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JP2004124758A - 火花点火式エンジンの制御装置 - Google Patents

火花点火式エンジンの制御装置 Download PDF

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JP2004124758A JP2002287802A JP2002287802A JP2004124758A JP 2004124758 A JP2004124758 A JP 2004124758A JP 2002287802 A JP2002287802 A JP 2002287802A JP 2002287802 A JP2002287802 A JP 2002287802A JP 2004124758 A JP2004124758 A JP 2004124758A
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Abstract

【課題】排気浄化性能を確保しつつ、より効果的に燃費を改善する。
【解決手段】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側の先行気筒２Ａ，２Ｄから排出される既燃ガスがそのまま吸気行程側の後続気筒２Ｂ，２Ｃに気筒間ガス通路２２を介して導入されるように吸・排気の流通状態を制御する。そして、上記部分負荷領域の高負荷側領域では、後続気筒２Ｂ，２Ｃの新気導入通路に設けられた新気導入弁１８を開弁して、後続気筒２Ｂ，２Ｃ内に上記既燃ガスと新気との両方を導入させるとともに、燃料を供給して後続気筒２Ｂ，２Ｃの燃焼を行わせるように制御する。
【選択図】　　　　図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、火花点火式エンジンの制御装置に関し、より詳しくは、多気筒のエンジンにおいて燃費改善及びエミッション向上のために各気筒の燃焼状態を制御する制御装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
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、低回転低負荷領域等で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）。
【０００３】
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及び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、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。
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−２９８３６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の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、上記リーン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の離脱、還元のため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及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。しかも、混合気の空燃比がある程度以上にリーンになると、燃焼速度が遅くなりすぎてその終期に近い燃焼が仕事に寄与しなくなるため、成層燃焼でのリーン化による燃費改善には限界があった。
【０００６】
そこで、本出願人は、リーン燃焼による燃費改善効果をもたせつつ、三元触媒を用いるだけで、排気浄化性能を向上させることができる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２００２−０２４５４８号）。
【０００７】
本発明は、このような技術に基づき、排気浄化性能を確保しつつ、より効果的に燃費を改善す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。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
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において、排気行程と吸気行程と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た既燃ガスを吸気行程にある後続気筒に導入させる気筒間ガス通路と、先行気筒の既燃ガスの導出方向を排気通路側と上記気筒間ガス通路側とに切り換える切換弁と、後続気筒に新気を導入させる新気導入通路を開閉する新気導入弁と、エンジンの部分負荷領域では、上記新気導入弁を閉弁するとともに、先行気筒から排出された既燃ガスの全てを気筒間ガス通路側に導出させるように切換弁を制御することにより２気筒接続状態とし、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導入されたリーン空燃比の既燃ガスに燃料を供給して後続気筒の燃焼を行わせる特殊運転モードの制御を実行し、上記部分負荷領域よりも高負荷側領域では、上記新気導入弁を開弁して、後続気筒内に上記既燃ガスと新気との両方を導入させるとともに、燃料を供給して後続気筒の燃焼を行わせる中間運転モードの制御を実行する運転モード制御手段と、後続気筒から排出される排気ガス中の酸素濃度が、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の空燃比を制御する空燃比制御手段とを備えたものである。
【０００９】
この発明によると、エンジンの部分負荷領域で上記２気筒接続状態として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及びポンピングロス低減による燃費改善効果が得られ、後続気筒では先行気筒から導入された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料が行われるため、少なくともポンピングロス低減による燃費改善効果が得られる。また、排気通路には理論空燃比で燃焼した排気ガスが導出されるため、リーンＮＯｘ触媒を必要とすることなく、三元触媒または酸化触媒により充分な排気浄化性能が得られることになる。そして、上記部分負荷領域よりも高負荷側領域では、上記新気導入弁が開弁状態となって後続気筒に新気が導入されることにより、後続気筒の新気不足が解消されて後続気筒の燃焼が適正に実行されることになる。
【００１０】
また、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の制御装置において、特殊運転モードの制御が実行されるエンジンの部分負荷領域では、エンジン負荷の増大に伴って先行気筒の空燃比をリーン空燃比から理論空燃比に向かって変化させ、この先行気筒の空燃比が理論空燃比となった運転領域よりも高負荷側で、先行気筒の空燃比を理論空燃比に設定し、この先行気筒から排出された既燃ガスを排気通路側と気筒間ガス通路側との両方に分配する中立位置に切換弁を制御して中間運転モードの制御を実行するものである。
【００１１】
上記構成によれば、特殊運転モードの制御が実行される部分負荷領域よりも高負荷側領域では、先行気筒及び後続気筒の両方を理論空燃比の燃焼状態とする空燃比制御が実行されるため、エンジン出力が充分に確保されるとともに、後続気筒には、新気とともに先行気筒から排出された既燃ガスが導入されるため、そのＥＧＲ効果によってノッキングの発生が効果的に防止されることになる。
【００１２】
また、請求項３に係る発明は、上記請求項２記載の火花点火式エンジンの制御装置において、中間運転モードの制御を実行する運転領域よりもさらに高負荷ないし高回転の運転領域では、上記新気導入弁を開弁するとともに、先行気筒から排出された既燃ガスの全てを排気通路側に導出させるように切換弁を制御することにより、各気筒を独立して燃焼させる通常運転モードの制御を実行するものである。
【００１３】
上記構成によれば、後続気筒に対して新気とともに先行気筒から排出された既燃ガスを導入させる中間運転領域よりも高負荷側の運転領域に移行した時点で、各気筒を独立して燃焼させる通常運転モードの制御状態に移行することにより、エンジン出力が充分に確保されることになる。
【００１４】
また、請求項４に係る発明は、上記請求項３記載の火花点火式エンジンの制御装置において、中間運転モードの制御を実行する運転領域で、エンジン負荷の増大に伴って排気通路側に導出される既燃ガス量を徐々に増大させるように切換弁の開度を変化させるものである。
【００１５】
上記構成によれば、エンジンの運転領域が中間運転領域から高負荷ないし高回転の運転領域に移行した場合には、上記切換弁の開度を迅速に変化させることことにより、後続気筒に新気とともに先行気筒から排出された既燃ガスを導入させる特殊運転モードの制御状態から、各気筒独立状態とした通常運転モードの制御状態にスムーズに移行させることが可能となる。
【００１６】
また、請求項５に係る発明は、上記請求項４記載の火花点火式エンジンの制御装置において、気筒間ガス通路と排気通路との接続部に設けられた回動式弁により上記切換弁を構成したものである。
【００１７】
上記構成によれば、簡単な構成で、エンジン負荷の増大に伴って排気通路側に導出される既燃ガス量を徐々に増大させる制御を適正に実行することが可能となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１及び図２は、本発明の一実施形態によるエンジンの概略構成を示している。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。
【００１９】
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。
【００２０】
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、図略のニードル弁及びソレノイドを内蔵し、後述の燃料噴射制御手段から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、図外の燃料ポンプ及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。
【００２１】
そして、吸気、圧縮、膨張及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及び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。
【００２２】
排気行程と吸気行程とが重なる一対の気筒間には、排気行程と吸気行程と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）へ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及び２番気筒２Ｂと、４番気筒２Ｄ及び３番気筒２Ｃとがそれぞれ一対をなし、１番気筒２Ａ及び４番気筒２Ｄが先行気筒となり、かつ２番気筒２Ｂ及び３番気筒２Ｃが後続気筒となるように設定されている。
【００２３】
各気筒の吸・排気ポートとこれに接続される吸気通路、排気通路及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。
【００２４】
先行気筒である１番気筒２Ａ及び４番気筒２Ｄには、それぞれ、新気を導入させるための一対の吸気ポート１１，１１と、既燃ガス（排気ガス）を排気通路２０または上記気筒間ガス通路２２に導出するための一対の排気ポート１２，１２とが配設されている。
【００２５】
また、後続気筒である２番気筒２Ｂ及び３番気筒２Ｃには、それぞれ新気を導入させるための一対の第１吸気ポート１３，１３と、先行気筒２Ａ，２Ｄからの既燃ガスを導入させるための第２吸気ポート１４と、既燃ガスを排気通路２０に導出するための排気ポート１５とが配設されている。
【００２６】
図１に示す例では、先行気筒（１番，４番気筒）２Ａ，２Ｄの燃焼室の左半部に、一対の吸気ポート１１，１１が並列的に配設されるとともに、上記燃焼室の右半部に、一対の排気ポート１２，１２が並列的に配設されている。また、後続気筒（２番，３番気筒）２Ｂ，２Ｃの燃焼室の左半部には、一対の第１吸気ポート１３，１３が並列的に配設されるとともに、上記燃焼室の右半部には、第２吸気ポート１４と排気ポート１５とが並列的に設けられている。
【００２７】
先行気筒２Ａ，２Ｄに設けられた一対の吸気ポート１１，１１及び後続気筒２Ｂ，２Ｃに設けられた一対の第１吸気ポート１３，１３には、吸気通路１５における気筒別の分岐吸気通路１６の下流端がそれぞれ接続されている。上記吸気通路１５における集合部よりの上流の共通吸気通路には、バタフライ弁からなるスロットル弁１７が設けられ、このスロットル弁１７がアクチュエータ１７ａにより開閉駆動されることにより、エンジン全体の吸入空気量が調節されるようになっている。
【００２８】
また、上記後続気筒２Ｂ，２Ｃの第１吸気ポート１３，１３にそれぞれ接続された分岐吸気通路１６からなる新気導入通路には、共通の軸を介して互いに連動する一対のバタフライ弁からなる新気導入弁１８が設けられ、この新気導入弁１８がアクチュエータ１７ａにより上記共通の軸を支点に回転駆動されることにより、新気導入通路が開閉されて上記後続気筒２Ｂ，２Ｃに対する吸入空気量が調節されるとともに、上記新気導入弁１９を閉弁状態とすることにより、上記後続気筒２Ｂ，２Ｃに対する新気の導入が停止されるように構成されている。なお、吸気通路１５における集合部よりも上流の供給吸気通路には、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。
【００２９】
上記先行気筒２Ａ，２Ｄに設けられた一対の排気ポート１２，１２及び後続気筒２Ｂ，２Ｃに設けられた単一の排気ポート１５には、排気通路２０における気筒別の分岐排気通路２１の上流端がそれぞれ接続されている。また、先行気筒２Ａ，２Ｄの排気ポート１２，１２に接続された上記分岐排気通路２１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１４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、この気筒間ガス通路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。
【００３０】
また、上記先行気筒２Ａ，２Ｄの排気ポート１２，１２に連通する分岐排気通路２１と、上記気筒間ガス通路２２との接続部には、先行気筒２Ａ，２Ｄから排出された既燃ガスの導出方向を排気通路２０の下流部（集合部）側と、気筒間ガス通路２２側とに切り換えるバタフライ弁からなる切換弁２５が設けられている。この切換弁２５は、上記排気通路２０側の連通部を閉止することにより、上記既燃ガスの全てを気筒間ガス通路２２側に導出させる２気筒接続位置と、上記気筒間ガス通路２２側の連通部を閉止することにより、上記既燃ガスの全てを排気通路２０側に導出させる各気筒独立位置と、上記気筒間ガス通路２２及び排気通路２０の両方に上記既燃ガスを導出させる中立位置とに、アクチュエータ２５ａによって回転駆動されるように構成されている。また、上記中立位置にある切換弁２５の開度を変化させることにより、気筒間ガス通路２２側に導出される既燃ガス量と、排気通路２０の集合部側に導出される既燃ガス量との分配率が調節されるようになっている。
【００３１】
上記排気通路２０における分岐排気通路２１の下流に位置する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。さらに、このＯ２センサ２３の設置部の下流側における排気通路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＝１）付近にあるときにＨＣ，ＣＯ及びＮＯｘに対して高い浄化性能を示す触媒である。
【００３２】
上記エンジンには、図３に示すように、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が設けられている。このＥＣＵ４０には、エアフローセンサ１９及び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及びアクセル開度（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と、多連スロットル弁１７のアクチュエータ１７ａと、新気導入弁１８のアクチュエータ１８ａと、切換弁２５のアクチュエータ２５ａとに対して制御信号が出力されるようになっている。
【００３３】
上記ＥＣＵ４０には、エンジンの運転状態を判別する運転状態判別手段４１と、各気筒２Ａ〜２Ｃに対する新気の導入経路及び既燃ガスの導出経路を切り換えるガス経路切換手段４２と、各気筒２Ａ〜２Ｄに対する吸気の流入量を制御する吸入空気量制御手段４３と、燃料噴射弁９から噴射される燃料の噴射量及び噴射タイミングを制御する燃料噴射制御手段４４と、点火プラグ７による混合気の点火タイミングを制御する点火制御手段４５とが設けられている。
【００３４】
運転状態判別手段４１は、図４に示すようにエンジンの運転領域が低負荷低回転側の部分負荷領域（軽負荷領域）Ａと、この領域Ａよりも高負荷側の運転領域（中負荷領域）Ｂと、これらの運転領域Ａ，Ｂよりも高負荷側ないし高回転側の運転領域（高負荷・高回転領域）Ｃとに分けられた制御用マップを有し、上記回転数センサ４７及びアクセル開度センサ４８等からの信号により調べられるエンジンの運転状態（エンジン回転数及びエンジン負荷）が上記運転領域Ａ，Ｂ，Ｃのいずれの領域にあるかを判別する。
【００３５】
そして、上記運転状態判別手段４１による判別結果に基づき、低負荷低回転側の軽負荷領域Ａでは、排気行程にある先行気筒２Ａ，２Ｄから排出される全ての既燃ガスを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、高負荷側ないし高回転側の高負荷・高回転領域Ｃでは、各気筒２Ａ〜２Ｄをそれぞれ独立させて燃焼させる通常運転モードが選択されるように構成されている。また、上記中負荷領域Ｂでは、先行気筒２Ａ，２Ｄから排出される既燃ガスの一部を後続気筒２Ｂ，２Ｃに導出するとともに、残りの既燃ガスを排気通路２０に導出する中間運転モードが選択されるようになっている。
【００３６】
ガス経路切換手段４２は、上記運転状態判別手段４１の判別結果に応じ、新気導入弁１８及び切換弁２５を開閉制御することにより、先行気筒２Ａ，２Ｄから排出された既燃ガスの流通経路及び後続気筒２Ｂ，２Ｃに導入される新気及び既燃ガスの導入状態を次のように制御するように構成されている。
【００３７】
すなわち、上記運転状態判別手段４１によりエンジンの運転領域が軽負荷領域Ａにあることが確認された場合には、上記新気導入弁１８を閉弁状態とすることにより、後続気筒２Ｂ，２Ｃに対する新気の導入を停止するとともに、上記切換弁２５を２気筒接続位置に設置することにより、上記既燃ガスの全てを後続気筒２Ｂ，２Ｃに導入させる特殊運転モードの制御を実行する。
【００３８】
また、上記運転状態判別手段４１によりエンジンの運転領域が高負荷・高回転領域Ｃにあることが確認された場合には、上記新気導入弁１８を開弁状態とすることにより、後続気筒２Ｂ，２Ｃに運転状態に対応した量の新気を導入させるとともに、上記切換弁２５を２気筒接続位置に設置することにより、上記既燃ガスの全てを排気通路２０に排出させる通常運転モードの制御を実行する。
【００３９】
さらに、上記運転状態判別手段４１によりエンジンの運転領域が中負荷領域Ａにあることが確認された場合には、上記新気導入弁１８を開弁状態とするとともに、上記切換弁２５を中立位置に設置することにより、後続気筒２Ｂ，２Ｃに上記既燃ガスと新気の両方を導入させる中間運転モードの制御を実行する。また、この中間運転モードの制御時には、エンジン負荷が高いほど排気通路２０側に導出される既燃ガス量を増大させるように、上記切換弁２５の開度を変化させるようになっている。
【００４０】
上記吸入空気量制御手段４３は、アクチュエータ１７ａ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、上記特殊運転モードとされる軽負荷領域Ａでは、後続気筒２Ｂ，２Ｃに対する分岐吸気通路１６からの吸気導入が遮断された状態で、先行気筒２Ａ，２Ｄから導入される既燃ガス中の過剰空気と新たに供給される燃料との比がリーン空燃比とされつつ、後続気筒２Ｂ，２Ｃの燃焼が行われるように、スロットル弁１７の開度が調節されるようになっている。
【００４１】
具体的には、上記軽負荷領域Ａにおいて、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気筒分の燃料の量に対して理論空燃比となる量の空気）が、先行気筒（１番、４番気筒２Ａ，２Ｄ）に供給されるように上記スロットル弁１７の開度が制御される。また、上記中間運転モードの制御が実行される中負荷領域Ｂでは、エンジン負荷が高いほど、上記新気導入弁１８の開度を大きくして後続気筒２Ｂ，２Ｃに導入される新気量を増大させる制御が実行される。
【００４２】
上記燃料噴射制御手段４４は、各気筒２Ａ〜２Ｄに設けられた燃料噴射弁９からの燃料噴射量及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ように構成されている。また、上記点火制御手段４５は、運転状態に応じた点火時期の制御及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、特に運転状態が図３中の軽負荷領域Ａにある場合と、中負荷領域Ｂにある場合と、高負荷・高回転領域Ｃにある場合とで上記燃料噴射制御手段４４による燃料噴射の制御状態と、上記点火制御手段４５による点火時期等の制御状態とが変更されるようになっている。
【００４３】
すなわち、運転状態が低負荷低回転側の軽負荷領域Ａにある場合には、特殊運転モードでの制御状態として、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べく、強制点火を停止させる。
【００４４】
さらに、上記特殊運転モードの制御が実行される軽負荷領域Ａにおいて、先行気筒２Ａ，２Ｄ及び後続気筒２Ｂ，２Ｃからなる一対の気筒に対する燃料噴射量の和が先行気筒２Ａ，２Ｄに導入される新気量に対して理論空燃比となる量に調整されるとともに、後続気筒２Ｂ，２Ｃでノッキングが発生するのを防止しつつ、圧縮自己着火が良好に行われるように、先行気筒２Ａ，２Ｄに対する燃料噴射量と、後続気筒２Ｂ，２Ｃに対する燃料噴射量との割合が運転状態に応じて制御される。
【００４５】
具体的には、上記運転領域Ａの低負荷側では、先行気筒２Ａ，２Ｄに対する燃料噴射量と後続気筒２Ｂ，２Ｃに対する燃料噴射量とを略同一、ないしは後続気筒２Ｂ，２Ｃ側の燃料噴射量を少し多くすることにより、先行気筒２Ａ，２Ｄでの燃焼の際の空燃比が理論空燃比の２倍程度（Ａ／Ｆ≒３０、空気過剰率λで表せばλ＝２程度）、ないしは理論空燃比の２倍より大（空気過剰率λがλ＞２）となるようにする。この結果、エンジン負荷が低いために燃料の総噴射量が相対的に少ない値に設定され、これに起因して後続気筒２Ｂ，２Ｃの失火が発生し易い傾向にある上記低負荷側で、後続気筒２Ｂ，２Ｃに対する燃料噴射量が過度に少ない値に設定されることが防止され、上記失火の発生が防止されることになる。
【００４６】
そして、上記特殊運転モードの制御が実行される運転領域Ａにおいて、エンジン負荷の増大に伴い先行気筒２Ａ，２Ｄの空燃比をリーン空燃比から理論空燃比に向かって変化させることにより、上記運転領域Ａの高負荷側では、先行気筒２Ａ，２Ｄに対する燃料噴射量を後続気筒２Ｂ，２Ｃに対する燃料噴射量よりも多くすることにより、先行気筒での燃焼の際の空燃比が理論空燃比の２倍より小（空気過剰率λが１＜λ＜２）となるようにし、例えばＡ／Ｆ≒２５となるように制御することにより、上記運転領域Ａの低負荷側領域に比べて先行気筒２Ａ，２Ｄの空燃比を相対的にリッチとする。この結果、エンジン負荷が高いために燃料の総噴射量が相対的に多い値に設定されることにより、後続気筒２Ｂ，２Ｃの温度が過度に高くなるとともに、これに対応して後続気筒２Ｂ，２Ｃでノッキングが発生し易い傾向にある上記運転領域Ａの高負荷側領域で、後続気筒２Ｂ，２Ｃに多量の既燃ガスが導入され、そのＥＧＲ効果によって上記ノッキングの発生が防止されることになる。
【００４７】
また、後続気筒２Ｂ，２Ｃに既燃ガス及び新気の両方が導入される中負荷領域Ｂでは、先行気筒２Ａ，２Ｄ及び後続気筒２Ｂ，２Ｃがそれぞれ理論空燃比の燃焼状態となるように燃料噴射量を制御する。そして、上記特殊運転モードの制御が実行される軽負荷領域Ａから、上記中負荷領域Ｂへの移行時には、新気導入弁１８の開度が所定値となるまでの間、後続気筒２Ｂ，２Ｃへの燃料噴射を停止して、先行気筒２Ａ，２Ｄのみを燃焼させる２気筒運転状態の過渡期制御を実行するように構成されている。
【００４８】
一方、エンジンの運転状態が高負荷側ないし高回転側の運転領域Ｃ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、例えばこの運転領域Ｃにおける大部分の領域で理論空燃比とし、エンジンの全開負荷及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。
【００４９】
以上のような当実施形態の装置の作用を、図５〜図８を参照しつつ説明する。低負荷低回転側の運転領域Ａでは、上記ガス経路切換手段４２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、後続気筒２Ｂ，２Ｃに新気を導入させる新気導入弁１８を閉弁状態とするとともに、先行気筒２Ａ，２Ｄから排出された既燃ガスの導出方向を切り換える切換弁２５を２気筒接続位置に設置することにより、実質的な新気及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に導かれるような２気筒接続状態とされる。
【００５０】
この状態において、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くて、理論空燃比の略２倍ないしそれより小さい値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）。
【００５１】
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５中の白抜き矢印及び図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を供給して理論空燃比としつつ、吸気行程で燃料を噴射した後に、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を行わせる制御が、上記吸入空気量制御手段４３及び燃料噴射制御手段４４からなる空燃比制御手段により実行される。
【００５２】
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短い気筒間ガス通路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、これにより熱効率が大幅に向上される。
【００５３】
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。
【００５４】
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の向上に有利となる。
【００５５】
また、上記軽負荷領域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が、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が行われつつ、理論空燃比で燃焼した後続気筒２Ｂ，２Ｃの既燃ガスのみが排気通路２０に導出されることになる（図６中に矢印ｃ参照）。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触媒を設ける必要がなく、三元触媒２４だけで充分に排気浄化性能が確保される。そして、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、燃費改善の目減りが避けられる。さらに、リーンＮＯｘ触媒の硫黄被毒の問題が生じることもない。
【００５６】
そして、上記軽負荷領域Ａよりも高負荷側の中負荷領域Ｂでは、後続気筒２Ｂ，２Ｃに連通する新気導入通路（分岐吸気通路１６）に設けられた上記新気導入弁１８を開弁して、図７の矢印ｂ１，ｄに示すように、後続気筒２Ｂ，２Ｃ内に上記既燃ガスと新気との両方を導入させるとともに、燃料を供給して後続気筒２Ｂ，２Ｃの燃焼を行わせる中間運転モードの制御を実行するように構成したため、先行気筒２Ａ，２Ｄから排出された既燃ガスを後続気筒２Ｂ，２Ｃ内に導入させることによる燃費の改善効果を維持しつつ、後続気筒２Ａ，２Ｃの燃焼を適正に実行することができる。
【００５７】
すなわち、上記中負荷領域Ｂにおいて、先行気筒２Ａ，２Ｄから排出された既燃ガスを後続気筒２Ｂ，２Ｃ内に導入させるように構成したため（図７の矢印ｂ１参照）、後続気筒２Ｂ，２Ｃのポンピングロスを低減することができるとともに、後続気筒２Ｂ，２Ｃにおいてノッキングを生じさせることなく、圧縮自己着火を行わせることにより、燃費を改善することができる。しかも、上記運転領域Ｂで先行気筒２Ａ，２Ｄの空燃比が理論空燃比に設定されることにより先行気筒２Ａ，２Ｄから排出される既燃ガス中に存在する酸素量は著しく少なくなるが、これに対応させて上記新気導入弁２５を開弁することにより後続気筒２Ｂ内に新気を導入させるようにしたため（図８の矢印ｄ参照）、後続気筒２Ｂ，２Ｃの新気不足を解消して、後続気筒２Ｂ，２Ｃを理論空燃比の燃焼状態に維持することができる。
【００５８】
また、上記実施形態に示すように、特殊運転モードの制御が実行されるエンジンの軽負荷領域Ａでは、エンジン負荷の増大に伴って先行気筒２Ａ，２Ｄの空燃比をリーン空燃比から理論空燃比に向かって変化させ、この先行気筒２Ａ，２Ｄの空燃比が理論空燃比となった運転領域よりも高負荷側の中負荷領域Ｂでは、先行気筒２Ａ，２Ｄの空燃比を理論空燃比に設定するとともに、図７の矢印ｂ１，ｂ２に示すように、先行気筒２Ａ，２Ｄから排出された既燃ガスを排気通路２０側と気筒間ガス通路２２側との両方に分配する中立位置に切換弁２５を制御するように構成した場合には、上記中負荷側領域Ｂにおいて、先行気筒２Ａ，２Ｄ及び後続気筒２Ｂ，２Ｃの両方を理論空燃比の燃焼状態とする空燃比制御が実行されるため、エンジン出力を充分に確保することができる。しかも、上記後続気筒２Ｂ，２Ｃには、新気とともに先行気筒２Ａ，２Ｄから排出された既燃ガスが導入されるため、そのＥＧＲ効果によってノッキングの発生を効果的に防止できるという利点がある。
【００５９】
一方、上記中負荷領域Ｂよりも高負荷側ないし高回転側の運転領域Ｃでは、上記新気導入弁１８を開弁するとともに、図８に示すように、先行気筒２Ａ，２Ｄから排出された既燃ガスの全てを排気通路２０側に導出させるように切換弁２５を制御することにより、図８に示すように、各気筒２Ａ〜２Ｄを独立して燃焼させる通常運転モードの制御を実行するように構成したため、吸気通路１５から各気筒２Ａ〜２Ｄにそれぞれ新気が導入されるとともに（図８の矢印ａ参照）、各気筒２Ａ〜２Ｄから排気通路２０に既燃ガスが排出される（図８の矢印ｃ参照）。そして、この場合は、各気筒２Ａ〜２Ｄが理論空燃比もしくはそれよりもリッチな燃焼状態となるように、吸入空気量及び燃料噴射量を制御することにより、エンジンの出力性能を充分に確保することができる。
【００６０】
また、上記実施形態では、先行気筒２Ａ，２Ｄから排出された既燃ガスを排気通路２０側と気筒間ガス通路２２側との両方に分配する運転領域、つまり上記中負荷領域Ｂで、エンジン負荷の増大に伴って排気通路２０側に導出される既燃ガス量を徐々に増大させるように切換弁２５の開度を変化させるように構成したため、上記中負荷領域Ｂからエンジンの高負荷・高回転の運転領域Ｃへの移行時に、上記切換弁２５を中立位置から、図８に示す各気筒独立位置に迅速かつスムーズに移行させることができる。
【００６１】
特に、上記実施形態では、気筒間ガス通路２２と、先行気筒２Ａ，２Ｄに接続された排気通路２０の分岐排気通路２１との接続部に設けられたバタフライ弁からなる回動式弁により上記切換弁２５を構成したため、エンジン負荷が増大するのに応じ、アクチュエータ２５ｂにより上記切換弁２５を回動操作するだけで、排気通路２０側に導出される既燃ガス量を徐々に増大させる制御を容易かつ適正に実行することができる。なお、上記バタフライ弁に代え、ロータリ弁等からなる従来周知の開閉弁により上記切換弁２５を構成してもよい。
【００６２】
また、上記実施形態に示すように、特殊運転モードの制御が実行される軽負荷領域Ａから、上記中負荷領域Ｂへの移行時に、新気導入弁１８の開度が所定値となるまでの間、後続気筒２Ｂ，２Ｃへの燃料噴射を停止して、先行気筒２Ａ，２Ｄのみを燃焼させる２気筒運転状態とするように構成した場合には、上記新気導入弁２５を開弁する際の応答遅れに起因して後続気筒２Ｂ，２Ｃ内の新気が不足した状態で、後続気筒２Ｂ，２Ｃ内に燃料が噴射されて失火が発生することによる燃費の悪化を防止することができるとともに、上記特殊運転モードの制御状態から中間運転モードの制御状態への移行時にトルクショックが発生するのを防止して運転状態をスムーズに移行させることができるという利点がある。
【００６３】
なお、上記軽負荷領域Ａから上記中負荷領域Ｂへの移行時に、所定期間に亘り２気筒運転状態の過渡期制御を実行するように構成された上記実施形態に代え、図９に示すように、軽負荷領域Ａよりも高負荷側の第１中負荷領域Ｂ１において、後続気筒２Ｂ，２Ｃに連通する新気導入通路（分岐吸気通路１６）に設けられた上記新気導入弁１８を開弁することにより、後続気筒２Ｂ，２Ｃ内に上記既燃ガスと新気との両方を導入させた状態で、後続気筒２Ｂ，２Ｃへの燃料噴射を停止して先行気筒２Ａ，２Ｄのみを燃焼させる２気筒運転モードの制御を実行するように構成してもよい。そして、上記第１中負荷領域Ｂ１よりも高負荷側の第２中負荷領域Ｂ２において、後続気筒２Ｂ，２Ｃに連通する新気導入通路（分岐吸気通路１６）に設けられた上記新気導入弁１８を開弁することにより、後続気筒２Ｂ，２Ｃ内に上記既燃ガスと新気との両方を導入させるとともに、燃料を供給して後続気筒２Ｂ，２Ｃを燃焼させる上記中間運転モードの制御を実行するようにしてもよい。
【００６４】
なお、上記中間運転モードの制御が実行される中負荷領域Ｂで、先行気筒２Ａ，２Ｄの空燃比を理論空燃比に設定するとともに、図７の矢印ｂ１，ｂ２に示すように、先行気筒２Ａ，２Ｄから排出された既燃ガスを排気通路２０側と気筒間ガス通路２２側との両方に分配する中立位置に切換弁２５を制御するように構成された上記実施形態に代え、上記中負荷領域Ｂで先行気筒２Ａ，２Ｄから排出された既燃ガスの全てを気筒間ガス通路２２側に導出させて後続気筒２Ｂ，２Ｃ内に導入させるとともに、上記新気導入弁１８を開弁して新気を上記既燃ガスとともに後続気筒２Ｂ，２Ｃ内に導入させることにより、この後続気筒２Ｂ，２Ｃの空燃比を理論空燃比として燃焼させるようにしてもよい。
【００６５】
上記のように構成した場合には、上記中負荷領域Ｂにおいても、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料を行わせることにより、熱効率向上及び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、排気通路２０には後続気筒２Ｂ，２Ｃにおいて理論空燃比で燃焼した排気ガスのみが導出されるため、リーンＮＯｘ触媒を必要とすることなく、三元触媒または酸化触媒により充分な排気浄化性能が得られるという利点がある。
【００６６】
さらに、本発明の装置は４気筒以外の多気筒エンジンにも適用可能である。そして、例えば６気筒等では１つの気筒の排気行程と別の気筒の吸気行程が完全に重なり合うことはないが、このような場合は、一方の気筒の排気行程が他方の気筒の吸気行程より先行するとともに、両行程が部分的に重なり合う２つの気筒を先行、後続の一対の気筒とすればよい。
【００６７】
【発明の効果】
以上のように本発明の制御装置によると、エンジンの部分負荷域で特殊運転モードとされた場合に、排気行程と吸気行程とが重なる両気筒のうちの先行気筒ではリーン空燃比で燃焼を行わせ、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、その空燃比を理論空燃比として燃焼を行わせるようにしているため、先行気筒ではリーン燃焼による熱効率向上及びポンピングロス低減により、また後続気筒ではポンピングロス低減により、燃費を改善することができる。
【００６８】
そして、特に本発明では、上記部分負荷領域よりも高負荷側領域において、上記新気導入弁が開弁状態となって後続気筒に新気が導入されるように構成したため、先行気筒から排出された既燃ガスを後続気筒内に導入させることによる燃費の改善効果を維持しつつ、後続気筒の新気不足を解消して後続気筒の燃焼を適正に実行することができるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】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。
【図２】エンジン本体等の概略構成図である。
【図３】制御系統のブロック図である。
【図４】運転状態に応じた制御を行うための運転領域の一例を示す説明図である。
【図５】各気筒の排気行程、吸気行程、燃料噴射時期及び点火時期等を示す図である。
【図６】軽負荷運転の実質的な新気及びガスの流通経路を示す説明図である。
【図７】中負荷運転の実質的な新気及びガスの流通経路を示す説明図である。
【図８】高負荷・高回転運転の実質的な新気及びガスの流通経路を示す説明図である。
【図９】運転状態に応じた制御を行うための運転領域の他の例を示す説明図である。
【符号の説明】
１　エンジン本体
２Ａ〜２Ｄ　気筒
１５　吸気通路
２０　排気通路
２２　気筒間ガス通路
１６　分岐吸気通路（新気導入通路）
１８　新気導入弁
２５　切換弁
４２　ガス経路切換手段（運転モード制御手段）
４３　吸入空気量制御手段（空燃比制御手段）
４４　燃料噴射制御手段（空燃比制御手段）

Claims (5)

  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において、
    排気行程と吸気行程と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た既燃ガスを吸気行程にある後続気筒に導入させる気筒間ガス通路と、
    先行気筒の既燃ガスの導出方向を排気通路側と上記気筒間ガス通路側とに切り換える切換弁と、
    後続気筒に新気を導入させる新気導入通路を開閉する新気導入弁と、
    エンジンの部分負荷領域では、上記新気導入弁を閉弁するとともに、先行気筒から排出された既燃ガスの全てを気筒間ガス通路側に導出させるように切換弁を制御することにより２気筒接続状態とし、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導入されたリーン空燃比の既燃ガスに燃料を供給して後続気筒の燃焼を行わせる特殊運転モードの制御を実行し、上記部分負荷領域よりも高負荷側領域では、上記新気導入弁を開弁して、後続気筒内に上記既燃ガスと新気との両方を導入させるとともに、燃料を供給して後続気筒の燃焼を行わせる中間運転モードの制御を実行する運転モード制御手段と、
    後続気筒から排出される排気ガス中の酸素濃度が、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の空燃比を制御する空燃比制御手段とを備えたことを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置。
  2. 特殊運転モードの制御が実行されるエンジンの部分負荷領域では、エンジン負荷の増大に伴って先行気筒の空燃比をリーン空燃比から理論空燃比に向かって変化させ、この先行気筒の空燃比が理論空燃比となった運転領域よりも高負荷側で、先行気筒の空燃比を理論空燃比に設定し、この先行気筒から排出された既燃ガスを排気通路側と気筒間ガス通路側との両方に分配する中立位置に切換弁を制御して中間運転モードの制御を実行することを特徴とする請求項１記載の火花点火式エンジンの制御装置。
  3. 中間運転モードの制御を実行する運転領域よりもさらに高負荷ないし高回転の運転領域では、上記新気導入弁を開弁するとともに、先行気筒から排出された既燃ガスの全てを排気通路側に導出させるように切換弁を制御することにより、各気筒を独立して燃焼させる通常運転モードの制御を実行することを特徴とする請求項２記載の火花点火式エンジンの制御装置。
  4. 中間運転モードの制御を実行する運転領域で、エンジン負荷の増大に伴って排気通路側に導出される既燃ガス量を徐々に増大させるように切換弁の開度を変化させることを特徴とする請求項３記載の火花点火式エンジンの制御装置。
  5. 気筒間ガス通路と排気通路との接続部に設けられた回動式弁により上記切換弁を構成したことを特徴とする請求項４記載の火花点火式エンジンの制御装置。
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