WO2012090267A1 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、要求空燃比の変化速度と点火時期とを適切に調整することにより、内燃機関の排気ガス性能、燃費性能、及び運転性能に関する要求をバランスよく満足させる制御装置である。本制御装置は、所定の許可条件が満たされていない場合、点火時期を最適点火時期に保持し、許可条件が満たされている場合、空気量制御用アクチュエータの動作から推定されるトルクと要求トルクとの間の差を点火時期によって補償する。また、所定の緩和条件が満たされていない場合、オリジナルの要求空燃比をそのまま最終的な要求空燃比として決定し、緩和条件が満たされている場合、変化速度を緩和した要求空燃比を最終的な要求空燃比として決定する。許可条件には、要求空燃比がリッチ方向に変化し、且つ、その変化量が所定の判定基準値よりも大きいことが含まれ、緩和条件には、要求空燃比の変化量が判定基準値よりも大きく、且つ、許可条件が満たされていないことが含まれる。

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、特に、トルクと空燃比とを制御量とする内燃機関の制御装置に関する。

　内燃機関の制御方法の１つとして、トルクや空燃比を制御量として各アクチュエータの操作量を決定する方法が知られている。例えば、特開２０１０－７４８９号公報には、内燃機関に対する要求トルクや要求空燃比を決定し、それらを実現するようにスロットル、点火装置、及び燃料噴射装置の各操作量を決定する方法について開示されている。スロットルに関しては、その操作量であるスロットル開度は、要求トルクを実現するための目標空気量に従って決定される。例えばエアモデルの逆モデルを用いることで、目標空気量の実現に必要なスロットル開度は計算で求めることができる。

　ところで、内燃機関が発生させるトルクには、筒内に吸入される空気量に加えて空燃比も密接に関連する。空気量が同じ場合、燃焼に供される混合気の空燃比がストイキよりもリーンであればトルクは減少し、リッチであればトルクは増大する。このため、要求トルクを目標空気量に変換する過程においては、筒内の混合気の空燃比、すなわち要求空燃比を参照することが望ましい。要求空燃比に応じて目標空気量を設定することで、要求トルクの実現精度を高めることができる。

　ところが、要求空燃比は必ずしも一定ではなく、排気ガス性能の観点から積極的に変化させられることもある。例えば、燃料カットからの復帰時には、触媒のＮＯｘ還元能力を早急に回復させるべく、所定の期間、要求空燃比をストイキよりも大きくリッチ化することが行われる。また、触媒の浄化性能を向上させるためにストイキを中心にして要求空燃比を周期的に変化させることや、空燃比フィードバック制御によって要求空燃比を変化させることも行われる。これらの場合、要求空燃比の変化に合わせて目標空気量も変化し、それに合わせてスロットル開度が制御される。このときのスロットルの動きは、空燃比の変化に伴うトルクの変動を空気量の増減によって打ち消すような動きとなる。すなわち、空燃比がリッチ側に変化したときには、それによるトルクの増大を空気量の減少により相殺するように、スロットルは閉じ側に動く。逆に空燃比がリーン側に変化したときには、それによるトルクの減少を空気量の増大により相殺するように、スロットルは開き側に動く。

　しかしながら、スロットルの動きに対する空気量の応答には遅れがあり、実際の空気量は目標空気量の変化に対して遅れて変化する。このため、要求空燃比に急激な変化があった場合には、空気量の変化が要求空燃比の変化に追いつかない。その結果、次のような問題が生じることになる。

　図３は、要求空燃比が急変した場合の、トルク、回転数、空燃比、燃料噴射量、筒内吸入空気量、及びスロットル開度の各時間変化をチャートで示した図である。各段のチャートにおいて、点線は各項目の要求値或いは目標値の時間変化を示し、実線は各項目の実際の挙動を示している。この図に示すように、要求空燃比がリーン側にステップ的に急変した場合には、それに応じて目標空気量もステップ的に急増する。しかし、スロットル開度はステップ的には増大させることができず、また、スロットルの動きに対して空気量の応答には遅れがあるため、実際の空気量は目標空気量に遅れて増大することになる。

　燃料噴射量は、実際の空気量と要求空燃比とから決定されるため、空気量の増大の遅れによって燃料噴射量は一旦大きく減少することになる。その結果、内燃機関が発生させるトルクは要求トルクよりも一時的に大きく低下し、エンジン回転数も一時的に大きく低下することになる。それに伴い、実際の空燃比にも変動が生じることになる。なお、特開２０１０－７４８９号公報に記載の技術によれば、実際のトルクが要求トルクよりも大きくなり得る場合には、そのずれを補償するように点火時期の遅角が行われる。しかし、点火時期の遅角は燃費の悪化を招くので、燃費性能の観点からは、点火時期はなるべく最適点火時期に保持したいという要望がある。ところが、そのような要望に応えようとした場合、図３に示すように、要求トルクがリーン側に急変したときにはトルク及び回転数の一時的な低下が起きてしまう。

　つまり、上述した従来の制御方法には、内燃機関の排気ガス性能に関する要求、燃費性能に関する要求、及び運転性能に関する要求をバランスよく満足させることにおいて、さらなる改善の余地があった。

特開２０１０－７４８９号公報 特開平８－３１９８６２号公報 特開２００６－１４４６７２号公報 特開２００３－２３９７８６号公報

　上述の問題の解決策として、要求空燃比の変化速度を緩和させることが考えられる。要求空燃比の変化速度を緩和させる手段としては、例えば、一次遅れフィルタなどのローパスフィルタや、加重平均などのなまし処理を挙げることができる。要求空燃比の変化速度を緩和させることで、要求空燃比の変化に対する空気量の変化の遅れを無くすことが可能となる。もしくは、要求空燃比の変化に対する空気量の変化の遅れを完全には無くせないとしても、トルク変動が生じない程度に十分に軽減することが可能となる。

　しかし、要求空燃比は排気ガス性能に関する要求を満たすように決定されているので、その変化速度を緩和することは排気ガス性能の観点からは必ずしも好ましくはない。一方、内燃機関が発生させるトルクを調整することは、点火時期の制御によっても可能である。ただし、点火時期によるトルクの調整は遅角によってトルクを低下させる場合のみ有効であって、しかも、その場合には燃費の悪化が生じてしまう。つまり、単に要求空燃比の変化速度を緩和させるだけ、或いは、単に点火時期を調整するだけでは、内燃機関の各種の性能に関する要求をバランスよく満足させることはできない。

　そこで、本発明は、トルクと空燃比とを制御量とする内燃機関において、要求空燃比の変化速度と点火時期とを適切に調整することにより、内燃機関の排気ガス性能に関する要求、燃費性能に関する要求、及び運転性能に関する要求をバランスよく満足させることを課題とする。そして、そのような課題を達成するために、本発明は、次のような内燃機関の制御装置を提供する。

　本発明が提供する制御装置は、内燃機関が発生させるトルクの要求値、すなわち、要求トルクを決定するとともに、燃焼に供される混合気の空燃比の要求値、すなわち、要求空燃比を決定する。要求空燃比の決定に際しては、本制御装置は、まず、内燃機関の排気ガス性能に関する要求を受け、その要求を満足させる空燃比を要求空燃比として算出する。そして、後述する所定の緩和条件が満たされていないのであれば、算出した要求空燃比をそのまま最終的な要求空燃比として決定する。しかし、後述する緩和条件が満たされている場合には、算出した要求空燃比の信号を処理してその変化速度を緩和させ、変化速度を緩和された要求空燃比を最終的な要求空燃比として決定する。変化速度を緩和させる具体的な手段としては、一次遅れフィルタなどのローパスフィルタや、加重平均などのなまし処理を用いることができる。

　本制御装置は、以上のように決定された要求空燃比のもとで要求トルクを実現するための目標空気量を算出する。目標空気量の計算には、最適点火時期におけるトルクと筒内に吸入される空気量との関係を空燃比に関連付けて定めたデータを用いることができる。本制御装置は、目標空気量に従って空気量制御用のアクチュエータを操作するとともに、要求空燃比に従って燃料噴射量制御用のアクチュエータを操作する。

　また、本制御装置は、目標空気量に従った空気量制御用アクチュエータの動作により実現される空気量を推定し、要求空燃比のもとで推定空気量によって実現されるトルクを推定する。推定トルクの計算には、最適点火時期における空気量とトルクとの関係を空燃比に関連付けて定めたデータを用いることができる。そして、本制御装置は、後述する所定の許可条件が満たされていないのであれば、点火時期を最適点火時期に保持する。しかし、後述する所定の許可条件が満たされている場合には、推定トルクと要求トルクとの間に生じる差を点火時期によって補償するように点火時期を制御する。具体的には、推定トルクが要求トルクよりも大きい場合に、点火時期を最適点火時期よりも遅角させることで、内燃機関が発生させる実トルクを要求トルクに一致させるようにする。

　ここで、前記の許可条件には、排気ガス性能に関する要求に基づき算出した要求空燃比がリッチ方向に変化しており、且つ、要求空燃比の変化量、詳しくは、１計算周期ごとの変化量が所定の判定基準値よりも大きいことが含まれる。判定基準値は、空気量制御用アクチュエータの動作に対する空気量の応答速度に相当する値に設定されていることが好ましい。そして、前記の緩和条件には、算出した要求空燃比（オリジナルの要求空燃比）の変化量が判定基準値よりも大きく、且つ、前記の許可条件が満たされていないことが含まれる。つまり、オリジナルの要求空燃比の変化量が判定基準値よりも大きい場合に、その変化の方向がリッチ方向であるならば、オリジナルの要求空燃比がそのまま最終的な要求空燃比として使用されつつ、推定トルクと要求トルクとの間に生じる差を点火時期によって補償するように点火時期が制御される。一方、要求空燃比の変化の方向がリーン方向であるならば、点火時期が最適点火時期に保持されつつ、変化速度を緩和した要求空燃比が最終的な要求空燃比として使用される。算出した要求空燃比の変化量が判定基準値以下の場合には、オリジナルの要求空燃比がそのまま最終的な要求空燃比として使用され、点火時期は最適点火時期に保持される。

　本制御装置によれば、要求空燃比の算出値がリッチ方向に急激に変化した場合には、要求空燃比のリッチ化に対する空気量の減少の遅れに伴うトルクの増大を抑えるように点火時期が遅角されるので、内燃機関が発生させるトルクの要求トルクからのずれを抑えて運転性能を維持することができる。この場合、オリジナルの要求空燃比がそのまま燃料噴射量制御に用いられるので、要求空燃比を積極的に変化させることで得られる排気ガス性能上の効果は期待通りに得ることができる。

　また、本制御装置によれば、要求空燃比の算出値がリーン方向に急激に変化した場合には、その変化速度を緩和させたものが目標空気量の計算に用いられるので、目標空気量に対する実際の空気量の応答遅れを無くすか十分に軽減することができる。結果、要求空燃比の変化に対する空気量の変化の遅れを無くすか十分に軽減することが可能であり、要求空燃比の変化に伴うトルク変動を抑えて運転性能を維持することができる。また、この場合、点火時期は最適点火時期に保持されるので、高い燃費性能をそのまま維持することができる。

　以上述べたように、本制御装置によれば、内燃機関の排気ガス性能に関する要求、燃費性能に関する要求、及び運転性能に関する要求をバランスよく満足させることができる。

　なお、前記の許可条件には、さらに、内燃機関の排気通路に配置された触媒の酸素貯蔵量が所定の基準値を超えていることが含まれていてもよい。つまり、オリジナルの要求空燃比の変化量が空燃比変化判定値よりも大きい場合に、その変化の方向がリッチ方向であり、且つ、触媒の酸素貯蔵量が所定の基準値を超えているならば、点火時期の遅角を許可するようにしてもよい。言い換えれば、触媒の酸素貯蔵量が所定の基準値を超えていないのであれば、リッチ方向に変化している要求空燃比の変化速度を緩和し、それを最終的な要求空燃比として使用することができる。触媒の酸素貯蔵量は、触媒の下流に配置した酸素センサ或いは空燃比センサの出力信号の変化に基づいて、計算により求めることができる。

　触媒の酸素貯蔵量に余裕が無い場合、空燃比がリーン側にずれた排気ガスが触媒に流入すると、触媒の酸素貯蔵量が飽和することによって触媒の浄化性能は大きく低下してしまう。しかし、触媒の酸素貯蔵量にある程度の余裕があれば、触媒に流入する排気ガスの空燃比が本来の要求空燃比よりもリーンになったとしても、触媒の浄化性能が突然に低下してしまうことはない。したがって、触媒の酸素貯蔵量が基準値を超えていることを許可条件に加えることで、排気ガス性能に関する要求と運転性能に関する要求とを満たしながら、燃費性能に関する要求をより満足させることが可能となる。

　また、本制御装置は、燃料カットからの復帰後はストイキよりもリッチな空燃比を要求空燃比として算出し、所定時間の経過後に要求空燃比をストイキに変化させる。そうすることで、燃料カットの間に飽和状態になっていた触媒の酸素貯蔵量を適正な量まで減少させ、それにより触媒の浄化性能を回復させることができる。

　その場合、燃料カットからの復帰後、少なくとも要求空燃比がリッチ化されてからストイキに変化させられるまでの間は、目標空気量を嵩上げするとともに、推定トルクと要求トルクとの間に生じる差を補償するように点火時期を制御することが好ましい。目標空気量を嵩上げした場合、空気量制御用アクチュエータは空気量を増大させる方向に動作するので、前述の推定トルクは増大する方向へと変化する。その結果、推定トルクと要求トルクとの間に差が生じ、その差の分だけ点火時期は最適点火時期よりも遅角されることになる。つまり、本制御装置によれば、目標空気量を嵩上げすることで、トルクに変化を生じさせることなく点火時期を遅角することができる。

　点火時期を最適点火時期よりも遅角させることは、言い換えれば、点火時期を最適点火時期まで進角できるようにすることである。要求空燃比がリッチからストイキに変更されたときには、要求空燃比のリーン化に対する空気量の増大の遅れによってトルクの低下が発生する。しかし、上記のように、点火時期には進角できるだけの余裕ができているので、点火時期を進角させればトルクを速やかに増大させてトルクの変動を防止することができる。本制御装置によれば、要求空燃比のリーン化に伴い推定トルクと要求トルクとの差が縮小することで、点火時期は最適点火時期に向けて自動的に進角される。これにより、内燃機関が発生させるトルクの要求トルクからのずれを抑えて運転性能を維持することが可能となる。

本発明の実施の形態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の制御装置で行われる処理を示すフローチャートである。 従来の問題について説明するための図である。

　以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

　本発明の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。エンジンの排気通路には、排気ガスを浄化するための三元触媒が設けられている。制御装置は、エンジンに備えられるアクチュエータを操作することでエンジンの運転を制御する。制御装置が操作可能なアクチュエータには、点火装置、スロットル、燃料噴射装置、可変バルブタイミング機構、ＥＧＲ装置等が含まれる。ただし、本実施の形態において制御装置が操作するのはスロットル、点火装置及び燃料噴射装置であり、制御装置はこれら３つのアクチュエータを操作してエンジンの運転を制御する。

　本実施の形態の制御装置は、エンジンの制御量としてトルク、空燃比及び効率を使用する。ここでいうトルクはより厳密にはエンジンが発生させる図示トルクを意味し、空燃比は燃焼に供される混合気の空燃比を意味する。本明細書における効率はエンジンが出力しうる潜在トルクに対する実際に出力されるトルクの割合を意味する。効率の最大値は１であり、そのときにはエンジンが出力しうる潜在トルクがそのまま実際に出力されることになる。効率が１よりも小さい場合には、実際に出力されるトルクはエンジンが出力しうる潜在トルクよりも小さく、その余裕分は主に熱となってエンジンから出力されることになる。

　図１のブロック図に示す制御装置２は、本実施の形態の制御装置の構成を示している。図１において制御装置２を構成している各要素は、制御装置２が有する種々の機能的な要素のうち、３種のアクチュエータ、すなわち、スロットル４、点火装置６及び燃料噴射装置（ＩＮＪ）８の操作によるトルク制御と空燃比制御とに関する要素のみを特別に図で表現したものである。したがって、図１は、制御装置２がこれらの要素のみで構成されていることを意味するものではない。なお、各要素は、それぞれが専用のハードウェアで構成されていてもよいし、ハードウェアは共有してソフトウェアによって仮想的に構成されるものでもよい。

　以下、図１に示す各要素の機能を中心に制御装置２の全体構成について説明する。

　まず、制御装置２は、エンジンの制御量に対する要求として要求トルク、要求効率、及び要求空燃比（要求Ａ／Ｆ）をそれぞれ決定する。

　要求トルクの決定は要求トルク決定部１０で行われる。要求トルク決定部１０は、エンジンの運転条件に応じて、具体的には、運転者によるアクセルペダルの操作量や、ＶＳＣ、ＴＲＣ等の車両の制御システムからの信号に基づいて要求トルクを決定する。

　要求効率の決定は要求効率決定部１２で行われる。後述するように、要求効率を１にすることで点火時期は最適点火時期に制御され、要求効率を１より小さい値にすることで点火時期は最適点火時期より遅角される。本実施の形態では、要求効率決定部１２は、通常は効率の最大値である１に要求効率を固定し、後述する統合制御部４０からの指示（要求効率変更指示）があった場合に、要求効率を１より小さい所定値に変更する。

　要求空燃比の決定は要求空燃比決定部１４で行われる。要求空燃比決定部１４は、要求空燃比算出部３２、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）３４、及びスイッチ３６から構成されている。要求空燃比算出部３２は、エンジンの排気ガス性能に関する要求を受け、その要求を満足させる空燃比を要求空燃比として算出する機能を有している。詳しくは、通常の要求空燃比の設定はストイキであるが、排気ガス性能の観点から必要がある場合にはリーン側に或いはリッチ側に変化させられる。例えば、触媒の浄化性能を向上させるためにストイキを中心にして要求空燃比を周期的に変化させることや、空燃比フィードバック制御によって要求空燃比を変化させることが行われる。また、燃料カットからの復帰時には、触媒のＮＯｘ還元能力を早急に回復させるべく、所定の期間、要求空燃比をストイキよりも大きくリッチ化することが行われる。

　要求空燃比算出部３２から出力された要求空燃比は２つに分けられ、一方の要求空燃比はローパスフィルタ３４を通されてからスイッチ３６に入力される。もう一方の要求空燃比は、そのままスイッチ３６に入力される。ローパスフィルタ３４は、例えば一次遅れフィルタであって、要求空燃比の変化速度を緩和するために設けられている。その時定数は、ローパスフィルタ３４により緩和された要求空燃比の変化速度がスロットル４の動作に対する空気量の応答速度以下となるように設定されている。スイッチ３６は、入力される要求空燃比の何れか一方、すなわち、変化速度を緩和された要求空燃比とオリジナルの要求空燃比のどちらかを後述する統合制御部４０からの指示（切り替え指示）に従って選択する。スイッチ３６によって選択された要求空燃比が最終的な要求空燃比として決定され、要求空燃比決定部１４から出力される。

　要求空燃比決定部１４で決定された要求空燃比は、燃料噴射量算出部３０に入力される。燃料噴射量算出部３０は、ある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、要求空燃比と当該気筒の吸気弁閉じタイミングでの予測空気量とから燃料噴射量を算出する。

　制御装置２は、燃料噴射量算出部３０で算出された燃料噴射量を実現するように燃料噴射装置８の操作を行う。

　一方、要求トルク決定部１０で決定された要求トルクと要求効率決定部１２で決定された要求効率は、空気量制御用トルク算出部１６に入力される。空気量制御用トルク算出部１６は、要求トルクを要求効率で除算することによって空気量制御用トルクを算出する。要求効率が１よりも小さい場合には、空気量制御用トルクは要求トルクよりも嵩上げされることになる。

　空気量制御用トルクは目標空気量算出部１８に入力される。目標空気量算出部１８は、空気量マップを用いて空気量制御用トルクを目標空気量（ＫＬ）に変換する。ここでいう空気量とは、筒内に吸入される空気量を意味する（それを無次元化した充填効率或いは負荷率を代わりに用いることもできる）。空気量マップは、点火時期が最適点火時期（ＭＢＴとトレースノック点火時期のうち、より遅角側の点火時期）であ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。空気量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。空気量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、要求空燃比決定部１４で決定された要求空燃比がマップ検索に用いられる。したがって、目標空気量算出部１８では、要求空燃比のもとで空気量制御用トルクの実現に必要な空気量がエンジンの目標空気量として算出される。なお、要求効率が１よりも小さい場合には、目標空気量は嵩上げされることになる。これは要求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スロットル４に要求されていることを意味する。

　目標空気量は目標スロットル開度算出部２０に入力される。目標スロットル開度算出部２０は、エアモデルの逆モデルを用いて目標空気量（ＫＬ）をスロットル開度（ＴＡ）に変換する。エアモデルはスロットル４の動作に対する空気量の応答特性をモデル化した物理モデルであるので、その逆モデルを用いることで目標空気量の達成に必要なスロットル開度を逆算することができる。

　制御装置２は、目標スロットル開度算出部２０で算出されたスロットル開度に従ってスロットル４の操作を行う。

　制御装置２は、上記の処理と並行して、実際のスロットル開度（実ＴＡ）に基づいた推定トルクの計算を推定トルク算出部２２にて実施する。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、すなわち、エンジンが潜在的に出力しうるトルクの推定値である。推定トルク算出部２２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を推定空気量に変換する。次に、トルクマップを用いて推定空気量を推定トルクに変換する。トルクマップは、前述の空気量マップの逆マップであって、点火時期が最適点火時期であることを前提にして、空気量とトルクと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。このトルクマップの検索では、要求空燃比決定部１４で決定された要求空燃比が用いられる。したがって、推定トルク算出部２２では、要求空燃比のもとで推定空気量によって実現されることが推定されるトルクが算出される。

　推定トルクは複製された目標トルクとともに点火時期制御用効率算出部２４に入力される。点火時期制御用効率算出部２４は、要求トルクと推定トルクとの比率を算出する。算出された比率は要求トルクを実現するための効率を意味し、点火時期制御用の指示効率として用いられる。

　点火時期制御用の指示効率は、効率ガード部２６を経て点火時期算出部２８に入力される。効率ガード部２６は、上限ガード値及び下限ガード値によって指示効率の最大値及び最小値を制限する。上限ガード値は固定値であって、効率の最大値である１に設定されている。一方、下限ガード値は可変であって、少なくとも２つの値をとることができる。下限ガード値の通常の値は１であり、その場合、点火時期算出部２８に入力される指示効率の値は、要求トルクと推定トルクとの比率に関係なく１に保持される。下限ガード値が変更されるのは、後述する統合制御部４０からの指示（ガード解除指示）があった場合に限られる。その場合、効率ガード部２６は、燃焼を保障できる程度の値まで下限ガード値を大きく低下させる。

　点火時期算出部２８は、入力された点火時期制御用の指示効率から点火時期（ＳＡ）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、入力された点火時期制御用の指示効率から最適点火時期に対する遅角量を算出する。指示効率が１であれば遅角量をゼロとし、指示効率が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、例えば、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、例えば、遅角量と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、要求空燃比決定部１４で決定された要求空燃比がマップ検索に用いられる。

　制御装置２は、点火時期算出部２８で算出された点火時期に従って点火装置６の操作を行う。前述のように、通常、指示効率は１に保持されていることから、通常、すなわち、効率ガード部２６において指示効率の下限ガード値が解除されない限りは、点火時期は最適点火時期に維持されている。

　次に、本実施の形態の制御装置２の要部である統合制御部４０の機能について詳細に説明する。前述のように、統合制御部４０は、要求効率決定部１２、要求空燃比決定部１４のスイッチ３６、及び効率ガード部２６に対して指示を出し、それらを統合制御している。統合制御部４０によって行われる各要素１２，２６，３６の統合制御の内容は、図２フローチャートによって表すことができる。

　図２のフローチャートによれば、最初のステップＳ２にて、統合制御部４０は要求空燃比算出部３２から要求空燃比（要求Ａ／Ｆ）の算出値を取得する。また、次のステップＳ４にて、統合制御部４０は排気通路に配置された触媒の酸素貯蔵量（ＯＳＡ）に関する情報を取得する。触媒の酸素貯蔵量は、触媒の下流に配置した酸素センサの出力信号の変化に基づいて、計算により求めることができる。なお、本実施の形態では外部から統合制御部４０に酸素貯蔵量に関する情報を取り込んでいるが、酸素センサの出力信号を統合制御部４０に取り込むことによって、統合制御部４０の内部で酸素貯蔵量を算出するようにしてもよい。

　次のステップＳ６では、統合制御部４０は、現在、燃料カットからの復帰後のリッチ制御（ＦＣ後リッチ制御）が行われているかどうか、外部から入力される情報に基づいて判定する。燃料カットからの復帰後の暫くの間は、燃料カットの間に飽和状態になっていた触媒の酸素貯蔵量を適正な量まで減少させるべく、要求空燃比をリッチ側に変更して触媒に流入する排気ガスの空燃比をストイキよりもリッチにすることが行われる。このような制御が実施されていないのであれば、統合制御部４０は、次にステップＳ８の判定を実施する。

　ステップＳ８では、統合制御部４０は、要求空燃比の１計算周期あたりの変化量が判定基準値である空気応答相当値より大きいかどうか判定する。空気応答相当値は、スロットル４の動作に対する空気量の応答速度に相当する値である。統合制御部４０は、空気応答相当値をエンジン回転数や負荷に関連付けるマップを有していて、そのマップを参照して判定に使用する空気応答相当値を決定している。ステップＳ８の判定結果が否定であれば、統合制御部４０は、各要素１２，２６，３６への指示を変更せず、現状の制御状態を維持する。一方、判定結果が肯定の場合には、統合制御部４０は次にステップ１０の判定を実施する。

　ステップＳ１０では、統合制御部４０は、要求空燃比の今回値が要求空燃比の前回値よりも小さいかどうか、すなわち、要求空燃比がリッチ方向に変化したのかどうか判定する。その判定結果が否定であれば、すなわち、要求空燃比の変化の方向がリーン方向であるならば、統合制御部４０はステップＳ１６の処理を実施する。一方、判定結果が肯定であれば、すなわち、要求空燃比の変化の方向がリッチ方向であるならば、統合制御部４０は次にステップ１２の判定を実施する。

　ステップＳ１２では、統合制御部４０は、触媒の酸素貯蔵量が判定基準値であるＯＳＡ判定値よりも大きいかどうか、すなわち、触媒の酸素貯蔵量に余裕があるかどうか判定する。その判定結果が否定であれば、すなわち、触媒の酸素貯蔵量に余裕があるならば、統合制御部４０はステップＳ１６の処理を実施する。一方、判定結果が肯定であれば、すなわち、触媒の酸素貯蔵量に余裕がないのであれば、統合制御部４０はステップＳ１４の処理を実施する。

　ステップＳ１４では、統合制御部４０は効率ガード部２６にガード解除指示を出し、効率ガード部２６に下限ガード値を解除させる。その結果、点火時期算出部２８に入力される点火時期制御用の指示効率は、１よりも小さい値をとることが可能となる。指示効率が１よりも小さくなることで、点火時期は最適点火時期よりも遅角される。

　ステップＳ１６では、統合制御部４０は要求空燃比決定部１４のスイッチ３６に切り替え指示を出す。これにより、要求空燃比決定部１４から出力される要求空燃比は、要求空燃比算出部３２で算出されたオリジナルの要求空燃比から、ローパスフィルタ３４によって変化速度を緩和された要求空燃比に切り替えられる。

　ステップＳ６の判定の結果、ＦＣ後リッチ制御が実施されているのであれば、統合制御部４０はステップＳ１８の処理を実施し、続いてステップＳ１６の処理を実施する。ステップＳ１８では、統合制御部４０は要求効率決定部１２に指示を出し、要求効率を１より小さい値に変更させる。これにより、空気量制御用トルク算出部１６で算出される空気量制御用トルクは要求トルクよりも大きい値となり、目標空気量算出部１８で算出される目標空気量が嵩上げされるようになる。要求効率の１より低い値への変更は、要求空燃比が再びストイキに戻されてから所定時間が経過するまで維持される。

　このような統合制御が統合制御部４０によって実施されることで、以下に述べるように、エンジンの排気ガス性能に関する要求、燃費性能に関する要求、及び運転性能に関する要求をバランスよく満足させるという本発明の課題が達成されることになる。

　まず、要求空燃比算出部３２による要求空燃比の算出値がリーン方向に急激に変化した場合について説明する。この場合、上述の統合制御によれば、ローパスフィルタ３４によってその変化速度を緩和させたものが最終的な要求空燃比として出力される。そして、その変化速度を緩和させた要求空燃比を用いて目標空気量が計算される。緩和された要求空燃比の変化速度は、スロットル４の動作に対する空気の応答速度以下とされているので、目標空気量の変化速度をスロットル４の動作によって実現することは可能である。したがって、要求空燃比の変化に遅れることなく実際の空気量を変化させることが可能であり、要求空燃比の変化に伴うトルク変動を抑えて運転性能を維持することができる。また、この場合、効率ガード部２６による下限ガード値の解除は行われないので、点火時期は最適点火時期に保持され、高い燃費性能はそのまま維持される。

　次に、要求空燃比の算出値がリッチ方向に急激に変化した場合について説明する。リッチ方向に変化している要求空燃比の変化速度を緩和させると、触媒に流入する排気ガスの空燃比は本来の要求空燃比よりもリーン側にずれることになる。空燃比がリーン側にずれた排気ガスが触媒に流入するとき、触媒の酸素貯蔵量に余裕が無い場合には、触媒の酸素貯蔵量の飽和によって触媒の浄化性能が大きく低下する可能性がある。この場合、上述の統合制御によれば、出力される要求空燃比はオリジナルの要求空燃比に維持されたまま、効率ガード部２６による下限ガード値の解除が行われ、点火時期の最適点火時期からの遅角が許可される。これにより、要求空燃比のリッチ化に対する空気量の減少の遅れによってトルクの増大が発生したとしても、それを抑えるように点火時期が自動的に遅角されるようになる。したがって、この場合は、排気ガス性能上の効果を期待通りに得ながら、エンジンのトルク変動を抑えて運転性能に関する要求を満足させることができる。

　一方、空燃比がリーン側にずれた排気ガスが触媒に流入したとしても、触媒の酸素貯蔵量にある程度の余裕が有る場合には、触媒の浄化性能が突然に低下してしまうことはない。この場合、上述の統合制御によれば、点火時期は最適点火時期に保持されたまま。ローパスフィルタ３４によって変化速度を緩和させたものが最終的な要求空燃比として出力される。そして、その変化速度を緩和させた要求空燃比を用いて目標空気量が計算され、その目標空気量にしたがってスロットル４が操作される。これにより、要求空燃比のリッチ化に遅れることなく実際の空気量を増大させることが可能となり、燃費性能を維持しながら、エンジンのトルク変動を抑えて運転性能に関する要求を満足させることができるようになる。

　最後に、燃料カットからの復帰後にリッチ化されていた要求空燃比が再びストイキに戻された場合について説明する。上述の統合制御によれば、燃料カットからの復帰に伴って要求空燃比がリッチ化されてから再び要求空燃比がストイキに戻されるまでの間は、目標空気量の嵩上げが行われ、それと並行して効率ガード部２６による下限ガード値の解除が行われる。目標空気量の嵩上げによりスロットル４はその開度を増大させる方向に動作する。その結果、実際のスロットル開度に基づいて計算される推定トルクは要求トルクよりも大きくなって、その差を補償するように点火時期は最適点火時期よりも遅角される。点火時期が遅角されることで、その分、最適点火時期と現在の点火時期との間に進角可能な余裕が生まれることになる。

　その後、要求空燃比がリッチからストイキに変更されたときには、要求空燃比のリーン化に対する空気量の増大の遅れによってトルクの低下が発生する。しかし、上記のように、点火時期には進角できるだけの余裕ができているので、点火時期を進角させればトルクを速やかに増大させてトルクの変動を防止することができる。本実施の形態の制御装置２によれば、要求空燃比のリーン化に伴い推定トルクと要求トルクとの差が縮小することで、点火時期は最適点火時期に向けて自動的に進角される。これにより、エンジンが発生させるトルクの要求トルクからのずれを抑えて運転性能を維持することが可能となる。

　以上述べたように、本実施の形態の制御装置２によれば、エンジンの排気ガス性能に関する要求、燃費性能に関する要求、及び運転性能に関する要求をバランスよく満足させることができる。

　なお、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、上述の実施の形態では空気量制御のためのアクチュエータ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が可変の吸気弁を用いることもできる。

　また、上述の実施の形態ではローパスフィルタによって要求空燃比の変化速度を緩和しているが、いわゆるなまし処理を用いても良い。なまし処理の一例としては、加重平均を挙げることができる。或いは、要求空燃比の変化率に対してガード処理を施すことによって、その変化速度を緩和することも可能である。

２　制御装置
４　スロットル
６　点火装置
８　燃料噴射装置
１０　要求トルク決定部
１２　要求効率決定部
１４　要求空燃比決定部
１６　空気量制御用トルク算出部
１８　目標空気量算出部
２０　スロットル開度算出部
２２　推定トルク算出部
２４　点火時期制御用効率算出部
２６　効率ガード部
２８　点火時期算出部
３０　燃料噴射量算出部
３２　要求空燃比算出部
３４　ローパスフィルタ
３６　スイッチ
４０　統合制御部

Claims (3)

1. 　内燃機関が発生させるトルクの要求値（以下、要求トルク）を決定する要求トルク決定手段と、
   　燃焼に供される混合気の空燃比の要求値（以下、要求空燃比）を決定する要求空燃比決定手段と、
   　最適点火時期における空気量とトルクとの関係を空燃比に関連付けて定めたデータに基づいて、前記要求空燃比のもとで前記要求トルクを実現するための目標空気量を算出する目標空気量算出手段と、
   　前記目標空気量に従って空気量制御用のアクチュエータを操作する空気量制御手段と、
   　前記要求空燃比に従って燃料噴射量制御用のアクチュエータを操作する燃料噴射量制御手段と、
   　前記空気量制御用アクチュエータの動作により実現される空気量を推定し、最適点火時期における空気量とトルクとの関係を空燃比に関連付けて定めたデータに基づいて、前記要求空燃比のもとで前記推定空気量によって実現されるトルクを推定するトルク推定手段と、
   　所定の許可条件が満たされた場合には、前記推定トルクと前記要求トルクとの間に生じる差を点火時期によって補償するように点火時期を制御し、前記許可条件が満たされていない場合には、点火時期を最適点火時期に保持する点火時期制御手段と、を備え、
   　前記要求空燃比決定手段は、
   　前記内燃機関の排気ガス性能に関する要求を受け、前記要求を満足させる空燃比を要求空燃比として算出する要求空燃比算出手段と、
   　前記要求空燃比算出手段で算出された要求空燃比の信号を処理してその変化速度を緩和させる変化速度緩和手段と、
   　所定の緩和条件が満たされた場合には、前記変化速度緩和手段により変化速度を緩和された要求空燃比を最終的な要求空燃比として決定し、前記緩和条件が満たされていない場合には、前記要求空燃比算出手段で算出された要求空燃比を最終的な要求空燃比として決定する最終決定手段とを備え、
   　前記許可条件には、前記要求空燃比算出手段で算出された要求空燃比がリッチ方向に変化し、且つ、その変化量が所定の判定基準値よりも大きいことが含まれ、
   　前記緩和条件には、前記要求空燃比算出手段で算出された要求空燃比の変化量が前記判定基準値よりも大きく、且つ、前記許可条件が満たされていないことが含まれることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 　前記許可条件には、さらに、前記内燃機関の排気通路に配置された触媒の酸素貯蔵量が所定の基準値を超えていることが含まれ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. 　前記要求空燃比算出手段は、燃料カットからの復帰後はストイキよりもリッチな空燃比を要求空燃比として算出し、所定時間の経過後に要求空燃比をストイキに変化させるように構成され、
   　前記制御装置は、燃料カットからの復帰後、少なくとも前記要求空燃比がリッチ化されてからストイキに変化させられるまでの間、前記目標空気量を嵩上げする目標空気量嵩上げ手段をさらに備え、
   　前記点火時期制御手段は、少なくとも前記目標空気量が嵩上げされている間は、前記推定トルクと前記要求トルクとの間に生じる差を点火時期の進角或いは遅角によって補償するように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の制御装置。

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