JP4052215B2 - 火花点火式エンジンの制御装置 - Google Patents

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の制御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、エンジンが低負荷低回転の領域にある場合等に、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にＮＯｘを充分に浄化することができないため、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、主燃焼用以外に追加燃料を膨張行程中で噴射することにより、排気ガスの空燃比をリッチ化するとともに、ＣＯを生成して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

上記のようなリーン運転を行う従来のエンジンでは、リーン運転中のＮＯｘ浄化性能を確保するために、高価なリーン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を離脱、還元させるために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。

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・高圧にして燃料を自己着火させるものであり、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。

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、圧縮上死点付近で燃焼室内の温度、圧力が圧縮自己着火を生じさせ得る程度までには高められず、圧縮自己着火を行わせるには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が、従来、高負荷領域でのノッキング（燃焼室内で火炎が伝播する前に混合気が自然着火することによる異常燃焼）を避けつつ、燃費改善が要求される部分負荷領域で圧縮自己着火を生じさせる程度まで燃焼室内の温度または圧力を高めることが困難であった。

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の改善効果をもたせるべく、エンジンの部分負荷領域で、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気筒接続状態とするとともに、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設定して強制点火により燃焼を行わせ、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）。

上記のようにエンジンの部分負荷領域で特殊運転モードの制御状態とすることにより、先行気筒では、リーン空燃比での燃焼が行われて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ため、大幅な燃費の改善効果が得られ、かつ後続気筒では、先行気筒から導入されたリーン空燃比の既燃ガスと新たに供給された燃料とによって空燃比が理論空燃比に設定された状態で燃焼が行われることにより、ポンピングロスによる燃費の改善効果が得られる。また、先行気筒から気筒間ガス通路を介して後続気筒に高温の既燃ガスが導入されるため、圧縮行程で自己着火が可能な状態まで燃焼室内の温度が上昇して圧縮自己着火が行われることにより、大幅な燃費の改善効果とＮＯｘの発生抑制効果とが得られ、しかも後続気筒からは理論空燃比で燃焼した既燃ガスのみが排出されるため、リーンＮＯｘ触媒を排気通路に設けることなく、三元触媒だけで排気の浄化性能が確保される。

ところで、上記のようにエンジンの運転状態に応じて各気筒独立状態で燃焼が行われる通常運転モードと、先行気筒から排出される既燃ガスをそのまま後続気筒に導入させる２気筒接続状態で燃焼が行われる特殊運転モードとに制御状態が切り換えられるエンジンでは、上記各気筒独立状態から２気筒接続状態にガス流通経路を切り換えるタイミングが問題となり、この切換過渡期にエミッション性能が低下したり、トルクショックが発生したりする等の弊害を生じることなく、上記ガス流通経路の切換を適正に実行することが望まれる。

本発明は、このような技術に基づき、ガス流通経路の切換過渡期におけるエミッション性能の低下やトルクショックの発生等を防止しつつ、各気筒独立状態から２気筒接続状態にガス流通経路を適正に切り換え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。

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つように設定された多気筒の火花点火式エンジンの制御装置であって、各気筒にそれぞれ新気を導入させて各気筒を独立状態で燃焼させる通常運転モードの制御と、エンジン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、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燃焼させる特殊運転モードの制御と、エンジンの減速領域で各気筒への燃料の供給を停止する燃料カットモードの制御とを実行する運転モード制御手段を備え、上記通常運転モードの各気筒独立状態から特殊運転モードの２気筒接続状態にガス流通経路を切り換える際に、通常運転モードの運転領域から特殊運転モードの運転領域に移行した時点から予め設定された期間内に上記燃料カットモードの運転領域に移行したか否かを判定し、上記期間内に燃料カットモードの運転領域に移行したと判定された場合には、その時点で上記ガス流通経路の切換を実行し、上記期間内に燃料カットモードの運転領域に移行しなかったと判定された場合には、後続気筒のみを燃焼させる過渡運転モードを経て上記ガス流通経路の切換を実行するものである。

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、後続気筒のみを燃焼させる過渡運転モードの制御を実行する際には、後続気筒の空燃比を理論空燃比に設定し、この後続気筒から排出された排気ガスを浄化する三元触媒を排気通路に配設したものである。

請求項１に係る発明では、エンジンの部分負荷領域において上記特殊運転モードの燃焼制御が実行されることにより、上記先行気筒ではリーン燃焼による熱効率向上およびポンピングロス低減による燃費改善効果が得られ、かつ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とともに新たに供給された燃料の燃焼が行われるために、少なくともポンピングロス低減による燃費効果は得られる。また、先行気筒では大幅なリーン空燃比で燃焼が行われることによりＮＯｘ発生量が比較的少なく抑えられ、後続気筒では、先行気筒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、エミッション性能の向上に有利となる。そして、上記通常運転モードの各気筒独立状態から特殊運転モードの２気筒接続状態にガス流通経路を切り換える際に、設定期間内に燃料カットモードの運転領域に移行した場合には、この燃料カットモードの制御状態となった時点で上記ガス流通経路の切換が行われ、また設定期間内に燃料カットモードの運転領域に移行しなかった場合には、後続気筒のみを燃焼させる過渡運転モードを経て上記ガス流通経路の切換が行われるため、ガス流通経路の切換過渡期におけるエミッション性能の低下やトルクショックの発生等を抑制しつつ、上記ガス流通経路の切換を適正に実行することができる。

また、請求項２に係る発明では、通常運転モードの各気筒独立状態から特殊運転モードの２気筒接続状態にガス流通経路を切り換える際に、後続気筒の空燃比を理論空燃比に設定して後続気筒のみを燃焼させる過渡運転モードを経て上記ガス流通経路の切換を適正に実行することができるとともに、この後続気筒から理論空燃比で燃焼した排気ガスが排出されるため、この排気ガスを上記三元触媒により効果的に浄化することができる。

図１は本発明の一実施形態による火花点火式のガソリン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が形成されるとともに、各気筒２Ａ〜２Ｄに設けられた燃焼室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、後述の燃料噴射制御手段から出力されるパルス信号の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、図外の燃料ポンプおよび燃料供給通路等を備えるとともに、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燃料供給系統を介して、上記燃料噴射弁９に燃料が供給されるように構成されている。

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。

そして、吸気、圧縮、膨張およ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構成され、４気筒エンジンの場合に、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および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）から導出された既燃ガスを吸気行程側の気筒（当明細書ではこれを後続気筒と呼ぶ）に導くための気筒間ガス通路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および２番気筒２Ｂと、４番気筒２Ｄおよび３番気筒２Ｃとがそれぞれ一対をなし、１番気筒２Ａおよび４番気筒２Ｄが先行気筒となり、かつ２番気筒２Ｂおよび３番気筒２Ｃが後続気筒となる。

各気筒２Ａ〜２Ｄの吸・排気ポートと、これに接続される吸気通路１５、排気通路２０および気筒間ガス通路２２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。

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、燃焼室に並列的に設けられる一方、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、燃焼室に並列的に設けられている。

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により駆動されることにより、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も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が設けられている。そして、先行気筒２Ａ，２Ｄの第２排気ポート１２ｂに、上記気筒間ガス通路２２の上流端が接続されるとともに、後続気筒２Ｂ，２Ｃの第２吸気ポート１１ｂに、上記気筒間ガス通路２２の下流端が接続されている。この気筒間ガス通路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から排出されるガスがこの通路２２を通る間における放熱量が比較的小さく抑えられるようになっている。

排気通路２０は、先行気筒２Ａ，２Ｄの第１排気ポート１２ａに接続された分岐排気通路２１が合流した先行気筒側排気通路２０ａと、後続気筒２Ｂ，２Ｃの排気ポート１２に接続された分岐排気通路２１が合流した後続気筒側排気通路２０ｂとを有している。そして、上記先行気筒側排気通路２０ａおよび後続気筒側排気通路２０ｂ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と、このＯ₂センサ２３の設置部の下流側において排気ガスを浄化する三元触媒２４とがそれぞれ設けられている。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＝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。すなわち、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および第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た状態となると、カムの作動を弁に伝えて弁を開閉作動させ、油圧室から作動油が排出された状態となると、カムの作動を弁に伝えなくなることで弁を停止状態に維持するように構成されている。

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およびＯ₂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およびアクセルペダルの踏込み量に対応したアクセル開度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、上記ＥＣＵ４０から、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および上記第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なっている。

ＥＣＵ４０は、後述するようにエンジンの低負荷ないし低回転側の部分負荷領域で、特殊運転モードの制御を実行するとともに、少なくとも上記部分負荷領域よりも高負荷ないし高回転側の運転領域で通常運転モードの制御を実行し、かつエンジンの減速領域で各気筒への燃料の供給を停止する燃料カットモードの制御を実行する運転モード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およ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、上記回転数センサ４７およびアクセル開度センサ４８等からの出力信号に基づいて検出されたエンジンの運転状態に応じ、図４に示すようにエンジンの運転領域が、低負荷ないし低回転側の運転領域Ａ（部分負荷領域）と、この部分負荷領域Ａよりも高負荷側ないし高回転側の運転領域Ｂと、減速領域Ｃとの何れの領域にあるかを判別するものである。

そして、上記運転状態判別手段４１における判別結果に基づき、低負荷ないし低回転側の部分負荷領域では、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が選択されるとともに、高負荷側ないし高回転側の運転領域Ｂでは、各気筒２Ａ〜２Ｄ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、かつアクセル開度が全閉状態ないし略全閉状態となる減速領域Ｃでは、各気筒２Ａ〜２Ｄに対する燃料の供給を停止する燃料カットモードが選択されるようになっている。

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２Ａ，２Ｄの既燃ガスを後続気筒２Ｂ，２Ｃ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２Ａ〜２Ｄ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のいずれにあるかに応じ、上記各コントロール弁３７，３９による作動油の給排を制御して弁停止機構３５により各弁を次の状態とするように構成されている。

運転領域Ａ：第１排気弁３２ａおよび第１吸気弁３１ａを停止状態
第２排気弁３２ｂおよび第２吸気弁３１ｂを作動状態
運転領域Ｂ：第１排気弁３２ａおよび第１吸気弁３１ａを作動状態
第２排気弁３２ｂおよび第２吸気弁３１ｂを停止状態

上記コントロール弁３７，３９によって弁停止機構３５に対する作動油の給排を制御することにより通常運転モードの各気筒独立状態から特殊運転モードの２気筒独立状態にガス流通経路を切り換える場合、この切換は、例えば図４の矢印に示すように、エンジンが高負荷ないし高回転側の運転領域Ｂから、低負荷ないし低回転側の部分負荷領域Ａに移行した時点で直ちには行われず、この部分負荷領域Ａに移行した時点から、エンジンが減速領域Ｃに移行したか否かが判定された後に行われる。上記部分負荷領域Ａに移行した時点から予め設定された所定期間内にエンジンが減速領域Ｃに移行した判定された場合には、その時点で、燃料カットモードの制御が実行されるとともに、上記ガス流通経路の切換が実行される。一方、上記所定期間が経過してもエンジンが減速領域Ｃに移行しなかったと判定された場合には、後述するように後続気筒２Ｂ，２Ｃのみを燃焼させる過渡運転モードを経て上記ガス流通経路の切換が行われるように構成されている。

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部分負荷領域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に対応した値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気筒分の燃料供給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とからなっており、燃料噴射制御手段４５により、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とともに、点火制御手段４６によりエンジンの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、特にエンジンが図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（燃料噴射の制御および点火の制御）が変更される。

すなわち、エンジンが低負荷低回転側の部分負荷領域Ａにある場合、特殊運転モードの制御状態として、先行気筒２Ａ，２Ｄには、空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン空燃比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ために強制点火を停止する。

一方、エンジン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、通常運転モードの制御状態として、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、例えば上記運転領域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制御する。

そして、エンジンが減速領域Ｃにある場合、つまりエンジン出力を必要としない惰行運転時や下り坂の走行時には、各気筒２Ａ〜２Ｄに対する燃料の供給が停止される燃料カットモードの制御が実行される。この燃料カットモードの制御が実行されることにより、上記惰行走行時または下り坂の走行時には、エンジン本体１が駆動輪から逆駆動トルクを受けるとともに、駆動輪に対してエンジンブレーキが作用した状態となる。

また、上記通常運転モードの各気筒独立状態から特殊運転モードの２気筒接続状態への移行時に、予め設定された所定期間が経過してもエンジンが減速領域Ｃに移行しなかったと判定された場合には、ガス流通経路を各気筒独立状態に維持しつつ、先行気筒２Ａ，２Ｄに対する燃料噴射を停止させるとともに、後続気筒２Ｂ，２Ｃの空燃比を理論空燃比に設定して後続気筒２Ｂ，２Ｃのみを燃焼させる過渡運転モードを、例えば１燃焼サイクルまたは２燃焼サイクル程度の期間に亘り実行した後、ガス流通経路を２気筒接続状態に切り換えて特殊運転モードの制御を実行する。

以上のような当実施形態の装置の作用を、図５〜図７を参照しつつ説明する。上記低負荷低回転側の部分負荷領域Ａでは、上記弁停止機構制御手段４２および吸入空気量制御手段４３等からなる運転モード制御手段により、特殊運転モードの制御が実行されて第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６に示すようになり、先行気筒（１番，４番気筒）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（２番，３番気筒）２Ｂ，２Ｃに導入される（図６中の矢印ｂ）とともに、この後続気筒２Ｂ，２Ｃから排出されるガスのみが排気通路２０に導かれる（図６中の矢印ｃ）ような２気筒接続状態とされる。

この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６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な値、例えば理論空燃比の略２倍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、所定の点火時期に点火が行われて、リーン空燃比での成層燃焼が行われる（図５参照）。

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から導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５中の白抜き矢印および図６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、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、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し、さらに吸気行程で噴射された燃料も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の分布状態が得られる。そして、同時圧縮自己着火により燃焼が急速に行われ、これによって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、均一な混合気の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から押出された既燃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。

また、先行気筒２Ａ，２Ｄでは理論空燃比の略２倍もしくはそれに近い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多量の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性能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、燃焼室内の温度を上昇させる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格別の工夫を講じることなく、容易に圧縮自己着火を行わせることができる。

また、少なくとも後続気筒２Ｂ，２Ｃの圧縮自己着火行われる部分負荷領域Ａで、後続気筒２Ｂ，２Ｃから排出される排気ガス中の酸素濃度を、理論空燃比の燃焼状態に対応した値となるように後続気筒２Ｂ，２Ｃの空燃比を制御するように構成したため、先行気筒２Ａ，２Ｄでリーンな空燃比で燃焼を行わせつつ、理論空燃比で燃焼した後続気筒２Ｂ，２Ｃの既燃ガスのみを排気通路２０に導出させることができる。したがって、従来のリーンバーンエンジンのようにリーンＮＯｘ触媒を設けることなく、三元触媒２４だけで充分に排気浄化性能を確保することができる。そして、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空燃比のリッチ化を行う必要がなく、燃費改善の目減りを避けることができるとともに、リーンＮＯｘ触媒が硫黄被毒するという問題を生じることもない。

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７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が独立した状態となり、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。この場合には、各気筒２Ａ〜２Ｄ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、出力性能が確保されることになる。

そして、上記のように各気筒２Ａ〜２Ｄが所定の順序で個別に燃焼する通常運転モードの各気筒独立状態から、先行気筒２Ａ，２Ｄの既燃ガスが気筒間ガス通路２２を介して後続気筒２Ｂ，２Ｃに導入されて新たに供給された燃料とともに燃焼する特殊運転モードの２気筒接続状態への切換を行う際には、エンジンが高負荷ないし高回転側の運転領域Ｂから上記部分負荷領域Ａに移行した時点から予め設定された期間内に、燃料カットモードの制御が実行される減速領域Ｃに移行したか否かが判定され、この減速領域Ｃに移行したことが確認された場合には、その時点で上記ガス流通経路の切換が実行される。

上記のように通常運転モードの各気筒独立状態から特殊運転モードの２気筒接続状態への切換を行う際に、予め設定された期間内に燃料カットモードの制御が実行される減速領域Ｃに移行したと判定された時点で、ガス流通経路を各気筒独立状態から２気筒接続状態に切り換えるように構成したため、中途半端な時期に切換が行われることに起因したエミッション性能の低下や、切換過渡期にエンジン出力が顕著に変動することに起因したトルクショックの発生等の問題を生じることなく、上記ガス流通経路の切換を適正に実行できるという利点がある。

すなわち、エンジンが高負荷ないし高回転側の運転領域Ｂにおける通常運転モードの各気筒独立状態Ｂ１から、図４の矢印に示すように、エンジン出力の要求が低い低負荷ないし低回転側の部分負荷領域Ａにおける特殊運転モード領域の２気筒接続状態に移行する際に、吸気量制御の応答遅れが生じることによってリーンな空燃比で燃焼した既燃ガスが排気通路２０に導出され易い傾向がある。上記切換過渡期に、リーンな空燃比で燃焼した既燃ガスが排気通路２０に導出されると、三元触媒２４によるＨＣ，ＣＯおよびＮＯｘの浄化性能が充分に発揮されず、エミッション性能が低下することが避けられないという問題がある。

また、上記弁停止機構３５を適正に作動させてガス流通経路の切換をスムーズに行うためには、各気筒２Ａ〜２Ｄの吸・排気弁が全て閉止状態となった時点、つまり先行気筒２Ａ，２Ｄが圧縮行程になるとともに、後続気筒２Ｂ，２Ｃが膨張行程になった時点で、上記第１排気弁３２ａおよび第１吸気弁３１ａを作動状態から停止状態に移行させ、かつ第２排気弁３２ｂおよび第２吸気弁３１ｂを停止状態から作動状態に移行させることにより、ガス流通経路の切換を行う必要がある。そして、上記条件の成立時点で、各気筒独立状態から２気筒接続状態にガス流通経路を切り換えると、各気筒独立状態の燃焼が終了した後に後続気筒２Ｂ，２Ｃの燃焼が間引かれた状態が介在されることとなって、この切換過渡にトルクショックが生じることが避けられないという問題がある。

例えば図８に示すように、先行気筒である１番気筒２Ａが膨張行程にある時点ｔ０で、通常運転モードの燃焼制御が実行される運転領域Ｂから、特殊運転モードの燃焼制御が実行される部分負荷領域Ａに移行したことが確認された場合に、上記１番気筒２Ａが圧縮行程となるとともに、後続気筒である２番気筒２Ｂが膨張行程となった時点ｔ１で、両気筒２Ａ，２Ｂの弁停止機構３５によるガス流通経路の切換を行うと、この切換時点ｔ１の後に２番気筒２Ｂが吸気行程になった時点ｔ２で、１番気筒２Ａから理論空燃比で燃焼した既燃ガスが２番気筒２Ｂ内に導入されることになるため、この２番気筒２Ｂに新たな燃料を供給して燃焼させることができず、２番気筒２Ｂの燃焼が間引かれることが避けられない。また、上記時点ｔ０で圧縮行程にある４番気筒（先行気筒）２Ｄが膨張行程、排気行程および吸気行程を経て再び圧縮行程となるとともに、３番気筒（後続気筒）２Ｃが膨張行程となった時点ｔ２で、両気筒２Ａ，２Ｂの弁停止機構３５によるガス流通経路の切換を行うと、その後に３番気筒２Ｃが吸気行程になった時点ｔ３で、この３番気筒２Ｃに新たな燃料を供給して燃焼させることができず、３番気筒２Ｃの燃焼が間引かれることが避けられない。

このため、各気筒２Ａ〜２Ｄがそれぞれ理論空燃比で所定の順序で燃焼し、各気筒２Ａ〜２Ｄで新気が全て消費されることにより、図８に模式的に示すように、大きな出力トルクが連続して発生する通常運転モードの燃焼状態から、気筒間ガス通路２０を介して先行気筒２Ａ，２Ｄと後続気筒２Ｂ，２Ｃとが接続された２気筒接続状態で、各気筒２Ａ〜２Ｄで消費される新気が上記通常運転モードの略半分になることにより、出力トルクが小さくなる特殊運転モードの制御状態に切り換えられる過渡期に、後続気筒２Ｂ，２Ｃの燃料が間引かれる状態が介在することになる（図８の破線参照）。これにより、上記切換過渡期にエンジンの出力トルクが顕著に低下して乗員が違和感を受けるトルクショックが発生するという問題がある。

これに対して上記のように通常運転モードの各気筒独立状態から特殊運転モードの２気筒接続状態への切換時において、設定期間内に燃料カットモードの制御状態が実行される減速領域Ｃに移行したことが確認された時点で、上記切換を実行するように構成した場合、つまりエンジン出力を必要としない惰行運転時や下り坂の走行時等において各気筒２Ａ〜２Ｄに対する燃料の供給が停止された状態で、ガス流通経路の切換を行うように構成した場合には、この切換過渡期に、吸気量制御の応答遅れ等に起因してリーンの空燃比で燃焼した既燃ガスが排気通路２０に導出されるのを防止して三元触媒２４による排気ガスの浄化性能が充分に発揮させることができるとともに、エンジンの出力トルクが顕著に変動するトルクショック等を一切生じることなく、上記ガス流通経路の切換を適正に実行できるという利点がある。

また、上記通常運転モードの各気筒独立状態から特殊運転モードの２気筒接続状態にガス流通経路を切り換える際において、予め設定された期間内に燃料カットモードの制御状態が実行される減速領域Ｃに移行しなかったと判定された場合には、図９に示すように、上記期間が経過した時点Ｔ０から、先行気筒２Ａ，２Ｄに対する燃料噴射を停止するとともに、後続気筒２Ｂ，２Ｃに対する燃料噴射および点火を行うことにより、後続気筒２Ｂ，２Ｃのみを燃焼させる過渡運転モードの制御が、例えば１燃焼サイクルの間に亘り実行された後に、上記ガス流通経路が各気筒独立状態から２気筒接続状態に切り換えられる。

具体的には、上記期間が経過するまで通常運転モードが継続されるとともに、この期間が経過した時点Ｔ０で、排気弁３２が常時作動状態に維持された後続気筒２Ｂ，２Ｃのみを燃焼させる過渡運転モードが所定期間に亘って実行された後、先行気筒である１番気筒２Ａが圧縮行程となるとともに、後続気筒である２番気筒２Ｂが膨張行程となった時点Ｔ１で、両気筒２Ａ，２Ｂの弁停止機構３５によるガス流通経路の切換が行われ、かつ４番気筒（先行気筒）２Ｄが圧縮行程となるとともに、３番気筒（後続気筒）２Ｃが膨張行程となった時点Ｔ２で、両気筒２Ａ，２Ｂの弁停止機構３５によるガス流通経路の切換が行われる。これにより、図９に模式的に示すように、大きな出力トルクが連続して発生する通常運転モードの制御状態から出力トルクが段階的に低下した後に、特殊運転モードの制御状態に移行することになる。

したがって、図８に示すように、後続気筒２Ｂ，２Ｃのみを燃焼させる過渡運転モードを介在させることなく、通常運転モードの各気筒独立状態から特殊運転モードの２気筒接続状態にガス流通経路を切り換えた場合のように、ガス流通経路の切換過渡期に出力トルクが顕著に低下するという事態を生じることなく、上記特殊運転モードの制御状態にスムーズに移行させることができるという利点がある。なお、図９に示す実施形態では、過渡運転モードが終了した後に膨張行程となる後続気筒、つまり３番気筒２Ｃに対する燃料噴射を停止することにより、その燃焼を間引くようにしている。これにより、上記過渡運転モードから特殊運転モードへの移行後に、エンジン出力が一時的に増大するのを防止してトルクショックの発生を、より効果的に防止できるという利点がある。

また、上記実施形態では、排気通路２０に設けられた先行気筒側排気通路２０ａおよび後続気筒側排気通路２０ｂにそれぞれ三元触媒２４を設けたため、上記通常運転モードの各気筒独立状態から特殊運転モードの２気筒接続状態にガス流通経路を切り換える際において、後続気筒２Ｂ，２Ｃのみを燃焼させる過渡運転モードの制御が実行された場合に、燃料カット状態となる先行気筒２Ａ，２Ｄからそのまま導出された新気と、後続気筒２Ｂ，２Ｃから導出された既燃ガスとが混ざり合った状態で三元触媒２４に導入されるのを防止することができる。したがって、上記過渡運転モードの制御時に、三元触媒２４に導入される既燃ガスが酸素過剰となることに起因してＨＣ，ＣＯおよびＮＯｘに対する浄化性能が低下するという事態の発生を防止し、エミッション性能を効果的に確保できるという利点がある。

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、種々の変更可能であり、例えば弁停止機構３５を用いて２気筒接続状態と各気筒独立状態とにガス流通経路を切り換えるようにした上記基本実施形態に代え、吸・排気通路およ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り換えるようにしてもよい。

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、あるいは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。

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。 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およびガスの流通経路を示す説明図である。 高負荷高回転時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。 通常運転モードから直接特殊運転モードに切り換えた場合の燃焼サイクルを示す説明図である。 通常運転モードから切換過渡期運転モードを経て特殊運転モードに切り換えた場合の燃焼サイクルを示す説明図である。

符号の説明

１ エンジン本体
２Ａ，２Ｄ 先行気筒
２Ｂ，２Ｃ 後続気筒
２２ 気筒間ガス通路
２４ 三元触媒
３５ 弁停止機構
４０ ＥＣＵ（運転モード制御手段）
４１ 運転状態判別手段
４２ 弁停止機構制御手段
４３ 吸入空気量制御手段
４４ 燃焼状態制御手段

Claims (2)

1. 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の制御装置であって、
   各気筒にそれぞれ新気を導入させて各気筒を独立状態で燃焼させる通常運転モードの制御と、エンジン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、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燃焼させる特殊運転モードの制御と、エンジンの減速領域で各気筒への燃料の供給を停止する燃料カットモードの制御とを実行する運転モード制御手段を備え、
   上記通常運転モードの各気筒独立状態から特殊運転モードの２気筒接続状態にガス流通経路を切り換える際に、通常運転モードの運転領域から特殊運転モードの運転領域に移行した時点から予め設定された期間内に上記燃料カットモードの運転領域に移行したか否かを判定し、
   上記期間内に燃料カットモードの運転領域に移行したと判定された場合には、その時点で上記ガス流通経路の切換を実行し、
   上記期間内に燃料カットモードの運転領域に移行しなかったと判定された場合には、後続気筒のみを燃焼させる過渡運転モードを経て上記ガス流通経路の切換を実行することを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置。
2. 後続気筒のみを燃焼させる過渡運転モードの制御を実行する際には、後続気筒の空燃比を理論空燃比に設定し、この後続気筒から排出された排気ガスを浄化する三元触媒を排気通路に配設した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。

Images