JP2004027961A - 火花点火式４サイクルエンジンの制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】リーン燃焼による燃費改善効果をもたせるとともに、一部の気筒では圧縮自己着火を効果的に行わせ、とくに広い運転域で効果的に圧縮自己着火による燃焼を行わせることができるようにし、燃費及びエミッションの改善効果を高める。
【解決手段】エンジンの部分負荷域で、排気行程と吸気行程が重なる一対の気筒間において排気行程側の先行気筒２Ａ，２Ｄから排出される既燃ガスがそのまま吸気行程側の後続気筒２Ｂ，２Ｃに気筒間ガス通路２２を介して導入されるように吸・排気の流通状態を制御する。そして、燃焼状態制御手段４４により、後続気筒２Ｂ，２Ｃの空燃比を実質的に理論空燃比としつつ、後続気筒２Ｂ，２Ｃよりも先行気筒２Ａ，２Ｄの燃料供給量を多くすることにより先行気筒２Ａ，２Ｄの空燃比を理論空燃比の２倍より小さい値とするとともに、先行気筒２Ａ，２Ｄでは強制点火、後続気筒２Ｂ，２Ｃでは圧縮自己着火とするように制御する。
【選択図】 図３
【解決手段】エンジンの部分負荷域で、排気行程と吸気行程が重なる一対の気筒間において排気行程側の先行気筒２Ａ，２Ｄから排出される既燃ガスがそのまま吸気行程側の後続気筒２Ｂ，２Ｃに気筒間ガス通路２２を介して導入されるように吸・排気の流通状態を制御する。そして、燃焼状態制御手段４４により、後続気筒２Ｂ，２Ｃの空燃比を実質的に理論空燃比としつつ、後続気筒２Ｂ，２Ｃよりも先行気筒２Ａ，２Ｄの燃料供給量を多くすることにより先行気筒２Ａ，２Ｄの空燃比を理論空燃比の２倍より小さい値とするとともに、先行気筒２Ａ，２Ｄでは強制点火、後続気筒２Ｂ，２Ｃでは圧縮自己着火とするように制御する。
【選択図】 図３
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、火花点火式４サイクルエンジンの制御装置に関し、より詳しくは、多気筒のエンジンにおいて燃費改善及びエミッション向上のために各気筒の燃焼状態を制御する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、火花点火式エンジンにおいて、各気筒内の混合気の空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン空燃比とした状態で燃焼を行わせることにより燃費改善を図る技術が知られており、例えば特開平１０−２７４０８５号公報に示されるように、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、低回転低負荷域等では上記燃料噴射弁から圧縮行程で燃料を噴射することにより成層燃焼を行わせ、これによって超リーン燃焼を実現するようにしたものが知られている。
【０００３】
このようなエンジンにおいては、排気ガス浄化用の触媒として通常の三元触媒（ＨＣ，ＣＯ及びＮＯｘに対して理論空燃比付近で浄化性能の高い触媒）だけではリーン運転時にＮＯｘに対して充分な浄化性能が得られないため、上記公報にも示されるように、酸素過剰雰囲気でＮＯｘを吸着して酸素濃度低下雰囲気でＮＯｘの離脱、還元を行うリーンＮＯｘ触媒を設けている。そして、このようなリーンＮＯｘ触媒を用いる場合、リーン運転中にリーンＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸着量が増大したときは、例えば上記公報に示されるように主燃焼以外に膨張行程中に追加燃料を噴射することで排気ガスの空燃比をリッチ化するとともにＣＯを生成し、これによってＮＯｘの離脱、還元を促進するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来のリーン運転を行うエンジンでは、リーン運転中のＮＯｘ浄化性能の確保のために上記リーンＮＯｘ触媒が必要となってコスト的に不利である。また、上記リーンＮＯｘ触媒の浄化性能を維持するためには、上述のようにＮＯｘ吸着量増大時にＮＯｘの離脱、還元のため追加燃料の供給等による一時的な空燃比のリッチ化を行う必要があり、さらに、使用燃料が硫黄分を多く含む場合、上記リーンＮＯｘ触媒の硫黄被毒の解消のために触媒の加熱及び還元材供給等のリジェネレーション処理が必要となり、これらによって燃費改善効果が低下する。
【０００５】
しかも、空燃比がある程度以上にリーンになると、燃焼速度が遅くなりすぎてその終期に近い燃焼が仕事に寄与しなくなるため、成層燃焼でのリーン化による燃費改善には限界があった。
【０００６】
また、燃費改善のための別の手法として、圧縮自己着火が研究されており、この圧縮自己着火は、ディーゼルエンジンと同様に圧縮行程終期に燃焼室内を高温、高圧にして燃料を自己着火させるようにするものであり、空燃比が超リーンの状態や多量のＥＧＲが導入されている状態でもこのような圧縮自己着火が行われれば燃焼室全体が一気に燃焼するため、仕事に寄与しない遅い燃焼が避けられ、燃費改善に有利となる。しかし、通常の火花点火式エンジン（ガソリンエンジン）では燃焼のために強制点火が必要であって、圧縮自己着火を行わせるためには燃焼室内の温度または圧力を大幅に高めるための格別の工夫が必要となり、高負荷域でのノッキングを避けつつ、燃費改善が要求される部分負荷域で圧縮自己着火を生じさせる程度まで燃焼室内の温度または圧力を高めることが困難であった。
【０００７】
そこで、本出願人は、リーン燃焼と圧縮自己着火とを併用して大幅な燃費改善効果をもたせるべく、エンジンの部分負荷域で、排気行程と吸気行程が重なる一対の気筒間において排気行程にある先行気筒から排出される既燃ガスがそのまま吸気行程にある後続気筒に気筒間ガス通路を介して導入される２気筒接続状態とするとともに、先行気筒では空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン空燃比にして、強制点火により燃焼を行わせ、後続気筒では先行気筒から導入されたリーン空燃比の既燃ガスに燃料を供給して圧縮自己着火により燃焼を行わせるようにした火花点火式エンジンの制御装置に関する技術を出願している（特願２００２−２９８３６号）。
【０００８】
本発明は、このような技術に基づき、さらに広い運転域で効果的に後続気筒での圧縮自己着火による燃焼を行わせることができるようにし、燃費及びエミッションの改善効果を高めることができる火花点火式４サイクルエンジンの制御装置を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、各気筒の燃焼サイクルが所定の位相差をもって行われるようになっている多気筒の火花点火式４サイクルエンジンにおいて、エンジンの部分負荷域でエンジンの吸・排気及び燃焼状態についての制御モードを特殊運転モードとし、この特殊運転モードでは、排気行程と吸気行程が重なる一対の気筒間において排気行程にある先行気筒から排出される既燃ガスがそのまま吸気行程にある後続気筒に気筒間ガス通路を介して導入され、この後続気筒から排出されるガスが排気通路に導かれるような２気筒接続状態としつつ、先行気筒では空燃比が理論空燃比よりも大きいリーン空燃比で燃焼を行わせ、後続気筒では先行気筒から導入されたリーン空燃比の既燃ガスに燃料を供給して燃焼を行わせるようにした制御装置であって、上記特殊運転モードとされる運転領域のうちの少なくとも一部の運転領域で、上記後続気筒における燃焼の際の空燃比が実質的に理論空燃比となるようにしつつ、先行、後続の両気筒に対する燃料供給量を先行気筒の方が多くなるように制御することにより先行気筒における燃焼の際の空燃比を理論空燃比の２倍より小さい値とするとともに、先行気筒では強制点火により燃焼を行わせ、後続気筒では圧縮自己着火により燃焼を行わせるように制御する燃焼状態制御手段を備えたことを特徴とするものである。
【００１０】
この発明によると、上記特殊運転モードとされるとともに後続気筒で圧縮自己着火により燃焼が行われる場合に、上記先行気筒ではリーン燃焼による熱効率向上およびポンピングロス低減により燃費改善効果が得られ、後続気筒では圧縮自己着火による燃焼効率の向上及びポンピングロス低減により燃費改善効果が得られる。また、後続気筒から排気通路に排出されるガスは理論空燃比であるため、三元触媒だけで充分に排気ガスの浄化が達成される。
【００１１】
また、先行気筒に対する燃料供給量が多くされて先行気筒の空燃比が理論空燃比の２倍より小さい値とされることにより、先行気筒から後続気筒へ導入されるガスの温度が高められて自己着火性が向上され、かつ、このガス中のＥＧＲに相当する既燃ガス成分が増大する等によりノッキング抑制作用が高められる。
【００１２】
この発明において、上記特殊運転モードで後続気筒が圧縮自己着火とされる運転領域のうちの中速域では、先行気筒における燃焼の際の空燃比を理論空燃比の略２倍もしくはそれより大きい値とすること（請求項２）が好ましい。このようにすると、上記中速域で燃費改善効果が高められる。
【００１３】
このようにする場合に、上記特殊運転モードで後続気筒が圧縮自己着火とされる運転領域のうちの中速域よりも低速側の運転域で、先行気筒における燃焼の際の空燃比を理論空燃比の２倍より小さい値とすれば（請求項３）、この低速側の運転域で自己着火性が向上される。
【００１４】
また、上記特殊運転モードで後続気筒が圧縮自己着火とされる運転領域のうちの中速域よりも高速側の運転域で、先行気筒における燃焼の際の空燃比を理論空燃比の２倍より小さい値とすれば（請求項４）、この高速側の運転域でのノッキングの発生が抑制される。
【００１５】
また、本発明において、上記特殊運転モードで後続気筒が圧縮自己着火とされる運転領域のうちの中負荷域では、先行気筒における燃焼の際の空燃比を理論空燃比の略２倍もしくはそれより大きい値とすること（請求項５）が好ましい。あるいはまた、上記特殊運転モードで後続気筒が圧縮自己着火とされる運転領域のうちの中速・中負荷域では、先行気筒における燃焼の際の空燃比を理論空燃比の略２倍もしくはそれより大きい値とすること（請求項６）が好ましい。
【００１６】
このようにすると、上記中負荷域あるいは中速・中負荷域で燃費改善効果が高められる。
【００１７】
また、上記特殊運転モードで後続気筒が圧縮自己着火とされる運転領域において、低負荷側ほど、先行気筒における燃焼の際の空燃比を小さくすること（請求項７）が好ましい。このようにすると、低負荷側ほど圧縮自己着火が行われにくくなる傾向が補われる。
【００１８】
なお、エンジン温度が低いときには、上記特殊運転モードで後続気筒が圧縮自己着火とされる運転領域の全域で、先行気筒における燃焼の際の空燃比を理論空燃比の２倍より小さい値とすること（請求項８）が好ましい。このようにすると、エンジン低温時にも圧縮自己着火が可能となる。
【００１９】
また、請求項９に係る発明は、各気筒の燃焼サイクルが所定の位相差をもって行われるようになっている多気筒の火花点火式４サイクルエンジンにおいて、エンジンの部分負荷域でエンジンの吸・排気及び燃焼状態についての制御モードを特殊運転モードとし、この特殊運転モードでは、排気行程と吸気行程が重なる一対の気筒間において排気行程にある先行気筒から排出される既燃ガスがそのまま吸気行程にある後続気筒に気筒間ガス通路を介して導入され、この後続気筒から排出されるガスが排気通路に導かれるような２気筒接続状態としつつ、先行気筒では空燃比が理論空燃比よりも大きいリーン空燃比で燃焼を行わせ、後続気筒では先行気筒から導入されたリーン空燃比の既燃ガスに燃料を供給して燃焼を行わせるようにした制御装置であって、上記特殊運転モードとされる運転領域のうちの少なくとも一部の領域で、上記後続気筒における燃焼の際の空燃比が実質的に理論空燃比となるようにしつつ、先行気筒における燃焼の際の空燃比を、理論空燃比より大きくてその２倍以下となる範囲で、エンジン回転数が低いほど小さくするように、先行、後続の両気筒に対する燃料供給量を制御するとともに、先行気筒では強制点火により燃焼を行わせ、後続気筒では圧縮自己着火により燃焼を行わせるように制御する燃焼状態制御手段を備えたことを特徴とするものである。
【００２０】
この発明によっても、特殊運転モードとされるとともに後続気筒で圧縮自己着火により燃焼が行われる場合に、上記先行気筒でリーン燃焼による熱効率向上およびポンピングロス低減により燃費改善効果が得られる一方、後続気筒で圧縮自己着火による燃焼効率の向上及びポンピングロス低減により燃費改善効果が得られ、また、排気通路において三元触媒だけで充分に排気ガスの浄化が達成される。
【００２１】
また、エンジン回転数が低いほど、先行気筒の空燃比が小さくなるように燃料供給量が制御されることにより、先行気筒から後続気筒へ導入されるガスの温度が高められて自己着火性が向上される。
【００２２】
この発明において、上記特殊運転モードで後続気筒が圧縮自己着火とされる運転領域のうちの中速・中負荷域で、先行気筒における燃焼の際の空燃比を理論空燃比の略２倍もしくはそれより大きい値とし、この領域から低速低負荷側または高速高負荷側へ遠ざかるほど、先行気筒における燃焼の際の空燃比を小さくすること（請求項１０）が好ましい。
【００２３】
このようにすると、低速低負荷側で自己着火性を高める作用、及び高速高負荷側でノッキングを抑制する作用が、良好に得られる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
【００２５】
図１は本発明の一実施形態によるエンジンの概略構成を示し、図２はエンジン本体１の一つの気筒とそれに対して設けられた吸・排気弁等の構造を概略的に示している。これらの図において、エンジン本体１は複数の気筒を有し、図示の実施形態では４つの気筒２Ａ〜２Ｄを有している。各気筒２Ａ〜２Ｄにはピストン３が嵌挿され、ピストン３の上方に燃焼室４が形成されている。
【００２６】
各気筒２の燃焼室４の頂部には点火プラグ７が装備され、そのプラグ先端が燃焼室４内に臨んでいる。この点火プラグ７には、電子制御による点火時期のコントロールが可能な点火回路８が接続されている。
【００２７】
燃焼室４の側方部には、燃焼室４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。この燃料噴射弁９は、図略のニードル弁及びソレノイドを内蔵し、後述のパルス信号が入力されることにより、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ように構成されている。なお、この燃料噴射弁９には図外の燃料ポンプにより燃料供給通路等を介して燃料が供給され、かつ、圧縮行程での燃焼室内の圧力よりも高い燃料圧力を与え得るように燃料供給系統が構成されている。
【００２８】
また、各気筒２Ａ〜２Ｄの燃焼室４に対して吸気ポート１１、１１ａ，１１ｂ及び排気ポート１２、１２ａ，１２ｂが開口し、これらのポートに吸気通路１５、排気通路２０等が接続されるとともに、各ポートが吸気弁３１、３１ａ，３１ｂ及び排気弁３２、３２ａ，３２ｂにより開閉されるようになっている。
【００２９】
そして、各気筒が所定の位相差をもって吸気、圧縮、膨張、排気の各行程からなるサイクルを行うようになっており、４気筒エンジンの場合、気筒列方向一端側から１番気筒２Ａ、２番気筒２Ｂ、３番気筒２Ｃ、４番気筒２Ｄと呼ぶと、図５に示すように上記サイクルが１番気筒２Ａ、３番気筒２Ｃ、４番気筒２Ｄ、２番気筒２Ｂの順にクランク角で１８０°ずつの位相差をもって行われるようになっている。なお、図５において、ＥＸは排気行程、ＩＮは吸気行程であり、また、Ｆは燃料噴射、Ｓは強制点火を表し、図中の星マークは圧縮自己着火が行われることを表している。
【００３０】
排気行程と吸気行程が重なる一対の気筒間には、排気行程と吸気行程が重なるときの排気行程側の気筒（当明細書ではこれを先行気筒と呼ぶ）から吸気行程側の気筒（当明細書ではこれを後続気筒と呼ぶ）へ既燃ガスをそのまま導くことができるように、気筒間ガス通路２２が設けられている。当実施形態の４気筒エンジンでは、図５に示すように１番気筒２Ａの排気行程（ＥＸ）と２番気筒２Ｂの吸気行程（ＩＮ）とが重なり、また４番気筒２Ｄの排気行程（ＥＸ）と３番気筒２Ｃの吸気行程（ＩＮ）が重なるので、１番気筒２Ａと２番気筒２Ｂ、及び、４番気筒２Ｄと３番気筒２Ｃがそれぞれ一対をなし、１番気筒２Ａ及び４番気筒２Ｄが先行気筒、２番気筒２Ｂ及び３番気筒２Ｃが後続気筒となる。
【００３１】
各気筒の吸・排気ポートとこれに接続される吸気通路、排気通路及び気筒間ガス通路は、具体的には次のように構成されている。
【００３２】
先行気筒である１番気筒２Ａ及び４番気筒２Ｄには、それぞれ、新気を導入するための吸気ポート１１と、既燃ガス（排気ガス）を排気通路に送り出すための第１排気ポート１２ａと、既燃ガスを後続気筒に導出するための第２排気ポート１２ｂとが配設されている。また、後続気筒である２番気筒２Ｂ及び３番気筒２Ｃには、それぞれ、新気を導入するための第１吸気ポート１１ａと、先行気筒からの既燃ガスを導入するための第２吸気ポート１１ｂと、既燃ガスを排気通路に送り出すための排気ポート３２とが配設されている。
【００３３】
図１に示す例では、１番，４番気筒２Ａ，２Ｄにおける吸気ポート１１および２番，３番気筒２Ｂ，２Ｃにおける第１吸気ポート１１ａが、１気筒当り２個ずつ、燃焼室の左半部側に並列的に設けられる一方、１番，４番気筒２Ａ，２Ｄにおける第１排気ポート１２ａ及び第２排気ポート１２ｂならびに２番，３番気筒２Ｂ，２Ｃにおける第２吸気ポート１１ｂ及び排気ポート１２が、燃焼室の右半部側に並列的に設けられている。
【００３４】
１番，４番気筒２Ａ，２Ｄにおける吸気ポート１１および２番，３番気筒２Ｂ，２Ｃにおける第１吸気ポート１１ａには、吸気通路１５における気筒別の分岐吸気通路１６の下流端が接続されている。各分岐吸気通路１６の下流端近傍には、共通の軸を介して互いに連動する多連スロットル弁１７が設けられており、この多連スロットル弁１７は制御信号に応じてアクチュエータ１８により駆動され、吸入空気量を調節するようになっている。なお、吸気通路１５における集合部より上流の共通吸気通路には吸気流量を検出するエアフローセンサ１９が設けられている。
【００３５】
１番，４番気筒２Ａ，２Ｄにおける第１排気ポート１２ａおよび２番，３番気筒２Ｂ，２Ｃにおける排気ポート１２には、排気通路２０における気筒別の分岐排気通路２１の上流端が接続されている。また、１番気筒２Ａと２番気筒２Ｂとの間及び３番気筒２Ｃと４番気筒２Ｄとの間にそれぞれ気筒間ガス通路２２が設けられ、先行気筒である１番，４番気筒２Ａ，２Ｄの第２排気ポート１２ｂに気筒間ガス通路２２の上流端が接続されるとともに、後続気筒である２番，３番気筒２Ｂ，２Ｃの第２吸気ポート１１ｂに気筒間ガス通路２２の下流端が接続されている。
【００３６】
上記気筒間ガス通路２２は、互いに隣接する気筒間を接続する比較的短い通路であり、先行気筒から排出されるガスがこの通路２２を通る間の放熱は比較的小さく抑えられるようになっている。
【００３７】
排気通路２０における分岐排気通路２１の下流の集合部には排気ガス中の酸素濃度を検出することにより空燃比を検出するＯ２センサ２３が設けられている。さらにＯ２センサ２３の下流の排気通路２１には排気浄化のために三元触媒２４が設けられている。この三元触媒２４は、一般に知られているように、排気ガスの空燃比が理論空燃比（つまり空気過剰率λがλ＝１）付近にあるときにＨＣ，ＣＯ及びＮＯｘに対して高い浄化性能を示す触媒である。
【００３８】
各気筒の吸・排気ポートを開閉する吸・排気弁とこれらに対する動弁機構は、次のようになっている。
【００３９】
１番，４番気筒２Ａ，２Ｄにおける吸気ポート１１、第１排気ポート１２ａ及び第２排気ポート１２ｂにはそれぞれ吸気弁３１、第１排気弁３２ａ及び第２排気弁３２ｂが設けられ、また、２番，３番気筒２Ｂ，２Ｃにおける第１吸気ポート１１ａ、第２吸気ポート１１ｂ及び排気ポート１２にはそれぞれ第１吸気弁３１ａ、第２吸気弁３１ｂ及び排気弁３２が設けられている。そして、各気筒の吸気行程や排気行程が上述のような所定の位相差をもって行われるように、これら吸・排気弁がそれぞれカムシャフト３３，３４等からなる動弁機構により所定のタイミングで開閉するように駆動される。
【００４０】
さらに、これらの吸・排気弁のうちで第１排気弁３２ａ、第２排気弁３２ｂ、第１吸気弁３１ａ及び第２吸気弁３１ｂに対しては、各弁を作動状態と停止状態とに切換える弁停止機構３５が設けられている。この弁停止機構３５は、従来から知られているため詳しい図示は省略するが、例えば、カムシャフト３３，３４のカムと弁軸との間に介装されたタペットに作動油の給排が可能な油圧室が設けられ、この油圧室に作動油が供給されている状態ではカムの作動が弁に伝えられて弁が開閉作動され、油圧室から作動油が排出されたときにはカムの作動が弁に伝えられなくなることで弁が停止されるようになっている。
【００４１】
上記第１排気弁３２ａの弁停止機構３５と第１吸気弁３１ａの弁停止機構３５とに対する作動油給排用の通路３６には第１コントロール弁３７が、また第２排気弁３２ｂの弁停止機構３５と第２吸気弁３１ｂの弁停止機構３５とに対する作動油給排用の通路３８には第２コントロール弁３９がそれぞれ設けられている（図３参照）。
【００４２】
図３は駆動、制御系統の構成を示している。この図において、マイクロコンピュータ等からなるエンジン制御用のＥＣＵ（コントロールユニット）４０には、エアフローセンサ１９及びＯ２センサ２３からの信号が入力され、さらに運転状態を判別するためにエンジン回転数を検出する回転数センサ４７及びアクセル開度（アクセルペダル踏込み量）を検出するアクセル開度センサ４８等からの信号も入力されている。また、このＥＣＵ４０から、各燃料噴射弁９と、多連スロットル弁１７のアクチュエータ１８と、上記第１，第２のコントロール弁３９とに対して制御信号が出力されている。
【００４３】
上記ＥＣＵ４０は、運転状態判別手段４１、弁停止機構制御手段４２、吸入空気量制御手段４３及び燃焼状態制御手段４４を備えている。
【００４４】
運転状態判別手段４１は、図４に示すようにエンジンの運転領域が低負荷低回転側の運転領域Ａ（部分負荷域）と高負荷側ないし高回転側の運転領域Ｂとに分けられた制御用マップを有し、上記回転数センサ４５及びアクセル開度センサ４６等からの信号により調べられるエンジンの運転状態（エンジン回転数及びエンジン負荷）が上記運転領域Ａ，Ｂのいずれの領域にあるかを判別する。そして、この判別に基づき、低負荷低回転側の運転領域Ａでは、排気行程にある先行気筒から排出される既燃ガスをそのまま吸気行程にある後続気筒に導入して燃焼させる特殊運転モードが選択され、高負荷側ないし高回転側の運転領域Ｂでは、各気筒をそれぞれ独立させ燃焼させる通常運転モードが選択されるようになっている。
【００４５】
さらに運転状態判別手段４１は、特殊運転モードが選択される運転領域Ａにある場合に、この領域Ａのうちの低速域Ａ１、中速域Ａ２、高速域Ａ３のいずれにあるかを判別するようになっている。
【００４６】
弁停止機構制御手段４２は、特殊運転モードでは気筒間ガス通路２２を介して先行気筒の既燃ガスを後続気筒に導入させる２気筒接続状態とし、通常運転モードでは各気筒にそれぞれ新気を導入させる各気筒独立状態とするように吸・排気流通状態を変更すべく弁停止機構制３５を制御するもので、具体的には運転状態が運転領域Ａ，Ｂのいずれにあるかに応じ、上記各コントロール弁３７，３９を制御することにより、各弁停止機構３５を次のように制御する。
【００４７】
上記吸入空気量制御手段４３は、アクチュエータ１８を制御することによりスロットル弁１７の開度（スロットル開度）を制御するものであり、運転状態に応じてマップ等から目標吸入空気量を求め、その目標吸入空気量に応じてスロットル開度を制御する。この場合、特殊運転モードとされる運転領域Ａでは、後続気筒（２番、３番気筒２Ｂ，２Ｃ）においては分岐吸気通路１６からの吸気導入が遮断された状態で先行気筒から導入されるガス中の過剰空気と新たに供給される燃料との比がリーン空燃比とされつつ燃焼が行われるので、先行、後続の２気筒分の要求トルクに応じた燃料の燃焼に必要な量の空気（２気筒分の燃料の量に対して理論空燃比となる量の空気）が先行気筒（１番、４番気筒２Ａ，２Ｄ）に供給されるように、スロットル開度が調節される。
【００４８】
上記燃焼状態制御手段４４は、燃料噴射制御手段４５と点火制御手段４６とからなっており、燃料噴射制御手段４５により、各気筒２Ａ〜２Ｄに設けられた燃料噴射弁９からの燃料噴射量及び噴射タイミングをエンジンの運転状態に応じて制御するとともに、点火制御手段４６により運転状態に応じた点火時期の制御及び点火停止等の制御を行う。そして、特に運転状態が図４中の運転領域Ａにある場合と運転領域Ｂにある場合とで燃焼状態の制御（燃料噴射の制御及び点火の制御）が変更される。
【００４９】
すなわち、運転状態が低負荷低回転側の運転領域Ａにある場合、特殊運転モードでの制御として、先行気筒（１番、４番気筒２Ａ，２Ｄ）に対しては、空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン空燃比とするように燃料噴射量を制御するとともに、圧縮行程で燃料を噴射して混合気の成層化を行わせるように噴射タイミングを設定し、かつ、圧縮上死点付近で強制点火を行わせるように点火タイミングを設定する。一方、後続気筒（２番、３番気筒２Ｂ，２Ｃ）に対しては、先行気筒から導入されたリーン空燃比の既燃ガスに対して燃料を供給し、実質的に理論空燃比となるように燃料噴射量を制御するとともに、吸気行程で燃料を噴射するように噴射タイミングを設定し、かつ、圧縮自己着火を行わせるべく、強制点火を停止させる。
【００５０】
さらにこの運転領域Ａにおいて、一対の気筒の両方に対する燃料噴射量の和が先行気筒に導入される空気の量に対して理論空燃比となる量に調整されつつ、後続気筒での圧縮自己着火が良好に行われるように、先行気筒（１番、４番気筒２Ａ，２Ｄ）に対する燃料噴射量と後続気筒（２番、３番気筒２Ｂ，２Ｃ）に対する燃料噴射量との割合が運転状態に応じて変更される。
【００５１】
具体的には、この運転領域Ａのうちの中速域Ａ２では、先行気筒に対する燃料噴射量と後続気筒に対する燃料噴射量とを略同一に、ないしは後続気筒側の燃料噴射量を少し多くすることにより、先行気筒での燃焼の際の空燃比が理論空燃比の２倍程度（Ａ／Ｆ≒３０、空気過剰率λで表せばλ＝２程度）ないしは理論空燃比の２倍より大（空気過剰率λがλ＞２）となるようにする。また、運転領域Ａのうちの低速域Ａ１では先行気筒に対する燃料噴射量を後続気筒に対する燃料噴射量よりも多くすることにより、先行気筒での燃焼の際の空燃比が理論空燃比の２倍より小（空気過剰率λが１＜λ＜２）となるようにし、例えばＡ／Ｆ≒２５となるようにする。一方、運転領域Ａのうちの高速域Ａ３でも、先行気筒に対する燃料噴射量を後続気筒に対する燃料噴射量よりも多くすることにより、先行気筒での燃焼の際の空燃比が理論空燃比の２倍より小（空気過剰率λが１＜λ＜２）となるようにし、例えばＡ／Ｆ≒２５となるようにする。
【００５２】
また、運転状態が高負荷側ないし高回転側の運転領域Ｂにある場合には、通常運転モードでの制御として、各気筒２Ａ〜２Ｄの空燃比を理論空燃比もしくはそれ以下とするように燃料噴射量を制御し、例えばこの運転領域Ｂのうちの大部分の領域において理論空燃比とし、全開負荷及びその付近の運転領域で理論空燃比よりリッチとする。そして、この場合に、各気筒２Ａ〜２Ｄに対して吸気行程で燃料を噴射して混合気を均一化するように噴射タイミングを設定し、かつ、各気筒２Ａ〜２Ｄとも強制点火を行わせるようにする。
【００５３】
以上のような当実施形態の装置の作用を、図５〜図７を参照しつつ説明する。
【００５４】
低負荷低回転側の運転領域Ａでは特殊運転モードとされ、前述のように第１排気弁３２ａ及び第１吸気弁３１ａが停止状態、第２排気弁３２ｂ及び第２吸気弁３１ｂが作動状態とされることにより、実質的な新気及びガスの流通経路は図６に示すようになり、先行気筒（１番，４番気筒）２Ａ，２Ｄから排出される既燃ガスがそのまま気筒間ガス通路２２を介して後続気筒（２番，３番気筒）２Ｂ，２Ｃに導入されるとともに、この後続気筒２Ｂ，２Ｃから排出されるガスのみが排気通路２０に導かれるような２気筒接続状態とされる。
【００５５】
この状態において、先行気筒２Ａ，２Ｄにそれぞれ吸気行程で吸気通路１５から新気が導入され（図６中の矢印ａ）、先行気筒２Ａ，２Ｄでは空燃比が理論空燃比よりも大きくて、理論空燃比の略２倍ないしそれより小さい値となるように燃料噴射量が制御されつつ圧縮行程で燃料が噴射され、かつ、所定点火時期に点火が行われて、リーン空燃比での成層燃焼が行われる（図５参照）。
【００５６】
それから、先行気筒２Ａ，２Ｄの吸気行程と後続気筒２Ｂ，２Ｃの排気行程が重なる期間に、先行気筒２Ａ，２Ｄから排出された既燃ガスがガス通路２２を通って後続気筒２Ｂ，２Ｃに導入される（図５中の白抜き矢印及び図６中の矢印ｂ）。そして、後続気筒２Ｂ，２Ｃでは、先行気筒２Ａ，２Ｄから導入されたリーン空燃比の既燃ガスに燃料が供給されて、理論空燃比となるように燃料噴射量が制御されつつ、吸気行程で燃料が噴射された後、圧縮行程の上死点付近で燃焼室内の圧力、温度の上昇により圧縮自己着火が行われる。
【００５７】
この場合、先行気筒２Ａ，２Ｄから排出された高温の既燃ガスが短い気筒間ガス通路２２を通って後続気筒２Ｂ，２Ｃに直ちに導入されるため、後続気筒２Ｂ，２Ｃでは吸気行程で燃焼室内の温度が高くなり、この状態からさらに圧縮行程で圧力、温度が上昇することにより、圧縮行程終期の上死点付近では混合気が自己着火し得る程度まで燃焼室内の温度が上昇する。しかも、上記既燃ガスは先行気筒２Ａ，２Ｄから排出されて後続気筒２Ｂ，２Ｃに導入されるまでの間に充分にミキシングされて均一に分布し、さらに吸気行程で噴射された燃料も圧縮行程終期までの間に燃焼室全体に均一に分散するため、理想的な同時圧縮自己着火条件を満たすような均一な混合気分布状態が得られる。そして、同時圧縮自己着火により燃焼が急速に行われ、これにより熱効率が大幅に向上される。
【００５８】
このように、先行気筒２Ａ，２Ｄでは、リーンでの成層燃焼により熱効率が高められるとともに、成層燃焼を行わない通常のエンジンと比べて吸気負圧が小さくなることでポンピングロスが低減され、一方、後続気筒２Ｂ，２Ｃでは、空燃比が略理論空燃比とされつつ、均一な混合気分布状態で圧縮自己着火が行われることにより熱効率が高められるとともに、先行気筒２Ａ，２Ｄから押出されたガスが送り込まれるため先行気筒２Ａ，２Ｄよりもさらにポンピングロスが低減される。これらの作用により、燃費が大幅に改善される。
【００５９】
しかも、後続気筒２Ｂ，２Ｃから排気通路２０に排出されるガスは理論空燃比であるため、従来のリーンバーンエンジンのようにリーンＮＯｘ触媒を設ける必要がなく、三元触媒２４だけで充分に排気浄化性能が確保される。
【００６０】
そして、リーンＮＯｘ触媒を設ける必要がないことから、リーンＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵量増大時におけるＮＯｘの放出、還元のための一時的な空燃比のリッチ化を行う必要がなく、燃費改善の目減りが避けられる。さらに、リーンＮＯｘ触媒の硫黄被毒の問題が生じることもない。
【００６１】
また、先行気筒２Ａ，２Ｄでは理論空燃比の略２倍もしくはそれに近いリーン空燃比とされることでＮＯｘ発生量が比較的少なく抑えられる。一方、後続気筒２Ｂ，２Ｃでは、先行気筒２Ａ，２Ｄから既燃ガスが導入されることで多量のＥＧＲが行われているのと同等の状態となるとともに、同時圧縮自己着火による急速燃焼が行われると可及的に酸素と窒素との反応が避けられることから、ＮＯｘの発生が充分に抑制される。このような点からもエミッションの向上に有利となる。
【００６２】
また、後続気筒２Ｂ，２Ｃでの圧縮自己着火が先行気筒２Ａ，２Ｄから排出される既燃ガスの熱を利用して達成されるため、格別の加熱手段を用いたりエンジンの圧縮比を極端に高くしたりする必要がなく、容易に圧縮自己着火を達成することができる。とくに、特殊運転モードでの先行気筒（１番、４番気筒２Ａ，２Ｄ）に対する燃料噴射量と後続気筒（２番、３番気筒２Ｂ，２Ｃ）に対する燃料噴射量との割合が運転状態に応じて前述のように調整されることにより、広い運転領域にわたり、有効に圧縮自己着火を行わせることができる。
【００６３】
すなわち、特殊運転モードとされる運転領域Ａのうちの低速域Ａ１では、中・高速域Ａ２，Ａ３と比べると本来的に燃焼室内の温度が低いため圧縮自己着火が行われにくい条件下にあるが、この低速域Ａ１では、後続気筒における燃焼の際の空燃比が実質的に理論空燃比となるように調整されつつ、先行気筒に対する燃料噴射量が後続気筒より多くされて、先行気筒の空燃比が理論空燃比の２倍より小さい値となるように制御されているため、先行気筒の空燃比が理論空燃比の２倍（先行気筒と後続気筒とが同じ噴射量）とされる場合と比べ、先行気筒から後続気筒へ導かれるガスの温度が上昇する。このため、低速域Ａ１でも効果的に圧縮自己着火が行われる。
【００６４】
また、特殊運転モードとされる運転領域Ａのうちの高速域Ａ３では、燃焼温度が過度に上昇してノッキングが生じ易くなるが、この領域でも、先行気筒に対する燃料噴射量が後続気筒より多くされて、先行気筒の空燃比が理論空燃比の２倍より小さい値となるように制御される。これにより、先行気筒の空燃比が理論空燃比の２倍（先行気筒と後続気筒とが同じ噴射量）とされる場合と比べ、後続気筒に導入されるガスの温度は上昇するものの、後続気筒に導入されるガス中のＥＧＲに相当する既燃ガス成分が増大するとともに、後続気筒に対する燃料噴射量が少なくなることによって後続気筒での燃焼により発生するエネルギーが小さくなるため、ノッキングが抑制される。
【００６５】
このように、先行気筒に対する燃料噴射量が後続気筒より多くされて、先行気筒の空燃比が理論空燃比の２倍より小さい値となるように制御されると、先行気筒の空燃比が理論空燃比の２倍（先行気筒と後続気筒とが同じ噴射量）とされる場合と比べ、圧縮自己着火やノッキング抑制の面では有利となるが、その反面、先行気筒での成層リーンバーンによる燃費改善効果や先行、後続気筒のトルクバランスの面では多少不利となる。そこで、特殊運転モードにより後続気筒の圧縮自己着火が容易に可能で、かつノッキングが生じにくい中速域Ａ２では、燃費改善効果やトルクバランスの面で有利なように、先行気筒の空燃比が理論空燃比の略２倍もしくはそれより大きい値となるように燃料噴射量が制御される。
【００６６】
一方、高負荷側ないし高回転側の運転領域Ｂでは通常運転モードとされ、前述のように第１排気弁３２ａ及び第１吸気弁３１ａが作動状態、第２排気弁３２ｂ及び第２吸気弁３１ｂが停止状態とされることにより、実質的な新気及びガスの流通経路は図７に示すようになり、各気筒２Ａ〜２Ｄの吸気ポート３１，３１ａ及び排気ポート１２ａ，１２が独立し、吸気通路１５から各気筒２Ａ〜２Ｄの吸気ポート３１，３１ａに新気が導入されるとともに各気筒２Ａ〜２Ｄの排気ポート３１，３１ａから排気通路２０に既燃ガスが排出される。そしてこの場合は、理論空燃比もしくはそれよりリッチとなるように吸入空気量及び燃料噴射量が制御されることにより、出力性能が確保される。
【００６７】
なお、本発明の装置の具体的構成は上記実施形態に限定されず、種々変更可能である。他の実施形態を以下に説明する。
【００６８】
▲１▼上記の基本実施形態では、特殊運転モードとされる運転領域Ａを低速域Ａ１、中速域Ａ２及び高速域Ａ３に分けて、先行気筒の空燃比（先行気筒に対する燃料噴射量と後続気筒に対する燃料噴射量との割合）を上記各域Ａ１，Ａ２，Ａ３で変更しているが、図８に示すように、特殊運転モードとされる運転領域Ａを低負荷域Ａ１１、中負荷域Ａ１２及び高負荷域Ａ１３に分けるようにしてもよい。この場合、上記中負荷域Ａ１２では先行気筒の空燃比を理論空燃比の略２倍もしくはそれより大きい値とし、上記低負荷域Ａ１１及び高負荷域Ａ１３では先行気筒の空燃比を理論空燃比の２倍より小さい値（例えばＡ／Ｆ≒２５）とするように燃料噴射量を制御する。
【００６９】
あるいは図９に示すように、特殊運転モードとされる運転領域Ａのうち、中速中負荷域Ａ２０で先行気筒の空燃比を理論空燃比の略２倍もしくはそれより大きい値とし、それ以外の運転域で先行気筒の空燃比を理論空燃比の２倍より小さい値とするように制御してもよい。
【００７０】
これらの例でも、特殊運転モードとされる運転領域Ａのうちで燃焼室内の温度が比較的低い低負荷域等では、先行気筒から後続気筒へ導かれるガスの温度が上昇することで圧縮自己着火が可能となり、ノッキングが生じやすい高負荷域等では後続気筒の発生エネルギーが少なくなることでノッキングが抑制され、また、中負荷域Ａ１２または中速中負荷域Ａ２０では、燃費改善効果やトルクバランスに有利な状態となる。
【００７１】
▲２▼上記の基本実施形態や図８、図９に示す例では、特殊運転モードとされる運転領域Ａ内の複数の運転域で、先行気筒の空燃比を理論空燃比の略２倍もしくはそれより大きい値とそれより小さい値とに切換えているが、先行気筒の空燃比を、理論空燃比よりは大きくしつつ運転状態に応じて次第に変化させるようにしてもよい。
【００７２】
この場合、運転領域Ａのうちの少なくとも低負荷域で、低負荷側ほど、先行気筒における燃焼の際の空燃比を小さくする。あるいは、運転領域Ａのうちの少なくとも低速域で、低速側ほど、先行気筒における燃焼の際の空燃比を小さくする。
【００７３】
例えば、気筒間ガス通路２２に冷却手段を設けることなどにより特殊運転モードとされる運転領域Ａの高速高負荷側でもノッキングが生じにくくなっている場合は、図１０に示すように、特殊運転モードとされる運転領域Ａの高速高負荷側で先行気筒の空燃比を理論空燃比の略２倍もしくはそれより大きい値とし、エンジン回転数及び負荷が低くなるにつれて先行気筒の空燃比をリッチ側に変化させるようにすればよい。
【００７４】
このようにすると、特殊運転モードとされる運転領域Ａ内で、エンジン回転数（及び負荷）が低くなるにつれて後続気筒の燃焼室内の温度が低くなる傾向を補うように、先行気筒から後続気筒に導かれるガスの温度が高められ、圧縮自己着火可能な状態が確保される。
【００７５】
また、図１１に示すように、特殊運転モードとされる運転領域Ａのうちの中速中負荷域Ａ２０で先行気筒の空燃比を理論空燃比の略２倍もしくはそれより大きい値とし、この領域から低速低負荷側（矢印ａ方向）または高速高負荷側（矢印ｂ方向）へ遠ざかるほど、先行気筒における燃焼の際の空燃比を小さくするように制御してもよい。
【００７６】
このようにすると、特殊運転モードとされる運転領域Ａのうちの低速低負荷側において圧縮自己着火可能な状態を確保する作用、及び高速高負荷側においてノッキングを抑制する作用が、良好に得られる。
【００７７】
▲３▼上記のような特殊運転モードとされる運転領域Ａでの運転状態に応じた制御に加え、エンジンの温度状態に応じて先行気筒の空燃比を変更するようにしてもよい。例えば、エンジンの暖機後であってもエンジン温度が低いとき（エンジン冷却水の温度が所定温度以下のとき）には、特殊運転モードとされる運転領域Ａ内の全域で、先行気筒の空燃比を理論空燃比の２倍より小さくすることが好ましい。このようにすれば、比較的エンジン温度が低いときにも、先行気筒から後続気筒へ導入されるガスの温度を高めて圧縮自己着火可能な状態を確保することができる。
【００７８】
▲４▼上記各実施形態では、特殊運転モードとされる運転領域Ａの全域で、後続気筒を圧縮自己着火により燃焼させるようにしているが、特殊運転モードとされる運転領域Ａのうちの一部、例えば燃焼室内の温度、圧力が圧縮自己着火可能な状態に達しにくい極低速低負荷の領域では、後続気筒に対して所定の点火時期に点火プラグ７による点火を行わせ、強制点火により燃焼させるようにしてもよい。あるいはまた、エンジン温度が低いときに、後続気筒を強制点火により燃焼させるようにしてもよい。
【００７９】
▲５▼基本実施形態では弁停止機構を用いて２気筒接続状態と各気筒独立状態とに吸・排気流通状態を切換可能としているが、吸・排気通路及び気筒間ガス通路に開閉弁を設けてこれらの通路の開閉により２気筒接続状態と各気筒独立状態とに切換え得るようにしておいてもよい。
【００８０】
▲６▼本発明の装置は４気筒以外の多気筒エンジンにも適用可能である。そして、例えば６気筒等では１つの気筒の排気行程と別の気筒の吸気行程が完全に重なり合うことはないが、このような場合は、一方の気筒の排気行程が他方の気筒の吸気行程より先行するとともに、両行程が部分的に重なり合う２つの気筒を先行、後続の一対の気筒とすればよい。
【００８１】
【発明の効果】
以上のように本発明の制御装置によると、特殊運転モードとされた場合に、排気行程と吸気行程が重なる一対の気筒のうちの先行気筒ではリーン空燃比で燃焼を行わせ、後続気筒では先行気筒から導入されたリーン空燃比の既燃ガスに燃料を供給して、圧縮自己着火により燃焼を行わせるようにしているため、先行気筒ではリーン燃焼による熱効率向上およびポンピングロス低減により、また後続気筒では圧縮自己着火による燃焼効率の向上及びポンピングロス低減により、燃費を改善することができる。しかも、後続気筒における燃焼の際の空燃比が実質的に理論空燃比となるようにしているため、排気通路での排気ガスの浄化を三元触媒だけで充分に行うことでき、リーンＮＯｘ触媒が不要となる。
【００８２】
そして、特に本発明では、上記特殊運転モードとされる運転領域のうちの少なくとも一部の運転領域で、先行、後続の両気筒に対する燃料供給量を先行気筒の方が多くなるように制御することにより先行気筒の空燃比を理論空燃比の２倍より小さい値としているため、先行気筒から後続気筒へ導入されるガスの温度を高めて後続気筒での自己着火性を向上し、かつ、このガス中のＥＧＲに相当する既燃ガス成分の増大によりノッキングを抑制することができる。このため、圧縮自己着火領域を大幅に拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による制御装置を備えたエンジン全体の概略平面図である。
【図２】エンジン本体等の概略断面図である。
【図３】制御系統のブロック図である。
【図４】運転状態に応じた制御を行うための運転領域設定の一例を示す説明図である。
【図５】各気筒の排気行程、吸気行程、燃料噴射時期および点火時期等を示す図である。
【図６】低負荷低回転時の実質的な新気およびガスの流通経路を示す説明図である。
【図７】高負荷、高低回転側の運転領域にある時の実質的な新気およびガスの流通経路を示す説明図である。
【図８】運転状態に応じた制御を行うための運転領域設定についての第２の例を示す説明図である。
【図９】運転状態に応じた制御を行うための運転領域設定についての第３の例を示す説明図である。
【図１０】運転状態に応じた制御を行うための運転領域設定についての第４の例を示す説明図である。
【図１１】運転状態に応じた制御を行うための運転領域設定についての第５の例を示す説明図である。
【符号の説明】
１ エンジン本体
２Ａ〜２Ｄ 気筒
９ 燃料噴射弁
１１ 吸気ポート
１１ａ 第１吸気ポート
１１ｂ 第２吸気ポート
１２ 排気ポート
１２ａ 第１排気ポート
１２ｂ 第２排気ポート
１５ 吸気通路
２０ 排気通路
２２ 気筒間ガス通路
３５ 弁停止機構
４０ ＥＣＵ
４１ 運転状態判別手段
４２ 弁停止機構制御手段
４３ 吸入空気量制御手段
４４ 燃焼状態制御手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、火花点火式４サイクルエンジンの制御装置に関し、より詳しくは、多気筒のエンジンにおいて燃費改善及びエミッション向上のために各気筒の燃焼状態を制御する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、火花点火式エンジンにおいて、各気筒内の混合気の空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン空燃比とした状態で燃焼を行わせることにより燃費改善を図る技術が知られており、例えば特開平１０−２７４０８５号公報に示されるように、燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、低回転低負荷域等では上記燃料噴射弁から圧縮行程で燃料を噴射することにより成層燃焼を行わせ、これによって超リーン燃焼を実現するようにしたものが知られている。
【０００３】
このようなエンジンにおいては、排気ガス浄化用の触媒として通常の三元触媒（ＨＣ，ＣＯ及びＮＯｘに対して理論空燃比付近で浄化性能の高い触媒）だけではリーン運転時にＮＯｘに対して充分な浄化性能が得られないため、上記公報にも示されるように、酸素過剰雰囲気でＮＯｘを吸着して酸素濃度低下雰囲気でＮＯｘの離脱、還元を行うリーンＮＯｘ触媒を設けている。そして、このようなリーンＮＯｘ触媒を用いる場合、リーン運転中にリーンＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸着量が増大したときは、例えば上記公報に示されるように主燃焼以外に膨張行程中に追加燃料を噴射することで排気ガスの空燃比をリッチ化するとともにＣＯを生成し、これによってＮＯｘの離脱、還元を促進するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような従来のリーン運転を行うエンジンでは、リーン運転中のＮＯｘ浄化性能の確保のために上記リーンＮＯｘ触媒が必要となってコスト的に不利である。また、上記リーンＮＯｘ触媒の浄化性能を維持するためには、上述のようにＮＯｘ吸着量増大時にＮＯｘの離脱、還元のため追加燃料の供給等による一時的な空燃比のリッチ化を行う必要があり、さらに、使用燃料が硫黄分を多く含む場合、上記リーンＮＯｘ触媒の硫黄被毒の解消のために触媒の加熱及び還元材供給等のリジェネレーション処理が必要となり、これらによって燃費改善効果が低下する。
【０００５】
しかも、空燃比がある程度以上にリーンになると、燃焼速度が遅くなりすぎてその終期に近い燃焼が仕事に寄与しなくなるため、成層燃焼でのリーン化による燃費改善には限界があった。
【０００６】
また、燃費改善のための別の手法として、圧縮自己着火が研究されており、この圧縮自己着火は、ディーゼルエンジンと同様に圧縮行程終期に燃焼室内を高温、高圧にして燃料を自己着火させるようにするものであり、空燃比が超リーンの状態や多量のＥＧＲが導入されている状態でもこのような圧縮自己着火が行われれば燃焼室全体が一気に燃焼するため、仕事に寄与しない遅い燃焼が避けられ、燃費改善に有利となる。しかし、通常の火花点火式エンジン（ガソリンエンジン）では燃焼のために強制点火が必要であって、圧縮自己着火を行わせるためには燃焼室内の温度または圧力を大幅に高めるための格別の工夫が必要となり、高負荷域でのノッキングを避けつつ、燃費改善が要求される部分負荷域で圧縮自己着火を生じさせる程度まで燃焼室内の温度または圧力を高めることが困難であった。
【０００７】
そこで、本出願人は、リーン燃焼と圧縮自己着火とを併用して大幅な燃費改善効果をもたせるべく、エンジンの部分負荷域で、排気行程と吸気行程が重なる一対の気筒間において排気行程にある先行気筒から排出される既燃ガスがそのまま吸気行程にある後続気筒に気筒間ガス通路を介して導入される２気筒接続状態とするとともに、先行気筒では空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン空燃比にして、強制点火により燃焼を行わせ、後続気筒では先行気筒から導入されたリーン空燃比の既燃ガスに燃料を供給して圧縮自己着火により燃焼を行わせるようにした火花点火式エンジンの制御装置に関する技術を出願している（特願２００２−２９８３６号）。
【０００８】
本発明は、このような技術に基づき、さらに広い運転域で効果的に後続気筒での圧縮自己着火による燃焼を行わせることができるようにし、燃費及びエミッションの改善効果を高めることができる火花点火式４サイクルエンジンの制御装置を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、各気筒の燃焼サイクルが所定の位相差をもって行われるようになっている多気筒の火花点火式４サイクルエンジンにおいて、エンジンの部分負荷域でエンジンの吸・排気及び燃焼状態についての制御モードを特殊運転モードとし、この特殊運転モードでは、排気行程と吸気行程が重なる一対の気筒間において排気行程にある先行気筒から排出される既燃ガスがそのまま吸気行程にある後続気筒に気筒間ガス通路を介して導入され、この後続気筒から排出されるガスが排気通路に導かれるような２気筒接続状態としつつ、先行気筒では空燃比が理論空燃比よりも大きいリーン空燃比で燃焼を行わせ、後続気筒では先行気筒から導入されたリーン空燃比の既燃ガスに燃料を供給して燃焼を行わせるようにした制御装置であって、上記特殊運転モードとされる運転領域のうちの少なくとも一部の運転領域で、上記後続気筒における燃焼の際の空燃比が実質的に理論空燃比となるようにしつつ、先行、後続の両気筒に対する燃料供給量を先行気筒の方が多くなるように制御することにより先行気筒における燃焼の際の空燃比を理論空燃比の２倍より小さい値とするとともに、先行気筒では強制点火により燃焼を行わせ、後続気筒では圧縮自己着火により燃焼を行わせるように制御する燃焼状態制御手段を備えたことを特徴とするものである。
【００１０】
この発明によると、上記特殊運転モードとされるとともに後続気筒で圧縮自己着火により燃焼が行われる場合に、上記先行気筒ではリーン燃焼による熱効率向上およびポンピングロス低減により燃費改善効果が得られ、後続気筒では圧縮自己着火による燃焼効率の向上及びポンピングロス低減により燃費改善効果が得られる。また、後続気筒から排気通路に排出されるガスは理論空燃比であるため、三元触媒だけで充分に排気ガスの浄化が達成される。
【００１１】
また、先行気筒に対する燃料供給量が多くされて先行気筒の空燃比が理論空燃比の２倍より小さい値とされることにより、先行気筒から後続気筒へ導入されるガスの温度が高められて自己着火性が向上され、かつ、このガス中のＥＧＲに相当する既燃ガス成分が増大する等によりノッキング抑制作用が高められる。
【００１２】
この発明において、上記特殊運転モードで後続気筒が圧縮自己着火とされる運転領域のうちの中速域では、先行気筒における燃焼の際の空燃比を理論空燃比の略２倍もしくはそれより大きい値とすること（請求項２）が好ましい。このようにすると、上記中速域で燃費改善効果が高められる。
【００１３】
このようにする場合に、上記特殊運転モードで後続気筒が圧縮自己着火とされる運転領域のうちの中速域よりも低速側の運転域で、先行気筒における燃焼の際の空燃比を理論空燃比の２倍より小さい値とすれば（請求項３）、この低速側の運転域で自己着火性が向上される。
【００１４】
また、上記特殊運転モードで後続気筒が圧縮自己着火とされる運転領域のうちの中速域よりも高速側の運転域で、先行気筒における燃焼の際の空燃比を理論空燃比の２倍より小さい値とすれば（請求項４）、この高速側の運転域でのノッキングの発生が抑制される。
【００１５】
また、本発明において、上記特殊運転モードで後続気筒が圧縮自己着火とされる運転領域のうちの中負荷域では、先行気筒における燃焼の際の空燃比を理論空燃比の略２倍もしくはそれより大きい値とすること（請求項５）が好ましい。あるいはまた、上記特殊運転モードで後続気筒が圧縮自己着火とされる運転領域のうちの中速・中負荷域では、先行気筒における燃焼の際の空燃比を理論空燃比の略２倍もしくはそれより大きい値とすること（請求項６）が好ましい。
【００１６】
このようにすると、上記中負荷域あるいは中速・中負荷域で燃費改善効果が高められる。
【００１７】
また、上記特殊運転モードで後続気筒が圧縮自己着火とされる運転領域において、低負荷側ほど、先行気筒における燃焼の際の空燃比を小さくすること（請求項７）が好ましい。このようにすると、低負荷側ほど圧縮自己着火が行われにくくなる傾向が補われる。
【００１８】
なお、エンジン温度が低いときには、上記特殊運転モードで後続気筒が圧縮自己着火とされる運転領域の全域で、先行気筒における燃焼の際の空燃比を理論空燃比の２倍より小さい値とすること（請求項８）が好ましい。このようにすると、エンジン低温時にも圧縮自己着火が可能となる。
【００１９】
また、請求項９に係る発明は、各気筒の燃焼サイクルが所定の位相差をもって行われるようになっている多気筒の火花点火式４サイクルエンジンにおいて、エンジンの部分負荷域でエンジンの吸・排気及び燃焼状態についての制御モードを特殊運転モードとし、この特殊運転モードでは、排気行程と吸気行程が重なる一対の気筒間において排気行程にある先行気筒から排出される既燃ガスがそのまま吸気行程にある後続気筒に気筒間ガス通路を介して導入され、この後続気筒から排出されるガスが排気通路に導かれるような２気筒接続状態としつつ、先行気筒では空燃比が理論空燃比よりも大きいリーン空燃比で燃焼を行わせ、後続気筒では先行気筒から導入されたリーン空燃比の既燃ガスに燃料を供給して燃焼を行わせるようにした制御装置であって、上記特殊運転モードとされる運転領域のうちの少なくとも一部の領域で、上記後続気筒における燃焼の際の空燃比が実質的に理論空燃比となるようにしつつ、先行気筒における燃焼の際の空燃比を、理論空燃比より大きくてその２倍以下となる範囲で、エンジン回転数が低いほど小さくするように、先行、後続の両気筒に対する燃料供給量を制御するとともに、先行気筒では強制点火により燃焼を行わせ、後続気筒では圧縮自己着火により燃焼を行わせるように制御する燃焼状態制御手段を備えたことを特徴とするものである。
【００２０】
この発明によっても、特殊運転モードとされるとともに後続気筒で圧縮自己着火により燃焼が行われる場合に、上記先行気筒でリーン燃焼による熱効率向上およびポンピングロス低減により燃費改善効果が得られる一方、後続気筒で圧縮自己着火による燃焼効率の向上及びポンピングロス低減により燃費改善効果が得られ、また、排気通路において三元触媒だけで充分に排気ガスの浄化が達成される。
【００２１】
また、エンジン回転数が低いほど、先行気筒の空燃比が小さくなるように燃料供給量が制御されることにより、先行気筒から後続気筒へ導入されるガスの温度が高められて自己着火性が向上される。
【００２２】
この発明において、上記特殊運転モードで後続気筒が圧縮自己着火とされる運転領域のうちの中速・中負荷域で、先行気筒における燃焼の際の空燃比を理論空燃比の略２倍もしくはそれより大きい値とし、この領域から低速低負荷側または高速高負荷側へ遠ざかるほど、先行気筒における燃焼の際の空燃比を小さくすること（請求項１０）が好ましい。
【００２３】
このようにすると、低速低負荷側で自己着火性を高める作用、及び高速高負荷側でノッキングを抑制する作用が、良好に得られる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
【００２５】
図１は本発明の一実施形態によるエンジンの概略構成を示し、図２はエンジン本体１の一つの気筒とそれに対して設けられた吸・排気弁等の構造を概略的に示している。これらの図において、エンジン本体１は複数の気筒を有し、図示の実施形態では４つの気筒２Ａ〜２Ｄを有している。各気筒２Ａ〜２Ｄにはピストン３が嵌挿され、ピストン３の上方に燃焼室４が形成されている。
【００２６】
各気筒２の燃焼室４の頂部には点火プラグ７が装備され、そのプラグ先端が燃焼室４内に臨んでいる。この点火プラグ７には、電子制御による点火時期のコントロールが可能な点火回路８が接続されている。
【００２７】
燃焼室４の側方部には、燃焼室４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。この燃料噴射弁９は、図略のニードル弁及びソレノイドを内蔵し、後述のパルス信号が入力されることにより、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ように構成されている。なお、この燃料噴射弁９には図外の燃料ポンプにより燃料供給通路等を介して燃料が供給され、かつ、圧縮行程での燃焼室内の圧力よりも高い燃料圧力を与え得るように燃料供給系統が構成されている。
【００２８】
また、各気筒２Ａ〜２Ｄの燃焼室４に対して吸気ポート１１、１１ａ，１１ｂ及び排気ポート１２、１２ａ，１２ｂが開口し、これらのポートに吸気通路１５、排気通路２０等が接続されるとともに、各ポートが吸気弁３１、３１ａ，３１ｂ及び排気弁３２、３２ａ，３２ｂにより開閉されるようになっている。
【００２９】
そして、各気筒が所定の位相差をもって吸気、圧縮、膨張、排気の各行程からなるサイクルを行うようになっており、４気筒エンジンの場合、気筒列方向一端側から１番気筒２Ａ、２番気筒２Ｂ、３番気筒２Ｃ、４番気筒２Ｄと呼ぶと、図５に示すように上記サイクルが１番気筒２Ａ、３番気筒２Ｃ、４番気筒２Ｄ、２番気筒２Ｂの順にクランク角で１８０°ずつの位相差をもって行われるようになっている。なお、図５において、ＥＸは排気行程、ＩＮは吸気行程であり、また、Ｆは燃料噴射、Ｓは強制点火を表し、図中の星マークは圧縮自己着火が行われることを表している。
【００３０】
排気行程と吸気行程が重なる一対の気筒間には、排気行程と吸気行程が重なるときの排気行程側の気筒（当明細書ではこれを先行気筒と呼ぶ）から吸気行程側の気筒（当明細書ではこれを後続気筒と呼ぶ）へ既燃ガスをそのまま導くことができるように、気筒間ガス通路２２が設けられている。当実施形態の４気筒エンジンでは、図５に示すように１番気筒２Ａの排気行程（ＥＸ）と２番気筒２Ｂの吸気行程（ＩＮ）とが重なり、また４番気筒２Ｄの排気行程（ＥＸ）と３番気筒２Ｃの吸気行程（ＩＮ）が重なるので、１番気筒２Ａと２番気筒２Ｂ、及び、４番気筒２Ｄと３番気筒２Ｃがそれぞれ一対をなし、１番気筒２Ａ及び４番気筒２Ｄが先行気筒、２番気筒２Ｂ及び３番気筒２Ｃが後続気筒となる。
【００３１】
各気筒の吸・排気ポートとこれに接続される吸気通路、排気通路及び気筒間ガス通路は、具体的には次のように構成されている。
【００３２】
先行気筒である１番気筒２Ａ及び４番気筒２Ｄには、それぞれ、新気を導入するための吸気ポート１１と、既燃ガス（排気ガス）を排気通路に送り出すための第１排気ポート１２ａと、既燃ガスを後続気筒に導出するための第２排気ポート１２ｂとが配設されている。また、後続気筒である２番気筒２Ｂ及び３番気筒２Ｃには、それぞれ、新気を導入するための第１吸気ポート１１ａと、先行気筒からの既燃ガスを導入するための第２吸気ポート１１ｂと、既燃ガスを排気通路に送り出すための排気ポート３２とが配設されている。
【００３３】
図１に示す例では、１番，４番気筒２Ａ，２Ｄにおける吸気ポート１１および２番，３番気筒２Ｂ，２Ｃにおける第１吸気ポート１１ａが、１気筒当り２個ずつ、燃焼室の左半部側に並列的に設けられる一方、１番，４番気筒２Ａ，２Ｄにおける第１排気ポート１２ａ及び第２排気ポート１２ｂならびに２番，３番気筒２Ｂ，２Ｃにおける第２吸気ポート１１ｂ及び排気ポート１２が、燃焼室の右半部側に並列的に設けられている。
【００３４】
１番，４番気筒２Ａ，２Ｄにおける吸気ポート１１および２番，３番気筒２Ｂ，２Ｃにおける第１吸気ポート１１ａには、吸気通路１５における気筒別の分岐吸気通路１６の下流端が接続されている。各分岐吸気通路１６の下流端近傍には、共通の軸を介して互いに連動する多連スロットル弁１７が設けられており、この多連スロットル弁１７は制御信号に応じてアクチュエータ１８により駆動され、吸入空気量を調節するようになっている。なお、吸気通路１５における集合部より上流の共通吸気通路には吸気流量を検出するエアフローセンサ１９が設けられている。
【００３５】
１番，４番気筒２Ａ，２Ｄにおける第１排気ポート１２ａおよび２番，３番気筒２Ｂ，２Ｃにおける排気ポート１２には、排気通路２０における気筒別の分岐排気通路２１の上流端が接続されている。また、１番気筒２Ａと２番気筒２Ｂとの間及び３番気筒２Ｃと４番気筒２Ｄとの間にそれぞれ気筒間ガス通路２２が設けられ、先行気筒である１番，４番気筒２Ａ，２Ｄの第２排気ポート１２ｂに気筒間ガス通路２２の上流端が接続されるとともに、後続気筒である２番，３番気筒２Ｂ，２Ｃの第２吸気ポート１１ｂに気筒間ガス通路２２の下流端が接続されている。
【００３６】
上記気筒間ガス通路２２は、互いに隣接する気筒間を接続する比較的短い通路であり、先行気筒から排出されるガスがこの通路２２を通る間の放熱は比較的小さく抑えられるようになっている。
【００３７】
排気通路２０における分岐排気通路２１の下流の集合部には排気ガス中の酸素濃度を検出することにより空燃比を検出するＯ２センサ２３が設けられている。さらにＯ２センサ２３の下流の排気通路２１には排気浄化のために三元触媒２４が設けられている。この三元触媒２４は、一般に知られているように、排気ガスの空燃比が理論空燃比（つまり空気過剰率λがλ＝１）付近にあるときにＨＣ，ＣＯ及びＮＯｘに対して高い浄化性能を示す触媒である。
【００３８】
各気筒の吸・排気ポートを開閉する吸・排気弁とこれらに対する動弁機構は、次のようになっている。
【００３９】
１番，４番気筒２Ａ，２Ｄにおける吸気ポート１１、第１排気ポート１２ａ及び第２排気ポート１２ｂにはそれぞれ吸気弁３１、第１排気弁３２ａ及び第２排気弁３２ｂが設けられ、また、２番，３番気筒２Ｂ，２Ｃにおける第１吸気ポート１１ａ、第２吸気ポート１１ｂ及び排気ポート１２にはそれぞれ第１吸気弁３１ａ、第２吸気弁３１ｂ及び排気弁３２が設けられている。そして、各気筒の吸気行程や排気行程が上述のような所定の位相差をもって行われるように、これら吸・排気弁がそれぞれカムシャフト３３，３４等からなる動弁機構により所定のタイミングで開閉するように駆動される。
【００４０】
さらに、これらの吸・排気弁のうちで第１排気弁３２ａ、第２排気弁３２ｂ、第１吸気弁３１ａ及び第２吸気弁３１ｂに対しては、各弁を作動状態と停止状態とに切換える弁停止機構３５が設けられている。この弁停止機構３５は、従来から知られているため詳しい図示は省略するが、例えば、カムシャフト３３，３４のカムと弁軸との間に介装されたタペットに作動油の給排が可能な油圧室が設けられ、この油圧室に作動油が供給されている状態ではカムの作動が弁に伝えられて弁が開閉作動され、油圧室から作動油が排出されたときにはカムの作動が弁に伝えられなくなることで弁が停止されるようになっている。
【００４１】
上記第１排気弁３２ａの弁停止機構３５と第１吸気弁３１ａの弁停止機構３５とに対する作動油給排用の通路３６には第１コントロール弁３７が、また第２排気弁３２ｂの弁停止機構３５と第２吸気弁３１ｂの弁停止機構３５とに対する作動油給排用の通路３８には第２コントロール弁３９がそれぞれ設けられている（図３参照）。
【００４２】
図３は駆動、制御系統の構成を示している。この図において、マイクロコンピュータ等からなるエンジン制御用のＥＣＵ（コントロールユニット）４０には、エアフローセンサ１９及びＯ２センサ２３からの信号が入力され、さらに運転状態を判別するためにエンジン回転数を検出する回転数センサ４７及びアクセル開度（アクセルペダル踏込み量）を検出するアクセル開度センサ４８等からの信号も入力されている。また、このＥＣＵ４０から、各燃料噴射弁９と、多連スロットル弁１７のアクチュエータ１８と、上記第１，第２のコントロール弁３９とに対して制御信号が出力されている。
【００４３】
上記ＥＣＵ４０は、運転状態判別手段４１、弁停止機構制御手段４２、吸入空気量制御手段４３及び燃焼状態制御手段４４を備えている。
【００４４】
運転状態判別手段４１は、図４に示すようにエンジンの運転領域が低負荷低回転側の運転領域Ａ（部分負荷域）と高負荷側ないし高回転側の運転領域Ｂとに分けられた制御用マップを有し、上記回転数センサ４５及びアクセル開度センサ４６等からの信号により調べられるエンジンの運転状態（エンジン回転数及びエンジン負荷）が上記運転領域Ａ，Ｂのいずれの領域にあるかを判別する。そして、この判別に基づき、低負荷低回転側の運転領域Ａでは、排気行程にある先行気筒から排出される既燃ガスをそのまま吸気行程にある後続気筒に導入して燃焼させる特殊運転モードが選択され、高負荷側ないし高回転側の運転領域Ｂでは、各気筒をそれぞれ独立させ燃焼させる通常運転モードが選択されるようになっている。
【００４５】
さらに運転状態判別手段４１は、特殊運転モードが選択される運転領域Ａにある場合に、この領域Ａのうちの低速域Ａ１、中速域Ａ２、高速域Ａ３のいずれにあるかを判別するようになっている。
【００４６】
弁停止機構制御手段４２は、特殊運転モードでは気筒間ガス通路２２を介して先行気筒の既燃ガスを後続気筒に導入させる２気筒接続状態とし、通常運転モードでは各気筒にそれぞれ新気を導入させる各気筒独立状態とするように吸・排気流通状態を変更すべく弁停止機構制３５を制御するもので、具体的には運転状態が運転領域Ａ，Ｂのいずれにあるかに応じ、上記各コントロール弁３７，３９を制御することにより、各弁停止機構３５を次のように制御する。
【００４７】
【００４８】
上記燃焼状態制御手段４４は、燃料噴射制御手段４５と点火制御手段４６とからなっており、燃料噴射制御手段４５により、各気筒２Ａ〜２Ｄに設けられた燃料噴射弁９からの燃料噴射量及び噴射タイミングをエンジンの運転状態に応じて制御するとともに、点火制御手段４６により運転状態に応じた点火時期の制御及び点火停止等の制御を行う。そして、特に運転状態が図４中の運転領域Ａにある場合と運転領域Ｂにある場合とで燃焼状態の制御（燃料噴射の制御及び点火の制御）が変更される。
【００４９】
すなわち、運転状態が低負荷低回転側の運転領域Ａにある場合、特殊運転モードでの制御として、先行気筒（１番、４番気筒２Ａ，２Ｄ）に対しては、空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン空燃比とするように燃料噴射量を制御するとともに、圧縮行程で燃料を噴射して混合気の成層化を行わせるように噴射タイミングを設定し、かつ、圧縮上死点付近で強制点火を行わせるように点火タイミングを設定する。一方、後続気筒（２番、３番気筒２Ｂ，２Ｃ）に対しては、先行気筒から導入されたリーン空燃比の既燃ガスに対して燃料を供給し、実質的に理論空燃比となるように燃料噴射量を制御するとともに、吸気行程で燃料を噴射するように噴射タイミングを設定し、かつ、圧縮自己着火を行わせるべく、強制点火を停止させる。
【００５０】
さらにこの運転領域Ａにおいて、一対の気筒の両方に対する燃料噴射量の和が先行気筒に導入される空気の量に対して理論空燃比となる量に調整されつつ、後続気筒での圧縮自己着火が良好に行われるように、先行気筒（１番、４番気筒２Ａ，２Ｄ）に対する燃料噴射量と後続気筒（２番、３番気筒２Ｂ，２Ｃ）に対する燃料噴射量との割合が運転状態に応じて変更される。
【００５１】
具体的には、この運転領域Ａのうちの中速域Ａ２では、先行気筒に対する燃料噴射量と後続気筒に対する燃料噴射量とを略同一に、ないしは後続気筒側の燃料噴射量を少し多くすることにより、先行気筒での燃焼の際の空燃比が理論空燃比の２倍程度（Ａ／Ｆ≒３０、空気過剰率λで表せばλ＝２程度）ないしは理論空燃比の２倍より大（空気過剰率λがλ＞２）となるようにする。また、運転領域Ａのうちの低速域Ａ１では先行気筒に対する燃料噴射量を後続気筒に対する燃料噴射量よりも多くすることにより、先行気筒での燃焼の際の空燃比が理論空燃比の２倍より小（空気過剰率λが１＜λ＜２）となるようにし、例えばＡ／Ｆ≒２５となるようにする。一方、運転領域Ａのうちの高速域Ａ３でも、先行気筒に対する燃料噴射量を後続気筒に対する燃料噴射量よりも多くすることにより、先行気筒での燃焼の際の空燃比が理論空燃比の２倍より小（空気過剰率λが１＜λ＜２）となるようにし、例えばＡ／Ｆ≒２５となるようにする。
【００５２】
また、運転状態が高負荷側ないし高回転側の運転領域Ｂにある場合には、通常運転モードでの制御として、各気筒２Ａ〜２Ｄの空燃比を理論空燃比もしくはそれ以下とするように燃料噴射量を制御し、例えばこの運転領域Ｂのうちの大部分の領域において理論空燃比とし、全開負荷及びその付近の運転領域で理論空燃比よりリッチとする。そして、この場合に、各気筒２Ａ〜２Ｄに対して吸気行程で燃料を噴射して混合気を均一化するように噴射タイミングを設定し、かつ、各気筒２Ａ〜２Ｄとも強制点火を行わせるようにする。
【００５３】
以上のような当実施形態の装置の作用を、図５〜図７を参照しつつ説明する。
【００５４】
低負荷低回転側の運転領域Ａでは特殊運転モードとされ、前述のように第１排気弁３２ａ及び第１吸気弁３１ａが停止状態、第２排気弁３２ｂ及び第２吸気弁３１ｂが作動状態とされることにより、実質的な新気及びガスの流通経路は図６に示すようになり、先行気筒（１番，４番気筒）２Ａ，２Ｄから排出される既燃ガスがそのまま気筒間ガス通路２２を介して後続気筒（２番，３番気筒）２Ｂ，２Ｃに導入されるとともに、この後続気筒２Ｂ，２Ｃから排出されるガスのみが排気通路２０に導かれるような２気筒接続状態とされる。
【００５５】
この状態において、先行気筒２Ａ，２Ｄにそれぞれ吸気行程で吸気通路１５から新気が導入され（図６中の矢印ａ）、先行気筒２Ａ，２Ｄでは空燃比が理論空燃比よりも大きくて、理論空燃比の略２倍ないしそれより小さい値となるように燃料噴射量が制御されつつ圧縮行程で燃料が噴射され、かつ、所定点火時期に点火が行われて、リーン空燃比での成層燃焼が行われる（図５参照）。
【００５６】
それから、先行気筒２Ａ，２Ｄの吸気行程と後続気筒２Ｂ，２Ｃの排気行程が重なる期間に、先行気筒２Ａ，２Ｄから排出された既燃ガスがガス通路２２を通って後続気筒２Ｂ，２Ｃに導入される（図５中の白抜き矢印及び図６中の矢印ｂ）。そして、後続気筒２Ｂ，２Ｃでは、先行気筒２Ａ，２Ｄから導入されたリーン空燃比の既燃ガスに燃料が供給されて、理論空燃比となるように燃料噴射量が制御されつつ、吸気行程で燃料が噴射された後、圧縮行程の上死点付近で燃焼室内の圧力、温度の上昇により圧縮自己着火が行われる。
【００５７】
この場合、先行気筒２Ａ，２Ｄから排出された高温の既燃ガスが短い気筒間ガス通路２２を通って後続気筒２Ｂ，２Ｃに直ちに導入されるため、後続気筒２Ｂ，２Ｃでは吸気行程で燃焼室内の温度が高くなり、この状態からさらに圧縮行程で圧力、温度が上昇することにより、圧縮行程終期の上死点付近では混合気が自己着火し得る程度まで燃焼室内の温度が上昇する。しかも、上記既燃ガスは先行気筒２Ａ，２Ｄから排出されて後続気筒２Ｂ，２Ｃに導入されるまでの間に充分にミキシングされて均一に分布し、さらに吸気行程で噴射された燃料も圧縮行程終期までの間に燃焼室全体に均一に分散するため、理想的な同時圧縮自己着火条件を満たすような均一な混合気分布状態が得られる。そして、同時圧縮自己着火により燃焼が急速に行われ、これにより熱効率が大幅に向上される。
【００５８】
このように、先行気筒２Ａ，２Ｄでは、リーンでの成層燃焼により熱効率が高められるとともに、成層燃焼を行わない通常のエンジンと比べて吸気負圧が小さくなることでポンピングロスが低減され、一方、後続気筒２Ｂ，２Ｃでは、空燃比が略理論空燃比とされつつ、均一な混合気分布状態で圧縮自己着火が行われることにより熱効率が高められるとともに、先行気筒２Ａ，２Ｄから押出されたガスが送り込まれるため先行気筒２Ａ，２Ｄよりもさらにポンピングロスが低減される。これらの作用により、燃費が大幅に改善される。
【００５９】
しかも、後続気筒２Ｂ，２Ｃから排気通路２０に排出されるガスは理論空燃比であるため、従来のリーンバーンエンジンのようにリーンＮＯｘ触媒を設ける必要がなく、三元触媒２４だけで充分に排気浄化性能が確保される。
【００６０】
そして、リーンＮＯｘ触媒を設ける必要がないことから、リーンＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵量増大時におけるＮＯｘの放出、還元のための一時的な空燃比のリッチ化を行う必要がなく、燃費改善の目減りが避けられる。さらに、リーンＮＯｘ触媒の硫黄被毒の問題が生じることもない。
【００６１】
また、先行気筒２Ａ，２Ｄでは理論空燃比の略２倍もしくはそれに近いリーン空燃比とされることでＮＯｘ発生量が比較的少なく抑えられる。一方、後続気筒２Ｂ，２Ｃでは、先行気筒２Ａ，２Ｄから既燃ガスが導入されることで多量のＥＧＲが行われているのと同等の状態となるとともに、同時圧縮自己着火による急速燃焼が行われると可及的に酸素と窒素との反応が避けられることから、ＮＯｘの発生が充分に抑制される。このような点からもエミッションの向上に有利となる。
【００６２】
また、後続気筒２Ｂ，２Ｃでの圧縮自己着火が先行気筒２Ａ，２Ｄから排出される既燃ガスの熱を利用して達成されるため、格別の加熱手段を用いたりエンジンの圧縮比を極端に高くしたりする必要がなく、容易に圧縮自己着火を達成することができる。とくに、特殊運転モードでの先行気筒（１番、４番気筒２Ａ，２Ｄ）に対する燃料噴射量と後続気筒（２番、３番気筒２Ｂ，２Ｃ）に対する燃料噴射量との割合が運転状態に応じて前述のように調整されることにより、広い運転領域にわたり、有効に圧縮自己着火を行わせることができる。
【００６３】
すなわち、特殊運転モードとされる運転領域Ａのうちの低速域Ａ１では、中・高速域Ａ２，Ａ３と比べると本来的に燃焼室内の温度が低いため圧縮自己着火が行われにくい条件下にあるが、この低速域Ａ１では、後続気筒における燃焼の際の空燃比が実質的に理論空燃比となるように調整されつつ、先行気筒に対する燃料噴射量が後続気筒より多くされて、先行気筒の空燃比が理論空燃比の２倍より小さい値となるように制御されているため、先行気筒の空燃比が理論空燃比の２倍（先行気筒と後続気筒とが同じ噴射量）とされる場合と比べ、先行気筒から後続気筒へ導かれるガスの温度が上昇する。このため、低速域Ａ１でも効果的に圧縮自己着火が行われる。
【００６４】
また、特殊運転モードとされる運転領域Ａのうちの高速域Ａ３では、燃焼温度が過度に上昇してノッキングが生じ易くなるが、この領域でも、先行気筒に対する燃料噴射量が後続気筒より多くされて、先行気筒の空燃比が理論空燃比の２倍より小さい値となるように制御される。これにより、先行気筒の空燃比が理論空燃比の２倍（先行気筒と後続気筒とが同じ噴射量）とされる場合と比べ、後続気筒に導入されるガスの温度は上昇するものの、後続気筒に導入されるガス中のＥＧＲに相当する既燃ガス成分が増大するとともに、後続気筒に対する燃料噴射量が少なくなることによって後続気筒での燃焼により発生するエネルギーが小さくなるため、ノッキングが抑制される。
【００６５】
このように、先行気筒に対する燃料噴射量が後続気筒より多くされて、先行気筒の空燃比が理論空燃比の２倍より小さい値となるように制御されると、先行気筒の空燃比が理論空燃比の２倍（先行気筒と後続気筒とが同じ噴射量）とされる場合と比べ、圧縮自己着火やノッキング抑制の面では有利となるが、その反面、先行気筒での成層リーンバーンによる燃費改善効果や先行、後続気筒のトルクバランスの面では多少不利となる。そこで、特殊運転モードにより後続気筒の圧縮自己着火が容易に可能で、かつノッキングが生じにくい中速域Ａ２では、燃費改善効果やトルクバランスの面で有利なように、先行気筒の空燃比が理論空燃比の略２倍もしくはそれより大きい値となるように燃料噴射量が制御される。
【００６６】
一方、高負荷側ないし高回転側の運転領域Ｂでは通常運転モードとされ、前述のように第１排気弁３２ａ及び第１吸気弁３１ａが作動状態、第２排気弁３２ｂ及び第２吸気弁３１ｂが停止状態とされることにより、実質的な新気及びガスの流通経路は図７に示すようになり、各気筒２Ａ〜２Ｄの吸気ポート３１，３１ａ及び排気ポート１２ａ，１２が独立し、吸気通路１５から各気筒２Ａ〜２Ｄの吸気ポート３１，３１ａに新気が導入されるとともに各気筒２Ａ〜２Ｄの排気ポート３１，３１ａから排気通路２０に既燃ガスが排出される。そしてこの場合は、理論空燃比もしくはそれよりリッチとなるように吸入空気量及び燃料噴射量が制御されることにより、出力性能が確保される。
【００６７】
なお、本発明の装置の具体的構成は上記実施形態に限定されず、種々変更可能である。他の実施形態を以下に説明する。
【００６８】
▲１▼上記の基本実施形態では、特殊運転モードとされる運転領域Ａを低速域Ａ１、中速域Ａ２及び高速域Ａ３に分けて、先行気筒の空燃比（先行気筒に対する燃料噴射量と後続気筒に対する燃料噴射量との割合）を上記各域Ａ１，Ａ２，Ａ３で変更しているが、図８に示すように、特殊運転モードとされる運転領域Ａを低負荷域Ａ１１、中負荷域Ａ１２及び高負荷域Ａ１３に分けるようにしてもよい。この場合、上記中負荷域Ａ１２では先行気筒の空燃比を理論空燃比の略２倍もしくはそれより大きい値とし、上記低負荷域Ａ１１及び高負荷域Ａ１３では先行気筒の空燃比を理論空燃比の２倍より小さい値（例えばＡ／Ｆ≒２５）とするように燃料噴射量を制御する。
【００６９】
あるいは図９に示すように、特殊運転モードとされる運転領域Ａのうち、中速中負荷域Ａ２０で先行気筒の空燃比を理論空燃比の略２倍もしくはそれより大きい値とし、それ以外の運転域で先行気筒の空燃比を理論空燃比の２倍より小さい値とするように制御してもよい。
【００７０】
これらの例でも、特殊運転モードとされる運転領域Ａのうちで燃焼室内の温度が比較的低い低負荷域等では、先行気筒から後続気筒へ導かれるガスの温度が上昇することで圧縮自己着火が可能となり、ノッキングが生じやすい高負荷域等では後続気筒の発生エネルギーが少なくなることでノッキングが抑制され、また、中負荷域Ａ１２または中速中負荷域Ａ２０では、燃費改善効果やトルクバランスに有利な状態となる。
【００７１】
▲２▼上記の基本実施形態や図８、図９に示す例では、特殊運転モードとされる運転領域Ａ内の複数の運転域で、先行気筒の空燃比を理論空燃比の略２倍もしくはそれより大きい値とそれより小さい値とに切換えているが、先行気筒の空燃比を、理論空燃比よりは大きくしつつ運転状態に応じて次第に変化させるようにしてもよい。
【００７２】
この場合、運転領域Ａのうちの少なくとも低負荷域で、低負荷側ほど、先行気筒における燃焼の際の空燃比を小さくする。あるいは、運転領域Ａのうちの少なくとも低速域で、低速側ほど、先行気筒における燃焼の際の空燃比を小さくする。
【００７３】
例えば、気筒間ガス通路２２に冷却手段を設けることなどにより特殊運転モードとされる運転領域Ａの高速高負荷側でもノッキングが生じにくくなっている場合は、図１０に示すように、特殊運転モードとされる運転領域Ａの高速高負荷側で先行気筒の空燃比を理論空燃比の略２倍もしくはそれより大きい値とし、エンジン回転数及び負荷が低くなるにつれて先行気筒の空燃比をリッチ側に変化させるようにすればよい。
【００７４】
このようにすると、特殊運転モードとされる運転領域Ａ内で、エンジン回転数（及び負荷）が低くなるにつれて後続気筒の燃焼室内の温度が低くなる傾向を補うように、先行気筒から後続気筒に導かれるガスの温度が高められ、圧縮自己着火可能な状態が確保される。
【００７５】
また、図１１に示すように、特殊運転モードとされる運転領域Ａのうちの中速中負荷域Ａ２０で先行気筒の空燃比を理論空燃比の略２倍もしくはそれより大きい値とし、この領域から低速低負荷側（矢印ａ方向）または高速高負荷側（矢印ｂ方向）へ遠ざかるほど、先行気筒における燃焼の際の空燃比を小さくするように制御してもよい。
【００７６】
このようにすると、特殊運転モードとされる運転領域Ａのうちの低速低負荷側において圧縮自己着火可能な状態を確保する作用、及び高速高負荷側においてノッキングを抑制する作用が、良好に得られる。
【００７７】
▲３▼上記のような特殊運転モードとされる運転領域Ａでの運転状態に応じた制御に加え、エンジンの温度状態に応じて先行気筒の空燃比を変更するようにしてもよい。例えば、エンジンの暖機後であってもエンジン温度が低いとき（エンジン冷却水の温度が所定温度以下のとき）には、特殊運転モードとされる運転領域Ａ内の全域で、先行気筒の空燃比を理論空燃比の２倍より小さくすることが好ましい。このようにすれば、比較的エンジン温度が低いときにも、先行気筒から後続気筒へ導入されるガスの温度を高めて圧縮自己着火可能な状態を確保することができる。
【００７８】
▲４▼上記各実施形態では、特殊運転モードとされる運転領域Ａの全域で、後続気筒を圧縮自己着火により燃焼させるようにしているが、特殊運転モードとされる運転領域Ａのうちの一部、例えば燃焼室内の温度、圧力が圧縮自己着火可能な状態に達しにくい極低速低負荷の領域では、後続気筒に対して所定の点火時期に点火プラグ７による点火を行わせ、強制点火により燃焼させるようにしてもよい。あるいはまた、エンジン温度が低いときに、後続気筒を強制点火により燃焼させるようにしてもよい。
【００７９】
▲５▼基本実施形態では弁停止機構を用いて２気筒接続状態と各気筒独立状態とに吸・排気流通状態を切換可能としているが、吸・排気通路及び気筒間ガス通路に開閉弁を設けてこれらの通路の開閉により２気筒接続状態と各気筒独立状態とに切換え得るようにしておいてもよい。
【００８０】
▲６▼本発明の装置は４気筒以外の多気筒エンジンにも適用可能である。そして、例えば６気筒等では１つの気筒の排気行程と別の気筒の吸気行程が完全に重なり合うことはないが、このような場合は、一方の気筒の排気行程が他方の気筒の吸気行程より先行するとともに、両行程が部分的に重なり合う２つの気筒を先行、後続の一対の気筒とすればよい。
【００８１】
【発明の効果】
以上のように本発明の制御装置によると、特殊運転モードとされた場合に、排気行程と吸気行程が重なる一対の気筒のうちの先行気筒ではリーン空燃比で燃焼を行わせ、後続気筒では先行気筒から導入されたリーン空燃比の既燃ガスに燃料を供給して、圧縮自己着火により燃焼を行わせるようにしているため、先行気筒ではリーン燃焼による熱効率向上およびポンピングロス低減により、また後続気筒では圧縮自己着火による燃焼効率の向上及びポンピングロス低減により、燃費を改善することができる。しかも、後続気筒における燃焼の際の空燃比が実質的に理論空燃比となるようにしているため、排気通路での排気ガスの浄化を三元触媒だけで充分に行うことでき、リーンＮＯｘ触媒が不要となる。
【００８２】
そして、特に本発明では、上記特殊運転モードとされる運転領域のうちの少なくとも一部の運転領域で、先行、後続の両気筒に対する燃料供給量を先行気筒の方が多くなるように制御することにより先行気筒の空燃比を理論空燃比の２倍より小さい値としているため、先行気筒から後続気筒へ導入されるガスの温度を高めて後続気筒での自己着火性を向上し、かつ、このガス中のＥＧＲに相当する既燃ガス成分の増大によりノッキングを抑制することができる。このため、圧縮自己着火領域を大幅に拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による制御装置を備えたエンジン全体の概略平面図である。
【図２】エンジン本体等の概略断面図である。
【図３】制御系統のブロック図である。
【図４】運転状態に応じた制御を行うための運転領域設定の一例を示す説明図である。
【図５】各気筒の排気行程、吸気行程、燃料噴射時期および点火時期等を示す図である。
【図６】低負荷低回転時の実質的な新気およびガスの流通経路を示す説明図である。
【図７】高負荷、高低回転側の運転領域にある時の実質的な新気およびガスの流通経路を示す説明図である。
【図８】運転状態に応じた制御を行うための運転領域設定についての第２の例を示す説明図である。
【図９】運転状態に応じた制御を行うための運転領域設定についての第３の例を示す説明図である。
【図１０】運転状態に応じた制御を行うための運転領域設定についての第４の例を示す説明図である。
【図１１】運転状態に応じた制御を行うための運転領域設定についての第５の例を示す説明図である。
【符号の説明】
１ エンジン本体
２Ａ〜２Ｄ 気筒
９ 燃料噴射弁
１１ 吸気ポート
１１ａ 第１吸気ポート
１１ｂ 第２吸気ポート
１２ 排気ポート
１２ａ 第１排気ポート
１２ｂ 第２排気ポート
１５ 吸気通路
２０ 排気通路
２２ 気筒間ガス通路
３５ 弁停止機構
４０ ＥＣＵ
４１ 運転状態判別手段
４２ 弁停止機構制御手段
４３ 吸入空気量制御手段
４４ 燃焼状態制御手段
Claims (10)
- 各気筒の燃焼サイクルが所定の位相差をもって行われるようになっている多気筒の火花点火式４サイクルエンジンにおいて、
エンジンの部分負荷域でエンジンの吸・排気及び燃焼状態についての制御モードを特殊運転モードとし、この特殊運転モードでは、排気行程と吸気行程が重なる一対の気筒間において排気行程にある先行気筒から排出される既燃ガスがそのまま吸気行程にある後続気筒に気筒間ガス通路を介して導入され、この後続気筒から排出されるガスが排気通路に導かれるような２気筒接続状態としつつ、先行気筒では空燃比が理論空燃比よりも大きいリーン空燃比で燃焼を行わせ、後続気筒では先行気筒から導入されたリーン空燃比の既燃ガスに燃料を供給して燃焼を行わせるようにした制御装置であって、
上記特殊運転モードとされる運転領域のうちの少なくとも一部の運転領域で、上記後続気筒における燃焼の際の空燃比が実質的に理論空燃比となるようにしつつ、先行、後続の両気筒に対する燃料供給量を先行気筒の方が多くなるように制御することにより先行気筒における燃焼の際の空燃比を理論空燃比の２倍より小さい値とするとともに、先行気筒では強制点火により燃焼を行わせ、後続気筒では圧縮自己着火により燃焼を行わせるように制御する燃焼状態制御手段を備えたことを特徴とする火花点火式４サイクルエンジンの制御装置。 - 上記特殊運転モードで後続気筒が圧縮自己着火とされる運転領域のうちの中速域では、先行気筒における燃焼の際の空燃比を理論空燃比の略２倍もしくはそれより大きい値とすることを特徴とする請求項１記載の火花点火式４サイクルエンジンの制御装置。
- 上記特殊運転モードで後続気筒が圧縮自己着火とされる運転領域のうちの中速域よりも低速側の運転域で、先行気筒における燃焼の際の空燃比を理論空燃比の２倍より小さい値とすることを特徴とする請求項２記載の火花点火式４サイクルエンジンの制御装置。
- 上記特殊運転モードで後続気筒が圧縮自己着火とされる運転領域のうちの中速域よりも高速側の運転域で、先行気筒における燃焼の際の空燃比を理論空燃比の２倍より小さい値とすることを特徴とする請求項２又は３記載の火花点火式４サイクルエンジンの制御装置。
- 上記特殊運転モードで後続気筒が圧縮自己着火とされる運転領域のうちの中負荷域では、先行気筒における燃焼の際の空燃比を理論空燃比の略２倍もしくはそれより大きい値とすることを特徴とする請求項１記載の火花点火式４サイクルエンジンの制御装置。
- 上記特殊運転モードで後続気筒が圧縮自己着火とされる運転領域のうちの中速・中負荷域では、先行気筒における燃焼の際の空燃比を理論空燃比の略２倍もしくはそれより大きい値とすることを特徴とする請求項１記載の火花点火式４サイクルエンジンの制御装置。
- 上記特殊運転モードで後続気筒が圧縮自己着火とされる運転領域において、低負荷側ほど、先行気筒における燃焼の際の空燃比を小さくすることを特徴とする請求項１記載の火花点火式４サイクルエンジンの制御装置。
- エンジン温度が低いときには、上記特殊運転モードで後続気筒が圧縮自己着火とされる運転領域の全域で、先行気筒における燃焼の際の空燃比を理論空燃比の２倍より小さい値とすることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の火花点火式４サイクルエンジンの制御装置。
- 各気筒の燃焼サイクルが所定の位相差をもって行われるようになっている多気筒の火花点火式４サイクルエンジンにおいて、
エンジンの部分負荷域でエンジンの吸・排気及び燃焼状態についての制御モードを特殊運転モードとし、この特殊運転モードでは、排気行程と吸気行程が重なる一対の気筒間において排気行程にある先行気筒から排出される既燃ガスがそのまま吸気行程にある後続気筒に気筒間ガス通路を介して導入され、この後続気筒から排出されるガスが排気通路に導かれるような２気筒接続状態としつつ、先行気筒では空燃比が理論空燃比よりも大きいリーン空燃比で燃焼を行わせ、後続気筒では先行気筒から導入されたリーン空燃比の既燃ガスに燃料を供給して燃焼を行わせるようにした制御装置であって、
上記特殊運転モードとされる運転領域のうちの少なくとも一部の領域で、上記後続気筒における燃焼の際の空燃比が実質的に理論空燃比となるようにしつつ、先行気筒における燃焼の際の空燃比を、理論空燃比より大きくてその２倍以下となる範囲で、エンジン回転数が低いほど小さくするように、先行、後続の両気筒に対する燃料供給量を制御するとともに、先行気筒では強制点火により燃焼を行わせ、後続気筒では圧縮自己着火により燃焼を行わせるように制御する燃焼状態制御手段を備えたことを特徴とする火花点火式４サイクルエンジンの制御装置。 - 上記特殊運転モードで後続気筒が圧縮自己着火とされる運転領域のうちの中速・中負荷域で、先行気筒における燃焼の際の空燃比を理論空燃比の略２倍もしくはそれより大きい値とし、この領域から低速低負荷側または高速高負荷側へ遠ざかるほど、先行気筒における燃焼の際の空燃比を小さくすることを特徴とする請求項８記載の火花点火式４サイクルエンジンの制御装置。
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