用于内燃发动机的控制设备转让专利
申请号 : CN200880020593.0
文献号 : CN101688494A
文献日 : 2010-03-31
发明人 : 奥村大地 , 太田笃治
申请人 : 丰田自动车株式会社
摘要 :
在扭矩低于T1但不低于T2的低负荷区域内，本发明使用稀薄单气门小操作角模式以在所述单气门小操作角状态下提供稀薄燃烧，或使用EGR单气门小操作角模式以在所述单气门小操作角状态下提供外部EGR。
权利要求 :
1.一种用于内燃发动机的控制设备，包括：
内燃发动机，所述内燃发动机具有稀薄燃烧能力和/或外部EGR能力；
进气可变气门机构，所述进气可变气门机构能够在双气门可变控制状 态与单气门小操作角状态之间切换，在所述双气门可变控制状态下，为用 于所述内燃发动机的每个气缸设置的第一进气门和第二进气门的操作角 都是可变的，在所述单气门小操作角状态下，所述第二进气门的操作角小 于所述第一进气门的操作角；
运转区域设定装置，所述运转区域设定装置用于至少设定高负荷区 域、低负荷区域、以及极低负荷区域作为用于所述内燃发动机的运转区域， 在所述低负荷区域中负荷比在所述高负荷区域中低，在所述极低负荷区域 中负荷比在所述低负荷区域中低；以及运转模式控制装置，所述运转模式控制装置用于在所述高负荷区域或 所述极低负荷区域内，使用化学计量双气门可变控制模式以在所述双气门 可变控制状态下提供处于理论空燃比的燃烧；并在所述低负荷区域内，使 用稀薄单气门小操作角模式以在所述单气门小操作角状态下提供稀薄燃 烧，或使用EGR单气门小操作角模式以在所述单气门小操作角状态下提 供外部EGR。
2.如权利要求1所述的用于内燃发动机的控制设备，进一步包括：
温度获取装置，所述温度获取装置用于检测或估算所述内燃发动机的 代表温度或者安装在所述内燃发动机的排气通路中的催化剂的代表温度；
其中，当所述代表温度低于预定温度时，所述运转模式控制装置在所 述低负荷区域中也使用所述化学计量双气门可变控制模式。
3.如权利要求1所述的用于内燃发动机的控制设备，进一步包括：
温度获取装置，所述温度获取装置用于检测或估算EGR气体温度或 进气温度；
其中，当所述EGR气体温度或所述进气温度高于预定温度时，所述 运转模式控制装置在所述低负荷区域中也使用所述化学计量双气门可变 控制模式。
说明书 :
技术领域
本发明涉及一种用于内燃发动机的控制设备。
背景技术
日本专利特许公开No.2007-16766(例如，参考第0047至0049段) 中所公开的可变气门机构是一种用于每个气缸具有两个进气门的内燃发 动机的可变气门机构。该可变气门机构能够在双气门可变控制状态与单气 门可变控制状态之间切换，在双气门可变控制状态下，两个进气门的操作 角都是连续可变的，在单气门可变控制状态下，一个进气门的操作角是连 续可变的而另一个进气门的操作角保持为大。在高负荷、高转速区域内， 该可变气门机构进入双气门可变控制状态并实施控制以将两个进气门设 定于大操作角。但是，在其它区域内，该可变气门机构进入单气门可变控 制状态并实施控制使得一个进气门的操作角小于另一进气门的操作角(例 如，参考第0069段以及图9)。
〖专利文献1〗日本专利特许公开No.2007-16766
〖专利文献1〗日本专利特许公开No.2007-16766
发明内容
本发明所要解决的问题
上述可变气门机构能够通过在单气门可变控制状态(以下将结果状态 称为“单气门小操作角状态”)中在两个进气门的操作角之间产生大的差 异的方式而在两个进气口的流率之间产生大的差异。因而，来自具有高流 率的进气口的流量超过来自另一进气口的流量，从而在气缸内产生涡流。 由此，可在稀薄燃烧或EGR(废气再循环)操作中增强涡流以改善燃烧。
但是，在单气门小操作角状态下，将一个进气门设定于大操作角。由 此，在节气门开度大时，大量空气流入气缸内。因此，当具有上述传统的 可变气门机构的内燃发动机处于极低负荷状态时，有必要通过减小节气门 开度来调节负荷。因而，泵气损失增大，进而减小了稀薄燃烧或EGR操 作的燃料效率提高的效果。
此外，在低负荷状态下不加区别地执行稀薄燃烧或EGR操作可能不 利地影响燃料效率、预热、排放、以及驱动性能等。
鉴于以上情况已完成本发明。本发明的目的在于提供一种用于内燃发 动机的控制设备，该控制设备能够提高该内燃发动机的燃料效率，该内燃 发动机具有能够在双气门可变控制状态与单气门小操作角状态之间切换 的进气可变气门机构，在双气门可变控制状态下，两个进气门的操作角都 是可变的，在单气门小操作角控制状态下，一个进气门的操作角小于另一 个进气门的操作角。
解决问题的方法
本发明的第一方面是一种用于内燃发动机的控制设备，包括：
内燃发动机，所述内燃发动机具有稀薄燃烧能力和/或外部EGR能力；
进气可变气门机构，所述进气可变气门机构能够在双气门可变控制状 态与单气门小操作角状态之间切换，在所述双气门可变控制状态下，为用 于所述内燃发动机的每个气缸设置的第一进气门和第二进气门的操作角 都是可变的，在所述单气门小操作角状态下，所述第二进气门的操作角小 于所述第一进气门的操作角；
运转区域设定装置，所述运转区域设定装置用于至少设定高负荷区域、 低负荷区域以及极低负荷区域作为用于所述内燃发动机的运转区域，在所 述低负荷区域中负荷比在所述高负荷区域中低，在所述极低负荷区域中负 荷比在所述低负荷区域中低；以及
运转模式控制装置，所述运转模式控制装置用于在所述高负荷区域或 所述极低负荷区域中使用化学计量双气门可变控制模式以在所述双气门 可变控制状态下提供处于理论空燃比的燃烧；并在所述低负荷区域中使用 稀薄单气门小操作角模式以在所述单气门小操作角状态下提供稀薄燃烧 或使用EGR单气门小操作角模式以在所述单气门小操作角状态下提供外 部EGR。
本发明的第二方面是一种根据第一方面的用于内燃发动机的控制设 备，进一步包括：
温度获取装置，所述温度获取装置用于检测或估算所述内燃发动机的 代表温度或者安装在所述内燃发动机的排气通路中的催化剂的代表温度；
其中，当所述代表温度低于预定温度时，所述运转模式控制装置在所 述低负荷区域中也使用所述化学计量双气门可变控制模式。
本发明的第三方面是一种根据第一方面的用于内燃发动机的控制设 备，进一步包括：
温度获取装置，所述温度获取装置用于检测或估算EGR气体温度或 进气温度；
其中，当所述EGR气体温度或所述进气温度高于预定温度时，所述 运转模式控制装置在所述低负荷区域中也使用所述化学计量双气门可变 控制模式。
发明的效果
本发明的第一方面在高负荷区域或极低负荷区域内使用化学计量双气 门可变控制模式以在双气门可变控制状态下提供处于理论空燃比的燃烧； 并在低负荷区域内使用稀薄单气门小操作角模式以在所述单气门小操作 角状态下提供稀薄燃烧或使用EGR单气门小操作角模式以在所述单气门 小操作角状态下提供EGR。在低负荷区域内，稀薄单气门小操作角模式和 EGR单气门小操作角模式经受的冷却损失比化学计量双气门可变控制模 式小。由此，前两种模式表现出的燃料消耗比后一种模式低。因此，通过 在低负荷区域内使用稀薄单气门小操作角模式和EGR单气门小操作角模 式可提高低负荷区域的燃料效率。另一方面，在极低负荷区域内，使用稀 薄单气门小操作角模式和EGR单气门小操作角模式需要节流，从而增大 泵气损失；因此，在化学计量双气门可变控制模式中，燃料消耗较低。由 此，通过在极低负荷区域内使用化学计量双气门可变控制模式可进一步提 高燃料效率。如上所述，本发明的第一方面使得能够根据运转区域来选择 最低燃料消耗运转模式。因此，可提高燃料效率。
本发明的第二方面在内燃发动机的代表温度或者安装在所述内燃发动 机的排气通路中的催化剂的代表温度低于预定温度的情况下，能够在低负 荷区域内也使用化学计量双气门可变控制模式。燃烧温度和排气温度在稀 薄单气门小操作角模式和EGR单气门小操作角模式中比在化学计量双气 门可变控制模式中低。因此，如果在内燃发动机和催化剂未充分预热的状 态下使用稀薄单气门小操作角模式或EGR单气门小操作角模式，则内燃 发动机和催化剂的预热可能延迟，进而不利地影响燃料效率、排放、驱动 性能等。本发明的第二方面能够完全避免这样的不利影响，因为其能够在 内燃发动机和催化剂未充分预热的状态下，在不切换至稀薄单气门小操作 角模式或EGR单气门小操作角模式的情况下使用化学计量双气门可变控 制模式。
本发明的第三方面在EGR气体温度或进气温度高于预定温度的情况 下，能够在低负荷区域内也使用化学计量双气门可变控制模式。如果在 EGR气体温度或进气温度高时使用EGR单气门小操作角模式或稀薄单气 门小操作角模式，则因为进气温度由于进气节流而升高，所以有可能发生 爆震。本发明的第三方面能够完全避免EGR爆震，因为其能够在EGR气 体温度或进气温度高时，在不切换至EGR单气门小操作角模式或稀薄单 气门小操作角模式的情况下使用化学计量双气门可变控制模式。
上述可变气门机构能够通过在单气门可变控制状态(以下将结果状态 称为“单气门小操作角状态”)中在两个进气门的操作角之间产生大的差 异的方式而在两个进气口的流率之间产生大的差异。因而，来自具有高流 率的进气口的流量超过来自另一进气口的流量，从而在气缸内产生涡流。 由此，可在稀薄燃烧或EGR(废气再循环)操作中增强涡流以改善燃烧。
但是，在单气门小操作角状态下，将一个进气门设定于大操作角。由 此，在节气门开度大时，大量空气流入气缸内。因此，当具有上述传统的 可变气门机构的内燃发动机处于极低负荷状态时，有必要通过减小节气门 开度来调节负荷。因而，泵气损失增大，进而减小了稀薄燃烧或EGR操 作的燃料效率提高的效果。
此外，在低负荷状态下不加区别地执行稀薄燃烧或EGR操作可能不 利地影响燃料效率、预热、排放、以及驱动性能等。
鉴于以上情况已完成本发明。本发明的目的在于提供一种用于内燃发 动机的控制设备，该控制设备能够提高该内燃发动机的燃料效率，该内燃 发动机具有能够在双气门可变控制状态与单气门小操作角状态之间切换 的进气可变气门机构，在双气门可变控制状态下，两个进气门的操作角都 是可变的，在单气门小操作角控制状态下，一个进气门的操作角小于另一 个进气门的操作角。
解决问题的方法
本发明的第一方面是一种用于内燃发动机的控制设备，包括：
内燃发动机，所述内燃发动机具有稀薄燃烧能力和/或外部EGR能力；
进气可变气门机构，所述进气可变气门机构能够在双气门可变控制状 态与单气门小操作角状态之间切换，在所述双气门可变控制状态下，为用 于所述内燃发动机的每个气缸设置的第一进气门和第二进气门的操作角 都是可变的，在所述单气门小操作角状态下，所述第二进气门的操作角小 于所述第一进气门的操作角；
运转区域设定装置，所述运转区域设定装置用于至少设定高负荷区域、 低负荷区域以及极低负荷区域作为用于所述内燃发动机的运转区域，在所 述低负荷区域中负荷比在所述高负荷区域中低，在所述极低负荷区域中负 荷比在所述低负荷区域中低；以及
运转模式控制装置，所述运转模式控制装置用于在所述高负荷区域或 所述极低负荷区域中使用化学计量双气门可变控制模式以在所述双气门 可变控制状态下提供处于理论空燃比的燃烧；并在所述低负荷区域中使用 稀薄单气门小操作角模式以在所述单气门小操作角状态下提供稀薄燃烧 或使用EGR单气门小操作角模式以在所述单气门小操作角状态下提供外 部EGR。
本发明的第二方面是一种根据第一方面的用于内燃发动机的控制设 备，进一步包括：
温度获取装置，所述温度获取装置用于检测或估算所述内燃发动机的 代表温度或者安装在所述内燃发动机的排气通路中的催化剂的代表温度；
其中，当所述代表温度低于预定温度时，所述运转模式控制装置在所 述低负荷区域中也使用所述化学计量双气门可变控制模式。
本发明的第三方面是一种根据第一方面的用于内燃发动机的控制设 备，进一步包括：
温度获取装置，所述温度获取装置用于检测或估算EGR气体温度或 进气温度；
其中，当所述EGR气体温度或所述进气温度高于预定温度时，所述 运转模式控制装置在所述低负荷区域中也使用所述化学计量双气门可变 控制模式。
发明的效果
本发明的第一方面在高负荷区域或极低负荷区域内使用化学计量双气 门可变控制模式以在双气门可变控制状态下提供处于理论空燃比的燃烧； 并在低负荷区域内使用稀薄单气门小操作角模式以在所述单气门小操作 角状态下提供稀薄燃烧或使用EGR单气门小操作角模式以在所述单气门 小操作角状态下提供EGR。在低负荷区域内，稀薄单气门小操作角模式和 EGR单气门小操作角模式经受的冷却损失比化学计量双气门可变控制模 式小。由此，前两种模式表现出的燃料消耗比后一种模式低。因此，通过 在低负荷区域内使用稀薄单气门小操作角模式和EGR单气门小操作角模 式可提高低负荷区域的燃料效率。另一方面，在极低负荷区域内，使用稀 薄单气门小操作角模式和EGR单气门小操作角模式需要节流，从而增大 泵气损失；因此，在化学计量双气门可变控制模式中，燃料消耗较低。由 此，通过在极低负荷区域内使用化学计量双气门可变控制模式可进一步提 高燃料效率。如上所述，本发明的第一方面使得能够根据运转区域来选择 最低燃料消耗运转模式。因此，可提高燃料效率。
本发明的第二方面在内燃发动机的代表温度或者安装在所述内燃发动 机的排气通路中的催化剂的代表温度低于预定温度的情况下，能够在低负 荷区域内也使用化学计量双气门可变控制模式。燃烧温度和排气温度在稀 薄单气门小操作角模式和EGR单气门小操作角模式中比在化学计量双气 门可变控制模式中低。因此，如果在内燃发动机和催化剂未充分预热的状 态下使用稀薄单气门小操作角模式或EGR单气门小操作角模式，则内燃 发动机和催化剂的预热可能延迟，进而不利地影响燃料效率、排放、驱动 性能等。本发明的第二方面能够完全避免这样的不利影响，因为其能够在 内燃发动机和催化剂未充分预热的状态下，在不切换至稀薄单气门小操作 角模式或EGR单气门小操作角模式的情况下使用化学计量双气门可变控 制模式。
本发明的第三方面在EGR气体温度或进气温度高于预定温度的情况 下，能够在低负荷区域内也使用化学计量双气门可变控制模式。如果在 EGR气体温度或进气温度高时使用EGR单气门小操作角模式或稀薄单气 门小操作角模式，则因为进气温度由于进气节流而升高，所以有可能发生 爆震。本发明的第三方面能够完全避免EGR爆震，因为其能够在EGR气 体温度或进气温度高时，在不切换至EGR单气门小操作角模式或稀薄单 气门小操作角模式的情况下使用化学计量双气门可变控制模式。
附图说明
图1示出了根据本发明的第一实施方式的系统的构造；
图2是示出根据本发明的第一实施方式的内燃发动机的运转区域与运 转模式之间的关系的图；
图3示出了扭矩、燃料消耗率(SFC)以及进气管压力之间的关系；
图4是图示由本发明的第一实施方式所执行的程序的流程图；
图5是示出根据本发明的第二实施方式的内燃发动机的运转区域与运 转模式之间的关系的图；
图6是图示由本发明的第二实施方式所执行的程序的流程图；
图7是示出根据本发明的第三实施方式的内燃发动机的运转区域与运 转模式之间的关系的图；
图8示出了在稀薄单气门小操作角模式和化学计量双气门可变控制模 式中的排气温度；
图9是图示由本发明的第三实施方式所执行的程序的流程图；
图10是示出根据本发明的第四实施方式的内燃发动机的运转区域与 运转模式之间的关系的图；
图11是图示由本发明的第四实施方式所执行的程序的流程图；
图12是示出根据本发明的第五实施方式的内燃发动机的运转区域与 运转模式之间的关系的图；以及
图13是图示由本发明的第五实施方式所执行的程序的流程图。
图2是示出根据本发明的第一实施方式的内燃发动机的运转区域与运 转模式之间的关系的图；
图3示出了扭矩、燃料消耗率(SFC)以及进气管压力之间的关系；
图4是图示由本发明的第一实施方式所执行的程序的流程图；
图5是示出根据本发明的第二实施方式的内燃发动机的运转区域与运 转模式之间的关系的图；
图6是图示由本发明的第二实施方式所执行的程序的流程图；
图7是示出根据本发明的第三实施方式的内燃发动机的运转区域与运 转模式之间的关系的图；
图8示出了在稀薄单气门小操作角模式和化学计量双气门可变控制模 式中的排气温度；
图9是图示由本发明的第三实施方式所执行的程序的流程图；
图10是示出根据本发明的第四实施方式的内燃发动机的运转区域与 运转模式之间的关系的图；
图11是图示由本发明的第四实施方式所执行的程序的流程图；
图12是示出根据本发明的第五实施方式的内燃发动机的运转区域与 运转模式之间的关系的图；以及
图13是图示由本发明的第五实施方式所执行的程序的流程图。
具体实施方式
第一实施方式
〖系统构造的描述〗
图1示出了根据本发明的第一实施方式的系统的构造。如图1所示， 根据本发明的第一实施方式的系统包括安装作为例如车辆动力源的火花 点火式内燃发动机10。内燃发动机10内的气缸数目和气缸的布置未具体 限定。
内燃发动机10中的每个气缸具有活塞12、进气门14、排气门16、火 花塞18以及燃料喷射器22，该燃料喷射器22将燃料直接喷射至气缸内(至 燃烧室内)。
内燃发动机10是稀薄燃烧发动机。更具体地，内燃发动机10能够在 化学计量空燃比燃烧模式与稀薄燃烧模式之间切换，化学计量空燃比燃烧 模式实施控制使得缸内空燃比接近于化学计量空燃比，稀薄燃烧模式提供 比化学计量空燃比稀的缸内空燃比。
根据本发明的内燃发动机10不局限于图中所示的直接喷射发动机。可 替代地，内燃发动机10可以是将燃料喷射至进气口内的进气口喷射发动 机、或者既设置了直接喷射发动机又设置了进气口喷射的发动机。
内燃发动机10的每个气缸具有两个进气门14。如果在随后的说明中 需要将两个进气门14彼此区分，则将它们分别称为第一进气门14a和第二 进气门14b。
内燃发动机10包括改变进气门14的气门开启特性的进气可变气门机 构24。进气可变气门机构24能够在双气门可变控制状态与单气门可变控 制状态之间切换，在双气门可变控制状态下，第一进气门14a和第二进气 门14b的操作角能够同时并连续地改变，在单气门可变控制状态下，第二 进气门14b的操作角能够连续地改变而第一进气门14a的操作角保持为 大。实现以上功能的进气可变气门机构24的机构未具体限定。可将各种已 知机构(例如，在日本专利特许公开No.2007-16766中所公开的机构)用 作为进气可变气门机构24。因此，本文省略了进气可变气门机构24的详 细描述。
图中所示的内燃发动机10还包括改变排气门16的气门开启特性的排 气可变气门机构26。但是，在本发明中，排气门16的气门开启特性可以 是不变的。
根据本实施方式的内燃发动机10包括涡轮增压器28。涡轮增压器28 包括进气压缩机28a和排气涡轮28b。进气压缩机28a设置于进气通路30 的中部。排气涡轮28b设置在排气通路32的中部。
用于检测进气量的空气流量计34安装在设置于进气压缩机28a上游的 进气通路30中。用于对由进气压缩机28a压缩的进气进行冷却的中冷器 36安装在进气压缩机28a的下游。用于检测进气温度的进气温度传感器38 安装在中冷器36的下游。电子控制节气门40安装在进气温度传感器38 的下游。用于检测节气门40的开度的节气门位置传感器42安装在节气门 40的附近。
内燃发动机10还包括EGR通路44，EGR通路44通过促使排气通路 32中的部分排气流回至进气通路30来提供所谓的外部EGR(排气再循 环)。EGR通路44具有用于冷却EGR气体的EGR冷却器45、用于控制 EGR气体量(EGR速率)的EGR阀46、以及用于对已经过EGR冷却器 46的EGR气体的温度进行检测的EGR气体温度传感器47。
用于净化排气的催化剂48安装在排气通路32中。催化剂温度传感器 49安装在催化剂48中以检测催化剂48的催化剂床温度。
根据本实施方式的系统进一步包括ECU(电子控制单元)50、用于检 测加速器踏板的位置的加速器位置传感器52、用于检测内燃发动机10的 曲柄转角的曲柄转角传感器54、以及用于检测内燃发动机10的冷却水温 度的水温传感器56。ECU 50电连接至诸如进气温度传感器38、EGR气 体温度传感器47、催化剂温度传感器49、以及水温传感器56这样的各种 传感器，并电连接至诸如火花塞18、燃料喷射器22、进气可变气门机构 24、节气门40、以及EGR阀46这样的各种致动器。根据从传感器馈送的 信号，ECU 50通过调节致动器的操作来控制内燃发动机10。
〖第一实施方式的特征〗
当以处于单气门可变控制状态的进气可变气门机构24来减小第二进 气门14b的操作角时，将第一进气门14a设定于大操作角而且将第二进气 门14b设定于小操作角。由此，第一进气门14a和第二进气门14b的操作 角不同。以下将这种状态称为“单气门小操作角状态”。在单气门小操作 角状态下，设置成朝向第一进气门14a的进气口具有高流率，而设置成朝 向第二进气门14b的进气口具有低流率。由此，来自设置成朝向第一进气 门14a的进气口的流量超过来自设置成朝向第二进气门14b的进气口的流 量，从而在气缸内产生强劲的涡流。
根据本实施方式的内燃发动机10能够选择性地进入以下运转模式： 即，用于以置于双气门可变控制状态的进气可变气门机构24来执行在化学 计量空燃比的燃烧操作的运转模式(以下称为“化学计量双气门可变控制 模式”)；用于以置于单气门小操作角状态的进气可变气门机构24来执行稀 薄燃烧操作的运转模式(以下称为“稀薄单气门小操作角模式”)；以及用 于以置于单气门小操作角状态的进气可变气门机构24来执行外部EGR操 作的运转模式(以下称为“EGR单气门小操作角模式”)。
通常，执行稀薄燃烧或外部EGR操作易于导致燃烧劣化，这会降低 燃烧速度并使燃烧过程不稳定。涡流实现改进以使燃烧劣化的程度最小 化。在稀薄单气门小操作角模式或EGR单气门小操作角模式中，内燃发 动机10产生强劲的涡流以提供优良的燃烧状态。
在化学计量双气门可变控制模式中，内燃发动机10还能够通过改变两 个进气门14的操作角来调节吸入气缸中的空气量。因此，不必使用节气门 40来调节负荷(扭矩)。这使得能够维持节气门40的大开度，即使当负荷 低时也如此。因此，能够减小泵气损失。
在化学计量双气门可变控制模式中，是否执行外部EGR操作无关紧 要。EGR单气门小操作角模式能够比化学计量双气门可变控制模式引入更 大量的外部EGR，因为前一模式通过如上所述产生强劲的涡流实现了燃烧 的改进。
假设上述第一实施方式以及稍后将描述的第二和第三实施方式在化学 计量双气门可变控制模式与稀薄单气门小操作角模式之间切换。但是，本 发明还可应用于在化学计量双气门可变控制模式与EGR单气门小操作角 模式之间实施切换的情况。
图2是示出根据本实施方式的内燃发动机10的运转区域与运转模式之 间的关系的图。本实施方式假设内燃发动机10的运转区域被划分成高负荷 区域、低负荷区域、以及极低负荷区域。图2使用T1和T2(T1＞T2)作 为阈值，而且将扭矩不低于T1的区域限定为高负荷区域；将扭矩低于T1 但不低于T2的区域限定为低负荷区域；并将扭矩低于T2的区域限定为极 低负荷区域。此外，如图2所示，本实施方式在高负荷区域和极低负荷区 域内使用化学计量双气门可变控制模式，而在低负荷区域内使用稀薄单气 门小操作角模式。
在化学计量双气门可变控制模式中，通过如之前所述改变两个进气门 14的操作角来调节负荷(扭矩)。因此，在高负荷区域内，将两个进气门 14都设定于大操作角以便根据负荷获取大量空气。另一方面，在极低负荷 区域内，将两个进气门都设定于小操作角以便根据负荷仅获取少量空气。
图3中的上部图示出了在高负荷区域和极低负荷区域内的扭矩与燃料 消耗率(SFC)之间的关系。在扭矩不低于T1的高负荷区域内，本实施 方式使用化学计量双气门可变控制模式，因为本实施方式难以在稀薄单气 门小操作角模式中提供扭矩。
另一方面，在扭矩低于T1的低负荷区域内，稀薄单气门小操作角模 式和化学计量双气门可变控制模式两者都可被执行。但是，如图3中的上 部图所示，相比化学计量双气门可变控制模式，稀薄单气门小操作角模式 在扭矩低于T1的低负荷区域内表现出较低的燃料消耗率。一个原因是稀 薄单气门小操作角模式经受的冷却损失比化学计量双气门可变控制模式 少。由此，如之前所提到的，本实施方式在扭矩低于T1的低负荷区域内 使用稀薄单气门小操作角模式。这使得能够提高燃料效率。
但是，在扭矩更低的区域内，这两种模式之间的燃料消耗率关系颠倒。 更具体地，如在图中的椭圆形内所表明，相比稀薄单气门小操作角模式， 化学计量双气门可变控制模式表现出较低的燃料消耗率。原因如下所述。
图3中的下部图示出了扭矩与进气管压力之间的关系。在能够如之前 所述通过改变两个进气门14的操作角来调节扭矩的化学计量双气门可变 控制模式中，可将节气门40的开度保持为大开度，即使在扭矩低的区域内 也如此。因此，如图3中的下部图所示，化学计量双气门可变控制模式能 够维持高的进气管压力，即使在扭矩低的区域内也如此。
另一方面，在稀薄单气门小操作角模式中，将一个进气门14(第一进 气门14a)设定于大操作角。因此，在扭矩低的区域内，有必要通过减小 节气门40的开度来限制吸入气缸中的空气量。因此，当扭矩减小时，有必 要减小节气门的开度。因此，如图3中的下部图所示，当扭矩减小时，进 气管压力也减小(压力负增长)。
因此，在稀薄单气门小操作角模式中，燃料消耗率在扭矩减小时增大， 进而增加泵气损失。因此，如图3中的上部图所示，当扭矩低于特定值(T2) 时，相比化学计量双气门可变控制模式，稀薄单气门小操作角模式表现出 较高的燃料消耗率。在这种情况下，本实施方式在扭矩低于T2的极低负 荷区域内使用化学计量双气门可变控制模式，如之前所述。
如上所述，本实施方式能够根据如图2所示的运转区域来改变内燃发 动机10的运转模式，以选择燃料消耗率最小化的运转模式。这使得能够提 高内燃发动机10的燃料效率。
〖由第一实施方式所执行的过程的细节〗
图4是根据本实施方式的ECU 50所执行以实现上述功能的程序的流 程图。首先，图4所示程序执行步骤100以根据例如来自加速器位置传感 器52的信号来计算负荷(例如，请求扭矩)T，并判断负荷T是否低于预 定的高负荷阈值T1。
如果在步骤100中获得的判断结果表明负荷T不低于高负荷阈值T1 (负荷T等于或高于高负荷阈值T1)，则可推定处于高负荷区域。在这种 情况下，随后执行步骤102以进行化学计量双气门可变控制模式中的操作。 在步骤102中，根据负荷T实施控制使得两个进气门14的操作角都为大。
另一方面，如果在步骤100中获得的判断结果表明负荷T低于高负荷 阈值T1，则执行步骤104以判断负荷T是否低于低负荷阈值T2。如果在 步骤104中获得的判断结果表明负荷T不低于低负荷阈值T2(负荷T等 于或高于低负荷阈值T2)，则可推定处于低负荷区域。在这种情况下，随 后执行步骤106以进行稀薄单气门小操作角模式中的操作。在步骤106中， 根据负荷T控制节气门40的开度。
另一方面，如果在步骤104中获得的判断结果表明负荷T低于低负荷 阈值T2，则可推定处于极低负荷区域。在这种情况下，随后执行步骤108 以进行化学计量双气门可变控制模式中的操作。在步骤108中，根据负荷 T实施控制使得两个进气门14的操作角都为小。
如上所述，本实施方式能够在极低负荷区域内使用化学计量双气门可 变控制模式，在极低负荷区域内，相比稀薄单气门小操作角模式，化学计 量双气门可变控制模式表现出较低的燃料消耗率。因此，既能在低负荷区 域内也能在极低负荷区域内选择使燃料消耗率最小化的运转模式。这使得 能够提供优良的燃料效率。
如图2所示，本实施方式假设高负荷阈值T1和低负荷阈值T2是不变 的，而不考虑发动机转速。但是，本发明可使用例如发动机转速的函数作 为高负荷阈值T1和低负荷阈值T2。
此外，本实施方式能够选择内燃发动机10的三种不同的运转模式中的 一种，或者更具体地，选择化学计量双气门可变控制模式、稀薄单气门小 操作角模式、或者EGR单气门小操作角模式。但是，本发明还可应用于 能够在两种不同的运转模式之间切换——即，在稀薄单气门小操作角模式 或EGR单气门小操作角模式与化学计量双气门可变控制模式之间切换— —的发动机；或者应用于能够切换至以上三种不同的运转模式以及另外的 运转模式的发动机。
此外，根据以上已描述的第一实施方式以及稍后将描述的第二和第三 实施方式的内燃发动机可以不总是包括外部EGR设备。
在以上已描述的第一实施方式中，当ECU 50执行图4所示程序时， 实现根据本发明的第一方面的“运转区域设定装置”和“运转模式控制装 置”。
第二实施方式
现在将参考图5和图6来描述本发明的第二实施方式。但是，将主要 描述第二实施方式与之前已描述的第一实施方式之间的区别，而简要描述 这两个实施方式共有的内容或略过这种内容的描述。当使用图1所示的系 统以使ECU 50执行图6所示程序时，可实现第二实施方式。
〖第二实施方式的特征〗
图5是示出根据本实施方式的内燃发动机10的运转区域与运转模式之 间的关系的图。之前已描述的第一实施方式在低负荷区域内使用稀薄单气 门小操作角模式。另一方面，如图5所示，第二实施方式在低负荷区域内 根据发动机冷却水温度在稀薄单气门小操作角模式与化学计量双气门可 变控制模式之间进行选择。
在相比化学计量双气门可变控制模式而言提供较低的燃烧温度的稀薄 单气门小操作角模式中，少量热从燃烧室传递至发动机冷却水等。因此， 如果在内燃发动机10未充分预热时使用稀薄单气门小操作角模式，则预热 延迟，进而增大冷却损失和摩擦引起的机械损失。这会不利地影响燃料效 率。此外，如果在未充分进行预热时使用稀薄单气门小操作角模式，则有 可能由于点火性能劣化而出现燃烧劣化，从而对驱动性能施加有害影响。
在以上情况下，本实施方式在内燃发动机10预热至一定程度之前，在 不切换至稀薄单气门小操作角模式的情况下使用化学计量双气门可变控 制模式而无论是否处于低负荷区域。
〖由第二实施方式所执行的过程的细节〗
图6是示出根据本实施方式的ECU 50所执行以实现上述功能的程序 的流程图。关于图6中的与图2中的步骤相同的步骤，在标记相同的参考 数字的情况下省略或删节其描述。
如果在步骤104中获得的判断结果表明负荷T不低于低负荷阈值T2， 即，处于低负荷区域内，则图6所示程序执行步骤110以将由水温传感器 56检测到的发动机冷却水温度Tw与预定的发动机水温阈值Tw1进行比 较。
如果在步骤110中获得的比较结果表明当前的水温Tw不低于阈值 Tw1，则可推定内燃发动机10被预热至进入不产生不利影响的稀薄单气门 小操作角模式的程度。在这种情况下，随后执行步骤106以进行稀薄单气 门小操作角模式中的操作。
另一方面，如果在步骤110中获得的比较结果表明当前的水温Tw低 于阈值Tw1，则可推定内燃发动机10未被充分预热至允许进入稀薄单气 门小操作角模式。在这种情况下，随后执行步骤108以进行化学计量双气 门可变控制模式中的操作。
以上已描述的第二实施方式使用发动机冷却水温度作为用于判断内燃 发动机预热程度的代表温度。但是，除发动机冷却水温度之外的温度也可 用于判断目的，只要该温度用作为用于确定预热程度的指标即可。
在以上已描述的第二实施方式中，水温传感器56相当于根据本发明的 第二方面的“温度获取装置”。此外，当ECU 50执行图6所示程序时，实 现根据本发明的第二方面的“运转模式控制装置”。
第三实施方式
现在将参考图7至图9来描述本发明的第三实施方式。但是，将主要 描述第三实施方式与之前所描述的实施方式之间的区别，而简要描述这些 实施方式共有的内容或略过这种内容的描述。当使用图1所示的系统以使 ECU 50执行图9所示程序时可实现第三实施方式。
〖第三实施方式的特征〗
图7是示出根据本实施方式的内燃发动机10的运转区域与运转模式之 间的关系的图。如图7所示，在低负荷区域内，本实施方式根据催化剂床 温度选择稀薄单气门小操作角模式或化学计量双气门可变控制模式。
图8示出了在稀薄单气门小操作角模式和化学计量双气门可变控制模 式中的排气温度。在其中的燃烧温度比在化学计量双气门可变控制模式中 低的稀薄单气门小操作角模式中，如图8所示，排气温度也比在化学计量 双气门可变控制模式中低。因此，如果当催化剂48未充分预热时使用稀薄 单气门小操作角模式，则催化剂48的预热将延迟，进而不利地影响排放。
在以上情况下，本实施方式在催化剂床温度升高至一定水平之前，在 不切换至稀薄单气门小操作角模式的情况下使用化学计量双气门可变控 制模式而无论是否处于低负荷区域。
〖由第三实施方式所执行的过程的细节〗
图9是示出由根据本实施方式的ECU 50所执行以实现上述功能的程 序的流程图。关于图9中的与图2中的步骤相同的步骤，在标记相同的参 考数字的情况下省略或删节其描述。
如果在步骤104中获得的判断结果表明负荷T不低于低负荷阈值T2， 即，处于低负荷区域内，则图9所示程序执行步骤112以将由催化剂温度 传感器49检测到的催化剂床温度Tc与预定的催化剂床温度阈值Tc1进行 比较。
如果在步骤112中获得的比较结果表明当前的催化剂床温度Tc不低于 催化剂床温度阈值Tc1，则可推定因为催化剂48已被充分预热，所以稀薄 单气门小操作角模式的使用不会不利地影响排放。在这种情况下，随后执 行步骤106以进行稀薄单气门小操作角模式中的操作。
另一方面，如果在步骤112中获得的比较结果表明当前的催化剂床温 度Tc低于催化剂床温度阈值Tc1，则可推定催化剂48未被充分预热。在 这种情况下，随后执行步骤108以进行化学计量双气门可变控制模式中的 操作。
以上已描述的第三实施方式以催化剂温度传感器49直接检测催化剂 床温度Tc。但是，可替代地，可根据例如内燃发动机10的工作条件历史 或排气温度来估算催化剂床温度Tc(代表性催化剂温度)。
在以上已描述的第三实施方式中，催化剂温度传感器49相当于根据本 发明的第二方面的“温度获取装置”。此外，当ECU 50执行图9所示程序 时，实现根据本发明的第二方面的“运转模式控制装置”。
第四实施方式
现在将参考图10和图11来描述本发明的第四实施方式。但是，将主 要描述第四实施方式与之前所描述的实施方式之间的区别，而简要描述这 些实施方式共有的内容或略过这种内容的描述。当使用图1所示的系统以 使ECU 50执行图11所示程序时可实现第四实施方式。
〖第四实施方式的特征〗
图10是示出根据本实施方式的内燃发动机10的运转区域与运转模式 之间的关系的图。如图10所示，本实施方式在扭矩不低于T1的高负荷区 域内以及在扭矩低于T2的极低负荷区域内进行化学计量双气门可变控制 模式中的操作。但是，在扭矩不低于T2但是低于T1的低负荷区域内，本 实施方式根据EGR气体温度来选择EGR单气门小操作角模式或化学计量 双气门可变控制模式。
如果在EGR单气门小操作角模式中，通过EGR通路44流回至进气 通路30的EGR气体具有高温(例如，高转速区域)，则可能由于高的压 缩终点温度而发生爆震(EGR爆震)。如果发生爆震，则实施控制以通过 延迟点火正时来避免爆震。因而，点火正时变为远离MBT(用于最佳扭 矩的最小提前)正时，从而导致燃料效率降低。
在以上情况下，如果EGR气体温度超过一定点，则本实施方式在不 切换至EGR单气门小操作角模式的情况下使用化学计量双气门可变控制 模式而无论是否处于低负荷区域。在相比EGR单气门小操作角模式而言 由节气门40提供较低程度的进气节流的化学计量双气门可变控制模式中， 可避免进气温度的增加。因此，可降低压缩终点温度。这使得能够完全阻 止EGR爆震的发生，即使在提供外部EGR时也如此。
〖由第四实施方式所执行的过程的细节〗
图11是示出由根据本实施方式的ECU 50所执行以实现上述功能的程 序的流程图。关于图11中的与图2中的步骤相同的步骤，在标记相同的参 考数字的情况下省略或删节其描述。
如果在步骤104中获得的判断结果表明负荷T不低于低负荷阈值T2， 即，处于低负荷区域内，则图11所示程序执行步骤114以将由EGR气体 温度传感器47检测到的EGR气体温度Tg与预定的EGR气体温度阈值 Tg1进行比较。
如果在步骤114中获得的比较结果表明当前的EGR气体温度Tg不高 于EGR气体温度阈值Tg1，则可推定EGR单气门小操作角模式的使用不 易于引起爆震或降低燃料效率。在这种情况下，随后执行步骤116以进行 EGR单气门小操作角模式中的操作。
另一方面，如果在步骤114中获得的比较结果表明当前的EGR气体温 度Tg高于EGR气体温度阈值Tg1，则可推定优选化学计量双气门可变控 制模式，因为EGR单气门小操作角模式易于引起爆震。在这种情况下， 随后执行步骤108以进行化学计量双气门可变控制模式中的操作。
以上已描述的第四实施方式以EGR气体温度传感器47直接检测EGR 气体温度Tg。但是，可替代地，可根据例如内燃发动机10的工作条件历 史来估算EGR气体温度Tg。
在以上已描述的第四实施方式中，EGR气体温度传感器47相当于根 据本发明的第三方面的“温度获取装置”。此外，当ECU 50执行图11所 示程序时，实现根据本发明的第三方面的“运转模式控制装置”。
第五实施方式
现在将参考图12和图13来描述本发明的第五实施方式。但是，将主 要描述第五实施方式与之前所描述的实施方式之间的区别，而简要描述这 些实施方式共有的内容或略过这种内容的描述。当使用图1所示的系统以 使ECU 50执行图13所示程序时可实现第五实施方式。
〖第五实施方式的特征〗
图12是示出根据本实施方式的内燃发动机10的运转区域与运转模式 之间的关系的图。如图12所示，本实施方式在扭矩不低于T1的高负荷区 域内以及在扭矩低于T2的极低负荷区域内进行化学计量双气门可变控制 模式中的操作。但是，在扭矩不低于T2但是低于T1的低负荷区域内，本 实施方式根据进气温度来选择EGR单气门小操作角模式或化学计量双气 门可变控制模式。
如果在EGR单气门小操作角模式中进气温度高(例如，由于车辆速 度低且中冷器36中的空气运动无力)，则压缩终点温度高使得有可能发生 爆震(EGR爆震)。在这种情况下，如果进气温度超过一定点，则本实施 方式在不切换至EGR单气门小操作角模式的情况下使用化学计量双气门 可变控制模式而无论是否处于低负荷区域。在相比EGR单气门小操作角 模式而言提供用于小操作角侧的较小量的气门升程并能够相应地减小进 气节流的程度的化学计量双气门可变控制模式中，可防止进气温度因为与 气门的摩擦而升高。因此，可降低压缩终点温度。这使得能够完全阻止EGR 爆震的发生，即使在提供外部EGR时也如此。
〖由第五实施方式所执行的过程的细节〗
图13是示出由根据本实施方式的ECU 50所执行以实现上述功能的程 序的流程图。关于图13中的与图2中的步骤相同的步骤，在标记相同的参 考数字的情况下省略或删节其描述。
如果在步骤104中获得的判断结果表明负荷T不低于低负荷阈值T2， 即，处于低负荷区域内，则图13所示程序执行步骤118以将由进气温度传 感器38检测到的进气温度Tin与预定的进气温度阈值Tin1进行比较。
如果在步骤118中获得的比较结果表明当前的进气温度Tin不高于进 气温度阈值Tin1，则可推定EGR单气门小操作角模式的使用不易于引起 爆震或降低燃料效率。在这种情况下，随后执行步骤116以进行EGR单 气门小操作角模式中的操作。
另一方面，如果在步骤118中获得的比较结果表明当前的进气温度Tin 高于进气温度阈值Tin1，则可推定优选化学计量双气门可变控制模式，因 为EGR单气门小操作角模式易于引起爆震。在这种情况下，随后执行步 骤108以进行化学计量双气门可变控制模式中的操作。
在以上已描述的第五实施方式中，进气温度传感器38相当于根据本发 明的第三方面的“温度获取装置”。此外，当ECU 50执行图13所示程序 时，实现根据本发明的第三方面的“运转模式控制装置”。
在低负荷状态下，本实施方式根据进气温度Tin来选择EGR单气门 小操作角模式或化学计量双气门可变控制模式。但是，在具有中冷器36 的增压发动机中，如之前提到的，进气温度Tin与车辆速度相互关联。因 此，在低负荷状态下，本实施方式可以根据车辆速度来在EGR单气门小 操作角模式与化学计量双气门可变控制模式之间进行选择。
〖系统构造的描述〗
图1示出了根据本发明的第一实施方式的系统的构造。如图1所示， 根据本发明的第一实施方式的系统包括安装作为例如车辆动力源的火花 点火式内燃发动机10。内燃发动机10内的气缸数目和气缸的布置未具体 限定。
内燃发动机10中的每个气缸具有活塞12、进气门14、排气门16、火 花塞18以及燃料喷射器22，该燃料喷射器22将燃料直接喷射至气缸内(至 燃烧室内)。
内燃发动机10是稀薄燃烧发动机。更具体地，内燃发动机10能够在 化学计量空燃比燃烧模式与稀薄燃烧模式之间切换，化学计量空燃比燃烧 模式实施控制使得缸内空燃比接近于化学计量空燃比，稀薄燃烧模式提供 比化学计量空燃比稀的缸内空燃比。
根据本发明的内燃发动机10不局限于图中所示的直接喷射发动机。可 替代地，内燃发动机10可以是将燃料喷射至进气口内的进气口喷射发动 机、或者既设置了直接喷射发动机又设置了进气口喷射的发动机。
内燃发动机10的每个气缸具有两个进气门14。如果在随后的说明中 需要将两个进气门14彼此区分，则将它们分别称为第一进气门14a和第二 进气门14b。
内燃发动机10包括改变进气门14的气门开启特性的进气可变气门机 构24。进气可变气门机构24能够在双气门可变控制状态与单气门可变控 制状态之间切换，在双气门可变控制状态下，第一进气门14a和第二进气 门14b的操作角能够同时并连续地改变，在单气门可变控制状态下，第二 进气门14b的操作角能够连续地改变而第一进气门14a的操作角保持为 大。实现以上功能的进气可变气门机构24的机构未具体限定。可将各种已 知机构(例如，在日本专利特许公开No.2007-16766中所公开的机构)用 作为进气可变气门机构24。因此，本文省略了进气可变气门机构24的详 细描述。
图中所示的内燃发动机10还包括改变排气门16的气门开启特性的排 气可变气门机构26。但是，在本发明中，排气门16的气门开启特性可以 是不变的。
根据本实施方式的内燃发动机10包括涡轮增压器28。涡轮增压器28 包括进气压缩机28a和排气涡轮28b。进气压缩机28a设置于进气通路30 的中部。排气涡轮28b设置在排气通路32的中部。
用于检测进气量的空气流量计34安装在设置于进气压缩机28a上游的 进气通路30中。用于对由进气压缩机28a压缩的进气进行冷却的中冷器 36安装在进气压缩机28a的下游。用于检测进气温度的进气温度传感器38 安装在中冷器36的下游。电子控制节气门40安装在进气温度传感器38 的下游。用于检测节气门40的开度的节气门位置传感器42安装在节气门 40的附近。
内燃发动机10还包括EGR通路44，EGR通路44通过促使排气通路 32中的部分排气流回至进气通路30来提供所谓的外部EGR(排气再循 环)。EGR通路44具有用于冷却EGR气体的EGR冷却器45、用于控制 EGR气体量(EGR速率)的EGR阀46、以及用于对已经过EGR冷却器 46的EGR气体的温度进行检测的EGR气体温度传感器47。
用于净化排气的催化剂48安装在排气通路32中。催化剂温度传感器 49安装在催化剂48中以检测催化剂48的催化剂床温度。
根据本实施方式的系统进一步包括ECU(电子控制单元)50、用于检 测加速器踏板的位置的加速器位置传感器52、用于检测内燃发动机10的 曲柄转角的曲柄转角传感器54、以及用于检测内燃发动机10的冷却水温 度的水温传感器56。ECU 50电连接至诸如进气温度传感器38、EGR气 体温度传感器47、催化剂温度传感器49、以及水温传感器56这样的各种 传感器，并电连接至诸如火花塞18、燃料喷射器22、进气可变气门机构 24、节气门40、以及EGR阀46这样的各种致动器。根据从传感器馈送的 信号，ECU 50通过调节致动器的操作来控制内燃发动机10。
〖第一实施方式的特征〗
当以处于单气门可变控制状态的进气可变气门机构24来减小第二进 气门14b的操作角时，将第一进气门14a设定于大操作角而且将第二进气 门14b设定于小操作角。由此，第一进气门14a和第二进气门14b的操作 角不同。以下将这种状态称为“单气门小操作角状态”。在单气门小操作 角状态下，设置成朝向第一进气门14a的进气口具有高流率，而设置成朝 向第二进气门14b的进气口具有低流率。由此，来自设置成朝向第一进气 门14a的进气口的流量超过来自设置成朝向第二进气门14b的进气口的流 量，从而在气缸内产生强劲的涡流。
根据本实施方式的内燃发动机10能够选择性地进入以下运转模式： 即，用于以置于双气门可变控制状态的进气可变气门机构24来执行在化学 计量空燃比的燃烧操作的运转模式(以下称为“化学计量双气门可变控制 模式”)；用于以置于单气门小操作角状态的进气可变气门机构24来执行稀 薄燃烧操作的运转模式(以下称为“稀薄单气门小操作角模式”)；以及用 于以置于单气门小操作角状态的进气可变气门机构24来执行外部EGR操 作的运转模式(以下称为“EGR单气门小操作角模式”)。
通常，执行稀薄燃烧或外部EGR操作易于导致燃烧劣化，这会降低 燃烧速度并使燃烧过程不稳定。涡流实现改进以使燃烧劣化的程度最小 化。在稀薄单气门小操作角模式或EGR单气门小操作角模式中，内燃发 动机10产生强劲的涡流以提供优良的燃烧状态。
在化学计量双气门可变控制模式中，内燃发动机10还能够通过改变两 个进气门14的操作角来调节吸入气缸中的空气量。因此，不必使用节气门 40来调节负荷(扭矩)。这使得能够维持节气门40的大开度，即使当负荷 低时也如此。因此，能够减小泵气损失。
在化学计量双气门可变控制模式中，是否执行外部EGR操作无关紧 要。EGR单气门小操作角模式能够比化学计量双气门可变控制模式引入更 大量的外部EGR，因为前一模式通过如上所述产生强劲的涡流实现了燃烧 的改进。
假设上述第一实施方式以及稍后将描述的第二和第三实施方式在化学 计量双气门可变控制模式与稀薄单气门小操作角模式之间切换。但是，本 发明还可应用于在化学计量双气门可变控制模式与EGR单气门小操作角 模式之间实施切换的情况。
图2是示出根据本实施方式的内燃发动机10的运转区域与运转模式之 间的关系的图。本实施方式假设内燃发动机10的运转区域被划分成高负荷 区域、低负荷区域、以及极低负荷区域。图2使用T1和T2(T1＞T2)作 为阈值，而且将扭矩不低于T1的区域限定为高负荷区域；将扭矩低于T1 但不低于T2的区域限定为低负荷区域；并将扭矩低于T2的区域限定为极 低负荷区域。此外，如图2所示，本实施方式在高负荷区域和极低负荷区 域内使用化学计量双气门可变控制模式，而在低负荷区域内使用稀薄单气 门小操作角模式。
在化学计量双气门可变控制模式中，通过如之前所述改变两个进气门 14的操作角来调节负荷(扭矩)。因此，在高负荷区域内，将两个进气门 14都设定于大操作角以便根据负荷获取大量空气。另一方面，在极低负荷 区域内，将两个进气门都设定于小操作角以便根据负荷仅获取少量空气。
图3中的上部图示出了在高负荷区域和极低负荷区域内的扭矩与燃料 消耗率(SFC)之间的关系。在扭矩不低于T1的高负荷区域内，本实施 方式使用化学计量双气门可变控制模式，因为本实施方式难以在稀薄单气 门小操作角模式中提供扭矩。
另一方面，在扭矩低于T1的低负荷区域内，稀薄单气门小操作角模 式和化学计量双气门可变控制模式两者都可被执行。但是，如图3中的上 部图所示，相比化学计量双气门可变控制模式，稀薄单气门小操作角模式 在扭矩低于T1的低负荷区域内表现出较低的燃料消耗率。一个原因是稀 薄单气门小操作角模式经受的冷却损失比化学计量双气门可变控制模式 少。由此，如之前所提到的，本实施方式在扭矩低于T1的低负荷区域内 使用稀薄单气门小操作角模式。这使得能够提高燃料效率。
但是，在扭矩更低的区域内，这两种模式之间的燃料消耗率关系颠倒。 更具体地，如在图中的椭圆形内所表明，相比稀薄单气门小操作角模式， 化学计量双气门可变控制模式表现出较低的燃料消耗率。原因如下所述。
图3中的下部图示出了扭矩与进气管压力之间的关系。在能够如之前 所述通过改变两个进气门14的操作角来调节扭矩的化学计量双气门可变 控制模式中，可将节气门40的开度保持为大开度，即使在扭矩低的区域内 也如此。因此，如图3中的下部图所示，化学计量双气门可变控制模式能 够维持高的进气管压力，即使在扭矩低的区域内也如此。
另一方面，在稀薄单气门小操作角模式中，将一个进气门14(第一进 气门14a)设定于大操作角。因此，在扭矩低的区域内，有必要通过减小 节气门40的开度来限制吸入气缸中的空气量。因此，当扭矩减小时，有必 要减小节气门的开度。因此，如图3中的下部图所示，当扭矩减小时，进 气管压力也减小(压力负增长)。
因此，在稀薄单气门小操作角模式中，燃料消耗率在扭矩减小时增大， 进而增加泵气损失。因此，如图3中的上部图所示，当扭矩低于特定值(T2) 时，相比化学计量双气门可变控制模式，稀薄单气门小操作角模式表现出 较高的燃料消耗率。在这种情况下，本实施方式在扭矩低于T2的极低负 荷区域内使用化学计量双气门可变控制模式，如之前所述。
如上所述，本实施方式能够根据如图2所示的运转区域来改变内燃发 动机10的运转模式，以选择燃料消耗率最小化的运转模式。这使得能够提 高内燃发动机10的燃料效率。
〖由第一实施方式所执行的过程的细节〗
图4是根据本实施方式的ECU 50所执行以实现上述功能的程序的流 程图。首先，图4所示程序执行步骤100以根据例如来自加速器位置传感 器52的信号来计算负荷(例如，请求扭矩)T，并判断负荷T是否低于预 定的高负荷阈值T1。
如果在步骤100中获得的判断结果表明负荷T不低于高负荷阈值T1 (负荷T等于或高于高负荷阈值T1)，则可推定处于高负荷区域。在这种 情况下，随后执行步骤102以进行化学计量双气门可变控制模式中的操作。 在步骤102中，根据负荷T实施控制使得两个进气门14的操作角都为大。
另一方面，如果在步骤100中获得的判断结果表明负荷T低于高负荷 阈值T1，则执行步骤104以判断负荷T是否低于低负荷阈值T2。如果在 步骤104中获得的判断结果表明负荷T不低于低负荷阈值T2(负荷T等 于或高于低负荷阈值T2)，则可推定处于低负荷区域。在这种情况下，随 后执行步骤106以进行稀薄单气门小操作角模式中的操作。在步骤106中， 根据负荷T控制节气门40的开度。
另一方面，如果在步骤104中获得的判断结果表明负荷T低于低负荷 阈值T2，则可推定处于极低负荷区域。在这种情况下，随后执行步骤108 以进行化学计量双气门可变控制模式中的操作。在步骤108中，根据负荷 T实施控制使得两个进气门14的操作角都为小。
如上所述，本实施方式能够在极低负荷区域内使用化学计量双气门可 变控制模式，在极低负荷区域内，相比稀薄单气门小操作角模式，化学计 量双气门可变控制模式表现出较低的燃料消耗率。因此，既能在低负荷区 域内也能在极低负荷区域内选择使燃料消耗率最小化的运转模式。这使得 能够提供优良的燃料效率。
如图2所示，本实施方式假设高负荷阈值T1和低负荷阈值T2是不变 的，而不考虑发动机转速。但是，本发明可使用例如发动机转速的函数作 为高负荷阈值T1和低负荷阈值T2。
此外，本实施方式能够选择内燃发动机10的三种不同的运转模式中的 一种，或者更具体地，选择化学计量双气门可变控制模式、稀薄单气门小 操作角模式、或者EGR单气门小操作角模式。但是，本发明还可应用于 能够在两种不同的运转模式之间切换——即，在稀薄单气门小操作角模式 或EGR单气门小操作角模式与化学计量双气门可变控制模式之间切换— —的发动机；或者应用于能够切换至以上三种不同的运转模式以及另外的 运转模式的发动机。
此外，根据以上已描述的第一实施方式以及稍后将描述的第二和第三 实施方式的内燃发动机可以不总是包括外部EGR设备。
在以上已描述的第一实施方式中，当ECU 50执行图4所示程序时， 实现根据本发明的第一方面的“运转区域设定装置”和“运转模式控制装 置”。
第二实施方式
现在将参考图5和图6来描述本发明的第二实施方式。但是，将主要 描述第二实施方式与之前已描述的第一实施方式之间的区别，而简要描述 这两个实施方式共有的内容或略过这种内容的描述。当使用图1所示的系 统以使ECU 50执行图6所示程序时，可实现第二实施方式。
〖第二实施方式的特征〗
图5是示出根据本实施方式的内燃发动机10的运转区域与运转模式之 间的关系的图。之前已描述的第一实施方式在低负荷区域内使用稀薄单气 门小操作角模式。另一方面，如图5所示，第二实施方式在低负荷区域内 根据发动机冷却水温度在稀薄单气门小操作角模式与化学计量双气门可 变控制模式之间进行选择。
在相比化学计量双气门可变控制模式而言提供较低的燃烧温度的稀薄 单气门小操作角模式中，少量热从燃烧室传递至发动机冷却水等。因此， 如果在内燃发动机10未充分预热时使用稀薄单气门小操作角模式，则预热 延迟，进而增大冷却损失和摩擦引起的机械损失。这会不利地影响燃料效 率。此外，如果在未充分进行预热时使用稀薄单气门小操作角模式，则有 可能由于点火性能劣化而出现燃烧劣化，从而对驱动性能施加有害影响。
在以上情况下，本实施方式在内燃发动机10预热至一定程度之前，在 不切换至稀薄单气门小操作角模式的情况下使用化学计量双气门可变控 制模式而无论是否处于低负荷区域。
〖由第二实施方式所执行的过程的细节〗
图6是示出根据本实施方式的ECU 50所执行以实现上述功能的程序 的流程图。关于图6中的与图2中的步骤相同的步骤，在标记相同的参考 数字的情况下省略或删节其描述。
如果在步骤104中获得的判断结果表明负荷T不低于低负荷阈值T2， 即，处于低负荷区域内，则图6所示程序执行步骤110以将由水温传感器 56检测到的发动机冷却水温度Tw与预定的发动机水温阈值Tw1进行比 较。
如果在步骤110中获得的比较结果表明当前的水温Tw不低于阈值 Tw1，则可推定内燃发动机10被预热至进入不产生不利影响的稀薄单气门 小操作角模式的程度。在这种情况下，随后执行步骤106以进行稀薄单气 门小操作角模式中的操作。
另一方面，如果在步骤110中获得的比较结果表明当前的水温Tw低 于阈值Tw1，则可推定内燃发动机10未被充分预热至允许进入稀薄单气 门小操作角模式。在这种情况下，随后执行步骤108以进行化学计量双气 门可变控制模式中的操作。
以上已描述的第二实施方式使用发动机冷却水温度作为用于判断内燃 发动机预热程度的代表温度。但是，除发动机冷却水温度之外的温度也可 用于判断目的，只要该温度用作为用于确定预热程度的指标即可。
在以上已描述的第二实施方式中，水温传感器56相当于根据本发明的 第二方面的“温度获取装置”。此外，当ECU 50执行图6所示程序时，实 现根据本发明的第二方面的“运转模式控制装置”。
第三实施方式
现在将参考图7至图9来描述本发明的第三实施方式。但是，将主要 描述第三实施方式与之前所描述的实施方式之间的区别，而简要描述这些 实施方式共有的内容或略过这种内容的描述。当使用图1所示的系统以使 ECU 50执行图9所示程序时可实现第三实施方式。
〖第三实施方式的特征〗
图7是示出根据本实施方式的内燃发动机10的运转区域与运转模式之 间的关系的图。如图7所示，在低负荷区域内，本实施方式根据催化剂床 温度选择稀薄单气门小操作角模式或化学计量双气门可变控制模式。
图8示出了在稀薄单气门小操作角模式和化学计量双气门可变控制模 式中的排气温度。在其中的燃烧温度比在化学计量双气门可变控制模式中 低的稀薄单气门小操作角模式中，如图8所示，排气温度也比在化学计量 双气门可变控制模式中低。因此，如果当催化剂48未充分预热时使用稀薄 单气门小操作角模式，则催化剂48的预热将延迟，进而不利地影响排放。
在以上情况下，本实施方式在催化剂床温度升高至一定水平之前，在 不切换至稀薄单气门小操作角模式的情况下使用化学计量双气门可变控 制模式而无论是否处于低负荷区域。
〖由第三实施方式所执行的过程的细节〗
图9是示出由根据本实施方式的ECU 50所执行以实现上述功能的程 序的流程图。关于图9中的与图2中的步骤相同的步骤，在标记相同的参 考数字的情况下省略或删节其描述。
如果在步骤104中获得的判断结果表明负荷T不低于低负荷阈值T2， 即，处于低负荷区域内，则图9所示程序执行步骤112以将由催化剂温度 传感器49检测到的催化剂床温度Tc与预定的催化剂床温度阈值Tc1进行 比较。
如果在步骤112中获得的比较结果表明当前的催化剂床温度Tc不低于 催化剂床温度阈值Tc1，则可推定因为催化剂48已被充分预热，所以稀薄 单气门小操作角模式的使用不会不利地影响排放。在这种情况下，随后执 行步骤106以进行稀薄单气门小操作角模式中的操作。
另一方面，如果在步骤112中获得的比较结果表明当前的催化剂床温 度Tc低于催化剂床温度阈值Tc1，则可推定催化剂48未被充分预热。在 这种情况下，随后执行步骤108以进行化学计量双气门可变控制模式中的 操作。
以上已描述的第三实施方式以催化剂温度传感器49直接检测催化剂 床温度Tc。但是，可替代地，可根据例如内燃发动机10的工作条件历史 或排气温度来估算催化剂床温度Tc(代表性催化剂温度)。
在以上已描述的第三实施方式中，催化剂温度传感器49相当于根据本 发明的第二方面的“温度获取装置”。此外，当ECU 50执行图9所示程序 时，实现根据本发明的第二方面的“运转模式控制装置”。
第四实施方式
现在将参考图10和图11来描述本发明的第四实施方式。但是，将主 要描述第四实施方式与之前所描述的实施方式之间的区别，而简要描述这 些实施方式共有的内容或略过这种内容的描述。当使用图1所示的系统以 使ECU 50执行图11所示程序时可实现第四实施方式。
〖第四实施方式的特征〗
图10是示出根据本实施方式的内燃发动机10的运转区域与运转模式 之间的关系的图。如图10所示，本实施方式在扭矩不低于T1的高负荷区 域内以及在扭矩低于T2的极低负荷区域内进行化学计量双气门可变控制 模式中的操作。但是，在扭矩不低于T2但是低于T1的低负荷区域内，本 实施方式根据EGR气体温度来选择EGR单气门小操作角模式或化学计量 双气门可变控制模式。
如果在EGR单气门小操作角模式中，通过EGR通路44流回至进气 通路30的EGR气体具有高温(例如，高转速区域)，则可能由于高的压 缩终点温度而发生爆震(EGR爆震)。如果发生爆震，则实施控制以通过 延迟点火正时来避免爆震。因而，点火正时变为远离MBT(用于最佳扭 矩的最小提前)正时，从而导致燃料效率降低。
在以上情况下，如果EGR气体温度超过一定点，则本实施方式在不 切换至EGR单气门小操作角模式的情况下使用化学计量双气门可变控制 模式而无论是否处于低负荷区域。在相比EGR单气门小操作角模式而言 由节气门40提供较低程度的进气节流的化学计量双气门可变控制模式中， 可避免进气温度的增加。因此，可降低压缩终点温度。这使得能够完全阻 止EGR爆震的发生，即使在提供外部EGR时也如此。
〖由第四实施方式所执行的过程的细节〗
图11是示出由根据本实施方式的ECU 50所执行以实现上述功能的程 序的流程图。关于图11中的与图2中的步骤相同的步骤，在标记相同的参 考数字的情况下省略或删节其描述。
如果在步骤104中获得的判断结果表明负荷T不低于低负荷阈值T2， 即，处于低负荷区域内，则图11所示程序执行步骤114以将由EGR气体 温度传感器47检测到的EGR气体温度Tg与预定的EGR气体温度阈值 Tg1进行比较。
如果在步骤114中获得的比较结果表明当前的EGR气体温度Tg不高 于EGR气体温度阈值Tg1，则可推定EGR单气门小操作角模式的使用不 易于引起爆震或降低燃料效率。在这种情况下，随后执行步骤116以进行 EGR单气门小操作角模式中的操作。
另一方面，如果在步骤114中获得的比较结果表明当前的EGR气体温 度Tg高于EGR气体温度阈值Tg1，则可推定优选化学计量双气门可变控 制模式，因为EGR单气门小操作角模式易于引起爆震。在这种情况下， 随后执行步骤108以进行化学计量双气门可变控制模式中的操作。
以上已描述的第四实施方式以EGR气体温度传感器47直接检测EGR 气体温度Tg。但是，可替代地，可根据例如内燃发动机10的工作条件历 史来估算EGR气体温度Tg。
在以上已描述的第四实施方式中，EGR气体温度传感器47相当于根 据本发明的第三方面的“温度获取装置”。此外，当ECU 50执行图11所 示程序时，实现根据本发明的第三方面的“运转模式控制装置”。
第五实施方式
现在将参考图12和图13来描述本发明的第五实施方式。但是，将主 要描述第五实施方式与之前所描述的实施方式之间的区别，而简要描述这 些实施方式共有的内容或略过这种内容的描述。当使用图1所示的系统以 使ECU 50执行图13所示程序时可实现第五实施方式。
〖第五实施方式的特征〗
图12是示出根据本实施方式的内燃发动机10的运转区域与运转模式 之间的关系的图。如图12所示，本实施方式在扭矩不低于T1的高负荷区 域内以及在扭矩低于T2的极低负荷区域内进行化学计量双气门可变控制 模式中的操作。但是，在扭矩不低于T2但是低于T1的低负荷区域内，本 实施方式根据进气温度来选择EGR单气门小操作角模式或化学计量双气 门可变控制模式。
如果在EGR单气门小操作角模式中进气温度高(例如，由于车辆速 度低且中冷器36中的空气运动无力)，则压缩终点温度高使得有可能发生 爆震(EGR爆震)。在这种情况下，如果进气温度超过一定点，则本实施 方式在不切换至EGR单气门小操作角模式的情况下使用化学计量双气门 可变控制模式而无论是否处于低负荷区域。在相比EGR单气门小操作角 模式而言提供用于小操作角侧的较小量的气门升程并能够相应地减小进 气节流的程度的化学计量双气门可变控制模式中，可防止进气温度因为与 气门的摩擦而升高。因此，可降低压缩终点温度。这使得能够完全阻止EGR 爆震的发生，即使在提供外部EGR时也如此。
〖由第五实施方式所执行的过程的细节〗
图13是示出由根据本实施方式的ECU 50所执行以实现上述功能的程 序的流程图。关于图13中的与图2中的步骤相同的步骤，在标记相同的参 考数字的情况下省略或删节其描述。
如果在步骤104中获得的判断结果表明负荷T不低于低负荷阈值T2， 即，处于低负荷区域内，则图13所示程序执行步骤118以将由进气温度传 感器38检测到的进气温度Tin与预定的进气温度阈值Tin1进行比较。
如果在步骤118中获得的比较结果表明当前的进气温度Tin不高于进 气温度阈值Tin1，则可推定EGR单气门小操作角模式的使用不易于引起 爆震或降低燃料效率。在这种情况下，随后执行步骤116以进行EGR单 气门小操作角模式中的操作。
另一方面，如果在步骤118中获得的比较结果表明当前的进气温度Tin 高于进气温度阈值Tin1，则可推定优选化学计量双气门可变控制模式，因 为EGR单气门小操作角模式易于引起爆震。在这种情况下，随后执行步 骤108以进行化学计量双气门可变控制模式中的操作。
在以上已描述的第五实施方式中，进气温度传感器38相当于根据本发 明的第三方面的“温度获取装置”。此外，当ECU 50执行图13所示程序 时，实现根据本发明的第三方面的“运转模式控制装置”。
在低负荷状态下，本实施方式根据进气温度Tin来选择EGR单气门 小操作角模式或化学计量双气门可变控制模式。但是，在具有中冷器36 的增压发动机中，如之前提到的，进气温度Tin与车辆速度相互关联。因 此，在低负荷状态下，本实施方式可以根据车辆速度来在EGR单气门小 操作角模式与化学计量双气门可变控制模式之间进行选择。