(57)【要約】【課題】エンジンの負荷運転域に応じてリーン燃焼形態を選択し燃費改善効果の向上を図ると共に、一部の気筒では圧縮自己着火を効果的に行わせ、燃費及びエミッションの改善効果を高める。【解決手段】エンジンの負荷が大きくなるに応じて噴射される燃料の総噴射量を増大させるように制御する。後続気筒２Ｂ，２Ｃでは、特殊運転モードとされる運転域Ａの略全域において、圧縮自己着火により燃焼を行わせるように制御する。先行気筒２Ａ，２Ｄでは、中低負荷域Ａ１，Ａ２において噴射燃料を成層化させた状態で成層リーン燃焼を行わせるように制御する。高負荷側運転域Ａ３において、噴射燃料を分散化させた状態で均質リーン燃焼を行わせるように制御する。成層リーン燃焼では超リーン状態となるように空燃比が設定され、均質リーン燃焼では成層リーン燃焼における空燃比よりも小さい空燃比となるように燃料を噴射する。【選択図】        図３
2004169651.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各気筒の燃焼サイクルが所定の位相差をもって行われるようになっている多気筒の火花点火式４サイクルエンジンにおいて、エンジンの部分負荷域でエンジンの吸・排気及び燃焼状態についての制御モードを特殊運転モードとし、この特殊運転モードでは、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、上記先行気筒では空燃比が理論空燃比よりも大きい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て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であって、
エンジンの負荷が大きくなるに応じて上記先行気筒及び後続気筒の２気筒に噴射される燃料の総噴射量を増大させるように制御すると共に、
上記後続気筒では、上記特殊運転モードとされる運転域のうちの少なくとも一部運転域において、圧縮自己着火により燃焼を行わせるように制御し、
上記先行気筒では、上記後続気筒の圧縮自己着火が行われる運転域のうちの中低負荷域において噴射燃料を成層化させた状態で成層リーン燃焼を行わせるように制御する一方、この成層リーン燃焼が行われる運転域よりも高負荷側において、上記成層リーン燃焼時に比べて空燃比を小さい値とするとともに、噴射燃料を均一に分散化させた状態で均質リーン燃焼を行わせるように制御することを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置。
【請求項２】
上記先行気筒で均質リーン状態による燃焼が行われる高負荷側運転域では、上記先行気筒の空燃比を理論空燃比の略２倍もしくはそれよりも小さい値とする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。
【請求項３】
上記先行気筒で成層リーン燃焼が行われる中低負荷運転域のうちの低負荷運転域では、上記先行気筒の空燃比を理論空燃比の略２倍もしくはそれよりも小さい値とすることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の火花点火式エンジンの制御装置。
【請求項４】
上記先行気筒で成層リーン燃焼が行われる中低負荷運転域のうちの低負荷運転域では、上記後続気筒における圧縮自己着火が困難である場合に、上記先行気筒の空燃比を理論空燃比の略２倍もしくはそれよりも小さい値とし、かつ先行気筒での燃焼形態を成層リーン状態から上記均質リーン状態に移行して燃焼を行わせるように制御すると共に、上記後続気筒における点火方式を圧縮自己着火から強制点火に移行させるように制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の火花点火式エンジンの制御装置。
【請求項５】
上記先行気筒で均質リーン燃焼が行われる低負荷運転域では、エンジン負荷が低くなるのに応じて、上記先行気筒における燃焼の際の空燃比を小さくすることを特徴とする請求項４に記載の火花点火式エンジンの制御装置。
【請求項６】
エンジンの温度状態を判別する手段を備え、この温度状態判別手段は、上記後続気筒の温度に基づいて後続気筒での圧縮自己着火が困難であるか否かについて判別することを特徴とする請求項４または請求項５に記載の火花点火式エンジンの制御装置。
【請求項７】
上記先行気筒で均質リーン燃焼が行われる高負荷側運転域では、エンジン負荷が高くなるのに応じて、上記先行気筒の空燃比を小さくすることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の火花点火式エンジンの制御装置。
【請求項８】
各気筒の燃焼サイクルが所定の位相差をもって行われるようになっている多気筒の火花点火式４サイクルエンジンにおいて、エンジンの部分負荷域でエンジンの吸・排気及び燃焼状態についての制御モードを特殊運転モードとし、この特殊運転モードでは、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、上記先行気筒では空燃比が理論空燃比よりも大きい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て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であって、
エンジンの負荷が大きくなるに応じて上記先行気筒及び後続気筒の２気筒に噴射される燃料の総噴射量を増大させるように制御すると共に、
上記先行気筒では、上記特殊運転モードとされる運転域のうちの少なくとも一部運転域のうちの中低負荷域において噴射燃料を成層化させた状態で成層リーン燃焼を行わせるように制御する一方、この成層リーン燃焼が行われる運転域よりも高負荷側において、上記成層リーン燃焼時に比べて空燃比を小さい値とするとともに、噴射燃料を均一に分散化させた状態で均質リーン燃焼を行わせるように制御することを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【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、低回転低負荷域等では上記燃料噴射弁から圧縮行程で燃料を噴射することにより成層燃焼を行わせ、これによって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、上記特許文献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、例えば上記公報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１０−２７４０８５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浄化性能の確保のために上記リーンＮＯｘ触媒が必要となって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り、さらに、使用燃料が硫黄分を多く含む場合、上記リーンＮＯｘ触媒の硫黄被毒の解消のために触媒の加熱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。
【０００６】
しかも、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。
【０００７】
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上死点に燃焼室内を高温、高圧にして燃料を自己着火させるようにするものであり、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、燃費改善に有利となる。しかし、通常の火花点火式エンジン（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、圧縮自己着火を行わせるため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り、高負荷域でのノッキングを避けつつ、燃費改善が要求される部分負荷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。
【０００８】
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改善効果をもたせるべく、エンジンの部分負荷域で、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２００２−２９８３６号）。
【０００９】
本発明は、このような技術に基づき、さらに広い領域で効果的に後続気筒での圧縮自己着火による燃焼を行わせることができるようにし、燃費及びエミッションの改善効果を高め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。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
ここで、本願出願人は、鋭意研究の結果、気筒内で噴射燃料を成層化して希薄混合気を燃焼させる成層リーン燃焼と、気筒内で噴射燃料を均一に分散化して希薄混合気を燃焼させる均質リーン燃焼との間に、図５に示すような特色があることを知見するに至り、この特色を利用して、すなわちエンジンの運転状態に応じて２気筒接続状態にある場合における先行気筒での燃焼形態を成層リーン燃焼と均質リーン燃焼とに適宜切り換え制御することにより、さらに広い領域で効果的に後続気筒での圧縮自己着火による燃焼を行わせることができるようにし、燃費及びエミッションの改善効果を高めるようにしたものである。上記図５によれば、同一空燃比における既燃ガス温度は、均質リーン状態での燃焼よりも成層リーン燃焼の方が高いことが示されており、従って均質リーン燃焼が可能な空燃比の範囲では、既燃ガス温度が低い均質リーン燃焼が良好な熱効率を示すことを知見し得た。一方、均質リーン燃焼させる場合には、希薄混合気を着火させるため空燃比を大きくするにも限界があることを知見し得た。本発明は、このような成層リーン燃焼と均質リーン燃焼との特色を考慮し、各リーン状態での燃焼をエンジンの負荷に応じて切り換えることにより、上記目的を達成するようにしたものである。
【００１１】
すなわち、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って行われるようになっている多気筒の火花点火式４サイクルエンジンにおいて、エンジンの部分負荷域でエンジンの吸・排気及び燃焼状態についての制御モードを特殊運転モードとし、この特殊運転モードでは、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、上記先行気筒では空燃比が理論空燃比よりも大きい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て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であって、エンジンの負荷が大きくなるに応じて上記先行気筒及び後続気筒の２気筒に噴射される燃料の総噴射量を増大させるように制御すると共に、上記後続気筒では、上記特殊運転モードとされる運転域のうちの少なくとも一部運転域において、圧縮自己着火により燃焼を行わせるように制御し、上記先行気筒では、上記後続気筒の圧縮自己着火が行われる運転域のうちの中低負荷域において噴射燃料を成層化させた状態で成層リーン燃焼を行わせるように制御する一方、この成層リーン燃焼が行われる運転域よりも高負荷側において、上記成層リーン燃焼時に比べて空燃比を小さい値とするとともに、噴射燃料を均一に分散化させた状態で均質リーン燃焼を行わせるように制御することを特徴とするものである。
【００１２】
この発明によれば、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燃焼が行われるので、高温の既燃ガスにより供給燃料の気化が促進されると共に、上記特殊運転モードにおいて後続気筒で圧縮自己着火により燃焼が行われる場合には、圧縮自己着火によって燃焼室全体に亘り一気に燃焼して仕事に寄与しない遅い燃焼が避けられ、高い燃費改善効果が得られる。また、後続気筒では先行気筒からの既燃ガスが導入されることにより多量のＥＧＲ（排気再循環）が行われているのと同等の状態となることからＮＯｘの発生を十分に抑制して、排気ガスの浄化に寄与することになる。しかも、後続気筒から排気通路に排出されるガスは理論空燃比とすることができるため、後述するように先行気筒でリーン燃焼させる場合でも、三元触媒だけで充分な排気ガスの浄化が可能になると共に、比較的高価なリーンＮＯｘ触媒を必要としないので、コストの削減にも繋がる。
【００１３】
一方、先行気筒では、エンジンの部分負荷域において、空気が過剰に存在するリーン空燃比で燃焼が行われ、このリーン燃焼によって熱効率が高められると共にポンピングロスが低減され、大幅な燃費改善効果が得られる。しかも、先行気筒ではエンジンの負荷域により燃焼形態を切り換えるように制御するので、ノッキングを有効に防止しつつ、燃費の向上を適切に図ることができる。例えば、上記後続気筒で圧縮自己着火とされる運転域のうちの中低負荷域では、噴射燃料を成層化させた成層リーン燃焼を行わせるように制御するので、先行気筒の空燃比を超リーン状態とすることができ、これにより燃費改善が図られる。一方、この中低負荷域よりも高負荷側では、高負荷化による噴射燃料増大に伴って成層リーン燃焼時に比べて空燃比を小さい値とするとともに、噴射燃料を均一に分散化させた状態で均質リーン燃焼を行わせるので、均質リーン状態での燃焼温度が成層リーン状態での燃焼温度よりも低いことを有効に利用して先行気筒の既燃ガス温度の上昇を抑制しあるいは下げて、後続気筒におけるノッキングの発生を防止することができ、また同一空燃比における燃費特性が成層リーン状態の燃焼より良好な均質リーン状態での燃焼に切り換えることにより先行気筒での燃費向上を図ることができる。従って、後続気筒の圧縮自己着火が可能な領域を広げることができ、燃費改善効果を高めることができる。
【００１４】
この発明において、上記先行気筒で均質リーン状態による燃焼が行われる高負荷側運転域では、上記先行気筒の空燃比を理論空燃比の略２倍もしくはそれよりも小さい値とするのが好ましい。均質リーン状態で空燃比値が、所定以上になると着火が困難となり、失火が懸念されるが、このように構成すれば、上記均質リーン状態でも確実に着火してその燃焼を安定させることができる。
【００１５】
また、この発明において、上記先行気筒で成層リーン燃焼が行われる中低負荷運転域のうちの低負荷運転域では、上記先行気筒の空燃比を理論空燃比の略２倍もしくはそれよりも小さい値とするのが好ましい。このように構成すれば、リーン状態のなかでも先行気筒で比較的多くの燃料を燃焼させることにより、先行気筒から後続気筒に導入される既燃ガス温度を上昇させることができるので、後続気筒の圧縮自己着火の可能な範囲を低負荷域側に広げることができる。
【００１６】
ところで、上記先行気筒で成層リーン燃焼が行われる中低負荷運転域のうちの低負荷運転域では、例えば十分にエンジンが暖機されておらず、そのため後続気筒の燃焼室内温度が低いこと等に起因して、その圧縮自己着火が困難な場合がある。このような場合には、上記先行気筒の空燃比を理論空燃比の略２倍もしくはそれよりも小さい値とし、かつ先行気筒での燃焼形態を成層リーン状態から上記均質リーン状態に移行させるように制御すると共に、上記後続気筒における点火方式を圧縮自己着火から強制点火に移行して燃焼を行わせるように制御するのが好ましい。このように構成すれば、先行気筒の空燃比をリッチ化し、その既燃ガスを高温化することができるので、後続気筒内温度を上昇させて後続気筒での圧縮自己着火を早期に実現できる。一方、先行気筒での空燃比が小さくなるのに伴い燃費の悪化が懸念されるが、燃焼形態を成層リーン状態から燃費特性がより良好な均質リーン状態に切り換えることにより燃費の悪化を抑制している。
【００１７】
この燃焼形態を切り換える場合には、上記先行気筒で均質リーン状態による燃焼が行われる低負荷運転域で、エンジン負荷が低くなるのに応じて、上記先行気筒における燃焼の際の空燃比を小さくするのが好ましい。このように構成すれば、例えば低負荷側ほど先行気筒に対する燃料の噴射量を増大させ、既燃ガス温度の上昇による後続気筒の早期圧縮自己着火を実現することができる。
【００１８】
また、上記燃焼形態を切り換える場合には、エンジンの温度状態を判別する手段を備え、この温度状態判別手段は、上記後続気筒の温度に基づいて後続気筒での圧縮自己着火が困難であるか否かについて判別するのが好ましい。このように構成すれば、エンジン暖機後で比較的エンジン温度が低くても、後続気筒で自己着火が困難な状況にあるか否かを正確に判別することができる。従って、エンジンの運転域が低負荷域である場合でも、エンジン温度が比較的高いと、後続気筒での自己着火が可能であり、その場合には、燃焼形態及び点火方式を元に戻し、すなわち燃焼形態を均質リーン状態から成層リーン状態に移行すると共に、点火方式を強制点火から圧縮自己着火に移行して、燃費のさらなる向上を図ることができる。
【００１９】
また、この発明において、上記先行気筒で均質リーン状態による燃焼が行われる高負荷側運転域では、エンジン負荷が高くなるのに応じて、上記先行気筒の空燃比を小さくするのが好ましい。このように構成すれば、燃料噴射量の増大に伴いＥＧＲも増大し、このためノッキングを一層有効に防止することができる。
【００２０】
一方、請求項８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って行われるようになっている多気筒の火花点火式４サイクルエンジンにおいて、エンジンの部分負荷域でエンジンの吸・排気及び燃焼状態についての制御モードを特殊運転モードとし、この特殊運転モードでは、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、上記先行気筒では空燃比が理論空燃比よりも大きい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て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であって、エンジンの負荷が大きくなるに応じて上記先行気筒及び後続気筒の２気筒に噴射される燃料の総噴射量を増大させるように制御すると共に、上記先行気筒では、上記特殊運転モードとされる運転域のうちの少なくとも一部運転域のうちの中低負荷域において噴射燃料を成層化させた状態で成層リーン燃焼を行わせるように制御する一方、この成層リーン燃焼が行われる運転域よりも高負荷側において、上記成層リーン燃焼時に比べて空燃比を小さい値とするとともに、噴射燃料を均一に分散化させた状態で均質リーン燃焼を行わせるように制御することを特徴とするものである。
【００２１】
この発明によれば、先行気筒では、エンジンの部分負荷域において、空気が過剰に存在するリーン空燃比で燃焼が行われ、このリーン燃焼によって熱効率が高められると共にポンピングロスが低減され、後続気筒において圧縮自己着火させると否とにかかわらず、大幅な燃費改善効果が得られる。しかも、先行気筒ではエンジンの負荷域により燃焼形態を切り換えるように制御するので、すなわち、特殊運転モードとされる運転域のうちの中低負荷域では、噴射燃料を成層化させた成層リーン燃焼を行わせるように制御するので、先行気筒の空燃比を超リーン状態とすることができ、これにより燃費改善が図られる。一方、この中低負荷域よりも高負荷側では、高負荷化による噴射燃料増大に伴って成層リーン時に比べて空燃比を小さい値とするとともに、この噴射燃料を均一に分散化させた均質リーン燃焼を行わせるので、先行気筒の既燃ガス温度の上昇を抑制しあるいは下げて、後続気筒におけるノッキングの発生を防止することができ、また同一空燃比燃費特性が成層リーン状態の燃焼より良好な均質リーン状態での燃焼に切り換えることにより先行気筒での燃費向上を図ることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
【００２３】
図１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、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。
【００２４】
各気筒２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。
【００２５】
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、所定の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、この燃料噴射弁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、圧縮行程での燃焼室内の圧力よりも高い燃料圧力を与え得るように燃料供給系統が構成されている。
【００２６】
また、各気筒２Ａ〜２Ｄの燃焼室４に対して吸気ポート１１、１１ａ，１１ｂ及び排気ポート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及び排気弁３２、３２ａ，３２ｂにより開閉されるようになっている。
【００２７】
そして、各気筒が所定の位相差をもって吸気、圧縮、膨張、排気の各行程からなるサイクルを行うようになっており、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６ないし図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ようになっている。なお、図６ないし図８は４サイクル４気筒エンジンにおける各気筒の行程、燃料噴射時期、点火時期等を示すもので、後に詳述するように図６は特殊運転モードにおいて先行気筒で成層リーン燃焼とされ後続気筒で圧縮自己着火とされる場合、図７は上記特殊運転モードにおいて先行気筒で均質リーン燃焼とされ後続気筒で強制点火とされる場合、図８は特殊運転モードにおいて先行気筒で均質リーン燃焼とされ後続気筒で圧縮自己着火とされる場合を示している。これらの図において、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。
【００２８】
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）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６ないし図８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、及び、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及び４番気筒２Ｄが先行気筒、２番気筒２Ｂ及び３番気筒２Ｃが後続気筒となる。
【００２９】
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。
【００３０】
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及び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３２とが配設されている。
【００３１】
図１に示す例では、１番，４番気筒２Ａ，２Ｄにおける吸気ポート１１および２番，３番気筒２Ｂ，２Ｃにおける第１吸気ポート１１ａが、１気筒当り２個ずつ、燃焼室の左半部側に並列的に設けられる一方、１番，４番気筒２Ａ，２Ｄにおける第１排気ポート１２ａ及び第２排気ポート１２ｂならびに２番，３番気筒２Ｂ，２Ｃにおける第２吸気ポート１１ｂ及び排気ポート１２が、燃焼室の右半部側に並列的に設けられている。
【００３２】
１番，４番気筒２Ａ，２Ｄにおける吸気ポート１１および２番，３番気筒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。
【００３３】
１番，４番気筒２Ａ，２Ｄにおける第１排気ポート１２ａおよび２番，３番気筒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との間及び３番気筒２Ｃと４番気筒２Ｄとの間に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の下流端が接続されている。
【００３４】
上記気筒間ガス通路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、先行気筒から排出されるガスがこの通路２２を通る間の放熱は比較的小さく抑えられるようになっている。
【００３５】
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。さらにＯ２センサ２３の下流の排気通路２１には排気浄化のために三元触媒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。
【００３６】
各気筒の吸・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。
【００３７】
１番，４番気筒２Ａ，２Ｄにおける吸気ポート１１、第１排気ポート１２ａ及び第２排気ポート１２ｂにはそれぞれ吸気弁３１、第１排気弁３２ａ及び第２排気弁３２ｂが設けられ、また、２番，３番気筒２Ｂ，２Ｃにおける第１吸気ポート１１ａ、第２吸気ポート１１ｂ及び排気ポート１２にはそれぞれ第１吸気弁３１ａ、第２吸気弁３１ｂ及び排気弁３２が設けられている。そして、各気筒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。
【００３８】
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及び第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の作動が弁に伝えられなくなることで弁が停止されるようになっている。
【００３９】
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、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がそれぞれ設けられている（図３参照）。
【００４０】
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及びＯ２センサ２３からの信号が入力されるとともに、エンジンの冷却水温度を検出する水温センサ５１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５２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５３等からの信号も入力されている。また、この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１８と、上記第１，第２のコントロール弁３７，３９とに対して制御信号が出力されている。
【００４１】
上記ＥＣＵ４０は、運転状態判別手段４１、温度状態判別手段４２、モード設定手段４３、弁停止機構制御手段４４、吸入空気量制御手段４５、燃焼制御手段４６を備えている。
【００４２】
上記運転状態判別手段４１は、図４に示すように、エンジンの運転域が低速低負荷側の領域Ａ（部分負荷域）と高速側ないし高負荷側の領域Ｂとに分けられた制御用マップを有し、低速低負荷側の領域Ａを特殊運転モード領域、高速側ないし高負荷側の領域Ｂを通常運転モード領域とする。そして、上記回転数センサ５２及びアクセル開度センサ５３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）が上記領域Ａ、Ｂのいずれにあるかを判別する。
【００４３】
さらに運転状態判別手段４１は、運転状態が特殊運転モード領域Ａにある場合に、この領域Ａのうちの低負荷側運転域Ａ１、中間負荷側運転域Ａ２、高負荷側運転域Ａ３のいずれにあるかを判別するようになっている。
【００４４】
上記温度状態判別手段４２は、水温センサ５１からの信号によってエンジンの温度状態を判別するものであり、このエンジンの温度、特に後続気筒の温度に基づいて後続気筒での圧縮自己着火が困難であるか否かを判別するものである。すなわち、上記温度状態判別手段４２は、水温（エンジン温度）が所定値以下の低温時か、所定温度よりも高い高温時かを判別するようになっている。なお、この温度状態判別手段４１は、水温センサ５１からの信号によってエンジンの温度状態を判別するものが採用されているが、その他、エンジンの温度状態を直接的或いは間接的に判別するもの、例えば排気ガス温度センサを設け、気筒から排出される排気ガスによりエンジンの温度状態を判別するものであってもよい。
【００４５】
上記モード設定手段４３は、運転状態判別手段４１による判別に基づき、上記特殊運転モード領域Ａでは、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吸気行程にある後続気筒に導入して燃焼させる特殊運転モードを選択し、上記通常運転モード領域Ｂでは、各気筒をそれぞれ独立させ燃焼させる通常運転モードを選択する。
【００４６】
また、モード設定手段４３は、後続気筒２Ｂ，２Ｃに対しては圧縮自己着火モードと強制点火モードとの間で燃焼形態を切り換えるように設定される一方、先行気筒２Ａ，２Ｄに対しては成層リーン燃焼モードと均質リーン燃焼モードとの間で燃焼形態を切り換えるように設定される。
【００４７】
すなわち、モード設定手段４３により特殊運転モードが選択され、かつ上記運転状態判別手段４１によりエンジンの運転域が低負荷側運転域Ａ１にあると判別された場合に、温度状態判別手段４２によるエンジンの温度状態の判別に基づき、低温時には後続気筒２Ｂ，２Ｃでの圧縮自己着火が困難であるとしてこの後続気筒２Ｂ，２Ｃでの燃焼を強制点火により行わせる強制点火モードを選択し、高温時には後続気筒での圧縮自己着火が可能であるとして後続気筒での燃焼を圧縮自己着火により行わせる圧縮自己着火モードを選択するようになっている。つまり、例えばエンジンの暖機が十分になされておらず、そのため後続気筒２Ｂ，２Ｃの燃焼室温度が低い場合があり、このような場合でも後続気筒２Ｂ，２Ｃで圧縮自己着火による燃焼を継続すると、失火等安定した燃焼が確保できない虞がある。従って、このような場合には、上記のように強制点火モードを選択して安定した燃焼を確保するものとなされている。
【００４８】
一方、モード設定手段４３は、特殊運転モードとし、かつ上記運転状態判別手段４１によりエンジンの運転域が中低負荷側運転域Ａ１，Ａ２にあると判別された場合に、先行気筒２Ａ，２Ｄでの燃焼を成層リーン状態とする成層リーン燃焼モードを選択し、この成層リーン燃焼モードが選択される運転域よりもエンジンの負荷が高負荷側運転域Ａ３にある場合に、先行気筒２Ａ，２Ｄでの燃焼を均質リーン状態とする均質リーン燃焼モードを選択するようになっている。また、上記成層リーン燃焼モードが採用される中低負荷側運転域Ａ１，Ａ２でも、強制点火モードが選択されている場合には、均質リーン燃焼モードに移行するものとなされている。ここで、成層リーン燃焼とは、噴射燃料を成層化して希薄混合気を燃焼させる燃焼形態をいう一方、均質リーン燃焼とは、噴射燃料を均一に分散化して希薄混合気を燃焼させる燃焼形態をいう。このように、先行気筒２Ａ，２Ｄにおいてエンジンの負荷域により燃焼形態を成層リーン燃焼と均質リーン燃焼との間で切り換えるように、すなわち成層リーン燃焼モードと均質リーン燃焼モードとの間で切り換えるように制御するのは、各燃焼形態における次のような特性に基づく。
【００４９】
図５は、成層リーン燃焼と均質リーン燃焼とにおける、同一負荷下での既燃ガス温度と空燃比との関係を示す。この図５によれば、同一空燃比における既燃ガス温度は、均質リーン燃焼よりも成層リーン燃焼の方が高いことが分かる。従って、後続気筒２Ｂ，２Ｃに高温の既燃ガスを導入する場合には先行気筒２Ａ，２Ｄでの燃焼形態は成層リーン燃焼が適し、逆に後続気筒２Ｂ，２Ｃの温度を上昇させたくない場合には先行気筒２Ａ，２Ｄでの燃焼形態は均質リーン燃焼が適する。また、このように同一空燃比における既燃ガス温度が異なることから、均質リーン燃焼が成層リーン燃焼に比べて熱効率が優れ、従って良好な燃費特性を発揮するが、一方において均質リーン燃焼は、空燃比が大きくなるにつれ、すなわち超リーン状態になるにつれ、着火困難となることから空燃比を大きくするにも限界がある。従って、燃費向上のためには、均質リーン燃焼が可能な空燃比の範囲では、燃費特性に優れる均質リーン燃焼が適し、この範囲を超える場合には、超リーン空燃比の設定が可能な成層リーン燃焼が適する。さらに、成層リーン燃焼および均質リーン燃焼は、共に空燃比が小さくなるにつれ、既燃ガス温度が上昇していることが示されている。従って、後続気筒２Ｂ，２Ｃをより高温にするためには、いずれの燃焼形態でも小さい空燃比に設定するのがよい。なお、エンジンの負荷域と採用される燃焼形態との関係は、後述する。
【００５０】
上記弁停止機構制御手段４４は、モード設定手段４３によるモードの設定に応じ、特殊運転モードでは気筒間ガス通路２２を介して先行気筒の既燃ガスを後続気筒に導入させる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制３５を制御するもので、具体的には運転状態が領域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。
領域Ａ：（特殊運転モード）
第１排気弁３２ａ及び第１吸気弁３１ａを停止状態
第２排気弁３２ｂ及び第２吸気弁３１ｂを作動状態
領域Ｂ：（通常運転モード）
第１排気弁３２ａ及び第１吸気弁３１ａを作動状態
第２排気弁３２ｂ及び第２吸気弁３１ｂを停止状態
【００５１】
上記吸入空気量制御手段４５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運転領域Ａでは、先行気筒（１番、４番気筒２Ａ，２Ｄ）において分岐吸気通路１６から導入された過剰空気とエンジンの運転状態に応じて供給される燃料との比（空燃比）がリーン（成層リーン、均質リーンを含む。）空燃比とされつつ、燃焼が行われるので、先行、後続の２気筒分の要求トルク、各気筒の所定の燃焼状態を実現するために必要な量の空気（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、スロットル開度が調節される。
【００５２】
上記燃焼制御手段４６は、燃料噴射制御手段４６ａと着火制御手段４６ｂとからなっている。
【００５３】
燃料噴射制御手段４６ａは、燃料噴射制御手段４６ａ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。燃料噴射制御手段４６ａは、エンジンの負荷が増大するのに応じて上記先行気筒２Ａ，２Ｄおよび後続気筒２Ｂ，２Ｃの２気筒に噴射される燃料の総噴射量を増大させるように調整しつつ、この特殊運転モードにおいて一対の気筒の両方に対する燃料噴射量の和が先行気筒２Ａ，２Ｄに導入される空気の量に対して理論空燃比となる量に調整する。本実施形態では、この燃料噴出制御手段４６ａによる先行気筒２Ａ，２Ｄでの空燃比を、上記特殊運転モードとされる運転領域Ａにおける中負荷運転域Ａ２では、図１１に示すように、一定になるように設定される一方、この中低負荷運転域Ａ２よりも高負荷側運転域Ａ３或いは低負荷側運転域Ａ１では、エンジン負荷が高くなるに応じ或いは低くなるに応じて、上記中負荷運転域Ａ２に比べ順次減少するように設定される。
【００５４】
着火制御手段４６ｂは、運転状態に応じて、先行気筒２Ａ，２Ｄや後続気筒２Ｂ，２Ｃにおける点火時期の制御および点火停止等の制御を行う。
【００５５】
そして、この燃焼制御手段４６は、上記モード設定手段４３により設定されるモードに応じ、燃焼状態の制御（燃料の制御及び点火の制御）が変更され、先行気筒２Ａ，２Ｄおよび後続気筒２Ｂ，２Ｃでの燃焼形態を適宜切り換えるものとなされている。
【００５６】
すなわち、モード設定手段４３により成層リーン燃焼モードが選択された場合に、先行気筒２Ａ，２Ｄに対しては、空燃比が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（Ａ／Ｆ≒３０）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時期を設定し、かつ、圧縮上死点付近で強制点火を行わせるように点火時期を設定する。
【００５７】
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、後続気筒２Ｂ，２Ｃでの燃焼の際に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。そして、この特殊運転モードの中で後続気筒２Ｂ，２Ｃ内の温度が比較的高くて圧縮自己着火モードが選択されたときは、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時期を設定するとともに、圧縮自己着火を行わせるべく、強制点火を停止させる。また、後続気筒２Ｂ，２Ｃ内温度が比較的低くて強制点火モードが選択されたときは、圧縮行程で燃料を噴射するように噴射時期を設定するとともに、圧縮上死点付近の所定時期に強制点火を行わせるように点火時期を設定する。そして、上記強制点火モードが選択されたときは、先行気筒２Ａ，２Ｄでの燃焼形態を成層リーン燃焼モードから均質リーン燃焼モードに移行して、先行気筒２Ａ，２Ｄに対して、空燃比が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倍もしくはそれよりも小さ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、吸気行程で燃料を噴射して混合気を均一に分散して均質化を行わせるように噴射時期を設定し、かつ、圧縮上死点付近で強制点火を行わせるように点火時期を設定する。
【００５８】
そして、特殊運転モードにおいて、エンジンの負荷の増大に伴い先行気筒２Ａ，２Ｄおよび後続気筒２Ｂ，２Ｃに対する燃料の総噴射量も増大するのに応じて成層リーン燃焼モードから均質リーン燃焼モードに移行（Ａ２からＡ３に移行）した場合、先行気筒２Ａ，２Ｄに対しては、上記成層リーン燃焼（成層リーン燃焼モード）時に比べ空燃比が小さい値となるように、燃料噴射量等を制御するとともに、吸気行程で燃料を噴射して混合気を均一に分散して均質化を行わせるように噴射時期を設定し、かつ、圧縮上死点付近で強制点火を行わせるように点火時期を設定する。一方、後続気筒２Ｂ，２Ｃに対しては、上記圧縮自己着火モードが選択され、上記同様、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時期を設定するとともに、圧縮自己着火を行わせるべく、強制点火を停止させる。
【００５９】
具体的には、上記のように均質リーン燃焼モードに移行した場合には、先行気筒２Ａ，２Ｄに対しては、上記成層リーン燃焼（成層リーン燃焼モード）における空燃比よりも小さい空燃比、すなわち成層リーン状態での燃焼よりもリッチ化して均質リーン状態で燃焼を行わせる。このときの空燃比は、上記したように、理論空燃比よりも大きいリーン空燃比で、好ましくは理論空燃比の略２倍もしくはそれよりも小さい値、すなわち空気過剰率λでいえば１以上で、好ましくは２以下に設定する。
【００６０】
一方、通常運転モードが選択された場合には、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、例えばこの運転領域Ｂのうちの大部分の領域において理論空燃比とし、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時期を設定し、かつ、各気筒２Ａ〜２Ｄとも強制点火を行わせるようにする。
【００６１】
以上のような本実施形態の装置の作用を、図６〜図１０を参照しつつ説明する。
【００６２】
低速低負荷側の特殊運転モード領域Ａでは、特殊運転モードとされ、前述のように第１排気弁３２ａ及び第１吸気弁３１ａが停止状態、第２排気弁３２ｂ及び第２吸気弁３１ｂが作動状態とされることにより、実質的な新気及びガスの流通経路は図９に示すようになり、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、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る（図９中の矢印ａ）。
【００６３】
そして、この特殊運転モード領域Ａのうちの中低負荷側運転域Ａ１，Ａ２では、モード設定手段４３により先行気筒２Ａ，２Ｄでの燃焼形態が成層リーン状態での燃焼形態（成層リーン燃焼モード）が選択され、先行気筒２Ａ，２Ｄでは空燃比が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２倍よりも大きい空燃比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、成層リーン燃焼が行われる（図６参照）。
【００６４】
すなわち、エンジンの中低負荷側運転域Ａ１，Ａ２において、先行気筒２Ａ，２Ｄで成層リーン燃焼を行わせることにより、比較的トルクが要求されないこの中低負荷側運転域Ａ１，Ａ２において超リーン状態で燃焼させることができ、燃費特性を改善することができる。しかも、成層リーン状態で燃焼させる場合には、均質リーン状態で燃焼させる場合に比べて既燃ガス温度が高温であるため、後続気筒２Ｂ，２Ｃでの圧縮自己着火を円滑かつ安定して行わせることができる。
【００６５】
そして、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６中の白抜き矢印及び図９中の矢印ｂ）。これらの後続気筒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燃焼が行われる。
【００６６】
この場合、原則として、圧縮自己着火モードが選択され、図６に示すように、後続気筒２Ｂ，２Ｃでは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が充分に高温、高圧の状態となって、圧縮自己着火が良好に行われる。
【００６７】
すなわち、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。しかも、先行気筒２Ａ，２Ｄでは、成層リーン状態での燃焼が行われていることから、均質リーン状態での燃焼に比べ、図５に示すように、既燃ガス温度が高温であるために後続気筒２Ｂ，２Ｃでの圧縮自己着火を確実に行うことができる。
【００６８】
このように、先行気筒２Ａ，２Ｄでは、リーン燃焼により熱効率が高められるとともに、リーン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。
【００６９】
しかも、後続気筒２Ｂ，２Ｃから排気通路２０に排出されるガスは理論空燃比であるため、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。
【００７０】
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。
【００７１】
ところで、上述したように、エンジン温度、特に後続気筒２Ｂ，２Ｃのエンジン温度は、常時または少なくともエンジンの低負荷運転域Ａ１において水温センサ５１により検出されており、この水温センサ５１による検出結果が後続気筒２Ｂ，２Ｃで安定した圧縮自己着火し得る所定温度よりも低い場合には、温度状態判別手段４２により後続気筒２Ｂ，２Ｃでの圧縮自己着火が困難であるとして判断され、モード設定手段４３により圧縮自己着火モードから強制点火モードに移行され、図７に示すように、後続気筒２Ｂ，２Ｃでは圧縮行程で燃料が噴射され、所定点火時期に強制点火が行われて燃焼が行われる。
【００７２】
このとき、モード設定手段４３によって先行気筒２Ａ，２Ｄでの燃焼形態も成層リーン燃焼モードから均質リーン燃焼モードに切り換えられる。すなわち、特殊運転モード領域Ａのうちの低負荷運転域Ａ１であっても、温度状態判別手段４２により後続気筒２Ｂ，２Ｃでの圧縮自己着火が困難であると判断された場合には、モード設定手段４３により先行気筒２Ａ，２Ｄでの燃焼形態が成層リーン燃焼から均質リーン燃焼に移行され、先行気筒２Ａ，２Ｄでは空燃比が成層リーン燃焼時に比べ小さい空燃比値に設定し、つまり成層リーン状態よりもリッチ化しつつ、先行気筒２Ａ，２Ｄでの空燃比が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倍もしくはそれよりも小さい空燃比となるように燃料噴射量が制御されると共に吸気行程で燃料が噴射される。このように吸気行程で燃料が噴射されると、気流によって燃焼室内に均一に分散して燃料の分布が均質になる。そして、所定点火時期に点火が行われて、均質リーン状態での燃焼が行われる（図７参照）。
【００７３】
すなわち、エンジンの低負荷側運転域Ａ１において、後続気筒２Ｂ，２Ｃのエンジン温度が所定温度よりも低い場合には、後続気筒２Ｂ，２Ｃでの圧縮自己着火が安定して行われないので、後続気筒２Ｂ，２Ｃでは強制点火により燃焼を行わせる一方、先行気筒２Ａ，２Ｄでは後続気筒２Ｂ，２Ｃでの圧縮自己着火を早期に実現すべく、空燃比をリッチ化して高温の既燃ガスを後続気筒２Ｂ，２Ｃに導入するものとなされている。
【００７４】
このように、先行気筒の空燃比をリッチ化することにより、その既燃ガスを高温化することができ、このため後続気筒内温度を上昇させて後続気筒での圧縮自己着火を早期に実現できる。一方、先行気筒での空燃比が小さくなるのに伴い燃費の悪化が懸念されるが、燃焼形態を成層リーン燃焼から燃費特性がより良好な均質リーン燃焼に切り換えることにより燃費の悪化を抑制している。
【００７５】
ところで、図５によれば、空燃比が小さい場合でも成層リーン燃焼の方が均質リーン燃焼よりも高温の既燃ガスを後続気筒２Ｂ，２Ｃに導入することができて、成層リーン状態での燃焼の方が後続気筒２Ｂ，２Ｃでの圧縮自己着火を早期に実現可能なことが示されている。しかしながら、この場合には、ＨＣの排出量が増加し、燃費特性の悪化が懸念されるので、燃費特性の向上と、後続気筒２Ｂ，２Ｃでの圧縮自己着火の早期実現のバランスを図る場合には、本実施形態のように先行気筒２Ａ，２Ｄで均質リーン状態での燃焼を行わせるのが好ましい。
【００７６】
また、エンジンの低負荷側運転域Ａ１においては、図１１に示すように、エンジン負荷が低くなるのに応じて、先行気筒２Ａ，２Ｄにおける燃焼の際の空燃比が小さくなるように制御している。すなわち、エンジンの負荷が低ければ低いほど、後続気筒２Ｂ，２Ｃ内温度も低くなるものと考えられ、このような場合には燃料の噴射量を増大させてよりリッチ化するように制御している。これにより、先行気筒２Ａ，２Ｄにおける既燃ガス温度を上昇させ、後続気筒２Ｂ，２Ｃの圧縮自己着火をその燃費悪化を招くことなく円滑かつ安定して行い得るものとなされている。
【００７７】
そして、エンジンの負荷が徐々に増大し、エンジンの中負荷運転域Ａ２では、先行気筒２Ａ，２Ｄにおいて一定の空燃比で超リーン状態での燃焼が行われ、さらにエンジンの負荷が増大してエンジンの高負荷側運転域Ａ３では、先行気筒２Ａ，２Ｄにおいて徐々に空燃比を小さくして均質リーン状態での燃焼が行われる。
【００７８】
具体的には、上記特殊運転モード領域Ａのうち高負荷側運転域Ａ３では、モード設定手段４３により先行気筒２Ａ，２Ｄでの燃焼形態が均質リーン燃焼（均質リーン燃焼モード）が選択され、先行気筒２Ａ，２Ｄでは空燃比が成層リーン燃焼時に比べて空燃比を小さい値とし、つまり成層リーン状態よりもリッチ化しつつ、先行気筒２Ａ，２Ｄでの空燃比が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倍もしくはそれよりも小さい空燃比となるように燃料噴射量が制御されると共に吸気行程で燃料が噴射される。このように吸気行程で燃料が噴射されると、気流によって燃焼室内に均一に分散して燃料の分布が均質になる。そして、所定点火時期に点火が行われて、均質リーン状態での燃焼が行われる（図８参照）。
【００７９】
すなわち、エンジンの負荷が高負荷になるほど、一般的にトルクが要求されるようになり、燃料噴射量が増大する。この燃料噴射量の増大に伴って、空燃比はおのずと均質リーン状態での着火が可能な範囲にまで小さくなり、リッチ化される。この均質リーン状態での着火が可能な範囲にまで空燃比が小さくなった場合には、成層リーン燃焼よりも既燃ガス温度が低く、燃費特性が良好な均質リーン燃焼に移行させる。
【００８０】
このように、高いトルクが要求される高負荷側運転域Ａ３では、一般にエンジン温度が高くなり、ノッキングの発生が懸念され、このような場合に既燃ガス温度が成層リーン状態での燃焼に比べて低い均質リーン状態での燃焼に切り換えることにより、ノッキングの発生を効果的に抑制することができる。しかも、均質リーン状態での燃焼は、同一負荷、および同一空燃比での燃費特性は成層リーン状態での燃焼よりも優れており、従って高いトルクが要求され噴射燃料が増大する高負荷側運転域Ａ３では均質リーン状態での燃焼を採用することにより燃費特性の大幅な向上を図ることができる。
【００８１】
また、高負荷側運転域Ａ３では、エンジン負荷が高くなるのに応じて、先行気筒２Ａ，２Ｄにおける燃焼の際の空燃比を小さくしているので、燃料噴射量の増大に伴いＥＧＲも増大してノッキングをより効果的に抑制することができる。
【００８２】
一方、高速側ないし高負荷側の運転領域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及び第１吸気弁３１ａが作動状態、第２排気弁３２ｂ及び第２吸気弁３１ｂが停止状態とされることにより、実質的な新気及びガスの流通経路は図１０に示すようになり、各気筒２Ａ〜２Ｄの吸気ポート３１，３１ａ及び排気ポート１２ａ，１２が独立し、吸気通路１５から各気筒２Ａ〜２Ｄの吸気ポート３１，３１ａに新気が導入されるとともに各気筒２Ａ〜２Ｄの排気ポート３１，３１ａから排気通路２０に既燃ガスが排出される。そしてこの場合は、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及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。
【００８３】
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、種々変更可能である。他の実施形態を以下に説明する。
【００８４】
▲１▼上記実施形態では、特殊運転モードにおいて圧縮自己着火モードと強制点火モードとを切り換えて使用されるものを説明したが、このような切り換えを行わず特殊運転モードにおいて後続気筒２Ｂ，２Ｃで圧縮自己着火を継続して行わせるようにしてもよい。
【００８５】
また、エンジンの運転状態の如何に拘わらず、後続気筒２Ｂ，２Ｃで圧縮自己着火を行せることなく常に強制点火により燃焼させるものであってもよい。
【００８６】
すなわち、特殊運転モードとされる運転域の全域で強制点火により燃焼が行われる場合、すなわち特殊運転モードとされる運転域のうちの少なくとも一部運転域における中低負荷域において噴射燃料を成層化する成層リーン状態で燃焼を行わせるように制御する一方、少なくとも一部運転域のうちの成層リーン状態による燃焼が行われる運転域よりも高負荷側において、上記成層リーン状態における空燃比よりも小さい空燃比となるように燃料を噴射し、この噴射燃料を均一に分散化する均質リーン状態で燃焼を行わせるように制御するように構成してもよい。この場合には、中低負荷側運転域Ａ１，Ａ２では、成層リーン状態での燃焼を行わせ、超リーン状態での燃焼による燃費特性の改善を向上させる一方、高負荷側運転域Ａ３では、後続気筒に導入される既燃ガス温度の上昇を抑制し或いは下げて、後続気筒におけるノッキングの発生を抑制することができ、しかも成層リーン状態での燃焼よりも良好な燃費特性を示す均質リーン状態での燃焼により燃費を向上させることができる。
【００８７】
▲２▼上記実施形態では、先行気筒２Ａ，２Ｄでは強制点火による燃焼が行われるように構成しているが、先行気筒２Ａ，２Ｄにおいても圧縮自己着火による燃焼と強制点火による燃焼をエンジンの温度状態等に応じて切り換えて行わせるものであってもよい。
【００８８】
▲３▼特殊運転モードのうちの後続気筒が圧縮自己着火モードとされるときに、上記実施形態では単に後続気筒２Ｂ，２Ｃに対する点火を停止しているが、後続気筒２Ｂ，２Ｃに対し、強制点火とする場合の点火時期よりも所定量リタードした時期にバックアップのための点火を行わせるようにしてもよい。このバックアップのための点火は、圧縮上死点より後であって、圧縮上死点の近傍に設定すればよい。
【００８９】
このようにすれば、圧縮自己着火モードにおいて、何らかの原因で圧縮自己着火が良好に行われないような事態が生じた場合でも、上記バックアップのための点火により着火燃焼が行われ、トルク変動が避けられるとともに、エミッションの悪化が防止される。
【００９０】
▲４▼基本実施形態では弁停止機構を用いて２気筒接続状態と各気筒独立状態とに吸・排気流通状態を切換可能としているが、吸・排気通路及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換え得るようにしておいてもよい。
【００９１】
▲５▼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。
【００９２】
【発明の効果】
以上のように請求項１記載の発明の制御装置によると、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燃焼が行われるので、高温の既燃ガスにより供給燃料の気化が促進されると共に、上記特殊運転モードにおいて後続気筒で圧縮自己着火により燃焼が行われる場合には、高い燃費改善効果が得られる。また、後続気筒では先行気筒からの既燃ガスが導入されることにより多量のＥＧＲ（排気再循環）が行われているのと同等の状態となることからＮＯｘの発生を十分に抑制して、排ガスの浄化に寄与することになる。しかも、先行気筒でリーン燃焼させる場合でも、三元触媒だけで充分な排気ガスの浄化が可能になると共に、比較的高価なリーンＮＯｘ触媒を必要としないので、コストの削減にも繋がる。
【００９３】
一方、先行気筒では、エンジンの部分負荷域において、空気が過剰に存在するリーン空燃比で燃焼が行われ、このリーン燃焼によって熱効率が高められると共にポンピングロスが低減され、大幅な燃費改善効果が得られる。しかも、先行気筒ではエンジンの負荷域により燃焼形態を切り換えるように制御するので、ノッキングを有効に防止しつつ、燃費の向上を適切に図ることができる。すなわち、中低負荷側運転域では成層リーン燃焼を選択することにより、超リーン状態で燃焼させて燃費を大幅に向上させることができ、しかも２気筒接続状態において比較的高温の既燃ガスを後続気筒に導入することができ、後続気筒での上記圧縮自己着火を円滑かつ安定して行わせることができる。一方、高負荷側運転域では高負荷に伴い噴出燃料が増大して空燃比が小さくなることを有効に利用し、熱効率に優れる均質リーン燃焼を選択することにより、燃費を向上させることができ、しかも２気筒接続状態において比較的低温の既燃ガスを後続気筒に導入することができ、後続気筒でのノッキングの発生を効果的に抑制することができる。従って、後続気筒の圧縮自己着火が可能な領域を広げることができ、燃費改善効果を高めることができる。
【００９４】
一方、請求項８に係る発明によれば、後続気筒において圧縮自己着火しない場合でも、先行気筒では、エンジンの部分負荷域において、空気が過剰に存在するリーン空燃比で燃焼が行われ、このリーン燃焼によって熱効率が高められると共にポンピングロスが低減され、大幅な燃費改善効果が得られる。しかも、先行気筒ではエンジンの負荷域により燃焼形態を切り換えるように制御するので、すなわち、上記後続気筒で圧縮自己着火とされる運転域のうちの中低負荷域では、噴射燃料を成層化する成層リーン状態で燃焼を行わせるように制御するので、先行気筒の空燃比を超リーン状態とすることができ、これにより燃費改善が図られる。一方、この中低負荷域よりも高負荷側では、高負荷化による噴射燃料増大に伴って成層リーン状態における空燃比よりも小さい空燃比となるように燃料を噴射し、この噴射燃料を均一に分散化する均質リーン状態で燃焼を行わせるので、先行気筒の既燃ガス温度の上昇を抑制しあるいは下げて、後続気筒におけるノッキングの発生を防止することができ、また同一空燃比燃費特性が成層リーン状態の燃焼より良好な均質リーン状態での燃焼に切り換えることにより先行気筒での燃費向上を図ることができる。
【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断面図である。
【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設定の一例を示す説明図である。
【図５】成層リーン燃焼と均質リーン燃焼とにおける、同一負荷下での既燃ガス温度と空燃比との関係を示す図である。
【図６】特殊運転モードにおいて先行気筒で成層リーン燃焼とされ後続気筒で圧縮自己着火とされる場合の各気筒の排気行程、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。
【図７】特殊運転モードにおいて先行気筒で均質リーン燃焼とされ後続気筒で強制点火とされる場合の各気筒の排気行程、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。
【図８】特殊運転モードにおいて先行気筒で均質リーン燃焼とされ後続気筒で圧縮自己着火とされる場合の各気筒の排気行程、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。
【図９】特殊運転モードで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。
【図１０】通常運転モードで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。
【図１１】先行気筒における負荷と空燃比との関係を示す図である。
【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
３１  吸気弁
３２  排気弁
４０  ＥＣＵ
４１  運転状態判別手段
４２  温度状態判別手段
４３  モード設定手段
４６  燃焼制御手段
５１  水温センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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