(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ過給機を備えるリーンバーンエンジンにおいて、
排気バルブの閉じ時期を一定にしたまま開き時期を変更可能な可変動弁機構と、
理論空燃比よりも薄いリーン空燃比による運転が選択されるリーン領域に前記リーンバーンエンジンの目標動作点があり、且つ、目標過給圧よりも実過給圧が低い場合、吸気バルブの開き時期を一定に保持しつつ前記可変動弁機構を操作して前記排気バルブの閉じ時期を一定にしたまま前記排気バルブの開き時期を進角させる過給圧上昇制御を実行する制御装置と、
を備えることを特徴とするリーンバーンエンジン。
【請求項２】
前記制御装置は、目標トルクの増大に応じて前記目標動作点が前記リーン領域内を移動し、それにより前記目標過給圧が増大することによって前記目標過給圧と前記実過給圧とが乖離した場合、前記過給圧上昇制御を実行する、ことを特徴とする請求項１に記載のリーンバーンエンジン。
【請求項３】
前記制御装置は、目標トルクの増大に応じて前記目標動作点が前記理論空燃比による運転が選択される低負荷ストイキ領域から前記リーン領域に移動し、それにより前記目標過給圧が増大することによって前記目標過給圧と前記実過給圧とが乖離した場合、前記過給圧上昇制御を実行する、ことを特徴とする請求項１に記載のリーンバーンエンジン。
【請求項４】
前記制御装置は、急加速が要求されている場合、前記実過給圧が前記目標過給圧に到達するまで、筒内空燃比を前記理論空燃比に維持する、ことを特徴とする請求項３に記載のリーンバーンエンジン。
【請求項５】
前記制御装置は、目標トルクの減少に応じて前記目標動作点が前記理論空燃比による運転が選択される高負荷ストイキ領域から前記リーン領域に移動し、それにより前記目標過給圧が増大することによって前記目標過給圧と前記実過給圧とが乖離した場合、前記過給圧上昇制御を実行する、ことを特徴とする請求項１に記載のリーンバーンエンジン。
【請求項６】
前記制御装置は、筒内空燃比を前記理論空燃比から前記リーン空燃比に切り替えるよりも前に前記過給圧上昇制御を実行する場合、前記筒内空燃比が前記リーン空燃比に切り替わるまで過給圧の上昇に応じて点火時期を遅角する点火時期遅角制御を実行し、
前記制御装置は、前記点火時期遅角制御では、前記排気バルブの開き時期の進角による排気ポンプ損失の増大分だけ遅角量を減量する、ことを特徴とする請求項４又は５に記載のリーンバーンエンジン。
【請求項７】
前記リーンバーンエンジンは、排気通路に設けられたＮＯｘ触媒を備え、
前記制御装置は、前記ＮＯｘ触媒の温度が所定温度より高い場合、筒内空燃比を前記理論空燃比に設定する、ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載のリーンバーンエンジン。
【請求項８】
前記可変動弁機構は、カムシャフトの基準位置に対するリフト開始位置の角度は異なるがリフト終了位置の角度は同じである少なくとも２つのカムを備え、前記少なくとも２つのカムを切り替えるように構成されている、ことを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載のリーンバーンエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、リーンバーンエンジンに関し、詳しくは、ターボ過給機を備えるリーンバーンエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
下記の特許文献１には、ターボ過給機を備えたエンジンにおいて、低中速域及び低負荷域での加速過渡時には、可変バルブタイミング機構によって排気バルブの開き時期を進角させて排気ブローダウンエネルギを増大させることで、ターボ過給機のレスポンスを向上させることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−１８３５１０号公報
【特許文献２】特開２０００−３４５８８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ターボ過給機のレスポンスを向上させることは、リーンバーンエンジンにもあてはまる課題である。よって、排気バルブの開き時期を進角させることで排気ブローダウンエネルギを増大させる上記従来技術の手法は、リーンバーンエンジンにも適用したい手法の１つである。
【０００５】
ところが、リーンバーンエンジンの特徴である理論空燃比よりも薄いリーン空燃比による燃焼は、理論空燃比による燃焼に比べてロバスト性が低い。このため、燃焼に係るパラメータを何か１つでも変更したとき、燃焼状態を一定に保つためには複雑な制御が必要となる。上記従来技術の場合、可変バルブタイミング機構によって排気バルブの開き時期を進角させると、それと同時に、排気バルブの閉じ時期も進角する。その結果、吸気バルブと排気バルブとの間のバルブオーバラップ期間が変化することになる。バルブオーバラップ期間は、吸入空気量やＥＧＲ率に影響する重要なパラメータであるため、これが変化すると燃焼状態を一定に保つことが難しくなり、燃焼状態の変動を招くおそれがある。
【０００６】
本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、ターボ過給機を備えるリーンバーンエンジンにおいて、燃焼状態が変動することを抑えながら、排気バルブのバルブタイミングの制御によってリーン領域での過給圧の応答性を高めることを可能にする、ことを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るリーンバーンエンジンは、ターボ過給機を備えるリーンバーンエンジンであって、排気バルブの閉じ時期を一定にしたまま開き時期を変更可能な可変動弁機構を備える。この可変動弁機構は、好ましくは、カムシャフトの基準位置に対するリフト開始位置の角度は異なるがリフト終了位置の角度は同じである少なくとも２つのカムを備え、これら少なくとも２つのカムを切り替えるように構成される。また、本発明に係るリーンバーンエンジンは、過給圧上昇制御を実行する制御装置を備える。過給圧上昇制御は、理論空燃比よりも薄いリーン空燃比による運転が選択されるリーン領域にリーンバーンエンジンの目標動作点があり、且つ、目標過給圧よりも実過給圧が低い場合、吸気バルブの開き時期を一定に保持しつつ可変動弁機構を操作して排気バルブの閉じ時期を一定にしたまま排気バルブの開き時期を進角させる制御である。この制御によれば、燃焼への影響が大きいバルブオーバラップ期間を変えずに排気バルブの開き時期を進角することができるので、燃焼状態が変動することを抑えながら過給圧の応答性を向上させることが可能となる。
【０００８】
制御装置による過給圧上昇制御は、目標トルクの増大に応じて目標動作点がリーン領域内を移動し、それにより目標過給圧が増大することによって目標過給圧と実過給圧とが乖離した場合、に実行されることが好ましい。これによれば、排気ガスがもつエネルギが少ないリーン領域において目標トルクが増大した場合、目標トルクを早期に達成できるように過給圧を上昇させることができる。
【０００９】
また、制御装置による過給圧上昇制御は、目標トルクの増大に応じて目標動作点が理論空燃比による運転が選択される低負荷ストイキ領域からリーン領域に移動し、それにより目標過給圧が増大することによって目標過給圧と実過給圧とが乖離した場合、に実行されることも好ましい。これによれば、運転者からの加速要求によって低負荷ストイキ領域での運転からリーン過給領域での運転へ移行する場合、目標トルクを早期に達成できるように過給圧を上昇させることができる。
【００１０】
ただし、急加速が要求されている場合は、実過給圧が目標標過給圧に到達するまで、筒内空燃比を理論空燃比に維持することがより好ましい。これによれば、運転者からの加速要求が急加速要求である場合、過給圧の応答性をより向上させることができる。
【００１１】
また、制御装置による過給圧上昇制御は、目標トルクの減少に応じて目標動作点が理論空燃比による運転が選択される高負荷ストイキ領域からリーン領域に移動し、それにより目標過給圧が増大することによって目標過給圧と実過給圧とが乖離した場合、に実行されることも好ましい。これによれば、運転者からの減速要求によって高負荷ストイキ領域での運転からリーン過給領域での運転へ移行する場合、過給圧を速やかに上昇させながら、エンジンのトルクを低下させることができる。
【００１２】
なお、筒内空燃比を理論空燃比からリーン空燃比に切り替えるよりも前に過給圧上昇制御を実行する場合、制御装置は、点火時期遅角制御を実行することが好ましい。点火時期遅角制御は、筒内空燃比がリーン空燃比に切り替わるまで過給圧の上昇に応じて点火時期を遅角する制御であって、排気バルブの開き時期の進角による排気ポンプ損失の増大分だけ遅角量を減量する。この制御によれば、筒内空燃比が理論空燃比からリーン空燃比へ切り替わるときのトルク変動を抑えることができる。
【００１３】
リーンバーンエンジンの排気通路にＮＯｘ触媒が設けられているのであれば、ＮＯｘ触媒の温度に応じて空燃比の選択を行うことが好ましい。ＮＯｘ触媒は過度に高温になると、そのＮＯｘ浄化性能が低下してＮＯｘを浄化できなくなるからである。具体的には、ＮＯｘ触媒の温度が所定温度より高い場合、筒内空燃比を理論空燃比に設定することが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係るリーンバーンエンジンによれば、燃焼への影響が大きいバルブオーバラップ期間を変えずに排気バルブの開き時期を進角することができるので、燃焼状態が変動することを抑えながら過給圧の応答性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態のエンジンシステムの構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態のカムによるバルブタイミングを示す図である。
【図３】排気バルブの開き時期とトルクとの関係を示す図である。
【図４】排気バルブの開き時期と熱効率との関係を示す図である。
【図５】排気バルブの開き時期と空気量との関係を示す図である。
【図６】排気バルブの開き時期と排気温度との関係を示す図である。
【図７】排気バルブの開き時期とターボ回転数との関係を示す図である。
【図８】排気バルブの開き時期と過給圧との関係を示す図である。
【図９】エンジンの運転域の設定を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態の制御フローを示すフローチャートである。
【図１１】加速要求によるリーンＮＡ領域からリーン過給領域への目標動作点の移動を示す図である。
【図１２】加速によりリーンＮＡ領域からリーン過給領域へ移行する場合の動作を示すタイムチャートである。
【図１３】加速要求による低負荷ストイキ領域からリーン過給領域への目標動作点の移動を示す図である。
【図１４】緩加速により低負荷ストイキ領域からリーン過給領域へ移行する場合の動作を示すタイムチャートである。
【図１５】急加速により低負荷ストイキ領域からリーン過給領域へ移行する場合の動作を示すタイムチャートである
【図１６】減速要求による高負荷ストイキ領域からリーン過給領域への目標動作点の移動を示す図である。
【図１７】減速により高負荷ストイキ領域からリーン過給領域へ移行する場合の動作を示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数にこの発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
【００１７】
１．エンジンシステムの構成
１−１．システム全体の構成
図１は、本発明の実施の形態のエンジンシステムの構成を示す図である。本実施の形態のエンジンシステムは、自動車に動力装置として搭載されるターボ過給機付き内燃機関
（以下、エンジンと称す）２を備える。このエンジン２は、ストイキ運転（すなわち、理論空燃比よる運転）と、リーン運転（すなわち、理論空燃比よりも薄い所定のリーン空燃比による運転）とを選択可能なリーンバーンエンジンである。リーン運転時の空燃比は、ＮＯｘが多く発生する空燃比域よりもさらにリーンな空燃比域、例えば、値が２４前後の空燃比域に設定される。
【００１８】
エンジン２は、ピストン１２が配置されたシリンダブロック４とシリンダヘッド３とを備える。エンジン２の気筒数および気筒配置は特に限定されない。シリンダヘッド３とピストン１２とで挟まれた空間が燃焼室５となる。エンジン２は火花点火式エンジンであって、シリンダヘッド３には燃焼室５の頂部に突き出るように点火装置の点火プラグ１８が取り付けられている。
【００１９】
燃焼室５には吸気ポート６と排気ポート８がそれぞれ開口している。燃焼室５と吸気ポート６との連通状態は、シリンダヘッド３に設けられた吸気バルブ１４によって制御される。燃焼室５と排気ポート８との連通状態は、シリンダヘッド３に設けられた排気バルブ１６によって制御される。吸気バルブ１４には、バルブタイミングを可変とする吸気可変動弁機構２４が設けられている。排気バルブ１６には、バルブタイミングと作用角を可変とする排気可変動弁機構２６が設けられている。バルブタイミングを可変とする機構には、クランクシャフトに対するカムシャフトの位相を変化させる公知の機構を用いることができる。作用角を可変とする機構については後述する。
【００２０】
エンジン２は、各気筒に２つずつ燃料噴射弁を備える。一つは、燃焼室５の中に燃料を直接噴射する筒内噴射弁２２であり、もう一つは、吸気ポート６に燃料を噴射するポート噴射弁２０である。
【００２１】
吸気ポート６には、サージタンク１９が一体化された吸気マニホールド１０が接続されている。サージタンク１９には、外部から空気を吸入する吸気通路３０が接続されている。吸気通路３０におけるサージタンク１９の近傍には、電子制御式のスロットル４０が設けられている。吸気通路３０の先端には、エアクリーナ３１が設けられている。
【００２２】
排気ポート８には、排気マニホールド１１が接続されている。排気マニホールド１１には、排気ガスを外部に排出する排気通路３２が接続されている。排気通路３２には、三元触媒６２とＮＯｘ触媒（ＮＯｘ吸蔵還元型触媒）６４が設けられている。
【００２３】
エンジン２は、ターボ過給機２８を有している。ターボ過給機２８のコンプレッサ２８ａは、吸気通路３０におけるスロットル４０の上流に設けられている。吸気通路３０におけるコンプレッサ２８ａとスロットル４０との間には、コンプレッサ２８ａで圧縮された吸入空気を冷却するインタークーラ３６が設けられている。ターボ過給機２８のタービン２８ｂは、排気通路３２における三元触媒６２の上流に設けられている。タービン２８ｂの近傍には、タービン２８ｂの上流側と下流側とをバイパスするバイパス通路４４が設けられている。バイパス通路４４には、ウエストゲートバルブ４６が設置されている。ウエストゲートバルブ４６はダイアフラム式の負圧アクチュエータ４６ａにより駆動される。
【００２４】
本実施形態のシステムは、エンジン２の運転状態に関する情報を得るためのセンサを各所に備えている。吸気通路３０におけるエアクリーナ３１の直下流には、吸入空気量を計測するためのエアフローメータ３４が設置されている。吸気通路３０におけるインタークーラ３６の直下流には、過給圧を計測するための圧力センサ３８が設置されている。スロットル４０の近傍には、スロットル４０の開度を計測するためのスロットルポジションセンサ４２が設置されている。サージタンク１９には吸気管圧を計測するための圧力センサ５６が設置されている。本明細書では、スロットル４０の上流側の圧力を過給圧と呼び、スロットル４０の下流側の圧力を吸気マニホールド圧と呼ぶ。
【００２５】
排気通路３２における三元触媒６２の直上流には、排気ガスの燃焼前の空燃比に対してリニアに変化する信号を出力する空燃比センサ７０が設置されている。また、排気通路３２における三元触媒６２の直下流には、理論空燃比の混合気の燃焼により得られる排気ガスの酸素濃度を境にして、酸素過剰側と酸素不足側とでステップ的に変化する信号を出力する酸素センサ７２が設置されている。そして、ＮＯｘ触媒６４には、その温度（詳しくは床温度）を計測するための温度センサ７４が設置されている。
【００２６】
また、本実施形態のシステムは、アクセルペダルの開度を計測するためのアクセルポジションセンサ５２、及び、エンジン２のクランク角度を計測するためのクランク角センサ５４を有している。これらのセンサの他にも、エンジンシステムには図示しない様々なセンサが設けられている。
【００２７】
上述した各種のセンサ及びアクチュエータは、制御装置１００に電気的に接続されている。制御装置１００はＥＣＵ(Electronic Control Unit)である。制御装置１００は、エンジン２のシステム全体の制御を行うものであり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを含むコンピュータを主体として構成されている。ＲＯＭには各種制御プログラムが記憶されている。制御装置１００によってそれら制御プログラムが実行され、センサからの信号に基づいてアクチュエータが操作されることにより、エンジン２の運転が制御される。
【００２８】
１−２．排気可変動弁機構の構成
排気可変動弁機構２６は、カムプロファイルが異なる２つの排気カム（不図示）を切り替えることによって、排気バルブ１６の作用角の切り替えを行うように構成されている。排気バルブ１６を駆動する切り替え可能な２つの排気カムは、カムシャフトの基準位置に対するリフト開始位置（排気バルブのリフトが開始するときの排気カムの当接点の位置）の角度は異ならせて、リフト終了位置（排気バルブのリフトが終了するときの排気カムの当接点の位置）の角度は同じにされている。このような構成により、２つの排気カムを切り替えた時には、排気バルブ１６の開き時期は変化するが閉じ時期に変化は生じない。
【００２９】
図２は、吸気カムによって実現される吸気バルブ１４のバルブタイミングと排気カムによって実現される排気バルブ１６のバルブタイミングを併せて示す図である。図２において“ＩＶＯ”で示す角度が吸気バルブ１４の開き時期であり、“ＩＶＣ”で示す角度が吸気バルブ１４の閉じ時期である。そして、ＩＶＯからＩＶＣまでの角度範囲が吸気バルブ１４の作用角である。
【００３０】
排気バルブ１６を駆動する切り替え可能な２つの排気カムを、それぞれ第１排気カムと第２排気カムと呼ぶ。図２において“ＥＶＯ１”で示す角度が第１排気カムによる排気バルブ１６の開き時期であり、“ＥＶＯ２”で示す角度が第２排気カムによる排気バルブ１６の開き時期である。“ＥＶＣ”で示す角度が第１排気カムと第２排気カムに共通の排気バルブ１６の閉じ時期である。ＥＶＯ１からＥＶＣまでの相対的に狭い角度範囲が第１排気カムによる排気バルブ１６の作用角であり、ＥＶＯ２からＥＶＣまでの相対的に広い角度範囲が第２排気カムによる排気バルブ１６の作用角である。
【００３１】
２つの排気カムのうち第１排気カムが通常使用する排気カムとされ、必要に応じて第２排気カムへの切り替えが行われる。第１排気カムから第２排気カムへの切り替えが行われることで、排気バルブ１６の閉じ時期は“ＥＶＣ”で一定のまま、開き時期のみが“ＥＶＯ１”から“ＥＶＯ２”へ進角される。“ＥＶＯ１”はＢＤＣよりも進角側に設定されているので、第２排気カムへの切り替えにより排気バルブ１６のさらなる早開きが実現されることになる。
【００３２】
ここで、排気バルブ１６の開き時期を進角することによる作用について図３から図８までの各グラフを用いて説明する。各グラフの横軸のＥＶＯは排気バルブ１６の開き時期を意味し、その単位はＢＤＣからの進角度（ＢＢＤＣ）である。各グラフは、スロットル開度、ウエストゲートバルブ開度、吸気バルブ開き時期及び閉じ時期、排気バルブ閉じ時期等のパラメータは固定した上で、ＥＶＯが状態量に与える影響を調べたものである。
【００３３】
図３に示すように、ＥＶＯを進角するほどトルクは増大する。これは、次のように説明することができる。まず、図６に示すように、ＥＶＯを進角するほど排気温度は上昇する。排気バルブをＢＤＣよりも早く開くほど、排気ガスに与えられる熱エネルギが増大するためである。排気温度の上昇は過給機のタービン仕事を増大させる。よって、図７に示すように、ＥＶＯを進角するほどターボ回転数は上昇することになる。そして、ターボ回転数が上昇すればコンプレッサによる過給圧が上昇する。このため、図８に示すように、ＥＶＯを進角するほど過給圧は上昇することになる。そして、過給圧が上昇するほど筒内に吸入される空気量は増大する。これにより、図５に示すように、ＥＶＯを進角するほど空気量は上昇することになって、結果、図３に示すようなＥＶＯとトルクとの関係が得られる。
【００３４】
その一方で、図４に示すように、ＥＶＯには熱効率が最大となる角度が存在する（図４の例ではＢＢＤＣ３０度）。熱効率が最大となる角度よりもＥＶＯを遅角するほど、押し出し損失の増大によって熱効率は低下する。逆に、熱効率が最大となる角度よりもＥＶＯを進角するほど、吹き出し損失の増大によって熱効率は低下する。つまり、ＥＶＯを進角するほど、ターボ仕事を増大させて過給圧の上昇を促すことができるが、その反面、熱効率を低下させ燃費を悪化させてしまう。図４に示す矢印Ａは、許容される熱効率の低下量を示している。
【００３５】
第１排気カムによる排気バルブ１６の開き時期（ＥＶＯ１）は、図４において、熱効率が最大となる角度に設定されている。第２排気カムによる排気バルブ１６の開き時期（ＥＶＯ２）は、許容される熱効率の範囲内で最も進角したときの角度に設定されている。よって、通常使用するカムを第１排気カムとすることによって、高い燃費性能を得ることができる。そして、必要に応じて第１排気カムから第２排気カムへ切り替えることで、燃費性能の低下を許容範囲にとどめながら、ターボ仕事を増大させて過給圧を速やかに上昇させることができる。
【００３６】
次に、第１排気カムから第２排気カムへの切り替えの前後において、排気バルブ１６の閉じ時期を一定とすることによる作用について説明する。図２には、排気バルブ１６の開期間と吸気バルブ１４の開期間とが重なっている様子が示されている。ＩＶＯからＥＶＣまでの角度範囲が、排気バルブ１６と吸気バルブ１４との間のバルブオーバラップ期間である。
【００３７】
排気可変動弁機構２６によれば、ＥＶＯは第１排気カムと第２排気カムで共通であることから、第１排気カムから第２排気カムへ切り替えたときにバルブオーバラップ期間に変化は生じない。つまり、バルブオーバラップ期間を一定に保ったまま、排気バルブ１６の開き時期を進角することができる。バルブオーバラップ期間は、吸入空気量やＥＧＲ率に影響するパラメータであるので、これを一定に保つことによって燃焼状態は一定に保たれるようになる。その効果は、特に、リーン空燃比による燃焼が行われているときに発揮される。リーン空燃比による燃焼は、理論空燃比による燃焼に比べてロバスト性が低いためである。要するに、排気可変動弁機構２６によれば、燃焼への影響が大きいバルブオーバラップ期間を変えずに排気バルブ１６の開き時期を進角することができるので、特にリーン空燃比による燃焼が行われている場合において、燃焼状態が変動することを抑えながら過給圧の応答性を向上させることができる。
【００３８】
２．エンジンシステムの動作
２−１．エンジンの運転域の設定
図９は、エンジン２の運転域の設定を示す図である。エンジン２の運転は、トルクとエンジン回転速度とを軸とする２次元平面上に設定された運転域にしたがって行われる。図９には、エンジンの運転域として、低負荷ストイキ領域、リーン領域、及び、高負荷ストイキ領域が設定されている。リーン領域と高負荷ストイキ領域は、それぞれ自然吸気領域（以下、ＮＡ領域という）と過給領域とに分けられる。
【００３９】
リーン領域は、リーン空燃比による運転が可能な運転域であり、燃費性能を向上させるために、できるかぎり広く設定されている。リーン領域は、自然吸気領域（以下、ＮＡ領域という）と過給領域とに分けられる。ＮＡ領域はターボ過給機２８による過給が行われていない領域であり、過給領域はターボ過給機２８による過給が行われている領域である。過給が行われているかどうかは、過給圧が大気圧よりも大きくなっているかどうかで判断することができる。リーン領域では、均質性の高い混合気が得られるポート噴射によって、或いはポート噴射を主とするポート噴射と筒内噴射との組み合わせによってリーン空燃比による運転が行われる。ただし、リッチスパイクの実行時や急加速時等、リーン領域であっても、理論空燃比或いは理論空燃比よりも濃いリッチ空燃比による運転が行われる場合もある。
【００４０】
リーン空燃比による運転ができない或いは難しい運転域が、低負荷ストイキ領域或いは高負荷ストイキ領域として設定されている。低負荷ストイキ領域は、リーン空燃比では燃焼が不安定となる領域である。低負荷ストイキ領域では、ポート噴射によるストイキ運転が行われる。低負荷ストイキ領域は、ＮＡ領域である。
【００４１】
高負荷ストイキ領域は、リーン空燃比による運転では所望の出力を得ることができない領域である。高負荷ストイキ領域は、ＮＡ領域と過給領域とに分けられる。高負荷ストイキ領域では、筒内噴射による運転、或いは、筒内噴射を主とするポート噴射と筒内噴射との組み合わせによるストイキ運転が行われる。
【００４２】
アクセルペダル開度から目標エンジン出力が決まり、目標エンジン出力から目標トルクと目標エンジン回転速度が決まる。目標トルクと目標エンジン回転速度とで定まる動作点がエンジン２の目標動作点であり、目標動作点がどの運転域に位置するか、また、目標動作点がどのような経路で移動したか、によってエンジン２の制御内容が決まる。
【００４３】
２−２．制御装置によるエンジン制御
図１０は、制御装置１００により行われるエンジン制御のフローを示すフローチャートである。制御装置１００は、このフローチャートに示す手順にしたがってエンジン制御を行う。ステップＳ２では、目標トルクと目標エンジン回転速度とで定まるエンジン２の目標動作点がリーン領域にあるかどうかの判定が行われる。目標動作点がリーン領域にない場合には、ステップＳ１０の処理が選択される。ステップＳ１０では、理論空燃比によるストイキ運転が行われる。
【００４４】
目標動作点がリーン領域にある場合、次に、ステップＳ４の判定が行われる。ステップＳ４では、目標過給圧と実過給圧とが比較される。目標過給圧は、ＲＯＭに記憶されたマップを参照して目標トルクと目標エンジン回転速度とに基づいて決定される。制御装置１００は、制御量の目標値や操作量を決定するためのマップを運転域ごとに備えている。実過給圧は圧力センサ３８によって計測される。実過給圧が目標過給圧以上になっている場合、ステップＳ１２の処理が選択される。ステップＳ１２では、所定のリーン空燃比によるリーン運転が行われる。
【００４５】
実過給圧が目標過給圧より低い場合、実過給圧を目標過給圧まで早期に上昇させるための制御が行われる。その制御の内容を選択するため、まず、ステップＳ６の判定が行われる。ステップＳ６では、温度センサ７４により計測されるＮＯｘ触媒６４の温度がウインドウの上限温度より高くなっているかどうか判定される。ウインドウはＮＯｘ触媒６４の浄化性能が担保される温度範囲に設定されている。ＮＯｘ触媒６４がこの上限温度を超えて高温になっているかどうかで、次の処理の内容は変わる。
【００４６】
ＮＯｘ触媒６４が高温になっていない場合、次に、ステップＳ１４の判定が行われる。ステップＳ１４では、運転者より急加速が要求されているかどうか判定される。運転者より要求されている加速の大きさは、例えば、アクセルペダル開度の加速度から判断される。また、目標トルクの増大速度から急加速の要求を判断してもよい。急加速が要求されていない場合（例えば、アクセルペダル開度の加速度が閾値以下の場合）、ステップＳ１６の処理が選択される。急加速が要求されている場合、ステップＳ８の処理が選択される。
【００４７】
ステップＳ１６の処理が選択された場合、所定のリーン空燃比によるリーン運転が行われる。そして、排気バルブ１６の開き時期の進角によって過給圧を上昇させる過給圧上昇制御が実行される。排気バルブ１６の開き時期の進角は、第１排気カムから第２排気カムへの切り替えによって達成されるため、排気バルブ１６の閉じ時期は一定とされる。
【００４８】
ステップＳ８の処理が選択された場合、目標動作点はリーン領域にあるにも関わらず、理論空燃比によるストイキ運転が行われる。ストイキ運転によれば、リーン運転よりもより大きな排気エネルギを得ることができるので、ターボ仕事を増大させて過給圧を上昇させることができる。さらに、必要に応じて、第１排気カムから第２排気カムへの切り替えが行われ、排気バルブ１６の開き時期の進角によって過給圧を上昇させる過給圧上昇制御も併せて実行される。
【００４９】
ステップＳ８の処理は、ＮＯｘ触媒６４が高温になっている場合にも選択される。ＮＯｘ触媒６４が高温になっている場合には、十分なＮＯｘ浄化性能を得ることができない。このような場合には、ＮＯｘ触媒６４を必要とするリーン運転ではなく、三元触媒６２によって排気ガスの浄化が可能なストイキ運転を選択することによって、排気ガス性能の悪化を防ぐことができる。
【００５０】
３．エンジンシステムの動作
３−１．加速によりリーンＮＡ領域からリーン過給領域へ移行する場合の動作
まず、図１１に示すように、エンジン２の目標動作点がリーンＮＡ領域にある状態において、加速要求（急加速要求ではない）によって目標トルクが増大し、目標動作点がリーンＮＡ領域からリーン過給領域へ移動した場合の動作について説明する。この例は、図１０に示す制御フローにおいて、ステップＳ１６の処理が選択された場合に該当する。
【００５１】
図１２は、加速によりリーンＮＡ領域からリーン過給領域へ移行する場合の動作を示すタイムチャートである。タイムチャートには、エンジントルク、過給圧、吸気マニホールド圧、排気バルブ開き時期（ＥＶＯ）、スロットル開度、ウエストゲートバルブ開度（ＷＧＶ開度）、ＮＯｘ触媒温度、筒内空燃比（Ａ／Ｆ）、及び、点火時期の時刻による変化が示されている。また、タイムチャートには、本実施の形態による動作が実線で描かれ、比較例の動作が破線で描かれている。比較例では、排気バルブ１６の開き時期の進角によって過給圧を上昇させる過給圧上昇制御は行われていない。
【００５２】
加速の開始時（時刻t10）、目標トルクの増大により、目標動作点がリーンＮＡ領域からリーン過給領域へ移動することで、目標過給圧は、大気圧から目標トルクに応じた値に離散的に増大する。その結果、目標過給圧と過給圧（実過給圧）との間に乖離が生じ、それを解消するようにＷＧＶ開度は全閉にされる。同時に、吸気マニホールド圧を最大速度で上昇させるべく、スロットル開度は全開にされる。
【００５３】
過給圧上昇制御が行われない比較例の場合、リーンＮＡ領域では排気ガスが持っているエネルギは小さいため、ＷＧＶ開度を全閉にしたところで過給圧は速やかには上昇していかない。その結果、スロットル開度が全開になっていても吸気マニホールド圧の上昇速度は遅く、トルクが目標トルクに到達するまでに時間を要する（時刻t12）。
【００５４】
一方、本実施の形態によれば、目標過給圧と実過給圧との間に乖離が生じている場合には、過給圧上昇制御が行われる。過給圧上昇制御により排気バルブ１６の開き時期が進角されることで、排気温度が上昇し、ターボ仕事の増大によって過給圧は速やかに上昇する。そして、過給圧が速やかに上昇することで、トルクが目標トルクに到達するまでの時間は短縮される（時刻t11）。
【００５５】
過給圧上昇制御による排気バルブ１６の開き時期の進角は、過給圧が目標過給圧に到達するまで継続される。過給圧の目標過給圧への到達後、第２排気カムから第１排気カムへの切り替えにより、排気バルブ１６の開き時期は通常の角度まで遅角される。ＷＧＶ開度は、過給圧が目標過給圧に到達するまでは全閉に維持され、過給圧が目標過給圧に到達した後は、目標トルクに応じた開度に調整される。スロットル開度は、リーン過給領域では全開に維持される。つまり、リーン過給領域ではＷＧＶ開度によってトルク制御が行われる。
【００５６】
過給圧上昇制御では、排気バルブ１６の閉じ時期は一定に保たれるため、バルブオーバラップ期間は変化しない。燃焼への影響が大きいバルブオーバラップ期間が一定とされることで、燃焼状態の変動は抑えられる。燃焼状態が安定することで、加速の開始から終了まで筒内空燃比と点火時期を一定に保つことが可能となり、制御性が向上する。
【００５７】
以上述べたように、本実施の形態によれば、排気ガスがもつエネルギが少ないリーン領域において目標トルクが増大した場合に、燃焼状態が変動することを抑えながら、目標トルクを早期に達成できるように過給圧を上昇させることができる。以上の動作は、目標動作点がリーン過給領域内にあるときに、目標トルクの増大によって目標過給圧がさらに増大したような場合にも当てはまる。
【００５８】
なお、タイムチャートでは、ＮＯｘ触媒温度は終始ウインドウ内に収まっている。しかし、過給圧上昇制御によれば排気温度が上昇するため、ＮＯｘ触媒温度がウインドウの上限を超える可能性はある。ＮＯｘ触媒温度が上限を超えた場合、図１０に示す制御フローにしたがい、リーン運転からストイキ運転への切り替えが行われる。
【００５９】
３−２．緩加速により低負荷ストイキ領域からリーン過給領域へ移行する場合の動作
図１３に示すように、エンジン２の目標動作点が低負荷ストイキ領域にある状態において、加速要求によって目標トルクが増大し、目標動作点が低負荷ストイキ領域からリーン過給領域へ移動した場合の動作について説明する。最初に、加速要求が急加速要求でなかった場合の例から説明する。この例は、図１０に示す制御フローにおいて、ステップＳ１６の処理が選択された場合に該当する。
【００６０】
図１４は、緩加速により低負荷ストイキ領域からリーン過給領域へ移行する場合の動作を示すタイムチャートである。タイムチャートの項目は図１２と同じである。また、タイムチャートには、本実施の形態による動作が実線で描かれ、比較例の動作が破線で描かれている。
【００６１】
加速の開始時（時刻t20）、筒内空燃比は理論空燃比から所定のリーン空燃比に離散的に切り替えられる。同時に、筒内空燃比の変化に伴うＭＢＴの変化に合わせて、点火時期はリーン空燃比対応のＭＢＴまで離散的に進角される。また、目標動作点が低負荷ストイキ領域（ストイキＮＡ領域）からリーン過給領域へ移動することで、目標過給圧は、大気圧から目標トルクに応じた値に離散的に増大する。その結果、目標過給圧と過給圧との間に乖離が生じ、それを解消するようにＷＧＶ開度は全閉にされる。同時に、吸気マニホールド圧を最大速度で上昇させるべく、スロットルは全開にされる。
【００６２】
空燃比が理論空燃比からリーン空燃比に切り替えられるため、比較例では、ＷＧＶ開度を全閉にしたところで過給圧は速やかには上昇していかない。リーン空燃比のもとでは排気ガスが有するエネルギが大きく減少するためである。このため、スロットル開度が全開になっていても吸気マニホールド圧の上昇速度は遅く、トルクが目標トルクに到達するまでに時間を要する（時刻t22）。
【００６３】
一方、本実施の形態によれば、筒内空燃比の切り替えによる排気ガスのエネルギの減少は、過給圧上昇制御により排気バルブ１６の開き時期が進角されることで補われる。このため、過給圧は速やかに上昇し、トルクが目標トルクに到達するまでの時間は短縮される（時刻t21）。過給圧の目標過給圧への到達後、第２排気カムから第１排気カムへの切り替えにより、排気バルブ１６の開き時期は通常の角度まで遅角される。過給圧が目標過給圧に到達した後のリーン過給領域におけるスロットル開度及びＷＧＶ開度の動作は、図１２を用いて説明した通りである。
【００６４】
また、加速の開始から終了まで、燃焼への影響が大きいバルブオーバラップ期間は一定とされるため、燃焼状態の変動は抑えられる。燃焼状態が安定することで、筒内空燃比を理論空燃比からリーン空燃比に切り替えた後は、筒内空燃比と点火時期を一定に保つことが可能となり、制御性が向上する。なお、この例においても、リーン過給領域への移行の途中にＮＯｘ触媒温度がウインドウの上限を超えた場合、図１０に示す制御フローにしたがい、リーン運転からストイキ運転への切り替えが行われる。
【００６５】
３−３．急加速により低負荷ストイキ領域からリーン過給領域へ移行する場合の動作
次に、エンジン２の目標動作点が低負荷ストイキ領域にある状態において、急加速要求によって目標トルクが増大し、目標動作点が低負荷ストイキ領域からリーン過給領域へ移動した場合の動について説明する。この例は、図１０に示す制御フローにおいて、ステップＳ８の処理が選択された場合に該当する。
【００６６】
図１５は、急加速により低負荷ストイキ領域からリーン過給領域へ移行する場合の動作を示すタイムチャートである。タイムチャートの項目は図１２及び図１４と同じである。また、タイムチャートには、本実施の形態による動作が実線で描かれ、比較例の動作が破線で描かれている。
【００６７】
急加速の場合、加速の開始時（時刻t20）、ＷＧＶ開度は全閉にされてスロットル開度は全開にされる。ただし、緩加速の場合と異なり、筒内空燃比は理論空燃比に維持される。ＷＧＶ開度やスロットル開度の動作に対する過給圧の応答性は、リーン運転よりもストイキ運転のほうが優れるためである。筒内空燃比の理論空燃比からリーン空燃比への切り替えは、過給圧が上昇して目標過給圧に到達した時点で行なわれる。また、筒内空燃比を切り替えたときにトルク段差が生じることを防ぐため、加速の開始から筒内空燃比の切り替えが行われるまでの間は、過給圧の上昇に応じて点火時期を徐々に遅角する点火時期遅角制御が行われる。そして、筒内空燃比の切り替えに合わせて、点火時期はリーン空燃比対応のＭＢＴまで離散的に進角される。
【００６８】
ストイキ運転を維持しながらＷＧＶ開度を全閉にするため、リーン運転に切り替えてからＷＧＶ開度を全閉にする緩加速時に比べれば、比較例でも、過給圧は速やかに上昇する。しかし、本実施の形態によれば、加速の開始時から、過給圧上昇制御がストイキ運転と並行して実行される。過給圧上昇制御により排気バルブ１６の開き時期が進角されることで、排気温度はさらに上昇する。これにより、過給圧はより速やかに上昇し、トルクが目標トルクに到達する時刻（時刻t31）は、比較例においてトルクが目標トルクに到達する時刻（時刻t32）よりも大きく短縮される。過給圧の目標過給圧への到達後、第２排気カムから第１排気カムへの切り替えにより、排気バルブ１６の開き時期は通常の角度まで遅角される。過給圧が目標過給圧に到達した後のリーン過給領域におけるスロットル開度及びＷＧＶ開度の動作は、図１２を用いて説明した通りである。
【００６９】
また、本実施の形態によれば、過給圧上昇制御により排気バルブ１６の開き時期が進角されることで、排気ポンプ損失が増大する。このため、トルクを低下させるために必要とされる点火時期の遅角量は、過給圧上昇制御を実行しない場合に比較して、排気ポンプ損失の増大分だけ減量される。ストイキ運転時の点火時期の遅角量が少なくなれば、その分だけ、筒内空燃比を切り替えるときの点火時期の進角量を少なくすることができる。点火時期を変化させることは、それ自体がトルク変動の要因であることから、点火時期の進角量を少なくできれば、その分だけトルク変動の可能性を低減することができる。
【００７０】
また、ストイキ運転において排気ガスに与えられるエネルギは大きいため、加速の開始後、ＮＯｘ触媒温度はトルクの増大に応じて上昇していく。ストイキ運転を継続する期間が長ければ、それだけＮＯｘ触媒温度も上昇し続けることになり、ウインドウの上限を超えるおそれが出てくる。ＮＯｘ触媒温度がウインドウの上限を超えてしまうと、過給圧が目標過給圧に達したとしても、リーン運転への切り替えはできなくなる。この点に関し、本実施の形態によれば、過給圧を目標過給圧に早期に到達させることができるので、ストイキ運転を継続する期間を短くし、早期のリーン運転への切り替えによりＮＯｘ触媒温度を低下させることができる。
【００７１】
３−４．減速により高負荷ストイキ領域からリーン過給領域へ移行する場合の動作
最後に、図１６に示すように、エンジン２の目標動作点が高負荷ストイキ領域にある状態において、減速要求によって目標トルクが減少し、目標動作点が高負荷ストイキ領域からリーン過給領域へ移動した場合の動作について説明する。ただし、図１０に示す制御フローは目標トルクが増大した場合に実行される制御フローであり、この例のように目標トルクが減少した場合には図１０に示す制御フローとは別の制御フローに従ってエンジン制御が行われる。その制御フローによるエンジン制御の内容は以下に説明する動作に現れているので、フローチャートを用いた制御フローの説明は省略する。
【００７２】
図１７は、減速により高負荷ストイキ領域からリーン過給領域へ移行する場合の動作を示すタイムチャートである。タイムチャートの項目は図１２、図１４及び図１５と同じである。また、タイムチャートには、本実施の形態による動作が実線で描かれ、比較例の動作が破線で描かれている。
【００７３】
減速の開始時（時刻t40）、目標トルクの減少により、目標動作点が高負荷ストイキ領域からリーン過給領域へ移動することで、目標過給圧は、大気圧から目標トルクに応じた値に離散的に増大する。その結果、目標過給圧と過給圧との間に乖離が生じ、それを解消するようにＷＧＶ開度は全閉にされる。同時に、吸気マニホールド圧を最大速度で上昇させるべく、スロットルは全開にされる。
【００７４】
ストイキ運転を維持しながらＷＧＶ開度を全閉にするため、比較例でも過給圧の上昇は見られる。しかし、過給圧が目標過給圧に到達する時刻（時刻t43）までは、筒内空燃比をリーン空燃比へ切り替えることはできない。リーン空燃比への切り替えによる排気エネルギの減少によって、過給圧の上昇が抑えられてしまうためである。このため、比較例の場合、筒内空燃比のリーン空燃比への切り替えが遅れることで、トルクが目標トルクまで低下する時刻も遅くなり、運転者は期待する減速感を十分に得ることができない。なお、筒内空燃比を切り替えたときにトルク段差が生じることを防ぐため、減速の開始から筒内空燃比の切り替えが行われるまでの間は、点火時期を徐々に遅角してトルクを低減させておくことが行われる。筒内空燃比の切り替えに合わせて、点火時期はリーン空燃比対応のＭＢＴまで離散的に進角される。
【００７５】
一方、本実施の形態によれば、減速の開始と同時に、過給圧上昇制御がストイキ運転と並行して実行される。そして、過給圧が目標過給圧には到達していないがある程度の大きさまで上昇した時刻（時刻t41）において、筒内空燃比の理論空燃比からリーン空燃比への切り替えが行われる。過給圧上昇制御により排気バルブ１６の開き時期が進角されることで、排気温度が大きく上昇する。このため、筒内空燃比をリーン空燃比へ切り替えた場合でも、ターボ過給機を駆動して過給圧を上昇させるのに必要な排気エネルギを得ることができる。
【００７６】
また、排気バルブ１６の開き時期が進角されることで排気ポンプ損失が増大する。このため、必要とされる点火時期の遅角量は、過給圧上昇制御を実行しない場合に比較して、排気ポンプ損失の増大分だけ減量される。ストイキ運転時の点火時期の遅角量が少なくなれば、その分だけ、筒内空燃比を切り替えるときの点火時期の進角量を少なくすることができる。点火時期を変化させることは、それ自体がトルク変動の要因であることから、点火時期の進角量を少なくできれば、その分だけトルク変動の可能性を低減することができる。
【００７７】
なお、ＮＯｘ触媒温度について言えば、本実施の形態において筒内空燃比の理論空燃比からリーン空燃比への切り替えが行われる時刻t41までは、本実施の形態と比較例とでＮＯｘ触媒温度の変化に大きな差は生じない。しかし、ストイキ運転が継続される比較例では、ＮＯｘ触媒温度がウインドウの上限を超えた状態が続くのに対し、本実施の形態によれば、時刻t41においてリーン運転への切り替えが行われることにより、ＮＯｘ触媒温度は大きく低下してウインドウ内に収まるようになる。
【００７８】
筒内空燃比の切り替え後も過給圧上昇制御は継続されるので、過給圧は速やかに上昇し続ける。これにより、過給圧が目標過給圧に到達するまでの時間は短縮され、トルクが目標トルクまで低下する時刻（時刻t42）は、比較例においてトルクが目標トルクまで低下する時刻（時刻t43）よりも大きく短縮される。過給圧の目標過給圧への到達後、第２排気カムから第１排気カムへの切り替えにより、排気バルブ１６の開き時期は通常の角度まで遅角される。過給圧が目標過給圧に到達した後のリーン過給領域におけるスロットル開度及びＷＧＶ開度の動作は、図１２を用いて説明した通りである。
【符号の説明】
【００７９】
２  エンジン
５  燃焼室
２０  ポート噴射弁
２２  筒内噴射弁
２４  吸気可変動弁機構
２６  排気可変動弁機構
２８  ターボ過給機
２８ａ  コンプレッサ
２８ｂ  タービン
３０  吸気通路
３２  排気通路
４０  スロットル
４６  ウエストゲートバルブ
６４  ＮＯｘ触媒
１００  制御装置
【図１】
0006350304.tif 000002
【図２】
0006350304.tif 000003
【図３】
0006350304.tif 000004
【図４】
0006350304.tif 000005
【図５】
0006350304.tif 000006
【図６】
0006350304.tif 000007
【図７】
0006350304.tif 000008
【図８】
0006350304.tif 000009
【図９】
0006350304.tif 000010
【図１０】
0006350304.tif 000011
【図１１】
0006350304.tif 000012
【図１２】
0006350304.tif 000013
【図１３】
0006350304.tif 000014
【図１４】
0006350304.tif 000015
【図１５】
0006350304.tif 000016
【図１６】
0006350304.tif 000017
【図１７】
0006350304.tif 000018