JP6003231B2 - 圧縮自己着火式ガソリンエンジン - Google Patents

Description

本発明は、火花点火燃焼と圧縮自己着火燃焼とが切替え可能に構成された圧縮自己着火式ガソリンエンジンに関する。

従来、ガソリンエンジンの分野では、点火プラグの火花点火によって混合気を強制的に燃焼させる火花点火燃焼を採用することが一般的であった。ところが、近年、このような火花点火燃焼に代えて、いわゆる圧縮自己着火燃焼をガソリンエンジンに適用する研究が進められている。圧縮自己着火燃焼とは、ピストンの圧縮によりつくり出される高温・高圧の環境下で混合気を自着火により燃焼させることである。圧縮自己着火燃焼は、混合気が同時多発的に自着火する燃焼であり、火炎伝播により徐々に燃焼が拡がる火花点火燃焼に比べて燃焼期間が短く、より高い熱効率が得られるといわれている。

なお、以下では、火花点火燃焼（Spark Ignition Combustion）のことを「ＳＩ燃焼」と略称し、圧縮自己着火燃焼（Compression Self-Ignition Combustion）のことを「ＣＩ燃焼」と略称する。

前記ＣＩ燃焼が適用されたガソリンエンジンに関する文献として特許文献１がある。この文献には、エンジンの部分負荷運転領域ではＣＩ燃焼を行い、残余の領域ではＳＩ燃焼を行うというように、負荷をパラメータとするエンジンの運転領域に応じて燃焼形式を切り替えることが開示されている。

また、特許文献２には、排気ガスとの熱交換により吸気を加熱する装置を備えた内燃機関が開示されている。

特開２００７−１５４８５９号公報（段落００５３） 特開２００６−３７９３１公報（段落００１８〜段落００１９）

前述のように、ＣＩ燃焼は高温・高圧の環境下での混合気の自着火により起こる燃焼であるから、ＣＩ燃焼での運転時には筒内温度を上昇させて混合気の自着火を促進することが好ましい。そのための方策の１つとして、例えば、吸気行程において、前記特許文献２に開示されているような技術を適用し、加熱装置で加熱した吸気を筒内に導入することが提案される。これによれば、筒内温度の上昇が図られ、混合気の自着火が促進される。

ここで、前記特許文献１のように、運転領域に応じてＣＩ燃焼とＳＩ燃焼とを切り替えるエンジンにおいては、ＣＩ燃焼時には相対的に高温の加熱吸気を筒内に導入する一方、ＳＩ燃焼時には相対的に低温の冷温吸気を筒内に導入することが望まれる。これは、ＳＩ燃焼時に筒内温度が過度に上昇すると、ノッキングやプリイグニッション（過早着火）等の異常燃焼が起き易くなるから、これを抑制するためである。このような異常燃焼の問題は、燃料の噴射量が増大される高負荷域において特に顕著となる。したがって、例えば運転者がアクセルペダルの踏込量を大きく変化させて運転領域がＣＩ燃焼が行われる領域（ＣＩ燃焼領域）とＳＩ燃焼が行われる領域（ＳＩ燃焼領域）との間で急変しても、応答性よく加熱吸気と冷温吸気とを速やかに切り替えて筒内に導入する必要がある。

この点、前記特許文献２に記載の装置は、排気ガスが通過する排気管から分岐して排気管に再び接続する吸気加熱用配管と、この吸気加熱用配管の途中に設けられた熱交換用排気通路と、この熱交換用排気通路を収容する吸気マニホールドと、前記排気管と前記吸気加熱用配管との分岐部に設けられた切替バルブとを有し、この切替バルブの切替えによって排気管を通過する排気ガスを吸気加熱用配管を介して熱交換用排気通路に供給したときは吸気マニホールド内の吸気が排気ガスの熱により加熱されて筒内に導入され、それ以外のときは吸気が加熱されずに冷温のまま筒内に導入されるように構成されているので、前記切替バルブが排気ガスの流路を切り替えてから吸気マニホールド内の吸気が加熱されるまで又は吸気マニホールド内の吸気の加熱が停止されるまでに相対的に長い時間がかかり応答性に欠けるという問題がある。そのため、ＣＩ燃焼からＳＩ燃焼への切替時には、冷温吸気の導入が遅れてノッキング等の異常燃焼が起き易くなり、ＳＩ燃焼からＣＩ燃焼への切替時には、加熱吸気の導入が遅れて混合気の自着火が十分促進されない可能性がある。

また、前記特許文献１にも吸気加熱システムが開示されているが、このシステムは、上流側の吸気通路と、この上流側の吸気通路をバイパスしてヒータを通過するバイパス通路と、吸気マニホールドに向かう下流側の吸気通路とが接続された三方弁を有し、この三方弁の切替えによって上流側吸気通路を通過してきた冷温吸気を吸気マニホールドに供給するか又はバイパス通路を通過してきた加熱吸気を吸気マニホールドに供給するかの切替えを行うように構成されているので、三方弁による吸気の流路の切替えに相対的に長い時間がかかり、やはり応答性に欠け、前記と同様の不具合がある。

そこで、本発明は、運転領域に応じてＣＩ燃焼とＳＩ燃焼とが切替え可能に構成され、ＣＩ燃焼を行う際の筒内への加熱吸気の導入と、ＳＩ燃焼を行う際の筒内への冷温吸気の導入とを、応答性よく速やかに切り替えることが可能な圧縮自己着火式ガソリンエンジンの提供を目的とする。

前記課題を解決するためのものとして、本発明は、所定の第１運転領域で混合気の自着火による燃焼である圧縮自己着火燃焼が行われ、前記第１運転領域よりも高負荷側の第２運転領域で火花点火による強制燃焼である火花点火燃焼が行われるように構成された圧縮自己着火式ガソリンエンジンであって、気筒に吸気を供給する第１吸気通路と、前記第１吸気通路と気筒との間に設けられたケーシングと、前記ケーシングに下流端部が接続された第２吸気通路と、前記第２吸気通路を通過する吸気を加熱する加熱手段と、気筒から排気ガスが排出される排気通路と、前記排気通路に上流端部が接続されると共に前記ケーシングに下流端部が接続され、前記排気通路を流れる排気ガスの一部を吸気側に還流する排気還流通路と、前記ケーシング内部に回動自在に収容され、回動することで、前記ケーシング内部で開口する前記第１吸気通路の出口、前記第２吸気通路の出口、及び前記排気還流通路の出口のうち少なくとも１つの出口を選択的に開くロータリーバルブと、前記第１運転領域では、前記ロータリーバルブが前記第１吸気通路の出口を閉じ且つ前記第２吸気通路及び排気還流通路の各出口を開く加熱吸気モードの位置に前記ロータリーバルブを回動し、前記第２運転領域の低負荷側の一部の領域では、前記ロータリーバルブが前記第１吸気通路及び排気還流通路の各出口を開き且つ前記第２吸気通路の出口を閉じる第１冷温吸気モードの位置に前記ロータリーバルブを回動し、前記第２運転領域の高負荷側の一部の領域では、前記第１吸気通路の出口を開き且つ前記第２吸気通路及び排気還流通路の各出口を閉じる第２冷温吸気モードの位置に前記ロータリーバルブを回動する制御手段とを有し、前記ケーシング内部で、前記第１吸気通路の出口、前記第２吸気通路の出口、及び前記排気還流通路の出口が、前記ロータリーバルブの回動方向にこの順に開口してい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、運転領域に応じてＣＩ燃焼とＳＩ燃焼とが切替え可能に構成された圧縮自己着火式ガソリンエンジンにおいて、気筒に吸気を供給する第１吸気通路と気筒との間にケーシングが設けられ、このケーシングに、加熱手段で加熱された吸気（加熱吸気）が通過する第２吸気通路の下流端部と、排気ガスの一部（外部ＥＧＲガス）を還流する排気還流通路とが接続され、前記ケーシングの内部では、前記第１吸気通路の出口、前記第２吸気通路の出口、及び前記排気還流通路の出口が開口している。前記ケーシングの内部には、ロータリーバルブが回動自在に収容され、このロータリーバルブは、回動することにより、前記第１吸気通路の出口、前記第２吸気通路の出口、及び前記排気還流通路の出口を選択的に開閉する。そして、制御手段により、前記ロータリーバルブは、ＣＩ燃焼が行われる第１運転領域（ＣＩ燃焼領域）では、前記第１吸気通路の出口を閉じ且つ前記第２吸気通路及び排気還流通路の各出口を開く加熱吸気モードの位置に回動され、ＳＩ燃焼が行われる第２運転領域（ＳＩ燃焼領域）の低負荷側の一部の領域では、前記第１吸気通路及び排気還流通路の各出口を開き且つ前記第２吸気通路の出口を閉じる第１冷温吸気モードの位置に回動され、前記第２運転領域（ＳＩ燃焼領域）の高負荷側の一部の領域では、前記第１吸気通路の出口を開き且つ前記第２吸気通路及び排気還流通路の各出口を閉じる第２冷温吸気モードの位置に回動される。

そのため、ＣＩ燃焼時は、第２吸気通路の出口から気筒に加熱吸気が供給され、筒内に加熱吸気が導入されるので、筒内温度が上昇して混合気の自着火が促進される。一方、ＳＩ燃焼時は、第１吸気通路の出口から気筒に吸気（冷温吸気）が供給され、筒内に冷温吸気が導入されるので、筒内温度の過度の上昇が防止されてノッキングやプリイグニッション等の異常燃焼が抑制される。詳しくは、低負荷側のＳＩ燃焼時は、第１吸気通路の出口から供給される冷温吸気に加えて、排気還流通路の出口から供給される排気ガスが筒内に導入されることにより（外部ＥＧＲ）、筒内温度の上昇を抑制しつつ、スロットル開度を絞らなくても空燃比を調整することができ、ポンピングロスの低減が図られる。一方、高負荷側のＳＩ燃焼時は、筒内に冷温吸気を導入しつつ外部ＥＧＲを禁止することにより、筒内温度の上昇がさらに抑制される。しかも、本発明では、以上のような吸気の流路の切替えがロータリーバルブの回動という単純で滑らかな動作によって行われるので、たとえ運転者がアクセルペダルの踏込量を大きく変化させて運転領域がＣＩ燃焼領域である第１運転領域とＳＩ燃焼領域である第２運転領域との間で急変しても、応答性よく加熱吸気と冷温吸気とを速やかに切り替えて筒内に導入することができる。

加えて、第１吸気通路の出口、第２吸気通路の出口、及び排気還流通路の出口が、前記ロータリーバルブの回動方向にこの順に開口しているので、ロータリーバルブを第１吸気通路の出口の側から排気還流通路の出口の側へ順に回動するだけで、加熱吸気モードの位置、第１冷温吸気モードの位置、及び第２冷温吸気モードの位置が順次実現され、ロータリーバルブの回動操作の単純化が図られる。

本発明において、好ましくは、前記排気還流通路に開閉可能に設けられた排気還流弁を備え、前記制御手段は、前記第１運転領域では、気筒の排気ポートを開閉する排気弁を排気行程に加えて吸気行程でも開弁させ、且つ、前記第１運転領域の低負荷側の一部の領域では、前記排気還流弁を閉じ、前記第１運転領域の高負荷側の一部の領域では、前記排気還流弁を開く（請求項２）。

この構成によれば、ＣＩ燃焼領域である第１運転領域では、排気弁が排気行程に加えて吸気行程でも開弁されるので、この排気弁の２度開きによって、一旦排出された高温の排気ガス（既燃ガス）が排気ポートから筒内に逆流する（内部ＥＧＲ）。そのため、ＣＩ燃焼時は、加熱吸気の導入に加えて、この内部ＥＧＲによって高温の排気ガス（内部ＥＧＲガス）が筒内に逆流するので、筒内温度がさらに上昇して混合気の自着火がより一層促進される。

ここで、前述したように、前記排気還流通路の出口は、前記ロータリーバルブが前記加熱吸気モードの位置にあるとき、つまりＣＩ燃焼領域である第１運転領域では常に開いている。その上で、前記構成では、前記第１運転領域の低負荷側の一部の領域では、前記排気還流通路に設けられた排気還流弁が閉じられ、一方、高負荷側の一部の領域では、前記排気還流弁が開かれる。

そのため、低負荷側のＣＩ燃焼時は、排気通路を流れる排気ガスの一部が排気還流通路を介して吸気側に還流されないので、内部ＥＧＲガスよりも低い温度の排気ガスが筒内に導入されず、筒内温度の上昇が阻害されない。この結果、燃料の噴射量が相対的に少なく着火し難い低負荷域においても混合気の着火性が確保される。一方、高負荷側のＣＩ燃焼時は、排気通路を流れる排気ガスの一部が排気還流通路を介して吸気側に還流されるので（外部ＥＧＲ）、この外部ＥＧＲによって、内部ＥＧＲガスよりも低い温度の排気ガス（外部ＥＧＲガス）が筒内に導入され、筒内温度の過度の上昇が防止される。この結果、燃料の噴射量が相対的に多く着火し易い高負荷域においてＣＩ燃焼の燃焼期間が相対的に長くなり、燃焼により発生する力の時間変化率であるｄｐ／ｄｔが相対的に小さくなって、騒音や振動等（ＮＶＨ）の悪化が抑制され、ＣＩ燃焼領域を高負荷側に拡大することができる。

また、本発明において、好ましくは、前記排気還流通路に開閉可能に設けられた排気還流弁を備え、前記制御手段は、前記第２運転領域の低負荷側の一部の領域では、前記ロータリーバルブを前記第１冷温吸気モードの位置に回動し且つ前記排気還流弁を開く（請求項３）。

この構成によれば、ＳＩ燃焼領域である第２運転領域の低負荷側の一部の領域では、前記ロータリーバルブが前記第１冷温吸気モードの位置に回動されて前記排気還流通路の出口が開かれると共に、前記排気還流弁が開かれる。

そのため、低負荷側のＳＩ燃焼時は、外部ＥＧＲが実行されることによってスロットル開度を絞らなくても空燃比を調整することができ、ポンピングロスの低減が図られる。

また、本発明において、好ましくは、前記第１吸気通路は、所定のエンジン回転域で、気筒の吸気ポートを開閉する吸気弁の開弁により生じる吸気の負圧波の反射により生じる正圧波が前記吸気弁の閉弁直前に前記吸気ポートに到達する慣性過給効果が得られるように設定される（請求項４）。

この構成によれば、第１吸気通路が慣性過給効果が得られるように設定されている場合に、前述したように、前記第２運転領域の高負荷側の一部の領域では、前記ロータリーバルブが前記第２冷温吸気モードの位置に回動される。

そのため、高負荷側のＳＩ燃焼時は、第２吸気通路の出口及び排気還流通路の出口が閉じることにより、第１吸気通路の形状や容積等が慣性過給効果が得られるように設定された本来の形状や容積等となり、慣性過給効果が良好に得られて、新気充填量の向上ひいてはトルクの向上が図られる。

本発明によれば、運転領域に応じてＣＩ燃焼とＳＩ燃焼とが切替え可能に構成された圧縮自己着火式ガソリンエンジンにおいて、ＣＩ燃焼を行う際の筒内への加熱吸気の導入と、ＳＩ燃焼を行う際の筒内への冷温吸気の導入とを、応答性よく速やかに切り替えることができるので、ＣＩ燃焼からＳＩ燃焼への切替時には、冷温吸気が筒内へ直ちに導入されてノッキング等の異常燃焼が確実に抑制され、ＳＩ燃焼からＣＩ燃焼への切替時には、加熱吸気が筒内へ直ちに導入されて混合気の自着火が確実に促進される。

本発明の一実施形態に係る圧縮自己着火式ガソリンエンジンの全体構成を示す平面図である。 前記エンジンのエンジン本体の構成を示す断面図である。 前記エンジン本体の排気側の構成を示す側面図である。 前記エンジン本体の吸気側の構成を示す側面図である。 図４の矢印Ｖ方向からの矢視図である。 前記エンジン本体の吸気側に備えられたロータリーバルブの構成を示す、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）の矢印（ア）方向からの矢視図、（ｃ）は（ａ）の（イ）−（イ）線に沿った断面図である。 前記エンジン本体の吸気側に備えられたロータリーバルブ機構の構成を示す部分斜視図である。 図５の矢印ＶＩＩＩ方向からの断面図であって、（ａ）は前記ロータリーバルブがポジション１にあるとき、（ｂ）はポジション２にあるとき、（ｃ）はポジション３にあるときを示すものである。 前記エンジンの制御系を示すブロック図である。 前記エンジンの運転中に使用される制御マップを概念的に示す図である。 エンジン負荷の変化に応じて、燃焼形式、運転領域、吸気モード、ロータリーバルブポジション、筒内状態、及び各種制御パラメータがどのように変化するかを示す図である。

以下、実施の形態を通して本発明をさらに詳しく説明する。

（１）エンジンの全体構成
まず、図１及び図２を参照して、本発明の一実施形態に係る圧縮自己着火式ガソリンエンジンの全体構成を説明する。本実施形態に係るエンジンは、特定方向に並ぶ４つの気筒２Ａ〜２Ｄを有する４サイクル４気筒型のエンジン本体１と、前記各気筒２Ａ〜２Ｄに吸気（燃焼用の空気）を供給するための吸気通路２０と、前記各気筒２Ａ〜２Ｄで生成される排気ガスを排出するための排気通路３０とを備えている。

前記エンジン本体１は、前記気筒２Ａ〜２Ｄが内部に形成されたシリンダブロック２と、シリンダブロック２の上面に設けられたシリンダヘッド３と、前記気筒２Ａ〜２Ｄに往復摺動可能に挿入されたピストン４とを有している。

前記ピストン４の上方には燃焼室５が形成されている。この燃焼室５には、ガソリンを含有する燃料が、インジェクタ１０からの噴射によって供給される。そして、噴射された燃料が燃焼室５で燃焼し、その燃焼による膨張力で押し下げられたピストン４が上下方向に往復運動するようになっている。

なお、「ガソリンを含有する燃料」とは、ガソリン１００％の燃料だけでなく、ガソリンとそれ以外の燃料成分とが混合したものをも含む概念である。例えば、ＣＩ燃焼は、エタノール（アルコール）とガソリンとが混合された燃料でも実現可能であるので、このような燃料により駆動されるエンジンにも本発明は適用可能である。

前記ピストン４はコネクティングロッド１６を介してクランク軸１５と連結されており、前記ピストン４の往復運動に応じて前記クランク軸１５が中心軸回りに回転するようになっている。

前記シリンダブロック２には、前記クランク軸１５の回転速度をエンジンの回転速度として検出するエンジン回転速度センサＳＷ１が設けられている。

前記シリンダヘッド３には、燃料（ガソリンを含有する燃料）を燃焼室５に向けて噴射するインジェクタ１０と、インジェクタ１０から噴射された燃料と空気との混合気に対し火花放電による点火を行う点火プラグ１１とが、各気筒２Ａ〜２Ｄに１組ずつ設けられている。

前記インジェクタ１０は、燃料の噴射口となる複数の噴孔を先端部に有しており、各気筒２Ａ〜２Ｄの燃焼室５をその吸気側の側方から臨むように設けられている。また、インジェクタ１０から噴射される燃料の噴射圧力は、３０ＭＰａ以上という、ガソリンエンジンとしてはかなり高い値に設定されている。

前記点火プラグ１１は、火花を放電するための電極を先端部に有しており、各気筒２Ａ〜２Ｄの燃焼室５を上方から臨むように設けられている。

ここで、本実施形態のエンジン本体１は、その幾何学的圧縮比（ピストン４が下死点にあるときの燃焼室容積とピストン４が上死点にあるときの燃焼室容積との比）が、１６以上２０以下という、ガソリンエンジンとしてはかなり高い値に設定されている。このように高い幾何学的圧縮比を設定しているのは、理論熱効率の向上や、ＣＩ燃焼での着火性確保のためである。

また、本実施形態のような４サイクル４気筒のガソリンエンジンでは、各気筒２Ａ〜２Ｄに設けられたピストン４がクランク角で１８０°（１８０°ＣＡ）の位相差をもって上下運動するため、これに対応して、各気筒２Ａ〜２Ｄでの点火のタイミングも、１８０°ＣＡずつ位相をずらしたタイミングに設定される。具体的には、気筒２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄの気筒番号をそれぞれ１番、２番、３番、４番とすると、１番気筒２Ａ→３番気筒２Ｃ→４番気筒２Ｄ→２番気筒２Ｂの順に点火が行われる。このため、例えば１番気筒２Ａが膨張行程であれば、３番気筒２Ｃ、４番気筒２Ｄ、２番気筒２Ｂは、それぞれ、圧縮行程、吸気行程、排気行程となる。

前記シリンダヘッド３には、前記吸気通路２０から供給される空気を各気筒２Ａ〜２Ｄの燃焼室５に導入するための吸気ポート６と、吸気ポート６を開閉する吸気弁８と、各気筒２Ａ〜２Ｄの燃焼室５で生成された排気ガスを前記排気通路３０に導出するための排気ポート７と、排気ポート７を開閉する排気弁９とが設けられている。なお、図例のエンジンはいわゆるダブルオーバーヘッドカムシャフト式（ＤＯＨＣ）エンジンであり、１つの気筒につき吸気弁８及び排気弁９が２つずつ設けられている。

前記吸気弁８及び排気弁９は、それぞれ、シリンダヘッド３に配設された一対のカムシャフト等を含む動弁機構１３，１４により、クランク軸１５の回転に連動して開閉駆動される。

前記吸気弁８用の動弁機構１３には、吸気弁８のリフト量を連続的に（無段階で）変更することが可能な可変機構１３ａが組み込まれている。このような構成の可変機構１３ａは、連続可変バルブリフト機構（ＣＶＶＬ）等として既に公知であり、具体例として、吸気弁８駆動用のカムをカムシャフトの回転と連動して往復揺動運動させるリンク機構と、リンク機構の配置（レバー比）を可変的に設定するコントロールアームと、コントロールアームを電気的に駆動することによって前記カムの揺動量（吸気弁８を押し下げる量と期間）を変更するステッピングモータとを備えたものを挙げることができる。

前記排気弁９用の動弁機構１４には、吸気行程中に排気弁９を押し下げる機能を有効又は無効にする切替機構１４ａが組み込まれている。このような構成の切替機構１４ａは既に公知であり、具体例として、排気弁９駆動用の通常のカム（排気行程中に排気弁９を押し下げるカム）とは別に吸気行程中に排気弁９を押し下げるサブカムと、このサブカムの駆動力が排気弁９に伝達されるのを有効又は無効にするいわゆるロストモーション機構とを備えたものを挙げることができる。

前記切替機構１４ａのサブカムによる排気弁９の押し下げが有効にされると、排気弁９が排気行程だけでなく吸気行程中にも開弁させられる（排気弁９のリフト量が吸気行程中に再び増大させられる）ので、排気弁９が２度開きされて、高温の排気ガスが排気ポート７から燃焼室５に逆流する内部ＥＧＲが実現され、燃焼室５の高温化（筒内温度の上昇）が図られるとともに、燃焼室５に導入される空気（新気）の量が低減される。一方、前記切替機構１４ａのサブカムによる排気弁９の押し下げが無効にされた場合は、排気弁９が排気行程のみで開弁するようになるので、前記内部ＥＧＲが禁止される。

なお、本明細書において、「○○弁が××行程で開弁」等というときは、○○弁の開弁期間（開き始めてから閉じるまでの期間）が主に××行程と重複するように設定されるということであり、必ずしも開弁期間の全てが××行程中にあることを意味しない。したがって、例えば、排気弁９の２回目の開弁（前記切替機構１４ａのサブカムによる開弁）が禁止された状態を指して、「排気弁９が排気行程のみで開弁される」（又は排気弁９が排気行程のみで開く）等と表現したとしても、排気弁９の開弁期間の全てが排気行程に含まれるとは限らず、排気弁９の開弁期間の一部が吸気行程にかかることもあり得る。

排気通路３０は、各気筒２Ａ〜２Ｄの排気ポート７に上流端部が接続された複数（本実施形態では４本）の独立排気通路３１〜３４と、これらの独立排気通路３１〜３４が集合した単一の排気管３５とを有している。排気管３５の下流側からはＥＧＲ通路５０が分岐しており、排気管３５の下流側の排気管３６には図外の触媒コンバータやサイレンサー等が設けられている。

図３にも示すように、前記排気管３５の内部に仕切壁３５ｃが設けられ、この仕切壁３５ｃによって前記排気管３５は第１通路３５ａと第２通路３５ｂとに区画されている。これらの第１通路３５ａ及び第２通路３５ｂの流路断面積は、それぞれ、前記排気管３５の流路断面積よりも小さくされている。第２通路３５ｂよりも流路断面積が大きい第１通路３５ａに第１通路３５ａの流路を絞るための排気絞り弁４５が設けられている。この排気絞り弁４５により第１通路３５ａの流路が絞られたときは、排気管３５全体の流路が絞られ、排気抵抗が増大して、内部ＥＧＲが促進される。

前記排気管３５と、次に説明する吸気側のロータリーバルブ機構６０のケーシング６１とは、ＥＧＲ通路（排気還流通路）５０，５３，５４で接続されている。ＥＧＲ通路５０，５３，５４のうち、相対的に上流側のＥＧＲ通路５０，５３の間には、エンジン冷却水や排気ガス等の熱を利用した熱交換器からなるＥＧＲクーラ５２が介設され、相対的に下流側のＥＧＲ通路５４の上流には、開閉可能なＥＧＲ弁（排気還流弁）５１が配設されている。

前記ＥＧＲ通路５０，５３，５４は、排気通路３０を流れる排気ガスの一部を吸気側に還流する操作（外部ＥＧＲ）を行うために用いられる。すなわち、前記ＥＧＲ弁５１が開弁されると、排気管３５を通過する排気ガスの一部がＥＧＲ通路５０，５３，５４を通って吸気側のロータリーバルブ機構６０へと戻される。このとき、ＥＧＲクーラ５２によって排気ガスが冷却されるので、ロータリーバルブ機構６０に流入するときの排気ガスの温度は、排気管３５を通過する排気ガスの温度ひいては内部ＥＧＲによって筒内に逆流する排気ガス（内部ＥＧＲガス）の温度よりも大幅に低いものとなる。そして、ロータリーバルブ機構６０に戻された相対的に低温の排気ガス（外部ＥＧＲガス）は、吸気ポート６を介して再び各気筒２Ａ〜２Ｄに導入される。一方、前記ＥＧＲ弁５１が全閉にされた場合は、排気管３５からＥＧＲ通路５０に排気ガスが流れなくなるので、前記外部ＥＧＲが禁止される。

なお、図１に示したように、ＥＧＲ通路５０，５３，５４のうち、ＥＧＲ弁５１より上流側のＥＧＲ通路５０，５３は、単一の共通通路であるが、ＥＧＲ弁５１より下流側のＥＧＲ通路５４は、気筒２Ａ〜２Ｄ毎に設けられた複数（本実施形態では４本）の独立ＥＧＲ通路になっている（図５参照）。

次に、図４〜図８も参照して、本発明の特徴部分であるロータリーバルブ機構６０を説明する。

前記ロータリーバルブ機構６０は、エンジン本体１の吸気側に備えられ、本実施形態では、吸気通路２０とエンジン本体１のシリンダヘッド３との間に介設されている。ロータリーバルブ機構６０は、気筒列方向に延びる矩形状のケーシング６１を有する。ケーシング６１は、シリンダヘッド３の吸気側の側面に結合され、吸気通路２０と気筒２Ａ〜２Ｄとの間に設けられている。

吸気通路２０は、単一の吸気管２３と、この吸気管２３の下流端部に接続された所定容積の第１サージタンク２２と、上流端部が前記第１サージタンク２２に接続され、気筒２Ａ〜２Ｄ毎に設けられた複数（本実施形態では４本）の第１独立吸気通路２１とを有している。前記吸気管２３の途中部には、開閉可能なスロットル弁２５と、エンジン本体１に吸入される空気（新気）の流量を検出するためのエアフローセンサＳＷ２とが設けられている。

本実施形態では、前記吸気通路２０とは別に第２吸気通路７０が備えられている。第２吸気通路７０は、上流端部が前記第１サージタンク２２に接続された単一の第２吸気管７４と、この第２吸気管７４の下流端部に接続された所定容積の第２サージタンク７２と、上流端部が前記第２サージタンク７２に接続され、気筒２Ａ〜２Ｄ毎に設けられた複数（本実施形態では４本）の第２独立吸気通路７１とを有している。

前記第２サージタンク７２内には、例えばヒータあるいはエンジン冷却水や排気ガス等の熱を利用した熱交換器等の加熱手段７３が収容されている。この加熱手段７３により加熱された吸気が前記第２独立吸気通路７１を通過する。したがって、第２吸気通路７０は、気筒２Ａ〜２Ｄに相対的に高温の吸気（加熱吸気）を供給する高温吸気通路である。これに対し、吸気通路２０は、前記のような加熱手段を有していないので、気筒２Ａ〜２Ｄに相対的に低温の吸気（冷温吸気）を供給する低温吸気通路である。以下、高温吸気通路を第２吸気通路７０と称するのに対して、低温吸気通路である吸気通路２０を第１吸気通路と称する。本実施形態の第１吸気通路２０及び第２吸気通路７０は、それぞれ、特許請求の範囲の「第１吸気通路」及び「第２吸気通路」に該当する。

図４に示すように、前記第１独立吸気通路２１の下流端部、すなわち第１吸気通路２０の下流端部は、前記ケーシング６１の側面に接続され、前記第２独立吸気通路７１の下流端部、すなわち第２吸気通路７０の下流端部は、前記ケーシング６１の下面に接続され、前記独立ＥＧＲ通路５４の下流端部、すなわちＥＧＲ通路５４の下流端部は、前記ケーシング６１の下面に接続されている。

図５、図７及び図８に示すように、ケーシング６１の内部には、各気筒２Ａ〜２Ｄひいては各独立通路２１，５４，７１に対応して、気筒列方向に軸心が延びる円柱状の空洞６５が気筒列方向に複数（本実施形態では４つ）形成されている。

図７及び図８から明らかなように、各空洞６５の周面に、第１独立吸気通路２１の下流端部と前記空洞６５とを連通する第１連通路が開口し（開口に符号２１ａを付す）、第２独立吸気通路７１の下流端部と前記空洞６５とを連通する第２連通路が開口し（開口に符号７１ａを付す）、独立ＥＧＲ通路５４の下流端部と前記空洞６５とを連通する第３連通路が開口し（開口に符号５４ａを付す）、各気筒２Ａ〜２Ｄの吸気ポート６の上流端部と前記空洞６５とを連通する第４連通路が開口し（開口に符号６ａを付す）ている。

なお、以下では、前記第１連通路の開口２１ａを第１吸気通路２０の出口と称し、前記第２連通路の開口７１ａを第２吸気通路７０の出口と称し、前記第３連通路の開口５４ａをＥＧＲ通路５４の出口と称し、前記第４連通路の開口６ａを吸気ポート６の入口と称する。

円柱状の各空洞６５にはロータリーバルブ６２が回動自在に収容されている。各ロータリーバルブ６２は、図６に示すように、相互に対向する一対の円板部６２ａ，６２ａと、各円板部６２ａの中心から延びる軸部６２ｂと、一対の円板部６２ａ，６２ａ間に架設された断面三日月形状の閉塞部６２ｃとを有する。そして、各ロータリーバルブ６２は各空洞６５に軸部６２ｂが気筒列方向に延びるように収容され、アクチュエータ６３（図５参照）により軸部６２ｂを中心に回動される。

なお、前記アクチュエータ６３としては、例えば、出力軸の回転角度が制御できるステッピングモータやサーボモータ等が好ましく使用可能である。また、各空洞６５に収容された複数のロータリーバルブ６２は、相互に軸部６２ｂで連結され、前記アクチュエータ６３により閉塞部６２ｃに関して同位相で一斉に回動される。

図７及び図８から明らかなように、ケーシング６１内部では、前記ロータリーバルブ６２の回動方向に、第１吸気通路２０の出口２１ａ、第２吸気通路７０の出口７１ａ、ＥＧＲ通路５４の出口５４ａ、及び吸気ポート６の入口６ａが、この順に開口している。

ロータリーバルブ６２は、アクチュエータ６３により軸部６２ｂを中心に回動することにより、前記ケーシング６１内部で開口する各開口６ａ，２１ａ，５４ａ，７１ａを、閉塞部６２ｃを用いて選択的に開閉する。より詳しくは、前記開口６ａ，２１ａ，５４ａ，７１ａのうち、吸気ポート６の入口６ａを常に開きつつ、第１吸気通路２０の出口２１ａと第２吸気通路７０の出口７１ａとを択一的に開閉する。併せて、ＥＧＲ通路５４の出口５４ａを状況に応じて開閉する。

具体的に、本実施形態では、ロータリーバルブ６２は、図８に示すように、３つのポジションに回動される。１つ目は、図８（ａ）に示すように、閉塞部６２ｃが第１吸気通路２０の出口２１ａを閉じ、第２吸気通路７０の出口７１ａ、ＥＧＲ通路５４の出口５４ａ、及び吸気ポート６の入口６ａを開く位置（ポジション１）に回動される。このポジション１では、加熱手段７３で加熱された加熱吸気が第２吸気通路７０の出口７１ａから吸気ポート６の入口６ａへ向けて流れる。ＥＧＲ通路５４の出口５４ａからは、ＥＧＲ弁５１の開閉に応じて、外部ＥＧＲガスが供給又は非供給とされる。このポジション１は、特許請求の範囲の「加熱吸気モードの位置」に該当する。

２つ目は、図８（ｂ）に示すように、閉塞部６２ｃが第２吸気通路７０の出口７１ａを閉じ、第１吸気通路２０の出口２１ａ、ＥＧＲ通路５４の出口５４ａ、及び吸気ポート６の入口６ａを開く位置（ポジション２）に回動される。このポジション２では、冷温吸気が第１吸気通路２０の出口２１ａから吸気ポート６の入口６ａへ向けて流れる。ＥＧＲ通路５４の出口５４ａからは、ＥＧＲ弁５１の開閉に応じて、外部ＥＧＲガスが供給又は非供給とされる。このポジション２は、特許請求の範囲の「第１冷温吸気モードの位置」に該当する。

３つ目は、図８（ｃ）に示すように、閉塞部６２ｃが第２吸気通路７０の出口７１ａ及びＥＧＲ通路５４の出口５４ａを閉じ、第１吸気通路２０の出口２１ａ及び吸気ポート６の入口６ａを開く位置（ポジション３）に回動される。このポジション３では、冷温吸気が第１吸気通路２０の出口２１ａから吸気ポート６の入口６ａへ向けて流れる。ＥＧＲ通路５４の出口５４ａが閉塞されるので、ＥＧＲ弁５１の開閉に拘らず、外部ＥＧＲガスが非供給とされる。このポジション３は、特許請求の範囲の「第２冷温吸気モードの位置」に該当する。

また、本実施形態では、第１吸気通路２０は、所定のエンジン回転域で、吸気ポート６を開閉する吸気弁８の開弁により生じる吸気の負圧波の反射により生じる正圧波が前記吸気弁８の閉弁直前に前記吸気ポート６に到達するように、すなわち慣性過給効果が得られるように設定されている。

具体的に、吸気弁８の開弁により生じる吸気の負圧波が吸気ポート６からケーシング６１及び第１独立吸気通路２１を通って第１サージタンク２２に到達し、到達した負圧波の一部が第１サージタンク２２を通過し、一部が第１サージタンク２２で正圧波に反転し、反転した正圧波が反射して、自気筒２Ａ〜２Ｄの吸気弁８の閉弁直前に吸気ポート６に到達するように、例えば、前記ケーシング６１内部の第１連通路や第４連通路の長さや径や容積、前記第１独立吸気通路２１の長さや径や容積、及び前記第１サージタンク２２の容積等が設定されている。その結果、エンジン回転数が相対的に高い高速域（例えば４０００ｒｐｍ以上の運転領域）においては、本実施形態に係るエンジンは、吸気の慣性過給効果によって、体積効率の向上が図られ、新気充填量の向上ひいてはトルクの向上が図られる。

その場合、図８（ａ）に示すポジション１では、第１吸気通路２０の出口２１ａが閉じるので、慣性過給効果は失われる。図８（ｂ）に示すポジション２では、第１吸気通路２０の出口２１ａが開き、且つ、第２吸気通路７０の出口７１ａが閉じるけれども、ＥＧＲ通路５４の出口５４ａが開くので、第１吸気通路２０に形状変化や容積変化が起き、慣性過給効果は得られない。これらに対し、図８（ｃ）に示すポジション３では、第１吸気通路２０の出口２１ａが開き、且つ、第２吸気通路７０の出口７１ａ及びＥＧＲ通路５４の出口５４ａが閉じるので、第１吸気通路２０の形状や容積等が慣性過給効果が得られるように設定された本来の形状や容積等となり、慣性過給効果が得られることになる。

（２）制御系
次に、図９を参照して、エンジンの制御系について説明する。本実施形態に係るエンジンは、自動車等の車両に搭載されており、車両に備えられるＥＣＵ（エンジン制御ユニット）８０によって制御される。ＥＣＵ８０は、周知のとおり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されるマイクロプロセッサであり、特許請求の範囲の「制御手段」に該当する。

前記ＥＣＵ８０には、各種センサからの情報が入力される。例えば、ＥＣＵ８０は、エンジンに設けられた前記エンジン回転速度センサＳＷ１及びエアフローセンサＳＷ２と電気的に接続されており、これらのセンサからの入力信号（エンジン回転速度及び吸気流量の情報）を受け付ける。また、車両には、運転者により操作される図外のアクセルペダルの踏込量（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサＳＷ３が設けられており、このアクセル開度センサＳＷ３による検出信号も前記ＥＣＵ８０に入力される。

前記ＥＣＵ８０は、前記各センサ（ＳＷ１〜ＳＷ３等）からの入力信号に基づいて種々の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、ＥＣＵ８０は、前記インジェクタ１０、点火プラグ１１、可変機構１３ａ、切替機構１４ａ、スロットル弁２５、排気絞り弁４５、ＥＧＲ弁５１、及びロータリーバルブ６２（より詳しくはアクチュエータ６３）等と電気的に接続されており、前記演算の結果等に基づいて、これらの機器にそれぞれ駆動用の制御信号を出力する。

図１０は、エンジンの運転中に前記ＥＣＵ８０が使用する制御マップを概念的に示す図である。この制御マップでは、エンジンの運転領域が、エンジンの最低負荷Ｔｍｉｎを含む低負荷側の第１運転領域Ｘと、エンジンの最高負荷Ｔｍａｘを含む高負荷側の第２運転領域Ｙと、その間の負荷域の遷移領域Ａ３とに分割されている。第１運転領域Ｘは、さらに低負荷域Ａ１と高負荷域Ａ２とに分割され、第２運転領域Ｙも、さらに低負荷域Ａ４と高負荷域Ａ５とに分割されている。

前記ＥＣＵ８０は、エンジンの運転中、負荷（アクセル開度センサＳＷ３で検出されるアクセル開度やエアフローセンサＳＷ２で検出される空気流量等に基づく要求トルク）及び回転速度（エンジン回転速度センサＳＷ１で検出されるクランク軸１５の回転速度）の各値から、エンジンが図１０のマップ中のどの運転領域で運転されているかを逐次判定し、各運転領域に応じた適切な燃焼が行われるように、前記インジェクタ１０、点火プラグ１１、可変機構１３ａ、切替機構１４ａ、スロットル弁２５、排気絞り弁４５、ＥＧＲ弁５１、及びロータリーバルブ６２を制御する。

（３）各運転領域での制御
次に、図１１を参照して、図１０に示した各運転領域Ａ１〜Ａ５での燃焼制御の内容について説明する。本実施形態では、低負荷側の第１運転領域Ｘ（＝Ａ１，Ａ２）で、インジェクタ１０からの燃料噴射に基づき燃焼室５に形成される混合気をピストン４の圧縮作用により自着火させるＣＩ燃焼が行われ、高負荷側の第２運転領域Ｙ（＝Ａ４，Ａ５）及び遷移領域Ａ３で、前記混合気を点火プラグ１１からの火花放電による強制点火をきっかけとする火炎伝播により強制燃焼させるＳＩ燃焼が行われる。すなわち、第１運転領域ＸはＣＩ燃焼領域であり、第２運転領域ＹはＳＩ燃焼領域である。

（ｉ）第１運転領域Ｘの低負荷域Ａ１
最も低負荷側の領域に設定されたこの運転領域Ａ１では、前述したようにＣＩ燃焼が行われる。具体的に、この運転領域Ａ１では、吸気行程中の所定時期にインジェクタ１０から相対的に少量の燃料が噴射され、この燃料噴射に基づき、燃料と空気（新気）とが混じった均質でリーンな混合気が燃焼室５内に形成される。この混合気は、圧縮行程においてピストン４の圧縮作用により高温、高圧化し、圧縮上死点（圧縮行程と排気行程の間のＴＤＣ）付近で自着火し、この自着火に基づきＣＩ燃焼が生じる。

前記のような混合気の自着火によるＣＩ燃焼を促進するため、この運転領域Ａ１では、排気弁９の開閉モードが２度開きモードとされ、排気弁９が排気行程だけでなく吸気行程でも開くように切替機構１４ａが制御される。すなわち、排気弁９を吸気行程でも開くことにより、排気ポート７から筒内に排気ガスを逆流させる内部ＥＧＲを実行し、筒内温度を上昇させる。

この運転領域Ａ１では、排気絞り弁４５の開度が全閉（０％）に設定される。これにより、各気筒２Ａ〜２Ｄから排出された排気ガスの排気抵抗が増大して、前記内部ＥＧＲが促進される。

この運転領域Ａ１では、吸気弁８のリフト量が最低のリフト量になるように可変機構１３ａが制御される。これにより、吸気ポート６から筒内に導入される新気の量が最も少なくされる。一方、内部ＥＧＲにより筒内に導入される排気ガス（内部ＥＧＲガス）の量は最も多くなる。

この運転領域Ａ１では、ＥＧＲ弁５１の開度が全閉（０％）に設定される。これにより、外部ＥＧＲ、つまり排気通路３０を流れる排気ガスの一部をＥＧＲ通路５０，５３，５４を通して吸気側に還流する操作が禁止される。

この運転領域Ａ１では、スロットル弁２５の開度が全開（１００％）に設定される。しかしながら、この運転領域Ａ１では、前述したように、内部ＥＧＲが促進され、且つ、筒内に導入される新気の量が最少とされることにより、新気以外に大量の内部ＥＧＲガスが筒内に導入され、筒内ガスの大半が内部ＥＧＲガスによって占められる。

この運転領域Ａ１では、ロータリーバルブ６２は図８（ａ）に示したポジション１に回動される（加熱吸気モード）。これにより、第１独立吸気通路２１、すなわち第１吸気通路２０からの冷温吸気が遮断され、第２独立吸気通路７１、すなわち第２吸気通路７０からの加熱吸気が吸気ポート６を介して気筒２Ａ〜２Ｄへ供給される。そのため、この運転領域Ａ１では、筒内状態は、内部ＥＧＲガスと加熱吸気とが筒内に導入された状態となる。

なお、この運転領域Ａ１では、前述したようにＥＧＲ弁５１が全閉とされるので、ＥＧＲ通路５４の出口５４ａが開いていても外部ＥＧＲは実行されない。

（ｉｉ）第１運転領域Ｘの高負荷域Ａ２
前記運転領域Ａ１よりも高負荷側の領域に設定されたこの運転領域Ａ２でも、前述したようにＣＩ燃焼が行われる。ただし、この運転領域Ａ２では、負荷の増大に伴い前記運転領域Ａ１のときよりも多い量の燃料が、前記運転領域Ａ１のときよりも遅いタイミング、例えば圧縮行程中の所定時期に噴射される。このように燃料噴射のタイミングを遅らせる（リタードする）のは、仮に前記運転領域Ａ１と同様のタイミングで燃料を噴射したとすると、燃料の噴射量が相対的に多いから、混合気が自着火するタイミングが早くなり過ぎて、異常燃焼や過大な燃焼騒音が生じるおそれがあるためである。

この運転領域Ａ２では、排気弁９の開閉モードが２度開きモードとされ、内部ＥＧＲが実行されるが、負荷の増大に伴って、排気絞り弁４５の開度が増大されるので、各気筒２Ａ〜２Ｄから排出された排気ガスの排気抵抗が減少して、内部ＥＧＲの促進の度合いが減少する。

この運転領域Ａ２では、負荷の増大に伴って、吸気弁８のリフト量が増大されるので、吸気ポート６から筒内に導入される新気の量が増大し、内部ＥＧＲにより筒内に導入される内部ＥＧＲガスの量が減少する。

この運転領域Ａ２では、負荷の増大に伴って、ＥＧＲ弁５１の開度が増大されるので、外部ＥＧＲが実行され、外部ＥＧＲにより筒内に導入される排気ガス（外部ＥＧＲガス）の量が増大する。

この運転領域Ａ２では、スロットル弁２５の開度が全開（１００％）に設定される。しかしながら、この運転領域Ａ２では、前述したように、筒内に導入される内部ＥＧＲガスの量が減少し、且つ、筒内に導入される新気の量及び外部ＥＧＲガスの量が増大することにより、筒内ガス中の内部ＥＧＲガスの割合が減少し、新気及び外部ＥＧＲガスの割合が増大する。

この運転領域Ａ２では、ロータリーバルブ６２は図８（ａ）に示したポジション１に回動される（加熱吸気モード）。これにより、第１独立吸気通路２１（第１吸気通路２０）からの冷温吸気が遮断され、第２独立吸気通路７１（第２吸気通路７０）からの加熱吸気が吸気ポート６を介して気筒２Ａ〜２Ｄへ供給される。また、この運転領域Ａ２では、前述したようにＥＧＲ弁５１の開度が増大されるので、ＥＧＲ通路５４からの外部ＥＧＲガスが吸気ポート６を介して気筒２Ａ〜２Ｄへ供給される。そのため、この運転領域Ａ２では、筒内状態は、内部ＥＧＲガスと外部ＥＧＲガスと加熱吸気とが筒内に導入された状態となる。

（ｉｉｉ）遷移領域Ａ３
前記運転領域Ａ２よりも高負荷側の領域に設定された遷移領域Ａ３では、前述したようにＳＩ燃焼が行われる。具体的に、この運転領域Ａ３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、圧縮行程中の所定時期に点火プラグ１１に火花点火を行わせることにより火炎伝播により混合気が燃焼するＳＩ燃焼（通常のＳＩ燃焼）が生じる。

この運転領域Ａ３でも、排気弁９の開閉モードが２度開きモードとされ、内部ＥＧＲが実行されるが、排気絞り弁４５の開度が全開（１００％）に設定されるので、各気筒２Ａ〜２Ｄから排出された排気ガスの排気抵抗が大きく減少して、内部ＥＧＲの促進の度合いが大きく減少する。

この運転領域Ａ３では、吸気弁８のリフト量が最高のリフト量になるように可変機構１３ａが制御されるので、吸気ポート６から筒内に導入される新気の量が大きく増大し、内部ＥＧＲにより筒内に導入される内部ＥＧＲガスの量が大きく減少する。

この運転領域Ａ３では、ＥＧＲ弁５１の開度が大きく増大されるので、外部ＥＧＲにより筒内に導入される外部ＥＧＲガスの量が大きく増大する。

この運転領域Ａ３では、スロットル弁２５の開度が全開（１００％）に設定される。しかしながら、この運転領域Ａ３では、前述したように、筒内に導入される内部ＥＧＲガスの量が大きく減少し、且つ、筒内に導入される新気の量及び外部ＥＧＲガスの量が大きく増大することにより、筒内ガス中の内部ＥＧＲガスの割合が大きく減少し、新気及び外部ＥＧＲガスの割合が大きく増大する。

この運転領域Ａ３では、ロータリーバルブ６２は図８（ａ）に示したポジション１に回動される（加熱吸気モード）。これにより、第１独立吸気通路２１（第１吸気通路２０）からの冷温吸気が遮断され、第２独立吸気通路７１（第２吸気通路７０）からの加熱吸気が吸気ポート６を介して気筒２Ａ〜２Ｄへ供給される。また、この運転領域Ａ３では、前述したようにＥＧＲ弁５１の開度が大きく増大されるので、ＥＧＲ通路５４からの外部ＥＧＲガスが吸気ポート６を介して気筒２Ａ〜２Ｄへ供給される。そのため、この運転領域Ａ３では、筒内状態は、内部ＥＧＲガスと外部ＥＧＲガスと加熱吸気とが筒内に導入された状態となる。

（ｉｖ）第２運転領域Ｙの低負荷域Ａ４
前記運転領域Ａ３よりも高負荷側の領域に設定されたこの運転領域Ａ４でも、前述したようにＳＩ燃焼が行われる。ただし、この運転領域Ａ４では、負荷の増大に伴い前記運転領域Ａ３のときよりも多い量の燃料が噴射される。そのため、ノッキングやプリイグニッション等の異常燃焼が起き易くなる。また、この運転領域Ａ４では、前記運転領域Ａ３で行われる通常のＳＩ燃焼とは異なる急速リタードＳＩ燃焼が行われる。

具体的に、この運転領域Ａ４では、圧縮行程の後期のような相対的に遅いタイミングでインジェクタ１０から燃料が噴射され、この燃料噴射の後に点火プラグ１１に火花点火を行わせることにより、圧縮上死点を少し過ぎたタイミング（膨張行程の初期）から火炎伝播により混合気が燃焼するＳＩ燃焼が生じる。

この運転領域Ａ４では、前記燃料の噴射量は、筒内の空気過剰率λが１となるような量、つまり筒内の新気の質量を燃料の質量で割った値が１４．７（理論空燃比）になるような量に設定される。

この運転領域Ａ４では、前記燃料噴射に基づき形成される理論空燃比（λ＝１）の混合気は、前記燃料噴射の完了から比較的短い期間を空けたタイミングで実行される火花点火をきっかけに、通常よりも急速な火炎伝播によって燃焼し始め、膨張行程のそう遅くない時期までにＳＩ燃焼が完了する。これを急速リタードＳＩ燃焼という。

そして、ノッキングやプリイグニッション等の異常燃焼を抑制するため、この運転領域Ａ４では、排気弁９の開閉モードが通常モードとされ、排気弁９が排気行程のみで開くように切替機構１４ａが制御される。これにより、内部ＥＧＲが禁止され、筒内温度の上昇が抑制される。

この運転領域Ａ４では、排気絞り弁４５の開度が全開（１００％）に設定されるので、各気筒２Ａ〜２Ｄから排出された排気ガスの排気抵抗が大きく減少する。

この運転領域Ａ４では、吸気弁８のリフト量が最高のリフト量になるように可変機構１３ａが制御されるので、吸気ポート６から筒内に導入される新気の量が大きく増大する。

この運転領域Ａ４では、負荷の増大に伴って、ＥＧＲ弁５１の開度が減少されるので、外部ＥＧＲにより筒内に導入される外部ＥＧＲガスの量が減少する。

この運転領域Ａ４では、スロットル弁２５の開度が全開（１００％）に設定される。しかしながら、この運転領域Ａ４では、前述したように、内部ＥＧＲが禁止され、且つ、筒内に導入される新気の量が大きく増大し、外部ＥＧＲガスの量が減少することにより、新気以外に少量の外部ＥＧＲガスが筒内に導入され、筒内ガスの大半が新気によって占められる。

この運転領域Ａ４では、ロータリーバルブ６２は図８（ｂ）に示したポジション２に回動される（第１冷温吸気モード）。これにより、第２独立吸気通路７１（第２吸気通路７０）からの加熱吸気が遮断され、第１独立吸気通路２１（第１吸気通路２０）からの冷温吸気が吸気ポート６を介して気筒２Ａ〜２Ｄへ供給される。また、この運転領域Ａ４では、前述したようにＥＧＲ弁５１が開弁されるので、ＥＧＲ通路５４からの外部ＥＧＲガスが吸気ポート６を介して気筒２Ａ〜２Ｄへ供給される。そのため、この運転領域Ａ４では、筒内状態は、外部ＥＧＲガスと冷温吸気とが筒内に導入された状態となる。

（ｖ）第２運転領域Ｙの高負荷域Ａ５
最も高負荷側の領域に設定されたこの運転領域Ａ５でも、前述したようにＳＩ燃焼が行われる。ただし、この運転領域Ａ５では、負荷の増大に伴い前記運転領域Ａ４のときよりもさらに多い量の燃料が噴射される。そのため、ノッキングやプリイグニッション等の異常燃焼がさらに起き易くなる。また、この運転領域Ａ５では、前記運転領域Ａ４と同様、急速リタードＳＩ燃焼が行われる。

ノッキングやプリイグニッション等の異常燃焼を抑制するため、この運転領域Ａ５では、排気弁９の開閉モードが通常モードとされ、排気弁９が排気行程のみで開くように切替機構１４ａが制御される。これにより、内部ＥＧＲが禁止され、筒内温度の上昇が抑制される。

この運転領域Ａ５では、排気絞り弁４５の開度が全開（１００％）に設定されるので、各気筒２Ａ〜２Ｄから排出された排気ガスの排気抵抗が大きく減少する。

この運転領域Ａ５では、吸気弁８のリフト量が最高のリフト量になるように可変機構１３ａが制御されるので、吸気ポート６から筒内に導入される新気の量が大きく増大する。

この運転領域Ａ５では、ＥＧＲ弁５１の開度が全閉（０％）に設定されるので、外部ＥＧＲが禁止される。

この運転領域Ａ５では、スロットル弁２５の開度が全開（１００％）に設定される。しかしながら、この運転領域Ａ５では、前述したように、内部ＥＧＲ及び外部ＥＧＲが禁止され、且つ、筒内に導入される新気の量が大きく増大することにより、筒内ガスの全てが新気によって占められる。

この運転領域Ａ５では、ロータリーバルブ６２は図８（ｃ）に示したポジション３に回動される（第２冷温吸気モード）。これにより、第２独立吸気通路７１（第２吸気通路７０）からの加熱吸気が遮断され、第１独立吸気通路２１（第１吸気通路２０）からの冷温吸気が吸気ポート６を介して気筒２Ａ〜２Ｄへ供給される。また、この運転領域Ａ５では、前述したようにＥＧＲ弁５１が全閉とされるので、ＥＧＲ通路５４の出口５４ａが閉じることと併せ、外部ＥＧＲガスが気筒２Ａ〜２Ｄへ供給されることがない。そのため、この運転領域Ａ５では、筒内状態は、冷温吸気のみが筒内に導入された状態となる。さらに、第１吸気通路２０の出口２１ａ及び吸気ポート６の入口６ａが開き、第２吸気通路７０の出口７１ａ及びＥＧＲ通路５４の出口５４ａが閉じるので、慣性過給効果が得られる状態となる。

（４）作用等
以上説明したとおり、本実施形態では、ガソリンを含有する燃料により駆動される圧縮自己着火式ガソリンエンジンにおいて、次のような特徴的な構成を採用した。

所定の第１運転領域ＸでＣＩ燃焼が行われ、他の第２運転領域ＹでＳＩ燃焼が行われるように構成され、運転領域Ａ１〜Ａ５に応じてＣＩ燃焼とＳＩ燃焼とを切り替える圧縮自己着火式ガソリンエンジンにおいて、気筒２Ａ〜２Ｄに吸気を供給する第１吸気通路２０と気筒２Ａ〜２Ｄとの間にケーシング６１が設けられ、このケーシング６１に、ヒータ等の加熱手段７３で加熱された加熱吸気が通過する第２吸気通路７０の下流端部が接続され、前記ケーシング６１の内部では、前記第１吸気通路２０の出口２１ａ、前記第２吸気通路７０の出口７１ａ、及び吸気ポート６の入口６ａが開口している。前記ケーシング６１の内部にはロータリーバルブ６２が回動自在に収容され、このロータリーバルブ６２は、アクチュエータ６３で軸部６２ｂを中心に回動することにより、前記吸気ポート６の入口６ａを常に開きつつ、前記第１吸気通路２０の出口２１ａ及び前記第２吸気通路７０の出口７１ａを択一的に開閉する。そして、ＥＣＵ８０によって、前記ロータリーバルブ６２は、ＣＩ燃焼領域である第１運転領域Ｘでは、前記第１吸気通路２０の出口２１ａを閉じ且つ前記第２吸気通路７０の出口７１ａを開く加熱吸気モードの位置（図８（ａ）のポジション１）に回動され、ＳＩ燃焼領域である第２運転領域Ｙでは、前記第１吸気通路２０の出口２１ａを開き且つ前記第２吸気通路７０の出口７１ａを閉じる冷温吸気モードの位置（図８（ｂ）のポジション２又は図８（ｃ）のポジション３）に回動される。

そのため、ＣＩ燃焼時は、第２吸気通路７０の出口７１ａから吸気ポート６の入口６ａへ加熱吸気が流れ、気筒２Ａ〜２Ｄに加熱吸気が供給されるので、筒内温度が上昇して混合気の自着火が促進される。一方、ＳＩ燃焼時は、第１吸気通路２０の出口２１ａから吸気ポート６の入口６ａへ冷温吸気が流れ、気筒２Ａ〜２Ｄに冷温吸気が供給されるので、筒内温度の過度の上昇が防止されてノッキングやプリイグニッション等の異常燃焼が抑制される。しかも、この吸気の流路の切替えがロータリーバルブ６２の回動という単純で滑らかな動作によって行われるので、たとえ運転者がアクセルペダルの踏込量を大きく変化させて運転領域がＣＩ燃焼領域である第１運転領域ＸとＳＩ燃焼領域である第２運転領域Ｙとの間で急変しても、応答性よく加熱吸気と冷温吸気とを速やかに切り替えて筒内に導入することができる。

本実施形態では、排気通路３０を流れる排気ガスの一部を吸気側に還流するＥＧＲ通路５０，５３，５４、特にＥＧＲ弁５１より下流側のＥＧＲ通路（独立ＥＧＲ通路）５４の下流端部が前記ケーシング６１に接続され、前記ＥＧＲ通路５４の出口５４ａは、前記ケーシング６１内部で、前記ロータリーバルブ６２が前記加熱吸気モードの位置（ポジション１）にあるときに開く位置に開口している。そして、ＥＣＵ８０は、前記第１運転領域Ｘでは、気筒２Ａ〜２Ｄの排気ポート７を開閉する排気弁９を排気行程に加えて吸気行程でも開弁させる内部ＥＧＲを実行する。さらに、ＥＣＵ８０は、前記第１運転領域Ｘの低負荷側の一部の領域Ａ１では、前記ＥＧＲ通路５０，５３，５４に設けられたＥＧＲ弁５１を閉じ、前記第１運転領域Ｘの高負荷側の一部の領域Ａ２では、前記ＥＧＲ弁５１を開く。

これにより、ＣＩ燃焼領域である第１運転領域Ｘでは、排気弁９が排気行程に加えて吸気行程でも開弁されるので、この排気弁９の２度開きによって、一旦排出された高温の排気ガスが排気ポート７から筒内に逆流する内部ＥＧＲが実行される。そのため、ＣＩ燃焼時は、加熱吸気の導入に加えて、この内部ＥＧＲによって高温の排気ガス（内部ＥＧＲガス）が筒内に逆流するので、筒内温度がさらに上昇して混合気の自着火がより一層促進される。

その場合に、排気通路３０を流れる排気ガスの一部を吸気側に還流するＥＧＲ通路５４の下流端部が前記ケーシング６１に接続され、前記ケーシング６１の内部では、前記ＥＧＲ通路５４の出口５４ａが開口している。このＥＧＲ通路５４の出口５４ａは、前記ロータリーバルブ６２が前記加熱吸気モードの位置（ポジション１）にあるとき、つまりＣＩ燃焼領域である第１運転領域Ｘでは常に開いている。そして、前記第１運転領域Ｘの低負荷域Ａ１では前記ＥＧＲ弁５１が閉じられ、一方、高負荷域Ａ２では前記ＥＧＲ弁５１が開かれる。

そのため、低負荷側のＣＩ燃焼時は、排気通路３０を流れる排気ガスの一部がＥＧＲ通路５０，５３，５４を介して吸気側に還流されないので、内部ＥＧＲガスよりも低い温度の排気ガスが筒内に導入されず、筒内温度の上昇が阻害されない。この結果、燃料の噴射量が相対的に少なく着火し難い低負荷域Ａ１においても混合気の着火性が確保される。一方、高負荷側のＣＩ燃焼時は、排気通路３０を流れる排気ガスの一部がＥＧＲ通路５０，５３，５４を介して吸気側に還流される外部ＥＧＲが実行されるので、この外部ＥＧＲによって、内部ＥＧＲガスよりも低い温度の排気ガス（外部ＥＧＲガス）が筒内に導入され、筒内温度の過度の上昇が防止される。この結果、燃料の噴射量が相対的に多く着火し易い高負荷域Ａ２においてＣＩ燃焼の燃焼期間が相対的に長くなり、燃焼により発生する力の時間変化率であるｄｐ／ｄｔが相対的に小さくなって、ＣＩ燃焼の燃焼期間が相対的に短いとき（ｄｐ／ｄｔが相対的に大きいとき）に発生し易い騒音や振動等（ＮＶＨ）の悪化が抑制され、ＣＩ燃焼領域Ｘを高負荷側に拡大することができる。

本実施形態では、前記冷温吸気モードの位置（ポジション２又は３）として、前記ロータリーバルブ６２が前記ケーシング６１の内部で開口する前記ＥＧＲ通路５４の出口５４ａを開く第１冷温吸気モードの位置（ポジション２）と、前記ロータリーバルブ６２が前記ＥＧＲ通路５４の出口５４ａを閉じる第２冷温吸気モードの位置（ポジション３）とが設けられている。そして、ＥＣＵ８０は、前記第２運転領域Ｙの低負荷側の一部の領域Ａ４では、前記ロータリーバルブ６２を前記第１冷温吸気モードの位置（ポジション２）に回動し且つ前記ＥＧＲ通路５０，５３，５４に設けられたＥＧＲ弁５１を開く。

つまり、ＳＩ燃焼領域である第２運転領域Ｙでロータリーバルブ６２が回動される位置として、前記ロータリーバルブ６２が前記ＥＧＲ通路５４の出口５４ａを開く第１冷温吸気モードの位置（ポジション２）と前記出口５４ａを閉じる第２冷温吸気モードの位置（ポジション３）とが設けられ、前記第２運転領域Ｙの低負荷域Ａ４では、前記ロータリーバルブ６２が前記第１冷温吸気モードの位置（ポジション２）に回動され且つ前記ＥＧＲ弁５１が開かれる。

そのため、低負荷側のＳＩ燃焼時は、筒内への冷温吸気の導入によってノッキング等の異常燃焼が抑制されると共に、外部ＥＧＲが実行されるので、これにより、スロットル開度（スロットル弁２５の開度）を絞らなくても空燃比を調整することができ、ポンピングロスの低減が図られる。

本実施形態では、前記第１吸気通路２０は、所定のエンジン回転域（例えば４０００ｒｐｍ以上の高速域）で、気筒２Ａ〜２Ｄの吸気ポート６を開閉する吸気弁８の開弁により生じる吸気の負圧波の反射により生じる正圧波が前記吸気弁８の閉弁直前に前記吸気ポート６に到達する慣性過給効果が得られるように設定されている。そして、ＥＣＵ８０は、前記第２運転領域Ｙの高負荷側の一部の領域Ａ５では、前記ロータリーバルブ６２を前記第２冷温吸気モードの位置（ポジション３）に回動する。

これにより、第１吸気通路２０が慣性過給効果が得られるように設定されている場合に、前記第２運転領域Ｙの高負荷域Ａ５では、前記ロータリーバルブ６２が前記第２冷温吸気モードの位置（ポジション３）に回動される。

そのため、高負荷側のＳＩ燃焼時は、筒内への冷温吸気の導入によってノッキング等の異常燃焼が抑制されると共に、外部ＥＧＲが禁止されることによって筒内温度の上昇がさらに抑制される。加えて、第１吸気通路２０の出口２１ａ及び吸気ポート６の入口６ａが開き、第２吸気通路７０の出口７１ａ及びＥＧＲ通路５４の出口５４ａが閉じるので、第１吸気通路２０の形状や容積等が慣性過給効果が得られるように設定された本来の形状や容積等となり、慣性過給効果が良好に得られて、新気充填量の向上ひいてはトルクの向上が図られる。

本実施形態では、前記ケーシング６１の内部で、前記第１吸気通路２０の出口２１ａ、前記第２吸気通路７０の出口７１ａ、前記ＥＧＲ通路５４の出口５４ａ、及び前記吸気ポート６の入口６ａが、前記ロータリーバルブ６２の回動方向にこの順に開口している。

これにより、ロータリーバルブ６２を第１吸気通路２０の出口２１ａの側からＥＧＲ通路５４の出口５４ａの側へ順に回動することにより、ロータリーバルブ６２を加熱吸気モードの位置（ポジション１）、第１冷温吸気モードの位置（ポジション２）、及び第２冷温吸気モードの位置（ポジション３）に順に回動することができ、ロータリーバルブ６２の回動操作の単純化が図られる。例えば、ロータリーバルブ６２を相互に隣接する第１吸気通路２０の出口２１ａと第２吸気通路７０の出口７１ａとの間で回動するだけで、加熱吸気モードの位置（ポジション１）と第１冷温吸気モードの位置（ポジション２）とが容易に実現する。また、ロータリーバルブ６２を相互に隣接する第２吸気通路７０の出口７１ａとＥＧＲ通路５４の出口５４ａの間で回動するだけで、第１冷温吸気モードの位置（ポジション２）と第２冷温吸気モードの位置（ポジション３）とが容易に実現する。

本実施形態では、前記ロータリーバルブ機構６０は、エンジン本体１の吸気側において、第１吸気通路２０とシリンダヘッド３との間に介設されている。つまり、第１吸気通路２０と気筒２Ａ〜２Ｄとの間でも、相対的に気筒２Ａ〜２Ｄに近い場所にロータリーバルブ機構６０が配置されている。

これにより、ロータリーバルブ６２の回動による吸気の流路の切替えが相対的に気筒２Ａ〜２Ｄに近い場所で行われるので、より一層応答性よく加熱吸気と冷温吸気とを速やかに切り替えて筒内に導入することができる。

なお、状況に応じて、ロータリーバルブ機構６０をエンジン本体１から離間させ、ケーシング６１と吸気ポート６との間に、気筒２Ａ〜２Ｄに吸気を送り込むための通路を別途備えてもよい。

また、ケーシング６１内部における、第１吸気通路２０の出口２１ａ、第２吸気通路７０の出口７１ａ、ＥＧＲ通路５４の出口５４ａ、及び吸気ポート６の入口６ａの配置は一例であり、ロータリーバルブ６２が第１吸気通路２０の出口２１ａを閉じ且つ第２吸気通路７０の出口７１ａを開く加熱吸気モードの位置と、第１吸気通路２０の出口２１ａを開き且つ第２吸気通路７０の出口７１ａを閉じる冷温吸気モードの位置とを取り得る限り、状況に応じて、種々変更しても構わない。

１ エンジン本体
２Ａ〜２Ｄ 気筒
６ 吸気ポート
６ａ 吸気ポートの入口
７ 排気ポート
８ 吸気弁
９ 排気弁
１０ インジェクタ
１１ 点火プラグ
２０ 第１吸気通路
２１ 第１独立吸気通路
２１ａ 第１吸気通路の出口
２２ 第１サージタンク
２３ 吸気管
３０ 排気通路
３１〜３４ 独立排気通路
４５ 排気絞り弁
５１ ＥＧＲ弁（排気還流弁）
５４ ＥＧＲ通路（排気還流通路）
５４ａ ＥＧＲ通路の出口（排気還流通路の出口）
６０ ロータリーバルブ機構
６１ ケーシング
６２ ロータリーバルブ
７０ 第２吸気通路
７１ 第２独立吸気通路
７１ａ 第２吸気通路の出口
７２ 第２サージタンク
７３ ヒータ等（加熱手段）
７４ 第２吸気管
８０ ＥＣＵ（制御手段）
Ａ１ 第１運転領域の低負荷側の一部の領域
Ａ２ 第１運転領域の高負荷側の一部の領域
Ａ３ 遷移領域
Ａ４ 第２運転領域の低負荷側の一部の領域
Ａ５ 第２運転領域の高負荷側の一部の領域
Ｘ 第１運転領域
Ｙ 第２運転領域

Claims (4)

1. 所定の第１運転領域で混合気の自着火による燃焼である圧縮自己着火燃焼が行われ、前記第１運転領域よりも高負荷側の第２運転領域で火花点火による強制燃焼である火花点火燃焼が行われるように構成された圧縮自己着火式ガソリンエンジンであって、
   気筒に吸気を供給する第１吸気通路と、
   前記第１吸気通路と気筒との間に設けられたケーシングと、
   前記ケーシングに下流端部が接続された第２吸気通路と、
   前記第２吸気通路を通過する吸気を加熱する加熱手段と、
   気筒から排気ガスが排出される排気通路と、
   前記排気通路に上流端部が接続されると共に前記ケーシングに下流端部が接続され、前記排気通路を流れる排気ガスの一部を吸気側に還流する排気還流通路と、
   前記ケーシング内部に回動自在に収容され、回動することで、前記ケーシング内部で開口する前記第１吸気通路の出口、前記第２吸気通路の出口、及び前記排気還流通路の出口のうち少なくとも１つの出口を選択的に開くロータリーバルブと、
   前記第１運転領域では、前記ロータリーバルブが前記第１吸気通路の出口を閉じ且つ前記第２吸気通路及び排気還流通路の各出口を開く加熱吸気モードの位置に前記ロータリーバルブを回動し、前記第２運転領域の低負荷側の一部の領域では、前記ロータリーバルブが前記第１吸気通路及び排気還流通路の各出口を開き且つ前記第２吸気通路の出口を閉じる第１冷温吸気モードの位置に前記ロータリーバルブを回動し、前記第２運転領域の高負荷側の一部の領域では、前記第１吸気通路の出口を開き且つ前記第２吸気通路及び排気還流通路の各出口を閉じる第２冷温吸気モードの位置に前記ロータリーバルブを回動する制御手段とを有し、
   前記ケーシング内部で、前記第１吸気通路の出口、前記第２吸気通路の出口、及び前記排気還流通路の出口が、前記ロータリーバルブの回動方向にこの順に開口していることを特徴とする圧縮自己着火式ガソリンエンジン。
2. 請求項１に記載の圧縮自己着火式ガソリンエンジンにおいて、
   前記排気還流通路に開閉可能に設けられた排気還流弁を備え、
   前記制御手段は、前記第１運転領域では、気筒の排気ポートを開閉する排気弁を排気行程に加えて吸気行程でも開弁させ、且つ、前記第１運転領域の低負荷側の一部の領域では、前記排気還流弁を閉じ、前記第１運転領域の高負荷側の一部の領域では、前記排気還流弁を開くことを特徴とする圧縮自己着火式ガソリンエンジン。
3. 請求項１に記載の圧縮自己着火式ガソリンエンジンにおいて、
   前記排気還流通路に開閉可能に設けられた排気還流弁を備え、
   前記制御手段は、前記第２運転領域の低負荷側の一部の領域では、前記ロータリーバルブを前記第１冷温吸気モードの位置に回動し且つ前記排気還流弁を開くことを特徴とする圧縮自己着火式ガソリンエンジン。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の圧縮自己着火式ガソリンエンジンにおいて、
   前記第１吸気通路は、所定のエンジン回転域で、気筒の吸気ポートを開閉する吸気弁の開弁により生じる吸気の負圧波の反射により生じる正圧波が前記吸気弁の閉弁直前に前記吸気ポートに到達する慣性過給効果が得られるように設定されることを特徴とする圧縮自己着火式ガソリンエンジン。
   

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