JP3948404B2 - 内燃機関およびバルブタイミングの制御方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、吸気バルブおよび排気バルブの開閉タイミングの制御機構を備えた内燃機関とその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の吸気や排気は、バルブの開閉動作やピストンの動作に関連して、その管内で脈動することが知られている。吸気圧力の脈動や排気圧力の脈動は、吸気バルブや排気バルブで発生した圧力変化が、吸排気管路に設けたサージタンクや触媒コンバータなどの開口部や断面積拡大部で反射されることで生じる。この吸排気脈動の周期と吸排気バルブの開閉時期を同調させることで、吸気管から燃焼室への新気の流入を促進させて吸気充填効率を高めることができ、また、燃焼室の既燃ガスの排気管への排出の効率を高めることができる。
【０００３】
実際、吸気脈動、吸気慣性効果を利用し吸気充填効率を調整して、出力の増大を図る技術が知られている。この様な技術を採用した内燃機関の中には、吸気カムシャフトに設けた２つのカムを切り換えてカムの作用角を制御するバルブ特性切換機構と、吸気カムシャフトの回転位相を制御することで吸気バルブの開閉タイミングを遅角側および進角側に可変とするバルブ位相可変機構と、吸気管長を変化させることで吸気脈動の圧力波の固有振動数を変えて同調特性を調整する吸気管長変更機構とを備えた内燃機関がある。この内燃機関では、吸気カムの作用角を段階的に変更し、吸気カムの位相（遅角や進角）を変更し、吸気脈動の周期を段階的に変更することで、エンジン回転数に対応した吸気脈動、吸気慣性効果を引き出して、出力の増大を図るのに効果がある。こうした内燃機関の技術を示す特許文献としては、下記の特許文献１がある。
【特許文献１】
特開２０００−３２８９７１号公報
【０００４】
また、排気側について、排気の圧力を検出してバルブの開閉タイミングを設定して、排気脈動による掃気効率を上げ、結果的に、吸気充填効率の向上を図る技術が知られている。こうした内燃機関の技術を示す特許文献としては、下記の特許文献２がある。
【特許文献２】
特開平１１−２２４９９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の内燃機関では、常に最適なバルブタイミングを実現するのは困難であるという問題があった。ある領域で最適なバルブタイミングとなるように吸気カムの位相を実験値や設計値から設定したとしても、エンジンの固体差や経時変化等によって吸気脈動が変化するため、設定したバルブタイミングが常に最適なタイミングになるとは限らないからである。また、バルブの開閉にカムを用いると、バルブの開弁タイミングと閉弁タイミングとで相関関係が生じるため、種々の運転状態の中で吸気脈動を十分に活用できる領域が限られてしまう。運転状態で変化する吸気脈動に対応しきれず、吸気の動的効果を活かしきれない領域が多くなるからである。
【０００６】
本発明は、こうした問題を解決し、種々の運転状態における吸排気の圧力脈動を活かして自動的に最適なバルブ開閉タイミングを選択し、内燃機関の性能向上を図ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の第１の内燃機関は、上記課題の少なくとも一部を解決するため、以下の手法をとった。すなわち、ピストンとシリンダとからなる燃焼室に吸気バルブと排気バルブを有する内燃機関であって、前記吸気バルブと排気バルブの少なくとも一方のバルブタイミングを指令に応じて可変するバルブタイミング可変手段と、該吸気バルブおよび排気バルブの開閉動作や該ピストンの動作に伴って脈動する内燃機関の吸気管内圧力および排気管内圧力を検出する圧力検出手段と、該圧力検出手段によって検出される該吸気管内圧力および該排気管内圧力の大小関係に基づいて前記バルブタイミングを設定するバルブタイミング設定手段と、該設定されたバルブタイミングに合わせて前記バルブタイミング可変手段へ前記指令を出力するバルブタイミング出力手段とを備えたことを要旨としている。
【０００８】
また、第１の内燃機関に対応した第１の制御方法の発明は、ピストンとシリンダとからなる燃焼室に吸気バルブと排気バルブを有し、該吸気バルブと排気バルブの少なくとも一方のバルブタイミングを指令に応じて可変するバルブタイミング可変手段を備えた内燃機関の燃焼を制御する制御方法であって、該吸気バルブおよび排気バルブの開閉動作や該ピストンの動作に伴って脈動する内燃機関の吸気管内圧力および排気管内圧力を検出し、該検出される該吸気管内圧力および該排気管内圧力の大小関係に基づいて前記バルブタイミングを設定し、該設定されたバルブタイミングに合わせて前記バルブタイミング可変手段へ前記指令を出力するバルブタイミング制御方法とすることを要旨としている。
【０００９】
本発明の第１の内燃機関およびその制御方法によれば、内燃機関の回転数の変化などの種々の運転状態が変化しても、常にその状態で脈動する吸気圧力と排気圧力との両者を検出する。この吸気圧力と排気圧力の大小関係を比較して、バルブの開閉タイミングを設定する。バルブタイミング可変手段は、設定された開閉タイミングの指令に基づいて、バルブの開閉動作を行う。つまり、運転状態によって吸気圧力脈動や排気圧力脈動の振幅や周期が変化しても、その状態で所望なバルブタイミングを決定して、バルブの開閉タイミングを任意に設定できる。したがって、吸気圧力脈動および排気圧力脈動を要求に応じて活用したバルブタイミングを設定することができる。
【００１０】
本発明の第２の内燃機関は、ピストンとシリンダとからなる燃焼室に吸気バルブと排気バルブを有する内燃機関であって、前記吸気バルブと排気バルブの少なくとも一方のバルブタイミングを指令に応じて可変するバルブタイミング可変手段と、該吸気バルブおよび排気バルブの開閉動作や該ピストンの動作に伴って脈動する内燃機関の吸気管内圧力および排気管内圧力を検出する圧力検出手段と、該圧力検出手段によって検出される該吸気管内圧力および該排気管内圧力に基づいて、該吸気バルブまたは排気バルブの開弁および閉弁動作の完了のタイミングを設定し、該動作完了のタイミングを実現するようバルブ動作の開始のタイミングを設定するバルブタイミング設定手段と、該設定されたバルブタイミングに合わせて前記バルブタイミング可変手段へ前記指令を出力するバルブタイミング出力手段とを備えたことを要旨としている。
【００１１】
また、第２の内燃機関に対応した第２の制御方法の発明は、ピストンとシリンダとからなる燃焼室に吸気バルブと排気バルブを有し、該吸気バルブと排気バルブの少なくとも一方のバルブタイミングを指令に応じて可変するバルブタイミング可変手段を備えた内燃機関の燃焼を制御する制御方法であって、該吸気バルブおよび排気バルブの開閉動作や該ピストンの動作に伴って脈動する内燃機関の吸気管内圧力および排気管内圧力を検出し、該検出される該吸気管内圧力および該排気管内圧力に基づいて、該吸気バルブまたは排気バルブの開弁および閉弁動作の完了のタイミングを設定し、該動作完了のタイミングを実現するようバルブ動作の開始のタイミングを設定し、該設定されたバルブタイミングに合わせて前記バルブタイミング可変手段へ前記指令を出力するバルブタイミング制御方法とすることを要旨としている。
【００１２】
本発明の第２の内燃機関およびその制御方法によれば、吸気圧力と排気圧力との検出結果に基づいて、バルブが開弁し始めるタイミングやバルブが完全に閉弁するタイミングを算出する。このタイミングに基づいて、バルブの動作が完了するように、バルブ動作の開始のタイミングを設定する。したがって、バルブの応答遅れや遷移時間も考慮したバルブタイミングを設定することができる。
【００１３】
また、バルブタイミング設定手段は、前記内燃機関の一の気筒で脈動する排気圧力の極小部分となる負圧波が、該一の気筒の排気行程上死点時期に排気バルブ付近に到達するように、該排気バルブの開弁タイミングを設定する手段とすることができる。バルブタイミング可変手段によって排気バルブの開弁タイミングを進角または遅角することで、排気圧力脈動の位相を調整する。この調整により、脈動する排気圧力の極小部分となる負圧波は、一の気筒の排気行程の上死点時期（すなわち、吸気バルブと排気バルブの両者が開いているオーバーラップ期間）に排気バルブ近傍に到達する。したがって、既燃ガスが負圧により吸い出されて掃気効率が上がり、吸気充填効率を高めることができる。
【００１４】
さらに、バルブタイミング設定手段は、前記内燃機関の一の気筒で脈動する吸気圧力の極大部分となる正圧波が、該一の気筒の吸気バルブ付近に到達する時期に基づいて、該吸気バルブの閉弁タイミングを設定する手段とすることができる。脈動する吸気圧力の極大部分である正圧波が吸気バルブ付近に到達した後に吸気バルブを閉じる。このため、気筒内に充填された混合気が吸気側に逆流するといった現象を生じることがない。
【００１５】
本発明の内燃機関は、内燃機関の吸気管および排気管の有効管長および管内径の少なくとも一つを可変とする可変吸排気システムを備えた内燃機関とすることができる。かかる内燃機関では、可変吸排気システムにより、吸排気管の管長および管内径を変化させることで吸気圧力脈動および排気圧力脈動の振幅や周期を変更することができる。この結果、ある領域では、脈動の動的効果を活かして吸気充填効率を高めている。この可変吸排気システムによって、圧力脈動の振幅や周期が変化しても、その状態で検出する圧力に基づいてバルブタイミングを設定する。したがって、特定の領域に限らず、広範囲な領域に渡って適切なバルブタイミングを設定することができ、内燃機関の性能を向上することができる。
【００１６】
また、内燃機関には、前記可変吸排気システムによる該吸気管および排気管の有効管長および管内径の少なくとも一つの変更に伴う前記吸排気管の圧力を該圧力検出手段で検出することにより、該可変吸排気システムの不具合を判定する判定手段を備えることができる。可変吸排気システムで有効管長や管内径の変更が故障や誤動作により達成されなくても、その状態で検出する圧力に応じたバルブタイミングを設定する。また、その状態に対応したバルブタイミングと予め学習してあるバルブタイミングとを比較することで、可変吸排気システムのどの部位が故障や誤動作（フェイル）したのかを判断することができる。したがって、吸気系および排気系の不具合箇所を特定することができ、故障の診断に貢献することになる。
【００１７】
さらに、圧力検出手段は、複数気筒を有する内燃機関の各気筒の吸気管および排気管にそれぞれセンサを設けて各気筒の吸気圧力および排気圧力を検出することができる。各気筒毎に圧力センサを設けて、脈動する吸気圧力と排気圧力とを検出することで、各気筒毎に適したバルブタイミングを設定するものとしても良い。こうすれば、気筒間の吸排気の圧力変動のわずかな違いにも対応したバルブタイミングを設定できる。
【００１８】
また、バルブタイミング可変手段は、電磁力を利用してバルブ開閉動作を行う電磁動弁駆動機構とすることができる。電磁力を利用した電磁動弁駆動機構は、コイルに流す励磁電流を調整することでバルブの開閉動作を制御する。したがって、内燃機関のクランク軸の回転から独立したバルブタイミングを設定できる。もとより、機械的な可変動弁機構を用いてバルブタイミングを設定するものとしても良い。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を説明する。本発明の第１実施例である内燃機関が搭載されたシステムの概略構成を表すブロック図を図１に示す。また、一つの気筒の縦断面の模式図を図２に示す。エンジン１０は、４つの気筒２０を有する４シリンダエンジンである。このエンジン１０は、主に、シリンダブロック３０，シリンダブロック３０内を往復運動するピストン４０，シリンダヘッド５０，シリンダヘッド５０に配置された吸気バルブ６０，排気バルブ７０等から構成されている。吸気バルブ６０，排気バルブ７０は、気筒２０毎にそれぞれ２個ずつ備えられた４バルブシステムである。各気筒２０には、シリンダブロック３０，シリンダヘッド５０，ピストン４０により囲まれた燃焼室８０が形成されている。シリンダヘッド５０には、点火プラグ８５が設けられ、燃焼室８０内で圧縮された混合気に点火を行う。
【００２０】
シリンダヘッド５０には、吸気ポート６５が設けられ、吸気マニホールド９０に接続している。吸気マニホールド９０内には、各吸気通路９５が形成され、燃料噴射弁１００を備えている。この燃料噴射弁１００は、運転状態に対応した量τの燃料を各気筒２０へ噴射している。また、各気筒２０の吸気マニホールド９０は、サージタンク１１０を介して、吸気ダクト１２０に接続している。吸気ダクト１２０には、エアフロメータ１１５が設けられ、吸入空気量Ｑを検出している。吸気ダクト１２０は、エアクリーナ１３０と接続し、エアクリーナ１３０でろ過した空気を取り込んでいる。エアフロメータ１１５は、混合気を適正にする空燃比制御のために吸入空気量Ｑを検出している。また、吸気ダクト１２０には、スロットルバルブ１４０が設けられ、エンジン１０に供給する空気量を調整している。
【００２１】
シリンダヘッド５０には、排気ポート７５が設けられ、排気マニホールド１６０に接続している。排気マニホールド１６０は、排気枝管１６０ａと排気枝管１６０ｂとから構成されており、互いに燃焼順序で干渉しない２つの気筒２０が１つの排気通路に接続しているいわゆるデュアルエギゾーストシステムである。排気枝管１６０ａ，１６０ｂ内には、各排気通路１０５が形成され、２つの排気通路１０５の合流端は、それぞれ触媒コンバータ１５０ａ，１５０ｂを介して、集合管１８０ａ，１８０ｂに接続している。集合管１８０ａ，１８０ｂは、触媒コンバータ１７５を介して、排気管１９０と接続している。
【００２２】
第１気筒と第４気筒からの排気は排気枝管１６０ａを通過し、合流して集合管１８０ａへと流れる。第３気筒と第２気筒からの排気は排気枝管１６０ｂを通過し、合流して集合管１８０ｂへと流れる。排気管１９０で全ての気筒２０からの排気が合流する。触媒コンバータ１５０ａ，１５０ｂ，１７５は、この排気を浄化して外部に排出している。排気マニホールド１６０には、酸素濃度センサ１７０がそれぞれ設けられ、排気中の酸素濃度を検出している。また、各気筒２０の吸気ポート６５と排気ポート７５には、圧力センサ２３０，２３１が設けられ、吸気ポート６５内で脈動する圧力と排気ポート７５内で脈動する圧力とをそれぞれ検出している。圧力センサ２３０，２３１は、後述するＥＣＵ２５０と電気的に接続している。
【００２３】
シリンダヘッド５０には、電磁動弁駆動機構２００，２０１が設けられ、電磁力を利用して吸気バルブ６０および排気バルブ７０の開閉動作を行っている。この電磁動弁駆動機構２００の断面模式図を図３に示した。なお、図３は吸気バルブ６０側の構造を示すが、排気バルブ７０側の構造も同様である。電磁動弁駆動機構２００は、主に、フランジ３４０，スプリング３２０，３３０，アッパ電磁コイル３００，ロア電磁コイル３１０，アーマチャ３５０およびシャフト３６０から構成されている。シャフト３６０は、吸気バルブ６０の一端と当接し、一体となって軸方向へ進退可能となっている。シャフト３６０の軸方向の上下位置には、スプリング３２０，３３０が設けられ、シャフト３６０を支持している。このスプリング３２０，３３０は、シャフト３６０を介して、吸気バルブ６０を開弁と閉弁の中立位置に保持している。シャフト３６０の中央付近には、軟磁性体からなるアーマチャ３５０が設けられている。フランジ３４０には、アッパ電磁コイル３００とロア電磁コイル３１０が設けられ、それぞれアーマチャ３５０の上側と下側に位置している。
【００２４】
アッパ電磁コイル３００に励磁電流を流すと電磁力が働き、アーマチャ３５０はアッパ電磁コイル３００側へ引き付けられる。アーマチャ３５０（すなわち、シャフト３６０）の動きに伴って、吸気バルブ６０は閉弁する。他方、ロア電磁コイル３１０に励磁電流を流すと電磁力が働き、アーマチャ３５０はロア電磁コイル３１０側へ引き付けられる。アーマチャ３５０の動きに伴って、吸気バルブ６０は開弁する。このように、アッパ電磁コイル３００，ロア電磁コイル３１０へ電流を流すタイミングを調整することで、バルブの開閉タイミングを制御している。ＥＣＵ２５０では、吸気ポート６５および排気ポート７５に設けた圧力センサ２３０，２３１の信号から、後述するように、吸気バルブ６０および排気バルブ７０を開閉するタイミングを算出して、各電磁動弁駆動機構２００，２０１へ電流を流すタイミングを指示している。
【００２５】
ＥＣＵ２５０は、上述のバルブの開閉タイミングを制御するが、その他に種々の運転状態に対応した最適な燃焼状態となるように、燃料噴射量τや噴射タイミング等の制御も併せて行っている。こうした制御を行うため、車両の状態を検出する以下のセンサと接続している。
【００２６】
アクセルペダルには、アクセルポジションセンサ１７２が設けられ、アクセル踏込量αに比例した電圧を出力する。クランク角センサ１７４は、クランクシャフトの回転角ＣＡを検出し、所定の回転角毎にパルス信号を出力する。また、エンジン１０のシリンダブロック３０には水温センサ１８２が設けられ、エンジン１０冷却水温Ｔを検出している。
【００２７】
ＥＣＵ２５０は、アクセルペダルの踏込量α，スロットルバルブ１４０の開度θ，クランク角ＣＡからエンジン１０回転数ＮＥ，水温Ｔ，吸入空気量Ｑ，酸素濃度センサ１７０の信号やその他、図示しない車速センサＶなどの車両の運転状態を判断する信号を入力し、燃料噴射弁１００に燃料噴射量τを指示する。この燃料噴射量τは、エアフロメータ１１５からの吸入空気量Ｑとクランク角センサ１７４からの信号ＣＡを基に噴射時間を設定し、例えば、水温センサ１８２によりエンジン１０が冷えた状態かどうか、酸素濃度センサ１７０により適切な空燃比かどうかなどの情報により補正を加えた上で設定している。なお、本実施例では、各気筒２０独立に燃料噴射量τの制御が行える独立噴射方式である。
【００２８】
ここで、本発明で実施するバルブタイミングの制御処理を説明する前に、吸気圧力と排気圧力の脈動について説明する。クランク角と吸気圧力および排気圧力との関係の一例を図４（ａ）に示す。また、クランク角とバルブリフト量との関係の一例を図４（ｂ）に示す。図４（ａ）の実線ＪＤは排気ポート７５の圧力を、破線ＢＣは吸気ポート６５の圧力を示す。図示するように、実線ＪＤに示す圧力は排気バルブ７０を開いた直後に急激に上昇する。この開弁時の正圧波は、開口部で反射して負圧波となり、排気バルブ７０へ向かって進むため、排気ポート７５の圧力は脈動する。そして、排気圧力は極小点（図４（ａ）点Ｄ）となり、他気筒２０で発生した圧力波が伝播することで上昇して、再び低下する。全ての気筒２０で燃焼が完了する１サイクルの間に、図示するように、複数の正のピークと複数の負のピークを有する排気脈動となる。
【００２９】
他方、破線ＢＣに示す圧力も、吸気バルブ６０の開閉弁動作やピストン４０の動作等により発生する圧力波が開口部で反射されることにより、脈動する。排気脈動と同様、１サイクルの間に、図示するように、クランク角５４０°付近に最大の正のピークを有する吸気脈動となる。この吸気脈動および排気脈動において、排気バルブの開弁タイミングＣ，吸気バルブの開弁タイミングＡ，排気バルブの閉弁タイミングＢ，吸気バルブの閉弁タイミングＥを適切なタイミングに設定することが、気筒２０内の吸気充填効率を高め、エンジン１０性能を向上させることになる。したがって、以下にエンジン１０性能を向上させる各バルブタイミングの決定制御を順次説明する。
【００３０】
まず、タイミングＣの決定の処理について説明する。タイミングＣを決定するフローチャートを図５に示す。バルブタイミングは一般に、吸気や排気の慣性を有効に利用するため、吸気バルブ６０はピストン４０が上死点に達する前に開き、下死点を過ぎてから閉じ、また、排気バルブ７０はピストン４０が下死点に達する前に開き、上死点を過ぎてから閉じるように設定されている。本実施例では、車両の運転初期のバルブタイミングは上述のように設定されている。そのバルブタイミングで運転始動後に、圧力センサ２３１は、全ての気筒２０で燃焼が完了する１サイクル中のクランク角ＣＡに対する排気圧力を検出する。ＥＣＵ２５０は、そのサイクル中の排気圧力が極小点Ｄとなる時のクランク角ＣＡと、そのサイクルでの排気バルブ７０の開弁タイミングＣ１を検出する。
【００３１】
次のサイクルに入る時に、図５に示す処理を実行する。図示するように、前サイクルでの極小値Ｄのクランク角ＣＡを示すタイミングＤ１が３６０°±１０°の範囲に入るかを判断する。まず、タイミングＤ１が３７０°よりも大きいかを判断する（ステップＳ５００）。タイミングＤ１が３７０°よりも大きい場合には、タイミングＣを前サイクルのタイミングＣ１より５°進角側に補正し（ステップＳ５１０）、処理を終了する。ステップＳ５００でタイミングＤ１が３７０°以下の場合には、３５０°より小さいかを判断する（ステップＳ５２０）。ステップＳ５２０で、３５０°より小さい場合には、タイミングＣをタイミングＣ１より５°遅角側に補正し（ステップＳ５３０）、処理を終了する。また、ステップＳ５２０で、タイミングＤ１が３５０°以上の場合（つまり、タイミングＤ１が３６０°±１０°の範囲に入る場合）には、前サイクルのタイミングＣ１をそのまま維持してタイミングＣとし（ステップＳ５４０）、処理を終了する。なお、所定の範囲（制御上の不感帯）である±１０°や補正量（制御上の分解能）である±５°は、この値に限らず、設計値として設定すれば良い。
【００３２】
図５に示す処理を実施することにより、排気バルブ７０の開弁タイミングＣを遅角あるいは進角させ、排気脈動の極小値であるタイミングＤが、気筒２０の吸気行程上死点付近（すなわち、クランク角３６０°付近）になるよう、排気脈動の位相を調整する。一般には、ピストン４０が吸気行程上死点付近に位置する時期は、吸気バルブ６０と排気バルブ７０の両者が開弁するオーバーラップ期間に相当する。このオーバーラップ時期に、排気ポート７５で脈動する圧力は極小値Ｄとなり、気筒２０内部に残留する既燃ガスは効率よく吸い出され、掃気効率が向上する。したがって、吸気充填効率の向上を図ることができる。
【００３３】
次に、タイミングＡおよびタイミングＢの決定の処理について説明する。タイミングＡを決定するフローチャートを図６に、タイミングＢを決定するフローチャートを図７に示す。なお、図６，７はほぼ同じ処理であるため、タイミングＡを決定する処理である図６を中心に説明する。
【００３４】
各圧力センサ２３０，２３１は、クランク角ＣＡに対応した吸気圧力と排気圧力とを検出する。ＥＣＵ２５０では、現在のクランク角ＣＡに対応する吸気，排気圧力の信号を受けて、図６，７の処理を実行する。図示するように、タイミングＡの決定では、現在のクランク角ＣＡが所定の範囲（３００°＜ＣＡ＜３６０°）にあるかどうかを判断する（ステップＳ６００）。現在のクランク角ＣＡがこの範囲である場合、現在のクランク角ＣＡでの吸気圧力と排気圧力を比較する処理を行う（ステップＳ６１０）。吸気圧力が排気圧力よりも大きい場合には、現在のクランク角ＣＡをタイミングＡとして（ステップＳ６２０）、処理を終了する。
【００３５】
ステップＳ６１０で吸気圧力が排気圧力よりも小さい場合には、圧力の大小関係を再度確認する処理を行う（ステップＳ６３０）。例えば、エンジン１０回転数が高回転であり、排気系の背圧が高くなる場合には、排気圧力も高くなる。それに対して、吸気系は背圧の影響をほとんど受けないため、吸気圧力の変化は少ない。したがって、吸気圧力が排気圧力よりも高くなることがない場合がある。ステップＳ６３０で吸気圧力が排気圧力よりも高くなる点が存在しない場合には、予めＥＣＵ２５０に記憶してあるマップからタイミングＡを決定して（ステップＳ６４０）、処理を終了する。
【００３６】
また、現在のクランク角ＣＡが、ステップＳ６００でこの範囲に入らない場合と、ステップＳ６３０で吸気圧力が排気圧力よりも高くなる点が存在する場合（すなわちエンジン回転数が低い場合）とは、処理を終了して、次のクランク角ＣＡについて繰り返しこのフローチャートを実行する。なお、本実施例では、ステップＳ６３０の判断基準には、エンジン１０回転数で４０００回転を基準として用いているが、１サイクルの排気脈動の平均値と吸気脈動の平均値との差が所定値以内となるかどうかで判断しても良い。
【００３７】
なお、図７に示すタイミングＢの決定の処理では、現在のクランク角ＣＡの判断処理（ステップＳ７００）の所定の範囲（３６０°＜ＣＡ＜４００°）とタイミングＢを決定する処理（ステップＳ７４０）に用いるマップとが異なるのみである。したがって、タイミングＡの決定の処理と同様にして、タイミングＢを決定している。
【００３８】
図６，図７に示す処理を実行することにより、吸気バルブ６０の開弁タイミングＡと排気バルブ７０の閉弁タイミングＢとは、吸気圧力が排気圧力を上回るタイミングとなる。吸気ポート６５の圧力が高く、排気ポート７５の圧力が低い状態にて両バルブを開弁するため、気筒２０内の既燃ガスの排気ポート７５への排出と吸気ポート６５からの新気の流入との両方が促進される。したがって、吸気充填効率を向上することができる。
【００３９】
次に、タイミングＥの決定の処理について説明する。タイミングＥを決定するフローチャートを図８に示す。ＥＣＵ２５０では、現在のクランク角ＣＡに対応する吸気圧力の信号を受けて、図８の処理を実行する。図示するように、タイミングＥの決定では、現在のクランク角ＣＡが所定の範囲（５００°＜ＣＡ＜６００°）にあるかどうかを判断する（ステップＳ８００）。現在のクランク角ＣＡがこの範囲である場合、現在のクランク角ＣＡでの吸気圧力が極大値であるかどうかを判断する（ステップＳ８１０）。吸気圧力の極大値は、前サンプル値（前クランク角ＣＡ０での吸気圧力）と現吸気圧力（現在のクランク角ＣＡの吸気圧力）とを比較することで行っている。具体的には、現吸気圧力が単調増加から減少に転じた時のクランク角ＣＡを極大値としている。吸気圧力が極大値となる場合には、現在のクランク角ＣＡをタイミングＦとする（ステップＳ８２０）。このタイミングＦに所定の量を加えた値をタイミングＥとして（ステップＳ８３０）、処理を終了する。この所定の量は、本実施例ではクランク角ＣＡで１０°の遅角としている（Ｅ＝タイミングＦ＋１０°）。なお、この所定の量は、１０°に限らず、所望の量を設計値として設定すれば良い。
【００４０】
また、現在のクランク角ＣＡが、ステップＳ８００でこの範囲に入らない場合、ステップＳ８１０で現吸気圧力が前サンプル値よりも大きく、極大値でないと判断された場合には、処理を終了して、次のクランク角ＣＡについて繰り返しこのフローチャートを実行する。
【００４１】
図８に示す処理を実施することにより、吸気バルブ６０の閉弁タイミングＥは、吸気脈動の極大値から所定のクランク角ＣＡ遅らせたタイミングとしている。吸気脈動の極大値であるタイミングＦでは、吸気ポート６５の圧力が極大値であるために、気筒２０に新気が押し込まれ易い状態になる。そして、吸気脈動の動的効果により、新気には慣性が働くため、所定のクランク角ＣＡ遅らせたタイミングＥで、閉弁するため最も吸気充填効率が向上する。さらに、吸気ポート６５の圧力が比較的高いため、気筒２０内に充填された混合気が吸気ポート６５に逆流することもない。
【００４２】
本発明の第２実施例では、第１実施例の処理により決定した各バルブの開弁、閉弁のタイミングに基づいて、そのタイミングに合わせて開弁動作を開始し、閉弁動作を完了するように、各電磁動弁駆動機構２００，２０１に出力する指令に補正を加える。この補正を加味したフローチャートを図９に示す。なお、第２実施例では、第１実施例の内燃機関が搭載されたシステムの構成と同様であるため、符号を同一とし、構成図は省略する。
【００４３】
車両の運転初期状態では、設計上から設定されているバルブタイミングにより運転される。圧力センサ２３０，２３１は、その運転状態における吸気圧力と排気圧力とを検出する。ＥＣＵ２５０は、その検出圧力を取り込んで、図９に示すフローチャートを実行する。なお、図９に示す処理は１つの気筒２０での処理を示すが、他の気筒２０についても同じ処理が実行される。気筒２０の吸気圧力と排気圧力とから第１実施例で説明したバルブタイミングＣ，Ａ，Ｂ，Ｅを決定する処理を行う（ステップＳ９１０）。次に決定されたタイミングを実現するため、吸気バルブ６０や排気バルブ７０の応答遅れや遷移時間を考慮した補正を行い、バルブタイミングを決定して（ステップＳ９２０）、電磁動弁駆動機構２００，２０１に指令を出して終了する。
【００４４】
ここで、クランク角ＣＡとバルブ開閉の応答遅れや遷移時間との説明図を図１０に示し、バルブタイミングの補正内容を説明する。図示するように、アッパ電磁コイル３００側に流していた励磁電流を切り、所定時間後にロア電磁コイル３１０側に励磁電流を流すと、バルブはタイミングＴ２で開弁し始める。バルブの動作開始までにα＝Ｔ２−Ｔ１の応答遅れがある。他方、ロア電磁コイル３１０側に流していた励磁電流を切り、所定時間後にアッパ電磁コイル３００側に励磁電流を流すと、バルブはタイミングＴ４で閉弁し終わる。バルブの動作完了までにβ＝Ｔ４−Ｔ３の遷移時間がある。そこで、バルブの開弁タイミングＣ，Ａはそれぞれクランク角α相当量を差し引いて補正し、バルブの閉弁タイミングＢ，Ｅはそれぞれクランク角β相当量を差し引いて補正する。なお、吸気側の電磁動弁駆動機構２００と排気側の電磁動弁駆動機構２０１との差異を考慮して、クランク角α，βを吸気側の補正量、クランク角α´，β´を排気側の補正量としている。
【００４５】
応答遅れや遷移時間を加味して各電磁動弁駆動機構２００，２０１へ電流を流すタイミングを指示するため、適切なバルブタイミングの実行が図れる。特に、閉弁のタイミングＢ，Ｅでは、そのタイミングで閉弁動作が完了するように制御するため、より精度の良いバルブタイミングを設定することができる。なお、クランク角α，α´，β，β´は実験値として種々の回転数と負荷に対応した値を設定している。
【００４６】
本発明の第３実施例である内燃機関が搭載されたシステムの１の気筒の縦断面模式図を図１１に示す。第３実施例では、第１実施例の吸気系および排気系を可変システムとした。したがって、それ以外の部分については第１実施例と同一であるため、符号を同一として説明を省略する。第３実施例の吸気系および排気系では、第１実施例の吸気通路９５および排気通路１０５の管長を変更するバルブ４２０，４２１を備えた。吸気通路９５は、長い管路の長ブランチ９５ａと短い管路の短ブランチ９５ｂとから構成されている。バルブ４２０は、短ブランチ９５ｂの通路内に設けられ、通路の開閉を行っている。他方、排気通路１０５は、長い管路の長ブランチ１０５ａと短い管路の短ブランチ１０５ｂとから構成され、吸気側と同様にバルブ４２１は、短ブランチ１０５ｂの通路内に設けられている。バルブ４２０，４２１は、アクチュエータ４００，４０１とそれぞれ連結している。
【００４７】
アクチュエータ４００，４０１は、図示しないロッドを有し、ＥＣＵ２５０と電気的に接続されている。アクチュエータ４００，４０１は、ＥＣＵ２５０からの指令に従ってロッドを伸縮する。ロッドの一端は、図示しないリンクを介してバルブ４２０，４２１と連結している。つまり、ＥＣＵ２５０からの指令により、アクチュエータ４００，４０１はロッドの伸縮動作をして、それに伴ってバルブ４２０，４２１は短ブランチ側の通路を開口または遮断する。短ブランチの通路を開口しているときには、吸気および排気の管長は短く、他方、通路を遮断しているときには、管長は長くなる。ＥＣＵ２５０は、吸入空気量Ｑから判断する負荷ＫＬとエンジン１０回転数ＮＥとから、吸気管長および排気管長を決定し、アクチュエータ４００，４０１に指令を出している。可変吸排気システムでは、各管長を可変することで、吸排気脈動の周期、振幅を変えて、吸気充填効率を高めている。
【００４８】
第３実施例のバルブタイミング制御処理のフローチャートを図１２に示す。ＥＣＵ２５０は、回転数ＮＥと負荷ＫＬを取り込む処理を行う（ステップＳ２００）。具体的には、クランク角ＣＡから回転数ＮＥを、吸入空気量Ｑから負荷ＫＬを算出している。次に、図示しない記憶領域から、回転数ＮＥと負荷ＫＬと吸排気管長Ｌとの関係を示すマップを呼び出し、吸気管長ＬＩ２および排気管長ＬＥ２を決定してアクチュエータ４００，４０１に指令を出す（ステップＳ２１０，Ｓ２２０）。アクチュエータ４００，４０１は、例えば、バルブ４２０，４２１を閉じて、吸気管長ＬＩ１からＬＩ２へ可変し、排気管長ＬＥ１からＬＥ２へ可変する。この管長の変化に伴って吸気脈動と排気脈動の周期や振幅は変化する。変化した脈動する圧力を圧力センサ２３０，２３１で検出して、その圧力に基づいてバルブタイミングを決定する処理を行う（ステップＳ２３０）。ここでのバルブタイミング設定は図９に示す処理を実行する。応答遅れや遷移時間を加味して決定したバルブタイミングに従って、各電磁動弁駆動機構２００，２０１へ励磁電流を流すタイミング指令を出して（ステップＳ２４０）、終了する。
【００４９】
本発明を可変吸排気システムと併せて用いると、広範囲に渡って、吸気脈動や排気脈動の振幅や周期の変化に対応したバルブタイミングを決定できる。また、その状態での検出した圧力に基づいて、バルブタイミングを決定するため、吸排気管長の変化に対応するバルブタイミングを予め設定しておく必要がない。ＥＣＵ２５０の記憶領域を減少させることができる。
【００５０】
本実施例で排気系を可変してバルブタイミング制御を実行した場合の一例を図１３に示す。図中（ａ）の実線ＪＬは排気管長が長い場合の排気脈動を、破線ＪＳは排気管長が短い場合の排気脈動を示し、一点鎖線ＢＢは吸気脈動を示している。図示するように管長の異なる排気系によって排気脈動が異なっても、吸気圧力が排気圧力より大きくなる期間をオーバーラップ期間とすることができる。特に排気脈動ＪＬでは、オーバーラップ期間を大きく取ることができて充填効率を高めることができる。
【００５１】
また、第３実施例では、各アクチュエータ４００，４０１の故障や誤動作などの不具合を判定することができる。可変吸気システムの不具合判定処理のフローチャートを図１４に示す。なお、可変排気システムの不具合判定処理もほぼ同一の処理で可能であるため説明を省略する。図示する処理は、ＥＣＵ２５０にて所定のタイミングで実行される。ＥＣＵ２５０は、各回転数ＮＥと負荷ＫＬと吸気管長Ｌとに対応した吸気バルブ６０の閉弁タイミングを予め学習して、図示しない記憶領域に記憶しておく。本実施例では、以前の車両の運転時に経験している回転数ＮＥと負荷ＫＬと吸気管長Ｌに対応する吸気バルブ６０の閉弁タイミングを学習している。なお、実験等で回転数ＮＥと負荷ＫＬと吸気管長Ｌとを変更して、そのバルブタイミングを記憶しても良い。
【００５２】
ＥＣＵ２５０は、回転数ＮＥと負荷ＫＬを取込み（ステップＳ４００）、回転数ＮＥと負荷ＫＬとから現在指示されている吸気管長（例えばＬＩ２）を認識する。以上の条件に該当するタイミングを、記憶領域から呼び出して、学習タイミングＧを取込む（ステップＳ４１０）。次に、現在の吸気バルブ６０の閉弁タイミングＥと学習タイミングＧとの差ΔＶＴを所定のしきい値と比較する処理をする（ステップＳ４２０）。両者の差ΔＶＴの絶対値が１０°以下である時は、可変吸気システムは正常に稼動していると判断して（ステップＳ４３０）、処理を終了する。
【００５３】
また、両者の差ΔＶＴの絶対値が１０°より大きい場合には、可変吸気システムは故障や誤動作をしていると判断して警告灯を出し（ステップＳ４４０）、処理を終了する。本発明のバルブタイミング制御では、仮に誤動作等により吸気管長が変化しなくても、その状態で適切なバルブタイミングを実行する。そのバルブタイミングと予め学習したバルブタイミングとの比較により、誤動作等の不具合判定ができるため、警告灯を出すなどの処理が可能となる。なお、ステップＳ４２０での比較には、吸気バルブ６０の開弁タイミングを用いても良い。また、可変排気システムの不具合判定には、排気バルブ７０の開弁タイミングまたは閉弁タイミングを比較判断すれば良い。
【００５４】
なお、本実施例では、圧力センサ２３０，２３１は各気筒２０毎に設けたが、これに限らず、所定の気筒２０にのみ設けても良い。この場合、例えば、４シリンダエンジンであれば、第１気筒に圧力センサ２３０，２３１を設けて、脈動する吸排気圧力を検出してバルブタイミングを決め、そのバルブタイミングを燃焼順に次の気筒（第３気筒，第４気筒，第２気筒）へと反映させれば良い。
【００５５】
また、本実施例での可変吸排気システムには、管長をバルブで切り替える切替式を用いたが、管長を直線方向に可変するスライド式や、吸排気管にベローズ部を設けて管長を可変するベローズ式など様々なものを用いても同様に効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施例である内燃機関が搭載されたシステムの概略構成を表すブロック図。
【図２】 一つの気筒の縦断面模式図。
【図３】 吸気弁電磁駆動機構の断面模式図。
【図４】 クランク角と吸気圧力および排気圧力との関係図。
【図５】 排気バルブ開弁タイミングを決定するフローチャート。
【図６】 吸気バルブ開弁タイミングを決定するフローチャート。
【図７】 排気バルブ閉弁タイミングを決定するフローチャート。
【図８】 吸気バルブ閉弁タイミングを決定するフローチャート。
【図９】 第２実施例のバルブ始動タイミング制御のフローチャート。
【図１０】 クランク角とバルブ開閉の応答遅れとの関係図。
【図１１】 本発明の第３実施例である内燃機関が搭載されたシステムの１の気筒の縦断面模式図。
【図１２】 第３実施例のバルブタイミング制御のフローチャート。
【図１３】 第３実施例のバルブタイミング制御のクランク角と吸気圧力および排気圧力との関係図。
【図１４】 可変吸気システムの不具合判定処理のフローチャート。
【符号の説明】
１０…エンジン
２０…気筒
３０…シリンダブロック
４０…ピストン
５０…シリンダヘッド
６０…吸気バルブ
６５…吸気ポート
７０…排気バルブ
７５…排気ポート
８０…燃焼室
８５…点火プラグ
９０…吸気マニホールド
９５…吸気通路
９５ａ…長ブランチ
９５ｂ…短ブランチ
１００…燃料噴射弁
１０５…排気通路
１０５ａ…長ブランチ
１０５ｂ…短ブランチ
１１０…サージタンク
１１５…エアフロメータ
１２０…吸気ダクト
１３０…エアクリーナ
１４０…スロットルバルブ
１５０ａ，１５０ｂ…触媒コンバータ
１６０…排気マニホールド
１６０ａ，１６０ｂ…排気枝管
１７０…酸素濃度センサ
１７２…アクセルポジションセンサ
１７４…クランク角センサ
１７５…触媒コンバータ
１８０ａ，１８０ｂ…集合管
１８２…水温センサ
１９０…排気管
２００，２０１…電磁動弁駆動機構
２３０，２３１…圧力センサ
２５０…ＥＣＵ
３００…アッパ電磁コイル
３１０…ロア電磁コイル
３２０，３３０…スプリング
３４０…フランジ
３５０…アーマチャ
３６０…シャフト
４００，４０１…アクチュエータ
４２０，４２１…バルブ
【発明の属する技術分野】
本発明は、吸気バルブおよび排気バルブの開閉タイミングの制御機構を備えた内燃機関とその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の吸気や排気は、バルブの開閉動作やピストンの動作に関連して、その管内で脈動することが知られている。吸気圧力の脈動や排気圧力の脈動は、吸気バルブや排気バルブで発生した圧力変化が、吸排気管路に設けたサージタンクや触媒コンバータなどの開口部や断面積拡大部で反射されることで生じる。この吸排気脈動の周期と吸排気バルブの開閉時期を同調させることで、吸気管から燃焼室への新気の流入を促進させて吸気充填効率を高めることができ、また、燃焼室の既燃ガスの排気管への排出の効率を高めることができる。
【０００３】
実際、吸気脈動、吸気慣性効果を利用し吸気充填効率を調整して、出力の増大を図る技術が知られている。この様な技術を採用した内燃機関の中には、吸気カムシャフトに設けた２つのカムを切り換えてカムの作用角を制御するバルブ特性切換機構と、吸気カムシャフトの回転位相を制御することで吸気バルブの開閉タイミングを遅角側および進角側に可変とするバルブ位相可変機構と、吸気管長を変化させることで吸気脈動の圧力波の固有振動数を変えて同調特性を調整する吸気管長変更機構とを備えた内燃機関がある。この内燃機関では、吸気カムの作用角を段階的に変更し、吸気カムの位相（遅角や進角）を変更し、吸気脈動の周期を段階的に変更することで、エンジン回転数に対応した吸気脈動、吸気慣性効果を引き出して、出力の増大を図るのに効果がある。こうした内燃機関の技術を示す特許文献としては、下記の特許文献１がある。
【特許文献１】
特開２０００−３２８９７１号公報
【０００４】
また、排気側について、排気の圧力を検出してバルブの開閉タイミングを設定して、排気脈動による掃気効率を上げ、結果的に、吸気充填効率の向上を図る技術が知られている。こうした内燃機関の技術を示す特許文献としては、下記の特許文献２がある。
【特許文献２】
特開平１１−２２４９９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の内燃機関では、常に最適なバルブタイミングを実現するのは困難であるという問題があった。ある領域で最適なバルブタイミングとなるように吸気カムの位相を実験値や設計値から設定したとしても、エンジンの固体差や経時変化等によって吸気脈動が変化するため、設定したバルブタイミングが常に最適なタイミングになるとは限らないからである。また、バルブの開閉にカムを用いると、バルブの開弁タイミングと閉弁タイミングとで相関関係が生じるため、種々の運転状態の中で吸気脈動を十分に活用できる領域が限られてしまう。運転状態で変化する吸気脈動に対応しきれず、吸気の動的効果を活かしきれない領域が多くなるからである。
【０００６】
本発明は、こうした問題を解決し、種々の運転状態における吸排気の圧力脈動を活かして自動的に最適なバルブ開閉タイミングを選択し、内燃機関の性能向上を図ることを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
本発明の第１の内燃機関は、上記課題の少なくとも一部を解決するため、以下の手法をとった。すなわち、ピストンとシリンダとからなる燃焼室に吸気バルブと排気バルブを有する内燃機関であって、前記吸気バルブと排気バルブの少なくとも一方のバルブタイミングを指令に応じて可変するバルブタイミング可変手段と、該吸気バルブおよび排気バルブの開閉動作や該ピストンの動作に伴って脈動する内燃機関の吸気管内圧力および排気管内圧力を検出する圧力検出手段と、該圧力検出手段によって検出される該吸気管内圧力および該排気管内圧力の大小関係に基づいて前記バルブタイミングを設定するバルブタイミング設定手段と、該設定されたバルブタイミングに合わせて前記バルブタイミング可変手段へ前記指令を出力するバルブタイミング出力手段とを備えたことを要旨としている。
【０００８】
また、第１の内燃機関に対応した第１の制御方法の発明は、ピストンとシリンダとからなる燃焼室に吸気バルブと排気バルブを有し、該吸気バルブと排気バルブの少なくとも一方のバルブタイミングを指令に応じて可変するバルブタイミング可変手段を備えた内燃機関の燃焼を制御する制御方法であって、該吸気バルブおよび排気バルブの開閉動作や該ピストンの動作に伴って脈動する内燃機関の吸気管内圧力および排気管内圧力を検出し、該検出される該吸気管内圧力および該排気管内圧力の大小関係に基づいて前記バルブタイミングを設定し、該設定されたバルブタイミングに合わせて前記バルブタイミング可変手段へ前記指令を出力するバルブタイミング制御方法とすることを要旨としている。
【０００９】
本発明の第１の内燃機関およびその制御方法によれば、内燃機関の回転数の変化などの種々の運転状態が変化しても、常にその状態で脈動する吸気圧力と排気圧力との両者を検出する。この吸気圧力と排気圧力の大小関係を比較して、バルブの開閉タイミングを設定する。バルブタイミング可変手段は、設定された開閉タイミングの指令に基づいて、バルブの開閉動作を行う。つまり、運転状態によって吸気圧力脈動や排気圧力脈動の振幅や周期が変化しても、その状態で所望なバルブタイミングを決定して、バルブの開閉タイミングを任意に設定できる。したがって、吸気圧力脈動および排気圧力脈動を要求に応じて活用したバルブタイミングを設定することができる。
【００１０】
本発明の第２の内燃機関は、ピストンとシリンダとからなる燃焼室に吸気バルブと排気バルブを有する内燃機関であって、前記吸気バルブと排気バルブの少なくとも一方のバルブタイミングを指令に応じて可変するバルブタイミング可変手段と、該吸気バルブおよび排気バルブの開閉動作や該ピストンの動作に伴って脈動する内燃機関の吸気管内圧力および排気管内圧力を検出する圧力検出手段と、該圧力検出手段によって検出される該吸気管内圧力および該排気管内圧力に基づいて、該吸気バルブまたは排気バルブの開弁および閉弁動作の完了のタイミングを設定し、該動作完了のタイミングを実現するようバルブ動作の開始のタイミングを設定するバルブタイミング設定手段と、該設定されたバルブタイミングに合わせて前記バルブタイミング可変手段へ前記指令を出力するバルブタイミング出力手段とを備えたことを要旨としている。
【００１１】
また、第２の内燃機関に対応した第２の制御方法の発明は、ピストンとシリンダとからなる燃焼室に吸気バルブと排気バルブを有し、該吸気バルブと排気バルブの少なくとも一方のバルブタイミングを指令に応じて可変するバルブタイミング可変手段を備えた内燃機関の燃焼を制御する制御方法であって、該吸気バルブおよび排気バルブの開閉動作や該ピストンの動作に伴って脈動する内燃機関の吸気管内圧力および排気管内圧力を検出し、該検出される該吸気管内圧力および該排気管内圧力に基づいて、該吸気バルブまたは排気バルブの開弁および閉弁動作の完了のタイミングを設定し、該動作完了のタイミングを実現するようバルブ動作の開始のタイミングを設定し、該設定されたバルブタイミングに合わせて前記バルブタイミング可変手段へ前記指令を出力するバルブタイミング制御方法とすることを要旨としている。
【００１２】
本発明の第２の内燃機関およびその制御方法によれば、吸気圧力と排気圧力との検出結果に基づいて、バルブが開弁し始めるタイミングやバルブが完全に閉弁するタイミングを算出する。このタイミングに基づいて、バルブの動作が完了するように、バルブ動作の開始のタイミングを設定する。したがって、バルブの応答遅れや遷移時間も考慮したバルブタイミングを設定することができる。
【００１３】
また、バルブタイミング設定手段は、前記内燃機関の一の気筒で脈動する排気圧力の極小部分となる負圧波が、該一の気筒の排気行程上死点時期に排気バルブ付近に到達するように、該排気バルブの開弁タイミングを設定する手段とすることができる。バルブタイミング可変手段によって排気バルブの開弁タイミングを進角または遅角することで、排気圧力脈動の位相を調整する。この調整により、脈動する排気圧力の極小部分となる負圧波は、一の気筒の排気行程の上死点時期（すなわち、吸気バルブと排気バルブの両者が開いているオーバーラップ期間）に排気バルブ近傍に到達する。したがって、既燃ガスが負圧により吸い出されて掃気効率が上がり、吸気充填効率を高めることができる。
【００１４】
さらに、バルブタイミング設定手段は、前記内燃機関の一の気筒で脈動する吸気圧力の極大部分となる正圧波が、該一の気筒の吸気バルブ付近に到達する時期に基づいて、該吸気バルブの閉弁タイミングを設定する手段とすることができる。脈動する吸気圧力の極大部分である正圧波が吸気バルブ付近に到達した後に吸気バルブを閉じる。このため、気筒内に充填された混合気が吸気側に逆流するといった現象を生じることがない。
【００１５】
本発明の内燃機関は、内燃機関の吸気管および排気管の有効管長および管内径の少なくとも一つを可変とする可変吸排気システムを備えた内燃機関とすることができる。かかる内燃機関では、可変吸排気システムにより、吸排気管の管長および管内径を変化させることで吸気圧力脈動および排気圧力脈動の振幅や周期を変更することができる。この結果、ある領域では、脈動の動的効果を活かして吸気充填効率を高めている。この可変吸排気システムによって、圧力脈動の振幅や周期が変化しても、その状態で検出する圧力に基づいてバルブタイミングを設定する。したがって、特定の領域に限らず、広範囲な領域に渡って適切なバルブタイミングを設定することができ、内燃機関の性能を向上することができる。
【００１６】
また、内燃機関には、前記可変吸排気システムによる該吸気管および排気管の有効管長および管内径の少なくとも一つの変更に伴う前記吸排気管の圧力を該圧力検出手段で検出することにより、該可変吸排気システムの不具合を判定する判定手段を備えることができる。可変吸排気システムで有効管長や管内径の変更が故障や誤動作により達成されなくても、その状態で検出する圧力に応じたバルブタイミングを設定する。また、その状態に対応したバルブタイミングと予め学習してあるバルブタイミングとを比較することで、可変吸排気システムのどの部位が故障や誤動作（フェイル）したのかを判断することができる。したがって、吸気系および排気系の不具合箇所を特定することができ、故障の診断に貢献することになる。
【００１７】
さらに、圧力検出手段は、複数気筒を有する内燃機関の各気筒の吸気管および排気管にそれぞれセンサを設けて各気筒の吸気圧力および排気圧力を検出することができる。各気筒毎に圧力センサを設けて、脈動する吸気圧力と排気圧力とを検出することで、各気筒毎に適したバルブタイミングを設定するものとしても良い。こうすれば、気筒間の吸排気の圧力変動のわずかな違いにも対応したバルブタイミングを設定できる。
【００１８】
また、バルブタイミング可変手段は、電磁力を利用してバルブ開閉動作を行う電磁動弁駆動機構とすることができる。電磁力を利用した電磁動弁駆動機構は、コイルに流す励磁電流を調整することでバルブの開閉動作を制御する。したがって、内燃機関のクランク軸の回転から独立したバルブタイミングを設定できる。もとより、機械的な可変動弁機構を用いてバルブタイミングを設定するものとしても良い。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を説明する。本発明の第１実施例である内燃機関が搭載されたシステムの概略構成を表すブロック図を図１に示す。また、一つの気筒の縦断面の模式図を図２に示す。エンジン１０は、４つの気筒２０を有する４シリンダエンジンである。このエンジン１０は、主に、シリンダブロック３０，シリンダブロック３０内を往復運動するピストン４０，シリンダヘッド５０，シリンダヘッド５０に配置された吸気バルブ６０，排気バルブ７０等から構成されている。吸気バルブ６０，排気バルブ７０は、気筒２０毎にそれぞれ２個ずつ備えられた４バルブシステムである。各気筒２０には、シリンダブロック３０，シリンダヘッド５０，ピストン４０により囲まれた燃焼室８０が形成されている。シリンダヘッド５０には、点火プラグ８５が設けられ、燃焼室８０内で圧縮された混合気に点火を行う。
【００２０】
シリンダヘッド５０には、吸気ポート６５が設けられ、吸気マニホールド９０に接続している。吸気マニホールド９０内には、各吸気通路９５が形成され、燃料噴射弁１００を備えている。この燃料噴射弁１００は、運転状態に対応した量τの燃料を各気筒２０へ噴射している。また、各気筒２０の吸気マニホールド９０は、サージタンク１１０を介して、吸気ダクト１２０に接続している。吸気ダクト１２０には、エアフロメータ１１５が設けられ、吸入空気量Ｑを検出している。吸気ダクト１２０は、エアクリーナ１３０と接続し、エアクリーナ１３０でろ過した空気を取り込んでいる。エアフロメータ１１５は、混合気を適正にする空燃比制御のために吸入空気量Ｑを検出している。また、吸気ダクト１２０には、スロットルバルブ１４０が設けられ、エンジン１０に供給する空気量を調整している。
【００２１】
シリンダヘッド５０には、排気ポート７５が設けられ、排気マニホールド１６０に接続している。排気マニホールド１６０は、排気枝管１６０ａと排気枝管１６０ｂとから構成されており、互いに燃焼順序で干渉しない２つの気筒２０が１つの排気通路に接続しているいわゆるデュアルエギゾーストシステムである。排気枝管１６０ａ，１６０ｂ内には、各排気通路１０５が形成され、２つの排気通路１０５の合流端は、それぞれ触媒コンバータ１５０ａ，１５０ｂを介して、集合管１８０ａ，１８０ｂに接続している。集合管１８０ａ，１８０ｂは、触媒コンバータ１７５を介して、排気管１９０と接続している。
【００２２】
第１気筒と第４気筒からの排気は排気枝管１６０ａを通過し、合流して集合管１８０ａへと流れる。第３気筒と第２気筒からの排気は排気枝管１６０ｂを通過し、合流して集合管１８０ｂへと流れる。排気管１９０で全ての気筒２０からの排気が合流する。触媒コンバータ１５０ａ，１５０ｂ，１７５は、この排気を浄化して外部に排出している。排気マニホールド１６０には、酸素濃度センサ１７０がそれぞれ設けられ、排気中の酸素濃度を検出している。また、各気筒２０の吸気ポート６５と排気ポート７５には、圧力センサ２３０，２３１が設けられ、吸気ポート６５内で脈動する圧力と排気ポート７５内で脈動する圧力とをそれぞれ検出している。圧力センサ２３０，２３１は、後述するＥＣＵ２５０と電気的に接続している。
【００２３】
シリンダヘッド５０には、電磁動弁駆動機構２００，２０１が設けられ、電磁力を利用して吸気バルブ６０および排気バルブ７０の開閉動作を行っている。この電磁動弁駆動機構２００の断面模式図を図３に示した。なお、図３は吸気バルブ６０側の構造を示すが、排気バルブ７０側の構造も同様である。電磁動弁駆動機構２００は、主に、フランジ３４０，スプリング３２０，３３０，アッパ電磁コイル３００，ロア電磁コイル３１０，アーマチャ３５０およびシャフト３６０から構成されている。シャフト３６０は、吸気バルブ６０の一端と当接し、一体となって軸方向へ進退可能となっている。シャフト３６０の軸方向の上下位置には、スプリング３２０，３３０が設けられ、シャフト３６０を支持している。このスプリング３２０，３３０は、シャフト３６０を介して、吸気バルブ６０を開弁と閉弁の中立位置に保持している。シャフト３６０の中央付近には、軟磁性体からなるアーマチャ３５０が設けられている。フランジ３４０には、アッパ電磁コイル３００とロア電磁コイル３１０が設けられ、それぞれアーマチャ３５０の上側と下側に位置している。
【００２４】
アッパ電磁コイル３００に励磁電流を流すと電磁力が働き、アーマチャ３５０はアッパ電磁コイル３００側へ引き付けられる。アーマチャ３５０（すなわち、シャフト３６０）の動きに伴って、吸気バルブ６０は閉弁する。他方、ロア電磁コイル３１０に励磁電流を流すと電磁力が働き、アーマチャ３５０はロア電磁コイル３１０側へ引き付けられる。アーマチャ３５０の動きに伴って、吸気バルブ６０は開弁する。このように、アッパ電磁コイル３００，ロア電磁コイル３１０へ電流を流すタイミングを調整することで、バルブの開閉タイミングを制御している。ＥＣＵ２５０では、吸気ポート６５および排気ポート７５に設けた圧力センサ２３０，２３１の信号から、後述するように、吸気バルブ６０および排気バルブ７０を開閉するタイミングを算出して、各電磁動弁駆動機構２００，２０１へ電流を流すタイミングを指示している。
【００２５】
ＥＣＵ２５０は、上述のバルブの開閉タイミングを制御するが、その他に種々の運転状態に対応した最適な燃焼状態となるように、燃料噴射量τや噴射タイミング等の制御も併せて行っている。こうした制御を行うため、車両の状態を検出する以下のセンサと接続している。
【００２６】
アクセルペダルには、アクセルポジションセンサ１７２が設けられ、アクセル踏込量αに比例した電圧を出力する。クランク角センサ１７４は、クランクシャフトの回転角ＣＡを検出し、所定の回転角毎にパルス信号を出力する。また、エンジン１０のシリンダブロック３０には水温センサ１８２が設けられ、エンジン１０冷却水温Ｔを検出している。
【００２７】
ＥＣＵ２５０は、アクセルペダルの踏込量α，スロットルバルブ１４０の開度θ，クランク角ＣＡからエンジン１０回転数ＮＥ，水温Ｔ，吸入空気量Ｑ，酸素濃度センサ１７０の信号やその他、図示しない車速センサＶなどの車両の運転状態を判断する信号を入力し、燃料噴射弁１００に燃料噴射量τを指示する。この燃料噴射量τは、エアフロメータ１１５からの吸入空気量Ｑとクランク角センサ１７４からの信号ＣＡを基に噴射時間を設定し、例えば、水温センサ１８２によりエンジン１０が冷えた状態かどうか、酸素濃度センサ１７０により適切な空燃比かどうかなどの情報により補正を加えた上で設定している。なお、本実施例では、各気筒２０独立に燃料噴射量τの制御が行える独立噴射方式である。
【００２８】
ここで、本発明で実施するバルブタイミングの制御処理を説明する前に、吸気圧力と排気圧力の脈動について説明する。クランク角と吸気圧力および排気圧力との関係の一例を図４（ａ）に示す。また、クランク角とバルブリフト量との関係の一例を図４（ｂ）に示す。図４（ａ）の実線ＪＤは排気ポート７５の圧力を、破線ＢＣは吸気ポート６５の圧力を示す。図示するように、実線ＪＤに示す圧力は排気バルブ７０を開いた直後に急激に上昇する。この開弁時の正圧波は、開口部で反射して負圧波となり、排気バルブ７０へ向かって進むため、排気ポート７５の圧力は脈動する。そして、排気圧力は極小点（図４（ａ）点Ｄ）となり、他気筒２０で発生した圧力波が伝播することで上昇して、再び低下する。全ての気筒２０で燃焼が完了する１サイクルの間に、図示するように、複数の正のピークと複数の負のピークを有する排気脈動となる。
【００２９】
他方、破線ＢＣに示す圧力も、吸気バルブ６０の開閉弁動作やピストン４０の動作等により発生する圧力波が開口部で反射されることにより、脈動する。排気脈動と同様、１サイクルの間に、図示するように、クランク角５４０°付近に最大の正のピークを有する吸気脈動となる。この吸気脈動および排気脈動において、排気バルブの開弁タイミングＣ，吸気バルブの開弁タイミングＡ，排気バルブの閉弁タイミングＢ，吸気バルブの閉弁タイミングＥを適切なタイミングに設定することが、気筒２０内の吸気充填効率を高め、エンジン１０性能を向上させることになる。したがって、以下にエンジン１０性能を向上させる各バルブタイミングの決定制御を順次説明する。
【００３０】
まず、タイミングＣの決定の処理について説明する。タイミングＣを決定するフローチャートを図５に示す。バルブタイミングは一般に、吸気や排気の慣性を有効に利用するため、吸気バルブ６０はピストン４０が上死点に達する前に開き、下死点を過ぎてから閉じ、また、排気バルブ７０はピストン４０が下死点に達する前に開き、上死点を過ぎてから閉じるように設定されている。本実施例では、車両の運転初期のバルブタイミングは上述のように設定されている。そのバルブタイミングで運転始動後に、圧力センサ２３１は、全ての気筒２０で燃焼が完了する１サイクル中のクランク角ＣＡに対する排気圧力を検出する。ＥＣＵ２５０は、そのサイクル中の排気圧力が極小点Ｄとなる時のクランク角ＣＡと、そのサイクルでの排気バルブ７０の開弁タイミングＣ１を検出する。
【００３１】
次のサイクルに入る時に、図５に示す処理を実行する。図示するように、前サイクルでの極小値Ｄのクランク角ＣＡを示すタイミングＤ１が３６０°±１０°の範囲に入るかを判断する。まず、タイミングＤ１が３７０°よりも大きいかを判断する（ステップＳ５００）。タイミングＤ１が３７０°よりも大きい場合には、タイミングＣを前サイクルのタイミングＣ１より５°進角側に補正し（ステップＳ５１０）、処理を終了する。ステップＳ５００でタイミングＤ１が３７０°以下の場合には、３５０°より小さいかを判断する（ステップＳ５２０）。ステップＳ５２０で、３５０°より小さい場合には、タイミングＣをタイミングＣ１より５°遅角側に補正し（ステップＳ５３０）、処理を終了する。また、ステップＳ５２０で、タイミングＤ１が３５０°以上の場合（つまり、タイミングＤ１が３６０°±１０°の範囲に入る場合）には、前サイクルのタイミングＣ１をそのまま維持してタイミングＣとし（ステップＳ５４０）、処理を終了する。なお、所定の範囲（制御上の不感帯）である±１０°や補正量（制御上の分解能）である±５°は、この値に限らず、設計値として設定すれば良い。
【００３２】
図５に示す処理を実施することにより、排気バルブ７０の開弁タイミングＣを遅角あるいは進角させ、排気脈動の極小値であるタイミングＤが、気筒２０の吸気行程上死点付近（すなわち、クランク角３６０°付近）になるよう、排気脈動の位相を調整する。一般には、ピストン４０が吸気行程上死点付近に位置する時期は、吸気バルブ６０と排気バルブ７０の両者が開弁するオーバーラップ期間に相当する。このオーバーラップ時期に、排気ポート７５で脈動する圧力は極小値Ｄとなり、気筒２０内部に残留する既燃ガスは効率よく吸い出され、掃気効率が向上する。したがって、吸気充填効率の向上を図ることができる。
【００３３】
次に、タイミングＡおよびタイミングＢの決定の処理について説明する。タイミングＡを決定するフローチャートを図６に、タイミングＢを決定するフローチャートを図７に示す。なお、図６，７はほぼ同じ処理であるため、タイミングＡを決定する処理である図６を中心に説明する。
【００３４】
各圧力センサ２３０，２３１は、クランク角ＣＡに対応した吸気圧力と排気圧力とを検出する。ＥＣＵ２５０では、現在のクランク角ＣＡに対応する吸気，排気圧力の信号を受けて、図６，７の処理を実行する。図示するように、タイミングＡの決定では、現在のクランク角ＣＡが所定の範囲（３００°＜ＣＡ＜３６０°）にあるかどうかを判断する（ステップＳ６００）。現在のクランク角ＣＡがこの範囲である場合、現在のクランク角ＣＡでの吸気圧力と排気圧力を比較する処理を行う（ステップＳ６１０）。吸気圧力が排気圧力よりも大きい場合には、現在のクランク角ＣＡをタイミングＡとして（ステップＳ６２０）、処理を終了する。
【００３５】
ステップＳ６１０で吸気圧力が排気圧力よりも小さい場合には、圧力の大小関係を再度確認する処理を行う（ステップＳ６３０）。例えば、エンジン１０回転数が高回転であり、排気系の背圧が高くなる場合には、排気圧力も高くなる。それに対して、吸気系は背圧の影響をほとんど受けないため、吸気圧力の変化は少ない。したがって、吸気圧力が排気圧力よりも高くなることがない場合がある。ステップＳ６３０で吸気圧力が排気圧力よりも高くなる点が存在しない場合には、予めＥＣＵ２５０に記憶してあるマップからタイミングＡを決定して（ステップＳ６４０）、処理を終了する。
【００３６】
また、現在のクランク角ＣＡが、ステップＳ６００でこの範囲に入らない場合と、ステップＳ６３０で吸気圧力が排気圧力よりも高くなる点が存在する場合（すなわちエンジン回転数が低い場合）とは、処理を終了して、次のクランク角ＣＡについて繰り返しこのフローチャートを実行する。なお、本実施例では、ステップＳ６３０の判断基準には、エンジン１０回転数で４０００回転を基準として用いているが、１サイクルの排気脈動の平均値と吸気脈動の平均値との差が所定値以内となるかどうかで判断しても良い。
【００３７】
なお、図７に示すタイミングＢの決定の処理では、現在のクランク角ＣＡの判断処理（ステップＳ７００）の所定の範囲（３６０°＜ＣＡ＜４００°）とタイミングＢを決定する処理（ステップＳ７４０）に用いるマップとが異なるのみである。したがって、タイミングＡの決定の処理と同様にして、タイミングＢを決定している。
【００３８】
図６，図７に示す処理を実行することにより、吸気バルブ６０の開弁タイミングＡと排気バルブ７０の閉弁タイミングＢとは、吸気圧力が排気圧力を上回るタイミングとなる。吸気ポート６５の圧力が高く、排気ポート７５の圧力が低い状態にて両バルブを開弁するため、気筒２０内の既燃ガスの排気ポート７５への排出と吸気ポート６５からの新気の流入との両方が促進される。したがって、吸気充填効率を向上することができる。
【００３９】
次に、タイミングＥの決定の処理について説明する。タイミングＥを決定するフローチャートを図８に示す。ＥＣＵ２５０では、現在のクランク角ＣＡに対応する吸気圧力の信号を受けて、図８の処理を実行する。図示するように、タイミングＥの決定では、現在のクランク角ＣＡが所定の範囲（５００°＜ＣＡ＜６００°）にあるかどうかを判断する（ステップＳ８００）。現在のクランク角ＣＡがこの範囲である場合、現在のクランク角ＣＡでの吸気圧力が極大値であるかどうかを判断する（ステップＳ８１０）。吸気圧力の極大値は、前サンプル値（前クランク角ＣＡ０での吸気圧力）と現吸気圧力（現在のクランク角ＣＡの吸気圧力）とを比較することで行っている。具体的には、現吸気圧力が単調増加から減少に転じた時のクランク角ＣＡを極大値としている。吸気圧力が極大値となる場合には、現在のクランク角ＣＡをタイミングＦとする（ステップＳ８２０）。このタイミングＦに所定の量を加えた値をタイミングＥとして（ステップＳ８３０）、処理を終了する。この所定の量は、本実施例ではクランク角ＣＡで１０°の遅角としている（Ｅ＝タイミングＦ＋１０°）。なお、この所定の量は、１０°に限らず、所望の量を設計値として設定すれば良い。
【００４０】
また、現在のクランク角ＣＡが、ステップＳ８００でこの範囲に入らない場合、ステップＳ８１０で現吸気圧力が前サンプル値よりも大きく、極大値でないと判断された場合には、処理を終了して、次のクランク角ＣＡについて繰り返しこのフローチャートを実行する。
【００４１】
図８に示す処理を実施することにより、吸気バルブ６０の閉弁タイミングＥは、吸気脈動の極大値から所定のクランク角ＣＡ遅らせたタイミングとしている。吸気脈動の極大値であるタイミングＦでは、吸気ポート６５の圧力が極大値であるために、気筒２０に新気が押し込まれ易い状態になる。そして、吸気脈動の動的効果により、新気には慣性が働くため、所定のクランク角ＣＡ遅らせたタイミングＥで、閉弁するため最も吸気充填効率が向上する。さらに、吸気ポート６５の圧力が比較的高いため、気筒２０内に充填された混合気が吸気ポート６５に逆流することもない。
【００４２】
本発明の第２実施例では、第１実施例の処理により決定した各バルブの開弁、閉弁のタイミングに基づいて、そのタイミングに合わせて開弁動作を開始し、閉弁動作を完了するように、各電磁動弁駆動機構２００，２０１に出力する指令に補正を加える。この補正を加味したフローチャートを図９に示す。なお、第２実施例では、第１実施例の内燃機関が搭載されたシステムの構成と同様であるため、符号を同一とし、構成図は省略する。
【００４３】
車両の運転初期状態では、設計上から設定されているバルブタイミングにより運転される。圧力センサ２３０，２３１は、その運転状態における吸気圧力と排気圧力とを検出する。ＥＣＵ２５０は、その検出圧力を取り込んで、図９に示すフローチャートを実行する。なお、図９に示す処理は１つの気筒２０での処理を示すが、他の気筒２０についても同じ処理が実行される。気筒２０の吸気圧力と排気圧力とから第１実施例で説明したバルブタイミングＣ，Ａ，Ｂ，Ｅを決定する処理を行う（ステップＳ９１０）。次に決定されたタイミングを実現するため、吸気バルブ６０や排気バルブ７０の応答遅れや遷移時間を考慮した補正を行い、バルブタイミングを決定して（ステップＳ９２０）、電磁動弁駆動機構２００，２０１に指令を出して終了する。
【００４４】
ここで、クランク角ＣＡとバルブ開閉の応答遅れや遷移時間との説明図を図１０に示し、バルブタイミングの補正内容を説明する。図示するように、アッパ電磁コイル３００側に流していた励磁電流を切り、所定時間後にロア電磁コイル３１０側に励磁電流を流すと、バルブはタイミングＴ２で開弁し始める。バルブの動作開始までにα＝Ｔ２−Ｔ１の応答遅れがある。他方、ロア電磁コイル３１０側に流していた励磁電流を切り、所定時間後にアッパ電磁コイル３００側に励磁電流を流すと、バルブはタイミングＴ４で閉弁し終わる。バルブの動作完了までにβ＝Ｔ４−Ｔ３の遷移時間がある。そこで、バルブの開弁タイミングＣ，Ａはそれぞれクランク角α相当量を差し引いて補正し、バルブの閉弁タイミングＢ，Ｅはそれぞれクランク角β相当量を差し引いて補正する。なお、吸気側の電磁動弁駆動機構２００と排気側の電磁動弁駆動機構２０１との差異を考慮して、クランク角α，βを吸気側の補正量、クランク角α´，β´を排気側の補正量としている。
【００４５】
応答遅れや遷移時間を加味して各電磁動弁駆動機構２００，２０１へ電流を流すタイミングを指示するため、適切なバルブタイミングの実行が図れる。特に、閉弁のタイミングＢ，Ｅでは、そのタイミングで閉弁動作が完了するように制御するため、より精度の良いバルブタイミングを設定することができる。なお、クランク角α，α´，β，β´は実験値として種々の回転数と負荷に対応した値を設定している。
【００４６】
本発明の第３実施例である内燃機関が搭載されたシステムの１の気筒の縦断面模式図を図１１に示す。第３実施例では、第１実施例の吸気系および排気系を可変システムとした。したがって、それ以外の部分については第１実施例と同一であるため、符号を同一として説明を省略する。第３実施例の吸気系および排気系では、第１実施例の吸気通路９５および排気通路１０５の管長を変更するバルブ４２０，４２１を備えた。吸気通路９５は、長い管路の長ブランチ９５ａと短い管路の短ブランチ９５ｂとから構成されている。バルブ４２０は、短ブランチ９５ｂの通路内に設けられ、通路の開閉を行っている。他方、排気通路１０５は、長い管路の長ブランチ１０５ａと短い管路の短ブランチ１０５ｂとから構成され、吸気側と同様にバルブ４２１は、短ブランチ１０５ｂの通路内に設けられている。バルブ４２０，４２１は、アクチュエータ４００，４０１とそれぞれ連結している。
【００４７】
アクチュエータ４００，４０１は、図示しないロッドを有し、ＥＣＵ２５０と電気的に接続されている。アクチュエータ４００，４０１は、ＥＣＵ２５０からの指令に従ってロッドを伸縮する。ロッドの一端は、図示しないリンクを介してバルブ４２０，４２１と連結している。つまり、ＥＣＵ２５０からの指令により、アクチュエータ４００，４０１はロッドの伸縮動作をして、それに伴ってバルブ４２０，４２１は短ブランチ側の通路を開口または遮断する。短ブランチの通路を開口しているときには、吸気および排気の管長は短く、他方、通路を遮断しているときには、管長は長くなる。ＥＣＵ２５０は、吸入空気量Ｑから判断する負荷ＫＬとエンジン１０回転数ＮＥとから、吸気管長および排気管長を決定し、アクチュエータ４００，４０１に指令を出している。可変吸排気システムでは、各管長を可変することで、吸排気脈動の周期、振幅を変えて、吸気充填効率を高めている。
【００４８】
第３実施例のバルブタイミング制御処理のフローチャートを図１２に示す。ＥＣＵ２５０は、回転数ＮＥと負荷ＫＬを取り込む処理を行う（ステップＳ２００）。具体的には、クランク角ＣＡから回転数ＮＥを、吸入空気量Ｑから負荷ＫＬを算出している。次に、図示しない記憶領域から、回転数ＮＥと負荷ＫＬと吸排気管長Ｌとの関係を示すマップを呼び出し、吸気管長ＬＩ２および排気管長ＬＥ２を決定してアクチュエータ４００，４０１に指令を出す（ステップＳ２１０，Ｓ２２０）。アクチュエータ４００，４０１は、例えば、バルブ４２０，４２１を閉じて、吸気管長ＬＩ１からＬＩ２へ可変し、排気管長ＬＥ１からＬＥ２へ可変する。この管長の変化に伴って吸気脈動と排気脈動の周期や振幅は変化する。変化した脈動する圧力を圧力センサ２３０，２３１で検出して、その圧力に基づいてバルブタイミングを決定する処理を行う（ステップＳ２３０）。ここでのバルブタイミング設定は図９に示す処理を実行する。応答遅れや遷移時間を加味して決定したバルブタイミングに従って、各電磁動弁駆動機構２００，２０１へ励磁電流を流すタイミング指令を出して（ステップＳ２４０）、終了する。
【００４９】
本発明を可変吸排気システムと併せて用いると、広範囲に渡って、吸気脈動や排気脈動の振幅や周期の変化に対応したバルブタイミングを決定できる。また、その状態での検出した圧力に基づいて、バルブタイミングを決定するため、吸排気管長の変化に対応するバルブタイミングを予め設定しておく必要がない。ＥＣＵ２５０の記憶領域を減少させることができる。
【００５０】
本実施例で排気系を可変してバルブタイミング制御を実行した場合の一例を図１３に示す。図中（ａ）の実線ＪＬは排気管長が長い場合の排気脈動を、破線ＪＳは排気管長が短い場合の排気脈動を示し、一点鎖線ＢＢは吸気脈動を示している。図示するように管長の異なる排気系によって排気脈動が異なっても、吸気圧力が排気圧力より大きくなる期間をオーバーラップ期間とすることができる。特に排気脈動ＪＬでは、オーバーラップ期間を大きく取ることができて充填効率を高めることができる。
【００５１】
また、第３実施例では、各アクチュエータ４００，４０１の故障や誤動作などの不具合を判定することができる。可変吸気システムの不具合判定処理のフローチャートを図１４に示す。なお、可変排気システムの不具合判定処理もほぼ同一の処理で可能であるため説明を省略する。図示する処理は、ＥＣＵ２５０にて所定のタイミングで実行される。ＥＣＵ２５０は、各回転数ＮＥと負荷ＫＬと吸気管長Ｌとに対応した吸気バルブ６０の閉弁タイミングを予め学習して、図示しない記憶領域に記憶しておく。本実施例では、以前の車両の運転時に経験している回転数ＮＥと負荷ＫＬと吸気管長Ｌに対応する吸気バルブ６０の閉弁タイミングを学習している。なお、実験等で回転数ＮＥと負荷ＫＬと吸気管長Ｌとを変更して、そのバルブタイミングを記憶しても良い。
【００５２】
ＥＣＵ２５０は、回転数ＮＥと負荷ＫＬを取込み（ステップＳ４００）、回転数ＮＥと負荷ＫＬとから現在指示されている吸気管長（例えばＬＩ２）を認識する。以上の条件に該当するタイミングを、記憶領域から呼び出して、学習タイミングＧを取込む（ステップＳ４１０）。次に、現在の吸気バルブ６０の閉弁タイミングＥと学習タイミングＧとの差ΔＶＴを所定のしきい値と比較する処理をする（ステップＳ４２０）。両者の差ΔＶＴの絶対値が１０°以下である時は、可変吸気システムは正常に稼動していると判断して（ステップＳ４３０）、処理を終了する。
【００５３】
また、両者の差ΔＶＴの絶対値が１０°より大きい場合には、可変吸気システムは故障や誤動作をしていると判断して警告灯を出し（ステップＳ４４０）、処理を終了する。本発明のバルブタイミング制御では、仮に誤動作等により吸気管長が変化しなくても、その状態で適切なバルブタイミングを実行する。そのバルブタイミングと予め学習したバルブタイミングとの比較により、誤動作等の不具合判定ができるため、警告灯を出すなどの処理が可能となる。なお、ステップＳ４２０での比較には、吸気バルブ６０の開弁タイミングを用いても良い。また、可変排気システムの不具合判定には、排気バルブ７０の開弁タイミングまたは閉弁タイミングを比較判断すれば良い。
【００５４】
なお、本実施例では、圧力センサ２３０，２３１は各気筒２０毎に設けたが、これに限らず、所定の気筒２０にのみ設けても良い。この場合、例えば、４シリンダエンジンであれば、第１気筒に圧力センサ２３０，２３１を設けて、脈動する吸排気圧力を検出してバルブタイミングを決め、そのバルブタイミングを燃焼順に次の気筒（第３気筒，第４気筒，第２気筒）へと反映させれば良い。
【００５５】
また、本実施例での可変吸排気システムには、管長をバルブで切り替える切替式を用いたが、管長を直線方向に可変するスライド式や、吸排気管にベローズ部を設けて管長を可変するベローズ式など様々なものを用いても同様に効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施例である内燃機関が搭載されたシステムの概略構成を表すブロック図。
【図２】 一つの気筒の縦断面模式図。
【図３】 吸気弁電磁駆動機構の断面模式図。
【図４】 クランク角と吸気圧力および排気圧力との関係図。
【図５】 排気バルブ開弁タイミングを決定するフローチャート。
【図６】 吸気バルブ開弁タイミングを決定するフローチャート。
【図７】 排気バルブ閉弁タイミングを決定するフローチャート。
【図８】 吸気バルブ閉弁タイミングを決定するフローチャート。
【図９】 第２実施例のバルブ始動タイミング制御のフローチャート。
【図１０】 クランク角とバルブ開閉の応答遅れとの関係図。
【図１１】 本発明の第３実施例である内燃機関が搭載されたシステムの１の気筒の縦断面模式図。
【図１２】 第３実施例のバルブタイミング制御のフローチャート。
【図１３】 第３実施例のバルブタイミング制御のクランク角と吸気圧力および排気圧力との関係図。
【図１４】 可変吸気システムの不具合判定処理のフローチャート。
【符号の説明】
１０…エンジン
２０…気筒
３０…シリンダブロック
４０…ピストン
５０…シリンダヘッド
６０…吸気バルブ
６５…吸気ポート
７０…排気バルブ
７５…排気ポート
８０…燃焼室
８５…点火プラグ
９０…吸気マニホールド
９５…吸気通路
９５ａ…長ブランチ
９５ｂ…短ブランチ
１００…燃料噴射弁
１０５…排気通路
１０５ａ…長ブランチ
１０５ｂ…短ブランチ
１１０…サージタンク
１１５…エアフロメータ
１２０…吸気ダクト
１３０…エアクリーナ
１４０…スロットルバルブ
１５０ａ，１５０ｂ…触媒コンバータ
１６０…排気マニホールド
１６０ａ，１６０ｂ…排気枝管
１７０…酸素濃度センサ
１７２…アクセルポジションセンサ
１７４…クランク角センサ
１７５…触媒コンバータ
１８０ａ，１８０ｂ…集合管
１８２…水温センサ
１９０…排気管
２００，２０１…電磁動弁駆動機構
２３０，２３１…圧力センサ
２５０…ＥＣＵ
３００…アッパ電磁コイル
３１０…ロア電磁コイル
３２０，３３０…スプリング
３４０…フランジ
３５０…アーマチャ
３６０…シャフト
４００，４０１…アクチュエータ
４２０，４２１…バルブ
Claims (8)
- ピストンとシリンダとからなる燃焼室に吸気バルブと排気バルブを有する内燃機関であって、
前記吸気バルブと排気バルブの少なくとも一方のバルブタイミングを指令に応じて可変するバルブタイミング可変手段と、
該吸気バルブおよび排気バルブの開閉動作や該ピストンの動作に伴って脈動する内燃機関の吸気管内圧力および排気管内圧力を検出する圧力検出手段と、
該圧力検出手段によって検出される該吸気管内圧力および該排気管内圧力の大小関係に基づいて前記バルブタイミングを設定するバルブタイミング設定手段であって、前記内燃機関の一の気筒で脈動する排気圧力の極小部分となる負圧波が、該一の気筒の排気行程上死点時期に排気バルブ付近に到達するように、該排気バルブの開弁タイミングを設定するバルブタイミング設定手段と、
該設定されたバルブタイミングに合わせて前記バルブタイミング可変手段へ前記指令を出力するバルブタイミング出力手段と
を備えた内燃機関。 - ピストンとシリンダとからなる燃焼室に吸気バルブと排気バルブを有する内燃機関であって、
前記吸気バルブと排気バルブの少なくとも一方のバルブタイミングを指令に応じて可変するバルブタイミング可変手段と、
該吸気バルブおよび排気バルブの開閉動作や該ピストンの動作に伴って脈動する内燃機関の吸気管内圧力および排気管内圧力を検出する圧力検出手段と、
該圧力検出手段によって検出される該吸気管内圧力および該排気管内圧力に基づいて、該吸気バルブまたは排気バルブの開弁および閉弁動作の完了のタイミングを設定し、該動作完了のタイミングを実現するようバルブ動作の開始のタイミングを設定するバルブタイミング設定手段であって、前記内燃機関の一の気筒で脈動する排気圧力の極小部分となる負圧波が、該一の気筒の排気行程上死点時期に排気バルブ付近に到達するように、該排気バルブの開弁タイミングを設定するバルブタイミング設定手段と、
該設定されたバルブタイミングに合わせて前記バルブタイミング可変手段へ前記指令を出力するバルブタイミング出力手段と
を備えた内燃機関。 - 請求項１または２のいずれかに記載の内燃機関であって、
前記バルブタイミング設定手段は、前記内燃機関の一の気筒で脈動する吸気圧力の極大部分となる正圧波が、該一の気筒の吸気バルブ付近に到達する時期に基づいて、該吸気バルブの閉弁タイミングを設定する手段である内燃機関。 - 請求項１ないし３のいずれかに記載の内燃機関であって、
前記内燃機関は、内燃機関の吸気管および排気管の有効管長および管内径の少なくとも一つを可変とする可変吸排気システムを備えた内燃機関。 - 請求項４に記載の内燃機関であって、
前記可変吸排気システムによる該吸気管および排気管の有効管長および管内径の少なくとも一つの変更に伴う前記吸排気管の圧力を該圧力検出手段で検出することにより、該可変吸排気システムの不具合を判定する判定手段を備えた内燃機関。 - 請求項１ないし５のいずれかに記載の内燃機関であって、
前記圧力検出手段は、複数気筒を有する内燃機関の各気筒の吸気管および排気管にそれぞれセンサを設けて各気筒の吸気圧力および排気圧力を検出する内燃機関。 - 請求項１ないし６のいずれかに記載の内燃機関であって、
前記バルブタイミング可変手段は、電磁力を利用してバルブ開閉動作を行う電磁動弁駆動機構である内燃機関。 - ピストンとシリンダとからなる燃焼室に吸気バルブと排気バルブを有し、該吸気バルブと排気バルブの少なくとも一方のバルブタイミングを指令に応じて可変するバルブタイミング可変手段を備えた内燃機関の燃焼を制御する制御方法であって、
該吸気バルブおよび排気バルブの開閉動作や該ピストンの動作に伴って脈動する内燃機関の吸気管内圧力および排気管内圧力を検出し、
該検出される該吸気管内圧力および該排気管内圧力の大小関係に基づいて前記内燃機関の一の気筒で脈動する排気圧力の極小部分となる負圧波が、該一の気筒の排気行程上死点時期に排気バルブ付近に到達するように、該排気バルブの開弁タイミングを設定し、
該設定されたバルブタイミングに合わせて前記バルブタイミング可変手段へ前記指令を出力する
バルブタイミング制御方法。
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