JP4506414B2

JP4506414B2 - 内燃機関のバルブ特性制御装置

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Publication number: JP4506414B2
Application number: JP2004317203A
Authority: JP
Inventors: 孝勇井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-10-29
Filing date: 2004-10-29
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2024-10-29
Also published as: JP2006125346A; US20060090730A1; US7152578B2; DE102005051774B4; DE102005051774A1

Description

本発明は、バルブタイミング可変機構とバルブ作動角可変機構とを備える内燃機関に適用される内燃機関のバルブ特性制御装置に関し、特にその低負荷運転時の燃費向上に係る制御構造の改良に関するものである。

周知のように、車載等の内燃機関に適用される機構として、機関バルブ（吸排気バルブ）のバルブ特性を可変とするバルブ特性可変機構が実用されている（例えば、特許文献１参照）。バルブ特性可変機構としては、機関バルブのバルブタイミングを可変とするバルブタイミング可変機構や、機関バルブの作動角、即ち機関バルブが開かれてから閉じられるまでのクランク角を可変とする作動角可変機構等がある。

そして従来、上記バルブタイミング可変機構と作動角可変機構との双方を吸気バルブに適用した構成の内燃機関も実用されている。こうした内燃機関では、機関運転状況に応じて吸気バルブのバルブタイミングと作動角とを各々個別に調整できるため、より細密なバルブ特性制御を行うことができ、内燃機関の燃費性能や排気性能を大きく向上させることができる。
特開２００１−２６３０１５号公報

ところで発明者等は、吸気バルブのバルブタイミングおよび作動角の設定と内燃機関の燃費性能との関係について細密な調査を行った。その調査結果によれば、アイドル運転時及びそれよりも負荷の低い極低負荷運転域において、更なる燃費性能向上の余地があることが確認された。

本発明は、こうした実状に鑑みてなされたものであり、その解決しようとする課題は、低負荷運転時の内燃機関の燃費性能の更なる向上を図ることのできる内燃機関のバルブ特性制御装置を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
先ず、請求項１に係る発明は、吸気バルブの作動角及び作動角中心を機関運転状況に応じて可変制御する装置であって、アイドル運転時のような低負荷運転時の吸入空気量の低減を前記吸気バルブの作動角の縮小により行う内燃機関のバルブ特性制御装置において、前記低負荷運転時の機関負荷のうち比較的高い機関負荷と比較的低い機関負荷との間に所定値を設定し、前記所定値以上のときには、機関負荷の低下に応じて進角されるとともに前記吸気バルブの開弁期間が吸気行程内に収まるように前記吸気バルブの作動角中心を設定し、前記所定値未満のときには、機関負荷の低下に応じて遅角されるとともに前記吸気バルブの開弁期間が吸気行程内に収まるように前記吸気バルブの作動角中心を設定することをその要旨とする。

吸気バルブの作動角が縮小され、これに伴い同吸気バルブの開弁時期（閉状態から開状態に切り替わる時期）が遅角されると、吸気抵抗（吸気マニホールドから燃焼室内への吸気についての吸気抵抗）が大きくなってポンピングロスが増大する。このような場合、吸気バルブの作動角中心を進角させることによりその開弁時期を進角させてポンピングロスの増大を抑えることで、燃費（燃料消費率）の悪化を抑制することができるようになる。

ところで、低負荷運転時においては、吸入空気量が少量となることで燃料の霧化が不足しがちとなる。特に機関負荷が低い、即ち吸入空気量が極少量な状況においてはこの霧化の不足が深刻となり、上記吸気バルブの作動角中心の進角を通じてポンピングロスの増大の抑制を図ったとしても、上記霧化の不足に伴う燃焼状態の悪化により燃費が悪化してしまうという問題が生じる。

こうした点から本発明では、低負荷運転時の機関負荷が所定値以上のときには、機関負荷の低下に応じて進角されるように吸気バルブの作動角中心を設定し、該機関負荷が上記所定値未満のときには、機関負荷の低下に応じて遅角されるように吸気バルブの作動角中心を設定するようにした。

即ち、低負荷運転時のうちでも機関負荷が所定値以上であり比較的高い状況においては、機関負荷の低下に応じて進角されるように吸気バルブの作動角中心が設定される。こうした機関負荷の高い状況では、吸入空気量が多いことから上記霧化の不足が比較的生じ難くなっており、そのため、上記作動角中心を進角させることが、ポンピングロスの増大の抑制を通じて燃費の悪化を抑制するように作用する。また、この作用によって上記燃費は、上記作動角中心が進角側に設定されるほど、そして吸入空気量が多いほど即ち機関負荷が高いほど良好なものとなる。

従って、本発明によるように、低負荷運転時の機関負荷が所定値以上のときには、吸気バルブの作動角中心を機関負荷の低下に応じて進角させるように設定することで、機関負荷が低いほど燃費が悪化するといった傾向が緩和されて、燃費性能の更なる向上を図り得るようになる。

一方、低負荷運転時のうちでも機関負荷が所定値未満であり比較的低い状況においては、機関負荷の低下に応じて遅角されるように吸気バルブの作動角中心が設定される。
吸気バルブの作動角中心の遅角に伴ってその開弁時期が遅角されることにより、同バルブが開弁される時点（即ち開弁時期）におけるピストンの位置が排気上死点から遠くなると、これに伴いその時点における燃焼室内の圧力が低くなる。そのため吸気バルブの開弁に伴い燃焼室に吸入される空気の流速は高くなる。この空気の高速な流入は燃焼室内における燃料の霧化の不足を補うように即ちこの不足を軽減するように作用する。

上記のように機関負荷が所定値未満であり比較的低い状況においては、吸入空気量即ち燃焼室に流入する空気の量が少なく燃料の霧化が比較的不足し易くなっていることから、上記空気の高速な流入がもたらす上記作用が燃焼状態の向上に大きく寄与することとなって、その結果、燃費性能の向上が図られるようになる。また、この燃料の霧化不足を軽減する作用によって上記燃費は、上記作動角中心が遅角側に設定されるほど、そして吸入空気量が多いほど即ち機関負荷が高いほど良好なものとなる。

従って、本発明によるように、低負荷運転時の機関負荷が上記所定値未満のときには、吸気バルブの作動角中心を機関負荷の低下に応じて遅角させるように設定することで、機関負荷が低いほど燃費が悪化するといった傾向が緩和されて、燃費性能の更なる向上を図り得るようになる。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の発明において、当該内燃機関は前記吸気バルブの作動角の制御に加えてスロットルバルブの開度制御を併せ行い前記吸入空気量の調節を行うものであり、前記機関負荷が前記所定値未満のとき、吸気負圧が大きいほど前記吸気バルブの作動角中心を遅角側に設定することをその要旨とする。

同構成によれば、スロットルバルブの開度制御を通じて吸気負圧（吸気マニホールド内の負圧）が調節されるようになる。この吸気負圧は、スロットルバルブの開度（スロットル開度）が小さいほど大きく（大気圧から負圧側に遠く）なる。また、吸入空気量については、スロットル開度が小さいほど少量となる。

ところで、吸気負圧と燃焼室内の圧力（燃焼室内圧）との差は、吸気負圧が大きいほど小さくなる。即ち、吸気負圧が大きいほど、吸気バルブの開弁時に燃焼室に流入する空気の流速が低くなるとともに、吸入空気量が少量になるなど、燃料の霧化が不足し易い状況となる。

その点本発明では、「前記機関負荷が前記所定値未満のとき、吸気負圧が大きいほど前記吸気バルブの作動角中心を遅角側に設定する」ようにしたため、吸気バルブの開弁時におけるピストンの位置をより排気上死点から遠くすることができる、即ち上記開弁時に燃焼室に流入する空気の流速が高くなり、上記霧化不足の軽減に有利となる。

従って、上記吸気負圧が大きくなることによって上記燃料の霧化が不足し易い状況となることによる燃費の悪化を抑制することができるようになる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を、図１〜図６を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施形態の適用される車載用の内燃機関１０の模式構造を示している。同図に示すように内燃機関１０は大きくは、吸気通路１１、燃焼室１２及び排気通路１３を備えて構成されている。

内燃機関１０の吸気通路１１には、その内部の空気流量を検出するエアフローメータ１４、及びその内部の流路面積を変更して空気流量を変更するスロットルバルブ１５が配設されており、吸気バルブ１６を介して燃焼室１２に接続されている。燃焼室１２は、排気バルブ１７を介して排気通路１３に接続されている。吸気バルブ１６及び排気バルブ１７は、内燃機関１０の回転に応じて駆動され、燃焼室１２に対して吸気通路１１及び排気通路１３を開閉する。

燃焼室１２には吸気通路１１を通じて空気が吸入される。この空気と、図示しない燃料噴射弁から噴射された燃料とからなる混合気に対し点火プラグ１８による点火が行われると、同混合気が燃焼してピストン１９が往復移動し、機関出力軸であるクランクシャフトが回転する。そして、燃焼後の混合気は排ガスとして燃焼室１２から排気通路１３に送り出される。排気通路１３には三元触媒からなる排気浄化触媒２０が内蔵されており、燃焼室１２からの排ガスが浄化されるようになっている。

この内燃機関１０の吸気バルブ１６の動弁系には、バルブタイミング可変機構（ＶＴ可変機構）２１と作動角可変機構２２とが設けられている。バルブタイミング可変機構２１は、図２（ａ）に示すように、吸気バルブ１６の作動角中心（即ち吸気バルブ１６を駆動するカムの作用角中心）φを連続的に変更させる機構として構成されている。この内燃機関１０では、バルブタイミング可変機構２１として、クランクシャフトに対するカムシャフトの相対回転位相を変更することで、上記作動角中心φを変更する機構が採用されている。

また作動角可変機構２２は、図２（ｂ）に示すように、吸気バルブ１６の作動角θを連続的に変更させる機構として構成されている。なお同図（ｂ）に示されるように、この作動角可変機構２２では、作動角θの拡大／縮小に併せて吸気バルブ１６の最大リフト量が増大／減少されるようになっている。また、同可変機構２２では、作動角θの拡大／縮小に併せて吸気バルブ１６の開弁時期（吸気バルブ１６が閉弁状態から開弁状態に切り替わる時期）が進角／遅角されるようになっている。

以上のように構成された内燃機関１０における燃料噴射制御や点火時期制御を始めとする各種制御は、電子制御装置３０により行われる。電子制御装置３０は、内燃機関１０の制御に係る各種演算処理を実施する中央演算装置（ＣＰＵ）、制御用のプログラムやデータの記録された読込専用メモリ（ＲＯＭ）、上記ＣＰＵの演算結果やセンサ等から入力されたデータが記録されるランダムアクセスメモリ、外部との間で信号を授受するための入・出力ポート等を備えて構成されている。

電子制御装置３０の入力ポートには、上記エアフローメータ１４に加え、スロットルバルブ１５に設けられたスロットルセンサやバルブタイミング可変機構２１に設けられたＶＴセンサ、及び作動角可変機構２２に設けられた作動角センサが接続されている。上記スロットルセンサはスロットルバルブ１５の開度（スロットル開度）Ｔａを検出する。上記ＶＴセンサは現在の吸気バルブ１６の作動角中心φを検出する。また上記作動角センサは現在の吸気バルブ１６の作動角θを検出する。

更に、上記入力ポートには、アクセルポジションセンサ３１やクランク角センサ３２、水温センサ３３が接続されている。アクセルポジションセンサ３１はアクセルの踏み込み量を検出する。クランク角センサ３２はクランクシャフトの回転速度、即ち機関回転速度Ｎｅを検出する。水温センサ３３は内燃機関１０の冷却水の温度（機関冷却水温）を検出する。この他にも上記入力ポートには、内燃機関１０の運転状況や車両の走行状況を検出する各種センサが接続されている。

電子制御装置３０の出力ポートには、上記スロットルバルブ１５、点火プラグ１８、バルブタイミング可変機構２１及び作動角可変機構２２を始め、内燃機関１０の制御に用いられる各種アクチュエータが接続されている。電子制御装置３０は、上記各種センサの検出結果に基づき、これらアクチュエータを駆動制御することで、内燃機関１０の各種制御を行っている。

例えば、作動角中心φや作動角θといった吸気バルブ１６のバルブ特性についての可変制御は、次の態様で行われている。即ち、電子制御装置３０は先ず、アクセルポジションセンサ３１やクランク角センサ３２により検出されたアクセルペダルの踏み込み量や機関回転速度Ｎｅ等に基づいて、現在の機関運転状態に適した吸気バルブ１６の作動角中心φや作動角θの目標値を算出する。そして電子制御装置３０は、上記ＶＴセンサ及び作動角センサより検出される現状の吸気バルブ１６の作動角中心φや作動角θが、上記算出された各々の目標値と一致するようにバルブタイミング可変機構２１及び作動角可変機構２２をフィードバック制御する。これにより、現状の機関運転状態に応じて最適な吸気バルブ１６のバルブ特性が得られるようにしている。

ところで、上述のように構成された本内燃機関１０においては、燃焼室１２に導入される空気量（吸入空気量）Ｇａが、作動角可変機構２２による吸気バルブ１６の作動角θの変更に伴って変化する。そのため、電子制御装置３０は、スロットルバルブ１５の開度制御を作動角θの可変制御に連動して行うようにしている（作動角θとスロットル開度Ｔａとの協調制御）。これにより、作動角可変機構２２による吸気バルブ１６の作動角θの変更に拘わらず、必要なだけの吸入空気量Ｇａが確保されるようになっている。

本実施形態では、低負荷運転時における吸入空気量Ｇａの低減を、吸気バルブ１６の作動角θを縮小させることによって行うようにしている。また、上記低負荷運転時のなかでも比較的低負荷であるアイドル運転時には、スロットル開度Ｔａを最小に設定した状態で上記作動角θを縮小させることによって、吸入空気量Ｇａの極少ない、いわば極低負荷な運転が実現されるようになっている。

次に、本実施形態の特徴的な構成について説明する。
例えば、吸気バルブ１６の作動角中心φが遅角されたときには、これによる同バルブ１６の開弁時期の遅れに伴い吸気抵抗（吸気マニホールドから燃焼室１２内への吸気についての吸気抵抗）が大きくなることでポンピングロスが増大する。

また、この場合、吸気バルブ１６の開弁時期の遅れにより、同バルブ１６の開弁時（即ち開弁時期）におけるピストン１９の位置は排気上死点から遠くなる。そのためこれに伴って上記開弁時における燃焼室１２内の圧力が低くなり、上記開弁に伴い燃焼室１２に吸入される空気の流速が高くなる。このとき、作動角θが縮小されていることにより燃焼室１２に吸入される空気の量は少なく燃焼室１２内における燃料の霧化が不足気味となるものの、この空気の高速な流入によって上記霧化不足が軽減されるようになる。

このように内燃機関１０においては、吸気バルブ１６の作動角中心φが遅角されることにより、燃費（燃料消費率）の悪化に通ずるポンピングロスの増大と、燃費の悪化抑制に通ずる燃料の霧化不足の軽減といった相反する現象が同時に引き起こされる。

例えば、機関負荷が比較的高い状況においては、燃焼室１２に流入する空気の量即ち吸入空気量Ｇａが多いことから燃料の霧化に比較的不足が生じ難く、仮に吸気バルブ１６の作動角中心φが遅角されたとしても、これによる上記霧化不足の軽減作用が燃焼状態の向上に寄与する度合は小さくなる。

また、吸気バルブ１６の開弁時期が遅れるほど同バルブ１６の開弁時におけるピストン１９の位置が排気上死点から遠くなり燃焼室１２内の圧力が低くなることから、上記ポンピングロスに関しては、その分、増大することとなる。そして、このポンピングロスは、吸気バルブ１６の開弁時期の影響を受けて増減し易い一方で、吸入空気量Ｇａの影響によってはこうした増減が生じ難いものとなっている。

従ってこうした機関負荷の比較的高い状況では、吸気バルブ１６の作動角中心φが遅角されたときに、上記ポンピングロスがより増大される一方で上記燃料の霧化不足の軽減に関してはその効果が得られ難い状態にあることから、結果的に燃費が悪化し易くなる。

ところが、逆に機関負荷が比較的低い状況においては、吸入空気量Ｇａが少ないことから燃料の霧化が不足し易く、吸気バルブ１６の作動角中心φが遅角されることによる上記霧化不足の低減作用が燃焼状態の向上に寄与する度合が大きくなる。

このように、吸気バルブ１６の開弁時期を遅角させることが燃費に与える影響の大きさは、機関負荷の高さに応じて変化する。図３は、こうした現象を確認すべく行われた実験の結果を示すものである。なお、ここでは、機関負荷の高さを表す指標として、機関負荷率（全負荷（ＷＯＴ）に対する負荷の割合）ＫＬを採用しているが、これに限らず、例えば、吸入空気量Ｇａ、吸気負圧（吸気マニホールド内の負圧）Ｐｍ等を採用してもよい。

因みに吸気負圧Ｐｍに関しては、エアフローメータ１４、スロットルセンサ、クランク角センサ３２、及び作動角センサ等の検出結果、即ち吸気通路１１内の空気流量、スロットル開度Ｔａ、機関回転速度Ｎｅ、作動角θ等に基づいて推定することができる。

また、同図に示す実験結果は、低負荷運転時、詳細には該低負荷運転時のうちでも負荷の低い運転時であるアイドル運転時を対象として行われたものである。この実験は、機関回転速度Ｎｅ、吸気バルブ１６の作動角θを共に一定に維持した状態で行われている。

同図に示されるように、機関負荷率ＫＬが高いときには、吸気バルブ１６の作動角中心φが進角側に設定されるほど内燃機関１０の出力トルクがより大きくなっている、即ち特性線が右上がりの様相を呈している。従ってこの場合、吸気バルブ１６の作動角中心φを遅角させるよりも進角させる方が、より燃費の向上に適していることになる。

また逆に、機関負荷率ＫＬが低いときには、吸気バルブ１６の作動角中心φが進角側に設定されるほど内燃機関１０の出力トルクがより小さくなっている、即ち特性線が右下がりの様相を呈している。従ってこの場合、吸気バルブ１６の作動角中心φを進角させるよりも遅角させる方が、より燃費の向上に適していることになる。

即ちこの実験結果は、吸気バルブ１６の作動角中心φを遅角させることが、比較的負荷の高い運転時には燃費に対してこれを悪化させるように影響し、逆に比較的負荷の低い運転時には燃費に対してこれを向上させるように影響するという上記の作用を裏付けるものとなっている。なお本実験結果によるように、こうした作用は、アイドル運転時のような低負荷運転時において顕著に表れるものと考えられる。というのは、こうした低負荷運転時には吸入空気量Ｇａが極少量となることから、例え機関負荷の変化が僅かであったとしてもそれが燃料の霧化に与える影響が大きいと考えられるためである。

ところで、この実験結果が示すように、上記各特性線には、機関負荷率ＫＬの変化によって右上がり及び右下がりといった様相の差異が生じている。このことから、上記特性線が右上がりとなる比較的高い機関負荷率ＫＬと、同特性線が右下がりとなる比較的低い機関負荷率ＫＬとの間には、同特性線がほぼ水平となる、即ち作動角中心φが変化しても出力トルクが殆ど変化しない機関負荷率ＫＬが存在することとなる（図３に「ＫＬ中」で示す特性線を参照）。

この機関負荷率ＫＬは、上記燃料の霧化不足の軽減が燃費に与える影響と、上記ポンピングロスの増大が燃費に与える影響とが拮抗して、作動角中心φに変化が生じた場合であれ殆ど燃費が向上することも悪化することもないときの機関負荷率ＫＬであると言える。従って、この機関負荷率ＫＬの値を閾値（以下、これを閾値ＫＬｂと称する）として、これよりも高負荷率な運転が行われるときと低負荷率な運転が行われるときとで作動角中心φの設定態様を異ならせることは、燃費性能の更なる向上に有効である。

機関負荷率ＫＬが閾値ＫＬｂよりも高いときには、吸気バルブ１６の作動角中心φが進角されることで燃費の悪化が抑制される。このとき上記燃費は、作動角中心φが進角側に設定されるほど、そして吸入空気量Ｇａが多いほど即ち機関負荷が高いほど良好なものとなる。

逆に、機関負荷率ＫＬが閾値ＫＬｂよりも低いときには、作動角中心φが遅角されることで燃費の悪化が抑制される。このとき上記燃費は、作動角中心φが遅角側に設定されるほど、そして吸入空気量Ｇａが多いほど即ち機関負荷が高いほど良好なものとなる。

こうした点から本実施形態では、作動角中心φの可変制御において、低負荷運転時の機関負荷率ＫＬが閾値ＫＬｂ以上のときには、機関負荷率ＫＬの低下に応じて進角されるように作動角中心φを設定し、機関負荷率ＫＬが閾値ＫＬｂ未満のときには、機関負荷率ＫＬの低下に応じて遅角されるように作動角中心φを設定するようにしている。

こうした設定により、機関負荷率ＫＬが閾値ＫＬｂ以上であるかこれ未満であるかに拘わらず、機関負荷率ＫＬが低いほど燃費が悪化するといった傾向が緩和されるようになる。

図４は、こうした作動角中心φの可変制御において、作動角θを一定値に固定制御した状態で作動角中心φを最も進角側に設定した例（同図４（ａ））、及び作動角中心φを最も遅角側に設定した例（同図４（ｂ））を示すものである。

本実施形態では、機関負荷率ＫＬに応じた上記作動角中心φの可変制御が、これら各例の作動角中心φを限度とした範囲で行われる。即ち同図に示されるように吸気バルブ１６の作動角θは１８０°ＣＡ（クランク角）よりも縮小され、吸気バルブ１６の開弁期間（開状態にある期間）が排気行程にも圧縮行程にも入らないように即ち吸気行程内に収まるように作動角中心φの可変制御が行われる。

因みに、同図中のＴＤＣは排気上死点時期（ピストン１９が排気上死点に位置する時期）を示し、ＢＤＣは下死点時期（ピストン１９が下死点に位置する時期）を示している。また、ｉｖｏは吸気バルブ１６の開弁時期（閉状態から開状態に切り替わる時期）、ｉｖｃは同バルブ１６の閉弁時期（開状態から閉状態に切り替わる時期）をそれぞれ示している。即ち、図中、ハッチングで示される期間は吸気バルブ１６の開弁期間である。

なお、この例では、排気バルブ１７の閉弁時期ｅｖｃが排気上死点時期ＴＤＣよりも遅角側に設定されているが、これに限らず、例えば排気上死点時期ＴＤＣと同一の時期に設定されていてもよい。

上記したように、機関負荷率ＫＬが閾値ＫＬｂよりも高いときには、作動角中心φが進角側に設定されるほど、そして機関負荷率ＫＬが高いほど燃費が良好なものとなる。逆に、機関負荷率ＫＬが閾値ＫＬｂよりも低いときには、作動角中心φが遅角側に設定されるほど、そして機関負荷率ＫＬが高いほど燃費が良好なものとなる（図５参照）。こうした点から本実施形態では、上記機関負荷率ＫＬに応じた作動角中心φの設定に関し、例えば図６に示すような態様を採用している。

なお、同図においては、機関負荷率ＫＬについて閾値ＫＬｂよりも低い第一値ＫＬ１から上記閾値ＫＬｂよりも高い第二値ＫＬ２までの設定態様を示している。
同図において実線で示す設定例１０１によるように、本実施形態では機関負荷率ＫＬが閾値ＫＬｂ以上のとき、機関負荷率ＫＬが低いほど作動角中心φが進角側に設定される。一方、機関負荷率ＫＬが閾値ＫＬｂ未満のとき、機関負荷率ＫＬが低いほど作動角中心φが遅角側に設定される。

なお、こうした作動角中心φの設定についてはこれに限らず、例えば同図において破線で示す設定例１０２によるように、機関負荷率ＫＬが閾値ＫＬｂ以上のときには機関負荷率ＫＬの低下に応じて作動角中心φの進角される設定部分が存在すれば、機関負荷率ＫＬが変化しても作動角中心φが変更されない設定部分が存在してもよい。また同様に、機関負荷率ＫＬが閾値ＫＬｂ未満のときには機関負荷率ＫＬの低下に応じて作動角中心φの遅角される設定部分が存在すれば、機関負荷率ＫＬが変化しても作動角中心φが変更されない設定部分が存在してもよい。

また、例えば同図において一点鎖線で示す設定例１０３によるように、機関負荷率ＫＬが閾値ＫＬｂ以上のときには機関負荷率ＫＬの低下に応じて作動角中心φの進角される設定部分が存在すれば、機関負荷率ＫＬの低下に応じて作動角中心φの遅角される設定部分が存在してもよい。こうした場合、機関負荷率ＫＬの低下に応じて作動角中心φの進角される設定部分が存在してさえいれば、この部分に関しては燃費の悪化を抑制する効果が得られるようになる。また、図示しないが同様に、機関負荷率ＫＬが閾値ＫＬｂ未満のときには機関負荷率ＫＬの低下に応じて作動角中心φの遅角される設定部分が存在すれば、機関負荷率ＫＬの低下に応じて進角される設定部分が存在してもよい。

本実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
（１）本実施形態では、低負荷運転時のうちでも機関負荷率ＫＬが閾値ＫＬｂ以上であり比較的高い状況においては、機関負荷率ＫＬの低下に応じて進角されるように吸気バルブ１６の作動角中心φが設定される。こうした機関負荷率ＫＬの高い状況では、吸入空気量Ｇａが多いことから上記霧化の不足が比較的生じ難くなっており、そのため、上記作動角中心φを進角させることが、ポンピングロスの増大の抑制を通じて燃費の悪化を抑制するように作用する。また、この作用によって上記燃費は、上記作動角中心φが進角側に設定されるほど、そして吸入空気量Ｇａが多いほど即ち機関負荷率ＫＬが高いほど良好なものとなる。

従って本実施形態によるように、低負荷運転時の機関負荷率ＫＬが閾値ＫＬｂ以上のときには作動角中心φを機関負荷率ＫＬの低下に応じて進角させるように設定することで、機関負荷率ＫＬが低いほど燃費が悪化するといった傾向が緩和されるようになる。即ち、燃費性能の更なる向上を図り得るようになる。

一方、低負荷運転時のうちでも機関負荷率ＫＬが閾値ＫＬｂ未満であり比較的低い状況においては、機関負荷率ＫＬの低下に応じて遅角されるように吸気バルブ１６の作動角中心φが設定される。こうした状況においては、燃焼室１２に流入する空気の量が少なく燃料の霧化が比較的不足し易くなっていることから、上記作動角中心φの遅角設定に基づく上記空気の高速な流入がもたらす燃料の霧化不足の軽減が燃焼状態の向上に大きく寄与することとなって、その結果、燃費性能の向上が図られるようになる。

また、この燃料の霧化不足を軽減する作用によって上記燃費は、上記作動角中心φが遅角側に設定されるほど、そして吸入空気量Ｇａが多いほど即ち機関負荷率ＫＬが高いほど良好なものとなる。

従って、本実施形態によるように、低負荷運転時の機関負荷率ＫＬが閾値ＫＬｂ未満のときには、吸気バルブ１６の作動角中心φを機関負荷率ＫＬの低下に応じて遅角させるように設定することで、機関負荷率ＫＬが低いほど燃費が悪化するといった傾向が緩和されて、燃費性能の更なる向上を図り得るようになる。

なお、実施の形態は上記に限定されるものではなく、例えば、以下の様態としてもよい。
・図４に示した例では、吸気バルブ１６の開弁時期ｉｖｏが排気バルブ１７の閉弁時期ｅｖｃよりも遅角側に設定されているが、これに限らず、これと同時期或いはこれよりも進角側に設定されてもよい。また、同図の例では、吸気バルブ１６の閉弁時期ｉｖｃが下死点時期ＢＤＣと同時期に設定されているが、これに限らず、異なる時期に設定されていてもよい。

・上記機関負荷に応じた吸気バルブ１６の作動角中心φの設定に関して、上記機関負荷が所定値未満のとき（例えば機関負荷率ＫＬが閾値ＫＬｂ未満のとき）、吸気負圧Ｐｍが大きいほど（大気圧から負圧側に遠くなるほど）上記作動角中心φを遅角側に設定するようにしてもよい。

吸気負圧Ｐｍと燃焼室１２内の圧力（燃焼室内圧）との差は、吸気負圧Ｐｍが大きいほど小さくなる。即ち、吸気負圧Ｐｍが大きいほど、吸気バルブ１６の開弁時に燃焼室１２に流入する空気の流速が低くなるとともに、吸入空気量Ｇａが少量になるなど、燃料の霧化が不足し易い状況となる。

その点本構成によれば、上記作動角中心φが遅角されるときには吸気負圧Ｐｍが大きいほど遅角側に設定されることとなるため、吸気バルブ１６の開弁時におけるピストン１９の位置をより排気上死点から遠くすることができる、即ち上記開弁時に燃焼室１２に流入する空気の流速が高くなり、上記燃料の霧化不足の軽減に有利となる。

従って、上記吸気負圧Ｐｍが大きくなることによって上記燃料の霧化が不足し易い状況となることによる燃費の悪化を抑制することができるようになる。
・上記実施形態では、吸気バルブ１６の作動角θの可変制御に併せてスロットル開度Ｔａの可変制御を行ったが、これに限らず、例えば、吸気バルブ１６の作動角θの可変制御によってのみ吸入空気量Ｇａの調節を行う態様において本発明を適用してもよい。

一実施形態のエンジンの制御系を示す模式図。同実施形態に適用されるＶＴ可変機構（ａ）及び作動角可変機構（ｂ）のバルブ特性の可変態様を示す図。同実施形態における吸気バルブの作動角中心と出力トルクとの関係を示す図。（ａ）及び（ｂ）は同実施形態における吸気バルブの作動角中心の設定例を示す図。同実施形態における吸気バルブの作動角中心と機関負荷率と燃費との関係を示す図。同実施形態における機関負荷率に応じた吸気バルブの作動角中心の設定例を示す図。

符号の説明

１０…内燃機関、１２…燃焼室、１５…スロットルバルブ、１６…吸気バルブ、１７…排気バルブ、１９…ピストン、２１…バルブタイミング可変機構、２２…作動角可変機構、３０…バルブ特性制御装置を構成する電子制御装置、Ｇａ…吸入空気量、ＫＬ…機関負荷率、ＫＬｂ…（機関負荷の所定値に相当する）閾値、Ｐｍ…吸気負圧、Ｔａ…スロットル開度、θ…作動角、φ…作動角中心。

Claims

吸気バルブの作動角及び作動角中心を機関運転状況に応じて可変制御する装置であって、アイドル運転時のような低負荷運転時の吸入空気量の低減を前記吸気バルブの作動角の縮小により行う内燃機関のバルブ特性制御装置において、
前記低負荷運転時の機関負荷のうち比較的高い機関負荷と比較的低い機関負荷との間に所定値を設定し、前記所定値以上のときには、機関負荷の低下に応じて進角されるとともに前記吸気バルブの開弁期間が吸気行程内に収まるように前記吸気バルブの作動角中心を設定し、前記所定値未満のときには、機関負荷の低下に応じて遅角されるとともに前記吸気バルブの開弁期間が吸気行程内に収まるように前記吸気バルブの作動角中心を設定することを特徴とする内燃機関のバルブ特性制御装置。
当該内燃機関は前記吸気バルブの作動角の制御に加えてスロットルバルブの開度制御を併せ行い前記吸入空気量の調節を行うものであり、前記機関負荷が前記所定値未満のとき、吸気負圧が大きいほど前記吸気バルブの作動角中心を遅角側に設定する
請求項１に記載の内燃機関のバルブ特性制御装置。