WO2010044148A1 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

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WO2010044148A1
WO2010044148A1 PCT/JP2008/068650 JP2008068650W WO2010044148A1 WO 2010044148 A1 WO2010044148 A1 WO 2010044148A1 JP 2008068650 W JP2008068650 W JP 2008068650W WO 2010044148 A1 WO2010044148 A1 WO 2010044148A1
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fuel ratio
internal combustion
combustion engine
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上田　広一
宏太 佐多
副島　慎一
郁 大塚
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トヨタ自動車株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a control device for an internal combustion engine, and more particularly to a control device for an internal combustion engine in which the air-fuel ratio in the vicinity of a spark plug and the air-fuel ratio in the entire cylinder are different.
  • the required indicated torque requested by the driver is calculated based on the accelerator opening, and the target air-fuel ratio is determined inside the control device. Then, the required indicated torque is corrected by the torque efficiency with respect to the ignition timing and the torque efficiency with respect to the target air-fuel ratio, and the target throttle opening is determined based on the target air amount obtained from the corrected torque. Further, the intake air delay correction amount is calculated from the target air amount and the engine speed, and the ignition timing retardation amount is calculated from the estimated torque determined from the intake delay correction amount and the above-described correction torque, and the basic amount determined from the in-cylinder air amount.
  • the final ignition timing is determined from the ignition timing and the ignition timing retardation amount. Further, the target fuel injection amount is determined from the in-cylinder air amount and the target air-fuel ratio. That is, Japanese Patent Laid-Open No. 2003-301766 discloses a throttle opening, an ignition timing, and a fuel injection so as to realize both the requested indicated torque that is a request from the driver and the target air-fuel ratio that is a request in the control device. A technique of setting three types of manipulated variables is disclosed.
  • homogeneous combustion and stratified combustion are known as combustion modes of an air-fuel mixture in an internal combustion engine.
  • Homogeneous combustion is a combustion mode in which air and fuel are mixed homogeneously in a cylinder and burned.
  • stratified combustion is a combustion mode in which a thick air-fuel mixture layer is formed in the vicinity of the spark plug, and a thin air-fuel mixture is formed around it to burn.
  • the air-fuel ratio in the vicinity of the spark plug matches the air-fuel ratio (average air-fuel ratio) in the entire cylinder.
  • fuel collects in the vicinity of the spark plug, so that the air-fuel ratio of the combustion gas there differs from the air-fuel ratio in the entire cylinder.
  • the technique described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-301766 is considered to be based on an internal combustion engine that performs homogeneous combustion.
  • torque control can be performed with three types of actuator operation amounts of throttle opening, ignition timing, and fuel injection amount as in the technique described in Japanese Patent Laid-Open No. 2003-301766.
  • the torque can be controlled by the intake air amount, the ignition timing, and the combustion air-fuel ratio, but in the case of homogeneous combustion, the air-fuel ratio in the vicinity of the spark plug matches the air-fuel ratio in the entire cylinder. Therefore, the intake air amount is determined by the throttle opening, and the air-fuel ratio of the entire cylinder is determined by the intake air amount and the fuel injection amount, whereby the torque can be controlled by them.
  • torque-ignition timing characteristics the relationship between torque and ignition timing (hereinafter referred to as torque-ignition timing characteristics) is It will be different.
  • the required indicated torque is a requirement relating to drivability
  • the target air-fuel ratio is a requirement relating to exhaust gas.
  • Both drivability and exhaust gas are functions of the internal combustion engine. In addition to these functions, there are various functions of the internal combustion engine such as fuel consumption and knock. Then, there is a request for each function. For example, if the function is fuel consumption, there is a request to increase combustion efficiency and a request to reduce pump loss. Further, if the function is exhaust gas, there is a demand for increasing the exhaust gas temperature and a demand for promoting the reaction in the catalyst.
  • the internal combustion engine has various functions, and there are various demands having different dimensions for each function.
  • the technique described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-301766 only fulfills some of the requirements, and there is still room for improvement in order to meet various requirements of the internal combustion engine.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems.
  • requests regarding various functions of the internal combustion engine are required for the operation of each actuator. It is an object of the present invention to provide a control device for an internal combustion engine that accurately reflects these requirements and can appropriately realize those requirements.
  • the control device and method for an internal combustion engine of the present invention controls an internal combustion engine in which the air-fuel ratio in the vicinity of the spark plug and the air-fuel ratio in the entire cylinder are different.
  • Such an internal combustion engine includes an internal combustion engine such as stratified combustion that burns with intentionally non-uniform air-fuel ratio distribution in the cylinder.
  • an internal combustion engine that results in non-uniformity in the air-fuel ratio distribution in the cylinder depending on the operating state is included in the control object of the present invention.
  • three physical quantities, torque, efficiency, and air-fuel ratio are used as control quantities for the internal combustion engine. Then, at least a part of the requests related to the function of the internal combustion engine is aggregated into these three types of physical quantities, so that a target value for each controlled variable is set.
  • the output of the internal combustion engine includes heat and exhaust gas in addition to the torque, and various functions of the internal combustion engine are determined by the entire output. Torque, efficiency, and air-fuel ratio are three factors that determine the output of the internal combustion engine. Therefore, if at least a part of the requests related to various functions of the internal combustion engine is aggregated into the three types of physical quantities to obtain the control amount target value, these requests can be appropriately reflected in the output of the internal combustion engine.
  • the three operation amounts of the opening amount of the intake air amount adjusting valve, the ignition timing, and the fuel injection amount are set.
  • the amount of intake air in the cylinder can be adjusted by manipulating the opening of the intake air amount adjustment valve, the efficiency can be mainly controlled by manipulating the ignition timing, and the fuel injection amount can be mainly manipulated.
  • the air-fuel ratio of the entire cylinder can be controlled.
  • the fourth operation amount that can adjust the in-cylinder air-fuel ratio distribution is further provided. Is set.
  • the torque can be controlled by adjusting the intake air amount, the efficiency, and the air-fuel ratio by the three kinds of manipulated variables.
  • the air-fuel ratio in the vicinity of the spark plug and the air-fuel ratio in the entire cylinder are different, it is difficult to accurately control the torque only with the intake air amount, the efficiency, and the air-fuel ratio in the entire cylinder.
  • the fourth operation amount includes the fuel injection timing into the cylinder.
  • the fourth operation amount includes the valve timing of the intake valve adjusted by the valve timing variable mechanism, the valve opening degree of the swirl control valve or the tumble control valve, and the like. According to these manipulated variables, it is possible to adjust the transport speed when a rich air-fuel ratio gas mass generated by fuel injection in the cylinder or sucked from the intake port reaches the vicinity of the spark plug. .
  • the set four types of operation amounts are output to the actuators to be operated.
  • the opening of the intake air amount adjustment valve as the operation amount is output to the intake air amount adjustment valve.
  • the intake air amount adjusting valve in the present invention includes an intake valve having a variable lift amount or operating angle.
  • the ignition timing as the operation amount is output to the ignition device, and the fuel injection amount as the operation amount is output to the fuel injection device.
  • the fuel injection device may inject fuel directly into the cylinder, or may inject fuel into the intake port. Alternatively, a part of the fuel may be injected into the intake port and the remaining fuel may be directly injected into the cylinder.
  • the fourth operation amount is output to the fuel injection device together with the fuel injection amount, for example, when it is the fuel injection timing.
  • the fuel injection device in this case is a device that can inject at least part of the fuel directly into the cylinder.
  • it may be output to an actuator such as an intake valve timing variable mechanism, a swirl control valve, or a tumble control valve.
  • the means for setting each operation amount generates a target value of the air-fuel ratio in the vicinity of the spark plug according to a predetermined rule, and the torque, efficiency, and air-fuel ratio 3
  • Each manipulated variable is calculated from each target value of the control amount of the seed and the target value of the air-fuel ratio in the vicinity of the generated spark plug. Since the air-fuel ratio in the vicinity of the spark plug affects the torque-ignition timing characteristics, accurate torque control can be performed by generating the target value internally and using it for calculation of each manipulated variable.
  • the means for setting each operation amount has a target value of the air-fuel ratio in the vicinity of the spark plug as a fixed value. By calculating each manipulated variable using this fixed value, the air-fuel ratio in the vicinity of the spark plug can be controlled to a constant air-fuel ratio.
  • the means for setting each operation amount has a target value of the air-fuel ratio in the vicinity of the spark plug as a fixed value for each operating state of the internal combustion engine.
  • the means for setting each operation amount previously defines a target correspondence between the air-fuel ratio in the entire cylinder and the air-fuel ratio in the vicinity of the spark plug. Using this target correspondence relationship, the air-fuel ratio target value near the spark plug is determined from the target value of the air-fuel ratio, which is the control amount, and each manipulated variable is calculated. It is possible to control to an optimal air-fuel ratio corresponding to the air-fuel ratio. According to this, the accuracy of torque control can be further increased.
  • the means for setting each manipulated variable first adjusts the intake air amount based on the target values of the three control amounts of torque, efficiency, and air-fuel ratio.
  • Three types of manipulated variables are calculated: valve opening, ignition timing, and fuel injection amount.
  • the combustion air-fuel ratio required to realize the target values of the three control amounts of torque, efficiency, and air-fuel ratio under these three operation amounts is calculated as the target value of the air-fuel ratio in the vicinity of the spark plug.
  • the fourth operation amount is calculated using the target value of the air-fuel ratio in the vicinity of the spark plug thus calculated.
  • the combustion air is compensated so as to compensate for the deviation between each control value that can actually be realized and each target value.
  • a target value of the fuel ratio is set, and finally the fourth manipulated variable is determined.
  • the means for setting each manipulated variable first adjusts the intake air amount based on the target values of the three control amounts of torque, efficiency, and air-fuel ratio.
  • the valve opening, ignition timing and fuel injection amount are calculated.
  • the fourth operation amount is calculated from the fuel injection amount as the operation amount and the target value of the air-fuel ratio in the vicinity of the spark plug. That is, the direct calculation from the target values of the three control amounts of torque, efficiency, and air-fuel ratio is the three manipulated variables of the intake air amount adjustment valve opening, ignition timing, and fuel injection amount.
  • the operation amount is calculated from the fuel injection amount and the target value of the air-fuel ratio of the combustion gas near the fire plug.
  • Embodiment 1 of this invention It is a block diagram which shows the structure of the control apparatus of the internal combustion engine as Embodiment 1 of this invention. It is a block diagram which shows the structure of the implementation
  • Throttle 4 Ignition device 6 Fuel injection device 8 Swirl control valve 10 Function request generation unit 12, 14, 16 Request output element 20 Target value setting unit 22 Torque adjustment element 24 Efficiency adjustment element 26 A / F adjustment element 30 Realization part 40 Realization Unit 302 conversion unit 304 target combustion A / F setting unit 312 conversion unit 314 target combustion A / F setting unit 316 conversion unit 322 conversion unit 324 target combustion A / F setting unit 326 conversion unit 402 conversion unit 404 target combustion A / F setting Part
  • Embodiment 1 FIG. Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIGS.
  • the internal combustion engine according to the present embodiment is an internal combustion engine that performs operation by stratified combustion.
  • a throttle 2 as an intake air amount adjustment valve
  • an ignition device 4 for adjusting the ignition timing
  • a fuel injection device 6 for directly injecting fuel into the cylinder.
  • the specifications of the internal combustion engine according to the present embodiment are common to the second and third embodiments described later.
  • control device of the present embodiment is configured as shown in the block diagram of FIG. In FIG. 1, each element of the control device is indicated by a block, and signal transmission (main) between the blocks is indicated by an arrow.
  • signal transmission (main) between the blocks is indicated by an arrow.
  • the control device is roughly composed of three parts 10, 20, and 30.
  • the function request generator 10 is positioned at the top.
  • a target value setting unit 20 is provided below the function request generation unit 10
  • an implementation unit 30 is provided below the target value setting unit 20.
  • Each of the actuators 2, 4, 6 described above is connected to the realization unit 30.
  • various signals flow in the control device.
  • An example of such a signal is a signal including information (hereinafter referred to as engine information) regarding the operating condition and operating state of the internal combustion engine.
  • the engine information includes the engine speed, the output value of the throttle opening sensor, the output value of the air-fuel ratio sensor, the current actual ignition timing, the coolant temperature, the valve timings of the intake and exhaust valves, and the like.
  • the function request generation unit 10 includes a plurality of request output elements 12, 14, and 16.
  • the request output elements 12, 14, and 16 are provided for each function of the internal combustion engine.
  • the functions of the internal combustion engine include drivability, exhaust gas, fuel consumption, noise, vibration, and the like. These can be rephrased as performance required for an internal combustion engine.
  • the contents of the request output elements arranged in the function request generator 10 differ depending on what is required of the internal combustion engine and what is given priority.
  • the required output element 12 is provided corresponding to the function relating to drivability
  • the required output element 14 is provided corresponding to the function relating to exhaust gas
  • the required output element 16 corresponding to the function relating to fuel consumption. Is provided.
  • Requirement output elements 12, 14, and 16 digitize and output a request regarding the function of the internal combustion engine. Since the operation amounts of the actuators 2, 4, 6 are determined by calculation, it is possible to reflect the function request on the operation amounts of the actuators 2, 4, 6 by digitizing the request.
  • three types of torque, efficiency, and A / F are used as physical quantities used for expressing function requirements. This is because requirements regarding various functions of the internal combustion engine such as drivability, exhaust gas, and fuel consumption can be expressed by any physical quantity of torque, efficiency, and A / F.
  • the efficiency corresponds to the conversion efficiency of thermal energy that can be converted into torque, and is a dimensionless parameter that is set on the basis of when the ignition timing is MBT.
  • the request output element 12 outputs a request related to drivability as a request value expressed by torque and efficiency.
  • the request output element 14 outputs a request regarding exhaust gas as a required value expressed by efficiency or A / F.
  • the request output element 16 outputs a request regarding fuel efficiency as a required value expressed in terms of efficiency and A / F.
  • the request value output from each request output element 12, 14, 16 is not limited to one for each physical quantity. For example, from the request output element 12, not only the torque requested from the driver, but also the torque required from various devices related to vehicle control are output at the same time. The same applies to efficiency and A / F.
  • the target value setting unit 20 sets a target value for the control amount of the internal combustion engine.
  • the control device of the present embodiment uses the above-described torque, efficiency, and A / F as control amounts for the internal combustion engine.
  • requirements regarding various functions of the internal combustion engine can be expressed by any physical quantity of torque, efficiency, and A / F, and the torque, efficiency, and A / F determine the output of the internal combustion engine.
  • the output of the internal combustion engine here includes heat and exhaust gas in addition to torque, and various functions of the internal combustion engine such as drivability, exhaust gas, and fuel consumption are determined based on the entire output. Therefore, by making the three physical quantities of torque, efficiency, and A / F to be control amounts of the internal combustion engine, it becomes possible to accurately reflect the function request on the output of the internal combustion engine.
  • the target value setting unit 20 aggregates a plurality of function requests output from the function request generating unit 10 and sets a target value for each control amount.
  • the target value setting unit 20 is provided with arbitration units 22, 24, and 26 for each control amount.
  • the torque arbitration unit 22 aggregates the request values expressed by the torque to adjust to one torque request value, and sets the torque request value as a torque target value that is a control amount.
  • the efficiency arbitration unit 24 aggregates the request values expressed by the efficiency and mediates them to one efficiency request value, and sets the efficiency request value as a target value of the efficiency that is the control amount.
  • the A / F arbitration unit 26 aggregates the request values expressed in A / F and arbitrates them into one A / F request value, and the A / F request value is a target value of A / F that is a control amount.
  • Set as. Arbitration is a process of determining a numerical value with the highest satisfaction as a whole in view of the priority of each function request and the relationship between function requests.
  • Each mediation unit 22, 24, 26 performs mediation according to a predetermined rule.
  • the rule here is a calculation rule for obtaining one numerical value from a plurality of numerical values, for example, maximum value selection, minimum value selection, average, or superposition, and the plurality of calculation rules are appropriately combined. It can also be. However, it is up to the design to decide what rule, and the content of the rule used for mediation is not limited.
  • the realization unit 30 calculates the operation amounts of the actuators 2, 4, 6 necessary to realize the target values of the three control amounts of torque, efficiency, and A / F set by the target value setting unit 20. To do.
  • the operation amount calculated by the realization unit 30 includes a throttle opening for operating the throttle 2, an ignition timing for operating the ignition device 4, a fuel injection amount and a fuel injection for operating the fuel injection device 6. It's time.
  • the control device of the present embodiment uses the fuel injection timing as the operation amount in addition to the throttle opening, the ignition timing, and the fuel injection amount. If the fuel injection timing is changed, the flow of fuel spray in the cylinder also changes, and the concentration of the rich air-fuel mixture calculated around the spark plug also changes. Therefore, by using the fuel injection timing as one of the manipulated variables, the actual combustion A / F can be adjusted separately from the A / F of the entire cylinder.
  • FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the realization unit 30.
  • the realization unit 30 includes a target combustion A / F setting unit 304.
  • the target combustion A / F setting unit 304 has the target value of the combustion A / F as a fixed value.
  • the combustion A / F is an important torque influence factor that affects the torque-ignition timing characteristics, but the combustion A / F is not used as a control amount.
  • the A / F for the entire cylinder is used as the control amount. Accurate torque control becomes possible by generating the target value of the combustion A / F in the realization unit 30 and using it for calculating the actuator operation amount.
  • the realization unit 30 uses the conversion unit 302 to calculate each operation amount.
  • the conversion unit 302 is an inverse model of the internal combustion engine according to the present embodiment, and includes a plurality of statistical models and physical models represented by maps and functions.
  • the conversion unit 302 receives the target values of the three control amounts of torque, efficiency, and A / F, and the target value of the combustion A / F. Then, four types of operation amounts converted from these target values, that is, the throttle opening, the ignition timing, the fuel injection amount, and the fuel injection timing are output from the conversion unit 302. Note that engine information such as the engine speed is referred to in the conversion process in the conversion unit 302.
  • various operations of the control device can be realized by a program that is read into a memory and executed by a control device as a computer.
  • This program a Using the three physical quantities of torque, efficiency, and air-fuel ratio as the control quantity of the internal combustion engine, the target value of each control quantity is set by aggregating at least part of the requests related to the function of the internal combustion engine into these three physical quantities.
  • Step b Based on the target values of the three control amounts of torque, efficiency, and air-fuel ratio, the three manipulated variables of throttle opening, ignition timing, and fuel injection amount and the distribution of the air-fuel ratio in the cylinder can be adjusted.
  • Setting a fuel injection timing as a fourth operation amount that can be performed;
  • It consists of codes for performing the step of outputting the set four types of operation amounts to the actuators to be operated.
  • This program can be stored in a recording medium such as a ROM and provided in the control device.
  • the target value setting unit 20 corresponds to “target value setting means” of the present invention
  • the realization unit 30 corresponds to “operation amount setting means” and “operation amount output means” of the present invention. 2 is equivalent to the “operation amount setting means” in the second and third embodiments of the present invention.
  • the target value of the combustion A / F is a fixed value
  • the target combustion A / F setting unit 304 has the target value of the combustion A / F as a fixed value for each operating state of the internal combustion engine. It may be. According to this, the accuracy of torque control can be improved by realizing the optimum combustion A / F according to the operating state of the internal combustion engine.
  • the realization unit 30 having the configuration shown in FIG. 2 corresponds to the “operation amount setting means” according to the second and fourth aspects of the present invention.
  • a target correspondence relationship between the A / F in the entire cylinder and the actual combustion A / F is set in advance, and the target combustion A / F setting unit 304 determines the combustion A from the target value of A / F that is the control amount.
  • the target value of / F may be determined. According to this, the accuracy of torque control can be improved by realizing the optimum combustion A / F according to the target value of A / F in the entire cylinder.
  • the realization unit 30 having the configuration shown in FIG. 2 corresponds to the “operation amount setting means” according to the second and fifth aspects of the present invention.
  • Embodiment 2 FIG. Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
  • FIG. 1 The overall configuration of the control device of the present embodiment is shown in the block diagram of FIG. 1 as in the first embodiment.
  • the difference between the control device of the present embodiment and the control device of the first embodiment is in the configuration and function of the realization unit 30 which is one element constituting the control device.
  • FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of the realization unit 30 according to this exemplary embodiment.
  • the realization unit 30 includes a conversion unit 312, a conversion unit 316, and a target combustion A / F setting unit 314.
  • the conversion unit 302 corresponds to an inverse model of the internal combustion engine.
  • the conversion unit 312 and the conversion unit 316 constitute an inverse model of the internal combustion engine.
  • the target combustion A / F setting unit 314 has a target value of the combustion A / F as a fixed value.
  • the realization unit 30 first calculates the three operation amounts of the throttle opening, the ignition timing, and the fuel injection amount by the conversion unit 312 among the necessary four operation amounts.
  • the conversion unit 312 receives the target values for the three control amounts of torque, efficiency, and A / F. Then, the three types of operation amounts converted from these target values are output from the conversion unit 312.
  • the remaining operation amount, that is, the fuel injection timing is calculated by the conversion unit 316.
  • the conversion unit 316 receives the fuel injection amount calculated by the conversion unit 312 and the target value of the combustion A / F. Then, the fuel injection timing converted from the fuel injection amount and the target value of the combustion A / F is output from the conversion unit 316.
  • engine information such as engine speed is referred to in the conversion processing in each of the conversion units 312 and 316.
  • each operation amount is calculated according to the procedure shown in the flowchart of FIG.
  • various requests relating to the function of the internal combustion engine such as drivability, exhaust gas or fuel consumption, are collected into three control amounts of torque, efficiency and A / F. This process is performed by the target value setting unit 20.
  • the three control amounts are converted into throttle opening (TA), ignition timing (SA), and fuel injection amount. This process is performed by the conversion unit 312 which is an element of the implementation unit 30.
  • step S130 fuel injection is performed based on engine information such as the target value of combustion A / F set by the target combustion A / F setting unit 314, the fuel injection amount calculated by the conversion unit 312 and the engine speed.
  • the time is derived.
  • This processing is performed by the conversion unit 316 that is an element of the implementation unit 30.
  • the operation amounts calculated by the realization unit 30, that is, the throttle opening (TA), the ignition timing (SA), the fuel injection amount, and the fuel injection timing are set in the actuators 2, 4, and 6.
  • the control device performs the calculation of the throttle opening, the ignition timing and the fuel injection amount separately from the calculation of the fuel injection timing.
  • each target value of the controlled variable is converted into four types including the fuel injection timing, while avoiding complication of calculation processing necessary for conversion of the controlled variable into the manipulated variable. It is possible to accurately reflect the amount of operation.
  • the target value of the combustion A / F is a fixed value
  • the target combustion A / F setting unit 314 has the target value of the combustion A / F as a fixed value for each operating state of the internal combustion engine. It may be. Or you may make it determine the target value of combustion A / F from the target value of A / F which is control amount.
  • Embodiment 3 FIG. Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
  • FIG. 5 is a block diagram showing the configuration of the realizing unit 30 according to the present embodiment.
  • the realization unit 30 includes a conversion unit 322, a conversion unit 326, and a target combustion A / F setting unit 324.
  • the conversion unit 302 corresponds to the inverse model of the internal combustion engine.
  • the conversion unit 322, the conversion unit 326, and the target combustion A / F setting unit 324 are all included in the internal combustion engine.
  • An inverse model is constructed.
  • the realization unit 30 first calculates three types of operation amounts of the throttle opening, the ignition timing, and the fuel injection amount among the necessary four types of operation amounts by the conversion unit 322. Each target value of the three types of control amounts of torque, efficiency, and A / F is input to the conversion unit 322. Then, the three types of operation amounts converted from these target values are output from the conversion unit 322. The remaining operation amount, that is, the fuel injection timing is calculated by the conversion unit 326.
  • the conversion unit 326 receives the fuel injection amount calculated by the conversion unit 322 and the target value of the combustion A / F. The fuel injection timing converted from the fuel injection amount and the target value of the combustion A / F is output from the conversion unit 326.
  • engine information such as engine speed is referred to in the conversion processing in each of the conversion units 322 and 326.
  • the target value of the combustion A / F is a variable.
  • the target combustion A / F setting unit 324 receives torque and A / F as control amounts, and throttle opening and ignition timing as operation amounts.
  • the target combustion A / F setting unit 324 calculates a target value for the combustion A / F from these input values.
  • the target combustion A / F setting unit 324 has a torque-ignition timing characteristic map as shown in FIG. This map is prepared for each torque influence factor (other than the ignition timing and fuel injection timing) such as the intake air amount and A / F.
  • the target combustion A / F setting unit 324 first calculates the intake air amount from the throttle opening, and selects a torque-ignition timing characteristic map based on the intake air amount, A / F, and the like. As shown in FIG. 6, a plurality of torque-ignition timing characteristic curves are set in each map. These torque-ignition timing characteristic curves are set for each combustion A / F. This is because if the actual combustion A / F is different, the combustion speed is also different, and as a result, the torque-ignition timing characteristics are different.
  • the target combustion A / F setting unit 324 specifies a torque-ignition timing characteristic curve capable of realizing both the desired torque Tk and the desired ignition timing SAk in the selected map. Then, the combustion A / F at which the specified torque-ignition timing characteristic curve is obtained is set as the target value of the combustion A / F.
  • each operation amount is calculated according to the procedure shown in the flowchart of FIG.
  • various requirements relating to the function of the internal combustion engine such as drivability, exhaust gas, or fuel consumption, are collected into three control amounts of torque, efficiency, and A / F. This process is performed by the target value setting unit 20.
  • the three control amounts are converted into throttle opening (TA), ignition timing (SA), and fuel injection amount. This process is performed by the conversion unit 322, which is an element of the implementation unit 30.
  • a torque-ignition timing characteristic curve that satisfies the desired torque and the ignition timing at the same time is specified using the map shown in FIG.
  • the combustion A / F at which the specified torque-ignition timing characteristic curve is obtained is set as the target value of the combustion A / F.
  • the fuel injection timing is derived from the target value of the combustion A / F set by the target combustion A / F setting unit 324 and the fuel injection amount calculated by the conversion unit 322. This process is performed by the conversion unit 326, which is an element of the implementation unit 30.
  • step S250 the operation amounts calculated by the realization unit 30, that is, the throttle opening (TA), the ignition timing (SA), the fuel injection amount, and the fuel injection timing are set in the actuators 2, 4, and 6.
  • the control device of the present embodiment first determines the throttle opening, the ignition timing, and the fuel injection amount from the target values of the three types of control amounts.
  • the throttle opening By determining the throttle opening, the intake air amount is determined, and the A / F of the entire cylinder, which is one of the control amounts, is determined from the intake air amount and the fuel injection amount. Further, the efficiency which is one of the control amounts is determined by the ignition timing.
  • the torque which is the remaining control amount, depends on the actual combustion A / F.
  • the control device of the present embodiment specifies a torque-ignition timing characteristic curve corresponding to a desired torque and ignition timing, and sets the combustion A / F that can obtain the characteristic curve as a target value of the combustion A / F. .
  • the three control amounts of torque, efficiency and A / F are determined based on the previously determined three operation amounts.
  • Each target value can be realized. That is, according to the control device of the present embodiment, the three control amounts of torque, efficiency, and A / F can be made to follow each target value with high accuracy simultaneously under any operating condition.
  • the realization unit 30 having the configuration shown in FIG. 5 corresponds to the “operation amount setting means” according to the sixth and seventh aspects of the present invention.
  • the map shown in FIG. 6 does not consider the difference in the actual air-fuel mixture amount.
  • the target value of the combustion A / F is set with higher accuracy, it may be made into a three-dimensional map that takes into account the influence of the actual air-fuel mixture amount.
  • the target value of the combustion A / F derived from the map shown in FIG. 6 may be corrected using a map or coefficient that has been obtained in advance through experiments or the like.
  • FIG. A fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
  • the internal combustion engine according to the present embodiment is an internal combustion engine that performs operation by stratified combustion.
  • a throttle 2 as an intake air amount adjustment valve
  • an ignition device 4 for adjusting ignition timing
  • a fuel injection device 6 for directly injecting fuel into the cylinder
  • a swirl flow in the cylinder A swirl control valve (hereinafter referred to as SCV) 8 is provided.
  • control device of the present embodiment is configured as shown in the block diagram of FIG. In FIG. 8, each element of the control device is indicated by a block, and signal transmission (main) between the blocks is indicated by an arrow.
  • signal transmission (main) between the blocks is indicated by an arrow.
  • the control device is roughly composed of three parts 10, 20, and 40.
  • the function request generator 10 is positioned at the top.
  • a target value setting unit 20 is provided below the function request generation unit 10, and an implementation unit 40 is provided below that.
  • Each of the actuators 2, 4, 6, 8 is connected to the realization unit 40.
  • Each configuration of the function request generation unit 10 and the target value setting unit 20 and the contents of the processing performed there are the same as those according to the first embodiment. Below, the structure of the implementation
  • the realization part 40 is the operation amount of each actuator 2, 4, 6, 8 required in order to implement
  • the operation amount calculated by the realization unit 40 includes the throttle opening for operating the throttle 2, the ignition timing for operating the ignition device 4, the fuel injection amount for operating the fuel injection device 6, and the SCV8. SCV opening for operation.
  • the fuel injection timing is also an operation amount, in this embodiment, it is not included in the operation amount calculated from the three control amounts of torque, efficiency, and A / F.
  • the fuel injection timing is set to a predetermined timing suitable for realizing stratified combustion.
  • the SCV opening is used as the manipulated variable in addition to the throttle opening, the ignition timing, and the fuel injection amount.
  • the swirl flow in the cylinder can be adjusted by manipulating the SCV opening. If the swirl flow changes, the transport speed when the dense A / F gas mass generated by the fuel injection reaches the vicinity of the spark plug also changes. Therefore, by using the SCV opening as one of the manipulated variables, the A / F in the vicinity of the spark plug, that is, the actual combustion A / F can be adjusted separately from the A / F in the entire cylinder.
  • FIG. 9 is a block diagram showing the configuration of the realization unit 40.
  • the realization unit 40 includes a target combustion A / F setting unit 404.
  • the target combustion A / F setting unit 404 has a target value of the combustion A / F as a fixed value.
  • the combustion A / F is an important torque influence factor that affects the torque-ignition timing characteristics, but the combustion A / F is not used as a control amount.
  • the A / F for the entire cylinder is used as the control amount. Accurate torque control becomes possible by generating the target value of the combustion A / F in the realization unit 40 and using it for calculating the actuator operation amount.
  • the realization unit 40 uses the conversion unit 402 to calculate each operation amount.
  • the conversion unit 402 is an inverse model of the internal combustion engine according to the present embodiment, and includes a plurality of statistical models and physical models represented by maps and functions.
  • the conversion unit 402 receives the target values of the three control amounts of torque, efficiency, and A / F and the target value of the combustion A / F. Then, four types of operation amounts converted from these target values, that is, the throttle opening, the ignition timing, the fuel injection amount, and the SCV opening are output from the conversion unit 402. It should be noted that engine information such as engine speed and fuel injection timing is referred to for conversion processing in the conversion unit 402.
  • the configuration of the realization unit 40 according to the present embodiment may be changed to the configuration shown in the block diagram of FIG. 3 or FIG. A configuration as shown in the block diagram of FIG. However, in that case, what is calculated from the realization unit 40 is not the fuel injection timing but the SCV opening.
  • target value setting means “operation amount setting means” and “operation amount output means” according to the present invention are embodied. It is only an example of a configuration that the means can take. All configurations capable of realizing the functions of “target value setting means”, “operation amount setting means”, and “operation amount output means” according to the present invention are included in the scope of each means.
  • the throttle is used as the intake air amount adjustment valve in the above-described embodiment
  • an intake valve with a variable mechanism that can continuously convert the lift amount or the operating angle may be used. In this case, the lift amount or the operating angle becomes the operation amount of the intake air amount adjustment valve.
  • the “fourth operation amount” according to the present invention is not limited to the fuel injection timing and the SCV opening as long as the operation amount can adjust the air-fuel ratio distribution in the cylinder.
  • the valve opening degree can be used as the fourth operation amount.
  • the valve timing of the intake valve adjusted by the valve timing variable mechanism can also be used as the fourth operation amount. According to these manipulated variables, similarly to the SCV opening, the transport speed when a rich air-fuel ratio gas mass reaches the vicinity of the spark plug can be adjusted.
  • control device and method of the internal combustion engine of the present invention is an internal combustion engine in which the A / F in the vicinity of the spark plug and the A / F in the entire cylinder are different.
  • Such an internal combustion engine includes an internal combustion engine that burns with intentionally non-uniform A / F distribution in the cylinder, but the operation by stratified combustion according to the above-described embodiments is merely one example. Moreover, even if the internal combustion engine performs homogeneous combustion, an internal combustion engine that results in non-uniformity in the in-cylinder A / F distribution depending on the operating state is included in the control object of the present invention.
  • the A / F distribution in the cylinder may be uneven, and it is not always true that the A / F in the vicinity of the spark plug matches the A / F in the entire cylinder. Absent. Since the A / F in the vicinity of the spark plug affects the torque-ignition timing characteristics, the accuracy of the torque control can be improved by adjusting the A / F distribution in the cylinder by the fourth operation amount.

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Abstract

　点火プラグ近傍の空燃比と筒内全体の空燃比とが異なる内燃機関において、内燃機関の各種の機能に関する要求を各アクチュエータの操作に的確に反映させ、それら要求を適切に実現できるようにする。 　トルク、効率及び空燃比の３種の物理量を内燃機関の制御量として用い、内燃機関の機能に関する要求の少なくとも一部を前記３種の物理量に集約することによって各制御量の目標値を設定する。そして、トルク、効率及び空燃比の３種の制御量の各目標値に基づいて、吸気量調整弁の開度、点火時期及び燃料噴射量の３種の操作量と、筒内の空燃比分布を調整することができる第４の操作量とを設定する。

Description

内燃機関の制御装置
　本発明は、内燃機関の制御装置に関し、詳しくは、点火プラグ近傍の空燃比と筒内全体の空燃比とが異なる内燃機関の制御装置に関する。
　内燃機関のトルク制御に関する技術としては、例えば、特開２００３－３０１７６６号公報に開示されたものが知られている。ここに開示された技術では、アクセル開度に基づいてドライバが要求する要求図示トルクが算出されるとともに、制御装置の内部にて目標空燃比が決定されている。そして、要求図示トルクを点火時期に対するトルク効率と目標空燃比に対するトルク効率とで補正し、その補正トルクから求まる目標空気量に基づいて目標スロットル開度が決定されている。また、目標空気量と機関回転速度とから吸気遅れ補正量が算出され、吸気遅れ補正量から決まる推定トルクと前述の補正トルクとから点火時期遅角量が算出され、筒内空気量から決まる基本点火時期と点火時期遅角量とから最終点火時期が決定されている。また、筒内空気量と目標空燃比とから目標燃料噴射量が決定されている。つまり、特開２００３－３０１７６６号公報には、ドライバからの要求である要求図示トルクと、制御装置内部の要求である目標空燃比とを共に実現するように、スロットル開度、点火時期及び燃料噴射量の３種の操作量を設定するという技術が開示されている。
　ところで、内燃機関における混合気の燃焼形態として、均質燃焼と成層燃焼とが知られている。均質燃焼は、空気と燃料とを筒内で均質に混合させて燃焼させる燃焼形態である。これに対して成層燃焼は、点火プラグの近傍に濃い混合気の層を形成し、その周囲には薄い混合気を形成して燃焼させる燃焼形態である。均質燃焼では、筒内の混合気の濃度は均一となるため、点火プラグ近傍の空燃比と筒内全体の空燃比（平均空燃比）とは一致する。ところが、成層燃焼では、点火プラグ近傍に燃料が集まるために、そこでの燃焼ガスの空燃比と筒内全体の空燃比とは異なったものになる。
　特開２００３－３０１７６６号公報に記載の技術は、均質燃焼を行う内燃機関を前提にしたものと考えられる。均質燃焼を行う内燃機関であれば、特開２００３－３０１７６６号公報に記載の技術のようにスロットル開度、点火時期及び燃料噴射量の３種のアクチュエータ操作量でトルク制御を行うことができる。トルクは吸入空気量と点火時期と燃焼空燃比とによって制御できるが、均質燃焼の場合には点火プラグ近傍の空燃比は筒内全体の空燃比に一致する。したがって、スロットル開度によって吸入空気量を決定し、吸入空気量と燃料噴射量とにより筒内全体の空燃比を決定することで、それらによりトルクを制御することができる。
　しかし、成層燃焼のように点火プラグ近傍の空燃比と筒内全体の空燃比とが異なる内燃機関の場合には、上記３種の操作量のみでは適切なトルク制御を行うことができない。筒内全体の空燃比が同じであっても点火プラグ近傍の空燃比が異なれば燃焼速度に違いが生じ、結果、トルクと点火時期との間の関係（以下、トルク－点火時期特性という）は異なったものになる。したがって、この種の内燃機関においてトルク制御を行うためには、筒内全体の空燃比とは別に点火プラグ近傍の空燃比（すなわち実際の燃焼空燃比）も調整する必要があるが、上記３種の操作量のみではそれを調整することができない。目標空燃比を実現しつつ目標トルクも実現するためには、上記３種の操作量に加えて別の操作量を用いる必要がある。
　また、特開２００３－３０１７６６号公報に記載の技術において、要求図示トルクはドライバビリティに関する要求であり、目標空燃比は排気ガスに関する要求であると見ることができる。ドライバビリティも排気ガスも内燃機関の１つの機能であり、これらの他にも燃費やノック等、内燃機関の機能は各種存在する。そして、それら機能毎に要求があり、例えば機能が燃費であれば、燃焼効率を高めたいという要求や、ポンプロスを低減したいという要求がある。また、機能が排気ガスであるならば、排気ガス温度を高めたいという要求や、触媒での反応を促進したいという要求がある。このように内燃機関には各種の機能が存在し、それら機能毎に次元の異なる様々な要求がある。しかし、特開２００３－３０１７６６号公報に記載の技術はその一部の要求を実現するものに過ぎず、内燃機関の多種多様な要求に対応するためには改善の余地が残されている。
　本発明は、上述のような課題に鑑みなされたもので、点火プラグ近傍の空燃比と筒内全体の空燃比とが異なる内燃機関において、内燃機関の各種の機能に関する要求を各アクチュエータの操作に的確に反映させ、それら要求を適切に実現できるようにした内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
　本発明の内燃機関の制御装置及び方法は、点火プラグ近傍の空燃比と筒内全体の空燃比とが異なる内燃機関を制御対象とする。そのような内燃機関には、成層燃焼等のように筒内の空燃比分布を意図的に不均一にして燃焼させる内燃機関が含まれる。また、均質燃焼を行う内燃機関であっても、運転状態によって結果的に筒内の空燃比分布に不均一が生じることになる内燃機関は本発明の制御対象に含まれる。
　本発明によれば、トルク、効率及び空燃比の３種の物理量が内燃機関の制御量として用いられる。そして、内燃機関の機能に関する要求の少なくとも一部がこれら３種の物理量に集約されることによって各制御量の目標値が設定される。内燃機関の出力にはトルク以外にも熱と排気ガスとが含まれ、これらの出力全体によって内燃機関の各種の機能が決定される。また、トルク、効率及び空燃比は内燃機関の出力を決定する３要素である。したがって、内燃機関の各種の機能に関する要求の少なくとも一部を前記３種の物理量に集約して制御量の目標値とすれば、それら要求については内燃機関の出力に適切に反映させることができる。
　本発明によれば、トルク、効率及び空燃比の３種の制御量の各目標値に基づいて、吸気量調整弁の開度、点火時期及び燃料噴射量の３種の操作量が設定される。吸気量調整弁の開度を操作することで筒内の吸入空気量を調整することができ、点火時期を操作することで主として効率を制御することができ、燃料噴射量を操作することで主として筒内全体の空燃比を制御することができる。
　本発明によれば、吸気量調整弁の開度、点火時期及び燃料噴射量の３種の操作量に加えて、さらに、筒内の空燃比分布を調整することができる第４の操作量が設定される。筒内全体の空燃比が均一である場合には、前記３種の操作量によって吸入空気量、効率及び空燃比を調整することによってトルクを制御することができるが、本発明の制御対象である内燃機関は、点火プラグ近傍の空燃比と筒内全体の空燃比とが異なるので、吸入空気量、効率及び筒内全体の空燃比だけではトルクを的確に制御することは難しい。この点において本発明によれば、前記第４の操作量によって筒内の空燃比分布を調整することで、筒内全体の空燃比とは別に点火プラグ近傍の空燃比を制御することが可能であり、ひいては、的確なトルク制御を行うことができる。
　前記第４の操作量には、例えば、本発明の制御対象である内燃機関が燃料を筒内に直接噴射することができる内燃機関であるならば、筒内への燃料噴射時期が含まれる。燃料噴射時期を操作することで、燃料噴射によって生じたリッチな空燃比のガス塊が点火プラグ近傍へ到達する時期を調整することができる。また、前記第４の操作量には、バルブタイミング可変機構によって調整される吸気弁のバルブタイミング、スワールコントロールバルブ或いはタンブルコントロールバルブのバルブ開度等も含まれる。これらの操作量によれば、筒内での燃料噴射によって生じた、或いは、吸気ポートから吸入されたリッチな空燃比のガス塊が点火プラグ近傍へ到達する際の輸送速度を調整することができる。
　本発明によれば、設定した前記４種の操作量はそれぞれ操作対象となるアクチュエータへ出力される。操作量としての吸気量調整弁の開度は吸気量調整弁に出力される。本発明における吸気量調整弁には、スロットルの他、リフト量又は作用角が可変の吸気弁も含まれる。操作量としての点火時期は点火装置に出力され、操作量としての燃料噴射量は燃料噴射装置に出力される。燃料噴射装置は筒内に燃料を直接噴射するものでもよいし、吸気ポートに燃料を噴射するものでもよい。或いは、一部の燃料を吸気ポートに噴射して、残りの燃料を筒内に直接噴射するものでもよい。前記第４の操作量は、例えばそれが燃料噴射時期である場合には、燃料噴射量とともに燃料噴射装置に出力される。ただし、この場合の燃料噴射装置は、燃料の少なくとも一部を筒内に直接噴射することができる装置とする。また、前記第４の操作量の種類によっては、吸気バルブタイミング可変機機構、スワールコントロールバルブ或いはタンブルコントロールバルブ等のアクチュエータに出力される場合もある。
　本発明の他の形態（第２の形態）では、前記の各操作量を設定する手段は、所定の規則に従って点火プラグ近傍の空燃比の目標値を生成し、トルク、効率及び空燃比の３種の制御量の各目標値と生成した点火プラグ近傍の空燃比の目標値とから各操作量を算出する。点火プラグ近傍の空燃比はトルク－点火時期特性を左右するので、その目標値を内部で生成してそれを各操作量の算出に用いることで的確なトルク制御が可能になる。
　本発明のさらに他の形態（第３の形態）では、前記の各操作量を設定する手段は、点火プラグ近傍の空燃比の目標値を固定値として持っている。この固定値を用いて各操作量を算出することによって、点火プラグ近傍の空燃比を一定の空燃比に制御することができる。
　本発明のさらに他の形態（第４の形態）では、前記の各操作量を設定する手段は、点火プラグ近傍の空燃比の目標値を内燃機関の運転状態毎に固定値として持っている。内燃機関の運転状態毎に目標値を変えて各操作量を算出することによって、点火プラグ近傍の空燃比を内燃機関の運転状態に応じた最適な空燃比に制御することができる。これによれば、トルク制御の精度をより高めることができる。
　本発明のさらに他の形態（第５の形態）では、前記の各操作量を設定する手段は、筒内全体の空燃比と点火プラグ近傍の空燃比との目標対応関係を予め定めている。この目標対応関係を用いて制御量である空燃比の目標値から点火プラグ近傍の空燃比の目標値を決定して各操作量を算出することによって、点火プラグ近傍の空燃比を筒内全体の空燃比に応じた最適な空燃比に制御することができる。これによれば、トルク制御の精度をより高めることができる。
　本発明のさらに他の形態（第６の形態）では、前記の各操作量を設定する手段は、まず、トルク、効率及び空燃比の３種の制御量の各目標値に基づいて吸気量調整弁の開度、点火時期及び燃料噴射量の３種の操作量を算出する。そして、これら３種の操作量のもとでトルク、効率及び空燃比の３種の制御量の各目標値を実現するために必要な燃焼空燃比を点火プラグ近傍の空燃比の目標値として算出する。前記第４の操作量は、こうして算出された点火プラグ近傍の空燃比の目標値を用いて算出する。つまり、吸気量調整弁の開度、点火時期及び燃料噴射量を優先的に決定した上で、それらによって実際に実現できる制御量の各値と各目標値とのずれを補償するように燃焼空燃比の目標値を設定し、最後に前記第４の操作量を決定する。このような手順で各操作量を設定することで、どのような運転状態のもとでもトルク、効率及び空燃比の３種の制御量を同時に各目標値へ高精度に追従させることが可能となる。
　本発明のさらに他の形態（第７の形態）では、前記の各操作量を設定する手段は、まず、トルク、効率及び空燃比の３種の制御量の各目標値に基づいて吸気量調整弁の開度、点火時期及び燃料噴射量を算出する。そして、操作量としての燃料噴射量と点火プラグ近傍の空燃比の目標値とから前記第４の操作量を算出する。つまり、トルク、効率及び空燃比の３種の制御量の各目標値から直接算出するのは吸気量調整弁の開度、点火時期及び燃料噴射量の３種の操作量とし、前記第４の操作量は燃料噴射量と火プラグ近傍の燃焼ガスの空燃比の目標値とから算出する。このような手順で各操作量を設定することで、制御量の操作量への変換に必要な計算処理の複雑化を回避しつつ、制御量の各目標値を前記第４の操作量を含む４種の操作量に的確に反映させることが可能となる。
本発明の実施の形態１としての内燃機関の制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１にかかる実現部の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態２にかかる実現部の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態２にかかる各操作量の算出手順を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態３にかかる実現部の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態３にかかる燃焼空燃比の目標値の設定方法を説明するための図である。 本発明の実施の形態３にかかる各操作量の算出手順を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態４としての内燃機関の制御装置の構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態４にかかる実現部の構成を示すブロック図である。
符号の説明
　２　スロットル
　４　点火装置
　６　燃料噴射装置
　８　スワールコントロールバルブ
　１０　機能要求発生部
　１２，１４，１６　要求出力要素
　２０　目標値設定部
　２２　トルク調停要素
　２４　効率調停要素
　２６　Ａ／Ｆ調停要素
　３０　実現部
　４０　実現部
　３０２　変換部
　３０４　目標燃焼Ａ／Ｆ設定部
　３１２　変換部
　３１４　目標燃焼Ａ／Ｆ設定部
　３１６　変換部
　３２２　変換部
　３２４　目標燃焼Ａ／Ｆ設定部
　３２６　変換部
　４０２　変換部
　４０４　目標燃焼Ａ／Ｆ設定部
実施の形態１．
　本発明の実施の形態１について図１及び図２を用いて説明する。
　まず、本実施の形態の前提として、本実施の形態にかかる内燃機関の仕様について説明する。本実施の形態にかかる内燃機関は、成層燃焼による運転を行う内燃機関である。そして、その動作を制御するためのアクチュエータとして、吸気量調整弁としてのスロットル２、点火時期を調整する点火装置４、及び、燃料を筒内に直接噴射する燃料噴射装置６を備えている。本実施の形態にかかる内燃機関の仕様は、後述する実施の形態２及び３にも共通する仕様である。
　本実施の形態の制御装置は、図１のブロック図にて示すように構成されている。図１では制御装置の各要素をブロックで示し、ブロック間の信号の伝達（主なもの）を矢印で示している。以下、図１を参照して本実施の形態の制御装置の全体的な構成と、その特徴とについて説明する。
　図１に示すように、制御装置は、大きく分けて３つの部分１０，２０，３０から構成されている。このうち、最上位に位置するのは機能要求発生部１０である。機能要求発生部１０の下位には目標値設定部２０が設けられ、さらにその下位には実現部３０が設けられている。前述の各アクチュエータ２，４，６は実現部３０に接続されている。なお、図１中に矢印で示すブロック間の伝達信号とは別に、制御装置内には種々の信号が流れている。そのような信号の一例が、内燃機関の運転条件や運転状態に関する情報（以下、機関情報という）を含んだ信号である。機関情報には、機関回転数、スロットル開度センサの出力値、空燃比センサの出力値、現時点の実点火時期、冷却水温度、吸気弁及び排気弁のバルブタイミング等が含まれる。
　以下、制御装置を構成する各部分１０，２０，３０の構成と、そこで行われている処理について順に説明していく。
　機能要求発生部１０は、複数の要求出力要素１２，１４，１６から構成されている。要求出力要素１２，１４，１６は内燃機関の機能毎に設けられている。内燃機関の機能には、ドライバビリティ、排気ガス、燃費、騒音、振動等が挙げられる。これらは内燃機関に求められている性能とも言い換えることができる。内燃機関に何を求めるか、何を優先するかによって機能要求発生部１０に配置する要求出力要素の内容は異なってくる。本実施の形態では、ドライバビリティに関する機能に対応して要求出力要素１２が設けられ、排気ガスに関する機能に対応して要求出力要素１４が設けられ、燃費に関する機能に対応して要求出力要素１６が設けられている。
　要求出力要素１２，１４，１６は、内燃機関の機能に関する要求を数値化して出力する。アクチュエータ２，４，６の操作量は演算により決定されるので、要求を数値化することによってアクチュエータ２，４，６の操作量に機能要求を反映させることが可能になる。本実施の形態では、機能要求の表現に使用する物理量として、トルク、効率及びＡ／Ｆ（空燃比）の３種を用いることとする。ドライバビリティ、排気ガス或いは燃費といった内燃機関の各種の機能に関する要求はトルク、効率及びＡ／Ｆの何れかの物理量で表現することができるからである。なお、効率は、トルクに変換可能な熱エネルギのトルクへの変換効率に相当し、点火時期がＭＢＴのときを基準にして設定される無次元パラメータである。
　図１では、これは一例ではあるが、要求出力要素１２はドライバビリティに関する要求をトルクや効率で表現した要求値にして出力している。要求出力要素１４は排気ガスに関する要求を効率やＡ／Ｆで表現した要求値にして出力している。また、要求出力要素１６は燃費に関する要求を効率やＡ／Ｆで表現した要求値にして出力している。なお、各要求出力要素１２，１４，１６から出力される要求値は、各物理量につき１つには限定されない。例えば、要求出力要素１２からは、ドライバからの要求トルクだけでなく、車両制御にかかる各種デバイスから要求されるトルクも同時に出力されている。効率やＡ／Ｆに関しても同様である。
　次に、目標値設定部２０について説明する。目標値設定部２０は内燃機関の制御量の目標値を設定する。本実施の形態の制御装置は、前述のトルク、効率及びＡ／Ｆを内燃機関の制御量として用いる。前述のように、内燃機関の各種の機能に関する要求はトルク、効率及びＡ／Ｆの何れかの物理量で表現することができ、且つ、トルク、効率及びＡ／Ｆは内燃機関の出力を決定する３要素である。ここでいう内燃機関の出力にはトルク以外にも熱と排気ガスとが含まれ、これらの出力全体によって前述のドライバビリティ、排気ガス、燃費といった内燃機関の各種の機能が決定される。したがって、トルク、効率及びＡ／Ｆの３種の物理量を内燃機関の制御量とすることで、内燃機関の出力に的確に機能要求を反映させることが可能になる。
　目標値設定部２０は、機能要求発生部１０から出力される複数の機能要求を集約して各制御量の目標値を設定する。目標値設定部２０には、制御量毎に調停部２２，２４，２６が設けられている。トルク調停部２２はトルクで表現された要求値を集約して１つのトルク要求値に調停し、そのトルク要求値を制御量であるトルクの目標値として設定する。効率調停部２４は効率で表現された要求値を集約して１つの効率要求値に調停し、その効率要求値を制御量である効率の目標値として設定する。そして、Ａ／Ｆ調停部２６はＡ／Ｆで表現された要求値を集約して１つのＡ／Ｆ要求値に調停し、そのＡ／Ｆ要求値を制御量であるＡ／Ｆの目標値として設定する。調停とは各機能要求の優先度や機能要求間の関係に鑑みて全体として最も満足度の高い数値を決定する処理である。各調停部２２，２４，２６は、予め定められた規則に従って調停を行なう。ここでいう規則とは、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規則であり、それら複数の計算規則を適宜に組み合わせたものとすることもできる。ただし、どのような規則とするかは設計に委ねられるものであって、調停に用いる規則の内容に限定はない。
　次に、実現部３０について説明する。実現部３０は、目標値設定部２０で設定されたトルク、効率及びＡ／Ｆの３種の制御量の各目標値を実現するために必要な各アクチュエータ２，４，６の操作量を算出する。実現部３０で算出される操作量は、スロットル２を操作するためのスロットル開度、点火装置４を操作するための点火時期、そして、燃料噴射装置６を操作するための燃料噴射量及び燃料噴射時期である。
　均質燃焼による運転を行う内燃機関であれば、アクチュエータ操作量はスロットル開度、点火時期及び燃料噴射量の３種で足りる。しかし、成層燃焼による運転を行う内燃機関では、上記３種の操作量では適切なトルク制御ができない。成層燃焼では実際の燃焼Ａ／Ｆと筒内全体のＡ／Ｆとが異なるが、上記３種の操作量によって直接調整できるのは筒内全体のＡ／Ｆに限られるからである。燃焼Ａ／Ｆはトルク－点火時期特性に影響するので、筒内全体のＡ／Ｆとは別に実際の燃焼Ａ／Ｆも調整する必要があるが、上記３種の操作量のみではそれを調整することができない。この点に関して本実施の形態の制御装置では、スロットル開度、点火時期及び燃料噴射量に加えて燃料噴射時期も操作量として用いている。燃料噴射時期を変化させれば、筒内での燃料噴霧の流れも変化して点火プラグ周辺に計算される濃い混合気の濃度にも変化が生じる。したがって、燃料噴射時期を操作量の一つとして用いることで、筒内全体のＡ／Ｆとは別に実際の燃焼Ａ／Ｆも調整することができる。
　図２は実現部３０の構成を示すブロック図である。本実施の形態にかかる実現部３０は目標燃焼Ａ／Ｆ設定部３０４を備えている。目標燃焼Ａ／Ｆ設定部３０４は、燃焼Ａ／Ｆの目標値を固定値として持っている。燃焼Ａ／Ｆはトルク－点火時期特性を左右する重要なトルク影響因子であるが、燃焼Ａ／Ｆは制御量としては用いられていない。本実施の形態で制御量として用いられているのは筒内全体のＡ／Ｆである。実現部３０内で燃焼Ａ／Ｆの目標値を内生し、それをアクチュエータ操作量の算出に用いることによって的確なトルク制御が可能になる。
　実現部３０は、各操作量の算出を変換部３０２によって行う。変換部３０２は、本実施の形態にかかる内燃機関の逆モデルであって、マップや関数で表された複数の統計モデルや物理モデルで構成されている。変換部３０２には、トルク、効率及びＡ／Ｆの３種の制御量の各目標値と燃焼Ａ／Ｆの目標値とが入力される。そして、それらの目標値から変換された４種の操作量、すなわち、スロットル開度、点火時期、燃料噴射量及び燃料噴射時期が変換部３０２から出力される。なお、変換部３０２における変換処理には機関回転数等の機関情報が参照される。
　ところで、本実施の形態にかかる制御装置の各種動作は、コンピュータとしての制御装置がメモリに読み出して実行するプログラムによって実現することが可能である。このプログラムは、
ａ．トルク、効率及び空燃比の３種の物理量を内燃機関の制御量として用い、内燃機関の機能に関する要求の少なくとも一部をこれら３種の物理量に集約することよって各制御量の目標値を設定するステップ
ｂ．トルク、効率及び空燃比の３種の制御量の各目標値に基づいて、スロットル開度、点火時期及び燃料噴射量の３種の操作量と、筒内の空燃比の分布を調整することができる第４の操作量としての燃料噴射時期を設定するステップ
ｃ．設定した４種の操作量をそれぞれ操作対象となるアクチュエータへ出力するステップ
を行うためのコードから構成されている。このプログラムはＲＯＭ等の記録媒体に格納して制御装置に備えることができる。
　以上が本発明の実施の形態１に関する説明である。図１に示す構成において、目標値設定部２０は本発明の「目標値設定手段」に相当し、実現部３０は本発明の「操作量設定手段」及び「操作量出力手段」に相当する。また、図２に示す構成の実現部３０は、本発明の第２及び第３の形態の「操作量設定手段」に相当する。
　なお、実施の形態１では燃焼Ａ／Ｆの目標値を固定値としているが、目標燃焼Ａ／Ｆ設定部３０４が燃焼Ａ／Ｆの目標値を内燃機関の運転状態毎に固定値として持つようにしてもよい。これよれば、内燃機関の運転状態に応じた最適な燃焼Ａ／Ｆの実現によって、トルク制御の精度を高めることができる。この場合、図２に示す構成の実現部３０は本発明の第２及び第４の形態の「操作量設定手段」に相当することになる。或いは、筒内全体のＡ／Ｆと実際の燃焼Ａ／Ｆとの目標対応関係を予め設定しておき、目標燃焼Ａ／Ｆ設定部３０４が制御量であるＡ／Ｆの目標値から燃焼Ａ／Ｆの目標値を決定するようにしてもよい。これよれば、筒内全体のＡ／Ｆの目標値に応じた最適な燃焼Ａ／Ｆの実現によって、トルク制御の精度を高めることができる。この場合、図２に示す構成の実現部３０は本発明の第２及び第５の形態の「操作量設定手段」に相当することになる。
実施の形態２．
　次に、本発明の実施の形態２について図１，図３及び図４を用いて説明する。
　本実施の形態の制御装置の全体の構成は、実施の形態１と同じく、図１のブロック図にて示される。本実施の形態の制御装置と実施の形態１の制御装置との違いは、制御装置を構成する一要素である実現部３０の構成とその機能にある。本実施の形態にかかる実現部３０の構成を示したのが図３のブロック図である。
　本実施の形態にかかる実現部３０は、変換部３１２、変換部３１６及び目標燃焼Ａ／Ｆ設定部３１４から構成されている。実施の形態１では、変換部３０２が内燃機関の逆モデルに相当していたが、本実施の形態では、変換部３１２及び変換部３１６によって内燃機関の逆モデルが構成されている。目標燃焼Ａ／Ｆ設定部３１４は燃焼Ａ／Ｆの目標値を固定値として持っている。
　実現部３０は、必要な４種の操作量のうち、まず、スロットル開度、点火時期及び燃料噴射量の３種の操作量の算出を変換部３１２によって行う。変換部３１２には、トルク、効率及びＡ／Ｆの３種の制御量の各目標値が入力される。そして、それらの目標値から変換された上記３種の操作量が変換部３１２から出力される。残る１つの操作量、すなわち、燃料噴射時期は変換部３１６で算出される。変換部３１６には、変換部３１２で算出された燃料噴射量と燃焼Ａ／Ｆの目標値とが入力される。そして、燃料噴射量と燃焼Ａ／Ｆの目標値とから変換された燃料噴射時期が変換部３１６から出力される。なお、各変換部３１２，３１６における変換処理には機関回転数等の機関情報が参照される。
　以上のような実現部３０の機能により、本実施の形態によれば各操作量は図４のフローチャートに示す手順にて算出されることになる。その最初のステップＳ１１０では、ドライバビリティ、排気ガス或いは燃費といった内燃機関の機能に関する各種の要求がトルク、効率及びＡ／Ｆの３種の制御量に集約される。この処理は目標値設定部２０によって行われる。
　次のステップＳ１２０では、３種の制御量がスロットル開度（ＴＡ）、点火時期（ＳＡ）及び燃料噴射量に変換される。この処理は実現部３０の一要素である変換部３１２にて行われる。
　次のステップＳ１３０では、目標燃焼Ａ／Ｆ設定部３１４で設定された燃焼Ａ／Ｆの目標値、変換部３１２で算出された燃料噴射量、及び機関回転数等の機関情報に基づいて燃料噴射時期が導出される。この処理は実現部３０の一要素である変換部３１６にて行われる。
　最後のステップＳ１４０では、実現部３０で算出された各操作量、すなわち、スロットル開度（ＴＡ）、点火時期（ＳＡ）、燃料噴射量及び燃料噴射時期が各アクチュエータ２，４，６にセットされる。
　以上のように、本実施の形態の制御装置は、スロットル開度、点火時期及び燃料噴射量の算出と、燃料噴射時期の算出とを分けて行うようにしている。このような各操作量の算出方法を採ることで、制御量の操作量への変換に必要な計算処理の複雑化を回避しつつ、制御量の各目標値を燃料噴射時期を含む４種の操作量に的確に反映させることが可能となる。
　以上が本発明の実施の形態２に関する説明である。実施の形態２と本発明との対応関係については実施の形態１の場合と同様である。ただし、図３に示す構成の実現部３０は、本発明の第２，第３及び第７の形態の「操作量設定手段」に相当する。なお、実施の形態２では燃焼Ａ／Ｆの目標値を固定値としているが、目標燃焼Ａ／Ｆ設定部３１４は燃焼Ａ／Ｆの目標値を内燃機関の運転状態毎に固定値として持つようにしてもよい。或いは、制御量であるＡ／Ｆの目標値から燃焼Ａ／Ｆの目標値を決定するようにしてもよい。
実施の形態３．
　次に、本発明の実施の形態３について図１，図５乃至図７を用いて説明する。
　本実施の形態の制御装置の全体の構成は、実施の形態１と同じく、図１のブロック図にて示される。本実施の形態の制御装置と実施の形態１の制御装置との違いは、制御装置を構成する一要素である実現部３０の構成とその機能にある。本実施の形態にかかる実現部３０の構成を示したのが図５のブロック図である。
　本実施の形態にかかる実現部３０は、変換部３２２、変換部３２６及び目標燃焼Ａ／Ｆ設定部３２４から構成されている。実施の形態１では、変換部３０２が内燃機関の逆モデルに相当していたが、本実施の形態では、変換部３２２、変換部３２６及び目標燃焼Ａ／Ｆ設定部３２４の全てによって内燃機関の逆モデルが構成されている。
　実現部３０は、必要な４種の操作量のうち、まず、スロットル開度、点火時期及び燃料噴射量の３種の操作量の算出を変換部３２２によって行う。変換部３２２には、トルク、効率及びＡ／Ｆの３種の制御量の各目標値が入力される。そして、それらの目標値から変換された上記３種の操作量が変換部３２２から出力される。残る１つの操作量、すなわち、燃料噴射時期は変換部３２６で算出される。変換部３２６には、変換部３２２で算出された燃料噴射量と燃焼Ａ／Ｆの目標値とが入力される。そして、燃料噴射量と燃焼Ａ／Ｆの目標値とから変換された燃料噴射時期が変換部３２６から出力される。なお、各変換部３２２，３２６における変換処理には機関回転数等の機関情報が参照される。
　本実施の形態の一つの特徴は燃焼Ａ／Ｆの目標値が変数とされていることにある。目標燃焼Ａ／Ｆ設定部３２４には、制御量であるトルク及びＡ／Ｆと、操作量であるスロットル開度及び点火時期が入力される。目標燃焼Ａ／Ｆ設定部３２４は、これらの入力値から燃焼Ａ／Ｆの目標値を算出する。詳しくは、目標燃焼Ａ／Ｆ設定部３２４は図６に示すようなトルク－点火時期特性のマップを有している。このマップは吸入空気量やＡ／Ｆ等のトルク影響因子（点火時期及び燃料噴射時期以外）毎に用意されている。目標燃焼Ａ／Ｆ設定部３２４は、まず、スロットル開度から吸入空気量を算出し、吸入空気量とＡ／Ｆ等に基づいてトルク－点火時期特性のマップを選択する。図６に示すように、各マップには複数のトルク－点火時期特性曲線が設定されている。これらのトルク－点火時期特性曲線は燃焼Ａ／Ｆ毎に設定されている。実際の燃焼Ａ／Ｆが異なれば燃焼速度にも違いが生じ、結果、トルク－点火時期特性は異なったものになるからである。目標燃焼Ａ／Ｆ設定部３２４は、選択したマップにおいて所望のトルクＴｋと所望の点火時期ＳＡｋとを共に実現できるトルク－点火時期特性曲線を特定する。そして、特定したトルク－点火時期特性曲線が得られる燃焼Ａ／Ｆを燃焼Ａ／Ｆの目標値として設定する。
　以上のような実現部３０の機能により、本実施の形態によれば各操作量は図７のフローチャートに示す手順にて算出されることになる。その最初のステップＳ２１０では、ドライバビリティ、排気ガス或いは燃費といった内燃機関の機能に関する各種の要求がトルク、効率及びＡ／Ｆの３種の制御量に集約される。この処理は目標値設定部２０によって行われる。
　次のステップＳ２２０では、３種の制御量がスロットル開度（ＴＡ）、点火時期（ＳＡ）及び燃料噴射量に変換される。この処理は実現部３０の一要素である変換部３２２にて行われる。
　次のステップＳ２３０では、図６に示すマップを用いて所望のトルクと点火時期とを同時に満たすトルク－点火時期特性曲線が特定される。そして、特定したトルク－点火時期特性曲線が得られる燃焼Ａ／Ｆが燃焼Ａ／Ｆの目標値として設定される。これらの処理は実現部３０の一要素である目標燃焼Ａ／Ｆ設定部３２４にて行われる。
　次のステップＳ２４０では、目標燃焼Ａ／Ｆ設定部３２４で設定された燃焼Ａ／Ｆの目標値と、変換部３２２で算出された燃料噴射量とから燃料噴射時期が導出される。この処理は実現部３０の一要素である変換部３２６にて行われる。
　ステップＳ２５０では、実現部３０で算出された各操作量、すなわち、スロットル開度（ＴＡ）、点火時期（ＳＡ）、燃料噴射量及び燃料噴射時期が各アクチュエータ２，４，６にセットされる。
　以上のように、本実施の形態の制御装置は、まず、３種の制御量の各目標値からスロットル開度、点火時期及び燃料噴射量を決定している。スロットル開度が決定されることで吸入空気量が決まり、吸入空気量と燃料噴射量とから制御量の一つである筒内全体のＡ／Ｆが決まる。また、点火時期によって制御量の一つである効率が決まる。残り一つの制御量であるトルクは、実際の燃焼Ａ／Ｆに依存する。本実施の形態の制御装置は、所望のトルクと点火時期とに対応するトルク－点火時期特性曲線を特定し、その特性曲線を得られる燃焼Ａ／Ｆを燃焼Ａ／Ｆの目標値として設定する。こうして設定された燃焼Ａ／Ｆの目標値を実現するように燃料噴射時期を決めることで、先に決定した３種の操作量のもとでトルク、効率及びＡ／Ｆの３種の制御量の各目標値を実現することが可能になる。つまり、本実施の形態の制御装置によれば、どのような運転状態のもとでもトルク、効率及びＡ／Ｆの３種の制御量を同時に各目標値へ高精度に追従させることができる。
　以上が本発明の実施の形態３に関する説明である。実施の形態３と第１の発明との対応関係については実施の形態１の場合と同様である。ただし、図５に示す構成の実現部３０は、本発明の第６及び第７の形態の「操作量設定手段」に相当する。
　なお、実燃焼Ａ／Ｆに差異が生じた場合、実際に燃焼する混合気量にも差異が生じる。その差異がトルク－点火時期特性に与える影響は大きくないため、図６に示すマップでは実混合気量の差異については考慮していない。ただし、より高精度に燃焼Ａ／Ｆの目標値を設定するのであれば、実混合気量の影響を考慮した３次元マップに作り替えてもよい。或いは、図６に示すマップから導出した燃焼Ａ／Ｆの目標値に対して事前に実験等でもとめたマップや係数等によって補正を施すようにしてもよい。
実施の形態４．
　本発明の実施の形態４について図８及び図９を用いて説明する。
　まず、本実施の形態の前提として、本実施の形態にかかる内燃機関の仕様について説明する。本実施の形態にかかる内燃機関は、成層燃焼による運転を行う内燃機関である。そして、その動作を制御するためのアクチュエータとして、吸気量調整弁としてのスロットル２、点火時期を調整する点火装置４、燃料を筒内に直接噴射する燃料噴射装置６、及び、筒内のスワール流を調整するスワールコントロールバルブ（以下、ＳＣＶ）８を備えている。
　本実施の形態の制御装置は、図８のブロック図にて示すように構成されている。図８では制御装置の各要素をブロックで示し、ブロック間の信号の伝達（主なもの）を矢印で示している。以下、図８を参照して本実施の形態の制御装置の全体的な構成と、その特徴とについて説明する。
　図８に示すように、制御装置は、大きく分けて３つの部分１０，２０，４０から構成されている。このうち、最上位に位置するのは機能要求発生部１０である。機能要求発生部１０の下位には目標値設定部２０が設けられ、さらにその下位には実現部４０が設けられている。前述の各アクチュエータ２，４，６，８は実現部４０に接続されている。機能要求発生部１０及び目標値設定部２０の各構成と、そこで行われている処理の内容に関しては実施の形態１にかかるそれらと同様である。以下では、本実施の形態にかかる実現部４０の構成と、そこで行われている処理について説明する。
　実現部４０は、目標値設定部２０で設定されたトルク、効率及びＡ／Ｆの３種の制御量の各目標値を実現するために必要な各アクチュエータ２，４，６，８の操作量を算出する。実現部４０で算出される操作量は、スロットル２を操作するためのスロットル開度、点火装置４を操作するための点火時期、燃料噴射装置６を操作するための燃料噴射量、そして、ＳＣＶ８を操作するためのＳＣＶ開度である。なお、燃料噴射時期も操作量ではあるが、本実施の形態においてはトルク、効率及びＡ／Ｆの３種の制御量から算出される操作量には含まれていない。燃料噴射時期は、成層燃焼を実現するうえで適切な所定の時期に設定されている。
　上述のように、本実施の形態ではスロットル開度、点火時期及び燃料噴射量に加えてＳＣＶ開度を操作量として用いている。ＳＣＶ開度を操作することで筒内でのスワール流を調整することができる。スワール流が変化すれば、燃料噴射によって生じた濃いＡ／Ｆのガス塊が点火プラグ近傍に到達する際の輸送速度にも変化が生じる。したがって、ＳＣＶ開度を操作量の一つとして用いることで、筒内全体のＡ／Ｆとは別に点火プラグ近傍のＡ／Ｆ、すなわち、実際の燃焼Ａ／Ｆも調整することができる。
　図９は実現部４０の構成を示すブロック図である。本実施の形態にかかる実現部４０は目標燃焼Ａ／Ｆ設定部４０４を備えている。目標燃焼Ａ／Ｆ設定部４０４は、燃焼Ａ／Ｆの目標値を固定値として持っている。燃焼Ａ／Ｆはトルク－点火時期特性を左右する重要なトルク影響因子であるが、燃焼Ａ／Ｆは制御量としては用いられていない。本実施の形態で制御量として用いられているのは筒内全体のＡ／Ｆである。実現部４０内で燃焼Ａ／Ｆの目標値を内生し、それをアクチュエータ操作量の算出に用いることによって的確なトルク制御が可能になる。
　実現部４０は、各操作量の算出を変換部４０２によって行う。変換部４０２は、本実施の形態にかかる内燃機関の逆モデルであって、マップや関数で表された複数の統計モデルや物理モデルで構成されている。変換部４０２には、トルク、効率及びＡ／Ｆの３種の制御量の各目標値と燃焼Ａ／Ｆの目標値とが入力される。そして、それらの目標値から変換された４種の操作量、すなわち、スロットル開度、点火時期、燃料噴射量及びＳＣＶ開度が変換部４０２から出力される。なお、変換部４０２における変換処理には機関回転数や燃料噴射時期等の機関情報が参照される。
　以上が本発明の実施の形態４に関する説明である。実施の形態４においても実施の形態１と同様の変形例を採用することができる。また、実施の形態１にかかる実現部３０の構成を図３又は図５のブロック図に示す構成に代えてもよいように、本実施の形態にかかる実現部４０の構成も図３又は図５のブロック図に示すような構成に代えてもよい。ただし、その場合、実現部４０から算出されるのは燃料噴射時期ではなくＳＣＶ開度である。
その他．
　本発明は上述の実施の形態には限定されない。上述の実施の形態には、本発明にかかる「目標値設定手段」や「操作量設定手段」や「操作量出力手段」が具現化されているが、そこに開示されている構成はこれらの手段が採り得る構成の一例にすぎない。本発明にかかる「目標値設定手段」や「操作量設定手段」や「操作量出力手段」の機能を実現することが可能な全ての構成がそれら各手段の範囲に含まれる。
　上述の実施の形態は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形することができる。例えば、上述の実施の形態では吸気量調整弁としてスロットルを用いているが、リフト量或いは作用角を連続的に変換させることができる可変機構付きの吸気弁でもよい。この場合、リフト量或いは作用角が吸気量調整弁の操作量となる。
　また、本発明にかかる「第４の操作量」としては、筒内の空燃比分布を調整することができる操作量であれば燃料噴射時期やＳＣＶ開度には限定されない。例えば、タンブルコントロールバルブを有する内燃機関であれば、そのバルブ開度を第４の操作量として用いることができる。バルブタイミング可変機機構によって調整される吸気弁のバルブタイミングを第４の操作量として用いることもできる。これらの操作量によれば、ＳＣＶ開度と同様に、リッチな空燃比のガス塊が点火プラグ近傍へ到達する際の輸送速度を調整することができる。
　また、本発明の内燃機関の制御装置及び方法が制御対象とするのは、点火プラグ近傍のＡ／Ｆと筒内全体のＡ／Ｆとが異なる内燃機関である。そのような内燃機関には、筒内のＡ／Ｆ分布を意図的に不均一にして燃焼させる内燃機関が含まれるが、上述の各実施の形態にかかる成層燃焼による運転はその一例に過ぎない。また、均質燃焼を行う内燃機関であっても、運転状態によって結果的に筒内のＡ／Ｆ分布に不均一が生じることになる内燃機関は本発明の制御対象に含まれる。ミクロな視点でみたときには均質燃焼であっても筒内のＡ／Ｆの分布にムラが生じる場合があり、必ずしも点火プラグ近傍のＡ／Ｆと筒内全体のＡ／Ｆとが一致するとはかぎらない。トルク－点火時期特性に影響するのは点火プラグ近傍のＡ／Ｆであるので、第４の操作量によって筒内のＡ／Ｆ分布を調整することでルク制御の精度を高めることができる。

Claims (16)

  1. 　点火プラグ近傍の空燃比と筒内全体の空燃比とが異なる内燃機関の制御装置であって、前記内燃機関を複数のアクチュエータの操作によって制御する制御装置において、
    　トルク、効率及び空燃比の３種の物理量を前記内燃機関の制御量として用い、前記内燃機関の機能に関する要求の少なくとも一部を前記３種の物理量に集約することによって各制御量の目標値を設定する目標値設定手段と、
    　トルク、効率及び空燃比の３種の制御量の各目標値に基づいて、吸気量調整弁の開度、点火時期及び燃料噴射量の３種の操作量と、筒内の空燃比分布を調整することができる第４の操作量とを設定する操作量設定手段と、
    　設定した前記４種の操作量をそれぞれ操作対象となるアクチュエータへ出力する操作量出力手段と、
    を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
  2. 　前記操作量設定手段は、所定の規則に従って点火プラグ近傍の空燃比の目標値を生成し、前記３種の制御量の各目標値と生成した点火プラグ近傍の空燃比の目標値とから各操作量を算出することを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
  3. 　前記操作量設定手段は、点火プラグ近傍の空燃比の目標値を固定値として持っていることを特徴とする請求項２記載の内燃機関の制御装置。
  4. 　前記操作量設定手段は、点火プラグ近傍の空燃比の目標値を前記内燃機関の運転状態毎に固定値として持っていることを特徴とする請求項３記載の内燃機関の制御装置。
  5. 　前記操作量設定手段は、予め設定された筒内全体の空燃比と点火プラグ近傍の空燃比との目標対応関係に基づき、制御量である空燃比の目標値から点火プラグ近傍の空燃比の目標値を決定することを特徴とする請求項２記載の内燃機関の制御装置。
  6. 　前記操作量設定手段は、前記３種の制御量の各目標値に基づいて吸気量調整弁の開度、点火時期及び燃料噴射量の３種の操作量を算出し、前記３種の操作量のもとで前記３種の制御量の各目標値を実現するために必要な燃焼空燃比を点火プラグ近傍の空燃比の目標値として算出することを特徴とする請求項２記載の内燃機関の制御装置。
  7. 　前記操作量設定手段は、前記３種の制御量の各目標値に基づいて吸気量調整弁の開度、点火時期及び燃料噴射量を算出し、燃料噴射量と点火プラグ近傍の空燃比の目標値とから前記第４の操作量を算出することを特徴とする請求項２乃至６の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
  8. 　前記操作量設定手段は、前記第４の操作量として燃料噴射時期を設定することを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
  9. 　点火プラグ近傍の空燃比と筒内全体の空燃比とが異なる内燃機関を複数のアクチュエータの操作によって制御する方法であって、
    　トルク、効率及び空燃比の３種の物理量を前記内燃機関の制御量として用い、前記内燃機関の機能に関する要求の少なくとも一部を前記３種の物理量に集約することよって各制御量の目標値を設定するステップと、
    　トルク、効率及び空燃比の３種の制御量の各目標値に基づいて、吸気量調整弁の開度、点火時期及び燃料噴射量の３種の操作量と、筒内の空燃比の分布を調整することができる第４の操作量とを設定するステップと、
    　設定した前記４種の操作量をそれぞれ操作対象となるアクチュエータへ出力するステップと、
    を実行することを特徴とする内燃機関の制御方法。
  10. 　前記の操作量を設定するステップでは、所定の規則に従って点火プラグ近傍の空燃比の目標値を生成し、前記３種の制御量の各目標値と生成した点火プラグ近傍の空燃比の目標値とから各操作量を算出することを特徴とする請求項９記載の内燃機関の制御方法。
  11. 　前記の操作量を設定するステップでは、点火プラグ近傍の空燃比の目標値として予め容易された固定値を使用することを特徴とする請求項１０記載の内燃機関の制御方法。
  12. 　前記の操作量を設定するステップでは、点火プラグ近傍の空燃比の目標値として前記内燃機関の運転状態毎に予め用意された固定値を使用することを特徴とする請求項１１記載の内燃機関の制御方法。
  13. 　前記の操作量を設定するステップでは、予め設定された筒内全体の空燃比と点火プラグ近傍の空燃比との目標対応関係に基づき、制御量である空燃比の目標値から点火プラグ近傍の空燃比の目標値を決定することを特徴とする請求項１０記載の内燃機関の制御方法。
  14. 　前記の操作量を設定するステップでは、前記３種の制御量の各目標値に基づいて吸気量調整弁の開度、点火時期及び燃料噴射量の３種の操作量を算出し、前記３種の操作量のもとで前記３種の制御量の各目標値を実現するために必要な燃焼空燃比を点火プラグ近傍の空燃比の目標値として算出することを特徴とする請求項２記載の内燃機関の制御方法。
  15. 　前記の操作量を設定するステップでは、前記３種の制御量の各目標値に基づいて吸気量調整弁の開度、点火時期及び燃料噴射量を算出し、燃料噴射量と点火プラグ近傍の空燃比の目標値とから前記第４の操作量を算出することを特徴とする請求項１０乃至１４の何れか１項に記載の内燃機関の制御方法。
  16. 　前記の操作量を設定するステップでは、前記第４の操作量として燃料噴射時期を設定することを特徴とする請求項９乃至１５の何れか１項に記載の内燃機関の制御方法。
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