JP2005054676A

JP2005054676A - 火花点火式エンジン

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Publication number: JP2005054676A
Application number: JP2003286306A
Authority: JP
Inventors: Toshiro Nishimoto; 敏朗西本; Yoshinori Hayashi; 好徳林; Hirokazu Matsuura; 弘和松浦; Taketoshi Yamauchi; 武俊山内
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2003-08-04
Filing date: 2003-08-04
Publication date: 2005-03-03

Abstract

【課題】先行気筒から導出される既燃ガスを後続気筒に導く２気筒接続状態で、先行気筒に対する吸気の充填量を充分に確保して燃焼性を確保できるようにする。
【解決手段】先行気筒２Ａ，２Ｄ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２Ａ，２Ｄから後続気筒２Ｂ，２Ｃ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２Ｂ，２Ｃで燃焼させる特殊運転モードの制御を実行する弁停止制御機構制御手段からなる運転モード制御手段を備え、先行気筒２Ａ，２Ｄに設けられたインジェクタ９の燃料噴射方向を点火プラグの電極付近に設定し、かつ先行気筒２Ａ，２Ｄに新気を導入させる吸気ポート１１を吸気抵抗の小さいタンジェンシャルポートとした。
【選択図】図１

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インジェクタを備え、低速低負荷領域等では、上記インジェクタから圧縮行程で燃料を噴射して成層燃焼を行わせることにより、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のＮＯｘに対して充分な浄化性能が得られないため、特許文献１にも示されるように、所定の容量を有するＮＯｘ浄化触媒を設け、酸素過剰雰囲気でＮＯｘを吸着するとともに、酸素濃度低下雰囲気でＮＯｘを離脱させて還元させることが行われている。そして、上記ＮＯｘ浄化触媒を用いる場合、リーン運転中にＮＯｘ浄化触媒のＮＯｘ吸着量が増大したときには、例えば下記特許文献１に示されるように主燃焼以外に膨張行程中に追加燃料を噴射することで排気ガスの空燃比をリッチ化するとともにＣＯを生成し、これによってＮＯｘの離脱、還元を促進するようにしている。

また、燃費改善のための別の手法として、例えば下記特許文献２に示されるように、燃焼室内に多量の既燃ガスを残留させることにより、圧縮行程の終期にディーゼルエンジンと同様に燃焼室内を高温・高圧にして混合気を自己着火（圧縮自己着火）させることが行われており、このような圧縮自己着火が行われると、燃焼室内全体で一気に燃焼が発生するため、仕事に寄与しない遅い燃焼となることが避けられて燃費改善に有利となるとともに、燃焼室内の温度が局部的に高くなるのを防止してＮＯｘの発生を抑制することが可能である。
特開平１０−２９８３６号公報特開平１０−２６６８７８号公報

上記特許文献１に示されるような従来のリーン運転を行うエンジンでは、リーン運転中のＮＯｘ浄化性能を確保するために、所定の容量を有するＮＯｘ浄化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ＮＯｘ浄化触媒の浄化性能を維持するためには、上述のようにＮＯｘ吸着量の増大時にＮＯｘを離脱させて還元するため、追加燃料を供給する等により空燃比を一時的にリッチな状態とする制御を頻繁に行う必要がある。さらに、使用燃料が硫黄分を多く含む場合には、上記ＮＯｘ浄化触媒の硫黄被毒を解消するため、触媒の加熱処理および還元材の供給等を行う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ことが避けられない。

一方、上記特許文献２に示されるように、通常の火花点火式ガソリンエンジンにおいて、燃費の改善効果およびＮＯｘの抑制効果を得るために圧縮自己着火を行わせるように構成した場合には、その圧縮上死点付近での燃焼室内の温度または圧力を大幅に高めて圧縮自己着火の環境が得られるようにする格別の工夫が必要であるという問題がある。しかも、通常の火花点火式ガソリンエンジンにおいて上記の工夫を凝らしても確実に圧縮自己着火を行わせることは困難である等の問題があった。

このため、本願出願人は、吸気、圧縮、膨張および排気の各行程からなるサイクルを行う多気筒エンジンにおいて、少なくとも低負荷低回転側の部分負荷領域で、排気行程と吸気行程が重なる一対の気筒間で排気行程にある先行気筒から排出される既燃ガスを、そのまま気筒間ガス通路を介して吸気行程にある後続気筒に導入し、この後続気筒から排出されるガスを、三元触媒が設けられた排気通路に導く２気筒接続状態とすることにより、先行気筒では理論空燃比よりも大幅なリーン空燃比とした状態で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理論空燃比とした状態で燃焼を行わせる制御装置を開発した（特願２００２−０２４５４８号）。

上記構成によれば、少なくともエンジンの低負荷低回転域において、先行気筒では大幅にリーンな空燃比での燃焼が行われ、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ことにより顕著な燃費改善効果が得られ、また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が供給されて理論空燃比とされた状態で燃焼が行われることにより、ポンピングロス低減による燃費効果が得られるとともに、ＮＯｘの発生が抑制されることになる。しかも、上記のように２気筒接続状態とすることにより、後続気筒には先行気筒から高温の既燃ガスが導入されるので、ＮＯｘの発生が抑制されるとともに、圧縮行程後期に後続気筒の燃焼室内を高温、高圧として効果的に自己着火させることにより、燃焼室全体に亘り混合気を一気に燃焼させることができるため、仕事に寄与しない遅い燃焼が避けられ、燃費改善に一層有利となる。

ところで、上記のように先行気筒から導出される既燃ガスを後続気筒に導く２気筒接続状態とする場合、先行気筒に対して先行および後続の２気筒分の新気を導入させる必要があるために、吸気の流動損失を極力低減して先行気筒に充分な量の吸気をスムーズに導入させることが望まれる。

本発明は以上のような課題を考慮してなされたものであり、先行気筒から導出される既燃ガスを後続気筒に導く２気筒接続状態で、先行気筒に対する吸気の充填量を充分に確保して燃焼性を確保することができる火花点火式エンジン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であって、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、この後続気筒から排出される既燃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を実行する運転モード制御手段を備えるとともに、先行気筒に設けられた燃料噴射手段の燃料噴射方向を点火プラグの電極付近に設定し、かつ先行気筒に新気を導入させる吸気ポートを吸気抵抗の小さいタンジェンシャルポートとしたものである。

請求項２に係る発明は、上記請求項１記載の火花点火式エンジンにおいて、先端部に複数の噴口が形成されたインジェクタを燃料噴射手段として先行気筒に設け、上記噴口の少なくとも一部から点火プラグの電極付近に向けて燃料を噴射するように構成したものである。

請求項３に係る発明は、上記請求項１または２記載の火花点火式エンジンにおいて、各気筒をそれぞれ独立して燃焼させる通常運転モードの制御状態で後続気筒に新気を導入させる第１吸気ポートを、吸気抵抗の小さいタンジェンシャルポートとするとともに、特殊運転モードの制御状態で気筒間ガス通路を介して後続気筒に既燃ガスを導入させる第２吸気ポートを、渦巻き部を有するヘリカルポートとしたものである。

請求項１に係る発明によれば、先行気筒に新気を導入させる吸気ポートを吸気抵抗の小さいタンジェンシャルポートとしたため、先行気筒から導出された既燃ガスを後続気筒に導入して燃焼させる特殊運転モードの制御時に、先行気筒に対する吸気の充填量を充分に確保して先行および後続の２気筒分の新気を先行気筒内に導入させることができるとともに、燃料噴射手段から点火プラグの電極付近に向けて燃料噴射することにより、燃焼室内における吸気流動を必要とすることなく、先行気筒をリーンな空燃比で成層燃焼させることができる。したがって、上記特殊運転モードの制御を実行することにより、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、かつ後続気筒ではポンピングロス低減による燃費改善効果が得られるとともに、先行気筒から後続気筒に既燃ガスを導入して温度を上昇させた状態で新たな燃料を供給することにより、後続気筒を圧縮自己着火させてＮＯｘの発生を効果的に抑制しつつ、顕著に燃費を改善することができる。

請求項２に係る発明によれば、先行気筒から導出された既燃ガスを後続気筒に導入して燃焼させる特殊運転モードの制御時に、先行気筒に設けられたインジェクタの噴口の一部から点火プラグの電極付近に向けて燃料を噴射することにより、点火プラグの電極周りに燃料が微粒化した混合気を形成してリーンな空燃比で効果的に成層燃焼させることができるという利点がある。

請求項３に係る発明によれば、各気筒をそれぞれ独立して燃焼させる通常運転モードの制御時には、吸気抵抗の小さいタンジェンシャルポートからなる第１吸気ポートを介して後続気筒に充分な量の新気を導入させることができる。しかも、先行気筒から導出された既燃ガスを後続気筒に導入して燃焼させる特殊運転モードの制御時には、渦巻き部を有するヘリカルポートからなる第２吸気ポートを介して後続気筒に導入されるリーン空燃比の既燃ガスにより後続気筒内で強いスワールが形成されるため、この後続気筒内で上記既燃ガスと燃料噴霧とを効果的にミキシングするとともに、燃料を均質に分散させることにより混合気を適正に均質燃焼させることができるという利点がある。

図１は、本発明が適用される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が形成されている。各気筒２Ａ〜２Ｄの燃焼室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インジェクタ９が設けられている。このインジェクタ９は、図略のニードル弁およびソレノイドを内蔵し、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、このインジェクタ９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、かつ圧縮行程における燃焼室内の圧力よりも高い燃料圧力、例えば１０ＭＰａ〜２０ＭＰａ程度の噴射圧力を与え得るように燃料供給系統が構成されている。

上記各気筒２Ａ〜２Ｄのうち、後述する先行気筒２Ａ，２Ｄに設けられたインジェクタ９の先端部には複数個の噴口が形成され、図３に示すように、各噴口から噴射された燃料により、インジェクタ軸心を中心として所定角度で放射状に拡散する複数の燃料噴霧Ｆａが形成されるとともに、図４に示すように、複数の燃料噴霧Ｆａの少なくとも一部が、点火プラグ７の先端部に設けられた電極の近傍に向けて噴射されるようになっている。これにより所定の運転時に、上記インジェクタ９から噴射された燃料噴霧の一部が点火プラグ７の先端部に設けられた電極周りに偏在した状態で着火される成層リーン燃焼が先行気筒２Ａ，２Ｄおいて行われるようになっている。当実施形態では、点火プラグ７の先端部下方とその左右との３個所に燃料噴霧Ｆａが形成されるとともに、その下方の５個所に燃料噴霧Ｆａが形成されている。なお、図４において、Ｏはインジェクタ軸心を表し、２点鎖線Ｋは、上死点におけるピストンの冠面を表している。

また、上記先行気筒２Ａ，２Ｄに設けられた点火プラグ７としては、絶縁体７ａの先端部に設けられた中心電極７ｂと、Ｌ字状の外側電極７ｃとの間に形成された火花ギャップが、点火プラグ７の径方向となるように、中心電極７ｂの側面と外側電極７ｃとが相対向して配置されたセミ沿面タイプのものが用いられる。このセミ沿面タイプの点火プラグ７が用いられることにより、上記絶縁体７ａにカーボンが付着することに起因した失火の発生が防止されるように構成されている。すなわち、上記インジェクタ９から噴射された燃料噴霧Ｆａを成層化して点火プラグ７の付近に偏在させた状態で成層リーン燃焼を行うと、その燃焼時に生成されたカーボンが上記絶縁体７ａに付着し易い傾向があるが、上記セミ沿面タイプの点火プラグ７を使用した場合には、上記絶縁体７ａに付着したカーボンを焼き切ることができるため、点火プラグ７がカーボン汚損されることに起因した失火の発生が防止されることになる。

なお、後続気筒２Ｂ，２Ｃに設けられるインジェクタ９は、均質燃焼に適するように、先行気筒２Ａ，２Ｄに比べて燃料府の噴霧角度の大きい、広角タイプのものが用いられる。これにより、後続気筒２Ｂ，２Ｃに噴射された燃料が燃焼室４の全体に広く拡散するようになっている。

そして、上記各気筒２Ａ〜２Ｄが所定の位相差をもって吸気、圧縮、膨張および排気の各行程からなるサイクルを行うように構成されており、４気筒エンジンの場合、気筒列方向一端側から１番気筒２Ａ、２番気筒２Ｂ、３番気筒２Ｃ、４番気筒２Ｄと呼ぶと、図８に示すように上記サイクルが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。なお、図９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、吸気行程側の気筒（当明細書ではこれを後続気筒と呼ぶ）に既燃ガスをそのまま導くことができるように、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９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と２番気筒２Ｂ、および、４番気筒２Ｄと３番気筒２Ｃ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、２番気筒２Ｂおよび３番気筒２Ｃが後続気筒となる。

各気筒の吸・排気ポートとこれに接続される吸気通路、排気通路および気筒間ガス通路は、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、燃焼室の一方側半部に並列的に設けられている。また、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、燃焼室の他方側半部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、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の上流端部が接続されている。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、先行気筒である１番，４番気筒２Ａ，２Ｄの第２排気ポート１２ｂに気筒間ガス通路２２の上流端部が接続されるとともに、後続気筒である２番，３番気筒２Ｂ，２Ｃの第２吸気ポート１１ｂに気筒間ガス通路２２の下流端部が接続されている。

上記先行気筒２Ａ，２Ｄ内に新気を導入させる吸気ポート１１、後続気筒２Ｂ，２Ｃに新気を導入させる第１吸気ポート１１ａおよび先行気筒２Ａ，２Ｄから気筒間ガス通路２２に既燃ガスを導出させる第２排気ポート１２ｂは、吸気抵抗の小さいタンジェンシャルポートとなっている。つまり、このタンジェンシャルポート（１１，１１ａ，１２ｂ）は、図５および図６に示すように側面から見て、斜め上方から燃焼室４に向けて緩やかに湾曲するとともに、燃焼室４の略軸線方向に開口するように形成され、図７に示すように平面視で、略ストレート状に延びている。このような形状とされることにより、吸気ポート１１，１１ａから燃焼室４内に対する新気の導入および燃焼室４内から気筒間ガス通路２２に対する既燃ガスの導出がスムーズに行われ、新気および既燃ガスの流通抵抗が極力小さくなるように構成されている。

また、上記先行気筒２Ａ，２Ｄの吸気ポート１１および後続気筒２Ｂ，２Ｃの第１吸気ポート１１ａは、そのスロート部とバルブガイド部（吸気弁の設置部）との間で、ポート断面積が９０％未満に絞られた絞り部またはエッジ部が存在せず、かつバルブ軸線とポート軸線との交差部分が滑らかな曲線で結ばれることにより、燃焼室４内に対する新気の導入が極めてスムーズに行われるハイフローポート構造となっている。さらに、上記先行気筒２Ａ，２Ｄの吸気ポート１１および後続気筒２Ｂ，２Ｃの第１吸気ポート１１ａは、図７に示すように、平面視において略ストレート状に形成されるとともに、開口部近傍において一対のポートが合流したコモン形状とされている。

一方、上記気筒間ガス通路２２の下流端部に位置する後続気筒２Ｂ，２Ｃの第２吸気ポート１１ｂは、渦巻き部を有するヘリカルポートとされている。すなわち、図７に示すように、上記第２吸気ポート１１ｂの開口部近傍（スロート部分）に、ヘリカル状に湾曲した渦巻き部が設けられることにより、この渦巻き部を通って燃焼室４内に流入する既燃ガスに応じ、燃焼室４内に強いスワールＳが生成されるようになっている。

上記気筒間ガス通路２２には、酸素濃度に応じて出力がリニアに変化するリニアＯ₂センサ２５が設けられており、その出力に基づいて所定のリーン空燃比とされる先行気筒２Ａ，２Ｄに対する燃料噴射量がフィードバック制御されるようになっている。

排気通路２０における分岐排気通路２１の下流の集合部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が設けられている。Ｏ₂センサ２３は、理論空燃比付近で出力が急変するλＯ₂センサであり、このλＯ₂センサ２３の出力に基づいて後続気筒２Ｂ，２Ｃ（各気筒独立状態のときは先行気筒２Ａ，２Ｄを含む）に対する燃料噴射量がフィードバック制御されるように構成されている。さらに、上記Ｏ₂センサ２３の下流の排気通路２０には、排気浄化用の三元触媒２４が設けられている。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が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。

各気筒の吸・排気ポートを開閉する各弁とこれらに対する動弁機構は、次のようになっている。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、排気弁３２ａおよびガス導出弁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にはそれぞれ吸気弁３１ａ、ガス導入弁３１ｂおよび排気弁３２が設けられている。

上記各弁３１，３２ａ，３２ｂ，３１ａ，３１ｂ，３２は、それぞれ図外のバルブスプリングにより閉止方向に付勢されたポペット弁からなり、各気筒が吸気行程または排気行程にあるときにカムシャフト３３，３４に設けられた駆動カムにより押し下げられて開放状態となるが、その開閉時期は必ずしも上死点や下死点に限らず、必要に応じて上死点または下死点から所定のクランク角だけずれた時期に設定されている。

さらに、上記各弁のうちで第２排気弁３２ａ、ガス導出弁３２ｂ、第１吸気弁３１およびガス導入弁３１ｂに対しては、これらの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ている状態ではカムの作動が弁に伝えられて弁が開閉作動され、油圧室から作動油が排出されたときにはカムから弁への動力の伝達が遮断されて弁が停止されるように構成されたものである。

後続気筒２Ｂ，２Ｃ側の吸気弁３１ａおよび先行気筒２Ａ，２Ｄ側の排気弁３２ａの弁停止機構３５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が設けられており、ガス導入弁３１ｂおよびガス導出弁３２ｂの弁停止機構３５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８参照）。

図８は、当実施形態における駆動、制御系統の構成を示している。この図８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、Ｏ₂センサ２３およびリニアＯ₂センサ２５からの信号が入力されるとともに、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とアクセル開度（アクセルペダル踏込み量）を検出するアクセル開度センサ４８とからの信号が入力されるようになっている。このＥＣＵ４０から、点火回路８、各インジェクタ９、多連スロットル弁１７のアクチュエータ１８、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構成されている。

上記ＥＣＵ４０は、少なくとも後述するエンジンの低負荷低回転側の部分負荷領域で、ガス流通経路を２気筒接続状態（図１１参照）としつつ、燃焼を行わせる制御手段を構成するものであり、運転状態判別手段４１と、弁停止機構制御手段４２と、吸入空気量制御手段４３と、燃料噴射制御手段４５および点火制御手段４６からなる燃焼制御手段４４とを備えている。

運転状態判別手段４１は、回転数センサ４７およびアクセル開度センサ４８等から出力されたエンジンの運転状態（エンジン回転数およびエンジン負荷）の検出信号に基づき、運転状態が図１０に示すような低負荷低回転側の部分負荷領域Ａと、高負荷側ないし高回転側の全負荷領域Ｂと、アイドル運転領域Ｃの何れかの領域にあるかを判別し、エンジンが部分負荷領域Ａにある場合に２気筒接続状態とする特殊運転モードでの燃焼制御を実行し、全負荷領域Ｂまたはアイドル運転領域Ｃにある場合には各気筒独立状態とする通常運転モードでの燃焼制御を実行するように構成されている。

弁停止機構制御手段４２は、上記特殊運転モードおよび通常運転モードの判別結果に応じ、上記各コントロール弁３７，３９を制御することにより、各弁停止機構３５を次のように制御する。

特殊運転モード：先行気筒排気弁３２ａおよび後続気筒吸気弁３１ａを停止状態
ガス導出弁３２ｂおよびガス導入弁３１ｂを作動状態
通常運転モード：先行気筒排気弁３２ａおよび後続気筒吸気弁３１ａを作動状態
ガス導出弁３２ｂおよびガス導入弁３１ｂを停止状態
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、特殊運転モードでは、後述のように後続気筒２Ｂ，２Ｃにおいては分岐吸気通路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（以下これを実質的な理論空燃比という）とされつつ燃焼が行われるので、先行および後続の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気筒分の燃料の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。

燃焼制御手段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に設けられたインジェクタ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ように構成されている。そして、特に運転状態が特殊運転モードである場合と通常運転モードである場合とで燃焼の制御（燃料噴射の制御および点火の制御）状態が変更されるようになっている。

すなわち、上記弁停止機構制御手段４２等からなる運転モード制御手段により、エンジンが特殊運転モードの制御が実行される部分負荷領域Ａでは、先行気筒２Ａ，２Ｄに対しては、空燃比を理論空燃比よりも大きいリーン空燃比、好ましくは理論空燃比の略２倍もしくはそれ以上とするように燃料噴射量が制御されるとともに、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が設定され、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が設定される。一方、後続気筒２Ｂ，２Ｃに対しては、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が供給され、実質的な理論空燃比となるように燃料噴射量が制御されるとともに、吸気行程で燃料を噴射するように噴射タイミングが設定される。

また、エンジンが全負荷領域Ｂまたはアイドル運転領域Ｃにある場合には、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て通常運転モードの燃焼制御が実行され、例えば通常運転モードにおける大部分の領域で各気筒２Ａ〜２Ｄの空燃比を理論空燃比とし、最高負荷およびその付近の運転領域で各気筒２Ａ〜２Ｄの空燃比を理論空燃比よりリッチとする制御が実行される。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で強制点火を行わせるように制御される。

以上のような当実施形態の装置の作用を、図９、図１１および図１２を参照しつつ説明する。上記特殊運転モードでは、前述のように先行気筒２Ａ，２Ｄの排気弁３２ａおよび後続気筒２Ｂ，２Ｃの吸気弁３１ａが停止状態、気筒間ガス通路２２の上流端部に設けられたガス導出弁３２ｂおよび気筒間ガス通路２２の下流端部に設けられたガス導入弁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が、図１１に示すような２気筒接続状態とされ、先行気筒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２Ｂ，２Ｃに導入されるとともに、この後続気筒２Ｂ，２Ｃから排出される排気ガスのみが排気通路２０に導かれることになる。

上記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１１中の矢印ａ）、先行気筒２Ａ，２ＤではリニアＯ₂センサ２５によって検出される空燃比が超リーン空燃比となるように燃料噴射量がフィードバック制御されつつ、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ることにより、超リーン空燃比での成層燃焼が行われる（図９参照）。

その後、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から排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９中の白抜き矢印および図１１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、実質的な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および温度が上昇して圧縮自己着火が行われる。

なお、本発明の実施形態では、先行気筒２Ａ，２Ｄの空燃比制御の精度を高めるために、気筒間ガス通路２２にリニアＯ₂センサ２５を設けて先行気筒２Ａ，２Ｄの燃料噴射量をフィードバック制御しているが、上記リニアＯ₂センサ２５はなくてもよい。すなわち、先行気筒２Ａ，２Ｄの燃料噴射量は、エアフローセンサ１９、Ｏ₂センサ２３、回転数センサ４７、アクセル開度センサ４８、ＥＣＵ４０から、エンジンの運転状態に応じて予め設定された空燃比となるように、吸入空気量に対応する先行気筒２Ａ，２Ｄの燃料噴射量を決定し（オープン制御）、後続気筒２Ｂ，２Ｃにおいては、Ｏ₂センサ２３の出力に基づいて、理論空燃比となるように燃料の噴射量をフィードバック制御してもよい。さらに、Ｏ₂センサ２３の出力に基づいて、先行気筒２Ａ，２Ｄと後続気筒２Ｂ，２Ｃの双方の燃料噴射量を決定してもよい。

上記のように先行気筒２Ａ，２Ｄから排出された高温の既燃ガスが上記気筒間ガス通路２２を介して後続気筒２Ｂ，２Ｃに導入されるように構成したため、後続気筒２Ｂ，２Ｃでは吸気行程で燃焼室内の温度を効果的に上昇させることができるとともに、この状態から、さらに圧縮行程で圧力および温度を上昇させることにより、圧縮行程の上死点付近で混合気を充分に圧縮自己着火させ得る程度まで燃焼室内の温度を上昇させることができる。しかも、上記先行気筒２Ａ，２Ｄから導出された既燃ガスが後続気筒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するとともに、吸気行程で後続気筒２Ｂ，２Ｃに噴射された燃料も圧縮行程終期までの間に燃焼室内全体に分散するので、理想的な同時圧縮着火の条件を満たすような混合気の分布状態が得られることになる。

したがって、後続気筒２Ｂ，２Ｃでは、多量のＥＧＲガス相当の既燃ガス成分を含み、かつ、空燃比がリーンであるという条件下であっても、同時圧縮着火により燃焼が急速に行われる等より、エンジンの熱効率が大幅に向上されることとなる。つまり、先行気筒２Ａ，２Ｄでは超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、ポンピングロスが低減され、かつ後続気筒２Ｂ，２Ｃでは、先行気筒２Ａ，２Ｄと同様にポンピングロス低減効果が得られるとともに、均一な混合気分布状態で圧縮着火が行われることにより熱効率が高められるため、これらの作用により、燃費が大幅に改善されることとなる。

また、上記後続気筒２Ｂ，２Ｃでは、先行気筒２Ａ，２Ｄからの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ため、可及的に酸素と窒素との反応を避けられることにより、ＮＯｘの発生を充分に抑制することができ、このような点からもエミッションの向上に有利となる。しかも、格別の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手段を講じることなく、上記後続気筒２Ｂ，２Ｃでの圧縮自己着火が先行気筒２Ａ，２Ｄから導出される既燃ガスの温度を利用して達成されるため、格別の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構成を採用することなく、広い運転範囲に亘って圧縮自己着火を行わせることができるという利点がある。

一方、高負荷側ないし高回転側の全負荷領域Ｂでは、前述のように第１排気弁３２ａおよび第１吸気弁３１ａが作動状態とされるとともに、ガス導出弁３２ｂガス導入弁３１ｂが停止状態とされることにより、実質的な新気および既燃ガスの流通経路は図１２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、吸気通路１５から各気筒２Ａ〜２Ｄの吸気ポート１１，１１ａに新気がそれぞれ導入されるとともに、各気筒２Ａ〜２Ｄの排気ポート１２ａ，１２から排気通路２０に既燃ガスが排出される。そして、上記通常運転モードの制御状態では、理論空燃比もしくはそれよりややリッチとなるように吸入空気量および燃料噴射量を制御することにより、出力性能を確保することができる。

そして、先行気筒２Ａ，２Ｄの燃料噴射手段を構成するインジェクタ９の燃料噴射方向を点火プラグ７の電極近傍に設定し、かつ先行気筒２Ａ，２Ｄに新気を導入させる吸気ポート１１を吸気抵抗の小さいタンジェンシャルポートとしたため、上記のように先行気筒２Ａ，２Ｄから導出された既燃ガスを後続気筒２Ｂ，２Ｃに導入して燃焼させる特殊運転モードの制御時に、先行気筒２Ａ，２Ｄに対する吸入空気充填効率が高くなり、先行気筒２Ａ，２Ｄの空燃比を理論空燃比の２倍以上の超リーンに設定することができる。

すなわち、先行気筒２Ａ，２Ｄの吸気ポート１１を吸気抵抗の小さいタンジェンシャルポートとしてスムーズに吸気を流動させ得るように構成したため、先行気筒２Ａ，２Ｄに対する吸気の充填量を充分に確保して先行および後続の２気筒分の新気を先行気筒２Ａ，２Ｄ内に導入させることができる。また、上記インジェクタ９から点火プラグ７の先端部に向けて燃料が噴射されることにより、点火プラグ７の電極周りに、燃料が微粒化されるとともに空気と混合された状態で偏在する成層化が適正に行われることになる。このため、上記のように吸気ポート１１をタンジェンシャルポートとすることにより、燃焼室４内にスワールまたはタンブル等の吸気流動を生成することが困難な場合においても、混合気の燃料性を確保して先行気筒２Ａ，２Ｄをリーンな空燃比で成層燃焼させることができる。

また、上記実施形態では、先端部に複数の噴口が設けられたインジェクタ９を先行気筒２Ａ，２Ｄに設け、先行気筒２Ａ，２Ｄから導出された既燃ガスを後続気筒２Ｂ，２Ｃに導入して燃焼させる特殊運転モードの制御時に、上記噴口の少なくとも一部から点火プラグ７の電極付近に向けて燃料が噴射するように構成したため、点火プラグ７の電極周りに燃料が微粒化した混合気を形成するとともに、燃焼室４内を適正に成層化して着火性を向上させることにより、リーンな空燃比で先行気筒２Ａ，２Ｄを効果的に成層燃焼させることができるという利点がある。

さらに、上記実施形態では、各気筒２Ａ〜２Ｄをそれぞれ独立して燃焼させる通常運転モードの制御時に、後続気筒２Ｂ，２Ｄに新気を導入させる第２吸気ポート１１ｂを吸気抵抗の小さいタンジェンシャルポートとしたため、エンジン負荷が高く、多量の新気を必要とする全負荷領域Ｂで上記通常運転モードの制御を実行することにより、後続気筒２Ｂ，２Ｃ内に充分な量の新気を導入させて混合気を適正に均一燃焼させることができる。

また、先行気筒２Ａ，２Ｄから導出された既燃ガスを後続気筒２Ｂ，２Ｃに導入させて新たに供給された燃料とともに燃焼させる特殊運転モードの制御時に、気筒間ガス通路２２を介して後続気筒２Ｂ，２Ｃに既燃ガスを導入させる第２吸気ポート１１ｂを、渦巻き部を有するヘリカルポートとしたため、この第２吸気ポート１１ｂを介して後続気筒２Ｂ，２Ｃに導入されるリーン空燃比の既燃ガスに応じて後続気筒２Ｂ，２Ｃ内で強いスワールを生成することにより、後続気筒２Ｂ，２Ｃ内における上記既燃ガスと燃料噴霧とのミキシング性および燃料の均質分散性を高めて適正に均質燃焼させることができるという利点がある。

特に、上記実施形態に示すように、先行気筒２Ａ，２Ｄの吸気ポート１１および後続気筒２Ｂ，２Ｃの第１吸気ポート１１ａを、そのスロート部とバルブガイド部との間で、ポート断面積が９０％未満に絞られた絞り部またはエッジ部が存在せず、かつバルブ軸線とポート軸線との交差部分が滑らかな曲線で結ばれたハイフローポート構造とした場合には、燃焼室４内に対する新気の導入を極めてスムーズに行わせて新気の導入量を効果的に確保することができる。さらに、上記先行気筒２Ａ，２Ｄの吸気ポート１１および後続気筒２Ｂ，２Ｃの第１吸気ポート１１ａを、図７に示すように、平面視において略ストレート状に形成するとともに、開口部近傍において一対のポートを合流させるコモン形状とした場合には、吸気ポート１１，１１ａの開口面積を充分に確保して燃焼室４内に対する新気の導入を、よりスムーズに行わせることができるという利点がある。

なお、上記特殊運転モードの制御が実行される部分負荷領域Ａの少なくとも低負荷側の領域において、後続気筒２Ｂ，２Ｃの圧縮上死点前の上死点近傍で後続気筒２Ｂ，２Ｃの混合気に点火することにより、後続気筒２Ｂ，２Ｃの圧縮自己着火をアシストするように構成してもよい。このように構成した場合には、先行気筒２Ａ，２Ｄから導出される既燃ガスの温度が低い上記低負荷側領域においても、後続気筒２Ｂ，２Ｃを確実に圧縮自己着火させて熱効率を改善することができるとともに、後続気筒２Ｂ，２Ｃ内における酸素と窒素との反応を可及的に回避してＮＯｘの発生を効果的に低減できるという利点がある。

また、図１３に示すように、先行気筒２Ａ，２Ｄおよび後続気筒２Ｂ，２Ｃに対して新気を導入する分岐吸気通路１６に、この通路１６を必要に応じて閉止状態とするシャッター弁５０をそれぞれ設けるとともに、その下流部に、排気通路２０に導出された排気ガスの一部を吸気系に環流させるＥＧＲ通路５１を接続した構造としてもよい。

そして、例えば、全負荷運転領域Ｂで実行される通常運転モードの制御時に、上記ＥＧＲ通路５１に設けられたＥＧＲクーラ（図示せず）により冷却された排気ガスを吸気系に環流させるとともに、上記シャッター弁５０を閉止して上記排気ガスの環流を促進するように構成した場合には、上記全負荷領域ＢにおけるＮＯｘの発生を効果的に抑制しつつ、ノッキングの発生を防止できるという利点がある。なお、上記シャッター弁５０の一部に、吸気流動を規制して燃焼室４内でタンブルまたはスワール生成するための切欠きを形成してもよく、この構成によれば、燃焼室４内における燃料の拡散および混合を効果的に促進することができる。

さらに、上記特殊運転モードの制御が実行される部分負荷領域Ａの少なくとも高負荷側の領域で、後続気筒２Ｂ，２Ｃの新気導入用の第１吸気ポート１１ａに設けられた第１吸気弁３１ａを一時的に開放状態とするとともに、上記シャッターバルブ５０を閉止状態とすることにより、排気通路２０に導出された排気ガスの一部を後続気筒２Ｂ，２Ｃ内に還流するようにしてもよい。このように構成した場合には、上記部分負荷領域Ａの少なくとも高負荷側の領域における後続気筒２Ｂ，２Ｃのノッキングの発生を効果的にできるという利点がある。

本発明の実施形態に係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。燃料の噴射形態を示す説明図である。点火プラグと燃料噴霧との関係を示す説明図である。先行気筒の具体的構造を示す説明図である。後続気筒の具体的構造を示す説明図である。各ポートの構造を示す説明図である。本発明に係る火花点火式エンジンに設けられた制御装置の具体的構成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。運転領域を示す説明図である。特殊運転モードの新気およびガスの流通経路を示す説明図である。通常運転モードの新気およびガスの流通経路を示す説明図である。ＥＧＲ通路およびシャッター弁を備えた例を示す説明図である。

符号の説明

１エンジン本体
２Ａ，２Ｄ１番，４番気筒（先行気筒）
２Ｂ，２Ｃ２番，３番気筒（後続気筒）
７点火プラグ
９インジェクタ
１５吸気通路
１７スロットル弁
２０排気通路
２２気筒間ガス通路
４２弁停止機構制御手段（運転モード制御手段）
４４燃焼制御手段

Claims

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であって、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、この後続気筒から排出される既燃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を実行する運転モード制御手段を備えるとともに、先行気筒に設けられた燃料噴射手段の燃料噴射方向を点火プラグの電極付近に設定し、かつ先行気筒に新気を導入させる吸気ポートを吸気抵抗の小さいタンジェンシャルポートとしたことを特徴とする火花点火式エンジン。
先端部に複数の噴口が形成されたインジェクタを燃料噴射手段として先行気筒に設け、上記噴口の少なくとも一部から点火プラグの電極付近に向けて燃料を噴射するように構成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。
各気筒をそれぞれ独立して燃焼させる通常運転モードの制御状態で後続気筒に新気を導入させる第１吸気ポートを、吸気抵抗の小さいタンジェンシャルポートとするとともに、特殊運転モードの制御状態で気筒間ガス通路を介して後続気筒に既燃ガスを導入させる第２吸気ポートを、渦巻き部を有するヘリカルポートとしたことを特徴とする請求項１または２に記載の火花点火式エンジン。