JP5851463B2 - 内燃機関のバルブタイミング制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、吸気弁が遅閉じの内燃機関において、可変動弁機構を介して吸気弁の閉弁タイミングを制御する内燃機関のバルブタイミング制御装置に関する。

従来の内燃機関のバルブタイミング制御装置として、例えば特許文献１に開示されたものが知られている。この内燃機関は、吸気弁の通常の閉弁タイミングが吸気行程の下死点後の３０°程度に設定された、吸気弁が遅閉じでない通常のバルブタイミングを有するものである。また、この内燃機関の可変動弁機構は、クランクシャフトに対する吸気カムの位相を変化させることによって、吸気弁の開弁タイミングと閉弁タイミングを常に同じ量、進角側又は遅角側に変更するように構成されている。

このバルブタイミング制御装置では、例えば内燃機関の中負荷領域において、吸気弁のバルブタイミング（開閉弁タイミング）が、内燃機関の回転領域に応じて、以下のように制御される。まず、低回転領域及び高回転領域では、バルブタイミングを遅角側に設定する。これは、バルブタイミングを進角側に設定すると、低回転領域では燃焼が不安定になりやすく、また、高回転領域では、吸気慣性を利用できず、充填効率が低下するためである。一方、中回転領域では、このような不具合は発生しにくいため、吸気弁のバルブタイミングを進角側に設定することによって、充填効率を向上させ、より大きな出力を得るようにしている。

特開平７−２５３０３２号公報

しかし、上述した従来の制御装置を、吸気弁が遅閉じの内燃機関に用いた場合には、以下の問題が生じる。すなわち、吸気弁が遅閉じの内燃機関では、可変動弁機構により変更される吸気弁のバルブタイミングの最遅角位置が、吸入空気量が最大になるタイミングよりも遅角側に設定されており、上述した従来の制御装置と比較して、吸気弁の閉弁タイミングが全体として遅角側にシフトしている。このため、吸気通路側への吸気の吹き戻し量が大きく、充填効率がもともと低い状態にある。この状態から、従来の制御装置のように、内燃機関の高回転領域において吸気弁のバルブタイミングを遅角側に設定しても、吸気の吹き戻し量が増大側に変化し、吸気慣性が有効に発揮されないため、充填効率がむしろ低下し、内燃機関の出力を十分に得ることができない。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであり、吸気弁が遅閉じの内燃機関において、吸気弁の閉弁タイミングを内燃機関の回転数に応じて適切に制御することにより、ノッキングを有効に抑制することによって燃費を向上させるとともに、特に高回転領域において十分な出力を確保することができる内燃機関のバルブタイミング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、本願の請求項１に係る発明は、気筒３ａに空気を吸入するために開閉される吸気弁６の閉弁タイミングＩＶＣを、可変動弁機構（実施形態における（以下、本項において同じ）可変リフト機構１２、可変位相機構１３）を介して制御する内燃機関のバルブタイミング制御装置であって、可変動弁機構によって変更可能な吸気弁６の閉弁タイミングＩＶＣの最遅角位置は、気筒３ａに充填される空気量が最大になるタイミングよりも遅角側に設定されており、内燃機関３の回転数ＮＥを検出する回転数検出手段（クランク角センサ２０）と、内燃機関３の負荷（要求トルクＴＲＱＣＭＤ）を検出する負荷検出手段（アクセル開度センサ２４）と、検出された内燃機関３の回転数ＮＥが同一の条件において、検出された内燃機関３の負荷が全負荷（全負荷トルクＴＲＱＷＯＴ）よりも小さいときに、吸気弁６の閉弁タイミングＩＶＣを最も進角させる（図８）とともに、吸気弁６の閉弁タイミングＩＶＣの最進角値ＩＶＣ１を、内燃機関３の回転数ＮＥが異なる条件では、内燃機関３の回転数ＮＥが高いほど、より進角側に制御する制御手段（ＥＣＵ２、図６のステップ３、図１０）と、を備えることを特徴とする。

この内燃機関は、吸気弁の閉弁タイミングを変更するための可変動弁機構を有するとともに、この可変動弁機構によって変更可能な吸気弁の閉弁タイミングの最遅角位置が、気筒に充填される空気量が最大になるタイミングよりも遅角側に設定された、吸気弁が遅閉じのものである。このような吸気弁が遅閉じの内燃機関では、内燃機関の回転数が増加するのに応じて、吸気弁の閉弁タイミングを進角側に設定するほど、充填効率が高くなることが判明した。これは、前述したように、吸気弁が遅閉じの場合には、遅閉じでない通常の場合と比較して、吸気弁の閉弁タイミングが全体として遅角側にシフトしていて、充填効率がもともと低い状態にあるため、この状態から閉弁タイミングを遅角側に変化させても、吸気慣性は有効に発揮されず、むしろ進角側に変化させた方が、充填効率が高くなるためである。

本発明は、このような新たに知見された技術的観点に基づいており、検出された内燃機関の回転数が高いほど、吸気弁の閉弁タイミングの最進角値をより進角側に制御することによって、充填効率を高めることができ、したがって、特に高回転領域において十分な内燃機関の出力を確保することができる。

また、内燃機関の回転数が低いほど、１燃焼サイクル当たりの時間が長くなるため、ノッキングが発生しやすくなる。これに対し、本発明によれば、エンジン回転数が低いほど、吸気弁の閉弁タイミングの最進角値がより遅角側に制御されるので、ノッキングを有効に抑制し、安定した燃焼状態を確保することによって、燃費を向上させることができる。
さらに、内燃機関が全負荷運転状態のときには、吸気弁の閉弁タイミングが進角しすぎると、ノッキングが発生しやすくなり、燃焼効率が低下する。この構成によれば、内燃機関の回転数が同一の条件において、内燃機関の負荷が全負荷よりも小さいときに、吸気弁の閉弁タイミングを最も進角させ、全負荷のときには最進角位置より遅角側に制御するので、全負荷運転状態において、ノッキングを適切に回避し、燃焼安定性を向上させることができる。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置において、制御手段は、内燃機関３の回転数ＮＥが高くなるのに応じて、吸気弁６の閉弁タイミングＩＶＣの最進角値ＩＶＣ１を段階的に進角させること（図１０）を特徴とする。

この構成によれば、内燃機関の回転数の増減に応じた可変動弁機構の追従性を向上させるとともに、吸気弁の閉弁タイミングの変化に伴う、内燃機関を制御する他の機構の動作への影響を抑制でき、内燃機関の全体的な制御を円滑に行うことができる。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置において、制御手段は、内燃機関の負荷が全負荷のときにおける吸気弁６の閉弁タイミングＩＶＣを、内燃機関３の回転数ＮＥが高いほど、より進角側に制御することを特徴とする。

この構成によれば、内燃機関の負荷が全負荷のときに、内燃機関の回転数が高いほど、吸気弁の閉弁タイミングをより進角側に制御するので、全負荷運転状態において、内燃機関の回転数に応じてその出力を十分に確保するという、請求項１に係る発明の利点を得ることができ、運転者の高い出力要求に良好に応えることができる。

本発明を適用した内燃機関の構成を概略的に示す図である。 バルブタイミング制御装置の構成を概略的に示す図である。 排気弁のバルブリフト曲線と、低リフトモード及び高リフトモードにおける吸気弁のバルブリフト曲線を示す図である。 排気弁のバルブリフト曲線と、低リフトモードにおいて最遅角位置及び最進角位置にあるときの吸気弁のバルブリフト曲線を示す図である。 排気弁のバルブリフト曲線と、高リフトモードにおいて最遅角位置及び最進角位置にあるときの吸気弁のバルブリフト曲線を示す図である。 吸気弁のバルブタイミング制御処理を示すフローチャートである。 吸気弁のリフトモードを決定するためのマップである。 中高負荷領域において、エンジン回転数が同一の条件のときの、要求トルクと吸気弁の閉弁タイミングとの関係を示す図である。 吸気弁の閉弁タイミングと正味燃料消費率との関係を、負荷領域ごとに示す図である。 エンジン回転数と吸気弁の閉弁タイミングの最進角値との関係を示す図である。 エンジン回転数、吸気弁の閉弁タイミングと正味燃料消費率との関係を、回転領域ごとに示す図である。 エンジン回転数、吸気弁の閉弁タイミングと充填効率との関係を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。図１に示す内燃機関（以下「エンジン」という）３は、例えば４つの気筒３ａ（１つのみ図示）を有するＤＯＨＣ型のガソリンエンジンであり、車両（図示せず）に搭載されている。各気筒３ａには、ピストン３ｂとシリンダヘッド３ｃの間に燃焼室３ｄが形成されている。このエンジン３では、燃焼室３ｄなどの容積に基づく幾何学的圧縮比が比較的大きく、１３．０以上に設定されている。燃焼室３ｄには、吸気通路４及び排気通路５が接続され、吸気通路４の吸気ポート及び排気通路５の排気ポートには、これらを開閉する吸気弁６及び排気弁７がそれぞれ設けられている。

また、エンジン３は、吸気弁６を開閉するとともに、そのバルブタイミングを変更する可変動弁機構１０と、排気弁７を開閉する動弁機構１１を備えている。この排気側の動弁機構１１は、通常のカム駆動式のものであり、排気カムシャフト及びそれと一体の排気カム（いずれも図示せず）などで構成され、クランクシャフト３ｅの回転に伴って、排気弁７を駆動する。それにより、排気弁７は、図３に示すように、排気カムによる一定のバルブリフト曲線に従って、一定のバルブタイミングで開弁する。

例えば、排気弁７のリフト（最大リフト量）は、後述する吸気弁６のリフトよりも小さく、また、開弁タイミングＥＶＯは排気行程の開始時の下死点の前に、閉弁タイミングＥＶＣは吸気行程の開始時の上死点（以下「吸気ＴＤＣ」という）の前に、それぞれ設定されている。なお、図３などに示すように、排気弁７の開弁及び閉弁は、リフト量＝１ｍｍを基準として定義されており、このことは、吸気弁６についても同様である。

一方、吸気弁６を開閉する可変動弁機構１０は、吸気弁６のリフトを変更する可変リフト機構１２と、吸気弁６の位相を変更する可変位相機構１３で構成されている。

可変リフト機構１２は、吸気弁６のリフトを低リフトと高リフトの２段階で切り換えるものである。可変リフト機構１２は、吸気カムシャフト、それと一体の低速カム及び高速カムと、油圧式の切換機構（いずれも図示せず）を備えており、この切換機構は、油圧回路（図示せず）及び切換制御弁１２ａ（図２参照）などを有する。切換制御弁１２ａは、電磁弁などで構成されており、後述するＥＣＵ２からの制御信号に応じて、油圧回路に供給される油圧を制御することにより、吸気弁６を低速カムで駆動する低リフトモードと、高速カムで駆動する高リフトモードに切り換える。

その結果、図３に示すように、低リフトモードのときには、吸気弁６は、低速カムによるバルブリフト曲線に従って、より低いリフトで開弁する。一方、高リフトモードのときには、吸気弁６は、高速カムによるバルブリフト曲線に従って、より大きなリフトで開弁する。また、高リフトモードのときには、低リフトモードと比較して、吸気弁６の開角期間が若干、広くなり、開弁タイミングＩＶＯは進角側に、閉弁タイミングＩＶＣは遅角側に、それぞれ変化する。

また、可変位相機構１３は、クランクシャフト３ｅに対する吸気弁６の相対的な位相（以下「吸気位相」という）ＣＡＩＮを無段階に変更するものであり、位相制御モータ１３ａ（図２参照）などを備えている。この位相制御モータ１３ａは、ＥＣＵ２からの制御信号に応じて、クランクシャフト３ｅに対して吸気カムシャフトを相対的に回転させ、両者の相対角度を変化させることにより、吸気位相ＣＡＩＮを所定の最遅角値と最進角値の間で無段階に変更する。

図４及び図５は、可変リフト機構１２及び可変位相機構１３によって設定される吸気弁６のバルブタイミングの一例を示す。低リフトモードで、吸気位相ＣＡＩＮが最遅角値のときには、図４に実線で示すように、吸気弁６の開弁タイミングＩＶＯは、吸気ＴＤＣ後の約４３°であり、閉弁タイミングＩＶＣは、吸気行程の終了時の下死点（以下「吸気ＢＤＣ」という）後の約７６°である。

同様に、高リフトモードで、吸気位相ＣＡＩＮが最遅角値のときには、図５に実線で示すように、吸気弁６の開弁タイミングＩＶＯは、吸気ＴＤＣ後の約３８°であり、閉弁タイミングＩＶＣは、吸気ＢＤＣ後の約８６°である。また、図４及び図５に一点鎖線で示すように、低リフトモード及び高リフトモードのいずれの場合にも、吸気位相ＣＡＩＮが最進角値のときには、最遅角値のときと比較して、吸気弁６のバルブタイミングは、全体として、可変位相機構１３の作動範囲（約４０°）と等しい大きさで、進角側にシフトする。

以上のように、吸気位相ＣＡＩＮが最遅角値のときの吸気弁６の閉弁タイミングＩＶＣは、低リフト及び高リフトモードにおいてそれぞれ、吸気ＢＤＣ後の７６°、８６°程度であり、気筒３ａに充填される空気量が最大になるタイミングよりも大きく遅角側に設定されている。すなわち、本実施形態では、エンジン３は、吸気弁６が遅閉じの高圧縮比エンジン（ミラーサイクルエンジン）として構成されている。また、吸気位相ＣＡＩＮが最遅角値のときの吸気弁６の開弁タイミングＩＶＯは、低リフト及び高リフトモードにおいて、それぞれ吸気ＴＤＣ後の４３°、３８°程度であり、通常のエンジンよりも遅開きになっている。

図１に戻り、エンジン３には、気筒３ａごとに、点火プラグ１５及び燃料噴射弁１６が設けられている。点火プラグ１５は、シリンダヘッド３ｃに取り付けられており、火花を発生させることにより、気筒３ａ内の混合気に点火を行う。燃料噴射弁１６は、吸気通路４の吸気マニホルドに取り付けられており、吸気ポートに向かって燃料を噴射する。これらの点火プラグ１５の点火時期、及び燃料噴射弁１６の燃料噴射量などは、ＥＣＵ２によって設定されるとともに、ＥＣＵ２からの制御信号によって制御される。

吸気通路４には、スロットル弁機構１７が設けられている。スロットル弁機構１７は、回動自在のスロットル弁１７ａと、これを駆動するＴＨアクチュエータ１７ｂなどを備えている。ＴＨアクチュエータ１７ｂは、モータとギヤ機構（いずれも図示せず）を組み合わせたものであり、ＥＣＵ２からの制御信号に応じて、スロットル弁１７ａを駆動し、その開度を変化させることにより、スロットル弁１７ａを通過する空気の流量が制御される。

また、エンジン３には、ＥＧＲ装置１８が設けられている。ＥＧＲ装置１８は、燃焼室３ｄから排気通路５に排出された排ガスの一部を吸気通路４側に還流させる外部ＥＧＲを実行する。ＥＧＲ装置１８は、吸気通路４のスロットル弁１７ａよりも下流側と排気通路５に接続されたＥＧＲ通路１８ａと、ＥＧＲ通路１８ａに設けられたＥＧＲ弁１８ｂと、ＥＧＲ弁１８ｂを駆動するＥＧＲアクチュエータ１８ｃなどを備えている。

ＥＧＲアクチュエータ１８ｃは、リニアソレノイドを用いたものであり、ＥＣＵ２からの制御信号に応じて、ＥＧＲ弁１８ｂを駆動し、そのリフトを変化させることにより、排ガスの還流量（以下「外部ＥＧＲ量」という）が制御される。

クランクシャフト３ｅには、クランク角センサ２０が設けられている。クランク角センサ２０は、クランクシャフト３ｅの回転に伴い、パルス信号であるＣＲＫ信号及びＴＤＣ信号をＥＣＵ２に出力する。ＣＲＫ信号は、所定のクランク角度（例えば１°）ごとに出力される。また、ＴＤＣ信号は、いずれかの気筒３ａにおいてピストン３ｂが吸気行程の開始時の上死点よりも若干、手前の所定のクランク角位置にあることを表す信号であり、本実施形態のようにエンジン３が４気筒の場合には、クランク角度１８０°ごとに出力される。

ＥＣＵ２は、ＣＲＫ信号に基づき、エンジン３の回転数（以下「エンジン回転数」という）ＮＥを算出し、ＴＤＣ信号及びＣＲＫ信号に基づき、クランク角を算出する。

また、吸気通路４のスロットル弁１７ａよりも上流側には、エアフローセンサ２１が設けられ、下流側には吸気圧センサ２２が設けられている。エアフローセンサ２１は、吸気通路４を流れる空気の流量ＧＡＩＲを検出し、その検出信号をＥＣＵ２に出力する。また、吸気圧センサ２２は、吸気通路４の吸気チャンバ４ａ内の圧力ＰＢを検出し、その検出信号をＥＣＵ２に出力する。

さらに、ＥＣＵ２には、水温センサ２３からエンジン３の冷却水の温度（以下「エンジン水温」という）ＴＷを表す検出信号が、アクセル開度センサ２４から、車両のアクセルペダル（図示せず）の踏込み量（以下「アクセル開度」という）ＡＰを表す検出信号が、車速センサ２５から、車両の速度（車速）ＶＰを表す検出信号が、それぞれ入力される（図２参照）。

ＥＣＵ２は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ及びＩ／Ｏインターフェース（いずれも図示せず）などから成るマイクロコンピュータで構成されている。ＥＣＵ２は、前述した各種のセンサ２０〜２５の検出信号などに応じて、エンジン３の運転状態を判別する。また、判別した運転状態に応じて、点火プラグ１５の点火時期、燃料噴射弁１６の燃料噴射量、スロットル弁１７ａの開度、及びＥＧＲ装置１８による外部ＥＧＲ量などを制御するとともに、可変リフト機構１２及び可変位相機構１３を介して、吸気弁６のバルブタイミングを制御する。なお、本実施形態では、ＥＣＵ２が制御手段に相当する。

図６は、ＥＣＵ２で実行される、吸気弁６のバルブタイミングの制御処理を示す。本処理は、所定時間ごとに実行される。本処理ではまず、ステップ１（「Ｓ１」と図示。以下同じ）において、エンジン３に要求される要求トルクＴＲＱＣＭＤを算出する。この要求トルクＴＲＱＣＭＤの算出は、検出されたアクセル開度ＡＰ及び車速ＶＰに応じ、所定のマップ（図示せず）を検索することによって行われる。

次に、可変リフト機構１２による吸気弁６のリフトモードを低リフトモード又は高リフトモードに決定する（ステップ２）。このリフトモードの決定は、要求トルクＴＲＱＣＭＤ及びエンジン回転数ＮＥに応じ、図７に示すマップを検索するとともに、検出されたエンジン水温ＴＷを考慮して行われる。

このマップの上側のラインは全負荷トルクＴＲＱＷＯＴを表す。この全負荷トルクＴＲＱＷＯＴは、エンジン３が全負荷、すなわちアクセルペダルが全開状態のときの要求トルクＴＲＱＣＭＤに相当する。このマップでは、リフトモードは、エンジン回転数ＮＥが第１所定値ＮＲＥＦ１（例えば１１００ｒｐｍ）よりも小さい低回転領域では、低リフト（Ｌｏ）モードに設定され、エンジン回転数ＮＥが第１所定値ＮＲＥＦ１以上で、かつ最大回転数に相当する第３所定値ＮＭＡＸ以下である中高回転領域では、基本的に、より大きな吸入空気量を確保するために、高リフト（Ｈｉ）モードに設定されている。

また、エンジン回転数ＮＥが第２所定値ＮＲＥＦ２（例えば３５００ｒｐｍ）以上である高回転領域にあり、かつ要求トルクＴＱＲＣＭＤが全負荷トルクＴＲＱＷＯＴを含む所定の高負荷領域にあるときには、リフトモードは、低リフトモードに設定されている。

次に、ステップ２で決定されたリフトモードに応じ、ステップ１で算出された要求トルクＴＲＱＣＭＤとエンジン回転数ＮＥに基づいて、吸気位相ＣＡＩＮの目標値である目標吸気位相ＣＡＩＮＣＭＤを算出する（ステップ３）。

次に、決定されたリフトモードに基づく制御信号を、可変リフト機構１２の切換制御弁１２ａに出力することによって、可変リフト機構１２を駆動し（ステップ４）、吸気弁６を低リフトモード又は高リフトモードに制御する。

最後に、ステップ３で算出された目標吸気位相ＣＡＩＮＣＭＤに基づく制御信号を、可変位相機構１３の位相制御モータ１３ａに出力することによって、可変位相機構１３を駆動し（ステップ５）、本処理を終了する。これにより、吸気位相ＣＡＩＮが目標吸気位相ＣＡＩＮＣＭＤに制御され、吸気弁６のバルブタイミングが制御される。

次に、上述したバルブタイミング制御によって得られる、要求トルクＴＲＱＣＭＤ及びエンジン回転数ＮＥと吸気弁６の閉弁タイミングＩＶＣとの関係について、詳細に説明する。まず、要求トルクＴＲＱＣＭＤが小さい低負荷領域では、図示しないが、吸気弁６の閉弁タイミングＩＶＣは、エンジン回転数ＮＥにかかわらず、最遅角位置に制御される。これは、図９（ａ）に示すように、低負荷領域では、ＥＧＲ装置１８による外部ＥＧＲが実行されず、閉弁タイミングＩＶＣが遅いほどポンピングロスが小さくなることから、閉弁タイミングＩＶＣが最遅角位置のときに正味燃料消費率ＢＳＦＣが最小になるためである。

また、図８は、中高負荷領域において、エンジン回転数ＮＥが同一の条件のときの、要求トルクＴＲＱＣＭＤに対する吸気弁６の閉弁タイミングＩＶＣの関係を示す。同図に示すように、この条件では、閉弁タイミングＩＶＣは、要求トルクＴＲＱＣＭＤが全負荷トルクＴＲＱＷＯＴよりも小さな所定値ＴＲＱ１以下の領域では、要求トルクＴＲＱＣＭＤが大きいほど、より進角側に制御される。これは、以下の理由による。

すなわち、中負荷及び高負荷領域では、外部ＥＧＲが実行され、それによるポンピングロスの低減によって燃費効果が得られるとともに、負荷が増大するにつれて、外部ＥＧＲ量が増加するように制御されるため、閉弁タイミングＩＶＣがより進角側のときに、空気（新気）の充填効率が高くなり、良好な燃焼状態が得られる。その結果、図９（ｂ）及び（ｃ）に示すように、中負荷及び高負荷領域では、負荷が大きいほど、最小の正味燃料消費率ＢＳＦＣが得られる閉弁タイミングＩＶＣが、より進角側に移行するためである。なお、図９（ｃ）及び（ｄ）の×印よりも遅角側の領域は、閉弁タイミングＩＶＣが遅すぎるため、充填される空気量が不足することで、安定した燃焼及び出力を維持できない領域を示す。

また、図８に示すように、吸気弁６の閉弁タイミングＩＶＣは、要求トルクＴＲＱＣＭＤが所定値ＴＲＱ１のときに、最進角値ＩＶＣ１に制御され、要求トルクＴＲＱＣＭＤが所定値ＴＲＱ１と全負荷トルクＴＲＱＷＯＴの間の領域では、要求トルクＴＲＱＣＭＤが大きいほど、より遅角側に制御される。これは、全負荷状態では、外部ＥＧＲが停止されるため、図９（ｄ）に示すように、閉弁タイミングＩＶＣが進角しすぎると、ノッキングが発生し、それによるエネルギ損失によって燃焼効率が低下する結果、最小の正味燃料消費率ＢＳＦＣが得られる閉弁タイミングＩＶＣが、高負荷領域よりも遅角側になるためである。なお、図９（ｄ）の点線は、ノッキングの影響を無視したときの正味燃料消費率ＢＳＦＣを、参考として示したものである。

なお、図８に例示した以外のエンジン回転数ＮＥに対しても、エンジン回転数ＮＥが同一の条件では、閉弁タイミングＩＶＣは、要求トルクＴＲＱＣＭＤに対して、図８と同様の傾向で制御される。この場合、閉弁タイミングＩＶＣが最進角値ＩＶＣ１に制御される所定値ＴＲＱ１は、エンジン回転数ＮＥが高いほど、要求トルクＴＲＱＣＭＤがより高い側に設定される。

以上のように、要求トルクＴＲＱＣＭＤに応じて吸気弁６の閉弁タイミングＩＶＣを制御することによって、要求トルクＴＲＱＣＭＤに応じた最良の燃費を得ることができる。

次に、前述したバルブタイミング制御によって得られる、エンジン回転数ＮＥと吸気弁６の閉弁タイミングＩＶＣとの関係について説明する。まず、前述したように、低負荷領域では、吸気弁６の閉弁タイミングＩＶＣは、すべてのエンジン回転数ＮＥに対して最遅角位置に制御され、それにより、吸気弁６の遅閉じによる燃費効果が得られる。

また、図１０は、エンジン回転数ＮＥと、前述したように制御される吸気弁６の閉弁タイミングＩＶＣの最進角値ＩＶＣ１との関係を示す。なお、同図のＮＲＥＦ１は、図７のマップにおいて、吸気弁６のリフトモードを低リフトモードと高リフトモードに切り換える際のしきい値として用いられる、エンジン回転数ＮＥの第１所定値である。同図に示すように、閉弁タイミングＩＶＣの最進角値ＩＶＣ１は、エンジン回転数ＮＥが高いほど、より進角側に段階的に制御される。また、図示しないが、エンジン３が全負荷のときには、吸気弁６の閉弁タイミングＩＶＣは、最進角値ＩＶＣ１の場合と同様、エンジン回転数ＮＥが高いほど、より進角側に段階的に制御される。以下、その理由を、図１１及び図１２を参照しながら説明する。

図１１は、吸気弁６の閉弁タイミングＩＶＣと正味燃料消費率ＢＳＦＣとの関係を、回転領域ごとに示したものである。まず、本実施形態のエンジン３のように幾何学的圧縮比が高い場合には、中高負荷領域ではもともとノッキングが発生しやすく、同図（ａ）に示す低回転領域では特に、１燃焼サイクル当たりの時間が長いため、吸入空気量が少ない場合でも、ノッキングが発生しやすくなる。このため、ノッキングの影響を考慮した正味燃料消費率ＢＳＦＣは、閉弁タイミングＩＶＣが遅角側にあるときに最小になる。

これに対し、図１１（ｂ）（ｃ）に示す中回転及び高回転領域では、エンジン回転数ＮＥが高いほど、１燃焼サイクル当たりの時間がより短くなり、ノッキングが発生しにくくなるため、最小の正味燃料消費率ＢＳＦＣが得られる閉弁タイミングＩＶＣは、より進角側に移行する。

また、図１２は、エンジン回転数ＮＥと気筒３ａへの空気の充填効率ηｃとの関係を、吸気弁６の閉弁タイミングＩＶＣごとに示したものである。このうち、同図（ｂ）は、吸気弁が遅閉じでない通常の場合の比較例である。この場合には、充填効率ηｃは、低回転領域では、吸気弁の閉弁タイミングが進角側であるほど、より大きいのに対し、高回転領域では、吸気慣性が大きくなるのに伴ってこの関係が逆転し、充填効率ηｃは、吸気弁の閉弁タイミングが遅角側であるほど、より大きくなる。

これに対し、本実施形態のような吸気弁６が遅閉じの場合には、同図（ａ）に示すように、エンジン回転数ＮＥの大きさにかかわらず、充填効率ηｃは、吸気弁６の閉弁タイミングＩＶＣが遅角側であるほど、より大きくなる。これは、前述したように、吸気弁６が遅閉じの場合には、閉弁タイミングが全体として遅角側にシフトしていて、充填効率ηｃがもともと低い状態にあるため、この状態から閉弁タイミングを遅角側に変化させても、吸気慣性は有効に発揮されず、むしろ進角側に変化させた方が、充填効率ηｃが高くなるためである。

したがって、中高負荷領域において、以上のような、エンジン回転数ＮＥに応じた吸気弁６の閉弁タイミングＩＶＣと正味燃料消費率ＢＳＦＣ及び充填効率ηｃとの関係に基づき、エンジン回転数ＮＥが高いほど、吸気弁６の閉弁タイミングＩＶＣの最進角値ＩＶＣ１、及びエンジン３が全負荷のときの吸気弁６の閉弁タイミングＩＶＣを、より進角側に設定することによって、ノッキングを考慮した最小の正味燃料消費率ＢＳＦＣを得るとともに、より高い充填効率ηｃを得ることができる。

以上のように、本実施形態によれば、図１０に示すように、エンジン回転数ＮＥが高いほど、吸気弁６の閉弁タイミングＩＶＣの最進角値ＩＶＣ１を、より進角側に制御する。これにより、ノッキングを有効に抑制し、安定した燃焼状態を確保することによって、燃費を向上させるとともに、より高い充填効率を得ることによって、特に高回転領域において十分なエンジン３の出力を確保することができる。

また、エンジン３が全負荷のときには、エンジン回転数ＮＥが高いほど、吸気弁６の閉弁タイミングＩＶＣを、より進角側に制御するので、全負荷運転状態において、エンジン回転数ＮＥに応じてエンジン３の出力を十分に確保するという効果を得ることができ、運転者の高い出力要求に良好に応えることができる。

さらに、前述したように、エンジン３が高回転・高負荷領域にあるときには、吸気弁６のリフトモードが、開弁タイミングＩＶＯがより遅い低リフトモードに設定されるので、それにより排気弁７と吸気弁６とのオーバーラップによる内部ＥＧＲ量が低減されることによって、充填効率ηｃをさらに高め、より高い出力を得ることができる。

また、エンジン回転数ＮＥが増加するのに応じて、吸気弁６の閉弁タイミングＩＶＣの最進角値ＩＶＣ１、又はエンジン３が全負荷のときの吸気弁６の閉弁タイミングＩＶＣを、段階的に進角させる。これにより、エンジン回転数ＮＥの増減に応じた可変位相機構１３の追従性を向上させるとともに、閉弁タイミングＩＶＣの変化に伴う、エンジン３を制御する他の機構、例えばスロットル弁機構１７やＥＧＲ装置１８の動作への影響を抑制でき、エンジン３の全体的な制御を円滑に行うことができる。

また、中高負荷領域では、エンジン回転数ＮＥが同一の条件において、要求トルクＴＲＱＣＭＤが全負荷トルクＴＲＱＷＯＴよりも小さいときに、吸気弁６の閉弁タイミングＩＶＣを最も進角させ、全負荷トルクＴＲＱＷＯＴのときには最進角値より遅角側に制御するので、全負荷運転状態において、ノッキングを適切に回避し、燃焼安定性を向上させることができる。

なお、本発明は、説明した実施形態に限定されることなく、種々の態様で実施することができる。例えば、実施形態では、エンジン３の負荷として、要求トルクＴＲＱＣＭＤを用いているが、これに代えて、エンジン３の負荷を表す他の適当なパラメータ、例えばアクセル開度ＡＰやエアフローセンサ２１で検出された空気流量ＧＡＩＲなどを用いてもよい。

また、実施形態では、吸気弁６の閉弁タイミングＩＶＣの最進角値ＩＶＣ１を、エンジン回転数ＮＥに応じて、図１０に示すように制御するとともに、吸気弁６の閉弁タイミングＩＶＣを、要求トルクＴＲＱＣＭＤに応じて、図８に示すように制御しているが、後者の制御を省略してもよい。さらに、実施形態では、吸気弁６の可変動弁機構として、可変位相機構１３に加えて可変リフト機構１２を併用しているが、後者を省略してもよい。

さらに、実施形態は、本発明を車両用のガソリンエンジンに適用した例であるが、本発明は、これに限らず、車両用のディーゼルエンジンの他、船舶用の内燃機関など、産業用の種々の内燃機関に広く適用することができる。さらに、実施形態で示した細部の構成などは、あくまで例示であり、本発明の趣旨の範囲内で適宜、変更することができる。

２ ＥＣＵ（制御手段）
３ 内燃機関
３ａ 気筒
６ 吸気弁
１２ 可変リフト機構（可変動弁機構）
１３ 可変位相機構（可変動弁機構）
２０ クランク角センサ（回転数検出手段）
２４ アクセル開度センサ（負荷検出手段）
ＩＶＣ 吸気弁の閉弁タイミング
ＩＶＣ１ 吸気弁の閉弁タイミングの最進角値
ＣＡＩＮ 吸気位相
ＮＥ エンジン回転数（内燃機関の回転数）
ＴＲＱＣＭＤ 要求トルク（内燃機関の負荷）

Claims (3)

1. 気筒に空気を吸入するために開閉される吸気弁の閉弁タイミングを、可変動弁機構を介して制御する内燃機関のバルブタイミング制御装置であって、
   前記可変動弁機構によって変更可能な前記吸気弁の閉弁タイミングの最遅角位置は、前記気筒に充填される空気量が最大になるタイミングよりも遅角側に設定されており、
   前記内燃機関の回転数を検出する回転数検出手段と、
   前記内燃機関の負荷を検出する負荷検出手段と、
   前記検出された内燃機関の回転数が同一の条件において、前記検出された内燃機関の負荷が全負荷よりも小さいときに、前記吸気弁の閉弁タイミングを最も進角させるとともに、当該吸気弁の閉弁タイミングの最進角値を、前記内燃機関の回転数が異なる条件では、当該内燃機関の回転数が高いほど、より進角側に制御する制御手段と、を備えることを特徴とする内燃機関のバルブタイミング制御装置。
2. 前記制御手段は、前記内燃機関の回転数が高くなるのに応じて、前記吸気弁の閉弁タイミングの前記最進角値を段階的に進角させることを特徴とする、請求項１に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。
3. 前記制御手段は、前記内燃機関の負荷が全負荷のときにおける前記吸気弁の閉弁タイミングを、前記内燃機関の回転数が高いほど、より進角側に制御することを特徴とする、請求項１又は２に記載の内燃機関のバルブタイミング制御装置。

Images