(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気圧が背圧よりも高い機関運転状態の際に、吸気弁と排気弁とがともに開いているバルブオーバーラップ期間を設けることで内部ＥＧＲの掃気を行う内燃機関の制御装置において、
吸気圧が背圧よりも高い機関運転状態の際に、バルブオーバーラップ期間がそれぞれ異なる複数の機関運転を行い、該複数の機関運転のそれぞれの機関運転状態における吸入空気量を計測する吸入空気量計測手段と、
前記吸入空気量計測手段により計測された各吸入空気量データに基づいて、バルブオーバーラップ期間の変化に対する吸入空気量の変化傾向を導き、該変化傾向が異なる傾向に移行する境界バルブオーバーラップ期間を特定し、該境界バルブオーバーラップ期間を、内部ＥＧＲを０％とすることが可能な最小バルブオーバーラップ期間として学習するバルブオーバーラップ期間学習手段とを具備する、内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記内燃機関は、上死点での燃焼室容積を変化させて機械圧縮比を可変とする可変圧縮比機構を有し、
前記吸入空気量計測手段による各吸入空気量の計測は、吸気圧が背圧よりも高い機関運転状態であって前記可変圧縮比機構により所定の高機械圧縮比化された低負荷側機関運転状態にて行われる、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記内燃機関は、上死点での燃焼室容積を変化させて機械圧縮比を可変とする可変圧縮比機構を有し、
前記吸入空気量計測手段は、吸気圧が背圧よりも高い機関運転状態の際に、バルブオーバーラップ期間がそれぞれ異なる複数の機関運転を異なる２つの機械圧縮比にて行い、各機関運転状態における吸入空気量を計測し、
前記バルブオーバーラップ期間学習手段は、前記吸入空気量計測手段により計測された各吸入空気量データに基づいて、バルブオーバーラップ期間が同一である場合の前記異なる２つの機械圧縮比のうちの一方の機械圧縮比での機関運転における吸入空気量と他方の機械圧縮比での機関運転における吸入空気量との差分である吸入空気量差分を各バルブオーバーラップ期間に対して算出し、バルブオーバーラップ期間の変化に対する該吸入空気量差分の変化傾向を導き、該変化傾向が異なる傾向に移行する境界バルブオーバーラップ期間を特定し、該境界バルブオーバーラップ期間を、内部ＥＧＲを０％とすることが可能な最小バルブオーバーラップ期間として学習する、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
過給機付き内燃機関において、加速または高出力要求時に吸気弁と排気弁との両方を同時に開弁状態にする、いわゆるバルブオーバーラップを行うようにしたものが公知である。これはすなわち、バルブオーバーラップを行うことによって、過給圧を利用する等して吸入空気を排気側に吹き抜かせ、燃焼室内の残留既燃ガスを掃気して燃焼性及び出力の向上を図ると共に過給タービンへ供給される排気ガス量を増加して過給効果を増加して、出力の向上を図ろうとするものである。
【０００３】
また、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、燃費の向上とトルク増大との両立を図る内燃機関の制御装置の提案もなされている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−１０３０８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで上記のようなバルブオーバーラップ期間を設けることで燃焼室に残留する既燃ガスいわゆる内部ＥＧＲの掃気を行う内燃機関においては、バルブオーバーラップ期間が短すぎる場合、多量の内部ＥＧＲが残留しトルクの低下をもたらしてしまう場合がある。一方で、バルブオーバーラップ期間が長すぎる場合においては、バルブオーバーラップ期間中の空気の吹き抜け量が過度に多くなり、排気ガス中に酸素が多く含まれることになるために排気系に設けられた排気浄化触媒の劣化や過昇温が生じ易くなり、また、三元触媒を用いている場合には浄化率が低下するためにエミッションの悪化が生じてしまう場合がある。
【０００６】
よって、バルブオーバーラップ期間を設けることで内部ＥＧＲの掃気を行う内燃機関においては、バルブオーバーラップ期間と内部ＥＧＲ量との関係を精度よく把握することが必要となる。そして、内部ＥＧＲの掃気効率および新気の充填効率の向上という観点からは、特に、内部ＥＧＲの残留率が０％となる最小バルブオーバーラップ期間を精度よく把握することが重要となる。また、バルブオーバーラップ期間と内部ＥＧＲ量との関係は、内燃機関を構成する部品のバラツキや経年劣化などによるバラツキにより、各内燃機関ごとに個体差があることが考えられる。
【０００７】
本発明は上記のような課題に鑑み、吸気圧が背圧よりも高い機関運転状態の際に、吸気弁と排気弁とがともに開いているバルブオーバーラップ期間を設けることで内部ＥＧＲの掃気を行う内燃機関の制御装置において、内部ＥＧＲの残留率が０％となる最小バルブオーバーラップ期間であって上記のような各内燃機関ごとの個体差をも考慮した最小バルブオーバーラップ期間を精度良く把握することが可能な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】
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、吸気圧が背圧よりも高い機関運転状態の際に、吸気弁と排気弁とがともに開いているバルブオーバーラップ期間を設けることで内部ＥＧＲの掃気を行う内燃機関の制御装置において、吸気圧が背圧よりも高い機関運転状態の際に、バルブオーバーラップ期間がそれぞれ異なる複数の機関運転を行い、該複数の機関運転のそれぞれの機関運転状態における吸入空気量を計測する吸入空気量計測手段と、前記吸入空気量計測手段により計測された各吸入空気量データに基づいて、バルブオーバーラップ期間の変化に対する吸入空気量の変化傾向を導き、該変化傾向が異なる傾向に移行する境界バルブオーバーラップ期間を特定し、該境界バルブオーバーラップ期間を、内部ＥＧＲを０％とすることが可能な最小バルブオーバーラップ期間として学習するバルブオーバーラップ期間学習手段とを具備する、内燃機関の制御装置が提供される。
【０００９】
バルブオーバーラップ期間が十分にあり、内部ＥＧＲを残留させることなく全てを掃気できるバルブオーバーラップ期間領域においては、バルブオーバーラップ期間の変化に対する吸入空気量の変化傾向は、バルブオーバーラップ期間中における新気の吹き抜け量に影響を受けることになる。一方で、バルブオーバーラップ期間が不十分であり、内部ＥＧＲの一部が掃気されずに残留してしまうようなバブルオーバーラップ期間領域においては、バルブオーバーラップ期間の変化に対する吸入空気量の変化傾向は、バルブオーバーラップ期間中における内部ＥＧＲの掃気量に影響を受けるとともに、掃気されずに残留する内部ＥＧＲの収縮の影響をも受けることになる。すなわち、内部ＥＧＲを残留させることなく全てを掃気できるバルブオーバーラップ期間領域と、内部ＥＧＲの一部が掃気されずに残留してしまうようなバルブオーバーラップ期間領域とにおいては、バルブオーバーラップ期間の変化に対する吸入空気量の変化傾向が異なるものとなる。
【００１０】
このことに基づいて、請求項１に記載の本発明では、バルブオーバーラップ期間の変化に対する吸入空気量の変化傾向が異なる傾向に移行する境界バルブオーバーラップ期間を特定し、該境界バルブオーバーラップ期間を、内部ＥＧＲを０％とすることが可能な最小バルブオーバーラップ期間として学習し、内部ＥＧＲの掃気効率および新気の充填効率の向上を図ることを可能とする。また、本発明によれば、実際に使用されている内燃機関の機関運転中に最小バルブオーバーラップ期間の学習ができ、内燃機関を構成する部品のバラツキや経年劣化などによるバラツキによって生じうる各内燃機関ごとの個体差をも考慮した最小バルブオーバーラップ期間を精度良く把握することを可能とする。
【００１１】
請求項２に記載の発明によれば、前記内燃機関は、上死点での燃焼室容積を変化させて機械圧縮比を可変とする可変圧縮比機構を有し、前記吸入空気量計測手段による各吸入空気量の計測は、吸気圧が背圧よりも高い機関運転状態であって前記可変圧縮比機構により所定の高機械圧縮比化された低負荷側機関運転状態にて行われる、請求項１に記載の内燃機関の制御装置が提供される。
【００１２】
請求項３に記載の発明によれば、前記内燃機関は、上死点での燃焼室容積を変化させて機械圧縮比を可変とする可変圧縮比機構を有し、前記吸入空気量計測手段は、吸気圧が背圧よりも高い機関運転状態の際に、バルブオーバーラップ期間がそれぞれ異なる複数の機関運転を異なる２つの機械圧縮比にて行い、各機関運転状態における吸入空気量を計測し、前記バルブオーバーラップ期間学習手段は、前記吸入空気量計測手段により計測された各吸入空気量データに基づいて、バルブオーバーラップ期間が同一である場合の前記異なる２つの機械圧縮比のうちの一方の機械圧縮比での機関運転における吸入空気量と他方の機械圧縮比での機関運転における吸入空気量との差分である吸入空気量差分を各バルブオーバーラップ期間に対して算出し、バルブオーバーラップ期間の変化に対する該吸入空気量差分の変化傾向を導き、該変化傾向が異なる傾向に移行する境界バルブオーバーラップ期間を特定し、該境界バルブオーバーラップ期間を、内部ＥＧＲを０％とすることが可能な最小バルブオーバーラップ期間として学習する、請求項１に記載の内燃機関の制御装置が提供される。
【発明の効果】
【００１３】
各請求項に記載の発明によれば、吸気圧が背圧よりも高い機関運転状態の際に、吸気弁と排気弁とがともに開いているバルブオーバーラップ期間を設けることで内部ＥＧＲの掃気を行う内燃機関の制御装置において、内部ＥＧＲの残留率が０％となる最小バルブオーバーラップ期間であって部品間のバラツキや経年劣化によるバラツキなどによる各内燃機関ごとの個体差をも考慮した最小バルブオーバーラップ期間を精度良く把握することを可能とする、という共通の効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】内燃機関の全体図である。
【図２】可変圧縮比機構の分解斜視図である。
【図３】図解的に表した内燃機関の側面断面図である。
【図４】可変バルブタイミング機構を示す図である。
【図５】吸気弁および排気弁のリフト量を示す図である。
【図６】機械圧縮比、実圧縮比および膨張比を説明するための図である。
【図７】理論熱効率と膨張比との関係を示す図である。
【図８】通常のサイクルおよび超高膨張比サイクルを説明するための図である。
【図９】吸気圧が背圧よりも高い機関運転状態の際における、バルブオーバーラップ期間の変化に対する吸入空気量の変化傾向の一実施形態を示す図である。
【図１０】内部ＥＧＲを０％とすることが可能な最小バルブオーバーラップ期間を特定する制御の一実施形態を示すフローチャートである。
【図１１】バルブオーバーラップ期間の変化に対する吸入空気量の変化傾向の別の一実施形態を示す図である。
【図１２】内部ＥＧＲを０％とすることが可能な最小バルブオーバーラップ期間を特定する制御の別の一実施形態を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１に火花点火式内燃機関の側面断面図を示す。図１を参照すると、１はクランクケース、２はシリンダブロック、３はシリンダヘッド、４はピストン、５は燃焼室、６は燃焼室５の頂面中央部に配置された点火プラグ、７は吸気弁、８は吸気ポート、９は排気弁、１０は排気ポートをそれぞれ示す。吸気ポート８は吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、各吸気枝管１１にはそれぞれ対応する吸気ポート８内に向けて燃料を噴射するための燃料噴射弁１３が配置される。なお、燃料噴射弁１３は各吸気枝管１１に取付ける代りに各燃焼室５内に配置してもよい。
【００１６】
サージタンク１２は吸気ダクト１４を介して排気ターボチャージャ１５のコンプレッサ１５ａの出口に連結され、コンプレッサ１５ａの入口は例えば熱線を用いた吸入空気量検出器１６を介してエアクリーナ１７に連結される。吸気ダクト１４内にはアクチュエータ１８によって駆動されるスロットル弁１９が配置される。
【００１７】
一方、排気ポート１０は排気マニホルド２０を介して排気ターボチャージャ１５の排気タービン１５ｂの入口に連結され、排気タービン１５ｂの出口は排気管２１を介して排気浄化触媒を内蔵した触媒コンバータ２２に連結される。排気管２１内には空燃比センサ２３が配置される。
【００１８】
一方、図１に示した実施形態では、クランクケース１とシリンダブロック２との連結部にクランクケース１とシリンダブロック２のシリンダ軸線方向の相対位置を変化させることによりピストン４が圧縮上死点に位置するときの燃焼室５の容積を変更可能な可変圧縮比機構Ａが設けられており、また実際の圧縮作用の開始時期を変更するために吸気弁７の閉弁時期を制御可能であり且つ吸気弁７の開弁時期も個別に制御可能な吸気可変バルブタイミング機構Ｂが設けられており、更に排気弁９の開弁時期及び閉弁時期を個別に制御化能な排気可変バルブタイミング機構Ｃが設けられている。
【００１９】
電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備する。吸入空気量検出器１６の出力信号および空燃比センサ２３の出力信号はそれぞれ対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して点火プラグ６、燃料噴射弁１３、スロットル弁駆動用アクチュエータ１８、可変圧縮比機構Ａ、吸気可変バルブタイミング機構Ｂ及び排気可変バルブタイミング機構Ｃに接続される。
【００２０】
図２は図１に示す可変圧縮比機構Ａの分解斜視図を示しており、図３は図解的に表した内燃機関の側面断面図を示している。図２を参照すると、シリンダブロック２の両側壁の下方には互いに間隔を隔てた複数個の突出部５０が形成されており、各突出部５０内には夫々断面円形のカム挿入孔５１が形成されている。一方、クランクケース１の上壁面上には互いに間隔を隔てて夫々対応する突出部５０の間に嵌合せしめられる複数個の突出部５２が形成されており、これらの各突出部５２内にも夫々断面円形のカム挿入孔５３が形成されている。
【００２１】
図２に示されるように一対のカムシャフト５４，５５が設けられており、各カムシャフト５４，５５上には一つおきに各カム挿入孔５３内に回転可能に挿入される円形カム５８が固定されている。これらの円形カム５８は各カムシャフト５４，５５の回転軸線と共軸をなす。一方、各円形カム５８の両側には図３に示すように各カムシャフト５４，５５の回転軸線に対して偏心配置された偏心軸５７が延びており、この偏心軸５７上に別の円形カム５６が偏心して回転可能に取付けられている。図２に示されるようにこれら円形カム５６は各円形カム５８の両側に配置されており、これら円形カム５６は対応する各カム挿入孔５１内に回転可能に挿入されている。また、図２に示されるようにカムシャフト５５にはカムシャフト５５の回転角度を表す出力信号を発生するカム回転角度センサ２５が取付けられている。
【００２２】
図３（Ａ）に示すような状態から各カムシャフト５４，５５上に固定された円形カム５８を図３（Ａ）において矢印で示される如く互いに反対方向に回転させると偏心軸５７が互いに離れる方向に移動するために円形カム５６がカム挿入孔５１内において円形カム５８とは反対方向に回転し、図３（Ｂ）に示されるように偏心軸５７の位置が高い位置から中間高さ位置となる。次いで更に円形カム５８を矢印で示される方向に回転させると図３（Ｃ）に示されるように偏心軸５７は最も低い位置となる。
【００２３】
なお、図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）には夫々の状態における円形カム５８の中心ａと偏心軸５７の中心ｂと円形カム５６の中心ｃとの位置関係が示されている。
【００２４】
図３（Ａ）から図３（Ｃ）とを比較するとわかるようにクランクケース１とシリンダブロック２の相対位置は円形カム５８の中心ａと円形カム５６の中心ｃとの距離によって定まり、円形カム５８の中心ａと円形カム５６の中心ｃとの距離が大きくなるほどシリンダブロック２はクランクケース１から離れる。即ち、可変圧縮比機構Ａは回転するカムを用いたクランク機構によりクランクケース１とシリンダブロック２間の相対位置を変化させていることになる。シリンダブロック２がクランクケース１から離れるとピストン４が圧縮上死点に位置するときの燃焼室５の容積は増大し、従って各カムシャフト５４，５５を回転させることによってピストン４が圧縮上死点に位置するときの燃焼室５の容積を変更することができる。
【００２５】
図２に示されるように各カムシャフト５４，５５を夫々反対方向に回転させるために駆動モータ５９の回転軸には夫々螺旋方向が逆向きの一対のウォーム６１，６２が取付けられており、これらウォーム６１，６２と噛合するウォームホイール６３，６４が夫々各カムシャフト５４，５５の端部に固定されている。この実施例では駆動モータ５９を駆動することによってピストン４が圧縮上死点に位置するときの燃焼室５の容積を広い範囲に亘って変更することができる。
【００２６】
一方、図４は図１において吸気弁７を駆動するためのカムシャフト７０の端部に取付けられた吸気可変バルブタイミング機構Ｂを示している。図４を参照すると、この吸気可変バルブタイミング機構Ｂは機関のクランク軸によりタイミングベルトを介して矢印方向に回転せしめられるタイミングプーリ７１と、タイミングプーリ７１と一緒に回転する円筒状ハウジング７２と、吸気弁駆動用カムシャフト７０と一緒に回転しかつ円筒状ハウジング７２に対して相対回転可能な回転軸７３と、円筒状ハウジング７２の内周面から回転軸７３の外周面まで延びる複数個の仕切壁７４と、各仕切壁７４の間で回転軸７３の外周面から円筒状ハウジング７２の内周面まで延びるベーン７５とを具備しており、各ベーン７５の両側には夫々進角用油圧室７６と遅角用油圧室７７とが形成されている。
【００２７】
各油圧室７６，７７への作動油の供給制御は作動油供給制御弁７８によって行われる。この作動油供給制御弁７８は各油圧室７６，７７に夫々連結された油圧ポート７９，８０と、油圧ポンプ８１から吐出された作動油の供給ポート８２と、一対のドレインポート８３，８４と、各ポート７９，８０，８２，８３，８４間の連通遮断制御を行うスプール弁８５とを具備している。
【００２８】
吸気弁駆動用カムシャフト７０のカムの位相を進角すべきときは図４においてスプール弁８５が右方に移動せしめられ、供給ポート８２から供給された作動油が油圧ポート７９を介して進角用油圧室７６に供給されると共に遅角用油圧室７７内の作動油がドレインポート８４から排出される。このとき回転軸７３は円筒状ハウジング７２に対して矢印方向に相対回転せしめられる。
【００２９】
これに対し、吸気弁駆動用カムシャフト７０のカムの位相を遅角すべきときは図４においてスプール弁８５が左方に移動せしめられ、供給ポート８２から供給された作動油が油圧ポート８０を介して遅角用油圧室７７に供給されると共に進角用油圧室７６内の作動油がドレインポート８３から排出される。このとき回転軸７３は円筒状ハウジング７２に対して矢印と反対方向に相対回転せしめられる。
【００３０】
回転軸７３が円筒状ハウジング７２に対して相対回転せしめられているときにスプール弁８５が図４に示される中立位置に戻されると回転軸７３の相対回転動作は停止せしめられ、回転軸７３はそのときの相対回転位置に保持される。従って吸気可変バルブタイミング機構Ｂによって吸気弁駆動用カムシャフト７０のカムの位相を所望の量だけ進角させることができ、遅角させることができることになる。
【００３１】
図５において実線は吸気可変バルブタイミング機構Ｂによって吸気弁駆動用カムシャフト７０のカムの位相が最も進角されているときを示しており、破線は吸気弁駆動用カムシャフト７０のカムの位相が最も遅角されているときを示している。従って吸気弁７の開弁期間は図５において実線で示す範囲と破線で示す範囲との間で任意に設定することができ、従って吸気弁７の閉弁時期も図５において矢印Ｃで示す範囲内の任意のクランク角に設定することができる。
【００３２】
図１および図４に示される吸気可変バルブタイミング機構Ｂは一例を示すものであって、例えば吸気弁の開弁時期を一定に維持したまま吸気弁の閉弁時期のみを変えることのできる可変バルブタイミング機構等、種々の形式の可変バルブタイミング機構を用いることができる。
【００３３】
また、排気可変バルブタイミング機構Ｃも、基本的に吸気可変バルブタイミング機構Ｂと同様の構成を有し、排気弁９の開弁時期と開弁期間とを、即ち排気弁９の開弁時期と閉弁時期とを任意に変更することができる。
【００３４】
次に図６を参照しつつ本願において使用されている用語の意味について説明する。なお、図６の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）には説明のために燃焼室容積が５０ｍｌでピストンの行程容積が５００ｍｌであるエンジンが示されており、これら図６の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）において燃焼室容積とはピストンが圧縮上死点に位置するときの燃焼室の容積を表している。
【００３５】
図６（Ａ）は機械圧縮比について説明している。機械圧縮比は圧縮行程時のピストンの行程容積と燃焼室容積のみから機械的に定まる値であってこの機械圧縮比は（燃焼室容積＋行程容積）／燃焼室容積で表される。図６（Ａ）に示される例ではこの機械圧縮比は（５０ｍｌ＋５００ｍｌ）／５０ｍｌ＝１１となる。
【００３６】
図６（Ｂ）は実圧縮比について説明している。この実圧縮比は実際に圧縮作用が開始されたときからピストンが上死点に達するまでの実際のピストン行程容積と燃焼室容積から定まる値であってこの実圧縮比は（燃焼室容積＋実際の行程容積）／燃焼室容積で表される。即ち、図６（Ｂ）に示されるように圧縮行程においてピストンが上昇を開始しても吸気弁が開弁している間は圧縮作用は行われず、吸気弁が閉弁したときから実際の圧縮作用が開始される。従って実圧縮比は実際の行程容積を用いて上記の如く表される。図６（Ｂ）に示される例では実圧縮比は（５０ｍｌ＋４５０ｍｌ）／５０ｍｌ＝１０となる。
【００３７】
図６（Ｃ）は膨張比について説明している。膨張比は膨張行程時のピストンの行程容積と燃焼室容積から定まる値であってこの膨張比は（燃焼室容積＋行程容積）／燃焼室容積で表される。図６（Ｃ）に示される例ではこの膨張比は（５０ｍｌ＋５００ｍｌ）／５０ｍｌ＝１１となる。
【００３８】
次に図７および図８を参照しつつ本実施形態において用いられている超膨張比サイクルについて説明する。なお、図７は理論熱効率と膨張比との関係を示しており、図８は本実施形態において負荷に応じ使い分けられている通常のサイクルと超高膨張比サイクルとの比較を示している。
【００３９】
図８（Ａ）は吸気弁が下死点近傍で閉弁し、ほぼ吸気下死点付近からピストンによる圧縮作用が開始される場合の通常のサイクルを示している。この図８（Ａ）に示す例でも図６の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示す例と同様に燃焼室容積が５０ｍｌとされ、ピストンの行程容積が５００ｍｌとされている。図８（Ａ）からわかるように通常のサイクルでは機械圧縮比は（５０ｍｌ＋５００ｍｌ）／５０ｍｌ＝１１であり、実圧縮比もほぼ１１であり、膨張比も（５０ｍｌ＋５００ｍｌ）／５０ｍｌ＝１１となる。即ち、通常の内燃機関では機械圧縮比と実圧縮比と膨張比とがほぼ等しくなる。
【００４０】
図７における実線は実圧縮比と膨張比とがほぼ等しい場合の、即ち通常のサイクルにおける理論熱効率の変化を示している。この場合には膨張比が大きくなるほど、即ち実圧縮比が高くなるほど理論熱効率が高くなることがわかる。従って通常のサイクルにおいて理論熱効率を高めるには実圧縮比を高くすればよいことになる。しかしながら機関高負荷運転時におけるノッキングの発生の制約により実圧縮比は最大でも１２程度までしか高くすることができず、斯くして通常のサイクルにおいては理論熱効率を十分に高くすることはできない。
【００４１】
一方、このような状況下で機械圧縮比と実圧縮比とを厳密に区分しつつ理論熱効率を高めることが検討され、その結果理論熱効率は膨張比が支配し、理論熱効率に対して実圧縮比はほとんど影響を与えないことが見い出されたのである。即ち、実圧縮比を高くすると爆発力は高まるが圧縮するために大きなエネルギーが必要となり、斯くして実圧縮比を高めても理論熱効率はほとんど高くならない。
【００４２】
これに対し、膨張比を大きくすると膨張行程時にピストンに対し押下げ力が作用する期間が長くなり、斯くしてピストンがクランクシャフトに回転力を与えている期間が長くなる。従って膨張比は大きくすれば大きくするほど理論熱効率が高くなる。図７の破線ε＝１０は実圧縮比を１０に固定した状態で膨張比を高くしていった場合の理論熱効率を示している。このように実圧縮比εを低い値に維持した状態で膨張比を高くしたときの理論熱効率の上昇量と、図７の実線で示す如く実圧縮比も膨張比と共に増大せしめられる場合の理論熱効率の上昇量とは大きな差がないことがわかる。
【００４３】
このように実圧縮比が低い値に維持されているとノッキングが発生することがなく、従って実圧縮比を低い値に維持した状態で膨張比を高くするとノッキングの発生を阻止しつつ理論熱効率を大巾に高めることができる。図８（Ｂ）は可変圧縮比機構Ａおよび可変バルブタイミング機構Ｂを用いて、実圧縮比を低い値に維持しつつ膨張比を高めるようにした場合の一例を示している。
【００４４】
図８（Ｂ）を参照すると、この例では可変圧縮比機構Ａにより燃焼室容積が５０ｍｌから２０ｍｌまで減少せしめられる。一方、可変バルブタイミング機構Ｂによって実際のピストン行程容積が５００ｍｌから２００ｍｌになるまで吸気弁の閉弁時期が遅らされる。その結果、この例では実圧縮比は（２０ｍｌ＋２００ｍｌ）／２０ｍｌ＝１１となり、膨張比は（２０ｍｌ＋５００ｍｌ）／２０ｍｌ＝２６となる。図８（Ａ）に示される通常のサイクルでは前述したように実圧縮比がほぼ１１で膨張比が１１であり、この場合に比べると図８（Ｂ）に示される場合には膨張比のみが２６まで高められていることがわかる。これが超高膨張比サイクルと称される所以である。
【００４５】
一般的に言って内燃機関では機関負荷が低いほど熱効率が悪くなり、従って機関運転時における熱効率を向上させるためには、即ち燃費を向上させるには機関負荷が低いときの熱効率を向上させることが必要となる。一方、図８（Ｂ）に示される超高膨張比サイクルでは圧縮行程時の実際のピストン行程容積が小さくされるために燃焼室５内に吸入しうる吸入空気量は少なくなり、従ってこの超高膨張比サイクルは機関負荷が比較的低いときにしか採用できないことになる。従って本実施形態では機関負荷が比較的低いときには図８（Ｂ）に示す超高膨張比サイクルとし、機関高負荷運転時には図８（Ａ）に示す通常のサイクルとするようにしている。
【００４６】
次に、本実施形態の火花点火式内燃機関における運転制御全般の一実施形態について概略的に説明する。前述したように機関高負荷運転時には図８（Ａ）に示される通常のサイクルが実行される。従って、機械圧縮比は低くされるために膨張比は低く、吸気弁７の閉弁時期は図５において実線で示される如く早められている。また、このときには吸入空気量は多く、このときスロットル弁１７の開度は全開に保持されているのでポンピング損失は零となっている。
【００４７】
一方、機関負荷が低くなるとそれに伴って吸入空気量を減少すべく吸気弁７の閉弁時期が遅くされる。またこのときには実圧縮比がほぼ一定に保持されるように機関負荷が低くなるにつれて機械圧縮比が増大され、従って機関負荷が低くなるにつれて膨張比も増大される。なお、このときにもスロットル弁１７は全開状態に保持されており、従って燃焼室５内に供給される吸入空気量はスロットル弁１７によらずに吸気弁７の閉弁時期を変えることによって制御されている。
【００４８】
このように機関高負荷運転状態から機関負荷が低くなるときには実圧縮比がほぼ一定のもとで吸入空気量が減少するにつれて機械圧縮比が増大せしめられる。即ち、吸入空気量の減少に比例してピストン４が圧縮上死点に達したときの燃焼室５の容積が減少せしめられる。従ってピストン４が圧縮上死点に達したときの燃焼室５の容積は吸入空気量に比例して変化していることになる。
【００４９】
機関負荷が更に低くなると機械圧縮比は更に増大せしめられ、機関負荷がやや低負荷寄りの中負荷Ｌ1まで低下すると機械圧縮比は燃焼室５の構造上限界となる限界機械圧縮比（上限機械圧縮比）に達する。機械圧縮比が限界機械圧縮比に達すると、機械圧縮比が限界機械圧縮比に達したときの機関負荷Ｌ1よりも負荷の低い領域では機械圧縮比が限界機械圧縮比に保持される。従って低負荷側の機関中負荷運転時および機関低負荷運転時には即ち、機関低負荷運転側では機械圧縮比は最大となり、膨張比も最大となる。別の言い方をすると、機関低負荷運転側では最大の膨張比が得られるように機械圧縮比が最大にされる。
【００５０】
一方、機関負荷がＬ1まで低下すると吸気弁７の閉弁時期が燃焼室５内に供給される吸入空気量を制御しうる限界閉弁時期となる。吸気弁７の閉弁時期が限界閉弁時期に達すると吸気弁７の閉弁時期が限界閉弁時期に達したときの機関負荷Ｌ1よりも負荷の低い領域では吸気弁７の閉弁時期が限界閉弁時期に保持される。
【００５１】
吸気弁７の閉弁時期が限界閉弁時期に保持されるともはや吸気弁７の閉弁時期の変化によっては吸入空気量を制御することができない。このとき、即ち吸気弁７の閉弁時期が限界閉弁時期に達したときの機関負荷Ｌ1よりも負荷の低い領域ではスロットル弁１７によって燃焼室５内に供給される吸入空気量が制御され、機関負荷が低くなるほどスロットル弁１７の開度は小さくされる。
【００５２】
一方、機関負荷が低くなるにつれて吸気弁７の閉弁時期を早めることによってもスロットル弁１７によらずに吸入空気量を制御することができる。従って、本実施形態による実施例では吸気弁７の閉弁時期は、機関負荷が低くなるにつれて、燃焼室内に供給される吸入空気量を制御しうる限界閉弁時期Ｌ1まで吸気下死点ＢＤＣから離れる方向に移動せしめられることになる。
【００５３】
前述したように図８（Ｂ）に示す超高膨張比サイクルでは膨張比が２６とされる。この膨張比は高いほど好ましいが図７からわかるように実用上使用可能な下限実圧縮比ε＝５に対しても２０以上であればかなり高い理論熱効率を得ることができる。従って本実施例では膨張比が２０以上となるように可変圧縮比機構Ａが形成されている。
【００５４】
ところで、上述したように、過給機付き内燃機関において、加速または高出力要求時に吸気弁と排気弁との両方を同時に開弁状態にする所謂バルブオーバーラップを行うようにしたものがある。これはすなわち、バルブオーバーラップを行うことによって、過給圧を利用する等して吸入空気を排気側に吹き抜かせ、燃焼室内の残留既燃ガスを掃気して燃焼性及び出力の向上を図ると共に過給タービンへ供給される排気ガス量を増加して過給効果を増加して、出力の向上を図ろうとするものである。
【００５５】
ところが、バルブオーバーラップ期間を設けることで燃焼室内に残留する既燃ガスいわゆる内部ＥＧＲの掃気を行う内燃機関においては、バルブオーバーラップ期間が短すぎる場合、多量の内部ＥＧＲが残留しトルクの低下をもたらしてしまう場合がある。一方で、バルブオーバーラップ期間が長すぎる場合においては、バルブオーバーラップ期間中の空気の吹き抜け量が過度に多くなり、排気ガス中に酸素が多く含まれることになるために排気系に設けられた排気浄化触媒の劣化や過昇温が生じ易くなり、また、三元触媒を用いている場合には浄化率が低下するためにエミッションの悪化が生じてしまう場合がある。
【００５６】
よって、バルブオーバーラップ期間を設けることで内部ＥＧＲの掃気を行う内燃機関においては、バルブオーバーラップ期間と内部ＥＧＲ量との関係を精度よく把握することが必要となる。そして、内部ＥＧＲの掃気効率および新気の充填効率の向上という観点からは、特に、内部ＥＧＲの残留率が０％となる最小バルブオーバーラップ期間を精度よく把握することが重要となる。また、バルブオーバーラップ期間と内部ＥＧＲ量との関係は、内燃機関を構成する部品のバラツキや経年劣化によるバラツキにより、内燃機関ごとに個体差があることが考えられる。
【００５７】
そこで、本発明の内燃機関の制御装置においては、吸気圧が背圧よりも高い機関運転状態の際に吸気弁と排気弁とがともに開いているバルブオーバーラップ期間を設けることで内部ＥＧＲの掃気を有効に実行することを可能とすべく、内部ＥＧＲの残留率が０％となる最小バルブオーバーラップ期間であって上記のような各内燃機関ごとの個体差をも考慮した最小バルブオーバーラップ期間を精度良く把握しうるように構成された手段を有して構成される。
【００５８】
そして、本発明の内燃機関の制御装置においては、吸入空気量がバルブオーバーラップ期間及び内部ＥＧＲ量に依存し、また、内部ＥＧＲが燃焼室内へ供給された吸気と混合する際の温度低下によって収縮することに着眼して、内部ＥＧＲの残留率が０％となる最小バルブオーバーラップ期間を学習するものとする。
【００５９】
図９は、吸気圧が背圧よりも高い機関運転状態の際における、バルブオーバーラップ期間の変化に対する吸入空気量の変化傾向の一実施形態を示す図である。バルブオーバーラップ期間が十分にあり、内部ＥＧＲを残留させることなく全てを掃気できるバルブオーバーラップ期間領域においては、バルブオーバーラップ期間の変化に対する吸入空気量の変化傾向は、バルブオーバーラップ期間中における新気の吹き抜け量に影響を受けることになる。一方で、バルブオーバーラップ期間が不十分であり、内部ＥＧＲの一部が掃気されずに残留してしまうようなバブルオーバーラップ期間領域においては、バルブオーバーラップ期間の変化に対する吸入空気量の変化傾向は、バルブオーバーラップ期間中における内部ＥＧＲの掃気量に影響を受けるとともに、掃気されずに残留する内部ＥＧＲの収縮の影響をも受けることになる。すなわち、図９に示されるように、内部ＥＧＲを残留させることなく全てを掃気できるバルブオーバーラップ期間領域と、内部ＥＧＲの一部が掃気されずに残留してしまうようなバルブオーバーラップ期間領域とにおいては、バルブオーバーラップ期間の変化に対する吸入空気量の変化傾向が異なるものとなる。
【００６０】
このことに基づいて、本発明の制御装置の一実施形態においては、バルブオーバーラップ期間の変化に対する吸入空気量の変化傾向が異なる傾向に移行する境界バルブオーバーラップ期間を特定し、該境界バルブオーバーラップ期間を、内部ＥＧＲを０％とすることが可能な最小バルブオーバーラップ期間として学習するバルブオーバーラップ期間学習手段を有して構成される。また、本実施形態においては、バルブオーバーラップ期間の変化に対する吸入空気量の変化傾向が異なる傾向に移行する境界バルブオーバーラップ期間を特定すべく、吸気圧が背圧よりも高い機関運転状態の際に、バルブオーバーラップ期間がそれぞれ異なる複数の機関運転を行い、該複数の機関運転のそれぞれの機関運転状態における吸入空気量を計測する吸入空気量計測手段を有して構成される。
【００６１】
このような吸入空気量計測手段およびバルブオーバーラップ期間学習手段を有する本発明によれば、実際に使用されている内燃機関の機関運転中に最小バルブオーバーラップ期間の学習ができ、内燃機関を構成する部品のバラツキや経年劣化などによるバラツキによって生じうる各内燃機関ごとの個体差をも考慮した最小バルブオーバーラップ期間を精度良く把握することを可能とし、よって、内部ＥＧＲの掃気効率および新気の充填効率の向上を図ることを可能とする。
【００６２】
図１０は、上記吸入空気量計測手段とバルブオーバーラップ学習手段とを使用して、内部ＥＧＲを０％とすることが可能な最小バルブオーバーラップ期間を特定する制御の一実施形態を示すフローチャートである。
【００６３】
図１０に示される実施形態においては、まず、ステップ１０１において、内部ＥＧＲの掃気を実行すべく、ターボチャージャー（過給機）などを使用して吸気圧が背圧よりも高いような機関運転状態とされる。そして、続くステップ１０２及びステップ１０３において、内部ＥＧＲが全て掃気され新気が吹き抜けるような大バルブオーバーラップ期間領域と内部ＥＧＲの一部が残留してしまうような小バルブオーバーラップ期間領域との各領域において、バルブオーバーラップ（ＶＯＬ）期間がそれぞれ異なる２状態の機関運転を行い、該２状態の機関運転のそれぞれの機関運転状態における吸入空気量（図９中のa1, a2, b1, b2 を参照)を計測する。そして、続くステップ１０４及びステップ１０５において、ステップ１０２及びステップ１０３にて計測された各吸入空気量に基づいて、上記各領域におけるバルブオーバーラップ期間の変化に対する吸入空気量の変化傾向を直線近似し、該直線が交わる交点Ｄにおけるバルブオーバーラップ期間を、バルブオーバーラップ期間の変化に対する吸入空気量の変化傾向が異なる傾向に移行する境界バルブオーバーラップ期間として特定する。そして、該境界バルブオーバーラップ期間を、内部ＥＧＲを０％とすることが可能な最小バルブオーバーラップ期間として学習する。
【００６４】
尚、上記吸入空気量計測手段による吸入空気量の計測と、上記バルブオーバーラップ期間学習手段による境界バルブオーバーラップ期間の特定とを行う際における機械圧縮比については特に制限はなく、低圧縮比側あるいは高圧縮比側のどちらで行われもよい。しかしながら、内部ＥＧＲを０％とすることが可能な最小バルブオーバーラップ期間を、より精度良く学習するためには、バルブオーバーラップ期間が大きく異なる複数の機関運転状態おける吸入空気量計測を行うことが有利となるが、低圧縮比化された高負荷側機関運転状態にて上記吸入空気量計測手段による各吸入空気量計測を行う場合においてバルブオーバーラップ期間を大きく振ると、出力トルクが大きく変化することとなり、ドラビリ上の問題などが生じる虞がある。
【００６５】
そこで、本発明の一実施形態においては、ドラビリ上の問題などを考慮して、上記吸入空気量計測手段による各吸入空気量の計測を、吸気圧が背圧よりも高い機関運転状態であって可変圧縮比機構により所定の高機械圧縮比化された低負荷側機関運転状態にて行うものとする。可変圧縮比機構により所定の高機械圧縮比化された低負荷側機関運転状態においては、燃焼限界が高く、バルブオーバーラップ期間を大きく振ることができ、出力トルク変化もスロットルなどで吸入することが可能であるため、ドラビリの悪化を抑制しつつ、内部ＥＧＲを０％とすることが可能な最小バルブオーバーラップ期間を、より精度良く学習することを可能とする。
【００６６】
また、本発明の制御装置における別の実施形態においては、吸入空気量計測手段が、吸気圧が背圧よりも高い機関運転状態の際に、バルブオーバーラップ期間がそれぞれ異なる複数の機関運転を異なる２つの機械圧縮比にて行い、各機関運転状態における吸入空気量を計測する。また、バルブオーバーラップ期間学習手段が、吸入空気量計測手段により計測された各吸入空気量データに基づいて、バルブオーバーラップ期間が同一である場合の上記異なる２つの機械圧縮比のうちの一方の機械圧縮比での機関運転における吸入空気量と他方の機械圧縮比での機関運転における吸入空気量との差分である吸入空気量差分を各バルブオーバーラップ期間に対して算出し、バルブオーバーラップ期間の変化に対する該吸入空気量差分の変化傾向を導き、該変化傾向が異なる傾向に移行する境界バルブオーバーラップ期間を特定する。そして、この境界バルブオーバーラップ期間を、内部ＥＧＲを０％とすることが可能な最小バルブオーバーラップ期間として学習する。
【００６７】
この実施形態においては、吸入空気量がバルブオーバーラップ期間及び内部ＥＧＲ量に依存し、また、内部ＥＧＲが燃焼室内へ供給された吸気と混合する際の温度低下によって収縮することに着眼するとともに、さらに、このような内部ＥＧＲの収縮量は機械圧縮比が異なると違いが生じるということに着眼して、内部ＥＧＲの残留率が０％となる最小バルブオーバーラップ期間を学習するものとする。本実施形態による最小バルブオーバーラップ期間の学習によれば、内部ＥＧＲが全て掃気され新気が吹き抜けるようなバルブオーバーラップ期間領域と内部ＥＧＲの一部が残留してしまうようなバルブオーバーラップ期間領域との各領域バルブオーバーラップ期間の変化に対する吸入空気量の変化傾向を、脈動影響などで直線近似することに困難があるような場合においても、より精度よく内部ＥＧＲの残留率が０％となる最小バルブオーバーラップ期間を学習することを可能とする。
【００６８】
図１１は、吸気圧が背圧よりも高い機関運転状態の際に、バルブオーバーラップ期間がそれぞれ異なる複数の機関運転を異なる２つの機械圧縮比にて行い、各機関運転状態における吸入空気量を計測する実施形態における、バルブオーバーラップ期間の変化に対する吸入空気量の変化傾向の一実施形態を示す図である。
【００６９】
バルブオーバーラップ期間が同一である場合の異なる２つの機械圧縮比のうちの一方の機械圧縮比での機関運転における吸入空気量と他方の機械圧縮比での機関運転における吸入空気量との差分である吸入空気量差分は、バルブオーバーラップ期間が十分にあり、内部ＥＧＲを残留させることなく全てを掃気できるバルブオーバーラップ期間領域においては、異なる２つの機械圧縮比における燃料室容積の差分に該当することになり、よって、図１１に示されるように一定に維持されることになる。一方で、バルブオーバーラップ期間が不十分であり、内部ＥＧＲの一部が掃気されずに残留してしまうようなバブルオーバーラップ期間領域においては、上述したように、バルブオーバーラップ期間の変化に対する吸入空気量の変化傾向は、バルブオーバーラップ期間中における内部ＥＧＲの掃気量に影響を受けるとともに、掃気されずに残留する内部ＥＧＲの収縮の影響をも受けることになる。また、掃気されずに残留する内部ＥＧＲの収縮量は、機械圧縮比が異なると違いが生じるため、バルブオーバーラップ期間が同一である場合の異なる２つの機械圧縮比のうちの一方の機械圧縮比での機関運転における吸入空気量と他方の機械圧縮比での機関運転における吸入空気量との差分である吸入空気量差分は一定には維持されないことになる。すなわち、図１１に示されるように、内部ＥＧＲを残留させることなく全てを掃気できるバルブオーバーラップ期間領域と、内部ＥＧＲの一部が掃気されずに残留してしまうようなバルブオーバーラップ期間領域とにおいては、バルブオーバーラップ期間の変化に対する上記吸入空気量差分の変化傾向が異なるものとなる。
【００７０】
図１２は、吸気圧が背圧よりも高い機関運転状態の際に、バルブオーバーラップ期間がそれぞれ異なる複数の機関運転を異なる２つの機械圧縮比にて行い、各機関運転状態における吸入空気量を計測する実施形態おいて、内部ＥＧＲを０％とすることが可能な最小バルブオーバーラップ期間を特定する制御の一実施形態を示すフローチャートである。
【００７１】
図１２に示される実施形態においては、まず、ステップ２０１において、内部ＥＧＲの掃気を実行すべく、ターボチャージャ（過給機）などを使用して吸気圧が背圧よりも高いような機関運転状態とする。そして、続くステップ２０２及びステップ２０３において、バルブオーバーラップ（ＶＯＬ）期間がそれぞれ異なる複数の機関運転を異なる２つの機械圧縮比すなわち第１機械圧縮比（低機械圧縮比側）及び第２機械圧縮比（高機械圧縮比側）にて行い、各機関運転状態における吸入空気量を計測する。そして、続くステップ２０４及びステップ２０５において、ステップ２０２及びステップ２０３にて計測された各吸入空気量に基づいて、バルブオーバーラップ期間が同一である場合の第１機械圧縮比及び第２機械圧縮比のうちの一方の機械圧縮比での機関運転における吸入空気量と他方の機械圧縮比での機関運転における吸入空気量との差分である吸入空気量差分Ｅ（図１１参照）を各バルブオーバーラップ期間に対して算出し、バルブオーバーラップ期間の変化に対する該吸入空気量差分の変化傾向を導き、該変化傾向が異なる傾向に移行する境界バルブオーバーラップ期間を特定する。より具体的には、バルブオーバーラップ期間を有しない機関運転から所定値づつバルブオーバーラップ期間を大きくするような複数の機関運転を実行し、バルブオーバーラップ期間が同一である場合の第１機械圧縮比及び第２機械圧縮比のうちの一方の機械圧縮比での機関運転における吸入空気量と他方の機械圧縮比での機関運転における吸入空気量との差分である吸入空気量差分Ｅが一定に維持されるようになるバルブオーバーラップ期間を、境界バルブオーバーラップ期間を特定する。そして、この境界バルブオーバーラップ期間を、内部ＥＧＲを０％とすることが可能な最小バルブオーバーラップ期間として学習する。
【符号の説明】
【００７２】
１    クランクケース
２    シリンダブロック
３    シリンダヘッド
４    ピストン
５    燃焼室
７    吸気弁
７０    吸気弁駆動用カムシャフト
Ａ    可変圧縮比機構
Ｂ    吸気可変バルブタイミング機構
Ｃ    排気可変バルブタイミング機構
【図１】
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【図２】
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【図３】
0005585539.tif 000004
【図４】
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【図５】
0005585539.tif 000006
【図６】
0005585539.tif 000007
【図７】
0005585539.tif 000008
【図８】
0005585539.tif 000009
【図９】
0005585539.tif 000010
【図１０】
0005585539.tif 000011
【図１１】
0005585539.tif 000012
【図１２】
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