〔予混合圧縮自着火式エンジンの概要〕
 図1は、本発明の実施形態に係る予混合圧縮 自着火式エンジン11の概略断面図、図2は、同 概略平面図である。本実施形態の予混合圧縮 自着火式エンジン11は、4気筒(No.1~No.4)の4サイ クルエンジンであり、シリンダブロック12、� ��リンダヘッド15、及びクランクケース18によ って構成されたエンジン本体11Aを備えている 。シリンダブロック12内には、複数(4つ)のシ� ��ンダ13が設けられ、各シリンダ13内には、ピ ストン14が摺動自在に嵌合されている。シリ� ��ダヘッド15には、吸気ポート16及び排気ポー ト17が設けられ、吸気ポート16及び排気ポー� �17は、それぞれ吸気弁19及び排気弁20によっ� �開閉される。吸気弁19及び排気弁20は、動弁� ��置21,22によって駆動される。

 吸気ポート16には吸気管24が接続され、排 気ポート17には排気マニホールド25を有する� �気管26が接続されている。吸気管24は、図2に 示すように、主吸気管27と、該主吸気管27に� �続された吸気サージタンク28と、該吸気サー ジタンク28から各シリンダ13に接続された複� �の分岐吸気管29とを有している。

 図1に示すように、主吸気管27には、スロ� ��トルバルブ31と、ミキサ33と、加熱装置(調� �装置)35とが設けられている。主吸気管27に導 入された空気は、スロットルバルブ31によっ� ��流量が調節され、燃料制御弁(A/Fバルブ)32を 通じて供給された燃料とミキサ33で混合され� ��。燃料制御弁32では、燃料と空気との比率� �すなわち空気過剰率が設定される。

 空気と燃料との混合気は、加熱装置35に� �って加熱されて吸気サージタンク28に流入し 、各分岐吸気管29から吸気ポート16を経て各� �リンダ13内の燃焼室に吸気される(吸気行程)� ��吸気行程で燃焼室内に供給された混合気は� ��圧縮行程で圧縮され、ピストン14が上死点� �近にきたときに自着火し、これによりピス� �ンが押し下げられる(膨張行程)。燃焼ガスは 、排気行程で排気ポート17から排気管26を介� �て排出される。

 加熱装置35は、図2に示すように、2経路に 分岐した主吸気管27の一方の経路38に設けら� �た熱交換器40を備えている。熱交換器40は、� ��ンジン冷却水を熱交換媒体とするものであ� ��、シリンダブロック12及びシリンダヘッド15 (図1)を循環した冷却水が流路41を介して熱交� ��器40に供給されると共に、流路42を介して冷 却器(図示略)に戻されるようになっている。� ��吸気管27の双方の経路38,39には、それぞれ調 量弁43,44が設けられている。

 主吸気管27の他方の経路39には熱交換器40� ��設けられておらず、この経路39を通る混合� �は加熱されることなくそのまま吸気サージ� �ンク28に導入される。調量弁43,44は、主吸気� ��27の各経路38,39への混合気の流入量を調整(� �止を含む)するものであり、例えば、一方の� ��量弁43のみを開いて経路38のみに混合気を通 すことで、急速に混合気を加熱することがで き、他方の調量弁44のみを開いて経路39のみ� �混合気を通すことで、混合気を加熱しない� �うにする(相対的に冷却する)ことができる。 また、双方の調量弁43,44を開くことによって� ��加熱された混合気と加熱されていない混合� ��とを混合して、細かな温度制御を行うこと� ��できるようになっている。

 なお、加熱装置35の熱交換媒体としては� �エンジンオイルや排気ガスを利用すること� �できる。また、加熱装置35として、電熱ヒー タを用いることもできる。さらに、上記のよ うに主吸気管27を分岐せずに1経路として、加 熱装置35を設けることもできる。

 図1に示すように、エンジン11は、コント� ��ーラ45を備えており、該コントローラ45によ って、スロットルバルブ31、燃料制御弁32、� �熱装置35等が制御されるようになっている。 また、エンジン11には、冷却水温度センサ47� �吸気温度センサ48、気筒内圧力センサ49、機� ��回転数センサ50、トルクセンサ51、空気過剰 率センサ52等が設けられており、各種センサ� ��検出信号は、前記コントローラ45に入力さ� �るようになっている。

 エンジン11のシリンダヘッド15には点火プ ラグ37が設けられている。点火プラグ37は、� �2に示すように、ハイテンションコード54を� �してイグニッションコイル55に接続されてお り、点火プラグ37、ハイテンションコード54� �びイグニッションコイル55によって火花点火 装置53が構成されている。火花点火装置53の� �グニッションコイル55への通電は、コントロ ーラ45によって動作制御される。

〔予混合圧縮自着火式エンジンの運転方法〕
 本来、予混合圧縮自着火式エンジン11は、� �花点火を行うことなく混合気を圧縮自着火� �せて運転を行うものである。しかし、本発� �の予混合圧縮自着火エンジン11では、主とし て圧縮自着火を誘発するために、補助的に火 花点火装置53を用いるようになっている。

 すなわち、本実施形態の予混合圧縮自着� ��式エンジン11は、火花点火を行うことによ� �て圧縮自着火を誘発し、圧縮自着火が困難� �運転条件でも圧縮自着火運転を可能にして� �る。また、火花点火時期を調整することに� �って、圧縮自着火時期を調整し、最適なエ� �ジン性能を得たり、排気ガスに含まれる大� �汚染物質の排出を抑制したりすることを可� �にしている。

 なお、火花点火装置53は、圧縮自着火を� �発するために用いられるだけでなく、エン� �ン11の始動時に火花点火運転(SI運転)を行う� �めにも用いられるようになっている。

(運転方法1)
 図3は、ある運転条件における各気筒の気筒 内圧力(左縦軸及び下側の線図)と熱発生率(右 縦軸及び上側の線図)の変化を示したグラフ� �ある。この図では、1~3番気筒(No.1~No.3)におい て、クランク角がTDCを過ぎたところで気筒内 圧力及び熱発生率が大きく上昇し、ピークに 達している。これに対して4番気筒(No.4)では� �クランク角がTDCのところで気筒内圧力がピ� �クとなり、その後の熱発生率の上昇も僅か� �なっている。したがって、4番気筒(No.4)では� ��実質的に圧縮自着火がなされていない(失火 が生じている)ものと考えられる。また、1~3� �気筒では、圧縮自着火がなされているもの� �考えられるが、その時期にはバラツキがあ� �。このように気筒間で着火時期にバラツキ� �生じるのは、気筒の配置に起因する受熱特� �、放熱特性の違い等によって、各気筒の圧� �端温度が異なるからである。

 本実施形態では、運転方法1として、圧縮 自着火がなされていない気筒(No.4)について、 火花点火装置53(図2)によって火花点火を行う� ��うになっている。火花点火を行うと、その� ��花や点火後の伝播火炎によって圧縮状態に� ��る混合気の自着火が開始される。すなわち� ��火花点火によって圧縮自着火が誘発される� ��これにより、圧縮自着火が困難な気筒でも� ��実に圧縮自着火させることができ、全ての� ��筒において圧縮自着火運転が可能になる。� ��たがって、機関出力を増大させることがで� ��る。

 なお、本実施形態では、補助的に火花点� ��を用いて圧縮自着火を誘発する運転を、火� ��伝播燃焼による誘発圧縮自着火運転(HCCI運� �)と称する。

 図4は、圧縮自着火が起きていない気筒(� �3における4番気筒(No.4))について、火花点火� �行わない場合と時期を変えて火花点火を行� �た場合との、気筒内圧力及び熱発生率の変� �を示したグラフである。(a)は、火花点火を� �わない場合、(b)~(d)は、いずれも火花点火を� ��い、且つ、(b)~(d)の順で徐々に火花点火時期 を進角させた場合を示している。また、図5� �、火花点火時期と、圧縮自着火時期との関� �を示すグラフである。

 図4及び図5に示すように、火花点火の時� �が進角側から遅角側へ遅くなっていくと、� �れに伴って圧縮自着火時期も進角側から遅� �側へ遅くなっていることが分かる。

 さらに、図5からは、火花点火時期が、あ る時期t1よりも進角側になると、それ以上進� ��させても圧縮自着火時期は進角しなくなっ� ��いることが分かる。逆に、火花点火時期が� ��る時期t2よりも遅角側になると、それ以上� �角させても、圧縮自着火時期がほとんど遅� �しなくなっていることが分かる。これは、� �に、自然に圧縮自着火が始まっているから� �考えられる。

 したがって、本発明では、このような特� ��に着目し、上記t1を火花点火の進角側の限� �時期(進角限界)に設定するとともにt2を遅角� ��の限界時期(遅角限界)に設定し、両限界時� �t1,t2の間に火花点火を行うように火花点火装 置を動作制御するようになっている。これに より、火花点火を行うことによって圧縮自着 火を確実に誘発することが可能となる。

 なお、本実施形態では、燃焼質量割合が5 0%となる時期を圧縮自着火時期として扱って� ��る。燃焼質量割合は、気筒内圧力を筒内圧� ��ンサ49(図1)で検出し、その検出値を元に解� �により求められる。

 図2に示すように、吸気管24には、吸気温� ��センサ48が設けられ、排気管26には空気過剰 率センサ52が設けられている。

 図6は、空気過剰率の変化に対する火花点 火時期の進角限界の変化を示したグラフであ る。このグラフから、空気過剰率が変動すれ ば火花点火時期の進角限界も変化することが 分かる。また、図7は、吸気温度の変化に対� �る火花点火時期の進角限界の変化を示した� �ラフである。このグラフから、吸気温度が� �動すれば火花点火時期の進角限界も変化す� �ことが分かる。

 また、図8は、空気過剰率及び吸気温度の 変化に対する火花点火時期の進角限界の変化 を示したグラフである。このグラフから、空 気過剰率及び吸気温度が変動すれば火花点火 時期の進角限界も変化することが分かる。

 したがって、本実施形態では、図2に示す 空気過剰率センサ52及び/又は吸気温度センサ 48によって、空気過剰率及び/又は吸気温度を 常時検出し、その検出値に基づいて火花点火 時期の進角限界を適宜変更するようになって いる。これにより、実際の運転に則して適切 に進角側の限界時期を設定し、火花点火によ って確実に圧縮自着火を誘発することができ る。

 なお、図2では、全ての気筒(No.1~No.4)に対� ��するように1つ吸気温度センサ48と1つの空気 過剰率センサ52とを設けているが、それぞれ� ��気筒に対応するように複数の吸気温度セン� ��48を設けたり、それぞれの気筒に対応する� �うに複数の空気過剰率センサ52を設けたりす ることもできる。このようにすると、気筒ご とに火花点火時期の進角限界を適切に変更す ることができる。

(運転方法1の単気筒エンジンへの適用)
 上記に説明した運転方法1は、複数気筒の予 混合圧縮自着火式エンジン11において、全て� ��気筒(No.1~No.4)で圧縮自着火を行うために所� �の気筒(No.4)に対して火花点火を行うもので� �った。しかし、運転方法1は、単気筒の予混� ��圧縮自着火式エンジンにも当然に適用する� ��とができる。

 すなわち、単気筒の予混合圧縮自着火式� ��ンジンにおいて、圧縮自着火し難い運転条� ��となったときに火花点火を行い、それによ� ��て圧縮自着火を誘発し、確実に圧縮自着火� ��行うようにすることができる。これにより� ��当該エンジン11が完全に運転不能な状態に� �ることを防止することができる。

(運転方法2)
 上記運転方法1を用いれば、圧縮自着火が困 難な気筒についても圧縮自着火させることが でき、複数気筒のエンジン11では、全ての気� ��で確実に圧縮自着火を行うことができる。� ��に説明する運転方法2は、全ての気筒で圧縮 自着火時期を揃えるようにしたものである。

 図9(A)は、ある運転条件における各気筒の 圧縮自着火時期を示すグラフであり、横軸は 気筒番号、縦軸は着火時期(圧縮自着火の時� �)を示している。このグラフでは、1番気筒(No .1)と4番気筒(No.4)の圧縮自着火時期が遅く、2� ��気筒(No.2)と3番気筒(No.3)の圧縮自着火時期が 早くなっている。

 このようなエンジン11の場合、運転方法2� ��は、図9(B)に示すように、圧縮自着火時期が 遅い1番、4番気筒(No.1,No.4)において、補助的� �火花点火を行う。これによって、図9(C)に示� ��ように、1番、4番気筒(No.1,No.4)の圧縮自着火 時期を進角させ、2番、3番気筒(No.2,No.3)の圧� �自着火時期に揃えることができる。また、� �のように各気筒の圧縮自着火時期を揃える� �、サイクル効率が上がり、それによって熱� �率も向上することが可能になる。また、着� �の安定性が向上するので、出力変動が低減� �る。

(運転方法3)
 上記運転方法2では、圧縮自着火時期が遅い 気筒に対して単に火花点火を行うことで全て の気筒の圧縮自着火時期を揃えようとするも のであったが、運転方法3は、各気筒の圧縮� �着火時期を調整して揃えるようにしたもの� �ある。

 図5に示すように、進角限界t1と遅角限界t 2との間で火花点火時期を変化させると、そ� �に伴って圧縮自着火時期も変化することが� �かる。運転方法3では、図9(A)に示す運転条件 において、図9(B)の如く第1,第4気筒(No.1,No.4)の 火花点火時期を矢印aのように調整し、これ� �の圧縮自着火時期を、第2,第3気筒(No.2,No.3)の 圧縮自着火時期に確実に揃えるようにしたも のとなっている。

(運転方法4)
 図10(A)は、ある運転条件における各気筒(No.1 ~No.4)の圧縮自着火時期を示すグラフであり、 横軸は気筒番号、縦軸は着火時期(圧縮自着� �の時期)を示している。このグラフでは、2番 (No.2)-3番(No.3)-1番(No.1)-4番気筒(No.4)の順で圧縮 自着火時期が遅くなっている。

 このような運転条件に対し、運転方法4で は、図10(B)に示すように、4番(No.4)-1番(No.1)-3� �(No.3)-2番気筒(No.2)の順に火花点火時期が遅く なるように各気筒の火花点火時期を調整(矢� �b1~b4)している。その結果、図10(C)に示すよう に、各気筒の圧縮自着火位置をより確実に揃 えることができるようになっている。

(運転方法3、4における火花点火時期の調整方 法)
 火花点火時期の調整は、次のいずれかの方� ��で、図2に示した火花点火装置53のイグニッ� ��ョンコイル55への通電をコントローラ45で制 御することにより行うことができる。

 <1>マップを用いた制御
 例えば、熱効率や、排気ガスに含まれる大� ��汚染物質(窒素酸化物(NOx)、未燃炭化水素(THC )、一酸化炭素(CO)等)の排出量等のバランスを 取ることが可能な、適切な圧縮自着火時期を 実現できる火花点火時期を、吸気温度や空気 過剰率等の運転条件との関係でマッピングし た火花点火時期マップを作成し、該火花点火 時期マップをコントローラ45のメモリー(図示 略)に記憶しておく。そして、当該運転状況� �検出するとともに、火花点火時期マップを� �照してその検出値に対応する火花点火時期� �選定し、該火花点火時期に火花点火が行わ� �るように、火花点火装置53を制御する。

 <2>フィードバック制御
 例えば、熱効率や、排気ガスに含まれる大� ��汚染物質の排出量等のバランスを取ること� ��可能な、目標圧縮自着火時期を予め設定し� ��おき、検出した実際の圧縮自着火時期と目� ��圧縮自着火時期とを比較するとともに、該� ��較に基づいて、実際の圧縮自着火時期が目� ��圧縮自着火時期となるように、火花点火装� ��53を制御して火花点火時期を調整する。

 例えば、大気汚染物質であるNOxは着火時� ��が早いと増大する傾向にあり、THCやCOは、� �火時期が遅いと増大する傾向にあるので、� �れらの排出量をバランス良く低減させるこ� �ができる時期を目標圧縮自着火時期として� �定することができる。

 以下、<2>のフィードバック制御による� ��花点火時期の調整に関して詳細に説明する� ��
 図11のグラフは、ある気筒についての火花� �火時期と吸気温度との関係で圧縮自着火時� �の変化を示している。このグラフでは、目� �圧縮自着火時期(例えば、クランク角がTDC+6° の時期)をZで示してある。このグラフに基づ� ��ば、例えば、吸気温度がTaであるとき、火� �点火時期をtaにすれば、実際の圧縮自着火時 期を目標圧縮自着火時期に調整できることが 分かる。

 ここで、上記運転方法1で述べた通り、火 花点火時期には圧縮自着火時期を調整するこ とが可能な進角限界t1と遅角限界t2とがある� �しかし、両限界時期t1,t2の間で火花点火を行 ったとしても、実際の圧縮自着火時期を目標 自着火時期に調整することができない場合が ある。例えば、吸気温度がT1よりも低いと、� ��角限界t1付近で火花点火を行ったとしても� �実際の圧縮自着火時期は目標圧縮自着火時� �よりも遅角することになる。逆に、吸気温� �がT2よりも高いと、遅角限界t2付近で火花点� ��を行ったとしても、実際の圧縮自着火時期� ��目標圧縮自着火時期よりも進角することに� ��る。

 そこで、本発明では、吸気温度がT1より� �低い場合、及び、吸気温度がT2よりも高い場 合に、図2に示す加熱装置(調温装置)35によっ� ��、T1とT2の間に吸気温度を調整するようにな っている。そのうえで火花点火を行うことに よって、確実に実際の圧縮自着火時期を目標 圧縮自着火時期に調整できるようにしている 。

 また、火花点火により実際の圧縮自着火� ��期を目標圧縮自着火時期に調整することが� ��能な吸気温度の範囲T1~T2は、気筒毎に異な� �。例えば、図12に示すように、圧縮自着火し 易い気筒では、当該吸気温度の範囲T1~T2が低� ��側に偏り、図13に示すように、圧縮自着火� �難い気筒では、当該吸気温度の範囲T1~T2が高 温側に偏る。そこで、本発明では、全ての気 筒において実際の圧縮自着火時期を目標圧縮 自着火時期に調整することが可能な吸気温度 の範囲に、実際の吸気温度が収まるように、 加熱装置35を制御するようにしている。

 例えば、図10に示した運転条件のエンジ� �では、2番(No.2)-3番(No.3)-1番(No.1)-4番気筒(No.4)� ��順で圧縮自着火し難くなっているが、この� ��合、図14に示すように、目標圧縮自着火時� �Zを示す曲線は、2番(No.2)-3番(No.3)-1番(No.1)-4番 気筒(No.4)の順で吸気温度の低温側から高温側 へずれていく。そのため、進角限界t1と遅角� ��界t2の間で、目標圧縮自着火時期を示す曲� �Zの全てが重なる吸気温度範囲T1a~T2aを設定し 、この範囲T1a~T2a内に実際の吸気温度が収ま� �ように調整を行う。このようにすれば、全� �の気筒において、実際の圧縮自着火時期を� �標圧縮自着火時期に調整することが可能に� �る。

 吸気温度の調整は、基本的には、所定の� ��気温度範囲T1a~T2a内で行えば、全ての気筒に おいて圧縮自着火時期を揃えることが可能で ある。しかしながら、吸気温度との関係で、 目標圧縮自着火時期を達成することが可能な より最適な火花点火時期を予め設定しておき 、その火花点火時期に火花点火が行われるよ うに、特定の温度に吸気温度を調整してもよ い。

 例えば、図15に示すように、進角限界t1と 遅角限界t2との間に最適点火時期t3を設定し� �場合、当該最適点火時期t3に火花点火が行わ れるように、吸気温度をTcに調整する。

 さらに、多気筒エンジンの場合は、最も� ��花点火時期が遅い気筒が、最適な火花点火� ��期で火花点火されるように吸気温度を調整� ��ることができる。例えば、図16に示すよう� �、4気筒の中で2番気筒(No.2)の火花点火時期が 最も遅くなる場合、枠A1で囲った条件のよう� ��、2番気筒(No.2)の火花点火時期が、最適火花 点火時期t3となるように、吸気温度をTcに調� �することができる。

 また、最も火花点火時期が遅い気筒(No.2)� ��最適火花点火時期t3を設定する1つの方法と� ��て、当該最適火花点火時期t3を遅角限界t2に 設定することができる。例えば、図16におい� ��、一番右端の枠A2で囲った条件のように、2� ��気筒(No.2)の火花点火時期が遅角限界t2とな� �ように吸気温度をTdに調整することができる 。

 この場合、2番気筒(No.2)は、圧縮自着火が 自然に発生し得る状態にあるため、実質的に 火花点火を行わなくてもよくなり、火花点火 による圧縮自着火の補助を最小限にすること が可能となる。また、2番気筒(No.2)の火花点� �時期を遅角限界t2にすると、その他の気筒(No .3,No.1,No.4)の火花点火時期も、進角限界t1から 遅角側(矢印c方向)へ離れる。図5に示したよ� �に、火花点火時期が進角限界t1から進角側に 早まると、全く圧縮自着火時期を制御するこ とができなくなる。したがって、全ての気筒 において火花点火時期が進角限界t1から遅角� ��へ離れることで、圧縮自着火時期が制御不� ��になる可能性を極めて低くすることができ� ��。

(運転方法3,4の単気筒エンジンへの適用)
 上記運転方法3,4では、全ての気筒における� ��縮自着火時期を揃えるために、該圧縮自着� ��時期を調整するものであったが、圧縮自着� ��時期を調整するという点においては、単気� ��の予混合圧縮自着火式エンジンにも適用可� ��である。すなわち、例えば、高い熱効率を� ��ることができ、又は、排気ガスに含まれる� ��気汚染物質の排出量を抑制することが可能� ��適切な圧縮自着火時期に、実際の圧縮自着� ��時期を調整することができる。

(運転方法5)
 上述の運転方法1~4は、火花点火を補助的に� ��いることによって圧縮自着火を誘発し、ま� ��、火花点火時期の進角限界t1と遅角限界t2と を設定して、その範囲内で火花点火を行うも のであった。さらに、両限界時期t1,t2の間の� ��花点火によって、実際の圧縮自着火時期を� ��標圧縮自着火時期に調整できるようにする� ��め、吸気温度を調整するものであった。

 しかしながら、これらの手段を施したと� ��ても、図28に示すように、火花点火時期が� �も遅い気筒においてその火花点火時期が遅� �限界t2となり、且つ、火花点火時期が最も早 い気筒においてその火花点火時期が進角限界 t1となるような場合、すなわち、図14におい� �、吸気温度の調整範囲T1a~T2aが無い場合があ� ��。本発明の運転方法5は、そのような場合に 、以下のような追加の手段を施すものである 。

(運転方法5-1)
 図17は、吸気温度を一定にした状態での空� �過剰率と圧縮自着火時期との関係を示すグ� �フである。このグラフから、空気過剰率が� �さくなるほど圧縮自着火時期が進角し、空� �過剰率が大きくなるほど圧縮自着火時期が� �角することが分かる。このような性質を利� �し、運転方法5-1では、図18に示すように、混 合気に更に燃料を加えることができる燃料調 整弁57を各気筒(No.1~No.4)の分岐吸気管29に設け たものとなっている。各燃料調整弁57は、コ� ��トローラ45によって制御される。符号58は、 各燃料調整弁57に燃料を送るための燃料供給� ��である。なお、図18には、燃料供給系の一� �のみを図示しており、その他の構成は図2と� ��じであるので省略している。

 そして、上述の吸気温度調整を行っても� ��火花点火時期が進角限界t1となる気筒があ� �た場合には、適宜その気筒に対して燃料調� �弁57から燃料を追加供給し、圧縮自着火しや すい状態にする。これによって、火花点火時 期を進角限界t1よりも遅角側に移行させるこ� ��ができる。

 或いは、全ての気筒において常に燃料調� ��弁57から燃料を追加供給するようにしてお� �、火花点火時期が進角限界t1となる気筒があ った場合には、適宜その気筒の燃料追加量を 他の気筒よりも多くする。これによって、上 記と同様に、火花点火時期を進角限界t1より� ��遅角側に移行させることができる。逆に、� ��花点火時期が遅角限界t2となる気筒に対し� �は、燃料供給量を相対的に減少することに� �って圧縮自着火し難い状態にし、火花点火� �期を遅角限界t2よりも進角させることができ る。

 これによって、各気筒において、進角限� ��t1と遅角限界t2の範囲内(進角限界t1よりも遅 く遅角限界t2よりも早い時期)に火花点火を行 うことができ、目標圧縮自着火時期を達成す ることができる。

 なお、火花点火時期が常に進角限界t1と� �るような気筒が予め判っている場合には、� �の気筒に対してのみ燃料調整弁57を設けるこ ともできる。

 また、図2に示す燃料制御弁32やミキサ33� �省略し、全ての燃料を図18の燃料調整弁57か� ��供給することもできる。

(運転方法5-2)
 運転方法5-2は、各気筒の有効圧縮比を変更� ��る手段を備えたものである。図1に示すよう に、ピストンの上面には凹状の燃焼室60が形� ��されており、この燃焼室60が大きいほど有� �圧縮比は小さくなり、燃焼室60が小さいほど 有効圧縮比が大きくなる。また、有効圧縮比 が小さいほど圧縮自着火し難くなり、有効圧 縮比が大きいほど圧縮自着火し易くなる。

 したがって、上述の吸気温度調整を行っ� ��も、火花点火時期が進角限界t1となるよう� �気筒がある場合には、予めその気筒の燃焼� �60を他の気筒に相対して小さく形成しておき 、圧縮自着火しやすい状態にし、火花点火時 期が進角限界t1よりも遅角するようにしてお� ��。また、火花点火時期が遅角限界t2となる� �うな気筒がある場合には、予めその気筒の� �焼室60を他の気筒に相対して大きく形成して おき、圧縮自着火し難い状態にし、火花点火 時期が遅角限界t2よりも進角するようにして� ��く。

 これによって、各気筒において、進角限� ��t1と遅角限界t2との間(進角限界t1よりも遅く 遅角限界t2よりも早い時期)に火花点火を行う ことにより、目標圧縮自着火時期を達成する ことができる。

 上記において、燃焼室60に代えて又は加� �て、シリンダヘッド15の下面に凹部(図示略)� ��設け、その大きさによって有効圧縮比を変� ��ることもできる。また、有効圧縮比は、図1 に示すように、シリンダヘッド15からの点火� ��ラグ37の突出量pを変えることによって、変� ��ることもできる。この場合、点火プラグ37� �突出量pを大きくすると有効圧縮比が大きく� ��り、点火プラグ37の突出量pを小さくすると� ��効圧縮比が小さくなる。したがって、燃焼� ��60の大きさを変えた場合と同様に、予め点� �プラグ37の突出量pを変えておくことによっ� �、各気筒において、進角限界t1と遅角限界t2� ��の間で火花点火を行うことにより、目標圧� ��自着火時期を達成することができる。

 以上のような燃焼室60の容積や点火プラ� �37の突出量pは構造上のものであり、常に変� �する運転条件に対応して有効圧縮比を可変� �定することはできない。そこで、以下のよ� �に、有効圧縮比を可変設定できる手段を施� �こともできる。

 一例として、図1に示すように、吸気弁19� ��動弁装置21として可変動弁装置を用い、該� �変動弁装置21をコントローラ45で制御するこ� ��により、吸気弁19を早閉じ又は遅閉じし、� �効圧縮比を可変設定可能に構成する。なお� �吸気弁19の早閉じとは、吸気行程において、 ピストン14が下死点に到達する前に吸気弁19� �閉じることであり、早閉じしない気筒に比� �て有効圧縮比を小さくすることができる。� �らに、早閉じ量を大きくする(閉じ時期をよ� ��進角する)ほど有効圧縮比を小さくすること ができる。また、吸気弁19の遅閉じとは、吸� ��行程においてピストン14が下死点に到達し� �後に吸気弁19を閉じることであり、遅閉じし ない気筒に比べて有効圧縮比を小さくするこ とができる。さらに、遅閉じ量を大きくする (閉じ時期をより遅角する)ほど有効圧縮比を� ��さくすることができる。

 したがって、運転条件により火花点火時� ��が遅角限界t2となるような気筒がある場合� �は、適宜その気筒の吸気弁19を早閉じ又は遅 閉じし、他の気筒に相対して有効圧縮比を小 さくし、圧縮自着火し難い状態にする。これ により、火花点火時期を遅角限界t2よりも進� ��することができる。

 或いは、全ての気筒において定常的に吸� ��弁19を早閉じ又は遅閉じするようにしてお� �、運転条件により火花点火時期が進角限界t1 となる気筒があった場合には、適宜その気筒 の吸気弁19の早閉じ量又は遅閉じ量を小さく( 又はゼロに)する。これにより、有効圧縮比� �大きくし、火花点火時期を進角限界t1よりも 遅角側に移行させることができる。逆に、火 花点火時期が遅角限界t2となる気筒があった� ��合には、適宜その気筒の吸気弁19の早閉じ� �又は遅閉じ量を大きくする。これにより、� �効圧縮比を小さくし、火花点火時期を遅角� �界t2よりも進角側に移行させることができる 。

 なお、吸気弁19の早閉じや遅閉じによる� �効圧縮比の設定は、上述のように可変とす� �こともできるし、一定とすることもできる� �すなわち、火花点火時期が進角限界t1となる 気筒が判っている場合には、予めその気筒の 吸気弁19の早閉じ量又は遅閉じ量を他の気筒� ��相対して小さく(又はゼロに)設定しておき� �圧縮自着火しやすい状態にし、火花点火時� �が進角限界t1よりも遅角するようにしておく 。また、火花点火時期が遅角側の限界時期t2� ��なる気筒が判っている場合には、予めその� ��筒の吸気弁19の早閉じ量又は遅閉じ量を他� �気筒に相対して大きく設定しておき、圧縮� �着火し難い状態にし、火花点火時期が遅角� �界t2よりも進角するようにしておくことがで きる。

 (運転方法5-3)
 運転方法5-3は、火花点火時期が進角限界t1� �遅角限界t2との間で行われるように、各気筒 の吸気温度をさらに調整できるようにしたも のである。図19に示すように、各気筒に接続� ��れる分岐吸気管29に、コントローラ45によっ て制御される加熱ヒータ61を設け、該分岐吸� ��管29を流れる混合気の温度を個別に調整可� �に構成する。そして、運転条件により火花� �火時期が進角限界t1となるような気筒がある 場合には、適宜その気筒の加熱ヒータ61を作� ��し、その吸気温度を他の気筒に相対して高� ��る。これによって、圧縮自着火しやすい状� ��にし、火花点火時期を進角限界t1よりも遅� �側に移行することができる。

 或いは、全ての気筒において常に加熱ヒ� ��タ61を作動させておき、運転条件により火� �点火時期が進角限界t1となるような気筒があ った場合には、適宜その気筒の加熱量を他の 気筒に相対して大きくする。これにより、火 花点火時期を進角限界t1よりも遅角側に移行� ��せることができる。逆に、火花点火時期が� ��角限界t2となるような気筒があった場合に� �、適宜その気筒の加熱量を他の気筒に相対� �て小さくする。これにより、火花点火時期� �遅角限界t2よりも進角側に移行させることが できる。

 加熱ヒータ61としては、電気式発熱体を� �用したり、排気ガス、エンジンオイル又は� �ンジン冷却水を熱交換媒体とした熱交換器� �使用することができる。また、加熱ヒータ61 に変えて、冷却装置を設けることもできる。 例えば、吸気温度を低下したい分岐吸気管29� ��放熱フィンを設けたり、分岐吸気管29を冷� �水で冷却したりすることができる。

 (運転方法5-4)
 運転方法5-4は、運転方法5-3と同様に、火花� ��火時期が進角限界t1と遅角限界t2の間で行わ れるように各気筒の吸気温度をさらに調整す るようにしたものであるが、その吸気温度の 調整に、内部EGR手段を用いたものである。

 内部EGR手段は、排気弁20(図1)の早閉じ或� �は再啓開によって、又は、吸気弁19(図1)のプ レリフトによって達成されるものとなってい る。

 排気弁20の早閉じとは、排気行程におい� �、ピストン14が上死点に到達する前に排気弁 20を閉じることである。この排気弁20の早閉� �によって、シリンダ13内に排気ガスを残留さ せ、残留した排気ガスを、その後の吸気行程 で流入した混合気と混合させることによって 、混合気温度(吸気温度)を上昇させることが� ��きる。また、排気弁20の早閉じ量が大きい� �ど(閉じ時期が進角するほど)内部EGR量が大き くなり、吸気温度を上昇させることができる 。

 この場合、図1に示すように、排気弁20の� ��弁装置22を可変動弁装置によって構成し、� �可変動弁装置22をコントローラ45で制御する� ��とにより、早閉じの有無及び早閉じ量を調� ��する。そして、運転条件により、火花点火� ��期が進角限界t1となるような気筒がある場� �には、適宜その気筒の排気弁20の早閉じし、 又は、早閉じ量を大きくすることによって、 混合気温度を他の気筒に相対して高め、圧縮 自着火しやすい状態にする。これにより、火 花点火時期を進角限界t1よりも遅角側に移行� ��せることができる。

 また、運転条件により、火花点火時期が� ��角限界t2となる気筒がある場合には、適宜� �の気筒の排気弁20を早閉じしないか、早閉じ 量を小さくすることによって、混合気温度を 他の気筒に相対して低くし、圧縮自着火し難 い状態にする。これにより、火花点火時期を 遅角限界t2よりも進角側に移行させることが� ��きる。

 排気弁20の再啓開とは、吸気行程中に一� �的に排気弁20を開くことである。この排気弁 20の再啓開によって、排気管26内に残った排� �ガスがシリンダ13内に流入し、吸気管24から� ��入した混合気と混合され、混合気温度が上� ��する。また、排気弁20の再啓開量(再啓開の� ��フト量又は継続時間)が大きいほど内部EGR量 が大きくなり、混合気温度を上昇させること ができる。

 したがって、運転条件により、火花点火� ��期が進角限界t1となってしまう気筒がある� �合には、適宜その気筒の排気弁20を再啓開し 又は再啓開量を大きくし、混合気温度を他の 気筒に相対して高め、圧縮自着火しやすい状 態にする。これにより、火花点火時期を進角 限界t1よりも遅角側に移動させることができ� ��。

 また、運転条件により、火花点火時期が� ��角限界t2となってしまう気筒がある場合に� �、適宜その気筒の排気弁20を再啓開しないか 、再啓開量を小さくすることによって、混合 気温度を他の気筒に相対して低くし、圧縮自 着火し難い状態にする。これにより、火花点 火時期を遅角限界t2よりも進角側に移行させ� ��ことができる。

 吸気弁19のプレリフトとは、排気行程中� �一時的に吸気弁19を開くことである。この吸 気弁19のプレリフトによって、シリンダ13内� �排気ガスが吸気管24に流入し、その後の吸気 行程で混合気に混合された状態で再度シリン ダ13内に流入する。これにより、混合気温度� ��高めることができる。また、吸気弁19のプ� �リフト量(プレリフトのリフト量又は継続時� ��)が大きいほど内部EGR量が大きくなり、混合 気温度を高めることができる。

 したがって、運転条件により、火花点火� ��期が進角限界t1となるような気筒がある場� �には、適宜その気筒の吸気弁19をプレリフト し又はプレリフト量を大きくしてEGR量を増大 し、混合気温度を他の気筒に相対して高め、 圧縮自着火しやすい状態にする。これにより 、火花点火時期を進角限界t1よりも遅角側に� ��動させることができる。

 また、運転条件により、火花点火時期が� ��角限界t2となるような気筒がある場合には� �適宜その気筒の吸気弁19をプレリフトしない か、プレリフト量を小さくすることによって EGR量をゼロにし又は減少し、吸気温度を他の 気筒に相対して低くし、圧縮自着火し難い状 態にする。これにより、火花点火時期を遅角 限界t2よりも進角側に移行させることができ� ��。

 なお、排気弁20の早閉じ或いは再啓開、� �は、吸気弁19のプレリフトによる内部EGR量は 、上記のように可変とすることもできるし、 一定とすることもできる。すなわち、火花点 火時期が進角側の限界時期t1になる気筒が判� ��ている場合には、予めその気筒の排気弁20� �早閉じ量又は再啓開量や吸気弁19のプレリフ ト量を大きく設定しておき、圧縮自着火しや すい状態にし、火花点火時期が進角限界t1よ� ��も遅角するようにしておく。また、火花点� ��時期が遅角限界t2となる気筒が判っている� �合には、予めその気筒の排気弁20の早閉じ量 又は再啓開量や吸気弁19のプレリフト量を予� ��ゼロか又は小さく設定しておき、圧縮自着� ��し難い状態にし、火花点火時期が遅角限界t 2よりも進角するようにしておくことができ� �。

 (運転方法5-5)
 運転方法5-5は、運転方法5-4と同様に、火花� ��火時期が進角限界t1と遅角限界t2との間で行 われるように各気筒の吸気温度をさらに調整 するようにしたものであり、その吸気温度の 調整に、外部EGR手段を用いたものである。

 図20に示すように、外部EGR手段63は、排気 管26と各分岐吸気管29とを接続するEGR通路64と 、EGR通路64に設けられたEGRバルブ65とを有し� �いる。この外部EGR手段63では、排気管26から� ��出された排気ガスがEGR通路64を通って吸気� �29に環流し、混合気と混合され、混合気温度 が高められる。また、外部EGR量は、コントロ ーラ45によって制御されるEGRバルブ65によっ� �調整することができ、外部EGR量が大きいほ� �混合気温度を高めることができる。

 したがって、運転条件により、火花点火� ��期が進角限界t1となってしまう気筒がある� �合には、適宜その気筒のEGRバルブ65を調整し て外部EGR量を増大させ、混合気温度を他の気 筒に相対して高め、圧縮自着火しやすい状態 にする。これにより、火花点火時期を進角限 界t1よりも遅角側に移行させることができる� ��

 また、運転条件により、火花点火時期が� ��角限界t2となってしまう気筒がある場合に� �、適宜その気筒のEGRバルブ65を調整して外部 EGR量をゼロ又は減少させ、吸気温度を他の気 筒に相対して低下させ、圧縮自着火し難い状 態にする。これにより、火花点火時期を遅角 限界t2よりも進角側に移行させることができ� ��。

 なお、外部EGR量は、EGRバルブ65によって� �変とすることもできるし、一定とすること� �できる。すなわち、火花点火時期が進角限� �t1になる気筒が判っている場合には、予めそ の気筒のEGRバルブ65を調整して外部EGR量を大� ��く設定しておき、圧縮自着火しやすい状態� ��し、火花点火時期が進角限界t1よりも遅角� �るようにしておく。また、火花点火時期が� �角限界t2になる気筒が判っている場合には、 予めその気筒のEGRバルブを閉じるか、EGRバル ブを調整して外部EGR量を小さく設定しておき 、圧縮自着火し難い状態にし、火花点火時期 が遅角限界t2よりも進角するようにしておく� ��とができる。

 (運転方法5-6)
 運転方法5-6は、気筒そのものの温度を調整� ��ることによって、進角限界t1と遅角限界t2と の間の火花点火で、目標圧縮自着火時期Zが� �成されるようにしたものである。具体的に� �、火花点火時期が遅角限界t2となってしまう ような気筒(圧縮自着火し易い気筒)がある場� ��に、その気筒の周辺部分への冷却水量を他� ��気筒に相対して多くし、冷却を促進するこ� ��によって、火花点火時期が遅角限界t2より� �進角側に移行するようにしたものである。

 図21に示すように、冷却水量を多くした� �気筒、例えば、2番気筒(No.2)及び3番気筒(No.3) を構成するシリンダライナー13Aの肉厚寸法d2, d3が、1番気筒(No.1)及び4番気筒(No.4)を構成す� �シリンダライナー13Aの肉厚寸法d1,d4よりも薄 く設定されている。これにより、ウォーター ジャケット67における2番気筒(No.2)及び3番気� �(No.3)の周辺部分の幅w2,w3が、1番気筒(No.1)及� �4番気筒(No.4)の周辺部の幅w1,w4よりも広くな� �ている。

 これにより、2番気筒(No.2)及び3番気筒(No.3 )の周辺部分への冷却水量が、1番気筒(No.1)及� ��4番気筒(No.4)の周辺部分への冷却水量よりも 多くなるので、2番気筒(No.2)及び3番気筒(No.3)� ��冷却能力を1番気筒(No.1)及び4番気筒(No.4)よ� �も高めることができる。

 なお、上記では、シリンダライナー13Aの� ��さを変えることによって冷却能力を調整し� ��いるが、例えば、冷却能力を高めたい気筒� ��対する冷却面積(ウォータージャケット67の� ��囲)を大きくすることもできる。

 (運転方法5-7)
 運転方法5-7は、気筒の構成部材の材質を変� ��ることによって、進角限界t1と遅角限界t2と の間の火花点火で、目標圧縮自着火時期Zが� �成されるようにしたものである。具体的に� �、火花点火時期が遅角限界t2となるような気 筒(圧縮自着火し易い気筒)がある場合に、そ� ��気筒の構成部材の材質を熱伝導率の高い(放 熱性の高い)ものにする。逆に、火花点火時� �が進角限界t1となるような気筒(圧縮自着火� �難い気筒)がある場合には、その気筒の構成� ��材の材質を、熱伝導率の低い(放熱性の低い )ものにする。

 これによって、進角限界t1と遅角限界t2と の間の火花点火によって、実際の圧縮自着火 時期を目標圧縮自着火時期に設定することが 可能になる。

 気筒の構成部材としては、図1に示すよう に、ピストン14の全体や頂面等の一部、また� ��、シリンダ13(シリンダライナー13A)の全部又 は一部とすることができる。また、気筒の放 熱性を変える方法としては、材質自体を変え るに限らず、例えば、構成部材の内部に断熱 層を構成する空洞を形成するなど、気筒の構 造を変えることによって放熱性を変えること もできる。

 (運転方法6)
 上記の運転方法1~5の手段を講じても、進角� ��界t1と遅角限界t2との間の火花点火によって 、実際の圧縮自着火時期を目標圧縮自着火時 期に調整することができない場合もありうる 。本実施形態の運転方法6では、そのような� �合に、さらに追加の手段を講じる。

 すなわち、運転方法6は、少なくとも、火 花点火時期の一番遅い気筒が適正(正常)に運� ��できるように、吸気温度を設定するもので� ��る。ここでいう適正な運転とは、最大の気� ��内圧力やノッキング強度が許容値以下であ� ��ことを意味する。

 火花点火時期の一番遅い気筒というのは� ��一番圧縮自着火し易い気筒であり、言い換� ��ると、一番ノッキングし易い気筒である。� ��たがって、この気筒でノッキングすること� ��く適正に圧縮自着火することができれば、� ��の気筒でも、失火が生じることがあっても� ��ッキングを生じることはない。したがって� ��ノッキングの発生で、エンジン11そのもの� �機械的に損傷を受けることを防止すること� �できる。

(本実施形態の効果の検証)
 図22~図24は、(a)火花点火を行わない場合、(b )運転方法1で圧縮自着火していない特定の気� ��に対してのみ補助的に火花点火を行った場� ��、(c)運転方法4で圧縮自着火時期を揃えるべ く全ての気筒において補助的に火花点火を行 った場合における、気筒間の各種燃焼パラメ ータのバラツキを比較して示すグラフである 。具体的に、図22は、各気筒間の気筒内最高� ��力のバラツキ(最大値と最小値との差)を示� �、図23は、各気筒間の圧縮自着火時期のバラ ツキを示し、図24は、各気筒間のノッキング� ��度(ノッキングのし易さ)のバラツキを示し� �いる。

 (a)の場合、いずれの燃焼パラメータにお� ��ても、各気筒間でバラツキが極めて大きく� ��っていることが分かる。これは、圧縮自着� ��できていない(失火が生じている)気筒が存� �したり、圧縮自着火時期が全く制御されて� �ないためと考えられる。これに対して、(b)� �場合、全ての気筒で圧縮自着火がなされて� �るため、(a)に比べて各燃焼パラメータのバ� �ツキは小さくなっている。更に、(c)の場合� �、全ての気筒において圧縮自着火時期が揃� �られているため、各燃焼パラメータのバラ� �キが小さく抑制されている。

 図25は、上記と同様の各条件において、� �効率を比較して示したグラフである。(a)の� �合は熱効率が非常に低くなっているが、(b)� �(c)の場合は、上記の如く各燃焼パラメータ� �バラツキが抑制された結果、熱効率が高め� �れている。特に、(c)の場合は、(a)の場合と� �べて極めて熱効率が高くなっていることが� �かる。

 図26は、上記と同様の各条件(a)(b)(c)にお� �て、未燃炭化水素(THC)の排出量を比較したグ ラフであり、図27は、同じく各条件(a)(b)(c)に� ��いて、一酸化炭素(CO)の排出量を比較したグ ラフである。これらの大気汚染物質の排出量 についても、(a)の場合は非常に多くなってい るが、(b)(c)の場合は、各燃焼パラメータのバ ラツキが抑制された結果、抑制することがで きている。特に、(c)の場合は、(a)の場合と比 べて極めて大気汚染物質の排出量が抑制され ていることが分かる。

 本発明は、上記実施形態に限定されるこ� ��なく適宜設計変更可能である。例えば、上� ��実施形態では4気筒の予混合圧縮自着火式エ ンジンを例示したが、気筒数は何ら限定され るものではない。