JP4650321B2 - 制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、制御装置に関し、特に内燃機関の出力性能を燃費性能と両立させつつ、適時に向上させることが可能な制御装置に関する。

従来、内燃機関において、出力性能を向上させるためなどに加速要求を判定する技術が知られている。一般的に加速要求は、例えば特許文献１の実施例でも示されているように、アクセルペダルの開度などで判定される。また、従来、過給機と可変動弁機構とを備えた内燃機関において、バルブオーバーラップを拡大する技術が知られている。例えば特許文献１では、加速要求があった際に吸排気弁のバルブオーバーラップを拡大する過給式エンジンが提案されている。また、特許文献２では、高負荷運転時など、内燃機関がリッチ空燃比で運転される際にバルブオーバーラップを拡大する内燃機関の空燃比制御装置が提案されている。なお、特許文献１の過給式エンジンは、バルブオーバーラップの拡大により未燃ＨＣの二次燃焼を発生させ、過給機のターボラグを改善しようとする技術であり、特許文献２の空燃比制御装置は、バルブオーバーラップの拡大により排気空燃比を理論空燃比またはリーンにし、触媒の浄化能力を維持することで排気中の未燃ＨＣの増加を防止しようとする技術である。

特開２００４−２４５１０４号公報 特開平１１−２５７１０９号公報

ここで、スロットル弁の上流の圧力（以下、単に上流圧とも称す）は環境変化や径時変化などによって変化する。具体的には、例えば車両が高地にいる場合には、大気圧が低いため吸気密度が低くなるとともに上流圧も低くなる。さらに、例えば過給式内燃機関を備えた車両においては、インタークーラの冷却効率が低下した場合に、吸気が冷却されない分吸気密度が低くなるとともに、吸気温度が高い分インタークーラにおける吸気の圧力損失が増大するため、インタークーラ後に配設されるスロットル弁の上流圧も低下する。

図７は、内燃機関において、アクセルペダルの開度で加速要求を判定する場合の問題点を概念的に示す図である。具体的には、図７（ａ）では、通常の場合と高地等の場合夫々について、スロットル弁の開度と吸気流量との関係を示し、図７（ｂ）では、スロットル弁の開度とスロットル弁の下流の圧力（以下、単に下流圧とも称す）との関係を、通常の場合と高地等の場合夫々の上流圧とともに示している。なお、図７では、ベースの状態を通常と称し、ベースの状態に対して、スロットル弁の上流圧が低下するような環境変化や経時変化があった状態を高地等と称している。また、図７（ａ）と（ｂ）では、スロットル弁の開度を示す横軸のスケールの大きさは同一になっている。

図７（ａ）に示すように、高地等の場合には、スロットル弁の開度が同一でも通常の場合と比較して吸気流量が低下する。この場合、通常の場合と同じ大きさの出力を得るためには、高地等の場合、スロットル弁の開度を大きくする必要がある。一般的に、燃料噴射制御はスロットル弁の開度と内燃機関の回転数とに基づいて行われるので、まずこの段階で空燃比が適正にならなくなる。この状態をさらに図７（ｂ）で確認すると、下流圧はいずれの場合にもスロットル弁の開度が大きくなるに従って次第に大きくなる一方で、高地等の場合には通常の場合よりも上流圧が低くなる。そのため、通常の場合には、スロットル弁が十分に大きく開かれたときに上流圧と下流圧とがほぼ等しくなるのに対して、高地等の場合には、スロットル弁が十分に大きく開かれる前に、早期に上流圧と下流圧とがほぼ等しくなる（以下、上流圧と下流圧とがほぼ等しくなる状態を単にＷＯＴ（Wide Open Throttle）点とも称す）。すなわち、スロットル弁の上流圧が変化するとＷＯＴ点が変化してしまうことがわかる。なお、ＷＯＴ点では、スロットル弁がＷＯＴ点の開度以上に開かれても吸気流量の増大は期待できないため、更に出力性能を向上させるためには過給機などで吸気充填効率の向上を図る必要がある。

ここで、仮に加速要求を判定するためのアクセルペダルの開度が、開度Ｘ１に対応しているとする。この場合、スロットル弁の開度が開度Ｘ１以上になるようにアクセルペダルが踏み込まなければ、高地等の場合には加速要求があると判定されない。すなわち、ＷＯＴ点の開度から開度Ｘ１までは不感帯となって、出力増大を求めてアクセルペダルを踏み込む運転者の意思と合致するように、適時に出力性能が向上されないため、ドライバビリティが悪化する虞がある。また、仮に加速要求を判定するためのアクセルペダルの開度が、開度Ｘ２に対応しているとする。このときには、通常の場合にアクセルペダルが踏み込まれた際、ＷＯＴ点を迎えるよりも早期に加速要求があると判定されることから、内燃機関にまだ余力があるにも関らず、加速要求に基づき出力性能が向上されることになる。すなわち、この場合には、燃費性能を犠牲にして出力性能が向上されるような状態となり、燃費性能と出力性能のバランスが悪化する。このように、アクセルペダルの開度などで加速要求を判定する従来の技術では、環境変化や径時変化などによるＷＯＴ点の変化に対して十分に対応できなかったため、加速要求に基づき内燃機関の出力性能を燃費性能と両立させて好適に向上させることができなかった。

そこで本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、内燃機関の出力性能を燃費性能と両立させつつ、適時に向上させることが可能な制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る第１の制御装置は、吸気が過給される過給式の内燃機関の吸気系に配設されたスロットル弁の上流及び下流の圧力を判定要素として、加速要求を判定する加速要求判定手段と、前記内燃機関の吸気弁及び排気弁のうち少なくともいずれか一方のバルブ特性を変更可能な可変動弁機構を制御する可変動弁機構制御手段と、前記内燃機関の排気系に配設された触媒後方の排気の空燃比を判定する空燃比判定手段と、を備え、前記可変動弁機構制御手段は、前記加速要求判定手段が、加速要求がある、と判定した場合に、前記吸気弁及び前記排気弁のうち少なくともいずれか一方のバルブ特性を前記内燃機関の出力性能がより向上するバルブ特性に変更するように前記可変動弁機構を制御し、前記空燃比判定手段が、空燃比がリーンである、と判定した場合には、前記バルブ特性の変更を停止するように前記可変動弁機構を制御するものである。本発明によれば、環境変化や径時変化などでＷＯＴ点が変化しても、ＷＯＴ点を基準として加速要求を判定することができる。したがって、本発明が判定する加速要求に基づき適宜の制御対象が制御されることで、内燃機関の出力性能を燃費性能と両立させて、適時に向上させることが可能になる。ここで、空燃比がリーンになった後にもバルブ特性の変更が継続されて吸気の吹き抜け量が増大されると、触媒に酸素がより吸蔵され、触媒の浄化能力が低下する。これに対して、本発明によれば、空燃比がリーンになった後にはバルブ特性の変更が停止されることによって吹き抜け量の増大が停止されるため、触媒の浄化能力の低下を抑制することができる。なお、判定要素としての圧力は、圧力センサなどの出力信号に基づき直接的に検出される圧力が好ましいが、これに限られず、演算などにより推定される圧力などであってもよい。すなわち、判定要素としての圧力とは、上流圧と下流圧とを指標するものの意である。また、本発明が判定する加速要求は、内燃機関の出力性能を好適に向上させることが可能な制御対象を制御するために利用されることが最も好ましいが、これに限られず、車両の加速状態に起因する種々の課題を解決するために、種々の目的で適宜の制御対象を制御するために利用されてもよい。

本発明に係る第２の制御装置は、吸気が過給される過給式の内燃機関の吸気系に配設されたスロットル弁の上流及び下流の圧力を判定要素として、加速要求を判定する加速要求判定手段と、前記内燃機関の吸気弁及び排気弁のうち少なくともいずれか一方のバルブ特性を変更可能な可変動弁機構を制御する可変動弁機構制御手段と、前記内燃機関の排気系に配設された触媒後方の排気の空燃比を判定する空燃比判定手段と、を備え、前記可変動弁機構制御手段は、前記加速要求判定手段が、加速要求がある、と判定した場合に、前記吸気弁及び前記排気弁のうち少なくともいずれか一方のバルブ特性を前記内燃機関の出力性能がより向上するバルブ特性に変更するように前記可変動弁機構を制御し、前記空燃比判定手段が、空燃比がリーンである、と判定し、且つ、前記吸気弁及び前記排気弁夫々のバルブ特性が変更されている場合には、前記排気弁のバルブ特性を前記吸気弁のバルブ特性よりも優先して戻すように前記可変動弁機構を制御するものである。第２の制御装置によれば、環境変化や径時変化などでＷＯＴ点が変化しても、ＷＯＴ点を基準として加速要求を判定することができる。したがって、内燃機関の出力性能を燃費性能と両立させて、適時に向上させることが可能になる。ここで、加速要求がある、と判定されているにも関らず、吸気弁のバルブ特性を戻すと吸気流量が大幅に減少してドライバビリティに悪影響を及ぼす虞がある。これに対して、第２の制御装置によれば、優先して排気弁のバルブ特性を戻すことで、好適に触媒の浄化能力低下を抑制可能である。

本発明に係る第３の制御装置は、吸気が過給される過給式の内燃機関の吸気系に配設されたスロットル弁の上流及び下流の圧力を判定要素として、加速要求を判定する加速要求判定手段と、前記内燃機関の吸気弁及び排気弁のうち少なくともいずれか一方のバルブ特性を変更可能な可変動弁機構を制御する可変動弁機構制御手段と、を備え、前記可変動弁機構制御手段は、前記加速要求判定手段が、加速要求がある、と判定した場合に、前記吸気弁及び前記排気弁のうち少なくともいずれか一方のバルブ特性を前記内燃機関の出力性能がより向上するバルブ特性に変更するように前記可変動弁機構を制御し、前記加速要求判定手段が、加速要求がない、と判定し、且つ、前記吸気弁及び前記排気弁夫々のバルブ特性が変更されている場合には、前記吸気弁のバルブ特性を前記排気弁のバルブ特性よりも優先して戻すように前記可変動弁機構を制御することを特徴とするものである。第３の制御装置によれば、環境変化や径時変化などでＷＯＴ点が変化しても、ＷＯＴ点を基準として加速要求を判定することができる。したがって、内燃機関の出力性能を燃費性能と両立させて、適時に向上させることが可能になる。また、第３の制御装置によれば、吸気弁のバルブ特性を優先して戻すことで、ポンプ損失等を早期に低減して燃費性能を好適に向上させることができるとともに、出力性能の変化を緩やかにすることができる。

上記構成において、前記加速要求判定手段は、前記スロットル弁の上流及び下流の圧力の圧力差を検出する圧力差検出手段が検出した圧力差が所定値以下であるか否かを判定するとともに、圧力差が所定値以下でない、と判定した場合に、加速要求がない、と判定してもよい。なお、この構成では、加速要求が他の条件を含めて最終的に判定されてもよいことに鑑み、加速要求判定手段が、加速要求がない、と判定する場合の条件を例示している。したがって、考慮すべき他の条件が特にない場合や、全て揃っているときには、加速要求判定手段は、圧力差が所定値以下であると判定した場合に、加速要求がある、と判定することになる。また、この構成は上記構成のより具体的な態様の一つであり、上記構成においては、圧力差だけではなく、例えば上流圧と下流圧の圧力比に基づいて加速要求判定手段が加速要求を判定することも含まれる。

上記構成において、前記内燃機関は、駆動をアシスト可能な排気駆動式のアシスト式過給機によって吸気が過給され、上記構成は、前記加速要求判定手段が、加速要求がある、と判定した場合に、駆動をアシストするように、前記アシスト式過給機を制御する過給機制御手段をさらに備えていてもよい。この構成によれば、アシスト式過給機を制御することでさらにターボラグを減少させることができ、その結果、より好適に出力性能を向上させることが可能である。

上記構成は、前記加速要求判定手段が、加速要求がある、と判定した場合に、前記内燃機関の点火時期を進角させることによって前記内燃機関の点火時期を制御する点火時期制御手段をさらに備えていてもよい。この構成によれば、ノッキングが発生する虞が減少した分、点火時期を進角させることで、より好適に出力性能を向上させることが可能である。なお、加速要求がある、と判定された場合に限られず、バルブ特性の変更によって吸気の吹き抜け量が増大する場合、本発明に示す点火時期制御手段で点火時期を進角させることで、出力性能を向上させることが可能である。また、吸気の吹き抜け量が増大する場合として、特に過給過渡時に吸気の吹き抜け量が増大する場合が出力性能を向上させるにあたって好適である。

なお、バルブ特性とは、バルブタイミングだけでなく、バルブリフト量も含む意である。また、バルブ特性の変更態様としては、過給機の過給効果も考慮して変更後に最大の吸気充填効率及び出力トルクが得られるようにバルブ特性を変更することがより好適である。係るバルブ特性の変更態様の例としてバルブタイミングに着目した場合、例えば可変動弁機構制御手段が、等下流圧での吸気充填量が増大するバルブタイミングに吸気弁のバルブタイミングを進角させるように、可変動弁機構を制御することが好適である。また、より好適なバルブ特性の変更態様を実現するためには、例えば制御装置が、さらに最大の吸気充填効率及び出力トルクが得られるバルブ特性として、内燃機関の回転数と、過給効果やポンプ損失の影響が反映される下流圧とで定義された最適バルブ特性のマップデータを備えることが好適である。

また、例えば可変動弁機構制御手段は、排気弁のバルブタイミングを遅角させるように、可変動弁機構を制御してもよく、さらに、可変動弁機構制御手段は、吸気弁のバルブタイミングを進角させるとともに、排気弁のバルブタイミングを遅角させるように、可変動弁機構を制御してもよい。ここで、排気弁のバルブタイミングを遅角させるだけでなく吸気弁のバルブタイミングを進角させた場合にもバルブオーバーラップは拡大するが、過給過渡時にバルブオーバーラップを拡大した場合、吸気の吹き抜け量を効果的に増大させて筒内の残留ガスを減少させることができるため、ノッキングが発生する虞を好適に減少させることができる。また、過給式内燃機関は排気駆動式過給機に限られず、所謂スーパーチャージャなどの機械式過給機等、適宜の過給機によって過給されてよいが、特に過給式内燃機関が排気駆動式過給機によって過給される場合には、上述した可変動弁機構のバルブ特性の変更や後述する点火時期の変更などは、排気エネルギーの増大にも繋がることから、さらに過給により吸気の充填量増大や吹き抜け量増大の効果が相乗的に発揮されるようになるため好適である。

本発明によれば、内燃機関の出力性能を燃費性能と両立させつつ、適時に向上させることが可能な制御装置を提供できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。

図１は、本実施例に係るＥＣＵ（Electronic Control Unit：電子制御装置）１を有して構成される過給式内燃機関システム１００を模式的に示す図である。過給式内燃機関システム１００は、ＥＣＵ１と、吸気系１０と、排気系２０と、過給機３０と、内燃機関５０と、各種のセンサとを有して構成されている。吸気系１０は、エアクリーナ１１と、エアフロメータ１２と、インタークーラ１３と、電動スロットル１４と、サージタンク１５と、インテークマニホールド１６と、シリンダ５１ａを含めた内燃機関５０の各気筒（図示省略）に連通する吸気ポート５２ａを含めた各吸気ポート（図示省略）と、これらの各構成の間に適宜配設される吸気管とを有して構成されている。エアクリーナ１１は内燃機関５０に供給される吸気を濾過するための構成であり、エアダクトを介して大気に連通している。エアフロメータ１２は吸気流量を計測するための構成であり吸気流量に応じた信号を出力する。インタークーラ１３は、過給機３０によって圧縮された吸気を冷却するための構成である。電動スロットル１４は、ＥＣＵ１の制御のもと、内燃機関５０に供給する全吸気流量を調整するための構成であり、スロットル弁１４ａや図示しない電動モータ及びスロットル開度センサなどを有して構成されている。サージタンク１５は、吸気を一時的に貯蔵するための構成であり、インテークマニホールド１６は、サージタンク１５から吸気を内燃機関５０の各気筒に分配するための構成である。吸気系１０には、電動スロットル１４、より具体的にはスロットル弁１４ａの上流圧Ｐ１を検出するための圧力センサ１７ａや、スロットル弁１４ａの下流圧Ｐ２を検出するための圧力センサ１７ｂのほか、インタークーラ１３を通過した吸気の温度を検出するための温度センサ１８などが配設されている。

排気系２０は、内燃機関５０の各気筒に連通する排気ポート５２ｂを含めた各排気ポート（図示省略）と、エキゾーストマニホールド２１と、三元触媒２２と、図示しない消音器と、これらの構成の間に適宜配設される吸気管などを有して構成されている。エキゾーストマニホールド２１は、各気筒からの排気を合流させるための構成であり、各気筒に対応させて分岐させた排気通路を、下流側で一つの排気通路に集合させている。三元触媒２２は、排気を浄化するための構成であり、炭化水素ＨＣ及び一酸化炭素ＣＯの酸化と、窒素酸化物ＮＯｘの還元を行う。排気系２０には、排気中の酸素濃度に基づき空燃比をリニアに検出するためのＡ／Ｆセンサ２３が三元触媒２２の上流に、排気中の酸素濃度に基づき空燃比が理論空燃比よりもリッチかリーンかを検出するための酸素センサ２４が三元触媒２２の下流に、夫々配設されている。

過給機３０は、コンプレッサロータ３１と、タービンロータ３２と、アシストモータ３３と、ウェストゲートバルブ３４とを有して構成されている。過給機３０は、コンプレッサロータ３１を収納するコンプレッサ部が吸気系１０に、タービンロータ３２を収納するタービン部が排気系２０に、夫々介在するようにして配設されている。コンプレッサロータ３１とタービンロータ３２とは、図示しない回転軸で連結されており、タービンロータ３２が排気によって駆動されると、回転軸を介してコンプレッサロータ３１が駆動し、吸気を圧縮する。アシストモータ３３は、回転軸に設けられた回転子(図示省略)と、固定子（図示省略）とを有して構成されている。ＥＣＵ１の制御のもと、固定子のコイルが通電されると回転軸が回転し、コンプレッサロータ３１の駆動がアシストされる。ウェストゲートバルブ３４は、過給圧を所定値以下に抑制するための構成である。ウェストゲートバルブ３４が開かれると、排気はタービンロータ３２を迂回するようにしてウェストゲートバルブ３４を流通する。

内燃機関５０は、シリンダブロック５１と、シリンダヘッド５２と、ピストン５３と、吸気弁５４と、排気弁５５と、点火プラグ５６と、燃料噴射弁５７と、コネクティングロッド５８と、クランクシャフト５９と、吸気側ＶＶＴ（Variable Valve Timing）６１と、排気側ＶＶＴ６２とを有して構成されている。本実施例に示す内燃機関５０は直列４気筒の過給式ガソリンエンジンである。但し、これに限られず、内燃機関５０は、他の適宜の気筒配列構造及び気筒数を有していてもよく、また、内燃機関５０は、所謂直噴ガソリンエンジンやリーンバーンエンジンのほか、他の適宜の内燃機関であってよい。また、図１では内燃機関５０に関し、各気筒の代表としてシリンダ５１ａについて要部を示しているが他の気筒についても同様の構造となっている。

シリンダブロック５１には、略円筒状のシリンダ５１ａが形成されている。シリンダ５１ａ内には、ピストン５３が収容されている。シリンダブロック５１の上面にはシリンダヘッド５２が固定されている。燃焼室６０は、シリンダブロック５１、シリンダヘッド５２及びシリンダ５３に囲まれた空間として形成されている。シリンダヘッド５２には、燃焼室６０に吸気を導くための吸気ポート５２ａのほか、燃焼したガスを燃焼室６０から排気するための排気ポート５２ｂが形成され、これら吸排気ポート５２ａ及び５２ｂの流路を開閉するための吸気弁５４及び排気弁５５が配設されている。点火プラグ５６は、燃焼室６０の上方略中央に電極を突出させた状態でシリンダヘッド５２に配設されている。燃料噴射弁５７は、吸気通路に噴射孔を突出させた状態でインテークマニホールド１６に配設されている。ピストン５３は、コネクティングロッド５８を介してクランクシャフト５９に連結されており、ピストン５３の往復運動は、クランクシャフト５９で回転運動に変換される。また、内燃機関５０には、回転数Ｎｅに比例した出力パルスを発生するクランク角センサ６３や水温を検出するための水温センサ（図示省略）などが配設されている。

吸気側ＶＶＴ（以下、単にＩｎＶＶＴと称す）６１は、吸気弁５４のバルブタイミングを変更するための構成であり、図示しない吸気側カムシャフト及び油圧装置を有して構成されている。ＥＣＵ１の制御のもと、クランクシャフト５９の位相に対する吸気側カムシャフトの位相が油圧装置により変更されることで、吸気弁５４のバルブタイミングが変更される。この油圧装置には、吸気側カムシャフトの位相を連続的に変更できる機構が採用されている。排気側ＶＶＴ（以下、単にＥｘＶＶＴと称す）６２は、排気弁５５のバルブタイミングを変更するための構成であり、図示しない排気側カムシャフト及び油圧装置を有して構成されている。ＥＣＵ１の制御のもと、ＥｘＶＶＴ６２も、ＩｎＶＶＴ６１と同様に排気弁５５のバルブタイミングを連続的に変更できるようになっている。なお、ＩｎＶＶＴ６１やＥｘＶＶＴ６２の代わりに、例えばバルブタイミングとともにバルブリフト量を変更可能な機構など、他の適宜の機構が適用されてもよい。本実施例では、ＩｎＶＶＴ６１とＥｘＶＶＴ６２とで可変動弁機構を実現している。

ＥＣＵ１は、図示しないＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算処理装置）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）と、入出力回路などを有して構成されている。ＥＣＵ１は主として内燃機関５０を制御するための構成であり、より具体的には、本実施例では電動スロットル１４や、燃料噴射弁５６や、点火プラグ５７のほか、過給機３０や、ＩｎＶＶＴ６１及びＥｘＶＶＴ６２なども制御している。ＲＯＭは主として内燃機関５０を制御するにあたって、ＣＰＵが実行する種々の処理が記述されたプログラムなどを格納するための構成であり、本実施例では加速要求を判定するための加速要求判定用プログラム、上流圧Ｐ１と下流圧Ｐ２の圧力差（式Ｐ１−Ｐ２）を検出するための圧力差検出用プログラム、過給機３０にアシスト駆動させるための過給機３０制御用プログラム、ＩｎＶＶＴ６１及びＥｘＶＶＴ６２にバルブタイミングを変更させるためのＩｎＶＶＴ６１及びＥｘＶＶＴ６２制御用のプログラム、点火時期を制御するための点火時期制御用プログラム、及び酸素センサ２４の出力信号に基づき空燃比を判定するための空燃比判定用プログラムなどがＲＯＭに格納されている。なお、これらのプログラムは他のプログラムとともに例えば内燃機関５０制御用のプログラムとして一体的に組み合わされていてもよい。

また、ＥＣＵ１には、エアフロメータ１２や、圧力センサ１７ａ及び１７ｂや、温度センサ１８や、Ａ／Ｆセンサ２３や、酸素センサ２４や、クランク角センサ６３などの各種センサが接続されている。また、ＥＣＵ１には、電動スロットル１４や、過給機３０や、点火プラグ５６や、燃料噴射弁５７や、ＩｎＶＶＴ６１や、ＥｘＶＶＴ６２などの各種の制御対象が駆動回路（図示省略）を介して接続されている。なお、図１ではこれらの接続については図示省略している。本実施例では、ＣＰＵとＲＯＭとＲＡＭ（以下、ＣＰＵ等とも称す）と加速要求判定用プログラムとで加速要求判定手段を、ＣＰＵ等と圧力差検出用プログラムとで圧力差検出手段を、ＣＰＵ等と過給機３０制御用のプログラムとで過給機制御手段を、ＣＰＵ等とＩｎＶＶＴ６１及びＥｘＶＶＴ６２制御用のプログラムとで可変動弁機構制御手段を、ＣＰＵ等と点火時期制御用プログラムとで点火時期制御手段を、ＣＰＵ等と空燃比判定用プログラムとで空燃比判定手段を夫々実現している。また、本実施例では、ＥＣＵ１で加速要求判定装置及び制御装置をともに実現している。

上述の構成で、次に、圧力差に基づく加速要求をもとに、内燃機関５０の出力性能を向上させるためにＥＣＵ１で行われる処理を図２に示すフローチャートを用いて詳述する。ＲＯＭに格納された上述の各種プログラムに基づき、ＣＰＵがフローチャートに示す処理を極短い時間で繰り返し実行することで、ＥＣＵ１は、各種判定の結果に基づき各種制御対象を制御する。ＣＰＵは、加速要求があるか否かを判定する処理を実行する（ステップ１１）。より具体的には、加速要求があるか否かを判定するにあたって、ＣＰＵは圧力センサ１７ａ及び１７ｂの出力信号に基づき上流圧Ｐ１と下流圧Ｐ２の圧力差を検出する処理を実行するとともに、圧力差が所定値以下であるか否かを判定する処理を実行し、圧力差が所定値以下であれば、加速要求がある、と判定する。また、本ステップで、ＣＰＵは、次回のルーチン以降、吸気流量が所定の目標値になったか否かを判定する処理を実行し、吸気流量が目標値になれば、圧力差が所定値以下であっても、加速要求がない、と判定する。この目標値は、過給が定常状態になったことを示す値として設定され、吸気流量が目標値になるまでの間、過給は過渡状態となっている。

なお、本フローチャートは過給過渡時から過給定常時にかけての制御フローチャートとなっており、過給が定常状態になった場合（具体的には、さらに例えば圧力差が略零の状態（式Ｐ１−Ｐ２≒０）で、且つ上流圧Ｐ１が所定値以上になった場合）には、ＣＰＵは、アクセルペダルの開度に基づき、加速要求を判定するとともに所定の制御（例えば従来技術同様の制御）を行うための処理を実行する。また、本ステップで、圧力差の代わりに例えば圧力比（式Ｐ１／Ｐ２）を検出する処理が実行されてもよい。この場合には、圧力差検出用プログラムの代わりに圧力比検出用プログラムをＲＯＭに格納し、本ステップで、圧力比が所定値以内であるか否かを判定する処理をＣＰＵに実行させればよい。この場合には、圧力比が所定値以内である、と判定されれば、加速要求がある、と判定されることになる。

ステップ１１で、加速要求がある、と判定された場合には、ＣＰＵは吸気弁５４のバルブタイミングを進角させるよう、ＩｎＶＶＴ６１、より具体的には吸気側カムシャフトに配設された油圧装置を制御するための処理を実行する（ステップ１２）。図３は、本ステップにおける吸気弁５４のバルブタイミングの変更を概念的に示す図である。具体的には、図３では、バルブタイミングのダイヤグラムとこれに対応させた内燃機関５０の要部とで吸気弁５４のバルブタイミング変更前後の状態を示している。バルブタイミング変更前には、吸気弁５４の開弁期間はＫ１で、ピストン５３頂面は吸気弁５４閉時期に位置Ｚ１に位置していたとする。一方、バルブタイミング変更後には、吸気弁５４の開弁期間はＫ２となり、ピストン５３頂面は吸気弁５４閉時期に位置Ｚ２に位置するとする。このように吸気弁５４のバルブタイミングを進角させれば、容積Ｖで示す分、吸気弁５４閉時期の筒内容積を増大させることができ、その結果、吸気の充填量を増大させることができる。また、吸気弁５４のバルブタイミングを進角させた場合、バルブオーバーラップも拡大するが、特に過給過渡時には吸気の吹き抜け量が増大するため、排気エネルギーの増大により過給機３０の過給効果も相乗的に向上する。なお、過給過渡時の吸気の吹き抜け態様については後述する。

一方、吸気弁５４のバルブタイミングを進角させると、吸気弁５４閉時期に筒内容積が増大する反面、下流圧Ｐ２が減少するので、ポンプ損失は増大することになる。これに対して、本ステップでは以下に示すようにして吸気弁５４のバルブタイミングを進角させることで、さらに吸気充填効率及び出力トルクの最大化を図っている。図４は、吸気弁５４のバルブタイミングを進角させて変更した場合と変更しなかった場合とについて、回転数Ｎｅを所定の回転数（ここでは１６００ｒｐｍ）に固定して、スロットル弁１４ａの開度を一定の度合いで大きくした場合の内燃機関５０の出力トルク特性を示す図である。図４ではこの出力トルク特性を、出力トルクと上流圧Ｐ１及び下流圧Ｐ２との関係で示している。

図４に示すような所定の回転数Ｎｅにおける出力トルク特性を実験などにより把握することで、バルブタイミング変更後に増大する出力トルクの大きさを過給効果やポンプ損失も含めて具体的に確認できる。また、所定の回転数Ｎｅにおいて最大の吸気充填効率及び出力トルクが得られるバルブタイミングは、過給効果やポンプ損失も含めて判断されるところ、これらの影響は下流圧Ｐ２に反映されることになる。したがって、最大の吸気充填効率及び出力トルクが得られる最適バルブタイミングは、所定の回転数Ｎｅにおいて下流圧Ｐ２に応じて変化する。そのため、本実施例では、下流圧Ｐ２と回転数Ｎｅとに応じてバルブタイミングを最適バルブタイミングに変更すべく、下流圧Ｐ２と回転数Ｎｅとで定義した最適バルブタイミングのマップデータを作成するとともにこれをＲＯＭに格納しており、このマップデータに基づいてバルブタイミングを変更することで、内燃機関５０の出力性能を好適に向上させている。具体的には、ＣＰＵは、吸気弁５４のバルブタイミングを進角させるよう、油圧装置を制御するための処理を実行するにあたって、本ステップで予め圧力センサ１７ｂ及びクランク角センサ６３との出力信号に基づき下流圧Ｐ２及び回転数Ｎｅを検出する処理を実行するとともに、このマップデータから最適バルブタイミングを読み取る処理を実行している。

なお、バルブタイミングを変更しなかった場合には、図４において、ポイントＷがＷＯＴ点（式Ｐ１−Ｐ２≒０）となり、ポイントＷを含めたポイントＷ近傍で、加速要求がある、と判定されることが燃費性能上、最も好ましいことになる。同時に、バルブタイミングの変更は加速要求に基づき、このポイントＷを含めたポイントＷ手前で行われることになるが、最適バルブタイミングへの変更は、図４に示すように、バルブタイミングを変更しなかった場合と比較して、等下流圧Ｐ２での出力トルクが増大するように行われる。また、後述するように排気弁５５のバルブタイミングも同時に遅角させる場合には、上述のマップデータは、排気弁５５のバルブタイミング変更の影響が含まれた下流圧Ｐ２で作成されてもよい。また、本実施例では、過給過渡時の燃料噴射制御も下流圧Ｐ２と回転数Ｎｅとで定義された燃料噴射量のマップデータに基づいて行われる。

また、本ステップで、ＣＰＵは排気弁５５のバルブタイミングを遅角させるよう、ＥｘＶＶＴ６２、より具体的には排気側カムシャフトに配設された油圧装置を制御するための処理を実行する。これにより、バルブオーバーラップが拡大するため、吸気ポート５２ａから排気ポート５２ｂに吹き抜ける吸気の吹き抜け量をさらに増大させることができ、その結果、過給機３０の過給効果をより高めることができる。さらに本ステップで、ＣＰＵは、駆動をアシストするよう、過給機３０、より具体的にはアシストモータ３３を制御するための処理を実行する。ここで、例えば図４に示す出力トルク特性において、ある状態から一気にフルスロットルになるようにアクセルペダルが踏み込まれた場合には、圧力差が減少（式Ｐ１−Ｐ２≒０）して加速要求がある、と判定されるため、吸気弁５４及び排気弁５５のバルブタイミングは変更される。その一方で、一気にアクセルペダルが踏み込まれた場合には、出力トルク特性が図４に示すバルブタイミング変更後の出力特性になるまでにはターボラグが発生する。これに対して、本ステップでは、内燃機関５０の出力トルク特性を、バルブタイミング変更後の出力トルク特性に素早く合わせるようにアシストモータ３３を制御することで、急激なアクセルペダルの変化に対しても好適に出力性能の向上を図っている。

図２に戻り、ステップ１２に続き、ＣＰＵは酸素センサ２４の出力信号に基づき空燃比を検出するとともに、空燃比が理論空燃比よりもリーンになっているか否かを判定する処理を実行する（ステップ１３）。ステップ１３で肯定判定であれば、ＣＰＵは、排気弁５５のバルブタイミングを、吸気弁５４のバルブタイミングよりも優先して戻すように、まずＥｘＶＶＴ６２を制御し、その後、吸気弁５４のバルブタイミングを戻すように、ＩｎＶＶＴ６１を制御するための処理を実行する（ステップ１４）。但し、吸気弁５４のバルブタイミングが戻されている途中で、排気弁５５のバルブタイミングが戻され始めてもよい。また、本ステップで、ＣＰＵはステップ１３の肯定判定毎に所定の度合いでバルブタイミングを戻すよう、ＩｎＶＶＴ６１及びＥｘＶＶＴ６２を徐変制御するための処理を実行する。これにより、三元触媒２２の浄化能力が低下することを、出力性能の維持と両立させてさらに好適に抑制できる。

なお、ステップ１２において、ＩｎＶＶＴ６１及びＥｘＶＶＴ６２のうち、少なくともいずれか一方をステップ１１の肯定判定毎に所定の度合いで進角或いは遅角させるよう、徐変制御することも可能である。この場合において、例えばＥｘＶＶＴ６２を徐変制御する場合には、本ステップでまず排気弁５５のバルブタイミングの変更を停止するよう、ＥｘＶＶＴ６２を制御し、その後のルーチンで、ステップ１３の肯定判定毎に、本ステップで所定の度合いで排気弁５５のバルブタイミングを戻すよう、ＥｘＶＶＴ６２を制御することになる。また、徐変制御を行う場合には、その後のルーチン毎にステップ１２に示す処理が実行されることになるが、徐変制御を行わない場合には、その後のルーチンでステップ１２に示す処理はスキップされることになる。

一方、ステップ１３で否定判定であった場合には、ＣＰＵは、最適な点火時期に点火時期を補正する処理を実行する（ステップ１５）。図５は、本ステップで行われる点火時期の補正を概念的に示す図である。図５では、所定の回転数及び負荷率（吸気流量）における背圧と下流圧Ｐ２との関係を、過給定常時と過給過渡時夫々の場合について示している。なお、定常時、過渡時ともに、バルブタイミングの変更によりバルブオーバーラップは同様に拡大した状態になっている。図５に示すように、背圧は、比較のための条件として吸気流量を同一にしているので定常時と過渡時とで同一である。一方、下流圧Ｐ２は、過渡時には背圧よりも高くなり、逆に定常時には背圧よりも低くなる。すなわち、過給が行われているときにバルブタイミングを変更した場合であっても、定常時には吹き抜けの状態が悪く、筒内に残留ガスが残ることになる。このため、過給定常時には、残留ガスを考慮してノッキングの発生を抑制するため、点火時期の進角度合いを抑制しなければならなくなる。

これに対して、過給過渡時にはスムースに吸気が吹き抜けるため、筒内が十分に掃気される。その結果、ノッキング発生の虞が大幅に減少することから、過給定常時よりも点火時期を進角させることが可能になる。本実施例では、このような過給過渡時の吸気の吹き抜け態様に着目して、点火時期を進角させるように補正することで、より好適に出力性能を向上させている。また、ステップ１４で吸排気弁５４、５５のバルブタイミングが戻された場合には、ＣＰＵは、本ステップでその変更に応じて最適な点火時期に点火時期を補正すべく、点火時期を戻す処理を実行する。これにより、吸排気弁５４、５５のバルブタイミングが所定の度合い毎に戻された場合でも、吸気の吹き抜け量に応じた好適な燃焼が実現される。ステップ１５に続いて、ＣＰＵは加速中のフラグをＯＮにする処理を実行する（ステップ１６）。

一方、ステップ１１で否定判定された場合には、ＣＰＵは加速中のフラグがＯＮであるか否かを判定することで、前回のルーチンで加速中であったか否かを判定する処理を実行する（ステップ２１）。また、本ステップで、ＣＰＵは、後述するステップ２４または２５で設定される減衰処理のフラグがＯＮであるか否かを判定することで、減衰処理要求があるか否かを判定する処理を実行する。前回加速中でなく、且つ減衰処理要求もない、と判定した場合、ＣＰＵは、ステップ１１及び２１に示す処理を、ステップ１１で肯定判定するまで繰り返し実行する。一方、前回加速中である、または減衰処理要求がある、と判定した場合には、ＣＰＵは、ステップ２２に示す処理を実行する。

ステップ２２で、ＣＰＵは、吸気弁５４のバルブタイミングを、排気弁５５のバルブタイミングよりも優先して戻すように、まずＩｎＶＶＴ６１を制御し、その後、排気弁５５のバルブタイミングを戻すように、ＥｘＶＶＴ６２を制御するための処理を実行する。但し、吸気弁５５のバルブタイミングが戻されている途中で、排気弁５６のバルブタイミングが戻され始めてもよい。また、本ステップで、ＣＰＵはステップ２１の肯定判定毎に所定の度合いでバルブタイミングを戻すよう、ＩｎＶＶＴ６１及びＥｘＶＶＴ６２ともに徐変制御するための処理を実行する。これにより、ポンプ損失などを早期に低減して燃費性能を好適に向上させることができるとともに、出力性能の変化を緩やかにしてドライバビリティの悪化を抑制できる。

ステップ２２に続いて、ＣＰＵは、吸気弁５４及び排気弁５５のバルブタイミングが定常目標のバルブタイミングになったか否かを判定する処理を実行する（ステップ２３）。否定判定であれば、ＣＰＵは、減衰処理要求のフラグをＯＮにする処理を実行する（ステップ２４）。続いて、ＣＰＵは加速中のフラグをＯＦＦにする処理を実行し（ステップ２６）、再びステップ１１に示す処理に続いて、ステップ２１からステップ２３に示す処理を実行する。一方、ステップ２３で肯定判定であれば、ＣＰＵは、減衰処理要求のフラグをＯＦＦにする処理を実行し（ステップ２５）、続いてステップ２６に示す処理を実行する。

次に、図２に示すフローチャートに対応した各種の状態量の変化の一例を、図６に示すタイムチャートを用いて詳述する。図６では、各種の状態量の変化として、上流圧Ｐ１、下流圧Ｐ２、空気流量、酸素センサ２４の出力信号に基づく空燃比、吸気弁５４のバルブタイミング、排気弁５５のバルブタイミング及び点火時期夫々の変化を模式的に示している。まず、アクセルペダルが踏み込まれることで、タイミングＴ１で上流圧Ｐ１と下流圧Ｐ２の圧力差が所定値以下になる。このタイミングで、ステップ１１で加速要求がある、と判定される。続いてステップ１２でＩｎＶＶＴ６１及びＥｘＶＶＴ６２が制御される結果、吸気弁５４及び排気弁５５のバルブタイミングが変化する。さらに、これらバルブタイミングの変化とスロットル弁１４ａの開度の変化により吸気流量が増大する。なお、吸気流量の急激な増大に対応するため、点火時期はタイミングＴ１で一時的に遅角制御される。

タイミングＴ１から吸気流量が目標値に収束するタイミングＴ２までは、ステップ１１で繰り返し加速要求がある、と判定されることで、加速状態が維持され、過給圧の上昇とともに上流圧Ｐ１及び下流圧Ｐ２と吸気流量とが増大する。また、タイミングＴ２までは吸気の吹き抜け量が増大するため、ステップ１５で点火時期が進角される。タイミングＴ２では、吸気流量が目標値に収束するためステップ１１で加速要求がない、と判定される。続いて繰り返しステップ２３でＩｎＶＶＴ６１が先に制御される結果、タイミングＴ３に吸気弁５４のバルブタイミングが定常目標のバルブタイミングに収束する。続いて繰り返しステップ２３でＥｘＶＶＴ６２が制御される結果、タイミングＴ４で排気弁５５のバルブタイミングが定常目標のバルブタイミングに収束する。なお、より燃費性能を重視すべく、例えばＩｎＶＶＴ６１を徐変制御せずに、タイミングＴ２で定常目標のバルブタイミングに変更するよう制御することも可能である。

一方、タイミングＴ１、Ｔ２間に示すタイミングＴ５で、破線で示すように空燃比がリーンになった場合、ステップ１３で肯定判定され、繰り返しステップ１４でＥｘＶＶＴ６２が先に制御される結果、破線で示すようにタイミングＴ６で排気弁５５のバルブタイミングが定常目標のバルブタイミングに収束する。続いて繰り返しステップ１４でＩｎＶＶＴ６１が制御される結果、破線で示すようにタイミングＴ７で吸気弁５４のバルブタイミングが定常目標のバルブタイミングに収束する。

なお、本実施例でＥＣＵ１によって実現されている加速要求判定装置の加速要求は、本実施例で示した過給機３０や、ＩｎＶＶＴ６１や、ＥｘＶＶＴ６２のほか、適宜の制御対象を制御するために利用されてよい。また、例えばこの場合、加速要求判定手段は、制御対象の応答性や機能などを考慮して、加速要求に基づき制御される制御対象毎に、上流圧Ｐ１及び下流圧Ｐ２について異なる条件で加速要求を判定してもよい。また、加速要求判定手段は、例えば同一の制御対象の場合でも、制御対象の応答性や機能などを考慮して、上流圧Ｐ１及び下流圧Ｐ２について異なる条件で段階的に加速要求を判定してもよい。すなわち、加速要求が度合いの要素を含んで判定されてもよい。また、例えば図２に示すフローチャートのステップ１１で示したように、加速要求がある、と判定するにあたっては、圧力差以外に、例えば回転数Ｎｅや水温など他の条件が満たされたか否かを含めて、すなわち禁止条件の判定などを含めて、最終的に、加速要求がある、と判定してもよい。以上により、圧力差に基づく加速要求をもとに、過給過渡時から過給定常時にかけて過給機３０、ＩｎＶＶＴ６１、ＥｘＶＶＴ６２を好適に制御することで、内燃機関５０の出力性能を燃費性能と両立させつつ、適時に向上させることが可能なＥＣＵ１を実現可能である。

上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。

ＥＣＵ１を有して構成される過給式内燃機関システム１００を模式的に示す図である。 圧力差に基づく加速要求をもとに、内燃機関５０の出力性能を向上させるためにＥＣＵ１で行われる処理をフローチャートで示す図である。 ステップ１１における吸気弁５４のバルブタイミングの変更を概念的に示す図である。 吸気弁５４のバルブタイミングを進角させて変更した場合と変更しなかった場合とについて、回転数Ｎｅを所定の回転数に固定して、スロットル弁１４ａの開度を一定の度合いで大きくした場合の内燃機関５０の出力トルク特性を示す図である。 ステップ１５で行われる点火時期の補正を概念的に示す図である。 図２に示すフローチャートに対応した各種の状態量の変化の一例をタイムチャートで示す図である。 内燃機関において、アクセルペダルの開度で加速要求を判定する場合の問題点を概念的に示す図である。

符号の説明

１ ＥＣＵ
１４ 電動スロットル
１７ａ、１７ｂ 圧力センサ
１０ 吸気系
２０ 排気系
２２ 三元触媒
２４ 酸素センサ
３０ 過給機
５０ 内燃機関
６１ ＩｎＶＶＴ
６２ ＥｘＶＶＴ
１００ 過給式内燃機関システム

Claims (6)

1. 吸気が過給される過給式の内燃機関の吸気系に配設されたスロットル弁の上流及び下流の圧力を判定要素として、加速要求を判定する加速要求判定手段と、
   前記内燃機関の吸気弁及び排気弁のうち少なくともいずれか一方のバルブ特性を変更可能な可変動弁機構を制御する可変動弁機構制御手段と、
   前記内燃機関の排気系に配設された触媒後方の排気の空燃比を判定する空燃比判定手段と、を備え、
   前記可変動弁機構制御手段は、前記加速要求判定手段が、加速要求がある、と判定した場合に、前記吸気弁及び前記排気弁のうち少なくともいずれか一方のバルブ特性を前記内燃機関の出力性能がより向上するバルブ特性に変更するように前記可変動弁機構を制御し、前記空燃比判定手段が、空燃比がリーンである、と判定した場合には、前記バルブ特性の変更を停止するように前記可変動弁機構を制御することを特徴とする制御装置。
2. 吸気が過給される過給式の内燃機関の吸気系に配設されたスロットル弁の上流及び下流の圧力を判定要素として、加速要求を判定する加速要求判定手段と、
   前記内燃機関の吸気弁及び排気弁のうち少なくともいずれか一方のバルブ特性を変更可能な可変動弁機構を制御する可変動弁機構制御手段と、
   前記内燃機関の排気系に配設された触媒後方の排気の空燃比を判定する空燃比判定手段と、を備え、
   前記可変動弁機構制御手段は、前記加速要求判定手段が、加速要求がある、と判定した場合に、前記吸気弁及び前記排気弁のうち少なくともいずれか一方のバルブ特性を前記内燃機関の出力性能がより向上するバルブ特性に変更するように前記可変動弁機構を制御し、前記空燃比判定手段が、空燃比がリーンである、と判定し、且つ、前記吸気弁及び前記排気弁夫々のバルブ特性が変更されている場合には、前記排気弁のバルブ特性を前記吸気弁のバルブ特性よりも優先して戻すように前記可変動弁機構を制御することを特徴とする制御装置。
3. 吸気が過給される過給式の内燃機関の吸気系に配設されたスロットル弁の上流及び下流の圧力を判定要素として、加速要求を判定する加速要求判定手段と、
   前記内燃機関の吸気弁及び排気弁のうち少なくともいずれか一方のバルブ特性を変更可能な可変動弁機構を制御する可変動弁機構制御手段と、を備え、
   前記可変動弁機構制御手段は、前記加速要求判定手段が、加速要求がある、と判定した場合に、前記吸気弁及び前記排気弁のうち少なくともいずれか一方のバルブ特性を前記内燃機関の出力性能がより向上するバルブ特性に変更するように前記可変動弁機構を制御し、前記加速要求判定手段が、加速要求がない、と判定し、且つ、前記吸気弁及び前記排気弁夫々のバルブ特性が変更されている場合には、前記吸気弁のバルブ特性を前記排気弁のバルブ特性よりも優先して戻すように前記可変動弁機構を制御することを特徴とする制御装置。
4. 前記加速要求判定手段は、前記スロットル弁の上流及び下流の圧力の圧力差を検出する圧力差検出手段が検出した圧力差が所定値以下であるか否かを判定するとともに、圧力差が所定値以下でない、と判定した場合に、加速要求がない、と判定することを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の制御装置。
5. 前記内燃機関は、駆動をアシスト可能な排気駆動式のアシスト式過給機によって吸気が過給され、
   前記加速要求判定手段が、加速要求がある、と判定した場合に、駆動をアシストするように、前記アシスト式過給機を制御する過給機制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の制御装置。
6. 前記加速要求判定手段が、加速要求がある、と判定した場合に、前記内燃機関の点火時期を進角させることによって前記内燃機関の点火時期を制御する点火時期制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載の制御装置。

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