JPWO2014184872A1 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

空気量のトルクへの変換効率を与えるパラメータを用いて、要求トルクを達成するための目標空気量が要求トルクから逆算される。パラメータの値は要求トルクの第２基準値以下への減少に応答して変換効率を下げる方向へ変化し始め、要求トルクが第２基準値から第１基準値へ向けてさらに減少するのに合わせて変換効率を下げる方向へ徐々に変化する。ここで、第１基準値は内燃機関の回転数から算出され、第２基準値は第２空燃比のもとで第１基準値を達成できる空気量と第１空燃比とから算出される。要求トルクが第１基準値より大きい間は、目標空燃比は第１空燃比に設定される。そして、要求トルクの第１基準値以下への減少に応答して、目標空燃比は第１空燃比から第２空燃比へ切り替えられる。

Description

本発明は、運転に用いる空燃比を少なくとも２つの空燃比の間で切り替え可能に構成された内燃機関の空気量、燃料供給量、及び点火時期を統合制御する制御装置に関する。

特開平１１−２２６０９号公報には、内燃機関の燃焼方式を成層燃焼から均質燃焼へ、或いは、均質燃焼から成層燃焼へ切り替え可能な内燃機関における燃焼方式の切り替え制御に関する技術（以下、先行技術）が開示されている。成層燃焼における空燃比は均質燃焼における空燃比よりもリーンであるので、燃焼方式の切り替えには空燃比の切り替えが伴う。空燃比の切り替えの方法としては、トルク段差が発生しないように空燃比を徐々に変化させる方法が周知である。しかし、この周知の方法では、トルクの段差は緩和されるものの所望のトルクを得ることができず、また、本来意図していない空燃比を用いるためにエミッションの悪化を招いてしまう問題があった。上記先行技術はこの問題に対する解決策として提案されている。

上記先行技術によれば、成層燃焼から均質燃焼への切り替え時には、目標当量比は目標空気量（目標シリンダ吸入空気量）と同時にステップ的に切り換えられる。詳しくは、目標当量比がステップ的に増大されると同時に、トルクが一定になるように、目標空気量がステップ的に減少される。しかし、目標空気量に対して実際の空気量は遅れるため、燃焼方式の切り替え後の目標当量比で決定された燃料量はトルクを一定に保つのに必要な量よりも過剰になる。上記先行技術では、この燃料量の過剰分を点火時期の遅角で補正することにより、当量比を燃焼方式の切り替えに応じて応答良く切り替えつつ、トルクの増大を回避することが行われる。

また、上記先行技術によれば、均質燃焼から成層燃焼への切り替え時には、目標当量比をステップ的に切り換える前に目標空気量のみがステップ的に切り替えられる。詳しくは、目標空気量のみをステップ的に増大させて予め空気量を増大させておき、実際の空気量が目標空気量に達するタイミングにて目標当量比をステップ的に減少させる。つまり、目標空気量に遅れて空気量が増大している間は、燃焼方式の切り替え前の目標当量比が維持される。ただし、燃焼方式の切り替え前の目標当量比で燃料量を決定すると、燃料量はトルクを一定に保つのに必要な量よりも過剰になる。このため、上記先行技術では、この燃料量の過剰分を点火時期の遅角で補正することにより、燃焼方式の切り替え前におけるトルクの増大を回避することが行われる。

ところで、上記先行技術では、燃焼方式の切り替えは内燃機関の運転状態に基づいて判断されている。運転状態に基づいた切り替え判断の具体例は、上記特許文献の段落００４２に記載されている。段落００４２には、「ガソリンエンジン等の火花点火式機関で直接燃料噴射を行なって成層燃焼と均質燃焼とを切り換える場合、アイドルや極低負荷運転状態のように均質リーンバーン燃焼を用いることができない運転領域がある。これらの運転領域でエアコン等の高負荷が加わるなどして成層燃焼から均質燃焼の切換要求が発生する場合、空燃比30以上の超リーンな成層燃焼から理論空燃比での均質ストイキ燃焼に切り換える必要がある。」と記載されている。また、段落００３９に記載されているように、上記先行技術によれば、燃焼方式の切り替え時には目標トルクは一定に維持されている。そして、段落００４１に記載されているように、燃料量の過剰によるトルク増大を点火時期の遅角で回避することによって、トルク一定の状態で燃焼方式を切り替えることを達成している。以上のような公報の記載内容から明らかなように、上記先行技術は、目標トルクが一定とされる定常状態での燃焼方式の切り替え制御に関する技術である。

理論空燃比による運転から理論空燃比よりもリーンな空燃比による運転への切り替え、或いは、その逆の切り替えといった空燃比の切り替え制御に着目すると、そのような切り替え制御は定常状態だけではなく過渡状態でも行われ得る制御である。例えば、理論空燃比よりもリーンな空燃比による運転が可能な内燃機関の場合、高負荷域では理論空燃比による運転を選択せざるを得ない場合であっても、ドライバからの減速要求に応じてトルクを減少させる場合には、運転モードを理論空燃比よりもリーンな空燃比による運転に切り替えることができる。逆に、低中負荷域において理論空燃比よりもリーンな空燃比による運転を選択している場合であっても、ドライバからの加速要求に応じてトルクを増大させる場合には、運転モードを理論空燃比による運転に切り替える必要が生じる場合がある。

上記先行技術に関して述べたように、定常状態での空燃比の切り替え制御においては、トルクを一定に保ちながら空燃比を応答良く切り替えることが望まれている。これと同様に、過渡状態での空燃比の切り替え制御においては、アクセルペダルの操作を介してドライバから与えられる要求トルクの増減に応じて内燃機関の出力トルクを滑らかに増減させつつ空燃比を応答良く切り替えることが望まれる。しかしながら、上記先行技術を過渡状態での空燃比の切り替え制御に適用することは容易ではない。上記特許文献は、トルクを一定に維持することを前提にした空燃比（当量比）の切り替え手法について述べるのみであり、トルクを滑らかに減少或いは増大させながら空燃比を応答良く切り替える手法については何も述べていないからである。

なお、理論空燃比による運転と理論空燃比よりもリーンな空燃比による運転との間で運転モードを切り替えるときのトルクショックを抑制する技術としては、特開２００８−０３８８６５号公報に開示された技術をさらに挙げることができる。しかし、この特許文献に記載された技術もトルクを一定に保ちながら空燃比を応答良く切り替えることを目指したものであり、過渡運転時においてトルクを滑らかに減少或いは増大させながら空燃比を応答良く切り替える手法については何も述べられていない。特開２０１０−２２３１２２号公報には、要求トルクに応じて各アクチュエータの操作量を決定するトルクデマンド制御に関する技術が開示されているが、空燃比の切り替えについては全く触れられていない。

特開平１１−２２６０９号公報 特開２０１０−２２３１２２号公報 特開２００８−０３８８６５号公報

本発明は、上述の問題に鑑みなされたもので、運転に用いる空燃比を少なくとも２つの空燃比の間で切り替え可能に構成された内燃機関において、ドライバの要求に応じてトルクを滑らかに変化させながら空燃比を応答良く切り替えることを課題とする。

まず、本発明の創案過程において案出された上記課題に対する第１の解決策について説明する。第１の解決策は、筒内に吸入される空気の量（シリンダ吸入空気量、以下、単に空気量という）を変化させる第１アクチュエータと、筒内に燃料を供給する第２アクチュエータと、筒内の混合気に点火する第３アクチュエータとを有し、第１空燃比による運転と第１空燃比よりもリーンな第２空燃比による運転とを選択可能に構成された内燃機関の制御に関する技術思想である。第１の解決策は制御装置の構成に適用することもできるし、制御方法の手順に適用することもできる。

第１の解決策によれば、要求トルクとトルクに対する所定の基準値とが比較される。要求トルクはドライバが内燃機関に対して要求するトルクであり、アクセルペダル開度に応答する信号に基づいて計算される。トルクに対する基準値は固定値でもよいが機関回転数或いはその他の条件に応じて適宜変更することが好ましい。要求トルクが基準値より大きい間は、運転モードとして第１空燃比による運転を行う第１運転モードが選択され、要求トルクが減少して基準値を下回った場合には、第１運転モードから第２空燃比による運転を行う第２運転モードへ運転モードの切り替えが行われる。また、要求トルクが基準値より小さい間は運転モードとして第２運転モードが選択され、要求トルクが増大して基準値を上回った場合には、第２運転モードから第１運転モードへ運転モードの切り替えが行われる。

要求トルクの減少によって運転モードが第１運転モードから第２運転モードへ切り替えられた場合、運転モードの切り替えに応答して目標空燃比を第１空燃比から第２空燃比へ切り替えることが行われる。ただし、目標空燃比の第１空燃比から第２空燃比への切り替えに先行して、要求トルクを達成するための目標空気量の算出に用いるパラメータの値の変更が行われる。このパラメータは、空気量のトルクへの変換効率を与えるパラメータであって、目標空気量はこのパラメータを用いて要求トルクから逆算される。パラメータは、運転モードの切り替えに応答して空気量のトルクへの変換効率を下げる値へ変更される。なお、パラメータの例として空燃比に対応するパラメータを挙げることができる。この場合、運転モードが第１運転モードから第２運転モードへ切り替えられた時点において、パラメータの値を第１空燃比に対応する値から第２空燃比に対応する値へ切り替えることが行われる。

目標空燃比を第１空燃比から第２空燃比へ切り替えるタイミングとしては、運転モードの第１運転モードから第２運転モードへの切り替えに応答してパラメータの値が変更された後、一定時間が経過した時点とすることができる。また、運転モードの第１運転モードから第２運転モードへの切り替えに応答してパラメータの値が変更された後、目標空気量と推定空気量との差が閾値以下になった時点とすることもできる。

一方、要求トルクの増大によって運転モードが第２運転モードから第１運転モードへ切り替えられた場合、運転モードの切り替えに応答して目標空燃比を第２空燃比から第１空燃比へ切り替えることが行われる。この場合、目標空燃比の切り替えは運転モードの切り替えと同時に行われ、さらに、目標空気量の算出に用いるパラメータの値の変更も同時に行われる。このとき、パラメータは、空気量のトルクへの変換効率を上げる値へ変更される。パラメータが空燃比に対応するパラメータであるならば、運転モードが第２運転モードから第１運転モードへ切り替えられた時点において、パラメータの値を第２空燃比に対応する値から第１空燃比に対応する値へ切り替えることが行われる。

上記処理によって決定された目標空気量と目標空燃比とに基づいて３種類のアクチュエータが協調操作される。まず、目標空気量に基づいて第１アクチュエータの操作量が決定され、決定された操作量に従って第１アクチュエータの操作が行われる。また、目標空燃比に基づいて燃料供給量が決定され、決定された燃料供給量に従って第２アクチュエータの操作が行われる。そして、第１アクチュエータの操作量と目標空燃比とから推定されるトルクと要求トルクとに基づいて要求トルクを達成するための点火時期が決定され、決定された点火時期に従って第３アクチュエータの操作が行われる。

以上が第１の解決策の概要である。第１の解決策によれば前述の課題を概ね達成できることが確認されたが、目標空燃比の切り替え後に実空燃比に若干の変動が生じる可能性があることもわかった。第１の解決策によれば減速時には目標空燃比の切り替えに先立ち空気量を第２空燃比に応じた空気量まで増大させ、加速時には目標空燃比の切り替えと同時に空気量を第１空燃比に応じた空気量まで減少させるが、このときの空気量の変化速度が速いことが実空燃比に若干の変動を生じさせる原因である。空気量の変化速度が速いということは、吸気ポートからシリンダ内に吸入される空気の流量が大きく変化することを意味する。吸入空気流量の大きな変化は吸気ポートに付着した燃料の気化量を変動させ、その影響によって目標空燃比の切り替え後の実空燃比に若干の変動が生じてしまう。実空燃比の変動はトルクの変動を招き、ドライバの減速要求或いは加速要求に見合ったトルクの滑らかな減少或いは増大を損ねてしまう可能性がある。

第１の解決策におけるこのような懸念について検討し、上記課題に対するより好適な解決策（第２の解決策）として案出されたものが本発明である。

本発明は内燃機関の制御装置の構成に適用することができる。以下、本発明に係る内燃機関の制御装置の概要について説明する。ただし、以下に説明する本発明の内容から明らかであるように、本発明は内燃機関の制御方法の手順に適用することができるし、制御装置で実行されるプログラムのアルゴリズムに適用することもできる。

本発明に係る制御装置は、３種類のアクチュエータを有し、第１空燃比による運転と第１空燃比よりもリーンな第２空燃比による運転とを選択可能に構成された内燃機関を制御対象とする。３種類のアクチュエータとは、空気量を変化させる第１アクチュエータ、筒内に燃料を供給する第２アクチュエータ、そして、筒内の混合気に点火する第３アクチュエータである。第１アクチュエータには、例えば、スロットル、吸気バルブのバルブタイミングを変化させる可変バルブタイミング機構が含まれ、さらに内燃機関が過給エンジンであるならば、過給器の過給特性を変化させる過給特性可変アクチュエータ、具体的には、可変ノズルやウエストゲートバルブ等が第１アクチュエータに含まれる。第２アクチュエータは具体的には燃料を噴射するインジェクタであり、例えば、吸気ポートに燃料を噴射するポートインジェクタとシリンダ内に燃料を直接噴射する筒内インジェクタとが含まれる。第３アクチュエータは具体的には点火装置である。本発明に係る制御装置は、これら３種類のアクチュエータの協調操作によって内燃機関の空気量、燃料供給量、及び点火時期を統合制御する。

本発明に係る制御装置はコンピュータによって具現化することができる。より詳しくは、種々の機能を実現するための処理を記述したプログラムを記憶したメモリと、同メモリからプログラムを読みだして実行するプロセッサとを備えたコンピュータによって本発明に係る制御装置を構成することができる。本発明に係る制御装置が備える機能には、上記３種類のアクチュエータの協調操作に用いる目標空気量及び目標空燃比を決定するための機能として、要求トルク受信機能、基準値算出機能、目標空燃比切替機能、目標空気量算出機能、及びパラメータ値変更機能が含まれている。

要求トルク受信機能によれば、内燃機関に対する要求トルクが受信される。要求トルクはドライバによって操作されるアクセルペダルの開度に応答する信号に基づいて計算される。ドライバが内燃機関に対して減速を要求する場合には、ドライバがアクセルペダルを閉じる速度に応じて減少する要求トルクが得られる。ドライバが内燃機関に対して加速を要求する場合には、ドライバがアクセルペダルを開く速度に応じて増大する要求トルクが得られる。

基準値算出機能によれば、まず、内燃機関の回転数からトルクに対する第１基準値が算出される。次に、第２空燃比のもとで第１基準値を達成できる空気量が算出され、その空気量と第１空燃比とからトルクに対する第２基準値が算出される。つまり、第２空燃比のもとで第１基準値を達成できる空気量において、空燃比を第１空燃比に調整したならば得られるトルクの値が第２基準値である。第１基準値及び第２基準値は運転モードの切り替えに用いられる基準値であり、本発明に係る制御装置は、ドライバの減速要求に応じて減少する要求トルクをこれらの基準値と比較し、その比較に基づいて運転モードの切り替えを実行する。

目標空燃比切替機能によれば、要求トルクが第１基準値より大きいことに応答して、目標空燃比は第１空燃比に設定される。また、要求トルクの第１基準値以下への減少に応答して、目標空燃比は第１空燃比から第２空燃比へ切り替えられる。つまり、ドライバの減速要求に応じて要求トルクが減少する場合、要求トルクが第１基準値より大きい間は目標空燃比は第１空燃比に維持され、要求トルクが第１基準値以下に減少したときに目標空燃比は第２空燃比へ切り替えられる。本発明に係る制御装置では、要求トルクが第１基準値を下回ることが、第１空燃比による運転を行う第１運転モードから第２空燃比による運転を行う第２運転モードへと運転モードを切り替えるトリガーとして用いられる。第１基準値は、内燃機関の回転数との関係において燃費性能や排気ガス性能の観点から最も好適な値に設定されている。

目標空気量算出機能によれば、要求トルクを達成するための目標空気量が要求トルクから逆算される。目標空気量の計算には、空気量のトルクへの変換効率を与えるパラメータが用いられる。パラメータの値は可変であり、パラメータ値変更機能によって変更される。パラメータ値変更機能によれば、要求トルクの第２基準値以下への減少に応答して、パラメータの値は変換効率を下げる方向へ変化させ始められる。そして、要求トルクが第２基準値から第１基準値へ向けてさらに減少するのに合わせて、パラメータの値は変換効率を下げる方向へ徐々に変化させられる。

空気量のトルクへの変換効率を一定とした場合、要求トルクが減少すれば目標空気量もそれに応じて減少することになる。しかし、本発明に係る制御装置によれば、変換効率を与えるパラメータの値を上述のように変更することにより、要求トルクが第２基準値から第１基準値まで減少するまでの間の目標空気量の減少は抑えられる。要求トルクが第１基準値を下回って運転モードが第２運転モードに切り替えられる場合、切り替え後の第２空燃比による運転では、第１空燃比による運転で必要な空気量よりも多くの空気量を必要とする。本発明に係る制御装置によれば、切り替えの時点までの目標空気量の減少が抑えられるので、切り替えの時点になって目標空気量を大きく増大させる必要がなくなる。しかも、パラメータの値は変換効率を下げる方向へ徐々に変化させられているので、要求トルクが第１基準値まで減少する間の目標空気量の大きな変化も抑えられる。

目標空気量の計算に用いるパラメータの例として、空燃比に対応するパラメータを挙げることができる。空燃比が理論空燃比よりもリーンであるほど同一空気量で発生するトルクは低下することから、空燃比に対応するパラメータは空気量のトルクへの変換効率を与えるパラメータに該当する。空燃比に対応するパラメータを目標空気量の計算に用いる場合、要求トルクが第２基準値より大きいことに応答して、パラメータの値は第１空燃比に対応する値に設定される。つまり、要求トルクが第２基準値より大きい間は、空燃比が第１空燃比であることを前提にして要求トルクから目標空燃比が算出される。また、要求トルクの第２基準値以下への減少に応答して、パラメータの値は第１空燃比に対応する値から変化させ始められる。そして、要求トルクが第２基準値から第１基準値まで減少するのに合わせて、パラメータの値は第１空燃比に対応する値から第２空燃比に対応する値まで徐々に変化させられる。つまり、要求トルクが第２基準値以下に減少した場合には、目標空燃比が第１空燃比から第２空燃比に切り替えられるのに先行して、目標空気量の計算に用いられる空燃比が第１空燃比から第２空燃比へ徐々に変更されていく。

目標空気量の計算に用いるパラメータの例として、さらに、点火時期に対応するパラメータを挙げることができる。点火時期が最適点火時期よりも遅角されるほど同一空気量で発生するトルクは低下することから、点火時期に対応するパラメータは空気量のトルクへの変換効率を与えるパラメータに該当する。点火時期に対応するパラメータを目標空気量の計算に用いる場合、要求トルクが第２基準値より大きいことに応答して、パラメータの値は最適点火時期に対応する値に設定される。つまり、要求トルクが第２基準値より大きい間は、点火時期が最適点火時期であることを前提にして要求トルクから目標空燃比が算出される。また、要求トルクの第２基準値以下への減少に応答して、パラメータの値は最適点火時期に対応する値から変化させ始められる。そして、要求トルクが第２基準値から第１基準値まで減少するまで、第２基準値に対する要求トルクの比率に合わせて、パラメータの値はより遅角された点火時期に対応する値へ徐々に変化させられる。つまり、要求トルクが第２基準値以下に減少した場合には、目標空燃比が第１空燃比から第２空燃比に切り替えられるのに先行して、目標空気量の計算の前提となる点火時期が最適点火時期から徐々に遅角されていく。なお、この場合、目標空気量の計算の前提となる空燃比には目標空燃比を用いることができる。

点火時期に対応するパラメータは、好ましくは、要求トルクを除算する係数として表される。パラメータがこのような係数で表されるのであれば、要求トルクが第２基準値より大きいことに応答してパラメータの値は１に設定される。また、要求トルクの第２基準値以下への減少に応答してパラメータの値は１から減少させ始められ、要求トルクが第２基準値から第１基準値まで減少するまで、第２基準値に対する要求トルクの比率がパラメータの値として算出される。パラメータの値が第２基準値に対する要求トルクの比率である場合、要求トルクをパラメータで除算して得られる値は第２基準値に一致する。よって、パラメータを係数として用いた目標空気量の計算では、要求トルクが第２基準値から第１基準値まで減少するまでの間、要求トルクに代えて第２基準値を空気量に変換した値が目標空気量として算出される。

本発明に係る制御装置は、上記処理によって決定された目標空気量と目標空燃比とに基づいて３種類のアクチュエータを協調操作する。本発明に係る制御装置が備える機能には、目標空気量と目標空燃比とに基づいた協調操作のための機能として、第１アクチュエータ制御機能、第２アクチュエータ制御機能、及び第３アクチュエータ制御機能が含まれる。

第１アクチュエータ制御機能によれば、目標空気量に基づいて第１アクチュエータの操作量が決定される。そして、決定された操作量に従って第１アクチュエータの操作が行われる。第１アクチュエータの操作によって実際の空気量は目標空気量に追従するように変化する。本発明に係る制御装置によれば、要求トルクが減少して運転モードが切り替えられるまでの間の目標空気量の大きな変化は抑えられ、運転モードの切り替えの前後での目標空気量の大きな変化も抑えられている。このため、目標空燃比の切り替えの前後での空気量の変化速度の挙動は安定する。

第２アクチュエータ制御機能によれば、目標空燃比に基づいて燃料供給量が決定される。そして、決定された燃料供給量に従って第２アクチュエータの操作が行われる。本発明に係る制御装置によれば空気量の変化速度の挙動は安定することから、第１の解決策において懸念されていた減速時の実空燃比の変動は抑えられる。

第３アクチュエータ制御機能によれば、第１アクチュエータの操作量と目標空燃比とから推定されるトルクと要求トルクとに基づいて要求トルクを達成するための点火時期が決定される。そして、決定された点火時期に従って第３アクチュエータの操作が行われる。第１アクチュエータの操作量からは実際の空気量を推定することができ、推定空気量と目標空燃比とからトルクを推定することができる。第３アクチュエータの操作は、推定トルクの要求トルクに対する過剰分を点火時期によって補正するように行われる。本発明に係る制御装置によれば、目標空燃比に対する実空燃比の変動は抑えられることから、目標空燃比に基づいて決定された点火時期によって要求トルクを精度よく達成し、ドライバの減速要求に応じてトルクを滑らかに減少させることができる。

本発明に係る制御装置が備える上述の機能は、減速時においてドライバビリティと空燃比の制御性とを共に満足させるために好適な機能である。加速時におけるドライバビリティと空燃比の制御性とを共に満足させるためには、さらに以下の機能を備えることが好ましい。なお、加速時に適応した機能には次の２つの好ましい形態が存在する。

第１の好ましい形態によれば、基準値算出機能には、第１空燃比のもとで第１基準値を達成できる空気量と第２空燃比とからトルクに対する第３基準値を算出する機能が含まれる。第１空燃比のもとで第１基準値を達成できる空気量において、空燃比を第２空燃比に調整したならば得られるトルクの値が第３基準値である。第３基準値は運転モードの切り替えに用いられる基準値であり、第１の好ましい形態によれば、ドライバの加速要求に応じて増大する要求トルクと第３基準値とが比較され、その比較に基づいて運転モードの切り替えが実行される。

第１の好ましい形態によれば、目標空燃比切替機能とパラメータ値変更機能のそれぞれにも付加的な機能が含まれる。目標空燃比切替機能に含まれる付加的な機能によれば、要求トルクが第３基準値より小さいことに応答して、目標空燃比は第２空燃比に設定される。そして、要求トルクの第３基準値以上への増大に応答して、目標空燃比は第２空燃比から第１空燃比へ切り替えられる。つまり、ドライバの加速要求に応じて要求トルクが増大する場合、要求トルクが第３基準値より小さい間は目標空燃比は第２空燃比に維持され、要求トルクが第３基準値以上に増大したときに目標空燃比は第１空燃比へ切り替えられる。第１の好ましい形態では、要求トルクが第３基準値を上回ることが、第２空燃比による運転を行う第２運転モードから第１空燃比による運転を行う第１運転モードへと運転モードを切り替えるトリガーとして用いられる。

パラメータ値変更機能に含まれる付加的な機能によれば、要求トルクの第３基準値以上への増大に応答して、パラメータの値は変換効率を上げる方向へ変化させ始められる。そして、要求トルクが第３基準値から第１基準値に向けてさらに増大するのに合わせて、パラメータの値は変換効率を上げる方向へ徐々に変化させられる。

空気量のトルクへの変換効率を一定とした場合、要求トルクが第３基準値を上回って運転モードが第１運転モードに切り替えられるとき、切り替え後の第１空燃比による運転で必要とされる空気量は、第２空燃比による運転で必要な空気量よりもステップ的に減少する。ところが、このような空気量のステップ的な減少をアクチュエータの操作で実現することは難しい。本発明に係る制御装置によれば、変換効率を与えるパラメータの値を上述のように変更することにより、運転モードが切り替えられた直後での目標空気量のステップ的な減少は回避され、要求トルクが第３基準値から第１基準値に向けて増大するまでの間の目標空気量の大きな変化も抑えられる。そして、目標空燃比の切り替え後の空気量の変化速度の挙動が安定することから、第１の解決策において懸念されていた加速時の実空燃比の変動は抑えられる。

第１の好ましい形態では、目標空気量の計算に用いるパラメータとして空燃比に対応するパラメータを用いることができる。空燃比に対応するパラメータを目標空気量の計算に用いる場合、要求トルクが第３基準値より小さいことに応答して、パラメータの値は第２空燃比に対応する値に設定される。つまり、要求トルクが第３基準値より小さい間は、空燃比が第２空燃比であることを前提にして要求トルクから目標空燃比が算出される。また、要求トルクの第３基準値以上への増大に応答して、パラメータの値は第２空燃比に対応する値から変化させ始められる。そして、要求トルクが第３基準値から第１基準値に向けてさらに増大するのに合わせて、パラメータの値は第２空燃比に対応する値から第１空燃比に対応する値に向けて徐々に変化させられる。つまり、要求トルクが第３基準値以上に増大した場合には、目標空燃比は第２空燃比から第１空燃比にステップ的に切り替えられる一方、目標空気量の計算に用いられる空燃比は第２空燃比から第１空燃比へ徐々に変更されていく。

第１の好ましい形態で用いられるパラメータの他の例として、点火時期に対応するパラメータを挙げることができる。点火時期に対応するパラメータを目標空気量の計算に用いる場合、要求トルクが第３基準値より小さいことに応答して、パラメータの値は最適点火時期に対応する値に設定される。つまり、要求トルクが第３基準値より小さい間は、点火時期が最適点火時期であることを前提にして要求トルクから目標空燃比が算出される。また、要求トルクの第３基準値以上への増大に応答して、パラメータの値は最適点火時期よりも遅角された点火時期に対応する値までステップ的に低下させられる。そして、要求トルクが第３基準値から第１基準値まで増大するまで、第１基準値に対する要求トルクの比率に合わせてパラメータの値は徐々に変化させられる。つまり、要求トルクが第３基準値以上に増大した場合には、目標空燃比が第２空燃比から第１空燃比にステップ的に切り替えられるのに合わせて、目標空気量の計算の前提となる点火時期は一旦大きく遅角され、その後、要求トルクが第１基準値まで増大するのに合わせて徐々に進角されていく。なお、目標空気量の計算の前提となる空燃比には目標空燃比を用いることができる。

点火時期に対応するパラメータは、好ましくは、要求トルクを除算する係数として表される。パラメータがこのような係数で表されるのであれば、要求トルクが第３基準値より小さいことに応答してパラメータの値は１に設定される。また、要求トルクの第３基準値以上への増大に応答してパラメータの値を１からステップ的に減少させられ、要求トルクが第３基準値から第１基準値まで増大するまで、第１基準値に対する要求トルクの比率がパラメータの値として算出される。パラメータの値が第１基準値に対する要求トルクの比率である場合、要求トルクをパラメータで除算して得られる値は第１基準値に一致する。よって、パラメータを係数として用いた目標空気量の計算では、要求トルクが第３基準値から第１基準値まで増大するまでの間、要求トルクに代えて第１基準値を空気量に変換した値が目標空気量として算出される。

次に第２の好ましい形態について説明する。第２の好ましい形態では、第１基準値が運転モードの切り替えに用いられる。ドライバの加速要求に応じて増大する要求トルクと第１基準値とが比較され、その比較に基づいて運転モードの切り替えが実行される。

第２の好ましい形態によれば、目標空燃比切替機能とパラメータ値変更機能のそれぞれに付加的な機能が含まれる。目標空燃比切替機能に含まれる付加的な機能によれば、要求トルクが第１基準値より小さいことに応答して、目標空燃比は第２空燃比に設定される。そして、要求トルクの第１基準値以上への増大に応答して、目標空燃比は第２空燃比から第１空燃比へ切り替えられる。つまり、ドライバの加速要求に応じて要求トルクが増大する場合、要求トルクが第１基準値より小さい間は目標空燃比は第２空燃比に維持され、要求トルクが第１基準値以上に増大したときに目標空燃比は第１空燃比へ切り替えられる。第２の好ましい形態では、要求トルクが第１基準値を上回ることが、第２空燃比による運転を行う第２運転モードから第１空燃比による運転を行う第１運転モードへと運転モードを切り替えるトリガーとして用いられる。

パラメータ値変更機能に含まれる付加的な機能によれば、要求トルクの第１基準値以上への増大に応答して、パラメータの値は変換効率を上げる方向へ変化させ始められる。そして、要求トルクが第１基準値から第２基準値に向けてさらに増大するのに合わせて、パラメータの値は変換効率を上げる方向へ徐々に変化させられる。第２の好ましい形態では、好ましくは、目標空気量の計算に用いるパラメータは点火時期に対応するパラメータとされる。要求トルクが第１基準値より小さいことに応答して、パラメータの値は最適点火時期に対応する値に設定される。つまり、要求トルクが第１基準値より小さい間は、点火時期が最適点火時期であることを前提にして要求トルクから目標空燃比が算出される。また、要求トルクの第１基準値以上への増大に応答して、パラメータの値は最適点火時期よりも遅角された点火時期に対応する値までステップ的に低下させられる。そして、要求トルクが第１基準値から第２基準値まで増大するまで、第１基準値に対する要求トルクの比率に合わせてパラメータの値は徐々に変化させられる。つまり、要求トルクが第１基準値以上に増大した場合には、目標空燃比が第２空燃比から第１空燃比にステップ的に切り替えられるのに合わせて、目標空気量の計算の前提となる点火時期は一旦大きく遅角され、その後、要求トルクが第２基準値まで増大するのに合わせて徐々に進角されていく。

第２の好ましい形態では、点火時期に対応するパラメータは、好ましくは、要求トルクを除算する係数として表される。パラメータがこのような係数で表されるのであれば、要求トルクが第１基準値より小さいことに応答してパラメータの値は１に設定される。また、要求トルクの第１基準値以上への増大に応答してパラメータの値は１からステップ的に減少させられ、要求トルクが第１基準値から第２基準値まで増大するまで、第２基準値に対する要求トルクの比率がパラメータの値として算出される。パラメータの値が第２基準値に対する要求トルクの比率である場合、要求トルクをパラメータで除算して得られる値は第２基準値に一致する。よって、パラメータを係数として用いた目標空気量の計算では、要求トルクが第１基準値から第２基準値まで増大するまでの間、要求トルクに代えて第２基準値を空気量に変換した値が目標空気量として算出される。

空気量のトルクへの変換効率を一定とした場合、要求トルクが第１基準値を上回って運転モードが第１運転モードに切り替えられるとき、切り替え後の第１空燃比による運転で必要とされる空気量は、第２空燃比による運転で必要な空気量よりもステップ的に減少する。ところが、このような空気量のステップ的な減少をアクチュエータの操作で実現することは難しい。第２の好ましい形態によれば、変換効率を与えるパラメータの値を上述のように変更することにより、運転モードが切り替えられた直後での目標空気量のステップ的な減少は回避され、要求トルクが第１基準値から第２基準値に向けて増大するまでの間の目標空気量の大きな変化も抑えられる。特に、パラメータとして点火時期に対応するパラメータが用いられ、それが要求トルクを除算する係数として表されている場合には、要求トルクが第１基準値から第２基準値まで増大する間、目標空気量をほぼ一定にすることができる。これによれば、目標空燃比の切り替え後の空気量の変化速度の挙動は安定することから、第１の解決策において懸念されていた加速時の実空燃比の変動は抑えられる。

本発明の実施の形態１に係る制御装置のロジックを示すブロック図である。 本発明の実施の形態１に係る制御装置の運転モードの切り替えのロジックを示すブロック図である。 第１の解決策による減速時の制御結果のイメージを示すタイムチャートである。 第１の解決策による加速時の制御結果のイメージを示すタイムチャートである。 本発明の実施の形態１に係る制御装置による減速時の制御結果のイメージを示すタイムチャートである。 本発明の実施の形態１に係る制御装置による加速時の制御結果のイメージを示すタイムチャートである。 本発明の実施の形態２に係る制御装置の運転モードの切り替えのロジックを示すブロック図である。 本発明の実施の形態２に係る制御装置による減速時の制御結果のイメージを示すタイムチャートである。 本発明の実施の形態２に係る制御装置による加速時の制御結果のイメージを示すタイムチャートである。 本発明の実施の形態３に係る制御装置の運転モードの切り替えのロジックを示すブロック図である。 本発明の実施の形態３に係る制御装置による加速時の制御結果のイメージを示すタイムチャートである。 本発明の実施の形態４に係る制御装置のロジックを示すブロック図である。 本発明の実施の形態４に係る制御装置で採られている運転領域の設定を示す図である。

［実施の形態１］
以下、本発明の実施の形態１について図を参照して説明する。

本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。また、このエンジンはいわゆるリーンバーンエンジンであり、エンジンの運転モードとして、理論空燃比による運転を行うストイキモード（第１運転モード）と、理論空燃比よりもリーンな空燃比による運転を行うリーンモード（第２運転モード）とを選択可能に構成されている。

車両に搭載されているＥＣＵ（Electrical control Unit）は、エンジンに備えられる各種の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。ＥＣＵにより操作されるアクチュエータには、空気量を変化させる第１アクチュエータであるスロットルと可変バルブタイミング機構（以下、ＶＶＴ）、筒内に燃料を供給する第２アクチュエータであるインジェクタ、筒内の混合気に点火する第３アクチュエータである点火装置が含まれる。ＶＶＴは吸気バルブに対して設けられ、インジェクタは吸気ポートに設けられている。ＥＣＵはこれらのアクチュエータを操作してエンジンの運転を制御する。ＥＣＵによるエンジンの制御には、ストイキモードからリーンモードへ、或いは、リーンモードからストイキモードへの運転モードの切り替えが含まれている。

図１には、本実施の形態に係るＥＣＵのロジックがブロック図で示されている。ＥＣＵはエンジンコントローラ１００とパワートレインマネージャ２００を含む。エンジンコントローラ１００はエンジンを直接制御する制御装置であって、本発明に係る制御装置に相当する。パワートレインマネージャ２００は、エンジンや電子制御式自動変速機、さらにはＶＳＣやＴＲＣ等の車両制御デバイスを含む駆動系全体を統合制御する制御装置である。エンジンコントローラ１００は、パワートレインマネージャ２００から受け取った信号に基づいてエンジンの運転を制御するように構成されている。エンジンコントローラ１００とパワートレインマネージャ２００は、いずれもソフトウェアによって実現される。詳しくは、メモリに記憶されたプログラムを読み出し、それをプロセッサによって実行することによって、エンジンコントローラ１００とパワートレインマネージャ２００のそれぞれの機能がＥＣＵにおいて実現される。なお、ＥＣＵがマルチコアプロセッサを備える場合には、エンジンコントローラ１００とパワートレインマネージャ２００のそれぞれを異なるコア或いはコアグループに割り当てることができる。

図１におけるパワートレインマネージャ２００を示すブロック内には、パワートレインマネージャ２００が備える種々の機能のうち、エンジンの制御に関係する機能の一部がブロックで表されている。これらブロックのそれぞれに演算ユニットが割り当てられている。ＥＣＵには各ブロックに対応するプログラムが用意され、それらがプロセッサによって実行されることで各演算ユニットの機能がＥＣＵにおいて実現される。なお、ＥＣＵがマルチコアプロセッサを備える場合には、パワートレインマネージャ２００を構成する演算ユニットを複数のコアに分散させて割り当てることができる。

演算ユニット２０２は要求第１トルクを計算してエンジンコントローラ１００に送信する。図中では、要求第１トルクは“TQ1r”と表記されている。第１トルクは、エンジンに求められる応答性が高くなく、今直ぐでなくとも近い将来に実現されればよい種類のトルクである。要求第１トルクは、パワートレインマネージャ２００がエンジンに対して要求する第１トルクの要求値であって、本発明における要求トルクに相当する。演算ユニット２０２には、図示しないアクセルポジションセンサから、アクセルペダルの開度に応答して出力された信号が入力されている。要求第１トルクはその信号に基づいて計算される。なお、要求第１トルクは軸トルクである。

演算ユニット２０４は要求第２トルクを計算してエンジンコントローラ１００に送信する。図中では、要求第２トルクは“TQ2r”と表記されている。第２トルクは、第１トルクよりも緊急性或いは優先度が高くエンジンに高い応答性が求められる種類のトルク、すなわち、今直ぐに実現することが求められる種類のトルクである。ここで言う応答性とはトルクを一時的に低下させるときの応答性を意味する。要求第２トルクは、パワートレインマネージャ２００がエンジンに対して要求する第２トルクの要求値である。演算ユニット２０４で算出される要求第２トルクには、電子制御式自動変速機の変速制御のために要求されるトルク、トラクション制御のために要求されるトルク、横滑り防止制御のために要求されるトルク等、車両制御システムから要求されるトルクが含まれている。第１トルクが定常的に或いは長期間にわたってエンジンに求められるトルクであるのに対し、第２トルクはエンジンに対して突発的に或いは短期間の間に求められるトルクであるという側面を持つ。このため、演算ユニット２０４は、実際にそのようなトルクが必要となるイベントが発生した場合のみ、実現したいトルクの大きさに応じた有効値を出力し、そのようなイベントが発生していない間は無効値を出力する。無効値はエンジンが出力しうる最大軸トルクよりも大きい値に設定されている。

演算ユニット２０６は自動変速機の変速比を算出し、図示しない変速機コントローラに変速比を指示する信号を送信する。変速機コントローラはパワートレインマネージャ２００やエンジンコントローラ１００と同様にＥＣＵの１つの機能として実現されている。演算ユニット２０６には、エンジンコントローラ１００からフラグ信号が入力される。図中では、フラグ信号は“FLG”と表記されている。フラグ信号は運転モードの切り替え中であることを示す信号である。フラグ信号がオンの間、演算ユニット２０６は自動変速機の変速比を固定する。つまり、運転モードの切り替えを行なっている間は、エンジンの運転状態が大きく変化しないように自動変速機による変速比の変更を禁止することが行われる。

演算ユニット２０８は、所定の条件が満たされたことに応答して、運転モードの切り替えの中止を指示する中止信号をエンジンコントローラ１００に送信する。図中では、中止信号は“Stop”と表記されている。所定の条件とは、エンジンの運転状態を大きく変化させる要求がパワートレインマネージャ２００から出されることである。例えば、自動変速機の変速比を変更する場合や、触媒の暖機のためにエンジンに対して点火時期や燃料噴射量に関する特別な要求が出される場合には、演算ユニット２０８から中止信号が出力される。

次に、エンジンコントローラ１００の構成について説明する。エンジンコントローラ１００とパワートレインマネージャ２００との間にはインタフェース１０１、１０２、１０３、１０４が設定されている。インタフェース１０１は本発明における要求トルク受信手段に相当し、インタフェース１０１では要求第１トルクの受け渡しが行われる。インタフェース１０２では中止信号の受け渡しが行われる。インタフェース１０３ではフラグ信号の受け渡しが行われる。そして、インタフェース１０４では要求第２トルクの受け渡しが行われる。

図１におけるエンジンコントローラ１００を示すブロック内には、エンジンコントローラ１００が備える種々の機能のうち、３種のアクチュエータ、すなわち、第１アクチュエータであるスロットル２及びＶＶＴ８、第２アクチュエータであるインジェクタ４、及び、第３アクチュエータである点火装置６の協調操作に関係する機能がブロックで表されている。これらブロックのそれぞれに演算ユニットが割り当てられている。ＥＣＵには各ブロックに対応するプログラムが用意され、それらがプロセッサによって実行されることで各演算ユニットの機能がＥＣＵにおいて実現される。なお、ＥＣＵがマルチコアプロセッサを備える場合には、エンジンコントローラ１００を構成する演算ユニットを複数のコアに分散させて割り当てることができる。

エンジンコントローラ１００は、大きく分けて３つの大演算ユニット１２０、１４０、１６０から構成されている。大演算ユニット１２０はエンジンに対する種々の制御用パラメータの値を計算する。制御用パラメータにはエンジンに対する各種制御量の目標値が含まれる。さらに、目標値には、パワートレインマネージャ２００から送信された要求値に基づいて計算されるものと、エンジンの運転状態に関する情報に基づいて大演算ユニット１２０の内部で計算されるものとが含まれる。なお、要求値はエンジンの状態を考慮することなくパワートレインマネージャ２００から一方的に要求される制御量の値であるのに対し、目標値はエンジンの状態によって決まる実現可能な範囲に基づいて設定される制御量の値である。大演算ユニット１２０は、より具体的には、４つの演算ユニット１２２、１２４、１２６、１２８から構成されている。

演算ユニット１２２は、エンジンに対する制御用パラメータとして、目標空燃比、仮想空燃比、切替用目標効率、及び切替用目標第２トルクを計算する。図中では、目標空燃比は“Aft”と表記され、仮想空燃比は“AFh”と表記され、切替用目標効率は“ηtc”と表記され、切替用目標第２トルクは“TQ2c”と表記されている。目標空燃比は、エンジンに実現される空燃比の目標値であって、燃料噴射量の計算に使用される。一方、仮想空燃比は、トルクの空気量への変換効率を与えるパラメータであって、目標空気量の計算に使用される。切替用目標効率は、運転モードの切り替えのための点火時期効率の目標値であって、目標空気量の計算に使用される。点火時期効率とは、点火時期が最適点火時期であるときに出力しうるトルクに対する実際に出力されるトルクの割合を意味し、点火時期が最適点火時期のときに最大値である１になる。なお、最適点火時期とは、基本的にはＭＢＴ（Minimum Advance for Best Torque）を意味し、トレースノック点火時期が設定されている場合には、ＭＢＴとトレースノック点火時期のうちより遅角側にある点火時期を意味する。切替用目標第２トルクは、運転モードの切り替えのための第２トルクの目標値であって、運転モードの切り替え時において点火時期効率の計算の切り替えに用いられる。演算ユニット１２２で計算されるこれら制御用パラメータの値の組み合わせによって、運転モードの切り替えが実行される。演算ユニット１２２で行われる処理の内容と運転モードの切り替えとの関係については後で詳しく説明する。

演算ユニット１２２には、パワートレインマネージャ２００から与えられた要求第１トルク、要求第２トルク、中止信号の他、エンジン回転数等のエンジンの運転状態に関する様々な情報が入力されている。このうち運転モードの切り替えのタイミングの判断に用いられる情報は要求第１トルクである。要求第２トルクと中止信号は運転モードの切り替えが許可されているのか禁止されているのかを判断するための情報として用いられる。中止信号が入力されているとき、及び、有効な値の要求第２トルクが入力されているときには、演算ユニット１２２は運転モードの切り替えに関わる処理は実行しない。また、演算ユニット１２２は、運転モードの切り替え中、つまり、運転モードの切り替えのための計算処理を実行している間は、前述のフラグ信号をパワートレインマネージャ２００に送信する。

演算ユニット１２４は、エンジンに対する制御用パラメータとして、現在のエンジンの運転状態を維持するか或いは予定されている所定の運転状態を実現させるために必要とされるトルクのうち、第１トルクに分類されるトルクを計算する。ここでは、演算ユニット１２４で計算されるトルクをその他第１トルクと呼ぶ。図中では、その他第１トルクは“TQ1etc”と表記されている。その他第１トルクには、エンジンがアイドル状態にある場合において所定のアイドル回転数を維持するために必要なトルクのうち、空気量の制御のみによって達成可能な変動の範囲にあるトルクが含まれる。演算ユニット１２４は、実際にそのようなトルクが必要になった場合のみ有効値を出力し、そのようなトルクが必要のない間は無効値を算出する。無効値はエンジンが出力しうる最大図示トルクよりも大きい値に設定されている。

演算ユニット１２６は、エンジンに対する制御用パラメータとして、現在のエンジンの運転状態を維持するか或いは予定されている所定の運転状態を実現させるために必要とされるトルクのうち、第２トルクに分類されるトルクを計算する。ここでは、演算ユニット１２６で計算されるトルクをその他第２トルクと呼ぶ。図中では、その他第２トルクは“TQ2etc”と表記されている。その他第２トルクには、エンジンがアイドル状態にある場合において所定のアイドル回転数を維持するために必要なトルクのうち、その達成のためには点火時期の制御が必要となるトルクが含まれる。演算ユニット１２６は、実際にそのようなトルクが必要になった場合のみ有効値を出力し、そのようなトルクが必要のない間は無効値を算出する。無効値はエンジンが出力しうる最大図示トルクよりも大きい値に設定されている。

演算ユニット１２８は、エンジンに対する制御用パラメータとして、現在のエンジンの運転状態を維持するか或いは予定されている所定の運転状態を実現させるために必要とされる点火時期効率を計算する。ここでは、演算ユニット１２８で計算される点火時期効率をその他効率と呼ぶ。図中では、その他効率は“ηetc”と表記されている。その他効率には、エンジンの始動時において排気浄化用触媒を暖機するために必要な点火時期効率が含まれる。点火時期効率を低くするほど、燃料の燃焼によって発生したエネルギのうちトルクに変換されるエネルギは少なくなり、その分多くのエネルギが排気ガスとともに排気通路に排出されて排気浄化用触媒の暖機に用いられることになる。なお、そのような効率の実現が必要のない間は、演算ユニット１２８から出力される効率の値は最大値である１に保持される。

以上のように構成される大演算ユニット１２０からは、要求第１トルク、その他第１トルク、目標空燃比、仮想空燃比、切替用目標効率、その他効率、要求第２トルク、切替用目標第２トルク、その他第２トルクが出力される。これらの制御用パラメータは大演算ユニット１４０に入力される。なお、パワートレインマネージャ２００から与えられる要求第１トルクと要求第２トルクは軸トルクであるが、大演算ユニット１２０ではこれらを図示トルクに補正することが行われている。要求トルクの図示トルクへの補正はフリクショントルク、補機駆動トルク及びポンプロスを要求トルクに対して加算或いは減算することによって行われる。なお、大演算ユニット１２０の内部で計算される切替用目標第２トルク等のトルクについては、いずれも図示トルクとして計算されている。

次に、大演算ユニット１４０について説明する。上述のように、大演算ユニット１２０からは様々なエンジン制御用パラメータが送られてくる。このうち、要求第１トルクとその他第１トルクとは同じカテゴリに属する制御量に対する要求であり、同時には成立し得ない。同様に、要求第２トルクとその他第２トルクと切替用目標第２トルクとは同じカテゴリに属する制御量に対する要求であり、同時には成立し得ない。同様に、切替用目標効率とその他効率とは同じカテゴリに属する制御量に対する要求であり、同時には成立し得ない。このため、制御量のカテゴリ毎に調停という処理が必要となる。ここでいう調停とは、例えば最大値選択、最小値選択、平均、或いは重ね合わせ等、複数の数値から１つの数値を得るための計算処理であり、複数種類の計算処理を適宜に組み合わせたものとすることもできる。このような調停を制御量のカテゴリごとに実施するため、大演算ユニット１４０には３つの演算ユニット１４２、１４４、１４６が用意されている。

演算ユニット１４２は第１トルクを調停するように構成されている。演算ユニット１４２には要求第１トルクとその他第１トルクとが入力される。演算ユニット１４２はそれらを調停し、調停されたトルクを最終的に決定された目標第１トルクとして出力する。図中では、最終的に決定された目標第１トルクは“TQ1t”と表記されている。演算ユニット１４２における調停方法としては最小値選択が用いられる。したがって、演算ユニット１２４から有効値が出力されていない場合は、パワートレインマネージャ２００から与えられた要求第１トルクが目標第１トルクとして算出される。

演算ユニット１４４は点火時期効率を調停するように構成されている。演算ユニット１４４には切替用目標効率とその他効率とが入力される。演算ユニット１４４はそれらを調停し、調停された効率を最終的に決定された目標効率として出力する。図中では、最終的に決定された目標効率は“ηt”と表記されている。演算ユニット１４４における調停方法としては最小値選択が用いられる。燃費性能の観点からは、点火時期効率は最大値である１になっていることが好ましい。このため、特別なイベントのない限り、演算ユニット１２２で計算される切替用目標効率も演算ユニット１２８で計算されるその他効率も最大値である１に保持されている。したがって、演算ユニット１４４から出される目標効率の値は基本的には１であり、何らかのイベントが発生した場合のみ１よりも小さい値が選択される。

演算ユニット１４６は第２トルクを調停するように構成されている。演算ユニット１４６には要求第２トルクとその他第２トルクと切替用目標第２トルクとが入力される。演算ユニット１４６はそれらを調停し、調停されたトルクを最終的に決定された目標第２トルクとして出力する。図中では、最終的に決定された目標第２トルクは“TQ2t”と表記されている。演算ユニット１４６における調停方法としては最小値選択が用いられる。第２トルクは切替用目標第２トルクも含めて基本的には無効値であり、特定のイベントが発生した場合のみ実現したいトルクの大きさを示す有効値に切り替えられる。したがって、演算ユニット１４６から出力される目標第２トルクも基本的には無効値であり、何らかのイベントが発生した場合のみ有効値が選択される。

以上のように構成される大演算ユニット１４０からは、目標第１トルク、目標効率、仮想空燃比、目標空燃比、及び目標第２トルクが出力される。これらの制御用パラメータは大演算ユニット１６０に入力される。

大演算ユニット１６０はエンジンの逆モデルに相当し、マップや関数で表された複数のモデルで構成されている。協調操作のための各アクチュエータ２、４、６、８の操作量は大演算ユニット１６０で算出される。大演算ユニット１４０から入力される制御用パラメータのうち、目標第１トルクと目標第２トルクとは何れもエンジンに対するトルクの目標値として扱われる。ただし、目標第２トルクは目標第１トルクに優先する。大演算ユニット１６０では、目標第２トルクが有効値である場合には目標第２トルクを達成するように、目標第２トルクが無効値である場合には目標第１トルクを達成するように、各アクチュエータ２、４、６、８の操作量の計算が行われる。操作量の計算は、目標トルクと同時に目標空燃比と目標効率も達成されるように行われる。つまり、本実施の形態に係る制御装置では、エンジンの制御量としてトルク、効率及び空燃比が用いられ、これら３種類の制御量の目標値に基づいて空気量制御、点火時期制御及び燃料噴射量制御が実施される。

大演算ユニット１６０は複数の演算ユニット１６２、１６４、１６６、１６８、１７０、１７２、１７４、１７６、１７８から構成される。これらの演算ユニットのうち空気量制御に関係するものは演算ユニット１６２、１６４、１６６、１７８であり、点火時期制御に関係するものは演算ユニット１６８、１７０、１７２であり、燃料噴射量制御に関係するものは演算ユニット１７４、１７６である。以下、空気量制御に関係する演算ユニットから順に、各演算ユニットの機能について説明する。

演算ユニット１６２には目標第１トルクと目標効率と仮想空燃比が入力される。演算ユニット１６２は本発明における目標空気量算出手段に相当し、目標効率と仮想空燃比とを用いて、目標第１トルクを達成するための目標空気量を目標第１トルクから逆算する。この計算では、目標効率及び仮想空燃比は空気量のトルクへの変換効率を与えるパラメータとして用いられる。なお、本発明においては空気量とは筒内に吸入される空気の量であり、それを無次元化した充填効率或いは負荷率は本発明における空気量の均等の範囲内にある。

演算ユニット１６２は、まず、目標第１トルクを目標効率で除算することによって空気量制御用目標トルクを算出する。目標効率が１よりも小さい場合には、空気量制御用目標トルクは目標第１トルクよりも大きくなる。これは目標第１トルクよりも大きなトルクを潜在的に出力可能にしておくことがアクチュエータ２、８による空気量制御に求められていることを意味する。一方、目標効率が１である場合には、目標第１トルクがそのまま空気量制御用目標トルクとして算出される。

演算ユニット１６２は、次に、トルク−空気量変換マップを用いて空気量制御用目標トルクを目標空気量に変換する。トルク−空気量変換マップは、点火時期が最適点火時期であることを前提にして、トルクと空気量とがエンジン回転数及び空燃比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。このマップはエンジンを試験して得られたデータに基づいて作成されている。トルク−空気量変換マップの検索にはエンジン状態量の実際値や目標値が用いられる。空燃比に関しては仮想空燃比がマップ検索に用いられる。したがって、演算ユニット１６２では、仮想空燃比のもとで空気量制御用目標トルクの実現に必要な空気量が目標空気量として算出される。図中では、目標空気量は“KLt”と表記されている。

演算ユニット１６４は目標空気量から吸気管圧の目標値である目標吸気管圧を逆算する。目標吸気管圧の計算では、吸気バルブを通って筒内に取り込まれる空気量と吸気管圧との関係を記述したマップが用いられる。空気量と吸気管圧との関係はバルブタイミングによって変化するため、目標吸気管圧の計算では現在のバルブタイミングから上記マップのパラメータ値が決定される。図中では、目標吸気管圧は“Pmt”と表記されている。

演算ユニット１６６は目標吸気管圧に基づいてスロットル開度の目標値である目標スロットル開度を算出する。目標スロットル開度の計算では、エアモデルの逆モデルが用いられる。エアモデルはスロットル２の動作に対する吸気管圧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吸気管圧を達成するための目標スロットル開度を目標吸気管圧から逆算することができる。図中では、目標スロットル開度は“TA”と表記されている。演算ユニット１６６で計算された目標スロットル開度はスロットル２を駆動する信号に変換されてＥＣＵのインタフェース１１１を介してスロットル２へ送信される。演算ユニット１６４、１６６は本発明における第１アクチュエータ制御手段に相当する。

演算ユニット１７８は目標空気量に基づいてバルブタイミングの目標値である目標バルブタイミングを算出する。目標バルブタイミングの計算には、空気量とバルブタイミングとをエンジン回転数を引数にして関連付けられたマップが用いられる。目標バルブタイミングは、現在のエンジン回転数のもと目標空気量を達成するのに最適なＶＶＴ８の変位角であり、その具体的な値は空気量ごと及びエンジン回転数ごとの適合によって決定されている。ただし、目標空気量が速い速度で大きく増大する加速時には、実空気量を最大の速度で増大させて目標空気量に追従させるべく、マップから決定されるバルブタイミングよりも進角側に目標バルブタイミングを補正することが行われる。図中では、目標バルブタイミングは“VT”と表記されている。演算ユニット１７８で計算された目標バルブタイミングはＶＶＴ８を駆動する信号に変換されてＥＣＵのインタフェース１１２を介してＶＶＴ８へ送信される。演算ユニット１７８もまた本発明における第１アクチュエータ制御手段に相当する。

次に、点火時期制御に関係する演算ユニットの機能について説明する。演算ユニット１６８は、上述の空気量制御によって実現される実際のスロットル開度及びバルブタイミングに基づいて推定トルクを算出する。本明細書における推定トルクとは、現在のスロットル開度及びバルブタイミングと目標空燃比とのもとで点火時期を最適点火時期にセットした場合に出力できるトルクを意味する。演算ユニット１６８は、まず、前述のエアモデルの順モデルを用いてスロットル開度の計測値とバルブタイミングの計測値とから推定空気量を算出する。推定空気量は現在のスロットル開度とバルブタイミングとによって実際に実現されている空気量の推定値である。次に、トルク−空気量変換マップを用いて推定空気量を推定トルクに変換する。トルク−空気量変換マップの検索では目標空燃比が検索キーとして用いられる。図中では、推定トルクは“TQe”と表記されている。

演算ユニット１７０には目標第２トルクと推定トルクとが入力される。演算ユニット１７０は、目標第２トルクと推定トルクとに基づいて点火時期効率の指示値である指示点火時期効率を算出する。指示点火時期効率は、推定トルクに対する目標第２トルクの比率として表される。ただし、指示点火時期効率には上限が定められており、推定トルクに対する目標第２トルクの比率が１を超える場合には指示点火時期効率の値は１にされる。図中では、指示点火時期効率は“ηi”と表記されている。

演算ユニット１７２は指示点火時期効率から点火時期を算出する。詳しくは、エンジン回転数、要求トルク、空燃比等のエンジン状態量に基づいて最適点火時期を算出するとともに、指示点火時期効率から最適点火時期に対する遅角量を算出する。指示点火時期効率が１であれば遅角量をゼロとし、指示点火時期効率が１よりも小さいほど遅角量を大きくする。そして、最適点火時期に遅角量を足しあわせたものを最終的な点火時期として算出する。最適点火時期の計算には、最適点火時期と各種のエンジン状態量とを関連付けるマップを用いることができる。遅角量の計算には、遅角量と点火時期効率及び各種のエンジン状態量とを関連付けるマップを用いることができる。それらマップの検索では目標空燃比が検索キーとして用いられる。図中では、点火時期は“SA”と表記されている。演算ユニット１７２で計算された点火時期は点火装置６を駆動する信号に変換されてＥＣＵのインタフェース１１３を介して点火装置６へ送信される。演算ユニット１６８、１７０、１７２は本発明における第３アクチュエータ制御手段に相当する。

次に、燃料噴射量制御に関係する演算ユニットの機能について説明する。演算ユニット１７４は、前述のエアモデルの順モデルを用いてスロットル開度の計測値とバルブタイミングの計測値とから推定空気量を算出する。演算ユニット１７４で算出される推定空気量は、好ましくは、吸気バルブが閉じるタイミングで予測される空気量である。将来における空気量は、例えば、目標スロットル開度の計算から出力までにディレイ時間を設定することによって、目標スロットル開度から予測することができる。図中では、推定空気量は“KLe”と表記されている。

演算ユニット１７６は目標空燃比と推定空気量とから目標空燃比の達成に必要な燃料噴射量、すなわち、燃料供給量を計算する。燃料噴射量の計算は各気筒において燃料噴射量の算出タイミングが到来したときに実行される。図中では、燃料噴射量は“TAU”と表記されている。演算ユニット１７６で計算された燃料噴射量はインジェクタ４を駆動する信号に変換されてＥＣＵのインタフェース１１４を介してインジェクタ４へ送信される。演算ユニット１７４、１７６は本発明における第２アクチュエータ制御手段に相当する。

以上が本実施の形態に係るＥＣＵのロジックの概要である。次に、本実施の形態に係るＥＣＵの要部である演算ユニット１２２について詳細に説明する。

図２には、演算ユニット１２２のロジックがブロック図で示されている。図２における演算ユニット１２２を示すブロック内には、演算ユニット１２２が備える種々の機能のうち、運転モードの切り替えに関係する機能がブロックで表されている。これらブロックのそれぞれに演算ユニットが割り当てられている。ＥＣＵには各ブロックに対応するプログラムが用意され、それらがプロセッサによって実行されることで各演算ユニットの機能がＥＣＵにおいて実現される。なお、ＥＣＵがマルチコアプロセッサを備える場合には、演算ユニット１２２を構成する演算ユニット４０２、４０４、４２０、４３０を複数のコアに分散させて割り当てることができる。

まず、演算ユニット４０２について説明する。演算ユニット４０２にはストイキモードにおいて用いる第１空燃比とリーンモードにおいて用いる第２空燃比とが予め設定されている。第１空燃比は理論空燃比（例えば、14.5）である。図中では第１空燃比は“AF1”と表記されている。第２空燃比は第１空燃比よりもリーンな空燃比であり、ある一定値（例えば、22.0）に設定されている。図中では第２空燃比は“AF2”と表記されている。

演算ユニット４０２には要求第１トルクが入力されている。さらに、トルクに対する複数の基準値が演算ユニット４０２に対して設定されている。基準値には第１基準値、第１基準値よりも大きい第２基準値、第１基準値よりも小さい第３基準値が含まれる。図中では第１基準値は“Ref1”と表記され、第２基準値は“Ref2”と表記され、第３基準値は“Ref3”と表記されている。

演算ユニット４０２は入力される要求第１トルクと基準値との関係に基づいて目標空燃比の切り替えを実行する。演算ユニット４０２は本発明における目標空燃比切替手段に相当する。

まず、ドライバの減速要求に応じて要求第１トルクが減少している状況での目標空燃比の切り替えについて説明する。要求第１トルクが第１基準値より大きい間は、演算ユニット４０２は、要求第１トルクが第１基準値より大きいことに応答して目標空燃比を第１空燃比に設定する。やがて要求第１トルクが第１基準値を下回ると、演算ユニット４０２は、要求第１トルクの第１基準値以下への減少に応答して目標空燃比を第１空燃比から第２空燃比へ切り替える。つまり、要求第１トルクが減少している減速時には、要求第１トルクが第１基準値を下回ることをトリガーとして目標空燃比の第１空燃比から第２空燃比への切り替えが行われる。目標空燃比の切り替えにより、運転モードはストイキモードからリーンモードへ切り替わる。

ドライバの加速要求に応じて要求第１トルクが増大している状況での目標空燃比の切り替えについて説明する。要求第１トルクが第３基準値より小さい間は、演算ユニット４０２は、要求第１トルクが第３基準値より小さいことに応答して目標空燃比を第２空燃比に設定する。やがて要求第１トルクが第３基準値を上回ると、演算ユニット４０２は、要求第１トルクの第３基準値以上への増大に応答して目標空燃比を第２空燃比から第１空燃比へ切り替える。つまり、要求第１トルクが増大している加速時には、要求第１トルクが第３基準値を上回ることをトリガーとして目標空燃比の第２空燃比から第１空燃比への切り替えが行われる。目標空燃比の切り替えにより、運転モードはリーンモードからストイキモードへ切り替わる。

なお、本実施の形態では、演算ユニット４０２による目標空燃比の切り替えに第２基準値は使用されていない。しかし、演算ユニット４０２には第２基準値も入力されているので、第１基準値や第３基準値とともに或いはそれらに代えて、第２基準値を用いるように目標空燃比の切り替えのロジックを改変することは可能である。

次に、演算ユニット４２０について説明する。演算ユニット４２０はさらに３つの演算ユニット４２２、４２４、４２６から構成されている。上述の基準値は演算ユニット４２２、４２４、４２６のそれぞれによって算出される。演算ユニット４２０は本発明における基準値算出手段に相当する。

演算ユニット４２２は第１基準値を算出する。第１基準値は減速時においてリーンモードとストイキモードとの境目となるトルクであり、燃費性能や排気ガス性能さらにはドライバビリティの観点から最適な値がエンジン回転数ごとに適合されている。演算ユニット４２２は予め用意されたマップを参照してエンジン回転数に適した第１基準値を算出する。

演算ユニット４２４は第２基準値を算出する。第２基準値は、第２空燃比のもとで第１基準値のトルクを達成できる空気量において、空燃比を第１空燃比に調整したならば得られるトルクの値である。演算ユニット４２４は、まず、第２空燃比のもとで第１基準値のトルクを達成できる空気量を計算する。この計算はトルク−空気量変換マップを用いて行われる。演算ユニット４２４は、次に、第１空燃比のもと先の計算で得られた空気量によって達成できるトルクを計算し、計算で得られたトルクの値を第２基準値として決定する。この計算もトルク−空気量変換マップを用いて行われる。

演算ユニット４２６は第３基準値を算出する。第３基準値は、第１空燃比のもとで第１基準値のトルクを達成できる空気量において、空燃比を第２空燃比に調整したならば得られるトルクの値である。演算ユニット４２６は、まず、第１空燃比のもとで第１基準値のトルクを達成できる空気量を計算する。この計算はトルク−空気量変換マップを用いて行われる。演算ユニット４２６は、次に、第２空燃比のもと先の計算で得られた空気量によって達成できるトルクを計算し、計算で得られたトルクの値を第３基準値として決定する。この計算もトルク−空気量変換マップを用いて行われる。

次に、演算ユニット４０４について説明する。演算ユニット４０４には要求第１トルクが入力されている。さらに、演算ユニット４２０で算出された第１基準値、第２基準値、及び第３基準値が演算ユニット４０４に対して設定されている。また、演算ユニット４０４には、演算ユニット４０２に設定されているものと同じ第１空燃比と第２空燃比の各値が設定されている。

演算ユニット４０４は、入力される要求第１トルクと基準値との関係に基づいて目標空気量の計算に用いられる仮想空燃比の値を変更する。演算ユニット４０４は本発明におけるパラメータ値変更手段に相当する。

まず、ドライバの減速要求に応じて要求第１トルクが減少している状況での仮想空燃比の変更について説明する。要求第１トルクが第２基準値より大きい間は、演算ユニット４０４は、要求第１トルクが第２基準値より大きいことに応答して仮想空燃比を第１空燃比に設定する。やがて要求第１トルクが第２基準値を下回ると、演算ユニット４０４は、要求第１トルクの第２基準値以下への減少に応答して仮想空燃比を第１空燃比からリーン側に変化させ始める。そして、要求第１トルクが第２基準値から第１基準値まで減少するのに合わせて、仮想空燃比を第１空燃比から第２空燃比まで徐々に変化させていく。つまり、要求第１トルクが減少している減速時には、目標空燃比が第１空燃比から第２空燃比に切り替えられるのに先行して、仮想空燃比は要求第１トルクが第２基準値から第１基準値まで低下するまでの間に第１空燃比から第２空燃比へ徐々に変更される。なお、仮想空燃比を徐々に変更する方法には限定はない。例えば、一次遅れフィルタ処理や加重平均処理を用いれば第１空燃比から第２空燃比まで徐々に変化させることができる。もちろん、一定の変化率で第１空燃比から第２空燃比まで変化させてもよい。

ドライバの加速要求に応じて要求第１トルクが増大している状況での仮想空燃比の変更について説明する。要求第１トルクが第３基準値より小さい間は、演算ユニット４０４は、要求第１トルクが第３基準値より小さいことに応答して仮想空燃比を第２空燃比に設定する。やがて要求第１トルクが第３基準値を上回ると、演算ユニット４０４は、要求第１トルクの第３基準値以上への増大に応答して仮想空燃比を第２空燃比からリッチ側に変化させ始める。そして、要求第１トルクが第３基準値から第１基準値に向けてさらに増大するのに合わせて、仮想空燃比を第２空燃比から第１空燃比まで徐々に変化させていく。つまり、要求第１トルクが増大している加速時には、目標空燃比が第２空燃比から第１空燃比に切り替えられた後、仮想空燃比は要求第１トルクのさらなる増大に合わせて第２空燃比から第１空燃比へ徐々に変更される。

最後に、演算ユニット４３０について説明する。演算ユニット４３０は切替用目標第２トルクを計算する。前述のように、切替用目標第２トルクは要求第２トルクやその他第２トルクとともに演算ユニット１４６に入力され、その中の最小値が演算ユニット１４６で選択される。要求第２トルクやその他第２トルクは通常は無効値であり、特定のイベントが発生した場合のみ有効値に切り替えられる。切替用目標第２トルクについても同様であり、演算ユニット４３０は通常は切替用目標第２トルクの出力値を無効値にしている。

演算ユニット４３０には要求第１トルク、目標空燃比、及び仮想空燃比が入力されている。演算ユニット４０２、４０４のロジックによれば、目標空燃比と仮想空燃比とは運転モードの切り替え前は一致し、切り替え処理の完了後も一致する。しかし、運転モードの切り替え処理の途中では、目標空燃比と仮想空燃比との間には乖離が生じる。演算ユニット４３０は、目標空燃比と仮想空燃比との間に乖離が生じている間に限り、有効値を持つ切替用目標第２トルクを算出する。ここで、切替用目標第２トルクの有効値として用いられるのが要求第１トルクである。つまり、目標空燃比と仮想空燃比との間に乖離が生じている間は、演算ユニット４３０からは切替用目標第２トルクとして要求第１トルクが出力される。

以上が演算ユニット１２２のロジック、すなわち、本実施の形態で採用されている運転モードの切り替えのロジックの詳細である。次に、上述のロジックにしたがってエンジン制御を実行した場合の制御結果について、そのイメージを示すタイムチャートに基づいて説明する。

まず、本実施の形態で採用されたロジックに対する比較例として、本発明の課題に対する前述の第１の解決策による制御結果から説明する。本発明は第１の解決策が有する懸念を解消したものであるから、第１の解決策による制御結果とそこに存在する懸念について予め明らかにしておくことで、本実施の形態で採用されたロジックが有する利点はより明確になるものと思われる。

図３は、第１の解決策による減速時の制御結果のイメージを示すタイムチャートである。図４は、第１の解決策による加速時の制御結果のイメージを示すタイムチャートである。図３と図４のどちらにおいても、１段目のチャートは要求トルクと実トルクの時間変化を示している。２段目のチャートは目標空気量と実空気量の時間変化を示している。３段目のチャートは点火時期の時間変化を示している。４段目のチャートは目標空燃比と目標空気量計算用のパラメータである仮想空燃比の時間変化を示している。仮想空燃比は空気量のトルクへの変換効率を与えるパラメータであり、仮想空燃比のもとで要求トルクを達成するのに必要な空気量が目標空気量となっている。第１の解決策では目標空燃比と仮想空燃比はともに第１空燃比（理論空燃比）と第２空燃比（リーン空燃比）との間でステップ的に切り替えられる。そして、５段目のチャートには実空燃比の時間変化が示されている。

図３に示す制御結果から考察する。第１の解決策によれば、減速時には目標空燃比の第１空燃比から第２空燃比への切り替えに先立って仮想空燃比が第１空燃比から第２空燃比へ切り替えられる。この切り替えによって目標空気量は第２空燃比に応じた空気量までステップ的に増大し、実空気量も目標空気量に追従するように大きく増大する。このように目標空燃比の切り替えに先立って目標空気量を増大させることで、目標空燃比の切り替え時点までに空気量を第２空燃比に応じた量まで増大させておくことが可能となる。また、目標空気量を目標空燃比の切り替えに先行して増大させた分だけ点火時期が最適点火時期よりも遅角されるので、空気量の過剰によるトルクの増加を点火時期の遅角によるトルクの減少によって相殺することができる。

図４に示す制御結果について考察する。第１の解決策によれば、加速時には目標空燃比の第１空燃比から第２空燃比へと同じタイミングにて仮想空燃比が第１空燃比から第２空燃比へ切り替えられる。この切り替えによって目標空気量は第１空燃比に応じた空気量までステップ的に減少し、実空気量も目標空気量に追従するように大きく減少する。このとき、アクチュエータの操作に対する空気の応答遅れによって実空気量は目標空気量よりも暫くの間は過剰になるが、点火時期が最適点火時期よりも遅角されることにより、空気量の過剰によるトルクの増加は点火時期の遅角によるトルクの減少によって相殺される。

ところが、減速時と加速時のそれぞれにおいて、第１の解決策では目標空燃比の切り替え後の実空燃比に変動が生じ、それがトルクの変動を引き起こすことが懸念される。図３及び図４には懸念される実空燃比と実トルクの変化のイメージが描かれている。減速時においては、目標空気量がステップ的に増大したとき、それに追従するように実空気量が速い速度で増大する結果、吸気ポートからシリンダ内に吸入される空気の流量が大きく変化することになる。加速時においては、目標空気量がステップ的に減少したとき、それに追従するように実空気量が速い速度で減少する結果、吸気ポートからシリンダ内に吸入される空気の流量が大きく変化することになる。吸入空気流量の大きな変化は吸気ポートに付着した燃料の気化量を変動させ、その影響によって目標空燃比の切り替え後の実空燃比に変動が生じてしまう。実空燃比の変動は実トルクの変動を招き、ドライバの減速要求に見合ったトルクの滑らかな減少を損ねてしまう。

第１の解決策における上記の懸念は、本実施の形態で採用されたロジックによれば次のように解決される。

図５は、本実施の形態に係るＥＣＵによる減速時の制御結果のイメージを示すタイムチャートである。図６は、本実施の形態に係るＥＣＵによる加速時の制御結果のイメージを示すタイムチャートである。図５と図６のどちらにおいても、１段目のチャートはトルクの時間変化を示している。前述のように“TQ1r”は要求第１トルクであり、“TQ2c”は切替用目標第２トルクであり、“TQe”は推定トルクである。なお、ここでは要求第１トルクが最終的な目標第１トルクになっており、切替用目標第２トルクが最終的な目標第２トルクになっているものとする。また、これらのトルクとは別に、チャートには実トルクが点線で表されている。ただし、実トルクは実際のエンジン制御では計測されない。チャートに描かれている実トルクの線は試験結果に裏付けされたイメージ線である。

図５及び図６における２段目のチャートは空気量の時間変化を示している。前述のように“KLt”は目標空気量である。チャートには目標空気量とともに実空気量が点線で表されている。ただし、実空気量は実際のエンジン制御では計測されない。チャートに描かれている実空気量の線は試験結果に裏付けされたイメージ線である。

図５及び図６における３段目のチャートは切替用目標効率の時間変化を示している。前述のように“ηtc”は切替用目標効率である。なお、ここでは切替用目標効率が最終的な目標効率になっているものとする。

図５及び図６における４段目のチャートは指示点火時期効率の時間変化を示している。前述のように“ηi”は指示点火時期効率である。

図５及び図６における５段目のチャートは点火時期の時間変化を示している。前述のように“SA”は点火時期である。

図５及び図６における６段目のチャートは空燃比の時間変化を示している。前述のように“AFt”は目標空燃比であり、“AFh”は仮想空燃比である。また、図５及び図６における７段目のチャートには実空燃比の時間変化が示されている。

まず、図５に基づいて減速時の制御結果から説明する。減速時、要求第１トルクが“Ref2”で表記される第２基準値のレベルまで低下するまでは、目標空燃比は理論空燃比である第１空燃比に維持され、仮想空燃比も第１空燃比に維持される。よって、要求第１トルクと仮想空燃比とから算出される目標空気量は、要求第１トルクの減少に連動して減少していく。この間の切替用目標第２トルクは、目標空燃比と仮想空燃比とが一致していることに応答して無効値とされる。切替用目標第２トルクが無効値であるならば指示点火時期効率は１になるため、点火時期は最適点火時期に維持される。なお、チャートでは点火時期が要求第１トルクの減少に応じて変化しているが、これは最適点火時期がエンジン回転数や空気量によって変化することに対応した変化である。

要求第１トルクが第２基準値を下回ると、目標空燃比は理論空燃比に維持される一方、仮想空燃比は徐々にリーン側に変更されていく。要求第１トルクが減少する一方で仮想空燃比がリーン化することにより、要求第１トルクと仮想空燃比とから算出される目標空気量の減少は抑制される。やがて、要求第１トルクは“Ref1”で表記される第１基準値のレベルまで低下するが、この時になって仮想空燃比は第２空燃比に到達する。そして、この時点において目標空燃比も第１空燃比から第２空燃比に切り替えられる。なお、図では仮想空燃比が第２空燃比に到達するタイミングと目標空燃比が第２空燃比に切り替えられるタイミングとの間に若干のずれがあるが、このずれは仮想空燃比の変化率を与える係数等の適合によって解消することができる。

リーン空燃比である第２空燃比による運転は、理論空燃比である第１空燃比による運転で必要な空気量よりも多くの空気量を必要とする。このため、第１の解決策で提案されたように目標空気量に用いる空燃比を第１空燃比から第２空燃比へステップ的に切り替える場合には、その切り替えの時点において目標空気量もステップ的に増大することになる。しかし、本実施の形態で採用されたロジックによれば、目標空気量が目標空燃比の切り替え後の空気量（図中に示す切替後空気量）まで減少したら、目標空燃比の切り替えの条件が満たされるまで、目標空気量はおおよそ切替後空気量に維持される。このため、目標空燃比の切り替えの時点において目標空気量がステップ的に増大することは防がれている。目標空気量がステップ的に増大することがなくなれば、目標空気量に追従する実空気量の急速な変化もなくなるので、第１の解決策において懸念されていた吸気ポートに付着した燃料の気化量の変動による実空燃比の変動は防がれる。

要求第１トルクが第２基準値を下回ってから第１基準値を下回るまでの間、切替用目標第２トルクは、目標空燃比と仮想空燃比とが一致しないことに応答して有効値とされる。つまり、切替用目標第２トルクは要求第１トルクと同値とされる。一方、実空気量の推定値から計算される推定トルクは、目標空気量の計算に使用される仮想空燃比が目標空燃比よりもリーン化されたことにともない、目標空燃比を前提とする要求第１トルクよりも大きな値になる。その結果、推定トルクに対する切替用目標第２トルクの比率である指示点火時期効率は１よりも小さい値になる。そして、指示点火時期効率が１よりも小さくなることに応答して、点火時期は最適点火時期よりも遅角される。その結果、空気量の過剰によるトルクの増加は点火時期の遅角によるトルクの減少によって相殺され、実トルクの要求第１トルクからの乖離は防がれる。

以上のように、本実施の形態で採用されたロジックによれば、ドライバの減速要求に見合ったトルクの滑らかな減少を達成しつつ空燃比を理論空燃比である第１空燃比から理論空燃比よりリーンな空燃比である第２空燃比へ応答良く切り替えることができる。

続いて、図６に基づき加速時の制御結果について説明する。加速時、要求第１トルクが“Ref3”で表記される第３基準値のレベルまで増大するまでは、目標空燃比はリーン空燃比である第２空燃比に維持され、仮想空燃比も第２空燃比に維持される。よって、要求第１トルクと仮想空燃比とから算出される目標空気量は、要求第１トルクの増大に連動して増大していく。この間の切替用目標第２トルクは、目標空燃比と仮想空燃比とが一致していることに応答して無効値とされる。切替用目標第２トルクが無効値であるならば指示点火時期効率は１になるため、点火時期は最適点火時期に維持される。

要求第１トルクが第３基準値を上回ると、目標空燃比は第２空燃比から理論空燃比である第１空燃比に切り替えられ、それに応答して仮想空燃比は徐々にリッチ側に変更されていく。要求第１トルクが増大する一方で仮想空燃比がリッチ化することにより、要求第１トルクと仮想空燃比とから算出される目標空気量の増大は抑制される。やがて、要求第１トルクは第１基準値のレベルに到達し、さらに第１基準値を超えて増大する。仮想空燃比は要求第１トルクが第１基準値のレベルに到達するころに第２空燃比に到達する。

理論空燃比である第１空燃比による運転は、リーン空燃比である第２空燃比による運転に比較して必要な空気量は少ない。このため、第１の解決策で提案されたように目標空気量に用いる空燃比の計算を第２空燃比から第１空燃比へステップ的に切り替える場合には、その切り替えの時点において目標空気量もステップ的に減少することになる。しかし、本実施の形態で採用されたロジックによれば、目標空燃比はステップ的に切り替える一方で、目標空気量の計算に用いる仮想空燃比は徐々にリッチ化されていく。このため、目標空燃比の切り替えの時点において目標空気量がステップ的に減少することは防がれている。目標空気量がステップ的に減少することがなくなれば、目標空気量に追従する実空気量の急速な変化もなくなるので、第１の解決策において懸念されていた吸気ポートに付着した燃料の気化量の変動による実空燃比の変動は防がれる。なお、仮想空燃比が第２空燃比に到達するタイミングは任意に設定することができるが、好ましくは目標空燃比の切り替え後の実空気量の変化がフラットになるように適合によって決定する。

要求第１トルクが第３基準値を上回ってから目標空燃比と仮想空燃比とが一致するまでの間、切替用目標第２トルクは有効値である要求第１トルクと同値とされる。一方、仮想空燃比を前提とする推定トルクは、目標空燃比の第１空燃比への切り替えによって仮想空燃比が目標空燃比よりもリーンになることで、目標空燃比を前提とする要求第１トルクよりも大きな値になる。その結果、推定トルクに対する切替用目標第２トルクの比率である指示点火時期効率は１よりも小さい値になる。そして、指示点火時期効率が１よりも小さくなることに応答して、点火時期は最適点火時期よりも遅角される。その結果、空気量の過剰によるトルクの増加は点火時期の遅角によるトルクの減少によって相殺され、実トルクの要求第１トルクからの乖離は防がれる。

以上のように、本実施の形態で採用されたロジックによれば、ドライバの加速要求に見合ったトルクの滑らかな増大を達成しつつ空燃比を理論空燃比よりリーンな空燃比である第２空燃比から理論空燃比である第１空燃比へ応答良く切り替えることができる。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について図を参照して説明する。

実施の形態２と実施の形態１とは演算ユニット１２２のロジックに違いがある。ＥＣＵの全体のロジックは実施の形態１と共通であり、本実施の形態に係るＥＣＵのロジックも図１にて表すことができる。

図７には、本実施の形態に係る演算ユニット１２２のロジックがブロック図で示されている。本実施の形態に係る演算ユニット１２２は、演算ユニット４０２、４２０、４０６、４３２を含んでいる。このうち演算ユニット４０２、４２０は実施の形態１に係る演算ユニットのものと共通であるので、その詳細な説明は省略する。以下では、実施の形態１との相違点である演算ユニット４０６、４３２について説明する。

演算ユニット４０６は実施の形態１に係る演算ユニット４０４に代えて設けられている。演算ユニット４０６には要求第１トルクが入力されている。さらに、演算ユニット４２０で算出された第１基準値、第２基準値、及び第３基準値が演算ユニット４０６に対して設定されている。

演算ユニット４０６は、入力される要求第１トルクと基準値との関係に基づいて切替用目標効率の値を変更する。切替用目標効率は、仮想空燃比と同様に、トルクの空気量への変換効率を与えるパラメータである。演算ユニット４０６は本発明におけるパラメータ値変更手段に相当する。

まず、ドライバの減速要求に応じて要求第１トルクが減少している状況での切替用目標効率の変更について説明する。要求第１トルクが第２基準値より大きい間は、演算ユニット４０６は、要求第１トルクが第２基準値より大きいことに応答して切替用目標効率を１に設定する。やがて要求第１トルクが第２基準値を下回ると、演算ユニット４０６は、要求第１トルクの第２基準値以下への減少に応答して切替用目標効率を１から減少させ始める。そして、要求第１トルクが第２基準値から第１基準値まで減少するまで、第２基準値に対する要求第１トルクの比率を切替用目標効率の値として算出する。つまり、計算式“ηtc＝TQ1r÷Ref2”で表される計算が演算ユニット４０６で行われる。切替用目標効率がその他効率より小さい場合、切替用目標効率が最終的な目標効率になる。目標空気量の計算では、要求第１トルクを目標効率で除算して得られるトルクが目標空気量に変換される。よって、切替用目標効率が上記計算式で表される場合、第２基準値のトルクが目標空気量に変換されることになる。なお、本実施の形態では、目標空気量の計算に用いられる仮想空燃比には従来どおり目標空燃比が用いられる。要求第１トルクが第１基準値を下回ると、演算ユニット４０６は、要求第１トルクが第１基準値より小さいことに応答して切替用目標効率を再び１に設定する。

ドライバの加速要求に応じて要求第１トルクが増大している状況での切替用目標効率の変更について説明する。要求第１トルクが第３基準値より小さい間は、演算ユニット４０６は、要求第１トルクが第３基準値より小さいことに応答して切替用目標効率を１に設定する。やがて要求第１トルクが第３基準値を上回ると、演算ユニット４０６は、要求第１トルクの第３基準値以上への増大に応答して切替用目標効率を１からステップ的に減少させる。そして、要求第１トルクが第３基準値から第１基準値まで増大するまで、第１基準値に対する要求第１トルクの比率を切替用目標効率の値として算出する。つまり、計算式“ηtc＝TQ1r÷Ref1”で表される計算が演算ユニット４０６で行われる。要求第１トルクを目標効率で除算して得られるトルクが目標空気量であるから、切替用目標効率が上記計算式で表される場合、第１基準値のトルクが目標空気量に変換されることになる。要求第１トルクが第１基準値を上回ると、演算ユニット４０６は、要求第１トルクが第１基準値より大きいことに応答して切替用目標効率を再び１に設定する。

演算ユニット４３２は実施の形態１に係る演算ユニット４３０に代えて設けられている。演算ユニット４３２は切替用目標第２トルクを計算する。演算ユニット４３２には要求第１トルクと切替用目標効率とが入力されている。演算ユニット４３２は、切替用目標効率が１よりも小さい値になっている場合に限り、有効値を持つ切替用目標第２トルクを算出する。ここで、切替用目標第２トルクの有効値として用いられるのが要求第１トルクである。つまり、切替用目標効率が１よりも小さくなっている間は、演算ユニット４３２からは切替用目標第２トルクとして要求第１トルクが出力される。

次に、本実施の形態で採用されている運転モードの切り替えのロジックにしたがってエンジン制御を実行した場合の制御結果について、そのイメージを示すタイムチャートに基づいて説明する。

図８は、本実施の形態に係るＥＣＵによる減速時の制御結果のイメージを示すタイムチャートである。図９は、本実施の形態に係るＥＣＵによる加速時の制御結果のイメージを示すタイムチャートである。各タイムチャートは複数段のチャートから構成されているが、各チャートに示されている内容は図５及び図６のタイムチャートの場合と共通である。なお、ここでも切替用目標効率が最終的な目標効率になっているものとする。

まず、図８に基づいて減速時の制御結果から説明する。減速時、要求第１トルクが“Ref2”で表記される第２基準値のレベルまで低下するまでの動作は、図５に示す実施の形態１のときの制御結果と変わるところがない。要求第１トルクが第２基準値を下回ると、切替用目標効率は標準値である１から減少し始める。そして、要求第１トルクが第１基準値のレベルまで低下するまでの間、切替用目標効率は計算式“ηtc＝TQ1r÷Ref2”によって計算される値に更新され続ける。この間、仮想空燃比は目標空燃比とともに第１空燃比に維持される。このため、要求第１トルクと仮想空燃比とから算出される目標空気量は、第２基準値のトルクと第１空燃比とから算出される一定値に維持されることになる。やがて、要求第１トルクは“Ref1”で表記される第１基準値のレベルまで低下するが、この時点において仮想空燃比は目標空燃比とともに第１空燃比から第２空燃比に切り替えられる。

リーン空燃比である第２空燃比による運転は、理論空燃比である第１空燃比による運転で必要な空気量よりも多くの空気量を必要とする。このため、第１の解決策で提案されたように目標空気量に用いる空燃比を第１空燃比から第２空燃比へステップ的に切り替えるのみでは、その切り替えの時点において目標空気量もステップ的に増大することになる。本実施の形態においても仮想空燃比は第１空燃比から第２空燃比へステップ的に切り替えられている。しかし、本実施の形態で採用されたロジックによれば、目標空気量が目標空燃比の切り替え後の空気量（図中に示す切替後空気量）まで減少したら、目標空燃比及び仮想空燃比の切り替えが行われるまで、目標空気量は切替後空気量に維持される。これにより、目標空燃比の切り替えの時点において目標空気量がステップ的に増大し、それに伴って実空燃比に変動が起きることは有効に防がれる。

要求第１トルクが第２基準値を下回ってから第１基準値を下回るまでの間、切替用目標第２トルクは、切替用目標効率が１より小さいことに応答して有効値とされる。つまり、切替用目標第２トルクは要求第１トルクと同値とされる。一方、現在のスロットル開度及びバルブタイミングに基づき計算される推定トルクは、切替用目標効率の作用によって目標空気量が切替後空気量に維持されることにより、要求第１トルクよりも大きな値になる。その結果、推定トルクに対する切替用目標第２トルクの比率である指示点火時期効率は１よりも小さい値になる。そして、指示点火時期効率が１よりも小さくなることに応答して、点火時期は最適点火時期よりも遅角される。その結果、空気量の過剰によるトルクの増加は点火時期の遅角によるトルクの減少によって相殺され、実トルクの要求第１トルクからの乖離は防がれる。

以上のように、本実施の形態で採用されたロジックによれば、ドライバの減速要求に見合ったトルクの滑らかな減少を達成しつつ空燃比を理論空燃比である第１空燃比から理論空燃比よりリーンな空燃比である第２空燃比へ応答良く切り替えることができる。さらに、実施の形態１に比較して、運転モードの切り替え処理に伴う空気量の変動をより抑えることができるという利点もある。

続いて、図９に基づき加速時の制御結果について説明する。加速時、要求第１トルクが“Ref3”で表記される第３基準値のレベルまで増大するまでの動作は、図６に示す実施の形態１のときの制御結果と変わるところがない。要求第１トルクが第３基準値を上回ると、目標空燃比と仮想空燃比とはともに第２空燃比から理論空燃比である第１空燃比に同時に切り替えられる。そして、それに応答して切替用目標効率は標準値である１からステップ的に減少する。そして、要求第１トルクが第１基準値のレベルまで増大するまでの間、切替用目標効率は計算式“ηtc＝TQ1r÷Ref1”によって計算される値に更新され続ける。このため、要求第１トルクと仮想空燃比とから算出される目標空気量は、第１基準値のトルクと第１空燃比とから算出される一定値に維持されることになる。やがて、要求第１トルクは第１基準値のレベルに到達し、この時点において切替用目標効率の値は標準値の１に戻る。

理論空燃比である第１空燃比による運転は、リーン空燃比である第２空燃比による運転に比較して必要な空気量は少ない。このため、第１の解決策で提案されたように目標空気量に用いる空燃比の計算を第２空燃比から第１空燃比へステップ的に切り替えるのみでは、その切り替えの時点において目標空気量もステップ的に減少することになる。本実施の形態においても仮想空燃比は第２空燃比から第１空燃比へステップ的に切り替えられている。しかし、本実施の形態で採用されたロジックによれば、目標空気量が目標空燃比の切り替え後の空気量（図中に示す切替後空気量）まで増大したら、目標空気量はそのまま切替後空気量に維持される。これにより、目標空燃比の切り替えの時点において目標空気量がステップ的に減少し、それに伴って実空燃比に変動が起きることは有効に防がれる。

要求第１トルクが第３基準値を上回ってから第１基準値を上回るまでの間、切替用目標第２トルクは、切替用目標効率が１より小さいことに応答して要求第１トルクと同値とされる。一方、切替用目標効率の作用によって目標空気量が切替後空気量に維持されることにより、推定トルクは要求第１トルクよりも大きな値になる。その結果、推定トルクに対する切替用目標第２トルクの比率である指示点火時期効率は１よりも小さい値になる。そして、指示点火時期効率が１よりも小さくなることに応答して、点火時期は最適点火時期よりも遅角される。その結果、空気量の過剰によるトルクの増加は点火時期の遅角によるトルクの減少によって相殺され、実トルクの要求第１トルクからの乖離は防がれる。

以上のように、本実施の形態で採用されたロジックによれば、ドライバの加速要求に見合ったトルクの滑らかな増大を達成しつつ空燃比を理論空燃比よりリーンな空燃比である第２空燃比から理論空燃比である第１空燃比へ応答良く切り替えることができる。さらに、実施の形態１に比較して、運転モードの切り替え処理に伴う空気量の変動をより抑えることができるという利点もある。

［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について図を参照して説明する。

実施の形態３と実施の形態１、２とは演算ユニット１２２のロジックに違いがある。ＥＣＵの全体のロジックは実施の形態１と共通であり、本実施の形態に係るＥＣＵのロジックも図１にて表すことができる。

図１０には、本実施の形態に係る演算ユニット１２２のロジックがブロック図で示されている。本実施の形態に係る演算ユニット１２２は、演算ユニット４０２、４２０、４０８、４３２を含んでいる。このうち演算ユニット４０２、４２０、４３２は実施の形態２に係る演算ユニットのものと共通する。ただし、実施の形態１、２に係る演算ユニット４２０は３つの基準値を算出していたが、本実施の形態に係る演算ユニット４２０は、第１基準値を算出する演算ユニット４２２及び第２基準値を算出する演算ユニット４２４のみが機能するように構成されている。以下では、実施の形態２との相違点である演算ユニット４０８について説明する。

演算ユニット４０８は実施の形態２に係る演算ユニット４０６に代えて設けられている。演算ユニット４０８には要求第１トルクが入力されている。さらに、演算ユニット４２０で算出された第１基準値、及び第２基準値が演算ユニット４０８に対して設定されている。

演算ユニット４０８は、入力される要求第１トルクと基準値との関係に基づいて切替用目標効率の値を変更する。演算ユニット４０８は本発明におけるパラメータ値変更手段に相当する。ドライバの減速要求に応じて要求第１トルクが減少している状況では、演算ユニット４０８は実施の形態２と共通の手順で切替用目標効率の変更を実行する。一方、ドライバの加速要求に応じて要求第１トルクが増大している状況では、演算ユニット４０８は次の手順で切替用目標効率の変更を実行する。

要求第１トルクが第１基準値より小さい間は、演算ユニット４０８は、要求第１トルクが第１基準値より小さいことに応答して切替用目標効率を１に設定する。やがて要求第１トルクが第１基準値を上回ると、演算ユニット４０８は、要求第１トルクの第１基準値以上への増大に応答して切替用目標効率を１からステップ的に減少させる。そして、要求第１トルクが第１基準値から第２基準値まで増大するまで、第２基準値に対する要求第１トルクの比率を切替用目標効率の値として算出する。つまり、計算式“ηtc＝TQ1r÷Ref2”で表される計算が演算ユニット４０８で行われる。要求第１トルクを目標効率で除算して得られるトルクが目標空気量であるから、切替用目標効率が上記計算式で表される場合、第２基準値のトルクが目標空気量に変換されることになる。要求第１トルクが第２基準値を上回ると、演算ユニット４０８は、要求第１トルクが第２基準値より大きいことに応答して切替用目標効率を再び１に設定する。

次に、本実施の形態で採用されている運転モードの切り替えのロジックにしたがってエンジン制御を実行した場合の制御結果について、そのイメージを示すタイムチャートに基づいて説明する。ただし、減速時の制御結果は実施の形態２で得られる結果と同様であるので、ここではその説明は省略する。

図１１は、本実施の形態に係るＥＣＵによる加速時の制御結果のイメージを示すタイムチャートである。図１１の各段のチャートに示されている内容は図９のタイムチャートの場合と共通である。なお、ここでも切替用目標効率が最終的な目標効率になっているものとする。

加速時、要求第１トルクが“Ref1”で表記される第１基準値のレベルまで増大するまでの動作は、実施の形態２において要求第１トルクが第３基準値のレベルまで増大するまでの動作と変わるところがない。要求第１トルクが第１基準値を上回ると、目標空燃比と仮想空燃比はともに第２空燃比から理論空燃比である第１空燃比に同時に切り替えられる。そして、それに応答して切替用目標効率は標準値である１からステップ的に減少する。そして、要求第１トルクが第１基準値のレベルまで増大するまでの間、切替用目標効率は計算式“ηtc＝TQ1r÷Ref2”によって計算される値に更新され続ける。このため、要求第１トルクと仮想空燃比とから算出される目標空気量は、第２基準値のトルクと第１空燃比とから算出される一定値に維持されることになるので、目標空燃比の切り替えの時点において目標空気量がステップ的に減少し、それに伴って実空燃比に変動が起きることは有効に防がれる。やがて、要求第１トルクは第２基準値のレベルに到達し、この時点において切替用目標効率の値は標準値の１に戻る。

要求第１トルクが第１基準値を上回ってから第２基準値を上回るまでの間、切替用目標第２トルクは、切替用目標効率が１より小さいことに応答して要求第１トルクと同値とされる。一方、切替用目標効率の作用によって目標空気量が切替後空気量に維持されることにより、推定トルクは要求第１トルクよりも大きな値になる。その結果、推定トルクに対する切替用目標第２トルクの比率である指示点火時期効率は１よりも小さい値になる。そして、指示点火時期効率が１よりも小さくなることに応答して、点火時期は最適点火時期よりも遅角される。その結果、空気量の過剰によるトルクの増加は点火時期の遅角によるトルクの減少によって相殺され、実トルクの要求第１トルクからの乖離は防がれる。

以上のように、本実施の形態で採用されたロジックによれば、ドライバの加速要求に見合ったトルクの滑らかな増大を達成しつつ空燃比を理論空燃比よりリーンな空燃比である第２空燃比から理論空燃比である第１空燃比へ応答良く切り替えることができる。さらに、実施の形態１に比較して、運転モードの切り替え処理に伴う空気量の変動をより抑えることができるという実施の形態２と同様の利点も得られる。

なお、実施の形態１、２では要求第１トルクが第１基準値に達する前に空燃比を第２空燃比から第１空燃比へ切り替えていたが、本実施の形態によれば要求第１トルクが第１基準値に達した時点で空燃比を第２空燃比から第１空燃比へ切り替えることができる。つまり、減速時において第１空燃比から第２空燃比に切り替えるための基準トルクと、加速時において第２空燃比から第１空燃比に切り替えるための基準トルクとを一致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について図を参照して説明する。

本実施の形態において制御対象とされるエンジンは、火花点火式の４サイクルレシプロエンジンであり、且つ、ターボ過給器を備えた過給リーンバーンエンジンである。このエンジンの運転を制御するＥＣＵにより操作されるアクチュエータには、スロットル、ＶＶＴ、点火装置、及びインジェクタに加えて、ターボ過給器に設けられたウエストゲートバルブ（以下、ＷＧＶ）が含まれる。ＷＧＶは、ターボ過給器の過給特性を変化させる過給特性可変アクチュエータである。ターボ過給器の過給特性は空気量を変化させることから、ＷＧＶは、スロットルやＶＶＴと同じく、空気量を変化させる第１アクチュエータに含まれる。

図１２には、本実施の形態に係るＥＣＵのロジックがブロック図で示されている。ＥＣＵはエンジンコントローラ１００とパワートレインマネージャ２００を含む。パワートレインマネージャ２００を示すブロック内には、パワートレインマネージャ２００が備える種々の機能がブロックで表されている。このうち実施の形態１に係るＥＣＵのものと共通する機能を示すブロックには、共通の符号が付されている。また、エンジンコントローラ１００を示すブロック内には、エンジンコントローラ１００が備える種々の機能のうち、アクチュエータの協調操作に関係する機能がブロックで表されている。このうち実施の形態１に係るＥＣＵのものと共通する機能を示すブロックには、共通の符号が付されている。以下では、実施の形態１との相違点、すなわち、過給リーンバーンエンジンの制御に特有の機能を示すブロックを中心に説明する。

本実施の形態に係るパワートレインマネージャ２００は、実施の形態１と共通する演算ユニット２０２、２０４、２０６、２０８に加えて演算ユニット２１０を備える。演算ユニット２１０は要求第３トルクを計算してエンジンコントローラ１００に送信する。図中では、要求第３トルクは“TQ3r”と表記されている。第３トルクは第１トルクと同じように定常的に或いは長期間にわたってエンジンに求められるトルクである。第３トルクと第１トルクとの関係は、第１トルクと第２トルクとの関係に類似する。つまり、第１トルクの側から見た場合、第１トルクは、第３トルクよりも緊急性或いは優先度が高くエンジンに高い応答性が求められる種類のトルク、すなわち、より早い時期に実現することが求められる種類のトルクである。要求第３トルクは、パワートレインマネージャ２００がエンジンに対して要求する第３トルクの要求値である。パワートレインマネージャ２００で計算される３種類の要求トルクを緊急性或いは優先度が高い順、つまり、エンジンに求められる応答性が高い順に並べると、要求第２トルク、要求第１トルク、要求第３トルクの順になる。演算ユニット２１０は、アクセルペダルの開度に応答する信号に基づいて要求第３トルクを計算する。本実施の形態では、要求第３トルクは要求第１トルクとともに本発明における要求トルクに相当する。要求第１トルクから一時的なトルクダウン方向のパルス成分を除去したものを要求第３トルクとすることもできる。

本実施の形態に係るエンジンコントローラ１００は、実施の形態１と同様に３つの大演算ユニット１２０、１４０、１６０から構成されている。大演算ユニット１２０は、実施の形態１と共通する演算ユニット１２２、１２４、１２６、１２８に加えて演算ユニット１３０を備える。演算ユニット１３０は、エンジンに対する制御用パラメータとして、現在のエンジンの運転状態を維持するか或いは予定されている所定の運転状態を実現させるために必要とされるトルクのうち、第３トルクに分類されるトルクを計算する。ここでは、演算ユニット１３０で計算されるトルクをその他第３トルクと呼ぶ。図中では、その他第３トルクは“TQ3etc”と表記されている。演算ユニット１３０は、実際にそのようなトルクが必要になった場合のみ有効値を出力し、そのようなトルクが必要のない間は無効値を算出する。無効値はエンジンが出力しうる最大図示トルクよりも大きい値に設定されている。

本実施の形態に係る大演算ユニット１４０は、実施の形態１と共通する演算ユニット１４２、１４４、１４６に加えて演算ユニット１４８を備える。演算ユニット１４８は第３トルクを調停するように構成されている。演算ユニット１４８には要求第３トルクとその他第３トルクとが入力される。演算ユニット１４８はそれらを調停し、調停されたトルクを最終的に決定された目標第３トルクとして出力する。図中では、最終的に決定された目標第３トルクは“TQ3t”と表記されている。演算ユニット１４８における調停方法としては最小値選択が用いられる。したがって、演算ユニット１３０から有効値が出力されてない場合は、パワートレインマネージャ２００から与えられた要求第３トルクが目標第３トルクとして算出される。

本実施の形態に係る大演算ユニット１６０は、大演算ユニット１４０から入力される目標第１トルク、目標第２トルク、及び目標第３トルクの何れもエンジンに対するトルクの目標値として扱う。このため、本実施の形態に係る大演算ユニット１６０は、実施の形態１に係る演算ユニット１６２に代えて演算ユニット１８２を備え、実施の形態１に係る演算ユニット１６４に代えて演算ユニット１８４を備える。

演算ユニット１８２には目標第１トルクと目標第３トルクとが入力され、さらに目標効率と仮想空燃比とが入力される。演算ユニット１８２は本発明における目標空気量算出手段に相当する。演算ユニット１８２は、実施の形態１に係る演算ユニット１６２と共通の方法により、目標効率と仮想空燃比とを用いて、目標第１トルクを達成するための目標空気量（以下、目標第１空気量）を目標第１トルクから逆算する。図中では、目標第１空気量は“KL1t”と表記されている。本実施の形態では、演算ユニット１７８による目標バルブタイミングの計算には、目標第１空気量が用いられる。

また、目標第１空気量の計算と並行して、演算ユニット１８２は、目標効率と仮想空燃比とを用いて、目標第３トルクを達成するための目標空気量（以下、目標第３空気量）を目標第３トルクから逆算する。図中では、目標第３空気量は“KL3t”と表記されている。目標第３空気量の計算でも、目標効率及び仮想空燃比は空気量のトルクへの変換効率を与えるパラメータとして用いられる。目標第１空気量の計算において仮想空燃比の値が実施の形態１のように変更されるのであれば、目標第３空気量の計算においても仮想空燃比の値は同様に変更される。また、目標第１空気量の計算において切替用目標効率の値が実施の形態２或いは３のように変更されるのであれば、目標第３空気量の計算においても切替用目標効率の値は同様に変更される。

演算ユニット１８４は、実施の形態１に係る演算ユニット１６４と共通の方法により、目標第１空気量から目標吸気管圧を逆算する。図中では、目標吸気管圧は“Pmt”と表記されている。目標吸気管圧は演算ユニット１６６による目標スロットル開度の計算に用いられる。

また、目標吸気管圧の計算と並行して、演算ユニット１８４は、目標第３空気量から目標過給圧を逆算する。図中では、目標過給圧は“Pct”と表記されている。目標過給圧の計算では、まず、目標吸気管圧を計算する場合と共通の方法にて、目標第３空気量が吸気管圧に変換される。そして、目標第３空気量を変換して得られた吸気管圧にリザーブ圧が加算され、その合計値が目標過給圧として算出される。リザーブ圧は吸気管圧に対する過給圧の最低限のマージンである。なお、リザーブ圧は固定値でもよいが、例えば吸気管圧に連動させて変化させることもできる。

本実施の形態に係る大演算ユニット１６０は演算ユニット１８６をさらに備える。演算ユニット１８６は目標過給圧に基づいてウエストゲートバルブ開度の目標値である目標ウエストゲートバルブ開度を算出する。図中では、目標ウエストゲートバルブ開度は“WGV”と表記されている。目標ウエストゲートバルブ開度の計算では、過給圧とウエストゲートバルブ開度とを関連付けるマップ或いはモデルが用いられる。演算ユニット１８６で計算された目標ウエストゲートバルブ開度はＷＧＶ１０を駆動する信号に変換されてＥＣＵのインタフェース１１５を介してＷＧＶ１０へ送信される。演算ユニット１８６もまた本発明における第１アクチュエータ制御手段に相当する。なお、ＷＧＶ１０の操作量としては、ウエストゲートバルブ開度ではなく、ＷＧＶ１０を駆動するソレノイドのデューティ比であってもよい。

以上のように構成されるＥＣＵによれば、ＷＧＶ１０を含む複数のアクチュエータ２、４、６、８、１０を協調操作することにより、ドライバの要求に応じてトルクを滑らかに変化させながら空燃比を応答良く切り替えるという課題を過給リーンバーンエンジンにおいても達成することができる。なお、図１３には本実施の形態における運転領域の設定が示されている。運転領域は吸気管圧とエンジン回転数とで特定される。この図によれば、低中回転・低中負荷域にリーンモードが選択されるリーンモード領域が設定されている。この図からは、加速時にはストイキモードからリーンモードへ運転モードが切り替えられ、減速時にはリーンモードからストイキモードへ運転モードが切り替えられることが分かる。また、この図からは、吸気管圧が大気圧よりも高くなる過給領域においても、リーンモードが選択される領域があることも分かる。ＥＣＵには、この図に示すような運転領域の設定がマップにされて記憶されている。ＥＣＵは、そのマップに従って運転モードの切り替えを実行している。

［その他］
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、以下のような変形例を採用してもよい。

実施の形態１において目標空気量の計算に用いている空燃比（仮想空燃比）は当量比に代えることができる。当量比も、空気量のトルクへの変換効率を与えるパラメータであり、且つ、空燃比に対応するパラメータに該当する。同様に空気過剰率を空気量のトルクへの変換効率を与えるパラメータとして用いることができる。

空気量のトルクへの変換効率を与える点火時期に対応するパラメータは、実施の形態２及び３で用いられている目標効率、つまり、点火時期効率の目標値には限定されない。目標空気量の計算に使用するトルク−空気量変換マップを点火時期毎に用意しておき、マップの検索に用いる点火時期の値を運転モードの切り替えに応答して変更するのでもよい。

筒内に吸入される空気の量を変化させる第１アクチュエータとしては、吸気バルブのリフト量を可変にする可変リフト量機構を用いることもできる。可変リフト量機構はスロットルの代わりに単独で用いることもできるし、スロットルやＶＶＴ等の他の第１アクチュエータと併用することもできる。また、ＶＶＴは省略してもよい。

ターボ過給器の過給特性を変化させる過給特性可変アクチュエータとしては、可変ノズルを用いることもできる。また、電動モータによるアシストのあるターボ過給器ならば、その電動モータを過給特性可変アクチュエータとして用いることもできる。

本発明の実施においては、第２アクチュエータとしてのインジェクタはポートインジェクタには限定されない。燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内インジェクタを用いることもできるし、ポートインジェクタと筒内インジェクタの両方が併用されていてもよい。

第１空燃比は理論空燃比には限定されない。理論空燃比よりもリーンな空燃比を第１空燃比に設定し、第１空燃比よりもさらにリーンな空燃比を第２空燃比に設定することもできる。

２ スロットル
４ インジェクタ
６ 点火装置
８ 可変バルブタイミング機構
１０ ウエストゲートバルブ
１００ エンジンコントローラ
１０５ 要求トルク受信手段としてのインタフェース
２００ パワートレインマネージャ
１６２；１８２ 目標空気量算出手段としての演算ユニット
１６４、１６６；１７８ 第１アクチュエータ制御手段としての演算ユニット
１７４、１７６ 第２アクチュエータ制御手段としての演算ユニット
１６８、１７０、１７２ 第３アクチュエータ制御手段としての演算ユニット
４０２ 目標空燃比切替手段としての演算ユニット
４２０ 基準値算出手段としての演算ユニット
４０４；４０６；４０８ パラメータ値変更手段としての演算ユニット

演算ユニット１２２は、エンジンに対する制御用パラメータとして、目標空燃比、仮想空燃比、切替用目標効率、及び切替用目標第２トルクを計算する。図中では、目標空燃比は“AFt”と表記され、仮想空燃比は“AFh”と表記され、切替用目標効率は“ηtc”と表記され、切替用目標第２トルクは“TQ2c”と表記されている。目標空燃比は、エンジンに実現される空燃比の目標値であって、燃料噴射量の計算に使用される。一方、仮想空燃比は、空気量のトルクへの変換効率を与えるパラメータであって、目標空気量の計算に使用される。切替用目標効率は、運転モードの切り替えのための点火時期効率の目標値であって、目標空気量の計算に使用される。点火時期効率とは、点火時期が最適点火時期であるときに出力しうるトルクに対する実際に出力されるトルクの割合を意味し、点火時期が最適点火時期のときに最大値である１になる。なお、最適点火時期とは、基本的にはＭＢＴ（Minimum Advance for Best Torque）を意味し、トレースノック点火時期が設定されている場合には、ＭＢＴとトレースノック点火時期のうちより遅角側にある点火時期を意味する。切替用目標第２トルクは、運転モードの切り替えのための第２トルクの目標値であって、運転モードの切り替え時において点火時期効率の計算の切り替えに用いられる。演算ユニット１２２で計算されるこれら制御用パラメータの値の組み合わせによって、運転モードの切り替えが実行される。演算ユニット１２２で行われる処理の内容と運転モードの切り替えとの関係については後で詳しく説明する。

以上のように構成されるＥＣＵによれば、ＷＧＶ１０を含む複数のアクチュエータ２、４、６、８、１０を協調操作することにより、ドライバの要求に応じてトルクを滑らかに変化させながら空燃比を応答良く切り替えるという課題を過給リーンバーンエンジンにおいても達成することができる。なお、図１３には本実施の形態における運転領域の設定が示されている。運転領域は吸気管圧とエンジン回転数とで特定される。この図によれば、低中回転・低中負荷域にリーンモードが選択されるリーンモード領域が設定されている。この図からは、減速時にはストイキモードからリーンモードへ運転モードが切り替えられ、加速時にはリーンモードからストイキモードへ運転モードが切り替えられることが分かる。また、この図からは、吸気管圧が大気圧よりも高くなる過給領域においても、リーンモードが選択される領域があることも分かる。ＥＣＵには、この図に示すような運転領域の設定がマップにされて記憶されている。ＥＣＵは、そのマップに従って運転モードの切り替えを実行している。

２ スロットル
４ インジェクタ
６ 点火装置
８ 可変バルブタイミング機構
１０ ウエストゲートバルブ
１００ エンジンコントローラ
１０１ 要求トルク受信手段としてのインタフェース
２００ パワートレインマネージャ
１６２；１８２ 目標空気量算出手段としての演算ユニット
１６４、１６６；１７８ 第１アクチュエータ制御手段としての演算ユニット
１７４、１７６ 第２アクチュエータ制御手段としての演算ユニット
１６８、１７０、１７２ 第３アクチュエータ制御手段としての演算ユニット
４０２ 目標空燃比切替手段としての演算ユニット
４２０ 基準値算出手段としての演算ユニット
４０４；４０６；４０８ パラメータ値変更手段としての演算ユニット

Claims (14)

1. 筒内に吸入される空気の量を変化させる第１アクチュエータと、筒内に燃料を供給する第２アクチュエータと、筒内の混合気に点火する第３アクチュエータとを有し、第１空燃比による運転と前記第１空燃比よりもリーンな第２空燃比による運転とを選択可能に構成された内燃機関の制御装置において、
   要求トルクを受信する要求トルク受信手段と、
   前記内燃機関の回転数からトルクに対する第１基準値を算出し、前記第２空燃比のもとで前記第１基準値を達成できる空気量と前記第１空燃比とからトルクに対する第２基準値を算出する基準値算出手段と、
   前記要求トルクが前記第１基準値より大きいことに応答して目標空燃比を前記第１空燃比に設定し、前記要求トルクの前記第１基準値以下への減少に応答して前記目標空燃比を前記第１空燃比から前記第２空燃比へ切り替える目標空燃比切替手段と、
   空気量のトルクへの変換効率を与えるパラメータを用いて前記要求トルクを達成するための目標空気量を前記要求トルクから逆算する目標空気量算出手段と、
   前記要求トルクの前記第２基準値以下への減少に応答して前記パラメータの値を前記変換効率を下げる方向へ変化させ始め、前記要求トルクが前記第２基準値から前記第１基準値へ向けてさらに減少するのに合わせて、前記パラメータの値を前記変換効率を下げる方向へ徐々に変化させるパラメータ値変更手段と、
   前記目標空気量に基づいて前記第１アクチュエータの操作量を決定し、前記操作量に従って前記第１アクチュエータを操作する第１アクチュエータ制御手段と、
   前記目標空燃比に基づいて燃料供給量を決定し、前記燃料供給量に従って前記第２アクチュエータを操作する第２アクチュエータ制御手段と、
   前記第１アクチュエータの操作量と前記目標空燃比とから推定されるトルクと前記要求トルクとに基づいて前記要求トルクを達成するための点火時期を決定し、前記点火時期に従って前記第３アクチュエータを操作する第３アクチュエータ制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記パラメータは空燃比に対応するパラメータであり、
   前記パラメータ値変更手段は、前記要求トルクが前記第２基準値より大きいことに応答して前記パラメータの値を前記第１空燃比に対応する値に設定し、前記要求トルクの前記第２基準値以下への減少に応答して前記パラメータの値を前記第１空燃比に対応する値から変化させ始め、前記要求トルクが前記第２基準値から前記第１基準値まで減少するのに合わせて、前記パラメータの値を前記第１空燃比に対応する値から前記第２空燃比に対応する値まで徐々に変化させ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. 前記パラメータは点火時期に対応するパラメータであり、
   前記パラメータ値変更手段は、前記要求トルクが前記第２基準値より大きいことに応答して前記パラメータの値を最適点火時期に対応する値に設定し、前記要求トルクの前記第２基準値以下への減少に応答して前記パラメータの値を前記最適点火時期に対応する値から変化させ始め、前記要求トルクが前記第２基準値から前記第１基準値まで減少するまで、前記第２基準値に対する前記要求トルクの比率に合わせて前記パラメータの値を徐々に変化させ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。
4. 前記パラメータは前記要求トルクを除算する係数として表され、
   前記パラメータ値変更手段は、前記要求トルクが前記第２基準値より大きいことに応答して前記パラメータの値を１に設定し、前記要求トルクの前記第２基準値以下への減少に応答して前記パラメータの値を１から減少させ始め、前記要求トルクが前記第２基準値から前記第１基準値まで減少するまで、前記第２基準値に対する前記要求トルクの比率を前記パラメータの値として算出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. 前記基準値算出手段は、前記第１空燃比のもとで前記第１基準値を達成できる空気量と前記第２空燃比とからトルクに対する第３基準値を算出する手段を含み、
   前記目標空燃比切替手段は、前記要求トルクが前記第３基準値より小さいことに応答して前記目標空燃比を前記第２空燃比に設定し、前記要求トルクの前記第３基準値以上への増大に応答して前記目標空燃比を前記第２空燃比から前記第１空燃比へ切り替える手段を含み、
   前記パラメータ値変更手段は、前記要求トルクの前記第３基準値以上への増大に応答して前記パラメータの値を前記変換効率を上げる方向へ変化させ始め、前記要求トルクが前記第３基準値から前記第１基準値に向けてさらに増大するのに合わせて、前記パラメータの値を前記変換効率を上げる方向へ徐々に変化させる手段を含む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。
6. 前記パラメータは空燃比に対応するパラメータであり、
   前記パラメータ値変更手段は、前記要求トルクが前記第３基準値より小さいことに応答して前記パラメータの値を前記第２空燃比に対応する値に設定し、前記要求トルクの前記第３基準値以上への増大に応答して前記パラメータの値を前記第２空燃比に対応する値から変化させ始め、前記要求トルクが前記第３基準値から前記第１基準値に向けてさらに増大するのに合わせて、前記パラメータの値を前記第２空燃比に対応する値から前記第１空燃比に対応する値に向けて徐々に変化させることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の制御装置。
7. 前記パラメータは点火時期に対応するパラメータであり、
   前記パラメータ値変更手段は、前記要求トルクが前記第３基準値より小さいことに応答して前記パラメータの値を最適点火時期に対応する値に設定し、前記要求トルクの前記第３基準値以上への増大に応答して前記パラメータの値を最適点火時期よりも遅角された点火時期に対応する値までステップ的に低下させ、前記要求トルクが前記第３基準値から前記第１基準値まで増大するまで、前記第１基準値に対する前記要求トルクの比率に合わせて前記パラメータの値を徐々に変化させることを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の制御装置。
8. 前記パラメータは前記要求トルクを除算する係数として表され、
   前記パラメータ値変更手段は、前記要求トルクが前記第３基準値より小さいことに応答して前記パラメータの値を１に設定し、前記要求トルクの前記第３基準値以上への増大に応答して前記パラメータの値を１からステップ的に減少させ、前記要求トルクが前記第３基準値から前記第１基準値まで増大するまで、前記第１基準値に対する前記要求トルクの比率を前記パラメータの値として算出することを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の制御装置。
9. 前記目標空燃比切替手段は、前記要求トルクが前記第１基準値より小さいことに応答して前記目標空燃比を前記第２空燃比に設定し、前記要求トルクの前記第１基準値以上への増大に応答して前記目標空燃比を前記第２空燃比から前記第１空燃比へ切り替える手段を含み、
   前記パラメータ値変更手段は、前記要求トルクの前記第１基準値以上への増大に応答して前記パラメータの値を前記変換効率を上げる方向へ変化させ始め、前記要求トルクが前記第１基準値から前記第２基準値に向けてさらに増大するのに合わせて、前記パラメータの値を前記変換効率を上げる方向へ徐々に変化させる手段を含む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。
10. 前記パラメータは点火時期に対応するパラメータであり、
    前記パラメータ値変更手段は、前記要求トルクが前記第１基準値より小さいことに応答して前記パラメータの値を最適点火時期に対応する値に設定し、前記要求トルクの前記第１基準値以上への増大に応答して前記パラメータの値を最適点火時期よりも遅角された点火時期に対応する値までステップ的に低下させ、前記要求トルクが前記第１基準値から前記第２基準値まで増大するまで、前記第２基準値に対する前記要求トルクの比率に合わせて前記パラメータの値を徐々に変化させることを特徴とする請求項９に記載の内燃機関の制御装置。
11. 前記パラメータは前記要求トルクを除算する係数として表され、
    前記パラメータ値変更手段は、前記要求トルクが前記第１基準値より小さいことに応答して前記パラメータの値を１に設定し、前記要求トルクの前記第１基準値以上への増大に応答して前記パラメータの値を１からステップ的に低下させ、前記要求トルクが前記第１基準値から前記第２基準値まで増大するまで、前記第２基準値に対する前記要求トルクの比率を前記パラメータの値として算出することを特徴とする請求項１０に記載の内燃機関の制御装置。
12. 前記第１アクチュエータはスロットルを含み、
    前記第１アクチュエータ制御手段は、前記目標空気量から算出される目標吸気管圧に基づいて目標スロットル開度を決定し、前記目標スロットル開度に従って前記スロットルを操作することを特徴とする請求項１乃至１１の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
13. 前記第１アクチュエータは吸気バルブのバルブタイミングを変化させる可変バルブタイミング機構を含み、
    前記第１アクチュエータ制御手段は、前記目標空気量に基づいて目標バルブタイミングを決定し、前記目標バルブタイミングに従って前記可変バルブタイミング機構を操作することを特徴とする請求項１乃至１２の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
14. 前記内燃機関は過給器を備えた過給エンジンであり、
    前記第１アクチュエータは前記過給器の過給特性を変化させる過給特性可変アクチュエータを含み、
    前記第１アクチュエータ制御手段は、前記目標空気量から算出される目標過給圧に基づいて前記過給特性可変アクチュエータの操作量を決定し、前記操作量に従って前記過給特性可変アクチュエータを操作することを特徴とする請求項１乃至１３の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。

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