JP6241678B2

JP6241678B2 - エンジンの制御装置

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Publication number: JP6241678B2
Application number: JP2015100202A
Authority: JP
Inventors: 孝幸疋田; 沙織水野; 賢也末岡; 橋口　匡; 匡橋口
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2015-05-15
Filing date: 2015-05-15
Publication date: 2017-12-06
Anticipated expiration: 2035-05-15
Also published as: JP2016217183A

Description

本発明は、エンジンの制御装置に係わり、特に、気筒の排気行程から吸気行程において吸気弁及び排気弁の双方を閉じる負のオーバーラップ期間を設けて、既燃ガスを気筒内に残留させるようにしたエンジンの制御装置に関する。

従来、予混合圧縮自己着火（Homogeneous-Charge Compression Ignition：ＨＣＣＩ）による圧縮着火燃焼を行うエンジンが知られている。このＨＣＣＩ燃焼を行うエンジンでは、気筒の排気行程から吸気行程において吸気弁及び排気弁の双方を閉じる負のオーバーラップ期間を設けて、既燃ガスを気筒内に残留させるとともに、吸気行程中に排気弁を開閉して既燃ガスを気筒内に逆流させることにより燃焼室内の混合ガスの温度を上昇させる、いわゆる内部ＥＧＲシステムを利用している（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−１７４４３２号公報

ところで、ＨＣＣＩ燃焼を行うエンジンでは、高い熱効率を達成しつつ、燃焼音の抑制や燃焼安定性の確保を実現するために、エンジンの負荷に応じて着火時期を適切に制御する必要がある。
そこで、気筒内に導入された総ガス量のうち、気筒内に残留した既燃ガスが占める割合（内部ＥＧＲ率）をエンジンの運転状態（エンジンの回転数や負荷等）に応じて変化させることにより、着火時期を制御することが検討されている。この場合、着火時期を適切に制御するためには、内部ＥＧＲ率を広い範囲（例えば２０％〜８０％）で変化させることが要求される。

しかしながら、上述したような従来のエンジンの制御装置は、可変バルブタイミング機構により排気弁の閉弁時期及び吸気弁の開弁時期を制御して負のオーバーラップ期間を設けるとともに、可変バルブリフト機構を用いて吸気弁の開弁期間中に排気弁を開弁させるものであり、内部ＥＧＲ率の制御応答性は可変バルブタイミング機構や可変バルブリフト機構の応答性に依存するので、制御応答性を満足させながら内部ＥＧＲ率を広い範囲で変化させることは困難である。

本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、エンジン負荷の変化に対して、高い制御応答性を確保しつつ、広い範囲で内部ＥＧＲ率を変化させることができ、ＨＣＣＩ燃焼における着火時期を適切に制御することができる、エンジンの制御装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明のエンジンの制御装置は、気筒の排気行程から吸気行程において吸気弁及び排気弁の双方を閉じる負のオーバーラップ期間を設けて、既燃ガスを気筒内に残留させるようにしたエンジンの制御装置であって、吸気行程において、吸気弁の開弁時期以降に排気弁を開弁させる排気側可変バルブ機構と、吸気弁及び排気弁のバルブタイミングを変化させる可変バルブタイミング機構と、エンジンの運転状態に応じた既燃ガス要求量に基づき可変バルブタイミング機構を制御して、吸気弁及び排気弁のバルブタイミングを変化させる可変バルブ機構制御手段とを有し、可変バルブ機構制御手段は、既燃ガス要求量が所定値以上である場合、可変バルブタイミング機構により、吸気弁の閉弁時期と吸気行程における排気弁の閉弁時期とを略一致させ、既燃ガス要求量が所定値未満である場合、既燃ガス要求量が少なくなるほど、可変バルブタイミング機構により、排気弁の閉弁時期を遅角させると共に吸気弁の開弁時期を進角させることにより負のオーバーラップ期間を短縮し、かつ、吸気行程における排気弁の開弁時期及び閉弁時期を遅角させ、既燃ガス要求量が大きくなるほど、吸気下死点に向かって、吸気弁の閉弁時期を遅角させると共に吸気行程における排気弁の閉弁時期を進角させることを特徴とする。
このように構成された本発明においては、可変バルブ機構制御手段は、既燃ガス要求量が所定値未満に減少した場合、負のオーバーラップ期間の短縮により気筒内に残留する既燃ガス量を減少させることに加えて、吸気弁の開弁によって気筒内にある程度空気が充填された状態で吸気行程における排気弁の開弁が行われるようにし、吸気行程における排気弁の開弁により気筒内に取り込まれる既燃ガス量を抑制することができ、これにより、可変バルブタイミング機構の作動量に応じた内部ＥＧＲ率の変化量を大きくすることができる。したがって、可変バルブタイミング機構の他に新たな機構を設けることなく、エンジン負荷の変化に対して、高い制御応答性を確保しつつ広い範囲で内部ＥＧＲ率を変化させることができ、ＨＣＣＩ燃焼における着火時期を適切に制御することができる。

また、本発明において、好ましくは、可変バルブ機構制御手段は、既燃ガス要求量が所定値以上である場合、可変バルブタイミング機構により、吸気弁の閉弁時期と吸気行程における排気弁の閉弁時期とを吸気行程の下死点近傍で略一致させる。
このように構成された本発明においては、吸気行程において排気弁を開弁させる期間を吸気行程期間内に収めることができ、これにより、既燃ガス要求量が所定値以上である場合、吸気行程における排気弁の開弁により気筒内に取り込まれる既燃ガス量を最大化することができる。したがって、エンジン負荷の変化に対して広い範囲で内部ＥＧＲ率を変化させることができる。

また、本発明において、好ましくは、可変バルブ機構制御手段は、可変バルブタイミング機構により、排気行程における排気弁の閉弁時期から排気行程の上死点までの期間と、排気行程の上死点から吸気弁の開弁時期までの期間とを等しくする。
このように構成された本発明においては、排気弁の閉弁時期から排気行程の上死点までの圧縮仕事を、排気行程の上死点から吸気弁の開弁時期までの膨張仕事によって相殺することができ、負のオーバーラップ期間を設けることによるポンピングロスを小さくすることができる。

本発明によるエンジンの制御装置によれば、エンジン負荷の変化に対して、高い制御応答性を確保しつつ広い範囲で内部ＥＧＲ率を変化させることができ、ＨＣＣＩ燃焼における着火時期を適切に制御することができる。

本発明の実施形態によるエンジンの制御装置が適用されたエンジンの概略構成図である。本発明の実施形態によるエンジンの制御装置に関する電気的構成を示すブロック図である。本発明の実施形態によるエンジンの運転領域の説明図である。本発明の実施形態によるエンジンの要求内部ＥＧＲ率を示す線図である。本発明の実施形態による吸気弁及び排気弁のリフトカーブを示す線図であり、（ａ）は負のオーバーラップ期間の最大時、（ｂ）は負のオーバーラップ期間の最小時における吸気弁及び排気弁のリフトカーブを示している。本発明の実施形態によるエンジンのスロットル開度の制御カーブを示す線図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置を説明する。

［装置構成］
図１は、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置が適用されたエンジン（エンジン本体）１の概略構成を示し、図２は、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置を示すブロック図である。

エンジン１は、車両に搭載されると共に、少なくともガソリンを含有する燃料が供給されるガソリンエンジンである。エンジン１は、複数の気筒１８が設けられたシリンダブロック１１（なお、図１では、１つの気筒のみを図示するが、例えば４つの気筒が直列に設けられる）と、このシリンダブロック１１上に配設されたシリンダヘッド１２と、シリンダブロック１１の下側に配設され、潤滑油が貯留されたオイルパン１３とを有している。各気筒１８内には、コンロッド１４２を介してクランクシャフト１５と連結されているピストン１４が往復動可能に嵌挿されている。ピストン１４の頂面には、ディーゼルエンジンでのリエントラント型のようなキャビティ１４１が形成されている。キャビティ１４１は、ピストン１４が圧縮上死点付近に位置するときには、後述するインジェクタ６７に相対する。シリンダヘッド１２と、気筒１８と、キャビティ１４１を有するピストン１４とは、燃焼室１９を画定する。なお、燃焼室１９の形状は、図示する形状に限定されるものではない。例えばキャビティ１４１の形状、ピストン１４の頂面形状、及び、燃焼室１９の天井部の形状等は、適宜変更することが可能である。

このエンジン１は、理論熱効率の向上や、後述する圧縮着火燃焼の安定化等を目的として、１５以上の比較的高い幾何学的圧縮比に設定されている。なお、幾何学的圧縮比は１５以上２０以下程度の範囲で、適宜設定すればよい。

シリンダヘッド１２には、気筒１８毎に、吸気ポート１６及び排気ポート１７が形成されていると共に、これら吸気ポート１６及び排気ポート１７には、燃焼室１９側の開口を開閉する吸気弁２１及び排気弁２２がそれぞれ配設されている。

吸気弁２１及び排気弁２２をそれぞれ駆動する動弁系の内、排気側には、排気弁２２の作動モードを通常モードと特殊モードとに切り替える、例えば油圧作動式の可変バルブリフト機構（図２参照。以下、ＶＶＬ（Variable Valve Lift）と称する）７１と、クランクシャフト１５に対する排気カムシャフトの回転位相を変更することが可能な位相可変機構（以下、ＶＶＴ（Variable Valve Timing）と称する）７５と、が設けられている。ＶＶＬ７１は、その構成の詳細な図示は省略するが、カム山を一つ有する第１カムとカム山を２つ有する第２カムとの、カムプロフィールの異なる２種類のカム、及び、その第１及び第２カムのいずれか一方のカムの作動状態を選択的に排気弁２２に伝達するカムシフティング機構を含んで構成されている。第１カムの作動状態を排気弁２２に伝達しているときには、排気弁２２は、排気行程中において一度だけ開弁される通常モードで作動するのに対し、第２カムの作動状態を排気弁２２に伝達しているときには、排気弁２２が、排気行程中において開弁すると共に、吸気行程中においても開弁するような、いわゆる排気の二度開きを行う特殊モードで作動する。ＶＶＬ７１の通常モードと特殊モードとは、エンジンの運転状態に応じて切り替えられる。具体的には、特殊モードは、内部ＥＧＲに係る制御の際に利用される。なお、排気弁２２を電磁アクチュエータによって駆動する電磁駆動式の動弁系を採用してもよい。

ＶＶＴ７５は、液圧式、電磁式又は機械式の公知の構造を適宜採用すればよく、その詳細な構造についての図示は省略する。排気弁２２は、ＶＶＴ７５によって、その開弁時期及び閉弁時期を、所定の範囲内で連続的に変更可能である。

ＶＶＬ７１及びＶＶＴ７５を備えた排気側の動弁系と同様に、吸気側には、図２に示すように、ＶＶＬ７４とＶＶＴ７２とが設けられている。吸気側のＶＶＬ７４は、排気側のＶＶＬ７１とは異なる。吸気側のＶＶＬ７４は、吸気弁２１のリフト量を相対的に大きくする大リフトカムと、吸気弁２１のリフト量を相対的に小さくする小リフトカムとの、カムプロフィールの異なる２種類のカム、及び、大リフトカム及び小リフトカムのいずれか一方のカムの作動状態を選択的に吸気弁２１に伝達するカムシフティング機構を含んで構成されている。ＶＶＬ７４が大リフトカムの作動状態を吸気弁２１に伝達しているときには、吸気弁２１は、相対的に大きいリフト量で開弁すると共に、その開弁期間も長くなる。これに対し、ＶＶＬ７４が小リフトカムの作動状態を吸気弁２１に伝達しているときには、吸気弁２１は、相対的に小さいリフト量で開弁すると共に、その開弁期間も短くなる。大リフトカムと小リフトカムとは、閉弁時期又は開弁時期を同じにして切り替わるように設定されている。

吸気側のＶＶＴ７２は、排気側のＶＶＴ７５と同様に、液圧式、電磁式又は機械式の公知の構造を適宜採用すればよく、その詳細な構造についての図示は省略する。吸気弁２１もまた、ＶＶＴ７２によって、その開弁時期及び閉弁時期を、所定の範囲内で連続的に変更可能である。なお、吸気側にＶＶＬ７４を適用せずに、ＶＶＴ７２のみを適用し、吸気弁２１の開弁時期及び閉弁時期のみを変更するようにしてもよい。

シリンダヘッド１２にはまた、気筒１８毎に、気筒１８内に燃料を直接噴射する（直噴）インジェクタ６７が取り付けられている。インジェクタ６７は、その噴口が燃焼室１９の天井面の中央部分から、その燃焼室１９内に臨むように配設されている。インジェクタ６７は、エンジン１の運転状態に応じて設定された噴射タイミングでかつ、エンジン１の運転状態に応じた量の燃料を、燃焼室１９内に直接噴射する。この例において、インジェクタ６７は、詳細な図示は省略するが、複数の噴口を有する多噴口型のインジェクタである。これによって、インジェクタ６７は、燃料噴霧が、燃焼室１９の中心位置から放射状に広がるように、燃料を噴射する。ピストン１４が圧縮上死点付近に位置するタイミングで、燃焼室１９の中央部分から放射状に広がるように噴射された燃料噴霧は、ピストン頂面に形成されたキャビティ１４１の壁面に沿って流動する。キャビティ１４１は、ピストン１４が圧縮上死点付近に位置するタイミングで噴射された燃料噴霧を、その内部に収めるように形成されている、と言い換えることが可能である。この多噴口型のインジェクタ６７とキャビティ１４１との組み合わせは、燃料の噴射後、混合気形成期間を短くすると共に、燃焼期間を短くする上で有利な構成である。なお、インジェクタ６７は、多噴口型のインジェクタに限定されず、外開弁タイプのインジェクタを採用してもよい。

図外の燃料タンクとインジェクタ６７との間は、燃料供給経路によって互いに連結されている。この燃料供給経路上には、燃料ポンプ６３とコモンレール６４とを含みかつ、インジェクタ６７に、比較的高い燃料圧力で燃料を供給することが可能な燃料供給システム６２が介設されている。燃料ポンプ６３は、燃料タンクからコモンレール６４に燃料を圧送し、コモンレール６４は圧送された燃料を、比較的高い燃料圧力で蓄えることが可能である。インジェクタ６７が開弁することによって、コモンレール６４に蓄えられている燃料がインジェクタ６７の噴口から噴射される。ここで、燃料ポンプ６３は、図示は省略するが、プランジャー式のポンプであり、エンジン１によって駆動される。このエンジン駆動のポンプを含む構成の燃料供給システム６２は、３０ＭＰａ以上の高い燃料圧力の燃料を、インジェクタ６７に供給することを可能にする。燃料圧力は、最高で１２０ＭＰａ程度に設定してもよい。インジェクタ６７に供給される燃料の圧力は、後述するように、エンジン１の運転状態に応じて変更される。なお、燃料供給システム６２は、この構成に限定されるものではない。

シリンダヘッド１２にはまた、燃焼室１９内の混合気に強制点火する点火プラグ２５が取り付けられている。点火プラグ２５は、この例では、エンジン１の排気側から斜め下向きに延びるように、シリンダヘッド１２内を貫通して配置されている。点火プラグ２５の先端は、圧縮上死点に位置するピストン１４のキャビティ１４１内に臨んで配置される。

エンジン１の一側面には、図１に示すように、各気筒１８の吸気ポート１６に連通するように吸気通路３０が接続されている。一方、エンジン１の他側面には、各気筒１８の燃焼室１９からの既燃ガス（排気ガス）を排出する排気通路４０が接続されている。

吸気通路３０の上流端部には、吸入空気を濾過するエアクリーナ３１が配設され、その下流側には、各気筒１８への吸入空気量を調節するスロットル弁３６が配設されている。また、吸気通路３０における下流端近傍には、サージタンク３３が配設されている。このサージタンク３３よりも下流側の吸気通路３０は、気筒１８毎に分岐する独立通路とされ、これら各独立通路の下流端が各気筒１８の吸気ポート１６にそれぞれ接続されている。

吸気通路３０におけるスロットル弁３６とサージタンク３３との間には、気筒１８に導入する新気にオゾンを添加するオゾン発生器（Ｏ₃発生器）７６が介設されている。オゾン発生器７６は、吸気に含まれる酸素を原料ガスとして、無声放電によりオゾンを生成する。つまり、電極に対して、図外の電源から高周波交流高電圧を印加することにより、放電間隙において無声放電が発生し、そこを通過する空気（つまり、吸気）がオゾン化される。こうしてオゾンが添加された吸気は、サージタンク３３から吸気ポート１６を介して、各気筒１８内に導入される。オゾン発生器７６の電極に対する電圧の印加態様を変更する、及び／又は、電圧を印加する電極の数を変更することによって、オゾン発生器７６を通過した後の、吸気中のオゾン濃度を調整することが可能である。ＰＣＭ１０は、こうしたオゾン発生器７６に対する制御を通じて、気筒１８内に導入する吸気中のオゾン濃度の調整を行う。

排気通路４０の上流側の部分は、気筒１８毎に分岐して排気ポート１７の外側端に接続された独立通路と該各独立通路が集合する集合部とを有する排気マニホールドによって構成されている。この排気通路４０における排気マニホールドよりも下流側には、排気ガス中の有害成分を浄化する排気浄化装置として、直キャタリスト４１とアンダーフットキャタリスト４２とがそれぞれ接続されている。直キャタリスト４１及びアンダーフットキャタリスト４２はそれぞれ、筒状ケースと、そのケース内の流路に配置した、例えば三元触媒とを備えて構成されている。

吸気通路３０におけるサージタンク３３とスロットル弁３６との間の部分と、排気通路４０における直キャタリスト４１よりも上流側の部分とは、排気ガスの一部を吸気通路３０に還流するためのＥＧＲ通路５０を介して接続されている。このＥＧＲ通路５０は、排気ガスをエンジン冷却水によって冷却するためのＥＧＲクーラ５２が配設された主通路５１を含んで構成されている。主通路５１には、排気ガスの吸気通路３０への還流量を調整するためのＥＧＲ弁５１１が配設されている。

エンジン１は、パワートレイン・コントロール・モジュール（以下、ＰＣＭという）１０によって制御される。ＰＣＭ１０は、ＣＰＵ、メモリ、カウンタタイマ群、インターフェース及びこれらのユニットを接続するパスを有するマイクロプロセッサで構成されている。このＰＣＭ１０が制御器を構成する。

ＰＣＭ１０には、図１、２に示すように、各種のセンサＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ４〜ＳＷ１８の検出信号が入力される。具体的には、ＰＣＭ１０には、エアクリーナ３１の下流側で、新気の流量を検出するエアフローセンサＳＷ１の検出信号と、新気の温度を検出する吸気温度センサＳＷ２の検出信号と、ＥＧＲ通路５０における吸気通路３０との接続部近傍に配置されかつ、外部ＥＧＲガスの温度を検出するＥＧＲガス温センサＳＷ４の検出信号と、吸気ポート１６に取り付けられかつ、気筒１８内に流入する直前の吸気の温度を検出する吸気ポート温度センサＳＷ５の検出信号と、シリンダヘッド１２に取り付けられかつ、気筒１８内の圧力を検出する筒内圧センサＳＷ６の検出信号と、排気通路４０におけるＥＧＲ通路５０の接続部近傍に配置されかつ、それぞれ排気温度及び排気圧力を検出する排気温センサＳＷ７及び排気圧センサＳＷ８の検出信号と、直キャタリスト４１の上流側に配置されかつ、排気中の酸素濃度を検出するリニアＯ₂センサＳＷ９の検出信号と、直キャタリスト４１とアンダーフットキャタリスト４２との間に配置されかつ、排気中の酸素濃度を検出するラムダＯ₂センサＳＷ１０の検出信号と、エンジン冷却水の温度を検出する水温センサＳＷ１１の検出信号と、クランクシャフト１５の回転角を検出するクランク角センサＳＷ１２の検出信号と、車両のアクセルペダル（図示省略）の操作量に対応したアクセル開度を検出するアクセル開度センサＳＷ１３の検出信号と、吸気側及び排気側のカム角センサＳＷ１４、ＳＷ１５の検出信号と、燃料供給システム６２のコモンレール６４に取り付けられかつ、インジェクタ６７に供給する燃料圧力を検出する燃圧センサＳＷ１６の検出信号と、エンジン１の油圧を検出する油圧センサＳＷ１７の検出信号と、エンジン１の油温を検出する油温センサＳＷ１８の検出信号と、が入力される。

ＰＣＭ１０は、これらの検出信号に基づいて種々の演算を行うことによってエンジン１や車両の状態を判定し、これに応じてインジェクタ６７、点火プラグ２５、吸気弁側のＶＶＴ７２及びＶＶＬ７４、排気弁側のＶＶＴ７５及びＶＶＬ７１、燃料供給システム６２、各種の弁（スロットル弁３６、ＥＧＲ弁５１１）のアクチュエータ、並びに、オゾン発生器７６へ制御信号を出力する。こうしてＰＣＭ１０は、エンジン１を運転する。詳細は後述するが、ＰＣＭ１０は、本発明におけるエンジンの制御装置に相当し、可変バルブ機構制御手段及びスロットル制御手段として機能する。

［運転領域］
次に、図３を参照して、本発明の実施形態によるエンジンの運転領域について説明する。図３は、エンジン１の運転制御マップの一例を示している。このエンジン１は、燃費の向上や排気エミッション性能の向上を目的として、エンジン負荷が相対的に低い低負荷域では、点火プラグ２５による点火を行わずに、予混合圧縮自己着火（Homogeneous-Charge Compression Ignition：ＨＣＣＩ）による圧縮着火燃焼を行う。しかしながら、エンジン１の負荷が高くなるに従って、圧縮着火燃焼では、燃焼が急峻になりすぎてしまい、例えば燃焼騒音等の問題を引き起こすことになる。そこで、このエンジン１では、エンジン負荷が相対的に高い高負荷域では、圧縮着火燃焼を止めて、点火プラグ２５を利用した強制点火燃焼（ここでは火花点火燃焼（Spark Ignition：ＳＩ））に切り替える。このように、このエンジン１は、エンジン１の運転状態、特にエンジン１の負荷に応じて、予混合圧縮自己着火燃焼を行うＨＣＣＩモードと、火花点火燃焼を行うＳＩモードとを切り替えるように構成されている。但し、モード切り替えの境界線は、図例に限定されるものではない。

［要求内部ＥＧＲ率］
次に、図４を参照して、本発明の実施形態によるエンジンにおいて着火時期を適切に制御するために要求される内部ＥＧＲ率（要求内部ＥＧＲ率）について説明する。図４は、本発明の実施形態によるエンジン１の要求内部ＥＧＲ率を示す状態量マップであり、具体的には、エンジン回転数が２５００〜４０００ｒｐｍの場合における、エンジン負荷に応じた要求内部ＥＧＲ率の変化を示している。この図４において、横軸はエンジン負荷、縦軸は要求内部ＥＧＲ率を表している。
図４に例示したマップに相当する運転領域では、エンジン１は、エンジン負荷が６００ｋＰａ（ＩＭＥＰ）未満の低負荷域においてＨＣＣＩによる圧縮着火燃焼を行い、６００ｋＰａ（ＩＭＥＰ）以上の高負荷域においてＳＩによる火花点火燃焼を行う。

図４に示すように、ＨＣＣＩによる圧縮着火燃焼を行うＨＣＣＩ領域（エンジン負荷が６００ｋＰａ（ＩＭＥＰ）未満の領域）において、所定の低負荷Ｌ₁（図４では２００ｋＰａ（ＩＭＥＰ））未満の範囲では、要求内部ＥＧＲ率が８０％で一定となっている。また、負荷Ｌ₁からＨＣＣＩ領域における上限負荷Ｌ₃（図４では６００ｋＰａ（ＩＭＥＰ））までの範囲では、要求内部ＥＧＲ率は、エンジン負荷が高くなり必要な空気量が増加するにつれて低下し、上限負荷Ｌ₃において最低値２０％となる。すなわち、ＨＣＣＩ領域において着火時期を適切に制御するためには、内部ＥＧＲ率を２０％から８０％の範囲で変化させる必要がある。

［吸気弁及び排気弁の動作］
次に、図５を参照して、本発明の実施形態による吸気弁２１及び排気弁２２の動作を説明する。図５は、本発明の実施形態によるエンジン１がＨＣＣＩモードで運転を行うときの吸気弁２１及び排気弁２２のリフトカーブを示す線図であり、（ａ）は負のオーバーラップ期間の最大時、（ｂ）は負のオーバーラップ期間の最小時における吸気弁２１及び排気弁２２のリフトカーブを示している。

ＨＣＣＩ領域において、ＰＣＭ１０は、多量の既燃ガスによって気筒１８内の温度を高めるために、排気行程から吸気行程にかけて吸気弁２１及び排気弁２２の双方を閉じる負のオーバーラップ（ＮＶＯ：ＮｅｇａｔｉｖｅＶａｌｖｅＯｖｅｒｌａｐ）期間を要求内部ＥＧＲ率に応じて設定し、気筒１８内に残留する既燃ガス量を制御する。
具体的には、ＰＣＭ１０は、予め実験的に設定したマップを参照し、要求内部ＥＧＲ率を達成するためのＮＶＯ期間を決定し、そのＮＶＯ期間に基づいてＶＶＴ７２及びＶＶＴ７５を制御する。このＶＶＴ７２及びＶＶＴ７５の制御マップには、図５（ａ）に示すように、排気行程における排気弁２２の閉弁時期（ＥＶＣ１）から排気行程の上死点（排気ＴＤＣ）までの期間αと、排気ＴＤＣから吸気弁２１の開弁時期（ＩＶＯ）までの期間βとを等しくするように、すなわちＮＶＯ期間の中央が排気ＴＤＣとなるように、ＶＶＴ７２及びＶＶＴ７５の作動量が設定されている。このようにＮＶＯ期間の中央が排気ＴＤＣになるようにすることで、排気弁２２の閉弁時期（ＥＶＣ１）から排気ＴＤＣまでの圧縮仕事を、排気ＴＤＣから吸気弁２１の開弁時期（ＩＶＯ）までの膨張仕事によって相殺することができ、ＮＶＯ期間を設けることによるポンピングロスを小さくすることができる。

さらに、ＨＣＣＩ領域において、ＰＣＭ１０は、吸気行程中に排気弁２２を開弁させる排気の二度開きを行う。
具体的には、ＰＣＭ１０は、ＨＣＣＩ領域においてＶＶＬ７１を特殊モードで作動させることにより、カム山を２つ有する第２カムの作動状態を排気弁２２に伝達させる。この場合、図５（ａ）及び（ｂ）に破線で示すように、ＶＶＬ７１の第２カムは、排気行程中に排気弁２２を開弁させると共に、吸気行程において、吸気弁２１の開弁時期（ＩＶＯ）以降に開弁させる（ＥＶＯ２）ように設定されている。

特に、エンジン負荷が所定負荷Ｌ₂（図４では約３５０ｋＰａ（ＩＭＥＰ））以下である場合、すなわち要求内部ＥＧＲ率が負荷Ｌ₂に対応する所定値Ｒ₂（図４では約５８％）以上である場合、ＰＣＭ１０は、ＶＶＴ７２及びＶＶＴ７５により、ＮＶＯ期間を最大とし、且つ、吸気弁２１の閉弁時期（ＩＶＣ）と吸気行程における排気弁２２の閉弁時期（ＥＶＣ２）とを吸気行程の下死点（吸気ＢＤＣ）の近傍でほぼ一致させる。
これにより、ＮＶＯ期間を設けたことで気筒１８内に残留する既燃ガス量を最大化すると共に、排気弁２２の二度開きを行う期間を吸気行程期間内に収めることで、二度開きにより排気ポート１７から取り込まれる既燃ガス量を最大化する。

そして、ＰＣＭ１０は、エンジン負荷が所定負荷Ｌ₂より大きくなるほど、すなわち要求内部ＥＧＲ率が負荷Ｌ₂に対応する所定値Ｒ₂より少なくなるほど、図５（ｂ）に示すように、ＶＶＴ７５によって排気弁２２のバルブタイミングを遅角させることにより、排気行程における排気弁２２の閉弁時期（ＥＶＣ１）を遅角させ、且つ、吸気行程における排気弁２２の開弁時期（ＥＶＯ２）及び閉弁時期（ＥＶＣ２）を遅角させる。
また、ＰＣＭ１０は、エンジン負荷が所定負荷Ｌ₂より大きくなるほど、ＶＶＴ７２によって吸気弁２１のバルブタイミングを進角させることにより、吸気行程における吸気弁２１の開弁時期（ＩＶＯ）及び閉弁時期（ＩＶＣ）を進角させる。
ＨＣＣＩ領域における最大負荷Ｌ₃（図４では６００ｋＰａ（ＩＭＥＰ））である場合、すなわち要求内部ＥＧＲ率が負荷Ｌ₃に対応する負荷Ｒ₃（図４では２０％）である場合、図５（ｂ）に示すように、排気行程における排気弁２２の閉弁時期（ＥＶＣ１）及び吸気行程における吸気弁２１の開弁時期（ＩＶＯ）は、排気行程の上死点（排気ＴＤＣ）の近傍となる。

すなわち、要求内部ＥＧＲ率が所定値Ｒ₂より少なくなるほど、排気行程における排気弁２２の閉弁時期（ＥＶＣ１）を遅角させると共に吸気弁２１の開弁時期（ＩＶＯ）を進角させることによってＮＶＯ期間を短縮し、ＮＶＯ期間を設けたことで気筒１８内に残留する既燃ガス量を減少させる。
また、吸気弁２１の閉弁時期（ＩＶＣ）を進角させると共に吸気行程において開弁した排気弁２２の閉弁時期（ＥＶＣ２）を遅角させて、吸気行程において開弁した排気弁２２の閉弁時期（ＥＶＣ２）を吸気弁２１の閉弁時期（ＩＶＣ）よりも遅角させることにより、吸気弁２１が開弁している期間よりも排気弁２２の二度開きを行う期間を遅らせる。これにより、吸気弁２１の開弁によって気筒１８内にある程度空気が充填された状態で排気弁２２の二度開きが行われるようにし、二度開きにより排気ポート１７から取り込まれる既燃ガス量を抑制する。
さらに、排気行程における排気弁２２の（ＥＶＯ２）及び閉弁時期（ＥＶＣ２）を遅角させて、排気弁２２の二度開きが行われる期間をピストン１４の移動量が小さい吸気ＢＤＣ付近に遅角させることにより、排気弁２２の二度開きにより排気ポート１７から取り込まれる既燃ガス量を抑制する。

［スロットル弁の動作］
次に、図６を参照して、本発明の実施形態によるスロットル弁の動作を説明する。図６は、本発明の実施形態によるエンジン１のスロットル開度の制御カーブを示す線図である。

ＨＣＣＩ領域において、エンジン負荷が所定負荷Ｌ₂（図４及び図６では約３５０ｋＰａ（ＩＭＥＰ））より大きい場合、すなわち要求内部ＥＧＲ率が負荷Ｌ₂に対応する所定値Ｒ₂（図４では約５８％）未満である場合、図６に示すように、ＰＣＭ１０は、スロットル弁３６の開度を９５％に設定する。すなわち、要求内部ＥＧＲ率が所定値Ｒ₂未満の領域では、ＰＣＭ１０は、上述したようにＶＶＴ７２及びＶＶＴ７５により吸気弁２１及び排気弁２２のバルブタイミングを変化させることによって内部ＥＧＲ率を制御する。

一方、ＨＣＣＩ領域において、エンジン負荷が所定負荷Ｌ₂以下である場合、すなわち要求内部ＥＧＲ率が負荷Ｌ₂に対応する所定値Ｒ₂以上である場合、ＰＣＭ１０は、吸気弁２１及び排気弁２２のバルブタイミングを変化させず、ＮＶＯ期間及び排気弁２２の二度開き期間を一定に保持する。この場合、ＰＣＭ１０は、スロットル弁３６の開度を制御して気筒１８への吸入空気量を変化させることにより、内部ＥＧＲ率を制御する。

具体的には、図６に示すように、エンジン負荷がＬ₁（図４及び図６では２００ｋＰａ（ＩＭＥＰ））より大きくＬ₂以下である場合、すなわち要求内部ＥＧＲ率がＲ₂（図４では約５８％）以上Ｒ₁（図４では８０％）未満である場合、ＰＣＭ１０は、エンジン負荷が小さくなるほど、即ち要求内部ＥＧＲ率が増大するほど、スロットル弁３６の開度を９５％以下に小さくする。図６では、エンジン負荷がＬ₁まで小さくなると、ＰＣＭ１０はスロットル弁３６の開度を２０％まで減少させる。
このようにスロットル弁３６の開度を絞って気筒１８への吸入空気量を減少させることにより、吸気弁２１及び排気弁２２のバルブタイミングを変化させなくても内部ＥＧＲ率を増大させることができる。
また、上述したように、ＨＣＣＩ領域においては排気弁２２の二度開きを行っており、吸気行程中に吸気弁２１と排気弁２２が同時に開弁しているので、内部ＥＧＲ率を増大させるためにスロットル弁３６の開度を絞った場合でも吸入負圧の増大を抑制でき、吸気行程におけるポンピングロスの増大を防止できる。

また、エンジン負荷がＬ₁以下である場合、要求内部ＥＧＲ率はＲ₁（図４では８０％）で一定であるので、図６に示すように、ＰＣＭ１０はスロットル弁３６の開度を２０％に保持する。

なお、ＰＣＭ１０による吸気弁２１及び排気弁２２のバルブタイミングの制御及びスロットル弁３６の開度の制御は、必ずしも別々に行われるものではなく、同時に行われることもある。例えば、エンジン負荷がＬ₁からＬ₃まで急激に増大した場合、すなわち要求内部ＥＧＲ率がＲ₁からＲ₃まで急激に減少した場合、ＰＣＭ１０は、ＶＶＴ７５によって排気弁２２のバルブタイミングを遅角させ、ＶＶＴ７２によって吸気弁２１のバルブタイミングを進角させると同時に、スロットル弁３６の開度を増大させる。これにより、エンジン負荷が急激に変化した場合でも、高い応答性で内部ＥＧＲ率を大きく変化させることができる。

次に、本発明の実施形態のさらなる変形例を説明する。
まず、上述した実施形態では、ＶＶＬ７１は、油圧で作動し、カム山を一つ有する第１カムとカム山を２つ有する第２カムとの、カムプロフィールの異なる２種類のカム、及び、その第１及び第２カムのいずれか一方のカムの作動状態を選択的に排気弁２２に伝達するカムシフティング機構を含んで構成されていると説明したが、これとは異なる構成のＶＶＬを用いてもよく、電磁駆動や空気圧駆動のＶＶＬを用いてもよい。

また、上述した実施形態では、直列４気筒のエンジンを例としてＶＶＬ７１の切替指示が制限される切替指示制限角度範囲を説明したが、直列４気筒以外の多気筒エンジンについてもここに開示した技術を適用することができる。

次に、上述した本発明の実施形態及び本発明の実施形態の変形例によるエンジンの制御装置１の作用効果を説明する。

まず、ＰＣＭ１０は、要求内部ＥＧＲ率が所定値Ｒ₂以上である場合、ＶＶＴ７２及びＶＶＴ７５により、吸気弁２１の閉弁時期（ＩＶＣ）と吸気行程における排気弁２２の閉弁時期（ＥＶＣ２）とをほぼ一致させ、要求内部ＥＧＲ率が所定値Ｒ₂より少なくなるほど、ＮＶＯ期間を短縮し、かつ、吸気行程における排気弁２２の開弁時期（ＥＶＯ２）及び閉弁時期（ＥＶＣ２）を遅角させるので、要求内部ＥＧＲ率が所定値Ｒ₂未満に減少した場合、ＮＶＯ期間の短縮により気筒１８内に残留する既燃ガス量を減少させることに加えて、吸気弁２１の開弁によって気筒１８内にある程度空気が充填された状態で排気弁２２の二度開きが行われるようにし、二度開きにより排気ポート１７から取り込まれる既燃ガス量を抑制することができ、これにより、ＶＶＴ７２及びＶＶＴ７５の作動量に応じた内部ＥＧＲ率の変化量を大きくすることができる。したがって、ＶＶＴ７２及びＶＶＴ７５の他に新たな機構を設けることなく、エンジン負荷の変化に対して、高い制御応答性を確保しつつ広い範囲で内部ＥＧＲ率を変化させることができ、ＨＣＣＩ燃焼における着火時期を適切に制御することができる。

また、ＰＣＭ１０は、要求内部ＥＧＲ率が所定値Ｒ₂以上である場合、ＶＶＴ７２及びＶＶＴ７５により、吸気弁２１の閉弁時期（ＩＶＣ）と吸気行程における排気弁２２の閉弁時期（ＥＶＣ２）とを吸気行程の下死点（吸気ＢＤＣ）の近傍でほぼ一致させるので、排気弁２２の二度開きを行う期間を吸気行程期間内に収めることができ、これにより、要求内部ＥＧＲ率が所定値Ｒ₂以上である場合、二度開きにより排気ポート１７から気筒１８内に取り込まれる既燃ガス量を最大化することができる。したがって、エンジン負荷の変化に対して広い範囲で内部ＥＧＲ率を変化させることができる。

また、ＰＣＭ１０は、要求内部ＥＧＲ率が減少するほど、ＶＶＴ７５により、排気行程における排気弁２２の閉弁時期（ＥＶＣ１）を遅角させるので、要求内部ＥＧＲ率が減少するほどＮＶＯ期間を短縮し、ＮＶＯ期間を設けたことで気筒１８内に残留する既燃ガス量を減少させることができ、これにより、エンジン負荷の変化に対して広い範囲で内部ＥＧＲ率を変化させることができる。

また、ＰＣＭ１０は、要求内部ＥＧＲ率が減少するほど、ＶＶＴ７２により、吸気弁２１の開弁時期（ＩＶＯ）を進角させるので、要求内部ＥＧＲ率が減少するほどＮＶＯ期間を短縮し、ＮＶＯ期間を設けたことで気筒１８内に残留する既燃ガス量を減少させることができ、これにより、エンジン負荷の変化に対して広い範囲で内部ＥＧＲ率を変化させることができる。

また、ＰＣＭ１０は、ＶＶＴ７２及びＶＶＴ７５により、排気行程における排気弁２２の閉弁時期（ＥＶＣ１）から排気行程の上死点（排気ＴＤＣ）までの期間αと、排気ＴＤＣから吸気弁２１の開弁時期（ＩＶＯ）までの期間βとを等しくするので、排気弁２２の閉弁時期（ＥＶＣ１）から排気ＴＤＣまでの圧縮仕事を、排気ＴＤＣから吸気弁２１の開弁時期（ＩＶＯ）までの膨張仕事によって相殺することができ、ＮＶＯ期間を設けることによるポンピングロスを小さくすることができる。

また、ＰＣＭ１０は、要求内部ＥＧＲ率が所定値Ｒ₂（本実施形態では約５８％）以上である場合、要求内部ＥＧＲ率に基づきスロットル弁３６を制御して気筒１８への吸入空気量を変化させるので、ＶＶＴ７２及びＶＶＴ７５により吸気弁２１及び排気弁２２のバルブタイミングを変化させなくても内部ＥＧＲ率を変化させることができる。すなわち、内部ＥＧＲ率の変化幅を確保しつつＶＶＴ７２及びＶＶＴ７５の作動量を抑制することができるので、エンジン負荷の変化に対して、高い制御応答性を確保しつつ広い範囲で内部ＥＧＲ率を変化させることができ、ＨＣＣＩ燃焼における着火時期を適切に制御することができる。
また、吸気行程中に吸気弁２１と排気弁２２が同時に開弁しているので、内部ＥＧＲ率を増大させるためにスロットル弁３６の開度を絞った場合でも吸入負圧の増大を抑制でき、吸気行程におけるポンピングロスの増大を防止できる。

また、ＰＣＭ１０は、要求内部ＥＧＲ率が所定値Ｒ₂以上である場合、スロットル弁３６の開度を所定開度（本実施形態では９５％）以下に小さくするので、例えば、要求内部ＥＧＲ率がＶＶＴ７２及びＶＶＴ７５により吸気弁２１及び排気弁２２のバルブタイミングを変化させることによって達成可能な内部ＥＧＲ率の最大値以上である場合でも、スロットル弁３６の開度を所定開度以下に小さくすることにより、内部ＥＧＲ率を増大させることができる。

また、ＰＣＭ１０は、要求内部ＥＧＲ率が所定値Ｒ₂以上である場合、要求内部ＥＧＲ率が増大するほどスロットル弁３６の開度を小さくするので、ＶＶＴ７２及びＶＶＴ７５により吸気弁２１及び排気弁２２のバルブタイミングを変化させなくても、要求内部ＥＧＲ率の増大するほど気筒１８への吸入空気量を減少させ、内部ＥＧＲ率を増大させることができる。

１エンジン（エンジン本体）
１０ＰＣＭ
１７排気ポート
１８気筒
２１吸気弁
２２排気弁
３６スロットル弁
７１ＶＶＬ（排気側）
７２ＶＶＴ（吸気側）
７４ＶＶＬ（吸気側）
７５ＶＶＴ（排気側）

Claims

気筒の排気行程から吸気行程において吸気弁及び排気弁の双方を閉じる負のオーバーラップ期間を設けて、既燃ガスを気筒内に残留させるようにしたエンジンの制御装置であって、
上記吸気行程において、上記吸気弁の開弁時期以降に上記排気弁を開弁させる排気側可変バルブ機構と、
上記吸気弁及び上記排気弁のバルブタイミングを変化させる可変バルブタイミング機構と、
上記エンジンの運転状態に応じた既燃ガス要求量に基づき上記可変バルブタイミング機構を制御して、上記吸気弁及び上記排気弁のバルブタイミングを変化させる可変バルブ機構制御手段とを有し、
上記可変バルブ機構制御手段は、
上記既燃ガス要求量が所定値以上である場合、上記可変バルブタイミング機構により、上記吸気弁の閉弁時期と上記吸気行程における上記排気弁の閉弁時期とを略一致させ、
上記既燃ガス要求量が上記所定値未満である場合、上記既燃ガス要求量が少なくなるほど、上記可変バルブタイミング機構により、上記排気弁の閉弁時期を遅角させると共に上記吸気弁の開弁時期を進角させることにより上記負のオーバーラップ期間を短縮し、かつ、上記吸気行程における上記排気弁の開弁時期及び閉弁時期を遅角させ、上記既燃ガス要求量が大きくなるほど、吸気下死点に向かって、上記吸気弁の閉弁時期を遅角させると共に上記吸気行程における上記排気弁の閉弁時期を進角させることを特徴とするエンジンの制御装置。
上記可変バルブ機構制御手段は、上記既燃ガス要求量が上記所定値以上である場合、上記可変バルブタイミング機構により、上記吸気弁の閉弁時期と上記吸気行程における上記排気弁の閉弁時期とを上記吸気行程の下死点近傍で略一致させる請求項１に記載のエンジンの制御装置。
上記可変バルブ機構制御手段は、上記可変バルブタイミング機構により、上記排気行程における上記排気弁の閉弁時期から上記排気行程の上死点までの期間と、上記排気行程の上死点から上記吸気弁の開弁時期までの期間とを等しくする請求項１又は２に記載のエンジンの制御装置。