JP5920237B2

JP5920237B2 - 火花点火式エンジンの制御装置

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Publication number: JP5920237B2
Application number: JP2013020768A
Authority: JP
Inventors: 潤三佐々木; 山口　直宏; 直宏山口; 裕介小田
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2013-02-05
Filing date: 2013-02-05
Publication date: 2016-05-18
Anticipated expiration: 2033-02-05
Also published as: JP2014152640A

Description

本発明は、火花点火式エンジン、詳しくは、気筒の温度上昇が著しい高負荷域では、ノッキングを抑制するために点火時期をリタードさせる火花点火式エンジンの制御装置に関する。

一般に、火花点火式エンジンでは、加速時や登坂時等に使用されるスロットル全開域を含む高負荷域で、燃料噴射量の増量により気筒の温度上昇が著しいことからノッキング（火炎伝播の途中で未燃焼のエンドガスが自着火する異常燃焼）が起こり易くなる。そのため、前記運転領域では、点火時期（点火タイミング）を最もトルクの出るタイミング（通常は圧縮上死点付近）であるＭＢＴ（ＭｉｎｉｍｕｍａｄｖａｎｃｅｆｏｒＢｅｓｔＴｏｒｑｕｅ）から所定量リタード（遅角）させて、ノッキングを抑制することが行われる（特許文献１参照）。

また、水冷エキマニにおいて排気が形成する正圧波のピークが吸排気弁のオーバーラップ期間中に含まれなくなるように水冷エキマニを流通する冷媒の量を調節することにより排気の掃気効率が排気圧力によって低下することを回避する技術が知られている（特許文献２参照）。

特開２００７−２９２０５０号公報特開２０１０−１５９６７８号公報

ところで、排気通路内の排気脈動で生じる負圧波が吸気弁及び排気弁が共に開いた状態にある吸排気弁のオーバーラップ期間中に排気ポートに到達することにより気筒内の残留ガスが掃気されるように前記排気通路を構成する技術が周知である。この技術によれば、気筒内の残留ガスが減少し、体積効率が増すので、スロットル全開域を含む高負荷域のトルクが向上する。

ここで、気筒と圧力波が反射する排気通路の部位（例えば複数の排気管の集合部等）との間の距離が固定されているから、排気弁が開弁してブローダウンガスが排気通路に高速で噴出してから排気脈動で生じた負圧波が排気ポートに到達するまでに要する時間が一定であるのに対し、エンジンの回転速度は運転状態によって様々に変化するので、エンジンの回転速度によって負圧波がうまく吸排気弁のオーバーラップ期間中に排気ポートに到達したりしなかったりする。そのため、掃気効率が高い速度域と低い速度域とが存在し、掃気効率が低い速度域では、他の速度域よりも、高負荷域トルクの落ち込みが発生する。

本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、排気脈動で生じる負圧波による掃気効率が相対的に低い速度域における高負荷域トルクの落ち込みを改善することが可能な火花点火式エンジンの制御装置の提供を目的とする。

前記課題を解決するためのものとして、本発明は、エンジン本体を冷却する冷却機構と、少なくともエンジンの高負荷域において点火時期のリタードを行う制御手段とを備えた火花点火式エンジンの制御装置であって、所定のエンジン回転数域において排気通路内の排気脈動で生じる負圧波を吸排気弁のオーバーラップ期間中に排気ポートに到達させることにより気筒内の残留ガスの掃気効率を高めるように前記排気通路が構成され、前記制御手段は、前記高負荷域のうち最大負荷を含む所定負荷以上の領域において、前記所定のエンジン回転数域以外のエンジン回転数域では、前記所定のエンジン回転数域に比べて、前記冷却機構の冷却能力を高く設定することを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置である（請求項１）。

本発明によれば、少なくともエンジンの高負荷域がリタード領域（ノッキング抑制のために点火時期のリタードを行うエンジンの運転領域をいう。以下同じ）である火花点火式エンジンにおいて、リタード領域である高負荷域のうち、排気脈動で生じる負圧波による掃気効率が相対的に低い速度域（所定のエンジン回転数域以外のエンジン回転数域、以下、適宜「掃気低下速度域」という）では、排気脈動で生じる負圧波による掃気効率が相対的に高い速度域（所定のエンジン回転数域、以下、適宜「掃気良好速度域」という）に比べて、冷却機構の冷却能力が高く設定されるので、前記掃気低下速度域では、前記掃気良好速度域よりも、エンジン本体の冷却が強化されてエンジン本体の温度が低下する。そのため、掃気低下速度域ではノッキングが抑制され、リタード量を少なくすること（点火時期のアドバンス（進角））ができるので、掃気低下速度域におけるトルクの落ち込みが補われる。その結果、フラットで高いトルクカーブが得られ、高トルクで扱い易いエンジンを実現することができる。

以上により、本発明によれば、掃気低下速度域における高負荷域トルクの落ち込みを改善することが可能な火花点火式エンジンの制御装置が提供される。

本発明において、好ましくは、前記エンジンは車両に搭載された車載用エンジンであり、前記エンジン本体の出力軸は、複数のギア段を有する変速機を介して車輪に連結されており、前記制御手段は、前記冷却機構の冷却能力を高く設定する制御を前記変速機のギア段が所定の段位以上のときにのみ実行する（請求項２）。

この構成によれば、エンジン本体の温度が実際に低下するまでの遅れ時間を考慮した適正な条件下で無駄なく冷却能力を高めることができる。すなわち、変速機のギア段が低い場合は、エンジンの運転ポイントの移動が激しく、すぐにシフトアップされる（変速段が段位の高いギア段に変更される）可能性がある。そのため、掃気低下速度域に運転ポイントが移動したからといって冷却能力を高めても、ギア段が低い場合は、実際にエンジン本体の各気筒の温度が下がったときには運転ポイントがすでに冷却能力を高める必要のない運転領域（例えば掃気良好速度域や低速中負荷域及び低速低負荷域等）に移動していることがあり得る。

そこで、この構成では、冷却能力を高める制御を、変速機のギア段が高い場合（つまり運転ポイントの移動が緩やかで巡航状態に近い場合）にのみ行うようにしたものである。これにより、ギヤ段が低いにも拘らず冷却能力を高めた場合に起こり得る前記不具合が回避される。また、掃気低下速度域において冷却能力を高める制御を行う場合は、エンジン本体の温度が実際に低下するまでに多少の遅れ時間があっても、冷却能力を高める必要のない運転領域に運転ポイントが移動するまでには掃気低下速度域でエンジン本体の温度を充分に低下させられるので、冷却能力を高める制御が無駄にならない。

本発明において、好ましくは、前記掃気効率が低いために前記冷却機構の冷却能力を高く設定する領域は、予め定められた基準速度未満の速度域に設定されている（請求項３）。

この構成によれば、たとえ掃気低下速度域が低速域にあっても、冷却能力を高める制御が行われる。

一般に、低速域は回転速度が低いために気筒内での混合気の流動性が低下し易く、本来であれば未燃ＨＣが発生し易い。しかし、掃気低下速度域は高負荷域に属している上、掃気効率が低く、気筒内に残留ガスが相当量残っているので、気筒温度は高い状態にあり、燃料の気化霧化が促進される。そのため、たとえ掃気低下速度域でエンジン本体の冷却を強化しても、燃料の気化霧化が著しく阻害されることはない。それよりも、点火時期をアドバンス（進角）させ、高負荷域トルクを上昇させる効果のほうが大きい。

そこで、この構成では、たとえ掃気低下速度域が低速域にあっても、冷却能力を高めるようにしたものである。これにより、低速域内の高負荷域トルクの落ち込みが補われて、より一層フラットなトルクカーブが得られる。

本発明において、好ましくは、前記制御手段は、エンジンの高速域内の中負荷域において点火時期のリタードを行い、エンジンの中負荷域内の高速域では、中負荷域内の低速域に比べて、前記冷却機構の冷却能力を高く設定する（請求項４）。

この構成によれば、エンジンの高負荷域に加えて、エンジンの高速中負荷域もリタード領域である火花点火式エンジンにおいて、リタード領域である高速中負荷域では、リタード領域でない低速中負荷域に比べて、冷却機構の冷却能力が高く設定されるので、そのように冷却機構の冷却能力が高く設定されないときに増大する燃費低下の問題が低減される。

すなわち、高速中負荷域は低速中負荷域に比べて高速側にあるから、単位時間当たりの発生熱量が大きい。そのため、高速中負荷域はノッキングを抑制するためにリタード領域とされている。

ところで、点火時期をリタードさせると、その分トルクが減るので、燃料噴射量を増やしてトルクを補う必要があり、燃費が低下するという問題がある。また、点火時期をリタードさせると、燃料が後燃えしたり燃焼ガスの膨張が少なくなることで排気ガス温度が高くなり、異常燃焼を引き起こす可能性が高まるので（例えば排気弁の温度上昇によりノッキングが起き易くなるので）、燃料噴射量を増やして余った燃料の気化潜熱で気筒温度を下げることが行われ、この点からも燃費が低下するという問題がある。

そこで、この構成では、同じエンジン中負荷域の中でも、リタード領域である高速域では、リタード領域でない低速域に比べて、冷却機構の冷却能力を高く設定したものである。これにより、高速中負荷域では、エンジン本体の冷却が強化されてエンジン本体の温度が低下し、ノッキングが抑制される。そのため、リタード量を少なくすること（点火時期のアドバンス（進角））ができるので、トルクが上昇して、燃費が向上する。また、リタード量の減少により排気ガス温度が低下するので、燃料噴射量を少なくすることができ、この点からも燃費が向上する。

一方で、リタードしても排気温度が信頼性を低下させるほどに上昇しない低速中負荷域では、高速中負荷域に比べて、冷却機構の冷却能力が低く設定されるので、エンジン本体が過度に冷却されることがない。前述したように、低速域は回転速度が低いために気筒内での混合気の流動性が低下し易く、未燃ＨＣが発生し易い。これに対し、本発明によれば、そのような低速中負荷域において、エンジン本体が過度に冷却されないので、前記のような筒内流動ないしミキシングの低下を助長するようなことがなく、前記未燃ＨＣの発生量の増大が防止される。また、エンジン本体が過度に冷却されることがないから、フリクションロスの増大も防止される。これらにより、リタード領域でない低速中負荷域においても燃費の低下が防止される。
また、本発明は、エンジン本体を冷却する冷却機構と、少なくともエンジンの高負荷域において点火時期のリタードを行う制御手段とを備えた火花点火式エンジンの制御装置であって、前記エンジンは車両に搭載された車載用エンジンであり、前記エンジン本体の出力軸は、複数のギア段を有する変速機を介して車輪に連結されており、排気通路内の排気脈動で生じる負圧波が吸排気弁のオーバーラップ期間中に排気ポートに到達することにより気筒内の残留ガスが掃気されるように前記排気通路が構成され、前記制御手段は、高負荷域のうち、前記掃気の効率が他の速度域よりも低い速度域では、他の速度域に比べて、前記冷却機構の冷却能力を高く設定するとともに、前記冷却機構の冷却能力を高く設定する制御を前記変速機のギア段が所定の段位以上のときにのみ実行することを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置を提供する（請求項５）。
また、本発明は、エンジン本体を冷却する冷却機構と、少なくともエンジンの高負荷域において点火時期のリタードを行う制御手段とを備えた火花点火式エンジンの制御装置であって、排気通路内の排気脈動で生じる負圧波が吸排気弁のオーバーラップ期間中に排気ポートに到達することにより気筒内の残留ガスが掃気されるように前記排気通路が構成され、前記制御手段は、高負荷域のうち、前記掃気の効率が他の速度域よりも低い速度域では、他の速度域に比べて、前記冷却機構の冷却能力を高く設定するとともに、エンジンの高速域内の中負荷域において点火時期のリタードを行い、エンジンの中負荷域内の高速域では、中負荷域内の低速域に比べて、前記冷却機構の冷却能力を高く設定することを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置を提供する（請求項６）。

本発明は、排気脈動で生じる負圧波による掃気効率が相対的に低い速度域における高負荷域トルクの落ち込みを改善でき、ショックのないフラットなトルクカーブが得られる火花点火式エンジンの制御装置を提供するから、火花点火式エンジンのトルク向上技術の発展向上に寄与する。

本発明の一実施形態に係る火花点火式エンジンの全体構成を示す平面図である。前記エンジンの主要部分の断面図である。前記エンジンの排気弁及び吸気弁の開閉タイミングとオーバーラップ期間とを示す図である。前記エンジンの排気弁及び吸気弁の開閉タイミング及び開弁期間の定義の説明図である。前記エンジンの気筒と排気通路の第２集合部との間で圧力波が往復する状態を示す図である。前記エンジンの排気ポートに生じる圧力変化の説明図である。前記エンジンの回転速度に対する体積効率の変化を示す図である。前記エンジンの制御系を示すブロック図である。前記エンジンの運転領域を制御の相違によって区分けしたマップである。前記エンジンの運転中に実行される制御動作の手順を示すフローチャートの一部分である。前記フローチャートの残りの部分である。前記エンジンの点火時期の進角の効果を説明するためのグラフである。

（１）エンジンの全体構成
図１及び図２は、本発明の一実施形態に係る火花点火式エンジンの全体構成を示す概略平面図である。これらの図に示されるエンジンは、走行用の動力源として車両に搭載される４サイクルの多気筒ガソリンエンジンである。具体的に、このエンジンは、直線状に並ぶ４つの気筒２を有する直列４気筒型のエンジン本体１と、エンジン本体１に空気を導入するための吸気通路２０と、エンジン本体１で生成された排気ガスを排出するための排気通路２５と、エンジン本体１を冷却する冷却機構３０とを備えている。

エンジン本体１は、前記４つの気筒２が内部に形成されたシリンダブロック３と、シリンダブロック３の上部に設けられたシリンダヘッド４と、各気筒２に往復摺動可能に挿入されたピストン５とを有している。

ピストン５の上方には燃焼室１０が形成されており、この燃焼室１０には、ガソリンを主成分とする燃料が、後述するインジェクタ１１からの噴射によって供給される。そして、噴射された燃料が燃焼室１０で燃焼し、その燃焼による膨張力で押し下げられたピストン５が上下方向に往復運動するようになっている。

ピストン５は、エンジン本体１の出力軸であるクランク軸１５とコネクティングロッド１６を介して連結されており、前記ピストン５の往復運動に応じてクランク軸１５が中心軸回りに回転するようになっている。

クランク軸１５は、変速機４０（図８）を介して図外の車輪と連結されている。変速機４０は、複数のギア段（例えば前進６段、後退１段）を有する多段変速機であり、運転者により操作されるシフトレバーと連係されている。

シリンダブロック３には、クランク軸１５の回転速度をエンジンの回転速度として検出するエンジン速度センサＳＮ１が設けられている。

シリンダヘッド４には、燃焼室１０に向けて燃料（ガソリン）を噴射するインジェクタ１１と、インジェクタ１１から噴射された燃料と空気との混合気に対し火花放電による点火エネルギーを供給する点火プラグ１２とが、各気筒２につきそれぞれ１組ずつ設けられている。

本実施形態のような４サイクル４気筒のガソリンエンジンでは、各気筒２に設けられたピストン５がクランク角で１８０°（１８０°ＣＡ）の位相差をもって上下運動する。これに対応して、各気筒２での点火のタイミングも、１８０°ＣＡずつ位相をずらしたタイミングに設定される。具体的には、図１の左側の気筒２から順に１番、２番、３番、４番気筒とすると、１番気筒→３番気筒→４番気筒→２番気筒の順に点火が行われる。

各気筒２ないしエンジン本体１の幾何学的圧縮比、つまり、ピストン５が下死点にあるときの燃焼室１０の容積とピストン５が上死点にあるときの燃焼室１０の容積との比は、ガソリンエンジンとしては高めの値である１２以上に設定されている。

シリンダヘッド４には、吸気通路２０から供給される空気を各気筒２の燃焼室１０に導入するための吸気ポート６と、各気筒２の燃焼室１０で生成された排気ガスを排気通路２５に導出するための排気ポート７と、吸気ポート６の燃焼室１０側の開口を開閉する吸気弁８と、排気ポート７の燃焼室１０側の開口を開閉する排気弁９とが設けられている。なお、本実施形態では、１つの気筒２につき吸気弁８及び排気弁９が２つずつ設けられている。

吸気弁８及び排気弁９は、それぞれ、シリンダヘッド４に配設された吸気弁駆動機構１８及び排気弁駆動機構１９により、クランク軸１５の回転に連動して開閉駆動される。

吸気弁駆動機構１８は、吸気弁８に連結された吸気カムシャフト１８ａと吸気ＶＶＴ（ＶａｒｉａｂｌｅＶａｌｖｅＴｉｍｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍ）１８ｂとを有している。排気弁駆動機構１９は、排気弁９に連結された排気カムシャフト１９ａと排気ＶＶＴ１９ｂとを有している。吸気カムシャフト１８ａ及び排気カムシャフト１９ａは、周知のチェーン及びスプロケット機構等の動力伝達機構を介してクランク軸１５に連結されており、クランク軸１５の回転に伴い回転して、吸気弁１９及び排気弁２０を開閉駆動する。

吸気ＶＶＴ１８ｂ及び排気ＶＶＴ１９ｂは、吸気弁８及び排気弁９のバルブタイミングを変更するためのものである。例えば、吸気ＶＶＴ１８ｂは、吸気カムシャフト１８ａと同軸に配置されてクランク軸１５により直接駆動される所定の被駆動軸を有し、この被駆動軸と吸気カムシャフト１８ａとの間の位相差を変更する。これにより、クランク軸１５と吸気カムシャフト１８ａとの間の位相差が変更され、吸気弁８のバルブタイミングが変更される。排気ＶＶＴ１９ｂについてもこれに準じて同様である。

吸気ＶＶＴ１８ｂ及び排気ＶＶＴ１９ｂの具体的構成としては、例えば、前記被駆動軸と吸気カムシャフト１８ａ又は排気カムシャフト１９ａとの間に周方向に並ぶ複数の液室を有し、これらの液室間に圧力差を設けることで前記位相差を変更する液圧式機構や、前記被駆動軸と吸気カムシャフト１８ａ又は排気カムシャフト１９ａとの間に電磁石を配設し、この電磁石に電力を付与することで前記位相差を変更する電磁式機構等が挙げられる。

なお、本実施形態では、前記吸気ＶＶＴ１８ｂによる吸気弁８の閉弁時期の制御により、各気筒２ないしエンジン本体１の有効圧縮比、つまり、吸気弁８の閉弁時期における燃焼室１０の容積とピストン５が上死点にあるときの燃焼室１０の容積との比は、高負荷域（図９のマップにおける第３〜第５運転領域Ｃ１，Ｃ２，Ｄ）において、ガソリンエンジンとしては高めの値である１０以上に設定されている。

図３は排気弁９及び吸気弁８の開閉タイミングを示している。この図においてＥＶＯは排気弁９の開弁時期、ＥＶＣは排気弁９の閉弁時期、ＩＶＯは吸気弁８の開弁時期、ＩＶＣは吸気弁８の閉弁時期である。また、ＯＬは吸気弁８と排気弁９とのオーバーラップ期間（吸排気弁８，９のオーバーラップ期間）である。この図に示すように、排気弁９の開閉タイミング及び吸気弁８の開閉タイミングはそれぞれ実線で示すタイミングと破線で示すタイミングとに亘って変更可能となっている。

本実施形態では、吸気ＶＶＴ１８ｂ及び排気ＶＶＴ１９ｂは、吸気弁８及び排気弁９の開弁期間及びリフト量、つまりバルブプロファイルをそれぞれ一定に保ったまま、吸気弁８及び排気弁９の開弁時期ＩＶＯ，ＥＶＯ及び閉弁時期ＩＶＣ，ＥＶＣをそれぞれ変更する。

本実施形態では、図４に示すように、排気弁９及び吸気弁８の開弁期間とは、バルブのリフト期間中、バルブの開弁開始側及び閉弁完了側においてバルブリフトの勾配が緩やかな部分（ランプ部）を除いた区間をいい、排気弁９及び吸気弁の開弁時期ＥＶＯ，ＩＶＯ及び閉弁時期ＥＶＣ，ＩＶＣとは、前記開弁期間の開弁開始時期及び閉弁完了時期をいう。例えば、ランプ部の高さが０．３ｍｍである場合は、バルブリフト量が０．３ｍｍに増大した時期又は減少した時期が、それぞれ開弁時期及び閉弁時期である。

図１に戻り、吸気通路２０は、各気筒２の吸気ポート６と連通する４本の独立吸気通路２１と、各独立吸気通路２１の上流端部（吸入空気の流れ方向における上流側の端部）に共通に接続されたサージタンク２２と、サージタンク２２から上流側に延びる１本の吸気管２３とを有している。

吸気管２３の途中部には、エンジン本体１に吸入される空気の流量を調節する開閉可能なスロットル弁２４が設けられており、サージタンク２２には、前記吸入空気の流量を検出するエアフローセンサＳＮ２が設けられている。

排気通路２５は、各気筒２の排気ポート７と連通する４本の独立排気通路２６と、排気順序が隣り合わない２つの気筒２の独立排気通路２６同士が集合した２つの第１集合部２６ａと、各第１集合部２６ａの下流（排気ガスの流れ方向における下流）に接続された２本の中間排気通路２７と、２本の中間排気通路２７同士が集合した１つの第２集合部２７ａと、この第２集合部２７ａの下流に接続された１本の排気管２８とを有している。

具体的に、本実施形態に係るエンジンでは、１番気筒→３番気筒→４番気筒→２番気筒の順に排気行程が行われるので、４本の独立排気通路２６のうち、排気順序が隣り合わない１番気筒の独立排気通路２６と４番気筒の独立排気通路２６とが集合し、２番気筒の独立排気通路２６と３番気筒の独立排気通路２６とが集合して、２つの第１集合部２６ａ及びその下流の１つの第２集合部２７ａが形成されている。

なお、図示しないが、排気管２８には、空燃比が理論空燃比（λ＝１）のときに最も排気の浄化能力が良くなる三元触媒が配設されている。

ここで、１本の独立排気通路２６の通路断面積Ｓ１と、１本の中間排気通路２７の通路断面積Ｓ２と、１本の排気管２８の通路断面積Ｓ３との関係が、（Ｓ２／Ｓ１）＜（Ｓ３／Ｓ２）に設定されている。つまり、独立排気通路２６の通路断面積Ｓ１に対する中間排気通路２７の通路断面積Ｓ２の広がり度合いは比較的小さく、これと比べ、中間排気通路２７の通路断面積Ｓ２に対する排気管２８の通路断面積Ｓ３の広がり度合いが大きくされている。

本実施形態では、排気通路２５内の排気脈動で生じる負圧波が吸排気弁８，９のオーバーラップ期間ＯＬ中に排気ポート７に到達することにより気筒２内の残留ガスが掃気されるように排気通路２５が構成されている。

すなわち、各気筒２において、排気弁９の開弁直後にはブローダウンガスによる高い正圧波が生じ、それによって排気通路２５内に排気脈動が生じる。この場合、前記のように、排気通路２５においては、（Ｓ２／Ｓ１）＜（Ｓ３／Ｓ２）の関係が成り立つことから、排気順序が隣り合わない気筒２の独立排気通路２６同士が集合した第１集合部２６ａでは圧力波のほとんどが反射せずにそのまま通過し、第２集合部２７ａで圧力波が正負反転して反射される。

そのため、図５に示すように、気筒２と第２集合部２７ａとの間で圧力波が往復し、かつ、第２集合部２７ａで正圧と負圧とが反転する。これにより、排気ポート７には負圧波と正圧波とが交互に到達し、その結果、排気ポート７に到達する圧力波は、１次（１往復目）、３次（３往復目）、５次（５往復目）…が負圧波、２次（２往復目）、４次（４往復目）、６次（６往復目）…が正圧波となる。

図６に示すように、排気ポート７に作用する圧力波は変動し、交互に負圧と正圧とに変化しつつ、圧力波の往復が繰り返されるにつれて、圧力波は次第に減衰する。

このように、排気通路２５内の排気脈動で生じる負圧波が吸排気弁８，９のオーバーラップ期間ＯＬ中に排気ポート７に到達すれば、気筒２内から残留ガスが吸い出されて気筒２の掃気性が高められる。

ここで、気筒２と圧力波が反射する第２集合部２７ａとの間の距離が固定されており、したがって排気弁９が開弁してブローダウンガスが排気通路２５に高速で噴出してから排気脈動で生じた負圧波が排気ポート７に到達するまでに要する時間が一定であるのに対し、エンジンの回転速度が変わると、排気弁９の開弁直後の正圧波の発生時点から吸排気弁８，９のオーバーラップ期間ＯＬまでの時間が変化するので、負圧波が排気ポート７に到達するタイミングはオーバーラップ期間ＯＬに対して変化する。

本実施形態では、５０００ｒｐｍ付近の速度域で１次の負圧波がオーバーラップ期間ＯＬ中に排気ポート７に到達するように気筒２と圧力波が反射する第２集合部２７ａとの間の距離が設定されている。その結果、２５００〜３０００ｒｐｍ付近の速度域で３次の負圧波がオーバーラップ期間ＯＬ中に排気ポート７に到達し、１５００〜２０００ｒｐｍ付近の速度域で５次の負圧波がオーバーラップ期間ＯＬ中に排気ポート７に到達する。本実施形態では、このように排気通路２５が構成されており、これにより、エンジンの低〜中速域において、排気脈動で生じる負圧波による気筒２の掃気効率が相対的に高められる。

その結果、本実施形態に係るエンジンでは、図７に示すように、１５００〜２０００ｒｐｍ付近、２５００〜３０００ｒｐｍ付近、５０００ｒｐｍ付近の速度域において、排気通路２５内の排気脈動で生じる負圧波が吸排気弁８，９のオーバーラップ期間ＯＬ中に排気ポート７に到達することにより気筒２の掃気効率が高められ、気筒２内の残留ガスが減少し、体積効率が増し、スロットル全開域を含む高負荷域のトルクが向上する。

しかし、一方で、負圧波がオーバーラップ期間ＯＬ中に排気ポート７に到達しない速度域が存在し、そのため、掃気効率が高い速度域（すなわち掃気良好速度域）と掃気効率が低い速度域（すなわち掃気低下速度域）とが混在する。掃気低下速度域では、掃気良好速度域よりも、高負荷域トルクの落ち込みが発生する。その結果、フラットなトルクカーブ（エンジン性能曲線）が得られず、ショックの原因となる。

図１に戻り、冷却機構３０は、エンジン冷却用の冷却水を圧送する冷却水ポンプ３１と、冷却水ポンプ３１により圧送された冷却水が循環する冷却水路３２と、冷却水を冷却するラジエータ３３と、冷却水路３２内の冷却水の流れを切り替える切替弁３４と、冷却水の温度を検出する水温センサＳＮ３とを備えている。

冷却水路３２は、エンジン本体１から排出された冷却水をラジエータ３３を通すことなく再びエンジン本体１に戻すための第１水路３２ａと、エンジン本体１から排出された冷却水をラジエータ３３に導入するための第２水路３２ｂと、ラジエータ３３から排出された冷却水を第１水路３２ａの下流部に導入するための第３水路３２ｃとを有している。第１水路３２ａの下流部を通ってエンジン本体１に導入された冷却水は、エンジン本体１のシリンダブロック３及びシリンダヘッド４の内部に形成された図略のウォータージャケット等を通過した後に、エンジン本体１から排出されて、切替弁３４を通じて第１水路３２ａの上流部又は第２水路３２ｂに導出される。

冷却水ポンプ３１は、例えばエンジン本体１のクランク軸１５から駆動力を得て冷却水を圧送する機械式のポンプからなり、第３水路３２ｃと第１水路３２ａとの合流部よりも下流側に位置するエンジン本体１の近傍部に設けられている。

ラジエータ３３は、外気との熱交換により冷却水を冷却するものであり、車両の走行風があたるエンジンルーム内の所定位置に配設されている。例えば、車両がフロントエンジン方式の車両である場合、エンジンルームの前面に設けられたフロントグリル３５の車両後方にラジエータ３３が配置されており、このフロントグリル３５に備わる空気導入口から導入される外気（走行風）がラジエータ３３に吹き付けられることにより、ラジエータ３３内の冷却水が冷却される。

切替弁３４は、例えばサーミスタを用いた電気検知式のサーモスタットからなり、第１水路３２ａと第２水路３２ｂとの分岐部に設けられている。この切替弁３４は、第２水路３２ｂに流入する冷却水の流れを遮断する閉弁状態と、第２水路３２ｂへの冷却水の流れを許容する開弁状態との間で切り替え可能である。

具体的には、水温センサＳＮ３により検出される冷却水の温度が予め定められた基準温度未満であれば、切替弁３４が閉弁される。このとき、冷却水は第１水路３２ａのみを循環するので、エンジン本体１で発生する熱によって冷却水の温度は徐々に上昇する。一方、冷却水の温度が基準温度以上になったときには、切替弁３４が開弁されて、冷却水は第２水路３２ｂにも流入するようになる。すなわち、エンジン本体１から導出された冷却水は、第１水路３２ａを循環するだけでなく、第２水路３２ｂを通じてラジエータ３３にも供給され、このラジエータ３３で冷却された後に、第３水路３２ｃ等を通じて再びエンジン本体１へと戻される。このときの切替弁３４の開度は連続的に変更することが可能であり、当該開度の設定により、ラジエータ３３に流入する冷却水の流量が任意に調整される。切替弁３４の開度が大きくされてラジエータ３３への冷却水の流入量が増加すれば、それに伴って冷却機構３０の冷却能力が高められ、冷却水温が急速に低下することになる。

（２）制御系
次に、図８を用いて、エンジンの制御系について説明する。本実施形態に係るエンジンは、その各部がＥＣＵ（エンジン制御ユニット）５０によって統括的に制御される。ＥＣＵ５０は、周知のとおり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されるマイクロプロセッサからなり、本発明の制御手段に相当するものである。

ＥＣＵ５０には、各種センサからの情報が逐次入力される。具体的に、ＥＣＵ５０は、エンジンの各部に設けられた前記エンジン速度センサＳＮ１、エアフローセンサＳＮ２、及び水温センサＳＮ３と電気的に接続されている。また、本実施形態の車両には、ドライバーにより操作される図外のアクセルペダルの開度（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサＳＮ４と、変速機４０の変速段を検出するシフトポジションセンサＳＮ５とが設けられており、ＥＣＵ５０は、これらアクセル開度センサＳＮ４及びシフトポジションセンサＳＮ５とも電気的に接続されている。ＥＣＵ５０は、これらセンサＳＮ１〜ＳＮ５からの入力信号に基いて、エンジンの回転速度、吸入空気量、冷却水の温度、アクセル開度、変速機４０のギア段といった種々の情報を取得する。

ＥＣＵ５０は、前記各センサ（ＳＮ１〜ＳＮ５）からの入力信号に基いて種々の演算等を実行しつつ、エンジンの各部を制御する。すなわち、ＥＣＵ５０は、インジェクタ１１、点火プラグ１２、吸気ＶＶＴ１８ｂ、排気ＶＶＴ１９ｂ、スロットル弁２４、及び切替弁３４と電気的に接続されており、前記演算の結果等に基いて、これらの機器にそれぞれ駆動用の制御信号を出力する。

（３）運転状態に応じた制御
次に、図９〜図１１を用いて、運転状態に応じたエンジン制御の具体的内容について説明する。

図９のマップは、エンジンの回転速度を横軸に、エンジンの負荷を縦軸にとったマップである。図中、Ｒ１はエンジンのアイドリング速度、Ｒ２は前記図７における所定の掃気低下速度域の低速側の掃気良好速度域との境界速度（例えば２０００ｒｐｍ）、Ｒ３は前記掃気低下速度域の高速側の掃気良好速度域との境界速度（例えば２５００ｒｐｍ）、Ｒ４はエンジンの中速域にある基準速度、Ｒ５はエンジンの定格速度である。

このマップに示すように、本実施形態に係るエンジンの運転領域は、低負荷域の全速度域と中負荷域内の前記基準速度Ｒ４未満の領域を少なくとも含むように設定された第１運転領域Ａと、中負荷域内の前記第１運転領域Ａを除く領域に設定された第２運転領域Ｂと、最高負荷Ｌｍａｘが得られるスロットル全開域を含む高負荷域内の前記低速側境界速度Ｒ２未満の領域に設定された第３運転領域Ｃ１と、同じく高負荷域内の前記高速側境界速度Ｒ３以上の領域に設定された第４運転領域Ｃ２と、同じく高負荷域内の前記低速側境界速度Ｒ２以上前記高速側境界速度Ｒ３未満の領域に設定された第５運転領域Ｄとに区分される。つまり、第３運転領域Ｃ１及び第４運転領域Ｃ２は掃気良好速度域に属し、第５運転領域Ｄは掃気低下速度域に属している。

図１０〜図１１のフローチャートに従ってエンジンの運転中にＥＣＵ５０が行う制御動作を具体的に説明する。なお、このフローチャートに示す処理が実行される前提として、エンジンは温間状態にあり、よって冷却水の温度は所定値（例えば８０℃）以上まで上昇しているものとする。

図１０に示す処理がスタートすると、ＥＣＵ５０は、各種センサ値を読み込む処理を実行する（ステップＳ１）。すなわち、ＥＣＵ５０は、エンジン速度センサＳＮ１、エアフローセンサＳＮ２、水温センサＳＮ３、アクセル開度センサＳＮ４、及びシフトポジションセンサＳＮ５からそれぞれの検出信号を読み込み、これらの信号に基いて、エンジンの回転速度、吸入空気量、冷却水の温度、アクセル開度、変速機４０のギア段等の各種情報を取得する。

次いで、ＥＣＵ５０は、前記ステップＳ１で読み込んだ情報に基いて、エンジンが第１運転領域Ａで運転されているか否かを判定する処理を実行する（ステップＳ２）。すなわち、ＥＣＵ５０は、エンジン速度センサＳＮ１、エアフローセンサＳＮ２、及びアクセル開度センサＳＮ４等から得られる情報に基いて、エンジンの負荷及び回転速度を特定すると共に、両者の値から求まるエンジンの運転ポイントが、図９に示した第１運転領域Ａに含まれるか否かを判定する。

前記ステップＳ２でＹＥＳと判定されてエンジンが第１運転領域Ａで運転されていることが確認された場合、ＥＣＵ５０は、冷却機構３０の切替弁３４が開弁される温度（ラジエータ３３への冷却水の流入が許容される温度）である冷却水の基準温度として、予め定められたノーマル基準温度Ｔ_ｈｉｇｈを設定する処理を実行する（ステップＳ３）。なお、ノーマル基準温度Ｔ_ｈｉｇｈの値は、例えば８８℃とすることができる。

次いで、ＥＣＵ５０は、エンジンの冷却水の温度（以下、冷却水温Ｔｗという）が、前記ステップＳ３で設定したノーマル基準温度Ｔ_ｈｉｇｈに維持されるように、切替弁３４の開度を制御する処理を実行する（ステップＳ４）。具体的に、ＥＣＵ５０は、冷却水温Ｔｗがノーマル基準温度Ｔ_ｈｉｇｈ以上であれば切替弁３４を開弁させ、冷却水温Ｔｗがノーマル基準温度Ｔ_ｈｉｇｈ未満であれば切替弁３４を閉弁させるというように、切替弁３４の開度を制御する。これにより、冷却水温Ｔｗがノーマル基準温度Ｔ_ｈｉｇｈ以上のときにのみ冷却水がラジエータ３３に流入して冷却されるので、冷却水温Ｔｗはノーマル基準温度Ｔ_ｈｉｇｈを大きく上回ることも下回ることもなく、その近傍値に維持される。

また、ＥＣＵ５０は、点火プラグ１２の点火タイミング（点火時期）を最もトルクの出るタイミング（通常は圧縮上死点付近）であるＭＢＴに設定し（ステップＳ５）、インジェクタ１１からの燃料噴射量を三元触媒の排気浄化能力が最も良くなる理論空燃比（λ＝１）が実現する燃料噴射量に設定する（ステップＳ６）。

前記ステップＳ２でＮＯと判定された場合、ＥＣＵ５０は、前記ステップＳ１で読み込んだ情報に基いて、エンジンが第１運転領域Ｂで運転されているか否かを判定する処理を実行する（ステップＳ７）。すなわち、ＥＣＵ５０は、エンジン速度センサＳＮ１、エアフローセンサＳＮ２、及びアクセル開度センサＳＮ４等から得られる情報に基いて、エンジンの負荷及び回転速度を特定すると共に、両者の値から求まるエンジンの運転ポイントが、図９に示した第２運転領域Ｂに含まれるか否かを判定する。

前記ステップＳ７でＹＥＳと判定されてエンジンが第２運転領域Ｂで運転されていることが確認された場合、ＥＣＵ５０は、シフトポジションセンサＳＮ５から得られる情報に基いて、現在の変速機４０のギア段が予め定められた所定の段位以上であるか否かを判定する処理を実行する（ステップＳ８）。ここで、「所定の段位」としては、変速機４０が有する複数のギア段の中でも高めの段位（例えば半分より上の段位）が設定される。例えば、変速機４０が前進６段のものである場合には、所定の段位として「４」を設定することができる。このときは、ギア段が１〜３速のいずれかであれば前記ステップＳ８での判定がＮＯとなり、ギア段が４〜６速のいずれかであれば前記ステップＳ８の判定がＹＥＳとなる。

前記ステップＳ８でＹＥＳと判定されて現在のギア段が所定の段位以上であることが確認された場合、ＥＣＵ５０は、冷却水の基準温度（切替弁３４が開弁される温度）として、前記ノーマル基準温度Ｔ_ｈｉｇｈよりも低い値である低温基準温度Ｔ_ｌｏｗを設定する処理を実行する（ステップＳ９）。なお、低温基準温度Ｔ_ｌｏｗの値は、例えば７８℃とすることができる。すなわち、エンジンの運転ポイント第２運転領域Ｂにある場合は、第１運転領域Ａにある場合（ステップＳ３参照）に比べて、冷却機構３０の冷却能力を高く設定するのである（Ｔ_ｌｏｗ＜Ｔ_ｈｉｇｈ）。

次いで、ＥＣＵ５０は、水温センサＳＮ３から得られる情報に基いて、現在のエンジンの冷却水温Ｔｗが、前記ステップＳ９で設定した低温基準温度Ｔ_ｌｏｗ以上であるか否かを判定する処理を実行する（ステップＳ１０）。そして、ここでＹＥＳと判定されてＴｗ≧Ｔ_ｌｏｗであることが確認された場合に、切替弁３４を開弁させて冷却水をラジエータ３３に流入させる処理を実行する（ステップＳ１１）。これにより、ラジエータ３３で熱交換が行われて冷却水が冷却され、冷却水温Ｔｗが低下し始める。一方、冷却水温Ｔｗが低温基準温度Ｔ_ｌｏｗを下回ると（ステップＳ１０でＮＯ）、切替弁３４が閉じられるので、それ以上冷却は進行しなくなり、冷却水温Ｔｗは低温基準温度Ｔ_ｌｏｗの近傍値に維持される。

ここで、前記ステップＳ１１で開弁される切替弁３４の開度は、冷却水温Ｔｗが低温基準温度Ｔ_ｌｏｗに比べて高いほど大きく設定される。すなわち、実際の冷却水温Ｔｗと低温基準温度Ｔ_ｌｏｗとの温度差（Ｔｗ−Ｔ_ｌｏｗ）が大きいほど、ラジエータ３３に流入する冷却水の流量が多く設定され、冷却能力が高められる。これは、前記温度差が大きいほど冷却水温Ｔｗを素早く低下させて低温基準温度Ｔ_ｌｏｗに近づけるためである。

例えば、前記ステップＳ１０での判定の直前における冷却水温Ｔｗが、上述したノーマル基準温度Ｔ_ｈｉｇｈの近傍値であったと仮定する。この場合、前記ステップＳ１０の判定では、冷却水温Ｔｗが低温基準温度Ｔ_ｌｏｗよりも大幅に高いことになるので（例えばＴ_ｈｉｇｈ＝８８℃、Ｔ_ｌｏｗ＝７８℃の場合は約１０℃高いことになる）、前記ステップＳ１１では、切替弁３４の開度が充分に大きく設定される。これにより、冷却水のラジエータ３３への流入量が増えて冷却機構３０の冷却能力が充分に高められるので、冷却水温Ｔｗが急速に低下してエンジン本体１の冷却が促進される。

前記のようにして冷却水を冷却した後、ＥＣＵ５０は、点火プラグ１２の点火タイミングをＭＢＴよりも所定量リタード（遅角）させる処理を実行する（ステップＳ１２）。すなわち、点火プラグ１２の点火タイミングは、特に支障のない限り、最もトルクの出るタイミングであるＭＢＴに設定されるが（ステップＳ５参照）、ステップＳ１２では、点火タイミングが前記ＭＢＴよりも所定のクランク角分だけ遅く設定される。

前記のように点火タイミングをリタードさせるのは、第２運転領域Ｂでの異常燃焼を回避するためである。すなわち、エンジンの中負荷域の中でも高速側に位置する第２運転領域Ｂは、低速側に位置する第１運転領域に比べて、単位時間当たりの発生熱量が大きいので、気筒２の温度上昇が著しく、ノッキングが起こり易い。そこで、このようなノッキングを回避するために、前記ステップＳ１２では点火タイミングをリタードさせている。すなわち、第２運転領域Ｂは、ノッキング抑制のために点火タイミングのリタードを行うエンジンの運転領域、つまりリタード領域である。

ただし、このステップＳ１２におけるリタード量（ＭＢＴからの遅角量）は相対的に小さい値に設定されている。具体的に、後述するステップＳ１７（エンジンが第３運転領域Ｃ１又は第４運転領域Ｃ２で運転されている場合）で設定されるリタード量よりも小さいリタード量に設定される。その理由は、エンジンの冷却水温Ｔｗが低温基準温度Ｔ_ｌｏｗまで下げられるので（前記ステップＳ９〜Ｓ１１）、ノッキングが起き易い環境が改善され、そのため、点火タイミングのリタード量を減らしても、ノッキングが回避できるからである。

なお、図９に示すように、第２運転領域Ｂは基準速度Ｒ４に近い低速寄りほど高負荷寄りに縮小され、定格速度Ｒ５に近い高速寄りほど低負荷寄りまで拡大されている。その理由は、高速時は単位時間当たりの発生熱量が大きいため、ひとたびノッキングが起きると重大な事態になる。そのため、高速時は低速時に比べて低負荷寄りまで広い範囲で点火タイミングをリタードさせる必要があるからである。

次いで、ＥＣＵ５０は、インジェクタ１１からの燃料噴射量を三元触媒の排気浄化能力が最も良くなる理論空燃比（λ＝１）が実現する燃料噴射量に設定する（ステップＳ１３）。

前記ステップＳ７でＮＯと判定された場合、ＥＣＵ５０は、前記ステップＳ１で読み込んだ情報に基いて、エンジンが第３運転領域Ｃ１又は第４運転領域Ｃ２で運転されているか否かを判定する処理を実行する（ステップＳ１４）。すなわち、ＥＣＵ５０は、エンジン速度センサＳＮ１、エアフローセンサＳＮ２、及びアクセル開度センサＳＮ４等から得られる情報に基いて、エンジンの負荷及び回転速度を特定すると共に、両者の値から求まるエンジンの運転ポイントが、図９に示した第３運転領域Ｃ１又は第４運転領域Ｃ２に含まれるか否かを判定する。

前記ステップＳ１４でＹＥＳと判定されてエンジンが第３運転領域Ｃ１又は第４運転領域Ｃ２で運転されていることが確認された場合、ＥＣＵ５０は、前記ステップＳ３と同様、冷却機構３０の切替弁３４が開弁される温度（ラジエータ３３への冷却水の流入が許容される温度）である冷却水の基準温度として、予め定められたノーマル基準温度Ｔ_ｈｉｇｈを設定する処理を実行する（ステップＳ１５）。なお、ノーマル基準温度Ｔ_ｈｉｇｈの値は、例えば８８℃とすることができる。

次いで、ＥＣＵ５０は、前記ステップＳ４と同様、エンジンの冷却水温Ｔｗが、前記ステップＳ１５で設定したノーマル基準温度Ｔ_ｈｉｇｈに維持されるように、切替弁３４の開度を制御する処理を実行する（ステップＳ１６）。具体的に、ＥＣＵ５０は、冷却水温Ｔｗがノーマル基準温度Ｔ_ｈｉｇｈ以上であれば切替弁３４を開弁させ、冷却水温Ｔｗがノーマル基準温度Ｔ_ｈｉｇｈ未満であれば切替弁３４を閉弁させるというように、切替弁３４の開度を制御する。これにより、冷却水温Ｔｗがノーマル基準温度Ｔ_ｈｉｇｈ以上のときにのみ冷却水がラジエータ３３に流入して冷却されるので、冷却水温Ｔｗはノーマル基準温度Ｔ_ｈｉｇｈを大きく上回ることも下回ることもなく、その近傍値に維持される。

次いで、ＥＣＵ５０は、前記ステップＳ１２と同様、点火プラグ１２の点火タイミングをＭＢＴよりも所定量リタード（遅角）させる処理を実行する（ステップＳ１７）。すなわち、点火プラグ１２の点火タイミングは、特に支障のない限り、最もトルクの出るタイミングであるＭＢＴに設定されるが（ステップＳ５参照）、ステップＳ１７では、点火タイミングが前記ＭＢＴよりも所定のクランク角分だけ遅く設定される。

前記のように点火タイミングをリタードさせるのは、第３運転領域Ｃ１又は第４運転領域Ｃ２での異常燃焼を回避するためである。すなわち、第３運転領域Ｃ１又は第４運転領域Ｃ２はスロットル全開域を含む高負荷域に設定されているので、燃料噴射量が増量され、発生熱量が大きいので、気筒２の温度上昇が著しく、ノッキングが起こり易い。そこで、このようなノッキングを回避するために、前記ステップＳ１７では点火タイミングをリタードさせている。すなわち、第３運転領域Ｃ１又は第４運転領域Ｃ２は、ノッキング抑制のために点火タイミングのリタードを行うエンジンの運転領域、つまりリタード領域である。

しかも、このステップＳ１７におけるリタード量（ＭＢＴからの遅角量）は相対的に大きい値に設定されている。具体的に、前述したステップＳ１２（エンジンが第２運転領域Ｂで運転されている場合）で設定されるリタード量よりも大きいリタード量に設定される。その理由は、エンジンの冷却水温Ｔｗがノーマル基準温度Ｔ_ｈｉｇｈに維持され（前記ステップＳ１５，Ｓ１６）、高負荷域に設定された第３運転領域Ｃ１又は第４運転領域Ｃ２では発生熱量が過大なため、ノッキングが起き易い環境が維持され、そのため、点火タイミングのリタード量を大きくして、ノッキングを回避する必要があるからである。

次いで、ＥＣＵ５０は、インジェクタ１１からの燃料噴射量を空燃比が理論空燃比（λ＝１）よりもリッチとなる燃料噴射量に設定する（ステップＳ１８）。その理由は、点火タイミングをリタードさせると（しかも第３運転領域Ｃ１又は第４運転領域Ｃ２では点火タイミングを大きくリタードさせている）、トルクが減るので、燃料噴射量を増やしてトルクを補う必要があるからである。また、点火タイミングをリタードさせると、燃料が後燃えしたり燃焼ガスの膨張が少なくなることで排気ガス温度が高くなるので、燃料噴射量を増やして余った燃料の気化潜熱で気筒２の温度を下げる必要があるからである。

なお、前記ステップＳ８でＮＯと判定されて現在のギア段が所定の段位未満であることが確認された場合、ＥＣＵ５０は、ステップＳ３〜Ｓ６を実行する。つまり、ＥＣＵ５０は、エンジンが第２運転領域Ｂで運転されているけれども、第１運転領域Ａで運転されているときと同じ動作を行う。ただし、その動作内容はすでに述べたので説明は省略する。

図１１に移り、前記ステップＳ１４でＮＯと判定された場合、つまり、エンジンが第５運転領域Ｄで運転されていることが確認された場合、さらにいえば、現在のエンジン回転速度が掃気低下速度域（すなわち排気通路２５内の排気脈動で生じる負圧波による気筒２の掃気効率が他の速度域よりも低い速度域）にある場合、ＥＣＵ５０は、前記ステップＳ８と同様、シフトポジションセンサＳＮ５から得られる情報に基いて、現在の変速機４０のギア段が予め定められた所定の段位以上であるか否かを判定する処理を実行する（ステップＳ１９）。ここで、「所定の段位」としては、変速機４０が有する複数のギア段の中でも高めの段位（例えば半分より上の段位）が設定される。例えば、変速機４０が前進６段のものである場合には、所定の段位として「４」を設定することができる。このときは、ギア段が１〜３速のいずれかであれば前記ステップＳ１９での判定がＮＯとなり、ギア段が４〜６速のいずれかであれば前記ステップＳ１９の判定がＹＥＳとなる。

前記ステップＳ１９でＹＥＳと判定されて現在のギア段が所定の段位以上であることが確認された場合、ＥＣＵ５０は、前記ステップＳ９と同様、冷却水の基準温度（切替弁３４が開弁される温度）として、前記ノーマル基準温度Ｔ_ｈｉｇｈよりも低い値である低温基準温度Ｔ_ｌｏｗを設定する処理を実行する（ステップＳ２０）。なお、低温基準温度Ｔ_ｌｏｗの値は、例えば７８℃とすることができる。すなわち、エンジン回転速度が掃気低下速度域にある場合は、ない場合（つまりエンジン回転速度が掃気良好速度域にある場合：ステップＳ１５参照）に比べて、冷却機構３０の冷却能力を高く設定するのである（Ｔ_ｌｏｗ＜Ｔ_ｈｉｇｈ）。

次いで、ＥＣＵ５０は、前記ステップＳ１０と同様、水温センサＳＮ３から得られる情報に基いて、現在のエンジンの冷却水温Ｔｗが、前記ステップＳ２０で設定した低温基準温度Ｔ_ｌｏｗ以上であるか否かを判定する処理を実行する（ステップＳ２１）。そして、ここでＹＥＳと判定されてＴｗ≧Ｔ_ｌｏｗであることが確認された場合に、切替弁３４を開弁させて冷却水をラジエータ３３に流入させる処理を実行する（ステップＳ２２）。これにより、ラジエータ３３で熱交換が行われて冷却水が冷却され、冷却水温Ｔｗが低下し始める。一方、冷却水温Ｔｗが低温基準温度Ｔ_ｌｏｗを下回ると（ステップＳ２１でＮＯ）、切替弁３４が閉じられるので、それ以上冷却は進行しなくなり、冷却水温Ｔｗは低温基準温度Ｔ_ｌｏｗの近傍値に維持される。

前記のようにして冷却水を冷却した後、ＥＣＵ５０は、前記ステップＳ１２と同様、点火プラグ１２の点火タイミングをＭＢＴよりも所定量リタード（遅角）させる処理を実行する（ステップＳ２３）。すなわち、点火プラグ１２の点火タイミングは、特に支障のない限り、最もトルクの出るタイミングであるＭＢＴに設定されるが（ステップＳ５参照）、ステップＳ２３では、点火タイミングが前記ＭＢＴよりも所定のクランク角分だけ遅く設定される。

前記のように点火タイミングをリタードさせるのは、第５運転領域Ｄでの異常燃焼を回避するためである。すなわち、第５運転領域Ｄは、第３運転領域Ｃ１及び第４運転領域Ｃ２と同様、スロットル全開域を含む高負荷域に設定されているので、燃料噴射量が増量され、発生熱量が大きいので、気筒２の温度上昇が著しく、ノッキングが起こり易い。そこで、このようなノッキングを回避するために、前記ステップＳ２３では点火タイミングをリタードさせている。すなわち、第５運転領域Ｄは、ノッキング抑制のために点火タイミングのリタードを行うエンジンの運転領域、つまりリタード領域である。

ただし、このステップＳ２３におけるリタード量（ＭＢＴからの遅角量）は相対的に小さい値に設定されている。具体的に、前述したステップＳ１７（エンジンが第３運転領域Ｃ１又は第４運転領域Ｃ２で運転されている場合）で設定されるリタード量よりも小さいリタード量に設定される。その理由は、エンジンの冷却水温Ｔｗが低温基準温度Ｔ_ｌｏｗまで下げられるので（前記ステップＳ２０〜Ｓ２２）、ノッキングが起き易い環境が改善され、そのため、点火タイミングのリタード量を減らしても、ノッキングが回避できるからである。すなわち、エンジン回転速度が掃気低下速度域にある場合は、ない場合（つまりエンジン回転速度が掃気良好速度域にある場合：ステップＳ１７参照）に比べて、リタード量が減らされる（つまり点火タイミングが進角される）ので、この掃気低下速度域に属する第５運転領域Ｄにおいては、トルク（高負荷域トルク）が上昇し、掃気低下速度域における高負荷域トルクの落ち込みが補われることになる。

次いで、ＥＣＵ５０は、前記ステップＳ１８と同様、インジェクタ１１からの燃料噴射量を空燃比が理論空燃比（λ＝１）よりもリッチとなる燃料噴射量に設定する（ステップＳ２４）。その理由は、点火タイミングをリタードさせると、トルクが減るので、燃料噴射量を増やしてトルクを補う必要があるからである。また、点火タイミングをリタードさせると、燃料が後燃えしたり燃焼ガスの膨張が少なくなることで排気ガス温度が高くなるので、燃料噴射量を増やして余った燃料の気化潜熱で気筒２の温度を下げる必要があるからである。ただし、この第５運転領域Ｄにおいてはリタード量が相対的に少なくされている（ステップＳ２３）ので、このステップＳ２４における空燃比のリッチの程度は前記ステップＳ１８における空燃比のリッチの程度に比べて軽微なものとなる。

なお、前記ステップＳ１９でＮＯと判定されて現在のギア段が所定の段位未満であることが確認された場合、ＥＣＵ５０は、ステップＳ１５〜Ｓ１８を実行する。つまり、ＥＣＵ５０は、エンジンが第５運転領域Ｄで運転されているけれども、第３運転領域Ｃ１又は第４運転領域Ｃ２で運転されているときと同じ動作を行う。ただし、その動作内容はすでに述べたので説明は省略する。

（４）作用等
前記実施形態に係る火花点火式エンジンは、エンジン本体１を冷却する冷却機構３０と、第２運転領域Ｂ、第３運転領域Ｃ１、第４運転領域Ｃ２及び第５運転領域Ｄにおいて点火時期のリタードを行うＥＣＵ５０とを備える。エンジンの排気通路２５は、排気通路２５内の排気脈動で生じる負圧波が吸排気弁８，９のオーバーラップ期間ＯＬ中に排気ポート７に到達することにより気筒２内の残留ガスが掃気されるように構成されている。前記第３運転領域Ｃ１及び第４運転領域Ｃ２は、前記掃気の効率が相対的に高い速度域（掃気良好速度域）に属し、前記第５運転領域Ｄは、前記掃気の効率が相対的に低い速度域（掃気低下速度域）に属している。ＥＣＵ５０は、同じ高負荷域でも、掃気低下速度域に属する第５運転領域Ｄでは、掃気良好速度域に属する第３運転領域Ｃ１や第４運転領域Ｃ２に比べて、冷却機構３０の冷却能力を高く設定する（ステップＳ２０でＴ_ｌｏｗ＜Ｔ_ｈｉｇｈ）。

本実施形態によれば、少なくともエンジンの高負荷域、つまり第３運転領域Ｃ１、第４運転領域Ｃ２及び第５運転領域Ｄがリタード領域である火花点火式エンジンにおいて、前記第３〜第５運転領域Ｃ１，Ｃ２，Ｄのうち、排気脈動で生じる負圧波による掃気効率が相対的に低い掃気低下速度域に属する第５運転領域Ｄでは、排気脈動で生じる負圧波による掃気効率が相対的に高い掃気良好速度域に属する第３運転領域Ｃ１及び第４運転領域Ｃ２に比べて、冷却機構３０の冷却能力が高く設定されるので、前記第５運転領域Ｄでは、前記第３運転領域Ｃ１及び第４運転領域Ｃ２よりも、エンジン本体１の冷却が強化されてエンジン本体１の温度が低下する。そのため、第５運転領域Ｄ、すなわち掃気低下速度域ではノッキングが抑制され、リタード量を少なくすること（点火時期のアドバンス（進角））ができるので、図７に鎖線ａで示すように、掃気低下速度域におけるトルクの落ち込みが補われる。その結果、フラットで高いトルクカーブが得られ、高トルクで扱い易いエンジンを実現することができる。

特に、前述したように、本実施形態では、高負荷域（第３〜第５運転領域Ｃ１，Ｃ２，Ｄ）において、エンジン本体１の有効圧縮比をガソリンエンジンとしては高めの値である１０以上に設定している。そのため、第５運転領域Ｄでは本来的にノッキングが起き易いので、傾向としては、第５運転領域Ｄにおける点火タイミングのリタード量は大きくなる傾向にある。しかし、本実施形態では、第５運転領域Ｄでエンジン本体１の冷却を強化してリタード量を減少させるので、図１２に示すように、同じ進角量でも、リタード量が大きい状態での点火進角はリタード量が小さい状態での点火進角に比べてトルクの上昇が大きいことから、高負荷域トルクを上昇させる効果がより大きいものとなる。

以上により、本実施形態によれば、掃気低下速度域における高負荷域トルクの落ち込みを改善することが可能な火花点火式エンジンの制御装置が提供される。

また、前記実施形態では、たとえ第５運転領域Ｄでの運転であっても、変速機４０のギア段が低いとき（ステップＳ１９でＮＯ）は、前記冷却能力を高める制御が実行されない（ステップＳ１５で基準温度＝Ｔ_ｈｉｇｈ）ので、エンジン本体１の温度が実際に低下するまでの遅れ時間を考慮した適正な条件下で無駄なく冷却能力を高めることができる。すなわち、変速機４０のギア段が低いときは、エンジンの運転ポイントの移動が激しく、また、すぐにシフトアップされる（変速段が高速ギア段に変更される）可能性がある。このため、ギア段が低いときに冷却能力を高めても、実際にエンジン本体１の各気筒２の温度が下がったときには、すでに第５運転領域Ｄ以外の運転領域に移動していることがあり得るし、これでは冷却能力を高める意味がなくなってしまう。これに対し、前記実施形態のように、冷却能力を高める制御を、変速機４０のギア段が高いとき、つまり、運転ポイントの移動が緩やかで（つまり巡航に近い状態で）、直ちには第５運転領域Ｄを外れないと予想されるときにのみ許容した場合には、エンジン本体１の温度が実際に低下するまでに多少の遅れ時間があっても、第５運転領域Ｄでの運転中にエンジン本体１の温度を充分に低下させられると考えられるので、冷却能力が高める制御が無駄になることがない。

特に、ギア段が低いときに、図９に示す第５運転領域Ｄ以外の運転領域として、例えば第１運転領域Ａ内の低速域に移動した場合は、次のような不具合がある。すなわち、低速域は回転速度が低いためにピストン５の移動速度が遅く、したがって気筒２内での混合気の流動性ないしミキシングが低下し易く、その結果、燃料の気化霧化にかかる時間が長くなって、未燃のＨＣ（ＲａｗＨＣ）が発生し易い。したがって、そのような第１運転領域Ａ内の低速域でエンジン本体１の温度が下がることは好ましくない。また、エンジン本体１の温度が下がるとエンジンオイルの粘度上昇に起因する種々のフリクションロス（ピストン５の摺動抵抗等）が増えるので、エンジン本体１の温度を下げる必要のない領域でエンジン本体１の温度が下がることはフリクションロス増大の点からも好ましくない。これに対し、前記実施形態では、冷却能力を高める制御を変速機４０のギア段が高いとき（すなわち直ちには第５運転領域Ｄを外れないと予想されるとき）にのみ許容するので、前記のようなギア段が低いにも拘らず冷却能力を高めた場合に起こり得る不具合が回避される。

また、前記実施形態では、図９に示すように、掃気効率が低いために冷却機構３０の冷却能力を高く設定する領域、すなわち第５運転領域Ｄは、エンジンの中速域に予め定められた基準速度Ｒ４未満の速度域に設定されている。つまり、第５運転領域Ｄが基準速度Ｒ４未満の速度域であっても、換言すれば低速域にあっても、冷却機構３０の冷却能力を高く設定する制御が実行される（ステップＳ２０〜Ｓ２２）。これにより、次のような作用が得られる。

前述したように、低速域は、回転速度が低いためにピストン５の移動速度が遅く、したがって気筒２内での混合気の流動性ないしミキシングが低下し易く、その結果、燃料の気化霧化にかかる時間が長くなって、本来であれば未燃のＨＣ（ＲａｗＨＣ）が発生し易い。しかし、第５運転領域Ｄは高負荷域に属している上、掃気効率が低く、気筒２内に残留ガスが相当量残っているので、気筒２の温度は高い状態にあり、燃料の気化霧化が促進される。そのため、たとえ第５運転領域Ｄでエンジン本体１の冷却を強化しても、燃料の気化霧化が著しく阻害されることはない。それよりも、点火時期をアドバンス（進角）させ、高負荷域トルクを上昇させる効果のほうが大きい。

そこで、前記実施形態では、たとえ第５運転領域Ｄが低速域にあっても、冷却能力を高めるようにしたものである。これにより、低速域内の高負荷域トルクの落ち込みが補われて、より一層フラットなトルクカーブが得られる。

また、前記実施形態では、ＥＣＵ５０は、第２運転領域Ｂにおいて点火時期のリタードを行い、第２運転領域Ｂでは、第１運転領域Ａに比べて、冷却機構３０の冷却能力を高く設定する（ステップＳ９でＴ_ｌｏｗ＜Ｔ_ｈｉｇｈ）。すなわち、第２運転領域Ｂがリタード領域である火花点火式エンジンにおいて、リタード領域である第２運転領域Ｂでは、リタード領域でない第１運転領域Ａに比べて、冷却機構３０の冷却能力が高く設定されるので、以下のような理由により、リタード領域である第２運転領域Ｂで冷却機構３０の冷却能力が高く設定されないときに増大する燃費低下の問題が低減される。

まず、中負荷域において、第２運転領域Ｂは第１運転領域Ａに比べて高速側にあるから、単位時間当たりの発生熱量が大きい。そのため、第２運転領域Ｂはノッキングを抑制するためにリタード領域とされている。

そして、点火時期をリタードさせると、その分トルクが減るので、燃料噴射量を増やしてトルクを補う必要があり、燃費が低下するという問題がある。また、点火時期をリタードさせると、燃料が後燃えしたり燃焼ガスの膨張が少なくなることで排気ガス温度が高くなるので、異常燃焼防止等の観点から、燃料噴射量を増やして余った燃料の気化潜熱で気筒２の温度を下げることが行われ、この点からも燃費が低下するという問題がある。

そこで、ＥＣＵ５０は、同じエンジン中負荷域の中でも、リタード領域である第２運転領域Ｂでは、リタード領域でない第１運転領域Ａに比べて、冷却機構３０の冷却能力を高く設定した（ステップＳ９でＴ_ｌｏｗ＜Ｔ_ｈｉｇｈ）ものである。これにより、第２運転領域Ｂでは、エンジン本体１の冷却が強化されてエンジン本体１の温度が低下し、ノッキングが抑制される。そのため、リタード量を少なくして点火タイミングをアドバンスできるので（エンジンが第３運転領域Ｃ１や第４運転領域Ｃ２で運転されている場合は、ステップＳ１７で、リタード量が相対的に大きくされるのに対し、エンジンが第２運転領域Ｂで運転されている場合は、ステップＳ１２で、リタード量が相対的に小さくされる。すなわち、点火タイミングがアドバンスされる。）、トルクが上昇して、燃費が向上する。また、リタード量の減少により排気ガス温度が低下するので、燃料噴射量を少なくして混合気をリーン化でき（エンジンが第３運転領域Ｃ１や第４運転領域Ｃ２で運転されている場合は、ステップＳ１８で、空燃比が理論空燃比よりもリッチ（λ＜１）とされるのに対し、エンジンが第２運転領域Ｂで運転されている場合は、ステップＳ１３で、空燃比がそれよりもリーンな理論空燃比（λ＝１）とされる。）、この点からも燃費が向上する。

以上により、本実施形態によれば、リタード領域である第２運転領域Ｂにおける燃費低下の問題が低減されて、第２運転領域Ｂにおける燃費性能を改善することが可能な火花点火式エンジンの制御装置が提供される。

一方で、リタードしても排気温度が信頼性を低下させるほどに上昇しない第１運転領域Ａでは、第２運転領域Ｂに比べて、冷却機構３０の冷却能力が低く設定される（ステップＳ３でＴ_ｈｉｇｈ＞Ｔ_ｌｏｗ）ので、エンジン本体１が過度に冷却されることがない。そもそも、低速域は、回転速度が低いためにピストン５の移動速度が遅く、したがって気筒２内での混合気の流動性ないしミキシングが低下し易く、その結果、燃料の気化霧化にかかる時間が長くなって、未燃のＨＣ（ＲａｗＨＣ）が発生し易い。これに対し、前記実施形態によれば、そのような第１運転領域Ａにおいて、エンジン本体１が過度に冷却されないので、前記のような筒内流動ないしミキシングの低下を助長するようなことがなく、前記未燃ＨＣの発生量の増大が防止される。また、エンジン本体１が過度に冷却されることがないから、エンジンオイルの粘度上昇に起因する種々のフリクションロス（ピストン５の摺動抵抗等）の増大も防止される。これらにより、リタード領域でない第１運転領域Ａにおいても燃費の低下が防止される。

また、前記実施形態に係るエンジンは、エンジン本体１の幾何学的圧縮比が１２以上とされており、ガソリンエンジンとしては高めの圧縮比に設定されているため、本来的にノッキングが起き易い。これに対し、前記実施形態では、前記のような冷却水温Ｔｗの制御を行い、リタード領域における燃費性能が改善されるので、高圧縮比化に伴う熱効率の向上と相俟って、より優れた燃費性能を得ることが可能になる。

なお、前記実施形態では、切替弁３４が開弁する温度である基準温度を下げる（つまりラジエータ３３への冷却水の流入をより低い温度条件から許可する）ことにより、冷却機構３０の冷却能力を高めるようにしたが、冷却能力は、前記のような基準温度の変更によらない他の方法によっても高めることが可能である。

例えば、冷却水ポンプ３１として、電気モータで駆動される電動式のポンプを設け、電気モータの回転速度を調整して冷却水の流量を変化させることにより、冷却能力を制御するようにしてもよい。

あるいは、冷却機構３０の冷却能力を高めるための装置として、グリルシャッタを設けてもよい。このグリルシャッタは、ラジエータ３３の車両前方に配置されたフロントグリルの内部に収容されており、フロントグリルの空気導入口の開口面積を増大したり減少したり可変に調節するものである。グリルシャッタによりフロントグリルの開口面積が増大されてラジエータ３３に吹き付けられる空気（走行風）の流量が増加すれば（高まれば）、それに伴って冷却機構３０の冷却能力が高められ、冷却水温が急速に低下することになる。

したがって、このグリルシャッタを開閉制御してフロントグリルの空気導入口からラジエータに吹き付けられる空気（走行風）の流量を調節して変化させることにより、ラジエータでの熱変換量を調節して変化させて、冷却機構３０の冷却能力を適正かつ確実に調整し制御することが可能となる。

また、グリルシャッタに代えてファンを用い、ファンを回転駆動してラジエータ３３に空気（風）を当て、その空気の風量を調節してもよい。

また、前記実施形態では、エンジン本体１の幾何学的圧縮比を１２以上に設定したが、オクタン価（ＲＯＮ）が高いガソリンを燃料として用いる場合には、ノッキング等の異常燃焼が相対的に起き難くなるので、幾何学的圧縮比をさらに高く設定してもよい。具体的には、オクタン価が９５以上のガソリンを燃料として用いる場合には、幾何学的圧縮比を１３以上とすることができる。逆に、オクタン価が９１以上９５未満である場合には、やはり前記実施形態のように、幾何学的圧縮比を１２以上とするのがよい。

また、前記実施形態では、ステップＳ１３で空燃比を理論空燃比とした（λ＝１）が、冷却機構３０の冷却能力を高めない場合に比べてリーンであればよく、必ずしもλ＝１にする必要はない。

１エンジン本体
２気筒
１５クランク軸（出力軸）
３０冷却機構
３２冷却水路
３３ラジエータ
３４切替弁
４０変速機
５０ＥＣＵ（制御手段）
Ａ第１運転領域
Ｂ第２運転領域
Ｃ１第３運転領域
Ｃ２第４運転領域
Ｄ第５運転領域
Ｒ４基準速度

Claims

エンジン本体を冷却する冷却機構と、少なくともエンジンの高負荷域において点火時期のリタードを行う制御手段とを備えた火花点火式エンジンの制御装置であって、
所定のエンジン回転数域において排気通路内の排気脈動で生じる負圧波を吸排気弁のオーバーラップ期間中に排気ポートに到達させることにより気筒内の残留ガスの掃気効率を高めるように前記排気通路が構成され、
前記制御手段は、前記高負荷域のうち最大負荷を含む所定負荷以上の領域において、前記所定のエンジン回転数域以外のエンジン回転数域では、前記所定のエンジン回転数域に比べて、前記冷却機構の冷却能力を高く設定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１に記載の火花点火式エンジンの制御装置において、
前記エンジンは車両に搭載された車載用エンジンであり、
前記エンジン本体の出力軸は、複数のギア段を有する変速機を介して車輪に連結されており、
前記制御手段は、前記冷却機構の冷却能力を高く設定する制御を前記変速機のギア段が所定の段位以上のときにのみ実行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１又は２に記載の火花点火式エンジンの制御装置において、
前記掃気効率が低いために前記冷却機構の冷却能力を高く設定する領域は、予め定められた基準速度未満の速度域に設定されてい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１から３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において、
前記制御手段は、エンジンの高速域内の中負荷域において点火時期のリタードを行い、エンジンの中負荷域内の高速域では、中負荷域内の低速域に比べて、前記冷却機構の冷却能力を高く設定することを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置。
エンジン本体を冷却する冷却機構と、少なくともエンジンの高負荷域において点火時期のリタードを行う制御手段とを備えた火花点火式エンジンの制御装置であって、
前記エンジンは車両に搭載された車載用エンジンであり、
前記エンジン本体の出力軸は、複数のギア段を有する変速機を介して車輪に連結されており、
排気通路内の排気脈動で生じる負圧波が吸排気弁のオーバーラップ期間中に排気ポートに到達することにより気筒内の残留ガスが掃気されるように前記排気通路が構成され、
前記制御手段は、高負荷域のうち、前記掃気の効率が他の速度域よりも低い速度域では、他の速度域に比べて、前記冷却機構の冷却能力を高く設定するとともに、前記冷却機構の冷却能力を高く設定する制御を前記変速機のギア段が所定の段位以上のときにのみ実行することを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置。
エンジン本体を冷却する冷却機構と、少なくともエンジンの高負荷域において点火時期のリタードを行う制御手段とを備えた火花点火式エンジンの制御装置であって、
排気通路内の排気脈動で生じる負圧波が吸排気弁のオーバーラップ期間中に排気ポートに到達することにより気筒内の残留ガスが掃気されるように前記排気通路が構成され、
前記制御手段は、高負荷域のうち、前記掃気の効率が他の速度域よりも低い速度域では、他の速度域に比べて、前記冷却機構の冷却能力を高く設定するとともに、エンジンの高速域内の中負荷域において点火時期のリタードを行い、エンジンの中負荷域内の高速域では、中負荷域内の低速域に比べて、前記冷却機構の冷却能力を高く設定することを特徴とする火花点火式エンジンの制御装置。