JP6601308B2 - エンジン - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの負荷が変化する過渡期に目標のＥＧＲ率が維持されるように排気バルブの動作特性を変更する技術に関する。

吸気通路と排気通路とを気筒を経由しないで接続して、排気ガスを吸気側に循環させてＮＯｘ等を低減する外部ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）装置を搭載したエンジンが公知である。このようなエンジンでは、定常走行の状態から急加速したり減速状態から加速状態に切り替わるなどエンジン負荷が変化する過渡期において、排気通路から吸気通路へのＥＧＲガスの還流遅れが生じる場合がある。

そのため、たとえば、特開２００８−１５０９５７号公報（特許文献１）は、上述の外部ＥＧＲ装置を搭載したエンジンの負荷が変化する過渡期において、ＥＧＲガスの還流遅れが生じる還流遅れ期間が経過するまで排気バルブが吸気行程の途中まで開弁されるように、排気バルブの閉弁時期を遅角させることによって、ＥＧＲガス量を増加させる技術を開示する。

特開２００８−１５０９５７号公報

しかしながら、エンジン負荷が変化する過渡期において、排気バルブの開閉時期を大きく遅角させると、排気行程初期における排気バルブのリフト量が小さくなるため、筒内圧が上昇し、ピストンが上下運動するときの仕事量（以下、ポンプ損失とも謂う。）が増加して、燃費が悪化してしまう。そのため、排気バルブの閉弁時期を十分に遅角させることができず、吸気行程初期における排気バルブのリフト量が小さくなり、排気側から気筒内に逆流する内部ＥＧＲ量を十分に確保することができない。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであって、その目的は、エンジン負荷が変化する過渡期において、燃費の悪化を抑制しつつ、十分なＥＧＲ量を得ることができるエンジンを提供することである。

この発明のある局面に係るエンジンは、吸気通路の一方端と排気通路の一方端との各々と接続される気筒と、吸気通路と排気通路とを接続する接続通路と、接続通路に設けられる開閉弁とを有する外部排気循環装置と、気筒と吸気通路の一方端との接続部分に開閉可能に設けられた吸気バルブと、気筒と排気通路の一方端との接続部分に開閉可能に設けられた排気バルブと、排気行程における第１期間に排気バルブを第１開弁状態にするとともに、吸気行程において排気バルブを開弁させない第１排気カムと、排気行程において第１開弁状態にするとともに、吸気行程の一部の第２期間に第１開弁状態よりも少量で排気バルブを第２開弁状態にする第２排気カムと、第１排気カムと第２排気カムとのうちのいずれか一方を選択して排気バルブを動作させる選択装置と、エンジン負荷の変動に応じて選択装置と外部排気循環装置とを制御する制御装置と、を備える。制御装置は、エンジン負荷が上昇する過渡期に、第２排気カムを選択するように選択装置を制御することを特徴とする。

このようにすると、エンジンの負荷が上昇する過渡期に、排気行程とは別に吸気行程においても排気バルブを開弁状態にすることができる。そのため、エンジンの負荷が上昇する過渡期において、排気行程初期における排気バルブのリフト量を確保して筒内圧の上昇を抑制しつつ、吸気行程において排気側から気筒内への排気ガスの還流量を確保することができる。そのため、エンジンのピストンが上下運動するときのポンプ損失の増加を抑制して燃費の悪化を抑制しつつ、十分なＥＧＲ量を得ることができる。

好ましくは、制御装置は、気筒内に流入する気体の体積に対する排気通路から還流する排気ガスの体積との比を示すＥＧＲ率の目標値および推定値をエンジンの状態に基づいて算出する。制御装置は、過渡期であって、かつ、目標値と推定値との差の大きさがしきい値よりも大きい場合は、第２排気カムを選択する。制御装置は、過渡期であって、かつ、目標値と推定値との差の大きさがしきい値よりも小さい場合は、第１排気カムを選択するように選択装置を制御する。

このようにすると、過渡期であって、かつ、ＥＧＲ率の目標値と推定値との差の大きさがしきい値よりも大きい場合に、排気行程と吸気行程との各々において排気バルブを開弁状態にする第２排気カムが選択される。そのため、エンジンのピストンが上下運動するときのポンプ損失の増加を抑制しつつ、吸気行程において排気側から気筒内への排気ガスの還流量を確保して、ＥＧＲ率を目標値に一致させることができる。

さらに好ましくは、制御装置は、第２排気カムを選択する場合には、エンジンの回転数と、吸入空気量と、インテークマニホールド内の温度および圧力と、エキゾーストマニホールド内の温度および圧力とに基づいて推定値を算出する。

このようにすると、第２排気カムを選択する場合のＥＧＲ率の変化に関連するエンジンの回転数と、吸入空気量と、インテークマニホールド内の温度および圧力と、エキゾーストマニホールド内の温度および圧力とに基づいてＥＧＲ率の推定値を精度高く算出することができる。

さらに好ましくは、制御装置は、推定値が目標値になるように開閉弁の開度を制御する。

このようにすると、第２排気カムを選択することによるＥＧＲ率の過不足分を外部排気循環装置によって調整することができる。そのため、ＥＧＲ率の推定値を目標値に一致させることができる。

この発明によると、エンジン負荷が変化する過渡期において、燃費の悪化を抑制しつつ、十分なＥＧＲ量を得ることができるエンジンを提供することができる。

本実施の形態に係るエンジンの概略構成を示す図である。 本実施の形態における排気側のカムの形状を示す図である。 ２種類のカムを選択する構成の一例を説明するための図である。 排気バルブの開閉時期を遅角した場合の吸気バルブおよび排気バルブのリフト量の変化を説明するための図である。 筒内圧とシリンダ容積との関係を説明するための図である。 ＥＣＵで実行される制御処理を示すフローチャートである。 ２段カム使用時のエンジンの状態を説明するためのタイミングチャートである。 ２段カム使用時の吸気バルブおよび排気バルブのリフト量の変化を説明するための図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号が付されている。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返さない。

図１は、本実施の形態に係るエンジン１００の概略構成を示す。本実施の形態において、エンジン１００は、ディーゼルエンジンやガソリンエンジン等の内燃機関である。以下の説明においては、ディーゼルエンジンをエンジン１００の一例として説明する。

エンジン１００は、気筒１０２と、ピストン１０４と、インテークマニホールド１０６と、吸気ポート１０８と、排気ポート１１０と、エキゾーストマニホールド１１１と、外部ＥＧＲ装置１１６と、吸気バルブ１２０と、排気バルブ１３０と、第１動弁機構１５０と、第２動弁機構１６０と、制御装置２００とを含む。エンジン１００は、吸気行程、圧縮行程、膨張行程および排気行程を経て動作する。エンジン１００は、たとえば、車両に搭載される。

気筒１０２は、円筒形状を有する。気筒１０２内にはピストン１０４が格納される。気筒１０２内で燃料と空気とを含む混合気が燃焼することによってピストン１０４が押し下げられ、クランク機構を介して図示しないエンジン１００のクランクシャフトが回転させられる。気筒１０２は、複数個設けられてもよい。気筒１０２の頂部には、吸気ポート１０８の一方端と、排気ポート１１０の一方端とが接続される。

吸気ポート１０８の一方端と気筒１０２の頂部との接続部分には、吸気バルブ１２０が設けられる。吸気バルブ１２０は、第１動弁機構１５０によって作動する。すなわち、吸気バルブ１２０は、第１動弁機構１５０によって図１の紙面下方向に押し下げられると、吸気ポート１０８の一方端と気筒１０２の頂部とが連通状態になる。吸気バルブ１２０は、第１動弁機構１５０によって図１の紙面上方向に引き上げられると、吸気ポート１０８の一方端と気筒１０２の頂部との間を弁体によって遮断状態にする。

排気ポート１１０の一方端と気筒１０２の頂部との接続部分には、排気バルブ１３０が設けられる。排気バルブ１３０は、第２動弁機構１６０によって作動する。具体的な動作については吸気バルブ１２０と同様であるため、その詳細な説明は繰り返さない。

なお、特に図示しないが、気筒１０２内には、気筒１０２内に燃料を噴射するための燃料噴射インジェクタが設けられる。

吸気ポート１０８の他方端には、インテークマニホールド１０６が接続される。インテークマニホールド１０６は、各気筒に接続される吸気管枝と、共通のサージタンク（いずれも図示せず）とを含む。インテークマニホールド１０６には、吸気管１０５の一方端が接続されており、吸気管１０５の他方端には、エアクリーナ（図示せず）が設けられる。なお、吸気管１０５、インテークマニホールド１０６および吸気ポート１０８によってエンジン１００の「吸気通路」が形成される。

排気ポート１１０の他方端には、エキゾーストマニホールド１１１が接続される。エキゾーストマニホールド１１１には、排気管の一方端が接続されており、排気管の他方端には、触媒（図示せず）が設けられる。なお、排気ポート１１０と、エキゾーストマニホールド１１１と、排気管とによってエンジン１００の「排気通路」が形成される。

第１動弁機構１５０は、たとえば、エンジン１００のシリンダヘッド内に設けられる。第１動弁機構１５０は、バルブスプリング１２１と、ロッカーアーム１２２と、カム１２４とを含む。

バルブスプリング１２１は、ロッカーアーム１２２の一方端からの力が吸気バルブ１２０上方に接続されるタペット１２３に作用しない場合に、吸気バルブ１２０が閉状態になるようにタペット１２３に付勢力を付与して吸気バルブ１２０を所定の位置に保持する。所定の位置とは、吸気バルブ１２０の弁体が吸気ポート１０８の一方端と気筒１０２の頂部との接続部分を遮断状態にする位置である。

ロッカーアーム１２２の一方端からの力がタペット１２３に作用する場合であって、タペット１２３に作用する力がバルブスプリング１２１の付勢力を上回ることにより、バルブスプリング１２１が縮小しタペット１２３が押し下げられる。これにより、吸気バルブ１２０のリフト量が増加し、開状態になる。

ロッカーアーム１２２の他方端は、カム１２４が回転することによって押し上げられる。ロッカーアーム１２２の一方端と他方端との間の支持部材によって、回転自在に支持されている。そのため、ロッカーアーム１２２の他方端が押し上げられることによって、ロッカーアーム１２２の一方端が押し下げられる。

カム１２４は、回転軸方向から視て略楕円形状の外縁を有しており、その外縁の形状によってロッカーアーム１２２の他方端を押し上げる時期や押し上げ量等が定まる。すなわち、カム１２４の外縁の形状により、吸気バルブ１２０の開閉時期やリフト量が定まる。

カム１２４は、カムシャフト１２５に取り付けられる。カムシャフト１２５は、タイミングチェーン等を介してエンジン１００のクランクシャフトと連動して回転する。

第２動弁機構１６０は、たとえば、エンジン１００のシリンダヘッド内に設けられる。第２動弁機構１６０は、バルブスプリング１３１と、ロッカーアーム１３２と、カム１３４と、アクチュエータ１３６とを含む。

なお、第２動弁機構１６０による排気バルブ１３０の開閉動作は、第１動弁機構１５０による吸気バルブ１２０の開閉動作と同様であり、その詳細な説明は繰り返さない。

カム１３４は、回転軸方向から視て略楕円形状の外縁を有しており、その外縁の形状によってロッカーアーム１３２の他方端を押し上げる時期や押し上げ量等が定まる。すなわち、カム１３４の外縁の形状により、排気バルブ１３０の開閉時期やリフト量が定まる。

カム１３４は、排気バルブ１３０の動作特性を変更するための２種類のカム部材（図２参照）を含む。カム１３４は、カムシャフト１３５に取り付けられる。カムシャフト１３５は、タイミングチェーン等を介してエンジン１００のクランクシャフトと連動して回転する。

アクチュエータ１３６は、制御装置２００の制御信号に応じて動作し、カム１３４に含まれる２種類のカム部材のうちのいずれか一方を選択する。選択されたカム部材の回転によってロッカーアーム１３２の他方端が押し上げられる。カム部材の選択によって排気バルブ１３０の動作特性を変更することができる。カム１３４に含まれる２種類のカム部材の詳細な構造やアクチュエータによるカム部材の詳細な選択方法については、後述する。

吸気バルブ１２０は、第１動弁機構１５０の動作によって吸気行程において開弁状態となる。吸気バルブ１２０は、排気バルブ１３０が閉弁状態になる直前に開き、少なくともピストン１０４が上死点（ＴＤＣ）に対応する位置から下死点（ＢＤＣ）に対応する位置に移動する間、開弁状態となる。このとき、ピストン１０４が下降することによって気筒１０２内の圧力（以下、筒内圧と記載する）がインテークマニホールド１０６内の圧力（インマニ圧と記載する）よりも低くなる。筒内圧とインマニ圧との圧力差によって吸気ポート１０８から気筒１０２内に空気が導入される。

排気バルブ１３０は、第２動弁機構１６０の動作によって排気行程において開弁状態となる。排気バルブ１３０は、膨張行程の後、ピストン１０４が下死点（ＢＤＣ）まで低下する直前に開き、少なくとも下死点に対応する位置から上死点（ＴＤＣ）に対応する位置に移動する間、開弁状態となる。このとき、筒内圧がエキゾーストマニホールド１１１内の圧力（以下、エキマニ圧と記載する）よりも高いため、筒内圧とエキマニ圧との圧力差によって気筒１０２から排気ポート１１０に燃焼後の排気ガスが流通する。

外部ＥＧＲ装置１１６は、ＥＧＲバルブ１１２と、ＥＧＲ配管１１４とを含む。ＥＧＲ配管１１４の一方端は、エキゾーストマニホールド１１１に接続される。ＥＧＲ配管１１４の他方端は、インテークマニホールド１０６に接続される。すなわち、ＥＧＲ配管１１４は、気筒を経由しないで吸気通路と排気通路とを接続する。ＥＧＲ配管１１４の一方端と他方端との間にＥＧＲバルブ１１２が設けられる。

制御装置２００は、エンジン１００の運転状態に基づいてＥＧＲバルブ１１２の開度を決定する。制御装置２００は、決定された開度になるように図示しないアクチュエータを用いてＥＧＲバルブ１１２の開度を調整する。これにより、ＥＧＲ配管１１４を流通するＥＧＲガスの流量が調整されたり、ＥＧＲガスの流通が遮断されたりする。

制御装置２００は、いずれも図示しないが、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、メモリと、入出力バッファ等とを含んで構成される。制御装置２００は、各センサおよび機器からの信号、ならびにメモリに格納されたマップおよびプログラムに基づいて、エンジン１００が所望の運転状態となるように各種機器を制御する。なお、各種制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア（電子回路）により処理することも可能である。

インテークマニホールド１０６には、インテークマニホールド１０６内の圧力を検出す第１圧力センサ３００と、インテークマニホールド１０６内の温度を検出する第１温度センサ３０２とが設けられる。第１圧力センサ３００および第１温度センサ３０２は、検出結果を示す信号をそれぞれ制御装置２００に出力する。

吸気管１０５にはエアクリーナを経由して吸入された空気の流量を検出するエアフローメータ３０４が設けられる。エアフローメータ３０４は、検出結果を示す信号を制御装置２００に出力する。

エキゾーストマニホールド１１１には、エキゾーストマニホールド１１１内の圧力を検出する第２圧力センサ３０６と、エキゾーストマニホールド１０６内の温度を検出する第２温度センサ３０８とが設けられる。第２圧力センサ３０６および第２温度センサ３０８は、検出結果を示す信号をそれぞれ制御装置２００に出力する。

さらにエンジン１００には、出力軸であるクランクシャフト（図示せず）の回転数（以下、エンジン回転数という）を検出するエンジン回転数センサ３１０が設けられる。エンジン回転数センサ３１０は、検出結果を示す信号を制御装置２００に出力する。

車両の運転席には、アクセルペダル（図示せず）が設けられる。アクセルペダルには、アクセルペダルの踏み込み量（以下、アクセル開度と記載する）を検出するアクセル開度センサ３１２が設けられる。アクセル開度センサ３１２は、検出結果を示す信号を制御装置２００に出力する。

以下、カム１３４の詳細な構造を説明するとともに、アクチュエータ１３６を用いてカム１３４に含まれる２種類のカム部材のうちのいずれか一方を選択する方法について説明する。

図２は、カム１３４をカムシャフト１３５の回転軸方向から視た形状を示す図である。図２に示すように、カム１３４は、第１カム部材１３４ａと、第２カム部材１３４ｂとを含む。第１カム部材１３４ａおよび第２カム部材１３４ｂの各々は、回転軸方向に沿って所定の厚さを有する。第１カム部材１３４ａと第２カム部材１３４ｂとは、当接して設けられる。

また、第１カム部材１３４ａと第２カム部材１３４ｂとは、第２カム部材１３４ｂに突起部１３４ｃが設けられる点以外の部分は、同じ外縁形状を有する。第１カム部材１３４ａと第２カム部材１３４ｂとにおける同じ外縁形状の部分は、いずれも略楕円形状を有し、上部に先細った形状を有する。第２カム部材１３４ｂの上部の先細った形状の部分は、カムシャフト１３５の回転軸方向から視て第１カム部材１３４ａの上部の先細った形状の部分と一致した位置に設けられる。

第２カム部材１３４ｂに設けられる突起部１３４ｃは、吸気行程における予め定められた時期に排気バルブ１３０を開弁状態にする位置に設けられる。また、突起部１３４ｃの突出量は、吸気行程における排気バルブ１３０のリフト量が予め定められた量になるように定められる。これにより、第１カム部材１３４ａと第２カム部材１３４ｂとを切り替えることによって排気行程における、排気バルブの開弁期間、リフト量および開閉時期を維持しつつ、吸気行程で排気バルブを開弁するか否かを変更することができる。

図３は、カム１３４の第１カム部材１３４ａと第２カム部材１３４ｂとのうちのいずれか一方を選択してロッカーアーム１３２を動作させる構成の一例を示す。

ロッカーアーム１３２は、ベース部１３２ａと、第１アーム部材１３２ｂと、第２アーム部材１３２ｃと、第１貫通孔１３２ｄと、第２貫通孔１３２ｅと、ベース支持部材１３２ｆとを含む。

ベース部１３２ａは、カムシャフト１３５の回転軸方向から視て一方端と他方端との間に設けられるベース支持部材１３２ｆを回転中心として回転自在に支持される。ベース部１３２ａの一方端には、排気バルブ１３０のタペット１３３に向けて突出する突起部が設けられる。

ベース支持部材１３２ｆは、ベース部１３２ａに加えて、第１アーム部材１３２ｂの一方端および第２アーム部材１３２ｃの一方端の各々を回転自在に支持する。

第１アーム部材１３２ｂの他方端は、第１カム部材１３４ａの外周面に当接する。第２アーム部材１３２ｃの他方端は、第２カム部材１３４ｂの外周面に当接する。

第１アーム部材１３２ｂの一方端と他方端との間には、カムシャフト１３５の回転軸と平行な方向に沿って第１貫通孔１３２ｄが形成される。第２アーム部材１３２ｃの一方端と他方端との間には、カムシャフト１３５の回転軸と平行な方向に沿って第２貫通孔１３２ｅが形成される。

ベース部１３２ａの他方端には、アクチュエータ１３６が内蔵される。アクチュエータ１３６は、第１貫通孔１３２ｄと、第２貫通孔１３２ｅとのうちのいずれか一方にピン形状の突起部１３６ａ，１３６ｂのうちのいずれか一方を挿入する。アクチュエータ１３６は、たとえば、油圧で突起部１３６ａ，１３６ｂを動作させるものであってもよいし、電動で突起部１３６ａ，１３６ｂを動作させるものであってもよい。

アクチュエータ１３６によって突起部１３６ａが第１貫通孔１３２ｄに挿入されると、第１アーム部材１３２ｂとベース部１３２ａとが一体的に動作する。そのため、第１カム部材１３４ａの回転によって第１アーム部材１３２ｂの他方端が押し上げられる場合、第１アーム部材１３２ｂの他方端が作用点となり、ベース支持部材１３２ｆが支点となり、ベース部１３２ａの一方端が力点となる。ベース部１３２ａの一方端が押し下げられると、排気バルブ１３０が開弁状態になる。このとき、第２カム部材１３４ｂが回転しても、第２アーム部材１３２ｃは、一方端を回転中心として揺動するのみとなる。そのため、排気バルブ１３０は、第１カム部材１３４ａの外縁形状による動作特性で動作する。

一方、アクチュエータ１３６によって突起部１３６ｂが第２貫通孔１３２ｅに挿入されと、第２アーム部材１３２ｃとベース部１３２ａが一体的に動作する。そのため、第２カム部材１３４ｂの回転によって第２アーム部材１３２ｃの他方端が押し上げられる場合、第２アーム部材１３２ｃの他方端が作用点となり、ベース支持部材１３２ｆが支点となり、ベース部１３２ａの一方端が力点となる。ベース部１３２ａの一方端が押し下げられると、排気バルブ１３０が開弁状態になる。このとき、第１カム部材１３４ａが回転しても、第１アーム部材１３２ｂは、一方端を回転中心として揺動するのみとなる。そのため、排気バルブ１３０は、第２カム部材１３４ｂの外縁形状による動作特性で動作する。

制御装置２００は、エンジン１００の運転状態に応じてアクチュエータ１３６を動作することによって第１カム部材１３４ａおよび第２カム部材１３４ｂのうちのいずれか一方を選択して選択されたカム部材に対応した動作特性で排気バルブ１３０を開閉させる。

第１カム部材１３４ａは、第２カム部材１３４ｂと比較して突起部１３４ｃが設けられていない。そのため、第１カム部材１３４ａが選択される場合には、排気バルブ１３０は、排気行程における第１期間にリフトされて第１開弁状態になるとともに、吸気行程において排気バルブ１３０は開弁しない。

一方、第２カム部材１３４ｂは、突起部１３４ｃが設けられる。そのため、第２カム部材１３４ｂが選択される場合には、排気バルブ１３０は、排気行程において第１開弁状態になるとともに、吸気行程の一部の第２期間に第１開弁状態よりも少量でリフトされて第２開弁状態になる。

以下の説明において第１カム部材１３４ａを「通常排気カム」と記載し、第２カム部材１３４ｂを「２段カム」と記載する場合がある。また、第１カム部材１３４ａが選択される場合を「２段カム非使用時」と記載し、第２カム部材１３４ｂが選択される場合を「２段カム使用時」と記載する場合がある。

上述したような構成を有するエンジン１００においては、たとえば、エンジン１００の負荷が上昇する過渡期において、外部ＥＧＲ装置１１６を用いて排気ガスをエキゾーストマニホールド１１１からインテークマニホールド１０６に還流させる場合、ＥＧＲ配管１１４の長さに対応した分だけＥＧＲガスの還流に遅れが生じる場合がある。そのため、気筒１０２内に流入する気体の体積に対するエキゾーストマニホールド１１１から還流する排気ガスの体積との比を示すＥＧＲ率が目標値から乖離する場合がある。

このような場合、たとえば、排気バルブ１３０の開閉時期を変更することが考えられる。図４に、遅角前の排気バルブ１３０のリフト量の変化（破線ＥＸ１）と、遅角後の排気バルブ１３０のリフト量の変化（実線ＥＸ２）と、吸気バルブ１２０のリフト量の変化（実線ＩＮ１）とを示す。

図４のＥＸ２に示すように、エンジン１００の負荷が上昇する過渡期に、排気バルブ１３０の開閉時期を大きく遅角させると、排気行程初期における排気バルブ１３０のリフト量が小さくなる。そのため、筒内圧が上昇し、ピストンが上下運動するときの仕事量である、ポンプ損失が増加して、燃費が悪化してしまう。

図５に、筒内圧と気筒１０２内におけるシリンダ容積（気筒１０２とピストン１０４とで形成される燃焼室の容積）との関係を示す。図５の実線は、遅角前の吸気行程、圧縮行程、膨張行程および排気行程における筒内圧とシリンダ容積との関係を示す。図５の破線は、遅角後の吸気行程、圧縮行程、膨張行程および排気行程における筒内圧とシリンダ容積との関係を示す。

図５の実線に示すように、圧縮行程後の上死点付近での燃焼時に筒内圧がピークとなる。その後、膨張行程においてピストン１０４の下降によりシリンダ容積が増加するにつれて、筒内圧が低下していく。そして、下死点付近でシリンダ容積がピークとなる。このとき、排気バルブ１３０が開かれる。そして、ピストンの上昇によりシリンダ容積が低下していく。

排気バルブ１３０が開いた状態でピストンが上昇するため、排気ガスは気筒１０２から排気ポートへと流通する。そのため、筒内圧は、ほぼ一定の状態が維持される。その後、吸気行程において吸気バルブが開くとともにピストン１０４が低下すると、筒内圧が下がり、筒内圧がインテークマニホールド１０６内の圧力よりも低くなる。そのため、吸気ポート１０８から空気が気筒１０２内に導入されることとなる。

ここで、排気バルブ１３０の開弁時期が遅くなると、遅角前と比較して排気行程の初期において気筒１０２から排気ガスが排出されない期間が生じる。その結果、図５の破線に示すように、遅角前よりも排気行程における筒内圧が高い状態が維持される。このとき、筒内圧が高い状態でピストン１０４が上下運動することになるため、遅角前と比較して、ピストン１０４が上下運動するときのポンプ損失が増加することとなる。その結果、燃費が悪化する場合がある。

そのため、燃費悪化の抑制と両立を図る必要があるため、排気バルブ１３０の開弁時期を十分に遅らせることができず、吸気行程初期における排気バルブ１３０のリフト量が小さくなり、排気ポート１１０から気筒１０２に還流するＥＧＲガスの流量を十分に確保できない。

そこで、本実施の形態においては、制御装置２００は、エンジン１００の負荷が上昇する過渡期に、排気バルブ１３０を排気行程と吸気行程との各々において開弁状態にする第２カム部材１３４ｂを選択するように第２動弁機構１６０を制御するものとする。

このようにすると、エンジン１００の負荷が上昇する過渡期に、排気行程とは別に吸気行程においても排気バルブ１３０を開弁状態にすることができる。そのため、ポンプ損失の増加を抑制しつつ、十分なＥＧＲ量を得ることができる。

以下、本実施の形態に係るエンジン１００の動作を制御する制御装置２００で実行される制御処理について図６を用いて説明する。図６は、制御装置２００で実行される制御処理の一例を示すフローチャートである。制御装置２００は、たとえば、図６に示される制御処理を所定時間間隔毎に実行する。なお、カム１３４においては、初期状態として、第１カム部材１３４ａが選択されているものとする。

ステップ（以下、ステップをＳと記載する）１００にて、制御装置２００は、エンジン１００の負荷が変化する過渡期であるか否かを判定する。制御装置２００は、たとえば、アクセル開度の変化率（たとえば、単位時間当たりの変化量）がしきい値以上となる車両の加速時に、エンジン１００の負荷が変化（上昇）する過渡期であると判定する。このとき、制御装置２００は、たとえば、過渡判定フラグをオン状態にする。エンジン１００の負荷が変化する過渡期であると判定される場合（Ｓ１００にてＹＥＳ）、処理はＳ１０２に移される。

Ｓ１０２にて、制御装置２００は、気筒１０２内のＥＧＲ率の推定値を算出する。気筒１０２内のＥＧＲ率とは、気筒１０２内に流入する気体の量に対する排気側から還流されるＥＧＲガス量の割合を示す。制御装置２００は、たとえば、エンジン回転数と、吸入空気量と、インテークマニホールド１０６内の気体の圧力および温度とに基づいて筒内ＥＧＲ率の推定値を算出する。制御装置２００は、たとえば、実験等によって適合されたマップあるいは数式等を用いて上述したパラメータから筒内ＥＧＲ率の推定値を算出する。

Ｓ１０４にて、制御装置２００は、目標ＥＧＲ率と筒内ＥＧＲ率との差の大きさ（絶対値）がしきい値Ａ（０）よりも大きいか否かを判定する。制御装置２００は、たとえば、エンジン回転数と燃料噴射量とに基づいて目標ＥＧＲ率を設定する。制御装置２００は、たとえば、エンジン回転数と燃料噴射量と目標ＥＧＲ率との関係を示すマップや数式等を用いてエンジン回転数と燃料噴射量とから目標ＥＧＲ率を算出する。目標ＥＧＲ率と筒内ＥＧＲ率との差の大きさがしきい値Ａ（０）よりも大きいと判定される場合（Ｓ１０４にてＹＥＳ）、処理はＳ１０６に移される。

Ｓ１０６にて、制御装置２００は、排気バルブ１３０を排気行程と吸気行程とにおいて開弁状態にする２段カムを選択する。すなわち、制御装置２００は、アクチュエータ１３６を用いて第２カム部材１３４ｂを選択する。

なお、たとえば、吸気行程中のエキゾーストマニホールド１１１内の圧力が高い期間に排気バルブ１３０が開弁状態になり、適切な量の排気ガスが気筒１０２に導入されるように排気バルブ１３０の開閉時期とリフト量、すなわち、第２カム部材１３４ｂの形状（具体的には、突起部１３４ｃの形状）が設定される。

Ｓ１０８にて、制御装置２００は、筒内ＥＧＲ率の推定値を算出する。制御装置２００は、たとえば、エンジン回転数と、吸入空気量と、インテークマニホールド１０６内の気体の圧力および温度と、エキゾーストマニホールド１１１内の気体の圧力および温度とに基づいて筒内ＥＧＲ率の推定値を算出する。制御装置２００は、たとえば、実験等によって適合されたマップあるいは数式等を用いて上述したパラメータから筒内ＥＧＲ率の推定値を算出する。

Ｓ１１０にて、制御装置２００は、筒内ＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率になるようにＥＧＲバルブ１１２の開度をフィードバック制御する。制御装置２００は、たとえば、目標ＥＧＲ率と筒内ＥＧＲ率との差分に基づいてＥＧＲバルブ１１２の開度のフィードバック量を算出する。制御装置２００は、算出されたフィードバック量に基づいてＥＧＲバルブ１１２の開度を変化させる。

制御装置２００は、その後処理をＳ１０４に戻して、目標ＥＧＲ率と筒内ＥＧＲ率との差の大きさがしきい値Ａ（０）よりも大きいか否かを判定する。

目標ＥＧＲ率と筒内ＥＧＲ率との差の大きさがしきい値Ａ（０）以下にであると判定される場合（Ｓ１０４にてＮＯ）、処理はＳ１１２に移される。

Ｓ１１２にて、制御装置２００は、排気バルブ１３０を排気行程において開弁状態にする通常排気カムを選択する。すなわち、制御装置２００は、アクチュエータ１３６を用いて第１カム部材１３４ａを選択する。このとき、制御装置２００は、たとえば、過渡判定フラグをオフ状態にする。なお、Ｓ１００にて、エンジン１００の負荷が変化する過渡期でないと判定される場合（Ｓ１００にてＮＯ）、制御装置２００は、この処理を終了する。

以上のような構造およびフローチャートに基づく本実施の形態に係るエンジン１００の制御装置２００の動作について図７および図８を用いて説明する。以下の説明においては、たとえば、車両がユーザにより運転されている場合を想定する。

図７は、アクセル開度（ＬＮ１）、燃料噴射量（ＬＮ２）、過渡判定フラグ（ＬＮ３）、目標ＥＧＲ率（ＬＮ４）、筒内ＥＧＲ率（ＬＮ５）、目標ＥＧＲ率と筒内ＥＧＲ率との差の大きさ（ＬＮ６）、２段カムの使用の有無（ＬＮ７）、ＥＧＲバルブ１１２の開度（ＬＮ８）、および、ＮＯｘ排出量（ＬＮ９）の各々の変化を示す。なお、本実施の形態においては、エンジン１００の負荷が変化する過渡期に目標ＥＧＲ率および筒内ＥＧＲ率の推定値が算出されるものとして説明したが、図７のＬＮ４およびＬＮ５に示すように、制御装置２００は、過渡期以外の時間領域においても目標ＥＧＲ率および筒内ＥＧＲ率を算出している。

たとえば、図７のＬＮ１に示すように、アクセル開度が一定の状態である場合を想定する。ユーザによるアクセルペダルの踏み込み量が増加することにより、アクセル開度が増加する。アクセル開度の増加にともなって、図７のＬＮ２に示すように燃料噴射量が増加する。

時間Ｔ（０）にて、アクセル開度の変化率がしきい値を超えると、エンジン１００の負荷が変化する過渡期であると判定される（Ｓ１００にてＹＥＳ）。そのため、図７のＬＮ３に示すように、過渡判定フラグがオフ状態からオン状態に切り替わる。

このとき、エンジン回転数と、吸入空気量と、インテークマニホールド１０６内の気体の圧力および温度とに基づいて筒内ＥＧＲ率の推定値（ＬＮ５）が算出される（Ｓ１０２）。

時間Ｔ（１）にて、目標ＥＧＲ率（ＬＮ４）と筒内ＥＧＲ率の推定値との差の大きさ（ＬＮ６）がしきい値Ａ（０）よりも大きいと判定される場合には（Ｓ１０４にてＹＥＳ）、図７のＬＮ７に示すように２段カムが選択される（Ｓ１０６）。そのため、排気バルブ１３０は、排気行程に加えて吸気行程においても開弁状態になる。

図８に、吸気バルブ１２０のリフト量の変化（ＩＮ１’）と、２段カムが使用された場合の、排気行程における排気バルブ１３０のリフト量の変化（ＥＸ１’）と、吸気行程における排気バルブ１３０のリフト量の変化（ＥＸ２’）と、エキゾーストマニホールド１１１内の圧力の変化（ＬＮ１４）とを示す。

図８のＥＸ１に示すように、排気行程において排気バルブ１３０は、クランク角が下死点（ＢＤＣ）になる前に開き始める。クランク角（ピストン１０４の位置）が下死点（ＢＤＣ）と上死点（ＴＤＣ）との間の中間付近であるときに排気バルブ１３０のリフト量がピークとなる。その後、クランク角が上死点（ＴＤＣ）に近づくほど排気バルブ１３０のリフト量が減少し、上死点（ＴＤＣ）後に排気バルブ１３０が閉弁状態になる。

図８のＩＮに示すように、吸気行程において吸気バルブ１２０は、クランク角が上死点（ＴＤＣ）になる前に開き始める。クランク角が上死点（ＴＤＣ）と下死点（ＢＤＣ）との間の中間付近であるときに吸気バルブ１２０のリフト量がピークとなる。その後、クランク角が下死点（ＢＤＣ）に近づくほど吸気バルブ１２０のリフト量が減少し、下死点（ＢＤＣ）後に吸気バルブ１２０は閉弁状態になる。

図８のＥＸ２に示すように、排気行程後半の上死点（ＴＤＣ）後に排気バルブ１３０が一旦閉弁状態になった後に吸気バルブ１２０が開弁状態であるときに排気バルブ１３０が再度開き始める。排気バルブ１３０のリフト量は、吸気行程の後半にピークとなる。吸気行程における排気バルブ１３０のピーク時のリフト量は、排気行程における排気バルブ１３０のピーク時のリフト量よりも小さい。そして、排気バルブ１３０は、クランク角が下死点（ＢＤＣ）となった後に閉弁状態になる。吸気行程における排気バルブ１３０が開弁状態になる期間においては、図８のＬＮ１４に示すように他の気筒から排気ガスが排出されることによってエキゾーストマニホールド内の圧力が増加する期間に対応する。そのため、吸気行程において排気バルブ１３０が開弁状態になることによって、排気ポート１１０から気筒１０２に対して排気ガスが還流することになる。

図７に戻って、２段カムが選択されることによって排気ガスが気筒１０２内に導入される。また、２段カムが選択される場合、エンジン回転数と、吸入空気量と、インテークマニホールド１０６内の気体の圧力および温度と、エキゾーストマニホールド１１１内の気体の圧力および温度とに基づいて筒内ＥＧＲ率の推定値（ＬＮ５）が算出される（Ｓ１１０）。そして、筒内ＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率になるようにＥＧＲバルブ１１２の開度が制御される（Ｓ１０８）。このとき、内部ＥＧＲにより筒内ＥＧＲ率が維持されるため、２段カム使用時のＥＧＲバルブ１１２の開度（ＬＮ８）は、２段カム非使用時のＥＧＲバルブ１１２の開度（破線ＬＮ１２）よりも減少する。

図７の破線ＬＮ１０に示すように、エンジン１００の負荷が変化する過渡期に２段カムが選択されない場合、外部ＥＧＲ装置１１６におけるＥＧＲガスの還流の遅れにより筒内ＥＧＲ率が大きく減少する。これに対して、２段カムが選択されることによって、排気ポート１１０から気筒１０２に排気ガスが還流されるため、図７のＬＮ５に示すように、筒内ＥＧＲ率の減少が抑制される。そのため、図７のＬＮ６に示すように、目標ＥＧＲ率と筒内ＥＧＲ率との乖離が抑制される。その結果、２段カム使用時のＮＯｘ排出量（ＬＮ９）は、２段カム非使用時のＮＯｘ排出量（破線ＬＮ１３）よりも減少する。

時間Ｔ（２）にて、目標ＥＧＲ率と筒内ＥＧＲ率の推定値との差の大きさがしきい値Ａ（０）以下になると（Ｓ１０４にてＮＯ）、通常排気カムが選択される（Ｓ１１２）。そのため、排気バルブ１３０は、排気行程において開弁状態になり、吸気行程において閉弁状態が維持される。また、このとき、過渡判定フラグがオフ状態になる（ＬＮ３）。

以上のように、本実施の形態に係るエンジン１００によると、エンジン１００の負荷が上昇する過渡期に、排気行程とは別に吸気行程においても排気バルブ１３０を開弁状態にすることができる。そのため、エンジン１００の負荷が上昇する過渡期において、排気行程の初期における排気バルブ１３０のリフト量を確保して筒内圧の上昇を抑制しつつ、吸気行程において排気側から気筒１０２内への排気ガスの還流量を確保することができる。そのため、ピストン１０４が上下運動するときのポンプ損失の増加を抑制して燃費の悪化を抑制しつつ、十分なＥＧＲ量を得ることができる。したがって、エンジン負荷が変化する過渡期において、燃費の悪化を抑制しつつ、十分なＥＧＲ量を得ることができるエンジンを提供することができる。

また、過渡期であって、かつ、目標ＥＧＲ率と筒内ＥＧＲ率との差の大きさがしきい値Ａ（０）よりも大きい場合に、２段カムが選択される。そのため、ピストン１０４が上下運動するときの仕事量の増加を抑制しつつ、十分なＥＧＲ量を確保することができる。一方、過渡期であって、かつ、目標ＥＧＲ率と筒内ＥＧＲ率との差の大きさがしきい値Ａ（０）以下である場合に、通常排気カムが選択される。そのため、不必要に２段カムが選択されることが抑制されるため、ＥＧＲ量が過多になることを抑制することができる。

さらに、２段カムが選択される場合には、エンジンの回転数と、吸入空気量と、インテークマニホールド内の温度および圧力と、エキゾーストマニホールド内の温度および圧力とに基づいて推定値が算出される。そのため、筒内ＥＧＲ率の推定値を精度高く算出することができる。

さらに、２段カムが選択される場合には、筒内ＥＧＲ率の推定値が目標ＥＧＲ率になるようにＥＧＲバルブ１１２の開度が制御される。そのため、２段カムが選択されることによるＥＧＲ量の過不足分を外部ＥＧＲ装置１１６によって調整することができる。これにより、筒内ＥＧＲ率を目標ＥＧＲ率に一致させることができる。そのため、ＮＯｘの排出量の増加を抑制することができる。

以下、変形例について説明する。
また、本実施の形態においては、第１動弁機構１５０および第２動弁機構１６０として、ロッカーアームを用いた構成を一例として説明したが、特にロッカーアームを用いた構成に限定されるものではない。第１動弁機構１５０および第２動弁機構１６０は、たとえば、カムが直接吸気バルブ１２０や排気バルブ１３０のタペット１３３を押す構成であってもよい。

本実施の形態において、エンジン１００として、ターボチャージャーを搭載しないエンジンを一例として説明したが、ターボチャージャーを搭載したエンジンに本発明を適用してもよい。

本実施の形態において、外部ＥＧＲ装置１１６は、吸気通路と排気通路とを気筒１０２を経由しないで接続するＥＧＲ配管と、ＥＧＲ配管を流通する排気ガスの流量を調整するＥＧＲバルブとを有する構成であればよく、たとえば、ターボチャージャーを搭載するエンジンにおいて、ターボチャージャーの上流に排気ガスを還流するＬＰＬ（Low Pressure Loop)−ＥＧＲであってもよいし、上述したようなインテークマニホールドに（すなわち、ターボチャージャーの下流に）排気ガスを還流するＨＰＬ（High Pressure Loop）−ＥＧＲであってもよいし、ＬＰＬ−ＥＧＲと、ＨＰＬ−ＥＧＲとを組み合わせた構成であってもよい。

本実施の形態においては、アクセル開度の変化率がしきい値よりも大きい場合に、エンジン１００の負荷が変化する過渡期であると判定するとして説明したが、たとえば、車両の速度の変化率（すなわち、加速度）がしきい値よりも大きい場合に、エンジン１００の負荷が変化する過渡期であると判定してもよい。

なお、上記した変形例は、その全部または一部を組み合わせて実施してもよい。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１００ エンジン、１０２ 気筒、１０４ ピストン、１０５ 吸気管、１０６ インテークマニホールド、１０８ 吸気ポート、１１０ 排気ポート、１１１ エキゾーストマニホールド、１１２ ＥＧＲバルブ、１１４ ＥＧＲ配管、１１６ 外部ＥＧＲ装置、１２０ 吸気バルブ、１２１，１３１ バルブスプリング、１２２，１３２ ロッカーアーム、１２３，１３３ タペット、１２４，１３４ カム、１２５，１３５ カムシャフト、１３０ 排気バルブ、１３２ａ ベース部、１３２ｂ，１３２ｃ アーム部材、１３２ｄ，１３２ｅ 貫通孔、１３２ｆ ベース支持部材、１３４ａ，１３４ｂ カム部材、１３４ｃ，１３６ａ，１３６ｂ 突起部、１３６ アクチュエータ、１５０，１６０ 動弁機構、２００ 制御装置、３００，３０６ 圧力センサ、３０２，３０８ 温度センサ、３０４ エアフローメータ、３１０ エンジン回転数センサ、３１２ アクセル開度センサ。

Claims (3)

1. 吸気通路の一方端と排気通路の一方端との各々と接続される気筒と、
   前記吸気通路と前記排気通路とを接続する接続通路と、前記接続通路に設けられる開閉弁とを有する外部排気循環装置と、
   前記気筒と前記吸気通路の一方端との接続部分に開閉可能に設けられた吸気バルブと、
   前記気筒と前記排気通路の一方端との接続部分に開閉可能に設けられた排気バルブと、
   排気行程における第１期間に前記排気バルブを第１開弁状態にするとともに、吸気行程において前記排気バルブを開弁させない第１排気カムと、
   前記排気行程において前記第１開弁状態にするとともに、吸気行程の一部の第２期間に前記第１開弁状態よりも少量で前記排気バルブを第２開弁状態にする第２排気カムと、
   前記第１排気カムと前記第２排気カムとのうちのいずれか一方を選択して前記排気バルブを動作させる選択装置と、
   エンジン負荷の変動に応じて前記選択装置と前記外部排気循環装置とを制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記エンジン負荷が上昇する過渡期に、前記第２排気カムを選択するように前記選択装置を制御し、
   前記制御装置は、
   前記気筒内に流入する気体の体積に対する前記排気通路から還流する排気ガスの体積との比を示すＥＧＲ率の目標値および推定値をエンジンの状態に基づいて算出し、
   前記過渡期であって、かつ、前記目標値と前記推定値との差の大きさがしきい値よりも大きい場合は、前記第２排気カムを選択し、
   前記過渡期であって、かつ、前記目標値と前記推定値との差の大きさが前記しきい値よりも小さい場合は、前記第１排気カムを選択するように前記選択装置を制御する、エンジン。
2. 前記制御装置は、前記第２排気カムを選択する場合には、前記エンジンの回転数と、吸入空気量と、インテークマニホールド内の温度および圧力と、エキゾーストマニホールド内の温度および圧力とに基づいて前記推定値を算出する、請求項１に記載のエンジン。
3. 前記制御装置は、前記推定値が前記目標値になるように前記開閉弁の開度を制御する、請求項１または２に記載のエンジン。

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