以下、例示的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図1は、本実施形態に係る過給機付2ストロークエンジン1(以下、省略してエンジン1という)を示す。このエンジン1は車両に搭載されるエンジンである。エンジン1のエンジン本体10は、ガソリンを主成分とする燃料が供給されるガソリンエンジンであって、複数の気筒11(図1において1つのみ図示している)が設けられたシリンダブロック12と、このシリンダブロック12上に配設されたシリンダヘッド13とを有している。複数の気筒11は、筒軸方向が上下方向となり、紙面方向に垂直な方向が気筒列方向となるように配設されている。このエンジン本体10の各気筒11内には、ピストン15が往復摺動可能にそれぞれ嵌挿されていて、このピストン15と、シリンダブロック12と、シリンダヘッド13とによって燃焼室16が区画されている。燃焼室16は、いわゆるペントルーフ型の燃焼室16であり、シリンダヘッド13における燃焼室16を構成する壁面は、2つ傾斜面13a,13bを有している。ピストン15は、シリンダブロック12内においてコンロッド17を介してクランクシャフト18と連結されている。シリンダブロック12における気筒11の周囲には、エンジン冷却水が流通するウォータジャケット12aが形成されている。
エンジン本体10は、いわゆるオーバーヘッドカムシャフト方式の動弁機構を有しており、シリンダヘッド13には、燃焼室16に連通する吸気ポート19及び排気ポート20が、気筒11毎に形成されている。つまり、吸気ポート19及び排気ポート20は気筒11の頭上に配置されている。各吸気ポート19には、該各吸気ポート19の燃焼室16側の開口を開閉するための吸気弁21がそれぞれ配設されている。各排気ポート20には、該各排気ポート20の燃焼室16側の開口を開閉する排気弁22がそれぞれ配設されている。各吸気ポート19の燃焼室16側の開口は、シリンダヘッド13の2つ傾斜面13a,13bのうちの一方(以下、吸気側傾斜面13aという)にそれぞれ形成され、各排気ポート20の燃焼室16側の開口は、シリンダヘッド13の2つ傾斜面13a,13bのうちの他方(以下、排気側傾斜面13bという)にそれぞれ形成されている。
吸気ポート19は、後述する吸気通路50と連結されている。図1に示すように、吸気ポート19は、シリンダヘッド13内において、吸気通路50との接続部分から、気筒11の中心軸方向及び気筒列方向の両方に直交する方向(以下、エンジン幅方向という)の一側に向かって延びた後、シリンダブロック12側に向かって、エンジン幅方向の他側に僅かに傾斜して延び、その後、燃焼室16近傍でエンジン幅方向の上記一側に向かって湾曲して延びている。図6及び図7に示すように、吸気側傾斜面13aと排気側傾斜面13bとの境界部分には、段差部13cが形成されている。詳しくは後述するが、この段差部13cは、吸気ポート19から燃焼室16に流入する吸気が排気ポート20に向かって流れるのを抑制するための部分である。
一方で、排気ポート20は、後述する排気通路60と連結されている。図1に示すように、排気ポート20は、燃焼室16側の開口から、シリンダブロック12とは反対側に向かって僅かに延びた後、エンジン幅方向の上記一側に向かって真っ直ぐに伸びている。
シリンダヘッド13内には、各吸気弁21を作動させる吸気カムシャフト31と、各排気弁20を作動させる排気カムシャフト41とが設けられている。各カムシャフト31,41は、不図示のチェーン/スプロケット機構等の動力伝達機構を介してクランクシャフト18に連結される。これにより、各カムシャフト31,41はクランクシャフト18の回転と連動して回転する。
吸気カムシャフト31には、バルブタイミングを可変にする可変動弁機構が取り付けられている。本実施形態では、この可変動弁機構は、吸気電動S-VT(Sequential-Valve
Timing)30を有している。吸気電動S-VT30は、吸気カムシャフト31の回転位
相を所定の角度範囲内で連続的に変更するよう構成されている。つまり、吸気電動S-V
T30は位相式の可変動弁機構であり、開弁期間を一定としたまま、開弁時期及び閉弁時期の両方を連動して変化させる。この吸気電動S-VT30によって、吸気弁21の開弁時期及び閉弁時期は、連続的に変化する。尚、吸気動弁機構は、電動S-VTに代えて、油圧式のS-VTを有していてもよい。
排気カムシャフト41にも、バルブタイミングを可変にする可変動弁機構が取り付けられている。本実施形態では、この可変動弁機構は、排気電動S-VT40を有している。排気電動S-VT40は、排気カムシャフト41の回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更するよう構成されている。つまり、排気電動S-VT40は位相式の可変動弁機構であり、開弁期間を一定としたまま、開弁時期及び閉弁時期の両方を連動して変化させる。この排気電動S-VT40によって、排気弁22の開弁時期及び閉弁時期は、連続的に変化する。尚、排気動弁機構は、電動S-VTに代えて、油圧式のS-VTを有していてもよい。
本実施形態では、吸気電動S-VT30及び排気電動S-VT40は、どちらもバルブタイミングを所定の角度範囲内で変更するものであるが、バルブリフトを所定の角度範囲内で変更するものであってもよい。
シリンダヘッド13には、図1に示すように、気筒11毎に、燃料を燃焼室16内に噴射する燃料噴射弁23が設けられている。燃料噴射弁23は、その噴口が燃焼室16の天井部から該燃焼室16内に臨むように配設されている。燃料噴射弁23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16内に直接噴射する。
シリンダヘッド13には、気筒11毎に、該気筒11内に噴射された燃料を燃焼させるための点火プラグ24が取り付けられている。点火プラグ24は、図1に示すように、電極24aがシリンダヘッド13におけるエンジン幅方向の上記一側(つまり排気側)から該燃焼室16内に臨むように配設されている。点火プラグ24は、後述するECU100からの制御信号を受けて、所望の点火タイミングで火花を発生させるように、電極24aに通電する。
図1に示すように、エンジン本体10におけるエンジン幅方向の上記他側の面には、各気筒11の吸気ポート19に連通するように吸気通路50が接続されている。一方、エンジン本体10におけるエンジン幅方向の上記一側の面には、各気筒11の排気ポート20に連通するように接続され、各気筒11からの既燃ガス(つまり、排気ガス)を排出する排気通路60が接続されている。
吸気通路50の上流端部には、吸入空気を濾過するエアクリーナ(図示省略)が配設されている。一方、吸気通路50における下流側端部の近傍には、サージタンク52が配設されている。このサージタンク52よりも下流側の吸気通路50は、気筒11毎に分岐する独立吸気通路とされ、これら各独立吸気通路の下流端が各気筒11の吸気ポート19にそれぞれ接続されている。
吸気通路50における上記エアクリーナとサージタンク52との間には、機械式過給機53が配設されている。尚、以下の説明では、吸気通路50における機械式過給機53よりも上流側の部分を上流側吸気通路50aといい、吸気通路50における機械式過給機53よりも下流側の部分を下流側吸気通路50bという。
機械式過給機53は、排気エネルギーを利用しない過給機であって、詳しくは、エンジン本体10に設けられたクランクシャフト18の回転により回転駆動する過給機である。
図2に示すように、機械式過給機53とクランクシャフト18とは、第1プーリ71と、第2プーリ72と、第1プーリ71と第2プーリ72とを連結するベルト73とにより連結されている。具体的には、クランクシャフト18に第1プーリ71が取り付けられ、第2プーリ72が機械式過給機53のコンプレッサ53aの入力軸53bに取り付けられている。尚、図2では、サージタンク52及び排気通路60は省略している。
機械式過給機53は、クランクシャフト18の回転により回転駆動するため、その回転数はクランクシャフト18の回転数(つまり、エンジン回転数)に比例する。第1及び第2プーリ71,72のそれぞれの直径は、コンプレッサ53aの回転数が所望の回転数となるように設定されている。尚、第2プーリ72と入力軸53bとの間に電磁クラッチを配置して、コンプレッサ53aの回転数を調整できるようにしてもよい。
上記排気通路60の上流側の部分は、気筒11毎に分岐して排気ポート20の外側端に接続された独立排気通路と該各独立排気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60における上記排気マニホールドよりも下流側には、排気浄化触媒61が配設されている。排気浄化触媒61は、酸化触媒であり、排気ガス中のCO及びHCが酸化されてCO2及びH2Oが生成される反応を促すものである。また、図示を省略しているが、排気通路60における排気浄化触媒61よりも下流側の部分には、エンジン1の排気ガス中に含まれるスート(煤)等の微粒子を捕集する微粒子捕集フィルタが配設されている。このエンジン1は、NOxを浄化するための触媒を備えていない。ただし、本開示は、NOxを浄化するための触媒を備えたエンジンに適用することを排除しない。
図3に示すように、エンジン1は、ECU(Engine Control Unit)100によって制
御される。ECU100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ーである。ECU100は、CPU101、メモリ102、入出力バス103等を備えている。CPU101は、コンピュータプログラム(OS等の基本制御プログラム、及び、OS上で起動されて特定機能を実現するアプリケーションプログラムを含む)を実行する中央演算処理装置である。メモリ102は、RAM及びROMにより構成されている。ROMには、種々のコンピュータプログラム(特にエンジン1を制御するための制御プログラム)や、該コンピュータプログラムの実行時に用いられる後述のマップを含むデータ等が格納されている。RAMは、CPU101が一連の処理を行う際に使用される処理領域が設けられるメモリである。入出力バス103は、ECU100に対して電気信号の入出力をするものである。
ECU100には、クランク角センサSN1、エアフローセンサSN2、アクセル開度センサSN3、吸気温度センサSN4(外気温検出手段)、エンジン水温センサSN5(エンジン水温検出手段)、油温センサSN6(油温検出手段)等の各種のセンサが電気的に接続されている。クランク角センサSN1は、シリンダブロック12に設けられていて、クランクシャフト18の回転角を検出する。エアフローセンサSN2は、上流側吸気通路50aを吸気の流量を検出する。アクセル開度センサSN3は、車両のアクセルペダル機構に取り付けられていて、アクセルペダルの操作量に対応したアクセル開度を検出する。吸気温度センサSN4は、上流側吸気通路50aを吸気の温度を検出する。エンジン水温センサSN5は、ウォータジャケット12aを流通するエンジン冷却水の温度を検出する。油温センサNS6は、エンジンオイルの温度を検出する。これらセンサSN1~SN6等は、検知信号をECU100に出力する。
ECU100は、クランク角センサSN1の検出結果からエンジン回転数を算出する。ECU100は、アクセル開度センサSN3の検出結果からエンジン負荷を算出ずる。
ECU100は、吸気温度センサSN4の検出結果から推定される外気温、エンジン水温センサSN5の検出結果、油温センサSN6の検出結果、エンジン本体10の有効圧縮比、及び、アクセル開度センサSN3の検出結果から算出されるエンジン負荷に基づいて、圧縮上死点における燃焼室16内のガス温度である圧縮端温度を推定する。このことから、ECU100は、圧縮上死点における燃焼室16内のガス温度である圧縮端温度を推定する圧縮端温度推定手段に相当する。
ECU100は、センサSN1~SN6等からの入力信号に基づいて、エンジン1の運転状態を判断するとともに、燃料噴射弁23、点火プラグ24,吸気電動S-VT30、排気電動S-VT40等といった、エンジン1の各デバイスに対して制御信号を出力して、各デバイスを制御する。
図4は、機械式過給機53のコンプレッサ53aの性能特性を示す。縦軸は、上流側吸気通路50a内の圧力に対する下流側吸気通路50b内の圧力の比(以下、単に圧力比という)であり、横軸はコンプレッサ53aからの吐出流量である。図4において、曲線RLは回転限界ライン、略直線状の線SLはサージラインを表している。これらのラインで囲まれる領域が機械式過給機53の運転可能領域である。機械式過給機53の運転効率は、運転ポイントが運転可能領域の中央側に位置するほど高くなる。尚、本実施形態では、上流側吸気通路50a内の圧力は、基本的には大気圧となっているため、圧力比の高低は、機械式過給機53による過給圧の高低を表している。
また、この運転可能領域内に図示された複数の曲線RSLは、コンプレッサ53aの回転数が等しい運転ポイントを結んだ線であり、回転限界ラインRLに近いほど回転数が高い。また、機械式過給機53の運転可能領域を縦に縦断するように延びる一点鎖線BLは、コンプレッサ53aの回転数毎に、該コンプレッサ53aの運転効率が最も良い運転ポイントを結んだ線である。
コンプレッサ53aが遠心式ブロアで構成されていることから、該コンプレッサ53aは、基本的には、コンプレッサ53aの回転数が高いほど、圧力比が大きくかつ吐出流量が多くなるような傾向を示す。これは、エンジン回転数が高いほど過給圧が高いことを表している。エンジン回転数が低いときには、吸気弁21及び排気弁22がエンジン1の1サイクルあたりに開弁する実時間が長いため、過給圧が低くても、排気ガスの掃気を行うことができる。一方で、エンジン回転数が高いときには、吸気弁21及び排気弁22がエンジン1の1サイクルあたりに開弁する実時間が短いため、出来る限り高い過給圧で吸気を燃焼室16内に導入して、早期に排気ガスの掃気を行う必要がある。このため、コンプレッサ53aが上記のような特性を有することにより、適切な排気ガスの掃気を行うことができるようになっている。
排気ガスの掃気を効率的に行うために燃焼室16に供給すべき吸気の過給圧及び流量は、エンジン本体10のエンジン諸元(燃焼室16の容積など)により、予め求めることができる。このため、本実施形態では、エンジン本体10のエンジン諸元に基づいて、必要とされる過給圧及び吸気流量を算出して、運転ポイントが破線BL上に位置するような機械式過給機53が選択されている。これにより、エンジン回転数に合わせて効率良く過給できるようになっている。
図5は車両の通常走行時における吸気弁21及び排気弁22のリフト特性を示す。横軸はクランク角度であり、圧縮上死点のクランク角を0°として、これに対して進角側(圧縮上死点よりも早い時期)をマイナスで表し、遅角側(圧縮上死点よりも遅い時期)をプラスで表している。図5において、-360°は1サイクル前の燃焼サイクルにおける圧
縮上死点に相当する。
図5に示すように、本実施形態では、吸気弁21及び排気弁22は、車両の通常走行時において、吸気弁21の開弁時期が排気弁22の開弁時期よりも20°程度遅くかつ吸気弁21の閉弁時期が排気弁22の閉弁時期と略同じになるように構成されている。また、吸気弁21及び排気弁22は、それぞれの開弁期間が下死点(BDC)を挟むように構成されている。詳しくは、吸気弁21及び排気弁22は、吸気及び排気カムシャフト31,41、並びに、吸気及び排気動弁機構30,40により、上記のようなリフト特性を示すようになっている。尚、「吸気弁21の閉弁時期が排気弁22の閉弁時期と略同じ」とは、吸気弁21の閉弁時期が排気弁22の閉弁時期よりも僅かに(クランク角で2°~3°程度)早い場合、及び、吸気弁21の閉弁時期が排気弁22の閉弁時期よりも僅かに遅い場合の両方を含む。本実施形態では、吸気弁21の閉弁時期が排気弁22の閉弁時期よりも僅かに遅くなっている。
本実施形態では、エンジン1は2ストロークエンジンであるため、吸気弁21及び排気弁22の両方を開いて、吸気ポート19から燃焼室16に流入する吸気により、燃焼室16内の排気ガスを排気ポート20に押し流す掃気行程がある。燃焼サイクルにおいて掃気行程に入るときには、上述したように、排気弁22が吸気弁21よりも早い時期に開弁する。これは、吸気ポート21への排気ガスの流入を防止するためである。
図6及び図7には、掃気行程での燃焼室16内の様子を例示している。
図6に示すように、1サイクル前の燃焼サイクルにおいて燃料が燃焼した後、まず、排気弁22のみが開弁される。このときは、ピストン15が下降しながら排気ガスが排気ポート20に向かって流れる。ピストン15が下降していたとしても、排気ガスは燃焼圧により排気ポート20に流れ込む。
次に、排気弁22に加えて、吸気弁21が開弁される。吸気弁21が開弁されると、吸気ポート19から吸気が燃焼室16に供給される。このとき、シリンダヘッド13に段差部13cが形成されていることにより、吸気は、排気ポート20に向かって流れずに、主に、吸気弁21とシリンダヘッド13との隙間のうち排気ポート20から遠い側の部分から燃焼室16に供給される。このように吸気が燃焼室16に供給されることで、図7に示すように、燃焼室16内の排気ガスが吸気によって排気ポート20に掃気される。
また、図5及び図7に示すように、ピストン15が圧縮上死点に向かって上昇しているときには、排気弁22も開弁している。これにより、燃焼室16内の排気ガスは、燃焼室16に供給される吸気とピストン15の上昇とによって、排気ポート20に押し流される。
次いで、図5に示すように、略同じタイミングで吸気弁21及び排気弁22が閉弁される。詳しくは、本実施形態では、排気弁22が閉弁した後、僅かに遅れて吸気弁21が閉弁される。この後、ピストン15の上昇により燃焼室16内の吸気(排気ガスの一部が燃焼室16内に残留している場合には、吸気及び残留ガス)が圧縮される。
その後、燃料噴射弁23により燃料が燃焼室16に噴射される。そして、少なくとも、エンジン負荷が所定負荷よりも小さいエンジン低負荷時には、圧縮自着火により燃料を燃焼させる。一方で、エンジン負荷が所定負荷よりも高いエンジン高負荷時には、エンジン低負荷時と同様に圧縮自着火により燃料を燃焼させてもよいし、点火プラグ24による火花点火により強制的に燃料を燃焼させてもよい。尚、「圧縮自着火」とは、点火プラグ24による点火アシストをした上で、圧縮自着火により燃料を燃焼させるもの(SPCCI
燃焼)を含む。
ここで、上述のように、圧縮自着火により燃料を燃焼させる場合、燃焼を安定させるには、燃焼室16の圧縮端温度を適切に確保する必要がある。一方で、圧縮端温度が高くなり過ぎると、過早着火によるエンジンの熱効率低下や燃焼騒音の増大をもたらすおそれがある。また、圧縮端温度が高くなり過ぎると、NOxが発生しやすくなりエミッション性能が悪化してしまう。
そこで、本実施形態では、ECU100は、圧縮端温度を推定して、推定した圧縮端温度(以下、推定圧縮端温度という)が、燃料を圧縮自着火により安定して燃焼させることができる目標温度になるように、吸気弁21及び排気弁22の閉弁時期を調整するようにしている。尚、目標温度は、例えば1000K程度であって±20K程度幅を有する値である。また、本実施形態においては、吸気弁21及び排気弁22の閉弁時期は、1mmリフト時点で定義している。
図8は、吸気弁21及び排気弁22の閉弁時期を調整したときの圧縮端温度の変化をシミュレーションにより算出した結果を示す。また、図9は、吸気弁21及び排気弁22の閉弁時期を調整したときのエンジントルクの変化をシミュレーションにより算出した結果を示す。図8及び図9のシミュレーションでは、エンジン回転数を1500rpm、空燃比をA/F=30に設定している。
図8において、縦軸は圧縮端温度であり、横軸は吸気弁21及び排気弁22の閉弁時期の変化量である。横軸は、図5に示す開閉パターンの場合の閉弁時期を0°として、そこから遅角させた場合をマイナス側とし、進角させた場合をプラス側で表している。本実施形態では、吸気電動S-VT30及び排気電動S-VT40はどちらも位相式であるため、閉弁時期が変化するときには、開弁時期もそれに連動して変化している。図8に示すグラフにおいて、菱形は吸気弁21と排気弁22とを同期させて、閉弁時期を同じ量だけ遅角又は進角した場合を示し、三角は吸気弁21のみを遅角又は進角した場合を示し、四角は排気弁22のみを遅角又は進角した場合を示す。また、図8に示す点線は、上記目標温度の一例を表している。尚、このシミュレーションでは、吸気弁21の開弁時期が排気弁22の開弁時期よりも早くならないことを条件としている。このため、吸気弁21のみ閉弁時期を進角させる場合の進角量については20°までとなっており、排気弁22のみ閉弁時期を遅角させる場合の遅角量についても20°までとなっている。また、このシミュレーションでは、排気弁22の閉弁時期が吸気弁21の閉弁時期よりも遅くなることを許容している。
図9において、縦軸はエンジントルクであり、横軸は吸気弁21及び排気弁22の閉弁時期の変化量である。横軸の表記、並びに、進角及び遅角の対象を示すマークは図8と同じである。
図8に示すように、吸気弁21と排気弁22とを同期させて閉弁時期を遅角させた場合には、遅角量が大きいほど圧縮端温度が下がることが分かる。また、吸気弁21のみ閉弁時期を遅角した場合にも、吸気弁21と排気弁22とを同期させた場合と同程度に圧縮端温度が低下することが分かる。これは、吸気弁21の閉弁時期が遅角されることで、圧縮開始時のピストン15の位置が圧縮上死点に近い位置になり、有効圧縮比が変化するためである。
一方で、排気弁21のみ閉弁時期を遅角させた場合には、圧縮端温度は僅かに低下するだけであることが分かる。上述したように、今回のシミュレーションでは、閉弁時期が変化するときには、開弁時期もそれに連動して変化している。排気弁22の開弁時期が遅くなることで、筒内圧が低いときに排気弁22が開くことになり、排気ガスが排出されにく
くなる。これにより、圧縮開始時において燃焼室16内に残留する排気ガスの量が多くなる。この結果、排気弁22のみ閉弁時期を遅角させて、有効圧縮比が低下したとしても、圧縮端温度は低下しにくくなる。
ここで、吸気弁21のみ閉弁時期を遅角させると、図10に示すように、ピストン15が圧縮上死点に近い位置にあるときに、吸気弁21のみが開いた状態になる。しかしながら、本実施形態では、主に、吸気弁21とシリンダヘッド13との隙間のうち排気ポート20から遠い側の部分から吸気が燃焼室16に供給されるようになっており、実質的に、吸気ポート19と燃焼室16との間の流路面積が小さくなっている。また、吸気ポート19から燃焼室16に供給される吸気は、機械式過給機53により過給された吸気である。これらのことにより、本実施形態では、図10に示すように、ピストン15が上昇しているときに吸気弁21のみが開弁していたとしても、過給された吸気が燃焼室16に供給されているため、燃焼室16から吸気ポート19への吹き戻しはほとんどない。
燃焼室16から吸気ポート19への吹き戻しがほとんどなければ、燃焼室16に供給される吸気量は一定となる。詳しくは、エンジン回転数が一定で、機械式過給機53のコンプレッサ53aの回転数が一定であれば、機械式過給機53からの吐出流量は一定となる。そして、機械式過給機53からの吐出流量が一定でありかつ燃焼室16から吸気ポート19への吹き戻しがなければ、燃焼室16に供給される吸気量は一定になる。このため、図9に示すように、エンジントルクについては、吸気弁21の閉弁時期を遅角させた場合でも、ほとんど変化しない。
一方で、図8を参照すると、吸気弁21と排気弁22とを同期させて各閉弁時期を進角させた場合には、進角量が大きいほど圧縮端温度が上がることが分かる。これは、有効圧縮比が高くなることに加えて、燃焼室16内の排気ガスの量が多くなるためである。すなわち、図11に示すように、吸気弁21と排気弁22とを同期させて各閉弁時期を進角させると、ピストン15の位置が圧縮上死点からより離れた位置から、燃焼室16内のガスの圧縮が開始されるため、有効圧縮比が高くなる。また、吸気弁21の閉弁時期を進角させると、ピストン15が下死点に近い位置で吸気が燃焼室16に導入されるため、燃焼室16への吸気の供給により燃焼室16内の排気ガスの掃気する際の掃気圧が低くなる。これにより、排気ガスの掃気が抑制されるため、図11に示すように、圧縮開始時における燃焼室16内の排気ガス量が多くなる。
図8を参照すると、吸気弁21のみ閉弁時期を進角させた場合には、圧縮端温度が上昇するが、吸気弁21と排気弁22とを同期させた場合と比較すると、圧縮端温度の上昇量が小さいことが分かる。吸気弁21のみ閉弁時期を進角すると、排気弁22の閉弁時期が吸気弁21の閉弁時期よりも遅くなるため、有効圧縮比は排気弁22の閉弁時期で決まるようになる。このため、吸気弁21のみを進角する場合、有効圧縮比はほとんど変化しない。一方で、上述のように、燃焼室16内の排気ガスの掃気する際の掃気圧が低くなって、圧縮開始時における燃焼室16内の排気ガス量は多くなる。このため、吸気弁21のみ閉弁時期を進角させても圧縮端温度は上昇するが、吸気弁21と排気弁22とを同期させた場合と比較すると、圧縮端温度の上昇量は小さくなる。また、進角量が20°のときは、進角量が10°のときとほとんど変わらないことが分かる。これは、有効圧縮比は排気弁22の閉弁時期で決まってしまい、吸気弁21の閉弁時期を進角させたとしても、有効圧縮比が変化しないためである。
図8を参照すると、排気弁22のみ閉弁時期を進角させた場合には、圧縮端温度がほとんど変化しないことが分かる。これは、排気弁22のみ閉弁時期を進角させたとしても、吸気弁21の閉弁時期が変わらず、有効圧縮比が変化しないためである。
ここで、上述したように、エンジン回転数が一定で、機械式過給機53からの吐出流量は一定であれば、吸気弁21の閉弁時期を進角させたとしても、燃焼室16に供給される吸気量は一定になる。このため、図9に示すように、エンジントルクについては、吸気弁21の閉弁時期を進角させた場合でも、ほとんど変化しない。
上述のように、本実施形態のエンジン1では、吸気弁21及び排気弁22の閉弁時期を調整することにより、エンジントルクを確保しつつ、圧縮端温度を変化させることができる。このとき、図8に示すように、圧縮端温度を低くするときには、吸気弁21の閉弁時期を遅角するだけでもよいが、圧縮端温度を高くするときには、吸気弁21及び排気弁22の両方を進角させることが望ましい。特に、吸気弁21のみ閉弁時期を進角させて、排気弁22の閉弁時期が吸気弁21の閉弁時期よりも遅くなると、燃焼室16に供給された吸気が排気ポート20に流出するおそれがあるため、排気弁22の閉弁時期は、吸気弁21の閉弁時期と略同じか又は吸気弁21の閉弁時期よりも早いことが望ましい。
このため、本実施形態では、ECU100は、少なくとも、エンジン負荷が上記所定負荷よりも低い低負荷時において、推定圧縮端温度が目標温度よりも高いときには、図12に示すように、吸気弁21の閉弁時期を、有効圧縮比が低くなるように遅角させるべく吸気電動S-VT30を作動させる。一方で、ECU100は、推定圧縮端温度が目標温度よりも低いときには、図13に示すように、吸気弁21の閉弁時期を、有効圧縮比が高くなるように進角させるべく吸気電動S-VT30を作動させるとともに、排気弁22の閉弁時期が、吸気弁21の閉弁時期と略同じという条件を維持すべく排気電動S-VT40を作動させる。
ECU100は、推定圧縮端温度が上記目標温度に対して高いほど、吸気弁21の遅角量を大きくする一方、推定圧縮端温度が上記目標温度に対して低いほど、吸気弁21及び排気弁22の進角量を大きくする。ECU100のメモリ102には、図8に示すような、吸気弁21及び排気弁22の閉弁時期と圧縮端温度との関係がマップとして記憶されている。ECU100のCPU101は、推定圧縮端温度と上記目標温度との差から、推定圧縮端温度と上記目標温度になるような吸気弁21の遅角量、又は、吸気弁21及び排気弁22の進角量を算出して、吸気電動S-VT30及び排気電動S-VT40に制御信号を送る。
また、ECU100は、アクセル開度センサSN3から算出されるエンジン負荷が高いほど、吸気弁21の閉弁時期を遅くすべく吸気電動S-VT30を作動させる。すなわち、エンジン負荷が高いほど燃料の供給量が多いため、燃焼圧及び燃焼温度が高く、圧縮端温度が高くなりやすい。このため、エンジン負荷が高いほど、過早着火によるエンジンの熱効率の悪化や燃焼騒音の増大が発生しやすく、エミッション性能が低下する可能性も高い。そこで、ECU100は、エンジン負荷が高いほど圧縮端温度が高くなるように推定して、エンジン負荷が高いほど吸気弁21の閉弁時期を遅角させる。これにより、燃焼圧及び燃焼温度が異常に高くなることを抑制することができる。この結果、熱効率の悪化を一層効果的に抑制するとともに、エミッション性能の悪化を一層効果的に抑制することができる。尚、エンジン負荷が上記所定負荷よりも高い高負荷時には、燃焼圧が急激に上昇することによる燃焼騒音の発生も懸念される。このため、燃焼騒音を抑制するためにも、吸気弁21の閉弁時期を遅角させる制御が特に有効になる。
尚、ECU100は、上記のように、吸気弁21の閉弁時期の遅角量、並びに、吸気弁21及び排気弁22の閉弁時期の進角量を設定しつつ、それぞれの開弁期間が下死点を挟む範囲で遅角量及び進角量を設定する。
次に、推定圧縮端温度に基づいて吸気弁21及び排気弁22を遅角又は進角させる際の
、ECU100の処理動作について、図14を参照して説明する。このフローチャートに基づく処理動作は、エンジン1が作動している間は1燃焼サイクル毎に実行される。
最初のステップS1で、ECU100は、各種センサからの信号を読み込む。このとき、ECU100は、特に、吸気温度センサSN4の検出結果から推定される外気温、エンジン水温センサSN5で検出されるエンジン水温、油温センサSN6で検出されるエンジン油温、エンジン本体10の現在の有効圧縮比、及び、アクセル開度センサSN3の検出結果から算出されるエンジン負荷を読み込む。現在の有効圧縮比は、吸気弁21及び排気弁22の現在のバルブタイミングに基づいて求める。
次のステップS2で、ECU100は、上記ステップS1で読み込んだ各種パラメータから圧縮端温度を推定する。
次のステップS3では、ECU100は、上記ステップS2で算出された推定圧縮端温度が上記目標温度外であるか否か、すなわち、推定圧縮端温度が上記目標温度よりも高いか又は低いか否かを判定する。推定圧縮端温度が上記目標温度よりも高いか又は低い温度であるYESのときには、ステップS4に進む一方、推定圧縮端温度が上記目標温度の範囲内の温度であるNOのときにはリターンする。
上記ステップS4では、ECU100は、推定圧縮端温度が上記目標温度よりも高い温度であるか否かを判定する。推定圧縮端温度が上記目標温度よりも高い温度であるYESのときには、ステップS5に進む一方で、推定圧縮端温度が上記目標温度よりも低い温度であるNOのときには、ステップS7に進む。
上記ステップS5では、ECU100は、吸気弁21の閉弁時期の遅角量を算出する。このとき、ECU100は、推定圧縮端温度と上記目標温度との差に基づいて吸気弁21の閉弁時期の遅角量を算出する。より具体的には、推定圧縮端温度と上記目標温度との差が大きいほど、吸気弁21の閉弁時期の遅角量が大きくなるようにする。ステップS5の後はステップS6に進む。
次のステップS6では、ECU100は、吸気電動S-VT30を作動させて、吸気弁21の閉弁時期を遅角させる。ステップS6の後はリターンする。
一方で、推定圧縮端温度が上記目標温度よりも低い温度であるときに進む、ステップS7では、ECU100は、吸気弁21及び排気弁22の閉弁時期の進角量を算出する。このとき、ECU100は、推定圧縮端温度と上記目標温度との差に基づいて吸気弁21及び排気弁22の閉弁時期の進角量を算出する。より具体的には、推定圧縮端温度と上記目標温度との差が大きいほど、吸気弁21及び排気弁22の閉弁時期の進角量が大きくなるようにする。ステップS7の後はステップS8に進む。
次のステップS8では、ECU100は、吸気電動S-VT30及び排気電動S-VT40を作動させて、吸気弁21及び排気弁22の閉弁時期を進角させる。ステップS8の後はリターンする。
したがって、本実施形態では、吸気弁21及び排気弁22は、吸気弁21の開弁時期が排気弁22の開弁時期よりも遅くかつ吸気弁21の閉弁時期が排気弁22の閉弁時期と略同じでありかつそれぞれの開弁期間が下死点を挟むように構成されており、ECU100は、機械式過給機53の作動時において、ECU100により推定される推定圧縮端温度が、予め設定された目標温度よりも高いときには、吸気弁21の閉弁時期を、有効圧縮比が低くなるように遅角させるべく吸気電動S-VT30を作動させるように構成されてい
る。このことにより、有効圧縮比を低くして圧縮端温度を目標温度に下げることができ、熱効率の悪化及びエミッション性能の悪化を抑制することができる。一方で、燃焼室16に供給される吸気量は一定とすることができるため、高い燃焼安定性及び適切なエンジントルクを得ることができる。
また、ECU100は、推定圧縮端温度が目標温度よりも低いときには、吸気弁21の閉弁時期を、有効圧縮比が高くなるように進角すべく吸気電動S-VT30を作動させるとともに、排気弁22の閉弁時期が、吸気弁21の閉弁時期と略同じという条件を維持すべく排気電動S-VT40を作動させるように構成されている。このことにより、有効圧縮比を高くして圧縮端温度を目標温度に上げることができ、高い燃焼安定性を得ることができる。
特に、本実施形態では、推定圧縮端温度が目標温度よりも高いときの吸気弁21の閉弁時期の遅角量、並びに、推定圧縮端温度が目標温度よりも低いときの吸気弁21及び排気弁22の閉弁時期の進角量を、推定圧縮端温度と目標温度との差に基づいて設定する。このことにより、圧縮端温度を適切に目標温度内にすることができ、高い燃焼安定性及び適切なエンジントルクを得つつ、熱効率の悪化及びエミッション性能の悪化を抑制することができる。
さらに、本実施形態では、ECU100は、吸気温度センサSN4、エンジン水温センサSN5及び油温センサSN6のそれぞれの検出結果、並びに、エンジン本体10の有効圧縮比を考慮して圧縮端温度を推定する。このことよると、エンジン本体10の温度に相当するエンジン冷却水の温度やエンジンオイルの温度、及び、エンジン本体10の有効圧縮比が考慮されることで、圧縮端温度の推定精度を向上させることができる。これにより、推定圧縮端温度に基づく制御を適切に実行できるようになり、この結果、高い燃焼安定性及び適切なエンジントルクを一層適切に得つつ、熱効率の悪化及びエミッション性能の悪化を一層効果的に抑制することができる。
ここに開示された技術は、上記実施形態に限られるものではなく、請求の範囲の主旨を逸脱しない範囲で代用が可能である。
例えば、上述の実施形態では、吸気弁21及び排気弁22は、吸気弁21の閉弁時期が排気弁22の閉弁時期と略同じになるように構成されていたが、これに限らず、吸気弁21及び排気弁22は、閉弁時期を遅角等させない通常のバルブタイミングにおいて、吸気弁21の閉弁時期が排気弁22の閉弁時期よりも遅く(クランク角で4°以上遅く)なるように構成されていてもよい。
また、上述の実施形態では、吸気動弁機構及び排気動弁機構が両方とも位相式であるため、吸気弁21の閉弁時期を遅角させるとき、並びに、吸気弁21及び排気弁22の閉弁時期を進角させるときには、それぞれの開弁時期も同期して遅角又は進角させていたが、これに限らず、吸気動弁機構及び排気動弁機構がバルブリフトを変更可能に構成されている場合には、閉弁時期のみを遅角又は進角させるようにしてもよい。
さらに、上述の実施形態では、ECU100は、吸気温度センサSN4の検出結果から推定される外気温、エンジン水温センサSN5の検出結果、油温センサSN6の検出結果、クランク角センサSN1の検出結果から算出される圧縮代、及び、アクセル開度センサSN3の検出結果から算出されるエンジン負荷に基づいて、圧縮上死点における燃焼室16内のガス温度である圧縮端温度を推定していたが、エンジン水温センサSN5の検出結果及び油温センサSN6の検出結果は用いなくてもよい。すなわち、エンジン水温やエンジン油温の変化は、燃焼室16の温度変化に対してタイムラグがあるため、例えば、エン
ジン回転数が高いときなど、応答性が求められる場合には、エンジン水温やエンジン油温を参照しない方が好ましいときもあるためである。
また、上述の実施形態では、推定圧縮端温度が目標温度よりも高いときには、吸気弁21のみ閉弁時期を遅角していたが、これに限らず、吸気弁21及び排気弁22の両方を遅角させるようにしてもよい。このとき、ECU100は、吸気弁21の開弁時期が排気弁22の開弁時期よりも遅くかつ吸気弁21の閉弁時期が排気弁22の閉弁時期と略同じか若しくは排気弁22の閉弁時期よりも遅くかつそれぞれの開弁期間が下死点を挟むという条件を満たすように、吸気弁21及び排気弁22の遅角量を設定する。また、上記の条件が満たされる範囲であれば、ECU100は、吸気弁21の遅角量と排気弁22の遅角量とを異ならせてもよい。
さらに、上述の実施形態では、推定圧縮端温度が目標温度よりも低いときには、吸気弁21及び排気弁の閉弁時期を同じ量だけ進角させていたが、これに限らず、吸気弁21の開弁時期が排気弁22の開弁時期よりも遅くかつ吸気弁21の閉弁時期が排気弁22の閉弁時期と略同じか若しくは排気弁22の閉弁時期よりも遅くかつそれぞれの開弁期間が圧縮下死点を挟むという条件が維持されていれば、ECU100は、吸気弁21の進角量と排気弁22の進角量とを異ならせてもよい。
また、上述の実施形態では、エンジン本体10はガソリンエンジンであったが、これに限らず、エンジン本体10は、軽油を主成分とする燃料が供給されるディーゼルエンジンであってもよい。この場合、吸気弁21及び排気弁22の閉弁時期の制御をエンジン1の全運転領域に適用される。また、シリンダブロック13に点火プラグを設ける必要はない。さらに、燃料噴射弁23からの燃料の噴射タイミングを、例えば、圧縮上死点近傍にする等の変更が必要となる。
さらに、上述の実施形態では、過給機は機械式過給機53であったが、コンプレッサが遠心式ブロアで構成されていれば、過給機は電動式過給機であってもよい。
上述の実施形態は単なる例示に過ぎず、本開示の範囲を限定的に解釈してはならない。本開示の範囲は請求の範囲によって定義され、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本開示の範囲内のものである。