ガソリンエンジン
【課題】異常燃焼を回避しつつ幾何学的圧縮比を高くして圧縮自着火燃焼を実現することができるとともに、触媒の活性を促進することができるガソリンエンジンを提供する。
【解決手段】排気ポート１０に接続される独立排気通路５２の下流端を下流側の方がより流路面積が小さくなる形状としてエゼクタ効果によって隣接する他の独立排気通路５２に接続された排気ポート１０内に負圧が生成されるようにするとともに、低負荷かつ低速域において、混合気が自着火により燃焼する自着火燃焼モードを実行するとともに、高負荷かつ低速域において、吸気弁１１の開弁期間と排気弁１２の開弁期間とを所定のオーバーラップ期間重複させ、かつ、排気順序が連続する気筒間において一方の気筒２の前記オーバーラップ期間を他方の気筒２の排気弁１２が開弁している時期に重複させる。
【解決手段】排気ポート１０に接続される独立排気通路５２の下流端を下流側の方がより流路面積が小さくなる形状としてエゼクタ効果によって隣接する他の独立排気通路５２に接続された排気ポート１０内に負圧が生成されるようにするとともに、低負荷かつ低速域において、混合気が自着火により燃焼する自着火燃焼モードを実行するとともに、高負荷かつ低速域において、吸気弁１１の開弁期間と排気弁１２の開弁期間とを所定のオーバーラップ期間重複させ、かつ、排気順序が連続する気筒間において一方の気筒２の前記オーバーラップ期間を他方の気筒２の排気弁１２が開弁している時期に重複させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼室および吸気ポートと排気ポートとがそれぞれ形成されるとともに前記吸気ポートを開閉可能な吸気弁と前記排気ポートを開閉可能な排気弁とが設けられた複数の気筒と、少なくとも一部がガソリンからなる燃料を前記燃焼室に噴射するインジェクタとを備えたガソリンエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ガソリンエンジンの分野では、点火プラグの火花点火により強制的に混合気を着火させる燃焼形態（火花点火燃焼）が一般的であったが、近年、このような火花点火燃焼に代えて、いわゆる圧縮自己着火燃焼をガソリンエンジンに適用する研究が進められている。圧縮自己着火燃焼とは、燃焼室に生成された混合気をピストンで圧縮し、高温・高圧の環境下で、火花点火によらず混合気を自着火させるというものである。圧縮自己着火燃焼は、燃焼室の各所で同時多発的に自着火する燃焼であり、火花点火による燃焼に比べて、高い熱効率が得られると言われている。
【０００３】
前記圧縮自己着火燃焼が適用されたガソリンエンジンの具体例として、例えば下記特許文献１に開示されたものが知られており、この特許文献１には、気筒の幾何学的圧縮比を１４以上として混合気を自着火可能な温度にまで高めることが開示されている。
【０００４】
ここで、幾何学的圧縮比を１４以上という高い値に設定した場合、燃焼室内の混合気の温度が過剰に上昇してしまう結果、低速高負荷領域等において、ノッキング等の異常燃焼が生じるという問題がある。
【０００５】
これに対して、下記特許文献２に開示されるようないわゆる４−２−１タイプの排気システムを用いることで、燃焼室の掃気を促進して燃焼室内の残留ガスを低減し、これにより、混合気の過剰な温度上昇を抑制することが検討されている。この排気システムでは、４気筒エンジンにおいて、各気筒の排気ポートにそれぞれ接続される４つの排気通路が２本づつ集合した後、これら２本の排気通路が１本に集合されており、排気ガスが徐々に集合することによって背圧や排気脈動の影響を抑制して、掃気が促進される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１５４８５９号公報
【特許文献２】特開２００２−２７６３５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記４−２−１タイプの排気システムでは、掃気性能が向上することで異常燃焼の発生を抑制できる一方、排気通路が長くなる結果、この排気通路に設けられる触媒に流入する排気温度が低下し、これにより、触媒の活性に時間がかかる、または、触媒の活性状態を維持するのが困難になるという問題がある。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑み、異常燃焼を回避しつつ幾何学的圧縮比を高くして自着火燃焼を実現することができるとともに、触媒の活性を促進することができるガソリンエンジンの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するために、本発明は、燃焼室および吸気ポートと排気ポートとがそれぞれ形成されるとともに前記吸気ポートを開閉可能な吸気弁と前記排気ポートを開閉可能な排気弁とが設けられた複数の気筒と、少なくとも一部がガソリンからなる燃料を前記燃焼室に噴射するインジェクタとを備えたガソリンエンジンであって、前記吸気弁と排気弁の動作および前記燃焼室内の燃焼形態を制御する制御手段と、１つの気筒あるいは排気順序が互いに連続しない複数の気筒の排気ポートにそれぞれ接続される独立排気通路と、前記各独立排気通路を通過したガスが集合するように当該各独立排気通路の下流端に接続された集合部と、前記集合部を通過したガスが流入するように当該集合部よりも下流側に配置されて、理論空燃比の雰囲気下で三元触媒機能を有する触媒とを備え、前記気筒の幾何学的圧縮比は１４以上に設定されており、前記各独立排気通路のうち排気順序が連続する気筒に接続された独立排気通路は互いに隣り合う位置で前記集合部に接続されており、前記各独立排気通路の下流端部分は、各気筒から各排気ポートおよび各独立排気通路を通って前記集合部に排気が排出されるのに伴いエゼクタ効果によって隣接する他の独立排気通路およびこの独立排気通路に接続された排気ポート内に負圧が生成されるように、下流側の方が上流側よりも流路面積が小さくなる形状を有し、前記制御手段は、少なくともエンジンの低負荷かつ低速域において、前記燃焼室内の混合気が自着火により燃焼する自着火燃焼モードを実行するとともに、少なくともエンジンの高負荷かつ低速域において、前記各気筒の吸気弁の開弁期間と排気弁の開弁期間とが所定のオーバーラップ期間重複し、かつ、排気順序が連続する気筒間において一方の気筒の前記オーバーラップ期間が他方の気筒の排気弁が開弁している時期に重複するように、各気筒の吸気弁および排気弁を開弁動作させることを特徴とするガソリンエンジンを提供する（請求項１）。
【００１０】
本発明によれば、排気ポートから触媒までの排気通路の長さを長くすることなく低速高負荷領域において高い掃気性能を実現することができる。そのため、異常燃焼を回避しつつ、気筒の幾何学的圧縮比を１４以上として混合気の自着火燃焼を実現、ひいては高い熱効率を実現することができるとともに、触媒に流入する排気の温度を高くして触媒の活性を促進することができる。
【００１１】
具体的には、本発明では、各独立排気通路の下流端部分が下流側の方が上流側よりも流路面積が小さくなる形状を有しており、所定の独立排気通路から集合部に高速で排気が流入し、これによりエゼクタ効果が得られ、他の独立排気通路が負圧になるよう構成されているとともに、低速高負荷領域において所定の気筒のオーバーラップ期間中に他の気筒の排気弁が開弁されているので、この低速高負荷領域において、エゼクタ効果によりオーバーラップ期間中の気筒の排気ポート内に負圧を生成してこの負圧によりオーバーラップ期間中の掃気を促進することができる。従って、幾何学的圧縮比を高くしても前記低速高負荷領域において異常燃焼が発生するのをより確実に回避することができ、幾何学的圧縮比が高いことに伴う適正な圧縮自己着火燃焼を実現することができる。
【００１２】
さらに、高い掃気性能がエゼクタ効果の利用により実現されており、排気通路の長さを長くする必要がないので（４−２−１タイプの排気システムに比べて排気通路の長さを短くすることができ）、触媒に到達するまでの排気の放熱量を小さく抑えて、触媒に流入する排気の温度を高くすることができ、触媒の活性を促進することができる。特に、燃焼温度が低く排気の温度が低いために触媒が活性しにくい圧縮自己着火燃焼の実施時においても、触媒の活性を促進することができ、高い熱効率を得つつ触媒を活性させることができる。また、前記のように独立排気通路から集合部に向かって排気が高速で流入するため、この排気が他の独立排気通路に回りこんで膨張するのが抑制され、この膨張に伴う排気の温度低下も抑制される。
【００１３】
本発明において、前記集合部は、下流側の方が上流側よりも流路面積が小さくなる形状を有するのが好ましい（請求項２）。
【００１４】
このようにすれば、前記集合部を通過する排気の流速を高めることができ、前記排気ポートに生成される負圧量を高くして掃気性能をより高めることができる。
【００１５】
また、本発明において、前記集合部と前記触媒との間に下流側の方が上流側よりも流路面積が大きくなる形状を有する連結部を設けるのが好ましい（請求項３）。
【００１６】
前述のように、排気は集合部を高速で通過しており、この流速の増加に伴って集合部を通過する排気の温度は低下する。そのため、このような構造を有する連結部を設ければ、この連結部において排気の流速および温度を復帰させることができ（流速は低下し温度は増加する）、触媒に流入する排気の温度を高く維持することができる。さらに、排気の温度の低下に伴い、前記集合部での外部への放熱量は小さく抑えられる。このように、この構成によれば、集合部での放熱量を小さく抑えつつ連結部において排気の温度を高く復帰させることができ、連結部の流路面積が一定の場合に比べて、触媒に流入する排気の温度を高くすることができる。
【００１７】
本発明において、前記制御手段は、エンジンの高負荷かつ低速域に加えて、前記自着火燃焼モードを実行するエンジンの低負荷かつ低速域の少なくとも一部の領域においても、前記各気筒の吸気弁の開弁期間と排気弁の開弁期間とが所定のオーバーラップ期間重複し、かつ、排気順序が連続する気筒間において一方の気筒の前記オーバーラップ期間が他方の気筒の排気弁が開弁している時期に重複するように、各気筒の吸気弁および排気弁を開弁動作させるのが好ましい（請求項４）。
【００１８】
このようにすれば、熱効率が高く排気温度が低い自着火燃焼モード領域においても、エゼクタ効果によってオーバーラップ期間中の気筒の排気が下流側に吸い出され、この排気が他の独立排気通路に回りこむのがより確実に回避されるため、この回りこみに伴う排気の膨張を回避して、この排気の温度の低下を抑制することができる。このことは、触媒の活性をより促進する。
【００１９】
本発明において、前記制御手段は、前記インジェクタにより前記燃焼室内に噴射される燃料重量Ｆに対する前記燃焼室内の全ガスの重量Ｇの割合であるＧ／Ｆを制御可能であって、前記自着火燃焼モードを実行するエンジンの低負荷かつ低速域において、前記燃料重量Ｆに対する燃焼室内の全ガス重量Ｇの割合Ｇ／Ｆを３０以上に制御するとともに、高負荷側ほど前記燃料重量Ｆに対する燃焼室内の全ガス重量Ｇの割合Ｇ／Ｆを小さくするのが好ましい（請求項５）。
【００２０】
このように燃焼室の空燃比が非常に高いリーン状態において圧縮自己着火燃焼を実行すれば、ＮＯｘの生成をより確実に抑制することができるとともに、燃焼温度を低下させてより高い熱効率を得ることができる。ここで、燃焼温度の低下に伴い排気の温度は低下するが、本発明では、前記のように、触媒に流入する排気温度が高くされるため、適正な圧縮自己着火燃焼を実現しつつ触媒の活性を促進することができる。また、この構成では、高負荷側ほど前記燃料重量Ｆに対する燃焼室内の全ガス重量Ｆの割合Ｇ／Ｆが小さくされて燃料量の増大に合わせて適正なＧ／Ｆとされており、適正な圧縮自己着火燃焼を実現しつつエンジントルクを確保することができる。
【００２１】
また、本発明において、前記制御手段は、前記インジェクタの動作を制御可能であって、前記自着火燃焼モードを実行するエンジンの低負荷かつ低速域において、前記インジェクタにより吸気行程あるいは圧縮行程の前期に前記燃焼室内に燃料を噴射させるのが好ましい（請求項６）。
【００２２】
このようにすれば、燃焼室内に噴射された燃料が自着火するまでの間に十分に空気と混合されて燃焼室内の混合気濃度が均質化されるため、燃焼温度をより確実に低下させて、これにより、より高い熱効率を得ることができる。ここで、燃焼温度の低下に伴い排気の温度は低下するが、本発明では、前記のように、触媒に流入する排気温度が高くされるため、高い熱効率を実現しつつ触媒の活性を促進することができる。
【００２３】
また、本発明において、前記燃焼室内の混合気に点火エネルギーを供給する点火プラグを備え、前記制御手段は、前記点火プラグの動作を制御可能であって、前記自着火燃焼モードを実行する運転領域よりも高負荷側の領域において、前記自着火燃焼モードのときよりも燃焼室内の平均空燃比をリッチにさせる多量の燃料を３０ＭＰａ以上の噴射圧力で前記インジェクタから噴射させる燃料噴射と、前記点火プラグによる火花点火とを、圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内に実行することにより、前記燃焼噴射に基づく混合気を、圧縮上死点を所定期間以上過ぎてから火炎伝播により急速に燃焼させる急速リタードＳＩモードを実行するのが好ましい（請求項７）。
【００２４】
このようにすれば、３０ＭＰａ以上の高い圧力での燃料噴射が圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内といった遅角側で実行されており、燃焼室が最も高温・高圧化する圧縮上死点をある程度過ぎるまで、高い噴射圧力による大きな乱流エネルギーを維持しつつ、多量の燃料を十分に気化霧化させて比較的均質な（もしくは弱成層化した）混合気を形成することができる。そして、この状態で、点火プラグの火花点火に基づく火炎伝播燃焼を開始させることにより、前記高圧噴射に基づく混合気を、圧縮上死点を過ぎてから短期間で燃焼し切ることができる。このため、吸気行程等の早いタイミングで燃料を噴射する従来の火花点火式燃焼と異なり、プリイグニッションやノッキングといった異常燃焼の発生を確実に回避でき、燃焼期間の短い熱効率に優れた火炎伝播燃焼を実現することができる。このように、この構成によれば、前記エゼクタ効果による掃気性能の向上に伴う異常燃焼の抑制に加えて、燃焼形態によっても異常燃焼を抑制することができ、より確実に、異常燃焼の発生を回避することができるとともに、より広い運転領域で高い熱効率を得ることができる。また、この燃焼形態では、燃焼温度が過度に上昇することがなく、燃料の気化霧化が不十分なまま燃焼が開始されることもないため、ＮＯｘやスートの増大が回避され、エミッション性についても良好に維持される。
【発明の効果】
【００２５】
以上説明したように、本発明によれば、異常燃焼を回避しつつ幾何学的圧縮比を高くして自着火燃焼を実現することができるとともに、触媒の活性を促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態に係るガソリンエンジンの全体構成を示す図である。
【図２】図１に示すエンジンの排気系の構成を示す図である。
【図３】図１に示すエンジンのピストン冠面の形状を示す概略断面図である。
【図４】図２に示す排気系の概略側面図である。
【図５】図２のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】急速リタードＳＩ燃焼モードにおける吸気弁および排気弁のバルブタイミングを説明するための図である。
【図７】図２に示す排気系の作用効果を説明するための図である。
【図８】図１に示すエンジンの制御系を示すブロック図である。
【図９】エンジンの運転状態に応じた制御モードを選択するための制御マップの一例を示す図である。
【図１０】図９の第１運転領域Ａ１で実行されるリーンＨＣＣＩ燃焼モードの制御内容を説明するためのタイムチャートである。
【図１１】図９の第２運転領域Ａ２で実行される急速リタードＳＩ燃焼モードの制御内容を説明するためのタイムチャートである。
【図１２】急速リタードＳＩ燃焼モードにおいて圧縮行程後期に噴射された燃料がキャビティ内で拡散する様子を説明するための図である。
【図１３】吸気弁および排気弁のバルブタイミングを説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
（１）エンジンの全体構成
図１は、本発明の一実施形態にかかるガソリンエンジンの全体構成を示す図である。図２は、このエンジンの一部（主に排気系）を示す図である。図１に示されるエンジンは、走行駆動用の動力源として車両に搭載される往復ピストン型の多気筒ガソリンエンジンである。このエンジンのエンジン本体１は、所定の方向並ぶ４つの気筒２（図２参照）を有するシリンダブロック３と、シリンダブロック３の上面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。具体的には、図２の右から順に第１気筒２ａ，第２気筒２ｂ，第３気筒２ｃ，第４気筒２ｄが形成されている。なお、エンジン本体１に供給される燃料は、ガソリンを主成分とするものであればよく、その中身は、全てガソリンであってもよいし、ガソリンにエタノール（エチルアルコール）等を含有させたものでもよい。
【００２８】
前記エンジン本体１は４サイクルエンジンであって、各気筒２ａ〜２ｄにおいて、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程がそれぞれ１８０℃Ａずつずれるように構成されている（図６参照）。本実施形態では、第１気筒２ａ→第３気筒２ｃ→第４気筒２ｄ→第２気筒２ｂの順に点火が行われてこの順に排気行程等が実施される。
【００２９】
前記ピストン５はコネクティングロッド８を介してクランク軸７と連結されており、前記ピストン５の往復運動に応じて前記クランク軸７が中心軸回りに回転するようになっている。
【００３０】
前記ピストン５の上方には燃焼室６が形成されている。この燃焼室６には吸気ポート９および排気ポート１０が開口し、各ポート９，１０を開閉する吸気弁１１および排気弁１２が、前記シリンダヘッド４にそれぞれ設けられている。なお、図例のエンジンはいわゆるダブルオーバーヘッドカムシャフト式（ＤＯＨＣ）エンジンであり、各気筒につき前記吸気ポート９および排気ポート１０が２つずつ設けられるとともに、前記吸気弁１１および排気弁１２も２つずつ設けられている。
【００３１】
なお、「燃焼室」とは、狭義には、上死点時におけるピストン５の上方空間のことを指すが、本明細書でいう燃焼室６とは、ピストン５の上下位置にかかわらずその上方に形成される空間のことを指すものとする（広義の燃焼室）。
【００３２】
ここで、当実施形態のエンジン本体１は、理論熱効率の向上や、後述する圧縮自己着火燃焼の安定化等を目的として、１４以上という比較的高い幾何学的圧縮比を有するように設定されている。なお、幾何学的圧縮比の上限値は、実用上の観点等から２０程度であると考えられるため、前記エンジン本体１の幾何学的圧縮比は、１４以上２０以下の範囲の適宜の値に設定される。
【００３３】
エンジンには、各種センサが取り付けられている。例えば、エンジン冷却水の温度を検出するための水温センサＳＷ１、クランク軸７の回転角度（クランク角）ひいてはエンジンの回転速度を検出するためのクランク角センサＳＷ２、前記カムシャフトの角度を検出して気筒判別（各気筒が吸気、圧縮、膨張、排気のいずれの行程にあるかの判別）用の信号を出力するカム角センサＳＷ３、燃焼室に流入する新気の温度を検出するための外気温センサＳＷ４が、エンジン本体に取り付けられている。
【００３４】
前記吸気弁１１および排気弁１２は、それぞれ、シリンダヘッド４に配設された一対のカムシャフト（図示省略）等を含む動弁機構１３，１４によりクランク軸７の回転に連動して開閉駆動される。
【００３５】
前記吸気弁１１用の動弁機構１３には、ＣＶＶＬ１５およびＶＶＴ１６がそれぞれ組み込まれている。ＣＶＶＬ１５は、連続可変バルブリフト機構（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖａｌｖｅ Ｌｉｆｔ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）と呼ばれるものであり、吸気弁１１のリフト量を連続的に（無段階で）変更するものである。また、ＶＶＴ１６は、可変バルブタイミング機構（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖａｌｖｅ Ｔｉｍｉｎｇ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）と呼ばれるものであり、吸気弁１１の開閉タイミング（位相角度）を可変的に設定するものである。これらＣＶＶＬ１５およびＶＶＴ１６は、エンジンの全ての吸気弁１１のリフト量および開閉タイミングを変更できるように設けられており、ＣＶＶＬ１５およびＶＶＴ１６の両方が駆動されると、各気筒２において一対の吸気弁１１のリフト量および開閉タイミングが同時に変更されるようになっている。
【００３６】
前記のような構成のＣＶＶＬ１５は既に公知であり、その具体例として、吸気弁１１駆動用のカムをカムシャフトの回転と連動して往復揺動運動させるリンク機構と、リンク機構の配置（レバー比）を可変的に設定するコントロールアームと、コントロールアームを電気的に駆動することによって前記カムの揺動量（吸気弁１１を押し下げる量）を変更するステッピングモータとを備えたものを挙げることができる（例えば特開２００７−８５２４１号公報参照）。また、前記ＶＶＴ１６についても、液圧式、電磁式、機械式など、種々のタイプのものが既に公知であり、その中から適宜のものを採用し得る。
【００３７】
前記排気弁１２用の動弁機構１４には、排気弁１２の開閉タイミング（位相角度）を可変的に設定する可変バルブタイミング機構であるＶＶＴ１７が組み込まれている。以下、前記ＣＶＶＬ１５を吸気ＣＶＶＬ１５といい、吸気弁１１用の前記ＶＶＴ１６を吸気ＶＶＴ１６といい、排気弁１２用の前記ＶＶＴ１７を排気ＶＶＴ１７という。
【００３８】
前記エンジン本体１のシリンダヘッド４には、点火プラグ２０およびインジェクタ２１が、各気筒２につき１組ずつ設けられている。
【００３９】
前記インジェクタ２１は、燃焼室６をその天井面（燃焼室６を覆うシリンダヘッド４の下面）から臨むように設けられている。各気筒２のインジェクタ２１にはそれぞれ燃料供給管２３が接続されており、各燃料供給管２３を通じて供給される燃料（ガソリンを主成分とする燃料）が前記インジェクタ２１の先端部から噴射されるよ。
【００４０】
より具体的に、前記燃料供給管２３の上流側には、クランク軸７と連動連結されたプランジャー式のポンプ等からなる高圧燃料ポンプが接続されているとともに、この高圧燃料ポンプと前記燃料供給管２３との間には、全気筒に共通の蓄圧用のコモンレールが設けられている。そして、このコモンレール内で蓄圧された燃料が各気筒２のインジェクタ２１に供給されることにより、各インジェクタ２１から、３０ＭＰａ以上の高い圧力の燃料が噴射される。なお、燃料噴射圧力の上限値は、実用上の観点等から１２０ＭＰａ程度であると考えられるため、前記インジェクタ２１からの噴射圧力は、３０ＭＰａ以上１２０ＭＰａ以下の範囲の適宜の値に設定される。
【００４１】
また、前記インジェクタ２１は、いわゆる多噴口型のインジェクタであり、その先端部に１２個の噴口を有している。これらの噴口の設置部（インジェクタ２１の先端部）は、燃焼室６天井の中央部に位置しており、各噴口は、その開口方向がボア径方向外側の斜め下方を向くように穿孔されている。このため、前記インジェクタ２１の各噴口から燃料が噴射された場合、その燃料は、ピストン５の冠面（上面）に近づくほどボア径方向外側に拡がるように放射状に噴射される。
【００４２】
前記点火プラグ２０は、各気筒２の燃焼室６を上方から臨むように前記インジェクタ２１と隣接して配置されている。具体的に、この点火プラグ２０は、燃焼室６に露出する電極を先端部に有し、図外の点火回路からの給電に応じて前記電極から火花を放電する。
【００４３】
前記エンジン本体１の吸気ポート９および排気ポート１０には、吸気通路２８および排気マニホールド５０がそれぞれ接続されている。排気マニホールド５０の下流側には触媒装置６０が接続されている。外部からの吸入空気（新気）は、前記吸気通路２８を通じて燃焼室６に供給されるとともに、燃焼室６で生成された排気ガス（既燃ガス）は、前記排気マニホールド５０および触媒装置６０を通じて外部に排出される。排気マニホールド５０および触媒装置６０の詳細構造については後述する。以下、排気マニホールド５０と触媒装置６０とを合わせて排気系と呼ぶ場合がある。
【００４４】
前記吸気通路２８は、単一の通路からなる共通通路部２８ｃと、共通通路部２８ｃの下流側端部に設けられたサージタンク２８ｂと、気筒２ごとに分岐して設けられて前記サージタンク２８ｂと各気筒２の吸気ポート９とを接続する分岐通路部２８ａとを有している。
【００４５】
前記吸気通路２８および排気系の間には、この排気系を通過する排気ガスの一部を吸気通路２８に還流させる外部ＥＧＲ装置３０が設けられている。具体的に、外部ＥＧＲ装置３０は、吸気通路２８の各共通通路部２８ｃと触媒装置６０の後述するケーシング６２の上流端６１とを連通させるＥＧＲ通路３１と、ＥＧＲ通路３１の途中部に設けられ、その内部を通過する排気ガスの流量を制御するＥＧＲバルブ３２と、ＥＧＲ通路３１を通過する排気ガスの温度を冷却する水冷式のＥＧＲクーラ３３とを有している。
【００４６】
前記吸気通路２８の共通通路部２８ｃには、スロットルバルブ２５が開閉可能に設けられている。ただし、当実施形態では、前記吸気ＣＶＶＬ１５により吸気弁１１のリフト量が調整され、また、排気ＶＶＴ１７により排気弁１２の開閉タイミングが調整されることにより、燃焼室６内のＥＧＲガス量や新気量が調整されるため、スロットルバルブ２５は、エンジンの停止時等を除いて、全開状態に維持される。
【００４７】
図３は、前記ピストン５の冠面の形状を具体的に説明するための拡大図である。この図３および先の図１に示すように、ピストン５の冠面中央部には、凹状のキャビティ４０が設けられている。キャビティ４０は、前記インジェクタ２１と対向する上向きの開口部４０ａを上端に有しており、この開口部４０ａの面積（開口面積）は、キャビティ４０の内部の最大断面積（キャビティ４０の各高さ位置における水平方向断面積の最大値）よりも小さく設定されている。すなわち、キャビティ４０は、その開口部４０ａから所定深さまでの範囲において、上方に至るほど内径が狭くなるように上窄まり状に形成されている。
【００４８】
（２）排気系の構成
図４は、図２の一部の側面図である。なお、この図２では、構成がより明確になるよう、後述する外側管５８を切断して、この外側管５８の内側が露出した状態で示している。この図４および図２に示すように、前記排気マニホールド５０は、上流側から順に、３つの独立排気通路５２と、略円筒状の集合部５６と、略円筒状の連結部５７とを備えている。
【００４９】
前記各独立排気通路５２は、前記各気筒２の排気ポート１０に接続されている。具体的には、前記気筒２のうち第１気筒２ａの排気ポート１０と第４気筒２ｄの排気ポート１０とは、それぞれ個別に独立排気通路５２ａ、５２ｄに接続されている。一方、排気行程が隣り合わず排気順序が連続しない第２気筒２ｂと第３気筒２ｃの排気ポート１０は、これら各気筒２ｂ，２ｃから同時に排気が排出されることがないため、構造を簡素化する観点から、１つの独立排気通路５２ｂに接続されている。より詳細には、この第２気筒２ｂと第３気筒２ｃの排気ポート１０に接続されている独立排気通路５２ｂは、その上流側において２つの通路に分離しており、その一方に第２気筒２ｂの排気ポート１０が接続され、他方に第３気筒２ｃの排気ポート１０が接続されている。本実施形態では、第２気筒２ｂおよび第３気筒２ｃの排気ポート１０に対応する独立排気通路５２は、これら気筒２ｂ，２ｃの中央部分すなわちエンジン本体１の略中央部分と対向して直線的に延びており、他の気筒１２ａ，１２ｄの排気ポート１０に対応する独立排気通路５２は、対応する各排気ポート１０と対向する位置から前記第２気筒２ｂおよび第３気筒２ｃに対応する独立排気通路５２に向かって湾曲して延びている。
【００５０】
これら独立排気通路５２は、互いに独立しており、第２気筒２ｂあるいは第３気筒２ｃから排出された排気と、第１気筒２ａから排出された排気と、第４気筒２ｄから排出された排気とは、互いに独立して各独立排気通路５２内を通って下流側に排出される。各独立排気通路５２を通過したガスは前記集合部５６に流入する。
【００５１】
前記各独立排気通路５２および前記集合部５６は、各独立排気通路５２から高速で排気が噴出されてこの排気が高速で前記集合部５６内に流入するのに伴い、この高速の排気の周囲に発生した負圧作用すなわちエゼクタ効果によって隣接する他の独立排気通路５２およびこの独立排気通路５２と連通する排気ポート１０内に負圧が生成されこの排気ポート１０内のガスが下流側に吸い出されるような形状を有している。
【００５２】
具体的には、前記各独立排気通路５２は、排気が各独立排気通路５２から高速で前記集合管５６内に噴出されるよう、下流に向かうほどその流路面積が小さくなる形状を有している。本実施形態では、図５に示すように、各独立排気通路５２は、略楕円形断面を有する上流側部分から下流に向かうに従ってその断面積が縮小されており、その下流端では上流側部分の楕円形断面積の略１／３となる扇形となっている。そして、これら独立排気通路５２は、扇形をなす各下流端が、互いに隣接して全体として略円形断面を形成するように集合して前記集合部５６に接続されている。
【００５３】
そして、前記集合部５６は、前記各独立排気通路５２から排出された排気が高い速度を維持したまま下流側に流れるよう、下流側ほどその流路面積が小さくなる形状を有している。本実施形態では、排気の速度をより高めるべく前記集合部５６の下流端の流路面積は、前記各独立排気通路５２の下流端の流路面積の合計よりも小さく設定されている。
【００５４】
ここで、前記独立排気通路５２の下流端の断面積は、この断面積と同じ面積を有する真円の直径をａ（図４参照）とし、前記集合部５６の下流端の流路面積と同じ面積を有する真円の直径をＤ（図４参照）とした場合に、ａ／Ｄがａ／Ｄ≧０．５の範囲に設定されていれば前記集合部５６を排気が十分に高い速度で通過して高いエゼクタ効果が得られることが分かっている。そこで、本実施形態では、前記独立排気通路５２等を、前記構成に加えてａ／Ｄ≧０．５を満足するように構成している。なお、前記独立排気通路５２から前記集合部５６への排気の流入速度をより高めるべく、前記独立排気通路５２の下流端に流路面積が小さくされた部分すなわち絞り部分が設けられている場合には、この絞り部分の流路面積の直径をａとして、前記連結部５７がａ／Ｄ≧０．５となるような形状とされるのが好ましい。
【００５５】
また、本実施形態では、集合部５６や連結部５７で圧力の不均一が生じ、これにより下流側へのガスの吸出し力が低下するのを抑制するべく、前記集合部５６の上流側部分の内側面を独立排気通路５２の下流端からガスの流れ方向と直交する方向に離間させている。具体的には、前記集合部５６の上流側部分５６ａは、前記各独立排気通路５２の下流端で形成される円筒部分よりも内径が大きく上下流方向に流路面積がほぼ一定とされている。そして、集合部５６の下流側部分５６ｂが、下流に向かうに従って流路面積が縮小する形状とされている。
【００５６】
前記連結部５７は、その上流側部分を構成し、上下流方向に流路面積がほぼ一定のストレート部５７ａと、その下流側部分を構成し、略円錐台状であって下流に向かうに従って流路面積が拡大するディフューザー部５７ｂとからなる。
【００５７】
このように構成された前記集合部５６およびディフューザー部５７ｂでは、排気の放熱量が小さく抑えられ、温度が高く維持された排気が下流側に排出される。
【００５８】
具体的には、前述のように、前記集合部５６、詳細には、前記集合部５６の下流側部分５６ｂの流路面積は、下流側ほど小さくなっている。また、前記連結部５７のストレート部５７ａの流路面積はほぼ一定とされている。そのため、独立排気通路５２から排出された排気はこの集合部５６とストレート部５７ａとを高速で通過する。このとき排気の圧力・温度は低下するため、この集合部５６およびストレート部５７ａにおいて、排気の外部への放熱量は小さく抑えられる。そして、このストレート部５７ａを通過した排気は、下流に向かうに従って流路面積が拡大するディフューザー部５７ｂに流入することで、その圧力・温度が回復され、高い温度を維持したまま下流側に排出される。
【００５９】
さらに、本実施形態では、前記集合部５６と連結部５７とが、中空の外側管５８内に挿入されており、集合部５６の上流端から連結部５７の下流端までの部分は二重管構造となっている。そのため、これら集合部５６および連結部５７の通過時において、排気の外部への放熱はより一層抑制され、より高い温度の排気が下流側に排出される。
【００６０】
前記触媒装置６０は、エンジン本体１から排出された排気を浄化するための装置である。この触媒装置６０は、触媒本体（触媒）６４とこの触媒本体６４を収容するケーシング６２とを備えている。ケーシング６２は排気の流れ方向と平行に延びる略円筒状を有している。触媒本体６４は、排気中の有害成分を浄化するためのものであり、理論空燃比の雰囲気下で三元触媒機能を有する。この触媒本体６４は、例えば、三元触媒を含有する。
【００６１】
前記触媒本体６４は、前記ケーシング６２の上下流方向の中央部分に収容されており、このケーシング６２の上流端６１には所定の空間が形成されている。前記ディフューザー部５７ｂの下流端はこのケーシング６２の上流端６１に接続されており、ディフューザー部５７ｂから排出された排気はこのケーシング６２の上流端６１に流入した後、触媒本体６４側へ進行する。前記ＥＧＲ通路３１は、このケーシング６２の上流端６１に接続されており、前記ディフューザー部５７ｂから排出された排気の一部は、ＥＧＲバルブ３２の開閉動作に応じてＥＧＲ通路３１内に流入する。
【００６２】
（４）排気系の作用効果
以上のように構成された排気系では、独立排気通路５２から集合部５６および連結部５７に高速で排気が噴出、流入し、これに伴いエゼクタ効果によって他の独立排気通路５２内に負圧が生成される。そのため、後述するように、低速高負荷領域において、所定の気筒（排気行程気筒）２の排気弁１２の開弁時に、排気順序がこの排気行程気筒２の１つ前に設定された他の独立排気通路５２に連通する気筒（吸気行程気筒）２の吸気弁１１と排気弁１２とを互いに開弁させてこれら弁１１，１２をオーバーラップさせることで、排気行程気筒２から排出された排気により生成された負圧を吸気行程気筒２に作用させて吸気行程気筒２の掃気を促進することができ、高圧縮比下の低速高負荷領域において生じやすいノッキング等の異常燃焼の発生の回避および燃焼室６への新気の導入の促進を実現することができる。すなわち、高いエンジントルクを確保しつつエンジンの高圧縮比化を実現することができる。
【００６３】
図７に、１５００ｒｐｍの全負荷での体積効率とノック限界トルク（ノッキングが生じない範囲での最大エンジントルク）とを調べた結果を示す。この図７において、実線は、本エンジンの排気系での結果であり、破線は、掃気を促進するために排気通路を長くしたいわゆる４−２−１タイプの排気系での結果であり、鎖線は、いわゆる４−１タイプの排気系での結果である。なお、４−１タイプの排気系とは、掃気性能を特に考慮していない従来から多く用いられている排気系であり、排気ポート１０にそれぞれ接続される４つの排気通路を途中で合流させることなく１本に集合させたものである。
【００６４】
この図７に示されるように、本エンジンの排気系では、他の排気系に比べて最大体積効率を高めることができるとともに、掃気がより促進される（燃焼室６内の残留ガス量がより低減される）ことに伴い、ノッキングを回避するために燃焼時期を遅角側に調整する必要がなく、同じ体積効率においてもエンジントルクを高めることができる。
【００６５】
しかも、本エンジンの排気系ではエゼクタ効果を利用することで掃気を促進しており、高いエンジントルクを確保しつつ、掃気を促進するために排気通路を長くしたいわゆる４−２−１タイプの排気系よりも、排気ポート１０（詳しくは排気ポート１０が開口するシリンダヘッド４の開口部分）から触媒装置６０（詳しくは、触媒装置６０のケーシング６２の上流端６１）までの距離Ｌ（図２参照）を短くすることができる。そのため、触媒本体６４に流入する排気の温度をより高くして、触媒本体６４の活性を促進することができる。例えば、４−２−１タイプの排気系では、排気ポート１０から触媒装置６０までの距離Ｌが６００ｍｍ程度であるのに対して、掃気性能を同様に維持しつつ本エンジンの排気系ではこの距離Ｌを４００ｍｍ程度まで短くすることができる。
【００６６】
また、前述のように、本エンジンの排気系では、独立排気通路５２から排出された排気が集合部５６および連結部５７を高速で通過しており、この排気が他の独立排気通路５２に回りこんで膨張し低温化するのが抑制されるとともに、連結部５７のディフューザー部５７ｂで排気の圧力・温度が回復されており、この集合部５６および連結部５７での放熱が小さく抑えられて、触媒本体６４に流入する温度を高くすることができる。さらに、前記集合部５６の上流端から連結部５７の下流端までの部分が二重管構造とされていることで、触媒本体６４に流入する温度を高くすることができる。
【００６７】
（５）制御系
図８は、エンジンの制御系を示すブロック図である。この図８に示されるＥＣＵ１００は、エンジンの各部を統括的に制御するための装置（本発明にかかる制御手段）であり、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されている。
【００６８】
前記ＥＣＵ１００には、エンジンに設けられた各種センサから種々の情報が入力される。すなわち、ＥＣＵ１００は、エンジンに設けられた前記水温センサＳＷ１、クランク角センサＳＷ２、カム角センサＳＷ３、および外気温センサＳＷ４等と電気的に接続されており、これら各センサＳＷ１〜ＳＷ４からの入力信号に基づいて、エンジンの冷却水温、クランク角、エンジン回転速度、気筒判別情報、および新気の温度といった種々の情報を取得する。
【００６９】
また、ＥＣＵ１００には、車両に設けられた各種センサからの情報も入力される。例えば、車両には、運転者により踏み込み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ＳＷ５が設けられており、このアクセル開度センサＳＷ５により検出されたアクセル開度が、前記ＥＣＵ１００に入力される。
【００７０】
前記ＥＣＵ１００が有するより具体的な機能について説明すると、前記ＥＣＵ１００は、その主な機能的要素として、判定手段１０１、インジェクタ制御手段１０２、吸気制御手段１０３、外部ＥＧＲ制御手段１０５、および点火制御手段１０６を有している。
【００７１】
前記判定手段１０１は、クランク角センサＳＷ２の検出値から特定されるエンジン回転速度と、アクセル開度センサＳＷ４の検出値から特定されるエンジン負荷（目標トルク）とに基づいて、エンジンをどのような態様で制御すべきかを都度判定するものである。なお、以下では、エンジン回転速度をＮｅ、エンジン負荷をＴとする。
【００７２】
図９は、前記エンジン回転速度Ｎｅおよび負荷Ｔに基づき決定される制御の種類を区分けして示す設定図（制御マップ）である。エンジンの運転中、前記判定手段１０１は、この図９の制御マップに従うようにエンジンの制御内容を決定する。なお、図９の制御マップは、基本的に、エンジン水温センサＳＷ１により検出された冷却水温が所定値（例えば８０℃）以上となる温間状態のときのものである。エンジンが冷間状態にあるときの制御マップは図９とは異なり得るが、ここではその説明については省略する。
【００７３】
図９の制御マップにおいて、エンジン負荷Ｔが低い領域（低負荷域）には、低速域（エンジンの回転速度が低い領域）を含む全てのエンジン回転速度域にわたって第１運転領域Ａ１が設定されており、この第１運転領域Ａ１よりも負荷Ｔが高い高負荷域には、低速域（エンジンの回転速度が低い領域）を含む全てのエンジン回転速度域にわたって第２運転領域Ａ２が設定されている。
【００７４】
エンジンの運転中においては、エンジンの運転点（負荷Ｔおよび回転速度Ｎｅの各値から特定される制御マップ上でのポイント）が前記図９中のどの運転領域（Ａ１、Ａ２）に該当するかが都度判断され、各運転領域に応じた適切な制御が実行されるようになっている。
【００７５】
再び図８に戻って、前記インジェクタ制御手段１０２は、前記インジェクタ２１に内蔵された図外のニードル弁（インジェクタ２１の先端部の噴口を開閉する弁）を電磁的に開閉することにより、インジェクタ２１から燃焼室６に噴射される燃料の噴射量や噴射時期を制御するものである。
【００７６】
前記吸気制御手段１０３は、前記吸気ＣＶＶＬ１５および吸気ＶＶＴ１６を駆動することにより、吸気弁１１のリフト量（開弁量）および開閉タイミングを変更するとともに、排気ＶＶＴ１７を駆動することにより排気弁１２の開閉タイミングを変更する制御を行うものである。
【００７７】
前記外部ＥＧＲ制御手段１０５は、前記ＥＧＲ通路３１に設けられたＥＧＲバルブ３２の開度を調節することにより、排気通路２９から吸気通路２８に排気ガスを還流する操作（外部ＥＧＲ）の有無を切り替えるとともに、その外部ＥＧＲによる排気ガスの還流量（外部ＥＧＲ量）を制御するものである。
【００７８】
前記点火制御手段１０６は、前記点火プラグ２０による火花点火のタイミング（点火時期）等を制御するものである。
【００７９】
（６）各運転領域での制御内容
次に、以上のような機能を有するＥＣＵ１００の制御に基づき、図９に示した各運転領域（Ａ１，Ａ２）で、それぞれどのような制御が実施されるのかを説明する。なお、ここでの説明の前提として、エンジンの冷却水温は十分に暖まっている（つまり温間時の運転である）ものとする。このようにエンジンが温間状態で運転されているとき、ＥＣＵ１００は、前記クランク角センサＳＷ２およびアクセル開度センサＳＷ４の各検出値に基づいて、エンジンの運転点（負荷Ｔおよび回転速度Ｎｅ）が図９の制御マップにおけるどの運転領域に該当するかを逐次判定する。そして、判定された運転領域が、図９中の第１運転領域Ａ１と第２運転領域Ａ２のいずれであるかに応じて、それぞれ以下のような制御を実行する。
【００８０】
（ｉ）第１運転領域Ａ１
第１運転領域Ａ１では、点火プラグ２０による混合気の点火は停止されて、十分に混合された燃料と空気の混合気をピストン５の圧縮作用によって自着火させる、リーンＨＣＣＩ燃焼（Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ−Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ、予混合圧縮自己着火燃焼）モードが実行される。
【００８１】
図１０は、前記リーンＨＣＣＩ燃焼モードが実行された際の、燃料噴射時期と吸排気弁１１，１２のリフト特性、およびそれに基づく燃焼により生じる熱発生率（Ｊ／ｄｅｇ）を示す図である。この図１０に示すように、このリーンＨＣＣＩ燃焼モードでは、圧縮上死点（圧縮行程と膨張行程の間のＴＤＣ）よりも十分に早いタイミングで燃料が噴射され、燃料と空気の混合が十分に混合された圧縮上死点付近においてこの混合気をピストン５の圧縮作用によって自着火させる。
【００８２】
具体的に、当実施形態において、このリーンＨＣＣＩ燃焼モードで運転されているときには、吸気行程中の所定時期にインジェクタ２１から燃焼室６に対し比較的少量の燃料が噴射（Ｐ）され、この１回の燃料噴射Ｐにより一括噴射された少量の燃料と、吸気通路２８から燃焼室６に導入される空気（新気）とに基づき形成される均質でかつリーンな混合気が、ピストン５の圧縮作用により高温、高圧化し、圧縮上死点付近で自着火する。すると、このような自着火に基づき、波形Ｑａに示すような熱発生を伴う燃焼が生じることになる。
【００８３】
前記リーンＨＣＣＩ燃焼モードでは、燃焼室６内に噴射される燃料重量Ｆに対する燃焼室６内の全ガスの重量Ｇの割合であるＧ／Ｆが、３０以上（例えば３５）となるように設定される。ただし、このように大幅にリーンでかつ均質な空燃比下では、燃焼室内の温度を意図的に上昇させないと、失火が起きるおそれがある。前述のように、本ガソリンエンジンでは、エンジン本体の幾何学的圧縮比が１４以上と高い値に設定されており、ピストン５の圧縮作用により燃焼室内の温度をある程度まで高めることができるが、燃焼室内の温度が低い低負荷領域においてより安定した燃焼を実現するために、本実施形態では、燃焼室６内の内部ＥＧＲガス量を多く確保する制御が実施される。具体的には、このリーンＨＣＣＩ燃焼モードでは、図１０のリフトカーブＥＸ（排気弁１２のリフトカーブ）およびリフトカーブＩＮ（吸気弁１２のリフトカーブ）に示すように、排気弁１２と吸気弁１１とが同時に開弁せず、排気弁１２と吸気弁１１とがともに閉じるネガティブオーバーラップ期間が形成されるように、前記吸気ＣＶＶＬ１５および吸気ＶＶＴ１６と前記排気ＶＶＴ１７とは、吸気弁１１および排気弁１２の開閉タイミングを制御し、これにより、燃焼室６で生成された排気ガスの多くを燃焼室６内に残留させる（内部ＥＧＲを行う）。このように、高温の排気ガス（内部ＥＧＲガス）を燃焼室６に残留させることで、燃焼室６は高温化して、安定した圧縮自着火燃焼が実現される。
【００８４】
ここで、負荷Ｔが高く燃料噴射量が増大すると、必要な新気量が増大する。そこで、このリーンＨＣＣＩ燃焼モードでは、負荷Ｔの増大とともに内部ＥＧＲガス量を減少させて、新気の導入を促進させる。具体的には、負荷Ｔの増大とともに、図１０中の実線のリフトカーブＥＸから破線のリフトカーブＥＸへというように、排気弁１２の閉タイミングを遅角側に変更して、燃焼室６から独立排気通路５２側に排出される排気ガス量を増大させる。また、吸気弁１１のリフト量を、負荷Ｔの高まりとともに徐々に増大する。図１０中の一点鎖線のリフトカーブＩＮは、吸気弁１１が小リフト状態のときのリフトカーブであり、この状態から負荷Ｔが高まると、それに伴って吸気弁１１のリフト量が破線のリフトカーブを上限として徐々に増大設定される。このように吸気弁１１のリフト量を増大させる際には、吸気弁１１の閉時期が吸気下死点（吸気行程と圧縮行程の間のＢＤＣ）の近傍に固定されたまま、吸気弁１１の開時期のみが排気上死点（排気行程と吸気行程の間のＴＤＣ）に向けて徐々に進角するように、吸気弁１１の開閉タイミングおよびリフト量が前記吸気ＣＶＶＬ１５および吸気ＶＶＴ１６によって調整される。
【００８５】
なお、このリーンＨＣＣＩ燃焼モードでは、ＥＧＲ通路３１に設けられたＥＧＲバルブ３２の開度は全閉とされて、排気通路２９から吸気通路２８への排気ガスの還流すなわち外部ＥＧＲは停止される。
【００８６】
このようにして、前記リーンＨＣＣＩ燃焼モードでは、Ｇ／Ｆが３０以上という大幅にリーンの混合気が自着火燃焼するため、ＮＯｘの発生を抑制しつつ、燃焼温度ひいては冷却損失を低減して熱効率（燃費）を向上させることができる。
【００８７】
（ｉｉ）第２運転領域Ａ２
高負荷域に設定された前記第２運転領域Ａ２では、多量の燃料が噴射されるため、圧縮自己着火燃焼を行わせようとすると、燃焼騒音が著しく増大する、また、ノッキングが生じるという問題がある。そこで、この第２運転領域Ａ２では、圧縮自己着火燃焼に代わり、混合気に点火して火炎伝播させる火花点火燃焼（ＳＩ燃焼）を実施する。
【００８８】
ここで、ＳＩ燃焼においても、燃焼室６内の温度が過度に高い場合には、ノッキングが生じる。特に、本ガソリンエンジンでは圧縮比が非常に高い値に設定されている。そのため、燃焼室６内の温度は高くなりやすい。
【００８９】
そこで、本ガソリンエンジンでは、この第２運転領域Ａ２において、前記エゼクタ効果を利用して掃気を促進し、燃焼室６内の残留ガス（内部ＥＧＲガス）量を減少させて燃焼室６内の温度を低下させるとともに新気量を確保して、ノッキングを回避しつつエンジントルクを高めている。
【００９０】
具体的には、この第２運転領域Ａ２では、図６に示すように、吸気弁１１および排気弁１２の目標バルブタイミングが、排気弁１２の開弁期間と吸気弁１１の開弁期間とが吸気上死点（ＴＤＣ）を挟んでオーバーラップし、かつ、排気弁１２が他の気筒１２のオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ中に開弁を開始するように調整される。詳細には、第１気筒２ａの吸気弁１１と排気弁１２とがオーバーラップしている期間中に第３気筒２ｃの排気弁１２が開弁し、第３気筒２ｃの吸気弁１１と排気弁１２とがオーバーラップしている期間中に第４気筒２ｄの排気弁１２が開弁し、第４気筒２ｄの吸気弁１１と排気弁１２とがオーバーラップしている期間中に第２気筒２ｂの排気弁１２が開弁し、第２気筒２ｂの吸気弁１１と排気弁１２とがオーバーラップしている期間中に第１気筒２ａの排気弁１２が開弁するよう調整される。
【００９１】
このように、この第２運転領域Ａ２では、所定の気筒（排気行程気筒）２の排気弁１２の開弁時に、排気順序がこの排気行程気筒２の１つ前に設定された他の独立排気通路５２に連通する気筒（吸気行程気筒）２の吸気弁１１と排気弁１２とがオーバーラップされることで、排気行程気筒２の排気弁１２の開弁してこの排気行程気筒２から独立排気通路５２を通って前記集合部５６に排気が高速で排出されるのに伴って、前記オーバーラップ期間中の吸気行程気筒２の独立排気通路５２ひいては排気ポート１０内にエゼクタ効果により負圧が生成され、掃気が促進される。すなわち、燃焼室６内の残留ガス（内部ＥＧＲガス）量の多くが独立排気通路５２側に排出されるとともにより多くの新気が燃焼室６内に導入されるため、ノッキングを回避しつつエンジントルクを高めることができる。特に、排気弁１２の開弁開始直後は気筒１２から非常に高速で排気（いわゆるブローダウンガス）が排出され、これに伴い高い負圧が生成される。
【００９２】
なお、本エンジンにおいて、前記吸気弁１１および排気弁１２の開弁時期、閉弁時期とは、それぞれ、図１３に示すように、各弁１１，１２のリフトカーブにおいてリフトが急峻に立ち上がるあるいは立ち下がる時期であり、例えば０．４ｍｍリフトの時期をいう。
【００９３】
さらに、本実施形態では、ノッキング等の異常燃焼をより確実に回避するべく、圧縮上死点よりもかなり前（例えば吸気行程中）に燃料を噴射して圧縮上死点付近で火花点火を行わせる通常のＳＩ燃焼ではなく、図１１に示すように、圧縮行程中にインジェクタ２１から燃料を噴射させ（Ｐ１，Ｐ２）、この燃料噴射Ｐ１，Ｐ２の後に点火プラグ２０に火花点火を行わせて、圧縮上死点を過ぎたタイミング（膨張行程の初期）から短時間で火炎伝播により混合気を燃焼させる急速リタードＳＩ燃焼モードを実行する。図１１は、前記急速リタードＳＩ燃焼モードが実行された際の、燃料噴射時期と吸排気弁１１，１２のリフト特性、およびそれに基づく燃焼により生じる熱発生率（Ｊ／ｄｅｇ）を示す図である。なお、当明細書において、ある行程の「後期」とか「初期」とかいう場合は、その行程を初期、中期、後期に３分割したときの後期あるいは初期を指すものとする。例えば、圧縮行程の後期であれば、圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）６０〜０°ＣＡの範囲を指し、膨張行程の初期であれば、圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）０〜６０°ＣＡの範囲を指すことになる。
【００９４】
具体的には、図１１に示すように、急速リタードＳＩ燃焼モードでは、圧縮行程の後期に設定された２回の噴射時期（Ｐ１，Ｐ２）に分けてインジェクタ２１から、３０ＭＰａ以上の高圧で燃料が噴射される。各燃料噴射Ｐ１，Ｐ２のタイミングとしては、例えば、１回目の噴射Ｐ１の開始時期から、２回目の噴射Ｐ２の完了時期までの期間が、概ね圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）２０°〜０°ＣＡ程度の期間内に収まるように設定される。
【００９５】
このような噴射制御が実施されるこの急速リタードＳＩ燃焼モードでは、前記のように３０ＭＰａ以上（例えば４０ＭＰａ）という非常に高い噴射圧力で燃料が噴射されることで、噴射期間を短くすることができるとともに燃料噴霧を微粒化することができ、短時間で多量の燃料を十分に気化霧化させて比較的均質な（もしくは弱成層化した）混合気を形成することができる。また、噴射圧力が高いために、燃焼室６が最も高温・高圧化する圧縮上死点をある程度過ぎるまで大きな乱流エネルギーを維持することができる。従って、燃料が噴射されてから短時間、ひいては、燃料噴射に伴う乱流エネルギーの減衰が小さい期間内（乱流エネルギーが大きい期間内）に火花点火による燃焼を開始させることができ、この比較的大きな乱流エネルギーによって燃焼期間を短くすることができる。そして、この燃焼期間の短縮化に伴って、燃焼が引き起こされる前に適正な火炎伝播によって混合気を燃焼し切ることができる。すなわち、ノッキング等の異常燃焼を回避しつつ、熱効率およびエンジントルクを高く維持することができる。また、圧縮上死点を過ぎたタイミングで燃焼が開始されるため燃焼温度が過度に上昇せず、燃料の気化霧化が不十分なまま燃焼が開始されることもないため、ＮＯｘやスートの増大が回避され、エミッション性についても良好に維持される。
【００９６】
さらに、燃料が２回に分けて噴射されて２回目の燃料噴射の後に点火が行われており、１回目の燃料噴射Ｐ１によって燃料を霧化させつつ、２回目の燃料噴射により点火時点での乱流エネルギーを大きくすることができる。また、１２個という多数の噴口から噴射されることによっても乱流エネルギーは増大される。また、多噴口型のインジェクタ２１と、ピストン５に設けられたキャビティ４０との組み合わせによって、図１２に示すように、圧縮行程後期の燃料噴射Ｐ１，Ｐ２により噴射された燃料の噴霧を、その乱流エネルギーにより、主にキャビティ４０内で迅速に拡散させることができるため、燃焼期間をより短縮することができる。
【００９７】
ここで、点火時期を図１１の例よりもさらに進角させれば、これに伴って燃焼開始時期が圧縮上死点により近づくため、熱効率および出力トルクのさらなる向上が期待できるが、点火時期を早めるとノッキングが起き易くなるため、点火時期は、ノッキングを起こさないという制約の下、できるだけ進角側に設定される。このような事情から、点火時期は、例えば、圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）０°〜２０°ＣＡ程度の範囲内に設定される。
【００９８】
なお、前記急速リタードＳＩ燃焼モードでは、前記燃料噴射Ｐ１，Ｐ２によるトータルの噴射量に対して燃焼室６全体の平均の空燃比が理論空燃比（空気過剰率λ＝１）となるように新気量が制御される。具体的には、この第２運転領域Ａ２では、負荷Ｔの増大に応じてＣＶＶＬ１５が駆動され、吸気弁１１のリフト量が増大され（図１１のリフトカーブＩＮが鎖線から破線側へ制御され）、これに伴って燃料噴射量に応じた新気が導入される（図１１のリフトカーブＩＮ）。なお、本実施形態では、吸気弁１１のリフトピーク位置を固定したままリフト量が増大される。
【００９９】
また、前記急速リタードＳＩ燃焼モードのときは、ＥＧＲ通路３１を通じて排気ガスをＥＧＲクーラ３３で冷却した後、吸気通路２８に還流させる外部ＥＧＲが実行される。なお、エンジンの全負荷近傍では、より多量の新気を確保するために、外部ＥＧＲは禁止される。
【０１００】
（７）作用効果等
以上説明したように、本エンジンでは、高負荷領域Ａ２において、エゼクタ効果によって掃気が促進されており、気筒２の圧縮比を高圧縮比として低負荷領域Ａ１での適正な圧縮自己着火を実現して熱効率を高めつつ、高負荷領域でのノッキングを回避して高いエンジントルクを確保することができる。しかも、前記掃気の促進がエゼクタ効果を利用することで行われており、高い掃気性能を維持しつつ、前述のように排気ポート１０から触媒装置６０までの距離を短くすることができるため、触媒本体６４に到達するまでの間での排気の放熱量を小さく抑えて、触媒本体６４に流入する排気の温度を高くし、これにより触媒本体６４の早期活性化、触媒本体６４の活性状態の維持を実現することができる。
【０１０１】
特に、本エンジンでは、独立排気通路５２から排出された排気が集合部５６および連結部５７を高速で通過するとともに、連結部５７のディフューザー部５７ｂで排気の温度が回復されており、この排気が他の独立排気通路５２に回りこんで膨張し低温化するのが抑制されるとともに、集合部５６および連結部５７での放熱が小さく抑えられて、触媒本体６４に流入する温度を高くすることができる。さらに、前記集合部５６の上流端から連結部５７の下流端までの部分が二重管構造とされていることで、触媒本体６４に流入する温度を高くすることができる。
【０１０２】
また、本エンジンでは、高負荷領域Ａ２において、急速リタードＳＩ燃焼モードが実行されており、エンジントルクを確保しつつノッキングをより確実に回避することができるとともに、全運転領域で高い熱効率を得ることができる。
【０１０３】
ここで、前記実施形態では、第１運転領域Ａ１において排気弁１２と吸気弁１１とをネガティブオーバーラップさせる（オーバーラップさせない）場合について示したが、この第１運転領域Ａ１においても第２運転領域Ａ２と同様に、これら排気弁１２と吸気弁１１とをオーバーラップさせてもよい。例えば、第１運転領域Ａ１のうち高負荷側の領域では、負荷が比較的高いことに伴い内部ＥＧＲガス量を比較的少なくしても圧縮自己着火燃焼を実現することができるため、この第１運転領域Ａ１のうち高負荷側の領域において、排気弁１２と吸気弁１１とをオーバーラップさせてもよい。また、この第１運転領域Ａ１のうちの高負荷側の領域において、所定の気筒２のオーバーラップ期間中にこの気筒２よりも排気行程が１つ前の気筒２の排気弁１２を開弁させるようにしてもよい。このようにすれば、この運転領域においてもエゼクタ効果により掃気を促進してより多くの新気を導入することができ、より高負荷領域までリーンの予混合圧縮自己着火燃焼を実現することができる。
【０１０４】
また、前記実施形態では、第２運転領域Ａ２の全域において排気弁１２と吸気弁１１とをオーバーラップさせる場合について示したが、エンジンの回転速度が高く排気流量が大きい運転領域では、背圧が高くなる結果十分なエゼクタ効果が得られない場合がある。そのため、このような高速領域では、エゼクタ効果を利用するために排気弁１２と吸気弁１１とをオーバーラップさせ、かつ、このオーバーラップ期間中に他の気筒２の排気弁１２を開弁させるという制御は停止してもよい。すなわち、排気弁１２と吸気弁１１とをネガティブオーバーラップさせる、あるいは、オーバーラップ期間と他の気筒２の排気弁１２の開弁期間とを重複させないという制御を行ってもよい。
【０１０５】
また、前記実施形態では、第１運転領域Ａ１の全域においてＨＣＣＩ燃焼モードを実施する場合について示したが、エンジンの回転速度が高い領域では、燃料の吸熱時間が少なくなるため適正な圧縮自己着火燃焼が困難になるおそれがある。そのため、このような場合には、第１運転領域Ａ１のうち低速域のみでＨＣＣＩ燃焼モードを実施し、高速域では他の燃焼モード（例えば、ＳＩ燃焼や、火花点火により混合気の自着火が促進されるよう構成された燃焼）が実施されてもよい。
【０１０６】
また、前記実施形態では、前記第１運転領域Ａ１において内部ＥＧＲガス量を増大させるために吸気弁１１と排気弁１２とをネガティブオーバーラップさせる場合について示したが、排気弁１２を排気行程に加えて吸気行程においても開弁可能なように構成し、排気弁１２を排気行程に加えて吸気行程でも開弁させることで、排気ポート１０に排出された高温の排気を燃焼室６内に逆流させ、これにより、燃焼室６内のＥＧＲガス量を増大させてもよい。ただし、この場合には、前記エゼクタ効果による掃気性能の向上によって、排気の燃焼室６内への逆流が十分に行われないおそれがある。そのため、この場合には、高いエゼクタ効果が得られるように構成された前記独立排気通路５２の少なくとも下流部分から連結部５７の下流端までの部分をバイパスするバイパス通路と、このバイパス通路を開閉する制御弁とを設け、前記第２運転領域Ａ２では高いエゼクタ効果が得られるように前記制御弁によりバイパス通路を封鎖する一方、前記第１運転領域Ａ１では前記制御弁によりバイパス通路を開放して、実質、エゼクタ効果が発揮されないよう、すなわち、エゼクタ効果により燃焼室６内への排気の逆流が阻害されるのを回避されるように構成してもよい。
【０１０７】
また、前記実施形態では、図１０，図１１等を用いて、各種運転領域での燃料の噴射時期や点火時期について例示したが、これらはあくまで一例に過ぎず、前記燃料噴射時期や点火時期はエンジンの特性等によって適宜変更し得るものである。
【０１０８】
また、リーンＨＣＣＩ燃焼モードの実行領域である第１運転領域Ａ１では、吸気行程中の１回（燃料噴射Ｐ）で所要量の燃料が噴射されるものとしたが、この一括噴射Ｐの時期は、圧縮上死点までの間にある程度の燃料の撹拌時間が確保されるようなタイミング（例えば圧縮行程の中期以前）であればよく、必ずしも吸気行程中に限られない。
【０１０９】
また、前記実施形態では、リーンＨＣＣＩ燃焼モードにおいて、Ｇ／Ｆを３０以上に制御する場合について例示したが、Ｇ／Ｆではなく理論空燃比λを制御し、この理論空燃比をλ＝２以上とする制御を実施してもよい。
【０１１０】
また、急速リタードＳＩモードの実行領域である第２運転領域Ａ２では、圧縮行程後期に２回に分けて燃料噴射Ｐ１，Ｐ２を実施するものとしたが、その回数および噴射時期は、圧縮行程後期の範囲内で適宜変更可能である。例えば、燃料噴射量が比較的少ない第２運転領域Ａ２の低負荷側では、１回で所要量の燃料を噴射する一括噴射を行ってもよい。逆に、第２運転領域Ａ２の高負荷側（最高負荷付近）では、３回以上に分けて燃料を噴射してもよい。
【０１１１】
また、前記実施形態では、急速リタードＳＩモードの実行領域である第２運転領域Ａ２で、排気通路２９から吸気通路２８に排気ガスを還流させる外部ＥＧＲを実行するようにしたが、さらなる燃焼の急速化を目指す観点から、外部ＥＧＲを停止しかつスロットルバルブ２５による流量調整（スロットリング）を行うことにより、燃料およびλ＝１相当の新気のみが燃焼室６内に充填されるようにしてもよい。
【０１１２】
一方、前記実施形態のように、急速リタードＳＩモードのときにＥＧＲクーラ３３において十分に冷やされた低温の排気を吸気側に導入する外部ＥＧＲを実行した場合には、プリイグニッションやノッキング等の異常燃焼をより効果的に防止することができる。このため、圧縮比が特に高く、異常燃焼が起き易いエンジンにあっては、排気性能向上の観点から急速リタードＳＩ燃焼モードの実施時に、この低温の排気を導入する外部ＥＧＲを実行するのがよい。
【０１１３】
また、高負荷領域において急速リタードＳＩ燃焼モードではなく、圧縮上死点よりもかなり前に燃料を噴射して圧縮上死点付近で火花点火を行わせる通常のＳＩ燃焼を実施してもよい。ただし、前述のように、急速リタードＳＩ燃焼モードを実施すれば、異常燃焼をより確実に回避しつつ熱効率を高めることができる。
【０１１４】
また、前記実施形態では、インジェクタ２１が多噴口型のインジェクタであり、その先端部に１２個の噴口が設けられるものとしたが、噴口の数は１２個に限られず、１２個より多くても少なくてもよい。ただし、噴口の数があまりに少ないと、インジェクタ２１から噴射された燃料の濃度が周方向に大きくばらつくことになる。このため、噴口の数は８個以上とすることが望ましい。
【０１１５】
また、前記実施形態では、インジェクタ２１からの燃料の噴射圧力を、３０ＭＰａ以上で一定としたが、噴射圧力は一定でなくてもよく、運転領域に応じて可変的に設定されるものであってもよい。ただし、この場合でも、少なくとも急速リタードＳＩモードの実行領域（第２運転領域Ａ２）では、燃料噴射圧力が３０ＭＰａ以上に設定される。
【符号の説明】
【０１１６】
２ 気筒
６ 燃焼室
１０ 排気ポート
１１ 吸気弁
１２ 排気弁
２１ インジェクタ
５２ 独立排気通路
５７ 集合部
６０ 触媒装置
６４ 触媒本体（触媒）
１００ ＥＣＵ（制御手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼室および吸気ポートと排気ポートとがそれぞれ形成されるとともに前記吸気ポートを開閉可能な吸気弁と前記排気ポートを開閉可能な排気弁とが設けられた複数の気筒と、少なくとも一部がガソリンからなる燃料を前記燃焼室に噴射するインジェクタとを備えたガソリンエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ガソリンエンジンの分野では、点火プラグの火花点火により強制的に混合気を着火させる燃焼形態（火花点火燃焼）が一般的であったが、近年、このような火花点火燃焼に代えて、いわゆる圧縮自己着火燃焼をガソリンエンジンに適用する研究が進められている。圧縮自己着火燃焼とは、燃焼室に生成された混合気をピストンで圧縮し、高温・高圧の環境下で、火花点火によらず混合気を自着火させるというものである。圧縮自己着火燃焼は、燃焼室の各所で同時多発的に自着火する燃焼であり、火花点火による燃焼に比べて、高い熱効率が得られると言われている。
【０００３】
前記圧縮自己着火燃焼が適用されたガソリンエンジンの具体例として、例えば下記特許文献１に開示されたものが知られており、この特許文献１には、気筒の幾何学的圧縮比を１４以上として混合気を自着火可能な温度にまで高めることが開示されている。
【０００４】
ここで、幾何学的圧縮比を１４以上という高い値に設定した場合、燃焼室内の混合気の温度が過剰に上昇してしまう結果、低速高負荷領域等において、ノッキング等の異常燃焼が生じるという問題がある。
【０００５】
これに対して、下記特許文献２に開示されるようないわゆる４−２−１タイプの排気システムを用いることで、燃焼室の掃気を促進して燃焼室内の残留ガスを低減し、これにより、混合気の過剰な温度上昇を抑制することが検討されている。この排気システムでは、４気筒エンジンにおいて、各気筒の排気ポートにそれぞれ接続される４つの排気通路が２本づつ集合した後、これら２本の排気通路が１本に集合されており、排気ガスが徐々に集合することによって背圧や排気脈動の影響を抑制して、掃気が促進される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１５４８５９号公報
【特許文献２】特開２００２−２７６３５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記４−２−１タイプの排気システムでは、掃気性能が向上することで異常燃焼の発生を抑制できる一方、排気通路が長くなる結果、この排気通路に設けられる触媒に流入する排気温度が低下し、これにより、触媒の活性に時間がかかる、または、触媒の活性状態を維持するのが困難になるという問題がある。
【０００８】
本発明は、このような事情に鑑み、異常燃焼を回避しつつ幾何学的圧縮比を高くして自着火燃焼を実現することができるとともに、触媒の活性を促進することができるガソリンエンジンの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するために、本発明は、燃焼室および吸気ポートと排気ポートとがそれぞれ形成されるとともに前記吸気ポートを開閉可能な吸気弁と前記排気ポートを開閉可能な排気弁とが設けられた複数の気筒と、少なくとも一部がガソリンからなる燃料を前記燃焼室に噴射するインジェクタとを備えたガソリンエンジンであって、前記吸気弁と排気弁の動作および前記燃焼室内の燃焼形態を制御する制御手段と、１つの気筒あるいは排気順序が互いに連続しない複数の気筒の排気ポートにそれぞれ接続される独立排気通路と、前記各独立排気通路を通過したガスが集合するように当該各独立排気通路の下流端に接続された集合部と、前記集合部を通過したガスが流入するように当該集合部よりも下流側に配置されて、理論空燃比の雰囲気下で三元触媒機能を有する触媒とを備え、前記気筒の幾何学的圧縮比は１４以上に設定されており、前記各独立排気通路のうち排気順序が連続する気筒に接続された独立排気通路は互いに隣り合う位置で前記集合部に接続されており、前記各独立排気通路の下流端部分は、各気筒から各排気ポートおよび各独立排気通路を通って前記集合部に排気が排出されるのに伴いエゼクタ効果によって隣接する他の独立排気通路およびこの独立排気通路に接続された排気ポート内に負圧が生成されるように、下流側の方が上流側よりも流路面積が小さくなる形状を有し、前記制御手段は、少なくともエンジンの低負荷かつ低速域において、前記燃焼室内の混合気が自着火により燃焼する自着火燃焼モードを実行するとともに、少なくともエンジンの高負荷かつ低速域において、前記各気筒の吸気弁の開弁期間と排気弁の開弁期間とが所定のオーバーラップ期間重複し、かつ、排気順序が連続する気筒間において一方の気筒の前記オーバーラップ期間が他方の気筒の排気弁が開弁している時期に重複するように、各気筒の吸気弁および排気弁を開弁動作させることを特徴とするガソリンエンジンを提供する（請求項１）。
【００１０】
本発明によれば、排気ポートから触媒までの排気通路の長さを長くすることなく低速高負荷領域において高い掃気性能を実現することができる。そのため、異常燃焼を回避しつつ、気筒の幾何学的圧縮比を１４以上として混合気の自着火燃焼を実現、ひいては高い熱効率を実現することができるとともに、触媒に流入する排気の温度を高くして触媒の活性を促進することができる。
【００１１】
具体的には、本発明では、各独立排気通路の下流端部分が下流側の方が上流側よりも流路面積が小さくなる形状を有しており、所定の独立排気通路から集合部に高速で排気が流入し、これによりエゼクタ効果が得られ、他の独立排気通路が負圧になるよう構成されているとともに、低速高負荷領域において所定の気筒のオーバーラップ期間中に他の気筒の排気弁が開弁されているので、この低速高負荷領域において、エゼクタ効果によりオーバーラップ期間中の気筒の排気ポート内に負圧を生成してこの負圧によりオーバーラップ期間中の掃気を促進することができる。従って、幾何学的圧縮比を高くしても前記低速高負荷領域において異常燃焼が発生するのをより確実に回避することができ、幾何学的圧縮比が高いことに伴う適正な圧縮自己着火燃焼を実現することができる。
【００１２】
さらに、高い掃気性能がエゼクタ効果の利用により実現されており、排気通路の長さを長くする必要がないので（４−２−１タイプの排気システムに比べて排気通路の長さを短くすることができ）、触媒に到達するまでの排気の放熱量を小さく抑えて、触媒に流入する排気の温度を高くすることができ、触媒の活性を促進することができる。特に、燃焼温度が低く排気の温度が低いために触媒が活性しにくい圧縮自己着火燃焼の実施時においても、触媒の活性を促進することができ、高い熱効率を得つつ触媒を活性させることができる。また、前記のように独立排気通路から集合部に向かって排気が高速で流入するため、この排気が他の独立排気通路に回りこんで膨張するのが抑制され、この膨張に伴う排気の温度低下も抑制される。
【００１３】
本発明において、前記集合部は、下流側の方が上流側よりも流路面積が小さくなる形状を有するのが好ましい（請求項２）。
【００１４】
このようにすれば、前記集合部を通過する排気の流速を高めることができ、前記排気ポートに生成される負圧量を高くして掃気性能をより高めることができる。
【００１５】
また、本発明において、前記集合部と前記触媒との間に下流側の方が上流側よりも流路面積が大きくなる形状を有する連結部を設けるのが好ましい（請求項３）。
【００１６】
前述のように、排気は集合部を高速で通過しており、この流速の増加に伴って集合部を通過する排気の温度は低下する。そのため、このような構造を有する連結部を設ければ、この連結部において排気の流速および温度を復帰させることができ（流速は低下し温度は増加する）、触媒に流入する排気の温度を高く維持することができる。さらに、排気の温度の低下に伴い、前記集合部での外部への放熱量は小さく抑えられる。このように、この構成によれば、集合部での放熱量を小さく抑えつつ連結部において排気の温度を高く復帰させることができ、連結部の流路面積が一定の場合に比べて、触媒に流入する排気の温度を高くすることができる。
【００１７】
本発明において、前記制御手段は、エンジンの高負荷かつ低速域に加えて、前記自着火燃焼モードを実行するエンジンの低負荷かつ低速域の少なくとも一部の領域においても、前記各気筒の吸気弁の開弁期間と排気弁の開弁期間とが所定のオーバーラップ期間重複し、かつ、排気順序が連続する気筒間において一方の気筒の前記オーバーラップ期間が他方の気筒の排気弁が開弁している時期に重複するように、各気筒の吸気弁および排気弁を開弁動作させるのが好ましい（請求項４）。
【００１８】
このようにすれば、熱効率が高く排気温度が低い自着火燃焼モード領域においても、エゼクタ効果によってオーバーラップ期間中の気筒の排気が下流側に吸い出され、この排気が他の独立排気通路に回りこむのがより確実に回避されるため、この回りこみに伴う排気の膨張を回避して、この排気の温度の低下を抑制することができる。このことは、触媒の活性をより促進する。
【００１９】
本発明において、前記制御手段は、前記インジェクタにより前記燃焼室内に噴射される燃料重量Ｆに対する前記燃焼室内の全ガスの重量Ｇの割合であるＧ／Ｆを制御可能であって、前記自着火燃焼モードを実行するエンジンの低負荷かつ低速域において、前記燃料重量Ｆに対する燃焼室内の全ガス重量Ｇの割合Ｇ／Ｆを３０以上に制御するとともに、高負荷側ほど前記燃料重量Ｆに対する燃焼室内の全ガス重量Ｇの割合Ｇ／Ｆを小さくするのが好ましい（請求項５）。
【００２０】
このように燃焼室の空燃比が非常に高いリーン状態において圧縮自己着火燃焼を実行すれば、ＮＯｘの生成をより確実に抑制することができるとともに、燃焼温度を低下させてより高い熱効率を得ることができる。ここで、燃焼温度の低下に伴い排気の温度は低下するが、本発明では、前記のように、触媒に流入する排気温度が高くされるため、適正な圧縮自己着火燃焼を実現しつつ触媒の活性を促進することができる。また、この構成では、高負荷側ほど前記燃料重量Ｆに対する燃焼室内の全ガス重量Ｆの割合Ｇ／Ｆが小さくされて燃料量の増大に合わせて適正なＧ／Ｆとされており、適正な圧縮自己着火燃焼を実現しつつエンジントルクを確保することができる。
【００２１】
また、本発明において、前記制御手段は、前記インジェクタの動作を制御可能であって、前記自着火燃焼モードを実行するエンジンの低負荷かつ低速域において、前記インジェクタにより吸気行程あるいは圧縮行程の前期に前記燃焼室内に燃料を噴射させるのが好ましい（請求項６）。
【００２２】
このようにすれば、燃焼室内に噴射された燃料が自着火するまでの間に十分に空気と混合されて燃焼室内の混合気濃度が均質化されるため、燃焼温度をより確実に低下させて、これにより、より高い熱効率を得ることができる。ここで、燃焼温度の低下に伴い排気の温度は低下するが、本発明では、前記のように、触媒に流入する排気温度が高くされるため、高い熱効率を実現しつつ触媒の活性を促進することができる。
【００２３】
また、本発明において、前記燃焼室内の混合気に点火エネルギーを供給する点火プラグを備え、前記制御手段は、前記点火プラグの動作を制御可能であって、前記自着火燃焼モードを実行する運転領域よりも高負荷側の領域において、前記自着火燃焼モードのときよりも燃焼室内の平均空燃比をリッチにさせる多量の燃料を３０ＭＰａ以上の噴射圧力で前記インジェクタから噴射させる燃料噴射と、前記点火プラグによる火花点火とを、圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内に実行することにより、前記燃焼噴射に基づく混合気を、圧縮上死点を所定期間以上過ぎてから火炎伝播により急速に燃焼させる急速リタードＳＩモードを実行するのが好ましい（請求項７）。
【００２４】
このようにすれば、３０ＭＰａ以上の高い圧力での燃料噴射が圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内といった遅角側で実行されており、燃焼室が最も高温・高圧化する圧縮上死点をある程度過ぎるまで、高い噴射圧力による大きな乱流エネルギーを維持しつつ、多量の燃料を十分に気化霧化させて比較的均質な（もしくは弱成層化した）混合気を形成することができる。そして、この状態で、点火プラグの火花点火に基づく火炎伝播燃焼を開始させることにより、前記高圧噴射に基づく混合気を、圧縮上死点を過ぎてから短期間で燃焼し切ることができる。このため、吸気行程等の早いタイミングで燃料を噴射する従来の火花点火式燃焼と異なり、プリイグニッションやノッキングといった異常燃焼の発生を確実に回避でき、燃焼期間の短い熱効率に優れた火炎伝播燃焼を実現することができる。このように、この構成によれば、前記エゼクタ効果による掃気性能の向上に伴う異常燃焼の抑制に加えて、燃焼形態によっても異常燃焼を抑制することができ、より確実に、異常燃焼の発生を回避することができるとともに、より広い運転領域で高い熱効率を得ることができる。また、この燃焼形態では、燃焼温度が過度に上昇することがなく、燃料の気化霧化が不十分なまま燃焼が開始されることもないため、ＮＯｘやスートの増大が回避され、エミッション性についても良好に維持される。
【発明の効果】
【００２５】
以上説明したように、本発明によれば、異常燃焼を回避しつつ幾何学的圧縮比を高くして自着火燃焼を実現することができるとともに、触媒の活性を促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施形態に係るガソリンエンジンの全体構成を示す図である。
【図２】図１に示すエンジンの排気系の構成を示す図である。
【図３】図１に示すエンジンのピストン冠面の形状を示す概略断面図である。
【図４】図２に示す排気系の概略側面図である。
【図５】図２のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】急速リタードＳＩ燃焼モードにおける吸気弁および排気弁のバルブタイミングを説明するための図である。
【図７】図２に示す排気系の作用効果を説明するための図である。
【図８】図１に示すエンジンの制御系を示すブロック図である。
【図９】エンジンの運転状態に応じた制御モードを選択するための制御マップの一例を示す図である。
【図１０】図９の第１運転領域Ａ１で実行されるリーンＨＣＣＩ燃焼モードの制御内容を説明するためのタイムチャートである。
【図１１】図９の第２運転領域Ａ２で実行される急速リタードＳＩ燃焼モードの制御内容を説明するためのタイムチャートである。
【図１２】急速リタードＳＩ燃焼モードにおいて圧縮行程後期に噴射された燃料がキャビティ内で拡散する様子を説明するための図である。
【図１３】吸気弁および排気弁のバルブタイミングを説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
（１）エンジンの全体構成
図１は、本発明の一実施形態にかかるガソリンエンジンの全体構成を示す図である。図２は、このエンジンの一部（主に排気系）を示す図である。図１に示されるエンジンは、走行駆動用の動力源として車両に搭載される往復ピストン型の多気筒ガソリンエンジンである。このエンジンのエンジン本体１は、所定の方向並ぶ４つの気筒２（図２参照）を有するシリンダブロック３と、シリンダブロック３の上面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。具体的には、図２の右から順に第１気筒２ａ，第２気筒２ｂ，第３気筒２ｃ，第４気筒２ｄが形成されている。なお、エンジン本体１に供給される燃料は、ガソリンを主成分とするものであればよく、その中身は、全てガソリンであってもよいし、ガソリンにエタノール（エチルアルコール）等を含有させたものでもよい。
【００２８】
前記エンジン本体１は４サイクルエンジンであって、各気筒２ａ〜２ｄにおいて、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程がそれぞれ１８０℃Ａずつずれるように構成されている（図６参照）。本実施形態では、第１気筒２ａ→第３気筒２ｃ→第４気筒２ｄ→第２気筒２ｂの順に点火が行われてこの順に排気行程等が実施される。
【００２９】
前記ピストン５はコネクティングロッド８を介してクランク軸７と連結されており、前記ピストン５の往復運動に応じて前記クランク軸７が中心軸回りに回転するようになっている。
【００３０】
前記ピストン５の上方には燃焼室６が形成されている。この燃焼室６には吸気ポート９および排気ポート１０が開口し、各ポート９，１０を開閉する吸気弁１１および排気弁１２が、前記シリンダヘッド４にそれぞれ設けられている。なお、図例のエンジンはいわゆるダブルオーバーヘッドカムシャフト式（ＤＯＨＣ）エンジンであり、各気筒につき前記吸気ポート９および排気ポート１０が２つずつ設けられるとともに、前記吸気弁１１および排気弁１２も２つずつ設けられている。
【００３１】
なお、「燃焼室」とは、狭義には、上死点時におけるピストン５の上方空間のことを指すが、本明細書でいう燃焼室６とは、ピストン５の上下位置にかかわらずその上方に形成される空間のことを指すものとする（広義の燃焼室）。
【００３２】
ここで、当実施形態のエンジン本体１は、理論熱効率の向上や、後述する圧縮自己着火燃焼の安定化等を目的として、１４以上という比較的高い幾何学的圧縮比を有するように設定されている。なお、幾何学的圧縮比の上限値は、実用上の観点等から２０程度であると考えられるため、前記エンジン本体１の幾何学的圧縮比は、１４以上２０以下の範囲の適宜の値に設定される。
【００３３】
エンジンには、各種センサが取り付けられている。例えば、エンジン冷却水の温度を検出するための水温センサＳＷ１、クランク軸７の回転角度（クランク角）ひいてはエンジンの回転速度を検出するためのクランク角センサＳＷ２、前記カムシャフトの角度を検出して気筒判別（各気筒が吸気、圧縮、膨張、排気のいずれの行程にあるかの判別）用の信号を出力するカム角センサＳＷ３、燃焼室に流入する新気の温度を検出するための外気温センサＳＷ４が、エンジン本体に取り付けられている。
【００３４】
前記吸気弁１１および排気弁１２は、それぞれ、シリンダヘッド４に配設された一対のカムシャフト（図示省略）等を含む動弁機構１３，１４によりクランク軸７の回転に連動して開閉駆動される。
【００３５】
前記吸気弁１１用の動弁機構１３には、ＣＶＶＬ１５およびＶＶＴ１６がそれぞれ組み込まれている。ＣＶＶＬ１５は、連続可変バルブリフト機構（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖａｌｖｅ Ｌｉｆｔ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）と呼ばれるものであり、吸気弁１１のリフト量を連続的に（無段階で）変更するものである。また、ＶＶＴ１６は、可変バルブタイミング機構（Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖａｌｖｅ Ｔｉｍｉｎｇ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ）と呼ばれるものであり、吸気弁１１の開閉タイミング（位相角度）を可変的に設定するものである。これらＣＶＶＬ１５およびＶＶＴ１６は、エンジンの全ての吸気弁１１のリフト量および開閉タイミングを変更できるように設けられており、ＣＶＶＬ１５およびＶＶＴ１６の両方が駆動されると、各気筒２において一対の吸気弁１１のリフト量および開閉タイミングが同時に変更されるようになっている。
【００３６】
前記のような構成のＣＶＶＬ１５は既に公知であり、その具体例として、吸気弁１１駆動用のカムをカムシャフトの回転と連動して往復揺動運動させるリンク機構と、リンク機構の配置（レバー比）を可変的に設定するコントロールアームと、コントロールアームを電気的に駆動することによって前記カムの揺動量（吸気弁１１を押し下げる量）を変更するステッピングモータとを備えたものを挙げることができる（例えば特開２００７−８５２４１号公報参照）。また、前記ＶＶＴ１６についても、液圧式、電磁式、機械式など、種々のタイプのものが既に公知であり、その中から適宜のものを採用し得る。
【００３７】
前記排気弁１２用の動弁機構１４には、排気弁１２の開閉タイミング（位相角度）を可変的に設定する可変バルブタイミング機構であるＶＶＴ１７が組み込まれている。以下、前記ＣＶＶＬ１５を吸気ＣＶＶＬ１５といい、吸気弁１１用の前記ＶＶＴ１６を吸気ＶＶＴ１６といい、排気弁１２用の前記ＶＶＴ１７を排気ＶＶＴ１７という。
【００３８】
前記エンジン本体１のシリンダヘッド４には、点火プラグ２０およびインジェクタ２１が、各気筒２につき１組ずつ設けられている。
【００３９】
前記インジェクタ２１は、燃焼室６をその天井面（燃焼室６を覆うシリンダヘッド４の下面）から臨むように設けられている。各気筒２のインジェクタ２１にはそれぞれ燃料供給管２３が接続されており、各燃料供給管２３を通じて供給される燃料（ガソリンを主成分とする燃料）が前記インジェクタ２１の先端部から噴射されるよ。
【００４０】
より具体的に、前記燃料供給管２３の上流側には、クランク軸７と連動連結されたプランジャー式のポンプ等からなる高圧燃料ポンプが接続されているとともに、この高圧燃料ポンプと前記燃料供給管２３との間には、全気筒に共通の蓄圧用のコモンレールが設けられている。そして、このコモンレール内で蓄圧された燃料が各気筒２のインジェクタ２１に供給されることにより、各インジェクタ２１から、３０ＭＰａ以上の高い圧力の燃料が噴射される。なお、燃料噴射圧力の上限値は、実用上の観点等から１２０ＭＰａ程度であると考えられるため、前記インジェクタ２１からの噴射圧力は、３０ＭＰａ以上１２０ＭＰａ以下の範囲の適宜の値に設定される。
【００４１】
また、前記インジェクタ２１は、いわゆる多噴口型のインジェクタであり、その先端部に１２個の噴口を有している。これらの噴口の設置部（インジェクタ２１の先端部）は、燃焼室６天井の中央部に位置しており、各噴口は、その開口方向がボア径方向外側の斜め下方を向くように穿孔されている。このため、前記インジェクタ２１の各噴口から燃料が噴射された場合、その燃料は、ピストン５の冠面（上面）に近づくほどボア径方向外側に拡がるように放射状に噴射される。
【００４２】
前記点火プラグ２０は、各気筒２の燃焼室６を上方から臨むように前記インジェクタ２１と隣接して配置されている。具体的に、この点火プラグ２０は、燃焼室６に露出する電極を先端部に有し、図外の点火回路からの給電に応じて前記電極から火花を放電する。
【００４３】
前記エンジン本体１の吸気ポート９および排気ポート１０には、吸気通路２８および排気マニホールド５０がそれぞれ接続されている。排気マニホールド５０の下流側には触媒装置６０が接続されている。外部からの吸入空気（新気）は、前記吸気通路２８を通じて燃焼室６に供給されるとともに、燃焼室６で生成された排気ガス（既燃ガス）は、前記排気マニホールド５０および触媒装置６０を通じて外部に排出される。排気マニホールド５０および触媒装置６０の詳細構造については後述する。以下、排気マニホールド５０と触媒装置６０とを合わせて排気系と呼ぶ場合がある。
【００４４】
前記吸気通路２８は、単一の通路からなる共通通路部２８ｃと、共通通路部２８ｃの下流側端部に設けられたサージタンク２８ｂと、気筒２ごとに分岐して設けられて前記サージタンク２８ｂと各気筒２の吸気ポート９とを接続する分岐通路部２８ａとを有している。
【００４５】
前記吸気通路２８および排気系の間には、この排気系を通過する排気ガスの一部を吸気通路２８に還流させる外部ＥＧＲ装置３０が設けられている。具体的に、外部ＥＧＲ装置３０は、吸気通路２８の各共通通路部２８ｃと触媒装置６０の後述するケーシング６２の上流端６１とを連通させるＥＧＲ通路３１と、ＥＧＲ通路３１の途中部に設けられ、その内部を通過する排気ガスの流量を制御するＥＧＲバルブ３２と、ＥＧＲ通路３１を通過する排気ガスの温度を冷却する水冷式のＥＧＲクーラ３３とを有している。
【００４６】
前記吸気通路２８の共通通路部２８ｃには、スロットルバルブ２５が開閉可能に設けられている。ただし、当実施形態では、前記吸気ＣＶＶＬ１５により吸気弁１１のリフト量が調整され、また、排気ＶＶＴ１７により排気弁１２の開閉タイミングが調整されることにより、燃焼室６内のＥＧＲガス量や新気量が調整されるため、スロットルバルブ２５は、エンジンの停止時等を除いて、全開状態に維持される。
【００４７】
図３は、前記ピストン５の冠面の形状を具体的に説明するための拡大図である。この図３および先の図１に示すように、ピストン５の冠面中央部には、凹状のキャビティ４０が設けられている。キャビティ４０は、前記インジェクタ２１と対向する上向きの開口部４０ａを上端に有しており、この開口部４０ａの面積（開口面積）は、キャビティ４０の内部の最大断面積（キャビティ４０の各高さ位置における水平方向断面積の最大値）よりも小さく設定されている。すなわち、キャビティ４０は、その開口部４０ａから所定深さまでの範囲において、上方に至るほど内径が狭くなるように上窄まり状に形成されている。
【００４８】
（２）排気系の構成
図４は、図２の一部の側面図である。なお、この図２では、構成がより明確になるよう、後述する外側管５８を切断して、この外側管５８の内側が露出した状態で示している。この図４および図２に示すように、前記排気マニホールド５０は、上流側から順に、３つの独立排気通路５２と、略円筒状の集合部５６と、略円筒状の連結部５７とを備えている。
【００４９】
前記各独立排気通路５２は、前記各気筒２の排気ポート１０に接続されている。具体的には、前記気筒２のうち第１気筒２ａの排気ポート１０と第４気筒２ｄの排気ポート１０とは、それぞれ個別に独立排気通路５２ａ、５２ｄに接続されている。一方、排気行程が隣り合わず排気順序が連続しない第２気筒２ｂと第３気筒２ｃの排気ポート１０は、これら各気筒２ｂ，２ｃから同時に排気が排出されることがないため、構造を簡素化する観点から、１つの独立排気通路５２ｂに接続されている。より詳細には、この第２気筒２ｂと第３気筒２ｃの排気ポート１０に接続されている独立排気通路５２ｂは、その上流側において２つの通路に分離しており、その一方に第２気筒２ｂの排気ポート１０が接続され、他方に第３気筒２ｃの排気ポート１０が接続されている。本実施形態では、第２気筒２ｂおよび第３気筒２ｃの排気ポート１０に対応する独立排気通路５２は、これら気筒２ｂ，２ｃの中央部分すなわちエンジン本体１の略中央部分と対向して直線的に延びており、他の気筒１２ａ，１２ｄの排気ポート１０に対応する独立排気通路５２は、対応する各排気ポート１０と対向する位置から前記第２気筒２ｂおよび第３気筒２ｃに対応する独立排気通路５２に向かって湾曲して延びている。
【００５０】
これら独立排気通路５２は、互いに独立しており、第２気筒２ｂあるいは第３気筒２ｃから排出された排気と、第１気筒２ａから排出された排気と、第４気筒２ｄから排出された排気とは、互いに独立して各独立排気通路５２内を通って下流側に排出される。各独立排気通路５２を通過したガスは前記集合部５６に流入する。
【００５１】
前記各独立排気通路５２および前記集合部５６は、各独立排気通路５２から高速で排気が噴出されてこの排気が高速で前記集合部５６内に流入するのに伴い、この高速の排気の周囲に発生した負圧作用すなわちエゼクタ効果によって隣接する他の独立排気通路５２およびこの独立排気通路５２と連通する排気ポート１０内に負圧が生成されこの排気ポート１０内のガスが下流側に吸い出されるような形状を有している。
【００５２】
具体的には、前記各独立排気通路５２は、排気が各独立排気通路５２から高速で前記集合管５６内に噴出されるよう、下流に向かうほどその流路面積が小さくなる形状を有している。本実施形態では、図５に示すように、各独立排気通路５２は、略楕円形断面を有する上流側部分から下流に向かうに従ってその断面積が縮小されており、その下流端では上流側部分の楕円形断面積の略１／３となる扇形となっている。そして、これら独立排気通路５２は、扇形をなす各下流端が、互いに隣接して全体として略円形断面を形成するように集合して前記集合部５６に接続されている。
【００５３】
そして、前記集合部５６は、前記各独立排気通路５２から排出された排気が高い速度を維持したまま下流側に流れるよう、下流側ほどその流路面積が小さくなる形状を有している。本実施形態では、排気の速度をより高めるべく前記集合部５６の下流端の流路面積は、前記各独立排気通路５２の下流端の流路面積の合計よりも小さく設定されている。
【００５４】
ここで、前記独立排気通路５２の下流端の断面積は、この断面積と同じ面積を有する真円の直径をａ（図４参照）とし、前記集合部５６の下流端の流路面積と同じ面積を有する真円の直径をＤ（図４参照）とした場合に、ａ／Ｄがａ／Ｄ≧０．５の範囲に設定されていれば前記集合部５６を排気が十分に高い速度で通過して高いエゼクタ効果が得られることが分かっている。そこで、本実施形態では、前記独立排気通路５２等を、前記構成に加えてａ／Ｄ≧０．５を満足するように構成している。なお、前記独立排気通路５２から前記集合部５６への排気の流入速度をより高めるべく、前記独立排気通路５２の下流端に流路面積が小さくされた部分すなわち絞り部分が設けられている場合には、この絞り部分の流路面積の直径をａとして、前記連結部５７がａ／Ｄ≧０．５となるような形状とされるのが好ましい。
【００５５】
また、本実施形態では、集合部５６や連結部５７で圧力の不均一が生じ、これにより下流側へのガスの吸出し力が低下するのを抑制するべく、前記集合部５６の上流側部分の内側面を独立排気通路５２の下流端からガスの流れ方向と直交する方向に離間させている。具体的には、前記集合部５６の上流側部分５６ａは、前記各独立排気通路５２の下流端で形成される円筒部分よりも内径が大きく上下流方向に流路面積がほぼ一定とされている。そして、集合部５６の下流側部分５６ｂが、下流に向かうに従って流路面積が縮小する形状とされている。
【００５６】
前記連結部５７は、その上流側部分を構成し、上下流方向に流路面積がほぼ一定のストレート部５７ａと、その下流側部分を構成し、略円錐台状であって下流に向かうに従って流路面積が拡大するディフューザー部５７ｂとからなる。
【００５７】
このように構成された前記集合部５６およびディフューザー部５７ｂでは、排気の放熱量が小さく抑えられ、温度が高く維持された排気が下流側に排出される。
【００５８】
具体的には、前述のように、前記集合部５６、詳細には、前記集合部５６の下流側部分５６ｂの流路面積は、下流側ほど小さくなっている。また、前記連結部５７のストレート部５７ａの流路面積はほぼ一定とされている。そのため、独立排気通路５２から排出された排気はこの集合部５６とストレート部５７ａとを高速で通過する。このとき排気の圧力・温度は低下するため、この集合部５６およびストレート部５７ａにおいて、排気の外部への放熱量は小さく抑えられる。そして、このストレート部５７ａを通過した排気は、下流に向かうに従って流路面積が拡大するディフューザー部５７ｂに流入することで、その圧力・温度が回復され、高い温度を維持したまま下流側に排出される。
【００５９】
さらに、本実施形態では、前記集合部５６と連結部５７とが、中空の外側管５８内に挿入されており、集合部５６の上流端から連結部５７の下流端までの部分は二重管構造となっている。そのため、これら集合部５６および連結部５７の通過時において、排気の外部への放熱はより一層抑制され、より高い温度の排気が下流側に排出される。
【００６０】
前記触媒装置６０は、エンジン本体１から排出された排気を浄化するための装置である。この触媒装置６０は、触媒本体（触媒）６４とこの触媒本体６４を収容するケーシング６２とを備えている。ケーシング６２は排気の流れ方向と平行に延びる略円筒状を有している。触媒本体６４は、排気中の有害成分を浄化するためのものであり、理論空燃比の雰囲気下で三元触媒機能を有する。この触媒本体６４は、例えば、三元触媒を含有する。
【００６１】
前記触媒本体６４は、前記ケーシング６２の上下流方向の中央部分に収容されており、このケーシング６２の上流端６１には所定の空間が形成されている。前記ディフューザー部５７ｂの下流端はこのケーシング６２の上流端６１に接続されており、ディフューザー部５７ｂから排出された排気はこのケーシング６２の上流端６１に流入した後、触媒本体６４側へ進行する。前記ＥＧＲ通路３１は、このケーシング６２の上流端６１に接続されており、前記ディフューザー部５７ｂから排出された排気の一部は、ＥＧＲバルブ３２の開閉動作に応じてＥＧＲ通路３１内に流入する。
【００６２】
（４）排気系の作用効果
以上のように構成された排気系では、独立排気通路５２から集合部５６および連結部５７に高速で排気が噴出、流入し、これに伴いエゼクタ効果によって他の独立排気通路５２内に負圧が生成される。そのため、後述するように、低速高負荷領域において、所定の気筒（排気行程気筒）２の排気弁１２の開弁時に、排気順序がこの排気行程気筒２の１つ前に設定された他の独立排気通路５２に連通する気筒（吸気行程気筒）２の吸気弁１１と排気弁１２とを互いに開弁させてこれら弁１１，１２をオーバーラップさせることで、排気行程気筒２から排出された排気により生成された負圧を吸気行程気筒２に作用させて吸気行程気筒２の掃気を促進することができ、高圧縮比下の低速高負荷領域において生じやすいノッキング等の異常燃焼の発生の回避および燃焼室６への新気の導入の促進を実現することができる。すなわち、高いエンジントルクを確保しつつエンジンの高圧縮比化を実現することができる。
【００６３】
図７に、１５００ｒｐｍの全負荷での体積効率とノック限界トルク（ノッキングが生じない範囲での最大エンジントルク）とを調べた結果を示す。この図７において、実線は、本エンジンの排気系での結果であり、破線は、掃気を促進するために排気通路を長くしたいわゆる４−２−１タイプの排気系での結果であり、鎖線は、いわゆる４−１タイプの排気系での結果である。なお、４−１タイプの排気系とは、掃気性能を特に考慮していない従来から多く用いられている排気系であり、排気ポート１０にそれぞれ接続される４つの排気通路を途中で合流させることなく１本に集合させたものである。
【００６４】
この図７に示されるように、本エンジンの排気系では、他の排気系に比べて最大体積効率を高めることができるとともに、掃気がより促進される（燃焼室６内の残留ガス量がより低減される）ことに伴い、ノッキングを回避するために燃焼時期を遅角側に調整する必要がなく、同じ体積効率においてもエンジントルクを高めることができる。
【００６５】
しかも、本エンジンの排気系ではエゼクタ効果を利用することで掃気を促進しており、高いエンジントルクを確保しつつ、掃気を促進するために排気通路を長くしたいわゆる４−２−１タイプの排気系よりも、排気ポート１０（詳しくは排気ポート１０が開口するシリンダヘッド４の開口部分）から触媒装置６０（詳しくは、触媒装置６０のケーシング６２の上流端６１）までの距離Ｌ（図２参照）を短くすることができる。そのため、触媒本体６４に流入する排気の温度をより高くして、触媒本体６４の活性を促進することができる。例えば、４−２−１タイプの排気系では、排気ポート１０から触媒装置６０までの距離Ｌが６００ｍｍ程度であるのに対して、掃気性能を同様に維持しつつ本エンジンの排気系ではこの距離Ｌを４００ｍｍ程度まで短くすることができる。
【００６６】
また、前述のように、本エンジンの排気系では、独立排気通路５２から排出された排気が集合部５６および連結部５７を高速で通過しており、この排気が他の独立排気通路５２に回りこんで膨張し低温化するのが抑制されるとともに、連結部５７のディフューザー部５７ｂで排気の圧力・温度が回復されており、この集合部５６および連結部５７での放熱が小さく抑えられて、触媒本体６４に流入する温度を高くすることができる。さらに、前記集合部５６の上流端から連結部５７の下流端までの部分が二重管構造とされていることで、触媒本体６４に流入する温度を高くすることができる。
【００６７】
（５）制御系
図８は、エンジンの制御系を示すブロック図である。この図８に示されるＥＣＵ１００は、エンジンの各部を統括的に制御するための装置（本発明にかかる制御手段）であり、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されている。
【００６８】
前記ＥＣＵ１００には、エンジンに設けられた各種センサから種々の情報が入力される。すなわち、ＥＣＵ１００は、エンジンに設けられた前記水温センサＳＷ１、クランク角センサＳＷ２、カム角センサＳＷ３、および外気温センサＳＷ４等と電気的に接続されており、これら各センサＳＷ１〜ＳＷ４からの入力信号に基づいて、エンジンの冷却水温、クランク角、エンジン回転速度、気筒判別情報、および新気の温度といった種々の情報を取得する。
【００６９】
また、ＥＣＵ１００には、車両に設けられた各種センサからの情報も入力される。例えば、車両には、運転者により踏み込み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ＳＷ５が設けられており、このアクセル開度センサＳＷ５により検出されたアクセル開度が、前記ＥＣＵ１００に入力される。
【００７０】
前記ＥＣＵ１００が有するより具体的な機能について説明すると、前記ＥＣＵ１００は、その主な機能的要素として、判定手段１０１、インジェクタ制御手段１０２、吸気制御手段１０３、外部ＥＧＲ制御手段１０５、および点火制御手段１０６を有している。
【００７１】
前記判定手段１０１は、クランク角センサＳＷ２の検出値から特定されるエンジン回転速度と、アクセル開度センサＳＷ４の検出値から特定されるエンジン負荷（目標トルク）とに基づいて、エンジンをどのような態様で制御すべきかを都度判定するものである。なお、以下では、エンジン回転速度をＮｅ、エンジン負荷をＴとする。
【００７２】
図９は、前記エンジン回転速度Ｎｅおよび負荷Ｔに基づき決定される制御の種類を区分けして示す設定図（制御マップ）である。エンジンの運転中、前記判定手段１０１は、この図９の制御マップに従うようにエンジンの制御内容を決定する。なお、図９の制御マップは、基本的に、エンジン水温センサＳＷ１により検出された冷却水温が所定値（例えば８０℃）以上となる温間状態のときのものである。エンジンが冷間状態にあるときの制御マップは図９とは異なり得るが、ここではその説明については省略する。
【００７３】
図９の制御マップにおいて、エンジン負荷Ｔが低い領域（低負荷域）には、低速域（エンジンの回転速度が低い領域）を含む全てのエンジン回転速度域にわたって第１運転領域Ａ１が設定されており、この第１運転領域Ａ１よりも負荷Ｔが高い高負荷域には、低速域（エンジンの回転速度が低い領域）を含む全てのエンジン回転速度域にわたって第２運転領域Ａ２が設定されている。
【００７４】
エンジンの運転中においては、エンジンの運転点（負荷Ｔおよび回転速度Ｎｅの各値から特定される制御マップ上でのポイント）が前記図９中のどの運転領域（Ａ１、Ａ２）に該当するかが都度判断され、各運転領域に応じた適切な制御が実行されるようになっている。
【００７５】
再び図８に戻って、前記インジェクタ制御手段１０２は、前記インジェクタ２１に内蔵された図外のニードル弁（インジェクタ２１の先端部の噴口を開閉する弁）を電磁的に開閉することにより、インジェクタ２１から燃焼室６に噴射される燃料の噴射量や噴射時期を制御するものである。
【００７６】
前記吸気制御手段１０３は、前記吸気ＣＶＶＬ１５および吸気ＶＶＴ１６を駆動することにより、吸気弁１１のリフト量（開弁量）および開閉タイミングを変更するとともに、排気ＶＶＴ１７を駆動することにより排気弁１２の開閉タイミングを変更する制御を行うものである。
【００７７】
前記外部ＥＧＲ制御手段１０５は、前記ＥＧＲ通路３１に設けられたＥＧＲバルブ３２の開度を調節することにより、排気通路２９から吸気通路２８に排気ガスを還流する操作（外部ＥＧＲ）の有無を切り替えるとともに、その外部ＥＧＲによる排気ガスの還流量（外部ＥＧＲ量）を制御するものである。
【００７８】
前記点火制御手段１０６は、前記点火プラグ２０による火花点火のタイミング（点火時期）等を制御するものである。
【００７９】
（６）各運転領域での制御内容
次に、以上のような機能を有するＥＣＵ１００の制御に基づき、図９に示した各運転領域（Ａ１，Ａ２）で、それぞれどのような制御が実施されるのかを説明する。なお、ここでの説明の前提として、エンジンの冷却水温は十分に暖まっている（つまり温間時の運転である）ものとする。このようにエンジンが温間状態で運転されているとき、ＥＣＵ１００は、前記クランク角センサＳＷ２およびアクセル開度センサＳＷ４の各検出値に基づいて、エンジンの運転点（負荷Ｔおよび回転速度Ｎｅ）が図９の制御マップにおけるどの運転領域に該当するかを逐次判定する。そして、判定された運転領域が、図９中の第１運転領域Ａ１と第２運転領域Ａ２のいずれであるかに応じて、それぞれ以下のような制御を実行する。
【００８０】
（ｉ）第１運転領域Ａ１
第１運転領域Ａ１では、点火プラグ２０による混合気の点火は停止されて、十分に混合された燃料と空気の混合気をピストン５の圧縮作用によって自着火させる、リーンＨＣＣＩ燃焼（Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ−Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ、予混合圧縮自己着火燃焼）モードが実行される。
【００８１】
図１０は、前記リーンＨＣＣＩ燃焼モードが実行された際の、燃料噴射時期と吸排気弁１１，１２のリフト特性、およびそれに基づく燃焼により生じる熱発生率（Ｊ／ｄｅｇ）を示す図である。この図１０に示すように、このリーンＨＣＣＩ燃焼モードでは、圧縮上死点（圧縮行程と膨張行程の間のＴＤＣ）よりも十分に早いタイミングで燃料が噴射され、燃料と空気の混合が十分に混合された圧縮上死点付近においてこの混合気をピストン５の圧縮作用によって自着火させる。
【００８２】
具体的に、当実施形態において、このリーンＨＣＣＩ燃焼モードで運転されているときには、吸気行程中の所定時期にインジェクタ２１から燃焼室６に対し比較的少量の燃料が噴射（Ｐ）され、この１回の燃料噴射Ｐにより一括噴射された少量の燃料と、吸気通路２８から燃焼室６に導入される空気（新気）とに基づき形成される均質でかつリーンな混合気が、ピストン５の圧縮作用により高温、高圧化し、圧縮上死点付近で自着火する。すると、このような自着火に基づき、波形Ｑａに示すような熱発生を伴う燃焼が生じることになる。
【００８３】
前記リーンＨＣＣＩ燃焼モードでは、燃焼室６内に噴射される燃料重量Ｆに対する燃焼室６内の全ガスの重量Ｇの割合であるＧ／Ｆが、３０以上（例えば３５）となるように設定される。ただし、このように大幅にリーンでかつ均質な空燃比下では、燃焼室内の温度を意図的に上昇させないと、失火が起きるおそれがある。前述のように、本ガソリンエンジンでは、エンジン本体の幾何学的圧縮比が１４以上と高い値に設定されており、ピストン５の圧縮作用により燃焼室内の温度をある程度まで高めることができるが、燃焼室内の温度が低い低負荷領域においてより安定した燃焼を実現するために、本実施形態では、燃焼室６内の内部ＥＧＲガス量を多く確保する制御が実施される。具体的には、このリーンＨＣＣＩ燃焼モードでは、図１０のリフトカーブＥＸ（排気弁１２のリフトカーブ）およびリフトカーブＩＮ（吸気弁１２のリフトカーブ）に示すように、排気弁１２と吸気弁１１とが同時に開弁せず、排気弁１２と吸気弁１１とがともに閉じるネガティブオーバーラップ期間が形成されるように、前記吸気ＣＶＶＬ１５および吸気ＶＶＴ１６と前記排気ＶＶＴ１７とは、吸気弁１１および排気弁１２の開閉タイミングを制御し、これにより、燃焼室６で生成された排気ガスの多くを燃焼室６内に残留させる（内部ＥＧＲを行う）。このように、高温の排気ガス（内部ＥＧＲガス）を燃焼室６に残留させることで、燃焼室６は高温化して、安定した圧縮自着火燃焼が実現される。
【００８４】
ここで、負荷Ｔが高く燃料噴射量が増大すると、必要な新気量が増大する。そこで、このリーンＨＣＣＩ燃焼モードでは、負荷Ｔの増大とともに内部ＥＧＲガス量を減少させて、新気の導入を促進させる。具体的には、負荷Ｔの増大とともに、図１０中の実線のリフトカーブＥＸから破線のリフトカーブＥＸへというように、排気弁１２の閉タイミングを遅角側に変更して、燃焼室６から独立排気通路５２側に排出される排気ガス量を増大させる。また、吸気弁１１のリフト量を、負荷Ｔの高まりとともに徐々に増大する。図１０中の一点鎖線のリフトカーブＩＮは、吸気弁１１が小リフト状態のときのリフトカーブであり、この状態から負荷Ｔが高まると、それに伴って吸気弁１１のリフト量が破線のリフトカーブを上限として徐々に増大設定される。このように吸気弁１１のリフト量を増大させる際には、吸気弁１１の閉時期が吸気下死点（吸気行程と圧縮行程の間のＢＤＣ）の近傍に固定されたまま、吸気弁１１の開時期のみが排気上死点（排気行程と吸気行程の間のＴＤＣ）に向けて徐々に進角するように、吸気弁１１の開閉タイミングおよびリフト量が前記吸気ＣＶＶＬ１５および吸気ＶＶＴ１６によって調整される。
【００８５】
なお、このリーンＨＣＣＩ燃焼モードでは、ＥＧＲ通路３１に設けられたＥＧＲバルブ３２の開度は全閉とされて、排気通路２９から吸気通路２８への排気ガスの還流すなわち外部ＥＧＲは停止される。
【００８６】
このようにして、前記リーンＨＣＣＩ燃焼モードでは、Ｇ／Ｆが３０以上という大幅にリーンの混合気が自着火燃焼するため、ＮＯｘの発生を抑制しつつ、燃焼温度ひいては冷却損失を低減して熱効率（燃費）を向上させることができる。
【００８７】
（ｉｉ）第２運転領域Ａ２
高負荷域に設定された前記第２運転領域Ａ２では、多量の燃料が噴射されるため、圧縮自己着火燃焼を行わせようとすると、燃焼騒音が著しく増大する、また、ノッキングが生じるという問題がある。そこで、この第２運転領域Ａ２では、圧縮自己着火燃焼に代わり、混合気に点火して火炎伝播させる火花点火燃焼（ＳＩ燃焼）を実施する。
【００８８】
ここで、ＳＩ燃焼においても、燃焼室６内の温度が過度に高い場合には、ノッキングが生じる。特に、本ガソリンエンジンでは圧縮比が非常に高い値に設定されている。そのため、燃焼室６内の温度は高くなりやすい。
【００８９】
そこで、本ガソリンエンジンでは、この第２運転領域Ａ２において、前記エゼクタ効果を利用して掃気を促進し、燃焼室６内の残留ガス（内部ＥＧＲガス）量を減少させて燃焼室６内の温度を低下させるとともに新気量を確保して、ノッキングを回避しつつエンジントルクを高めている。
【００９０】
具体的には、この第２運転領域Ａ２では、図６に示すように、吸気弁１１および排気弁１２の目標バルブタイミングが、排気弁１２の開弁期間と吸気弁１１の開弁期間とが吸気上死点（ＴＤＣ）を挟んでオーバーラップし、かつ、排気弁１２が他の気筒１２のオーバーラップ期間Ｔ＿Ｏ／Ｌ中に開弁を開始するように調整される。詳細には、第１気筒２ａの吸気弁１１と排気弁１２とがオーバーラップしている期間中に第３気筒２ｃの排気弁１２が開弁し、第３気筒２ｃの吸気弁１１と排気弁１２とがオーバーラップしている期間中に第４気筒２ｄの排気弁１２が開弁し、第４気筒２ｄの吸気弁１１と排気弁１２とがオーバーラップしている期間中に第２気筒２ｂの排気弁１２が開弁し、第２気筒２ｂの吸気弁１１と排気弁１２とがオーバーラップしている期間中に第１気筒２ａの排気弁１２が開弁するよう調整される。
【００９１】
このように、この第２運転領域Ａ２では、所定の気筒（排気行程気筒）２の排気弁１２の開弁時に、排気順序がこの排気行程気筒２の１つ前に設定された他の独立排気通路５２に連通する気筒（吸気行程気筒）２の吸気弁１１と排気弁１２とがオーバーラップされることで、排気行程気筒２の排気弁１２の開弁してこの排気行程気筒２から独立排気通路５２を通って前記集合部５６に排気が高速で排出されるのに伴って、前記オーバーラップ期間中の吸気行程気筒２の独立排気通路５２ひいては排気ポート１０内にエゼクタ効果により負圧が生成され、掃気が促進される。すなわち、燃焼室６内の残留ガス（内部ＥＧＲガス）量の多くが独立排気通路５２側に排出されるとともにより多くの新気が燃焼室６内に導入されるため、ノッキングを回避しつつエンジントルクを高めることができる。特に、排気弁１２の開弁開始直後は気筒１２から非常に高速で排気（いわゆるブローダウンガス）が排出され、これに伴い高い負圧が生成される。
【００９２】
なお、本エンジンにおいて、前記吸気弁１１および排気弁１２の開弁時期、閉弁時期とは、それぞれ、図１３に示すように、各弁１１，１２のリフトカーブにおいてリフトが急峻に立ち上がるあるいは立ち下がる時期であり、例えば０．４ｍｍリフトの時期をいう。
【００９３】
さらに、本実施形態では、ノッキング等の異常燃焼をより確実に回避するべく、圧縮上死点よりもかなり前（例えば吸気行程中）に燃料を噴射して圧縮上死点付近で火花点火を行わせる通常のＳＩ燃焼ではなく、図１１に示すように、圧縮行程中にインジェクタ２１から燃料を噴射させ（Ｐ１，Ｐ２）、この燃料噴射Ｐ１，Ｐ２の後に点火プラグ２０に火花点火を行わせて、圧縮上死点を過ぎたタイミング（膨張行程の初期）から短時間で火炎伝播により混合気を燃焼させる急速リタードＳＩ燃焼モードを実行する。図１１は、前記急速リタードＳＩ燃焼モードが実行された際の、燃料噴射時期と吸排気弁１１，１２のリフト特性、およびそれに基づく燃焼により生じる熱発生率（Ｊ／ｄｅｇ）を示す図である。なお、当明細書において、ある行程の「後期」とか「初期」とかいう場合は、その行程を初期、中期、後期に３分割したときの後期あるいは初期を指すものとする。例えば、圧縮行程の後期であれば、圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）６０〜０°ＣＡの範囲を指し、膨張行程の初期であれば、圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）０〜６０°ＣＡの範囲を指すことになる。
【００９４】
具体的には、図１１に示すように、急速リタードＳＩ燃焼モードでは、圧縮行程の後期に設定された２回の噴射時期（Ｐ１，Ｐ２）に分けてインジェクタ２１から、３０ＭＰａ以上の高圧で燃料が噴射される。各燃料噴射Ｐ１，Ｐ２のタイミングとしては、例えば、１回目の噴射Ｐ１の開始時期から、２回目の噴射Ｐ２の完了時期までの期間が、概ね圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）２０°〜０°ＣＡ程度の期間内に収まるように設定される。
【００９５】
このような噴射制御が実施されるこの急速リタードＳＩ燃焼モードでは、前記のように３０ＭＰａ以上（例えば４０ＭＰａ）という非常に高い噴射圧力で燃料が噴射されることで、噴射期間を短くすることができるとともに燃料噴霧を微粒化することができ、短時間で多量の燃料を十分に気化霧化させて比較的均質な（もしくは弱成層化した）混合気を形成することができる。また、噴射圧力が高いために、燃焼室６が最も高温・高圧化する圧縮上死点をある程度過ぎるまで大きな乱流エネルギーを維持することができる。従って、燃料が噴射されてから短時間、ひいては、燃料噴射に伴う乱流エネルギーの減衰が小さい期間内（乱流エネルギーが大きい期間内）に火花点火による燃焼を開始させることができ、この比較的大きな乱流エネルギーによって燃焼期間を短くすることができる。そして、この燃焼期間の短縮化に伴って、燃焼が引き起こされる前に適正な火炎伝播によって混合気を燃焼し切ることができる。すなわち、ノッキング等の異常燃焼を回避しつつ、熱効率およびエンジントルクを高く維持することができる。また、圧縮上死点を過ぎたタイミングで燃焼が開始されるため燃焼温度が過度に上昇せず、燃料の気化霧化が不十分なまま燃焼が開始されることもないため、ＮＯｘやスートの増大が回避され、エミッション性についても良好に維持される。
【００９６】
さらに、燃料が２回に分けて噴射されて２回目の燃料噴射の後に点火が行われており、１回目の燃料噴射Ｐ１によって燃料を霧化させつつ、２回目の燃料噴射により点火時点での乱流エネルギーを大きくすることができる。また、１２個という多数の噴口から噴射されることによっても乱流エネルギーは増大される。また、多噴口型のインジェクタ２１と、ピストン５に設けられたキャビティ４０との組み合わせによって、図１２に示すように、圧縮行程後期の燃料噴射Ｐ１，Ｐ２により噴射された燃料の噴霧を、その乱流エネルギーにより、主にキャビティ４０内で迅速に拡散させることができるため、燃焼期間をより短縮することができる。
【００９７】
ここで、点火時期を図１１の例よりもさらに進角させれば、これに伴って燃焼開始時期が圧縮上死点により近づくため、熱効率および出力トルクのさらなる向上が期待できるが、点火時期を早めるとノッキングが起き易くなるため、点火時期は、ノッキングを起こさないという制約の下、できるだけ進角側に設定される。このような事情から、点火時期は、例えば、圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）０°〜２０°ＣＡ程度の範囲内に設定される。
【００９８】
なお、前記急速リタードＳＩ燃焼モードでは、前記燃料噴射Ｐ１，Ｐ２によるトータルの噴射量に対して燃焼室６全体の平均の空燃比が理論空燃比（空気過剰率λ＝１）となるように新気量が制御される。具体的には、この第２運転領域Ａ２では、負荷Ｔの増大に応じてＣＶＶＬ１５が駆動され、吸気弁１１のリフト量が増大され（図１１のリフトカーブＩＮが鎖線から破線側へ制御され）、これに伴って燃料噴射量に応じた新気が導入される（図１１のリフトカーブＩＮ）。なお、本実施形態では、吸気弁１１のリフトピーク位置を固定したままリフト量が増大される。
【００９９】
また、前記急速リタードＳＩ燃焼モードのときは、ＥＧＲ通路３１を通じて排気ガスをＥＧＲクーラ３３で冷却した後、吸気通路２８に還流させる外部ＥＧＲが実行される。なお、エンジンの全負荷近傍では、より多量の新気を確保するために、外部ＥＧＲは禁止される。
【０１００】
（７）作用効果等
以上説明したように、本エンジンでは、高負荷領域Ａ２において、エゼクタ効果によって掃気が促進されており、気筒２の圧縮比を高圧縮比として低負荷領域Ａ１での適正な圧縮自己着火を実現して熱効率を高めつつ、高負荷領域でのノッキングを回避して高いエンジントルクを確保することができる。しかも、前記掃気の促進がエゼクタ効果を利用することで行われており、高い掃気性能を維持しつつ、前述のように排気ポート１０から触媒装置６０までの距離を短くすることができるため、触媒本体６４に到達するまでの間での排気の放熱量を小さく抑えて、触媒本体６４に流入する排気の温度を高くし、これにより触媒本体６４の早期活性化、触媒本体６４の活性状態の維持を実現することができる。
【０１０１】
特に、本エンジンでは、独立排気通路５２から排出された排気が集合部５６および連結部５７を高速で通過するとともに、連結部５７のディフューザー部５７ｂで排気の温度が回復されており、この排気が他の独立排気通路５２に回りこんで膨張し低温化するのが抑制されるとともに、集合部５６および連結部５７での放熱が小さく抑えられて、触媒本体６４に流入する温度を高くすることができる。さらに、前記集合部５６の上流端から連結部５７の下流端までの部分が二重管構造とされていることで、触媒本体６４に流入する温度を高くすることができる。
【０１０２】
また、本エンジンでは、高負荷領域Ａ２において、急速リタードＳＩ燃焼モードが実行されており、エンジントルクを確保しつつノッキングをより確実に回避することができるとともに、全運転領域で高い熱効率を得ることができる。
【０１０３】
ここで、前記実施形態では、第１運転領域Ａ１において排気弁１２と吸気弁１１とをネガティブオーバーラップさせる（オーバーラップさせない）場合について示したが、この第１運転領域Ａ１においても第２運転領域Ａ２と同様に、これら排気弁１２と吸気弁１１とをオーバーラップさせてもよい。例えば、第１運転領域Ａ１のうち高負荷側の領域では、負荷が比較的高いことに伴い内部ＥＧＲガス量を比較的少なくしても圧縮自己着火燃焼を実現することができるため、この第１運転領域Ａ１のうち高負荷側の領域において、排気弁１２と吸気弁１１とをオーバーラップさせてもよい。また、この第１運転領域Ａ１のうちの高負荷側の領域において、所定の気筒２のオーバーラップ期間中にこの気筒２よりも排気行程が１つ前の気筒２の排気弁１２を開弁させるようにしてもよい。このようにすれば、この運転領域においてもエゼクタ効果により掃気を促進してより多くの新気を導入することができ、より高負荷領域までリーンの予混合圧縮自己着火燃焼を実現することができる。
【０１０４】
また、前記実施形態では、第２運転領域Ａ２の全域において排気弁１２と吸気弁１１とをオーバーラップさせる場合について示したが、エンジンの回転速度が高く排気流量が大きい運転領域では、背圧が高くなる結果十分なエゼクタ効果が得られない場合がある。そのため、このような高速領域では、エゼクタ効果を利用するために排気弁１２と吸気弁１１とをオーバーラップさせ、かつ、このオーバーラップ期間中に他の気筒２の排気弁１２を開弁させるという制御は停止してもよい。すなわち、排気弁１２と吸気弁１１とをネガティブオーバーラップさせる、あるいは、オーバーラップ期間と他の気筒２の排気弁１２の開弁期間とを重複させないという制御を行ってもよい。
【０１０５】
また、前記実施形態では、第１運転領域Ａ１の全域においてＨＣＣＩ燃焼モードを実施する場合について示したが、エンジンの回転速度が高い領域では、燃料の吸熱時間が少なくなるため適正な圧縮自己着火燃焼が困難になるおそれがある。そのため、このような場合には、第１運転領域Ａ１のうち低速域のみでＨＣＣＩ燃焼モードを実施し、高速域では他の燃焼モード（例えば、ＳＩ燃焼や、火花点火により混合気の自着火が促進されるよう構成された燃焼）が実施されてもよい。
【０１０６】
また、前記実施形態では、前記第１運転領域Ａ１において内部ＥＧＲガス量を増大させるために吸気弁１１と排気弁１２とをネガティブオーバーラップさせる場合について示したが、排気弁１２を排気行程に加えて吸気行程においても開弁可能なように構成し、排気弁１２を排気行程に加えて吸気行程でも開弁させることで、排気ポート１０に排出された高温の排気を燃焼室６内に逆流させ、これにより、燃焼室６内のＥＧＲガス量を増大させてもよい。ただし、この場合には、前記エゼクタ効果による掃気性能の向上によって、排気の燃焼室６内への逆流が十分に行われないおそれがある。そのため、この場合には、高いエゼクタ効果が得られるように構成された前記独立排気通路５２の少なくとも下流部分から連結部５７の下流端までの部分をバイパスするバイパス通路と、このバイパス通路を開閉する制御弁とを設け、前記第２運転領域Ａ２では高いエゼクタ効果が得られるように前記制御弁によりバイパス通路を封鎖する一方、前記第１運転領域Ａ１では前記制御弁によりバイパス通路を開放して、実質、エゼクタ効果が発揮されないよう、すなわち、エゼクタ効果により燃焼室６内への排気の逆流が阻害されるのを回避されるように構成してもよい。
【０１０７】
また、前記実施形態では、図１０，図１１等を用いて、各種運転領域での燃料の噴射時期や点火時期について例示したが、これらはあくまで一例に過ぎず、前記燃料噴射時期や点火時期はエンジンの特性等によって適宜変更し得るものである。
【０１０８】
また、リーンＨＣＣＩ燃焼モードの実行領域である第１運転領域Ａ１では、吸気行程中の１回（燃料噴射Ｐ）で所要量の燃料が噴射されるものとしたが、この一括噴射Ｐの時期は、圧縮上死点までの間にある程度の燃料の撹拌時間が確保されるようなタイミング（例えば圧縮行程の中期以前）であればよく、必ずしも吸気行程中に限られない。
【０１０９】
また、前記実施形態では、リーンＨＣＣＩ燃焼モードにおいて、Ｇ／Ｆを３０以上に制御する場合について例示したが、Ｇ／Ｆではなく理論空燃比λを制御し、この理論空燃比をλ＝２以上とする制御を実施してもよい。
【０１１０】
また、急速リタードＳＩモードの実行領域である第２運転領域Ａ２では、圧縮行程後期に２回に分けて燃料噴射Ｐ１，Ｐ２を実施するものとしたが、その回数および噴射時期は、圧縮行程後期の範囲内で適宜変更可能である。例えば、燃料噴射量が比較的少ない第２運転領域Ａ２の低負荷側では、１回で所要量の燃料を噴射する一括噴射を行ってもよい。逆に、第２運転領域Ａ２の高負荷側（最高負荷付近）では、３回以上に分けて燃料を噴射してもよい。
【０１１１】
また、前記実施形態では、急速リタードＳＩモードの実行領域である第２運転領域Ａ２で、排気通路２９から吸気通路２８に排気ガスを還流させる外部ＥＧＲを実行するようにしたが、さらなる燃焼の急速化を目指す観点から、外部ＥＧＲを停止しかつスロットルバルブ２５による流量調整（スロットリング）を行うことにより、燃料およびλ＝１相当の新気のみが燃焼室６内に充填されるようにしてもよい。
【０１１２】
一方、前記実施形態のように、急速リタードＳＩモードのときにＥＧＲクーラ３３において十分に冷やされた低温の排気を吸気側に導入する外部ＥＧＲを実行した場合には、プリイグニッションやノッキング等の異常燃焼をより効果的に防止することができる。このため、圧縮比が特に高く、異常燃焼が起き易いエンジンにあっては、排気性能向上の観点から急速リタードＳＩ燃焼モードの実施時に、この低温の排気を導入する外部ＥＧＲを実行するのがよい。
【０１１３】
また、高負荷領域において急速リタードＳＩ燃焼モードではなく、圧縮上死点よりもかなり前に燃料を噴射して圧縮上死点付近で火花点火を行わせる通常のＳＩ燃焼を実施してもよい。ただし、前述のように、急速リタードＳＩ燃焼モードを実施すれば、異常燃焼をより確実に回避しつつ熱効率を高めることができる。
【０１１４】
また、前記実施形態では、インジェクタ２１が多噴口型のインジェクタであり、その先端部に１２個の噴口が設けられるものとしたが、噴口の数は１２個に限られず、１２個より多くても少なくてもよい。ただし、噴口の数があまりに少ないと、インジェクタ２１から噴射された燃料の濃度が周方向に大きくばらつくことになる。このため、噴口の数は８個以上とすることが望ましい。
【０１１５】
また、前記実施形態では、インジェクタ２１からの燃料の噴射圧力を、３０ＭＰａ以上で一定としたが、噴射圧力は一定でなくてもよく、運転領域に応じて可変的に設定されるものであってもよい。ただし、この場合でも、少なくとも急速リタードＳＩモードの実行領域（第２運転領域Ａ２）では、燃料噴射圧力が３０ＭＰａ以上に設定される。
【符号の説明】
【０１１６】
２ 気筒
６ 燃焼室
１０ 排気ポート
１１ 吸気弁
１２ 排気弁
２１ インジェクタ
５２ 独立排気通路
５７ 集合部
６０ 触媒装置
６４ 触媒本体（触媒）
１００ ＥＣＵ（制御手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室および吸気ポートと排気ポートとがそれぞれ形成されるとともに前記吸気ポートを開閉可能な吸気弁と前記排気ポートを開閉可能な排気弁とが設けられた複数の気筒と、少なくとも一部がガソリンからなる燃料を前記燃焼室に噴射するインジェクタとを備えたガソリンエンジンであって、
前記吸気弁と排気弁の動作および前記燃焼室内の燃焼形態を制御する制御手段と、
１つの気筒あるいは排気順序が互いに連続しない複数の気筒の排気ポートにそれぞれ接続される独立排気通路と、
前記各独立排気通路を通過したガスが集合するように当該各独立排気通路の下流端に接続された集合部と、
前記集合部を通過したガスが流入するように当該集合部よりも下流側に配置されて、理論空燃比の雰囲気下で三元触媒機能を有する触媒とを備え、
前記気筒の幾何学的圧縮比は１４以上に設定されており、
前記各独立排気通路のうち排気順序が連続する気筒に接続された独立排気通路は互いに隣り合う位置で前記集合部に接続されており、
前記各独立排気通路の下流端部分は、各気筒から各排気ポートおよび各独立排気通路を通って前記集合部に排気が排出されるのに伴いエゼクタ効果によって隣接する他の独立排気通路およびこの独立排気通路に接続された排気ポート内に負圧が生成されるように、下流側の方が上流側よりも流路面積が小さくなる形状を有し、
前記制御手段は、少なくともエンジンの低負荷かつ低速域において、前記燃焼室内の混合気が自着火により燃焼する自着火燃焼モードを実行するとともに、少なくともエンジンの高負荷かつ低速域において、前記各気筒の吸気弁の開弁期間と排気弁の開弁期間とが所定のオーバーラップ期間重複し、かつ、排気順序が連続する気筒間において一方の気筒の前記オーバーラップ期間が他方の気筒の排気弁が開弁している時期に重複するように、各気筒の吸気弁および排気弁を開弁動作させることを特徴とするガソリンエンジン。
【請求項２】
請求項１に記載のガソリンエンジンにおいて、
前記集合部は、下流側の方が上流側よりも流路面積が小さくなる形状を有することを特徴とするガソリンエンジン。
【請求項３】
請求項２に記載のガソリンエンジンにおいて、
前記集合部と前記触媒との間に配置されて、下流側の方が上流側よりも流路面積が大きくなる形状を有する連結部を有することを特徴とするガソリンエンジン。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のガソリンエンジンにおいて、
前記制御手段は、エンジンの高負荷かつ低速域に加えて、前記自着火燃焼モードを実行するエンジンの低負荷かつ低速域の少なくとも一部の領域においても、前記各気筒の吸気弁の開弁期間と排気弁の開弁期間とが所定のオーバーラップ期間重複し、かつ、排気順序が連続する気筒間において一方の気筒の前記オーバーラップ期間が他方の気筒の排気弁が開弁している時期に重複するように、各気筒の吸気弁および排気弁を開弁動作させることを特徴とするガソリンエンジン。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のガソリンエンジンにおいて、
前記制御手段は、前記インジェクタにより前記燃焼室内に噴射される燃料重量Ｆに対する前記燃焼室内の全ガスの重量Ｇの割合であるＧ／Ｆを制御可能であって、前記自着火燃焼モードを実行するエンジンの低負荷かつ低速域において、前記燃料重量Ｆに対する燃焼室内の全ガス重量Ｇの割合Ｇ／Ｆを３０以上に制御するとともに、高負荷側ほど前記燃料重量Ｆに対する燃焼室内の全ガス重量Ｇの割合Ｇ／Ｆを小さくすることを特徴とするガソリンエンジン。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載のガソリンエンジンにおいて、
前記制御手段は、前記インジェクタの動作を制御可能であって、前記自着火燃焼モードを実行するエンジンの低負荷かつ低速域において、前記インジェクタにより吸気行程あるいは圧縮行程の前期に前記燃焼室内に燃料を噴射させることを特徴とするガソリンエンジン。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載のガソリンエンジンにおいて、
前記燃焼室内の混合気に点火エネルギーを供給する点火プラグを備え、
前記制御手段は、前記点火プラグの動作を制御可能であって、前記自着火燃焼モードを実行する運転領域よりも高負荷側の領域において、前記自着火燃焼モードのときよりも燃焼室内の平均空燃比をリッチにさせる多量の燃料を３０ＭＰａ以上の噴射圧力で前記インジェクタから噴射させる燃料噴射と、前記点火プラグによる火花点火とを、圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内に実行することにより、前記燃焼噴射に基づく混合気を、圧縮上死点を所定期間以上過ぎてから火炎伝播により急速に燃焼させる急速リタードＳＩモードを実行することを特徴とするガソリンエンジン。
【請求項１】
燃焼室および吸気ポートと排気ポートとがそれぞれ形成されるとともに前記吸気ポートを開閉可能な吸気弁と前記排気ポートを開閉可能な排気弁とが設けられた複数の気筒と、少なくとも一部がガソリンからなる燃料を前記燃焼室に噴射するインジェクタとを備えたガソリンエンジンであって、
前記吸気弁と排気弁の動作および前記燃焼室内の燃焼形態を制御する制御手段と、
１つの気筒あるいは排気順序が互いに連続しない複数の気筒の排気ポートにそれぞれ接続される独立排気通路と、
前記各独立排気通路を通過したガスが集合するように当該各独立排気通路の下流端に接続された集合部と、
前記集合部を通過したガスが流入するように当該集合部よりも下流側に配置されて、理論空燃比の雰囲気下で三元触媒機能を有する触媒とを備え、
前記気筒の幾何学的圧縮比は１４以上に設定されており、
前記各独立排気通路のうち排気順序が連続する気筒に接続された独立排気通路は互いに隣り合う位置で前記集合部に接続されており、
前記各独立排気通路の下流端部分は、各気筒から各排気ポートおよび各独立排気通路を通って前記集合部に排気が排出されるのに伴いエゼクタ効果によって隣接する他の独立排気通路およびこの独立排気通路に接続された排気ポート内に負圧が生成されるように、下流側の方が上流側よりも流路面積が小さくなる形状を有し、
前記制御手段は、少なくともエンジンの低負荷かつ低速域において、前記燃焼室内の混合気が自着火により燃焼する自着火燃焼モードを実行するとともに、少なくともエンジンの高負荷かつ低速域において、前記各気筒の吸気弁の開弁期間と排気弁の開弁期間とが所定のオーバーラップ期間重複し、かつ、排気順序が連続する気筒間において一方の気筒の前記オーバーラップ期間が他方の気筒の排気弁が開弁している時期に重複するように、各気筒の吸気弁および排気弁を開弁動作させることを特徴とするガソリンエンジン。
【請求項２】
請求項１に記載のガソリンエンジンにおいて、
前記集合部は、下流側の方が上流側よりも流路面積が小さくなる形状を有することを特徴とするガソリンエンジン。
【請求項３】
請求項２に記載のガソリンエンジンにおいて、
前記集合部と前記触媒との間に配置されて、下流側の方が上流側よりも流路面積が大きくなる形状を有する連結部を有することを特徴とするガソリンエンジン。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載のガソリンエンジンにおいて、
前記制御手段は、エンジンの高負荷かつ低速域に加えて、前記自着火燃焼モードを実行するエンジンの低負荷かつ低速域の少なくとも一部の領域においても、前記各気筒の吸気弁の開弁期間と排気弁の開弁期間とが所定のオーバーラップ期間重複し、かつ、排気順序が連続する気筒間において一方の気筒の前記オーバーラップ期間が他方の気筒の排気弁が開弁している時期に重複するように、各気筒の吸気弁および排気弁を開弁動作させることを特徴とするガソリンエンジン。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載のガソリンエンジンにおいて、
前記制御手段は、前記インジェクタにより前記燃焼室内に噴射される燃料重量Ｆに対する前記燃焼室内の全ガスの重量Ｇの割合であるＧ／Ｆを制御可能であって、前記自着火燃焼モードを実行するエンジンの低負荷かつ低速域において、前記燃料重量Ｆに対する燃焼室内の全ガス重量Ｇの割合Ｇ／Ｆを３０以上に制御するとともに、高負荷側ほど前記燃料重量Ｆに対する燃焼室内の全ガス重量Ｇの割合Ｇ／Ｆを小さくすることを特徴とするガソリンエンジン。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載のガソリンエンジンにおいて、
前記制御手段は、前記インジェクタの動作を制御可能であって、前記自着火燃焼モードを実行するエンジンの低負荷かつ低速域において、前記インジェクタにより吸気行程あるいは圧縮行程の前期に前記燃焼室内に燃料を噴射させることを特徴とするガソリンエンジン。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載のガソリンエンジンにおいて、
前記燃焼室内の混合気に点火エネルギーを供給する点火プラグを備え、
前記制御手段は、前記点火プラグの動作を制御可能であって、前記自着火燃焼モードを実行する運転領域よりも高負荷側の領域において、前記自着火燃焼モードのときよりも燃焼室内の平均空燃比をリッチにさせる多量の燃料を３０ＭＰａ以上の噴射圧力で前記インジェクタから噴射させる燃料噴射と、前記点火プラグによる火花点火とを、圧縮行程後期から膨張行程初期までの期間内に実行することにより、前記燃焼噴射に基づく混合気を、圧縮上死点を所定期間以上過ぎてから火炎伝播により急速に燃焼させる急速リタードＳＩモードを実行することを特徴とするガソリンエンジン。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−２０７６２７（Ｐ２０１２−２０７６２７Ａ）
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−７５２０１（Ｐ２０１１−７５２０１）
【出願日】平成２３年３月３０日（２０１１．３．３０）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月２５日（２０１２．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月３０日（２０１１．３．３０）
【出願人】（０００００３１３７）マツダ株式会社 (6,115)
【Ｆターム（参考）】
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