JP6308228B2 - エンジンの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、エンジンの制御装置に係わり、特に、吸気弁の開閉時期及び／又はリフト量を変化させる可変バルブ機構を制御するエンジンの制御装置に関する。

従来から、排気弁や吸気弁の開閉時期及び／又はリフト量を変化させる可変バルブ機構が知られている。例えば、特許文献１には、吸気行程の初期に排気弁が開弁しているように、つまり排気弁及び吸気弁の両方が開いているオーバーラップ期間を吸気行程の初期に形成するように、排気ＶＶＴを制御する技術が開示されている。この技術では、排気行程を行っている気筒において発生した排気脈動の負圧を利用して、吸気行程を行っている別の気筒を掃気するようにしている。

特開２０１３−１８５４４６号公報

ところで、近年、燃費やエミッションなどを改善する観点から、エンジンの幾何学的圧縮比として高圧縮比を適用して、低負荷領域では圧縮自己着火（「ＣＩ（Compression Ignition）」又は「ＨＣＣＩ（Homogeneous-Charge Compression Ignition）」と呼ばれる。）を行い、高負荷領域では火花点火（ＳＩ（Spark Ignition））を行う技術が開発されている。このような高圧縮比エンジンでは、火花点火運転時に、異常燃焼の発生を抑制するために、特に火花点火をきっかけにした正常な燃焼開始時期よりも前に混合気が自着火するプリイグニッションを抑制するために、圧縮行程後半に燃焼噴射を行っている。
ここで、従来の高圧縮比エンジンにおいては、火花点火を行う高負荷領域では、吸気側の温度が高く、比較的高温の吸気が筒内に導入される傾向にあった。このように吸気温度が高いと、プリイグニッションが発生する可能性が高くなる。したがって、筒内に導入される吸気温度を低下させれば、プリイグニッションをより効果的に抑制できるものと考えられる。

本発明は、上述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、排気行程中の吸気弁の開閉期間を適切に制御して、筒内に導入される吸気温度を効果的に低下させることができると共に、充填効率を向上させることができる、エンジンの制御装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は、吸気を筒内に導入するための吸気弁及び排気を筒内から排出するための排気弁が設けられた気筒と、この吸気弁の開閉時期及びリフト量を変化させる可変バルブ機構とを備え、エンジン負荷が所定値未満である第１の運転領域において、燃料を含む混合気を圧縮自己着火させ、この第１の運転領域よりも負荷が高い第２の運転領域において、燃料を含む混合気を強制点火させるエンジンの制御装置であって、エンジンの第１又は第２の運転領域において、吸気行程に加えて排気行程においても吸気弁を開弁させるように、可変バルブ機構を制御する可変バルブ機構制御手段を有し、可変バルブ機構制御手段は、混合気を強制点火させる第２の運転領域であり且つエンジン回転数が所定回転数以下である場合、エンジンの排気行程において、排気弁が開弁したときに発生する排気脈動の一次の負圧波が発生するタイミングに基づいて、エンジンの回転数が高いほど、排気行程中の吸気弁の開弁時期及び吸気弁の閉弁時期を遅角させる、ことを特徴とする。

このように構成された本発明によれば、吸気行程に加えて排気行程においても吸気弁を開弁させる二度開き制御を実行する場合に、排気行程において排気弁が開弁したときに発生した排気脈動が負圧になるタイミングに基づき、排気行程中の吸気弁の開弁時期を設定するので、筒内から排気ガスを流出させて、筒内へ吸気を流入させる掃気効果を向上させることができる。これにより、筒内への空気の充填効率（体積効率）を向上させることができ、その結果、エンジンからの出力トルクを向上させることが可能となる。加えて、上記の掃気効果の向上により、吸気側から気筒を介して排気側へとガスを吹き抜けさせることで、吸気側の温度を低下させることができる。その結果、吸気工程において筒内に導入される吸気温度を低下させることができ、プリイグニッションを適切に抑制することが可能となる。
また、エンジン回転数に応じて変化する、排気脈動が負圧になるタイミングに合わせて、吸気弁を適切に開弁させ、排気脈動が負圧から正圧になるタイミングに合わせて、吸気弁を適切に閉弁させることができる。また、大きなエネルギーを有する一次の負圧波を利用することで、掃気効果をより向上させることができる。また、運転領域に応じて圧縮自己着火と強制点火とを切り替えて運転する高圧縮比エンジンなどにおいて、低回転数及び高負荷の運転領域において、上述した吸気弁に対する制御を行って、掃気効果を適切に向上させることができ、充填効率を向上させることができると共に、吸気温度を低下させて、プリイグニッションを抑制することが可能となる。

本発明において、好ましくは、可変バルブ機構制御手段は、排気脈動が負圧から正圧になるタイミングに基づき、排気行程中に開弁させた吸気弁の閉弁時期を設定する。
このように構成された本発明によれば、排気脈動が正圧になっているときに吸気弁を閉弁することができ、排気側から吸気側への排気ガスの吹き戻しを抑制することができる。

本発明において、好ましくは、可変バルブ機構制御手段は、排気弁の開弁時期に基づき、排気行程中の吸気弁の開弁時期を設定する。
このように構成された本発明によれば、排気弁の開弁時期に応じて変化する、排気脈動が負圧になるタイミングに合わせて、吸気弁を適切に開弁させることができる。

本発明において、好ましくは、可変バルブ機構制御手段は、排気脈動において負圧波のピークが発生するタイミングにおいて、吸気弁のリフト量が最大になるように、排気行程中の吸気弁の開弁時期を設定する。
このように構成された本発明によれば、負圧波のピークが発生するタイミング（ピークタイミング）と吸気弁のリフト量が最大になるタイミングとが一致するように、排気行程中における吸気弁の開弁時期を設定するので、負圧波のエネルギーを最大限に利用することができ、掃気効果をより向上させることができる。

本発明において、好ましくは、エンジンは、それぞれが吸気弁及び排気弁を備える複数の気筒を有し、可変バルブ機構制御手段は、排気行程中の吸気弁の開弁時期を、複数の気筒の中で当該吸気弁を備える一の気筒の排気弁が開弁したときに発生した排気脈動が負圧となるタイミングに基づき設定するのがよい。

本発明において、好ましくは、可変バルブ機構制御手段は、排気弁の開弁時期が遅角するほど、排気行程中に開弁させた吸気弁の閉弁時期を遅角させると共に、エンジン回転数が高いほど、排気行程中に開弁させた吸気弁の閉弁時期を遅角させる。
このように構成された本発明によれば、排気弁の開弁時期及びエンジン回転数のそれぞれに応じて変化する、排気脈動が負圧から正圧になるタイミングに合わせて、吸気弁を適切に閉弁させることができる。

本発明のエンジンの制御装置によれば、排気行程中の吸気弁の開閉期間を適切に制御して、筒内に導入される吸気温度を効果的に低下させることができると共に、充填効率を向上させることができる。

本発明の実施形態によるエンジンの制御装置が適用されたエンジンの概略構成図である。 本発明の実施形態によるエンジンの制御装置に関する電気的構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態によるエンジンの運転領域の説明図である。 本発明の実施形態による、第２の運転領域においてエンジン回転数が相対的に低い領域での吸気弁及び排気弁の動作についての説明図である。 本発明の実施形態による吸気弁の制御方法の基本概念についての説明図である。 エンジン回転数の違いによる、排気脈動において一次の負圧波が発生するタイミングの違いについての説明図である。 エンジン回転数と排気脈動における一次の負圧波が発生するクランク角との関係を示す図である。 本発明の実施形態による吸気弁の制御処理を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置について説明する。

［装置構成］
図１は、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置が適用されたエンジン（エンジン本体）１の概略構成を示し、図２は、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置を示すブロック図である。

エンジン１は、車両に搭載されると共に、少なくともガソリンを含有する燃料が供給されるガソリンエンジンである。エンジン１は、複数の気筒１８が設けられたシリンダブロック１１（なお、図１では、１つの気筒のみを図示するが、例えば４つの気筒が直列に設けられる）と、このシリンダブロック１１上に配設されたシリンダヘッド１２と、シリンダブロック１１の下側に配設され、潤滑油が貯留されたオイルパン１３とを有している。各気筒１８内には、コンロッド１４２を介してクランクシャフト１５と連結されているピストン１４が往復動可能に嵌挿されている。ピストン１４の頂面には、ディーゼルエンジンでのリエントラント型のようなキャビティ１４１が形成されている。キャビティ１４１は、ピストン１４が圧縮上死点付近に位置するときには、後述するインジェクタ６７に相対する。シリンダヘッド１２と、気筒１８と、キャビティ１４１を有するピストン１４とは、燃焼室１９を画定する。なお、燃焼室１９の形状は、図示する形状に限定されるものではない。例えばキャビティ１４１の形状、ピストン１４の頂面形状、及び、燃焼室１９の天井部の形状等は、適宜変更することが可能である。

このエンジン１は、理論熱効率の向上や、後述する圧縮着火燃焼の安定化等を目的として、１５以上の比較的高い幾何学的圧縮比に設定されている。なお、幾何学的圧縮比は１５以上２０以下程度の範囲で、適宜設定すればよい。

シリンダヘッド１２には、気筒１８毎に、吸気ポート１６及び排気ポート１７が形成されていると共に、これら吸気ポート１６及び排気ポート１７には、燃焼室１９側の開口を開閉する吸気弁２１及び排気弁２２がそれぞれ配設されている。

吸気弁２１及び排気弁２２をそれぞれ駆動する動弁系の内、排気側には、排気弁２２の作動モードを通常モードと特殊モードとに切り替える、例えば油圧作動式の可変バルブリフト機構（図２参照。以下、ＶＶＬ（Variable Valve Lift）と称する）７１と、クランクシャフト１５に対する排気カムシャフトの回転位相を変更することが可能な位相可変機構（以下、ＶＶＴ（Variable Valve Timing）と称する）７５と、が設けられている。ＶＶＬ７１は、その構成の詳細な図示は省略するが、例えば、カム山を一つ有する第１カムとカム山を２つ有する第２カムとの、カムプロフィールの異なる２種類のカム、及び、その第１及び第２カムのいずれか一方のカムの作動状態を選択的に排気弁２２に伝達するカムシフティング機構を含んで構成されている。この例では、第１カムの作動状態を排気弁２２に伝達しているときには、排気弁２２は、排気行程中において一度だけ開弁される通常モードで作動するのに対し、第２カムの作動状態を排気弁２２に伝達しているときには、排気弁２２が、排気行程中において開弁すると共に、吸気行程中においても開弁するような、いわゆる排気の二度開きを行う特殊モードで作動する。ＶＶＬ７１の通常モードと特殊モードとは、エンジンの運転状態に応じて切り替えられる。具体的には、特殊モードは、内部ＥＧＲに係る制御の際に利用される。なお、排気弁２２を電磁アクチュエータによって駆動する電磁駆動式の動弁系を採用してもよい。

ＶＶＴ７５は、液圧式、電磁式又は機械式の公知の構造を適宜採用すればよく、その詳細な構造についての図示は省略する。排気弁２２は、ＶＶＴ７５によって、その開弁時期及び閉弁時期を、所定の範囲内で連続的に変更可能である。また、複数の気筒１８のそれぞれに設けられた排気弁２２を、各気筒１８ごとに別個に、ＶＶＬ７１及びＶＶＴ７５によってリフト量及び動作タイミングが制御できるようにしてもよい。

なお、内部ＥＧＲの実行は、上記したような排気弁２２の二度開きのみによって実現されるのではない。例えば吸気弁２１を二回開く、吸気の二度開きによって内部ＥＧＲ制御を行ってもよいし、排気行程乃至吸気行程において吸気弁２１及び排気弁２２の双方を閉じるネガティブオーバーラップ期間を設けて既燃ガスを気筒１８内に残留させる内部ＥＧＲ制御を行ってもよい。

ＶＶＬ７１及びＶＶＴ７５を備えた排気側の動弁系と同様に、吸気側には、図２に示すように、ＶＶＬ７４とＶＶＴ７２とが設けられている。吸気側のＶＶＬ７４は、排気側のＶＶＬ７１とは異なる。例えば、吸気側のＶＶＬ７４は、吸気弁２１のリフト量を相対的に大きくする大リフトカムと、吸気弁２１のリフト量を相対的に小さくする小リフトカムとの、カムプロフィールの異なる２種類のカム、及び、大リフトカム及び小リフトカムのいずれか一方のカムの作動状態を選択的に吸気弁２１に伝達するカムシフティング機構を含んで構成されている。この例では、ＶＶＬ７４が大リフトカムの作動状態を吸気弁２１に伝達しているときには、吸気弁２１は、相対的に大きいリフト量で開弁すると共に、その開弁期間も長くなる。これに対し、ＶＶＬ７４が小リフトカムの作動状態を吸気弁２１に伝達しているときには、吸気弁２１は、相対的に小さいリフト量で開弁すると共に、その開弁期間も短くなる。大リフトカムと小リフトカムとは、閉弁時期又は開弁時期を同じにして切り替わるように設定されている。

吸気側のＶＶＴ７２は、排気側のＶＶＴ７５と同様に、液圧式、電磁式又は機械式の公知の構造を適宜採用すればよく、その詳細な構造についての図示は省略する。吸気弁２１もまた、ＶＶＴ７２によって、その開弁時期及び閉弁時期を、所定の範囲内で連続的に変更可能である。また、複数の気筒１８のそれぞれに設けられた吸気弁２１を、各気筒１８ごとに別個に、ＶＶＬ７４及びＶＶＴ７２によってリフト量及び動作タイミングが制御できるようにしてもよい。なお、吸気側にＶＶＬ７４を適用せずに、ＶＶＴ７２のみを適用し、吸気弁２１の開弁時期及び閉弁時期のみを変更するようにしてもよい。
なお、ＶＶＴ７２及びＶＶＬ７４は、本発明における「可変バルブ機構」に相当する。

シリンダヘッド１２にはまた、気筒１８毎に、気筒１８内に燃料を直接噴射する（直噴）インジェクタ６７が取り付けられている。インジェクタ６７は、その噴口が燃焼室１９の天井面の中央部分から、その燃焼室１９内に臨むように配設されている。インジェクタ６７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１９内に直接噴射する。この例において、インジェクタ６７は、詳細な図示は省略するが、複数の噴口を有する多噴口型のインジェクタである。これによって、インジェクタ６７は、燃料噴霧が、燃焼室１９の中心位置から放射状に広がるように、燃料を噴射する。ピストン１４が圧縮上死点付近に位置するタイミングで、燃焼室１９の中央部分から放射状に広がるように噴射された燃料噴霧は、ピストン頂面に形成されたキャビティ１４１の壁面に沿って流動する。キャビティ１４１は、ピストン１４が圧縮上死点付近に位置するタイミングで噴射された燃料噴霧を、その内部に収めるように形成されている、と言い換えることが可能である。この多噴口型のインジェクタ６７とキャビティ１４１との組み合わせは、燃料の噴射後、混合気形成期間を短くすると共に、燃焼期間を短くする上で有利な構成である。なお、インジェクタ６７は、多噴口型のインジェクタに限定されず、外開弁タイプのインジェクタを採用してもよい。

図外の燃料タンクとインジェクタ６７との間は、燃料供給経路によって互いに連結されている。この燃料供給経路上には、燃料ポンプ６３とコモンレール６４とを含みかつ、インジェクタ６７に、比較的高い燃料圧力で燃料を供給することが可能な燃料供給システム６２が介設されている。燃料ポンプ６３は、燃料タンクからコモンレール６４に燃料を圧送し、コモンレール６４は圧送された燃料を、比較的高い燃料圧力で蓄えることが可能である。インジェクタ６７が開弁することによって、コモンレール６４に蓄えられている燃料がインジェクタ６７の噴口から噴射される。ここで、燃料ポンプ６３は、図示は省略するが、プランジャー式のポンプであり、エンジン１によって駆動される。このエンジン駆動のポンプを含む構成の燃料供給システム６２は、３０ＭＰａ以上の高い燃料圧力の燃料を、インジェクタ６７に供給することを可能にする。燃料圧力は、最高で１２０ＭＰａ程度に設定してもよい。インジェクタ６７に供給される燃料の圧力は、エンジン１の運転状態に応じて変更される。なお、燃料供給システム６２は、この構成に限定されるものではない。

シリンダヘッド１２にはまた、燃焼室１９内の混合気に強制点火（具体的には火花点火）する点火プラグ２５が取り付けられている。点火プラグ２５は、この例では、エンジン１の排気側から斜め下向きに延びるように、シリンダヘッド１２内を貫通して配置されている。点火プラグ２５の先端は、圧縮上死点に位置するピストン１４のキャビティ１４１内に臨んで配置される。

エンジン１の一側面には、図１に示すように、各気筒１８の吸気ポート１６に連通するように吸気通路３０が接続されている。一方、エンジン１の他側面には、各気筒１８の燃焼室１９からの既燃ガス（排気ガス）を排出する排気通路４０が接続されている。

吸気通路３０の上流端部には、吸入空気を濾過するエアクリーナ３１が配設され、その下流側には、各気筒１８への吸入空気量を調節するスロットル弁３６が配設されている。また、吸気通路３０における下流端近傍には、サージタンク３３が配設されている。このサージタンク３３よりも下流側の吸気通路３０は、気筒１８毎に分岐する独立通路とされ、これら各独立通路の下流端が各気筒１８の吸気ポート１６にそれぞれ接続されている。

排気通路４０の上流側の部分は、気筒１８毎に分岐して排気ポート１７の外側端に接続された独立通路と該各独立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４０における排気マニホールドよりも下流側には、排気ガス中の有害成分を浄化する排気浄化装置として、直キャタリスト４１とアンダーフットキャタリスト４２とがそれぞれ接続されている。直キャタリスト４１及びアンダーフットキャタリスト４２はそれぞれ、筒状ケースと、そのケース内の流路に配置した、例えば三元触媒とを備えて構成されている。

吸気通路３０におけるサージタンク３３とスロットル弁３６との間の部分と、排気通路４０における直キャタリスト４１よりも上流側の部分とは、排気ガスの一部を吸気通路３０に還流するためのＥＧＲ通路５０を介して接続されている。このＥＧＲ通路５０は、排気ガスをエンジン冷却水によって冷却するためのＥＧＲクーラ５２が配設された主通路５１を含んで構成されている。主通路５１には、排気ガスの吸気通路３０への還流量を調整するためのＥＧＲ弁５１１が配設されている。

エンジン１は、パワートレイン・コントロール・モジュール（以下では「ＰＣＭ」と呼ぶ。）１０によって制御される。ＰＣＭ１０は、ＣＰＵ、メモリ、カウンタタイマ群、インターフェース及びこれらのユニットを接続するパスを有するマイクロプロセッサで構成されている。このＰＣＭ１０が制御器を構成する。

ＰＣＭ１０には、図１及び図２に示すように、各種のセンサＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ４〜ＳＷ１８の検出信号が入力される。具体的には、ＰＣＭ１０には、エアクリーナ３１の下流側で、新気の流量を検出するエアフローセンサＳＷ１の検出信号と、新気の温度を検出する吸気温度センサＳＷ２の検出信号と、ＥＧＲ通路５０における吸気通路３０との接続部近傍に配置されかつ、外部ＥＧＲガスの温度を検出するＥＧＲガス温センサＳＷ４の検出信号と、吸気ポート１６に取り付けられかつ、気筒１８内に流入する直前の吸気の温度を検出する吸気ポート温度センサＳＷ５の検出信号と、シリンダヘッド１２に取り付けられかつ、気筒１８内の圧力を検出する筒内圧センサＳＷ６の検出信号と、排気通路４０におけるＥＧＲ通路５０の接続部近傍に配置されかつ、それぞれ排気温度及び排気圧力を検出する排気温センサＳＷ７及び排気圧センサＳＷ８の検出信号と、直キャタリスト４１の上流側に配置されかつ、排気中の酸素濃度を検出するリニアＯ₂センサＳＷ９の検出信号と、直キャタリスト４１とアンダーフットキャタリスト４２との間に配置されかつ、排気中の酸素濃度を検出するラムダＯ₂センサＳＷ１０の検出信号と、エンジン冷却水の温度を検出する水温センサＳＷ１１の検出信号と、クランクシャフト１５の回転角を検出するクランク角センサＳＷ１２の検出信号と、車両のアクセルペダル（図示省略）の操作量に対応したアクセル開度を検出するアクセル開度センサＳＷ１３の検出信号と、吸気側及び排気側のカム角センサＳＷ１４、ＳＷ１５の検出信号と、燃料供給システム６２のコモンレール６４に取り付けられかつ、インジェクタ６７に供給する燃料圧力を検出する燃圧センサＳＷ１６の検出信号と、エンジン１の油圧を検出する油圧センサＳＷ１７の検出信号と、エンジン１の油温を検出する油温センサＳＷ１８の検出信号と、が入力される。

ＰＣＭ１０は、これらの検出信号に基づいて種々の演算を行うことによってエンジン１や車両の状態を判定し、これに応じて、（直噴）インジェクタ６７、点火プラグ２５、吸気弁側のＶＶＴ７２及びＶＶＬ７４、排気弁側のＶＶＴ７５及びＶＶＬ７１、燃料供給システム６２、並びに、各種の弁（スロットル弁３６、ＥＧＲ弁５１１）のアクチュエータへ制御信号を出力する。こうしてＰＣＭ１０は、エンジン１を運転する。詳細は後述するが、ＰＣＭ１０は、本発明におけるエンジンの制御装置に相当する。特に、ＰＣＭ１０は、本発明における「可変バルブ機構制御手段」として機能する。

［運転領域］
次に、図３を参照して、本発明の実施形態によるエンジンの運転領域について説明する。図３は、エンジン１の運転制御マップの一例を示している。このエンジン１は、燃費の向上や排気エミッション性能の向上を目的として、エンジン負荷が相対的に低い低負荷域である第１の運転領域Ｒ１１では、点火プラグ２５による点火を行わずに、圧縮自己着火による圧縮着火燃焼を行う。しかしながら、エンジン１の負荷が高くなるに従って、この圧縮着火燃焼では、燃焼が急峻になりすぎてしまい、燃焼騒音が発生したり、着火時期の制御が困難になったりする（失火などが発生する傾向にある）。そのため、このエンジン１では、エンジン負荷が相対的に高い高負荷域である第２の運転領域Ｒ１２では、圧縮着火燃焼の代わりに、点火プラグ２５を利用した強制点火燃焼（ここでは火花点火燃焼）を行うようにする。このように、このエンジン１は、エンジン１の運転状態、特にエンジン１の負荷に応じて、圧縮着火燃焼による運転を実行するＣＩ（Compression Ignition）運転と、火花点火燃焼による運転を実行するＳＩ（Spark Ignition）運転とを切り替えるように構成されている。

［吸気弁及び排気弁の制御］
次に、図４を参照して、本発明の実施形態による吸気弁２１及び排気弁２２の制御の具体例について説明する。図４は、ＳＩ運転を行う第２の運転領域Ｒ１２での、特に第２の運転領域Ｒ１２においてエンジン回転数が相対的に低い領域Ｒ１３（図３参照）での、吸気弁２１及び排気弁２２の動作を示している。図４は、横方向にクランク角を示し、縦方向に吸気弁２１及び排気弁２２のリフト量を示している。具体的には、破線のグラフＧ１１は、クランク角に応じた排気弁２２の動作を示しており、実線のグラフＧ１２は、クランク角に応じた吸気弁２１の動作を示している。

図４中のグラフＧ１２に示すように、本実施形態では、第２の運転領域Ｒ１２中の低回転数領域Ｒ１３において、吸気弁２１を吸気行程中に開弁させると共に排気行程中にも開弁させる二度開きを実行する。この場合、排気行程において、吸気弁２１及び排気弁２２の両方が開いている状態となる。上述したように、このような吸気弁２１の二度開きは、ＶＶＴ７２及びＶＶＬ７４（以下では、これらを合わせて単に「吸気側可変バルブ機構」と適宜呼ぶ。）を介したＰＣＭ１０による開弁時期、閉弁時期及びリフト量の制御によって実現される。特に、本実施形態では、ＰＣＭ１０は、排気行程中における吸気弁２１の開弁期間を変化させる制御を行う。こうすることで、筒内における掃気効果（筒内から排気ガスを追い出して、筒内に吸気を充填する効果）を向上させるようにしている。

なお、第２の運転領域Ｒ１２においてエンジン回転数が領域Ｒ１３よりも高い領域では、ＰＣＭ１０は、上記のような吸気弁２１の二度開きを実行しない。この場合には、ＰＣＭ１０は、排気行程後半から吸気行程前半に渡って吸気弁２１及び排気弁２２の両方が開いているように（つまりオーバーラップ期間を形成するように）、吸気弁２１を一度だけ開弁するように制御する。

［本実施形態による制御］
次に、本発明の実施形態において吸気側可変バルブ機構を介して吸気弁２１に対して行う制御内容について、より具体的に説明する。上述したように、本実施形態では、ＰＣＭ１０は、第２の運転領域Ｒ１２中の低回転数領域Ｒ１３において、吸気弁２１を吸気行程中に開弁させると共に排気行程中にも開弁させる二度開きを実行し、この排気行程中における吸気弁２１の開弁期間を変化させる制御を行う。具体的には、ＰＣＭ１０は、膨張行程（燃焼行程）後に排気弁２２が開弁したときに発生する排気脈動が負圧になるタイミングに基づき、排気行程中の吸気弁２１の開弁時期を設定する。

図５を参照して、本発明の実施形態による吸気弁２１の制御方法の基本概念について具体的に説明する。図５では、横軸にクランク角を示し、縦軸に排気脈動及び吸気脈動の圧力を示している。具体的には、図５において、グラフＧ２１は、クランク角に応じた排気脈動を示し、グラフＧ２２は、クランク角に応じた吸気脈動を示している。なお、これらの排気脈動及び吸気脈動は、同一の気筒１８において発生しているものである、つまり、着目している一の気筒１８とは別の気筒１８での動作（燃焼サイクル）に起因して発生したものではない（以下同様とする）。また、図５では、更に、排気脈動及び吸気脈動を示すグラフＧ２１、Ｇ２２に対して、クランク角に応じた排気弁２２の動作（グラフＧ２３）と、クランク角に応じた吸気弁２１の動作（グラフＧ２４）とを重ねて示している。

図５中のグラフＧ２１に示すように、クランク角Ｔ１４にて排気弁２２を開弁した後に、比較的大きな排気脈動が発生していることがわかる。膨張行程（燃焼行程）では筒内においてガスが膨張していくが、この行程では筒内のガスの圧力が高い状態となっているため、この状態において排気弁２２を開くと、勢いよくガスが排気側へと流出することで（ブローダウン）、比較的大きな排気脈動が発生する。この排気脈動は、排気ガスの流れに対応する波（圧力波）であり、筒内から排気側へと圧力伝播されるものである。具体的には、排気脈動は、波のように振動することで、正圧と負圧との間で変化する（符号Ａ１１、Ａ１２、Ａ１３参照）。ここでいう「負圧」とは、排気脈動の圧力が吸気脈動（グラフＧ２２参照）の圧力よりも低い状態、つまり排気側の圧力が吸気側の圧力よりも低い状態を意味する。また、「正圧」とは、排気脈動の圧力が吸気脈動の圧力よりも大きい状態、つまり排気側の圧力が吸気側の圧力よりも高い状態を意味する。

より詳しくは、符号Ａ１１で示す排気脈動の正圧波（一次の正圧波）、及び符号Ａ１２で示す排気脈動の負圧波（一次の負圧波）は、それぞれ、上記のブローダウンに起因するものである。一方で、符号Ａ１３で示す排気脈動の正圧波などの、二次以降の正圧波及び負圧波は、ブローダウンに起因する波が、排気ガスが通過する経路中の内壁に衝突することで生じた反射波に対応するものである。なお、一次の正圧波及び負圧波は、それぞれ、排気弁２２が開弁してから最初（１回目）に発生する正圧波及び負圧波を意味し、二次以降の正圧波及び負圧波は、それぞれ、排気弁２２が開弁してから２回目以降に発生する正圧波及び負圧波を意味する。

本実施形態では、排気脈動による負圧を利用して、つまり吸気側が排気側よりも圧力が高くなっている状態を利用して、筒内から排気ガスを流出させて、筒内へ吸気を流入させる掃気効果を得るべく、排気脈動が負圧となっている期間において吸気弁２１が開弁するように、つまり排気脈動が負圧となっている期間と吸気弁２１の開弁期間とが重なるように、吸気側可変バルブ機構を介して吸気弁２１の開閉時期を制御する。より具体的には、ＰＣＭ１０は、排気脈動において一次の負圧波（符号Ａ１２参照）が発生するタイミングに基づき、排気行程中における吸気弁２１の開弁時期Ｔ１１（クランク角に対応する。以下同様とする。）を設定する。つまり、ＰＣＭ１０は、一次の負圧波が発生しているときに吸気弁２１が開弁しているように、吸気側可変バルブ機構を制御する。こうするのは、一次の負圧波は二次以降の負圧波よりも大きな振幅（即ちエネルギー）を有しているため、一次の負圧波が発生しているときに吸気弁２１を開弁させると、大きな掃気効果が得られるからである。また、上述したように、二次以降の負圧波は、反射波に対応するものであるため、発生するタイミングを推定することが困難であるのに対して、一次の負圧波は、ブローダウンに起因するものであるため、発生するタイミングを精度良く推定することができ、吸気弁２１を制御し易いからである。

基本的には、一次の負圧波の発生タイミングは、排気弁２２の開弁時期Ｔ１４に応じて決まる。具体的には、排気弁２２の開弁時期Ｔ１４が遅角するほど、一次の負圧波の発生タイミングが遅くなる、換言すると、排気弁２２の開弁時期Ｔ１４が進角するほど、一次の負圧波の発生タイミングが早くなる。また、排気弁２２の開弁時期Ｔ１４に応じて一次の負圧波の発生タイミングが変化する度合いは、ほぼ音速に応じたものとなる。このようなことから、排気弁２２の開弁時期Ｔ１４と一次の負圧波の発生タイミングとの関係及び一次の負圧波のピークタイミングを実験やシミュレーションなどから事前に求めておき、そのような関係に基づいて、ＰＣＭ１０が、実際の排気弁２２の開弁時期Ｔ１４に応じた吸気弁２１の開弁時期Ｔ１１を設定するのがよい。
なお、詳細は後述するが、排気脈動における一次の負圧波の発生タイミング及び一次の負圧波のピークタイミングは、排気弁２２の開弁時期Ｔ１４だけでなく、エンジン回転数の影響も受ける。したがって、排気弁２２の開弁時期Ｔ１４及びエンジン回転数の両方に基づいて、排気行程中における吸気弁２１の開弁時期Ｔ１１を設定するのがよい。

また、本実施形態では、ＰＣＭ１０は、排気脈動において一次の負圧波のピークが発生するタイミング（ピークタイミング）Ｔ１３において吸気弁２１のリフト量が最大になるように、つまり、一次の負圧波のピークタイミングＴ１３と吸気弁２１のリフト量が最大になるタイミングとが一致するように、排気行程中における吸気弁２１の開弁時期Ｔ１１を設定する。こうすることで、排気脈動における一次の負圧波による負圧を最大限に利用して、掃気効果を効果的に向上させるようにしている。更に、本実施形態では、ＰＣＭ１０は、排気脈動が負圧から正圧になるタイミングに基づき、つまり一次の負圧波から二次の正圧波（符号Ａ１３参照）へと切り替わるタイミングに基づき、排気行程中において開弁させた吸気弁２１の閉弁時期Ｔ１２を設定する。具体的には、ＰＣＭ１０は、排気脈動が正圧になっているときに吸気弁２１が開弁していないように、吸気側可変バルブ機構を介して吸気弁２１の閉弁時期を制御する。こうすることで、排気側から吸気側への排気ガスの吹き戻しを抑制するようにしている。

次に、図６及び図７を参照して、エンジン回転数と、排気脈動における負圧波の発生タイミングとの関係について説明する。図６は、エンジン回転数の違いによる、排気脈動において一次の負圧波が発生するタイミング（クランク角）の違いを説明するための図であり、図７は、エンジン回転数（横軸）と排気脈動における一次の負圧波が発生するクランク角（縦軸）との関係を示す図である。

図６（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、横軸にクランク角を示し、縦軸に排気脈動及び吸気脈動の圧力を示している。図６（ａ）は、図５と同様の図であり、比較的低いエンジン回転数（例えば１０００ｒｐｍ）での排気脈動などを示している。なお、図６（ａ）において図５と同一の符号を付した要素は同一の意味を有するものとする。図６（ｂ）は、図６（ａ）よりも高いエンジン回転数（例えば２０００ｒｐｍ）での排気脈動などを示している。具体的には、図６（ｂ）では、グラフＧ３１は、クランク角に応じた排気脈動を示し、グラフＧ３２は、クランク角に応じた吸気脈動を示しており、また、グラフＧ３３は、クランク角に応じた排気弁２２の動作を示し、グラフＧ３４は、クランク角に応じた吸気弁２１の動作を示している。図６（ｃ）は、図６（ｂ）よりも更に高いエンジン回転数（例えば３０００ｒｐｍ）での排気脈動などを示している。具体的には、図６（ｃ）では、グラフＧ４１は、クランク角に応じた排気脈動を示し、グラフＧ４２は、クランク角に応じた吸気脈動を示しており、また、グラフＧ４３は、クランク角に応じた排気弁２２の動作を示し、グラフＧ４４は、クランク角に応じた吸気弁２１の動作を示している。

図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）中の符号Ａ１２、Ａ２１、Ａ２２に示すように、エンジン回転数が高くなるほど、排気脈動において一次の負圧波の発生タイミングが遅くなることがわかる、換言すると一次の負圧波が発生するクランク角が遅角側にシフトすることがわかる。ここで、図７を参照すると、エンジン回転数と排気脈動において一次の負圧波が発生するクランク角との関係は線形になる。具体的には、一次の負圧波が発生するクランク角がエンジン回転数に応じて線形に変化する。これは、排気脈動がほぼ音速で圧力伝播されるため、伝播速度がほぼ一定であるのに対して、エンジン回転数が変わると１サイクルに要する時間が変化して（エンジン回転数が高くなると１サイクルに要する時間が短くなる）、クランク角度と時間との関係が変化することに起因している。

したがって、本実施形態では、ＰＣＭ１０は、エンジン回転数に基づいて、排気行程中における吸気弁２１の開弁時期を設定する。具体的には、ＰＣＭ１０は、図７に示したような、エンジン回転数と一次の負圧波が発生するクランク角との線形な関係に従って、エンジン回転数が高いほど、吸気弁２１の開弁時期を遅角させるように（図６（ａ）〜（ｃ）中の開弁時期Ｔ１１、Ｔ２１、Ｔ３１参照）、吸気側可変バルブ機構を制御する。この場合、上述したように、一次の負圧波の発生タイミングは、排気弁２２の開弁時期Ｔ１４の影響も受けるため（図６では開弁時期Ｔ１４を固定した場合を例示している）、ＰＣＭ１０は、エンジン回転数及び排気弁２２の開弁時期Ｔ１４の両方に基づいて、排気行程中における吸気弁２１の開弁時期を設定する。具体的には、ＰＣＭ１０は、エンジン回転数が高いほど、及び、排気弁２２の開弁時期Ｔ１４が遅角するほど、吸気弁２１の開弁時期を遅角させる。例えば、エンジン回転数及び排気弁２２の開弁時期Ｔ１４に応じて設定すべき吸気弁２１の開弁時期が規定されたマップを事前に作成しておき、ＰＣＭ１０は、そのようなマップを参照して、現在のエンジン回転数及び排気弁２２の開弁時期Ｔ１４に対応する開弁時期に吸気弁２１を設定する。また、このようにしてエンジン回転数及び排気弁２２の開弁時期Ｔ１４に応じて吸気弁２１の開弁時期を遅角させた場合、当然ながら、ＰＣＭ１０は、吸気弁２１の閉弁時期も遅角させる。つまり、ＰＣＭ１０は、エンジン回転数が高いほど、及び、排気弁２２の開弁時期Ｔ１４が遅角するほど、吸気弁２１の閉弁時期も遅角させる（図６（ａ）〜（ｃ）中の閉弁時期Ｔ１２、Ｔ２２、Ｔ３２参照）。

ここで、上述したように、第２の運転領域Ｒ１２中の低回転数領域Ｒ１３でのみ（図３参照）、排気脈動が負圧になるタイミングに基づいた吸気弁２１の開弁時期の制御を行うこととした理由は、以下の通りである。エンジン回転数が高くなるほど、排気脈動において一次の負圧波の発生タイミングが遅くなるが（図６（ａ）〜（ｃ）中の符号Ａ１２、Ａ２１、Ａ２２参照）、エンジン回転数がある程度以上高くなると、排気行程中に一次の負圧波が発生しなくなる。また、エンジン回転数が高くなると、排気脈動における一次の負圧波がなだらかになる。したがって、本実施形態では、第２の運転領域Ｒ１２において低回転数領域Ｒ１３よりもエンジン回転数が高い領域では、排気脈動が負圧になるタイミングに基づいた吸気弁２１の開弁時期の制御を行わないこととした。この低回転数領域Ｒ１３よりもエンジン回転数が高い領域では、ＰＣＭ１０は、吸気弁２１の二度開き制御を実行せずに、排気行程後半及び吸気行程前半に渡って吸気弁２１及び排気弁２２の両方が開いているように（バルブオーバーラップ）、吸気弁２１を一度だけ開弁する制御を実行する。

次に、図８を参照して、本発明の実施形態による吸気弁２１の制御処理について具体的に説明する。図８は、本発明の実施形態による吸気弁２１の制御処理を示すフローチャートである。この制御処理は、ＰＣＭ１０によって所定の周期で繰り返し実行される。

まず、ステップＳ１では、ＰＣＭ１０は、クランク角センサＳＷ１２及びカム角センサＳＷ１５からの検出信号などに基づき、エンジン回転数及び排気弁２２の開弁時期を取得する。

次いで、ステップＳ２では、ＰＣＭ１０は、実験やシミュレーションにより事前に求めて記憶しておいた、エンジン回転数及び排気弁２２の開弁時期に対する一次の負圧波の発生タイミング（クランク角）の関係に基づき、例えば図７に示したような関係に基づき、ステップＳ１で取得したエンジン回転数及び排気弁２２の開弁時期に対応する一次の負圧波の発生タイミングを求める。

次いで、ステップＳ３では、ＰＣＭ１０は、エンジン回転数と、このエンジン回転数に応じた一次の負圧波の周期とを取得する。一次の負圧波の周期もエンジン回転数に応じたものとなり（具体的にはエンジン回転数が高くなるほど周期が長くなる）、そのようなエンジン回転数と一次の負圧波の周期との関係も、実験やシミュレーションにより事前に求めて記憶される。ＰＣＭ１０は、こうして記憶されたエンジン回転数と一次の負圧波の周期との関係に基づき、現在のエンジン回転数に対応する一次の負圧波の周期を取得する。

次いで、ステップＳ４では、ＰＣＭ１０は、ステップＳ２で取得した一次の負圧波の発生タイミングと、ステップＳ３で取得した一次の負圧波の周期とに基づき、一次の負圧波のピークタイミングを求める。例えば、ＰＣＭ１０は、一次の負圧波の発生タイミングに対して、一次の負圧波の半周期分の時間を加算したタイミングを、一次の負圧波のピークタイミングとして求める。
なお、エンジン回転数及び排気弁２２の開弁時期と一次の負圧波のピークタイミングとの関係を事前に求めて記憶しておけば、上記のようにして一次の負圧波のピークタイミングを求める処理を行わなくてもよい。

次いで、ステップＳ５では、ＰＣＭ１０は、ステップＳ４で求めた一次の負圧波のピークタイミングに基づいて、排気行程中の吸気弁２１の開弁時期を設定する。具体的には、ＰＣＭ１０は、一次の負圧波のピークタイミングにおいて吸気弁２１のリフト量が最大になるように、つまり、一次の負圧波のピークタイミングと吸気弁２１のリフト量が最大になるタイミングとが一致するように、排気行程中における吸気弁２１の開弁時期を設定する。

次いで、ステップＳ６では、ＰＣＭ１０は、ステップＳ５で設定した開弁時期にて吸気弁２１が開弁するように、吸気側可変バルブ機構を制御する。

［作用効果］
次に、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置の作用効果について説明する。

本実施形態によれば、吸気行程に加えて排気行程においても吸気弁２１を開弁させる二度開き制御を実行する場合に、排気行程において排気弁２２が開弁したときに発生した排気脈動が負圧になるタイミングに基づき、排気行程中の吸気弁２１の開弁時期を設定するので、筒内から排気ガスを流出させて、筒内へ吸気を流入させる掃気効果を向上させることができる。これにより、筒内への空気の充填効率（体積効率）を向上させることができ、その結果、エンジン１からの出力トルクを向上させることが可能となる。加えて、掃気効果の向上により、吸気側から気筒１８を介して排気側へとガスを吹き抜けさせることで、吸気側の温度を低下させることができる。例えば、筒内の高温のガスの熱を吸気弁２１において受熱することで、吸気弁２１のバルブ裏付近などのガス温度がかなり高くなることが推測されるが、そのような高温のガスを適切に吹き抜けさせることができる（換言すると吸気弁２１の冷却や断熱の効果が得られる）。その結果、吸気工程において筒内に導入される吸気温度を低下させることができ、プリイグニッションを適切に抑制することが可能となる。

また、本実施形態では、排気脈動において一次の負圧波が発生するタイミングに基づき、排気行程中の吸気弁２１の開弁時期を設定するので、大きなエネルギーを有する一次の負圧波を利用することで、掃気効果をより向上させることができる。また、本実施形態では、排気脈動において一次の負圧波のピークが発生するタイミングにおいて吸気弁２１のリフト量が最大になるように、排気行程中の吸気弁２１の開弁時期を設定するので、一次の負圧波のエネルギーを最大限に利用することができ、掃気効果を更に向上させることができる。

また、本実施形態では、エンジン回転数が高いほど、排気行程中の吸気弁２１の開弁時期を遅角させるので、エンジン回転数に応じて変化する、排気脈動が負圧になるタイミングに合わせて、吸気弁２１を適切に開弁させることができる。この場合、排気脈動において一次の負圧波が発生するタイミングを用いることで、このタイミングはエンジン回転数に応じて線形に変化するので（図７参照）、吸気弁２１の制御を容易に行うことが可能となる。更に、本実施形態では、排気弁２２の開弁時期に基づき、排気行程中の吸気弁２１の開弁時期を設定するので、排気弁２２の開弁時期に応じて変化する、排気脈動が負圧になるタイミングに合わせて、吸気弁２１を適切に開弁させることができる。

また、本実施形態では、排気脈動が負圧から正圧になるタイミングに基づき、排気行程中に開弁させた吸気弁２１の閉弁時期を設定するので、排気脈動が正圧になっているときに吸気弁２１を閉弁することができ、排気側から吸気側への排気ガスの吹き戻しを抑制することができる。この場合、エンジン回転数が高いほど、排気行程中に開弁させた吸気弁２１の閉弁時期を遅角させるので、エンジン回転数に応じて変化する、排気脈動が負圧から正圧になるタイミングに合わせて、吸気弁２１を適切に閉弁させることができる。

なお、上記では、本実施形態によるエンジン１には比較的高い幾何学的圧縮比に設定された高圧縮比エンジンが適用されることを述べたが、そのような高圧縮比エンジンでは、ピストンが上死点付近に位置するときの筒内の容積がかなり小さくなるように、上死点でのピストン頂面とシリンダヘッド下面との距離などができるため短くなるように構成されている。したがって、上死点付近で吸気弁２１や排気弁２２を開弁すると、これらがピストン頂面に接触することがあるため、上死点付近では吸気弁２１や排気弁２２を開弁しないようにしている。場合によっては、上死点付近で吸気弁２１や排気弁２２を開弁できるようにするために、ピストン頂面にバルブリセスを設けることもある。
このような高圧縮比エンジンに本実施形態による制御を適用した場合、本実施形態では、上死点から離れた、排気行程の前半において吸気弁２１を開弁させるので、上死点付近でのピストン頂面とシリンダヘッド下面との距離などが短くなるように構成された高圧縮比エンジンでも、開弁した吸気弁２１がピストン頂面に接触することはない。したがって、本実施形態による制御は、ピストン頂面にバルブリセスが設けられていない高圧縮比エンジンに適切に適用することができ（当然ながら、ピストン頂面にバルブリセスが設けられているエンジンにも適用可能である）、また、本実施形態による制御を高圧縮比エンジンに適用するに当たって、ピストン頂面にバルブリセスを別途設ける必要もない。

なお、上述した特許文献１に記載された技術でも、本実施形態と同様に排気脈動における負圧を利用しているが、本実施形態では、同一の気筒において発生した負圧を利用しているのに対して、特許文献１に記載された技術では、他の気筒において発生した負圧を利用している。このような特許文献１に記載された技術は、上死点付近で吸気弁２１を開弁させるため、上死点付近でのピストン頂面とシリンダヘッド下面との距離などが短くなるように構成された高圧縮比エンジンには基本的に適用することができない。開弁した吸気弁２１がピストン頂面に接触する傾向にあるからである。

［変形例］
上記した実施形態では、排気脈動において一次の負圧波が発生するタイミングに基づき、排気行程中の吸気弁２１の開弁時期を設定していたが、これに限定はされない。他の例では、排気脈動において二次以降の負圧波（好適には二次の負圧波）が発生するタイミングに基づき、排気行程中の吸気弁２１の開弁時期を設定してもよい。この場合、二次以降の負圧波は、ブローダウンに起因する波の反射波であるため、排気経路中において排気ガスが反射する箇所を考慮して、二次以降の負圧波が発生するタイミングを推定すればよい。また、二次以降の負圧波は、排気ガス温度に応じた音速で移動するため、これも考慮して、二次以降の負圧波が発生するタイミングを推定するのがよい。

１ エンジン
１０ ＰＣＭ
１８ 気筒
２１ 吸気弁
２２ 排気弁
２５ 点火プラグ
６７ インジェクタ
７１、７４ ＶＶＬ
７２、７５ ＶＶＴ

Claims (6)

1. 吸気を筒内に導入するための吸気弁及び排気を筒内から排出するための排気弁が設けられた気筒と、この吸気弁の開閉時期及びリフト量を変化させる可変バルブ機構とを備え、エンジン負荷が所定値未満である第１の運転領域において、燃料を含む混合気を圧縮自己着火させ、この第１の運転領域よりも負荷が高い第２の運転領域において、燃料を含む混合気を強制点火させるエンジンの制御装置であって、
   上記エンジンの上記第１又は第２の運転領域において、吸気行程に加えて排気行程においても上記吸気弁を開弁させるように、上記可変バルブ機構を制御する可変バルブ機構制御手段を有し、
   上記可変バルブ機構制御手段は、混合気を強制点火させる上記第２の運転領域であり且つエンジン回転数が所定回転数以下である場合、上記エンジンの排気行程において、上記排気弁が開弁したときに発生する排気脈動の一次の負圧波が発生するタイミングに基づいて、エンジンの回転数が高いほど、排気行程中の上記吸気弁の開弁時期及び上記吸気弁の閉弁時期を遅角させる、ことを特徴とするエンジン制御装置。
2. 上記可変バルブ機構制御手段は、上記排気脈動が負圧から正圧になるタイミングに基づき、排気行程中に開弁させた上記吸気弁の閉弁時期を設定する、請求項１に記載のエンジン制御装置。
3. 上記可変バルブ機構制御手段は、排気弁の開弁時期に基づき、排気行程中の上記吸気弁の開弁時期を設定する、請求項１又は２に記載のエンジン制御装置。
4. 上記可変バルブ機構制御手段は、上記排気脈動において負圧波のピークが発生するタイミングにおいて、上記吸気弁のリフト量が最大になるように、排気行程中の上記吸気弁の開弁時期を設定する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のエンジン制御装置。
5. 上記エンジンは、それぞれが上記吸気弁及び上記排気弁を備える複数の気筒を有し、
   上記可変バルブ機構制御手段は、排気行程中の上記吸気弁の開弁時期を、上記複数の気筒の中で当該吸気弁を備える一の気筒の上記排気弁が開弁したときに発生した上記排気脈動が負圧となるタイミングに基づき設定する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のエンジン制御装置。
6. 上記可変バルブ機構制御手段は、排気弁の開弁時期が遅角するほど、排気行程中に開弁させた上記吸気弁の閉弁時期を遅角させると共に、エンジン回転数が高いほど、排気行程中に開弁させた上記吸気弁の閉弁時期を遅角させる、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のエンジン制御装置。

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