(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の各気筒の吸気ポート近傍に燃料を噴射する燃料噴射弁が取り付けられ、運転者の要求する要求トルクを判断して、その要求トルクに基づいて内燃機関の運転を制御する内燃機関の制御装置において、
前記要求トルクに基づいて目標筒内充填空気量の規範モデルを設定する規範モデル演算手段と、
前記目標筒内充填空気量の規範モデルと目標空燃比に基づいて目標筒内流入燃料量を演算する目標筒内流入燃料量演算手段と、
吸気系壁面付着燃料等による燃料輸送遅れを考慮して実際の筒内流入燃料量が前記目標筒内流入燃料量と一致するように前記燃料噴射弁から噴射する燃料噴射量を決定する燃料噴射制御手段と、
少なくとも前記目標筒内充填空気量の規範モデルと内燃機関回転速度に基づいてスロットル開度の指令値を演算するスロットル開度指令値演算手段と、
前記燃料噴射制御手段による燃料噴射量決定タイミングから筒内充填空気量及び筒内流入燃料量が確定する吸気弁閉タイミングまでの遅れ時間（Ｚ-L）と該遅れ時間（Ｚ-L）よりも短い時間であるスロットルバルブの応答遅れ時間（Ｚ-m）との時間ずれ分（Ｚ-(L-m)）だけ前記スロットル開度の指令値の位相を前記燃料噴射量決定タイミングから遅らせてスロットルバルブを駆動することで、実際の筒内充填空気量が前記規範モデルを前記吸気弁閉タイミングまでの遅れ時間分（Ｚ-L）だけ位相を遅らせて得られる目標筒内充填空気量に一致するようにスロットル開度を制御するスロットル制御手段と
を備えていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記規範モデル演算手段は、前記要求トルクをなまし処理した値に基づいて前記目標筒内充填空気量の規範モデルを設定す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】
内燃機関の各気筒の吸気ポート近傍に燃料を噴射する燃料噴射弁が取り付けられ、運転者の要求する要求トルクを判断して、その要求トルクに基づいて内燃機関の運転を制御する内燃機関の制御方法において、
前記要求トルクに基づいて目標筒内充填空気量の規範モデルを演算し、該規範モデルと目標空燃比に基づいて目標筒内流入燃料量を演算すると共に、吸気系壁面付着燃料等による燃料輸送遅れを考慮して実際の筒内流入燃料量が前記目標筒内流入燃料量と一致するように前記燃料噴射弁から噴射する燃料噴射量を決定し、更に、少なくとも前記目標筒内充填空気量の規範モデルと内燃機関回転速度に基づいてスロットル開度の指令値を演算し、  燃料噴射量決定タイミングから筒内充填空気量及び筒内流入燃料量が確定する吸気弁閉タイミングまでの遅れ時間（Ｚ-L）と該遅れ時間（Ｚ-L）よりも短い時間であるスロットルバルブの応答遅れ時間（Ｚ-m）との時間ずれ分（Ｚ-(L-m)）だけ前記スロットル開度の指令値の位相を前記燃料噴射量決定タイミングから遅らせてスロットルバルブを駆動することで、実際の筒内充填空気量が前記規範モデルを前記吸気弁閉タイミングまでの遅れ時間分（Ｚ-L）だけ位相を遅らせて得られる目標筒内充填空気量に一致するようにスロットル開度を制御することを特徴とする内燃機関の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、運転者の要求する要求トルクを判断して内燃機関の運転を制御する内燃機関の制御装置及び制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の電子制御化された自動車のエンジン制御においては、運転者のアクセル操作に即応した応答性の良いドライバビリティを実現するために、運転者が操作したアクセル開度、エンジン回転速度等から運転者の要求する加速力（トルク）を判断して、スロットル開度、燃料噴射量、点火時期等を運転者の要求するトルクに応じて制御する、いわゆるトルクディマンド制御を行うようにしたものがある。従来のトルクディマンド制御は、エンジンへの要求トルクと目標空燃比を同時に満たすために、要求トルクから決まる目標空燃比に基づいてスロットル開度を制御し、一方、吸入空気量と目標空燃比から決まる目標燃料量に基づいて燃料噴射量を制御するようにしていた（特開平９−２８７５１３号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のトルクディマンド制御では、負荷が急変するような過渡状態において、筒内充填空気量が確定するタイミングと、目標空燃比と吸入空気量に基づいて燃料噴射量を決定するタイミングとの時間ずれに伴なう誤差が生じて、実際の筒内充填空気量と筒内流入燃料量との比（空燃比）が目標空燃比からずれてしまい、過渡時の空燃比の制御精度が悪くなるという欠点があった。
【０００４】
つまり、筒内充填空気量は吸気弁閉タイミングまで確定しないため、筒内充填空気量確定タイミングは、燃料噴射量決定タイミング（吸気弁開タイミングの直前）よりもかなり遅れる。しかも、スロットル開度の指令値を電子スロットルに出力してから実際にスロットル開度が変化して筒内充填空気量が変化するまでには、スロットルバルブの応答遅れと吸入空気の流動遅れがある。一方、筒内流入燃料量は、空気系壁面付着燃料（ウエット）等による燃料輸送遅れの影響を受ける。この燃料輸送遅れやスロットルバルブの応答遅れの影響は、過渡時に大きくなるため、過渡時に筒内充填空気量と筒内流入燃料量との比（空燃比）が目標空燃比からずれてしまう。
【０００５】
本発明はこのような事情を考慮してなされたものであり、従ってその目的は、トルクディマンド制御システムにおいて、過渡時でも精度の良い空燃比制御を行うことができる内燃機関の制御装置及び制御方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１，３は、内燃機関の各気筒の吸気ポート近傍に燃料を噴射する燃料噴射弁が取り付けられ、規範モデル演算手段によって、要求トルクに基づいて目標筒内充填空気量の規範モデルを演算し、目標筒内流入燃料量演算手段によって該規範モデルと目標空燃比に基づいて目標筒内流入燃料量を演算すると共に、燃料噴射制御手段によって空気系壁面付着燃料等による燃料輸送遅れを考慮して実際の筒内流入燃料量が目標筒内流入燃料量と一致するように前記燃料噴射弁から噴射する燃料噴射量を決定し、スロットル開度指令値演算手段によって、少なくとも目標筒内充填空気量の規範モデルと内燃機関回転速度に基づいてスロットル開度の指令値を演算する。更に、スロットル制御手段は、図４（ａ）に示すように燃料噴射量決定タイミングから筒内充填空気量及び筒内流入燃料量が確定する吸気弁閉タイミングまでの遅れ時間（Ｚ-L）と該遅れ時間（Ｚ-L）よりも短い時間であるスロットルバルブの応答遅れ時間（Ｚ-m）との時間ずれ分（Ｚ-(L-m)）だけ前記スロットル開度の指令値の位相を前記燃料噴射量決定タイミングから遅らせてスロットルバルブを駆動することで、実際の筒内充填空気量が規範モデルを吸気弁閉タイミングまでの遅れ時間分（Ｚ-L）だけ位相を遅らせて得られる目標筒内充填空気量に一致するようにスロットル開度を制御する。このようにすれば、トルクディマンド制御システムにおいて、空気系の動特性、燃料輸送系の動特性及び燃料噴射量決定から筒内充填空気量確定（吸気弁閉タイミング）までの時間遅れを考慮して、筒内充填空気量と筒内流入燃料量の制御を同期させることができ、常に実際の筒内充填空気量と筒内流入燃料量との比（空燃比）を目標空燃比に一致させることができる。これにより、過渡時でも精度の良い空燃比制御を行うことができて、加速応答性を向上できると共に、排気エミッションを低減できる。
【０００７】
この場合、請求項２のように、要求トルクをなまし処理（一次遅れ処理）した値に基づいて目標筒内充填空気量の規範モデルを設定するようにすると良い。このようにすれば、簡単な演算処理により、目標筒内充填空気量の規範モデルを設定することができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。まず、図１に基づいてエンジン制御システム全体の概略構成を説明する。内燃機関であるエンジン１１の吸気管１２の最上流部には、エアクリーナ１３が設けられ、このエアクリーナ１３の下流側には、吸入空気量を検出するエアフローメータ１４が設けられている。このエアフローメータ１４の下流側には、モータ（図示せず）等によって駆動されるスロットルバルブ１５と、スロットル開度を検出するスロットル開度センサ１６とが設けられている。
【０００９】
更に、スロットルバルブ１５の下流側には、サージタンク１７が設けられ、このサージタンク１７に、吸気管圧力を検出する吸気管圧力センサ１８が設けられている。また、サージタンク１７には、エンジン１１の各気筒に吸入空気を導入する吸気マニホールド１９が設けられ、各気筒の吸気マニホールド１９の吸気ポート近傍に、それぞれ燃料を噴射する燃料噴射弁２０が取り付けられている。
【００１０】
一方、エンジン１１の排気管２１の途中には、排ガス中のＣＯ，ＨＣ，ＮＯｘ等を浄化する三元触媒等の触媒２２が設置されている。この触媒２２の上流側には、排ガスの空燃比を検出する空燃比センサ２３（又は酸素センサ）が設けられている。また、エンジン１１のシリンダブロックには、冷却水温を検出する冷却水温センサ２４や、エンジン回転速度を検出するためのクランク角センサ２５が取り付けられている。また、アクセルペダルの開度（アクセル開度）を検出するアクセルセンサ２６が設けられている。
【００１１】
これら各種センサの出力は、エンジン制御回路（以下「ＥＣＵ」と表記する）２７に入力される。このＥＣＵ２７は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された図２のトルクディマンド制御プログラムを実行することで、燃料噴射量とスロットル開度を制御する。
【００１２】
吸気ポート噴射エンジン１１では、図３に示すように、吸気弁開タイミングの直前に燃料噴射量を決定して噴射セットを行い、吸気弁開タイミングの直前又は直後に、燃料噴射弁２０を駆動して燃料噴射を実行する。噴射した燃料が実際に筒内に流入するまでの燃料輸送系には、空気系壁面付着燃料（ウエット）等による燃料輸送遅れがあるため、筒内流入燃料量は、燃料噴射タイミングから遅れて変化する。また、筒内充填空気量は吸気弁閉タイミングまで確定しないため、筒内充填空気量確定タイミングは、燃料噴射量決定タイミング（吸気弁開タイミングの直前）よりもかなり遅れる。しかも、スロットル開度の指令値を電子スロットルに出力してから実際にスロットル開度が変化して筒内充填空気量が変化するまでには、スロットルバルブの応答遅れと吸入空気の流動遅れがある。
【００１３】
このような空気系の動特性、燃料輸送系の動特性及び燃料噴射量決定から筒内充填空気量確定（吸気弁閉タイミング）までの時間遅れの影響は、過渡時に大きくなるため、これらの影響を考慮しないと、過渡時に筒内充填空気量と筒内流入燃料量との比（空燃比）が目標空燃比からずれてしまう。
【００１４】
そこで、本実施形態では、図４（ａ）に示すように、要求トルクに基づいて目標筒内充填空気量の規範モデルを演算し、この規範モデルと目標空燃比に基づいて目標筒内流入燃料量を演算すると共に、空気系壁面付着燃料等による燃料輸送遅れを考慮して実際の筒内流入燃料量が目標筒内流入燃料量と一致するように燃料噴射弁２０から噴射する燃料噴射量を決定し、更に、目標筒内充填空気量の規範モデルとエンジン回転速度等に基づいてスロットル開度の指令値を演算する。そして、燃料噴射量決定タイミングから吸気弁閉タイミングまでの遅れ時間（Ｚ-L）とスロットルバルブ１５の応答遅れ時間（Ｚ-m）との時間ずれ分（Ｚ-(L-m)）だけ前記スロットル開度の指令値の位相を前記燃料噴射量決定タイミングから遅らせてスロットルバルブ１５を駆動することで、実際の筒内充填空気量が上記規範モデルを吸気弁閉タイミングまでの遅れ時間分（Ｚ-L）だけ位相を遅らせて得られる目標筒内充填空気量に一致するようにスロットル開度を制御する。
【００１５】
以下、この制御を実行する図２のトルクディマンド制御プログラムの処理内容を説明する。まず、ステップ１０１で、アクセルセンサ２６の出力からアクセル開度を検出し、次のステップ１０２で、このアクセル開度に基づいて要求トルクを算出する。この際、アクセル開度の他に、エンジン回転速度や車速等も考慮して要求トルクを算出するようにしても良い。
【００１６】
この後、ステップ１０３で、要求トルクをなまし処理（一次遅れ処理）した後、ステップ１０４で、要求トルクをなまし処理した値に所定のゲインを乗算して、目標筒内充填空気量の規範モデルを演算する。これらステップ１０３，１０４の処理が特許請求の範囲でいう規範モデル演算手段に相当する役割を果たす。
【００１７】
規範モデルの演算後、ステップ１０５に進み、筒内流入燃料量と筒内充填空気量とを同期させるためのタイミング同期ディレイ時間（Ｚ-(L-m)）をエンジン回転速度、吸入空気量等に応じてマップ等により設定する。ここで、タイミング同期ディレイ時間（Ｚ-(L-m)）は、燃料噴射量決定タイミングから吸気弁閉タイミングまでの遅れ時間（Ｚ-L）とスロットルバルブ１５の応答遅れ時間（Ｚ-m）との時間ずれ分に相当する。スロットルバルブ１５の応答遅れ時間（Ｚ-m）は、スロットル開度の指令値を電子スロットルに出力してから実際にスロットル開度が変化するまでの遅れ時間である。
【００１８】
この後、ステップ１０６で、目標筒内充填空気量の規範モデルやエンジン回転速度等に基づいてスロットル開度指令値を演算し、次のステップ１０７で、このスロットル開度指令値に応じた制御信号を、燃料噴射量決定タイミングからタイミング同期ディレイ時間（Ｚ-(L-m)）だけ遅らせて電子スロットルのモータに出力し、スロットルバルブ１５を駆動してスロットル開度を制御する。上記ステップ１０６の処理が特許請求の範囲でいうスロットル開度指令値演算手段に相当する役割を果たし、ステップ１０５と１０７の処理が特許請求の範囲でいうスロットル制御手段に相当する役割を果たす。
【００１９】
一方、燃料噴射量の制御は、ステップ１０８で、要求トルクとエンジン回転速度に基づいて目標空燃比をマップ等により設定し、次のステップ１０９で、目標筒内充填空気量を目標空燃比で割り算して目標筒内流入燃料量を求める。このステップ１０９の処理が特許請求の範囲でいう目標筒内流入燃料量演算手段に相当する役割を果たす。
【００２０】
この後、ステップ１１０で、空気系壁面付着燃料等による燃料輸送遅れを考慮するための燃料輸送遅れ補正係数を算出する。また、ステップ１１１で、空燃比センサ２３の出力から実空燃比を検出し、次のステップ１１２で、実空燃比と目標空燃比との偏差に応じて空燃比フィードバック補正係数を算出する。
【００２１】
この後、ステップ１１３で、目標筒内流入燃料量に、燃料輸送遅れ補正係数、空燃比フィードバック補正係数、水温補正係数等を乗算して最終的な燃料噴射量を求める。そして、次のステップ１１４で、この燃料噴射量に応じたパルス幅の噴射パルスを燃料噴射弁２０に出力して燃料を噴射する。これらステップ１１０〜１１４の処理が特許請求の範囲でいう燃料噴射制御手段に相当する役割を果たす。
【００２２】
以上説明した本実施形態では、図４（ａ）に示すように、要求トルクに基づいて目標筒内充填空気量の規範モデルを演算し、この規範モデルと目標空燃比に基づいて目標筒内流入燃料量を演算すると共に、空気系壁面付着燃料等による燃料輸送遅れを考慮して実際の筒内流入燃料量が目標筒内流入燃料量と一致するように燃料噴射量を決定し、更に、目標筒内充填空気量の規範モデルとエンジン回転速度等に基づいてスロットル開度の指令値を演算し、燃料噴射量決定タイミングから筒内充填空気量及び筒内流入燃料量が確定する吸気弁閉タイミングまでの遅れ時間（Ｚ-L）とスロットルバルブ１５の応答遅れ時間（Ｚ-m）との時間ずれ分（Ｚ-(L-m)）だけ前記スロットル開度指令値の位相を前記燃料噴射量決定タイミングから遅らせてスロットルバルブ１５を駆動するようにしたので、空気系の動特性、燃料輸送系の動特性及び燃料噴射量決定から筒内充填空気量確定（吸気弁閉タイミング）までの時間遅れを考慮して、筒内充填空気量と筒内流入燃料量の制御を同期させることができ、常に実際の筒内充填空気量と筒内流入燃料量との比（空燃比）を目標空燃比に一致させることができる。これにより、過渡時でも精度の良い空燃比制御を行うことができて、加速応答性を向上できると共に、排気エミッションを低減できる。
【００２３】
これに対し、図４（ｂ）に示す比較例では、燃料噴射量決定タイミングから吸気弁閉タイミングまでの遅れ時間（Ｚ-L）とスロットルバルブ１５の応答遅れ時間（Ｚ-m）との時間ずれ分が考慮されておらず、燃料噴射量とスロットル開度指令値の位相が同期しているため、過渡時の筒内充填空気量と筒内流入燃料量との比（空燃比）が、両者のタイミングのずれにより、目標空燃比からずれてしまい、過渡時の空燃比の制御精度が悪くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示すエンジン制御システム全体の概略構成図
【図２】トルクディマンド制御の概要を説明するフローチャート
【図３】エンジンのサイクルと筒内流入燃料量と筒内充填空気量との関係を説明するタイムチャート
【図４】（ａ）は本発明の一実施形態の制御方法を説明する図、（ｂ）は比較例の制御方法を説明する図
【符号の説明】
１１…エンジン（内燃機関）、１２…吸気管、１４…エアフローメータ、１５…スロットルバルブ、１８…吸気管圧力センサ、２０…燃料噴射弁、２５…クランク角センサ、２６…アクセルセンサ、２７…ＥＣＵ（規範モデル演算手段，目標筒内流入燃料量演算手段，燃焼噴射制御手段，スロットル制御手段）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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