(57)【要約】【課題】運転に用いる空燃比を２つの目標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、切り替え時における燃費性能の悪化及びＮＯｘ排出性能の悪化を抑制する。【解決手段】仮想空燃比は、第１空燃比を目標空燃比とする運転から第２空燃比を目標空燃比とす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。そして、仮想空燃比が変更された後、推定空気量が第３空燃比のもとで要求トルクを達成できる中間空気量に到達するまで目標空燃比は第１空燃比に維持され、中間空気量に達したことに応答して第３空燃比に切り替えられる。第３空燃比への切り替え後、推定空気量と要求トルクとに基づいて、第３空燃比から第２空燃比までの範囲内で目標空燃比が連続的に変化され、目標空気量と推定空気量との差が閾値以下になった時点で第２空燃比に固定される。【選択図】図６
2015132237.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１空燃比による運転と前記第１空燃比よりもリーンであって空燃比に対するＮＯｘ排出量が最大となる空燃比よりもリーンな第３空燃比よりさらにリーンな第２空燃比による運転とを選択可能に構成され、要求トルクを達成するように、空気量を制御する空気量制御手段と、空燃比を制御する空燃比制御手段と、点火時期を制御する点火時期制御手段と、を操作する内燃機関の制御装置において、
前記空気量制御手段は、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場合に、空気量が前記第２空燃比のもとで前記要求トルクを達成するための空気量になるように空気量を変化させる第１アクチュエータを制御し、
前記空燃比制御手段は、前記条件が満たされた場合に、前記第１アクチュエータの操作量から推定空気量を推定し、前記推定空気量が前記第３空燃比のもとで前記要求トルクを達成するための中間空気量に到達するまで空燃比を前記第１空燃比に維持し、前記推定空気量が前記中間空気量に到達したことに応答して、空燃比を前記第１空燃比から前記第３空燃比にステップ的に切り替え、空燃比の前記第１空燃比から前記第３空燃比への切り替え後、前記推定空気量と前記要求トルクとに基づいて、前記第３空燃比から前記第２空燃比までの範囲内において空燃比を連続的に変化させるように燃料供給量を変化させる第２アクチュエータを制御し、
前記点火時期制御手段は、前記第１アクチュエータの操作量から推定されるトルクが前記要求トルクとなるように、点火時期を変化させる第３アクチュエータを制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記空燃比制御手段は、
空燃比の前記第１空燃比から前記第３空燃比への切り替え後、所定の点火時期のもと前記推定空気量によって達成できるトルクが前記要求トルクとなるように、前記第３空燃比から前記第２空燃比までの範囲内において空燃比を連続的に変化させるように構成されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記空燃比制御手段は、
前記空気量制御手段による空気量の変化後、空燃比に基づいて、所定の点火時期における筒内からのＮＯｘ排出量を算出し、算出されたＮＯｘ排出量が所定の許容限界を超えないように、前記第３空燃比から前記第２空燃比までの範囲内において空燃比を連続的に変化させるように構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記空気量制御手段は、
空気量のトルクへの変換効率を与えるパラメータに基づ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アクチュエータを制御する第１アクチュエータ制御手段と、を含み、
前記空燃比制御手段は、
前記条件が満たされたことに応答して、前記パラメータを空気量を増大させる方向に変更するパラメータ値変更手段と、
前記パラメータが空気量を増大させる方向へ変更された後、目標空燃比を前記第１空燃比から前記第３空燃比に切り替え、前記第３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アクチュエータを制御する第２アクチュエータ制御手段と、を含み、
前記点火時期制御手段は、
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アクチュエータを制御する第３アクチュエータ制御手段を含み、
前記目標空燃比切替手段は、
前記推定空気量が前記中間空気量に到達するまで、前記目標空燃比を前記第１空燃比に維持する第１の手段と、
前記推定空気量が前記中間空気量に到達したことに応答して、前記目標空燃比を前記第１空燃比から前記第３空燃比にステップ的に切り替える第２の手段と、
前記目標空燃比の前記第１空燃比から前記第３空燃比への切り替え後、前記推定空気量と前記要求トルクとに基づいて、前記第３空燃比から前記第２空燃比までの範囲内において前記目標空燃比を連続的に変化させる第３の手段と、
を含んで構成されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記パラメータは空燃比に対応するパラメータであり、
前記パラメータ値変更手段は、前記条件が満たされたことに応答して、前記パラメータの値を前記第１空燃比に対応する値から前記第２空燃比に対応する値に切り替える手段を含むことを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項６】
前記パラメータは空燃比に対応するパラメータであり、
前記パラメータ値変更手段は、前記条件が満たされたことに応答して、前記パラメータの値を前記第１空燃比に対応する値から前記第３空燃比に対応する値に切り替える手段と、
前記推定空気量が前記中間空気量に到達したことに応答して、前記パラメータの値を前記第３空燃比に対応する値から前記第２空燃比に対応する値に切り替える手段と、
を含むことを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項７】
前記第３の手段は、
前記目標空燃比の前記第１空燃比から前記第３空燃比への切り替え後、所定の点火時期のもと前記推定空気量によって達成できるトルクが前記要求トルクとなるように、前記第３空燃比から前記第２空燃比までの範囲内において前記目標空燃比を連続的に変化させるように構成されることを特徴とする請求項４乃至６の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項８】
前記第３の手段は、
前記目標空燃比の前記第１空燃比から前記第３空燃比への切り替え後、前記目標空燃比に基づいて、所定の点火時期における筒内からのＮＯｘ排出量を算出し、算出されたＮＯｘ排出量が所定の許容限界を超えないように、前記第３空燃比から前記第２空燃比までの範囲内において前記目標空燃比を連続的に変化させるように構成されることを特徴とする請求項４乃至７の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項９】
前記目標空燃比切替手段は、
前記目標空気量と前記推定空気量との差が閾値以下になったことに応答して、前記推定空気量と前記要求トルクとに基づいて変化させていた前記目標空燃比を前記第２空燃比に固定する第４の手段を含んで構成されることを特徴とする請求項４乃至８の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１０】
前記内燃機関は過給機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機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、前記目標空燃比が前記第２空燃比へ切り替えられた時点において前記目標空気量から算出される目標吸気管圧力が過給域に達するか否かを前記要求トルクに基づいて推定し、前記目標吸気管圧力が過給域に達すると推定される場合に前記過給特性可変アクチュエータを操作して、前記過給機の過給圧を上げる方向に変化させることを特徴とする請求項４乃至９の何れか１項に記載の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つの目標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。
【背景技術】
【０００２】
特開２００７−２３１８４９号公報には、内燃機関の運転空燃比をリーン空燃比とストイキ空燃比との間で切り替え可能な内燃機関における空燃比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。上記先行技術によれば、空燃比がリーン空燃比からストイキ空燃比に切り替えられる際には、トルクが維持される場合の吸入空気量の変化量が最小となる稼動気筒数が選択され、係る稼動気筒数に対応する気筒を使用した減筒ストイキ運転が実行される。そして、この減筒ストイキ運転が実行されるに際し、吸入空気量の変化量に対応するトルク段差が所定値よりも大きい場合には、吸入空気量がトルクを維持すべく変更されると共に吸入空気量の実応答の遅延に起因して派生するトルク段差が点火時期の遅角制御によって解消される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２３１８４９号公報
【特許文献２】特開平６−２６４７８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、点火時期の遅角には燃費の低下の可能性が伴う。特に、近年のリーンバーンエンジンはリーン限界が大きくなっていることから、ストイキ空燃比とリーン空燃比との間の要求空気量の差が非常に大きくなっている。このため、このようなリーンバーンエンジンに上記先行技術を適用して空気量の差によるトルク段差を点火時期で抑制することとすると、点火時期を大幅に遅角させた状態を長時間継続させる必要が生じる可能性があり、燃費性能の悪化や触媒への影響が看過できないものとなるおそれがある。
【０００５】
なお、空燃比を切り替える際に、トルク段差を発生させないように空燃比を徐々に変化させることとすれば、点火遅角制御を行わずに空燃比を切り替えることができる。しかしながら、ストイキ空燃比からリーン空燃比まで空燃比を徐々に変化させることとすると、ＮＯｘ排出量の増加が問題となる。つまり、ＮＯｘ排出量は空燃比１６程度の弱リーン空燃比においてその排出量がピークとなり、その後リーンへ移行するに従い減少する傾向がある。このため、ストイキ空燃比からリーン空燃比まで空燃比を徐々に変化させることとすると、ＮＯｘ排出量の多い空燃比領域を通過するための時間が長くなり、排気性能の悪化が問題となる。
【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つの目標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、トルクの変動を抑制して空燃比を切り替えるとともに、切り替え時における燃費性能の悪化及び排気性能の悪化を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【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】
本発明に係る内燃機関の制御装置は、第１空燃比による運転と前記第１空燃比よりもリーンであって空燃比に対するＮＯｘ排出量が最大となる空燃比よりもリーンな第３空燃比よりさらにリーンな第２空燃比による運転とを選択可能に構成され、要求トルクを達成するように、空気量を制御する空気量制御手段と、空燃比を制御する空燃比制御手段と、点火時期を制御する点火時期制御手段と、を操作する内燃機関の制御装置において、
前記空気量制御手段は、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場合に、空気量が前記第２空燃比のもとで前記要求トルクを達成するための空気量になるように空気量を変化させる第１アクチュエータを制御し、
前記空燃比制御手段は、前記条件が満たされた場合に、前記第１アクチュエータの操作量から推定空気量を推定し、前記推定空気量が前記第３空燃比のもとで前記要求トルクを達成するための中間空気量に到達するまで空燃比を前記第１空燃比に維持し、前記推定空気量が前記中間空気量に到達したことに応答して、空燃比を前記第１空燃比から前記第３空燃比にステップ的に切り替え、空燃比の前記第１空燃比から前記第３空燃比への切り替え後、前記推定空気量と前記要求トルクとに基づいて、前記第３空燃比から前記第２空燃比までの範囲内において空燃比を連続的に変化させるように燃料供給量を変化させる第２アクチュエータを制御し、
前記点火時期制御手段は、前記第１アクチュエータの操作量から推定されるトルクが前記要求トルクとなるように、点火時期を変化させる第３アクチュエータを制御することを特徴とするものである。
【０００９】
より詳しくは、第１アクチュエータには、例えば、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る。ターボチャージャにそ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等が備えられる場合には、それらも第１アクチュエータに含めることができる。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、例えば、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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。パラメータ値は可変であり、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、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、パラメータ値は空気量を増大させる方向へ変更される。
【００１３】
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。パラメータ値変更機能は、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空燃比に対応するパラメータを使用することができる。パラメータ値変更機能によれば、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、パラメータ値は第１空燃比に対応する値から第２空燃比に対応する値へ変更される。要求トルクの値が同じであるならば、空燃比に対応するパラメータがリッチであるほど目標空気量は小さくなり、当該パラメータがリーンであるほど目標空気量は大きくなる。
【００１４】
目標空燃比切替機能によれば、パラメータ値が空気量を増大させる方向へ変更された後、目標空燃比は第１空燃比から第１空燃比と第２空燃比との中間の第３空燃比に切り替えられ、その後、第３空燃比から第２空燃比へ切り替えられる。つまり、目標空燃比は第１空燃比から第２空燃比へ直接切り替えられるのではなく、中間の第３空燃比への一時的な切り替えの後、第３空燃比から第２空燃比へ切り替えられる。なお、ここで言う中間の空燃比とは、第１空燃比よりもリーンで第２空燃比よりもリッチな空燃比の意味であり、第１空燃比と第２空燃比との中央値には限定されない。第３空燃比は、具体的には、筒内から排気されるＮＯｘ排出量が最大となる空燃比よりもリーンな空燃比の値とされる。
【００１５】
目標空燃比切替機能には、具体的には、第１アクチュエータの操作量から推定される推定空気量を第３空燃比のもとで要求トルクを達成できる中間空気量に到達するまで、目標空燃比は第１空燃比に維持する第１機能と、推定空気量が中間空気量に到達したことに応答して、目標空燃比を第１空燃比から第３空燃比にステップ的に切り替える第２機能と、目標空燃比の第１空燃比から第３空燃比への切り替え後、推定空気量と要求トルクとに基づいて、第３空燃比から第２空燃比までの範囲内において目標空燃比を連続的に変化させる第３の機能と、目標空気量と推定空気量との差が閾値以下になったことに応答して、推定空気量と要求トルクとに基づいて変化させていた目標空燃比を第２空燃比に固定する第４の機能と、が含まれている。
【００１６】
特に、第３の機能によれば、例えば、目標空燃比の前記第１空燃比から前記第３空燃比への切り替え後、所定の点火時期のもと推定空気量によって達成できるトルクが要求トルクとなるように、目標空燃比を第３空燃比から第２空燃比へ連続的に変化させる構成とされる。
【００１７】
また、第３の機能によれば、目標空燃比の第１空燃比から第３空燃比への切り替え後、目標空燃比に基づいて、所定の点火時期における筒内からのＮＯｘ排出量を算出し、算出されたＮＯｘ排出量が所定の許容限界を超えないように、第３空燃比から第２空燃比までの範囲内において目標空燃比を連続的に変化させる構成とされる。
【００１８】
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。
【００１９】
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。特に、内燃機関が過給機を備えた過給エンジンであり、第１アクチュエータが過給機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む場合には、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、目標空燃比が第２空燃比へ切り替えられた時点において目標空気量から算出される目標吸気管圧力が過給域に達するか否かが要求トルクに基づいて推定される。そして、目標吸気管圧力が過給域に達すると推定される場合には、過給特性アクチュエータが操作されて、過給機の過給圧が上がる方向に変化させられる。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係る制御装置によれば、第１空燃比による運転から第２空燃比による運転へ切り替える条件が満たされた場合に、空気量が増大される一方で、空燃比は第１空燃比に維持される。これにより、空気量と空燃比とで達成可能なトルクは要求トルクよりも過剰になり、その過剰分を補償するように点火時期の遅角が行われる。そして、アクチュエータの操作量から推定される推定空気量が第３空燃比のもとで要求トルクを達成できる中間空気量に到達するまで空燃比は第１空燃比に維持され、推定空気量が中間空気量に到達したことに応答して、目標空燃比は第１空燃比から第３空燃比にステップ的に切り替えられる。これにより、筒内から排気されるＮＯｘ排出量が多い空燃比領域の一部を飛び越して実空燃比を変化させることができるので、空燃比の切り替え時におけるＮＯｘ排出量を抑制することが可能となる。
【００２３】
空燃比の第１空燃比から第３空燃比への切り替え後、本発明に係る制御装置では、推定空気量と前記要求トルクとに基づいて、第３空燃比から第２空燃比までの範囲内で目標空燃比を連続的に変化させることが行われる。これにより、空燃比を第３空燃比から第２空燃比へ向かってステップ状に変化させるよりも点火遅角量を減らすことができるので、上記空燃比の第１の空燃比から第３空燃比へのステップ状の変化との組み合わせによって、ＮＯｘ排出量を抑制するとともに燃費性能の悪化を抑制することが可能となる。
【００２４】
特に、本発明に係る制御装置の機能によれば、目標空気量の計算に用いる空気量のトルクへの変換効率を与るパラメータが空気量が増大する方向に変更される一方で、目標空燃比は第１空燃比に維持される。これにより、目標空気量と目標空燃比とで達成可能なトルクは要求トルクよりも過剰になり、その過剰分を補償するように点火時期の遅角が行われる。そして、第１アクチュエータの操作量から推定される推定空気量が第３空燃比のもとで要求トルクを達成できる中間空気量に到達するまで目標空燃比は第１空燃比に維持され、推定空気量が中間空気量に到達したことに応答して、目標空燃比は第１空燃比から第３空燃比にステップ的に切り替えられる。これにより、筒内から排気されるＮＯｘ排出量が多い空燃比領域の一部を飛び越して実空燃比を変化させることができるので、空燃比の切り替え時におけるＮＯｘ排出量を抑制することが可能となる。
【００２５】
目標空燃比の第１空燃比から第３空燃比への切り替え後、本発明に係る制御装置は、推定空気量と前記要求トルクとに基づいて、第３空燃比から第２空燃比までの範囲内で目標空燃比を連続的に変化させる。これにより、目標空燃比を第３空燃比から第２空燃比へ向かってステップ状に変化させるよりも点火遅角量を減らすことができるので、上記目標空燃比の第１の空燃比から第３空燃比へのステップ状の変化との組み合わせによって、ＮＯｘ排出量を抑制するとともに燃費性能の悪化を抑制することが可能となる。
【００２６】
特に、第３の機能によれば、例えば、目標空燃比の第１空燃比から第３空燃比への切り替え後、所定の点火時期のもと推定空気量によって達成できるトルクが要求トルクとなるように、第３空燃比から第２空燃比までの範囲内で目標空燃比を連続的に変化させることが行われる。これにより、更なる点火時期の遅角量の抑制を図ることができる。
【００２７】
また、第３の機能によれば、目標空燃比の第１空燃比から第３空燃比への切り替え後、目標空燃比に基づいて、所定の点火時期における筒内からのＮＯｘ排出量を算出し、算出されたＮＯｘ排出量が所定の許容限界を超えないように、第３空燃比から第２空燃比までの範囲内で目標空燃比を連続的に変化させることもできる。これにより、ＮＯｘ排出量が所定の許容限界を超えないようにしながら空燃比を切り替えることができる。
【００２８】
なお、内燃機関が過給機を備えた過給エンジンであり、第１アクチュエータが過給機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む場合には、空燃比の切替中における過給機の過給が高まる方向に変化するように過給特性アクチュエータが操作されるので、空気の応答性を高めて空燃比の切り替えに要する時間を短縮することができる。また、過給特性アクチュエータがウエストゲートバルブである場合には、ウエストゲートバルブを閉じることにより背圧が上がるので、空燃比切り替え中の内部ＥＧＲ率を高めてＮＯｘ排出量の更なる低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】要求トルク及び現在の空気量から目標空燃比を決定するために用いるマップのイメージを示す図である。
【図４】空燃比に対するＮＯｘ排出量の関係を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る制御装置の目標空燃比切り替えのロジックを示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施の形態１に係る制御装置による過給域で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】ＮＯｘ排出量から目標空燃比を決定するために用いるマップのイメージを示す図である。
【図８】本発明の実施の形態１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】
【００３０】
［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。
【００３１】
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り、且つ、ターボチャージャが取り付けられたターボエンジンである。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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。このうち要求第１トルクは、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として用いられる。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。
【００４４】
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ためか、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。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。
【００４５】
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ためか、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。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。
【００４６】
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ためか、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。
【００４７】
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変換することが行われている。要求トルクの図示トルクへの変換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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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トルクから逆算する。この計算では、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。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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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、14.6）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、26.0）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は本発明におけるパラメータ値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。
【００７０】
次に、演算ユニット４０６について説明する。演算ユニット４０６には要求第１トルクが入力されている。演算ユニット４０６は、トルク−空気量変換マップを用いて要求第１トルクを空気量に変換する。トルク−空気量変換マップの検索には、第１空燃比と第２空燃比との中間の空燃比、すなわち、第１空燃比よりもリーン且つ第２空燃比よりもリッチな空燃比である第３空燃比が用いられる。図中では第３空燃比は“AF3”と表記されている。したがって、演算ユニット４０６では、第３空燃比のもとで要求第１トルクの実現に必要な空気量が算出される。以下、演算ユニット４０６で算出される空気量を中間空気量と呼び、図中では“KLi”と表記する。
【００７１】
次に、演算ユニット４０８について説明する。演算ユニット４０８は演算ユニット４０６とともに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４０８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。さらに、中間空燃比である第３空燃比が予め設定されている。なお、第３空燃比の具体的な値は点火時期の遅角限界との関係や排気性能との関係に基づいて適合で決定されるが、それについては説明を後述する。演算ユニット４０８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４０６で算出された中間空気量と、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。また、演算ユニット４０８には、所定のトルク効率に対応する点火時期と現在の推定空気量の条件下で要求第１トルクを達成するために必要な空燃比を決定するためのＡＦ変換マップが作られている。ここでいうトルク効率は、空気量のトルクへの変換効率を指している。図３は、所定のトルク効率における空気量とトルクとの関係を示すマップのイメージを示している。この図に示すように、トルク効率が一定であるならば、同一の空気量で達成できるトルクの大きさは空燃比によって決まる。よって、所定のトルク効率のもとで要求第１トルクを達成するための目標空燃比は、現在の推定空気量が増大するのに伴いリーン側に連続的に変化することとなる。
【００７２】
演算ユニット４０８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、中間空気量と推定空気量との比較を演算ユニット４０８により実行される一連の制御ごとに実施する。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直後は、推定空気量は中間空気量よりも小さい値になっている。また、推定トルクは要求第１トルクよりも大きい値になっているために、指示点火時期効率が１よりも小さい値になって点火時期の遅角が行われる。やがて、推定空気量が中間空気量に到達すると、演算ユニット４０８はその時点において速やかに目標空燃比を第１空燃比から第３空燃比へステップ的に切り替える。目標空燃比が第１空燃比から第３空燃比へ切り替えられた直後は、推定空気量は中間空気量に一致している。また、推定トルクは要求第１トルクとなっているために、指示点火時期効率が１になって点火時期は最適点火時期となる。
【００７３】
目標空燃比の第１空燃比から第３空燃比への切り替え後、演算ユニット４０８は目標空燃比をＡＦ変換マップによって決定される空燃比に切り替える。ＡＦ変換マップを用いた目標空燃比の計算は、図３に示すマップを用いて演算ユニット４０８により実行される一連の制御ごとに実施される。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、演算ユニット４０８は目標空燃比を第２空燃比に固定する。つまり、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、目標空燃比は第１空燃比から一旦中間空燃比である第３空燃比へステップ的に切り替えられ、その後第３空燃比から第２空燃比へ連続的に切り替えられる。すなわち、目標空燃比は、第１空燃比から第３空燃比に瞬時に切り替えられた後、第３空燃比から第２空燃比へは、徐々に第２空燃比に近づくように、第３空燃比と第２空燃比の間の空燃比への切り替えを経て最終的に第２空燃比へと切り替えられる。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。
【００７４】
なお、第３空燃比の具体的な値は、点火時期の遅角限界との関係や排気性能との関係に基づいて適合で決定される。図４は、所定の点火時期のもとでの空燃比に対する筒内からのＮＯｘ排出量の関係を示す図である。この図に示すように、最適点火時期のもとで空燃比を理論空燃比からリーン空燃比へ変化させると、ＮＯｘ排出量は一旦増大して弱リーンの空燃比（例えば、16.0）において最大となりその後減少する。従って、第３空燃比を上記弱リーン空燃比よりもリーンな空燃比（例えば、18.0）に設定することとすれば、目標空燃比は第１空燃比から第３空燃比へ、ＮＯｘ排出量が最大となる弱リーン空燃比の空燃比領域を飛び越して変化することとなる。これにより、ＮＯｘの排出量の増大が問題となる空燃比領域を避けて実空燃比を変化させることができるので、空燃比の切り替え時におけるＮＯｘの排出量が有効に抑制される。
【００７５】
但し、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のち、目標空燃比が第１空燃比に維持されている期間は、空気量の増大に伴い点火時期の遅角量が次第に大きくなる。したがって、第３空燃比は、点火時期の遅角限界、燃費性能及びＮＯｘ排出量を考慮した適合によって最適な値が設定されることが好ましい。
【００７６】
目標空燃比が第３空燃比へ切り替えられた後は、第３空燃比はＡＦ変換マップにより現在の空気量に応じた空燃比へと連続的に変化させられるため、係る期間の点火時期の遅角量が抑えられて燃費性能が向上する。但し、図４に示すように、点火時期が最適点火時期よりも遅角されると、燃焼温度の低下によってＮＯｘ排出量が空燃比全域に渡って減少する。従って、演算ユニット４０８で用いられるＡＦ変換マップは、トルク効率を若干下げた値（例えば、８０％）とした条件下で現在の推定空気量によって要求第１トルクを達成するために必要な空燃比を決定するマップとされる。これにより、目標空燃比が第３空燃比である期間のＮＯｘ排出量が抑制される。
【００７７】
演算ユニット４０８により実行される上記の一連の処理は、図５に示すフローチャートにて表現することができる。このフローチャートに沿って、演算ユニット４０８による目標空燃比の切り替えの手順について再度説明する。なお、このフローチャートに示す一連の処理は所定の演算周期により繰り返し実行される。
【００７８】
フローチャートのステップＳ１では、演算ユニット４０８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が完了したかどうか判定する。仮想空燃比が第１空燃比のままであるなら、演算ユニット４０８の処理はステップＳ７に進む。ステップＳ７では、目標空燃比を第１空燃比に維持することが行われる。ステップＳ７の後、演算ユニット４０８の処理は再びステップＳ１に戻る。この期間は、推定トルクが要求第１トルクの値になっていれば点火時期は最適点火時期となる。仮想空燃比が第２空燃比に切り替わったなら、演算ユニット４０８の処理はステップＳ２に進む。
【００７９】
仮想空燃比が第２空燃比に切り替わると推定空気量は第２空燃比に対応する目標空気量の値に向けて増大する。ステップＳ２では、演算ユニット４０８は推定空気量が中間空気量に達したかどうか判定する。推定空気量が中間空気量に達していないのであれば、演算ユニット４０８の処理は上記ステップＳ７に進み、目標空燃比を第１空燃比に維持することが行われる。この期間は、推定トルクが要求第１トルクよりも大きな値になっているために、点火時期は遅角される。一方、ステップＳ２の判定において推定空気量が中間空気量に達しているのであれば、演算ユニット４０８の処理はステップＳ３に進む。
【００８０】
ステップＳ３では、演算ユニット４０８は目標空燃比を第１空燃比から第３空燃比へとステップ的に切り替えることが行われる。これにより、推定空気量が中間空気量に一致し、且つ推定トルクが要求第１トルクの値になるので、点火時期は最適点火時期となる。ステップＳ３の後、演算ユニット４０８の処理はステップＳ４に進む。ステップＳ４では、所定のトルク効率のＡＦ変換マップから現在の推定空気量によって要求第１トルクを達成するための目標空燃比が計算される。これにより、この期間の点火時期はトルク効率に応じた遅角時期とされる。
【００８１】
ステップＳ４の後、演算ユニット４０８の処理はステップＳ５に進む。ステップＳ５では、演算ユニット４０８は推定空気量が目標空気量に達したかどうか判定する。その結果、推定空気量が目標空気量に達していないのであれば、演算ユニット４０８の処理は再びステップＳ４に戻る。
【００８２】
ステップＳ５の判定結果が肯定的になるまで、演算ユニット４０８はステップＳ４の処理を繰り返し実行する。これにより、目標空燃比は推定空気量の増大に合わせて連続的に変化されるとともに、この期間の点火時期はトルク効率に応じた遅角時期とされる。やがて、推定空気量が目標空気量に達すると、演算ユニット４０８の処理はステップＳ６に進む。ステップＳ６では、演算ユニット４０８は目標空燃比第２空燃比に固定する。これにより、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完了する。
【００８３】
フローチャートでは、演算ユニット４０８が、ステップＳ２及びＳ７の処理を実行することにより本発明の第１の手段が、ステップＳ２及びＳ３の処理を実行することにより本発明の第２の手段が、ステップＳ４及びＳ５の処理を実行することにより本発明の第３の手段が、ステップＳ５及びＳ６の処理を実行することにより本発明の第４の手段が、それぞれ実現される。
【００８４】
再び図２に戻り、最後に、演算ユニット４１０について説明する。演算ユニット４１０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４１０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。
【００８５】
演算ユニット４１０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処理の開始前は一致し、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４１０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。
【００８６】
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図を用いて説明する。
【００８７】
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。
【００８８】
図６において、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。
【００８９】
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“KLt”は目標空気量であり、“KLe”は推定空気量であり、“KLi”は中間空気量である。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。
【００９０】
図６における３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。
【００９１】
図６における４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。チャートには点火時期の遅角限界が二点鎖線で表されている。
【００９２】
図６における５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”は第１空燃比であり、“AF2”は第２空燃比であり、“AF3”は第３空燃比である。そして、図６における６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。
【００９３】
図６に基づいて本実施の形態で採用された目標空燃比の切り替え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に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。
【００９４】
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である第１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。
【００９５】
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、推定空気量と目標空燃比とに基づき計算される推定トルクは、目標空燃比が第１空燃比に維持されている間は、仮想空燃比の第１空燃比から第２空燃比への切り替えによる推定空気量の増大にともない要求第１トルクに比較して次第に大きくなっていく。要求第１トルクに対して推定トルクがこのように変化する結果、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単調に減少していく。
【００９６】
指示点火時期効率は点火時期を決定する。指示点火時期効率の値が小さいほど、点火時期の最適点火時期に対する遅角量は大きくなる。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て以降、点火時期は指示点火時期効率の減少に応答して単調に遅角されていく。
【００９７】
やがて、実空気量及び推定空気量は中間空気量に到達する。その時点において、目標空燃比は第１空燃比から第３空燃比に速やかに切り替えられる。このとき、目標空燃比は連続的ではなくステップ的に変化する。これにより、ＮＯｘ排出量が増大する空燃比領域を飛び越して実空燃比を変化させることが可能となる。
【００９８】
目標空燃比が第３空燃比に切り替えられると、目標空燃比は現在の推定空気量および所定のトルク効率によって要求第１トルクを達成するための値に連続的に切り替えられる。所定のトルク効率の値は、ＮＯｘ排出量を抑制する観点から設定された値である。目標空燃比が第３空燃比に切り替えられて以降、推定空気量が所定のトルク効率に相当する分嵩上げされることに伴い推定トルクは要求第１トルクに比較して大きな値になる。要求第１トルクに対して推定トルクが大きな値となる結果、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効率は１より小さな値となり、その結果、点火時期は指示点火時期効率の減少に応答して遅角される。
【００９９】
推定空気量が目標空気量に収束して目標空気量と推定空気量との差が閾値以下となると、目標空燃比は第２空燃比に固定される。これにより、運転モードのストイキモードからリーンモードへの切り替えが完了する。また、目標空燃比と仮想空燃比との一致に応答して切替用目標第２トルクは無効値に戻される。これにより、指示点火効率は１に戻され、点火時期は再び最適点火時期に戻される。
【０１００】
先ず、比較例として目標空燃比を第３空燃比から第２空燃比へステップ的に変化させた場合を考察する。第３空燃比に維持されている期間は、推定空気量の増大に伴い推定トルクは要求第１トルクに比較して次第に大きくなっていく。その結果、点火時期は指示点火時期効率の減少に応答して徐々に遅角量を増大させていく。このように、点火時期の遅角量が増大すると燃費の悪化を招いてしまう。また、点火時期には遅角限界が設定されており、遅角限界を超えて点火時期を遅角することは許容されない。この結果、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できなくなる。
【０１０１】
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、目標空燃比が第３空燃比に固定されている間、点火時期は単調に遅角量を増大させ続けるのではなく、第３空燃比を連続的に変化させることにより点火時期の遅角量が抑制される。このようなロジックによれば、目標空燃比が第３空燃比から第２空燃比に向かって連続的に変化している間、ＮＯｘの排出量が抑制されるとともに燃費の悪化もまた抑制される。
【０１０２】
以上説明したとおり、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切り替える際に、ＮＯｘ排出量が増大する空燃比領域を飛び越して実空燃比をステップ的に変化させるとともに、その後は空気応答に応じて実空燃比を連続的に変化させることが行われる。これにより、トルクの変動を抑制して空燃比を切り替えるとともに、切り替え時における燃費性能の悪化及びＮＯｘ排出性能の悪化を抑制することができる。
【０１０３】
［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。
【０１０４】
本実施の形態で採用されたロジックによれば、演算ユニット４０８はＡＦ変換マップを用いて第３空燃比として用いる目標空燃比を計算することとしているが、ＮＯｘ排出量の許容限界を超えないための補償を当該計算に組み入れてもよい。以下、その計算手順について図７を参照して説明する。図７は、空燃比に対するＮＯｘ排出量の関係を示す図である。先ず、演算ユニット４０８は所定のトルク効率（例えば８０％）のＡＦ変換マップから現在の推定空気量によって要求第１トルクを達成するための目標空燃比を計算する。次に、演算ユニット４０８は図７に示す関係を用いて、計算された目標空燃比に対応するＮＯｘ排出量を計算する。そして、このＮＯｘ排出量が所定の許容限界を超えない場合にはＡＦ変換マップから計算された目標空燃比を今回のステップの目標空燃比として使用する。一方、ＮＯｘ排出量が所定の許容限界を超える場合には目標空燃比の前回ステップ値を今回の目標空燃比として使用する。これにより、目標空燃比が第３空燃比である期間のＮＯｘ排出量が許容限界以下に抑制される。
【０１０５】
本実施の形態で採用されたロジックによれば、演算ユニット４０４は、要求第１トルクが基準値を下回ったことに応答して第１空燃比から第２空燃比へ仮想空燃比を切り替えることとしている。しかしながら、仮想空燃比の切り替え方法はこれに限られず、第１空燃比から第２空燃比へ仮想空燃比を切り替える場合に第３空燃比を経由させることとしてもよい。より詳しくは、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。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３空燃比へ切り替える。その後、演算ユニット４０４は、中間空気量と推定空気量との比較を演算ユニット４０４により実行される一連の制御ごとに実施する。そして、推定空気量が中間空気量に到達すると、演算ユニット４０４はその時点において速やかに仮想空燃比を第３空燃比から第２空燃比へ切り替える。
【０１０６】
演算ユニット４０８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３空燃比へ切り替えられたことを検知すると、中間空気量と推定空気量との比較を演算ユニット４０８により実行される一連の制御ごとに実施する。仮想空燃比が第１空燃比から第３空燃比へ切り替えられた直後は、推定空気量は中間空気量よりも小さい値になっている。また、推定トルクは要求第１トルクよりも大きい値になっているために、指示点火時期効率が１よりも小さい値になって点火時期の遅角が行われる。やがて、推定空気量が中間空気量に到達すると、演算ユニット４０８はその時点において速やかに目標空燃比を第１空燃比から第３空燃比へステップ的に切り替える。これにより、ＮＯｘ排出量が最大となる弱リーン空燃比の空燃比領域を飛び越して目標空燃比が変化することとなる。これにより、ＮＯｘの排出量の増大が問題となる空燃比領域を避けて実空燃比を変化させることができるので、空燃比の切り替え時におけるＮＯｘの排出量が有効に抑制される。
【０１０７】
また、推定空気量が中間空気量に到達すると、仮想空燃比が第３空燃比から第２空燃比へ切り替えられるとともに、目標空燃比は現在の空気量に応じた空燃比へと連続的に変化させられる。これにより、点火時期の遅角量を抑制しながら空気量が第２空燃比に対応する目標空気量に向かって変化される。このように、運転モードをストイキモードからリーンモードへ切り替える際に仮想空燃比を第１空燃比から第２空燃比へ第３空燃比を経由して切り替えることとしても、仮想空燃比を第１空燃比から第２空燃比へ直接切り替えるのと同様に、燃費性能の悪化及びＮＯｘ排出性能の悪化を抑制することができる。
【０１０８】
本実施の形態において制御対象とされるエンジンは、ターボチャージャ付きのリーンバーンエンジンに限らず、ターボチャージャが取り付けられていないリーンバーンエンジンでもよい。なお、本実施の形態において制御対象とされるエンジンがターボチャージャ付きのリーンバーンエンジンであり、ウエストゲートバルブ（以下、ＷＧＶ）等のターボチャージャ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備えるものである場合には、ＷＧＶに関する以下の制御を行うこととしてもよい。
【０１０９】
図８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。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。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、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が分かる。つまり、運転モードの切り替えでは、過給領域のストイキモードから過給領域のリーンモードへと運転モードの切り替えが行われる場合もある。この場合にＷＧＶが一旦開弁された状態にされると、一旦低下した過給圧を再度上げて過給領域のリーンモードに対応する空気量を実現する必要が生じ運転モードの切り替えに要する時間が長期化してしまう。
【０１１０】
そこで、本実施の形態の変形例では、要求第１トルクの下がり具合から過給領域のストイキモードから過給領域のリーンモードへと運転モードの切り替えが行われると判断される場合には、ＷＧＶを閉じ続ける制御を行うことが行われる。これにより、空気応答性を高めることができるので、運転モードの切り替えに要する時間を有効に短縮することができる。また、運転モードの切り替え中にＷＧＶを閉じることとすると、背圧が高まる結果内部ＥＧＲ率が高まる。これにより、運転モードの切り替え時のＮＯｘ排出量を有効に抑制することが可能となる。なお、ＷＧＶの操作量としては、ＷＧＶの開度ではなく、ＷＧＶを駆動するソレノイドのデューティ比であってもよい。
【０１１１】
実施の形態において第３空燃比は18.0として説明したが、ＮＯｘ排出量が最大となる空燃比（例えば、16.0）よりもリーンな空燃比であれば、排気性能（ＮＯｘ排出量）と燃費性能（点火時期の遅角量）とを考慮した上で適宜最適な値を設定することとしてもよい。
【０１１２】
本実施の形態で採用されたロジックにより実行される運転モードの切り替えは、減速時におけるストイキモードからリーンモードへの切り替えに限らず、加速時におけるストイキモードからリーンモードへの切り替え、例えば、アイドル運転からの加速時における運転モードの切り替えにも適用することができる。
【０１１３】
実施の形態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。
【０１１４】
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の代わりに単独で用いることもできるし、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もできる。また、ＶＶＴは省略してもよい。
【０１１５】
ターボチャージャ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チャージャならば、その電動モータを過給特性可変アクチュエータとして用いることもできる。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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】
【０１１８】
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
１００  エンジンコントローラ
１０１  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  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  パラメータ値変更手段としての演算ユニット
４０６、４０８  目標空燃比切替手段としての演算ユニット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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