CN108331676A - 内燃机系统和内燃机的控制方法 - Google Patents

内燃机系统和内燃机的控制方法 Download PDF

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Abstract

电子控制单元构成为，在EGR率的目标值被设定为预定的高EGR率的第1运转区域，选择第1凸轮作为进气门的驱动凸轮，在第2运转区域，选择作用角和升量比所述第1凸轮小的第2凸轮作为所述驱动凸轮。因此，在大多数的运转区域选择所述第1凸轮，而仅在高转矩高转速区域选择所述第2凸轮。若在高转矩高转速区域选择所述第2凸轮，则能够消除实际压缩比高的状态而使吸入效率降低。因此，能够抑制爆震极限的降低。

Description

内燃机系统和内燃机的控制方法
技术领域
本发明涉及内燃机系统和内燃机的控制方法，详细地说，涉及通过进气门的工作特性的变更来控制发动机输出的内燃机系统和内燃机的控制方法。
背景技术
在日本特开平6-108860中公开了如下的内燃机的控制装置：根据带增压器的发动机的运转状态来切换两种进气凸轮，从而变更进气门的关闭正时。该以往的控制装置在高负荷区域的低旋转侧选择低速用的进气凸轮，在高负荷区域的高旋转侧选择高速用的进气凸轮。当选择低速用凸轮时，在比下止点早的预定正时关闭进气门。当选择高速用凸轮时，在比上述预定正时晚的正时关闭进气门。
在使用低速用凸轮时，由于进气门的关闭正时比下止点早，所以，压缩端温度下降。因此，能够提高爆震极限。此外，在增压器的增压作用下，也能够提高缸内填充量。因此，根据以往的控制装置，在高负荷区域的低旋转侧，能够提高发动机输出。但是，在发动机转速上升、运转状态向高负荷区域的高旋转侧转移时，实际的吸入期间变短，缸内填充量减少。另外，在发动机吸入的空气吸入量相对于从增压器排出的空气排出量减少时，与该减少量相应地，增压压力上升。关于这一点，在使用高速用凸轮时，与使用低速用凸轮时相比，能够延迟进气门的关闭正时。因此，根据以往的控制装置，在高负荷区域的高旋转侧，能够补偿上述的缸内填充量的减少，另外，也能够抑制上述的增压压力的过度上升。
发明内容
上述的爆震极限的改善也可以通过将外部EGR气体导入缸内来实现。换言之，若导入外部EGR气体，则不管使用了上述的低速用凸轮的进气门是否提前关闭，都能够提高爆震极限。即，若利用外部EGR气体，则假设即使在上述的高负荷区域的低旋转侧使用上述的高速用凸轮而延迟关闭进气门，也能够增加缸内填充量。在此基础上，若驱动增压器，则能够在增压作用下进一步提高缸内填充量。因此，能够进一步提高在上述的高负荷区域的低旋转侧的增压发动机的输出。
但是，作为外部EGR气体在进气中所占的比例来表示的EGR率，与上述的两种进气凸轮同样地，通常被设计为根据发动机的运转状态来选择最佳的目标值。另外，该目标EGR率通常在与上述的高负荷区域相邻的中负荷区域中被设定为最高值。因此，在发动机的运转状态从中负荷区域向高负荷区域转变时会产生问题。具体地说，在发动机的运转状态从中负荷区域向高负荷区域转移时，随着目标EGR率的减少，爆震极限会下降。这样，为了提高将EGR率与多种进气凸轮的切换组合的增压发动机的输出，需要进行与以往不同的改良。
在基于根据运转状态选择的进气凸轮和EGR率的组合来实现发动机输出的提高的增压发动机中，本发明可抑制运转状态从EGR率的目标值高的运转区域向低的运转区域转移时的发动机输出的降低。
本发明的第1方式是内燃机系统。所述内燃机系统包括增压发动机和电子控制单元，该增压发动机包括驱动进气门的凸轮轮廓不同的多个进气凸轮、将在排气系统中流动的排气作为外部EGR气体导入进气系统的EGR装置、以及对缸内的混合气点火的点火装置。所述电子控制单元构成为，根据由发动机转矩和发动机转速所确定的运转状态来设定EGR率的目标值，EGR率被表示为外部EGR气体在进气中所占的比例。所述电子控制单元构成为，在所述EGR率的目标值被设定为预定EGR率的第1运转区域，选择第1凸轮作为所述进气门的驱动凸轮，并且将所述进气门的关闭正时设定在第1曲轴转角区间。所述第1曲轴转角区间包括在固定了发动机转速和增压压力的条件下吸入效率最高的曲轴转角。所述电子控制单元构成为，在第2运转区域，选择作用角和升量比所述第1凸轮小的第2凸轮作为所述驱动凸轮，并且将所述关闭正时设定在第2曲轴转角区间，并将所述点火装置的点火正时变更为比所述第1运转区域中的所述点火装置的点火正时提前侧。所述第2运转区域相比所述第1运转区域位于高转速侧、且所述EGR率的目标值被设定为比所述预定EGR率低的值。所述第2曲轴转角区间相比所述第1曲轴转角区间位于提前侧、且吸入效率比所述第1曲轴转角区间低。
根据上述构成，在运转状态处于第1运转区域的情况下，能够选择第1凸轮作为进气门的驱动凸轮，在第1曲轴转角区间关闭进气门。在运转状态处于第1运转区域的情况下，EGR率的目标值被设定为高的值，所以，爆震极限高。另外，第1曲轴转角区间包括在固定了发动机转速和增压压力的条件下吸入效率最高的曲轴转角。因此，若选择第1凸轮并在第1曲轴转角区间关闭进气门，则能够提高发动机输出。
另外，根据上述构成，在运转状态处于第2运转区域的情况下，能够选择第2凸轮作为进气门的驱动凸轮，在第2曲轴转角区间关闭进气门，并且，在与第1运转区域的点火正时相比提前侧的点火正时对混合气点火。在运转状态处于第2运转区域的情况下，与运转状态处于第1运转区域的情况相比，EGR率的目标值被设定为低的值。因此，爆震极限下降。关于这一点，第2凸轮的作用角和升量比第1凸轮小，另外，第2曲轴转角区间相比第1曲轴转角区间位于提前侧且吸入效率比第1曲轴转角区间低。因此，若选择第2凸轮并在第2曲轴转角区间关闭进气门，则能够降低吸入效率，抑制爆震极限的降低。另外，若在比第1运转区域的点火正时提前侧的点火正时对混合气点火，则能够补偿吸入效率的降低量，抑制发动机输出的降低。
在所述内燃机系统中，所述电子控制单元构成为，在随着运转状态从所述第1运转区域向所述第2运转区域的转变而将所述驱动凸轮从所述第1凸轮向所述第2凸轮切换的情况下，使所述驱动凸轮的切换待机直到实际的EGR率的变更完成。
在EGR率的目标值变更时，实际的EGR率时间滞后地变化。若在实际的EGR率的变化期间切换驱动凸轮，则燃烧会变得不稳定、转矩变动会变大。根据上述构成，能够使从所述第1凸轮向所述第2凸轮的切换待机直到实际的EGR率的变更完成。因此，能够使燃烧稳定化、减小转矩变动。
在所述内燃机系统中，所述增压发动机也可以包括向缸内供给燃料的喷射器。所述电子控制单元也可以构成为，在运转状态处于所述第1运转区域的情况下，控制所述喷射器以在压缩行程中喷射燃料。所述电子控制单元也可以构成为，在运转状态处于所述第2运转区域的情况下，控制所述喷射器以在进气行程中喷射燃料。
第2凸轮的作用角和升量比第1凸轮小，所以，在选择第2凸轮作为驱动凸轮时，与选择第1凸轮作为驱动凸轮的情况相比，缸内湍流变小、燃烧速度降低。根据上述构成，在运转状态处于第2运转区域的情况下，能够控制喷射器以在进气行程中喷射燃料。因此，会促进进气和燃料的混合，从而能够抑制发动机输出的降低。
在所述内燃机系统中，所述电子控制单元也可以构成为，在随着运转状态从所述第1运转区域向所述第2运转区域的转变而将所述驱动凸轮从所述第1凸轮向所述第2凸轮切换的情况下，使所述驱动凸轮的切换待机直到所述喷射器的喷射正时的变更完成。
若在喷射器的喷射正时的变更期间切换驱动凸轮，则燃烧会变得不稳定、转矩变动会变大。根据上述构成，能够使从所述第1凸轮向所述第2凸轮的切换待机直到喷射器的喷射正时的变更完成。因此，能够使燃烧稳定化、减小转矩变动。
在所述内燃机系统中，所述增压发动机也可以包括支承所述多个进气凸轮的凸轮轴和变更所述凸轮轴相对于曲轴的旋转相位的旋转相位变更机构。所述电子控制单元也可以构成为，在随着运转状态从所述第1运转区域向所述第2运转区域的转变而将所述驱动凸轮从所述第1凸轮向所述第2凸轮切换的情况下，变更所述旋转相位以使所述驱动凸轮的切换前后的吸入效率一致，并使所述驱动凸轮的切换待机直到所述旋转相位的变更完成。
根据上述构成，能够变更凸轮轴相对于曲轴的旋转相位以使驱动凸轮的切换前后的吸入效率一致。另外，使驱动凸轮的切换待机直到该旋转相位的变更完成。因此，能够使驱动凸轮的切换前后的燃烧稳定化、减小转矩变动。
在所述内燃机系统中，所述增压发动机也可以包括冷却在所述进气系统中流动的进气的水冷式的中间冷却器、和与所述中间冷却器共用冷却水的热交换器。所述电子控制单元也可以构成为，在满足下述i)和ii)双方时不进行所述驱动凸轮的切换；i)随着运转状态从所述第1运转区域向所述第2运转区域的转变而将所述驱动凸轮从所述第1凸轮向所述第2凸轮切换时，ii)在所述中间冷却器(24)和所述热交换器中流动的冷却水的温度比预定温度高时。
根据上述构成，在中间冷却器和热交换器中流动的冷却水的温度比预定温度高时，能够禁止驱动凸轮的切换自身。因此，能够抑制热交换器的过度的温度上升。
在所述内燃机系统中，所述电子控制单元也可以构成为，在第3运转区域，选择升量比所述第1凸轮小、且作用角比所述第2凸轮小的第3凸轮作为所述驱动凸轮，并且将所述关闭正时设定在第3曲轴转角区间，并将所述点火装置的点火正时变更为比所述第1运转区域中的所述点火装置的点火正时提前侧。所述第3运转区域相比所述第1运转区域位于低转速侧、且所述EGR率的目标值被设定为比所述预定EGR率低的值。所述第3曲轴转角区间相比所述第1曲轴转角区间位于提前侧、且比所述第2曲轴转角区间窄。
根据上述构成，在运转状态位于第3运转区域的情况下，选择第3凸轮作为进气门的驱动凸轮，在第3曲轴转角区间关闭进气门，并且，在比第1运转区域的点火正时提前侧的点火正时对混合气点火。在运转状态位于第3运转区域的情况下，与运转状态处于第1运转区域的情况相比，EGR率的目标值被设定为低值。因此，爆震极限下降。关于这一点，第3凸轮的升量比第1凸轮小、且作用角比第2凸轮小。另外，第3曲轴转角区间相比第1曲轴转角区间位于提前侧、且比第2曲轴转角区间窄。因此，若选择第3凸轮并在第3曲轴转角区间关闭进气门，则能够降低吸入效率，抑制爆震极限的降低。另外，若在比第1运转区域的点火正时提前侧的点火正时对混合气点火，则能够补偿吸入效率的降低量，抑制发动机输出的降低。
在所述内燃机系统中，所述增压发动机的几何压缩比可以为11以上。
根据上述构成，能够提高几何压缩比为11以上的高压缩增压发动机的发动机输出。
本发明的第2方式是内燃机的控制方法。所述内燃机包括增压发动机和电子控制单元。所述增压发动机包括驱动进气门的凸轮轮廓不同的多个进气凸轮、将在排气系统中流动的排气作为外部EGR气体导入进气系统的EGR装置、以及对缸内的混合气点火的点火装置。所述电子控制单元构成为，根据由发动机转矩和发动机转速所确定的运转状态来设定EGR率的目标值，EGR率被表示为外部EGR气体在进气中所占的比例。所述控制方法包括：在所述EGR率的目标值被设定为预定EGR率的第1运转区域，由所述电子控制单元选择第1凸轮作为所述进气门的驱动凸轮，由所述电子控制单元将所述进气门的关闭正时设定在第1曲轴转角区间，所述第1曲轴转角区间包括在固定了发动机转速和增压压力的条件下吸入效率最高的曲轴转角；在第2运转区域，由所述电子控制单元选择第2凸轮作为所述驱动凸轮，由所述电子控制单元(50)将所述关闭正时设定在第2曲轴转角区间，并由所述电子控制单元将所述点火装置的点火正时变更为比所述第1运转区域中的所述点火装置的点火正时提前侧，所述第2运转区域相比所述第1运转区域位于高转速侧、且所述EGR率的目标值被设定为比所述预定EGR率低的值，所述第2凸轮的作用角和升量比所述第1凸轮小，所述第2曲轴转角区间相比所述第1曲轴转角区间位于提前侧、且吸入效率比所述第1曲轴转角区间低。
根据上述构成，在运转状态处于第1运转区域的情况下，能够选择第1凸轮作为进气门的驱动凸轮，在第1曲轴转角区间关闭进气门。在运转状态处于第1运转区域的情况下，EGR率的目标值被设定为高的值，所以，爆震极限高。另外，第1曲轴转角区间包括在固定了发动机转速和增压压力的条件下吸入效率最高的曲轴转角。因此，若选择第1凸轮并在第1曲轴转角区间关闭进气门，则能够提高发动机输出。
附图说明
以下，将参照附图对本发明的示例性的实施例的特征、优点以及技术和产业的意义进行描述，其中，用相似的符号表示相似的元件，其中：
图1是表示本发明的实施方式1的系统的构成例的概略图。
图2是说明本发明的实施方式1的系统所具有的两种进气凸轮的凸轮轮廓的一个例子的图。
图3是表示发动机的运转区域与目标EGR率的关系的一个例子的图。
图4是表示发动机的运转区域与驱动进气门的凸轮的关系的一个例子的图。
图5是说明进气门的关闭正时的一个例子的图。
图6是说明本发明的实施方式1的发动机控制的效果的图。
图7是表示进气门的关闭正时与缸内湍流的关系的一个例子的图。
图8是说明本发明的实施方式1的发动机控制例的时间图。
图9是表示进气门的关闭正时与吸入效率的关系的一个例子的图。
图10是表示在本发明的实施方式1中ECU执行的处理例程的一个例子的图。
图11是说明本发明的实施方式2的系统所具有的三种进气凸轮的凸轮轮廓的一个例子的图。
图12是表示发动机的运转区域与驱动进气门的凸轮的关系的一个例子的图。
图13是说明进气门的关闭正时的一个例子的图。
图14是说明本发明的实施方式3的系统的冷却系统的图。
图15是说明本发明的实施方式3的系统的冷却系统的图。
具体实施方式
以下，将基于附图对本发明的实施方式进行说明。另外，对在各图中共通的要素标注相同的附图标记并省略重复的说明。另外，并非由以下的实施方式来限定本发明。
首先，参照图1至图10对本发明的实施方式1进行说明。
图1是表示本发明的实施方式1的系统的构成例的概略图。图1所示的系统是搭载于车辆的内燃机的系统。图1所示的系统具有作为驱动源的内燃机10。内燃机10是四冲程型往复发动机，也是直列三汽缸型的发动机。此外，内燃机10的汽缸数和汽缸排列没有特别限定。内燃机10的几何压缩比被设为较高的11以上。在内燃机10的各汽缸连通有进气管12和排气管14。
首先，对内燃机10的进气系统进行说明。在进气管12的入口附近安装有空气滤清器16。在空气滤清器16的下游设置有涡轮增压器18的压缩机18a。压缩机18a通过设置于排气管14的涡轮18b的旋转而驱动，对进气进行压缩。在压缩机18a的下游设置有电子控制式的节流阀20。在节流阀20的下游设置有与各汽缸的进气口相连的进气歧管22。在进气歧管22中内置有水冷式的中间冷却器24。流入到中间冷却器24的进气通过与在冷却管26中流动的冷却水的热交换而被冷却。
接下来，对内燃机10的排气系统进行说明。在排气管14安装有涡轮增压器18的涡轮18b。涡轮18b与压缩机18a相连。涡轮18b因在排气管14中流动的排气的能量而旋转。在排气管14的中途设置有绕过涡轮18b的旁通管28。在旁通管28上设置着WGV(废气旁通阀)30。WGV30在比涡轮18b更靠上游侧的排气管压(背压)比规定值高时打开。在WGV30打开时，在涡轮18b的上游流动的排气的一部分经由旁通管28而流入涡轮18b的下游。在涡轮18b的下游具有用于净化排气的催化剂32、34。
接下来，对内燃机10的EGR系统进行说明。内燃机10具有LPL-EGR(低压回路-EGR)装置36。LPL-EGR装置36具有连接催化剂32、34之间的排气管14和比压缩机18a靠上游侧的进气管12的EGR管38。在EGR管38的中途设置着水冷式的EGR冷却器40。流入到EGR冷却器40的排气(即外部EGR气体)通过与在冷却管42中流动的冷却水的热交换而被冷却。在EGR冷却器40的下游设置有电子控制式的EGR阀44。在变更EGR阀44的开度时，从EGR管38流入进气管12的外部EGR气体的流量变化。当EGR阀44的开度变大时，EGR率变高。
接下来，对内燃机10的气门传动系统进行说明。图2是说明本发明的实施方式1的系统所具有的两种进气凸轮的凸轮轮廓(意味着升量和作用角中的至少一方。在以下也是同样)的一个例子的图。如图2所示，本实施方式1的系统具有通常凸轮和小凸轮这两种进气凸轮。小凸轮具有比通常凸轮小的作用角和升量。通常凸轮和小凸轮被支承于与曲轴同步旋转的凸轮轴。另外，在每个汽缸中支承两组通常凸轮和小凸轮。其原因是每个汽缸配置有两个进气门。但是，本发明中的每个汽缸的进气门的数量也可以是一个，还可以是三个以上。
在支承通常凸轮和小凸轮的凸轮轴设置有VVT(可变气门正时机构)。VVT是通过变更凸轮轴相对于曲轴的旋转相位差来变更进气门的开阀特性的机构。VVT具有经由正时链等与曲轴相连的壳体、以及设置于壳体内并安装于凸轮轴的端部的叶片体。通过向由壳体和叶片体划分出的液压室内供给液压，使叶片体相对于壳体相对旋转，进而能够变更凸轮轴相对于曲轴的旋转相位差。向VVT供给的液压的控制由设置于液压供给管路的液压控制阀来进行。VVT的构造是公知的，另外，在本发明中，并不对其构成进行限定，所以，省略与VVT相关的进一步的说明。
返回图1，继续对系统的构成例进行说明。图1所示的系统具有作为控制装置的电子控制单元(ECU)50。ECU50具有RAM(随机存取存储器)、ROM(只读存储器)、CPU(微处理器)等。ECU50读取搭载于车辆的各种传感器的信号并进行处理。各种传感器包括空气流量计52、曲轴转角传感器54、增压压力传感器56、水温传感器58、背压传感器60和气体温度传感器62。空气流量计52设置于空气滤清器16的附近以检测吸入空气量。曲轴转角传感器54输出与曲轴的旋转角度相应的信号。增压压力传感器56检测比节流阀20靠上游侧的进气管压(增压压力)。水温传感器58检测内燃机10的冷却水温。背压传感器60检测比涡轮18b靠上游侧的排气管压(背压)。气体温度传感器62检测EGR冷却器40的出口部的排气的温度。
ECU50处理被读取的各种传感器的信号并按照预定的控制程序来操作各种执行器。各种执行器包括上述的节流阀20和WGV30。另外，各种执行器也包括向缸内喷射燃料的喷射器70、对缸内的混合气点火的点火装置72、VVT74、以及切换用于驱动进气门的进气凸轮(以下也称为“驱动凸轮”。)的凸轮切换机构76。
图3是表示发动机的运转区域与目标EGR率(EGR率的目标值)的关系的一个例子的图。图3的关系是基于事先的仿真而作成的。如图3中的等高线所示，目标EGR率在中转矩中转速区域被设定为最高值。这是为了提高使用频率特别高的中转矩中转速区域的EGR率而提高热效率。另外，越是使用频率相对低的远离中转矩中转速区域的周边区域则目标EGR率就越被设定为低的值。具体地说，在高转矩域、低转矩域，与中转矩域相比，目标EGR率被设定为低的值。同样地，在高转速区域、低转速区域，与中转速区域相比，目标EGR率被设定为低值。在本实施方式1中，图3所示的关系被存储于ECU的ROM，通过将实际的运转状态应用于该关系从而控制EGR阀的开度。
另外，在本实施方式1中，出于提高发动机输出的目的，进行将进气门的关闭正时与上述的目标EGR率组合的发动机控制。图4是表示发动机的运转区域与驱动进气门的凸轮的关系的一个例子的图。如图4所示，在大多数的运转区域选择通常凸轮，而仅在高转矩高转速区域选择小凸轮。在本实施方式1中，图4所示的关系被存储于ECU的ROM，通过将实际的运转状态应用于该关系而控制凸轮切换机构的切换动作。
图5是说明进气门的关闭正时的一个例子的图。如图5所示，在驱动凸轮为通常凸轮的情况下，在比下止点(ABDC＝0)晚的曲轴转角区间CA1关闭进气门。另一方面，在驱动凸轮为小凸轮的情况下，在包括下止点在内的曲轴转角区间CA2提前关闭进气门。图5所示的曲轴转角区间CA1、CA2具有宽度是因为由VVT变更进气门的关闭正时。但是，在为了提高使用频率高的运转区域的发动机输出而将升量大的通常凸轮作为驱动凸轮的情况下，将曲轴转角区间CA1设定为包括吸入效率为最大的曲轴转角。另一方面，在将升量小的小凸轮作为驱动凸轮的情况下，将曲轴转角区间CA2设定为不包括吸入效率为最大的曲轴转角。此外，图5所示的吸入效率例如能够在固定了发动机转速和增压压力的运转条件下求出。
在图5中在高转矩高转速区域选择小凸轮是因为若在该运转区域选择通常凸轮的话会易于产生爆震。爆震易于在中转矩～高转矩域产生。但是，如图3中说明的那样，在中转矩中转速区域中将目标EGR率设定为高的值。这意味着提高了爆震极限。另外，如图3中说明的那样，在高转矩高转速区域，与中转矩中转速区域相比，目标EGR率被设定为低的值。因此，在如图3的动作线所示那样发动机的运转状态推移了的情况下，目标EGR率逐渐上升而达到最大值，然后转向减少而到达当前工作点。因此，假设在该整个期间持续选择通常凸轮的情况下，虽然爆震极限随着目标EGR率的降低而下降，但实际压缩比高的状态却会持续。因此，不得不使点火正时滞后化，从而不再能避免发动机输出的降低。
关于这一点，在本实施方式1中，在高转矩高转速区域选择小凸轮，所以，能够消除实际压缩比高的状态而使吸入效率降低。因此，能够抑制爆震极限的降低，从而能够避免点火正时的滞后化。另外，在高转矩高转速区域背压高，从而在选择了通常凸轮的情况下，背压大幅超过规定值而会打开WGV。但是，若切换为小凸轮，则背压也随着吸入效率的有意识的降低而降低，所以，背压低于规定值，从而WGV的开度变小。因此，可提高增压压力，从而能够补偿选择小凸轮而带来的吸入效率的降低。因此，可提高发动机输出。
图6是说明本发明的实施方式1的发动机控制的效果的图。如图6所示，在EGR率的降低时持续选择通常凸轮的情况下，在EGR率的降低后发动机的最大输出降低(虚线箭头)。与此相对，在本实施方式1中，在EGR率的降低时从通常凸轮切换为小凸轮，所以，能够抑制发动机的最大输出的降低(实线箭头)。此外，降低后的EGR率的值可以是零，也可以比零大。
在将驱动凸轮从通常凸轮切换为小凸轮并变更进气门的关闭正时时，不仅吸入效率，燃烧速度也降低。图7是表示进气门的关闭正时与缸内湍流的关系的一个例子的图。如图7所示，在驱动凸轮为小凸轮的情况下，与驱动凸轮为通常凸轮的情况相比，缸内湍流变小。因此，在将驱动凸轮从通常凸轮切换为小凸轮的情况下，存在燃烧速度变慢、发动机输出降低的可能性。但是，在本实施方式1那样的几何压缩比高的内燃机中，与燃烧速度的降低相比，随着吸入效率的降低的增压压力的上升会带来更强的影响，所以，会抑制发动机输出的降低(参照图6)。附带一提，在几何压缩比为10左右的通常的增压发动机的情况下，燃烧速度的降低的影响相对地变强，从而发动机输出易于降低。
接下来，参照图8对本实施方式1的发动机控制的具体例进行说明。图8是说明本发明的实施方式1的发动机控制例的时间图。在图8的时间图中描绘了：沿着图3所说明的动作线，发动机的运转状态从目标EGR率高的区域(即中转矩中转速区域)向目标EGR率低的区域(即高转矩高转速区域)转变时的各种物理量、控制参数的推移。因此，图8所示的EGR率以时刻t1为界降低，另一方面，该图所示的增压压力、缸内空气量大体上持续上升。
如图8所示，从时刻t1到时刻t2，EGR率降低。这是因为随着图3所说明的目标EGR率的降低，EGR阀的开度向关闭侧变更。在EGR率降低时爆震极限下降，所以，在EGR率的变更期间，点火正时持续向滞后侧变更。另外，随着点火正时的滞后化，缸内压力为最大的曲轴转角θ_Pmax向滞后侧移动。
在本实施方式1中，在EGR率的变更期间不进行驱动凸轮的切换。其原因是，若与EGR阀的变更同时并行地进行从通常凸轮向小凸轮的切换，则燃烧会变得不稳定、转矩变动会变大。进而言之，驱动凸轮的切换在EGR率的变更完成的时刻t2也不开始，而是以待机状态直到时刻t3。代替驱动凸轮的切换，在时刻t2，燃料的喷射正时向提前侧变更。喷射正时从压缩行程中的曲轴转角变更为进气行程中的曲轴转角。其原因是，在驱动凸轮为通常凸轮的情况下，能够确保缸内湍流、能够提高发动机输出，另一方面，在驱动凸轮切换为小凸轮后，缸内湍流会降低。对于这一点，若在时刻t2使喷射正时提前而变更为进气行程中的曲轴转角，则能够促进进气与燃料的混合，所以，能抑制发动机输出的降低。
另外，在本实施方式1中，在时刻t2开始进气门的关闭正时向滞后侧的变更。关闭正时向滞后侧的变更在驱动凸轮为通常凸轮期间通过控制VVT的液压控制阀来进行以使得吸入效率在驱动凸轮的切换前后一致。图9是表示进气门的关闭正时与吸入效率的关系的一个例子的图。如图9所示，吸入效率示出了以下止点附近的曲轴转角为中心大致对称的特性。对称中心的曲轴转角与下止点不一致是受到了增压压力的影响。通常凸轮与小凸轮的作用角差在凸轮的设计阶段便已经知道了。因此，基于图9所示的特性，能够确定吸入效率在驱动凸轮的切换前后一致的进气门的关闭正时。
驱动凸轮的切换在VVT进行的进气门的关闭正时的变更完成的时刻t3开始。其原因是，若是与喷射正时的变更或进气门的关闭正时的变更同时并行地进行从通常凸轮向小凸轮的切换，则燃烧会变得不稳定、转矩变动会变大。另外，在时刻t3，点火正时向提前侧变更。时刻t3的点火正时的提前程度被设定为使缸内压力为最大的曲轴转角θ_Pmax与时刻t1的曲轴转角θ_Pmax大致相等的值。但是，时刻t3的点火正时变更为比时刻t1的点火正时靠提前侧。通过这样的点火正时的提前侧的变更来补偿随着驱动凸轮的切换的吸入效率和燃烧速度的降低，从而能抑制发动机输出的降低。
如已所述的那样，在高转矩高转速区域选择小凸轮时，能够抑制爆震极限的降低。因此，在时刻t3变更了的点火正时在从时刻t3起的短暂的时间，进一步持续向提前侧变更。另外，在完成了向小凸轮的切换的时刻t4以后，WGV的开度随着吸入效率的有意识的降低而减小。因此，直到时刻t3为止都有上升倾向的增压压力在时刻t4以后也进一步上升。另外，随着时刻t4以后的增压压力的上升，缸内空气量也增加。因此，如图8的最上层所示，在从通常凸轮向小凸轮的切换前后，发动机输出可持续上升。
图10是表示在本发明的实施方式1中ECU执行的处理例程的一个例子的图。本例程按每预定的控制周期(例如曲轴每旋转120°)来执行。
在图10所示的例程中，首先，判定可否导入EGR气体(步骤S10)。可否导入EGR气体例如基于EGR冷却器的冷却制约和冷凝水制约来判定。作为EGR冷却器的冷却制约，可举出EGR冷却器的出口部的气体温度、EGR冷却器的出口部的冷却水温或压缩机的上游部的气体温度为预定温度以下。作为冷凝水制约，可举出中间冷却器的出口部的气体温度为露点温度以上。在未满足EGR冷却制约的情况下，判断为无法预见EGR气体的导入所带来的热效率的提高。在与冷凝水制约相抵触的情况下，判断为在中间冷却器的出口部产生了冷凝水。由此，在与冷却制约或冷凝水制约相抵触的情况下，判断为存在与外部EGR气体相关的制约，从而进行步骤S12以后的处理(详细情况后述)。
在步骤S10的判定结果为肯定的情况下，判断为存在与外部EGR气体相关的制约，从而进行步骤S14以后的处理。在步骤S14中，判定发动机的运转状态是否处于高转矩高转速区域。高转矩高转速区域相当于图4所说明的运转区域。在步骤S14的判定结果为否定的情况下，目标EGR率的上限值被设定为最大值(步骤S16)，喷射正时被设定为压缩行程的曲轴转角(步骤S18)，选择通常凸轮作为驱动凸轮(步骤S20)。由此，进行图3至图4所说明的高转矩高转速区域以外的运转区域的发动机控制。
在步骤S14的判定结果为肯定的情况下，判定可否使用小凸轮(步骤S22)。可否使用小凸轮例如基于增压做功制约来判定。作为增压做功制约，可举出大气压为预定值以上、或者背压为预定压力以下。在与增压做功制约相抵触的情况下，即使从通常凸轮切换为小凸轮，也判断为无法预见发动机输出的提高。由此，在与增压做功制约相抵触的情况下，进行步骤S24以后的处理。即，目标EGR率的上限值被设定为较小的值(步骤S24)，喷射正时被设定为压缩行程的曲轴转角(步骤S26)，选择通常凸轮作为驱动凸轮(步骤S28)。
在步骤S22的判定结果为肯定的情况下，目标EGR率的上限值被设定为较小的值(步骤S30)，喷射正时被设定为进气行程的曲轴转角(步骤S32)，选择小凸轮作为驱动凸轮(步骤S34)。由此，进行图3至图4所说明的高转矩高转速区域的发动机控制。此外，在运转状态从中转矩中转速区域向高转矩高转速区域转变时，按照图9所说明的顺序来进行目标EGR率的变更等。即，在向小凸轮的切换之前，变更目标EGR率和喷射正时。然后，在完成了进气门的关闭正时的变更的阶段，开始向小凸轮的切换。
对步骤S12以后的处理进行说明。步骤S12的处理与上述的步骤S14的处理相同。另外，继步骤S12的步骤S36～S54的处理与上述的步骤S16～S34的处理基本上相同。因此，关于步骤S12、S36～S54的处理内容，希望参照对应的步骤的记载。此外，作为与S16～S34的处理内容不同的点，可举出在步骤S36、S44、S50中将目标EGR率的上限值设定为零。这是基于步骤S10的判定结果。
以上，根据图10所示的例程，在EGR气体的导入条件和小凸轮的使用条件双方都成立时，能够进行基于图3至图4所说明的运转区域的发动机控制。因此，能够抑制运转状态从中转矩中转速区域向高转矩高转速区域转变时的发动机输出的降低。
此外，在上述的实施方式1中，图1所示的LPL-EGR装置36是发明内容的“EGR装置”的一个例子。另外，图3至图4所说明的中转矩中转速区域是发明内容的“第1运转区域”的一个例子。另外，图3至图4中的高转矩高转速区域是发明内容的“第2运转区域”的一个例子。另外，通常凸轮是发明内容“第1凸轮”的一个例子。另外，小凸轮是发明内容的“第2凸轮”的一个例子。另外，图5所说明的曲轴转角区间CA1是发明内容的“第1曲轴转角区间”的一个例子。另外，曲轴转角区间CA2是发明内容的“第2曲轴转角区间”的一个例子。
另外，在上述的实施方式1中，图1所示的VVT74是发明内容的“旋转相位变更机构”的一个例子。
接下来，参照图11至图13对本发明的实施方式2进行说明。此外，本实施方式2的系统的基本构成与图1所说明的构成例是共通的。因此，省略与系统构成的共通部分相关的说明。
图11是说明本发明的实施方式2的系统所具有的三种进气凸轮的凸轮轮廓的一个例子的图。如图11所示，本实施方式2的系统具有通常凸轮和两种小凸轮共计三种进气凸轮。两种小凸轮具有比通常凸轮小的作用角和升量。但是，小凸轮中的一方具有与上述实施方式1的小凸轮相同的作用角和升量。另一方的小凸轮具有比上述实施方式1的小凸轮小的作用角且具有上述实施方式1的小凸轮的升量以上的升量。以下，为了便于说明，也将具有与上述实施方式1的小凸轮相同的凸轮轮廓的所述一方的小凸轮称为“小凸轮(大作用角)”。另外，也将另一方的小凸轮称为“小凸轮(小作用角)”。
通常凸轮、小凸轮(大作用角)和小凸轮(小作用角)被支承于与曲轴同步旋转的凸轮轴。在该凸轮轴设置有VVT的这一情况与上述实施方式1相同。
在本实施方式2中，进行将基于三种进气凸轮的进气门的关闭正时与图3所说明的目标EGR率组合的发动机控制。图12是表示发动机的运转区域与驱动进气门的凸轮的关系的一个例子的图。如图12所示，在大多数的运转区域选择通常凸轮，而在高转矩高转速区域选择小凸轮(大作用角)。到此为止与上述实施方式1的发动机控制相同。在本实施方式2的发动机控制中，在低转速区域选择小凸轮(小作用角)。具体地说，在高转矩低转速区域、以及低转矩低转速区域选择小凸轮(小作用角)。在本实施方式2中，图12所示的关系被存储于ECU的ROM，通过将实际的运转状态应用于该关系而能够控制凸轮切换机构的切换动作。
图13是说明进气门的关闭正时的一个例子的图。如图13所示，在驱动凸轮为通常凸轮的情况下，在曲轴转角区间CA1关闭进气门。另一方面，在驱动凸轮为小凸轮(大作用角)的情况下，在曲轴转角区间CA2提前关闭进气门。到此为止与上述实施方式1的发动机控制相同。在本实施方式2的发动机控制中，在驱动凸轮为小凸轮(小作用角)的情况下，在比曲轴转角区间CA2窄的曲轴转角区间CA3提前关闭进气门。此外，图13所示的吸入效率例如能够在固定了发动机转速和增压压力的运转条件下求出。在低发动机转速的情况下，与高发动机转速的情况相比，吸入效率为最大的曲轴转角位于提前侧。因此，虽然区间长度自身没有变化，但在低发动机转速的情况下，与高发动机转速的情况相比，曲轴转角区间CA3位于提前侧。
如上述实施方式1所说明的那样，爆震易于在中转矩～高转矩域产生。关于这一点，在本实施方式2中，进行图3所说明的目标EGR率的设定，而且，在高转矩高转速区域选择具有与上述实施方式1所说明的小凸轮相同的凸轮轮廓的小凸轮(大作用角)。因此，在能够高转矩高转速区域抑制爆震极限的降低。但是，爆震易于在高转矩域产生意味着爆震极限的降低抑制的对象区域也包括高转矩低转速区域。因此，在如图12的动作线所示那样发动机的运转状态推移了的情况下，目标EGR率从最大值减少而到达当前工作点。因此，假设在该期间持续选择通常凸轮的情况下，虽然爆震极限随着目标EGR率的降低而下降，但实际压缩比高的状态却会持续。因此，为了避免爆震的产生而不得不使点火正时滞后化，从而不再能避免发动机输出的降低。
关于这一点，在本实施方式2中，在高转矩低转速区域选择小凸轮(小作用角)，所以，能够消除实际压缩比高的状态。另外，如已经说明的那样，小凸轮(小作用角)的作用角比小凸轮(大作用角)小。因此，在将小凸轮(小作用角)作为驱动凸轮的情况下，与将小凸轮(大作用角)作为驱动凸轮的情况相比，能够提前关闭进气门而大幅降低实际压缩比、吸入效率。因此，能够抑制爆震极限的降低。此外，在高转矩低转速区域，背压低于规定值，在向小凸轮(小作用角)的切换前后，几乎不会打开WGV。即，在高转矩低转速区域，通过向小凸轮(小作用角)的切换所带来的吸入效率的有意识的降低和点火正时的滞后化的避免，从而提高发动机输出。
另外，在本实施方式2中，在低转矩低转速区域也选择小凸轮(小作用角)。因此，可降低低转矩低转速区域的泵气损失，从而提高该运转区域的发动机输出。
关于在高转矩高转速区域选择小凸轮(大作用角)的发动机控制的具体例，在上述的图8至图10的说明中，能够将“小凸轮”改换为“小凸轮(大作用角)”来进行说明。另外，关于在高转矩低转速区域选择小凸轮(小作用角)的发动机控制的具体例，在上述的图8至图10的说明中，能够将“小凸轮”改换为“小凸轮(小作用角)”、进而将“高转矩高转速区域”改换为“高转矩低转速区域”来进行说明。另外，关于在低转矩低转速区域选择小凸轮(小作用角)的发动机控制的具体例，在上述的图8至图10的说明中，能够将“小凸轮”改换为“小凸轮(小作用角)”、进而将“高转矩高转速区域”改换为“低转矩低转速区域”来进行说明。
此外，在上述的实施方式2中，图12所说明的高转矩低转速区域是发明内容的“第3运转区域”的一个例子。小凸轮(大作用角)是发明内容的“第2凸轮”的一个例子。另外，小凸轮(小作用角)是发明内容的“第3凸轮”的一个例子。另外，图13所说明的曲轴转角区间CA3是发明内容的“第3曲轴转角区间”的一个例子。
接下来，参照图14至图15对本发明的实施方式3进行说明。此外，本实施方式3的系统的基本构成与图1所说明的构成例是共通的。因此，省略与系统构成的共通部分相关的说明。
本实施方式3的系统是除了内燃机之外还具有MG(电动发电机)作为车辆的驱动源的混合动力系统。除了MG之外，混合动力系统还具有驱动轴、动力分配装置、动力控制单元(PCU)、蓄电池这样的公知构成。混合动力系统的构成是公知，另外，在本发明中不限于该构成，所以，省略与混合动力系统相关的进一步的说明。
图14至图15是说明本发明的实施方式3的系统的冷却系统的图。本实施方式3的系统具有两个冷却系统。图14所示的冷却系统使较高温的冷却水在内燃机10和EGR冷却器40与散热器78之间循环。在该冷却系统中，从散热器78流入水泵80的冷却水被送到内燃机10和EGR冷却器40，并再次返回散热器78。图15所示的冷却系统使较低温的冷却水在HV系设备82(例如PCU的升压转换器、变换器)以及中间冷却器24与散热器84之间循环。在该冷却系统中，从散热器84流入水泵86的冷却水被送到HV系设备82和中间冷却器24，并再次返回散热器84。
如在上述实施方式1中说明的那样，若在高转矩高转速区域将驱动凸轮切换为小凸轮，则背压随着吸入效率的降低而降低。另外，若背压降低，则WGV的开度变小，所以，可提高增压压力。但是，若增压压力变高，则相应地中间冷却器的冷却要求也变高。因此，如图15所示的冷却系统那样，在中间冷却器24和HV系设备82共用冷却水的冷却系统的情况下，存在HV系设备82的冷却不充分的可能性。于是，在本实施方式3中，在上述的实施方式1的小凸轮的使用条件中追加在图15所示的冷却系统中流动的水温为预定温度以下这一条件。若是这样的小凸轮的使用条件，则可避免HV系设备的冷却不足。
此外，关于本实施方式3的发动机控制的具体例，能够通过在上述的图10的步骤S22的处理中在与增压做功制约相关的判定中追加与在图15所示的冷却系统中流动的水温相关的判定来进行说明。
其它实施方式.
在上述的实施方式1至3中，以利用排气能量使涡轮旋转的涡轮增压器为例进行了说明。但是，作为涡轮增压器的替代，也可以是由马达驱动压缩机的电动增压器，还可以是由内燃机驱动压缩机的机械式增压器。
另外，在上述的实施方式3中，以中间冷却器和HV系设备共用冷却水的冷却系统为例进行了说明。但是，与中间冷却器共用冷却水的热交换器不限于HV系设备。在将其它热交换器组入图15所示的冷却系统的情况下，采用与上述实施方式3同样的构成、在小凸轮的使用条件中追加与在图15所示的冷却系统中流动的水温相关的判定即可。

Claims (9)

1.一种内燃机系统，其特征在于，包括：
增压发动机，该增压发动机包括驱动进气门的凸轮轮廓不同的多个进气凸轮、将在排气系统中流动的排气作为外部EGR气体导入进气系统的EGR装置、以及对缸内的混合气点火的点火装置；和
电子控制单元，所述电子控制单元构成为，根据由发动机转矩和发动机转速所确定的运转状态来设定EGR率的目标值，EGR率被表示为外部EGR气体在进气中所占的比例；
所述电子控制单元构成为，在所述EGR率的目标值被设定为预定EGR率的第1运转区域，选择第1凸轮作为所述进气门的驱动凸轮，并且将所述进气门的关闭正时设定在第1曲轴转角区间，所述第1曲轴转角区间包括在固定了发动机转速和增压压力的条件下吸入效率最高的曲轴转角；
所述电子控制单元构成为，在第2运转区域，选择作用角和升量比所述第1凸轮小的第2凸轮作为所述驱动凸轮，并且将所述关闭正时设定在第2曲轴转角区间，并将所述点火装置的点火正时变更为比所述第1运转区域中的所述点火装置的点火正时提前侧，所述第2运转区域相比所述第1运转区域位于高转速侧、且所述EGR率的目标值被设定为比所述预定EGR率低的值，所述第2曲轴转角区间相比所述第1曲轴转角区间位于提前侧、且吸入效率比所述第1曲轴转角区间低。
2.根据权利要求1所述的内燃机系统，其特征在于，
所述电子控制单元构成为，在随着运转状态从所述第1运转区域向所述第2运转区域的转变而将所述驱动凸轮从所述第1凸轮向所述第2凸轮切换的情况下，使所述驱动凸轮的切换待机直到实际的EGR率的变更完成。
3.根据权利要求1或2所述的内燃机系统，其特征在于，
所述增压发动机包括向缸内供给燃料的喷射器；
所述电子控制单元构成为，在运转状态处于所述第1运转区域的情况下，控制所述喷射器以在压缩行程中喷射燃料；
所述电子控制单元构成为，在运转状态处于所述第2运转区域的情况下，控制所述喷射器以在进气行程中喷射燃料。
4.根据权利要求3所述的内燃机系统，其特征在于，
所述电子控制单元构成为，在随着运转状态从所述第1运转区域向所述第2运转区域的转变而将所述驱动凸轮从所述第1凸轮向所述第2凸轮切换的情况下，使所述驱动凸轮的切换待机直到所述喷射器的喷射正时的变更完成。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的内燃机系统，其特征在于，
所述增压发动机包括支承所述多个进气凸轮的凸轮轴和变更所述凸轮轴相对于曲轴的旋转相位的旋转相位变更机构；
所述电子控制单元构成为，在随着运转状态从所述第1运转区域向所述第2运转区域的转变而将所述驱动凸轮从所述第1凸轮向所述第2凸轮切换的情况下，变更所述旋转相位以使所述驱动凸轮的切换前后的吸入效率一致，并使所述驱动凸轮的切换待机直到所述旋转相位的变更完成。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的内燃机系统，其特征在于，
所述增压发动机包括冷却在所述进气系统中流动的进气的水冷式的中间冷却器、和与所述中间冷却器共有冷却水的热交换器；
所述电子控制单元构成为，在满足下述i)和ii)双方时不进行所述驱动凸轮的切换；
i)随着运转状态从所述第1运转区域向所述第2运转区域的转变而将所述驱动凸轮从所述第1凸轮向所述第2凸轮切换时，
ii)在所述中间冷却器和所述热交换器中流动的冷却水的温度比预定温度高时。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的内燃机系统，其特征在于，
所述电子控制单元构成为，在第3运转区域，选择升量比所述第1凸轮小、且作用角比所述第2凸轮小的第3凸轮作为所述驱动凸轮，并且将所述关闭正时设定在第3曲轴转角区间，并将所述点火装置的点火正时变更为比所述第1运转区域中的所述点火装置的点火正时提前侧，所述第3运转区域相比所述第1运转区域位于低转速侧、且所述EGR率的目标值被设定为比所述预定EGR率低的值，所述第3曲轴转角区间相比所述第1曲轴转角区间位于提前侧、且比所述第2曲轴转角区间窄。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的内燃机系统，其特征在于，
所述增压发动机的几何压缩比为11以上。
9.一种内燃机的控制方法，
所述内燃机包括增压发动机和电子控制单元；
所述增压发动机包括驱动进气门的凸轮轮廓不同的多个进气凸轮、将在排气系统中流动的排气作为外部EGR气体导入进气系统的EGR装置、以及对缸内的混合气点火的点火装置；
所述电子控制单元构成为，根据由发动机转矩和发动机转速所确定的运转状态来设定EGR率的目标值，EGR率被表示为外部EGR气体在进气中所占的比例；
所述控制方法的特征在于，包括：
在所述EGR率的目标值被设定为预定EGR率的第1运转区域，由所述电子控制单元选择第1凸轮作为所述进气门的驱动凸轮，由所述电子控制单元将所述进气门的关闭正时设定在第1曲轴转角区间，所述第1曲轴转角区间包括在固定了发动机转速和增压压力的条件下吸入效率最高的曲轴转角；
在第2运转区域，由所述电子控制单元选择第2凸轮作为所述驱动凸轮，由所述电子控制单元将所述关闭正时设定在第2曲轴转角区间，并由所述电子控制单元将所述点火装置的点火正时变更为比所述第1运转区域中的所述点火装置的点火正时提前侧；
所述第2运转区域相比所述第1运转区域位于高转速侧、且所述EGR率的目标值被设定为比所述预定EGR率低的值，所述第2凸轮的作用角和升量比所述第1凸轮小，所述第2曲轴转角区间相比所述第1曲轴转角区间位于提前侧、且吸入效率比所述第1曲轴转角区间低。
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