内燃機関システムの制御方法及び内燃機関システム
【課題】機関出力を安定させることができる内燃機関システムの制御方法及び内燃機関システムを提供する。
【解決手段】内燃機関２のエンジン回転数が、等スロットル開度において内燃機関２のトルクが最大となる機関速度よりも低く設定された第１速度Ｎ１よりも低いときに、エンジン回転数の上昇に応じて、吸気弁２８及び排気弁３２の開閉位相の変更を、第１率Ａ１で増加させ、エンジン回転数が、第１速度Ｎ１より高く設定された第２速度Ｎ２よりのときに、エンジン回転数の上昇に応じて、吸気弁２８及び排気弁３２の開閉位相の変更を、第１率Ａ１より小さい第２率Ａ２で増加させ、エンジン回転数が第１速度Ｎ１と第２速度Ｎ２の間であるときに、エンジン回転数の上昇に応じて、吸気弁２８及び排気弁３２の開閉位相の変更を、第１率Ａ１よりも小さく第２率Ａ２以下である第３率Ａ３で増加させる。
【解決手段】内燃機関２のエンジン回転数が、等スロットル開度において内燃機関２のトルクが最大となる機関速度よりも低く設定された第１速度Ｎ１よりも低いときに、エンジン回転数の上昇に応じて、吸気弁２８及び排気弁３２の開閉位相の変更を、第１率Ａ１で増加させ、エンジン回転数が、第１速度Ｎ１より高く設定された第２速度Ｎ２よりのときに、エンジン回転数の上昇に応じて、吸気弁２８及び排気弁３２の開閉位相の変更を、第１率Ａ１より小さい第２率Ａ２で増加させ、エンジン回転数が第１速度Ｎ１と第２速度Ｎ２の間であるときに、エンジン回転数の上昇に応じて、吸気弁２８及び排気弁３２の開閉位相の変更を、第１率Ａ１よりも小さく第２率Ａ２以下である第３率Ａ３で増加させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関システムの制御方法及び内燃機関システムに関し、特に、内燃機関の吸気弁及び排気弁がともに開弁するバルブ・オーバーラップ期間を有する内燃機関システムの制御方法及び内燃機関システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
過給機を備えた内燃機関システムにおいて、吸気弁と排気弁がともに開弁するオーバーラップ期間を設けて、その運転状況に応じてこのオーバーラップ期間を変更する方法が知られている。このようなオーバーラップ期間の変更手法として、例えば特許文献１には、排気管に配置された触媒の状態に応じてオーバーラップ期間を変更するものが開示されている。この特許文献１に記載の内燃機関システムでは、減速時にオーバーラップ期間を小さくするが、このとき、触媒の内部の酸素濃度が所定値以上である場合には、排気弁の閉じ時期を先に目標値まで変更し、その後吸気弁の開き時期を目標値まで変更する。反対に、触媒の内部の酸素濃度が所定値未満である場合には、吸気弁の開き時期を先に目標値まで変更し、その後排気弁の閉じ時期を目標値まで変更する。このような制御を行うことにより、オーバーラップ時に吸気側から排気側に吹き抜ける空気量を調節して触媒への酸素供給量を調整し、排気エミッションの悪化や触媒の劣化を防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１９６１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ターボ過給機を有する内燃機関システムにおいては、排気行程で内燃機関の排気側に排出される燃え残りの燃料を、オーバーラップ期間に吸気側から排気側へ吹き抜けた酸素と燃焼させる、いわゆる後燃えの作用を利用している場合がある。このような後燃え作用を利用すると、内燃機関の排気側でのエネルギが高くなり、ターボ過給機の効率を高くすることができ、これにより、内燃機関のトルクを高めることができる。
【０００５】
ところが、前述の特許文献１にも記載されるように、オーバーラップによる吸気の排気側への吹き抜け量は、オーバーラップ期間を変更するために吸気弁及び排気弁のどちらを先に変更するかによっても異なる。すなわち、オーバーラップ期間を変更する動作には或る程度の時間を要するため、オーバーラップ期間を変更する際に、オーバーラップ期間の目標値に対してずれが生じる場合がある。このため、吸気の排気側への吹き抜け量にもずれが生じ、これに伴って後燃え効果も変動してしまい、内燃機関のトルクや回転に変動が生じる場合がある。また、この変動により、更なるオーバーラップ期間の変更が生じ、これが更なるトルクや回転数の変動につながり、機関出力に過大な変動が生じてしまうという悪循環に陥る可能性がある。
【０００６】
本発明の目的は、オーバーラップ期間を設けている内燃機関の少なくとも一部の運転領域において、オーバーラップ期間の変更をより応答性よく行い、機関出力を安定させることができる内燃機関システムの制御方法及び内燃機関システムを提供することにある。
【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に、本発明の内燃機関システムの制御方法は、少なくとも一部の運転領域において吸気弁及び排気弁がともに開弁するバルブ・オーバーラップ期間を有するように吸気弁及び排気弁を駆動するバルブ駆動機構を有する内燃機関と、該内燃機関の排気通路に配置されたタービン及び内燃機関の吸気通路に配置され且つタービンにより駆動されるコンプレッサを有するターボ過給機と、吸気弁の開タイミング及び／又は排気弁の閉タイミングを変更するバルブタイミング可変手段と、吸気通路に配置され吸気量を調整するためのスロットルと、を備えた内燃機関システムを制御する方法であって、内燃機関の機関速度が、等スロットル開度において内燃機関のトルクが最大となる機関速度よりも低く設定された第１速度よりも低いときに、機関速度の上昇に応じて、吸気弁及び／又は排気弁のバルブタイミング可変手段によるバルブタイミングの変更を、第１率で増加する変更速度で行う工程と、機関速度が、第１速度より高く設定された第２速度より高いときに、機関速度の上昇に応じて、吸気弁及び／又は排気弁のバルブタイミング可変手段によるバルブタイミングの変更を、第１率より小さい第２率で増加する変更速度で行う工程と、機関速度が第１速度と第２速度の間であるときに、機関速度の上昇に応じて、吸気弁及び／又は排気弁の上記バルブタイミング可変手段によるバルブタイミングの変更を、第１率よりも小さく且つ第２率以下である第３率で増加する変更速度で行う工程と、を有する、ことを特徴としている。
【０００８】
このように構成された本発明においては、機関速度が第１速度よりも低い場合には、バルブタイミングの変更速度を第１率で増加させる。したがって、バルブタイミングの変更速度が機関速度の増加にしたがって増大し、機関速度が第１速度に近づく領域では特に、オーバーラップ期間がより迅速に変更され、変更動作が応答性よく短時間で行われるようになる。
【０００９】
次に、機関速度が第１速度よりも高く第２速度よりも低い場合には、バルブタイミングの変更速度を第１率よりも低く且つ第２率以下の第３率で増加させる。ここで、バルブタイミングの変更速度は、機関速度が第１速度よりも低い領域で第１率で増加させているので、第１速度と第２速度の間の速度においては、必要なバルブタイミングの変更速度が既に確保されている。したがって、バルブタイミングを迅速に変更することができるため、目標とするオーバーラップ期間を精度よく得ることができるから、望ましい後燃え効果を得ることができ、内燃機関の効率が良好となる。
また、第１率よりも低く且つ第２率以下の第３率で変更速度を増大させる、すなわち、比較的低い増加率により、安定した変更速度でバルブタイミングを変更することができる。これにより、バルブタイミングの変更動作が安定し、吸気の吹き抜け量の変動を抑制することができる。したがって、安定した機関出力を得ることができる。
【００１０】
以上のような制御を行うことにより、内燃機関システムにおいて、必要な運転領域でのバルブタイミングの変更動作の応答性を良好にして必要なオーバーラップ期間を精度よく確保し、安定した吸気の吹き抜け量を得ることによって機関出力を安定させることができる。
【００１１】
本発明において、好ましくは、内燃機関への要求トルクの増加に応じて、第１速度の設定値を増大させる。
このように構成された本発明においては、内燃機関の要求トルクが増加すると、後燃え効果が有効に利用される運転領域もより高速側に遷移する。そこで、要求トルクの増加に応じて第１速度の設定値を増大させることにより、第１速度を超えた領域でバルブタイミングの変更速度をあらゆる運転状況においても最適に設定することができ、内燃機関システムを広い運転領域にわたって安定させることができる。
【００１２】
本発明において、好ましくは、内燃機関への要求トルクの増加に応じて、第２速度の設定値を増大させる。
このように構成された本発明においては、内燃機関の要求トルクが増大すると、後燃え効果が有効に利用される運転領域もより高速側に遷移する。そこで、要求トルクの増加に応じて第２速度の設定値を増大させることにより、第１率より低い第３率でのバルブタイミングの変更速度の増加を行う領域の上限がより高速側に移行する。これにより、より広い運転領域で安定した変更速度を得ることができ、内燃機関システムの出力を安定させることができる。
【００１３】
本発明において、好ましくは、内燃機関への要求トルクが最大の時に、第２率と第３率とが同一である。
このように構成された本発明においては、内燃機関への要求トルクが最大のとき、第２率と第３率とを同じに設定するので、バルブタイミングの変更速度の増減の変動が少なくなり、機関出力をより一層安定させることができる。
【００１４】
本発明において、好ましくは、第３率がゼロである。
このように構成された本発明においては、第３率がゼロに設定されているので、機関速度が第１速度と第２速度の間にあるときには、バルブタイミングの変更速度が一定となる。したがって、機関速度が第１速度と第２速度の間にある運転領域において、バルブタイミングの変更動作が安定し、それにより、機関出力が安定する。
【００１５】
また、上記の目的を達成するために、本発明の内燃機関システムは、少なくとも一部の運転領域において吸気弁及び排気弁がともに開弁するバルブ・オーバーラップ期間を有するように吸気弁及び排気弁を駆動するバルブ駆動機構を有する内燃機関と、該内燃機関の排気通路に配置されたタービン及び内燃機関の吸気通路に配置され且つタービンにより駆動されるコンプレッサを有するターボ過給機と、吸気弁の開タイミング及び／又は排気弁の閉タイミングを変更するバルブタイミング可変手段と、バルブタイミング可変手段によるバルブタイミングの変更速度を調整する変更速度調整手段と、吸気通路に配置され吸気量を調整するためのスロットルと、内燃機関の運転状況に応じて変更速度調整手段を制御するための制御手段と、を含み、制御手段は、変更速度調整手段を、内燃機関の機関速度が、等スロットル開度において内燃機関のトルクが最大となる機関速度よりも低く設定された第１速度よりも低いときに、機関速度の上昇に応じて、吸気弁及び／又は排気弁のバルブタイミング可変手段によるバルブタイミングの変更を、第１率で増加する変更速度で行い、機関速度が、第１速度より高く設定された第２速度より高いときに、機関速度の上昇に応じて、吸気弁及び／又は排気弁の上記バルブタイミング可変手段によるバルブタイミングの変更を、第１率より小さい第２率で増加する変更速度で行い、機関速度が第１速度と第２速度の間であるときに、機関速度の上昇に応じて、吸気弁及び／又は排気弁の上記バルブタイミング可変手段によるバルブタイミングの変更を、第１率よりも低く且つ第２率以下の第３率で増加する変更速度で行う制御を実施するように構成されている、ことを特徴としている。
【００１６】
このように構成された本発明においては、機関速度が第１速度よりも低い場合には、バルブタイミングの変更速度を第１率で増加させる。したがって、バルブタイミングの変更速度が機関速度の増加にしたがって増大し、機関速度が第１速度に近づく領域では特に、オーバーラップ期間がより迅速に変更され、変更動作が応答性よく短時間で行われるようになる。
【００１７】
次に、機関速度が第１速度よりも高く第２速度よりも低い場合には、バルブタイミングの変更速度を第１率よりも低く且つ第２率以下の第３率で増加させる。ここで、バルブタイミングの変更速度は、機関速度が第１速度よりも低い領域で第１率で増加させているので、第１速度と第２速度の間の速度においては、必要なバルブタイミングの変更速度が既に確保されている。したがって、バルブタイミングを迅速に変更することができるため、目標とするオーバーラップ期間を精度よく得ることができるから、望ましい後燃え効果を得ることができ、内燃機関の効率が良好となる。
また、第１率よりも低く且つ第２率以下の第３率で変更速度を増大させる、すなわち、比較的低い増加率により、安定した変更速度でバルブタイミングを変更することができる。これにより、バルブタイミングの変更動作が安定し、吸気の吹き抜け量の変動を抑制することができる。したがって、安定した機関出力を得ることができる。
【００１８】
以上のような制御を行うことにより、内燃機関システムにおいて、必要な運転領域でのバルブタイミングの変更動作の応答性を良好にして必要なオーバーラップ期間を精度よく確保し、安定した吸気の吹き抜け量を得ることによって機関出力を安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関システムの構成を示す概略図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る吸気弁位相可変機構を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る排気弁位相可変機構を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る内燃機関システムの制御を示すフローチャートである。
【図５】内燃機関の回転数及びトルクに対する、オーバーラップ期間を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る弁の開閉位相の変更速度の設定手順を原理的に示すフローチャートである。
【図７】内燃機関の回転数及びトルクに対する、等スロットル開度線を示す図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る吸気弁の電動モータの回転数の変化を示す図である。
【図９】本発明の一実施形態に係る排気弁の油圧の変化を示す図である。
【図１０】本発明の一実施形態による制御マップを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関システムの構成を示す概略図である。この図１において、内燃機関システム１は、内燃機関２と、内燃機関２に接続される吸気管４及び排気管６と、吸気を過給するためのターボ過給機８と、ターボ過給機８で過給された吸気を冷却するためのインタークーラ１０と、吸気管４に配置され吸気量を調整するためのスロットル１２と、内燃機関システム１を制御するための制御器１４と、を備えている。
【００２１】
内燃機関２は、シリンダブロック１６及びシリンダヘッド１８の内部に形成されるシリンダ２０と、シリンダ２０内で摺動可能に設けられたピストン２２と、シリンダ２０及びピストン２２によって画定される燃焼室２４と、吸気管４の吸気ポート２６に設けられた吸気弁２８と、排気管６の排気ポート３０に配置された排気弁３２と、燃焼室２４内に燃料を噴射する燃料噴射装置３４と、噴射された燃料に点火する点火プラグ３６と、を備えている。ピストン２２は、クランクシャフト２３に連結されている。
【００２２】
吸気弁２８には、クランクシャフト２３の回転によって吸気ポート２６を開閉するように吸気弁２８を駆動する吸気弁駆動機構３８が設けられている。吸気弁駆動機構３８は、偏心円を有するカム本体（図示せず）と、カム本体が取り付けられたカムシャフト４０と、カムシャフト４０をクランクシャフト２３に連結するスプロケット４２（図２）及びプーリ（図示せず）とを備える。吸気弁２８は、カム本体のカム面に当接し、クランクシャフト２３の回転に伴ってカムシャフト４０及びカム本体が回転することにより、カム面に沿って移動して吸気ポート２６を開閉するように構成される。
【００２３】
吸気弁駆動機構３８のカムシャフト４０とスプロケット４２との間には、吸気弁２４の開閉位相を変更する吸気弁バルブタイミング可変手段としての吸気弁位相可変機構４４が設けられている。図２に吸気弁位相可変機構４４の構造を示す。吸気弁位相可変機構４４は、カムシャフト４０に固定されたカム一体ギヤ４６と、カム一体ギヤ４６及びスプロケット４２に連結されたロータ４８と、ロータ４８に連結された電動モータ５０とを備える。ロータ４８は、カム一体ギヤ４６の内面に形成されたギヤ部４６Ａに噛み合うカム側ギヤ部４８Ａと、スプロケット４２の内面に形成されたギヤ部４２Ａに噛み合うスプロケット側ギヤ部４８Ｂとを備える。ロータ４８の回転軸線は、電動モータ５０及びカムシャフト４０の回転軸線に対して偏心している。カム側ギヤ部４８Ａ及びスプロケット側ギヤ部４８Ｂの歯数は、ギヤ部４６Ａ及びギヤ部４２Ａの歯数よりもそれぞれ１つ少なく、したがって、ロータ４８は、スプロケット４２及びカム一体ギヤ４６との間で偏心遊星歯車機構を構成している。また、電動モータ５０は、ロータ４８にスプライン結合している。
【００２４】
このような構造の吸気弁位相可変機構４４によれば、電動モータ５０をスプロケット４２の回転方向と同じ方向に所定量回転させれば、スプロケット４２に対するカムシャフト４０の相対位置が変化し、吸気弁２８の開閉位相が進角側に変更される。反対に、電動モータ５０をスプロケット４２の回転方向と逆の方向に所定量回転させれば、吸気弁２８の開閉位相が遅角側に変更される。
【００２５】
ここで、吸気弁位相可変機構４４は、電動モータ５０の回転数（回転速度）を変更することにより、吸気弁２８の開閉位相の変更速度を調整可能となる。即ち、電動モータ５０の回転数を高くすれば、吸気弁２８の開閉位相がより短時間で変更され、電動モータ５０の回転数を低くすれば、吸気弁２８の開閉位相がより長時間で変更されることとなる。したがって、本実施形態では、電動モータ５０が、吸気弁２８の開閉タイミングの変更速度を調整する吸気弁変更速度調整手段の役割を果たす。
【００２６】
排気弁３２には、クランクシャフト２３の回転によって排気ポート３０を開閉するように排気弁３２を駆動する排気弁駆動機構５２が設けられている。排気弁駆動機構５２は、偏心円を有するカム本体（図示せず）と、カム本体が取り付けられたカムシャフト５４と、カムシャフト５４をクランクシャフト２３に連結するスプロケット５６（図３）及びプーリ（図示せず）とを備える。排気弁３２は、カム本体のカム面に当接し、クランクシャフト２３の回転に伴ってカムシャフト５４及びカム本体が回転することにより、カム面に沿って移動して排気ポート３０を開閉するように構成される。
【００２７】
排気弁駆動機構５２のカムシャフト５４とスプロケット５６との間には、排気弁３２の開閉位相を変更する排気弁バルブタイミング可変手段としての排気弁位相可変機構５８が設けられている。図３に排気弁位相可変機構５８の構造を示す。
排気弁位相可変機構５８は、カムシャフト５４に固定されスプロケット５６の内側に同軸上に配置されたロータ６０と、ロータ６０とスプロケット５６との間に形成される油圧室６２と、油圧室６２に作動油を供給する油圧回路６４とを備える。
【００２８】
ロータ６０は、半径方向外側に突出する複数の突出部６０Ａ，６０Ｂを備え、突出部６０Ａ，６０Ｂの外周面は、スプロケット５６の内周面に摺動可能に配置される。一方、スプロケット５６には、内周面に等間隔に配置され、内周面から半径方向内側に突出する複数の突出部５６Ａが形成されている。これらの突出部５６Ａは、ロータ６０の突出部６０Ａ，６０Ｂの間に配置され、その内周面が、ロータ６０の外周面に摺動可能に配置されている。
【００２９】
油圧室６２は、ロータ６０の突出部６０Ａ，６０Ｂの両側にそれぞれ形成された進角用油圧室６２Ａと、遅角用油圧室６２Ｂとを有する。複数の進角用油圧室６２Ａの各々には、半径方向に延びる作動油路６６Ａの一端が接続され、これらの作動油路６６Ａの他端はロータ６０の中央で互いに連通し、油圧回路６４に接続されている。また、複数の遅角用油圧室６２Ｂの各々にも、半径方向に延びる作動油路６６Ｂの一端が接続され、これらの作動油路６６Ｂの他端は、図示しない周方向溝によって互いに連通し、この周方向溝は、油圧回路６４に接続されている。
【００３０】
油圧回路６４は、作動油を貯留するオイルパン６８と、オイルパン６８から油圧室６２へ作動油を供給するためのオイルポンプ７０と、オイルポンプ７０と油圧室６２との間に設けられ、進角用油圧室６２Ａ及び遅角用油圧室６２Ｂとオイルポンプ７０とを選択的に連通するためのソレノイドバルブ７１と、オイルポンプ７０からの作動油の供給圧を調整するためのソレノイド駆動の可変オリフィス７２と、を備える。
オイルポンプ６８は、所定圧力でオイルパン６８から作動油を油圧室６２に供給し、可変オリフィス７２はの絞り量によってその供給圧が調整される。ソレノイドバルブ７１は、進角用油圧室６２Ａ及び遅角用油圧室６２Ｂのいずれか一方をオイルポンプ７０に接続しいずれか他方をオイルパン６８に連通するドレイン通路６８Ａに接続し、または、これらの両方をオイルポンプ７０及びドレイン通路６８Ａから遮断するように構成される。
【００３１】
このような構造により、オイルポンプ７０から進角用油圧室６２Ａに作動油が供給されると、進角用油圧室６２Ａの容積が増大し、一方で遅角用油圧室６２Ｂの容積は減少して遅角用油圧室６２Ｂ内の作動油はオイルパン６８に戻される。これにより、ロータ６０が進角側に回転することにより、スプロケット５６とカムシャフト５４との相対位置が変化し、排気弁３２の開閉位相が進角側に変更される。反対に、オイルポンプ７０が遅角用油圧室６２Ｂに作動油が供給されれば、ロータ６０が遅角側に回転して排気弁３２の開閉位相が遅角側に変更される。ロータ６０のスプロケット５６に対する相対位置は、進角用油圧室６２Ａ内の油圧と遅角用油圧室６２Ｂ内の油圧との差圧と、カムシャフト５４に作用するトルクとをバランスさせることで維持される。
【００３２】
ここで、排気弁位相可変機構５８は、油圧室６２に供給される作動油の油圧を調整することにより、排気弁３２の開閉位相の変更速度を調整可能となる。即ち、可変オリフィス７２の絞り量を小さくしてオイルポンプ７０の作動油の供給圧を高くすれば、排気弁３２の開閉位相がより短時間で変更され、可変オリフィス７２の絞り量を大きくしてオイルポンプ７０の作動油の供給圧を低くすれば、排気弁３２の開閉位相がより長時間で変更されることとなる。したがって、本実施形態では、オイルポンプ７０及び可変オリフィス７２が、排気弁３２の開閉タイミングの変更速度を調整する排気弁変更速度調整手段の役割を果たす。
【００３３】
ターボ過給機８は、排気管６に配置されたタービン７４と、吸気管４に配置されたコンプレッサ７６とを有し、タービン７４及びコンプレッサ７６の回転軸が互いに連結されている。また、排気管６には、タービン７４の上流側と下流側とをバイパスするウェストゲート７８が設けられている。ウェストゲート７８が、タービン７４における排気ガスの圧力が高すぎる場合に、ウェストゲート７８を開いて排気ガスの一部をタービン７４を通さずにバイパスするように構成されている。
【００３４】
制御器１４は、内燃機関システム１の運転状態を把握するために各種センサからの検出信号を入力可能に設けられている。これらのセンサとしては、例えば内燃機関２のクランクシャフト２３の回転数、即ちエンジン回転数を検出する回転数検出センサ８０、吸入空気量を検出するエアフローメータ８２、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルペダルセンサ８６、等が挙げられる。また、制御器１４は、燃料噴射装置３４に燃料噴射時期を指示したり、点火プラグ３６に点火時期を指示したりする等、各種の運転指令を送信するように構成され、また、電動モータ５０及び可変オリフィス７２に、内燃機関２の運転状態に応じて、吸気弁２８及び排気弁３２の開閉位相の変更速度を変更するための指令を送信するように構成されている。
【００３５】
以上のように構成された本実施形態に係る内燃機関システム１においては、次のように動作を制御する。
図４は、本発明の一実施形態に係る内燃機関システム１の全体の制御動作を示すフローチャートである。
ステップＳ１において、内燃機関システム１の制御器１４は、現在の内燃機関２の運転状態を調べるために、各センサから各種検出信号を受け入れる。ここで、各センサからの検出信号としては、例えば、回転数検出センサ８０で検出したエンジン回転数ＮENG、エアフローメータ８２で検出した吸入空気量ＣＥ、アクセルペダルセンサ８６で検出したアクセルペダルの踏み込み量α等が挙げられる。
【００３６】
次に、ステップＳ２において、制御器１４は、ステップＳ１で検出したアクセルペダルの踏み込み量α及びエンジン回転数ＮENGに基づいて、目標のエンジントルクＴＱDを算出する。また、ステップＳ３において、制御器１４は、ステップＳ１で検出したエンジン回転数ＮENGとステップＳ２で算出した目標エンジントルクＴＱDに基づいて、目標の空気充填量ＣＥD及び点火時期ＳＡを算出する。
【００３７】
ステップＳ４において、制御器１４は、目標の空気充填量ＣＥDに基づいて、吸気弁２８の目標の位相角θN_D、排気弁３２の目標の位相角θEX_D、及び目標のスロットル開度ＴＶＯを算出する。これらの吸気弁２８の位相角θIN_D及び排気弁３２の位相角θEX_Dによって、内燃機関２の運転中、吸気弁２８及び排気弁３２が同時に開弁する期間であるオーバーラップ期間Ｏ／Ｌが決定される。
このステップＳ４で決定された吸気弁２８の目標の位相角θN_D及び排気弁３２の目標の位相角θEX_Dが現在の位相角に対して進んでいる場合には、吸気弁２８及び排気弁３２の開閉位相をそれぞれ遅角側に所定量変更する制御を行うこととなる。
【００３８】
ここで、本実施形態におけるオーバーラップ期間Ｏ／Ｌの設定について説明する。図５は、本実施形態におけるエンジン回転数ＮENG及びエンジントルクＴＱDと設定されるオーバーラップ期間Ｏ／Ｌとの関係を模式的に示す。この図において、オーバーラップ期間Ｏ／Ｌは、吸気弁駆動機構３８及び排気弁駆動機構５２が機械的に設定可能なオーバーラップ期間Ｏ／Ｌの最大値に対する割合で示す。図５に示すように、ターボ過給機８による過給をほとんど行わない、エンジントルクＴＱDが小さい領域では、オーバーラップ期間Ｏ／Ｌは原則的に０％に設定されている。エンジントルクＴＱDが所定値以上の領域においては、エンジン回転数ＮENGが小さい領域でオーバーラップ期間Ｏ／Ｌが大きく（例えば１００％）設定されている。その後、エンジン回転数ＮENGが大きくなり、ターボ過給機８でのエネルギが十分に確保されターボ過給機８の圧力が高くなりすぎると、ウェストゲート７８を開いて排気ガスの一部を逃がす。このウェストゲート７８を開く境界であるウェストゲート開閉境界線Ａを超えた領域では、ターボ過給機８の効率も良好であるので、オーバーラップ期間Ｏ／Ｌはさほど必要ではなく、したがって、エンジン回転数ＮENGの増加に従ってオーバーラップ期間Ｏ／Ｌが次第に減少するように設定されている。
【００３９】
このようなオーバーラップ期間Ｏ／Ｌは、内燃機関システム１の要求性能や使用条件等を勘案して予め決定され、そのオーバーラップ期間Ｏ／Ｌに応じて、吸気弁２８及び排気弁３２の開閉位相も予め決定されている。したがって、実際の制御工程では、吸気弁２８の目標の位相角θN_D及び排気弁３２の目標の位相角θEX_Dは、予め設定されたマップから読み込まれ、決定される。
【００４０】
図４に戻って、次に、ステップＳ５において、制御器１４は、目標エンジントルクＴＱD及びエンジン回転数ＮENGに基づいて、吸気弁２８及び排気弁３２の開閉位相の変更速度を算出する。具体的には、このステップＳ５において、制御器１４は、後述する設定手法に基づいて、吸気弁２８の電動モータ５０の回転数と、排気弁３２の可変オリフィス７２の絞り量によって決定される油圧室６２に供給される作動油の油圧を決定する。
【００４１】
ステップＳ６において、エアフローメータ８２で検出した吸入空気量ＣＥに基づいて、燃料噴射量ＦＰを算出する。そして、ステップＳ７において、前述の各ステップで設定された設定条件を実行して内燃機関２を運転する。具体的には、電動モータ５０及び可変オリフィス７２を設定された回転数及び絞り量でそれぞれ駆動して、所定の開閉位相の変更動作速度で、吸気弁２８及び排気弁３２の開閉位相を変更する。また、所定のスロットル開度ＴＶＯ、燃料噴射量ＦＰ、及び点火時期ＳＡ等の条件で内燃機関２を運転する。
その後、ステップＳ１に戻って、同じステップを繰り返す。
【００４２】
上述のように、本実施形態では、図４のステップＳ５において、吸気弁位相可変機構４４及び排気弁位相可変機構５２による開閉位相変更動作の変更速度、具体的には吸気弁２８の電動モータ５０の回転数と、油圧室６２に供給される作動油の油圧を設定している。なお、排気弁位相可変機構５２において作動油の油圧は、排気弁３２の可変オリフィス７２の絞り量によって決定されるから、排気弁３２側においては、より具体的には可変オリフィス７２の絞り量を決定することとなる。これらの設定値は、本実施形態では、以下のように決定される。
【００４３】
本実施形態では、吸気弁２８及び排気弁３２の開閉位相の変更速度は、エンジン回転数ＮENGが予め設定された第１回転数（第１速度）Ｎ1よりも低い場合には、エンジン回転数ＮENGが増大するに従って所定の第１率Ａ１で増大するように、開閉位相の変更速度を調整する。また、エンジン回転数ＮENGが第１回転数Ｎ1と、予め設定された第２回転数（第２速度）Ｎ2との間の速度の場合には、エンジン回転数ＮENGが増大するに従って所定の第３率Ａ３で増大するように、開閉位相の変更速度を調整する。そして、エンジン回転数ＮENGが第２回転数Ｎ2より高い場合には、エンジン回転数ＮENGが増大するに従って、所定の第２率Ａ２で増大するように、開閉位相の変更速度を調整する。
【００４４】
図６は、吸気弁２８及び排気弁３２の開閉位相の変更速度の設定手順を原理的に示すフローチャートである。
まず、ステップＳ１１において、目標のスロットル開度ＴＶＯ及びエンジン回転数ＮENGを入力する。ステップＳ１２において、これらのスロットル開度ＴＶＯ及びエンジン回転数ＮENGに基づいて、第１速度Ｎ1及び第２速度Ｎ2を決定する。
【００４５】
ここで、第１速度Ｎ1及び第２速度Ｎ2は、以下のように予め設定されている。
図７は、内燃機関１の等スロットル開度におけるエンジン回転数ＮENG及びトルクＴＱDの関係を示す。この図７に示すように、等スロットル開度においては、あるエンジン回転数に対してトルクが最大となる。これは、オーバーラップ期間を設けた内燃機関システムにおいて特に見られる傾向である。つまり、オーバーラップ期間が設けられていない内燃機関システムでは、等スロットル開度においてはエンジン回転数が増大するにつれてトルクが減少するのが一般的である。ところが、本実施形態のようにオーバーラップ期間を設けた内燃機関システム１においては、オーバーラップ期間を設けた運転領域では、燃焼室２４で燃え残った燃料と、オーバーラップによって吸気側から排気側に吹き抜けた酸素とが燃焼して、いわゆる後燃えが発生する。この後燃えにより、排気側のエネルギが増大し、ターボ過給機８の効率が向上して、トルクが増大するという現象が発生する。したがって、等スロットル開度における図７の各線において、トルクが上昇している領域が、後燃え効果が有効な領域であり、そして、トルクが最大となるピーク点が、後燃え効果が最大となる点である。このピーク点を結んだ線を一点鎖線Ｂで示す。
【００４６】
上記のような後燃え作用を考慮して、第１速度Ｎ1は、等スロットル開度線におけるピーク値となるエンジン回転数、即ち、等スロットル開度においてトルクが最大となるエンジン回転数よりも低い値に設定される。従って、第１速度Ｎ1は、等スロットル開度線のピーク線Ｂよりも低エンジン回転数側（図７の左側）に設定され、本実施形態では、第１速度Ｎ1は例えばアイドル回転数に設定される。
【００４７】
一方、第２速度Ｎ2は、第１速度Ｎ1よりも大きくなるように設定されている。第２速度Ｎ2は、オーバーラップ期間Ｏ／Ｌが設けられている領域内の最も高いエンジン回転数以下に設定されるのが望ましい。また、第２速度Ｎ2は、好ましくは、上記に加えてまたは上記に代えて、等スロットル開度においてトルクが最大となるエンジン回転数以上、即ち等スロットル開度線のピーク線Ｂ上またはピーク線Ｂよりも高エンジン回転数側（図７の右側）の値に設定される。本実施形態では、第２速度Ｎ2は、全負荷時に過給圧の制御を開始するインターセプト点におけるエンジン回転数ＮPに設定されている。
【００４８】
ここで、図７に示すように、等スロットル開度線は、スロットル開度ＴＶＯまたはトルクＴＱDが大きくなるにつれて高エンジン回転数側に遷移している。したがって、後燃え効果が最大となる等スロットル開度線のピーク点におけるエンジン回転数も大きくなる。そこで、この等スロットル開度線の遷移に応じて、つまり、スロットル開度ＴＶＯまたはトルクの増大に従って、第１速度Ｎ1及び第２速度Ｎ2も大きくなるように設定されることが好ましい。
【００４９】
次に、図６に戻って、ステップＳ１３において、スロットル開度ＴＶＯ及びエンジン回転数ＮENGに基づいて、第１率Ａ１、第２率Ａ３、及び第３率Ａ２を決定する。第１率Ａ１、第２率Ａ３、及び第３率Ａ２は、以下のようにして予め設定されている。
【００５０】
図８は、吸気弁位相可変機構４４におけるエンジン回転数に対する電動モータ５０の回転数の関係を示す。また、図９には、排気弁位相可変機構５８におけるエンジン回転数に対する油圧室６２の油圧の関係を示す。
これらの図８及び図９に二点鎖線で示すように、従来の内燃機関システムでは、電動モータ５０の回転数や油圧室６２の油圧は、所定値となるまでエンジン回転数がゼロの地点から、エンジン回転数に対して一定の増加率で増加するのが一般的であった。これに対して、本実施形態では、エンジン回転数が第１速度Ｎ1よりも低い場合における吸気弁２８及び排気弁３２の開閉位相変更動作の動作速度の増加率である第１率Ａ１は、図８及び図９にそれぞれ示すように、従来の一定の増加率よりも、高い増加率に設定されている。第１率Ａ１は、エンジン回転数が第１速度Ｎ1に到達したときに、厳密なオーバーラップ期間Ｏ／Ｌの制御が可能な吸気弁２８及び排気弁３２の変更速度を得られるように設定される。
【００５１】
次に、エンジン回転数が第１速度Ｎ1以上第２速度Ｎ2以下である場合における吸気弁２８及び排気弁３２の開閉位相変更動作の動作速度の増加率である第３率Ａ３は、第１率Ａ１よりも小さく、第２率Ａ２以下に設定されている。本実施形態では、第３率Ａ３は、図８に示すように吸気弁２８においては、ゼロに設定され、図９に示すように排気弁３２においては、第１率Ａ１及び第２率Ａ２よりも小さく設定されている。
【００５２】
そして、エンジン回転数が第２速度Ｎ2より大きい場合における吸気弁２８及び排気弁３２の開閉位相の変更速度の増加率である第２率Ａ２は、図８及び図９に示すように、吸気弁２８及び排気弁３２ともに、従来の増加率と同じ値に設定されている。この第２率Ａ２は、第１率Ａ１よりも小さく設定される。
【００５３】
ここで、第１率Ａ１、第２率Ａ２、及び第３率Ａ３は、内燃機関システム１の構成に応じて固定値として設定されることが好ましい。したがって、内燃機関２の要求トルクまたはスロットル開度が大きくなると第１速度Ｎ1及び第２速度Ｎ2の設定値は大きくなるが、これらの増加率は固定であるため、吸気弁２８の電動モータ５０の回転数及び排気弁３２の油圧室６２の油圧は、図８及び図９に点線でそれぞれ示すように変化する。
なお、本実施形態では、第１率Ａ１、第２率Ａ２、及び第３率Ａ３は固定値であるが、これらの値を可変としてもよい。この場合、トルクが最大であるとき、吸気弁２８及び排気弁３２における第３率Ａ３を、第２率Ａ２と同一に設定してもよい。
【００５４】
次に図６に戻って、ステップＳ１４において、エンジン回転数ＮENGが第１速度Ｎ1よりも小さいか否かを判断する。エンジン回転数ＮENGが第１速度Ｎ1よりも小さい場合には、ステップＳ１５に進み、吸気弁２８の電動モータ５０の回転数または排気弁３２の油圧室６２の油圧の増加を第１率Ａ１の増加率で行うように決定する。
ステップＳ１４において、エンジン回転数ＮENGが第１速度Ｎ1以上である場合には、ステップＳ１６に進み、エンジン回転数ＮENGが第２速度Ｎ2以下か否かを判断する。エンジン回転数ＮENGが第２速度Ｎ2以下である場合には、ステップＳ１７に進み、吸気弁２８の電動モータ５０の回転数または排気弁３２の油圧室６２の油圧の増加を第３率Ａ３の増加率で行うように決定する。
ステップＳ１６においてエンジン回転数ＮENGが第２速度Ｎ2より大きい場合には、ステップＳ１８に進み、吸気弁２８の電動モータ５０の回転数または排気弁３２の油圧室６２の油圧の増加を第２率Ａ２の増加率で行うように決定する。
【００５５】
以上に吸気弁２８及び排気弁３２の開閉位相の変更速度の設定手法を説明したが、実際の制御工程においては、トルク及びエンジン回転数に対して吸気弁２８の電動モータ５０の回転数及び排気弁３２の油圧室６２の油圧が予め設定されたマップを用いて、これらの設定値をエンジン回転数ＮENG及びトルクＴＱDから求めることができる。
【００５６】
図１０は、トルク及びエンジン回転数に対して排気弁３２の油圧室６２の油圧（実際には可変オリフィス７２の絞り量）が予め設定されたマップを示す。このマップには、予め設定された第１速度、第２速度、第１率、第２率、及び第３率に基づいて、トルク及びエンジン回転数に対する可変オリフィス７２の絞り量の目標値が設定されている。また、吸気弁２８についても、同様にトルク及びエンジン回転数に対する電動モータ５０の回転数の目標値を設定したマップが用意される。そして、実際の制御工程では、前述の図４のステップＳ５では、予め設定された図１０に示すようなマップから、電動モータ５０の回転数及び可変オリフィス７２の絞り量の目標値を読み出す作業を行う。
【００５７】
以上のように構成された本実施形態によれば、次のような優れた効果を得ることができる。
等スロットル開度線に基づいてエンジン回転数の閾値である第１速度Ｎ1及び第２速度Ｎ2を設定し、内燃機関２のエンジン回転数ＮENGが第１速度Ｎ1よりも小さい場合には、吸気弁２８の電動モータ５０の回転数及び排気弁３２の油圧室６２の油圧を第１率Ａ１で増大させるので、エンジン回転数ＮENGが第１速度Ｎ1に達する頃には、吸気弁２８における十分な電動モータ５０の回転数と、排気弁３２における十分な油圧室６２の油圧とを確保することができる。したがって、大きなオーバーラップ期間Ｏ／Ｌが設けられる第１速度Ｎ1前後の運転領域において、吸気弁２８及び排気弁３２の開閉位相の変更動作が応答性よく行われ、目標値により近い開閉タイミングが実現でき、より正確なオーバーラップ期間Ｏ／Ｌを実現できる。これにより、内燃機関２の排気側に吹き抜ける空気量を正確に制御することができるから、後燃えを効果的に行うことができ、内燃機関システム１の効率を高めることができる。
【００５８】
エンジン回転数ＮENGが第２速度Ｎ2より大きい場合には、吸気弁２８の電動モータ５０の回転数及び排気弁３２の油圧室６２の油圧を第１率Ａ１よりも低い第２率Ａ２で増大させるが、ここで、既に第１速度Ｎ1より小さい領域及び第１速度Ｎ1と第２速度Ｎ2の間の領域で増大させた回転数及び油圧によって内燃機関２の効率を良好に維持することができる。これに加えて、第２率Ａ２を第１率Ａ１よりも低く設定しているので、オーバーラップ期間Ｏ／Ｌが徐々に減少する第２速度Ｎ2より大きい運転領域における機械的なロスを抑制して内燃機関２の効率の低下を抑制することができる。
【００５９】
エンジン回転数ＮENGが第１速度Ｎ1と第２速度Ｎ2の間にある場合には、吸気弁２８の電動モータ５０の回転数及び排気弁３２の油圧室６２の油圧を第１率Ａ１及び第２率Ａ２よりも低い第３率Ａ３で増大させるので、比較的大きなオーバーラップ期間Ｏ／Ｌが設けられる第１速度Ｎ1と第２速度Ｎ2との間の運転領域において、開閉位相の変更動作時の電動モータ５０の回転数及び油圧室６２の油圧の変動が抑制され、安定した回転数及び油圧を得ることができる。したがって、吸気弁２８及び排気弁３２の開閉位相変更動作の良好な応答性が得られるとともに、開閉位相変更動作が安定するため、トルクの変動をより一層抑制することができる。これにより、内燃機関システム１の出力が安定する。
【００６０】
第１速度Ｎ1及び第２速度Ｎ2を、スロットル開度またはトルクの増大にしたがってそれぞれ大きく設定するので、内燃機関２の運転状況に応じて、厳密なオーバーラップ期間Ｏ／Ｌの制御が必要な領域で吸気弁２８及び排気弁３２の開閉位相の変更動作を応答性よく行うことができる。したがって、内燃機関２のあらゆる運転領域において、内燃機関２の効率を良好に維持することができる。
【００６１】
内燃機関２への要求トルクが最大のとき、第２率Ａ２と第３率Ａ３とを同じに設定すれば、吸気弁２８及び排気弁３２の開閉位相の変更速度の増減の変動が少なくなり、機関出力をより一層安定させることができる。
【００６２】
吸気弁２８の電動モータ５０における第３率Ａ３がゼロに設定されているので、内燃機関２のエンジン回転数が第１速度Ｎ1と第２速度Ｎ2の間にあるときには、吸気弁２８の開閉位相の変更速度が一定となる。したがって、エンジン回転数が第１速度Ｎ1と第２速度Ｎ2の間にある運転領域においては、開閉位相の変更動作が安定し、オーバーラップ期間Ｏ／Ｌをより厳密に制御することができる。また、それにより、内燃機関２の機関出力が安定する。
【００６３】
本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、例えば、バルブタイミング可変手段は、バルブの開閉位相を変更するものに限らず、バルブの開閉のタイミングを可変に構成されるものであれば、任意の構造を採用できる。したがって、バルブタイミング可変手段として、例えば、バルブのリフトを可変に構成されたものや、開閉位相及びリフトの両方を可変に構成されたもの等を採用できる。
【００６４】
バルブタイミング可変手段は、吸気弁及び排気弁のバルブ開閉タイミングを変更するものに限らず、吸気弁及び／又は排気弁の開閉タイミングを変更するものであればよく、少なくとも、吸気弁の開タイミング及び／又は排気弁の閉タイミングを変更可能な構造であればよい。
【００６５】
変更速度調整手段は、電動モータや可変オリフィスを用いたものに限らず、バルブタイミングの変更速度を調整可能なものであれば任意の構造を採用できる。したがって、変更速度調整手段は、例えば電動オイルポンプを使用したものであってもよい。この場合には、第３率は、ゼロに設定されるのが好ましい。
【００６６】
第１速度は、等スロットル開度においてトルクが最大となる機関速度よりも小さく設定されていればよく、前述の実施形態のようにアイドル回転数に設定されるものに限らず、内燃機関システムの構成や使用条件等に応じて、任意に設定することができる。
第２速度は、第１速度よりも高く設定されていればよく、前述の実施形態にようにインターセプト点における機関速度に設定されるものに限らず、例えば等スロットル開度においてトルクが最大となる機関速度、この機関速度よりも低い速度、またはこの機関速度よりも高い速度等、内燃機関システムの構成や使用条件等に応じて、任意に設定することができる。
【００６７】
本発明の制御方法は、オーバーラップが設けられている全ての運転領域について行う必要はなく、オーバーラップが設けられている運転領域の少なくとも１部について行えばよい。
【符号の説明】
【００６８】
１ 内燃機関システム
２ 内燃機関
８ ターボ過給機
１２ スロットル
１４ 制御器
２８ 吸気弁
３２ 排気弁
３８ 吸気弁駆動機構
４４ 吸気弁位相可変機構
５０ 電動モータ
５２ 排気弁駆動機構
５８ 排気弁位相可変機構
６４ 油圧回路
７０ オイルポンプ
７２ 可変オリフィス
７４ タービン
７６ コンプレッサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関システムの制御方法及び内燃機関システムに関し、特に、内燃機関の吸気弁及び排気弁がともに開弁するバルブ・オーバーラップ期間を有する内燃機関システムの制御方法及び内燃機関システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
過給機を備えた内燃機関システムにおいて、吸気弁と排気弁がともに開弁するオーバーラップ期間を設けて、その運転状況に応じてこのオーバーラップ期間を変更する方法が知られている。このようなオーバーラップ期間の変更手法として、例えば特許文献１には、排気管に配置された触媒の状態に応じてオーバーラップ期間を変更するものが開示されている。この特許文献１に記載の内燃機関システムでは、減速時にオーバーラップ期間を小さくするが、このとき、触媒の内部の酸素濃度が所定値以上である場合には、排気弁の閉じ時期を先に目標値まで変更し、その後吸気弁の開き時期を目標値まで変更する。反対に、触媒の内部の酸素濃度が所定値未満である場合には、吸気弁の開き時期を先に目標値まで変更し、その後排気弁の閉じ時期を目標値まで変更する。このような制御を行うことにより、オーバーラップ時に吸気側から排気側に吹き抜ける空気量を調節して触媒への酸素供給量を調整し、排気エミッションの悪化や触媒の劣化を防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１９６１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ターボ過給機を有する内燃機関システムにおいては、排気行程で内燃機関の排気側に排出される燃え残りの燃料を、オーバーラップ期間に吸気側から排気側へ吹き抜けた酸素と燃焼させる、いわゆる後燃えの作用を利用している場合がある。このような後燃え作用を利用すると、内燃機関の排気側でのエネルギが高くなり、ターボ過給機の効率を高くすることができ、これにより、内燃機関のトルクを高めることができる。
【０００５】
ところが、前述の特許文献１にも記載されるように、オーバーラップによる吸気の排気側への吹き抜け量は、オーバーラップ期間を変更するために吸気弁及び排気弁のどちらを先に変更するかによっても異なる。すなわち、オーバーラップ期間を変更する動作には或る程度の時間を要するため、オーバーラップ期間を変更する際に、オーバーラップ期間の目標値に対してずれが生じる場合がある。このため、吸気の排気側への吹き抜け量にもずれが生じ、これに伴って後燃え効果も変動してしまい、内燃機関のトルクや回転に変動が生じる場合がある。また、この変動により、更なるオーバーラップ期間の変更が生じ、これが更なるトルクや回転数の変動につながり、機関出力に過大な変動が生じてしまうという悪循環に陥る可能性がある。
【０００６】
本発明の目的は、オーバーラップ期間を設けている内燃機関の少なくとも一部の運転領域において、オーバーラップ期間の変更をより応答性よく行い、機関出力を安定させることができる内燃機関システムの制御方法及び内燃機関システムを提供することにある。
【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に、本発明の内燃機関システムの制御方法は、少なくとも一部の運転領域において吸気弁及び排気弁がともに開弁するバルブ・オーバーラップ期間を有するように吸気弁及び排気弁を駆動するバルブ駆動機構を有する内燃機関と、該内燃機関の排気通路に配置されたタービン及び内燃機関の吸気通路に配置され且つタービンにより駆動されるコンプレッサを有するターボ過給機と、吸気弁の開タイミング及び／又は排気弁の閉タイミングを変更するバルブタイミング可変手段と、吸気通路に配置され吸気量を調整するためのスロットルと、を備えた内燃機関システムを制御する方法であって、内燃機関の機関速度が、等スロットル開度において内燃機関のトルクが最大となる機関速度よりも低く設定された第１速度よりも低いときに、機関速度の上昇に応じて、吸気弁及び／又は排気弁のバルブタイミング可変手段によるバルブタイミングの変更を、第１率で増加する変更速度で行う工程と、機関速度が、第１速度より高く設定された第２速度より高いときに、機関速度の上昇に応じて、吸気弁及び／又は排気弁のバルブタイミング可変手段によるバルブタイミングの変更を、第１率より小さい第２率で増加する変更速度で行う工程と、機関速度が第１速度と第２速度の間であるときに、機関速度の上昇に応じて、吸気弁及び／又は排気弁の上記バルブタイミング可変手段によるバルブタイミングの変更を、第１率よりも小さく且つ第２率以下である第３率で増加する変更速度で行う工程と、を有する、ことを特徴としている。
【０００８】
このように構成された本発明においては、機関速度が第１速度よりも低い場合には、バルブタイミングの変更速度を第１率で増加させる。したがって、バルブタイミングの変更速度が機関速度の増加にしたがって増大し、機関速度が第１速度に近づく領域では特に、オーバーラップ期間がより迅速に変更され、変更動作が応答性よく短時間で行われるようになる。
【０００９】
次に、機関速度が第１速度よりも高く第２速度よりも低い場合には、バルブタイミングの変更速度を第１率よりも低く且つ第２率以下の第３率で増加させる。ここで、バルブタイミングの変更速度は、機関速度が第１速度よりも低い領域で第１率で増加させているので、第１速度と第２速度の間の速度においては、必要なバルブタイミングの変更速度が既に確保されている。したがって、バルブタイミングを迅速に変更することができるため、目標とするオーバーラップ期間を精度よく得ることができるから、望ましい後燃え効果を得ることができ、内燃機関の効率が良好となる。
また、第１率よりも低く且つ第２率以下の第３率で変更速度を増大させる、すなわち、比較的低い増加率により、安定した変更速度でバルブタイミングを変更することができる。これにより、バルブタイミングの変更動作が安定し、吸気の吹き抜け量の変動を抑制することができる。したがって、安定した機関出力を得ることができる。
【００１０】
以上のような制御を行うことにより、内燃機関システムにおいて、必要な運転領域でのバルブタイミングの変更動作の応答性を良好にして必要なオーバーラップ期間を精度よく確保し、安定した吸気の吹き抜け量を得ることによって機関出力を安定させることができる。
【００１１】
本発明において、好ましくは、内燃機関への要求トルクの増加に応じて、第１速度の設定値を増大させる。
このように構成された本発明においては、内燃機関の要求トルクが増加すると、後燃え効果が有効に利用される運転領域もより高速側に遷移する。そこで、要求トルクの増加に応じて第１速度の設定値を増大させることにより、第１速度を超えた領域でバルブタイミングの変更速度をあらゆる運転状況においても最適に設定することができ、内燃機関システムを広い運転領域にわたって安定させることができる。
【００１２】
本発明において、好ましくは、内燃機関への要求トルクの増加に応じて、第２速度の設定値を増大させる。
このように構成された本発明においては、内燃機関の要求トルクが増大すると、後燃え効果が有効に利用される運転領域もより高速側に遷移する。そこで、要求トルクの増加に応じて第２速度の設定値を増大させることにより、第１率より低い第３率でのバルブタイミングの変更速度の増加を行う領域の上限がより高速側に移行する。これにより、より広い運転領域で安定した変更速度を得ることができ、内燃機関システムの出力を安定させることができる。
【００１３】
本発明において、好ましくは、内燃機関への要求トルクが最大の時に、第２率と第３率とが同一である。
このように構成された本発明においては、内燃機関への要求トルクが最大のとき、第２率と第３率とを同じに設定するので、バルブタイミングの変更速度の増減の変動が少なくなり、機関出力をより一層安定させることができる。
【００１４】
本発明において、好ましくは、第３率がゼロである。
このように構成された本発明においては、第３率がゼロに設定されているので、機関速度が第１速度と第２速度の間にあるときには、バルブタイミングの変更速度が一定となる。したがって、機関速度が第１速度と第２速度の間にある運転領域において、バルブタイミングの変更動作が安定し、それにより、機関出力が安定する。
【００１５】
また、上記の目的を達成するために、本発明の内燃機関システムは、少なくとも一部の運転領域において吸気弁及び排気弁がともに開弁するバルブ・オーバーラップ期間を有するように吸気弁及び排気弁を駆動するバルブ駆動機構を有する内燃機関と、該内燃機関の排気通路に配置されたタービン及び内燃機関の吸気通路に配置され且つタービンにより駆動されるコンプレッサを有するターボ過給機と、吸気弁の開タイミング及び／又は排気弁の閉タイミングを変更するバルブタイミング可変手段と、バルブタイミング可変手段によるバルブタイミングの変更速度を調整する変更速度調整手段と、吸気通路に配置され吸気量を調整するためのスロットルと、内燃機関の運転状況に応じて変更速度調整手段を制御するための制御手段と、を含み、制御手段は、変更速度調整手段を、内燃機関の機関速度が、等スロットル開度において内燃機関のトルクが最大となる機関速度よりも低く設定された第１速度よりも低いときに、機関速度の上昇に応じて、吸気弁及び／又は排気弁のバルブタイミング可変手段によるバルブタイミングの変更を、第１率で増加する変更速度で行い、機関速度が、第１速度より高く設定された第２速度より高いときに、機関速度の上昇に応じて、吸気弁及び／又は排気弁の上記バルブタイミング可変手段によるバルブタイミングの変更を、第１率より小さい第２率で増加する変更速度で行い、機関速度が第１速度と第２速度の間であるときに、機関速度の上昇に応じて、吸気弁及び／又は排気弁の上記バルブタイミング可変手段によるバルブタイミングの変更を、第１率よりも低く且つ第２率以下の第３率で増加する変更速度で行う制御を実施するように構成されている、ことを特徴としている。
【００１６】
このように構成された本発明においては、機関速度が第１速度よりも低い場合には、バルブタイミングの変更速度を第１率で増加させる。したがって、バルブタイミングの変更速度が機関速度の増加にしたがって増大し、機関速度が第１速度に近づく領域では特に、オーバーラップ期間がより迅速に変更され、変更動作が応答性よく短時間で行われるようになる。
【００１７】
次に、機関速度が第１速度よりも高く第２速度よりも低い場合には、バルブタイミングの変更速度を第１率よりも低く且つ第２率以下の第３率で増加させる。ここで、バルブタイミングの変更速度は、機関速度が第１速度よりも低い領域で第１率で増加させているので、第１速度と第２速度の間の速度においては、必要なバルブタイミングの変更速度が既に確保されている。したがって、バルブタイミングを迅速に変更することができるため、目標とするオーバーラップ期間を精度よく得ることができるから、望ましい後燃え効果を得ることができ、内燃機関の効率が良好となる。
また、第１率よりも低く且つ第２率以下の第３率で変更速度を増大させる、すなわち、比較的低い増加率により、安定した変更速度でバルブタイミングを変更することができる。これにより、バルブタイミングの変更動作が安定し、吸気の吹き抜け量の変動を抑制することができる。したがって、安定した機関出力を得ることができる。
【００１８】
以上のような制御を行うことにより、内燃機関システムにおいて、必要な運転領域でのバルブタイミングの変更動作の応答性を良好にして必要なオーバーラップ期間を精度よく確保し、安定した吸気の吹き抜け量を得ることによって機関出力を安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態に係る内燃機関システムの構成を示す概略図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る吸気弁位相可変機構を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る排気弁位相可変機構を示す図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る内燃機関システムの制御を示すフローチャートである。
【図５】内燃機関の回転数及びトルクに対する、オーバーラップ期間を示す図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る弁の開閉位相の変更速度の設定手順を原理的に示すフローチャートである。
【図７】内燃機関の回転数及びトルクに対する、等スロットル開度線を示す図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る吸気弁の電動モータの回転数の変化を示す図である。
【図９】本発明の一実施形態に係る排気弁の油圧の変化を示す図である。
【図１０】本発明の一実施形態による制御マップを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る内燃機関システムの構成を示す概略図である。この図１において、内燃機関システム１は、内燃機関２と、内燃機関２に接続される吸気管４及び排気管６と、吸気を過給するためのターボ過給機８と、ターボ過給機８で過給された吸気を冷却するためのインタークーラ１０と、吸気管４に配置され吸気量を調整するためのスロットル１２と、内燃機関システム１を制御するための制御器１４と、を備えている。
【００２１】
内燃機関２は、シリンダブロック１６及びシリンダヘッド１８の内部に形成されるシリンダ２０と、シリンダ２０内で摺動可能に設けられたピストン２２と、シリンダ２０及びピストン２２によって画定される燃焼室２４と、吸気管４の吸気ポート２６に設けられた吸気弁２８と、排気管６の排気ポート３０に配置された排気弁３２と、燃焼室２４内に燃料を噴射する燃料噴射装置３４と、噴射された燃料に点火する点火プラグ３６と、を備えている。ピストン２２は、クランクシャフト２３に連結されている。
【００２２】
吸気弁２８には、クランクシャフト２３の回転によって吸気ポート２６を開閉するように吸気弁２８を駆動する吸気弁駆動機構３８が設けられている。吸気弁駆動機構３８は、偏心円を有するカム本体（図示せず）と、カム本体が取り付けられたカムシャフト４０と、カムシャフト４０をクランクシャフト２３に連結するスプロケット４２（図２）及びプーリ（図示せず）とを備える。吸気弁２８は、カム本体のカム面に当接し、クランクシャフト２３の回転に伴ってカムシャフト４０及びカム本体が回転することにより、カム面に沿って移動して吸気ポート２６を開閉するように構成される。
【００２３】
吸気弁駆動機構３８のカムシャフト４０とスプロケット４２との間には、吸気弁２４の開閉位相を変更する吸気弁バルブタイミング可変手段としての吸気弁位相可変機構４４が設けられている。図２に吸気弁位相可変機構４４の構造を示す。吸気弁位相可変機構４４は、カムシャフト４０に固定されたカム一体ギヤ４６と、カム一体ギヤ４６及びスプロケット４２に連結されたロータ４８と、ロータ４８に連結された電動モータ５０とを備える。ロータ４８は、カム一体ギヤ４６の内面に形成されたギヤ部４６Ａに噛み合うカム側ギヤ部４８Ａと、スプロケット４２の内面に形成されたギヤ部４２Ａに噛み合うスプロケット側ギヤ部４８Ｂとを備える。ロータ４８の回転軸線は、電動モータ５０及びカムシャフト４０の回転軸線に対して偏心している。カム側ギヤ部４８Ａ及びスプロケット側ギヤ部４８Ｂの歯数は、ギヤ部４６Ａ及びギヤ部４２Ａの歯数よりもそれぞれ１つ少なく、したがって、ロータ４８は、スプロケット４２及びカム一体ギヤ４６との間で偏心遊星歯車機構を構成している。また、電動モータ５０は、ロータ４８にスプライン結合している。
【００２４】
このような構造の吸気弁位相可変機構４４によれば、電動モータ５０をスプロケット４２の回転方向と同じ方向に所定量回転させれば、スプロケット４２に対するカムシャフト４０の相対位置が変化し、吸気弁２８の開閉位相が進角側に変更される。反対に、電動モータ５０をスプロケット４２の回転方向と逆の方向に所定量回転させれば、吸気弁２８の開閉位相が遅角側に変更される。
【００２５】
ここで、吸気弁位相可変機構４４は、電動モータ５０の回転数（回転速度）を変更することにより、吸気弁２８の開閉位相の変更速度を調整可能となる。即ち、電動モータ５０の回転数を高くすれば、吸気弁２８の開閉位相がより短時間で変更され、電動モータ５０の回転数を低くすれば、吸気弁２８の開閉位相がより長時間で変更されることとなる。したがって、本実施形態では、電動モータ５０が、吸気弁２８の開閉タイミングの変更速度を調整する吸気弁変更速度調整手段の役割を果たす。
【００２６】
排気弁３２には、クランクシャフト２３の回転によって排気ポート３０を開閉するように排気弁３２を駆動する排気弁駆動機構５２が設けられている。排気弁駆動機構５２は、偏心円を有するカム本体（図示せず）と、カム本体が取り付けられたカムシャフト５４と、カムシャフト５４をクランクシャフト２３に連結するスプロケット５６（図３）及びプーリ（図示せず）とを備える。排気弁３２は、カム本体のカム面に当接し、クランクシャフト２３の回転に伴ってカムシャフト５４及びカム本体が回転することにより、カム面に沿って移動して排気ポート３０を開閉するように構成される。
【００２７】
排気弁駆動機構５２のカムシャフト５４とスプロケット５６との間には、排気弁３２の開閉位相を変更する排気弁バルブタイミング可変手段としての排気弁位相可変機構５８が設けられている。図３に排気弁位相可変機構５８の構造を示す。
排気弁位相可変機構５８は、カムシャフト５４に固定されスプロケット５６の内側に同軸上に配置されたロータ６０と、ロータ６０とスプロケット５６との間に形成される油圧室６２と、油圧室６２に作動油を供給する油圧回路６４とを備える。
【００２８】
ロータ６０は、半径方向外側に突出する複数の突出部６０Ａ，６０Ｂを備え、突出部６０Ａ，６０Ｂの外周面は、スプロケット５６の内周面に摺動可能に配置される。一方、スプロケット５６には、内周面に等間隔に配置され、内周面から半径方向内側に突出する複数の突出部５６Ａが形成されている。これらの突出部５６Ａは、ロータ６０の突出部６０Ａ，６０Ｂの間に配置され、その内周面が、ロータ６０の外周面に摺動可能に配置されている。
【００２９】
油圧室６２は、ロータ６０の突出部６０Ａ，６０Ｂの両側にそれぞれ形成された進角用油圧室６２Ａと、遅角用油圧室６２Ｂとを有する。複数の進角用油圧室６２Ａの各々には、半径方向に延びる作動油路６６Ａの一端が接続され、これらの作動油路６６Ａの他端はロータ６０の中央で互いに連通し、油圧回路６４に接続されている。また、複数の遅角用油圧室６２Ｂの各々にも、半径方向に延びる作動油路６６Ｂの一端が接続され、これらの作動油路６６Ｂの他端は、図示しない周方向溝によって互いに連通し、この周方向溝は、油圧回路６４に接続されている。
【００３０】
油圧回路６４は、作動油を貯留するオイルパン６８と、オイルパン６８から油圧室６２へ作動油を供給するためのオイルポンプ７０と、オイルポンプ７０と油圧室６２との間に設けられ、進角用油圧室６２Ａ及び遅角用油圧室６２Ｂとオイルポンプ７０とを選択的に連通するためのソレノイドバルブ７１と、オイルポンプ７０からの作動油の供給圧を調整するためのソレノイド駆動の可変オリフィス７２と、を備える。
オイルポンプ６８は、所定圧力でオイルパン６８から作動油を油圧室６２に供給し、可変オリフィス７２はの絞り量によってその供給圧が調整される。ソレノイドバルブ７１は、進角用油圧室６２Ａ及び遅角用油圧室６２Ｂのいずれか一方をオイルポンプ７０に接続しいずれか他方をオイルパン６８に連通するドレイン通路６８Ａに接続し、または、これらの両方をオイルポンプ７０及びドレイン通路６８Ａから遮断するように構成される。
【００３１】
このような構造により、オイルポンプ７０から進角用油圧室６２Ａに作動油が供給されると、進角用油圧室６２Ａの容積が増大し、一方で遅角用油圧室６２Ｂの容積は減少して遅角用油圧室６２Ｂ内の作動油はオイルパン６８に戻される。これにより、ロータ６０が進角側に回転することにより、スプロケット５６とカムシャフト５４との相対位置が変化し、排気弁３２の開閉位相が進角側に変更される。反対に、オイルポンプ７０が遅角用油圧室６２Ｂに作動油が供給されれば、ロータ６０が遅角側に回転して排気弁３２の開閉位相が遅角側に変更される。ロータ６０のスプロケット５６に対する相対位置は、進角用油圧室６２Ａ内の油圧と遅角用油圧室６２Ｂ内の油圧との差圧と、カムシャフト５４に作用するトルクとをバランスさせることで維持される。
【００３２】
ここで、排気弁位相可変機構５８は、油圧室６２に供給される作動油の油圧を調整することにより、排気弁３２の開閉位相の変更速度を調整可能となる。即ち、可変オリフィス７２の絞り量を小さくしてオイルポンプ７０の作動油の供給圧を高くすれば、排気弁３２の開閉位相がより短時間で変更され、可変オリフィス７２の絞り量を大きくしてオイルポンプ７０の作動油の供給圧を低くすれば、排気弁３２の開閉位相がより長時間で変更されることとなる。したがって、本実施形態では、オイルポンプ７０及び可変オリフィス７２が、排気弁３２の開閉タイミングの変更速度を調整する排気弁変更速度調整手段の役割を果たす。
【００３３】
ターボ過給機８は、排気管６に配置されたタービン７４と、吸気管４に配置されたコンプレッサ７６とを有し、タービン７４及びコンプレッサ７６の回転軸が互いに連結されている。また、排気管６には、タービン７４の上流側と下流側とをバイパスするウェストゲート７８が設けられている。ウェストゲート７８が、タービン７４における排気ガスの圧力が高すぎる場合に、ウェストゲート７８を開いて排気ガスの一部をタービン７４を通さずにバイパスするように構成されている。
【００３４】
制御器１４は、内燃機関システム１の運転状態を把握するために各種センサからの検出信号を入力可能に設けられている。これらのセンサとしては、例えば内燃機関２のクランクシャフト２３の回転数、即ちエンジン回転数を検出する回転数検出センサ８０、吸入空気量を検出するエアフローメータ８２、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルペダルセンサ８６、等が挙げられる。また、制御器１４は、燃料噴射装置３４に燃料噴射時期を指示したり、点火プラグ３６に点火時期を指示したりする等、各種の運転指令を送信するように構成され、また、電動モータ５０及び可変オリフィス７２に、内燃機関２の運転状態に応じて、吸気弁２８及び排気弁３２の開閉位相の変更速度を変更するための指令を送信するように構成されている。
【００３５】
以上のように構成された本実施形態に係る内燃機関システム１においては、次のように動作を制御する。
図４は、本発明の一実施形態に係る内燃機関システム１の全体の制御動作を示すフローチャートである。
ステップＳ１において、内燃機関システム１の制御器１４は、現在の内燃機関２の運転状態を調べるために、各センサから各種検出信号を受け入れる。ここで、各センサからの検出信号としては、例えば、回転数検出センサ８０で検出したエンジン回転数ＮENG、エアフローメータ８２で検出した吸入空気量ＣＥ、アクセルペダルセンサ８６で検出したアクセルペダルの踏み込み量α等が挙げられる。
【００３６】
次に、ステップＳ２において、制御器１４は、ステップＳ１で検出したアクセルペダルの踏み込み量α及びエンジン回転数ＮENGに基づいて、目標のエンジントルクＴＱDを算出する。また、ステップＳ３において、制御器１４は、ステップＳ１で検出したエンジン回転数ＮENGとステップＳ２で算出した目標エンジントルクＴＱDに基づいて、目標の空気充填量ＣＥD及び点火時期ＳＡを算出する。
【００３７】
ステップＳ４において、制御器１４は、目標の空気充填量ＣＥDに基づいて、吸気弁２８の目標の位相角θN_D、排気弁３２の目標の位相角θEX_D、及び目標のスロットル開度ＴＶＯを算出する。これらの吸気弁２８の位相角θIN_D及び排気弁３２の位相角θEX_Dによって、内燃機関２の運転中、吸気弁２８及び排気弁３２が同時に開弁する期間であるオーバーラップ期間Ｏ／Ｌが決定される。
このステップＳ４で決定された吸気弁２８の目標の位相角θN_D及び排気弁３２の目標の位相角θEX_Dが現在の位相角に対して進んでいる場合には、吸気弁２８及び排気弁３２の開閉位相をそれぞれ遅角側に所定量変更する制御を行うこととなる。
【００３８】
ここで、本実施形態におけるオーバーラップ期間Ｏ／Ｌの設定について説明する。図５は、本実施形態におけるエンジン回転数ＮENG及びエンジントルクＴＱDと設定されるオーバーラップ期間Ｏ／Ｌとの関係を模式的に示す。この図において、オーバーラップ期間Ｏ／Ｌは、吸気弁駆動機構３８及び排気弁駆動機構５２が機械的に設定可能なオーバーラップ期間Ｏ／Ｌの最大値に対する割合で示す。図５に示すように、ターボ過給機８による過給をほとんど行わない、エンジントルクＴＱDが小さい領域では、オーバーラップ期間Ｏ／Ｌは原則的に０％に設定されている。エンジントルクＴＱDが所定値以上の領域においては、エンジン回転数ＮENGが小さい領域でオーバーラップ期間Ｏ／Ｌが大きく（例えば１００％）設定されている。その後、エンジン回転数ＮENGが大きくなり、ターボ過給機８でのエネルギが十分に確保されターボ過給機８の圧力が高くなりすぎると、ウェストゲート７８を開いて排気ガスの一部を逃がす。このウェストゲート７８を開く境界であるウェストゲート開閉境界線Ａを超えた領域では、ターボ過給機８の効率も良好であるので、オーバーラップ期間Ｏ／Ｌはさほど必要ではなく、したがって、エンジン回転数ＮENGの増加に従ってオーバーラップ期間Ｏ／Ｌが次第に減少するように設定されている。
【００３９】
このようなオーバーラップ期間Ｏ／Ｌは、内燃機関システム１の要求性能や使用条件等を勘案して予め決定され、そのオーバーラップ期間Ｏ／Ｌに応じて、吸気弁２８及び排気弁３２の開閉位相も予め決定されている。したがって、実際の制御工程では、吸気弁２８の目標の位相角θN_D及び排気弁３２の目標の位相角θEX_Dは、予め設定されたマップから読み込まれ、決定される。
【００４０】
図４に戻って、次に、ステップＳ５において、制御器１４は、目標エンジントルクＴＱD及びエンジン回転数ＮENGに基づいて、吸気弁２８及び排気弁３２の開閉位相の変更速度を算出する。具体的には、このステップＳ５において、制御器１４は、後述する設定手法に基づいて、吸気弁２８の電動モータ５０の回転数と、排気弁３２の可変オリフィス７２の絞り量によって決定される油圧室６２に供給される作動油の油圧を決定する。
【００４１】
ステップＳ６において、エアフローメータ８２で検出した吸入空気量ＣＥに基づいて、燃料噴射量ＦＰを算出する。そして、ステップＳ７において、前述の各ステップで設定された設定条件を実行して内燃機関２を運転する。具体的には、電動モータ５０及び可変オリフィス７２を設定された回転数及び絞り量でそれぞれ駆動して、所定の開閉位相の変更動作速度で、吸気弁２８及び排気弁３２の開閉位相を変更する。また、所定のスロットル開度ＴＶＯ、燃料噴射量ＦＰ、及び点火時期ＳＡ等の条件で内燃機関２を運転する。
その後、ステップＳ１に戻って、同じステップを繰り返す。
【００４２】
上述のように、本実施形態では、図４のステップＳ５において、吸気弁位相可変機構４４及び排気弁位相可変機構５２による開閉位相変更動作の変更速度、具体的には吸気弁２８の電動モータ５０の回転数と、油圧室６２に供給される作動油の油圧を設定している。なお、排気弁位相可変機構５２において作動油の油圧は、排気弁３２の可変オリフィス７２の絞り量によって決定されるから、排気弁３２側においては、より具体的には可変オリフィス７２の絞り量を決定することとなる。これらの設定値は、本実施形態では、以下のように決定される。
【００４３】
本実施形態では、吸気弁２８及び排気弁３２の開閉位相の変更速度は、エンジン回転数ＮENGが予め設定された第１回転数（第１速度）Ｎ1よりも低い場合には、エンジン回転数ＮENGが増大するに従って所定の第１率Ａ１で増大するように、開閉位相の変更速度を調整する。また、エンジン回転数ＮENGが第１回転数Ｎ1と、予め設定された第２回転数（第２速度）Ｎ2との間の速度の場合には、エンジン回転数ＮENGが増大するに従って所定の第３率Ａ３で増大するように、開閉位相の変更速度を調整する。そして、エンジン回転数ＮENGが第２回転数Ｎ2より高い場合には、エンジン回転数ＮENGが増大するに従って、所定の第２率Ａ２で増大するように、開閉位相の変更速度を調整する。
【００４４】
図６は、吸気弁２８及び排気弁３２の開閉位相の変更速度の設定手順を原理的に示すフローチャートである。
まず、ステップＳ１１において、目標のスロットル開度ＴＶＯ及びエンジン回転数ＮENGを入力する。ステップＳ１２において、これらのスロットル開度ＴＶＯ及びエンジン回転数ＮENGに基づいて、第１速度Ｎ1及び第２速度Ｎ2を決定する。
【００４５】
ここで、第１速度Ｎ1及び第２速度Ｎ2は、以下のように予め設定されている。
図７は、内燃機関１の等スロットル開度におけるエンジン回転数ＮENG及びトルクＴＱDの関係を示す。この図７に示すように、等スロットル開度においては、あるエンジン回転数に対してトルクが最大となる。これは、オーバーラップ期間を設けた内燃機関システムにおいて特に見られる傾向である。つまり、オーバーラップ期間が設けられていない内燃機関システムでは、等スロットル開度においてはエンジン回転数が増大するにつれてトルクが減少するのが一般的である。ところが、本実施形態のようにオーバーラップ期間を設けた内燃機関システム１においては、オーバーラップ期間を設けた運転領域では、燃焼室２４で燃え残った燃料と、オーバーラップによって吸気側から排気側に吹き抜けた酸素とが燃焼して、いわゆる後燃えが発生する。この後燃えにより、排気側のエネルギが増大し、ターボ過給機８の効率が向上して、トルクが増大するという現象が発生する。したがって、等スロットル開度における図７の各線において、トルクが上昇している領域が、後燃え効果が有効な領域であり、そして、トルクが最大となるピーク点が、後燃え効果が最大となる点である。このピーク点を結んだ線を一点鎖線Ｂで示す。
【００４６】
上記のような後燃え作用を考慮して、第１速度Ｎ1は、等スロットル開度線におけるピーク値となるエンジン回転数、即ち、等スロットル開度においてトルクが最大となるエンジン回転数よりも低い値に設定される。従って、第１速度Ｎ1は、等スロットル開度線のピーク線Ｂよりも低エンジン回転数側（図７の左側）に設定され、本実施形態では、第１速度Ｎ1は例えばアイドル回転数に設定される。
【００４７】
一方、第２速度Ｎ2は、第１速度Ｎ1よりも大きくなるように設定されている。第２速度Ｎ2は、オーバーラップ期間Ｏ／Ｌが設けられている領域内の最も高いエンジン回転数以下に設定されるのが望ましい。また、第２速度Ｎ2は、好ましくは、上記に加えてまたは上記に代えて、等スロットル開度においてトルクが最大となるエンジン回転数以上、即ち等スロットル開度線のピーク線Ｂ上またはピーク線Ｂよりも高エンジン回転数側（図７の右側）の値に設定される。本実施形態では、第２速度Ｎ2は、全負荷時に過給圧の制御を開始するインターセプト点におけるエンジン回転数ＮPに設定されている。
【００４８】
ここで、図７に示すように、等スロットル開度線は、スロットル開度ＴＶＯまたはトルクＴＱDが大きくなるにつれて高エンジン回転数側に遷移している。したがって、後燃え効果が最大となる等スロットル開度線のピーク点におけるエンジン回転数も大きくなる。そこで、この等スロットル開度線の遷移に応じて、つまり、スロットル開度ＴＶＯまたはトルクの増大に従って、第１速度Ｎ1及び第２速度Ｎ2も大きくなるように設定されることが好ましい。
【００４９】
次に、図６に戻って、ステップＳ１３において、スロットル開度ＴＶＯ及びエンジン回転数ＮENGに基づいて、第１率Ａ１、第２率Ａ３、及び第３率Ａ２を決定する。第１率Ａ１、第２率Ａ３、及び第３率Ａ２は、以下のようにして予め設定されている。
【００５０】
図８は、吸気弁位相可変機構４４におけるエンジン回転数に対する電動モータ５０の回転数の関係を示す。また、図９には、排気弁位相可変機構５８におけるエンジン回転数に対する油圧室６２の油圧の関係を示す。
これらの図８及び図９に二点鎖線で示すように、従来の内燃機関システムでは、電動モータ５０の回転数や油圧室６２の油圧は、所定値となるまでエンジン回転数がゼロの地点から、エンジン回転数に対して一定の増加率で増加するのが一般的であった。これに対して、本実施形態では、エンジン回転数が第１速度Ｎ1よりも低い場合における吸気弁２８及び排気弁３２の開閉位相変更動作の動作速度の増加率である第１率Ａ１は、図８及び図９にそれぞれ示すように、従来の一定の増加率よりも、高い増加率に設定されている。第１率Ａ１は、エンジン回転数が第１速度Ｎ1に到達したときに、厳密なオーバーラップ期間Ｏ／Ｌの制御が可能な吸気弁２８及び排気弁３２の変更速度を得られるように設定される。
【００５１】
次に、エンジン回転数が第１速度Ｎ1以上第２速度Ｎ2以下である場合における吸気弁２８及び排気弁３２の開閉位相変更動作の動作速度の増加率である第３率Ａ３は、第１率Ａ１よりも小さく、第２率Ａ２以下に設定されている。本実施形態では、第３率Ａ３は、図８に示すように吸気弁２８においては、ゼロに設定され、図９に示すように排気弁３２においては、第１率Ａ１及び第２率Ａ２よりも小さく設定されている。
【００５２】
そして、エンジン回転数が第２速度Ｎ2より大きい場合における吸気弁２８及び排気弁３２の開閉位相の変更速度の増加率である第２率Ａ２は、図８及び図９に示すように、吸気弁２８及び排気弁３２ともに、従来の増加率と同じ値に設定されている。この第２率Ａ２は、第１率Ａ１よりも小さく設定される。
【００５３】
ここで、第１率Ａ１、第２率Ａ２、及び第３率Ａ３は、内燃機関システム１の構成に応じて固定値として設定されることが好ましい。したがって、内燃機関２の要求トルクまたはスロットル開度が大きくなると第１速度Ｎ1及び第２速度Ｎ2の設定値は大きくなるが、これらの増加率は固定であるため、吸気弁２８の電動モータ５０の回転数及び排気弁３２の油圧室６２の油圧は、図８及び図９に点線でそれぞれ示すように変化する。
なお、本実施形態では、第１率Ａ１、第２率Ａ２、及び第３率Ａ３は固定値であるが、これらの値を可変としてもよい。この場合、トルクが最大であるとき、吸気弁２８及び排気弁３２における第３率Ａ３を、第２率Ａ２と同一に設定してもよい。
【００５４】
次に図６に戻って、ステップＳ１４において、エンジン回転数ＮENGが第１速度Ｎ1よりも小さいか否かを判断する。エンジン回転数ＮENGが第１速度Ｎ1よりも小さい場合には、ステップＳ１５に進み、吸気弁２８の電動モータ５０の回転数または排気弁３２の油圧室６２の油圧の増加を第１率Ａ１の増加率で行うように決定する。
ステップＳ１４において、エンジン回転数ＮENGが第１速度Ｎ1以上である場合には、ステップＳ１６に進み、エンジン回転数ＮENGが第２速度Ｎ2以下か否かを判断する。エンジン回転数ＮENGが第２速度Ｎ2以下である場合には、ステップＳ１７に進み、吸気弁２８の電動モータ５０の回転数または排気弁３２の油圧室６２の油圧の増加を第３率Ａ３の増加率で行うように決定する。
ステップＳ１６においてエンジン回転数ＮENGが第２速度Ｎ2より大きい場合には、ステップＳ１８に進み、吸気弁２８の電動モータ５０の回転数または排気弁３２の油圧室６２の油圧の増加を第２率Ａ２の増加率で行うように決定する。
【００５５】
以上に吸気弁２８及び排気弁３２の開閉位相の変更速度の設定手法を説明したが、実際の制御工程においては、トルク及びエンジン回転数に対して吸気弁２８の電動モータ５０の回転数及び排気弁３２の油圧室６２の油圧が予め設定されたマップを用いて、これらの設定値をエンジン回転数ＮENG及びトルクＴＱDから求めることができる。
【００５６】
図１０は、トルク及びエンジン回転数に対して排気弁３２の油圧室６２の油圧（実際には可変オリフィス７２の絞り量）が予め設定されたマップを示す。このマップには、予め設定された第１速度、第２速度、第１率、第２率、及び第３率に基づいて、トルク及びエンジン回転数に対する可変オリフィス７２の絞り量の目標値が設定されている。また、吸気弁２８についても、同様にトルク及びエンジン回転数に対する電動モータ５０の回転数の目標値を設定したマップが用意される。そして、実際の制御工程では、前述の図４のステップＳ５では、予め設定された図１０に示すようなマップから、電動モータ５０の回転数及び可変オリフィス７２の絞り量の目標値を読み出す作業を行う。
【００５７】
以上のように構成された本実施形態によれば、次のような優れた効果を得ることができる。
等スロットル開度線に基づいてエンジン回転数の閾値である第１速度Ｎ1及び第２速度Ｎ2を設定し、内燃機関２のエンジン回転数ＮENGが第１速度Ｎ1よりも小さい場合には、吸気弁２８の電動モータ５０の回転数及び排気弁３２の油圧室６２の油圧を第１率Ａ１で増大させるので、エンジン回転数ＮENGが第１速度Ｎ1に達する頃には、吸気弁２８における十分な電動モータ５０の回転数と、排気弁３２における十分な油圧室６２の油圧とを確保することができる。したがって、大きなオーバーラップ期間Ｏ／Ｌが設けられる第１速度Ｎ1前後の運転領域において、吸気弁２８及び排気弁３２の開閉位相の変更動作が応答性よく行われ、目標値により近い開閉タイミングが実現でき、より正確なオーバーラップ期間Ｏ／Ｌを実現できる。これにより、内燃機関２の排気側に吹き抜ける空気量を正確に制御することができるから、後燃えを効果的に行うことができ、内燃機関システム１の効率を高めることができる。
【００５８】
エンジン回転数ＮENGが第２速度Ｎ2より大きい場合には、吸気弁２８の電動モータ５０の回転数及び排気弁３２の油圧室６２の油圧を第１率Ａ１よりも低い第２率Ａ２で増大させるが、ここで、既に第１速度Ｎ1より小さい領域及び第１速度Ｎ1と第２速度Ｎ2の間の領域で増大させた回転数及び油圧によって内燃機関２の効率を良好に維持することができる。これに加えて、第２率Ａ２を第１率Ａ１よりも低く設定しているので、オーバーラップ期間Ｏ／Ｌが徐々に減少する第２速度Ｎ2より大きい運転領域における機械的なロスを抑制して内燃機関２の効率の低下を抑制することができる。
【００５９】
エンジン回転数ＮENGが第１速度Ｎ1と第２速度Ｎ2の間にある場合には、吸気弁２８の電動モータ５０の回転数及び排気弁３２の油圧室６２の油圧を第１率Ａ１及び第２率Ａ２よりも低い第３率Ａ３で増大させるので、比較的大きなオーバーラップ期間Ｏ／Ｌが設けられる第１速度Ｎ1と第２速度Ｎ2との間の運転領域において、開閉位相の変更動作時の電動モータ５０の回転数及び油圧室６２の油圧の変動が抑制され、安定した回転数及び油圧を得ることができる。したがって、吸気弁２８及び排気弁３２の開閉位相変更動作の良好な応答性が得られるとともに、開閉位相変更動作が安定するため、トルクの変動をより一層抑制することができる。これにより、内燃機関システム１の出力が安定する。
【００６０】
第１速度Ｎ1及び第２速度Ｎ2を、スロットル開度またはトルクの増大にしたがってそれぞれ大きく設定するので、内燃機関２の運転状況に応じて、厳密なオーバーラップ期間Ｏ／Ｌの制御が必要な領域で吸気弁２８及び排気弁３２の開閉位相の変更動作を応答性よく行うことができる。したがって、内燃機関２のあらゆる運転領域において、内燃機関２の効率を良好に維持することができる。
【００６１】
内燃機関２への要求トルクが最大のとき、第２率Ａ２と第３率Ａ３とを同じに設定すれば、吸気弁２８及び排気弁３２の開閉位相の変更速度の増減の変動が少なくなり、機関出力をより一層安定させることができる。
【００６２】
吸気弁２８の電動モータ５０における第３率Ａ３がゼロに設定されているので、内燃機関２のエンジン回転数が第１速度Ｎ1と第２速度Ｎ2の間にあるときには、吸気弁２８の開閉位相の変更速度が一定となる。したがって、エンジン回転数が第１速度Ｎ1と第２速度Ｎ2の間にある運転領域においては、開閉位相の変更動作が安定し、オーバーラップ期間Ｏ／Ｌをより厳密に制御することができる。また、それにより、内燃機関２の機関出力が安定する。
【００６３】
本発明は、以上の実施の形態に限定されることなく、例えば、バルブタイミング可変手段は、バルブの開閉位相を変更するものに限らず、バルブの開閉のタイミングを可変に構成されるものであれば、任意の構造を採用できる。したがって、バルブタイミング可変手段として、例えば、バルブのリフトを可変に構成されたものや、開閉位相及びリフトの両方を可変に構成されたもの等を採用できる。
【００６４】
バルブタイミング可変手段は、吸気弁及び排気弁のバルブ開閉タイミングを変更するものに限らず、吸気弁及び／又は排気弁の開閉タイミングを変更するものであればよく、少なくとも、吸気弁の開タイミング及び／又は排気弁の閉タイミングを変更可能な構造であればよい。
【００６５】
変更速度調整手段は、電動モータや可変オリフィスを用いたものに限らず、バルブタイミングの変更速度を調整可能なものであれば任意の構造を採用できる。したがって、変更速度調整手段は、例えば電動オイルポンプを使用したものであってもよい。この場合には、第３率は、ゼロに設定されるのが好ましい。
【００６６】
第１速度は、等スロットル開度においてトルクが最大となる機関速度よりも小さく設定されていればよく、前述の実施形態のようにアイドル回転数に設定されるものに限らず、内燃機関システムの構成や使用条件等に応じて、任意に設定することができる。
第２速度は、第１速度よりも高く設定されていればよく、前述の実施形態にようにインターセプト点における機関速度に設定されるものに限らず、例えば等スロットル開度においてトルクが最大となる機関速度、この機関速度よりも低い速度、またはこの機関速度よりも高い速度等、内燃機関システムの構成や使用条件等に応じて、任意に設定することができる。
【００６７】
本発明の制御方法は、オーバーラップが設けられている全ての運転領域について行う必要はなく、オーバーラップが設けられている運転領域の少なくとも１部について行えばよい。
【符号の説明】
【００６８】
１ 内燃機関システム
２ 内燃機関
８ ターボ過給機
１２ スロットル
１４ 制御器
２８ 吸気弁
３２ 排気弁
３８ 吸気弁駆動機構
４４ 吸気弁位相可変機構
５０ 電動モータ
５２ 排気弁駆動機構
５８ 排気弁位相可変機構
６４ 油圧回路
７０ オイルポンプ
７２ 可変オリフィス
７４ タービン
７６ コンプレッサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一部の運転領域において吸気弁及び排気弁がともに開弁するバルブ・オーバーラップ期間を有するように上記吸気弁及び上記排気弁を駆動するバルブ駆動機構を有する内燃機関と、該内燃機関の排気通路に配置されたタービン及び上記内燃機関の吸気通路に配置され且つ上記タービンにより駆動されるコンプレッサを有するターボ過給機と、上記吸気弁の開タイミング及び／又は上記排気弁の閉タイミングを変更するバルブタイミング可変手段と、上記吸気通路に配置され吸気量を調整するためのスロットルと、を備えた内燃機関システムを制御する方法であって、
上記内燃機関の機関速度が、等スロットル開度において上記内燃機関のトルクが最大となる機関速度よりも低く設定された第１速度よりも低いときに、機関速度の上昇に応じて、上記吸気弁及び／又は上記排気弁の上記バルブタイミング可変手段によるバルブタイミングの変更を、第１率で増加する変更速度で行う工程と、
機関速度が、上記第１速度より高く設定された第２速度より高いときに、機関速度の上昇に応じて、上記吸気弁及び／又は上記排気弁の上記バルブタイミング可変手段によるバルブタイミングの変更を、第１率より小さい第２率で増加する変更速度で行う工程と、
機関速度が上記第１速度と上記第２速度の間であるときに、機関速度の上昇に応じて、上記吸気弁及び／又は上記排気弁の上記バルブタイミング可変手段によるバルブタイミングの変更を、上記第１率よりも小さく上記第２率以下である第３率で増加する変更速度で行う工程と、を有する、
ことを特徴とする内燃機関システムの制御方法。
【請求項２】
上記内燃機関への要求トルクの増加に応じて、上記第１速度の設定値を増大させることを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
【請求項３】
上記内燃機関への要求トルクの増加に応じて、上記第２速度の設定値を増大させることを特徴とする請求項２に記載の制御方法。
【請求項４】
上記内燃機関への要求トルクが最大の時に、上記第２率と上記第３率とが同一であることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の制御方法。
【請求項５】
上記第３率がゼロであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の制御方法。
【請求項６】
少なくとも一部の運転領域において吸気弁及び排気弁がともに開弁するバルブ・オーバーラップ期間を有するように上記吸気弁及び上記排気弁を駆動するバルブ駆動機構を有する内燃機関と、
該内燃機関の排気通路に配置されたタービン及び上記内燃機関の吸気通路に配置され且つ上記タービンにより駆動されるコンプレッサを有するターボ過給機と、
上記吸気弁の開タイミング及び／又は上記排気弁の閉タイミングを変更するバルブタイミング可変手段と、
上記バルブタイミング可変手段によるバルブタイミングの変更速度を調整する変更速度調整手段と、
上記吸気通路に配置され吸気量を調整するためのスロットルと、
上記内燃機関の運転状況に応じて上記変更速度調整手段を制御するための制御手段と、を含み、
上記制御手段は、上記変更速度調整手段を、上記内燃機関の機関速度が、等スロットル開度において上記内燃機関のトルクが最大となる機関速度よりも低く設定された第１速度よりも低いときに、機関速度の上昇に応じて、上記吸気弁及び／又は上記排気弁の上記バルブタイミング可変手段によるバルブタイミングの変更を、第１率で増加する変更速度で行い、機関速度が、上記第１速度より高く設定された第２速度より高いときに、機関速度の上昇に応じて、上記吸気弁及び／又は上記排気弁の上記バルブタイミング可変手段によるバルブタイミングの変更を、第２率で増加する変更速度で行い、機関速度が上記第１速度と上記第２速度の間であるときに、機関速度の上昇に応じて、上記吸気弁及び／又は上記排気弁の上記バルブタイミング可変手段によるバルブタイミングの変更を、上記第１率よりも低い第３率で増加する変更速度で行う制御を実施するように構成されている、
ことを特徴とする内燃機関システム。
【請求項１】
少なくとも一部の運転領域において吸気弁及び排気弁がともに開弁するバルブ・オーバーラップ期間を有するように上記吸気弁及び上記排気弁を駆動するバルブ駆動機構を有する内燃機関と、該内燃機関の排気通路に配置されたタービン及び上記内燃機関の吸気通路に配置され且つ上記タービンにより駆動されるコンプレッサを有するターボ過給機と、上記吸気弁の開タイミング及び／又は上記排気弁の閉タイミングを変更するバルブタイミング可変手段と、上記吸気通路に配置され吸気量を調整するためのスロットルと、を備えた内燃機関システムを制御する方法であって、
上記内燃機関の機関速度が、等スロットル開度において上記内燃機関のトルクが最大となる機関速度よりも低く設定された第１速度よりも低いときに、機関速度の上昇に応じて、上記吸気弁及び／又は上記排気弁の上記バルブタイミング可変手段によるバルブタイミングの変更を、第１率で増加する変更速度で行う工程と、
機関速度が、上記第１速度より高く設定された第２速度より高いときに、機関速度の上昇に応じて、上記吸気弁及び／又は上記排気弁の上記バルブタイミング可変手段によるバルブタイミングの変更を、第１率より小さい第２率で増加する変更速度で行う工程と、
機関速度が上記第１速度と上記第２速度の間であるときに、機関速度の上昇に応じて、上記吸気弁及び／又は上記排気弁の上記バルブタイミング可変手段によるバルブタイミングの変更を、上記第１率よりも小さく上記第２率以下である第３率で増加する変更速度で行う工程と、を有する、
ことを特徴とする内燃機関システムの制御方法。
【請求項２】
上記内燃機関への要求トルクの増加に応じて、上記第１速度の設定値を増大させることを特徴とする請求項１に記載の制御方法。
【請求項３】
上記内燃機関への要求トルクの増加に応じて、上記第２速度の設定値を増大させることを特徴とする請求項２に記載の制御方法。
【請求項４】
上記内燃機関への要求トルクが最大の時に、上記第２率と上記第３率とが同一であることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の制御方法。
【請求項５】
上記第３率がゼロであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の制御方法。
【請求項６】
少なくとも一部の運転領域において吸気弁及び排気弁がともに開弁するバルブ・オーバーラップ期間を有するように上記吸気弁及び上記排気弁を駆動するバルブ駆動機構を有する内燃機関と、
該内燃機関の排気通路に配置されたタービン及び上記内燃機関の吸気通路に配置され且つ上記タービンにより駆動されるコンプレッサを有するターボ過給機と、
上記吸気弁の開タイミング及び／又は上記排気弁の閉タイミングを変更するバルブタイミング可変手段と、
上記バルブタイミング可変手段によるバルブタイミングの変更速度を調整する変更速度調整手段と、
上記吸気通路に配置され吸気量を調整するためのスロットルと、
上記内燃機関の運転状況に応じて上記変更速度調整手段を制御するための制御手段と、を含み、
上記制御手段は、上記変更速度調整手段を、上記内燃機関の機関速度が、等スロットル開度において上記内燃機関のトルクが最大となる機関速度よりも低く設定された第１速度よりも低いときに、機関速度の上昇に応じて、上記吸気弁及び／又は上記排気弁の上記バルブタイミング可変手段によるバルブタイミングの変更を、第１率で増加する変更速度で行い、機関速度が、上記第１速度より高く設定された第２速度より高いときに、機関速度の上昇に応じて、上記吸気弁及び／又は上記排気弁の上記バルブタイミング可変手段によるバルブタイミングの変更を、第２率で増加する変更速度で行い、機関速度が上記第１速度と上記第２速度の間であるときに、機関速度の上昇に応じて、上記吸気弁及び／又は上記排気弁の上記バルブタイミング可変手段によるバルブタイミングの変更を、上記第１率よりも低い第３率で増加する変更速度で行う制御を実施するように構成されている、
ことを特徴とする内燃機関システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−１７２９７（Ｐ２０１１−１７２９７Ａ）
【公開日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１６２９２３（Ｐ２００９−１６２９２３）
【出願日】平成２１年７月９日（２００９．７．９）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月２７日（２０１１．１．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月９日（２００９．７．９）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
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