JP2005054669A

JP2005054669A - 火花点火式エンジン

Info

Publication number: JP2005054669A
Application number: JP2003286285A
Authority: JP
Inventors: Toshiro Nishimoto; 敏朗西本; Koji Asaumi; 皓二浅海; Hirokazu Matsuura; 弘和松浦; Taketoshi Yamauchi; 武俊山内
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2003-08-04
Filing date: 2003-08-04
Publication date: 2005-03-03

Abstract

【課題】２気筒接続で先行気筒においてリーン燃焼、後続気筒において均質燃焼を行わせることにより燃費改善を図り、特に、後続気筒でのガスと燃料噴霧とのミキシング性能および燃料の均質分散性を高め、燃焼性能を向上する。
【解決手段】エンジンの部分負荷領域で、２気筒接続状態としつつ、先行気筒２Ａ，２Ｄの空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン空燃比として燃焼を行わせ、この先行気筒２Ａ，２Ｄから後続気筒２Ｂ，２Ｃにリーン空燃比の既燃ガスを導入させて新たに供給された燃料とともに後続気筒２Ｂ，２Ｃで均質燃焼させるようにする。上記気筒間ガス通路２２の後続気筒側端部に位置するポート１１ｂをヘリカルポートとする一方、上記気筒間ガス通路２２の先行気筒側端部に位置するポート１２ｂをタンジェンシャルポートとする。
【選択図】図５

Description

本発明は、各気筒の燃焼サイクルが所定の位相差をもつように設定された多気筒の火花点火式エンジンに関するものである。

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、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、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（例えば、特許文献１参照）。

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のＮＯｘに対して充分な浄化性能が得られないため、特許文献１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、還元を行う所定容量のリーンＮＯｘ触媒を設けている。そして、上記リーン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には、例えば下記特許文献１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。

また、燃費改善のための別の手法として、例えば下記特許文献２に示されるように、燃焼室内に多量の既燃ガスを残留させることにより、圧縮行程の終期にディーゼルエンジンと同様に燃焼室内を高温・高圧にして混合気を自己着火（圧縮自己着火）させることが行われており、このような圧縮自己着火が行われると、燃焼室内全体で一気に燃焼が発生するため、仕事に寄与しない遅い燃焼となることが避けられて燃費改善に有利となるとともに、燃焼室内の温度が局部的に高くなるのを防止してＮＯｘの発生を抑制することが可能である。
特開平１０−２９８３６号公報特開２００１−１５２９１９号公報

上記特許文献１に示される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浄化性能を確保するために、上記リーンＮＯｘ触媒を排気通路に設ける必要があり、コスト的に不利である。また、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吸着量の増大時にＮＯｘを離脱させて還元するため、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、触媒の加熱処理および還元材の供給等からなる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ことが避けられない。しかも、混合気の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。

一方、上記特許文献２に示されるように、通常の火花点火式ガソリンエンジンにおいて、燃費の改善効果およびＮＯｘの抑制効果を得るために圧縮自己着火を行わせるように構成した場合には、その圧縮上死点付近での燃焼室内の温度または圧力を大幅に高めて圧縮自己着火の環境が得られるようにする格別の工夫が必要であり、従来では広い運転領域にわたって良好に圧縮自己着火が行われる環境を得ることが困難である等の問題があった。

このため、本願出願人は、吸気、圧縮、膨張および排気の各行程からなるサイクルを行う多気筒エンジンにおいて、少なくとも低負荷低回転側の部分負荷領域で、排気行程と吸気行程が重なる一対の気筒間で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し、この後続気筒から排出されるガスを、三元触媒が設けられた排気通路に導く２気筒接続状態とすることにより、先行気筒では理論空燃比よりも大幅なリーン空燃比とした状態で燃焼を行わせるとともに、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燃焼を行わせる制御装置を開発した（特願２００２−０２４５４８号）。

上記構成によれば、少なくともエンジンの低負荷低回転域において、先行気筒ではリーン空燃比での燃焼が行われ、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ることにより顕著な燃費改善効果が得られ、また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が供給されて理論空燃比とされた状態で燃焼が行われることにより、ポンピングロス低減による燃費効果が得られる。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、リーンＮＯｘ触媒も不要となる。さらに、上記のように２気筒接続状態とすることにより、後続気筒には先行気筒から高温の既燃ガスが導入されるので、圧縮行程後期に後続気筒の燃焼室内を高温、高圧として圧縮自己着火を行わせることができ、燃費改善に一層有利となる。

ところで、上記のように先行気筒から排出される既燃ガスを後続気筒に導く２気筒接続状態とする場合、後続気筒では多量のＥＧＲが導入されるのと同等の状態で燃焼が行われるので、燃料を燃焼室全体に均質に分散させて燃焼性を高める必要があり、後続気筒に導入されるガスと燃料噴霧とのミキシング性能および均質分散性を高めることが要求される。

本発明は以上のような課題を考慮してなされたものであり、上記２気筒接続で先行気筒においてリーン燃焼、後続気筒において均質燃焼を行わせることにより燃費改善を図り、特に、後続気筒でのガスと燃料噴霧とのミキシング性能および燃料の均質分散性を高め、燃焼性能を向上することができる火花点火式エンジンを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、各気筒の燃焼サイクルが所定の位相差をもつように設定された多気筒の火花点火式エンジンにおいて、エンジンの所定運転領域で、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既燃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、先行気筒の空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン空燃比として燃焼を行わせ、この先行気筒から後続気筒にリーン空燃比の既燃ガスを導入させて新たに供給された燃料とともに後続気筒で均質燃焼させる特殊運転モードの制御を実行するようにした火花点火式エンジンであって、上記気筒間ガス通路の後続気筒側端部をヘリカルポートとする一方、上記気筒間ガス通路の先行気筒側端部をタンジェンシャルポートとしたものである。

この発明において、上記特殊運転モードの制御を実行するときに、上記後続気筒で圧縮自己着火による燃焼を行わせることが好ましい。

上記特殊運転モードの制御はエンジンの部分負荷域で行うようにし、一方、エンジンの高負荷域では、各気筒にそれぞれ新気が導入され各気筒からそれぞれ排出されるガスが排気通路に導かれる各気筒独立状態としつつ、各気筒においてそれぞれ燃焼を行わせる通常運転モードの制御を実行するようにしておけばよい。

好ましくは、エンジン回転数が所定回転数以下の低回転側領域における部分負荷領域で上記特殊運転モードの制御を実行するようにし、上記気筒間ガス通路の先行気筒側端部にガス導出弁、後続気筒側端部にガス導入弁をそれぞれ設け、かつ、排気通路に通じる各気筒の排気ポートに排気弁を設け、上記ガス導出弁、ガス導入弁および排気弁を略同一径のポペット弁で形成し、これらの弁に対してそれぞれ閉弁方向に付勢するバルブスプリングを設けるともに、上記ガス導出弁および上記ガス導入弁の各バルブスプリングのばね定数を上記排気弁のバルブスプリングのバネ定数よりも小さくする。

さらに、上記ガス導入弁のバルブスプリングのセット荷重を上記ガス導出弁のバルブスプリングのセット荷重よりも大きくすることが好ましい。

本発明のエンジンによると、上記特殊モードの制御が行われるときに、上記２気筒接続状態とされつつ先行気筒ではリーン空燃比で燃焼が行われ、後続気筒では先行気筒から導かれた既燃ガスと新たに供給された燃料とが混合されて均質燃焼が行われる。こうして、リーン空燃比による熱効率の向上およびポンピングロス低減等により燃費が改善される。

そして、気筒間ガス通路の先行気筒側端部がタンジェンシャルポートとされることにより先行気筒から気筒間ガス通路への既燃ガスの流出はスムーズに行われつつ、気筒間ガス通路の後続気筒側端部がヘリカルポートとされていることにより後続気筒に導入される既燃ガスで後続気筒内に強いスワールが生成されるため、後続気筒でのガスと燃料噴霧とのミキシング性能および燃料の均質分散性を高め、燃焼性能を向上することができる。

とくに、上記後続気筒での燃焼を圧縮自己着火により行わせるようにすれば、燃費改善に一層有利となる。この場合に、上記のように気筒間ガス通路の後続気筒側端部がヘリカルポートとされていることにより後続気筒でのガスと燃料噴霧とのミキシング性能および燃料の均質分散性が高められるため、広い運転領域にわたって良好に圧縮自己着火が行われる環境を得ることができ、圧縮自己着火を行う運転領域を拡大することができる。

また、部分負荷域で上記特殊運転モードとされる一方、高負荷域で上記通常運転モードとされると、部分負荷域では先行気筒からの既燃ガスが上記気筒間ガス通路のヘリカルポートを通って後続気筒に流入することで燃焼性能が向上されるが、高負荷域では、各気筒独立状態とされることにより、新気が上記ヘリカルポートとは別個の吸気ポートから気筒内に導入されることとなって、ヘリカルポートによる吸気抵抗の増大を招くことがなく、高負荷域で要求される充填効率を確保することができる。

また、上記低回転領域における部分負荷領域で上記特殊運転モードの制御を実行する場合に、通常運転モードで作動される排気弁は高速域でのバルブ動作性能を満足するようにバルブスプリングのバネ定数を比較的大きく設定する必要があるが、特殊運転モードのときに気筒間ガス通路を開閉する上記ガス導出弁およびガス導入弁は低回転域でのバルブ動作性能を満足すればよいので、これらの弁に対するバルブスプリングのバネ定数は比較的小さくすることができ、こうすることにより、バルブ駆動抵抗が小さくなり、燃費低減に寄与する。

このようにする場合に、上記ガス導入弁のバルブスプリングのセット荷重を上記ガス導出弁のバルブスプリングのセット荷重よりも大きくしておけば、上記特殊運転モードの制御を行っているときに、上記ガス導入弁に作用する気筒間ガス通路内のガス圧でガス導入弁が所定開弁時期より前に不正常に開いてしまうことを防止することができる。

図１は、本発明が適用され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。各気筒２Ａ〜２Ｄ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。

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、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。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、かつ圧縮行程における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。

なお、先行気筒と後続気筒とでは、それぞれに設けられる燃料噴射弁９の構造を異ならせておくことが好ましい。例えば、先行気筒２Ａ，２Ｄに設けられる燃料噴射弁９としては成層燃焼に適するように狭角インジェクタ９ａが用いられ（図４参照）、後続気筒２Ｂ，２Ｃに設けられる燃料噴射弁９としては均質燃焼に適するように広角インジェクタ９ｂが用いられる（図３参照）。そして、狭角インジェクタ９ａからは先行気筒２Ａ，２Ｄの燃焼室４の上方寄りの方向へ噴射され、すなわち点火プラグ７の付近に噴霧が成層化するように噴射される。一方、広角インジェクタ９ｂからは噴霧が燃焼室４全体に広く拡散するように噴射される。

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。

そして、各気筒が所定の位相差をもって吸気、圧縮、膨張および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１０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１０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着火が行われることを表している。

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）に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１０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、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、２番気筒２Ｂおよび３番気筒２Ｃが後続気筒となる。

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１２とが配設されている。

図１に示す例では、先行気筒２Ａ，２Ｄにおける吸気ポート１１および後続気筒２Ｂ，２Ｃにおける第１吸気ポート１１ａが、１気筒当り２個ずつ、燃焼室の一方側半部に並列的に設けられている。また、先行気筒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ならびに後続気筒２Ｂ，２Ｃにおける第２吸気ポート１１ｂおよび排気ポート１２が、燃焼室の他方側半部に並列的に設けられている。すなわち、後続気筒２Ｂ，２Ｃの他方側半部には、後述するように排気ポート１２を開閉する排気弁３２と、第２吸気ポート１１ｂを開閉するガス導入弁３１ｂとが相隣接して配設されている。

先行気筒２Ａ，２Ｄにおける吸気ポート１１および後続気筒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。

先行気筒２Ａ，２Ｄにおける第１排気ポート１２ａおよび後続気筒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の上流端部が接続されている。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との間には、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の上流端部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の下流端部が接続されている。

上記気筒間ガス通路２２の下流端部（後続気筒側端部）に位置する後続気筒２Ｂ，２Ｃの第２吸気ポート１１ｂは、ヘリカルポートとなっている。つまり、図３および図５に示すように、第２吸気ポート１１ｂは、開口部近傍のスロート部がヘリカル状に湾曲した形状とされることにより、このヘリカル状のスロート部を通って燃焼室４内に流入するガスが燃焼室４内に強いスワールＳを生成するようになっている。

一方、上記気筒間ガス通路２２の上流端部（先行気筒側端部）に位置する先行気筒２Ａ，２Ｄの第２排気ポート１２ｂは、タンジェンシャルポートとなっている。つまり、この第２排気ポート１２ｂは、側方から見ると図４に示すように斜め上方から燃焼室４に向けて緩やかに湾曲し、燃焼室４の略シリンダ軸線方向に開口するように形成されており、平面視では図５に示すように略ストレートに延びている。このような形状とされることにより、燃焼室４から気筒間ガス通路２２へスムーズに導出されて、第２排気ポート１２ｂでの流通抵抗が極力小さくなるように形成されている。なお、吸気ポート１１、第１排気ポート１２ａ、第１吸気ポート１１ａおよび排気ポート１２もタンジェンシャルポートとなっている。

上記気筒間ガス通路２２には、酸素濃度に応じて出力がリニアに変化するリニアＯ₂センサ２５が設けられており、その出力に基づいて所定のリーン空燃比とされる先行気筒２Ａ，２Ｄに対する燃料噴射量がフィードバック制御されるようになっている。

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。Ｏ₂センサ２３は、理論空燃比付近で出力が急変するλＯ₂センサであり、このＯ₂センサ２３の出力に基づいて後続気筒２Ｂ，２Ｃ（各気筒独立状態のときは先行気筒２Ａ，２Ｄを含む）に対する燃料噴射量がフィードバック制御されるように構成されている。さらに、上記Ｏ₂センサ２３の下流の排気通路２０には、排気浄化用の三元触媒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。

各気筒の吸・排気ポートを開閉する各弁とこれらに対する動弁機構は、次のようになっている。

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、排気弁３２ａおよびガス導出弁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にはそれぞれ吸気弁３１ａ、ガス導入弁３１ｂおよび排気弁３２が設けられている。

上記各弁３１，３２ａ，３２ｂ，３１ａ，３１ｂ，３２は、それぞれバルブスプリングにより閉弁方向に付勢されたポペット弁からなり、各気筒が吸気行程または排気行程にあるときにカムシャフト３３，３４に設けられた駆動カムにより押し下げられて開放状態となる。ガス導入弁３１ｂ、ガス導出弁３２ｂおよび排気弁３２，３２ａを構成するポペット弁の弁径は同一径に設定されている。

上記吸気弁３１，３１ａおよび排気弁３２，３２ａに対して設けられたバルブスプリング５１は、後述の通常運転モードの制御が行われる高速域でのバルブ動作性能を満足するようにバネ定数が比較的大きく設定されているが、ガス導出弁３２ｂに対して設けられたバルブスプリング５２およびガス導入弁３１ｂに対して設けられたバルブスプリング５３は、バネ定数がバルブスプリング５１と比べて小さく、後述の特殊運転モードの制御が行われる低速域でのバルブ動作性能を満足し得る程度に設定されている。具体的には、図６（ａ），（ｂ）に示すように、バルブスプリング５２，５３はバルブスプリング５１と比べて線径が細くされることにより、バネ定数が小さくされている。

また、ガス導入弁３１ｂに対して設けられたバルブスプリング５３のセット荷重（ガス導入弁３１ｂの閉止状態におけるバルブスプリングの付勢力）は、ガス導出弁３２ｂに対して設けられたバルブスプリング５２のセット荷重よりも高い値に設定されている。例えば、バルブスプリング５３はバルブスプリング５２と比べ、自由長が長くされることにより、一定長に圧縮したセット状態での付勢力が大きくなるように設定されている。

さらに、上記各弁のうちで排気弁３２ａ、ガス導出弁３２ｂ、吸気弁３１ａおよびガス導入弁３１ｂに対しては、これらの弁を作動状態と停止状態とに切り換える弁停止機構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から弁への動力の伝達が遮断されて弁が停止されるように構成されたものである。

後続気筒２Ｂ，２Ｃ側の吸気弁３１ａおよび先行気筒２Ａ，２Ｄ側の排気弁３２ａの弁停止機構３５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が設けられており、ガス導入弁３１ｂおよびガス導出弁３２ｂの弁停止機構３５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（図７参照）。

図７は、当実施形態における駆動、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、Ｏ₂センサ２３およびリニアＯ₂センサ２５からの信号が入力されるとともに、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とアクセル開度（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とからの信号が入力されるようになっている。このＥＣＵ４０から、点火回路８、各燃料噴射弁９、多連スロットル弁１７のアクチュエータ１８、第１，第２のコントロール弁３７，３９に対して制御信号が出力されるように構成されている。

上記ＥＣＵ４０は、少なくともエンジンの低負荷低回転側の部分負荷領域で、ガス流通経路を２気筒接続状態としつつ、燃焼を行わせる制御手段を構成するものであり、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、燃料噴射制御手段４５および点火制御手段４６を備えている。

運転状態判別手段４１は、回転数センサ４７およびアクセル開度センサ４８等から出力された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）の検出信号に基づき、運転状態が図４に示すような低負荷低回転側の領域Ａ（部分負荷領域）と、高負荷側ないし高回転側の領域Ｂとを判別し、所定の条件下（たとえばエンジンが完全に暖機された状態）で、エンジンが低負荷低回転側の領域Ａにある場合に２気筒接続状態とする特殊運転モードでの燃焼制御を選択し、高負荷側ないし高回転側の領域Ｂにある場合には各気筒独立状態とする通常運転モードでの燃焼制御を選択するように構成されている。

弁停止機構制御手段４２は、上記運転状態判別手段４１による特殊運転モードか通常運転モードかの判別結果に応じ、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。

特殊運転モード：先行気筒排気弁３２ａおよび後続気筒吸気弁３１ａを停止状態
ガス導出弁３２ｂおよびガス導入弁３１ｂを作動状態
通常運転モード：先行気筒排気弁３２ａおよび後続気筒吸気弁３１ａを作動状態
ガス導出弁３２ｂおよびガス導入弁３１ｂを停止状態
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、特殊運転モードでは、後述のように後続気筒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理論空燃比（以下これを実質的な理論空燃比という）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。

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し、また、点火制御手段４６は、運転状態に応じた点火時期の制御および点火停止等の制御を行う。そして、特に運転状態が特殊運転モードである場合と通常運転モードである場合とで燃料噴射および点火の制御状態が変更されるようになっている。

すなわち、特殊運転モードとされる低負荷低回転側の領域Ａでは、先行気筒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、好ましくは理論空燃比の略２倍もしくはそれ以上とするように燃料噴射量が制御されるとともに、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が設定され、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が設定される。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が供給され、実質的な理論空燃比となるように燃料噴射量が制御され、かつ、吸気行程で燃料を噴射するように噴射タイミングが設定されるとともに、運転状態に応じて圧縮自己着火または強制点火による燃焼が行われるようになっている。

また、高負荷側ないし高回転側の領域Ｂにある場合には、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て通常運転モードの燃焼制御が実行され、例えば通常運転モードにおける大部分の領域で理論空燃比とし、最高負荷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制御が実行される。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で強制点火を行わせるように制御される。

図９は特殊運転モードのときの先行気筒２Ａ，２Ｄの吸気弁３１およびガス導出弁３２ｂと後続気筒２Ｂ，２Ｃのガス導入弁３１ｂおよび排気弁３２の各作動タイミングの一例を示している。この図に示す例では、上記ガス導入弁３１ｂの開弁時期α１が、後続気筒２Ｂ，２Ｃの排気上死点ＴＤＣないしその近傍に設定されるとともに、上記ガス導出弁３２ｂの開弁時期β１が、後続気筒２Ｂ，２Ｃの排気上死点ＴＤＣよりも所定のクランク角度（ＣＡ）、例えば５０°ＣＡだけ前に設定されることにより、特殊運転モードの制御時における上記ガス導入弁３１ｂの開弁時期α１がガス導出弁３２ｂの開弁時期β１よりも遅い時期に設定されている。

一方、後続気筒２Ｂ，２Ｃに設けられた排気弁３２の閉弁時期γ２が、後続気筒２Ｂ，２Ｃの排気上死点ＴＤＣまたはその近傍、例えば排気上死点ＴＤＣ後の４°ＣＡ程度の時期に設定され、後続気筒２Ｂ，２Ｃの燃焼室に相隣接して設けられた上記排気弁３２とガス導入弁３１ｂとのオーバラップ期間ＯＲがクランク角度で５°ＣＡ以内に設定されることにより、上記排気弁３２とガス導入弁３１ｂとが実質的にオーバラップ状態となる期間が略０となるように構成されている。

また、上記ガス導出弁３２ｂの閉弁時期β２が、先行気筒２Ａ，２Ｄの排気上死点ＴＤＣないしその近傍に設定されるとともに、上記ガス導入弁３１ｂの閉弁時期α２が、先行気筒２Ａ，２Ｄの排気上死点ＴＤＣよりも所定のクランク角度、例えば５４°ＣＡだけ後に設定されることにより、特殊運転モードの制御時における上記ガス導入弁３１ｂの閉弁時期α２がガス導出弁３２ｂの閉弁時期β２よりも遅い時期に設定されている。

なお、上記の具体的数値で示した開弁時期および閉弁時期は、バルブリフト量が０．４ｍｍの時点をもって定義したものである。

以上のような当実施形態の装置の作用を、図１０〜図１２を参照しつつ説明する。

特殊運転モードでは、前述のように先行気筒２Ａ，２Ｄの排気弁３２ａおよび後続気筒２Ｂ，２Ｃの吸気弁３１ａが停止状態、気筒間ガス通路２２の上流端部に設けられたガス導出弁３２ｂおよび気筒間ガス通路２２の下流端部に設けられたガス導入弁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が、図１１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から排出される排気ガスのみが排気通路２０に導かれることになる。

上記２気筒接続状態において、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１１中の矢印ａ）、先行気筒２Ａ，２ＤではリニアＯ₂センサ２５によって検出される空燃比が理論空燃比の略２倍ないしそれ以上の超リーン空燃比となるように燃料噴射量がフィードバック制御されつつ、圧縮行程で燃料が噴射され、かつ所定の点火時期に点火が行われることにより、超リーン空燃比での成層燃焼が行われる（図１０参照）。

なお、本発明の実施形態では、先行気筒２Ａ，２Ｄの空燃比制御の精度を高めるために、気筒間ガス通路２２にリニアＯ₂センサ２５を設けて先行気筒２Ａ，２Ｄの燃料噴射量をフィードバック制御しているが、上記リニアＯ₂センサ２５はなくてもよい。すなわち、先行気筒２Ａ，２Ｄの燃料噴射量は、エアフローセンサ１９、Ｏ₂センサ２３、回転数センサ４７、アクセル開度センサ４８、ＥＣＵ４０から、エンジンの運転状態に応じて予め設定された空燃比となるように、吸入空気量に対応する先行気筒２Ａ，２Ｄの燃料噴射量を決定し（オープン制御）、後続気筒２Ｂ，２Ｃにおいては、Ｏ₂センサ２３の出力に基づいて、理論空燃比となるように燃料の噴射量をフィードバック制御してもよい。さらに、Ｏ₂センサ２３の出力に基づいて、先行気筒２Ａ，２Ｄと後続気筒２Ｂ，２Ｃの双方の燃料噴射量を決定してもよい。

その後、先行気筒２Ａ，２Ｄの吸気行程と後続気筒２Ｂ，２Ｃの排気行程が一致する期間に、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１０中の白抜き矢印および図１１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、実質的な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、均質燃焼が行われる。

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上記気筒間ガス通路２２を介して後続気筒２Ｂ，２Ｃに導入されるように構成したため、後続気筒２Ｂ，２Ｃでは吸気行程で燃焼室内の温度を効果的に上昇させることができるとともに、この状態から、さらに圧縮行程で圧力および温度を上昇させることにより、圧縮行程の上死点付近で混合気を充分に圧縮自己着火させ得る程度まで燃焼室内の温度を上昇させることができる。しかも、上記先行気筒２Ａ，２Ｄから導出された既燃ガスが後続気筒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するとともに、吸気行程で後続気筒２Ｂ，２Ｃに噴射された燃料も圧縮行程終期までの間に燃焼室内全体に分散するので、理想的な同時圧縮着火の条件を満たすような混合気の分布状態が得られる。

したがって、後続気筒２Ｂ，２Ｃでは、多量のＥＧＲガス相当の既燃ガス成分を含み、かつ、空燃比がリーンであるという条件下であっても、同時圧縮着火により燃焼が急速に行われる等より、エンジンの熱効率が大幅に向上されることとなる。

とくに、気筒間ガス通路２２の先行気筒側端部に位置する第２排気ポート１２ｂがタンジェンシャルポートとされることにより、先行気筒２Ａ，２Ｄから気筒間ガス通路２２への既燃ガスの流出はスムーズに行われつつ、気筒間ガス通路２２の後続気筒側端部に位置する第２吸気ポート１１ｂがヘリカルポートとされていることにより、後続気筒２Ｂ，２Ｃに導入される既燃ガスで後続気筒内に強いスワールが生成されるため、後続気筒でのガスと燃料噴霧とのミキシング性能および燃料の均質分散性が高められる。このため、広い運転領域にわたって良好に圧縮自己着火が行われる環境を得ることができ、圧縮自己着火を行う運転領域を拡大することができる。

このように、先行気筒２Ａ，２Ｄでは超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ポンピングロスが低減され、かつ後続気筒２Ｂ，２Ｃでは、先行気筒２Ａ，２Ｄと同様にポンピングロス低減効果が得られるとともに、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ため、これらの作用により、燃費が大幅に改善されることとなる。さらに、上記後続気筒２Ｂ，２Ｃでの圧縮自己着火が先行気筒２Ａ，２Ｄから導出される既燃ガスの温度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等の構成を採用することなく、広い運転範囲に亘って圧縮自己着火を行わせることができる。

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の向上に有利となる。

また、特殊運転モードの制御時にガス導出弁３２ｂ、ガス導入弁３１ｂ等の作動タイミングが図９に示すように設定されていることにより、ガスの流動等が良好に行われる。

すなわち、上記ガス導入弁３１ｂの開弁時期α１がガス導出弁３２ｂの開弁時期β１よりも遅い時期に設定されて、後続気筒２Ｂ，２Ｃの排気上死点近傍で閉弁状態となる排気弁３２と上記ガス導入弁３１ｂとのオーバラップ期間ＯＲが短くされることにより、上記気筒間ガス通路２２から後続気筒２Ｂ，２Ｃ内に導入された上記既燃ガスが排気ポート１２を介して排気通路２０側に吹き抜けることが防止され、後続気筒２Ｂ，２Ｃにおける燃焼性が確保される。しかも、気筒間ガス通路２２の上流端部に設けられたガス導出弁３２ｂが早期に開放されることにより、先行気筒２Ａ，２Ｄから気筒間ガス通路２２内に既燃ガスがスムーズに流動される。

さらに、上記ガス導入弁３１ｂの閉弁時期α２がガス導出弁３２ｂの閉弁時期β２よりも遅い時期に設定され、上記ガス導入弁３１ｂが相対的に遅閉じ状態となっているため、先行気筒２Ａ，２Ｄから排出される既燃ガスが後続気筒２Ｂ，２Ｃに気筒間ガス通路２２を介して導入される際に、大きな流動損失が生じることが防止され、後続気筒２Ｂ，２Ｃに対する上記既燃ガスの導入量が充分に確保されて後続気筒２Ｂ，２Ｃの自己着火性能が高められる。しかも、ガス導出弁３２ｂが相対的に早閉じ状態とされることにより、先行気筒２Ａ，２Ｄの内部ＥＧＲ量が増大することが防止されて、先行気筒２Ａ，２Ｄに対する新気の導入量が充分に確保される。したがって、先行気筒２Ａ，２Ｄにおける燃焼性が高められる。

ところで、上記ガス導出弁３２ｂおよびガス導入弁３１ｂは、特殊運転モードとされる低負荷低回転側の領域Ａでのみ作動され、高負荷側ないし高回転側の領域Ｂでは停止されるため、上記ガス導出弁３２ｂおよびガス導入弁３１ｂに対するバルブスプリング５２，５３のばね定数は低回転側の領域でのバルブ作動性能を満足し得る程度に比較的小さく設定しておけばよい。そして、このようにバルブスプリング５２，５３のばね定数を小さくすることにより、バルブ駆動抵抗が小さくなり、燃費低減効果が高められる。

また、ガス導入弁３１ｂに対するバルブスプリング５３のセット荷重がガス導出弁３２ｂに対するバルブスプリング５３のセット荷重よりも大きく設定されていることにより、ガス導入弁３１ｂの不正規な作動が防止される。つまり、ガス導入弁３１ｂには気筒間ガス２２から高圧の既燃ガスの圧力が作用し、特に前述のようにガス導入弁３１ｂの開弁時期がガス導出弁３２ｂの開弁時期より遅く設定されている場合、ガス導入弁３１ｂの開弁前に先行気筒２Ａ，２Ｄから気筒間ガス通路２２に導出された高圧の既燃ガスの圧力がガス導入弁３１ｂに作用するが、このガス導入弁３１ｂに対するバルブスプリング５３のセット荷重が比較的大きく設定されていることにより、上記既燃ガスの圧力によってガス導入弁３１ｂが設定開弁時期より前に不正規に開いてしまうことが確実の防止され、後続気筒２Ｂ，２Ｃ内に既燃ガスが早期に導入されることに起因した既燃ガスの吹き抜けが防止されることとなる。

一方、高負荷側ないし高回転側の領域Ｂでは、前述のように第１排気弁３２ａおよび第１吸気弁３１ａが作動状態とされるとともに、ガス導出弁３２ｂおよびガス導入弁３１ｂが停止状態とされることにより、実質的な新気および既燃ガスの流通経路は図１２に示すようになり、各気筒２Ａ〜２Ｄの吸気ポート１１，１１ａ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１１，１１ａに新気がそれぞれ導入されるとともに、各気筒２Ａ〜２Ｄの排気ポート１２ａ，１２から排気通路２０に既燃ガスが排出される。そして、上記通常運転モードの制御状態では理論空燃比もしくはそれよりやや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、高負荷側ないし高回転側の領域Ｂにおける出力性能が確保される。

なお、上記実施形態では、特殊運転モードの時に、後続気筒では理論空燃比で圧縮自己着火燃焼を行わせるようにしているが、リーン空燃比で圧縮自己着火燃焼を行わせるようにしてもよく、このようにすれば、燃費がより一層改善されるとともに、ＮＯｘ低減効果も高められる。

また、特殊運転モードにおいて後続気筒で圧縮自己着火が行われる場合に、後続気筒に対する点火は停止してもよいが、圧縮自己着火を促進するための点火（点火アシスト）を行なうようにしてもよい。

本発明の実施形態に係る制御装置を備えたエンジン全体の概略平面図である。エンジン本体等の概略断面図である。後続気筒の吸・排気ポートおよびガス導入弁等の配設部分を示す断面図である。先行気筒の吸・排気ポートおよびガス導出弁等の配設部分を示す断面図である。一対の先行、後続気筒の吸・排気ポートおよび気筒間ガス通路等を示す概略平面図である。（ａ）（ｂ）バネ定数が異なる２種類のバルブスプリングを示す断面図である。駆動、制御系統の構成を示す説明図である。運転領域を示す説明図である。特殊運転モードにおける弁の開閉タイミングを示す説明図である。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。特殊運転モードの新気およびガスの流通経路を示す説明図である。通常運転モードの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，２Ｄ１番，４番気筒（先行気筒）
２Ｂ，２Ｃ２番，３番気筒（後続気筒）
９燃料噴射弁
１１，１１ａ，１１ｂ吸気ポート
１２，１２ａ，１２ｂ排気ポート
１５吸気通路
２０排気通路
２２気筒間ガス通路
３１ｂガス導入弁
３２ｂガス導出弁
４２弁停止機構制御手段
４５燃料噴射制御手段
４６点火制御手段
５１，５２，５３バルブスプリング

Claims

各気筒の燃焼サイクルが所定の位相差をもつように設定された多気筒の火花点火式エンジンにおいて、
エンジンの所定運転領域で、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既燃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、先行気筒の空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン空燃比として燃焼を行わせ、この先行気筒から後続気筒にリーン空燃比の既燃ガスを導入させて新たに供給された燃料とともに後続気筒で均質燃焼させる特殊運転モードの制御を実行するようにした火花点火式エンジンであって、
上記気筒間ガス通路の後続気筒側端部をヘリカルポートとする一方、上記気筒間ガス通路の先行気筒側端部をタンジェンシャルポートとしたことを特徴とする火花点火式エンジン。
上記特殊運転モードの制御を実行するときに、上記後続気筒で圧縮自己着火による燃焼を行わせることを特徴とする請求項１記載の火花点火式エンジン。
上記特殊運転モードの制御をエンジンの部分負荷域で行う一方、エンジンの高負荷域では、各気筒にそれぞれ新気が導入され各気筒からそれぞれ排出されるガスが排気通路に導かれる各気筒独立状態としつつ、各気筒においてそれぞれ燃焼を行わせる通常運転モードの制御を実行するようにしたことを特徴とする請求項１又は２記載の火花点火式エンジン。
エンジン回転数が所定回転数以下の低回転側領域における部分負荷領域で上記特殊運転モードの制御を実行するようにし、
上記気筒間ガス通路の先行気筒側端部にガス導出弁、後続気筒側端部にガス導入弁をそれぞれ設け、かつ、排気通路に通じる各気筒の排気ポートに排気弁を設け、上記ガス導出弁、ガス導入弁および排気弁を略同一径のポペット弁で形成し、これらの弁に対してそれぞれ閉弁方向に付勢するバルブスプリングを設けるともに、上記ガス導出弁および上記ガス導入弁の各バルブスプリングのばね定数を上記排気弁のバルブスプリングのバネ定数よりも小さくしたことを特徴とする請求項３記載の火花点火式エンジン。
上記ガス導入弁のバルブスプリングのセット荷重を上記ガス導出弁のバルブスプリングのセット荷重よりも大きくしたことを特徴とする請求項４記載の火花点火式エンジン。