JP5534098B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数種のアクチュエータによってその動作を制御され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、例えば特開２００９−０４７１０２号公報に開示されているように、トルクとともに効率及び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。ここでいう効率とは、内燃機関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比率を意味する。また、ここでいう空燃比とは、内燃機関において燃焼に供される混合気の空燃比を意味する。制御量としてのトルク、効率及び空燃比には、様々な観点からの要求がある。トルクの場合は、ドライバの加速要求を満たすために要求されるトルクや、横滑り防止等の駆動制御のために要求されるトルク等がある。効率の場合は、触媒の暖機のために要求される効率や、リザーブトルクを確保するために要求される効率等がある。空燃比の場合は、燃料カットからの復帰時に触媒のＮＯｘ還元能力を早急に回復させるために要求される空燃比や、内燃機関の運転中に触媒の浄化性能を向上させるために要求される空燃比等がある。前述の特許公報に記載されている制御装置（以下、先行装置）では、このように１つの制御量に対して複数の要求が存在する場合、調停によって最終的な要求制御量が決定されている。ここでいう調停とは、予め定められた規則に従って行われる複数の数値から１つの数値を得るための計算処理である。その具体的な計算規則としては、最大値選択、最小値選択、平均、或いは重ね合わせ等が挙げられている。

調停で得られた最終的な要求制御量、すなわち、要求トルク、要求効率及び要求空燃比を実現することは、運転性能、排気ガス性能或いは燃費性能といった内燃機関に要求されている各種の性能（機関要求性能）の実現を意味する。先行装置では、それら３種類の要求制御量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を実施している。空気量制御では、要求トルク及び要求効率に基づき算出される目標空気量に従ってスロットの操作が行われる。点火時期制御では、スロットル開度から計算される推定トルク（推定潜在トルク）に対する要求トルクの比に従って点火装置の操作が行われる。そして、燃料噴射量制御では、要求空燃比に従って燃料噴射装置の操作が行われる。つまり、先行装置では、３種類の要求制御量に基づいて３種類のアクチュエータを協働させることで各要求制御量の実現を図っている。

ところが、先行装置が目指している機関要求性能の実現という効果は、要求制御量の変化の速さによっては必ずしも達成できるとは限らない。アクチュエータの動作がある制御量に関連する場合、アクチュエータの動作に対する当該制御量の応答速度にはアクチュエータの種類に応じた限界があるからである。例えばスロットルの場合、スロットルを最大速度で動かしたときの空気量の応答速度がスロットルの動作に対するトルクの限界応答速度となる。先行装置では、スロットルはトルクを制御するための主たるアクチュエータとして用いられているが、何れかの要求制御量の変化がスロットルの操作に対するトルクの限界応答速度よりも速い場合には、その変化に伴うトルクの変動はスロットルによるトルク制御では抑えることはできない。この点に関し、より速くトルクを変化させることのできる点火時期制御か燃料噴射量制御であれば、そのようなトルクの変動を抑えて要求トルクを実現することができる。しかし、この場合には、要求トルク以外の要求制御量、すなわち、要求効率と要求空燃比の何れかを少なくとも一時的には実現できなくなってしまう。そして、この場合は、内燃機関に要求される各種性能のうち実現することのできない要求効率或いは要求空燃比に関連する機関要求性能が実現できなくなってしまう。

内燃機関に要求される性能としては、前述のように運転性能、排気ガス性能及び燃費性能が代表的であるが、それらの間には内燃機関の状態やそれが置かれている状況に応じた優先順位が存在する。例えば、内燃機関の始動時には排気ガス性能が優先されるが、横滑り防止等の駆動制御が行なわれる場合には運転性能が優先される。機関要求性能の全てを実現することができないとしても、少なくとも最優先の機関要求性能に関しては実現できるようにしたい。しかしながら、上述の先行装置では、何れかの要求制御量がアクチュエータの動作に対する当該制御量の応答速度を超えるような速い速度で変化する場合は、最優先の機関要求性能であってもその実現は保障されていなかった。

特開２００９−２９９６６７号公報 特開２００９−０４７１０１号公報 特表２００３−５１７１３８号公報 特開平１１−１４１３８８号公報

本発明は、上述の問題に鑑みなされたもので、制御量の要求値である要求トルク、要求効率或いは要求空燃比の何れかがアクチュエータの動作に対する関連制御量の応答速度を超えるような速い速度で変化する場合であっても、内燃機関に要求されている性能のうち少なくとも最優先に要求される性能に関してはその実現を保障することのできる制御装置を提供することを目的とする。

本発明が提供する内燃機関の制御装置は、内燃機関に要求される性能（以下、機関要求性能）に基づいて制御量の要求値を決定する。本制御装置が用いる制御量は、内燃機関が発生させるトルク、内燃機関が潜在的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比である効率、及び、内燃機関において燃焼に供される混合気の空燃比の３種類である。本制御装置は、これら３種類の要求制御量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を実施する。空気量制御では、目標空気量に従って空気量制御用のアクチュエータが操作される。目標空気量は要求空燃比のもとで要求潜在トルクを実現するための空気量であって、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算出される。要求潜在トルクは要求トルクを要求効率で除算することによって算出される。点火時期制御では、指示効率に従って点火時期制御用のアクチュエータが操作される。推定潜在トルクに対する要求トルクの比を指示効率として算出される。推定潜在トルクは要求空燃比のもとで目標空気量に従い空気量制御用アクチュエータを操作した場合に実現される潜在トルクである。燃料噴射量制御では、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が操作される。

このように、本制御装置は、機関要求性能に基づいて決定された要求トルク、要求効率及び要求空燃比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を実施する。しかし、要求トルク、要求効率及び要求空燃比の何れかの変化量が所定の閾値を超える場合には、本制御装置は、要求トルク、要求効率及び指示効率、或いは要求空燃比の何れかの値に対して一時的な調整を加える。その判断の基準となる閾値は、要求制御量ごとにその要求制御量が最も関連するアクチュエータの動作に対する当該制御量の応答速度に基づいて設定されることが好ましい。本制御装置は、各種の機関要求性能のうち現時点において優先される機関要求性能の種別に応じて調整を加えるべき対象を選択する。

例えば、現時点において優先される機関要求性能の種別が排気ガス性能及び燃費性能であるときには、要求効率及び指示効率の値に対して一時的な調整を加えてもよい。具体的には、所定の閾値を超える変化が生じた要求制御量が要求空燃比であるならば、要求効率及び指示効率をそれぞれ１に固定してもよい。この場合、トルクには一時的な変動が生じるものの、効率や空燃比に関しては要求どおりの値が実現されるので、空燃比が関連する排気ガス性能と効率が関連する燃費性能の双方の実現は保障される。

さらには、要求効率及び指示効率に加えて、要求トルクの値に対して一も時的な調整を加えるようにしてもよい。具体的には、要求空燃比の変化量が所定の閾値を超える場合には、要求効率及び指示効率をそれぞれ１に固定するとともに、要求空燃比の変化に伴い生じるトルクの変化を予測し、予測したトルクの変化を要求トルクに生じさせてもよい。この場合も、トルクには一時的な変動が生じるものの、効率や空燃比に関しては要求どおりの値が実現されるので、空燃比が関連する排気ガス性能と効率が関連する燃費性能の双方の実現は保障される。また、この場合には、目標空気量の収束期間を長くして過渡的な空気量の変動速度を緩和することができるので、空燃比の変動をより抑えることが可能となる。

また、例えば、現時点において優先される機関要求性能の種別が運転性能及び燃費性能であるときには、要求空燃比の値に対して一時的な調整を加えてもよい。具体的には、所定の閾値を超える変化が生じた要求制御量が要求空燃比であるならば、ローパスフィルタ等の手段によって要求空燃比の変化速度を緩和させてもよい。この場合、本来の要求空燃比と空燃比の実現値との間で一時的な乖離が生じるものの、トルクや効率に関しては要求どおりの値が実現されるので、トルクが関連する運転性能と効率が関連する燃費性能の双方の実現は保障される。

一方、例えば、現時点において優先される機関要求性能の種別が運転性能及び排気ガス性能であるときには、何れの要求値にも調整を加えなくてよい。この場合、所定の閾値を超える変化が生じた要求制御量が要求空燃比であるならば、要求空燃比の変化に伴うトルクの変動を抑えるように点火時期が自動的に変更される。しかし、それによってトルクや空燃比に関しては要求どおりの値が実現されるので、トルクが関連する運転性能と空燃比が関連する排気ガス性能の双方の実現は保障される。

以上述べたように、本制御装置によれば、制御量の要求値である要求トルク、要求効率或いは要求空燃比の何れかがアクチュエータの動作に対する関連制御量の応答速度を超えるような速い速度で変化する場合であっても、内燃機関に要求されている性能のうち少なくとも最優先に要求される性能に関してはその実現を保障することができる。

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。 本発明の実施の形態の制御装置で行われる処理の具体例を示すタイムチャートである。 本発明の実施の形態の制御装置で行われる処理の具体例を示すタイムチャートである。 図４に示す具体例の効果を説明するためのタイムチャートである。 本発明の実施の形態の制御装置で行われる処理の具体例を示すタイムチャートである。

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、効率及び空燃比を使用する。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潜在的に出力しうるトルク（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。本実施の形態の制御装置は、これら３種類の制御量の要求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を実施する。３種類の制御量のうち基本となる制御量はトルクであり、通常は要求トルクの実現を優先してエンジンの制御が行われる。なお、空気量制御で用いるアクチュエータはスロットルであり、点火時期制御で用いるアクチュエータは点火装置であり、燃料噴射量制御で用いるアクチュエータは燃料噴射装置である。

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８の操作による空気量制御、点火時期制御及び燃料噴射量制御に関係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。

図２に示す制御装置２は、大きく分けて４つの部分７０、１０、２０、３０から構成されている。制御装置２における信号の伝達系統の最上流に位置するのが要求発生部７０である。要求発生部７０の次には要求調停部１０が位置し、要求調停部１０の次には要求調整部２０が位置している。そして、要求調整部２０の次、つまり、信号の伝達系統の最下流に要求実現部３０が位置している。前述の各アクチュエータ４、６、８には要求実現部３０から操作信号が出力されている。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２の中では種々の信号が流れている。そのような信号の一例が、エンジンの運転条件や運転状態に関するエンジン情報を含んだ信号である。エンジン情報には、エンジン回転数、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２を構成する各部分７０、１０、２０、３０の構成と、そこで行われている処理について説明する。

まず、要求発生部７０について説明する。要求発生部７０はトルク要求部７２を含んでいる。トルク要求部７２は、基本の制御量であるトルクに関する要求を数値化して出力する。トルク要求部７２から出力される要求トルクには２種類の信号が含まれている。その１つはドライバのアクセルペダル操作に応じて決定される要求トルクの信号であって、比較的低周波の信号である。もう一つは車両の駆動制御のための要求トルクの信号であって、比較的高周波の信号である。ここでいう車両の駆動制御には、横滑り防止制御の他、車両のバネ上振動をトルクの振動によって抑えることを目的とした制振制御も含まれている。

要求発生部７０はさらに性能要求部８０を含んでいる。性能要求部８０は、エンジンに要求される性能に基づいて制御量に関する要求を決定し、その要求を数値化して出力する。エンジンに要求される性能には、運転性能、排気ガス性能及び燃費性能が含まれている。これらの要求性能を制御量に的確に反映させるために、性能要求部８０は複数の要求出力要素８１−８６を備えている。各要求出力要素８１−８６はエンジンに要求される何れかの性能に関連付けられている。例えば、要求出力要素８１は運転性能に関連する要素であって、アイドル回転制御のための要求トルクを出力する。要求出力要素８２は燃費に関連する要素であって、燃費向上のための要求効率を出力する。要求出力要素８３は運転性能に関連する要素であって、トルク要求部７２が高周波の要求トルクを出力するのに連動してその高周波トルクの実現をサポートするための要求効率を出力する。要求出力要素８４、８５、８６は排気ガス性能に関連する要素である。要求出力要素８４は触媒暖機のための要求効率を出力し、要求出力要素８５は触媒の劣化を抑制するための要求効率を出力し、そして、要求出力要素８６は触媒の浄化率を回復するための要求空燃比を出力する。性能要求部８０にはこれらの他にも図示しない複数の要求出力要素が含まれていて、それらからは要求トルク、要求効率或いは要求空燃比の何れかが出力されている。

次に、要求調停部１０について説明する。上述のように、要求発生部７０からは各制御量に関して複数の要求が出力される。ところが、１つの制御量に関して出された複数の要求を全て同時に完全に実現することはできないため、制御量ごとに要求の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ごとに実施するため、要求調停部１０は３つの調停要素１２、１４、１６を備えている。調停要素１２は、要求発生部７０が発生させた様々な要求トルクを集めて調停し、その調停結果を最終的な要求トルクとして出力する。調停要素１４は、要求発生部７０が発生させた様々な要求効率を集めて調停し、その調停結果を最終的な要求効率として出力する。そして、調停要素１６は、要求発生部７０が発生させた様々な要求空燃比を集めて調停し、その調停結果を最終的な要求空燃比として出力する。

要求調停部１０から出力される３種類の要求制御量、すなわち、要求トルク、要求効率及び要求空燃比は、要求調整部２０を経てから要求実現部３０に入力される。要求調整部２０は、本実施の形態において本発明の課題及び目的に最も関連する制御装置２の要部である。よって、ここでは要求実現部３０についての説明を先に行い、要求調整部２０を除く制御装置２の全体の構成を明らかにした上で、要求調整部２０について詳細に説明するものとする。

要求実現部３０はエンジン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。要求実現部３０は、要求調整部２０を経て入力される３種類の要求制御量に基づき、それらの実現に必要な各アクチュエータ４、６、８の操作量を算出する。要求実現部３０により算出される操作量は、スロットル４を操作するためのスロットル開度、点火装置６を操作するための点火時期、そして、燃料噴射装置８を操作するための燃料噴射量である。これらの操作量を算出するため、要求実現部３０は複数の計算要素３２、３４、３６、３８、４０、４２、４４、５０、５２、５４、５６を備えている。

まず、要求実現部３０におけるスロットル開度の計算に関して説明する。要求実現部３０はスロットル開度を計算するための計算要素として、要求潜在トルク算出部４４、目標空気量算出部４２及びスロットル開度算出部４０を備えている。要求潜在トルク算出部４４は、入力された要求トルクを要求効率で除算することによって要求潜在トルクを算出する。要求効率が１よりも小さい場合には、要求潜在トルクは要求トルクよりも大きくなる。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による空気量制御に求められていることを意味する。ただし、要求効率に関しては、上下限ガード部３４を通ったものが要求潜在トルク算出部４４に入力される。上下限ガード部３４については後で説明する。要求潜在トルク算出部４４で算出された要求潜在トルクは目標空気量算出部４２に入力される。

目標空気量算出部４２は、トルク−空気量変換マップを用いて要求潜在トルクを目標空気量に変換する。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）。トルク−空気量変換マップは、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。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４２では、要求空燃比のもとで要求潜在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。なお、ここで用いられる要求空燃比は、要求実現部３０に入力された要求空燃比そのものではなく、後述する上下限ガード部３８を通過した要求空燃比である。目標空気量算出部４２で算出された目標空気量はスロットル開度算出部４０に入力される。

スロットル開度算出部４０は、エアモデルの逆モデルを用いて目標空気量をスロットル開に変換する。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によるスロットル４の操作は、スロットル開度算出部４０で算出されたスロットル開度に従って行われる。

次に、要求実現部３０における点火時期の計算に関して説明する。要求実現部３０は点火時期を計算するための計算要素として、推定潜在トルク算出部５４、指示効率算出部５２及び点火時期算出部５０を備えている。推定潜在トルク算出部５４は、上述のスロットル操作によって実現される実際のスロットル開度に基づいて推定潜在トルクを算出する。本明細書における推定潜在トルクとは、現在のスロットル開度と要求空燃比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。推定潜在トルク算出部５４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。推定空気量は現在のスロットル開度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潜在トルクに変換する。このトルク−空気量変換マップの検索では、後述する上下限ガード部３８を通過した要求空燃比の値が検索キーとして用いられる。推定潜在トルク算出部５４で算出された推定潜在トルクは指示効率算出部５２に入力される。

指示効率算出部５２は、要求実現部３０に入力された要求トルクと推定潜在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。指示効率算出部５２で算出された点火時期制御用の指示効率は、後述する上下限ガード部３６を通過した後に点火時期算出部５０に入力される。

点火時期算出部５０は、入力された点火時期制御用の指示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、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、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、後述する上下限ガード部３８を通過した要求空燃比の値が検索キーとして用いられる。制御装置２による点火装置６の操作は、点火時期算出部５０で算出された点火時期に従って行われる。

次に、要求実現部３０における燃料噴射量の計算に関して説明する。要求実現部３０は燃料噴射量を計算するための計算要素として、燃料噴射量算出部６０を備えている。燃料噴射量算出部６０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、後述する上下限ガード部３８を通過した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による燃料噴射装置８の操作は、燃料噴射量算出部６０で算出された燃料噴射量に従って行われる。

最後に、要求実現部３０が備える調整機能について説明する。要求実現部３０で行われる調整は、後述する要求調整部２０で行われる調整とは異なり、定常状態での要求制御量間の大きさの調整である。要求発生部７０はエンジンの燃焼限界条件を考慮することなく各種の要求を発生させ、要求調停部１０も燃焼限界条件を考慮することなく調停を実施している。このため、最終的に決定された各要求制御量の大きさの関係によってはエンジンを適正に運転できない可能性がある。そこで、要求実現部３０は、エンジンの適正運転が可能になるように、優先順位の高い要求制御量を基準にして優先順位の低い要求制御量の値を調整する。具体的には、要求トルクは最優先の要求制御量として、次に優先すべき要求制御量を要求効率と要求空燃比から選択する。そして、選択した要求効率と要求空燃比の何れか一方の値に基づき、選択しなかったもう一方の値を調整する。このような調整を実施するための手段が前述の各種上下限ガード部３４、３６、３８と燃焼限界ガード値算出部３２である。

上下限ガード部３４は、上限ガード値と下限ガード値とによって定まる範囲に要求効率の値を制限する。上下限ガード部３６は、上限ガード値と下限ガード値とによって定まる範囲に指示効率の値を制限する。上下限ガード部３６が有する各ガード値は、上下限ガード部３４が有する各ガード値と同値に設定されている。また、上下限ガード部３８は、上限ガード値と下限ガード値とによって定まる範囲に要求空燃比の値を制限する。これら上下限ガード部３４、３６、３８で用いられる各ガード値は何れも可変であり、燃焼限界ガード値算出部３２によってその値が算出される。

燃焼限界ガード値算出部３２は、要求空燃比の実現が優先される運転モードの場合には、その要求空燃比のもとで正常燃焼を担保できる効率の上限値及び下限値を種々のエンジン情報を用いて計算し、それらを上下限ガード部３４及び上下限ガード部３６の各ガード値として設定する。その場合、上下限ガード部３８の各ガード値は、正常燃焼を担保できる空燃比の最上限値及び最下限値に設定される。一方、要求効率の実現が優先される運転モードの場合には、燃焼限界ガード値算出部３２は、その要求効率のもとで正常燃焼を担保できる空燃比の上限値及び下限値を種々のエンジン情報を用いて計算し、それらを上下限ガード部３８の各ガード値として設定する。その場合、上下限ガード部３４及び上下限ガード部３６の各ガード値は、正常燃焼を担保できる効率の最上限値及び最下限値に設定される。要求実現部３０では、このようにして大きさの調整が施された要求効率、指示効率或いは要求空燃比が前述の各操作量の計算に用いられる。

次に、本実施の形態の制御装置２の要部である要求調整部２０について詳細に説明する。要求調整部２０は、要求調停部１０で決定された最終的な要求トルク、要求効率或いは要求空燃比の何れかがアクチュエータの応答速度を超えるような速い速度で変化する場合であっても、エンジンに要求されている性能のうち少なくとも最優先の性能に関してはその実現を保障する役割を担っている。ここでいうアクチュエータとは、主たる制御量であるトルクとの関連が最も深いスロットル４を意味する。要求調整部２０で行われる処理は、要求トルク、要求効率及び指示効率、或いは要求空燃比の何れかの値に対して加えられる一時的な調整であり、その調整は現時点において優先されるエンジン性能の種別に応じて加えられる。このような処理を行うため、要求調整部２０は、調整判断部２２、要求トルク調整部２４、効率調整部２６及び要求空燃比調整部２８を備えている。

調整判断部２２は、調整を加える必要が生じたかどうか判断し、その必要があると判断したときには、優先されるエンジン性能に応じて調整を加える対象を選択する機能を有している。調整判断部２２が有する機能は、図２のフローチャートによって表すことができる。最初のステップＳ２では、調整判断部２２は、要求調停部１０で決定された最終的な要求トルク、要求効率及び要求空燃比を取り込み、それらの何れかの変化量が対応する閾値を超えるかどうか判定する。その判定で用いる閾値は、スロットル４の操作に対する空気量の限界応答速度を基準にして設定されている。つまり、調整判断部２２は、スロットル４の操作による空気量制御では間に合わないような急激な変化が何れかの要求制御量に生じるかどうかを判断している。何れかの要求制御量においてその変化量が閾値を超えることが予測された場合、或いは、実際に超えたことが検出された場合、調整判断部２２は、ステップＳ４及びステップＳ６の処理を実施する。ステップＳ４では、調整判断部２２は、性能要求部８０から取得した情報に基づいて現時点においてどのエンジン要求性能が優先されるのかを判断する。そして、ステップＳ６では、優先されるエンジン要求性能の種別に応じて調整を加えるべき対象を選択し、選択した調整対象に関係する要素に対して指示を出す。具体的には、選択した調整対象に要求トルクが含まれる場合には、要求トルク調整部２４に対して要求トルクの値を一時的に調整するよう指示を出す。また、選択した調整対象に要求効率及び指示効率が含まれる場合には、効率調整部２６に対して要求効率及び指示効率の値を一時的に調整するよう指示を出す。そして、選択した調整対象に要求空燃比が含まれる場合には、要求空燃比調整部２８に対して要求空燃比の値を一時的に調整するよう指示を出す。

要求トルク調整部２４は、調整判断部２２かからの指示を受け取ると、要求調停部１０から出力された要求トルクの値を一時的に調整し、調整した要求トルクを要求実現部３０へ入力する。要求トルクの値の調整方法は、変化量が閾値を越えることになった要求制御量の種別に応じて、また、優先されているエンジン要求性能の種別に応じて、予め登録されている調整方法の中から最適な方法が適宜選択される。

効率調整部２６は、調整判断部２２からの指示を受け取ると、前述の上下限ガード部３４及び上下限ガード部３６の各ガード値を設定する。この場合、要求効率及び指示効率の各値は、上限ガード値と下限ガード値とで定まる範囲内に制限されることになる。上限ガード値と下限ガード値とが同値であるならば、その値が制限後の要求効率及び指示効率の各値となる。効率調整部２６によって設定される上限ガード値及び下限ガード値は、燃焼限界ガード値算出部３２で設定されるそれらよりも優先される。各ガード値の設定方法は、変化量が閾値を越えることになった要求制御量の種別に応じて、また、優先されているエンジン要求性能の種別に応じて、予め登録されている設定方法の中から最適な方法が適宜選択される。

要求空燃比調整部２８は、調整判断部２２からの指示を受け取ると、要求調停部１０から出力された要求空燃比の値を一時的に調整し、調整した要求空燃比を要求実現部３０へ入力する。要求空燃比の値の調整方法は、変化量が閾値を越えることになった要求制御量の種別に応じて、また、優先されているエンジン要求性能の種別に応じて、予め登録されている調整方法の中から最適な方法が適宜選択される。

次に、要求調整部２０による処理の内容とその効果について具体例を挙げて説明する。ここでは、あるタイミングにおいて要求空燃比がストイキからリッチ側へステップ的に変化する場合を例にとる。また、前提として、要求効率の初期値は１に設定されているものとする。図３には、排気ガス性能及び燃費性能の優先時（ケース１）、運転性能及び燃費性能の優先時（ケース２）、運転性能及び排気ガス性能の優先時（ケース３）の３つのケースについて、それぞれ、３種類の制御量の調整前の要求値、調整後の要求値、及び、実際の実現値の各時間変化がタイムチャートで示されている。

前述のように、目標空気量算出部４２は、要求空燃比のもとで要求トルクの実現に必要な空気量を目標空気量として算出する。このため、この例のように要求空燃比がステップ的にリッチ化した場合、それに合わせて目標空気量もステップ的に変化する。そして、目標空気量の変化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４の動きは、空燃比のリッチ化に伴うトルクの増大を空気量の減少によって打ち消すような動きとなる。しかしながら、スロットル４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に遅れて減少することになる。一方、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、空気量の減少の遅れによって燃料噴射量は一旦大きく増大することになる。

ケース１の場合、調整対象としては要求効率及び指示効率が選択され、それらの値に対して一時的な調整が加えられる。具体的には、要求空燃比の急激な変化が予測されると、効率調整部２６によって上下限ガード部３４及び上下限ガード部３６の各ガード値が１に変更され、要求効率と指示効率はともに１に固定される。指示効率が１に固定されることで点火時期は最適点火時期に維持される。その結果、燃料噴射量が一旦大きく増大した影響がそのままトルクに反映され、実際に実現されるトルクは要求トルクよりも一時的に増大することになる。しかし、点火時期が最適点火時期に維持されることから、実際に実現される効率も１に維持されることとなって所望の燃費性能の実現は保障される。また、要求空燃比どおりに実際に実現される空燃比も変化することから、所望の排気ガス性能の実現も保障される。

ケース２の場合は、調整対象としては要求空燃比が選択され、その値に対して一時的な調整が加えられる。具体的には、要求空燃比の急激な変化が予測されると、要求空燃比調整部２８によって要求空燃比の変化速度を緩和させることが行われる。その手段としてはローパスフィルタを用いることができる。ローパスフィルタを用いるのであれば、その時定数は、要求空燃比の変化速度がスロットル４の動作に対するトルクの限界応答速度の範囲に収まるように設定される。また、その他の手段としては、なまし処理を用いることもできる。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ようにしてもよい。これらの何れかの手段によって要求空燃比の変化速度を緩和させることで、本来の要求空燃比と空燃比の実現値との間で一時的な乖離が生じるものの、実際の空気量の目標空気量に対する遅れは無くなり、空気量の減少の遅れに伴う燃料噴射量の一時的な増大も抑えられる。その結果、要求トルクどおりのトルクをエンジンに発生させることが可能となって、所望の運転性能の実現は保障される。また、この場合は要求トルクと推定潜在トルクとの間に差が生じないことから、点火時期は最適点火時期に維持されることになって所望の燃費性能の実現も保障される。

一方、ケース３の場合は、要求トルク、要求効率及び指示効率、或いは要求空燃比の何れにも要求調整部２０による調整は加えられない。要求実現部３０によれば、効率の自動調整によって要求空燃比を実現しつつ要求トルクも実現することができるからである。詳しく説明すると、この例のように要求空燃比がステップ的にリッチ化した場合には、目標空気量もステップ的に減少し、そのような目標空気量の変化を実現するようにスロットル４が操作される。ところが、スロットル４の動きに対する空気量の応答には遅れがあるため、エアモデルを用いて現在のスロットル開度から算出される推定空気量は目標空気量よりも遅れて減少する。このため、推定空気量から算出される推定潜在トルクは要求トルクよりも一時的に大きくなり、その間、要求トルクと推定潜在トルクとの比である指示効率は１よりも小さい値となる。これにより、点火時期は最適点火時期よりも遅角されることとなって、空気量の減少の遅れに伴うトルクの一時的な増大は抑えられ、要求トルクどおりのトルクをエンジンに発生させることが可能となる。つまり、所望の運転性能の実現が保障される。また、要求空燃比どおりに実際に実現される空燃比も変化することから、所望の排気ガス性能の実現も保障される。

以上、３つの具体例から分かるように、本実施の形態の制御装置２によれば、要求空燃比がスロットル４の動きに対するトルクの限界応答速度を超えるような速い速度で変化する場合であっても、エンジンに要求されている性能のうち優先すべき性能に関してはその実現を保障することができる。

ただし、本実施の形態の制御装置２において要求調整部２０が行い得る処理は以上の３つの具体例には限定されない。例えば、要求空燃比の変化量が所定の閾値を超える場合、現時点において優先されるエンジン要求性能の種別が排気ガス性能及び燃費性能であるときには、図４にタイムチャートで示すような処理を行うこともできる。この例の場合には、要求空燃比の急激な変化が予測されると、前述の例のケース１の場合と同様に要求効率及び指示効率をそれぞれ１に固定する。それとともに、この例の場合には、調整判断部２２によって要求空燃比の変化に伴い生じるトルクの変化を予測し、予測したトルクの変化を要求トルク調整部２４によって要求トルクに生じさせるようにする。

このような処理による効果を前述のケース１の場合と比較して示しているのが図５である。図５では、前述の例のケース１の場合と、本例の場合のそれぞれについて、３種類の制御量の調整後の要求値、目標空気量、目標スロットル開度、実空気量、及び、実際のトルクの各時間変化がタイムチャートで示されている。図５のチャートＡは前述の例のケース１に対応し、チャートＢは本例に対応している。本例によれば、要求空燃比がステップ的にリッチ化した場合、まず、その時点での目標空気量とリッチ化後の要求空燃比とからトルクを計算し、そのトルクまで要求トルクをステップ的に増大させる。その後、ステップ的に増大する直前の値まで要求トルクを緩やかに減少させていく。要求トルクをこのように変化させることで、目標空気量は緩やかに減少していくようになる。これにより、スロットル４の急激な動作は抑えられ、実空気量の収束期間（図５中にtt2で示す）はチャートＡの場合における実空気量の収束期間（図５中にtt1で示す）よりも長くなる。その結果、増大した実トルクが要求トルクに収束するまでの期間も長くなるが、過渡的な空気量の変動速度が緩和されることによって空燃比の変動を抑えることが可能となる。つまり、本例のように要求調整部２０が処理を行うことで、所望の排気ガス性能の実現をより確実に保障することが可能となる。

また、以上の例では要求空燃比がストイキからリッチ側へステップ的に変化する場合を挙げたが、要求調整部２０は要求空燃比がストイキからリーン側へステップ的に変化する場合にも対応することができる。要求空燃比のそのような変化は排気ガス性能上の要求に基づくものであるが、エンジン回転数が低下していると判定された場合、燃焼が悪化していると判定された場合、或いは、重質燃料が使用していると判定された場合には、排気ガス性能よりも運転性能のほうが優先される。この場合は、図６のタイムチャートに示すように、要求空燃比のステップ的なリーン化が予測されると、ローパスフィルタ等の手段によって要求空燃比の変化速度を緩和させることが行われる。これにより、本来の要求空燃比と空燃比の実現値との間で一時的な乖離が生じるものの、実際の空気量の目標空気量に対する遅れは無くなり、空気量の増大の遅れに伴う燃料噴射量の一時的な不足も抑えられる。その結果、要求トルクどおりのトルクをエンジンに発生させることが可能となって、所望の運転性能の実現は保障される。

以上が本発明の実施の形態についての説明である。ただし、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。

２ 制御装置
４ スロットル
６ 点火装置
８ 燃料噴射装置
１０ 要求調停部
１２、１４、１６ 調停要素
２０ 要求調整部
２２ 調整判断部
２４ 要求トルク調整部
２６ 効率調整部
２８ 要求空燃比調整部
３０ 要求実現部
３２ 燃焼限界ガード値算出部
３４ 要求効率上下限ガード部
３６ 指示効率上下限ガード部
３８ 要求空燃比上下限ガード部
４０ スロットル開度算出部
４２ 目標空気量算出部
４４ 要求潜在トルク算出部
５０ 点火時期算出部
５２ 指示効率算出部
５４ 推定潜在トルク算出部
６０ 燃料噴射量算出部
７０ 要求発生部
７２ トルク要求部
８０ 性能要求部
８１、８２、８３、８４、８５、８６ 要求出力要素

Claims (3)

1. 複数種のアクチュエータによってその動作を制御される内燃機関の制御装置において、
   前記内燃機関が発生させる要求トルクを前記内燃機関に要求される機関要求性能に基づいて決定する要求トルク決定手段と、
   前記内燃機関が潜在的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比である要求効率を前記機関要求性能に基づいて決定する要求効率決定手段と、
   前記内燃機関において燃焼に供される混合気の要求空燃比を前記機関要求性能に基づいて決定する要求空燃比決定手段と、
   前記要求トルクを前記要求効率で除算することにより要求潜在トルクを算出する要求潜在トルク算出手段と、
   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潜在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、
   前記要求空燃比のもとで前記目標空気量に従い前記空気量制御用アクチュエータを操作した場合に実現される推定潜在トルクを算出する推定潜在トルク算出手段と、
   前記推定潜在トルクに対する前記要求トルクの比を指示効率として算出する指示効率算出手段と、
   前記指示効率に従って点火時期制御用のアクチュエータを操作する点火時期制御手段と、
   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、
   前記要求空燃比の変化速度が所定の閾値を超える場合、現時点において優先される機関要求性能の種別に応じて、前記要求トルク、前記要求効率及び指示効率、或いは前記要求空燃比の何れかの値に対して一時的な調整を加える調整手段とを備え、
   前記調整手段は、現時点において優先される機関要求性能の種別が排気ガス性能及び燃費性能であるときには、前記要求効率及び指示効率をそれぞれ１に固定するとともに、前記要求空燃比の変化に伴い生じるトルクの変化を予測し、予測したトルクの変化を前記要求トルクに生じさせることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記調整手段は、現時点において優先される機関要求性能の種別が運転性能及び燃費性能であるときには、前記要求空燃比の変化速度を緩和させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記調整手段は、現時点において優先される機関要求性能の種別が運転性能及び排気ガス性能であるときには、何れの要求値も補正しない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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