JPWO2010073353A1 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

バルブオーバーラップ期間を変更可能とする可変動弁機構と、可変ノズル型のターボ過給機とを備える内燃機関において、排気圧力脈動を高める要求が出された場合に、体積効率の悪化を抑制しつつ排気圧力脈動を早期に生成し、かつ、トルク段差を緩和させつつ掃気効果を有効利用し得る内燃機関の制御装置を提供する。排気圧力脈動を高める要求（加速要求）が検知された場合には、可変ノズル２２ｃの開度を全閉とし、バルブオーバーラップ期間がゼロとし、更に、切替弁３３を閉じる。その後、排気圧力脈動が高められたと判断された後に、可変ノズル２２ｃの開度をターボ効率の良い開度にまで開く。そして、この可変ノズル２２ｃの開度制御が行われた後に、ターボ効率が向上してきた段階で、排気圧力脈動が谷となるタイミングと重なるようにバルブオーバーラップ期間を設定するとともに、切替弁４４を数サイクルに渡って一時的に開く。

Description

この発明は、内燃機関の制御装置に関する。

従来、例えば特許文献１には、吸排気弁の少なくとも一方のバルブタイミングを変更することで、吸気弁開弁期間と排気弁開弁期間とが重なるバルブオーバーラップ期間を変更可能とする可変動弁機構を備える内燃機関のバルブタイミング制御装置が開示されている。この従来の制御装置では、排気圧力脈動により生じる負圧波の排気ポート到達時期が吸排気弁のバルブオーバーラップ期間に合致するように、吸排気弁のバルブタイミングを変更するようにしている。このような制御によれば、吸気弁から筒内に新気が流入し易くなるとともに、吸気弁から流入した新気によって筒内の既燃ガスを排気弁へ確実に追い出すことができる。すなわち、掃気効果を発揮させることができる。その結果、残留ガス量が少なくなり、筒内に吸入される新気量を向上することができる。つまり、体積効率を向上することができる。

日本特開平１１−０２２４９９号公報

上述した従来の内燃機関が備えるような可変動弁機構とともに、可変ノズル型のターボ過給機を備える内燃機関が知られている。また、例えば車両の加速初期などの吸入空気量が比較的少ない状況下においては、生成される排気圧力脈動は比較的弱いものとなる。そこで、上記のように可変動弁機構とともに可変ノズル型のターボ過給機を備える内燃機関では、強い排気圧力脈動の生成が要求される場合に、可変ノズルの開度を全閉位置などの閉じ側に制御して、吸入空気量を増量することが考えられる。ところが、排気圧力脈動が弱い状況下において可変ノズルを閉じ側に制御する際に、上述した排気圧力脈動の利用を狙ったバルブオーバーラップ期間の調整を行うこととすると、当該可変ノズルの開度制御によって排気圧力の上昇を招くことで掃気効果が得られにくくなるのとともに、バルブオーバーラップ期間が設けられていることで吸気側への排気ガスの吹き返しが生ずることによって、体積効率が悪化してしまう。

その一方で、排気圧力脈動を十分に生成させたうえで掃気効果を利用しようとする際には、内燃機関に大きなトルク段差が生じないように配慮されていることが望ましい。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、バルブオーバーラップ期間を変更可能とする可変動弁機構と、可変ノズル型のターボ過給機とを備える内燃機関において、排気圧力脈動を高める要求が出された場合に、体積効率の悪化を抑制しつつ排気圧力脈動を早期に生成し、かつ、トルク段差を緩和させつつ掃気効果を有効利用し得る内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、内燃機関の制御装置であって、
吸気弁開弁期間と排気弁開弁期間とが重なるバルブオーバーラップ期間を可変とする可変動弁機構と、
前記可変動弁機構を制御して、前記バルブオーバーラップ期間を制御するオーバーラップ期間制御手段と、
内燃機関の排気エネルギによって駆動されるタービンと、当該タービンに供給される排気ガスの流量を調整するための可変ノズルとを有するターボ過給機と、
前記可変ノズルの開度を制御するノズル開度制御手段と、
排気圧力脈動を高める要求の有無を検知する脈動生成要求検知手段と、
排気系容積を調整する排気容積調整手段と、
排気圧力脈動が高められたと判断される判断時点、もしくは排気圧力脈動が高められていると予測される予測時点を取得する脈動生成状態取得手段と、を備え、
前記ノズル開度制御手段は、
排気圧力脈動を高める要求を検知した検知時点から前記判断時点もしくは前記予測時点までの間、前記可変ノズルの開度を、前記検知時点の当該可変ノズルの開度よりも閉じ側の第１所定開度に制御するノズル閉じ制御実行手段を含み、
前記オーバーラップ期間制御手段は、
前記検知時点から前記判断時点もしくは前記予測時点までの間、バルブオーバーラップ期間を、前記検知時点のバルブオーバーラップ期間よりも短くなるように制御するオーバーラップ期間制限手段と、
前記判断時点もしくは前記予測時点が経過した後に、排気圧力脈動が谷となるタイミングと重なるようにバルブオーバーラップ期間を設定するオーバーラップ期間設定手段と、を含み、
前記排気容積調整手段は、前記オーバーラップ期間設定手段によるバルブオーバーラップ期間の設定開始時点を始点もしくは終点とする所定時間、または前記設定開始時点を跨ぐ所定時間に渡って、前記排気系容積を一時的に拡大することを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記排気通路と吸気通路とを連通する排気ガス還流通路と、
前記排気ガス還流通路の途中に配置され、前記排気通路から前記吸気通路への排気ガス再循環量を制御するＥＧＲ弁と、を更に備え、
前記排気容積調整手段は、前記ＥＧＲ弁よりも前記排気通路側の前記排気ガス還流通路に配置され、前記排気通路と前記排気ガス還流通路とを連通状態および遮断状態との間で切り替える切替弁であることを特徴とする。

また、第３の発明は、第１または第２の発明において、
排気圧力脈動を高める前記要求は、内燃機関の加速要求であり、
前記脈動生成要求検知手段は、アクセル開度の変化に基づいて、前記要求を検知することを特徴とする。

また、第４の発明は、第１乃至第３の発明の何れかにおいて、
前記オーバーラップ期間制限手段は、前記検知時点から前記判断時点もしくは前記予測時点までの間、バルブオーバーラップ期間をゼロもしくは実質的にゼロに制限することを特徴とする。

また、第５の発明は、第１乃至第４の発明の何れかにおいて、
前記ノズル開度制御手段は、前記判断時点が経過した後に、前記可変ノズルの開度を前記第１所定開度よりも開き側の第２所定開度に制御するノズル開き制御実行手段を更に含み、
前記オーバーラップ期間設定手段は、前記ノズル開き制御実行手段によって前記可変ノズルの開度が前記第２所定開度に制御された後に、排気圧力脈動が谷となるタイミングと重なるようにバルブオーバーラップ期間を設定することを特徴とする。

第１の発明によれば、排気圧力脈動を高める要求が出された場合に、可変ノズルの開度を閉じ側に制御していくことで、吸入空気量の増加を促し、これにより、早期に排気圧力脈動を高めることができる。更に、本発明によれば、当該要求が出された場合に、バルブオーバーラップ期間が短くなるように制御していることで、吸気側への排気ガスの吹き返しを良好に防止することができる。このように、本発明によれば、体積効率の悪化を抑制しつつ、排気圧力脈動を早期に生成することができる。また、本発明では、排気圧力脈動が高められたと判断される判断時点、もしくは排気圧力脈動が高められていると予測される予測時点が経過した後に、排気圧力脈動が谷となるタイミングと重なるようにバルブオーバーラップ期間が設定される際に、バルブオーバーラップ期間の設定開始時点を始点もしくは終点とする所定時間、または当該設定開始時点を跨ぐ所定時間に渡って、排気系容積が一時的に拡大される。これにより、トルク段差を緩和させつつ掃気効果を有効利用することができる。

第２の発明によれば、排気ガス還流通路の途中に配置されるＥＧＲ弁よりも排気通路側の排気ガス還流通路に配置され、排気通路と排気ガス還流通路とを連通状態および遮断状態との間で切り替える切替弁を用いて、排気系容積を良好に調整することが可能となる。

第３の発明によれば、内燃機関の加速要求が出された場合に、体積効率の悪化を抑制しつつ排気圧力脈動を早期に生成することができる。更に、トルク段差を緩和させつつ掃気効果を有効利用することができる。

第４の発明によれば、排気圧力脈動を高める要求が出された場合に、吸気側への排気ガスの吹き返しを確実に抑制しつつ、排気圧力脈動を早期に生成することが可能となる。

第５の発明によれば、排気上死点付近において排気圧力に対して吸気圧力が高くなる領域が確実に確保された後に、バルブオーバーラップ期間を設けることができるようになる。このため、吸気側への排気ガスの吹き返しの発生を回避して、掃気効果を十分に利用できるようになる。

本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。 体積効率向上制御実行中の吸気マニホールド圧力および排気マニホールド圧力とクランク角度との関係を示す図である。 排気圧力脈動の強さが上記体積効率向上制御に与える影響を説明するための図である。 図２を用いて説明した掃気効果に対する可変ノズルの開度の影響を説明するための図である。 本発明の実施の形態１における特徴的な制御を説明するためのタイムチャートである。 図５に示す制御の実行により得られる効果を説明するための概念図である。 図５に示す制御の課題を説明するための図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１０ ディーゼル機関
１８ 排気マニホールド
２０ 排気通路
２２ 可変ノズル型ターボ過給機
２２ａ タービン
２２ｂ コンプレッサ
２２ｃ 可変ノズル
２６ 吸気通路
３２ 吸気マニホールド
３８ ＥＧＲ通路
４２ ＥＧＲ弁
４４ 切替弁
４６ 吸気可変動弁機構
４８ 排気可変動弁機構
５０ 吸気カム角センサ
５２ 排気カム角センサ
５４ アクセル開度センサ
５６ 吸気圧センサ
５８ 排気圧センサ
６０ ＥＣＵ(Electronic Control Unit)
６２ クランク角センサ

実施の形態１．
［実施の形態１のシステム構成］
図１は、本発明の実施の形態１のシステム構成を説明するための図である。図１に示すシステムは、４サイクルのディーゼル機関（圧縮着火内燃機関）１０を備えている。ディーゼル機関１０は、車両に搭載され、その動力源とされているものとする。本実施形態のディーゼル機関１０は、直列４気筒型であるが、本発明におけるディーゼル機関の気筒数および気筒配置はこれに限定されるものではない。

ディーゼル機関１０の各気筒には、燃料を筒内に直接噴射するインジェクタ１２が設置されている。各気筒のインジェクタ１２は、共通のコモンレール１４に接続されている。コモンレール１４内には、サプライポンプ１６によって加圧された高圧の燃料が貯留されている。そして、このコモンレール１４から各気筒のインジェクタ１２へ燃料が供給される。各気筒から排出される排気ガスは、排気マニホールド１８によって集合され、排気通路２０に流入する。

ディーゼル機関１０は、可変ノズル型のターボ過給機２２を備えている。ターボ過給機２２は、排気ガスの排気エネルギによって作動するタービン２２ａと、タービン２２ａと一体的に連結され、タービン２２ａに入力される排気ガスの排気エネルギによって回転駆動されるコンプレッサ２２ｂとを有している。更に、ターボ過給機２２は、タービン２２ａに供給される排気ガスの流量を調整するための可変ノズル（ＶＮ）２２ｃを有している。

可変ノズル２２ｃは、図示省略するアクチュエータ（例えば、電動モータ）によって開閉動作可能になっている。可変ノズル２２ｃの開度を小さくすると、タービン２２ａの入口面積が小さくなり、タービン２２ａに吹き付けられる排気ガスの流速を速くすることができる。その結果、コンプレッサ２２ｂおよびタービン２２ａの回転数（以下、「ターボ回転数」と称する）が上昇するので、過給圧を上昇させることができる。逆に、可変ノズル２２ｃの開度を大きくすると、タービン２２ａの入口面積が大きくなり、タービン２２ａに吹き付けられる排気ガスの流速が遅くなる。その結果、ターボ回転数が降下するので、過給圧を低下させることができる。

ターボ過給機２２のタービン２２ａは、排気通路２０の途中に配置されている。タービン２２ａよりも下流側の排気通路２０には、排気ガス中のＰＭ(Particulate Matter：粒子状物質)を捕捉するためのＤＰＦ２４が設置されている。なお、排気通路２０には、ＤＰＦ２４のほかに、排気ガス中の有害成分を浄化する触媒が設置されていてもよい。あるいは、ＤＰＦ２４に触媒成分が担持されていてもよい。

ディーゼル機関１０の吸気通路２６の入口付近には、エアクリーナ２８が設けられている。エアクリーナ２８を通って吸入された空気は、ターボ過給機２２のコンプレッサ２２ｂで圧縮された後、インタークーラ３０で冷却される。インタークーラ３０を通過した吸入空気は、吸気マニホールド３２により分配されて、各気筒に流入する。

吸気通路２６におけるインタークーラ３０と吸気マニホールド３２との間には、吸気絞り弁３４が設置されている。また、吸気通路２６におけるエアクリーナ２８の下流近傍には、吸入空気量を検出するエアフローメータ３６が設置されている。

吸気マニホールド３２の近傍には、ＥＧＲ通路３８の一端が接続されている。ＥＧＲ通路３８の他端は、排気通路２０の排気マニホールド１８に接続されている。本システムでは、このＥＧＲ通路３８を通して、排気ガス（既燃ガス）の一部を吸気通路２６に還流させること、つまり外部ＥＧＲ(Exhaust Gas Recirculation)を行うことができる。

ＥＧＲ通路３８の途中には、ＥＧＲ通路３８を通る排気ガス（ＥＧＲガス）を冷却するためのＥＧＲクーラ４０が設けられている。ＥＧＲ通路３８におけるＥＧＲクーラ４０の下流には、ＥＧＲ弁４２が設けられている。このＥＧＲ弁４２の開度を変えることにより、ＥＧＲ通路３８を通る排気ガス量、すなわち外部ＥＧＲガス量を調整することができる。

更に、排気マニホールド１８とＥＧＲ通路３８との接続部位には、排気系容積（より具体的には、タービン２２ａよりも上流側の排気系容積）を調整するための切替弁４４が設置されている。この切替弁４４は、ＥＧＲ弁４２更にはＥＧＲクーラ４０の上流側（排気マニホールド１８側）においてＥＧＲ通路３８を遮断可能に構成されている。

このような切替弁４４によって排気マニホールド１８とＥＧＲ通路３８とを遮断した状態では、ＥＧＲ通路３８やＥＧＲクーラ４０の容積が排気系容積に加わらなくなるので、開弁時と比べ、ＥＧＲ通路３８とＥＧＲクーラ４０とを合わせた容積の分だけ、排気系容積を小さくすることができる。このように、切替弁４４によれば、排気系容積を可変とすることができる。

また、ディーゼル機関１０は、吸気弁（図示省略）の開弁特性を可変とする吸気可変動弁機構４６と、排気弁（図示省略）の開弁特性を可変とする排気可変動弁機構４８とを備えている。吸気可変動弁機構４６および排気可変動弁機構４８の具体的な構成は、特に限定されるものではなく、カムシャフトの位相を変化させることによって開閉時期を連続的に可変とする位相可変機構のほか、カムを電気モータで駆動する機構、電磁駆動弁、油圧駆動弁などを用いることもできる。吸気可変動弁機構４６や排気可変動弁機構４８によれば、排気弁の開弁期間と吸気弁の開弁期間とが重なるバルブオーバーラップ期間（以下、単に「バルブオーバーラップ期間」という）の長さを変化させることができる。

また、吸気カム軸および排気カム軸の近傍には、それぞれのカム軸の回転角度、すなわち、吸気カム角および排気カム角を検出するための吸気カム角センサ５０および排気カム角センサ５２がそれぞれ配置されている。

また、本実施形態のシステムは、ディーゼル機関１０が搭載された車両のアクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ５４と、吸気マニホールド圧力（吸気圧力）を検出する吸気圧センサ５６と、排気マニホールド圧力（排気圧力）を検出する排気圧センサ５８と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）６０とを更に備えている。また、ＥＣＵ６０には、上述した各種のセンサおよびアクチュエータとともに、クランク角を検出するクランク角センサ６２が接続されている。ＥＣＵ６０は、クランク角センサ６２の検出信号に基づいて、エンジン回転数を算出することもできる。更に、ＥＣＵ６０は、上記カム角センサ５０、５２の検出信号に基づいて、吸気弁および排気弁の開閉時期の進角量を算出することができる。ＥＣＵ６０は、各センサの出力に基づき、所定のプログラムに従って各アクチュエータを作動させることにより、ディーゼル機関１０の運転状態を制御する。

［排気圧力脈動を利用した体積効率向上制御］
本実施形態のシステムは、上述した吸気可変動弁機構４６および排気可変動弁機構４８を備えることによって、バルブオーバーラップ期間を任意に調整することができる。これにより、本実施形態のシステムでは、所定の運転領域（例えば低回転高負荷領域）において、排気マニホールド圧力の脈動を利用してディーゼル機関１０の体積効率ηＶ（筒内空気量）を向上させる体積効率向上制御が実行可能になっている。図２は、体積効率向上制御実行中の吸気マニホールド圧力および排気マニホールド圧力とクランク角度との関係を示す図である。

図２に示すように、吸気マニホールド圧力は、クランク角度に関わらずにほぼ一定となる。これに対し、排気マニホールド圧力は、各気筒の排気弁から排気ガスが間欠的に排出されるのに伴って、脈動（周期的に変動）する。より具体的には、排気弁の開き時期が遅くなるにつれ、排気ガスが排気マニホールド１８内へ放出されるタイミングが遅くなり、排気マニホールド圧力脈動の波形が、図２中における右側にシフトする。つまり、排気マニホールド圧力脈動の波形は、排気弁の開き時期を変化させることによって、図２中の左右に移動する。また、排気マニホールド圧力脈動の波形は、エンジン回転数の変化に伴って排気マニホールド内を流れる排気ガスの流速が変化することによっても、変化する。

図２に示す波形は、排気上死点（ＴＤＣ）近傍に存在するバルブオーバーラップ期間（Ｏ／Ｌ期間）に、排気マニホールド圧力脈動の谷の部分が一致するように、エンジン回転数との関係を考慮しつつ排気弁の開き時期が制御された状態を示している。また、図２に示す波形は、ターボ効率が良い状態で過給がなされることにより、排気圧力に対して吸気圧力（過給圧）が高められた状態を示している。このような状態においては、図２中にハッチングを付して表された領域が、すなわち、バルブオーバーラップ期間において排気圧力よりも吸気圧力の方が高くなる領域が、十分に確保されるようになる。その結果、新気が筒内に流入し易くなるとともに、流入した新気によって筒内の既燃ガスを速やかに排気ポートへ追い出す効果（いわゆる、掃気効果）が十分に得られるようになる。

上記のような掃気効果は、図２中にハッチングを付して示す領域が大きくなるほど、大きくなる。従って、当該領域が大きく確保されるように、吸気可変動弁機構４６を用いた吸気弁の開き時期の調整や排気可変動弁機構４８を用いた排気弁の閉じ時期の調整に基づくバルブオーバーラップ期間の調節を行うこととすれば、掃気効果を十分に得ることができるようになる。このようにして、掃気効果を利用する体積効率向上制御を実行することにより、残留ガス量を十分に少なくし、その分、筒内に充填される新気の量を増やすことができる。つまり、体積効率ηＶを増大させることができる。その結果、ディーゼル機関１０のトルクを良好に向上させることができる。

［可変ノズル型のターボ過給機を備えるシステムに対して体積効率向上制御を適用する際の課題］
図３は、排気圧力脈動の強さが上記体積効率向上制御に与える影響を説明するための図である。
図３には、加速初期などの吸入空気量が少なく（言い換えれば、機関負荷が低く）、十分な強さの排気圧力脈動が生成されないケースが示されている。また、図３には、吸入空気量が多くなり（言い換えれば、機関負荷が高くなり）、十分な強さの排気圧力脈動が生成されているとともに、ターボ過給機２２がターボ効率の良い状態で使用されていることで、排気圧力に対して吸気圧力が良好に高められているケースが示されている。より具体的には、図３中の下側に示された波形のように加速初期などの排気圧力脈動の弱い運転条件下から、高負荷側に移行する要求が出されたことで過給を伴ってディーゼル機関１０の負荷が高められていくと、図３中の上側に示された波形のように、排気圧力脈動が強くなっていくとともに、吸気圧力（過給圧）が排気圧力に対して良好に高められていく。

図３中の下側の波形で示されたように、排気圧力脈動が弱い（脈動の振幅が小さい）条件下においては、バルブオーバーラップ期間が設けられている排気上死点付近において、排気圧力よりも吸気圧力が高くなる領域が小さくなる。このため、この場合には、掃気効果が小さくなり、上記体積効率向上制御による効果を満足に得られなくなる。

本実施形態のシステムは、既述したように、可変ノズル型のターボ過給機２２を備えている。このようなターボ過給機を備えた従来の内燃機関においては、加速時に内燃機関のトルクを迅速に高めるべく、可変ノズルの開度を全閉付近に制御することで過給圧を高めるようにし、これにより、吸入空気量を増やすという制御が行われていた。しかしながら、本実施形態のシステムは、そのような可変ノズル型のターボ過給機２２に加えて、バルブオーバーラップ期間を調整可能とする可変動弁機構４６、４８を備えている。

上記のような構成を有する本実施形態のシステムにおいて、加速時に可変ノズル２２ｃの開度が全閉付近に制御された状態で、バルブオーバーラップ期間を設けることとすると、加速初期においては、排気圧力脈動が弱いので、上述したように十分な掃気効果を得られなくなる。

また、加速時において、可変ノズル２２ｃの開度が全閉付近に制御された状態でバルブオーバーラップ期間を設けることとすると、可変ノズル２２ｃの開度が全閉付近に制御されていることで、加速中に排気圧力の上昇を招き、掃気効果が得られにくくなるのとともに、バルブオーバーラップ期間が設けられていることで吸気ポート側への排気ガスの吹き返しが生ずることになる。その結果、加速時に可変ノズルの開度を全閉付近に制御しつつバルブオーバーラップ期間が設けられていない場合と比較して、体積効率ηＶが悪化してしまう。このような問題点について、以下、図４を参照して更に詳述する。

図４は、上記図２を用いて説明した掃気効果に対する可変ノズル２２ｃの開度の影響を説明するための図である。尚、図４における体積効率ηＶの向上代とは、バルブオーバーラップ期間が設けられていない場合を基準（ゼロ）として、バルブオーバーラップ期間が設けられている場合の体積効率ηＶの向上代を意味している。

可変ノズル２２ｃの開度（ＶＮ開度）が全閉に近づくにつれ、排気圧力が上昇することになるので、図４に示すように、差圧（排気圧−吸気圧）が大きくなるのが判る。このように、ＶＮ開度が閉じ側に制御されていくと、排気圧力が上がり過ぎることでターボ効率が悪化する。ターボ効率が悪いと、排気圧力に対して吸気圧力が良好に上がってこなくなってしまうので、十分な掃気効果を得にくくなり、吸気圧力が排気圧力よりも高くなる領域が小さくなってしまう。その結果、ＶＮ開度が閉じ側に制御されていくと、上述した掃気効果がなくなってしまい、バルブオーバーラップ期間が設けられていない場合と比べて、体積効率ηＶが下がってしまう。

これに対し、ＶＮ開度が開き側に制御されていくと、ターボ効率が良くなっていくことで、排気圧力に対して吸気圧力が良好に高められることになり、上述した掃気効果を十分に得ることができるようになる。このため、図４からも判るように、ＶＮ開度が開き側に制御されていくと、バルブオーバーラップ期間が設けられていない場合と比べて、体積効率ηＶを良好に高められるようになる。ただし、吸入空気量の少ない加速初期段階において、可変ノズル２２ｃの開度を開き側の開度に制御するようにすると、排気圧力脈動が強くなるまでに要する時間が長くなってしまう。

［実施の形態１の特徴部分］
図５は、本発明の実施の形態１における特徴的な制御を説明するためのタイムチャートである。
本実施形態のシステムでは、可変ノズル型のターボ過給機２２と、バルブオーバーラップ期間を調整可能とする可変動弁機構４６、４８とを備える構成において、強い排気圧力脈動を必要とする要求が出されることとなる加速開始時に、上述した各種の課題を解消できるようにすべく、以下のような制御を行うようにした。

すなわち、本実施形態では、運転者からの加速要求を検知した時点ｔ０において、図５（Ａ）に示すように、ＶＮ開度が全閉となるように可変ノズル２２ｃを制御するとともに、図５（Ｂ）に示すように、バルブオーバーラップ期間がゼロとなるように可変動弁機構４６、４８を制御するようにした。尚、図５に示す制御例では、加速要求の検知時点ｔ０において、既に上記のようにＶＮ開度およびバルブオーバーラップ期間が制御されている例を、説明の便宜上用いるようにしている。

本実施形態では、排気圧力脈動が強くなったと判断できる時点ｔ１に達するまでの間、すなわち、加速初期段階においては、上記のように、ＶＮ開度を全閉とし、バルブオーバーラップ期間をゼロとする制御が継続される。その結果、ディーゼル機関１０のトルクは、図５（Ｃ）に示すように、次第に上昇し始めるようになる。

その後、排気圧力脈動が強くなったと判断できる上記時点ｔ１に達した場合には、ＶＮ開度が所定の中間開度（より具体的には、ターボ効率の良い開度）に向けて、開かれていく。一方のバルブオーバーラップ期間については、この時点ｔ１では未だゼロのままとされる。バルブオーバーラップ期間の調整は、その後の時間経過に伴ってターボ効率が向上してきたことで排気圧力に対して吸気圧力が高くなる条件に達したと判断できる時点ｔ２に達した時に開始される。より具体的には、排気圧力脈動が谷となるタイミングと重なるように、バルブオーバーラップ期間が拡大されていく。

図６は、上記図５に示す制御の実行により得られる効果を説明するための概念図である。尚、図６において、実線で表された波形は、上述した本実施形態の制御に対応している。また、破線で表された波形は、バルブオーバーラップ期間の調整機構を有しない内燃機関において、加速時にＶＮ開度が全閉に維持された場合の制御に対応している。更に、一点鎖線で表された波形は、加速当初から、ＶＮ開度が全閉に維持され、かつ、バルブオーバーラップ期間が設けられている場合の制御に対応している。更にまた、二点鎖線で表された波形は、加速当初から、ＶＮ開度が一定量開かれ、かつ、バルブオーバーラップ期間が設けられている場合の制御に対応している。

本実施形態の制御は、図６に示す他の制御パターンに対して、以下に示すような優れた効果を奏することができる。
先ず、本実施形態の制御（実線）と破線で表された制御とを比較する。図６に示すように、加速初期段階においては、破線で表された制御は、本実施形態の制御と同じとなるので、両者に差はない。しかしながら、本実施形態の制御では、排気圧力脈動が強くなったと判断された時点ｔ１において、ＶＮ開度が開かれ、かつ、その後にバルブオーバーラップ期間が設定されるのに対し、破線で表された制御では、上記時点ｔ１以降においても、バルブオーバーラップ期間が設けられないままとされる。このため、破線で表された制御では、強くなった排気圧力脈動を利用した掃気効果を利用できない分だけ、本実施形態の制御に対し、トルクの立ち上がりに時間を要する結果となる。

次に、本実施形態の制御（実線）と一点鎖線で表された制御とを比較する。一点鎖線で表された制御では、排気圧力脈動が弱いという理由で排気圧力に対して吸気圧力が高くならない加速初期段階において、バルブオーバーラップ期間が設定されているので、吸気側への排気ガスの吹き返しによって体積効率ηＶが悪化してしまう。また、一点鎖線で表された制御では、排気圧力脈動が強くなってくる加速中期以降においても、ＶＮ開度が全閉に維持されていることで、ターボ効率の悪化を招き、排気圧力に対して吸気圧力を十分に上げられなくなるので、掃気効果が得られにくくなるのとともに、吸気側への排気ガスの吹き返しによって、体積効率ηＶが悪化してしまう。このため、一点鎖線で表された制御についても、本実施形態の制御に対し、トルクの立ち上がりに時間を要するとともに、トルクの大きさ自体も十分に上げられない結果となる。

次に、本実施形態の制御（実線）と二点鎖線で表された制御とを比較する。二点鎖線で表された制御では、加速初期段階において、ＶＮ開度が一定量開かれていることで、本実施形態の制御に対し、排気圧力脈動が強くなるまでに要する時間が長くなってしまう。このため、二点鎖線で表された制御は、そのような排気圧力脈動の生成遅れ時間分だけ、本実施形態の制御に対し、トルクの立ち上がりに時間を要する結果となる。

以上説明したように、本実施形態の制御によれば、加速初期段階においては、ＶＮ開度を全閉となるように絞ることで吸入空気量の増加を促し、これにより、早期に排気圧力脈動を高めることができ、早期に掃気効果を利用できるようになる。更に、加速初期段階においてバルブオーバーラップ期間をゼロとしていることで、吸気側への排気ガスの吹き返しに起因する体積効率ηＶの悪化を良好に防止することができる。

また、本実施形態の制御によれば、排気圧力脈動が強くなってきた加速中期以降においては、ターボ効率の良くなる開度にまでＶＮ２２ｃを開いていくことで、吸気圧力（過給圧）に対して排気圧力を下げることができ、掃気効果を十分に利用できるようになる。また、そのような掃気効果の実現とターボ効率の確保との両立を図ることができる。

更に、本実施形態の制御によれば、加速中期においてバルブオーバーラップ期間を設定するタイミングを、ＶＮ開度の開き動作後としていることで、排気上死点付近において排気圧力に対して吸気圧力が高くなる領域が確実に確保された後に、バルブオーバーラップ期間を設けることができるようになる。このため、吸気側への排気ガスの吹き返しの発生を回避して、掃気効果を十分に利用できるようになる。

［掃気効果利用開始時のトルク段差を緩和させるための手法］
図７は、上記図５に示す制御の課題を説明するための図である。
以上説明した本実施形態の制御によれば、掃気効果を利用して、加速時にディーゼル機関１０のトルクを大きく高めることが可能となる。しかしながら、そのような掃気効果を有効利用できるようになるのは、排気圧力脈動が十分に強くなったのを受けてバルブオーバーラップ期間を設定した後の加速中期以降の期間である。言い換えれば、掃気効果を利用すべくバルブオーバーラップ期間の設定を開始したタイミングにおいて、トルクが大きく増加するようになる。その結果、図７（Ａ）中において細線で表されるように、バルブオーバーラップ期間の設定開始に伴って、トルク段差が生じてしまうことが懸念される。

そこで、本実施形態では、掃気効果の利用開始時のトルク段差を緩和させるべく、加速時に、切替弁４４を利用して排気系容積を調整するようにした。より具体的には、図７（Ｂ）に示すように、先ず、加速初期において排気圧力脈動を高める要求が検知された場合に、切替弁４４を閉じて排気系容積を減らすようにした。これにより、排気圧力脈動を効果的に高めることができるようになる。

そのうえで、本実施形態では、図７（Ｂ）に示すように、掃気効果利用のためにバルブオーバーラップ期間を設定するタイミングにおいて、切替弁４４をディーゼル機関１０の数サイクルに渡って（所定時間に渡って）、一時的に開くようにした。そして、当該数サイクルの経過後に、再び切替弁４４を閉じることで、その後の加速期間において掃気効果を最大限に利用するようにした。

以上の制御によれば、バルブオーバーラップ期間の上記設定タイミングにおいて切替弁４４を一時的に開くことで、排気圧力脈動が一時的に弱められるようになる。これにより、バルブオーバーラップ期間の設定当初において掃気効果を一時的に小さくすることができる。このため、図７（Ａ）中において太線で示すように、トルク段差を緩和させつつ、その後の加速（トルク上昇）を良好なものとすることができる。更に付け加えると、このような切替弁４４の制御によれば、排気圧力脈動を事前に十分に高めておいたうえで一時的に排気系容積を減らして排気圧力脈動を小さくするようにしているので、切替弁４４を再び閉じた後に即座に強い排気圧力脈動を利用できるようになる。このため、掃気効果の利用開始時にトルク段差を緩和させつつ、加速時における最終的なトルクの到達レベルを十分に高く維持することが可能となる。

また、上記の切替弁４４の制御を用いた手法とは異なり、切替弁４４を閉じたままで燃料噴射量を下げることにより、バルブオーバーラップ期間の設定開始時のトルク段差を緩和させることも可能である。しかしながら、このような手法よりも上記の切替弁４４の制御を用いた手法の方が、次のような理由で燃費面においてメリットを有している。すなわち、切替弁４４を閉じたままで燃料噴射量を下げる手法を用いた状態では、上記の切替弁４４の制御を行っている状態よりも、排気圧力が高い状態（つまり、ポンプ損失が大きい状態）となる。従って、燃料噴射量を下げる手法を用いた場合には、上記の切替弁４４の制御を用いた手法の場合と比べ、同じトルクを出すために多くの燃料噴射量を必要とする。このため、上記の切替弁４４の制御を用いた手法の場合の方が燃費面においてメリットを有することになる。

［実施の形態１における具体的処理］
図８は、以上説明した本実施形態の制御を実現するために、ＥＣＵ６０が実行するルーチンのフローチャートである。
図８に示すルーチンでは、先ず、アクセル開度センサ５４の出力に基づき、運転者からの車両の加速要求があるか否かが判別される（ステップ１００）。その結果、加速要求があったと判定された場合には、次いで、可変ノズル（ＶＮ）２２ｃの開度が現時点での開度から全閉となるように制御される（ステップ１０２）とともに、バルブオーバーラップ期間が現時点での期間からゼロとなるように制御される（ステップ１０４）。更に、この場合には、排気系容積を縮小すべく、切替弁４４が閉弁される（ステップ１０６）。

次に、吸気圧センサ５６の出力に基づき、吸気圧力（吸気マニホールド圧力）が取得される（ステップ１０８）とともに、排気圧センサ５８の出力に基づき、排気圧力（排気マニホールド圧力）が取得される（ステップ１１０）。

次に、排気圧力と吸気圧力の差圧が所定の判定値以下の値となったか否かが判別される（ステップ１１２）。この判定値は、排気圧力脈動が十分に強くなったか否かを判断するための値として予め設定された値である。その結果、当該ステップ１１２の判定が不成立である間は、ＶＮ開度を全閉とする制御、バルブオーバーラップ期間をゼロとする制御、および切替弁４４を閉じる制御がそれぞれ継続されることになる。

一方、上記ステップ１１２における判定が成立することで、排気圧力脈動が十分に強くなったと判断できる場合には、次いで、ターボ効率の優れる中間開度となるように、ＶＮ開度が開かれる（ステップ１１４）。ＥＣＵ５０は、エンジン回転数や吸入空気量などのディーゼル機関１０の運転条件との関係でターボ効率が良いＶＮ開度を定めたマップ（図示省略）を記憶している。本ステップ１１４では、そのようなマップを参照して、加速要求後の運転条件においてターボ効率の良い開度となるように、ＶＮ開度が開かれていく。

次に、現時点での吸気圧力および排気圧力が取得される（ステップ１１６、１１８）。次いで、排気圧力が所定の判定値よりも低下したか否かが判別される（ステップ１２０）。上記ステップ１１４においてＶＮ開度がターボ効率の良い開度に開かれる制御が実行されたことで、排気圧力は低下し始める。本ステップ１２０における判定値は、上記図２を用いて説明した掃気効果が十分に得られるような条件にまで排気圧力が低下したか否かを判断するための値として予め設定された値である。

その結果、当該ステップ１２０の判定が成立すると判定された場合、すなわち、十分な掃気効果が得られるような圧力条件が満たされたと判断できる場合には、排気圧力脈動が谷となるタイミングと重なるように、正のバルブオーバーラップ期間が設定される（ステップ１２２）。より具体的には、本ステップ１２２では、上記ステップ１１６および１１８により検出された吸気圧力および排気圧力のそれぞれの圧力波形を利用して、排気上死点の付近に生じた排気圧力脈動の谷での排気圧力と吸気圧力との２つの交点（図３中に示した交点Ｐ１、Ｐ２参照）でのクランク角度を取得する。そして、吸気弁の開き時期が上記交点Ｐ１となり、かつ、排気弁の閉じ時期が上記交点Ｐ２となるように、可変動弁機構４６、４８を用いてバルブオーバーラップ期間が調整される。

より詳細に説明すると、これらの交点Ｐ１、Ｐ２の位置（クランク角度）は、上記ステップ１１４におけるＶＮ開度の変化に応じて変化する。これは、ＶＮ開度が変化することで、排気圧力に対する吸気圧力の関係が変化するためである。本ステップ１２２の処理によれば、ＶＮ開度の変化に起因する交点Ｐ１、Ｐ２の位置の変化に応じて、バルブオーバーラップ期間が徐々に変更されていく。具体的には、本ステップ１２２の処理によれば、ＶＮ開度が開かれていくにつれ、排気上死点付近に生じた排気圧力脈動の谷において排気圧力よりも吸気圧力が高くなる領域が徐々に拡大していき（言い換えれば、図３中における交点Ｐ１と交点Ｐ２の距離が徐々に離れていき）、それに伴い、バルブオーバーラップ期間が徐々に拡大していく。尚、本ステップ１２２では、実際の排気圧力および吸気圧力のそれぞれの検出値に基づいて、吸気弁の開き時期および排気弁の閉じ時期とすべきクランク角度である上記交点Ｐ１、Ｐ２を取得するようにしている。しかしながら、これらの交点Ｐ１、Ｐ２の取得手法は、このような手法に限定されるものではなく、例えば、エンジン回転数、ＶＮ開度、吸入空気量、機関負荷（トルク≒燃料噴射量）、および排気弁の開きタイミングとの関係で当該交点Ｐ１、Ｐ２を予め実験等により定めておく。そして、当該関係をマップとしてＥＣＵ６０に記憶させておき、実機上でエンジン回転数、ＶＮ開度、吸入空気量、機関負荷、および排気弁の開きタイミングとの関係でそのようなマップを参照することで、当該交点Ｐ１、Ｐ２を取得するようにしてもよい。

また、上記ステップ１２０の判定が成立すると判定された場合（すなわち、十分な掃気効果が得られるような圧力条件が満たされたと判断できる）場合には、更に、切替弁４４が数サイクル（所定時間）に渡って一時的に開弁される（ステップ１２４）。

以上説明した図８に示すルーチンによれば、排気圧力脈動を高める要求の一例である加速要求が出された場合には、先ず、加速初期段階においては、ＶＮ開度が全閉に制御されるとともにバルブオーバーラップ期間がゼロに制御される。また、この場合には、切替弁４４が閉じられる。その後、排気圧力脈動が強くなったと判断できる時点において、ターボ効率の良い開度となるようにＶＮ開度が開かれる。そして、そのようなＶＮ２２ｃの開き動作が行われた後に、十分な掃気効果が得られるような圧力条件になったと判断できる時点において、ＶＮ開度に応じたバルブオーバーラップ期間が設定される。更に、このバルブオーバーラップ期間の設定と同時に切替弁４４が一時的に開かれるようになる。以上の処理によれば、掃気効果利用開始時のトルク段差を緩和させつつ、加速要求時に掃気効果を有効利用することが可能となる。

ところで、上述した実施の形態１においては、掃気効果を利用する際のバルブオーバーラップ期間の設定開始時点を始点とした所定時間（数サイクル）に渡って、掃気効果利用開始時のトルク段差を緩和させるべく切替弁４４を一時的に開くようにしている。しかしながら、本発明における排気容積調整手段によって排気系容積が一時的に拡大される所定時間は、このような設定に限定されず、例えば、バルブオーバーラップ期間の設定開始時点を終点として設定されるものであってもよい。更には、当該所定時間は、バルブオーバーラップ期間の設定開始時点を跨ぐようにして設定されるものであってもよい。

ただし、上記変形例の手法によってバルブオーバーラップ期間の設定開始時点よりも前で排気系容積の一時的な拡大を開始させるためには、排気圧力脈動を高める要求が検知された後に排気圧力脈動が十分に高くなる時点を予測することが必要となる。そのような予測は、例えば、以下の手法で行うことができる。すなわち、例えば、ＶＮ開度、エンジン回転数、および燃料噴射量との関係で将来の排気圧力脈動の強さを定めたマップ（図示省略）を予め取得しておき、そのようなマップを参照して、排気圧力脈動が将来十分に高くなる時点を予測してもよい。或いは、排気圧力および吸気圧力のそれぞれを計測または推定する手段を備えたうえで、現在および過去の所定サイクル分の排気圧力および吸気圧力のそれぞれの計測値（もしくは推定値）に基づいて、将来の排気圧力および吸気圧力の値を外挿によりそれぞれ予測するようにする。そして、それらの圧力差に基づいて、排気圧力脈動が将来十分に高くなる時点を予測してもよい。

また、上述した実施の形態１においては、加速中期においてＶＮ開度の調整に伴いバルブオーバーラップ期間を設定する際には、実際の排気圧力および吸気圧力のそれぞれの検出値に基づいて、吸気弁の開き時期および排気弁の閉じ時期とすべきクランク角度である上記交点Ｐ１、Ｐ２を取得するようにし、ＶＮ開度の変化に起因する当該交点Ｐ１、Ｐ２の位置の変化に合わせて、バルブオーバーラップ期間を徐々に変更するようにしている。しかしながら、加速中期においてＶＮ開度の調整に伴って行うバルブオーバーラップ期間の具体的な設定手法は、これに限定されるものではない。すなわち、例えば、バルブオーバーラップ期間を設定する際には、吸気弁の開き時期の進角量と排気弁の閉じ時期の遅角量とを同時かつ同量に制御されるようにしたうえで、ＶＮ２２ｃが開かれていくに従って、徐々にバルブオーバーラップ期間を拡大していくという簡便な手法を用いるようにしてもよい。

尚、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ６０が、吸気可変動弁機構４６および排気可変動弁機構４８を用いてバルブオーバーラップ期間を制御することにより前記第１の発明における「オーバーラップ期間制御手段」が、図示省略するアクチュエータに指令を与えて可変ノズル２２ｃの開度を制御することにより前記第１の発明における「ノズル開度制御手段」が、上記ステップ１００の処理を実行することにより前記第１の発明における「脈動生成要求検知手段」が、上記ステップ１０６および１２４の処理を実行することにより前記第１の発明における「排気容積調整手段」が、上記ステップ１１２の処理を実行することにより前記第１の発明における「脈動生成状態取得手段」が、上記ステップ１０２の処理を実行することにより前記第１の発明における「ノズル閉じ制御実行手段」が、上記ステップ１０４の処理を実行することにより前記第１の発明における「オーバーラップ期間制限手段」が、そして、上記ステップ１２２の処理を実行することにより前記第１の発明における「オーバーラップ期間設定手段」が、それぞれ実現されている。また、可変ノズル２２ｃの全閉開度が前記第１の発明における「第１所定開度」に相当している。
また、ターボ効率が良い開度が前記第５の発明における「第２所定開度」に相当している。また、ＥＣＵ６０が、上記ステップ１１４の処理を実行することにより前記第５の発明における「ノズル開き制御実行手段」が実現されている。

また、第２の発明は、第１の発明において、
排気通路と吸気通路とを連通する排気ガス還流通路と、
前記排気ガス還流通路の途中に配置され、前記排気通路から前記吸気通路への排気ガス再循環量を制御するＥＧＲ弁と、を更に備え、
前記排気容積調整手段は、前記ＥＧＲ弁よりも前記排気通路側の前記排気ガス還流通路に配置され、前記排気通路と前記排気ガス還流通路とを連通状態および遮断状態との間で切り替える切替弁であることを特徴とする。

Claims (5)

1. 吸気弁開弁期間と排気弁開弁期間とが重なるバルブオーバーラップ期間を可変とする可変動弁機構と、
   前記可変動弁機構を制御して、前記バルブオーバーラップ期間を制御するオーバーラップ期間制御手段と、
   内燃機関の排気エネルギによって駆動されるタービンと、当該タービンに供給される排気ガスの流量を調整するための可変ノズルとを有するターボ過給機と、
   前記可変ノズルの開度を制御するノズル開度制御手段と、
   排気圧力脈動を高める要求の有無を検知する脈動生成要求検知手段と、
   排気系容積を調整する排気容積調整手段と、
   排気圧力脈動が高められたと判断される判断時点、もしくは排気圧力脈動が高められていると予測される予測時点を取得する脈動生成状態取得手段と、を備え、
   前記ノズル開度制御手段は、
   排気圧力脈動を高める要求を検知した検知時点から前記判断時点もしくは前記予測時点までの間、前記可変ノズルの開度を、前記検知時点の当該可変ノズルの開度よりも閉じ側の第１所定開度に制御するノズル閉じ制御実行手段を含み、
   前記オーバーラップ期間制御手段は、
   前記検知時点から前記判断時点もしくは前記予測時点までの間、バルブオーバーラップ期間を、前記検知時点のバルブオーバーラップ期間よりも短くなるように制御するオーバーラップ期間制限手段と、
   前記判断時点もしくは前記予測時点が経過した後に、排気圧力脈動が谷となるタイミングと重なるようにバルブオーバーラップ期間を設定するオーバーラップ期間設定手段と、を含み、
   前記排気容積調整手段は、前記オーバーラップ期間設定手段によるバルブオーバーラップ期間の設定開始時点を始点もしくは終点とする所定時間、または前記設定開始時点を跨ぐ所定時間に渡って、前記排気系容積を一時的に拡大することを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 前記排気通路と吸気通路とを連通する排気ガス還流通路と、
   前記排気ガス還流通路の途中に配置され、前記排気通路から前記吸気通路への排気ガス再循環量を制御するＥＧＲ弁と、を更に備え、
   前記排気容積調整手段は、前記ＥＧＲ弁よりも前記排気通路側の前記排気ガス還流通路に配置され、前記排気通路と前記排気ガス還流通路とを連通状態および遮断状態との間で切り替える切替弁であることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の制御装置。
3. 排気圧力脈動を高める前記要求は、内燃機関の加速要求であり、
   前記脈動生成要求検知手段は、アクセル開度の変化に基づいて、前記要求を検知することを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記オーバーラップ期間制限手段は、前記検知時点から前記判断時点もしくは前記予測時点までの間、バルブオーバーラップ期間をゼロもしくは実質的にゼロに制限することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記ノズル開度制御手段は、前記判断時点が経過した後に、前記可変ノズルの開度を前記第１所定開度よりも開き側の第２所定開度に制御するノズル開き制御実行手段を更に含み、
   前記オーバーラップ期間設定手段は、前記ノズル開き制御実行手段によって前記可変ノズルの開度が前記第２所定開度に制御された後に、排気圧力脈動が谷となるタイミングと重なるようにバルブオーバーラップ期間を設定することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の内燃機関の制御装置。

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