JP2009041485A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】可変動弁機構とＥＧＲ系を備える内燃機関において、ＥＧＲ量に応じた最適なバルブタイミング制御を行うことのできる内燃機関の制御装置を提供する。
【解決手段】吸気弁の開閉時期の位相を遅進させる位相可変手段と、前記吸気弁の作用角を拡大或いは縮小させる作用角可変手段と、内燃機関の運転状態に応じて、ＥＧＲ量を増量するＥＧＲ量増量手段と、前記ＥＧＲ量を増量する場合に、前記吸気弁の閉じ時期を進角させる吸気閉じ進角手段と、を備える。前記吸気閉じ進角手段は、前記位相可変手段による位相の進角動作を行う第１の手段と、前記作用角可変手段による作用角の縮小動作を行う第２の手段と、を含み、前記第２の手段による動作開始時期を、前記第１の手段による動作開始時期に比して遅らせる。
【選択図】図４

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に関し、特に、可変動弁機構とＥＧＲ系を備える内燃機関の制御装置に関する。

従来、例えば、特開２００２−８９３４１号公報に開示されているように、可変動弁機構とＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）とを総合的に制御する制御装置が提案されている。この制御装置では、吸気弁のリフト・作動角を拡大或いは縮小させる作動角可変機構と、吸気弁のリフトの中心角の位相を遅進させる位相可変機構とを有し、内燃機関の負荷の変化率に応じて、これらの機構が制御されて吸気弁のリフト・作動角、リフト中心角の位相、および、機関吸気系への排気還流量（ＥＧＲ量）が総合的に制御される。これにより、車両のあらゆる運転状態においてポンプ損失の低減による燃費性能の向上とＮＯｘ低減との両立を図ることとしている。

特開２００２−８９３４１号公報 ＷＯ／２００６／０２５５６５号

ところで、ＥＧＲ系を備える内燃機関においては、車両の運転領域が軽負荷域に移行した場合に、ＮＯｘ排出量の低減を目的としてＥＧＲ量を増量する処理が実行される。ＥＧＲ量の増量要求が出されると、種々の制御パラメータを目標ＥＧＲ量に対応する適合値に制御するための処理が実行される。具体的には、可変動弁機構を備えた内燃機関においては、内部ＥＧＲ量を増量するために吸気弁の開き時期を所定量進角させて排気弁および排気弁のバルブオーバーラップを拡大する処理が行われる。また、実圧縮比を目標値まで上昇させるために、吸気弁の閉じ時期を所定量進角させる処理が行われる。

ここで、吸気弁の位相と作用角とを独立して変化させることのできる可変動弁機構においては、それぞれの制御の実行タイミングを個別に設定可能であるため、ＮＯｘ排出量を最大限に低減し得るバルブタイミングとすることが望ましい。特に、作用角可変の制御応答性が位相可変のそれに比して高い場合など、応答性に差異がある場合には、これらの応答性をも考慮した考察が必要となる。この点、上記従来のシステムにおいては、これらの実行タイミングの厳密な制御が行われておらず、未だ改善の余地を残すものであった。

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、可変動弁機構とＥＧＲ系を備える内燃機関において、ＥＧＲ量に応じた最適なバルブタイミング制御を行うことのできる内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、内燃機関の制御装置であって、
吸気弁の開閉時期の位相を遅進させる位相可変手段と、
前記吸気弁の作用角を拡大或いは縮小させる作用角可変手段と、
内燃機関の運転状態に基づいて、ＥＧＲ量を増量するＥＧＲ量増量手段と、
前記ＥＧＲ量を増量する場合に、前記吸気弁の閉じ時期を進角させる吸気閉じ進角手段と、を備え、
前記吸気閉じ進角手段は、
前記位相可変手段による位相の進角動作を行う第１の手段と、
前記作用角可変手段による作用角の縮小動作を行う第２の手段と、を含み、
前記第２の手段による動作開始時期を、前記第１の手段による動作開始時期に比して遅らせることを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、
前記ＥＧＲ量増量手段は、前記吸気弁の開き時期を進角させる吸気開き進角手段を含み、
前記吸気閉じ進角手段は、
前記第２の手段による動作完了時期を、前記第１の手段による動作完了時期に略一致させることを特徴とする。

第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記作用角可変手段は、前記位相可変手段に比して制御応答性の高いアクチュエータにより構成されていることを特徴とする。

第４の発明は、第１乃至第３の何れか１つの発明において、
前記作用角可変手段は、前記吸気弁の開き時期を略一定に保ちながら作用角を変化させることを特徴とする。

第５の発明は、第１乃至第４の何れか１つの発明において、
前記吸気閉じ進角手段は、
前記第２の手段の開始に先立って前記作用角可変手段による作用角の拡大動作を行う第３の手段を含むことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の内燃機関の制御装置。

第６の発明は、第１乃至第５の何れか１つの発明において、
前記ＥＧＲ量増量手段は、
前記内燃機関の排気通路と吸気通路とを接続するＥＧＲ通路と、
前記ＥＧＲ通路を通って還流する外部ＥＧＲ量を増量する外部ＥＧＲ量増量手段と、を含み、
前記吸気閉じ進角手段は、
前記ＥＧＲ量に連動して、前記第２の手段による動作を開始することを特徴とする。

第７の発明は、第６の発明において、
前記吸気閉じ進角手段は、
前記ＥＧＲ量、若しくはそれと相関する量の、検出値または推定値が、所定の目標値に達した場合に、前記第２の手段による動作を開始することを特徴とする。

第８の発明は、第６または第７の発明において、
前記吸気閉じ進角手段による進角量が所定値に比して小さい期間に、パイロット噴射量を増量するパイロット噴射量増量手段を更に備えることを特徴とする。

第９の発明は、第８の発明において、
前記パイロット噴射増量期間は、前記吸気閉じ進角手段における前記第２の手段の動作開始までの期間にパイロット噴射量を増量することを特徴とする。

内燃機関にＥＧＲ量の増量要求が出されると、実圧縮比を上昇させるために吸気弁の閉じ時期を進角させる制御（以下、「吸気閉じ進角制御」と称す）が実行される。第１の発明によれば、吸気閉じ進角制御において、位相の進角動作を行う第１の手段および作用角の縮小動作を行う第２の手段が行われる場合に、第２の手段による動作が、第１の手段による動作に比して遅れて開始される。このため、本発明によれば、ＥＧＲ増量制御の過渡期、すなわちＥＧＲ量が不足している期間において、実圧縮比が先行して上昇してしまう事態を回避し、ＮＯｘ排出量を効果的に抑制することができる。

第１の手段により位相の進角動作が行われると、吸気弁の閉じ時期だけでなく吸気弁の開き時期が進角されるため、内部ＥＧＲ量が増量される。第２の発明によれば、第２の手段による動作完了時期を、第１の手段による動作完了時期に略一致させることができるので、内部ＥＧＲの増量動作の完了時期と吸気閉じ進角制御の完了時期とを一致させることができる。このため、本発明によれば、ＥＧＲ量が不足している状態で実圧縮比が上昇してしまう事態を回避することができ、ＮＯｘ排出量を効果的に抑制することができる。

第３の発明によれば、作用角可変手段は位相可変手段に比して制御応答性の高いアクチュエータにより構成されている。このため、本発明によれば、吸気閉じ進角制御における所望の期間に第２の手段による動作を効果的に行うことができる。

第４の発明によれば、作用角可変手段を動作させることにより、吸気弁の開き時期を変化させずに閉じ時期のみを変化させることができる。このため、本発明によれば、位相可変手段により吸気弁の開き時期を調整し、位相可変手段および作用角可変手段を併用することにより、吸気弁の閉じ時期を調整することができる。

第５の発明によれば、吸気閉じ進角制御において、第２の手段に先立って、作用角を拡大させる第３の手段が実行される。このため、本発明によれば、吸気閉じ進角制御の初期における実圧縮比の上昇を確実に抑制することができるので、かかる期間におけるＮＯｘの発生量を効果的に低減させることができる。

第６の発明によれば、内燃機関の要求により外部ＥＧＲが増量される場合に、ＥＧＲ量に連動して吸気閉じ進角制御における第２の手段の動作が開始される。このため、本発明によれば、ＥＧＲ量が不足する期間に実圧縮比が必要以上に上昇してしまう事態を効果的に回避することができる。

第７の発明によれば、内燃機関の要求により外部ＥＧＲが増量される場合に、ＥＧＲ量、ＥＧＲ率、若しくはそれらと相関する量の、検出値または推定値が目標値に一致するタイミングで、吸気閉じ進角制御における第２の手段の動作が開始される。このため、本発明によれば、外部ＥＧＲの輸送遅れの期間、すなわち、ＥＧＲ量が不足する期間に実圧縮比が必要以上に上昇してしまう事態を効果的に回避することができる。

第８の発明によれば、吸気閉じ進角制御において進角量が所定値より小さい期間にパイロット噴射量が増量される。吸気閉じ進角量が小さい期間は、実圧縮比が低く、且つ、ＥＧＲ量が不足している。このため、本発明によれば、かかる期間にパイロット噴射量を増量することにより、スモークの発生やＨＣの発生を効果的に抑制することができる。

第９の発明によれば、吸気閉じ進角制御において第２の手段による動作が開始されるまでの期間にパイロット噴射量が増量される。第２の手段の動作開始前は、実圧縮比が低く、且つ、ＥＧＲ量が不足している。このため、本発明によれば、かかる期間にパイロット噴射量を増量することにより、スモークの発生やＨＣの発生を効果的に抑制することができる。

以下、図面に基づいてこの発明のいくつかの実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１としての内燃機関システムの概略構成を説明するための図である。図１に示すとおり、本実施の形態のシステムは、複数気筒（図１では４気筒）を有する４サイクルのディーゼル機関（以下、単に「エンジン」とも称す）１０を備えている。エンジン１０は車両に搭載され、その動力源とされているものとする。

以下、本実施形態では、本発明をディーゼル機関（圧縮着火内燃機関）の制御に適用した場合について説明するが、本発明はディーゼル機関に限定されるものではなく、ガソリン機関（火花点火内燃機関）、その他の各種の内燃機関の制御に適用することが可能である。

ディーゼル機関１０の各気筒には、燃料を筒内に直接噴射するためのインジェクタ１２が設置されている。各気筒のインジェクタ１２は、共通のコモンレール１４に接続されている。図示しない燃料タンク内の燃料は、サプライポンプ１６によって所定の燃圧まで加圧されて、コモンレール１４内に蓄えられ、コモンレール１４から各インジェクタ１２に供給される。

ディーゼル機関１０の排気通路１８は、排気マニホールド２０により枝分かれして、各気筒の排気ポート（図示せず）に接続されている。排気通路１８は、ターボ過給機２４の排気タービンに接続されている。排気通路１８におけるターボ過給機２４の下流側には、排気ガスを浄化するための後処理装置２６が設けられている。後処理装置２６としては、例えば、酸化触媒、ＮＯｘ触媒、ＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）、ＤＰＮＲ（Diesel Particulate-NOx-Reduction system）等を用いることができる。

ディーゼル機関１０の吸気通路２８の入口付近には、エアクリーナ３０が設けられている。エアクリーナ３０を通って吸入された空気は、ターボ過給機２４の吸気圧縮機で圧縮された後、インタークーラ３２で冷却される。インタークーラ３２を通過した吸入空気は、吸気マニホールド３４により各気筒の吸気ポート（図示せず）に分配される。

吸気通路２８におけるインタークーラ３２と吸気マニホールド３４との間には、吸気絞り弁３６が設置されている。また、吸気通路２８におけるエアクリーナ３０の下流近傍には、吸入空気量を検出するためのエアフローメータ５２が設置されている。

吸気通路２８における吸気マニホールド３４近傍には、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）通路４０の一端が接続されている。ＥＧＲ通路４０の他端は、排気通路１８における排気マニホールド２０近傍に接続されている。本システムでは、このＥＧＲ通路４０を通して、排気ガス（既燃ガス）の一部を吸気通路２８へ還流させること、つまり外部ＥＧＲを行うことができる。以下、ＥＧＲ通路４０を通して吸気通路２８へ還流される排気ガスのことを「外部ＥＧＲガス」と称する。

ＥＧＲ通路４０の途中には、外部ＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ４２が設けられている。ＥＧＲ通路４０におけるＥＧＲクーラ４２下流には、ＥＧＲ弁４４が設けられている。このＥＧＲ弁４４の開度を変化させることにより、ＥＧＲ通路４０を通る排気ガス量、すなわち外部ＥＧＲ量を調整することができる。

吸気通路２８における吸気絞り弁３６下流には、吸気圧を検出するための吸気圧センサ５４が設置されている。また、排気通路１８におけるターボ過給機２４の上流側には、背圧を検出するための背圧センサ５６が設置されている。

本実施の形態のシステムは、図１に示すとおり、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)５０を備えている。ＥＣＵ５０の入力部には、上述したエアフローメータ５２、吸気圧センサ５４、背圧センサ５６の他、ディーゼル機関１０を制御するための各種センサが接続されている。また、ＥＣＵ５０の出力部には、上述したインジェクタ１２、吸気絞り弁３６、ＥＧＲ弁４４の他、ディーゼル機関１０を制御するための各種アクチュエータが接続されている。ＥＣＵ５０は、入力された各種の情報に基づいて、所定のプログラムに従って各機器を駆動する。

図２は、図１に示すディーゼル機関１０の一つの気筒の断面を示す図である。以下、ディーゼル機関１０について更に詳細に説明する。図２に示すとおり、ディーゼル機関１０は吸気弁６２および排気弁６４のバルブタイミング（開閉時期）を連続的にまたは段階的に可変とする可変動弁装置６０を備えている。可変動弁装置６０は、クランク軸６６に対するカム軸（図示せず）の位相角を変化させることでバルブタイミングの位相を可変制御する位相可変機構と、バルブのリフト量や作用角を可変制御する作用角可変機構とを備えている。

位相可変機構は、例えば、カム軸のクランク軸６６に対する位相を油圧により進角或いは遅角させることで制御される。また、作用角可変機構は、カム軸の回転運動をバルブにリフト運動として伝達するための揺動部材を備えている。そして、当該揺動部材の揺動位置を変化させることにより、バルブの開弁時期を略一定に保ちながら作用角を拡大或いは縮小させることができる。揺動部材の揺動位置は、カム軸に平行に設けられた制御軸（図示せず）の回転角度により制御される。制御軸の回転制御には、例えば、モータ等のアクチュエータを使用することができる。尚、可変動弁装置６０の構成および機能等に関しては、本発明の主要部ではなく、かつ、公知の技術であるため、その詳細な説明を省略する。

ディーゼル機関１０のクランク軸６６の近傍には、クランク軸６６の回転角度（クランク角）を検出するためのクランク角センサ５８が取り付けられている。上述した可変動弁装置６０、クランク角センサ５８は、ＥＣＵ５０に接続されている。

［実施の形態１の動作］
（内部ＥＧＲの制御）
本実施の形態のディーゼル機関１０では、排気ガスの一部を再び気筒内に還流させるＥＧＲが行われる。ＥＧＲが行われると、混合気中において比熱の大きいＣＯ_２が増加するため、燃焼時の温度低減によりＮＯｘを低減させることができる。しかしながら、一方において、Ｏ_２の濃度が減少するため、空気の十分でない高負荷域では、排煙濃度（スモーク）、およびＨＣの排出量が増加してしまう。このため、ＥＧＲの適用は、中低負荷域に限られ、また、その効果を十分に発揮させるためにはＥＧＲ量（ＥＧＲ率）を高い精度で制御することが重要となる。

ここで、内部ＥＧＲは、筒内で燃焼に付された排気ガス（既燃ガス）が筒内に残存或いは再び吸い戻されることで行われる。より具体的には、排気弁が閉じ終わる前に吸気弁が開くことで吸排気弁が共に開いているとき、つまり、バルブオーバーラップ時には、排気ガス（既燃ガス）が筒内および吸気ポート内に吸い戻されることがある。この吸い戻された排気ガスは、その後、ピストンの動きにより新気と共に筒内に流入することで内部ＥＧＲが実行される。内部ＥＧＲ量は、バルブオーバーラップ期間が長いほど多量となる。このため、可変動弁装置６０によって吸気弁６２の開き時期（以下、「吸気開き時期」と称す）を進角させてバルブオーバーラップ期間を大きくすることにより、内部ＥＧＲ量を増量することができる。以下、吸気開き時期を進角させる制御を「吸気開き進角制御」と称す。

本実施の形態のシステムでは、ディーゼル機関１０の運転状態と、その運転状態に応じた適切な内部ＥＧＲ量が得られるような吸気開き時期との関係が適合作業によりマップ化されて、予めＥＣＵ５０に記憶されているものとする。そして、ＥＣＵ５０は、ディーゼル機関１０の運転状態に応じ、そのマップに基づいて可変動弁装置６０における位相可変機構を駆動し、吸気弁６２のバルブタイミング（バルブオーバーラップの大きさ）を制御することにより、内部ＥＧＲ量をフィードフォワード制御するものとする。

（外部ＥＧＲの制御）
外部ＥＧＲは、ＥＧＲ通路４０を通して、排気ガス（既燃ガス）の一部を吸気通路２８へ還流させることにより行われる。より具体的には、ディーゼル機関１０の運転状態に応じてＥＧＲ弁４４の開度が調整されて、排気ガスがＥＧＲ通路４０に導入される。導入された排気ガスは、ＥＧＲクーラ４２において冷却された後に、吸気通路２８に還流される。

外部ＥＧＲ量は、筒内に吸入されるガス中の酸素濃度（吸気Ｏ_２濃度）を基礎として制御される。つまり、吸気Ｏ_２濃度はＥＧＲ率と相関を有している。そして、吸気Ｏ_２濃度は、エアフローメータ５２で検出される吸入空気量、ＥＧＲ弁４４の開度、吸気圧センサ５４で検出される吸気圧（過給圧）、背圧センサ５６で検出される背圧等に基づいて推定することができる。そこで、それらの値に基づいて吸気Ｏ_２濃度の推定値を算出し、その推定値が運転状態に応じた目標値に一致するようにＥＧＲ弁４４の開度を制御すれば、外部ＥＧＲが目標とするＥＧＲ率になるように制御することができる。

本実施の形態のシステムでは、ディーゼル機関１０の運転状態と、その運転状態に応じた適切なＥＧＲ率を実現するための吸気Ｏ_２濃度との関係がマップ化されて、予めＥＣＵ５０に記憶されているものとする。そして、ＥＣＵ５０は、推定された吸気Ｏ２濃度が、そのマップに従って定められる目標値に一致するように、ＥＧＲ弁４４の開度をフィードバック制御するものとする。

（実圧縮比の制御）
上述したとおり、本実施の形態のディーゼル機関１０では、中低負荷領域においてＮＯｘの排出低減を目的としたＥＧＲ制御が行われる。ＥＧＲが行われると、混合気中の成分比率が変化するため、実圧縮比をこれに併せて変化させる必要がある。具体的には、ＥＧＲを増量すると、比熱の大きいＣＯ_２が増加することにより筒内温度が低下するため、実圧縮比を上昇させるための制御が行われる。

実圧縮比は、吸気弁６２の閉じ時期（以下、「吸気閉じ時期」と称す）を可変させることにより調整することができる。具体的には、吸気閉じ時期を進角させると実圧縮比を上昇させることができる。本実施の形態のシステムでは、目標の圧縮比と、その目標圧縮比を実現するための吸気閉じ時期の目標値との関係が適合作業によりマップ化されて、予めＥＣＵ５０に記憶されているものとする。そして、ＥＣＵ５０は、そのマップに基づいて特定された吸気閉じ時期の目標値を実現するために可変動弁装置６０を駆動制御する。

（可変動弁装置の制御）
本実施の形態における可変動弁装置６０は、位相可変機構および作用角可変機構を駆動制御することにより、吸気開き時期および吸気閉じ時期をそれぞれ独立して制御することができる。具体的には、可変動弁装置６０における位相可変機構を駆動すると、バルブタイミングの位相が、作用角を一定に保ちながら進角或いは遅角されるので、吸気開き時期および吸気閉じ時期が同じ量だけ進角或いは遅角される。一方、可変動弁装置６０における作用角可変機構を駆動すると、バルブタイミングの作用角が、吸気開き時期を略一定に保ちながら拡大或いは縮小されるので、吸気閉じ時期のみが進角或いは遅角される。したがって、位相可変機構による位相変化量は吸気閉じ時期との関係で特定され、また、作用角可変機構による作用角変化量は位相変化量を考慮した上で吸気開き時期との関係で特定される。

［実施の形態１の特徴的動作］
次に、図３および図４を参照して、本実施の形態の特徴的動作について説明する。車両からの減速要求等によりディーゼル機関１０の運転状態が中低負荷へ移行する場合、ＮＯｘ低減を目的としたＥＧＲの増量制御が行われる。具体的には、内部ＥＧＲ量を増量するための吸気開き進角制御、および外部ＥＧＲ量を増量するためのＥＧＲ弁４４の開度制御が行われる。また、ディーゼル機関１０では、ＥＧＲの増量に伴い実圧縮比を高めるための吸気閉じ進角制御が行われる。

図３は、ディーゼル機関１０の運転状態が中低負荷へ移行する場合の、吸気開き時期および吸気閉じ時期のタイミングチャートを示す。この図に示すとおり、車両の減速要求、すなわちＥＧＲの増量要求が出されると、吸気開き進角制御および吸気閉じ進角制御が実行される。具体的には、吸気開き進角制御は、位相可変機構による位相進角制御を実行することで、吸気開き時期が、時刻ｔ０から時刻ｔ１の期間を経て目標値まで進角される。これにより、内部ＥＧＲ量が目標値まで増量される。一方、吸気閉じ進角制御は、上記位相可変機構による位相進角制御とともに、作用角可変機構による作用角縮小制御を実行することで、吸気閉じ時期が目標値まで進角される。

ここで、図３に示すように、作用角可変機構による動作が時刻ｔ０から時刻ｔ１の期間よりも短い時刻ｔ０からｔ２の期間において実行される場合、吸気閉じ進角制御の開始直後に吸気閉じ時期が一気に進角されることにより、内部ＥＧＲ量が所望の目標値まで増量される前に実圧縮比が高くなり、ＮＯｘを排出しやすくなるおそれがある。このような状況は、作用角可変機構の制御応答性が位相可変機構のそれに比して高い場合に顕著に起こり得る。

そこで、本実施の形態では、吸気閉じ進角制御における作用角可変機構の動作完了時期を、吸気開き進角制御の完了時期に略一致させることとする。図４は、ディーゼル機関１０の運転状態が中低負荷へ移行する場合の、吸気開き時期および吸気閉じ時期のタイミングチャートを示す。この図に示すとおり、時刻ｔ０から時刻ｔ１の期間に吸気開き進角制御が実行される場合、吸気閉じ進角制御における作用角可変機構の動作を、時刻ｔ３から時刻ｔ１の期間に実行することとする。時刻ｔ３は、時刻ｔ１において作用角可変機構の動作が完了するように設定される。これにより、実圧縮比の上昇を制御完了直前に集中させることができるので、内部ＥＧＲが不足している期間に実圧縮比が高くなる事態を効果的に回避し、ＮＯｘの排出を抑制することができる。

［実施の形態１における具体的処理］
次に、図５を参照して、本実施の形態において実行する処理の具体的内容について説明する。図５は、ＥＣＵ５０が、吸気弁６２のバルブタイミングの可変制御を実行するルーチンのフローチャートである。

図５に示すルーチンでは、先ず、ディーゼル機関１０においてＥＧＲの増量制御が開始されるか否かが判断される（ステップ１００）。ここでは、具体的には、ディーゼル機関１０の運転状態に基づいて、運転領域が中低負荷域に移行するか否かが判断される。その結果、ＥＧＲの増量制御が開始されないと判定された場合には、本ルーチンは速やかに終了される。

一方、上記ステップ１００においてＥＧＲの増量制御が開始されると判定された場合には、吸気弁６２のバルブタイミングの可変制御が必要と判断され、次のステップに移行し、吸気弁６２の開き進角量が算出される（ステップ１０２）。ここでは、具体的には、ディーゼル機関１０の運転状態に基づいて、所望の内部ＥＧＲを導入するための吸気開き進角量がマップにより特定される。次に、吸気弁６２の閉じ進角量が算出される（ステップ１０４）。ここでは、具体的には、ディーゼル機関１０の運転状態に基づいて、ＥＧＲ量に対応した所望の実圧縮比を実現するための吸気閉じ進角量がマップにより特定される。

次に、可変動弁装置６０における位相可変機構の制御量および制御タイミングが算出される（ステップ１０６）。吸気開き進角量は位相進角量のみで構成される。ここでは、具体的には、上記ステップ１０２において算出された吸気開き進角量を実現するための位相進角量および動作タイミングが算出される。

次に、可変動弁装置６０における作用角可変機構の制御量および制御タイミングが算出される（ステップ１０８）。吸気閉じ進角量は、位相進角量と作用角縮小による進角量との総和として構成される。ここでは、具体的には、上記ステップ１０４において算出された吸気閉じ進角量、および上記ステップ１０６において算出された位相進角量に基づいて、所望の吸気閉じ進角量を実現するための作用角縮小量が算出される。また、作用角可変機構による動作完了時期と、位相可変機構による動作完了時期とが略一致するように、作用角可変機構の制御開始タイミングが特定される。

次に、バルブタイミングの可変動作が実行される（ステップ１１０）。ここでは、具体的には、上記ステップ１０６において特定された位相進角量およびその制御タイミングに基づいて、位相可変機構が駆動制御され、また、上記ステップ１０８において特定された作用角縮小量およびその制御タイミングに基づいて、作用角可変機構が駆動制御される。

以上説明したとおり、本実施の形態１のシステムによれば、ＥＧＲ増量のための吸気開き進角制御および吸気閉じ進角制御を実行する場合に、実圧縮比の上昇を制御完了直前に集中させることができるので、内部ＥＧＲが不足している期間、すなわち、吸気開き進角制御の実行中に、実圧縮比が必要以上に高くなりＮＯｘ排出量が増大する事態を抑制することができる。

ところで、上述した実施の形態１においては、作用角可変機構の制御応答性が位相可変機構のそれに比して高い可変動弁装置６０において、本発明を実行することとしているが、制御応答性の優劣関係はこれに限られない。すなわち、吸気閉じ進角制御において、作用角可変機構の進角制御駆動に要する期間が、位相可変機構の駆動に要する期間よりも短期間であれば、作用角可変機構の開始時期を遅らせることが可能となる。

また、上述した実施の形態１においては、吸気閉じ進角制御において、作用角可変機構による制御完了時期を、位相可変機構による制御完了時期に略一致させることとしているが、作用角可変機構の制御タイミングはこれに限られない。すなわち、作用角可変機構による制御開始時期を、位相可変機構による制御開始時期よりも遅らすことができるのであれば、ＥＧＲが不足する期間における実圧縮比の上昇を抑制することが可能となる。

尚、上述した実施の形態１においては、可変動弁装置６０における位相可変機構が前記第１の発明における「位相可変手段」に、作用角可変機構が前記第１の発明における「作用角可変手段」に、それぞれ相当している。また、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１１０の処理において、位相可変機構の進角動作を実行することにより、前記第１の発明における「吸気閉じ進角手段」が、更に詳しくは、上記ステップ１１０の処理において、位相可変機構による動作を実行することにより、前記第１の発明における「第１の手段」が、上記ステップ１１０の処理において、作用角可変機構による動作を実行することにより、前記第１の発明における「第２の手段」が、それぞれ実現されている。

また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ５０が、上記ステップ１１０の処理において、位相可変機構の進角動作を実行することにより、前記第２の発明における「吸気開き進角手段」が実現されている。

実施の形態２．
［実施の形態２の特徴］
次に、図６および図７を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態は、図１に示すハードウェア構成を用いて、ＥＣＵ５０に後述する図７に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。

上述した実施の形態１においては、ＥＧＲの増7量要求時の吸気閉じ進角制御において、作用角可変機構による進角動作のタイミングを、位相可変機構による進角動作よりも遅らすこととしている。これにより、内部ＥＧＲが不足している期間、すなわち、吸気開き進角制御の実行中に実圧縮比が必要以上に高くなり、ＮＯｘ排出量が増大する事態を抑制することができる。ここで、上述したとおり、作用角可変機構は位相可変機構と独立して駆動することができる。そこで、内部ＥＧＲが不足している期間に、作用角を一旦拡大して吸気閉じ時期を遅角させる制御（以下、「吸気閉じ遅角制御」と称す）を実行することとすれば、実圧縮比の上昇を更に抑制することが可能となる。

図６は、ディーゼル機関１０の運転状態が中低負荷へ移行する場合の、吸気開き時期および吸気閉じ時期のタイミングチャートを示す。この図に示すとおり、内部ＥＧＲの増量要求に応じて、時刻ｔ０から時刻ｔ１の期間に吸気開き進角制御が実行される場合、先ず、時刻ｔ０から時刻ｔ４の期間に吸気閉じ遅角制御が実行される。具体的には、作用角可変機構による吸気閉じ時期の遅角量が、位相可変機構による吸気閉じ時期の進角量以上となるように制御される。時刻ｔ４は、吸気閉じ時期が時刻ｔ１において所望の目標値まで進角され得る範囲で設定される。これにより、時刻ｔ０から時刻ｔ４に期間における実圧縮比の上昇を効果的に抑制することができるので、かかる期間において実圧縮比が必要以上に高くなり、ＮＯｘ排出量が増大する事態を抑制することができる。尚、吸気閉じ遅角制御の実行後は、所望の吸気閉じ時期まで吸気閉じ進角制御が実行される。

［実施の形態２における具体的処理］
次に、図７を参照して、本実施の形態において実行する処理の具体的内容について説明する。図７は、ＥＣＵ５０が、吸気弁６２のバルブタイミングの可変制御を実行するルーチンのフローチャートである。

図７に示すルーチンでは、先ず、ディーゼル機関１０においてＥＧＲの増量制御が開始されるか否かが判断される（ステップ２００）。ここでは、具体的には、図５に示すステップ１００と同様の処理が実行される。その結果、ＥＧＲの増量制御が開始されないと判定された場合には、本ルーチンは速やかに終了される。

一方、上記ステップ２００においてＥＧＲの増量制御が開始されると判定された場合には、吸気弁６２のバルブタイミングの可変制御が必要と判断され、次のステップに移行し、吸気弁６２の開き進角量が算出される（ステップ２０２）。次に、吸気弁６２の閉じ進角量が算出される（ステップ２０４）。次に、可変動弁装置６０における位相可変機構の制御量および制御タイミングが算出される（ステップ２０６）。ここでは、具体的には、図５に示すステップ１０２乃至１０６と同様の処理が実行される。

次に、可変動弁装置６０における作用角可変機構の制御量および制御タイミングが算出される（ステップ２０８）。吸気閉じ時期には位相進角量が重畳する。ここでは、具体的には、上記ステップ２０６において算出された位相進角量、および上記ステップ２０４において算出された吸気閉じ進角量に基づいて、吸気閉じ遅角制御を実現するための作用角拡大量、およびその後の吸気閉じ進角制御を実現するための作用角縮小量、およびこれらの制御タイミングが算出される。制御タイミングは、作用角可変機構による動作完了時期と位相可変機構による動作完了時期とが略一致するように、作用角可変機構の制御開始時期が特定される。

次に、バルブタイミングの可変動作が実行される（ステップ２１０）。ここでは、具体的には、上記ステップ２０６において特定された位相進角量およびその制御タイミングに基づいて、位相可変機構が駆動制御され、また、上記ステップ２０８において特定された作用角拡大量、作用角縮小量、およびそれらの制御タイミングに基づいて、作用角可変機構が駆動制御される。

以上説明したとおり、本実施の形態２のシステムによれば、ＥＧＲ増量のための吸気開き進角制御および吸気閉じ進角制御を実行する場合に、制御開始直後の実圧縮比を低下させることができるので、内部ＥＧＲが不足している期間に実圧縮比が必要以上に高くなり、ＮＯｘ排出量が増大する事態を抑制することができる。

ところで、上述した実施の形態２においては、作用角可変機構の制御応答性が位相可変機構のそれに比して高い可変動弁装置６０において、本発明を実行することとしているが、制御応答性の優劣関係はこれに限られない。すなわち、吸気閉じ進角制御において、位相可変機構の進角制御期間に作用角可変機構の遅角制御および進角制御を実行できるのであれば、内部ＥＧＲが不足している期間のＮＯｘの排出を抑制することができる。

また、上述した実施の形態２においては、吸気閉じ進角制御において、作用角可変機構による進角制御完了時期を、位相可変機構による制御完了時期に略一致させることとしているが、作用角可変機構の制御タイミングはこれに限られず、内部ＥＧＲ量と実圧縮比との関係に基づいて、ＮＯｘの排出を抑制できる範囲内で設定することができる。

尚、上述した実施の形態２においては、可変動弁装置６０における位相可変機構が前記第１の発明における「位相可変手段」に、作用角可変機構が前記第１の発明における「作用角可変手段」に、それぞれ相当している。また、ＥＣＵ５０が、上記ステップ２１０の処理において、位相可変機構の進角動作を実行することにより、前記第１の発明における「吸気閉じ進角手段」が、更に詳しくは、上記ステップ２１０の処理において、位相可変機構による動作を実行することにより、前記第１の発明における「第１の手段」が、上記ステップ２１０の処理において、作用角可変機構による作用角の縮小動作を実行することにより、前記第１の発明における「第２の手段」が、それぞれ実現されている。

また、上述した実施の形態２においては、ＥＣＵ５０が、上記ステップ２１０の処理において、位相可変機構の進角動作を実行することにより、前記第２の発明における「吸気開き進角手段」が実現されている。

また、上述した実施の形態２においては、ＥＣＵ５０が、上記ステップ２１０の処理を実行することにより、前記第５の発明における「吸気閉じ進角手段」が、更に詳しくは、上記ステップ２１０の処理において、作用角可変手段による作用角の拡大動作を実行することにより、前記第５の発明における「第３の手段」が実現されている。

実施の形態３．
［実施の形態３の特徴］
次に、図８および図９を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。本実施の形態は、図１に示すハードウェア構成を用いて、ＥＣＵ５０に後述する図９に示すルーチンを実行させることにより実現することができる。

上述した実施の形態１においては、ＥＧＲの増量要求時の吸気閉じ進角制御において、作用角可変機構による進角動作のタイミングを、位相可変機構による進角動作よりも遅らすこととしている。これにより、内部ＥＧＲが不足している期間、すなわち、吸気開き進角制御の完了前に実圧縮比が必要以上に高くなり、ＮＯｘ排出量が増大する事態を抑制することができる。

ここで、上述したとおり、ＥＧＲの増量制御においては、内部ＥＧＲだけでなく外部ＥＧＲが導入される。外部ＥＧＲは、ＥＧＲ通路４０を通して排気ガスの一部を吸気通路２８へ還流させることにより行われるため、ＥＧＲ弁４４が開弁されてから外部ＥＧＲガスが実際に筒内に導入されるまでには輸送遅れが発生する。図８は、ディーゼル機関１０の運転状態が中低負荷へ移行する場合の、吸気開き時期、吸気閉じ時期、および外部ＥＧＲ率のタイミングチャートを示す。この図に示すとおり、時刻ｔ０においてＥＧＲの増量要求が出された場合、ディーゼル機関１０では、内部ＥＧＲを増量するための吸気開き進角制御が実行されるとともに、外部ＥＧＲを増量するためのＥＧＲ弁４４のフィードバック制御が実行される。ＥＧＲ弁４４が開弁されると外部ＥＧＲガスの輸送遅れが発生するため、ＥＧＲ率は即座に上昇しない。このため、輸送遅れ期間に吸気閉じ時期が大きく進角されてしまうと、外部ＥＧＲが未だ導入されていないにもかかわらず実圧縮比が上昇し、ＮＯｘの排出量が増大してしまう。

そこで、本実施の形態では、輸送遅れ期間を考慮して、作用角可変機構による吸気閉じ進角制御のタイミングを遅らすことする。より具体的には、図８に示すように、輸送遅れ期間が経過し、外部ＥＧＲの導入が開始される時期（図中の時刻ｔ５）に吸気閉じ進角制御における作用角可変機構の動作を開始することとする。これにより、外部ＥＧＲが実際に導入される前に実圧縮比が上昇してしまう事態を効果的に抑制することができるので、ＮＯｘの排出を効果的に抑制することができる。

［実施の形態３における具体的処理］
次に、図９を参照して、本実施の形態において実行する処理の具体的内容について説明する。図９は、ＥＣＵ５０が、吸気弁６２のバルブタイミングの可変制御を実行するルーチンのフローチャートである。

図９に示すルーチンでは、先ず、ディーゼル機関１０においてＥＧＲの増量制御が開始されるか否かが判断される（ステップ３００）。ここでは、具体的には、図５に示すステップ１００と同様の処理が実行される。その結果、ＥＧＲの増量制御が開始されないと判定された場合には、本ルーチンは速やかに終了される。

一方、上記ステップ３００においてＥＧＲの増量制御が開始されると判定された場合には、吸気弁６２のバルブタイミングの可変制御が必要と判断され、次のステップに移行し、吸気弁６２の開き進角量が算出される（ステップ３０２）。次に、吸気弁６２の閉じ進角量が算出される（ステップ３０４）。次に、可変動弁装置６０における位相可変機構の制御量および制御タイミングが算出される（ステップ３０６）。ここでは、具体的には、図５に示すステップ１０２乃至１０６と同様の処理が実行される。

次に、可変動弁装置６０における作用角可変機構の制御量が算出される（ステップ３０８）。ここでは、具体的には、上記ステップ３０４において算出された吸気閉じ進角量、および上記ステップ３０６において算出された位相進角量に基づいて、可変動弁装置６０における作用角可変機構の縮小量が算出される。

次に、外部ＥＧＲの増量制御が実行される（ステップ３１０）。ここでは、具体的には、ＥＧＲ弁４４が開弁制御されて、外部ＥＧＲガスがＥＧＲ通路４０内に導入される。また、バルブタイミングの可変動作として位相可変動作が実行される（ステップ３１２）。ここでは、具体的には、上記ステップ３０６において特定された位相進角量およびその制御タイミングに基づいて、位相可変機構が駆動制御される。

次に、筒内のＥＧＲ率が推定される（ステップ３１４）。ここでは、具体的には、先ず、吸気Ｏ_２濃度が推定される。吸気Ｏ_２濃度はＥＧＲ率と相関を有する。このため、推定された吸気Ｏ_２濃度に基づいて、現在の筒内のＥＧＲ率が推定される。次に、ＥＧＲ率が所定の目標値以上であるか否かが判定される（ステップ３１６）。ここでは、具体的には、上記ステップ３１４において推定された実ＥＧＲ率と所定の目標値との大小関係が比較される。所定の目標値は、外部ＥＧＲの輸送遅れ期間が経過したことを判定するためのＥＧＲ率として設定された値が使用される。その結果、ＥＧＲ率≧目標値の成立が認められない場合には、再度ステップ３１４に移行し、ＥＧＲ率の推定処理が実行される。

一方、上記ステップ３１６において、ＥＧＲ率≧目標値の成立が認められた場合には、外部ＥＧＲの輸送遅れ期間が経過したと判断され、次のステップに移行し、バルブタイミングの可変動作として作用角可変動作が実行される（ステップ３１８）。ここでは、具体的には、上記ステップ３０８において特定された作用角縮小量に基づいて、作用角可変機構が駆動制御される。

以上説明したとおり、本実施の形態３のシステムによれば、ＥＧＲ増量のための吸気閉じ進角制御を実行する場合に、外部ＥＧＲの輸送遅れ期間の経過後に作用角可変機構が駆動制御されるので、ＥＧＲが不足している期間に実圧縮比が必要以上に上昇してしまう事態を回避することができ、ＮＯｘの排出を効果的に抑制することができる。

ところで、上述した実施の形態３においては、外部ＥＧＲの輸送遅れ期間が経過するタイミングで作用角可変機構の駆動制御を開始することとしているが、作用角可変機関の制御タイミングはこれに限られない。すなわち、外部ＥＧＲの輸送遅れに応じて作用角可変機関の制御タイミングを遅らすのであれば、例えば、作用角可変機構の制御完了時期と外部ＥＧＲ量の目標到達時期とを略一致させることとしてもよい。

また、上述した実施の形態３においては、吸気Ｏ_２濃度に基づいて外部ＥＧＲ率を推定することとしているが、ＥＧＲ率の推定手法はこれに限定されるものではなく、他の公知の手法により推定することとしてもよい。また、上述した実施の形態３においては、ＥＧＲ率に基づいて作用角可変機構の駆動制御タイミングを決定することとしているが、使用される値はこれに限られない。すなわち、ＥＧＲ率だけでなく、ＥＧＲ量やそれらと相関する量の検出値または推定値に基づいて判断することとしてもよい。

尚、上述した実施の形態３においては、可変動弁装置６０における位相可変機構が前記第１の発明における「位相可変手段」に、作用角可変機構が前記第１の発明における「作用角可変手段」に、それぞれ相当している。また、ＥＣＵ５０が、上記ステップ３１２または３１８の処理において、位相可変機構の進角動作を実行することにより、前記第１の発明における「吸気閉じ進角手段」が、更に詳しくは、上記ステップ３１２の処理において、位相可変機構による動作を実行することにより、前記第１の発明における「第１の手段」が、上記ステップ３１８の処理において、作用角可変機構による作用角の縮小動作を実行することにより、前記第１の発明における「第２の手段」が、それぞれ実現されている。

また、上述した実施の形態３においては、ＥＣＵ５０が、上記ステップ３１２の処理において、位相可変機構の進角動作を実行することにより、前記第２の発明における「吸気開き進角手段」が実現されている。

また、上述した実施の形態３においては、ＥＣＵ５０が、上記ステップ３１０の処理を実行することにより、前記第６の発明における「外部ＥＧＲ量増量手段」が実現されている。
実施の形態４．
［実施の形態４の特徴］
次に、本発明の実施の形態４について説明する。上述した実施の形態３においては、ＥＧＲ増量のための吸気閉じ進角制御を実行する場合に、外部ＥＧＲの輸送遅れ期間の経過後に作用角可変機構を駆動制御することとしている。これにより、輸送遅れ期間、すなわちＥＧＲが不足している期間に実圧縮比が必要以上に上昇してしまう事態を回避することができ、ＮＯｘの排出を効果的に抑制することができる。

しかしながら、ＥＧＲ量が少なく且つ圧縮比が低い状況においては、ＨＣが多量に発生してしまう。このため、上述した実施の形態３のように、外部ＥＧＲガスの輸送遅れ期間の実圧縮比の上昇を抑制することとすると、ＨＣの排出の問題が顕著に表れる。そこで、本実施の形態４においては、上述した実施の形態３における外部ＥＧＲガスの輸送遅れ期間に、パイロット噴射量を増量することとする。ＥＧＲ量が少量である状況では、パイロット噴射量を増量してもスモークは発生し難い。このため、かかる期間において、ＮＯｘの排出を抑制しつつ、ＨＣの排出を効果的に抑制することが可能となる。

ところで、上述した実施の形態４においては、外部ＥＧＲの輸送遅れ期間、すなわち、作用角可変機構による吸気閉じ時期進角動作が実行される前の期間にパイロット噴射量を増量することとしているが、パイロット噴射量を増量する期間はこれに限られない。すなわち、ＥＧＲ量との関係でスモークの発生が問題とならない範囲内で、他の吸気閉じ時期を目標として噴射量増量期間を設定することもできる。また、ＥＧＲ量に基づいて噴射量増量期間を設定することも可能である。

本発明の実施形態１のシステムの概略構成を説明するための図である。 図１に示すシステムにおけるディーゼル機関の一つの気筒の断面を示す図である。 ＥＧＲが増量される場合の、吸気弁のバルブタイミングの変化を示すタイミングチャートである。 ＥＧＲが増量される場合の、吸気弁のバルブタイミングの変化を示すタイミングチャートである。 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。 ＥＧＲが増量される場合の、吸気弁のバルブタイミングの変化を示すタイミングチャートである。 本発明の実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートであ ＥＧＲが増量される場合の、吸気弁のバルブタイミングの変化を示すタイミングチャートである。 本発明の実施の形態３において実行されるルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１０ ディーゼル機関（エンジン）
１２ インジェクタ
１４ コモンレール
１６ サプライポンプ
１８ 排気通路
２０ 排気マニホールド
２４ ターボ過給機
２６ 後処理装置
２８ 吸気通路
３０ エアクリーナ
３２ インタークーラ
３４ 吸気マニホールド
３６ 吸気絞り弁
４０ ＥＧＲ通路
４２ ＥＧＲクーラ
４４ ＥＧＲ弁
５０ ECU(Electronic Control Unit)
５２ エアフローメータ
５４ 吸気圧センサ
５６ 背圧センサ
５８ クランク角センサ
６０ 可変動弁装置
６２ 吸気弁
６４ 排気弁
６６ クランク軸

Claims (9)

1. 吸気弁の開閉時期の位相を遅進させる位相可変手段と、
   前記吸気弁の作用角を拡大或いは縮小させる作用角可変手段と、
   内燃機関の運転状態に基づいて、ＥＧＲ量を増量するＥＧＲ量増量手段と、
   前記ＥＧＲ量を増量する場合に、前記吸気弁の閉じ時期を進角させる吸気閉じ進角手段と、を備え、
   前記吸気閉じ進角手段は、
   前記位相可変手段による位相の進角動作を行う第１の手段と、
   前記作用角可変手段による作用角の縮小動作を行う第２の手段と、を含み、
   前記第２の手段による動作開始時期を、前記第１の手段による動作開始時期に比して遅らせることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記ＥＧＲ量増量手段は、前記吸気弁の開き時期を進角させる吸気開き進角手段を含み、
   前記吸気閉じ進角手段は、
   前記第２の手段による動作完了時期を、前記第１の手段による動作完了時期に略一致させることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記作用角可変手段は、前記位相可変手段に比して制御応答性の高いアクチュエータにより構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記作用角可変手段は、前記吸気弁の開き時期を略一定に保ちながら作用角を変化させることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記吸気閉じ進角手段は、
   前記第２の手段の開始に先立って前記作用角可変手段による作用角の拡大動作を行う第３の手段を含むことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の内燃機関の制御装置。
6. 前記ＥＧＲ量増量手段は、
   前記内燃機関の排気通路と吸気通路とを接続するＥＧＲ通路と、
   前記ＥＧＲ通路を通って還流する外部ＥＧＲ量を増量する外部ＥＧＲ量増量手段と、を含み、
   前記吸気閉じ進角手段は、
   前記ＥＧＲ量に連動して、前記第２の手段による動作を開始することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の内燃機関の制御装置。
7. 前記吸気閉じ進角手段は、
   前記ＥＧＲ量、若しくはそれと相関する量の、検出値または推定値が、所定の目標値に達した場合に、前記第２の手段による動作を開始することを特徴とする請求項６記載の内燃機関の制御装置。
8. 前記吸気閉じ進角手段による進角量が所定値に比して小さい期間に、パイロット噴射量を増量するパイロット噴射量増量手段を更に備えることを特徴とする請求項６または７記載の内燃機関の制御装置。
9. 前記パイロット噴射増量期間は、前記吸気閉じ進角手段における前記第２の手段の動作開始までの期間にパイロット噴射量を増量することを特徴とする請求項８記載の内燃機関の制御装置。

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