以下、エンジンの動弁制御装置の実施形態を図面に基づいて説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、例示である。
(エンジンの全体構成)
図1,2は、エンジン(エンジン本体)1の概略構成を示す。このエンジン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(尚、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の上面には、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、燃焼室を区画する。尚、燃焼室の形状は、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の上面形状、及び、燃焼室の天井部の形状等は、適宜変更することが可能である。
このガソリンエンジン1は、理論熱効率の向上や、後述する圧縮自着火による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。尚、幾何学的圧縮比は15以上20以下程度の範囲で、適宜設定すればよく、例えば18としてもよい。
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、吸気側には、吸気弁21の動作モードを、第1モードと第2モードとに切り替える可変機構(図2参照。以下、VVL(Variable ValveLift)と称する)71と、クランクシャフト15に対する吸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 ValveTiming)と称する)72と、が設けられている。第1モードと第2モードとは、カムプロフィールが互いに異なる。VVL71とVVT72とを含んで、吸気弁21の駆動機構が構成される。また、排気側には、排気弁22の動作モードを、通常モードと特殊モードとに切り替えるVVL73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VVT74と、が設けられている。VVL73とVVT74とを含んで、排気弁22の駆動機構が構成される。吸気弁21及び排気弁22の駆動機構の構成の詳細は、後述する。
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、その噴口が燃焼室の天井面の中央部分から、その燃焼室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、ピストン上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。尚、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。尚、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、燃焼室内の混合気に強制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。
吸気通路30におけるエアクリーナ31とサージタンク33との間には、空気を冷却又は加熱する、水冷式のインタークーラ/ウォーマ34と、各気筒18への吸入空気量を調節するスロットル弁36とが配設されている。吸気通路30にはまた、インタークーラ/ウォーマ34をバイパスするインタークーラバイパス通路35が接続されており、このインタークーラバイパス通路35には、当該通路35を通過する空気流量を調整するためのインタークーラバイパス弁351が配設されている。インタークーラバイパス弁351の開度調整を通じて、インタークーラバイパス通路35の通過流量とインタークーラ/ウォーマ34の通過流量との割合を調整することにより、気筒18に導入する新気の温度を調整することが可能である。尚、インタークーラ/ウォーマ34及びそれに付随する部材は、省略することも可能である。
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。尚、このエンジン1は、NOx浄化触媒を備えていない。
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と、EGRクーラ52をバイパスするためのEGRクーラバイパス通路53と、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、EGRクーラバイパス通路53には、EGRクーラバイパス通路53を流通する排気ガスの流量を調整するためのEGRクーラバイパス弁531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、PCMという)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1,2に示すように、各種のセンサSW1〜SW16の検出信号が入力される。この各種のセンサには、次のセンサが含まれる。すなわち、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及び新気の温度を検出する吸気温度センサSW2、インタークーラ/ウォーマ34の下流側に配置されかつ、インタークーラ/ウォーマ34を通過した後の新気の温度を検出する、第2吸気温度センサSW3、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、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、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、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、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、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、エンジン冷却水の温度を検出する水温センサSW11、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、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、吸気側及び排気側のカム角センサSW14,SW15、及び、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である。
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、これに応じてインジェクタ67、点火プラグ25、吸気側のVVL71及びVVT72、排気側のVVL73及びVVT74、燃料供給システム62、並びに、各種の弁(スロットル弁36、インタークーラバイパス弁351、EGR弁511、EGRクーラバイパス弁531)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。
(弁駆動機構の構成)
吸気側のVVL71は、その構成の詳細な図示は省略するが、カムプロフィールの異なる2種類の第1及び第2カム、並びに、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吸気弁21に伝達するロストモーション機構を含んで構成されている。第1カムは、図3の(a)において実線で示すリフトカーブ211、212となるように、二つのカム山を有するカムプロフィールであり、第2カムは、図3(b)において実線で示すリフトカーブ212となるように、一つのカム山を有するカムプロフィールである。尚、図3に示すカムプロフィールは、一例である。
ロストモーション機構が、第1カムの作動状態を吸気弁21に伝達しているときには、図3(a)に実線で例示するように、吸気弁21は、例えば膨張行程に開弁しかつ、排気行程の初期に閉弁する、相対的にリフト量の小さい先行開弁211を行うと共に、吸気行程において、相対的にリフト量の大きい主開弁212を行う第1モードで作動をする。先行開弁211は、少なくとも膨張行程の後半において吸気弁21を開弁状態にするため、気筒18内の高温のガスの一部が吸気ポート16に排出され、排出された高温ガスは、主開弁212によって吸気弁21を開弁したときに、新気と共に気筒18内に再導入される。こうして、第1モードでは、先行開弁211を行うことにより、排気ガス(既燃ガス)の一部が、実質的に、気筒18内に残留することになる(つまり、内部EGR制御)。これに対し、ロフトモーション機構が、第2カムの作動状態を吸気弁21に伝達しているときには、図3(b)に実線で例示するように、吸気弁21は、先行開弁を行わずに、吸気行程において主開弁212を行う第2モードで作動をする。先行開弁211を行わないため、第2モードでは、吸気ポート16を通じた排気ガスの再導入はない。VVL71の第1モードと第2モードとは、エンジン1の運転状態に応じて切り替えられる。第1モードと第2モードとの切り替えについては、後述する。
尚、先行開弁211の開閉時期、リフト量、開弁期間(作用角)は、要求される筒内温度に応じて、適宜設定される。先行開弁211の開時期は、膨張行程中で適宜設定すればく、例えば膨張行程後半にしてもよい。先行開弁211の閉時期は、膨張行程中に設定してもよいし、排気行程の前半に設定してもよい。後述の通り、ポンプ損失を低減する上では、先行開弁211は、排気行程中に閉弁することが望ましい。先行開弁211によって、気筒18内の圧力が高い状態で、筒内のガスが吸気ポート16に排出される。このため、主開弁212によって導入される新気量は、圧力の高いガスによって制限されるようになる。先行開弁211の開弁時期、リフト量及び開弁期間は、新気の導入量も考慮して設定することが好ましい。
排気側のVVL73における第1カムのカムプロフィールは、図3(a)(b)に破線で例示するように、リフトカーブにおける閉弁側に、クランク角の進行に対してリフトを略一定に維持するリフト棚部222を有するカムプロフィールであり、第2カムのカムプロフィールは、図示を省略するが、リフト棚部を有さずに、一つのカム山を有するカムプロフィールである。
ロストモーション機構が、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、図3(a)(b)に破線で例示するように、排気弁22は、開弁をした後、クランク角の進行に伴いリフト量が次第に大きくなり、少なくとも排気行程中で所定のピークに至った後、リフト棚部222において所定リフト量を維持した上で、閉弁に至る特殊モードで作動をする。これに対し、ロストモーション機構が、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、図示は省略するが、排気弁22は開弁をした後、クランク角の進行に伴いリフト量が次第に大きくなり、少なくとも排気行程中で所定のピークに至った後、リフト量が次第に小さくなって、そのまま閉弁する通常モードで作動をする。VVL73の通常モードと特殊モードとは、エンジン1の運転状態に応じて切り替えられ、具体的に、特殊モードは、内部EGRガスを気筒18内に導入する際に利用され、通常モードは、それ以外のときに利用される。以下の説明においては、VVL73を通常モードで作動させることを、「VVL73をオフにする」といい、VVL73を特殊モードで作動させ、内部EGR制御を行うことを、「VVL73をオンにする」という場合がある。
ここで、図3(a)(b)を参照しながら、排気側のVVL73における第1カムのカムプロフィールについて、さらに詳細に説明をする。図3(a)の破線は、排気弁22の閉時期の位相を最も遅角側に設定したときの、排気弁22のリフトカーブ221に相当し、図3(b)の破線は、排気弁22の閉時期の位相を最も進角側に設定したときの、排気弁22のリフトカーブ221に相当する。第1カムは、前述の通り、そのリフトカーブ221における閉弁側にリフト棚部222を有するように構成されている。ここで、リフトカーブ221における閉弁側とは、リフトカーブ221におけるピークを挟んだ両側を、開弁側と閉弁側とに分けたときの閉弁側に相当する。図3(a)に示すように、VVT74によって排気弁22の閉時期の位相を遅角したときに、リフト棚部222は、吸気行程の、少なくとも前半に位置するようになる。ここでいう「前半」は、吸気行程を前半と後半とに2等分したときの前半に相当する。従って、排気行程中に排気ポート17に排出された排気ガスの一部は、吸気行程時に排気弁22が開弁することに伴い、気筒18内に戻される。こうして、排気ガスの一部が、実質的に、気筒18内に残留することになる(つまり、内部EGR制御)。
リフト棚部222のリフト量は、リフトカーブ221のピークよりも低いリフト量に設定されている。図3(a)に示すように、VVT74によって排気弁22の開閉時期の位相を遅角したときに、リフト棚部222は上死点に位置する場合がある。そのため、この実施形態では、リフト棚部222のリフト量は、上死点に位置するピストン14の上面と干渉しない限度において、最大リフト量Lexmaxとなるように設定される(図3(b)参照)。こうすることで、内部EGRの最大量を、できるだけ多い量に設定することが可能になる。例えば、リフト棚部222のリフト量は、リフトカーブ221のピークにおけるリフト量に対して、1/2以下の範囲で、適宜、設定することが可能である。内部EGRの最大量を、できるだけ多い量に設定する上では、リフト棚部222のリフト量は、最大リフト量Lexmaxで一定にすることが望ましい。しかしながら、リフト棚部222のリフト量は、クランク角の進行に対してリフト量が実質的に維持される限度において、若干大きくなるように変化させてもよいし、又は、若干小さくなるように変化させてもよい。リフト棚部222は、クランク角の進行に対してリフト量の変化率が所定以下となる部分、ということが可能である。尚、リフト棚部222におけるリフト量の変化は、クランク角の進行に対して連続的であっても、段階的であってもよい。
また、リフト棚部222の長さ(つまり、クランク角の進行方向の長さ)は、設定可能な最大リフト量Lexmaxに基づいて、要求される最大の内部EGRガス量を満足することができるように設定される。ここで、図3(a)に示すように、リフト棚部222の最進角位置は、排気弁22の閉時期を最も遅角したときに、上死点に位置するように設定される。そのため、要求される最大の内部EGRガス量を満足させるべく、内部EGRガス量を増やすためには、リフト棚部222の長さを遅角側に延ばすことになる。その結果、排気弁22の閉時期は遅角側に設定されるようになる。また、リフト棚部222の長さを遅角側に延ばすことに伴い、排気弁22の開閉時期の位相変更量も大きくなる。
尚、吸気側において、第1モードと第2モードとを切り替えるようにリフト特性を変更する機構としては、前述した第1カムと第2カムとの切り替えに限らない。吸気弁21の開閉を、油圧の給排を制御することによって制御する油圧駆動式の動弁系を採用してもよい。また、吸気弁21及び排気弁22の開閉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。同様に、排気側においても、通常モードと特殊モードとを切り替えるようにリフト特性を変更する機構としては、前述した第1カムと第2カムとの切り替えに限らず、油圧駆動式の動弁系を採用してもよいし、電磁駆動式の動弁系を採用してもよい。
また、排気弁22の特殊モードにおいては、図3に示すように、排気行程での開弁後、リフト棚部222を通じて開弁状態を維持した上で、吸気行程で閉弁するようなカムプロフィールの代わりに、排気行程での開弁後に一旦閉弁をした後、吸気行程で再び開弁するようなカムプロフィールを採用してもよい。
吸気側及び排気側のVVT72、74はそれぞれ、液圧式、又は、電動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。この実施形態では、内部EGRガス量の調整に係る位相の変更速度を高くするために、少なくとも排気側は、電動式のVVT74を採用している。
前述の通り、内部EGRガス量の調整に関しては、排気弁22の開閉時期の位相のみを変更する(図3(a)(b)の矢印参照)一方で、吸気弁21の開閉時期の位相は変更しない。但し、吸気弁21は、後述の通り、内部EGRガス量の調整に関して、第1モードと第2モードとの切り替えを行う。尚、内部EGRガス量の調整をするために、吸気弁21の動作モードを第1モードと第2モードとで切り替えることに加えて、VVT72により、開閉時期の位相を変更するようにしてもよい。
図3(a)は、VVL73をオンにした排気弁22の、開閉時期の位相を最も遅角側に設定した状態を示している。排気弁22の閉時期が排気上死点後の遅閉じとなる。図3(a)では、吸気弁21を第1モードで作動させることと相俟って、気筒18内に導入される内部EGRガス量は最大となる。また、前述したように、吸気弁21を第1モードで作動させることにより、新気の導入量が制限されると共に、吸気行程中の排気弁22の開弁によっても、新気の導入は、制限される。従って、図3(a)に示す状態では、スロットル弁36を絞らなくても、気筒18内への新気の導入は大幅に制限される。
図3(b)は、排気弁22の開閉時期の位相を最も進角側に設定した状態を示している。排気弁22の閉時期が排気上死点付近となる。図3(b)では、吸気弁21を第2モードで作動させることから、気筒18内に導入される内部EGRガス量は最小となる。この「排気ガスの量が最小になる」ことには、気筒18内に導入される排気ガスの量が実質的にゼロになること、つまり、内部EGRガス量が実質的にゼロになることを含む。排気弁22の閉時期は、図3(a)に示す最遅角位置から、図3(b)に示す最進角位置までの間を連続的に変更される。詳細は後述するが、内部EGRガス量を大から小へと変更するときには、排気弁22の閉時期の位相を、遅角側から進角方向に変更すると共に、吸気弁21の動作モードを第1モードから第2モードへと切り替える。逆に、内部EGRガス量を小から大へと変更するときには、排気弁22の閉時期の位相を、進角側から遅角方向に変更すると共に、吸気弁21の動作モードを第2モードから第1モードへと切り替える。
また、図3(b)に示すように、排気弁22の閉時期の位相を最進角することによって、気筒18内に導入される新気量は増える。つまり、排気弁22の閉時期の位相を変更することは、スロットル制御を行わなくても、気筒18内に導入される新気量を調整することを可能にする。
このように本構成では、いわゆる排気弁22の二度開きを行うだけではなく、その排気弁22の二度開きに加えて、吸気弁21の動作モードを第1モードと第2モードとで切り替えることにより、内部EGRガスによって、気筒18の温度状態を適切な状態に調整することが可能になる。
つまり、従来の動弁系の構成では、図4(a)(b)の下図において、実線又は破線で例示するように、排気行程中に開弁する排気弁22を、吸気行程中まで開弁したままにする、いわゆる排気弁22の二度開きのみを行うことによって、内部EGR制御が行われていた。排気弁22の二度開きにおいて、内部EGRガス量を増やそうとすれば、吸気行程中に開弁する排気弁22のリフト量(つまり、再開弁時のリフト量)を大きくする必要があるが、排気弁22の再開弁時のリフト量は、上死点に位置するピストン14との干渉を回避するために、それほど大きくすることができない。特にこのエンジン1は、前述したように幾何学的圧縮比が高く設定されており(幾何学的圧縮比ε=15以上、例えば18)、ピストン14が上死点に至ったときの、ピストン14の上面と燃焼室の天井面との距離が短い。このため、ピストン14との干渉を回避しようとすれば、排気弁22の再開弁時のリフト量は小さくしなければならない。従来構成では、内部EGRガス量の最大量を増やすことは、エンジン1の構造上、困難であった。尚、吸気行程中に開弁する吸気弁21を、排気行程中から開弁する、いわゆる吸気弁21の二度開きを行うことによって、内部EGR制御を行うことも可能であるが、その場合も、排気弁22の二度開きと同様に、排気行程中に開弁する吸気弁21のリフト量(つまり、先行開弁時のリフト量)は、上死点に位置するピストン14との干渉を回避するために、それほど大きくすることができないため、内部EGRガス量の最大量を増やすことは、困難である。
これに対し、前述した構成では、排気弁22のリフトカーブ221において、リフト棚部222を設けることで、排気ポート17を通じた内部EGRガスの導入を行うと共に、吸気弁21の先行開弁を行うことによって、吸気ポート16を通じた内部EGRガスの導入を行う。吸気側でも内部EGRガスの導入を行う分、気筒18内に導入する内部EGRガス量を増やすことが可能になる。
また、詳細は後述するが、エンジン1の運転状態が所定の低負荷状態にあるときに、内部EGRガス量を最大にすることで、気筒18内の温度状態を高め、それによって自着火燃焼の着火性及び安定性を高める。前述したように、吸気弁21の先行開弁は、膨張行程において開弁をするため、比較的高温のガスの一部が吸気ポート16に排出され、その高温のガスが新気と共に、気筒18内に再導入される。このため、気筒18内の温度状態を高くする上で有利になる。
こうして、吸気弁21の先行開弁を行うことにより、排気弁22のリフト棚部222のリフト量Lexmaxを小さくすることが許容される。これは、幾何学的圧縮比が高くて、ピストン14が上死点に至ったときのピストン14の上面と燃焼室の天井面との距離が短いエンジンにおいて、気筒18内の、高い温度状態を確保可能にする上で有利な構成である、ということができる。
また、吸気弁21の先行開弁の有無を切り替えることにより、気筒18内の温度状態を大きく変更することが可能であるから、排気弁22の開閉時期の位相を変更することによって、気筒18内の温度状態を調整するものの、その位相変更幅を、短くすることが可能になる。これは、排気弁22のリフト棚部222の長さを短くすることに相当する。詳細は後述するが、本構成は、内部EGRガス量を大から小へ、又は、小から大へ変更する速度が、従来構成よりも高くなる。
また、本構成は、ポンプ損失を低減する点でも、従来の、排気弁22の二度開き構成よりも有利になる。先ず、図4(a)は、同図の下図に実線で示す排気弁22のリフトカーブ及び実線で示す吸気弁21のリフトカーブのときの、気筒18内の圧力変化(破線)、吸気側の圧力変化(一点鎖線)、及び排気側の圧力変化(実線)を例示している。図4(a)は、従来構成において、内部EGRガス量が多いときの状態を示している。排気弁22の二度開きを行う従来構成では、同図下図に実線で示すように、排気弁22の開閉時期を遅角させることに伴い、膨張下死点以降において、排気弁22が開弁するようになる。従って、排気行程の初期は、排気弁22が閉弁しているため、気筒18内のガスが再圧縮される(図4(a)上図の破線参照)。これは、内部EGRガスの温度を高めて、大量の内部EGRガスが要求されるときに、気筒18内の温度状態を高める上では有利なものの、ポンプ損失を増大させる(図5(a)の破線も参照)。
これに対し、本構成において内部EGRガス量が多いときの状態は、例えば図3(a)で示され、排気弁22の開弁時期は遅角されるものの、吸気弁21の先行開弁によって、排気行程の初期には、少なくとも吸気弁21が開弁することになる。これにより、ポンプ損失が増大することが回避される(図5(a)の実線参照)。一方で、前述したように、吸気弁21の先行開弁によって高温の内部EGRガスを気筒18内に導入することが可能であるから、再圧縮を実質的に行わなくても、気筒18内の温度状態を高くすることが可能になる。
次に、図4(b)は、内部EGRガス量が少ないときの状態を示しており、排気弁22の二度開きを行う従来構成では、排気弁22は、吸気行程の中期(この「中期」は、吸気行程を初期、中期、終期の3等分したときの中期である)に閉弁する一方、吸気弁21が、その吸気行程の中期で開弁する。この場合、ピストン14が下降する吸気行程中で、吸気弁21及び排気弁22の両方がほぼ閉弁した状態となることから、同図の上図に白抜き矢印で示すように、気筒18内の負圧が大きくなる。特に、吸気行程の中期は、ピストン14の下降速度が最も高く、単位時間当たりの気筒18内の容積変化が大きい。このことから、図5(b)のp−v線図に破線で示すように、マイナスの仕事が大きくなってポンプ損失が増大し易い。
また、従来構成では、排気弁22の開閉時期の位相を変更することだけで、内部EGRガス量の変更を行うため、その位相変更幅が比較的長く、その結果、リフト棚部の長さが比較的長くなる。これにより、排気行程の中期から終期にかけて、排気弁のリフト量が制限された状態が継続するようになり、その分、圧力損失が増大することになる(図4(b)上図の白抜き矢印参照)。
これに対し、本構成において内部EGRガス量が少ないときの状態は、例えば図3(b)で示され、吸気弁21及び排気弁22が共に閉弁する(又は、ほぼ閉弁する)時期が一致する場合、その時期は、上死点付近に設定される。上死点付近では、ピストン14の下降速度が低いため、気筒18内の負圧が大きくならないと共に、単位時間当たりの気筒18内の容積変化も小さい。このため、図5(b)に示すp−v線図に実線で示すように、ポンプ損失が生じ難い。
また、前述したように、本構成では、排気弁22のリフト棚部222の長さが、従来構成と比較して短くなるため、排気行程中において、排気弁22のリフト量が制限された状態も短くなる。その結果、図5(b)に示すp−v線図に実線で示すように、圧力損失が減る。
尚、前述したように、吸気弁21及び排気弁22のカムプロフィールは、図例に限定されるものではない。エンジン1について要求される内部EGRの最大量に応じて、吸気弁21の先行開弁211の開時期やリフト量は変更されると共に、排気弁22のリフト棚部のリフト量や長さは変更される。
(エンジンの運転制御)
図6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は、点火プラグ25による点火を行わずに、制御自着火(Controlled Auto Ignition:CAI)によって燃焼を行う。図6の例では、実線で示す燃焼切替負荷よりも低い領域が、CAI燃焼を行う自着火領域(CAI)に対応する。
エンジン1の負荷が高くなるに従って、CAI燃焼では、燃焼が急峻になりすぎてしまい、例えば燃焼騒音等の問題を引き起こすことになる。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は、CAI燃焼を止めて、点火プラグ25を利用した強制点火(ここでは火花点火Spark Ignition:SI)による燃焼に切り替える。図6の例では、実線で示す燃焼切替負荷以上の領域が、火花点火燃焼を行う火花点火領域(SI)に対応する。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、CAIモードと、SIモードとを切り替えるように構成されている。但し、モード切り替えの境界線は、図例に限定されるものではない。
図7は、エンジン回転数が低回転側の所定回転数で一定のときの、エンジン1の負荷の高低に対するEGR率の変化(つまり、気筒18内のガス組成の変化)を示している。以下、気筒18内のガス組成の変化について、低負荷側から高負荷側に向かって順に説明する。
(最低負荷から特定負荷T1まで)
特定負荷T1までの低負荷領域は、CAIモードの低負荷域に相当し、CAI燃焼の着火性及び安定性を高めるために、相対的に温度の高いホットEGRガスを気筒18内に導入する。これは、内部EGRガスを気筒18内に導入することによる。ホットEGRガスの導入は、気筒18内の圧縮端温度(つまり、ピストン14が圧縮上死点に至ったときの気筒18内の温度)を高め、低負荷域におけるCAI燃焼の着火性及び安定性を高める。
CAIモードにおいては、スロットル弁36の開度を全開に維持した状態で、内部EGRガス量の調整を行い、それと共に新気量も調整する。これは、ポンプ損失の低減に有利である。また、特定負荷T1までの低負荷領域では、EGR率を、最高EGR率rmaxに設定する。後述するように、特定負荷T1以上の負荷領域では、エンジン1の負荷が高くなるに従い、EGR率が低くなるように設定するが、特定負荷T1よりもエンジン1の負荷が低いときには、エンジン1の負荷の高低に拘わらず、EGR率を最高EGR率rmaxで一定にする。EGR率を、最高EGR率rmaxに制限することは、EGR率を、それ以上に高くして気筒18内に大量の排気ガスを導入してしまうと、気筒18内のガスの比熱比が低くなることで、圧縮開始時のガス温度が高くても、圧縮端温度が逆に低くなってしまうためである。
つまり、排気ガスは、三原子分子であるCO2やH2Oを多く含んでおり、窒素(N2)や酸素(O2)を含む空気と比較して、比熱比が高い。そのため、EGR率を高くして気筒18内に導入する排気ガスが増えたときには、気筒18内のガスの比熱比は低下する。
排気ガスの温度は、新気と比較して高いため、EGR率が高くなるほど、圧縮開始時の気筒18内の温度は高くなる。しかしながら、EGR率が高くなるほど、ガスの比熱比が低下することから、圧縮をしてもガスの温度がそれほど高まらず、結果として、圧縮端温度は、所定のEGR率rmaxで最高となり、EGR率をそれより高めても、圧縮端温度は低くなる。
そこで、このエンジン1においては、圧縮端温度が最も高くなるEGR率を最高EGR率rmaxに設定している。そして、エンジン1の負荷が特定負荷T1よりも低いときには、EGR率を最高EGR率rmaxに設定し、そのことにより、圧縮端温度が低下してしまうことを回避している。この最高EGR率rmaxは、50〜90%に設定してもよい。最高EGR率rmaxは、高い圧縮端温度を確保することができる限度において、できるだけ高く設定してもよく、好ましくは、70〜90%である。このエンジン1は、高い圧縮端温度が得られるように、幾何学的圧縮比を15以上の高い圧縮比に設定している。こうして、できる限り高い圧縮端温度を確保するように構成しているエンジン1においては、最高EGR率rmaxは、例えば80%程度に設定してもよい。最高EGR率rmaxを、できるだけ高く設定することは、エンジン1の未燃損失の低減に有利になる。つまり、エンジン1の負荷が低いときには未燃損失が高くなり易いため、エンジン1の負荷が特定負荷T1よりも低いときにEGR率をできるだけ高く設定することは、未燃損失の低減による燃費の向上に極めて有効である。一方で、前述したように、吸気弁21の先行開弁211によって、高温の排気ガスを気筒18内に導入する結果、低いEGR率で所望の圧縮端温度を達成可能であれば、最高EGR率rmaxを低めに設定してもよい。こうすることで、気筒18内に導入される新気量が増えるため、低負荷領域における燃焼の安定性に有利になる場合がある。
この特定負荷T1よりも低い領域では、具体的には、図3(a)に示すように、吸気側のVVL71は、吸気弁21を第1モードで駆動すると共に、排気側のVVT74は、VVL73をオンにした排気弁22の閉時期の位相を最も遅角側に設定する。このことで、気筒18内に導入する内部EGRガス量が最大となるようにする。こうして、このエンジン1においては、エンジン1の負荷が特定負荷T1よりも低いときに、高い圧縮端温度を確保することにより、CAI燃焼の着火性及び燃焼安定性を確保するようにしている。
尚、この特定負荷T1よりも低い領域では、少なくとも吸気行程から圧縮行程前半までの期間内において、インジェクタ67が気筒18内に燃料を噴射する。このことにより、気筒18内に均質な混合気を形成する。
(特定負荷T1から所定負荷T2まで)
特定負荷T1から所定負荷T2までの領域では、混合気の空気過剰率λを1よりも大きくする。従って、図7において一点鎖線で示すλ≒1のラインよりも気筒18内に導入される新気量は増えかつ、気筒18内に導入される排気ガス量(ここでは、内部EGRガス量)はλ≒1のラインよりも減る。混合気の空気過剰率λは、2.4以上のリーンにすることが好ましい。混合気をリーンにすることは、熱効率を高めて燃費の向上に有利になると共に、空気過剰率λを2.4以上にすることで、RawNOxの生成が抑制される。これは、NOx浄化触媒を備えていない本エンジン1において、排気エミッション性能を確保することを可能にする。尚、所定負荷T2と、後述する切替負荷T3との間には、混合気の空気過剰率λを徐変する区間を設けている。
特定負荷T1を超える領域において、エンジン1の負荷が高まるに従い燃料噴射量は増大するため、空気過剰率λを、前述のように2.4以上に維持する上で、必要な新気量は次第に多くなり、それに伴い、ホットEGRガス量は次第に少なくなる。エンジン1の負荷が低いときには、ホットEGRガスの導入量を増やすことによって圧縮開始時の気筒18内の温度を高め、それに伴い圧縮端温度を高くし、圧縮自着火の着火性を高めると共に、圧縮自着火燃焼の安定性を高める上で有利である。一方、エンジン1の負荷が高くなれば、気筒18内の温度状態が高まる。そのため、ホットEGRガスの導入量は少なくしても、圧縮自着火の着火性及び安定性は確保可能である。
このCAI領域における、エンジン1の負荷に対応したホットEGRガスの導入量の調整は、吸気弁21を第1モードで動作しつつ、排気弁22の閉時期の位相を調整することによって行われる(図3(a)参照)。すなわち、エンジン1の負荷が上昇するに従い、EGR率を高から低へ変更するときには、排気弁22の閉時期の位相を進角方向に変更する。逆に、エンジン1の負荷が低下するに従い、EGR率を低から高へ変更するときには、排気弁22の閉時期の位相を遅角方向に変更する。また、排気弁22の閉時期の位相を調整することによって、気筒18内に導入される新気量の調整も行われる。
(所定負荷T2から切替負荷T3まで)
CAIモードにおいて所定負荷T2以上の負荷領域、すなわち、CAIモード内の高負荷側領域では、混合気の空燃比を理論空燃比(λ≒1)に設定する。これにより、三元触媒の利用が可能になり、排気エミッション性能を確保することが可能になる。
この高負荷側の領域では、気筒18内の温度状態がさらに高くなるため、混合気の空燃比を理論空燃比(λ≒1)に維持しつつ、気筒18内にホットEGRガスを導入したのでは、気筒18内の温度状態が高くなりすぎて、過早着火等の異常燃焼が生じたり、CAI燃焼時に気筒18内の圧力上昇(dP/dθ)が急峻になって燃焼騒音の問題が生じたりする虞がある。そこで、所定負荷T2から切替負荷T3までの領域では、ホットEGRガスと共に、クールドEGRガスを気筒18内に導入する。クールドEGRガスは、基本的には、EGRクーラ52を通過することによって冷却された外部EGRガスである。尚、EGRクーラ52をバイパスした外部EGRガスを、クールドEGRガスに含んでもよい。
また、CAIモードの高負荷側の領域では、吸気側のVVL71によって、吸気弁21の動作モードを、第1モード(図3(a)参照)と第2モード(図3(b)参照)との間で切り替える。つまり、CAIモードの高負荷側の領域では、吸気弁21の動作モードを第2モードにする。第2モードでは、先行開弁を行わないため、吸気ポート16を通じた内部EGRガスの導入が実質的にゼロになる。そのため、CAIモードの高負荷側の領域では、ホットEGRガス量は大幅に少なくなる。また、先行開弁を行わないため、内部EGRガスの温度も相対的に低くなる。
こうして、CAIモードの高負荷側の領域では、ホットEGRガス量が少なくかつ、温度が低下することと、クールドEGRガスを気筒18内に導入することとが組み合わさって、気筒18内の温度状態が高くなりすぎることが回避され、異常燃焼や燃焼騒音の回避に有利になる。尚、CAIモードにおいては、後述するSIモードとは異なり、燃焼安定性に関連するEGR率の制限が無い。そのため、混合気の空気過剰率λを実質的に1に設定しつつ、EGR率を可能な限り高くすることが可能である。EGR率を高くすることはまた、CAIモードの高負荷側の領域において、異常燃焼や燃焼騒音の回避に有利になる。
CAIモードにおいて、吸気弁21の動作モードを第1モードと第2モードとで切り替えることで、先行開弁211の有無を切り替えることは、エンジン1の負荷が低い領域では、少ない内部EGRガス量で筒内温度を高めつつ、新気量を増やして、CAI燃焼の着火性及び/又は安定性に有利になる一方で、エンジン1の負荷が高い領域では、内部EGRガス量を大きく減らして筒内温度を下げることで、異常燃焼や燃焼騒音の回避に有利になる、ということができる。
尚、吸気弁21の動作モードの切り替えを、ここでは、所定負荷T2と切り替え負荷T3までの間で行っているが、特定負荷T1から所定負荷T2までの間で、吸気弁21の動作モードの切り替えを行うようにしてもよい。
所定負荷T2から切替負荷T3までの間における、エンジン1の負荷に対応したホットEGRガスの導入量の調整は、吸気弁21を第2モードで動作しつつ、排気弁22の閉時期の位相を調整することによって行われる(図3(b)参照)。
切替負荷T3は、CAIモードとSIモードとの切り替えに係り、切替負荷T3以上の高負荷側においてはSIモードとなる。CAIモードにおいては、排気側のVVL73をオンにして内部EGRガス(つまりホットEGRガス)を気筒18内に導入する一方で、SIモードでは、排気側のVVL73をオフにして内部EGRガスの導入を中止する。従って、切替負荷T3を境にして、排気側のVVL73のオンオフが、切り替わる。
(切替負荷T3から最大負荷Tmaxまで)
切替負荷T3よりも負荷の高い領域はSIモードに相当する。このSI領域では、前述したように、ホットEGRガスをゼロにし、クールドEGRガスのみを気筒18内に導入する。
SIモードでは、基本的には、スロットル弁36の開度を全開に維持しかつ、EGR弁511の開度を、エンジン負荷に応じて変更する。こうして、SIモードにおいては、混合気の空燃比を理論空燃比(λ≒1)に設定する条件下でEGR率を最大に設定している。これは、ポンプ損失の低減に有利である。また、混合気の空燃比を理論空燃比に設定することは、三元触媒の利用を可能にする。EGR弁511は、具体的には、エンジン負荷の上昇に従い次第に閉じ、全開負荷では閉弁する。このことは、エンジン負荷が連続的に変化するようなときには、気筒18内のガス組成を連続的に変化させることになるから、制御性の向上に有利である。
SI燃焼においては、気筒18内に導入する排気ガスの量が多すぎると燃焼安定性が低下してしまう。そのため、SI燃焼において設定可能な最高のEGR率(つまり、EGR限界)が存在する。前述の通り、混合気の空燃比を理論空燃比(λ≒1)に設定するため、エンジン負荷の高低に応じてEGR率は連続的に変化し、SIモードにおいてエンジン負荷が低いときには、燃料量が少なくかつ、新気量が少なくなることで、EGR率は高くなり得るものの、切替負荷T3から所定負荷T4までは、EGR率はEGR限界に制限する。従って、切替負荷T3から所定負荷T4までの間は、EGR率はEGR限界で一定になる、こうして、EGR率がEGR限界によって制限されると、混合気の空燃比を理論空燃比(λ≒1)に設定する上で、気筒18内に導入する新気量を減らさなければならない。ここでは、吸気弁21の閉弁時期を吸気下死点以降に遅らせることによって、気筒18内に導入する新気量を減らしている。尚、吸気弁21の閉弁時期の制御の代わりに、例えばスロットル弁36の開度制御を行っても、気筒18内に導入する新気を減らすことが可能である。但し、吸気弁21の閉弁時期を制御することは、ポンプ損失の低減に有利である。
(エンジン負荷の変化に伴う内部EGRガス量の調整)
前述の通り、CAIモードにおいては、エンジン負荷の高低に従って内部EGRガス量を変更する。本構成では、吸気側のVVL71によって、吸気弁21の動作モードを第1モードと第2モードとの間で切り替えることと、排気側のVVT74によって、VVL73をオンにした排気弁22の開閉時期の位相を調整することで、内部EGRガス量の調整を行う。このため、例えば排気弁22の二度開きを行う従来構成において排気弁22の開閉時期の位相の調整のみを行う構成とは異なり、内部EGRガス量の調整に係る応答性が高くなるという利点がある。この点について、図8のタイムチャートを参照しながら説明をする。
図8の左側の各図は、排気弁22の二度開きを行う従来構成において、エンジン1の負荷が、図8に示すT1〜T2の間の所定の当初負荷から、T2〜T3の間の所定の目標負荷まで上昇するときの、(a)排気弁22の位相変更、(b)気筒18内のガス組成の変化、(c)燃料量の変化、及び(d)ポンプ損失の変化をそれぞれ示している。各図の横軸は時間である。排気弁22の二度開きを行う従来構成では、排気弁22の位相を、Pex0からPex1まで進角側に変更することによって、内部EGRガス量が当初負荷時のr0から目標負荷時のr1まで、連続的に少なくなる。排気弁22の位相の変更速度、つまり、図8(a)のタイムチャートにおける直線の傾きは、排気弁22のVVT74の駆動速度(言い換えると、ハードウエア限界)に対応する。
内部EGRガス量が少なくなるに従い、気筒18内の空気量は増える(同図(b)参照)。また、エンジン1の負荷の増大に伴い、燃料量も次第に増大する(同図(c)参照)。ポンプ損失は、排気弁22の位相が遅角側のPex0に設定された状態では比較的高くなる一方、その状態から排気弁22の位相が進角するに従い、次第に低下する。そうして排気弁22の位相が所定の位相となった時点で、ポンプ損失は最低になり、排気弁22の位相がPex1に向かってさらに進角するに従って、ポンプ損失は次第に増えるようになる(同図(d)参照)。
図例では、エンジン1の負荷が目標に至る途中で、リーンから理論空燃比への切り替え負荷に到達することから、燃料量は、それまでのリーン空燃比に係る燃料量から、理論空燃比に係る燃料量へと切り替わる。燃料量の切り替え後も、排気弁22の開弁時期の変更は継続することで、内部EGRガス量は次第に減少する一方、外部EGRガスが気筒18内に導入される。
そうして、時刻t1において、排気弁22の位相がPex1に到達することにより、内部EGRガス量が、エンジン1の目標負荷に対応するr1に到達することになる。このように、エンジン1の負荷を当初負荷から目標負荷にするためには、気筒18内に導入する内部EGRガス量を、当初のr0から目標のr1へと変更する必要があるが、排気弁22の二度開きを行う従来構成では、排気弁22の位相のみを変更して内部EGRガス量の調整を行うため、排気弁22の位相変更量が多く(Pex1−Pex0)、エンジン1の状態が、目標負荷に対応する状態にまで変化するために、時刻t0からt1までの比較的長い時間を要することになる。これは、例えば加速性能の低下を招く。
これに対し、本構成では、前述の通り、排気弁22の位相を変更することに加えて、吸気弁21の動作モードを切り替えることで、気筒18内に導入する内部EGRガス量を調整する。図8の右図は、左図と同様に、エンジン1の負荷が、当初負荷から目標負荷まで上昇するときの、(e)排気弁22の位相変更、(f)吸気弁21の動作モード、(g)気筒18内のガス組成の変化、(h)燃料噴射量の変化、及び(i)ポンプ損失の変化をそれぞれ示している。
図例では、吸気弁21を第1モードで作動させつつ、排気弁22の位相を、Pex0から進角側に変更することによって、内部EGRガス量が当初負荷時のr0から次第に少なくなる。排気弁22の位相の変更速度は、排気弁22のVVT74の駆動速度(つまり、ハードウエア限界)に対応するため、排気弁22の位相の変更に関し、図8(e)における直線の傾きは、同図(a)における直線の傾きと同じである。
排気弁22の位相が所定の位相にまで変更され、それによって、内部EGRガス量が所定量になれば、時刻t2において混合気を理論空燃比に切り替える。空燃比の切り替えに合わせて、吸気弁21の動作モードを、第1モードから第2モードに切り替える。吸気弁21を第2モードに切り替えることに伴い、内部EGRガス量はr2に急減することになる。尚、時刻t2において、外部EGRガスの導入が開始する。
その後も、排気弁22の位相変更が継続され、それに伴い、内部EGRガス量も次第に減少する。そうして、時間t3において、排気弁22の位相がPex2に到達することにより、内部EGRガス量が、エンジン1の目標負荷に対応するr1に到達することになる。
このように、本構成では、吸気弁21を第2モードに切り替えることで内部EGRガス量を減らすことが可能であるから、排気弁22の位相の変更量を、従来構成よりも少なくすることが可能になる(Pex1>Pex2)。その結果、エンジン1の負荷が、目標負荷にまで変化するために必要な時間が、従来構成よりも短くなる。図例では、排気弁22の位相の変更量が、従来構成の約半分であり、エンジン1の負荷の変化に必要な時間が、従来構成の約半分になっている。こうして、従来構成と比較して短い時間で、目標の内部EGRガス量へと変更することが可能になる結果、エンジン1の負荷の変化に係る応答性が高まる。
尚、エンジン1の負荷が高負荷側から低負荷側へと低下するときには、前記とは逆になるが、この場合も、従来構成と比較して、短い時間で目標の内部EGRガス量へと変更することが可能であるから、エンジン1の負荷の変化に係る応答性が高まる。
ここで、ポンプ損失に関し、本構成では、内部EGRガス量が多い状態(時刻t0)では、前述したように、膨張行程から排気行程にかけて、吸気弁21の先行開弁を行うことで、従来構成と比較してポンプ損失は低くなると共に、吸気弁21の動作モードが第2モードに切り替わって先行開弁を行わなくなれば、排気弁22の開閉時期が進角していることで、膨張行程から排気行程にかけて、排気弁22が開弁することになり、内部EGRガス量が少なくなってもポンプ損失を低減することが可能になる。
次に、図9、10のタイムチャートを参照しながら、吸気弁21の動作モードを第1モードと第2モードとの間で切り替える際の、エンジン1の過渡制御について説明する。
図9は、エンジンの負荷が減少することに伴い、内部EGRガス量を増大すべく、吸気弁21を第2モードから第1モードに切り替えた直後の、(a)内部EGRガス量、(b)燃料量、(c)排気温度、(d)圧縮端温度、及び(e)トルクの変化を示している。吸気弁21のリフトカーブは、図11(a)に示すように、先行開弁211を行わない第2モードから、同図(b)に示すように、先行開弁211を行う第1モードへと切り替わる。排気弁22の位相は、最進角と最遅角との中間である。
先ず時刻t0において、吸気弁21の動作モードが、第2モードから第1モードへと切り替わる。これに伴い、図9(a)に示すように、内部EGRガス量は増大するが、時刻t0以前は、エンジン1の負荷が高い状態であるため、同図(c)に示すように、排気温度が相対的に高い。そのため、比較的高温の排気ガスが、大量に気筒18内に導入される結果、同図(d)に示すように、圧縮端温度が、急激に高まる。これは、圧縮端温度が高すぎることに相当する。そこで、高すぎる圧縮端温度によるトルク上昇を回避すべく、燃料量を、定常時の燃料量よりも大幅に減らす(同図(b)参照)。トルクは、目標のトルクへと低下させる(同図(e)参照)。
燃料量の低減によって、排気温度が次第に低下するようになり、それに伴い、圧縮端温度も次第に低下する。圧縮端温度の低下に合わせて、燃料量を次第に増量する。そうして、排気温度が、時刻t1で、定常状態での温度にまで低下すれば、圧縮端温度も定常状態での温度になるため、燃料量も定常時の燃料量になる。こうして、吸気弁21を第2モードから第1モードへと切り替える際の過渡制御が終了する。
図10は、図9とは逆に、エンジンの負荷が上昇することに伴い、内部EGRガス量を減少すべく、吸気弁21を第1モードから第2モードに切り替えた直後の、(a)内部EGRガス量、(b)燃料量、(c)排気温度、(d)圧縮端温度、及び(e)トルクの変化を示している。吸気弁21のリフトカーブは、図11(b)に示すように、先行開弁211を行う第1モードから、同図(a)に示すように、先行開弁211を行わない第2モードへと切り替わる。
先ず時刻t0において、吸気弁21の動作モードが、第1モードから第2モードへと切り替わる。これに伴い、図10(a)に示すように、内部EGRガス量は減少するが、時刻t0以前は、エンジン1の負荷が低い状態であるため、同図(c)に示すように、排気温度が相対的に低い。そのため、比較的低温の排気ガスが、気筒18内に少ない量で導入される結果、圧縮端温度が低すぎる懸念がある。そこで、排気温度をできるだけ高くして、所望の圧縮端温度を維持するように(同図(d)参照)、主噴射よりも遅れて噴射を行うポスト噴射を実行する。ポスト噴射は、トルクの生成にはほとんど寄与せずに、排気温度の上昇させるようなタイミングで行うことが好ましい。同図(b)の破線は、主噴射の噴射量に相当し、同図における実線と破線との間が、ポスト噴射の噴射量に相当する。従って、燃料量は不連続的に増える。吸気弁21を第1モードから第2モードへと切り替えた直後は、排気温度が相対的に低いため、ポスト噴射の噴射量は、相対的に多くなる。
ポスト噴射を行うことにより、排気温度は速やかに高まるようになるから、ポスト噴射の噴射量も次第に少なくなる。一方で、主噴射の噴射量を次第に増やして、トルクを高める。その結果、主噴射の噴射量とポスト噴射の噴射量との割合は変更されるものの、トータルの燃料量は、ほぼ一定となる。
そうして、時刻t1において、トルクが、定常時のトルクにまで到達すれば、吸気弁21を第1モードから第2モードへと切り替えた際の過渡制御が終了し、定常時の制御へと移行する。
尚、ここに開示する技術は、前述したエンジン構成への適用に限定されるものではない。例えば図6に示す運転制御マップは例示であり、これ以外にも様々なマップを設けることが可能である。
また、排気通路には三元触媒のみを備えたが、NOx浄化触媒を備えて、空気過剰率λが2.4よりも小さく1.0よりも大きい、A/FがLeanの運転を可能にしてもよい。
さらに、ここに開示する技術は、ディーゼルエンジンに適用することも可能である。幾何学的圧縮比を下げて、大量の内部EGRガスを導入するようなディーゼルエンジンにおいては、前述したように、内部EGRガス量の最大量を多くすると共に、内部EGRガス量の変化の応答性を高めることは有益である。ディーゼルエンジンにおいては、幾何学的圧縮比を、例えば12以上に設定してもよい。