JP6752326B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本願は、出力トルクを制御目標として内燃機関を制御する内燃機関の制御装置及び制御方法に関する。

近年、ドライバ及び各車両システム（ハイブリッド用モータ制御、トランスミッション制御、ブレーキ制御、トラクション制御等）から受信する内燃機関出力の要求値として、車両の制御に直接作用する物理量である内燃機関の出力トルクを用い、これを内燃機関出力の目標値として内燃機関の制御量である空気量、燃料量、及び点火時期等を決定し、また、実際の内燃機関の運転状態から実出力トルクを推定して各車両システムへ送信することで協調制御を実現して良好な走行性能を得ることができる内燃機関の制御装置及び制御方法が提案されている。

このような制御方法は一般にトルクベース制御と呼ばれているが、この方式の制御方法においては、内燃機関の運転状態に基づいて実出力トルクを精度良く算出できることが重要となる。これができれば、この逆算により、目標トルクから内燃機関の制御量の目標値（例えば、スロットル開度、ＥＧＲ開度、点火時期、空燃比等）を算出することができる。

例えば、特許文献１においては、トルクベース制御における目標トルクとして低応答目標トルクと高応答目標トルクという応答性の異なるものがある。低応答目標トルクを実現するように、スロットル制御等の空気量の操作を行い、高応答目標トルクを実現するように、点火時期又は燃料噴射量の操作を行う方法が記載されている。より詳細には、内燃機関の運転状態に対するＭＢＴ点火時期、ＭＢＴでの熱効率、更にＭＢＴからの遅角量に対するトルクの低減率等を多くのマップデータで記憶しておき、更に、必要に応じてＥＧＲ量及び空燃比により補正を行い、これらを組み合わせることで実トルクの算出、及び低応答目標トルクにも高応答目標トルクにも対応できる制御を構成している。

特許文献２においても、スロットル開度によりトルク制御を行う第１の目標トルクと、点火時期によりトルク制御を行う第２の目標トルクがあり、これらの目標トルクから目標吸気量及び目標点火時期を算出するために多くのマップデータを用いて演算を行う構成となっている。

ところで、内燃機関の運転状態から出力トルクを推定する方法としては、上述のようなマップデータを用いた算出方法以外にも、例えば、特許文献３のような、ニューラルネットワーク技術を応用した方法も提案されている。ここでニューラルネットワークとは、脳機能に見られるいくつかの特性を計算機上のシミュレーションによって表現することを目指した数学モデルであり、順伝播型ニューラルネットワーク（ＦＮＮ：Feedforward Neural Network）に予め入力値に対する出力値を教師データとして学習させておけば、学習した入力値と出力値の関係を模擬する汎用的な近似関数として用いることができる。なお、ニューラルネットワークの学習方法としては、一般的に誤差逆伝播法（バックプロパゲーション法）が知られている。

特許第５６４４７３３号公報 特許第４４９９８０９号公報 特開平１１−３５１０４５号公報

吉田元則等、「直噴ディーゼル・エンジンにおけるモデルベースキャリブレーションの適用」、マツダ技報、No.24（2006） 岡谷貴之、「機械学習プロフェッショナルシリーズ 深層学習」、講談社、２０１５

近年の燃費向上に向け複雑化する内燃機関制御用の機構に対し、内燃機関制御システムも同様に複雑化しており、適合工数の増大が大きな問題となっている。複雑化する内燃機関制御用の機構の例としては、吸排気ＶＶＴ（Variable Valve Timing）、可変バルブリフト、可変圧縮比、ターボチャージャ、スワールコントロールバルブ、タンブルコントロールバルブ等が知られている。特許文献１又は２のようなマップデータを用いた制御方法の場合、内燃機関制御用の機構が複雑になると、それだけ多くのマップデータが必要になり、それに伴い、適合工数もまた増大するという課題がある。適合に必要な内燃機関の試験という観点では、近年、市販のＭＢＣ（Model Based Calibration）ツールが充実してきている。例えば、非特許文献１に示されるように、このツールでは、ＤＯＥ（Design of Experiments、実験計画法）に基づいて内燃機関の試験計画を立て、内燃機関の試験設備と連動してデータ採取を行い、その結果から内燃機関の統計的モデルを作成し、このモデルに基づいて制御に用いるマップデータを作成することができるようになっている。

しかしながら、ＭＢＣツールによりマップデータが作成できるとはいえ、多くのマップデータを作成するにはそれ相応の工数が必要となるし、内燃機関の機種毎にそのデータを管理することにもまた多くの工数が必要となる。更に、ＭＢＣツールの統計的モデルから制御用のマップデータを作成した場合には、考慮できる内燃機関の運転状態のパラメータ数が減るために精度が低下すると考えられるので、このマップデータを用いた制御精度の確認及び微調整にも多くの工数が必要となる。このように、従来のマップ制御ではＭＢＣツール等を導入しても依然として膨大な適合工数が必要となるという課題がある。

また、特許文献３のような順伝播型ニューラルネットワーク（ＦＮＮ）を用いて内燃機関の運転状態から出力トルクを推定する方法については、中間層が１層しかない従来の方法では、ＦＮＮを近似関数として用いても十分な精度を得ることができないという課題があった。近似精度という観点では、近年、深層学習（ディープラーニング）という手法が知られている。例えば、非特許文献２に示されるように、この方法は従来同様のニューラルネットワークを多層化（深層化）することで、近似関数としての精度を大幅に向上できるようになったものである。従来の学習方法では勾配消失問題などにより学習が良好に行えなかったのに対し、近年開発された様々な学習テクニックにより学習が良好に行えるようになった。なお、この深層学習は近年注目されている人工知能（ＡＩ）及び機械学習のひとつの方法としても知られている。

そこで、ＦＮＮを近似関数として用いて内燃機関の運転状態から出力トルクを推定するようにすれば、出力トルクの推定については、ＭＢＣツールにより教師データを作成し、それを学習させることで最低限の適合工数で良好に行えると考えられる。更に、ＭＢＣツールでも内燃機関の統計モデルを作成する手法のひとつとしてニューラルネットワークが用いられる場合もあるので、ＭＢＣツールで作成した内燃機関の統計モデルそのものを用いて内燃機関の運転状態から出力トルクを推定することもでき、この場合には更に工数を削減することができる。

しかし、このままでは出力トルクを推定するだけであり、低応答目標トルク及び高応答目標トルクを実現する目標点火時期及び目標吸気量を算出できない。例えば、点火時期又は吸気量を少しずつ変化させて、ＦＮＮ等の関数を用いて出力トルクを繰り返し算出すれば、目標トルクを実現する目標点火時期又は目標吸気量を探索することができる。しかし、ＦＮＮ等の関数を用いた演算を繰り返し行うと、演算負荷が増大する。特に、システム構成が複雑になり、ＦＮＮ等の関数が複雑化すると、演算負荷が大幅に増加する。そのため、ＦＮＮ等の関数を用いた演算回数をできるだけ低減することが望まれる。

そこで、目標トルクを実現する内燃機関の制御量の目標値を、運転状態に対する出力トルクの特性を表すトルク特性関数等を用いた演算回数をできるだけ低減して算出することのできる内燃機関の制御装置及び制御方法が望まれる。

本願の内燃機関の制御装置は、
燃焼室内に吸入された空気量の情報である筒内吸気量情報を含む内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出部と、
前記筒内吸気量情報を含む予め設定された第１種類の運転状態と、目標点火時期の基本値との関係が予め設定された関数である点火時期設定関数を用い、複数の数に予め設定された吸気標本数の前記筒内吸気量情報のそれぞれに対応する前記吸気標本数の前記目標点火時期の基本値を算出する複数吸気点火算出部と、
前記筒内吸気量情報及び点火時期を含む予め設定された第２種類の運転状態と、前記内燃機関の出力トルクとの関係が予め設定された関数であるトルク特性関数を用い、前記吸気標本数の筒内吸気量情報のそれぞれ、及び前記吸気標本数の目標点火時期の基本値のそれぞれに対応する前記吸気標本数の前記出力トルクである前記吸気標本数の吸気点火対応トルクを算出する複数吸気トルク算出部と、
前記吸気標本数の筒内吸気量情報と前記吸気標本数の吸気点火対応トルクとの関係を近似した近似曲線である吸気トルク近似曲線を算出する吸気トルク近似曲線算出部と、
前記吸気トルク近似曲線を用い、前記内燃機関に要求されている出力トルクである目標トルクに対応する前記筒内吸気量情報を、目標筒内吸気量情報として算出する目標吸気量算出部と、
前記目標筒内吸気量情報に基づいて、筒内に吸入される空気量を制御する吸気量制御部と、
前記点火時期設定関数を用い、現在の前記第１種類の運転状態に対応する前記目標点火時期の基本値を算出する目標点火時期算出部と、
前記目標点火時期算出部により算出された前記目標点火時期の基本値に基づいて、目標点火時期を算出し、前記目標点火時期に基づいて、点火コイルへの通電制御を行う点火制御部と、
前記筒内吸気量情報の実値に基づいて、燃料噴射量を算出し、インジェクタを駆動制御する燃料制御部と、
を備えたものである。

本願に係る内燃機関の制御装置及び制御方法によれば、直接、トルク特性関数及び点火時期設定関数を用いた演算を繰り返し行って、目標トルクに対応する充填効率を探索するのではなく、吸気標本数のトルク特性関数及び点火時期設定関数の演算結果に基づいて近似曲線を算出し、近似曲線を用いて、目標トルクに対応する充填効率を算出するので、トルク特性関数及び点火時期設定関数を用いた演算を、予め設定された吸気標本数まで低減することができる。

実施の形態１に係る内燃機関及び制御装置の概略構成図である。 実施の形態１に係る制御装置の概略ブロック図である。 実施の形態１に係る制御装置のハードウェア構成図である。 実施の形態１に係るＦＮＮにより構成された点火時期設定関数を示す図である。 実施の形態１に係るＦＮＮにより構成されたトルク特性関数を示す図である。 実施の形態１に係る目標点火時期の算出処理を説明するためのブロック図である。 実施の形態１に係る点火トルク近似曲線を説明するための図である。 実施の形態１に係る目標充填効率の算出処理を説明するためのブロック図である。 実施の形態１に係る吸気トルク近似曲線を説明するための図である。 実施の形態１に係る燃焼制御目標算出部及び燃焼制御部の処理を説明するためのブロック図である。 実施の形態１に係る目標点火時期及び目標充填効率の算出処理を説明するためのフローチャートである。

実施の形態１．
実施の形態１に係る内燃機関の制御装置３０（以下、単に制御装置３０と称す）について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態に係る内燃機関１の概略構成図であり、図２は、本実施の形態に係る制御装置３０のブロック図である。内燃機関１及び制御装置３０は、車両に搭載され、内燃機関１は、車両（車輪）の駆動力源となる。

１．内燃機関１の構成
図１に示すように、内燃機関１は、空気と燃料の混合気を燃焼する燃焼室２５を備えている。内燃機関１は、燃焼室２５に空気を供給する吸気管２３と、燃焼室２５で燃焼した排気ガスを排出する排気管１７とを備えている。燃焼室２５は、シリンダ（気筒）とピストンにより構成されている。以下では、燃焼室２５を気筒とも称す。内燃機関１は、ガソリンエンジンとされている。内燃機関１は、吸気管２３を開閉するスロットルバルブ６を備えている。スロットルバルブ６は、制御装置３０により制御される電気モータにより開閉駆動される電子制御式スロットルバルブとされている。スロットルバルブ６には、スロットルバルブ６の開度に応じた電気信号を出力するスロットル開度センサ７が設けられている。

スロットルバルブ６の上流側の吸気管２３には、吸気管２３に吸入される吸入空気流量に応じた電気信号を出力するエアフローセンサ３と、吸入空気の温度に応じた電気信号を出力する吸入空気温度センサ４と、が設けられている。吸入空気温度センサ４に検出された吸入空気の温度は、外気温に等しいとみなすことができる。

内燃機関１は、排気管１７から吸気マニホールド１２に排気ガスを還流するＥＧＲ流路２１と、ＥＧＲ流路２１を開閉するＥＧＲバルブ２２と、を有している。吸気マニホールド１２は、スロットルバルブ６の下流側の吸気管２３の部分である。ＥＧＲバルブ２２は、制御装置３０により制御される電気モータにより開閉駆動される電子制御式ＥＧＲバルブとされている。ＥＧＲバルブ２２には、ＥＧＲバルブ２２の開度に応じた電気信号を出力するＥＧＲ開度センサ２７が設けられている。なお、ＥＧＲは、排気ガス再循環、すなわち、Exhaust Gas Recirculationの頭文字である。ＥＧＲバルブ２２を介して排気ガスが再循環するＥＧＲを、外部ＥＧＲといい、吸排気バルブのバルブオーバーラップにより燃焼室内に排気ガスが残留するＥＧＲを、内部ＥＧＲという。以下、外部ＥＧＲを単にＥＧＲと称す。

吸気マニホールド１２には、吸気マニホールド１２内の気体の圧力であるマニホールド圧に応じた電気信号を出力するマニホールド圧センサ８と、吸気マニホールド１２内の気体の温度であるマニホールド温度に応じた電気信号を出力するマニホールド温度センサ９と、が設けられている。

内燃機関１には、燃焼室２５に燃料を供給するインジェクタ１３が設けられている。インジェクタ１３は、燃焼室２５内に直接燃料を噴射するように設けられている。インジェクタ１３は、吸気マニホールド１２の下流側の部分に燃料を噴射するように設けられてもよい。内燃機関１には、大気圧に応じた電気信号を出力する大気圧センサ２が設けられている。

燃焼室２５の頂部には、空気と燃料の混合気に点火する点火プラグと、点火プラグに点火エネルギーを供給する点火コイル１６と、が設けられている。また、燃焼室２５の頂部には、吸気管２３から燃焼室２５内に吸入される吸入空気量を調節する吸気バルブ１４と、燃焼室２５から排気管１７に排出される排気ガス量を調節する排気バルブ１５と、が設けられている。吸気バルブ１４には、そのバルブ開閉タイミングを可変にする吸気可変バルブタイミング機構が設けられている。排気バルブ１５には、そのバルブ開閉タイミングを可変にする排気可変バルブタイミング機構が設けられている。可変バルブタイミング機構１４、１５は、電動アクチュエータを有している。内燃機関１のクランク軸には、その回転角に応じた電気信号を出力するクランク角センサ２０が設けられている。シリンダブロックにはノックセンサ２８が固定されている。

排気管１７には、排気ガス中の空気と燃料との比率である空燃比ＡＦ（Ａｉｒ／Ｆｕｅｌ）に応じた電気信号を出力する空燃比センサ１８が設けられている。また、排気管１７には、排気ガスを浄化する触媒１９が設けられている。

２．制御装置３０の構成
次に、制御装置３０について説明する。制御装置３０は、内燃機関１を制御対象とする制御装置である。図２のブロック図に示すように、制御装置３０は、トルク制御部３１、トルクインターフェイス部３２、及びエンジン制御部３３等の制御部を備えている。制御装置３０の各制御部３１〜３３等は、制御装置３０が備えた処理回路により実現される。具体的には、制御装置３０は、図３に示すように、処理回路として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算処理装置９０（コンピュータ）、演算処理装置９０とデータのやり取りをする記憶装置９１、演算処理装置９０に外部の信号を入力する入力回路９２、演算処理装置９０から外部に信号を出力する出力回路９３、及び通信回路９４等を備えている。

演算処理装置９０として、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＩＣ（Integrated Circuit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、各種の論理回路、及び各種の信号処理回路等が備えられてもよい。また、演算処理装置９０として、同じ種類のもの又は異なる種類のものが複数備えられ、各処理が分担して実行されてもよい。記憶装置９１として、演算処理装置９０からデータを読み出し及び書き込みが可能に構成されたＲＡＭ（Random Access Memory）、及び演算処理装置９０からデータを読み出し可能に構成されたＲＯＭ（Read Only Memory）等が備えられている。入力回路９２は、各種のセンサ及びスイッチが接続され、これらセンサ及びスイッチの出力信号を演算処理装置９０に入力するＡ／Ｄ変換器等を備えている。出力回路９３は、電気負荷が接続され、これら電気負荷に演算処理装置９０から制御信号を出力する駆動回路等を備えている。

通信回路９４は、変速機を制御する変速機制御装置９５、ハイブリッド車両に設けられたモータの制御を行うモータ制御装置９６、ブレーキ制御及びトラクション制御を行うブレーキ・トラクション制御装置９７等の外部の制御装置と、通信線を介して接続され、ＣＡＮ（Controller Area Network）等の通信プロトコルに基づいて有線通信を行う。

そして、制御装置３０が備える各制御部３１〜３３等の各機能は、演算処理装置９０が、ＲＯＭ等の記憶装置９１に記憶されたソフトウェア（プログラム）を実行し、記憶装置９１、入力回路９２、及び出力回路９３等の制御装置３０の他のハードウェアと協働することにより実現される。なお、各制御部３１〜３３等が用いる各関数、定数等の設定データは、ソフトウェア（プログラム）の一部として、ＲＯＭ等の記憶装置９１に記憶されている。

本実施の形態では、入力回路９２には、大気圧センサ２、エアフローセンサ３、吸入空気温度センサ４、スロットル開度センサ７、マニホールド圧センサ８、マニホールド温度センサ９、空燃比センサ１８、クランク角センサ２０、アクセル開度センサ２６、ＥＧＲ開度センサ２７、及びノックセンサ２８等が接続されている。出力回路９３には、スロットルバルブ６（電気モータ）、インジェクタ１３、吸気可変バルブタイミング機構１４、排気可変バルブタイミング機構１５、点火コイル１６、及びＥＧＲバルブ２２（電動アクチュエータ）等が接続されている。なお、制御装置３０には、図示していない各種のセンサ、スイッチ、及びアクチュエータ等が接続されている。

２−１．トルクベース制御
制御装置３０は、目標トルクに基づいて内燃機関１を制御するトルクベース制御を実行する。制御装置３０は、上述したように、概略的に、トルク制御部３１、トルクインターフェイス部３２、及びエンジン制御部３３を備えている。トルク制御部３１は、目標トルクの演算を行う。トルクインターフェイス部３２は、目標トルクに基づいて、内燃機関の制御量の目標値を算出する。エンジン制御部３３は、制御量の目標値に基づいて、各種の電気負荷を駆動制御する。

＜トルク制御部３１＞
トルク制御部３１は、アクセル開度センサ２６により検出された実アクセル開度に基づいて、運転者が内燃機関１に要求している出力トルクであるドライバ要求トルクを算出する。また、トルク制御部３１は、アイドリング運転時に回転速度を維持するために必要な出力トルクであるアイドリングトルクを算出する。また、トルク制御部３１は、変速機制御装置９５、モータ制御装置９６、及びブレーキ・トラクション制御装置９７等の外部の制御装置から要求されている出力トルクである外部要求トルクを算出する。そして、トルク制御部３１は、ドライバ要求トルク、アイドリングトルク、及び外部要求トルクの優先順位を判定して、目標トルクを算出する（このような演算をトルク調停とも言う）。

ここで、目標トルクには、低応答目標トルクＴｒｑｔｓと高応答目標トルクＴｒｑｔｆとがある。低応答目標トルクＴｒｑｔｓは、点火時期を遅角することを考慮せずに、内燃機関に要求されている出力トルクであり、高応答目標トルクＴｒｑｔｆは、点火時期を遅角することを含み、内燃機関に要求されている出力トルクである。通常は、低応答目標トルクＴｒｑｔｓと高応答目標トルクＴｒｑｔｆとが一致しているが、点火時期の遅角によるトルクダウン要求があった場合に、高応答目標トルクＴｒｑｔｆが、低応答目標トルクＴｒｑｔｓよりも低くなる。

トルク制御部３１は、主に、ドライバ要求トルクと、定常時のアイドリングトルクとの大きいものに基づいて、低応答目標トルクＴｒｑｔｓを算出し、外部要求トルクと、負荷変化時のアイドリングトルクとに基づいて、高応答目標トルクＴｒｑｔｆを算出する。

＜トルクインターフェイス部３２＞
トルクインターフェイス部３２は、内燃機関の運転状態に基づいて、目標トルクと充填効率の相互変換、及び目標トルクと点火時期の相互変換を実施し、目標充填効率Ｅｃｔ、及び目標点火時期ＩＧｔを算出し、エンジン制御部３３に伝達する。また、トルクインターフェイス部３２は、内燃機関の運転状態に基づいて、実出力トルクＴｒｑｒを算出し、トルク制御部３１に伝達する。トルクインターフェイス部３２の詳細な処理は、後述する。

＜運転状態検出部３３０＞
エンジン制御部３３は、内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出部３３０を備えている。運転状態検出部３３０は、各種のセンサの出力信号等に基づいて各種の運転状態を検出する。具体的には、運転状態検出部３３０は、大気圧センサ２の出力信号に基づいて実大気圧を検出し、エアフローセンサ３の出力信号に基づいて実吸入空気流量を検出し、吸入空気温度センサ４の出力信号に基づいて実外気温を検出し、スロットル開度センサ７の出力信号に基づいて実スロットル開度を検出し、マニホールド圧センサ８の出力信号に基づいて実マニホールド圧を検出し、マニホールド温度センサ９の出力信号等に基づいて吸気マニホールド１２内の気体の温度である実マニホールド温度を検出し、空燃比センサ１８の出力信号に基づいて、排気ガスの実空燃比を検出し、アクセル開度センサ２６の出力信号に基づいて実アクセル開度を検出し、ＥＧＲ開度センサ２７の出力信号に基づいて実ＥＧＲ開度を検出する。

運転状態検出部３３０は、クランク角センサ２０の出力信号に基づいてクランク角度及び実回転速度Ｎｅｒを検出する。運転状態検出部３３０は、カム角センサ（不図示）のエッジと、クランク角度の位相差に基づいて、吸気可変バルブタイミング機構１４（以下、吸気ＶＶＴ１４と称す）の実位相角ＩＶＴｒ、及び排気可変バルブタイミング機構１５（以下、排気ＶＶＴ１５と称す）の実位相角ＥＶＴｒを検出する。

運転状態検出部３３０は、燃焼室２５内に吸入された空気量の情報である筒内吸気量情報を検出する。運転状態検出部３３０は、実吸入空気流量及び実回転速度Ｎｅｒ等に基づいて、筒内吸気量情報として、燃焼室２５内に吸入された実吸入空気量[g/stroke]、及び実充填効率Ｅｃｒ[%]を算出する。例えば、運転状態検出部３３０は、実吸入空気流量[g/s]に、回転速度Ｎｅに応じた行程周期を乗算した値に、吸気マニホールドの遅れを模擬したフィルタ処理を行った値を、実吸入空気量[g/stroke]として算出する。或いは、運転状態検出部３３０は、実マニホールド圧、実回転速度Ｎｅｒ等に基づいて実吸入空気量[g/stroke]及び実充填効率Ｅｃｒ[%]を算出してもよい。

運転状態検出部３３０は、ＥＧＲ開度等に基づいて、燃焼室２５内に吸入された実排気ガス再循環量である実ＥＧＲ量[g/stroke]を算出する。例えば、運転状態検出部３３０は、ＥＧＲ開度及びマニホールド圧等に基づいて、ＥＧＲバルブ２２を通過する実ＥＧＲ流量[g/s]を算出し、実ＥＧＲ流量に行程周期を乗算した値に、フィルタ処理を行った値を、実ＥＧＲ量[g/stroke]として算出する。運転状態検出部３３０は、実吸入空気量に対する実ＥＧＲ量の比率である実ＥＧＲ率Ｒｅｇｒｒ[%]を算出する。

＜吸気量制御部３３１＞
エンジン制御部３３は、吸入空気量を制御する吸気量制御部３３１を備えている。吸気量制御部３３１は、目標充填効率Ｅｃｔから目標吸入空気量を算出し、目標吸入空気量から目標吸入空気流量を算出する。エンジン制御部３３は、目標吸入空気流量を達成するように、実吸入空気流量及び実マニホールド圧に基づいて、目標スロットル開度を算出し、スロットルバルブ６の電気モータを駆動制御する。

＜燃焼制御部３３４＞
エンジン制御部３３は、燃焼状態を操作する燃焼操作機構を制御する燃焼制御部３３４を備えている。本実施の形態では、燃焼操作機構は、ＥＧＲバルブ２２、吸気ＶＶＴ１４、及び排気ＶＶＴ１５とされている。燃焼制御部３３４は、図１０に示すように、後述する燃焼制御目標算出部６６から伝達された各燃焼制御状態の目標値に基づいて、各燃焼操作機構を駆動制御する。燃焼制御部３３４は、目標ＥＧＲ率Ｒｅｇｒｔを達成する目標ＥＧＲ開度を算出し、ＥＧＲバルブ２２の電動アクチュエータを駆動制御する。燃焼制御部３３４は、吸気ＶＶＴ１４の目標位相角ＩＶＴｔ（以下、目標吸気位相角ＩＶＴｔと称す）を達成するように、吸気ＶＶＴ１４の電動アクチュエータを駆動制御する。燃焼制御部３３４は、排気ＶＶＴ１５の目標位相角ＥＶＴｔ（以下、目標排気位相角ＥＶＴｔと称す）を達成するように、排気ＶＶＴ１５の電動アクチュエータを駆動制御する。

＜燃料制御部３３２＞
エンジン制御部３３は、燃料噴射量を制御する燃料制御部３３２を備えている。燃料制御部３３２は、実充填効率Ｅｃｒに基づいて、目標空燃比を達成するための燃料噴射量を算出し、インジェクタ１３を駆動制御する。

＜点火制御部３３３＞
エンジン制御部３３は、点火コイルへの通電を行う点火制御部３３３を備えている。点火制御部３３３は、トルクインターフェイス部３２から伝達された目標点火時期ＩＧｔに基づいて、最終点火時期ＳＡを決定する。点火制御部３３３は、ノックセンサ２８によりノックが検出されている場合は、ノックが発生しないように、目標点火時期ＩＧｔに対して遅角補正を行って、最終点火時期ＳＡを算出する。また、点火制御部３３３は、失火防止のために遅角限界点火時期ＩＧｒｔｄよりも遅角側に最終点火時期ＳＡが設定されないように、遅角限界点火時期ＩＧｒｔｄにより遅角側の点火時期を制限する遅角制限を行う。そして、点火制御部３３３は、最終点火時期ＳＡに基づいて、点火コイル１６への通電制御を行う。この最終点火時期ＳＡが、実点火時期ＳＡとなる。

２−２．トルクインターフェイス部３２の詳細構成
上述したように、トルクインターフェイス部３２は、内燃機関の運転状態に基づいて、目標トルクと充填効率の相互変換、及び目標トルクと点火時期の相互変換を実施し、目標充填効率Ｅｃｔ、及び目標点火時期ＩＧｔを算出する。そのために、以下で説明するトルク特性関数及び点火時期設定関数が記憶装置９１に記憶されている。

２−２−１．点火時期設定関数
トルクインターフェイス部３２は、予め設定された種類の運転状態と目標点火時期の基本値ＩＧｂとの関係が予め設定された関数である点火時期設定関数を記憶している。出力トルクが最大になる点火時期であるＭＢＴ点火時期ＩＧｍｂｔ（ＭＢＴ：Minimum advance for the Best Torque）でノッキングが発生しない運転状態では、目標点火時期の基本値ＩＧｂは、ＭＢＴ点火時期ＩＧｍｂｔに設定され、ＭＢＴ点火時期ＩＧｍｂｔでノックが発生する運転状態では、目標点火時期の基本値ＩＧｂは、ノックが生じ始める進角側の限界点火時期であるノック限界点火時期ＩＧｋｎｋに設定される。

点火時期設定関数は、充填効率Ｅｃを含む予め設定された種類の運転状態と、目標点火時期の基本値ＩＧｂとの関係が予め設定された関数とされている。出力トルクが最大になる点火時期に影響する運転状態は、内燃機関１のシステム構成によって変化する。本実施の形態では、点火時期設定関数は、回転速度Ｎｅ、充填効率Ｅｃ、吸気位相角ＩＶＴ、排気位相角ＥＶＴ、及びＥＧＲ率Ｒｅｇｒの運転状態と、目標点火時期の基本値ＩＧｂとの関係が予め設定された関数とされている。

＜ニューラルネットワーク＞
内燃機関１のシステム構成が複雑になると、点火時期設定関数は、入力変数の数が多い複雑な関数となる。本実施の形態では、図４に示すように、点火時期設定関数は、順伝播型のニューラルネットワーク（ＦＮＮ：Feedforward Neural Network）により構成されている。ＦＮＮは、階層上に並べられたユニット（ノード、ニューロンとも言う）が隣接する層間で結合した構造を持ち、情報が入力側から出力側に向かって伝播するよう構成されているネットワークである。ユニットで行われる演算は、前層の各ユニットから入力されてくる値に重みを掛け、更にバイアスを加えたものが、そのユニットへの総入力となり、この総入力を活性化関数へ通した後の出力が、ユニットの出力となる。

このようなユニットから構成されるＦＮＮを近似関数として用いるには、ＦＮＮのへ入力値とその出力値が所望の関係となるように、各ユニットの重み及びバイアスを調整しておく必要がある。この調整には教師データと呼ばれる入力値と出力値のデータセットを予め多数用意しておき、誤差逆伝播法（バックプロパゲーション法）と呼ばれる方法を適用することにより行われる。このように重み及びバイアスを調整することをニューラルネットワークの学習と言い、良好に学習することができると、ＦＮＮは教師データの持つ特徴を記憶した汎用的な関数として用いることができる。

なお、ＦＮＮの層の数が多いほど、また層に含まれるユニットの数が多いほど、近似精度が向上すると考えられているが、学習の状況によっては教師データと異なる点では精度が極端に悪化する場合（これを過学習又は過適合という）があり、このような場合には、学習を途中で打ち切って過学習を抑制する、教師データ数を増やす等して必要な近似精度が得られるよう調整を行う必要がある。以上がＦＮＮの概要であるが、ＦＮＮ及びその学習方法に関しては、前述の非特許文献２でも詳細に説明されている公知の技術であるので、ここではＦＮＮは公知として説明する。

図４に示す例では、ＦＮＮの構成として、回転速度Ｎｅ、充填効率Ｅｃ、吸気位相角ＩＶＴ、排気位相角ＥＶＴ、ＥＧＲ率Ｒｅｇｒの５つのパラメータが入力層に入力され、５個のユニットを持つ中間層が３層あり、出力層にて目標点火時期の基本値ＩＧｂが出力される構成となっている。なお、この構成は例示的なものであり、これ以外にも吸気温、大気圧、マニホールド温度等の環境条件が入力されるように構成されてもよいし、空燃比ＡＦのような他の内燃機関の運転状態が入力されるように構成されてもよい。また、内燃機関のシステム構成が異なる場合は、そのシステム構成の運転状態（例えば、可変バルブリフト、可変圧縮比等）が入力されるように構成されてもよい。また、中間層に関しても、各層のユニット数及び層数自体を増減させてもよい。これらは、事前に行われるＦＮＮの学習時に、近似精度に応じて調整するべきパラメータである。

更に、ここでは１つのＦＮＮにより直接、目標点火時期の基本値ＩＧｂが算出される例を示しているが、ＭＢＴ点火時期ＩＧｍｂｔの算出用のＦＮＮと、ノック限界点火時期ＩＧｋｎｋの算出用のＦＮＮとの２つのＦＮＮが設けられ、それぞれのＦＮＮにより、ＭＢＴ点火時期ＩＧｍｂｔとノック限界点火時期ＩＧｋｎｋとが算出され、これら２つの点火時期の遅角側の点火時期が、目標点火時期の基本値ＩＧｂとして算出されるように構成されてもよい。

２−２−２．トルク特性関数
トルクインターフェイス部３２は、予め設定された種類の運転状態と出力トルクＴｒｑとの関係が予め設定された関数であるトルク特性関数を記憶している。そして、トルクインターフェイス部３２は、トルク特性関数を用いて、目標トルクを実現する制御量の目標値を算出する。

トルク特性関数は、点火時期ＩＧを含む予め設定された種類の運転状態と、出力トルクＴｒｑとの関係が予め設定された関数とされている。出力トルクに影響する運転状態は、内燃機関１のシステム構成によって変化する。本実施の形態では、トルク特性関数は、回転速度Ｎｅ、充填効率Ｅｃ、吸気位相角ＩＶＴ、排気位相角ＥＶＴ、ＥＧＲ率Ｒｅｇｒ、及び点火時期ＩＧの運転状態と、出力トルクＴｒｑとの関係が予め設定された関数とされている。

内燃機関１のシステム構成が複雑になると、トルク特性関数は、入力変数の数が多い複雑な関数となる。本実施の形態では、図５に示すように、トルク特性関数は、順伝播型のニューラルネットワーク（ＦＮＮ）により構成されている。

図５に示す例は、ＦＮＮの構成として、回転速度Ｎｅ、充填効率Ｅｃ、吸気位相角ＩＶＴ、排気位相角ＥＶＴ、ＥＧＲ率Ｒｅｇｒ、点火時期ＩＧの６つのパラメータが入力層に入力され、６個のユニットを持つ中間層が３層あり、出力層にて出力トルクＴｒｑが出力される構成となっている。

なお、この構成は例示的なものであり、これ以外にも吸気温、大気圧、マニホールド温度等の環境条件が入力されるように構成されてもよいし、空燃比ＡＦのような他の内燃機関の運転状態が入力されるように構成されてもよい。また、内燃機関のシステム構成が異なる場合は、そのシステム構成の運転状態（例えば、可変バルブリフト、可変圧縮比等）が入力されるように構成されてもよい。また、中間層に関しても、各層のユニット数及び層数自体を増減させてもよい。これらは、事前に行われるＦＮＮの学習時に、近似精度に応じて調整するべきパラメータである。

更に、ここではＦＮＮにより、直接、出力トルクＴｒｑを算出する例を示しているが、ＦＮＮにより図示平均有効圧又は熱効率を算出し、図示平均有効圧に行程容積等を乗算して出力トルクＴｒｑを算出する、又は熱効率に燃料の持つ熱量等を乗算して出力トルクＴｒｑを算出するような構成としてもよい。

２−２−３．実出力トルクＴｒｑｒの算出
トルクインターフェイス部３２は、実出力トルクＴｒｑｒを算出する実トルク算出部５５を備えている。実トルク算出部５５は、トルク特性関数を用い、現在の運転状態（本例では、実回転速度Ｎｅｒ、実充填効率Ｅｃｒ、実吸気位相角ＩＶＴｒ、実排気位相角ＥＶＴｒ、実ＥＧＲ率Ｒｅｇｒｒ、及び実点火時期ＳＡ）に対応する出力トルクである実出力トルクＴｒｑｒを算出する。算出された実出力トルクＴｒｑｒは、トルク制御部３１に伝達される。

２−２−４．目標点火時期ＩＧｔの算出
トルクインターフェイス部３２は、目標点火時期ＩＧｔを算出する目標点火時期算出部５１を備えている。本実施の形態では、目標点火時期算出部５１は、次式及び図６に示すように、高応答目標トルクＴｒｑｔｆが低応答目標トルクＴｒｑｔｓに一致しており、点火時期の遅角によるトルクダウン要求がない場合は、現在の運転状態に対応する目標点火時期の基本値ＩＧｂを目標点火時期ＩＧｔとして算出し、高応答目標トルクＴｒｑｔｆが低応答目標トルクＴｒｑｔｓよりも低く、点火時期の遅角によるトルクダウン要求がある場合は、高応答目標トルクＴｒｑｔｆに対応する目標トルク対応点火時期ＩＧｔｔを目標点火時期ＩＧｔとして算出する。

２−２−４−１．目標点火時期の基本値ＩＧｂの算出
目標点火時期算出部５１は、点火時期設定関数を用い、運転状態（本例では、実回転速度Ｎｅｒ、実充填効率Ｅｃｒ、実吸気位相角ＩＶＴｒ、実排気位相角ＥＶＴｒ、及び実ＥＧＲ率Ｒｅｇｒｒ）に対応する目標点火時期の基本値ＩＧｂを算出する。

２−２−４−２．目標トルク対応点火時期の算出
目標点火時期算出部５１は、目標トルクを実現する目標トルク対応点火時期ＩＧｔｔを算出する。本実施の形態では、目標点火時期算出部５１は、点火時期を遅角することを含め、内燃機関に要求されている出力トルクである高応答目標トルクＴｒｑｔｆを実現する目標トルク対応点火時期ＩＧｔｔを算出するように構成されている。

点火時期ＩＧを少しずつ変化させて、トルク特性関数を用いて出力トルクＴｒｑを繰り返し算出すれば、高応答目標トルクＴｒｑｔｆを実現する点火時期ＩＧを探索することができる。しかし、トルク特性関数を用いた演算を繰り返し行うと、演算負荷が増大する。特に、システム構成が複雑になり、トルク特性関数が複雑化すると、演算負荷が大幅に増加する。そのため、トルク特性関数を用いた演算回数をできるだけ低減することが望まれる。

そこで、図６に示すように、目標点火時期算出部５１は、複数点火トルク算出部５２、点火トルク近似曲線算出部５３、及び近似曲線点火算出部５４を備えている。複数点火トルク算出部５２は、トルク特性関数を用い、複数の数に予め設定された点火標本数の点火時期ＩＧ１、ＩＧ２・・・のそれぞれに対応する点火標本数の出力トルクである点火標本数の点火対応トルクＴｒｑｉ１、Ｔｒｑｉ２・・・を算出する。

点火トルク近似曲線算出部５３は、点火標本数の点火時期ＩＧ１、ＩＧ２・・・と点火標本数の点火対応トルクＴｒｑｉ１、Ｔｒｑｉ２・・・との関係を近似した近似曲線である点火トルク近似曲線を算出する。近似曲線点火算出部５４は、点火トルク近似曲線を用い、目標トルク（本例では、高応答目標トルクＴｒｑｔｆ）に対応する点火時期を、目標トルク対応点火時期ＩＧｔｔとして算出する。

この構成によれば、直接、トルク特性関数を用いた演算を繰り返し行って、目標トルクに対応する点火時期を探索するのではなく、点火標本数のトルク特性関数の演算結果に基づいて近似曲線を算出し、近似曲線を用いて、目標トルクに対応する点火時期を算出するので、トルク特性関数を用いた演算を、予め設定された点火標本数まで低減することができる。

＜３つの点火標本数の点火時期の設定＞
本実施の形態では、点火標本数が、３つに設定されている場合を説明する。すなわち、第１標本の点火時期ＩＧ１、第２標本の点火時期ＩＧ２、及び第３標本の点火時期ＩＧ３のそれぞれについて、トルク特性関数を用いた演算が行われ、第１標本の点火対応トルクＴｒｑｉ１、第２標本の点火対応トルクＴｒｑｉ２、及び第３標本の点火対応トルクＴｒｑｉ３が演算される。

複数点火トルク算出部５２は、第１標本の点火時期ＩＧ１、第２標本の点火時期ＩＧ２、及び第３標本の点火時期ＩＧ３を、可燃範囲の中で、互いに異なる値に設定する。例えば、次式に示すように、複数点火トルク算出部５２は、第１標本の点火時期ＩＧ１を、目標点火時期の基本値ＩＧｂに設定し、第３標本の点火時期ＩＧ３を、点火時期の遅角側の設定限界である遅角限界点火時期ＩＧｒｔｄに設定し、第２標本の点火時期ＩＧ２を、目標点火時期の基本値ＩＧｂと遅角限界点火時期ＩＧｒｔｄとの中間値に設定する。

＜３つの点火標本数の点火対応トルクの演算＞
複数点火トルク算出部５２は、トルク特性関数を用い、実回転速度Ｎｅｒ、実充填効率Ｅｃｒ、実吸気位相角ＩＶＴｒ、実排気位相角ＥＶＴｒ、実ＥＧＲ率Ｒｅｇｒｒ、及び第１標本の点火時期ＩＧ１に対応する出力トルクである第１標本の点火対応トルクＴｒｑｉ１を算出する。次に、複数点火トルク算出部５２は、トルク特性関数を用い、実回転速度Ｎｅｒ、実充填効率Ｅｃｒ、実吸気位相角ＩＶＴｒ、実排気位相角ＥＶＴｒ、実ＥＧＲ率Ｒｅｇｒｒ、及び第２標本の点火時期ＩＧ２に対応する出力トルクである第２標本の点火対応トルクＴｒｑｉ２を算出する。そして、複数点火トルク算出部５２は、トルク特性関数を用い、実回転速度Ｎｅｒ、実充填効率Ｅｃｒ、実吸気位相角ＩＶＴｒ、実排気位相角ＥＶＴｒ、実ＥＧＲ率Ｒｅｇｒｒ、及び第３標本の点火時期ＩＧ３に対応する出力トルクである第３標本の点火対応トルクＴｒｑｉ３を算出する。

＜点火トルク近似曲線の演算＞
このように設定された、第１標本から第３標本の点火時期ＩＧ１、ＩＧ２、ＩＧ３と、第１標本から第３標本の点火対応トルクＴｒｑｉ１、Ｔｒｑｉ２、Ｔｒｑｉ３との関係を図７に示す。一般に、点火時期以外の運転状態が同一であれば、点火時期とトルクとの関係には、２次関数で近似できる関係があると考えられる（特許文献２の段落００３２等を参照）。

そこで、本実施の形態では、点火トルク近似曲線は、次式に示すような２次関数に設定されている。点火トルク近似曲線算出部５３は、点火標本数の点火時期ＩＧ１、ＩＧ２・・・及び点火標本数の点火対応トルクＴｒｑｉ１、Ｔｒｑｉ２・・・に基づいて、２次関数とした点火トルク近似曲線の各項の係数Ａ、Ｂ、Ｃを算出する。

この２次関数は、点火時期ＩＧと出力トルクＴｒｑとの関係が３点あれば、それぞれ式（３）に代入して連立方程式を解くことで、３つの係数Ａ、Ｂ、Ｃを算出できる。例えば、点火トルク近似曲線算出部５３は、次式を用い、３つの係数Ａ、Ｂ、Ｃを算出する。

なお、点火標本数は、４つ以上の数に予め設定されてもよく、点火時期ＩＧと出力トルクＴｒｑとの関係が４点以上算出され、最小二乗法等の回帰分析の手法で、各項の係数Ａ、Ｂ、Ｃが算出されてもよい。

＜点火標本数が２つの場合＞
或いは、点火標本数は、２つに予め設定されてもよい。この場合は、次式に示すように、点火トルク近似曲線算出部５３は、第１標本の点火時期ＩＧ１を、出力トルクが最大になる点火時期であるＭＢＴ点火時期ＩＧｍｂｔに設定し、第２標本の点火時期ＩＧ２を、点火時期の遅角側の設定限界である遅角限界点火時期ＩＧｒｔｄに設定する。ＭＢＴ点火時期ＩＧｍｂｔは、点火時期設定関数と同様に、予め設定された種類の運転状態とＭＢＴ点火時期ＩＧｍｂｔとの関係が予め設定された関数を用いて算出され、関数は、ニューラルネットワークにより構成される。或いは、上述したように、点火時期設定関数に、ＭＢＴ点火時期ＩＧｍｂｔの算出用のＦＮＮと、ノック限界点火時期ＩＧｋｎｋの算出用のＦＮＮとの２つのＦＮＮが設けられる場合は、目標点火時期の基本値ＩＧｂを算出する際に算出されたＭＢＴ点火時期ＩＧｍｂｔが用いられてもよい。

複数点火トルク算出部５２は、トルク特性関数を用い、ＭＢＴ点火時期ＩＧｍｂｔに対応する第１標本の点火対応トルクＴｒｑｉ１を算出する共に、トルク特性関数を用い、遅角限界点火時期ＩＧｒｔｄに対応する第２標本の点火対応トルクＴｒｑｉ２を算出する。

そして、点火トルク近似曲線算出部５３は、次式に示すように、ＭＢＴ点火時期ＩＧｍｂｔ、及びＭＢＴ点火時期ＩＧｍｂｔに対応する第１標本の点火対応トルクＴｒｑｉ１を、２次関数とした点火トルク近似曲線の極値に設定する。

そして、点火トルク近似曲線算出部５３は、次式に示すように、遅角限界点火時期ＩＧｒｔｄ、及び遅角限界点火時期ＩＧｒｔｄに対応する第２標本の点火対応トルクＴｒｑｉ２に基づいて、点火トルク近似曲線の各項の係数Ａ、Ｂ、Ｃを算出する。

＜点火トルク近似曲線を用いた目標トルク対応点火時期の演算＞
近似曲線点火算出部５４は、次式に示すように、２次関数の方程式を解き、各項の係数Ａ、Ｂ、Ｃを用い、高応答目標トルクＴｒｑｔｆに対応する点火時期を、目標トルク対応点火時期ＩＧｔｔとして算出する。

２−２−５．目標充填効率Ｅｃｔの算出
トルクインターフェイス部３２は、目標充填効率Ｅｃｔを算出する目標吸気量算出部６１を備えている。目標吸気量算出部６１は、目標トルクを実現する目標充填効率Ｅｃｔを算出する。本実施の形態では、目標吸気量算出部６１は、点火時期を遅角すること考慮せずに、内燃機関に要求されている出力トルクである低応答目標トルクＴｒｑｔｓを実現する目標充填効率Ｅｃｔを算出するように構成されている。

充填効率Ｅｃを少しずつ変化させて、トルク特性関数を用いて出力トルクＴｒｑを繰り返し算出すれば、低応答目標トルクＴｒｑｔｓを実現する充填効率Ｅｃを探索することができる。この際、充填効率Ｅｃを変化させると、目標点火時期の基本値ＩＧｂも変化するため、充填効率Ｅｃを変化させる毎に、点火時期設定関数を用いて目標点火時期の基本値ＩＧｂも算出する必要がある。しかし、トルク特性関数を用いた演算、及び点火時期設定関数を用いた演算を繰り返し行うと、演算負荷が増大する。特に、システム構成が複雑になり、トルク特性関数及び点火時期設定関数が複雑化すると、演算負荷が大幅に増加する。そのため、トルク特性関数及び点火時期設定関数を用いた演算回数をできるだけ低減することが望まれる。

そこで、図８に示すように、目標吸気量算出部６１は、複数吸気点火算出部６２、複数吸気トルク算出部６３、吸気トルク近似曲線算出部６４、及びトルク吸気量算出部６５を備えている。複数吸気点火算出部６２は、点火時期設定関数を用い、複数の数に予め設定された吸気標本数の充填効率Ｅｃ１、Ｅｃ２・・・のそれぞれに対応する吸気標本数の目標点火時期の基本値ＩＧｂ１、ＩＧｂ２・・・を算出する。

複数吸気トルク算出部６３は、トルク特性関数を用い、吸気標本数の充填効率Ｅｃ１、Ｅｃ２・・・のそれぞれ、及び吸気標本数の目標点火時期の基本値ＩＧｂ１、ＩＧｂ２・・・のそれぞれに対応する吸気標本数の出力トルクである吸気標本数の吸気点火対応トルクＴｒｑｅ１、Ｔｒｑｅ２・・・を算出する。

吸気トルク近似曲線算出部６４は、吸気標本数の充填効率Ｅｃ１、Ｅｃ２・・・と吸気標本数の吸気点火対応トルクＴｒｑｅ１、Ｔｒｑｅ２・・・との関係を近似した近似曲線である吸気トルク近似曲線を算出する。トルク吸気量算出部６５は、吸気トルク近似曲線を用い、目標トルク（本例では、低応答目標トルクＴｒｑｔｓ）に対応する充填効率を、目標充填効率Ｅｃｔとして算出する。

この構成によれば、直接、トルク特性関数及び点火時期設定関数を用いた演算を繰り返し行って、目標トルクに対応する充填効率を探索するのではなく、吸気標本数のトルク特性関数及び点火時期設定関数の演算結果に基づいて近似曲線を算出し、近似曲線を用いて、目標トルクに対応する充填効率を算出するので、トルク特性関数及び点火時期設定関数を用いた演算を、予め設定された吸気標本数まで低減することができる。

＜３つの吸気標本数の充填効率の設定＞
本実施の形態では、吸気標本数が、３つに設定されている場合について説明する。次式に示すように、複数吸気点火算出部６２は、実充填効率Ｅｃｒを第１標本の充填効率Ｅｃ１に設定する。複数吸気点火算出部６２は、実出力トルクＴｒｑｒに対する低応答目標トルクＴｒｑｔｓの比を、実充填効率Ｅｃｒに乗算した値に応じた値を、目標対応充填効率として算出し、第３標本の充填効率Ｅｃ３に設定する。複数吸気点火算出部６２は、実充填効率Ｅｃｒ（Ｅｃ１）と目標対応充填効率（Ｅｃ３）との中間値を中間充填効率として算出し、第２標本の充填効率Ｅｃ２に設定する。

ここで、「実出力トルクＴｒｑｒ＜低応答目標トルクＴｒｑｔｓ」の場合には、調整係数Ｋｅは、１．２〜１．５程度の値に設定され、「実出力トルクＴｒｑｒ＞低応答目標トルクＴｒｑｔｓ」の場合には、調整係数Ｋｅは０．７〜０．９程度の値に設定される。

＜３つの吸気標本数の点火時期以外の制御量の目標値の演算＞
充填効率Ｅｃが変化すれば、目標点火時期の基本値ＩＧｂだけでなく、他の内燃機関の制御量の最適値も変化し、制御量の変化が出力トルクＴｒｑに影響する。本実施の形態では、複数吸気点火算出部６２は、吸気標本数の充填効率Ｅｃ１、Ｅｃ２、Ｅｃ３のそれぞれに対応する、点火時期以外の内燃機関の制御量の目標値（本例では、目標吸気位相角ＩＶＴｔ、目標排気位相角ＥＶＴｔ、目標ＥＧＲ率Ｒｅｇｒｔ）を算出し、点火時期設定関数を用いた演算に用いるように構成されている。

具体的には、複数吸気点火算出部６２は、後述する吸気位相角目標設定関数を用い、実回転速度Ｎｅｒ、及び吸気標本数の充填効率Ｅｃ１、Ｅｃ２、Ｅｃ３のそれぞれに対応する吸気標本数の目標吸気位相角ＩＶＴｔ１、ＩＶＴｔ２、ＩＶＴｔ３を算出する。複数吸気点火算出部６２は、後述する排気位相角目標設定関数を用い、実回転速度Ｎｅｒ、及び吸気標本数の充填効率Ｅｃ１、Ｅｃ２、Ｅｃ３のそれぞれに対応する吸気標本数の目標排気位相角ＥＶＴｔ１、ＥＶＴｔ２、ＥＶＴｔ３を算出する。複数吸気点火算出部６２は、後述するＥＧＲ率目標設定関数を用い、実回転速度Ｎｅｒ、及び吸気標本数の充填効率Ｅｃ１、Ｅｃ２、Ｅｃ３のそれぞれに対応する吸気標本数の目標ＥＧＲ率Ｒｅｇｒｔ１、Ｒｅｇｒｔ２、Ｒｅｇｒｔ３を算出する。

＜３つの吸気標本数の目標点火時期の基本値の演算＞
複数吸気点火算出部６２は、点火時期設定関数を用い、実回転速度Ｎｅｒ、第１標本の充填効率Ｅｃ１、第１標本の目標吸気位相角ＩＶＴｔ１、第１標本の目標排気位相角ＥＶＴｔ１、及び第１標本の目標ＥＧＲ率Ｒｅｇｒｔ１に対応する第１標本の目標点火時期の基本値ＩＧｂ１を算出する。次に、複数吸気点火算出部６２は、点火時期設定関数を用い、実回転速度Ｎｅｒ、第２標本の充填効率Ｅｃ２、第２標本の目標吸気位相角ＩＶＴｔ２、第２標本の目標排気位相角ＥＶＴｔ２、及び第２標本の目標ＥＧＲ率Ｒｅｇｒｔ２に対応する第２標本の目標点火時期の基本値ＩＧｂ２を算出する。そして、複数吸気点火算出部６２は、点火時期設定関数を用い、実回転速度Ｎｅｒ、第３標本の充填効率Ｅｃ３、第３標本の目標吸気位相角ＩＶＴｔ３、第３標本の目標排気位相角ＥＶＴｔ３、及び第３標本の目標ＥＧＲ率Ｒｅｇｒｔ３に対応する第３標本の目標点火時期の基本値ＩＧｂ３を算出する。

＜３つの吸気標本数の吸気点火対応トルクの演算＞
複数吸気トルク算出部６３は、トルク特性関数を用い、実回転速度Ｎｅｒ、第１標本の充填効率Ｅｃ１、第１標本の目標吸気位相角ＩＶＴｔ１、第１標本の目標排気位相角ＥＶＴｔ１、第１標本の目標ＥＧＲ率Ｒｅｇｒｔ１、及び第１標本の目標点火時期の基本値ＩＧｂ１に対応する第１標本の吸気点火対応トルクＴｒｑｅ１を算出する。次に、複数吸気トルク算出部６３は、トルク特性関数を用い、実回転速度Ｎｅｒ、第２標本の充填効率Ｅｃ２、第２標本の目標吸気位相角ＩＶＴｔ２、第２標本の目標排気位相角ＥＶＴｔ２、第２標本の目標ＥＧＲ率Ｒｅｇｒｔ２、及び第２標本の目標点火時期の基本値ＩＧｂ２に対応する第２標本の吸気点火対応トルクＴｒｑｅ２を算出する。そして、複数吸気トルク算出部６３は、トルク特性関数を用い、実回転速度Ｎｅｒ、第３標本の充填効率Ｅｃ３、第３標本の目標吸気位相角ＩＶＴｔ３、第３標本の目標排気位相角ＥＶＴｔ３、第３標本の目標ＥＧＲ率Ｒｅｇｒｔ３、及び第３標本の目標点火時期の基本値ＩＧｂ３に対応する第３標本の吸気点火対応トルクＴｒｑｅ３を算出する。

＜吸気トルク近似曲線の演算＞
以上のように演算された、第１標本から第３標本の充填効率Ｅｃ１、Ｅｃ２、Ｅｃ３と、第１標本から第３標本の吸気点火対応トルクＴｒｑｅ１、Ｔｒｑｅ２、Ｔｒｑｅ３との関係を図９に示す。一般に、充填効率と出力トルクとの関係は、熱効率が一定であれば比例する。しかし、点火時期、ＶＶＴ位相角、及びＥＧＲ率が変化すれば熱効率も変化するので、厳密には比例関係にないと考えられる。そのため、２次関数で近似すると近似精度を高められる。

そこで、本実施の形態では、吸気トルク近似曲線は、次式に示すような２次関数に設定されている。吸気トルク近似曲線算出部６４は、吸気標本数の充填効率Ｅｃ１、Ｅｃ２・・・及び吸気標本数の吸気点火対応トルクＴｒｑｅ１、Ｔｒｑｅ２・・・に基づいて、２次関数とした吸気トルク近似曲線の各項の係数Ｐ、Ｑ、Ｒを算出する。

この２次関数は、充填効率Ｅｃと出力トルクＴｒｑとの関係が３点あれば、それぞれ式（１０）に代入して連立方程式を解くことで、３つの係数Ｐ、Ｑ、Ｒを算出できる。例えば、吸気トルク近似曲線算出部６４は、次式を用い、３つの係数Ｐ、Ｑ、Ｒを算出する。

なお、吸気標本数は、４つ以上の数に予め設定されてもよく、充填効率Ｅｃと出力トルクＴｒｑとの関係が４点以上算出され、最小二乗法等の回帰分析の手法で、各項の係数Ｐ、Ｑ、Ｒが算出されるようにされてもよい。

＜吸気トルク近似曲線を用いた目標充填効率の演算＞
トルク吸気量算出部６５は、次式に示すように、２次関数の方程式を解き、各項の係数Ｐ、Ｑ、Ｒを用い、低応答目標トルクＴｒｑｔｓに対応する充填効率を、目標充填効率Ｅｃｔとして算出する。

２−２−６．燃焼制御状態の目標値の算出
トルクインターフェイス部３２は、燃焼操作機構の制御状態である燃焼制御状態の目標値を算出する燃焼制御目標算出部６６を備えている。図１０に示すように、燃焼制御目標算出部６６は、予め設定された種類の運転状態と、燃焼制御状態の目標値との関係が設定された関数である燃焼制御目標設定関数を用い、燃焼制御状態の目標値を算出する。本実施の形態では、燃焼制御状態の目標値として、目標ＥＧＲ率Ｒｅｇｒｔ、目標吸気位相角ＩＶＴｔ、目標排気位相角ＥＶＴｔが算出され、燃焼制御目標設定関数として、ＥＧＲ率目標設定関数、吸気位相角目標設定関数、及び排気位相角目標設定関数が用いられる。

燃焼制御目標算出部６６は、回転速度Ｎｅ及び充填効率Ｅｃと、目標ＥＧＲ率Ｒｅｇｒｔとの関係が予め設定された関数であるＥＧＲ率目標設定関数を用い、実回転速度Ｎｅｒ及び目標充填効率Ｅｃｔに対応する目標ＥＧＲ率Ｒｅｇｒｔを算出する。本実施の形態では、ＥＧＲ率目標設定関数は、マップデータにより構成されている。なお、ＥＧＲ率目標設定関数は、ニューラルネットワークにより構成されてもよい。

燃焼制御目標算出部６６は、回転速度Ｎｅ及び充填効率Ｅｃと、目標吸気位相角ＩＶＴｔとの関係が予め設定された関数である吸気位相角目標設定関数を用い、実回転速度Ｎｅｒ及び目標充填効率Ｅｃｔに対応する目標吸気位相角ＩＶＴｔを算出する。本実施の形態では、吸気位相角目標設定関数は、マップデータにより構成されている。なお、吸気位相角目標設定関数は、ニューラルネットワークにより構成されてもよい。

燃焼制御目標算出部６６は、回転速度Ｎｅ及び充填効率Ｅｃと目標排気位相角ＥＶＴｔとの関係が予め設定された関数である排気位相角目標設定関数を用い、実回転速度Ｎｅｒ及び目標充填効率Ｅｃｔに対応する目標排気位相角ＥＶＴｔを算出する。本実施の形態では、排気位相角目標設定関数は、マップデータにより構成されている。なお、排気位相角目標設定関数は、ニューラルネットワークにより構成されてもよい。

２−３．フローチャート
目標点火時期ＩＧｔ及び目標充填効率Ｅｃｔの算出に係る制御装置３０の概略的な処理の手順（内燃機関１の制御方法）について、図１１に示すフローチャートに基づいて説明する。図１１のフローチャートの処理は、演算処理装置９０が記憶装置９１に記憶されたソフトウェア（プログラム）を実行することにより、例えば所定の演算周期毎に繰り返し実行される。

ステップＳ０１で、運転状態検出部３３０は、上述したように、内燃機関の実回転速度Ｎｅｒ、及び筒内吸気量情報として実充填効率Ｅｃｒ等の各種の運転状態を検出する運転状態検出処理を実行する。ステップＳ０２で、トルク制御部３１は、上述したように、目標トルク（本例では、低応答目標トルクＴｒｑｔｓ、高応答目標トルクＴｒｑｔｆ）を演算する目標トルク算出処理を実行する。ステップＳ０３で、実トルク算出部５５は、上述したように、トルク特性関数を用い、現在の運転状態に対応する実出力トルクＴｒｑｒを算出する実トルク算出処理を実行する。ステップＳ０４で、目標点火時期算出部５１は、上述したように、点火時期設定関数を用い、現在の運転状態に対応する目標点火時期の基本値ＩＧｂを算出する基本点火時期算出処理を実行する。

ステップＳ０５で、複数点火トルク算出部５２は、上述したように、トルク特性関数を用い、点火標本数の点火時期ＩＧ１、ＩＧ２・・・のそれぞれに対応する点火標本数の出力トルクである点火標本数の点火対応トルクＴｒｑｉ１、Ｔｒｑｉ２・・・を算出する複数点火トルク算出処理を実行する。ステップＳ０６で、点火トルク近似曲線算出部５３は、上述したように、点火標本数の点火時期ＩＧ１、ＩＧ２・・・と点火標本数の点火対応トルクＴｒｑｉ１、Ｔｒｑｉ２・・・との関係を近似した点火トルク近似曲線を算出する点火トルク近似曲線算出処理を実行する。ステップＳ０７で、近似曲線点火算出部５４は、上述したように、点火トルク近似曲線を用い、目標トルク（本例では、高応答目標トルクＴｒｑｔｆ）に対応する点火時期を、目標トルク対応点火時期ＩＧｔｔとして算出する近似曲線点火算出処理を実行する。

ステップＳ０８で、目標点火時期算出部５１は、上述したように、点火時期の遅角によるトルクダウン要求がない場合は、ステップＳ０４で算出された目標点火時期の基本値ＩＧｂを目標点火時期ＩＧｔとして算出し、点火時期の遅角によるトルクダウン要求がある場合は、ステップＳ０７で算出された目標トルク対応点火時期ＩＧｔｔを目標点火時期ＩＧｔとして算出する目標点火時期選択処理を実行する。

ステップＳ０９で、複数吸気点火算出部６２は、上述したように、点火時期設定関数を用い、複数の数に予め設定された吸気標本数の充填効率Ｅｃ１、Ｅｃ２・・・のそれぞれに対応する吸気標本数の目標点火時期の基本値ＩＧｂ１、ＩＧｂ２・・・を算出する複数吸気点火算出処理を実行する。ステップＳ１０で、複数吸気トルク算出部６３は、上述したように、トルク特性関数を用い、吸気標本数の充填効率Ｅｃ１、Ｅｃ２・・・のそれぞれ、及び吸気標本数の目標点火時期の基本値ＩＧｂ１、ＩＧｂ２・・・のそれぞれに対応する吸気標本数の出力トルクである吸気標本数の吸気点火対応トルクＴｒｑｅ１、Ｔｒｑｅ２・・・を算出する複数吸気トルク算出処理を実行する。

ステップＳ１１で、吸気トルク近似曲線算出部６４は、上述したように、吸気標本数の充填効率Ｅｃ１、Ｅｃ２・・・と吸気標本数の吸気点火対応トルクＴｒｑｅ１、Ｔｒｑｅ２・・・との関係を近似した吸気トルク近似曲線を算出する吸気トルク近似曲線算出処理を実行する。ステップＳ１２で、トルク吸気量算出部６５は、上述したように、吸気トルク近似曲線を用い、目標トルク（本例では、低応答目標トルクＴｒｑｔｓ）に対応する充填効率を、目標充填効率Ｅｃｔとして算出するトルク吸気量算出処理を実行する。ステップＳ１３で、燃焼制御目標算出部６６は、上述したように、燃焼制御目標設定関数を用い、燃焼制御状態の目標値（本例では、目標ＥＧＲ率Ｒｅｇｒｔ、目標吸気位相角ＩＶＴｔ、目標排気位相角ＥＶＴｔ）を算出する燃焼制御目標算出処理を実行する。

ステップＳ１４で、点火制御部３３３は、上述したように、目標点火時期ＩＧｔに基づいて、最終点火時期ＳＡを決定し、最終点火時期ＳＡに基づいて、点火コイル１６への通電制御を行う点火制御処理を実行する。ステップＳ１５で、吸気量制御部３３１は、上述したように、目標充填効率Ｅｃｔに基づいて、筒内に吸入される空気量を制御する吸気量制御処理を実行する。ステップＳ１６で、燃焼制御部３３４は、上述したように、目標ＥＧＲ率Ｒｅｇｒｔ、目標吸気位相角ＩＶＴｔ、及び目標排気位相角ＥＶＴｔに基づいて、ＥＧＲバルブ２２、吸気ＶＶＴ１４、及び排気ＶＶＴ１５の電動アクチュエータを駆動制御する燃焼制御処理を実行する。

〔その他の実施の形態〕
最後に、本願のその他の実施の形態について説明する。なお、以下に説明する各実施の形態の構成は、それぞれ単独で適用されるものに限られず、矛盾が生じない限り、他の実施の形態の構成と組み合わせて適用することも可能である。

（１）上記の実施の形態１においては、トルク特性関数、点火時期設定関数がニューラルネットワークにより構成されている場合を例に説明した。しかし、本願の実施の形態はこれに限定されない。すなわち、トルク特性関数及び点火時期設定関数の一方又は双方が、マップデータ及び近似曲線等の他の関数により構成されてもよい。

（２）上記の実施の形態１においては、ＥＧＲ率目標設定関数、吸気位相角目標設定関数、及び排気位相角目標設定関数等の燃焼制御目標設定関数が、マップデータにより構成されている場合を例に説明した。しかし、本願の実施の形態はこれに限定されない。すなわち、各燃焼制御目標設定関数は、ニューラルネットワーク等の他の関数により構成されてもよい。

（３）上記の実施の形態１においては、燃焼操作機構は、吸気ＶＶＴ１４、排気ＶＶＴ１５、及びＥＧＲバルブ２２とされ、燃焼制御状態の目標値として、目標吸気位相角ＩＶＴｔ、目標排気位相角ＥＶＴｔ、目標ＥＧＲ率Ｒｅｇｒｔが算出され、制御目標設定関数として、吸気位相角目標設定関数、排気位相角目標設定関数、及びＥＧＲ率目標設定関数が用いられている場合を例に説明した。しかし、本願の実施の形態はこれに限定されない。すなわち、燃焼操作機構は、内燃機関のシステム構成により変更され、可変バルブリフト機構、可変圧縮比機構、ターボチャージャ、スワールコントロールバルブ、及びタンブルコントロールバルブ等とされてもよく、燃焼制御状態の目標値は、目標バルブリフト量、目標圧縮比、目標過給圧、目標スワールコントロールバルブ開度、及び目標タンブルコントロールバルブ開度等とされてもよく、制御目標設定関数は、各目標値を設定する関数とされてもよい。

（４）上記の実施の形態１においては、内燃機関１は、ガソリンエンジンとされている場合を例として説明した。しかし、本願の実施の形態はこれに限定されない。すなわち、内燃機関１は、ＨＣＣＩ燃焼（Homogeneous-Charge Compression Ignition Combustion）を行うエンジン等の各種の内燃機関とされてもよい。

本開示は、例示的な実施の形態が記載されているが、実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合が含まれるものとする。

１ 内燃機関、１６ 点火コイル、２５ 燃焼室、３０ 内燃機関の制御装置、３３０ 運転状態検出部、３３１ 吸気量制御部、３３３ 点火制御部、５２ 複数点火トルク算出部、５３ 点火トルク近似曲線算出部、５４ 近似曲線点火算出部、６２ 複数吸気点火算出部、６３ 複数吸気トルク算出部、６４ 吸気トルク近似曲線算出部、６５ トルク吸気量算出部、Ｔｒｑｔｆ 高応答目標トルク、Ｔｒｑｔｓ 低応答目標トルク

Claims (4)

1. 燃焼室内に吸入された空気量の情報である筒内吸気量情報を含む内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出部と、
   前記筒内吸気量情報を含む予め設定された第１種類の運転状態と、目標点火時期の基本値との関係が予め設定された関数である点火時期設定関数を用い、複数の数に予め設定された吸気標本数の前記筒内吸気量情報のそれぞれに対応する前記吸気標本数の前記目標点火時期の基本値を算出する複数吸気点火算出部と、
   前記筒内吸気量情報及び点火時期を含む予め設定された第２種類の運転状態と、前記内燃機関の出力トルクとの関係が予め設定された関数であるトルク特性関数を用い、前記吸気標本数の筒内吸気量情報のそれぞれ、及び前記吸気標本数の目標点火時期の基本値のそれぞれに対応する前記吸気標本数の前記出力トルクである前記吸気標本数の吸気点火対応トルクを算出する複数吸気トルク算出部と、
   前記吸気標本数の筒内吸気量情報と前記吸気標本数の吸気点火対応トルクとの関係を近似した近似曲線である吸気トルク近似曲線を算出する吸気トルク近似曲線算出部と、
   前記吸気トルク近似曲線を用い、前記内燃機関に要求されている出力トルクである目標トルクに対応する前記筒内吸気量情報を、目標筒内吸気量情報として算出する目標吸気量算出部と、
   前記目標筒内吸気量情報に基づいて、筒内に吸入される空気量を制御する吸気量制御部と、
   前記点火時期設定関数を用い、現在の前記第１種類の運転状態に対応する前記目標点火時期の基本値を算出する目標点火時期算出部と、
   前記目標点火時期算出部により算出された前記目標点火時期の基本値に基づいて、目標点火時期を算出し、前記目標点火時期に基づいて、点火コイルへの通電制御を行う点火制御部と、
   前記筒内吸気量情報の実値に基づいて、燃料噴射量を算出し、インジェクタを駆動制御する燃料制御部と、
   を備えた内燃機関の制御装置。
2. 前記点火時期設定関数は、ニューラルネットワークにより構成され、
   前記トルク特性関数は、ニューラルネットワークにより構成されている請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記吸気標本数は、３つ以上の数に予め設定されており、
   前記吸気トルク近似曲線算出部は、前記吸気標本数の筒内吸気量情報及び前記吸気標本数の吸気点火対応トルクに基づいて、２次関数とした前記吸気トルク近似曲線の各項の係数を算出する請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記吸気標本数は、３つに予め設定されており、
   前記複数吸気点火算出部は、前記トルク特性関数を用い、運転状態の実値に対応する前記出力トルクの実値を算出し、
   前記出力トルクの実値に対する前記目標トルクの比を、前記筒内吸気量情報の実値に乗算した値に応じた値を、目標対応筒内吸気量情報として算出し、前記筒内吸気量情報の実値と前記目標対応筒内吸気量情報との間の値を、中間筒内吸気量情報として算出し、
   前記吸気標本数の筒内吸気量情報として、前記筒内吸気量情報の実値、前記目標対応筒内吸気量情報、及び前記中間筒内吸気量情報を用いる請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関の制御装置。

Images