JP5472482B2 - エンジン - Google Patents

Description

本発明は、エンジン、特に、膨張比を圧縮比よりも大きく設定することができ、排気ガスにより回転駆動される過給機を備えた高膨張比エンジンに関する。

従来、膨張比を圧縮比よりも大きく設定するとともに過給機を備えた高膨張比サイクルエンジンが知られている。このような高膨張比サイクルエンジンにおいて、排気弁の開弁時期を変更可能な可変バルブタイミング機構を備えることができる。そして、該エンジンは、低中速域及び低負荷域で運転され、且つ加速過渡時であると判定されると、排気弁の開弁時期が進角するように可変バルブタイミング機構を作動させて、過給機のレスポンス低下を防止する（特許文献１参照）。

特開２００４−１８３５１０号公報

しかしながら、排気弁の開弁時期を進角させると、過給レスポンスは維持することができるが、その一方で膨張比を低下させることになり、場合によっては高膨張比化の利点を放棄してしまいかねない。高膨張比化の利点の放棄は、燃費性能に影響を与える。

そこで、本明細書開示の高膨張比エンジンは、過給機の過給レスポンスの維持向上と、高膨張比維持による燃費性能の両立を課題とする。

かかる課題を解決するために、本明細書開示の高膨張比エンジンは、膨張比を圧縮比よりも大きく設定することができ、排気ガスにより回転駆動される過給機を備えたエンジンであって、エンジンの運転状態を判定する運転状態判定手段と、一の気筒に対し設けられた複数の排気弁と、前記複数の排気弁のうち、少なくとも一の排気弁の開弁時期を変更することができる可変排気バルブタイミング機構と、前記運転状態判定手段により、エンジンが軽負荷で運転され、かつ、加速時と判定されると、前記可変排気バルブタイミング機構に指令を発し、前記一の排気弁の開弁時期を他の排気弁の開弁時期よりも進角させる制御部と、を備えたことを特徴とする。

可変バルブタイミング機構により、一の排気弁の開弁時期を進角させることにより、早開きした排気弁から排気圧、排気温度の高い排気ガスを過給機に供給することができる。これにより、過給機の過給レスポンスを維持することができる。一方、他の排気弁、すなわち、進角させた排気弁以外の排気弁により、膨張比を維持し、燃費性能を確保することができる。

このような高膨張比エンジンは、機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と、吸気弁の閉弁時期を変更可能な可変吸気バルブタイミング機構と、をさらに備え、前記制御部は、前記可変圧縮比機構及び前記可変吸気バルブタイミング機構とによって、実圧縮比を制御することができる。

可変圧縮比機構と可変吸気バルブタイミング機構とを備えることにより、低負荷時の燃費向上と、高負荷時の出力獲得が可能となる。

さらに、本明細書開示の高膨張比エンジンにおける、前記制御部は、目標吸気量が少ないほど、前記一の排気弁の開弁時期の進角量を大きくすることができる。

筒内への吸気量が少ないときは、筒内で膨張する燃料ガスのエネルギが小さく、過給機の駆動に利用される排気エネルギが小さくなる。そこで、排気弁の進角量を大きくし、過給機の駆動に利用される排気エネルギの総量を確保して、過給機の過給レスポンスを維持しようとする趣旨である。

本明細書開示の高膨張比エンジンが備える前記制御部は、前記膨張比が小さいほど、前記一の排気弁の開弁時期の進角量を小さくすることができる。

排気弁の開弁時期を早めると、さらに膨張比を小さくすることになり、燃費性能に影響を与えてしまう。そこで、膨張比が小さいときは、膨張比が維持されるように排気弁の開弁時期の進角量を小さくし、燃費性能を維持する趣旨である。

前記制御部は、前記可変吸気バルブタイミング機構によって前記圧縮比を低下させる側に吸気弁の閉弁時期を変更した状態において、前記運転状態判定手段により、エンジンが加速時であると判定されたときに、前記可変吸気バルブタイミング機構によって吸気弁の閉弁時期を、前記圧縮比を向上させる方向へ変更することができる。

エンジンが加速時であると判断されたときに、筒内に貯留される吸気量を増やし、その貯留された空気を過給機に供給して過給機の応答性をさらに高めようとする趣旨である。なお、圧縮比を低下させるために、吸気弁の閉弁時期は、早閉じとすることもできるし、遅閉じとすることもできる。吸気弁を早閉じすることにより圧縮比を低下させた状態を作り出しているときは、吸気弁の閉じ時期を遅くすることにより圧縮比を高める。これとは逆に、吸気弁を遅閉じすることにより圧縮比を低下させた状態を作り出しているときは、吸気弁の閉じ時期を早くすることにより圧縮比を高める。

前記制御部は、前記運転状態判定手段により、エンジンの加速要求が減少したと判定されたときに、開弁時期を進角させている前記一の排気弁の開弁時期を遅角させることができる。

エンジンの加速要求が弱まったときは、過給機に求められる仕事量も低下する。このため、このような状況では、燃費効率を重視し、再び膨張比を向上させる趣旨である。

前記制御部は、前記可変吸気バルブタイミング機構によって前記圧縮比を低下させる側に吸気弁の閉弁時期を変更した状態において、前記運転状態判定手段により、エンジンの加速要求が減少したと判定されたときに、前記可変吸気バルブタイミング機構によって吸気弁の閉弁時期を、前記圧縮比を低下させる方向へ変更することができる。

前記のようにエンジンが加速時であると判断され、筒内に貯留される吸気量を増やすように吸気弁の閉弁時期が制御されているときに、エンジンの加速要求が減少した場合の措置である。膨張比を再び向上させ、燃費を向上させる趣旨である。

本明細書開示の高膨張比エンジンは、膨張比を圧縮比よりも大きく設定することができ、排気ガスにより回転駆動される過給機を備えた高膨張比エンジンにおいて、エンジンの運転状態を判定する運転状態判定手段と、一の気筒に対し設けられた複数の排気弁と、前記複数の排気弁のうち、少なくとも一の排気弁の開弁時期を変更することができる可変排気バルブタイミング機構と、前記運転状態判定手段により、エンジンが中負荷以上の負荷で運転され、かつ、前記過給機による過給がされた定常過給運転状態であると判定されると、前記可変排気バルブタイミング機構に指令を発し、前記過給機の無過給状態のときと比較して前記一の排気弁の開弁時期を他の排気弁の開弁時期よりも遅角させる制御部と、を備えている。

過給時は、無過給時と比較すると、筒内の吸気量が大きくなる。このため、排気弁を遅開きしても、過給機の過給レスポンスに及ぼす影響は小さい。そこで、燃費向上を目的として、膨張比を向上させる趣旨である。すなわち、膨張比の向上と、過給レスポンスの維持の両立を目指す趣旨である。

このような高膨張比エンジンは、機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と、吸気弁の閉弁時期を変更可能な可変吸気バルブタイミング機構と、をさらに備え、前記可変圧縮比機構及び前記可変吸気バルブタイミング機構とによって、実圧縮比を制御することができる。

可変圧縮比機構と可変吸気バルブタイミング機構とを備えることにより、低負荷時の燃費向上と、高負荷時の出力獲得が可能となる。

さらに、本明細書開示の高膨張比エンジンにおける前記制御部は、前記吸気量が少ないほど、前記一の排気弁の開弁時期の進角量を大きくすることができる。

吸気量が少ないときは、筒内の空気を膨張させると、過給機に伝えられる排気エネルギが小さくなるので、排気弁の開き時期を早めて過給レスポンスを向上させる趣旨である。

本明細書開示のエンジンによれば、過給機の過給レスポンスの維持と、高膨張比維持による燃費性能の両立を図ることができる。

図１は、実施例のエンジンの概略構成を示す説明図である。 図２は、実施例のエンジンが備える可変圧縮比機構の分解斜視図である。 図３は、実施例のエンジンの断面を模式的に示した説明図である。 図４は、可変排気バルブタイミング機構（可変吸気バルブタイミング機構）の概略構成を示す説明図である。 図５は、排気弁を駆動する排気カムシャフトを示す説明図である。 図６は、機械圧縮比、実圧縮比および膨張比を説明するための説明図である。 図７は、実施例におけるエンジンの制御の一例を示すフロー図である。 図８は、目標吸気量を決定するマップの一例である。 図９は、目標吸気量を補正する第１の補正値を決定するマップの一例である。 図１０は、目標吸気量を補正する第２の補正値を決定するマップの一例である。 図１１は、目標吸気量に対し吸気弁閉弁時期及び排気弁開弁時期を決定するマップの一例である。 図１２は、目標吸気量に対し機械圧縮比（≒膨張比）を決定するマップの一例である。 図１３は、機械圧縮比（≒膨張比）と排気弁開弁時期との関係を示すグラフの一例である。 図１４は、目標吸気量とスロットル開度との関係の一例を示す説明図である。 図１５は、目標吸気量とウェストゲートバルブ開度との関係の一例を示す説明図である。 図１６は、比較例のエンジンにおける各種パラメータの変化の一例を示す説明図である。 図１７は、加速時のバルブタイミングの一例を示すグラフである。 図１８は、実施例のエンジンにおける各種パラメータの変化の一例を示す説明図である。 図１９は、実施例におけるエンジンの制御の一例を示すフロー図である。 図２０は、目標吸気量を決定するマップの一例である。 図２１は、目標吸気量に対し排気弁開弁時期を決定するマップの一例である。 図２２は、加速時のバルブタイミングの一例を示すグラフである。 図２３は、実施例のエンジンにおける各種パラメータの変化の一例を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。ただし、図面中、各部の寸法、比率等は、実際のものと完全に一致するようには図示されていない場合がある。また、図面によっては細部が省略されて描かれている場合もある。

図１に本実施例のエンジン１００の側面断面図を示す。エンジン１００は、４気筒の火花点火式である。このエンジン１００は、後に詳述するように、膨張比を圧縮比よりも大きく設定することができる高膨張比エンジンである。また、エンジン１００は、排気ガスにより回転駆動される過給機の一例である排気ターボチャージャ１５を備えている。

図１に示すように、エンジン１００は、クランクケース１、シリンダブロック２、シリンダヘッド３、ピストン４を備える。また、エンジン１００は、燃焼室５、燃焼室５の頂面中央部に配置された点火栓６、吸気弁７、吸気ポート８を備える。さらに、エンジン１００は、排気弁９、排気ポート１０を備える。吸気ポート８は吸気枝管１１を介してサージタンク１２に連結され、各吸気枝管１１には夫々対応する吸気ポート８内に向けて燃料を噴射するための燃料噴射弁１３が配置されている。なお、燃料噴射弁１３は各吸気枝管１１に取付ける代りに各燃焼室５内に臨むように配置してもよい。ここで、排気弁９は、１気筒に対し、複数装備されることができ、本実施例において、排気弁９は、２個装備されている。

サージタンク１２は吸気ダクト１４を介して排気ターボチャージャ１５のコンプレッサ１５ａの出口に連結され、コンプレッサ１５ａの入口は例えば熱線を用いた吸気量検出器１６を介してエアクリーナ１７に連結される。吸気ダクト１４内にはアクチュエータ１８によって駆動されるスロットル弁１９が配置される。排気ターボチャージャ１５は、排気ガスにより回転駆動される過給機の一例である。吸気量検出器１６は吸気量取得手段の一例である。

一方、排気ポート１０は排気マニホルド２０を介して排気ターボチャージャ１５の排気タービン１５ｂの入口に連結され、排気タービン１５ｂの出口は排気管２１を介して例えば三元触媒を内蔵した触媒コンバータ２２に連結される。排気管２１内には空燃比センサ２３が配置される。排気ターボチャージャ１５の排気タービン１５ｂの近傍には、ウェストゲートバルブ２４が装備されている。ウェストゲートバルブ２４は、その開度に関する情報を取得することができ、その情報を後述する電子制御ユニット３０に送信する。

エンジン１００は、図１に示すように、可変圧縮比機構Ａを備えている。可変圧縮比機構Ａは、クランクケース１とシリンダブロック２との連結部に設けられている。そして、可変圧縮比機構Ａは、クランクケース１とシリンダブロック２のシリンダ軸線方向の相対位置を変化させることによりピストン４が圧縮上死点に位置するときの燃焼室５の容積（機械圧縮比）を変更することができる。

また、エンジン１００は、実際の圧縮作用の開始時期を変更するために吸気弁７の閉弁時期を変更することができる可変吸気バルブタイミング機構Ｂを備えている。

さらに、エンジン１００は、少なくとも一の排気弁９の開弁時期を変更することができる可変排気バルブタイミング機構Ｃを備えている。

エンジン１００は、電子制御ユニット３０を備える。電子制御ユニット３０は、制御部に相当し、エンジンの運転状態を判定する運転状態判定手段の機能も備えている。

電子制御ユニット３０は、後に詳述するように、エンジン１００が軽負荷で運転され、かつ、加速時と判定されると、可変排気バルブタイミング機構Ｃに指令を発し、一の排気弁の開弁時期を他の排気弁の開弁時期よりも進角させる。

電子制御ユニット３０は、デジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備する。吸気量検出器１６の出力信号および空燃比センサ２３の出力信号は夫々対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生するアクセルポジションセンサ４１が接続され、アクセルポジションセンサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば３０°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して点火栓６、燃料噴射弁１３、スロットル弁駆動用アクチュエータ１８、可変圧縮比機構Ａ、可変吸気バルブタイミング機構Ｂおよび可変排気バルブタイミング機構Ｃに接続される。

図２は、図１に示すエンジン１００が備える可変圧縮比機構Ａの分解斜視図である。図３はエンジン１００の断面を模式的に示した説明図である。図２に示すように、シリンダブロック２の両側壁の下方には互いに間隔を隔てた複数個の突出部５０が形成されており、各突出部５０内には夫々断面円形のカム挿入孔５１が形成されている。一方、クランクケース１の上壁面上には互いに間隔を隔てて夫々対応する突出部５０の間に嵌合せしめられる複数個の突出部５２が形成されている。これらの各突出部５２内にも夫々断面円形のカム挿入孔５３が形成されている。

図２に示されるように一対のカムシャフト５４，５５が設けられており、各カムシャフト５４，５５上には一つおきに各カム挿入孔５１内に回転可能に挿入される円形カム５６が固定されている。これらの円形カム５６は各カムシャフト５４，５５の回転軸線と共軸をなす。一方、各円形カム５６間には図３においてハッチングで示すように各カムシャフト５４，５５の回転軸線に対して偏心配置された偏心軸５７が延びており、この偏心軸５７上に別の円形カム５８が偏心して回転可能に取付けられている。図２に示されるように、これら円形カム５８は各円形カム５６間に配置されており、これら円形カム５８は対応する各カム挿入孔５３内に回転可能に挿入されている。

図３（Ａ）に示すような状態から各カムシャフト５４，５５上に固定された円形カム５６を図３（Ａ）において破線の矢印で示される如く回転させると偏心軸５７が下方中央に向けて移動する。これにより、円形カム５８がカム挿入孔５３内において回転し、図３（Ｂ）に示されるように偏心軸５７が下方中央まで移動すると円形カム５８の中心が偏心軸５７の下方へ移動する。

図３（Ａ）と図３（Ｂ）とを比較するとわかるようにクランクケース１とシリンダブロック２の相対位置は円形カム５６の中心と円形カム５８の中心との距離によって定まり、円形カム５６の中心と円形カム５８の中心との距離が大きくなるほどシリンダブロック２はクランクケース１から離れる。シリンダブロック２がクランクケース１から離れるとピストン４が圧縮上死点に位置するときの燃焼室５の容積は増大する。従って各カムシャフト５４，５５を回転させることによってピストン４が圧縮上死点に位置するときの燃焼室５の容積を変更することができる。これにより、機械圧縮比を変更することができる。

図２に示されるように各カムシャフト５４，５５を夫々反対方向に回転させるために駆動モータ５９の回転軸には夫々螺旋方向が逆向きの一対のウォームギア６１，６２が取付けられており、これらウォームギア６１，６２と噛合する歯車６３，６４が夫々各カムシャフト５４，５５の端部に固定されている。この実施例では駆動モータ５９を駆動することによってピストン４が圧縮上死点に位置するときの燃焼室５の容積を広い範囲に亘って変更することができる。なお、図１から図３に示される可変圧縮比機構Ａは一例を示すものであっていかなる形式の可変圧縮比機構でも用いることができる。

図４は、図１において吸気弁７を駆動するためのカムシャフト７０に対して設けられている可変吸気バルブタイミング機構Ｂを示している。図１に示されるように可変吸気バルブタイミング機構Ｂはカムシャフト７０の一端に取付けられてカムシャフト７０のカムの位相変更するためのカム位相変更部を備えている。

可変吸気バルブタイミング機構Ｂのカム位相変更部について説明する。カム位相変更部はエンジン１００のクランク軸によりタイミングベルトを介して矢印方向に回転せしめられるタイミングプーリ７１と、タイミングプーリ７１と一緒に回転する円筒状ハウジング７２と、カムシャフト７０と一緒に回転しかつ円筒状ハウジング７２に対して相対回転可能な回転軸７３と、円筒状ハウジング７２の内周面から回転軸７３の外周面まで延びる複数個の仕切壁７４と、各仕切壁７４の間で回転軸７３の外周面から円筒状ハウジング７２の内周面まで延びるベーン７５とを具備しており、各ベーン７５の両側には夫々進角用油圧室７６と遅角用油圧室７７とが形成されている。

各油圧室７６、７７への作動油の供給制御は作動油供給制御弁７８によって行われる。この作動油供給制御弁７８は各油圧室７６，７７に夫々連結された油圧ポート７９，８０と、油圧ポンプ８１から吐出された作動油の供給ポート８２と、一対のドレインポート８３，８４と、各ポート７９、８０、８２、８３、８４間の連通遮断制御を行うスプール弁８５とを具備している。

カムシャフト７０のカムの位相を進角させるとき、図４においてスプール弁８５が下方に移動せしめられ、供給ポート８２から供給された作動油が油圧ポート７９を介して進角用油圧室７６に供給されると共に遅角用油圧室７７内の作動油がドレインポート８４から排出される。このとき回転軸７３は円筒状ハウジング７２に対して矢印Ｘ方向に相対回転せしめられる。

これに対し、カムシャフト７０のカムの位相を遅角させるとき、図４においてスプール弁８５が上方に移動せしめられ、供給ポート８２から供給された作動油が油圧ポート８０を介して遅角用油圧室７７に供給されると共に進角用油圧室７６内の作動油がドレインポート８３から排出される。このとき回転軸７３は円筒状ハウジング７２に対して矢印Ｘと反対方向に相対回転せしめられる。

回転軸７３が円筒状ハウジング７２に対して相対回転せしめられているときにスプール弁８５が図４に示される中立位置に戻されると回転軸７３の相対回転動作は停止せしめられ、回転軸７３はそのときの相対回転位置に保持される。従ってカム位相変更部によってカムシャフト７０のカムの位相を所望の量だけ進角又は遅角させることができる。即ち、カム位相変更部によって吸気弁７の開弁時期を任意に進角又は遅角させることができることになる。

なお、図１および図４に示される可変吸気バルブタイミング機構Ｂは一例を示すものであって、図１および図４に示される例以外の種々の形式の可変吸気バルブタイミング機構を用いることができる。電子制御ユニット３０は、可変圧縮比機構Ａ及び可変吸気バルブタイミング機構Ｂとによって、実圧縮比を制御する。これにより、エンジン負荷にかかわらず実圧縮比をほぼ一定に保ち、低負荷時の燃費向上と、高負荷時の出力獲得が可能となる。なお、実圧縮比については後に詳述する。

つぎに、可変排気バルブタイミング機構Ｃについて説明する。図５は、可変排気バルブタイミング機構Ｃによって、位相制御が行われる排気カムシャフト９０を示す説明図である。排気カムシャフト９０は、２個の排気弁９のうち、一の排気弁の開弁時期を他の排気弁の開弁時期よりも進角させることができるように構成されている。具体的には、内部シャフト９１が外部シャフト９２内に回転自在に嵌め込まれた二重構造となっている。内部シャフト９１には、第１カム９３が固定ピン９４により固定されている。第１カム９３は、外部シャフト９２に設けられた溝９２ａから外部に露出した状態となっている。第１カム９３は、内部シャフト９１が外部シャフト９２に対して回転することにより、位相変化することができる。外部シャフト９２には、第２カム９５が圧入により固定されている。

なお、図１および図４に示される可変排気バルブタイミング機構Ｃは一例を示すものであって、図１および図４に示される例以外の種々の形式の可変排気バルブタイミング機構を用いることができる。

内部シャフト９１には、図４に示した可変吸気バルブタイミング機構Ｂと同様の可変排気バルブタイミング機構Ｃが装着される。すなわち、上記のように吸気弁７の位相制御を行うことができる可変吸気バルブタイミング機構Ｂと同様の機構により、内部シャフト９１に固定された第１カム９３の位相制御を行うことができる。第１カム９３を進角させたい、遅角させたりする可変排気バルブタイミング機構Ｃの動作は、可変吸気バルブタイミング機構Ｂと同様であるのでその詳細な説明は省略する。

次に図６を参照しつつ本明細書において使用されている用語の意味について説明する。なお、図６の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）には説明のために燃焼室容積が５０mlでピストンの行程容積が５００mlであるエンジンが示されており、これら図６の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）において燃焼室容積とはピストンが圧縮上死点に位置するときの燃焼室の容積を表している。

図６（Ａ）は機械圧縮比について説明している。機械圧縮比は圧縮行程時のピストンの行程容積と燃焼室容積のみから機械的に定まる値であってこの機械圧縮比は（燃焼室容積＋行程容積）／燃焼室容積で表される。図６（Ａ）に示される例ではこの機械圧縮比は（５０ml＋５００ml）／５０ml＝１１となる。

図６（Ｂ）は実圧縮比について説明している。この実圧縮比は実際に圧縮作用が開始されたときからピストンが上死点に達するまでの実際のピストン行程容積と燃焼室容積から定まる値であってこの実圧縮比は（燃焼室容積＋実際の行程容積）／燃焼室容積で表される。即ち、図６（Ｂ）に示されるように圧縮行程においてピストンが上昇を開始しても吸気弁が開弁している間は圧縮作用は行われず、吸気弁が閉弁したときから実際の圧縮作用が開始される。従って実圧縮比は実際の行程容積を用いて上記の如く表される。図６（Ｂ）に示される例では実圧縮比は（５０ml＋４５０ml）／５０ml＝１０となる。

図６（Ｃ）は膨張比について説明している。膨張比は膨張行程時のピストンの行程容積と燃焼室容積から定まる値であってこの膨張比は（燃焼室容積＋行程容積）／燃焼室容積で表される。図６（Ｃ）に示される例ではこの膨張比は（５０ml＋５００ml）／５０ml＝１１となる。

つぎに、本実施例の制御の例について、説明する。以下、エンジンの運転状態に応じて場合を分けて説明する。

≪エンジンが軽負荷で運転され、かつ、加速時と判定される場合≫
図７は、エンジン１００が軽負荷で運転され、かつ、加速時と判定される場合の電子制御ユニット３０が行う制御の一例を示すフロー図である。エンジンが軽負荷で運転され、かつ、加速時判定される場合、膨張比の維持と排気ターボチャージャ１５の応答性の維持、向上がその制御方針となる。これにより、過給レスポンスと、燃費向上の両立を目指す。

なお、図７に示すフロー図中の各ステップは、その性質に基づいて、順番を入れ換えることができ、また、同時並行的に処理される場合がある。また、各ステップは、繰り返し行われるものであり、あるステップで取得された値が、他のステップで利用される場合がある。

まず、ステップＳ１において、アクセルペダル４０と連結されたアクセルポジションセンサ４１が、アクセル開度（θ）を読み込む。そして、これに引き続き、電子制御ユニット３０がステップＳ２において、アクセル開度変化率（ｄθ／ｄｔ）とアクセル開加速度（ｄ^２θ／ｄｔ^２）を算出する。また、ステップＳ３において、クランク角センサ４２が取得した情報に基づくエンジン回転数を読み込む。

このようにして算出したアクセル開度変化率（ｄθ／ｄｔ）及び／またはアクセル開加速度（ｄ^２θ／ｄｔ^２）が一定値以上であれば、エンジン１００が加速時であると判断することができる。なお、トランスミッション出力（ｒｐｍ）の変化や、エンジン回転数×変速比で算出される値の変化が＋（プラス）側の場合は、加速時であると判断するようにしてもよい。

そして、ステップＳ４において、アクセル開度（θ）とエンジン回転数とを考慮して目標吸気量を算出する。目標吸気量は、図８にその一例を示すマップに基づいて算出することができる。このとき、アクセル開度変化率（ｄθ／ｄｔ）に基づく目標吸気量第１補正値が算出される。目標吸気量第１補正値は、図９にそのマップの一例を示すようにアクセル開度変化率、すなわち、アクセル開度速度が所定値を越えると、その増加に伴って、大きくなる。さらに、アクセル開加速度（ｄ^２θ／ｄｔ^２）に基づく目標吸気量第２補正値が算出される。目標吸気量第２補正値は、図１０にそのマップの一例を示すようにアクセル開加速度が所定値を越えるとその増加に伴って、大きくなる。目標吸気量は、これらの目標吸気量第１補正値及び目標吸気量第２補正値が考慮されて決定される。このようにアクセル開度変化率やアクセル開加速度に基づく補正値を考慮するのは、運転者の意思は、アクセルペダル４０の操作によって表現され、エンジン１００に伝達されるためである。

エンジン１００が軽負荷か否かは、目標吸気量とエンジン回転数から判断することができる。すなわち、目標吸気量とエンジン回転数がそれぞれ所定値以下である場合は、軽負荷の状態であると判断することができる。

電子制御ユニット３０は、ステップＳ５において、可変吸気バルブタイミング機構Ｂ（吸気ＶＶＴ：吸気Variable Valve Timing）による進角目標値を算出し、進角制御を実行する。具体的には、図１１に示すように目標吸気量に基づいて吸気弁７の閉弁時期の進角量を決定する。吸気弁７の閉弁時期は、図１１に示すように目標吸気量が大きくなるに従って進角量が大きくなる右肩下がりのマップとなる。

このマップを適用することにより、電子制御ユニット３０は、可変吸気バルブタイミング機構Ｂによって圧縮比を低下させる側に吸気弁の閉弁時期を変更した状態において、以下のような制御を行う。すなわち、エンジン１００が加速時であると判定されたときに、可変吸気バルブタイミング機構Ｂによって吸気弁７の閉弁時期を、圧縮比を向上させる方向へ変更する。例えば、吸気弁７の閉弁時期を遅角させて圧縮比が低下した状態とされているときは、吸気弁の閉弁時期を進角させる。これは、以下の理由による。

圧縮比を向上させる方向に吸気弁の閉弁時期を変更することにより、エンジン１００のシリンダ内に留まる空気量が増す。ひいては、シリンダ内から排気される排気のエネルギが大きくすることができ、排気ターボチャージャ１５の応答性を向上させることができるためである。排気ターボチャージャ１５の応答性が向上すれば、加速が良好なものとなる。

一方、図１１に示したマップを適用することにより、電子制御ユニット３０は、可変吸気バルブタイミング機構Ｂによって圧縮比を低下させる側に吸気弁の閉弁時期を変更した状態において、以下のような制御を行う。すなわち、エンジン１００の加速要求が減少したと判定したときに、可変吸気バルブタイミング機構Ｂによって吸気弁７の閉弁時期を、圧縮比を低下させる方向へ変更する。例えば、吸気弁７の閉弁時期を遅角させて圧縮比が低下した状態される場合に、加速要求があって上記のように一旦進角側としているときは、再度、遅角側へ制御する。一時的に低下していた膨張率を再び向上させることで、熱効率を上げ、燃費を向上させることができる。

なお、図１１中、吸気弁閉弁時期を示す線分の右肩上がりの部分と、略水平部分は、軽負荷状態において空気量が少ないため、スロットリングを行うことによって吸気量（負荷）を調整することを示している。

電子制御ユニット３０は、ステップＳ６において可変排気バルブタイミング機構Ｂによる排気弁位相差進角目標値を算出し、進角実行する。具体的には、図１１に示すように目標吸気量に基づいて排気弁９の開弁時期の進角量を決定する。排気弁９の開弁時期は、図１１に示すように目標吸気量が大きくなるに従って進角量が小さくなる右肩上がりのマップ、換言すれば、目標吸気量が小さくなるに従って進角量が大きくなる左肩下がりのマップとなる。なお、図１１において、排気弁開弁時期を示す線分の右肩下がりの部分は、アイドリング付近で、明らかに過給の必要がない領域を示している。このため、排気弁９の開弁時期の進角制御は、アイドリング等の、過給が不要である、きわめて負荷の低い領域は除外されている。これは、過給が必要でない場合は、排気弁の開弁時期を進角させてエンジンの熱効率を低下させることは行わない意図である。

エンジン１００が軽負荷で運転され、かつ、加速時と判定される場合の基本的な制御として、電子制御ユニット３０は、可変排気バルブタイミング機構Ｃにより図５に示す第１カム９３の開弁時期を進角側に制御する。すなわち、一の排気弁９の開弁時期を他の排気弁９の開弁時期よりも進角させる状態とする。早開きする第１カム９３によって駆動される排気弁９により、排気ターボチャージャ１５へ供給される排気圧、排気温度を上昇させ、この結果、排気ターボチャージャ１５の応答性を高めることができる。一方、固定カムである第２カム９５により駆動される排気弁の開弁時期が第１カム９３により駆動される排気弁９よりも遅れた状態となるため、膨張比が維持される。これにより、過給レスポンスの維持向上と、燃費の維持向上の両立を図ることができる。

さらに、図１１に示したマップを適用することにより、電子制御ユニット３０は、可変排気バルブタイミング機構Ｃによって目標吸気量が少ないほど、一の排気弁９の開弁時期の進角量を大きくする。すなわち、第１カム９３によって駆動される排気弁９の開弁時期の進角量を大きくする。ここで、目標吸気量は、吸気量検出器１６により実測された吸気量を用いることもできる。

これは吸気量が小さいほど、排気ターボチャージャ１５に供給される排気のエネルギが小さいため、排気弁９の開弁時期を進角して排気ターボチャージャ１５に供給される排気の量を増し、過給レスポンスを向上させる趣旨である。なお、排気弁９の開弁時期の制御は、過給レスポンスと、燃費が両立する範囲内で行われることが望ましい。このため、例えば、予めエンジンの単体試験や実際に車両での燃費や加速感に関するデータを収集し、これらのデータを排気弁の開弁時期特性を示すマップ（例えば、図１１に示すマップ）に反映させておくことができる。

一方、図１１に示したマップを適用することにより、電子制御ユニット３０は、エンジン１００の加速要求が減少したと判定したときに、開弁時期を進角させている一の排気弁９の開弁時期を遅角させる。これにより、一時的に低下していた膨張率を再び上げることで熱効率を向上させる。この結果、燃費を向上させることができる。

なお、排気弁９の開弁時期の進角制御を行うときは、排気エネルギをさらに向上させるため、点火遅角制御を併せて行ってもよい。

また、排気弁９の進角目標値の算出には、ステップＳ９で行われるウェストゲートバルブ開度変更を加味した過給状況を反映させた補正措置が含められる場合がある。

さらに、電子制御ユニット３０は、図１３に一例を示すマップに基づいて、膨張比が小さいほど、一の排気弁９の開弁時期の進角量を小さくする制御を行うことができる。図１１に示したマップを参照して行われる制御において、排気弁９の開弁時期の進角量を大きくした場合に、膨張比が小さいときは、進角量を小さくすることができる。膨張比が小さい状態でさらに排気弁９の開弁時期を進角させることは、燃費の悪化に与える影響が大きくなる。そこで、このような場合には、進角量を小さくする趣旨である。膨張比は、後に詳述するステップＳ７において算出される機械圧縮比と、ほぼ一致するため、ステップＳ７で取得する値を用いることができる。

電子制御ユニット３０は、ステップＳ７において目標機械圧縮比を算出し、実行する。機械圧縮比は、図１２に一例を示すマップに基づいて算出される。機械圧縮比は、目標吸気量が大きくなるほど、小さくなる。電子制御ユニット３０は、可変圧縮比機構Ａに指令を発することにより、機械圧縮比を変更する。

電子制御ユニット３０は、ステップＳ８において、スロットル開度目標を算出するとともに実行する。スロットル開度は、図１４に一例を示すマップに基づいて算出される。

電子制御ユニット３０は、以上のような制御を繰り返し行う。エンジン１００は、ウェストゲートバルブ２４を備えており、ウェストゲートバルブ２４は、目標吸気量の変化に伴って開度が変化する（ステップＳ９）。具体的には、目標吸気量が大きく、実際の吸気量も大きいときは、ウェストゲートバルブ２４の開度は小さくなり、高過給の状態となる。このウェストゲートバルブ２４の開度は、ステップＳ６における排気弁位相差進角目標値に加味されることがある。

なお、ステップＳ５で算出される吸気ＶＶＴ進角目標値、ステップＳ６で算出される排気弁位相差進角目標値、ステップＳ７で算出される目標機械圧縮比、ステップＳ８で算出されるスロットル開度目標には、それぞれ、環境データに基づく補正がかけられる場合がある。ここで、環境データとは、実際にエンジン１００のシリンダ内に導入される空気の質量を精度よく算出するために考慮される各種データである。環境データに含むことができる具体的なデータとしては、油温に関するデータ、水温に関するデータ、吸気温に関するデータ、大気圧に関するデータ、さらに、吸気管圧力に関するデータ等である。これらの環境データを考慮することにより、圧縮端における温度を精度よく予測することができ、ノックを回避して良好な燃焼状態を得ることができる。

以上、制御の一例を示したエンジン１００の特徴を、図１６乃至図１８を参照しつつ説明する。図１６は、比較例のエンジンにおける各種パラメータの変化の一例を示す説明図である。図１７は、加速時のバルブタイミングの一例を通常時のバルブタイミングと比較して示すグラフである。図１８は、実施例のエンジン１００における各種パラメータの変化の一例を示す説明図である。

図１６に各種パラメータの変化が示された比較例のエンジンは、可変圧縮比機構Ａ及び可変吸気バルブタイミング機構Ｂを備えているが、可変排気バルブタイミング機構Ｃは備えていない。このようなエンジンは、定常走行時において、膨張比をできるだけ確保するように制御される。比較例のエンジンのスロットル開度は、極軽負荷域を除いて、運転者の意思によってアクセルペダルの踏込み量が調整されると、全開状態に保たれる。そして、吸気弁の閉じ時期（ＩＶＣ）が制御される。スロットル開度が全開に調整されるのは、吸入損失を低減して空気量を制御するためである。

比較例のエンジンは、極軽負荷以上では、可変圧縮比機構と可変吸気バルブタイミング機構とが協働し、軽負荷側では機械圧縮比を高めて吸気弁を遅く閉じることで高負荷側と同様の実圧縮比を保ったまま、膨張比を大きく設定することができる。これにより、熱効率を向上させることができる。

図１６によれば、スロットル開度は、所定のエンジン負荷以上では、全開に保たれる。吸気量は、エンジン負荷の増大に伴って大きくなる。ＩＶＣ、すなわち、吸気弁７の閉じ時期は、エンジン負荷が高負荷に従って進角側となる。換言すれば、エンジン負荷が軽負荷であるほど遅角側となって、閉じるタイミングが遅くなるように制御される。機械圧縮比は、エンジン負荷が高負荷になるに従って低くなる。さらに言えば、機械圧縮比は、実圧縮比が一定となるようにエンジン負荷が高負荷になるに従って低くなるように制御される。膨張比は、機械圧縮比とほぼ同一となる。なお、ＥＶＯ、すなわち、排気弁の開き時期は、一定である。

一方、本実施例のエンジン１００は、比較例と異なり、可変排気バルブタイミング機構Ｃを備えている。可変圧縮比機構Ａと可変吸気バルブタイミング機構Ｂを備えている点は、比較例と共通する。本実施例のエンジン１００のバルブタイミングを、図１７を参照しつつ説明する。まず、通常時において、可変である第１カム９３によって駆動される排気弁９の開弁時期Ｅ_１ＶＯと固定である第２カム９５によって駆動される排気弁の開弁時期Ｅ_２ＶＯは一致している。これに対し、加速時において、開弁時期Ｅ_１ＶＯは、開弁時期Ｅ_２ＶＯよりも進角させられる。

このようなバルブタイミングに制御される本実施例のエンジン１００の各種パラメータの変化について図１８を参照しつつ説明する。図１８によれば、加速時のＥＶＯと加速時の実膨張比以外は、比較例のエンジンとほぼ同様のパラメータ変化となる。一の排気弁について加速時のＥＶＯを進角させることにより、加速時の実膨張比は、低下する。図中、実圧縮比よりも実膨張比が下回った、ハッチングで示された領域は、排気弁を早開きすることによって排気ターボチャージャ１５のレスポンス向上に用いられたエネルギ量を示している。

以上説明したように、本実施例のエンジン１００は、排気ターボチャージャ１５の過給レスポンスの維持向上と、高膨張比維持による燃費性能の両立が図られている。

≪エンジンが中負荷以上の負荷で運転され、かつ、排気ターボチャージャによる過給がされた定常過給運転状態である場合≫
図１９は、エンジン１００が中負荷以上の負荷で運転され、かつ、排気ターボチャージャ１５による過給がされた定常過給運転状態である場合に、電子制御ユニット３０が行う制御の一例を示すフロー図である。エンジンが中負荷以上の負荷で運転され、かつ、排気ターボチャージャによる過給がされた定常過給運転状態である場合、無過給時と比較してシリンダ内の空気量が多く、過給レスポンスは維持される。そこで、排気弁９の開弁時期を遅角側に制御することによる膨張比の向上がその制御方針となる。

なお、図１９に示すフロー図中の各ステップは、その性質に基づいて、順番を入れ換えることができ、また、同時並行的に処理される場合がある。また、各ステップは、繰り返し行われるものであり、あるステップで取得された値が、他のステップで利用される場合がある。

まず、ステップＳ２１において、アクセルペダル４０と連結されたアクセルポジションセンサ４１が、アクセル開度（θ）を読み込む。また、ステップＳ２２において、クランク角センサ４２が取得した情報に基づくエンジン回転数を読み込む。ステップＳ２３では、目標吸気量を算出する。この目標吸気量の算出は、図７に示したフロー図におけるステップＳ４の処理と同様に行われるため、その詳細な説明は省略する。

電子制御ユニット３０は、ステップＳ２４では、エンジンが過給領域であるか否かを判定する。具体的には、図２０に一例を示すマップを参照し、アクセル開度及びエンジン回転数から得られる値が閾値を越えたか否かで判断する。なお、ウェストゲートバルブ開度や吸気管圧力によって判断することもできる。エンジンが中負荷以上であるか否かも、この閾値により判断することができる。

ステップＳ２４でＮｏと判断したときは、ステップＳ２５からステップＳ２９の処理を行う。ステップＳ２５からステップＳ２９の処理は、図７に示したフロー図におけるステップＳ５からステップＳ９の処理と同様に行われるため、その詳細な説明は省略する。

ステップＳ２４でＹｅｓと判断したときは、ステップＳ３０へ進む。ステップＳ３０では、排気弁位相差遅角補正値が算出される。この排気弁位相差遅角補正値は、図２１に一例を示すマップに基づいて算出される。具体的には、過給領域において、目標吸気量が大きいほど排気弁９の開弁時期を遅角させ、目標吸気量が小さいほど排気弁の開弁時期を進角側へ戻すように制御される。排気ターボチャージャ１５が過給状態にあるときは、シリンダ内の空気量が多く、過給レスポンスは維持し易いため、排気弁９を遅開きして膨張比をあげ、燃費を向上させる趣旨である。一方、過給状態にあっても目標吸気量が小さくなるような場合は、排気エネルギが小さくなると考えられるので、排気弁９の開弁時期を進角側へ制御して過給レスポンスを維持する趣旨である。

ステップＳ３０の処理が行われた後は、ステップＳ２５からステップＳ２９と同様にステップＳ３１からステップＳ３５の処理が行われる。ただし、ステップＳ３２における排気弁位相差進角目標値の算出では、ステップＳ３０で算出された補正値が考慮される。

以上、制御の一例を示したエンジン１００の特徴を、図２２、図２３を参照しつつ説明する。図２２は、定常過給運転時のバルブタイミングの一例を無過給時及び加速時のバルブタイミングと比較して示すグラフである。図２３は、実施例のエンジン１００における各種パラメータの変化の一例を示す説明図である。

図１７によれば、無過給時及び加速時において、開弁時期Ｅ_１ＶＯは、開弁時期Ｅ_２ＶＯよりも進角させられる。これに対し、定常過給運転時では、開弁時期Ｅ_１ＶＯは、遅角され、開弁時期Ｅ_２ＶＯと同じタイミングとされている。

このようなバルブタイミングに制御される本実施例のエンジン１００の各種パラメータの変化について図２３を参照しつつ説明する。図２３によれば、スロットル開度は、所定のエンジン負荷以上では、全開に保たれる。吸気量は、エンジン負荷の増大に伴って大きくなる。ＩＶＣ、すなわち、吸気弁７の閉じ時期は、エンジン負荷が高負荷に従って進角側となる。換言すれば、エンジン負荷が軽負荷であるほど遅角側となって、閉じるタイミングが遅くなるように制御される。機械圧縮比は、エンジン負荷が高負荷になるに従って低くなる。さらに言えば、機械圧縮比は、実圧縮比が一定となるようにエンジン負荷が高負荷になるに従って低くなるように制御される。通常時のＥＶＯ、すなわち、排気弁９の開き時期は、一定である。これに対し、定常過給時は、遅角側に制御されている。このような排気弁９の遅開きに伴って、膨張比は、大きくなる。

このように、中負荷以上の負荷で運転され、かつ、排気ターボチャージャによる過給がされた定常過給運転状態において、実膨張比を大きく設定することにより、燃費向上が図られている。

上記実施例は本発明を実施するための例にすぎず、本発明はこれらに限定されるものではなく、これらの実施例を種々変形することは本発明の範囲内であり、更に本発明の範囲内において、他の様々な実施例が可能であることは上記記載から自明である。

１…クランクケース
２…シリンダブロック
３…シリンダヘッド
４…ピストン
５…燃焼室
７…吸気弁
９…排気弁
Ａ…可変圧縮比機構
Ｂ…可変吸気バルブタイミング機構
Ｃ…可変排気バルブタイミング機構
１５…排気ターボチャージャ

Claims (9)

1. 膨張比を圧縮比よりも大きく設定することができ、排気ガスにより回転駆動される過給機を備えた高膨張比エンジンにおいて、
   エンジンの運転状態を判定する運転状態判定手段と、
   一の気筒に対し設けられた複数の排気弁と、
   前記複数の排気弁のうち、少なくとも一の排気弁の開弁時期を変更することができる可変排気バルブタイミング機構と、
   前記運転状態判定手段により、エンジンが中負荷以上の負荷で運転され、かつ、前記過給機による過給がされた定常過給運転状態であると判定されると、前記可変排気バルブタイミング機構に指令を発し、前記過給機の無過給状態のときと比較して前記一の排気弁の開弁時期を他の排気弁の開弁時期よりも遅角させる制御部と、
   を、備えたエンジン。
2. 機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と、
   吸気弁の閉弁時期を変更可能な可変吸気バルブタイミング機構と、をさらに備え、
   前記制御部は、前記可変圧縮比機構及び前記可変吸気バルブタイミング機構とによって、実圧縮比を制御する請求項８記載のエンジン。
3. 筒内への吸気量を取得する吸気量取得手段を備え、
   前記制御部は、前記吸気量が少ないほど、前記一の排気弁の開弁時期の進角量を大きくする請求項８又は９記載のエンジン。
4. 膨張比を圧縮比よりも大きく設定することができ、排気ガスにより回転駆動される過給機を備えたエンジンであって、
   エンジンの運転状態を判定する運転状態判定手段と、
   一の気筒に対し設けられた複数の排気弁と、
   前記複数の排気弁のうち、少なくとも一の排気弁の開弁時期を変更することができる可変排気バルブタイミング機構と、
   前記運転状態判定手段により、エンジンが軽負荷で運転され、かつ、加速時と判定されると、前記可変排気バルブタイミング機構に指令を発し、前記一の排気弁の開弁時期を他の排気弁の開弁時期よりも進角させる制御部と、
   を、備え、
   前記制御部は、前記膨張比が小さいほど、前記一の排気弁の開弁時期の進角量を小さくするエンジン。
5. 膨張比を圧縮比よりも大きく設定することができ、排気ガスにより回転駆動される過給機を備えたエンジンであって、
   エンジンの運転状態を判定する運転状態判定手段と、
   一の気筒に対し設けられた複数の排気弁と、
   前記複数の排気弁のうち、少なくとも一の排気弁の開弁時期を変更することができる可変排気バルブタイミング機構と、
   前記運転状態判定手段により、エンジンが軽負荷で運転され、かつ、加速時と判定されると、前記可変排気バルブタイミング機構に指令を発し、前記一の排気弁の開弁時期を他の排気弁の開弁時期よりも進角させる制御部と、
   を、備え、
   前記制御部は、前記運転状態判定手段により、エンジンの加速要求が減少したと判定されたときに、
   開弁時期を進角させている前記一の排気弁の開弁時期を遅角させるエンジン。
6. 機械圧縮比を変更可能な可変圧縮比機構と、
   吸気弁の閉弁時期を変更可能な可変吸気バルブタイミング機構と、をさらに備え、
   前記制御部は、前記可変圧縮比機構及び前記可変吸気バルブタイミング機構とによって、実圧縮比を制御する請求項１１又は１２記載のエンジン。
7. 前記制御部は、目標吸気量が少ないほど、前記一の排気弁の開弁時期の進角量を大きくする請求項１１又は１２記載のエンジン。
8. 前記制御部は、前記可変吸気バルブタイミング機構によって前記圧縮比を低下させる側に吸気弁の閉弁時期を変更した状態において、前記運転状態判定手段により、エンジンが加速時であると判定されたときに、
   前記可変吸気バルブタイミング機構によって吸気弁の閉弁時期を、前記圧縮比を向上させる方向へ変更することを特徴とする請求項１３に記載のエンジン。
9. 前記制御部は、前記可変吸気バルブタイミング機構によって前記圧縮比を低下させる側に吸気弁の閉弁時期を変更した状態において、前記運転状態判定手段により、エンジンの加速要求が減少したと判定されたときに、
   前記可変吸気バルブタイミング機構によって吸気弁の閉弁時期を、前記圧縮比を低下させる方向へ変更することを特徴とする請求項１５記載のエンジン。

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