以下、図面を参照して本発明の実施の形� ��について説明する。尚、各図において共通� ��る要素には、同一の符号を付して重複する� ��明を省略する。

実施の形態1.
[システム構成の説明]
 図1は、本発明の実施の形態1によるシステ� �の構成を説明するための図である。図1に示� ��システムは、内燃機関1としての火花点火式 ガソリンエンジン(以下「エンジン」という� �)を備えている。エンジン1は、複数の気筒2� �有している。図1には、複数気筒のうちの1気 筒のみを示している。

 エンジン1は、内部にピストン4を有する� �リンダブロック6を備えている。ピストン4は 、クランク機構を介してクランク軸8と接続� �れている。クランク軸8の近傍には、クラン� ��角センサ10が設けられている。クランク角� �ンサ10は、クランク軸8の回転角度(クランク� ��CA)を検出するように構成されている。また� ��シリンダブロック6には、エンジン1の冷却� �温Twを検出する冷却水温センサ12が設けられ� ��いる。

 シリンダブロック6の上部にはシリンダヘ ッド14が組み付けられている。ピストン4上面 からシリンダヘッド14までの空間は燃焼室16� �形成している。シリンダヘッド14には、燃焼 室16内に直接燃料を噴射するインジェクタ18� �設けられている。また、シリンダヘッド14に は、燃焼室16内の混合気に点火する点火プラ� ��20が設けられている。

 シリンダヘッド14は、燃焼室16と連通する 吸気ポート22を備えている。吸気ポート22と� �焼室16との接続部には吸気バルブ24が設けら� ��ている。吸気バルブ24には、吸気バルブ24の 開弁特性(開閉弁時期、リフト量)を変更可能� ��可変動弁機構26が設けられている。

 吸気ポート22には、吸気通路28が接続され ている。吸気通路28の途中にはサージタンク3 0が設けられている。サージタンク30の上流に はスロットルバルブ32が設けられている。ス� ��ットルバルブ32は、スロットルモータ34によ り駆動される電子制御式のバルブである。ス ロットルバルブ32は、アクセル開度センサ38� �より検出されるアクセル開度AA等に基づいて 駆動されるものである。スロットルバルブ32� ��近傍には、スロットル開度TAを検出するス� �ットル開度センサ36が設けられている。

 スロットルバルブ32の上流には、エアフ� �メータ40が設けられている。エアフロメータ 40は、吸入空気量(以下「吸気量」と略する。 )Gaを検出するように構成されている。

 また、シリンダヘッド14は、燃焼室16と連 通する排気ポート42を備えている。排気ポー� ��42と燃焼室16との接続部には排気バルブ44が� ��けられている。排気バルブ44には、排気バ� �ブ44の開弁特性(開弁時期、リフト量)を変更� ��能な可変動弁機構46が設けられている。排� �ポート42には排気通路48が接続されている。� ��気通路48には、排気ガスを浄化する排気浄� �触媒(以下「触媒」と略する。)50が設けられ� ��いる。触媒50には、触媒床温Tcを検出する触 媒床温センサ52が設けられている。また、触� ��50の上流には、排気空燃比を検出する空燃� �センサ54が設けられている。

 本実施の形態のシステムは、制御装置と� ��てのECU(Electronic Control Unit)60を備えている� �ECU60の出力側には、インジェクタ18、点火プ� ��グ20、可変動弁機構26,46、スロットルモータ 34等が接続されている。ECU60の入力側には、� �ランク角センサ10、冷却水温センサ12、スロ� ��トル開度センサ36、アクセル開度センサ38、 エアフロメータ40、触媒床温センサ52、空燃� �センサ54等が接続されている。

 ECU60は、クランク角CAに基づいて、エンジ ン回転数NEを算出する。また、ECU60は、アク� �ル開度AA等に基づいて、エンジン1に要求さ� �る負荷KLを算出する。

 ECU60は、各センサの出力に基づいて、エ� �ジン1の制御を実行する。詳細には、後述す� ��手法により、目標燃料供給量、目標吸気量� ��び目標点火時期を求め、各種アクチュエー� ��(インジェクタ18、スロットルモータ34、可� �動弁機構26,46、点火プラグ20)の駆動制御を実 行する。

[実施の形態1の特徴]
 既述した特許文献1,2に開示されるように、� ��クセル操作量等から求められた目標トルク� ��実現するために、燃料供給量や点火時期等� ��制御を行うことが知られている。

 しかしながら、エンジンに要求される機� ��は、運転者が意図するように車両を駆動す� ��ために要求される仕事(出力)に限られず、� �ミッション性能を向上させるために、排気� �ネルギを増加させる機能や、空燃比を最適� �制御する機能もある。上記特許文献1,2によ� �トルクデマンド制御では、エンジンに対し� �要求される全ての機能を実現することがで� �ない。

 ところで、エンジン1で発生したエネルギ は、図2に示すように、(A)仕事、(B)排気エネ� �ギ及び(C)冷却損失に分配されることが知ら� �ている。

 そこで、本実施の形態1では、エンジン1� �対して要求される全ての機能を実現するべ� �、仕事、排気エネルギ及び冷却損失からの� �要求を総合的に考慮して、エンジン1で発生� ��せるトータルのエネルギを求めるようにす� ��。そして、該エネルギを実現するために、� ��料噴射量、吸気量及び点火時期等の制御量� ��求めるようにする。以下、かかる制御量を� ��出する手法について、説明する。

 図3は、本実施の形態1において、ECU60におけ る制御量算出フローを説明する図である。
 図3に示す目標仕事算出部61において、ドラ� ��バ要求(例えば、アクセル開度AA)や車両の各 種制御(例えば、クルーズ運転)等から目標ト� ��クが算出され、さらに該目標トルクから目� ��仕事がエネルギ形式で算出される。すなわ� ��、目標仕事を実現するために必要なエネル� ��が算出される。算出された目標仕事は、加� ��部64に入力される。

 また、目標排気エネルギ算出部62におい� �、モデルやマップを用いて、触媒50の暖機状 態に基づいて目標排気エネルギが算出される 。すなわち、触媒暖機に必要なエネルギが算 出される。触媒50の暖機状態は、触媒床温Tc� �ら把握することができる。算出された目標� �気エネルギは、加算部64に入力される。さら に、目標排気エネルギは、後述する目標点火 時期算出部67にも入力される。

 なお、過給機付きエンジンの場合には、� ��記暖機状態のほかに、目標過給圧や目標タ� ��ビン回転数等を考慮して、目標排気エネル� ��を算出することができる。この場合、触媒� ��機と所望の過給状態を実現するために必要� ��エネルギが算出される。

 また、冷却損失算出部63において、モデ� �やマップを用いて、エンジン回転数NEや冷却 水温Twからメカフリクションが推定され、さ� ��に該メカフリクションから冷却損失がエネ� ��ギ形式で算出される。すなわち、冷却損失� ��なるエネルギが算出される。算出された冷� ��損失は、加算部64に入力される。

 加算部64において、目標仕事と目標排気� �ネルギと冷却損失が加算される。上述のよ� �に目標仕事及び冷却損失はエネルギ形式で� �出されている。よって、この加算部64におけ る加算処理により、エンジン1で発生させる� �標トータルエネルギ(以下「E_total」という。 )が算出される。算出されたE_totalは、目標供� ��燃料量算出部65に入力される。

 目標供給燃料量算出部65において、次式(1)� �従って、E_totalを発生させるために必要な燃� ��供給量(以下「目標燃料供給量」という。)� �算出される。その後、ECU60において、この目 標燃料供給量を実現するアクチュエータであ るインジェクタ18の駆動制御量が決定される� ��
 目標燃料供給量=E_total/(燃料が有する単位体 積当たりの低発熱量)・・・(1)

 なお、上式(1)における「燃料が有する単� ��体積当たりの低発熱量」は、燃料の組成に� ��り変化する。よって、燃料の組成を検出や� ��定等により求め、求めた組成に対応する低� ��熱量をマップや関数を用いて求めることが� ��きる。

 上式(1)により算出された目標燃料供給量� ��、目標吸気量算出部66に入力される。目標� �気量算出部66には、目標燃料供給量のほか、 目標A/Fが入力される。目標A/Fは、通常は理論 空燃比(=14.6)であるが、例えば、リーンバー� �運転時のようにエンジン1が有する性能を実� ��する場合にはリーン空燃比やリッチ空燃比� ��されることもある。

 目標吸気量算出部66において、目標燃料供� �量を用いて目標A/Fに制御するために必要な� �気量(以下「目標吸気量」という。)が算出さ れる。具体的には、次式(2)のように、目標燃 料供給量と目標A/Fを乗算することにより、目 標吸気量が求められる。
 目標吸気量=目標燃料供給量×目標A/F・・・( 2)

 その後、ECU60において、この目標空気量� �実現するためのスロットル開度TA及び吸気バ ルブ開弁特性(開閉弁時期及びリフト量)が決� ��され、さらにそのアクチュエータであるス� ��ットルモータ34及び可変動弁機構26の駆動制 御量が決定される。

 また、目標点火時期算出部67は、上記目� �排気エネルギを用いて目標点火時期が算出� �れる。図3に示す例では、排気エネルギと筒� ��燃焼ガス温度(以下「筒内温度」という。)� �相関と、筒内温度と点火時期の相関とを利� �して、目標点火時期が算出される。なお、� �の筒内温度は、排気バルブ開弁時の筒内温� �である。

 目標点火時期算出部67は、図3に示すように� ��排出ガス量算出部67Aと、目標筒内温度算出� ��67Bと、目標点火時期決定部67Cとを有してい� ��。
 先ず、排出ガス量算出部67Aにおいて、入力� ��れる目標燃料供給量と目標吸気量とを加算� ��ることで、エンジン1から排出されるガス量 (以下「排出ガス量」という。)が算出される� ��算出された排出ガス量は、目標筒内温度算� ��部67Bに入力される。そして、目標筒内温度� ��出部67Bにおいて、次式(3)の関係を利用して� ��すなわち、次式(3)を変形して得られた次式( 4)に従って、目標筒内温度が算出される。な� ��、次式(3)及び(4)における「C」は係数である 。
 排気エネルギ=C×筒内温度×排出ガス量・・� ��(3)
 目標筒内温度=目標排気エネルギ/(C×排出ガ� ��量)・・・(4)

 上式(4)により算出された目標筒内温度は、� ��標点火時期決定部67Cに入力される。目標点� ��時期決定部67には、目標筒内温度と、その� �標筒内温度を実現するための点火時期(すな� ��ち、目標点火時期)とが規定されたマップが 格納されている。目標点火時期決定部67にお� ��て、このマップを参照することで、入力さ� ��る目標筒内温度に応じた目標点火時期が決� ��される。
 その後、ECU60において、この目標点火時期� �実現するアクチュエータである点火プラグ20 の駆動制御量が決定される。

 図4(A)乃至図4(C)は、本実施の形態1において� ��目標排気エネルギと目標点火時期の変化を� ��すタイミングチャートである。具体的には� ��図4(A)は目標排気エネルギの積算値の変化を 、図4(B)は瞬時の目標排気エネルギの変化を� �図4(C)は目標点火時期の変化を、それぞれ示� ��ている。
 上記目標排気エネルギ算出部62において算� �された目標排気エネルギは、瞬時の目標排� �エネルギであり、図4(B)に示すように変化す� ��。

 触媒50を暖機する際、触媒床温Tcを目標温 度に瞬間的には到達させることはできない。 そこで、ある程度の時間をかけて触媒床温Tc� ��目標温度に到達させるようにされる。具体� ��には、ECU60により、触媒暖機が開始される� �刻t1において、図4(A)に示すように、時刻t1か ら所定期間Aを経過した後の時刻t2における目 標排気エネルギ(積算)Ea(t2)が決定される。

 そして、この目標排気エネルギ(積算)Ea(t2 )を所定期間Aで分割することにより、図4(B)に 示すように、時刻t1における目標排気エネル� ��(瞬時)が算出される。上記目標点火時期算� �部67において、図4(C)に示すように、このよ� �に算出された目標排気エネルギ(瞬時)を実現 するための目標点火時期が算出される。

 以上説明したように、本実施の形態1では 、目標仕事と目標排気エネルギと冷却損失を 加算することで目標トータルエネルギである E_totalを算出し、該E_totalから目標燃料供給量� ��目標吸気量及び目標点火時期が算出される� ��本実施の形態1によれば、エンジン出力だけ でなく排気エネルギ及び冷却損失を考慮して 算出された目標燃料供給量、目標空気量及び 目標点火時期に基づいて、インジェクタ18、� ��火プラグ20、可変動弁機構26及びスロットル モータ34等の複数のアクチュエータが駆動さ� ��る。すなわち、これらの複数のアクチュエ� ��タを駆動することで、エンジン1により目標 仕事を実現することができ、空燃比を目標A/F に制御でき、触媒暖機に必要な排気エネルギ を得ることができる。従って、エンジン1に� �して要求される複数の機能を実現すること� �できる。

 ところで、本実施の形態1においては、目 標点火時期決定部67Cでマップを参照すること で目標点火時期を決定しているが、マップの 代わりに、目標筒内温度と目標点火時期との 関係を定義した関数を用いて、目標点火時期 を求めてもよい。

 また、目標点火時期決定部67Cで目標点火� ��期を決定する際、目標筒内温度と目標点火� ��期との関係に影響を与える負荷KLやエンジ� �回転数NEや冷却水温Twを考慮してもよい。す� ��わち、かかる負荷KL等を目標点火時期決定� �67Cに入力として持つようにしてもよい。

 また、本実施の形態1においては、NEやTw� �基づいて冷却損失を算出しているが、冷却� �温Twをコントロールできるシステムの場合に は、冷却損失の目標値を設定してもよい。

 また、目標排気エネルギ実現するための� ��標点火時期を算出する手法は、本実施の形� ��1で示した手法に限られず、他の手法を用い ることができる。

 尚、本実施の形態1においては、エンジン1� �第1の発明における「内燃機関」に、ECU60が� �1の発明における「制御量算出手段」及び「� ��動制御手段」に、インジェクタ18、点火プ� �グ20、可変動弁機構26及びスロットルモータ3 4が第1の発明における「複数のアクチュエー� ��」に、それぞれ相当する。
 また、本実施の形態1においては、目標仕事 算出部61、目標排気エネルギ算出部62及び冷� �損失算出部63が第1の発明における「要求値� �出手段」に、加算部64が第1の発明における� �要求値加算手段」に、それぞれ相当する。
 また、本実施の形態1においては、目標燃料 供給量算出部65が第2の発明における「燃料供 給量算出手段」に、目標吸気量算出部66が第2 の発明における「吸気量算出手段」に、目標 点火時期算出部67が第2の発明における「点火 時期算出手段」に、排出ガス量算出部67Aが第 3の発明における「排出ガス量算出手段」に� �目標筒内温度算出部67Bが第3の発明における� ��筒内温度算出手段」に、それぞれ相当する� ��

実施の形態2.
 次に、図5及び図6(A)乃至図6(D)を参照して、� ��発明の実施の形態2について説明する。
 本実施の形態2のシステムとして、図1に示� �たハードウェアを用いることができる。

[実施の形態2の特徴]
 上記実施の形態1では、目標仕事は、主に目 標燃料供給量と目標吸気量によって実現され る。すなわち、点火時期は、主に目標排気エ ネルギを実現するように決定される。例えば 、定常運転時やクルーズ制御時のように目標 トルクが急変しない場合や、車両運転性能と して要求される応答性を吸気量の制御だけで 充分に満たす場合には、上記実施の形態1の� �御で特に問題はない。

 ところで、車両の運転状態によっては、� ��標トルクが急変する場合がある。例えば、� ��速時や車両安定性制御(VSC:vehicle stability con trol)実行時が該当する。かかる場合に、吸気� ��の制御だけでは、目標トルクに対する応答� ��が充分ではない可能性がある。すなわち、� ��ロットル開度TAの制御や、バルブ開弁特性(� ��閉弁時期及びリフト量)の可変制御を行うこ とによっても、なお目標トルクの急変に対応 することができない可能性がある。

 そこで、本実施の形態2では、目標トルク 及び目標仕事の急変に対応可能とすべく、目 標排気エネルギに基づく目標点火時期と、目 標仕事に基づく第2目標点火時期とを選択可� �とする場合について説明する。

 図5は、本実施の形態2において、ECU60におけ る制御量算出フローを説明する図である。
 図5に示すECU60は、図3に示す構成に加えて、 第2目標点火時期算出手段68と、選択部69と、� ��気エネルギ推定部70とを更に備えている。� �下、この相違点を中心に説明する。

 目標仕事算出部61により算出された目標� �事は、加算部64だけでなく、第2目標点火時� �算出部68にも入力される。第2目標点火時期� �出部68では、目標仕事を実現するための点火 時期(以下「第2目標点火時期」という。)が算 出される。

 第2目標点火時期算出部68により算出され� ��第2目標点火時期は、選択部69に入力される� ��この選択部69には、上記目標点火時期算出� �67によって算出された目標点火時期、すなわ ち、目標排気エネルギを実現するための目標 点火時期が入力される。

 選択部69において、エンジン1の運転状態� ��応じて、目標排気エネルギを実現するため� ��「目標点火時期」と、目標仕事を実現する� ��めの「第2目標点火時期」のうちの何れか一 方が選択される。選択部69の選択は、例えば� ��車両の各制御の要求を調停した結果に基づ� ��て実行される。

 詳細には、目標トルク及び目標仕事の急� ��に対応する必要がある場合(例えば、変速時 やVSC制御時等)には、選択部69において第2目� �点火時期が選択される。それ以外の場合、� �なわち、目標トルク及び目標仕事の急変に� �応する必要がない場合(例えば、クルーズ運� ��時等)には、選択部69において目標点火時期� ��選択される。

 選択部69の選択状態は、排気エネルギ推� �部70に入力される。選択部69により「第2目標 点火時期」が選択されている場合、後述する ように、実際の排気エネルギは、目標排気エ ネルギ(積算)と乖離してしまう。そこで、排� ��エネルギ推定部70において、第2目標点火時� ��に基づいて、実際の排気エネルギの積算値( 以下「排気エネルギ(積算)」という。)が推定 される。推定された実際の排気エネルギ(積� �)は、目標排気エネルギ算出部62に入力され� �。選択部69により目標点火時期が再び選択さ れると、目標排気エネルギ算出部62において� ��実際の排気エネルギ(積算)を考慮して、目� �排気エネルギ(瞬時)が算出される。

 図6(A)乃至図6(D)は、本実施の形態2におい� ��、目標トルクの急変を実現するために点火� ��期を変更した場合の目標排気エネルギの変� ��を示すタイミングチャートである。具体的� ��は、図6(A)は目標トルクの変化を、図6(B)は� �標排気エネルギの積算値の変化を、図6(C)は� ��時の目標排気エネルギの変化を、図6(D)は目 標点火時期の変化を、それぞれ示している。

 時刻t11において、触媒暖機が開始される� ��この時刻t11において、所定期間Aが経過した 後の時刻t14における目標排気エネルギ(積算� �)Ea(t14)が決定される。そして、この目標排気 エネルギ(積算値)Ea(t14)を所定期間Aで分割す� �ことにより、図6(C)に示すように、時刻t11に� ��ける目標排気エネルギ(瞬時)が算出される� �さらに、上記目標点火時期算出部67において 、図6(D)に示すように、目標排気エネルギ(瞬� ��)を実現するための目標点火時期が算出され る。

 なお、図示しないが、この目標点火時期� ��算出されると同時に、上記第2目標点火時期 算出部68において、目標仕事を実現するため� ��第2目標点火時期が算出される。時刻t11にお いては目標トルクの急変に対応する必要がな いため、上記選択部69により「目標点火時期� ��が選択される。

 時刻t12において、図6(A)に示すように、目 標トルクが急変(急激に減少)している。本例� ��は、時刻t12から所定期間B経過後の時刻t13に おいて、目標トルクが元に戻されている。よ って、時刻t12~時刻t13までの期間Bは、目標ト� ��クが優先的に実現される。そうすると、こ� ��目標トルクの急変に対応するため、上記選� ��部69において「第2目標点火時期」が選択さ� ��る。

 詳細には、時刻t12において、図6(D)に示す ように、時刻t11~t12の目標点火時期よりも遅� �側の点火時期に設定される。そうすると、� �ンジン1で発生した全エネルギのうち排気エ� ��ルギに分配される比率が高くなる。このた� ��、図6(C)においてハッチングHで示すように� �所定期間Bにおける実際の排気エネルギ(瞬時 )が、目標排気エネルギ(瞬時)に比して大きく なる。すなわち、目標トルクが優先的に実現 される所定期間Bにおいて、目標排気エネル� �(瞬時)が実現されなくなる。

 さらに、図6(B)に示すように、この期間B� �おいて、実際の排気エネルギ(積算)が目標排 気エネルギ(積算)に比して大きくなる。すな� ��ち、期間Bにおいて、目標排気エネルギ(積� �)が実現されなくなる。

 その後、時刻t13において、目標トルクが� ��に戻され、目標トルクが優先的に実現され� ��期間Bが終了すると、目標排気エネルギ(瞬� �)が再計算される。ここで、期間B内は、排気 エネルギ推定部70において、第2目標点火時期 に基づいて実際の排気エネルギ(積算)が算出� ��れている。そこで、目標排気エネルギ算出� ��62において、時刻t14において予め算出され� �目標排気エネルギ(積算値)Ea(t14)となるよう� �、時刻t13において、実際の排気エネルギ(積� ��)を考慮して目標排気エネルギ(瞬時)が算出� ��れる。

 具体的には、目標排気エネルギ算出部62� �おいて、時刻t13における実際の排気エネル� �(積算)と目標排気エネルギ(積算値)Ea(t14)との 差分を、時刻t13~時刻t14の期間で分割するこ� �により、時刻t14における目標排気エネルギ(� ��時)が算出される。

 さらに、この再計算された目標排気エネ� ��ギ(瞬時)を実現するための目標点火時期が� �上記目標点火時期算出部67において算出され る。そして、目標選択部69において、目標排� ��エネルギ(瞬時)を実現するための「目標点� �時期」が選択される。

 以上説明したように、本実施の形態2では 、吸気量制御では実現できない目標トルクの 急変を実現するために、目標点火時期と第2� �標点火時期との間で選択可能とされた。第2� ��標点火時期が選択されている期間B内は、目 標排気エネルギ(瞬時,積算)が実現することが できないため、該期間B内における実際の排� �エネルギ(積算)が推定される。そして、目標 点火時期が再び選択された場合には、推定さ れた実際の排気エネルギ(積算)を考慮して、� ��標排気エネルギ(瞬時)が再計算される。よ� �て、目標トルクの急変を実現する場合であ� �ても、予め決定された目標排気エネルギ(積� ��)Ea(t14)を実現することができる。

 尚、本実施の形態2においては、第2目標� �火時期算出部68が第4の発明における「第2点� ��時期算出手段」に、選択部69が第4の発明に� ��ける「点火時期選択手段」に、目標排気エ� ��ルギ算出部62が第5及び第6の発明における「 補正手段」に、排気エネルギ推定部70が第6の 発明における「排気エネルギ推定手段」に、 それぞれ相当する。