JP2005054679A - 火花点火式エンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ノッキングの発生を抑制しつつ、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するとともに、圧縮行程で損なわれる仕事を可及的に抑制して熱効率の改善を図り、さらなる燃費改善効果を高める。
【解決手段】 特殊運転モードとされる運転領域の低負荷側運転領域では、後続気筒に対する燃料の噴射時期を吸気行程ないしは圧縮行程の前半に至る所定時期に設定する。特殊運転モードとされる運転領域の高負荷側運転領域では、後続気筒に対する燃料の噴射時期を圧縮行程の後半に設定するとともに、先行気筒において理論空燃比の略２倍以下の空燃比で燃焼を行わせる。
【選択図】 図９

Description

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。

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、エンジンが低回転低負荷領域の運転状態にある場合等、上記燃料噴射弁から燃料を圧縮行程で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、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。
特開平１０−２９８３６号公報

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、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の触媒の加熱処理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。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。

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いる。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ことにより、仕事に寄与しない遅い燃焼が避けられるため、燃費の改善に有利となる。

しかし、通常の火花点火式の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及び圧力が圧縮自己着火を生じさせる程度までには高められず、圧縮自己着火を行わせるためにはノッキングを避けつつ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る。

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る２気筒接続状態とし、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るとともに、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２００２−１８５２４２号）。

ところで、上記出願に係る火花点火式エンジンの制御装置について、繰り返し研究しているうちに、上記２気筒接続状態による運転領域のうち特に高負荷側の運転領域において、後続気筒での圧縮自己着火に際し仕事損失があることが判明した。

すなわち、図１１は、上記出願に係る火花点火式エンジンの高負荷側運転領域におけるＰ−Ｖ線図（筒内圧力と容積の関係）であり、図中点Ａから点Ｂがエンジンの吸気行程、点Ｂから点Ｃが圧縮行程、点Ｃから点Ｄが膨張行程、点Ｄから点Ａが排気行程である。そして、高負荷側運転領域では点Ｄ，Ｂ，Ａにより取り囲まれる面積のポンプ損失が非常に小さいため、点Ｂ，Ｃ，Ｄによりほぼ取り囲まれた面積Ｗが専らエンジンの駆動軸へ伝達される有効仕事となるが、圧縮行程でのサイクル（図中、点Ｂ，Ｃ間）が、図中に点線で示す圧縮行程における理想的なサイクル（ポリトロープ変化のライン）に対して圧縮が進むにつれて乖離し、この結果上記有効仕事が面積Ｗ_Ｌ分だけ損なわれていることが判明した。なお、図中、点Ｃ１は気筒内圧力が最高となる点で、点Ｃ２は排気弁の開弁時期である。

本発明は、このような技術に基づき、ノッキングの発生を抑制しつつ、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するとともに、圧縮行程で損なわれる仕事を可及的に抑制して熱効率の改善を図り、さらなる燃費改善効果を高めることができる火花点火式エンジンの制御装置を提供するものである。

ここで、本願出願人は、鋭意研究の結果、後続気筒における圧縮行程での仕事損失は燃焼過程における冷炎反応に起因することを知見するに至り、この冷炎反応の時期を遅らせることにより、熱効率を向上させ、さらなる燃費改善効果を高めるようにしたものである。すなわち、燃焼は段階的に進むといわれており、まず初期に僅かな発熱を伴って酸化物を生成する過程、次に青い炎を出しながらフォルムアルデヒドを生成する過程（冷炎反応）を経て、爆発的なエネルギーを発生する過程（熱炎反応）に至る。上記冷炎反応は特に高温、高圧下では比較的多量の発熱量を伴うので、この冷炎反応が圧縮行程において前半ないしは中間に起こると、気筒内圧力が上昇しその分だけ損失となって表れる。従って、本願出願人は、この冷炎反応の期間を短くするとともに該反応の発熱量も可及的に有効仕事に寄与し得るようにエンジンを制御することにより熱効率を向上させ、さらなる燃費改善効果を高めるようにしたものである。

具体的には、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、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、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であって、上記特殊運転モードとされる運転領域の低負荷側運転領域では、後続気筒に対する燃料の噴射時期を吸気行程ないしは圧縮行程の前半に至るまでの間の所定時期に設定する一方、上記特殊運転モードとされる運転領域の高負荷側運転領域では、後続気筒に対する燃料の噴射時期を圧縮行程の後半に設定するとともに、先行気筒において理論空燃比の略２倍以下の空燃比で燃焼を行わせる燃料噴射制御手段を備えることを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に係る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とされる運転領域で、上記後続気筒にスワールを生成するスワール生成手段が設けられていることを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、請求項２に係る火花点火式エンジンの制御装置において、上記スワール生成手段は、上記気筒間ガス通路の後続気筒側の端部として構成されたヘリカルポートであることを特徴とするものである。

請求項４に係る発明は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の火花点火式エンジンの制御装置において、上記燃料噴射制御手段は、上記特殊運転モードとされる運転領域における高負荷側運転領域で後続気筒の燃料の噴射時期を圧縮行程の４分の３以降の所定期間に設定することを特徴とするものである。

請求項１に係る発明によれば、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燃焼が行われるので、高温の既燃ガスにより供給燃料の気化が促進されると共に、上記特殊運転モードにおいて後続気筒で圧縮自己着火により燃焼が行われる場合には、圧縮自己着火によって燃焼室全体に亘り一気に燃焼して仕事に寄与しない遅い燃焼が避けられ、高い燃費改善効果が得られる。また、後続気筒では先行気筒からの既燃ガスが導入されることにより多量のＥＧＲ（排気再循環）が行われているのと同等の状態となることからＮＯｘの発生を十分に抑制して、排気ガスの浄化に寄与することになる。しかも、後続気筒から排気通路に排出されるガスは理論空燃比とすることができるため、後述するように先行気筒でリーン燃焼させる場合でも、三元触媒だけで充分な排気ガスの浄化が可能になると共に、比較的高価なリーンＮＯｘ触媒を必要としないので、コストの削減にも繋がる。

しかも、燃料噴射制御手段は、特殊運転モードとされる運転領域の低負荷側運転領域では、後続気筒に対する燃料の噴射時期を吸気行程ないしは圧縮行程の前半に至るまでの間の所定時期に設定するので、噴射された燃料を気筒内に十分に拡散させて後続気筒での圧縮自己着火を確実に行わせることができる。

ところで、本願出願人の知見したところよると、特殊運転モードで負荷が増大して後続気筒内の温度及び圧力が上昇すると、圧縮行程の前半ないし中間において生じる冷炎反応が顕著となり、その発熱量が増大して筒内圧力及び温度を上昇させ、有効仕事の損失が大きくなることが懸念されるが、この発明によれば、燃料噴射制御手段が、特殊運転モードとされる運転領域の高負荷側運転領域では、後続気筒に対する燃料の噴射時期を圧縮行程の後半に設定するので、冷炎反応の時期を相対的に遅らせることにより冷炎反応に起因する気筒内圧力及び温度の上昇を抑制することができ、しかも、高温、高圧下の圧縮行程の後半で燃料を噴射することにより冷炎反応の期間を短縮化することができ、これにより冷炎反応に起因する有効仕事の損失を可及的に抑制することができる。従って、熱効率の改善を図り、さらなる燃費改善効果を高めることができる。しかも、上記燃料噴射制御手段は、この高負荷側運転領域で先行気筒において理論空燃比の略２倍以下の空燃比で燃焼を行わせるように制御するので、後続気筒に導入される既燃ガスはその温度が上昇するものの、比較的多量の不活性ガスを含むこととなり、該不活性ガスにより後続気筒の燃焼を緩慢にすることによりノッキングの発生を抑制して、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。

請求項２に係る発明によれば、圧縮行程後半においても空気渦流が崩壊し難いため、噴射された燃料を確実に拡散することができ、後続気筒での圧縮自己着火をより確実に行わせることができる。

請求項３に係る発明によれば、スワールの乱流強度を圧縮行程の後半で強い値に維持することができ、これにより後続気筒の燃焼濃度の不均質を効果的に改善することができる。

請求項４に係る発明によれば、冷炎反応の時期を確実に遅らせることができ、冷炎反応による有効仕事の損失を効果的に抑制することができる。

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。

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、後述する燃料噴射制御手段から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。

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、吸気、圧縮、膨張及び排気の各行程からなる燃焼サイクルが各気筒２Ａ〜２Ｄ毎に所定の位相差をもって行われるようになっており、４気筒エンジンの場合、気筒列方向の一端側から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、上記燃焼サイクルが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。

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及び２番気筒２Ｂと、４番気筒２Ｄ及び３番気筒２Ｃと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。

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。

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１２とが配設されている。

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及び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、燃焼室の一方側半部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、燃焼室の他方側半部に並列的に設けられている。

１番，４番気筒２Ａ，２Ｄにおける吸気ポート１１及び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。

１番，４番気筒２Ａ，２Ｄにおける第１排気ポート１２ａ及び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。

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２Ａ，２Ｄから排出される既燃ガスがこの気筒間ガス通路２２を通る間の放熱量が比較的に少なく抑えら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。

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。

先行気筒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、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２Ａ〜２Ｄ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。

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。

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が設けられ、また上記第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が設けられている（図３参照）。

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Ｏ_２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３７，３９とに対して制御信号が出力されている。

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。

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４７及びアクセル開度センサ４８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ものである。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。

さらに運転状態判別手段４１は、上記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のうちの高負荷側領域Ａ２、またはそれよりも低負荷側の領域Ａ１のいずれにあるかを判別するように構成されている。

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の何れにあるかに応じ、上記各コントロール弁３７，３９を制御することにより、原則として各弁停止機構３５を次のように制御する。

運転領域Ａ：第１排気弁３２ａ及び第１吸気弁３１ａを停止状態
第２排気弁３２ｂ及び第２吸気弁３１ｂを作動状態
運転領域Ｂ：第１排気弁３２ａ及び第１吸気弁３１ａを作動状態
第２排気弁３２ｂ及び第２吸気弁３１ｂを停止状態
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２Ｂ，２Ｃに対する分岐吸気通路１６からの吸気導入が遮断された状態で先行気筒２Ａ，２Ｄから導入される既燃ガス中の過剰空気と新たに供給される燃料との比が実質的に理論空燃比とされつつ、後続気筒２Ｂ，２Ｃの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とを備えている。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ものであり、点火制御手段４６は、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ものである。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）が変更されるとともに、運転領域Ａにある場合でも低負荷側運転領域Ａ１にある場合と高負荷側運転領域Ａ２にある場合とで燃焼状態の制御が変更される。

すなわち、運転状態が運転領域Ａのうち低負荷側運転領域Ａ１にある場合には、特殊運転モードでの制御状態として、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、例えば理論空燃比の２倍より大きい値（Ａ／Ｆで約３０より大、空気過剰率λで表せばλ＞２程度）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、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、吸気行程で燃料を一括噴射して混合気を気筒内に均一に分散化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。

一方、運転状態が運転領域Ａのうち高負荷側運転領域Ａ２にある場合にも、特殊運転モードでの制御状態として、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であって上記低負荷側運転領域Ａ１にある時よりもリッチ側の空燃比、好ましくは理論空燃比の２倍以下の値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、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、圧縮行程後半、好ましくは圧縮行程の４分の３行程を若干過ぎた時期に後続気筒２Ｂ，２Ｃに燃料を一括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。

すなわち、運転領域Ａのうち低負荷側運転領域Ａ１から高負荷側運転領域Ａ２に移行した場合には、先行気筒２Ａ，２Ｄでは先行気筒２Ａ，２Ｄの空燃比をリッチ側に移行させる一方、後続気筒２Ｂ，２Ｃでは燃料の噴射時期を吸気行程から圧縮行程の後半に移行させるように制御する。

なお、燃料噴射制御手段４５において、上記後続気筒２Ｂ，２Ｃの燃料噴射時期は、後続気筒２Ｂ，２Ｃで失火しない範囲で負荷が増大するに伴い順次リタードさせて圧縮上死点側に近づけるように設定してもよい。

また、エンジンの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における大部分の領域で理論空燃比とし、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。

以上のような当実施形態の装置の作用を、図５〜図９を参照しつつ説明する。すなわち、上記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７に示すようになり、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に導かれるような２気筒接続状態とされる。

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るとともに（図７中の矢印ａ）、この先行気筒２Ａ，２Ｄの空燃比が理論空燃比よりも大きな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ることにより、リーン空燃比での成層燃焼が行われる（図５参照）。

なお、上記したように、運転状態が、運転領域Ａのうち低負荷側運転領域Ａ１にある場合と高負荷側運転領域Ａ２にある場合とで、先行気筒２Ａ，２Ｄの空燃比が高負荷側運転領域Ａ２でリッチ、好ましくは理論空燃比の略２倍以下となるように切り換えられ、後続気筒２Ｂ，２Ｃに多量の不活性ガスを導入しノッキングを有効に抑制し得るものとなされている。また、先行気筒２Ａ，２Ｄの空燃比を比較的リッチなリーン空燃比とする場合には、噴射時期を吸気行程に設定し、噴射燃料を均一に分散化させて燃焼させる均質リーンが行われるように設定してもよい。

また、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気筒間ガス通路２２を通って後続気筒２Ｂ，２Ｃ内に導入される（図５，６中の白抜き矢印及び図７中の矢印ｂ）。

そして、運転状態が低負荷側運転領域Ａ１にある場合には、先行気筒２Ａ，２Ｄから導入されたリーン空燃比の上記既燃ガスに吸気行程に燃料が供給されるとともに、後続気筒２Ｂ，２Ｃの空燃比が理論空燃比となるように総燃料噴射量が制御されつつ、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上記後続気筒２Ｂ，２Ｃにおいて行われる。

一方、運転状態が高負荷側運転領域Ａ２にある場合には、先行気筒２Ａ，２Ｄから導入されたリーン空燃比の上記既燃ガスに圧縮行程の後半に燃料が供給されるとともに、後続気筒２Ｂ，２Ｃの空燃比が理論空燃比となるように総燃料噴射量が制御されつつ、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上記後続気筒２Ｂ，２Ｃにおいて行われる。

これらの後続気筒２Ｂ，２Ｃでの燃焼は、段階的、すなわち初期に僅かな発熱を伴って酸化物を生成する過程、次に青い炎を出しながらフォルムアルデヒドを生成する過程（冷炎反応）を経て、爆発的なエネルギーを発生する過程（熱炎反応）に至っている。この冷炎反応は特に高温、高圧下で比較的多量の発熱を伴うので、この冷炎反応が圧縮行程の前半ないし中間に起こると、気筒内温度及び圧力が上昇しその分だけエネルギー損失となるが、本実施形態の制御装置では圧縮行程の後半、より詳しくは圧縮行程の４分の３で燃料を噴射しているので、図９のＰ−Ｖ線図（筒内圧力と容積の関係図）に示すように図中白抜き矢印で示す燃料噴射時期である圧縮行程のＴＤＣ前４分の１辺りまではポリトロープ変化におけるラインに略沿った行程で圧縮された後、燃料が噴射された時点から冷炎反応が起こるため、気筒内温度及び圧力の上昇を可及的に抑制することができ、しかも、圧縮行程の後半は気筒内が高温かつ高圧の雰囲気となり、燃焼が比較的短期間のうちに行われるので、冷炎反応の期間も短くなる。従って、図９に示すＰ−Ｖ線図において、圧縮行程のライン（Ｂ，Ｃ間）が、図１１のＰ−Ｖ線図に示されるような先の出願に係る制御装置による場合（図９中の点線）に比べ、圧力を低くすることにより、冷炎反応に起因する有効仕事の損失を効果的に抑制することができる。

また、この場合に、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する。特に、上記低負荷側運転領域Ａ１での制御のように吸気行程で燃料が噴射された場合には、この燃料が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、同時圧縮自己着火による燃焼が急速に行われることにより、熱効率が大幅に向上する。

このように、先行気筒２Ａ，２Ｄでは、リーン状態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。

しかも、後続気筒２Ｂ，２Ｃから排気通路２０に排出される排気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。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。

また、先行気筒２Ａ，２Ｄでは、低負荷側運転領域Ａ１において、理論空燃比の略２倍もしくはそれよりも大きい超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。

しかも、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。一方、エンジンの負荷が増大し、これに伴って後続気筒２Ｂ，２Ｃの気筒内温度が上昇し、ノッキングの発生が懸念されることとなるが、高負荷運転領域Ａ２では先行気筒２Ａ，２Ｄの空燃比を理論空燃比の略２倍以下の空燃比とされるので、後続気筒２Ｂ，２Ｃに比較的多量の不活性ガスが導入され、これにより後続気筒２Ｂ，２Ｃでの燃焼を緩慢にしてノッキングの発生を効果的に抑制している。しかも、圧縮行程の後半に噴射された燃料は、噴射時点から反応を開始するので、熱炎発生（熱炎反応）を遅らせることができ、過早な熱発生時期に起因するノッキングの発生が効果的に抑制される。

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８に示すようになり、各気筒２Ａ〜２Ｄの吸気ポート１１，１１ａ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１１，１１ａに新気が導入されるとともに各気筒２Ａ〜２Ｄの排気ポート１２，１２ａ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。

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、種々の変更が可能である。他の実施形態を以下に説明する。

（１）上記実施形態において、圧縮行程の後半で強い乱流強度が維持されるようにスワール生成手段を設けた構造とすることが好ましい。この構成によれば、後続気筒２Ｂ，２Ｃの圧縮自己着火領域のうち高負荷側領域で、燃料の噴射時期が圧縮行程の後半に設定されることによる燃料濃度の不均質の低下を、上記スワール生成手段によって生成されたスワールに応じて改善することができる。したがって、上記スワールに応じて圧縮行程の後半で強い乱流強度が維持されることによる燃焼性の改善効果と、後続気筒に対する燃料の噴射時期が圧縮行程の後半に設定されて熱効率及び燃費の改善とを両立させることができるという利点がある。

例えば、図１０に示すように、気筒間ガス通路２２の先端部分、つまり後続気筒２Ｂ，２Ｃの第２吸気ポート１１ｂがヘリカルポートとして構成されている。つまり、第２吸気ポート１１ｂは、開口部近傍のストロー部がヘリカル状（螺旋状）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トロー部を通って燃焼室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。そして、このスワールＳの乱流強度を圧縮行程の後半で強い値に維持し、これによって後続気筒２Ｂ，２Ｃの燃焼性を効果的に改善することができる。

（２）また、上記実施形態において、高負荷側運転領域Ａ２での後続気筒２Ｂ，２Ｃにおける気筒内温度上昇を抑制し、或いは気筒内温度を下げるために、後続気筒における排気ガスの一部が外部ＥＧＲ通路を介して吸気通路に導入されるように構成してもよい。

例えば、エンジンに、外部ＥＧＲによる冷却されたＥＧＲガスを燃焼室４に導くために、排気通路２０と吸気通路１５または分岐吸気通路１６とを接続するＥＧＲ通路を設け、このＥＧＲ通路に、ＥＧＲガスを冷却する冷却手段としてのＥＧＲクーラーを介設するとともに、ＥＧＲガス量をコントロールするためのＥＧＲバルブを設けた構造にする。そして、高負荷側運転領域Ａ２にある場合に、弁停止機構制御手段４２により、第２吸気弁３１ｂの開弁に先立ってＥＧＲバルブとともに第１吸気弁３１ａを一時的に開弁するように制御し、先行気筒２Ａ，２Ｄから導入された既燃ガスに外部ＥＧＲを導入させるように構成する。

この場合に、吸気通路１５または分岐吸気通路１６におけるＥＧＲ通路との合流部の上流側に新気の吸入を閉塞するシャッター弁を設け、外部ＥＧＲの導入効率を向上させるようにしてもよい。また、該シャッター弁に切欠きを設け、該切欠きを通して新気を一部導入し、この新気による空気流により後続気筒２Ｂ，２Ｃ内に排気ガスを分散させるスワール流を形成するように構成してもよい。

上記のように構成すれば、ノッキングを効果的に抑制し得るとともに、筒内圧力が低下して圧縮行程での効率が向上する。

（３）上記実施形態では、低負荷側運転領域Ａ１において、後続気筒２Ｂ，２Ｃに対する燃料の噴射時期が吸気行程に設定されているが、圧縮行程の前半、或いは吸気行程から圧縮行程に跨る時期に設定されているものであってもよい。この場合でも、吸気流（タンブル流、スワール流等）が維持され、噴射された燃料を気筒内に確実に拡散させることができ、圧縮自己着火が確実かつ安定的に行われる。

特に、圧縮行程の前半に燃料を噴射する場合には、後続気筒２Ｂ，２Ｃにスワールを生成するスワール生成手段を設け、スワール流により燃料を拡散するのが好ましい。

（４）また上記実施形態では、特殊運転モードとされる運転領域Ａの全域で、後続気筒２Ｂ，２Ｃ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２Ｂ，２Ｃ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２Ｂ，２Ｃを強制点火により燃焼させるようにしてもよい。

（５）また、上記基本実施形態では弁停止機構３５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。

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。 エンジン本体等の概略断面図である。 制御系統のブロック図である。 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。 特殊運転モードとされる運転領域のうち低負荷側運転領域におけ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。 特殊運転モードとされる運転領域のうち高負荷側運転領域におけ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。 低負荷低回転時の実質的な新気及びガスの流通経路を示す説明図である。 高負荷、高低回転側の運転領域にある時の実質的な新気及びガスの流通経路を示す説明図である。 高負荷側運転領域におけるＰ−Ｖ線図である。 スワール生成手段の具体的構成を示す説明図である。 高負荷側運転領域におけるＰ−Ｖ線図である。

符号の説明

１ エンジン本体
２Ａ，２Ｄ 先行気筒
２Ｂ，２Ｃ 後続気筒
４０ ＥＣＵ
４４ 燃焼状態制御手段
４５ 燃料噴射制御手段
Ａ 運転領域
Ａ１ 低負荷側運転領域
Ａ２ 高負荷側運転領域

Claims (4)

1. 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、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、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であって、
   上記特殊運転モードとされる運転領域の低負荷側運転領域では、後続気筒に対する燃料の噴射時期を吸気行程ないしは圧縮行程の前半に至るまでの間の所定時期に設定する一方、上記特殊運転モードとされる運転領域の高負荷側運転領域では、後続気筒に対する燃料の噴射時期を圧縮行程の後半に設定するとともに、先行気筒において理論空燃比の略２倍以下の空燃比で燃焼を行わせる燃料噴射制御手段を備えることを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置。
2. 上記特殊運転モードとされる運転領域で、上記後続気筒にスワールを生成するスワール生成手段が設けられてい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の制御装置。
3. 上記スワール生成手段は、上記気筒間ガス通路の後続気筒側の端部として構成されたヘリカルポートであることを特徴とする請求項２記載の火花点火式エンジンの制御装置。
4. 上記燃料噴射制御手段は、上記特殊運転モードとされる運転領域における高負荷側運転領域で後続気筒の燃料の噴射時期を圧縮行程の４分の３以降の所定期間に設定することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の火花点火式エンジンの制御装置。

Images