JPWO2004109082A1 - 可変吸気弁を備えた内燃機関 - Google Patents
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Abstract
本発明の目的は、壁面への燃料付着を防止し、燃料噴霧微粒化を可能として、未然燃料を低減できる可変吸気弁を備えた内燃機関を提供することにある。エンジンコントロールユニット（２０）は、低負荷運転時には、吸気弁（７）の開時期を吸気行程に設定して、吸気弁（７）の開口期間とリフト量を制御することにより吸入空気量を調節する。また、エンジンコントロールユニット（２０）は、燃料噴射弁（３１）の燃料噴射期間が吸気弁（７）の開口期間よりも長い場合に、燃料の噴射率を変更可能な噴射率可変機構（３２）を備えた燃料噴射弁の単位時間当たりの燃料噴射量を大きくして、燃料噴射弁（１１）の燃料噴射期間が吸気弁（７）の開口期間以下となるように制御する。
Description
本発明は、吸気弁の開時期，開口期間，リフト量を変更可能な可変吸気弁を備えた内燃機関に係り、特に、冷機始動時の制御に適用するに好適な可変吸気弁を備えた内燃機関に関する。
従来の内燃機関においては、冷機始動時の触媒温度が低い未活性状態では浄化能力が小さく、エンジンから排出される未燃燃料がそのまま大気中に排出され環境悪化の要因となる。そのため、排気低減にはこの未燃燃料を最小限に抑えることが必要である。
しかし、排気行程中に燃料を噴射するポート噴射エンジンの場合、噴射された燃料の殆どが吸気管や吸気弁に付着するが、冷機時は壁面からの受熱が殆ど無いため燃料の気化が悪く、壁面に付着した燃料が壁流となって燃焼室に流入したものがエンジンオイルに希釈され気化が不十分となって未燃燃料として排出される。
そこで、例えば、特開２００２−２４２７１３号公報に記載のように、水温が５０℃以下の始動時において吸気弁の開時期を遅角して吸入空気の流速を上げ、吸気弁が開く時期に燃料が吸気弁に到達するように燃料噴射時期を設定し、吸気弁が開いた時に生成される空気流動によって吸気管に付着する燃料を少なくするものが知られている。
しかし、排気行程中に燃料を噴射するポート噴射エンジンの場合、噴射された燃料の殆どが吸気管や吸気弁に付着するが、冷機時は壁面からの受熱が殆ど無いため燃料の気化が悪く、壁面に付着した燃料が壁流となって燃焼室に流入したものがエンジンオイルに希釈され気化が不十分となって未燃燃料として排出される。
そこで、例えば、特開２００２−２４２７１３号公報に記載のように、水温が５０℃以下の始動時において吸気弁の開時期を遅角して吸入空気の流速を上げ、吸気弁が開く時期に燃料が吸気弁に到達するように燃料噴射時期を設定し、吸気弁が開いた時に生成される空気流動によって吸気管に付着する燃料を少なくするものが知られている。
しかしながら、特開２００２−２４２７１３号公報に記載されたものでは、吸気弁の開口期間より燃料噴射時期が長くなった場合には、燃料の一部が燃焼室に入りきらずに吸気弁に付着して液膜を形成することにより壁流が生じて排気が悪化し、また気流との間に生じるせん断力による微粒化が無いため気化が悪く不均質な混合気が形成され燃焼性が悪化するといった問題があった。
本発明の目的は、壁面への燃料付着を防止し、燃料噴霧微粒化を可能として、未燃燃料を低減できる可変吸気弁を備えた内燃機関を提供することにある。
（１）上記目的を達成するために、本発明は、吸気弁の開時期，開口期間，リフト量を変更可能な可変吸気弁を備えた内燃機関において、燃料噴射弁の燃料噴射期間が前記吸気弁の開口期間よりも長い場合に、単位時間当たりの燃料噴射量若しくは吸入空気量を可変して、前記燃料噴射弁の燃料噴射期間が前記吸気弁の開口期間以下となるように制御する制御手段を備えるようにしたものである。
かかる構成により、燃料噴射弁の燃料噴射期間が前記吸気弁の開口期間以下となり、壁面への燃料付着を防止し、燃料噴霧微粒化を可能として、未燃燃料を低減し得るものとなる。
（２）上記（１）において、好ましくは、前記制御手段は、低負荷運転時には、前記吸気弁の開時期を吸気行程に設定して、前記吸気弁の開口期間とリフト量を制御することにより吸入空気量を調節し、さらに、前記制御手段は、燃料の噴射率を変更可能な噴射率可変機構を備えた燃料噴射弁の単位時間当たりの燃料噴射量を大きくして、前記燃料噴射弁の燃料噴射期間が前記吸気弁の開口期間以下となるように制御するようにしたものである。
（３）上記（２）において、好ましくは、前記燃料の噴射率を変更可能な噴射率可変機構は、燃料の吐出を制御する燃料噴射弁の弁体のリフト量を変更可能な機構であり、前記制御手段は、この弁体のリフト量を大きくして、燃料噴射弁の単位時間当たりの燃料噴射量を大きくするようにしたものである。
（４）上記（２）において、好ましくは、前記燃料の噴射率を変更可能な噴射率可変機構は、高圧の燃料フィードポンプの燃料圧力を変更可能な機構であり、前記制御手段は、この燃料圧力を大きくして、燃料噴射弁の単位時間当たりの燃料噴射量を大きくするようにしたものである。
（５）上記（１）において、好ましくは、前記制御手段は、低負荷運転時には、前記吸気弁の開時期を吸気行程に設定して、前記吸気弁の開口期間とリフト量および吸気管の上流に設けられた絞り弁の開度を制御することにより単位時間当たりの吸入空気量を小さくして、前記燃料噴射弁の燃料噴射期間が前記吸気弁の開口期間以下となるように制御するようにしたものである。
（６）上記（１）において、好ましくは、前記制御手段は、燃料噴射終了時期を、吸気弁の閉時期に対し、噴射された燃料噴霧が吸気弁に到達するのに要する時間だけ早い時期としたものである。
本発明の目的は、壁面への燃料付着を防止し、燃料噴霧微粒化を可能として、未燃燃料を低減できる可変吸気弁を備えた内燃機関を提供することにある。
（１）上記目的を達成するために、本発明は、吸気弁の開時期，開口期間，リフト量を変更可能な可変吸気弁を備えた内燃機関において、燃料噴射弁の燃料噴射期間が前記吸気弁の開口期間よりも長い場合に、単位時間当たりの燃料噴射量若しくは吸入空気量を可変して、前記燃料噴射弁の燃料噴射期間が前記吸気弁の開口期間以下となるように制御する制御手段を備えるようにしたものである。
かかる構成により、燃料噴射弁の燃料噴射期間が前記吸気弁の開口期間以下となり、壁面への燃料付着を防止し、燃料噴霧微粒化を可能として、未燃燃料を低減し得るものとなる。
（２）上記（１）において、好ましくは、前記制御手段は、低負荷運転時には、前記吸気弁の開時期を吸気行程に設定して、前記吸気弁の開口期間とリフト量を制御することにより吸入空気量を調節し、さらに、前記制御手段は、燃料の噴射率を変更可能な噴射率可変機構を備えた燃料噴射弁の単位時間当たりの燃料噴射量を大きくして、前記燃料噴射弁の燃料噴射期間が前記吸気弁の開口期間以下となるように制御するようにしたものである。
（３）上記（２）において、好ましくは、前記燃料の噴射率を変更可能な噴射率可変機構は、燃料の吐出を制御する燃料噴射弁の弁体のリフト量を変更可能な機構であり、前記制御手段は、この弁体のリフト量を大きくして、燃料噴射弁の単位時間当たりの燃料噴射量を大きくするようにしたものである。
（４）上記（２）において、好ましくは、前記燃料の噴射率を変更可能な噴射率可変機構は、高圧の燃料フィードポンプの燃料圧力を変更可能な機構であり、前記制御手段は、この燃料圧力を大きくして、燃料噴射弁の単位時間当たりの燃料噴射量を大きくするようにしたものである。
（５）上記（１）において、好ましくは、前記制御手段は、低負荷運転時には、前記吸気弁の開時期を吸気行程に設定して、前記吸気弁の開口期間とリフト量および吸気管の上流に設けられた絞り弁の開度を制御することにより単位時間当たりの吸入空気量を小さくして、前記燃料噴射弁の燃料噴射期間が前記吸気弁の開口期間以下となるように制御するようにしたものである。
（６）上記（１）において、好ましくは、前記制御手段は、燃料噴射終了時期を、吸気弁の閉時期に対し、噴射された燃料噴霧が吸気弁に到達するのに要する時間だけ早い時期としたものである。
図１は、本発明の第１の実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の構成を示す構成図である。
図２は、本発明の第１の実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の動作を示すフローチャートである。
図３は、バルブの開閉時期，リフト量の説明図である。
図４は、本発明の一実施形態による内燃機関に用いられるリフト量可変機構を備えた燃料噴射弁のボール弁リフト量ＦＶＬと燃料噴射率ＩＲＴの関係の説明図である。
図５は、本発明の第１の実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関のクランキング時の動作を示すタイミングチャートである。
図６は、本発明の第１の実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の完爆時の動作を示すタイミングチャートである。
図７は、本発明の第２の実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の構成を示す構成図である。
図８は、本発明の第２の実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の動作を示すフローチャートである。
図９は、本発明の一実施形態による内燃機関に用いられる燃料噴射弁の燃料圧力ＲＰと燃料噴射率ＩＲＴの関係の説明図である。
図１０は、本発明の一実施形態による内燃機関に用いられる燃料噴射弁の燃料圧力ＲＰと噴霧平均速度ＶＦの関係の説明図である。
図１１は、本発明の第２の実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の完爆時の動作を示すタイミングチャートである。
図１２は、本発明の第３の実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の構成を示す構成図である。
図１３は、本発明の第３の実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の動作を示すフローチャートである。
図１４は、本発明の第３の実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の完爆時の動作を示すタイミングチャートである。
図２は、本発明の第１の実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の動作を示すフローチャートである。
図３は、バルブの開閉時期，リフト量の説明図である。
図４は、本発明の一実施形態による内燃機関に用いられるリフト量可変機構を備えた燃料噴射弁のボール弁リフト量ＦＶＬと燃料噴射率ＩＲＴの関係の説明図である。
図５は、本発明の第１の実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関のクランキング時の動作を示すタイミングチャートである。
図６は、本発明の第１の実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の完爆時の動作を示すタイミングチャートである。
図７は、本発明の第２の実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の構成を示す構成図である。
図８は、本発明の第２の実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の動作を示すフローチャートである。
図９は、本発明の一実施形態による内燃機関に用いられる燃料噴射弁の燃料圧力ＲＰと燃料噴射率ＩＲＴの関係の説明図である。
図１０は、本発明の一実施形態による内燃機関に用いられる燃料噴射弁の燃料圧力ＲＰと噴霧平均速度ＶＦの関係の説明図である。
図１１は、本発明の第２の実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の完爆時の動作を示すタイミングチャートである。
図１２は、本発明の第３の実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の構成を示す構成図である。
図１３は、本発明の第３の実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の動作を示すフローチャートである。
図１４は、本発明の第３の実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の完爆時の動作を示すタイミングチャートである。
以下、図１〜図６を用いて、本発明の第１の実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の構成及び動作について説明する。
最初に、図１を用いて、本実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の構成について説明する。なお、本実施形態では、気筒毎に燃料噴射弁を設けたマルチポイントインジェクション（ＭＰＩ）を用いている。
図１は、本発明の第１の実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の構成を示す構成図である。
燃焼室４は、シリンダヘッド１と、シリンダブロック２と、シリンダブロック２に挿入されたピストン３とにより形成される。燃焼室４の中心上部には、点火プラグ３１が設けられている。ピストン３は、コンロッド１７を介してクランク軸１８と連結されている。クランク軸１８には、クランク角度とエンジン回転数を検出可能なクランク角センサ１９が設置されている。
シリンダブロック２には、冷却水の温度を検出する水温センサ１２が設置されている。燃焼室４には、吸気管５と排気管６がそれぞれ開口している。吸気管５及び排気管６の開口部を、それぞれ開閉する吸気弁７と排気弁８が設けられている。
アクセルペダル９には、運転者の踏み込み量を検出するアクセル開度センサ（ＳＡＣＣ）１０を備えている。吸気管５には、吸気弁７に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁１１と、燃焼室４へ吸入する空気量を調節可能な絞り弁１３が設けられている。排気管６には、三元触媒１４を備えており、その上流側には空燃比センサ１５を、下流にはＯ２センサ１６が設けられている。吸気弁７には、バルブの開時期，開口期間，リフト量を変更可能なバルブ可変機構（ＶＶ）２６を備えている。燃料噴射弁１１には、燃料配管２８によって燃料タンク２９内に設置された低圧ポンプ（ＰＬ）３０が接続されている。燃料配管２８の途中には、燃料圧力を検出可能な燃料圧力センサ（ＳＦＵ）２７が設置されている。
電子制御装置（ＥＣＵ）２０は、設定されたプログラムに従って演算処理を実行する中央処理装置（ＣＰＵ）２１と、制御プログラムや演算に必要なデータを記憶しているリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）２２と、演算結果を一時的に格納するためのランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）２３と、各センサからの信号を受信する入力回路（ＩＮ）２４と、演算結果から各装置に信号を送信する出力回路（ＯＵＴ）２５で構成されている。
燃料噴射弁１１の内部には、上下することによって燃料噴射量を制御する弁体が設けられている。弁体のリフト量と開口期間を変えることによって、燃料噴射量が制御される。弁体は磁歪材料で作られており、磁界を発生させることにより弁体の長さを変える事ができる。燃料噴射弁１１には磁界の強弱を制御するリフト量可変機構（ＶＬ）３２が設けられおり、これにより開口期間一定で燃料噴射量を変えることが可能である。バルブ可変機構２６は、機械的に吸気弁のカム軸を動かし、バルブの開時期，開口期間，リフト量を制御する機構となっている。
次に、図２〜図６を用いて、本実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の動作について説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の動作を示すフローチャートである。
イグニッションスイッチがオンになりエンジンが始動すると、ステップｓ１００において、ＥＣＵ２０は、アクセル開度センサ１０の信号を入力回路２４を取り込み、ＣＰＵ２１はアクセル開度ＡＣＤを算出する。
次に、ステップｓ１１０において、ＥＣＵ２０は、水温センサ１２の信号を入力回路２４を取り込み、ＣＰＵ２１は水温ＴＷを算出する。
次に、ステップｓ１２０において、ＥＣＵ２０は、クランク角センサ１９の信号を入力回路２４を取り込み、ＣＰＵ２１はエンジン回転数ＮＥを算出する。
次に、ステップｓ１３０において、ＥＣＵ２０は、燃料圧力センサ２７の信号を入力回路２４を取り込み、ＣＰＵ２１は燃料圧力ＲＰを算出する。
次に、ステップｓ１４０において、ＥＣＵ２０のＣＰＵ２１は、アクセル開度ＡＣＤを用いて、低負荷か否かを判定する。中高負荷と判定されるとステップｓ１５０に進み、低負荷と判定されるとステップｓ１７０に進む。
中高負荷であるとＣＰＵ２１が判定すると、ステップｓ１５０において、ＣＰＵ２１は、吸気弁７の開時期ＶＯＴ２，リフト量ＶＬ２，開口期間ＶＴ２を決定し、バルブ可変機構２６を制御する。中高負荷であるので、吸気弁７の開時期ＶＯＴ２，リフト量ＶＬ２，開口期間ＶＴ２は、それぞれ予め設定されている最大値となるように、設定される。
ここで、図３を用いて、バルブの開閉時期，リフト量について説明する。
図３は、バルブの開閉時期，リフト量の説明図である。図３において、横軸はクランク角θ（ｄｅｇ）を示し、縦軸はバルブのリフト量を示している。クランク角θが０〜９０度が膨張行程ＥＸＰであり、９０〜１８０が掃気工程ＥＸＨであり、１８０〜２７０度が吸気行程ＩＮＴであり、２７０〜３６０度が圧縮行程ＣＯＭである。図中、実線ＩＮが吸気弁のリフト量を示し、点線ＥＸが排気弁のリフト量を示している。中高負荷の時は、例えば、吸気弁の開時期ＶＯＴ２は３６０度とし、リフト量ＶＬ２は図示する量とし、開口期間ＶＴ２は２１０度となる。
次に、ステップｓ１６０において、ＣＰＵ２１は、アクセル開度ＡＣＤと水温ＴＷとエンジン回転数ＮＥから、目標となる燃料噴射量ＭＦ２，空燃比Ａ／Ｆ２，絞り弁開度ＴＨＡ２，燃料噴射時期ＦＩＴ２，点火時期ＩＧＴ２を算出する。そして、ＣＰＵ２１は、これらの算出値となるように、燃料噴射弁１１、絞り弁１３、点火プラグ１６を制御する。
ここで、燃料噴射時期ＦＩＴ２は、従来のＭＰＩエンジンに用いられるような排気行程中に燃料噴射が終了する時期に設定される。点火時期ＩＧＴ２は、水温ＴＷが８０℃未満の場合は排気温度の上昇を目的に上死点付近に、また水温ＴＷが８０℃以上の場合は上死点前２０°付近に決定される。空燃比Ａ／Ｆ２は、ガソリンの理論混合比である１４．７になるように決定される。運転中の空燃比は空燃比センサ１５により検出され、目標空燃比Ａ／Ｆ２と誤差が生じた場合は絞り弁開度ＴＨＡ２を補正する。
なお、上述の例では、排気弁のリフト量と作動角は一定としているが、排気弁にもバルブ可変機構を取り付けてもよいものである。
一方、ステップｓ１４０の判定により、アクセル開度ＡＣＤが低負荷であるとＣＰＵ２１が判定すると、ステップｓ１７０において、ＣＰＵ２１は、絞り弁１３の開度が最大（全開）となる絞り弁開度ＴＨＡ１に設定する。また、ＣＰＵ２１は、水温ＴＷ，エンジン回転数ＮＥ，アクセル開度ＡＣＤから、目標となる燃料噴射量ＭＦ１，空燃比Ａ／Ｆ１，点火時期ＩＧＴ１を算出する。
次に、ステップｓ１８０において、ＣＰＵ２１は、燃料噴射量ＭＦ１と空燃比Ａ／Ｆ１から計算された空気量から吸気弁７の開時期ＶＯＴ１，開口期間ＶＴ１，リフト量ＶＬ１を算出する。運転中の空燃比は空燃比センサ１５により検出され、空燃比Ａ／Ｆ１と誤差が生じた場合は、開口期間ＶＴ１とバルブリフト量ＶＬ１を補正する。
次に、ステップｓ１９０において、ＣＰＵ２１は、燃料噴射弁１１の単位時間当たりの燃料噴射量である燃料噴射率ＩＲＴを算出する。
ここで、図４を用いて、リフト量可変機構２１を備えた燃料噴射弁１１のボール弁リフト量ＦＶＬと燃料噴射率ＩＲＴの関係について説明する。
図４は、本発明の一実施形態による内燃機関に用いられるリフト量可変機構を備えた燃料噴射弁のボール弁リフト量ＦＶＬと燃料噴射率ＩＲＴの関係の説明図である。
図４において、横軸はボール弁リフト量ＦＶＬを示し、縦軸は燃料噴射率ＩＲＴを示している。図４の原点Ｎは、標準値の状態を示している。標準値とはボール弁の弁体に磁界が発生し弁体が伸びている状態を表し、通常はこの状態で使用する。ボール弁リフト量ＦＶＬが標準値から増加するに従って、燃料噴射率ＩＲＴも標準値から直線的に増加する。
ステップｓ１９０では、ボール弁リフト量ＬＦ１の初期値は最小である標準値となっており、燃料噴射率ＩＲＴも標準値に設定される。
次に、ステップｓ２００において、ＣＰＵ２１は、燃料噴射率ＩＲＴと燃料噴射量ＭＦ１から燃料噴射期間Ｔ１を算出する。
次に、ステップｓ２１０において、ＣＰＵ２１は、噴射時期補正時間Ｔ２を算出する。噴射時期補正時間Ｔ２は、燃料噴射弁１１から燃料が噴射された後、この燃料が燃焼室４に到着するまでの時間である。噴射時期補正時間Ｔ２は、噴霧速度ＶＦと燃料噴射弁の先端から吸気弁までの距離Ｌによって決まり、次式（１）によって算出される。
Ｔ２＝Ｌ／ＶＦ …（１）
ここで、燃料噴霧の平均速度ＶＦは、燃料圧力ＲＰから求められ、燃料ポンプＰＬの性能によって決定される。通常、燃料圧力レギュレータを用いる構成では燃料圧力ＲＰは一定保たれている。燃料噴射弁と吸気弁までの距離Ｌはエンジンの構成によって決まるため、燃料圧力ＲＰが一定ならば、噴射時期補正時間Ｔ２はＲＯＭ２２に予め記憶した値を用いることができる。なお、燃料圧力センサ２７によって燃料圧力ＲＰを検出する場合には、燃料圧力ＲＰと噴射時期補正時間Ｔ２の関係のマップをＲＯＭ２２に予め記憶しておき、マップを用いて、噴射時期補正時間Ｔ２を算出することもできる。
次に、ステップｓ２２０において、ＣＰＵ２１は、吸気弁７のバルブの開口期間ＶＴ１が燃料噴射期間Ｔ１以上か否かを判定する。開口期間ＶＴ１が燃料噴射期間Ｔ１以上の場合にはステップｓ２３０に進み、以下の場合はステップｓ２４０に進む。開口期間ＶＴ１が燃料噴射期間Ｔ１以下の場合、バルブの開口期間が燃料噴射期間より短いため、バルブが閉じても燃料が噴射されることになる。したがって、噴射された燃料が吸気管５に付着するため、これを防止するための処理をステップｓ２４０以降にて実行する。
開口期間ＶＴ１が燃料噴射期間Ｔ１以上の場合には、ステップｓ２３０において、ＣＰＵ２１は、燃料噴射期間Ｔ１の終了時期が、開口期間ＶＴ１の終了時期に対し、噴射時期補正時間Ｔ２だけ早くなるように、燃料噴射時期ＦＩＴ１を算出する。
一方、開口期間ＶＴ１が燃料噴射期間Ｔ１未満の場合、ステップｓ２４０において、ＣＰＵ２１は、燃料噴射期間Ｔ１と開口期間ＶＴ１と同じとなるための燃料噴射率ＩＲＴを算出する。
また、ステップｓ２５０において、ＣＰＵ２１は、燃料噴射期間がバルブの開口期間ＶＴ１と等しくなるように、燃料噴射期間Ｔ１を再算出する。
そして、ステップｓ２６０において、ＣＰＵ２１は、図４に示した特性を用いて、ステップｓ２４０で求められた燃料噴射率ＩＲＴから、ボール弁リフト量ＬＦＩを求める。
次に、ステップｓ２３０において、ＣＰＵ２１は、燃料噴射期間Ｔ１の終了時期が、開口期間ＶＴ１の終了時期に対し、噴射時期補正時間Ｔ２だけ早くなるように、燃料噴射時期ＦＩＴ１を算出する。
そして、ＣＰＵ２１は、これらの算出値となるように、燃料噴射弁１１、絞り弁１３、点火プラグ１６，バルブ可変機構２６，リフト量可変機構３２を制御する。
次に、図５及び図６を用いて、本実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の具体的な動作について説明する。なお、以下の説明においては、冷機始動時とし、エンジン始動直後はアクセルを開かない運転条件とする。
図５は、本発明の第１の実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関のクランキング時の動作を示すタイミングチャートである。図６は、本発明の第１の実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の完爆時の動作を示すタイミングチャートである。図５，図６の横軸は、時間Ｔ（ｍｓ）を示している。なお、括弧書きでクランク角を示している。図５及び図６の上側は、燃料噴射弁のリフト量ＦＶＬ（μｍ）を示している。図５及び図６の下側は、吸気弁のリフト量ＶＬ（ｍｍ）を示している。
最初に、図２及び図５を用いて、スタータによるクランキング状態での動作を説明する。
エンジンが始動し、クランキング状態になると、図２のステップｓ１００，ｓ１１０，ｓ１２０の処理により、アクセル開度センサ１０，水温センサ１２，クランク角センサ１９からの信号が入力回路２４に入力される。なお、燃料圧力ＲＰは一定に保たれているものとするので、ステップｓ１３０の処理は行わないものとする。ここで、例えば、アクセル開度ＡＣＤ＝０度、水温ＴＷ＝２０℃、エンジン回転数ＮＥ＝２００ｒ／ｍｉｎが算出されたものとする。この結果はＲＡＭ２３に保存され、逐次更新される。
エンジン始動直後はアクセルを開かない運転条件としているので、図２のステップｓ１４０の判定からステップｓ１７０に進み、アクセル開度ＡＣＤから燃料噴射量ＭＦ１が算出され、また、この燃料噴射量ＭＦ１に対して、空燃比Ａ／Ｆ１が１４．７となるよう吸入空気量が計算される。ここでは、例えば、一気筒５００ｃｃのエンジンとし燃料量１２ｍｇ、空気量１７６ｍｇとする。絞り弁１３には出力回路２５から信号が出力され、絞り弁開度ＴＨＡ１が全開になるよう制御される。点火時期ＩＧＴ１は排気ガスの温度上昇を目的に上死点に設定され、クランク角度が上死点になったときに点火プラグ３１に信号を出力するよう制御する。
次に、ステップｓ１８０の処理により、目標吸入空気量から予めＲＯＭ２２に記憶されたマップを参照することにより、吸気弁の開時期ＶＯＴ１，開口期間ＶＴ１，最大リフト量ＶＬ１を決定する。ここでは、吸気弁の開時期ＶＯＴ１を６０°ＡＴＤＣ、開口期間をクランク角５０°、最大リフトを０．８ｍｍとする。すなわち、図５の下側に示すように、吸気弁は、６０°ＡＴＤＣで開き始め、１１０°ＡＴＤＣまでの５０°の間開いており、そのときの最大リフトを０．８ｍｍとする。
なお、吸気時に発生する空気流動が非常に高速な場合、吸気管を飛翔中の燃料噴霧がその流れの影響を受け吸気管に付着することになる。そのため、開時期ＶＯＴ１はザウター平均粒径５０μｍ以上の燃料噴霧において、燃料噴霧の速度と吸気時に発生する空気の速度差が２００ｍ／ｓｅｃ以下になる設定とする。この範囲であれば吸気時の気流の影響を受けにくいものである。
次に、ステップｓ１９０，ｓ２００の処理により、ボール弁リフト量ＬＦ１の初期値は最小である標準値となっており、標準値の燃料噴射率ＩＲＴから燃料噴射期間Ｔ１が計算される。ここでは、標準値の燃料噴射率ＩＲＴ＝１．２ｍｇ／ｍｓをすると、ステップｓ１７０で求めた燃料量１２ｍｇから、燃料噴射期間Ｔ１は１０ｍｓとなる。
次に、ステップｓ２１０の処理により、噴霧平均速度ＶＦと燃料噴射弁の先端から吸気弁までの距離Ｌから噴射時期補正時間Ｔ２は２．５ｍｓとする。これは、燃料噴射弁１１から噴射される燃料液滴の平均粒径は６０μｍ、噴霧平均速度ＶＦは４０ｍ／ｓｅｃとし、燃料噴射弁の先端から吸気弁までの距離Ｌが０．１ｍとしたためである。回転数２００ｒ／ｍｉｎではクランク角３度に相当する。なお、噴射時期補正時間Ｔ２は、予めＲＯＭ２２に記憶されている。
次に、ステップｓ２２０の判定において、回転数２００ｒ／ｍｉｎで吸気弁の開口期間であるクランク角５０°は４２ｍｓになり、開口期間ＶＴ１（４２ｍｓ）が、ステップ２００で求めた燃料噴射期間Ｔ１（１０ｍｓ）より長くなっており、燃料噴射率ＩＲＴの変更は必要ないと判断され、ステップｓ２１０の処理に進む。
ステップｓ２３０の処理において、燃料噴射期間Ｔ１は１０ｍｓであり回転数２００ｒ／ｍｉｎでクランク角１２度に相当する。吸気弁閉時期は１１０°ＡＴＤＣであるため、燃料噴射時期は、吸気弁閉時期は１１０°ＡＴＤＣから燃料噴射期間Ｔ１（１０ｍｓ＝１２°）と、噴射時期補正時間Ｔ２（２．５ｍｓ＝３°）を引いて、９５°ＡＴＤＣに設定され、クランク角が９５°ＡＴＤＣにおいて、出力回路２５から燃料噴射弁１１に信号を出力するよう制御される。すなわち、図５の上側に示すように、燃料噴射弁１１からは、９５°ＡＴＤＣから噴射を開始し、１２°の間噴射して、１０７°ＡＴＤＣに噴射を終了する。噴射終了時の１０７°ＡＤＴＣは、吸気弁が閉弁する１１０°ＡＴＤＣよりも、３°早い時期である。また、燃料噴射弁のリフト量ＦＶＬは４０μｍである。
ＣＰＵ２１により上記結果が演算されると同時に吸気行程が始まる。ピストン３が上死点に位置する状態では、吸気弁７，排気弁８はどちらも閉じている状態である。ピストン３が上死点位置から下がり始めると、吸気弁７が閉じているため燃焼室４内の圧力は減少していく。
そして、図５に示すように、６０°ＡＴＤＣになると吸気弁７が開くが、燃焼室４内の圧力が吸気管５内の圧力より低くなっているため、吸気弁開口直後は吸気管５から燃焼室４へ高速の気流が発生する。また、吸気弁７のリフト量を微小にすることで、ピストン３が下がることにより燃焼室４へ吸入される気流の速度を４０〜５０ｍ／ｓｅｃに保つことができる。
９５°ＡＴＤＣになると燃料噴射弁１１から燃料が噴射され、燃料噴霧は２．５ｍｓ前後で吸気弁７付近に到達し、微小リフトにすることによって生成された高速気流によって燃焼室４へ流入する。この時、吸気弁７と燃焼室４の隙間を通過するところで高速気流とのせん断力により微粒化する。
１０７°ＡＴＤＣで燃料噴射が終了し、１１０°において燃料噴霧最後尾が燃焼室４に流入したところで吸気弁７が閉じる。高速気流によって微粒化された噴霧は気化しやすく、また空気の流れに乗りやすいことからシリンダ壁面への付着が無く、均質な混合気が形成される。圧縮行程が終了し、ピストンが上死点へ到達したところで点火プラグ３１により点火されエンジンが完爆し、スタータによらずに回転を始める。
次に、図２及び図６を用いて、完爆直後の持続運転時の動作を説明する。なお、図６の上側において、実線Ｂが図２のステップｓ２４０〜ｓ２６０の補正が行われた場合の燃料噴射弁のリフト量を示し、破線Ａは、補正が行われる前のリフト量を示している。
アクセル開度センサ１０，水温センサ１２，クランク角センサ１９からの信号が入力回路２４に入力され、これら信号からＣＰＵ２１によりアクセル開度ＡＣＤ＝０，水温ＴＷ＝２０℃，エンジン回転数ＮＥ＝１２００ｒ／ｍｉｎが算出される。負荷は一定のため燃料量と空気量は上述の例と同じである。吸入空気量は開時期と開口期間によって決まり、エンジン回転数の影響は小さいため、上述の例と同じく、吸気弁の開時期ＶＯＴ１を６０°ＡＴＤＣ，開口期間をクランク角５０°，最大リフトを０．５ｍｍとする。すなわち、図６の下側に示すように、吸気弁は、６０°ＡＴＤＣで開き始め、１１０°ＡＴＤＣまでの５０°の間開いており、そのときの最大リフト量を０．８ｍｍとする。
ボール弁リフト量ＬＦ１の初期値は標準値になっており、燃料噴射率ＩＲＴ＝１．２ｍｇ／ｍｓ、燃料噴射期間Ｔ１は１０ｍｓとなる。
次に、ステップｓ２２０の判定において、回転数１２００ｒ／ｍｉｎで吸気弁の開口期間であるクランク角５０°は６．９４ｍｓになり、開口期間ＶＴ１（６．９２ｍｓ）が、燃料噴射期間Ｔ１（１０ｍｓ）より短くなっており、燃料噴射率ＩＲＴの変更が必要となるため、ステップｓ２４０の処理に進む。
そして、ステップｓ２４０，ｓ２５０の処理により、ＣＰＵ２１は、燃料噴射期間Ｔ１が開口期間ＶＴ１と同じになるように燃料噴射率ＩＲＴを再設定する。開口期間６．９４ｍｓ，燃料噴射量１２ｍｇなので、目標燃料噴射率ＩＲＴは１．７３ｍｇ／ｍｓとなる。
また、ステップｓ２６０の処理により、目標燃料噴射率ＩＲＴを満足するボール弁リフト量ＦＶＬがＲＯＭ２２に記憶されたマップから導き出される。燃料噴射期間Ｔ１が６．９４ｍｓになるようボール弁リフト量ＦＶＬがリフト量可変機構３２により制御される。
噴霧平均速度ＶＦと燃料噴射弁の先端から吸気弁までの距離Ｌから噴射時期補正時間Ｔ２は２．５ｍｓとなり、回転数１２００ｒ／ｍｉｎではクランク角１８度に相当する。燃料噴射期間Ｔ１は６．９４ｍｓであり回転数１２００ｒ／ｍｉｎでクランク角５０度に相当する。吸気弁閉時期は１１０°ＡＴＤＣでありＣＰＵ２１により燃料噴射時期が４２°ＡＴＤＣに設定され、クランク角が４２°ＡＴＤＣにおいて出力回路２５から燃料噴射弁１１に信号を出力するよう制御される。
ステップｓ２３０の処理において、燃料噴射期間Ｔ１は６．９４ｍｓであり回転数１２００ｒ／ｍｉｎでクランク角５０度に相当する。吸気弁閉時期は１１０°ＡＴＤＣであるため、燃料噴射時期は、吸気弁閉時期は１１０°ＡＴＤＣから燃料噴射期間Ｔ１（６．９４ｍｓ＝５０°）と、噴射時期補正時間Ｔ２（２．５ｍｓ＝１８°）を引いて、４２°ＡＴＤＣに設定され、クランク角が４２°ＡＴＤＣにおいて、出力回路２５から燃料噴射弁１１に信号を出力するよう制御される。すなわち、図６の上側に示すように、燃料噴射弁１１からは、４２°ＡＴＤＣから噴射を開始し、５０°の間噴射して、９２°ＡＴＤＣに噴射を終了する。噴射終了時の９２°ＡＤＴＣは、吸気弁が閉弁する１１０°ＡＴＤＣよりも、１８°早い時期である。また、燃料噴射弁のリフト量ＦＶＬは５８μｍである。
吸気行程が始まり、ピストン３が上死点位置から下がり始めると、吸気弁７が閉じているため燃焼室４内の圧力は減少していく。そして、図６の下側に示すように、６０°ＡＴＤＣになると吸気弁７が開くが、燃焼室４内の圧力が吸気管５内の圧力より低くなっているため、吸気弁開口直後は吸気管５から燃焼室４へ高速の気流が発生する。また、吸気弁７のリフト量を微小にすることで、ピストン３が下がることにより燃焼室４へ吸入される気流の速度を２００ｍ／ｓｅｃに保つことができる。
４２°ＡＴＤＣになると、図６の上側に示すように、燃料噴射弁１１から燃料が噴射され、燃料噴霧は２．５ｍｓ前後で吸気弁７付近に到達し、微小リフトにすることによって生成された高速気流によって燃焼室４へ流入する。この時、吸気弁７と燃焼室４の隙間を通過するところで高速気流とのせん断力により微粒化する。
９２°ＡＴＤＣで燃料噴射が終了し、１１０°において燃料噴霧最後尾が燃焼室４に流入したところで吸気弁７が閉じる。高速気流によって微粒化された噴霧は気化しやすく、また空気の流れに乗りやすいことからシリンダ壁面への付着が無く、均質な混合気が形成される。そのため、ピストンが上死点へ到達したところで点火プラグ３１により点火後に安定して燃焼する。
以上説明したように、本実施形態によれば、燃料噴射期間Ｔ１を吸気弁の開期間ＶＴ１以下とすることにより、シリンダ壁面への付着が無く、均質な混合気を形成して燃焼させることにより、排出される未燃燃料を低減することができる。
次に、図７〜図１１を用いて、本発明の第２の実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の構成及び動作について説明する。
最初に、図７を用いて、本実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の構成について説明する。なお、本実施形態では、気筒毎に燃料噴射弁を設けたマルチポイントインジェクション（ＭＰＩ）を用いている。
図７は、本発明の第２の実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の構成を示す構成図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
本実施形態において、図１に示した構成と異なる点は、次の点である。すなわち、燃料ポンプとしては、高圧ポンプ（ＰＨ）３３を用いている。また、燃料配管２８に、配管内の流量を調節することにより燃料圧力を変更することが可能な燃料圧力可変機構（ＶＦＰ）３４が備えられている。燃料噴射弁はリフト量の可変機構が無い従来用いられている燃料噴射弁３５が備えられている。
次に、図８〜図１１を用いて、本実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の動作について説明する。
図８は、本発明の第２の実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の動作を示すフローチャートである。なお、図２と同一ステップ番号は、同一処理内容を示している。
ステップｓ１００〜ｓ１８０の処理内容は、図２と同一である。
ステップｓ１９０Ａにおいて、ＣＰＵ２１は、燃料噴射率ＩＲＴを算出する。ここで、本実施形態においては、図９に示す燃料圧力ＲＰと燃料噴射率ＩＲＴの特性図から燃料噴射率ＩＲＴを求めるようにしている。
ここで、図９を用いて、燃料圧力ＲＰと燃料噴射率ＩＲＴの関係について説明する。
図９は、本発明の一実施形態による内燃機関に用いられる燃料噴射弁の燃料圧力ＲＰと燃料噴射率ＩＲＴの関係の説明図である。
図９において、横軸は燃料圧力ＲＰを示し、縦軸は燃料噴射率ＩＲＴを示している。図９の原点Ｎは、標準値の状態を示している。標準値とは最低燃料圧力時を示している。燃料圧力ＲＰが標準値から増加するに従って、燃料噴射率ＩＲＴも標準値から増加する。
ステップｓ１９０Ａでは、燃料圧力ＲＰの初期値は最小である標準値となっており、燃料噴射率ＩＲＴも標準値に設定される。
次に、ステップｓ２００において、ＣＰＵ２１は、燃料噴射率ＩＲＴと燃料噴射量ＭＦ１から燃料噴射期間Ｔ１を算出する。
次に、ステップｓ２０５において、ＣＰＵ２１は、噴霧平均速度ＶＦを求める。噴霧平均速度ＶＦは燃料圧力ＲＰによって変化するため、噴霧平均速度ＶＦは図１０に示す燃料圧力ＲＰと噴霧平均速度ＶＦの特性図から求められる。
ここで、図１０を用いて、燃料圧力ＲＰと噴霧平均速度ＶＦの関係について説明する。
図１０は、本発明の一実施形態による内燃機関に用いられる燃料噴射弁の燃料圧力ＲＰと噴霧平均速度ＶＦの関係の説明図である。
図１０において、横軸は噴霧平均速度ＶＦを示し、縦軸は燃料噴射率ＩＲＴを示している。図１０の原点Ｎは、標準値の状態を示している。標準値とは最低燃料圧力時を示している。燃料圧力ＲＰが標準値から増加するに従って、噴霧平均速度ＶＦも標準値から増加する。
次に、ステップｓ２１０Ａにおいて、ＣＰＵ２１は、噴射時期補正時間Ｔ２を算出する。噴射時期補正時間Ｔ２は、噴霧速度ＶＦと燃料噴射弁の先端から吸気弁までの距離Ｌによって決まり、次式（１）によって算出される。
Ｔ２＝Ｌ／ＶＦ …（１）
噴射時期補正時間Ｔ２は噴霧速度ＶＦと燃料噴射弁の先端から吸気弁までの距離Ｌによって決まるが、噴霧速度ＶＦは燃圧ＲＰにより変化するためＲＯＭ２２には記憶せず、吸気弁までの距離ＬをＲＯＭ２２に記憶する。運転時には燃料圧力センサ２７の結果から噴霧平均速度ＶＦを算出し、ＣＰＵ２１は式（１）により噴射時期補正時間Ｔ２を算出する。
ステップｓ２２０の判定により、開口期間ＶＴ１が燃料噴射期間Ｔ１未満と判定されると、ステップｓ２４０において、ＣＰＵ２１は、燃料噴射期間Ｔ１が開口期間ＶＴ１と同じとなるための燃料噴射率ＩＲＴを算出する。そして、ステップｓ２７０において、ＣＰＵ２１は、算出された燃料噴射率ＩＲＴになるよう図９より目標燃料圧力ＲＰを再度求める。
次に、ステップｓ２７５において、ＣＰＵ２１は、再度、噴霧平均速度ＶＦを求める。また、ステップｓ２８０において、ＣＰＵ２１は、再度、噴射時期補正時間Ｔ２を算出する。
そして、ＣＰＵ２１は、これらの算出値となるように、燃料噴射弁１１、絞り弁１３、点火プラグ１６，バルブ可変機構２６，燃料圧力可変機構３４を制御する。
次に、図１１を用いて、本実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の具体的な動作について説明する。なお、以下の説明においては、冷機始動時とし、エンジン始動直後はアクセルを開かない運転条件とする。
図１１は、本発明の第２の実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の完爆時の動作を示すタイミングチャートである。図１１の横軸は、時間Ｔ（ｍｓ）を示している。なお、括弧書きでクランク角を示している。図１１の上側は、燃料噴射弁のリフト量ＦＶＬ（μｍ）を示している。図１１の下側は、吸気弁のリフト量ＶＬ（ｍｍ）を示している。
最初に、スタータによるクランキング状態での動作を説明する。なお、このときの動作は、図５に示したものと同様になる。
エンジンが始動し、クランキング状態になると、アクセル開度センサ１０，水温センサ１２，クランク角センサ１９からの信号が入力回路２４に入力され、これら信号からＣＰＵ２１によりアクセル開度ＡＣＤ＝０，水温ＴＷ＝２０℃，エンジン回転数ＮＥ＝２００ｒ／ｍｉｎが算出される。
次に、ＣＰＵ２１は、アクセル開度ＡＣＤから燃料噴射量ＭＦ１と、空燃比Ａ／Ｆ１が１４．７となるよう吸入空気量を計算する。ここで燃料量１２ｍｇ，空気量１７６ｍｇとする。絞り弁１３には出力回路２５から信号が出力され、絞り弁開度ＴＨＡ１が全開になるよう制御される。点火時期ＩＧＴ１は排気ガスの温度上昇を目的に上死点に設定され、クランク角度が上死点になったときに点火プラグ３１に信号を出力するよう制御する。
燃料圧力ＲＰの標準値は最小流量が確保できる数値とし、初期値はこの標準値となっており、燃料圧力ＲＰから燃料噴射率ＩＲＴが算出される。そして、算出された燃料噴射率ＩＲＴから燃料噴射期間Ｔ１がＣＰＵ２１により計算される。ここでは初期値として燃料圧力ＲＰ＝３００ｋＰａ，燃料噴射率ＩＲＴ＝１．２ｍｇ／ｍｓを用い、燃料噴射期間Ｔ１は１０ｍｓとなる。
次に、図８及び図１１を用いて、完爆直後の持続運転時の動作を説明する。なお、図１１の上側において、実線Ｂが図８のステップｓ２４０〜ｓ２８０の補正が行われた場合の燃料噴射弁のリフト量を示し、破線Ａは、補正が行われる前のリフト量を示している。
アクセル開度センサ１０，水温センサ１２，クランク角センサ１９からの信号が入力回路２４に入力され、これら信号からＣＰＵ２１によりアクセル開度ＡＣＤ＝０，水温ＴＷ＝２０℃，エンジン回転数ＮＥ＝１２００ｒ／ｍｉｎが算出される。ここで、負荷は一定のため燃料量と空気量はクランキング時と同じとし、吸気弁の開時期ＶＯＴ１を６０°ＡＴＤＣ，開口期間をクランク角５０°，最大リフトを０．８ｍｍとする。すなわち、図１１の下側に示すように、吸気弁は、６０°ＡＴＤＣで開き始め、１１０°ＡＴＤＣまでの５０°の間開いており、そのときの最大リフト量を０．８ｍｍとする。
ボール弁リフト量ＬＦ１は４０μｍとしており、燃料噴射率ＩＲＴ＝１．２ｍｇ／ｍｓ，燃料噴射期間Ｔ１は１０ｍｓとなるが、回転数１２００ｒ／ｍｉｎでは開口期間であるクランク角５０°は６．９４ｍｓになり、ステップｓ２２０の判定により、１２００ｒ／ｍｉｎでは開口期間ＶＴ１が燃料噴射期間Ｔ１より短いと判断される。
そこで、ステップｓ２４０において、ＣＰＵ２１は、燃料噴射期間Ｔ１が開口期間ＶＴ１と同じになるように燃料噴射率ＩＲＴを再設定する。開口期間６．９４ｍｓ，燃料噴射量１２ｍｇなので、目標燃料噴射率ＩＲＴは１．７３ｍｇ／ｍｓとなる。
次に、ステップｓ２７０において、ＣＰＵ２１は、ＲＯＭ２２に記憶されたマップから燃料圧力ＲＰを参照して、目標燃料噴射率ＩＲＴとなる燃料圧力ＲＰを求める。燃料圧力ＲＰは、例えば、６２０ｋＰａとなる。
次に、ステップｓ２７５において、ＣＰＵ２１は、ＲＯＭ２２に記憶されたマップから噴霧平均速度ＶＦを参照する。燃料圧力ＲＰが６２０ｋＰａの場合、噴霧平均速度ＶＦは５８ｍ／ｓｅｃとする。
そして、ステップｓ２８０において、燃料噴射弁の先端から吸気弁までの距離Ｌから噴射時期補正時間Ｔ２は１．７ｍｓとなり、回転数１２００ｒ／ｍｉｎではクランク角１２度に相当する。燃料噴射期間Ｔ１は６．９４ｍｓであり回転数１２００ｒ／ｍｉｎでクランク角５０度に相当する。吸気弁閉時期は１１０°ＡＴＤＣでありＣＰＵ２１により燃料噴射時期が４８°ＡＴＤＣに設定され、クランク角が４８°ＡＴＤＣにおいて出力回路２５から燃料噴射弁１１に信号を出力するよう制御される。
すなわち、図１１の上側に示すように、燃料噴射弁１１からは、４８°ＡＴＤＣから噴射を開始し、５０°の間噴射して、９８°ＡＴＤＣに噴射を終了する。噴射終了時の９８°ＡＤＴＣは、吸気弁が閉弁する１１０°ＡＴＤＣよりも、１２°早い時期である。燃料噴射弁のリフト量ＦＶＬは４０μｍで変わらないが、燃料圧力ＲＰを増加することにより、所定の燃料噴射量を得ることができる。
吸気行程が始まり、ピストン３が上死点位置から下がり始めると、吸気弁７が閉じているため燃焼室４内の圧力は減少する。そして、図１１の下側に示すように、６０°ＡＴＤＣになると吸気弁７が開くが、燃焼室４内の圧力が吸気管５内の圧力より低くなっているため、吸気弁開口直後は吸気管５から燃焼室４へ高速の気流が発生する。また、吸気弁７のリフト量を微小にすることで、ピストン３が下がることにより燃焼室４へ吸入される気流の速度を２００〜２５０ｍ／ｓｅｃに保つことができる。
一方、図１１の上側に示すように、４８°ＡＴＤＣになると燃料噴射弁１１から燃料が噴射され、燃料噴霧は１．７ｍｓ前後で吸気弁７付近に到達し、微小リフトにすることによって生成された高速気流によって燃焼室４へ流入する。この時、吸気弁７と燃焼室４の隙間を通過するところで高速気流とのせん断力により微粒化する。
そして、９８°ＡＴＤＣで燃料噴射が終了し、１１０°において燃料噴霧最後尾が燃焼室４に流入したところで吸気弁７が閉じる。高速気流によって微粒化された噴霧は気化しやすく、また空気の流れに乗りやすいことからシリンダ壁面への付着が無く、均質な混合気が形成される。そのため、ピストンが上死点へ到達したところで点火プラグ３１により点火後に安定して燃焼する。
以上説明したように、本実施形態によれば、燃料噴射期間Ｔ１を吸気弁の開期間ＶＴ１以下とすることにより、シリンダ壁面への付着が無く、均質な混合気を形成して燃焼させることにより、排出される未燃燃料を低減することができる。
次に、図１２〜図１４を用いて、本発明の第３の実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の構成及び動作について説明する。
最初に、図１２を用いて、本実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の構成について説明する。なお、本実施形態では、気筒毎に燃料噴射弁を設けたマルチポイントインジェクション（ＭＰＩ）を用いている。
図１２は、本発明の第３の実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の構成を示す構成図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
本実施形態において、図１に示した構成と異なる点は、次の点である。すなわち、燃料噴射弁３５は、リフト量の可変機構の無い従来用いられている噴射弁である。それ以外は、図１と同じ構成である。
次に、図１３を用いて、本実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の動作について説明する。
図１３は、本発明の第３の実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の動作を示すフローチャートである。なお、図２と同一ステップ番号は、同一処理内容を示している。
本実施形態では、図１，図７に示した例とは異なり、燃料噴射率ＩＲＴを変更する手段を有していない。そこで、開口期間ＶＴ１が燃料噴射期間Ｔ１未満の場合、絞り弁１３の開度ＴＨＡ１を絞って吸気管５内に負圧を発生させ、単位時間当たりの吸入空気量を減少させることにより、開口期間ＶＴ１が燃料噴射期間Ｔ１と等しくなるよう絞り弁１３の開度ＴＨＡ１を制御する。
ステップｓ１００〜ｓ１７０，ｓ１８０，ｓ２３０の処理内容は、図２と同一である。
本実施形態では、ステップｓ１４０の判定により、アクセル開度ＡＣＤが低負荷であるとＣＰＵ２１が判定すると、ステップｓ１７０において、ＣＰＵ２１は、絞り弁１３の開度が最大（全開）となる絞り弁開度ＴＨＡ１に設定する。また、ＣＰＵ２１は、水温ＴＷ，エンジン回転数ＮＥ，アクセル開度ＡＣＤから、目標となる燃料噴射量ＭＦ１，空燃比Ａ／Ｆ１，点火時期ＩＧＴ１を算出する。
次に、ステップｓ１７５において、ＣＰＵ２１は、燃料噴射弁１１の単位時間当たりの燃料噴射量である燃料噴射率ＩＲＴを算出する。燃料噴射弁１１は、リフト量を可変できる機構を備えていないため、燃料噴射率ＩＲＴは、予め設定されている値である。また、ＣＰＵ２１は、燃料噴射率ＩＲＴと燃料噴射量ＭＦ１から燃料噴射期間Ｔ１を算出する。さらに、ＣＰＵ２１は、噴射時期補正時間Ｔ２を算出する。噴射時期補正時間Ｔ２は、噴霧速度ＶＦと燃料噴射弁の先端から吸気弁までの距離Ｌによって決まり、上述の式（１）によって算出される。
次に、ステップｓ１８０において、ＣＰＵ２１は、燃料噴射量ＭＦ１と空燃比Ａ／Ｆ１から計算された空気量から吸気弁７の開時期ＶＯＴ１，開口期間ＶＴ１，リフト量ＶＬ１を算出する。運転中の空燃比は空燃比センサ１５により検出され、空燃比Ａ／Ｆ１と誤差が生じた場合は、開口期間ＶＴ１とバルブリフト量ＶＬ１を補正する。
次に、ステップｓ２２０において、ＣＰＵ２１は、吸気弁７のバルブの開口期間ＶＴ１が燃料噴射期間Ｔ１以上か否かを判定する。開口期間ＶＴ１が燃料噴射期間Ｔ１以上の場合にはステップｓ２３０に進み、以下の場合はステップｓ２４０に進む。開口期間ＶＴ１が燃料噴射期間Ｔ１以下の場合、バルブの開口期間が燃料噴射期間より短いため、バルブが閉じても燃料が噴射されることになる。したがって、噴射された燃料が吸気管５に付着するため、これを防止するための処理をステップｓ２４０以降にて実行する。
開口期間ＶＴ１が燃料噴射期間Ｔ１以上の場合には、ステップｓ２３０において、ＣＰＵ２１は、燃料噴射期間Ｔ１の終了時期が、開口期間ＶＴ１の終了時期に対し、噴射時期補正時間Ｔ２だけ早くなるように、燃料噴射時期ＦＩＴ１を算出する。
一方、開口期間ＶＴ１が燃料噴射期間Ｔ１未満の場合、ステップｓ２９０において、ＣＰＵ２１は、燃料噴射期間Ｔ１と開口期間ＶＴ１と同じとなるための吸気バルブの開口期間ＶＴ１を再算出する。また、バルブリフト量ＶＬ１を算出する。
また、ステップｓ２９５において、ＣＰＵ２１は、吸気バルブの開口期間ＶＴ１が長くなった分、絞り弁の開度を小さくして、吸入される空気量が同じとなるように、絞り弁開度ＴＨＡ１を再算出する。
次に、ステップｓ２３０において、ＣＰＵ２１は、燃料噴射期間Ｔ１の終了時期が、開口期間ＶＴ１の終了時期に対し、噴射時期補正時間Ｔ２だけ早くなるように、燃料噴射時期ＦＩＴ１を算出する。
そして、ＣＰＵ２１は、これらの算出値となるように、燃料噴射弁１１、絞り弁１３、点火プラグ１６，バルブ可変機構２６を制御する。
次に、図１３および図１４を用いて、具体的な動作について説明する。ここでは、図１の実施形態と同様に冷機始動時とし、エンジン始動直後はアクセルを開かない運転条件とする。
図１４は、本発明の第３の実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の完爆時の動作を示すタイミングチャートである。横軸は、時間Ｔ（ｍｓ）を示している。なお、括弧書きでクランク角を示している。図１４の上側は、燃料噴射弁のリフト量ＦＶＬ（μｍ）を示している。図１４の下側は、吸気弁のリフト量ＶＬ（ｍｍ）を示している。なお、図１４市側において、実線Ｂが図２のステップｓ２９０〜ｓ２９５の補正が行われた場合の吸気弁の開口期間を示し、破線Ａは、補正が行われる前の開口期間を示している。
スタータによるクランキング状態での動作は、図１に示した実施形態と同様である。次に、完爆直後の持続運転時の動作を説明する。
ステップｓ１００〜ｓ１２０の処理により、アクセル開度センサ１０，水温センサ１２，クランク角センサ１９からの信号が入力回路２４に入力され、これら信号からＣＰＵ２１によりアクセル開度，水温ＴＷ，エンジン回転数ＮＥが算出される。なお、燃料圧力ＲＰは一定に保たれているものとするので、ステップｓ１３０の処理は行わないものとする。ここで、例えば、アクセル開度ＡＣＤ＝０度、水温ＴＷ＝２０℃、エンジン回転数ＮＥ＝１２００ｒ／ｍｉｎが算出されたものとする。この結果はＲＡＭ２３に保存され、逐次更新される。
ステップｓ１７５の処理が実行されるが、燃料噴射量はクランキング時と同じであり、燃料噴射率ＩＲＴ＝１．２ｍｇ／ｍｓであり、図１４の上側にしめすように、燃料噴射期間Ｔ１＝１０ｍｓとなる。
ステップｓ１８０の処理により、吸入空気量は開時期と開口期間によって決まり、エンジン回転数の影響は小さいため、吸気弁の開時期ＶＯＴ１を６０°ＡＴＤＣ，開口期間をクランク角５０°，最大リフト量を１ｍｍとする。すなわち、図１４の下側に示すように、吸気弁は、６０°ＡＴＤＣで開き始め、１１０°ＡＴＤＣまでの５０°の間開いており、そのときの最大リフト量を０．８ｍｍとする。
次に、ステップｓ２２０の判定において、回転数１２００ｒ／ｍｉｎで吸気弁の開口期間であるクランク角５０°は６．９４ｍｓになり、開口期間ＶＴ１（６．９２ｍｓ）が、燃料噴射期間Ｔ１（１０ｍｓ）より短くなっており、吸気弁の開口期間ＶＴ１の変更が必要となるため、ステップｓ２９０の処理に進む。
そして、ステップｓ２９０の処理により、ＣＰＵ２１は、開時期は一定で、開口期間ＶＴ１が燃料噴射期間Ｔ１と同じになるように開口期間ＶＴ１，バルブリフト量ＶＬ１を制御し、同時に、ステップｓ２９５の処理により、絞り弁開度ＴＨＡ１を閉じて吸気管５内に負圧を生じさせて吸入空気量ＭＦ１が目標値になるよう絞り弁開度ＴＨＡ１を制御する。ここで、開口期間ＶＴ１はクランク角７２°、リフト量ＶＬ１は１ｍｍになり、ＣＰＵ２１は、図１４の下側に実線Ａで示すように、吸気弁の開時期ＶＯＴ１＝３８°ＡＴＤＣ、開口期間ＶＴ１＝７２°となるように制御する。また、絞り弁開度ＴＨＡ１は４０°閉じた状態となる。開口期間ＶＴ１と絞り弁開度ＴＨＡ１の関係はＲＯＭ２２にマップとして記憶しておくか、空燃比センサ１５によるフィードバック制御を用いる。
また、ＣＰＵ２１は、図１４の上側に示すように、燃燃料噴射時期を２０°ＡＴＤＣに設定し、クランク角が２０°ＡＴＤＣにおいて出力回路２５から燃料噴射弁１１に信号を出力するよう制御される。
吸気行程が始まり、ピストン３が上死点位置から下がり始めると、吸気弁７が閉じているため燃焼室４内の圧力は減少していく。そして、図１４の下側に示すように、３８°ＡＴＤＣになると吸気弁７が開くが、燃焼室４内の圧力が吸気管５内の圧力より低くなっているため、吸気弁開口直後は吸気管５から燃焼室４へ高速の気流が発生する。また、吸気弁７のリフト量を微小にすることで、ピストン３が下がることにより燃焼室４へ吸入される気流の速度を１８０〜２００ｍ／ｓｅｃに保つことができる。
一方、図１４の上側に示すように、２０°ＡＴＤＣになると燃料噴射弁１１から燃料が噴射され、燃料噴霧は２．５ｍｓ前後で吸気弁７付近に到達し、微小リフトにすることによって生成された高速気流によって燃焼室４へ流入する。この時、吸気弁７と燃焼室４の隙間を通過するところで高速気流とのせん断力により微粒化する。９２°ＡＴＤＣで燃料噴射が終了し、１１０°において燃料噴霧最後尾が燃焼室４に流入したところで吸気弁７が閉じる。高速気流によって微粒化された噴霧は気化しやすく、また空気の流れに乗りやすいことからシリンダ壁面への付着が無く、均質な混合気が形成される。そのため、ピストンが上死点へ到達したところで点火プラグ３１により点火後に安定して燃焼する。
以上説明したように、本実施形態によれば、吸気弁の開期間ＶＴ１を燃料噴射期間Ｔ１以下とすることにより、シリンダ壁面への付着が無く、均質な混合気を形成して燃焼させることにより、排出される未燃燃料を低減することができる。
なお、上述の各実施形態において、電磁弁としては機械式でなく、電磁式の可変動弁を用いても同様の効果を得ることができる。
最初に、図１を用いて、本実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の構成について説明する。なお、本実施形態では、気筒毎に燃料噴射弁を設けたマルチポイントインジェクション（ＭＰＩ）を用いている。
図１は、本発明の第１の実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の構成を示す構成図である。
燃焼室４は、シリンダヘッド１と、シリンダブロック２と、シリンダブロック２に挿入されたピストン３とにより形成される。燃焼室４の中心上部には、点火プラグ３１が設けられている。ピストン３は、コンロッド１７を介してクランク軸１８と連結されている。クランク軸１８には、クランク角度とエンジン回転数を検出可能なクランク角センサ１９が設置されている。
シリンダブロック２には、冷却水の温度を検出する水温センサ１２が設置されている。燃焼室４には、吸気管５と排気管６がそれぞれ開口している。吸気管５及び排気管６の開口部を、それぞれ開閉する吸気弁７と排気弁８が設けられている。
アクセルペダル９には、運転者の踏み込み量を検出するアクセル開度センサ（ＳＡＣＣ）１０を備えている。吸気管５には、吸気弁７に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁１１と、燃焼室４へ吸入する空気量を調節可能な絞り弁１３が設けられている。排気管６には、三元触媒１４を備えており、その上流側には空燃比センサ１５を、下流にはＯ２センサ１６が設けられている。吸気弁７には、バルブの開時期，開口期間，リフト量を変更可能なバルブ可変機構（ＶＶ）２６を備えている。燃料噴射弁１１には、燃料配管２８によって燃料タンク２９内に設置された低圧ポンプ（ＰＬ）３０が接続されている。燃料配管２８の途中には、燃料圧力を検出可能な燃料圧力センサ（ＳＦＵ）２７が設置されている。
電子制御装置（ＥＣＵ）２０は、設定されたプログラムに従って演算処理を実行する中央処理装置（ＣＰＵ）２１と、制御プログラムや演算に必要なデータを記憶しているリードオンリーメモリ（ＲＯＭ）２２と、演算結果を一時的に格納するためのランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）２３と、各センサからの信号を受信する入力回路（ＩＮ）２４と、演算結果から各装置に信号を送信する出力回路（ＯＵＴ）２５で構成されている。
燃料噴射弁１１の内部には、上下することによって燃料噴射量を制御する弁体が設けられている。弁体のリフト量と開口期間を変えることによって、燃料噴射量が制御される。弁体は磁歪材料で作られており、磁界を発生させることにより弁体の長さを変える事ができる。燃料噴射弁１１には磁界の強弱を制御するリフト量可変機構（ＶＬ）３２が設けられおり、これにより開口期間一定で燃料噴射量を変えることが可能である。バルブ可変機構２６は、機械的に吸気弁のカム軸を動かし、バルブの開時期，開口期間，リフト量を制御する機構となっている。
次に、図２〜図６を用いて、本実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の動作について説明する。
図２は、本発明の第１の実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の動作を示すフローチャートである。
イグニッションスイッチがオンになりエンジンが始動すると、ステップｓ１００において、ＥＣＵ２０は、アクセル開度センサ１０の信号を入力回路２４を取り込み、ＣＰＵ２１はアクセル開度ＡＣＤを算出する。
次に、ステップｓ１１０において、ＥＣＵ２０は、水温センサ１２の信号を入力回路２４を取り込み、ＣＰＵ２１は水温ＴＷを算出する。
次に、ステップｓ１２０において、ＥＣＵ２０は、クランク角センサ１９の信号を入力回路２４を取り込み、ＣＰＵ２１はエンジン回転数ＮＥを算出する。
次に、ステップｓ１３０において、ＥＣＵ２０は、燃料圧力センサ２７の信号を入力回路２４を取り込み、ＣＰＵ２１は燃料圧力ＲＰを算出する。
次に、ステップｓ１４０において、ＥＣＵ２０のＣＰＵ２１は、アクセル開度ＡＣＤを用いて、低負荷か否かを判定する。中高負荷と判定されるとステップｓ１５０に進み、低負荷と判定されるとステップｓ１７０に進む。
中高負荷であるとＣＰＵ２１が判定すると、ステップｓ１５０において、ＣＰＵ２１は、吸気弁７の開時期ＶＯＴ２，リフト量ＶＬ２，開口期間ＶＴ２を決定し、バルブ可変機構２６を制御する。中高負荷であるので、吸気弁７の開時期ＶＯＴ２，リフト量ＶＬ２，開口期間ＶＴ２は、それぞれ予め設定されている最大値となるように、設定される。
ここで、図３を用いて、バルブの開閉時期，リフト量について説明する。
図３は、バルブの開閉時期，リフト量の説明図である。図３において、横軸はクランク角θ（ｄｅｇ）を示し、縦軸はバルブのリフト量を示している。クランク角θが０〜９０度が膨張行程ＥＸＰであり、９０〜１８０が掃気工程ＥＸＨであり、１８０〜２７０度が吸気行程ＩＮＴであり、２７０〜３６０度が圧縮行程ＣＯＭである。図中、実線ＩＮが吸気弁のリフト量を示し、点線ＥＸが排気弁のリフト量を示している。中高負荷の時は、例えば、吸気弁の開時期ＶＯＴ２は３６０度とし、リフト量ＶＬ２は図示する量とし、開口期間ＶＴ２は２１０度となる。
次に、ステップｓ１６０において、ＣＰＵ２１は、アクセル開度ＡＣＤと水温ＴＷとエンジン回転数ＮＥから、目標となる燃料噴射量ＭＦ２，空燃比Ａ／Ｆ２，絞り弁開度ＴＨＡ２，燃料噴射時期ＦＩＴ２，点火時期ＩＧＴ２を算出する。そして、ＣＰＵ２１は、これらの算出値となるように、燃料噴射弁１１、絞り弁１３、点火プラグ１６を制御する。
ここで、燃料噴射時期ＦＩＴ２は、従来のＭＰＩエンジンに用いられるような排気行程中に燃料噴射が終了する時期に設定される。点火時期ＩＧＴ２は、水温ＴＷが８０℃未満の場合は排気温度の上昇を目的に上死点付近に、また水温ＴＷが８０℃以上の場合は上死点前２０°付近に決定される。空燃比Ａ／Ｆ２は、ガソリンの理論混合比である１４．７になるように決定される。運転中の空燃比は空燃比センサ１５により検出され、目標空燃比Ａ／Ｆ２と誤差が生じた場合は絞り弁開度ＴＨＡ２を補正する。
なお、上述の例では、排気弁のリフト量と作動角は一定としているが、排気弁にもバルブ可変機構を取り付けてもよいものである。
一方、ステップｓ１４０の判定により、アクセル開度ＡＣＤが低負荷であるとＣＰＵ２１が判定すると、ステップｓ１７０において、ＣＰＵ２１は、絞り弁１３の開度が最大（全開）となる絞り弁開度ＴＨＡ１に設定する。また、ＣＰＵ２１は、水温ＴＷ，エンジン回転数ＮＥ，アクセル開度ＡＣＤから、目標となる燃料噴射量ＭＦ１，空燃比Ａ／Ｆ１，点火時期ＩＧＴ１を算出する。
次に、ステップｓ１８０において、ＣＰＵ２１は、燃料噴射量ＭＦ１と空燃比Ａ／Ｆ１から計算された空気量から吸気弁７の開時期ＶＯＴ１，開口期間ＶＴ１，リフト量ＶＬ１を算出する。運転中の空燃比は空燃比センサ１５により検出され、空燃比Ａ／Ｆ１と誤差が生じた場合は、開口期間ＶＴ１とバルブリフト量ＶＬ１を補正する。
次に、ステップｓ１９０において、ＣＰＵ２１は、燃料噴射弁１１の単位時間当たりの燃料噴射量である燃料噴射率ＩＲＴを算出する。
ここで、図４を用いて、リフト量可変機構２１を備えた燃料噴射弁１１のボール弁リフト量ＦＶＬと燃料噴射率ＩＲＴの関係について説明する。
図４は、本発明の一実施形態による内燃機関に用いられるリフト量可変機構を備えた燃料噴射弁のボール弁リフト量ＦＶＬと燃料噴射率ＩＲＴの関係の説明図である。
図４において、横軸はボール弁リフト量ＦＶＬを示し、縦軸は燃料噴射率ＩＲＴを示している。図４の原点Ｎは、標準値の状態を示している。標準値とはボール弁の弁体に磁界が発生し弁体が伸びている状態を表し、通常はこの状態で使用する。ボール弁リフト量ＦＶＬが標準値から増加するに従って、燃料噴射率ＩＲＴも標準値から直線的に増加する。
ステップｓ１９０では、ボール弁リフト量ＬＦ１の初期値は最小である標準値となっており、燃料噴射率ＩＲＴも標準値に設定される。
次に、ステップｓ２００において、ＣＰＵ２１は、燃料噴射率ＩＲＴと燃料噴射量ＭＦ１から燃料噴射期間Ｔ１を算出する。
次に、ステップｓ２１０において、ＣＰＵ２１は、噴射時期補正時間Ｔ２を算出する。噴射時期補正時間Ｔ２は、燃料噴射弁１１から燃料が噴射された後、この燃料が燃焼室４に到着するまでの時間である。噴射時期補正時間Ｔ２は、噴霧速度ＶＦと燃料噴射弁の先端から吸気弁までの距離Ｌによって決まり、次式（１）によって算出される。
Ｔ２＝Ｌ／ＶＦ …（１）
ここで、燃料噴霧の平均速度ＶＦは、燃料圧力ＲＰから求められ、燃料ポンプＰＬの性能によって決定される。通常、燃料圧力レギュレータを用いる構成では燃料圧力ＲＰは一定保たれている。燃料噴射弁と吸気弁までの距離Ｌはエンジンの構成によって決まるため、燃料圧力ＲＰが一定ならば、噴射時期補正時間Ｔ２はＲＯＭ２２に予め記憶した値を用いることができる。なお、燃料圧力センサ２７によって燃料圧力ＲＰを検出する場合には、燃料圧力ＲＰと噴射時期補正時間Ｔ２の関係のマップをＲＯＭ２２に予め記憶しておき、マップを用いて、噴射時期補正時間Ｔ２を算出することもできる。
次に、ステップｓ２２０において、ＣＰＵ２１は、吸気弁７のバルブの開口期間ＶＴ１が燃料噴射期間Ｔ１以上か否かを判定する。開口期間ＶＴ１が燃料噴射期間Ｔ１以上の場合にはステップｓ２３０に進み、以下の場合はステップｓ２４０に進む。開口期間ＶＴ１が燃料噴射期間Ｔ１以下の場合、バルブの開口期間が燃料噴射期間より短いため、バルブが閉じても燃料が噴射されることになる。したがって、噴射された燃料が吸気管５に付着するため、これを防止するための処理をステップｓ２４０以降にて実行する。
開口期間ＶＴ１が燃料噴射期間Ｔ１以上の場合には、ステップｓ２３０において、ＣＰＵ２１は、燃料噴射期間Ｔ１の終了時期が、開口期間ＶＴ１の終了時期に対し、噴射時期補正時間Ｔ２だけ早くなるように、燃料噴射時期ＦＩＴ１を算出する。
一方、開口期間ＶＴ１が燃料噴射期間Ｔ１未満の場合、ステップｓ２４０において、ＣＰＵ２１は、燃料噴射期間Ｔ１と開口期間ＶＴ１と同じとなるための燃料噴射率ＩＲＴを算出する。
また、ステップｓ２５０において、ＣＰＵ２１は、燃料噴射期間がバルブの開口期間ＶＴ１と等しくなるように、燃料噴射期間Ｔ１を再算出する。
そして、ステップｓ２６０において、ＣＰＵ２１は、図４に示した特性を用いて、ステップｓ２４０で求められた燃料噴射率ＩＲＴから、ボール弁リフト量ＬＦＩを求める。
次に、ステップｓ２３０において、ＣＰＵ２１は、燃料噴射期間Ｔ１の終了時期が、開口期間ＶＴ１の終了時期に対し、噴射時期補正時間Ｔ２だけ早くなるように、燃料噴射時期ＦＩＴ１を算出する。
そして、ＣＰＵ２１は、これらの算出値となるように、燃料噴射弁１１、絞り弁１３、点火プラグ１６，バルブ可変機構２６，リフト量可変機構３２を制御する。
次に、図５及び図６を用いて、本実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の具体的な動作について説明する。なお、以下の説明においては、冷機始動時とし、エンジン始動直後はアクセルを開かない運転条件とする。
図５は、本発明の第１の実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関のクランキング時の動作を示すタイミングチャートである。図６は、本発明の第１の実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の完爆時の動作を示すタイミングチャートである。図５，図６の横軸は、時間Ｔ（ｍｓ）を示している。なお、括弧書きでクランク角を示している。図５及び図６の上側は、燃料噴射弁のリフト量ＦＶＬ（μｍ）を示している。図５及び図６の下側は、吸気弁のリフト量ＶＬ（ｍｍ）を示している。
最初に、図２及び図５を用いて、スタータによるクランキング状態での動作を説明する。
エンジンが始動し、クランキング状態になると、図２のステップｓ１００，ｓ１１０，ｓ１２０の処理により、アクセル開度センサ１０，水温センサ１２，クランク角センサ１９からの信号が入力回路２４に入力される。なお、燃料圧力ＲＰは一定に保たれているものとするので、ステップｓ１３０の処理は行わないものとする。ここで、例えば、アクセル開度ＡＣＤ＝０度、水温ＴＷ＝２０℃、エンジン回転数ＮＥ＝２００ｒ／ｍｉｎが算出されたものとする。この結果はＲＡＭ２３に保存され、逐次更新される。
エンジン始動直後はアクセルを開かない運転条件としているので、図２のステップｓ１４０の判定からステップｓ１７０に進み、アクセル開度ＡＣＤから燃料噴射量ＭＦ１が算出され、また、この燃料噴射量ＭＦ１に対して、空燃比Ａ／Ｆ１が１４．７となるよう吸入空気量が計算される。ここでは、例えば、一気筒５００ｃｃのエンジンとし燃料量１２ｍｇ、空気量１７６ｍｇとする。絞り弁１３には出力回路２５から信号が出力され、絞り弁開度ＴＨＡ１が全開になるよう制御される。点火時期ＩＧＴ１は排気ガスの温度上昇を目的に上死点に設定され、クランク角度が上死点になったときに点火プラグ３１に信号を出力するよう制御する。
次に、ステップｓ１８０の処理により、目標吸入空気量から予めＲＯＭ２２に記憶されたマップを参照することにより、吸気弁の開時期ＶＯＴ１，開口期間ＶＴ１，最大リフト量ＶＬ１を決定する。ここでは、吸気弁の開時期ＶＯＴ１を６０°ＡＴＤＣ、開口期間をクランク角５０°、最大リフトを０．８ｍｍとする。すなわち、図５の下側に示すように、吸気弁は、６０°ＡＴＤＣで開き始め、１１０°ＡＴＤＣまでの５０°の間開いており、そのときの最大リフトを０．８ｍｍとする。
なお、吸気時に発生する空気流動が非常に高速な場合、吸気管を飛翔中の燃料噴霧がその流れの影響を受け吸気管に付着することになる。そのため、開時期ＶＯＴ１はザウター平均粒径５０μｍ以上の燃料噴霧において、燃料噴霧の速度と吸気時に発生する空気の速度差が２００ｍ／ｓｅｃ以下になる設定とする。この範囲であれば吸気時の気流の影響を受けにくいものである。
次に、ステップｓ１９０，ｓ２００の処理により、ボール弁リフト量ＬＦ１の初期値は最小である標準値となっており、標準値の燃料噴射率ＩＲＴから燃料噴射期間Ｔ１が計算される。ここでは、標準値の燃料噴射率ＩＲＴ＝１．２ｍｇ／ｍｓをすると、ステップｓ１７０で求めた燃料量１２ｍｇから、燃料噴射期間Ｔ１は１０ｍｓとなる。
次に、ステップｓ２１０の処理により、噴霧平均速度ＶＦと燃料噴射弁の先端から吸気弁までの距離Ｌから噴射時期補正時間Ｔ２は２．５ｍｓとする。これは、燃料噴射弁１１から噴射される燃料液滴の平均粒径は６０μｍ、噴霧平均速度ＶＦは４０ｍ／ｓｅｃとし、燃料噴射弁の先端から吸気弁までの距離Ｌが０．１ｍとしたためである。回転数２００ｒ／ｍｉｎではクランク角３度に相当する。なお、噴射時期補正時間Ｔ２は、予めＲＯＭ２２に記憶されている。
次に、ステップｓ２２０の判定において、回転数２００ｒ／ｍｉｎで吸気弁の開口期間であるクランク角５０°は４２ｍｓになり、開口期間ＶＴ１（４２ｍｓ）が、ステップ２００で求めた燃料噴射期間Ｔ１（１０ｍｓ）より長くなっており、燃料噴射率ＩＲＴの変更は必要ないと判断され、ステップｓ２１０の処理に進む。
ステップｓ２３０の処理において、燃料噴射期間Ｔ１は１０ｍｓであり回転数２００ｒ／ｍｉｎでクランク角１２度に相当する。吸気弁閉時期は１１０°ＡＴＤＣであるため、燃料噴射時期は、吸気弁閉時期は１１０°ＡＴＤＣから燃料噴射期間Ｔ１（１０ｍｓ＝１２°）と、噴射時期補正時間Ｔ２（２．５ｍｓ＝３°）を引いて、９５°ＡＴＤＣに設定され、クランク角が９５°ＡＴＤＣにおいて、出力回路２５から燃料噴射弁１１に信号を出力するよう制御される。すなわち、図５の上側に示すように、燃料噴射弁１１からは、９５°ＡＴＤＣから噴射を開始し、１２°の間噴射して、１０７°ＡＴＤＣに噴射を終了する。噴射終了時の１０７°ＡＤＴＣは、吸気弁が閉弁する１１０°ＡＴＤＣよりも、３°早い時期である。また、燃料噴射弁のリフト量ＦＶＬは４０μｍである。
ＣＰＵ２１により上記結果が演算されると同時に吸気行程が始まる。ピストン３が上死点に位置する状態では、吸気弁７，排気弁８はどちらも閉じている状態である。ピストン３が上死点位置から下がり始めると、吸気弁７が閉じているため燃焼室４内の圧力は減少していく。
そして、図５に示すように、６０°ＡＴＤＣになると吸気弁７が開くが、燃焼室４内の圧力が吸気管５内の圧力より低くなっているため、吸気弁開口直後は吸気管５から燃焼室４へ高速の気流が発生する。また、吸気弁７のリフト量を微小にすることで、ピストン３が下がることにより燃焼室４へ吸入される気流の速度を４０〜５０ｍ／ｓｅｃに保つことができる。
９５°ＡＴＤＣになると燃料噴射弁１１から燃料が噴射され、燃料噴霧は２．５ｍｓ前後で吸気弁７付近に到達し、微小リフトにすることによって生成された高速気流によって燃焼室４へ流入する。この時、吸気弁７と燃焼室４の隙間を通過するところで高速気流とのせん断力により微粒化する。
１０７°ＡＴＤＣで燃料噴射が終了し、１１０°において燃料噴霧最後尾が燃焼室４に流入したところで吸気弁７が閉じる。高速気流によって微粒化された噴霧は気化しやすく、また空気の流れに乗りやすいことからシリンダ壁面への付着が無く、均質な混合気が形成される。圧縮行程が終了し、ピストンが上死点へ到達したところで点火プラグ３１により点火されエンジンが完爆し、スタータによらずに回転を始める。
次に、図２及び図６を用いて、完爆直後の持続運転時の動作を説明する。なお、図６の上側において、実線Ｂが図２のステップｓ２４０〜ｓ２６０の補正が行われた場合の燃料噴射弁のリフト量を示し、破線Ａは、補正が行われる前のリフト量を示している。
アクセル開度センサ１０，水温センサ１２，クランク角センサ１９からの信号が入力回路２４に入力され、これら信号からＣＰＵ２１によりアクセル開度ＡＣＤ＝０，水温ＴＷ＝２０℃，エンジン回転数ＮＥ＝１２００ｒ／ｍｉｎが算出される。負荷は一定のため燃料量と空気量は上述の例と同じである。吸入空気量は開時期と開口期間によって決まり、エンジン回転数の影響は小さいため、上述の例と同じく、吸気弁の開時期ＶＯＴ１を６０°ＡＴＤＣ，開口期間をクランク角５０°，最大リフトを０．５ｍｍとする。すなわち、図６の下側に示すように、吸気弁は、６０°ＡＴＤＣで開き始め、１１０°ＡＴＤＣまでの５０°の間開いており、そのときの最大リフト量を０．８ｍｍとする。
ボール弁リフト量ＬＦ１の初期値は標準値になっており、燃料噴射率ＩＲＴ＝１．２ｍｇ／ｍｓ、燃料噴射期間Ｔ１は１０ｍｓとなる。
次に、ステップｓ２２０の判定において、回転数１２００ｒ／ｍｉｎで吸気弁の開口期間であるクランク角５０°は６．９４ｍｓになり、開口期間ＶＴ１（６．９２ｍｓ）が、燃料噴射期間Ｔ１（１０ｍｓ）より短くなっており、燃料噴射率ＩＲＴの変更が必要となるため、ステップｓ２４０の処理に進む。
そして、ステップｓ２４０，ｓ２５０の処理により、ＣＰＵ２１は、燃料噴射期間Ｔ１が開口期間ＶＴ１と同じになるように燃料噴射率ＩＲＴを再設定する。開口期間６．９４ｍｓ，燃料噴射量１２ｍｇなので、目標燃料噴射率ＩＲＴは１．７３ｍｇ／ｍｓとなる。
また、ステップｓ２６０の処理により、目標燃料噴射率ＩＲＴを満足するボール弁リフト量ＦＶＬがＲＯＭ２２に記憶されたマップから導き出される。燃料噴射期間Ｔ１が６．９４ｍｓになるようボール弁リフト量ＦＶＬがリフト量可変機構３２により制御される。
噴霧平均速度ＶＦと燃料噴射弁の先端から吸気弁までの距離Ｌから噴射時期補正時間Ｔ２は２．５ｍｓとなり、回転数１２００ｒ／ｍｉｎではクランク角１８度に相当する。燃料噴射期間Ｔ１は６．９４ｍｓであり回転数１２００ｒ／ｍｉｎでクランク角５０度に相当する。吸気弁閉時期は１１０°ＡＴＤＣでありＣＰＵ２１により燃料噴射時期が４２°ＡＴＤＣに設定され、クランク角が４２°ＡＴＤＣにおいて出力回路２５から燃料噴射弁１１に信号を出力するよう制御される。
ステップｓ２３０の処理において、燃料噴射期間Ｔ１は６．９４ｍｓであり回転数１２００ｒ／ｍｉｎでクランク角５０度に相当する。吸気弁閉時期は１１０°ＡＴＤＣであるため、燃料噴射時期は、吸気弁閉時期は１１０°ＡＴＤＣから燃料噴射期間Ｔ１（６．９４ｍｓ＝５０°）と、噴射時期補正時間Ｔ２（２．５ｍｓ＝１８°）を引いて、４２°ＡＴＤＣに設定され、クランク角が４２°ＡＴＤＣにおいて、出力回路２５から燃料噴射弁１１に信号を出力するよう制御される。すなわち、図６の上側に示すように、燃料噴射弁１１からは、４２°ＡＴＤＣから噴射を開始し、５０°の間噴射して、９２°ＡＴＤＣに噴射を終了する。噴射終了時の９２°ＡＤＴＣは、吸気弁が閉弁する１１０°ＡＴＤＣよりも、１８°早い時期である。また、燃料噴射弁のリフト量ＦＶＬは５８μｍである。
吸気行程が始まり、ピストン３が上死点位置から下がり始めると、吸気弁７が閉じているため燃焼室４内の圧力は減少していく。そして、図６の下側に示すように、６０°ＡＴＤＣになると吸気弁７が開くが、燃焼室４内の圧力が吸気管５内の圧力より低くなっているため、吸気弁開口直後は吸気管５から燃焼室４へ高速の気流が発生する。また、吸気弁７のリフト量を微小にすることで、ピストン３が下がることにより燃焼室４へ吸入される気流の速度を２００ｍ／ｓｅｃに保つことができる。
４２°ＡＴＤＣになると、図６の上側に示すように、燃料噴射弁１１から燃料が噴射され、燃料噴霧は２．５ｍｓ前後で吸気弁７付近に到達し、微小リフトにすることによって生成された高速気流によって燃焼室４へ流入する。この時、吸気弁７と燃焼室４の隙間を通過するところで高速気流とのせん断力により微粒化する。
９２°ＡＴＤＣで燃料噴射が終了し、１１０°において燃料噴霧最後尾が燃焼室４に流入したところで吸気弁７が閉じる。高速気流によって微粒化された噴霧は気化しやすく、また空気の流れに乗りやすいことからシリンダ壁面への付着が無く、均質な混合気が形成される。そのため、ピストンが上死点へ到達したところで点火プラグ３１により点火後に安定して燃焼する。
以上説明したように、本実施形態によれば、燃料噴射期間Ｔ１を吸気弁の開期間ＶＴ１以下とすることにより、シリンダ壁面への付着が無く、均質な混合気を形成して燃焼させることにより、排出される未燃燃料を低減することができる。
次に、図７〜図１１を用いて、本発明の第２の実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の構成及び動作について説明する。
最初に、図７を用いて、本実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の構成について説明する。なお、本実施形態では、気筒毎に燃料噴射弁を設けたマルチポイントインジェクション（ＭＰＩ）を用いている。
図７は、本発明の第２の実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の構成を示す構成図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
本実施形態において、図１に示した構成と異なる点は、次の点である。すなわち、燃料ポンプとしては、高圧ポンプ（ＰＨ）３３を用いている。また、燃料配管２８に、配管内の流量を調節することにより燃料圧力を変更することが可能な燃料圧力可変機構（ＶＦＰ）３４が備えられている。燃料噴射弁はリフト量の可変機構が無い従来用いられている燃料噴射弁３５が備えられている。
次に、図８〜図１１を用いて、本実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の動作について説明する。
図８は、本発明の第２の実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の動作を示すフローチャートである。なお、図２と同一ステップ番号は、同一処理内容を示している。
ステップｓ１００〜ｓ１８０の処理内容は、図２と同一である。
ステップｓ１９０Ａにおいて、ＣＰＵ２１は、燃料噴射率ＩＲＴを算出する。ここで、本実施形態においては、図９に示す燃料圧力ＲＰと燃料噴射率ＩＲＴの特性図から燃料噴射率ＩＲＴを求めるようにしている。
ここで、図９を用いて、燃料圧力ＲＰと燃料噴射率ＩＲＴの関係について説明する。
図９は、本発明の一実施形態による内燃機関に用いられる燃料噴射弁の燃料圧力ＲＰと燃料噴射率ＩＲＴの関係の説明図である。
図９において、横軸は燃料圧力ＲＰを示し、縦軸は燃料噴射率ＩＲＴを示している。図９の原点Ｎは、標準値の状態を示している。標準値とは最低燃料圧力時を示している。燃料圧力ＲＰが標準値から増加するに従って、燃料噴射率ＩＲＴも標準値から増加する。
ステップｓ１９０Ａでは、燃料圧力ＲＰの初期値は最小である標準値となっており、燃料噴射率ＩＲＴも標準値に設定される。
次に、ステップｓ２００において、ＣＰＵ２１は、燃料噴射率ＩＲＴと燃料噴射量ＭＦ１から燃料噴射期間Ｔ１を算出する。
次に、ステップｓ２０５において、ＣＰＵ２１は、噴霧平均速度ＶＦを求める。噴霧平均速度ＶＦは燃料圧力ＲＰによって変化するため、噴霧平均速度ＶＦは図１０に示す燃料圧力ＲＰと噴霧平均速度ＶＦの特性図から求められる。
ここで、図１０を用いて、燃料圧力ＲＰと噴霧平均速度ＶＦの関係について説明する。
図１０は、本発明の一実施形態による内燃機関に用いられる燃料噴射弁の燃料圧力ＲＰと噴霧平均速度ＶＦの関係の説明図である。
図１０において、横軸は噴霧平均速度ＶＦを示し、縦軸は燃料噴射率ＩＲＴを示している。図１０の原点Ｎは、標準値の状態を示している。標準値とは最低燃料圧力時を示している。燃料圧力ＲＰが標準値から増加するに従って、噴霧平均速度ＶＦも標準値から増加する。
次に、ステップｓ２１０Ａにおいて、ＣＰＵ２１は、噴射時期補正時間Ｔ２を算出する。噴射時期補正時間Ｔ２は、噴霧速度ＶＦと燃料噴射弁の先端から吸気弁までの距離Ｌによって決まり、次式（１）によって算出される。
Ｔ２＝Ｌ／ＶＦ …（１）
噴射時期補正時間Ｔ２は噴霧速度ＶＦと燃料噴射弁の先端から吸気弁までの距離Ｌによって決まるが、噴霧速度ＶＦは燃圧ＲＰにより変化するためＲＯＭ２２には記憶せず、吸気弁までの距離ＬをＲＯＭ２２に記憶する。運転時には燃料圧力センサ２７の結果から噴霧平均速度ＶＦを算出し、ＣＰＵ２１は式（１）により噴射時期補正時間Ｔ２を算出する。
ステップｓ２２０の判定により、開口期間ＶＴ１が燃料噴射期間Ｔ１未満と判定されると、ステップｓ２４０において、ＣＰＵ２１は、燃料噴射期間Ｔ１が開口期間ＶＴ１と同じとなるための燃料噴射率ＩＲＴを算出する。そして、ステップｓ２７０において、ＣＰＵ２１は、算出された燃料噴射率ＩＲＴになるよう図９より目標燃料圧力ＲＰを再度求める。
次に、ステップｓ２７５において、ＣＰＵ２１は、再度、噴霧平均速度ＶＦを求める。また、ステップｓ２８０において、ＣＰＵ２１は、再度、噴射時期補正時間Ｔ２を算出する。
そして、ＣＰＵ２１は、これらの算出値となるように、燃料噴射弁１１、絞り弁１３、点火プラグ１６，バルブ可変機構２６，燃料圧力可変機構３４を制御する。
次に、図１１を用いて、本実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の具体的な動作について説明する。なお、以下の説明においては、冷機始動時とし、エンジン始動直後はアクセルを開かない運転条件とする。
図１１は、本発明の第２の実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の完爆時の動作を示すタイミングチャートである。図１１の横軸は、時間Ｔ（ｍｓ）を示している。なお、括弧書きでクランク角を示している。図１１の上側は、燃料噴射弁のリフト量ＦＶＬ（μｍ）を示している。図１１の下側は、吸気弁のリフト量ＶＬ（ｍｍ）を示している。
最初に、スタータによるクランキング状態での動作を説明する。なお、このときの動作は、図５に示したものと同様になる。
エンジンが始動し、クランキング状態になると、アクセル開度センサ１０，水温センサ１２，クランク角センサ１９からの信号が入力回路２４に入力され、これら信号からＣＰＵ２１によりアクセル開度ＡＣＤ＝０，水温ＴＷ＝２０℃，エンジン回転数ＮＥ＝２００ｒ／ｍｉｎが算出される。
次に、ＣＰＵ２１は、アクセル開度ＡＣＤから燃料噴射量ＭＦ１と、空燃比Ａ／Ｆ１が１４．７となるよう吸入空気量を計算する。ここで燃料量１２ｍｇ，空気量１７６ｍｇとする。絞り弁１３には出力回路２５から信号が出力され、絞り弁開度ＴＨＡ１が全開になるよう制御される。点火時期ＩＧＴ１は排気ガスの温度上昇を目的に上死点に設定され、クランク角度が上死点になったときに点火プラグ３１に信号を出力するよう制御する。
燃料圧力ＲＰの標準値は最小流量が確保できる数値とし、初期値はこの標準値となっており、燃料圧力ＲＰから燃料噴射率ＩＲＴが算出される。そして、算出された燃料噴射率ＩＲＴから燃料噴射期間Ｔ１がＣＰＵ２１により計算される。ここでは初期値として燃料圧力ＲＰ＝３００ｋＰａ，燃料噴射率ＩＲＴ＝１．２ｍｇ／ｍｓを用い、燃料噴射期間Ｔ１は１０ｍｓとなる。
次に、図８及び図１１を用いて、完爆直後の持続運転時の動作を説明する。なお、図１１の上側において、実線Ｂが図８のステップｓ２４０〜ｓ２８０の補正が行われた場合の燃料噴射弁のリフト量を示し、破線Ａは、補正が行われる前のリフト量を示している。
アクセル開度センサ１０，水温センサ１２，クランク角センサ１９からの信号が入力回路２４に入力され、これら信号からＣＰＵ２１によりアクセル開度ＡＣＤ＝０，水温ＴＷ＝２０℃，エンジン回転数ＮＥ＝１２００ｒ／ｍｉｎが算出される。ここで、負荷は一定のため燃料量と空気量はクランキング時と同じとし、吸気弁の開時期ＶＯＴ１を６０°ＡＴＤＣ，開口期間をクランク角５０°，最大リフトを０．８ｍｍとする。すなわち、図１１の下側に示すように、吸気弁は、６０°ＡＴＤＣで開き始め、１１０°ＡＴＤＣまでの５０°の間開いており、そのときの最大リフト量を０．８ｍｍとする。
ボール弁リフト量ＬＦ１は４０μｍとしており、燃料噴射率ＩＲＴ＝１．２ｍｇ／ｍｓ，燃料噴射期間Ｔ１は１０ｍｓとなるが、回転数１２００ｒ／ｍｉｎでは開口期間であるクランク角５０°は６．９４ｍｓになり、ステップｓ２２０の判定により、１２００ｒ／ｍｉｎでは開口期間ＶＴ１が燃料噴射期間Ｔ１より短いと判断される。
そこで、ステップｓ２４０において、ＣＰＵ２１は、燃料噴射期間Ｔ１が開口期間ＶＴ１と同じになるように燃料噴射率ＩＲＴを再設定する。開口期間６．９４ｍｓ，燃料噴射量１２ｍｇなので、目標燃料噴射率ＩＲＴは１．７３ｍｇ／ｍｓとなる。
次に、ステップｓ２７０において、ＣＰＵ２１は、ＲＯＭ２２に記憶されたマップから燃料圧力ＲＰを参照して、目標燃料噴射率ＩＲＴとなる燃料圧力ＲＰを求める。燃料圧力ＲＰは、例えば、６２０ｋＰａとなる。
次に、ステップｓ２７５において、ＣＰＵ２１は、ＲＯＭ２２に記憶されたマップから噴霧平均速度ＶＦを参照する。燃料圧力ＲＰが６２０ｋＰａの場合、噴霧平均速度ＶＦは５８ｍ／ｓｅｃとする。
そして、ステップｓ２８０において、燃料噴射弁の先端から吸気弁までの距離Ｌから噴射時期補正時間Ｔ２は１．７ｍｓとなり、回転数１２００ｒ／ｍｉｎではクランク角１２度に相当する。燃料噴射期間Ｔ１は６．９４ｍｓであり回転数１２００ｒ／ｍｉｎでクランク角５０度に相当する。吸気弁閉時期は１１０°ＡＴＤＣでありＣＰＵ２１により燃料噴射時期が４８°ＡＴＤＣに設定され、クランク角が４８°ＡＴＤＣにおいて出力回路２５から燃料噴射弁１１に信号を出力するよう制御される。
すなわち、図１１の上側に示すように、燃料噴射弁１１からは、４８°ＡＴＤＣから噴射を開始し、５０°の間噴射して、９８°ＡＴＤＣに噴射を終了する。噴射終了時の９８°ＡＤＴＣは、吸気弁が閉弁する１１０°ＡＴＤＣよりも、１２°早い時期である。燃料噴射弁のリフト量ＦＶＬは４０μｍで変わらないが、燃料圧力ＲＰを増加することにより、所定の燃料噴射量を得ることができる。
吸気行程が始まり、ピストン３が上死点位置から下がり始めると、吸気弁７が閉じているため燃焼室４内の圧力は減少する。そして、図１１の下側に示すように、６０°ＡＴＤＣになると吸気弁７が開くが、燃焼室４内の圧力が吸気管５内の圧力より低くなっているため、吸気弁開口直後は吸気管５から燃焼室４へ高速の気流が発生する。また、吸気弁７のリフト量を微小にすることで、ピストン３が下がることにより燃焼室４へ吸入される気流の速度を２００〜２５０ｍ／ｓｅｃに保つことができる。
一方、図１１の上側に示すように、４８°ＡＴＤＣになると燃料噴射弁１１から燃料が噴射され、燃料噴霧は１．７ｍｓ前後で吸気弁７付近に到達し、微小リフトにすることによって生成された高速気流によって燃焼室４へ流入する。この時、吸気弁７と燃焼室４の隙間を通過するところで高速気流とのせん断力により微粒化する。
そして、９８°ＡＴＤＣで燃料噴射が終了し、１１０°において燃料噴霧最後尾が燃焼室４に流入したところで吸気弁７が閉じる。高速気流によって微粒化された噴霧は気化しやすく、また空気の流れに乗りやすいことからシリンダ壁面への付着が無く、均質な混合気が形成される。そのため、ピストンが上死点へ到達したところで点火プラグ３１により点火後に安定して燃焼する。
以上説明したように、本実施形態によれば、燃料噴射期間Ｔ１を吸気弁の開期間ＶＴ１以下とすることにより、シリンダ壁面への付着が無く、均質な混合気を形成して燃焼させることにより、排出される未燃燃料を低減することができる。
次に、図１２〜図１４を用いて、本発明の第３の実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の構成及び動作について説明する。
最初に、図１２を用いて、本実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の構成について説明する。なお、本実施形態では、気筒毎に燃料噴射弁を設けたマルチポイントインジェクション（ＭＰＩ）を用いている。
図１２は、本発明の第３の実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の構成を示す構成図である。なお、図１と同一符号は、同一部分を示している。
本実施形態において、図１に示した構成と異なる点は、次の点である。すなわち、燃料噴射弁３５は、リフト量の可変機構の無い従来用いられている噴射弁である。それ以外は、図１と同じ構成である。
次に、図１３を用いて、本実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の動作について説明する。
図１３は、本発明の第３の実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の動作を示すフローチャートである。なお、図２と同一ステップ番号は、同一処理内容を示している。
本実施形態では、図１，図７に示した例とは異なり、燃料噴射率ＩＲＴを変更する手段を有していない。そこで、開口期間ＶＴ１が燃料噴射期間Ｔ１未満の場合、絞り弁１３の開度ＴＨＡ１を絞って吸気管５内に負圧を発生させ、単位時間当たりの吸入空気量を減少させることにより、開口期間ＶＴ１が燃料噴射期間Ｔ１と等しくなるよう絞り弁１３の開度ＴＨＡ１を制御する。
ステップｓ１００〜ｓ１７０，ｓ１８０，ｓ２３０の処理内容は、図２と同一である。
本実施形態では、ステップｓ１４０の判定により、アクセル開度ＡＣＤが低負荷であるとＣＰＵ２１が判定すると、ステップｓ１７０において、ＣＰＵ２１は、絞り弁１３の開度が最大（全開）となる絞り弁開度ＴＨＡ１に設定する。また、ＣＰＵ２１は、水温ＴＷ，エンジン回転数ＮＥ，アクセル開度ＡＣＤから、目標となる燃料噴射量ＭＦ１，空燃比Ａ／Ｆ１，点火時期ＩＧＴ１を算出する。
次に、ステップｓ１７５において、ＣＰＵ２１は、燃料噴射弁１１の単位時間当たりの燃料噴射量である燃料噴射率ＩＲＴを算出する。燃料噴射弁１１は、リフト量を可変できる機構を備えていないため、燃料噴射率ＩＲＴは、予め設定されている値である。また、ＣＰＵ２１は、燃料噴射率ＩＲＴと燃料噴射量ＭＦ１から燃料噴射期間Ｔ１を算出する。さらに、ＣＰＵ２１は、噴射時期補正時間Ｔ２を算出する。噴射時期補正時間Ｔ２は、噴霧速度ＶＦと燃料噴射弁の先端から吸気弁までの距離Ｌによって決まり、上述の式（１）によって算出される。
次に、ステップｓ１８０において、ＣＰＵ２１は、燃料噴射量ＭＦ１と空燃比Ａ／Ｆ１から計算された空気量から吸気弁７の開時期ＶＯＴ１，開口期間ＶＴ１，リフト量ＶＬ１を算出する。運転中の空燃比は空燃比センサ１５により検出され、空燃比Ａ／Ｆ１と誤差が生じた場合は、開口期間ＶＴ１とバルブリフト量ＶＬ１を補正する。
次に、ステップｓ２２０において、ＣＰＵ２１は、吸気弁７のバルブの開口期間ＶＴ１が燃料噴射期間Ｔ１以上か否かを判定する。開口期間ＶＴ１が燃料噴射期間Ｔ１以上の場合にはステップｓ２３０に進み、以下の場合はステップｓ２４０に進む。開口期間ＶＴ１が燃料噴射期間Ｔ１以下の場合、バルブの開口期間が燃料噴射期間より短いため、バルブが閉じても燃料が噴射されることになる。したがって、噴射された燃料が吸気管５に付着するため、これを防止するための処理をステップｓ２４０以降にて実行する。
開口期間ＶＴ１が燃料噴射期間Ｔ１以上の場合には、ステップｓ２３０において、ＣＰＵ２１は、燃料噴射期間Ｔ１の終了時期が、開口期間ＶＴ１の終了時期に対し、噴射時期補正時間Ｔ２だけ早くなるように、燃料噴射時期ＦＩＴ１を算出する。
一方、開口期間ＶＴ１が燃料噴射期間Ｔ１未満の場合、ステップｓ２９０において、ＣＰＵ２１は、燃料噴射期間Ｔ１と開口期間ＶＴ１と同じとなるための吸気バルブの開口期間ＶＴ１を再算出する。また、バルブリフト量ＶＬ１を算出する。
また、ステップｓ２９５において、ＣＰＵ２１は、吸気バルブの開口期間ＶＴ１が長くなった分、絞り弁の開度を小さくして、吸入される空気量が同じとなるように、絞り弁開度ＴＨＡ１を再算出する。
次に、ステップｓ２３０において、ＣＰＵ２１は、燃料噴射期間Ｔ１の終了時期が、開口期間ＶＴ１の終了時期に対し、噴射時期補正時間Ｔ２だけ早くなるように、燃料噴射時期ＦＩＴ１を算出する。
そして、ＣＰＵ２１は、これらの算出値となるように、燃料噴射弁１１、絞り弁１３、点火プラグ１６，バルブ可変機構２６を制御する。
次に、図１３および図１４を用いて、具体的な動作について説明する。ここでは、図１の実施形態と同様に冷機始動時とし、エンジン始動直後はアクセルを開かない運転条件とする。
図１４は、本発明の第３の実施形態による可変吸気弁を備えた内燃機関の完爆時の動作を示すタイミングチャートである。横軸は、時間Ｔ（ｍｓ）を示している。なお、括弧書きでクランク角を示している。図１４の上側は、燃料噴射弁のリフト量ＦＶＬ（μｍ）を示している。図１４の下側は、吸気弁のリフト量ＶＬ（ｍｍ）を示している。なお、図１４市側において、実線Ｂが図２のステップｓ２９０〜ｓ２９５の補正が行われた場合の吸気弁の開口期間を示し、破線Ａは、補正が行われる前の開口期間を示している。
スタータによるクランキング状態での動作は、図１に示した実施形態と同様である。次に、完爆直後の持続運転時の動作を説明する。
ステップｓ１００〜ｓ１２０の処理により、アクセル開度センサ１０，水温センサ１２，クランク角センサ１９からの信号が入力回路２４に入力され、これら信号からＣＰＵ２１によりアクセル開度，水温ＴＷ，エンジン回転数ＮＥが算出される。なお、燃料圧力ＲＰは一定に保たれているものとするので、ステップｓ１３０の処理は行わないものとする。ここで、例えば、アクセル開度ＡＣＤ＝０度、水温ＴＷ＝２０℃、エンジン回転数ＮＥ＝１２００ｒ／ｍｉｎが算出されたものとする。この結果はＲＡＭ２３に保存され、逐次更新される。
ステップｓ１７５の処理が実行されるが、燃料噴射量はクランキング時と同じであり、燃料噴射率ＩＲＴ＝１．２ｍｇ／ｍｓであり、図１４の上側にしめすように、燃料噴射期間Ｔ１＝１０ｍｓとなる。
ステップｓ１８０の処理により、吸入空気量は開時期と開口期間によって決まり、エンジン回転数の影響は小さいため、吸気弁の開時期ＶＯＴ１を６０°ＡＴＤＣ，開口期間をクランク角５０°，最大リフト量を１ｍｍとする。すなわち、図１４の下側に示すように、吸気弁は、６０°ＡＴＤＣで開き始め、１１０°ＡＴＤＣまでの５０°の間開いており、そのときの最大リフト量を０．８ｍｍとする。
次に、ステップｓ２２０の判定において、回転数１２００ｒ／ｍｉｎで吸気弁の開口期間であるクランク角５０°は６．９４ｍｓになり、開口期間ＶＴ１（６．９２ｍｓ）が、燃料噴射期間Ｔ１（１０ｍｓ）より短くなっており、吸気弁の開口期間ＶＴ１の変更が必要となるため、ステップｓ２９０の処理に進む。
そして、ステップｓ２９０の処理により、ＣＰＵ２１は、開時期は一定で、開口期間ＶＴ１が燃料噴射期間Ｔ１と同じになるように開口期間ＶＴ１，バルブリフト量ＶＬ１を制御し、同時に、ステップｓ２９５の処理により、絞り弁開度ＴＨＡ１を閉じて吸気管５内に負圧を生じさせて吸入空気量ＭＦ１が目標値になるよう絞り弁開度ＴＨＡ１を制御する。ここで、開口期間ＶＴ１はクランク角７２°、リフト量ＶＬ１は１ｍｍになり、ＣＰＵ２１は、図１４の下側に実線Ａで示すように、吸気弁の開時期ＶＯＴ１＝３８°ＡＴＤＣ、開口期間ＶＴ１＝７２°となるように制御する。また、絞り弁開度ＴＨＡ１は４０°閉じた状態となる。開口期間ＶＴ１と絞り弁開度ＴＨＡ１の関係はＲＯＭ２２にマップとして記憶しておくか、空燃比センサ１５によるフィードバック制御を用いる。
また、ＣＰＵ２１は、図１４の上側に示すように、燃燃料噴射時期を２０°ＡＴＤＣに設定し、クランク角が２０°ＡＴＤＣにおいて出力回路２５から燃料噴射弁１１に信号を出力するよう制御される。
吸気行程が始まり、ピストン３が上死点位置から下がり始めると、吸気弁７が閉じているため燃焼室４内の圧力は減少していく。そして、図１４の下側に示すように、３８°ＡＴＤＣになると吸気弁７が開くが、燃焼室４内の圧力が吸気管５内の圧力より低くなっているため、吸気弁開口直後は吸気管５から燃焼室４へ高速の気流が発生する。また、吸気弁７のリフト量を微小にすることで、ピストン３が下がることにより燃焼室４へ吸入される気流の速度を１８０〜２００ｍ／ｓｅｃに保つことができる。
一方、図１４の上側に示すように、２０°ＡＴＤＣになると燃料噴射弁１１から燃料が噴射され、燃料噴霧は２．５ｍｓ前後で吸気弁７付近に到達し、微小リフトにすることによって生成された高速気流によって燃焼室４へ流入する。この時、吸気弁７と燃焼室４の隙間を通過するところで高速気流とのせん断力により微粒化する。９２°ＡＴＤＣで燃料噴射が終了し、１１０°において燃料噴霧最後尾が燃焼室４に流入したところで吸気弁７が閉じる。高速気流によって微粒化された噴霧は気化しやすく、また空気の流れに乗りやすいことからシリンダ壁面への付着が無く、均質な混合気が形成される。そのため、ピストンが上死点へ到達したところで点火プラグ３１により点火後に安定して燃焼する。
以上説明したように、本実施形態によれば、吸気弁の開期間ＶＴ１を燃料噴射期間Ｔ１以下とすることにより、シリンダ壁面への付着が無く、均質な混合気を形成して燃焼させることにより、排出される未燃燃料を低減することができる。
なお、上述の各実施形態において、電磁弁としては機械式でなく、電磁式の可変動弁を用いても同様の効果を得ることができる。
本発明によれば、吸気弁の開口期間よりも燃料噴射期間を短くして燃料供給時の壁面への燃料付着を防止し、燃料噴霧微粒化を可能として、未燃燃料を低減できるものとなる。
Claims (6)
- 吸気弁の開時期，開口期間，リフト量を変更可能な可変吸気弁を備えた内燃機関において、
燃料噴射弁（１１）の燃料噴射期間が前記吸気弁（７））の開口期間よりも長い場合に、単位時間当たりの燃料噴射量若しくは吸入空気量を可変して、前記燃料噴射弁の燃料噴射期間が前記吸気弁の開口期間以下となるように制御する制御手段（２０）を備えたことを特徴とする可変吸気弁を備えた内燃機関。 - 請求項１記載の可変吸気弁を備えた内燃機関において、
前記制御手段（２０）は、低負荷運転時には、前記吸気弁（７）の開時期を吸気行程に設定して、前記吸気弁の開口期間とリフト量を制御することにより吸入空気量を調節し、
さらに、前記制御手段（２０）は、燃料の噴射率を変更可能な噴射率可変機構（３２；３４）を備えた燃料噴射弁（７）の単位時間当たりの燃料噴射量を大きくして、前記燃料噴射弁の燃料噴射期間が前記吸気弁の開口期間以下となるように制御することを特徴とする内燃機関。 - 請求項２記載の可変吸気弁を備えた内燃機関において、
前記燃料の噴射率を変更可能な噴射率可変機構は、燃料の吐出を制御する燃料噴射弁の弁体のリフト量を変更可能な機構（３２）であり、
前記制御手段は、この弁体のリフト量を大きくして、燃料噴射弁の単位時間当たりの燃料噴射量を大きくすることを特徴とする内燃機関。 - 請求項２記載の可変吸気弁を備えた内燃機関において、
前記燃料の噴射率を変更可能な噴射率可変機構は、高圧の燃料フィードポンプの燃料圧力を変更可能な機構（３４）であり、
前記制御手段は、この燃料圧力を大きくして、燃料噴射弁の単位時間当たりの燃料噴射量を大きくすることを特徴とする内燃機関。 - 請求項１記載の可変吸気弁を備えた内燃機関において、
前記制御手段（２０）は、低負荷運転時には、前記吸気弁の開時期を吸気行程に設定して、前記吸気弁の開口期間とリフト量および吸気管の上流に設けられた絞り弁（１３）の開度を制御することにより単位時間当たりの吸入空気量を小さくして、前記燃料噴射弁の燃料噴射期間が前記吸気弁の開口期間以下となるように制御することを特徴とする内燃機関。 - 請求項１記載の可変吸気弁を備えた内燃機関において、
前記制御手段（２０）は、燃料噴射終了時期を、吸気弁の閉時期に対し、噴射された燃料噴霧が吸気弁に到達するのに要する時間だけ早い時期としたことを特徴とする内燃機関。
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2003
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