(57)【要約】【課題】排気時のピストン速度を機関運転状態に応じた最適なものとし、排気慣性効果を有効に利用して掃気効果の向上を図る。【解決手段】吸気行程・圧縮行程を担う吸気圧縮シリンダ（６−１５）と膨張行程・排気行程を担う膨張排気シリンダ（６−１６）とが隣接して設けられ、４行程が１回転で完了する。吸気バルブ（６−１）、圧縮バルブ（６−２）、排気バルブ（６−３）、点火プラグ（６−４）を備える。吸気圧縮ピストン（６−５）とクランクシャフト（６−１１）は、吸気圧縮コンロッド（６−８）によって連結され、膨張排気ピストン（６−６）は３次元カム（６−１０）を介してクランクシャフト（６−１１）に連動する。３次元カム（６−１０）を軸方向に切り換えることで、膨張排気ピストン（６−６）の所望のピストンモーションが得られる。【選択図】図６
2007239711.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両の要求駆動力から機関の運転状態を決定する機関運転状態判定手段と、排気行程においてピストンが下死点から上死点に到達するまでの期間がサイクルの全行程期間に占める割合として定義される排気行程角度を変更可能な排気行程角度変更手段と、上記機関運転状態判定手段により決定された運転状態に応じて、上記排気行程角度変更手段の動作量を決定する排気ピストン速度制御手段と、を有することを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項２】
上記機関運転状態判定手段により決定された運転状態が、ある閾値を越えているときに、上記排気行程角度を短くすることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
排気バルブの開閉時期のクランク角に対する位相を変更する可変排気バルブタイミング装置を有し、上記機関運転状態判定手段により決定された運転状態が、ある閾値を越えているときに、上記排気バルブの開閉時期の位相を進め、吸気バルブとのオーバーラップ期間を小さくすることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
排気バルブのリフト量を変更する可変排気バルブリフト装置を有し、上記機関運転状態判定手段により決定された運転状態が、ある閾値を越えているときに、上記リフト量を増加させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
【請求項５】
上記運転状態は、機関回転数および負荷の少なくとも一方であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
【請求項６】
排気タービン式過給機を備え、運転状態として加速状態を判定することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
【請求項７】
吸気行程および圧縮行程を担う吸気圧縮シリンダと、クランクシャフトに連係した上記吸気圧縮シリンダ用の吸気圧縮ピストンと、膨張行程および排気行程を担う膨張排気シリンダと、この膨張排気シリンダ用の膨張排気ピストンと、上記クランクシャフトに設けられ、その回転によって上記膨張排気ピストンを上下運動させるとともに、上記クランクシャフトの軸方向に沿って形状が異なる三次元カムと、上記クランクシャフトを軸方向にスライドさせるスライド手段と、を備え、上記スライド手段により上記クランクシャフトを軸方向にスライドさせて上記三次元カムのカム形状を変更することで、上記排気行程角度を変化させることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
【請求項８】
上記三次元カムはその最小半径が上記クランクシャフトの軸方向においてそれぞれ異なり、上記最小半径が小さいほど上記排気行程角度が小さくなることを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項９】
吸気行程および圧縮行程を担う吸気圧縮シリンダと、この吸気圧縮シリンダ用の吸気圧縮ピストンに連係した吸気圧縮クランクシャフトと、膨張行程および排気行程を担う膨張排気シリンダと、この膨張排気シリンダ用の膨張排気ピストンに連係した膨張排気クランクシャフトと、上記吸気圧縮クランクシャフトに取り付けられたギアと上記膨張排気クランクシャフトに取り付けられたギアとの間で複数段のギア比の切換を行うギア機構と、を備え、上記ギア機構により上記吸気圧縮クランクシャフトに対する上記膨張排気クランクシャフトの回転数を変化させることで、上記排気行程角度を変化させることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１０】
上記ギア機構は、上記膨張排気クランクシャフトの回転数が上記吸気圧縮クランクシャフトの回転数よりも増速される段を有することを特徴とする請求項９に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項１１】
車両の要求駆動力から機関の運転状態を決定し、この運転状態に基づいて、排気行程においてピストンが下死点から上死点に到達するまでの期間がサイクルの全行程期間に占める割合として定義される排気行程角度を変化させ、掃気を促進することを特徴とする内燃機関の制御方法。
【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および制御方法に関し、特に筒内の掃気効果を向上させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関においては、筒内の排気を排気バルブを介して排気ポートへ効果的に掃気し、吸気ポートから吸気バルブを介して燃焼室へ導入される新気の充填効率を高めてやることが必要である。そこで特許文献１のような技術が開示されている。
【０００３】
この従来技術では、ピストン下降時（膨張行程および吸気行程）のピストンモーションと、ピストン上昇時（圧縮行程および排気行程）のピストンモーションとを異ならせており、膨張行程および吸気行程において上死点（ＴＤＣ）付近でのピストンの動きを遅くすることで燃焼の遅れによる等容度低下を軽減している。また、ポンプロスを低減するために吸気行程を遅くして吸気バルブ流速を遅くし、さらには、掃気効果を高めるために排気バルブを吸気バルブよりも大きなものとしている。
【特許文献１】特開２００３−８３１０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記の特許文献１の技術では、内燃機関の回転数等に関係なく、常に同一のピストンモーションであるため、機関の運転状態によっては、ポンプロスが増加したり、あるいは掃気効果が低下したりし、機関の熱効率を常に最適にできない、という問題があった。
【０００５】
またバルブ開閉時期やピストンモーションの回転数等に応じた最適な組み合わせが考慮されていないため、機関の熱効率を最大限に発揮させることが難しい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この発明に係る内燃機関の制御装置は、車両の要求駆動力から機関の運転状態を決定する機関運転状態判定手段と、排気行程においてピストンが下死点から上死点に到達するまでの期間がサイクルの全行程期間に占める割合として定義される排気行程角度を変更可能な排気行程角度変更手段と、上記機関運転状態判定手段により決定された運転状態に応じて、上記排気行程角度変更手段の動作量を決定する排気ピストン速度制御手段と、を有することを特徴としている。
【０００７】
また、この発明に係る内燃機関の制御方法は、車両の要求駆動力から機関の運転状態を決定し、この運転状態に基づいて、排気行程においてピストンが下死点から上死点に到達するまでの期間がサイクルの全行程期間に占める割合として定義される排気行程角度を変化させ、掃気を促進することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、内燃機関の運転状態に応じた最適な排気ピストン速度とすることができ、排気慣性効果を有効に利用して、掃気効果の向上が図れる。これにより、吸入空気量が増加し、内燃機関のトルク・熱効率が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、この発明の好ましい一実施例を説明する。なお、後述するように、以下の実施例では、排気行程におけるピストン速度（排気ピストン速度）と吸排気用のバルブの開閉時期等を可変制御し得る構成を内燃機関が具備している。
【００１０】
図１は、本発明に係る内燃機関の制御装置の制御ブロック図を示す。
【００１１】
図示するように、この制御装置は、要求駆動力とエンジン回転数とから機関の運転状態（例えば目標負荷）を決定する機関運転状態判定手段（１−１）と、この機関運転状態判定手段（１−１）で決定した目標負荷とエンジン回転数とに応じた排気ピストン速度を決定する排気ピストン速度制御手段（１−４）と、この排気ピストン速度制御手段（１−４）で決定した排気ピストン速度に応じて排気ピストン速度を変更する排気ピストン速度変更手段（１−５）と、エンジン回転数と上記目標負荷とに応じて種々のバルブのバルブ制御量を決定するバルブ制御手段（１−２）と、このバルブ制御手段（１−２）で決定したバルブ制御量に応じてバルブ作動量を変更するバルブ作動量変更手段（１−３）と、を備えており、内燃機関（１−８）は、排気ピストン速度変更手段（１−５）とバルブ作動量変更手段（１−３）によって排気ピストン速度とバルブ作動量とが変化するように構成されている。
【００１２】
詳しくは、運転者が設定するアクセル開度（ＡＰＯ）から要求駆動力が決定される。そして、この要求駆動力とエンジン回転数とから、エンジンに対する目標負荷が求められ、機関運転状態判定手段（１−１）から出力される。この目標負荷とエンジン回転数とに基づき、これらに対し予め設定された排気ピストン速度とするために、必要なアクチュエータ制御量が排気ピストン速度制御手段（１−４）から出力される。この制御量に応じてアクチュエータが駆動され、排気ピストン速度が制御される。また目標負荷とエンジン回転数とから予め設定されたバルブ作動量とするために、必要なアクチュエータ制御量がバルブ制御手段（１−２）から出力される。その制御量に応じてアクチュエータが駆動され、バルブ作動量が制御される。
【００１３】
図２は、図１に示したバルブ制御手段（１−２）およびバルブ作動量変更手段（１−３）が吸気バルブに対し適用される場合のブロック図を示している。これは、エンジン回転数と目標負荷とから吸気バルブのリフト量を決定する吸気バルブリフト量MAP（２−１）と、この吸気バルブリフト量MAP（２−１）から読み出した吸気バルブリフト量に補正を加える補正計算部（２−２）と、エンジン回転数と目標負荷とから吸気バルブの開閉時期のクランク角に対する位相を決定する吸気バルブ位相MAP（２−４）と、この吸気バルブ位相MAP（２−４）から読み出した吸気バルブ位相に補正を加える補正計算部（２−５）と、上記の補正計算部（２−２），（２−５）で補正されたリフト量と位相に変更できる可変吸気バルブ機構（２−３）と、によって構成される。
【００１４】
なお、図２４は吸気バルブリフト量MAPの特性例を示し、図２５は吸気バルブ位相MAPの特性例を示す。
【００１５】
図３は、図１に示したバルブ制御手段（１−２）およびバルブ作動量変更手段（１−３）が排気バルブに対し適用される場合のブロック図を示している。これは、エンジン回転数と目標負荷とから排気バルブのリフト量を決定する排気バルブリフト量MAP（３−１）と、この排気バルブリフト量MAP（３−１）から読み出した排気バルブリフト量に補正を加える補正計算部（３−２）と、エンジン回転数と目標負荷とから排気バルブの開閉時期のクランク角に対する位相を決定する排気バルブ位相MAP（３−４）と、この排気バルブ位相MAP（３−４）から読み出した排気バルブ位相に補正を加える補正計算部（３−５）と、上記の補正計算部（３−２），（３−５）で補正されたリフト量と位相に変更できる可変排気バルブ機構（３−３）と、によって構成される。
【００１６】
なお、図２６は排気バルブリフト量MAPの特性例を示し、図２７は排気バルブ位相MAPの特性例を示す。
【００１７】
図４は、図１に示した機関運転状態判定手段（１−１）の詳細を示すブロック図である。
【００１８】
これは、要求駆動力をエンジンに対する要求トルクに変換するトルク変換部（４−１）と、エンジン回転数と要求トルクとから目標負荷として目標吸気量を決定する目標負荷（吸気量）ＭＡＰと、で構成される。
【００１９】
トルク変換部（４−１）では、要求駆動力から要求エンジントルクを変速機の減速比から次式で計算する。
【００２０】
要求エンジントルク＝要求駆動力[N]×車輪半径[m]／（変速機減速比×最終減速比）
要求エンジントルクとエンジン回転数とに対する目標負荷としての吸気量を割り付けた目標負荷（吸気量）MAPは、予め実験的に作成することが好ましい。また、目標負荷として、吸気量以外のパラメータを用いることも可能である。
【００２１】
図６は、本発明が適用される内燃機関の機械的な構成例を示している。
【００２２】
この内燃機関は、吸気行程および圧縮行程を担う吸気圧縮シリンダ（６−１５）と膨張行程および排気行程を担う膨張排気シリンダ（６−１６）とが隣接して設けられたもので、吸気圧縮シリンダ（６−１５）は、吸気バルブ（６−１）と、圧縮混合気を膨張排気シリンダ（６−１６）に供給する圧縮バルブ（６−２）と、を備え、膨張排気シリンダ（６−１６）は、排気バルブ（６−３）と、点火装置である点火プラグ（６−４）と、を備える。吸気圧縮シリンダ（６−１５）には、吸気圧縮を行う吸気圧縮ピストン（６−５）が設けられ、膨張排気シリンダ（６−１６）には、膨張排気を行う膨張排気ピストン（６−６）が設けられる。吸気圧縮ピストン（６−５）とクランクシャフト（６−１１）とは、吸気圧縮コンロッド（６−８）によって連結される。膨張行程の燃焼圧は、膨張排気ピストン（６−６）から膨張排気コンロッド（６−７）を介して、３次元カム（６−１０）を備えたクランクシャフト（６−１１）に伝達される。膨張排気コンロッド（６−７）が先端のカムローラ（６−９）を介して接触する３次元カム（６−１０）は、膨張排気ピストン（６−６）の所望のピストンモーションを再現するように所定のカムプロフィールを備え、かつ軸方向に複数の異なるカムプロフィールを有する３次元形状をなしている。そして、このカムプロフィールを軸方向に切り換えるように、クランクシャフト（６−１１）をエンジン回転数に応じて軸方向にスライドさせる膨張速度コントロールアクチュエータ（６−１２）を備えている。
【００２３】
また、吸気バルブ（６−１）を開閉駆動する吸気カム（６−１３）および排気バルブ（６−３）を開閉駆動する排気カム（６−１４）は、図３１に示すように、クランクシャフト（６−１１）に対する位相を変更する適宜な位相可変機構（３１−１）およびリフト量を変更する適宜なリフト可変機構（３１−２）によって、バルブ開閉時期の位相およびリフト量を変化させることができる構成となっている。
【００２４】
上記の構成において、吸気行程・圧縮行程は１回転で行われる。圧縮行程終了時に圧縮バルブ（６−２）が開かれ、圧縮混合気が膨張排気シリンダ（６−１６）に投入される。膨張行程・排気行程も同じく１回転で行われる。圧縮行程の終わりと排気行程の終わりが同期して実行されるため、吸気、圧縮、膨張、排気の４行程がクランクシャフト（６−１１）の１回転で終了する。
【００２５】
膨張速度コントロールアクチュエータ（６−１２）は、電動あるいは油圧のどちらの機構でもよく、また、この膨張速度コントロールアクチュエータ（６−１２）とクランクシャフト（６−１１）との間に、適宜なトルク増幅器やトルク遮断機を配置することもできる。３次元カム（６−１０）は、クランクシャフト（６−１１）が軸方向に移動することで、実際に用いられるカムプロフィールが無段階または複数段に変更される。
【００２６】
なお、図示例では、燃焼室を膨張排気ピストン（６−６）のある膨張排気シリンダ（６−１６）内に設けているが、吸気圧縮シリンダ（６−１５）と膨張排気シリンダ（６−１６）との間に設けることもできる。
【００２７】
図２８に例示するように、吸気圧縮ピストン（６−５）が下降する動作に合わせて吸気バルブ（６−１）が開かれる。なお、吸気バルブ（６−１）を、エンジンの吸入空気量を制御するための絞り弁として利用することも可能である。吸気圧縮ピストン（６−５）が下死点に到達し再び上昇し始めると、吸気バルブ（６−１）が閉じられる。
【００２８】
吸気バルブ（６−１）の開閉タイミングは、エンジン回転数に応じて適正化することが好ましい。吸気圧縮ピストン（６−５）が上死点に接近すると、圧縮バルブ（６−２）が開かれ、吸気圧縮シリンダ（６−１５）から膨張排気シリンダ（６−１６）へ圧縮された混合気が送り込まれる。吸気圧縮ピストン（６−５）が上死点に到達すると、圧縮バルブ（６−１）が閉じられ、圧縮された混合気の逆流が防止される。圧縮された混合気は点火プラグ（６−４）により点火されて燃焼し、膨張排気ピストン（６−６）を下降させる。このとき３次元カム（６−１０）のプロフィールによって膨張排気ピストン（６−６）の膨張速度（ピストン速度）と筒内圧が制御される。膨張排気ピストン（６−６）が下死点から再び上昇を始めると、排気バルブ（６−３）が開かれ、膨張排気シリンダ（６−１６）から排気が行われる。排気バルブ（６−３）の開閉タイミングは、エンジン回転数に応じて適正化されることが好ましい。
【００２９】
３次元カム（６−１０）の一実施例を図２１に示す。本実施例では、例えば４段階にカムプロフィールが切り換えられる。これにより、後述するように、例えば図２９に示すような動作が実現される。
【００３０】
以上のように、図６の内燃機関では、吸気圧縮行程と膨張排気行程とが分離され、３次元カム（６−１０）により膨張速度と筒内圧を変更して動作させることができる。
【００３１】
図７は、本発明が適用される内燃機関の異なる例を示す。
【００３２】
この内燃機関は、吸気行程および圧縮行程を担う吸気圧縮シリンダ（７−１８）と膨張行程および排気行程を担う膨張排気シリンダ（７−１９）とが隣接して設けられたもので、吸気圧縮シリンダ（７−１８）は、吸気バルブ（７−１）と、圧縮混合気を膨張排気シリンダ（７−１９）に供給する圧縮バルブ（７−２）と、を備え、膨張排気シリンダ（７−１９）は、排気バルブ（７−３）と、点火装置である点火プラグ（７−４）と、を備える。吸気圧縮シリンダ（７−１８）には、吸気圧縮を行う吸気圧縮ピストン（７−５）が設けられ、膨張排気シリンダ（７−１９）には、膨張排気を行う膨張排気ピストン（７−６）が設けられる。吸気圧縮ピストン（７−５）は、図外のトランスミッション軸に連結される吸気圧縮クランクシャフト（７−１４）に、吸気圧縮コンロッド（７−８）を介して連結されている。吸気圧縮クランクシャフト（７−１４）に隣接して膨張排気クランクシャフト（７−１３）が配置されており、膨張排気ピストン（７−６）は、膨張排気コンロッド（７−７）を介して膨張排気クランクシャフト（７−１３）に連結されている。
【００３３】
吸気圧縮クランクシャフト（７−１４）と膨張排気クランクシャフト（７−１３）とを同じ回転数で回転させるように、互いに噛み合う吸気圧縮２速ギア（７−１１）および膨張排気２速ギア（７−１２）が吸気圧縮クランクシャフト（７−１４）および膨張排気クランクシャフト（７−１３）にそれぞれ配置されており、膨張排気クランクシャフト（７−１３）と膨張排気２速ギア（７−１２）との間には、両者間を係合および解放する２速クラッチ（７−１５）が介装されている。また、吸気圧縮クランクシャフト（７−１４）に対して膨張排気クランクシャフト（７−１３）を２倍の回転数で回転させるように、互いに噛み合う吸気圧縮１速ギア（７−９）および膨張排気１速ギア（７−１０）が吸気圧縮クランクシャフト（７−１４）および膨張排気クランクシャフト（７−１３）にそれぞれ配置されており、膨張排気クランクシャフト（７−１３）と膨張排気１速ギア（７−１０）との間には、両者間を係合および解放する１速クラッチ（７−１６）が介装されている。なお、１速クラッチ（７−１６）および２速クラッチ（７−１５）は、湿式多板クラッチあるいはシンクロ機構を有したドグクラッチとすることが好ましい。
【００３４】
また、吸気バルブ（７−１）を開閉駆動する吸気カム（７−１６）および排気バルブ（７−３）を開閉駆動する排気カム（７−１７）は、前述した実施例と同じく、図３１に示すように、吸気圧縮クランクシャフト（７−１４）に対する位相を変更する適宜な位相可変機構およびリフト量を変更する適宜なリフト可変機構によって、バルブ開閉時期の位相およびリフト量を変化させることができる構成となっている（図３１参照）。
【００３５】
上記の構成においても、吸気行程・圧縮行程は１回転で行われる。圧縮行程終了時に圧縮バルブ（７−２）が開かれ、圧縮混合気が膨張排気シリンダ（７−１９）に投入される。膨張行程・排気行程も同じく１回転で行われ、吸気、圧縮、膨張、排気の４行程が吸気圧縮クランクシャフト（７−１４）の１回転で終了する。
【００３６】
図２８に例示するように、吸気圧縮ピストン（７−５）が下降する動作に合わせて吸気バルブ（７−１）が開かれる。なお、吸気バルブ（７−１）を、エンジンの吸入空気量を制御するための絞り弁として利用することも可能である。吸気圧縮ピストン（７−５）が下死点に到達し再び上昇し始めると、吸気バルブ（７−１）が閉じられる。
【００３７】
吸気バルブ（７−１）の開閉タイミングは、エンジン回転数に応じて適正化することが好ましい。吸気圧縮ピストン（７−５）が上死点に接近すると、圧縮バルブ（７−２）が開かれ、吸気圧縮シリンダ（７−１８）から膨張排気シリンダ（７−１９）へ圧縮された混合気が送り込まれる。吸気圧縮ピストン（７−５）が上死点に到達すると、圧縮バルブ（７−１）が閉じられ、圧縮された混合気の逆流が防止される。圧縮された混合気は点火プラグ（７−４）により点火されて燃焼し、膨張排気ピストン（７−６）を下降させる。この膨張排気ピストン（７−６）の力は、上記のギア機構を介して吸気圧縮クランクシャフト（７−１４）に伝達される。
【００３８】
ここで、本発明では、エンジン回転数（吸気圧縮クランクシャフト（７−１４）の回転数）に基づき、１速クラッチ（７−１６）または２速クラッチ（７−１５）の一方の係合が選択され、膨張排気クランクシャフト（７−１３）の回転数が切換制御される。エンジン回転数が低い場合は、吸気圧縮クランクシャフト（７−１４）に対し、倍の回転数で膨張排気クランクシャフト（７−１３）が回転し、エンジン回転数が高くなると、膨張排気クランクシャフト（７−１３）は吸気圧縮クランクシャフト（７−１４）と同一の回転数で回転する。図２８は、同一の回転数で回転しているときの動作を示している。また図３０は、膨張排気クランクシャフト（７−１３）が倍の回転数で回転しているときの動作を示している。
【００３９】
すなわち、膨張排気ピストン（７−６）の膨張速度（ピストン速度）は、1速クラッチ（７−１６）と２速クラッチ（７−１５）のどちらが係合されているかによって決定される。なお、吸気圧縮ピストン（７−５）と膨張排気ピストン（７−６）が同時に上死点となるように１速クラッチ（７−１６）または２速クラッチ（７−１５）の係合が行われる。
【００４０】
膨張排気ピストン（７−６）が下死点から再び上昇を始めると、排気バルブ（７−３）が開かれ、膨張排気シリンダ（７−１９）からの排気が行われる。排気バルブ（７−３）の開閉タイミングは、エンジン回転数に応じて適正化されることが好ましい。
【００４１】
また、エンジン回転数が低い場合は、上記のように１速クラッチ（７−１６）が係合され、膨張排気ピストン（７−６）が吸気圧縮ピストン（７−５）に比べて倍の周期で動作することになるので、このとき損失が生じないように、１速クラッチ（７−１６）の係合は、吸気圧縮ピストン（７−５）が、下死点から上昇しかつ上死点と下死点の中間にあるときに行う。さらに１速クラッチ（７−１６）の開放は、膨張行程が終了した時点で行うことが好ましい。また、１速クラッチ（７−１６）が係合状態にあるときに、吸気圧縮ピストン（７−５）が上死点もしくは圧縮バルブ（７−２）が開放される段階の直前まで排気バルブ（７−３）を開放しても良い。なお、エンジン回転数が高くなった場合は、行程に拘わらず、２速クラッチ（７−１５）を係合状態とすることが好ましい。
【００４２】
以上のように、図７の内燃機関では、吸気圧縮行程と膨張排気行程とが分離され、ギア機構の切換により膨張速度を変更して動作させることができる。
【００４３】
図５は、図１における排気ピストン速度制御手段（１−４）および排気ピストン速度変更手段（１−５）のより具体的なブロック図を示す。
【００４４】
図５の（ａ）は、図６の内燃機関に対し用いられる構成であり、エンジン回転数と目標負荷とから３次元カム（６−１０）のスライド量を決定するカムスライド量MAP（５−１）と、カムスライド量MAPから読み出したカムスライド量に補正を加える補正計算部（５−２）と、補正後のカムスライド量となるように３次元カム（６−１０）の位置を駆動するカムアクチュエータ（５−３）で構成される。上記カムアクチュエータ（５−３）は、前述した膨張速度コントロールアクチュエータ（６−１２）に相当する。
【００４５】
図５の（ｂ）は、図７の内燃機関に対し用いられる構成であり、エンジン回転数と目標負荷とから変速段を決定するシフトMAP選択ロジック（５−３）と、このシフトMAP選択ロジックによって決定された変速段に切り換えるシフトアクチュエータ（５−４）と、で構成される。このシフトアクチュエータ（５−４）によって前述した1速クラッチ（７−１６）および２速クラッチ（７−１５）が制御される。
【００４６】
次に、図１０は、本発明のメイン制御フローを示している。なお、ここでは、３次元カムを用いた図６の内燃機関を例としており、また、この内燃機関は、ターボチャージャつまり排気タービン式過給機を備えている。
【００４７】
ステップ（１０−１）でメイン制御フローを開始し、ステップ（１０−２）で運転状態を読み込む。運転状態は図４で計算される目標負荷（例、吸気量）で与えられる。ステップ（１０−３）でエンジン回転数を読み込む。ステップ（１０−４）で排気ピストン速度切換えMAP（図８）を検索する。ステップ（１０−５）では、ステップ（１０−２）で読み込んだ目標負荷の変化率を計算する。目標負荷の変化率は以下の式で計算する。
【００４８】
目標負荷変化率＝（目標負荷（t）−目標負荷（t-1））／Δt
ステップ（１０−６）で、目標負荷変化率が所定の閾値Lth以上である場合は、過給機の排気タービンの回転上昇促進のために、ステップ（１０−７）の排圧上昇制御に進む。排圧上昇制御が終了するとステップ（１０−９）へ進み、再びステップ（１０−１）からルーチンを開始する。ステップ（１０−６）で目標負荷変化率が閾値Lth未満であると判定された場合はステップ（１０−８）の掃気制御へ進む。掃気制御の実行後、ステップ（１０−９）から再びステップ（１０−１）へ戻る。
【００４９】
図８に、上記ステップ（１０−４）における排気ピストン速度切換えMAPの特性例を示す。なお、これは、図５のカムスライド量MAP（５−１）にも相当する。このマップに基づき、エンジン回転数と負荷とからカムスライド量を検索する。エンジン回転数が低く、かつ負荷が低いほど、カムスライド量が大となり、これに伴って、排気行程のピストン速度が速くなる。
【００５０】
図１１は、ステップ（１０−８）の掃気制御の制御フローを示す。ステップ（１１−１）から掃気制御を開始する。ステップ（１１−２）でバルブオーバーラップ掃気Table（図１２）を検索し、エンジン回転数に対応したバルブオーバーラップ量を決定する。ステップ（１１−３）でバルブリフト量掃気Table（図１３）を検索し、エンジン回転数に対応したバルブリフト量を決定する。ステップ（１１−４）では、前述のように検索されたカムスライド量を、図５の補正部（５−５）へ送信する。図８の排気ピストン速度切換えMAPは、掃気に最適なものとして設定しているので、この掃気制御の場合は、補正値（補正係数）を１とする。次にステップ（１１−５）へ進み、バルブタイミングの値を図２の補正計算部（２−５）と図３の補正計算部（３−５）へそれぞれ送信する。図２の補正計算部（２−５）および図３の補正計算部（３−５）では、図１７に示すように、水温および吸気温度に応じて補正を行う。同様にステップ（１１−６）では、バルブリフト量を図２の補正計算部（２−２）と図３の補正計算部（３−２）へそれぞれ送信する。これらの補正計算部においても、図１７に示すように、水温、吸気温度に応じた補正を行う。その後ステップ（１１−７）へ進み、掃気制御を終了する。
【００５１】
ステップ（１１−２）のバルブオーバーラップ掃気Tableは、図１２に例示したようにエンジン回転数によってオーバーラップ量が変化する特性とすることが好ましい。ステップ（１１−３）のバルブリフト量掃気Tableは、図１３に例示したようにエンジン回転数によってリフト量が変化する特性とすることが好ましい。
【００５２】
図１４は、図１０のステップ（１０−７）の排圧上昇制御の制御フローを示す。ステップ（１４−１）で排圧上昇制御を開始する。ステップ（１４−２）では、排圧を上昇させるためのバルブオーバーラップ量をバルブオーバーラップ排圧上昇Tableから検索する。これは、図１５に例示するように、目標負荷変化率に応じたオーバーラップ量とするように設定される。ステップ（１４−３）では、排圧を上昇させるためのバルブリフト量をバルブリフト量排圧上昇Tableから検索する。これは、図１６に例示するように、目標負荷変化率に応じたリフト量とすることが好ましい。ステップ（１４−４）では、図９の排気ピストン速度補正MAPを用いて補正値（補正係数）を検索し、ステップ（１４−５）では、これを用いて排気ピストン速度補正計算を実行する。
【００５３】
すなわち、ここでは、図１０のステップ（１０−４）で検索したカムスライド量を補正することで、掃気制御時のピストン速度よりもピストン速度を高くし、排圧を上昇させる。図９に例示するように、エンジン回転数と目標負荷変化率に応じて補正値を変化させることが好ましい。ステップ（１４−６）で、補正後のカムスライド量を図５のカムアクチュエータ（５−２）へ送信する。その後ステップ（１４−７）へ進み、バルブタイミングの値を図２の補正計算部（２−５）と図３の補正計算部（３−５）へそれぞれ送信する。図２の補正計算部（２−５）および図３の補正計算部（３−５）では、図１７に示すように、水温および吸気温度に応じて補正を行う。同様にステップ（１４−８）では、バルブリフト量を図２の補正計算部（２−２）と図３の補正計算部（３−２）へそれぞれ送信する。これらの補正計算部においても、図１７に示すように、水温、吸気温度に応じた補正を行う。
【００５４】
ステップ（１４−９）では、運転者の駆動力要求が減少方向であるか、つまり目標負荷変化率が負であるかを判定する。目標負荷変化率がゼロ以上である間は加速要求状態が継続しているものとして、タービンの回転上昇を促進するために、排圧上昇のためのバルブとカムスライド量を維持する。目標負荷変化率が負となった場合は、加速要求が終了したものとしてステップ（１４−２０）へ進み、排圧上昇制御を終了する。
【００５５】
次に、図２０は、図７で説明した内燃機関に適用されるシフトMAP選択ロジック（５−４）および補正計算部（５−６）の制御フローを示す。ステップ（２０−１）からシフトＭＡＰ選択ロジックが開始する。ステップ（２０−２）で図１の運転状態を読み込み、ステップ（１−７）で推定した目標負荷を読み込む。ステップ（２０−３）では冷却水温度を読み込む。ステップ（２０−４）では、ステップ（２０−２）で得た目標負荷から算出した目標負荷変化率と、ステップ（２０−３）で得た冷却水温度と、に基づいて、変速ＭＡＰの切換を行う。変速ＭＡＰ切換は、例えば図１９のように、目標負荷変化率と冷却水温度とに対し複数の変速ＭＡＰ１〜６をあらかじめ設定しておき、そのときの目標負荷変化率と冷却水温度とに対応する変速ＭＡＰを選択する。変速ＭＡＰの数は多いほど制御精度が向上するが、計算負荷が大きくなりコントローラのコストが高くなる可能性もあるため適切に設定する。また、本実施例では目標負荷変化率と冷却水温度とで変速MAPを切り換えているが、その他のエンジン推定状態の情報を基に切換を行ってもよい。複数の変速MAPは例えば図２３（ａ），（ｂ）のような特性に基づいて決定され、図１９は、これを簡略化してマトリックスとして示したものである。なお、図１８は、変速MAPの基本的な特性を示しており、図示するように適宜なヒステリシスが与えられる。
【００５６】
次にステップ（２０−５）へ進み、エンジン回転数を読み込む。ステップ（２０−６）では、ステップ（２０−４）で選択した変速ＭＡＰにおいて、エンジン回転数と目標負荷とから変速段の検索を行う。ステップ（２０−７）では、ステップ（２０−６）で決定した変速段をシフトアクチュエータ（５−４）へ送信する。ステップ（２０−８）では、運転者の駆動力要求が減少方向であるか、つまり目標負荷変化率が負であるかを判定する。目標負荷変化率がゼロ以上である間は加速要求状態であるとして、ステップ（２０−４）で切り換えた変速MAPの使用を継続し、排気タービンの回転上昇を促進するために、排圧上昇のためのバルブと変速段を維持する。目標負荷変化率が負となった場合は加速要求状態ではないとしてステップ（２０−９）へ進み、ルーチンを終了する。
【００５７】
このように、本実施例では、排気タービンの回転上昇促進のための排圧上昇制御と掃気を重視した掃気制御との切換は、目標負荷変化率と内燃機関の状態とから変速MAPを切り換えることで実現されることになるが、前述した図１０のように制御を切り換えるようにすることもできる。
【００５８】
図２１は、前述した３次元カム（６−１０）の形状の一例を示しており、前述したように、３次元カム（６−１０）が軸方向にスライドすることにより、排気ピストン速度が変化する。
【００５９】
図２２は、膨張排気ピストンの動きと排気バルブのバルブリフト量との関係を示す。排気開始バルブ開口面積以下となるバルブリフト量の場合は、下死点でピストンが停止する。同様に排気終了バルブ開口面積以下となると上死点でピストンが停止する。排気開始バルブ開口面積と排気終了バルブ開口面積はエンジン回転数と負荷とによって変化する。
【００６０】
図２８〜図３０は、上述した制御をタイムチャートとして表したものであり、図２８は、図６および図７の構成に共通な通常の運転状態を示す。図２９は、図６に示す構成の内燃機関において、ピストンの動きや、バルブリフト等を変化させた様子を示したものであり、図３０は、図７に示す構成の内燃機関において、ピストンの動きや、バルブリフト等を変化させた様子を示したものである。図３０の例においては、１サイクル中に排気バルブが二度開弁する構成となっており、このように掃気を二度行うことで、より充填効率の向上が図れる。これに対し排気バルブを一度だけ閉じる構成にしてもよく、その際にはポンピングロスの低減が図れる。
【００６１】
本発明を適用した図６，図７のエンジンは一例であって、排気ピストン速度を変更する全てのエンジンに対して本発明を適用することが可能である。
【００６２】
最後に、各請求項の発明の利点について述べる。
【００６３】
請求項２の発明によれば、排気行程角度を短くすることで排気慣性効果が高まり、掃気を有効に行うことができる。
【００６４】
請求項３の発明によれば、バルブのオーバーラップによる吸気ポートへの排気エネルギの逃げを無くし、排気エネルギを過給機のタービン回転に利用することができる。さらにバルブ開口面積に応じて行程容積を変化させるため、ポンプロスを低減して正味熱効率を向上することができる。
【００６５】
請求項４の発明によれば、排気流量・流速が増加する際に、バルブのリフト量も増大させることで、より排気を排出しやすくすることができる。
【００６６】
内燃機関に必要な吸入空気量は機関回転数および負荷によって変化するが、請求項５の発明によれば、回転数および／または負荷によって制御を行うため、必要な吸入空気量を取り込むためのピストンモーションにすることができる。
【００６７】
排気タービン式過給機ではターボラグの問題があるが、請求項６の発明によれば、加速状態が閾値以上であると判定した場合に、排気行程角度の変更により、排気の流速・流量を増やすことができ、ターボラグを解消することができる。
【００６８】
特に請求項２の発明とあわせれば、排気行程のピストン速度が増加して急加速時のようにトルク応答が必要な場合に排圧を高くしタービンの圧力差を増加させて応答性を向上することができる。
【００６９】
また、請求項３の発明とあわせれば、バルブのオーバーラップによる吸気ポートへの排気エネルギの逃げを無くし、排気エネルギをタービン回転に利用することができる。
【００７０】
請求項７の発明によれば、三次元カムを採用しているため、所望のカムプロフィールを実現することが可能である。そのため、ピストンモーションを要求に応じて変化させることができる。また、請求項８の発明によれば、最小半径を適切に決定することで、排気行程角度を小さくする制御が容易に行える。
【００７１】
請求項９の発明によれば、ギア機構によって接続しているため、速やかで安定したピストンモーションの変化が可能である。そのため、本発明の制御を精度よく実現することができる。また、請求項１０の発明によれば、ギア比を変更するのみで排気行程角度を小さくする制御が容易に行える。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明に係る制御装置のブロック図。
【図２】吸気バルブに適用した場合の要部のブロック図。
【図３】排気バルブに適用した場合の要部のブロック図。
【図４】運転状態判定手段のブロック図。
【図５】排気ピストン速度制御手段および排気ピストン速度変更手段のブロック図。
【図６】本発明が適用される内燃機関の一例を示す構成説明図。
【図７】本発明が適用される内燃機関の異なる例を示す構成説明図。
【図８】排気ピストン速度切換えカムMAPの一例を示す特性図。
【図９】排気ピストン速度補正MAPの一例を示す特性図。
【図１０】本発明のメイン制御フローを示すフローチャート。
【図１１】排気制御フローを示すフローチャート。
【図１２】バルブオーバーラップ掃気Tableの一例を示す特性図。
【図１３】リフト量掃気Tableの一例を示す特性図。
【図１４】排圧上昇制御フローを示すフローチャート。
【図１５】バルブオーバーラップ排圧上昇Tableの一例を示す特性図。
【図１６】リフト量排圧上昇Tableの一例を示す特性図。
【図１７】水温、吸気温補正Tableの一例を示す特性図。
【図１８】変速MAPの一例を示す特性図。
【図１９】複数の変速MAPの切換方法を示す説明図。
【図２０】シフトMAP選択フローを示すフローチャート。
【図２１】三次元カムの形状の一例を示す説明図。
【図２２】排気バルブ開口面積と膨張排気ピストンの動きとの関係の説明図。
【図２３】負荷変化率および水温に対する変速MAPの切換の説明図。
【図２４】吸気バルブリフト量MAPの一例を示す特性図。
【図２５】吸気バルブ位相MAPの一例を示す特性図。
【図２６】排気バルブリフト量MAPの一例を示す特性図。
【図２７】排気バルブ位相MAPの一例を示す特性図。
【図２８】通常の運転状態における動作を示すタイミングチャート。
【図２９】図６の構成における異なる制御状態の動作を示すタイミングチャート。
【図３０】図７の構成における異なる制御状態の動作を示すタイミングチャート。
【図３１】可変バルブ機構の構成例の説明図。
【符号の説明】
【００７３】
１−１…機関運転状態判定手段
１−２…バルブ制御手段
１−３…バルブ作動量変更手段
１−４…排気ピストン速度制御手段
１−５…排気ピストン速度変更手段  
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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