(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気弁の作動角を変更する作動角変更機構と、
上記吸気弁の作動角の中心位相を変更する位相変更機構と、
点火時期を変更する点火時期変更手段と、
所定レベルのノッキングの発生を検出するノッキング検出手段と、
上記吸気弁の実作動角を検出又は推定する作動角取得手段と、
上記吸気弁の実中心位相を検出又は推定する位相取得手段と、
を有し、
上記ノッキングを検出したとき、上記点火時期を所定のリタード量だけ遅角するとともに、上記作動角及び中心位相の目標値を設定し、これらの目標値へ向けて作動角変更機構と位相変更機構の駆動制御を開始し、
かつ、上記ノッキングの検出から上記実作動角及び実中心位相が上記目標値へ到達するまでの期間、上記実作動角及び実中心位相に応じて、上記点火時期を進角していくことを特徴とする内燃機関のノッキング制御装置。
【請求項２】
機関がアイドル域を含む所定負荷以下の極低負荷域又は一定速域にあり、少なくとも吸気弁の閉時期が下死点よりも進角している第１の運転状態で、ノッキングを検出したとき、中心位相を進角させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のノッキング制御装置。
【請求項３】
上記第１の運転状態でノッキングを検出したとき、吸気弁の開時期を略一定に保つように、上記中心位相の進角に応じて作動角を縮小させること特徴とする請求項２に記載の内燃機関のノッキング制御装置。
【請求項４】
機関が低速高負荷域にあり、少なくとも吸気弁の閉時期が略下死点近傍に位置する第３の運転状態で、ノッキングを検出したとき、中心位相を遅角させることを特徴とする請求頃１〜３のいずれかに記載の内燃機関のノッキング制御装置。
【請求項５】
上記第３の運転状態でノッキングを検出したとき、吸気弁の開時期を略一定に保つように、上記中心位相の遅角に応じて作動角を拡大させることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関のノッキング制御装置。
【請求項６】
機関が高速域にあり、少なくとも吸気弁の閉時期が下死点よりも遅角している第４の運転状態で、ノッキングを検出したとき、吸気弁の中心位相を遅角させることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の内燃機関のノッキング制御装置。
【請求項７】
上記第４の運転状態でノッキングを検出したとき、吸気弁の開時期を略一定に保つように、上記中心位相の遅角に応じて作動角を拡大させることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関のノッキング制御装置。
【請求項８】
上記作動角変更機構は、クランクシャフトと連動して回転する駆動軸と、この駆動軸の外周に揺動可能に外嵌して吸気弁を駆動する揺動カムとの間に設けられるものであって、
上記駆動軸に偏心して設けられ、この駆動軸と一体的に回転する駆動カムと、
この駆動カムの外周に相対回転可能に外嵌する第１のリンクと、
上記駆動軸と略平行に気筒列方向へ延在する制御軸と、
この制御軸に偏心して設けられ、この制御軸と一体的に回転する制御カムと、
この制御カムの外周に相対回転可能に外嵌するとともに、一端が第１のリンクと相対回転可能に連結するロッカーアームと、
このロッカーアームの他端及び揺動カムの先端と回転可能に連結する第２のリンクと、
吸気弁の作動角及びバルブリフト量を変化させるように、上記制御軸を回転駆動する作動角変更用アクチュエータと、
を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の内燃機関のノッキング制御装置。
【請求項９】
上記位相変更機構は、
上記クランクシャフトと同期して回転する外筒部と、
この外筒部と同軸上に配置されるとともに、吸気弁を開閉駆動する駆動軸と一体的に回転する内筒部と、
これら外筒部と内筒部との間に介装される環状のプランジャと、
これら内筒部と外筒部の相対的な回転位相を変化させるように、上記プランジャを内，外筒部の軸方向へ駆動する位相変更用アクチュエータと、
を有することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の内燃機関の吸気弁駆動制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、自動車用ガソリン機関に代表される火花点火式内燃機関のノッキングを抑制するノッキング制御装置に関し、さらに詳しくは、吸気弁の作動角変更機構及び位相変更機構の双方を備えた内燃機関のノッキング制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ノッキングは、内燃機関の使用条件の中でも特に厳しい高温かつ高負荷の条件下で発生することが多い。つまり、吸入空気の温度そのものがシリンダの内壁やピストンなどとの熱交換により高温化し、圧縮された状態で火炎伝播を待つ間に、未燃混合気が自発火し、燃焼速度が異常に高くなることにより、特有のノック音が生じ、かつ高速化した火炎が高い熱伝達率でピストンやバルブなどの局所的な温度を急激に上昇させ、その耐久性を低下させてしまうのである。このようにノッキングは、圧縮混合気の温度が上昇することによって発生しやすくなるが、高負荷状態が続いて内燃機関の冷却水温が上昇しているときなどに特に発生しやすい。
【０００３】
このようなノッキングを回避するには、機関の圧縮比を低く設定することが最も確実ではあるが、それでは熱効率が低下し、燃費が悪化する。そこで、近年の自動車用ガソリン機関の多くは、圧縮比を比較的高く設定し、かつノッキングの発生をノックセンサ等で検出して、ノッキング発生時に点火時期を遅角させることによって、ノッキングの抑制と高圧縮比化との両立を図っている。
【０００４】
しかし、このような点火時期の遅角によるノッキング回避は、応答性がよく、ノッキング回避そのものには適しているが、その反面、燃焼開始が最適時期から遅れることによる燃費の悪化や、排気温度の上昇による触媒等の耐久性の悪化、などの問題がある。
【０００５】
このような点火時期の遅角による問題を最小限にするために、例えば特開平８−３３８２９５号公報に開示されているように、ノッキング回避のために、機関の吸気側カムシャフトの位相を可変制御し、点火時期の遅角との組み合わせの形で、ノッキング発生時にカムシャフトの位相をクランクシャフトに対し遅らせることで、吸気弁の閉時期を遅らせ、実圧縮比を低下させるようにしたノッキング制御装置が提案されている。つまり、吸気弁の閉時期を遅らせることによる実圧縮比の低下に伴い、充填効率も低下し、圧縮時の混合気温度が低下するとともに、排温の上昇が防止され、ノッキングが抑制されるのである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の特開平８−３３８２９５号公報に開示されているように、ノッキング回避のためにカムシャフトの位相を変化させる構成では、吸気弁の閉時期だけではなく、開時期も同時に同じ角度だけ変化するので、位相の変化量を比較的小さく設定して吸気弁の開時期が上死点付近の狭い範囲で変化するように構成しなければならず、仮にノッキング回避のために閉時期を２０°ＣＡ以上も遅らせるような場合には、吸気弁の開時期が上死点から大幅に遅れ、吸入行程の初期に吸気が入らないことによるポンプ損失の発生などにより、トルクの低下が無視できなくなる。
【０００７】
また、吸気弁の開時期が上死点後となることを避けるために、吸気弁の作動角を予め広く設定すると、ノッキング回避のために遅角させたタイミングにおいては適切な状態となったとしても、ノッキング回避のための遅角を行っていない通常のバルブタイミングにおいては吸気弁開時期が上死点よりも大幅に進んだものとなり、バルブオーバーラップが拡大して、排気行程の末期に吸気側に高温の排気が逆流し、吸気温度を著しく上昇させてしまう。この結果、通常のバルブタイミングの下でのノッキング発生条件が大幅に悪化し、かえってノッキングが発生しやすくなってしまう。
【０００８】
更に、このようにバルブオーバーラップが大きいと、特にターボ過給機を備えた内燃機関では、発進加速のようにターボ過給機の回転速度が上昇途中にある場合に、吸気圧力（過給圧）がいまだ低く、かつ排圧が大幅に高くなっているようなときに、筒内の残留ガス濃度が急増し、充填効率の悪化のみならず耐ノック性も悪化する、という問題が発生する。
【０００９】
このように、単に吸気弁側のカムシャフトの位相を変化させることにより、吸気弁の開時期および閉時期を同位相で遅らせるようにした従来の構成では、ノッキング回避の効果に限界があり、十分なものではない。
【００１０】
一方、本出願人による特開平１１ー０３６９０６号公報では、ノッキング回避のために、主に吸気弁の作動角を拡大・縮小できる作動角変更機構と組み合わせることにより、ノッキング回避の効果を有効に得るようにしたノッキング制御装置が提案されている。しかしながら、このような作動角変更機構のみを用いた場合にも、上述した特開平８−３３８２９５号公報のように位相変更機構のみを用いた場合と同様、変更機構により吸気弁の閉時期を所定の位相に変更したときに、開時期が不可避的に決まってしまい、運転状態等に応じた所望の開時期から大きく外れる虞がある。
【００１１】
ところで、本出願人は、吸気弁の作動角を変化させる作動角変更機構と、吸気弁の作動角の中心位相（中心角）を変化させる位相変更機構とを併用し、主として燃費性能の向上と極小作動角の使用領域の拡大とを図った新たな吸気弁駆動制御装置をこの出願に先行して提案している。
【００１２】
本発明は、このような吸気弁の作動角変更機構及び位相変更機構の双方を併用した場合の新たなノッキング制御装置を提供するものである。すなわち本発明の一つの目的は、単にノック回避の手段として中心位相の遅角や作動角の拡大を組み合わせて行うことにとどまらず、後述するように、２つの変更機構を併用した場合の新たなノック回避の考え方と制御の理論とを提案することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明に係る内燃機関のノッキング制御装置は、
吸気弁の作動角を変更する作動角変更機構と、
上記吸気弁の作動角の中心位相を変更する位相変更機構と、
点火時期を変更する点火時期変更手段と、
所定レベルのノッキングの発生を検出するノッキング検出手段と、
上記吸気弁の実作動角を検出又は推定する作動角取得手段と、
上記吸気弁の実中心位相を検出又は推定する位相取得手段と、
を有し、
上記ノッキングを検出したとき、上記点火時期を所定のリタード量だけ遅角するとともに、上記作動角及び中心位相の目標値を設定し、これらの目標値へ向けて作動角変更機構と位相変更機構の駆動制御を開始し、
かつ、上記ノッキングの検出から上記実作動角及び実中心位相が上記目標値へ到達するまでの期間、上記実作動角及び実中心位相に応じて、上記点火時期を進角していくことを特徴としている。
【００１４】
例えば、機関がアイドル域を含む所定負荷以下の極低負荷域又は一定速（Ｒ／Ｌ）域にあり、吸気弁の閉時期（ＩＶＣ）が下死点よりも進角している第１の運転状態で、ノッキングを検出したとき、好ましくは請求項２に係る発明のように、点火時期を速やかに遅角させる。つまり、点火時期の遅角は一般的に応答性よく行うことが可能で、ノッキングは速やかに抑制される。
【００１５】
同時に、このような点火時期の遅角化による燃費の悪化を避けるために、吸気弁の作動角及び中心位相のそれぞれを維持又は可変制御して、この作動角特性によるノッキング回避へと置き換えていく。この作動角及び中心位相の制御には、機械的な遅れが伴うので、実際の作動角は各アクチュエータ等の作動速度に依存して徐々に変化する。具体的には、吸気弁の実圧縮比（充填効率）が低くなるように、吸気弁の中心位相を進角させる。
【００１６】
より好ましくは請求項３に係る発明のように、吸気弁の開時期（ＩＶＯ）を略一定に保ちながら、実圧縮比を下げるべくＩＶＣが進角するように、上記中心位相の進角に応じて作動角を縮小させる。これにより、実圧縮比が低下し、ノッキングが生じにくいものとなる。なお、通常の温度条件では実圧縮比の過度の低下は燃焼の悪化を招くが、ノッキングが発生するような高温条件では、実圧縮比を低下できる余地は十分にある。
【００１７】
一方、機関が緩加速域で連続運転しているような場合、好ましくはポンプ損失を最大限低減するように、吸気弁の開時期を上死点よりも大きく進角させるとともに吸気弁の閉時期を下死点よりも大きく進角させる。このような第２の運転状態では、吸入負圧は低く、スロットルバルブは全開に近い状態となっているため、ノック発生時に仮にＩＶＣを進角させて実圧縮比を下げた場合、充填効率が低下して加速能力が不足気味になってしまう。
【００１８】
したがって、このような第２の運転状態でノックを検出したときには、トルクの確保が最優先であるから、実圧縮比が上昇するようにＩＶＣを遅角して吸気量を確保するとともに、点火時期の大幅な遅角によってノックを回避することが必要になる。
【００１９】
そこで、第２の運転状態でノッキングを検出したとき、吸気弁の中心位相を遅角させるとともに、この中心位相の遅角に応じて点火時期を徐々に遅角させる。これにより、閉時期を下死点に近づけて、充填効率の向上（すなわち吸気量の増大）を図るとともに、この中心位相の遅角に応じて点火時期を更に遅角側へ徐々に変化させることにより、ノッキングを回避することができる。このとき、吸気弁の開時期の遅角化に伴ってバルブオーバーラップが縮小するため、高温の残留ガスが減少し、ノック回避には有効である。
【００２０】
しかしながら、燃費向上効果を少しでも維持する目的で、バルブオーバーラップを略一定に保つように、上記の中心位相の遅角に応じて作動角を拡大させてもよい。
【００２１】
機関が低速高負荷域にあり、少なくとも吸気弁の閉時期が略下死点近傍に位置する第３の運転状態では、実圧縮比が非常に高く（略最高値）、且つ、下死点近傍ではＩＶＣの遅角化による実圧縮比低下の感度が極めて低い。したがって、この場合も、ＩＶＣの遅角だけでノック回避を行うことは難しく、点火時期を遅角して迅速かつ確実なノック回避を行い、ＩＶＣの遅角量が効果を出すのを待って、点火時期を回復させるなどの制御の工夫が必要である。
【００２２】
そこで請求項４に係る発明では、このような第３の運転状態でノッキングを検出したとき、点火時期を速やかに遅角させるとともに、中心位相を遅角させる。より好ましくは、請求項５に係る発明のように、吸気弁の開時期を略一定に保つように、上記中心位相の遅角に応じて作動角を拡大させる。
【００２３】
機関が高速域にあり、少なくとも吸気弁の閉時期が下死点よりも大きく遅角している第４の運転状態では、充填効率は最大値付近であるが、ＩＶＣの遅角による実圧縮比低下の感度は大きいので、排温上昇の高い点火時期の遅角は最小限に抑制し、主にＩＶＣの遅角化によってノックを回避することが効果的である。
【００２４】
従って、第４の運転状態でノッキングを検出したとき、請求項６に係る発明のように、吸気弁の中心位相を遅角させるとともに、請求項７に係る発明のように、吸気弁の開時期を略一定に保つように、上記中心位相の遅角に応じて作動角を拡大させる。また、ノッキングを速やかに回避させるために、点火時期を速やかに遅角させる。
【００２５】
上記作動角変更機構は、好ましくは請求項８に係る発明のように、クランクシャフトと連動して回転する駆動軸と、この駆動軸の外周に揺動可能に外嵌して吸気弁を駆動する揺動カムとの間に設けられるものであって、上記駆動軸に偏心して設けられ、この駆動軸と一体的に回転する駆動カムと、この駆動カムの外周に相対回転可能に外嵌する第１のリンクと、上記駆動軸と略平行に気筒列方向へ延在する制御軸と、この制御軸に偏心して設けられ、この制御軸と一体的に回転する制御カムと、この制御カムの外周に相対回転可能に外嵌するとともに、一端が第１のリンクと相対回転可能に連結するロッカーアームと、このロッカーアームの他端及び揺動カムの先端と回転可能に連結する第２のリンクと、吸気弁の作動角及びバルブリフト量を変化させるように、上記制御軸を回転駆動する作動角変更用アクチュエータと、を有している。
【００２６】
上記位相変更機構は、好ましくは請求項９に係る発明のように、上記クランクシャフトと同期して回転する外筒部と、この外筒部と同軸上に配置されるとともに、吸気弁を開閉駆動する駆動軸と一体的に回転する内筒部と、これら外筒部と内筒部との間に介装される環状のプランジャと、これら内筒部と外筒部の相対的な回転位相を変化させるように、上記プランジャを内，外筒部の軸方向へ駆動する位相変更用アクチュエータと、を有することを特徴としている。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、ノッキング回避を行う際に、実作動角及び実中心位相に基づいて点火時期及び作動角並びに中心位相のそれぞれを維持又は可変制御するようにしたため、吸気弁の実際の開閉時期に応じたきめ細かな制御ができるとともに、ノッキングを有効かつ確実に回避しつつ、このノッキングの回避に伴う運転性能の低下を最小限に抑制することができる。
【００２８】
具体的には、ノッキングを検出したときに、点火時期を速やかに遅角させることによりノッキングを直ちに抑制することができ、かつ、これと同時に作動角及び中心位相のそれぞれを維持又は可変制御し、これらの作動角特性によるノッキング回避へと置き換えていくことにより、点火時期を適宜に進ませることができ、点火時期の遅角化による燃費の低下を抑制することができる。
【００２９】
特に、請求項８に係る発明によれば、駆動カムと第１のリンクとの摺接部分や制御カムとロッカーアームとの摺接部分等の各部材の連結部分が面接触となっているため、潤滑が行い易く、耐久性，信頼性に優れているとともに、切換時の抵抗も低く抑制される。また、駆動軸と同軸上に揺動カム等が配置されているため、例えば揺動カムを駆動軸とは異なる別の支軸で支持するような構成に比して、制御精度に優れているとともに、装置自体がコンパクトなものとなり、車両搭載性が良い。更に、所定の範囲で吸気弁の作動角を任意の作動角に保持することも可能となり、例えば作動角を２位置に切換制御するものに比して、制御の自由度が高い。
【００３０】
また、請求項９の発明に係る位相変更機構は、コンパクトで機関への搭載性に優れ、部品点数も低く抑制される。加えて、請求項１１の作動角変更機構と併用した場合にも、互いに干渉せずに配置することができる。更に、吸気弁の作動角の中心位相を所定の範囲内で任意の位相に保持することも可能で、例えば２位置に切換制御するものに比して、制御の自由度が高い。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るノッキング制御装置を、ターボ過給機付ガソリン内燃機関に適用した一実施形態について、図面に基づいて詳細に説明する。
【００３２】
図１〜４は、吸気弁１の作動角を変化させる作動角変更機構１０の機械的構成を示している。内燃機関の各気筒には１つ又は２つ以上の吸気弁１が設けられ、各吸気弁１の上部にはバルブリフタ２が配設されている。これらのバルブリフタ２の上部には、図外のクランクシャフトに連動して軸周りに回転駆動される駆動軸３が気筒列方向に延在している。この駆動軸３の外周には、各吸気弁１に対応して揺動カム４が揺動可能に外嵌されており、この揺動カム４がバルブリフタ２に当接してこれを押圧することにより、吸気弁１が図外のバルブスプリングのバネ力に抗して開閉駆動される。
【００３３】
作動角変更機構１０は、これらの駆動軸３と揺動カム４との間に設けられ、両者３，４を機械的に連携するリンクの姿勢を変化させることにより、図１，２に示す最小作動角（ゼロリフト）から図３，４に示す最大作動角（フルリフト）の範囲で、吸気弁１の作動角を連続的に変化させるとともに任意の作動角に保持できるようになっている。なお、図１，３は、揺動カム４が最も開弁方向（図の時計回りの方向）へ揺動した状態を示し、図２，４は、揺動カム４が最も閉弁方向（図の反時計回りの方向）へ揺動した状態を示している。
【００３４】
詳述すると、作動角変更機構１０は、駆動軸３に偏心して設けられ、この駆動軸３と一体的に回転する駆動カム１１と、この駆動カム１１の外周に相対回転可能に外嵌するリング状リンク（第１のリンク）１２と、駆動軸３と略平行に気筒列方向へ延在する制御軸１３と、この制御軸１３に偏心して設けられ、この制御軸１３と一体的に回転する制御カム１４と、この制御カム１４の外周に相対回転可能に外嵌するとともに、一端がリング状リンク１２の先端と相対回転可能に連結するロッカーアーム１５と、このロッカーアーム１５の他端及び揺動カム４の先端と回転可能に連結し、両者１５，４を機械的に連携するロッド状リンク（第２のリンク）１６と、を有している。
【００３５】
上記の駆動軸３及び制御軸１３は、図外の軸受ブラケットを介して内燃機関のシリンダヘッド側へ回転可能に支持されている。制御軸１３の一端には、この制御軸１３を所定の制御角度範囲内で軸周りに回転駆動するとともに、所定の回転位相に保持する油圧式又は電磁式の作動角変更用アクチュエータ１７が設けられており、このアクチュエータ１７は制御部（コントロールユニット）４０によって制御される。
【００３６】
この制御部４０は、周知のＣＰＵ及びメモリ等を備えたディジタルコンピュータシステムであって、水温センサ４１，回転数センサ４２，油圧センサ４３，スロットル（又はアクセル）開度センサ４４，吸入圧力（又は吸入空気量）センサ４５の他、後述する過給圧センサ４６及びノッキングセンサ４７等の機関運転状態を検出する各種センサからの検出信号等に基づいて、後述するように、燃料噴射時期，噴射量を可変制御するとともに、点火時期を可変制御し（点火時期変更手段）、かつ、上記の作動角変更用アクチュエータ１７や位相変更用アクチュエータ３８へ制御信号を出力して、吸気弁１の作動角及びその中心位相のそれぞれを維持又は可変制御する。
【００３７】
このような構成により、クランクシャフトに連動して駆動軸３が回転すると、駆動カム１１を介してリング状リンク１２が実質的に並進作動するとともに、ロッカーアーム１５が制御カム１４周りを揺動し、ロッド状リンク１６を介して揺動カム４が揺動して、吸気弁１が開閉駆動される。
【００３８】
また、制御軸１３を回動制御することにより、ロッカーアーム１５の揺動中心となる制御カム１４の中心位置が変化して、各リンク１２，１６等の姿勢が変化し、揺動カム４の揺動角度範囲が変化して、バルブリフト特性が変化する。具体的には、図５に示すように、作動角の中心位相が略一定のままで、作動角及びバルブリフト量が連続的に変化する。
【００３９】
このような機械的構成を有する作動角変更機構１０は、駆動カム１１とリング状リンク１２との摺接部分や制御カム１４とロッカーアーム１５との摺接部分等の各部材の連結部分が面接触となっているため、潤滑が行い易く、耐久性，信頼性に優れているとともに、切換時の抵抗も低く抑制される。また、駆動軸３と同軸上に揺動カム４等が配置されているため、例えば揺動カムを駆動軸とは異なる別の支軸で支持するような構成に比して、制御精度に優れているとともに、装置自体がコンパクトなものとなり、車両搭載性が良い。更に、所定の範囲で吸気弁１の作動角を任意の作動角に保持することができるため、例えば作動角を２位置に切換制御するものに比して、制御の自由度が高い。
【００４０】
図６は、吸気弁１の作動角の中心位相を変化させる位相変更機構２０の機械的構成を示している。上記の駆動軸３は、軸受ブラケット５を介してシリンダヘッド側へ回転可能に支持されており、この駆動軸３の外周側にはカムプーリ（又はスプロケット）６が同軸上に配置されている。このカムプーリ６は、チェーン又はタイミングベルトを介してクランクシャフトから回転動力が伝達され、クランクシャフトと同期して回転する。
【００４１】
そして、位相変更機構２０は、上記のカムプーリ６と駆動軸３との間の回転動力伝達経路に設けられ、両者６，３の回転位相を変化させることにより、吸気弁１の作動角の大きさを変えることなく、その中心位相を所定の範囲で連続的に変化させるとともに任意の位相に保持するようになっている。
【００４２】
詳述すると、位相変更機構２０は、カムプーリ６の内周側に一体的に形成され、このカムプーリ６と一体的に回転する外筒部２１と、駆動軸３にボルト２２を介して締結固定され、この駆動軸３と一体的に回転する内筒部２３と、これらの外筒部２１と内筒部２３との間に介装されるリング状のプランジャ２４と、このプランジャ２４を一方向（図の左方向）へ常時付勢するリターンスプリング２５と、を有している。上記の外筒部２１の内周側にはスリーブ２６が固定されており、このスリーブ２６がベアリング２７を介して軸受ブラケット５に回転可能に支持されている。
【００４３】
ここで、プランジャ２４の内，外周面と、内筒部２３の外周面及び外筒部２１の内周面との噛合部分２８はヘリカルスプラインとなっている。従って、このプランジャ２４を後述する位相変更用アクチュエータ３８により内，外筒部２３，２１の軸方向（図６の左右方向）へ移動させることにより、この軸方向の運動が内筒部２３と外筒部２１との相対回転運動に変換され、外筒部２１と内筒部２３との相対回転位相が連続的に変化する。例えばプランジャ２４が図６の最も左方向へ配置されている状態（図６の状態）では、図７の波形（ｂ）で示すように、吸気弁１の作動角が最遅角位相に保持される。一方、プランジャ２４が図６の最も右側へ配置されている状態では、図７中の波形（ａ）で示すように、吸気弁１の作動角が最進角位相に設定される。
【００４４】
上記の位相変更用アクチュエータ３８は、この例では、プランジャ２４の前後に画成される進角側油圧室３１及び遅角側油圧室３２への作動油圧を切換制御することにより、プランジャ２４を所定の軸方向位置に移動，保持する油圧アクチュエータとして構成されている。この進角側油圧室３１は、プランジャ２４の一端と外筒部２１にピン２９を介して固定されるエンドキャップ３０との間に液密に画成されており、エンドキャップ３０，ボルト２２及び駆動軸３に形成された油通路３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄを介して油圧制御弁３５に接続されている。遅角側油圧室３２は、プランジャ２４の他端側に液密に画成されており、油通路３４を介して油圧制御弁３５に接続されている。この油圧制御弁３５にはオイルパン３６からの作動油を供給するオイルポンプ３７が接続されており、上記の制御部４０からの制御信号に基づいて油圧室３１，３２への供給油圧が切換制御される。
【００４５】
このような位相変更機構２０は、コンパクトで機関への搭載性に優れ、部品点数も低く抑制される。また、上記の作動角変更機構１０と併用した場合にも、互いに干渉せずに配置することができる。更に、吸気弁１の作動角の中心位相を所定の範囲内で任意の位相に保持することができ、例えば２位置に切換制御するものに比して、制御の自由度が高い。
【００４６】
図８は、ターボ過給機５０の構成を模式的に示している。シリンダ７から排出される排気は、排気弁８により開閉される排気ポート８ａを通って排気タービン５１へ供給される。この排気によって排気タービン５１が回動されると、この排気タービン５１と背中合わせに設けられたコンプレッサ５２によって、吸気管５３及び吸気ポート１ａへ供給される吸気が加圧される。
【００４７】
ここで、吸気管５３内の圧力が設定値を超えることのないように、排気系には排気タービン５１を迂回するバイパス通路５３が設けられている。このバイパス通路５３には排気バイパス弁（ウエストゲートバルブ）５４が配設されており、この排気バイパス弁５４は、吸気管５３に設けられた過給圧センサ４６の検出信号等に基づいて、制御部４０によって駆動制御される。
【００４８】
そして、シリンダブロック９には、所定周波数のノッキング振動を検出するためのノッキングセンサ４７（ノッキング検出手段）が装着されており、そのノッキング検出信号が上記の制御部４０に入力されている。なお、例えば点火栓の座金部分に筒内圧センサを設け、筒内圧の変化に基づいてノッキングの検出を行うようにしてもよい。
【００４９】
図９，１０の▲１▼〜▲５▼は、機関の代表的な運転条件（運転域）に対応しており、図１０は各運転条件▲１▼〜▲５▼に応じた吸気弁１の好適な開閉時期の一例を模式的に示している。
【００５０】
機関がアイドル域▲１▼にあるとき（アイドリング状態）、好ましくは、作動角が極小作動角に設定されるとともに、吸気弁１の開時期（ＩＶＯ）がクランク角度で上死点後約４０度程度となり、閉時期（ＩＶＣ）が下死点直前となるように、中心位相が遅角側に設定される。つまり、アイドル域▲１▼では実圧縮比を落とすと燃焼安定性が悪化するので、ＩＶＣを遅らせる代わりにＩＶＯを遅らせることで、残留ガスやポンプ損失の低減を図っている。
【００５１】
機関が一定速（Ｒ／Ｌ）域▲２▼にあるとき、好ましくは、ＩＶＯが上死点近傍となり、ＩＶＣが下死点から大きく進角するように、作動角を上記の極小作動角と同程度に設定するとともに、中心位相をアイドル域▲１▼よりも進角側に設定する。つまり、実ストローク，圧縮比を低下させ、ポンプ損失の大幅な低減を図っている。
【００５２】
機関が緩く加速するような緩加速域（部分負荷域）▲３▼にあるとき、ＩＶＯを上死点前（あるいは上死点近傍）としてバルブオーバーラップ拡大による内部還流効果と、ＩＶＣを進角して実ストローク低下によるポンプ損失低減効果との相乗効果を得るために、好ましくは、作動角をＲ／Ｌ域▲２▼よりも若干拡大（又は同程度と）しつつ、中心位相をアイドル域▲１▼よりも進角側（Ｒ／Ｌ域▲２▼と同程度）に設定する。
【００５３】
機関が低速高負荷（加速）域▲４▼にあるときには、吸入空気量を最大限確保するために、好ましくは、ＩＶＣが下死点近傍、ＩＶＯが上死点近傍となるように、作動角を部分負荷域▲３▼よりも更に拡大しつつ中心位相をＲ／Ｌ域▲２▼や部分負荷域▲３▼よりも遅角側（アイドル域▲１▼と同程度）に設定する。
【００５４】
機関が高速高負荷域▲５▼にあるときには、過給圧が上昇してきた場合と同様、ＩＶＣを遅らせて実圧縮比を低下させ、過給ミラーサイクルとして使うのが最も効率的であり、従って、好ましくは、上記の急加速域▲４▼よりも作動角を更に拡大させつつ中心位相を更に遅角側に設定する。
【００５５】
このように、各運転条件▲１▼〜▲５▼に対応してＩＶＯ及びＩＶＣ（作動角及び中心位相）が大きく異なる設定となっているため、ノック発生時には、そのときのＩＶＯ，ＩＶＣ等の状況に対応して制御のロジックを変えることが望ましい。以下、各運転条件▲１▼〜▲５▼に対応した具体的な制御の例を図１１〜１４のタイミングチャートを参照して説明する。
【００５６】
図１１〜１４において、（ａ）はノッキングセンサ４７の出力信号を示していおり、このノッキング信号が比較的小さなレベルにある間は、点火時期（ｂ）は、いわゆるトレースノックレベル（最適点火時期）となるようにトレースノック制御されている。つまり、ノッキングが生じない範囲内で可及的に進角させることにより、非常に微弱なノッキングが発生している状態に保たれている。
【００５７】
これに対し、ノッキング信号がスライスレベルを超える頻度が所定値以上になると、点火時期（ｂ）の遅角と吸気弁の作動角（ｃ）及び中心位相（ｄ）の制御とを組み合わせたノッキング回避制御を開始すべきであると判断する（図のＴ１のタイミングがこれに相当する）。
【００５８】
例えば、図１１に示すように、機関がアイドル域▲１▼を含む所定負荷以下の極低負荷域又は一定速（Ｒ／Ｌ）域▲２▼にあり、ＩＶＣ（ｆ）が下死点よりも進角している第１の運転状態で、ノッキングを検出したとき、先ず点火時期を所定のリタード量ΔＲ１だけ速やかに遅角させる。なお、この遅角は、応答性よく行うことが可能であるので、ノッキングは速やかに抑制される。
【００５９】
同時に、このような点火時期の遅角化による燃費の悪化を避けるために、吸気弁の作動角及び中心位相のそれぞれを維持又は可変制御して、この作動角特性によるノッキング回避へと置き換えていく。この作動角及び中心位相の制御には、機械的な遅れが伴うので、実際の作動角は、図の（ｃ），（ｄ）に示すように、各アクチュエータ１７，３８の作動速度に依存して徐々に変化する。
【００６０】
具体的には、点火時期のリタード開始時期Ｔ１から吸気弁の作動角や中心位相が目標値に到達する時期Ｔ２までの間（Ｔ１→Ｔ２）、ＩＶＯ（ｅ）を略一定に保ちながら、実圧縮比を下げるべくＩＶＣ（ｆ）が進角するように、作動角を若干縮小させるとともに、中心位相を進角させる。これにより、実圧縮比が低下し、ノッキングが生じにくいものとなる。なお、通常の温度条件では実圧縮比の過度の低下は燃焼の悪化を招くが、ノッキングが発生するような高温条件では、実圧縮比を低下できる余地は十分にある。このようにＩＶＣ（ｆ）が徐々に進角している状態（Ｔ１→Ｔ２）では、これに応じて点火時期（ｂ）を徐々に進角側へ復帰させても問題ない。
【００６１】
そして、作動角及び中心位相（ＩＶＯ，ＩＶＣ）が目標値まで到達したことを検出した（Ｔ２）後には、上述した点火時期のトレースノック制御を再開して、トレースノックレベルを探り、そこでフィックスする（図１２〜１４でも同様）。
【００６２】
一方、図１２に示すように、機関が緩加速域▲３▼にあり、吸気弁の開時期（ｅ）が上死点よりも大きく進角しているとともに吸気弁の閉時期（ｆ）が下死点よりも大きく進角している第２の運転状態では、ポンプ損失を最大限低減する設定となっているため、吸入負圧は低く、スロットルバルブは全開に近い状態となっている。
【００６３】
この第２の運転状態でのノック発生時に、仮にＩＶＣを進角させて実圧縮比を下げた場合、充填効率が低下して加速能力が不足気味になってしまう。そうなると、アクセルが踏み込まれた場合のような低速高負荷域▲４▼の設定に近づく形となるため、ＩＶＣは逆に大幅な遅角を余儀なくされる。したがって、このような第２の運転状態でノックを検出したとき（Ｔ１）には、トルクの確保が最優先であるから、実圧縮比が上昇するようにＩＶＣを遅角して吸気量を確保するとともに、点火時期の大幅な遅角によってノックを回避することが必要になる。
【００６４】
つまり、ノック発生が検出されると（Ｔ１）、先ずノッキングの発生を迅速に抑制するために、点火時期を直ちに所定のリタード量ΔＲ２だけ遅角する。続く変更期間Ｔ１→Ｔ２では、作動角を略一定に保持したままで、中心位相を徐々に遅角させることにより、閉時期を下死点に近づけて、充填効率の向上（すなわち吸気量の増大）を図るとともに、この中心位相の遅角に応じて点火時期を更に遅角側へ徐々に変化させることにより、ノッキングを回避する。このとき、吸気弁の開時期の遅角化に伴ってバルブオーバーラップが縮小するため、高温の残留ガスが減少し、ノック回避には有効である。しかしながら、燃費向上効果を少しでも維持する目的で、バルブオーバーラップ量を略一定に保つように、中心位相の遅角に応じて作動角を徐々に拡大させるようにしても良い。
【００６５】
図１３に示すように、機関が低速高負荷域▲４▼にあり、ＩＶＣが下死点後ではあるが下死点近傍にある（遅角量が非常に小さい）第３の運転状態では、実圧縮比が非常に高く（略最高値）、且つ、下死点近傍ではＩＶＣの遅角化による実圧縮比低下の感度が極めて低い。したがって、この場合も、ＩＶＣの遅角だけでノック回避を行うことは難しく、点火時期を遅角して迅速かつ確実なノック回避を行い、ＩＶＣの遅角量が効果を出すのを待って、点火時期を回復させるなどの制御の工夫が必要である。
【００６６】
具体的には、上記の場合と同様、ノッキング検出（Ｔ１）の直後には先ず点火時期を所定のリタード量ΔＲ３だけ速やかに遅角してノッキングを回避する。同時に、ＩＶＯを略一定に保ちつつＩＶＣが遅角するように、作動角を拡大させるとともに中心角を遅角させて、実圧縮比の低下によるノッキングの回避へと移行させていき、これに対応して点火時期を徐々に進角側へ復帰させる。
【００６７】
図１４に示すように、機関が高速高負荷域▲５▼にあり、ＩＶＣが既に相当量遅角している第４の運転状態では、充填効率は最大値付近であるが、ＩＶＣの遅角による実圧縮比低下の感度は大きいので、排温上昇の高い点火時期の遅角は最小限に抑制し、主にＩＶＣの遅角化によってノックを回避することが効果的である。
【００６８】
具体的には、ノッキングを検出した直後Ｔ１の点火時期のリタード量ΔＲ４を最小限（行わなくても良い）、つまり上記のΔＲ１〜ΔＲ３に比して十分に小さく設定している。そして、ＩＶＯを略一定に保ちつつ、ＩＶＣの遅角によって実圧縮比を低下させるように、作動角を拡大させるとともに中心位相を遅角させている。
【００６９】
図１５は、上記の制御部４０により実行されるフローチャートで、上述したノック回避制御の全体的な流れを示している。
【００７０】
先ず、ステップ（図では単にＳと記す）１１では、ノッキングが発生しているか否かを判定する。より具体的には、ノッキングセンサ４７からの出力信号に基づいて、スライスレベル以上のノッキングの発生頻度が所定値を越えているかを判定する。所定値以下であれば、本ノッキング回避制御のルーチンを終了する。
【００７１】
続くステップ１２では、現在のＩＶＯ，ＩＶＣの制御状況を間接的に検出する。具体的には、吸気弁１の現在の実作動角及び実中心位相に基づいて、現在のＩＶＯ，ＩＶＣを算出する。上記の実作動角は、現在の目標作動角から推定され、あるいは制御軸１３の回転位相を検出する作動角センサ（図示省略）により直接的に検出される（作動角取得手段）。また、実中心位相は、現在の目標位相から推定され、あるいは駆動軸３の回転位相を検出する位相検出センサ（図示省略）及び回転数センサ４２により直接的に検出される（位相取得手段）。
【００７２】
ステップ１３，１４では、これらのＩＶＯ，ＩＶＣに基づいて、点火時期ＩＡ( ignition advance ）のリタード量（ΔＲ１〜ΔＲ４）を決定し、このリタード量に基づいてＩＡリタード制御を実行する（ステップ１４）。
【００７３】
ステップ１５では、ＩＶＣの実圧縮比調整感度及びＩＶＯの残留ガス調整感度を算出する。なお、ＩＶＣの実圧縮比調整感度は、例えば所定の制御ロジックに基づいて幾つかの段階に分けられており、この制御ロジックとしては、「ＩＶＣが下死点前か、後か」によって実圧縮比を下げる方向が逆になるといった、大まかな感度の差による簡単な制御ロジックの他、ＩＶＣのクランク角によるストローク変位感度の差や、充填効率が最大となるＩＶＣを考慮しつつ、詳細で精度の高いデータベース（ステップ１６）を活用した高度な制御ロジック等を用いることができる。
【００７４】
また、ＩＶＯの残留ガス調整感度については、高温の残留ガスの割合によるノック発生のしやすさが関係しており、本実施形態の燃費向上を目的としたＩＶＣ，ＩＶＯの設定（ステップ１７，１８）にも、これらが考慮されている。例えば緩加速域▲３▼のＩＶＣ，ＩＶＯ設定では、ＩＶＣを早めるとポンプ損失が低減する一方で、実圧縮比も低下するため、そのままでは燃焼が悪化する。このようにＩＶＣの進角には限界があるので、代わりにＩＶＯを早めて残留ガス割合を増加させることにより、吸気の温度が上昇して実圧縮比の低下による圧縮端温度の低下を補うことができる。一方、Ｒ／Ｌ域▲２▼では、残留ガスが多いと燃焼が早く悪化するため、このような設定を用いることはできない。このように、ステップ１７におけるＩＶＣ，ＩＶＯの設定は複雑な効果の図式から成り立っており、ステップ１８のＩＶＯ，ＩＶＣの制御可能範囲の他、運転条件に対応した感度をデータベースとして持って置くことが必要となる。
【００７５】
このように設定されたＩＶＯ，ＩＶＣの設定に基づいて、目標作動角及び目標中心位相が設定され（ステップ１９）、これらの目標作動角及び目標中心位相に基づいて、各アクチュエータ１７，３８を駆動制御する（ステップ２０）。同時に、作動角や中心位相の変化に対応して、点火時期を適宜に進角側又は遅角側へ制御する。そして、ステップ２１においてＩＶＯ，ＩＶＣが目標値に達したと判断した場合、点火時期のトレースノック制御を再開した後、上記のステップ１１へ戻る。
【００７６】
以上のように本実施形態によれば、ノッキング回避を行う際に、実作動角及び実中心位相に基づいて点火時期及び作動角並びに中心位相のそれぞれを維持又は可変制御するようにしたため、吸気弁の実際の開閉時期に応じたきめ細かな制御ができるとともに、ノッキングを有効かつ確実に回避しつつ、このノッキングの回避に伴う運転性能の低下を最小限に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る作動角変更機構の機械的構成を示す構成図。
【図２】同じく作動角変更機構の機械的構成を示す構成図。
【図３】同じく作動角変更機構の機械的構成を示す構成図。
【図４】同じく作動角変更機構の機械的構成を示す構成図。
【図５】この実施形態の作動角変更機構による吸気弁の作動角の変化の様子を示す特性図。
【図６】この実施形態の位相変更機構の機械的構成を示す構成図。
【図７】この実施形態の位相変更機構による作動角の中心位相の変化の様子を示す特性図。
【図８】この実施形態に係る過給機付き内燃機関を示す構成図。
【図９】内燃機関の回転数−トルク特性を示す特性図。
【図１０】機関の各運転条件▲１▼〜▲５▼に対応した吸気弁の好適な開閉時期を模式的に示す特性図。
【図１１】第１の運転状態でノッキングを検出したときの特性を示すタイミングチャート。
【図１２】第２の運転状態でノッキングを検出したときの特性を示すタイミングチャート。
【図１３】第３の運転状態でノッキングを検出したときの特性を示すタイミングチャート。
【図１４】第４の運転状態でノッキングを検出したときの特性を示すタイミングチャート。
【図１５】本実施形態に係る制御の流れの一例を示すフローチャート。
【符号の説明】
１…吸気弁
１０…作動角変更機構
１１…駆動カム
１２…リング状リンク
１３…制御軸
１４…制御カム
１５…ロッカーアーム
１６…ロッド状リンク
１７…作動角変更用アクチュエータ
２０…位相変更機構
２１…外筒部
２３…内筒部
２４…プランジャ
３８…位相変更用アクチュエータ
４０…制御部
４７…ノッキングセンサ（ノッキング検出手段）
５０…ターボ過給機
【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】
0004345197.tif 000013
【図１３】
0004345197.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
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