JP2013253500A

JP2013253500A - 内燃機関の制御装置

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Publication number: JP2013253500A
Application number: JP2012128060A
Authority: JP
Inventors: Tomohiro Shinagawa; 知広品川; Takashi Kawai; 孝史川合
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-06-05
Filing date: 2012-06-05
Publication date: 2013-12-19

Abstract

【課題】この発明は、排気弁の開き時期および閉じ時期のうちの少なくとも一方を可変とする排気可変動弁機構を備える内燃機関において、スカベンジ制御の実施に伴う空燃比センサの出力のずれを良好に防止する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。
【解決手段】吸入空気を過給するターボ過給機２０を備える。排気弁の作用角を可変とする排気可変動弁機構３４を備える。内燃機関１０の複数の気筒からそれぞれ排出される排気ガスの空燃比を検出するＡ／Ｆセンサ３６を備える。吸気弁の開弁期間と排気弁の開弁期間とをオーバーラップさせることによって吸気通路１２から筒内に流入した空気の一部が排気通路１４に排出されるスカベンジ制御の実行中に、Ａ／Ｆセンサ３６により検出される排気ガスの空燃比が目標空燃比となるように排気可変動弁機構３４によって排気弁の作用角を制御する。
【選択図】図３

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に係り、特に、過給機付き内燃機関を制御するうえで好適な内燃機関の制御装置に関する。

従来、例えば特許文献１には、ターボ過給機を備える内燃機関の制御装置が開示されている。この従来の内燃機関のように過給機付きの内燃機関では、加速時や登坂時のような低回転高負荷運転が行われたときに、吸気圧力（過給圧）が排気圧力よりも高くなる運転領域が存在する。上記従来の制御装置は、そのような低回転高負荷運転が行われるときに、吸気弁の開弁期間と排気弁の開弁期間とをオーバーラップさせることによって吸気通路から筒内に流入した空気の一部が排気通路に排出されるようにスカベンジ制御を実行する。

特開２０１１−１９０７７１号公報特開２００７−１５４８１４号公報特開２０１０−１９００７７号公報国際公開第２００９／０６３８３１号特開２００３−２９３８０２号公報

上記スカベンジ制御が行われていると、バルブオーバーラップ期間においては排気通路への新気の吹き抜けが発生し、一方、通常の排気行程（バルブオーバーラップ期間を除く）においては、同一サイクルのバルブオーバーラップ期間中に新気の一部が吹き抜けてしまった分、筒内からリッチな排気ガスが排出される。したがって、スカベンジ制御の実行中には、筒内から排気通路に、リーンな排気ガスとリッチな排気ガスとが順に出て行くことになる。

排気弁の開き時期および閉じ時期のうちの少なくとも一方を可変とする排気可変動弁機構を備える内燃機関が知られている。例えば、爆発間隔が１８０°ＣＡとされた一般的な直列４気筒エンジンのように、複数の気筒を有する内燃機関の形式によっては、ある気筒のバルブオーバーラップ期間と、この気筒の次に爆発タイミングが到来する他の気筒の排気弁の開弁期間とは、排気弁の開き時期および閉じ時期のうちの少なくとも一方（以下、便宜上、「排気タイミング」と称する）の制御状態次第で重なり合うものとなる。

上記のような形式の内燃機関において、ある気筒のバルブオーバーラップ期間と上記他の気筒の排気弁の開弁期間とが重なるような排気タイミングが用いられているとする。また、ここでは、これらの気筒（上記のある気筒と他の気筒）から排出される排気ガスの空燃比が同一の空燃比センサによって検出されるように排気系が構成されているものとする。上記のような排気タイミングが用いられている場合においてスカベンジ制御が実行されると、バルブオーバーラップ期間が到来している気筒からは、新気の吹き抜けによってリーンガスが排出され、一方、同時期に排気弁の開弁期間が到来している上記他の気筒からは、同一サイクルのバルブオーバーラップ期間中に新気が吹き抜けてしまった分、筒内からリッチガスが排出される。空燃比センサでは、これらのリーンガスとリッチガスとが混ざり合ったガスの空燃比が検出される。

上記のリーンガス量とリッチガス量との割合は、排気タイミングの制御状態に応じて変化する。リーンガス量がリッチガス量よりも多いと、空燃比センサの出力はリーンとなり、一方、リッチガス量がリーンガス量よりも多いと、空燃比センサの出力はリッチとなる。このように、排気タイミングの設定に起因するリーンガス量とリッチガス量との割合次第で、スカベンジ制御の実行中に空燃比センサにより検出される排気ガスの空燃比が目標空燃比からずれてしまうおそれがある。上記の要因で空燃比センサの出力にずれが生じているにもかかわらず、例えば目標空燃比よりもリーン側に出力が振れてしまった場合にそれを打ち消すためのフィードバック制御が実施されると、筒内の空燃比が更にリッチとなってしまう。

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、排気弁の開き時期および閉じ時期のうちの少なくとも一方を可変とする排気可変動弁機構を備える内燃機関において、スカベンジ制御の実施に伴う空燃比センサの出力のずれを良好に防止する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、内燃機関の制御装置であって、
吸入空気を過給する過給機と、
排気弁の開き時期および閉じ時期のうちの少なくとも一方を可変とする排気可変動弁機構と、
複数の気筒からそれぞれ排出される排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサと、を備え、
前記複数の気筒のうちのある気筒に到来する吸気弁の開弁期間と排気弁の開弁期間とが重なるバルブオーバーラップ期間と、前記複数の気筒のうちの他の気筒に到来する排気弁の開弁期間とが、前記排気可変動弁機構による排気弁の開き時期および閉じ時期のうちの少なくとも一方の制御状態次第で重なることのある内燃機関の制御装置であって、
吸気弁の開弁期間と排気弁の開弁期間とをオーバーラップさせることによって吸気通路から筒内に流入した空気の一部が排気通路に排出されるスカベンジ制御の実行中に、前記空燃比センサにより検出される排気ガスの空燃比が目標空燃比となるように前記排気可変動弁機構によって排気弁の開き時期および閉じ時期のうちの少なくとも一方を制御することを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記排気可変動弁機構は、排気弁の開き時期および閉じ時期のうちの少なくとも開き時期を可変とする機構であって、
スカベンジ制御の実行中に、前記空燃比センサにより検出される排気ガスの空燃比が目標空燃比となるように前記排気可変動弁機構によって排気弁の開き時期を制御することを特徴とする。

また、第３の発明は、第２の発明において、
スカベンジ制御の実行中に前記空燃比センサによって検出される排気ガスの空燃比が目標空燃比よりもリッチ側にずれているときには、前記空燃比センサにより検出される排気ガスの空燃比が目標空燃比となるように、前記排気可変動弁機構によって排気弁の開き時期を遅角させることを特徴とする。

また、第４の発明は、第２または第３の発明において、
スカベンジ制御の実行中に前記空燃比センサによって検出される排気ガスの空燃比が目標空燃比よりもリーン側にずれているときには、前記空燃比センサにより検出される排気ガスの空燃比が目標空燃比となるように、前記排気可変動弁機構によって排気弁の開き時期を進角させることを特徴とする。

また、第５の発明は、第１〜第４の発明の何れか１つにおいて、
加速要求度が所定値よりも高い高加速要求時には、スカベンジ制御の実行中に前記排気可変動弁機構によって排気弁の開き時期および閉じ時期のうちの少なくとも一方を制御することを禁止することを特徴とする。

また、第６の発明は、第１〜第５の発明の何れか１つにおいて、
前記排気可変動弁機構は、排気弁の作用角を可変とする機構であって、
スカベンジ制御の実行中に前記空燃比センサによって検出される排気ガスの空燃比と目標空燃比とのずれが生じないようにするための排気弁の目標作用角を、前記内燃機関の所定の制御パラメータとの関係で記憶した排気目標作用角記憶手段と、
排気弁の前記目標作用角が得られるように前記排気可変動弁機構によって排気弁の作用角が制御された状態で前記ずれが生じた場合において、排気弁の作用角の制御によって前記ずれが解消した際の、排気弁の目標作用角に対する実作用角の差が、前記排気可変動弁機構により制御される排気弁の作用角のばらつき量であると判定する作用角ばらつき量判定手段と、
を更に備えることを特徴とする。

第１の発明によれば、スカベンジ制御の実行中にある気筒からバルブオーバーラップ期間中に排出されるリーンガスと、同時期に他の気筒から排出されるリッチガスとの混合割合を調整して、これらのガスの混合に起因する空燃比センサの出力ずれを良好に解消させることができる。このため、スカベンジ制御の実行中であっても常に空燃比センサから高い信頼性の出力を得られるようにすることができる。これにより、空燃比センサの上記出力ずれに伴う、排気エミッションの悪化や、排気温度の増加などを抑制できるようになる。

第２の発明によれば、排気弁の開き時期の調整によって、スカベンジ制御の実行中に空燃比センサにより検出される排気ガスの空燃比が目標空燃比となるように制御される。このような手法によれば、バルブオーバーラップ期間は変更されないので、スカベンジ量や内部ＥＧＲガス量などに与える影響をできるだけ抑えながら上記出力ずれを解消することができる。

第３および第４の発明によれば、排気弁の開き時期の調整によってスカベンジ制御の実行中に空燃比センサにより検出される排気ガスの空燃比が目標空燃比となるように制御する具体的な手法が提供される。

第５の発明によれば、上述した空燃比センサの出力ずれの解消のための排気弁の開き時期および閉じ時期のうちの少なくとも一方の制御の実行による内燃機関のトルク変化が加速性能に悪影響を与えるのを回避することができる

第６の発明によれば、上述した空燃比センサの出力ずれの解消のための排気弁の開き時期および閉じ時期のうちの少なくとも一方の制御の実行を利用して、排気動弁機構により制御される排気弁の開き時期および閉じ時期のうちの少なくとも一方のばらつき量を判定することが可能となる。

本発明の実施の形態１における内燃機関のシステム構成を説明するための図である。スカベンジ制御の課題について説明するための図である。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。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る。過給圧とバルブオーバーラップ期間（Ｏ／Ｌ）との間でＡ／Ｆセンサの出力ずれ量を定めた関係を表した図である。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。

実施の形態１．
［実施の形態１のシステム構成］
図１は、本発明の実施の形態１における内燃機関１０のシステム構成を説明するための図である。図１に示すシステムは、内燃機関１０を備えている。内燃機関１０は、一例として直列４気筒型のガソリンエンジンであるものとする。内燃機関１０の燃焼室には、吸気通路１２および排気通路１４が連通している。

吸気通路１２の入口近傍には、エアクリーナ１６が配置されている。エアクリーナ１６の下流側の吸気通路１２には、吸気通路１２に吸入される空気の流量に応じた信号を出力するエアフローメータ１８が設けられている。エアフローメータ１８よりも下流側の吸気通路１２には、ターボ過給機２０のコンプレッサ２０ａが配置されている。

コンプレッサ２０ａよりも下流側の吸気通路１２には、コンプレッサ２０ａにより圧縮された空気を冷却するインタークーラ２２が配置されている。インタークーラ２２よりも下流側の吸気通路１２には、電子制御式のスロットルバルブ２４が設けられている。また、スロットルバルブ２４の下流側の吸気通路１２（サージタンク）には、この部位における吸気圧力を検出する吸気圧センサ２６が取り付けられている。

内燃機関１０の各気筒には、燃焼室内（筒内）に直接燃料を噴射するための燃料噴射弁２８、および、混合気に点火するための点火プラグ３０がそれぞれ設けられている。また、内燃機関１０は、吸気弁（図示省略）の開弁特性を可変とする吸気可変動弁機構３２と、排気弁（図示省略）の開弁特性を可変とする排気可変動弁機構３４とを備えている。より具体的には、吸気可変動弁機構３２は、一例として、クランクシャフトの回転位相に対する吸気カムの回転位相を連続的に可変とする位相可変機構（可変バルブタイミング機構）と、吸気弁の作用角およびリフト量を連続的に可変とする作用角可変機構とを具備する公知の機構であるものとする。また、排気可変動弁機構３４についても、吸気可変動弁機構３２と同様の構成を備えているものとする。このような可変動弁機構３２、３４によれば、位相可変機構による吸排気弁の開閉時期の変更と、作用角可変機構による吸排気弁の作用角およびリフト量の変更とを、個々に或いは同時に実行することができる。

排気通路１４には、ターボ過給機２０のタービン２０ｂが配置されている。タービン２０ｂよりも上流側の排気通路１４には、各気筒から排出された排気ガスの空燃比に対してほぼリニアな出力を発する（メイン）Ａ／Ｆセンサ３６が配置されている。また、タービン２０ｂよりも下流側の排気通路１４には、排気ガスを浄化するための排気浄化触媒として、触媒（三元触媒）３８等が配置されている。触媒３８の下流側の排気通路１４には、触媒３８から流出してくる排気ガスが理論空燃比に対してリッチである場合にリッチ出力を発生し、また、その排気ガスが理論空燃比に対してリーンである場合にリーン出力を発生する（サブ）Ｏ_２センサ４０が配置されている。

更に、図１に示すシステムは、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１８、吸気圧センサ２６、Ａ／Ｆセンサ３６およびＯ_２センサ４０に加え、エンジン回転数を検出するためのクランク角センサ５２等の内燃機関１０の運転状態を検出するための各種センサが接続されている。また、ＥＣＵ５０の入力部には、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）を検知するためのアクセル開度センサ５４が接続されている。一方、ＥＣＵ５０の出力部には、上述したスロットルバルブ２４、燃料噴射弁２８、点火プラグ３０および可変動弁機構３２、３４等の内燃機関１０の運転を制御するための各種のアクチュエータが接続されている。ＥＣＵ５０は、それらのセンサ出力と所定のプログラムとに従って上記各種のアクチュエータを駆動することにより、内燃機関１０の運転状態を制御するものである。

［スカベンジ制御］
上述した構成を有する可変動弁機構３２、３４によれば、吸気弁の開き時期の進角量と排気弁の閉じ時期の遅角量のうちの少なくとも一方を変更することにより、吸気弁の開弁期間と排気弁の開弁期間とが重なるバルブオーバーラップ期間を増減することができる。

ターボ過給機２０を備える本実施形態の内燃機関１０では、高負荷領域においてターボ過給機２０による過給によって吸気圧力が排気圧力よりも高くなる。このような圧力条件が成立する高負荷領域（以下、「スカベンジ領域」と称する）において（上記可変動弁機構３２等による制御によって、もしくは予め設定された吸排気弁のバルブタイミングによって）バルブオーバーラップ期間が設定されていると、新気（吸気）が燃焼室を介して吸気通路１２から排気通路１４に向けて吹き抜けるという現象が生ずる。このような新気の吹き抜けが発生していると、通常であれば燃焼室のすきま容積分は少なくとも存在してしまう筒内の残留ガスを、吸気通路１２からの新気を用いて押し出すことによって掃気し、新気に置き換えることができる（スカベンジ効果）。このように、上記高負荷領域においてバルブオーバーラップ期間を設けるスカベンジ制御を実行することにより、内燃機関１０のトルク向上などの効果を得ることができる。

［実施の形態１の課題］
図２は、上述したスカベンジ制御の課題について説明するための図であり、スカベンジ領域においてバルブオーバーラップ期間が設定された状態を示している。より具体的には、図２（Ａ）は、排気弁の作用角が大きい制御状態（排気弁が膨張下死点よりも進角側のタイミングで開いた後に排気上死点よりも遅角側のタイミングで閉じるように制御された状態）のものであり、図２（Ｂ）は、排気弁の作用角が小さい制御状態（排気弁が膨張下死点付近のタイミングで開いた後に排気上死点よりも遅角側のタイミングで閉じるように制御された状態）のものである。

スカベンジ制御が行われていると、バルブオーバーラップ期間においては排気通路１４への新気の吹き抜けが発生し、一方、通常の排気行程（バルブオーバーラップ期間を除く）においては、同一サイクルのバルブオーバーラップ期間中に新気の一部が吹き抜けてしまった分、筒内からリッチな排気ガスが排出される。したがって、スカベンジ制御の実行中には、筒内から排気通路１４に、リーンな排気ガスとリッチな排気ガスとが順に出て行くことになる。

図２に示すように、直列４気筒型（一例）の内燃機関１０では、所定の爆発順序で一般的に１８０°ＣＡの等間隔で爆発タイミングが到来する。このような構成の複数の気筒を有する内燃機関１０では、ある気筒のバルブオーバーラップ期間と、この気筒の次に爆発タイミングが到来する他の気筒（以下、「次気筒」と称する）の排気弁の開弁期間とは、排気弁の開き時期および閉じ時期のうちの少なくとも一方（以下、便宜上、「排気タイミング」と称する）の制御状態次第で図２に示すように重なり合うものとなる。

内燃機関１０は、図１に示すように排気マニホールド１４ａによって集められた４気筒（全気筒）からの排気ガスの空燃比が同一のＡ／Ｆセンサ３６によって検出されるように構成されている。図２に示すような排気タイミングが用いられている場合においてスカベンジ制御が実行されると、バルブオーバーラップ期間が到来している気筒からは、新気の吹き抜けによってリーンガス（図２中に（１）と付して示すガス）が排出され、一方、同時期に排気弁の開弁期間が到来している次気筒からは、同一サイクルのバルブオーバーラップ期間中に新気が吹き抜けてしまった分、筒内からリッチガス（図２中に（２）と付して示すガス）が排出される。したがって、Ａ／Ｆセンサ３６によれば、これらのリーンガスとリッチガスとが混ざり合ったガスの空燃比が検出される。

上記のリーンガス量とリッチガス量との割合は、排気タイミング（排気弁の開き時期、閉じ時期、またはこれら双方によって特定される作用角）の制御状態に応じて変化する。具体的には、スカベンジ率は多くても２０％前後である。このため、図２（Ａ）に示すように排気弁の作用角が大きく制御されていることで、ある気筒のバルブオーバーラップ期間と次気筒の排気弁の開弁期間とが大きく重なっている状態では、上記（１）のリーンガス量よりも上記（２）のリッチガス量が多くなる。その結果、この場合には、Ａ／Ｆセンサ３６の出力がリッチ側に振れてしまい、所定の目標空燃比（本実施形態では、一例として理論空燃比）よりもリッチな値となる。一方、図２（Ｂ）に示すように排気弁の作用角が図２（Ａ）に示す状態よりも小さく制御されていることで、ある気筒のバルブオーバーラップ期間と次気筒の排気弁の開弁期間との重なりが小さい状態では、この重なり区間での次気筒の排気弁のリフト量が小さく、上記（２）のリッチガスが少なくなる。このため、この場合には、上記（１）のリーンガスの割合が大きくなるので、Ａ／Ｆセンサ３６の出力がリーン側に振れてしまい、目標空燃比（理論空燃比）よりもリーンな値となる。

以上のように、排気タイミングの設定に起因するリーンガス量とリッチガス量との割合次第で、スカベンジ制御の実行中にＡ／Ｆセンサ３６により検出される排気ガスの空燃比が目標空燃比に対してリッチ側もしくはリーン側にずれてしまうおそれがある。上記の要因でＡ／Ｆセンサ３６の出力にずれが生じているにもかかわらず、例えば、目標空燃比よりもリーン側に出力が振れてしまった場合にそれを打ち消すためのフィードバック制御が実施されると、筒内の空燃比が更にリッチとなってしまう。

［実施の形態１の特徴的な制御］
そこで、本実施形態では、スカベンジ制御の実行中に、Ａ／Ｆセンサ３６により検出される排気ガスの空燃比が目標空燃比（本実施形態では、理論空燃比）となるように、排気可変動弁機構３４によって排気弁の開き時期を制御するようにした（言い換えれば、排気弁の閉じ時期は変更せずに排気弁の作用角を制御するようにした）。具体的には、スカベンジ制御の実行中にＡ／Ｆセンサ３６により検出される排気ガスの空燃比が目標空燃比よりもリッチ側にずれているときには、Ａ／Ｆセンサ３６により検出される排気ガスの空燃比が目標空燃比となるように、排気弁の開き時期を遅角させるようにした（言い換えれば、排気弁の閉じ時期は変更せずに排気弁の作用角を小さくするようにした）。一方、スカベンジ制御の実行中にＡ／Ｆセンサ３６により検出される排気ガスの空燃比が目標空燃比よりもリーン側にずれているときには、Ａ／Ｆセンサ３６により検出される排気ガスの空燃比が目標空燃比となるように、排気弁の開き時期を進角させるようにした（言い換えれば、排気弁の閉じ時期は変更せずに排気弁の作用角を大きくするようにした）。

図３は、本発明の実施の形態１における特徴的な制御を実現するために、ＥＣＵ５０が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。尚、本ルーチンは、所定の制御周期毎に繰り返し実行されるものとする。

図３に示すルーチンでは、先ず、内燃機関１０の現在の運転領域がスカベンジ領域であるか否かが判定される（ステップ１００）。内燃機関１０では、運転領域（吸入空気量（負荷）とエンジン回転数とで規定）との関係でスカベンジ制御を行うスカベンジ領域が予め設定されている。本ステップ１００の判定は、例えば、エアフローメータ１８およびクランク角センサ５２を用いてそれぞれ検出される吸入空気量およびエンジン回転数に基づいて、現在の運転領域がスカベンジ領域に入っているか否かを判断することによって行うことができる。また、本ステップ１００の判定は、例えば、現在の過給圧（吸気圧センサ２６によって検出された値、或いは推定値でもよい）、背圧（排気圧センサ（図示省略）によって検出された値、或いは推定値でもよい）、および現在の吸排気弁のバルブタイミング（バルブオーバーラップ期間）に基づいて算出してもよい。

ステップ１００において現在の運転領域がスカベンジ領域であると判定された場合には、Ａ／Ｆセンサ３６の出力が目標空燃比（ここでは、理論空燃比）に対してずれているか否かが判定される（ステップ１０２）。その結果、Ａ／Ｆセンサ３６の出力に目標空燃比に対するずれが認められた場合には、Ａ／Ｆセンサ３６の出力が目標空燃比となるように、スカベンジ量に応じて排気弁の作用角が変更される（ステップ１０４）。尚、スカベンジ量（排気通路１４に吹き抜ける空気量）自体は、例えば、吸入空気量、吸気圧力、背圧（排気圧力）、バルブオーバーラップ量およびエンジン回転数に基づいて算出することができる。

上述した排気可変動弁機構３４が備える作用角可変機構は、一例として、排気弁の閉じ時期を一定としつつ、作用角およびリフト量を連続的に変更可能な機構であるものとする。ステップ１０４では、Ａ／Ｆセンサ３６の出力が目標空燃比に対してリッチ側にずれている場合には、現在のスカベンジ量に応じた量で排気弁の開き時期を遅角させる処理が実行される。このような処理は、例えば、Ａ／Ｆセンサ３６により検出される排気ガスの空燃比が目標空燃比となるように、位相可変機構は用いずに排気弁の作用角が小さくなるように作用角可変機構を制御することによって実現することができる。一方、Ａ／Ｆセンサ３６の出力が目標空燃比に対してリーン側にずれている場合には、現在のスカベンジ量に応じた量で排気弁の開き時期を進角させる処理が実行される。このような処理は、例えば、Ａ／Ｆセンサ３６により検出される排気ガスの空燃比が目標空燃比となるように、位相可変機構は用いずに排気弁の作用角が大きくなるように作用角可変機構を制御することによって実現することができる。以上のようなステップ１０４の処理は、ステップ１０２の判定が不成立となるまで継続して実行される。

以上説明した図３に示すルーチンによれば、スカベンジ制御の実行中にＡ／Ｆセンサ３６の出力が目標空燃比に対してリッチ側にずれている場合には、排気弁の開き時期を遅角させるべく、排気弁の閉じ時期は固定のまま作用角が小さくなるように制御される。これにより、次気筒から排出される上記（２）のリッチガス量を減らすことができるので、Ａ／Ｆセンサ３６の出力を目標空燃比に近づけることができる。上記ルーチンによれば、逆に、スカベンジ制御の実行中にＡ／Ｆセンサ３６の出力が目標空燃比に対してリーン側にずれている場合には、排気弁の開き時期を進角させるべく、排気弁の閉じ時期は固定のまま作用角が大きくなるように制御される。これにより、次気筒から排出される上記（２）のリッチガス量を増やすことができるので、Ａ／Ｆセンサ３６の出力を目標空燃比に近づけることができる。

以上説明したように、本実施形態におけるスカベンジ制御の実行中の排気弁の作用角制御によれば、Ａ／Ｆセンサ３６が所定の目標空燃比に応じた出力を発せられるように、ある気筒からバルブオーバーラップ期間中に排出される上記（１）のリーンガスと、同時期にこの気筒の次気筒から排出される上記（２）のリッチガスとの混合割合を適切に調整することができる。これにより、これらのガスの混合に起因するＡ／Ｆセンサ３６の出力ずれを良好に解消させることができる。このため、スカベンジ制御の実行中であっても常にＡ／Ｆセンサ３６から高い信頼性の出力を得られるようにすることができる。これにより、上記のＡ／Ｆセンサ３６の出力ずれに伴う、排気エミッションの悪化や、排気温度の増加などを抑制できるようになる。

また、上記ルーチンによれば、スカベンジ制御の実行中にＡ／Ｆセンサ３６の出力ずれを解消するために、排気弁の開き時期の調整が実行される。このような手法によれば、バルブオーバーラップ期間は変更されないので、スカベンジ量や内部ＥＧＲガス量などに与える影響をできるだけ抑えながら上記出力ずれを解消することができる。

実施の形態２．
次に、図４を主に参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
本実施形態のシステムは、図１に示すハードウェア構成を用いて、ＥＣＵ５０に図３に示すルーチンに代えて後述の図４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ものである。

上述した実施の形態１におけるスカベンジ制御の実行中の排気弁の作用角制御によれば、上記（１）のリーンガスと上記（２）のリッチガスとのバランスを改善することができるものの、排気弁の開き時期が変化することで排気の押し出し損失が変化するなどの理由により、内燃機関１０が発生するトルクが変化する。

そこで、本実施形態では、車両の加速要求度が所定値よりも高い高加速要求時には、スカベンジ制御の実行中にＡ／Ｆセンサ３６の出力ずれの解消のための排気弁の作用角制御の実行を禁止するようにした。

図４は、本発明の実施の形態２における特徴的な制御を実現するために、ＥＣＵ５０が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。尚、図４において、実施の形態１における図３に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。

図４に示すルーチンでは、先ず、上記の高加速要求が出されているか否かが判定される（ステップ２００）。具体的には、本ステップ２００では、アクセル開度センサ５４によって検出されるアクセル開度の変化率が所定値よりも高いか否か、および、アクセル開度が所定値よりも大きいか否かのうちの少なくとも一方が成立したかどうかが判定される。

ステップ２００の判定が不成立である場合、すなわち、高加速要求が出されていないと判断できる場合には、次いで、上記図３に示すルーチンにおけるステップ１００〜１０４の処理が実行される。一方、ステップ２００の判定が成立する場合、すなわち、高加速要求が出されたと判断できる場合には、加速レスポンスを高く確保できるよう予め設定されたレスポンス要求排気作用角となるように、排気可変動弁機構３４によって排気弁の作用角が制御される（ステップ２０２）。付け加えると、このレスポンス要求排気作用角は、Ａ／Ｆセンサ３６の出力ずれの解消よりもエンジン出力を重視した作用角値である。

以上説明した図４に示すルーチンによれば、高加速要求が出された場合には、スカベンジ制御の実行中であってもＡ／Ｆセンサ３６の出力ずれの解消のための排気弁の作用角の制御を実行することが禁止される。これにより、このような作用角制御の実行による内燃機関１０のトルク変化が加速性能に悪影響を与えるのを回避することができる。そして、上記ルーチンによれば、そのような高加速要求時には、エンジン出力を重視したレスポンス要求排気作用角が使用される。これにより、スカベンジの実行中の加速レスポンスを高く確保できるようになる。

実施の形態３．
次に、図５および図６を参照して、本発明の実施の形態３について説明する。
本実施形態のシステムは、図１に示すハードウェア構成を用いて、ＥＣＵ５０に図３に示すルーチンに代えて後述の図６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ものである。

図５は、過給圧とバルブオーバーラップ期間（Ｏ／Ｌ）との間でＡ／Ｆセンサ３６の出力ずれ量を定めた関係を表した図である。
本実施形態のシステムでは、図５に示すように、スカベンジ制御の実行中に生じ得る既述したＡ／Ｆセンサ３６の出力のずれ量を過給圧とバルブオーバーラップ期間との間で定めた関係が、予め実験等によって適合されている。この図５に示す関係は、過給圧が高いほど、また、バルブオーバーラップ期間が長いほど、Ａ／Ｆセンサ３６の出力ずれ量が大きくなるというものである。ＥＣＵ５０には、このような適合結果に基づいて把握されるＡ／Ｆセンサ３６の出力ずれ量を解消するための排気弁の目標作用角が、過給圧とバルブオーバーラップ期間との関係で予めマップ化されて記憶されている。

本実施形態のシステムは、スカベンジ制御の実行中には、上記マップを参照して得られる排気弁の目標作用角に向けて排気弁の作用角を制御する。そして、本システムは、このように排気弁の作用角が制御されている状態で、Ａ／Ｆセンサ３６の出力にずれが生ずるか否かを判定し、当該ずれが生ずる場合には上述した実施の形態１の排気弁の作用角制御によってＡ／Ｆセンサ３６の出力ずれを解消させる。そのうえで、本システムは、出力ずれを解消した際の、目標作用角（マップ値）に対する実作用角の差が、排気可変動弁機構３４により制御される排気弁の作用角のばらつき量であると判断することを特徴としている。

図６は、本発明の実施の形態３における特徴的な制御を実現するために、ＥＣＵ５０が実行する制御ルーチンを示すフローチャートである。尚、図６において、実施の形態１における図３に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。

図６に示すルーチンでは、上記ステップ１００において内燃機関１０の現在の運転領域がスカベンジ領域であると判定された場合には、現在のバルブオーバーラップ期間と過給圧とに基づいて、上記マップの関係に従って排気弁の目標作用角が読み込まれる（ステップ３００）。

次に、ステップ３００において読み込まれた目標作用角が得られるように、排気可変動弁機構３４を用いて排気弁の作用角が制御される（ステップ３０２）。次いで、このような制御によって排気弁の作用角が目標作用角に制御された状態で、上記ステップ１０２の処理によってＡ／Ｆセンサ３６の出力ずれが生じているか否かが判定される。

本ルーチンでは、上記ステップ１０２の処理によってＡ／Ｆセンサ３６の出力ずれが生じていると判定された場合には、上記ステップ１０４の処理によって当該出力ずれを解消すべく排気弁の作用角が制御される。そのうえで、ステップ１０４の処理によって上記出力ずれが解消した場合には、当該ずれの解消時の排気弁の実作用角を用いて、排気弁の目標作用角に対する実作用角の差が、排気可変動弁機構３４により制御される排気弁の作用角のばらつき量であると判断され、ＥＣＵ５０に取り込まれる（ステップ３０４）。このようにして取り込まれた排気弁の作用角のばらつき量は、次回以降の本ルーチンにおける排気弁の作用角の制御に反映されるようになる。

以上説明した図６に示すルーチンによっても、スカベンジ制御の実行中にＡ／Ｆセンサ３６の上記出力ずれが生じている場合には、上述した実施の形態１と同じ制御によって、当該出力ずれを良好に解消させることができる。

バルブオーバーラップ期間と過給圧との関係で予めマップとして記憶しておいた排気弁の目標作用角に向けて排気弁の実作用角を制御した際に上記出力ずれが生ずる場合には、排気可変動弁機構３４により制御される排気弁の作用角（実作用角）に対してばらつきが存在しているものと判断することができる。そして、この場合の出力ずれを解消した際の、目標作用角に対する実作用角の差は、排気可変動弁機構３４により制御される排気弁の作用角のばらつき量を示すものであると判断することができる。すなわち、上記ルーチンによれば、排気弁の作用角の上記差に基づいて、排気可変動弁機構３４により制御される排気弁の作用角のばらつき量を判定することも可能となる。

尚、上述した実施の形態３においては、Ａ／Ｆセンサ３６の出力ずれ量を解消するための排気弁の目標作用角を過給圧とバルブオーバーラップ期間との関係でマップとして記憶するＥＣＵ５０によって前記第６の発明における「排気目標作用角記憶手段」が実現されており、そして、ＥＣＵ５０が上記ステップ３０４の処理を実行することにより前記第６の発明における「作用角ばらつき量判定手段」が実現されている。また、過給圧とバルブオーバーラップ期間とが前記第６の発明における「制御パラメータ」に相当している。尚、この制御パラメータには、例えば、排気弁の開き時期を含めるようにしてもよい。

ところで、上述した実施の形態１〜３においては、スカベンジ制御の実行中に排気弁の作用角制御によって調整される排気ガスの目標空燃比を理論空燃比とした内燃機関１０を例に挙げて説明を行った。しかしながら、本発明は、理論空燃比よりもリーンな空燃比が目標空燃比とされている内燃機関にも適用可能であり、また、理論空燃比よりもリッチな空燃比であり且つ出力空燃比よりもリーンな空燃比が目標空燃比とされている内燃機関にも適用可能である。

また、上述した実施の形態１〜３においては、排気可変動弁機構３４が備える作用角可変機構を用いて、スカベンジ制御の実行中に上記Ａ／Ｆセンサ３６の出力ずれを解消するように排気弁の開き時期を制御する（言い換えれば、排気弁の閉じ時期を固定としつつ、作用角を制御する）構成を例に挙げて説明を行った。このような構成によれば、バルブオーバーラップ期間は変更されないので、スカベンジ量や内部ＥＧＲガス量などに与える影響をできるだけ抑えながら上記出力ずれを解消することができる。しかしながら、本発明における排気可変動弁機構は、排気可変動弁機構３４が備える上記作用角可変機構の構成に代え、排気弁の閉じ時期のみを可変とするものであってもよく、或いは、排気弁の開き時期および閉じ時期を作用角は固定のままで可変するもの（例えば、上記位相可変機構のみを備える機構が該当）や、排気弁の開き時期および閉じ時期を作用角の変化を伴いながら個々に可変するもの（例えば、上記排気可変動弁機構３４が該当）であってもよい。
そして、本発明におけるスカベンジ制御の実行中の排気弁の制御は、上記のような各種構成の排気可変動弁機構を用いて、排気弁の開き時期のみの調整に代え、上記出力ずれが解消するように排気弁の閉じ時期を、単独で或いは開き時期とともに変更するものであってもよい。更に付け加えると、排気弁の閉じ時期を進角または遅角することで、バルブオーバーラップ期間の変化を伴うが、このような手法によっても、スカベンジ量（すなわち、上記（１）のリーンガス量）を変化させることができ、上記（１）のリーンガスと上記（２）のリッチガスとのバランスを調整することができる。
また、本実施形態の内燃機関１０は、排気可変動弁機構３４が備える位相可変機構、および吸気可変動弁機構３２のうちの少なくとも一方を用いて、スカベンジ領域においてスカベンジ効果を利用するためにバルブオーバーラップ期間を調整可能な構成である。しかしながら、本発明は、排気弁の開き時期のみを可変とする排気可変動弁機構（例えば、上記作用角可変機構のみを備える機構が該当）と、吸気弁の開き時期を可変とする吸気可変動弁機構とを備え、吸気弁の開き時期の調整によってスカベンジ領域においてバルブオーバーラップ期間を設けることでスカベンジ制御を実行する構成に対しても適用可能である。また、本発明は、排気弁の開き時期のみを可変とする排気可変動弁機構（例えば、上記作用角可変機構のみを備える機構が該当）を備え、バルブオーバーラップ期間が運転状態によらず固定とされた構成に対しても適用可能である。本明細書中においては、このようなバルブオーバーラップ期間が固定された内燃機関において吸気圧力が背圧よりも高くなる高負荷領域にてスカベンジ効果を利用することをも含め、「スカベンジ制御」として広く表現している。

また、上述した実施の形態１〜３においては、タービン２０ｂよりも上流側の排気通路１４に空燃比センサ（Ａ／Ｆセンサ３６）を備えた内燃機関１０を例に挙げて説明を行った。しかしながら、本発明は、上記の構成のものに限らず、ターボ過給機のタービンよりも下流側の排気通路に配置された空燃比センサを備える内燃機関にも適用可能である。更に、本発明における過給機は、ターボ過給機２０に限らず、例えば、内燃機関のクランク軸からの動力を利用する機械式過給機や、モータによりコンプレッサを駆動する電動式の過給機であってもよい。

１０内燃機関
１２吸気通路
１４排気通路
１８エアフローメータ
２０ターボ過給機
２０ａターボ過給機のコンプレッサ
２０ｂターボ過給機のタービン
２２インタークーラ
２４スロットルバルブ
２６吸気圧センサ
２８燃料噴射弁
３０点火プラグ
３２吸気可変動弁機構
３４排気可変動弁機構
３６Ａ／Ｆセンサ
３８触媒
４０Ｏ_２センサ
５０ＥＣＵ(Electronic Control Unit)
５２クランク角センサ
５４アクセル開度センサ

Claims

吸入空気を過給する過給機と、
排気弁の開き時期および閉じ時期のうちの少なくとも一方を可変とする排気可変動弁機構と、
複数の気筒からそれぞれ排出される排気ガスの空燃比を検出する空燃比センサと、を備え、
前記複数の気筒のうちのある気筒に到来する吸気弁の開弁期間と排気弁の開弁期間とが重なるバルブオーバーラップ期間と、前記複数の気筒のうちの他の気筒に到来する排気弁の開弁期間とが、前記排気可変動弁機構による排気弁の開き時期および閉じ時期のうちの少なくとも一方の制御状態次第で重なることのある内燃機関の制御装置であって、
吸気弁の開弁期間と排気弁の開弁期間とをオーバーラップさせることによって吸気通路から筒内に流入した空気の一部が排気通路に排出されるスカベンジ制御の実行中に、前記空燃比センサにより検出される排気ガスの空燃比が目標空燃比となるように前記排気可変動弁機構によって排気弁の開き時期および閉じ時期のうちの少なくとも一方を制御することを特徴とする内燃機関の制御装置。
前記排気可変動弁機構は、排気弁の開き時期および閉じ時期のうちの少なくとも開き時期を可変とする機構であって、
スカベンジ制御の実行中に、前記空燃比センサにより検出される排気ガスの空燃比が目標空燃比となるように前記排気可変動弁機構によって排気弁の開き時期を制御す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。
スカベンジ制御の実行中に前記空燃比センサによって検出される排気ガスの空燃比が目標空燃比よりもリッチ側にずれているときには、前記空燃比センサにより検出される排気ガスの空燃比が目標空燃比となるように、前記排気可変動弁機構によって排気弁の開き時期を遅角させることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
スカベンジ制御の実行中に前記空燃比センサによって検出される排気ガスの空燃比が目標空燃比よりもリーン側にずれているときには、前記空燃比センサにより検出される排気ガスの空燃比が目標空燃比となるように、前記排気可変動弁機構によって排気弁の開き時期を進角させることを特徴とする請求項２または３に記載の内燃機関の制御装置。
加速要求度が所定値よりも高い高加速要求時には、スカベンジ制御の実行中に前記排気可変動弁機構によって排気弁の開き時期および閉じ時期のうちの少なくとも一方を制御することを禁止することを特徴とする請求項１〜４の何れか１つに記載の内燃機関の制御装置。
前記排気可変動弁機構は、排気弁の作用角を可変とする機構であって、
スカベンジ制御の実行中に前記空燃比センサによって検出される排気ガスの空燃比と目標空燃比とのずれが生じないようにするための排気弁の目標作用角を、前記内燃機関の所定の制御パラメータとの関係で記憶した排気目標作用角記憶手段と、
排気弁の前記目標作用角が得られるように前記排気可変動弁機構によって排気弁の作用角が制御された状態で前記ずれが生じた場合において、排気弁の作用角の制御によって前記ずれが解消した際の、排気弁の目標作用角に対する実作用角の差が、前記排気可変動弁機構により制御される排気弁の作用角のばらつき量であると判定する作用角ばらつき量判定手段と、
を更に備えることを特徴とする請求項１〜５の何れか１つに記載の内燃機関の制御装置。