JP2006283668A - 火花点火式多気筒エンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 低負荷運転領域において、先行気筒での圧縮自己着火を実現するとともに、高負荷側での圧縮自己着火運転を実現すること。
【解決手段】 部分負荷運転領域Ｄのうち、第１の運転領域Ｄ₁では、先行気筒の既燃ガスが後続気筒に導入される２気筒接続状態にて圧縮自己着火運転を全気筒で実行する。高負荷側の第２の運転領域Ｄ₂では、各気筒が独立して吸排気を行う独立吸排気状態にて全気筒の吸気温度を高めて圧縮自己着火運転を全気筒で実行する。後続気筒での着火遅れを防止でき、低負荷運転領域において、先行気筒での圧縮自己着火を実現するとともに、高負荷側での圧縮自己着火運転を実現することができる。
【選択図】 図１０

Description

本発明は火花点火式多気筒エンジンの制御装置に関し、特に、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でリーン燃焼させた既燃ガスを吸気行程にある後続気筒にそのまま導入して、当該後続気筒では予混合圧縮自己着火燃焼（ＨＣＣＩ：Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ−Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ−Ｉｇｎｉｔｉｏｎ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ。この明細書で「圧縮自己着火」という）を実行可能な火花点火式多気筒エンジンの制御装置に関する。

本件出願人は、特許文献１に開示されているように、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、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多気筒エンジンの制御装置に関する技術を出願している。特に特許文献１に開示されている構成では、燃料噴射量の調整によって後続気筒の吸気温度を速やかに加熱する加熱制御手段を設けている。
特開２００４−７６６３５号公報

ところで、上記特許文献１記載の発明では、後続気筒のみ圧縮自己着火運転を実行しているが、さらなる性能向上のために先行気筒でも圧縮自己着火運転を実行させるべく、先行気筒に対して加熱手段を設けることが考えられる。この場合、低負荷側で圧縮自己着火運転を実行するためには、相当、筒内温度を高める必要がある。しかし、筒内温度が所定の温度（例えば２５０℃）を越えると、今度は最大熱発生率（（Ｊ/deg・m³）MAX）が圧縮上死点前で発生してしまうので、エンジンに逆トルクが作用するという問題があった。そのため、従来の２気筒接続状態にあるエンジンでは、低負荷運転領域において、先行気筒での圧縮自己着火が実現することができないという問題があった。

また、特許文献１に開示された構成では、圧縮自己着火運転時に先行気筒の既燃ガスがそのまま後続気筒に導入されるので、後続気筒の着火遅れが生じやすくなる。そのため、従来の２気筒接続状態にあるエンジンでは、高負荷側で圧縮自己着火運転を実行することが困難であった。

本発明は上記不具合に鑑みてなされたものであり、低負荷運転領域において、先行気筒での圧縮自己着火を実現するとともに、高負荷側での圧縮自己着火運転を実現することのできる火花点火式多気筒エンジンの制御装置を提供することを課題としている。

上記課題を解決するために本発明は、排気行程と吸気行程とが重なるような位相差をもって燃焼サイクルが実行される少なくとも一対の気筒と、排気行程にある先行気筒から排出される既燃ガスを吸気行程にある後続気筒に導入する２気筒接続状態と各気筒が独立して吸排気可能な独立吸排気状態との間で各気筒の吸排気経路を切り換え可能な切換手段と、エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、運転状態検出手段の検出に基づいて、各気筒の吸排気経路を２気筒接続状態と独立吸排気状態とを択一的に切り換えて圧縮自己着火運転と火花点火運転とを選択的に実行するように切換手段を制御する制御手段とを備えた火花点火式多気筒エンジンの制御装置において、気筒毎に温度調整可能に筒内を加熱する吸気加熱手段を設け、部分負荷運転領域のうち、所定の低負荷側にある第１の運転領域では、２気筒接続状態にて先行気筒の吸気温度を高めることにより圧縮自己着火運転を全気筒で実行し、部分負荷運転領域のうち、前記第１の運転領域を越える第２の運転領域では、独立吸排気状態にて全気筒の吸気温度を高めて圧縮自己着火運転を全気筒で実行するように制御手段が吸気加熱手段および切換手段を制御することを特徴とする火花点火式多気筒エンジンの制御装置である。この態様では、圧縮自己着火運転が実行される部分負荷運転領域において、所定の低負荷側に設定される第１の運転領域では、各気筒が２気筒接続状態に切り換えられ、この状態で全気筒による圧縮自己着火運転が実行される。ここで、本発明では、先行気筒の吸気温度を吸気加熱手段によって高めることとしているので、従来困難であった先行気筒での圧縮自己着火運転を実現することが可能になる。また、各気筒が２気筒接続状態になっているので、先行気筒から導入された既燃ガスにより、後続気筒の筒内も速やかに加熱され、既燃ガスによるＥＧＲ効果と相俟って後続気筒でも燃焼安定性が向上する。次に、エンジン負荷が増大して運転状態が部分負荷運転領域のうち、前記第１の運転領域を越える第２の運転領域に至ると、各気筒の接続状態が２気筒接続状態から独立吸排気状態に切り換えられるとともに、この状態で全気筒の吸気温度が加熱され、全気筒が独立吸排気状態で圧縮自己着火運転を実行する。このため、後続気筒においては、部分負荷運転領域のうち、高負荷側では先行気筒からの既燃ガスに依存することなく、圧縮自己着火運転を実行することになるので、ヘビーＥＧＲによる着火遅れを防止することが可能になる。この結果、圧縮自己着火運転が可能な運転領域を高負荷側に拡張することが可能になり、高負荷運転時における燃費や排気性能が著しく向上する。

好ましい態様においては、気筒毎に燃料噴射量を制御可能に燃料を噴射する燃料噴射手段を設け、エンジン負荷の増大に伴って先行気筒に対する燃料噴射量を増大するとともに、前記第１の運転領域のうち、少なくとも所定の低負荷側では、この先行気筒に対する燃料噴射量の増大比率を後続気筒よりも大きくなるように制御手段が燃料噴射手段を制御する。この態様では、最も燃費のよい先行気筒を有効活用することが可能になる。すなわち、第１の運転領域では、先行気筒を加熱して圧縮自己着火運転を実行しているので、先行気筒での最大熱発生率（（Ｊ/deg・m³）MAX）は、圧縮上死点近傍で発生する。このため、第１の運転領域のうち、少なくとも低負荷側で先行気筒に対する燃料噴射量の増大比率を後続気筒よりも大きくなるように設定することにより、最も燃費のよい状態で稼働している先行気筒のトルクを上げて、エンジン全体の燃費を改善することが可能になる。

好ましい態様においては、筒内空燃比を設定する空燃比設定手段を設け、圧縮自己着火運転領域では、筒内空燃比を理論空燃比よりもリーンになるように制御手段が空燃比設定手段を制御するものである。この態様では、圧縮自己着火運転を実現可能な運転領域を高負荷側に拡張できることと相俟って、広い運転領域でリーンでの圧縮自己着火を実行することにより、燃費や排気性能の改善を図ることが可能になる。

好ましい態様においては、気筒の混合気を点火する点火プラグを設け、高負荷運転領域では、吸気加熱手段を停止して独立吸排気状態にて全気筒で火花点火運転を実行するように制御手段が切換手段と点火プラグとを制御するものである。この態様では、吸気加熱手段を停止することによって、各気筒でのノッキングを防止することができるとともに、火花点火運転によって高負荷運転領域で高出力を得ることが可能になる。

好ましい態様においては、部分負荷運転領域では、先行気筒の吸気温度を低負荷側が高くなるように制御手段が吸気加熱手段を制御するものである。この態様では、吸気加熱手段の稼働時において、先行気筒の吸気温度を低負荷側が高くなるように設定されるので、燃焼安定性を低負荷側で確保することができるとともに、先行気筒での最大熱発生率（（Ｊ/deg・m³）MAX）もまた、圧縮上死点近傍で発生する。このため、部分負荷運転領域では、最も燃費のよい状態で稼働している先行気筒のトルクを上げて、エンジン全体の燃費を改善することが可能になる。また、圧縮自己着火が可能な範囲で負荷の増加に伴って温度を下げることになるので、高負荷側では、ノッキングを抑制することが可能になる。

好ましい態様においては、各気筒に外部ＥＧＲを導入可能な外部ＥＧＲシステムを設け、前記第２の運転領域のうち、高負荷側では、各気筒に外部ＥＧＲを導入するように制御手段が外部ＥＧＲシステムを制御するものである。この態様では、圧縮自己着火が緩慢になる所定の高負荷運転領域では、外部ＥＧＲシステムによってＥＧＲガスが導入されるので、ノッキングを回避し、しかも良好な排気性能を得ることが可能になる結果、圧縮自己着火運転を実現可能な運転領域をさらに高負荷側に拡張することが可能になる。

以上説明したように、本発明によれば、低負荷側では２気筒接続状態で圧縮自己着火運転を実行するエンジンにおいて、部分負荷運転領域のうち、第１の運転領域では、２気筒接続状態にて圧縮自己着火運転を全気筒で実行するとともに、高負荷側の第２の運転領域では、独立吸排気状態にて全気筒の吸気温度を高めて圧縮自己着火運転を全気筒で実行するようにしているので、後続気筒での着火遅れを防止でき、低負荷運転領域において、先行気筒での圧縮自己着火を実現するとともに、高負荷側での圧縮自己着火運転を実現することができるという顕著な効果を奏する。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好ましい実施の形態について説明する。

図１は、本発明の実施の一形態に係る制御装置１０の概略構成を示す構成図であり、図２は図１に係る４サイクルガソリンエンジン２０の一つの気筒の構造を示す断面略図である。

図１および図２を参照して、図示の制御装置１０は、４サイクルガソリンエンジン２０と、このエンジン２０を制御するためのコントロールユニット１００とを備えている。

エンジン２０は、クランクシャフト２１を回転自在に支持するシリンダブロック２２と、シリンダブロック２２の上部に配置されたシリンダヘッド２３とを一体的に有しており、これらシリンダブロック２２およびシリンダヘッド２３には、クランクシャフト２１の長手方向に並ぶ４つの気筒２４Ａ〜２４Ｄが形成されている。

各気筒２４Ａ〜２４Ｄには、コンロッド２５を介して前記クランクシャフト２１に連結された４つのピストン２６が嵌挿されている。本実施形態において、気筒列方向の一端側から第１気筒２４Ａ、第２気筒２４Ｂ、第３気筒２４Ｃ、第４気筒２４Ｄと呼ぶと、このピストン２６が各気筒２４Ａ〜２４Ｄ内にて昇降する行程は、表１に示すように、当該気筒２４Ａ〜２４Ｄの燃焼サイクルが、第１気筒２４Ａ、第３気筒２４Ｃ、第４気筒２４Ｄ、第２気筒２４Ｂの順になるように、クランク角で１８０°ずつの位相差が設定されている。

各気筒２４Ａ〜２４Ｄ内には、燃焼室２７が形成されている。この際、排気行程と吸気行程とが重なる２つ一組の気筒（第１気筒２４Ａと第２気筒２４Ｂ、第３気筒２４Ｃと第４気筒２４Ｄ）間において、本実施形態では、排気行程側の気筒（本実施形態ではこれを先行気筒と呼ぶ）２４Ａ、２４Ｄから吸気行程側の気筒（本実施形態ではこれを後続気筒と呼ぶ）２４Ｂ、２４Ｃへ既燃ガスをそのまま導くような配管構造が構成されている。そして、先行気筒２４Ａ、２４Ｄの幾何学的圧縮比は、１４から１６の範囲に設定される一方、後続気筒２４Ｂ、２４Ｃの幾何学的圧縮比は、１１から１２の間に設定される。

図３は気筒２４Ａ〜２４Ｄを拡大して示す平面略図である。

図２および図３を参照して、シリンダヘッド２３の下面には、気筒２４Ａ〜２４Ｄ毎に燃焼室２７の天井部が構成され、この天井部は中央部分からシリンダヘッド２３の下端まで延びる２つの傾斜面を有するいわゆるペントルーフ型となっている。

上述したように、先行気筒２４Ａ、２４Ｄから後続気筒２４Ｂ、２４Ｃへ既燃ガスをそのまま導くような配管構造を構成するに当たり、先行気筒２４Ａ、２４Ｄには、２つ一組の吸気ポート２８が形成されているとともに、後続気筒２４Ｂ、２４Ｃには、吸気系統からの吸気を導入する一対の吸気ポート２８ａと、先行気筒２４Ａ、２４Ｂからの既燃ガスを導入する吸気ポート２８ｂがそれぞれ形成されている。他方、先行気筒２４Ａ、２４Ｄには、既燃ガスをそのまま排気系統に排出するための排気ポート２９ａと、後続気筒２４Ｃ、２４Ｄへ既燃ガスを導くための排気ポート２９ｂがそれぞれ一つずつ形成されているとともに、後続気筒２４Ｂ、２４Ｃには、既燃ガスをそのまま排気系統に排出するための排気ポート２９のみが一つずつ形成されている。また、先行気筒２４Ａ、２４Ｄの排気ポート２９ｂは、気筒間ガス通路５４によって、対応する後続気筒（図示の例では、第１気筒２４Ａについては第２気筒２４Ｂ、第４気筒２４Ｄについては第３気筒２４Ｃ）の吸気ポート２８ｂと連通可能に接続されている。

さらに、各吸気ポート２８、２８ａ、２８ｂと、各排気ポート２９、２９ａ、２９ｂには、それぞれ吸気弁３０、３０ａ、３０ｂと、排気弁３１、３１ａ、３１ｂが設けられている。各吸気弁３０、３０ａ、３０ｂと、各排気弁３１、３１ａ、３１ｂは、カムシャフト３７、３８等を含む周知の動弁機構により、所定のタイミングで開閉するように駆動される。

各気筒２４Ａ〜２４Ｄの吸気弁３０、３０ａ、３０ｂと、排気弁３１、３１ａ、３１ｂには、それぞれ公知のタペットユニット３６が設けられている。タペットユニット３６は、シリンダヘッド２３に設けられた動弁機構のカムシャフト３７、３８のカム３７ａ、３８ａによって、周期的に駆動されるものである。

さらに、これらの各弁３０〜３０ｂ、３１〜３１ｂのうち、先行気筒２４Ａ、２４Ｄの排気弁３１ａ、３１ｂと、後続気筒２４Ｂ、２４Ｃの吸気弁３０ａ、３０ｂのタペットユニット３６には、各弁３０〜３０ｂ、３１〜３１ｂを作動状態と停止状態とに切り換える弁停止機構が設けられている。この弁停止機構の構造自体は、いわゆるロストモーション機構として従来から知られているため詳しい図示は省略する。

図４は、弁停止機能を有するタペットユニット３６を制御するための回路構成を示す平面略図である。

図４を参照して、コントロールユニット１００には、先行気筒２４Ａ、２４Ｄの排気弁３１ａと、後続気筒２４Ｂ、２４Ｃの吸気弁３０ａのタペットユニット３６に作動油を供給する作動油回路１１０のコントロール弁１１１が出力要素として接続されているとともに、先行気筒２４Ａ、２４Ｄの排気弁３１ｂと後続気筒２４Ｂ、２４Ｃの吸気弁３０ｂのタペットユニット３６に作動油を供給する作動油回路１１２のコントロール弁１１３が出力要素として接続されている。そして、各弁３０ａ、３０ｂ、３１ａ、３１ｂは、コントロールユニット１００によって、選択的に開閉されるよう構成されている。この結果、コントロールユニット１００は、表２に示すように、先行気筒２４Ａ、２４Ｄから排出される既燃ガスを後続気筒２４Ｂ、２４Ｃに導入する２気筒接続状態と、各気筒２４Ａ〜２４Ｄが独立して吸排気可能な独立吸排気状態との間で各気筒２４Ａ〜２４Ｄの吸排気経路を切り換え可能可能な切換手段を機能的に構成している。

次に、図２を参照して、燃焼室２７の側部には、コントロールユニット１００からの燃料噴射パルスを受けて、このパルス幅に対応する燃料を燃焼室２７に噴射する燃料噴射弁３２が設けられている。この燃料噴射弁３２は、図略のニードル弁及びソレノイドを内蔵し、コントロールユニット１００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３２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２７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。

図３を参照して、各気筒２４Ａ〜２４Ｄには、シリンダヘッド２３に固定され、燃焼室２７内にスパークを発する３個の点火プラグ３４が配設されている。各点火プラグ３４は、ピストン２６の稜線部分と平行なシリンダ直径沿いに並んでおり、中央のものがシリンダボア中心Ｚ上に配置され、両側のものが燃焼室２７の側縁に配置されている。各点火プラグ３４には、電子制御による点火タイミングのコントロールが可能な点火回路３５が接続されており、この点火回路３５がコントロールユニット１００に制御されることにより、点火プラグ３４は、選択的に点火制御されるようになっている。

次に、図１および図２を参照して、エンジン２０の吸気ポート２８、２８ａには、インテークマニホールド４２の分岐吸気管４３が接続している。分岐吸気管４３は、気筒２４Ａ〜２４Ｄ毎に設けられており、それぞれがインテークマニホールド４２に等長の吸気経路を形成した状態で接続されている。図示の実施形態において、各気筒２４Ａ〜２４Ｄの吸気ポート２８、２８ａは、それぞれクランクシャフト方向に沿って配設されており、前記分岐吸気管４３の下流端は、各気筒２４Ａ〜２４Ｄの吸気ポート２８、２８ａに対応して二股に形成されている。分岐吸気管４３の上流側合流部分には、開閉弁４４が設けられている。開閉弁４４は、三方電磁弁で具体化されたものであり、アクチュエータ４５によって、個別に分岐吸気管４３の集合部分を所望量だけ開閉できるように構成されている。

インテークマニホールド４２の上流側には、新気をインテークマニホールド４２内部に導入するための吸気通路４６が接続されている。この吸気通路４６には、スロットルバルブ４７が設けられている。

排気ポート２９には、各気筒２４Ａ〜２４Ｄに２つ一組で形成された二股状の分岐排気管５１が接続されている。各分岐排気管５１の下流端は、エキゾーストマニホールド５２に接続されている。このエキゾーストマニホールド５２には、既燃ガスを排出する排気通路５３が接続されている。この排気通路５３には、排気浄化のために三元触媒５５が設けられている。この三元触媒５５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＝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。

次に、インテークマニホールド４２、エキゾーストマニホールド５２の間には、排気された既燃ガスをインテークマニホールド４２に還流させる外部ＥＧＲシステム６０が設けられている。外部ＥＧＲシステム６０は、インテークマニホールド４２とエキゾーストマニホールド５２との間に形成された還流通路６１に接続され、ＥＧＲクーラ６２と、ＥＧＲ弁６３と、ＥＧＲ弁６３を駆動するアクチュエータ６４とを備えた公知のバルブシステムである。

図５は図１の実施形態に係る吸気加熱手段としての吸気加熱システム７０の構成を示す構成図である。

図５を参照して、吸気通路４６には、スロットルバルブ４７の上流側に三方電磁弁４８が設けられており、この三方電磁弁４８に接続されたバイパス通路４９には、ヒータ５０が設けられている。この三方電磁弁４８は、開閉弁４４と同様に、コントロールユニット１００の制御により、開弁割合を変更可能に構成されている。従って、三方電磁弁４８を切り換えることにより、所望の割合で外気をインテークマニホールド４２に導入したり、ヒータ５０で加温された空気をインテークマニホールド４２に導入したりすることができるようになっている。

さらに吸気通路４６には、加熱通路７１が分岐接続されている。この加熱通路７１の途中には、冷却水熱交換器７２と、排気熱交換器７３が接続されている。

加熱通路７１は、各熱交換器７２、７３を経て吸熱した熱を吸気側に還流するためのものである。加熱通路７１の下流側には、気筒２４Ａ〜２４Ｄ毎に分岐した分岐管７１ａが設けられ、各分岐管７１ａは、対応する開閉弁４４の吸気側のポートに接続されている。

冷却水熱交換器７２は、エンジン２０の水冷システム７４に接続されて、エンジン２０からラジエータ（図示せず）に還流する冷却水が吸収した熱を、加熱通路７１を通る吸気に吸収させるためのものである。

排気熱交換器７３は、エンジン２０の排気通路５３に接続されて、既燃ガスの熱を、加熱通路７１を通る吸気に吸収させるためのものである。排気熱交換器７３は、加熱通路７１において、冷却水熱交換器７２の下流側に配置されている。

本実施形態において、上述したヒータ５０と、これら熱交換器７２、７３が、吸気加熱システム７０の主要部を構成している。

図１を参照して、エンジン２０の運転状態を検出するために、吸気通路４６には、エアフローセンサＳＷ１が設けられ、開閉弁４４の下流には吸気温度Ｔを予測するための吸気温度センサＳＷ２（図２参照）が設けられている。また、シリンダブロック２２には、クランクシャフト２１の回転数を検出する回転数センサＳＷ３および冷却水の温度を検出するエンジン水温センサＳＷ４が設けられている（図２参照）。さらに、排気通路５３には、上述した三元触媒５５の上流側に設けられて空燃比を制御するための酸素濃度センサＳＷ５が設けられている。さらにヒータ５０および排気熱交換器７３には、それぞれ温度センサＳＷ７、ＳＷ８が設けられており、ヒータ５０で加熱されたバイパス通路４９内の吸気の温度と、加熱通路７１内の吸気の温度とを検出することができるようになっている。

エンジン２０には、制御手段としてのコントロールユニット１００が設けられている。このコントロールユニット１００には、エアフローセンサＳＷ１、吸気温度センサＳＷ２、回転数センサＳＷ３、エンジン水温センサＳＷ４、酸素濃度センサＳＷ５、エンジン負荷を検出するためのアクセル開度センサＳＷ６、並びに温度センサＳＷ７、ＳＷ８が入力要素として接続されている。これら各センサＳＷ１〜ＳＷ８は、何れも本実施形態における運転状態検出手段の具体例である。他方、コントロールユニット１００には、開閉弁４４のアクチュエータ４５、スロットルバルブ４７のアクチュエータ、吸気通路４６の三方電磁弁４８、ヒータ５０が制御要素として接続されている。

図１を参照して、コントロールユニット１００は、ＣＰＵ１０１、メモリ１０２、インターフェース１０３並びにこれらのユニット１０１〜１０３を接続するバス１０４を有するものであり、メモリ１０２に記憶されるプログラム並びにデータによって、運転状態を判定する運転状態判定手段と、空燃比を設定する空燃比設定手段とを機能的に構成している。

図６は、図１の実施形態に係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特性図である。

図６を参照して、図示の実施形態では、エンジン回転数Ｎが所定回転数Ｎ１以下の部分負荷運転領域Ｄにおいては圧縮自己着火運転を実行し、残余の領域Ｓでは、火花点火による強制着火運転を実行するように設定されている。

圧縮自己着火運転を実行する部分負荷運転領域Ｄは、所定の低負荷側の第１の運転領域Ｄ₁と、前記所定の低負荷を越える第２の運転領域Ｄ₂とに細分類されている。さらに第１の運転領域Ｄ₁は、３つの運転領域Ｄ₁₀〜Ｄ₁₂に細分類され、第２の運転領域Ｄ₂は、２つの運転領域Ｄ₂₀、Ｄ₂₁に細分類されている。

コントロールユニット１００は、メモリ１０２に記憶されている図６の制御用マップに基づき、前記回転数センサＳＷ３及びアクセル開度センサＳＷ６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）が何れの運転領域にあるかを判別するようになっている。

各運転領域Ｄ、Ｓにおいて、コントロールユニット１００は、作動油回路１１０、１１２のコントロール弁１１１、１１３を駆動することにより、エンジンの運転状態に応じて各気筒２４Ａ〜２４Ｄの吸排気経路を表３の通り切り換え、吸気加熱システム７０を作動する。本実施形態では、第１の運転領域Ｄ₁では、各気筒２４Ａ〜２４Ｄの接続状態が２気筒接続状態に設定されるとともに、第２の運転領域Ｄ₂では、各気筒２４Ａ〜２４Ｄの接続状態が独立吸排気状態に設定される。

吸気温度の調整方法としては、予めメモリ１０２にエンジン運転状態に基づく目標吸気温度と吸気量とを制御マップとして記憶しておき、アクセル開度センサＳＷ６、温度センサＳＷ７、ＳＷ８の検出値から筒内への吸気温度Ｔと目標吸気量になるように、制御マップから値を読取って、スロットルバルブ４７、開閉弁４４、三方電磁弁４８の開量を調整することにより実現される。また、開閉弁４４の制御により、先行気筒２４Ａ、２４Ｄのみを加熱するように設定することも可能になっている。

次に、部分負荷運転領域Ｄの範囲を決定するための制御要因について説明する。

図７〜図９はコントロールユニット１００に設定される制御条件の基礎となったクランク角度と熱発生率dQ/dθとの関係を示すグラフである。これらのグラフは、本件発明者の研究結果によって得られたものであり、コントロールユニット１００のメモリ１０２には、これらのグラフに基づく制御マップが記憶されている。なお各図において、破線で示す曲線はスロットル全開のときに圧縮自己着火可能な最小の燃料噴射量に設定した場合の特性、実線で示す曲線は破線と同じ吸気温度Ｔでノッキング限界まで空燃比を下げた場合の特性を表わしている。また、実線で示す曲線の符号は、吸気温度Ｔが対応する破線で示す曲線の符号に添え字を付加したものである。

図７を参照して、圧縮自己着火によってエンジン２０を無負荷状態で運転する場合、吸気温度Ｔは、Ｔ１（＝２７０℃）に設定する必要がある。このＴ１では、最大熱発生率（dQ/dθ）MAXが圧縮上死点よりも前に発生するため、このまま空燃比を下げると、逆トルクが大きくなる。また、Ｔ１よりも２０℃低いＴ２（＝２５０℃）でも、依然、最大熱発生率（dQ/dθ）MAXは圧縮上死点よりも前に発生し、燃料噴射量を増やした場合、大きな逆トルクが発生する。次に、図８を参照して、負荷が高くなった場合、吸気温度Ｔは、Ｔ３（＝２２５℃）、Ｔ４（＝２０５℃）、Ｔ５（＝１９０℃）、Ｔ６（＝１７５℃）、Ｔ７（＝１６０℃）の各曲線で示すように、圧縮上死点以降に最大熱発生率(dQ/dθ)MAXが現れる。

次に、図９を参照して、各吸気温度特性Ｔ１〜Ｔ７を重ね合わせた場合、概ね熱発生率dQ/dθが所定の値（約８０Ｊ/deg・m³）のところをピークとする山形のノッキング限界曲線を描くことになる。そこで本実施形態では、第１の運転領域Ｄ₁と第２の運転領域Ｄ₂の境界をこの所定の熱発生率dQ/dθ（約８０Ｊ/deg・m³）に基づき、稼働気筒の筒内空燃比が理論空燃比よりもリーンであってスロットル全開時の運転状態において、設定されるべき空燃比がλ＝２以下となる範囲に設定している。なお図９において、図の左側の直線は、各吸気温度Ｔ１〜Ｔ７での燃焼開始タイミングを示しており、右側の直線は、燃焼変動率が５％未満の燃焼終了（ＭＦＢ＝９５％）限界を表わしている。

図７〜図９で示した特性から、本実施形態では、部分負荷運転領域Ｄでは、吸気加熱システム７０を稼働して、負荷に応じた吸気加熱温度で吸気を加熱するとともに、高負荷運転領域Ｓでは、吸気加熱システム７０を停止し、ノッキングの防止を図っている（図１０参照）。

さらに、部分負荷運転領域Ｄのうち、低負荷側の第１の運転領域Ｄ₁では、先行気筒２４Ａ、２４Ｄのみを加熱し、後続気筒では吸気加熱システム７０の加熱を停止するようにしている。

また、表３で示したように、部分負荷運転領域Ｄのうち、低負荷側の運転領域Ｄ₁においては、２気筒接続状態にて各気筒２４Ａ〜２４Ｄで圧縮自己着火運転を実行することにより、比較的低い吸気温度Ｔで圧縮自己着火運転が可能となるように設定している。他方、高負荷側の第２の運転領域Ｄ₂においては、独立吸排気状態にて各気筒２４Ａ〜２４Ｄで圧縮自己着火運転を実行することにより、圧縮自己着火運転を実現可能な運転領域を高負荷側に拡げて燃費と排気性能の向上を図っている。

次に、細分化された第１の運転領域Ｄ₁に関する燃料噴射量について説明する。

図１０は、エンジン負荷毎の制御特性を示すグラフである。

図１０を参照して、第１の運転領域Ｄ₁のうち、最も低負荷側の運転領域Ｄ₁₀は、最大熱発生率（Ｊ/deg・m³）MAXが圧縮上死点よりも前に発生する運転領域として設定されている。この運転領域Ｄ₁₀では、図７で示したような最大熱発生率（Ｊ/deg・m³）MAXの特性が現われることから、先行気筒２４Ａ、２４Ｄを加熱するに当たり、吸気加熱システム７０の設定温度を最高値に設定するとともに、燃料の噴射量を必要最低限度に留めて、先行気筒２４Ａ、２４Ｄでの圧縮自己着火運転を維持しつつ、逆トルクによる燃費悪化を抑制制御するようにコントロールユニット１００が設定されている。

次の低負荷側の運転領域Ｄ₁₁では、最大熱発生率（Ｊ/deg・m³）MAXが圧縮上死点以降に発生し始める運転領域である。

図１１は低負荷側の運転領域Ｄ₁₁でのクランク角度と熱発生率dQ/dθとの関係を示すグラフである。

図１１に示すように、低負荷側の運転領域Ｄ₁₁にて上述のような設定を行うことにより、先行気筒２４Ａ、２４Ｄでの熱発生率特性は、Ｌｃ１のように圧縮上死点経過直後に発生し、燃料噴射量の増量に伴ってＬｃ１１のようになる。このため、極めて混合気の燃焼によるエネルギーが極めて大きな膨張仕事に変換されることになる。他方、後続気筒２４Ｂ、２４Ｃにおいては、Ｌｃ２のように最大熱発生率（Ｊ/deg・m³）MAXが圧縮上死点から比較的遅れたところで発生する特性となり、燃料噴射量を増量してもＬｃ２１のようになり、ノッキングが発生しやすくなる。従って、運転領域Ｄ₁₁においては、先行気筒２４Ａ、２４Ｄの燃費が最も高いため、先行気筒２４Ａ、２４Ｄのみ燃料噴射量を増量するとともに、ノッキング限界ぎりぎりまで吸気温度Ｔを維持するようにしている一方、この運転領域Ｄ₁₁までは、後続気筒２４Ｂ、２４Ｃへの燃料噴射量は最低限度に留められている。

図１０を参照して、第１の運転領域Ｄ₁で最も高負荷側の運転領域Ｄ₁₂では、後続気筒２４Ｂ、２４Ｃのノッキング対策を講じる必要がある領域であり、この領域では、先行気筒２４Ａ、２４Ｄの燃料の増量割合を幾分低減する一方、後続気筒２４Ｂ、２４Ｃの燃料噴射量も微増するようにコントロールユニット１００が設定されている。なお、エンジン２０の個体差等を考慮して、この運転領域Ｄ₁₂では、図１０の破線で示すように後続気筒２４Ｂ、２４Ｃでの燃料噴射量を一定にしてもよい。

他方、第２の運転領域Ｄ₂では、全気筒２４Ａ〜２４Ｄが独立吸排気状態にて圧縮自己着火運転を実行する。この第２の運転領域Ｄ₂においても、コントロールユニット１００は、前記吸気加熱システム７０を作動させ、エンジン負荷に応じて吸気温度を調整する。本実施形態では、この第２の運転領域Ｄ₂のうち、高負荷側の運転領域Ｄ₂₁においては、外部ＥＧＲシステム６０を稼働し、各気筒２４Ａ〜２４Ｄに対して外部ＥＧＲを導入することとしている。

さらに、高負荷運転領域Ｓでは、全気筒２４Ａ〜２４Ｄが独立吸排気状態にて強制着火運転が実行される。上述したように、この高負荷運転領域Ｓでは、吸気加熱システム７０を停止し、ノッキングの防止を図っている。

以上説明したように本実施形態では、圧縮自己着火運転が実行される部分負荷運転領域Ｄにおいて、所定の低負荷側に設定される第１の運転領域Ｄ₁では、各気筒２４Ａ〜２４Ｄが２気筒接続状態に切り換えられ、この状態で全気筒２４Ａ〜２４Ｄによる圧縮自己着火運転が実行される。ここで、本実施形態では、先行気筒２４Ａ、２４Ｄの吸気温度Ｔを吸気加熱手段としての吸気加熱システム７０によって高めることとしているので、従来困難であった先行気筒２４Ａ、２４Ｄでの圧縮自己着火運転を実現することが可能になる。また、各気筒２４Ａ〜２４Ｄが２気筒接続状態になっているので、先行気筒２４Ａ、２４Ｄから導入された既燃ガスにより、後続気筒２４Ｂ、２４Ｃの筒内も速やかに加熱され、既燃ガスによるＥＧＲ効果と相俟って後続気筒２４Ｂ、２４Ｃでも燃焼安定性が向上する。次に、エンジン負荷が増大して運転状態が部分負荷運転領域Ｄのうち、前記第１の運転領域Ｄ₁を越える第２の運転領域Ｄ₂に至ると、各気筒２４Ａ〜２４Ｄの接続状態が２気筒接続状態から独立吸排気状態に切り換えられるとともに、この状態で全気筒２４Ａ〜２４Ｄの吸気温度Ｔが加熱され、全気筒２４Ａ〜２４Ｄが独立吸排気状態で圧縮自己着火運転を実行する。このため、後続気筒２４Ｂ、２４Ｃにおいては、部分負荷運転領域Ｄのうち、高負荷側では先行気筒２４Ａ、２４Ｄからの既燃ガスに依存することなく、圧縮自己着火運転を実行することになるので、ヘビーＥＧＲによる着火遅れを防止することが可能になる。この結果、圧縮自己着火運転が可能な運転領域を高負荷側に拡張することが可能になり、高負荷運転時における燃費や排気性能が著しく向上する。

本実施形態では、気筒２４Ａ〜２４Ｄ毎に燃料噴射量を制御可能に燃料を噴射する燃料噴射弁３２を設け、エンジン負荷の増大に伴って先行気筒２４Ａ、２４Ｄに対する燃料噴射量を増大するとともに、前記第１の運転領域Ｄ₁のうち、少なくとも所定の低負荷側（運転領域Ｄ₁₀、Ｄ₁₁）では、この先行気筒２４Ａ、２４Ｄに対する燃料噴射量の増大比率を後続気筒２４Ｂ、２４Ｃよりも大きくなるようにコントロールユニット１００が燃料噴射弁３２を制御する。このため本実施形態では、最も燃費のよい先行気筒２４Ａ、２４Ｄを有効活用することが可能になる。すなわち、第１の運転領域Ｄ₁では、先行気筒２４Ａ、２４Ｄを加熱して圧縮自己着火運転を実行しているので、先行気筒２４Ａ、２４Ｄでの最大熱発生率（（Ｊ/deg・m³）MAX）は、圧縮上死点近傍で発生する。このため、第１の運転領域Ｄ₁のうち、少なくとも低負荷側の運転領域Ｄ₁₀、Ｄ₁₁で先行気筒２４Ａ、２４Ｄに対する燃料噴射量の増大比率を後続気筒２４Ｂ、２４Ｃよりも大きくなるように設定することにより、最も燃費のよい状態で稼働している先行気筒２４Ａ、２４Ｄのトルクを上げて、エンジン全体の燃費を改善することが可能になる。

本実施形態では、気筒２４Ａ〜２４Ｄ毎に燃料噴射量を制御可能に燃料を噴射する燃料噴射弁３２を設け、圧縮自己着火運転領域では、筒内空燃比を理論空燃比よりもリーンになるようにコントロールユニット１００が燃料噴射弁３２を制御するものである。このため本実施形態では、圧縮自己着火運転を実現可能な運転領域を高負荷側に拡張できることと相俟って、広い運転領域でリーンでの圧縮自己着火を実行することにより、燃費や排気性能の改善を図ることが可能になる。

本実施形態では、気筒の混合気を点火する点火プラグ３４を設け、高負荷運転領域Ｓでは、吸気加熱システム７０を停止して独立吸排気状態にて全気筒２４Ａ〜２４Ｄで火花点火運転を実行するようにコントロールユニット１００が切換手段と点火プラグ３４とを制御するものである。このため本実施形態では、吸気加熱システム７０を停止することによって、各気筒２４Ａ〜２４Ｄでのノッキングを防止することができるとともに、火花点火運転によって高負荷運転領域Ｓで高出力を得ることが可能になる。

本実施形態では、部分負荷運転領域Ｄでは、先行気筒２４Ａ、２４Ｄの吸気温度Ｔを低負荷側が高くなるようにコントロールユニット１００が吸気加熱システム７０を制御するものである。このため本実施形態では、吸気加熱システム７０の稼働時において、先行気筒２４Ａ、２４Ｄの吸気温度Ｔを低負荷側が高くなるように設定されるので、燃焼安定性を低負荷側で確保することができるとともに、先行気筒２４Ａ、２４Ｄでの最大熱発生率（Ｊ/deg・m³）MAXもまた、圧縮上死点近傍で発生する。このため、部分負荷運転領域Ｄでは、最も燃費のよい状態で稼働している先行気筒２４Ａ、２４Ｄのトルクを上げて、エンジン全体の燃費を改善することが可能になる。また、圧縮自己着火が可能な範囲で負荷の増加に伴って温度を下げることになるので、高負荷側では、ノッキングを抑制することが可能になる。

本実施形態では、各気筒２４Ａ〜２４Ｄに外部ＥＧＲを導入可能な外部ＥＧＲシステムを設け、前記第２の運転領域Ｄ₂のうち、高負荷側（運転領域Ｄ₂₁）では、各気筒２４Ａ〜２４Ｄに外部ＥＧＲを導入するようにコントロールユニット１００が外部ＥＧＲシステム６０を制御するものである。このため本実施形態では、圧縮自己着火が緩慢になる所定の高負荷運転領域Ｓでは、外部ＥＧＲシステム６０によってＥＧＲガスが導入されるので、ノッキングを回避し、しかも良好な排気性能を得ることが可能になる結果、圧縮自己着火運転を実現可能な運転領域をさらに高負荷側に拡張することが可能になる。

以上説明したように、本実施形態によれば、低負荷側では２気筒接続状態で圧縮自己着火運転を実行するエンジン２０において、部分負荷運転領域Ｄのうち、第１の運転領域Ｄ₁では、２気筒接続状態にて圧縮自己着火運転を全気筒２４Ａ〜２４Ｄで実行するとともに、第２の運転領域Ｄ₂では、独立吸排気状態にて全気筒２４Ａ〜２４Ｄの吸気温度Ｔを高めて圧縮自己着火運転を全気筒２４Ａ〜２４Ｄで実行するようにしているので、後続気筒２４Ｂ、２４Ｃでの着火遅れを防止でき、低負荷運転領域において、先行気筒での圧縮自己着火を実現するとともに、高負荷側での圧縮自己着火運転を実現することができるという顕著な効果を奏する。

本発明の実施の一形態に係る制御装置の概略構成を示す構成図である。 図１に係る４サイクルガソリンエンジンの一つの気筒の構造を示す断面略図である。 気筒を拡大して示す平面略図である。 弁停止機能を有するタペットユニットを制御するための回路構成を示す平面略図である。 図１の実施形態に係る筒内加熱手段としての筒内加熱システムの構成を示す構成図である。 図１の実施形態に係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特性図である。 コントロールユニットに設定される制御条件の基礎となったクランク角度と熱発生率との関係を示すグラフである。 コントロールユニットに設定される制御条件の基礎となったクランク角度と熱発生率との関係を示すグラフである。 コントロールユニットに設定される制御条件の基礎となったクランク角度と熱発生率との関係を示すグラフである。 エンジン負荷毎の制御特性を示すグラフである。 低負荷側の運転領域でのクランク角度と熱発生率との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０ 制御装置
２０ ４サイクルガソリンエンジン
２１ クランクシャフト
２４Ａ、２４Ｄ 先行気筒
２４Ｂ、２４Ｃ 後続気筒
２８、２８ａ、２８ｂ 吸気ポート
２９、２９ａ、２９ｂ 排気ポート
３０、３０ａ、３０ｂ 吸気弁
３１、３１ａ、３１ｂ 排気弁
３２ 燃料噴射弁
３４ 点火プラグ
３５ 点火回路
４４ 開閉弁
４６ 吸気通路
４８ 三方電磁弁
５０ ヒータ
５４ 気筒間ガス通路
６０ 外部ＥＧＲシステム
７０ 吸気加熱システム
１００ コントロールユニット
１１０ 作動油回路
１１１ コントロール弁
１１２ 作動油回路
１１３ コントロール弁
ＳＷ１ エアフローセンサ（運転状態検出手段の一例）
ＳＷ２ 吸気温度センサ（運転状態検出手段の一例）
ＳＷ３ 回転数センサ（運転状態検出手段の一例）
ＳＷ４ エンジン水温センサ（運転状態検出手段の一例）
ＳＷ５ 酸素濃度センサ（運転状態検出手段の一例）
ＳＷ６ アクセル開度センサ（運転状態検出手段の一例）
ＳＷ７、ＳＷ８ 温度センサ（運転状態検出手段の一例）

Claims (6)

1. 排気行程と吸気行程とが重なるような位相差をもって燃焼サイクルが実行される少なくとも一対の気筒と、
   排気行程にある先行気筒から排出される既燃ガスを吸気行程にある後続気筒に導入する２気筒接続状態と各気筒が独立して吸排気可能な独立吸排気状態との間で各気筒の吸排気経路を切り換え可能な切換手段と、
   エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段と、
   運転状態検出手段の検出に基づいて、各気筒の吸排気経路を２気筒接続状態と独立吸排気状態とを択一的に切り換えて圧縮自己着火運転と火花点火運転とを選択的に実行するように切換手段を制御する制御手段と
   を備えた火花点火式多気筒エンジンの制御装置において、
   気筒毎に温度調整可能に筒内を加熱する吸気加熱手段を設け、
   部分負荷運転領域のうち、所定の低負荷側にある第１の運転領域では、２気筒接続状態にて先行気筒の吸気温度を高めることにより圧縮自己着火運転を全気筒で実行し、部分負荷運転領域のうち、前記第１の運転領域を越える第２の運転領域では、独立吸排気状態にて全気筒の吸気温度を高めて圧縮自己着火運転を全気筒で実行するように制御手段が吸気加熱手段および切換手段を制御することを特徴とする火花点火式多気筒エンジンの制御装置。
2. 請求項１記載の火花点火式多気筒エンジンの制御装置において、
   気筒毎に燃料噴射量を制御可能に燃料を噴射する燃料噴射手段を設け、
   エンジン負荷の増大に伴って先行気筒に対する燃料噴射量を増大するとともに、前記第１の運転領域のうち、少なくとも所定の低負荷側では、この先行気筒に対する燃料噴射量の増大比率を後続気筒よりも大きくなるように制御手段が燃料噴射手段を制御するものであることを特徴とする火花点火式多気筒エンジンの制御装置。
3. 請求項１または２記載の火花点火式多気筒エンジンの制御装置において、
   筒内空燃比を設定する空燃比設定手段を設け、
   圧縮自己着火運転領域では、筒内空燃比を理論空燃比よりもリーンになるように制御手段が空燃比設定手段を制御するものであることを特徴とする火花点火式多気筒エンジンの制御装置。
4. 請求項１から３の何れか１項に記載の火花点火式多気筒エンジンの制御装置において、
   気筒の混合気を点火する点火プラグを設け、
   高負荷運転領域では、吸気加熱手段を停止して独立吸排気状態にて全気筒で火花点火運転を実行するように制御手段が切換手段と点火プラグとを制御するものであることを特徴とする火花点火式多気筒エンジンの制御装置。
5. 請求項１から４の何れか１項に記載の火花点火式多気筒エンジンの制御装置において、
   部分負荷運転領域では、先行気筒の吸気温度を低負荷側が高くなるように制御手段が吸気加熱手段を制御するものであることを特徴とする火花点火式多気筒エンジンの制御装置。
6. 請求項１から５の何れか１項に記載の火花点火式多気筒エンジンの制御装置において、
   各気筒に外部ＥＧＲを導入可能な外部ＥＧＲシステムを設け、
   前記第２の運転領域のうち、高負荷側では、各気筒に外部ＥＧＲを導入するように制御手段が外部ＥＧＲシステムを制御するものであることを特徴とする火花点火式多気筒エンジンの制御装置。

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