内燃機関の制御装置
【課題】本発明は、内燃機関の制御装置に関し、掃気効果を利用した充填効率向上手法と、過給機による充填効率向上手法とを状況に応じて適切に組み合わせることにより、燃費改善とトルク増大とを両立することを目的とする。
【解決手段】本発明の内燃機関の制御装置は、小ターボ使用領域では小ターボ過給機１６を主として作動させ、小ターボ使用領域より高回転高負荷側の大ターボ使用領域では大ターボ過給機１８を主として作動させる。小ターボ過給機１６の使用時であって、排気圧力レベルが低い場合には、排気圧力の脈動が谷となるタイミングをバルブオーバーラップ期間に一致させることにより、掃気効果を利用した充填効率の向上が可能である。そこで、排気圧力レベルが低い場合には、掃気効果を利用した充填効率の向上によりトルク増大と燃費改善とが両立できる小ターボ使用領域を拡大し、ポンプ損失が比較的大きい大ターボ使用領域を縮小する。
【解決手段】本発明の内燃機関の制御装置は、小ターボ使用領域では小ターボ過給機１６を主として作動させ、小ターボ使用領域より高回転高負荷側の大ターボ使用領域では大ターボ過給機１８を主として作動させる。小ターボ過給機１６の使用時であって、排気圧力レベルが低い場合には、排気圧力の脈動が谷となるタイミングをバルブオーバーラップ期間に一致させることにより、掃気効果を利用した充填効率の向上が可能である。そこで、排気圧力レベルが低い場合には、掃気効果を利用した充填効率の向上によりトルク増大と燃費改善とが両立できる小ターボ使用領域を拡大し、ポンプ損失が比較的大きい大ターボ使用領域を縮小する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開２００５−８３２８５号公報には、燃料噴射弁の噴射方向を、第１吸気ポートに指向させると共に、第２吸気ポートを開閉させる第２吸気弁の開弁時期を、第１吸気ポートを開閉させる第１吸気弁の開弁時期に対して所定角度だけ進角させた過給機付エンジンの動弁装置が開示されている。この装置によれば、第２吸気弁の開弁時期を進角させることで、排気弁と吸気弁とが共に開弁するバルブオーバーラップ期間において、先ず第２吸気弁が開弁して燃料を伴わない過給された新気のみにてシリンダ内が掃気され、次いで第１吸気弁が開弁することで、新気と霧化された燃料との混合気がシリンダ内に供給される。このため、新気によるシリンダ内の掃気を効率よく行い、充填効率を高めると共に、燃料の吹き抜けを防止することができると同公報には記載されている。
【０００３】
また、特開平１０−１７６５５８号公報には、吸気弁及び排気弁の両方が開いているオーバーラップ期間の中心時期が、エンジンの低速回転低負荷運転域では上死点に略一致し、残りの運転域のうちの大部分においては上死点後となるよう吸気弁，排気弁の開，閉タイミングを可変制御し、もって排気脈動の負圧波をオーバーラップ時に同調させることにより、掃気効果を高めて吸入空気量を増加しトルクを増大するエンジンの運転制御装置が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−８３２８５号公報
【特許文献２】特開２００７−１５４６８４号公報
【特許文献３】特開平１０−１７６５５８号公報
【特許文献４】特開平１１−３２４７４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の技術のように、バルブオーバーラップ期間における掃気効果を利用することにより、充填効率を向上し、筒内空気量を増大させることが可能となる。
【０００６】
ところで、充填効率（筒内空気量）を増大させる方法としては、過給を行う方法もある。しかしながら、過給機を作動させると、ポンプ損失（ターボ過給機の場合）あるいは機械損失（機械式過給機の場合）が増大するので、燃費が悪化する傾向がある。これに対し、掃気効果を利用した充填効率向上の手法は、燃費を悪化させることがなく、好ましい。
【０００７】
その一方で、掃気効果を利用した充填効率向上の手法には、次のような問題がある。掃気効果が生ずるには、少なくともバルブオーバーラップ期間において排気圧力が吸気圧力より低くなることが条件となる。よって、この条件が満足されない場合には、掃気効果を利用して充填効率を向上することはできない。例えば、ＰＭ(Particulate Matter)等の粒子状物質を捕集する排気フィルタを備えたシステムの場合では、排気フィルタの目詰まりが進行すると、排気圧力レベルが上昇するので、バルブオーバーラップ期間において、吸気圧力と排気圧力との差圧が小さくなったり、排気圧力が吸気圧力より高くなったりする場合がある。そのような場合には、掃気効果が発揮されず、トルクの増大が図れないという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、掃気効果を利用した充填効率向上手法と、過給機による充填効率向上手法とを状況に応じて適切に組み合わせることにより、燃費改善とトルク増大とを両立することのできる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の制御装置であって、
過給機と、
第１の運転領域では前記過給機を実質的に作動させず、前記第１の運転領域より高回転高負荷側の第２の運転領域では前記過給機を作動させる過給機切替手段と、
排気圧力レベルが所定レベルより低いか否かを判別する排気圧力レベル判別手段と、
排気圧力レベルが前記所定レベルより低い場合には、排気圧力レベルが前記所定レベルより高い場合と比べ、前記第１の運転領域を拡大し、前記第２の運転領域を縮小する領域変更手段と、
吸気弁開弁期間と排気弁開弁期間とが重なるバルブオーバーラップ期間を設けるとともに、排気圧力の脈動が谷となるタイミングを前記バルブオーバーラップ期間に一致させる充填効率向上手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、第２の発明は、内燃機関の制御装置であって、
小過給機と、
前記小過給機より大容量の大過給機と、
小過給機使用領域では前記小過給機を主として作動させ、前記小過給機使用領域より高回転高負荷側の大過給機使用領域では前記大過給機を主として作動させる過給機切替手段と、
排気圧力レベルが所定レベルより低いか否かを判別する排気圧力レベル判別手段と、
排気圧力レベルが前記所定レベルより低い場合には、排気圧力レベルが前記所定レベルより高い場合と比べ、前記小過給機使用領域を拡大し、前記大過給機使用領域を縮小する領域変更手段と、
吸気弁開弁期間と排気弁開弁期間とが重なるバルブオーバーラップ期間を設けるとともに、排気圧力の脈動が谷となるタイミングを前記バルブオーバーラップ期間に一致させる充填効率向上手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、第３の発明は、第２の発明において、
前記小過給機および前記大過給機は、それぞれ、排気ガスによって作動するタービンを有するターボ過給機であり、
前記小過給機のタービンの下流側に前記大過給機のタービンが配置されていることを特徴とする。
【００１２】
また、第４の発明は、第３の発明において、
前記過給機切替手段は、
前記小過給機のタービンをバイパスして排気ガスを通す小タービンバイパス通路と、
前記小タービンバイパス通路を開閉する小タービンバイパス通路開閉弁と、
を含み、
前記小過給機使用領域では、前記小タービンバイパス通路開閉弁を閉じ、前記大過給機使用領域では、前記小タービンバイパス通路開閉弁を開くことを特徴とする。
【００１３】
また、第５の発明は、第４の発明において、
前記過給機切替手段は、
前記大過給機のタービンをバイパスして排気ガスを通す大タービンバイパス通路と、
前記大タービンバイパス通路を開閉する大タービンバイパス通路開閉弁と、
を更に含み、
前記小過給機使用領域では、前記小タービンバイパス通路開閉弁を閉じて前記大タービンバイパス通路開閉弁を開き、前記大過給機使用領域では、前記小タービンバイパス通路開閉弁を開いて前記大タービンバイパス通路開閉弁を閉じることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
第１の発明によれば、排気圧力レベルが低い場合には、排気圧力の脈動が谷となるタイミングをバルブオーバーラップ期間に一致させることにより、バルブオーバーラップ期間において排気圧力を吸気圧力より低くすることができるので、掃気効果を利用して充填効率（トルク）を向上することができる。そこで、第１の発明では、排気圧力レベルが低い場合には、排気圧力レベルが高い場合と比べ、過給機を実質的に使用しない第１の運転領域を拡大し、過給機を使用する第２の運転領域を縮小する。これにより、燃費に悪影響を与えない掃気効果による充填効率向上（トルク増大）の恩恵をより広い領域で享受することができるとともに、ポンプ損失あるいは機械損失の増大をもたらす過給機の使用領域を狭めることができる。このため、燃費改善とトルク増大とを両立することができる。また、排気圧力レベルが高く、掃気効果による充填効率向上（トルク増大）が見込めない場合には、過給機の使用領域を拡大することができる。これにより、排気圧力レベルが高い場合であっても、トルクの低下を確実に抑制することができる。
【００１５】
第２の発明によれば、排気圧力レベルが低い場合には、排気圧力の脈動が谷となるタイミングをバルブオーバーラップ期間に一致させることにより、バルブオーバーラップ期間において排気圧力を吸気圧力より低くすることができるので、掃気効果を利用して充填効率（トルク）を向上することができる。そこで、第２の発明では、排気圧力レベルが低い場合には、排気圧力レベルが高い場合と比べ、掃気効果による充填効率向上（トルク増大）が可能な小過給機使用領域を拡大し、大過給機使用領域を縮小する。これにより、燃費に悪影響を与えない掃気効果による充填効率向上の恩恵をより広い領域で享受することができるとともに、ポンプ損失あるいは機械損失の増大をもたらす大過給機の使用領域を狭めることができる。このため、燃費改善とトルク増大とを両立することができる。また、排気圧力レベルが高く、掃気効果による充填効率向上（トルク増大）が見込めない場合には、高過給圧の得られる大過給機の使用領域を拡大することができる。これにより、排気圧力レベルが高い場合であっても、トルクの低下を確実に抑制することができる。
【００１６】
第３の発明では、小ターボ過給機のタービンの下流側に大ターボ過給機のタービンが配置されている。大ターボ過給機の使用時は、タービンまでの排気経路が長くなり、排気系容積が大きくなる。このため、排気圧力の脈動が弱くなり、掃気効果による充填効率向上（トルク増大）が見込めない。一方、小ターボ過給機の使用時は、排気系容積が小さくなり、排気圧力の脈動を強くすることができるので、排気圧力レベルの低い場合であれば、掃気効果による充填効率向上が見込める。第３の発明によれば、排気圧力レベルが低い場合には、掃気効果による充填効率向上が見込め、ポンプ損失の少ない小ターボ過給機使用領域を拡大するので、燃費改善とトルク増大とを両立することができる。また、排気圧力レベルが高く、掃気効果による充填効率向上が見込めない場合には、高過給圧の得られる大ターボ過給機の使用領域を拡大することができる。これにより、排気圧力レベルが高い場合であっても、トルクの低下を確実に抑制することができる。
【００１７】
第４の発明によれば、小過給機使用領域では、小タービンバイパス通路開閉弁を閉じ、大過給機使用領域では、小タービンバイパス通路開閉弁を開くことにより、簡単な構造で、小ターボ過給機と大ターボ過給機とを円滑かつ確実に切り替えることができる。
【００１８】
第５の発明によれば、小過給機使用領域では、小タービンバイパス通路開閉弁を閉じて大タービンバイパス通路開閉弁を開き、大過給機使用領域では、小タービンバイパス通路開閉弁を開いて大タービンバイパス通路開閉弁を閉じることにより、簡単な構造で、小ターボ過給機と大ターボ過給機とを円滑かつ確実に切り替えることができる。また、小ターボ過給機が使用されているとき、大ターボ過給機のタービンをバイパスして排気ガスを流すことができるので、背圧を低くすることができる。このため、バルブオーバーラップ期間における掃気効果を利用して充填効率（トルク）を向上させる場合に、吸気圧力と排気圧力との差圧を十分に大きくすることができるので、掃気効果をより確実に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。なお、各図において共通する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
【００２０】
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のシステム構成を説明するための図である。図１に示すシステムは、４サイクルのディーゼル機関１０を備えている。ディーゼル機関１０は、車両に搭載され、その動力源とされているものとする。ディーゼル機関１０の各気筒から排出される排気ガスは、排気マニホールド１２によって集合され、排気通路１４に流入する。なお、本実施形態のディーゼル機関１０は、直列４気筒型であるが、本発明におけるディーゼル機関の気筒数および気筒配置はこれに限定されるものではない。
【００２１】
本実施形態のディーゼル機関１０は、小ターボ過給機１６と、この小ターボ過給機１６より大容量の（高流量に適した）大ターボ過給機１８とを備えている。後述するように、ディーゼル機関１０では、比較的低回転低負荷側の運転領域では小ターボ過給機１６が使用され、比較的高回転高負荷側の運転領域では大ターボ過給機１８が使用される。
【００２２】
大ターボ過給機１８のタービン１８ａは、小ターボ過給機１６のタービン１６ａの下流側に配置されている。すなわち、排気マニホールド１２の直下の排気通路１４は、小ターボ過給機１６のタービン１６ａの入口に接続されている。そして、小ターボ過給機１６のタービン１６ａの出口から延びる排気通路１７は、大ターボ過給機１８のタービン１８ａの入口に接続されている。
【００２３】
小ターボ過給機１６のタービン１６ａの上流側の排気通路１４と下流側の排気通路１７とは、小タービンバイパス通路２０によって接続されている。小タービンバイパス通路２０の途中には、この通路を開閉する開閉弁２２が設置されている。
【００２４】
また、大ターボ過給機１８のタービン１８ａの上流側の排気通路１７と下流側の排気通路１９とは、大タービンバイパス通路２４によって接続されている。大タービンバイパス通路２４の途中には、この通路を開閉する開閉弁２６が設置されている。
【００２５】
大ターボ過給機１８のタービン１８ａの下流側の排気通路１９の途中には、排気ガス中の粒子状物質（以下、「ＰＭ(Particulate Matter)」で代表する）を捕捉するための排気フィルタ２８が設けられている。図示を省略するが、排気フィルタ２８の上流側または下流側に排気浄化触媒が設置されていてもよい。また、排気フィルタ２８に触媒成分が担持されていてもよい。
【００２６】
排気フィルタ２８の近傍には、排気フィルタ２８の上流側の圧力と下流側の圧力との差圧を検出する差圧センサ３０が設置されている。排気フィルタ２８にＰＭが蓄積することによって排気フィルタ２８の通気抵抗が増大していくと、差圧センサ３０で検出される差圧が大きくなっていく。このため、差圧センサ３０によって、排気フィルタ２８のＰＭ蓄積量（目詰まり度合い）を検知することができる。排気フィルタ２８のＰＭ蓄積量（目詰まり度合い）が所定の基準値を超えた場合には、排気フィルタ２８に捕集されたＰＭを燃焼除去するＰＭ再生制御が実施される。ＰＭ再生制御では、ポスト噴射や排気系燃料添加等の方法によって排気通路１４に未燃燃料を流通させ、その未燃燃料を排気フィルタ２８で燃焼させることにより、排気フィルタ２８を例えば６００℃程度の高温にする。
【００２７】
ディーゼル機関１０の吸気通路３２の入口付近には、エアクリーナ３４が設けられている。吸気通路３２は、エアクリーナ３４の下流側で、第１通路３２ａと第２通路３２ｂとに分岐している。第１通路３２ａの途中には小ターボ過給機１６のコンプレッサ１６ｂが配置されており、第２通路３２ｂの途中には大ターボ過給機１８のコンプレッサ１８ｂが配置されている。両コンプレッサ１６ｂ，１８ｂの下流側で、第１通路３２ａおよび第２通路３２ｂは再度合流し、インタークーラ３６へと接続されている。インタークーラ３６の下流側の吸気通路３２は、吸気マニホールド３８に接続されている。
【００２８】
エアクリーナ３４を通って吸入された空気は、小ターボ過給機１６のコンプレッサ１６ｂあるいは大ターボ過給機１８のコンプレッサ１８ｂで圧縮された後、インタークーラ３６で冷却され、吸気マニホールド３８を経て各気筒に流入する。
【００２９】
また、本実施形態のシステムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を更に備えている。ＥＣＵ５０には、上述した開閉弁２２，２６や、差圧センサ３０、ディーゼル機関１０が搭載された車両のアクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）を検出するアクセルポジションセンサ４０等、各種のセンサおよびアクチュエータが電気的に接続されている。ＥＣＵ５０は、各センサの出力に基づき、所定のプログラムに従って各アクチュエータを作動させることにより、ディーゼル機関１０の運転状態を制御する。
【００３０】
図２は、図１に示すシステムにおけるディーゼル機関１０の一つの気筒の断面を示す図である。以下、本実施形態のディーゼル機関１０について更に説明する。ディーゼル機関１０の気筒には、燃料を筒内に直接噴射するインジェクタ４２が設置されている。各気筒のインジェクタ４２は、図示しないコモンレールに接続されている。そのコモンレール内には、図示しないサプライポンプによって加圧された高圧の燃料が貯留されている。そして、上記コモンレール内から、各気筒のインジェクタ４２へ燃料が供給される。
【００３１】
ディーゼル機関１０のクランク軸４４の近傍には、クランク軸４４の回転角度を検出するクランク角センサ４６が取り付けられている。ＥＣＵ５０は、クランク角センサ４６の信号に基づいて機関回転数を算出することができる。
【００３２】
また、ディーゼル機関１０は、排気弁５６のバルブタイミングを可変とする排気ＶＶＴ機構（排気可変動弁装置）５８を備えている。本実施形態の排気ＶＶＴ機構５８は、排気弁５６を駆動するカムシャフトの位相を変化させることにより、排気弁５６の開弁期間の位相を早くしたり遅くしたりすることができる。すなわち、排気ＶＶＴ機構５８によれば、開弁期間一定のままで排気弁開き時期（Exhaust Valve Open：ＥＶＯ）および排気弁閉じ時期（Exhaust Valve Close：ＥＶＣ）を連続的に進角したり遅角したりすることができる。この排気ＶＶＴ機構５８は、ＥＣＵ５０に接続されている。
【００３３】
なお、本発明における排気可変動弁装置は、排気ＶＶＴ機構５８に限定されるものではない。すなわち、本発明における排気可変動弁装置は、排気弁５６の少なくとも開き時期を連続的または段階的に変化させることのできるものであれば、いかなる構成のものでもよく、例えば次に例示するようなものを用いることもできる。
(1)排気弁５６とカムシャフトとの間に揺動カムなどを介在させることにより、排気弁５６の開き時期を作用角（開弁期間）とともに変化させる作用角可変機構。
(2)排気弁５６を開くためのカムを電気モータによって回転駆動することにより、排気弁５６を任意の時期に開閉可能とする機構。
(3)排気弁５６を電磁力によって駆動することにより任意の時期に開閉可能とする機構（電磁駆動弁）。
【００３４】
また、図２の構成では、ディーゼル機関１０は、吸気弁５２のバルブタイミングを可変とする吸気ＶＶＴ機構（吸気可変動弁装置）５４を更に備えているが、本発明では、吸気弁５２の開弁特性は固定とされていてもよい。すなわち、本発明では、吸気ＶＶＴ機構５４を設けず、通常の動弁機構により吸気弁５２を駆動してもよい。
【００３５】
［実施の形態１の特徴］
（過給機切替制御）
一般に、ターボ過給機を備えた内燃機関では、排気エネルギの小さい低回転低負荷側の運転領域においてタービンが有効に作動しないため、トルク不足、燃費悪化、応答性悪化（いわゆるターボラグ）等を生じ易いという課題がある。
【００３６】
これに対し、本実施形態のディーゼル機関１０では、排気エネルギの小さい低回転低負荷側の運転領域では小ターボ過給機１６を使用し、排気エネルギの大きい高回転高負荷側の運転領域では大ターボ過給機１８を使用する。小ターボ過給機１６は、大ターボ過給機１８に比して小容量とされているため、小さい排気エネルギでも有効に作動する。このため、本実施形態のディーゼル機関１０では、低回転低負荷側の運転領域においても、過給を良好に行うことができ、トルク、燃費、応答性等の特性を十分に改善することができる。この点について、図３を参照して更に説明する。
【００３７】
図３は、小ターボ過給機１６および大ターボ過給機１８の各々の過給特性を示す図である。同図に示すように、小ターボ過給機１６は、低排気エネルギ側（低回転低負荷側）の領域では、大ターボ過給機１８に比して高い過給圧を発生させる。これに対し、高排気エネルギ側の領域では、小ターボ過給機１６の過給圧は頭打ちとなる。その一方で、大ターボ過給機１８の過給圧は、排気エネルギの上昇とともに増大する。よって、低排気エネルギ側の領域では小ターボ過給機１６を作動させ、高排気エネルギ側の領域では大ターボ過給機１８を作動させることにより、全域において高い過給圧を得ることができる。
【００３８】
なお、図３の横軸の排気エネルギは、排気ガスの量、温度および圧力によって定まり、高回転高負荷側ほど増大する値である。また、図３中の小ターボ過給機１６の過給特性は、後述する充填効率向上制御を実行しなかった場合のものである。
【００３９】
以下、小ターボ過給機１６を作動させる運転領域を「小ターボ使用領域」と称し、大ターボ過給機１８を作動させる運転領域を「大ターボ使用領域」と称する。ＥＣＵ５０には、小ターボ使用領域と大ターボ使用領域とを定めたマップが記憶されている。そして、ＥＣＵ５０は、クランク角センサ４６およびアクセルポジションセンサ４０の検出信号からディーゼル機関１０の回転数および負荷を算出し、その回転数および負荷で規定される動作点が小ターボ使用領域にある場合には小ターボ過給機１６を使用し、同動作点が大ターボ使用領域にある場合には大ターボ過給機１８を使用する過給機切替制御を実行する。
【００４０】
小ターボ使用領域においては、小タービンバイパス通路２０に設けられた開閉弁２２を閉状態とするとともに、大タービンバイパス通路２４に設けられた開閉弁２６を開状態とする。この状態では、排気マニホールド１２からの排気ガスは、まず、小ターボ過給機１６のタービン１６ａに流入し、このタービン１６ａを作動させる。タービン１６ａを出た排気ガスの流路は、開閉弁２６が開いているため、大ターボ過給機１８のタービン１８ａと、大タービンバイパス通路２４とに分かれている。しかしながら、タービン１６ａを出た排気ガスのほとんどは、通気抵抗の小さい大タービンバイパス通路２４に流入する。このため、大ターボ過給機１８のタービン１８ａは実質的に作動しない。このようにして、小ターボ使用領域においては、小ターボ過給機１６が主として作動する。
【００４１】
一方、大ターボ使用領域においては、小タービンバイパス通路２０に設けられた開閉弁２２を開状態とするとともに、大タービンバイパス通路２４に設けられた開閉弁２６を閉状態とする。この状態では、開閉弁２２が開いているため、排気マニホールド１２から流入した排気ガスの流路は、小ターボ過給機１６のタービン１６ａと、小タービンバイパス通路２０とに分かれている。しかしながら、排気マニホールド１２からの排気ガスのほとんどは、通気抵抗の小さい小タービンバイパス通路２０に流入する。このため、小ターボ過給機１６のタービン１６ａは実質的に作動しない。小タービンバイパス通路２０を通過して排気通路１７に流入した排気ガスは、次に、大ターボ過給機１８のタービン１８ａに流入し、このタービン１８ａを作動させる。このようにして、大ターボ使用領域においては、大ターボ過給機１８が主として作動する。
【００４２】
（充填効率向上制御）
また、本実施形態のシステムは、排気弁５６の開弁期間と吸気弁５２の開弁期間とが重なったバルブオーバーラップ期間（吸排気上死点付近）における掃気効果を利用することによってディーゼル機関１０の充填効率ηvを向上させる充填効率向上制御を実行可能になっている。図４は、充填効率向上制御を説明するための図である。
【００４３】
排気圧力（排気マニホールド圧力）は、各気筒の排気弁５６から排気ガスが間欠的に排出されるのに伴って、脈動（変動）する。図４中の破線の波形は、排気弁開き時期がベースの時期となるように排気ＶＶＴ機構５８が制御されている場合における排気圧力の脈動を示す。この波形に示すように、排気弁開き時期がベースの時期となるように制御されている場合には、排気圧力の脈動の谷のタイミングは、吸気弁５２の開き時期（Intake Valve Open：ＩＶＯ）よりも前の時期になっている。
【００４４】
これに対し、図４中の実線の波形は、排気弁開き時期がベースの時期よりも遅い時期となるように排気ＶＶＴ機構５８が制御されている場合における排気圧力の脈動を示す。排気弁開き時期を遅くするほど、排気ガスが排気ポートへ放出されるタイミングが遅くなるので、排気圧力の波形（位相）は、図４中で右側にシフトする。よって、排気弁開き時期を遅らせる量を適度に設定することにより、図４に示すように、排気圧力の脈動の谷のタイミングをバルブオーバーラップ期間に一致させることができる。充填効率向上制御においては、上記のように、排気弁開き時期をベースより遅くすることにより、排気圧力の脈動の谷のタイミングがバルブオーバーラップ期間に一致するように制御される。
【００４５】
一方、図４中の一点鎖線は、吸気圧力（吸気マニホールド圧力）を示している。図４に示すように、吸気圧力はクランク角によらずほぼ一定である。このため、充填効率向上制御の実行によって排気圧力の脈動の谷のタイミングをバルブオーバーラップ期間に一致させると、バルブオーバーラップ期間において吸気圧力を排気圧力より高くすることができる。このため、吸気弁５２が開いたとき、吸気弁５２から筒内に流入する新気によって筒内の既燃ガスを速やかに排気ポートへ追い出すことができる。このようにして、高い掃気効果が得られ、筒内の既燃ガスを円滑かつ確実に新気に置換することができる。その結果、残留ガスを十分に低減することができ、その分、筒内に充填される新気の量を増やすことができる。つまり、充填効率ηvを増大させることができ、ディーゼル機関１０のトルクを増大することができる。
【００４６】
本実施形態のシステムでは、小ターボ過給機１６が使用されている状態では、上記のような充填効率向上制御の効果を十分に得ることができる。これに対し、大ターボ過給機１８が使用されている状態では、上記充填効率向上制御の効果を十分に得ることができない。その理由は次の通りである。
【００４７】
排気圧力の脈動は、排気マニホールド１２およびこれに連通する空間の容積（これらを合わせて以下「排気系容積」と称する）が小さいほど、強くなる（振幅が小さくなる）。これは、排気系容積が小さいほど、排気弁５６から排気ガスが排出されたときに排気マニホールド圧力がより高く上昇し、その反作用として排気行程後期の排気マニホールド圧力がより低くなるからである。逆に、排気系容積が大きいほど、排気圧力の脈動は、弱くなる（振幅が小さくなる）。
【００４８】
小ターボ過給機１６が使用されている状態では、開閉弁２０が閉じられるので、小タービンバイパス通路２０には排気ガスが流れない。そして、排気の圧力波は、小ターボ過給機１６のタービン１６ａの入口で反射する。このため、小ターボ過給機１６のタービン１６ａの入口までが排気系容積となるので、排気系容積は小さくなる。よって、排気圧力の脈動の振幅が大きくなり、脈動の谷での排気圧力は十分に低くなる。このため、バルブオーバーラップ期間において吸気圧力と排気圧力との差圧を十分に大きくすることができるので、掃気効果が十分に発揮され、充填効率およびトルクを十分に向上することができる。
【００４９】
一方、大ターボ過給機１８が使用されている状態では、開閉弁２０が開かれるので、小タービンバイパス通路２０を介して排気通路１７が排気マニホールド１２と連通する。この場合、排気の圧力波は、大ターボ過給機１８のタービン１８ａの入口で反射する。このため、大ターボ過給機１８のタービン１８ａの入口までが排気系容積となる。よって、小タービンバイパス通路２０や排気通路１７が排気系容積に加わることとなり、排気系容積が拡大する。その結果、排気圧力の脈動の振幅が小さくなり、脈動の谷での排気圧力が低くならず、バルブオーバーラップ期間において吸気圧力と排気圧力との差圧を十分に大きくすることができない。このため、掃気効果が十分に発揮されず、充填効率およびトルクを十分に向上することができない。
【００５０】
上述したように、本実施形態では、小ターボ過給機１６が使用されている場合には、充填効率向上制御によって空気量およびトルクを増大することができる。ただし、充填効率向上制御の効果が生ずるには、バルブオーバーラップ期間において排気圧力が吸気圧力より十分に低くなることが必要である。このため、排気フィルタ２８の目詰まり等の原因によって排気圧力レベル（平均的な排気圧力）が上昇した場合には、バルブオーバーラップ期間において排気圧力が吸気圧力より十分に低くならず、充填効率向上制御の効果が減退する。
【００５１】
すなわち、排気フィルタ２８のＰＭ蓄積量が多くなり、排気フィルタ２８の通気抵抗が大きくなった状況下では、図４に示すような排気圧力の波形が圧力増大方向（図４中の上方向）にシフトする。このため、排気圧力の脈動の谷のタイミングをバルブオーバーラップ期間に一致させたとしても、吸気圧力を排気圧力より十分に低くすることができなかったり、あるいは吸気圧力よりも排気圧力の方が大きくなったりする。このような場合には、掃気効果が発揮されにくいので、空気量およびトルクを十分に高めることができない。
【００５２】
以上説明したようなことから、小ターボ過給機１６使用時および大ターボ過給機１８使用時の空気量特性は、図５に示すようになる。図５中の実線のグラフは、排気圧力レベルが高い場合（排気フィルタ２８のＰＭ蓄積量が多い場合）における小ターボ過給機１６使用時の空気量特性であり、図５中の破線のグラフは、排気圧力レベルが低い場合（排気フィルタ２８のＰＭ蓄積量が少ない場合）における小ターボ過給機１６使用時の空気量特性であり、図５中の一点鎖線のグラフは、大ターボ過給機１８使用時の空気量特性である。
【００５３】
前述したように、小ターボ過給機１６使用時において、排気圧力レベルが低い場合には充填効率向上制御の効果が十分に発揮されるのに対し、排気圧力レベルが高い場合には充填効率向上制御の効果が発揮されにくい。このため、図５から分かるように、小ターボ過給機１６使用時において、排気圧力レベルが低い場合には、排気圧力レベルが高い場合と比べ、空気量およびトルクを増大させることができる。
【００５４】
一方、大ターボ過給機１８使用時には、前述したように、充填効率向上制御の効果はほとんど得られない。このため、大ターボ過給機１８使用時の空気量特性は、排気圧力レベルが高い場合であっても低い場合であっても同じである。
【００５５】
過給機切替制御において、小ターボ過給機１６使用状態から大ターボ過給機１８使用状態へ切り替える最適なポイントは、両者の空気量特性が逆転するポイントである。従って、排気圧力レベルが高い場合の最適切替ポイントは、図５中で実線と一点鎖線とが交差する点Ａとなる。これに対し、排気圧力レベルが低い場合の最適切替ポイントは、図５中で破線と一点鎖線とが交差する点Ｂとなる。図５から分かるように、点Ｂ（排気圧力レベルが低い場合の最適切替ポイント）は、点Ａ（排気圧力レベルが高い場合の最適切替ポイント）に比して、排気エネルギが高い側、すなわち高回転高負荷側にある。このように、排気圧力レベルが低い場合には、排気圧力レベルが高い場合と比べ、最適な過給機切替ポイントが高回転高負荷側へシフトする。このため、排気圧力レベルが低い場合には、排気圧力レベルが高い場合と比べ、小ターボ過給機１６と大ターボ過給機１８との切替ポイントを高回転高負荷側へシフトさせることが理想である。
【００５６】
図６は、上記の理想を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が用いるマップである。図６中の実線は、排気圧力レベルが高い場合における最適な過給機切替ポイントを連ねたラインである。ＥＣＵ５０は、排気圧力レベルが所定の判定レベルより高いことが検知された場合には、図６中の実線を境に、低回転低負荷側を小ターボ使用領域、高回転高負荷側を大ターボ使用領域として、過給機切替制御を実行する。
【００５７】
一方、図６中の破線は、排気圧力レベルが低い場合における最適な過給機切替ポイントを連ねたラインである。ＥＣＵ５０は、排気圧力レベルが上記判定レベルより低いことが検知された場合には、図６中の破線を境に、低回転低負荷側を小ターボ使用領域、高回転高負荷側を大ターボ使用領域として、過給機切替制御を実行する。
【００５８】
すなわち、本実施形態では、排気圧力レベルが判定レベルより低い場合には、排気圧力レベルが判定レベルより高い場合と比べ、小ターボ使用領域を拡大し、大ターボ使用領域を縮小することとしている。これにより、排気圧力レベルが高い場合と低い場合との何れの場合であっても、最適な切替ポイント、つまり過渡的な空気量を最大にできるようなポイントで、小ターボ過給機１６と大ターボ過給機１８とを切り替えることができる。
【００５９】
これに対し、本発明と異なり、過給機切替ラインを常に一定にした場合には、過渡的な空気量を最大とすることができない。例えば、図５中で、排気圧力レベルが低い場合、つまり掃気効果による充填効率向上が見込める場合に、排気圧力レベルが高い場合の最適切替ポイントで過給機を切り替えたと仮定すると、空気量は点Ｃ→点Ａ→点Ｂの経路で変化する。このため、本来の最適切替ポイントである点Ｂで小ターボ過給機１６に切り替えた場合と比べ、図５中で三角形ＡＢＣで表される面積の分だけ、過渡的な空気量の低下が生ずる。これに対し、本実施形態の制御によれば、点Ｂまで小ターボ過給機１６の使用を継続するので、点Ｂまで充填効率向上制御の恩恵を受けることができる。その結果、空気量は点Ｃ→点Ｂの経路で変化する。すなわち、過渡的な空気量の低下を回避することができる。
【００６０】
逆に、図５中で、排気圧力レベルが高い場合、つまり掃気効果による充填効率向上が見込めない場合に、排気圧力レベルが低い場合の最適切替ポイントで過給機を切り替えたと仮定すると、空気量は点Ａ→点Ｄ→点Ｂのように変化する。このため、本来の最適切替ポイントである点Ａで大ターボ過給機１８に切り替えた場合と比べ、図５中で三角形ＡＢＤで表される面積の分だけ、過渡的な空気量が低下する。これに対し、本実施形態の制御によれば、点Ａで大ターボ過給機１８に切り替えることにより、大ターボ過給機１８による過給を早期に開始することができる。その結果、掃気効果を利用した充填効率向上が不十分であることを大ターボ過給機１８による過給によって補うことができ、空気量は点Ａ→点Ｂの経路で変化する。すなわち、上記のような過渡的な空気量の低下を回避することができる。
【００６１】
ところで、ターボ過給機を作動させると、一般に、内燃機関のポンプ損失が増大する。このポンプ損失の増大は、内燃機関の燃費を悪化させる方向に作用する。本実施形態のシステムでは、小ターボ過給機１６を使用している状態の方が大ターボ過給機１８を使用している状態よりもポンプ損失が小さい。このため、燃費の観点からは、小ターボ過給機１６を使用する方が有利である。一方、掃気効果を利用した充填効率向上制御は、燃費に悪影響を及ぼすことはない。
【００６２】
上述したように、本実施形態によれば、排気圧力レベルが判定レベルより低い場合、つまり掃気効果を利用した充填効率向上制御が有効である場合には、燃費性能がより良好な小ターボ過給機１８の使用領域を拡大し、充填効率向上制御の恩恵をより広範囲で享受することができる。このため、燃費を十分に低減することができる。
【００６３】
なお、排気圧力レベルの検出方法については、本実施形態では、差圧センサ３０で検出される排気フィルタ２８の前後の差圧と、排気圧力レベルとの間に相関があることを利用して、差圧センサ３０で検出される差圧から排気圧力レベルを算出することができる。本発明では、排気圧力レベルの検出方法は上記の方法に限定されるものではなく、例えば、排気マニホールド圧力を検出するセンサを設け、そのセンサでの検出値から排気圧力レベル（平均排気圧力）を算出するようにしてもよい。
【００６４】
また、図６に示す例では、排気圧力レベルの高低に応じて過給機切替ライン（小ターボ使用領域と大ターボ使用領域との境界）を２段階に変化させているが、本発明では、排気圧力レベルに応じて過給機切替ラインをより多段階に、あるいは連続的に、変化させるようにしてもよい。
【００６５】
また、本実施形態では、小ターボ過給機１６が使用されているとき、大ターボ過給機１８のタービン１８ａをバイパスして排気ガスを流すことができるので、背圧を低くすることができる。このため、バルブオーバーラップ期間における掃気効果を利用して充填効率（トルク）を向上させる場合に、吸気圧力と排気圧力との差圧を十分に大きくすることができるので、掃気効果をより確実に得ることができる。一方、本発明では、大タービンバイパス通路２４およびこれを開閉する開閉弁２６を備えない構成であってもよい。大タービンバイパス通路２４および開閉弁２６を備えない構成の場合、小ターボ使用領域では、小ターボ過給機１６のタービン１６ａによってエネルギが回収された後の排気ガス（つまり排気エネルギの小さい排気ガス）が大ターボ過給機１８のタービン１８ａに流入することとなるので、大ターボ過給機１８は有効に作動せず、小ターボ過給機１６が主として作動することとなる。また、大タービンバイパス通路２４および開閉弁２６を備えない構成の場合であっても、小ターボ使用領域において、大ターボ過給機１８のタービン１８ａの入口面積を可変とする可変ノズル（図示せず）を開くなどの方法によって背圧を低減することにより、大タービンバイパス通路２４がある場合に比較的近い効果を得ることも可能である。
【００６６】
また、本実施形態では、本発明をディーゼル機関（圧縮着火内燃機関）の制御に適用した場合について説明したが、本発明は、ディーゼル機関の制御に限定されるものではなく、火花点火内燃機関の制御に適用することも可能である。
【００６７】
また、本実施形態では、過給機がターボ過給機である場合について説明したが、本発明は、過給機が内燃機関の出力軸によって駆動される機械式過給機である場合にも適用可能である。本実施形態のシステムのように小過給機と大過給機とを備える場合には、何れか一方が機械式過給機で他方がターボ過給機であっても、両方が機械式過給機であってもよい。
【００６８】
また、本実施形態では、小過給機と大過給機とを備えるシステムを例に説明したが、本発明では、過給機が一つで、低回転低負荷側の運転領域では過給機を使用せず、高回転高負荷側の運転領域で過給機を使用するシステムにも適用可能である。
【００６９】
また、本実施形態では、小ターボ過給機１６が前記第２の発明における「小過給機」に、大ターボ過給機１８が前記第１の発明における「過給機」および前記第２の発明における「大過給機」に、小ターボ使用領域が前記第１の発明における「第１の運転領域」および前記第２の発明における「小過給機使用領域」に、大ターボ使用領域が前記第１の発明における「第２の運転領域」および前記第２の発明における「大過給機使用領域」に、それぞれ相当している。また、ＥＣＵ５０が、図６に示すマップに従って小ターボ過給機１６使用状態と大ターボ過給機１８使用状態とを切り替えることにより前記第１および第２の発明における「過給機切替手段」が、差圧センサ３０で検出される差圧から算出した排気圧力レベルが所定の判定レベルより高いか低いかを判定することにより前記第１および第２の発明における「排気圧力レベル判別手段」が、排気圧力レベルに基づいて図６に示すマップの過給機切替ラインを変化させることより前記第１および第２の発明における「領域変更手段」が、バルブオーバーラップ期間において掃気が生ずるように排気ＶＶＴ機構５８（必要に応じて更に吸気ＶＶＴ機構５４）を制御することにより前記第１および第２の発明における「充填効率向上手段」が、それぞれ実現されている。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。
【図２】本発明の実施の形態１のシステムにおけるディーゼル機関の一つの気筒の断面を示す図である。
【図３】小ターボ過給機および大ターボ過給機の各々の過給特性を示す図である。
【図４】充填効率向上制御を説明するための図である。
【図５】小ターボ過給機使用時および大ターボ過給機使用時の空気量特性を示す図である。
【図６】小ターボ使用領域および大ターボ使用領域を示すマップである。
【符号の説明】
【００７１】
１０ ディーゼル機関
１２ 排気マニホールド
１４，１７，１９ 排気通路
１６ 小ターボ過給機
１６ａ タービン
１６ｂ コンプレッサ
１８ 大ターボ過給機
１８ａ タービン
１８ｂ コンプレッサ
２０ 小タービンバイパス通路
２２ 開閉弁
２４ 大タービンバイパス通路
２６ 開閉弁
２８ 排気フィルタ
３０ 差圧センサ
３２ 吸気通路
３４ エアクリーナ
３６ インタークーラ
３８ 吸気マニホールド
５０ ＥＣＵ
５２ 吸気弁
５４ 吸気ＶＶＴ機構
５６ 排気弁
５８ 排気ＶＶＴ機構
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開２００５−８３２８５号公報には、燃料噴射弁の噴射方向を、第１吸気ポートに指向させると共に、第２吸気ポートを開閉させる第２吸気弁の開弁時期を、第１吸気ポートを開閉させる第１吸気弁の開弁時期に対して所定角度だけ進角させた過給機付エンジンの動弁装置が開示されている。この装置によれば、第２吸気弁の開弁時期を進角させることで、排気弁と吸気弁とが共に開弁するバルブオーバーラップ期間において、先ず第２吸気弁が開弁して燃料を伴わない過給された新気のみにてシリンダ内が掃気され、次いで第１吸気弁が開弁することで、新気と霧化された燃料との混合気がシリンダ内に供給される。このため、新気によるシリンダ内の掃気を効率よく行い、充填効率を高めると共に、燃料の吹き抜けを防止することができると同公報には記載されている。
【０００３】
また、特開平１０−１７６５５８号公報には、吸気弁及び排気弁の両方が開いているオーバーラップ期間の中心時期が、エンジンの低速回転低負荷運転域では上死点に略一致し、残りの運転域のうちの大部分においては上死点後となるよう吸気弁，排気弁の開，閉タイミングを可変制御し、もって排気脈動の負圧波をオーバーラップ時に同調させることにより、掃気効果を高めて吸入空気量を増加しトルクを増大するエンジンの運転制御装置が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−８３２８５号公報
【特許文献２】特開２００７−１５４６８４号公報
【特許文献３】特開平１０−１７６５５８号公報
【特許文献４】特開平１１−３２４７４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の技術のように、バルブオーバーラップ期間における掃気効果を利用することにより、充填効率を向上し、筒内空気量を増大させることが可能となる。
【０００６】
ところで、充填効率（筒内空気量）を増大させる方法としては、過給を行う方法もある。しかしながら、過給機を作動させると、ポンプ損失（ターボ過給機の場合）あるいは機械損失（機械式過給機の場合）が増大するので、燃費が悪化する傾向がある。これに対し、掃気効果を利用した充填効率向上の手法は、燃費を悪化させることがなく、好ましい。
【０００７】
その一方で、掃気効果を利用した充填効率向上の手法には、次のような問題がある。掃気効果が生ずるには、少なくともバルブオーバーラップ期間において排気圧力が吸気圧力より低くなることが条件となる。よって、この条件が満足されない場合には、掃気効果を利用して充填効率を向上することはできない。例えば、ＰＭ(Particulate Matter)等の粒子状物質を捕集する排気フィルタを備えたシステムの場合では、排気フィルタの目詰まりが進行すると、排気圧力レベルが上昇するので、バルブオーバーラップ期間において、吸気圧力と排気圧力との差圧が小さくなったり、排気圧力が吸気圧力より高くなったりする場合がある。そのような場合には、掃気効果が発揮されず、トルクの増大が図れないという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、掃気効果を利用した充填効率向上手法と、過給機による充填効率向上手法とを状況に応じて適切に組み合わせることにより、燃費改善とトルク増大とを両立することのできる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の制御装置であって、
過給機と、
第１の運転領域では前記過給機を実質的に作動させず、前記第１の運転領域より高回転高負荷側の第２の運転領域では前記過給機を作動させる過給機切替手段と、
排気圧力レベルが所定レベルより低いか否かを判別する排気圧力レベル判別手段と、
排気圧力レベルが前記所定レベルより低い場合には、排気圧力レベルが前記所定レベルより高い場合と比べ、前記第１の運転領域を拡大し、前記第２の運転領域を縮小する領域変更手段と、
吸気弁開弁期間と排気弁開弁期間とが重なるバルブオーバーラップ期間を設けるとともに、排気圧力の脈動が谷となるタイミングを前記バルブオーバーラップ期間に一致させる充填効率向上手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、第２の発明は、内燃機関の制御装置であって、
小過給機と、
前記小過給機より大容量の大過給機と、
小過給機使用領域では前記小過給機を主として作動させ、前記小過給機使用領域より高回転高負荷側の大過給機使用領域では前記大過給機を主として作動させる過給機切替手段と、
排気圧力レベルが所定レベルより低いか否かを判別する排気圧力レベル判別手段と、
排気圧力レベルが前記所定レベルより低い場合には、排気圧力レベルが前記所定レベルより高い場合と比べ、前記小過給機使用領域を拡大し、前記大過給機使用領域を縮小する領域変更手段と、
吸気弁開弁期間と排気弁開弁期間とが重なるバルブオーバーラップ期間を設けるとともに、排気圧力の脈動が谷となるタイミングを前記バルブオーバーラップ期間に一致させる充填効率向上手段と、
を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、第３の発明は、第２の発明において、
前記小過給機および前記大過給機は、それぞれ、排気ガスによって作動するタービンを有するターボ過給機であり、
前記小過給機のタービンの下流側に前記大過給機のタービンが配置されていることを特徴とする。
【００１２】
また、第４の発明は、第３の発明において、
前記過給機切替手段は、
前記小過給機のタービンをバイパスして排気ガスを通す小タービンバイパス通路と、
前記小タービンバイパス通路を開閉する小タービンバイパス通路開閉弁と、
を含み、
前記小過給機使用領域では、前記小タービンバイパス通路開閉弁を閉じ、前記大過給機使用領域では、前記小タービンバイパス通路開閉弁を開くことを特徴とする。
【００１３】
また、第５の発明は、第４の発明において、
前記過給機切替手段は、
前記大過給機のタービンをバイパスして排気ガスを通す大タービンバイパス通路と、
前記大タービンバイパス通路を開閉する大タービンバイパス通路開閉弁と、
を更に含み、
前記小過給機使用領域では、前記小タービンバイパス通路開閉弁を閉じて前記大タービンバイパス通路開閉弁を開き、前記大過給機使用領域では、前記小タービンバイパス通路開閉弁を開いて前記大タービンバイパス通路開閉弁を閉じることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
第１の発明によれば、排気圧力レベルが低い場合には、排気圧力の脈動が谷となるタイミングをバルブオーバーラップ期間に一致させることにより、バルブオーバーラップ期間において排気圧力を吸気圧力より低くすることができるので、掃気効果を利用して充填効率（トルク）を向上することができる。そこで、第１の発明では、排気圧力レベルが低い場合には、排気圧力レベルが高い場合と比べ、過給機を実質的に使用しない第１の運転領域を拡大し、過給機を使用する第２の運転領域を縮小する。これにより、燃費に悪影響を与えない掃気効果による充填効率向上（トルク増大）の恩恵をより広い領域で享受することができるとともに、ポンプ損失あるいは機械損失の増大をもたらす過給機の使用領域を狭めることができる。このため、燃費改善とトルク増大とを両立することができる。また、排気圧力レベルが高く、掃気効果による充填効率向上（トルク増大）が見込めない場合には、過給機の使用領域を拡大することができる。これにより、排気圧力レベルが高い場合であっても、トルクの低下を確実に抑制することができる。
【００１５】
第２の発明によれば、排気圧力レベルが低い場合には、排気圧力の脈動が谷となるタイミングをバルブオーバーラップ期間に一致させることにより、バルブオーバーラップ期間において排気圧力を吸気圧力より低くすることができるので、掃気効果を利用して充填効率（トルク）を向上することができる。そこで、第２の発明では、排気圧力レベルが低い場合には、排気圧力レベルが高い場合と比べ、掃気効果による充填効率向上（トルク増大）が可能な小過給機使用領域を拡大し、大過給機使用領域を縮小する。これにより、燃費に悪影響を与えない掃気効果による充填効率向上の恩恵をより広い領域で享受することができるとともに、ポンプ損失あるいは機械損失の増大をもたらす大過給機の使用領域を狭めることができる。このため、燃費改善とトルク増大とを両立することができる。また、排気圧力レベルが高く、掃気効果による充填効率向上（トルク増大）が見込めない場合には、高過給圧の得られる大過給機の使用領域を拡大することができる。これにより、排気圧力レベルが高い場合であっても、トルクの低下を確実に抑制することができる。
【００１６】
第３の発明では、小ターボ過給機のタービンの下流側に大ターボ過給機のタービンが配置されている。大ターボ過給機の使用時は、タービンまでの排気経路が長くなり、排気系容積が大きくなる。このため、排気圧力の脈動が弱くなり、掃気効果による充填効率向上（トルク増大）が見込めない。一方、小ターボ過給機の使用時は、排気系容積が小さくなり、排気圧力の脈動を強くすることができるので、排気圧力レベルの低い場合であれば、掃気効果による充填効率向上が見込める。第３の発明によれば、排気圧力レベルが低い場合には、掃気効果による充填効率向上が見込め、ポンプ損失の少ない小ターボ過給機使用領域を拡大するので、燃費改善とトルク増大とを両立することができる。また、排気圧力レベルが高く、掃気効果による充填効率向上が見込めない場合には、高過給圧の得られる大ターボ過給機の使用領域を拡大することができる。これにより、排気圧力レベルが高い場合であっても、トルクの低下を確実に抑制することができる。
【００１７】
第４の発明によれば、小過給機使用領域では、小タービンバイパス通路開閉弁を閉じ、大過給機使用領域では、小タービンバイパス通路開閉弁を開くことにより、簡単な構造で、小ターボ過給機と大ターボ過給機とを円滑かつ確実に切り替えることができる。
【００１８】
第５の発明によれば、小過給機使用領域では、小タービンバイパス通路開閉弁を閉じて大タービンバイパス通路開閉弁を開き、大過給機使用領域では、小タービンバイパス通路開閉弁を開いて大タービンバイパス通路開閉弁を閉じることにより、簡単な構造で、小ターボ過給機と大ターボ過給機とを円滑かつ確実に切り替えることができる。また、小ターボ過給機が使用されているとき、大ターボ過給機のタービンをバイパスして排気ガスを流すことができるので、背圧を低くすることができる。このため、バルブオーバーラップ期間における掃気効果を利用して充填効率（トルク）を向上させる場合に、吸気圧力と排気圧力との差圧を十分に大きくすることができるので、掃気効果をより確実に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について説明する。なお、各図において共通する要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。
【００２０】
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のシステム構成を説明するための図である。図１に示すシステムは、４サイクルのディーゼル機関１０を備えている。ディーゼル機関１０は、車両に搭載され、その動力源とされているものとする。ディーゼル機関１０の各気筒から排出される排気ガスは、排気マニホールド１２によって集合され、排気通路１４に流入する。なお、本実施形態のディーゼル機関１０は、直列４気筒型であるが、本発明におけるディーゼル機関の気筒数および気筒配置はこれに限定されるものではない。
【００２１】
本実施形態のディーゼル機関１０は、小ターボ過給機１６と、この小ターボ過給機１６より大容量の（高流量に適した）大ターボ過給機１８とを備えている。後述するように、ディーゼル機関１０では、比較的低回転低負荷側の運転領域では小ターボ過給機１６が使用され、比較的高回転高負荷側の運転領域では大ターボ過給機１８が使用される。
【００２２】
大ターボ過給機１８のタービン１８ａは、小ターボ過給機１６のタービン１６ａの下流側に配置されている。すなわち、排気マニホールド１２の直下の排気通路１４は、小ターボ過給機１６のタービン１６ａの入口に接続されている。そして、小ターボ過給機１６のタービン１６ａの出口から延びる排気通路１７は、大ターボ過給機１８のタービン１８ａの入口に接続されている。
【００２３】
小ターボ過給機１６のタービン１６ａの上流側の排気通路１４と下流側の排気通路１７とは、小タービンバイパス通路２０によって接続されている。小タービンバイパス通路２０の途中には、この通路を開閉する開閉弁２２が設置されている。
【００２４】
また、大ターボ過給機１８のタービン１８ａの上流側の排気通路１７と下流側の排気通路１９とは、大タービンバイパス通路２４によって接続されている。大タービンバイパス通路２４の途中には、この通路を開閉する開閉弁２６が設置されている。
【００２５】
大ターボ過給機１８のタービン１８ａの下流側の排気通路１９の途中には、排気ガス中の粒子状物質（以下、「ＰＭ(Particulate Matter)」で代表する）を捕捉するための排気フィルタ２８が設けられている。図示を省略するが、排気フィルタ２８の上流側または下流側に排気浄化触媒が設置されていてもよい。また、排気フィルタ２８に触媒成分が担持されていてもよい。
【００２６】
排気フィルタ２８の近傍には、排気フィルタ２８の上流側の圧力と下流側の圧力との差圧を検出する差圧センサ３０が設置されている。排気フィルタ２８にＰＭが蓄積することによって排気フィルタ２８の通気抵抗が増大していくと、差圧センサ３０で検出される差圧が大きくなっていく。このため、差圧センサ３０によって、排気フィルタ２８のＰＭ蓄積量（目詰まり度合い）を検知することができる。排気フィルタ２８のＰＭ蓄積量（目詰まり度合い）が所定の基準値を超えた場合には、排気フィルタ２８に捕集されたＰＭを燃焼除去するＰＭ再生制御が実施される。ＰＭ再生制御では、ポスト噴射や排気系燃料添加等の方法によって排気通路１４に未燃燃料を流通させ、その未燃燃料を排気フィルタ２８で燃焼させることにより、排気フィルタ２８を例えば６００℃程度の高温にする。
【００２７】
ディーゼル機関１０の吸気通路３２の入口付近には、エアクリーナ３４が設けられている。吸気通路３２は、エアクリーナ３４の下流側で、第１通路３２ａと第２通路３２ｂとに分岐している。第１通路３２ａの途中には小ターボ過給機１６のコンプレッサ１６ｂが配置されており、第２通路３２ｂの途中には大ターボ過給機１８のコンプレッサ１８ｂが配置されている。両コンプレッサ１６ｂ，１８ｂの下流側で、第１通路３２ａおよび第２通路３２ｂは再度合流し、インタークーラ３６へと接続されている。インタークーラ３６の下流側の吸気通路３２は、吸気マニホールド３８に接続されている。
【００２８】
エアクリーナ３４を通って吸入された空気は、小ターボ過給機１６のコンプレッサ１６ｂあるいは大ターボ過給機１８のコンプレッサ１８ｂで圧縮された後、インタークーラ３６で冷却され、吸気マニホールド３８を経て各気筒に流入する。
【００２９】
また、本実施形態のシステムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を更に備えている。ＥＣＵ５０には、上述した開閉弁２２，２６や、差圧センサ３０、ディーゼル機関１０が搭載された車両のアクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）を検出するアクセルポジションセンサ４０等、各種のセンサおよびアクチュエータが電気的に接続されている。ＥＣＵ５０は、各センサの出力に基づき、所定のプログラムに従って各アクチュエータを作動させることにより、ディーゼル機関１０の運転状態を制御する。
【００３０】
図２は、図１に示すシステムにおけるディーゼル機関１０の一つの気筒の断面を示す図である。以下、本実施形態のディーゼル機関１０について更に説明する。ディーゼル機関１０の気筒には、燃料を筒内に直接噴射するインジェクタ４２が設置されている。各気筒のインジェクタ４２は、図示しないコモンレールに接続されている。そのコモンレール内には、図示しないサプライポンプによって加圧された高圧の燃料が貯留されている。そして、上記コモンレール内から、各気筒のインジェクタ４２へ燃料が供給される。
【００３１】
ディーゼル機関１０のクランク軸４４の近傍には、クランク軸４４の回転角度を検出するクランク角センサ４６が取り付けられている。ＥＣＵ５０は、クランク角センサ４６の信号に基づいて機関回転数を算出することができる。
【００３２】
また、ディーゼル機関１０は、排気弁５６のバルブタイミングを可変とする排気ＶＶＴ機構（排気可変動弁装置）５８を備えている。本実施形態の排気ＶＶＴ機構５８は、排気弁５６を駆動するカムシャフトの位相を変化させることにより、排気弁５６の開弁期間の位相を早くしたり遅くしたりすることができる。すなわち、排気ＶＶＴ機構５８によれば、開弁期間一定のままで排気弁開き時期（Exhaust Valve Open：ＥＶＯ）および排気弁閉じ時期（Exhaust Valve Close：ＥＶＣ）を連続的に進角したり遅角したりすることができる。この排気ＶＶＴ機構５８は、ＥＣＵ５０に接続されている。
【００３３】
なお、本発明における排気可変動弁装置は、排気ＶＶＴ機構５８に限定されるものではない。すなわち、本発明における排気可変動弁装置は、排気弁５６の少なくとも開き時期を連続的または段階的に変化させることのできるものであれば、いかなる構成のものでもよく、例えば次に例示するようなものを用いることもできる。
(1)排気弁５６とカムシャフトとの間に揺動カムなどを介在させることにより、排気弁５６の開き時期を作用角（開弁期間）とともに変化させる作用角可変機構。
(2)排気弁５６を開くためのカムを電気モータによって回転駆動することにより、排気弁５６を任意の時期に開閉可能とする機構。
(3)排気弁５６を電磁力によって駆動することにより任意の時期に開閉可能とする機構（電磁駆動弁）。
【００３４】
また、図２の構成では、ディーゼル機関１０は、吸気弁５２のバルブタイミングを可変とする吸気ＶＶＴ機構（吸気可変動弁装置）５４を更に備えているが、本発明では、吸気弁５２の開弁特性は固定とされていてもよい。すなわち、本発明では、吸気ＶＶＴ機構５４を設けず、通常の動弁機構により吸気弁５２を駆動してもよい。
【００３５】
［実施の形態１の特徴］
（過給機切替制御）
一般に、ターボ過給機を備えた内燃機関では、排気エネルギの小さい低回転低負荷側の運転領域においてタービンが有効に作動しないため、トルク不足、燃費悪化、応答性悪化（いわゆるターボラグ）等を生じ易いという課題がある。
【００３６】
これに対し、本実施形態のディーゼル機関１０では、排気エネルギの小さい低回転低負荷側の運転領域では小ターボ過給機１６を使用し、排気エネルギの大きい高回転高負荷側の運転領域では大ターボ過給機１８を使用する。小ターボ過給機１６は、大ターボ過給機１８に比して小容量とされているため、小さい排気エネルギでも有効に作動する。このため、本実施形態のディーゼル機関１０では、低回転低負荷側の運転領域においても、過給を良好に行うことができ、トルク、燃費、応答性等の特性を十分に改善することができる。この点について、図３を参照して更に説明する。
【００３７】
図３は、小ターボ過給機１６および大ターボ過給機１８の各々の過給特性を示す図である。同図に示すように、小ターボ過給機１６は、低排気エネルギ側（低回転低負荷側）の領域では、大ターボ過給機１８に比して高い過給圧を発生させる。これに対し、高排気エネルギ側の領域では、小ターボ過給機１６の過給圧は頭打ちとなる。その一方で、大ターボ過給機１８の過給圧は、排気エネルギの上昇とともに増大する。よって、低排気エネルギ側の領域では小ターボ過給機１６を作動させ、高排気エネルギ側の領域では大ターボ過給機１８を作動させることにより、全域において高い過給圧を得ることができる。
【００３８】
なお、図３の横軸の排気エネルギは、排気ガスの量、温度および圧力によって定まり、高回転高負荷側ほど増大する値である。また、図３中の小ターボ過給機１６の過給特性は、後述する充填効率向上制御を実行しなかった場合のものである。
【００３９】
以下、小ターボ過給機１６を作動させる運転領域を「小ターボ使用領域」と称し、大ターボ過給機１８を作動させる運転領域を「大ターボ使用領域」と称する。ＥＣＵ５０には、小ターボ使用領域と大ターボ使用領域とを定めたマップが記憶されている。そして、ＥＣＵ５０は、クランク角センサ４６およびアクセルポジションセンサ４０の検出信号からディーゼル機関１０の回転数および負荷を算出し、その回転数および負荷で規定される動作点が小ターボ使用領域にある場合には小ターボ過給機１６を使用し、同動作点が大ターボ使用領域にある場合には大ターボ過給機１８を使用する過給機切替制御を実行する。
【００４０】
小ターボ使用領域においては、小タービンバイパス通路２０に設けられた開閉弁２２を閉状態とするとともに、大タービンバイパス通路２４に設けられた開閉弁２６を開状態とする。この状態では、排気マニホールド１２からの排気ガスは、まず、小ターボ過給機１６のタービン１６ａに流入し、このタービン１６ａを作動させる。タービン１６ａを出た排気ガスの流路は、開閉弁２６が開いているため、大ターボ過給機１８のタービン１８ａと、大タービンバイパス通路２４とに分かれている。しかしながら、タービン１６ａを出た排気ガスのほとんどは、通気抵抗の小さい大タービンバイパス通路２４に流入する。このため、大ターボ過給機１８のタービン１８ａは実質的に作動しない。このようにして、小ターボ使用領域においては、小ターボ過給機１６が主として作動する。
【００４１】
一方、大ターボ使用領域においては、小タービンバイパス通路２０に設けられた開閉弁２２を開状態とするとともに、大タービンバイパス通路２４に設けられた開閉弁２６を閉状態とする。この状態では、開閉弁２２が開いているため、排気マニホールド１２から流入した排気ガスの流路は、小ターボ過給機１６のタービン１６ａと、小タービンバイパス通路２０とに分かれている。しかしながら、排気マニホールド１２からの排気ガスのほとんどは、通気抵抗の小さい小タービンバイパス通路２０に流入する。このため、小ターボ過給機１６のタービン１６ａは実質的に作動しない。小タービンバイパス通路２０を通過して排気通路１７に流入した排気ガスは、次に、大ターボ過給機１８のタービン１８ａに流入し、このタービン１８ａを作動させる。このようにして、大ターボ使用領域においては、大ターボ過給機１８が主として作動する。
【００４２】
（充填効率向上制御）
また、本実施形態のシステムは、排気弁５６の開弁期間と吸気弁５２の開弁期間とが重なったバルブオーバーラップ期間（吸排気上死点付近）における掃気効果を利用することによってディーゼル機関１０の充填効率ηvを向上させる充填効率向上制御を実行可能になっている。図４は、充填効率向上制御を説明するための図である。
【００４３】
排気圧力（排気マニホールド圧力）は、各気筒の排気弁５６から排気ガスが間欠的に排出されるのに伴って、脈動（変動）する。図４中の破線の波形は、排気弁開き時期がベースの時期となるように排気ＶＶＴ機構５８が制御されている場合における排気圧力の脈動を示す。この波形に示すように、排気弁開き時期がベースの時期となるように制御されている場合には、排気圧力の脈動の谷のタイミングは、吸気弁５２の開き時期（Intake Valve Open：ＩＶＯ）よりも前の時期になっている。
【００４４】
これに対し、図４中の実線の波形は、排気弁開き時期がベースの時期よりも遅い時期となるように排気ＶＶＴ機構５８が制御されている場合における排気圧力の脈動を示す。排気弁開き時期を遅くするほど、排気ガスが排気ポートへ放出されるタイミングが遅くなるので、排気圧力の波形（位相）は、図４中で右側にシフトする。よって、排気弁開き時期を遅らせる量を適度に設定することにより、図４に示すように、排気圧力の脈動の谷のタイミングをバルブオーバーラップ期間に一致させることができる。充填効率向上制御においては、上記のように、排気弁開き時期をベースより遅くすることにより、排気圧力の脈動の谷のタイミングがバルブオーバーラップ期間に一致するように制御される。
【００４５】
一方、図４中の一点鎖線は、吸気圧力（吸気マニホールド圧力）を示している。図４に示すように、吸気圧力はクランク角によらずほぼ一定である。このため、充填効率向上制御の実行によって排気圧力の脈動の谷のタイミングをバルブオーバーラップ期間に一致させると、バルブオーバーラップ期間において吸気圧力を排気圧力より高くすることができる。このため、吸気弁５２が開いたとき、吸気弁５２から筒内に流入する新気によって筒内の既燃ガスを速やかに排気ポートへ追い出すことができる。このようにして、高い掃気効果が得られ、筒内の既燃ガスを円滑かつ確実に新気に置換することができる。その結果、残留ガスを十分に低減することができ、その分、筒内に充填される新気の量を増やすことができる。つまり、充填効率ηvを増大させることができ、ディーゼル機関１０のトルクを増大することができる。
【００４６】
本実施形態のシステムでは、小ターボ過給機１６が使用されている状態では、上記のような充填効率向上制御の効果を十分に得ることができる。これに対し、大ターボ過給機１８が使用されている状態では、上記充填効率向上制御の効果を十分に得ることができない。その理由は次の通りである。
【００４７】
排気圧力の脈動は、排気マニホールド１２およびこれに連通する空間の容積（これらを合わせて以下「排気系容積」と称する）が小さいほど、強くなる（振幅が小さくなる）。これは、排気系容積が小さいほど、排気弁５６から排気ガスが排出されたときに排気マニホールド圧力がより高く上昇し、その反作用として排気行程後期の排気マニホールド圧力がより低くなるからである。逆に、排気系容積が大きいほど、排気圧力の脈動は、弱くなる（振幅が小さくなる）。
【００４８】
小ターボ過給機１６が使用されている状態では、開閉弁２０が閉じられるので、小タービンバイパス通路２０には排気ガスが流れない。そして、排気の圧力波は、小ターボ過給機１６のタービン１６ａの入口で反射する。このため、小ターボ過給機１６のタービン１６ａの入口までが排気系容積となるので、排気系容積は小さくなる。よって、排気圧力の脈動の振幅が大きくなり、脈動の谷での排気圧力は十分に低くなる。このため、バルブオーバーラップ期間において吸気圧力と排気圧力との差圧を十分に大きくすることができるので、掃気効果が十分に発揮され、充填効率およびトルクを十分に向上することができる。
【００４９】
一方、大ターボ過給機１８が使用されている状態では、開閉弁２０が開かれるので、小タービンバイパス通路２０を介して排気通路１７が排気マニホールド１２と連通する。この場合、排気の圧力波は、大ターボ過給機１８のタービン１８ａの入口で反射する。このため、大ターボ過給機１８のタービン１８ａの入口までが排気系容積となる。よって、小タービンバイパス通路２０や排気通路１７が排気系容積に加わることとなり、排気系容積が拡大する。その結果、排気圧力の脈動の振幅が小さくなり、脈動の谷での排気圧力が低くならず、バルブオーバーラップ期間において吸気圧力と排気圧力との差圧を十分に大きくすることができない。このため、掃気効果が十分に発揮されず、充填効率およびトルクを十分に向上することができない。
【００５０】
上述したように、本実施形態では、小ターボ過給機１６が使用されている場合には、充填効率向上制御によって空気量およびトルクを増大することができる。ただし、充填効率向上制御の効果が生ずるには、バルブオーバーラップ期間において排気圧力が吸気圧力より十分に低くなることが必要である。このため、排気フィルタ２８の目詰まり等の原因によって排気圧力レベル（平均的な排気圧力）が上昇した場合には、バルブオーバーラップ期間において排気圧力が吸気圧力より十分に低くならず、充填効率向上制御の効果が減退する。
【００５１】
すなわち、排気フィルタ２８のＰＭ蓄積量が多くなり、排気フィルタ２８の通気抵抗が大きくなった状況下では、図４に示すような排気圧力の波形が圧力増大方向（図４中の上方向）にシフトする。このため、排気圧力の脈動の谷のタイミングをバルブオーバーラップ期間に一致させたとしても、吸気圧力を排気圧力より十分に低くすることができなかったり、あるいは吸気圧力よりも排気圧力の方が大きくなったりする。このような場合には、掃気効果が発揮されにくいので、空気量およびトルクを十分に高めることができない。
【００５２】
以上説明したようなことから、小ターボ過給機１６使用時および大ターボ過給機１８使用時の空気量特性は、図５に示すようになる。図５中の実線のグラフは、排気圧力レベルが高い場合（排気フィルタ２８のＰＭ蓄積量が多い場合）における小ターボ過給機１６使用時の空気量特性であり、図５中の破線のグラフは、排気圧力レベルが低い場合（排気フィルタ２８のＰＭ蓄積量が少ない場合）における小ターボ過給機１６使用時の空気量特性であり、図５中の一点鎖線のグラフは、大ターボ過給機１８使用時の空気量特性である。
【００５３】
前述したように、小ターボ過給機１６使用時において、排気圧力レベルが低い場合には充填効率向上制御の効果が十分に発揮されるのに対し、排気圧力レベルが高い場合には充填効率向上制御の効果が発揮されにくい。このため、図５から分かるように、小ターボ過給機１６使用時において、排気圧力レベルが低い場合には、排気圧力レベルが高い場合と比べ、空気量およびトルクを増大させることができる。
【００５４】
一方、大ターボ過給機１８使用時には、前述したように、充填効率向上制御の効果はほとんど得られない。このため、大ターボ過給機１８使用時の空気量特性は、排気圧力レベルが高い場合であっても低い場合であっても同じである。
【００５５】
過給機切替制御において、小ターボ過給機１６使用状態から大ターボ過給機１８使用状態へ切り替える最適なポイントは、両者の空気量特性が逆転するポイントである。従って、排気圧力レベルが高い場合の最適切替ポイントは、図５中で実線と一点鎖線とが交差する点Ａとなる。これに対し、排気圧力レベルが低い場合の最適切替ポイントは、図５中で破線と一点鎖線とが交差する点Ｂとなる。図５から分かるように、点Ｂ（排気圧力レベルが低い場合の最適切替ポイント）は、点Ａ（排気圧力レベルが高い場合の最適切替ポイント）に比して、排気エネルギが高い側、すなわち高回転高負荷側にある。このように、排気圧力レベルが低い場合には、排気圧力レベルが高い場合と比べ、最適な過給機切替ポイントが高回転高負荷側へシフトする。このため、排気圧力レベルが低い場合には、排気圧力レベルが高い場合と比べ、小ターボ過給機１６と大ターボ過給機１８との切替ポイントを高回転高負荷側へシフトさせることが理想である。
【００５６】
図６は、上記の理想を実現するために本実施形態においてＥＣＵ５０が用いるマップである。図６中の実線は、排気圧力レベルが高い場合における最適な過給機切替ポイントを連ねたラインである。ＥＣＵ５０は、排気圧力レベルが所定の判定レベルより高いことが検知された場合には、図６中の実線を境に、低回転低負荷側を小ターボ使用領域、高回転高負荷側を大ターボ使用領域として、過給機切替制御を実行する。
【００５７】
一方、図６中の破線は、排気圧力レベルが低い場合における最適な過給機切替ポイントを連ねたラインである。ＥＣＵ５０は、排気圧力レベルが上記判定レベルより低いことが検知された場合には、図６中の破線を境に、低回転低負荷側を小ターボ使用領域、高回転高負荷側を大ターボ使用領域として、過給機切替制御を実行する。
【００５８】
すなわち、本実施形態では、排気圧力レベルが判定レベルより低い場合には、排気圧力レベルが判定レベルより高い場合と比べ、小ターボ使用領域を拡大し、大ターボ使用領域を縮小することとしている。これにより、排気圧力レベルが高い場合と低い場合との何れの場合であっても、最適な切替ポイント、つまり過渡的な空気量を最大にできるようなポイントで、小ターボ過給機１６と大ターボ過給機１８とを切り替えることができる。
【００５９】
これに対し、本発明と異なり、過給機切替ラインを常に一定にした場合には、過渡的な空気量を最大とすることができない。例えば、図５中で、排気圧力レベルが低い場合、つまり掃気効果による充填効率向上が見込める場合に、排気圧力レベルが高い場合の最適切替ポイントで過給機を切り替えたと仮定すると、空気量は点Ｃ→点Ａ→点Ｂの経路で変化する。このため、本来の最適切替ポイントである点Ｂで小ターボ過給機１６に切り替えた場合と比べ、図５中で三角形ＡＢＣで表される面積の分だけ、過渡的な空気量の低下が生ずる。これに対し、本実施形態の制御によれば、点Ｂまで小ターボ過給機１６の使用を継続するので、点Ｂまで充填効率向上制御の恩恵を受けることができる。その結果、空気量は点Ｃ→点Ｂの経路で変化する。すなわち、過渡的な空気量の低下を回避することができる。
【００６０】
逆に、図５中で、排気圧力レベルが高い場合、つまり掃気効果による充填効率向上が見込めない場合に、排気圧力レベルが低い場合の最適切替ポイントで過給機を切り替えたと仮定すると、空気量は点Ａ→点Ｄ→点Ｂのように変化する。このため、本来の最適切替ポイントである点Ａで大ターボ過給機１８に切り替えた場合と比べ、図５中で三角形ＡＢＤで表される面積の分だけ、過渡的な空気量が低下する。これに対し、本実施形態の制御によれば、点Ａで大ターボ過給機１８に切り替えることにより、大ターボ過給機１８による過給を早期に開始することができる。その結果、掃気効果を利用した充填効率向上が不十分であることを大ターボ過給機１８による過給によって補うことができ、空気量は点Ａ→点Ｂの経路で変化する。すなわち、上記のような過渡的な空気量の低下を回避することができる。
【００６１】
ところで、ターボ過給機を作動させると、一般に、内燃機関のポンプ損失が増大する。このポンプ損失の増大は、内燃機関の燃費を悪化させる方向に作用する。本実施形態のシステムでは、小ターボ過給機１６を使用している状態の方が大ターボ過給機１８を使用している状態よりもポンプ損失が小さい。このため、燃費の観点からは、小ターボ過給機１６を使用する方が有利である。一方、掃気効果を利用した充填効率向上制御は、燃費に悪影響を及ぼすことはない。
【００６２】
上述したように、本実施形態によれば、排気圧力レベルが判定レベルより低い場合、つまり掃気効果を利用した充填効率向上制御が有効である場合には、燃費性能がより良好な小ターボ過給機１８の使用領域を拡大し、充填効率向上制御の恩恵をより広範囲で享受することができる。このため、燃費を十分に低減することができる。
【００６３】
なお、排気圧力レベルの検出方法については、本実施形態では、差圧センサ３０で検出される排気フィルタ２８の前後の差圧と、排気圧力レベルとの間に相関があることを利用して、差圧センサ３０で検出される差圧から排気圧力レベルを算出することができる。本発明では、排気圧力レベルの検出方法は上記の方法に限定されるものではなく、例えば、排気マニホールド圧力を検出するセンサを設け、そのセンサでの検出値から排気圧力レベル（平均排気圧力）を算出するようにしてもよい。
【００６４】
また、図６に示す例では、排気圧力レベルの高低に応じて過給機切替ライン（小ターボ使用領域と大ターボ使用領域との境界）を２段階に変化させているが、本発明では、排気圧力レベルに応じて過給機切替ラインをより多段階に、あるいは連続的に、変化させるようにしてもよい。
【００６５】
また、本実施形態では、小ターボ過給機１６が使用されているとき、大ターボ過給機１８のタービン１８ａをバイパスして排気ガスを流すことができるので、背圧を低くすることができる。このため、バルブオーバーラップ期間における掃気効果を利用して充填効率（トルク）を向上させる場合に、吸気圧力と排気圧力との差圧を十分に大きくすることができるので、掃気効果をより確実に得ることができる。一方、本発明では、大タービンバイパス通路２４およびこれを開閉する開閉弁２６を備えない構成であってもよい。大タービンバイパス通路２４および開閉弁２６を備えない構成の場合、小ターボ使用領域では、小ターボ過給機１６のタービン１６ａによってエネルギが回収された後の排気ガス（つまり排気エネルギの小さい排気ガス）が大ターボ過給機１８のタービン１８ａに流入することとなるので、大ターボ過給機１８は有効に作動せず、小ターボ過給機１６が主として作動することとなる。また、大タービンバイパス通路２４および開閉弁２６を備えない構成の場合であっても、小ターボ使用領域において、大ターボ過給機１８のタービン１８ａの入口面積を可変とする可変ノズル（図示せず）を開くなどの方法によって背圧を低減することにより、大タービンバイパス通路２４がある場合に比較的近い効果を得ることも可能である。
【００６６】
また、本実施形態では、本発明をディーゼル機関（圧縮着火内燃機関）の制御に適用した場合について説明したが、本発明は、ディーゼル機関の制御に限定されるものではなく、火花点火内燃機関の制御に適用することも可能である。
【００６７】
また、本実施形態では、過給機がターボ過給機である場合について説明したが、本発明は、過給機が内燃機関の出力軸によって駆動される機械式過給機である場合にも適用可能である。本実施形態のシステムのように小過給機と大過給機とを備える場合には、何れか一方が機械式過給機で他方がターボ過給機であっても、両方が機械式過給機であってもよい。
【００６８】
また、本実施形態では、小過給機と大過給機とを備えるシステムを例に説明したが、本発明では、過給機が一つで、低回転低負荷側の運転領域では過給機を使用せず、高回転高負荷側の運転領域で過給機を使用するシステムにも適用可能である。
【００６９】
また、本実施形態では、小ターボ過給機１６が前記第２の発明における「小過給機」に、大ターボ過給機１８が前記第１の発明における「過給機」および前記第２の発明における「大過給機」に、小ターボ使用領域が前記第１の発明における「第１の運転領域」および前記第２の発明における「小過給機使用領域」に、大ターボ使用領域が前記第１の発明における「第２の運転領域」および前記第２の発明における「大過給機使用領域」に、それぞれ相当している。また、ＥＣＵ５０が、図６に示すマップに従って小ターボ過給機１６使用状態と大ターボ過給機１８使用状態とを切り替えることにより前記第１および第２の発明における「過給機切替手段」が、差圧センサ３０で検出される差圧から算出した排気圧力レベルが所定の判定レベルより高いか低いかを判定することにより前記第１および第２の発明における「排気圧力レベル判別手段」が、排気圧力レベルに基づいて図６に示すマップの過給機切替ラインを変化させることより前記第１および第２の発明における「領域変更手段」が、バルブオーバーラップ期間において掃気が生ずるように排気ＶＶＴ機構５８（必要に応じて更に吸気ＶＶＴ機構５４）を制御することにより前記第１および第２の発明における「充填効率向上手段」が、それぞれ実現されている。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。
【図２】本発明の実施の形態１のシステムにおけるディーゼル機関の一つの気筒の断面を示す図である。
【図３】小ターボ過給機および大ターボ過給機の各々の過給特性を示す図である。
【図４】充填効率向上制御を説明するための図である。
【図５】小ターボ過給機使用時および大ターボ過給機使用時の空気量特性を示す図である。
【図６】小ターボ使用領域および大ターボ使用領域を示すマップである。
【符号の説明】
【００７１】
１０ ディーゼル機関
１２ 排気マニホールド
１４，１７，１９ 排気通路
１６ 小ターボ過給機
１６ａ タービン
１６ｂ コンプレッサ
１８ 大ターボ過給機
１８ａ タービン
１８ｂ コンプレッサ
２０ 小タービンバイパス通路
２２ 開閉弁
２４ 大タービンバイパス通路
２６ 開閉弁
２８ 排気フィルタ
３０ 差圧センサ
３２ 吸気通路
３４ エアクリーナ
３６ インタークーラ
３８ 吸気マニホールド
５０ ＥＣＵ
５２ 吸気弁
５４ 吸気ＶＶＴ機構
５６ 排気弁
５８ 排気ＶＶＴ機構
【特許請求の範囲】
【請求項１】
過給機と、
第１の運転領域では前記過給機を実質的に作動させず、前記第１の運転領域より高回転高負荷側の第２の運転領域では前記過給機を作動させる過給機切替手段と、
排気圧力レベルが所定レベルより低いか否かを判別する排気圧力レベル判別手段と、
排気圧力レベルが前記所定レベルより低い場合には、排気圧力レベルが前記所定レベルより高い場合と比べ、前記第１の運転領域を拡大し、前記第２の運転領域を縮小する領域変更手段と、
吸気弁開弁期間と排気弁開弁期間とが重なるバルブオーバーラップ期間を設けるとともに、排気圧力の脈動が谷となるタイミングを前記バルブオーバーラップ期間に一致させる充填効率向上手段と、
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】
小過給機と、
前記小過給機より大容量の大過給機と、
小過給機使用領域では前記小過給機を主として作動させ、前記小過給機使用領域より高回転高負荷側の大過給機使用領域では前記大過給機を主として作動させる過給機切替手段と、
排気圧力レベルが所定レベルより低いか否かを判別する排気圧力レベル判別手段と、
排気圧力レベルが前記所定レベルより低い場合には、排気圧力レベルが前記所定レベルより高い場合と比べ、前記小過給機使用領域を拡大し、前記大過給機使用領域を縮小する領域変更手段と、
吸気弁開弁期間と排気弁開弁期間とが重なるバルブオーバーラップ期間を設けるとともに、排気圧力の脈動が谷となるタイミングを前記バルブオーバーラップ期間に一致させる充填効率向上手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記小過給機および前記大過給機は、それぞれ、排気ガスによって作動するタービンを有するターボ過給機であり、
前記小過給機のタービンの下流側に前記大過給機のタービンが配置されていることを特徴とする請求項２記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記過給機切替手段は、
前記小過給機のタービンをバイパスして排気ガスを通す小タービンバイパス通路と、
前記小タービンバイパス通路を開閉する小タービンバイパス通路開閉弁と、
を含み、
前記小過給機使用領域では、前記小タービンバイパス通路開閉弁を閉じ、前記大過給機使用領域では、前記小タービンバイパス通路開閉弁を開くことを特徴とする請求項３記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記過給機切替手段は、
前記大過給機のタービンをバイパスして排気ガスを通す大タービンバイパス通路と、
前記大タービンバイパス通路を開閉する大タービンバイパス通路開閉弁と、
を更に含み、
前記小過給機使用領域では、前記小タービンバイパス通路開閉弁を閉じて前記大タービンバイパス通路開閉弁を開き、前記大過給機使用領域では、前記小タービンバイパス通路開閉弁を開いて前記大タービンバイパス通路開閉弁を閉じることを特徴とする請求項４記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１】
過給機と、
第１の運転領域では前記過給機を実質的に作動させず、前記第１の運転領域より高回転高負荷側の第２の運転領域では前記過給機を作動させる過給機切替手段と、
排気圧力レベルが所定レベルより低いか否かを判別する排気圧力レベル判別手段と、
排気圧力レベルが前記所定レベルより低い場合には、排気圧力レベルが前記所定レベルより高い場合と比べ、前記第１の運転領域を拡大し、前記第２の運転領域を縮小する領域変更手段と、
吸気弁開弁期間と排気弁開弁期間とが重なるバルブオーバーラップ期間を設けるとともに、排気圧力の脈動が谷となるタイミングを前記バルブオーバーラップ期間に一致させる充填効率向上手段と、
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】
小過給機と、
前記小過給機より大容量の大過給機と、
小過給機使用領域では前記小過給機を主として作動させ、前記小過給機使用領域より高回転高負荷側の大過給機使用領域では前記大過給機を主として作動させる過給機切替手段と、
排気圧力レベルが所定レベルより低いか否かを判別する排気圧力レベル判別手段と、
排気圧力レベルが前記所定レベルより低い場合には、排気圧力レベルが前記所定レベルより高い場合と比べ、前記小過給機使用領域を拡大し、前記大過給機使用領域を縮小する領域変更手段と、
吸気弁開弁期間と排気弁開弁期間とが重なるバルブオーバーラップ期間を設けるとともに、排気圧力の脈動が谷となるタイミングを前記バルブオーバーラップ期間に一致させる充填効率向上手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記小過給機および前記大過給機は、それぞれ、排気ガスによって作動するタービンを有するターボ過給機であり、
前記小過給機のタービンの下流側に前記大過給機のタービンが配置されていることを特徴とする請求項２記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記過給機切替手段は、
前記小過給機のタービンをバイパスして排気ガスを通す小タービンバイパス通路と、
前記小タービンバイパス通路を開閉する小タービンバイパス通路開閉弁と、
を含み、
前記小過給機使用領域では、前記小タービンバイパス通路開閉弁を閉じ、前記大過給機使用領域では、前記小タービンバイパス通路開閉弁を開くことを特徴とする請求項３記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記過給機切替手段は、
前記大過給機のタービンをバイパスして排気ガスを通す大タービンバイパス通路と、
前記大タービンバイパス通路を開閉する大タービンバイパス通路開閉弁と、
を更に含み、
前記小過給機使用領域では、前記小タービンバイパス通路開閉弁を閉じて前記大タービンバイパス通路開閉弁を開き、前記大過給機使用領域では、前記小タービンバイパス通路開閉弁を開いて前記大タービンバイパス通路開閉弁を閉じることを特徴とする請求項４記載の内燃機関の制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００９−１０３０８４（Ｐ２００９−１０３０８４Ａ）
【公開日】平成２１年５月１４日（２００９．５．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２７７３１０（Ｐ２００７−２７７３１０）
【出願日】平成１９年１０月２５日（２００７．１０．２５）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年５月１４日（２００９．５．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１０月２５日（２００７．１０．２５）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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