WO2014199443A1

WO2014199443A1 - 内燃機関の制御装置

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Publication number: WO2014199443A1
Application number: PCT/JP2013/066098
Authority: WO
Inventors: 佑輔齋藤; 田中　聡; 聡吉嵜; 龍太郎森口; 陽介松本; 足立　憲保
Original assignee: トヨタ自動車株式会社
Priority date: 2013-06-11
Filing date: 2013-06-11
Publication date: 2014-12-18
Also published as: JP6070838B2; DE112013007151B4; US20160123253A1; CN105283648A; JPWO2014199443A1; DE112013007151T5; US9581094B2; CN105283648B

Abstract

　要求トルクを達成するための目標空気量は仮想空燃比を用いて要求トルクから算出される。仮想空燃比は、第１空燃比による運転から第２空燃比による運転へ運転モードを切り替える条件が満たされたことに応答して、第１空燃比から第２空燃比に変更される。仮想空燃比が第１空燃比から第２空燃比へ変更された後、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。そして、仮想空燃比が第１空燃比から第２空燃比へ変更された後、目標バルブタイミングは第１バルブタイミングから第２バルブタイミングへ切り替えられる。

Description

内燃機関の制御装置

　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、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、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備える内燃機関において空燃比を理論空燃比からリーン空燃比へ切り替える場合、目標バルブタイミングを理論空燃比に対応したバルブタイミングからリーン空燃比に対応したバルブタイミングに切り替えることが行われる。これにより、目標バルブタイミングは空燃比の理論空燃比からリーン空燃比への切り替えを受けてバルブオーバーラップ量が減少するように切り替えられる。

　ここで、上述した先行技術のように、目標空気量を目標空燃比に先立って切り替える制御を行う場合において、目標バルブタイミングを目標空燃比の切り替えのタイミングで切り替えることとすると、可変バルブタイミング機構による切り替え動作中にリーン空燃比が実現されるため、燃焼悪化による失火の可能性が伴う。そこで、目標バルブタイミングの切り替えのタイミングは目標空気量の切り替えの時点とすることも考えられる。しかしながら、目標空気量の切り替えの時点で目標バルブタイミングの切り替えを行うこととすると、空燃比の切り替えに先立ってバルブオーバーラップ量が減少されることとなる。この場合、空気量の増大が緩慢になって目標空気量の切り替えから実際の空気量が目標空気量まで増大するまでの移行期間が長期化する可能性が伴う。移行期間は実際のトルクが要求トルクよりも大きくなってしまうため、点火時期の遅角制御により要求トルクを実現しトルク段差を解消することが行われる。しかしながら、上記バルブオーバーラップ量の減少の影響により目標空気量が実現されるまでの移行期間が長期化すると、燃焼の悪化や燃費の悪化が懸念される。また、移行期間の長期化により点火時期の遅角制御が長期化すると排気系部品の温度上昇が問題となる。排気系部品の温度上昇は点火時期の遅角時間に制限を設けることで防止することができるが、燃料量の過剰によるトルクの増大を回避できなくなってしまう。

特開平１１－２２６０９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、トルクの変動を生じさせること無く空燃比を切り替えることを課題とする。

　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、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、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、目標空燃比切替機能、目標空気量算出機能、及び仮想空燃比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。

　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算出される。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。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。仮想空燃比は空燃比に対応するパラメータであって、目標空気量の計算に用いられるパラメータの１つである。仮想空燃比の値は可変であり、仮想空燃比変更機能によって変更される。仮想空燃比変更機能によれば、第１空燃比による運転から第２空燃比による運転へ運転モードを切り替える条件が満たされたことに応答して、仮想空燃比は第１空燃比から第２空燃比へ変更される。要求トルクの値が同じであるならば、仮想空燃比がリッチであるほど目標空気量は小さくなり、仮想空燃比がリーンであるほど目標空気量は大きくなる。

　目標空燃比切替機能によれば、仮想空燃比が第１空燃比から第２空燃比へ変更された後、目標空燃比は第１空燃比から第１空燃比よりもリーンな第２空燃比へ切り替えられる。目標空燃比を第１空燃比から第２空燃比へ切り替える具体的なタイミングは、第１アクチュエータの操作量から推定される空気量（推定空気量）と目標空気量との差が閾値以下になった時点であることが好ましい。また、パラメータの値が変更されてから一定時間が経過した時点で目標空燃比を第１空燃比から第２空燃比へ切り替えてもよい。

　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。

　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。

　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。

　なお、第１アクチュエータ制御機能には、第１のアクチュエータである可変バルブタイミング機構の操作量を決定するための機能として、第１バルブタイミング算出機能、第２バルブタイミング算出機能、目標バルブタイミング切り替え機能が含まれている。

　第１バルブタイミング算出機能によれば、目標空気量に基づいて第１空燃比に対応した目標バルブタイミングである第１バルブタイミングが算出される。

　第２バルブタイミング算出機能によれば、目標空気量に基づいて第１空燃比よりもリーンな第２空燃比に対応した目標バルブタイミングである第２バルブタイミングが算出される。

　目標バルブタイミング切り替え機能によれば、仮想空燃比が第１空燃比から第２空燃比へ変更された後、目標バルブタイミングが第１バルブタイミングから第２バルブタイミングへ切り替えられる。

　目標バルブタイミングを第１バルブタイミングから第２バルブタイミングへ切り替える具体的なタイミングは、第１アクチュエータの操作量から推定される空気量が目標空気量に到達するまでの時間の予測値である第１到達予測時間が、可変バルブタイミング機構を第１バルブタイミングの位置から第２バルブタイミングの位置まで操作させるのに要する時間の予測値である第２到達予測時間に一致した時点であることが好ましい。

　本発明に係る制御装置によれば、以上述べた機能を備えることにより、第１空燃比による運転から第１空燃比よりもリーンな第２空燃比による運転へ、トルクの変動を生じさせること無く内燃機関の運転モードを切り替えることができる。

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。本発明の実施の形態１に係る制御装置の目標バルブタイミングの切り替えのロジックを示すブロック図である。第１バルブタイミングと第２バルブタイミングとの差とリーンバルブタイミング到達予測時間との関係を記述したマップである。目標空気量と推定空気量との差と目標空気量到達予測時間との関係を記述したマップである。本発明の実施の形態１に係る制御装置による制御結果のイメージを示すタイムチャートである。比較例による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制御結果のイメージを示すタイムチャートである。

［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とを含む。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る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とが入力される。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トルクから算出する。この計算では、目標効率及び仮想空燃比は空気量から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、目標空気量を達成するのに最適なバルブタイミングは空燃比によって異なる値となるため、演算ユニット１７８には、種々の空燃比に対応する規定のマップが予め設定されている。演算ユニット１７８では、仮想空燃比に基づいて目標バルブタイミングの計算に用いるマップを切り替えることが行われる。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。演算ユニット１７８で行われる処理の内容については後で詳しく説明する。

　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。ただし、最終的な点火時期は遅角限界ガードによって制限されている。遅角限界とは、失火が発生しないことが保証される最も遅角された点火時期であり、遅角限界ガードは点火時期が遅角限界を超えて遅角されないように最終的な点火時期をガードしている。なお、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、４０６、４０８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はトルクに対する基準値を算出する。基準値は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４０２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基準値を算出する。図中では基準値は“Ref”と表記されている。

　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４０２で算出された基準値が演算ユニット４０４に対して設定されている。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。より詳しくは、演算ユニット４０４は、第１空燃比から第２空燃比へ或いは第２空燃比から第１空燃比へ仮想空燃比を切り替える。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４０４は本発明における仮想空燃比変更手段に相当する。

　要求第１トルクが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。ドライバの減速要求に応じて要求第１トルクが減少し、やがて要求第１トルクが基準値を下回ると、演算ユニット４０４は、要求第１トルクの基準値以下への減少に応答して仮想空燃比を第１空燃比から第２空燃比へ切り替える。

　次に、演算ユニット４０６について説明する。演算ユニット４０６は本発明における目標空燃比切替手段を構成する。演算ユニット４０６には、目標空燃比の既定値として、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。演算ユニット４０６には演算ユニット４０４で決定された仮想空燃比と、演算ユニット１６２で算出された目標空気量の前回ステップ値と、演算ユニット１７４で算出された推定空気量の前回ステップ値とが入力されている。

　演算ユニット４０６は、演算ユニット４０４から入力される仮想空燃比が第１空燃比から第２空燃比へ切り替えられたことを検知すると、目標空気量と推定空気量との差を計算する。そして、目標空気量に推定空気量が十分近づいたら、具体的には、目標空気量と推定空気量との差が所定の閾値以下になったら、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、仮想空燃比の第１空燃比から第２空燃比への切り替えの後、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。

　最後に、演算ユニット４０８について説明する。演算ユニット４０８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４０８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４０４、４０８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４０８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４１０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、本実施の形態に係るＥＣＵの要部である演算ユニット１７８について詳細に説明する。図３には、演算ユニット１７８のロジックがブロック図で示されている。図３における演算ユニット１７８を示すブロック内には、演算ユニット１７８が備える種々の機能のうち、目標バルブタイミング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１７８を構成する演算ユニット５０２、５０４、５０６、５０８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５０２について説明する。演算ユニット５０２は目標空気量に基づいて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。演算ユニット５０２には、規定のマップとして、第１空燃比の値である理論空燃比のもとで目標バルブタイミングが最適化されたストイキＶＴマップと、第２空燃比の値であるリーン空燃比のもとで目標バルブタイミングが最適化されたリーンＶＴマップとが予め設定されている。以下の説明では、ストイキＶＴマップを用いて算出された目標バルブタイミングを「第１バルブタイミング」と称し、リーンＶＴマップを用いて算出された目標バルブタイミングを「第２バルブタイミング」と称する。図中では第１バルブタイミングは“VT1”と表記され、第２バルブタイミングは“VT2”と表記されている。演算ユニット５０２には、現在のエンジン回転数と、演算ユニット１６２で算出された目標空気量の前回ステップ値と、後述する演算ユニット５０６から出力される切替フラグ信号が入力されている。

　演算ユニット５０６から出力される切替フラグ信号がオンの間は、演算ユニット５０２は第１バルブタイミングを目標バルブタイミングとして出力する。そして、切替フラグ信号がオンからオフへと切り替えられたことを検知すると、演算ユニット５０２は出力する目標バルブタイミングを第１バルブタイミングから第２バルブタイミングに切り替える。ストイキＶＴマップは本発明における第１バルブタイミング算出手段に相当し、リーンＶＴマップは本発明における第２バルブタイミング算出手段に相当し、演算ユニット５０２は本発明における目標バルブタイミング切替手段に相当する。

　次に、演算ユニット５０４について説明する。演算ユニット５０４は目標空気量到達予測時間を算出する。目標空気量到達予測時間は、推定空気量が目標空気量に到達するまでに要する時間の予測値である。演算ユニット５０４には演算ユニット１６２で算出された目標空気量の前回ステップ値と、演算ユニット１７４で算出された推定空気量の前回ステップ値とが入力されている。

　目標空気量到達予測時間の計算では、目標空気量と推定空気量との差と目標空気量到達予測時間との関係を記述したマップが用いられる。図５にはこのようなマップの一例を示している。目標空気量と推定空気量との差は目標空気量に到達するまでに必要とする空気量を意味する。このため、この図に示すように、目標空気量到達予測時間は目標空気量と推定空気量との差が大きいほど増大する。演算ユニット５０４は、目標空気量と推定空気量との差を計算し、図５に示すマップに従い目標空気量到達予測時間を算出する。図中では目標空気量到達予測時間は“Tkl”と表記されている。目標空気量到達予測時間は本発明における第１予測時間に相当し、演算ユニット５０４は本発明における第１予測時間算出手段に相当する。

　次に、演算ユニット５０６について説明する。演算ユニット５０６はリーンバルブタイミング到達予測時間を算出する。リーンバルブタイミング到達予測時間は、回転数ＶＶＴ８を操作してバルブタイミングを第１バルブタイミングから第２バルブタイミングまで変化させるのに要する時間の予測値である。

　リーンバルブタイミング到達予測時間の計算では、第１バルブタイミングと第２バルブタイミングとの差とリーンバルブタイミング到達予測時間との関係を記述したマップが用いられる。図４にはこのようなマップの一例を示している。第１バルブタイミングと第２バルブタイミングとの差とリーンバルブタイミング到達予測時間との関係はエンジン油温によって変化するため、リーンバルブタイミング到達予測時間の計算では現在のエンジン油温から上記マップのパラメータ値が決定される。図中ではリーンバルブタイミング到達予測時間は“Tv”と表記されている。リーンバルブタイミング到達予測時間は本発明における第２予測時間に相当し、演算ユニット５０２は本発明における第２予測時間算出手段に相当する。

　最後に、演算ユニット５０８は仮想空燃比に基づいて切替フラグ信号を出力する。切替フラグ信号は目標バルブタイミングの算出に用いるマップをストイキＶＴマップとリーンＶＴマップとの間で切り替えるための信号である。図中では、切替フラグ信号は“FLGVT”と表記されている。演算ユニット４０４から入力される仮想空燃比が第１空燃比の間は、演算ユニット５０６は切替フラグ信号をオンに設定する。演算ユニット５０６は、演算ユニット４０４から入力される仮想空燃比が第１空燃比から第２空燃比へ切り替えられたことを検知すると、リーンバルブタイミング到達予測時間と目標空気量到達予測時間との差を計算する。そして、リーンバルブタイミング到達予測時間に目標空気量到達時間が十分近づいたら、具体的には、目標空気量到達時間とリーンバルブタイミング到達予測時間とが一致したら、切替フラグ信号をオンからオフへ切り替える。つまり、要求第１トルクが減少している減速時には、仮想空燃比の第１空燃比から第２空燃比への切り替えの後、切替フラグ信号のオンからオフへの切り替えが行われる。演算ユニット５０８から出力された切替フラグ信号は演算ユニット５０２へ入力される。演算ユニット５０２は、入力された切替フラグ信号に従い目標バルブタイミングの算出に用いるマップをストイキＶＴマップからリーンＶＴマップへと切り替える。これにより、算出される目標バルブタイミングが第１バルブタイミングから第２バルブタイミングへと切り替わる。

　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、比較例による制御結果と対比させて説明する。比較例では、図１に示す制御装置のロジックにおいて、仮想空燃比を第１空燃比から第２空燃比へ変更した時点で、目標バルブタイミングを第１バルブタイミングから第２バルブタイミングへ切り替えている。

　図６は、本実施の形態に係るＥＣＵによる制御結果のイメージを示すタイムチャートである。図７は、比較例によるイメージを示すタイムチャートである。図６と図７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６及び図７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”は目標空気量であり、“KLe”は推定空気量である。チャートにはこれらの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６及び図７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６及び図７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６及び図７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６及び図７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、“AF1”は理論空燃比である第１空燃比であり、“AF2”はリーン空燃比である第２空燃比である。図６及び図７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。

　図６及び図７における８段目のチャートはバルブタイミングの時間変化を示している。前述のように“VT”は目標バルブタイミングであり、“VT1”は第１バルブタイミングであり、“VT2”は第２バルブタイミングである。図６及び図７における９段目のチャートには実バルブタイミングの時間変化が示されている。ただし、実バルブタイミング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バルブタイミングの線は試験結果に裏付けされたイメージ線である。

　まず、図７に示す比較例による制御結果から考察する。比較例によれば、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、比較例によれば、仮想空燃比の第１空燃比から第２空燃比への切り替えの時点で目標バルブタイミングが第１バルブタイミングの値から第２バルブタイミングの値へ切り替えられる。この切り替えによって目標バルブタイミングは第２空燃比に応じたバルブタイミングまでステップ的に変化し、実バルブタイミングも目標バルブタイミングに追従するように大きく変化する。このように目標空燃比の切り替えに先立って目標バルブタイミングを目標空燃比の切り替え後の値に変化させることで、目標空燃比の切り替え時点までにバルブタイミングを第２空燃比に応じたタイミングまで変更させておくことが可能となる。

　ところが、比較例によれば、目標空気量が切り替えられてから目標空燃比の切り替えまでの移行期間は、目標バルブタイミングが第２バルブタイミングに切り替えられたにもかかわらず実空燃比は未だ理論空燃比に制御されている。第２バルブタイミングは第１バルブタイミングよりも進角側の変位角であるため、第２バルブタイミングでのバルブオーバーラップ量は第１バルブタイミングでのバルブオーバーラップ量よりも小さい。このため、理論空燃比の状況下で実バルブタイミングが第２バルブタイミングに変化すると、バルブオーバーラップ量の減少により空気量の増大が緩慢になってしまい、目標空気量が達成されるまでに要する時間が長期化してしまう。

　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、空気量は要求第１トルクの達成に必要な空気量よりも過剰になる。図１に示すロジックによれば、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、前述した空気量増大の緩慢によって目標空気量の切り替えから目標空燃比の切り替えまでの期間が長期化すると、点火時期の遅角時間がターボ過給器や触媒等の排気系部品の温度制約から設定される限界時間（例えば、0.5～1.0sec以上）を超過することが懸念される。この場合、温度超過を防ぐためのガード機能によって点火時期の遅角時間は限界時間で制限されるため、必要な期間に渡って点火時期を遅角することができず、空気量の過剰によるトルクの増大を回避できなくなってしまう。この結果、図７に示す比較例では、要求第１トルクに対して実トルクが一時的に過剰になってしまい、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。

　次に、図６に基づいて本実施の形態で採用されたロジックによる制御結果を説明する。減速時、要求第１トルクが“Ref”で表記される基準値のレベルまで低下するまでは、目標空燃比と仮想空燃比とはともに理論空燃比である第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トルクが基準値を下回ると、仮想空燃比のみが第１空燃比から第２空燃比へ切り替えられる。つまり、目標空燃比は理論空燃比に維持される一方で、仮想空燃比はステップ的にリーン化される。リーンな空燃比である第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、目標空気量の計算に用いる仮想空燃比がステップ的に第２空燃比に切り替えられることで、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、アクチュエータが動作して空気量が変化するまでには応答遅れがあるため、実際の空気量及びその推定値である推定空気量はステップ的には増大せず、目標空気量に遅れて増大していく。実空気量及び推定空気量は目標空気量に収束していき、やがて、目標空気量と推定空気量との差は閾値以下になる。この時点において目標空燃比は第１空燃比から第２空燃比に切り替えられる。

　また、仮想空燃比の第１空燃比から第２空燃比への切り替えの後、目標空気量到達予測時間がリーンバルブタイミング到達予測時間よりも大きい期間は、目標バルブタイミングは第１バルブタイミングに維持される。これにより、この間のバルブオーバーラップ期間が大きく保たれるので実空気量の目標空気量に対する応答性が向上する。その後、目標空気量到達予測時間がリーンバルブタイミング到達予測時間に一致すると、目標バルブタイミングはその時点で第１バルブタイミングから第２バルブタイミングに切り替えられる。目標バルブタイミングが切り替えられると、実バルブタイミングはこれに追従して変化し、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時点で第２バルブタイミングへの切り替えが完了する。

　要求第１トルクが基準値を下回り目標空燃比と仮想空燃比とが乖離してから目標空燃比と仮想空燃比とが再び一致するまでの間、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。

　先に説明した比較例では、運転モードの切り替えが行われている移行期間の間、目標バルブタイミングが第２バルブタイミングとされる。しかし、第２バルブタイミングではバルブオーバーラップ量が小さいため、目標空燃比の増大に応じて実空燃比を応答良く増大させることができない。この結果、移行期間が長期化し空気量の過剰によるトルクの増大を点火時期の遅角によって十分に相殺することができなくなる。これに対し、本実施の形態で採用されたロジックによれば、移行期間が終了する時点でバルブタイミングが第２バルブタイミングに切り替わるように、その切り替えタイミングが決定される。このようなバルブタイミングの切り替えによれば、移行期間の空気量が応答良く増量されることにより移行期間が短縮される。このため、点火時期が遅角限界時間に達するまで長時間に渡り遅角されることはなくなり、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確実に相殺される。よって、本実施の形態で採用されたロジックによれば、第１空燃比による運転から第２空燃比による運転へ、トルクの変動を生じさせること無く運転モードを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。

　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８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トルクから算出する。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トルクから算出する。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。

　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１８２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、過給リーンバーンエンジンにおいては、目標バルブタイミングを算出する際にＶＶＴ吸気量制御を併用することとしてもよい。ここで、ＶＶＴ吸気量制御とは、加速時等の目標空気量の増大によって目標空気量と実空気量との間に大きな差が生じた場合に、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、マップを用いて算出された目標バルブタイミングをベースバルブタイミングとして、バルブタイミングをベースバルブタイミングより進角する制御を意味する。図９は、本実施の形態に係るＥＣＵによる制御結果のイメージを示すタイムチャートである。図９においては、目標バルブタイミングの算出の際にＶＶＴ吸気量制御を併用した場合における制御結果が示されている。図９における１段目のチャートは要求第１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及び推定空気量の各時間変化を示している。３段目のチャートは仮想空燃比及び目標空燃比の各時間変化を示している。そして４段目のチャートは実バルブタイミングの時間変化を示している。

　図９に示す制御結果では、仮想空燃比が第１空燃比から第２空燃比に切り替えられた時点で目標空気量がステップ的に大きく増大している。ＶＶＴ吸気量制御では、この目標空気量と実空気量との乖離を受けて、バルブタイミングをこの間のベースバルブタイミングである第１バルブタイミングより進角する制御が実行される。バルブタイミングが進角されるとバルブオーバーラップ量の更なる増大により実空気量が早い速度で増大するので、結果的に移行期間を短くすることができる。目標空気量到達予測時間がリーンバルブタイミング到達予測時間に一致すると、目標バルブタイミングはその時点で第２バルブタイミングに切り替えられる。目標バルブタイミングが切り替えられると、実バルブタイミングはこれに追従して減少し、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時点で第２バルブタイミングへの切り替えが完了する。よって、本実施の形態で採用されたロジックによれば、第１空燃比による運転から第２空燃比による運転へ、トルクの変動を生じさせること無く運転モードを切り替えることができる。

［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、切替フラグをオンからオフへ切り替えるタイミングは目標空気量到達時間とリーンバルブタイミング到達予測時間とが一致したタイミングに限られない。すなわち、リーンバルブタイミング到達予測時間に目標空気量到達時間が十分近づいたタイミングを判断するものであれば、目標空気量到達時間とリーンバルブタイミング到達予測時間との差が所定の閾値以下となったタイミングとすることもできる。

　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。

　目標空気量の計算に用いるパラメータとして、点火時期に対応するパラメータを用いることもできる。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。例えば、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ればよい。具体的には、要求第１トルクが減少している減速時には、要求第１トルクが基準値より大きい間はマップの検索に用いる点火時期は最適点火時期とし、要求トルクの基準値以下への減少に応答してマップの検索に用いる点火時期を最適点火時期よりも遅角する。この場合、マップの検索に用いる空燃比は目標空燃比とする。

　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やＶＶＴ等の他の第１アクチュエータと併用することができる。

　ターボ過給器の過給特性を変化させる第３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、その電動モータを第３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
４０４　仮想空燃比変更手段としての演算ユニット
４０６　目標空燃比切替手段としての演算ユニット
５０２、５０８　目標バルブタイミング切替手段としての演算ユニット
５０４　第１予測時間算出手段としての演算ユニット
５０６　第２予測時間算出手段としての演算ユニット

Claims

　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空燃比を目標空燃比とする運転と前記第１空燃比よりもリーンな第２空燃比を目標空燃比とす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、
　空気量から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算出する目標空気量算出手段と、
　前記第１空燃比による運転から前記第２空燃比による運転へ運転モードを切り替える条件が満たされたことに応答して、前記パラメータに含まれる仮想空燃比を前記第１空燃比から前記第２空燃比に変更する仮想空燃比変更手段と、
　前記仮想空燃比が前記第１空燃比から前記第２空燃比へ変更された後、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、
　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、
　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前記第１空燃比に対応した目標バルブタイミングである第１バルブタイミングを算出する手段と、
　前記目標空気量に基づいて前記第２空燃比に対応した目標バルブタイミングである第２バルブタイミングを算出する手段と、
　前記仮想空燃比が前記第１空燃比から前記第２空燃比へ変更された後、前記目標バルブタイミングを前記第１バルブタイミングから前記第２バルブタイミングへ切り替える目標バルブタイミング切替手段と、
　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手段と、
　を含むことを特徴とする内燃機関の制御装置。　
　前記目標バルブタイミング切替手段は、
　前記第１のアクチュエータの操作量から推定される空気量が前記目標空気量に到達するまでに要する時間の予測値である第１予測時間を算出する第１到達時間算出手段と、
　前記可変バルブタイミング機構が前記第１バルブタイミングの位置から前記第２バルブタイミングの位置に操作されるのに要する時間の予測値である第２予測時間を算出する第２予測時間算出手段と、
　前記仮想空燃比が前記第１空燃比から前記第２空燃比へ変更された後、前記第１予測時間が前記第２予測時間に一致した時点で前記目標バルブタイミングを前記第１バルブタイミングから前記第２バルブタイミングへ切り替える手段と、
　を含むことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
　前記目標空燃比切替手段は、前記仮想空燃比が前記第１空燃比から前記第２空燃比へ変更された後、前記目標空気量と前記第１アクチュエータの操作量から推定される空気量との差が閾値以下になってから、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。
　前記目標空燃比切替手段は、前記仮想空燃比が前記第１空燃比から前記第２空燃比へ変更された後、一定時間が経過してから、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。
　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４の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
　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５の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。