JP2021139331A - 多気筒エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】低負荷域でのＣＩ燃焼と高負荷域でのＳＩ燃焼とを簡単な構成で両立する。【解決手段】多気筒エンジンの排気通路は、各気筒の排気ポートに接続された複数の独立排気管と、各独立排気管の下流端部が互いに独立状態を維持したまま近接する集約部と、集約部の下流側に接続された集合管部とを有する。各独立排気管の下流端部は、下流側に至るほど断面積が小さくなるように形成される。低負荷側の第１運転領域では、吸気行程の途中まで続く一連の期間に亘って排気弁が開弁するように排気可変機構が制御され（第１特性）、かつ各気筒でＣＩ燃焼が行われる。高負荷側の第２運転領域では、排気弁の開閉時期が全体的に進角するように排気可変機構が制御され（第２特性）、かつ各気筒でＳＩ燃焼が行われる。【選択図】図５

Description

本発明は、混合気の自着火による燃焼であるＣＩ燃焼と火花点火による混合気の強制燃焼であるＳＩ燃焼とを選択的に実行可能な多気筒エンジンに関する。

上記のようにＣＩ燃焼およびＳＩ燃焼の双方が可能なエンジンとして、下記特許文献１のものが知られている。この特許文献１のエンジンは、１３以上３０以下の比較的高い幾何学的圧縮比を有するガソリンエンジンであり、低負荷域および中負荷域ではＣＩ燃焼が、高負荷域ではＳＩ燃焼が、それぞれ行われるようになっている。なお、特許文献１では、ＣＩ燃焼として、混合気の一部をＳＩ燃焼させて残りの混合気をＣＩ燃焼させる燃焼形態（同文献ではこれをＳＰＣＣＩ燃焼と称している）が採用されている。言い換えると、ＳＰＣＣＩ燃焼とは、混合気の一部を火花点火による点火点からの火炎伝播により燃焼させ、残りの混合気を自着火により燃焼させる燃焼形態のことである。

上記のように、低負荷域を含む運転領域でＣＩ燃焼を実現するには、気筒内を十分に高温化する必要がある。そこで、特許文献１では、ＣＩ燃焼（ＳＰＣＣＩ燃焼）が行われる低負荷域において、排気上死点の前後に亘って吸気弁および排気弁の双方が閉じるネガティブオーバーラップ期間を設け、当該ネガティブオーバーラップ期間中に気筒内に閉じ込められる高温の既燃ガスにより気筒内の温度（筒内温度）を高めることが行われている。なお、以下では、気筒内に残される高温の既燃ガスにより筒内温度を高める操作のことを、内部ＥＧＲと称する。

特開２０１８−１９３９８６号公報

上記特許文献１のようにネガティブオーバーラップ期間を利用して内部ＥＧＲを実行することは、筒内温度の上昇（ひいては混合気の自着火の促進）につながるものの、排気上死点の前後に亘って気筒内が密閉されるので、ピストンにより筒内ガスが圧縮される（言い換えると筒内ガスからピストンに圧縮反力が作用する）結果、ポンピングロスが増大してしまう。

そこで、内部ＥＧＲを実現するための別の手段として、排気弁の開弁期間を吸気行程の途中まで延長することが考えられる。すなわち、排気弁を排気行程だけでなく吸気行程でも開くことにより、一旦気筒から排出された高温の排気ガス（既燃ガス）を、排気弁の開弁延長中（吸気行程のうち排気弁が開弁している期間中）に排気ポートから気筒内に逆流させることにより、筒内温度を上昇させるのである。このようにすれば、気筒内の密閉によるポンピングロスの増大が避けられるので、ＣＩ燃焼の実現による燃費性能の向上効果を最大限に引き出すことが可能になると考えられる。

しかしながら、上記のように内部ＥＧＲのために排気弁を排気行程だけでなく吸気行程でも開くようにした場合には、排気弁の開弁期間（開弁から閉弁までのクランク角期間）がかなり長くなるので、内部ＥＧＲが不要な運転領域において内部ＥＧＲ量を十分に減らすことが困難になると考えられる。例えば、高負荷域でＳＩ燃焼を行うときは、プリイグニッション等の異常燃焼を避けるために内部ＥＧＲ量をできるだけ減らすことが望まれるが、これは必ずしも容易なことではない。なお、プリイグニッションとは、火花点火による狙いの着火時期よりも前に混合気が自着火してしまう異常燃焼のことである。

例えば、上記のように排気弁の開弁延長により達成される内部ＥＧＲ量は、排気弁の作動位相（開閉時期）を進角させることによってある程度減らすことが可能である。しかしながら、バルブタイミングは種々の制約の下で決まっており、排気弁の作動位相の調整幅には限界がある。このため、低負荷域においてＣＩ燃焼促進のために多量の内部ＥＧＲ量を確保しようとすれば、高負荷域で内部ＥＧＲ量を十分に減らすことが困難になり、当該高負荷域において上述したプリイグニッション等の異常燃焼が起きることが懸念される。

もちろん、排気弁の開弁期間（開弁から閉弁までのクランク角期間）を可変にするための機構を排気弁の動弁機構に追加すれば、上記のような高負荷域での異常燃焼を回避できるようになると考えられる。しかしながら、このように開弁期間変更のための機構を追加することは、製造コストの増大につながり、好ましくない。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、低負荷域でのＣＩ燃焼と高負荷域でのＳＩ燃焼とを比較的簡単な構成で両立することが可能な多気筒エンジンを提供することを目的とする。

前記課題を解決するためのものとして、本発明の多気筒エンジンは、複数の気筒を含むエンジン本体と、前記エンジン本体に接続されかつ前記各気筒から排出された排気ガスが流通する排気通路と、前記各気筒での燃焼を制御する制御部とを備え、前記エンジン本体は、前記各気筒に連通する吸気ポートおよび排気ポートをそれぞれ開閉する吸気弁および排気弁と、前記排気弁の開時期および閉時期を同量ずつ変更可能な位相式の排気可変機構と、前記各気筒に燃料を供給する燃料供給装置と、前記燃料供給装置から供給された燃料と空気とが混合した混合気に点火する点火プラグとを有し、前記排気通路は、複数の前記気筒の各排気ポートに接続された複数の独立排気管と、前記各独立排気管の下流端部が互いに独立状態を維持したまま近接する集約部と、前記集約部の下流側に接続され、前記独立排気管の全てと連通する共通の空間が内部に形成された集合管部とを有し、前記集約部に対応する各独立排気管の下流端部は、下流側に至るほど断面積が小さくなるように形成され、前記制御部は、所定の第１運転領域において、膨張行程の後期または排気行程の前期に含まれる所定時期から吸気行程の途中までの一連の期間に亘って前記排気弁が開弁するように前記排気可変機構を制御するとともに、混合気の自着火による燃焼であるＣＩ燃焼が前記各気筒で行われるように前記燃料供給装置を制御し、前記第１運転領域よりも負荷の高い第２運転領域において、前記第１運転領域のときよりも前記排気弁の開閉時期が進角するように前記排気可変機構を制御するとともに、火花点火による混合気の強制燃焼であるＳＩ燃焼が前記各気筒で行われるように前記燃料供給装置および前記点火プラグを制御する、ことを特徴とするものである（請求項１）。

本発明によれば、ＣＩ燃焼が行われる第１運転領域において、排気行程を過ぎて吸気行程の途中まで排気弁が継続的に開弁されるので、排気弁が吸気行程中に開弁している期間の間、排気ポートから気筒内に既燃ガス（排気ガス）を引き戻すことができ（内部ＥＧＲ）、当該内部ＥＧＲによって気筒を高温化することができる。これにより、混合気の自着火を促進することができ、当該自着火に基づく適切なＣＩ燃焼を実現することができる。

一方、ＳＩ燃焼が行われる第２運転領域では、排気弁の開閉時期（作動位相）が進角側にシフトされるので、排気弁が吸気行程中に開弁する上述した期間が縮小され、内部ＥＧＲが起き難くなる。むしろ、第２運転領域では、任意の気筒から排出されて集合管部へと流入する排気ガスを利用したエゼクタ効果により、他の気筒から排気ガスを積極的に吸い出すことができる。これにより、各気筒に残留する高温の排気ガスを排気ポートを通じて効率よく排出することができ、各気筒の掃気性（排気ガスと吸入空気との置換性）を向上させることができる。なお、エゼクタ効果とは、高速で流入する駆動流体の周囲に発生する負圧を利用して被駆動流体を吸引する作用のことである。このようなエゼクタ効果による掃気性の向上は、筒内温度を十分に低下させるので、例えばプリイグニッション（火花点火による狙いの着火時期よりも前に混合気が自着火する現象）のような異常燃焼が起きる可能性を十分に低減でき、適切なＳＩ燃焼を実現することができる。

すなわち、エンジン負荷が高い第２運転領域では、混合気の燃焼温度および燃焼圧力が高いので、各気筒の排気弁の開弁直後に、排気ポートから非常に強い勢いで排気ガスが排出される（以下では、このように排気弁の開弁直後に生じる強い勢いの排気ガスのことをブローダウンガスという）。ブローダウンガスは、独立排気管を通じて強い勢いを保持したまま集合管部に流入し、その際にブローダウンガスの周囲に強い負圧を発生させる（エゼクタ効果）。このエゼクタ効果による負圧は、各気筒からの排気ガスの排出を促進し、各気筒の筒内温度を低下させる。このように、第２運転領域では、エゼクタ効果に基づく吸引作用により各気筒の掃気性が高められるので、上述した排気弁の開閉時期の進角（つまり吸気行程中の排気弁の開弁期間の縮小）と相俟って、筒内温度を十分に低下させることができ、プリイグニッション等の異常燃焼を伴わない適切なＳＩ燃焼を実現することができる。

しかも、エゼクタ効果により生じる負圧を利用して掃気性を高めているので、排気可変機構として排気弁の開時期および閉時期を同量ずつシフトさせる比較的簡易なタイプの可変機構を用いながらも、各気筒から排気ガスを効率よく排出させて筒内温度を十分に低下させることができ、第２運転領域で懸念される異常燃焼を効果的に抑制することができる。

好ましくは、前記エンジンは、前記吸気弁の少なくとも開時期を変更可能な吸気可変機構をさらに備え、前記第１運転領域での運転時、前記制御部は、吸気行程の前期に前記排気弁のみが開弁する期間が生じるように前記吸気可変機構および前記排気可変機構を制御する（請求項２）。

このように、第１運転領域での運転時に、吸気行程の前期に排気弁のみが開弁する期間が生じるように各可変機構を制御した場合には、当該期間中に十分な量の既燃ガスを内部ＥＧＲガスとして気筒内に引き戻すことができ、混合気の自着火（ＣＩ燃焼）を促進するのに十分なレベルの温度まで筒内温度を上昇させることができる。このことは、例えば点火プラグを用いた火花点火により初期火炎を形成するといった、一種のアシスト燃焼を行わせることが基本的に不要になることを意味する。これにより、高い確率で混合気の全てをＣＩ燃焼させる（いわゆるＨＣＣＩ燃焼を実現する）ことが可能になるので、エンジンの熱効率を効果的に向上させることができる。

前記構成において、より好ましくは、前記第２運転領域での運転時、前記制御部は、前記吸気弁が排気行程の後期に開きかつ前記排気弁が吸気行程の前期に閉じるように、前記吸気可変機構および前記排気可変機構を制御する（請求項３）。

この構成によれば、第２運転領域での運転時に、排気上死点の前後に亘って吸・排気弁の双方が開くオーバーラップ期間が形成されるので、上述したエゼクタ効果により集合管部に生じた負圧が当該オーバーラップ期間中に排気ポートに作用したときに、吸気ポートから排気ポートへと吹き抜ける吸気の流れが生成される。これにより、気筒内の掃気が一層促進されるので、異常燃焼が発生する確率をより低減することができる。

好ましくは、前記第２運転領域での運転時、前記制御部は、膨張下死点よりも進角側でかつ膨張行程の後期に含まれるタイミングで前記排気弁が開くように前記排気可変機構を制御する（請求項４）。

この構成によれば、第２運転領域での運転時にエゼクタ効果による負圧を適切なタイミングで各気筒の排気ポートに作用させることができ、掃気性を高めることができる。すなわち、エンジン負荷が高いために気筒から多量の排気ガスが排出される第２運転領域において、仮に膨張下死点もしくはこれよりも遅角側で排気弁を開くようにした場合には、任意の気筒の排気弁の開弁直後に高速で排出される排気ガス（ブローダウンガス）が集合管部に到達してエゼクタ効果が生じるタイミングが遅くなり、当該エゼクタ効果による負圧を適切なタイミングで他の気筒（燃焼順序が１つ前の気筒）に作用させることが困難になるおそれがある。これに対し、前記構成では、膨張下死点よりも進角側（膨張行程の後期）で排気弁が開かれるので、エゼクタ効果による負圧を、前記他の気筒が排気上死点近傍にある適切なタイミングで排気ポートに作用させることができ、当該負圧を利用して各気筒の掃気性を十分に高めることができる。

前記構成において、より好ましくは、前記排気弁の開時期から閉時期までの期間である開弁期間は、前記吸気弁の開弁期間よりも長い（請求項５）。

この構成によれば、第１運転領域において吸気行程中の排気弁の開弁期間を十分に確保しながら、第２運転領域では前記のように排気弁が比較的早いタイミングで開くというセッティングを支障なく実現することができる。

好ましくは、前記排気弁のリフト特性は、クランク角の進行に応じてリフト量が山型に増減する山部と、当該山部に連なりかつリフト量がゼロより大きい値で略一定になる棚部と、当該棚部に連なりかつリフト量がゼロへと漸減する裾部とを有するように設定される（請求項６）。

このように、リフト量が略一定の棚部を含むリフト特性を排気弁に付与した場合には、排気上死点でのリフト量を略一定に保ちながら排気弁の開閉時期を変更できるので、当該開閉時期の調整幅の確保と、排気弁とピストンとの干渉回避とを高次元に両立することができる。

好ましくは、前記集合管部は、前記集約部の下流端に接続されかつ下流側ほど断面積が小さくなるように形成されたノズル部と、ノズル部の下流側に連なりかつ断面積が略一定となるように形成されたストレート部と、ストレート部の下流側に連なりかつ下流側ほど断面積が大きくなるように形成されたディフューザ部とを有する（請求項７）。

この構成によれば、独立排気管の各下流端から集合管部に駆動流体として流入する排気ガス（ブローダウンガス）をノズル部において加速することができ、当該駆動流体の周りに生じる負圧を強化することができる。これにより、エゼクタ効果をより効率よく生じさせることができ、第２運転領域での気筒の掃気性を向上させることができる。また、ノズル部によって一旦加速された排気ガスを、ストレート部およびディフューザ部によって減速させて排気ガスの圧力を回復させることができる。

本発明は、４つの気筒を有する４気筒エンジンに好適に適用され得る。すなわち、本発明において、前記エンジン本体は４つの前記気筒を有することが好ましい（請求項８）。

以上説明したように、本発明の多気筒エンジンによれば、低負荷域でのＣＩ燃焼と高負荷域でのＳＩ燃焼とを比較的簡単な構成で両立することができる。

本発明の一実施形態にかかる多気筒エンジンの概略構成を示す平面図である。 エンジン本体の断面図である。 エンジン本体と排気通路の上流側の一部とを拡大して示す概略平面図である。 エンジン本体の上部と排気通路の上流側の一部とを拡大して示す概略側面図である。 図３のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。 吸気弁および排気弁のリフト特性がそれぞれ変更可能であることを説明するための図である。 排気弁のリフト特性を詳細に示す図である。 リフトカーブの最初と最後の部分を拡大して示す図である。 エンジンの制御系統を示すブロック図である。 エンジンの回転速度／負荷に応じた制御の相違を示す運転マップである。 第１運転領域での制御の具体例を示すタイムチャートである。 第２運転領域での制御の具体例を示すタイムチャートである。

（１）エンジンの全体構成
図１および図２は、本発明の一実施形態にかかる多気筒エンジンの概略構成を示す図である。当実施形態のエンジンは、走行用の動力源として車両に搭載される４サイクルのガソリンエンジンであり、列状に並ぶ複数（ここでは４つ）の気筒２を有する直列多気筒型のエンジン本体１と、エンジン本体１に導入される吸気が流通する吸気通路２０と、エンジン本体１から排出される排気ガスが流通する排気通路３０とを備えている。

エンジン本体１は、上記複数の気筒２が内部に形成されたシリンダブロック３と、各気筒２を上から閉塞するようにシリンダブロック３の上面に取り付けられたシリンダヘッド４と、各気筒２に往復摺動可能に挿入された複数のピストン５とを有している。

各ピストン５の上方にはそれぞれ燃焼室Ｃが形成されている。燃焼室Ｃには、後述するインジェクタ１０からの噴射によって、ガソリンを含有する燃料が供給される。そして、供給された燃料が燃焼室Ｃで空気と混合しつつ燃焼し、その燃焼による膨張力を受けてピストン５が上下方向に往復運動する。

ピストン５の下方には、エンジン本体１の出力軸であるクランク軸１７が設けられている。クランク軸１７は、ピストン５とコネクティングロッド１８を介して連結され、ピストン５の往復運動（上下動）に応じて中心軸回りに回転駆動される。

気筒２の幾何学的圧縮比、つまりピストン５が上死点にあるときの燃焼室Ｃの容積とピストン５が下死点にあるときの燃焼室Ｃの容積との比は、後述する第１運転領域Ａ１でＣＩ燃焼を行わせるのに好適な値として、１４以上２０以下、好ましくは１６以上１８以下に設定される。

シリンダブロック３には、クランク軸１７の回転角度（クランク角）およびクランク軸１７の回転速度（エンジン回転速度）を検出するクランク角センサＳＮ１が設けられている。

シリンダヘッド４には、気筒２ごとに、吸気通路２０から供給される空気を燃焼室Ｃに導入するための吸気ポート６と、燃焼室Ｃで生成された既燃ガス（排気ガス）を排気通路３０に排出するための排気ポート７と、吸気ポート６の燃焼室Ｃ側の開口を開閉する吸気弁８と、排気ポート７の燃焼室Ｃ側の開口を開閉する排気弁９とが設けられている。なお、当実施形態のエンジンのバルブ形式は、吸気２バルブ×排気２バルブの４バルブ形式である。すなわち、当実施形態では、各気筒２の燃焼室Ｃに対し吸気ポート６および排気ポート７が２つずつ設けられるとともに、各ポート６，７の数に対応して吸気弁８および排気弁９が各気筒２に対し２つずつ設けられている。

図３は、エンジン本体１と排気通路３０の上流側の一部とを拡大して示す概略平面図である。この図３および先の図２に示すように、シリンダヘッド４には、各気筒２の吸気弁８を開閉するための吸気動弁機構１２と、各気筒２の排気弁９を開閉するための排気動弁機構１３とが設けられている。詳細は後述するが、これらの動弁機構１２，１３は、クランク軸１７と連動連結されたカムシャフト等を含んでおり、クランク軸１７の回転に連動して吸気弁８および排気弁９を開閉する。

図１〜図３に示すように、シリンダヘッド４には、インジェクタ１０および点火プラグ１１が各気筒２に対し１組ずつ設けられている。インジェクタ１０は、燃料（ガソリンを含有する燃料）を燃焼室Ｃに向けて噴射するものである。点火プラグ１１は、インジェクタ１０から噴射された燃料と空気とが混合した混合気に点火するものである。なお、インジェクタ１０は、本発明における「燃料供給装置」に相当する。

インジェクタ１０は、例えば、燃料の噴射口となる複数の噴孔を先端部に有した多噴孔型のインジェクタであり、各気筒２の燃焼室Ｃをその吸気側の側方から臨むように設けられている。

点火プラグ１１は、火花を放出するための電極を先端部に有したプラグであり、各気筒２の燃焼室Ｃを上方から臨むように設けられている。

ここで、当実施形態のような４サイクル４気筒のガソリンエンジンでは、各気筒２に設けられたピストン５がクランク角で１８０°（１８０°ＣＡ）の位相差をもって上下運動する。このため、点火プラグ１１による強制点火が必要な運転条件（後述する第２運転領域Ａ２および第３運転領域Ａ３）において、各気筒２の点火プラグ１１は、１８０°ＣＡずつずれたタイミングで駆動される。より詳しくは、エンジン本体１に備わる４つの気筒２を図１（または図３）の左側から順に第１気筒２Ａ、第２気筒２Ｂ、第３気筒２Ｃ、第４気筒２Ｄとしたとき、当実施形態では、第１気筒２Ａ→第３気筒２Ｃ→第４気筒２Ｄ→第２気筒２Ｂの順に混合気が燃焼し、かつその燃焼間隔（ある気筒での燃焼開始から次の気筒での燃焼開始までの間隔）が１８０°ＣＡに設定される。これに対応して、点火プラグ１１は、第１気筒２Ａ→第３気筒２Ｃ→第４気筒２Ｄ→第２気筒２Ｂの順に駆動され、かつその駆動間隔（ある気筒での点火プラグの駆動から次の気筒での点火プラグの駆動までの間隔）が１８０°ＣＡに設定される。なお、以下では、特定の気筒を指す場合にのみ第１気筒２Ａ、第２気筒２Ｂ‥‥などといい、４つの気筒２Ａ〜２Ｄを特に区別せずに指すときは単に気筒２という。

図１に示すように、吸気通路２０は、各気筒２の吸気ポート６に連通するようにエンジン本体１に接続された複数（４つ）の独立吸気管２１と、各独立吸気管２１の上流側（エンジン本体１から遠い側）の端部が接続された共通のサージタンク２２と、サージタンク２２から上流側に延びる単管状の共通吸気管２３とを有している。

共通吸気管２３の途中部には、吸気流量を調整するためのスロットル弁２５が開閉可能に設けられている。また、共通吸気管２３におけるスロットル弁２５とサージタンク２２との間には、吸気流量を検出するエアフローセンサＳＮ２が設けられている。

図１および図３に示すように、排気通路３０は、各気筒２の排気ポート７に連通するようにエンジン本体１に接続された複数（３つ）の独立排気管３１，３２，３３と、各独立排気管３１，３２，３３の下流側（エンジン本体１から遠い側）の端部が独立状態を維持したまま互いに近接するように束ねられた集約部３４と、集約部３４の下流側に接続された集合管部３５と、集合管部３５の下流側に接続された単管状の共通排気管３６と、共通排気管３６の途中部に設けられた触媒コンバータ３７とを有している。触媒コンバータ３７には、排気ガス中の有害成分を浄化するための三元触媒等の触媒が内蔵されている。

（２）吸気動弁機構の詳細
図２および図３に示すように、吸気動弁機構１２は、カムシャフト１２ａと吸気ＶＶＬ１４とを有している。なお、吸気ＶＶＬ１４は、本発明における「吸気可変機構」に相当する。

カムシャフト１２ａは、例えばチェーンやスプロケット等を用いた動力伝達機構を介してクランク軸１７と連係されており、クランク軸１７と連動して回転することにより各気筒２の吸気弁８を開閉駆動する。図示を省略するが、カムシャフト１２ａは、第１気筒２Ａから第４気筒２Ｄに亘って延びる軸部と、当該軸部に取り付けられた複数のカム部とを有している。複数のカム部は、各気筒２の吸気弁８を押し下げることが可能な位置に設けられており、上記軸部の回転に伴い吸気弁８を開閉駆動する。

吸気ＶＶＬ１４は、吸気弁８のリフト量を可変とするための機構である。具体的に、当実施形態の吸気ＶＶＬ１４は、吸気弁８のリフト特性を、最大リフト量および開弁期間が異なる２つの特性の間で択一的に切り替えるように構成されている。

図６は、クランク角の進行に応じた吸気弁８および排気弁９の各リフト量の変化（リフト特性）を示しており、ＩＮで示す波形が吸気弁８のリフト特性（リフトカーブ）を、ＥＸで示す波形が排気弁９のリフト特性（リフトカーブ）を示している。本図に示すように、吸気ＶＶＬ１４は、吸気弁８のリフト特性ＩＮを、実線で示す第１特性と破線で示す第２特性との間で択一的に切り替えるように構成されている。当実施形態において、第１特性および第２特性は、そのいずれもが、クランク角の進行に応じてリフト量が山型に増減する（リフト量が漸増した後に漸減する）ように設定されているが、最大リフト量および開弁期間が互いに異なる。具体的に、吸気弁８のリフト量の最大値である最大リフト量は、第１特性のときの方が第２特性のときよりも小さい。また、吸気弁８の開時期から閉時期までの期間（クランク角期間）である開弁期間は、第１特性のときの方が第２特性のときよりも短い。言い換えると、吸気弁８の開時期は第１特性のときの方が第２特性のときよりも遅く、吸気弁８の閉時期は第１特性のときの方が第２特性のときよりも早い。

吸気ＶＶＬ１４の上述した機能を達成するため、当実施形態では、形状（カムプロフィール）の異なる２種類のカムが吸気弁８ごとに用意されている。すなわち、カムシャフト１２ａの軸部には、各気筒２の吸気弁８を押し下げるためのカム部として、上記第１特性に対応する第１カムと、上記第２特性に対応する第２カムとが取り付けられている。吸気ＶＶＬ１４は、これら第１・第２カムのいずれかが選択的に吸気弁８を押し下げるようにカムシャフト１２ａの状態を切り替える切替機構を含んでいる。このような切替機構の具体例は種々考えられるが、例えば、カムシャフト１２ａの軸部に対し第１カムおよび第２カムをスライド可能に支持するスライド支持機構と、これら第１カムおよび第２カムをスライドさせるための駆動機構とを含んだものを例示することができる。

（３）排気動弁機構の詳細
図２および図３に示すように、排気動弁機構１３は、カムシャフト１３ａと排気ＳＶＴ１５とを有している。なお、排気ＳＶＴ１５は、本発明における「排気可変機構」に相当する。

カムシャフト１３ａは、例えばチェーンやスプロケット等を用いた動力伝達機構を介してクランク軸１７と連係されており、クランク軸１７と連動して回転することにより各気筒２の排気弁９を開閉駆動する。図示を省略するが、カムシャフト１３ａは、第１気筒２Ａから第４気筒２Ｄに亘って延びる軸部と、当該軸部に取り付けられた複数のカム部とを有している。複数のカム部は、各気筒２の排気弁９を押し下げることが可能な位置に設けられており、上記軸部の回転に伴い排気弁９を開閉駆動する。

図７は、排気弁９のリフト特性ＥＸを示す図である。本図に示すように、排気弁９のリフト特性ＥＸは、クランク角の進行に応じてリフト量が山型に増減する（リフト量が漸増した後に漸減する）山部Ｘ１と、リフト量がゼロより大きい一定値をとる棚部Ｘ２と、リフト量がゼロへと漸減する裾部Ｘ３とを有している。棚部Ｘ２は山部Ｘ１の遅角側に連なり、裾部Ｘ３は棚部Ｘ２の遅角側に連なっている。カムシャフト１３ａのカム部（排気カム）は、これら山部Ｘ１、棚部Ｘ２、および裾部Ｘ３からなるリフト特性（リフトカーブ）に対応した特殊な形状（プロフィール）を有したカムである。

山部Ｘ１のリフト量の最大値（言い換えると排気弁９の最大リフト量）を第１リフト量Ｑ１とし、棚部Ｘ２のリフト量（一定値）を第２リフト量Ｑ２とすると、第２リフト量Ｑ２は第１リフト量Ｑ１の２５〜３５％に設定されている。また、山部Ｘ１に対応するクランク角期間を第１期間ＣＡ１とし、棚部Ｘ２および裾部Ｘ３に対応するクランク角期間を第２期間ＣＡ２とすると、第２期間ＣＡ２は第１期間ＣＡ１の約半分（４５〜６０％）に設定されている。なお、第１期間ＣＡ１および第２期間ＣＡ２をより詳しく定義すると、第１期間ＣＡ１は、排気弁９の開時期（山部Ｘ１の開始）から山部Ｘ１と棚部Ｘ２との境界までのクランク角期間のことであり、第２期間ＣＡ２は、山部Ｘ１と棚部Ｘ２との境界から排気弁９の閉時期（裾部Ｘ３の終了）までのクランク角期間のことである。

第１期間ＣＡ１および第２期間ＣＡ２の合計、つまり排気弁９の開弁期間（開時期から閉時期までの期間）は、２６０〜３００°ＣＡという比較的長い期間に設定されている。この排気弁９の開弁期間は、吸気弁８の開弁期間よりも長い。なお、当実施形態では上述したとおり、図６に示した第１特性および第２特性のいずれが選択されているかによって吸気弁８の開弁期間が異なるが、両特性のいずれが選択されている場合であっても、排気弁９の開弁期間の方が吸気弁８の開弁期間よりも長くなるという関係が変わることはない。

排気ＳＶＴ１５は、カムシャフト１３ａの回転位相を変更することにより排気弁９の開閉時期を調整する位相式の可変機構である。すなわち、排気ＳＶＴ１５は、排気弁９のリフト量および開弁期間を一定に維持したまま、排気弁９の開時期および閉時期を同量ずる変更するように構成されている。このような排気ＳＶＴ１５が設けられることにより、排気弁９のリフト特性ＥＸは、図６に示すように、遅角側の第１特性（実線）と、この第１特性を進角側に平行移動した第２特性（破線）とを含む範囲において連続的に変化することが可能である。

上記のような排気ＳＶＴ１５の具体例は種々考えられるが、例えば、カムシャフト１３ａと同軸に配置されてクランク軸１７により直接駆動される被動軸と、当該被動軸とカムシャフト１３ａとを両者の位相差を変更可能に連結する位相変更部とを含んだものを例示することができる。

ここで、吸気弁８および排気弁９の開時期／閉時期の定義について説明しておく。図８に示すように、吸気弁８および排気弁９のリフトカーブは、その最初と最後の部分に、クランク角に対するリフト量の変化率が十分に小さい略一定値に設定されたランプ部（緩衝区間）を有する。本明細書において、吸気弁８および排気弁９の開時期とは、開側（図８の左側）のランプ部が終了するタイミングのことをいい、閉時期とは、閉側（図８の右側）のランプ部が始まるタイミングのことをいう。言い換えると、吸気弁８および排気弁９の開時期／閉時期とは、ランプ部を除いた実質的な開弁期間をバルブの開弁期間と定義した場合における開弁／閉弁のタイミングであって、リフト量が完全にゼロになる時期を指すわけではない。なお、ランプ部の高さ、つまりバルブの開時期／閉時期でのリフト量は、例えば０．３ｍｍ〜０．４ｍｍに設定される。

（４）排気通路の詳細構造
図４は、エンジン本体１の上部と排気通路３０の上流側の一部とを拡大して示す概略側面図である。この図４および先の図１、図３等を参照しつつ排気通路３０の詳細構造について説明する。上述したとおり、当実施形態では、４つの気筒２（第１〜第４気筒２Ａ〜２Ｄ）に対し３つの独立排気管３１，３２，３３が用意されている。気筒数に比べて独立排気管の数が１つ少ないのは、第２気筒２Ｂおよび第３気筒２Ｃによって１つの独立排気管３２が共用されているからである。すなわち、当実施形態では、第２気筒２Ｂおよび第３気筒２Ｃに対し共通の独立排気管３２が用意されている一方、第１気筒２Ａおよび第４気筒２Ｄに対しては専用の独立排気管３１，３３が用意されている。なお、以下では適宜、第１気筒２Ａ用の独立排気管３１のことを第１独立排気管３１といい、第４気筒２Ｄ用の独立排気管３３のことを第３独立排気管３３といい、第２気筒２Ｂおよび第３気筒２Ｃ用の独立排気管３２のことを第２独立排気管３２という。

第１独立排気管３１は、分岐のない単管状のパイプであり、その上流端が第１気筒２Ａの排気ポート７に接続されている。同様に、第３独立排気管３３は、分岐のない単管状のパイプであり、その上流端が第４気筒２Ｄの排気ポート７に接続されている。一方、第２独立排気管３２は、上流側で二股に分岐したＹ字状の分岐パイプであり、その上流端が第２気筒２Ｂおよび第３気筒２Ｃの各排気ポート７にそれぞれ接続されている。すなわち、第２独立排気管３２は、第２気筒２Ｂおよび第３気筒２Ｃの各排気ポート７から延びて下流側で集合する２つの分岐管部３２ａ，３２ｂと、各分岐管部３２ａ，３２ｂが集合した部分から下流側に延びる単管状の共通管部３２ｃとを有している。

上述したように、当実施形態のような４サイクル４気筒エンジンでは、第１気筒２Ａ→第３気筒２Ｃ→第４気筒２Ｄ→第２気筒２Ｂの順に燃焼が行われる。このため、第２独立排気管３２を共用する第２気筒２Ｂおよび第３気筒２Ｃは、燃焼順序が連続しない関係にある。このことは、第２気筒２Ｂおよび第３気筒２Ｃから排出された排気ガスが第２独立排気管３２内で互いに合流しない（混じり合わない）ことを意味する。すなわち、第２気筒２Ｂから排出された排気ガスが第２独立排気管３２を流通している期間中、第３気筒２Ｃから排出された排気ガスは第２独立排気管３２を流通せず、第３気筒２Ｃから排出された排気ガスが第２独立排気管３２を流通している期間中、第２気筒２Ｂから排出された排気ガスは第２独立排気管３２を流通しない。言い換えると、第２気筒２Ｂおよび第３気筒２Ｃの一方から排出された排気ガスは、他方から排出された排気ガスと一度も合流することなく下流側の集合管部３５へと流出する。

また、第１気筒２Ａおよび第４気筒２Ｄは、それぞれ単管状の独立排気管（第１独立排気管３１または第３独立排気管３３）によって集合管部３５と接続されているので、第１気筒２Ａおよび第４気筒２Ｄから排出された排気ガスも、集合管部３５に到達するまでの間に一度も他の気筒からの排気ガスと合流しない。

このように、当実施形態における独立排気管３１，３２，３３は、任意の気筒２からの排気ガスが対応する独立排気管（３１〜３３のいずれか）を流通する過程で他の気筒２からの排気ガスと合流しないように構成されている。

図１および図３に示すように、第１、第３独立排気管３１，３３は、その各下流端部の位置が第２独立排気管３２の下流端部と略一致するように、気筒列方向の中央側を指向して延びている。すなわち、第１独立排気管３１の下流端部と、第２独立排気管３２の共通管部３２ｃの下流端部と、第３独立排気管３３の下流端部とが、それぞれ、エンジン本体１における排気側の壁面の中央部（上面視で第２気筒２Ｂと第３気筒２Ｃの間に対応する位置）から下流側に離れた位置において１箇所に束ねられている。そして、束ねられた上記３つの独立排気管３１，３２，３３の各下流端部と、これらを束ねた状態に保持する図略の保持部材等により、上述した集約部３４が形成されている。

図５に示すように、各独立排気管３１，３２，３３の下流端部、つまり、第１独立排気管３１の下流端部と、第２独立排気管３２の共通管部３２ｃの下流端部と、第３独立排気管３３の下流端部とは、それぞれ、円を３等分したような扇型の断面を有しており、このような断面を有する各下流端部が３つ集まることにより、全体としてほぼ円形の集約部３４が形成されている。

図３および図４に示すように、集約部３４において近接配置された各独立排気管３１，３２，３３の下流端部は、下流側に至るほど断面積（流路面積）が小さくなるように先細り状に形成されている。このため、各独立排気管３１，３２，３３を流通する排気ガスは、その下流端部を通過する際に加速され、高い流速をもって集合管部３５へと噴出される。

また、各独立排気管３１，３２，３３の下流端部は、集約部３４において、比較的平行に近い角度で束ねられている。具体的に、各独立排気管３１，３２，３３の下流端部は、それぞれの軸心どうしがなす角度が例えば１０度前後の浅い角度となるように配置されている。

図３および図４に示すように、集合管部３５は、下流側ほど断面積が小さくなるように形成されたノズル部４１と、ほぼ一様の断面積を有するように形成されたストレート部４２と、下流側ほど断面積が大きくなるように形成されたディフューザ部４３とを、上流側からこの順に有している。このため、各独立排気管３１，３２，３３のいずれかの下流端部から噴出された排気ガスは、まずノズル部４１へと流入し、そこでさらに加速する（このとき排気ガスの圧力は低下する）。また、ノズル部４１で加速された排気ガスは、ストレート部４２およびディフューザ部４３を通過するにつれて減速され、これに伴って排気ガスの圧力が回復する。

上記のように各独立排気管３１，３２，３３のいずれかの下流端部から集合管部３５のノズル部４１に向けて高速で排気ガスが噴出されると、その噴出ガスの周囲に、相対的に圧力の低い負圧部が生成される。したがって、ある気筒２の独立排気管（３１，３２，３３のいずれか）から集合管部３５に排気ガスが噴出されたときには、他の気筒２の排気ポート７に負圧が作用して、そこから排気ガスが下流側へと吸い出されることになる。これは、エゼクタ効果として知られている。

なお、エゼクタ効果は、ノズル部４１の下流端部の面積（ストレート部４２の面積に同じ）の等価円直径をＤ、独立排気管３１，３２，３３の各下流端部の等価円直径をａとしたときに、ａ／Ｄ≧０．５であれば充分なエゼクタ効果が得られることが分かっている。このため、当実施形態でも、ａ／Ｄは０．５以上（例えば０．６５）に設定される。ここで、等価円直径とは、ある形状をもった断面を面積が同じ真円に置き換えたときの直径のことである。

（５）制御系統
図９は、当実施形態のエンジンの制御系統を示すブロック図である。本図に示されるＥＣＵ５０は、エンジンを統括的に制御するためのマイクロプロセッサであり、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されている。なお、ＥＣＵ５０は、本発明における「制御部」に相当する。

ＥＣＵ５０には、各種センサによる検出情報が入力される。例えば、ＥＣＵ５０は、上述したクランク角センサＳＮ１およびエアフローセンサＳＮ２と電気的に接続されており、これらのセンサにより検出された情報（つまりクランク角、エンジン回転速度、および吸気流量等の情報）がＥＣＵ５０に逐次入力されるようになっている。

また、車両には、当該車両を運転するドライバーにより操作されるアクセルペダルの開度（以下、アクセル開度という）を検出するアクセルセンサＳＮ３が設けられており、当該アクセルセンサＳＮ３による検出信号もＥＣＵ５０に逐次入力される。

ＥＣＵ５０は、上記各センサ（ＳＮ１〜ＳＮ３等）からの入力信号に基づいて種々の判定や演算等を実行しつつエンジンの各部を制御する。すなわち、ＥＣＵ５０は、インジェクタ１０、点火プラグ１１、吸気ＶＶＬ１４、排気ＳＶＴ１５、およびスロットル弁２５等と電気的に接続されており、上記演算等の結果に基づいてこれらの機器にそれぞれ制御用の信号を出力する。

（６）運転領域ごとの制御
図１０は、エンジンの回転速度／負荷に応じた制御の相違を示す運転マップである。本図に示すように、エンジンの運転領域は、第１運転領域Ａ１、第２運転領域Ａ２、および第３運転領域Ａ３に大別される。第１運転領域Ａ１は、負荷が所定負荷Ｌｘ未満でかつ回転速度が所定速度Ｎｘ未満となる低速・低負荷の領域であり、第２運転領域Ａ２は、負荷が所定負荷Ｌｘ以上でかつ回転速度が所定速度Ｎｘ未満の低速・高負荷の領域であり、第３運転領域Ａ３は、回転速度が所定速度Ｎｘ以上の高速領域である。

詳細は後述するが、第１運転領域Ａ１は、混合気の自着火による燃焼であるＣＩ燃焼を行う領域として設定されている。一方、第２運転領域Ａ２および第３運転領域Ａ３は、点火プラグ１１を用いた火花点火による混合気の強制燃焼であるＳＩ燃焼を行う領域として設定されている。ＥＣＵ５０は、エンジンの運転中、クランク角センサＳＮ１の検出値からエンジン回転速度を特定するとともに、エアフローセンサＳＮ２およびアクセルセンサＳＮ３の各検出値からエンジン負荷（要求トルク）を特定する。そして、特定したエンジン回転速度／負荷の組合せに基づいて、上述した第１〜第３運転領域Ａ１〜Ａ３のいずれでエンジンが運転されているかを逐次判定し、判定した運転領域に応じた燃焼（ＣＩ燃焼またはＳＩ燃焼）が行われるように、インジェクタ１０、点火プラグ１１、吸気ＶＶＬ１４、排気ＳＶＴ１５、およびスロットル弁２５を制御する。

以下、第１運転領域Ａ１および第２運転領域Ａ２における制御の詳細について説明する。なお、第２運転領域Ａ２および第３運転領域Ａ３での制御は基本的に同一であるため、第３運転領域Ａ３についての詳細な説明は省略する。以下の説明では、バルブタイミング等を具体的に特定するために排気行程や吸気行程等の各行程について「前期」「中期」「後期」といった用語を用いるが、これは次のことを前提とする。すなわち、本明細書では、任意の行程を３等分した場合の各期間を前から順に「前期」「中期」「後期」と定義する。このため、例えば排気行程の開始点（膨張下死点）を０°ＣＡとした場合における排気行程の前期、中期、後期とは、それぞれ、０〜６０°ＣＡ、６０〜１２０°ＣＡ、１２０〜１８０°ＣＡの各期間のことを指す。

（ｉ）第１運転領域
図１１は、第１運転領域Ａ１での制御の具体例を説明するためのタイムチャートである。本図に示すように、第１運転領域Ａ１では、インジェクタ１０から燃焼室Ｃ（気筒２）に噴射された燃料と空気とが混合した混合気をピストン５の圧縮作用により自着火させるＣＩ燃焼が実行される。具体的に、第１運転領域Ａ１では、例えば吸気行程中の所定時期にインジェクタ１０から燃料が噴射される（燃料噴射Ｆ１）。すると、この燃料噴射Ｆ１に基づき、燃料と空気とが比較的均質に混じり合った混合気（予混合気）が燃焼室Ｃに形成される。この混合気は、圧縮行程においてピストン５の圧縮作用により高温、高圧化し、圧縮上死点（圧縮行程と膨張行程の間のＴＤＣ）付近で自着火する。そして、このような自着火に基づき、波形Ｗ１に示すような熱発生を伴うＣＩ燃焼が実現される。

第１運転領域Ａ１での燃料噴射Ｆ１のタイミングは、圧縮上死点に近い所望のタイミングで混合気が自着火するように、演算等によって随時決定される。例えば、第１運転領域Ａ１では、燃料を噴射してからその燃料が自着火するまでに要する時間等が各種条件（筒内温度等）に基づき予測され、その予測時間を考慮した適切なタイミングで燃料が噴射されるようにインジェクタ１０が制御される。このため、図１１のようにインジェクタ１０から吸気行程中に燃料が噴射される例はあくまで一例であり、吸気行程以外のタイミングで燃料が噴射される場合もあり得る。例えば、条件によっては、１サイクル中に噴射すべき燃料の少なくとも一部が圧縮行程中に噴射されることもあり得る。また、燃料の噴射回数も１回に限られず、吸気行程から圧縮行程までの期間内で複数回に分けて燃料を噴射してもよい。

上記のとおり、第１運転領域Ａ１では混合気が自着火により燃焼するので、点火プラグ１１を駆動することは基本的に不要である。もちろん、混合気の自着火（ＣＩ燃焼）を促進するために、点火プラグ１１を用いた火花点火により混合気中に初期火炎（もしくは火種）を形成することも考えられるが、当実施形態ではそのような火花点火を用いた自着火の促進は原則として採用されない。言い換えると、当実施形態において第１運転領域Ａ１で行われる混合気の燃焼形態は、原則として、ピストン５の圧縮のみによって予混合気を自着火させる燃焼、つまりＨＣＣＩ燃焼（Homogeneous-Charge Compression Ignition Combustion）である。

上記のようなＣＩ燃焼（ＨＣＣＩ燃焼）を実現するため、第１運転領域Ａ１では、吸気弁８および排気弁９の各リフト特性がそれぞれ図６に示した第１特性になるように、吸気ＶＶＬ１４および排気ＳＶＴ１５が制御される。すなわち、排気弁９の開閉タイミングが全体的に遅角側にシフトされるとともに、吸気弁８の最大リフト量および開弁期間がともに小さくされる。これにより、図１１に示すように、吸気行程の前期に、排気弁９のみが開弁する第１期間Ｔ１が形成される。

第１期間Ｔ１は、排気ポート７から燃焼室Ｃに高温の既燃ガス（排気ガス）を逆流させる内部ＥＧＲを実現させる。詳しくは、ピストン５が下降を開始する吸気行程の前期において排気ポート７のみが開弁していることにより、排気ポート７に一旦導出された既燃ガスが低圧の燃焼室Ｃへと逆流し、有意な量の既燃ガスが燃焼室Ｃに残される（内部ＥＧＲ）。この内部ＥＧＲは、燃焼室Ｃの温度である筒内温度を上昇させるので、混合気の自着火（ＣＩ燃焼）の促進につながる。

第１期間Ｔ１の終了と同時に吸気弁８が開弁を開始するが、この時点で排気弁９は依然として開弁状態にある。このため、当該第１期間Ｔ１に続く第２期間Ｔ２では、吸気弁８および排気弁９の双方が開弁している。すなわち、吸気弁８および排気弁９の双方が開弁するバルブオーバーラップ期間が形成される。このバルブオーバーラップ期間としての第２期間Ｔ２も、内部ＥＧＲを行うための期間として利用される。ただし、第２期間Ｔ２では排気弁９だけでなく吸気弁８も開弁しているため、排気弁９のみが開弁する第１期間Ｔ１に比べれば、既燃ガスは燃焼室Ｃに逆流し難くなる。言い換えると、燃焼室Ｃに残される既燃ガスの量である内部ＥＧＲ量を確保するのにより有効なのは、排気弁９のみが開弁している第１期間Ｔ１である。つまり、当実施形態では、第１期間Ｔ１において排気弁９のみを開弁させることで十分に多くの内部ＥＧＲ量を確保し、それによって点火プラグ１１（火花点火）を原則利用しないＣＩ燃焼（ＨＣＣＩ燃焼）を実現するようにしている。

第１運転領域Ａ１での吸気弁８および排気弁９の開閉タイミングについて、図１１を用いてより詳しく説明する。排気弁９は、膨張下死点（膨張行程と排気行程の間のＢＤＣ）もしくはその近傍である時点ｅ１ａで開き、吸気行程の中期に含まれる時点ｅ２ａで閉じる。吸気弁８は、排気上死点（排気行程と吸気行程の間のＴＤＣ）と排気弁９の閉時期ｅ２ａとの間であって吸気行程の前期に含まれる時点ｉ１ａで開き、吸気下死点（吸気行程と圧縮行程の間のＢＤＣ）の遅角側の近傍である時点ｉ２ａで閉じる。排気上死点から吸気弁８の開時期ｉ１ａまでの期間が、上述した第１期間Ｔ１であり、吸気弁８の開時期ｉ１ａから排気弁９の閉時期ｅ２ａまでの期間が、上述した第２期間Ｔ２である。排気弁９のみが開弁する第１期間Ｔ１の間、排気弁９のリフト量は、図７に示した棚部Ｘ２に対応する値（第２リフト量Ｑ２）で略一定とされる。

（ii）第２運転領域
第１運転領域Ａ１よりも負荷が高い第２運転領域Ａ２では、図１２に示すような制御が実行される。すなわち、インジェクタ１０からの燃料噴射により燃焼室Ｃ（気筒２）に形成された混合気に対し点火プラグ１１の火花点火ＳＰによる放電エネルギーを供給することにより、点火点からの火炎伝播により混合気を燃焼させるＳＩ燃焼が実行される。具体的に、第２運転領域Ａ２では、例えば吸気行程中の所定時期にインジェクタ１０から燃料が噴射される（燃料噴射Ｆ２）。その後、圧縮上死点の近傍で点火プラグ１１による火花点火ＳＰが実行され、燃料噴射Ｆ２による供給燃料と空気とが混合した混合気が強制的に着火させられる。そして、このような強制着火に基づき、波形Ｗ２に示すような熱発生を伴うＳＩ燃焼が実現される。

なお、図１２では、インジェクタ１０から吸気行程中に燃料を噴射するケースを代表的に例示したが、第２運転領域Ａ２での燃料噴射Ｆ２のタイミングは必ずしも吸気行程中に限られない。例えば、１サイクル中に噴射すべき燃料の少なくとも一部を圧縮行程中に噴射することも可能である。また、燃料の噴射回数も１回に限られず、吸気行程から圧縮行程までの期間内で複数回に分けて燃料を噴射してもよい。

上記のように、第２運転領域Ａ２は、火花点火ＳＰによる混合気の強制燃焼が行われる領域であり、しかも筒内温度が高くなり易い高負荷の領域であるため、内部ＥＧＲにより筒内温度を意図的に上昇させることは不要である。そこで、第２運転領域Ａ２では、吸気弁８および排気弁９の各リフト特性がそれぞれ図６に示した第２特性になるように、吸気ＶＶＬ１４および排気ＳＶＴ１５が制御される。すなわち、排気弁９の開閉タイミングが全体的に進角側にシフトされるとともに、吸気弁８の最大リフト量および開弁期間がともに大きくされる。これにより、図１２に示すように、吸気行程中に排気弁９のみが開弁する期間は存在しなくなり、代わりに、排気上死点の前後に亘って吸気弁８および排気弁９の双方が開弁するバルブオーバーラップ期間、つまり第３期間Ｔ３が形成される。

第２運転領域Ａ２での吸気弁８および排気弁９の開閉タイミングについて、図１２を用いてより詳しく説明する。排気弁９は、膨張下死点から進角側に離れかつ膨張行程の後期に含まれる時点ｅ１ｂで開き、吸気行程の前期に含まれる時点ｅ２ｂで閉じる。吸気弁８は、排気行程の後期に含まれる時点ｉ１ｂで開き、圧縮行程の前期に含まれる時点ｉ２ｂで閉じる。吸気弁８の開時期ｉ１ｂから排気弁９の閉時期ｅ２ｂまでの期間が、上述した第３期間Ｔ３（バルブオーバーラップ期間）である。

（７）作用効果
以上説明したように、当実施形態の多気筒エンジンでは、複数の独立排気管３１〜３３の各下流端部が先細り状に（下流側ほど断面積が小さくなるように）形成されるとともに、各下流端部が集約された集約部３４に共通の集合管部３５が接続されている。エンジン負荷が比較的低い第１運転領域Ａ１では、図１１に示すように、膨張下死点の近傍から吸気行程の途中（より詳しくは吸気行程の中期）までの一連の期間に亘って排気弁９が開弁するように排気ＳＶＴ１５が制御されるとともに、混合気の自着火による燃焼であるＣＩ燃焼が各気筒２で行われる。一方、第１運転領域Ａ１よりも負荷の高い第２運転領域Ａ２では、図１２に示すように、排気弁９の開時期および閉時期が同量ずつ進角側にずれる（作動位相が進角する）ように排気ＳＶＴ１５が制御されるとともに、火花点火による混合気の強制燃焼であるＳＩ燃焼が各気筒２で行われる。このような構成によれば、第１運転領域Ａ１（低負荷域）でのＣＩ燃焼と第２運転領域Ａ２（高負荷域）でのＳＩ燃焼とを比較的簡単な構成で両立できるという利点がある。

すなわち、上記実施形態では、ＣＩ燃焼が行われる第１運転領域Ａ１において、排気行程を過ぎて吸気行程の中期まで排気弁９が継続的に開弁されるので、排気弁９が吸気行程中に開弁している期間（図１１の第１期間Ｔ１および第２期間Ｔ２）の間、排気ポート７から気筒２内に既燃ガス（排気ガス）を引き戻すことができ（内部ＥＧＲ）、当該内部ＥＧＲによって気筒２を高温化することができる。これにより、混合気の自着火を促進することができ、当該自着火に基づく適切なＣＩ燃焼を実現することができる。

一方、ＳＩ燃焼が行われる第２運転領域Ａ２では、排気弁９の開閉時期（作動位相）が進角側にシフトされるので、吸気行程中の排気弁９の開弁期間（Ｔ１，Ｔ２）が縮小され、内部ＥＧＲが起き難くなる。むしろ、第２運転領域Ａ２では、任意の気筒２から排出されて集合管部３５へと流入する排気ガスを利用したエゼクタ効果により、他の気筒２から排気ガスを積極的に吸い出すことができる。これにより、各気筒２に残留する高温の排気ガスを排気ポート７を通じて効率よく排出することができ、各気筒２の掃気性（排気ガスと吸入空気との置換性）を向上させることができる。なお、エゼクタ効果とは、高速で流入する駆動流体の周囲に発生する負圧を利用して被駆動流体を吸引する作用のことである。このようなエゼクタ効果による掃気性の向上は、筒内温度を十分に低下させるので、例えばプリイグニッション（火花点火による狙いの着火時期よりも前に混合気が自着火する現象）のような異常燃焼が起きる可能性を十分に低減でき、適切なＳＩ燃焼を実現することができる。

すなわち、エンジン負荷が高い第２運転領域Ａ２では、混合気の燃焼温度および燃焼圧力が高いので、各気筒２の排気弁９の開弁直後に、排気ポート７から非常に強い勢いで排気ガスが排出される（以下では、このように排気弁９の開弁直後に生じる強い勢いの排気ガスのことをブローダウンガスという）。ブローダウンガスは、独立排気管（３１〜３３のいずれか）を通じて強い勢いを保持したまま集合管部３５に流入し、その際にブローダウンガスの周囲に強い負圧を発生させる（エゼクタ効果）。このエゼクタ効果による負圧は、各気筒２からの排気ガスの排出を促進し、各気筒２の筒内温度を低下させる。例えば、第１気筒２Ａよりも燃焼順序が１つ後の第３気筒２Ｃからのブローダウンガスが第２独立排気管３２を通じて集合管部３５に流入すると、当該流入に伴って集合管部３５内に強い負圧が発生する（エゼクタ効果）。このエゼクタ効果による負圧は、第１独立排気管３１を遡って第１気筒２Ａの排気ポート７に作用する。このとき、第１気筒２Ａは排気行程の終了直前の状態（排気上死点の近傍）にあるから、上記のように排気ポート７に負圧が作用するのに応じて、第１気筒２Ａでは、その内部に残っている既燃ガス（排気ガス）が閉止直前の排気ポート７を通じて下流側に吸い出され、残留排気ガスの量が可及的に減らされる。このことは、燃焼順序が連続する他の気筒の組合せにおいても同様である。このように、第２運転領域Ａ２では、エゼクタ効果に基づく吸引作用により各気筒２の掃気性が高められるので、上述した排気弁９の開閉時期の進角（つまり吸気行程中の排気弁９の開弁期間の縮小）と相俟って、筒内温度を十分に低下させることができ、プリイグニッション等の異常燃焼を伴わない適切なＳＩ燃焼を実現することができる。

しかも、エゼクタ効果により生じる負圧を利用して掃気性を高めているので、排気ＳＶＴ１５として排気弁９の開時期および閉時期を同量ずつシフトさせる比較的簡易なタイプの可変機構を用いながらも、各気筒２から排気ガスを効率よく排出させて筒内温度を十分に低下させることができ、第２運転領域Ａ２で懸念される異常燃焼を効果的に抑制することができる。

また、上記実施形態では、ＣＩ燃焼が行われる第１運転領域Ａ１において、吸気行程の前期に排気弁９のみが開弁する期間（図１１の第１期間Ｔ１）が生じるように吸気ＶＶＬ１４および排気ＳＶＴ１５が制御されるので、当該期間中に十分な量の既燃ガスを内部ＥＧＲガスとして気筒２内に引き戻すことができ、混合気の自着火（ＣＩ燃焼）を促進するのに十分なレベルの温度まで筒内温度を上昇させることができる。このことは、例えば点火プラグ１１を用いた火花点火により初期火炎を形成するといった、一種のアシスト燃焼を行わせることが基本的に不要になることを意味する。これにより、高い確率で混合気の全てをＣＩ燃焼させる（ＨＣＣＩ燃焼を実現する）ことが可能になるので、エンジンの熱効率を効果的に向上させることができる。

また、上記実施形態では、ＳＩ燃焼が行われる第２運転領域Ａ２において、吸気弁８が排気行程の後期に開きかつ排気弁９が吸気行程の前期に閉じるように、言い換えると排気上死点の前後に亘って吸・排気弁８，９の双方が開くオーバーラップ期間（図１２の第３期間Ｔ３）が形成されるように、吸気ＶＶＬ１４および排気ＳＶＴ１５が制御されるので、上述したエゼクタ効果により集合管部３５に生じた負圧が当該オーバーラップ期間中に排気ポート７に作用したときに、吸気ポート６から排気ポート７へと吹き抜ける吸気の流れが生成される。これにより、気筒２内の掃気が一層促進されるので、異常燃焼が発生する確率をより低減することができる。

また、上記実施形態では、ＳＩ燃焼が行われる第２運転領域Ａ２において、膨張下死点から進角側に離れかつ膨張行程の後期に含まれるタイミングで排気弁９が開くように排気ＳＶＴ１５が制御されるので、エゼクタ効果による負圧を適切なタイミングで各気筒２の排気ポート７に作用させることができ、掃気性を高めることができる。すなわち、エンジン負荷が高いために気筒２から多量の排気ガスが排出される第２運転領域Ａ２において、仮に膨張下死点もしくはこれよりも遅角側で排気弁９を開くようにした場合には、任意の気筒２の排気弁９の開弁直後に高速で排出される排気ガス（ブローダウンガス）が集合管部３５に到達してエゼクタ効果が生じるタイミングが遅くなり、当該エゼクタ効果による負圧を適切なタイミングで他の気筒２（燃焼順序が１つ前の気筒）に作用させることが困難になるおそれがある。これに対し、上記実施形態では、膨張下死点よりも進角側（膨張行程の後期）で排気弁９が開かれるので、エゼクタ効果による負圧を、上記他の気筒が排気上死点近傍にある適切なタイミングで排気ポート７に作用させることができ、当該負圧を利用して各気筒２の掃気性を十分に高めることができる。

特に、上記実施形態では、排気弁９の開弁期間（開時期から閉時期までの期間）が吸気弁８の開弁期間よりも長く設定されているので、第１運転領域Ａ１において吸気行程中の排気弁９の開弁期間（図１１の第１期間Ｔ１および第２期間Ｔ２）を十分に確保しながら、第２運転領域Ａ２では上記のように排気弁９が比較的早いタイミングで開くというセッティングを支障なく実現することができる。

また、上記実施形態では、山部Ｘ１、棚部Ｘ２、および裾部Ｘ３を有する図７に示したリフト特性が排気弁９に付与されるように、カムシャフト１３ａのカム部（排気カム）の形状が設定されているので、排気弁９の開閉時期（作動位相）を十分な幅をもって変更可能としながら、排気弁９がピストン５と干渉するのを有効に回避することができる。例えば、第２運転領域Ａ２での運転時に、排気上死点における排気弁９のリフト量が棚部Ｘ２に対応する値（図７の第２リフト量Ｑ２）になるようにリフト特性を設定しておけば、第１運転領域Ａ１への移行に伴い排気弁９の開閉時期が比較的大きく変更されたとしても、排気上死点における排気弁９のリフト量は、棚部Ｘ２に対応する第２リフト量Ｑ２もしくはその近傍の値に維持される。このように、リフト量が一定の棚部Ｘ２を含むリフト特性を排気弁９に付与した場合には、排気上死点でのリフト量を略一定に保ちながら排気弁９の開閉時期を変更できるので、当該開閉時期の調整幅の確保と、排気弁９とピストン５との干渉回避とを高次元に両立することができる。

また、上記実施形態において、集合管部３５は、下流側ほど断面積が小さくなるノズル部４１と、断面積が略一定のストレート部４２と、下流側ほど断面積が大きくなるディフューザ部４３とを上流側からこの順に有しているので、独立排気管３１，３２，３３の各下流端から集合管部３５に駆動流体として流入する排気ガス（ブローダウンガス）をノズル部４１において加速することができ、当該駆動流体の周りに生じる負圧を強化することができる。これにより、エゼクタ効果をより効率よく生じさせることができ、第２運転領域Ａ２での気筒２の掃気性を向上させることができる。また、ノズル部４１によって一旦加速された排気ガスを、ストレート部４２およびディフューザ部４３によって減速させて排気ガスの圧力を回復させることができる。

（８）変形例
上記実施形態では、上流側で二股に分岐したＹ字状の第２独立排気管３２を第２気筒２Ｂおよび第３気筒２Ｃに接続するとともに、単管状の第１、第３独立排気管３１，３３を第１気筒２Ａおよび第４気筒２Ｄにそれぞれ接続することにより、４つの気筒２Ａ〜２Ｄに対し３つの独立排気管３１，３２，３３を用意するようにしたが、第１、第３独立排気管３１，３３と同様の単管状の排気管を全ての気筒２Ａ〜２Ｄに接続することにより、気筒２Ａ〜２Ｄと同数の（４つの）独立排気管を用意するようにしてもよい。すなわち、本発明の多気筒エンジンに用いられる複数の独立排気管は、各気筒から排出された排気ガスが各独立排気管を個別に流通するように配設されていればよく、各独立排気管は、単一の気筒から延びる単管状の排気管であってもよいし、燃焼順序が連続しない複数の気筒の各排気ポートから延びて下流側で合流する分岐形状を有した排気管であってもよい。

上記実施形態では、ＣＩ燃焼が行われる第１運転領域Ａ１において、膨張下死点もしくはその近傍の時点ｅ１ａ（図１１）で排気弁９が開くように排気ＳＶＴ１５を制御したが、第１運転領域Ａ１での排気弁９の開時期は、膨張行程の後期から排気行程の前期までの期間のいずれかに含まれていればよく、必ずしも膨張下死点もしくはその近傍でなくてもよい。

上記実施形態では、吸気弁８に適用される吸気可変機構として、最大リフト量および開弁期間が異なる２つの特性の間でリフト特性を択一的に切り替える吸気ＶＶＬ１４を設けたが、吸気可変機構は、少なくとも吸気弁の開時期を変更可能なものであればよく、その限りにおいて種々のタイプの可変機構を吸気弁に適用することが可能である。例えば、上記実施形態で用いた吸気ＶＶＬ１４に加えて、排気ＳＶＴ１５と同様の位相式の可変機構を吸気弁８に適用してもよい。また、吸気ＶＶＬ１４に代えて、吸気弁８の最大リフト量および開弁期間を無段階に（もしくは２段階よりも多い多段階に）変更するタイプの可変機構を吸気弁８に適用してもよい。

上記実施形態では、リフト量が一定の棚部Ｘ２を含むリフト特性（図７）を排気弁９に付与にしたが、同リフト特性における棚部Ｘ２は、クランク角に対するリフト量の変化率の最大値が他の部分（山部Ｘ１および裾部Ｘ３）と比べて十分に小さくなるように設定されていればよい。すなわち、棚部Ｘ２は、その始期から終期に亘って完全に同一のリフト量を有するものである必要はなく、ある微小範囲内で変動するリフト量を有するものであってもよい。

上記実施形態では、直列４気筒エンジンに本発明を適用した例について説明したが、本発明を適用可能なエンジンは、ある気筒の排気弁の開弁直後に排出されるブローダウンガスを利用したエゼクタ効果による負圧を他の気筒の排気ポートに及ぼすことが可能な多気筒エンジンであればよく、その限りにおいて種々の形式のエンジンに本発明を適用することが可能である。例えば、４以外の気筒数を有する多気筒エンジンや、Ｖ型多気筒エンジンに本発明を適用してもよい。

１ エンジン本体
２（２Ａ〜２Ｄ） 気筒
６ 吸気ポート
７ 排気ポート
８ 吸気弁
９ 排気弁
１０ インジェクタ（燃料供給装置）
１１ 点火プラグ
１４ 吸気ＶＶＬ（吸気可変機構）
１５ 排気ＳＶＴ（排気可変機構）
３０ 排気通路
３１〜３３ 独立排気管
３４ 集約部
３５ 集合管部
４１ ノズル部
４２ ストレート部
４３ ディフューザ部
５０ ＥＣＵ（制御部）
Ａ１ 第１運転領域
Ａ２ 第２運転領域
Ｘ１ 山部
Ｘ２ 棚部
Ｘ３ 裾部

Claims (8)

1. 複数の気筒を含むエンジン本体と、
   前記エンジン本体に接続されかつ前記各気筒から排出された排気ガスが流通する排気通路と、
   前記各気筒での燃焼を制御する制御部とを備え、
   前記エンジン本体は、
   前記各気筒に連通する吸気ポートおよび排気ポートをそれぞれ開閉する吸気弁および排気弁と、
   前記排気弁の開時期および閉時期を同量ずつ変更可能な位相式の排気可変機構と、
   前記各気筒に燃料を供給する燃料供給装置と、
   前記燃料供給装置から供給された燃料と空気とが混合した混合気に点火する点火プラグとを有し、
   前記排気通路は、
   複数の前記気筒の各排気ポートに接続された複数の独立排気管と、
   前記各独立排気管の下流端部が互いに独立状態を維持したまま近接する集約部と、
   前記集約部の下流側に接続され、前記独立排気管の全てと連通する共通の空間が内部に形成された集合管部とを有し、
   前記集約部に対応する各独立排気管の下流端部は、下流側に至るほど断面積が小さくなるように形成され、
   前記制御部は、
   所定の第１運転領域において、膨張行程の後期または排気行程の前期に含まれる所定時期から吸気行程の途中までの一連の期間に亘って前記排気弁が開弁するように前記排気可変機構を制御するとともに、混合気の自着火による燃焼であるＣＩ燃焼が前記各気筒で行われるように前記燃料供給装置を制御し、
   前記第１運転領域よりも負荷の高い第２運転領域において、前記第１運転領域のときよりも前記排気弁の開閉時期が進角するように前記排気可変機構を制御するとともに、火花点火による混合気の強制燃焼であるＳＩ燃焼が前記各気筒で行われるように前記燃料供給装置および前記点火プラグを制御する、ことを特徴とする多気筒エンジン。
2. 請求項１に記載の多気筒エンジンにおいて、
   前記吸気弁の少なくとも開時期を変更可能な吸気可変機構をさらに備え、
   前記第１運転領域での運転時、前記制御部は、吸気行程の前期に前記排気弁のみが開弁する期間が生じるように前記吸気可変機構および前記排気可変機構を制御する、ことを特徴とする多気筒エンジン。
3. 請求項２に記載の多気筒エンジンにおいて、
   前記第２運転領域での運転時、前記制御部は、前記吸気弁が排気行程の後期に開きかつ前記排気弁が吸気行程の前期に閉じるように、前記吸気可変機構および前記排気可変機構を制御する、ことを特徴とする多気筒エンジン。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の多気筒エンジンにおいて、
   前記第２運転領域での運転時、前記制御部は、膨張下死点よりも進角側でかつ膨張行程の後期に含まれるタイミングで前記排気弁が開くように前記排気可変機構を制御する、ことを特徴とする多気筒エンジン。
5. 請求項４に記載の多気筒エンジンにおいて、
   前記排気弁の開時期から閉時期までの期間である開弁期間は、前記吸気弁の開弁期間よりも長い、ことを特徴とする多気筒エンジン。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の多気筒エンジンにおいて、
   前記排気弁のリフト特性は、クランク角の進行に応じてリフト量が山型に増減する山部と、当該山部に連なりかつリフト量がゼロより大きい値で略一定になる棚部と、当該棚部に連なりかつリフト量がゼロへと漸減する裾部とを有するように設定されている、ことを特徴とする多気筒エンジン。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の多気筒エンジンにおいて、
   前記集合管部は、前記集約部の下流端に接続されかつ下流側ほど断面積が小さくなるように形成されたノズル部と、ノズル部の下流側に連なりかつ断面積が略一定となるように形成されたストレート部と、ストレート部の下流側に連なりかつ下流側ほど断面積が大きくなるように形成されたディフューザ部とを有する、ことを特徴とする多気筒エンジン。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の多気筒エンジンにおいて、
   前記エンジン本体は４つの前記気筒を有する、ことを特徴とする多気筒エンジン。

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