JP6287802B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、ターボ過給機を備える内燃機関の制御装置に関し、詳しくは、理論空燃比による運転と理論空燃比よりも薄い所定のリーン空燃比による運転とを選択することのできる内燃機関の制御装置に関する。

特開２０００−０５２８１７号公報に開示されているように、リーン空燃比による運転（以下、リーン運転という）が可能な内燃機関の制御方法として、アクセルペダル開度等から算出した目標トルクを所定の判定値と比較し、目標トルクが判定値以下の場合にはリーン運転を選択し、目標トルクが判定値よりも大きい場合には理論空燃比による運転（以下、ストイキ運転という）を選択するという制御方法が知られている。また、特開平１１−０２２５１２号公報に開示されているように、リーン運転中に目標トルクと実トルクとの間に所定値以上の差ができたときには、リーン運転からストイキ運転に切り替えるという制御方法も知られている。さらに、リーン運転中に運転者からの加速要求が検知された場合には、リーン運転からストイキ運転に速やかに切り替えるという制御方法も公知である。

特開２０００−０５２８１７号公報 特開２００５−１５５４２８号公報 特開平１１−０２２５１２号公報 特開２００２−２３５５７９号公報 特開２０００−２１３３９０号公報 特開平８−１７７５６９号公報

ところで、ターボ過給機を備える内燃機関では、加速時にターボラグが発生する。特に、リーン運転時には、排気ガスがもつエネルギが少ないためにターボラグはより顕著になる。運転者の加速要求に応えるためには、リーン運転を継続するのではなく、より大きな排気エネルギを得ることができ、アクチュエータの操作に対する過給圧の応答性が高いストイキ運転へ切り替えることが求められる。

しかし、上記の切り替えを目標トルクと判定値との比較によって行う場合、たとえ実トルクが低いままになっていても、目標トルクが判定値を超えるまではストイキ運転への切り替えは行われない。このため、運転者が求める加速感を与えることができず、運転者にアクセルペダルの踏み増しを促してしまい、結果として、燃費の悪化を招いてしまうおそれがある。

また、上記の切り替えを目標トルクと実トルクとの差から判断する場合は、もう少し待てば目標トルクに実トルクが到達するような状況でも、一律にストイキ運転への切り替えが行われる。このため、リーン運転を実施する機会を無駄にしてしまい、結果として、燃費の悪化を招いてしまうおそれがある。このことは、運転者の加速要求が検知されたら速やかにストイキ運転へ切り替える制御方法にもあてはまる。加速要求の程度によってはリーン運転を継続できる場合があるので、単純にストイキ運転へ切り替えることは、リーン運転によって燃費を向上させる機会を無駄にすることにつながる。

以上述べたように、従来提案されているリーン運転からストイキ運転への切り替えに係る技術には、運転者の加速要求を満たすことと、燃費を向上させることのバランスの面において改善の余地があった。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、ターボ過給機を備え、且つ、ストイキ運転とリーン運転とを選択可能な内燃機関の制御装置であって、運転者の加速要求に応えつつリーン運転を行う期間を拡大することができる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明に係る内燃機関の制御装置は、リーン運転中に目標トルクが増大する場合、リーン空燃比を維持したまま筒内に吸入される空気量を増大させて内燃機関のトルクを増大させる第１のトルク増大操作を実行しつつ、その間、リーン空燃比を維持したまま現時点より一定時間後に実現可能なトルクの上限である限界トルクを算出し、そして、目標トルクが限界トルクよりも大きくなったとき、第１のトルク増大操作から、ストイキ運転により内燃機関のトルクを増大させる第２のトルク増大操作へ切り替えるように構成される。なお、ストイキ運転とは、理論空燃比による運転を意味し、リーン運転とは、理論空燃比よりも薄い所定のリーン空燃比による運転を意味する。

限界トルクは、一定時間待てばリーン運転でも実現可能なトルクの上限である。このため、限界トルクが目標トルクよりも大きければ、リーン空燃比を維持したまま一定時間内で目標トルクを実現することができる。逆に、目標トルクが限界トルクよりも大きければ、リーン空燃比を維持していたのでは一定時間内で目標トルクを実現することはできない。本発明に係る内燃機関の制御装置は、上述のように、目標トルクが限界トルクよりも大きくなり、一定時間待っても目標トルクを実現できなくなった場合に、第１のトルク増大操作から第２のトルク増大操作への切り替えを実施する。“一定時間”を運転者の加速要求に応えることができる目標トルクの実現までの猶予時間とすることにより、運転者の加速要求に応えつつリーン運転を行う期間を最大限に拡大することが可能となる。

内燃機関がスロットルとウエストゲートバルブとを備えている場合、限界トルクとして、現時点においてスロットルを全開にし、且つ、ウエストゲートバルブを全閉にしたならば一定時間後に実現されるであろうトルクを算出することが好ましい。このような定義のもとで算出された限界トルクは、スロットルとウエストゲートバルブとの操作によってリーン空燃比のもとでトルクを最速で上昇させた場合に一定時間後に実現されるトルクである。

上記の“一定時間”は、運転者が選択する運転モードに応じて長さを変更可能であることが好ましい。例えば、燃費性能を求める運転モードが選択された場合には、一定時間の長さを長く設定することにより、第１のトルク増大操作から第２のトルク増大操作への切り替えの時期を遅くして、リーン運転をより長い期間続けるようにすることができる。また、例えば、加速性能を求める運転モードが選択された場合には、一定時間の長さを短く設定することにより、第１のトルク増大操作から第２のトルク増大操作への切り替えの時期を早くして、ストイキ運転によりトルクの応答性を高めるようにすることができる。

第２のトルク増大操作を行うことにより、リーン運転時よりも高い排気エネルギが得られるストイキ運転によって過給圧は高まっていく。過給圧が高まれば、限界トルクもそれに応じて増大するため、ストイキ運転中に限界トルクが目標トルクよりも再び大きくなる場合がある。この場合、ストイキ運転からリーン運転への切り替えを行うことが好ましい。リーン運転への切り替えにより燃費性能を向上させることができるからである。

ただし、ストイキ運転からリーン運転へ切り替えた場合、過給圧の低下によって限界トルクは目標トルクよりも一時的に小さくなる。これに対応して再びストイキ運転に切り替えたとしても、過給圧の上昇により限界トルクが増大するために再々度リーン運転へ切り替えることになる。その結果、ストイキ運転とリーン運転との切り替えの繰り返し、つまり、ハンチングが発生してしまう。よって、ストイキ運転中に限界トルクが目標トルクよりも再び大きくなったときにストイキ運転からリーン運転への切り替えを行うのであれば、リーン運転への切り替え後の少なくとも所定期間はリーン運転を維持することが好ましい。リーン運転を維持する期間は、リーン運転への切り替えによって低下した過給圧が再び上昇するまでの期間であることが好ましい。

本発明に係る内燃機関の制御装置によれば、リーン運転中に目標トルクが増大する場合、目標トルクが限界トルクよりも大きくなるまでは第１のトルク増大操作を実行し続け、目標トルクが限界トルクよりも大きくなったら第２のトルク増大操作へ切り替えることにより、運転者の加速要求に応えつつリーン運転を行う期間を拡大することができる。

本発明の実施の形態１のエンジンシステムの構成を示す図である。 本発明の実施の形態１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の目標空燃比の設定ルールを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１の制御装置に対する比較例の動作を示すタイムチャートである。 本発明の実施の形態１の制御装置により実現される動作を示すタイムチャートである。 本発明の実施の形態１の制御装置により実現される動作を示すタイムチャートである。 目標空燃比の切り替えの判定に係る課題を説明するタイムチャートである。 本発明の実施の形態２で採られる過給圧の逆応答への対応の概要を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態２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２の制御装置により実現される動作を示すタイムチャートである。 本発明の実施の形態３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３の制御装置により実現される動作を示すタイムチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数にこの発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

実施の形態１
１．エンジンシステムの構成
図１は、本発明の実施の形態１のエンジンシステムの構成を示す図である。本実施の形態のエンジンシステムは、自動車に動力装置として搭載されるターボ過給機付き内燃機関
（以下、エンジンと称す）２を備える。このエンジン２は、ストイキ運転（すなわち、理論空燃比による運転）と、リーン運転（すなわち、理論空燃比よりも薄い所定のリーン空燃比による運転）とを選択可能なリーンバーンエンジンである。リーン運転時の空燃比は、ＮＯｘが多く発生する空燃比域よりもさらにリーンな空燃比域、例えば、値が２４〜２６の空燃比域に設定される。

エンジン２は、ピストン１２が配置されたシリンダブロック４とシリンダヘッド３とを備える。エンジン２の気筒数および気筒配置は特に限定されない。シリンダヘッド３とピストン１２とで挟まれた空間が燃焼室５となる。エンジン２は火花点火式エンジンであって、シリンダヘッド３には燃焼室５の頂部に突き出るように点火装置の点火プラグ１８が取り付けられている。

燃焼室５には吸気ポート６と排気ポート８がそれぞれ開口している。燃焼室５と吸気ポート６との連通状態は、シリンダヘッド３に設けられた吸気バルブ１４によって制御される。燃焼室５と排気ポート８との連通状態は、シリンダヘッド３に設けられた排気バルブ１６によって制御される。吸気バルブ１４には、その開弁特性を可変とする吸気可変動弁機構２４が設けられている。排気バルブ１６には、その開弁特性を可変とする排気可変動弁機構２６が設けられている。

このエンジン２は、各気筒に２つずつ燃料噴射弁を備える。一つは、燃焼室５の中に燃料を直接噴射する筒内噴射弁２２であり、もう一つは、吸気ポート６に燃料を噴射するポート噴射弁２０である。

吸気ポート６には、サージタンク１９が一体化された吸気マニホールド１０が接続されている。サージタンク１９には、外部から空気を吸入する吸気通路３０が接続されている。吸気通路３０におけるサージタンク１９の近傍には、電子制御式のスロットル４０が設けられている。吸気通路３０の先端には、エアクリーナ３１が設けられている。

排気ポート８には、排気マニホールド１１が接続されている。排気マニホールド１１には、排気ガスを外部に排出する排気通路３２が接続されている。排気通路３２には、その上流側から順に、三元触媒６２、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒６４、選択還元型触媒６６が設けられている。

エンジン２は、ターボ過給機２８を有している。ターボ過給機２８のコンプレッサ２８ａは、吸気通路３０におけるスロットル４０の上流に設けられている。吸気通路３０におけるコンプレッサ２８ａとスロットル４０との間には、コンプレッサ２８ａで圧縮された吸入空気を冷却するインタークーラ３６が設けられている。ターボ過給機２８のタービン２８ｂは、排気通路３２における三元触媒６２の上流に設けられている。タービン２８ｂの近傍には、タービン２８ｂの上流側と下流側とをバイパスするバイパス通路４４が設けられている。バイパス通路４４には、ウエストゲートバルブ４６が設置されている。ウエストゲートバルブ４６が開くと、排気ガスの一部は、タービン２８ｂを通らずにバイパス通路４４を通って流れる。ウエストゲートバルブ４６はダイアフラム式の負圧アクチュエータ４６ａにより駆動される。

本実施形態のシステムは、エンジン２の運転状態に関する情報を得るためのセンサを各所に備えている。吸気通路３０におけるエアクリーナ３１の直下流には、吸入空気量を計測するためのエアフローメータ３４が設置されている。吸気通路３０におけるインタークーラ３６の直下流には、過給圧を計測するための圧力センサ３８が設置されている。スロットル４０の近傍には、スロットル４０の開度を計測するためのスロットルポジションセンサ４２が設置されている。サージタンク１９には吸気マニホールド圧を計測するための圧力センサ５６が設置されている。本明細書では、スロットル４０の上流側の圧力を過給圧と呼び、スロットル４０の下流側の圧力を吸気マニホールド圧と呼ぶ。

排気通路３２における三元触媒６２の直上流には、排気ガスの燃焼前の空燃比に対してリニアに変化する信号を出力する空燃比センサ７０が設置されている。また、排気通路３２における三元触媒６２の直下流には、理論空燃比の混合気の燃焼により得られる排気ガスの酸素濃度を境にして、酸素過剰側と酸素不足側とでステップ的に変化する信号を出力する酸素センサ７２が設置されている。

また、本実施形態のシステムは、アクセルペダルの開度を計測するためのアクセルポジションセンサ５２、及び、エンジン２のクランク角度を計測するためのクランク角センサ５４を有している。

上述した各種のセンサ及びアクチュエータは、制御装置１００に電気的に接続されている。制御装置１００はＥＣＵ(Electronic Control Unit)である。制御装置１００は、エンジン２のシステム全体の制御を行うものであり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを含むコンピュータを主体として構成されている。ＲＯＭには各種制御のルーチンが記憶されている。制御装置１００によってそれらルーチンが実行され、センサからの信号に基づいてアクチュエータが操作されることにより、エンジン２の運転が制御される。

２．制御装置の構成
図２は、実施の形態１の制御装置１００の構成を示すブロック図である。制御装置１００は、限界トルク算出ユニット１０２、目標空燃比設定ユニット１０４、及び、アクチュエータ操作量算出ユニット１０６を含む。制御装置１００が含むこれらの演算ユニットは、制御装置１００のＲＯＭに記憶された制御プログラム或いはその一部に対応している。制御プログラムがＲＯＭから読みだされてＣＰＵで実行されることによって、これらの演算ユニットの機能が制御装置１００にて実現される。

限界トルク算出ユニット１０２の機能について説明する。限界トルク算出ユニット１０２が算出する限界トルクは、リーン運転により現時点より一定時間後に実現可能なトルクの上限値である。より詳しくは、限界トルクは、筒内の吸入空気量を最大速度で増加させるように空気量制御用のアクチュエータを操作したならば、リーン空燃比のもとで現時点より一定時間後に実現されるであろうトルクである。ここで言うアクチュエータとは、具体的には、スロットル４０及びウエストゲートバルブ４６を指す。スロットル４０を全開にし、且つ、ウエストゲートバルブ４６を全閉にしたときに吸入空気量の増大速度は最大となり、現時点より一定時間後に実現される吸入空気量も最大になる。ただし、吸気可変動弁機構２４によるバルブタイミングや作用角の変更が空気量制御に用いられる場合には、吸気可変動弁機構２４もここで言うアクチュエータに含まれる。

スロットル４０やウエストゲートバルブ４６等の空気量制御用アクチュエータの操作によって実現される最大吸入空気量は、現時点における吸入空気量及び過給圧と、現時点から最大吸入空気量の予測時点までの時間（これを先読み時間という）によって一義的に決まる。そして、リーン運転時の目標空燃比が固定であるならば、吸入空気量が決まればトルクも決まる。よって、現時点における吸入空気量及び過給圧と、先読み時間とが決まれば、現時点から一定時間（これは先読み時間に等しい）の後に実現可能な限界トルクも一義的に決まる。限界トルク算出ユニット１０２は、制御装置１００のＲＯＭに記憶されたマップを検索し、推定吸入空気量、推定過給圧、及び、先読み時間から限界トルクを求める。なお、マップの検索に用いられる推定吸入空気量は、現在吸入空気量の推定値であって、吸気マニホールド圧や筒内圧などの吸入空気量に関連する状態量の計測値から算出される。マップの検索に用いられる推定過給圧は、関連する状態量の計測値から算出された現在過給圧の推定値である。ただし、推定過給圧に代えて、圧力センサによって計測された実測値を用いてもよい。

限界トルクを決定する先読み時間（一定時間）は、運転者の加速要求に応えることができる目標トルクの実現までの猶予時間である。許容される猶予時間は、運転者の感覚に依存する。このため、先読み時間は、運転者が選択するエンジン２の運転モードに応じて決定される。運転モードには、例えば、スポーツモードとエコノミーモードがあり、それらは車室内のスイッチの操作によって選択可能になっている。例えばスポーツモードが選択された場合、先読み時間は短い時間に設定され、エコノミーモードが選択された場合、先読み時間は長い時間に設定される。

目標空燃比設定ユニット１０４の機能について説明する。目標空燃比設定ユニット１０４は、理論空燃比と所定のリーン空燃比の何れか一方を選択し、目標空燃比を選択した空燃比に設定する。目標空燃比の選択は、限界トルク算出ユニット１０２で算出された限界トルクと目標トルクとの比較にしたがって行われる。目標トルクは、制御装置１００のＲＯＭに記憶されたトルクマップを参照して、アクセルペダル開度とエンジン回転速度とから決定される。限界トルクはリーン空燃比のもとで一定時間内に実現可能な最大トルクであるから、目標トルクが限界トルク以下であれば、長くとも一定時間待てばリーン空燃比のもとで目標トルクを実現することができる。しかし、目標トルクが限界トルクよりも大きければ、一定時間待ってもリーン空燃比のもとでは目標トルクを実現することができない。目標空燃比設定ユニット１０４における目標空燃比の設定ルールは、目標トルクと限界トルクとの間のこのような関係に基づいて定められている。

図３は、目標空燃比設定ユニット１０４における目標空燃比の設定ルールを示すフローチャートである。目標空燃比設定ユニット１０４は、制御周期ごとにこのフローチャートに示す手順に従って目標空燃比の設定を行う。まず、ステップＳ２では、前回制御周期における目標空燃比がリーン空燃比かどうかの判定が行われる。前回の目標空燃比がリーン空燃比である場合、つまり、これまでリーン運転が行われていた場合には、ステップＳ４の判定が行われる。前回の目標空燃比がリーン空燃比でない場合、つまり、これまでストイキ運転が行われていた場合には、ステップＳ６の判定が行われる。

ステップＳ４では、目標トルクと限界トルクとの比較が行われ、目標トルクが限界トルクよりも大きいかどうか判定される。目標トルクが限界トルクよりも大きくない場合、つまり、一定時間を超えることなくリーン空燃比のもとで目標トルクを実現することができる場合には、ステップＳ１０の処理が選択される。ステップＳ１０では、目標空燃比を現状のまま維持すること、つまり、目標空燃比をリーン空燃比に維持することが選択される。この選択により、今回の制御周期でもリーン運転が継続される。

一方、目標トルクが限界トルクよりも大きい場合、つまり、一定時間待ってもリーン空燃比のもとでは目標トルクを実現することができない場合には、ステップＳ８の処理が選択される。ステップＳ８では、目標空燃比を理論空燃比に変更することが選択される。この選択により、今回の制御周期においてエンジン２の運転はリーン運転からストイキ運転に切り替えられる。

ステップＳ２の次の処理としてステップＳ６の判定が選択された場合、限界トルクに対して所定のヒステリシスが与えられる。ステップＳ６では、目標トルクが、限界トルク算出ユニット１０２で算出された限界トルクよりもヒステリシス“α”の分だけ小さい値以下であるかどうか判定される。ヒステリシスを与えられた限界トルクよりも目標トルクが大きい場合、ステップＳ１０の処理が選択される。ステップＳ１０では、目標空燃比を現状のまま維持すること、つまり、目標空燃比を理論空燃比に維持することが選択される。この選択により、今回の制御周期でもストイキ運転が継続される。

一方、目標トルクがヒステリシスを与えられた限界トルク以下の場合には、ステップＳ１２の処理が選択される。ステップＳ１２では、目標空燃比をリーン空燃比に変更することが選択される。ヒステリシスは、目標トルクと限界トルクとの間で大小関係の逆転が頻繁に起こり、それにより目標空燃比の設定の切り替えにハンチングが生じることを抑えるために設けられている。目標空燃比のリーン空燃比への変更により、今回の制御周期においてエンジン２の運転はストイキ運転からリーン運転に切り替えられる。

再び図２に戻り、続いて、アクチュエータ操作量算出ユニット１０６の機能について説明する。アクチュエータ操作量算出ユニット１０６は、目標空燃比設定ユニット１０４で設定された目標空燃比のもとで目標トルクを実現するために必要な各アクチュエータの操作量を算出する。ここで言うアクチュエータには、スロットル４０とウエストゲートバルブ４６が含まれる。アクチュエータ操作量算出ユニット１０６は、目標空燃比と目標トルクから目標吸気マニホールド圧を算出し、目標吸気マニホールド圧からスロットル４０の開度とウエストゲートバルブ４６の開度（ダイアフラム式負圧アクチュエータ４６ａのダイアフラム負圧）を決定する。具体的には、目標吸気マニホールド圧が過給圧以下の場合、ウエストゲートバルブ４６は全開に固定され、目標吸気マニホールド圧の増大に対応させてスロットル４０が開かれていく。そして、目標吸気マニホールド圧が過給圧よりも大きくなった場合、スロットル４０は全開に固定され、目標吸気マニホールド圧の増大に対応させてウエストゲートバルブ４６が閉じられていく。

アクチュエータ操作量算出ユニット１０６によって操作量が算出されるアクチュエータには、スロットル４０とウエストゲートバルブ４６だけでなく、トルク制御に係るアクチュエータの全てが含まれる。具体的には、ポート噴射弁２０、筒内噴射弁２２、点火プラグ１８を含む点火装置、吸気可変動弁機構２４等がそれに含まれる。アクチュエータ操作量算出ユニット１０６は、これらアクチュエータの操作量をＲＯＭに記憶されたマップ（目標トルクと目標空燃比をパラメータとするマップ）を参照して決定し、各アクチュエータに対して指示値として出力する。

３．制御装置により実現される動作
次に、実施の形態１の制御装置１００により実現される動作について、その比較例とともにタイムチャートを用いて説明する。比較例では、定常状態において適合されたマップを参照して、目標トルクとエンジン回転速度とから目標空燃比を決定する方法が採られている。

３−１．比較例の動作
図４は、制御装置１００に対する比較例の動作を示すタイムチャートである。図４に示すタイムチャートには、リーン運転による定常走行から加速走行に移行した場合の、アクセルペダル開度、過給圧、目標吸気マニホールド圧、目標トルク、実トルク、空燃比（目標空燃比）、スロットル４０の開度、及び、ウエストゲートバルブ４６のダイアフラム負圧の各時間変化が示されている。

タイムチャートに示すように、加速時には、アクセルペダル開度に合わせて目標トルクが単調に増大していき、目標トルクに合わせて目標吸気マニホールド圧も単調に増大していく。目標吸気マニホールド圧が過給圧に達するまで、つまり、エンジン２の運転域が過給域に入るまでは、目標吸気マニホールド圧に合わせてスロットル開度が大きくされていき、スロットル開度によってトルクの制御が行われる。この間、ウエストゲートバルブ４６の開度を決定するダイアフラム負圧は最小値に固定される。

やがて、スロットル開度が全開になり、目標吸気マニホールド圧は過給圧に達する。エンジン２の運転域が過給域に入ると、スロットル開度は全開に固定される。過給域では、目標吸気マニホールド圧に合わせてダイアフラム負圧が大きくされていき、ウエストゲートバルブ４６の開度によってトルクの制御が行われる。

しかしながら、リーン運転で得られる排気エネルギは大きくないため、ダイアフラム負圧を増大させているにも関わらず、過給圧はなかなか上昇しない。その結果、目標トルクに追従して実トルクを増大させていくことができず、目標トルクが増大するにつれて目標トルクに対する実トルクの不足が顕著になっていく。このため、比較例の方法では、運転者に対して所望の加速感を与えることはできない。

３−２．制御装置により実現される動作１
図５は、制御装置１００により実現される動作を示すタイムチャートである。図５に示すタイムチャートには、リーン運転による定常走行から加速走行に移行した場合の、アクセルペダル開度、過給圧、目標吸気マニホールド圧、限界トルク、目標トルク、実トルク、空燃比（目標空燃比）、スロットル４０の開度、及び、ウエストゲートバルブ４６のダイアフラム負圧の各時間変化が示されている。

タイムチャートに示すように、目標吸気マニホールド圧が過給圧に達してエンジン２の運転域が過給域に入るまでの動作は、比較例の動作とほぼ同じである。ただし、制御装置１００によれば、常に、限界トルクの計算が行われている。限界トルクは、スロットル４０を全開にし、且つ、ウエストゲートバルブ４６を全閉にすることで一定時間後に実現されるトルクである。タイムチャートでは、エンジン２の運転域が過給域に入るまでは、限界トルクの値には大きな変化はない。これは、スロットル４０を全開にしてから吸入空気量が増大するまでには応答遅れが有り、この応答遅れの時間によって上記一定時間の多くが費やされることになるためである。

スロットル４０が全開になってエンジン２の運転域が過給域に入ると、限界トルクは過給圧の上昇に応じて増大していく。ただし、リーン運転で得られる排気エネルギは大きくないため過給圧の上昇速度は遅く、限界トルクの増大もそれに応じた速度となる。このため、目標トルクの増大速度が限界トルクの増大速度よりも大きい場合、やがて、目標トルクは限界トルクよりも大きくなる。目標トルクが限界トルクよりも大きくなるまでは、リーン空燃比を維持したまま吸入空気量を増大させて実トルクを増大させる操作（これを第１のトルク増大操作という）が実行される。第１のトルク増大操作では、ウエストゲートバルブ４６は全開に固定してスロットル４０の操作によって吸入空気量を増大させていき、スロットル４０が全開になったら、スロットル４０は全開に固定してウエストゲートバルブ４６の操作によって吸入空気量を増大させていくことが行われる。

目標トルクが限界トルクよりも大きくなったとき、目標空燃比はリーン空燃比から理論空燃比へ切り替えられ、ストイキ運転により実トルクを増大させる操作（これを第２のトルク増大操作という）が実行される。第２のトルク増大操作では、目標空燃比の切り替えと同時にウエストゲートバルブ４６が開かれ、スロットル４０の開度も一旦小さくされる。この操作によって吸入空気量を一旦急減させた後、目標トルクに合わせてスロットル４０の開度を増大させ、それにより吸入空気量を増大させていくことが行われる。

第１のトルク増大操作から第２のトルク増大操作への切り替えにより、空燃比はストイキ化され、それによるトルクの増大によって目標トルクに対する実トルクの不足は解消される。さらに、排気エネルギの増大によって過給圧の応答性が高まる結果、過給域での目標トルクに対する実トルクの追従性が向上する。これにより、運転者に対して所望の加速感を与えることが可能となる。

３−３．制御装置により実現される動作２
図６は、制御装置１００により実現される動作を、先読み時間が長い場合と短い場合とで比較して示すタイムチャートである。タイムチャートには、リーン運転による定常走行から加速走行に移行した場合の、アクセルペダル開度、過給圧、目標吸気マニホールド圧、限界トルク、目標トルク、実トルク、及び、空燃比（目標空燃比）の各時間変化が示されている。タイムチャートでは、先読み時間を短い時間（設定１）に設定した場合の動作が細線で描かれ、先読み時間を長い時間（設定２）に設定した場合の動作が太線で描かれている。タイムチャートにおいて、設定１と付されている項目は先読み時間を設定１に設定した場合の動作を示し、設定２と付されている項目は先読み時間を設定２に設定した場合の動作を示している。

タイムチャートに示すように、設定２のほうが設定１よりも限界トルクは大きくなり、目標トルクが限界トルクを超える時期は遅くなる。その結果、リーン運転によりエンジン２のトルクを増大させる第１のトルク増大操作から、ストイキ運転によりエンジン２のトルクを増大させる第２のトルク増大操作への切り替えの時期は遅くなる。つまり、先読み時間を長く設定すれば、リーン運転を行う期間が長くなり、先読み時間を短く設定すれば、ストイキ運転への切り替えが早められる。

前述のように、先読み時間は運転者が選択する運転モード（例えばエコノミーモード）に関連付けられている。燃費性能を求める運転モードが選択された場合には、先読み時間は設定２に設定される。これにより、リーン運転をより長い期間続けることができるようになり、燃費性能が向上する。加速性能を求める運転モード（例えばスポーツモード）が選択された場合には、先読み時間は設定１に設定される。これにより、ストイキ運転への切り替えの時期を早くすることができ、トルクの応答性が向上する。もちろん、先読み時間の設定は設定１と設定２の２つには限定されない。設定１と設定２の中間の長さの先読み時間を設定してもよいし、先読み時間を多段階に或いは連続的に可変設定できるようにしてもよい。

実施の形態２．
１．概要
実施の形態２は実施の形態１のさらなる改良である。実施の形態１では、図３のフローチャートに示すルールにしたがって目標空燃比の設定が行われる。既に説明したように、実施の形態１では、リーン運転からストイキ運転への切り替えに係る判定では、限界トルクと目標トルクとの比較が行われるが、ストイキ運転からリーン運転への切り替えに係る判定は、限界トルクからヒステリシスを差し引いて得られる値と目標トルクとの比較が行われる。ヒステリシスは、目標トルクと限界トルクとの大小関係の逆転が繰り返されることによるハンチングを防ぐために設けられている。

しかしながら、ヒステリシスを設定することは、ストイキ運転からリーン運転への切り替えに遅れを生じさせることでもある。リーン運転による燃費の向上の機会を減らさないため、ヒステリシスはあまり大きく設定することは好ましくない。そこで、実施の形態２では、ヒステリシスを大きく設定しなくて済むように、目標トルクと限界トルクとの大小関係の逆転が特に頻繁に繰り返されうる特定の状況については、特別な制御上の手当を施すこととした。

図７は、上記の特定の状況での目標空燃比の切り替えの判定に係る課題を説明するタイムチャートである。タイムチャートには、ストイキ運転での加速走行中に過給圧リザーブ制御を実行した場合の、目標トルク、限界トルク、空燃比（目標空燃比）、目標吸入空気量、スロットル４０の開度、過給圧、及び、ウエストゲートバルブ４６のダイアフラム負圧の各時間変化が示されている。過給圧リザーブ制御とは、スロットル４０が全開になる前にウエストゲートバルブ４６を閉じていき過給圧を予め高めておくことで、スロットル４０の開き操作に対する吸入空気量の応答性を向上させる制御を意味する。

タイムチャートに示す例では、過給圧の上昇に応じて限界トルクは次第に大きくなっていき、やがて、加速走行から定速走行に移行して目標トルクの増大が止まった後、限界トルクと目標トルクとの逆転が起きている。タイムチャートには描かれていないが、限界トルクにはヒステリシスが設定されている。限界トルクよりもヒステリシスの分だけ小さい値が目標トルク以上になったとき、前述の目標空燃比の設定ルール（図３のフローチャートに示すルール）にしたがって、目標空燃比は理論空燃比からリーン空燃比に切り替えられる。

目標空燃比のリーン化に合わせて目標吸入空気量は増大される。そして、増大した目標吸入空気量を実現するように、スロットル４０の開度が大きくされる。スロットル４０が開きスロットル４０を通過する空気の流量が増大することで、スロットル４０の上流の圧力である過給圧は一時的に低下する。つまり、スロットル４０の動作に対する過給圧の逆応答がおきる。この逆応答によって過給圧が低下すると、現在過給圧に基づいて算出される限界トルクが低下し、限界トルクは再び目標トルクよりも小さくなる。

限界トルクが目標トルクよりも小さくなったことを受けて、前述の目標空燃比の設定ルールにしたがい、目標空燃比はリーン空燃比から理論空燃比に切り替えられる。目標空燃比のストイキ化に合わせて目標吸入空気量は低減される。そして、減少した目標吸入空気量を実現するようにスロットル４０の開度が小さくされる。すると、スロットル４０の動作に対する逆応答によって過給圧は一時的に上昇し、限界トルクは再び増大して目標トルクよりも大きくなる。

前述の特定の状況とは、上記のようにスロットル４０の動作に対する過給圧の逆応答によって、目標トルクと限界トルクとの大小関係の逆転が繰り返される状況を指す。このような状況においてハンチングを防ぐには、最初の目標空燃比の切り替えの後、スロットル４０の動作に対する過給圧の逆応答が収まるまでは、再度の目標空燃比の切り替えは行わないことが有効である。

図８は、本実施の形態で実行される過給圧の逆応答への手当の概要を示すフローチャートである。制御装置１００は、制御周期ごとにこのフローチャートに沿って過給圧の逆応答への手当を行う。まず、ステップＳ２２では、現在が過給圧の逆応答期間内であることを示すフラグ（逆応答期間フラグ）がオンになっているかどうかの判定が行われる。

逆応答期間フラグがオフの場合、ステップＳ２４の判定が行われる。ステップＳ２４では、前回制御周期の目標空燃比が理論空燃比であるかどうかが判定される。前回制御周期の目標空燃比が理論空燃比であるならば、続いて、ステップＳ２６の判定が行われる。ステップＳ２６では、今回制御周期の目標空燃比がリーン空燃比であるかどうかが判定される。前回制御周期の目標空燃比がリーン空燃比である場合、また、今回制御周期の目標空燃比が理論空燃比である場合、過給圧の逆応答への手当は行われない。この場合、前述のルール（図３のフローチャートに示すルール）にしたがって目標空燃比の設定が行われる。

前回制御周期の目標空燃比が理論空燃比であり、且つ、今回制御周期の目標空燃比がリーン空燃比である場合、ステップＳ２８の処理が行われる。ステップＳ２８では、逆応答期間フラグがオフからオンに切り替えられる。

逆応答期間フラグがオンにされることにより、次回制御周期では、ステップＳ２２の判定結果は肯定となる。この場合、ステップＳ３０の処理が行われる。ステップＳ３０では、逆応答期間が経過したかどうかの判定が行われる。逆応答期間は、例えば、目標空燃比が理論空燃比からリーン空燃比に切り替えられた時点を始点とし、目標吸入空気量が推定吸入空気量に収束する時点を終点とする期間と定めることができる。

逆応答期間が経過していない場合、ステップＳ３２の処理が行われる。ステップＳ３２では、目標空燃比をリーン空燃比に固定することが行われる。

逆応答期間が経過した場合、ステップＳ３４及びステップＳ３６の処理が行われる。ステップＳ３４では、逆応答期間フラグがオンからオフに切り替えられる。そして、ステップＳ３６では、目標空燃比のリーン空燃比への固定が解除される。

過給圧の逆応答に対して以上のような制御上の手当を施すことにより、目標トルクと限界トルクとの大小関係の逆転の繰り返しによるハンチングを防ぐことが可能となる。

２．制御装置の構成
過給圧の逆応答に対して上述の通り手当するため、実施の形態２の制御装置１００は、図９に示すように構成される。実施の形態２の制御装置１００は、限界トルク算出ユニット１０２、目標空燃比設定ユニット１０４、及び、アクチュエータ操作量算出ユニット１０６に加えて、切替タイミング検出ユニット１０８、なまし期間算出ユニット１１０、及び、推定過給圧修正ユニット１１２を含む。制御装置１００が含むこれらの演算ユニットは、制御装置１００のＲＯＭに記憶された制御プログラム或いはその一部に対応している。制御プログラムがＲＯＭから読みだされてＣＰＵで実行されることによって、これらの演算ユニットの機能が制御装置１００にて実現される。

切替タイミング検出ユニット１０８は、目標空燃比設定ユニット１０４の出力を受信し、目標空燃比が理論空燃比からリーン空燃比へ切り替えられたタイミングを検出する。切替タイミングを検出したら、フラグをオフからオンに切り替える。

なまし期間算出ユニット１１０は、推定過給圧に対してなまし処理する期間であるなまし期間を算出する。なまし期間は、過給圧の逆応答期間と等しいか或いはそれより若干長くなるように設定される。なまし期間算出ユニット１１０は、切替タイミング検出ユニット１０８においてフラグがオンに切り替えられたら、その時点からなまし期間を開始する。そして、推定吸入空気量が目標吸入空気量に収束したと判断できるまで、例えば、目標吸入空気量と推定吸入空気量との差が閾値以下になるまで、なまし期間を継続する。

推定過給圧修正ユニット１１２は、なまし期間算出ユニット１１０によりなまし期間が設定されている間、推定過給圧に対してなまし処理を施す。なまし処理とは、推定過給圧の周期的変動の振幅や速い変化を抑えることができる処理であればよい。なまし処理の例としては、ローパスフィルタによる処理や、移動平均フィルタによる処理などの平滑化処理を挙げることができる。

限界トルク算出ユニット１０２には、推定過給圧修正ユニット１１２で処理された推定過給圧が入力される。推定過給圧になまし処理が施されている場合、それに基づいて算出される限界トルクも周期的変動の振幅や早い変化を抑えられたものとなる。限界トルク算出ユニット１０２で算出された限界トルクは、目標空燃比設定ユニット１０４に入力される。目標空燃比設定ユニット１０４は、図３のフローチャートに示すルールにしたがって目標空燃比の設定を行う。

３．制御装置により実現される動作
図１０は、実施の形態２の制御装置１００により実現される動作を示すタイムチャートである。図１０に示すタイムチャートには、ストイキ運転での加速走行中に過給圧リザーブ制御を実行した場合の、目標トルク、限界トルク、空燃比（目標空燃比）、目標吸入空気量、推定吸入空気量、過給圧のなまし期間、スロットル４０の開度、過給圧、なまし後過給圧、及び、ウエストゲートバルブ４６のダイアフラム負圧の各時間変化が示されている。なお、タイムチャートにおいて実線で描かれている動作は、実施の形態２の制御装置１００により実現される動作であり、点線で描かれている動作は、過給圧の逆応答に対する制御上の手当を施していない場合の動作である。

タイムチャートに示す例では、加速走行から定速走行への移行により目標トルクが一定になった後も、過給圧リザーブ制御による過給圧の上昇によって、限界トルクは増大し続けている。やがて、限界トルクが目標トルクよりも大きくなり、このとき目標空燃比が理論空燃比からリーン空燃比へ切り替えられる。そして、これと同時に、過給圧のなまし期間が設定され、限界トルクの計算に使用する過給圧のなまし処理が行われる。

なまし期間中は、なまし処理後の過給圧に基づいて限界トルクの計算が行われるため、限界トルクの波形は周期的変動の振幅を抑えられた波形となる。その結果、限界トルクが目標トルクを下回らなくなくなり、目標空燃比がリーン空燃比から理論空燃比へ切り替えられることは防がれる。なまし期間後は、過給圧に対するなまし処理は解除されるが、この段階では既に過給圧の変動は収束しているため、目標トルクと限界トルクとの大小関係の逆転はもはや生じない。これにより、必要以上の空燃比の切り替えによるドライバビリティの悪化と燃費の悪化を回避することが可能となる。

実施の形態３．
１．制御装置の構成
図１１は、実施の形態３の制御装置１００の構成を示すブロック図である。実施の形態３の制御装置１００は、実施の形態２と同じく、過給圧の逆応答に対して制御上の手当を施された構成を有している。実施の形態３の制御装置１００は、限界トルク算出ユニット１０２、目標空燃比設定ユニット１０４、及び、アクチュエータ操作量算出ユニット１０６に加えて、切替タイミング検出ユニット１１４、ホールド期間算出ユニット１１６、及び、目標空燃比確定ユニット１１８を含む。制御装置１００が含むこれらの演算ユニットは、制御装置１００のＲＯＭに記憶された制御プログラム或いはその一部に対応している。制御プログラムがＲＯＭから読みだされてＣＰＵで実行されることによって、これらの演算ユニットの機能が制御装置１００にて実現される。

切替タイミング検出ユニット１１４は、目標空燃比設定ユニット１０４の出力を受信し、目標空燃比が理論空燃比からリーン空燃比へ切り替えられたタイミングを検出する。切替タイミングを検出したら、フラグをオフからオンに切り替える。

ホールド期間算出ユニット１１６は、目標空燃比を保持する期間であるホールド期間を算出する。ホールド期間は、過給圧の逆応答期間と等しいか或いはそれより若干長くなるように設定される。ホールド期間算出ユニット１１６は、切替タイミング検出ユニット１１４においてフラグがオンに切り替えられたら、その時点からホールド期間を開始する。そして、推定吸入空気量が目標吸入空気量に収束したと判断できるまで、例えば、目標吸入空気量と推定吸入空気量との差が閾値以下になるまで、ホールド期間を継続する。

目標空燃比確定ユニット１１８には、目標空燃比設定ユニット１０４で設定された目標空燃比が仮の目標空燃比として入力される。目標空燃比設定ユニット１０４は、図３のフローチャートに示すルールにしたがって目標空燃比の設定を行う。目標空燃比確定ユニット１１８は、ホールド期間算出ユニット１１６によりホールド期間が設定されたとき、その時点での仮目標空燃比、つまり、リーン空燃比を保持し、ホールド期間が設定されている間、保持している仮目標空燃比を目標空燃比の確定値としてアクチュエータ操作量算出ユニット１０６に出力する。

２．制御装置により実現される動作
図１２は、実施の形態３の制御装置１００により実現される動作を示すタイムチャートである。図１２に示すタイムチャートには、ストイキ運転での加速走行中に過給圧リザーブ制御を実行した場合の、目標トルク、限界トルク、空燃比（目標空燃比）、目標吸入空気量、推定吸入空気量、過給圧のなまし期間、スロットル４０の開度、過給圧、なまし後過給圧、及び、ウエストゲートバルブ４６のダイアフラム負圧の各時間変化が示されている。なお、タイムチャートにおいて実線で描かれている動作は、実施の形態３の制御装置１００により実現される動作であり、点線で描かれている動作は、過給圧の逆応答に対する制御上の手当を施していない場合の動作である。

タイムチャートに示す例では、加速走行から定速走行への移行により目標トルクが一定になった後も、過給圧リザーブ制御による過給圧の上昇によって、限界トルクは増大し続けている。やがて、限界トルクが目標トルクよりも大きくなり、このとき目標空燃比が理論空燃比からリーン空燃比へ切り替えられる。そして、これと同時に、目標空燃比のホールド期間が設定され、目標空燃比はリーン空燃比に保持される。

ホールド期間中は、目標トルクと限界トルクとの大小関係の逆転が起きていたとしても、それとは関係なく目標空燃比はリーン空燃比に保持される。ホールド期間後は、目標空燃比のリーン空燃比への保持は解除されるが、この段階では既に過給圧の変動は収束しているため、目標トルクと限界トルクとの大小関係の逆転はもはや生じない。これにより、必要以上の空燃比の切り替えによるドライバビリティの悪化と燃費の悪化を回避することが可能となる。

２ エンジン
５ 燃焼室
２０ ポート噴射弁
２２ 筒内噴射弁
２８ ターボ過給機
２８ａ コンプレッサ
２８ｂ タービン
３０ 吸気通路
３２ 排気通路
４０ スロットル
４６ ウエストゲートバルブ
４６ａ ダイアフラム式負圧アクチュエータ
１００ 制御装置
１０２ 限界トルク算出ユニット
１０４ 目標空燃比設定ユニット
１０６ アクチュエータ操作量算出ユニット
１０８ 切替タイミング検出ユニット
１１０ なまし期間算出ユニット
１１２ 推定過給圧修正ユニット
１１４ 切替タイミング検出ユニット
１１６ ホールド期間算出ユニット
１１８ 目標空燃比確定ユニット

Claims (4)

1. ターボ過給機を備え、理論空燃比による運転と前記理論空燃比よりも薄い所定のリーン空燃比による運転とを選択可能な内燃機関の制御装置において、
   前記リーン空燃比による運転中に目標トルクが増大する場合、前記リーン空燃比を維持したまま筒内に吸入される空気量を増大させて前記内燃機関のトルクを増大させる第１のトルク増大操作を実行する手段と、
   現時点より一定時間の間前記リーン空燃比を継続した場合に実現可能なトルクの上限である限界トルクを算出する手段と、
   前記第１のトルク増大操作の実行中に前記目標トルクが前記限界トルクよりも大きくなった場合、前記理論空燃比による運転により前記内燃機関のトルクを増大させる第２のトルク増大操作へ切り替える手段と、
   を備え、前記一定時間は運転者の加速要求に応えることができる前記目標トルクの実現までの猶予時間であることを特徴とする内燃機関の制御装置。
   
2. 前記内燃機関は、吸気通路に設けられたスロットルと、排気通路に設けられたウエストゲートバルブとを備え、
   前記限界トルクは、現時点において前記スロットルを全開にし、且つ、前記ウエストゲートバルブを全閉にしたならば前記一定時間後に実現されるであろうトルクであ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. 運転者が選択する運転モードに応じて前記一定時間の長さを変更する手段をさらに備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。
4. 前記第２のトルク増大操作を実施して、前記理論空燃比による運転中に前記限界トルクが前記目標トルクよりも再び大きくなったとき、前記理論空燃比による運転から前記リーン空燃比による運転への切り替えを行い、切り替え後の所定期間は前記リーン空燃比による運転を維持する手段をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。

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