JP4850744B2 - 内燃機関の吸気制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料が燃焼室内に直接噴射され、吸気バルブのバルブタイミングおよび有効開口面積（リフト量）が可変に制御される内燃機関において、暖機促進用燃焼の混合気性状を改善して燃焼性、排気浄化性能を向上させる技術に関する。

特許文献１には、直噴式内燃機関において、始動時から暖機完了前で、フリクション低減と、吸気流速増大による気化促進を狙いとして、吸気バルブを低リフトとする技術が開示されている。
また、特許文献２には、同様に始動時の吸気流速増大による気化促進を狙いとして、吸気バルブを低リフトとしつつ吸気行程噴射を行うことが開示されている。
特開２００５−１４０００７号公報 ＷＯ９７／１３０６３

しかしながら、特許文献１のものでは、直噴式内燃機関の特徴を生かし、点火時期及び噴射時期を膨張行程まで遅角させて排気温度を上昇させる、暖機促進用の燃焼を行うときは、要求空気量が大きいため、吸気バルブのリフト量を低くすることができず、吸気流速を早くすることができなかった。
また、特許文献２のように低リフトにしても燃焼室内の負圧が十分発達しないうちに吸気行程を終了してしまうため、吸気流速が大きい期間が短すぎて、この間に燃料噴射を完了できない場合があった。

本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、始動から暖機完了までの間の燃焼性、排気浄化性能をできるだけ向上させる目的とする。

このため、請求項１に係る発明は、
燃焼室内に直接燃料が噴射され、吸気バルブのバルブタイミングと有効開口面積とが変更制御される内燃機関において、
機関始動から暖機完了までの間、
吸気バルブの開時期を吸気上死点後３０°〜１４０°の範囲内の値とし、かつ、吸気バルブの有効開口面積を暖機完了後の有効開口面積より小さくして吸気バルブからの吸気流速を増大させるように制御する一方、要求吸入空気量の増大に応じて前記吸気バルブの開時期を維持したまま、有効開口面積を増大させるように制御し、かつ、
前記吸気バルブ開直後の吸気流速が大きい期間またはその前の期間の少なくとも一方と、点火時期直前から始まる期間と、に燃料噴射を行うように制御することを特徴とする。

請求項１に係る発明によると、
機関始動から暖機完了までの間、吸気バルブの開時期を吸気上死点後３０°〜１４０°の範囲内の値としたことにより、吸気上死点後に燃焼室内の負圧が十分に発達してから吸気バルブが開弁し、かつ、有効開口面積を暖機完了後より小さくすることによって吸気バルブから流入する吸気の流速を十分大きく、かつ、該流速が増大する期間を長引かせることができる。

このように吸気流速が増大する期間またはそれ以前の期間の少なくとも一方に燃料を噴射することにより、この期間に噴射された燃料の気化を十分に促進でき、燃焼室全体に十分に気化された予混合気が形成され、未燃ＨＣを低減できる。特に、吸気流速が増大する期間に噴射された燃料は、噴射と共に強い吸気流に乗って向きを変えられ、燃焼室壁面へ付着する燃料量が減少するので、未燃ＨＣをより低減できる。

その後、点火時期直前に噴射開始された燃料は、点火プラグ周辺に濃混合気を形成し、該濃混合気によって良好に着火して燃焼が開始される。
燃焼火炎は、周辺の予混合気に速やかに伝播して拡散燃焼し、良好な燃焼性が得られ、燃焼時期を遅らせることにより排気温度上昇効果が増大する。
また、要求吸入空気量の増大に応じて有効開口面積を増大することにより、要求吸入空気量を満たすことができる。

また、請求項２に係る発明は、
前記吸気バルブ開時期は、排気バルブの閉時期が吸気上死点後に設定される場合には、吸気上死点後３０°より所定クランク角度遅らせた時期〜１４０°の範囲内の値に設定されることを特徴とする。

請求項２に係る発明によると、
排気バルブの閉時期が吸気上死点を過ぎると、排気の燃焼室内への流入による負圧の発達が遅れるため、吸気バルブ開時期を吸気上死点後３０°より所定クランク角度遅らせた時期〜１４０°の範囲内の値に設定することで、十分な負圧を確保してから吸気を流入させることができる。

また、請求項３に係る発明は、
前記点火時期直前の燃料噴射は、点火時期前２０°以降に開始されることを特徴とする。
請求項３に係る発明によると、
点火時期直前に噴射される燃料は、点火時期に点火栓周りに良好な着火性を得られる濃混合気を形成しておく必要がある。このため、点火時期前２０°以降に燃料噴射を開始してこの要求を満たすことができる。

また、請求項４に係る発明は、
前記吸気流速が増大する期間と点火時期直前との燃料噴射で、燃料噴射量が要求値より不足するときに、該不足する燃料分を前記吸気流速が増大する期間の前に噴射することを特徴とする。
請求項４に係る発明によると、
負荷の増大に伴って要求燃料噴射量が増大し、吸気流速増大期間と点火時期直前の期間とでの燃料噴射では要求量を満たせない場合には、吸気流速増大期間に先立って不足燃料分を噴射する。吸気流速増大期間の前でも燃焼室内の負圧の増大によって気化性が高められているので、最大限気化を促進することができる。

図１は、実施形態における車両用エンジンのシステム構成図である。
図１において、エンジン（ガソリン内燃機関）１０１の吸気管１０２には、スロットルモータ１０３ａでスロットルバルブ１０３ｂを開閉駆動する電子制御スロットル１０４が介装され、該電子制御スロットル１０４及び吸気バルブ１０５を介して、燃焼室１０６内に空気が吸入される。

また、各気筒の吸気バルブ１０５上流側の吸気ポート１３０には、電磁式の燃料噴射弁１３１が設けられ、該燃料噴射弁１３１は、後述するエンジンコントロールユニット１１４から送られる噴射パルス信号の噴射パルス幅に比例する量の燃料（ガソリン）を噴射する。
そして、燃焼室１０６内に吸引された燃料は、図示省略した点火プラグによる火花点火によって着火燃焼する。

尚、燃焼室内に直接燃料を噴射させるエンジンであっても良い。
燃焼室１０６内の燃焼排気は、排気バルブ１０７を介して排出され、フロント触媒１０８及びリア触媒１０９で浄化された後、大気中に放出される。
前記排気バルブ１０７は、排気側カムシャフト１１０に軸支されたカム１１１によって一定のリフト量及び作動角（開から閉までのクランク角）を保って開閉駆動される。

一方、吸気バルブ１０５側には、吸気バルブ１０５のリフト量を作動角と共に連続的に変更する可変バルブリフト機構１１２が設けられる。なお、吸気バルブ１０５は、リフト量や作動角を変更することによって、有効開口面積を変更することができる。可変バルブリフト機構１１２は、リフト量のみを可変する機構であってもよく、本発明に関する機能を満たす構成としては、始動から暖機完了までの間の有効開口面積を、暖機完了後の有効開口面積より小さくして吸気流速を十分高めることができる構成であればよく、有効開口面積を大小２段階に切り換えるものであってもよい。

同じく吸気バルブ１０５側には、前記クランクシャフトに対する吸気側カムシャフトとの回転位相差を連続的に可変制御して、吸気バルブ１０５のバルブタイミング（弁開閉タイミング）を進遅角する機構で構成される可変バルブタイミング機構１１３が吸気側カムシャフトの両端部に設けられる。
マイクロコンピュータを内蔵するエンジンコントロールユニット１１４は、予め記憶されたプログラムに従った演算処理によって、燃料噴射量，点火時期，目標トルク，目標マニホールド圧を設定すると共に、これらに基づいて燃料噴射弁１３１，点火コイル用のパワートランジスタ，電子制御スロットル１０４，可変バルブリフト機構１１２及び可変バルブタイミング機構１１３に制御信号を出力する。

前記エンジンコントロールユニット１１４には、エンジン１０１の吸入空気量を検出するエアフローメータ１１５、車両の運転者が操作するアクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）を検出するアクセルペダルセンサ１１６、クランクシャフト１２０の基準回転位置毎にクランク角信号を出力するクランク角センサ１１７、スロットルバルブ１０３ｂの開度ＴＶＯを検出するスロットルセンサ１１８、エンジン１０１の冷却水温度を検出する水温センサ１１９、吸気側カムシャフト３の基準回転位置毎にカム信号を出力する吸気側カムセンサ１３２などからの検出信号が入力される。

図２は、前記可変バルブリフト機構１１２の構造を示す斜視図である。
本実施形態のエンジン１０１では、各気筒に一対の吸気バルブ１０５が設けられており、これら吸気バルブ１０５の上方に、前記クランクシャフト１２０によって回転駆動される吸気側カムシャフト３が気筒列方向に沿って回転可能に支持されている。
前記吸気側カムシャフト３には、吸気バルブ１０５のバルブリフタ１０５ａに当接して吸気バルブ１０５を開閉駆動する揺動カム４が相対回転可能に外嵌されている。

前記吸気側カムシャフト３と揺動カム４との間には、吸気バルブ１０５のリフト量(及び作動角)を連続的に変更するための可変バルブリフト機構１１２が設けられている。
また、前記吸気側カムシャフト３の一端部には、クランクシャフト１２０に対する前記吸気側カムシャフト３の回転位相を変化させることにより、吸気バルブ１０５の作動角の中心位相を連続的に変更する可変バルブタイミング機構１１３が配設されている。

前記可変バルブリフト機構１１２は、図２及び図３に示すように、吸気側カムシャフト３に偏心して固定的に設けられる円形の駆動カム１１と、この駆動カム１１に相対回転可能に外嵌するリング状リンク１２と、吸気側カムシャフト３と略平行に気筒列方向へ延びる制御軸１３と、この制御軸１３に偏心して固定的に設けられた円形の制御カム１４と、この制御カム１４に相対回転可能に外嵌すると共に、一端がリング状リンク１２の先端に連結されたロッカアーム１５と、このロッカアーム１５の他端と揺動カム４とに連結されたロッド状リンク１６と、を有している。

前記制御軸１３は、モータ１７によりギヤ列１８を介して所定の制御範囲内で回転駆動される。
上記の構成により、クランクシャフト１２０に連動して吸気側カムシャフト３が回転すると、駆動カム１１を介してリング状リンク１２がほぼ並進移動すると共に、ロッカアーム１５が制御カム１４の軸心周りに揺動し、ロッド状リンク１６を介して揺動カム４が揺動して吸気バルブ１０５が開閉駆動される。

また、前記モータ１７を駆動制御して制御軸１３の回転角度を変化させることにより、ロッカアーム１５の揺動中心となる制御カム１４の軸心位置が変化して揺動カム４の姿勢が変化する。
これにより、吸気バルブ１０５の作動角の中心位相が略一定のままで、吸気バルブ１０５のリフト量（及び作動角）が連続的に変化する。

エンジンコントロールユニット１１４には、前記制御軸１３の回転角を検出する角度センサ１３３からの検出信号が入力され、目標のリフト量に対応する目標角度位置に前記制御軸１３を回動させるべく、前記角度センサ１３４の検出結果に基づいて前記モータ１７をフィードバック制御する。
尚、前記制御軸１３を回転駆動するアクチュエータとして、モータ１７に代えて油圧アクチュエータを用いることができる。

図４は、前記可変バルブタイミング機構１１３の構造を示す。
前記可変バルブタイミング機構１１３は、クランクシャフト１２０によりタイミングチェーンを介して回転駆動されるカムスプロケット５１（タイミングスプロケット）と、前記吸気側カムシャフト３又は排気側カムシャフト１１０の端部に固定されてカムスプロケット５１内に回転自在に収容された回転部材５３と、該回転部材５３をカムスプロケット５１に対して相対的に回転させる油圧回路５４と、カムスプロケット５１と回転部材５３との相対回転位置を所定位置で選択的にロックするロック機構６０とを備えている。

前記カムスプロケット５１は、外周にタイミングチェーン（又はタイミングベルト）が噛合する歯部を有する回転部（図示省略）と、該回転部の前方に配置されて前記回転部材５３を回転自在に収容するハウジング５６と、該ハウジング５６の前後開口を閉塞するフロントカバー，リアカバー（図示省略）とから構成される。
前記ハウジング５６は、前後両端が開口形成された円筒状を呈し、内周面には、横断面台形状を呈し、それぞれハウジング５６の軸方向に沿って設けられる４つの隔壁部６３が９０°間隔で突設されている。

前記回転部材５３は、吸気側カムシャフト３又は排気側カムシャフト１１０の前端部に固定されており、円環状の基部７７の外周面に９０°間隔で４つのベーン７８ａ，７８ｂ，７８ｃ，７８ｄが設けられている。
前記第１〜第４ベーン７８ａ〜７８ｄは、それぞれ断面が略逆台形状を呈し、各隔壁部６３間の凹部に配置され、前記凹部を回転方向の前後に隔成し、ベーン７８ａ〜７８ｄの両側と各隔壁部６３の両側面との間に、進角側油圧室８２と遅角側油圧室８３を構成する。

前記ロック機構６０は、ロックピン８４が、回転部材５３の初期位置において係合孔（図示省略）に係入するようになっている。
尚、可変バルブタイミング機構１１３の初期位置は最遅角位置に設定される。
前記油圧回路５４は、進角側油圧室８２に対して油圧を給排する第１油圧通路９１と、遅角側油圧室８３に対して油圧を給排する第２油圧通路９２との２系統の油圧通路を有し、この両油圧通路９１，９２には、供給通路９３とドレン通路９４ａ，９４ｂとがそれぞれ通路切り換え用の電磁切換弁９５を介して接続されている。

前記供給通路９３には、オイルパン９６内の油を圧送するエンジン駆動のオイルポンプ９７が設けられている一方、ドレン通路９４ａ，９４ｂの下流端がオイルパン９６に連通している。
前記第１油圧通路９１は、回転部材５３の基部７７内に略放射状に形成されて各進角側油圧室８２に連通する４本の分岐路９１ｄに接続され、第２油圧通路９２は、各遅角側油圧室８３に開口する４つの油孔９２ｄに接続される。

前記電磁切換弁９５は、内部のスプール弁体が各油圧通路９１，９２と供給通路９３及びドレン通路９４ａ，９４ｂとを相対的に切り換え制御するようになっている。
前記エンジンコントロールユニット１１４は、前記電磁切換弁９５を駆動する電磁アクチュエータ９９に対する通電量（制御量）を、ディザ信号が重畳されたデューティ制御信号に基づいて制御する。

吸気バルブ１０５の作動角の中心位相を可変とする可変バルブタイミング機構１１３においては、電磁アクチュエータ９９にデューティ比０％の制御信号（ＯＦＦ信号）を出力すると、オイルポンプ４７から圧送された作動油は、第２油圧通路９２を通って遅角側油圧室８３に供給されると共に、進角側油圧室８２内の作動油が、第１油圧通路９１を通って第１ドレン通路９４ａからオイルパン９６内に排出されるようにしてある。

従って、可変バルブタイミング機構１１３においては、デューティ比０％の制御信号（ＯＦＦ信号）を出力すると、遅角側油圧室８３の内圧が高くなる一方で、進角側油圧室８２の内圧が低くなり、回転部材５３は、ベーン７８ａ〜７８ｂを介して最大遅角側に回転し、この結果、吸気バルブ１０５の開期間（バルブ作動角の中心位相）が遅くなる。
また、可変バルブタイミング機構１１３において、電磁アクチュエータ９９にデューティ比１００％の制御信号（ＯＮ信号）を出力すると、作動油は、第１油圧通路９１を通って進角側油圧室８２内に供給されると共に、遅角側油圧室８３内の作動油が第２油圧通路９２及び第２ドレン通路９４ｂを通ってオイルパン９６に排出され、遅角側油圧室８３が低圧になる。

このため、可変バルブタイミング機構１１３において、デューティ比１００％の制御信号（ＯＮ信号）を出力すると、回転部材５３は、ベーン７８ａ〜７８ｄを介して進角側へ最大に回転し、これによって、吸気バルブ１０５の開期間（バルブ作動角の中心位相）が早くなる。
尚、前記可変バルブタイミング機構は、上記の図２〜４に示したものに限定されず、例えば、上記のベーン式の他、歯車を用いてクランクシャフト１２０に対し前記吸気側カムシャフト３を相対回転させる機構などを用いることができ、更に、油圧アクチュエータの他、電磁ブレーキをアクチュエータとして用いる機構を採用できる。

前記エンジンコントロールユニット１１４は、機関運転条件に基づいて、前記吸気バルブ１０５の作動角・リフトの目標値に相当する制御軸１３の目標回転角を演算し、角度センサ１３４で検出される制御軸１３の実際の回転角が前記目標回転角に近づくように、前記モータ１７をフィードバック制御する。
また、前記エンジンコントロールユニット１１４は、機関運転条件に基づいて作動角の中心位相の目標値を、前記吸気バルブ１０５・排気バルブ１０７についてそれぞれに演算し、クランク角センサ１１７及びカムセンサ１３２で検出される実際の中心位相が、前記目標値に近づくように、各電磁アクチュエータ９９に出力する制御信号のデューティ比をフィードバック制御する。

尚、前述のように、可変バルブタイミング機構１１３においては、電磁アクチュエータ９９をオフすることで最遅角位置に戻るようになっているため、吸気バルブ１０５の中心位相の目標が最遅角位置からの進角量として設定されるようになっている。
図５は、可変バルブタイミング機構１１３及び可変バルブリフト機構１１２による吸気バルブ１０５の開特性の変化を示す。

同図に示すように、可変バルブリフト機構１１２を駆動した場合、矢印（イ）に示すように、吸気バルブ１０５の作動角の中心位相が略一定のままで、吸気バルブ１０５の作動角及びバルブリフトの双方が連続的に増減する。
一方、可変バルブタイミング機構１１３ａを駆動すると、矢印（ロ）に示すように、吸気バルブ１０５の作動角及びバルブリフトが一定のままで、吸気バルブ１０５の作動角の中心位相が進角又は遅角側へ移動する。

以上のように、可変バルブリフト機構１１２と可変バルブタイミング機構１１３とで、吸気バルブのリフト量（作動角）及びバルブタイミングを高精度に制御することができる。
そして、上記吸気バルブ１０５のリフト量及びバルブタイミングの制御と、燃料噴射制御と、によって、始動時（クランキングを含む）から暖機完了までの間、排気温度上昇効果を高めつつ未燃ＨＣの少ない燃焼を行って、この間の排気浄化性能を良好に維持しつつ、排気浄化触媒の活性促進も促進させるようにする。

図６は、基本的（簡易的）な実施形態に係る吸気バルブのリフト特性及び燃料噴射期間を、従来と比較して示す（Ａ〜Ｃは本実施形態、Ｄ〜Ｅは従来例）。
始動から暖機完了前においては、可変バルブタイミング機構１１３によって、吸気バルブ１０５の開時期ＩＶＯを、吸気上死点後３０°〜１４０°の範囲内の値に設定する。なお、排気バルブの閉時期ＥＶＣが吸気上死点後に制御されている場合、特に、吸気上死点後からの遅角量が大きく、排気バルブから排気導入による負圧の発達の遅れを無視できない場合は、開時期ＩＶＯを、吸気上死点後３０°より所定クランク角度遅らせた時期〜１４０°の範囲内の値に設定する。

また、可変バルブリフト機構１１２によって、吸気バルブ１０５のリフト量を、暖機完了後のリフト量より十分小さい値に設定する。
このように、開時期ＩＶＯを従来と比較して十分遅角させたことで、燃焼室内の負圧が十分に発達した状態で吸気バルブ１０５が開かれ、かつ、リフト量（有効開口面積）を小さくしているので、吸気バルブ１０５の開直後に、吸気バルブ１０５から燃焼室内に流入する吸気流速が急激に増大し、かつ、流速が大きく維持される期間を、十分大きくすることができる。

詳細には、吸気流速は、燃焼室内圧力（と吸気バルブ１０５上流側圧力との差圧または圧力比、上流側圧力一定の場合は燃焼室内圧力のみで差圧、圧力比も定まる）と、吸気バルブ１０５の有効開口面積で定まる。
ここで、吸気バルブの開弁時期ＩＶＯにおける燃焼室内圧力は、該開弁時期ＩＶＯが下死点前で遅角されているほど大きな負圧となっている。

従来は、開弁時期ＩＶＯが吸気上死点に近い進角側に設定され、燃焼室内の負圧がまだ小さいときに吸気バルブが開いてしまうため、開弁直後の立ち上がり吸気流速（最大流速）が小さい。
また、開弁直後の燃焼室内容積が小さく、かつ、ピストン速度が小さいので燃焼室内容積の増加速度も低いため、燃焼室内に流入する空気量によって燃焼室内の負圧が減少する割合が大きく、吸気流速が短時間で大きく減少し流速が大きい期間が極めて短い。

これに対し、実施形態では本発明に係る構成として、開弁時期ＩＶＯを、吸気上死点後３０°〜１４０°の範囲内の値に設定したことで、開弁時期ＩＶＯにおいて燃焼室内圧力が十分大きな負圧となっており、したがって、開弁直後の立ち上がり吸気速度（最大速度）が十分大きくなる。
また、開弁直後の燃焼室内容積が大きく、かつ、ピストン速度が大きくなっているので燃焼室内容積の増加速度も高いため、燃焼室内に流入する空気量によって燃焼室内の負圧が減少する割合が小さく、吸気流速が大きく維持される期間が、大幅に増大する。

次に、燃料噴射制御について説明する。
最も基本的な制御としては、前記吸気バルブ１０５が開弁された直後に１回目の噴射を開始して吸気流速が大きく維持されている期間（以下、吸気流速大期間という）に噴射を行い、その後、点火時期直前の所定時期に２回目の噴射を開始する。ここで、本発明に係る始動時から暖機完了までの間は、排気温度を高めて排気浄化触媒の活性化を促進するための燃焼を行うため、点火時期は後燃えによる排気温度上昇効果を得るため遅角側に設定されている。したがって、２回目の燃料噴射開始時期は、点火時期前２０°を進角側限界として設定される。

このようして、１回目の吸気流速大期間に噴射された燃料は、強い吸気流によって微粒化（気化）、混合を促進されながら燃焼室全体に均質混合気を形成し、２回目の点火時期直前に噴射された燃料は、点火栓周りに濃い成層混合気を形成する。そして、成層混合気に着火して燃焼が開始され、周辺の均質混合気に火炎伝播して拡散燃焼となり、膨張行程以降の後燃え燃焼によって排気温度が高められ、排気浄化触媒（フロント触媒１０８及びリア触媒１０９）の活性化が促進される（活性化されるまでの時間が短縮する）。

特に、従来に比較すると、吸気流速大期間に噴射された燃料は、強い吸気流によって微粒化（気化）を促進され、また、噴射と共に吸気流に乗って向きを変えられ、燃焼室壁面への付着を抑制されることにより、未燃ＨＣが大幅に低減する。
ここで、トータルの燃料噴射量は、機関運転状態（回転速度、負荷、水温等）で決定されるが、１回目の噴射量と２回目の噴射量との割合は、簡易的には２分割としてもよい。

また、２回目の噴射で点火栓周りに形成される成層混合気による成層燃焼を主とし、１回目の噴射で燃焼室全体に形成される均質混合気による拡散燃焼を従とする場合は、成層燃焼用の２回目の噴射量を成層燃焼のリッチ限界まで確保し、不足分を拡散燃焼用の１回目の噴射量として設定するようにしてもよい。ただし、拡散燃焼用の噴射量は、良好な拡散燃焼を行えるリーン限界相当の噴射量以上とする。逆に、拡散燃焼を主とし、成層燃焼を従とする場合でも、成層燃焼用の燃料噴射量がトータルの燃料噴射量の１０％以上は確保して良好な着火性を確保できるようにする。

以上の２回の噴射で要求噴射量を賄えない場合（点火時期直前の噴射量をリッチ限界とし、吸気流速大期間中噴射させても足りない場合）は、吸気流速大期間より以前に不足分を噴射する。これは、吸気流速大期間の経過後では、噴射しても吸気流による気化促進効果がないが、吸気流速大期間の前側で噴射した場合は、燃焼室内の負圧がある程度増大していることによって比較的良好な気化性が得られ、かつ、噴射後に吸気流速が大きくなることにより気化される効果もあるためである。なお、この最初の噴射と吸気流速大期間の噴射を切り離さず、連続して噴射するように設定してもよい（以上第１の噴射パターンとする）。

また、２回の噴射で要求噴射量を賄える場合でも、吸気流速大期間より前に１回目の燃料噴射を行い、その後、点火時期直前に２回目の燃料噴射を行う構成としてもよい（第２の噴射パターンとする）。吸気流速大期間より以前の期間に噴射された燃料の一部は、吸気流速が大きくなる前に燃焼室壁面へ付着するものの、早めに噴射されることで燃焼室内の負圧に晒されてある程度気化した後、吸気流によってさらに気化を促進されるため、気化性能は十分に高められる。

図７は、上記吸気バルブのバルブタイミングおよびリフト量の制御と、燃料噴射の制御の基本的な形態（第１の噴射パターン）におけるフローを示す。
ステップＳ１で機関回転速度、要求トルク、水温等の本制御に必要なパラメータを読み込んだ後、ステップＳ２での始動から暖機完了前までであるかを判定する。この判定は、機関が回転していて水温が所定温度（例えば６０°〜８０°）以下であることなどによって行う。なお、始動はクランキングを含む。

始動から暖機完了前と判定されたときは、ステップＳ３で吸気バルブ１０５を、設定された開時期ＩＶＯと、小リフト量になるように、可変バルブタイミング機構１０２と可変バルブリフト機構１０３とを制御する。
次いで、ステップＳ４では、要求トルク相当量の燃料噴射量が前記１回目と２回目の噴射で賄えるか否かを、要求トルクが所定値以下であるかによって判定する。なお、機関回転速度が高くなるほど、１回目と２回目での噴射可能期間（時間）が短くなるため、前記所定値を回転速度の増大に応じて小さくするように設定してもよい。

要求トルクが所定値以下と判定された場合は、ステップＳ５で吸気流速大期間と、点火時期直前に噴射開始される期間とで２回に分割して燃料噴射するように制御する。
また、要求トルクが所定値を超えるときは、ステップＳ６で１回目の噴射を吸気流速大期間前で行い、２回目の噴射を吸気流速大期間、３回目の噴射を点火時期直前に開始される期間に行う。なお、１回目と２回目の噴射を連続させてよいことは既述したとおりである。

ステップＳ２で暖機完了後と判定されたときは、ステップＳ７で吸気バルブ１０５を、機関運転状態に応じて設定したバルブタイミングおよびリフト量となるように、可変バルブタイミング機構１０２と可変バルブリフト機構１０３とを制御する。なお、吸気バルブ１０５の開時期ＩＶＯは暖機完了前より進角側に制御され、リフト量は暖機完了前より大きく制御される。

ステップＳ８では、燃料噴射量および噴射時期を、機関運転状態に応じて通常通りの制御を行う。
以上、吸気バルブのバルブタイミングおよびリフト量の制御と、燃料噴射の制御の基本的な形態について説明した。以下、これら制御の応用の形態について説明する。
図８は、吸気バルブ制御の応用の第２の実施形態として、始動から暖機完了前までの間の負荷（要求トルク）変化に見合って可変に制御するもののリフト特性を示す。

具体的には、吸気バルブの開時期ＩＶＯは、負荷変化によらず一定に保ちながら、要求トルク最小のときにリフト量を最小に設定し、要求トルクの増加に応じてリフト量を増加させ、これに伴い吸気バルブの閉時期ＩＶＣは遅角される特性とする。
このようにすれば、リフト量を可能な限り小さくすることで、吸気流速をできるだけ大きくし、かつ、吸気流速大期間をできるだけ大きくすることができるので、燃料の微粒化をより促進でき、燃焼室壁に付着する燃料量を減少して未燃ＨＣをより低減することができる。

なお、始動から暖機完了前まで吸気バルブのＩＶＯ及びリフト量を一定に制御した場合でも、スロットルバルブの開度制御を併用することにより、負荷（要求トルク）変化に応じて吸入空気量を連続的に変更することができる。
また、吸気上死点後３０°〜１４０°の範囲内でＩＶＯを変更すると、リフト量（有効開口面積）は一定でも、平均吸気流速は変化する。したがって、負荷変化に応じて該平均吸気流速が最小から最大の範囲でＩＶＯを変更することにより、平均吸気流速×有効開口面積に比例する吸入空気量を連続的に変更することもできる。

図９は、１気筒当たり複数（２個）の吸気バルブＡ，Ｂを備えた内燃機関において、（Ａ）に示した暖機完了後の吸気バルブＡ，Ｂ共に標準的なリフト特性に対し、（Ｂ）〜（Ｅ）に、始動から暖機完了前までの吸気バルブの各種制御例を示す。
（Ｂ）では、吸気バルブＡ，Ｂを同一のリフト特性でリフト量を小さくしながら開時期ＩＶＯを吸気上死点ＴＤＣから同一の設定角分遅角させている。

これに対し、吸気バルブＡは（Ｂ）と同様であるが、（Ｃ）では、吸気バルブＢのリフト量をより小さくし、開時期ＩＶＯをより遅らせ、（Ｄ）では、吸気バルブＢのリフト量は吸気バルブと同様であるが、バルブタイミングを吸気バルブＡより遅角させ、開時期ＩＶＯ、閉時期ＩＶＣ共に遅角させている。
また、（Ｅ）では、吸気バルブＡ，Ｂのリフト特性を、立ち上がりを緩やかにする非対称特性としている。

このようにすれば、複数の吸気バルブの特性を組み合わせることにより、容易に要求を満たすことができる。
また、（Ｃ）〜（Ｅ）については、リフト特性を２つのカム等を有して２段階に切り換える機構を用いれば容易に構成できる。
図１０は、始動から暖機完了前まで吸気バルブおよび燃料噴射の制御を、水温によって変化させるようにした実施形態の１つを示す。

この実施形態では、上述した基本的な形態の第１のパターンを適用する。すなわち、１回目の燃料噴射を吸気流速大期間で行い、２回目の燃料噴射を点火時期直前で開始する。
本実施形態では、始動から暖機完了前までの間、吸気バルブの開時期ＩＶＯを吸気上死点後３０°〜１４０°の範囲内で遅角する基本的な構成は同様であるが、水温が低いときほどリフト量を大きくしている。その結果、開時期ＩＶＯの遅角量は減少しているが、上記範囲内で設定されているので、十分な吸気流速は確保されている。

水温が低いときほどリフト量を大きくしている理由について説明する。
点火時期の遅角量を大きくするほど、膨張行程で燃焼が遅くなって排気温度の上昇効果は高められるが、これは熱効率を低くすることでもある（発熱量の中、排気中に奪われて損失する熱量が増大するため）からトルクの低下につながる。
そこで、排気温度上昇の要求が高い低水温ほどリフト量を大きくして空気量を増やし、それに伴って噴射期間（噴射量）も大きくして発生トルクを大きくする。これにより、排気温度上昇のため損失となるトルク分を確保して要求トルクを満たしながら、その分点火時期の遅角量をより大きくして排気温度上昇効果を高め、排気浄化触媒の早期活性化をより促進することができる。

図１１は、始動から暖機完了前まで吸気バルブおよび燃料噴射の制御を、水温によって変化させるようにした実施形態の別の例を示す。
この実施形態では、上述した基本的な形態の第２のパターンを適用する。すなわち、１回目の燃料噴射を吸気流速大期間の前で行い、２回目の燃料噴射を点火時期直前で開始する。

その他の構成は、図１０に示した実施形態と同様であり、同様の効果が得られる。
図１２は、図１０に示した実施形態を、過給機付機関に適用した場合の実施形態を示す。
始動から暖機完了前までの間で、過給機による過給領域にあるとき（図示実線）と、非過給領域にあるとき（図示一点鎖線）とで、制御を切り換える。

具体的には、過給領域では過給圧（吸気バルブ上流圧）が高い分、要求空気量を得るためのリフト量を非過給領域より小さくし、また、開時期ＩＶＯもより遅角させることができ、それによって、吸気バルブ開直後の吸気流速をより大きくすることができる。したがって、噴射燃料の気化促進、ひいては排気温度上昇、排気浄化触媒活性化をさらに促進することができる。なお、非過給領域での制御は、図２１と同様に行われる。

図１３は、図１１に示した実施形態（１回目の燃料噴射を吸気流速大期間の前で行い、２回目の燃料噴射を点火時期直前で開始する）を、過給機付機関に適用した場合の実施形態を示す。
１回目の噴射制御以外は、図１２に示した実施形態と同様であり、同様の効果が得られる。

ここで、上記実施形態から把握し得る請求項以外の技術的思想について、以下に効果と共に記載する。
（イ）請求項１〜５のいずれか１つに記載の内燃機関の吸気制御装置において、
機関温度（水温等）を検出し、機関温度が低温であるほど吸気バルブの有効開口面積を大きくし、点火時期の遅角量を大きくすることを特徴とする。

かかる構成によると、機関温度が低いときほど要求トルクを確保しながら点火時期の遅角量を大きくすることができるので、排気温度上昇効果をより高めることができる。
（ロ）請求項１〜５、または上記（イ）のいずれか１つに記載の内燃機関の吸気制御装置において、
内燃機関が過給機を装備し、過給領域では非過給領域より吸気バルブのリフト量を大きくしまたは／および開時期の遅角量を大きくすることを特徴とする。

かかる構成によると、過給領域では吸気バルブ開直後の吸気流速をより大きくすることができ、噴射燃料の気化促進、ひいては排気温度上昇、排気浄化触媒活性化をさらに促進することができる。
（ハ）請求項１〜５、または上記（イ）、（ロ）のいずれか１つに記載の内燃機関の吸気制御装置において、
内燃機関が１気筒当たり複数の吸気バルブを備え、これら複数の吸気バルブのリフト特性の組み合わせによって、前記所定範囲の開時期及び有効開口面積に制御することを特徴とする。

かかる構成によると、複数の吸気バルブのリフト特性を組み合わせることにより、容易に要求を満たすことができ、２段階に切り換える簡易的な機構を用いることもできる。

実施形態における車両用エンジンのシステム図。 実施形態における吸気バルブ用の可変バルブリフト機構を示す斜視図。 同上可変バルブリフト機構の要部断面図。 実施形態における吸気バルブ用の可変バルブタイミング機構を示す図。 実施形態における吸気バルブのリフト・作動角・作動角の中心位相の変化特性を示す線図。 実施形態に係る吸気バルブのリフト特性及び燃料噴射期間を、従来と比較して示す図。 上記実施形態における制御を示すフローチャート。 第２の実施形態に係る吸気バルブのリフト特性及び燃料噴射期間を、従来と比較して示す図。 吸気バルブを１気筒に２個備えた場合の、各種リフト特性の例を示す。 始動から暖機完了前まで吸気バルブおよび燃料噴射の制御を、水温によって変化させるようにした実施形態の１つを示す図。 始動から暖機完了前まで吸気バルブおよび燃料噴射の制御を、水温によって変化させるようにした実施形態の別の例を示す図。 図１０に示した実施形態を、過給機付機関に適用した場合の実施形態を示す図。 図１１に示した実施形態を、過給機付機関に適用した場合の実施形態を示す図。

符号の説明

３…吸気側カムシャフト、１３…制御軸、９９…電磁アクチュエータ、１０１…エンジン、１０４…電子制御スロットル、１０５…吸気バルブ、１０７…排気バルブ、１１２…可変バルブリフト機構、１１３…可変バルブタイミング機構、１１４…エンジンコントロールユニット、１１６…アクセルペダルセンサ、１１７…クランク角センサ、１２０…クランクシャフト、１３２…吸気側カムセンサ、１３３…角度センサ

Claims (4)

1. 燃焼室内に直接燃料が噴射され、吸気バルブのバルブタイミングと有効開口面積とが変更制御される内燃機関において、
   機関始動から暖機完了前までの間、
   吸気バルブの開時期を吸気上死点後３０°〜１４０°の範囲内の値とし、かつ、吸気バルブの有効開口面積を暖機完了後の有効開口面積より小さくして吸気バルブからの吸気流速を増大させるように制御する一方、要求吸入空気量の増大に応じて前記吸気バルブの開時期を維持したまま、有効開口面積を増大させるように制御し、かつ、
   前記吸気バルブ開直後の吸気流速が大きい期間またはその前の期間の少なくとも一方と、点火時期直前から始まる期間と、に燃料噴射を行うように制御することを特徴とする内燃機関の吸気制御装置。
2. 前記吸気バルブ開時期は、排気バルブの閉時期が吸気上死点後に設定される場合には、吸気上死点後３０°より所定クランク角度遅らせた時期〜１４０°の範囲内の値に設定されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の吸気制御装置。
3. 前記点火時期直前の燃料噴射は、点火時期前２０°以降に開始されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の内燃機関の吸気制御装置。
4. 前記吸気流速が大きい期間と点火時期直前との燃料噴射で、燃料噴射量が要求値より不足するときに、該不足する燃料分を前記吸気流速が増大する期間の前に噴射することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関の吸気制御装置。

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