率はノックの発生しない効率の限界値である上限効率に設定する。また、スロットル開度が最大で、上限効率となる点火時期で、且つＡ／Ｆが要求Ａ／Ｆのときに実現されるトルクを算出し、要求トルクと算出したトルクとの比を計算する。そして、次の式に示すように、その比に応じたＡ／Ｆ修正量を要求Ａ／Ｆに加えた値を目標Ａ／Ｆとして設定する。下式においてｆはトルク変化割合に対するＡ／Ｆ修正量のマップ或いは関数である。
目標Ａ／Ｆ＝要求Ａ／Ｆ＋ｆ（要求トルク／トルク＠スロットル開度最大＆上限効率＆要求Ａ／Ｆ）

ケース４：要求トルクが領域Ｉにある場合
［実現性の判断］
この場合は、全ての要求値を実現することができない。
［目標値の設定］
スロットル開度を最大にしたときの筒内空気量を目標筒内空気量として設定する。目標効率は上限効率に設定する。そして、スロットル開度最大で効率を上限効率に設定したときのトルクを最大にするＡ／Ｆを目標Ａ／Ｆとして設定する。

ケース５：要求ＭＢＴトルクが領域Ｄにあり、要求トルクが領域IVにある場合
［実現性の判断］
この場合、要求トルクと要求Ａ／Ｆとを実現することができる。
［目標値の設定］
スロットル開度を最小にしたときの筒内空気量を目標筒内空気量として設定する。また、要求空燃比を目標空燃比として設定する。そして、次の式に示すように、スロットル開度が最小でＡ／Ｆが目標Ａ／Ｆのときに実現されるＭＢＴトルクで要求トルクを除した値を目標効率として設定する。
目標効率＝要求トルク／ＭＢＴトルク＠スロットル開度最小＆目標Ａ／Ｆ

ケース６：要求ＭＢＴトルクが領域Ｄにあり、要求トルクが領域Ｖにある場合
［実現性の判断］
この場合、要求トルクのみを実現することができる。
［目標値の設定］
スロットル開度を最小にしたときの筒内空気量を目標筒内空気量として設定する。目標効率は失火の発生しない効率の限界値である下限効率に設定する。また、スロットル開度が最小で、下限効率となる点火時期で、且つＡ／Ｆが要求Ａ／Ｆのときに実現されるトルクを算出し、要求トルクと算出したトルクとの比を計算する。そして、次の式に示すように、その比に応じたＡ／Ｆ修正量を要求Ａ／Ｆに加えた値を目標Ａ／Ｆとして設定する。下式においてｆはトルク変化割合に対するＡ／Ｆ修正量のマップ或いは関数である。
目標Ａ／Ｆ＝要求Ａ／Ｆ＋ｆ（要求トルク／トルク＠スロットル開度最小＆下限効率＆要求Ａ／Ｆ）

以上説明したように、本実施の形態によれば、第１乃至第３の各判断基準トルクと上限・下限効率とから決まるトルク領域Ｉ乃至Ｖと要求トルクとの位置関係、及び、第１乃至第３の各判断基準トルクによって分けられるトルク領域Ａ乃至Ｄと要求ＭＢＴトルク（要求ＭＢＴトルク＝要求トルク／要求効率）との位置関係を調べることによって、ノックや失火の発生を考慮した上での要求トルク、要求効率及び要求Ａ／Ｆのそれぞれの実現可能性を正確に判断することができる。そして、その判断結果に基づいて目標筒内空気量、目標効率及び目標Ａ／Ｆを設定し、それらを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制御を行うことによって、ノックや失火の発生を防止しつつ要求トルク＞要求Ａ／Ｆ＞要求効率の優先順序でそれら要求を可能な限り実現させることができる。

実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３について図２及び図４を参照して説明する。

本実施の形態の特徴は、実施の形態２に係る各要求値の実現性の判断において、リーンＡ／Ｆによる失火の発生を考慮に入れた点にある。本実施の形態では、失火が発生しないＡ／Ｆの限界値（上限Ａ／Ｆ）を運転条件から算出する。そして、スロットル開度を最小にし、且つ、点火時期をＭＢＴに設定し、且つ、Ａ／Ｆを上限Ａ／Ｆに設定することで実現されるトルクを算出する。以下、このトルクを第４判断基準トルクと呼ぶ。本実施の形態では、この第４判断基準トルクを考慮にいれて各要求値の実現性を判断するとともに、その判断結果に応じて各目標値を設定する。

図４は、本実施の形態に係る要求トルク、要求効率及び要求Ａ／Ｆのそれぞれの実現性の判断方法について説明するための図である。図４ではトルク領域が６つの領域に分けられているが、このうち領域I，II，III，IVに関しては図３と共通している。図３における領域Ｖは、図４では領域Ｖと領域VIとに分けられている。本実施の形態においては、領域Ｖを第３判断基準トルクに下限効率を掛けた値から第４判断基準トルクに下限効率を掛けた値までのトルク領域とする。そして、第４判断基準トルクに下限効率を掛けた値よりも小さいトルク領域を領域VIと定義する。

リーンＡ／Ｆによる失火の発生を考慮した上での要求トルク、要求効率及び要求Ａ／Ｆのそれぞれの実現性は、要求ＭＢＴトルクが領域Ｄにあるときの領域Ｖ，VIと要求トルクとの位置関係によって判断することができる。要求トルクが領域Ｖにある場合は、実施の形態２に係るケース６の場合と同じである。ここでは新たなケース（ケース７）についてのみ説明する。

ケース７：要求ＭＢＴトルクが領域Ｄにあり、要求トルクが領域VIにある場合
［実現性の判断］
この場合は、全ての要求値を実現することができない。
［目標値の設定］
スロットル開度を最小にしたときの筒内空気量を目標筒内空気量として設定する。目標効率は下限効率に設定する。そして、目標Ａ／Ｆは上限Ａ／Ｆに設定する。

本実施の形態によれば、リーンＡ／Ｆによる失火の発生を考慮した上での要求トルク、要求効率及び要求Ａ／Ｆのそれぞれの実現可能性を正確に判断することができる。そして、その判断結果に基づいて目標筒内空気量、目標効率及び目標Ａ／Ｆを設定し、それらを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制御を行うことによって、失火の発生をより確実に防止しつつ要求トルク＞要求Ａ／Ｆ＞要求効率の優先順序でそれら要求を可能な限り実現させることができる。

実施の形態４．
次に、本発明の実施の形態４について説明する。

既述の実施の形態では、目標筒内空気量を実現するようにスロットル開度が制御される。この制御はモデルを用いたフィードフォワード制御であるため、モデルの精度によっては実際の筒内空気量と目標筒内空気量との間に誤差が生じる場合がある。その場合、実際の実現トルクと要求トルクとの間にも誤差が生じることになるが、既述の実施の形態では、その誤差を修正できるようにはなっていない。そこで、本実施の形態では、次のような方法で実際の実現トルクと要求トルクとの間に生じる誤差の低減を図る。

要求トルクと要求Ａ／Ｆに関しては、既述の実施の形態と同様に外部から供給される値を取得する。要求効率に関しては、取得した要求トルク及び要求Ａ／Ｆを用いて次のように計算する。まず、エアフローメータの出力値やスロットル開度センサの出力値に基づいて実際の筒内空気量を算出する。次に、実際の筒内空気量及び要求Ａ／Ｆのもとで実現されるＭＢＴトルクをマップやモデルを用いて算出する。以下、このＭＢＴトルクを推定ＭＢＴトルクという。そして、次の式に示すように、要求トルクを推定ＭＢＴトルクで除した値を要求効率として算出する。
要求効率＝要求トルク／推定ＭＢＴトルク

上述のような方法で算出した要求効率を目標効率として設定し、点火時期を制御する。そうすることで、目標筒内空気量と実際の筒内空気量との間に誤差があったとしても、それによって実際の実現トルクが要求トルクから乖離してしまうことを防止することができる。つまり、本実施の形態では、優先度が低い効率をあえて犠牲にすることで、優先度が高い要求トルクの実現性を高めている。

なお、ノックの発生を考慮する場合、要求効率には上限がある。上限効率はノックが発生しない限界の効率である。本実施の形態では、要求効率が上限効率以上の場合には、目標効率を上限効率に設定する。そして、次の式に示すように、要求トルクと推定ＭＢＴトルクに上限効率を掛けた値との比を算出し、その比に応じたＡ／Ｆ修正量を要求Ａ／Ｆに加えた値を目標Ａ／Ｆとして設定する。下式においてｆはトルク変化割合に対するＡ／Ｆ修正量のマップ或いは関数である。
目標Ａ／Ｆ＝要求Ａ／Ｆ＋ｆ（要求トルク／（推定ＭＢＴトルク×上限効率））

また、失火の発生を考慮する場合、要求効率には下限がある。下限効率は失火が発生しない限界の効率である。本実施の形態では、要求効率が下限効率以下の場合には、目標効率を下限効率に設定する。そして、次の式に示すように、要求トルクと推定ＭＢＴトルクに下限効率を掛けた値との比を算出し、その比に応じたＡ／Ｆ修正量を要求Ａ／Ｆに加えた値を目標Ａ／Ｆとして設定する。下式においてｆはトルク変化割合に対するＡ／Ｆ修正量のマップ或いは関数である。
目標Ａ／Ｆ＝要求Ａ／Ｆ＋ｆ（要求トルク／（推定ＭＢＴトルク×下限効率））

このように要求効率が制限される場合には要求Ａ／Ｆを修正することで、ノックや失火の発生を防止しつつ要求トルクの実現性を高めることができる。

その他．
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施の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。

また、上述の実施の形態では、各要求間の優先順序は要求トルク＞要求Ａ／Ｆ＞要求効率の順であるとした。しかし、上述の実施の形態から読み取れる技術思想を適宜に応用すれば、要求トルク＞要求Ａ／Ｆ＞要求効率とは異なる優先順序、例えば、要求トルク＞要求効率＞要求Ａ／Ｆの順であっても、各要求値の実現性の判断方法や各目標値の設定方法は容易に導き出すことができる。

Claims (4)

1. スロットル開度と点火時期と燃料噴射量とによってトルクを制御する内燃機関の制御装置において、
   要求トルク、要求効率及び要求空燃比を取得する要求値取得手段と、
   前記要求トルク、要求効率及び要求空燃比に基づいて目標筒内空気量、目標効率及び目標空燃比を設定する目標値設定手段と、
   前記目標筒内空気量を実現するようにスロットル開度を制御するスロットル開度制御手段と、
   前記目標効率を実現するように点火時期を制御する点火時期制御手段と、
   前記目標空燃比を実現するように燃料噴射量を制御する燃料噴射量制御手段と、
   を備え、
   前記目標値設定手段は、
   前記要求トルクを前記要求効率で除した値を要求ＭＢＴトルクとして算出する手段と、
   スロットル開度を最大にし、且つ、点火時期をＭＢＴに設定し、且つ、空燃比をリッチ化することで実現されるトルクである第１判断基準トルクを算出する手段と、
   スロットル開度を最大にし、且つ、点火時期をＭＢＴに設定し、且つ、空燃比を要求空燃比に設定することで実現されるトルクである第２判断基準トルクを算出する手段と、
   スロットル開度を最小にし、且つ、点火時期をＭＢＴに設定し、且つ、空燃比を要求空燃比に設定することで実現されるトルクである第３判断基準トルクを算出する手段と、
   を含み、
   前記第１判断基準トルクよりも大きいトルク領域を領域Ａ、前記第１判断基準トルクから前記第２判断基準トルクまでのトルク領域を領域Ｂ、前記第２判断基準トルクから前記第３判断基準トルクまでのトルク領域を領域Ｃ、前記第３判断基準トルクよりも小さいトルク領域を領域Ｄと定義した場合に、
   前記目標値設定手段は、
   前記要求ＭＢＴトルクが前記領域Ｃにある場合は、前記要求ＭＢＴトルクを実現するための筒内空気量を目標筒内空気量として設定し、前記要求効率を前記目標効率として設定し、前記要求空燃比を前記目標空燃比として設定し、
   前記要求ＭＢＴトルクが前記領域Ａ或いは領域Ｂにあり、且つ、前記要求トルクが前記領域Ｃ或いは領域Ｄにある場合には、スロットル開度を最大にしたときの筒内空気量を目標筒内空気量として設定し、前記要求空燃比を目標空燃比として設定し、前記目標筒内空気量及び目標空燃比のもとで実現されるＭＢＴトルクで前記要求トルクを除した値を目標効率として設定し、
   前記要求トルクが前記領域Ｂにある場合には、スロットル開度を最大にしたときの筒内空気量を目標筒内空気量として設定し、目標効率を１に設定し、前記目標筒内空気量及び要求空燃比のもとで実現されるＭＢＴトルクと前記要求トルクとのずれに応じた空燃比修正量を前記要求空燃比に加えた値を目標空燃比として設定し、
   前記要求トルクが前記領域Ａにある場合には、スロットル開度を最大にしたときの筒内空気量を目標筒内空気量として設定し、目標効率を１に設定し、前記目標筒内空気量のもとでのＭＢＴトルクを最大にする空燃比を目標空燃比として設定し、
   前記要求ＭＢＴトルクが前記領域Ｄにある場合は、スロットル開度を最小にしたときの筒内空気量を目標筒内空気量として設定し、前記要求空燃比を目標空燃比として設定し、前記目標筒内空気量及び目標空燃比のもとで実現されるＭＢＴトルクで前記要求トルクを除した値を目標効率として設定することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. スロットル開度と点火時期と燃料噴射量とによってトルクを制御する内燃機関の制御装置において、
   要求トルク、要求効率及び要求空燃比を取得する要求値取得手段と、
   前記要求トルク、要求効率及び要求空燃比に基づいて目標筒内空気量、目標効率及び目標空燃比を設定する目標値設定手段と、
   前記目標筒内空気量を実現するようにスロットル開度を制御するスロットル開度制御手段と、
   前記目標効率を実現するように点火時期を制御する点火時期制御手段と、
   前記目標空燃比を実現するように燃料噴射量を制御する燃料噴射量制御手段と、
   を備え、
   前記目標値設定手段は、
   前記要求トルクを前記要求効率で除した値を要求ＭＢＴトルクとして算出する手段と、
   ノックが発生しない限界の効率を上限効率として算出する手段と、
   失火が発生しない限界の効率を下限効率として算出する手段と、
   スロットル開度を最大にし、且つ、点火時期をＭＢＴに設定し、且つ、空燃比をリッチ化することで実現されるトルクである第１判断基準トルクを算出する手段と、
   スロットル開度を最大にし、且つ、点火時期をＭＢＴに設定し、且つ、空燃比を要求空燃比に設定することで実現されるトルクである第２判断基準トルクを算出する手段と、
   スロットル開度を最小にし、且つ、点火時期をＭＢＴに設定し、且つ、空燃比を要求空燃比に設定することで実現されるトルクである第３判断基準トルクを算出する手段と、
   を含み、
   前記第１判断基準トルクよりも大きいトルク領域を領域Ａ、前記第１判断基準トルクから前記第２判断基準トルクまでのトルク領域を領域Ｂ、前記第２判断基準トルクから前記第３判断基準トルクまでのトルク領域を領域Ｃ、前記第３判断基準トルクよりも小さいトルク領域を領域Ｄと定義し、
   前記第１判断基準トルクに前記上限効率を掛けた値よりも大きいトルク領域を領域Ｉ、前記第１判断基準トルクに前記上限効率を掛けた値から前記第２判断基準トルクに前記上限効率を掛けた値までのトルク領域を領域II、前記第２判断基準トルクに前記上限効率を掛けた値から前記第３判断基準トルクに前記上限効率を掛けた値までのトルク領域を領域III、前記第３判断基準トルクに前記上限効率を掛けた値から前記第３判断基準トルクに前記下限効率を掛けた値までのトルク領域を領域IV、前記第３判断基準トルクに前記下限効率を掛けた値よりも小さいトルク領域を領域Ｖと定義した場合に、
   前記目標値設定手段は、
   前記要求ＭＢＴトルクが前記領域Ｃにある場合は、前記要求ＭＢＴトルクを実現するための筒内空気量を目標筒内空気量として設定し、前記要求効率を前記目標効率として設定し、前記要求空燃比を前記目標空燃比として設定し、
   前記要求ＭＢＴトルクが前記領域Ａ或いは領域Ｂにあり、且つ、前記要求トルクが前記領域III、領域IV或いは領域Ｖにある場合には、スロットル開度を最大にしたときの筒内空気量を目標筒内空気量として設定し、前記要求空燃比を目標空燃比として設定し、前記目標筒内空気量及び目標空燃比のもとで実現されるＭＢＴトルクで前記要求トルクを除した値を目標効率として設定し、
   前記要求トルクが前記領域IIにある場合には、スロットル開度を最大にしたときの筒内空気量を目標筒内空気量として設定し、目標効率を前記上限効率に設定し、前記目標筒内空気量と目標効率と要求空燃比のもとで実現されるトルクと前記要求トルクとのずれに応じた空燃比修正量を前記要求空燃比に加えた値を目標空燃比として設定し、
   前記要求トルクが前記領域Ｉある場合には、スロットル開度を最大にしたときの筒内空気量を目標筒内空気量として設定し、目標効率を前記上限効率に設定し、前記目標筒内空気量及び前記上限効率のもとでのトルクを最大にする空燃比を目標空燃比として設定し、
   前記要求ＭＢＴトルクが前記領域Ｄにあり、且つ、前記要求トルクが前記領域IVにある場合には、スロットル開度を最小にしたときの筒内空気量を目標筒内空気量として設定し、前記要求空燃比を目標空燃比として設定し、前記目標筒内空気量及び目標空燃比のもとで実現されるＭＢＴトルクで前記要求トルクを除した値を目標効率として設定し、
   前記要求ＭＢＴトルクが前記領域Ｄにあり、且つ、前記要求トルクが前記領域Ｖにある場合には、スロットル開度を最小にしたときの筒内空気量を目標筒内空気量として設定し、目標効率を前記下限効率に設定し、前記目標筒内空気量と目標効率と要求空燃比のもとで実現されるトルクと前記要求トルクとのずれに応じた空燃比修正量を前記要求空燃比に加えた値を目標空燃比として設定することを特徴とする内燃機関の制御装置。
3. 前記目標値設定手段は、
   失火が発生しない空燃比の限界を上限空燃比として算出する手段と、
   スロットル開度を最小にし、且つ、点火時期をＭＢＴに設定し、且つ、空燃比を前記上限空燃比に設定することで実現されるトルクである第４判断基準トルクを算出する手段と、
   をさらに含み、
   前記領域Ｖを前記第３判断基準トルクに前記下限効率を掛けた値から前記第４判断基準トルクに前記下限効率を掛けた値までのトルク領域とし、前記第４判断基準トルクに前記下限効率を掛けた値よりも小さいトルク領域を領域VIと定義した場合に、
   前記目標値設定手段は、
   前記要求ＭＢＴトルクが前記領域Ｄにあり、且つ、前記要求トルクが前記領域VIにある場合には、スロットル開度を最小にしたときの筒内空気量を目標筒内空気量として設定し、目標効率を前記下限効率に設定し、目標空燃比を前記上限空燃比に設定することを特徴とする請求項２記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記要求値取得手段は、
   要求トルク及び要求空燃比を取得する手段と、
   実際の筒内空気量及び前記要求空燃比のもとで実現されるＭＢＴトルクを推定ＭＢＴトルクとして算出する手段と、
   前記要求トルクを前記推定ＭＢＴトルクで除した値を要求効率として算出する手段と、
   を含み、
   前記目標値設定手段は、
   ノックが発生しない限界の効率を上限効率として算出する手段と、
   失火が発生しない限界の効率を下限効率として算出する手段と、
   をさらに含み、
   前記目標値設定手段は、
   前記要求効率が前記上限効率以上の場合には、目標効率を前記上限効率に設定し、前記推定ＭＢＴトルクに前記上限効率を掛けた値と前記要求トルクとのずれに応じた空燃比修正量を前記要求空燃比に加えた値を目標空燃比として設定し、
   前記要求効率が前記下限効率以下の場合には、目標効率を前記下限効率に設定し、前記推定ＭＢＴトルクに前記下限効率を掛けた値と前記要求トルクとのずれに応じた空燃比修正量を前記要求空燃比に加えた値を目標空燃比として設定することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。

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