エンジンの燃焼制御装置
【課題】エンジン始動時に、すべてのサイクルで、燃料を十分に気化ないしは霧化させて燃料と空気のミキシングを良くすることを可能にする手段を提供する。
【解決手段】吸気バルブ１２及び排気バルブ１３に対してバルブタイミング可変機構１５、１８が設けられたエンジンＥの始動時において、１サイクル目には、吸気バルブ１２の開閉タイミングが、該吸気バルブ１２の開弁時期が吸気上死点より遅角側となり、かつ吸気バルブ１２と排気バルブ１３の開弁期間がオーバーラップしないように設定される。この場合、燃料噴射タイミングは吸気バルブ１２の開弁時期より遅角側に設定される。他方、始動２サイクル目以降は、排気バルブ１３の開閉タイミング遅角させることにより、排気バルブ１３と吸気バルブ１２の開弁期間がオーバーラップさせられ、燃料噴射タイミングが、通常の燃料噴射時期に設定される。
【解決手段】吸気バルブ１２及び排気バルブ１３に対してバルブタイミング可変機構１５、１８が設けられたエンジンＥの始動時において、１サイクル目には、吸気バルブ１２の開閉タイミングが、該吸気バルブ１２の開弁時期が吸気上死点より遅角側となり、かつ吸気バルブ１２と排気バルブ１３の開弁期間がオーバーラップしないように設定される。この場合、燃料噴射タイミングは吸気バルブ１２の開弁時期より遅角側に設定される。他方、始動２サイクル目以降は、排気バルブ１３の開閉タイミング遅角させることにより、排気バルブ１３と吸気バルブ１２の開弁期間がオーバーラップさせられ、燃料噴射タイミングが、通常の燃料噴射時期に設定される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バルブタイミング可変機構を備えたエンジンの燃焼制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、自動車用のエンジンでは、燃料を吸気ポート内又は燃焼室内の空気中に噴射して気化ないしは霧化させ、この気化ないしは霧化した燃料と空気の混合物を燃焼させることによって生成される熱エネルギを、ピストンと、コネクチングロッド等の連結機構とを介してクランクシャフトの回転エネルギに変換するようにしている。しかしながら、エンジン始動時、とくに冷間始動時には燃焼室内が低温であるので、燃料が気化しにくく、空気と燃料のミキシングが十分に行われない。このため、混合気の燃焼性が悪く、ＨＣ（炭化水素）の排出量が増加するといった問題がある。そこで、エンジン始動時には、吸気バルブないしは排気バルブの開閉タイミングを変更することにより、燃料の燃焼性を改善しあるいはＨＣの排出量を低減するようしたエンジンが種々提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
例えば、エンジンの冷間始動時には、吸気バルブあるいは排気バルブの開閉タイミングを変更することにより、吸気バルブの開弁期間と排気バルブの開弁期間のオーバーラップ期間を拡大し、排気通路に排出された排気ガスの一部の燃焼室内への還流（すなわち、内部排気還流）により、排気熱を利用して燃焼室内の空気の温度を高め、燃料の気化を促進するようにしたエンジンが提案されている。なお、特許文献１に開示されたエンジンでは、エンジン始動時に触媒の上流で排気通路に２次空気を供給することにより未燃ＨＣを燃焼させてＨＣの排出量を低減するようにしている。
【特許文献１】特開２００７−１１３４６９号公報（段落［００２７］、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、例えば内部排気還流によって燃焼室内の空気の温度を高めるようにした従来のエンジンでは、エンジン始動時の第１回目のサイクルでは、まだ排気ガスが存在しないので、燃焼室内の空気の温度を高めることはできない。このため、第１回目のサイクルでは燃料が十分に気化ないしは霧化されず、一時的ではあるものの、ＨＣ（炭化水素）の発生量が増加するとともにエンジン出力の低下を招くといった問題がある。
【０００５】
本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであって、エンジン始動時に、第１回目のサイクルを含めてすべてのサイクルで、燃料を十分に気化ないしは霧化させて燃料と空気のミキシングを良くすることができ、ひいてはエンジン出力及びエミッション性能を向上させることを可能にする手段を提供することを解決すべき課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するためになされた本発明に係るエンジンの燃焼制御装置は、吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミング（バルブタイミング）を制御するバルブタイミング制御手段を備えている。このバルブタイミング制御手段は、エンジン始動時の第１回目のサイクル（以下「始動１サイクル目」という。）では、吸気バルブの開弁時期が吸気上死点より遅角側となり、かつ吸気バルブの開弁期間と排気バルブの開弁期間とがオーバーラップしないよう制御する。他方、エンジン始動時の第２回目以降のサイクル（以下「始動２サイクル目以降」という。）では、吸気バルブの開弁期間と排気バルブの開弁期間とがオーバーラップするよう制御する。
【０００７】
本発明に係るエンジンの燃焼制御装置において、エンジンが、燃焼室内（気筒内）に燃料を噴射する燃料噴射弁と、該燃料噴射弁の燃料噴射タイミングを制御する燃料噴射制御手段とを備えている場合、燃料噴射制御手段は、始動１サイクル目では、排気バルブが閉弁してから吸気バルブが開弁を開始するまでの期間（以下「非オーバーラップ期間」という。）に燃料噴射を開始するよう燃料噴射弁を制御するのが好ましい。
【０００８】
この場合、燃料噴射制御手段は、非オーバーラップ期間と、吸気バルブが開弁を開始した後の期間とを含む少なくとも２つの期間に分割して燃料噴射を行うよう燃料噴射弁を制御するのがより好ましい。
【０００９】
本発明に係るエンジンの燃焼制御装置において、バルブタイミング制御手段は、始動２サイクル目以降では、排気バルブの閉弁時期を遅角させることにより、吸気バルブの開弁期間と排気バルブの開弁期間とをオーバーラップさせるようになっているのが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係るエンジンの燃焼制御装置によれば、始動１サイクル目では、吸気行程の初期に、吸気バルブ及び排気バルブがともに閉じられるので、ピストンの下降に伴って燃焼室内（気筒内）が急激に減圧され、真空に近い状態となる。そして、この後で吸気バルブが開弁されたときに、吸気ポートから燃焼室内に空気が非常に高速で流入する。このため、燃焼室内では空気の乱れが非常に強くなり、この空気の強い乱れにより燃料の気化ないしは霧化が促進され、燃焼室内における燃料と空気のミキシングが良くなる。
【００１１】
また、始動２サイクル目以降では、吸気バルブの開弁期間と排気バルブの開弁期間とがオーバーラップするので、内部排気還流により燃焼室内の空気の温度が高められ、燃料の気化ないしは霧化が促進され、燃焼室内における燃料と空気のミキシングが良くなる。したがって、エンジン始動時に、始動１サイクル目を含めてすべてのサイクルで、燃料を十分に気化ないしは霧化させて燃料と空気のミキシングを良くすることができ、ひいてはエンジン出力及びエミッション性能を向上させることができる。
【００１２】
本発明に係るエンジンの燃焼制御装置において、始動１サイクル目で非オーバーラップ期間に燃料噴射を開始するようにした場合は、吸気行程の初期にピストンの下降に伴って燃焼室内（気筒内）が真空に近い状態となっているときに、燃焼室内に燃料が噴射される。この場合、始動１サイクル目では燃焼室内に噴射された燃料が減圧沸騰により急激に気化するので、燃料をより効果的に気化させて燃料と空気のミキシングをより良くすることができる。
【００１３】
また、始動１サイクル目で、非オーバーラップ期間と、吸気バルブが開弁を開始した後の期間とを含む少なくとも２つの期間に分割して燃料噴射を行う場合は、非オーバーラップ期間では、減圧沸騰により燃料を気化させて燃料と空気のミキシングを良くすることができる。他方、吸気バルブが開弁を開始した後の期間では、真空に近い状態にある燃焼室内に高速で流入する乱れの強い空気により、燃料の気化ないしは霧化を促進して、燃焼室内における燃料と空気のミキシングを良くすることができる。これらが相まって、エンジン始動時における燃料と空気のミキシングを一層良くすることができる。
【００１４】
本発明に係るエンジンの燃焼制御装置において、始動２サイクル目以降で、排気バルブの閉弁タイミングを遅角させることにより吸気バルブの開弁期間と排気バルブの開弁期間とをオーバーラップさせる場合は、吸気バルブの開弁期間と排気バルブの開弁期間のオーバーラップが、ピストンが下降する吸気行程で生じるので、排気通路内の排気ガスをより多く燃焼室内に還流させることができる。このため、始動２サイクル目以降において燃焼室内の温度をより高くすることができ、燃料をより効果的に気化ないしは霧化させて燃料と空気のミキシングをより良くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付の図面を参照しつつ、本発明の実施の形態１、２を具体的に説明する。図１は、本発明に係る燃焼制御装置を備えた気筒内噴射型の火花点火式エンジンＥ（以下、略して「エンジンＥ」という。）のシステム構成を示している。エンジンＥは４気筒エンジンであるが、図１では１つの気筒のみを示し、他の気筒の図示は省略している。なお、本発明は４気筒エンジンに限定されるものではなく、４気筒以外の多気筒エンジン（例えば、６気筒エンジン、８気筒エンジン…）にも適用することができる。また、エンジンＥは気筒内噴射型のエンジンであるが、本発明は、その基本的態様においては、吸気ポートに燃料が噴射されるポート噴射型のエンジンにも適用することができる。
【００１６】
（実施の形態１）
図１に示すように、エンジンＥの本体部は、シリンダヘッド１とシリンダブロック２とで構成されている。エンジンＥは４気筒４サイクルエンジンであり、４つの気筒３を備えている。このエンジンＥにおいては、各気筒３が所定の位相差をもって膨張、排気、吸気、圧縮の各行程からなるサイクルを繰り返すようになっており、これらのサイクルは、第１気筒、第３気筒、第４気筒、第２気筒の順にクランク角で１８０°（１８０°ＣＡ）の位相差で繰り返される。
【００１７】
各気筒３内にはピストン４が嵌挿され、ピストン４の上方に燃焼室５が形成されている。ピストン４はコネクチングロッド６等を備えた連結機構を介してクランクシャフト７に連結されている。各気筒３の燃焼室５の頂部には点火プラグ８が設けられ、プラグ先端部は燃焼室５内に臨んでいる。燃焼室５の側方には、燃焼室５内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁９が設けられている。燃料噴射弁９は、詳しくは図示していないが、ニードル弁及びソレノイドを内蔵し、パルス信号が入力され、そのパルス入力時期にパルス幅に対応する時間だけ駆動されて開弁し、その開弁時間に応じた量の燃料を噴射する。燃料噴射弁９は、点火プラグ８付近に向けて燃料を噴射するように配置されている。なお、燃料噴射弁９には、図示していないが、燃料ポンプによって燃料供給通路等を介して燃料が供給され、かつ、圧縮行程における燃焼室内の圧力よりも高い圧力で燃料を噴射するようになっている。
【００１８】
各気筒３の燃焼室５に対して吸気ポート１０及び排気ポート１１が開口し、両ポート１０、１１にそれぞれ吸気バルブ１２及び排気バルブ１３が設けられている。そして、各気筒３の吸気バルブ１２及び排気バルブ１３の開閉タイミングは、各気筒３が所定の位相差で膨張・排気・吸気・圧縮の４行程からなる各サイクルを行うように設定されている。
【００１９】
ここで、吸気バルブ１２は、吸気バルブカム１４によって、クランクシャフト７と同期して所定のタイミングで開閉される。そして、吸気バルブカム１４に対して、電気式の吸気バルブタイミング可変機構１５（ＶＶＴ）が設けられている。この吸気バルブタイミング可変機構１５は、吸気バルブコントローラ１６からの制御信号に従って、吸気バルブカム１４を介して、吸気バルブ１２の開閉タイミングを進角させ又は遅角させることができる。
【００２０】
他方、排気バルブ１３は、排気バルブカム１７によって所定のタイミングで開閉される。そして、排気バルブカム１７に対して、電気式の排気バルブタイミング可変機構１８（ＶＶＴ）が設けられている。この排気バルブタイミング可変機構１８は、排気バルブコントローラ１９からの制御信号に従って、排気バルブカム１７を介して、排気バルブ１３の開閉タイミングを進角させ又は遅角させることができる。なお、電気式の吸気バルブタイミング可変機構１５及び排気バルブタイミング可変機構１８は、エンジン始動後直ちに動作することができ、かつ、油圧式のバルブタイミング可変機構に比べて開閉タイミングをリニア（直線的）に変化させることができる。なお、吸気バルブタイミング可変機構１５及び排気バルブタイミング可変機構１８の具体的な構造は、図２を参照しつつ後で説明する。
【００２１】
吸気ポート１０には、燃料燃焼用の空気を燃焼室５に供給する吸気通路２０が接続されている。詳しくは図示していないが、この吸気通路２０は、燃焼室５に吸入される空気（以下「吸入空気」という。）の流れ方向にみて、上流側では単一の通路（共通吸気通路）であるが、下流側では分岐し、各通路（分岐吸気通路）はそれぞれ対応する気筒３の吸気ポート１０に接続されている。そして、吸気通路２０の上流側の部分（共通吸気通路）には、吸入空気の流れ方向にみて、上流側から順に、吸入空気中のダスト等を除去するエアクリーナ（図示せず）、吸入空気の流量を検出するエアフローセンサ４１（図３参照）、スロットル弁２１を備えたスロットルボディ２２、吸入空気の流れを安定させるサージタンク（図示せず）等が設けられている。
【００２２】
また、吸気通路２０のサージタンクより下流側の部分（分岐吸気通路）には、それぞれ、各気筒に個別のタンブルスワールコントロールバルブ２３（ＴＳＣＶ）が設けられている。このタンブルスワールコントロールバルブ２３は、詳しくは図示していいないが、その開度を変えることにより、対応する気筒３の燃焼室５に生成されるタンブル（縦渦）及びスワール（横渦）の強度を調節ないしは制御する。
【００２３】
他方、排気ポート１１には、燃焼室５内で発生した燃焼ガスすなわち排気ガスをエンジン外（大気中）に排出する排気通路２５が設けられている。この排気通路２５は、排気ガスの流れ方向にみて、上流端近傍部（排気マニホールド）では気筒３毎に分岐して各排気ポート１１に接続されているが、下流側では各気筒３に共通な単一の通路（共通排気通路）である。なお、図示していないが、排気通路２５（共通排気通路）には、排気ガスを浄化するために、ＨＣ及びＣＯを酸化して浄化する酸化触媒（例えば、白金、ロジウム、パラジウム等からなる触媒）と、ＮＯｘを還元して浄化する還元触媒（白金、バリウム等からなる触媒）とを備えた排気ガス浄化装置が設けられている。この排気ガス浄化装置は、触媒温度が活性化温度（例えば、２００〜２５０℃）以上であるときに、触媒作用ないしは排気ガス浄化作用を有効に発揮する。
【００２４】
図２に示すように、電気式の吸気バルブタイミング可変機構１５は、各気筒３の吸気バルブカム１４が取り付けられたカムシャフト３０の先端部（前端部）に取り付けられている。そして、吸気バルブタイミング可変機構１５は、クランクシャフト７によって駆動されるスプロケット部３１と、カムシャフト３０に固定され該カムシャフト３０と一体回転するリンク機構３２と、電動式のＶＶＴモータ３３と、スプロケット部３１及びリンク機構３２とＶＶＴモータ３３との間に配置されたチェーンケース３４とを備えている。
【００２５】
ここで、吸気バルブタイミング可変機構１５は、ＶＶＴモータ３３を駆動することにより、スプロケット部３１と、リンク機構３２及びカムシャフト３０との間の回転位相差、すなわちカムシャフト３０の回転位相を変化させることができる。このように、カムシャフト３０の回転位相を、該カムシャフト３０の正転方向又は逆転方向に変化させることにより、吸気バルブカム１４の回転位相、ひいては吸気バルブ１２の開閉タイミング（バルブタイミング）を、所定の角度範囲内（例えば、クランク角で−６０°〜＋６０°の範囲内）で進角又は遅角させることができる。なお、電気式の排気バルブタイミング可変機構１８も、基本的には、吸気バルブタイミング可変機構１５と同様の構造のものであり、排気バルブ１３の開閉タイミングを、所定の角度範囲内（例えば、クランク角で−６０°〜＋６０°の範囲内）で進角又は遅角させることができる。
【００２６】
以下、エンジンＥの制御システムを説明する。
図３に示すように、エンジンＥには、その運転状態に関する各種情報を収集するために種々のセンサが設けられている。例えば、吸入空気の流量を検出するエアフローセンサ４１、クランクシャフト７の回転数すなわちエンジン回転数を検出するエンジン回転数センサ４２、クランク角を検出するクランク角センサ４３、スロットル弁２１の開度を検出するスロットル開度センサ４４、エンジン水温（エンジン温度）を検出する水温センサ４５等が設けられている。これらの各センサ４１〜４５の検出信号は、エンジンＥの制御情報としてコントロールユニットＣに入力される。
【００２７】
コントロールユニットＣは、課題を解決するための手段の欄に記載された「バルブタイミング制御手段」及び「燃料噴射制御手段」を含むエンジンＥの総合的な制御手段である。詳しくは図示していないが、コントロールユニットＣは、制御信号の入出力を行う入出力部（インターフェース）、データや制御情報等を記憶する記憶部（ＲＯＭ、ＲＡＭ等）、各種演算処理を行う中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマ、カウンタ等を備えたコンピュータである。
【００２８】
そして、コントロールユニットＣは、前記各センサ４１〜４５によって検出された各種データに基づいて、点火プラグ８、燃料噴射弁９、吸気バルブタイミング可変機構１５（吸気バルブコントローラ１６）、排気バルブタイミング可変機構１８（排気バルブコントローラ１９）、スロットル弁２１等を制御ないしは駆動することにより、点火時期制御、燃料噴射制御、吸気バルブ１２及び排気バルブ１３の通常の開閉タイミング制御等の普通のエンジン制御を行うとともに、エンジン始動時において燃料と吸入空気のミキシングを良くするための本発明に係る制御（以下「エンジン始動制御」という。）を行うようになっている。しかしながら、普通のエンジン制御については、その制御手法は当業者にはよく知られており、またこのような普通のエンジン制御は本発明の要旨とするところでもないので、その説明を省略する。
【００２９】
以下、図４に示すフローチャートに従って、コントロールユニットＣによって実行される、本発明に係るエンジン始動制御の制御手順を具体的に説明する。図４に示すように、このエンジン始動制御は、スタータスイッチ４６（図３参照）の出力信号に基づいて、エンジンＥのクランキング（始動）が開始されたときに開始される。
【００３０】
このようにエンジン始動制御が開始されると、まずステップＳ１でエンジン始動が完了したか否か、すなわちクランキングが開始された後においてエンジンＥが完爆状態となったか否かが判定される。ここで、エンジン始動が完了していないと判定された場合は（ＮＯ）、ステップＳ２で今回のサイクルが始動１サイクル目（エンジン始動時の第１回目のサイクル）であるか否かが判定される。
【００３１】
ステップＳ２で今回のサイクルが始動１サイクル目である判定された場合は（ＹＥＳ）、ステップＳ３で、吸気バルブ１２の開閉タイミングが、該吸気バルブ１２の開弁時期が吸気上死点（排気行程と吸気行程の間の上死点）より遅角側となり、かつ、吸気バルブ１２の開弁期間と排気バルブ１３の開弁期間とがオーバーラップしないように設定される。続いて、ステップＳ４で、燃料噴射弁５の燃料噴射タイミングが、吸気バルブ１２の開弁時期より遅角側に設定され、この後ステップＳ１に復帰する（リターン）。
【００３２】
すなわち、図６に示すように、このエンジンＥでは、通常の運転時には、排気バルブ１３の開閉タイミングは通常タイミングＬ１に設定され、吸気バルブ１２の開閉タイミングは通常タイミングＬ２に設定される。この場合、排気バルブ１３の開弁期間と吸気バルブ１２の開弁期間とはほとんどオーバーラップしないか、吸気上死点付近で若干オーバーラップする。
【００３３】
これに対して、ステップＳ３〜Ｓ４が実行されるときには、排気バルブ１３の開閉タイミングは通常タイミングＬ１のままであり、とくには変更されない。他方、吸気バルブ１２の開閉タイミングは、通常タイミングＬ２（破線）から所定のクランク角度（例えば、クランク角で２０〜６０°）だけ遅角され、１サイクル目用のタイミングＬ３（実線）に変更される。そして、燃料噴射は、Ｉで示すように、１サイクル目用のタイミングＬ３で開弁される吸気バルブ１２の開弁時期とほぼ同時、ないしはこれより若干遅角側の時点に設定される。
【００３４】
この場合、吸気バルブ１２及び排気バルブ１３がともに閉じられた状態で吸気行程が開始され、ピストン４が吸気上死点位置から下降する。このピストン４の下降に伴って燃焼室５内が急激に減圧され、真空に近い状態となる。そして、この後に吸気バルブ１２が開弁されたときに、吸気ポート１０から燃焼室５内に、空気が非常に高速で流入する。このため、吸気ポート１０ないし燃焼室５内では空気の乱れが非常に強くなる。そして、燃料は、この非常に強い乱れの空気中に噴射されるので、燃料の気化ないしは霧化が促進され、燃焼室５内における燃料と空気のミキシングが非常に良好となる。
【００３５】
図９に、排気バルブ１３の開閉タイミングを通常タイミング（Ｅｘｈ ｌｉｆｔ）に固定した上で、吸気バルブ１２の開閉タイミング（Ｉｎｔ ｌｉｆｔ）を通常タイミング（図６参照）から、クランク角で２０°（２０°ＣＡ）、４０°（４０°ＣＡ）又は６０°（６０°ＣＡ）遅角させた場合における燃焼室５内の圧力（筒内圧）を測定した結果（それぞれ、ＩＯ−２０°ＣＡ、ＩＯ−４０°ＣＡ、ＩＯ−６０°ＣＡ）を示す。図９から明らかなとおり、この吸気バルブ１２の開閉タイミング遅角量の範囲では、吸気バルブ１２の開閉タイミングの遅角量が大きいときほど、燃焼室５内の圧力は低くなっている。
【００３６】
図１０に、排気バルブ１３の開閉タイミングを図９の場合と同様に設定し、吸気バルブ１２の開閉タイミングを図９の場合と同様に変化させた場合に、燃焼室５内に流入する空気の流速を測定した結果を示す（それぞれ、ＩＯ−２０°ＣＡ、ＩＯ−４０°ＣＡ、ＩＯ−６０°ＣＡ）。なお、この流速は、吸気バルブ１２と吸気ポート１０との間の空間部における流速である。図１０から明らかなとおり、この吸気バルブ１２の開閉タイミング遅角量の範囲では、吸気バルブ１２の開閉タイミングの遅角量が大きいときほど、空気の流速は大きくなっている。
【００３７】
他方、前記のステップＳ２で今回のサイクルが始動１サイクル目でない判定された場合（ＮＯ）、すなわち始動２サイクル目以降（エンジン始動時の第２回目以降のサイクル）であると判定された場合は、ステップＳ５で、排気バルブ１３の開閉タイミングないしは閉弁時期を所定量だけ遅角させることにより、排気バルブ１３の開弁期間と吸気バルブ１２の開弁期間とがオーバーラップさせられる。続いて、ステップＳ６で、燃料噴射弁５の燃料噴射タイミングが、通常の燃料噴射時期、すなわち吸気上死点付近に設定され、この後ステップＳ１に復帰する（リターン）。
【００３８】
すなわち、図８に示すように、排気バルブ１３の開閉タイミングは通常タイミングＮ１（破線）から所定のクランク角度（例えば、クランク角で２０〜４０°）だけ遅角され、２サイクル目以降用のタイミングＮ２（実線）に変更される。なお、吸気バルブ１２の開閉タイミングは通常タイミングＮ４（破線）に設定される。また、燃料噴射タイミングは、Ｋで示すように、吸気上死点付近に設定される。
【００３９】
この場合、図８から明らかなとおり、排気バルブ１３の開弁期間と吸気バルブ１２の開弁期間のオーバーラップが、ピストン４が下降する吸気行程で生じる。このため、排気ポート１１ないしは排気通路２５内の排気ガスをより多く燃焼室５内に還流させることができる。したがって、始動２サイクル目以降で燃焼室５内の温度をより高くすることができ、燃料を効果的に気化ないしは霧化させて燃料と空気のミキシングを良くすることができる。
【００４０】
なお、排気バルブ１３の開閉タイミングを通常タイミングＮ１に固定した上で、吸気バルブ１２の開閉タイミングを、通常タイミングＮ４（破線）から所定のクランク角度（例えば、クランク角で２０〜４０°）だけ進角させたタイミングＮ３（実線）に変更することによっても、排気バルブ１３の開弁期間と吸気バルブ１２の開弁期間とをオーバーラップさせることができる。しかしながら、この場合は、排気バルブ１３の開弁期間と吸気バルブ１２の開弁期間のオーバーラップが、ピストン４が上昇する排気行程で生じるので、排気バルブ１３の開閉タイミングを遅角させる前記の場合に比べて、排気ガスの還流量が少なくなる。
【００４１】
ところで、前記のステップＳ１でエンジン始動が完了していると判定された場合は（ＹＥＳ）、エンジンＥはすでに完爆状態にあり、エンジン始動時に固有の前記制御ルーチン（ステップＳ２〜Ｓ６）を実行する必要がないので、ステップＳ７でエンジンＥの通常の運転制御が行われる。この後、ステップＳ１に復帰する（リターン）
【００４２】
以上、本発明の実施の形態１に係るエンジン始動制御によれば、エンジン始動時に、始動１サイクル目を含めてすべてのサイクルで、燃料を十分に気化ないしは霧化させて燃料と空気のミキシングを良くすることができ、ひいてはエンジン出力及びエミッション性能を向上させることができる。
【００４３】
（実施の形態２）
以下、本発明に実施の形態２を説明する。しかしながら、実施の形態２に係るエンジンの構成は実施の形態１に係るエンジンと同一であり、実施の形態２は、実施の形態１とはエンジン始動制御の制御形態が異なるだけである。また、実施の形態２に係るエンジン始動制御は、実施の形態１に係るエンジン始動制御のステップＳ４に代えてステップＳ１４を設けた点で相違するだけであり、その他のステップの内容は同一である。そこで、説明の重複を避けるため、以下では、実施の形態１にかかるエンジン始動制御と異なる点のみを説明する。なお、図５に示すフローチャートにおいて、図４に示すフローチャートと同一内容のステップには、同一のステップ番号が付されている。
【００４４】
図５に示すように、実施の形態２に係るエンジン始動制御では、ステップＳ２でエンジンＥの今回のサイクルが始動１サイクル目であると判定された場合は（ＹＥＳ）、ステップＳ３で実施の形態１の場合と同様に吸気バルブ１２の開閉タイミングが遅角させられ、この後ステップＳ１４が実行される。そして、ステップＳ１４では、排気バルブ１３が閉弁してから吸気バルブ１２が開弁を開始するまでの期間、すなわち非オーバーラップ期間と、吸気バルブ１２が開弁を開始した後の期間の２つの期間に分割して燃料噴射が行われる。
【００４５】
すなわち、図７に示すように、排気バルブ１３の開閉タイミングは通常タイミングＭ１に設定される。他方、吸気バルブ１２の開閉タイミングは、通常タイミングＭ２（破線）から所定のクランク角度（例えば、クランク角で２０〜６０°）だけ遅角され、１サイクル目用のタイミングＭ３（実線）に変更される。
【００４６】
そして、第１回目の燃料噴射は、Ｊ１で示すように、吸気上死点後において排気バルブ１３及び吸気バルブ１２がともに閉じられ、ピストン４の下降に伴って燃焼室５内が真空に近い状態となっているときに行われる。この場合、燃焼室５内に噴射された燃料が減圧沸騰により急激に気化するので、燃料を効果的に気化させて燃料と空気のミキシングを良くすることができる。
【００４７】
他方、第２回目の燃料噴射は、Ｊ２で示すように、１サイクル目用のタイミングＭ３で開弁される吸気バルブ１２の開弁時期よりやや遅角側の時点に設定される。この場合、実施の形態１の場合（ステップＳ４）と同様に、燃料は、燃焼室５内の非常に強い乱れの空気中に噴射されるので、燃料の気化ないしは霧化が促進され、燃焼室５内における燃料と空気のミキシングが非常に良好となる。
【００４８】
その他の点については、実施の形態１と同様である。かくして、実施の形態２によれば、非オーバーラップ期間では、減圧沸騰により燃料を気化させて燃料と空気のミキシングを良くすることができ、他方吸気バルブ１２が開弁を開始した後の期間では、真空に近い状態にある燃焼室５内に高速で流入する乱れの強い空気により、燃料の気化ないしは霧化を促進して、燃焼室５内における燃料と空気のミキシングを良くすることができる。こおのため、実施の形態１に比べて、エンジン始動時における燃料と空気のミキシングを一層良くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施の形態１又は実施の形態２に係るエンジンのシステム構成を示す一部断面正面図である。
【図２】図１に示すエンジンのバルブタイミング可変機構の一部断面側面図である。
【図３】図１に示すエンジンの制御システムの構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係るエンジン始動制御の制御手順を示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施の形態２に係るエンジン始動制御の制御手順を示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施の形態１に係るエンジンの始動１サイクル目における吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミング及び燃料噴射タイミングを示す図である。
【図７】本発明実施の形態２に係るエンジンの始動１サイクル目における吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミング及び燃料噴射タイミングを示す図である。
【図８】本発明の実施の形態１及び実施の形態２に係るエンジンの始動２サイクル目以降における吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミング及び燃料噴射タイミングを示す図である。
【図９】燃焼室内の圧力（筒内圧）のクランク角に対する変化特性を示すグラフである。
【図１０】燃焼室内に流入する吸入空気の流速のクランク角に対する変化特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５０】
Ｅ エンジン、Ｃ コントロールユニット、１ シリンダヘッド、２ シリンダブロック、３ 気筒、４ ピストン、５ 燃焼室、６ コネクチングロッド、７ クランクシャフト、８ 点火プラグ、９ 燃料噴射弁、１０ 吸気ポート、１１ 排気ポート、１２ 吸気バルブ、１３ 排気バルブ、１４ 吸気バルブカム、１５ 吸気バルブタイミング可変機構、１６ 吸気バルブコントローラ、１７ 排気バルブカム、１８ 排気バルブタイミング可変機構、１９ 排気バルブコントローラ、２０ 吸気通路、２１ スロットル弁、２２ スロットルボディ、２３ タンブルスワールコントロールバルブ、２５ 排気通路、３０ カムシャフト、３１ カムスプロケット部、３２ リンク機構、３３ ＶＶＴモータ、３４ チェーンケース、４１ エアフローセンサ、４２ エンジン回転数センサ、４３ クランク角センサ、４４ スロットル開度センサ、４５ エンジン水温センサ、４６ スタータスイッチ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バルブタイミング可変機構を備えたエンジンの燃焼制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、自動車用のエンジンでは、燃料を吸気ポート内又は燃焼室内の空気中に噴射して気化ないしは霧化させ、この気化ないしは霧化した燃料と空気の混合物を燃焼させることによって生成される熱エネルギを、ピストンと、コネクチングロッド等の連結機構とを介してクランクシャフトの回転エネルギに変換するようにしている。しかしながら、エンジン始動時、とくに冷間始動時には燃焼室内が低温であるので、燃料が気化しにくく、空気と燃料のミキシングが十分に行われない。このため、混合気の燃焼性が悪く、ＨＣ（炭化水素）の排出量が増加するといった問題がある。そこで、エンジン始動時には、吸気バルブないしは排気バルブの開閉タイミングを変更することにより、燃料の燃焼性を改善しあるいはＨＣの排出量を低減するようしたエンジンが種々提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
例えば、エンジンの冷間始動時には、吸気バルブあるいは排気バルブの開閉タイミングを変更することにより、吸気バルブの開弁期間と排気バルブの開弁期間のオーバーラップ期間を拡大し、排気通路に排出された排気ガスの一部の燃焼室内への還流（すなわち、内部排気還流）により、排気熱を利用して燃焼室内の空気の温度を高め、燃料の気化を促進するようにしたエンジンが提案されている。なお、特許文献１に開示されたエンジンでは、エンジン始動時に触媒の上流で排気通路に２次空気を供給することにより未燃ＨＣを燃焼させてＨＣの排出量を低減するようにしている。
【特許文献１】特開２００７−１１３４６９号公報（段落［００２７］、図２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、例えば内部排気還流によって燃焼室内の空気の温度を高めるようにした従来のエンジンでは、エンジン始動時の第１回目のサイクルでは、まだ排気ガスが存在しないので、燃焼室内の空気の温度を高めることはできない。このため、第１回目のサイクルでは燃料が十分に気化ないしは霧化されず、一時的ではあるものの、ＨＣ（炭化水素）の発生量が増加するとともにエンジン出力の低下を招くといった問題がある。
【０００５】
本発明は、上記従来の問題を解決するためになされたものであって、エンジン始動時に、第１回目のサイクルを含めてすべてのサイクルで、燃料を十分に気化ないしは霧化させて燃料と空気のミキシングを良くすることができ、ひいてはエンジン出力及びエミッション性能を向上させることを可能にする手段を提供することを解決すべき課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するためになされた本発明に係るエンジンの燃焼制御装置は、吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミング（バルブタイミング）を制御するバルブタイミング制御手段を備えている。このバルブタイミング制御手段は、エンジン始動時の第１回目のサイクル（以下「始動１サイクル目」という。）では、吸気バルブの開弁時期が吸気上死点より遅角側となり、かつ吸気バルブの開弁期間と排気バルブの開弁期間とがオーバーラップしないよう制御する。他方、エンジン始動時の第２回目以降のサイクル（以下「始動２サイクル目以降」という。）では、吸気バルブの開弁期間と排気バルブの開弁期間とがオーバーラップするよう制御する。
【０００７】
本発明に係るエンジンの燃焼制御装置において、エンジンが、燃焼室内（気筒内）に燃料を噴射する燃料噴射弁と、該燃料噴射弁の燃料噴射タイミングを制御する燃料噴射制御手段とを備えている場合、燃料噴射制御手段は、始動１サイクル目では、排気バルブが閉弁してから吸気バルブが開弁を開始するまでの期間（以下「非オーバーラップ期間」という。）に燃料噴射を開始するよう燃料噴射弁を制御するのが好ましい。
【０００８】
この場合、燃料噴射制御手段は、非オーバーラップ期間と、吸気バルブが開弁を開始した後の期間とを含む少なくとも２つの期間に分割して燃料噴射を行うよう燃料噴射弁を制御するのがより好ましい。
【０００９】
本発明に係るエンジンの燃焼制御装置において、バルブタイミング制御手段は、始動２サイクル目以降では、排気バルブの閉弁時期を遅角させることにより、吸気バルブの開弁期間と排気バルブの開弁期間とをオーバーラップさせるようになっているのが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係るエンジンの燃焼制御装置によれば、始動１サイクル目では、吸気行程の初期に、吸気バルブ及び排気バルブがともに閉じられるので、ピストンの下降に伴って燃焼室内（気筒内）が急激に減圧され、真空に近い状態となる。そして、この後で吸気バルブが開弁されたときに、吸気ポートから燃焼室内に空気が非常に高速で流入する。このため、燃焼室内では空気の乱れが非常に強くなり、この空気の強い乱れにより燃料の気化ないしは霧化が促進され、燃焼室内における燃料と空気のミキシングが良くなる。
【００１１】
また、始動２サイクル目以降では、吸気バルブの開弁期間と排気バルブの開弁期間とがオーバーラップするので、内部排気還流により燃焼室内の空気の温度が高められ、燃料の気化ないしは霧化が促進され、燃焼室内における燃料と空気のミキシングが良くなる。したがって、エンジン始動時に、始動１サイクル目を含めてすべてのサイクルで、燃料を十分に気化ないしは霧化させて燃料と空気のミキシングを良くすることができ、ひいてはエンジン出力及びエミッション性能を向上させることができる。
【００１２】
本発明に係るエンジンの燃焼制御装置において、始動１サイクル目で非オーバーラップ期間に燃料噴射を開始するようにした場合は、吸気行程の初期にピストンの下降に伴って燃焼室内（気筒内）が真空に近い状態となっているときに、燃焼室内に燃料が噴射される。この場合、始動１サイクル目では燃焼室内に噴射された燃料が減圧沸騰により急激に気化するので、燃料をより効果的に気化させて燃料と空気のミキシングをより良くすることができる。
【００１３】
また、始動１サイクル目で、非オーバーラップ期間と、吸気バルブが開弁を開始した後の期間とを含む少なくとも２つの期間に分割して燃料噴射を行う場合は、非オーバーラップ期間では、減圧沸騰により燃料を気化させて燃料と空気のミキシングを良くすることができる。他方、吸気バルブが開弁を開始した後の期間では、真空に近い状態にある燃焼室内に高速で流入する乱れの強い空気により、燃料の気化ないしは霧化を促進して、燃焼室内における燃料と空気のミキシングを良くすることができる。これらが相まって、エンジン始動時における燃料と空気のミキシングを一層良くすることができる。
【００１４】
本発明に係るエンジンの燃焼制御装置において、始動２サイクル目以降で、排気バルブの閉弁タイミングを遅角させることにより吸気バルブの開弁期間と排気バルブの開弁期間とをオーバーラップさせる場合は、吸気バルブの開弁期間と排気バルブの開弁期間のオーバーラップが、ピストンが下降する吸気行程で生じるので、排気通路内の排気ガスをより多く燃焼室内に還流させることができる。このため、始動２サイクル目以降において燃焼室内の温度をより高くすることができ、燃料をより効果的に気化ないしは霧化させて燃料と空気のミキシングをより良くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付の図面を参照しつつ、本発明の実施の形態１、２を具体的に説明する。図１は、本発明に係る燃焼制御装置を備えた気筒内噴射型の火花点火式エンジンＥ（以下、略して「エンジンＥ」という。）のシステム構成を示している。エンジンＥは４気筒エンジンであるが、図１では１つの気筒のみを示し、他の気筒の図示は省略している。なお、本発明は４気筒エンジンに限定されるものではなく、４気筒以外の多気筒エンジン（例えば、６気筒エンジン、８気筒エンジン…）にも適用することができる。また、エンジンＥは気筒内噴射型のエンジンであるが、本発明は、その基本的態様においては、吸気ポートに燃料が噴射されるポート噴射型のエンジンにも適用することができる。
【００１６】
（実施の形態１）
図１に示すように、エンジンＥの本体部は、シリンダヘッド１とシリンダブロック２とで構成されている。エンジンＥは４気筒４サイクルエンジンであり、４つの気筒３を備えている。このエンジンＥにおいては、各気筒３が所定の位相差をもって膨張、排気、吸気、圧縮の各行程からなるサイクルを繰り返すようになっており、これらのサイクルは、第１気筒、第３気筒、第４気筒、第２気筒の順にクランク角で１８０°（１８０°ＣＡ）の位相差で繰り返される。
【００１７】
各気筒３内にはピストン４が嵌挿され、ピストン４の上方に燃焼室５が形成されている。ピストン４はコネクチングロッド６等を備えた連結機構を介してクランクシャフト７に連結されている。各気筒３の燃焼室５の頂部には点火プラグ８が設けられ、プラグ先端部は燃焼室５内に臨んでいる。燃焼室５の側方には、燃焼室５内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁９が設けられている。燃料噴射弁９は、詳しくは図示していないが、ニードル弁及びソレノイドを内蔵し、パルス信号が入力され、そのパルス入力時期にパルス幅に対応する時間だけ駆動されて開弁し、その開弁時間に応じた量の燃料を噴射する。燃料噴射弁９は、点火プラグ８付近に向けて燃料を噴射するように配置されている。なお、燃料噴射弁９には、図示していないが、燃料ポンプによって燃料供給通路等を介して燃料が供給され、かつ、圧縮行程における燃焼室内の圧力よりも高い圧力で燃料を噴射するようになっている。
【００１８】
各気筒３の燃焼室５に対して吸気ポート１０及び排気ポート１１が開口し、両ポート１０、１１にそれぞれ吸気バルブ１２及び排気バルブ１３が設けられている。そして、各気筒３の吸気バルブ１２及び排気バルブ１３の開閉タイミングは、各気筒３が所定の位相差で膨張・排気・吸気・圧縮の４行程からなる各サイクルを行うように設定されている。
【００１９】
ここで、吸気バルブ１２は、吸気バルブカム１４によって、クランクシャフト７と同期して所定のタイミングで開閉される。そして、吸気バルブカム１４に対して、電気式の吸気バルブタイミング可変機構１５（ＶＶＴ）が設けられている。この吸気バルブタイミング可変機構１５は、吸気バルブコントローラ１６からの制御信号に従って、吸気バルブカム１４を介して、吸気バルブ１２の開閉タイミングを進角させ又は遅角させることができる。
【００２０】
他方、排気バルブ１３は、排気バルブカム１７によって所定のタイミングで開閉される。そして、排気バルブカム１７に対して、電気式の排気バルブタイミング可変機構１８（ＶＶＴ）が設けられている。この排気バルブタイミング可変機構１８は、排気バルブコントローラ１９からの制御信号に従って、排気バルブカム１７を介して、排気バルブ１３の開閉タイミングを進角させ又は遅角させることができる。なお、電気式の吸気バルブタイミング可変機構１５及び排気バルブタイミング可変機構１８は、エンジン始動後直ちに動作することができ、かつ、油圧式のバルブタイミング可変機構に比べて開閉タイミングをリニア（直線的）に変化させることができる。なお、吸気バルブタイミング可変機構１５及び排気バルブタイミング可変機構１８の具体的な構造は、図２を参照しつつ後で説明する。
【００２１】
吸気ポート１０には、燃料燃焼用の空気を燃焼室５に供給する吸気通路２０が接続されている。詳しくは図示していないが、この吸気通路２０は、燃焼室５に吸入される空気（以下「吸入空気」という。）の流れ方向にみて、上流側では単一の通路（共通吸気通路）であるが、下流側では分岐し、各通路（分岐吸気通路）はそれぞれ対応する気筒３の吸気ポート１０に接続されている。そして、吸気通路２０の上流側の部分（共通吸気通路）には、吸入空気の流れ方向にみて、上流側から順に、吸入空気中のダスト等を除去するエアクリーナ（図示せず）、吸入空気の流量を検出するエアフローセンサ４１（図３参照）、スロットル弁２１を備えたスロットルボディ２２、吸入空気の流れを安定させるサージタンク（図示せず）等が設けられている。
【００２２】
また、吸気通路２０のサージタンクより下流側の部分（分岐吸気通路）には、それぞれ、各気筒に個別のタンブルスワールコントロールバルブ２３（ＴＳＣＶ）が設けられている。このタンブルスワールコントロールバルブ２３は、詳しくは図示していいないが、その開度を変えることにより、対応する気筒３の燃焼室５に生成されるタンブル（縦渦）及びスワール（横渦）の強度を調節ないしは制御する。
【００２３】
他方、排気ポート１１には、燃焼室５内で発生した燃焼ガスすなわち排気ガスをエンジン外（大気中）に排出する排気通路２５が設けられている。この排気通路２５は、排気ガスの流れ方向にみて、上流端近傍部（排気マニホールド）では気筒３毎に分岐して各排気ポート１１に接続されているが、下流側では各気筒３に共通な単一の通路（共通排気通路）である。なお、図示していないが、排気通路２５（共通排気通路）には、排気ガスを浄化するために、ＨＣ及びＣＯを酸化して浄化する酸化触媒（例えば、白金、ロジウム、パラジウム等からなる触媒）と、ＮＯｘを還元して浄化する還元触媒（白金、バリウム等からなる触媒）とを備えた排気ガス浄化装置が設けられている。この排気ガス浄化装置は、触媒温度が活性化温度（例えば、２００〜２５０℃）以上であるときに、触媒作用ないしは排気ガス浄化作用を有効に発揮する。
【００２４】
図２に示すように、電気式の吸気バルブタイミング可変機構１５は、各気筒３の吸気バルブカム１４が取り付けられたカムシャフト３０の先端部（前端部）に取り付けられている。そして、吸気バルブタイミング可変機構１５は、クランクシャフト７によって駆動されるスプロケット部３１と、カムシャフト３０に固定され該カムシャフト３０と一体回転するリンク機構３２と、電動式のＶＶＴモータ３３と、スプロケット部３１及びリンク機構３２とＶＶＴモータ３３との間に配置されたチェーンケース３４とを備えている。
【００２５】
ここで、吸気バルブタイミング可変機構１５は、ＶＶＴモータ３３を駆動することにより、スプロケット部３１と、リンク機構３２及びカムシャフト３０との間の回転位相差、すなわちカムシャフト３０の回転位相を変化させることができる。このように、カムシャフト３０の回転位相を、該カムシャフト３０の正転方向又は逆転方向に変化させることにより、吸気バルブカム１４の回転位相、ひいては吸気バルブ１２の開閉タイミング（バルブタイミング）を、所定の角度範囲内（例えば、クランク角で−６０°〜＋６０°の範囲内）で進角又は遅角させることができる。なお、電気式の排気バルブタイミング可変機構１８も、基本的には、吸気バルブタイミング可変機構１５と同様の構造のものであり、排気バルブ１３の開閉タイミングを、所定の角度範囲内（例えば、クランク角で−６０°〜＋６０°の範囲内）で進角又は遅角させることができる。
【００２６】
以下、エンジンＥの制御システムを説明する。
図３に示すように、エンジンＥには、その運転状態に関する各種情報を収集するために種々のセンサが設けられている。例えば、吸入空気の流量を検出するエアフローセンサ４１、クランクシャフト７の回転数すなわちエンジン回転数を検出するエンジン回転数センサ４２、クランク角を検出するクランク角センサ４３、スロットル弁２１の開度を検出するスロットル開度センサ４４、エンジン水温（エンジン温度）を検出する水温センサ４５等が設けられている。これらの各センサ４１〜４５の検出信号は、エンジンＥの制御情報としてコントロールユニットＣに入力される。
【００２７】
コントロールユニットＣは、課題を解決するための手段の欄に記載された「バルブタイミング制御手段」及び「燃料噴射制御手段」を含むエンジンＥの総合的な制御手段である。詳しくは図示していないが、コントロールユニットＣは、制御信号の入出力を行う入出力部（インターフェース）、データや制御情報等を記憶する記憶部（ＲＯＭ、ＲＡＭ等）、各種演算処理を行う中央処理装置（ＣＰＵ）、タイマ、カウンタ等を備えたコンピュータである。
【００２８】
そして、コントロールユニットＣは、前記各センサ４１〜４５によって検出された各種データに基づいて、点火プラグ８、燃料噴射弁９、吸気バルブタイミング可変機構１５（吸気バルブコントローラ１６）、排気バルブタイミング可変機構１８（排気バルブコントローラ１９）、スロットル弁２１等を制御ないしは駆動することにより、点火時期制御、燃料噴射制御、吸気バルブ１２及び排気バルブ１３の通常の開閉タイミング制御等の普通のエンジン制御を行うとともに、エンジン始動時において燃料と吸入空気のミキシングを良くするための本発明に係る制御（以下「エンジン始動制御」という。）を行うようになっている。しかしながら、普通のエンジン制御については、その制御手法は当業者にはよく知られており、またこのような普通のエンジン制御は本発明の要旨とするところでもないので、その説明を省略する。
【００２９】
以下、図４に示すフローチャートに従って、コントロールユニットＣによって実行される、本発明に係るエンジン始動制御の制御手順を具体的に説明する。図４に示すように、このエンジン始動制御は、スタータスイッチ４６（図３参照）の出力信号に基づいて、エンジンＥのクランキング（始動）が開始されたときに開始される。
【００３０】
このようにエンジン始動制御が開始されると、まずステップＳ１でエンジン始動が完了したか否か、すなわちクランキングが開始された後においてエンジンＥが完爆状態となったか否かが判定される。ここで、エンジン始動が完了していないと判定された場合は（ＮＯ）、ステップＳ２で今回のサイクルが始動１サイクル目（エンジン始動時の第１回目のサイクル）であるか否かが判定される。
【００３１】
ステップＳ２で今回のサイクルが始動１サイクル目である判定された場合は（ＹＥＳ）、ステップＳ３で、吸気バルブ１２の開閉タイミングが、該吸気バルブ１２の開弁時期が吸気上死点（排気行程と吸気行程の間の上死点）より遅角側となり、かつ、吸気バルブ１２の開弁期間と排気バルブ１３の開弁期間とがオーバーラップしないように設定される。続いて、ステップＳ４で、燃料噴射弁５の燃料噴射タイミングが、吸気バルブ１２の開弁時期より遅角側に設定され、この後ステップＳ１に復帰する（リターン）。
【００３２】
すなわち、図６に示すように、このエンジンＥでは、通常の運転時には、排気バルブ１３の開閉タイミングは通常タイミングＬ１に設定され、吸気バルブ１２の開閉タイミングは通常タイミングＬ２に設定される。この場合、排気バルブ１３の開弁期間と吸気バルブ１２の開弁期間とはほとんどオーバーラップしないか、吸気上死点付近で若干オーバーラップする。
【００３３】
これに対して、ステップＳ３〜Ｓ４が実行されるときには、排気バルブ１３の開閉タイミングは通常タイミングＬ１のままであり、とくには変更されない。他方、吸気バルブ１２の開閉タイミングは、通常タイミングＬ２（破線）から所定のクランク角度（例えば、クランク角で２０〜６０°）だけ遅角され、１サイクル目用のタイミングＬ３（実線）に変更される。そして、燃料噴射は、Ｉで示すように、１サイクル目用のタイミングＬ３で開弁される吸気バルブ１２の開弁時期とほぼ同時、ないしはこれより若干遅角側の時点に設定される。
【００３４】
この場合、吸気バルブ１２及び排気バルブ１３がともに閉じられた状態で吸気行程が開始され、ピストン４が吸気上死点位置から下降する。このピストン４の下降に伴って燃焼室５内が急激に減圧され、真空に近い状態となる。そして、この後に吸気バルブ１２が開弁されたときに、吸気ポート１０から燃焼室５内に、空気が非常に高速で流入する。このため、吸気ポート１０ないし燃焼室５内では空気の乱れが非常に強くなる。そして、燃料は、この非常に強い乱れの空気中に噴射されるので、燃料の気化ないしは霧化が促進され、燃焼室５内における燃料と空気のミキシングが非常に良好となる。
【００３５】
図９に、排気バルブ１３の開閉タイミングを通常タイミング（Ｅｘｈ ｌｉｆｔ）に固定した上で、吸気バルブ１２の開閉タイミング（Ｉｎｔ ｌｉｆｔ）を通常タイミング（図６参照）から、クランク角で２０°（２０°ＣＡ）、４０°（４０°ＣＡ）又は６０°（６０°ＣＡ）遅角させた場合における燃焼室５内の圧力（筒内圧）を測定した結果（それぞれ、ＩＯ−２０°ＣＡ、ＩＯ−４０°ＣＡ、ＩＯ−６０°ＣＡ）を示す。図９から明らかなとおり、この吸気バルブ１２の開閉タイミング遅角量の範囲では、吸気バルブ１２の開閉タイミングの遅角量が大きいときほど、燃焼室５内の圧力は低くなっている。
【００３６】
図１０に、排気バルブ１３の開閉タイミングを図９の場合と同様に設定し、吸気バルブ１２の開閉タイミングを図９の場合と同様に変化させた場合に、燃焼室５内に流入する空気の流速を測定した結果を示す（それぞれ、ＩＯ−２０°ＣＡ、ＩＯ−４０°ＣＡ、ＩＯ−６０°ＣＡ）。なお、この流速は、吸気バルブ１２と吸気ポート１０との間の空間部における流速である。図１０から明らかなとおり、この吸気バルブ１２の開閉タイミング遅角量の範囲では、吸気バルブ１２の開閉タイミングの遅角量が大きいときほど、空気の流速は大きくなっている。
【００３７】
他方、前記のステップＳ２で今回のサイクルが始動１サイクル目でない判定された場合（ＮＯ）、すなわち始動２サイクル目以降（エンジン始動時の第２回目以降のサイクル）であると判定された場合は、ステップＳ５で、排気バルブ１３の開閉タイミングないしは閉弁時期を所定量だけ遅角させることにより、排気バルブ１３の開弁期間と吸気バルブ１２の開弁期間とがオーバーラップさせられる。続いて、ステップＳ６で、燃料噴射弁５の燃料噴射タイミングが、通常の燃料噴射時期、すなわち吸気上死点付近に設定され、この後ステップＳ１に復帰する（リターン）。
【００３８】
すなわち、図８に示すように、排気バルブ１３の開閉タイミングは通常タイミングＮ１（破線）から所定のクランク角度（例えば、クランク角で２０〜４０°）だけ遅角され、２サイクル目以降用のタイミングＮ２（実線）に変更される。なお、吸気バルブ１２の開閉タイミングは通常タイミングＮ４（破線）に設定される。また、燃料噴射タイミングは、Ｋで示すように、吸気上死点付近に設定される。
【００３９】
この場合、図８から明らかなとおり、排気バルブ１３の開弁期間と吸気バルブ１２の開弁期間のオーバーラップが、ピストン４が下降する吸気行程で生じる。このため、排気ポート１１ないしは排気通路２５内の排気ガスをより多く燃焼室５内に還流させることができる。したがって、始動２サイクル目以降で燃焼室５内の温度をより高くすることができ、燃料を効果的に気化ないしは霧化させて燃料と空気のミキシングを良くすることができる。
【００４０】
なお、排気バルブ１３の開閉タイミングを通常タイミングＮ１に固定した上で、吸気バルブ１２の開閉タイミングを、通常タイミングＮ４（破線）から所定のクランク角度（例えば、クランク角で２０〜４０°）だけ進角させたタイミングＮ３（実線）に変更することによっても、排気バルブ１３の開弁期間と吸気バルブ１２の開弁期間とをオーバーラップさせることができる。しかしながら、この場合は、排気バルブ１３の開弁期間と吸気バルブ１２の開弁期間のオーバーラップが、ピストン４が上昇する排気行程で生じるので、排気バルブ１３の開閉タイミングを遅角させる前記の場合に比べて、排気ガスの還流量が少なくなる。
【００４１】
ところで、前記のステップＳ１でエンジン始動が完了していると判定された場合は（ＹＥＳ）、エンジンＥはすでに完爆状態にあり、エンジン始動時に固有の前記制御ルーチン（ステップＳ２〜Ｓ６）を実行する必要がないので、ステップＳ７でエンジンＥの通常の運転制御が行われる。この後、ステップＳ１に復帰する（リターン）
【００４２】
以上、本発明の実施の形態１に係るエンジン始動制御によれば、エンジン始動時に、始動１サイクル目を含めてすべてのサイクルで、燃料を十分に気化ないしは霧化させて燃料と空気のミキシングを良くすることができ、ひいてはエンジン出力及びエミッション性能を向上させることができる。
【００４３】
（実施の形態２）
以下、本発明に実施の形態２を説明する。しかしながら、実施の形態２に係るエンジンの構成は実施の形態１に係るエンジンと同一であり、実施の形態２は、実施の形態１とはエンジン始動制御の制御形態が異なるだけである。また、実施の形態２に係るエンジン始動制御は、実施の形態１に係るエンジン始動制御のステップＳ４に代えてステップＳ１４を設けた点で相違するだけであり、その他のステップの内容は同一である。そこで、説明の重複を避けるため、以下では、実施の形態１にかかるエンジン始動制御と異なる点のみを説明する。なお、図５に示すフローチャートにおいて、図４に示すフローチャートと同一内容のステップには、同一のステップ番号が付されている。
【００４４】
図５に示すように、実施の形態２に係るエンジン始動制御では、ステップＳ２でエンジンＥの今回のサイクルが始動１サイクル目であると判定された場合は（ＹＥＳ）、ステップＳ３で実施の形態１の場合と同様に吸気バルブ１２の開閉タイミングが遅角させられ、この後ステップＳ１４が実行される。そして、ステップＳ１４では、排気バルブ１３が閉弁してから吸気バルブ１２が開弁を開始するまでの期間、すなわち非オーバーラップ期間と、吸気バルブ１２が開弁を開始した後の期間の２つの期間に分割して燃料噴射が行われる。
【００４５】
すなわち、図７に示すように、排気バルブ１３の開閉タイミングは通常タイミングＭ１に設定される。他方、吸気バルブ１２の開閉タイミングは、通常タイミングＭ２（破線）から所定のクランク角度（例えば、クランク角で２０〜６０°）だけ遅角され、１サイクル目用のタイミングＭ３（実線）に変更される。
【００４６】
そして、第１回目の燃料噴射は、Ｊ１で示すように、吸気上死点後において排気バルブ１３及び吸気バルブ１２がともに閉じられ、ピストン４の下降に伴って燃焼室５内が真空に近い状態となっているときに行われる。この場合、燃焼室５内に噴射された燃料が減圧沸騰により急激に気化するので、燃料を効果的に気化させて燃料と空気のミキシングを良くすることができる。
【００４７】
他方、第２回目の燃料噴射は、Ｊ２で示すように、１サイクル目用のタイミングＭ３で開弁される吸気バルブ１２の開弁時期よりやや遅角側の時点に設定される。この場合、実施の形態１の場合（ステップＳ４）と同様に、燃料は、燃焼室５内の非常に強い乱れの空気中に噴射されるので、燃料の気化ないしは霧化が促進され、燃焼室５内における燃料と空気のミキシングが非常に良好となる。
【００４８】
その他の点については、実施の形態１と同様である。かくして、実施の形態２によれば、非オーバーラップ期間では、減圧沸騰により燃料を気化させて燃料と空気のミキシングを良くすることができ、他方吸気バルブ１２が開弁を開始した後の期間では、真空に近い状態にある燃焼室５内に高速で流入する乱れの強い空気により、燃料の気化ないしは霧化を促進して、燃焼室５内における燃料と空気のミキシングを良くすることができる。こおのため、実施の形態１に比べて、エンジン始動時における燃料と空気のミキシングを一層良くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施の形態１又は実施の形態２に係るエンジンのシステム構成を示す一部断面正面図である。
【図２】図１に示すエンジンのバルブタイミング可変機構の一部断面側面図である。
【図３】図１に示すエンジンの制御システムの構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係るエンジン始動制御の制御手順を示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施の形態２に係るエンジン始動制御の制御手順を示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施の形態１に係るエンジンの始動１サイクル目における吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミング及び燃料噴射タイミングを示す図である。
【図７】本発明実施の形態２に係るエンジンの始動１サイクル目における吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミング及び燃料噴射タイミングを示す図である。
【図８】本発明の実施の形態１及び実施の形態２に係るエンジンの始動２サイクル目以降における吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミング及び燃料噴射タイミングを示す図である。
【図９】燃焼室内の圧力（筒内圧）のクランク角に対する変化特性を示すグラフである。
【図１０】燃焼室内に流入する吸入空気の流速のクランク角に対する変化特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５０】
Ｅ エンジン、Ｃ コントロールユニット、１ シリンダヘッド、２ シリンダブロック、３ 気筒、４ ピストン、５ 燃焼室、６ コネクチングロッド、７ クランクシャフト、８ 点火プラグ、９ 燃料噴射弁、１０ 吸気ポート、１１ 排気ポート、１２ 吸気バルブ、１３ 排気バルブ、１４ 吸気バルブカム、１５ 吸気バルブタイミング可変機構、１６ 吸気バルブコントローラ、１７ 排気バルブカム、１８ 排気バルブタイミング可変機構、１９ 排気バルブコントローラ、２０ 吸気通路、２１ スロットル弁、２２ スロットルボディ、２３ タンブルスワールコントロールバルブ、２５ 排気通路、３０ カムシャフト、３１ カムスプロケット部、３２ リンク機構、３３ ＶＶＴモータ、３４ チェーンケース、４１ エアフローセンサ、４２ エンジン回転数センサ、４３ クランク角センサ、４４ スロットル開度センサ、４５ エンジン水温センサ、４６ スタータスイッチ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミングを、エンジン始動時の第１回目のサイクルでは、吸気バルブの開弁時期が吸気上死点より遅角側となり、かつ吸気バルブの開弁期間と排気バルブの開弁期間とがオーバーラップしないよう制御する一方、エンジン始動時の第２回目以降のサイクルでは、吸気バルブの開弁期間と排気バルブの開弁期間とがオーバーラップするよう制御するバルブタイミング制御手段を備えていることを特徴とするエンジンの燃焼制御装置。
【請求項２】
上記エンジンは、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、該燃料噴射弁の燃料噴射タイミングを制御する燃料噴射制御手段とを備えていて、
上記燃料噴射制御手段は、上記第１回目のサイクルでは、排気バルブが閉弁してから吸気バルブが開弁を開始するまでの期間に燃料噴射を開始するよう上記燃料噴射弁を制御することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの燃焼制御装置。
【請求項３】
上記燃料噴射制御手段は、排気バルブが閉弁してから吸気バルブが開弁を開始するまでの期間と、吸気バルブが開弁を開始した後の期間とを含む少なくとも２つの期間に分割して燃料噴射を行うよう上記燃料噴射弁を制御することを特徴とする請求項２に記載のエンジンの燃焼制御装置。
【請求項４】
上記バルブタイミング制御手段は、上記第２回目以降のサイクルでは、排気バルブの閉弁時期を遅角させることにより、吸気バルブの開弁期間と排気バルブの開弁期間とをオーバーラップさせることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のエンジンの燃焼制御装置。
【請求項１】
吸気バルブ及び排気バルブの開閉タイミングを、エンジン始動時の第１回目のサイクルでは、吸気バルブの開弁時期が吸気上死点より遅角側となり、かつ吸気バルブの開弁期間と排気バルブの開弁期間とがオーバーラップしないよう制御する一方、エンジン始動時の第２回目以降のサイクルでは、吸気バルブの開弁期間と排気バルブの開弁期間とがオーバーラップするよう制御するバルブタイミング制御手段を備えていることを特徴とするエンジンの燃焼制御装置。
【請求項２】
上記エンジンは、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、該燃料噴射弁の燃料噴射タイミングを制御する燃料噴射制御手段とを備えていて、
上記燃料噴射制御手段は、上記第１回目のサイクルでは、排気バルブが閉弁してから吸気バルブが開弁を開始するまでの期間に燃料噴射を開始するよう上記燃料噴射弁を制御することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの燃焼制御装置。
【請求項３】
上記燃料噴射制御手段は、排気バルブが閉弁してから吸気バルブが開弁を開始するまでの期間と、吸気バルブが開弁を開始した後の期間とを含む少なくとも２つの期間に分割して燃料噴射を行うよう上記燃料噴射弁を制御することを特徴とする請求項２に記載のエンジンの燃焼制御装置。
【請求項４】
上記バルブタイミング制御手段は、上記第２回目以降のサイクルでは、排気バルブの閉弁時期を遅角させることにより、吸気バルブの開弁期間と排気バルブの開弁期間とをオーバーラップさせることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のエンジンの燃焼制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００９−２４３３６０（Ｐ２００９−２４３３６０Ａ）
【公開日】平成２１年１０月２２日（２００９．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−９０２５１（Ｐ２００８−９０２５１）
【出願日】平成２０年３月３１日（２００８．３．３１）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月２２日（２００９．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月３１日（２００８．３．３１）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]