JP4670546B2

JP4670546B2 - 火花点火式４サイクルエンジン

Info

Publication number: JP4670546B2
Application number: JP2005240169A
Authority: JP
Inventors: 敏朗西本; 啓二荒木; 茂行平下
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2005-08-22
Filing date: 2005-08-22
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2025-08-22
Also published as: JP2007056701A

Description

本発明は火花点火式４サイクルエンジンに関し、特に、予混合圧縮自己着火燃焼（ＨＣＣＩ：Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ−ＣｈａｒｇｅＣｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ−Ｉｇｎｉｔｉｏｎｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ。この明細書で「圧縮自己着火」という）を行わせる運転モードと火花点火を行わせる運転モードとを有する火花点火式４サイクルエンジンに関するものである。

一般に、内部ＥＧＲガスを用いて、混合気の着火性を向上し、排気性能を高めるに当たり、広い運転領域で必要なＥＧＲ率を確保する技術が知られている（例えば特許文献１）。この先行技術に係る構成では、吸気行程の中で排気バルブを開き、いわゆる内部ＥＧＲを実現するようにしている。
特開２００１−１０７７５９号公報

ところで、内部ＥＧＲガスを利用したエンジンの性能をトータルに向上するに当たり、圧縮自己着火運転領域において、低負荷側では、失火を防止し、高負荷側では、ノッキングを防止することが要請される。しかしながら、特許文献１の構成では、運転状態の判定に基づいて、内部ＥＧＲの開弁タイミングを調整していたに過ぎなかったので、負荷領域に応じて圧縮自己着火性能を向上させたり、ノッキングを防止したりすることができなかった。

特に、単に吸気行程で排気ポートの再開弁動作を行うだけでは、既燃ガスが燃焼室の点火プラグ回りに偏在した状態で筒内が成層化するため、圧縮自己着火が困難になるという不具合があった。

本発明は上記不具合に鑑みてなされたものであり、エンジンの運転負荷領域に応じて好適な圧縮自己着火性能を発揮することのできる火花点火式４サイクルエンジン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、頂部に燃焼室を形成する気筒と、前記燃焼室の中央部分に配置された点火プラグと、この点火プラグを中心として、気筒の前後軸線に対し、それぞれ反対側に配置された複数の吸気ポートおよび排気ポートと、吸気ポート毎に設けられた吸気弁および排気ポート毎に設けられた排気弁とを備え、エンジンの所定運転領域において、複数の排気ポートのうち、一つの排気ポートの開口を吸気行程で開く再開弁動作により筒内に既燃ガスを還流させ、圧縮自己着火運転を行うようにした火花点火式４サイクルエンジンであって、エンジンの運転状態を判定する運転状態判定手段と、運転状態判定手段の判定に基づいて、吸気ポートおよび排気ポートの開閉タイミングを制御する弁開閉制御手段とを備え、弁開閉制御手段は、吸気行程で開く吸気ポートを吸気下死点よりも前で閉じるとともに、前記所定運転領域において、低負荷側では、前記一つの排気ポートの再開弁動作によって生成する旋回流の向きと反対の向きに吸気を流出する吸気ポートのみを開き、高負荷側では、複数の吸気ポートを開くように吸気弁および排気弁を制御するものであることを特徴とする火花点火式４サイクルエンジンである。この態様では、エンジンの所定の運転領域で、吸気弁が吸気行程で開く吸気ポートを吸気下死点よりも前で閉じるとともに、排気弁が吸気行程で再開弁動作することにより、筒内に既燃ガスが還流し、所定の方向にスワールを形成しようとする。ここで、本態様では、前記所定の運転領域において、低負荷側では、排気弁によるスワールを乱す方向に新気を筒内に導入することになるので、新気と既燃ガスとの混合が促進される。この結果、筒内全体の温度が速やかに上昇し、リーンな状態で燃え残りのない圧縮自己着火を確実に行わせることが可能になる。他方、高負荷側では、複数の吸気ポートが開くことによって、吸気行程初期に新気が比較的強いスワールを形成しながら筒内に導入されるため、排気弁の再開弁動作によって既燃ガスが導入された後も、新気が燃焼室の点火プラグ回りに偏在した状態で成層化が促進される。この結果、ノッキングが防止される。

好ましい態様において、前記弁開閉制御手段は、所定の運転領域において、低負荷側では、再開弁動作を行っている排気弁と隣り合う吸気弁を開くものである。この態様では、吸気行程で導入された新気と再開弁動作によって導入された既燃ガスとが筒内で衝突し、新気と既燃ガスとの混合が一層促進される。

好ましい態様において、気筒の前記前後軸線の後側が上方に位置しかつ前記前後軸線の前側が下方に位置するような状態で各気筒をその頂部側から見る平面視において、各吸気ポートの各開口部と各排気ポートの各開口部が、気筒の前記前後軸線を挟んでそれぞれ左側と右側に配置され、各吸気ポートは、開口部近傍のスロート軸線が、前記平面視において、気筒の前記前後軸線と交差する方向に沿って平行に形成されているとともに、前記低負荷側で開弁される吸気ポートは、当該スロート軸線の下流側に行くに連れて気筒の周面に向かって近接しながら気筒の周面に対する左右方向の接線に近い方向に向くように設定され、再開弁動作を行う排気ポートは、この吸気ポートと左右に隣り合うものである。この態様では、吸気ポートからの新気と既燃ガスとが、排気スワールの上流側で衝突し、新気と既燃ガスとの混合が一層促進されることになる。

好ましい態様において、点火プラグの点火時期を制御する点火制御手段を設け、前記点火制御手段は、エンジンの前記所定の運転領域において、高負荷側では、着火時期の前に点火を実行するように点火プラグを制御するものである。この態様では、高負荷側では、複数の吸気ポートが開くことによって、吸気行程初期に新気が比較的強いスワールを形成しながら筒内に導入されるため、排気弁の再開弁動作によって既燃ガスが導入された後も、新気が燃焼室の点火プラグ回りに偏在した状態で成層化が促進される。そのため、着火時期の前に点火が実行されることにより、ノッキングを回避しつつも確実に筒内の混合気を着火させ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、新気と既燃ガスとの混合を促進し、リーンな状態で燃え残りのない圧縮自己着火を確実に行わせることが可能になるとともに、高負荷側では、新気が燃焼室の点火プラグ回りに偏在した状態で成層化するのを促進し、ノッキングを防止することが可能になる結果、エンジンの運転負荷領域に応じて好適な圧縮自己着火性能を発揮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火花点火式４サイクルエンジン１０の概略構成を示す構成図であり、図２は図１に係るエンジン本体２０の一つの気筒とそれに対して設けられた吸気弁４０および排気弁６０等の構造を示す断面略図である。また図３はエンジン本体２０の一つの気筒とそれに対して設けられた吸気弁４０および排気弁６０等の構造を示す平面略図である。

これらの図において、図示の火花点火式４サイクルエンジン１０のエンジン本体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いる。

シリンダブロック２２およびシリンダヘッド２３には、複数の気筒２４が設けられている。各気筒２４には、クランクシャフト２１に連結されたピストン２５と、ピストン２５が気筒２４内に形成する燃焼室２６とが公知の構成と同様に設けられている。なお、シリンダブロック２２には、クランクシャフト２１の回転角（クランク角）を検出するクランク角センサ２７が設けられている。

各燃焼室２６の側部には、当該燃焼室２６に直接燃料を噴射する燃料噴射弁２８が設けられている。また、各燃焼室２６の頂部には、点火プラグ２９が装備され、そのプラグ先端が燃焼室２６内に臨んでいる。点火プラグ２９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２９ａが接続されている。

エンジン本体２０は、当該気筒２４内に対して新気を供給する吸気システム３０と、気筒２４の燃焼室２６で燃焼した既燃ガスを排気する排気システム５０とを有している。

吸気システム３０は、新気を気筒２４内に供給するための吸気管３１と、この吸気管３１の下流側に連通するインテークマニホールド３２を備え、このインテークマニホールド３２はサージタンクから分岐してそれぞれ対応する気筒２４に接続される分岐吸気管３３を備えている。図示の実施形態において、各気筒２４には、２つ一組の吸気ポート２４ａが形成されており（図１参照）、前記分岐吸気管３３の下流端は、各気筒２４の吸気ポート２４ａに対応して二股に形成されている。

図３を参照して、各気筒２４に設けられた各吸気ポート２４ａの下流端におけるスロート部は、何れも点火プラグ２９を中心として、気筒２４の前後方向の軸線Ｌに沿って並んでいる。さらに本実施形態において、各吸気ポート２４ａの下流端近傍のスロート部は、当該スロート軸線Ｌ_INが、下流端が後方から前方へ斜めに延びて軸線Ｌと交差するように形成されている。このため、各吸気ポート２４ａ、２４ａから導入された新気は、図において、反時計回り方向にスワールを形成するように構成されている。

図１、図２を参照して、吸気システム３０の吸気管３１には、エアフローセンサ３４が設けられている。さらに吸気管３１には、吸気流量を調節するスロットル弁３５が設けられている。このスロットル弁３５は、アクチュエータ３６によって開閉駆動されるように構成されている。

各気筒２４に設けられた各吸気ポート２４ａには吸気弁４０が設けられ、図示の実施形態では吸気ポートに対応して気筒毎に２つずつの吸気弁４０が設けられている。各吸気弁４０は、動弁機構４１のカムシャフト４１ａによって駆動される構成になっている。この動弁機構４１は、ＯＣＶ（ＯｉｌＣｏｎｔｒｏｌＶａｌｖｅＳｙｓｔｅｍ）等で構成されるＶＣＴ（ＶａｒｉａｂｌｅＣａｍｓｈａｆｔＴｉｍｉｎｇＭｅｃｈａｎｉｓｕｍ）４２を有しているが、その構成自体は公知であるため、詳細な説明は省略する。

図３に示すように、前後一対の吸気弁４０において、前方の吸気弁４０には、公知のタペット６１が設けられ、このタペット６１が動弁機構４１のカムシャフト４１ａに固定された吸気カム４３ａに駆動されるように構成されている。他方、後方の吸気弁４０には、詳しくは後述するようにロストモーション機能を有する弁動作切換機構７０が設けられている。

次に、排気システム５０は、各気筒２４に２つ一組で形成された排気ポート２４ｂに接続された二股状の分岐排気管５１を下流排出側で集合させたエキゾーストマニホールド５２と、このエキゾーストマニホールド５２の下流側集合部に接続されて、エキゾーストマニホールド５２から既燃ガスを排出する排気管５３とを有している。

上記各排気ポート２４ｂには排気弁６０が設けられている。

図３を参照して、この排気弁６０も、一つの気筒２４に対し、２つ一組で装備されている。各排気弁６０は、動弁機構６２によって駆動されるようになっている。この動弁機構６２は、排気弁６０を排気行程での開弁動作のほかに吸気行程で再度開弁させる再開弁動作を可能にするように構成されている。

すなわち、上記動弁機構６２は、伝動機構６４と、伝動機構６４を介しクランクシャフト２１の駆動力で駆動されるカムシャフト６２ａとを備え、一方の排気弁６０に対し、異なる位相で排気弁６０を駆動する二組の排気カム６２ｂ、６２ｃがカムシャフト６２ａに設けられるとともに、これらの排気カム６２ｂ、６２ｃと一方の排気弁６０との間に弁動作切換機構７０が設けられている。本実施形態において、弁動作切換機構７０が設けられる排気弁６０は、図３に示すように、前後方向において、前側の排気弁６０であり、後ろ側の排気弁６０については、再開弁動作しないように構成されている。そして、この弁動作切換機構７０により、排気カム６２ｂ、６２ｃの両方の駆動を排気弁６０に伝える状態と一方の排気カム６２ｂの駆動のみを排気弁６０に伝える状態とに切換可能となっている。二組の排気カム６２ｂ、６２ｃのうちの一方は、排気行程において気筒２４内の既燃ガスを排出するために排気弁６０を開く第１排気カム６２ｂであり、他方は、後述する吸気行程で排気弁６０を再度開いて、筒内に既燃ガスを還流させる第２排気カム６２ｃである。本実施形態では、第１排気カム６２ｂは２つ一組の対をなしており、第２排気カム６２ｃはカムシャフト６２ａの軸方向において第１排気カム６２ｂ、６２ｂ間に配置されている（図５参照）。

排気システム５０に設けられた弁動作切換機構７０の具体的構造を、図４〜図６によって説明する。

図４は排気システム５０に設けられた弁動作切換機構７０の分解斜視図、図５は同弁動作切換機構７０の正面断面図、図７は同弁動作切換機構７０の平面断面図である。

これらの図を参照して、弁動作切換機構７０は、第２排気カム６２ｃが排気弁６０のステム６０ａを押し下げる機能をＯＮ／ＯＦＦするいわゆるロストモーションを実現するためのものであり、図示の例では、タペット型のもので具体化されている。

すなわち、この弁動作切換機構７０は、矩形のハウジング７１と、ハウジング７１内に昇降可能に収容され、前記排気弁６０のステム６０ａの端部に固定されるサイドタペット７２と、サイドタペット７２に対し、当該サイドタペット７２と相対変位可能に組み付けられ、センタタペット７３とを有している。そして、上記サイドタペット７２に第１排気カム６２ｂが当接し、センタタペット７３に第２排気カム６２ｃが当接している。

サイドタペット７２は、略円筒形に形成されており、平面でみて前記カムシャフト６２ａと直交する直径方向に収容凹部７２ａを形成している。収容凹部７２ａの両側の壁部７２ｂには、前記カムシャフト６２ａと平行な挿通孔７２ｃが形成されている。各挿通孔７２ｃには、有底のスリーブ状ホルダ７５ａ、７５ｂが、それぞれ開口部を対向させた姿勢で固定されている。一方のスリーブ状ホルダ７５ａの外側には軸受７６が固定され、その軸受７６に保持された転動体７６ａが、ハウジング７１の内壁に形成された縦溝７１ａに転がり接触している。これにより、サイドタペット７２は、周方向の回動が規制された状態で、軸方向（排気弁６０を開閉する方向）沿いに移動可能になっている。サイドタペット７２の下部には、バルブスプリング６０ｄを受けるスプリングシート７２ｄが固定されている。

他方、センタタペット７３は、平面でみて前記サイドタペット７２の収容凹部７２ａの輪郭に沿う「Ｉ」字形の構造体であり、前記収容凹部７２ａと、ハウジング７１に設けられた係止部に規定されたストロークＳにおいて、サイドタペット７２に対し相対的に昇降可能に組み付けられ、前記排気カム６２ｃに臨んでいる。

センタタペット７３は、サイドタペット７２の収容凹部７２ａの底部に配置された一対のコイルばね７７によって、常時、排気カム６２ｃの方へ付勢されている。このコイルばね７７は、バルブスプリング６０ｄよりも付勢力が充分小さくなるよう、ばね係数が設定されている。このため、自由状態において、サイドタペット７２の壁部７２ｂの上面と、センタタペット７３の上面とは、図５に示すように面一になっている。センタタペット７３には、上記自由状態において前記挿通孔７２ｃと同心に連通するピン孔７３ａが穿設されている。このピン孔７３ａには、ピンユニット７８が収容されている。

ピンユニット７８は、一方のスリーブ状ホルダ７５ａの内に出没可能に設けられたロックプランジャ７８ａと、このロックプランジャ７８ａとスリーブ状ホルダ７５ａの間に介装されるコイルばね７８ｂと、ロックプランジャ７８ａのコイルばね７８ｂと反対側に同心に配置されたロックピン７８ｃと、ロックピン７８ｃを前記ロックプランジャ７８ａ側に駆動するために他方のスリーブ状ホルダ７５ｂ内に進退可能に収容されるロック解除プランジャ７８ｄと、ロックピン７８ｃを支持するためにピン孔７３ａの両開口端に固定される一対のブッシュ７８ｅ、７８ｆと、ロックピン７８ｃの略中央部に一体形成されたフランジ７８ｇと軸受７６の配置されている側のブッシュ７８ｅとの間に介装されて、フランジ７８ｇを介し、ロックピン７８ｃをロック解除プランジャ７８ｄ側へ付勢するコイルばね７８ｈとを有している。自由状態において、ロックプランジャ７８ａおよびロックピン７８ｃは、それぞれ壁部７２ｂと、センタタペット７３との間に介在し、センタタペット７３をサイドタペット７２にロックした状態になる。この状態では、サイドタペット７２が第１排気カム６２ｂに駆動されたときに排気弁６０を開作動するとともに、センタタペット７３が第２排気カム６２ｃに駆動されたときもサイドタペット７２を介して排気弁６０を開作動することになる。

また、軸受７６が設けられた側とは反対側において、壁部７２ｂとこれに固定されたスリーブ状ホルダ７５ｂとには、作動油回路ＰＨが形成されている。そして、後述するＥＣＵ１００の制御によって、この作動油回路ＰＨに作動油回路７９から作動油が供給されると、ロック解除プランジャ７８ｄが、図５、図６の左側に駆動されて、ロックピン７８ｃを壁部７２ｂからセンタタペット７３へ押込み、これと同時にロックプランジャ７８ａも対応する壁部７２ｂ内に押込まれ、これらの部材によるロックが解除される。このロック解除状態において、センタタペット７３が第２排気カム６２ｃに駆動されると、センタタペット７３は、サイドタペット７２の収容凹部７２ａ内で昇降し、その力は、コイルばね７７に吸収されて排気弁６０には伝達されなくなる。これにより、サイドタペット７２が第１排気カム６２ｂに駆動されたときにのみ排気弁６０が開作動して、第２排気カム６２ｃによる排気弁６０の開作動（吸気行程での排気弁の再開弁動作）を停止させることが可能になる。作動油回路７９には、電磁弁７９ａが設けられており、この電磁弁７９ａは、制御装置としてのＥＣＵ１００によって制御されるようになっている。

本実施形態では、図１に示すように、作動油回路７９および電磁弁７９ａを設けて、排気システム５０の弁動作切換機構７０を作動させることができるようになっている。

また、吸気システム３０に設けた弁動作切換機構７０は、図４〜図６で説明した弁動作切換機構７０と原理的には全く同様のものであり、吸気カム４３ａは、第２排気カム６２ｃに相当する位置に設けられ、所定のタイミングでロストモーションするように構成されている。そして、吸気カム４３ａのロストモーションは、図１に示したように、作動油回路１７９および電磁弁１７９ａを駆動することにより、制御されるものである。

次に、火花点火式４サイクルエンジン１０には、ＥＣＵ１００が設けられている。

図１に示すように、ＥＣＵ１００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を有している。

ＥＣＵ１００のメモリ１０２には、制御マップやデータ並びにプログラムが記憶されており、ＣＰＵ１０１がこれら制御マップやデータ並びにプログラムを実行することによって、図２に示すように、エンジン回転数およびエンジン負荷等の運転状態を判定する運転状態判定手段１１０と、判定された運転状態に応じてエンジンの燃焼を制御する燃焼制御手段１２０と、判定された運転状態に応じてスロットル弁３５を制御するスロットル弁制御手段１４０とを機能的に有している。

上記燃焼制御手段１２０は、吸気システム３０の動弁機構４１に設けられたＶＣＴ４２の電磁弁を制御するＶＣＴ制御手段１２１と、吸排気システム３０、５０に設けた電磁弁１７９ａ、７９ａを駆動制御することにより、吸気弁４０および排気弁６０に対して設けられた弁動作切換機構７０を切換制御する弁開閉制御手段１２３と、点火プラグ２９による点火を制御する点火制御手段１２４とを含んでいる。

ＥＣＵ１００には、入力要素として、クランク角センサ２７、エアフローセンサ３４、アクセル開度センサ６６等の各種検出手段が接続されている。他方、制御要素として、スロットル弁３５のアクチュエータ３６、動弁機構４１のＶＣＴ４２に設けられた電磁弁、各弁動作切換機構７０を駆動する作動油回路７９、１７９の電磁弁７９ａ、１７９ａ、点火プラグ２９による点火をコントロールする点火回路２９ａ、燃料噴射弁２８等が接続されている。

次に、ＥＣＵ１００に記憶されている制御特性について説明する。

図７は、上記ＥＣＵ１００の燃焼制御手段１２０によ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。

同図に示すように、ＥＣＵ１００に設定されている運転領域としては、いわゆる圧縮自己着火運転（図中にＨＣＣＩと表記）を行う領域Ａと、火花点火運転（図中にＳＩと表記）を行う領域Ｂとが設定されている。圧縮自己着火運転の領域Ａは、エンジン回転数ｎｅが比較的低い低中回転領域において、所定のエンジン負荷以下の領域となっている。また、火花点火運転の領域Ｂは、圧縮自己着火運転の領域Ａ以外の領域、つまり高回転側および高負荷側の領域である。

ＥＣＵ１００の運転状態判定手段１１０は、クランク角センサ２７やアクセル開度センサ６６等から、エンジンの運転状態を検出し、運転状態が上記領域Ａ，Ｂの何れにあるかを判定する機能を奏するものである。

燃焼制御手段１２０のＶＣＴ制御手段１２１は、運転状態判定手段１１０の判定に基づき、吸気弁４０および排気弁６０の開弁タイミングを個別に進角または遅角するように、動弁機構４１や動弁機構６２の電磁弁を制御する機能を奏するものである。

弁開閉制御手段１２３は、運転状態判定手段１１０の判定に基づき、作動油回路７９、１７９に設けた電磁弁７９ａ、１７９ａを操作して、表１に示すように、吸気弁４０および排気弁６０の開弁動作を制御する機能を奏するものである。

図８はエンジン本体の一つの気筒における再開弁動作時の新気および既燃ガスの流れを示す平面略図であり、（Ａ）が低負荷時（Ｂ）が高負荷時である。また、図９は圧縮自己着火運転時のクランク角度と筒内温度を示すタイミングチャートである。

図８（Ａ）および図９を参照して、まず、運転状態が図７のＡの状態、すなわち、圧縮自己着火運転領域にある場合において、運転状態判定手段１１０が低負荷側の運転領域であると判定した場合、弁開閉制御手段１２３は、作動油回路７９の作動油をドレンし、前側の排気弁６０が再開弁動作を実行するようにするとともに、作動油回路１７９に作動油を供給し、後ろ側の吸気弁４０がロストモーションによって吸気行程においても閉弁したままの状態に維持するように制御する。

この結果、圧縮自己着火運転領域Ａにおいて、低負荷側では、吸気行程で前側の吸気弁４０が開き、矢印ＩＮ_Fで示したように、新気が気筒２４内に導入された状態で、前側の排気弁６０が再開弁動作を行う。この結果、再開弁動作によって矢印ＥＸ_Fで示す方向に生じようとする排気スワールは、新気の流れと衝突することにより乱されるので、新気と既燃ガスとが効率よく混合され、筒内の新気と既燃ガスとが均質な状態になる。このため、排気弁６０の再開弁動作による内部ＥＧＲ率が比較的低くても、低負荷時における気筒２４の筒内温度が速やかに上昇し、リーンな状態を維持しつつ、圧縮自己着火を確実に実現することが可能になる。

図８（Ｂ）および図９を参照して、圧縮自己着火運転領域にある場合において、運転状態判定手段１１０が高負荷側の運転領域であると判定した場合、弁開閉制御手段１２３は、両作動油回路７９、１７９の作動油をドレンし、前側の排気弁６０が再開弁動作を実行するようにするとともに、後ろ側の吸気弁４０も前側の吸気弁４０とともに吸気行程において開弁するように制御する。

この結果、圧縮自己着火運転領域Ａにおいて、高負荷側では、吸気行程で前後両側の吸気弁４０が開き、矢印ＩＮ_Fで示したように、新気が気筒２４内に導入されるため、比較的強い吸気スワールＩＮ_Sが筒内に生成される。この状態で、前側の排気弁６０が再開弁動作を行う結果、再開弁動作によって矢印ＥＸ_Fで示す方向に生じようとする排気スワールは、新気の強い流れと衝突して乱されることにより、新気が燃焼室２６の点火プラグ２９回りに偏在した状態で成層化が促進されることになる。このため、内部ＥＧＲによって、過度に筒内温度が上昇し、ノッキングが生じるのを防止することが可能になる。

点火制御手段１２４は、運転状態判定手段１１０の判定に基づき、所定のタイミングで点火回路２９ａを駆動し、点火プラグ２９による点火を実行させるものである。本実施形態においては、火花点火運転領域Ｂにおける通常の火花点火の他、圧縮自己着火運転領域Ａにおいて、高負荷側の運転領域にあるときには、圧縮自己着火が始まる前に点火プラグ２９を駆動させ、いわゆる着火アシストを実行するように構成されている。

上述したように、高負荷側では、吸気行程で前後両側の吸気弁４０が開き、図８（Ｂ）の矢印ＩＮ_Fで示したように、新気が気筒２４内に導入されるため、比較的強い吸気スワールＩＮ_Sが筒内に生成される。この状態で、前側の排気弁６０が再開弁動作を行う結果、新気が燃焼室２６の点火プラグ２９回りに偏在した状態で成層化が促進されることになる。このため、ノッキングを防止しつつ、点火プラグ２９の稼働による着火アシストを確実に実行することが可能になる。

スロットル弁制御手段１４０は、運転状態判定手段１１０の判定に基づき、アクチュエータ３６を駆動してスロットル弁３５の開弁量を制御するように構成されている。

以上説明したように本実施形態では、エンジン１０の所定の運転領域、すなわち、圧縮自己着火運転領域Ａで吸気弁４０が吸気行程で開く吸気ポート２４ａを吸気下死点よりも前で閉じるとともに排気弁６０が吸気行程で再開弁動作することにより、筒内に既燃ガスが還流し、図８（Ａ）（Ｂ）の矢印ＥＸ_Fで示す所定の方向にスワールを形成しようとする。ここで、本実施形態では、前記圧縮自己着火運転領域Ａにおいて、低負荷側では、図８（Ａ）の矢印ＩＮ_Fで示すように、排気弁６０によるスワールを乱す方向に新気を筒内に導入することになるので、新気と既燃ガスとの混合が促進される。この結果、筒内全体の温度が速やかに上昇し、リーンな状態で燃え残りのない圧縮自己着火を確実に行わせることが可能になる。他方、高負荷側では、前後両側の吸気ポート２４ａが開くことによって、図８（Ｂ）の矢印ＩＮ_Sで示すように、吸気行程初期に新気が比較的強いスワールを形成しながら筒内に導入されるため、排気弁６０の再開弁動作によって既燃ガスが導入された後も、新気が燃焼室２６の点火プラグ２９回りに偏在した状態で成層化が促進される。この結果、ノッキングが防止される。

また本実施形態では、前記弁開閉制御手段１２３は、圧縮自己着火運転領域Ａにおいて、低負荷側では、再開弁動作を行っている排気弁６０と隣り合う吸気弁４０を開くものである。このため本実施形態では、吸気行程で導入された新気と再開弁動作によって導入された既燃ガスとが筒内で衝突し、新気と既燃ガスとの混合が一層促進される。

また本実施形態では、各吸気ポート２４ａは、開口部近傍のスロート軸線Ｌ_INが、平面視（気筒２４の前後軸線Ｌの後側が上方に位置しかつ前後軸線Ｌの前側が下方に位置するような状態で各気筒をその頂部側から見る平面視）において、気筒２４の前記前後軸線Ｌと交差する方向に沿って平行に形成されているとともに、前記低負荷側で開弁される吸気ポート２４ａは、当該スロート軸線Ｌ_INの下流側に行くに連れて気筒２４の周面に向かって近接している側に設定され、再開弁動作を行う排気ポート２４ｂは、この吸気ポート２４ａと左右に隣り合うものである。このため本実施形態では、吸気ポート２４ａからの新気と既燃ガスとが、排気スワールの上流側で衝突し、新気と既燃ガスとの混合が一層促進されることになる。

また本実施形態では、点火プラグ２９の点火時期を制御する点火制御手段１２４を設け、前記点火制御手段１２４は、エンジン１０の前記圧縮自己着火運転領域Ａにおいて、高負荷側では、着火時期の前に点火を実行するように、点火回路２９ａを介して点火プラグ２９を制御するものである。このため本実施形態では、高負荷側において、新気が燃焼室２６の点火プラグ２９回りに偏在した状態で成層化が促進されることにより、点火プラグ２９によるいわゆる着火アシストによって、ノッキングを回避しつつも確実に筒内の混合気を着火させることが可能になる。

上述した実施形態は、本発明の好ましい具体例を例示したものに過ぎず、本発明は上述した実施形態に限定されない。本発明の特許請求の範囲内で種々の変更が可能であることはいうまでもない。

本発明の一実施形態に係る火花点火式４サイクルエンジンの概略構成を示す構成図である。図１に係るエンジンの一つの気筒とそれに対して設けられた吸気弁および排気弁等の構造を示す断面略図である。エンジン本体の一つの気筒とそれに対して設けられた吸気弁および排気弁等の構造を示す平面略図である。排気弁に対して設けられた弁動作切換機構の分解斜視図である。上記弁動作切換機構の正面断面図である。上記弁動作切換機構の平面断面図である。図１の実施形態に係るエンジンにおいて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。エンジン本体の一つの気筒における再開弁動作時の新気および既燃ガスの流れを示す平面略図であり、（Ａ）が低負荷時（Ｂ）が高負荷時である。圧縮自己着火運転時のクランク角度と筒内温度を示すタイミングチャートである。

符号の説明

Ａ圧縮自己着火運転領域
Ｂ火花点火運転領域
１０火花点火式４サイクルエンジン
２０エンジン本体
２４気筒
２４ａ吸気ポート
２４ｂ排気ポート
２５ピストン
２６燃焼室
２９点火プラグ
３０吸気システム
４０吸気弁
５０排気システム
６０排気弁
７０弁動作切換機構（弁開閉制御手段の構成要素の一例）
７９、１７９作動油回路（弁開閉制御手段の構成要素の一例）
７９ａ、１７９ａ電磁弁（弁開閉制御手段の構成要素の一例）
１０１ＣＰＵ
１１０運転状態判定手段
１２０燃焼制御手段
１２１ＶＣＴ制御手段
１２３弁開閉制御手段
１２４点火制御手段

Claims

頂部に燃焼室を形成する気筒と、前記燃焼室の中央部分に配置された点火プラグと、この点火プラグを中心として、気筒の前後軸線に対し、それぞれ反対側に配置された複数の吸気ポートおよび排気ポートと、吸気ポート毎に設けられた吸気弁および排気ポート毎に設けられた排気弁とを備え、エンジンの所定運転領域において、複数の排気ポートのうち、一つの排気ポートの開口を吸気行程で開く再開弁動作により筒内に既燃ガスを還流させ、圧縮自己着火運転を行うようにした火花点火式４サイクルエンジンであって、
エンジンの運転状態を判定する運転状態判定手段と、
運転状態判定手段の判定に基づいて、吸気ポートおよび排気ポートの開閉タイミングを制御する弁開閉制御手段と
を備え、弁開閉制御手段は、
吸気行程で開く吸気ポートを吸気下死点よりも前で閉じるとともに、前記所定運転領域において、低負荷側では、前記一つの排気ポートの再開弁動作によって生成する旋回流の向きと反対の向きに吸気を流出する吸気ポートのみを開き、高負荷側では、複数の吸気ポートを開くように吸気弁および排気弁を制御するものである
ことを特徴とする火花点火式４サイクルエンジン。
請求項１記載の火花点火式４サイクルエンジンにおいて、
前記弁開閉制御手段は、所定の運転領域において、低負荷側では、再開弁動作を行っている排気弁と隣り合う吸気弁を開くものであることを特徴とする火花点火式４サイクルエンジン。
請求項１または２記載の火花点火式４サイクルエンジンにおいて、
気筒の前記前後軸線の後側が上方に位置しかつ前記前後軸線の前側が下方に位置するような状態で各気筒をその頂部側から見る平面視において、各吸気ポートの各開口部と各排気ポートの各開口部が、気筒の前記前後軸線を挟んでそれぞれ左側と右側に配置され、各吸気ポートは、開口部近傍のスロート軸線が、前記平面視において、気筒の前記前後軸線と交差する方向に沿って平行に形成されているとともに、前記低負荷側で開弁される吸気ポートは、当該スロート軸線の下流側に行くに連れて気筒の周面に向かって近接しながら気筒の周面に対する左右方向の接線に近い方向に向くように設定され、再開弁動作を行う排気ポートは、この吸気ポートと左右に隣り合うものであることを特徴とする火花点火式４サイクルエンジン。
請求項１から３の何れか１項に記載の火花点火式４サイクルエンジンにおいて、
点火プラグの点火時期を制御する点火制御手段を設け、前記点火制御手段は、エンジンの前記所定の運転領域において、高負荷側では、着火時期の前に点火を実行するように点火プラグを制御するものであることを特徴とする火花点火式４サイクルエンジン。