(57)【要約】      （修正有）【課題】過給リーン燃焼運転からストイキ燃焼運転への運転モードの切り替え時に、筒内に充填される空気の量をストイキ燃焼運転での要求空気量に速やかに近づけられるようにした内燃機関の制御装置を提供する。【解決手段】過給リーン燃焼運転からストイキ燃焼運転に切り替える場合であって空気量Gairを減少させる必要がある場合には、WGVを開く。WGVが開かれることに伴う応答遅れ期間τD'中に、排気上死点を終了点とする開弁期間EX1と、開弁期間EX2とが設定されるように、かつ、開弁期間EX2と吸気弁の開弁期間INと重なるように排気可変動弁機構を制御する。応答遅れ期間τD'中に、ストイキ要求空気量Gair_reqの下で理論空燃比を実現するために燃料噴射弁を制御する。応答遅れ期間τD'中に、空気量Gairが要求空気量Gair_reqに近づくように排気弁の作用角（開弁期間）EX2を制御する。【選択図】図８
2017057770.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関に燃料を供給する燃料噴射弁と、
吸気通路に配置されたコンプレッサと排気通路に配置されたタービンとを備えるターボ過給機と、
前記タービンをバイパスする排気バイパス通路を開閉するウェイストゲートバルブと、
前記吸気通路の一部を構成する吸気ポートと、
前記排気通路の一部を構成する排気ポートと、
前記吸気ポートを開閉する吸気弁と前記排気ポートを開閉する排気弁とを開閉駆動する動弁装置と、
を備える前記内燃機関を制御する内燃機関の制御装置であって、
前記排気弁は、１つの気筒に対して１または複数備えられており、
前記動弁装置は、排気可変動弁機構を含み、
前記排気可変動弁機構は、前記１または複数の排気弁の開弁期間として、排気行程を含みかつ排気上死点を終了点とする第１開弁期間と、当該排気行程に続く吸気行程中に前記１または複数の排気弁のうちの１つもしくはすべてが開閉する第２開弁期間とを設定可能であり、かつ、前記第２開弁期間における前記１つもしくはすべての排気弁の開弁特性を変更可能であり、
前記制御装置は、
前記ターボ過給機による吸気の過給を伴って理論空燃比よりも大きなリーン空燃比にて燃焼が行われる過給リーン燃焼運転から、理論空燃比にて燃焼が行われるストイキ燃焼運転に運転モードを切り替える場合であって、切り替え後の前記ストイキ燃焼運転での要求空気量が切り替え前の前記過給リーン燃焼運転での要求空気量よりも少なくなる場合に、前記ウェイストゲートバルブを開くウェイストゲートバルブ制御手段と、
前記ウェイストゲートバルブ制御手段によって前記ウェイストゲートバルブが開かれることに伴って吸気ポート圧が低下する吸気ポート圧低下期間中に、前記第１開弁期間と前記第２開弁期間とが設定されるように、かつ、前記第２開弁期間の少なくとも一部が、排気上死点以後の吸気行程において開く前記吸気弁の開弁期間と重なるように前記排気可変動弁機構を制御する排気弁制御手段と、
前記吸気ポート圧低下期間中に、前記運転モードの切り替え後の前記ストイキ燃焼運転において要求される要求空気量の下で理論空燃比を実現するために必要な量の燃料が噴射されるように前記燃料噴射弁を制御する燃料噴射制御手段と、
を備え、
前記排気弁制御手段は、前記吸気ポート圧低下期間中に、筒内に充填される空気の量が前記要求空気量に近づくように前記第２開弁期間において開閉する前記１つもしくはすべての排気弁の開弁特性を制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関の制御装置に係り、特に、理論空燃比を用いるストイキ燃焼運転と理論空燃比よりも大きなリーン空燃比を用いるリーン燃焼運転との間で運転モードの切り替えを行う内燃機関を制御する装置として好適な内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、ストイキ燃焼運転とリーン燃焼運転との間で運転モードの切り替えを行う内燃機関の制御装置が開示されている。この制御装置では、リーン燃焼運転からストイキ燃焼運転に切り替える場合において実吸気量とストイキ燃焼運転での要求吸気量との偏差が所定の閾値以上となる期間中には、理論空燃比が得られるように実吸気量に応じた量の燃料が噴射されるとともに、運転モードの切り替えに伴うトルク段差の発生を抑制するために点火時期の遅角が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２０９９０３号公報
【特許文献２】特開２００９−１７４４３２号公報
【特許文献３】特開２００５−３５１１４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ターボ過給機と、ターボ過給機のタービンをバイパスする排気バイパス通路を開閉するウェイストゲートバルブとを備え、ウェイストゲートバルブの開度を調整することで過給圧を調整可能な内燃機関が知られている。このような構成を有する内燃機関によれば、ウェイストゲートバルブを閉じることによって過給圧を高めることができる。ここで、ターボ過給機による過給が行われる過給領域においてリーン燃焼運転が実施されている状況下において、リーン燃焼運転からストイキ燃焼運転に運転モードが切り替えられる場合を想定する。以下、過給領域において行われるリーン燃焼運転のことを「過給リーン燃焼運転」と称する。
【０００５】
理論空燃比よりも大きなリーン空燃比の下で発生するトルクと同じトルクを理論空燃比の下で発生させるために必要とされる空気量は、当該リーン空燃比を用いる場合に必要とされる量よりも少ない。したがって、過給リーン燃焼運転からストイキ燃焼運転に運転モードを切り替える場合には、トルク段差の抑制のために、一部の場合を除き、運転モードの切り替えに伴って空気量を減少させることが必要になる。そして、この態様での切り替えでは、空気量を減少させるために、ウェイストゲートバルブを開く必要がある。ウェイストゲートバルブが開かれると、過給圧（コンプレッサの出口圧）が低下し、その結果として、吸気ポート圧が低下することで筒内の空気量が減るためである。しかしながら、ウェイストゲートバルブを開いても、筒内の空気量が切り替え後のストイキ燃焼運転での要求空気量となるために必要とされる値（要求吸気ポート圧）にまで吸気ポート圧が低下するまでには、時間を要する。このため、上記態様での切り替え時には、ウェイストゲートバルブが開かれることに伴って吸気ポート圧が低下する吸気ポート圧低下期間中に、筒内の空気量が要求空気量に対して過剰となる。
【０００６】
上述のような過給リーン燃焼運転からストイキ燃焼運転への運転モードの切り替えに対して上述の特許文献１に記載の手法を適用した場合、上記吸気ポート圧低下期間中には、切り替え後の要求空燃比である理論空燃比が得られるように実空気量に応じた量の燃料が噴射されることになる。その結果、燃費が悪化してしまう。また、特許文献１に記載の手法は、トルク段差の抑制のために点火時期の遅角に大きく頼る必要がある。このため、この点においても燃費が悪化するとともに、燃焼の悪化およびこれに伴うトルク変動も生じ得る。
【０００７】
一方、上述の点火時期の遅角の実行を避けるべく、吸気ポート圧低下期間中の燃料噴射量を、実空気量の下で目標トルクを実現可能な量とすることも考えられる。しかしながら、この手法が用いられると、吸気ポート圧低下期間中の空燃比が、空気量の減少に伴って、理論空燃比に向けて徐々に変化することになる。筒内からのNOx排出量は、理論空燃比よりも少しリーンな空燃比域において多くなる。このため、この手法が用いられると、空燃比の変化の過程で上記空燃比域を使用する燃焼が行われることにより、NOx排出量が増加するという問題がある。
【０００８】
以上のことから、過給リーン燃焼運転からストイキ燃焼運転への切り替えに関して、トルク段差の抑制、点火時期の遅角の回避（もしくは少なくとも抑制）、およびNOx排出量の抑制という３つの要求を満たすうえでの本質的な課題は、ウェイストゲートバルブの開放に伴う吸気ポート圧の応答遅れに起因して筒内の空気量を要求空気量に速やかに近づけられないことであるといえる。
【０００９】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、過給リーン燃焼運転からストイキ燃焼運転への運転モードの切り替え時に、筒内に充填される空気の量をストイキ燃焼運転での要求空気量に速やかに近づけられるようにした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】
【００１０】
本発明に係る内燃機関の制御装置は、内燃機関に燃料を供給する燃料噴射弁と、吸気通路に配置されたコンプレッサと排気通路に配置されたタービンとを備えるターボ過給機と、前記タービンをバイパスする排気バイパス通路を開閉するウェイストゲートバルブと、前記吸気通路の一部を構成する吸気ポートと、前記排気通路の一部を構成する排気ポートと、前記吸気ポートを開閉する吸気弁と前記排気ポートを開閉する排気弁とを開閉駆動する動弁装置と、を備える前記内燃機関を制御する。前記排気弁は、１つの気筒に対して１または複数備えられている。前記動弁装置は、排気可変動弁機構を含む。前記排気可変動弁機構は、前記１または複数の排気弁の開弁期間として、排気行程を含みかつ排気上死点を終了点とする第１開弁期間と、当該排気行程に続く吸気行程中に前記１または複数の排気弁のうちの１つもしくはすべてが開閉する第２開弁期間とを設定可能であり、かつ、前記第２開弁期間における前記１つもしくはすべての排気弁の開弁特性を変更可能である。前記制御装置は、ウェイストゲートバルブ制御手段と、排気弁制御手段と、燃料噴射制御手段とを備える。ウェイストゲートバルブ制御手段は、前記ターボ過給機による吸気の過給を伴って理論空燃比よりも大きなリーン空燃比にて燃焼が行われる過給リーン燃焼運転から、理論空燃比にて燃焼が行われるストイキ燃焼運転に運転モードを切り替える場合であって、切り替え後の前記ストイキ燃焼運転での要求空気量が切り替え前の前記過給リーン燃焼運転での要求空気量よりも少なくなる場合に、前記ウェイストゲートバルブを開く。排気弁制御手段は、前記ウェイストゲートバルブ制御手段によって前記ウェイストゲートバルブが開かれることに伴って吸気ポート圧が低下する吸気ポート圧低下期間中に、前記第１開弁期間と前記第２開弁期間とが設定されるように、かつ、前記第２開弁期間の少なくとも一部が、排気上死点以後の吸気行程において開く前記吸気弁の開弁期間と重なるように前記排気可変動弁機構を制御する。燃料噴射制御手段は、前記吸気ポート圧低下期間中に、前記運転モードの切り替え後の前記ストイキ燃焼運転において要求される要求空気量の下で理論空燃比を実現するために必要な量の燃料が噴射されるように前記燃料噴射弁を制御する。前記排気弁制御手段は、前記吸気ポート圧低下期間中に、筒内に充填される空気の量が前記要求空気量に近づくように前記第２開弁期間において開閉する前記１つもしくはすべての排気弁の開弁特性を制御する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、筒内の空気量を減少させる必要のある態様で過給リーン燃焼運転からストイキ燃焼運転への切り替えが行われる場合には、吸気ポート圧低下期間中に、排気上死点を終了点とする第１開弁期間と、排気弁が吸気行程中に第２開弁期間とが設定されるように、かつ、第２開弁期間の少なくとも一部が、排気上死点以後の吸気行程において開く吸気弁の開弁期間と重なるように排気可変動弁機構が制御される。そして、この吸気ポート圧低下期間中には、筒内に充填される空気の量が、切り替え後のストイキ燃焼運転において要求される要求空気量に近づくように第２開弁期間において開閉する排気弁の開弁特性が制御される。これにより、排気上死点付近での吸気ポートから燃焼室を介した排気ポートへのガス（新気もしくは混合気）の吹き抜けを抑制しつつ、吸気行程中のEGRガスの流入を利用することによって筒内に充填される空気の量を上記要求空気量に速やかに近づけることができる。その結果、運転モードを過給リーン燃焼運転からストイキ燃焼運転に速やかに切り替えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１に係る内燃機関のシステム構成を概略的に説明するための図である。
【図２】図１に示す排気可変動弁機構の概略構成を表した図である。
【図３】NOx排出量と空燃比（A/F）との関係を表した図である。
【図４】ストイキ燃焼運転およびリーン燃焼運転が行われる内燃機関の運転領域を表している。
【図５】スロットル開度およびWGV開度と要求空気量Gair_reqとの関係を表した図である。
【図６】過給領域において行われるリーン燃焼運転からストイキ燃焼運転への運転モードの切り替え時の課題を説明するためのタイムチャートである。
【図７】本発明の実施の形態１において過給リーン燃焼運転からストイキ燃焼運転への切り替え時に用いられる排気弁の２回開き制御の概要を説明するための図である。
【図８】排気弁の２回開き制御を伴って実行される過給リーン燃焼運転からストイキ燃焼運転への切り替え時の動作を表したタイムチャートである。
【図９】本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。
【図１０】CA50フィードバック制御の概要を説明するための図である。
【図１１】図９に示すルーチンの処理の実行を伴って過給リーン燃焼運転からストイキ燃焼運転への運転モードの切り替えが行われた場合の動作の一例を示すタイムチャートである。
【図１２】本発明の実施の形態２における排気可変動弁機構の概略構成を表した図である。
【図１３】図１２に示す排気可変動弁機構が有する２つの駆動モードを説明するための図である。
【図１４】本発明の実施の形態２において過給リーン燃焼運転からストイキ燃焼運転への切り替え時に用いられる排気弁の２回開き制御の概要を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
まず、図１〜図１１を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。
［実施の形態１のシステムの構成］
（システム全体の構成）
図１は、本発明の実施の形態１に係る内燃機関１０のシステム構成を概略的に説明するための図である。図１に示す内燃機関１０は、火花点火式エンジン（一例として、ガソリンエンジン）であり、車両に搭載され、その動力源とされているものとする。内燃機関１０は、ここでは一例として直列４気筒型エンジンであるものとするが、本発明の対象となる内燃機関の気筒数および気筒配置は特に限定されない。
【００１４】
内燃機関１０の各気筒内には、筒内を往復移動するピストン１２が配置されている。ピストン１２とシリンダヘッド１０ａとによって囲まれた空間が燃焼室１４となる。燃焼室１４には、吸気通路１６の吸気ポート１６ａと排気通路１８の排気ポート１８ａとが連通している。各気筒には、燃焼室１４内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁２０と、燃焼室１４内の混合気に点火するための点火プラグ２２とが備えられている。燃焼室１４内に燃料を供給する燃料噴射弁としては、燃料噴射弁２０に代え、あるいはそれとともに各吸気ポート１６ａに燃料を噴射する燃料噴射弁が用いられていてもよい。また、各気筒には、筒内圧を検出するための筒内圧センサ２４が配置されている。
【００１５】
吸気ポート１６ａは吸気弁２６により開閉され、排気ポート１８ａは排気弁２８により開閉される。一例として、内燃機関１０は、各気筒に２つの吸気弁２６と２つの排気弁２８とを備えているものとする。内燃機関１０は、吸気弁２６および排気弁２８を開閉駆動するための動弁装置を備えている。この動弁装置は、吸気弁２６を開閉駆動する吸気動弁機構２９と、排気弁２８の開弁特性を変更可能な排気可変動弁機構３０とを含んでいる。排気可変動弁機構３０の具体的な構成については、図２を参照して後述する。
【００１６】
吸気通路１６の入口付近には、エアクリーナ３２が設けられている。エアクリーナ３２には、吸気通路１６に取り入れられた空気の流量に応じた信号を出力するエアフローセンサ３４が設けられている。エアクリーナ３２よりも下流側の吸気通路１６には、吸入空気を過給するために、ターボ過給機３６のコンプレッサ３６ａが配置されている。ターボ過給機３６は、排気ガスの排気エネルギによって作動するタービン３６ｂを排気通路１８に備えている。コンプレッサ３６ａは、連結軸３６ｃを介してタービン３６ｂと一体的に連結されており、タービン３６ｂに入力される排気ガスの排気エネルギによって回転駆動される。
【００１７】
コンプレッサ３６ａよりも下流側の吸気通路１６には、吸気通路１６を開閉する電子制御式のスロットルバルブ３８が配置されている。スロットルバルブ３８よりも下流側の吸気通路１６は、各気筒に向けて吸入空気を分配する吸気マニホールド１６ｂによって構成されている。吸気マニホールド１６ｂの集合部（サージタンク）には、コンプレッサ３６ａによって圧縮された吸入空気を冷却するためのインタークーラ４０が配置されている。吸気通路１６におけるコンプレッサ３６ａとスロットルバルブ３８との間には、過給圧（コンプレッサ３６ａの出口圧）を検出するための第１吸気圧力センサ４２が配置されている。また、吸気マニホールド１６ｂには、吸気マニホールド圧（吸気ポート圧）Pimを検出するための第２吸気圧力センサ４４が配置されている。
【００１８】
排気通路１８には、タービン３６ｂをバイパスする排気バイパス通路４６が接続されている。排気バイパス通路４６には、排気バイパス通路４６を開閉するバイパスバルブとして、ウェイストゲートバルブ（WGV）４８が配置されている。WGV４８は、一例として電動式であり、所定の開度制御範囲内で任意の開度に調整可能に構成されている。WGV４８の開度を変更することにより、タービン３６ｂが回収する排気エネルギの量を調整してコンプレッサ３６ａの駆動力を調整することができる。
【００１９】
また、タービン３６ｂよりも上流側の排気通路１８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５０が配置されている。空燃比センサ５０よりも下流側の排気通路１８には、排気ガスを浄化するための排気浄化装置が配置されている。具体的には、一例として、排気ガスの上流側から順に、三元触媒５２およびNSR触媒（吸蔵還元型NOx触媒）５４が備えられている。
【００２０】
また、本実施形態のシステムは、内燃機関１０を搭載する車両のアクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）を検出するためのアクセルポジションセンサ５６、および、クランク角度およびエンジン回転速度を検出するためのクランク角センサ５８を有している。これらのセンサの他にも、本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。
【００２１】
図１に示すシステムは、電子制御ユニット（ECU）６０を備えている。ECU６０には、上述した各種のセンサおよびアクチュエータが電気的に接続されている。ECU６０は、図１に示すシステム全体の制御を行うものであり、CPUおよびメモリを含むコンピュータを主体として構成されている。メモリには、内燃機関１０を制御するための各種の制御プログラムおよびマップ等が記憶されている。ECU６０は、それらの制御プログラムを実行し、それらのセンサからの信号に基づいてそれらのアクチュエータを駆動することにより、内燃機関１０の運転を制御する。
【００２２】
（実施の形態１の排気可変動弁機構の構成）
図２は、図１に示す排気可変動弁機構３０の概略構成を表した図である。排気可変動弁機構３０は、排気弁２８を電磁力で駆動するタイプの公知の機構である。排気可変動弁機構３０は、排気弁２８の弁軸に固定されたアーマチャ６２と、アーマチャ６２を間に介在させた状態で所定距離だけ離して配置された一対の電磁石６４および６６とを備えている。この所定距離が排気弁２８の最大リフト量（１回のリフト動作中のリフト量のピーク値）に相当する。
【００２３】
一対の電磁石６４および６６は、電気駆動ユニット（EDU）６８に電気的に接続されている。EDU６８は、ECU６０からの指令に基づいて、電磁石６４および６６の通電を制御する。また、排気弁２８は、一対のスプリング７０および７２によって開弁方向および閉弁方向にそれぞれ付勢されている。これらのスプリング７０および７２のバネ力は、電磁石６４および６６の通電が行われていない状態において、アーマチャ６２を電磁石６４および６６のほぼ中央に位置できるように調整されている。
【００２４】
上述の構成を有する排気可変動弁機構３０によれば、一対の電磁石６４および６６の通電を制御することにより、アーマチャ６２を電磁石６４と電磁石６６との間で往復移動させることができ、これにより、排気弁２８を開閉駆動することができる。より具体的には、電磁石６６を非通電としつつ電磁石６４の通電を行うことにより、排気弁２８を閉じることができ、この場合の電磁石６４の通電を保持することにより閉弁状態を維持することができる。一方、電磁石６４を非通電としつつ電磁石６６の通電を行うことにより、排気弁２８を開くことができ、かつ、この場合の電磁石６６の通電を保持することにより開弁状態を維持することができる。したがって、通電を任意に制御することにより、排気弁２８の開き時期および閉じ時期のそれぞれを任意のタイミングに制御することができる。その結果として、作用角（開弁期間の長さ）を連続的かつ自在に制御することができ、また、１燃焼サイクル中の排気弁２８の開弁期間を任意の回数で設定することもできる。さらに付け加えると、排気可変動弁機構３０による排気弁２８の開弁特性の変更には、以上のように、開き時期および閉じ時期の一方もしくは双方の変更（そして、それに伴う作用角の変更）が該当する。
【００２５】
［実施の形態１の制御］
（ストイキ燃焼運転とリーン燃焼運転）
本実施形態の内燃機関１０は、ECU６０による制御によってストイキ燃焼運転とリーン燃焼運転との間で運転モードを切り替えることができる。ここでいう「ストイキ燃焼運転」とは、混合気の空燃比を理論空燃比に制御しながら行われる運転のことである。一方、「リーン燃焼運転」とは、理論空燃比よりも大きなリーン空燃比となるように混合気の空燃比を制御しながら行われる運転のことである。
【００２６】
図３は、NOx排出量と空燃比（A/F）との関係を表した図である。燃焼室１４からのNOxの排出量は、図３に示すように、理論空燃比よりも少し大きな空燃比（１６程度）にてピークがあり、これを超えて空燃比が大きくなるにつれて減少していく特性を有している。このため、上述のリーン燃焼運転における目標空燃比は、図３中に示すようにNOx排出量が十分に少なくなるレベルの値（すなわち、NOx排出量が相対的に多くなる空燃比範囲（１６〜２０付近）内の値よりも大きな値）となるように設定されている。ただし、本発明の制御の対象となるリーン空燃比は、理論空燃比よりも大きなリーン空燃比であれば、必ずしも上記設定を伴うものに限られない。
【００２７】
図４は、ストイキ燃焼運転およびリーン燃焼運転が行われる内燃機関１０の運転領域を表している。内燃機関１０の運転領域は、エンジントルクとエンジン回転速度とを軸とする２次元平面上で特定することができる。本実施形態では、一例として、図４に示すように、低負荷低回転側の運転領域が、リーン燃焼運転が行われるリーン燃焼領域とされている。このリーン燃焼領域以外の運転領域は、ストイキ燃焼運転が行われるストイキ燃焼領域とされている。リッチスパイクの実行時等の例外的な状況を除き、内燃機関１０の運転モードは、図４に示すように設定された運転領域に基づいて決定される。
【００２８】
ストイキ燃焼領域とリーン燃焼領域は、それぞれ自然吸気領域と過給領域とに分けられる。本明細書では、吸気マニホールド圧Pimが大気圧よりも少し低い基準圧以下となる領域を自然吸気領域と称し、ターボ過給機３６による過給によって吸気マニホールド圧Pimが上記基準圧よりも高くなる領域を過給領域と称している。なお、この基準圧は、内燃機関１０を自然吸気内燃機関とした場合においてスロットル全開時に得られる吸気マニホールド圧Pimに相当する圧力値である。
【００２９】
本実施形態では、アクセル開度から目標エンジン出力が決定され、決定された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定される。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内燃機関１０の目標動作点であり、目標動作点がどの運転領域に位置するか、また、目標動作点がどのような経路で移動したか、によって内燃機関１０の運転モードが決定される。
【００３０】
（エンジントルク制御）
本実施形態のシステムにおいて前提として用いられるエンジントルク制御は、次の通りである。すなわち、上述の手順でアクセル開度に基づいて目標トルクが決定されると、現在の運転モードでの目標空燃比の下で目標トルクを実現するために必要な要求空気量（筒内に充填される空気（新気）の量Gairの要求値）Gair_reqが算出される。空気量（実空気量）Gairの計算は、公知のエアモデルを用いて行うことができる。点火時期は、基本的には、空燃比に応じたMBT点火時期に制御される。
【００３１】
内燃機関１０の場合には、空気量airは、スロットルバルブ３８とWGV４８とを用いて調整することができる。図５は、スロットル開度およびWGV開度と要求空気量Gair_reqとの関係を表した図である。図５に示すように、要求空気量Gair_reqが少ない領域では、WGV４８は開度制御範囲内の最大開度にて開かれた状態で、スロットルバルブ３８の開度調整によって要求空気量Gair_reqが得られるように空気量Gairが制御される。具体的には、要求空気量Gair_reqが多いほど、スロットル開度が大きくなるように制御される。
【００３２】
WGV開度が最大開度であるときにスロットル開度を全開開度として得られる空気量GairXよりも多い空気量Gair_reqが要求された場合には、スロットル開度を全開とした状態でWGV開度を調整することによって吸気マニホールド圧Pimが制御される。具体的には、要求空気量Gair_reqが多いほど、WGV開度が小さくなるように制御される。その結果として、要求空気量Gair_reqが得られるように空気量Gairが制御される。なお、図５に示す関係は、目標空燃比が理論空燃比とリーン空燃比との間で変わると、同一WGV開度の下でタービン３６ｂが回収する排気エネルギの量が変化するので、WGV開度と吸気マニホールド圧Pimとの関係が変化する。このため、図５に示す関係は、運転モード毎に用意される。
【００３３】
（過給リーン燃焼運転からストイキ燃焼運転への運転モードの切り替え時の課題）
図６は、過給領域において行われるリーン燃焼運転（以下、単に「過給リーン燃焼運転」と称する）からストイキ燃焼運転への運転モードの切り替え時の課題を説明するためのタイムチャートである。過給リーン燃焼運転が行われる運転領域としては、図４に示すリーン燃焼領域の中の高負荷側の領域（過給領域）が相当する。なお、図６に示すトルク制御手法は、本実施形態の手法との比較のために参照する公知の手法である。また、図６は、一例として、運転モードの切り替えの前後で目標トルクが変化しない場合の動作を示している。
【００３４】
リーン燃焼運転時に発生するトルクと同じトルクを理論空燃比の下で発生させるために必要とされる空気量Gairは、当該リーン燃焼運転時に必要とされる量よりも少ない。このため、過給リーン燃焼運転からストイキ燃焼運転に切り替える場合には、一部の場合を除き、トルク段差の抑制のために、運転モードの切り替えに伴って空気量Gairを減少させることが必要になる。なお、ここでいう一部の場合としては、例えば、リーン燃焼運転を利用する自然吸気領域内の低トルクを発生させている状態からストイキ燃焼運転を利用する過給領域内の高トルクが要求される場合が該当する。
【００３５】
空気量Gairを減少させる必要がある状況下においてリーン燃焼運転からストイキ燃焼運転への切り替えを速やかに行うためには、切り換え後のストイキ燃焼運転の下での要求空気量Gair_reqにまで空気量（実空気量）Gairを速やかに減少させる必要がある。自然吸気領域を利用するリーン燃焼運転からの切り替えであれば、スロットルバルブ３８の開度調整によって高い応答性で空気量Gairを下げることができる。これに対し、過給領域では、WGV４８を閉じて過給圧を高めることによって吸気マニホールド圧Pimを高め、これにより、自然領域の利用時に必要とされる量よりも多い要求空気量Gair_reqを確保している。このため、過給リーン燃焼運転からストイキ燃焼への切り替えの場合には、減少させるべき空気量Gairが多くなる。そして、この場合には、空気量Gairを減少させる動作としてWGV４８の開放を伴い、WGV４８の開放に伴って過給圧および吸気マニホールド圧Pimが低下して実空気量Gairが減少するまでには、時間を要する。以上のように、過給リーン燃焼運転からストイキ燃焼運転への運転モードの切り替え時には、実吸気マニホールド圧Pimがストイキ燃焼運転での要求吸気マニホールド圧（要求吸気ポート圧）Pim_reqに低下するまでに要する応答遅れ期間（本発明における「吸気ポート圧低下期間」に相当）τＤが長くなり、この応答遅れ期間τＤ中には、実空気量Gairが要求空気量Gair_reqに対して過剰となる。なお、応答遅れ期間τＤは、切り替えの前後での空燃比の差が大きいほど、減少させるべき空気量Gairが多くなるので長くなる。
【００３６】
上記の応答遅れ期間τＤが存在するにもかかわらず、運転モードの切り替えの要求を受けて直ちに空燃比を理論空燃比に切り替えてしまうと、図６中に燃焼サイクルCYL2のエンジントルクとして破線で表したように、目標トルクよりも高いエンジントルクを発生し、トルク段差が生じてしまう。このトルク段差を避けるべく、応答遅れ期間τＤ中の燃料噴射量を、実空気量Gairの下で目標トルクを満たせるように設定する手法を採用することも考えられる。しかしながら、この手法が用いられると、応答遅れ期間τＤ中の空燃比が、実空気量Gairの減少に伴って、切り替え前のリーン燃焼運転での目標空燃比から理論空燃比に向けて徐々に変化することになる。内燃機関１０では、この変化の過程で、NOx排出量の多い空燃比域を使用する燃焼が行われる。このことは、各気筒からのNOx排出量の増加に繋がる。
【００３７】
一方、図６に示す公知の手法によれば、リーン燃焼運転を行っている燃焼サイクルCYL1においてストイキ燃焼運転への切り替え要求を検知した時に、燃料噴射量の切り替えが間に合う直近の気筒の燃焼サイクルである燃焼サイクルCYL2において空燃比が速やかに理論空燃比に切り替えられる。そのうえで、燃焼サイクルCYL2において余剰なトルク（図６中の破線参照）が生じないようにするために、点火時期の遅角が実行される。点火時期の遅角は、要求空気量Gair_req相当の実空気量Gairが得られる燃焼サイクルCYLnに到達するまで実行される。この手法によれば、空燃比を直ちに切り替えることでNOx排出量の増加を回避することはできるが、切り替え後の目標空燃比である理論空燃比が得られるように応答遅れ期間τＤ中の実空気量Gairに応じた量の燃料を噴射する必要があるために燃費が悪化してしまう。また、トルク段差の抑制のために点火時期の遅角に大きく頼る必要があるので、燃費の悪化、ならびに燃焼の悪化およびこれに伴うトルク変動が生じてしまう。
【００３８】
過給リーン燃焼運転からストイキ燃焼運転への切り替えに関する本質的な課題は、WGV４８を開くだけでは実空気量Gairをストイキ燃焼運転での要求空気量Gair_reqにまで速やかに変化させられないことにある。そして、図６に示す公知の手法では、吸入空気の応答遅れに起因するエンジントルクの増加の抑制を、制御性に優れる点火時期の制御を用いて行っているため、燃焼悪化等を招いてしまっている。したがって、切り替えの要求が出されたときに空気量Gairを速やかに減少させることができれば、点火時期の遅角に頼らなくて済むといえる。より具体的には、点火時期の遅角を回避でき、あるいは少なくとも遅角量を減らせるといえる。また、点火時期の遅角を実行するサイクルの数を減少できるといえる。
【００３９】
（実施の形態１の制御の概要）
内燃機関１０が備える排気可変動弁機構３０によれば、上述のように、排気弁２８の作用角を高い自由度で変更することができ、また、１燃焼サイクル中の排気弁２８の開弁期間を任意の回数で設定することもできる。そこで、本実施形態では、過給リーン燃焼運転からストイキ燃焼運転への切り替えに伴って生じる吸気マニホールド圧Pimの応答遅れ期間τＤ中に、空気量Gairを速やかに減少させるために排気可変動弁機構３０を用いて排気弁２８の２回開き制御を実行することとした。以下、図７を参照して、排気弁２８の開弁特性の制御についてより詳細に説明する。
【００４０】
図７は、本発明の実施の形態１において過給リーン燃焼運転からストイキ燃焼運転への切り替え時に用いられる排気弁２８の２回開き制御の概要を説明するための図である。本実施形態における排気弁２８の２回開き制御において、連続する排気行程および吸気行程における排気弁２８の動作は次の通りである。すなわち、図７に示すように、排気弁２８の１回目の開閉動作は、筒内の排気ガスを排気通路１８に排出するための通常の開閉動作であり、膨張行程中の開き時期EVO1において開いた後に、排気上死点（TDC）に設定された閉じ時期EVC1において閉じられる。この開閉動作の開弁期間（作用角）をEX1と称する。
【００４１】
図７に示す例では、吸気弁２６は、EVC1と同じ排気上死点とされた開き時期IVOにおいて開かれた後に、吸気行程中に閉じられるようになっている。ただし、排気弁２８の２回開き制御が行われるときの吸気弁２６の閉じ時期IVCは、必ずしも吸気行程中でなくてもよく、圧縮行程中であってもよい。
【００４２】
排気弁２８の２回目の開閉動作は、当該排気行程に続く吸気行程における吸気弁２６の開弁期間IN中に実行される。排気弁２８は、このような態様で１燃焼サイクル中に２回開閉駆動される。ここでは、吸気弁２６の開弁期間IN中に設けられている排気弁２８の開き時期および閉じ時期をそれぞれEVO2およびEVC2と称し、この開弁期間（作用角）をEX2と称する。なお、排気行程は、膨張下死点から排気上死点までのクランク角期間であり、吸気行程は、排気上死点から吸気下死点までのクランク角期間である。すなわち、排気上死点は、排気行程の終了点であって吸気行程の開始点でもある。なお、本実施形態では、同一気筒に対して配置される２つの排気弁２８の双方が開弁期間EX1および開弁期間EX2において開閉されるものとする。
【００４３】
図７に示す吸排気弁２６および排気弁２８のバルブタイミングによれば、１回目の排気弁２８の開弁期間EX1と吸気弁２６の開弁期間INとの間にはバルブオーバーラップ期間OL1は設けられていない。これにより、過給リーン燃焼運転からストイキ燃焼運転への切り替え中に、排気上死点付近において吸気（新気）が燃焼室１４を介して吸気ポート１６ａから排気ポート１８ａに向けて吹き抜けることを防止することができる。これにより、吹き抜けに起因する筒内の空気量Gairのずれ、さらには排気エミッションの悪化を抑制することができる。なお、本実施形態の内燃機関１０とは異なり、吸気ポート１６ａに燃料を噴射する燃料噴射弁が備えられている場合には、吹き抜け対象となるガスは、空気と燃料との混合気となる。この吹き抜けの場合においても、上記制御により、吹き抜けに起因する空気量Gairのずれ、さらには、吹き抜けが排気系に与える弊害を抑制することができる。
【００４４】
また、図７に示すバルブタイミングによれば、２回目の排気弁２８の開弁期間EX2と吸気弁２６の開弁期間INとの間にはバルブオーバーラップ期間OL2が設けられている。筒内容積を拡大するようにピストン１２が変位する期間である吸気行程においてこのようなバルブオーバーラップ期間OL2が設けられていると、吸気ポート１６ａから筒内に空気（新気）が流入するだけでなく、排気ポート１８ａから筒内に排気ガスがEGRガスとして流入するようになる。より具体的には、開弁期間EX2が設けられていない場合には、吸気行程において筒内に流入するガスは空気だけである。これに対し、開弁期間INとの間でバルブオーバーラップ期間OL2を有する態様で開弁期間EX2が設けられていることにより、EGRガスの流入分だけ筒内への空気の流入を抑制できるようになる。このため、開弁期間EX2が設けられていない場合と比べて、筒内に充填される空気の量Gairを減少させることができる。そして、排気弁２８の作用角EX2を増減することで、筒内に充填されるEGRガスの量Gegrを調整し、その結果として、空気量Gairを調整することができる。また、図７に示すバルブタイミングの一例では、閉じ時期EVC2を固定としたまま開き時期EVC1を調整することで、排気弁２８の作用角EX2を増減させている。
【００４５】
図８は、上述の排気弁２８の２回開き制御を伴って実行される過給リーン燃焼運転からストイキ燃焼運転への切り替え時の動作を表したタイムチャートである。なお、図８は、一例として、運転モードの切り替えの前後で目標トルクが変化しない場合の動作を示している。
【００４６】
排気弁２８の２回開き制御を伴う本実施形態の制御は、次のような態様で実行される。すなわち、燃焼サイクルCYL1において過給リーン燃焼運転からストイキ燃焼への切り替え要求を検知した場合には、燃料噴射量の切り替えおよび排気弁２８の２回開き制御の開始の双方が間に合う直近の気筒の燃焼サイクルである燃焼サイクルCYL2'において空燃比が速やかに理論空燃比に切り替えられるとともに、排気弁２８の２回開き制御が開始される。燃焼サイクルCYL2'における排気弁２８の作用角EX2は、EGRガスの導入による空気の導入の制限によって実空気量Gairが切り替え後のストイキ燃焼運転での要求空気量Gair_reqに近づけるようにするための値に調整される。なお、以下、切り替え後のストイキ燃焼運転での要求空気量Gair_reqのことを、単に「ストイキ要求空気量Gair_req」と略する。
【００４７】
図８に示すように、筒内にそれぞれ充填された空気量GairとEGRガス量Gegrとの和が合計の筒内充填ガス量Gtotalである。燃焼サイクルCYL2'のための排気弁２８の作用角EX2の上記調整を行うことは、開弁期間EX2が設けられていない場合であれば筒内に充填されるはずの空気の流入をEGRガスの流入によって制限することに相当する。このため、ストイキ要求空気量Gair_req相当の量に実空気量Gairを減少させることができる。そのうえで、燃焼サイクルCYL2'の空燃比がストイキ要求空気量Gair_reqの下で理論空燃比を実現するために必要な量の燃料が噴射される。その結果、図８に示すように、燃焼サイクルCYL2'において直ちに空燃比を理論空燃比に切り替えた場合であっても、目標トルクを超える余剰なエンジントルクが生じることを抑制できる。
【００４８】
また、WGV４８の開放に伴う吸気マニホールド圧Pimの応答遅れ期間τＤ’（すなわち、時間経過とともに要求吸気マニホールド圧Pim_reqに向けて実吸気マニホールド圧Pimが低下していく期間であり、本発明における「吸気ポート圧低下期間」に相当）中は、筒内への空気の流入を制限するために必要とされるEGRガス量Gegrは、時間経過（燃焼サイクルの経過）とともに減少していく。そこで、本実施形態の制御では、応答遅れ期間τＤ’中は、実空気量Gairをストイキ要求空気量Gair_req相当に維持できるようにしつつ燃焼サイクルの経過に伴ってEGRガス量Gegrが減少するように排気弁２８の作用角EX2が減らされていく。そして、実吸気マニホールド圧Pimが要求吸気マニホールド圧Pim_reqに到達した燃焼サイクルCYLn'では、排気弁２８の２回開き制御が終了される。
【００４９】
（実施の形態１の具体的な処理）
図９は、本発明の実施の形態１における運転モードの切り替え制御を実現するためにECU６０により実行されるルーチンを示すフローチャートである。本ルーチンは、所定の起動タイミングが到来する度に実行されるものとする。以下に説明する処理は、筒内圧センサ２４により検出される筒内圧を利用した燃焼解析結果（後述のCA50）を利用した制御を含んでいる。このため、ここでは、上記起動タイミングは、一例として燃焼が終了した後のタイミングである排気弁２８の開き時期EVO1であるものとする。
【００５０】
図９に示すルーチンでは、ECU６０は、まず、ステップ１００に進み、過給リーン燃焼運転からストイキ燃焼運転への運転モードの切り替え要求があるか否かを判定する。具体的には、上述のように、内燃機関１０の目標動作点は、アクセル開度に基づいて決定された目標トルクと目標エンジン回転速度とに基づいて定まる。本ステップ１００では、アクセルポジションセンサ５６を用いて最新のアクセル開度が検出される。そして、アクセル開度に基づく目標動作点が過給リーン燃焼領域からストイキ燃焼領域に移動したことが認められた場合には、上記切り替え要求があると判定される。また、目標動作点が過給リーン燃焼領域からストイキ燃焼領域に移動してから実際の動作点が目標動作点に到達するまでの間についても、上記切り替え要求があると判定される。ステップ１００の判定が不成立となる場合には、ECU６０は、今回の処理サイクルを速やかに終了させる。
【００５１】
ステップ１００の判定が成立する場合には、ECU６０は、ステップ１０２に進む。ステップ１０２では、切り替え後のストイキ燃焼運転における目標トルクを理論空燃比の下で実現するために必要な値としてストイキ要求空気量Gair_reqが算出される。
【００５２】
次に、ECU６０は、ステップ１０４に進み、ステップ１００の処理により検知された切り替え要求が、切り替え後のストイキ要求空気量Gair_reqが切り替え前の要求空気量Gair_reqよりも少なくなる態様での切り替え要求であるか否かを判定する。その結果、ECU６０は、本判定が不成立となる場合には今回の処理サイクルを速やかに終了させる。一方、ステップ１００の判定に続いてステップ１０４の判定が成立した場合には、ECU６０は、本ルーチンによる制御対象となる切り替え要求があると判断し、ステップ１０６に進む。
【００５３】
ステップ１０６では、第２吸気圧力センサ４４により検出される実吸気マニホールド圧Pimが切り替え後のストイキ燃焼運転における要求吸気マニホールド圧Pim_reqに到達したか否かを判定する。要求吸気マニホールド圧Pim_reqは、ストイキ要求空気量Gair_reqに対応する要求スロットル開度の下でストイキ要求空気量Gair_reqを実現するために必要な値として算出される。なお、要求スロットル開度自体は、例えば、図５に示す関係を参照して算出することができる。
【００５４】
ステップ１０６においてPimが未だPim_reqに到達していないと判定した場合には、ECU６０は、ステップ１０８に進み、本ルーチンの今回の処理サイクルがステップ１０４の判定成立後（すなわち、制御対象となる切り替え要求の検知後）の初回の処理サイクルであるか否かを判定する。
【００５５】
ステップ１０８において初回の処理サイクルであると判定した場合には、ECU６０は、ステップ１１０に進む。ステップ１１０では、吸気マニホールド圧Pimを低下させるために、WGV４８の開弁指示が実行される。要求されたストイキ燃焼領域が自然吸気領域に該当する場合には、要求WGV開度として最大開度が選択される。要求されたストイキ燃焼領域が過給領域に該当する場合には、スロットルバルブ３８を全開開度とした状態でストイキ要求空気量Gair_reqを実現可能な開度が要求WGV開度として選択される。本ステップ１１０の開弁指示が出されると、WGV４８は直ちに要求WGV開度が得られるように駆動される。
【００５６】
次に、ECU６０は、ステップ１１２に進む。ステップ１１２では、要求されたストイキ燃焼領域が自然吸気領域に該当するか否かが判定される。その結果、ECU６０は、本判定が成立する場合にはステップ１１４に進み、本判定が不成立となる場合にはステップ１１６に進む。
【００５７】
ステップ１１４では、ストイキ要求空気量Gair_reqに対応する要求スロットル開度となるようにスロットルバルブ３８を閉じる指示が実行される。この閉弁指示が出されると、スロットルバルブ３８は直ちに要求スロットル開度が得られるように駆動される。ステップ１１６では、目標空燃比が理論空燃比に変更される。
【００５８】
次に、ECU６０は、ステップ１１８に進み、排気弁２８の２回開き制御に用いる排気弁２８の要求作用角EX2_reqが算出される。上述のように、開弁期間EX1での通常の開閉に加え、吸気行程において開弁期間INと重なる態様で開弁期間（作用角）EX2を設けることにより、排気ポート１８ａから筒内へのEGRガスの流入によって吸気ポート１６ａからの空気の流入を妨げる作用を得ることができる。この作用を利用して空気量Gairをストイキ要求空気量Gair_reqに減少させるために必要な作用角EX2を、要求作用角EX2_reqと称する。このような要求作用角EX2_reqと、吸気マニホールド圧Pim、タービン３６ｂの上流側の排気圧力である排気マニホールド圧（＝排気ポート圧力）Pem、エンジン回転速度およびストイキ要求空気量Gair_reqとの関係が予め実験等により定められ、ECU６０には、そのような関係を定めたマップが記憶されている。
【００５９】
なお、上記のように予め設定される要求作用角EX2_reqは、図７に示す一例のように、閉じ時期EVC2を固定としつつ開き時期EVO2を調整することによって作用角EX2が変更される態様で設定されるものに限られない。すなわち、要求作用角EX2_reqは、EGRガスの上述の作用を利用して空気量Gairをストイキ要求空気量Gair_reqに減少させるために必要な作用角EX2として定められるという条件を満たすものであればよく、さらには、上記一例のように開弁期間EX2のすべてが開弁期間INと重なるようになっていることも必ずしも必要とはされず、開弁期間EX2の少なくとも一部が開弁期間INと重なるようになっていればよい。したがって、要求作用角EX2_reqは、例えば、上記一例とは逆に、開き時期EVO2を固定としつつ閉じ時期EVC2を調整する手法を用いて設定されていてもよいし、さらには、上記条件を満たす範囲内で開き時期EVO2と閉じ時期EVC2の双方を自由に調整する手法を用いて設定されていてもよい。
【００６０】
本ステップ１１８では、上述のように吸気マニホールド圧Pim、排気マニホールド圧Pem、エンジン回転速度およびストイキ要求空気量Gair_reqと、要求作用角EX2_reqとの関係を規定したマップに基づいて、現在の吸気マニホールド圧Pim、排気マニホールド圧Pem、エンジン回転速度およびストイキ要求空気量Gair_reqに対応する要求作用角EX2_reqが算出される。ここで用いられる吸気マニホールド圧Pimおよびエンジン回転速度は、第２吸気圧力センサ４４およびクランク角センサ５８を用いてそれぞれ取得することができる。ストイキ要求空気量Gairはステップ１０２で算出される値を用いることができる。排気マニホールド圧Pemは、例えば、公知の手法により、第１吸気圧力センサ４２により検出される過給圧と、エアフローセンサ３４により検出される吸入空気流量と、タービン下流圧力とに基づいて推定することができるし、別途センサを備えて検出することもできる。なお、タービン下流圧力は、例えば、公知の手法により、エアフローセンサ３４により検出される吸入空気流量に基づいて推定することができる。
【００６１】
次に、ECU６０は、ステップ１２０に進み、排気弁２８の２回開き制御に関する指示、より具体的には、上記のように算出された要求作用角EX2_reqに基づく吸気行程での排気弁２８の開閉を要求する指示と、排気弁２８の閉じ時期EVC1を排気上死点に制御する指示とを実行する。この指示は、今回の処理サイクルを起動したときに閉じ時期EVO1が到来した気筒Ａに対して速やかに反映される。その結果、排気可変動弁機構３０は、閉じ時期EVC1が排気上死点となるように気筒Ａの排気弁２８を駆動するとともに、この閉じ時期EVC1に続く吸気行程を有する燃焼サイクルＡにおいて要求作用角EX2_reqに従って気筒Ａの排気弁２８を開閉駆動する。これにより、排気弁２８の２回開き制御が実行される。開弁期間EX1と開弁期間INとのバルブオーバーラップ期間OL1に関し、上記２回開き制御によれば、切り替え前の過給リーン燃焼運転時にバルブオーバーラップ期間OL1が設定されていた場合には当該バルブオーバーラップ期間OL1がゼロに解消される。また、切り替え前にバルブオーバーラップ期間OL1が設けられていなかった場合（閉じ時期EVC1が既に排気上死点に設定されていた場合）には、当該バルブオーバーラップ期間OL1をゼロとする状態が維持される。
【００６２】
次に、ECU６０は、ステップ１２２に進み、ストイキ要求空気量Gair_reqの下で現在の目標空燃比である理論空燃比を実現するために必要な量で、燃焼サイクルＡでの燃料噴射量を指示する。その結果、燃料噴射弁２０は、所定の噴射タイミングにおいて上記指示に従った量で燃料噴射を実行する。
【００６３】
一方、ステップ１０８において今回の処理サイクルが切り替え要求の検知後の初回の処理サイクルではないと判定した場合には、ECU６０は、ステップ１２４の処理を実行したうえで、ステップ１１８に進む。ステップ１２４では、CA50フィードバック制御が実行される。筒内圧センサ２４とクランク角センサ５８とを利用することで、クランク角同期での筒内圧データを取得することができる。この筒内圧データと熱力学第１法則とを用いることで、所定クランク角度毎の筒内の熱発生量Qのデータを算出することができる。そして、算出された熱発生量Qのデータを用いて、任意のクランク角度θにおける燃焼質量割合MFBを次の（１）式にしたがって算出することができる。このような手法によって、後述の図１０に示すように、クランク角度θに対するMFBのデータの波形を取得することができる。
【数１】
2017057770.tif 000003
ただし、上記（１）式において、θminは燃焼開始点であり、θmaxは燃焼終了点である。
【００６４】
図１０は、CA50フィードバック制御の概要を説明するための図である。CA50とは、MFBが50%となる時のクランク角度、すなわち、燃焼重心点のことであり、上述のように取得されるMFBのデータを用いて取得することができる。図１０中に示す破線は、筒内へのEGRガスの導入がない場合におけるMFBデータの波形を表している。一方、一点鎖線は、筒内へのEGRガスの導入を行いつつ、破線の波形の燃焼と同じ点火時期SA1を用いて燃焼が行われた場合におけるMFBデータの波形を表している。なお、図１０に示す燃焼は、切り替え後の運転モードであるストイキ燃焼運転を対象としたものである。
【００６５】
図１０中の破線と一点鎖線とを比較すると分かるように、EGRガスの導入が行われた場合には、燃焼が緩慢となるため、EGRガスの導入がない場合の着火遅れ期間（SA1-θmin1）および燃焼期間（θmin1-θmax1）と比べて、着火遅れ期間（SA1-θmin2）および燃焼期間（θmin2-θmax2）がそれぞれ長くなる。その結果、EGRガスの導入がある場合のCA50_2は、EGRガスの導入がない場合のCA50_1と比べて遅角側の値となる。
【００６６】
ストイキ燃焼運転では、EGRガスの導入がない条件の下で、内燃機関１０が最も効率良く燃焼を行える燃焼重心点としてのCA50_1が得られるように点火時期SA1が設定されている。すなわち、点火時期SA1はストイキ燃焼の下でのMBT点火時期に相当する。したがって、EGRガスの導入がある時に点火時期がSA1のままであると、上述のようにCA50のずれが生じる。CA50フィードバック制御は、このようなCA50のずれを解消するために点火時期SAを調整するというものである。
【００６７】
具体的には、ストイキ燃焼運転時の目標CA50は、EGRガスの導入がない条件の下で内燃機関１０が最も効率良く燃焼を行える燃焼重心点として、空気量Gairおよびエンジン回転速度に応じた値で設定されている。そして、本フィードバック制御では、筒内圧センサ２４を利用して取得されるMFBデータに基づいて算出されたCA50（実CA50）と目標CA50との差が無くなるように点火時期SAが制御される。図１０に示す例に上記フィードバック制御が適用された場合には、実CA50に相当するCA50_2と目標CA50に相当するCA50_1との差を解消するために、点火時期がSA1からSA2に進角される。これにより、点火時期SAがEGRガスの導入を伴う条件の下でのMBT点火時期に近づけられることになる。このため、図１０中に実線で示すように、燃焼重心点CA50を含めて燃焼をEGRガスの導入がない場合の燃焼に近づけることができる。その結果、排気弁２８の２回開き制御に伴う燃焼の悪化、およびトルク変動を抑制することができる。また、燃焼の悪化抑制により、運転モードの切り替え前後でのトルク段差をより精度良く行えるようになる。
【００６８】
本ルーチンでは、制御対象となる切り替え要求の検知後に各気筒の燃焼サイクル毎にステップ１２４および１１８〜１２２の処理が繰り返し実行されていく過程で、実吸気マニホールド圧Pimが要求吸気マニホールド圧Pim_reqに到達した場合には、ECU６０は、排気弁２８の２回開き制御のための指示を始めとして、今回の切り替え要求に対して行うべき処理を終了する。
【００６９】
図１１は、図９に示すルーチンの処理の実行を伴って過給リーン燃焼運転からストイキ燃焼運転への運転モードの切り替えが行われた場合の動作の一例を示すタイムチャートである。このタイムチャートには、空燃比（A/F）、目標トルク、筒内の空気量（新気量）Gair、吸気行程中の排気弁２８の作用角（開弁期間）EX2、作用角EX2の下で筒内に充填される排気ガス（EGRガス）の量Gegr、吸気マニホールド圧（サージタンク圧）Pim、WGV開度、およびスロットル開度の時刻による変化が示されている。図１１は、運転モードの切り替えの前後の目標トルクが一定であって、過給リーン燃焼領域からストイキ燃焼領域内の自然吸気領域への切り替えが行われるときの動作を例示したものである。
【００７０】
図１１中に示す時刻T0において運転モードの切り替え要求が検知されると、目標空燃比が過給リーン燃焼運転でのリーン空燃比から理論空燃比に変更される。また、過給圧を下げることによって吸気マニホールド圧Pimを下げるために、WGV開度が最大開度に制御される。さらに、ストイキ要求空気量Gair_reqを実現する開度となるようにスロットル開度が制御される。その結果、実吸気マニホールド圧Pimが図１１に示すように低下していく。
【００７１】
図１１中に示す時刻T1は、実吸気マニホールド圧Pimがストイキ燃焼運転での要求吸気マニホールド圧Pim_reqに到達するタイミングに相当する。したがって、時刻T1と時刻T0との差として特定される時間（T0-T1）が、上述の応答遅れ期間（吸気ポート圧低下期間）τD’に相当する。吸気マニホールド圧Pimの応答遅れの存在により、本実施形態の排気弁２８の２回開き制御が実行されない場合であれば、筒内に充填される空気量Gairの応答遅れについても、図１１中に破線で示すように応答遅れ期間τD’中に生じることになる。
【００７２】
これに対し、本実施形態の排気弁２８の２回開き制御によれば、切り替え要求が検知された時刻T0よりも後に吸気行程が到来するサイクルから応答遅れ期間τD’の経過直前のサイクルまで、筒内の空気量Gairをストイキ要求空気量Gair_reqにさせられる作用角（開弁期間）EX2を用いて吸気行程中に排気弁２８が開閉される。そして、この作用角EX2は、応答遅れ期間τD’中の実吸気マニホールド圧Pimの低下に伴って、空気量Gairが要求空気量Gair_reqであることを満たすことを条件としつつ減少されていく。これに伴い、筒内に充填されるEGRガスの量Gegrについても、初回の燃焼サイクルでの値をピークとして、実Pimの低下に伴って減少していく。
【００７３】
その後、時刻T1において実Pimが要求Pim_reqに到達した場合には、作用角EX2の設定が停止され、排気弁２８の２回開きによって導入されるEGRガスの量Gegrはゼロとなる。また、応答遅れ期間τD’中には、ストイキ要求空気量Gair_reqの下で理論空燃比を実現するために必要な量となるように燃料噴射量が制御され、これにより、切り替え要求を受けて、実空燃比が直ちに理論空燃比に制御される。
【００７４】
以上説明したように、本実施形態の制御によれば、開弁期間EX1と開弁期間INとのバルブオーバーラップ期間OL1は設けられず、かつ、吸気行程中に開弁期間INと重なる態様で開弁期間EX2が設定される。これにより、排気上死点付近で吸気ポート１６ａから燃焼室１４を介した排気ポート１８ａへの空気（新気）の吹き抜けを抑制することができ、また、吸気行程中のEGRガスの流入を利用することによって筒内に充填される空気の量Gairをストイキ要求空気量Gair_reqにまで速やかに（燃焼サイクル単位で）減少させることができる。これにより、過給リーン燃焼運転からストイキ燃焼運転への切り替えの要求検知とともに直ちに空燃比を理論空燃比に切り替えた場合であっても、点火時期の遅角に頼ることなく、エンジントルクに段差が生じることを抑制できるようになる。また、過給リーン燃焼運転時に目標とするリーン空燃比から理論空燃比にステップ的に切り替えられるので、切り替えに伴ってNOx排出量の多い空燃比域を使用する燃焼を経験することが回避される。このため、本実施形態の制御によれば、NOx排出量の増加を抑制しつつ運転モードを切り替えることができる。
【００７５】
なお、上述した実施の形態１においては、開弁期間EX1および開弁期間EX2が本発明における「第１開弁期間」および「第２開弁期間」にそれぞれ相当している。また、ECU６０がステップ１１０の処理を実行することにより本発明における「ウェイストゲートバルブ制御手段」が実現されており、ECU６０がステップ１１８および１２０の処理を実行することにより本発明における「排気弁制御手段」が実現されており、そして、ECU６０がステップ１２２の処理を実行することにより本発明における「燃料噴射制御手段」が実現されている。
【００７６】
実施の形態２．
次に、図１２〜図１４を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
【００７７】
［実施の形態２のシステム構成］
（システム全体の構成）
実施の形態２のシステムは、後述のように、排気可変動弁機構３０が排気可変動弁機構８０に置き換えられている点を除き、上述した実施の形態１のシステムと同様に構成されているものとする。
【００７８】
（実施の形態２の排気可変動弁機構の構成）
上述した実施の形態１においては、排気弁２８の上記２回開き制御の実現のために、図２に示す構成を有する排気可変動弁機構３０を用いた例について説明を行った。しかしながら、本発明の対象となる排気可変動弁機構の具体的な構成は、同一気筒に備えられる１または複数の排気弁の開弁期間として、排気行程を含みかつ排気上死点を終了点とする第１開弁期間と、当該排気行程に続く吸気行程中に上記１または複数の排気弁のうちの１つもしくはすべてが開閉する第２開弁期間とを設定可能であり、かつ、第２開弁期間における上記１つもしくはすべての排気弁の開弁特性を変更可能なものであれば、特に限定されるものではない。本実施形態では、排気可変動弁機構３０の代わりとなる機構の一例として、内燃機関１０が備える動弁装置は、以下に説明する構成を有する排気可変動弁機構８０を含んでいる。
【００７９】
図１２は、本発明の実施の形態２における排気可変動弁機構８０の概略構成を表した図である。排気可変動弁機構８０は、排気弁８２を駆動するカム８４が固定されたカムシャフト８６を電動機８８によって駆動するタイプの公知の機構である。４つの気筒（#1〜#4）を備える内燃機関１０では、#1→#4→#3→#2という爆発順序で燃焼が行われる。排気可変動弁機構８０は、より具体的には、気筒#2および気筒#3が備える排気弁８２を駆動する排気可変動弁機構８０ａと、気筒#1および気筒#4が備える排気弁８２を駆動する排気可変動弁機構８０ｂとによって構成されている。
【００８０】
カムシャフト８６は、気筒#2および気筒#3用のカム８４が固定されたカムシャフト８６ａと、気筒#1および気筒#4用のカム８４が固定されたカムシャフト８６ｂとによって構成されている。カムシャフト８６ａは、気筒#2および気筒#3の上部に配置されており、カムシャフト８６ｂは、２つに分割された状態で気筒#1および気筒#4の上部に配置されている。２つに分割されたカムシャフト８６ｂは、中空のカムシャフト８６ａ内に挿通された連結部材（不図示）を介して連結され、一体的に回転するように構成されている。このような構成により、カムシャフト８６ａとカムシャフト８６ｂとは互いに独立して回転することができる。
【００８１】
排気可変動弁機構８０ａが備える電動機８８ａの駆動力は、ギヤ９０およびギヤ９２を介してカムシャフト８６ａに伝達され、排気可変動弁機構８０ｂが備える電動機８８ｂの駆動力は、ギヤ９４を介してカムシャフト８６ｂに伝達される。電動機８８ａおよび８８ｂのそれぞれには、その回転位置（回転角度）を検出するための回転角検出センサが内蔵されている。そして、電動機８８ａおよび８８ｂはECU６０に電気的に接続されており、それらの回転速度および回転角度は、ECU６０によって制御される。ECU６０によって電動機８８ａおよび８８ｂの回転速度および回転角度を制御することにより、カム８４の回転速度および回転角度をそれぞれ制御することができる。また、各気筒の排気弁８２は、スプリング（不図示）によってカム８４側に付勢されている。そして、カム８４からの押圧力は、バルブリフタ９６を介して排気弁８２に伝達される。
【００８２】
図１３は、図１２に示す排気可変動弁機構８０が有する２つの駆動モードを説明するための図である。排気可変動弁機構８０は、カム８４の駆動モードとして、正転駆動モードと揺動駆動モードとを備えている。正転駆動モードは、電動機８８を一方向に連続回転させることにより、図１３に示すようにカム８４を一方向に連続回転させるモードである。揺動駆動モードは、カム８４がバルブリフタ９６を押し始めた後にカム８４のノーズの頂点Pがバルブリフタ９６に接する前に、電動機８８の回転方向を切り替えて図１３に示すようにカム８４を往復運動させるモードである。
【００８３】
正転駆動モードによれば、カム８４のノーズ高さ相当の最大リフト量（より具体的には、排気弁８２の１回のリフト中に得られるリフト量のピーク値である最大リフト量の最大値）が得られるリフトカーブで排気弁８２を駆動することができる。そして、電動機８８の回転速度の変更によってカム８４の回転速度を変更することにより、最大リフト量をその最大値で一定としつつ作用角を変更することができる。
【００８４】
揺動駆動モードによれば、カム８４の回転速度とともに、電動機８８の回転角度の制御によってカム８４が揺動する角度範囲を制御することにより、排気弁８２の作用角および最大リフト量を変更することができる。さらに、揺動駆動モードの使用時には、最大リフト量に到達するときの角度でカム８４の回転角度を一時的に保持し、かつその保持時間を変更するように電動機８８を制御することにより、もしくは、カム８４が揺動する角度範囲を一定としつつカム８４の回転速度を変更することにより、最大リフト量を一定としつつ作用角を調整することもできる。さらに、カム８４の回転速度と揺動角度範囲とを適切に変更することにより、作用角を一定としつつ最大リフト量を調整することもできる。以上のように、揺動駆動モードによれば、排気弁８２の作用角および最大リフト量のうちの少なくとも一方を変更することができる。
【００８５】
そして、電動機８８の回転速度および回転角度は、ECU６０からの指令に基づいて高い自由度で制御できるので、ECU６０は、カム８４の回転速度および回転角度を高い自由度で制御することができる。したがって、排気可変動弁機構８０によれば、通電を任意に制御することにより、排気弁８２の開き時期および閉じ時期のそれぞれを任意のタイミングに制御することができる。その結果として、排気弁８２の作用角（開弁期間の長さ）を連続的かつ自在に制御することができ、また、作用角とともに、あるいは作用角に代え、最大リフト量を連続的かつ自在に変更することができる。また、電動機８８の通電タイミングを任意に設定することで、１燃焼サイクル中の排気弁８２の開弁期間を任意の回数で設定することもできる。さらに付け加えると、排気可変動弁機構８０による排気弁８２の開弁特性の変更には、以上のように、開き時期および閉じ時期の一方もしくは双方の変更（そして、それに伴う作用角の変更）、ならびに最大リフト量の変更が該当する。
【００８６】
［実施の形態２の制御］
（実施の形態２の制御の概要）
本実施形態の排気弁８２の２回開き制御においても、１回目の開弁期間EX1の終了点が排気上死点とされ、かつ、吸気行程において吸気弁２６の開弁期間INと重なるように２回目の開弁期間EX2が設定される。排気可変動弁機構８０によれば、開弁期間EX1は、上述の正転駆動モードを用いて設定することができ、開弁期間EX2は、揺動駆動モードもしくは正転駆動モードを用いて設定することができる。
【００８７】
図１４は、本発明の実施の形態２において過給リーン燃焼運転からストイキ燃焼運転への切り替え時に用いられる排気弁８２の２回開き制御の概要を説明するための図である。図１４に示す一例では、開弁期間EX2は、揺動駆動モードを用いて設定されている。より具体的には、閉じ時期EVC2を一定としつつ開き時期EVO2が変更されるという態様で、作用角EX2が変更され、この作用角EX2の変更に連動して最大リフト量が変更される。なお、本実施形態では、同一気筒に対して配置される２つの排気弁８２の双方が開弁期間EX1および開弁期間EX2において開閉されるものとする。
【００８８】
（実施の形態２の具体的な処理）
上述した実施の形態１の制御では、応答遅れ期間τD’（吸気ポート圧低下期間）中に空気量Gairがストイキ要求空気量Gair_reqに近づくようにするために行われる開弁期間EX2に関する排気弁２８の開弁特性の制御には、排気弁２８の作用角EX2の制御が相当している。これに対し、図１４に示す制御例の場合には、開弁期間EX2に関する排気弁８２の開弁特性の制御としては、排気弁８２の作用角EX2の制御とともに最大リフト量の制御も該当する。したがって、本実施形態における排気弁の２回開き制御を伴う運転モードの切り替え時の具体的な処理は、基本的には、上述した実施の形態１の図９に示すルーチンの処理と同様のものでよいが、ステップ１１８における要求作用角EX2_reqの算出処理に代えて、排気弁８２の要求作用角EX2_reqと要求最大リフト量とを事前に定めたマップに従って算出する処理を行うことが必要となる。
【００８９】
ところで、上述した実施の形態１および２においては、同一気筒に対して配置される２つの排気弁２８もしくは排気弁８２の双方が開弁期間EX1および開弁期間EX2において開閉される例について説明を行った。しかしながら、本発明における第２開弁期間に相当する開弁期間EX2において開閉駆動される排気弁は、同一気筒に対して複数配置される排気弁のうちのすべてに限られず、複数配置される排気弁のうちの何れか１つであってもよい。ただし、この場合には、１つの排気弁の作用角等の開弁特性の制御によってEGRガスを導入して空気量Gairを調整する必要がある。このため、ある量だけ空気を減少させるために必要とされる開弁特性の調整量は、例えば、作用角であれば、すべての排気弁を制御対象とする場合と比べて大きくする必要がある。また、同一気筒に対して備えられる排気弁の数は、排気弁２８もしくは８２のように２つに限られず、１つ、もしくは３つ以上であってもよい。
【００９０】
また、上述した実施の形態１および２においては、排気弁２８もしくは８２の２回開き制御を実行する際に開弁期間EX1と開弁期間INとのバルブオーバーラップ期間OL1をゼロとするために、吸気弁２６が排気上死点において開くという前提の下で、排気弁２８もしくは８２の閉じ時期EVC1を排気上死点に制御する例について説明を行った。しかしながら、バルブオーバーラップ期間OL1をゼロとするための制御は、排気弁２８もしくは８２の閉じ時期EVC1の制御によるものに限られない。すなわち、吸気弁２６の開き時期IVOを変更可能とする吸気可変動弁機構を備えるようにし、閉じ時期EVC1の制御に代え、あるいはそれとともに開き時期IVOの制御を行うことによって、バルブオーバーラップ期間OL1をゼロにしてもよい。また、本発明の対象となる内燃機関が備える排気可変動弁機構の構成次第では、閉じ時期EVC1は可変の対象とされずに固定されたものであってもよい。また、排気上死点付近での吸気の吹き抜けを抑制するためのバルブオーバーラップ期間OL1の調整は、これをゼロに制御するものに限られず、例えば、閉じ時期EVC1は排気上死点としつつ、吸気弁２６を排気上死点よりも遅いタイミングにおいて吸気行程に開くことによって、いわゆる負のバルブオーバーラップ期間OL1を設定するものであってもよい。そして、この負のバルブオーバーラップ期間OL1は、排気弁の２回開き制御を実行する際に可変動弁機構を用いて設定されるものであってもよいし、可変の対象とされていないものであってもよい。
【符号の説明】
【００９１】
１０  内燃機関
１２  ピストン
１４  燃焼室
１６  吸気通路
１６ａ  吸気ポート
１８  排気通路
１８ａ  排気ポート
２０  燃料噴射弁
２２  点火プラグ
２４  筒内圧センサ
２６  吸気弁
２８、８２  排気弁
２９  吸気動弁機構
３０、８０（８０ａ、８０ｂ）  排気可変動弁機構
３４  エアフローセンサ
３６  ターボ過給機
３６ａ  コンプレッサ
３６ｂ  タービン
３８  スロットルバルブ
４２  第１吸気圧力センサ
４４  第２吸気圧力センサ
４６  排気バイパス通路
４８  ウェイストゲートバルブ（WGV）
５０  空燃比センサ
５６  アクセルポジションセンサ
５８  クランク角センサ
６０  電子制御ユニット（ECU）
６２  アーマチャ
６４、６６  電磁石
６８  電気駆動ユニット（EDU）
７０、７２  スプリング
８４  カム
８６（８６ａ、８６ｂ）  カムシャフト
８８（８８ａ、８８ｂ）  電動機
【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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