JP5644733B2 - エンジンの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンに要求される要求トルクに基づいてエンジン出力を制御するエンジンの制御装置に関する。特に、エンジンの熱効率を用いて目標空気量を演算する制御装置に関する。

車両に搭載されたエンジンの制御手法の一つとして、エンジンに要求されるトルクの大きさを基準として吸入空気量や燃料噴射量，点火時期等を制御するトルクベース（トルクディマンド）制御が知られている。トルクベース制御では、例えばアクセル開度やエンジン回転速度に基づいてエンジンが出力すべきトルクの目標値が演算され、この目標トルクが得られるようにエンジンの運転状態が制御される。また、自動変速機やオートクルーズ装置，車両安定装置といった外部制御システムを搭載した車両では、各外部制御システムからエンジンへの出力要求がトルク値に換算されてエンジン制御装置（エンジンECU）内で一元化され、エンジンのトルク挙動が包括的に制御される。

従来、このトルクベース制御において、制御操作に対する応答性が異なる二種類の制御、すなわち、低応答トルク制御と高応答トルク制御とをともに実施するものが知られている。前者の低応答トルク制御は、例えば電子制御スロットルの操作に代表される吸入空気量操作によってトルクを制御するものである。また、後者の高応答トルク制御は、例えば点火時期操作や燃料噴射量操作によってトルクを制御するものである。これらの各制御は応答性だけでなくトルクの調整幅も相違するため、車両の走行状態やエンジンの運転状態に応じて適宜実施され、あるいは各制御による操作量が協調的に調整される。
例えば、特許文献１には、エアフローセンサーやインマニ圧センサーで検出されたエンジンの運転状態に基づき、スロットルバルブと点火プラグとを制御するトルクベース制御装置が記載されている。この技術では、吸気量制御部が吸入空気量を制御し、点火時期制御部が点火時期を制御している。

ところで、トルクベースの吸入空気量制御では、目標トルクを発生させるのに必要十分な燃焼反応を生じさせる量の空気がスロットルバルブを通過するように、スロットル開度を制御している。すなわち、目標トルクに基づいて筒内に導入すべき吸入空気量の目標値を演算し、吸気系の圧力条件や温度条件に応じた吸入空気の流体としての運動特性を考慮しつつ目標スロットル開度を演算して、実際のスロットル開度がその目標スロットル開度に一致するように、スロットルバルブに対して制御信号を出力している。このような手法を用いることで、目標トルクに対して吸入空気量を適切に調節することが可能となる。

一方、実際に筒内での燃焼反応に伴って生成されるエンジントルクは、筒内に吸入された空気量や混合気中の燃料量に応じて変化する。これは、吸入空気中の酸素濃度や燃焼のタイミング等によって、熱効率（筒内で発生した熱量のうちエンジンの機械的な仕事に変換されたエネルギーの割合）が変化するためである。そこで、近年のトルクベース制御では、スロットル開度の演算過程でエンジンの熱効率を算出し、この熱効率と目標トルクとを併用して正確に吸入空気量を演算する手法が採用されつつある。

典型的な熱効率の算出手法としては、各気筒における点火時期に基づいて算出する手法が知られている。例えば、点火時期とトルクとの関係を利用してその時点でのエンジントルクを算出し、これにエンジン回転速度の情報を加味することでエンジン出力（すなわち仕事率）を算出するものである。このように、実際のエンジンの運転状態に基づいてエンジン出力を精度よく推定することで、熱効率に対応する仕事量を把握することができ、正確な熱効率の値を演算することができる。

特開２００９−２８１２３９号公報

しかしながら、各気筒における点火時期に基づく熱効率の算出手法では、エンジンの運転状態を遅滞なく把握することが難しい。例えば、一般的なトルクベースの点火時期制御では、エンジンの実際の運転状態に対応するセンサー検出値に基づいて点火時期が設定される。センサー検出値の具体例としては、吸気系に設けられた流量計で検出された実空気量や実充填効率が用いられる。上述の特許文献１に記載の技術においても、エアフローセンサーやインマニ圧（インテークマニホールド圧）センサーでの検出値に基づいて点火時期が設定されている。

一方、実空気量や実充填効率の値は、目標充填効率を実現するようにスロットルバルブ等を操作した結果として得られる値であり、その時点での目標充填効率に対して遅れて応答する。すなわち、センサー検出値に基づいて実空気量や実充填効率が検出されるのは、目標充填効率が演算された時点から所定の遅れ時間が経過した後となる。そしてこの所定の遅れ時間には、スロットルバルブに内蔵されたモーターの駆動遅れ時間や、スロットルバルブに伝達される制御信号を演算するまでにかかる演算時間が含まれる。

そのため、実空気量や実充填効率に基づいて設定された点火時期を用いて熱効率を算出したとしても、その熱効率の値は目標充填効率に対して遅延した値となる。これにより、点火時期制御によるトルク挙動と吸入空気量制御によるトルク挙動との間にずれが生じやすく、目標とするエンジン運転点への収束性が低下する場合がある。また、点火時期制御に対して吸入空気量制御が常にやや遅れた操作を加えることになるため、スロットルバルブの挙動が狙い通りになりにくく、吸入空気量制御の応答性や安定性を向上させにくいという課題もある。

本件の目的の一つは、上記のような課題に鑑み創案されたもので、トルクベース制御においてエンジンの運転点が変化する際に、目標とするエンジン運転点への収束性を向上させるべく、吸入空気量制御の制御応答性及び制御安定性を向上させたエンジンの制御装置を提供することである。
なお、これらの目的に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本件の他の目的として位置づけることができる。

（１）ここで開示するエンジンの制御装置は、エンジンの筒内に導入すべき空気量を算出するための目標点火時期を演算する目標点火時期演算手段と、前記目標点火時期に基づき、前記エンジンの熱効率を演算する熱効率演算手段と、前記熱効率に基づき、前記筒内に導入すべき空気量の目標値である目標空気量を演算する目標空気量演算手段とを備える。また、前記目標点火時期演算手段が、前記目標空気量演算手段において過去の演算周期で演算された前記目標空気量に基づき、現在の演算周期の時点における前記目標点火時期を演算する。

ここでいう「エンジンの筒内に導入すべき空気量」は、エンジンの筒内へ導入される（導入された）空気の体積や質量、またはこれらに対応するパラメーターを含み、例えば充填効率や体積効率等を含む。
また、本件における「目標点火時期」は、点火プラグで実際に点火するための実行点火時期とは別個の点火時期であり、実行点火時期と同一の数値となる必要はない。すなわち「目標点火時期」は、実行点火時期の目標値という一般的な意味ではなく、目標空気量を算出するために必要な情報であって、目標運転点における点火時期を意味し、過去の目標空気量に基づいて演算される。
また「過去の目標空気量」とは、例えば前回の演算周期で得られた目標空気量や、二つ前の演算周期で得られた目標空気量等を含む。さらに「過去の目標空気量に基づく」とは、例えば目標空気量の前回値をそのまま用いることや、前回値及び前々回値の平均値を用いること等、過去の目標空気量に対して種々の演算を施したものを用いることを含む。

（２）また、前記過去の演算周期で演算された前記目標空気量に基づき、現在の演算周期の時点における目標空燃比を演算する目標空燃比演算手段を備え、前記熱効率演算手段が、前記目標空燃比に基づき、前記エンジンの熱効率を補正することが好ましい。
前記目標空燃比演算手段で演算される前記目標空燃比は、目標空気量を算出するために必要な情報であって、目標運転点における空燃比を意味し、過去の目標空気量に基づいて演算される。

（３）また、前記過去の演算周期で演算された前記目標空気量に基づき、現在の演算周期の時点における目標排気還流率を演算する目標排気還流率演算手段を備え、前記熱効率演算手段が、前記目標排気還流率に基づき、前記エンジンの熱効率を補正することが好ましい。
前記目標排気還流率演算手段で演算される前記目標排気還流率は、目標空気量を算出するために必要な情報であって、目標運転点における排気還流率を意味し、過去の目標空気量に基づいて演算される。

（４）また、前記目標点火時期演算手段が、直前の演算周期で演算された前記目標空気量に基づき、現在の演算周期の前記目標点火時期を演算することが好ましい。
（５）また、前記エンジンの筒内に導入された実空気量に基づき、点火プラグで実際に点火する時期に対応する実行点火時期を演算する実行点火時期演算手段を備えることが好ましい。例えば、前記目標空気量が変化する過渡運転時においては、前記目標点火時期演算手段が、前記実行点火時期とは独立に空気量演算用の前記目標点火時期を演算することが好ましい。

開示のエンジンの制御装置では、過去の演算周期で演算された目標空気量に基づいて現在の演算周期の時点における目標点火時期が演算され、この目標点火時期に基づいて演算された熱効率からエンジンの筒内に導入すべき目標空気量が演算される。このような演算により、目標空気量に対する実空気量の遅延時間の長短に関わらず、適切に吸入空気量を制御することができ、エンジンの運転点が変化する際に、目標とするエンジン運転点へ迅速かつ精度よく収束させることができる。また、熱効率を精度よく把握することが可能となり、吸入空気量制御の制御性を向上させることができる。

一実施形態に係るエンジンの制御装置のブロック構成及びこの制御装置が適用されたエンジンの構成を例示する図である。 本制御装置に係る制御用パラメーターの演算の流れを示す模式図である。 本制御装置の目標トルク演算部を例示するブロック構成図である。 本制御装置の点火時期制御部を例示するブロック構成図である。 本制御装置の目標充填効率演算部を例示するブロック構成図である。 本制御装置の吸気量制御部を例示するブロック構成図である。 本制御装置の目標点火時期演算部を例示するブロック構成図である。 本制御装置の目標空燃比演算部を例示するブロック構成図である。 本制御装置の目標EGR率演算部を例示するブロック構成図である。 本制御装置の熱効率係数演算部を例示するブロック構成図である。

図面を参照してエンジンの制御装置について説明する。なお、以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。本実施形態の各構成は、それら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とともに、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることが可能である。

［１．装置構成］
［１−１．エンジン］
本実施形態のエンジンの制御装置は、図１に示す車載のガソリンエンジン１０に適用される。ここでは、多気筒のエンジン１０に設けられた複数のシリンダーのうちの一つを示す。ピストン１６は、中空円筒状に形成されたシリンダー１９の内周面に沿って往復摺動自在に内装される。ピストン１６の上面とシリンダー１９の内周面及び頂面に囲まれた空間は、エンジンの燃焼室２６として機能する。
ピストン１６の下部は、コネクティングロッドを介して、クランクシャフト１７の軸心から偏心した中心軸を持つクランクアームに連結される。これにより、ピストン１６の往復動作がクランクアームに伝達され、クランクシャフト１７の回転運動に変換される。

シリンダー１９の頂面には、吸入空気を燃焼室２６内に供給するための吸気ポート１１と、燃焼室２６内で燃焼した後の排気を排出するための排気ポート１２とが穿孔形成される。また、吸気ポート１１，排気ポート１２の燃焼室２６側の端部には、吸気弁１４及び排気弁１５が設けられる。これらの吸気弁１４，排気弁１５は、エンジン１０の上部に設けられる図示しない動弁機構によって各々の動作を個別に制御される。また、シリンダー１９の頂部には、点火プラグ１３がその先端を燃焼室２６側に突出させた状態で設けられる。点火プラグ１３による点火時期は、後述するエンジン制御装置１で制御される。
シリンダー１９の周囲には、その内部をエンジン冷却水が流通するウォータージャケット２７が設けられる。エンジン冷却水はエンジン１０を冷却するための冷媒であり、ウォータージャケット２７とラジエータとの間を環状に接続する冷却水循環路内を流通している。

［１−２．吸排気系］
吸気ポート１１内には、燃料を噴射するインジェクター１８が設けられる。インジェクター１８から噴射される燃料量は、後述するエンジン制御装置１によって制御される。また、インジェクター１８よりも吸気流の上流側には、インテークマニホールド２０（以下、インマニと呼ぶ）が設けられる。このインマニ２０には、吸気ポート１１側へと流れる空気を一時的に溜めるためのサージタンク２１が設けられる。サージタンク２１よりも下流側のインマニ２０は、各シリンダー１９の吸気ポート１１に向かって分岐するように形成され、サージタンク２１はその分岐点に位置する。サージタンク２１は、各々のシリンダーで発生しうる吸気脈動や吸気干渉を緩和するように機能する。

インマニ２０の上流側には、スロットルボディ２２が接続される。スロットルボディ２２の内部には電子制御式のスロットルバルブ２３が内蔵され、インマニ２０側へと流れる空気量がスロットルバルブ２３の開度（スロットル開度）に応じて調節される。このスロットル開度は、エンジン制御装置１によって制御される。
スロットルボディ２２のさらに上流側には吸気通路２４が接続され、吸気通路２４のさらに上流側にはエアフィルター２５が介装される。これにより、エアフィルター２５で濾過された新気が吸気通路２４及びインマニ２０を介してエンジン１０の各シリンダー１９に供給される。

排気ポート１２の下流側には、エキゾーストマニホールド３０（以下、エキマニと呼ぶ）が設けられる。エキマニ３０は各シリンダー１９からの排気を合流させる形状に形成され、その下流側の図示しない排気通路や排気触媒装置等に接続される。
吸気通路２４とエキマニ３０との間は還流路４０で接続され、その中途に冷却器２９及び還流弁２８が設けられる。還流路４０は、いわゆるEGR（Exhaust Gas Recirculation）通路であり、排気の一部を吸気通路２４側へと再循環させるものである。図１中の還流路４０は、一端が排気ポート１２と近接する位置（エキマニ３０）に接続され、他端がスロットルバルブ２３よりも下流側（サージタンク２１側）に接続されている。以下、還流路４０を通って再び吸気側へ導入される排気ガスのことを、EGRガスとも呼ぶ。

冷却器２９は、高温の排気ガスを冷却するための熱交換器（放熱器）である。また、還流弁２８は、EGRガスの流量やEGRガスを吸気通路２４側に導入するタイミングを調節する制御弁である。還流弁２８の開度や開度を変更するタイミングは、エンジン制御装置１で制御される。

［１−３．検出系］
スロットルバルブ２３の下流側には、圧力を検出するインマニ圧センサー３１が設けられる。インマニ圧センサー３１はスロットルバルブ２３よりも下流側の吸気圧力（サージタンク２１内の圧力）を下流圧P_IMとして検出するものである。また、エンジン制御装置１の内部又は車両の任意の位置には、大気圧センサー３２が設けられる。

大気圧センサー３２は大気の圧力（大気圧）P_BPを検出するものである。大気圧P_BPは、吸気通路２４入口での圧力（エアフィルター２５よりも上流側の圧力）としても取扱うことができる。したがって、大気圧P_BPに基づいてスロットルバルブ２３の上流圧P_THU（スロットルバルブ２３よりも上流側の吸気通路２４内の圧力）を推定することも可能であり、スロットルバルブ２３の上流側に圧力センサーを設けなくてもよい。
例えば、エンジン１０の実回転速度Neや吸気流量Q_INに応じた吸気通路入口からスロットルバルブ２３までの吸気系圧損値をエンジン制御装置１に予め記憶させておき、大気圧P_BPから吸気系圧損値を減算することによってスロットルバルブ２３の上流圧P_THUを得ることができる。

また、吸気通路２４内には、吸気流量Q_INを検出するエアフローセンサー３３が設けられる。吸気流量Q_INは、スロットルバルブ２３を通過する空気の流量に対応するパラメーターである。スロットルバルブ２３からシリンダー１９への吸気流には、いわゆる吸気応答遅れ（流通抵抗や吸気慣性に由来する遅れ）が生じるため、ある時刻にシリンダー１９に導入される空気の流量は、その時点でスロットルバルブ２３を通過する空気の流量とは必ずしも一致しない。

また、上記の吸気応答遅れに加えて、スロットルバルブ２３の動作には駆動遅れが生じる。この駆動遅れとは、スロットルバルブ２３がエンジン制御装置１からの制御信号を受けた時点から、実際にスロットルバルブ２３のスロットル開度が制御信号の指示通りの状態に変化し終わるまでにかかる時間である。さらに、エンジン制御装置１内での制御信号の演算時間も、スロットルバルブ２３の駆動遅れ時間に含まれると考えることもできる。本エンジン制御装置１では、このようなスロットルバルブ２３のさまざまな遅れの影響を考慮した吸入空気量制御を実施することで、エンジン運転点の収束性を高めている。

ウォータージャケット２７又は冷却水循環路上の任意の位置には、エンジン冷却水の温度（冷却水温W_T）を検出する冷却水温センサー３４が設けられる。また、エンジン１０のオイルパン又はエンジンオイルの循環経路上の任意の位置には、エンジンオイルの温度（油温O_T）を検出するエンジン油温センサー３６が設けられる。前記大気圧P_BP及びこれらの冷却水温W_T並びに油温O_Tは、無負荷損失（エンジン１０自体に内在する機械的な損失等）やエンジン１０の運転条件（環境条件）を把握するのに利用される。

クランクシャフト１７には、その回転角を検出するエンジン回転速度センサー３５が設けられる。回転角の単位時間あたりの変化量（角速度）はエンジン１０の実回転速度Ne（単位時間あたりの実回転数）に比例する。したがって、エンジン回転速度センサー３５は、エンジン１０の実回転速度Neを取得する機能を持つ。なお、エンジン回転速度センサー３５で検出された回転角に基づき、エンジン制御装置１の内部で実回転速度Neを演算する構成としてもよい。

車両の任意の位置には、アクセルペダルの踏み込み操作量（アクセル開度A_PS）を検出するアクセル開度センサー３７及び外気温A_Tを検出する外気温度センサー３８が設けられる。アクセル開度A_PSは、運転者の加速要求に対応するパラメーターであり、すなわちエンジン１０への出力要求に対応するものである。また、外気温A_Tは、スロットルバルブ２３を通過する吸入空気の運動特性に関連するパラメーターである。
上記の各種センサー３１〜３８で取得（又は演算）された大気圧P_BP，上流圧P_THU，下流圧P_IM，吸気流量Q_IN，実回転速度Ne，油温O_T，冷却水温W_T，外気温A_T，アクセル開度A_PSの各情報は、エンジン制御装置１に伝達される。

［１−４．制御系］
上記のエンジン１０を搭載する車両には、エンジン制御装置１（Engine Electronic Control Unit，制御装置）が設けられる。このエンジン制御装置１は、例えばマイクロプロセッサやROM，RAM等を集積したLSIデバイスや組み込み電子デバイスとして構成され、車両に設けられた車載ネットワーク網の通信ラインに接続される。なお、車載ネットワーク上には、例えばブレーキ制御装置，変速機制御装置，車両安定制御装置，空調制御装置，電装品制御装置といったさまざまな公知の電子制御装置が、互いに通信可能に接続される。エンジン制御装置１以外の電子制御装置のことを外部制御システムと呼び、外部制御システムによって制御される装置のことを外部負荷装置と呼ぶ。

エンジン制御装置１は、エンジン１０に関する点火系，燃料系，吸排気系及び動弁系といった広汎なシステムを総合的に制御する電子制御装置であり、エンジン１０の各シリンダー１９に供給される空気量やEGR量，燃料噴射量、各シリンダー１９の点火時期を制御するものである。ここでは、エンジン１０に要求されるトルクの大きさを基準としたトルクベース制御が実施される。エンジン制御装置１の具体的な制御対象としては、インジェクター１８から噴射される燃料量や噴射時期，点火プラグ１３での点火時期，スロットルバルブ２３及び還流弁２８の開度などが挙げられる。

本トルクベース制御では、エンジン１０に要求されるトルクとして、三種類の要求トルクを想定している。第一の要求トルクは運転者の加速要求に対応するものであり、第二の要求トルクは外部負荷装置からの要求に対応するものである。これらの要求トルクはともに、エンジン１０に作用する負荷に基づいて算出されるトルクといえる。一方、第三の要求トルクは、エンジン１０の実回転速度Neを目標回転速度に維持する回転フィードバック制御のためのものであり、エンジン１０に負荷が作用していない無負荷状態であっても考慮される要求トルクである。これらの要求トルクは、エンジン１０の運転条件に応じて自動的に切り換えられる。第二の要求トルクを吸気制御用と点火制御用とに分ける場合、エンジン１０に要求されるトルクは四種類と取扱うこともできる。

以下、エンジン制御装置１で実施されるトルクベース制御のうち、エンジン１０のシリンダー１９に導入される吸気量に関する吸入空気量制御と、点火プラグ１３での点火時期に関する点火時期制御とについて詳述する。吸入空気量の制御は、おもにスロットルバルブ２３の開度調節によって実現される。
なお、本実施形態でトルクを表現するために用いる記号Piは、図示平均有効圧（エンジン１０の指圧線図に基づいて算出される仕事を行程容積で割った圧力値）を意味し、ここでは図示平均有効圧Piを用いてトルクの大きさを表現している。本実施形態では、エンジン１０で生じる力のモーメントのことだけでなく、エンジン１０のピストン１６に作用する平均有効圧（例えば、図示平均有効圧Piや正味平均有効圧Pe）で表現されたトルク相当量（トルクに対応する圧力）のことも便宜的に「トルク」と呼ぶ。

［２．制御の概要］
エンジン制御装置１で実施される吸入空気量制御及び点火時期制御のそれぞれの概要を、制御用パラメーター（以下、単にパラメーターと呼ぶ）の演算の流れに着目して説明する。

図２に示すように、本エンジン制御装置１の点火時期制御では、点火制御用目標トルクPi_TGTを点火時期の調整によって確保すべきエンジントルクの目標値とする。この点火時期の目標値は、実際に点火プラグ１３で点火を実行する点火時期であることから、実行点火時期SA_ACTと呼ぶ。一方、エンジン１０の実際の運転状態に関するパラメーターとしては、エンジン１０の実回転速度Neと吸気流量Q_INとを用いる。吸気流量Q_INは制御対象となるシリンダー１９内に実際に導入された吸入空気量と相関するため、筒内の実空気量は吸気流量Q_INに応じた値となる。なお、本実施形態では、実空気量相当のパラメーターである実充填効率Ecを使用する。

吸入空気量が一定でありかつ回転数が一定であるとき、エンジン１０で発生するトルクは実行点火時期SA_ACTの関数として表現される。したがって、実充填効率Ecと実回転速度Neが定まれば、出力したいエンジントルクに対応する実行点火時期SA_ACTを算出することが可能となる。このような手法を通して、点火制御用目標トルクPi_TGTを得るために要求される実行点火時期SA_ACTの目標値を演算する。
これに対し、吸入空気量制御では、吸気制御用目標トルクPi_ETVをスロットルバルブ２３の開度制御によって確保すべきエンジントルクの目標値とし、この吸気制御用目標トルクPi_ETVをエンジン１０で発生させるのに必要十分な燃焼反応を生じさせる筒内空気量の目標値を算出する。本実施形態では、筒内空気量に相当するパラメーターである実充填効率Ecの目標値、すなわち目標充填効率Ec_TGTを使用する。

一方、筒内での燃焼反応に伴って生成されるエンジントルクは、エンジン１０の熱効率に応じて変動する。そこで、目標充填効率Ec_TGTの演算過程で、エンジン１０の熱効率を用いて吸気制御用目標トルクPi_ETVを標準条件（空燃比が理論空燃比で、吸入空気がEGRガスを含有せず、点火時期がMBTであるという燃焼条件）でのトルク値に換算し、換算後のトルクを用いて目標充填効率Ec_TGTを演算する。ここで用いる熱効率の値は、点火時期制御内で演算された実行点火時期SA_ACTに基づいて算出するのではなく、吸入空気量制御内で前回までの演算周期で演算された目標充填効率Ec_TGTに基づいて算出する。したがって、目標充填効率Ec_TGTは実行点火時期SA_ACTから独立して別個に演算される。

これは、点火時期制御内で演算された実行点火時期SA_ACTがエンジン１０の実充填効率Ecに基づいて演算されたものであるからである。実充填効率Ecは、その値がエンジン１０で実際に得られた時点よりも以前に算出された目標充填効率Ec_TGTに基づいてスロットルバルブ２３が制御された結果として実測されたセンサー値に基づくものである。この目標充填効率Ec_TGTに対する実充填効率Ecの遅延時間には、これらのパラメーターの演算に係る時間や、スロットルバルブ２３が目標充填効率Ec_TGTに対応する制御信号を受けてから実際にスロットル開度が動作を完了するまでの駆動遅れ時間等が含まれる。

そのため、実行点火時期SA_ACTに基づいて熱効率を算出すると、その熱効率に反映されたエンジン１０の運転状態と、その熱効率を用いてこれから制御したいエンジン１０の運転状態とが大きく乖離し、エンジンの運転点が変化する際に、目標とするエンジン運転点への収束性を低下させるおそれが生じてしまう。
そこで、本エンジン制御装置１では、吸入空気量制御内で演算された目標充填効率Ec_TGTを用いて熱効率K_piを求め、これを新たに算出される目標充填効率Ec_TGTの値に反映させることとする。なお、本実施形態では、エンジン１０の熱効率に相当するパラメーターとして、熱効率係数K_piを用いる。

［３．制御装置構成］
図１に示すように、エンジン制御装置１の入力側には、インマニ圧センサー３１，大気圧センサー３２，エアフローセンサー３３，冷却水温センサー３４，エンジン回転速度センサー３５，エンジン油温センサー３６，アクセル開度センサー３７及び外気温度センサー３８が接続される。また、エンジン制御装置１の出力側には、トルクベース制御の制御対象である点火プラグ１３，インジェクター１８，スロットルバルブ２３，還流弁２８等が接続される。

このエンジン制御装置１には、目標トルク演算部２，点火時期制御部３，目標充填効率演算部４，吸気量制御部５，目標値演算部６及び熱効率係数演算部７が設けられる。これらの目標トルク演算部２，点火時期制御部３，目標充填効率演算部４，吸気量制御部５，目標値演算部６及び熱効率係数演算部７の各機能は、電子回路（ハードウェア）によって実現してもよく、ソフトウェアとしてプログラミングされたものとしてもよいし、あるいはこれらの機能のうちの一部をハードウェアとして設け、他部をソフトウェアとしたものであってもよい。

［３−１．目標トルク演算部］
目標トルク演算部２は、トルクベース制御に係る目標トルクを所定の演算周期で演算するものである。ここではまず、運転者から要求されるトルクや、外部制御システムから要求されるトルク等に基づいて、四種類の要求トルクが演算され、エンジン１０の運転状態に即した目標トルクがこれらの四種類の要求トルクの中から目標トルクが選択される。四種類の要求トルクとは、アクセル要求トルクPi_APS、アイドル要求トルクPi_NeFB、応答性の異なる二種類の要求トルク（点火制御用要求トルクPi_{EXT_SA}，吸気制御用要求トルクPi_EXT）である。

アイドル要求トルクPi_NeFBは、アイドリング回転数を維持するために要求されるトルクであり、例えばアクセル開度A_PSや実回転速度Ne，インマニ２０で発生した負圧（大気圧P_BP−下流圧P_IM），外気温A_T，油温O_T，冷却水温W_T等に基づいて演算される。また、アクセル要求トルクPi_APSは、おもに運転者のアクセル操作に対応する要求トルクであり、すなわち加速要求に応えるためのトルクである。ここでは、アクセル開度A_PS及び実回転速度Neに基づいてアクセル要求トルクPi_APSが演算される。

点火制御用要求トルクPi_{EXT_SA}及び吸気制御用要求トルクPi_EXTは、外部負荷装置からの要求トルクであり、必要に応じて要求されているトルクをアクセル要求トルクPi_APSから切替えて用いられる。これらのうち、点火制御用要求トルクPi_{EXT_SA}は、点火プラグ１３での点火時期制御で用いられるトルクである。点火時期制御は、実際に制御を実施してからエンジン１０でトルクが発生するまでのタイムラグが短く、応答性の高い制御である。ただし、点火時期制御によって調整可能なトルクの幅は比較的小さい。

一方、吸気制御用要求トルクPi_EXTは、スロットルバルブ２３のスロットル開度調整による吸入空気量制御で用いられるトルクである。吸入空気量制御は、実際に制御を実施してからエンジン１０でトルクが発生するまでのタイムラグが長く、点火時期制御と比較して応答性にやや劣る制御である。ただし、吸入空気量制御によって調整可能なトルクの幅は、点火時期制御によるものよりも大きい。
これらの四種類の要求トルクを用いて、目標トルク演算部２は二種類の制御目標としての目標トルク、すなわち点火制御用目標トルクPi_TGTと吸気制御用目標トルクPi_ETVとを演算する。

目標トルク演算部２での演算プロセスを図３に例示する。目標トルク演算部２には、第一選択部２ａ，第二選択部２ｂ及び吸気遅れ補正部２ｃが設けられる。
第一選択部２ａは、点火制御用要求トルクPi_{EXT_SA}，アクセル要求トルクPi_APS及びアイドル要求トルクPi_NeFBのうちの何れか一つを点火制御用のトルクの目標値として選択するものである。また、第二選択部２ｂは、吸気制御用要求トルクPi_EXT，アクセル要求トルクPi_APS及びアイドル要求トルクPi_NeFBのうちの何れか一つを吸気制御用のトルクの目標値として選択するものである。

これらの第一選択部２ａ，第二選択部２ｂは、例えば外部制御システムからのトルク要求の有無やエンジン１０のアイドル運転の要否等といった情報に基づいて、点火時期制御，吸気量制御のそれぞれで目標とすべきトルク値を選択する。第一選択部２ａで選択されたトルク値は、点火制御用目標トルクPi_TGTとして点火時期制御部３に伝達される。一方、第二選択部２ｂで選択されたトルク値は、吸気遅れ補正部２ｃに伝達される。

吸気遅れ補正部２ｃは、吸気量制御で用いられる目標トルクの算出に際し、スロットルバルブ２３からシリンダー１９までの吸気遅れに応じた補正演算を行うものである。ここでは、第二選択部２ｂで選択されたトルク値に対して遅れ処理を施して吸気応答遅れを模擬したものが、吸気制御用目標トルクPi_ETVとして演算される。
具体的な吸気遅れ補正部２ｃでの遅れ処理の手法は、スロットルバルブ２３の制御態様に応じて種々考えられる。例えば、入力されたトルク値に対して一次遅れ処理や二次遅れ処理を施すことによって、実現したいトルク変動の軌跡を生成してもよい。簡便な手法としては、吸気遅れ補正部２ｃからの出力値と吸気遅れ補正部２ｃへの入力値との差に所定のフィルター係数を乗じたものを、入力値に加算すればよい。また、可変動弁機構の作動状態（吸気弁１４，排気弁１５のバルブリフト量やバルブタイミング，オーバーラップ量等）に応じて吸気遅れ特性が変化する場合には、その作動状態に応じて吸気制御用目標トルクPi_ETVの変動を遅延させる演算を加えてもよい。ここで演算された吸気制御用目標トルクPi_ETVの値は、目標充填効率演算部４に伝達される。

［３−２．点火時期制御部］
点火時期制御部３（実行点火時期演算手段）は、目標トルク演算部２で演算された点火制御用目標トルクPi_TGTに基づいて、所定の演算周期で点火時期制御を実施するものである。点火時期制御部３での演算プロセスを図４に例示する。点火時期制御部３には、実充填効率演算部３ａ，MBT演算部３ｂ，実MBTトルク演算部３ｃ，点火指標演算部３ｄ，リタード量演算部３ｅ及び減算部３ｆが設けられる。

実充填効率演算部３ａは、スロットルバルブ２３部を通過した吸気流量Q_INに基づき、実際の充填効率を実充填効率Ecとして演算するものである。充填効率とは、一回の吸気行程（例えば、ピストン１６が上死点から下死点に移動するまでの一行程）の間にシリンダー１９内に充填される空気の体積を標準状態（25[℃]，1[気圧]）での気体体積に正規化したのちシリンダー容積V_ENGで除算したものである。ここでは、制御対象のシリンダー１９について、直前の一回の吸気行程の間にエアフローセンサー３３で検出された吸気流量Q_INの合計から、制御対象のシリンダー１９に実際に吸入された空気量が演算され、実充填効率Ecが演算される。ここで演算された実充填効率Ecは、MBT演算部３ｂ及び実MBTトルク演算部３ｃに伝達される。

MBT演算部３ｂは、実充填効率演算部３ａで演算された実充填効率Ec及び実回転速度Neに基づき、最大のトルクを発生させるMBT点火時期（単にMBTとも呼ぶ；Minimum spark advance for Best Torque）を演算するものである。以下、点火時期を表す記号としてSAを用いる。また、点火時期SAのうちのMBT点火時期を意味するときには、SA_MBTと表記する。MBT演算部３ｂは、例えば実充填効率Ec，点火時期SA及び理論空燃比で発生するトルクの対応関係を実回転速度Ne毎のマップや数式として記憶しており、これを用いてMBT点火時期SA_MBTを演算する。ここで演算されたMBT点火時期SA_MBTの値は、減算部３ｆに伝達される。

実MBTトルク演算部３ｃは、実充填効率演算部３ａで演算された実充填効率Ec及び実回転速度Neで、制御対象のシリンダー１９で生じうる最大のトルク（すなわち、実充填効率Ecで点火時期をMBTに設定した場合に発生するトルク）を最大実トルクPi_{ACT_MBT}として演算するものである。実MBTトルク演算部３ｃは、例えばMBT演算部３ｂと同様のマップや数式を用いて最大実トルクPi_{ACT_MBT}を演算する。ここで演算された最大実トルクPi_{ACT_MBT}は、点火指標演算部３ｄに伝達される。

点火指標演算部３ｄは、目標トルク演算部２で演算された点火制御用目標トルクPi_TGTと実MBTトルク演算部３ｃで演算された最大実トルクPi_{ACT_MBT}との比を点火指標Kとして演算するものである。ここでは、エアフローセンサー３３で検出された吸気流量Q_INに基づいて生成されうる最大のトルク対して点火制御用のトルクがどの程度の割合なのかが演算される。なお、本実施形態の点火指標演算部３ｄでは、最大実トルクPi_{ACT_MBT}を超えるような過剰な点火制御用目標トルクPi_TGTが要求されても、点火時期がMBT点火時期SA_MBTよりも進角することが生じないようにすべく、点火指標Kの値が1以下の範囲（0≦K≦1）でクリップされる。ここで演算された点火指標Kの値はリタード量演算部３ｅに伝達される。

リタード量演算部３ｅは、MBTを基準として、点火指標Kに応じた大きさのリタード量R（点火時期の遅角量）を演算するものである。リタード量演算部３ｅは、点火指標Kとリタード量Rとの対応関係を実回転速度Ne毎のマップや数式として記憶しており、このマップや数式を用いてリタード量Rを演算する。なお、ここでいうリタード量RはMBTを基準としたものであり、点火指標K（0≦K≦1）が1に近づくほどリタード量Rがゼロに近づく特性を持つ。また、リタード量Rは、実回転速度Neが大きいほど増大する特性を持つ。ここで演算されたリタード量Rは、減算部３ｆに伝達される。

減算部３ｆは、リタード量演算部３ｅで演算されたリタード量Rに基づいて実行点火時期SA_ACTを演算するものである。ここでは、例えばMBT演算部３ｂで演算されたMBT点火時期SA_MBTからリタード量Rを減算したものが実行点火時期SA_ACTとして演算される。ここで演算された実行点火時期SA_ACTは、点火制御用目標トルクPi_TGTに対応するトルクを生じさせる点火時期である。点火時期制御部３は、制御対象のシリンダー１９に設けられた点火プラグ１３がこの実行点火時期SA_ACTに点火するように制御信号を出力し、点火時期制御を実行する。

［３−３．目標充填効率演算部］
目標充填効率演算部４（目標充填効率演算手段）は、吸入空気量制御に用いられる目標充填効率Ec_TGTを所定の演算周期で演算するものである。目標充填効率Ec_TGTとは、制御対象のシリンダー１９内に導入すべき目標空気量に対応する充填効率である。ここでは、エンジン１０のその時点で目標とする運転点における熱効率を表す熱効率係数K_piを用いて、吸気制御用目標トルクPi_ETVを発生させるために要する空気量に対応する充填効率が目標充填効率Ec_TGTとして演算される。

目標充填効率演算部４での演算プロセスを図５に例示する。目標充填効率演算部４には、標準条件吸気目標トルク演算部４ａ，変換係数演算部４ｂ，トルク変換部４ｃ及び記憶部４ｄが設けられる。
標準条件吸気目標トルク演算部４ａは、目標トルク演算部２で演算された吸気制御用目標トルクPi_ETVを、標準条件でのトルク値に換算した標準条件吸気目標トルクPi_{ETV_STD}を演算するものである。ここでは、吸気制御用目標トルクPi_ETVを熱効率係数K_piで除算したものが、標準条件吸気目標トルクPi_{ETV_STD}として演算される。標準条件でのトルク値とは、空燃比が理論空燃比であってEGRガスを含まない吸入空気をMBTで点火した（熱効率係数K_piがK_pi=1である）場合のトルク値を意味する。

また、熱効率係数K_piとは、エンジン１０の熱効率に相当するパラメーターであり、シリンダー１９内での燃焼反応によって生じるトルクが標準条件で生じるトルクに対してどの程度の割合で減少または増加しているかを示す。
なお、熱効率係数K_piの値は、後述する熱効率係数演算部７で演算されたものが用いられる。ここで演算された標準条件吸気目標トルクPi_{ETV_STD}の値は、変換係数演算部４ｂに伝達される。

変換係数演算部４ｂは、実回転速度Ne及び標準条件吸気目標トルクPi_{ETV_STD}に基づき、トルク値を充填効率（空気量）値に変換するための変換係数Zを演算するものである。変換係数演算部４ｂは、例えば実回転速度Ne及び標準条件吸気目標トルクPi_{ETV_STD}と変換係数Zとの関係をマップや数式として記憶しており、これを用いて変換係数Zを演算する。ここで演算された変換係数Zの値は、トルク変換部４ｃに伝達される。

トルク変換部４ｃは、標準条件吸気目標トルクPi_{ETV_STD}を変換係数Zで除算したものを目標充填効率Ec_TGTとして演算するものである。この目標充填効率Ec_TGTとは、標準条件吸気目標トルクPi_{ETV_STD}に対応する充填効率である。ここで演算された目標充填効率Ec_TGTの値は、記憶部４ｄに伝達される。
記憶部４ｄは、トルク変換部４ｃで演算された目標充填効率Ec_TGTを記憶するものである。ここでは、今回の演算周期で演算された目標充填効率Ec_TGTだけでなく、過去の演算周期で演算された目標充填効率Ec_TGTも併せて記憶される。ここに記憶される目標充填効率Ec_TGTの数は、今回値を除いて少なくとも一つ以上である。本実施形態では、目標充填効率Ec_TGTの今回値及び前回値の二つが記憶される場合を例示する。

これらの目標充填効率Ec_TGTのうちの今回値は、吸入空気量制御によってシリンダー１９内に導入すべき空気量に対応する目標値として用いられる。一方、前回値は熱効率係数K_piの演算に用いられる。以下、目標充填効率の前回値をEc_{TGT_PRE}と表記する。

［３−４．吸気量制御部］
吸気量制御部５は、目標充填効率演算部４で演算された目標充填効率Ec_TGTを用いて、所定の演算周期で吸入空気量制御を実施するものである。吸気量制御部５での演算プロセスを図６に例示する。吸気量制御部５には、目標筒内空気量演算部５ａ，吸気進み補償部５ｂ，目標流量演算部５ｃ，流速演算部５ｄ及びスロットル開度演算部５ｅが設けられる。

目標筒内空気量演算部５ａは、目標充填効率演算部４で演算された目標充填効率Ec_TGTを、シリンダー１９内に導入される吸気流量（一回の吸気行程での空気量）の目標値Q_ccaに変換する演算を行うものである。ここでの変換に用いられるのは、目標充填効率Ec_TGTの今回値である。
上記の通り、充填効率は標準状態でのシリンダー１９内の気体体積（単位行程あたりの体積）をシリンダー容積V_ENGで除算したものである。したがって、標準状態でのシリンダー１９内の気体体積は、充填効率にシリンダー容積V_ENGを乗算することで算出される。

ここでは、例えば予め設定された目標充填効率Ec_TGTと目標値Q_ccaとの対応マップや数式等に基づいて目標値Q_ccaが求められる。なお、シリンダー１９内に導入される吸気の圧力及び温度が標準状態と異なる場合を考慮して、吸気温度（外気温A_T）や下流圧P_IM（インマニ圧），吸気の密度等に応じて設定される補正係数を加味した目標値Q_ccaを演算してもよい。ここで演算された目標値Q_ccaの値は、吸気進み補償部５ｂに伝達される。

吸気進み補償部５ｂは、目標トルク演算部２の吸気遅れ補正部２ｃで施された遅れ処理とは逆の処理を施すものである。すなわち、吸気進み補償部５ｂに入力されるよりも以前の演算内容は、エンジン１０の各シリンダー１９でのトルクや空気量等に関するものであるのに対し、吸気進み補償部５ｂ以降の演算内容は、スロットルバルブ２３を通過する吸気に関するものとなる。ここでは、エンジン１０やインマニ２０，サージタンク２１，スロットルバルブ２３等に係る吸気特性に基づき、目標値Q_ccaに対して吸気遅れの逆演算（吸気進み演算）を施した第二目標値Q_cca2が演算される。

なお、具体的な吸気進み演算の手法は任意である。例えば、目標値Q_ccaの過去の変化勾配が今回以降も維持されるものとみなして外挿値を演算する手法を採用することが考えられる。簡便な手法としては、目標値Q_ccaの前回値から今回値までの変化量に所定のフィルター係数を乗じたものを、今回値に加算すればよい。ここで演算された第二目標値Q_cca2は目標流量演算部５ｃに伝達される。

目標流量演算部５ｃは、吸気進み補償部５ｂから伝達された第二目標値Q_cca2に基づき、スロットルバルブ２３を通過する吸気の目標流量Q_{TH_TGT}を演算するものである。第二目標値Q_cca2は一回の吸気行程でスロットルバルブ２３を通過させるべき空気量に対応する値である。そのため、ここでは実回転速度Neに基づいて第二目標値Q_cca2の値が変換され、単位時間あたりの目標流量Q_{TH_TGT}が演算される。ここで演算された目標流量Q_{TH_TGT}は、スロットル開度演算部５ｅに伝達される。

流速演算部５ｄは、スロットルバルブ２３を通過する吸入空気の流速Vを演算するものである。ここでは、スロットルバルブ２３の上流圧P_THUに対する下流圧P_IMの比（P_IM/P_THU）に基づいて流速Vが演算される。流速演算部５ｄは、例えばスロットルバルブ２３部の前後圧力比による流速Vの変化を規定するマップや数式等を用いて流速Vを演算する。ここで演算された流速Vは、スロットル開度演算部５ｅに伝達される。

スロットル開度演算部５ｅは、目標流量演算部５ｃで演算された目標流量Q_{TH_TGT}と流速演算部５ｄで演算された流速Vとに基づき、スロットルバルブ２３の目標開口面積Sを演算するものである。目標開口面積Sは、例えば図６中に示すように、流速Vに臨界条件（流速Vが音速の条件）における質量流速M_MACHを乗じた値で目標流量Q_{TH_TGT}を除算して求められる。質量流速M_MACHは、温度による空気の密度変化を考慮して算入される値であり、例えば、外気温度センサー３８で検出された外気温A_Tと上流圧P_THUとに基づいて設定される。

また、スロットル開度演算部５ｅは、スロットルバルブ２３の実開口面積が目標開口面積Sと等しくなるように、スロットルバルブ２３に対して制御信号を出力する。例えば、予め設定された目標開口面積Sと目標開度電圧E_Lとの対応マップや数式等に基づいて目標開度電圧E_Lが演算され、この目標開度電圧E_Lが制御信号としてスロットルバルブ２３に出力される。目標開口面積Sと目標開度電圧E_Lとの関係は、スロットルバルブ２３の構造，形状，種類等に応じて規定される。

その後、スロットルバルブ２３がスロットル開度演算部５ｅからの制御信号を受けてスロットル開度を制御され、目標開口面積Sが実現される。この目標開口面積Sは、吸気制御用目標トルクPi_ETVに対応するトルクを生じさせる空気をシリンダー１９に導入する開口面積であるといえる。このように、吸気量制御部５は、制御対象のシリンダー１９で目標充填効率Ec_TGTが達成させるようにスロットル開度を制御して、吸入空気量制御を実行する。

［３−５．目標値演算部］
目標値演算部６は、制御目標とするエンジン１０の現在の運転状態である運転点ではなく、目標充填効率演算部４で演算された目標充填効率Ec_TGTに対応する運転点における熱効率係数K_piを算出するためのパラメーターを演算するものである。この目標充填効率Ec_TGTは，図５に示すように、実回転速度Ne及び吸気制御用目標トルクPi_ETVに基づいて演算された値である。したがって、エンジン回転速度及び出力トルクを横軸及び縦軸に配置した座標平面（いわゆるエンジン性能曲線グラフが描かれる平面）を用意して、エンジン１０の運転点をこの座標平面上の点として定義すると、ここでいう「目標充填効率Ec_TGTに対応する運転点」の座標成分は、目標充填効率Ec_TGTが演算された時点での実回転速度Ne及び吸気制御用目標トルクPi_ETVに相当する。以下、このような目標充填効率Ec_TGTに対応する運転点のことを、目標運転点と呼ぶ。

目標値演算部６は、エンジン１０の現在の運転状態を検出するセンサー値や実充填効率Ecに基づいて熱効率係数K_piを算出するのではなく、目標充填効率Ec_TGTに基づいて熱効率係数K_piを算出する。ここでは、熱効率係数K_piの算出過程で三種類のパラメーターが演算される。図１に示すように、目標値演算部６には、目標点火時期演算部６Ａ，目標空燃比演算部６Ｂ及び目標EGR率演算部６Ｃが設けられ、三種類のパラメーターがそれぞれの演算部で演算される。

なお、図５に示すように、熱効率係数K_piは目標充填効率Ec_TGTの演算に用いられるパラメーターであり、熱効率係数K_pi及び目標充填効率Ec_TGTの演算プロセスが目標値演算部６を介してループすることになる。つまり、前回の演算周期で得られた目標充填効率Ec_{TGT_PRE}が今回の熱効率係数K_piの算出に用いられ、これに基づいて得られる今回の演算周期での目標充填効率Ec_TGTは、次回の演算周期で用いられる熱効率係数K_piの算出に利用される。

［３−５−１．目標点火時期演算部］
目標点火時期演算部６Ａ（目標点火時期演算手段）は、目標運転点における点火時期を目標点火時期SA_{MAIN_TGT}として演算するものである。この目標点火時期SA_{MAIN_TGT}は、実際の点火時期制御では使用されないという点で、実行点火時期SA_ACTとは異なるものである。つまり、目標点火時期SA_{MAIN_TGT}は熱効率係数K_piを算出するための点火時期であり、シリンダー１９内への吸入空気量を演算するための点火時期（吸入空気量制御用の便宜的な点火時期）である。

目標点火時期演算部６Ａでの演算プロセスを図７に例示する。目標点火時期演算部６Ａには、第一基本点火時期演算部６１ａ，第二基本点火時期演算部６１ｂ，補間演算部６２，環境条件補正部６３，アイドル補正部６４及び排気系補正部６５が設けられる。

第一基本点火時期演算部６１ａ，第二基本点火時期演算部６１ｂはそれぞれ、目標充填効率の前回値Ec_{TGT_PRE}と実回転速度Neとに基づき、第一点火時期A，第二点火時期Bを演算するものである。第一点火時期Aは、シリンダー１９内の空気の充填効率が前回値Ec_{TGT_PRE}であって高オクタン価の燃料（ハイオクガソリン）を使用した場合に、実回転速度Neを得るために要求される点火時期である。第一基本点火時期演算部６１ａには、例えば予め設定された実回転速度Neと目標充填効率Ec_TGTと第一点火時期Aとの対応マップや数式等が用意されており、この対応マップや数式等に基づいて第一点火時期Aが求められる。

一方、第二点火時期Bは、第一点火時期Aの算出過程における燃料条件を通常のオクタン価の燃料（レギュラーガソリン）に変更した場合の点火時期である。第二基本点火時期演算部６１ｂには、例えば予め設定された実回転速度Neと目標充填効率Ec_TGTと第二点火時期Bとの対応マップや数式等が用意されており、この対応マップや数式等に基づいて第二点火時期Bが求められる。第一基本点火時期演算部６１ａ，第二基本点火時期演算部６１ｂで演算された第一点火時期A，第二点火時期Bのそれぞれの値は、補間演算部６２に伝達される。

補間演算部６２は、第一点火時期A及び第二点火時期Bをノック学習値K_Nで補間した補間点火時期Cを演算するものである。ノック学習値K_Nは、ガソリンのオクタン価に応じて変動するノック点に点火時期を適合させるための補正量を与える学習値であり、図示しないノック学習部で随時学習されている。図７中には、以下の式１に従って補間点火時期Cが演算されるものを例示する。なお、ノック学習値K_Nの定義域は0以上、1以下（0≦K_N≦1）であり、その値が大きいほど点火時期を進角方向に移動させるような特性を持つ。

ノック学習値K_Nを用いて第一点火時期A及び第二点火時期Bの間を補間する演算を行うことで、その結果として得られる補間点火時期Cが、エンジン１０に供給される実際の燃料のオクタン価に応じた点火時期となる。ここで演算された補間点火時期Cの値は、環境条件補正部６３に伝達される。

環境条件補正部６３は、エンジン１０の運転環境に関する環境条件に応じた点火時期の補正を加えるものである。ここでは、目標充填効率の前回値Ec_{TGT_PRE}，冷却水温W_T及び外気温A_Tに基づいて設定された補正量が加算又は乗算されて、補間点火時期Cが補正される。具体的な補正手法は任意である。例えば、冷却水温W_Tや外気温A_Tが低いほどノッキングが発生しにくいため、補間点火時期Cを進角方向に移動させてもよい。ここで補正された補間点火時期Cの値は、アイドル補正部６４に伝達される。

アイドル補正部６４は、エンジン１０のアイドル運転時の補正量を与えるものである。ここでは、エンジン１０のアイドル条件が成立しているときに、アイドル条件が不成立のときよりも補間点火時期Cを遅角方向に移動させる補正量が与えられる。これにより、アイドル運転時のトルクリザーブ量を確保するためのリタード量に相当する点火遅角量が補間点火時期Cに反映される。ここで補正された補間点火時期Cの値は、排気系補正部６５に伝達される。

排気系補正部６５は、エンジン１０の排気系に設けられる排気浄化装置や触媒装置から要求される点火時期補正を実施するものである。ここでは、冷態始動時の排気性能を向上させるための点火遅角量や、触媒装置を迅速に昇温させるための点火遅角量が与えられる。これらの遅角量が反映された補間点火時期Cの値は、目標点火時期SA_{MAIN_TGT}として熱効率係数演算部７に伝達される。

［３−５−２．目標空燃比演算部］
目標空燃比演算部６Ｂ（目標空燃比演算手段）は、目標運転点における空燃比を目標空燃比AF_TGTとして演算するものである。この目標空燃比AF_TGTは、実際の燃料制御では使用されないパラメーターであって、熱効率係数K_piを算出するための空燃比であり、シリンダー１９内への吸入空気量を演算するための空燃比（吸入空気量制御用の便宜的な空燃比）である。

目標空燃比演算部６Ｂでの演算プロセスを図８に例示する。目標空燃比演算部６Ｂには、第一基本空燃比演算部６６ａ，第二基本空燃比演算部６６ｂ，補間演算部６７，フィードバック補正部６８及び排気系補正部６９が設けられる。なお、図８では、目標空燃比AF_TGTの代わりに目標空燃比係数K_{AF_TGT}を演算するものを例示する。目標空燃比係数K_{AF_TGT}は目標空燃比AF_TGTに一対一で対応するパラメーターであり、理論空燃比を基準とした係数とする。すなわち、目標空燃比AF_TGTがAF_TGT=14.7であるときに、目標空燃比係数K_{AF_TGT}がK_{AF_TGT}=1をとるものとする。

第一基本空燃比演算部６６ａ，第二基本空燃比演算部６６ｂはそれぞれ、目標充填効率の前回値Ec_{TGT_PRE}と実回転速度Neとに基づき、第一空燃比係数D，第二空燃比係数Fを演算するものである。第一空燃比係数Dは、シリンダー１９内の空気の充填効率が前回値Ec_{TGT_PRE}であって高オクタン価の燃料（ハイオクガソリン）を使用した場合に、実回転速度Neを得るために要求される空燃比に対応する係数である。第一基本空燃比演算部６６ａには、例えば予め設定された実回転速度Neと目標充填効率Ec_TGTと第一空燃比係数Dとの対応マップや数式等が用意されており、この対応マップや数式等に基づいて第一空燃比係数Dが求められる。

一方、第二空燃比係数Eは、第一空燃比係数Dの算出過程における燃料条件を通常のオクタン価の燃料（レギュラーガソリン）に変更した場合の空燃比に対応する係数である。第二基本空燃比演算部６６ｂには、例えば予め設定された実回転速度Neと目標充填効率Ec_TGTと第二空燃比係数Eとの対応マップや数式等が用意されており、この対応マップや数式等に基づいて第二空燃比係数Eが求められる。第一基本空燃比演算部６６ａ，第二基本空燃比演算部６６ｂで演算された第一空燃比係数D，第二空燃比係数Eのそれぞれの値は、補間演算部６７に伝達される。

補間演算部６７は、前述の補間演算部６２と同様に、第一空燃比係数D及び第二空燃比係数Eをノック学習値K_Nで補間した補間空燃比係数Fを演算するものである。ここで用いられるノック学習値K_Nは、補間演算部６２で用いられるものと同一である。図８中には、以下の式２に従って補間空燃比係数Fが演算されるものを例示する。ノック学習値K_Nを用いて第一空燃比係数D及び第二空燃比係数Eの間を補間する演算を行うことで、その結果として得られる補間空燃比係数Fが、エンジン１０に供給される実際の燃料のオクタン価に応じた空燃比の係数となる。ここで演算された補間空燃比係数Fの値は、フィードバック補正部６８に伝達される。

フィードバック補正部６８は、エンジン１０の空燃比フィードバック運転時の補間空燃比係数Fの値をF=1に設定するものである。一般に、空燃比フィードバック運転時には、燃焼室２６内において混合気が燃焼した結果の燃焼ガスが理論空燃比での燃焼相当になるように燃料噴射量が自動的に調節される。一方、補間空燃比係数Fの値も理論空燃比を基準とした係数であることから、ここでは空燃比フィードバック運転時の補間空燃比係数Fの値がF=1に設定され、排気系補正部６９に伝達される。また、空燃比フィードバック運転時でないときには、補間演算部６７で演算された補間空燃比係数Fの値がそのまま排気系補正部６９に伝達される。

排気系補正部６９は、エンジン１０の排気系に設けられる排気浄化装置や触媒装置から要求される空燃比補正を実施するものである。ここでは、例えば燃焼後の排気中の酸素濃度をやや高める（燃料濃度を低下させる）ことで触媒装置を迅速に昇温させ未燃ガス成分の排出を減少させるための空燃比補正量が与えられる。この補正量が反映された補間空燃比係数Fの値は、目標空燃比係数K_{AF_TGT}として熱効率係数演算部７に伝達される。

［３−５−３．目標EGR率演算部］
目標EGR率演算部６Ｃ（目標排気還流率演算手段）は、目標運転点におけるEGR率（排気還流率）を目標EGR率R_{EGR_TGT}として演算するものである。目標EGR率R_{EGR_TGT}は、実際のEGR制御では使用されないパラメーターであって、熱効率係数K_piを算出するためのEGR率であり、シリンダー１９内への吸入空気量を演算するためのEGR率（吸入空気量制御用の便宜的なEGR率）である。

目標EGR率演算部６Ｃでの演算プロセスを図９に例示する。目標EGR率演算部６Ｃは、目標充填効率の前回値Ec_{TGT_PRE}と実回転速度Neとに基づき、目標EGR率R_{EGR_TGT}を演算する。ここでは、前述の第一基本点火時期演算部６１ａや第一基本空燃比演算部６６ａと同様に、予め設定されたマップや数式等に基づいて目標EGR率R_{EGR_TGT}が求められる。ここで得られた目標EGR率R_{EGR_TGT}の値は、熱効率係数演算部７に伝達される。

［３−６．熱効率係数演算部］
熱効率係数演算部７（熱効率演算手段）は、目標値演算部６で演算された目標点火時期SA_{MAIN_TGT}，目標空燃比係数K_{AF_TGT}（目標空燃比AF_TGT）及び目標還流率係数R_{EGR_TGT}（目標還流率EGR_TGT）に基づいて、熱効率係数K_piを演算するものである。ここでは、目標運転点における点火時期のMBTからのリタード量に応じた大きさの熱効率係数K_piが演算されるとともに、目標空燃比係数K_{AF_TGT}及び目標還流率係数R_{EGR_TGT}でこれが補正され、最終的な熱効率係数K_piが演算される。ここで演算された熱効率係数K_piは、前述の目標充填効率演算部４の標準条件吸気目標トルク演算部４ａに入力され、次回の演算周期での吸入空気量制御で使用される。

熱効率係数演算部７での演算プロセスを図１０に例示する。熱効率係数演算部７には、第二MBT演算部７１，第二減算部７２，熱効率係数演算部７３，当量比効率係数演算部７４，EGR効率係数演算部７５及び乗算部が設けられる。

第二MBT演算部７１は、目標充填効率の前回値Ec_{TGT_PRE}と実回転速度Neとに基づき、目標運転点における目標MBT点火時期SA_{MBT_TGT}を演算するものである。ここでは、例えばMBT演算部３ｂと同一のマップや数式等に基づいて目標MBT点火時期SA_{MBT_TGT}が演算される。目標MBT点火時期SA_{MBT_TGT}は、実回転速度Neで前回値Ec_{TGT_PRE}分の空気がシリンダー１９内に吸入されたときに最大のトルクを発生させる点火時期を意味する。ここで演算された目標MBT点火時期SA_{MBT_TGT}の値は、第二減算部７２に伝達される。

第二減算部７２は、目標点火時期演算部６Ａで演算された目標点火時期SA_{MAIN_TGT}を目標MBT点火時期SA_{MBT_TGT}から減じた減算値ΔSAを演算するものである。この減算値ΔSAは、目標MBT点火時期SA_{MBT_TGT}を基準とした目標点火時期SA_{MAIN_TGT}のリタード量に相当する。ここで演算された減算値ΔSAは熱効率係数演算部７３に伝達される。

熱効率係数演算部７３は、減算値ΔSAと実回転速度Neとに基づき、熱効率係数K_piを演算するものである。熱効率係数演算部７３は、減算値ΔSA及び実回転速度Neと熱効率係数K_piとの関係をマップや数式として記憶しており、これを用いて熱効率係数K_piを演算する。減算値ΔSAは目標MBT点火時期SA_{MBT_TGT}からのリタード量に相当する値である。また、MBTからのリタード量が一定であるとき、MBT時を基準とした点火リタードによるトルクの低減率は、空気量の大小に関わらず一定である。したがって、減算値ΔSA及び実回転速度Neに基づけば熱効率係数K_piを一意に求めることができる。ここで演算された熱効率係数K_piの値は乗算部７６に伝達される。

当量比効率係数演算部７４は、目標空燃比演算部６Ｂで演算された目標空燃比係数K_{AF_TGT}に基づき、当量比効率係数K_{pi_AF}を演算するものである。当量比効率係数K_{pi_AF}は、熱効率係数演算部７３で演算された熱効率係数K_piを補正するための補正係数の一つである。当量比効率係数演算部７４は、目標空燃比係数K_{AF_TGT}と当量比効率係数K_{pi_AF}との関係を予めマップや数式として記憶しており、これを用いて当量比効率係数K_{pi_AF}を演算するとともに、その値を乗算部７６に伝達する。

同様に、EGR効率係数演算部７５は、目標EGR率演算部６Ｃで演算された目標EGR率R_{EGR_TGT}に基づき、EGR効率係数K_{pi_EGR}を演算するものである。EGR効率係数演算部７５は、目標EGR率R_{EGR_TGT}とEGR効率係数K_{pi_EGR}との関係を予めマップや数式として記憶しており、これを用いてEGR効率係数K_{pi_EGR}を演算するとともに、その値を乗算部７６に伝達する。

乗算部７６は、熱効率係数演算部７３で演算された熱効率係数K_piに対して、当量比効率係数演算部７４で演算された当量比効率係数K_{pi_AF}とEGR効率係数演算部７５で演算されたEGR効率係数K_{pi_EGR}とを乗じたものを、最終的な熱効率係数K_piとして演算するものである。この熱効率係数K_piは、エンジン１０の目標運転点における熱効率係数K_piである。ここで演算された熱効率係数K_piは、目標充填効率演算部４に伝達される。

［４．作用，効果］
このように、本実施形態のエンジン制御装置１によれば、以下のような作用，効果が得られる。
（１）上記のエンジン制御装置１では、前回の演算周期で演算された目標充填効率Ec_{TGT_PRE}に基づいて現在の演算周期の目標点火時期SA_{MAIN_TGT}が演算され、この目標点火時期SA_{MAIN_TGT}に基づいて演算された熱効率K_piからシリンダー１９内に導入すべき吸入空気量が演算される。このような演算により、目標充填効率Ec_TGTに対する実充填効率Ecの遅延時間の長短に関わらず、適切に吸入空気量を制御することができ、エンジンの運転点が変化する際に、目標とするエンジン運転点へ迅速かつ精度よく収束させることができる。
また、このような遅延時間によらない安定した吸入空気量制御が期待できることから、駆動遅れ時間の比較的大きい安価な電子制御のスロットルバルブ２３を用いたとしても制御応答性や制御安定性を確保することができ、製品コストを削減しつつ機能性を高めることができる。

（２）また、上記のエンジン制御装置１では、エンジン１０の目標運転点における目標点火時期SA_{MAIN_TGT}だけでなく、目標空燃比AF_TGTに対応する目標空燃比係数K_{AF_TGT}が演算される。これにより、燃料のオクタン価がエンジン１０の熱効率に与える影響が考慮された熱効率係数K_piを演算することが可能となる。したがって、吸入空気量の制御精度をより向上させることができ、エンジンの運転点が変化する際に、目標とするエンジン運転点への収束性を高めることができる。

（３）さらに、上記のエンジン制御装置１では、エンジン１０の目標運転点における目標還流率EGR_TGTに対応する目標還流率係数R_{EGR_TGT}が演算される。これにより、EGRガスの還流量に応じた熱効率変化を加味した熱効率係数K_piを演算することが可能となる。したがって、吸入空気量の制御精度をさらに向上させることができ、エンジンの運転点が変化する際に，目標とするエンジン運転点への収束性を高めることができる。

（４）また、上記のエンジン制御装置１の目標点火時期演算部６Ａでは、目標充填効率の前回値Ec_{TGT_PRE}に基づいて目標運転点での目標点火時期SA_{MAIN_TGT}が演算されるため、目標充填効率演算部４での演算と目標点火時期演算部６Ａでの演算とを連続して実行することができる。これにより、演算に係るタイムラグを解消することができ、エンジンの運転点が変化する際の熱効率変化を吸入空気量制御に最大限に反映することができ、運転点の変化に対するスロットルレスポンスを高めることができる。

（５）また、従来のトルクベース制御では、図２中に破線で示すように、点火時期制御で演算された実充填効率Ec（実空気量）の情報が吸入空気量制御に対して遅れて影響を及ぼす演算構成となっていたが、上記のエンジン制御装置１では、点火時期制御と吸入空気量制御とが互いに独立して実施される。これにより、制御上のコンフリクトが発生しにくくなる結果、エンジンの制御性を向上させることができる。

［５．変形例］
上記のエンジン制御装置１０で実施される制御の変形例は、多種多様に考えられる。例えば、上述の実施形態では、吸入空気量制御と点火時期制御とを実施するトルクベース制御を例示したが、これらに加えて点火時期制御やEGR量制御，可変動弁機構制御等を同時に実施する構成としてもよい。

また、上述の実施形態では、目標充填効率の前回値Ec_{TGT_PRE}に基づいて熱効率係数K_piを演算するものを例示したが、このような構成の代わりに、前々回の演算周期で演算された目標充填効率Ec_TGTに基づいて熱効率係数K_piを演算してもよいし、あるいは、目標充填効率Ec_TGTの前回値及び前々回値の平均値等を用いて熱効率係数K_piを演算してもよい。少なくとも過去の演算周期で演算された目標空気量に対応するパラメーターを用いて熱効率係数K_piを演算すればよい。どの程度過去の目標空気量の値を用いるかは、吸入空気量の制御操作に要求される応答性や安定性等に応じて適宜変更することができる。また、動作速度が高速な電子制御装置を採用する場合や、駆動遅れ時間の長いスロットルバルブ２３を採用する場合には、それらの動作速度，応答速度に応じて、最適な演算手法を選択すればよい。

また、上述の実施形態では、空気量相当のパラメーターである目標充填効率Ec_TGTを用いて熱効率係数K_piを演算するものを例示したが、目標充填効率Ec_TGTの代わりに筒内空気量（質量，体積）や体積効率等を用いてもよいし、熱効率係数K_piの代わりに熱効率やこれに相関するパラメーターを用いてもよい。
また、上述の実施形態では、熱効率係数K_piを演算するために目標充填効率Ec_TGTと実回転速度Neとを用いたものを例示したが、実回転速度Neに代えて、エンジン回転速度の変化分を見込んだ予測エンジン回転速度を用いてもよい。

１ エンジン制御装置
２ 目標トルク演算部
３ 点火時期制御部（実行点火時期演算手段）
４ 目標充填効率演算部（目標充填効率演算手段）
５ 吸気量制御部
６ 目標値演算部
６Ａ 目標点火時期演算部（目標点火時期演算手段）
６Ｂ 目標空燃比演算部（目標空燃比演算手段）
６Ｃ 目標EGR率演算部（目標排気還流率演算手段）
７ 熱効率係数演算部（熱効率演算手段）
Ec_TGT 目標充填効率
Ec_{TGT_PRE} 前回値
K_pi 熱効率係数

Claims (5)

1. エンジンの筒内に導入すべき空気量を算出するための目標点火時期を演算する目標点火時期演算手段と、
   前記目標点火時期に基づき、前記エンジンの熱効率を演算する熱効率演算手段と、
   前記熱効率に基づき、前記筒内に導入すべき空気量の目標値である目標空気量を演算する目標空気量演算手段とを備え、
   前記目標点火時期演算手段が、前記目標空気量演算手段において過去の演算周期で演算された前記目標空気量に基づき、現在の演算周期の時点における前記目標点火時期を演算する
   ことを特徴とする、エンジンの制御装置。
2. 前記過去の演算周期で演算された前記目標空気量に基づき、現在の演算周期の時点における目標空燃比を演算する目標空燃比演算手段を備え、
   前記熱効率演算手段が、前記目標空燃比に基づき、前記エンジンの熱効率を補正する
   ことを特徴とする、請求項１記載のエンジンの制御装置。
3. 前記過去の演算周期で演算された前記目標空気量に基づき、現在の演算周期の時点における目標排気還流率を演算する目標排気還流率演算手段を備え、
   前記熱効率演算手段が、前記目標排気還流率に基づき、前記エンジンの熱効率を補正する
   ことを特徴とする、請求項１又は２記載のエンジンの制御装置。
4. 前記目標点火時期演算手段が、直前の演算周期で演算された前記目標空気量に基づき、現在の演算周期の前記目標点火時期を演算する
   ことを特徴とする、請求項１〜３の何れか１項に記載のエンジンの制御装置。
5. 前記エンジンの筒内に導入された実空気量に基づき、点火プラグで実際に点火する時期に対応する実行点火時期を演算する実行点火時期演算手段を備え、
   前記目標点火時期演算手段が、前記実行点火時期とは独立に空気量演算用の前記目標点火時期を演算する
   ことを特徴とする、請求項１〜４の何れか１項に記載のエンジンの制御装置。

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