JP4985465B2

JP4985465B2 - 内燃機関の制御方法および内燃機関の制御システム

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Publication number: JP4985465B2
Application number: JP2008044474A
Authority: JP
Inventors: 宏二志々目; 正尚山川; 敏朗西本; 美貴典大橋
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2008-02-26
Filing date: 2008-02-26
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2028-02-26
Also published as: JP2009203820A

Description

本発明は、内燃機関における吸気弁および排気弁の制御方法に関するものである。

従来、排ガスの性能の向上等を目的として、内燃機関の吸気弁および排気弁の開閉時期を運転条件に応じて制御する方法が開発されている。

例えば、特許文献１には、気筒内の内部ＥＧＲガス量を適切な値に制御するための制御方法が開示されている。この方法では、中負荷領域において、排気弁の閉弁時期を上死点より進角側に制御するとともに吸気弁の開弁時期を上死点より遅角側に制御して、排気弁と吸気弁とのいずれもが閉弁している期間を設けている。そして、これにより、燃焼室内のＥＧＲガス量を確保して排ガス性能の向上を図っている。一方、前記方法では、全負荷領域において、排気弁の閉弁時期を上死点より遅角側に制御するとともに吸気弁の開弁時期を上死点より進角側に制御して、排気弁の開弁期間と吸気弁の開弁期間とにオーバーラップを設けている。そして、これにより、内部ＥＧＲガス量を抑制して高負荷領域における吸気効率を高い値で維持している。
特開２００２−２４２７０９号公報

圧縮行程時に気筒内の温度が高温化すると予期せぬタイミングで自着火すなわち異常燃焼が生じるおそれがある。特に回転数が低く気筒内のガス流動が小さい条件下では、前記自着火の生じる可能性が高い。これに対して、前記従来の方法では、低回転全負荷領域において吸気効率が高い値で維持されており、出力が確保される一方、吸気効率が高くなることによって気筒内の温度が上昇し自着火が生じる可能性が高くなるという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑み、異常燃焼の発生をより確実に回避することのできる内燃機関の制御方法の提供を目的とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、往復動するピストンを収容するとともに燃焼室を形成する気筒と、前記気筒内へ導入される空気が通過する吸気通路と、前記吸気通路から前記気筒内への空気の流入を遮断する吸気弁と、前記気筒内から排出される排気が通過する排気通路と、前記気筒内から前記排気通路への排気の流出を遮断する排気弁とを有する内燃機関の制御方法であって、前記内燃機関の回転速度が予め設定された第１速度以下となる運転領域では前記排気弁を上死点後に閉じた後で前記吸気弁を開く一方、前記内燃機関の回転速度が前記第１速度より大きい速度となる運転領域では、全ての負荷領域において、前記排気弁を閉じる前に前記吸気弁を開くとともに、前記内燃機関の回転速度が前記第１速度以下となる運転領域では、前記気筒内に導入される空気量の目標値である目標空気充填量が小さくなるほど、前記排気弁を閉じてから吸気弁が開くまでの期間を長くすることを特徴とする内燃機関の制御方法を提供する（請求項１）。

この方法によれば、自着火が生じやすい低回転領域において気筒内のガスの流動性を高めることができ、自着火の発生を抑制することができるとともに、高回転領域において出力を確保することができる。
すなわち、本方法では、前記回転速度が第１速度以下の低回転領域において前記排気弁を上死点後に閉じた後で前記吸気弁を開いており、前記排気弁と前記吸気弁とのいずれもが閉弁することで略密閉している気筒内の圧力がピストンの下降に伴って低下していく途中に前記吸気弁が開弁されるので、前記吸気通路から気筒内への空気の流速が高い値で維持され気筒内のガスの流動性が高められる。特に、本方法では、前記排気弁を上死点後すなわちピストンの下降途中に閉じており、前記吸気弁の開弁時における気筒内の圧力が負圧になるので、前記ガスの流動性がより確実に高められる。しかも、気筒内の残留ガスを圧縮することによるポンプ損失を抑制することができ機関効率が高まる。
一方、ガスの流動性が確保された高回転領域では、前記排気弁を閉じる前に前記吸気弁を開いており気筒内の掃気性が高められるので、気筒内の新気量ひいては出力が確保される。
ここで、前記排気弁が閉じてから前記吸気弁が開くまでの期間が長くなるほど、気筒内の圧力がより低下した後で前記吸気弁が開くことになるので、空気流動性は高くなる。従って、本方法のように回転速度が第１速度以下となる運転領域において目標空気充填量が小さくなるほど、すなわち、燃焼が比較的不安定になるほど、前記期間を長くすれば、各目標空気充填量に対して燃焼をより確実に安定させることができる。

また、本発明において、前記内燃機関の回転速度が前記第１速度より大きな第２速度以上となる運転領域では、前記内燃機関の回転速度が大きくなるほど、前記排気弁と前記吸気弁とがいずれも開いている期間を短くするのが好ましい（請求項２）。

このようにすれば、特に回転速度が高い運転領域において、内部ＥＧＲの残留を抑制して気筒内の新気量ひいては出力を確保することができる。

また、本発明において、前記内燃機関の回転速度が前記第１速度以上となる運転領域のうち、前記目標空気充填量が予め設定された基準空気量よりも小さい運転領域では、前記排気弁が閉じた後で前記吸気弁を上死点後に開くようにしてもよい（請求項３）。
また、本発明において、前記内燃機関の回転速度が前記第１速度以上となる運転領域における前記吸気弁の開弁時期を、前記内燃機関の回転速度が前記第１速度以下となる運転領域における前記吸気弁の開弁時期よりも進角側に制御するとともに、前記内燃機関の回転速度が前記第１速度以上となる運転領域における前記排気弁の閉弁時期を、前記内燃機関の回転速度が前記第１速度以下となる運転領域における前記排気弁の閉弁時期よりも遅角側に制御する方法が挙げられる（請求項４）。そして、この方法では、前記第１速度以下となる運転領域において前記排気弁を閉じた後で前記吸気弁を上死点後に開く一方、前記第１速度より大きい速度となる運転領域において前記排気弁を閉じる前に前記吸気弁を開くという制御を、前記吸気弁の閉弁時期および排気弁の開弁時期の変化量をそれぞれ小さく抑えつつ、実現することができる。

また、本発明は、往復動するピストンを収容するとともに燃焼室を形成する気筒と、前記気筒内へ導入される空気が通過する吸気通路と、前記吸気通路から前記気筒内への空気の流入を遮断する吸気弁と、前記気筒内から排出される排気が通過する排気通路と、前記気筒内から前記排気通路への排気の流出を遮断する排気弁とを有する内燃機関の制御システムであって、前記吸気弁および排気弁を周期的に開閉させる弁駆動機構と、前記弁駆動機構を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記内燃機関の回転速度が予め設定された第１速度以下となる運転領域では、全ての負荷領域おいて、前記排気弁が上死点後に閉じるとともに、当該排気弁が閉じた後で前記吸気弁が開くよう前記弁駆動機構を制御する一方、前記内燃機関の回転速度が前記第１速度より大きい速度となる運転領域では少なくとも全負荷において、前記排気弁が閉じる前に前記吸気弁が開くよう前記弁駆動機構を制御するとともに、前記制御手段は、前記内燃機関の回転速度が前記第１速度以下となる運転領域において、前記気筒内に導入される空気量の目標値である目標空気充填量が小さくなるほど、前記排気弁を閉じてから吸気弁が開くまでの期間が長くなるように前記弁駆動機構を制御することを特徴とする内燃機関の制御システムを含む（請求項５）。

ここで、前記内燃機関の気筒の幾何学的圧縮比が１３以上となるような高圧縮比の内燃機関では、圧縮によって気筒内の温度が高くなりやすく自着火が生じる可能性が高い。そのため、このような高圧縮比の内燃機関の前記内燃機関の制御システムを適用すれば効果的である（請求項６）。

以上のように、本発明によれば、気筒内のガスの流動性を高めて自着火を抑制することのできる内燃機関の制御方法を提供することができる。

本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明が適用されるエンジンシステム（内燃機関の制御システム）の全体構造を概略的に示したものである。このエンジンシステムは、エンジン本体（内燃機関）１と、このエンジン本体１に付随する様々なアクチュエータを制御するためのエンジン制御器（制御手段）１００とを有している。

前記エンジン本体１は、自動車等の車両に搭載される４サイクルの火花点火式内燃機関であって、前記車両を推進すべく、その出力軸は変速機を介して駆動輪に連結されている。このエンジン本体１は、シリンダーブロック１２とその上に載置されるシリンダヘッド１３とを備えている。このシリンダーブロック１２とシリンダヘッド１３との内部には複数のシリンダ（気筒）１１が形成されている。これらシリンダ１１の数は特に限定されるものではないが、例えば４つのシリンダ１１が形成されている。また、前記シリンダーブロック１１には、ジャーナル、ベアリングなどによってクランクシャフト１４が回転自在に支持されている。

前記各シリンダ１１内にはピストン１５がそれぞれ摺動自在に嵌挿されており、各ピストン１５の上方にはそれぞれ燃焼室１７が区画されている。

ここで、本実施形態では、前記ピストン１５が上死点に位置するときの燃焼室１７の容積と、ピストン１５が下死点に位置するとき燃焼室１７の容積との比であるエンジン本体１の幾何学的圧縮比がほぼ１４に設定されている。もちろん、この幾何学的圧縮比の値は１４に限らない。例えば、機関効率の向上といった観点からは前記幾何学的圧縮比はより高い方が好ましい。しかしながら、幾何学的圧縮比を高くしていくと、圧縮行程において気筒内の温度が高くなりすぎてしまい予期せぬタイミングで自着火が生じる可能性が高くなる。そのため、前記エンジン本体１の幾何学的圧縮比としては１３以上１６以下が好ましい。

前記シリンダヘッド１３には、各燃焼室１７に連通する２つの吸気ポート１８と２つの排気ポート１９とが形成されている。また、前記シリンダヘッド１３には、各吸気ポート１８をそれぞれ前記燃焼室１７から遮断するための吸気バルブ（吸気弁）２１と、各排気ポート１９をそれぞれ前記燃焼室１７から遮断するための排気バルブ（排気弁）２２とが設けられている。前記吸気バルブ２１は後述する吸気弁駆動機構（弁駆動機構）３０により駆動されることで、所定のタイミングで各吸気ポート１８を開閉する。一方、前記排気バルブ２２は後述する排気弁駆動機構（弁駆動機構）４０により駆動されることで、前記各排気ポート１９を開閉する。

前記吸気弁駆動機構３０および前記排気弁駆動機構４０は、それぞれ吸気カムシャフト３１と排気カムシャフト４１とを有している。この吸気カムシャフト３１および排気カムシャフト４１は、周知のチェーン／スプロケット機構等の動力伝達機構等を介してクランクシャフト１４に連結されている。前記動力伝達機構は、前記クランクシャフト１４が２回転する間に、カムシャフト３１，４１が１回転するように構成されている。

また、前記吸気弁駆動機構３０には、前記動力伝達機構と前記吸気カムシャフト３１との間に吸気カムシャフト位相可変機構３２が設けられている。この吸気カムシャフト位相可変機構３２は、吸気バルブ２１のバルブタイミングを変更するためのものであり、前記吸気カムシャフト３１と同軸に配置されてクランクシャフト１４により直接駆動される被駆動軸と吸気カムシャフト３１との間の位相差を変更することで、前記クランクシャフト１４と前記吸気カムシャフト３１との間の位相差を変更する。

この吸気カムシャフト位相可変機構３２は、例えば、前記被駆動軸と前記吸気カムシャフト３１との間に周方向に並ぶ複数の液室を有し、これら液室間に圧力差を設けることで前記位相差を変更する液圧式機構や、前記被駆動軸と前記吸気カムシャフト３１との間に設けられた電磁石を有し、前記電磁石に電力を付与することで前記位相差を変更する電磁式機構等が挙げられる。この吸気カムシャフト位相可変機構３２は、後述するエンジン制御器１００で算出された吸気バルブ２１のバルブタイミングに基づいて、前記位相差を変更する。そして、本実施形態では、前記吸気カムシャフト位相可変機構３２は、吸気バルブの開弁期間及びリフト量つまりバルブ・プロファイルは一定に保ったまま、前記位相差を変更することで、吸気バルブ２１の開タイミング（開弁時期）ＩＶＯと閉タイミング（閉弁時期）ＩＶＣとを変更する。吸気カムシャフト３１の位相角は、カム位相センサ３９により検出され、その信号θ_{ＩＶＯ＿Ａ}はエンジン制御手段１００に送信される。

前記排気弁駆動機構４０にも、前記動力伝達機構と前記排気カムシャフト４１との間に排気カムシャフト位相可変機構４２が設けられている。この排気カムシャフト位相可変機構４２は、排気バルブ４２のバルブタイミングを変更するためのものであり、その具体的な構造は前記吸気カムシャフト位相可変機構３２と同様である。

前記吸気ポート１８は、吸気マニホールド５５を介してサージタンク５５ａに連通している。このサージタンク５５ａの上流の吸気通路にはスロットルボデー（スロットル駆動機構）５６が設けられている。このスロットルボデー５６の内部には、外部から前記サージタンク５５ａに向かう吸気流量を調整するためのスロットル弁５７が枢動自在に設けられている。このスロットル弁５７は、前記吸気通路の開口面積すなわち流路面積を変更して吸気流量を変更するとともに、スロットル弁５７下流の吸気通路内の圧力を変更することが出来る。このスロットル弁５７は、スロットルアクチュエータ５８により駆動される。このスロットルアクチュエータ５８は、前記スロットル弁５７の開度が後述するエンジン制御器１００で算出されたスロットル開度ＴＶＯとなるようにこのスロットル弁５７を駆動する。ここで、請求項における吸気通路とは、このスロットル弁５７下流の、前記吸気ポート１８、吸気マニホールド５５およびサージタンク５５ａ全てを含む。本実施形態では、このスロットル弁５７の開度と前記吸気バルブ２１および排気バルブ２２のバルブタイミングとを調整することで、前記シリンダ１１内に充填される空気充填量ＣＥを適切な値に制御する。

前記排気ポート１９は、排気マニホールド６０を介して排気管に連通している。この排気管には排ガス浄化システムが配置されている。この排ガス浄化システムの具体的構成は特に限定されるものではないが、例えば三元触媒、リーンＮＯｘ触媒、酸化触媒等の触媒コンバータ６１を有するものが挙げられる。

前記吸気マニホールド４７と前記排気マニホールド６０とはＥＧＲパイプ６２によって連通しており、排ガスの一部が吸気側に循環するよう構成されている。前記ＥＧＲパイプ６２には、このＥＧＲパイプ６２を通って吸気側に循環するＥＧＲガスの流量を調整するためのＥＧＲバルブ６３が設けられる。このＥＧＲバルブ６３は、ＥＧＲバルブアクチュエータ６４により駆動される。このＥＧＲバルブアクチュエータ６４は、前記ＥＧＲバルブ６３の開度が後述するエンジン制御器１００で算出されたＥＧＲ開度ＥＧＲ_ｏｐｅｎとなるようにこのＥＧＲバルブ６３を駆動し、これにより前記ＥＧＲガスの流量を適切な値に調整する。

前記シリンダヘッド１３には、先端が前記燃焼室１７に臨むように点火プラグ５１が取り付けられている。この点火プラグ５１は、点火システム５２により後述するエンジン制御器１００で算出された点火時期ＳＡに基づいて通電されると、前記燃焼室１７内に火花を発生させる。

また、前記シリンダヘッド１３には、燃料を燃焼室１７内に直接噴射するための燃料噴射弁５３がその先端が前記燃焼室１７に臨むように取り付けられている。より詳細には、この燃料噴射弁５３は、その先端が、上下方向において前記２つの吸気ポート１８の下方に位置するよう、かつ、水平方向において前記２つの吸気ポート１８の中間に位置するように配置されている。この燃料噴射弁５３は、その内部に設けられたソレノイドが、燃料システム５４により後述するエンジン制御器１００で算出された燃料噴射量ＦＰの信号に基づいて所定期間だけ通電されることで、前記燃焼室１７内に所定量の燃料を噴射する。

前記エンジン制御器１００は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラであって、プログラムを実行するためのＣＰＵと、ＲＡＭやＲＯＭからなりプログラム及びデータを格納するメモリと、各種信号の入出力を行なうＩ／Ｏバスとを備えている。

前記エンジン制御器１００には、前記Ｉ／Ｏバスを介して、エアフローメーター７１により検出された吸入空気量ＡＦ、吸気圧センサ７２により検出された吸気マニホールド５５内の空気圧力ＭＡＰ、クランクアングルセンサ７３により検出されたクランク角パルス信号、酸素濃度センサ７４により検出された排ガスの酸素濃度ＥＧＯ、アクセル開度センサ７５により検出された自動車のドライバーによるアクセルペダルの踏み込み量α、車速センサ７６により検出された車速ＶＳＰといった各種の情報が入力される。そして、このエンジン制御器１００は、前記各入力情報に基づいて、シリンダ１１内へ導入される空気量すなわちシリンダ１１内の空気充填量や点火時期等が運転条件に応じて適切な値になるように、各種アクチュエータに対する指令値を計算する。例えば、スロットル開度ＴＶＯ、燃料噴射量ＦＰ、点火時期ＳＡ、吸気バルブタイミング、排気バルブタイミング、ＥＧＲ開度ＥＧＲ_ｏｐｅｎ等の指令値を計算し、それらを、前記スロットルアクチュエータ５８、燃料システム５４、点火システム５２、吸気カムシャフト位相可変機構３２、排気カムシャフト位相可変機構４２およびＥＧＲバルブアクチュエータ６４等に出力する。

前記エンジン制御器１００における具体的な演算手順を図２のフローチャートを用いて説明する。

まず、前記アクセルペダルの踏み込み量α等の各種信号を読み込む（ステップＳ１）。

次に、前記アクセルペダルの踏み込み量α、前記クランク角パルス信号から算出されるエンジン本体１の回転数Ｎ_ＥＮＧおよび前記車速ＣＳＰに基づき目標トルクＴＱ_Ｄを算出する（ステップＳ２）。算出された目標トルクＴＱ_Ｄおよび回転数Ｎ_ＥＮＧに基づき、燃料噴射量ＦＰ、目標空気充填量（シリンダ１１内の空気充填量ＣＥの目標値）ＣＥ_Ｄおよび点火時期ＳＡを算出する（ステップＳ３）。

そして、前記ステップＳ３で算出された目標空気充填量ＣＥ_Ｄと回転数Ｎ_ＥＮＧとに基づき、前記吸気バルブ２１の開タイミングＩＶＯの目標値θ_{ＩＶＯ＿Ｄ}を算出する（ステップＳ４）。また、前記算出された目標空気充填量ＣＥ_Ｄと回転数Ｎ_ＥＮＧとに基づき、前記排気バルブ２２の閉タイミングＥＶＣの目標値θ_{ＥＶＣ＿Ｄ}を算出する（ステップＳ５）。さらに、前記算出された目標空気充填量ＣＥ_Ｄと回転数Ｎ_ＥＮＧとに基づき、前記スロットル弁５７の開度ＴＶＯの目標値である目標スロットル開度ＴＶＯ_Ｄを算出する（ステップＳ６）。前記吸気バルブ２１の開タイミングＩＶＯの目標値θ_{ＩＶＯ＿Ｄ}、排気バルブ２２の閉タイミングＥＶＣの目標値θ_{ＥＶＣ＿Ｄ}、および目標スロットル開度ＴＶＯ_Ｄの算出方法の詳細については後述する。

その後、算出された燃料噴射量ＦＰ、点火時期ＳＡ、吸気バルブ２１の開タイミングＩＶＯの目標値θ_{ＩＶＯ＿Ｄ}、排気バルブ２２の閉タイミングＥＶＣの目標値θ_{ＥＶＣ＿Ｄ}、スロットル弁５７の開度ＴＶＯの目標値ＴＶＯ_Ｄに基づき、これらの目標値が満足されるように各アクチュエータを駆動する（ステップＳ７）。具体的には、信号θ_{ＩＶＯ＿Ｄ}は吸気カムシャフト位相可変機構３２に出力される。そして、吸気カムシャフト３１のクランクシャフト１４に対する位相がθ_{ＩＶＯ＿Ｄ}に対応した値となるように、この吸気カムシャフト位相可変機構３２が動作する。信号θ_{ＥＶＣ＿Ｄ}は排気カムシャフト位相可変機構４２に出力される。そして、排気カムシャフト４１のクランクシャフト１４に対する位相がθ_{ＥＶＣ＿Ｄ}に対応した値となるように、この排気カムシャフト位相可変機構４２が動作する。信号ＴＶＯ_Ｄはスロットルアクチュエータ５８に出力される。そして、スロットル弁５７の開度ＴＶＯがＴＶＯ_Ｄに対応した値となるように、前記スロットルアクチュエータ５８が動作する。信号ＦＰは、燃料システム５４に出力される。１気筒サイクル当りＦＰに対応した量の燃料が燃料噴射弁５３から噴射される。そして、信号ＳＡは、点火システム５２に出力される。気筒サイクル中のＳＡに対応した時期に、点火プラグ５１が発火して、燃焼室１７内の混合気を着火する。これにより、必要とされる量の空気、燃料からなる混合気を、適切な時期に着火して燃焼させることで、主に前記アクセルペダルの踏み込み量αから求められる目標トルクがエンジン本体１から発生される。

次に、この前記吸気バルブ２１の開タイミングＩＶＯの目標値θ_{ＩＶＯ＿Ｄ}、前記排気バルブ２２の閉タイミングＥＶＣの目標値θ_{ＥＶＣ＿Ｄ}およびスロットル開度ＴＶＯの目標値である目標スロットル開度ＴＶＯ_Ｄの計算方法すなわち吸気バルブ２１、排気バルブ２２およびスロットル弁５７の具体的な制御方法について説明する。なお、以下の説明の中で吸気バルブ２１および排気バルブ２２の開閉タイミング等についての時期及び期間を表す数値はクランク角によるものであり、また、ＢＴＤＣは上死点前を意味し、ＡＴＤＣは上死点後を意味する。

エンジンの回転数Ｎ_ＥＮＧが第１回転数（第１速度）Ｎ１以下の低回転領域と、エンジンの回転数が第１回転数Ｎ１より高い高回転領域であって目標空気充填量ＣＥ_Ｄが第１基準空気量ＣＥ_Ｄ＿ｂａｓｅ１（請求項５における基準空気量）よりも小さい領域（図３の領域Ａ）では、上死点後に排気バルブ２２が閉じ、この排気バルブ２２が閉じた後に吸気バルブ２１が開くように制御される。すなわち、この領域Ａでは、図７の（ａ）および（ｂ）に示すように、排気バルブ２２の閉タイミングＥＶＣが上死点後に制御されるとともに吸気バルブ２１の開タイミングＩＶＯが前記排気バルブ２２の閉タイミングＥＶＣよりも遅角側に制御されて、これら吸気バルブ２１と排気バルブ２２の開弁期間にオーバーラップがないように制御される。以下では、このような開弁期間にオーバーラップがない状態をネガティブオーバーラップ状態とよび、このネガティブオーバーラップ状態における排気バルブ２２の閉タイミングＥＶＣから吸気バルブ２１の開タイミングＩＶＯまでの期間をネガティブオーバーラップ期間と呼ぶ。

前記ネガティブオーバーラップ状態では前記シリンダ１１は略密閉される。この略密閉された状態でピストン１５が下降すると、シリンダ１１内の圧力はシリンダ１１の容積の増加に伴って低下していき、前記ネガティブオーバーラップの終了時点すなわち前記吸気バルブ２１の開弁時点で、シリンダ１１内の圧力は十分に低下する。その結果、前記吸気バルブ２１が開くと、シリンダ１１と吸気通路との差圧により吸気通路からシリンダ１１へ高い流速で空気が流入する。このように、ネガティブオーバーラップが設けられると、シリンダ１１内へのガスの流速が高められてシリンダ１１内でのガスの流動性が高い状態に維持される。

さらに、前記排気バルブ２２は上死点後すなわちピストンの下降途中に閉じられている。そのため、前記吸気バルブ２１の開弁時におけるシリンダ１１内の圧力は容易に負圧となり、前記ガスの流動性はより確実に高められる。

このようにして、前記領域Ａ、すなわち、エンジン回転数Ｎ_ＥＮＧが低くシリンダ１１内のガスの流動性が低くなりやすい領域とエンジン回転数Ｎ_ＥＮＧは高いが空気充填量ＣＥ_Ｄが小さく燃焼が安定しにくい領域では、前記ネガティブオーバーラップによりガスの流動性が高められて自着火の発生が抑制されるとともに燃焼安定性が高められる。また、前記排気バルブ２２が上死点後に閉じられており、残留ガスの圧縮によるポンプ損失の低減すなわち機関効率の悪化を回避することができる。前記第１回転数Ｎ１は例えば１０００ｒｐｍ程度に設定すればよい。

前記領域Ａにおけるより詳細な制御方法について説明する。

前記領域Ａのうち目標空気充填量ＣＥ_Ｄが第２基準空気量ＣＥ_Ｄ＿ｂａｓｅ２より小さい領域（図４等の領域Ａ１）では、前記吸気バルブ２１の開タイミングＩＶＯおよび前記排気バルブ２２の閉タイミングＥＶＣは、それぞれ運転条件によらず前記ネガティブオーバーラップが生じる値で一定に制御される（図４および図５参照）。例えば、図７の（ａ）に示すように、排気バルブ２２の閉タイミングＥＶＣがＡＴＤＣ５℃Ａ付近に制御され、吸気バルブ２１の開タイミングＩＶＯがＡＴＤＣ３５℃Ａ付近に制御され、ネガティブオーバーラップが約３０℃Ａに制御される。ここで、図４は、エンジンの回転数Ｎ_ＥＮＧと目標空気充填量ＣＥ_Ｄとに対する吸気バルブ２１の開タイミングＩＶＯの例を示したものであり、矢印の先にいくほど開タイミングＩＶＯが進角することを示している。また、図５は、エンジンの回転数Ｎ_ＥＮＧと目標空気充填量ＣＥ_Ｄとに対する排気バルブ２２の閉タイミングＥＶＣの例を示したものであり、矢印の先にいくほど閉タイミングＥＶＣが遅角することを示している。また、前記吸気バルブ２１の閉タイミングＩＶＣの制御値は、特に限定されるものではないが、例えば、ＡＢＤＣ１００℃Ａ付近であってシリンダ１１内の空気が吸気通路側へ吹き返すタイミングに制御すれば、シリンダ１１内の空気充填量ＣＥを目標空気充填量ＣＥ_Ｄに合わせて十分に小さく抑えることができる。

そして、前記領域Ａ１では、図６に示すように、目標空気充填量ＣＥ_Ｄの増大に伴い前記スロットル開度ＴＶＯが開き側、すなわち、吸気通路の開口面積が大きくなる側に制御されることで、シリンダ１１内の空気充填量ＣＥが適切に制御される。図６は、エンジンの回転数Ｎ_ＥＮＧと目標空気充填量ＣＥ_Ｄとに対するスロットル開度ＴＶＯの例を示したものであり、矢印の先にいくほどスロットル開度ＴＶＯが開き側に制御されることを示している。ただし、後述するように、目標空気充填量ＣＥ_Ｄが前記第２基準空気量ＣＥ_Ｄ＿ｂａｓｅ２より大きい領域（図６の領域Ｃ）では、スロットル開度ＴＶＯはエンジンの回転数Ｎ_ＥＮＧ毎に一定に制御されており、図６の領域Ｃにおける両端矢印の線はスロットル開度ＴＶＯが一定であることを示している。

前記領域Ａのうち，エンジンの回転数Ｎ_ＥＮＧが前記第１回転数Ｎ１より小さく、かつ、目標空気充填量ＣＥ_Ｄが前記第２基準空気量ＣＥ_Ｄ＿ｂａｓｅ２より大きい領域（図４等の領域Ａ２）では、前記排気バルブ２２の閉タイミングＥＶＣは一定に制御される一方、前記吸気バルブ２１の開タイミングＩＶＯは目標空気充填量ＣＥ_Ｄの増加に伴って進角側に制御される。この吸気バルブ２１の開タイミングＩＶＯは、例えば、前記領域Ａ１においてＡＴＤＣ３５℃Ａ付近であったものが、全負荷において図７の（ｂ）に示すようにＡＴＤＣ１５℃Ａ付近にまで進角される。このように、この領域Ａ２では、目標空気充填量ＣＥ_Ｄの増加に伴い、吸気バルブ２１の開タイミングＩＶＯが進角されることでネガティブオーバーラップ期間が短く制御される。換言すると、この領域Ａ２では、目標空気充填量ＣＥ_Ｄの減少とともに吸気バルブ２１の開タイミングＩＶＯを遅角して、ネガティブオーバーラップ期間が長く制御される。すなわち、目標空気充填量ＣＥ_Ｄが小さく、より燃焼が不安定になるほど、シリンダ１１内のガスの流動性が確保されるよう制御されており、エンジンシステム全体としての燃焼安定性がより確実に高められる。

前記領域Ａのうち、エンジンの回転数Ｎ_ＥＮＧが前記第１回転数Ｎ１より大きく、かつ、目標空気充填量ＣＥ_Ｄが前記第２基準空気量ＣＥ_Ｄ＿ｂａｓｅ２より大きい領域（図４等の領域Ａ３）では、目標空気充填量ＣＥ_Ｄの増加に伴って、前記排気バルブ２２の閉タイミングＥＶＣが遅角されるとともに、前記吸気バルブ２１の開タイミングＩＶＯが進角側に制御される。そして、目標空気充填量ＣＥ_Ｄが前記第２基準空気量ＣＥ_Ｄ＿ｂａｓｅ２となる条件で前記排気バルブ２２の閉タイミングＥＶＣと吸気バルブ２１の開タイミングＩＶＯとが一致して、ネガティブオーバーラップが０に制御される。

一方、エンジンの回転数Ｎ_ＥＮＧが前記第１回転数Ｎ１以上の高回転領域で、かつ、目標空気充填量ＣＥ_Ｄが基準目標空気充填量ＣＥ_Ｄ＿ｂａｓｅ１よりも大きい領域（図３の領域Ｂ）では、前記吸気バルブ２１と前記排気バルブ２２との開弁期間にオーバーラップが生じるように制御される。すなわち、排気バルブ２２の閉弁時期と同等あるいはそれよりも先に吸気バルブ２１が開くように制御される。この領域Ｂでは、エンジン回転数Ｎ_ＥＮＧおよび空気充填量ＣＥが十分に高いため、燃焼が安定するとともに自着火の可能性は低い。そこで、この領域では、前記オーバーラップを設けることでシリンダ１１内の空気量ひいてはエンジン本体１の出力を確保する。

この領域Ｂにおけるより詳細な制御方法について説明する。

前記領域Ｂのうちエンジンの回転数Ｎ_ＥＮＧが第２回転数Ｎ２より低い領域（図４等の領域Ｂ１）では、目標空気充填量ＣＥ_Ｄの増加に伴って、前記排気バルブ２２の閉タイミングＥＶＣが遅角側に制御されるとともに前記吸気バルブ２１の開タイミングＩＶＯが進角側に制御されて、排気バルブ２２と吸気バルブ２１とがよりオーバーラップする。また、エンジンの回転数Ｎ_ＥＮＧの増加に伴って、前記排気バルブ２２の閉タイミングＥＶＣが遅角側に制御されるとともに前記吸気バルブ２１の開タイミングＩＶＯが進角側に制御されて、排気バルブ２２と吸気バルブ２１とがよりオーバーラップする。例えば、エンジンの回転数Ｎ_ＥＮＧが第２回転数Ｎ２となる全負荷において、図７の（ｃ）に示すように、前記排気バルブ２２の閉タイミングＥＶＣがＡＴＤＣ２５℃Ａに制御され、前記吸気バルブ２１の開タイミングＩＶＯがＢＴＤＣ３０℃Ａに制御され、オーバーラップ期間が全運転条件の中で最大となる５５℃Ａに制御される。前記第２回転数Ｎ２は例えば２０００ｒｐｍ程度に設定すればよい。

このようにして領域Ｂ１では、エンジンの回転数Ｎ_ＥＮＧの増加および目標空気充填量ＣＥ_Ｄの増加に伴い前記オーバーラップ期間が増加することで、シリンダ１１内の掃気性が向上してシリンダ１１内への空気の導入が確保される。そして、これによりエンジン本体１の出力が確保される。また、掃気性が向上することでシリンダ１１内の残留ガスが小さく抑えられるので、高温の残留ガスすなわち内部ＥＧＲガスが増加することによるノッキングの発生が抑制される。

ここで、前記オーバーラップ期間を設けた場合には、前述のようにシリンダ１１内の掃気性の向上ひいては内部ＥＧＲガス量の低減という効果を得ることできるが、一方で、排気が吸気通路側に流入してしまう結果シリンダ１１内の内部ＥＧＲガス量をある程度以下には抑えられない場合がある。そのため、前記領域Ｂのうちエンジンの回転数Ｎ_ＥＮＧが第２回転数Ｎ２より高い領域（図４等の領域Ｂ２）では、エンジンの回転数Ｎ_ＥＮＧの増加に伴って、前記オーバーラップ期間を減少させることで内部ＥＧＲガス量を低減する。すなわち、排気が十分に終了した後に排気バルブ２２を閉じ吸気バルブ２１を開くことで、シリンダ１１内の残留ガス量を低減する。具体的には、この領域Ｂ２では、エンジンの回転数Ｎ_ＥＮＧの増加に伴って、前記排気バルブ２２の閉タイミングＥＶＣが進角側に制御されるとともに前記吸気バルブ２１の開タイミングＩＶＯが遅角側に制御されて、排気バルブ２２と吸気バルブ２１のオーバーラップ期間が減少される。例えば、エンジン回転数Ｎ_ＥＮＧがほぼ最大となる全負荷では、図７の（ｄ）に示すように、前記排気バルブ２２の閉タイミングＥＶＣがＡＴＤＣ１０℃Ａ付近に制御され、前記吸気バルブ２１の開タイミングＩＶＯがＡＴＤＣ１０℃Ａ付近に制御され、オーバーラップ期間がほぼ０に制御される。

このようにして、高回転高負荷領域である領域Ｂ２では、オーバーラップ期間が減少されることでシリンダ１１内の内部ＥＧＲガスが抑制されてシリンダ１１内に十分な新気が確保される。そして、これによりエンジン本体１の出力が確保される。

ここで、前記領域Ａ１を除くすべての領域（領域Ａ２，Ａ３，Ｂ１，Ｂ２）において、前記吸気バルブ２１の開タイミングＩＶＯは、目標空気充填量ＣＥ_Ｄの増加とともに進角される。前述のように、吸気バルブ２１の開弁期間は一定に保たれており、開タイミングＩＶＯが進角すると吸気バルブ２１の閉タイミングＩＶＣも進角する。そして、この吸気バルブ２１の閉タイミングＩＶＣが進角されると、前記吸気通路への空気の吹き返し量が減少することで、シリンダ１１内の空気充填量ＣＥは増大する。このようにして、前記領域１を除く領域では、前記吸気バルブ２１の開閉タイミングＩＶＯ，ＩＶＣが進角側に制御されることで、スロットル開度ＴＶＯを一定に保ちポンプ損失を抑制した状態でシリンダ１１内の空気充填量ＣＥが適切に維持される。

以上のような制御により、本エンジン本体１では、低回転領域および低負荷すなわち低目標空気充填量領域において吸気バルブ２１と排気バルブ２２とがネガティブオーバーラップ状態に制御されることで、シリンダ１１内のガスの流動性が高められ、自着火がより確実に抑制されるとともに燃焼の安定化が実現される。また、高回転領域および高負荷において吸気バルブ２１と排気バルブ２２とがオーバーラップ状態に制御されることで、シリンダ１１の空気充填量ＣＥが確保されエンジンの出力が確保される。

ここで、前記領域Ｂ２の制御を領域Ｂ１の制御と同様にしてもよい。すなわち、前記吸気バルブ２１と排気バルブ２２のオーバーラップによる掃気性の向上効果の方が、前記オーバーラップによる内部ＥＧＲの影響よりも大きくなるようなエンジンでは、回転数の増加とともに前記オーバーラップを増加させて新気量を確保するようにしてもよい。

また、前記吸気バルブ２１と排気バルブ２２のネガティブオーバーラップを設ける領域をエンジンの回転数がＮ１以下となる領域のみとしてもよい。ただし、回転数に関わらず目標空気充填量ＣＥ_Ｄが小さい運転領域では燃焼が不安定になりやすいので、全ての回転数において目標空気充填量ＣＥ_Ｄが小さい運転領域に前記ネガティブオーバーラップを設ければ、燃焼安定性を高めることができ有効である。

また、各種アクチュエータの詳細な構造は前記に限らない。

また、前記吸気バルブ２１の閉タイミングＩＶＯ、排気バルブ２２の閉タイミングＥＶＣ、第１回転数Ｎ１，第２回転数Ｎ２等の具体的な値は前記に限らない。

本発明に係る内燃機関の吸気弁制御方法が適用されるエンジンシステムの全体構造の概略図である。本発明に係る制御方法の制御手順を説明するためのフローチャートである。吸気バルブと排気バルブの制御領域を示す図である。回転数と目標空気充填量に対する吸気バルブの開タイミングを示す図である。回転数と目標空気充填量に対する排気バルブの閉タイミングを示す図である。回転数と目標空気充填量に対するスロットル弁の開度を示す図である。（ａ）低負荷領域でのバルブタイミングを示す図である。（ｂ）低回転領域でのバルブタイミングを示す図である。（ｃ）高負荷中回転領域でのバルブタイミングを示す図である。（ｄ）高負荷高回転領域でのバルブタイミングを示す図である。

符号の説明

１エンジン本体
１１シリンダ（気筒）
１４クランクシャフト
１７燃焼室
２１吸気バルブ（吸気弁）
２２排気バルブ（吸気弁）
３０吸気弁駆動機構（弁駆動機構）
４０排気弁駆動機構（弁駆動機構）
１００エンジン制御器（制御手段）

Claims

往復動するピストンを収容するとともに燃焼室を形成する気筒と、前記気筒内へ導入される空気が通過する吸気通路と、前記吸気通路から前記気筒内への空気の流入を遮断する吸気弁と、前記気筒内から排出される排気が通過する排気通路と、前記気筒内から前記排気通路への排気の流出を遮断する排気弁とを有する内燃機関の制御方法であって、
前記内燃機関の回転速度が予め設定された第１速度以下となる運転領域では、全ての負荷領域において、前記排気弁を上死点後に閉じた後で前記吸気弁を開く一方、前記内燃機関の回転速度が前記第１速度より大きい速度となる運転領域では、少なくとも全負荷において、前記排気弁を閉じる前に前記吸気弁を開くとともに、
前記内燃機関の回転速度が前記第１速度以下となる運転領域では、前記気筒内に導入される空気量の目標値である目標空気充填量が小さくなるほど、前記排気弁を閉じてから吸気弁が開くまでの期間を長くすることを特徴とする内燃機関の制御方法。
請求項１に記載の内燃機関の制御方法であって、
前記内燃機関の回転速度が前記第１速度より大きな第２速度以上となる運転領域では、前記内燃機関の回転速度が大きくなるほど、前記排気弁と前記吸気弁とがいずれも開いている期間を短くすることを特徴とする内燃機関の制御方法。
請求項１または２に記載の内燃機関の制御方法であって、
前記内燃機関の回転速度が前記第１速度より大きい速度となる運転領域のうち、前記目標空気充填量が予め設定された基準空気量よりも小さい運転領域では、前記排気弁を閉じた後で前記吸気弁を上死点後に開くことを特徴とする内燃機関の制御方法。
請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関の制御方法であって、
前記内燃機関の回転速度が前記第１速度より大きい速度となる運転領域における前記吸気弁の開弁時期を、前記内燃機関の回転速度が前記第１速度以下となる運転領域における前記吸気弁の開弁時期よりも進角側に制御するとともに、前記内燃機関の回転速度が前記第１速度より大きい速度となる運転領域における前記排気弁の閉弁時期を、前記内燃機関の回転速度が前記第１速度以下となる運転領域における前記排気弁の閉弁時期よりも遅角側に制御することを特徴とする内燃機関の制御方法。
往復動するピストンを収容するとともに燃焼室を形成する気筒と、前記気筒内へ導入される空気が通過する吸気通路と、前記吸気通路から前記気筒内への空気の流入を遮断する吸気弁と、前記気筒内から排出される排気が通過する排気通路と、前記気筒内から前記排気通路への排気の流出を遮断する排気弁とを有する内燃機関の制御システムであって、
前記吸気弁および排気弁を周期的に開閉させる弁駆動機構と、
前記弁駆動機構を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記内燃機関の回転速度が予め設定された第１速度以下となる運転領域では、全ての負荷領域において、前記排気弁が上死点後に閉じるとともに、当該排気弁が閉じた後で前記吸気弁が開くよう前記弁駆動機構を制御する一方、前記内燃機関の回転速度が前記第１速度より大きい速度となる運転領域では少なくとも全負荷において、前記排気弁が閉じる前に前記吸気弁が開くよう前記弁駆動機構を制御するとともに、
前記制御手段は、前記内燃機関の回転速度が前記第１速度以下となる運転領域において、前記気筒内に導入される空気量の目標値である目標空気充填量が小さくなるほど、前記排気弁を閉じてから吸気弁が開くまでの期間が長くなるように前記弁駆動機構を制御することを特徴とする内燃機関の制御システム。
請求項５に記載の内燃機関の制御システムであって、
前記内燃機関の気筒の幾何学的圧縮比が１３以上であることを特徴とする内燃機関の制御システム。