JP2004124752A - 過給機付火花点火式エンジンの制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】リーン燃焼による燃費改善効果をもたせるとともに、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】特殊運転モードでは、排・吸気行程が重なる一対の気筒２Ａ，２Ｂ間において先行気筒２Ａから排出される既燃ガスがそのまま後続気筒２Ｂに気筒間ガス通路を介して導入され、後続気筒２Ｂから排出されるガスが排気通路に導かれる。先行気筒２Ａではリーン空燃比で燃焼を行わせ、後続気筒２Ｂでは先行気筒２Ａからの既燃ガスに燃料を供給して燃焼を行わせる。部分運転領域において、先行気筒２Ａでは第２排気弁３２ｂを排気行程上死点よりも所定期間前に閉弁させ、先行気筒２Ａの吸気弁３１を第２排気弁３２ｂにオーバーラップさせるように制御する。後続気筒２Ｂでは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における吸気を補助する過給機２７が設けられている。
【選択図】 図６
【解決手段】特殊運転モードでは、排・吸気行程が重なる一対の気筒２Ａ，２Ｂ間において先行気筒２Ａから排出される既燃ガスがそのまま後続気筒２Ｂに気筒間ガス通路を介して導入され、後続気筒２Ｂから排出されるガスが排気通路に導かれる。先行気筒２Ａではリーン空燃比で燃焼を行わせ、後続気筒２Ｂでは先行気筒２Ａからの既燃ガスに燃料を供給して燃焼を行わせる。部分運転領域において、先行気筒２Ａでは第２排気弁３２ｂを排気行程上死点よりも所定期間前に閉弁させ、先行気筒２Ａの吸気弁３１を第２排気弁３２ｂにオーバーラップさせるように制御する。後続気筒２Ｂでは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における吸気を補助する過給機２７が設けられている。
【選択図】 図６
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】
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、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、上記特殊運転モードとされる運転領域のうち少なくとも一部の運転領域において、上記先行気筒では排気弁を排気行程上死点よりも所定期間前に閉弁することにより気筒内に既燃ガスを一部残存させかつ吸気弁の開弁期間を上記排気弁の開弁期間にオーバーラップさせるように制御すると共に、上記後続気筒では圧縮自己着火により燃焼を行わせるように制御する一方、上記先行気筒における吸気を補助する過給機が設けられていることを特徴とするものである。
【００１１】
この発明によると、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、上記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り燃費改善効果が得られ、後続気筒では圧縮自己着火による燃焼効率の向上及びポンピングロス低減により燃費改善効果が得られる。また、先行気筒ではリーン空燃比で燃焼が行われることによりＮＯｘ発生量が比較的低く抑えられ、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。さらに、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、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。
【００１２】
また、先行気筒に既燃ガスを残存させた状態で新気を取り込み燃焼させるので、既燃ガス成分が増大すること等により、先行気筒におけるノッキング抑制作用が高められる。また、先行気筒では比較的高温の残存既燃ガスに新気を取り込んで燃焼させるので、その既燃ガスはさらに高温のものとなり、この高温の既燃ガスが後続気筒に導入されるので、後続気筒における圧縮自己着火が確実且つ円滑に行われる一方、このガス中のＥＧＲに相当する既燃ガス成分が増大する等により後続気筒のノッキング抑制作用が高められる。さらに、先行気筒の排気弁を早期に閉弁させることに伴ってポンピングロスの増加が懸念されるが、この排気弁に吸気弁をオーバーラップさせているので、ポンピングロスの増大を回避することができる。
【００１３】
ここで、先行気筒においては、既燃ガスが一部残存しており、しかもその吸気弁は、排気弁にオーバーラップさせるために排気行程において開弁されるため、新気の取り込み不足による出力低下が懸念されるところであるが、この発明によると、先行気筒の吸気を補助する過給機が設けられているので、この過給機により先行気筒に対して新気を強制的に送り込むことができ、吸気量低下による出力低下を防止することができる。
【００１４】
この発明において、上記先行気筒における吸気弁の閉弁時期が、吸気行程下死点に略一致するように設定されているのが好ましい（請求項２）。このようにすると、エンジンの有効圧縮比が向上し、筒内温度をより高温に維持することができるため、より一層高温の既燃ガスを後続気筒に導入することができる。したがって、例えば筒内温度が上昇し難い低負荷域等であっても、後続気筒における自己着火性をより確実に確保することができると共に、後続気筒における圧縮自己着火による燃焼を行うことができる運転領域を拡大することができ、さらなる燃費の向上、排ガス浄化を促進することができる。
【００１５】
また、この発明において、上記先行気筒における吸・排気弁のバルブタイミングを変更するバルブタイミング可変機構が設けられ、上記特殊運転モードとされる運転領域における上記一部運転領域よりも高負荷域では、上記バルブタイミング可変機構により上記先行気筒の排気弁が排気行程上死点を所定期間経過した後に閉弁されるように設定されると共に、上記先行気筒の吸気弁が吸気行程を所定期間経過した後に閉弁されるように設定されるのが好ましい（請求項３）。このようにすると、バルブタイミング可変機構によりエンジンの運転状態に応じた最適なバルブタイミングを設定することができ、エンジンの運転状態に応じた出力性能を確保することができる。また、例えば後続気筒に導入される既燃ガスが必要以上に高温になりすぎて生じ得る後続気筒におけるノッキングを有効に防止することができる。すなわち、上記高負荷域では、先行・後続気筒は、共にその気筒内温度が高くなり、このような状態で先行気筒で既燃ガスに新気を取り込んで燃焼させ、またこの先行気筒の高温の既燃ガスが後続気筒に導入されると、先行・後続気筒の筒内温度が必要以上に高くなり過ぎて逆にノッキング等の異常燃焼が発生する虞がある。したがって、上記のように構成すると、先行気筒における残存既燃ガスによる温度上昇を抑制すると共に、後続気筒に導入される先行気筒の既燃ガス温度を低下させて、先行・後続気筒におけるノッキングを有効に防止することができ、しかも先行気筒において既燃ガスが残存しないので、新気を十分に取り込むことができ、このためエンジンの出力性能を十分に発揮させることができる。
【００１６】
さらに、上記バルブタイミング可変機構が設けられた制御装置においては、上記特殊運転モードとされる運転領域よりもさらに高負荷域では、先行気筒における吸・排気弁をその吸・排気行程にそれぞれ対応させて開閉させると共に、各気筒をそれぞれ独立させて強制点火により燃焼させる通常運転モードに切り換えるように設定され、この通常運転モードにおいては、各気筒における排気ガスの一部をＥＧＲクーラが設けられた外部ＥＧＲ通路を介して吸気通路に導入するのが好ましい（請求項４）。このようにすると、負荷に対応したエンジンの出力性能を確保することができると共に、ＥＧＲクーラにより冷却された一部排気ガスが外部ＥＧＲを介して吸気通路に導入され、これにより気筒内温度の上昇によるノッキングを有効に防止することができる。
【００１７】
また、上記過給機は、特に限定されるものではないが、過給機としてターボ過給機を用いるのが好ましい。このように、過給機がターボ過給機である場合には、排圧が高くなるため、先行気筒に既燃ガスを残存させやすくなり、後続気筒に導入される既燃ガスをより一層高温にすることができ、後続気筒の自己着火性を高めることができる。
【００１８】
一方、請求項６に係る発明は、気筒が吸気、圧縮、膨張、排気の各行程からなる燃焼サイクルを行うようになっている火花点火式エンジンの制御装置において、吸・排気弁のバルブタイミングを変更するバルブタイミング可変機構と、過給機とを備え、少なくとも一部運転領域で、上記バルブタイミング可変機構により吸・排気弁のバルブタイミングを変更して、排気弁を排気行程上死点よりも所定期間前に閉弁することにより気筒内に既燃ガスを一部残存させると共に、吸気弁の開弁期間を上記排気弁の開弁期間にオーバーラップさせて上記残存既燃ガスに加えて新気を取り込みかつこの吸気弁を吸気行程下死点に略一致するように閉弁させて、圧縮自己着火により燃焼を行わせるように制御する一方、上記過給機により各気筒に吸気を補助することを特徴とするものである。
【００１９】
この発明によると、圧縮自己着火により燃焼室全体に亘り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、熱効率を向上させて高い燃費改善効果が得られる。また、残存既燃ガスによりＥＧＲが行われているのと同等の状態となることから、ＮＯｘの発生量を十分に抑制して排ガスの浄化に寄与することとなる。さらに、気筒内に残存した比較的高温の既燃ガスに新気を取り込んで燃焼させるので、筒内温度を上昇させることができ、これにより気筒における圧縮自己着火が確実且つ円滑に行われる一方、このガス中のＥＧＲに相当する既燃ガス成分が増大する等によりノッキング抑制作用も高められる。また、排気弁が早期に閉弁されることに伴い、ポンピングロスの増大が懸念されるところであるが、この発明によると吸気弁を排気弁にオーバーラップさせているので、ポンピングロスの増大を回避することができる。
【００２０】
ここで、気筒内には、既燃ガスが一部残存しており、しかもその吸気弁は、排気弁にオーバーラップさせるために排気行程において開弁されるため、新気の取り込み不足による出力低下が懸念されるところであるが、この発明によると、各気筒の吸気を補助する過給機が設けられているので、この過給機により各気筒に対して新気を強制的に送り込むことができ、吸気量低下による出力低下を防止することができる。
【００２１】
請求項６記載の発明において、上記燃焼制御手段は、上記気筒内で空燃比が理論空燃比よりも大きいリーン空燃比で燃焼されるように制御するのが好ましい（請求項７）。このようにすると、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ってさらなる燃費改善効果が得られる。
【００２２】
上記請求項６または請求項７記載の発明において、上記一部運転領域よりも高負荷域では、上記バルブタイミング可変機構により吸・排気弁のバルブタイミングを変更して、上記排気弁が排気行程上死点を所定期間経過した後に閉弁されるように設定されると共に、上記吸気弁が吸気行程下死点を所定期間経過した後に閉弁されるように設定される一方、各気筒において強制点火による燃焼を行わせるように制御するのが好ましい。このようにすると、エンジンの運転状態に応じて出力を確保することができ、また後続気筒におけるノッキングを有効に防止することができる。
【００２３】
【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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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、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。
【００２７】
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。
【００２８】
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及び図７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約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及び図７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。
【００２９】
排気行程と吸気行程が略重なる一対の気筒間には、排気行程と吸気行程が略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。本実施形態の４気筒エンジンでは、図６及び図７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）とが略重なり、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）が略重なるので、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。
【００３０】
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。
【００３１】
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２０に送り出すための第１排気ポート１２ａと、既燃ガスを気筒間ガス通路２２を介して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気筒間ガス通路２２を介して導入するための第２吸気ポート１１ｂと、既燃ガスを排気通路２０に送り出すための排気ポート３２とが配設されている。
【００３２】
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４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４の右半部側に並列的に設けられている。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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、その出力に応じ、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。なお、本実施形態の装置では、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２Ａ，２Ｄ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。
【００３６】
また、先行気筒２Ａ，２Ｄに対して吸気を補助する過給機が設けられ、本実施形態ではターボ過給機２７が設けられている。この過給機２７は、本実施形態では、後述する特殊運転モードでも通常運転モードでも、先行気筒２Ａ，２Ｄの吸気を補助するように駆動されるが、場合によっては運転状態に応じて過給を制限するものであっても良い。この過給機２７は、分岐排気通路２１を介して各排気ポート１２，１２ａ，１２ｂに連通する排気通路２０に設けられたタービン２８と各吸気ポート１１，１１ａ，１１ｂに連通する吸気通路１５に設けられ上記タービン２８に連動するコンプレッサ２９とを有し、排気通路２０を流通する排気ガスのエネルギーでタービン２８が回転し、このタービン２８の回転に連動してコンプレッサ２９も回転し、このコンプレッサ２９の回転により吸気を過給するものとなされている。なお、過給機としては、上記ターボ過給機２７に限定されるものではなく、スーパーチャージャー等の機械式過給機等であっても良いが、ターボ過給機２７を設けることにより、排圧が高くなるため、後述するように先行気筒２Ａ，２Ｄに既燃ガスを残存させやすくなり、後続気筒２Ｂ，２Ｃに導入する既燃ガスをより一層高温にすることができ、後続気筒２Ｂ，２Ｃにおける自己着火性を高めることができる点で有利である。なお、この過給機２７による過給圧は、後述のように既燃ガスが残存して吸気圧が低下した先行気筒２Ａ，２Ｄに対して新気の供給を補助する程度のものであれば足りる。
【００３７】
さらに、排気通路２０の下流には、各気筒における排気ガスの一部を吸気通路１５に導入するための外部ＥＧＲ通路２６が設けられ、この外部ＥＧＲ通路２６には、排気ガスを冷却するＥＧＲクーラ２６ａと外部ＥＧＲ通路２６を開閉する外部ＥＧＲコントロール弁２６ｂが設けられている。そして、この外部ＥＧＲコントロール弁２６ｂの開閉に伴い、ＥＧＲクーラ２６ａにより冷却された排気ガスが吸気通路１５に導入されるものとなされている。この外部ＥＧＲ通路２６は、気筒内温度の上昇を抑制してノッキングの発生を防止するためのものであり、本実施形態では、後述する通常運転モードで機能するように制御される。
【００３８】
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。この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２３であり、このＯ２センサ２３の出力に基づいて後続機構２Ｂ，２Ｃ（各気筒独立状態の時は気筒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。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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
これらの各弁は、対応する各気筒が吸・排気行程に応じて、すなわち各ピストン３の上下動（上死点と下死点との間の移動）に応じて動弁機構により所定のタイミングで開閉するものとなされているが、その開閉時期は必ずしもピストン３の上死点や下死点に一致するとは限らず、必要に応じてクランク角を数度〜数十度進角または遅角させた時期に設定しても良い。特に、本実施形態では、動弁機構に備えられたバルブタイミング可変機構により、エンジンの運転状態に応じてバルブタイミングを変更したり、弁を閉じきり状態に維持し得るようにしたりなされている。
【００４２】
具体的には、本実施形態では、上記バルブタイミング可変機構として運転状態に応じてカムを乗り換えるカム切換機構５１，６１が採用され、先行気筒である１番、４番気筒２Ａ，２Ｄの吸気弁３１及び第２排気弁３２ｂが、３段階に亘ってバルブタイミングを変更し得るものとなされている一方、その他の弁は、２段階に亘ってバルブタイミングを変更し得るものとなされている。
【００４３】
図４は、３段階に切換可能なカム切換機構５１を示す部分斜視図であり、上述のように２点鎖線で示す第２排気弁３２ｂのために設けられたカム切換機構５１ａと吸気弁３１のために設けられたカム切換機構５１ｂとがある。
【００４４】
この第２排気弁３２ｂのために設けられたカム切換機構５１ａは、第２排気弁３２ｂの上方に設けられ切換段階に応じた複数種のカムが設けられたカムシャフト３３と、このカムシャフト３３と第２排気弁３２ｂとの間にロッカシャフト５５に支持されたロッカアームセット５６とを備える。
【００４５】
カムシャフト３３には切換段階に応じた複数種類のカム、即ち第１ないし第３の３種類のカム５２，５３，５４が軸方向に隣接して設けられ、これらのカムはカムシャフト３３と一体回転するものとなされている。各カムは、異なるリフト特性を有し、すなわち各カムにより弁の開閉弁時期や開弁期間、リフト量等が決定されるものとなされている。各カムの形状や作用等は後述する。
【００４６】
ロッカアームセット５６は、第１ないし第３ロッカアーム５７，５８，５９という３種類のロッカアームの集合体であり、第２排気弁３２ｂにカムの駆動力を伝達し開閉動作させるものである。
【００４７】
具体的には、第１ロッカアーム５７はその先端部にバルブ当接部６０が設けられ、このバルブ当接部６０が適切な位置で第２排気弁３２ｂの弁軸上端に当接する。一方、第２及び第３ロッカアーム５８，５９は、第１ロッカアーム５７の両側方に第１ロッカアーム５７と切り離された状態で設けられ、図外のスプリングにより、それぞれ第２及び第３カム５３，５４に押圧されるものとなされている。したがって、ロッカアームセット５６の各ロッカアームは、図示のように独立して可動する場合には、各ロッカアーム５７，５８，５９の上面は、第１ないし第３カム５２，５３，５４の外周部に当接し、カム当接部の形状（各カムの回転半径）に応じてロッカシャフト５５を支軸として上下に揺動する。
【００４８】
また、第１ないし第３ロッカアーム５７，５８，５９は、上記のように個々に独立して設けられているが、各ロッカアーム間に連通された複数のプランジャー穴（図示せず）内をそれぞれ油圧作動により摺動する複数のプランジャー（図示せず）により第１ロッカアーム５７と第２ロッカアーム５８とがまたは第１ロッカアーム５７と第３ロッカアーム５９とが連結可能であり、この連結一体化状態では一体化されているロッカアーム同士が連動するものとなされている。これらのプランジャーは第１及び第２作動油給排用通路３６，３８を流通するオイルにより摺動するものとなされている一方、オイルは各作動油給排用通路３６，３８に設けられた第１及び第２コントロール弁３７，３９によりその流通がコントロールされるものとなされている（図３参考）。したがって、このカム切換機構５１は、上記第１及び第２コントロール弁３７，３９を制御することにより各プランジャーを摺動させ、これらのプランジャーの動きにより、各ロッカアーム分離状態、第１及び第２ロッカアーム５７，５８の一体化状態、第１及び第３ロッカアーム５７，５９の一体化状態の３状態に切換が可能である。
【００４９】
そして、このカム切換機構５１の動作を、各カムの形状等と共に説明する。
【００５０】
第１カム５２は、弁停止用のカムであり、カムシャフト３３と同心円の外周形状を有する。したがって、第１及び第２コントロール弁３７，３９を制御して各ロッカアームを分離させた状態のとき、すなわちカム切換機構５１により第１カム５２が選択されたとき、第１ロッカアーム５７の上面は第１カム５２の外周面に常時当接し、カムシャフト３３が回転しても揺動せず、この第１ロッカアーム５７のバルブ当接部６０に当接されている第２排気弁３２ｂも開閉動作しない。
【００５１】
第２カム５３は、低負荷用のカムであり、第１カム５２と同一の外周形状を有する部分と、それより径方向外方に突出した外周形状を有する部分とからなる。この第２カム５３の突出部分は、第２排気弁３２ｂを排気行程上死点よりも所定期間前に閉弁するように調整されている。したがって、第２ロッカアーム５８は、カムシャフト３３の回転に伴い、第２カム５３の突出部分に応じて所定のクランク角で所定量だけ下方に揺動する一方、第２ロッカアーム５８が第１ロッカアーム５７に一体化されて連動状態のとき、すなわちカム切換機構５１により第２カム５３が選択されたとき、この第２ロッカアーム５８の揺動に伴って第１ロッカアーム５７も揺動し、第２排気弁３２ｂが所定期間に所定量だけ開弁し、排気行程上死点よりも所定期間前に閉弁する。
【００５２】
第３カム５４は、高負荷用のカムであり、従来のエンジンの一般的なカムと同様に機能するように設定され、第１カム５２と同一の外周形状を有する部分と、それより径方向外方に突出した外周形状を有する部分とからなる。この突出部分は、第２カム５３の突出部分と若干異なる角度に設定され、第２排気弁３２ｂが排気行程上死点よりも所定期間経過後に閉弁するように調整されている。したがって、第３ロッカアーム５９は、カムシャフト３３の回転に伴い、第３カム５４の突出部分に応じて所定のクランク角で所定量だけ下方に揺動する一方、第３ロッカアーム５９が第１ロッカアーム５７に一体化されて連動状態のとき、すなわちカム切換機構５１により第３カム５４が選択されたとき、この第３ロッカアーム５９の揺動に伴って第１ロッカアーム５７も揺動し、第２排気弁３２ｂが所定期間に所定量だけ開弁し、排気行程上死点よりも所定期間経過後に閉弁する。
【００５３】
すなわち、本実施形態では、第３カム５４は、第２排気弁３２ｂを従来のエンジンと同様に、吸・排気行程に対応させた一般的な開閉弁時期、開弁期間等で駆動するように設定されている一方、第２カム５３は、この第３カム５４により駆動される第２排気弁３２ｂと比べ、第２排気弁３２ｂを全体的に進角させて排気行程上死点前に閉弁するように設定されている。そして、エンジンの運転状態に応じてカム切換機構５１により第１ないし第３カム５２，５３，５４が選択され、第２排気弁３２ｂは各カムの外周形状に応じて駆動するように設定されている。
【００５４】
一方、吸気弁３１のために設けられた３段階切換可能のカム切換機構５１ｂも、上記第２排気弁３２ｂのために設けられた３段階切換可能のカム切換機構５１ａと同様に構成されているが、第２カム５３採用時の吸気弁３１の開弁時期が第２排気弁３２ｂにオーバーラップさせるように設定されると共に、その閉弁時期が吸気行程下死点に一致するように設定されている点で異なる。一方、第３カム５４については、上記第２排気弁３２ｂのために設けられたカム切換機構５１と同様に、従来のエンジンの一般的な開閉弁時期等で駆動されるように、すなわち吸気弁３１が吸気行程に対応させて、吸気行程上死点よりも所定期間前に開弁されるように設定されている一方、吸気行程下死点よりも所定期間経過後に閉弁されるように設定されている。
【００５５】
また、先行気筒である１番、４番気筒２Ａ，２Ｄの吸気弁３１及び第２排気弁３２ｂ以外の弁については、２段階に切換可能なカム切換機構６１によりバルブタイミングを変更することができるものとなされているが、その構成は、プランジャー穴が少ない等の一部の構成を除けば、カム切換機構５１と同様で、各弁を第１カム６２と第２カム６３とにより停止状態と作動状態とに切り換えるものである。したがって、カム切換機構６１は、その説明を省略する。なお、この２段階切換可能なカム切換機構６１により作動状態とされる弁は、従来のエンジンの一般的なバルブタイミングに設定されている。
【００５６】
なお、本実施形態では、バルブタイミング可変機構として、運転状態に応じてカムを乗り換える可変バルブタイミング・リフト機構（ＶＶＬ）を採用しているが、これに限定されるものではなく、例えば弁の開閉周期を全体的に進角させる可変バルブタイミングシステム（ＶＴＣ）等公知のバルブタイミング可変機構を採用するものであっても良い。この場合、別途公知の弁停止機構やこれを制御する制御手段等を設けて、後述するような特殊運転モードと通常運転モードとを切り換え得るように構成される。
【００５７】
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及びリニアＯ２センサ２５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、このＥＣＵ４０から、点火回路８、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、外部ＥＧＲコントロール弁２６ｂとに対して制御信号が出力されている。
【００５８】
上記ＥＣＵ４０は、運転状態判別手段４１、カム切換制御手段４２、吸入空気量制御手段４３、燃焼制御手段４４及び外部ＥＧＲ制御手段４９とを備えている。
【００５９】
運転状態判別手段４１は、図５に示すようにエンジンの運転領域が低負荷低回転側の運転領域Ａ（部分負荷域）と高負荷側ないし高回転側の運転領域Ｂとに分けられた制御用マップを有すると共に、運転領域Ａ中に低中負荷側の運転領域Ａ１と高負荷側の運転領域Ａ２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及び運転領域Ａ１，Ａ２のいずれの領域にあるかを判別する。そして、この判別に基づき、低負荷低回転側の運転領域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が選択され、高負荷側ないし高回転側の運転領域Ｂでは、各気筒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なっている。
【００６０】
さらに運転状態判別手段４１は、特殊運転モードが選択される運転領域Ａにある場合に、この領域Ａのうちの低中負荷域Ａ１、高負荷域Ａ２のいずれにあるかを判別するようになっており、この判別結果に基づいてカム切換制御手段４２により最適なカムを選択するものとなされると共に、燃焼制御手段４４により燃料の噴射時期や点火方法等を選択するものとなされている。
【００６１】
カム切換制御手段４２は、運転状態判別手段４１の出力に基づいて、すなわちエンジンの運転状態に応じて、第１及び第２コントロール弁３７，３９を制御することにより、カム切換機構５１を次のように制御する。
【００６２】
運転領域Ａ１（特殊運転モードのうち低中負荷領域）
・第１排気弁３２ａ及び第１吸気弁３１ａ
カム切換機構６１により第１カム６２が選択され停止状態
・吸気弁３１及び第２排気弁３２ｂ
カム切換機構５１により第２カム５３が選択され作動状態
・第２吸気弁３１ｂ及び排気弁３２
カム切換機構６１により第２カム６３が選択され作動状態
運転領域Ａ２（特殊運転モードのうち高負荷領域）
・第１排気弁３２ａ及び第１吸気弁３１ａ
カム切換機構６１により第１カム６２が選択され停止状態
・吸気弁３１及び第２排気弁３２ｂ
カム切換機構５１により第３カム５４が選択され作動状態
・第２吸気弁３１ｂ及び排気弁３２
カム切換機構６１により第２カム６３が選択され作動状態
運転領域Ｂ（通常運転モード）
・第１排気弁３２ａ及び第１吸気弁３１ａ
カム切換機構６１により第２カム６３が選択され作動状態
・吸気弁３１
カム切換機構５１により第３カム５４が選択され作動状態
・第２排気弁３２ｂ
カム切換機構５１により第１カム５２が選択され停止状態
・第２吸気弁３１ｂ
カム切換機構６１により第１カム６２が選択され停止状態
・排気弁３２
カム切換機構６１により第２カム６３が選択され作動状態
【００６３】
上記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、特殊運転モードとされる運転領域Ａでは、後続気筒である２番、３番気筒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である１番、４番気筒２Ａ，２Ｄ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リーン空燃比とされつつ燃焼が行われるので、過給機２７により過給されて先行気筒２Ａ，２Ｄに供給される空気が、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）となるように、スロットル開度が調節される。
【００６４】
上記燃焼制御手段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及び点火停止等の制御を行う。そして、特に運転状態が図５中の運転領域Ａにある場合と運転領域Ｂにある場合、また、運転領域Ａにある場合でも運転領域Ａ１にある場合と運転領域Ａ２にある場合とで燃焼状態の制御（燃料噴射の制御及び点火の制御）が変更される。
【００６５】
すなわち、運転状態が低負荷低回転側の運転領域Ａにある場合、特殊運転モードでの制御として、先行気筒（１番、４番気筒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（２番、３番気筒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、運転領域Ａ（運転領域Ａ１及び運転領域Ａ２を含む）にある場合には、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、そして圧縮自己着火を行わせるべく、強制点火を停止するように設定する。
【００６６】
また、運転状態が高負荷側ないし高回転側の運転領域Ｂにある場合には、通常運転モードでの制御として、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する。
【００６７】
外部ＥＧＲ制御手段４９は、運転状態判別手段４１の結果に基づいて、この判別結果が通常運転モードが選択される場合に、すなわちエンジンの運転状態が運転領域Ｂにある場合に、閉状態にある外部ＥＧＲコントロール弁２６ｂを開くように制御して、ＥＧＲクーラ２６ａにより冷却された一部排気ガスを吸気通路１５に導入する外部ＥＧＲを実行するものである。
【００６８】
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。
【００６９】
運転領域Ａでは特殊運転モードとされ、前述のようにカム切換機構６１により第１排気弁３２ａ及び第１吸気弁３１ａが停止状態、カム切換機構５１により第２排気弁３２ｂ及び第２吸気弁３１ｂが作動状態、カム切換機構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（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。
【００７０】
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から過給機２７により補助されつつ新気が導入され（図９中の矢印ａ）、先行気筒２Ａ，２ＤではリニアＯ２センサ２５により検出される空燃比が理論空燃比よりも大きい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６及び図７参照）。
【００７１】
一方、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及び図７中の白抜き矢印及び図９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、理論空燃比となるように燃料噴射量が制御されつつ、運転領域Ａ（運転領域Ａ１及び運転領域Ａ２）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の圧力、温度の上昇により圧縮自己着火が行われる（図６及び図７参照）。
【００７２】
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、運転領域Ａにおいて後続気筒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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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、運転領域Ａにおいては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。
【００７６】
また、運転領域Ａ中の低中負荷域である運転領域Ａ１では、圧縮自己着火を確実且つ円滑に行うために、先行気筒２Ａ，２Ｄの吸気弁３１及び第２排気弁３２ｂのバルブタイミングを従来のエンジンの一般的なバルブタイミングからカム切換機構５１により次のように変更される。
【００７７】
図６は、運転領域Ａ１における各気筒の吸・排気行程、燃料噴射時期、点火時期等を示す図であり、図８（ａ）は、吸・排気行程部分を詳細に示したものである。
【００７８】
図８（ａ）において、横軸はクランク角を示し、Ｔは上死点（ＴＤＣ）、Ｂは下死点（ＢＴＣ）を示す。そして、帯状の各部分は各弁の開弁期間を示し、上段から下段に向かう白抜き矢印は、先行気筒２Ａ，２Ｄの排気行程と後続気筒２Ｂ，２Ｃとが略重なっており、先行気筒２Ａ，２Ｄでの既燃ガスが後続気筒２Ｂ，２Ｃに導かれる状態を示す。また、上段には先行気筒２Ａ，２Ｄの第２排出弁３２ｂが開弁する開弁期間８０と、吸気弁３１が開弁する開弁期間８１とを示す一方、下段には後続気筒２Ｂ，２Ｃの排気弁３２の開弁期間８２と、第２吸気弁３１ｂが開弁する開弁期間８３とを示す。
【００７９】
上段における先行気筒２Ａ，２Ｄにおいては、カム切換機構５１により第２カム５３が選択され、図８（ａ）に明示するように、第２排気弁３２ｂは、排気行程上死点８５よりも所定期間前に閉弁され、燃焼室４に既燃ガスが残存される。そして、この先行気筒２Ａ，２Ｄに過給機２７により新気が導入され、上記のように強制点火により燃焼された後、気筒間通路２２を介して後続気筒２Ｂ，２Ｃに導入される。なお、本実施形態においては、第２排気弁３２ｂのバルブタイミングは、従来のエンジンの一般的なバルブタイミングより全体的に進角させだけのものであり、その開弁期間等は従来のエンジンの一般的な開弁期間と同様に設定されている。
【００８０】
このように、先行気筒２Ａ，２Ｄに既燃ガスを残存させた状態で新気を取り込み燃焼させるので、既燃ガス成分が増大することにより先行気筒２Ａ，２Ｄにおけるノッキングを効果的に防止することができる。また、先行気筒２Ａ，２Ｄでは比較的高温の残存既燃ガスに新気を取り込んで燃焼させるので、その既燃ガスはさらに高温のものとなり、この高温の既燃ガスが後続気筒２Ｂ，２Ｃに導入されるので、後続気筒２Ｂ，２Ｃにおける筒内温度を上昇させることができ、後続気筒２Ｂ，２Ｃにおける圧縮自己着火が確実且つ円滑に行われる。また、後続気筒２Ｂ，２Ｃにおいても、先行気筒２Ａ，２Ｄの既燃ガスが導入され、これによってＥＧＲに相当する既燃ガス成分が増大する等により後続気筒のノッキング抑制作用が高められる。
【００８１】
ここで、先行気筒２Ａ，２Ｄにおいては、既燃ガスが一部残存しており、しかもその吸気弁３１は、第２排気弁３２ｂにオーバーラップさせるために排気行程において開弁されるため、新気の取り込み不足による出力低下が懸念されるが、先行気筒２Ａ，２Ｄの吸気を補助する過給機２７が設けられているので、この過給機２７により先行気筒２Ａ，２Ｄに対して新気を強制的に送り込むことができ、吸気量低下による出力低下を防止することができる。
【００８２】
そして、上記のように、先行気筒２Ａ，２Ｄにおける第２排気弁３２ｂを早期に閉弁させることに伴い、図８（ａ）及び図６に示すように、先行気筒２Ａ，２Ｄの吸気弁３１も、カム切換機構５１により第２カム５３を選択して、そのバルブタイミングを変更し、上記第２排気弁３２ｂにオーバーラップさせている。すなわち、ピストン３が排気行程にあるにもかかわらず、第２排気弁３２ｂを早期に閉弁させると、ポンピングロスが増大して燃費改善効果が低減することとなるが、吸気弁３１を第２排気弁３２ｂにオーバーラップさせているので、ポンピングロスの増大を回避することができる。
【００８３】
また、本実施形態においては、上記のようにカム切換機構５１によりバルブタイミングを変更するのと同時に、この吸気弁３１の閉弁時期を吸気行程下死点８７に一致するようになされている。このように、吸気弁３１の閉弁時期を吸気行程下死点８７に一致させることにより、有効圧縮比を幾何学的圧縮比に一致させ、圧縮による筒内温度の上昇をより大きいものとし、これにより一層高温の既燃ガスを後続気筒２Ｂ，２Ｃに導入することができる。したがって、筒内温度が上昇し難い低負荷域であっても後続気筒２Ｂ，２Ｃにおける自己着火性を確実に確保することができると共に、後続気筒２Ｂ，２Ｃにおける圧縮自己着火による燃焼を行うことができる運転領域を拡大することができる。
【００８４】
なお、後続気筒２Ｂ，２Ｃにおける第２吸気弁３１ｂ及び排気弁３２は、図８（ａ）及び図６に示すように、カム切換機構６１により第２カム６３が選択され、従来のエンジンの一般的なバルブタイミングで開閉動作される。
【００８５】
一方、特殊運転モードとされる運転領域Ａのうちの高負荷域Ａ２では、先行気筒２Ａ，２Ｄ内の燃焼温度が過度に上昇してノッキングが生じ易くなるので、カム切換機構５１により吸気弁３１及び第２排気弁３２ｂのバルブタイミングを従来のエンジンの一般的なバルブタイミングに変更している。
【００８６】
すなわち、図７は、運転領域Ａ２における各気筒の吸・排気行程、燃料噴射時期、点火時期等を示す図であり、この図７における各弁のバルブタイミングは従来のエンジンの一般的なバルブタイミングと同様に以下のように設定されているものである。そして、図８（ｂ）は、図７の吸・排気行程部分を詳細に示したものである。
【００８７】
図８（ｂ）において、横軸はクランク角を示し、Ｔは上死点（ＴＤＣ）、Ｂは下死点（ＢＴＣ）を示す。そして、帯状の各部分は各弁の開弁期間を示し、上段から下段に向かう白抜き矢印は、先行気筒２Ａ，２Ｄの排気行程と後続気筒２Ｂ，２Ｃとが略重なっており、先行気筒２Ａ，２Ｄでの既燃ガスが後続気筒２Ｂ，２Ｃに導かれる状態を示す。また、上段には先行気筒２Ａ，２Ｄの第２排出弁３２ｂが開弁する開弁期間１００と、吸気弁３１が開弁する開弁期間１０１とを示す一方、下段には後続気筒２Ｂ，２Ｃの排気弁３２の開弁期間１０２と、第２吸気弁３１ｂが開弁する開弁期間１０３とを示す。
【００８８】
特殊運転モードとされる運転領域Ａのうちの高負荷域Ａ２では、上述のように、残存既燃ガスに新気を取り込んで燃焼させると、先行気筒２Ａ，２Ｄのノッキングが生じやすくなるので、先行気筒２Ａ，２Ｄにおける吸気弁３１及び第２排気弁３２ｂは、図７及び図８（ｂ）にも示すように、カム機構５１により第３カム５４が選択され、従来のエンジンの一般的なバルブタイミングで開閉させる。
【００８９】
すなわち、先行気筒２Ａ，２Ｄにおける第２排気弁３２ｂは、排気行程上死点よりも所定期間前に開弁されるように設定される一方、排気行程上死点を所定期間経過した後に閉弁されるように設定され、所定期間開弁される。これらの所定期間について、本実施形態では上記のように従来のエンジンの一般的な設定値が採用され、この設定値としては、例えば排気行程上死点よりもクランク角で約１０°前に開弁され、排気行程下死点後クランク角で約５５°に閉弁され、クランク角で約２４５°開弁されるものとなされている。
【００９０】
なお、後続気筒２Ｂ，２Ｃにおける第２吸気弁３１ｂ及び排気弁３２は、図８（ｂ）及び図７に示すように、カム切換機構６１により第２カム６３が選択され、上記運転領域Ａ１における場合と同様に、従来のエンジンの一般的なバルブタイミングで開閉動作される。
【００９１】
このように、カム切換機構５１によりエンジンの運転状態に応じてカム５２〜５４を切り換えることにより、最適なバルブタイミングを設定することができ、エンジンの運転状態に応じた出力性能を確保することができる。また、例えば後続気筒２Ｂ，２Ｃに導入される既燃ガスが必要以上に高温になりすぎて生じ得る後続気筒２Ｂ，２Ｃにおけるノッキングを有効に防止することができる。すなわち、上記高負荷域では、先行・後続気筒２Ａ〜２Ｄ共に、その気筒内温度が高くなり、このような状態で先行気筒２Ａ，２Ｄで既燃ガスに新気を取り込んで燃焼させ、またこの先行気筒２Ａ，２Ｄの高温の既燃ガスが後続気筒２Ｂ，２Ｃに導入されると、先行・後続気筒２Ａ〜２Ｄの筒内温度が必要以上に高くなり過ぎて逆にノッキング等の異常燃焼が発生する虞がある。したがって、上記のように構成すると、先行気筒２Ａ，２Ｄにおける残存既燃ガスによる温度上昇を抑制すると共に、後続気筒２Ｂ，２Ｃに導入される先行気筒２Ａ，２Ｄの既燃ガス温度を低下させて、先行・後続気筒２Ａ〜２Ｄにおけるノッキングを有効に防止することができ、しかも先行気筒２Ａ，２Ｄにおいて既燃ガスが残存しないので、過給機２７による過給も手伝って新気を十分に取り込むことができ、このためエンジンの出力性能を十分に発揮させることができる。
【００９２】
一方、特殊運転モードとされる運転領域Ａよりも高負荷側の運転領域Ｂでは通常運転モードとされ、上述のように、カム切換機構５１により第３カム５４が選択されることにより吸気弁３１が作動状態、カム切換機構６１により第２カム６３が選択されることにより第１排気弁３２ａ及び第１吸気弁３１ａが作動状態、カム切換機構５１により第１カム５２が選択されることにより第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に過給機２７により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。また、この運転領域Ｂにおいては外部ＥＧＲコントロール弁２６ｂが開かれ、排気通路２０を流通する各気筒の既燃ガスである排気ガスの一部が、外部ＥＧＲ通路２６を介してこの通路２６に設けられたＥＧＲクーラ２６ｂに冷却されつつ吸気流通路１５に導入される。これにより、気筒内温度の上昇を抑制してノッキングを有効に防止することができ、負荷に対応したエンジンの出力性能を確保することができる。なお、各弁のバルブタイミングは、運転領域Ａ１における場合と同様に設定されている。
【００９３】
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。例えば、以下のような変更が可能である。
【００９４】
▲１▼上記のような特殊運転モードとされる運転領域Ａでの運転状態に応じた制御に加え、エンジンの温度状態に応じて先行気筒の空燃比を変更するようにしてもよい。例えば、エンジンの暖機後であってもエンジン温度が低いとき（エンジン冷却水の温度が所定温度以下のとき）には、特殊運転モードとされる運転領域Ａ内の全域で、先行気筒の空燃比を理論空燃比の２倍より小さくすることが好ましい。このようにすれば、比較的エンジン温度が低いときにも、先行気筒から後続気筒へ導入されるガスの温度を高めて圧縮自己着火可能な状態を確保することができる。
【００９５】
▲２▼上記各実施形態では、特殊運転モードとされる運転領域Ａのうち低負荷側の運転領域Ａ１で、後続気筒を圧縮自己着火により燃焼させるようにしているが、運転領域Ａ１のうちの一部、例えば燃焼室内の温度、圧力が圧縮自己着火可能な状態に達しにくい極低速低負荷の領域では、後続気筒に対して所定の点火時期に点火プラグ７による点火を行わせ、強制点火により燃焼させるようにしてもよい。あるいはまた、エンジン温度が低いときに、後続気筒を強制点火により燃焼させるようにしてもよい。
【００９６】
▲３▼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。
【００９７】
次に、本発明の他の実施形態について図１１ないし図１３に基づいて説明する。
【００９８】
この他の実施形態は、運転状態にかかわらず、１番気筒２Ａから４番気筒２Ｄまでの各気筒がそれぞれ独立したものである点、及び各気筒におけるバルブタイミングを変更するためのバルブタイミング可変機構として可変バルブタイミングシステム（ＶＴＣ）機構が採用されている点で上記実施形態と大きく異なる。
【００９９】
図１１は、本発明の他の実施形態によるエンジンの概略構成を示し、図１２は、この他の実施形態の装置における駆動、制御系統の構成を示している。
【０１００】
なお、他の実施形態において上記実施形態と同様の構成であるものについては、図中に同一の符号を付してその説明を省略する。
【０１０１】
各気筒２Ａ〜２Ｄの燃焼室４に対して吸気ポート１１１及び排気ポート１１２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１３１及び排気弁１３２により開閉されるようになっている。
【０１０２】
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。
【０１０３】
各気筒２Ａ〜２Ｄには、図１１に示すように、それぞれ、新気を導入するための吸気ポート１１１と、排気ガスを排気通路２０に送り出すための排気ポート１１２とが燃焼室４の左右半分側にそれぞれ一気筒あたり２個ずつ、並列的に配設されている。また、各気筒２Ａ〜２Ｄの吸気ポート１１１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。
【０１０４】
一方、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。
【０１０５】
これらの各弁は、対応する各気筒が吸・排気行程に応じて、すなわち各ピストンの上下動（上死点と下死点との間の移動）に応じて動弁機構により所定のタイミングで開閉するものとなされているが、その開閉時期は必ずしもピストン３の上死点や下死点に一致するとは限らず、必要に応じてクランク角を数度〜数十度進角または遅角させた時期に設定しても良い。特に、この他の実施形態では、動弁機構に備えられたバルブタイミング可変機構により、エンジンの運転状態に応じてバルブタイミングを変更し得るようになされている。
【０１０６】
具体的には、この他の実施形態のバルブタイミング可変機構は、カムシャフトとクランクシャフトの回転位相角を相対的に変動させて、バルブタイミングを全体的に進角あるいは遅角させる可変バルブタイミング機構（ＶＴＣ）が採用されている。この可変バルブタイミング機構としてのカム位相可変機構１４０は、例えばカムシャフト１４１の一端に内蔵されたヘリカルギアを油圧でシャフトの軸方向に移動させカムシャフト１４１をプーリーに対して相対的に回転させる構造等の従来から知られた機構である。
【０１０７】
そして、このカム位相可変機構１４０は、低負荷側における上記運転領域Ａ１（図５参照）に相当する運転領域では、図１３に示すように、吸・排気弁１３１，１３２を共に進角させて排気弁１３２が排気行程上死点よりも所定期間前に閉弁されるように設定されている一方、吸気弁１３１が吸気行程下死点に一致するように閉弁されるように設定されている。なお、このカム位相可変機構１４０はカムの位相だけを変更するものであるので、排気弁１３２にオーバーラップさせられた吸気弁１３１はバルブタイミングの変更後も同様にオーバーラップさせられている一方、閉弁期間等もバルブタイミングの変更前後で変化することもない。
【０１０８】
一方、上記運転領域Ａ１に相当する運転領域よりも高負荷側ないし高回転側の運転領域では、カム位相可変機構１４０により吸・排気弁１３１，１３２を共に遅角させて、図７に記載のバルブタイミングと同様に、従来のエンジンの一般的なバルブタイミングに変更される。すなわち、上記実施形態における運転領域Ａ２及び運転領域Ｂに相当する運転領域では、カム位相可変機構１４０により、吸気弁１３１の開弁期間が、吸気行程に対応して吸気行程上下死点を跨ぐように設定される一方、排気弁１３２の開弁期間が、排気行程に対応して排気工程上下死点を跨ぐように設定される。
【０１０９】
なお、本実施形態では、バルブタイミング可変機構として、可変バルブタイミングシステム（ＶＴＣ）が採用されているが、運転状態に応じてカムを乗り換える可変バルブタイミング・リフト機構（ＶＶＬ）等公知のバルブタイミング可変機構を採用するものであっても良いことは、上記実施形態と同様である。
【０１１０】
図１２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）１４０は、上記実施形態のＥＣＵ４０に対し、カム切換制御手段４２に替えてカム位相制御手段１４２を備える点で大きく異なる。
【０１１１】
運転状態判別手段１４１は、上記実施形態における図５に示す運転領域Ａ１に相当する運転領域と、この運転領域よりも高負荷側ないし高回転側の運転領域Ａ２及び運転領域Ｂに相当する運転領域とに分けられた制御用マップを有し、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）が低負荷側と高負荷側のいずれの運転領域にあるかを判別し、その判別結果を燃焼制御手段１４４やカム位相制御手段１４２等に出力する。
【０１１２】
カム位相制御手段１４２は、運転状態判別手段１４１の結果に基づいて、カム位相可変機構１４０の制御を行う。カム位相制御手段１４２は、比較的低負荷の領域ではカムの位相を進ませる側にカム位相可変機構１４０を制御し、カムシャフト１４１の回転により駆動する吸・排気弁１３１，１３２の開閉時期を全体的に進角させるように設定されている。一方、カム位相可変機構１４０によりカムの位相が進まされた状態で、上記比較的高負荷の領域に突入した場合には、カムの位相を戻す、すなわちカムの位相を上記進ませた分だけ遅らせる側にカム位相可変機構１４０を制御し、カムシャフト１４１の回転により駆動する吸・排気弁１３１，１３２の開閉時期を全体的に遅角させるように設定されている。
【０１１３】
上記吸入空気量制御手段１４３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、比較的低負荷側の運転領域では、各気筒内の取り込まれる新気と供給される燃料との比がリーン空燃比とされつつ燃焼が行われるので、過給機２７により過給されて各気筒に供給される空気が、要求トルクに応じた燃料の燃焼に必要な量の空気よりも所定量だけ過剰となるように、スロットル開度が調節される。
【０１１４】
上記燃焼制御手段１４４は、燃料噴射制御手段１４５と点火制御手段１４６とからなっており、燃料噴射制御手段１４５により、各気筒２Ａ〜２Ｄに対応して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及び点火停止等の制御を行う。そして、特に運転状態が低負荷側と高負荷側との運転領域にある場合で燃焼状態の制御（燃料噴射の制御及び点火の制御）が変更される。すなわち、運転状態が低負荷側の運転領域にある場合には、各気筒に対して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、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、そして圧縮自己着火を行わせるべく、強制点火を停止する。一方、比較的高負荷側の運転領域にある場合には、各気筒に対して空燃比を理論空燃比とするように燃料噴射量を制御するとともに、上記実施形態の図７における場合と同様に、圧縮行程で燃料を噴射するように噴射タイミングを設定し、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。
【０１１５】
以上のような他の実施形態の装置の作用を、次に説明する。
【０１１６】
この他の実施形態の装置は、新気及びガスの流通経路は図１１に示すようになり、分岐吸気通路１６から供給された新気が各気筒で燃焼され分岐排気通路２１に排出されるような独立気筒状態とされる。
【０１１７】
各気筒では、それぞれ吸気行程で吸気通路１５から新気が導入され、Ｏ２センサ２３により検出される空燃比が理論空燃比よりも大きい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、低負荷側の運転領域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の圧力、温度の上昇により圧縮自己着火が行われる（図１３参照）一方、高負荷側の運転領域では、圧縮行程で燃料が噴射された後、この圧縮行程の上死点付近では強制点火により理論空燃比の燃焼が行われる。
【０１１８】
このように、各気筒２Ａ〜２Ｄでは、低負荷側の運転領域では、リーン燃焼により熱効率が高められるとともに、リーンを行わない通常のエンジンと比べて吸気不圧が小さくなることで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。
【０１１９】
また、低負荷側の運転領域において各気筒２Ａ〜２Ｄでは、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燃焼室４全体に亘り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、熱効率を向上させて高い燃費改善効果が得られる。
【０１２０】
そして、上記低負荷側の運転領域で圧縮自己着火を確実かつ円滑に行わせるため、各気筒２Ａ〜２Ｄの排気弁１３２がカム位相可変機構１４０により全体的に進角して排気行程上死点よりも所定期間前に閉弁され、燃焼室４に既燃ガスが残存される。この既燃ガスは、比較的高温のものなので、筒内温度も高温となり、各気筒２Ａ〜２Ｄに過給機２７により導入された新気と相俟って圧縮自己着火が確実且つ円滑に行われる。また、残存既燃ガスによりＥＧＲが行われているのと同等の状態となることから、ＮＯｘの発生量を十分に抑制して排ガスの浄化に寄与することとなるとともに、このガス中のＥＧＲに相当する既燃ガス成分が増大する等によりノッキング抑制作用も高められる。
【０１２１】
一方、排気弁１３２が早期に閉弁されることに伴い、同時にカム位相可変機構１４０により吸気弁１３１も進角させて排気弁１３２にオーバーラップさせている。すなわち、ピストン３が排気行程にあるにもかかわらず、排気弁１３２を早期に閉弁させると、ポンピングロスが増大して燃費改善効果が低減することとなるが、このように吸気弁１３１を排気弁１３２にオーバーラップさせることによりポンピングロスの増大を回避するものとなされている。
【０１２２】
また、吸気弁１３１の閉弁時期は、吸気行程下死点に略一致するようになされており、有効圧縮比を幾何学的圧縮比に一致させ、圧縮による筒内温度の上昇をより大きいものとし、これにより筒内温度を一層高温に維持することができる。したがって、筒内温度が上昇し難い低負荷域であっても各気筒２Ａ〜２Ｄにおける自己着火性を確実に確保することができると共に、各気筒２Ａ〜２Ｄにおける圧縮自己着火による燃焼を行うことができる運転領域を拡大することができる。
【０１２３】
ここで、気筒２Ａ〜２Ｄ内には、既燃ガスが一部残存しており、しかもその吸気弁１３１は、排気弁１３２にオーバーラップさせるために排気行程において開弁されるため、新気の取り込み不足による出力低下が懸念されるところであるが、各気筒２Ａ〜２Ｄの吸気を補助する過給機が設けられているので、この過給機により各気筒２Ａ〜２Ｄに対して新気を強制的に送り込むことができ、吸気量低下による出力低下を防止することができる。
【０１２４】
一方、その低負荷側の運転領域から高負荷側の運転領域に移行した場合には、上記カム位相可変機構１４０により吸・排気弁１３１，１３２が遅角され、そのバルブタイミングがもとのバルブタイミングに変更される。また、各気筒２Ａ〜２Ｄにおいて、燃焼制御手段１４４により圧縮自己着火による燃焼から強制点火による燃焼に移行して、筒内温度の過度の上昇によるノッキングの発生を防止するものとなされている。
【０１２５】
なお、この他の実施形態におけるエンジンでは、燃料噴射弁９は、燃焼室４の側方部に設けられ、燃焼室４内に燃料を直接噴射するものとなされているが、例えば吸気ポート１１１に設けられ、吸気ポート１１１内で新気に燃料を噴射して混合気が燃焼室４内に送り込まれるように構成しても良い。
【０１２６】
【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、特殊運転モードとされた場合に、排気行程と吸気行程が重なる一対の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て、圧縮自己着火により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およびポンピングロス低減により、また後続気筒では圧縮自己着火による燃焼効率の向上及び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。しかも、後続気筒における燃焼の際の空燃比が実質的に理論空燃比となるようにしているため、排気通路での排気ガスの浄化を三元触媒だけで充分に行うことでき、リーンＮＯｘ触媒が不要となる。
【０１２７】
そして、先行気筒に既燃ガスを残存させた状態で新気を取り込み燃焼させるので、先行気筒におけるノッキング抑制作用が高められるとともに、先行気筒における既燃ガスはさらに高温のものとなり、この高温の既燃ガスが後続気筒に導入されて後続気筒における圧縮自己着火を確実且つ円滑に行うことができる。また、後続気筒においても、ＥＧＲに相当する既燃ガス成分が増大する等によりノッキング抑制作用が高められる。一方、先行気筒の排気弁を早期に閉弁させることに伴い、この排気弁に吸気弁をオーバーラップさせているので、ポンピングロスの増大を回避することができる。
【０１２８】
さらに、先行気筒に既燃ガスを残存させているが、過給機により先行気筒に新気を送り込んでいるので、吸気量低下による出力低下を防止することができる。
【０１２９】
一方、請求項６記載の発明の装置によると、圧縮自己着火により燃焼室全体に亘り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、熱効率を向上させて高い燃費改善効果が得られる。また、残存既燃ガスによりＥＧＲが行われているのと同等の状態となることから、ＮＯｘの発生量を十分に抑制して排ガスの浄化に寄与することとなる。さらに、気筒内に残存した比較的高温の既燃ガスに新気を取り込んで燃焼させるので、筒内温度を上昇させることができ、これにより気筒における圧縮自己着火を確実且つ円滑に行うことができる。しかも、後続気筒においても、ＥＧＲに相当する既燃ガス成分が増大する等によりノッキング抑制作用も高められる。一方、排気弁が早期に閉弁されることに伴い、この排気弁に吸気弁をオーバーラップさせているので、ポンピングロスの増大を回避することができる。さらに、過給機による新気の送り込みによって、新気の取り込み不足による出力低下を確実に防止することができる。
【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】カム切換機構を示す部分斜視図である。
【図５】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６】特殊運転モード中の低負荷側で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】特殊運転モード中の高負荷側で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】（ａ）は、図６の詳細図であり、（ｂ）は、図７の詳細図である。
【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】他の実施形態による制御装置を備えた全体の概略平面図である。
【図１２】他の実施形態に係る制御系統のブロック図である。
【図１３】他の実施形態に係る低負荷側で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。
【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
２６ 外部ＥＧＲ通路
２７ 過給機
３１ 吸気弁
３２ 排気弁
４０ ＥＣＵ
４１ 運転状態判別手段
４２ カム切換制御手段
４３ 吸入空気量制御手段
４４ 燃焼制御手段
５１ カム切換機構（バルブタイミング可変機構）
４１ 運転状態判別手段
【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】
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、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、上記特殊運転モードとされる運転領域のうち少なくとも一部の運転領域において、上記先行気筒では排気弁を排気行程上死点よりも所定期間前に閉弁することにより気筒内に既燃ガスを一部残存させかつ吸気弁の開弁期間を上記排気弁の開弁期間にオーバーラップさせるように制御すると共に、上記後続気筒では圧縮自己着火により燃焼を行わせるように制御する一方、上記先行気筒における吸気を補助する過給機が設けられていることを特徴とするものである。
【００１１】
この発明によると、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、上記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り燃費改善効果が得られ、後続気筒では圧縮自己着火による燃焼効率の向上及びポンピングロス低減により燃費改善効果が得られる。また、先行気筒ではリーン空燃比で燃焼が行われることによりＮＯｘ発生量が比較的低く抑えられ、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。さらに、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、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。
【００１２】
また、先行気筒に既燃ガスを残存させた状態で新気を取り込み燃焼させるので、既燃ガス成分が増大すること等により、先行気筒におけるノッキング抑制作用が高められる。また、先行気筒では比較的高温の残存既燃ガスに新気を取り込んで燃焼させるので、その既燃ガスはさらに高温のものとなり、この高温の既燃ガスが後続気筒に導入されるので、後続気筒における圧縮自己着火が確実且つ円滑に行われる一方、このガス中のＥＧＲに相当する既燃ガス成分が増大する等により後続気筒のノッキング抑制作用が高められる。さらに、先行気筒の排気弁を早期に閉弁させることに伴ってポンピングロスの増加が懸念されるが、この排気弁に吸気弁をオーバーラップさせているので、ポンピングロスの増大を回避することができる。
【００１３】
ここで、先行気筒においては、既燃ガスが一部残存しており、しかもその吸気弁は、排気弁にオーバーラップさせるために排気行程において開弁されるため、新気の取り込み不足による出力低下が懸念されるところであるが、この発明によると、先行気筒の吸気を補助する過給機が設けられているので、この過給機により先行気筒に対して新気を強制的に送り込むことができ、吸気量低下による出力低下を防止することができる。
【００１４】
この発明において、上記先行気筒における吸気弁の閉弁時期が、吸気行程下死点に略一致するように設定されているのが好ましい（請求項２）。このようにすると、エンジンの有効圧縮比が向上し、筒内温度をより高温に維持することができるため、より一層高温の既燃ガスを後続気筒に導入することができる。したがって、例えば筒内温度が上昇し難い低負荷域等であっても、後続気筒における自己着火性をより確実に確保することができると共に、後続気筒における圧縮自己着火による燃焼を行うことができる運転領域を拡大することができ、さらなる燃費の向上、排ガス浄化を促進することができる。
【００１５】
また、この発明において、上記先行気筒における吸・排気弁のバルブタイミングを変更するバルブタイミング可変機構が設けられ、上記特殊運転モードとされる運転領域における上記一部運転領域よりも高負荷域では、上記バルブタイミング可変機構により上記先行気筒の排気弁が排気行程上死点を所定期間経過した後に閉弁されるように設定されると共に、上記先行気筒の吸気弁が吸気行程を所定期間経過した後に閉弁されるように設定されるのが好ましい（請求項３）。このようにすると、バルブタイミング可変機構によりエンジンの運転状態に応じた最適なバルブタイミングを設定することができ、エンジンの運転状態に応じた出力性能を確保することができる。また、例えば後続気筒に導入される既燃ガスが必要以上に高温になりすぎて生じ得る後続気筒におけるノッキングを有効に防止することができる。すなわち、上記高負荷域では、先行・後続気筒は、共にその気筒内温度が高くなり、このような状態で先行気筒で既燃ガスに新気を取り込んで燃焼させ、またこの先行気筒の高温の既燃ガスが後続気筒に導入されると、先行・後続気筒の筒内温度が必要以上に高くなり過ぎて逆にノッキング等の異常燃焼が発生する虞がある。したがって、上記のように構成すると、先行気筒における残存既燃ガスによる温度上昇を抑制すると共に、後続気筒に導入される先行気筒の既燃ガス温度を低下させて、先行・後続気筒におけるノッキングを有効に防止することができ、しかも先行気筒において既燃ガスが残存しないので、新気を十分に取り込むことができ、このためエンジンの出力性能を十分に発揮させることができる。
【００１６】
さらに、上記バルブタイミング可変機構が設けられた制御装置においては、上記特殊運転モードとされる運転領域よりもさらに高負荷域では、先行気筒における吸・排気弁をその吸・排気行程にそれぞれ対応させて開閉させると共に、各気筒をそれぞれ独立させて強制点火により燃焼させる通常運転モードに切り換えるように設定され、この通常運転モードにおいては、各気筒における排気ガスの一部をＥＧＲクーラが設けられた外部ＥＧＲ通路を介して吸気通路に導入するのが好ましい（請求項４）。このようにすると、負荷に対応したエンジンの出力性能を確保することができると共に、ＥＧＲクーラにより冷却された一部排気ガスが外部ＥＧＲを介して吸気通路に導入され、これにより気筒内温度の上昇によるノッキングを有効に防止することができる。
【００１７】
また、上記過給機は、特に限定されるものではないが、過給機としてターボ過給機を用いるのが好ましい。このように、過給機がターボ過給機である場合には、排圧が高くなるため、先行気筒に既燃ガスを残存させやすくなり、後続気筒に導入される既燃ガスをより一層高温にすることができ、後続気筒の自己着火性を高めることができる。
【００１８】
一方、請求項６に係る発明は、気筒が吸気、圧縮、膨張、排気の各行程からなる燃焼サイクルを行うようになっている火花点火式エンジンの制御装置において、吸・排気弁のバルブタイミングを変更するバルブタイミング可変機構と、過給機とを備え、少なくとも一部運転領域で、上記バルブタイミング可変機構により吸・排気弁のバルブタイミングを変更して、排気弁を排気行程上死点よりも所定期間前に閉弁することにより気筒内に既燃ガスを一部残存させると共に、吸気弁の開弁期間を上記排気弁の開弁期間にオーバーラップさせて上記残存既燃ガスに加えて新気を取り込みかつこの吸気弁を吸気行程下死点に略一致するように閉弁させて、圧縮自己着火により燃焼を行わせるように制御する一方、上記過給機により各気筒に吸気を補助することを特徴とするものである。
【００１９】
この発明によると、圧縮自己着火により燃焼室全体に亘り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、熱効率を向上させて高い燃費改善効果が得られる。また、残存既燃ガスによりＥＧＲが行われているのと同等の状態となることから、ＮＯｘの発生量を十分に抑制して排ガスの浄化に寄与することとなる。さらに、気筒内に残存した比較的高温の既燃ガスに新気を取り込んで燃焼させるので、筒内温度を上昇させることができ、これにより気筒における圧縮自己着火が確実且つ円滑に行われる一方、このガス中のＥＧＲに相当する既燃ガス成分が増大する等によりノッキング抑制作用も高められる。また、排気弁が早期に閉弁されることに伴い、ポンピングロスの増大が懸念されるところであるが、この発明によると吸気弁を排気弁にオーバーラップさせているので、ポンピングロスの増大を回避することができる。
【００２０】
ここで、気筒内には、既燃ガスが一部残存しており、しかもその吸気弁は、排気弁にオーバーラップさせるために排気行程において開弁されるため、新気の取り込み不足による出力低下が懸念されるところであるが、この発明によると、各気筒の吸気を補助する過給機が設けられているので、この過給機により各気筒に対して新気を強制的に送り込むことができ、吸気量低下による出力低下を防止することができる。
【００２１】
請求項６記載の発明において、上記燃焼制御手段は、上記気筒内で空燃比が理論空燃比よりも大きいリーン空燃比で燃焼されるように制御するのが好ましい（請求項７）。このようにすると、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ってさらなる燃費改善効果が得られる。
【００２２】
上記請求項６または請求項７記載の発明において、上記一部運転領域よりも高負荷域では、上記バルブタイミング可変機構により吸・排気弁のバルブタイミングを変更して、上記排気弁が排気行程上死点を所定期間経過した後に閉弁されるように設定されると共に、上記吸気弁が吸気行程下死点を所定期間経過した後に閉弁されるように設定される一方、各気筒において強制点火による燃焼を行わせるように制御するのが好ましい。このようにすると、エンジンの運転状態に応じて出力を確保することができ、また後続気筒におけるノッキングを有効に防止することができる。
【００２３】
【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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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、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。
【００２７】
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。
【００２８】
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及び図７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約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及び図７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。
【００２９】
排気行程と吸気行程が略重なる一対の気筒間には、排気行程と吸気行程が略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。本実施形態の４気筒エンジンでは、図６及び図７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）とが略重なり、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）が略重なるので、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。
【００３０】
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。
【００３１】
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２０に送り出すための第１排気ポート１２ａと、既燃ガスを気筒間ガス通路２２を介して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気筒間ガス通路２２を介して導入するための第２吸気ポート１１ｂと、既燃ガスを排気通路２０に送り出すための排気ポート３２とが配設されている。
【００３２】
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４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４の右半部側に並列的に設けられている。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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、その出力に応じ、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。なお、本実施形態の装置では、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２Ａ，２Ｄ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。
【００３６】
また、先行気筒２Ａ，２Ｄに対して吸気を補助する過給機が設けられ、本実施形態ではターボ過給機２７が設けられている。この過給機２７は、本実施形態では、後述する特殊運転モードでも通常運転モードでも、先行気筒２Ａ，２Ｄの吸気を補助するように駆動されるが、場合によっては運転状態に応じて過給を制限するものであっても良い。この過給機２７は、分岐排気通路２１を介して各排気ポート１２，１２ａ，１２ｂに連通する排気通路２０に設けられたタービン２８と各吸気ポート１１，１１ａ，１１ｂに連通する吸気通路１５に設けられ上記タービン２８に連動するコンプレッサ２９とを有し、排気通路２０を流通する排気ガスのエネルギーでタービン２８が回転し、このタービン２８の回転に連動してコンプレッサ２９も回転し、このコンプレッサ２９の回転により吸気を過給するものとなされている。なお、過給機としては、上記ターボ過給機２７に限定されるものではなく、スーパーチャージャー等の機械式過給機等であっても良いが、ターボ過給機２７を設けることにより、排圧が高くなるため、後述するように先行気筒２Ａ，２Ｄに既燃ガスを残存させやすくなり、後続気筒２Ｂ，２Ｃに導入する既燃ガスをより一層高温にすることができ、後続気筒２Ｂ，２Ｃにおける自己着火性を高めることができる点で有利である。なお、この過給機２７による過給圧は、後述のように既燃ガスが残存して吸気圧が低下した先行気筒２Ａ，２Ｄに対して新気の供給を補助する程度のものであれば足りる。
【００３７】
さらに、排気通路２０の下流には、各気筒における排気ガスの一部を吸気通路１５に導入するための外部ＥＧＲ通路２６が設けられ、この外部ＥＧＲ通路２６には、排気ガスを冷却するＥＧＲクーラ２６ａと外部ＥＧＲ通路２６を開閉する外部ＥＧＲコントロール弁２６ｂが設けられている。そして、この外部ＥＧＲコントロール弁２６ｂの開閉に伴い、ＥＧＲクーラ２６ａにより冷却された排気ガスが吸気通路１５に導入されるものとなされている。この外部ＥＧＲ通路２６は、気筒内温度の上昇を抑制してノッキングの発生を防止するためのものであり、本実施形態では、後述する通常運転モードで機能するように制御される。
【００３８】
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。この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２３であり、このＯ２センサ２３の出力に基づいて後続機構２Ｂ，２Ｃ（各気筒独立状態の時は気筒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。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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
これらの各弁は、対応する各気筒が吸・排気行程に応じて、すなわち各ピストン３の上下動（上死点と下死点との間の移動）に応じて動弁機構により所定のタイミングで開閉するものとなされているが、その開閉時期は必ずしもピストン３の上死点や下死点に一致するとは限らず、必要に応じてクランク角を数度〜数十度進角または遅角させた時期に設定しても良い。特に、本実施形態では、動弁機構に備えられたバルブタイミング可変機構により、エンジンの運転状態に応じてバルブタイミングを変更したり、弁を閉じきり状態に維持し得るようにしたりなされている。
【００４２】
具体的には、本実施形態では、上記バルブタイミング可変機構として運転状態に応じてカムを乗り換えるカム切換機構５１，６１が採用され、先行気筒である１番、４番気筒２Ａ，２Ｄの吸気弁３１及び第２排気弁３２ｂが、３段階に亘ってバルブタイミングを変更し得るものとなされている一方、その他の弁は、２段階に亘ってバルブタイミングを変更し得るものとなされている。
【００４３】
図４は、３段階に切換可能なカム切換機構５１を示す部分斜視図であり、上述のように２点鎖線で示す第２排気弁３２ｂのために設けられたカム切換機構５１ａと吸気弁３１のために設けられたカム切換機構５１ｂとがある。
【００４４】
この第２排気弁３２ｂのために設けられたカム切換機構５１ａは、第２排気弁３２ｂの上方に設けられ切換段階に応じた複数種のカムが設けられたカムシャフト３３と、このカムシャフト３３と第２排気弁３２ｂとの間にロッカシャフト５５に支持されたロッカアームセット５６とを備える。
【００４５】
カムシャフト３３には切換段階に応じた複数種類のカム、即ち第１ないし第３の３種類のカム５２，５３，５４が軸方向に隣接して設けられ、これらのカムはカムシャフト３３と一体回転するものとなされている。各カムは、異なるリフト特性を有し、すなわち各カムにより弁の開閉弁時期や開弁期間、リフト量等が決定されるものとなされている。各カムの形状や作用等は後述する。
【００４６】
ロッカアームセット５６は、第１ないし第３ロッカアーム５７，５８，５９という３種類のロッカアームの集合体であり、第２排気弁３２ｂにカムの駆動力を伝達し開閉動作させるものである。
【００４７】
具体的には、第１ロッカアーム５７はその先端部にバルブ当接部６０が設けられ、このバルブ当接部６０が適切な位置で第２排気弁３２ｂの弁軸上端に当接する。一方、第２及び第３ロッカアーム５８，５９は、第１ロッカアーム５７の両側方に第１ロッカアーム５７と切り離された状態で設けられ、図外のスプリングにより、それぞれ第２及び第３カム５３，５４に押圧されるものとなされている。したがって、ロッカアームセット５６の各ロッカアームは、図示のように独立して可動する場合には、各ロッカアーム５７，５８，５９の上面は、第１ないし第３カム５２，５３，５４の外周部に当接し、カム当接部の形状（各カムの回転半径）に応じてロッカシャフト５５を支軸として上下に揺動する。
【００４８】
また、第１ないし第３ロッカアーム５７，５８，５９は、上記のように個々に独立して設けられているが、各ロッカアーム間に連通された複数のプランジャー穴（図示せず）内をそれぞれ油圧作動により摺動する複数のプランジャー（図示せず）により第１ロッカアーム５７と第２ロッカアーム５８とがまたは第１ロッカアーム５７と第３ロッカアーム５９とが連結可能であり、この連結一体化状態では一体化されているロッカアーム同士が連動するものとなされている。これらのプランジャーは第１及び第２作動油給排用通路３６，３８を流通するオイルにより摺動するものとなされている一方、オイルは各作動油給排用通路３６，３８に設けられた第１及び第２コントロール弁３７，３９によりその流通がコントロールされるものとなされている（図３参考）。したがって、このカム切換機構５１は、上記第１及び第２コントロール弁３７，３９を制御することにより各プランジャーを摺動させ、これらのプランジャーの動きにより、各ロッカアーム分離状態、第１及び第２ロッカアーム５７，５８の一体化状態、第１及び第３ロッカアーム５７，５９の一体化状態の３状態に切換が可能である。
【００４９】
そして、このカム切換機構５１の動作を、各カムの形状等と共に説明する。
【００５０】
第１カム５２は、弁停止用のカムであり、カムシャフト３３と同心円の外周形状を有する。したがって、第１及び第２コントロール弁３７，３９を制御して各ロッカアームを分離させた状態のとき、すなわちカム切換機構５１により第１カム５２が選択されたとき、第１ロッカアーム５７の上面は第１カム５２の外周面に常時当接し、カムシャフト３３が回転しても揺動せず、この第１ロッカアーム５７のバルブ当接部６０に当接されている第２排気弁３２ｂも開閉動作しない。
【００５１】
第２カム５３は、低負荷用のカムであり、第１カム５２と同一の外周形状を有する部分と、それより径方向外方に突出した外周形状を有する部分とからなる。この第２カム５３の突出部分は、第２排気弁３２ｂを排気行程上死点よりも所定期間前に閉弁するように調整されている。したがって、第２ロッカアーム５８は、カムシャフト３３の回転に伴い、第２カム５３の突出部分に応じて所定のクランク角で所定量だけ下方に揺動する一方、第２ロッカアーム５８が第１ロッカアーム５７に一体化されて連動状態のとき、すなわちカム切換機構５１により第２カム５３が選択されたとき、この第２ロッカアーム５８の揺動に伴って第１ロッカアーム５７も揺動し、第２排気弁３２ｂが所定期間に所定量だけ開弁し、排気行程上死点よりも所定期間前に閉弁する。
【００５２】
第３カム５４は、高負荷用のカムであり、従来のエンジンの一般的なカムと同様に機能するように設定され、第１カム５２と同一の外周形状を有する部分と、それより径方向外方に突出した外周形状を有する部分とからなる。この突出部分は、第２カム５３の突出部分と若干異なる角度に設定され、第２排気弁３２ｂが排気行程上死点よりも所定期間経過後に閉弁するように調整されている。したがって、第３ロッカアーム５９は、カムシャフト３３の回転に伴い、第３カム５４の突出部分に応じて所定のクランク角で所定量だけ下方に揺動する一方、第３ロッカアーム５９が第１ロッカアーム５７に一体化されて連動状態のとき、すなわちカム切換機構５１により第３カム５４が選択されたとき、この第３ロッカアーム５９の揺動に伴って第１ロッカアーム５７も揺動し、第２排気弁３２ｂが所定期間に所定量だけ開弁し、排気行程上死点よりも所定期間経過後に閉弁する。
【００５３】
すなわち、本実施形態では、第３カム５４は、第２排気弁３２ｂを従来のエンジンと同様に、吸・排気行程に対応させた一般的な開閉弁時期、開弁期間等で駆動するように設定されている一方、第２カム５３は、この第３カム５４により駆動される第２排気弁３２ｂと比べ、第２排気弁３２ｂを全体的に進角させて排気行程上死点前に閉弁するように設定されている。そして、エンジンの運転状態に応じてカム切換機構５１により第１ないし第３カム５２，５３，５４が選択され、第２排気弁３２ｂは各カムの外周形状に応じて駆動するように設定されている。
【００５４】
一方、吸気弁３１のために設けられた３段階切換可能のカム切換機構５１ｂも、上記第２排気弁３２ｂのために設けられた３段階切換可能のカム切換機構５１ａと同様に構成されているが、第２カム５３採用時の吸気弁３１の開弁時期が第２排気弁３２ｂにオーバーラップさせるように設定されると共に、その閉弁時期が吸気行程下死点に一致するように設定されている点で異なる。一方、第３カム５４については、上記第２排気弁３２ｂのために設けられたカム切換機構５１と同様に、従来のエンジンの一般的な開閉弁時期等で駆動されるように、すなわち吸気弁３１が吸気行程に対応させて、吸気行程上死点よりも所定期間前に開弁されるように設定されている一方、吸気行程下死点よりも所定期間経過後に閉弁されるように設定されている。
【００５５】
また、先行気筒である１番、４番気筒２Ａ，２Ｄの吸気弁３１及び第２排気弁３２ｂ以外の弁については、２段階に切換可能なカム切換機構６１によりバルブタイミングを変更することができるものとなされているが、その構成は、プランジャー穴が少ない等の一部の構成を除けば、カム切換機構５１と同様で、各弁を第１カム６２と第２カム６３とにより停止状態と作動状態とに切り換えるものである。したがって、カム切換機構６１は、その説明を省略する。なお、この２段階切換可能なカム切換機構６１により作動状態とされる弁は、従来のエンジンの一般的なバルブタイミングに設定されている。
【００５６】
なお、本実施形態では、バルブタイミング可変機構として、運転状態に応じてカムを乗り換える可変バルブタイミング・リフト機構（ＶＶＬ）を採用しているが、これに限定されるものではなく、例えば弁の開閉周期を全体的に進角させる可変バルブタイミングシステム（ＶＴＣ）等公知のバルブタイミング可変機構を採用するものであっても良い。この場合、別途公知の弁停止機構やこれを制御する制御手段等を設けて、後述するような特殊運転モードと通常運転モードとを切り換え得るように構成される。
【００５７】
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及びリニアＯ２センサ２５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、このＥＣＵ４０から、点火回路８、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、外部ＥＧＲコントロール弁２６ｂとに対して制御信号が出力されている。
【００５８】
上記ＥＣＵ４０は、運転状態判別手段４１、カム切換制御手段４２、吸入空気量制御手段４３、燃焼制御手段４４及び外部ＥＧＲ制御手段４９とを備えている。
【００５９】
運転状態判別手段４１は、図５に示すようにエンジンの運転領域が低負荷低回転側の運転領域Ａ（部分負荷域）と高負荷側ないし高回転側の運転領域Ｂとに分けられた制御用マップを有すると共に、運転領域Ａ中に低中負荷側の運転領域Ａ１と高負荷側の運転領域Ａ２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及び運転領域Ａ１，Ａ２のいずれの領域にあるかを判別する。そして、この判別に基づき、低負荷低回転側の運転領域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が選択され、高負荷側ないし高回転側の運転領域Ｂでは、各気筒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なっている。
【００６０】
さらに運転状態判別手段４１は、特殊運転モードが選択される運転領域Ａにある場合に、この領域Ａのうちの低中負荷域Ａ１、高負荷域Ａ２のいずれにあるかを判別するようになっており、この判別結果に基づいてカム切換制御手段４２により最適なカムを選択するものとなされると共に、燃焼制御手段４４により燃料の噴射時期や点火方法等を選択するものとなされている。
【００６１】
カム切換制御手段４２は、運転状態判別手段４１の出力に基づいて、すなわちエンジンの運転状態に応じて、第１及び第２コントロール弁３７，３９を制御することにより、カム切換機構５１を次のように制御する。
【００６２】
運転領域Ａ１（特殊運転モードのうち低中負荷領域）
・第１排気弁３２ａ及び第１吸気弁３１ａ
カム切換機構６１により第１カム６２が選択され停止状態
・吸気弁３１及び第２排気弁３２ｂ
カム切換機構５１により第２カム５３が選択され作動状態
・第２吸気弁３１ｂ及び排気弁３２
カム切換機構６１により第２カム６３が選択され作動状態
運転領域Ａ２（特殊運転モードのうち高負荷領域）
・第１排気弁３２ａ及び第１吸気弁３１ａ
カム切換機構６１により第１カム６２が選択され停止状態
・吸気弁３１及び第２排気弁３２ｂ
カム切換機構５１により第３カム５４が選択され作動状態
・第２吸気弁３１ｂ及び排気弁３２
カム切換機構６１により第２カム６３が選択され作動状態
運転領域Ｂ（通常運転モード）
・第１排気弁３２ａ及び第１吸気弁３１ａ
カム切換機構６１により第２カム６３が選択され作動状態
・吸気弁３１
カム切換機構５１により第３カム５４が選択され作動状態
・第２排気弁３２ｂ
カム切換機構５１により第１カム５２が選択され停止状態
・第２吸気弁３１ｂ
カム切換機構６１により第１カム６２が選択され停止状態
・排気弁３２
カム切換機構６１により第２カム６３が選択され作動状態
【００６３】
上記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、特殊運転モードとされる運転領域Ａでは、後続気筒である２番、３番気筒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である１番、４番気筒２Ａ，２Ｄ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リーン空燃比とされつつ燃焼が行われるので、過給機２７により過給されて先行気筒２Ａ，２Ｄに供給される空気が、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）となるように、スロットル開度が調節される。
【００６４】
上記燃焼制御手段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及び点火停止等の制御を行う。そして、特に運転状態が図５中の運転領域Ａにある場合と運転領域Ｂにある場合、また、運転領域Ａにある場合でも運転領域Ａ１にある場合と運転領域Ａ２にある場合とで燃焼状態の制御（燃料噴射の制御及び点火の制御）が変更される。
【００６５】
すなわち、運転状態が低負荷低回転側の運転領域Ａにある場合、特殊運転モードでの制御として、先行気筒（１番、４番気筒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（２番、３番気筒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、運転領域Ａ（運転領域Ａ１及び運転領域Ａ２を含む）にある場合には、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、そして圧縮自己着火を行わせるべく、強制点火を停止するように設定する。
【００６６】
また、運転状態が高負荷側ないし高回転側の運転領域Ｂにある場合には、通常運転モードでの制御として、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する。
【００６７】
外部ＥＧＲ制御手段４９は、運転状態判別手段４１の結果に基づいて、この判別結果が通常運転モードが選択される場合に、すなわちエンジンの運転状態が運転領域Ｂにある場合に、閉状態にある外部ＥＧＲコントロール弁２６ｂを開くように制御して、ＥＧＲクーラ２６ａにより冷却された一部排気ガスを吸気通路１５に導入する外部ＥＧＲを実行するものである。
【００６８】
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。
【００６９】
運転領域Ａでは特殊運転モードとされ、前述のようにカム切換機構６１により第１排気弁３２ａ及び第１吸気弁３１ａが停止状態、カム切換機構５１により第２排気弁３２ｂ及び第２吸気弁３１ｂが作動状態、カム切換機構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（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。
【００７０】
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から過給機２７により補助されつつ新気が導入され（図９中の矢印ａ）、先行気筒２Ａ，２ＤではリニアＯ２センサ２５により検出される空燃比が理論空燃比よりも大きい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６及び図７参照）。
【００７１】
一方、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及び図７中の白抜き矢印及び図９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、理論空燃比となるように燃料噴射量が制御されつつ、運転領域Ａ（運転領域Ａ１及び運転領域Ａ２）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の圧力、温度の上昇により圧縮自己着火が行われる（図６及び図７参照）。
【００７２】
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、運転領域Ａにおいて後続気筒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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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、運転領域Ａにおいては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。
【００７６】
また、運転領域Ａ中の低中負荷域である運転領域Ａ１では、圧縮自己着火を確実且つ円滑に行うために、先行気筒２Ａ，２Ｄの吸気弁３１及び第２排気弁３２ｂのバルブタイミングを従来のエンジンの一般的なバルブタイミングからカム切換機構５１により次のように変更される。
【００７７】
図６は、運転領域Ａ１における各気筒の吸・排気行程、燃料噴射時期、点火時期等を示す図であり、図８（ａ）は、吸・排気行程部分を詳細に示したものである。
【００７８】
図８（ａ）において、横軸はクランク角を示し、Ｔは上死点（ＴＤＣ）、Ｂは下死点（ＢＴＣ）を示す。そして、帯状の各部分は各弁の開弁期間を示し、上段から下段に向かう白抜き矢印は、先行気筒２Ａ，２Ｄの排気行程と後続気筒２Ｂ，２Ｃとが略重なっており、先行気筒２Ａ，２Ｄでの既燃ガスが後続気筒２Ｂ，２Ｃに導かれる状態を示す。また、上段には先行気筒２Ａ，２Ｄの第２排出弁３２ｂが開弁する開弁期間８０と、吸気弁３１が開弁する開弁期間８１とを示す一方、下段には後続気筒２Ｂ，２Ｃの排気弁３２の開弁期間８２と、第２吸気弁３１ｂが開弁する開弁期間８３とを示す。
【００７９】
上段における先行気筒２Ａ，２Ｄにおいては、カム切換機構５１により第２カム５３が選択され、図８（ａ）に明示するように、第２排気弁３２ｂは、排気行程上死点８５よりも所定期間前に閉弁され、燃焼室４に既燃ガスが残存される。そして、この先行気筒２Ａ，２Ｄに過給機２７により新気が導入され、上記のように強制点火により燃焼された後、気筒間通路２２を介して後続気筒２Ｂ，２Ｃに導入される。なお、本実施形態においては、第２排気弁３２ｂのバルブタイミングは、従来のエンジンの一般的なバルブタイミングより全体的に進角させだけのものであり、その開弁期間等は従来のエンジンの一般的な開弁期間と同様に設定されている。
【００８０】
このように、先行気筒２Ａ，２Ｄに既燃ガスを残存させた状態で新気を取り込み燃焼させるので、既燃ガス成分が増大することにより先行気筒２Ａ，２Ｄにおけるノッキングを効果的に防止することができる。また、先行気筒２Ａ，２Ｄでは比較的高温の残存既燃ガスに新気を取り込んで燃焼させるので、その既燃ガスはさらに高温のものとなり、この高温の既燃ガスが後続気筒２Ｂ，２Ｃに導入されるので、後続気筒２Ｂ，２Ｃにおける筒内温度を上昇させることができ、後続気筒２Ｂ，２Ｃにおける圧縮自己着火が確実且つ円滑に行われる。また、後続気筒２Ｂ，２Ｃにおいても、先行気筒２Ａ，２Ｄの既燃ガスが導入され、これによってＥＧＲに相当する既燃ガス成分が増大する等により後続気筒のノッキング抑制作用が高められる。
【００８１】
ここで、先行気筒２Ａ，２Ｄにおいては、既燃ガスが一部残存しており、しかもその吸気弁３１は、第２排気弁３２ｂにオーバーラップさせるために排気行程において開弁されるため、新気の取り込み不足による出力低下が懸念されるが、先行気筒２Ａ，２Ｄの吸気を補助する過給機２７が設けられているので、この過給機２７により先行気筒２Ａ，２Ｄに対して新気を強制的に送り込むことができ、吸気量低下による出力低下を防止することができる。
【００８２】
そして、上記のように、先行気筒２Ａ，２Ｄにおける第２排気弁３２ｂを早期に閉弁させることに伴い、図８（ａ）及び図６に示すように、先行気筒２Ａ，２Ｄの吸気弁３１も、カム切換機構５１により第２カム５３を選択して、そのバルブタイミングを変更し、上記第２排気弁３２ｂにオーバーラップさせている。すなわち、ピストン３が排気行程にあるにもかかわらず、第２排気弁３２ｂを早期に閉弁させると、ポンピングロスが増大して燃費改善効果が低減することとなるが、吸気弁３１を第２排気弁３２ｂにオーバーラップさせているので、ポンピングロスの増大を回避することができる。
【００８３】
また、本実施形態においては、上記のようにカム切換機構５１によりバルブタイミングを変更するのと同時に、この吸気弁３１の閉弁時期を吸気行程下死点８７に一致するようになされている。このように、吸気弁３１の閉弁時期を吸気行程下死点８７に一致させることにより、有効圧縮比を幾何学的圧縮比に一致させ、圧縮による筒内温度の上昇をより大きいものとし、これにより一層高温の既燃ガスを後続気筒２Ｂ，２Ｃに導入することができる。したがって、筒内温度が上昇し難い低負荷域であっても後続気筒２Ｂ，２Ｃにおける自己着火性を確実に確保することができると共に、後続気筒２Ｂ，２Ｃにおける圧縮自己着火による燃焼を行うことができる運転領域を拡大することができる。
【００８４】
なお、後続気筒２Ｂ，２Ｃにおける第２吸気弁３１ｂ及び排気弁３２は、図８（ａ）及び図６に示すように、カム切換機構６１により第２カム６３が選択され、従来のエンジンの一般的なバルブタイミングで開閉動作される。
【００８５】
一方、特殊運転モードとされる運転領域Ａのうちの高負荷域Ａ２では、先行気筒２Ａ，２Ｄ内の燃焼温度が過度に上昇してノッキングが生じ易くなるので、カム切換機構５１により吸気弁３１及び第２排気弁３２ｂのバルブタイミングを従来のエンジンの一般的なバルブタイミングに変更している。
【００８６】
すなわち、図７は、運転領域Ａ２における各気筒の吸・排気行程、燃料噴射時期、点火時期等を示す図であり、この図７における各弁のバルブタイミングは従来のエンジンの一般的なバルブタイミングと同様に以下のように設定されているものである。そして、図８（ｂ）は、図７の吸・排気行程部分を詳細に示したものである。
【００８７】
図８（ｂ）において、横軸はクランク角を示し、Ｔは上死点（ＴＤＣ）、Ｂは下死点（ＢＴＣ）を示す。そして、帯状の各部分は各弁の開弁期間を示し、上段から下段に向かう白抜き矢印は、先行気筒２Ａ，２Ｄの排気行程と後続気筒２Ｂ，２Ｃとが略重なっており、先行気筒２Ａ，２Ｄでの既燃ガスが後続気筒２Ｂ，２Ｃに導かれる状態を示す。また、上段には先行気筒２Ａ，２Ｄの第２排出弁３２ｂが開弁する開弁期間１００と、吸気弁３１が開弁する開弁期間１０１とを示す一方、下段には後続気筒２Ｂ，２Ｃの排気弁３２の開弁期間１０２と、第２吸気弁３１ｂが開弁する開弁期間１０３とを示す。
【００８８】
特殊運転モードとされる運転領域Ａのうちの高負荷域Ａ２では、上述のように、残存既燃ガスに新気を取り込んで燃焼させると、先行気筒２Ａ，２Ｄのノッキングが生じやすくなるので、先行気筒２Ａ，２Ｄにおける吸気弁３１及び第２排気弁３２ｂは、図７及び図８（ｂ）にも示すように、カム機構５１により第３カム５４が選択され、従来のエンジンの一般的なバルブタイミングで開閉させる。
【００８９】
すなわち、先行気筒２Ａ，２Ｄにおける第２排気弁３２ｂは、排気行程上死点よりも所定期間前に開弁されるように設定される一方、排気行程上死点を所定期間経過した後に閉弁されるように設定され、所定期間開弁される。これらの所定期間について、本実施形態では上記のように従来のエンジンの一般的な設定値が採用され、この設定値としては、例えば排気行程上死点よりもクランク角で約１０°前に開弁され、排気行程下死点後クランク角で約５５°に閉弁され、クランク角で約２４５°開弁されるものとなされている。
【００９０】
なお、後続気筒２Ｂ，２Ｃにおける第２吸気弁３１ｂ及び排気弁３２は、図８（ｂ）及び図７に示すように、カム切換機構６１により第２カム６３が選択され、上記運転領域Ａ１における場合と同様に、従来のエンジンの一般的なバルブタイミングで開閉動作される。
【００９１】
このように、カム切換機構５１によりエンジンの運転状態に応じてカム５２〜５４を切り換えることにより、最適なバルブタイミングを設定することができ、エンジンの運転状態に応じた出力性能を確保することができる。また、例えば後続気筒２Ｂ，２Ｃに導入される既燃ガスが必要以上に高温になりすぎて生じ得る後続気筒２Ｂ，２Ｃにおけるノッキングを有効に防止することができる。すなわち、上記高負荷域では、先行・後続気筒２Ａ〜２Ｄ共に、その気筒内温度が高くなり、このような状態で先行気筒２Ａ，２Ｄで既燃ガスに新気を取り込んで燃焼させ、またこの先行気筒２Ａ，２Ｄの高温の既燃ガスが後続気筒２Ｂ，２Ｃに導入されると、先行・後続気筒２Ａ〜２Ｄの筒内温度が必要以上に高くなり過ぎて逆にノッキング等の異常燃焼が発生する虞がある。したがって、上記のように構成すると、先行気筒２Ａ，２Ｄにおける残存既燃ガスによる温度上昇を抑制すると共に、後続気筒２Ｂ，２Ｃに導入される先行気筒２Ａ，２Ｄの既燃ガス温度を低下させて、先行・後続気筒２Ａ〜２Ｄにおけるノッキングを有効に防止することができ、しかも先行気筒２Ａ，２Ｄにおいて既燃ガスが残存しないので、過給機２７による過給も手伝って新気を十分に取り込むことができ、このためエンジンの出力性能を十分に発揮させることができる。
【００９２】
一方、特殊運転モードとされる運転領域Ａよりも高負荷側の運転領域Ｂでは通常運転モードとされ、上述のように、カム切換機構５１により第３カム５４が選択されることにより吸気弁３１が作動状態、カム切換機構６１により第２カム６３が選択されることにより第１排気弁３２ａ及び第１吸気弁３１ａが作動状態、カム切換機構５１により第１カム５２が選択されることにより第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に過給機２７により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。また、この運転領域Ｂにおいては外部ＥＧＲコントロール弁２６ｂが開かれ、排気通路２０を流通する各気筒の既燃ガスである排気ガスの一部が、外部ＥＧＲ通路２６を介してこの通路２６に設けられたＥＧＲクーラ２６ｂに冷却されつつ吸気流通路１５に導入される。これにより、気筒内温度の上昇を抑制してノッキングを有効に防止することができ、負荷に対応したエンジンの出力性能を確保することができる。なお、各弁のバルブタイミングは、運転領域Ａ１における場合と同様に設定されている。
【００９３】
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。例えば、以下のような変更が可能である。
【００９４】
▲１▼上記のような特殊運転モードとされる運転領域Ａでの運転状態に応じた制御に加え、エンジンの温度状態に応じて先行気筒の空燃比を変更するようにしてもよい。例えば、エンジンの暖機後であってもエンジン温度が低いとき（エンジン冷却水の温度が所定温度以下のとき）には、特殊運転モードとされる運転領域Ａ内の全域で、先行気筒の空燃比を理論空燃比の２倍より小さくすることが好ましい。このようにすれば、比較的エンジン温度が低いときにも、先行気筒から後続気筒へ導入されるガスの温度を高めて圧縮自己着火可能な状態を確保することができる。
【００９５】
▲２▼上記各実施形態では、特殊運転モードとされる運転領域Ａのうち低負荷側の運転領域Ａ１で、後続気筒を圧縮自己着火により燃焼させるようにしているが、運転領域Ａ１のうちの一部、例えば燃焼室内の温度、圧力が圧縮自己着火可能な状態に達しにくい極低速低負荷の領域では、後続気筒に対して所定の点火時期に点火プラグ７による点火を行わせ、強制点火により燃焼させるようにしてもよい。あるいはまた、エンジン温度が低いときに、後続気筒を強制点火により燃焼させるようにしてもよい。
【００９６】
▲３▼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。
【００９７】
次に、本発明の他の実施形態について図１１ないし図１３に基づいて説明する。
【００９８】
この他の実施形態は、運転状態にかかわらず、１番気筒２Ａから４番気筒２Ｄまでの各気筒がそれぞれ独立したものである点、及び各気筒におけるバルブタイミングを変更するためのバルブタイミング可変機構として可変バルブタイミングシステム（ＶＴＣ）機構が採用されている点で上記実施形態と大きく異なる。
【００９９】
図１１は、本発明の他の実施形態によるエンジンの概略構成を示し、図１２は、この他の実施形態の装置における駆動、制御系統の構成を示している。
【０１００】
なお、他の実施形態において上記実施形態と同様の構成であるものについては、図中に同一の符号を付してその説明を省略する。
【０１０１】
各気筒２Ａ〜２Ｄの燃焼室４に対して吸気ポート１１１及び排気ポート１１２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１３１及び排気弁１３２により開閉されるようになっている。
【０１０２】
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。
【０１０３】
各気筒２Ａ〜２Ｄには、図１１に示すように、それぞれ、新気を導入するための吸気ポート１１１と、排気ガスを排気通路２０に送り出すための排気ポート１１２とが燃焼室４の左右半分側にそれぞれ一気筒あたり２個ずつ、並列的に配設されている。また、各気筒２Ａ〜２Ｄの吸気ポート１１１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。
【０１０４】
一方、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。
【０１０５】
これらの各弁は、対応する各気筒が吸・排気行程に応じて、すなわち各ピストンの上下動（上死点と下死点との間の移動）に応じて動弁機構により所定のタイミングで開閉するものとなされているが、その開閉時期は必ずしもピストン３の上死点や下死点に一致するとは限らず、必要に応じてクランク角を数度〜数十度進角または遅角させた時期に設定しても良い。特に、この他の実施形態では、動弁機構に備えられたバルブタイミング可変機構により、エンジンの運転状態に応じてバルブタイミングを変更し得るようになされている。
【０１０６】
具体的には、この他の実施形態のバルブタイミング可変機構は、カムシャフトとクランクシャフトの回転位相角を相対的に変動させて、バルブタイミングを全体的に進角あるいは遅角させる可変バルブタイミング機構（ＶＴＣ）が採用されている。この可変バルブタイミング機構としてのカム位相可変機構１４０は、例えばカムシャフト１４１の一端に内蔵されたヘリカルギアを油圧でシャフトの軸方向に移動させカムシャフト１４１をプーリーに対して相対的に回転させる構造等の従来から知られた機構である。
【０１０７】
そして、このカム位相可変機構１４０は、低負荷側における上記運転領域Ａ１（図５参照）に相当する運転領域では、図１３に示すように、吸・排気弁１３１，１３２を共に進角させて排気弁１３２が排気行程上死点よりも所定期間前に閉弁されるように設定されている一方、吸気弁１３１が吸気行程下死点に一致するように閉弁されるように設定されている。なお、このカム位相可変機構１４０はカムの位相だけを変更するものであるので、排気弁１３２にオーバーラップさせられた吸気弁１３１はバルブタイミングの変更後も同様にオーバーラップさせられている一方、閉弁期間等もバルブタイミングの変更前後で変化することもない。
【０１０８】
一方、上記運転領域Ａ１に相当する運転領域よりも高負荷側ないし高回転側の運転領域では、カム位相可変機構１４０により吸・排気弁１３１，１３２を共に遅角させて、図７に記載のバルブタイミングと同様に、従来のエンジンの一般的なバルブタイミングに変更される。すなわち、上記実施形態における運転領域Ａ２及び運転領域Ｂに相当する運転領域では、カム位相可変機構１４０により、吸気弁１３１の開弁期間が、吸気行程に対応して吸気行程上下死点を跨ぐように設定される一方、排気弁１３２の開弁期間が、排気行程に対応して排気工程上下死点を跨ぐように設定される。
【０１０９】
なお、本実施形態では、バルブタイミング可変機構として、可変バルブタイミングシステム（ＶＴＣ）が採用されているが、運転状態に応じてカムを乗り換える可変バルブタイミング・リフト機構（ＶＶＬ）等公知のバルブタイミング可変機構を採用するものであっても良いことは、上記実施形態と同様である。
【０１１０】
図１２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）１４０は、上記実施形態のＥＣＵ４０に対し、カム切換制御手段４２に替えてカム位相制御手段１４２を備える点で大きく異なる。
【０１１１】
運転状態判別手段１４１は、上記実施形態における図５に示す運転領域Ａ１に相当する運転領域と、この運転領域よりも高負荷側ないし高回転側の運転領域Ａ２及び運転領域Ｂに相当する運転領域とに分けられた制御用マップを有し、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）が低負荷側と高負荷側のいずれの運転領域にあるかを判別し、その判別結果を燃焼制御手段１４４やカム位相制御手段１４２等に出力する。
【０１１２】
カム位相制御手段１４２は、運転状態判別手段１４１の結果に基づいて、カム位相可変機構１４０の制御を行う。カム位相制御手段１４２は、比較的低負荷の領域ではカムの位相を進ませる側にカム位相可変機構１４０を制御し、カムシャフト１４１の回転により駆動する吸・排気弁１３１，１３２の開閉時期を全体的に進角させるように設定されている。一方、カム位相可変機構１４０によりカムの位相が進まされた状態で、上記比較的高負荷の領域に突入した場合には、カムの位相を戻す、すなわちカムの位相を上記進ませた分だけ遅らせる側にカム位相可変機構１４０を制御し、カムシャフト１４１の回転により駆動する吸・排気弁１３１，１３２の開閉時期を全体的に遅角させるように設定されている。
【０１１３】
上記吸入空気量制御手段１４３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、比較的低負荷側の運転領域では、各気筒内の取り込まれる新気と供給される燃料との比がリーン空燃比とされつつ燃焼が行われるので、過給機２７により過給されて各気筒に供給される空気が、要求トルクに応じた燃料の燃焼に必要な量の空気よりも所定量だけ過剰となるように、スロットル開度が調節される。
【０１１４】
上記燃焼制御手段１４４は、燃料噴射制御手段１４５と点火制御手段１４６とからなっており、燃料噴射制御手段１４５により、各気筒２Ａ〜２Ｄに対応して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及び点火停止等の制御を行う。そして、特に運転状態が低負荷側と高負荷側との運転領域にある場合で燃焼状態の制御（燃料噴射の制御及び点火の制御）が変更される。すなわち、運転状態が低負荷側の運転領域にある場合には、各気筒に対して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、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、そして圧縮自己着火を行わせるべく、強制点火を停止する。一方、比較的高負荷側の運転領域にある場合には、各気筒に対して空燃比を理論空燃比とするように燃料噴射量を制御するとともに、上記実施形態の図７における場合と同様に、圧縮行程で燃料を噴射するように噴射タイミングを設定し、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。
【０１１５】
以上のような他の実施形態の装置の作用を、次に説明する。
【０１１６】
この他の実施形態の装置は、新気及びガスの流通経路は図１１に示すようになり、分岐吸気通路１６から供給された新気が各気筒で燃焼され分岐排気通路２１に排出されるような独立気筒状態とされる。
【０１１７】
各気筒では、それぞれ吸気行程で吸気通路１５から新気が導入され、Ｏ２センサ２３により検出される空燃比が理論空燃比よりも大きい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、低負荷側の運転領域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の圧力、温度の上昇により圧縮自己着火が行われる（図１３参照）一方、高負荷側の運転領域では、圧縮行程で燃料が噴射された後、この圧縮行程の上死点付近では強制点火により理論空燃比の燃焼が行われる。
【０１１８】
このように、各気筒２Ａ〜２Ｄでは、低負荷側の運転領域では、リーン燃焼により熱効率が高められるとともに、リーンを行わない通常のエンジンと比べて吸気不圧が小さくなることで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。
【０１１９】
また、低負荷側の運転領域において各気筒２Ａ〜２Ｄでは、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燃焼室４全体に亘り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、熱効率を向上させて高い燃費改善効果が得られる。
【０１２０】
そして、上記低負荷側の運転領域で圧縮自己着火を確実かつ円滑に行わせるため、各気筒２Ａ〜２Ｄの排気弁１３２がカム位相可変機構１４０により全体的に進角して排気行程上死点よりも所定期間前に閉弁され、燃焼室４に既燃ガスが残存される。この既燃ガスは、比較的高温のものなので、筒内温度も高温となり、各気筒２Ａ〜２Ｄに過給機２７により導入された新気と相俟って圧縮自己着火が確実且つ円滑に行われる。また、残存既燃ガスによりＥＧＲが行われているのと同等の状態となることから、ＮＯｘの発生量を十分に抑制して排ガスの浄化に寄与することとなるとともに、このガス中のＥＧＲに相当する既燃ガス成分が増大する等によりノッキング抑制作用も高められる。
【０１２１】
一方、排気弁１３２が早期に閉弁されることに伴い、同時にカム位相可変機構１４０により吸気弁１３１も進角させて排気弁１３２にオーバーラップさせている。すなわち、ピストン３が排気行程にあるにもかかわらず、排気弁１３２を早期に閉弁させると、ポンピングロスが増大して燃費改善効果が低減することとなるが、このように吸気弁１３１を排気弁１３２にオーバーラップさせることによりポンピングロスの増大を回避するものとなされている。
【０１２２】
また、吸気弁１３１の閉弁時期は、吸気行程下死点に略一致するようになされており、有効圧縮比を幾何学的圧縮比に一致させ、圧縮による筒内温度の上昇をより大きいものとし、これにより筒内温度を一層高温に維持することができる。したがって、筒内温度が上昇し難い低負荷域であっても各気筒２Ａ〜２Ｄにおける自己着火性を確実に確保することができると共に、各気筒２Ａ〜２Ｄにおける圧縮自己着火による燃焼を行うことができる運転領域を拡大することができる。
【０１２３】
ここで、気筒２Ａ〜２Ｄ内には、既燃ガスが一部残存しており、しかもその吸気弁１３１は、排気弁１３２にオーバーラップさせるために排気行程において開弁されるため、新気の取り込み不足による出力低下が懸念されるところであるが、各気筒２Ａ〜２Ｄの吸気を補助する過給機が設けられているので、この過給機により各気筒２Ａ〜２Ｄに対して新気を強制的に送り込むことができ、吸気量低下による出力低下を防止することができる。
【０１２４】
一方、その低負荷側の運転領域から高負荷側の運転領域に移行した場合には、上記カム位相可変機構１４０により吸・排気弁１３１，１３２が遅角され、そのバルブタイミングがもとのバルブタイミングに変更される。また、各気筒２Ａ〜２Ｄにおいて、燃焼制御手段１４４により圧縮自己着火による燃焼から強制点火による燃焼に移行して、筒内温度の過度の上昇によるノッキングの発生を防止するものとなされている。
【０１２５】
なお、この他の実施形態におけるエンジンでは、燃料噴射弁９は、燃焼室４の側方部に設けられ、燃焼室４内に燃料を直接噴射するものとなされているが、例えば吸気ポート１１１に設けられ、吸気ポート１１１内で新気に燃料を噴射して混合気が燃焼室４内に送り込まれるように構成しても良い。
【０１２６】
【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、特殊運転モードとされた場合に、排気行程と吸気行程が重なる一対の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て、圧縮自己着火により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およびポンピングロス低減により、また後続気筒では圧縮自己着火による燃焼効率の向上及び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。しかも、後続気筒における燃焼の際の空燃比が実質的に理論空燃比となるようにしているため、排気通路での排気ガスの浄化を三元触媒だけで充分に行うことでき、リーンＮＯｘ触媒が不要となる。
【０１２７】
そして、先行気筒に既燃ガスを残存させた状態で新気を取り込み燃焼させるので、先行気筒におけるノッキング抑制作用が高められるとともに、先行気筒における既燃ガスはさらに高温のものとなり、この高温の既燃ガスが後続気筒に導入されて後続気筒における圧縮自己着火を確実且つ円滑に行うことができる。また、後続気筒においても、ＥＧＲに相当する既燃ガス成分が増大する等によりノッキング抑制作用が高められる。一方、先行気筒の排気弁を早期に閉弁させることに伴い、この排気弁に吸気弁をオーバーラップさせているので、ポンピングロスの増大を回避することができる。
【０１２８】
さらに、先行気筒に既燃ガスを残存させているが、過給機により先行気筒に新気を送り込んでいるので、吸気量低下による出力低下を防止することができる。
【０１２９】
一方、請求項６記載の発明の装置によると、圧縮自己着火により燃焼室全体に亘り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、熱効率を向上させて高い燃費改善効果が得られる。また、残存既燃ガスによりＥＧＲが行われているのと同等の状態となることから、ＮＯｘの発生量を十分に抑制して排ガスの浄化に寄与することとなる。さらに、気筒内に残存した比較的高温の既燃ガスに新気を取り込んで燃焼させるので、筒内温度を上昇させることができ、これにより気筒における圧縮自己着火を確実且つ円滑に行うことができる。しかも、後続気筒においても、ＥＧＲに相当する既燃ガス成分が増大する等によりノッキング抑制作用も高められる。一方、排気弁が早期に閉弁されることに伴い、この排気弁に吸気弁をオーバーラップさせているので、ポンピングロスの増大を回避することができる。さらに、過給機による新気の送り込みによって、新気の取り込み不足による出力低下を確実に防止することができる。
【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】カム切換機構を示す部分斜視図である。
【図５】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６】特殊運転モード中の低負荷側で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】特殊運転モード中の高負荷側で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】（ａ）は、図６の詳細図であり、（ｂ）は、図７の詳細図である。
【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】他の実施形態による制御装置を備えた全体の概略平面図である。
【図１２】他の実施形態に係る制御系統のブロック図である。
【図１３】他の実施形態に係る低負荷側で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。
【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
２６ 外部ＥＧＲ通路
２７ 過給機
３１ 吸気弁
３２ 排気弁
４０ ＥＣＵ
４１ 運転状態判別手段
４２ カム切換制御手段
４３ 吸入空気量制御手段
４４ 燃焼制御手段
５１ カム切換機構（バルブタイミング可変機構）
４１ 運転状態判別手段
Claims (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、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、
上記特殊運転モードとされる運転領域のうち少なくとも一部の運転領域において、上記先行気筒では排気弁を排気行程上死点よりも所定期間前に閉弁することにより気筒内に既燃ガスを一部残存させかつ吸気弁の開弁期間を上記排気弁の開弁期間にオーバーラップさせるように制御すると共に、上記後続気筒では圧縮自己着火により燃焼を行わせるように制御する一方、
上記先行気筒における吸気を補助する過給機が設けられていることを特徴とする過給機付火花点火式エンジンの制御装置。 - 請求項１記載の過給機付火花点火式エンジンの制御装置において、上記先行気筒における吸気弁の閉弁時期が、吸気行程下死点に略一致するように設定されていることを特徴とする過給機付火花点火式エンジンの制御装置。
- 請求項１または請求項２記載の過給機付火花点火式エンジンの制御装置において、上記先行気筒における吸・排気弁のバルブタイミングを変更するバルブタイミング可変機構が設けられ、上記特殊運転モードとされる運転領域における上記一部運転領域よりも高負荷域では、上記バルブタイミング可変機構により、上記先行気筒の排気弁が排気行程上死点を所定期間経過した後に閉弁されるように設定されると共に、上記先行気筒の吸気弁が吸気行程下死点を所定期間経過した後に閉弁されるように設定されることを特徴とする過給機付火花点火式エンジンの制御装置。
- 請求項３記載の過給機付火花点火式エンジンの制御装置において、上記特殊運転モードとされる運転領域よりもさらに高負荷域では、先行気筒における吸・排気弁をその吸・排気行程にそれぞれ対応させて開閉させると共に、各気筒をそれぞれ独立させて強制点火により燃焼させる通常運転モードに切り換えるように設定され、この通常運転モードにおいては、各気筒における排気ガスの一部がＥＧＲクーラが設けられた外部ＥＧＲ通路を介して吸気通路に導入されることを特徴とする過給機付火花点火式エンジンの制御装置。
- 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の過給機付火花点火式エンジンの制御装置において、上記過給機は、ターボ過給機であることを特徴とする過給機付火花点火式エンジンの制御装置。
- 気筒が吸気、圧縮、膨張、排気の各行程からなる燃焼サイクルを行うようになっている火花点火式エンジンの制御装置において、
吸・排気弁のバルブタイミングを変更するバルブタイミング可変機構と、過給機とを備え、少なくとも一部運転領域で、上記バルブタイミング可変機構により吸・排気弁のバルブタイミングを変更して、排気弁を排気行程上死点よりも所定期間前に閉弁することにより気筒内に既燃ガスを一部残存させると共に、吸気弁の開弁期間を上記排気弁の開弁期間にオーバーラップさせて上記残存既燃ガスに加えて新気を取り込みかつこの吸気弁を吸気行程下死点に略一致するように閉弁させて、圧縮自己着火により燃焼を行わせるように制御する一方、上記過給機により各気筒に吸気を補助することを特徴とする過給機付火花点火式エンジンの制御装置。 - 請求項６記載の過給機付火花点火式エンジンの制御装置において、上記気筒内で空燃比が理論空燃比よりも大きいリーン空燃比で燃焼されるように制御することを特徴とする過給機付火花点火式エンジンの制御装置。
- 請求項６または請求項７記載の過給機付火花点火式エンジンの制御装置において、上記一部運転領域よりも高負荷域では、上記バルブタイミング可変機構により吸・排気弁のバルブタイミングを変更して、上記排気弁が排気行程上死点を所定期間経過した後に閉弁されるように設定されると共に、上記吸気弁が吸気行程下死点を所定期間経過した後に閉弁されるように設定される一方、各気筒において強制点火による燃焼を行わせるように制御することを特徴とする過給機付火花点火式エンジンの制御装置。
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