JP6406290B2 - 過給機付きエンジン - Google Patents

Description

開示する技術は、吸気通路のスロットルバルブとコンプレッサとの間に、ホースによる中継部位を有する、過給機付きエンジンに関する。

エンジンの出力を高めるために、エンジンにターボ過給機を搭載し、排気のエネルギーを利用して吸気を過給することが行われている。

一般に、ターボ過給機は、排気通路に設置されるタービンや吸気通路に設置されるコンプレッサなどで構成されており、エンジンから排出される排気でタービンを回転させ、その動力でコンプレッサを駆動することによって吸気圧を増大させている。

ターボ過給機付きのエンジンには、加速初期にタイムラグが生じるという問題がある（ターボラグ）。すなわち、アクセルを踏み込んでから、ターボ過給機が作動して過給が適切に行われるまでにはある程度の時間が必要になる。その間、燃焼に必要な吸気量が不足して、出力が求められているトルクを得られないおそれがある。

それに対し、特許文献１には、吸気バルブを吸気工程の途中で閉じる早閉じタイプのエンジンや、吸気バルブを圧縮行程の途中で閉じる遅閉じタイプのエンジンにおいて、その吸気不足を補う技術が開示されている。すなわち、吸気量が不足していると判定された場合に、前者のエンジンでは、吸気バルブの開閉タイミングを遅角させ、後者のエンジンでは、吸気バルブの開閉タイミングを進角させることで、気筒に導入できる吸気量を増大させている。

特開２００４−１８３５１２号公報

吸気の流量を調整するスロットルバルブは、吸気通路のコンプレッサの設置部位より下流側（エンジン側）に配置されている。アイドリング時などのエンジンが低負荷の状態では、通常、スロットルバルブは全閉付近に設定されているため、その状態からアクセルが踏み込まれると、スロットルバルブは全開付近まで大きく開かれる。

そして、上述した遅閉じタイプのエンジンの場合であれば、スロットルバルブを開く制御とともに、吸気バルブの開閉タイミングを進角させる制御が行われる。そのため、気筒内に導入できる吸気量が増大し、タイムラグに基づく吸気不足が補えるようになる。

ところが、その加速初期に、吸気通路のスロットルバルブとコンプレッサとの間の部位（過給機下流側部位ともいう）が強い陰圧状態となり、その過給機下流側部位に大きな収縮力が作用する場合がある（詳細は後述）。

一方、過給機下流側部位には、部材の位置ずれ等に起因する組み付け困難性の改善や、振動伝達の抑制などを目的として、過給機下流側部位の中継部位に、柔軟なホースが用いられる場合がある。そうした場合、過給機下流側部位に大きな収縮力が作用すると、ホースが潰れて吸気通路が一時的に閉塞された状態となり、吸気が適切に行えなくなるおそれがある。

そこで、開示する技術の目的は、吸気通路のスロットルバルブとコンプレッサとの間にホースによる中継部位がある過給機付きのエンジンにおいて、安定した吸気を実現することにある。

ここで開示するエンジンは、吸気通路のスロットルバルブとコンプレッサとの間の過給機下流側部位に、ホースによる中継部位を有する、過給機付きのエンジンであり、吸気バルブの開閉時期の変更が可能な吸気バルブ可変機構と、前記吸気バルブ可変機構及び前記スロットルバルブを制御する制御装置と、を備える。

そして、加速初期に、前記スロットルバルブの開度を大きくする制御とともに、基準とされる第１開閉時期から、当該第１開閉時期よりも吸気充填量が増大する第２開閉時期まで、前記吸気バルブの開閉時期をシフトさせる制御が行われ、前記第１開閉時期から前記第２開閉時期に前記吸気バルブの開閉時期をシフトさせる速度が、エンジン回転数の低回転側の領域よりも高回転側の領域で遅くなるように設定されている。

すなわち、このエンジンによれば、スロットルバルブが大きく開かれる加速初期に、吸気バルブの開閉時期をシフト（進角又は遅角）することによって吸気充填量を増大させる制御が行われるようになっており、その際、吸気バルブの開閉時期をシフトさせる速度が、エンジン回転数の高回転側の領域で相対的に遅くなるように設定されている。

エンジン回転数の高回転側の領域では、加速初期には、低回転側の領域よりも多くの吸気が急激に吸入される。そのため、過給機下流側部位が強い陰圧状態となって、過給機下流側部位に大きな収縮力が作用し、瞬間的ではあるが、ホースが潰れてしまうおそれがある。

それに対し、このエンジンでは、吸気バルブの開閉時期をシフトさせる速度が、エンジン回転数の高回転側の領域では相対的に遅くなるように設定されているので、吸気バルブの開閉時期が進角することによって生じる、吸気の吸入量の急激な増加を緩和することができる。

その結果、過給機下流側部位での強い陰圧状態の発生が抑制され、ホースの一時的な潰れを防止できるようになるので、過給機下流側部位にホースによる中継部位があっても、安定した吸気が実現できる。

具体的には、前記制御装置が、前記第１開閉時期の設定により、圧縮行程の途中で前記吸気バルブを閉じる遅閉じ制御を行うベース制御部と、前記第１開閉時期から前記第２開閉時期に、前記吸気バルブの開閉時期を進角させる進角補正を行う補正制御部と、エンジン回転数の中間領域において設定される切替回転数以上の領域では、当該切替回転数未満の領域よりも、前記進角補正における進角速度を低下させる速度切替部と、を有しているように構成することができる。

その場合、前記切替回転数以上の高回転側の領域で前記進角速度の低下量が大きくなるようにしてもよいし、また、進角過程での前記進角速度の低下量が、進角終了側よりも進角開始側の方が大きくなるようにしてもよい。

更には、前記速度切替部が、排気バルブの開弁期間に前記吸気バルブの開弁期間が重なるオーバーラップ期間の上限設定値を利用して前記進角速度を低下させるようにするのが好ましい。

開示する技術によれば、吸気通路のスロットルバルブとコンプレッサとの間にホースによる中継部位がある過給機付きのエンジンにおいて、加速初期に発生し得るホースの潰れが効果的に防止できるので、安定した吸気が実現できる。

エンジンの構成を示す概略図である。 ＥＣＵの吸気制御に関する機能構成図である。 ＥＣＵによる制御の一部を示すフローチャートである。 第１開閉時期における吸気バルブのバルブリフト量を示す概略図である。 オーバーラップ時における吸気バルブ及び排気バルブのバルブリフト量を示す概略図である。 第２開閉時期における吸気バルブのバルブリフト量を示す概略図である。 補正制御部による進角補正を説明するためのブロック図である。 切替回転数ＣＲと進角速度との関係を示す概略図である。 速度切替部による進角速度の切替制御の一例を示す概略図である。 ＯＬ上限マップの概念図である。 オーバーラップ期間ＯＬの上限設定値ＯＬｍａｘを利用した進角速度の制御を説明するための図である。 変形例のエンジンにおける図８相当図である。 他の変形例のエンジンにおける図９相当図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。ただし、以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物あるいはその用途を制限するものではない。

＜エンジン＞
図１に、本発明を適用したエンジン１００を示す。このエンジン１００は、例えば自動車に搭載されるガソリンエンジンであり、吸気通路１０、排気通路３０、エンジン本体２０、ＥＣＵ５０（Electronic Control Unit、制御装置の一例）などで構成されている。

＜吸気通路１０＞
吸気通路１０は、外部からエンジン本体２０に吸気（空気）を導入する通路である。吸気通路１０には、エアクリーナ２、ターボ過給機４（コンプレッサ４ａ）、インタークーラ９、スロットルバルブ１１、吸気マニホールド１３が設けられており、吸気通路１０は、これらを配管１５で接続することによって構成されている。

エアクリーナ２は、吸気通路１０の上流側の端部に配置されており、外部から吸気通路１０に導入される吸気を浄化する。そのエアクリーナ２の下流側に、ターボ過給機４が配置されている。ターボ過給機４は、排気のエネルギーを利用して吸気を過給する装置であり、タービン４ｂやコンプレッサ４ａなどで構成されている。吸気通路１０には、そのコンプレッサ４ａが配置されており、コンプレッサ４ａで昇圧されることによって吸気は過給される。

吸気通路１０のターボ過給機４の周辺部位には、コンプレッサ４ａによって過給された吸気の一部を、コンプレッサ４ａの上流側に還流するエアバイパス通路６が設けられている。エアバイパス通路６の一端は、吸気通路１０におけるコンプレッサ４ａの下流側であってスロットルバルブ１１の上流側の部位に接続されており、エアバイパス通路６の他端は、吸気通路１０におけるコンプレッサ４ａの上流側の部位に接続されている。エアバイパス通路６の途中には、エアバイパス通路６を流れる吸気の流量を制御するエアバイパスバルブ７が設けられている。

ターボ過給機４の下流側には、吸気を冷却するインタークーラ９が配置されている。更に、そのインタークーラ９の下流側には、スロットルバルブ１１が配置されている。スロットルバルブ１１は、吸気通路１０の流路に開閉制御可能に設けられており、その開度を変化させることによって吸気の流量を調整する。

スロットルバルブ１１の下流側には、吸気マニホールド１３が配置されている。吸気マニホールド１３は、吸気を一時的に蓄えることができる容量の大きなサージタンク１３ａを有しており、エンジン本体２０の吸気ポート１４に接続されている。

配管１５は、これら装置を接続する部材である。このエンジン１００では特に、鋼管等の変形不能なパイプ１５ａだけでなく、弾性変形可能なホース１５ｂが、配管１５として用いられている。このエンジン１００では、パイプ１５ａを中継するホース１５ｂが、吸気通路１０のスロットルバルブ１１とコンプレッサ４ａとの間の部位（過給機下流側部位１０ａともいう）に設置されている。

具体的には、スロットルバルブ１１とインタークーラ９とを接続しているパイプ１５ａの中間部位に第１ホース１５ｂが設けられ、インタークーラ９とコンプレッサ４ａとを接続しているパイプ１５ａの中間部位に第２ホース１５ｂが設けられている。このように、インタークーラ９の下流側及び上流側の各々のパイプ１５ａに、第１ホース１５ｂ及び第２ホース１５ｂによる中継部位を設けることで、インタークーラ９を設置する際には、位置ずれがあっても組み付けが容易にでき、また、エンジン本体２０等で発生する振動が吸気通路１０を介してインタークーラ９等に伝わるのを抑制できるようになっている。

＜排気通路３０＞
排気通路３０は、エンジン本体２０で発生する排気を排出する通路である。排気通路３０には、上流側から順に、ターボ過給機４（タービン４ｂ）、排気浄化装置３７，３８が設けられている。タービン４ｂは、コンプレッサ４ａと軸で連結されており、通過する排気のエネルギーによって回転し、この回転によってコンプレッサ４ａが駆動されるようになっている。排気浄化装置３７，３８には、例えばＮＯｘ触媒や三元触媒や酸化触媒などの排気浄化触媒が収容されており、排気浄化装置３７，３８を通過することで排気が浄化されるようになっている。

排気通路３０には、排気を吸気通路１０に還流するＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）通路３２が接続されている。ＥＧＲ通路３２の一端は、排気通路３０のタービン４ｂの上流側の部位に接続されており、ＥＧＲ通路３２の他端は、吸気通路１０のスロットルバルブ１１の下流側の部位に接続されている。ＥＧＲ通路３２には、還流させる排気を冷却するＥＧＲクーラ３３と、ＥＧＲ通路３２を流れる排気の流量を制御するＥＧＲバルブ３４とが設けられている。

また、排気通路３０のターボ過給機４の周辺部位には、タービン４ｂを迂回して排気を流すことができるタービンバイパス通路３５が設けられている。このタービンバイパス通路３５には、タービンバイパス通路３５を流れる排気の流量を制御するウェイストゲートバルブ（ＷＧバルブ３６）が設けられている。

＜エンジン本体２０＞
エンジン本体２０には、クランクシャフト２８、吸気バルブ２２、燃料噴射弁２３、点火プラグ２４、ピストン２７、排気バルブ２９、吸気バルブ可変機構（吸気ＶＶＴ２５）、排気バルブ可変機構（排気ＶＶＴ２６）などが備えられている。エンジン本体２０には、複数の気筒２１（図１では１つのみ表示）が形成されている。各気筒２１には、クランクシャフト２８に連結されたピストン２７が収容されており、各気筒２１のピストン２７の上方に燃焼室が形成されている。

吸気通路１０は、吸気ポート１４を通じて燃焼室と連通しており、排気通路３０は、排気ポート３１を通じて燃焼室と連通している。吸気ポート１４は吸気バルブ２２によって開閉され、排気ポート３１は排気バルブ２９によって開閉される。燃料噴射弁２３は、燃焼室に燃料を噴射し、点火プラグ２４は、燃焼室で点火できるように、エンジン本体２０に設置されている。

吸気通路１０を通じて供給される吸気と、燃料噴射弁２３から供給される燃料とによって燃焼室で混合気が形成される。点火プラグ２４の点火によってその混合気が燃焼されることでピストン２７が往復運動する。そのピストン２７の往復運動によってクランクシャフト２８が回転し、駆動力が発生する。

クランクシャフト２８には、吸気カムシャフトと排気カムシャフトとが連結されている（図示せず）。吸気カムシャフトは、クランクシャフト２８に連動して回転することにより、吸気バルブ２２を駆動する。この駆動によって、吸気バルブ２２は、吸気ポート１４を所定のタイミングで開閉するように往復運動する。

同様に、排気カムシャフトは、クランクシャフト２８に連動して回転することにより、排気バルブ２９を駆動する。この駆動によって、排気バルブ２９は、排気ポート３１を所定のタイミングで開閉するように往復運動する。

吸気ＶＶＴ２５は、吸気カムシャフトの位相を進角又は遅角させる装置である。吸気ＶＶＴ２５が吸気カムシャフトの位相を進角又は遅角させることにより、吸気バルブ２２の開時期及び閉時期（開閉時期）は、所定の最進角時期と最遅角時期との間で連続的に変化する。吸気ＶＶＴ２５は、例えば電磁バルブを用いて構成することができる。

排気ＶＶＴ２６は、吸気ＶＶＴ２５と同様に、排気カムシャフトの位相を進角又は遅角させることによって、排気バルブ２９の開時期及び閉時期を連続的に変更し得る。排気ＶＶＴ２６は、例えば油圧式のソレノイドバルブを用いて構成することができる。

＜各種センサ＞
エンジン１００には、各種センサが設けられている。具体的には、エンジン１００の所定位置に、大気圧を検出する大気圧センサ６０が設けられている。吸気通路１０のエアクリーナ２の下流側の部位（詳しくは、エアクリーナ２とコンプレッサ４ａとの間の部位）には、吸気の流量を検出するエアフロセンサ６１と、吸気の温度を検出する第１温度センサ６２と、が設けられている。

吸気通路１０のコンプレッサ４ａとスロットルバルブ１１との間の部位（過給機下流側部位１０ａ）には、過給圧を検出する第１圧力センサ６３が設けられている。吸気通路１０のスロットルバルブ１１の下流側の部位（詳しくは、サージタンク１３ａの内部）には、インマニ圧力（サージタンク１３ａの内圧）を検出する第２圧力センサ６４が設けられている。この第２圧力センサ６４には、インマニ温度（サージタンク１３ａの内部温度）を検出する温度センサが内蔵されている。

エンジン本体２０には、クランクシャフト２８のクランク角を検出するクランク角センサ６９、吸気カムシャフトのカム角を検出する吸気側カム角センサ７０、及び、排気カムシャフトのカム角を検出する排気側カム角センサ７１が設けられている。

ＥＧＲバルブ３４には、その開度（ＥＧＲ開度）を検出するＥＧＲ開度センサ６５が設けられている。ＷＧバルブ３６には、その開度（ＷＧ開度）を検出するＷＧ開度センサ６６が設けられている。排気通路３０のタービン４ｂの下流側の部位（詳しくは、タービン４ｂと排気浄化装置との間の部位）には、排気中の酸素濃度を検出するＯ２センサ６７と排気温度を検出する排気温度センサ６８とが設けられている。

大気圧センサ６０は大気圧の信号Ｓ６０をＥＣＵ５０に出力する。同様に、エアフロセンサ６１は吸気流量の信号Ｓ６１を、第１温度センサ６２は吸気温度の信号Ｓ６２を、第１圧力センサ６３は過給圧の信号Ｓ６３を、第２圧力センサ６４はインマニ圧力及びインマニ温度の信号Ｓ６４を、ＥＧＲ開度センサ６５はＥＧＲ開度の信号Ｓ６５を、ＷＧ開度センサ６６はＷＧ開度の信号Ｓ６６を、Ｏ２センサ６７は酸素濃度の信号Ｓ６７を、排気温度センサ６８は排気温度の信号Ｓ６８を、クランク角センサ６９はクランク角の信号Ｓ６９を、吸気側カム角センサ７０は吸気カムシャフトのカム角の信号Ｓ７０を、排気側カム角センサ７１は排気カムシャフトのカム角の信号Ｓ７１を、それぞれ、ＥＣＵ５０に出力する。

＜ＥＣＵ５０＞
ＥＣＵ５０は、ＣＰＵやメモリなどからなるハードウエアと、ＣＰＵで実行される各種プログラム（ＯＳなどの基本制御プログラム、特定のアプリケーションプログラムなど）や、メモリに記憶された各種データなどからなるソフトウエアとを備え、いわゆるコンピュータで構成されている。

ＥＣＵ５０は、各種センサから入力される検出信号に基づいて、スロットルバルブ１１、吸気ＶＶＴ２５、排気ＶＶＴ２６、燃料噴射弁２３、点火プラグ２４、エアバイパスバルブ７、ＥＧＲバルブ３４、ＷＧバルブ３６などを制御する。そうすることで、ＥＣＵ５０はエンジン１００を総合的に制御している。

図２に示すように、ＥＣＵ５０には、ベース制御部５１、補正制御部５２、速度切替部５７などが備えられている。

＜ベース制御部５１＞
ベース制御部５１は、エンジン１００で出力が要求されるトルク（以下「目標トルク」）に基づいて、各制御機器において制御の基準となる制御値（以下「基準値」）を設定し、その「基準値」により各制御機器の制御を行う。

詳しくは、ベース制御部５１は、「目標トルク」を基準として、スロットルバルブ１１の開度、ＷＧバルブ３６の開度、点火プラグ２４の点火時期、吸気バルブ２２の開閉時期、排気バルブ２９の開閉時期、燃料噴射弁２３での燃料噴射時期や燃料噴射量などを制御する（トルクベース制御）。トルクベース制御では、エンジン１００の運転状態に基づいて「目標トルク」が取得され、この「目標トルク」が達成可能になる各制御機器の「基準値」が設定される。

図３のフローチャートを参照しながら、スロットルバルブ１１、ＷＧバルブ３６、及び吸気ＶＶＴ２５の制御について説明する。

＜スロットルバルブ１１の制御＞
まず、ベース制御部５１は、エンジン１００の運転状態を検知する（ステップＳ１）。具体的には、クランク角センサ６９から入力される信号Ｓ６９に基づいて算出されるエンジン１００の回転数（エンジン回転数）、車速、アクセルの操作量（アクセル開度）、変速比等が、エンジン１００の運転状態に関する情報として、ベース制御部５１に読み込まれる。

ベース制御部５１は、これら運転状態に関する情報を用いて演算を行い、加速度の目標値（目標加速度）を取得する（ステップＳ２）。そして、ベース制御部５１は、取得した目標加速度の実現に必要な「目標トルク」を取得する（ステップＳ３）。

更に、ベース制御部５１は、「目標トルク」の実現に必要な充填効率（Charging Efficiency）の目標値（以下「目標充填効率」）を取得する（ステップＳ４）。「目標充填効率」は、「目標トルク」、エンジン回転数、及び、図示平均有効圧力の目標値に基づいて求められる。図示平均有効圧力の目標値は、トルク損失となる機械抵抗やポンプ損失（ポンピングロス）、「目標トルク」に基づいて求められる。

そして、ベース制御部５１は、スロットルバルブ１１を制御するために、「目標充填効率」の実現に必要な、吸気マニホールド１３の内部の吸気量の目標値（以下「目標インマニ空気量」）を取得する（ステップＳ５）。「目標インマニ空気量」は、吸気マニホールド１３の内部の吸気密度を基準とした体積効率（インマニ基準の体積効率）と、吸気マニホールド１３の容積（インマニ容積）と、気筒２１の容積（シリンダ容積）と、シリンダ吸入空気量（気筒２１に吸入される１行程あたりの吸気の質量）の目標値（目標シリンダ空気量）と、に基づいて取得される。

ここで、インマニ容積及びシリンダ容積は、ＥＣＵ５０のメモリに記憶されている。目標シリンダ空気量は、「目標充填効率」、シリンダ容積、及び、標準大気密度（標準状態における大気の密度：約１．２ｋｇ［ｋｇ／ｍ３］）に基づいて求められる。

ベース制御部５１は、更に「目標インマニ空気量」の実現に必要となる、スロットルバルブ１１を通過する吸気の流量の目標値（以下「目標スロットル通過流量」）を取得する（ステップＳ６）。「目標スロットル通過流量」は、「目標充填効率」、「目標インマニ空気量」、及び、現在のインマニ空気量の推定値（実インマニ空気量）に基づいて求められる。

ここで、実インマニ空気量は、第２圧力センサ６４から入力されるインマニ圧力及びインマニ温度の信号Ｓ６４に基づいて推定される。なお、実インマニ空気量は、吸気マニホールド１３に出入する空気量の収支計算に基づいて推定してもよい。

ベース制御部５１は、「目標スロットル通過流量」の実現に必要となる、スロットルバルブ１１の開度の目標値（以下「目標スロットル開度」）を設定する（ステップＳ７）。「目標スロットル開度」は、「目標スロットル通過流量」と、第１圧力センサ６３から入力される過給圧の信号Ｓ６３と、第２圧力センサ６４から入力されるインマニ圧力の信号Ｓ６４とに基づいて設定される。

そうして、ＥＣＵ５０は、スロットルバルブ１１の開度が「目標スロットル開度」となるように「基準値」の制御信号を出力する（ステップＳ８）。

＜ＷＧバルブ３６の制御＞
また、ベース制御部５１は、ＷＧバルブ３６を制御するために、「目標充填効率」の実現に必要な、過給圧の目標値（以下「目標過給圧」）を取得する（ステップＳ９）。ＥＣＵ５０のメモリには、エンジン回転数及び「目標充填効率」とこれらに対応した吸気バルブ２２の開閉時期とが関連付けされた過給圧マップが記憶されており、「目標過給圧」は、この過給圧マップに基づいて取得される。

ベース制御部５１は、「目標過給圧」に基づいて、タービン４ｂを通過する排気の流量の目標値（以下「目標タービン流量」）を取得する（ステップＳ１０）。「目標タービン流量」は、目標圧縮機駆動力（コンプレッサ４ａの駆動力の目標値）やエンジン回転数等に基づいて取得される。なお、目標圧縮機駆動力は「目標過給圧」から求められる。

ベース制御部５１は、「目標タービン流量」の実現に必要な、ＷＧバルブ３６の開度の目標値（以下「目標ＷＧ開度」）を設定する（ステップＳ１１）。「目標ＷＧ開度」は、「目標タービン流量」と排気の総流量とに基づいて求められる。

そうして、ＥＣＵ５０は、ＷＧバルブ３６の開度が「目標ＷＧ開度」となるように「基準値」の制御信号を出力する（ステップＳ１２）。

＜吸気ＶＶＴ２５の制御＞
また、ベース制御部５１は、吸気バルブ２２を制御するために、「目標充填効率」に基づいて、「目標トルク」の実現に必要な、吸気バルブ２２の開閉時期（第１開閉時期）を設定する（ステップＳ１３）。ＥＣＵ５０のメモリには、エンジン回転数及び「目標充填効率」とこれらに対応した吸気バルブ２２の開閉時期とが関連付けされた吸気ＶＶＴマップが記憶されており、第１開閉時期は、この吸気ＶＶＴマップに基づいて設定される。

図４に、第１開閉時期での吸気バルブ２２のバルブリフト量を概略的に示す。図４に示すように、吸気バルブ２２が吸気行程の途中で開かれて、ＢＤＣを過ぎて圧縮行程の途中で閉じられるように、第１開閉時期は設定される（遅閉じ制御）。

そうして、ＥＣＵ５０は、吸気バルブ２２の開閉時期が、設定された第１開閉時期となるように、吸気ＶＶＴ２５に「基準値」の制御信号を出力する。また、後述するように、補正制御部５２によって第１開閉時期が第２開閉時期に補正される場合には、ＥＣＵ５０は、吸気バルブ２２の開閉時期が、補正された第２開閉時期となるように、吸気ＶＶＴ２５にその制御信号を出力する（ステップＳ１４）。

点火プラグ２４の点火時期、排気ＶＶＴ２６の開閉時期、燃料噴射弁２３での燃料噴射時期や燃料噴射量なども、「基準値」によって「目標トルク」が実現されるように制御される。その際、図５に示すように、吸気バルブ２２の開弁期間は、基準値に基づいて設定された排気バルブ２９の開弁期間と重なって、所定のオーバーラップ期間ＯＬが形成され得るようになっている。なお、これら処理の順序は一例であり、ＥＣＵ５０の性能や仕様に応じて適宜変更できる。

＜補正制御部５２＞
図２に示すように、補正制御部５２は、目標体積効率演算部５３、体積効率予測部５４、仮想体積効率演算部５５、及び吸気ＶＶＴ進角量算出部５６を備える。

補正制御部５２は、ターボラグを改善するため、加速初期において、第１開閉時期よりも吸気充填量（気筒２１に導入される吸気の質量）が増大するように、第１開閉時期を第２開閉時期に進角補正する制御を行う。具体的には、第１開閉時期から吸気バルブ２２の開閉時期を進角（シフト）させて、吸気バルブ２２の開閉時期を第２開閉時期に設定する。

一般に、気筒２１への吸気の導入は、ピストン２７が下降して容積が拡大するときに生じる負圧によって行われる。従って、ピストン２７がＢＤＣ（下死点）に達した後は、容積が縮小していくので加圧に転じるが、ピストン２７がＢＤＣを通過した後も、ＢＤＣの少し後（ＡＢＤＣ）までは、吸気の慣性によって気筒２１に吸気が導入される。

吸気充填量は、ＴＤＣからＡＢＤＣまでの区間におけるバルブリフト量の積分量（図４における領域Ａの面積に相当する。）に依存する。一方、ＡＢＤＣから次のＴＤＣまでの区間において吸気バルブ２２が開いている期間は、吸気の一部が吸気ポート１４に排出される。気筒２１から吸気ポート１４へ排出される吸気量は、ＡＢＤＣから次のＴＤＣまでの区間における吸気バルブ２２のバルブリフト量の積分量（図４における領域Ｂの面積に相当する。）に依存するため、領域Ａの面積と領域Ｂの面積との収支で吸気充填量が決まる。

図６に、第２開閉時期での吸気バルブ２２のバルブリフト量を概略的に示す。吸気バルブ２２の開閉時期が変更されれば、領域Ａの面積と領域Ｂの面積とが変化するので、吸気充填量が変化する。従って、第１開閉時期の状態（破線）から、吸気バルブ２２の開閉時期が進角して第２開閉時期の状態になると、領域Ａの面積が増大して領域Ｂの面積が減少する。これにより、第２開閉時期の吸気充填量は、第１開閉時期の吸気充填量よりも増大する。

次に、図７を参照しながら、補正制御部５２による吸気バルブ２２の開閉時期の進角補正について詳しく説明する。

＜目標体積効率演算部５３＞
目標体積効率演算部５３は、体積効率の目標値（以下「目標体積効率」：Ｋｖｔ）を、ベース制御部５１で取得された「目標タービン流量」Ｑｔｔと、標準大気密度ρ０とに基づいて、「目標体積効率」Ｋｖｔを算出する。詳しくは、ＥＣＵ５０のメモリには、「目標タービン流量」Ｑｔｔ及び標準大気密度ρ０とこれらに対応した「目標体積効率」Ｋｖｔとが関連付けされた目標体積効率マップが記憶されており、「目標体積効率」Ｋｖｔは、この目標体積効率マップに基づいて求められる。

ここで、「目標体積効率」Ｋｖｔは、「目標タービン流量」Ｑｔｔ、ひいては「目標過給圧」の実現に必要な体積効率に相当する。なお、体積効率は、いずれも標準状態における吸気の状態を基準とした体積効率（すなわち、充填効率）である。一般的には、体積効率が増加するにつれて、充填量も増加することになる。

＜体積効率予測部５４＞
体積効率予測部５４は、吸気通路１０における気筒２１の近傍部分（図１の破線で囲む部分、気筒近傍部分）に現存する吸気が気筒２１に吸入された場合の体積効率の予測値（以下「予測体積効率」：Ｋｖｓ）を、気筒近傍部分に現存する吸気の状態と、エンジン１００の運転状態とに基づいて算出する。

すなわち、体積効率予測部５４は、気筒近傍部分に現存する吸気の状態として、第２圧力センサ６４の信号Ｓ６４からインマニ圧力を読み込む。そして、そのインマニ圧力と、エンジン１００の運転状態とに基づいて「予測体積効率」Ｋｖｓを算出する。

「予測体積効率」Ｋｖｓは、エンジン回転数、インマニ圧力、大気圧、吸気バルブ２２の開閉時期、及び排気バルブ２９の開閉時期、に基づいて算出される。ここでの吸気バルブ２２の開閉時期及び排気バルブ２９の開閉時期は、現存している開閉時期であり、それぞれ、クランク角センサ６９、吸気側カム角センサ７０、及び排気側カム角センサ７１から入力される信号Ｓ６９，Ｓ７０，Ｓ７１に基づいて取得される。

＜仮想体積効率演算部５５＞
仮想体積効率演算部５５は、吸気バルブ２２の開閉時期を現存している開閉時期から５ｄｅｇ．ＣＡ（クランク角）ずつ進角させたときの「予測体積効率」Ｋｖｓに相当する仮想の体積効率（以下「仮想体積効率」：Ｋｖｖ）を算出する。

仮想体積効率演算部５５における「仮想体積効率」Ｋｖｖの算出では、エンジン回転数、インマニ圧力、大気圧、及び排気バルブ２９の開閉時期については、「予測体積効率」Ｋｖｓの算出に用いた値が使用され、吸気バルブ２２の開閉時期については、「予測体積効率」Ｋｖｓの算出に用いた値から５ｄｅｇ．ＣＡずつ進角させた値が使用される。

＜吸気ＶＶＴ進角量算出部５６＞
吸気ＶＶＴ進角量算出部５６は、「予測体積効率」Ｋｖｓが「目標体積効率」Ｋｖｔよりも小さいときに、「仮想体積効率」Ｋｖｖの算出結果を利用して、吸気バルブ２２の進角量を算出する。

吸気ＶＶＴ進角量算出部５６は、「目標体積効率」Ｋｖｔ、「予測体積効率」Ｋｖｓ、及び「仮想体積効率」Ｋｖｖを取得する。そして、吸気ＶＶＴ進角量算出部５６は、「目標体積効率」Ｋｖｔから「予測体積効率」Ｋｖｓを減算することによって、「目標体積効率」Ｋｖｔと「予測体積効率」Ｋｖｓとの間の差分ΔＫｖ１（＝Ｋｖｔ−Ｋｖｓ）を算出する。

この差分ΔＫｖ１は、吸気充填量が不足しているか否かを示す指標である。例えば、差分ΔＫｖ１がゼロより大きい場合、つまり、「予測体積効率」Ｋｖｓが「目標体積効率」Ｋｖｔ未満である場合には、吸気充填量が不足し得るということになる。

一方、吸気ＶＶＴ進角量算出部５６は、「仮想体積効率」Ｋｖｖから「予測体積効率」Ｋｖｓを減算することによって、仮想体積効率Ｋｖｔと「予測体積効率」Ｋｖｓとの間の差分ΔＫｖ２（＝Ｋｖｖ−Ｋｖｓ）を算出する。この差分ΔＫｖ２は、吸気バルブ２２の開閉時期を５ｄｅｇ．ＣＡずつ進角させたときの体積効率の増加量である。

吸気ＶＶＴ進角量算出部５６は、差分ΔＫｖ１がゼロよりも大きい場合、充填量を増加させる。そして、差分ΔＫｖ１がゼロよりも大きくなるほど、充填量の増加量も大きくなるように吸気バルブ２２の開閉時期をシフト補正する。このとき、吸気ＶＶＴ進角量算出部５６は、差分ΔＫｖ２の大きさに応じて、第１開閉時期からの進角量を調整し、第２開閉時期を設定する。

詳しくは、吸気ＶＶＴ進角量算出部５６は、差分ΔＫｖ１を差分ΔＫｖ２で除算することによって、５ｄｅｇ．ＣＡ基準の体積効率過不足率Ｒｖ（＝ΔＫｖ１／ΔＫｖ２）を算出する。そして、体積効率過不足率Ｒｖに対して５ｄｅｇ．ＣＡを乗算することによって、追加進角量Δθ（クランク角単位）を算出する。

ここで、体積効率過不足率Ｒｖは、吸気バルブ２２の開閉時期を５ｄｅｇ．ＣＡずつ進角させたときに吸気充填量が過不足無く増加するか否かを示す指標である。例えば、体積効率過不足率Ｒｖが１よりも大きい場合には、吸気バルブ２２の開閉時期を５ｄｅｇ．ＣＡずつ進角させてもなお、「予測体積効率」Ｋｖｓが「目標体積効率」Ｋｖｖまで増加せず、吸気充填量が依然として不足し得るということになる。従って、この場合には、追加進角量Δθは、５ｄｅｇ．ＣＡよりも大きく設定される。

一方、体積効率過不足率Ｒｖが１未満の場合には、吸気バルブ２２の開閉時期を５ｄｅｇ．ＣＡずつ進角させてしまうと、「予測体積効率」Ｋｖｓが「目標体積効率」Ｋｖｖよりも大きくなって、充填量が必要以上に増加し得ることになる。従って、この場合には、追加進角量Δθは、５ｄｅｇ．ＣＡ未満に設定される。

このように吸気ＶＶＴ進角量算出部５６によって算出される追加進角量Δθが、吸気バルブ２２の第１開閉時期に加算され、第２開閉時期が決定される。

補正制御部５２による、こうした制御は、自動車の走行時に所定の周期で繰り返し実行される。その具体例として、低負荷の状態で加速する時の制御を示す。

＜低負荷状態での加速時における吸気ＶＶＴ２５の制御＞
アイドリング時など、出力要求されるトルクが小さい状態では、吸気充填量は小量に設定されている。そのため、スロットルバルブ１１の開度は全閉付近に設定され、吸気通路１０の内圧も過給されていないため、低くなっている。従って、そのような状態から加速されると、要求される吸気充填量が急増する。そのため、その吸気充填量の確保とともに、タービン４ｂの駆動（吸気の過給圧を高めるのに必要）に要する排気量を確保するために、スロットルバルブ１１は全開付近に設定され、大きく開かれる。

ところが、その際、吸気通路１０に存在している吸気量は少ないため、スロットルバルブ１１が大きく開かれても、吸気充填量の増加、ひいては排気量の増加は、直ぐには追随できない。そのため、加速初期に、吸気充填量の不足が生じ、タービン４ｂ及びコンプレッサ４ａが十分に駆動されずに「目標過給圧」への到達が遅れるおそれがある（ターボラグ）。

それに対し、このエンジン１００では、補正制御部５２によって吸気バルブ２２の開閉時期が進角補正されるので、実際の体積効率が増加し、吸気充填量、ひいては排気量が順次増加していく。排気量が増加すれば、タービン４ｂの出力が高まってコンプレッサ４ａの駆動力が高まるので、過給圧は「目標過給圧」付近まで上昇する。過給圧が「目標過給圧」付近まで上昇すれば、吸気バルブ２２の開閉時期は、所定の開閉時期付近で安定するようになる。

その際、スロットルバルブ１１が、略全閉状態から略全開状態に大きく開かれることで、加速初期に吸気が一気に気筒２１に吸入されるため、吸気の導入が追い付かず、過給機下流側部位１０ａが一時的に陰圧状態となって、過給機下流側部位１０ａに収縮力が作用する。

アイドリング時のように、エンジン回転数が低い場合であれば、気筒２１に吸入される吸気量はそれほど多くない。そのため、過給機下流側部位１０ａに作用する収縮力も小さく、圧力も直ぐに回復するので、問題視されることはほとんどない。

ところが、マニュアルモードでエンジンブレーキを使いながら坂道を下っている時など、アイドリング時と比べてエンジン回転数が高い状況下でアクセルが踏み込まれた場合には、多量の吸気が急激に気筒２１に吸入される。そのため、加速初期に、過給機下流側部位１０ａが強い陰圧状態となって、過給機下流側部位１０ａに大きな収縮力が作用する。

その結果、過給機下流側部位１０ａに設けられているホース１５ｂが潰れて吸気通路１０が一時的に閉塞状態となり、吸気が適切に行えなくなるおそれがある。そこで、このエンジン１００では、そのような状況であっても吸気が適切に行えるようにするために、ＥＣＵ５０に速度切替部５７が設けられている。

＜速度切替部５７＞
速度切替部５７は、高回転側（エンジン回転数が所定の中回転以上）の領域では、吸気バルブ２２の開閉時期が第１開閉時期から第２開閉時期にシフトしていく速度が、低回転側の領域よりも遅くなるように、進角速度を切り換える。

詳しくは、エンジン回転数の中間領域において進角速度を切り換える回転数（切替回転数ＣＲ）が設定されており、速度切替部５７は、その切替回転数ＣＲ以上の領域では、切替回転数ＣＲ未満の領域よりも、進角速度を低下させる制御を行う。

図８に、切替回転数ＣＲと進角速度との関係を示す。ＥＣＵ５０のメモリには、予備試験等に基づいて設定された切替回転数ＣＲが記憶されており、速度切替部５７は、その切替回転数ＣＲに基づいて進角速度を切り換える。

すなわち、速度切替部５７は、エンジン回転数が切替回転数ＣＲ以上か否かを絶えずチェックしており、切替回転数ＣＲ未満の領域では、ベース制御部５１によって設定される「基準値」に基づいた進角速度（基準速度）で吸気バルブ２２の開閉時期が進角するように制御し、エンジン回転数が切替回転数ＣＲ以上の領域では、基準速度よりも低速な進角速度（低減速度）で吸気バルブ２２の開閉時期が進角するように制御する。

なお、切替回転数ＣＲは、低負荷からの加速時の吸気ＶＶＴ２５の制御において、スロットルバルブ１１が、略全閉状態から略全開状態に大きく開かれた場合に、ホース１５ｂが潰れて吸気通路１０が一時的に閉塞された状態となり得るエンジン回転数よりも低い回転数であり、仕様に応じて適宜設定される。

図９に、速度切替部５７による進角速度の切替制御の一例を示す。縦軸は吸気バルブ２２の開閉時期の位相を、横軸は吸気バルブ２２の開閉時期が進角する過渡時間を、それぞれ表している。二点鎖線が基準速度であり、実線が低減速度である。

エンジン回転数が切替回転数ＣＲ未満の領域では、吸気バルブ２２の開閉時期は、一定の基準速度で第１開閉時期から第２開閉時期に進角するように制御され、エンジン回転数が切替回転数ＣＲ以上の領域では、吸気バルブ２２の開閉時期は、基準速度よりも低速な一定の低減速度で第１開閉時期から第２開閉時期に進角するように制御される。

エンジン回転数が切替回転数ＣＲ未満の領域では、吸気バルブ２２の開閉時期は、従来通り基準速度で進角するので、吸気充填量、ひいては排気量を適切に増加させることができ、加速初期の吸気不足を効果的に改善することができる。

そして、エンジン回転数が切替回転数ＣＲ以上の領域では、低速な低減速度で進角するので、吸気バルブ２２の開閉時期の進角制御による吸気充填量の急激な増加が緩和され、加速初期に多量の吸気が一気に気筒２１に吸入されるのを抑制することができる。その結果、過給機下流側部位１０ａでの強い陰圧状態の発生が抑制されるので、ホース１５ｂが潰れて吸気通路１０が一時的に閉塞状態となるのを防止でき、安定した吸気が実現できる。

第２開閉時期は、切替回転数ＣＲ以上の領域も切替回転数ＣＲ未満の領域と同じであり、切替回転数ＣＲ以上の領域は、第１開閉時期から第２開閉時期に達する時間が、切替回転数ＣＲ未満の領域から僅かに遅れるだけなので、切替回転数ＣＲ以上の領域においても、切替回転数ＣＲ未満の領域と同様に、吸気充填量、ひいては排気量を適切に増加させることができ、加速初期の吸気不足を効果的に改善することができる。

しかも、このエンジン１００の速度切替部５７では、オーバーラップ期間ＯＬの上限設定値ＯＬｍａｘを利用して、進角速度が制御されるように構成されている。

図１０に示すように、ＥＣＵ５０のメモリには、エンジン回転数及び「目標充填効率」とこれらに対応したオーバーラップ期間ＯＬの上限設定値ＯＬｍａｘ（ｓ１，・・・，ｄｎ）とが関連付けされたＯＬ上限マップが記憶されており、オーバーラップ期間ＯＬは、この上限設定値ＯＬｍａｘを超えないように制御されている。加速初期において補正制御部５２が進角補正する際も、オーバーラップ期間ＯＬは、この上限設定値ＯＬｍａｘを超えないように制御される。

図１１に、進角補正時におけるオーバーラップ期間ＯＬの変化を示す。排気バルブ２９の開閉時期が進角したとしても、吸気バルブ２２の開閉時期の方が進角量は多いので、吸気バルブ２２の開閉時期が進角すれば、相対的にオーバーラップ期間ＯＬは増加する。そして、進角補正時の過渡期において、基準速度であれば、オーバーラップ期間ＯＬがＯＬ１であった状態から、オーバーラップ期間ＯＬがＯＬ２となる状態まで吸気バルブ２２の開閉時期が進角する場合に、上限設定値ＯＬｍａｘがＯＬ２よりも小さい値に設定されていたとすると、吸気バルブ２２の開閉時期の進角量は、その上限設定値ＯＬｍａｘによって制限され、上限設定値ＯＬｍａｘに対応した位相までしか進角できない。

図１０に示すように、ＯＬ上限マップにおける切替回転数ＣＲ以上の領域には、このような基準速度での吸気バルブ２２の開閉時期の進角量を制限する値を含んだ上限設定値ＯＬｍａｘ（ｄ１，ｄ２，・・・，ｄｎ）が、エンジン回転数及び「目標充填効率」に対応して設定されている。それにより、切替回転数ＣＲ以上の領域では、上限設定値ＯＬｍａｘによって基準速度での進角が制限を受け、吸気バルブ２２の開閉時期は、低減速度で進角するように制御されている。

対して、ＯＬ上限マップにおける切替回転数ＣＲ未満の領域には、基準速度での進角が制限を受けない上限設定値ＯＬｍａｘ（ｓ１，ｓ２，・・・，ｓｎ）が、エンジン回転数及び「目標充填効率」に対応して設定されており、切替回転数ＣＲ未満の領域では、吸気バルブ２２の開閉時期は、基準速度で進角するように制御されている。

このように、オーバーラップ期間ＯＬの上限設定値ＯＬｍａｘを利用して、吸気バルブ２２の開閉時期の進角速度を制御することで、複雑な演算が回避でき、ＥＣＵ５０での処理負担を軽減できるようになっている。

＜変形例＞
なお、本発明の過給機付きエンジン１００は、上述した実施形態に限定されず、それ以外の種々の構成をも包含する。

上述したエンジン１００では、異なるエンジン回転数であっても同一の低減速度であったが、エンジン回転数に応じて低減速度を変化させてもよい。例えば、図１２に示すように、切替回転数ＣＲ以上の高回転側の領域で進角速度の低下量が大きくなるようにしてもよい。

すなわち、エンジン回転数が高くなるほど、気筒２１への吸気の吸入量が増加し、過給機下流側部位１０ａに大きな収縮力が作用してホース１５ｂが潰れ易くなるので、高回転側の領域で低減速度をより低下させることで、吸気バルブ２２の開閉時期の進角制御による吸気充填量の増加を更に緩和でき、より安定した吸気の実現が可能になる。

また、上述したエンジン１００では、低減速度は一定（等速）であったが、一定でなくてもよい。例えば、図１３に示すように、進角初期の低減速度を相対的に低くし、次第に加速して低減速度が大きくなるようにしてもよい。具体的には、進角過程での進角速度の低下量が、進角終了側よりも進角開始側の方が大きくなるように設定すればよい。

加速初期の中でも、特に最初の方で吸気の吸入量が大きく変化するので、進角開始側の低減速度を相対的に低下させることで、吸気充填量の増加を効率的に緩和でき、ホース１５ｂの潰れを抑制しながら、第１開閉時期から第２開閉時期に達する時間の遅れも小さくできる。

更に、上述したエンジン１００では、オーバーラップ期間を利用して進角速度を制御する例を示したが、それに限らず、吸気ＶＶＴマップ等を利用して制御してもよい。

また、上述したエンジン１００は、遅閉じタイプであったが、早閉じタイプのエンジンにも適用可能である。すなわち、早閉じタイプであれば、ターボラグを改善するために、吸気バルブの開閉時期が遅角補正されるので、遅角補正における遅角速度を低下させることで同様の効果を得ることができる。

４ ターボ過給機
４ａ コンプレッサ
４ｂ タービン
１０ 吸気通路
１１ スロットルバルブ
１５ 配管
１５ａ パイプ
１５ｂ ホース
２０ エンジン本体
２２ 吸気バルブ
２３ 燃料噴射弁
２４ 点火プラグ
２５ 吸気ＶＶＴ
２６ 排気ＶＶＴ
２９ 排気バルブ
３０ 排気通路
５０ ＥＣＵ
５１ ベース制御部
５２ 補正制御部
５７ 速度切替部
１００ エンジン

Claims (4)

1. 吸気通路のスロットルバルブとコンプレッサとの間の部位である過給機下流側部位に、弾性変形可能なホースによる中継部位を有する、過給機付きのエンジンであって、
   吸気バルブの開閉時期の変更が可能な吸気バルブ可変機構と、
   前記吸気バルブ可変機構及び前記スロットルバルブを制御する制御装置と、
   を備え、
   前記過給機下流側部位が一時的に陰圧状態となる加速初期に、前記スロットルバルブの開度を大きくする制御とともに、基準とされる第１開閉時期から、当該第１開閉時期よりも吸気充填量が増大する第２開閉時期まで、前記吸気バルブの開閉時期をシフトさせる制御が行われ、前記第１開閉時期から前記第２開閉時期に前記吸気バルブの開閉時期をシフトさせる速度が、エンジン回転数の低回転側の領域よりも高回転側の領域で遅くなるように設定されているエンジン。
2. 請求項１に記載のエンジンにおいて、
   前記制御装置が、
   前記第１開閉時期の設定により、圧縮行程の途中で前記吸気バルブを閉じる遅閉じ制御を行うベース制御部と、
   前記第１開閉時期から前記第２開閉時期に、前記吸気バルブの開閉時期を進角させる進角補正を行う補正制御部と、
   エンジン回転数の中間領域において設定される切替回転数以上の領域では、当該切替回転数未満の領域よりも、前記進角補正における進角速度を低下させる速度切替部と、
   を有しているエンジン。
3. 請求項２に記載のエンジンにおいて、
   前記切替回転数以上の高回転側の領域で前記進角速度の低下量が大きくなっているエンジン。
4. 請求項２又は請求項３に記載のエンジンにおいて、
   進角過程での前記進角速度の低下量が、進角終了側よりも進角開始側の方が大きくなっているエンジン。