JP2005016360A

JP2005016360A - 火花点火式エンジンの制御装置

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Publication number: JP2005016360A
Application number: JP2003180275A
Authority: JP
Inventors: Mitsuo Hitomi; 光夫人見; Koji Asaumi; 皓二浅海; Hirokazu Matsuura; 弘和松浦; Hiroshi Inatomi; 洋稲富
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2003-06-24
Filing date: 2003-06-24
Publication date: 2005-01-20

Abstract

【課題】エンジンの圧縮自己着火を適正に行わせて燃費およびエミッション性の改善を図る。
【解決手段】特殊運転モードでは、先行気筒２Ａ，２Ｄから排出される既燃ガスが、気筒間ガス通路２２を介して吸気行程にある後続気筒２Ｂ，２Ｃに導入される２気筒接続状態としつつ、この後続気筒２Ｂ，２Ｃでは先行気筒２Ａ，２Ｄから導入された既燃ガスに燃料を供給して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おいて、上記特殊運転モードの燃焼が行われる部分負荷領域で、後続気筒２Ｂ，２Ｃが圧縮自己着火を生じにくい状態にあるか否かを判別し、圧縮自己着火を生じにくい状態にあると判別された場合には、着火アシスト手段４６により後続気筒２Ｂ，２Ｃの圧縮自己着火を促進するとともに、後続気筒２Ｂ，２Ｃが圧縮自己着火を生じ易い状態にある場合に比べて先行気筒２Ａ，２Ｄの空燃比をリーンに設定する。
【選択図】図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、火花点火式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およ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ようにしたエンジン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の改善を図る技術が知られており、例えば特許文献１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、低速低負荷領域等では上記燃料噴射弁から圧縮行程で燃料を噴射して成層燃焼を行わせることにより、燃費効率のよい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および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を吸着するとともに、酸素濃度の低下雰囲気でＮＯｘの離脱、還元を行うリーンＮＯｘ触媒を設けている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−２７４０８５号公報
【０００５】
【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、リーン運転中にＮＯｘ浄化性能を確保するために上記リーン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、ＮＯｘ吸着量の増大時に、ＮＯｘの離脱、還元を行うために空燃比を一時的にリッチ化する必要がある。さらに、使用燃料が硫黄分を多く含む場合には、上記リーンＮＯｘ触媒の硫黄被毒を解消するために触媒の加熱およ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という問題があった。
【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・高圧にして混合気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で一気に燃焼が行われるため、仕事に寄与しない遅い燃焼が避けられて燃費改善に有利となる。
【０００７】
しかし、通常の火花点火式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、圧縮上死点付近での燃焼室内の温度、圧縮自己着火を生じさせる程度まで圧力を高めることが困難であり、圧縮自己着火を行わせるために燃焼室内の温度または圧力を大幅に高め得るようにする格別の工夫が必要であるという問題があった。
【０００８】
そこで、本出願人は、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多気筒４サイクルエンジンにおいて、エンジンの部分負荷領域で、排気行程と吸気行程と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をそのまま吸気行程にある後続気筒に導入し、この後続気筒から排出されるガスを、三元触媒を備えた排気通路に導くようにするとともに、このような２気筒接続状態にあるときに、上記先行気筒において理論空燃比よりも所定量だけ大きいリーン空燃比とした状態で燃焼を行わせ、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理論空燃比とした状態で圧縮自己着火による燃焼を行わせるように燃焼状態等を制御（特殊運転モードという）する一方、高速領域や高負荷領域では、通常通り、各気筒において理論空燃比で燃焼を行わせるように燃焼状態等を制御（通常運転モードという）することを考えた（特願２００２−０２４５４８号）。
【０００９】
上記のように構成した場合には、特殊運転モードとされているときに、先行気筒でのリーン燃焼、各気筒におけるポンピングロスの低減等および後続気筒での圧縮自己着火の実現により大幅な燃費改善効果が得られ、しかも後続気筒から排出される理論空燃比の既燃ガスのみが三元触媒を備えた排気通路に導かれるため、三元触媒だけで充分に排気浄化性能が確保される。
【００１０】
ところで、上記の構成を有するエンジンにおいて、特殊運転モードの制御状態にある後続気筒で確実に圧縮自己着火を生じさせるためには、先行気筒に対する燃料噴射量を確保して後続気筒に導入される既燃ガスを高温状態とする必要がある。しかし、エンジン負荷が低く、各気筒に噴射される燃料の総噴射量が少ない運転状態にある場合に、先行気筒に対する燃料噴射量を多くすると、後続気筒に対する燃料噴射量が相対的に少なくなるために後続気筒を却って圧縮自己着火させることが困難になるという問題がある。
【００１１】
本発明は、このような事情に鑑み、エンジンの部分負荷領域で上記特殊運転モードとすることにより燃費およびエミッション性の改善を図るとともに、後続気筒の圧縮自己着火を適正に行わせることができる火花点火式エンジンを提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、複数の気筒を備えて、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構成するとともに、エンジンの部分負荷領域でエンジンの吸・排気およ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と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、気筒間ガス通路を介して吸気行程にある後続気筒に導入され、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、上記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、上記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火花点火式エンジンの制御装置であって、後続気筒の圧縮自己着火を促進する着火アシスト手段と、先行気筒の空燃比を制御する空燃比制御手段とを備え、上記特殊運転モードの燃焼が行われる部分負荷領域で、後続気筒が圧縮自己着火を生じにくい状態にあるか否かを判別し、圧縮自己着火を生じにくい状態にあると判別された場合には、上記着火アシスト手段により後続気筒の圧縮自己着火を促進するとともに、後続気筒が圧縮自己着火を生じ易い状態にある場合に比べて先行気筒の空燃比をリーンに設定するものである。
【００１３】
この構成によると、エンジンの部分負荷領域で上記特殊運転モードとされた場合に、先行気筒でのリーン燃焼による熱効率向上および各気筒でのポンピングロス低減等により燃費改善効果が得られる。そして、上記特殊運転モードの燃焼が行われる部分負荷領域において、後続気筒が圧縮自己着火を生じにくい運転状態にある場合には、上記着火アシスト手段により後続気筒の圧縮自己着火を促進する制御が適正に実行されるとともに、先行気筒の空燃比が圧縮自己着火し易い状態にある場合に比べてリーンに設定されることにより、エンジンの運転状態の如何に拘わらず、後続気筒を適正に圧縮自己着火させて顕著な燃費改善効果が得られるとともに、エミッション性の改善効果が得られることになる。
【００１４】
請求項２に係る発明は、上記請求項１に記載の火花点火式エンジンの制御装置において、着火アシスト手段を、圧縮上死点前の上死点近傍で後続気筒内の混合気を点火する火花点火制御手段により構成したものである。
【００１５】
上記構成によれば、特殊運転モードの燃焼が行われる部分負荷領域において、後続気筒が圧縮自己着火を生じにくい運転状態にある場合には、後続気筒の圧縮上死点前の上死点近傍で混合気を点火して気筒内圧力を瞬時に高める制御が実行されることにより、後続気筒が適正時期に圧縮自己着火することになる。
【００１６】
請求項３に係る発明は、上記請求項１または２に記載の火花点火式エンジンの制御装置において、特殊運転モードの燃焼が行われる部分負荷領域で、後続気筒が圧縮自己着火を生じにくい状態から圧縮自己着火を生じ易い状態への移行時に、先行気筒の空燃比を予め設定された量だけリッチ側に急変させるものである。
【００１７】
上記構成によれば、特殊運転モードの燃焼が行われる部分負荷領域で、エンジンの運転状態が変化して後続気筒が圧縮自己着火を生じにくい状態から圧縮自己着火を生じ易い状態に移行した場合には、この時点で先行気筒の空燃比を予め設定された量だけリッチ側に急変させる制御が実行されることにより、先行気筒から導出された高温の既燃ガスが後続気筒内に導入されるため、上記着火アシスト手段による圧縮自己着火の促進制御を実行することなく、後続気筒を圧縮自己着火させることが可能となる。
【００１８】
【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。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、シリンダヘッド１ａおよびシリンダブロック１ｂで構成された複数の気筒を有し、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。
【００１９】
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。
【００２０】
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、図略のニードル弁およ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４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。
【００２１】
また、各気筒２Ａ〜２Ｄの燃焼室４に対して吸気ポート１１、１１ａ，１１ｂおよび排気ポート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および排気弁３２、３２ａ，３２ｂにより開閉されるようになっている。
【００２２】
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構成され、４気筒エンジンの場合において、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６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７は４サイクル４気筒エンジンにおいて後に詳述するように特殊運転モードとされたときの各気筒の行程、燃料噴射時期、点火時期等を示すものであり、この図において、ＥＸは排気行程、ＩＮは吸気行程、Ｆは燃料噴射、Ｓは火花点火を表し、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。
【００２３】
排気行程と吸気行程とが重なる一対の気筒間には、排気行程と吸気行程と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サイクル４気筒エンジンでは、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（図６参照）、１番気筒２Ａと２番気筒２Ｂ、および、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および４番気筒２Ｄが先行気筒となるとともに、２番気筒２Ｂおよび３番気筒２Ｃが後続気筒となる。
【００２４】
各気筒の吸・排気ポートとこれに接続される吸気通路、排気通路およ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。先行気筒である１番気筒２Ａおよび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２０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および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２Ａ，２Ｄ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２０に送り出すための排気ポート１２とが配設されている。
【００２５】
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および第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および排気ポート１２が、燃焼室の右半部側に並列的に設けられている。
【００２６】
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１５ａ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。
【００２７】
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との間および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。
【００２８】
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Ｏ_２センサ２３が設けられている。さらにＯ_２センサ２３の下流の排気通路２０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およびＮＯｘに対して高い浄化性能を示す触媒である。また、上記Ｏ_２センサ２３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もので、特に理論空燃比付近で出力が急変するλＯ_２センサにより構成されている。
【００２９】
上記気筒間ガス通路２２には、排気ガス中における酸素濃度の変化（空燃比の変化）に対して出力がリニアに変化するリニアＯ_２センサ２５が設けられている。各気筒２Ａ〜２Ｄ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。
【００３０】
先行気筒２Ａ，２Ｄにおける吸気ポート１１、第１排気ポート１２ａおよび第２排気ポート１２ｂには、それぞれ吸気弁３１、第１排気弁３２ａおよび第２排気弁３２ｂが設けられ、また、後続気筒２Ｂ，２Ｃにおける第１吸気ポート１１ａ、第２吸気ポート１１ｂおよび排気ポート１２には、それぞれ第１吸気弁３１ａ、第２吸気弁３１ｂおよび排気弁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３４，３４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。
【００３１】
さらに、上記吸・排気弁のうちで第１吸気弁３１ａおよび第１排気弁３２ａの動弁機構には、各弁を作動状態から閉止状態に切り換える第１切換手段３５ａが設けられている。また、上記吸・排気弁のうちで第２吸気弁３１ｂおよび第２排気弁３２ｂの動弁機構には、各弁を閉止状態から作動状態に切り換える第２切換手段３５ｂが設けられている。これらの第２，第２切換手段３５ａ，３５ｂにより、吸・排気流通通路を後記の２気筒接続状態と、通常の各気筒独立状態とに切り換える切換機構が構成されている。
【００３２】
上記第１，第２切換手段３５ａ，３５ｂは、例えば図３に示すように、各吸・排気弁３１ａ〜３２ｂの上方に配設されたカムシャフト３４と、このカムシャフト３４と上記各弁３１ａ〜３２ｂとの間に配設されたロッカシャフト５５と、このロッカシャフト５５に支持された第１〜第３ロッカアーム５６〜５８とを有している。また、上記カムシャフト３４には、円形の外周面を有する弁停止用の第１カム５２と、弁駆動用の突部（カムノーズ）を有する第２，第３カム５３，５４とが一体に形成されている。この第２，第３カム５３，５４は、同一形状を有し、上記第１カム５２を挟むようにその左右に配設されている。
【００３３】
上記第１ロッカアーム５６は、第１カム５２に対応した位置に配設されるとともに、その先端部には各弁３１ａ〜３２ｂの弁軸上端に当接する当接部６０が設けられている。一方、上記第２，第３ロッカアーム５７，５８は、第１ロッカアーム５６を挟むようにその両側方に配設されるとともに、第１ロッカアーム５６とは切り離された状態で、図外の付勢手段により、それぞれ上記第２，第３カム５３，５４に圧接されるように付勢されている。
【００３４】
また、第２，第３ロッカアーム５７，５８は、上記第１ロッカアーム５６と連結可能に構成されている。具体的には、上記第２，第３ロッカアーム５７，５８に設けられたプランジャー（図示せず）が、後述する第１，第２作動油給排通路３６，３８から供給された作動油により駆動され、その先端部が上記第１ロッカアーム５６に形成された連結孔（図示せず）内に挿入される等により、上記第１ロッカアーム５６と第２，第３ロッカアーム５７，５８とが一体に連結された状態で揺動変位するようになっている。
【００３５】
すなわち、第１，第２作動油給排通路３６，３８に設けられた第１，第２コントロール弁３７，３９により上記第１，第２作動油給排通路３６，３８からの作動油の給排を制御して第１ロッカアーム５６と第２，第３ロッカアーム５７，５８とを一体に連結することにより、上記第２，第３カム５３，５４により駆動される第１，第２ロッカアーム５７，５８の駆動力が第１ロッカアーム５６に伝達されて各弁３１ａ〜３２ｂが開閉駆動されることになる。
【００３６】
一方、第１ロッカアーム５６と第２，第３ロッカアーム５７，５８との連結状態が解除されると、第２，第３ロッカアーム５７，５８から第１ロッカアーム５６への駆動力の伝達が遮断され、カムシャフト３４が回転しても第１ロッカアーム５６が揺動変位することなく、上記各弁３１ａ〜３２ｂが閉弁状態に維持されるようになっている。なお、上記第２，第３カム５３，５４のカムノーズを異なる形状とするとともに、第２，第３ロッカーアーム５７，５８の一方を選択的に第１ロッカーアーム５６に連結することにより、各弁３１ａ〜３２ｂの開弁期間を変化させるように構成してもよい。
【００３７】
図４は、エンジンの駆動、制御系統の構成を示している。この図の中に示すように、上記第１排気弁３２ａ用の第１切換手段３５ａと、第１吸気弁３１ａ用の第１切換手段３５ａ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が設けられ、また上記第２排気弁３２ｂ用の第２切換手段３５ｂと、第２吸気弁３１ｂ用の第２切換手段３５ｂ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が設けられている。
【００３８】
同図において、４０はマイクロコンピュータ等からなるエンジン制御用のＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）であり、このＥＣＵ４０には、エアフローセンサ１９、Ｏ_２センサ２３およびリニアＯ_２センサ２５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６１およびアクセル開度（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６２等からの信号も入力されている。また、このＥＣＵ４０から、各点火プラグ８および燃料噴射弁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３７，３９とに対して制御信号が出力されている。
【００３９】
上記ＥＣＵ４０は、運転状態判別手段４１、モード設定手段４２、切換機構制御手段４３、吸入空気量制御手段４４、燃料噴射制御手段４５および着火アシスト手段４６を備えている。
【００４０】
上記運転状態判別手段４１は、図５に示すように、エンジンの運転領域が低速低負荷側の領域Ａ（部分負荷領域）と、高速側ないし高負荷側の領域（全負荷領域）Ｂとに区画された制御用マップを有し、低速低負荷側の部分負荷領域Ａを特殊運転モード領域、高速側ないし高負荷側の全負荷領域Ｂを通常運転モード領域として設定し、上記回転数センサ６１およびアクセル開度センサ６２等からの信号により調べられるエンジンの運転状態（エンジン回転数およびエンジン負荷）が、上記領域Ａ，Ｂのいずれにあるかを判別するようになっている。さらに、上記特殊運転モード領域となる部分負荷領域Ａは、その中でもエンジンの回転速度および負荷が低い低負荷側領域Ａ１と、この低負荷側領域Ａ１よりもエンジン回転数および負荷が高い高負荷側領域Ａ２とに区画されている。
【００４１】
上記モード設定手段４２は、運転状態判別手段４１による判別に基づき、上記特殊運転モード領域Ａでは、排気行程にある先行気筒２Ａ，２Ｄ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２Ｂ，２Ｃに導入して燃焼させる特殊運転モードを選択し、上記通常運転モード領域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を選択するようになっている。
【００４２】
上記切換機構制御手段４３は、モード設定手段４２による運転モードの設定に応じ、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・排気流通経路を変更すべく第１，第２切換手段３５ａ，３５ｂを制御するもので、具体的には運転状態が領域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を制御して第１，第２切換手段３５ａ，３５ｂを作動させることにより、吸・排気弁を次のように制御する。
【００４３】

上記吸入空気量制御手段４４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、予め設定されたマップ等から運転状態に対応した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２Ｂ，２Ｃにおいて分岐吸気通路１６からの吸気導入が遮断された状態で先行気筒２Ａ，２Ｄ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理論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２Ａ，２Ｄに供給されるように、スロットル開度が調節される。
【００４４】
上記燃料噴射制御手段４５は、各気筒２Ａ〜２Ｄに設けられた燃料噴射弁９からの燃料噴射量およ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。そして、特に上記モード設定手段４２により設定される運転モードに応じ、燃料噴射量および噴射タイミングが変更される。
【００４５】
すなわち、特殊運転モードの制御が実行される部分負荷領域Ａでは、先行気筒２Ａ，２Ｄの空燃比が理論空燃比よりも大幅にリーンな空燃比、例えば理論空燃比の略２倍もしくはそれ以上となるように燃料噴射量を制御するとともに、圧縮行程で先行気筒２Ａ，２Ｄに燃料を噴射して混合気の成層化を行わせるように噴射時期を設定する。上記部分負荷領域Ａにおける先行気筒２Ａ，２Ｄの空燃比は、エンジン負荷が高くなるのに対応して空燃比Ａ／Ｆが低下し、エンジン負荷が高いほど先行気筒２Ａ，２Ｄの混合気がリッチ側に変化するように、先行気筒２Ａ，２Ｄに対する燃料噴射量が設定される。
【００４６】
また、図６に示すように、後続気筒２Ｂ，２Ｃが圧縮自己着火を生じにくい低負荷側領域Ａ１から圧縮自己着火を生じ易い高負荷側領域Ａ２への移行時点で、先行気筒２Ａ，２Ｄの空燃比Ａ／Ｆが、予め設定された量δだけリッチ側に急変するように設定されている。この低負荷側領域Ａ１から高負荷側領域Ａ２への移行時点で後続気筒２Ｂ，２Ｃを圧縮自己着火させ得る程度に空燃比を急変させるための上記設定量δは、エンジンの部分負荷領域Ａにおける高負荷側領域Ａ２で後続気筒２Ｂ，２Ａに高温の既燃ガスを導入させ、上記着火アシスト手段４６による圧縮自己着火を促進する制御を実行することなく、後続気筒２Ｂ，２Ｃを圧縮自己着火させ得る値に設定され、例えば上記の低負荷側領域Ａ１から高負荷側領域Ａ２への移行前の時点における空燃比Ａ／Ｆが３５であ場合に、移行後の空燃比Ａ／を２５程度に低下させるように上記設定量δが設定されるようになっている。
【００４７】
一方、後続気筒２Ｂ，２Ｃに対しては、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対して燃料を供給し、後続気筒２Ｂ，２Ｃでの燃焼の際に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、既燃ガスが多い状況下で着火、燃焼が可能なように噴射タイミングを設定する。例えば、先行気筒２Ａ，２Ｄから導入される既燃ガスの温度が充分に高く、後続気筒２Ｂ，２Ｃが圧縮行程で自己着火し得るような温度状態となる場合は、後続気筒２Ｂ，２Ｃの吸気行程で燃料を噴射することにより混合気を均一化するように噴射時期を設定する。
【００４８】
また、通常運転モードの制御が実行される全負荷領域Ｂでは、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、例えば通常運転モード領域Ｂのうち大部分の領域において理論空燃比とし、最大負荷領域およ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時期を設定する。
【００４９】
上記着火アシスト手段４６は、エンジンの運転領域が上記部分負荷領域Ａの低負荷側領域Ａ１にあって、後続気筒２Ｂ，２Ｃが圧縮自己着火しにくい状態にあることが上記運転状態判別手段４１において判別された場合に、後続気筒２Ｂ，２Ｃ内の混合気を、その圧縮上死点前における上死点の近傍で点火することにより、上記後続気筒２Ｂ，２Ｃで圧縮自己着火が行われるように促進する火花点火制御手段により構成されている。すなわち、後続気筒２Ｂ，２Ｃのピストン位置が圧縮上死点に近づいた時点で、点火プラグ７に点火指令信号を出力して混合気を点火することにより、点火プラグ７周りの圧力を急激に上昇させて混合気の圧縮自己着火を誘発させるようになっている。
【００５０】
以上のような当実施形態の装置の作用を、図７〜図９を参照しつつ説明する。上記低速低負荷側の部分領域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および第１吸気弁３１ａが停止状態、第２排気弁３２ｂおよび第２吸気弁３１ｂが作動状態とされることにより、実質的な新気およびガスの流通経路は図８に示すような２気筒接続状態とされ、先行気筒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から排出される既燃ガスのみが排気通路２０に導かれる。
【００５１】
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８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いリーン空燃比となるように燃料噴射量が制御されつつ、図７に示すように、圧縮行程で燃料噴射Ｆが実行され、かつ、所定時期に点火Ｓが行われることにより、先行気筒２Ａ，２Ｄが成層燃焼となる。
【００５２】
そして、先行気筒２Ａ，２Ｄの吸気行程と後続気筒２Ｂ，２Ｃの排気行程とが重なる期間に、先行気筒２Ａ，２Ｄから排出された既燃ガスが気筒間ガス通路２２を通って後続気筒２Ｂ，２Ｃに導入されるとともに（図７中の白抜き矢印および図８中の矢印ｂ）、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、Ｏ_２センサ２３の出力に基づいて燃料噴射量が制御されつつ、適当なタイミングで燃料が噴射されて燃焼が行われる。例えば、先行気筒２Ａ，２Ｄから導入される既燃ガスの温度が充分に高い場合、後続気筒２Ｂ，２Ｃにおいて吸気行程で燃料が噴射され、この燃料が均一に分散した状態で、圧縮行程の上死点付近において自己着火が生じ、この圧縮自己着火による燃焼が行われる（図７参照）。そして、後続気筒２Ｂ，２Ｃでの燃焼後の既燃ガスは、三元触媒２４を備えた排気通路２０に排出される（図８中の矢印ｃ）。
【００５３】
このように、先行気筒２Ａ，２Ｄではリーン空燃比での成層燃焼が行われることにより、熱効率が高められるとともにポンピングロスが低減され、これらの相乗効果で大幅に燃費が改善される。また、後続気筒２Ｂ，２Ｃでは、先行気筒から押出された既燃ガスが導入されるためポンピングロス低減効果が高められ、さらに、上記圧縮自己着火が行われる場合、略均一な混合気分布状態での同時多点自己着火により燃焼が急速に進行し、これによって熱効率が大幅に向上される。
これらの作用で後続気筒２Ｂ，２Ｃにおいても大幅な燃費の改善効果が得られる。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触媒を排気通路２０に設ける必要がなく、三元触媒２４を設けるだけで充分に排気浄化性能が確保されることになる。
【００５４】
また、先行気筒２Ａ，２Ｄでは、その空燃比が理論空燃比の略２倍もしくはそれ以上の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、後続気筒２Ｂ，２Ｃでは、先行気筒２Ａ，２Ｄからの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性の向上に有利となる。
【００５５】
一方、高負荷側ないし高回転側の全負荷領域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および第１吸気弁３１ａが作動状態、第２排気弁３２ｂおよび第２吸気弁３１ｂが停止状態とされることにより、実質的な新気およびガスの流通経路は図９に示すような各気筒独立状態とされ、実質的に各気筒２Ａ〜２Ｄの吸気ポート３１，３１ａおよび排気ポート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３２，３２ａから排気通路２０に既燃ガスが排出される。そして、この場合には各気筒の空燃比が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および燃料噴射量が制御されることにより、エンジンの出力性能が確保される。
【００５６】
このように、エンジンの運転領域によって上記特殊運転モードと通常運転モードとが選択され、低速低負荷側の部分負荷領域Ａにおける燃費およびエミッション性の改善効果が得られるとともに、高負荷側ないし高回転側の全負荷領域Ｂにおける出力性能の確保が図られることになる。
【００５７】
そして、上記特殊運転モードの燃焼が行われる部分負荷領域Ａでは、後続気筒２Ｂ，２Ｃが圧縮自己着火を生じにくい状態にあるか否か、つまり低負荷側領域Ａ１にあるか否かが判定され、エンジンの運転領域が上記低負荷側領域Ａ１にあって後続気筒２Ｂ，２Ｃが圧縮自己着火を生じにくい状態あることが確認された場合には、上記着火アシスト手段４６により後続気筒２Ｂ，２Ｃの圧縮自己着火を促進するとともに、後続気筒２Ｂ，２Ｃが圧縮自己着火を生じ易い状態にある場合に比べて先行気筒２Ａ，２Ｄの空燃比をリーンに設定する制御が実行される。これにより、後続気筒２Ｂ，２Ｃにおけるノッキングの発生を効果的に防止しつつ、後続気筒２Ｂ，２Ｃを適正に圧縮自己着火させることにより、効果的に燃費を改善およびエミッション性を改善できるという利点がある。
【００５８】
すなわち、先行気筒２Ａ，２Ｄから導出される既燃ガスの温度が比較的低いために、後続気筒２Ｂ，２Ｃが圧縮自己着火を生じにくい状態にある部分負荷領域Ａの低負荷側領域Ａ１では、上記着火アシスト手段４６により後続気筒２Ｂ，２Ｃ内の混合気を圧縮上死点前に点火して点火プラグ７周りの圧力を急上昇させるように構成したため、後続気筒２Ｂ，２Ｃを圧縮自己着火させることにより、後続気筒２Ｂ，２Ｃの燃焼室全体で混合気を急速に燃焼させて気筒内の圧力を急上昇させることができる。したがって、特殊運転モードの燃焼が行われる部分負荷領域Ａの低負荷側領域Ａ１で、熱効率を向上させて効果的に燃費を改善することができるとともに、上記後続気筒２Ｂ，２Ｃ内における酸素と窒素との反応を可及的に回避してＮＯｘの発生を充分に抑制することができる。
【００５９】
しかも、後続気筒２Ｂ，２Ｃが圧縮自己着火を生じにくい状態にある部分負荷領域Ａの低負荷側領域Ａ１では、後続気筒２Ｂ，２Ｃが圧縮自己着火を生じ易い状態にある高負荷側領域Ａ２に比べて先行気筒２Ａ，２Ｄの空燃比をリーンに設定するように構成したため、後続気筒２Ｂ，２Ｃに対する燃料噴射量を充分に確保することできる。したがって、上記部分負荷領域Ａの低負荷側領域Ａ１で、後続気筒２Ｂ，２Ｃへの燃料噴射量が少なくなることに起因した圧縮自己着火性の低下を効果的に防止することができる。
【００６０】
一方、上記部分負荷領域Ａにおける高負荷側領域Ａ２では、低負荷側領域Ａ１に比べ、先行気筒２Ａ，２Ｄの空燃比が相対的にリッチに設定されることにより、高温の既燃ガスが後続気筒２Ｂ，２Ｃに導入されるため、上記着火アシスト手段４６により後続気筒２Ｂ，２Ｃの圧縮自己着火を促進する制御を実行することなく、後続気筒２Ｂ，２Ｃを確実に圧縮自己着火させて効果的に燃費を改善することができるとともに、ＮＯｘの発生を充分に抑制することができる。
【００６１】
さらに、上記実施形態に示すように、特殊運転モードの燃焼が行われる部分負荷領域Ａの低負荷側領域Ａ１で、火花点火制御手段からなる着火アシスト手段５６により圧縮上死点前に後続気筒２Ｂ，２Ｃ内の混合気を点火して圧縮自己着火を促進するように構成した場合には、先行気筒２Ａ，２Ｄから導出される既燃ガスの温度が低いために後続気筒２Ｂ，２Ｃで圧縮自己着火を行わせることが困難な低負荷側領域Ａ１においても、簡単な構成で後続気筒２Ｂ，２Ｃを適正時期に確実に圧縮自己着火させて効果的に燃費を改善することができるとともに、ＮＯｘの発生を充分に抑制できるという利点がある。
【００６２】
さらに、上記実施形態に示すように、特殊運転モードの燃焼が行われる部分負荷領域Ａで、後続気筒２Ｂ，２Ｃが圧縮自己着火を生じにくい領域Ａ１から圧縮自己着火を生じ易い領域Ａ２に移行する際に、先行気筒２Ａ，２Ｄの空燃比を予め設定された量δだけリッチ側に急変させるように構成した場合には、上記部分負荷領域Ａ内において後続気筒２Ａが圧縮自己着火を生じ易い状態に移行した時点で、先行気筒２Ａ，２Ｄから導出される温度を急上昇させることができるため、上記着火アシスト手段４６による圧縮自己着火の促進制御を必要とすることなく、後続気筒２Ｂ，２Ｃを確実に圧縮自己着火させることができる。
【００６３】
しかも、上記部分負荷領域Ａの低負荷側領域Ａ１では、先行気筒２Ａ，２Ｄの空燃比を、例えば理論空燃比の３倍以上の超リーン空燃比として成層燃焼させることにより、顕著な燃費の改善効果を得ることができるとともに、ＮＯｘの発生を効果的に抑制することができる。なお、上記部分負荷領域Ａの低負荷側領域Ａ１で、先行気筒２Ａ，２Ｄの空燃比を超リーンの空燃比に設定すると、後続気筒２Ｂ，２Ｃに導入される既燃ガスの温度が大きく低下することになるが、このような場合に後続気筒２Ｂ，２Ｃの圧縮自己着火を促進して適正時期に圧縮自己着火させる制御が上記着火アシスト手段４６により実行されるため、後続気筒２Ｂ，２Ｃを確実に圧縮自己着火させて効果的に燃費を改善できるとともに、ＮＯｘの発生を充分に抑制できるという利点がある。
【００６４】
また、上記実施形態では、特殊運転モードにおいて後続気筒２Ｂ，２Ｃの空燃比を略理論空燃比とし、この理論空燃比で燃焼した排気ガスのみを後続気筒２Ｂ，２Ｃから排気通路２０に排出させるように構成したため、リーンＮＯｘ触媒を排気通路２０に設けることなく、三元触媒２４だけで充分に排気ガスの浄化性能を確保することができる。しかも、上記リーン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リッチ化を行う必要がなく、燃費改善効果の目減りを防止できるとともに、リーンＮＯｘ触媒が硫黄被毒するという問題が生じるのを防止できるという利点がある。
【００６５】
なお、上記実施形態では先行気筒２Ａ，２Ｄ、後続気筒２Ｂ，２Ｃのいずれに対しても燃料噴射弁９は燃焼室に直接燃料を噴射する直噴タイプとしているが、後続気筒２Ｂ，２Ｃに対する燃料噴射弁は必ずしも直噴タイプに限定されず、例えば吸気ポートおよび気筒間ガス通路に燃料噴射弁を設け、通常運転モードでは吸気ポートの燃料噴射弁を駆動し、特殊運転モードでは気筒間ガス通路の燃料噴射弁を駆動するようにしてもよい。また、上記吸・排気気弁を開閉駆動するソレノイドアクチュエータを備えた電磁動弁機構を設け、この電磁動弁機構の作動状態を制御することにより、上記２気筒接続状態と各気筒独立状態とに切り換えるように構成してもよい。
【００６６】
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。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したようには、本発明は、複数の気筒を備えて、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構成するとともに、エンジンの部分負荷領域でエンジンの吸・排気および燃焼状態についての制御モードを特殊運転モーとし、この特殊運転モードでは、排気行程と吸気行程と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、気筒間ガス通路を介して吸気行程にある後続気筒に導入され、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、上記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、上記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火花点火式エンジンの制御装置であって、後続気筒の圧縮自己着火を促進する着火アシスト手段と、先行気筒の空燃比を制御する空燃比制御手段とを備え、上記特殊運転モードの燃焼が行われる部分負荷領域で、後続気筒が圧縮自己着火を生じにくい状態にあるか否かを判別し、圧縮自己着火を生じにくい状態にあると判別された場合には、上記着火アシスト手段により後続気筒の圧縮自己着火を促進するとともに、後続気筒が圧縮自己着火を生じ易い状態にある場合に比べて先行気筒の空燃比をリーンに設定するように構成したため、エンジンの運転状態の如何に拘わらず後続気筒を確実に圧縮自己着火させることにより、後続気筒の燃焼室全体で混合気を急速に燃焼させて気筒内の圧力を急上昇させることにより、効果的に燃費を改善することができるとともに、上記後続気筒内における酸素と窒素との反応を可及的に回避してＮＯｘの発生を充分に抑制できる等の利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る火花点火式エンジンの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】動弁機構の切換手段の具体的構成を示す正面断面図である。
【図４】制御系統の具体的構成を示すブロック図である。
【図５】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６】先行気筒の空燃比とエンジン負荷との対応関係を示す特性図である。
【図７】特殊運転モードにあるときの、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８】特殊運転モードにあるとき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９】通常運転モードにあるとき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。
【符号の説明】
１エンジン本体
２Ａ〜２Ｄ気筒
９燃料噴射弁
２２気筒間ガス通路
３１ａ第１吸気弁（新気導入弁）
３１ｂ第２吸気弁（既燃ガス導入弁）
４０ＥＣＵ
４６着火アシスト手段

Claims

複数の気筒を備えて、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構成するとともに、エンジンの部分負荷領域でエンジンの吸・排気およ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と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、気筒間ガス通路を介して吸気行程にある後続気筒に導入され、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、上記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、上記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火花点火式エンジンの制御装置であって、後続気筒の圧縮自己着火を促進する着火アシスト手段と、先行気筒の空燃比を制御する空燃比制御手段とを備え、上記特殊運転モードの燃焼が行われる部分負荷領域で、後続気筒が圧縮自己着火を生じにくい状態にあるか否かを判別し、圧縮自己着火を生じにくい状態にあると判別された場合には、上記着火アシスト手段により後続気筒の圧縮自己着火を促進するとともに、後続気筒が圧縮自己着火を生じ易い状態にある場合に比べて先行気筒の空燃比をリーンに設定することを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置。
着火アシスト手段は、圧縮上死点前の上死点近傍で後続気筒内の混合気を点火する火花点火制御手段からなることを特徴とする請求項１に記載の火花点火式エンジンの制御装置。
特殊運転モードの燃焼が行われる部分負荷領域で、後続気筒が圧縮自己着火を生じにくい状態から圧縮自己着火を生じ易い状態への移行時に、先行気筒の空燃比を予め設定された量だけリッチ側に急変させることを特徴とする請求項１または２に記載の火花点火式エンジンの制御装置。