JP5278606B2 - 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、特に、吸入空気量、点火時期及び空燃比によってトルクを制御可能な内燃機関の制御装置に関する。

自動車における車体バネ上の振動、特に、ピッチング振動を内燃機関のトルク制御によって抑制する方法が知られている。以下、この目的での内燃機関のトルク制御を特にバネ上制振制御という。バネ上制振制御では、現在の駆動力に応じたピッチング振動が車体バネ上振動モデルから求められ、そのピッチング振動を打ち消すような振動的な補正トルクが算出される。そして、この補正トルクによってアクセル開度から算出される基本要求トルクが補正され、補正後の要求トルクに従って内燃機関の出力トルクが制御される。つまり、バネ上制振制御では、内燃機関が出力するトルクを振動的に変化させることが行われる。

内燃機関におけるトルク制御、特に、ガソリンエンジンの場合におけるトルク制御は、一般的には、スロットルの操作によって吸入空気量を制御することにより行われる。トルクを振動的に変化させるのであれば、スロットルを振動的に動かして吸入空気量を能動的に増減させればよい。しかし、スロットルの動作に対する吸入空気量の応答には遅れがあるため、常に高い応答性をもって要求トルクを実現することができるとは限らない。例えば、上述のバネ上制振制御のように要求トルクが高周波成分を含んでいる場合には、吸入空気量の制御のみでは所望の高周波成分を作り出すことが難しく、要求トルクを精度良く実現ができない可能性がある。

以上のように、スロットルの操作による吸入空気量の制御のみでは、実現可能な要求トルクの範囲が狭く、要求トルクを実現しきれないおそれがある。高周波成分を含む要求トルクを精度良く実現するためには、スロットルよりもトルクの応答性が高いアクチュエータによるトルク制御が必要とされる。この点に関し、特開２００９−０６８４３０号公報には、スロットルと点火装置とを協調操作することによってトルク制御を行う方法について記載されている。この公報に記載の方法によれば、要求トルクをもとに目標空気量が決定され、エアモデルの逆モデルを用いて目標空気量からスロットル開度が算出される。また、それと並行して、現在のスロットル開度で達成される推定トルクが算出され、要求トルクと推定トルクとの差に応じて点火時期の補正量が決定される。

特開２００９−０６８４３０号公報に記載の方法によれば、スロットルの操作による吸入空気量の制御のみでは要求トルクを実現できなかった場合、その過不足分を点火時期の補正によって補償することができる。点火装置の操作によるトルク制御は、スロットルの操作によるそれと比較して、トルクの応答性が極めて高い。したがって、前記公報に記載の方法によれば、上述のバネ上制振制御のように要求トルクに高周波成分が含まれていたとしても、その要求トルクを高い精度で実現できるものと考えられる。

ただし、前記公報に記載の方法にも課題は存在する。要求トルクの高周波成分に合わせて点火時期の遅角が頻繁に行われてしまうと、効率の低下によって燃費性能が悪化することになる。燃費性能は、バネ上制振制御の目的であるドライバビリティの向上と同じく、自動車に求められる重要な性能の１つである。したがって、燃費性能を損なうことのないよう要求トルクの実現性を高めることが、内燃機関のトルク制御、特に、バネ上制振制御には求められている。

ところで、ガソリンエンジンのような火花点火式の内燃機関の場合、内燃機関が発生するトルクには吸入空気量と点火時期に加えて空燃比も密接に関連する。このため、例えば、特開平１１−８２０９０号公報に記載されているように、目標トルクと目標空燃比とに応じて吸入空気量、燃料噴射量及び点火時期を制御する方法が知られている。また、特開平９−２４０３２２号公報に記載されているように、内燃機関が発生するトルクの大きさに応じて空燃比を制御する技術も知られている。

特開平１１−８２０９０号公報に記載された方法では、水温や気圧等の運転条件から目標空燃比が決定され、目標トルクと目標空燃比とから目標吸入空気量、目標燃料噴射量及び目標点火時期が算出される。この方法によれば、吸入空気量と点火時期だけでなく燃料噴射量も用いてトルク制御を行うことができることから、要求トルクの実現範囲がより広がるようにも思われる。

しかしながら、目標吸入空気量の変化に対する実際の吸入空気量の応答と、目標燃料噴射量の変化に対する実際の燃料噴噴射量の応答との間には大きな差がある。このため、特開平１１−８２０９０号公報に記載の方法では、空気量が変化する過渡状態では目標空燃比と実際の空燃比との間にずれが生じてしまい、結果、要求トルクと実際の発生トルクとの間にもずれが生じてしまう。また、目標点火時期は空気量とエンジン回転数のマップから決定されるため、要求トルクに対する過不足分を点火時期の補正によって補償できるようにもなっていない。したがって、前述の特開平１１−８２０９０号公報に記載の方法では、高周波成分を含む要求トルクを高い応答性をもって精度良く実現することは難しいと言わざるを得ない。

本発明は、内燃機関において高周波成分を含む要求トルクを高い応答性をもって精度良く実現することを課題とする。そして、そのような課題を達成するために、本発明は、次のような内燃機関の制御装置を提供する。

本発明が提供する制御装置は、内燃機関に要求される要求トルクを取得する。好ましくは、低周波成分と高周波成分を共に含む要求トルクを取得し、その要求トルクから低周波成分を抽出できるようにする。或いは、低周波成分からなる要求トルクと高周波成分からなる要求トルクとを取得し、それらから低周波と高周波を共に含むトルクを合成できるようにすることも好ましい。

制御装置は、取得した要求トルクから得られる低周波のトルクを空気量制御用トルクとして設定する。そして、制御装置は、空気量制御用トルクを実現するための目標空気量を算出する。目標空気量の計算には、空気量とトルクとの関係を定めたデータを用いることができる。制御装置は、目標空気量に従って空気量を制御する。

また、制御装置は、取得した要求トルクから得られる低周波と高周波を共に含むトルクを空燃比制御用トルクとして設定する。そして、制御装置は、現在の空気量を算出し、空燃比制御用トルクと現在空気量とに対応する空燃比を目標空燃比として算出する。目標空燃比の計算には、空燃比とトルクとの関係を空気量に関連付けて定めたデータを用いることができる。制御装置は、目標空燃比に従って燃料噴射量を制御する。

以上のように構成される制御装置によれば、要求トルクに含まれる低周波成分と高周波成分のうち、目標空気量には低周波成分のみが反映され、高周波成分は目標空燃比に反映される。これにより、空気量を制御するアクチュエータの動作を安定させることができると同時に、目標空燃比に従った燃料噴射量制御によって空燃比が周期的に変化せしめられることで、高周波成分を含む要求トルクを高い応答性をもって実現することができるようになる。

本発明が提供する制御装置の別の態様では、制御装置は、さらに、現在空気量と目標空燃比のもとで空燃比制御用トルクを実現するための目標点火時期を算出する。目標点火時期の計算には、点火時期とトルクとの関係を空気量及び空燃比に関連付けて定めたデータを用いることができる。制御装置は、目標点火時期に従って点火時期を制御する。このような態様によれば、空燃比の調整では実現できないトルク成分があったとしても、その分を点火時期の補正によって補償することができるようになる。つまり、要求トルクをより高い精度で実現することができるようになる。また、点火時期の補正が行なわれるのは、空燃比の調整では要求トルクを実現しきれない場合に限られることから、点火時期の遅角に伴う燃費性能の悪化は最小限に抑えられる。

なお、本発明が提供する制御装置では、空気量制御用トルクを嵩上して補正するようにしてもよい。そうすることで、目標空気量が嵩上げされて、現在空気量が増大せしめられることになる。これにより、要求トルクの高周波成分に合わせて燃料噴射量を制御する場合に、空気量の不足によってトルクが足りなくなってしまう事態を防ぐことができる。空気量制御用トルクを嵩上する場合の嵩上げ量としては、高周波トルクの振幅分の嵩上げ量が好ましい。

本発明が提供する制御装置のさらに別の態様では、制御装置は、さらに、触媒の酸素吸蔵状態を判定し、触媒の酸素吸蔵量が所定値以上の場合には、ストイキよりもリッチ側での領域を中心に空燃比が変動するように空気量制御用トルクを補正し、触媒の酸素吸蔵量が所定値未満の場合には、ストイキよりもリーン側での領域を中心に空燃比が変動するように空気量制御用トルクを補正する。このような態様によれば、要求トルクの高周波成分に合わせて空燃比を変動させながら、触媒の酸素吸蔵状態を適切な状態に維持することができるようになる。

本発明が提供する制御装置のさらに別の態様では、制御装置は、さらに、触媒の活性状態を判定し、触媒が活性していない場合には目標空燃比の変動を制限する。触媒による浄化性能が十分に確保されない状況下では、空燃比の変動は排気エミッションを増加させ、排気ガス性能の悪化を引き起こしてしまう。しかし、このような態様によれば、空燃比の変動が制限されることによって、排気ガス性能の悪化を未然に防止することができる。

本発明の実施の形態１の内燃機関の制御装置の構成を示すブロック図である。 図１に示す制御装置のトルク分配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３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の内燃機関の制御装置の構成を示すブロック図である。 Ａ／Ｆ−トルク特性を示す図である。 本発明の実施の形態５の内燃機関の制御装置の構成を示すブロック図である。

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。

本発明の各実施の形態おいて制御対象とされる内燃機関（以下、エンジン）は、火花点火式の４サイクルレシプロエンジンである。制御装置は、エンジンに備えられるアクチュエータを操作することでエンジンの運転を制御する。制御装置が操作可能なアクチュエータには、点火装置、スロットル、燃料噴射装置、可変バルブタイミング機構、ＥＧＲ装置等の様々なアクチュエータが含まれる。ただし、本実施の形態において制御装置が操作するのはスロットル、点火装置及び燃料噴射装置であり、制御装置はこれら３つのアクチュエータを操作してエンジンが出力するトルクを制御する。

図１は、本発明の実施の形態１の制御装置の構成を示すブロック図である。本制御装置は、それが有する機能別に、トルク分配部２
、目標空気量算出部４、目標スロットル開度算出部６、目標空燃比算出部８及び点火時期算出部１０に分けることができる。ただし、これらの要素２，４，６，８，１０は、本制御装置が有する種々の機能的な要素のうち、３つのアクチュエータ、すなわち、スロットル、点火装置及び燃料噴射装置の操作によるトルク制御に関する要素のみを特別に図で表現したものである。したがって、図１は、本制御装置がこれらの要素のみで構成されていることを意味するものではない。なお、各要素は、それぞれが専用のハードウェアで構成されていてもよいし、ハードウェアは共有してソフトウェアによって仮想的に構成されるものでもよい。以下、各要素２，４，６，８，１０の機能を中心に本制御装置の構成について説明する。

本制御装置は、車両全体を総合制御している車両制御装置から要求トルクの供給を受けている。要求トルクには、アクセル開度に基づいて決定される駆動要求トルクが含まれる。また、ＶＳＣ、ＴＲＣ、ＥＣＴ等の車両の制御システムからの信号に基づいて決定されるシステム要求トルクが必要に応じて含まれる。そして、バネ上制振制御が必要とされる場合には、バネ上制振要求トルクが要求トルクに含まれることになる。以下の説明では、バネ上制振要求トルクを含んだ要求トルクが本制御装置に供給されているものとする。

本制御装置に供給された要求トルクは、トルク分配部２に入力される。トルク分配部２は、入力された要求トルクから低周波成分を抽出する機能を有している。図２は、トルク分配部２の構成を示すブロック図である。この図に示すように、トルク分配部２はローパスフィルタを有している。トルク分配部２は入力された要求トルクを複製し、一方の要求トルクはローパスフィルタを通してから目標トルクとして出力する。そして、もう一方の要求トルクはそのまま目標トルクとして出力する。前者の目標トルクはローパスフィルタによって高周波成分が取り除かれた低周波のトルクであるのに対し、後者の目標トルクは要求トルクと同じく低周波と高周波を共に含むトルクとなる。以下、前者を低周波目標トルクと称し、後者を高周波目標トルクと称することによって両者を区別する。

本制御装置は、低周波目標トルクを空気量制御用トルクとして用いる。このため、トルク分配部２から出力された低周波目標トルクは、目標空気量算出部４に入力される。目標空気量算出部４は、空気量マップを用いて低周波目標トルクを目標空気量（目標ＫＬ）に変換する。ここでいう空気量とは、筒内に吸入される空気量を意味する（それを無次元化した充填効率或いは負荷率を代わりに用いることもできる）。空気量マップは、点火時期が最適点火時期（ＭＢＴとトレースノック点火時期のうち、より遅角側の点火時期）であり、且つ、空燃比がベース空燃比であることを前提にして、トルクと空気量とがエンジン回転数を含む種々のエンジン状態量をキーにして関連付けられたマップである。ベース空燃比は、バネ上制振制御を実施しない場合、つまり、通常のトルク制御にて設定される目標空燃比である。その値には限定はないが、例えば、ストイキ空燃比に設定することができる。目標空気量算出部４では、低周波目標トルクの実現に必要な空気量がエンジンの目標空気量として算出される。

目標空気量は目標スロットル開度算出部６に入力される。目標スロットル開度算出部６は、エアモデルの逆モデル（エア逆モデル）を用いて目標空気量を目標スロットル開度（目標ＴＡ）に変換する。エアモデルはスロットルの動作に対する空気量の応答特性をモデル化した物理モデルであるので、その逆モデルを用いることで目標空気量の実現に必要なスロットル開度を逆算することができる。

目標スロットル開度算出部６では、目標空気量の実現に必要なスロットル開度が目標スロットル開度として算出される。本制御装置は、目標スロットル開度算出部６で算出された目標スロットル開度に従ってスロットルの操作を行う。

一方、高周波目標トルクに関しては、本制御装置は、それを空燃比制御用トルクとして用いる。このため、トルク分配部２から出力された高周波目標トルクは、目標空燃比算出部８に入力される。目標空燃比算出部８は、空燃比マップを用いて高周波目標トルクを目標空燃比（目標Ａ／Ｆ）に変換する。空燃比マップは、点火時期が最適点火時期であることを前提にして、トルクと空燃比とが空気量及びエンジン回転数を含む種々のエンジン状態量をキーにして関連付けられたマップである。空燃比マップの検索には、各エンジン状態量の実際値が用いられる。空気量に関しても同様であり、スロットルの操作によって実現されている現在空気量（現在ＫＬ）がマップ検索に用いられる。なお、前述のエアモデルの順モデルを用いることにより、現在空気量はスロットル開度から計算することができる。

目標空燃比算出部８では、高周波目標トルクの実現に必要な空燃比がエンジンの目標空燃比として算出される。高周波目標トルクは、低周波目標トルクに高周波成分を加えたものに相当する。空燃比マップによれば、目標空燃比は、低周波目標トルクに対応する空燃比と、高周波成分に対応する空燃比変化量との和として算出される。前者はベース空燃比に等しく、後者は高周波成分と同周波数で周期的に変化する。結果、目標空燃比算出部８から出力される目標空燃比は、ベース空燃比を中心にして高周波成分と同周波数で周期的に変化する。本制御装置は、このように高周波で周期的に変化する目標空燃比に従って燃料噴射装置の操作を行う。

トルク分配部２から出力された高周波目標トルクは、目標空燃比算出部８に入力される前に複製され、複製された高周波目標トルク（空燃比制御用トルク）が点火時期算出部１０に入力される。点火時期算出部１０は、点火時期マップを用いて高周波目標トルクを点火時期に変換する。点火時期マップは、トルクと点火時期とが空燃比、空気量及びエンジン回転数を含む種々のエンジン状態量をキーにして関連付けられたマップである。点火時期マップの検索には、各エンジン状態量の実際値或いは目標値が用いられる。空気量に関しては、その実際値である現在空気量がマップ検索に用いられる。一方、空燃比に関しては、目標空燃比算出部８から出力される目標空燃比がマップ検索に用いられる。

点火時期算出部１０では、高周波で周期的に変化する空燃比のもと、高周波目標トルクの実現に必要な点火時期がエンジンの点火時期として算出される。本制御装置は、点火時期算出部１０で算出された点火時期に従って点火装置の操作を行う。

以上のように構成されることで、本制御装置によれば次のような利点が得られる。

本制御装置では、要求トルクに含まれる低周波成分と高周波成分のうち、目標空気量には低周波成分のみが反映され、高周波成分は目標空燃比に反映される。つまり、本制御装置は、低周波成分に関しては目標空気量に従った空気量制御によってその実現を図り、高周波成分に関しては目標空燃比に従った空燃比制御によってその実現を図っている。燃料噴射装置の操作による空燃比制御を介したトルク制御は、スロットルの操作による空気量制御を介したトルク制御と比較して、トルクの応答性が極めて高い。したがって、本制御装置によれば、スロットルを安定的に動作させながら、高い応答性をもって要求トルクを実現することができる。

また、本制御装置によれば、空燃比制御では高周波目標トルクを実現しきれなかったとしても、その過不足分は点火時期の補正によって補償することができる。例えば、目標空燃比と現在空気量とエンジン回転数から推定されるトルクが高周波目標トルクよりも高い場合には、点火時期マップからは最適点火時期よりも遅角側に補正された点火時期が算出される。一方、目標空燃比と現在空気量とエンジン回転数から推定されるトルクが高周波目標トルクに一致する場合には、点火時期マップから算出される点火時期は最適点火時期に一致する。つまり、空燃比制御では高周波目標トルクを実現しきれない場合に限り、点火時期の補正によるトルク補償が行われる。したがって、本制御装置によれば、点火時期の遅角に伴う燃費性能の悪化を最小限に抑えながら、高周波成分を含む要求トルクを高い精度で実現することが可能である。

実施の形態２．
次に、本発明の実施の形態２について図３を参照して説明する。

図３は、本発明の実施の形態２の制御装置の構成を示すブロック図である。本制御装置は、それが有する機能別に、パワートレインマネージャ（ＰＴＭ）１２、目標空気量算出部４、目標スロットル開度算出部６、トルク合成部１４、目標空燃比算出部８及び点火時期算出部１０に分けることができる。本制御装置を構成する要素１２，４，６，１４，８，１０のうち、実施の形態１の制御装置と機能において共通する要素４，６，８，１０については同一の符号を付している。以下では、実施の形態１と共通する要素４，６，８，１０についてはその説明を省略或いは簡略し、本実施の形態で新たに設けられた要素１２，１４の機能を中心に本制御装置の構成について説明する。

本制御装置の１つの特徴は、低周波成分からなる要求トルクと高周波成分からなる要求トルクとが別々に取得される点にある。パワートレインマネージャ１２には、アクセル開度に基づいて決定される駆動要求トルクと、ＶＳＣやＴＲＣ等の車両の制御システムからの信号に基づいて決定されるシステム要求トルクとが供給される。パワートレインマネージャ１２は、それらを総合したものを要求トルクとして出力する。パワートレインマネージャ１２から出力される要求トルクは、低周波成分からなる要求トルクである。この要求トルクはそのまま目標トルクとして用いられる。以下、この目標トルクを低周波目標トルクと称する。

一方、高周波成分からなる要求トルクには、バネ上制振制御が必要とされる場合に発せられるバネ上制振要求トルクが含まれる。トルク合成部１４には、パワートレインマネージャ１２から出力される要求トルクを複製したものと、バネ上制振要求トルクとが入力される。トルク合成部１４はこれら２種類の要求トルク、すなわち、低周波成分からなる要求トルクと高周波成分からなる要求トルクとを合成し、その合成トルクを目標トルクとして出力する。以下、この目標トルクを高周波目標トルクと称する。

本制御装置は、低周波目標トルクを空気量制御用トルクとして用いる。低周波目標トルクは目標空気量算出部４に入力され、目標空気量算出部４の空気量マップによって目標空気量（目標ＫＬ）に変換される。目標空気量は目標スロットル開度算出部６に入力され、目標スロットル開度算出部６のエア逆モデルによって目標スロットル開度（目標ＴＡ）に変換される。本制御装置は、目標スロットル開度算出部６で算出された目標スロットル開度に従ってスロットルの操作を行う。

一方、高周波目標トルクに関しては、本制御装置は、それを空燃比制御用トルクとして用いる。トルク合成部１４から出力された高周波目標トルクは目標空燃比算出部８に入力され、目標空燃比算出部８の空燃比マップによって目標空燃比に変換される。この目標空燃比は、点火時期が最適点火時期であるという前提において、現在空気量と現在エンジン回転数のもとで高周波目標トルクの実現に必要な空燃比である。高周波目標トルクは、低周波目標トルクとバネ上制振要求トルクとを合成したものであるから、目標空燃比算出部８から出力される目標空燃比は、ベース空燃比を中心にしてバネ上制振要求トルクと同周波数で周期的に変化する。本制御装置は、このように高周波で周期的に変化する目標空燃比に従って燃料噴射装置の操作を行う。

本制御装置は、パワートレインマネージャ１２から出力される要求トルク、すなわち、低周波目標トルク（空気量制御用トルク）を点火時期制御に使用する。このため、点火時期算出部１０には、パワートレインマネージャ１２から出力される要求トルクを複製したものが入力される。点火時期算出部１０は、点火時期マップを用いて低周波目標トルクを点火時期に変換する。本実施の形態では、現在空気量とエンジン回転数が点火時期マップの検索に用いられる。また、空燃比に関しては、目標空燃比算出部８から出力される目標空燃比ではなく、ベース空燃比（例えば、ストイキ空燃比）がマップ検索に用いられる。目標空燃比ではなくベース空燃比を用いる理由は、空燃比制御によって実現されるトルクの周期的な変化が点火時期の補正によって打ち消されないようにするためである。点火時期算出部１０で算出される点火時期は、空気量が変化している過渡状態を除いて概ね最適点火時期となる。本制御装置は、点火時期算出部１０で算出された点火時期に従って点火装置の操作を行う。

以上のような構成によれば、実施の形態１と同様に、要求トルクに含まれる低周波成分と高周波成分のうち、目標空気量には低周波成分のみが反映され、高周波成分は目標空燃比に反映される。したがって、本制御装置によれば、実施の形態１の制御装置と同じように、スロットルを安定的に動作させながら、高い応答性をもって要求トルクを実現することができる。

実施の形態３．
次に、本発明の実施の形態３について図４を参照して説明する。

図４は、本発明の実施の形態３の制御装置の構成を示すブロック図である。本制御装置は、それが有する機能別に、パワートレインマネージャ（ＰＴＭ）１２、目標空気量算出部４、目標スロットル開度算出部６、トルク合成部１４、目標空燃比算出部８及び点火時期算出部１０に分けることができる。すなわち、本制御装置が有する個々の機能的な要素１２，４，６，１４，８，１０は、実施の形態２と共通している。ただし、実施の形態２とは要素間の信号の入出力に違いがある。以下では、実施の形態２との相違点を中心に本制御装置の構成について説明する。

本制御装置の実施の形態２との相違点の１つは、低周波目標トルクではなく高周波目標トルク、すなわち、空燃比制御用トルクが点火時期制御に使用される点である。このため、点火時期算出部１０には、トルク合成部１４から出力される高周波目標トルクを複製したものが入力される。点火時期算出部１０は、点火時期マップを用いて高周波目標トルクを点火時期に変換する。そして、本制御装置の実施の形態２との相違点のもう１つが、目標空燃比算出部８から出力される目標空燃比が点火時期マップの検索に用いられることである。したがって、点火時期算出部１０からは、空燃比が目標空燃比である場合において、高周波目標トルクの実現に必要な点火時期がエンジンの点火時期として算出される。この点については実施の形態１の場合と同様である。

以上のような構成によれば、空燃比制御では高周波目標トルクを実現しきれなかったとしても、その過不足分は点火時期の補正によって補償することができる。したがって、本制御装置によれば、実施の形態２と比較した場合に、点火時期の遅角に伴う燃費性能の悪化を最小限に抑えながら、高周波成分を含む要求トルクをより高い精度で実現することができるという利点がある。

実施の形態４．
次に、本発明の実施の形態４について図５及び図６を参照して説明する。

図５は、本発明の実施の形態４の制御装置の構成を示すブロック図である。本制御装置は、それが有する機能別に、パワートレインマネージャ（ＰＴＭ）１２、低周波目標トルク嵩上げ部１６、目標空気量算出部４、目標スロットル開度算出部６、トルク合成部１４、目標空燃比算出部８及び点火時期算出部１０に分けることができる。図５と図４とを比較すれば分かるように、本制御装置は、実施の形態３の制御装置に低周波目標トルク嵩上げ部１６が新たに追加された構成を有している。以下では、本実施の形態で新たに設けられた低周波目標トルク嵩上げ部１６の機能を中心に本制御装置の構成について説明する。

低周波目標トルク嵩上げ部１６は、パワートレインマネージャ１２と目標空気量算出部４との間に配置されている。本制御装置では、パワートレインマネージャ１２から出力された要求トルクは、まず、低周波目標トルク嵩上げ部１６に入力される。低周波目標トルク嵩上げ部１６は、入力された要求トルクに嵩上げトルクを加算し、嵩上げされた要求トルクを低周波目標トルク、すなわち、空気量制御用トルクとして目標空気量算出部４に入力する。嵩上げトルクの大きさは、バネ上制振要求トルクの振幅に合わせて設定される。例えば、バネ上制振要求トルクの振幅が±４Ｎｍであれば、嵩上げトルクは＋４Ｎｍの大きさに設定される。嵩上げトルクの分だけ低周波目標トルクが嵩上げされることで、目標空気量も嵩上げされ、結果、実際の空気量（現在空気量）も嵩上げされることになる。

一方、トルク合成部１４には、実施の形態３と同じように、パワートレインマネージャ１２から出力された要求トルクを複製したもの、すなわち、嵩上げされていない要求トルクが入力される。トルク合成部１４では、嵩上げされていない要求トルクにバネ上制振要求トルクが合成され、その合成トルクが高周波目標トルク、すなわち、空燃比制御用トルクとして用いられる。

高周波目標トルクは、目標空燃比算出部８において目標空燃比（目標Ａ／Ｆ）に変換される。その変換に用いられる空燃比マップでは、現在空気量及びエンジン回転数をキーにして高周波目標トルクの実現に必要な空燃比が検索される。本実施の形態では、目標空気量の計算に使用する低周波目標トルクの嵩上げによって、現在空気量はベース空燃比を前提としたときの必要空気量よりも嵩上げされている。このため、高周波目標トルクの実現に必要な空燃比は本来よりもリーン側にオフセットされることになる。したがって、本実施の形態では、目標空燃比算出部８から出力される目標空燃比は、ベース空燃比よりもリーン側にオフセットされた空燃比を中心にして、バネ上制振要求トルクと同周波数で周期的に変化することになる。本制御装置は、このようにベース空燃比よりもリーン側の領域で周期的に変化する目標空燃比に従って燃料噴射装置の操作を行う。

ここで、図６は、空気量及びエンジン回転数を一定とした場合の空燃比とトルクとの関係を示すＡ／Ｆ−トルク特性図である。この図に示すように、ストイキよりもリーン側の領域ではトルクは空燃比がリッチになるほど大きくなるが、ストイキを超えてリッチになると空燃比の変化に対するトルクの感度が鈍くなる。また、空燃比を過度にリッチにすると、逆にトルクの低下が生じることになる。このようなＡ／Ｆ−トルク特性によれば、目標空燃比が周期的に変化する際の振動中心によっては、高周波目標トルクを実現するためのトルク振幅を確保することが難しいことが分かる。例えば、図６に示すように、ベース空燃比がストイキよりもリッチ側に設定されている場合には、このベース空燃比を中心に目標空燃比を変化させたところで必要なトルク振幅を得ることはできない。

本制御装置が採る構成は、上述のような事情に対応するための構成である。すなわち、本制御装置によれば、目標空気量の嵩上げによって現在空気量が増大せしめられる結果、目標空燃比の振動中心はベース空燃比よりもリーン側にオフセットされる。しかも、空気量制御用トルク（低周波目標トルク）の嵩上げ量は、バネ上制振要求トルクの振幅に等しく設定されているので、目標空燃比が周期的に変化する際の最リッチ空燃比がベース空燃比になるように、振動中心のリーン側へのオフセットが行われる。これによれば、空気量の不足によってトルクが足りなくなってしまう事態は防がれ、高周波目標トルクの実現に必要なトルク振幅を確実に確保することが可能となる。本制御装置によれば、ベース空燃比の設定の如何によらず、高い応答性をもって要求トルクを確実に実現することができる。

なお、図６に示すように、空燃比には燃焼限界で決まる下限がある。この下限空燃比を超えて空燃比をリーン化することは好ましくない。このため、目標空燃比算出部８から出力される目標空燃比には下限空燃比によるガードが施されている。しかし、目標空燃比が下限空燃比によってガードされた場合、空燃比制御により実現できるトルクは下限空燃比で決まるトルクに制限されることになる。つまり、空燃比制御のみでは要求トルクを実現しきれなくなる。その場合、本制御装置の構成によれば、要求トルクに対するトルクの過剰分を削るように点火時期が遅角側に補正される。これにより、目標空燃比が下限空燃比でガードされた場合であっても、要求トルクの高い精度での実現が担保される。この点については、先に説明した実施の形態１−３の制御装置にも同様のことが言える。

実施の形態５．
次に、本発明の実施の形態５について図７を参照して説明する。

図７は、本発明の実施の形態５の制御装置の構成を示すブロック図である。本制御装置は、それが有する機能別に、トルク分配部２、目標空気量算出部４、目標スロットル開度算出部６、目標空燃比算出部８、触媒活性判定部１８、目標空燃比切替部２０及び点火時期算出部１０に分けることができる。図７と図１とを比較すれば分かるように、本制御装置は、実施の形態１の制御装置に触媒活性判定部１８と目標空燃比切替部２０が新たに追加された構成を有している。以下では、本実施の形態で新たに設けられた２つの要素１８，２０の機能を中心に本制御装置の構成について説明する。

触媒活性判定部１８は、エンジンの排気通路に配置される触媒の活性状態を判定する。その判定は、触媒温度、触媒劣化度合い、触媒被毒状態等の観点から行われる。触媒温度は、センサによって計測可能な触媒床温を代表値として用いることができる。また、積算空気量から触媒温度を計測することも可能である。或いは、排気系モデルによって触媒温度を推定することもできる。触媒の劣化度合いは、触媒の最大酸素吸蔵量（Ｃｍａｘ）やＯ_２センサの出力軌跡長といったＯＢＤパラメータから判断することができる。触媒の被毒状態は、燃料に含まれる硫黄分の検出や、Ａ／Ｆフィードバック制御の制御状態から判断することができる。

本制御装置において触媒の活性状態を判定する理由は、要求トルクの実現のために空燃比を能動的に変動させた結果、排気ガス性能が悪化してしまう事態を防止するためである。触媒の活性が不十分な場合、触媒による浄化性能は十分に確保することができない。そのような状況下で空燃比を変動させると、排気エミッションの増加によって排気ガス性能の悪化が引き起こされてしまう。排気ガス性能は、自動車に求められる種々の性能の中でも特に重要な性能である。本制御装置は、触媒が活性していないと判定された場合には、目標空燃比の変動を禁止することによって排気ガス性能の悪化を防止する。

本制御装置では、目標空燃比算出部８から出力された目標空燃比は、ベース空燃比とともに目標空燃比切替部２０に入力される。目標空燃比切替部２０は、入力される２つの信号のうち何れか一方を目標空燃比として出力する。その出力の切り替えに用いられるのが、触媒活性判定部１８による判定結果である。その判定結果が肯定である場合、目標空燃比算出部８から出力された目標空燃比が選択され、そのまま目標空燃比として出力される。しかし、判定結果が否定である場合には、目標空燃比切替部２０における選択が切り替えられ、ベース空燃比が目標空燃比として出力される。これにより、空燃比の変動が禁止されることになって、排気ガス性能の悪化は防止される。

なお、目標空燃比がベース空燃比に切り替えられた場合であっても、本制御装置の構成によれば、高周波成分を含む要求トルクを実現することは可能である。その場合には、点火時期算出部１０で算出される点火時期が高周波成分に合わせて進遅角される。これにより、目標空燃比の変動が禁止された場合であっても、要求トルクの高い精度での実現が担保される。

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。例えば、実施の形態１のトルク分配部２において低周波成分を抽出する要素としては、ローパスフィルタの代わりに、エアモデル等の遅れ系の物理モデルを用いることができる。

また、実施の形態４では、目標空気量算出部４での空気量マップの検索にストイキ空燃比を用いても良い。つまり、ベース空燃比におけるトルク−空気量特性から目標空気量を決定する代わりに、ストイキ空燃比におけるトルク−空気量特性から目標空気量を決定するようにしてもよい。そうすることで、ベース空燃比の設定の如何によらず、ストイキよりもリーン側のトルク感度の高い領域で、目標空燃比を周期的に変化させることができるようになる。

また、実施の形態５では、目標空燃比の変動を禁止するのではなく、ベース空燃比を中心とした振動の振幅に制限を加えることでもよい。その場合に許容する振幅の大きさは、触媒の活性状態に応じて決定することができる。例えば、触媒の活性化が進むにつれて、許容する目標空燃比の振幅を大きくするようにしてもよい。なお、実施の形態５の特徴である触媒活性判定部１８及び目標空燃比切替部２０は、実施の形態１−４の制御装置にも設けることができる。

また、上述の各実施の形態において、触媒の酸素吸蔵状態を判定し、酸素吸蔵状態に応じて目標空燃比を変動させる領域を変更してもよい。具体的には、触媒の酸素吸蔵量が所定値以上の場合、或いは、触媒下流のＯ_２センサの出力がリーン出力の場合には、ストイキよりもリッチ側での領域を中心に目標空燃比を変動させるようにする。逆に、触媒の酸素吸蔵量が所定値未満の場合、或いは、触媒下流のＯ_２センサの出力がリッチ出力の場合には、ストイキよりもリーン側での領域を中心に目標空燃比を変動させるようにする。そうすることで、要求トルクの高周波成分に合わせて空燃比を変動させながら、触媒の酸素吸蔵状態を適切な状態に維持することができるようになる。なお、目標空燃比を変動させる領域の変更方法としては、実施の形態４の方法を応用することができる。低周波目標トルク（空気量制御用トルク）を増量側に補正すれば、目標空燃比の振動中心をリーン側にオフセットすることができ、逆に、低周波目標トルクを減量側に補正すれば、目標空燃比の振動中心をリッチ側にオフセットすることができる。

２ トルク分配部
４ 目標空気量算出部
６ 目標スロットル開度算出部
８ 目標空燃比算出部
１０ 点火時期算出部
１２ パワートレインマネージャ
１４ トルク合成部
１６ 低周波目標トルク嵩上げ部
１８ 触媒活性判定部
２０ 目標空燃比切替部

Claims (8)

1. 内燃機関に要求される要求トルクを取得する要求トルク取得手段と、
   前記要求トルクから得られる低周波のトルクを空気量制御用トルクとして設定する空気量制御用トルク設定手段と、
   前記要求トルクから得られる低周波と高周波を共に含むトルクを空燃比制御用トルクとして設定する空燃比制御用トルク設定手段と、
   空気量とトルクとの関係を定めたデータに基づいて、前記空気量制御用トルクを実現するための目標空気量を算出する目標空気量算出手段と、
   前記目標空気量に従って空気量を制御する空気量制御手段と、
   現在の空気量を算出する現在空気量算出手段と、
   空燃比とトルクとの関係を空気量に関連付けて定めたデータに基づいて、前記空燃比制御用トルクと前記現在空気量とに対応する空燃比を目標空燃比として算出する目標空燃比算出手段と、
   前記目標空燃比に従って燃料噴射量を制御する燃料噴射量制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 点火時期とトルクとの関係を空気量及び空燃比に関連付けて定めたデータに基づいて、前記現在空気量と前記目標空燃比のもとで前記空燃比制御用トルクを実現するための目標点火時期を算出する目標点火時期算出手段と、
   前記目標点火時期に従って点火時期を制御する点火時期制御手段と、
   をさらに備え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. 前記空気量制御用トルクを嵩上して補正する空気量制御用トルク補正手段、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記空気量制御用トルク補正手段は、前記高周波トルクの振幅分だけ前記空気量制御用トルクを嵩上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装置。
5. 触媒の酸素吸蔵状態を判定する酸素吸蔵状態判定手段と、
   触媒の酸素吸蔵量が所定値以上の場合には、ストイキよりもリッチ側での領域を中心に空燃比が変動するように前記空気量制御用トルクを補正し、触媒の酸素吸蔵量が所定値未満の場合には、ストイキよりもリーン側での領域を中心に空燃比が変動するように前記空気量制御用トルクを補正する空気量制御用トルク補正手段と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
6. 触媒の活性状態を判定する活性状態判定手段と、
   触媒が活性していない場合には前記目標空燃比の変動を制限する目標空燃比変動制限手段と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
7. 前記要求トルク取得手段は、
   低周波成分と高周波成分を共に含む要求トルクを取得する手段と、
   前記要求トルクから低周波成分を抽出する手段と、
   を含むことを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
8. 前記要求トルク取得手段は、
   低周波成分からなる要求トルクを取得する手段と、
   高周波成分からなる要求トルクを取得する手段と、
   前記低周波の要求トルクと前記高周波の要求トルクとを合成する手段と、
   を含むことを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。

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