特許 6041052 過給器付き内燃機関の制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6041052

(24)【登録日】2016年11月18日

(45)【発行日】2016年12月7日

(54)【発明の名称】過給器付き内燃機関の制御装置

(51)【国際特許分類】

   F02D 41/20 20060101AFI20161128BHJP

   F02D 41/04 20060101ALI20161128BHJP

   F02D 43/00 20060101ALI20161128BHJP

   F02D 45/00 20060101ALI20161128BHJP

【ＦＩ】

   F02D41/20 305

   F02D41/04 305B

   F02D43/00 301B

   F02D43/00 301E

   F02D43/00 301K

   F02D43/00 301R

   F02D43/00 301Z

   F02D45/00 301E

   F02D45/00 310A

   F02D45/00 364B

   F02D43/00 301H

【請求項の数】5

【全頁数】27

(21)【出願番号】特願2015-521244(P2015-521244)

(86)(22)【出願日】2013年6月6日

(86)【国際出願番号】JP2013065740

(87)【国際公開番号】WO2014196070

(87)【国際公開日】20141211

【審査請求日】2015年10月1日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106150

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 英樹

(74)【代理人】

【識別番号】100082175

【弁理士】

【氏名又は名称】高田 守

(74)【代理人】

【識別番号】100113011

【弁理士】

【氏名又は名称】大西 秀和

(72)【発明者】

【氏名】吉嵜 聡

(72)【発明者】

【氏名】田中 聡

【審査官】 有賀 信

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００７−２１８１４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−１５５７８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１８３５５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−２３０４４０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｄ ４１／００─４１／４０

Ｆ０２Ｄ １３／００─２８／００

Ｆ０２Ｄ ４３／００─４５／００

Ｆ０２Ｂ ３３／００─４１／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

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空燃比による運転と前記第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過給器付き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、
前記要求トルクの目標空気量への変換に用いる空燃比に対応するパラメータである仮想空燃比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逆算する目標空気量算出手段と、
前記要求トルクの基準値以下への減少に応答して前記仮想空燃比を前記第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、
前記目標空気量算出手段は、
前記仮想空燃比のうち前記要求トルクの目標第１空気量への変換に用いる仮想第１空燃比を用いて前記要求トルクを達成するための目標第１空気量を前記要求トルクから逆算する目標第１空気量算出手段と、
前記仮想空燃比のうち前記要求トルクの目標第２空気量への変換に用いる仮想第２空燃比を用いて前記要求トルクを達成するための目標第２空気量を前記要求トルクから逆算する目標第２空気量算出手段と、を含み、
前記仮想空燃比変更手段は、
前記要求トルクが第１基準値以下へ減少したことに応答して前記仮想第１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仮想第１空燃比変更手段と、
前記要求トルクが前記第１基準値よりも大きい第２基準値以下へ減少したことに応答して前記仮想第２空燃比を前記第１空燃比から前記第２空燃比へ変化させ始め、前記要求トルクが前記第２基準値から前記第１基準値へ向けてさらに減少するのに合わせて、前記仮想第２空燃比を前記第２空燃比へ徐々に変化させる仮想第２空燃比変更手段と、を含み、
前記目標空燃比切替手段は、前記仮想第１空燃比が前記第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手段を含み、
前記第１アクチュエータは、
前記過給器の下流側の吸気通路において前記筒内に吸入される空気の吸入特性を変化させる吸入特性可変アクチュエータと、
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と、を含み、
前記第１アクチュエータ制御手段は、
前記目標第１空気量に基づいて前記吸入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吸入特性可変アクチュエータを操作する吸入特性可変アクチュエータ制御手段と、
前記目標第２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過給特性可変アクチュエータ制御手段と、
を含むことを特徴とする過給器付き内燃機関の制御装置。

【請求項2】

前記目標空燃比切替手段は、前記仮想第１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、前記目標第１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に記載の過給器付き内燃機関の制御装置。

【請求項3】

前記目標空燃比切替手段は、前記仮想第１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に記載の過給器付き内燃機関の制御装置。

【請求項4】

前記仮想第１空燃比変更手段は、前記要求トルクの第３基準値以上への増大に応答して前記仮想第１空燃比を前記第２空燃比から第１空燃比へ変更する手段を含み、
前記目標空燃比切替手段は、前記仮想第１空燃比の前記第２空燃比から前記第１空燃比への変更に応答して前記目標空燃比を前記第２空燃比から前記第１空燃比へ切り替える手段を含み、
前記仮想第２空燃比変更手段は、前記要求トルクの前記第３基準値以上への増大に応答して前記仮想第２空燃比を前記第２空燃比から前記第１空燃比へ変化させ始め、前記要求トルクが前記第３基準値からさらに増大するのに合わせて、前記仮想第２空燃比を前記第２空燃比から前記第１空燃比へ徐々に変化させる手段を含むことを特徴とする請求項１に記載の過給器付き内燃機関の制御装置。

【請求項5】

前記要求トルク受信手段は、
要求第１トルクを受信する手段と、
前記要求第１トルクからトルクダウン方向のパルス成分を除去した要求第２トルクを受信する手段と、を含み、
前記目標第１空気量算出手段は、前記仮想第１空燃比を用いて前記要求第１トルクを達成するための目標第１空気量を前記要求第１トルクから逆算する手段を含み、
前記目標第２空気量算出手段は、前記仮想第２空燃比を用いて前記要求第２トルクを達成するための目標第２空気量を前記要求第２トルクから逆算する手段を含むことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の過給器付き内燃機関の制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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過給器付き内燃機関の空気量、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。

【背景技術】

【0002】

日本特開２００１−２２７３９９号公報には、内燃機関の燃焼モードを成層燃焼モードから均質燃焼モードへ、或いは、均質燃焼モードから成層燃焼モードへ切り替え可能な内燃機関における燃焼モード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。燃焼モードの切り替え前後は、安定な燃焼状態を維持するためにスロットル開度やＥＧＲ量等の制御パラメータが調整されるが、これらの制御パラメータが変化するとトルク変動が生じてしまう。上記先行技術によれば、燃焼モードの切り替え前後においてトルク変動原因となる制御パラメータが調整された時に、その調整量によるトルク変動量を、当該調整に関与しなかった制御パラメータの変化量に換算し、その変化量分だけ当該制御パラメータを変化させることとしている。

【0003】

ところで、従来から理論空燃比による運転から理論空燃比よりもリーンな空燃比による運転への切り替え、或いは、その逆の切り替えといった空燃比の切り替え制御が可能な内燃機関が知られている。上記先行技術では、このようなリーンバーンエンジンにおけるリーン運転とストイキ・リッチ運転との切り替え時にも上記技術を適用することができることが開示されている。

【0004】

しかしながら、上記先行技術を過給器付きのリーンバーンエンジンに適用した場合、空燃比の切り替え時のトルク変動を抑制できるとは限らない。すなわち、例えば過給器付きエンジンの減速時において空燃比を理論空燃比から理論空燃比よりもリーンな空燃比に切り替える場合、目標とする空気量は理論空燃比に対応した量からリーン空燃比に対応した量へ切り替えられる。しかしながら、目標とする空気量が切り替えられた場合であっても実際の空気量は直ぐには追従しない。空気量を調整するアクチュエータであるスロットル等の応答遅れに加えて、過給器付きエンジンではターボラグによる応答遅れが発生するからである。実際の空気量が目標空気量よりも小さい期間は、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、上記ターボラグの影響により目標空気量が実現されるまでの期間が長期化すると、排気系の温度上限等の制約により点火時期の遅角制御が制限されてしまい、その結果トルク段差を生じさせてしまう。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】日本特開２００１−２２７３９９号公報

【発明の概要】

【0006】

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過給器付き内燃機関において、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ことを課題とする。

【0007】

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。

【0008】

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過給器付き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、過給器の下流側の吸気通路において筒内に吸入される空気の吸気特性を変化させる吸気特性可変アクチュエータと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が含まれる。具体的には、吸気特性可変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、過給特性可変アクチュエータには可変ノズルやウエストゲートバルブが含まれる。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。

【0009】

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、及びパラメータ値変更機能が含まれている。

【0010】

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。

【0011】

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逆算される。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。具体的には、目標第１空気量の計算には第１パラメータが用いられ、目標第２空気量の計算には第２パラメータが用いられる。これらのパラメータの値は可変であり、パラメータ値変更機能によって変更される。パラメータ値変更機能によれば、要求トルクが第１基準値以下へ減少したことに応答して第１パラメータの値は変換効率を下げる値へ変更される。また、パラメータ値変更機能によれば、要求トルクが第１基準値よりも大きい第２基準値以下へ減少したこと応答して第２パラメータの値は変換効率を下げる方向へ変化させ始められる。そして、要求トルクが第２基準値から第１基準値へ向けて更に減少するのに合わせて、第２パラメータの値は変換効率を下げる方向へ徐々に変化させられる。要求トルクの値が同じであるならば、パラメータの値が示す変換効率が高いほど目標空気量は小さくなり、パラメータの値が示す変換効率が低いほど目標空気量は大きくなる。なお、トルクに対する第１基準値及び第２基準値は固定値でもよいが内燃機関の回転数或いはその他の条件に応じて適宜変更することが好ましい。

【0012】

要求トルク受信機能によって要求第１トルクと要求第１トルクからトルクダウン方向のパルス成分を除去した要求第２トルクが受信されている場合、目標空気量算出機能では、要求第１トルクを用いて目標第１空気量を算出し、要求第２トルクを用いて目標第２空気量を算出することが好ましい。

【0013】

目標空燃比切替機能によれば、要求トルクが減少している過渡期では、要求トルクが第１基準値以下に減少したことを受けて第１パラメータの値が変換効率を下げる値へ変更された後、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、目標第１空気量と推定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、第１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。

【0014】

目標第１空気量及び目標第２空気量の計算に用いるパラメータの例として、空燃比に対応するパラメータを挙げることができる。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。空燃比に対応するパラメータを目標第１空気量の計算に用いる場合、要求トルクの第１基準値以下への減少に応答して、第１パラメータの値は第１空燃比に対応する値から第２空燃比に対応する値へ切り替えられる。つまり、要求トルクが第１基準値以下に減少した場合には、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のに先行して、目標第１空気量の計算に用いられる空燃比が第１空燃比から第２空燃比へ切り替えられる。また、空燃比に対応するパラメータを目標第２空気量の計算に用いる場合、要求トルクの第２基準値以下への減少に応答して、第２パラメータの値は第１空燃比に対応する値から第２空燃比に対応する値へ徐々に変化させられる。つまり、要求トルクが第２基準値以下に減少した場合には、第１パラメータが第１空燃比から第２空燃比に切り替えられるのに先行して、目標第２空気量の計算に用いられる空燃比が第１空燃比から第２空燃比へ徐々に切り替えられる。

【0015】

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第１空気量と目標第２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。

【0016】

第１アクチュエータ制御機能によれば、目標第１空気量に基づいて吸気特性可変アクチュエータの操作量が決定され、また目標第２空気量に基づいて過給特性可変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吸気特性可変アクチュエータ及び過給特性可変アクチュエータの操作が行われる。これらの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。本発明に係る制御装置によれば、要求トルクが減少して運転モードが切り替えられるまでの間の目標第２空気量の減少は抑えられ、運転モードの切り替えの直前の過給圧の減少が抑えられている。このため、目標空燃比の切り替えの直後の実際の空気量が目標空気量に短期間で追従する。

【0017】

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。

【0018】

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。本発明に係る制御装置によれば、目標空燃比の切り替えの直後の実際の空気量が目標空気量に速い速度で追従することから、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期間を短縮させることができる。

【0019】

本発明に係る制御装置が備える上述の機能は、減速時におい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ために好適な機能である。加速時におい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ためには、さらに以下の機能を備えることが好ましい。

【0020】

好ましい形態によれば、目標空燃比切替機能とパラメータ値変更機能のそれぞれに付加的な機能が含まれる。パラメータ値変更機能に含まれる付加的な機能によれば、要求トルクが増大している過渡期において、要求トルクの第３基準値以上への増大に応答して第１パラメータの値は変換効率を上げる値へ変更される。また、目標空燃比切替機能に含まれる付加的な機能によれば、要求トルクが第３基準値以上に増大したことを受けて第１パラメータの値が変換効率を上げる値へ変更されることに応答して、目標空燃比は第２空燃比から第１空燃比へ切り替えられる。つまり、ドライバの加速要求に応じて要求トルクが増大する場合、要求トルクが第３基準値より小さい間は目標空燃比は第２空燃比に維持され、要求トルクが第３基準値以上に増大したときに目標空燃比は第１空燃比へ切り替えられる。

【0021】

また、パラメータ値変更機能に含まれる付加的な機能によれば、要求トルクが増大している過渡期において、要求トルクの第３基準値以上への増大に応答して、第２パラメータの値は変換効率を上げる方向へ変化させ始められる。そして、要求トルクが第３基準値からさらに増大するのに合わせて、第２パラメータの値は変換効率を上げる方向へ徐々に変化させられる。

【0022】

好ましい形態では、目標空気量の計算に用いるパラメータとして空燃比に対応するパラメータを用いることができる。空燃比に対応するパラメータを目標空気量の計算に用いる場合、要求トルクの第３基準値以上への増大に応答して、第１パラメータの値は第２空燃比に対応する値から第１空燃比に対応する値へ切り替えられる。つまり、要求トルクが第３基準値以上に増大した場合には、目標空燃比が第２空燃比から第１空燃比に切り替えられるのと同時或いはほぼ同時に、目標第１空気量の計算に用いられる空燃比も第２空燃比から第１空燃比へ切り替えられる。また、要求トルクの第３基準値以上への増大に応答して、第２パラメータの値は第２空燃比に対応する値から変化させ始められる。そして、要求トルクが第３基準値からさらに増大するのに合わせて、第２パラメータの値は第２空燃比に対応する値から第１空燃比に対応する値に向けて徐々に変化させられる。つまり、要求トルクが第３基準値以上に増大した場合には、目標空燃比は第２空燃比から第１空燃比にステップ的に切り替えられる一方、目標第２空気量の計算に用いられる空燃比は第２空燃比から第１空燃比へ徐々に変更されていく。

【発明の効果】

【0023】

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、ドライバから与えられる要求トルクが減少或いは増大している過渡期において、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ことができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】本発明の実施の形態に係る制御装置のロジックを示すブロック図である。

【図2】本発明の実施の形態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。

【図3】比較例による減速時の制御結果のイメージを示すタイムチャートである。

【図4】比較例による加速時の制御結果のイメージを示すタイムチャートである。

【図5】本発明の実施の形態に係る制御装置による減速時の制御結果のイメージを示すタイムチャートである。

【図6】本発明の実施の形態に係る制御装置による加速時の制御結果のイメージを示すタイムチャートである。

【図7】本発明の実施の形態に係る制御装置で採られている運転領域の設定を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

［実施の形態］
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。

【0026】

本実施の形態に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、このエンジンはターボ過給器を備えたいわゆる過給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。

【0027】

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、可変バルブタイミング機構（以下、ＶＶＴ）及びウエストゲートバルブ（以下、ＷＧＶ）、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、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点火装置が含まれる。スロットルは吸気通路におけるターボ過給器の下流側に設けられ、ＶＶＴは吸気バルブに対して設けられ、そしてインジェクタは吸気ポートに設けられている。スロットルとＶＶＴは、ターボ過給器の下流側の吸気通路において筒内へ吸入される空気の吸気特性を変化させる吸気特性可変アクチュエータであり、また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。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。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

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、より詳しくは要求第１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。

【0031】

演算ユニット２０４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。演算ユニット２０４で算出される要求第３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３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。

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

演算ユニット２１０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２トルクと第１トルクとの関係は、第１トルクと第３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２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。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３トルク、要求第１トルク、要求第２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２トルクを計算する。本実施の形態では、要求第２トルクは本発明における要求トルク、より詳しくは要求第２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２トルクとすることもできる。なお、本実施の形態では、特に記載のない限り要求第２トルクは要求第１トルクと同値になっているものとする。

【0035】

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、１０５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。インタフェース１０４では要求第３トルクの受け渡しが行われる。そして、インタフェース１０５はインタフェース１０１と同様に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１０５では要求第２トルクの受け渡しが行われる。

【0036】

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、ＶＶＴ８及びＷＧＶ１０、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。

【0037】

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、１３０から構成されている。

【0038】

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、仮想第１空燃比、仮想第２空燃比、切替用目標効率、及び切替用目標第３トルクを計算する。図中では、目標空燃比は“AFt”と表記され、仮想第１空燃比は“AFh1”と表記され、仮想第２空燃比は“AFh2”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３トルクは“TQ3c”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、空気量のトルク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３トルクは、運転モードの切り替えのための第３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。

【0039】

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３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３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３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。

【0040】

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。

【0041】

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１２６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。その他第３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。

【0042】

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。

【0043】

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１３０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。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。

【0044】

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、仮想第１空燃比、仮想第２空燃比、切替用目標効率、その他効率、要求第３トルク、切替用目標第３トルク、その他第３トルク、要求第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、要求第３トルク及び要求第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３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。

【0045】

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３トルクとその他第３トルクと切替用目標第３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。同様に、要求第２トルクとその他第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。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４つの演算ユニット１４２、１４４、１４６、１４８が用意されている。

【0046】

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。

【0047】

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。

【0048】

演算ユニット１４６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１４６には要求第３トルクとその他第３トルクと切替用目標第３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３トルクは切替用目標第３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３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。

【0049】

演算ユニット１４８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１４８には要求第２トルクとその他第２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２トルクが目標第２トルクとして算出される。

【0050】

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、仮想第１空燃比、仮想第２空燃比、目標空燃比、目標第３トルク、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。

【0051】

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、１０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、目標第３トルク、及び目標第２トルク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３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３トルクが有効値である場合には目標第３トルクを達成するように、目標第３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、１０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。

【0052】

大演算ユニット１６０は複数の演算ユニット１８２、１８４、１６６、１８６、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１８２、１８４、１６６、１８６、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。

【0053】

演算ユニット１８２はさらに２つの演算ユニット１９０、１９２から構成されている。演算ユニット１９０には目標第１トルクと目標効率と仮想第１空燃比とが入力される。また、演算ユニット１９２には目標第２トルクと目標効率と仮想第２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。

【0054】

演算ユニット１９０は本発明における目標第１空気量算出手段に相当し、目標効率と仮想第１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トルクから逆算する。この計算では、目標効率及び仮想第１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。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。

【0055】

演算ユニット１９０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、１０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。

【0056】

演算ユニット１９０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１９０では、仮想第１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第１空気量として算出される。図中では、目標第１空気量は“KLt1”と表記されている。

【0057】

演算ユニット１９２は本発明における目標第２空気量算出手段に相当し、上述した演算ユニット１９０と共通の方法により、目標効率と仮想第２空燃比とを用いて、目標第２トルクを達成するための目標空気量（以下、目標第２空気量）を目標第２トルクから逆算する。図中では、目標第２空気量は“KL2t”と表記されている。目標第２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。

【0058】

演算ユニット１８４はさらに２つの演算ユニット１９４、１９６から構成されている。演算ユニット１９４には目標第１空気量が入力される。また、演算ユニット１９６には目標第２空気量が入力される。

【0059】

演算ユニット１９４は目標第１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。

【0060】

演算ユニット１９６は、目標第２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２空気量が吸気管圧に変換される。そして、目標第２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。

【0061】

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１９４、１６６は本発明における第１アクチュエータ制御手段、より詳しくは第１アクチュエータ制御手段に含まれる吸入特性可変アクチュエータ制御手段に相当する。

【0062】

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、目標空気量が速い速度で大きく増大する加速時には、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、マップから決定されるバルブタイミングよりも進角側に目標バルブタイミングを補正することが行われる。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、より詳しくは第１アクチュエータ制御手段に含まれる吸入特性可変アクチュエータ制御手段に相当する。

【0063】

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は本発明における第１アクチュエータ制御手段、より詳しくは第１アクチュエータ制御手段に含まれる過給特性可変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。

【0064】

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。

【0065】

演算ユニット１７０には目標第３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３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３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３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。

【0066】

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。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。

【0067】

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。

【0068】

演算ユニット１７４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１７４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。

【0069】

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。

【0070】

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４０４、４０６、４０８、４１０、４２０を複数のコアに分散させて割り当てることができる。

【0071】

まず、演算ユニット４２０について説明する。演算ユニット４２０はさらに３つの演算ユニット４２２、４２４、４２６から構成されている。演算ユニット４２２はトルクに対する第１基準値を算出する。第１基準値は減速時において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４２２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第１基準値を算出する。図中では第１基準値は“Ref1”と表記されている。

【0072】

演算ユニット４２４はトルクに対する第２基準値を算出する。第２基準値は第１基準値よりも大きい基準値であって、減速時においてリーンモードとストイキモードとの境目となるトルクに近い将来到達するであろうトルクの値である。演算ユニット４２４は、第１基準値のトルクに所定量を加算したトルクを計算し、計算で得られたトルクの値を第２基準値として決定する。なお、第２基準値の計算は、演算ユニット４２２において第１基準値を計算する場合と共通の方法にて、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第２基準値を算出してもよい。図中では第２基準値は“Ref2”と表記されている。

【0073】

演算ユニット４２６はトルクに対する第３基準値を算出する。第３基準値は加速時においてストイキモードとリーン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４２６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第３基準値を算出する。尚、第３基準値は前述した第１基準値と同値であってもよい。図中では第３基準値は“Ref3”と表記されている。

【0074】

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４２０で算出された第１基準値、第３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トルクと第１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第１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空燃比へ仮想第１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、より詳しくは仮想空燃比変更手段に含まれる仮想第１空燃比変更手段に相当する。

【0075】

要求第１トルクが第１基準値より大きい間は、演算ユニット４０４は、要求第１トルクが第１基準値より大きいことに応答して仮想第１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トルクが第１基準値を下回ると、演算ユニット４０４は、要求第１トルクの第１基準値以下への減少に応答して仮想第１空燃比を第１空燃比から第２空燃比へ切り替える。一方、要求第１トルクが第３基準値より小さい間は、演算ユニット４０４は、要求第１トルクが第３基準値より小さいことに応答して仮想第１空燃比を第２空燃比に設定する。ドライバの加速要求に応じて要求第１トルクが増大し、やがて要求第１トルクが第３基準値を上回ると、演算ユニット４０４は、要求第１トルクの第３基準値以上への増大に応答して仮想第１空燃比を第２空燃比から第１空燃比へ切り替える。

【0076】

次に、演算ユニット４１０について説明する。演算ユニット４１０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４２０で算出された第１基準値、第２基準値、第３基準値が演算ユニット４１０に対して設定されている。また、演算ユニット４１０には、演算ユニット４０４に設定されているものと同じ第１空燃比と第２空燃比の各値が設定されている。

【0077】

演算ユニット４１０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第２空燃比の値を変更する。演算ユニット４１０は本発明における仮想空燃比変更手段、より詳しくは仮想空燃比変更手段に含まれる仮想第２空燃比変更手段に相当する。

【0078】

まず、ドライバの減速要求に応じて要求第１トルクが減少している状況での仮想第２空燃比の変更について説明する。要求第１トルクが第２基準値より大きい間は、演算ユニット４１０は、要求第１トルクが第２基準値より大きいことに応答して仮想第２空燃比を第１空燃比に設定する。やがて要求第１トルクが第２基準値を下回ると、演算ユニット４１０は、要求第１トルクの第２基準値以下への減少に応答して仮想第２空燃比を第１空燃比からリーン側に変化させ始める。そして、要求第１トルクが第２基準値から第１基準値まで減少するのに合わせて、仮想第２空燃比を第１空燃比から第２空燃比まで徐々に変化させていく。つまり、要求第１トルクが減少している減速時には、仮想第１空燃比が第１空燃比から第２空燃比に切り替えられるのに先行して、仮想第２空燃比は要求第１トルクが第２基準値から第１基準値まで低下するまでの間に第１空燃比から第２空燃比へ徐々に変更される。なお、仮想第２空燃比を徐々に変更する方法には限定はない。例えば、一次遅れフィルタ処理や加重平均処理を用いれば第１空燃比から第２空燃比まで徐々に変化させることができる。もちろん、一定の変化率で第１空燃比から第２空燃比まで変化させてもよい。

【0079】

ドライバの加速要求に応じて要求第１トルクが増大している状況での仮想第２空燃比の変更について説明する。要求第１トルクが第３基準値より小さい間は、演算ユニット４０４は、要求第１トルクが第３基準値より小さいことに応答して仮想第２空燃比を第２空燃比に設定する。やがて要求第１トルクが第３基準値を上回ると、演算ユニット４０４は、要求第１トルクの第３基準値以上への増大に応答して仮想第２空燃比を第２空燃比からリッチ側に変化させ始める。そして、要求第１トルクが第３基準値からさらに増大するのに合わせて、仮想第２空燃比を第２空燃比から第１空燃比まで徐々に変化させていく。つまり、要求第１トルクが増大している加速時には、仮想第１空燃比が第２空燃比から第１空燃比に切り替えられた後、仮想第２空燃比は要求第１トルクのさらなる増大に合わせて第２空燃比から第１空燃比へ徐々に変更される。

【0080】

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に相当する。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で決定された仮想第１空燃比と、演算ユニット１９０で算出された目標第１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。

【0081】

まず、ドライバの減速要求に応じて要求第１トルクが減少している状況での目標空燃比の切り替えについて説明する。演算ユニット４０６は、演算ユニット４０４から入力される仮想第１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、目標第１空気量と推定空気量との差を計算する。そして、目標第１空気量に推定空気量が十分近づいたら、具体的には、目標第１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。

【0082】

ドライバの加速要求に応じて要求第１トルクが増大している状況での目標空燃比の切り替えについて説明する。演算ユニット４０６は、演算ユニット４０４から入力される仮想第１空燃比が第２空燃比から第１空燃比へ切り替えられたことを検知すると、それに応答して目標空燃比を第２空燃比から第１空燃比へ切り替える。つまり、要求第１トルクが増大している加速時には、仮想第１空燃比の第２空燃比から第１空燃比への切り替えと同時に、目標空燃比の第２空燃比から第１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、運転モードはリーンモードからストイキモードへ切り替わる。

【0083】

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３トルクを計算する。前述のように、切替用目標第３トルクは要求第３トルクやその他第３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３トルクやその他第３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３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３トルクの出力値を無効値にしている。

【0084】

演算ユニット４０８には要求第１トルク、目標空燃比、及び仮想第１空燃比が入力されている。演算ユニット４０４、４０６のロジックによれば、目標空燃比と仮想第１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、目標空燃比と仮想第１空燃比との間には乖離が生じる。演算ユニット４０８は、目標空燃比と仮想第１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３トルクを算出する。ここで、切替用目標第３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、目標空燃比と仮想第１空燃比との間に乖離が生じている間は、演算ユニット４０８からは切替用目標第３トルクとして要求第１トルクが出力される。

【0085】

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、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、そのイメージを示すタイムチャートに基づいて説明する。

【0086】

まず、本実施の形態で採用されたロジックに対する比較例による制御結果から説明する。比較例による制御結果は、本実施の形態の演算ユニット１９２に相当する演算ユニットにおいて目標効率と仮想第１空燃比とを用いて、目標第２トルクを達成するための目標第２空気量を目標第２トルクから逆算した場合のものである。つまり比較例では、仮想第２空燃比を用いることなく仮想第１空燃比のみによって空気量制御を行った場合の制御結果を示している。本発明は比較例が有する懸念を解消したものであるから、比較例による制御結果とそこに存在する懸念について予め明らかにしておくことで、本実施の形態で採用されたロジックが有する利点はより明確になるものと思われる。

【0087】

図３は、比較例による減速時の制御結果のイメージを示すタイムチャートである。図４は、比較例による加速時の制御結果のイメージを示すタイムチャートである。図３及び図４のどちらにおいても１段目のチャートは要求トルクと実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第１空気量と実空気量の時間変化を示している。３段目のチャートは目標過給圧と実過給圧の時間変化を示している。４段目のチャートは目標ウエストゲートバルブ開度の時間変化を示している。５段目のチャートは目標スロットル開度の時間変化を示している。６段目のチャートは目標空燃比と目標空気量計算用のパラメータである仮想第１空燃比の時間変化を示している。仮想第１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であり、仮想第１空燃比のもとで要求トルクを達成するのに必要な空気量が目標空気量となっている。比較例では目標空燃比と仮想空燃比はともに第１空燃比（理論空燃比）と第２空燃比（リーン空燃比）との間でステップ的に切り替えられる。また、このチャートにはこれらの空燃比とともに実空燃比の時間変化が示されている。そして、７段目のチャートは点火時期の時間変化を示している。

【0088】

図３に示す制御結果から考察する。図３に示す比較例によれば、減速時には目標空燃比の第１空燃比から第２空燃比への切り替えに先立って仮想第１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第１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する。そして、目標第１空気量の増大を受けて目標スロットル開度は開側に大きく変化し、実空気量は目標第１空気量に追従するように増大する。

【0089】

また、図３に示す比較例によれば、仮想第１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とによって目標過給圧が第２空燃比に応じた過給圧までステップ的に増大する。そして、目標過給圧の増大を受けて目標ウエストゲートバルブ開度は閉側に大きく変化し、実過給圧は目標過給圧に追従するように増大する。

【0090】

このように、図３に示す比較例によれば、目標空燃比の切り替えに先立って目標第１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、目標第１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点火時期が最適点火時期よりも遅角されるので、空気量の過剰によるトルクの増加が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。

【0091】

図４に示す制御結果について考察する。図４に示す比較例によれば、加速時には目標空燃比の第２空燃比から第１空燃比への切り替えと同じタイミングにて仮想第１空燃比が第２空燃比から第１空燃比へ切り替えられる。この切り替えによって目標第１空気量は第１空燃比に応じた空気量までステップ的に減少する。そして、目標第１空気量の減少を受けて目標スロットル開度は閉側に大きく変化し、実空気量は目標第１空気量に追従するように減少する。

【0092】

また、図４に示す比較例によれば、仮想第１空燃比が第２空燃比から第１空燃比へ切り替えられることによって目標過給圧が第１空燃比に応じた過給圧までステップ的に減少する。そして、目標過給圧の減少を受けて目標ウエストゲートバルブ開度は開側に大きく変化し、実過給圧は目標過給圧に追従するように減少する。このとき、アクチュエータの操作に対する空気の応答遅れによって実空気量は目標空気量よりも暫くの間は過剰になるが、点火時期が最適点火時期よりも遅角されることにより、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相殺される。

【0093】

ところが、減速時と加速時のそれぞれにおいて、比較例では目標空燃比の切り替え時にターボラグが生じ、それがトルクの変動を引き起こすことが懸念される。図３及び図４には懸念される実トルクの変化のイメージが描かれている。減速時においては、目標空気量及び目標過給圧がステップ的に増大したとき、それに追従するように実空気量及び実過給圧が速い速度で増大しないことが懸念される。ターボ過給器を備えたエンジンでは目標ウエストゲートバルブ開度をステップ的に閉側に変化させたとしても、いわゆるターボラグによって実過給圧が即座に増大しないからである。前述のとおり、目標空燃比の切り替えに先行して空気量を増大させた期間は、空気量の過剰によるトルクの増加を相殺するために点火時期が遅角される。図３に示す比較例では、ターボラグによる空気量の緩慢な増大により点火時期の遅角時間が長期化し、ターボ過給器や触媒等の排気系の温度制約から設定される制限時間（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、空気量の過剰によるトルクの増加を点火時期の遅角によるトルクの減少によって相殺することができず、トルク変動が生じてしまう。また、加速時においては、目標第１空気量及び目標過給圧がステップ的に減少する前後で、ターボラグによって実空気量及び実過給圧が目標第１空気量及び目標過給圧に追従しないことが懸念される。図４に示す比較例では、目標第１空気量及び目標過給圧がステップ的に減少する前後における目標空気量及び目標過給圧の増大時において、それぞれターボラグが発生している。この場合、実空気量が目標第１空気量に即座に追従することができずトルク変動が生じてしまう。

【0094】

図３に示す比較例における上記の懸念は、本実施の形態で採用されたロジックによれば次のように解決される。

【0095】

図５は、本実施の形態に係るＥＣＵによる減速時の制御結果のイメージを示すタイムチャートである。図６は、本実施の形態に係るＥＣＵによる加速時の制御結果のイメージを示すタイムチャートである。図５と図６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、“TQ3c”は切替用目標第３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３トルクが最終的な目標第３トルクになっているものとする。また、ここでは要求第２トルクを図示していないが、要求第２トルクは要求第１トルクと同値になっているものとする。さらに、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。

【0096】

図５及び図６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“KLt1”は目標第１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。

【0097】

図５及び図６における３段目のチャートは目標過給圧の時間変化を示している。前述のように“Pct”は目標過給圧である。チャートには目標過給圧とともに実過給圧が点線で表されている。

【0098】

図５及び図６における４段目のチャートは目標ウエストゲートバルブ開度の時間変化を示している。前述のように“WGV”は目標ウエストゲートバルブ開度である。

【0099】

図５及び図６における５段目のチャートは目標スロットル開度の時間変化を示している。前述のように“TA”は目標スロットル開度である。

【0100】

図５及び図６における６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。

【0101】

図５及び図６における７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。

【0102】

図５及び図６における８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、“AFh1”は仮想第１空燃比であり、“AFh2”は仮想第２空燃比である。仮想第１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であり、仮想第１空燃比のもとで要求第１トルクを達成するのに必要な空気量が目標第１空気量となっている。また、仮想第２空燃比も仮想第１空燃比と同種のパラメータであり、仮想第２空燃比のもとで要求第２トルクを達成するのに必要な空気量が目標第２空気量となっている。本実施の形態では目標空燃比と仮想第１空燃比はともに第１空燃比（理論空燃比）と第２空燃比（リーン空燃比）との間でステップ的に切り替えられ、仮想第２空燃比は第１空燃比（理論空燃比）と第２空燃比（リーン空燃比）との間で徐々に切り替えられる。また、チャートにはこれらの空燃比とともに実空燃比の時間変化が点線で表されている。

【0103】

図５及び図６における９段目のチャート及び図５における７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。

【0104】

まず、図５に基づいて減速時の制御結果から説明する。減速時、要求第１トルクが“Ref2”で表記される第２基準値のレベルまで低下するまでは、目標空燃比は理論空燃比である第１空燃比に維持され、仮想第１空燃比及び仮想第２空燃比も第１空燃比に維持される。よって、要求第１トルクと仮想第１空燃比とから算出される目標第１空気量及び要求第２トルクと仮想第２空燃比とから算出される目標第２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３トルクは、目標空燃比と仮想第１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３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。

【0105】

要求第１トルクが第２基準値を下回ると、目標空燃比及び仮想第１空燃比は理論空燃比に維持される一方、仮想第２空燃比は徐々にリーン側に変更されていく。要求第１トルクが減少する一方で仮想第２空燃比がリーン化することにより、要求第２トルクと仮想第２空燃比とから算出される目標第２空気量の減少は抑制される。これにともない、目標第２空気量から算出される目標過給圧の減少が抑制されるので、実過給圧は目標過給圧に追従してその減少が抑制される。

【0106】

やがて、要求第１トルクは“Ref1”で表記される第１基準値のレベルまで低下するが、この時になって仮想第２空燃比は第２空燃比に到達する。そして、この時点において仮想第１空燃比が第１空燃比から第２空燃比に切り替えられる。つまり、要求第１トルクが第１基準値を下回ると、目標空燃比は理論空燃比に維持される一方で、仮想第１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第１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第１空気量もステップ的に増大することになる。本実施の形態で採用されたロジックによれば、仮想第１空燃比の切り替え時点においてリーンな空燃比である第２空燃比による運転に対応した目標過給圧が既に実現されているため、実際の空気量及びその推定値である推定空気量は前述した比較例のようなターボラグの影響を受けることなく速い速度で増大していく。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。

【0107】

要求第１トルクが第２基準値を下回り目標空燃比と仮想第１空燃比とが乖離してから目標空燃比と仮想第１空燃比とが再び一致するまでの間、切替用目標第３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、仮想第１空燃比を前提とする推定トルクは、目標第１空気量の計算に使用される仮想第１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３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。

【0108】

前述した比較例で示したように、目標第２空気量の計算に用いる空燃比を、目標第１空気量に用いる仮想第１空燃比の切り替えと同時に第１空燃比から第２空燃比へステップ的に切り替えると、目標第１空気量がステップ的に増大するのと同時に目標第２空気量もステップ的に増大することになる。この場合、実空気量はターボラグの影響により早い速度で増大しないため、点火時期の遅角期間が制限を超過してしまうおそれがある。しかしながら、本実施の形態で採用されたロジックによれば、目標第１空気量に用いる仮想第１空燃比の切り替えの時点において、リーン空燃比である第２空燃比に対応した目標第２空気量が実現される。このため、前述した比較例のようなターボラグの影響を受けずに実空気量が目標第１空気量に早い速度で追従するので、点火時期の遅角期間が制限を超過してトルク変動が生じる事態を有効に抑制することができる。

【0109】

以上のように、本実施の形態で採用されたロジックによれば、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達成しつつ空燃比を理論空燃比である第１空燃比から理論空燃比よりリーンな空燃比である第２空燃比へ応答良く切り替えることができる。

【0110】

続いて、図６に基づき加速時の制御結果について説明する。加速時、要求第１トルクが第３基準値のレベルまで増大するまでは、目標空燃比はリーン空燃比である第２空燃比に維持され、仮想第１空燃比及び仮想第２空燃比も第２空燃比に維持される。よって、要求第１トルクと仮想第１空燃比とから算出される目標第１空気量及び要求第２トルクと仮想第２空燃比とから算出される目標第２空気量は、要求第１トルクの増大に連動して増大していく。しかし、目標第１空気量の増大に伴い目標過給圧が過給域に突入すると、実空気量及び推定空気量はターボラグの影響により目標第１空気量に遅れて減少する。この間の切替用目標第３トルクは、目標第１空気量と推定空気量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３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。

【0111】

要求第１トルクが第３基準値を上回ると、仮想第１空燃比は第２空燃比から理論空燃比である第１空燃比に切り替えられ、それと同時に目標空燃比も第２空燃比から第１空燃比に切り替えられる。理論空燃比である第１空燃比による運転は、リーン空燃比である第２空燃比による運転に比較して必要な空気量は少ない。このため、目標第１空気量の計算に用いる仮想第１空燃比がステップ的に第１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第１空気量もステップ的に減少することになる。しかし、実空気量及び推定空気量はステップ的には減少せず、目標第１空気量に遅れて減少し、やがて目標空気量に収束する。

【0112】

また、要求第１トルクが第３基準値を上回ると、目標空燃比及び仮想第１空燃比はステップ的に第１空燃比に切り替えられる一方、仮想第２空燃比は徐々にリッチ側に変更されていく。要求第１トルクが増大する一方で仮想第２空燃比が徐々にリッチ化することにより、要求第２トルクと仮想第２空燃比とから算出される目標第２空気量の減少は目標第１空気量のそれよりも抑制される。これに伴い、目標第２空気量から算出される目標過給圧の減少が抑制されるので、目標過給圧に追従する実過給圧もその減少が抑制されて過給域に維持される。

【0113】

要求第１トルクが基準値を上回ってから目標第１空気量と推定空気量とが一致するまでの間、切替用目標第３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、推定空気量から計算される推定トルクは、推定空気量が目標空気量よりも過剰になっているために要求第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３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。

【0114】

目標第１空気量と推定空気量とが一致した後、要求第１トルクと仮想第１空燃比とから算出される目標第１空気量及び要求第２トルクと仮想第２空燃比とから算出される目標第２空気量は、再び要求第１トルクの増大に連動して増大していく。この間の切替用目標第３トルクは、目標第１空気量と推定空気量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３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。前述の比較例では、実過給圧が一旦自然吸気域まで低下しているため、この間の実際の空気量及びその推定値である推定空気量はターボラグの影響により目標空気量に遅れて増大していた。しかしながら、本実施の形態で採用されたロジックによれば、目標第１空気量の変化が増大方向に転じた時点において、実過給圧が過給域に維持されている。このため、前述した比較例のようなターボラグの影響を受けずに実空気量が目標第１空気量に速い速度で追従するので、トルク変動が生じる事態を有効に抑制することができる。

【0115】

以上のように、本実施の形態で採用されたロジックによれば、空燃比を理論空燃比よりリーンな空燃比である第２空燃比から理論空燃比である第１空燃比へ切り替える前後のトルク変動のうち、少なくとも空燃比切り替えの後のトルク変動を解消することができる。なお、図７には本実施の形態における運転領域の設定が示されている。運転領域は吸気管圧とエンジン回転数とで特定される。この図によれば、低中回転・低中負荷域にリーンモードが選択されるリーンモード領域が設定されている。この図からは、加速時にはストイキモードからリーンモードへ運転モードが切り替えられ、減速時にはリーンモードからストイキモードへ運転モードが切り替えられることが分かる。また、この図からは、吸気管圧が大気圧よりも高くなる過給領域においても、リーンモードが選択される領域があることも分かる。ＥＣＵには、この図に示すような運転領域の設定がマップにされて記憶されている。ＥＣＵは、そのマップに従って運転モードの切り替えを実行している。

【0116】

［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。

【0117】

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。

【0118】

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。

【0119】

筒内に吸入される空気の量を変化させる吸入特性可変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。

【0120】

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。

【0121】

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。

【0122】

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。

【符号の説明】

【0123】

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
１０１、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
１８２ 目標空気量算出手段としての演算ユニット
１９０ 目標第１空気量算出手段としての演算ユニット
１９２ 目標第２空気量算出手段としての演算ユニット
１９４、１６６、１７８ 吸入特性可変アクチュエータ制御手段としての演算ユニット
１９６、１８６ 過給特性可変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 仮想第１空燃比変更手段としての演算ユニット
４１０ 仮想第２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

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】