JP4623064B2 - 過給機付き内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、過給機付き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が開示されている。この特許文献１に記載の内燃機関は、タービンに通じる第１排気通路を開閉する第１排気弁と、タービンを通らない第２排気通路を開閉する第２排気弁とを備えている。そして、上記従来の内燃機関は、高速域においては、第１排気弁を膨張行程の終了前に開くようにし、かつ、第２排気弁を排気行程の前半に開くようにしている。また、この内燃機関は、ターボ過給機のタービンをバイパスする通路上に、過給圧力やタービン回転数を制御するためのウエストゲートバルブを備えている。

また、例えば特許文献２にも、ターボ過給機を備える内燃機関が開示されている。この特許文献２に記載の内燃機関においても、上記特許文献１と同様に、タービンに通じる第１排気通路を開閉する第１排気弁と、タービンを通らない第２排気通路を開閉する第２排気弁とが備えられている。また、この内燃機関には、各気筒における第１排気弁および第２排気弁をそれぞれ独立して開閉駆動するための動弁用油圧駆動装置が備えられている。

特開平１０−８９１０６号公報 特開平５−２６３６７１号公報 特開２００５−４８６７４号公報 特開２００４−２５１２００号公報

上記特許文献１には、第１排気弁および第２排気弁のリフト量を独立して駆動するための可変動弁機構の存在が開示されているものの、当該特許文献１に記載の内燃機関は、過給圧力やタービン回転数の制御を行ううえで、ウエストゲートバルブを必要とするものであった。また、上記特許文献２に記載の上記動弁用油圧駆動装置は、第１排気弁および第２排気弁のリフト量や作用角の無段階調整をなし得るものであるが、そのようなリフト量などの無段階調整機能を備える動弁系には、複雑な部品構成や制御が要求される。

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、動弁系の構成を比較的簡素にしつつ、ウエストゲートバルブに頼らずにターボ過給機に供給される排気エネルギー量の制御を可能とする過給機付き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、吸入空気を過給するターボ過給機と、
前記ターボ過給機のタービンに通じる第１排気通路と、
前記第１排気通路を開閉する第１排気弁と、
前記タービンを通らない第２排気通路と、
前記第２排気通路を開閉する第２排気弁と、
前記第１排気弁および前記第２排気弁の少なくとも一方の切替対象排気弁の開弁特性を変更可能とする排気可変動弁機構と、を備える過給機付き内燃機関の制御装置であって、
前記排気可変動弁機構は、前記切替対象排気弁を駆動するカムのプロファイルとして複数のカムプロファイルを有し、当該複数のカムプロファイルを切り替え可能に構成されたものであって、
前記過給機付き内燃機関の制御装置は、
前記タービンに供給される排気エネルギー量の調整を、前記複数のカムプロファイルの切り替えによって行う制御手段と、
前記タービンをバイパスして当該タービンの入口側と出口側とを接続する排気バイパス通路と、
当該排気バイパス通路の途中に配置されたウエストゲートバルブとを備え、
前記制御手段は、
前記複数のカムプロファイルの切り替えによって排気ガス流量の大まかな調整を行いつつ、前記ウエストゲートバルブの開度調整によって排気ガス流量の微調整を行うものであって、
前記ウエストゲートバルブの検出開度が、前記複数のカムプロファイルの切り替えによる排気ガス流量の調整代との関係で前記ウエストゲートバルブの開度調整による排気ガス流量の調整代を制限する目標値よりも大きいときは、前記第２排気通路側の排気ガス流量が多くなるように、前記複数のカムプロファイルを切り替えるものであって、
前記制御手段は、過給圧力およびまたはタービン回転数の調整を、前記複数のカムプロファイルの切り替えおよび前記ウエストゲートバルブの開度調整によって行うことを特徴とする。

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、各気筒における前記個々の切替対象排気弁に対して、前記複数のカムプロファイルをそれぞれ有し、気筒毎に前記複数のカムプロファイルを段階的に切り替え可能に構成されたものであって、
前記制御手段は、前記第１排気通路側の排気ガス流量を、前記複数のカムプロファイルの切り替えを行う気筒数を変更することによって調整することを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、前記過給機付き内燃機関の制御装置は、吸気弁の開弁特性を変更可能とする吸気可変動弁機構を更に備え、
前記制御手段は、前記複数のカムプロファイルの切り替えと同時に、前記吸気可変動弁機構を用いて吸入空気量の調整を実行することを特徴とする。

また、第４の発明は、第３の発明において、前記排気可変動弁機構は、更に、前記第１排気弁および前記第２排気弁の少なくとも一方の閉じ時期を変更可能に構成されたものであって、
前記制御手段は、前記吸気可変動弁機構を用いた吸入空気量の前記調整を実行する際に、筒内の残留ガス量およびまたはスカベンジ量が一定値に維持されるように、前記排気可変動弁機構を用いてバルブオーバーラップ期間の調整を実行することを特徴とする。

第１の発明によれば、切替対称排気弁の開弁特性を連続的に調整可能とする可変動弁機構を備える場合に比して、動弁系の構成を比較的簡素にすることで低コストを実現しつつ、ウエストゲートバルブになるべく頼ることなく、タービンに供給される排気エネルギー量の制御を行うことが可能となる。また、本発明によれば、カムプロファイルの切り替えによる排気ガス流量調整とウエストゲートバルブの開度調整による排気ガス流量調整とを併用しつつ、ウエストゲートバルブの開度が狙いの開度に維持されるように当該開度を制御することができる。このため、ウエストゲートバルブ開度が過大に制御されることでタービンのエネルギー回収効率が低下するのを防ぎ、内燃機関の運転領域の出来るだけ広い範囲内で、スカベンジ（掃気）を良好に行えるようになる。また、本発明によれば、切替対象排気弁の開弁特性を連続的に調整可能とする可変動弁機構を備える場合に比して、動弁系の構成を比較的簡素にすることで低コストを実現しつつ、ウエストゲートバルブになるべく頼ることなく、タービン回転数およびまたは過給圧力の制御を行うことが可能となる。

第２の発明によれば、排気可変動弁機構の構成としては、機構の簡素化のためにカムプロファイルの切り替え段数を少なくしつつ、排気ガス流量の調整の段数を多くすることができる。このため、切り替え段数の少ない排気可変動弁機構を用いた場合であっても、排気圧力や排気ガス流量などのタービン供給排気エネルギー量の微調整、更には、タービン回転数の微調整、過給圧力の微調整を行うことが可能となる。これにより、内燃機関の性能向上や過渡運転時の運転性の向上を良好に図ることができるようになる。

第３の発明によれば、切替対象排気弁を駆動するカムのカムプロファイルの切り替えと同時に、吸気可変動弁機構によって吸気弁の開弁特性を調整することにより、カムプロファイルの切り替えがあっても、吸入空気量の制御に連続性を持たせることが可能となる。このため、そのようなカムプロファイルの切り替えに伴う過給圧力の低下、背圧変化によるポンプロスの変化、残留ガス量の変化に伴う燃焼状態の変化などの様々な影響を打ち消すように吸入空気量の調整が可能となる。これにより、内燃機関の性能向上や過渡運転時の運転性の向上を更に良好に図ることができるようになる。

第４の発明によれば、吸気可変動弁機構による吸気弁の開弁特性の調整を、切替対象排気弁を駆動するカムのカムプロファイルの切り替えと同時に行う際に、排気弁の開弁特性を併せて制御することで、残留ガス量やスカベンジ量を一定に制御することができる。このため、吸入空気量の調整によって残留ガス量の変化やスカベンジ量の変化を打ち消すようにする手法に比して、個々の部品のばらつきや運転条件のばらつきなどの影響を受けずに済むので、カムプロファイルの切り替え時に燃焼状態が変化するのを効果的に抑制することが可能となる。

実施の形態１．
［システム構成の説明］
図１は、本発明の実施の形態１におけるシステム構成を示す図である。図１に示すシステムは、４つの気筒を有する内燃機関１０を備えている。

内燃機関１０の吸気系は、吸気通路１２を備えている。空気は大気中から吸気通路１２に取り込まれ、各気筒の燃焼室１４に分配される。吸気通路１２の入口には、エアクリーナ１６が取り付けられている。エアクリーナ１６の下流近傍には、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（ＡＦＭ）１８が設けられている。

エアフローメータ１８の下流には、ターボ過給機２０が設けられている。ターボ過給機２０は、遠心式のコンプレッサ２０ａと、タービン２０ｂとを有している。コンプレッサ２０ａの下流には、圧縮された空気を冷却するためのインタークーラ２２が設けられている。インタークーラ２２の下流には、スロットルバルブ２４が配置されている。スロットルバルブ２４は、アクセル開度に基づいてスロットルモータ２６により駆動される電子制御式のバルブである。

スロットルバルブ２４の近傍には、スロットル開度ＴＡを検出するためのスロットルポジションセンサ２８が配置されている。スロットルバルブ２４を通過した吸入空気は、吸気マニホールド３０により、各気筒の吸気ポート３２に分配される。各気筒の吸気ポート３２には、それぞれ吸気弁（符号「In」を付すこともある）３４が設けられている。

吸気弁３４は、吸気可変動弁機構３６によって開閉駆動される。ここでは、吸気可変動弁機構３６は、各気筒の吸気弁３４の開弁位相を連続的に変更可能（作用角を変えずに開閉時期を変更可能）とするＶＶＴ機構（図示省略）を備えているものとする。しかしながら、吸気可変動弁機構３６は、吸入空気量の調整のために吸気弁３４の開弁特性（リフト量、作用角、開き時期、閉じ時期など）を変更するものであれば、そのようなＶＶＴ機構に限らず、吸気弁３４のリフト量や作用角を連続的に変更可能とする公知の機械式可変動弁機構などであってもよい。

内燃機関１０の排気系は、２系統の排気通路、すなわち、第１排気通路３８および第２排気通路４０を備えている。より具体的には、第１排気通路３８の途中には、上述したターボ過給機２０のタービン２０ｂが配置されている。第２排気通路４０は、タービン２０ｂよりも下流側において第１排気通路３８に合流するように構成されている。つまり、第１排気通路３８は、タービン２０ｂに通じる排気通路として構成されており、第２排気通路４０は、タービン２０ｂを通らない排気通路として構成されている。

各気筒には、第１排気弁（符号「Ex1」を付すこともある）４２および第２排気弁（符号「Ex2」を付すこともある）４４が１個ずつ配置されている。第１排気通路３８は、第１排気マニホールド４６により枝分かれして、各気筒の第１排気弁４２が配置された第１排気ポート４８に接続されている。また、第２排気通路４０は、第２排気マニホールド５０により枝分かれして、各気筒の第２排気弁４４が配置された第２排気ポート５２に接続されている。つまり、第１排気弁４２は、第１排気通路３８を開閉する排気弁として構成されており、第２排気弁４４は、第２排気通路４０を開閉する排気弁として構成されている。

第１排気弁４２および第２排気弁４４は、排気可変動弁機構５４によって開閉駆動される。ここでは、排気可変動弁機構５４は、各気筒の第１排気弁４２および第２排気弁４４の開弁位相を連続的に変更可能とする機構として、吸気可変動弁機構３６と同様のＶＶＴ機構を備えているものとする。また、排気可変動弁機構５４は、各気筒において、第１排気弁４２と第２排気弁４４のリフト量および作用角を独立して変更するためのカム切替機構５６を備えている。

図２および図３は、図１に示す排気可変動弁機構５４が備えるカム切替機構５６の具体的な構成を説明するための図である。より具体的には、図２は、そのための斜視図であり、図３は、カム切替機構５６の要部を切断して表した断面図である。
図２に示すように、排気可変動弁機構５４は、排気カム軸５８を備えている。排気カム軸５８には、１気筒当たり３つのカム６０、６２、６４が設けられている。より具体的には、大カム６０は、第１排気弁（Ex1）４２を駆動するためのカムであり、中カム６２および小カム６４は、第２排気弁（Ex2）４４を駆動するためのカムである。

中カム６２は、大カム６０に比して、より低いリフト量とより小さな作用角が得られるようなカムプロファイルを有している。更に、小カム６４は、中カム６２に比して、より低いリフト量とより小さな作用角が得られるようなカムプロファイルを有している。

大カム６０の下方には、第１ロッカーアーム６６が配置されており、小カム６４の下方には、第２ロッカーアーム６８が配置されている。これら２つのロッカーアーム６６、６８の間には、第３ロッカーアーム７０が配置されている。これら３つのロッカーアーム６６、６８、７０は、排気カム軸５８に対して平行に配置されたロッカーシャフト７２によって回転自在に支持されている。また、第１ロッカーアーム６６および第２ロッカーアーム６８の他端は、第１排気弁（Ex1）４２および第２排気弁（Ex2）４４によってそれぞれ支持されている。また、第３ロッカーアーム７０は、その他端において、ロストモーションスプリング７４によって中カム６２に向けて付勢されている。

図３に示すように、第２ロッカーアーム６８の内部には、油圧室７６が形成されており、油圧室７６には、ピン７８が嵌め込まれている。ロッカーシャフト７２の内部は油圧通路として機能しており、油圧室７６には、ロッカーシャフト７２側から作動油が供給されるようになっている。各気筒の油圧室７６に供給される油圧は、図示省略する油圧通路中に配置されたオイルコントロールバルブ（図示省略）によって制御されるようになっている。

一方、第３ロッカーアーム７０には、第２ロッカーアーム６８側に開口部を有するピン穴８０が形成されている。ピン穴８０の内部には、その奥側からリターンスプリング８２とピストン８４とが配置されている。そのようなピン７８とピン穴８０は、ロッカーシャフト７２を中心とする同じ円弧上に配置されている。

上記の構成によれば、ピン穴８０の位置とピン７８の位置とが一致したとき、ピン７８はピストン８４に当接する。このとき、リターンスプリング８２がピストン８４を押す力よりも、油圧室７６内の油圧がピン７８を押す力の方が大きければ、ピン７８は、ピストン８４をピン穴８０の奥に押し込むようにしてピン穴８０内に進入する。ピン７８がピン穴８０内に挿入されることで、第２ロッカーアーム６８と第３ロッカーアーム７０は、ピン７８を介して結合されることになる。

図４は、図１に示す排気可変動弁機構５４によって実現される排気弁４２、４４のリフトカーブを表した図である。以上説明したカム切替機構５６を備える排気可変動弁機構５４によれば、第２排気弁（Ex2）４４のリフト量および作用角を、第１排気弁（Ex1）４２とは独立した２段階に調整することが可能となる。

より具体的には、第２ロッカーアーム６８と第３ロッカーアーム７０とがピン７８によって結合されていない場合には、第２排気弁４４を駆動するカムとして、小カム６４が選択されることになる。この場合には、図４に示すように、第１排気弁（Ex1）４２は、大カム６０によって高いリフト量および大きな作用角で制御されるとともに、第２排気弁（Ex2）４４は、小カム６４によって低いリフト量（以下、「小リフト」と称することもある）および小さな作用角で制御されることになる。

一方、第２ロッカーアーム６８と第３ロッカーアーム７０とがピン７８によって結合されている場合には、第２排気弁４４を駆動するカムとして、中カム６２が選択されることになる。このため、この場合には、図４に示すように、第１排気弁（Ex1）４２については変更ないが、第２排気弁（Ex2）４４は、小カム６４の選択時に比して、より高いリフト量（以下、「中リフト」と称することもある）およびより大きな作用角で制御されることとなる。

再び図１を参照して、本実施形態のシステム構成を説明する。
第１排気通路３８と第２排気通路４０との合流点よりも下流側の合流後排気通路８６には、排気空燃比を検出するための空燃比センサ８８が設けられている。空燃比センサ８８の下流には、排気ガスを浄化するための触媒９０が設けられている。

内燃機関１０の制御系は、ＥＣＵ(Electronic Control Unit)１００を備えている。ＥＣＵ１００には、上述した各種センサに加え、エンジン回転数を検知するためのクランク角センサ１０２、アクセル開度を検出するためのアクセルポジションセンサ１０４、および吸気圧力を検出するための吸気圧力センサ１０６などが接続されている。また、ＥＣＵ１００には、上述した各種アクチュエータに加え、各気筒の燃焼室１４内に燃料を噴射するための燃料噴射弁１０８などが接続されている。ＥＣＵ１００は、それらのセンサ出力に基づいて、内燃機関１０の運転状態を制御することができる。

［実施の形態１の特徴部分］
以上のような構成を有する本実施形態のシステムには、ターボ過給機２０のタービン２０ｂをバイパスする排気バイパス通路を設けられておらず、従って、ウエストゲートバルブが備えられていない。本実施形態では、タービン２０ｂの回転数の調整を行うための排気エネルギー量（排気圧力や排気ガス流量など）の調整を、ウエストゲートバルブに頼らずに、上述した排気可変動弁機構５４による第２排気弁（Ex2）４４を駆動するカム（小カム６４、中カム６２）のフロファイルの段階的な変更により行うこととした。

［実施の形態１における具体的処理］
図５は、上記の機能を実現するために、本実施の形態１においてＥＣＵ１００が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、内燃機関１０の目標過給圧が取得される（ステップ１００）。具体的には、ＥＣＵ１００は、内燃機関１０の運転状態（負荷率やエンジン回転数）との関係で目標過給圧を定めたマップ（図示省略）を記憶しており、本ステップ１００では、そのようなマップを参照して、目標過給圧が取得される。

次に、上記ステップ１００において取得された目標過給圧と、吸気圧力センサ１０６による実際の過給圧力（実過給圧）との偏差が所定の閾値より大きいか否かが判別される（ステップ１０２）。その結果、過給圧力の当該偏差が閾値以下であると判定された場合、すなわち、現在の実過給圧が目標過給圧に比較的近い値に制御されていると判断できる場合には、第２排気弁（Ex2）４４を駆動するカムのプロファイルとして、中カム６２のプロファイルが選択される（ステップ１０４）。

一方、上記ステップ１０２において、過給圧力の上記偏差が閾値より大きいと判定された場合、すなわち、現在の実過給圧が目標過給圧近傍の値にまで十分に達していないと判断できる場合には、第２排気弁（Ex2）４４を駆動するカムのプロファイルが小カム６４のプロファイルに切り替えられる（ステップ１０６）。

以上説明した図５に示すルーチンによれば、目標過給圧と実過給圧との偏差に基づいて、タービン２０ｂを通らない第２排気通路４０を開閉する第２排気弁（Ex2）４４を駆動するカムプロファイルが２段階に制御される。その結果、例えば、第２排気弁（Ex2）４４のリフト量が中リフトから小リフトに変更された場合には、第２排気弁（Ex2）４４を通って排出される排気ガス流量が制限されることになるので、中リフト制御時に比して、第１排気弁（Ex1）を通って排出される排気ガス流量、すなわち、タービン２０ｂに導入される排気ガス流量を増やすことができる。

このため、上記ルーチンの処理によれば、内燃機関１０の運転状態に応じて、タービン２０ｂに供給される排気エネルギー量変化の特性が２段階に制御されるようになる。これにより、タービン２０ｂの回転数の調整を段階的に行うことができ、過給圧力の調整を段階的に行うことができるようになる。以上のように、本実施形態のシステムによれば、排気弁の開弁特性を無段階に調整可能とする可変動弁機構を備える場合に比して、動弁系の構成を比較的簡素にすることで低コストを実現しつつ、ウエストゲートバルブに頼ることなく、タービン２０ｂに供給される排気エネルギー量、更には、タービン回転数、過給圧力の制御を行うことが可能となる。

ところで、上述した実施の形態１においては、排気可変動弁機構として、第２排気弁（Ex2）４４を駆動するカムプロファイルを２段階に切り替え可能とする機構を例に挙げて説明するようにしている。しかしながら、本発明における排気可変動弁機構は、各気筒に複数個配置された排気弁のうちの少なくとも一方の排気弁のカムプロファイルを数段階に段階的に変更可能とするものであれば、２段階に切り替える機構に限られるものではない。すなわち、排気可変動弁機構は、例えば、第２排気弁（Ex2）のリフト量が段階的に中リフト、小リフト、およびゼロリフトとなるように、カムプロファイルを３段階に切り替え可能な機構であってもよい。

尚、上述した実施の形態１においては、第２排気弁（Ex2）４４が前記第１の発明における「切替対象排気弁」に相当しているとともに、ＥＣＵ１００が上記図５に示すルーチンの一連の処理を実行することにより前記第１の発明における「制御手段」が実現されている。

実施の形態２．
次に、図６乃至図８を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
［システム構成の説明］
本実施形態のシステムは、以下の図６を参照して説明する点を除き、上述した実施の形態１のシステムと同様に構成されているものとする。

図６は、本発明の実施の形態２のシステムにおける油圧制御部の構成を簡略的に説明するための図である。図６に示すように、各気筒の排気可変動弁機構５４の油圧室７６には、油圧通路１１０を介して、油圧ポンプ１１２から作動油が供給されるようになっている。本実施形態では、油圧室７６への作動油の供給のオン、オフを制御するためのオイルコントロールバルブ１１４が、気筒毎に設けられている。このような構成によれば、第２排気弁（Ex2）４４のカムプロファイルを気筒別に切り替えることが可能となる。

［実施の形態２の特徴部分］
上記のように、本実施形態のシステムによれば、第２排気弁（Ex2）４４のリフト量を、気筒別に小リフトと中リフトの間で切り替えることが可能となる。そこで、本実施形態では、内燃機関１０の運転状態に応じて，より具体的には、目標過給圧と実過給圧との偏差に応じて、第２排気弁（Ex2）４４を駆動するカム６２、６４のプロファイルを変更する気筒数を変更することとした。

図７は、本発明の実施の形態２におけるカムプロファイルの特徴的な切替制御を説明するための図である。尚、図７においては、説明を簡単にするための配慮として、気筒数が３つの場合を例に挙げて説明を行うものとする。
本実施形態のように第２排気弁（Ex2）４４を駆動するカム６２、６４を２段階に切り替える排気可変動弁機構５４を備えている場合には、図７（Ａ）乃至図７（Ｄ）に示す４つの形態となるように、各気筒の第２排気弁（Ex2）４４のリフト量を調整することができる。

より具体的には、図７（Ａ）に示すように、すべて（図７の例では３つ）の気筒において小カム６４を選択することで、すべての気筒の第２排気弁（Ex2）４４のリフト量が小リフトとなるようにすることができる。また、図７（Ｂ）に示すように、２つの気筒において小カム６４を選択し、残りの１つの気筒において中カム６２を選択することで、２つの気筒の第２排気弁（Ex2）４４のリフト量が小リフトとなり、かつ、残りの１つの気筒の第２排気弁（Ex2）４４が中リフトとなるようにすることができる。

また、図７（Ｃ）に示すように、１つの気筒において小カム６４を選択し、残りの２つの気筒において中カム６２を選択することで、１つの気筒の第２排気弁（Ex2）４４のリフト量が小リフトとなり、かつ、残りの２つの気筒の第２排気弁（Ex2）４４が中リフトとなるようにすることができる。更には、図７（Ｄ）に示すように、すべて（図７の例では３つ）の気筒において中カム６２を選択することで、すべての気筒の第２排気弁（Ex2）４４のリフト量が中リフトとなるようにすることができる。

その結果、タービン２０ｂに導入される排気ガス流量は、多い方から順に並べると、図７（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）となる。つまり、気筒別に第２排気弁（Ex2）４４のリフト量を調整することとすれば、排気可変動弁機構５４の機能としては第２排気弁（Ex2）４４のリフト量を２段階にのみ切り替えるものであっても、排気ガス流量の調整の段数を４段階に増やすことが可能となる。付け加えると、図１に示すように、直列４気筒型エンジンである内燃機関１０の場合であれば、排気ガス流量の調整の段数は、気筒数４に１を加えた５にすることができる。更には、例えば、排気可変動弁機構を第２排気弁（Ex2）４４のリフト量の調整をゼロリフトを含めた３段階に変更可能な機構として構成すれば、排気ガス流量の調整の段数を更に増やすことが可能となる。

［実施の形態２における具体的処理］
図８は、上記の機能を実現するために、本実施の形態２においてＥＣＵ１００が実行するルーチンのフローチャートである。尚、図８において、図５に示すステップと同一のステップには、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。
図８に示すルーチンでは、ステップ１０２において、過給圧力の上記偏差が閾値より大きいと判定された場合には、小カム６４が選択される気筒数が増えるように（言い換えれば、小リフトに制御される第２排気弁（Ex2）４４の気筒数が増えるように）、排気可変動弁機構５４が制御される（ステップ２００）。

より具体的には、本ステップ２００では、図７に示す例の場合であれば、現在の制御状態よりも図７（Ｄ）側から図７（Ａ）側の制御状態に向けて、小リフトに制御される第２排気弁（Ex2）４４が存在する気筒数が増やされていくことになる。尚、小リフトに制御される第２排気弁（Ex2）４４の気筒数は、過給圧力の上記偏差の大きさに応じて決定してもよい。

以上説明した図８に示すルーチンによれば、現在の実過給圧が目標過給圧にまで十分に達していないと判断される場合には、第２排気弁（Ex2）４４を駆動するカムとして、小カム６４が選択される気筒数を適宜増やすことによって、タービン２０ｂに導入される排気ガス流量が増やされる。このような手法によれば、排気可変動弁機構５４の構成としては、機構の簡素化のためにカムプロファイルの切り替え段数を少なくしつつ、排気ガス流量の調整の段数を多くすることができる。このため、切り替え段数の少ない排気可変動弁機構５４を用いた場合であっても、排気圧力や排気ガス流量などのタービン供給排気エネルギー量の微調整、更には、タービン回転数の微調整、過給圧力の微調整を行うことが可能となる。これにより、内燃機関１０の性能向上や過渡運転時の運転性の向上を良好に図ることができるようになる。

実施の形態３．
次に、図９および図１０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乃至図３に示すハードウェア構成を用いて、ＥＣＵ１００に図５または図８に示すルーチンとともに後述する図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ものである。

［実施の形態３の特徴部分］
上述した実施の形態１の制御によれば、タービン２０ｂに供給される排気ガス流量の調整をカムプロファイルの切り替えによって調整することができるが、排気ガス流量の調整幅は、排気可変動弁機構５４におけるカムプロファイルの切り替え段数によって制限されるものとなる。また、上述した実施の形態２の制御によれば、実施の形態１の制御に比して排気ガス流量の調整代を拡大することができるが、流量調整不可域が残ってしまうという問題がある。

ただし、内燃機関１０の良好な運転性を確保するためには、タービン回転数や過給圧力の連続性は保てないとしても、内燃機関１０の出力値の連続性が確保できていればよく、このためには、吸入空気量などの連続性が確保されていればよい。そこで、本実施形態では、過給圧力などの調整のために第２排気弁（Ex2）４４のカムプロファイルを切り替える際に、当該カムプロファイルの切り替えと同時に、吸気可変動弁機構３６による吸気弁３４の開閉時期の進角量の制御を実行するようにした。

［実施の形態３における具体的処理］
図９は、上記の機能を実現するために、本実施の形態３においてＥＣＵ１００が実行するルーチンのフローチャートである。尚、本ルーチンは、上述した図５または図８に示すルーチンと並行して実行されるものとする。

図９に示すルーチンでは、先ず、各気筒の第２排気弁（Ex2）４４を駆動するカム６４、６６のカムプロファイルの切替要求があるか否かが、目標過給圧と実過給圧との偏差などに基づいて判別される（ステップ３００）。

その結果、第２排気弁（Ex2）４４を駆動するカム６４、６６のカムプロファイルの切替要求があると判定された場合には、当該第２排気弁（Ex2）４４を駆動するためのカムプロファイルの切り替えと同時に、吸気可変動弁機構３６によって吸気弁３４の開閉時期の調整が実行される（ステップ３０２）。

図１０は、図９に示すルーチンの上記ステップ３０２における処理の一例を表したタイムチャートである。図１０に示す例は、加速時の制御の一例を示している。この場合には、図１０（Ｄ）、（Ｅ）に示すように、エンジン回転数の上昇に伴い、排気ガス流量が多くなるのでタービン回転数が増加し、これにより、過給圧力が高まっていく。

図１０に示す例では、図１０（Ｃ）に示すように、過給圧力がその目標値に達する時点において、タービン回転数を下げるべく、第２排気弁（Ex2）４４を駆動するカムが小カム６４から中カム６２に切り替えられることになる。このようなカムプロファイルの切り替えがなされると、図１０（Ｄ）に示すように、過給圧力が一時的に低下することになる。

図１０（Ｂ）に示す波形は、吸気弁３４の開閉時期（開弁位相）の進角量（吸気ＶＶＴ進角）の変化を表している。吸気弁３４の開閉時期は、図１０（Ｂ）に示すように、基本的には、吸入空気量（筒内充填空気量）を高めるべく過給圧力が高まるにつれて遅角されていく。しかしながら、上記カムプロファイルの切り替えによって過給圧力が低下しているにも関わらず、吸気弁３４の開閉時期が同じとされていると、吸気ポート３２への吸気の吹き返しによって吸入空気量が減少してしまう。

本ステップ３００の処理では、そのような吸入空気量の減少を回避するために、図１０（Ｂ）に示すように、カムプロファイルの切り替えと同時に、吸気弁３４の開閉時期が進角される。このような制御によれば、図１０（Ａ）に示すように、カムプロファイルの切り替え時において、過給圧変化の影響を打ち消し、吸気充填効率に段差が生じないようにすることができる。

より具体的には、この場合の吸気弁３４の開閉時期の進角量は、カムプロファイルの変更態様との関係を考慮して、内燃機関１０の運転状態に応じた値を用いることができる。ただし、内燃機関１０の運転状態によっては、吸気弁３４の開閉時期は、図１０に示す例のように常に進角されるとは限らない。また、図１０に示す例とは異なり、中カム６２から小カム６４への切り替え時のように、第２排気弁（Ex2）４４のカムプロファイルの切り替えによって過給圧力が上昇するケースであれば、本ステップ３００においては、カムプロファイルの切り替えと同時に、吸入空気量が低下する側に吸気弁３４の開閉時期の進角量が調整されることとなる。

以上説明した図９に示すルーチンによれば、第２排気弁（Ex2）４４を駆動するカム６４、６６のカムプロファイルの切り替えと同時に、吸気可変動弁機構３６によって吸気弁３４の開閉時期を調整することにより、カムプロファイルの切り替えがあっても、吸入空気量の制御に連続性を持たせることが可能となる。仮に、本実施形態における吸気弁３４の制御を伴わずにそのようなカムプロファイルの切り替えがなされたとすると、過給圧力の低下とともに、背圧変化によるポンプロスの変化、残留ガス量の変化に伴う燃焼状態の変化などが生ずることとなる。これらの背圧変化や燃焼状態の変化による影響についても、最終的には内燃機関の出力値に反映されるものである。

これに対し、本実施形態の手法によれば、吸入空気量の制御に連続性を持たせることができるので、そのようなカムプロファイルの切り替えに伴う様々な影響を打ち消すように吸入空気量の調整が可能となる。これにより、上述した実施の形態２に比して、内燃機関１０の性能向上や過渡運転時の運転性の向上を更に良好に図ることができるようになる。

ところで、上述した実施の形態３においては、第２排気弁（Ex2）４４のカムプロファイルの切り替えと同時に、吸気可変動弁機構３６によって吸気弁３４の開閉時期の進角量を調整するようにしているが、本発明において、当該カムプロファイルの切り替えと同時に実行される吸気弁の開弁特性の制御は、これに限定されるものではない。すなわち、例えば、カムプロファイルの切り替えと同時に、吸気弁のリフト量や作用角を調整するようにしてもよい。

実施の形態４．
次に、図１１および図１２を参照して、本発明の実施の形態４について説明する。
本実施形態のシステムは、図１乃至図３に示すハードウェア構成を用いて、ＥＣＵ１００に図５または図８に示すルーチンとともに後述する図１１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。

［実施の形態４の特徴部分］
本実施形態の内燃機関１０のように過給機付きの内燃機関においては、過給圧力が排気圧力よりも高い状態になると、排気通路への新気の吹き抜けが生じる。そのような新気の吹き抜けが生ずると、筒内の残留ガスが新気によって掃気されるようになる。従って、過給圧力に変化が生ずると、既述したように残留ガス量に変化が生ずるとともに、新気の吹き抜け量（スカベンジ量）にも変化が生じることとなる。このような残留ガス量やスカベンジ量の変化は、燃焼状態の変化を招く。

上述した実施の形態３においては、第２排気弁（Ex2）４４を駆動するカム６２、６４のカムプロファイルの切り替えと同時に吸気弁３４の開閉時期の調整を行うことによって、吸入空気量を略一定に調整することとし、カムプロファイルの切り替えに伴う過給圧力の変化や残留ガス量の変化などに対し、内燃機関１０の良好な運転性を確保する手法について説明を行った。

しかしながら、残留ガス量の変化やスカベンジ量の変化による影響は、可能であればそのような残留ガスの変化の発生自体を抑制した方が、吸入空気量の調整によって打ち消されるようにするよりも、個々の部品のばらつきや運転条件のばらつきなどの影響を受けずに済むようになるので望ましい。ここで、バルブオーバーラップ期間は、残留ガス量やスカベンジ量を決める支配要因となる。

そこで、本実施形態では、過給圧力などの調整のために吸気可変動弁機構３６による吸気弁３４の開閉時期の調整を第２排気弁（Ex2）４４のカムプロファイルの切り替えと同時に行う際に、排気可変動弁機構５４によって排気弁４２、４４の開閉時期の進角量の調整を行うこととした。より具体的には、吸気可変動弁機構３６による吸気弁３４の開閉時期の調整に伴って、基本的にはバルブオーバーラップ期間が変化しないように、排気弁４２等の開閉時期の進角量の調整を行うものとした。また、場合によっては、過給圧力の変化に応じて、バルブオーバーラップ量が拡大または縮小されるように、吸気弁３４の開閉時期の調整に応じて、排気弁４２等の開閉時期を調整するようにした。

［実施の形態４における具体的処理］
図１１は、上記の機能を実現するために、本実施の形態４においてＥＣＵ１００が実行するルーチンのフローチャートである。尚、本ルーチンは、上述した図５または図８に示すルーチンと並行して実行されるものとする。また、図１１において、図９に示すステップと同一のステップには、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。

図１１に示すルーチンでは、ステップ３００において、第２排気弁（Ex2）４４を駆動するカム６２、６４のカムプロファイルの切替要求があると判定された場合には、ステップ３０２において、当該第２排気弁（Ex2）４４のカムプロファイルの切り替えと同時に、吸気可変動弁機構３６によって吸気弁３４の開弁時期の調整が実行される。更に、本ルーチンにおいては、カムプロファイルの切り替えに伴う過給圧力の変化によって残留ガス量やスカベンジ量が変化しないようなバルブオーバーラップ量となるように、排気可変動弁機構５４を用いて排気弁４２等の開閉時期が調整される（ステップ４００）。

図１２は、図１１に示すルーチンの上記ステップ４００における処理の一例を表したタイムチャートである。図１２に示す例は、上述した実施の形態３における図１０に示す例と同様に、加速時の制御の一例を示している。図１２に示す例では、上記図１０に示す例に対して、図１２（Ｆ）に示すバルブオーバーラップ期間の制御量を表した波形と、図１２（Ｇ）に示す排気弁４２等の開閉時期の進角量（排気ＶＶＴ進角）を表した波形とが追加されている。

より具体的には、図１２に示す例では、小カム６４から中カム６２への切り替えに伴い、図１２（Ｂ）に示すように、吸気弁３４の開閉時期が進角される。これと同時に、過給圧力の低下に関わらず残留ガス量やスカベンジ量を一定に維持するために、排気弁４２等の開閉時期が吸気弁３４の開閉時期の進角量よりも少ない進角量で進角されることによって（図１２（Ｇ）参照）、バルブオーバーラップ期間がカムプロファイルの切り替え前よりも長くなるように制御される（図１２（Ｆ）参照）。

尚、図１２に示す例は、カムプロファイルの切り替えと同時に、バルブオーバーラップ期間が長くなるように制御する例を示しているが、バルブオーバーラップ期間は、カムプロファイルの切り替え態様や内燃機関１０の運転条件によっては、一定量に保つように制御したり、或いは短くなるように制御することが望ましい場合もある。

以上説明した図１１に示すルーチンによれば、吸気可変動弁機構３６による吸気弁３４の開閉時期の調整を第２排気弁（Ex2）４４を駆動するカム６２、６４のカムプロファイルの切り替えと同時に行う際に、排気弁４２等の開閉時期を併せて制御することで、残留ガス量やスカベンジ量を一定に制御することができる。このため、吸入空気量の調整によって残留ガス量の変化やスカベンジ量の変化を打ち消すようにする手法に比して、個々の部品のばらつきや運転条件のばらつきなどの影響を受けずに済むので、カムプロファイルの切り替え時に燃焼状態が変化するの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、排気弁４２等の開閉時期（開弁位相）を同時に変更可能とする排気可変動弁機構５４によって、排気弁４２等の開き時期と閉じ時期を同時に変更するようにしているが、本発明においてバルブオーバーラップ期間を制御するための機構としては、少なくとも排気弁の閉じ時期を変更可能とする機構であればよい。

実施の形態５．
次に、図１３および図１４を参照して、本発明の実施の形態５について説明する。
［システム構成の説明］
図１３は、本発明の実施の形態５におけるシステム構成を示す図である。図１３に示すように、本実施形態のシステムは、排気バイパス通路１２０とウエストゲートバルブ１２２とを備えている点を除き、上述した図１と同様のシステム構成を有している。より具体的には、排気バイパス通路１２０は、タービン２０ｂをバイパスしてタービン２０ｂの入口側と出口側とを接続する通路として、第１排気通路３８に接続されている。また、ウエストゲートバルブ１２２は、排気バイパス通路１２０の途中に配置されている。

［実施の形態５の特徴部分］
上述した実施の形態１乃至４におけるカムプロファイルの切り替えによって過給圧力を調整する手法を行うには、過給圧力の検出、ＥＣＵ１００による演算、および、動弁系アクチュエータ（油圧によるカム切替機構５６）の操作という手順を必要とする。このため、カムプロファイルの切り替えによる過給圧力の調整手法は、過給圧力に基づき弁開度が直接的に制御されるウエストゲートバルブ１２２による調整手法に比して、制御の応答性、安定性という面で劣ってしまうという問題があった。

上記のような問題を解決するために、大まかな排気ガス流量の調整をカムプロファイルの調整で行いつつ、ウエストゲートバルブ１２２を用いて排気ガス流量の微調整を行うことも考えられる。しかしながら、そのような両者を併用する手法を行う際の新たな課題として、必要以上の流量の排気ガスをウエストゲートバルブ１２２側に流してしまうと（言い換えれば、必要以上にタービン２０ｂを通らない第２排気通路４０の排気ガス流量を少なくしてしまうと）、次のような問題が発生してしまう。すなわち、タービン２０ｂに通じる第１排気通路３８側の排気温度や排気圧力（背圧）の上昇が生じてしまう。更には、ウエストゲートバルブ１２２の開度が過大になると、ターボ過給機２０を効率良く駆動するために必要なブローダウン時の排気脈動のピーク値が低下し、タービン２０ｂでのエネルギー回収効率が低下してしまう。そうすると、広い運転領域において効率良く過給圧力を高めて十分なスカベンジ量を確保することが困難となる。

そこで、本実施形態では、第１排気通路３８側の排気ガス流量を過大とせず、かつ良好な過給圧力の制御性を得るべく、ウエストゲートバルブ１２２の検出開度に応じて、第２排気弁（Ex2）４４を駆動するカム６２、６４のカムプロファイルの切り替えを行うようにした。

［実施の形態５における具体的処理］
図１４は、上記の機能を実現するために、本実施の形態５においてＥＣＵ１００が実行するルーチンのフローチャートである。
図１４に示すルーチンでは、先ず、現在のウエストゲート（ＷＧ）バルブ１２２の開度が検出される（ステップ５００）。ウエストゲートバルブ１２２の開度検出は、例えば、内燃機関１０の負荷率とエンジン回転数との関係に基づく推定過給圧値と実際の過給圧値とを比較する手法によって行うことができる。

次に、検出された現在のウエストゲートバルブ１２２の開度が所定の目標値よりも大きいか否かが判別される（ステップ５０２）。本ステップ５０２におけるウエストゲートバルブ開度の上記目標値は、なるべくウエストゲートバルブ１２２に頼らずに排気ガス流量を調整できるような値に設定されている。より具体的には、当該目標値は、例えば、ウエストゲートバルブ１２２による排気ガス流量の調整の割合が、ウエストゲートバルブ１２２による流量調整とカムプロファイルの切り替えによる流量調整とを合わせた全体の流量調整代の１割程度にできるような値に設定されている。

上記ステップ５０２において、ウエストゲートバルブ１２２の開度が上記目標値以下であると判定された場合には、ウエストゲートバルブ１２２の開度調整に余裕がある状態と判断できる。このため、この場合には、タービン２０ｂに通じる第１排気通路３８側の排気ガス流量を増やすべく（つまり、第２排気通路３０側の排気ガス流量を減らすべく）、第２排気弁（Ex2）４４を駆動するカムとして小カム６４が選択される（ステップ５０４）。

一方、上記ステップ５０２において、ウエストゲートバルブ１２２の開度が上記目標値より大きいと判定された場合には、予定よりもウエストゲートバルブ１２２側への排気ガスの供給が多い状況であると判断できる。このため、この場合には、タービン２０ｂを通らない第２排気通路４０側の排気ガス流量を増やすべく、第２排気弁（Ex2）４４を駆動するカムとして中カム６２が選択される（ステップ５０６）。

以上説明した図１４に示すルーチンによれば、カムプロファイルの切り替えによる過給圧調整とウエストゲートバルブ１２２の開度調整による過給圧調整とを併用しつつ、ウエストゲートバルブ１２２の開度が狙いの小開度に維持されるように当該開度をフィードバック制御することができる。このため、ウエストゲートバルブ開度が過大に制御されることでタービンのエネルギー回収効率が低下するのを防ぎ、内燃機関１０の運転領域の出来るだけ広い範囲内で、スカベンジ（掃気）を良好に行えるようになる。

ところで、上述した実施の形態５においては、排気可変動弁機構５４を、第２排気弁（Ex2）４４のリフト量および作用角を段階的に（２段階に）切り替え可能とする機構として説明した。しかしながら、上述した実施の形態１乃至４とは異なり本実施の形態５における排気可変動弁機構の構成は、そのような機構に限らず、例えば、第２排気弁（Ex2）４４のリフト量および作用角を無段階に切り替えるものであってもよい。

ところで、上述した実施の形態１乃至５においては、タービン２０ｂを通らない第２排気通路４０を開閉する第２排気弁（Ex2）を駆動するカム６２、６４のカムプロファイルを切り替えるようにしているが。本発明において、タービンに供給される排気エネルギー量、更には、タービン回転数、過給圧力を制御するために開弁特性が制御される排気弁は、第２排気弁（Ex2）に限られず、もう一方の排気弁４２、すなわち、タービン２０ｂに通じる第１排気弁４２であってもよい。

本発明の実施の形態１におけるシステム構成を示す図である。 図２は、図１に示す排気可変動弁機構が備えるカム切替機構の具体的な構成を説明するための図である。 図３は、図１に示す排気可変動弁機構が備えるカム切替機構の具体的な構成を説明するための図である。 図１に示す排気可変動弁機構によって実現される排気弁のリフトカーブを表した図である。 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のシステムにおける油圧制御部の構成を簡略的に説明するための図である。 本発明の実施の形態２におけるカムプロファイルの特徴的な切替制御を説明するための図である。 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。 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。 図９に示すルーチンのステップ３０２における処理の一例を表したタイムチャートである。 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。 図１１に示すルーチンのステップ４００における処理の一例を表したタイムチャートである。 本発明の実施の形態５におけるシステム構成を示す図である。 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。

符号の説明

１０ 内燃機関
１２ 吸気通路
１４ 燃焼室
２０ ターボ過給機
２０ａ コンプレッサ
２０ｂ タービン
３０ 排気通路
３２ 吸気ポート
３４ 吸気弁
３６ 吸気可変動弁機構
３８ 第１排気通路
４０ 第２排気通路
４２ 第１排気弁
４４ 第２排気弁
４６ 第１排気マニホールド
４８ 第１排気ポート
５０ 第２排気マニホールド
５２ 第２排気ポート
５４ 排気可変動弁機構
５６ カム切替機構
５８ 排気カム軸
６０ 大カム
６２ 中カム
６４ 小カム
７６ 油圧室
７８ ピン
８０ ピン穴
８２ リターンスプリング
８４ ピストン
８６ 合流後排気通路
１００ ＥＣＵ(Electronic Control Unit)
１１０ 油圧通路
１１２ 油圧ポンプ
１１４ オイルコントロールバルブ
１２０ 排気バイパス通路
１２２ ウエストゲートバルブ

Claims (4)

1. 吸入空気を過給するターボ過給機と、
   前記ターボ過給機のタービンに通じる第１排気通路と、
   前記第１排気通路を開閉する第１排気弁と、
   前記タービンを通らない第２排気通路と、
   前記第２排気通路を開閉する第２排気弁と、
   前記第１排気弁および前記第２排気弁の少なくとも一方の切替対象排気弁の開弁特性を変更可能とする排気可変動弁機構と、を備える過給機付き内燃機関の制御装置であって、
   前記排気可変動弁機構は、前記切替対象排気弁を駆動するカムのプロファイルとして複数のカムプロファイルを有し、当該複数のカムプロファイルを切り替え可能に構成されたものであって、
   前記過給機付き内燃機関の制御装置は、
   前記タービンに供給される排気エネルギー量の調整を、前記複数のカムプロファイルの切り替えによって行う制御手段と、
   前記タービンをバイパスして当該タービンの入口側と出口側とを接続する排気バイパス通路と、
   当該排気バイパス通路の途中に配置されたウエストゲートバルブとを備え、
   前記制御手段は、
   前記複数のカムプロファイルの切り替えによって排気ガス流量の大まかな調整を行いつつ、前記ウエストゲートバルブの開度調整によって排気ガス流量の微調整を行うものであって、
   前記ウエストゲートバルブの検出開度が、前記複数のカムプロファイルの切り替えによる排気ガス流量の調整代との関係で前記ウエストゲートバルブの開度調整による排気ガス流量の調整代を制限する目標値よりも大きいときは、前記第２排気通路側の排気ガス流量が多くなるように、前記複数のカムプロファイルを切り替えるものであって、
   前記制御手段は、過給圧力およびまたはタービン回転数の調整を、前記複数のカムプロファイルの切り替えおよび前記ウエストゲートバルブの開度調整によって行うことを特徴とする過給機付き内燃機関の制御装置。
2. 前記排気可変動弁機構は、各気筒における前記個々の切替対象排気弁に対して、前記複数のカムプロファイルをそれぞれ有し、気筒毎に前記複数のカムプロファイルを段階的に切り替え可能に構成されたものであって、
   前記制御手段は、前記第１排気通路側の排気ガス流量を、前記複数のカムプロファイルの切り替えを行う気筒数を変更することによって調整することを特徴とする請求項１記載の過給機付き内燃機関の制御装置。
3. 前記過給機付き内燃機関の制御装置は、吸気弁の開弁特性を変更可能とする吸気可変動弁機構を更に備え、
   前記制御手段は、前記複数のカムプロファイルの切り替えと同時に、前記吸気可変動弁機構を用いて吸入空気量の調整を実行することを特徴とする請求項１または２記載の過給機付き内燃機関の制御装置。
4. 前記排気可変動弁機構は、更に、前記第１排気弁および前記第２排気弁の少なくとも一方の閉じ時期を変更可能に構成されたものであって、
   前記制御手段は、前記吸気可変動弁機構を用いた吸入空気量の前記調整を実行する際に、筒内の残留ガス量およびまたはスカベンジ量が一定値に維持されるように、前記排気可変動弁機構を用いてバルブオーバーラップ期間の調整を実行することを特徴とする請求項３記載の過給機付き内燃機関の制御装置

Images