JP5168233B2 - エンジンの燃料噴射制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、エンジンの燃料噴射制御装置に関する。

従来のエンジンの吸気ポートに燃料を噴射する燃料噴射制御装置は、冷間時におけるシリンダからの排気ガスの吹き返しと燃料噴霧との衝突による吸気ポート内壁面への燃料付着を防止するために、吸気弁開時期を遅角補正している。そして吹き返しと燃料噴射時期とが重ならないようにする。すなわち燃料悪化とならない程度に吸気弁開時期を遅角補正して、排気弁閉時期とのオーバーラップ量を減らすことで、吹き返しを弱めている（特許文献１参照）。

特開２００３−８３１２３号公報

しかし、所定の燃料噴射時期に対して吸気弁開時期を遅角補正して吹き返しの干渉を抑制するのでは、吸気バルブ周りのガス流動に応じた適切な燃料噴射時期になっていないことが本件発明者らによって知見された。

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、冷間始動時において適切に燃料噴射時期を制御して未燃炭化水素ＨＣの残留を低減させるエンジンの燃料噴射制御装置を提供することを目的とする。

本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。

本発明は、吸気ポート（２３）に設けられた燃料噴射弁（５３）の燃料噴射を制御する装置であって、冷間始動時に吸気バルブ（２３）の開弁時期を変更する吸気バルブ制御部（Ｓ２）と、吸気バルブ（２３）が開弁したときに前記吸気ポート（２２）へ流れる排気の吹き返し量を推定する吹き返し量推定部（Ｓ３）と、冷間始動時から前記吸気バルブ（２３）の温度が燃料を気化できる温度に上昇するまでは、前記吹き返し量に応じて燃料噴射タイミングを制御する燃料噴射タイミング制御部（Ｓ４〜Ｓ８）と、を備え、前記燃料噴射タイミング制御部（Ｓ４〜Ｓ８）は、前記吹き返し量が所定量より多い場合は燃料の噴射終了時期を排気行程で吸気バルブ開弁時期の進角側に設定する、ことを特徴とする。

本発明によれば、冷間始動時から吸気バルブの温度が燃料を気化できる温度に上昇するまでは、吸気バルブ開弁時期に対して排気の吹き返しを利用できるように燃料噴射タイミングを制御する。このため高温の排気の吹き返しによって吸気ポートに噴射される燃料の気化が促進されるので未燃炭化水素ＨＣの残留を大幅に低減することができる。また燃料噴射タイミングは吹き返し量に応じて制御されるので、吹き返しの効果を無駄なく得ることができる。具体的には、吹き返し量が所定量よりも多い場合は吸気バルブ開弁時期より進角側で燃料を噴射することにより、吸気バルブ開弁時期後に吸気ポートに流れてくる吹き返しによって噴射された燃料が気化されて筒内１０に吸い込まれるので、吸気ポートの内壁面の未燃炭化水素ＨＣを低減することができる。

本発明による燃料噴射制御装置の第１実施形態を適用するエンジンの概略構成図である。 バルブオーバーラップ量の違いによる燃料噴射時期と未燃炭化水素ＨＣの濃度との関係図である。 第１実施形態の燃料噴射制御装置の動作を説明するフローチャートである。 吹き返し量（バルブオーバーラップ量）と燃料噴射時期との関係図である。 第１実施形態の燃料噴射制御について説明するタイムチャートである。 第２実施形態の可変動弁機構の斜視図である。 リフト作動角可変機構の駆動軸方向視図である。 可変動弁機構の作用を説明する図である。 吸い込み速度の違いによる燃料噴射時期と未燃炭化水素ＨＣの濃度との関係図である。 第２実施形態の燃料噴射制御装置の動作を説明するフローチャートである。 第２実施形態の燃料噴射制御について説明するタイムチャートである。

図１は、本発明による燃料噴射制御装置の第１実施形態を適用するエンジンの概略構成図である。

エンジン１は、ポート噴射式エンジンである。エンジン１は、可変バルブタイミング機構（Variable valve Timing Control;以下「ＶＴＣ機構」と略す）４０を含む。ＶＴＣ機構４０は、吸気バルブ２３の開閉タイミングをコントロールする。ＶＴＣ機構４０の構造は公知であるので、ここでは簡単に説明する。

ＶＴＣ機構４０は、吸気バルブ用のカムシャフト４１と、カムスプロケット４２と、を備える開弁時期制御機構である。カムシャフト４１はカム４１ａを一体成形しており、このカム４１ａによって吸気バルブ２３を開閉する。カムスプロケット４２は、カムシャフト４１に対して相対回転できるように、カムシャフト４１の先端に挿嵌されている。カムスプロケット４２は、油圧制御機構４３によって調圧された油圧に応じてカムシャフト４１に対して相対回転する。カムスプロケット４２はクランクシャフト１１と同期回転する。このような構造であるので、カムスプロケット４２をカムシャフト４１に対して相対回転することで、エンジン回転（クランクシャフト１１の回転）に対して、吸気バルブ２３の開閉時期を変更することができる。

エンジン１の排気バルブ３３は、排気バルブ用のカムシャフト４５によって開閉される。排気バルブ３３は、エンジン回転（クランクシャフト１１の回転）に対して一定タイミングで開閉する。

エンジン１の吸気通路２は、上流に吸気コレクタ２１と、下流に吸気ポート２２とを含む。そして吸気コレクタ２１の上流に吸気スロットル５１が設けられる。吸気スロットル５１は、スロットルモータ５２によって駆動される。吸気ポート２２には燃料噴射弁５３が設けられる。燃料噴射弁５３は、吸気ポート２２に燃料を噴射する。燃料噴射弁５３はコントローラ７０によって制御される。そして噴射された燃料は、吸気バルブ２３が開弁すると吸気通路２の空気とともに筒内１０に流入する。

エンジン１の排気通路３には、マニホールド触媒３１及び床下触媒３２が設けられる。マニホールド触媒３１及び床下触媒３２は、排気に含まれる大気汚染物質である炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）及び窒素酸化物（ＮＯｘ）と、酸素とを相互に化学反応させて、無害な水、二酸化炭素及び窒素にする三元触媒である。マニホールド触媒３１及び床下触媒３２は、理想空燃比を中心とした狭い範囲で発生した大気汚染物質を同時に除去する。排気通路３には、排気バルブ３３が開弁して筒内１０から排気が流れる。そして排気は、マニホールド触媒３１及び床下触媒３２を通過して大気汚染物質が除去されて大気中へ放出される。

エアフロメータ６１は、吸入空気量を検出する。ＶＴＣ角度センサ６２は、吸気バルブ２３の開弁時期におけるクランク角度を検出する。クランク角度センサ６３は、エンジン回転速度を検出する。Ｏ₂センサ６４は、排気中に含まれる酸素を検出する。水温センサ６５は、エンジン水温を検出する。アクセルポジションセンサ６６は、アクセルペダル３５の踏込量を検出する。

コントローラ７０は、これらの検出信号に基づいて、燃料噴射弁５３、点火プラグ１２、吸気スロットル５１（スロットルモータ５２）、ＶＴＣ機構４０を制御する。コントローラ７０は、中央演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）及び入出力インタフェース（Ｉ／Ｏインタフェース）を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ７０を複数のマイクロコンピュータで構成してもよい。

ところで、本件発明者らは、吸気バルブ２３と排気バルブ３３とが同時に開弁しているオーバーラップ量によって発生する排気の吹き返しが、冷間始動時の燃料噴射に及ぼす影響に着目した。オーバーラップ量があると、吸気バルブ２３を開弁したときに筒内１０の排気が吸気ポート２２に流れる吹き返しが発生する。そしてエンジン１の始動時など低回転・低負荷のときにオーバーラップ量があると、吸気バルブ２３が開弁する前に吸気ポート２２に噴射された燃料の一部は、吹き返しによって筒内１０に流れずに吸気ポート２２の内壁面に付着してしまう。そして従来、エンジン１の冷間始動時においてオーバーラップ量を設けないように制御する技術があった。しかし冷間始動時で吸気バルブ２３が燃料を気化できる温度に達するまでの間は、吸気ポート２２の内壁面への燃料付着を防止するために吹き返しをなくすのではなく、逆に吹き返しを利用して燃料の気化を促進させるほうが効果的に未燃炭化水素ＨＣを低減できるというのが本件発明者らの知見である。

このような関係が図２に示されている。図２は、オーバーラップ量の違いによる燃料噴射時期と未燃炭化水素ＨＣの濃度との関係図である。図２（Ａ）は、冷間始動時の吸気バルブ開弁時期別の燃料噴射時期と未燃炭化水素ＨＣの濃度との傾向を示す図である。図２（Ｂ−１）〜図２（Ｂ−３）は、オーバーラップ量別の最適噴射終了時期を示す図である。

図２（Ａ）について説明する。エンジンの冷却水温が零下の場合に、排気バルブ閉弁時期ＥＶＣを一定として吸気バルブ開弁時期ＩＶＯを進角させて、オーバーラップ量を設けた。グラフは縦軸に未燃炭化水素ＨＣの濃度を表し、横軸に燃料の噴射終了角度を表している。そしてオーバーラップ量ごとに燃料の噴射終了角度における未燃炭化水素ＨＣの濃度をプロットして折れ線グラフにしている。オーバーラップ量はＶＴＣ機構４０によって設けられる。図中に示すＶＴＣ角度とは、ＶＴＣ機構４０によって開弁時期ＩＶＯを進角させる角度である。ＶＴＣ角度は、０度、１５度、２０度及び３０度である。ＶＴＣ角度が０度は、ＶＴＣ機構４０を作動させていない状態である。ＶＴＣ角度が０度のとき、吸気バルブ開弁時期ＩＶＯは排気バルブ閉弁時期ＥＶＣから２度遅角側に設定されている。このため例えば、ＶＴＣ角度が１５度のとき、ＶＴＣ機構４０による吸気バルブ開弁時期ＩＶＯの進角量は１５度であるが、オーバーラップ量は１３度となる。また図中に示す矢印は吸気バルブ開弁時期ＩＶＯを示し、丸で囲んだプロット点は未燃炭化水素ＨＣの濃度が最も低くなる燃料の噴射終了時期を示す。ＶＴＣ角度０のとき、未燃炭化水素ＨＣの濃度が最も低くなる燃料の噴射終了時期は角度Ａである。またＶＴＣ角度が１５度，２０度及び３０度のとき、未燃炭化水素ＨＣの濃度が最も低くなる燃料の噴射終了時期は、それぞれ角度Ｂ，角度Ｃ及び角度Ｄである。

ＶＴＣ角度の違いによる未燃炭化水素ＨＣの濃度の変化を見ると、ＶＴＣ角度が０度のときは吸気バルブ開弁時期ＩＶＯの後に燃料の噴射終了時期を設定すると未燃炭化水素ＨＣの濃度が最も低くなる。そしてＶＴＣ角度が大きくなるほど、吸気バルブ開弁時期ＩＶＯから進角させて燃料の噴射終了時期を設定する。すると未燃炭化水素ＨＣの濃度が最も低くなる。またＶＴＣ角度が０度のときに比べてＶＴＣ角度があるほうが未燃炭化水素ＨＣの濃度を低減できるのは一目瞭然である。これは排気の吹き返しは高温なので、吸気ポート２２に噴射される燃料の気化を促進するためと考えられる。このことから吸気ポート２２に流れる排気の吹き返しは効果的に未燃炭化水素ＨＣを低減できることがわかる。

そして図２（Ｂ−１）〜図２（Ｂ−３）に示すようにオーバーラップ量に応じて燃料の最適噴射終了時期を大きく３パターンに分けることができる。図２（Ｂ−１）は、オーバーラップ量がゼロ又はマイナスである。このときは吹き返しがない。このときは、燃料の噴射終了時期を吸気バルブ開弁時期ＩＶＯの後に設定して燃料を噴射する。そして図２（Ｂ−２）は、オーバーラップ量が小である。このときは吹き返し量があっても量が少ない。このときについても、燃料の噴射終了時期を吸気バルブ開弁時期ＩＶＯの後に設定して燃料を噴射する。図２（Ｂ−３）は、オーバーラップ量が大である。このときは吹き返し量が多い。このときは、燃料の噴射終了時期を吸気バルブ開弁時期ＩＶＯの前に設定して燃料を噴射する。

図２の場合には、吹き返し量が少ないか多いかの境界値となるオーバーラップ量は、ゼロから１３度の間になる。オーバーラップ量の境界値は、エンジンによって異なる。境界値となるオーバーラップ量のとき、吸気バルブ開弁時期ＩＶＯと燃料の最適噴射終了時期とが一致する。そして境界からの吸気バルブ開弁時期ＩＶＯの遅角量又は進角量が大きいほど、吸気バルブ開弁時期ＩＶＯと燃料の最適噴射終了時期とのタイミング差が大きくなる。このことから、燃料の噴射終了時期をオーバーラップ量に応じて設定すれば、未燃炭化水素ＨＣの低減効果に最適な燃料噴射タイミングとなる。

以下では図３を参照してこのための制御について具体的に説明する。図３は、本実施形態の燃料噴射制御装置の動作を説明するフローチャートである。

ステップＳ１において、コントローラ７０は、水温センサ６５でエンジンの冷却水温Ｔｗを検出する。そしてエンジン１が冷間始動である場合又はエンジン１の冷却水温の始動時からの上昇温度ΔＴｗが所定値よりも低い場合には、ステップＳ２に処理を移行する。そうでない場合は、本制御は実行されず通常の燃料の噴射制御となる。ここで所定値とは、始動時から吸気バルブが燃料を気化できる温度になるまでにエンジン１の冷却水温が上昇する温度をいう。

ステップＳ２において、コントローラ７０は、吸気バルブ２３の開弁制御作動条件が成立したか否かを判定する。判定は、ＶＴＣ機構４０の油圧制御機構４３の油圧の状態で判断すればよい。油圧がＶＴＣ機構４０を作動させることができる値以上になっていれば吸気バルブ２３の開弁制御作動条件が成立する。そしてＶＴＣ作動が可能である場合は、ステップＳ３に処理を移行する。ＶＴＣ作動が不可能である場合は、ステップＳ７に処理を移行する。

ステップＳ３において、コントローラ７０は、吹き返し量を推定する。吹き返しはオーバーラップ量の大小に影響を受ける。またエンジン１の運転状態にも影響を受ける。そこでこれらとの関係を予めマップとしてＲＯＭに格納しておく。オーバーラップ量は、吸気バルブ２３及び排気バルブ３３の開閉制御から検出できる。そしてこのマップに基づいて吹き返し量を推定する。

ステップＳ４において、コントローラ７０は、推定された吹き返し量が所定量よりも多いかどうかを判定する。所定量は、前述したように未燃炭化水素ＨＣの低減効果が最も高い燃料の噴射終了時期と吸気バルブ開弁時期ＩＶＯとが一致するときのオーバーラップ量から求められる。そして吹き返し量が所定量よりも多い場合は、ステップＳ５１に処理を移行する。吹き返し量が所定量以下の場合は、ステップＳ６１に処理を移行する。

ステップＳ５１において、コントローラ７０は、吸気バルブ開弁時期ＩＶＯからの燃料の噴射終了時期の進角量Ａを算出する。進角量Ａは、オーバーラップ量に応じてマップから求められる。マップの詳細は後述する。

ステップＳ５２において、コントローラ７０は、燃料の噴射終了時期を吸気バルブ開弁時期ＩＶＯより進角量Ａだけ進角補正する。

ステップＳ６１において、コントローラ７０は、吸気バルブ開弁時期ＩＶＯからの燃料の噴射終了時期の遅角量Ｂを算出する。遅角量Ｂは、進角量Ａと同様にオーバーラップ量に応じてマップから求められる。マップの詳細は後述する。

ステップＳ６２において、コントローラ７０は、燃料の噴射終了時期を吸気バルブ開弁時期ＩＶＯより遅角量Ｂだけ遅角補正する。

ステップＳ７において、コントローラ７０は、燃料の噴射終了時期を吸気バルブ開弁時期ＩＶＯの後に設定する。このときオーバーラップ量はゼロ又はマイナスとなっている。燃料の噴射終了時期は、ステップＳ５１やステップＳ６１で使用されるマップから求めればよい。

次に図４を参照してオーバーラップ量に応じて燃料の噴射終了時期の吸気バルブ開弁時期ＩＶＯからの進角量Ａ又は遅角量Ｂを求める本実施形態のマップについて説明する。図４は、吹き返し量（オーバーラップ量）と燃料の噴射終了時期との関係を示す図である。図４（Ａ）は、オーバーラップ量に対する燃料の噴射終了時期をクランク角度で示した図である。図４（Ｂ）は、図４（Ａ）を分かり易くオーバーラップ量に対する燃料の噴射終了時期の吸気バルブ開弁時期ＩＶＯからの補正量で表わした図である。オーバーラップ量の単位もクランク角である。

本実施形態では吹き返しの影響が小さい場合は、燃料の噴射終了時期はオーバーラップ量に応じてほぼ一定に変化させる。燃料の噴射終了時期は、吸気バルブの開弁時期ＩＶＯと排気バルブの閉弁時期ＥＶＣの間隔によらず、吸気バルブの開弁時期ＩＶＯからほぼ一定クランク角後とする。吹き返しの影響が大きい場合も、燃料の噴射終了時期はオーバーラップ量に応じてほぼ一定に変化させる。燃料の噴射終了時期は、吸気バルブの開弁時期ＩＶＯと排気バルブの閉弁時期ＥＶＣの間隔によらず、吸気バルブの開弁時期ＩＶＯよりほぼ一定クランク角前とする。そして吹き返しの影響が小から大に変わる移行期間についても、燃料の噴射終了時期はオーバーラップ量に応じてほぼ一定に変化させる。ここで吸気バルブ開弁時期ＩＶＯが排気バルブ閉弁時期ＥＶＣと一致するときを点Ａ、吹き返しの影響が確実に小さいと判断された最大のオーバーラップ量のところを点Ｂ、吸気バルブ開弁時期ＩＶＯが燃料の噴射終了時期と一致するときを点Ｃ、吹き返しの影響が確実に大きいと判断された最小のオーバーラップ量のところを点Ｄとする。そして燃料の噴射終了時期を吸気バルブ開弁時期ＩＶＯとのタイミング差で表わしたのが図４（Ｂ）である。吹き返しの影響が小さい点Ｂのオーバーラップ量までは、吸気バルブ開弁時期ＩＶＯから遅角量Ｂは一定である。吹き返しの影響が大きい点Ｄのオーバーラップ量以上は、吸気バルブ開弁時期ＩＶＯから進角量Ａは一定である。そして点Ｂから点Ｄまではオーバーラップ量に応じて徐々に補正量を変える。点Ｂから点Ｃまでは遅角側への補正である。点Ｃで補正量はゼロである。点Ｃから点Ｄまでは進角側への補正である。このマップに基づいて、オーバーラップ量から燃料の噴射終了時期の吸気バルブ開弁時期ＩＶＯからの進角量Ａ又は遅角量Ｂを求めればよい。

図５は、本実施形態の燃料噴射制御について説明するタイムチャートである。なおフローチャートとの対応を分かりやすくするためにステップ番号にＳを付して併記する。

エンジン１を始動して時刻ｔ０まではＶＴＣ機構４０が作動せず（図５（Ａ）；Ｓ１→Ｓ２でＮｏ）、オーバーラップ量はマイナスで一定である（図５（Ｂ））。このとき燃料の噴射終了時期は吸気バルブ開弁時期ＩＶＯから遅角量Ｂだけ遅角側に設定される（図５（Ｃ）；Ｓ７）。

時刻ｔ０を過ぎてＶＴＣ機構４０が作動したら（図５（Ａ）；Ｓ１→Ｓ２でＹｅｓ）、ＶＴＣ機構４０は目標のオーバーラップ量まで吸気バルブ開弁時期ＩＶＯを進角させる（図５（Ｂ））。目標のオーバーラップ量は、エンジンの負荷及び回転数によって変動する。そしてオーバーラップ量から吹き返し量を推定する（Ｓ３）。本実施形態ではオーバーラップ量と吹き返し量は比例する。

時刻ｔ０から時刻ｔ２まではオーバーラップ量がマイナスから時刻ｔ１を境にプラスとなるが、吹き返し量は所定量よりも少ない（図５（Ｂ）；Ｓ４でＮｏ）。このとき燃料の噴射終了時期は吸気バルブ開弁時期ＩＶＯからの遅角量Ｂだけ遅角側に設定される（図５（Ｃ）；Ｓ６１→Ｓ６２）。遅角量Ｂは一定である。

時刻ｔ２から時刻ｔ３までは、オーバーラップ量がプラスに増え続けるが、まだ吹き返し量が所定量よりも少ない（図５（Ｂ）；Ｓ４でＮｏ）。このとき燃料の噴射終了時期は吸気バルブ開弁時期ＩＶＯからの遅角量Ｂだけ遅角側に設定される（図５（Ｃ）；Ｓ６１→Ｓ６２）。遅角量Ｂは徐々にゼロに近づいて変化する。そして時刻ｔ３のときに燃料の噴射終了時期は吸気バルブ開弁時期ＩＶＯと一致する（図５（Ｃ））。

時刻ｔ３を過ぎるとオーバーラップ量が所定量を超えて吹き返し量は所定量よりも多くなる（図５（Ｂ）；Ｓ４でＹｅｓ）。そして時刻ｔ３から時刻ｔ４まで吹き返し量は徐々に多くなり、時刻ｔ４には未燃炭化水素ＨＣの低減効果が十分得られる吹き返し量となる。このとき燃料の噴射終了時期は、吸気バルブ開弁時期ＩＶＯからの進角量Ａだけ進角側に設定される（図５（Ｃ）；Ｓ５１→Ｓ５２）。進角量Ａは、時刻ｔ３から時刻ｔ４までは吹き返し量に応じて徐々に増やす。

時刻ｔ４から時刻ｔ５まではオーバーラップ量は増加を続ける。そして時刻ｔ５には目標のオーバーラップ量に達する（図５（Ｂ））。このとき燃料の噴射終了時期は、吸気バルブ開弁時期ＩＶＯからの進角量Ａだけ進角側に設定される（図５（Ｃ）；Ｓ５１→Ｓ５２）。進角量Ａは一定である（図５（Ｃ））。

本実施形態によれば、冷間始動時から吸気バルブ２３の温度が燃料を気化できる温度に上昇するまでは、排気の吹き返しを利用して燃料噴射タイミングを制御する。吸気ポート２２に燃料を噴射するときは、燃焼室１０に面する吸気バルブ２３が高温になることを利用して吸気バルブ２３に向けて燃料を噴射する。そして燃料は吸気バルブ２３の熱によって気化される。しかし冷間始動時では吸気バルブ２３が高温となっていないので、燃料は気化されず吸気ポート２２の内壁面に付着してしまっていた。そこで吸気ポート２２に流れる排気の吹き返しが高温であることに着目し、冷間始動時に燃料との衝突を懸念して吹き返しが生じないように吸気バルブ開弁時期ＩＶＯを制御する従来技術とは逆に、吹き返しを利用するように吸気バルブ開弁時期ＩＶＯに対して燃料の噴射終了時期を制御する。これにより従来に比べて大幅に未燃炭化水素ＨＣを低減することができる。

また吹き返し量によって未燃炭化水素ＨＣを低減するメカニズムが違うので、吹き返し量に応じて燃料の噴射終了時期を変更する。ここで吹き返し量はオーバーラップ量から推定するので、別途センサ等のコストをかけることなく容易に吹き返し量を推定できる。

吹き返し量が所定量よりも多い場合は、吸気バルブ開弁時期ＩＶＯより進角側で燃料を噴射するように制御する。これにより、吸気バルブ開弁時期ＩＶＯ後に吸気ポート２２に流れてくる吹き返しによって噴射された燃料が気化される。そして気化された燃料が筒内１０に吸い込まれる。よって吹き返し量を利用して吸気ポート２２の内壁面の未燃炭化水素ＨＣを低減することができる。

吹き返し量がない又は所定量以下の場合は、吸気バルブ開弁時期ＩＶＯより遅角側で燃料を噴射するように制御する。これにより、吸気バルブ２３が開弁している状態で燃料を噴射することとなるので、燃料を筒内１０に直接吸い込ませることができる。よって吸気ポート２２の内壁面の未燃炭化水素ＨＣを低減することができる。

このように吹き返し量に応じて燃料の噴射終了時期を吸気バルブ開弁時期ＩＶＯに対して進角又は遅角させる。噴射終了時期の補正量（進角量又は遅角量）はマップ化されていて吹き返し量から算出される。吹き返し量はオーバーラップ量から推定される。本実施形態では、オーバーラップ量（吹き返し量）に応じた噴射終了時期の補正量をマップから読み取れば、適切な燃料の噴射終了時期を設定することが可能である。そしてエンジン１の冷間始動時から吸気バルブ２３の温度が燃料を気化できる温度になるまで、エンジン１は未燃炭化水素ＨＣの低減効果が高い燃料噴射タイミング制御を継続することができる。よってエンジン１の燃費効率が上がる。

（第２実施形態）
第２実施形態は、第１実施形態のＶＴＣ機構４０に加えて、吸気バルブ２３の作動角に応じてリフト量を可変するリフト作動角可変機構１１０を備える場合の燃料噴射制御である。

図６は、本発明の第２実施形態において吸気バルブ２３の開閉タイミングを制御する可変動弁装置１００の斜視図である。図６では１つの気筒に対応する一対の吸気弁２３とその関連部品のみを簡略的に図示している。可変動弁装置１００は、ＶＴＣ機構４０と、リフト作動角可変機構１１０と、を備える。なお以下では前述した内容と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。

まず、リフト作動角可変機構１１０の構成について説明する。

吸気バルブ２３の上方には、気筒列方向に延びるカムシャフト４１が設けられる。カムシャフト４１は、一端部に設けられたカムスプロケット４２などを介して、図示しないベルトやチェーンでクランクシャフトと連係され、クランクシャフトに連動して軸周りに回転する。

カムシャフト４１には、気筒ごとに、一対の揺動カム１１２がカムシャフト４１に対して回転自在に取り付けられる。その作用については後で詳述するが、この揺動カム１１２がカムシャフト４１を中心として所定の回転範囲で揺動（上下動）することによって、その下方に位置するバルブリフタ１１３が押圧され、吸気バルブ２３が下方にリフトする。なお、一対の揺動カム１１２は、互いに円筒等で同位相に固定される。

カムシャフト４１には、円筒状のカム４１ａが一体形成される。カム４１ａは、揺動カム１１２から軸方向に所定の距離だけ離れた位置に固定される。そして、カム４１ａの外周面には、リンクアーム１１５の基端が、回転自在に嵌合する。

カムシャフト４１の斜め上方には、制御軸１１６が、カムシャフト４１と平行に気筒列方向へ延びて、回転自在に支持される。

制御軸１１６の一端部には、制御軸１１６を所定回転角度範囲内で回転させるリフト量制御アクチュエータ１３０が設けられる。リフト量制御アクチュエータ１３０は、エンジン１の運転状態を検出するコントローラ７０からの制御信号に基づいて制御される。

制御軸１１６には、制御カム１１７が一体形成される。制御カム１１７の外周面には、ロッカーアーム１１８が回転自在に嵌合する。ロッカーアーム１１８は、制御カム１１７の軸心を支点として揺動する。

なお、ロッカーアーム１１８は、制御カム１１７に支持される中央の基端部１１８ａを中心に、軸方向と垂直に左右方向に伸びた形状をしている。

ロッカーアーム１１８の一端部と、リンクアーム１１５の突出端１１５ｂとは、ロッカーアーム１１８が上方に位置するように、両者を挿通する連結ピン１１９によって連結される。

ロッカーアーム１１８の他端部と、リンク部材１２０の一端部とは、両者を挿通する連結ピン１２１によって連結される。

リンク部材１２０の他端部と、揺動カム１１２とは、両者を挿通する連結ピン１２２によって、ロッカーアーム１１８の下方に揺動カム１１２が位置するように連結される。

続いてリフト作動角可変機構１１０の作用について説明する。

図７は、リフト作動角可変機構１１０の駆動軸方向視図である。図７（Ａ）は、吸気バルブ２３のゼロリフト時における揺動カム１１２の最小揺動時及び最大揺動時の位置を示す図である。図７（Ｂ）は、吸気バルブ２３のフルリフト時における揺動カム１１２の最小揺動時及び最大揺動時の位置を示す図である。

ここで吸気バルブ２３のゼロリフト時とは、吸気バルブ２３がリフトしないことをいう（つまり吸気バルブのリフト量はゼロ）。また吸気バルブ２３のフルリフト時とは、吸気バルブ２３が最大のリフト量となることをいう。

図７（Ａ）に示すように、制御カム１１７の中心Ｐ１が制御軸１１６の軸心Ｐ２の上方に位置し、制御カムの厚肉部１１７ａが制御軸１１６に対して上方に位置しているときは、ロッカーアーム１１８は全体として上方へ位置し、揺動カム１１２の端部１１２ａが相対的に上方へ引き上げられた状態となる。つまり、揺動カム１１２の初期位置は、カム面１１２ｂがバルブリフタ１１３から離れる方向に傾く（図７（Ａ）の左側参照）。したがって駆動軸４１の回転に伴って揺動カム１１２が揺動した際に、基円面１１２ｃが長くバルブリフタ１１３に接触し続け、カム面１１２ｂがバルブリフタ１１３に接触する期間が短くなる。このため、吸気バルブ２３の最大リフト量が小さくなる（図７（Ａ）の右側参照）。また、吸気バルブ２３の開弁時期から閉弁時期までのクランク角度区間、つまり吸気バルブ２３の作動角も縮小する。

一方、図７（Ｂ）に示すように、制御カム１１７の中心Ｐ１が制御軸１１６の軸心Ｐ２の下方に位置し、制御カムの厚肉部１１７ａが制御軸１１６に対して下方に位置している場合には、ロッカーアーム１１８は全体として下方へ位置し、揺動カム１１２の端部１１２ａが相対的に下方へ押し下げられた状態となる。つまり、揺動カム１１２の初期位置は、カム面１１２ｂがバルブリフタ１１３に近づく方向に傾く（図７（Ｂ）の左側参照）。したがって駆動軸４１の回転に伴って揺動カム１１２が揺動した際に、バルブリフタ１１３と接触する部位が基円面１１２ｃからカム面１１２ｂへと直ちに移行する。このため、吸気バルブ２３の最大リフト量が大きくなる（図７（Ｂ）の右側参照）。また、吸気バルブ２３の作動角も拡大する。

図８は、可変動弁装置１００の作用を説明する図である。

先に図７を参照して説明した制御カム１１７の初期位置は連続的に変化させ得るので、これに伴って、吸気バルブ２３のバルブリフト特性は連続的に変化する。つまり図８の実線に示したように、可変動弁装置１００は、リフト作動角可変機構１１０によって、吸気バルブ２３のリフト量及び作動角を、両者同時に連続的に拡大、縮小することができる。各部のレイアウトによるが、例えば、吸気バルブ２３のリフト量及び作動角の大小変化に伴い、吸気バルブ２３の開弁時期と閉弁時期とがほぼ対称に変化する。

さらに、図８の破線に示したように、可変動弁装置１００は、ＶＴＣ機構４０によってリフト中心角を進角又は遅角させることができる。

このように、リフト作動角可変機構１１０とＶＴＣ機構４０とを組み合わせることによって、可変動弁装置１００は、任意のクランク角度位置で吸気バルブ２３を開閉でき、吸気バルブ２３の開弁時期を任意の時期に設定することができる。つまり、吸気バルブ２３のバルブタイミングを任意に設定することができる。

本実施形態では第１実施形態での制御に加えて、吹き返し量がない又は所定量よりも少ない場合において、筒内１０への吸い込みを考慮して燃料の噴射終了時期を制御する。

吸い込みは、吸気バルブ開弁時に吸気通路２の圧力に対して筒内１０の圧力が十分に小さい場合に生じる。具体的には、排気行程から吸気行程にかけてピストン１３が上死点ＴＤＣを過ぎて下降すると筒内容積が徐々に増えていく。このとき吸気バルブ２３が閉弁していると筒内圧が下がる。そして吸気バルブ２３が開弁すると吸気通路２の空気が筒内１０に勢いよく吸い込まれる。吸い込みは、吸気バルブ２３が上死点ＴＤＣを過ぎても開弁していない状態、すなわちマイナスオーバーラップ量が大きい場合で生じる。

本実施形態は、吸気バルブ２３のリフト量及び作動角を、両者同時に連続的に拡大、縮小させることができるリフト作動角可変機構１１０を備えている。吸気バルブ２３を小作動角にするほどマイナスオーバーラップ量が大きくなる。そして上述する圧力関係となって吸い込みが生じる。さらにこのとき吸気バルブ２３のバルブリフトも低くなる。そしてバルブリフトが低いと吸い込みの流速が速い。よって作動角が小さくなるほど吸い込みが生じて、吸い込み速度が速い。

図９は、本実施形態での吸い込み速度の違いによる燃料噴射時期と未燃炭化水素ＨＣの濃度との関係図である。図９（Ａ）は、作動角に応じた燃料の最適噴射終了時期を示す図である。図９（Ｂ）は、燃料の噴射終了時期の吸気バルブ開弁時期ＩＶＯからの遅角量Ｃと作動角との関係を示す図である。

図９（Ａ）に示すように、作動角が小さくなるとマイナスオーバーラップ量が大きくなり、吸気バルブ開弁時期ＩＶＯが上死点ＴＤＣから遠ざかる。そして作動角が小さくなるほど吸気バルブ開弁時期ＩＶＯから遅角された燃料の噴射終了時期が未燃炭化水素ＨＣの濃度を効果的に低減することができる。このとき燃料の噴射終了時期の吸気バルブ開弁時期ＩＶＯからの遅角量をＣとし、作動角に応じてプロットしたのが図９（Ｂ）である。

ここで、作動角が小さいほど吸い込みが生じて、吸い込み速度が速いと推定される。そして図９（Ｂ）に示すように、吸い込み速度が所定値より速い場合には吸い込み速度に応じて燃料の噴射終了時期を吸気バルブ開弁時期ＩＶＯから遅角させる。すなわち作動角が小さいほど吸い込みの影響を受けるので、吸い込みの流れに燃料を乗せるように噴射終了時期を設定する。このとき吸い込み速度が速いほど遅角量Ｃは大きくなる。吸い込み速度が所定値以下の場合には燃料の噴射終了時期を吸気バルブ開弁時期ＩＶＯから一定遅角させる。また吸い込み効果が得られなくなったら第１実施形態において吹き返し量が所定量以下の場合に実施する制御（Ｓ６１→Ｓ６２）をしてもよい。

以下では図１０を参照してこのための制御について具体的に説明する。図１０は、本実施形態の燃料噴射制御装置の動作を説明するフローチャートである。本実施形態特有の制御であるステップＳ８１〜ステップＳ８６について説明する。その他は第１実施形態と同様である。

排気の吹き返し量がない又は所定量よりも少ない場合、すなわちオーバーラップ量がマイナス又は小さい場合（Ｓ４でＮｏ）、ステップＳ８１に処理を移行する。

ステップＳ８１において、コントローラ７０は筒内への吸い込み速度を推定する。吸い込み速度は吸気バルブ２３の作動角から推定される。吸い込み速度は小作動角であるほど速い。また吸気バルブ開弁時期ＩＶＯの筒内圧と吸気圧との差圧から推定することも可能である。吸い込み速度は吸気バルブ開弁時期ＩＶＯの筒内圧が吸気圧よりも非常に小さい場合に速い。

ステップＳ８２において、コントローラ７０は、吸い込み速度が所定値よりも速いか否かを判定する。所定値はエンジンによって変動するが、吸い込みが最適な燃料の噴射終了時期に影響を及ぼすか否かが境界となる。そして吸い込み速度が所定値よりも速い場合は、ステップＳ８３に処理を移行する。そうでない場合は、ステップＳ８５に処理を移行する。

ステップＳ８３において、コントローラ７０は、燃料の噴射終了時期の吸気バルブ開弁時期ＩＶＯからの遅角量Ｃを算出する。吸い込み速度と遅角量Ｃとの関係は図９（Ｂ）のようにマップ化しておく。

ステップＳ８４において、コントローラ７０は、燃料の噴射終了時期を吸気バルブ開弁時期ＩＶＯより遅角量Ｃだけ後に遅角補正する。

ステップＳ８５において、コントローラ７０は、ステップＳ８３と同様に燃料の噴射終了時期の吸気バルブ開弁時期ＩＶＯからの遅角量Ｃを算出する。

ステップＳ８６において、コントローラ７０は、燃料の噴射終了時期を吸気バルブ開弁時期ＩＶＯより遅角量Ｃだけ後に遅角補正する。

図１１は、本実施形態の燃料噴射制御について説明するタイムチャートである。なおフローチャートとの対応を分かりやすくするためにステップ番号にＳを付して併記する。

時刻ｔ０でエンジンを冷間始動して時刻ｔ１までは、アイドリング中である（図１１（Ａ）（Ｂ）（Ｆ））。このとき吸気バルブ２３を小作動角・小リフトとして、オーバーラップ量をマイナス大とする（図１１（Ｃ）（Ｄ））。この場合排気の吹き返しは発生せず（Ｓ４でＮｏ）、筒内への流れの速い吸い込みが生じる（Ｓ８１→Ｓ８２でＹｅｓ）。よって流速の速い筒内への吸い込みに燃料をあてることで燃料の気化を促進させるために、燃料の噴射終了時期を吸気バルブ開弁時期ＩＶＯより遅角量Ｃだけ後に遅角補正する（Ｓ８３→Ｓ８４）。

時刻ｔ１から時刻ｔ２では、徐々に車が加速されエンジンの回転数が増す（図１１（Ａ）（Ｂ））。このとき吸気バルブ２３を小作動角・小リフトから徐々に作動角・リフト量を増やすので、オーバーラップ量もマイナスのままではあるが、マイナス量が減る（図１１（Ｃ）（Ｄ））。この場合においても、まだ吸い込みによる効果が得られるので（Ｓ４→Ｓ８１→Ｓ８２でＹｅｓ）、燃料の噴射終了時期を吸気バルブ開弁時期ＩＶＯより遅角量Ｃだけ後に遅角補正する（Ｓ８３→Ｓ８４）。

時刻ｔ２から時刻ｔ３では、さらにエンジンの回転数が増す（図１１（Ａ））。そして吸気バルブ２３を大作動角・大リフトへと変更して吸気バルブ開弁時期ＩＶＯが進角する（図１１（Ｅ））。時刻ｔ３において吸気バルブ開弁時期ＩＶＯとＥＶＣが重なってオーバーラップ量がゼロとなる（図１１（Ｄ））。このときオーバーラップ量はマイナスであるので排気の吹き返しは発生しておらず吸い込みも生じていないので（Ｓ４→Ｓ８１→Ｓ８２でＮｏ）、燃料の噴射終了時期を吸気バルブ開弁時期ＩＶＯより遅角量Ｃだけ後に遅角補正する（Ｓ８５→Ｓ８６）。この期間は、吸い込みによる効果を受ける状態から吹き返しによる効果を受ける状態への移行期間である。そして前者の場合は吸気バルブ開弁時期ＩＶＯに対して遅角補正するのに対して、後者は進角補正である。よって燃料の噴射終了時期の吸気バルブ開弁時期ＩＶＯからの遅角量Ｃは、時刻ｔ２の状態からゼロになるように徐々に減らす（図１１（Ｅ））。

時刻ｔ３から時刻ｔ４では、車が走行状態になる（図１１（Ａ）（Ｂ））。このとき吸気バルブ２３を大作動角・大リフトとするので、オーバーラップ量がプラスに生じる（図１１（Ｃ）（Ｄ））。よって排気の吹き返しが発生して吹き返しによる効果が得られるので、燃料の噴射終了時期を吸気バルブ開弁時期ＩＶＯから進角量Ａだけ手前に進角補正する（Ｓ４→Ｓ５１→Ｓ５２）。

時刻ｔ４から時刻ｔ５は、時刻ｔ２から時刻ｔ３とエンジンの状態が同じであるので同様の制御を行う。

時刻ｔ５から時刻ｔ６は、時刻ｔ１から時刻ｔ２とエンジンの状態が同じであるので同様の制御を行う。

時刻ｔ６から時刻ｔ７は、時刻ｔ０から時刻ｔ１とエンジンの状態が同じであるので同様の制御を行う。

時刻ｔ７で、エンジン水温が制御終了水温となる。そして吸気バルブ２３が吸気ポート２２に噴射される燃料を気化できるようになるので、本制御をやめ通常の燃料噴射制御に徐々に移行する。

本実施形態によれば、吸気バルブ２３の作動角及びリフト量を同時に可変させることができる場合に、筒内への吸い込みも考慮する。排気の吹き返しだけでなく、吸い込みの速度による未燃炭化水素ＨＣの低減効果を考慮して燃料の噴射タイミングを制御するので、未燃炭化水素ＨＣを低減効果が向上する。

以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。

例えば実施形態において、吹き返し量をオーバーラップ量から推定したがこれに限らない。吹き返し量は、吸気ポートにガス流動や温度等を検出するセンサを設けて推定してもよい。また吸気バルブ開弁時期ＩＶＯに対する燃料の噴射終了時期の補正量を示すマップについて、本実施形態では進角量Ａ及び遅角量Ｂを所定のオーバーラップ量以上及び以下の場合に一定としたマップを使用したがこれに限らない。オーバーラップ量に応じて随時進角量Ａ及び遅角量Ｂが見直されるようなマップにしてもよい。また第２実施形態においてリフト作動角可変機構はリフト量及び作動角を連動して可変させたが、リフト量のみを可変させるタイプでもよい。また吸い込みを考慮して燃料の噴射終了時期は吸気バルブ開弁時期ＩＶＯに対して遅角させたが、これに限らない。エンジンの仕様によっては吸気バルブ開弁時期ＩＶＯから進角させてもよい。吸い込み速度が非常に速ければ、吸気バルブの傘裏の燃料付着も吸い込みの流動に乗って筒内へ流入する。

１ エンジン
２２ 吸気ポート
２３ 吸気バルブ
３３ 排気バルブ
４０ 可変バルブタイミング機構（ＶＴＣ機構）
１００ 可変動弁装置
１１０ リフト作動角可変機構
Ｓ３ 吹き返し量推定部
Ｓ４〜Ｓ８ 燃料噴射タイミング制御部
Ｓ８１ 吸入速度推定部

Claims (10)

1. 吸気ポートに設けられた燃料噴射弁の燃料噴射を制御する装置であって、
   冷間始動時に吸気バルブの開弁時期を変更する吸気バルブ制御部と、
   吸気バルブが開弁したときに前記吸気ポートへ流れる排気の吹き返し量を推定する吹き返し量推定部と、
   冷間始動時から前記吸気バルブの温度が燃料を気化できる温度に上昇するまでは、前記吹き返し量に応じて燃料噴射タイミングを制御する燃料噴射タイミング制御部と、
   を備え、
   前記燃料噴射タイミング制御部は、前記吹き返し量が所定量より多い場合は燃料の噴射終了時期を排気行程で吸気バルブ開弁時期の進角側に設定する、
   ことを特徴とするエンジンの燃料噴射制御装置。
2. 前記吸気バルブ制御部は、前記吸気バルブの作動角及びリフト量を一定のまま開弁時期を変更する可変バルブタイミング機構を制御して開弁時期を変更する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの燃料噴射制御装置。
3. 前記吸気バルブ制御部は、前記吸気バルブの作動角に応じてリフト量を変更するリフト作動角可変機構を制御して開弁時期を変更する、
   ことを特徴とする請求項１に記載のエンジンの燃料噴射制御装置。
4. 前記燃料噴射タイミング制御部は、前記吹き返し量がない又は所定量よりも小さい場合は燃料の噴射終了時期を吸気バルブ開弁時期の遅角側に設定する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のエンジンの燃料噴射制御装置。
5. 前記吹き返し量推定部は、排気バルブと吸気バルブとがともに開弁しているバルブオーバーラップ期間の長さから吹き返し量を推定する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のエンジンの燃料噴射制御装置。
6. 筒内への吸気の吸い込み速度を推定する吸入速度推定部を備え、
   前記燃料噴射タイミング制御部は、前記吹き返し量がない又は所定量以下の場合は、前記吸い込み速度が所定値より速いほど、燃料の噴射終了時期を吸気バルブ開弁時期の遅角側に設定する、
   ことを特徴とする請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載のエンジンの燃料噴射制御装置。
7. 前記吸込速度推定部は、前記吸気バルブ開弁時期における吸気側の圧力と筒内圧との差圧、及び前記吸気バルブのリフト量によって吸い込み速度を推定する、
   ことを特徴とする請求項６に記載のエンジンの燃料噴射制御装置。
8. 吸気ポートに設けられた燃料噴射弁の燃料噴射を制御する装置であって、
   冷間始動時に吸気バルブの開弁時期を排気バルブの閉弁時期より早める吸気バルブ制御部と、
   前記冷間始動時に、吸気バルブの開弁時期と排気バルブの閉弁時期との間隔が所定の間隔より小さいときは、燃料噴射終了時期が吸気バルブの開弁時期の後になるように燃料噴射タイミングを制御し、吸気バルブの開弁時期と排気バルブの閉弁時期との間隔が所定の間隔より大きいときは、燃料噴射終了時期が吸気バルブの開弁時期の前になるように燃料噴射タイミングを制御する燃料噴射タイミング制御部と、
   を備えるエンジンの燃料噴射制御装置。
9. 前記燃料噴射タイミング制御部は、吸気バルブの開弁時期と排気バルブの開弁時期との間隔が所定の間隔より小さいときは、吸気バルブの開弁時期と排気バルブの閉弁時期との間隔によらず、前記吸気バルブの開弁時期から一定間隔後の燃料噴射時期とすると共に、吸気バルブの開弁時期と排気バルブの閉弁時期との間隔が所定の間隔より大きいときは、吸気バルブの開弁時期と排気バルブの閉弁時期との間隔によらず、前記吸気バルブの開弁時期より一定間隔前の燃料噴射終了時期とする、
   ことを特徴とする請求項８に記載のエンジンの燃料噴射制御装置。
10. 吸気ポートに設けられた燃料噴射弁の燃料噴射を制御する方法であって、
    冷間始動時に吸気バルブの開弁時期を変更する吸気バルブ制御工程と、
    吸気バルブが開弁したときに前記吸気ポートへ流れる排気の吹き返し量を推定する吹き返し量推定工程と、
    冷間始動時から前記吸気バルブの温度が燃料を気化できる温度に上昇するまでは、前記吹き返し量に応じて燃料噴射タイミングを制御する燃料噴射タイミング制御工程と、
    を備え、
    前記燃料噴射タイミング制御工程は、前記吹き返し量が所定量より多い場合は燃料の噴射終了時期を排気行程で吸気バルブ開弁時期の進角側に設定する、
    ことを特徴とするエンジンの燃料噴射制御方法。

Images