(57)【要約】【課題】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、トルクの変動を生じさせることなく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。【解決手段】ストイキ燃焼からリーン燃焼へ燃焼モードを切り替える条件及び目標トルクの変化量が所定値以下である条件が満たされた場合、目標空燃比の切り替えに先立って目標ＥＧＲ率をＥＧＲ限界まで連続的に増大させていく。そして、目標ＥＧＲ率がＥＧＲ限界に達するまでは目標空燃比をストイキ空燃比に維持し、目標ＥＧＲ率がＥＧＲ限界に達したことに応答して目標空燃比をリーン空燃比に向かって連続的に変化させていく。【選択図】図４
2015137611.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な第２空燃比による運転とを選択可能に構成された内燃機関の制御装置において、
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、ＥＧＲ率を切替時目標ＥＧＲ率まで連続的に増加させるように前記内燃機関を制御する第１の手段と、
前記条件が満たされた場合に前記切替時目標ＥＧＲ率に到達するまで空燃比を前記第１空燃比に維持し、ＥＧＲ率が前記切替時目標ＥＧＲ率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２空燃比に向かって連続的に変化させるように前記内燃機関を制御する第２の手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記第１の手段は、ガス燃料比が前記第２空燃比の値と同値に到達したことに応答して、前記ガス燃料比を前記第２空燃比の値に維持しつつＥＧＲ率を前記切替時目標ＥＧＲ率から連続的に減少させるように前記内燃機関を制御する手段を含む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】
前記第２の手段は、
前記条件が満たされたことに応答して、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、
前記目標空燃比に基づいて目標トルクを達成するための目標空気量を前記目標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筒内に燃料を供給する第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、
を含み、
前記目標空燃比切替手段は、前記条件が満たされた場合に前記切替時目標ＥＧＲ率に到達するまで前記目標空燃比を前記第１空燃比に維持し、ＥＧＲ率が前記切替時目標ＥＧＲ率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２空燃比に向かって連続的に変化させるように構成されてい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４】
前記第１の手段は、
前記内燃機関の運転条件に応じて目標ＥＧＲ率を算出する目標ＥＧＲ率算出手段と、
前記目標ＥＧＲ率に基づいてＥＧＲ率を調整する第３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、を含み、
前記目標ＥＧＲ率算出手段は、前記条件が満たされたことに応答して、前記目標ＥＧＲ率を切替時目標ＥＧＲ率まで連続的に増加させるように構成されていることを特徴とする  請求項３に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記目標ＥＧＲ率算出手段は、
ガス燃料比が前記第２空燃比と同値に到達したことに応答して、前記目標ＥＧＲ率を前記切替時目標ＥＧＲ率から連続的に減少させるように構成され、
前記目標空燃比切替手段は、
ガス燃料比が前記第２空燃比と同値に到達したことに応答して、ガス燃料比が前記第２空燃比に維持されるように前記目標空燃比を前記第１空燃比と前記第２空燃比の範囲内で変化させるように構成されている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】
前記切替時目標ＥＧＲ率は、ＥＧＲ限界に対応するＥＧＲ率であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項７】
目標トルクの変化量が所定値以下である条件が満たされていない場合、前記第１の手段による制御を制限する制限手段をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至６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２００２−８９３２０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、スロットル弁の作動開始後に空燃比が徐々に切り替えられるように操作される。これにより、空燃比切り替えがスロットル弁の制御に対応させて行われるので、燃料制御のばらつきが抑制されてエンジン出力トルクの変動が防止される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−８９３２０号公報
【特許文献２】特開平６−２６４７８６号公報
【特許文献３】特開平６−２５７４８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記先行技術のように、空燃比を切り替える際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、その後リーン空燃比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経由せねばならず、排気性能の悪化が問題となる。
【０００５】
そこで、空燃比を切り替える際に、ストイキ空燃比からリーン空燃比までステップ的に空燃比を変化させてＮＯｘ排出量の多い空燃比領域をスキップすることが考えられる。この技術では、リーン空燃比に対応する空気量が実現された後に空燃比がストイキ空燃比からリーン空燃比に切り替えられるとともに、空気量の変化に対応するトルク段差が点火時期の遅角制御により抑えられる。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。
【０００６】
本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、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、トルクの変動を生じさせることなく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】
上記の目的を達成するため、第１の発明に係る制御装置は、第１空燃比による運転と前記第１空燃比よりもリーンな第２空燃比による運転とを選択可能に構成された内燃機関の制御装置において、
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、ＥＧＲ率を切替時目標ＥＧＲ率まで連続的に増加させるように前記内燃機関を制御する第１の手段と、
前記条件が満たされた場合に前記切替時目標ＥＧＲ率に到達するまで空燃比を前記第１空燃比に維持し、ＥＧＲ率が前記切替時目標ＥＧＲ率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２空燃比に向かって連続的に変化させるように前記内燃機関を制御する第２の手段と、
を備えることを特徴としている。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、
前記第１の手段は、ガス燃料比が前記第２空燃比の値と同値に到達したことに応答して、前記ガス燃料比を前記第２空燃比の値に維持しつつＥＧＲ率を前記切替時目標ＥＧＲ率から連続的に減少させるように前記内燃機関を制御する手段を含むことを特徴としている。
【０００９】
第３の発明は、第１の発明において、
前記第２の手段は、
前記条件が満たされたことに応答して、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、
前記目標空燃比に基づいて目標トルクを達成するための目標空気量を前記目標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筒内に燃料を供給する第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、
を含み、
前記目標空燃比切替手段は、前記条件が満たされた場合に前記切替時目標ＥＧＲ率に到達するまで前記目標空燃比を前記第１空燃比に維持し、ＥＧＲ率が前記切替時目標ＥＧＲ率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２空燃比に向かって連続的に変化させるように構成されていることを特徴としている。
【００１０】
第４の発明は、第３の発明において、
前記第１の手段は、
前記内燃機関の運転条件に応じて目標ＥＧＲ率を算出する目標ＥＧＲ率算出手段と、
前記目標ＥＧＲ率に基づいてＥＧＲ率を調整する第３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、を含み、
前記目標ＥＧＲ率算出手段は、前記条件が満たされたことに応答して、前記目標ＥＧＲ率を切替時目標ＥＧＲ率まで連続的に増加させるように構成されていることを特徴としている。
【００１１】
第５の発明は、第４の発明において、
前記目標ＥＧＲ率算出手段は、
ガス燃料比が前記第２空燃比と同値に到達したことに応答して、前記目標ＥＧＲ率を前記切替時目標ＥＧＲ率から連続的に減少させるように構成され、
前記目標空燃比切替手段は、
ガス燃料比が前記第２空燃比と同値に到達したことに応答して、ガス燃料比が前記第２空燃比に維持されるように前記目標空燃比を前記第１空燃比と前記第２空燃比の範囲内で変化させるように構成されていることを特徴としている。
【００１２】
第６の発明は、第１乃至第５の何れか１つの発明において、
前記切替時目標ＥＧＲ率は、ＥＧＲ限界に対応するＥＧＲ率であることを特徴としている。
【００１３】
第７の発明は、第１乃至第６の何れか１つの発明において、
目標トルクの変化量が所定値以下である条件が満たされていない場合、前記第１の手段による制御を制限する制限手段をさらに備えることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
第１の発明によれば、ＥＧＲ率は、空燃比の第１空燃比から第１空燃比よりもリーンな第２空燃比への切り替えに先立って切替時目標ＥＧＲ率まで連続的に増加される。そして、空燃比は、ＥＧＲ率が切替時目標ＥＧＲ率に到達するまでは第１空燃比に維持され、ＥＧＲ率が切替時目標ＥＧＲ率に到達したことに応答して第２空燃比に向かって連続的に変化される。これにより、ＥＧＲ率を高めた上で空燃比が第１空燃比から第２空燃比へと連続的に変化されるので、燃焼モードの切り替え時におけるＮＯｘ排出量を有効に抑制することが可能となる。
【００１５】
第２の発明によれば、ガス燃料比が第２空燃比と同値に到達したことに応答して、ガス燃焼比を第２空燃比に維持しながらＥＧＲ率が減少される。これにより、トルク段差を発生させることなく空燃比を第１空燃比から第２空燃比へ滑らかに変化させることができる。
【００１６】
第３の発明によれば、目標空燃比は、目標ＥＧＲ率が切替時目標ＥＧＲ率に到達するまでは第１空燃比に維持され、目標ＥＧＲ率が切替時目標ＥＧＲ率に到達したことに応答して第２空燃比に向かって連続的に変化される。これにより、ＥＧＲ率を高めた上で空燃比が第１空燃比から第２空燃比へと連続的に変化されるので、燃焼モードの切り替え時におけるＮＯｘ排出量を有効に抑制することが可能となる。
【００１７】
第４の発明によれば、目標ＥＧＲ率は、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切替時目標ＥＧＲ率まで連続的に増加される。これにより、ＥＧＲ率を高めた上で空燃比が第１空燃比から第２空燃比へと連続的に変化されるので、燃焼モードの切り替え時におけるＮＯｘ排出量を有効に抑制することが可能となる。
【００１８】
第５の発明によれば、ガス燃料比が第２空燃比と同値に到達したことに応答して、ガス燃焼比を第２空燃比に維持しながら目標ＥＧＲ率が減少される。これにより、トルク段差を発生させることなく空燃比を第１空燃比から第２空燃比へ滑らかに変化させることができる。
【００１９】
第６の発明によれば、ＥＧＲ率をＥＧＲ限界まで高めた上で空燃比が第１空燃比から第２空燃比へと連続的に変化されるので、燃焼モードの切り替え時におけるＮＯｘ排出量を最大限に抑制することが可能となる。
【００２０】
第７の発明によれば、目標トルクの変化量が所定値以下である条件が満たされない場合に、上記空燃比の切り替えに先立ってＥＧＲ率を増加させる制御の実行が制限される。これにより、目標トルクが速い速度で変化する過渡時において、空燃比の切り替えに要する時間が長期化して排気性能が悪化することを避けることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態１のＥＣＵの制御構造を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態１のＥＣＵで採られている運転領域の設定を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１で実行される燃焼モードの切り替え処理のルーチンを示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施の形態１によるストイキ燃焼からリーン燃焼への燃焼モードの切り替えを示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
［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。
【００２３】
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、火花点火式の多気筒４サイクルレシプロエンジンである。また、このエンジンは、いわゆるリーンバーンエンジンであり、エンジンの燃焼モードとして、理論空燃比（第１空燃比）による燃焼を行うストイキモードと、理論空燃比よりもリーンな空燃比（第２空燃比）による燃焼を行うリーンモードとを選択可能に構成されている。
【００２４】
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、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、ＥＧＲ率を調整する第３アクチュエータであるＥＧＲバルブ、筒内の混合気に点火する第４アクチュエータである点火装置が含まれる。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。
【００２５】
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。
【００２６】
パワートレインマネージャ２００は、将来トルクを計算してエンジンコントローラ１００に送信する。将来トルクは、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トルクのうち、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。パワートレインマネージャ２００は、アクセルペダルの開度に基づいて要求トルクを計算する。
【００２７】
また、パワートレインマネージャ２００は、直近トルクを計算してエンジンコントローラ１００に送信する。直近トルクは、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トルクのうち、将来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。直近トルクには、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。パワートレインマネージャ２００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、つまり、エンジンが出力しうる最大軸トルクよりも大きい値を出力する。
【００２８】
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は、大きく分けて機能部１２０、調停部１４０、実現部１６０から構成されている。
【００２９】
機能部１２０は、エンジンに対する種々の制御用パラメータを計算して出力する。制御用パラメータには、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機能部１２０の内部で計算されるものとが含まれる。具体的には、制御用パラメータとして、将来トルク、将来空燃比（将来Ａ／Ｆ）、要求効率、第１直近トルク、第２直近トルク、及び要求空燃比（要求Ａ／Ｆ）が算出される。このうち、将来トルクには、パワートレインマネージャ２００から送信された将来トルクがそのまま用いられ、第２直近トルクには、パワートレインマネージャ２００から送信された直近トルクがそのまま用いられる。要求効率は、点火時期効率の要求値であって、目標空気量の計算に使用される制御用パラメータである。ＭＢＴによる高効率の運転を要求する場合には要求効率は最大値の１にされ、触媒の暖機のための低効率の運転を要求する場合には要求効率は１より小さい値にされる。将来空燃比、第１直近トルク、及び要求空燃比は、機能部１２０に含まれる燃焼切替要求部１２２にて計算される。
【００３０】
燃焼切替要求部１２２は、燃焼モードの切替えを将来トルクとエンジン回転数とに基づいて判断する。図２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。運転領域はトルク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。燃焼切替要求部１２２は図２に示す関係から燃焼モードを判断し、その判断結果に応じて空気量、点火時期、ＥＧＲ率及び燃料噴射のそれぞれに関係する制御用パラメータを計算する。空気量及びＥＧＲ率に関係する制御用パラメータは将来空燃比であり、点火時期に関係する制御用パラメータは第１直近トルクであり、燃料噴射に関連する制御用パラメータは要求空燃比である。将来空燃比は、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、目標空気量及び目標ＥＧＲ率の計算に使用される。燃焼モードをストイキ燃焼からリーン燃焼へ切り替える条件が満たされた場合には、将来空燃比が理論空燃比からリーン空燃比に切り替えられるようになっている。第１直近トルクは、燃焼モードの切り替えのための直近トルクの目標値であって、燃焼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。第１直近トルクは、通常は無効値であるが、燃焼モードの切り替えの条件が満たされた場合には将来トルクと同値とされる。要求空燃比は、燃料噴射に関連する制御用パラメータであって将来空燃比と同値とされる。したがって、燃焼モードをストイキ燃焼からリーン燃焼へ切り替える条件が満たされた場合には、要求空燃比は将来空燃比と同様に理論空燃比からリーン空燃比に切り替えられるようになっている。
【００３１】
さらに、燃焼切替要求部１２２では、燃焼モードをストイキ燃焼からリーン燃焼へ切り替える条件が満たされてから燃焼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、燃焼モードの切り替え中であることを示す第１フラグ信号をＯＮにすることが行われる。また、燃焼切替要求部１２２では、後述する目標トルクの変化量が所定値以下である間は、エンジンの運転条件が定常であることを示す第２フラグ信号をＯＮにすることが行われる。なお、第２フラグの判定に用いる所定値は、エンジンの運転条件が定常又は緩加減速中であることを判定するための目標トルクの変化量として予め定められた閾値を用いることができる。燃焼切替要求部１２２は、第１フラグ信号及び第２フラグ信号が共にＯＮである場合に、後述する特徴的な燃焼モードの切り替えを行う。
【００３２】
上記構成を有する機能部１２０から出力された制御用パラメータは、調停部１４０に入力される。調停部１４０は、詳しくは、将来トルク調停部１４２、効率調停部１４４、及び直近トルク調停部１４６を含んでいる。将来トルク調停部１４２は、機能部１２０から入力された将来トルクとそれと同じカテゴリのその他のトルクとを調停し、調停されたトルクをエンジンに対する目標トルクとして出力する。基本的には、目標トルクは将来トルクと同値である。将来トルク調停部１４２における調停方法としては最小値選択が用いられる。
【００３３】
効率調停部１４４は、機能部１２０から入力された要求効率トルクとそれと同じカテゴリのその他の効率とを調停し、調停された効率をエンジンに対する最終的な要求効率として出力する。効率調停部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、効率調停部１４４から出される要求効率の値は、基本的には１であり、暖機要求等の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。
【００３４】
直近トルク調停部１４６は、機能部１２０から入力された第１直近トルクと第２直近トルクとを調停し、調停された直近トルクをエンジンに対する最終的な直近トルクとして出力する。直近トルク調停部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１直近トルクと第２直近トルクとは、どちらも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、直近トルク調停部１４６から出力される直近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。燃焼モードの切り替えの条件が満たされた場合には、第１直近トルクが無効値から将来トルクに切り替えられることで、直近トルク調停部１４６から出力される直近トルクは将来トルクと同値となる。
【００３５】
以上のように構成される調停部１４０からは、調停された目標トルク、要求効率、及び直近トルクが出力される。また、機能部１２０から調停部１４０に入力された将来空燃比、リーン気筒数、及び要求空燃比がそのまま調停部１４０から出力される。
【００３６】
実現部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、実現部１６０で算出される。実現部１６０は、複数の演算ユニット１６２、１６４、１７０、１７２、１７４、１８０、１８２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であり、点火時期制御に関係するものは演算ユニット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であり、ＥＧＲ制御の関するものは演算ユニット１８０、１８２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。
【００３７】
演算ユニット１６２には、目標トルクと要求効率と将来空燃比とが入力される。演算ユニット１６２は、要求効率と将来空燃比とを用いて、目標トルクを達成するための目標空気量を目標トルクから逆算する。この計算では、要求効率及び将来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。演算ユニット１６２は、まず、目標トルクを要求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。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。空燃比に関しては将来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、将来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。
【００３８】
演算ユニット１６４は、先ず、目標空気量及び後述する目標ＥＧＲ率から吸気管圧の目標値である目標吸気管圧（目標Ｐｍ）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ＥＧＲ率によって変化するため、目標吸気管圧の計算では現在のＥＧＲ率から上記マップのパラメータ値が決定される。演算ユニット１６４は、次に、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。図中では、目標スロットル開度は“TA”と表記されている。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。演算ユニット１６４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スロットル２へ送信される。演算ユニット１６２、１６４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。
【００３９】
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。
【００４０】
演算ユニット１７０には直近トルクと推定トルクとが入力される。演算ユニット１７０は、直近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直近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。
【００４１】
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。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８を駆動する信号に変換されて点火装置８へ送信される。
【００４２】
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、要求空燃比と推定空気量とに基づき要求空燃比の達成に必要な燃料噴射量、すなわち、燃料供給量を気筒ごとに計算する。推定空気量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り、前述のエアモデルの順モデルを用いてスロットル開度及びバルブタイミングに基づき算出される。演算ユニット１７４で計算された気筒ごとの燃料噴射量は、インジェクタ４を駆動する信号に変換されてインジェクタ４へ送信される。演算ユニット１７４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。
【００４３】
次に、ＥＧＲ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１８０には将来空燃比が入力される。演算ユニット１８０は本発明における目標ＥＧＲ率算出手段に相当し、将来空燃比を用いて排気エミッションや燃費等を最適化するための目標ＥＧＲ率を計算する。なお、本発明においてはＥＧＲ率とは吸気バルブから筒内へ吸入される空気に占めるＥＧＲガスの割合であり、吸気バルブから筒内へ吸入されるＥＧＲガスの量を示すＥＧＲ量は本発明におけるＥＧＲ率の均等の範囲内にある。
【００４４】
演算ユニット１８０は、ＥＧＲ率マップを用いて目標ＥＧＲ率を計算する。ＥＧＲ率マップは、ＥＧＲ率がエンジン回転数、空気量及び空燃比を含む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。このマップは空気量、エンジン回転数及び空燃比ごとの適合によって決定されている。ＥＧＲ率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。空燃比に関しては将来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１３０では、目標空燃比のもとで必要とされるＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率として算出される。図中では、目標ＥＧＲ率は”EGRt”と表記されている。
【００４５】
また、演算ユニット１８０には、第１フラグ信号及び第２フラグ信号が入力される。演算ユニット１８０は、第１フラグ信号及び第２フラグ信号が共にＯＮである場合に、後述する目標ＥＧＲ率の計算を行う。
【００４６】
演算ユニット１８２は目標ＥＧＲ率に基づいてＥＧＲバルブ開度の目標値である目標ＥＧＲバルブ開度を算出する。目標ＥＧＲバルブ開度の計算では、ＥＧＲバルブの動作に対するＥＧＲ率の応答を流力学等に基づいてモデル化した数式やマップを用いることができる。なお、ＥＧＲ率はエンジン回転数や空気量の影響を受けるので、目標ＥＧＲバルブ開度の計算ではそれらをパラメータとして使用する。図中では、目標ＥＧＲバルブ開度は“EGRv”と表記されている。演算ユニット１８２で計算された目標ＥＧＲバルブ開度はＥＧＲバルブ６を駆動する信号に変換されてＥＧＲバルブ６へ送信される。演算ユニット１８２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。なお、ＥＧＲバルブ６の操作量としては、ＥＧＲバルブ開度ではなく、ＥＧＲバルブ６を駆動するソレノイドのデューティ比であってもよい。
【００４７】
以上が本実施の形態に係るＥＣＵの基本的なロジックである。次に、本実施の形態に係るＥＣＵの特徴的なロジックについて図を用いて説明する。
【００４８】
本実施の形態に係るＥＣＵでは、燃焼モードがストイキモードからリーンモードへ切り替えられる場合に、トルク段差が発生しないように空燃比を徐々に変化させることが行われる。しかしながら、燃焼モードの切替時に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経由せねばならず、排気性能の悪化が問題となる。
【００４９】
本実施の形態に係るＥＣＵは、ＥＧＲを利用して上述した燃焼モードの切り替えによって起きるＮＯｘ排出量の増大を抑制するロジックに特徴を有している。具体的には、ＮＯｘ排出量はＥＧＲによる燃焼温度の低下によって減少する。そこで、本実施の形態のＥＣＵでは、燃焼モードがストイキ燃焼からリーン燃焼へ切り替えられる場合に、空燃比の切り替えに先立ってＥＧＲを増大させることが行われる。これにより、ＮＯｘ排出量を抑制しつつ燃焼モードを切り替えることが可能となる。
【００５０】
但し、ＥＧＲ制御は応答性が悪い。このため、目標トルクが速い速度で変化している過渡時において上記ＥＧＲ制御を実行することとすると、燃焼モードの切り替えに要する時間が長期化してしまい、返ってＮＯｘ排出量の増加や点火遅角量の増加を招いてしまうおそれがある。そこで、上記ＥＧＲ制御は要求トルクが緩やかに変化する緩減速時または定常時に行うことが望ましい。
【００５１】
以下、本実施の形態に係るＥＣＵが定常時に燃焼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動作についてフローチャートを用いて詳細に説明する。図３は、本実施の形態に係るＥＣＵが定常時に燃焼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ルーチンを示すフローチャートである。なお、図３に示す制御ルーチンは、エンジン１０の運転中に繰り返し実行されるものとする。
【００５２】
図３に示すルーチンでは、先ず、ストイキモードからリーンモードへの切り替え中であることを示す第１フラグがＯＮか否かが判定される（ステップＳ１００）。その結果、第１フラグがＯＦＦである場合には、本ルーチンは速やかに終了される。一方、上記ステップＳ１００において第１フラグがＯＮである場合には、次のステップに移行し、要求トルクの変化量が所定値以下であることを示す第２フラグがＯＮか否かが判定される（ステップＳ１０２）。その結果、第２フラグがＯＦＦの場合には、過渡時であると判断されて本ルーチンは速やかに終了される。
【００５３】
一方、上記ステップＳ１０２において、第２フラグがＯＮである場合には、定常時であると判断されて次のステップに移行し、ＥＧＲ率を上げるための処理が行われる（ステップＳ１０４）。ここでは、具体的には、演算ユニット１８０は、第１フラグ信号及び第２フラグ信号が共にＯＮであることに応答して、目標ＥＧＲを前回値から所定量増加させて出力する。
【００５４】
次に、スロットルが開側に操作される（ステップ１０６）。ここでは、具体的には、燃焼切替要求部１２２は、第１フラグ信号及び第２フラグ信号が共にＯＮであることに応答して将来空燃比を前回値に維持する。その結果、演算ユニット１６２は、ストイキ空燃比に維持された目標空燃比を出力する。演算ユニット１６４は、目標ＥＧＲ率が上がり目標空気量が維持される結果、目標スロットル開度TAを開側に可変させて出力する。
【００５５】
次に、上記ステップＳ１０４において設定された現在の目標ＥＧＲ率が現在の運転条件から判断されるＥＧＲ率の限界値であるか否かが判定される（ステップＳ１０８）。限界値は、失火や触媒性能の観点から定められたＥＧＲ率の限界値であり運転条件毎に予め規定されている値が読み込まれる。その結果、目標ＥＧＲ率が限界値に到達していないと判定された場合には、上記ステップＳ１０４に戻って更に目標ＥＧＲ率が所定量大きくされる。上記ステップＳ１０４からＳ１０８の処理が繰り返し実行されることにより、実空燃比がストイキ空燃比に維持された状態でＥＧＲ率が連続的にＥＧＲ率の限界値に近づいていく。
【００５６】
そして、上記ステップＳ１０８において目標ＥＧＲ率がＥＧＲ率の限界値に到達したと判定された場合には、次のステップに移行し、空気量が増大される（ステップＳ１１０）。ここでは、具体的には、演算ユニット１８０は、目標ＥＧＲ率がＥＧＲ率の限界値に到達したことを受けて、目標ＥＧＲ率を当該限界値に維持する。また、燃焼切替要求部１２２は、目標ＥＧＲ率がＥＧＲ率の限界値に到達したことを受けて、所定量リーン空燃比側に変化された将来空燃比を出力する。その結果、演算ユニット１６２において算出される目標空気量は、目標空燃比の変化に応じて空気量が増大する方向に変化される。なお、将来空燃比の変化量は実空気量が目標空気量に十分追従可能な範囲で設定される。
【００５７】
次に、ガス燃料比（Ｇ／Ｆ）が目標とするリーン空燃比（目標リーン空燃比）の値と同値になったか否かが判定される（ステップＳ１１２）。ここでいうガス燃料比（Ｇ／Ｆ）は筒内に流入するガス（新気＋ＥＧＲガス）と当該筒内への燃料噴射量との比を表している。その結果、ガス燃料比（Ｇ／Ｆ）が目標リーン空燃比の値と同値になっていないと判定された場合には、再度ステップＳ１１０の処理に移行して空気量が増大される。上記ステップＳ１１０からＳ１１２の処理が繰り返し実行されることにより、ＥＧＲ率がＥＧＲ限界値に維持された状態で実空燃比が連続的にリーン空燃比に近づいていく。そして、上記ステップＳ１１２においてガス燃料比（Ｇ／Ｆ）が目標とするリーン空燃比の値と同値に到達したと判定された場合には、次のステップに移行し、ガス燃料比（Ｇ／Ｆ）をリーン空燃比の値に維持しつつ目標ＥＧＲ率を０％まで低下させる処理が行われる（ステップＳ１１４）。ここでは、具体的には、燃焼切替要求部１２２、及び演算ユニット１８０、１６２は、ガス燃料比（Ｇ／Ｆ）が目標とするリーン空燃比の値と同値に到達したことを受けて、ガス燃料比（Ｇ／Ｆ）を維持しつつ実空気量が目標空気量に十分追従可能な範囲でＥＧＲ率が連続的に低下するようにそれぞれの出力を計算する。
【００５８】
以上説明した通り、本実施の形態１の制御装置によれば、ＥＧＲ率がＥＧＲ率の限界値に維持されている状態で空燃比がストイキ空燃比からリーン空燃比へ連続的に変化される。これにより、ＮＯｘの排出量を抑制しつつ燃焼モードをストイキ燃料からリーン燃焼へと切り替えることが可能となる。
【００５９】
図４は、本実施の形態によるストイキ燃焼からリーン燃焼への燃焼モードの切り替え制御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。このチャートには、目標トルク及び実トルクが描かれている。２段目のチャートはスロットル開度の時間変化を示している。３段目のチャートは空気量の時間変化を示している。このチャートには、目標空気量KLtと実空気量とが描かれている。４段目のチャートは点火時期効率の時間変化を示している。５段目のチャートは点火時期の時間変化を示している。６段目のチャートは空燃比の時間変化を示している。このチャートには、将来空燃比と実空燃比とが描かれている。７段目のチャートはＥＧＲ率の時間変化を示している。このチャートには、目標ＥＧＲ率EGRtと実ＥＧＲ率とが描かれている。また、このチャートにはＥＧＲ限界に対応するＥＧＲ率が二点鎖線で描かれている。８段目のチャートはガス燃料比の時間変化を示している。そして、９段目のチャートは燃料噴射量の時間変化を示している。
【００６０】
このタイムチャートによれば、時刻ｔ１にて第１フラグ及び第２フラグのＯＮが判定されると、目標ＥＧＲ率が連続的に増大させられる。この間、将来トルク、目標空気量及び要求空燃比はストイキ燃焼時の値に維持される結果、スロットル開度TAは徐々に増大させられる。
【００６１】
時刻ｔ２にて目標ＥＧＲ率がＥＧＲ限界に到達すると、目標ＥＧＲ率は等がＥＧＲ限界の値に維持される。この間、要求空燃比はリーン空燃比側に連続的に変化させられるとともに、目標空気量も増大させられる。なお、この間の目標空気量は実空気量と乖離しない範囲で増大させられるため、指示点火時期効率ηiは実質的に１に維持されて点火時期の遅角制御は行われない。
【００６２】
時刻ｔ３にてガス燃料比（Ｇ／Ｆ）がリーンモード時のリーン空燃比と同値に到達すると、目標ＥＧＲ率が連続的に減少させられる。この間、ガス燃料比は一定の値に維持されるので、目標空気量および要求空燃比はそれぞれリーンモード時の値に連続的に近づいていく。そして、時刻ｔ４にて目標ＥＧＲ率が０％に到達すると、目標空気量および要求空燃比はそれぞれリーンモード時の値に到達し、ストイキモードからリーンモードへの切替が完了される。
【００６３】
なお、上述した実施の形態１の制御装置では、将来空燃比が本発明の「目標空燃比」に、燃焼切替要求部１２２が本発明の「目標空燃比切替手段」に、演算ユニット１６２が本発明の「目標空気量算出手段」に、演算ユニット１８０が本発明の「目標ＥＧＲ率算出手段」に、演算ユニット１６４が本発明の「第１アクチュエータ制御手段」に、演算ユニット１７４が本発明の「第２アクチュエータ制御手段」に、演算ユニット１８２が本発明の「第３アクチュエータ制御手段」に、それぞれ相当している。また上述した実施の形態１の制御装置では、ＥＣＵが上記ステップＳ１０２の処理を実行することにより、本発明の「制限手段」が実現されている。また、ＥＣＵが上記ステップＳ１００及びＳ１０４の処理を実行することにより、本発明の「第１の手段」が実現されている。また、ＥＣＵが上記ステップＳ１００及びＳ１０６の処理を実行することにより、本発明の「第２の手段」が実現されている。また、ＥＣＵが上記ステップＳ１０８及びＳ１１０の処理を実行することにより、本発明の「第２の手段」が実現されている。さらに、ＥＣＵが上記ステップＳ１１２及びＳ１１４の処理を実行することにより、本発明の「第１の手段」が、実現されている。
【００６４】
［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。
【００６５】
本実施の形態で採用されたロジックによれば、定常時のストイキモードからリーンモードへの切り替えにおいて、空燃比の切り替え先立ってＥＧＲ率をＥＧＲ率の限界値まで増大させることとしている。しかしながら、ＥＧＲ率は必ずしも限界値まで増大させる必要はなく、ＮＯｘ排出量との関係に基づいて切替時目標ＥＧＲ率を適宜設定すればよい。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
本実施の形態で採用されたロジックによれば、ガス燃料比（Ｇ／Ｆ）がリーンモード時のリーン空燃比と同値に到達すると、目標ＥＧＲ率を０％まで連続的に減少させることとしている。しかしながら、目標ＥＧＲ率の減少目標は０％に限らず、リーン空燃比へ切り替えられた際の運転条件に対応する目標ＥＧＲ率まで減少させることとすればよい。
【符号の説明】
【００６９】
２  スロットル
４  インジェクタ
６  ＥＧＲバルブ
８  点火装置
１００  エンジンコントローラ
２００  パワートレインマネージャ
１８０  目標ＥＧＲ率算出手段としての演算ユニット
１６２  目標空気量算出手段としての演算ユニット
１６４  第１アクチュエータ制御手段としての演算ユニット
１７４  第２アクチュエータ制御手段としての演算ユニット
１８２  第３アクチュエータ制御手段としての演算ユニット
１２２  目標空燃比切替手段としての演算ユニット
【図１】
2015137611.tif 000003
【図２】
2015137611.tif 000004
【図３】
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【図４】
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