(57)【要約】【課題】低中回転、高負荷時の過給機のレスポンスを向上させつつ、ＨＣの排出を抑制する事が可能な内燃機関の出力制御装置を提供する。【解決手段】本発明は、機関１から排出される排気によって回転エネルギーを得る過給機３５と、吸気弁７ａ及び排気弁７ｂをそれぞれ開閉駆動する動弁機構５０，５１と、吸気弁と排気弁のバルブオーバーラップ量を可変し得る可変バルブタイミング機構８ａ，８ｂと、機関の運転状態を判定するとともに、判定した運転状態が所定の運転領域となる低中回転、高負荷運転領域の場合、バルブオーバーラップ量を広げる方向に可変バルブタイミング機構を作動させた後に、バルブオーバーラップ量を狭くする方向に可変バルブタイミング機構を作動させるよう制御する制御手段３０を有する。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関から排出される排気によって回転エネルギーを得る過給機と、
吸気弁及び排気弁をそれぞれ開閉駆動する動弁機構と、
前記吸気弁と前記排気弁のバルブオーバーラップ量を可変し得る可変バルブタイミング機構と、
前記内燃機関の運転状態を判定する運転状態判定手段と、
前記運転状態判定手段が所定の運転状態を判定したとき、前記バルブオーバーラップ量を広げる方向に前記可変バルブタイミング機構を作動させた後に、前記バルブオーバーラップ量を狭くする方向に前記可変バルブタイミング機構を作動させるよう制御する制御手段と、
を有することを特徴とする内燃機関の出力制御装置。
【請求項２】
請求項１記載の内燃機関の出力制御装置において、
前記制御手段は、前記吸気弁の開閉タイミングを遅角させるよう前記可変バルブタイミング機構を作動させるとともに、前記排気弁の開閉タイミングを進角させるよう前記可変バルブタイミング機構を作動させて、前記バルブオーバーラップ量を広くすることを特徴とする内燃機関の出力制御装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の内燃機関の出力制御装置において、
前記制御手段は、前記吸気弁の開閉タイミングを固定させるよう前記可変バルブタイミング機構を作動させるとともに、前記排気弁の開閉タイミングを進角させるよう前記可変バルブタイミング機構を作動させて、前記バルブオーバーラップ量を狭くすることを特徴とする内燃機関の出力制御装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項記載の内燃機関の出力制御装置において、
前記運転状態検出手段が、
前記内燃機関の回転数を検出する回転数検出手段と、
前記内燃機関の負荷状態を検出する負荷状態検出手段と、を備え、
前記回転数検出手段が低中回転を検出し、前記負荷状態検出手段が高負荷状態を検出したとき、前記所定の運転状態であると判定することを特徴とする内燃機関の出力制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、過給機を備えた内燃機関の出力制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関であるエンジンには、その出力を向上させるために過給機としてターボチャージャを備えたものがある。ターボチャージャは、排気のエネルギーでタービンを回転させることで、吸気側に配置されたコンプレッサを回転して吸気を圧縮する過給機である。
【０００３】
ところで、内燃機関から排出される排気には未燃ＨＣが存在するが、その多くは冷態始動時に含まれてしまう。その対策として、吸気弁と排気弁とのバルブオーバーラップ量を可変し得る可変バルブタイミング機構を設け、バルブオーバーラップ量（開閉時期）を適切に制御して未燃ＨＣを低減している。
【０００４】
また、近年においてはターボチャージャと可変バルブタイミング機構の双方を備えた内燃機関が提案されている。この種の内燃機関の公知文献としては、例えば特許文献１を挙げることができる。この特許文献１には、高負荷領域では排気弁の開閉タイミングを固定とし、有効圧縮比が膨張比と比べて小さくなるよう吸気弁を遅角させる技術が開示されている。そして、このような制御によれば、内部ＥＧＲ率を低減し、ノッキングを防止することができるとされている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−９７６５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ターボチャージャと可変バルブタイミング機構を備えた内燃機関においては、ターボチャージャの特性から、機関が低中回転時においてドライバーがアクセルペダルを踏んで高負荷の運転領域となっても、排気が少ないためタービンを回転させるエネルギーが少なく、レスポンスが上がらないという課題がある。
【０００７】
そこで、バルブオーバーラップ量を広げて吸気を排気系へ吹き抜かせ、吸気の燃料をコンプレッサで燃焼させて過給圧を上昇させてタービンの回転エネルギーに利用することが考えられる。しかし、単にバルブオーバーラップ量を広くすると、未燃ＨＣが排気系に吹き抜けて、トルクは増えたとしても排気中に多くのＨＣが含まれてしまう。このため、ターボチャージャと可変バルブタイミング機構を備えた内燃機関では、両者の適切なマッチングが要望されている。  
ここで、前述した特許文献１のように、排気弁の開閉タイミングを固定とし、吸気弁を遅角させることで、バルブオーバーラップ量を調整することでマッチングを図ることも可能ではある。しかしながら、このようなバルブタイミングの調整は、位相に対するトルク変化量が大きいため、制御には不向きであるといえる。
【０００８】
本発明は、低中回転、高負荷時の過給機のレスポンスを向上させつつ、ＨＣの排出を抑制する事が可能な内燃機関の出力制御装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、内燃機関から排出される排気によって回転エネルギーを得る過給機と、吸気弁及び排気弁をそれぞれ開閉駆動する動弁機構と、吸気弁と排気弁のバルブオーバーラップ量を可変し得る可変バルブタイミング機構と、内燃機関の運転状態を判定する運転状態判定手段と、運転状態判定手段が所定の運転状態を判定したとき、バルブオーバーラップ量を広げる方向に可変バルブタイミング機構を作動させた後、バルブオーバーラップ量を狭くする方向に可変バルブタイミング機構を作動させる制御手段とを有することを特徴としている。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１記載の内燃機関の出力制御装置において、制御手段は、吸気弁の開閉タイミングを遅角させるよう可変バルブタイミング機構を作動させるとともに、排気弁の開閉タイミングを進角させるよう可変バルブタイミング機構を作動させて、バルブオーバーラップ量を広くすることを特徴としている。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項１または２記載の内燃機関の出力制御装置において、制御手段は、吸気弁の開閉タイミングを固定させるよう可変バルブタイミング機構を作動させるとともに、排気弁の開閉タイミングを進角させるよう可変バルブタイミング機構を作動させて、バルブオーバーラップ量を狭くすることを特徴としている。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項１ないし３のいずれか１項記載の内燃機関の出力制御装置において、運転状態検出手段が、内燃機関の回転数を検出する回転数検出手段と、内燃機関の負荷状態を検出する負荷状態検出手段とを備え、回転数検出手段が低中回転を検出し、負荷状態検出手段が高負荷状態を検出したとき、所定の運転状態であると判定することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、内燃機関の運転状態が所定の運転状態の場合に、まずバルブオーバーラップ量を広げる方向に可変バルブタイミング機構を作動させることにより、吸気弁から燃焼室に吸入された吸気が排気弁を介して排気系に吹き抜けて過給機内で燃焼されるので、過給圧が上昇してレスポンスが向上する。また、バルブオーバーラップ量を広げた後、バルブオーバーラップ量を狭くする方向に可変バルブタイミング機構を作動させることにより、吸気弁から排気弁を介して排気系に吹き抜ける吸気が低減するので、ＨＣの排出を低減することができる。
【００１４】
本発明によれば、バルブオーバーラップ量を広くする場合に、吸気弁の可変バルブタイミングを遅角させるので、多くの吸気が排気系に吹き抜けることとなる。これにより、排気弁の可変バルブタイミングを遅角させてバルブオーバーラップ量を広くする場合よりも効率的にトルク向上を図れ、レスポンスの向上につながる。
【００１５】
本発明によれば、バルブオーバーラップ量を狭くする場合に、吸気弁の開閉タイミングを固定させ、排気弁の可変バルブタイミングを進角させることで、吸気弁の可変バルブタイミングを遅角させてバルブオーバーラップ量を狭くする場合よりもトルク低減を抑えることができ、レスポンスの向上につながる。
【００１６】
本発明によれば、運転状態検出手段が、内燃機関の回転数を検出する回転数検出手段と、内燃機関の負荷状態を検出する負荷状態検出手段とを備え、回転数検出手段が低中回転を検出し、負荷状態検出手段が高負荷状態を検出したとき、所定の運転状態であると判定するので、低中回転、高負荷時の過給機のレスポンスを向上させつつ、ＨＣの排出を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。図１において、符号１は出力制御装置を有する内燃機関としてのエンジンを示す。このエンジン１は、吸気通路噴射型エンジンとして構成されており、その動弁機構としてはＤＯＨＣ４弁式が採用されている。エンジン１を構成するシリンダー２ａの上部にはシリンダーヘッド２が装着されている。吸気側の動弁機構５０は、図示しないロッカーアームを介して吸気弁７ａの上端に当接する吸気カム３ａが形成された吸気カムシャフト２２と、吸気弁７ａを閉弁方向に付勢する周知のバルブスプリング（図示されず）とを備えている。排気側の動弁機構５１は、図示しないロッカーアームを介して排気弁７ｂの上端に当接する排気カム３ｂが形成された排気カムシャフト２２と、排気弁７ｂを閉弁方向に付勢する周知のバルブスプリング（図示されず）とを備えている。
【００１８】
これらの動弁機構５０，５１において吸気カムシャフト２１と排気カムシャフト２２の各前端には、タイミングプーリ４ａ，４ｂがそれぞれ接続されている。これらのタイミングプーリ４ａ，４ｂは、タイミングベルト５を介してエンジン１のクランク軸６に連結されている。タイミングプーリ４ａ，４ｂとカムシャフト２１，２２は、クランク軸６の回転に伴って回転駆動され、これらのカムシャフト２１，２２により吸気弁７ａ及び排気弁７ｂが開閉駆動される。
【００１９】
各カムシャフト２１，２２とタイミングプーリ４ａ，４ｂとの間には、吸気側及び排気側の可変バルブタイミング機構としてのベーン式のタイミング可変機構（以下、「吸気側ＶＶＴ」、「排気側ＶＶＴ」と記す）８ａ，８ｂが設けられている。吸気側ＶＶＴ８ａ及び排気側ＶＶＴ８ｂの構成は、例えば特開２０００−２７６０９号公報等で公知のため詳細は説明しないが、タイミングプーリ４ａ，４ｂに設けたハウジング内にベーンロータを回動可能に設け、そのベーンロータに吸気カムシャフト２１或いはカムシャフト２２を連結して構成されている。吸気側ＶＶＴ８ａ及び排気側ＶＶＴ８ｂにはオイルコントロールバルブ（以下、ＯＣＶという）９ａ，９ｂがそれぞれ接続されている。
【００２０】
ＶＶＴ８ａ，８ｂは、エンジン１のオイルポンプ１０から供給される作動油を利用して、ＯＣＶ９ａ，９ｂの切替えに応じてベーンロータに油圧を作用させ、その結果、タイミングプーリ４ａ，４ｂに対するカムシャフト２１，２２の位相、すなわち吸気弁７ａと排気弁７ｂとの開閉タイミングを調整するようになっている。
【００２１】
エンジン１において、シリンダーヘッド２に設けられ、吸気弁７ａによって開閉される吸気ポート１１には吸気通路１２が接続されている。吸気通路１２内には、シリンダー２ａ内を図１において上下に往復移動するピストン１６の下降に伴って、吸入空気が導入される。吸入空気は、吸気通路１２内に設けられたスロットルバルブ１４の開度に応じて流量調整された後に燃料噴射手段としての燃料噴射弁１５からの噴射燃料と混合され、吸気ポート１１を経て吸気弁７ａの開弁時に筒内に流入する。
【００２２】
一方、シリンダーヘッド２に設けられ、排気弁７ｂによって開閉される排気ポート１７には排気通路１８が接続されている。点火プラグ１９により筒内で点火されて燃焼した後の排ガスは、排気弁７ｂの開弁時にピストン１６の上昇に伴って排気ポート１７から排気通路１８に案内され、排気通路１８上に設けられた触媒２０及び図示しない消音器を経て外部に排出される。
【００２３】
エンジン１には、燃焼室４０から排出される排気によって回転エネルギーを得るターボチャージ（過給機）３５が装着されている。ターボチャージ３５は、排気通路１８に設けられ、排気によって回転されるタービン３６と、タービン３６と同軸上に設けられ、吸気通路１２につながる還流路３８に配置されたコンプレッサ３７とを備えている。コンプレッサ３７の上流には、エアクリーナ１３が配置されている。このため、排気ポート１７から排気通路１８に排気が案内されると、タービン３６が回転し、この回転によりコンプレッサ３７が回転して吸気が過給されて燃焼室４０内に吸入される。なお、還流路３８と排気通路１２との間には、インタークーラ３９が配置されている。
【００２４】
車室内には、図示しない入出力装置、制御プログラムや制御マップ等の記憶に供される記憶装置（ＲＯＭ，ＲＡＭ等）、中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマカウンタ等を備えた制御手段としてのＥＣＵ（エンジン制御ユニット）３０が設置されており、エンジン１の総合的な制御を行う。ＥＣＵ３０の入力側には、吸入空気量を検知する吸気量検知手段としてのエアーフローセンサ３１、エンジン回転数Ｎeを検出する回転数検出手段としての回転数センサ３２、アクセルペダルの開度を検知するアクセル開度センサ３３、エンジン負荷となるスロットルバルブ１４の開度ＴＰＳを検出する負荷状態検出手段としてのスロットルセンサ３４等の各種センサと、図示しないタイマが接続されている。ＥＣＵ３０の出力側には、ＯＣＶ９ａ，９ｂ、燃料噴射弁１５、点火プラグ１９等が接続されている。本形態において、燃料噴射弁１５は排気工程において燃料が噴射されるタイミングで駆動される。本形態において、運転状態検出手段は回転数センサ３２とスロットルセンサ３４で構成されている。
【００２５】
ＥＣＵ３０は、各センサからの検出情報に基づいて点火時期及び燃料噴射量等を決定し、点火プラグ１９や燃料噴射弁１５の駆動を制御する。ＥＣＵ３０には、図２〜図５に示す各マップが予め設定されている。図２に示すマップは、回転数センサ３２からのエンジン回転数Ｎｅ及びエアーフローセンサ３１から得られる吸入空気量から取得する充填効率に基づき、タイミング可変機構８ａ，８ｂの基本位相角(オーバーラップ量)を求めるためのものである。図３に示すマップは、エンジン回転数Ｎｅとアクセル開度センサ３３で検知するアクセル開度から要求充填効率を算出するためのものである。図４に示すマップは、エンジン回転数Ｎｅと充填効率から基本位相角(オーバーラップ量)を広げる領域を判定するためのものである。図５にマップは、エンジン回転数Ｎｅと充填効率から要求充填効率であるか否かを判断するためのものである。また、ＥＣＵ３０には、エンジン回転数を判断するための所定値と要求充填効率を判断するための所定値が記憶されている。
【００２６】
本形態において、ＥＣＵ３０は、各センサで検知されるエンジン１の運転状態が所定の運転状態である低中回転、高負荷運転領域の場合、基本位相角(オーバーラップ量)を広げる方向にＯＣＶ９ａを作動させて基本位相角(オーバーラップ量)を補正するとともに、要求充填効率となると、広げた位相角(オーバーラップ量)を狭める方向にＯＣＶ９ｂを作動して位相角(オーバーラップ量)を補正する制御を実行する。
【００２７】
ここで、図６，図７を用いて吸気側ＶＶＴ８ａ及び排気側ＶＶＴ８ｂによるバルブオーバーラップ（ＶＯＬ）量とエンジントルクと未燃ＨＣとの関係について説明する。図６（ａ）は、吸気側ＶＶＴ８ａと排気側ＶＶＴ８ｂをそれぞれ個別に作動させて吸気弁と排気弁の位相を変更してバルブオーバーラップ（ＶＯＬ）量を変化させた時のエンジントルク変動を示す図で、図６（ｂ）は、吸気側ＶＶＴ８ａと排気側ＶＶＴ８ｂをそれぞれ個別に作動させて吸気弁と排気弁の位相を変更してバルブオーバーラップ（ＶＯＬ）量を変化させた時の排気ガス中のＨＣの排出量変化を示す図である。これらの特性は、本願発明者が吸気側ＶＶＴ８ａと排気側ＶＶＴ８ｂをそれぞれ個別に作動させて計測した試験データに基づいている。
【００２８】
図６（ａ）、（ｂ）において、●を結ぶ線は吸気側ＶＶＴ８ａを作動して吸気位相を変更したときの特性で、▲を結ぶ線は排気側ＶＶＴ８ｂを作動して排気位相を変更したときの特性を示す。図７は、吸気側ＶＶＴ８ａと排気側ＶＶＴ８ｂの作動とバルブオーバーラップ（ＶＯＬ）量の変化を示す図である。
【００２９】
図６からバルブオーバーラップ（ＶＯＬ）が大きいと、すなわち広くなると、エンジントルクが高く、ＨＣの排出量が多くなることがわかる。また、バルブオーバーラップ（ＶＯＬ）が同じならば、吸気位相よりも排気吸気位相を小さくする、すなわち狭くする方が、エンジントルクの落ち込みが小さく、ＨＣの排出量は略同じ値となることがわかる。
【００３０】
このような特性から、本形態では、バルブオーバーラップ（ＶＯＬ）を調整することでエンジントルクを向上させつつも未燃ＨＣの排出を抑制可能なバルブオーバーラップ（ＶＯＬ）の適切な制御を実行する。
【００３１】
以下、図８に示すフローチャートに基づいて、ＥＣＵ３０による出力制御について説明する。図８のステップＳ１では、エンジン回転数Ｎｅを取得し、ステップＳ２でエアーフローセンサ３１より吸入空気量を算出し、ステップＳ３において吸入空気量から充填効率を取得する。ステップＳ４では、これらエンジン回転数Ｎｅと充填効率に基づき、吸気側ＶＶＴ８ａと排気側ＶＶＴ８ｂによる基本位相（基本ＶＶＴ位相）を図２のマップから読み込む。
【００３２】
ステップＳ５では、アクセル開度センサ３３からアクセル開度を取得し、ステップＳ６においてエンジン回転数Ｎｅとアクセル開度に基づき要求充填効率、すなわちドライバーの加速要求を図３のマップから算出する。
【００３３】
ステップＳ７では、エンジン１の運転状態を検知すべく、エンジン回転数が予め設定された所定範囲(運転領域)か否かを判断する。ここで、所定範囲外の場合には、この制御を実行しないで終了し、所定範囲内の場合には、低中回転領域であるとしてステップＳ８に進む。ステップＳ８では、要求充填効率が予め設定された所定値を超えているか否かが判断され、要求充填効率が所定値を超えていない場合には、ドライバーがトルクアップを要求していないものとして制御を終える。しかし、要求充填効率が所定値を超えている場合には、トルクアップが要求されているものとしてステップＳ９に進む。
【００３４】
ステップＳ９では、拡大分を図４に示すマップから取得し、基本位相（基本ＶＶＴ位相）に追加して補正してＯＣＶ９ａを作動させてバルブオーバーラップ（ＶＯＬ）を拡大する。ここではエンジン回転数が１５００ｒｐｍ〜３０００ｒｐｍの範囲で、充填効率が１００％〜２００％の領域にあるときは、吸気側ＶＶＴ８ａの位相を２０度遅角させてバルブオーバーラップ（ＶＯＬ）量を広げる。
【００３５】
このようなにバルブオーバーラップ（ＶＯＬ）量を広げた後、ステップＳ１０では要求充填効率に達したか否かが図５に示すマップにより判断され、達していなければバルブオーバーラップ（ＶＯＬ）量の拡大状態を維持し、要求充填効率に到達するとステップＳ１１に進む。ステップＳ１１では、ＯＣＶ９ｂを作動させて拡大された位相角(オーバーラップ量)を排気気側ＶＶＴ８ｂに狭める方向に進角補正する。ここでは、要求トルクと要求ＨＣになる位相角(オーバーラップ量)となるように、基本位相（基本ＶＶＴ位相）を補正して、この制御を終える。
【００３６】
つまり、図５，図９に示すように、エンジン１が始動後（１）、アクセル開度が大きくなって要求充填効率が高まる（２）と、要求充填効率に早く到達するように吸気側ＶＶＴ８ａを遅角してバルブオーバーラップ（ＶＯＬ）を広げることで、吸気弁７ａから排気弁７ｂを介して排気通路８に吹き抜ける吸気が低減するため、未燃ＨＣの排出を低減することができるとともに、多くの吸気が排気通路１８に吹き抜けるため、排気側ＶＶＴ８ｂを遅角させてバルブオーバーラップ（ＶＯＬ）量を広くする場合よりも効率的にトルク向上を図れ、レスポンスの向上につながる。
【００３７】
また、要求過給圧に達する（３）と、排気用ＶＶＴ８ｂを進角させてバルブオーバーラップ（ＶＯＬ）を狭めるので、吸気側ＶＶＴ８ａを遅角させてバルブオーバーラップ（ＶＯＬ）を狭くする場合よりもトルク低減を抑えることができ、レスポンスの向上につながる。
【００３８】
本形態では、エアーフローセンサ３１で検知する吸入空気量から充填効率を求めているが、スロットル開度センサ３４から得られるスロットル開度から充填効率を求めても無論構わない。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明にかかる内燃機関の出力制御装置の概略構成を示す図である。
【図２】基本位相角を求めるための特性マップである。
【図３】要求充填効率を求めるための特性マップである。
【図４】基本位相角を拡大する運転領域を示す図である。
【図５】要求充填効率を判断するためのマップである。
【図６】バルブオーバーラップとエンジントルクとＨＣとの関係を示す特性図である。
【図７】バルブオーバーラップの動きを示す図である。
【図８】制御手段による出力制御の一形態を示すフローチャートである。
【図９】バルブオーバーラップの変位状態を示す摸式図である。
【符号の説明】
【００４０】
１    内燃機関
７ａ  吸気弁
８ａ，８ｂ    可変バルブタイミング機構
７ｂ  排気弁
３０    制御手段
３５  過給機
５０，５１    動弁機構
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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