JP2019105201A - エンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的高圧縮比のエンジンやキャビティが小さいエンジンにおいて、ＡＷＳ実施時の着火性の向上および燃焼安定性を図る。【解決手段】エンジン１の排気通路５の排気浄化触媒５１と、燃焼室１７に備えられ、上面にキャビティ３３を有するピストン３と、複数の噴口の一部から噴射される燃料がキャビティ３３内に入り、その他の噴口から噴射される燃料がキャビティ３３外に向かうようなインジェクタ１８と、キャビティ３３内の混合気に点火するように配置された点火プラグ１９と、エンジン１を運転するコントローラ１０とを備え、燃焼室１７内には、スワール形成部２０ｃが設けられ、コントローラ１０は、排気浄化触媒５１の触媒温度が低い冷間時において、その他の噴口から噴射される噴霧がキャビティ３３に到達するようにスワール流の強さを制御するとともに、排気浄化触媒温度を上昇させるように点火プラグ１９に制御信号を出力する。【選択図】図２

Description

本発明はエンジンの制御装置、特に、エンジンの触媒早期暖機制御装置に関し、内燃機関のエミッション対策の技術分野に属する。

火花点火による燃焼を行うエンジンにおいて、排気通路に設けられた排気浄化触媒（以下、「触媒装置」という）の早期活性化を図るために、ＡＷＳ（Ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ Ｗａｒｍ−ｕｐ Ｓｙｓｔｅｍ）が用いられることがある。例えば、特許文献１には、ＡＷＳとして、エンジンの冷間始動直後で、前記触媒装置が未活性状態のときに、点火時期を圧縮上死点を超えてリタードさせることにより、混合気を膨張行程中に燃焼させ、これにより排気ガス温度および排気熱量を増大させて前記触媒装置の暖機を促進する技術が開示されている。

また、特許文献１には、上記のようなＡＷＳの実行での点火時期のリタードにともなう燃焼悪化を抑制するべく、ピストン上面に設けられた凹部状のキャビティに燃料を噴射することで、このキャビティに対応した位置に設けられた点火プラグ周りに混合気の燃料濃度がリッチな状態が形成されるものが開示されている。

ところで、近年、車両用エンジンについては、高出力化および高燃費性能化を目的として、ＳＰＣＣＩ（ＳＰａｒｋ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）燃焼の実用化が図られている。

このＳＰＣＣＩ燃焼は、燃焼室内の混合気を火花点火し、発生した火炎を周囲の混合気に伝播させるＳＩ（Ｓｐａｒｋ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）燃焼を開始させると、ＳＩ燃焼の発熱および火炎伝播による圧力上昇によって、その周囲の混合気を燃焼室内の全体で瞬間的に圧縮着火される。これによれば、ＣＩ（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）燃焼によって、燃焼室内の混合気が短期間で完全燃焼し、燃焼エネルギが効率よくトルクに変換される。

また、ＳＰＣＣＩ燃焼を実現するためには、燃焼室内に濃度が均一な混合気を形成するとともに、圧縮着火のために筒内温度を十分に高める必要がある。前者のためには、燃料噴射弁を燃焼室の上面中央に配置する。後者のためには、例えば筒内温度を１０００Ｋ以上とするため、従来の高圧縮比ガソリンの圧縮比よりもさらに高い例えば１６程度の圧縮比が必要とされる。

このようなエンジンでは、運転状態に応じて、ＳＰＣＣＩ燃焼を実施する運転領域と、ＳＩ燃焼が実施される領域とが設けられている。例えば、エンジンの負荷が高くなると、燃料噴射量が増えるとともに、燃焼室内の温度も高くなることから、ＳＰＣＣＩ燃焼を行おうとしても、ＳＩ燃焼の開始とともに、ＣＩ燃焼が発生してしまうため、高負荷の運転領域では、ＳＩ燃焼が実施される。

ところが、ＳＩ燃焼のみが行われる低回転高負荷の運転領域では、高圧縮化に起因してノッキングや過早着火等の異常燃焼が発生しやすくなる場合があり、この問題に対しては、燃料噴射時期をリタードさせるとともに、噴射された燃料を速やかに点火プラグに輸送（早期燃料輸送）することで、過早着火を回避する対策が取られる。

そして、ＳＰＣＣＩ燃焼のエンジンでは、上記のような早期燃料輸送の要請から、キャビティの少なくとも一部で点火プラグに対応した部位のキャビティを浅くすることで、キャビティの底部と点火プラグ周辺との距離が短縮されている。その結果、このキャビティに噴射された燃料が、点火プラグ付近に速やかに輸送される。

特開２０１４−１３６９８９号公報

しかし、例えば、上述のＳＰＣＣＩ燃焼用に構成されたキャビティの小さいエンジンにおいて、通常、ＳＩ燃焼が行われるＡＷＳを実施した場合、噴射時期がリタードされるため、点火プラグ周りに点火に必要なリッチ混合気を生成する必要がある。しかしながら、キャビティが小さいため、キャビティ内には、噴射された燃料の一部しか保持されず、混合気の着火性および燃焼が悪化する虞がある。

このような問題は、ＳＰＣＣＩ燃焼を行うエンジンに限らず、比較的高圧縮比のエンジンやキャビティが小さいエンジンにおいても同様に発生する可能性がある。

そこで、本発明は、上記のようなエンジンにおいて、ＡＷＳ実施時の着火性の向上および燃焼安定性を図ることを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明に係るエンジンの制御装置は次のように構成したことを特徴とする。

まず、請求項１に記載の発明は、
エンジンの排気通路に設けられた排気浄化触媒と、
前記エンジンの燃焼室に備えられ、上面にキャビティを有するピストンと、
複数の噴口を有し、該複数の噴口の一部は、燃料の噴射方向がキャビティを指向するように設けられ、その他の噴口は、燃料の噴射方向が前記キャビティ外を指向するように設けられたインジェクタと、
前記キャビティに臨んで配置された点火プラグと、
前記インジェクタおよび前記点火プラグそれぞれに接続され、かつ、前記インジェクタおよび前記点火プラグそれぞれに制御信号を出力することによって、前記エンジンを運転するように構成されたコントローラとを備えたエンジンの制御装置であって、
前記コントローラは、前記排気浄化触媒の触媒温度が低い冷間時において、前記排気浄化触媒の触媒温度を上昇させるべく、圧縮上死点近傍あるいはそれ以降に混合気に点火するように前記点火プラグに制御信号を出力し、
前記その他の噴口の少なくとも一部から噴射される噴霧が前記スワール流によって、前記キャビティに到達するように、前記燃焼室にスワール流を発生させるスワール形成部を設けることで、キャビティ内の混合気がキャビティ外の混合気よりもリッチ空燃比とされ、
前記点火プラグは、前記リッチ空燃比の混合気に点火することを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、前記請求項１に記載の発明において、
前記スワール形成部は、吸気通路に設けられたスワール制御弁であり、
前記コントローラは、前記エンジンの高回転時においては、低回転時に比べて、前記スワール流を強めるように制御することを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、前記請求項１に記載の発明において、
前記スワール形成部は、吸気通路に設けられたスワール制御弁であり、
前記コントローラは、燃料噴射時期から点火時期までの間のクランク角度が小さい場合には、前記クランク角度が大きい場合よりも前記スワール流を強めるように制御することを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、前記請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の発明において、
前記エンジンは、ステム部を有する吸気弁と、
ブローバイシステムとを備え、
前記コントローラは、失火判定手段を有し、
前記失火判定手段が失火を判定した場合には、スワール制御弁を前記スワール流を強めるように制御することを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、前記請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の発明において、
前記コントローラは、前記スワール制御弁の開度をスワール比２以上４未満になるように制御することを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、前記請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の発明において、
前記エンジンが、高負荷低回転の運転状態において、
前記コントローラは、圧縮行程後期以降に燃料噴射を行うように前記インジェクタに制御信号を出力するとともに、その後、点火するように点火プラグに制御信号を出力することを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、前記請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の発明において、
前記ピストンには、第２のキャビティが設けられており、前記キャビティは、第２のキャビティよりも小さいスモールキャビティであることを特徴とする。

また、請求項８に記載の発明は、前記請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の発明において、
前記エンジンの圧縮比は１４以上であることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、排気浄化触媒の温度を上昇させるためのＡＷＳ中においては、例えば、点火時期をリタードさせることで、排気温度を上昇させ、触媒の早期暖機を実現している。そして、キャビティに臨んだ点火プラグによって、キャビティ内の混合気に点火するが、キャビティ内には、インジェクタの複数の噴口のうち一部の噴口から噴射される燃料のみが入る構造であるため、点火時期をリタードさせたことによる着火性の悪化を補える程度の十分な燃料をキャビティ内に確保することができない。（キャビティ内にリッチ混合気を形成することができない。）

そこで、本発明では、複数の噴口のうち、キャビティ外に燃料を噴射する噴口の一部から噴射される燃料が、スワール形成部で形成されるスワール流によって、キャビティに向かうように制御されるので、キャビティ内の混合気をリッチ化することができる。その結果、キャビティ内の混合気に点火する点火プラグ付近にリッチ混合気が形成され、着火性を確保することができる。

請求項２に記載の発明によれば、エンジンの高回転時には、低回転時に比べてスワール流を強めているので、燃焼サイクルが短くキャビティ外に噴射された燃料噴霧をより早く輸送する必要がある高回転時においても、燃料噴霧がスワール流によって所定時期にキャビティに向かうように制御することができる。

その結果、例えば、燃料噴射時期から点火時期に至るまでの時期は、エンジンの運転状態（エンジンの回転数）によって異なるが、スワール流を制御することで、キャビティ外に噴射された燃料噴霧を、所定時期（例えば、点火時期）に点火プラグ周りに輸送することができ、着火性をより向上させることができる。

請求項３に記載の発明によれば、燃料噴射時期と、点火時期との間のクランク角度が短い場合は、前記クランク角度が長い場合よりも前記スワール流を強めるように制御しているので、前記クランク角度が短い場合においても、燃料噴霧が、スワール流によって所定時期にキャビティに向かうように制御することができる。

その結果、例えば、燃料噴射時期から点火時期に至るまでの時期との間のクランク角度は、エンジンの運転状態（回転数以外を含む）によって異なるが、スワール流を制御することで、キャビティ外に噴射された燃料噴霧を、所定時期（例えば、点火時期）に点火プラグ周りに輸送することができ、着火性をより向上させることができる。

ところで、例えば、吸気に混入したブローバイオイルと、ノッキング防止のための内部ＥＧＲにより燃焼室内のカーボンとが混合されるとともに、吸気弁のステム部にデポジットとして付着する。このデポジットがステム部に堆積すると、スワール流を弱めることになり、キャビティ外に噴射された燃料噴霧が、スワール流によって輸送されにくくなる場合があり、点火プラグ周りにリッチ混合気が形成できなくなる虞がある。

これに対して、請求項４に記載の発明によれば、コントローラが失火判定手段により失火を判定した場合には、スワール弁をスワール流を強めるように制御することで、弱まったスワール流の強さを補うことができ、エンジンが失火することを抑制できる。

請求項５に記載の発明によれば、スワール制御弁の開度を、エンジンの運転状態に応じてスワール比２以上４未満になるように制御することで、スワール流によって輸送されるキャビティ外に噴射された燃料噴霧を所定時期にキャビティに向かうように制御することができ、着火性を向上することができる。

請求項６に記載の発明によれば、クランク角が１°変化するのに要する時間が長くなる高負荷低回転時において、インジェクタは圧縮行程後期以降の遅いタイミングに燃料を噴射し、その後点、火プラグが点火をするように制御されている。これにより、燃料の反応の進みすぎによる過早着火が発生することを抑制することができる。

請求項７に記載の発明によれば、キャビティは、スモールキャビティとラージキャビティとからなり、スモールキャビティ近傍の混合気に点火するので、スモールキャビティは燃料噴射後にラージキャビティに比べて早く到達する。すなわち、燃料噴射後、燃料がキャビティに到達するまでの燃料輸送の時間を短縮することができるので、燃料噴射時期を遅らせることによって、燃料噴射時期から点火時期までの間の時間を短縮することができる。その結果、燃料噴射を遅らせることによる、過早着火を効果的に防止することができる。

請求項８に記載の発明によれば、ＳＰＣＣＩ燃焼を実施するために、エンジンの圧縮比を１４以上の高圧縮比にした場合においても、上述の効果を得ることができる。

本発明の実施形態に係るエンジンの制御装置の構成を示す図である。 同実施形態における燃焼室の構成を示す平面図および平面図におけるＸ−Ｘ断面図である。 同実施形態における燃焼室および吸気系の構成を示す平面図である。 （ａ）スワール比測定のためのリグ試験装置を示す説明図、および、（ｂ）セカンダリ通路の開口比率とスワール比との関係を示す図である。 同実施形態におけるエンジンの制御装置の構成を示すブロック図である。 エンジンの運転領域マップである。 各運転領域における燃料噴射時期、点火時期、および、燃焼波形を示す説明図である。 各運転領域における燃料噴射を行うときの燃焼室の状態を示す説明図である。 同実施形態におけるスワールによる燃料輸送の説明図である。 同実施形態においてＡＷＳ中のエンジンのスワールコントロールバルブの弁開度と燃焼安定性の実験結果である。 同実施形態における点火時期およびエンジン回転数に対するスワールコントロールバルブの弁開度のマップである。 同実施形態におけるスワールコントロールバルブの弁開度による燃料輸送のシミュレーション結果である。 同実施形態における（ａ）筒内圧の平均値を用いた軽度失火判定の説明図、（ｂ）軽度失火検知回数に応じたスワールコントロールバルブの弁開度を示す説明図である。 同実施形態における燃焼安定性を用いた軽度失火判定方法および軽度失火検知回数に応じたスワールコントロールバルブの弁開度を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態に係るエンジンの制御装置の詳細を説明する。

エンジンは、多気筒のエンジンであって、筒内噴射式エンジンである。エンジン１は、シリンダブロック１１と、その上方に配置されるシリンダヘッド１２とを備えている。シリンダブロック１１の内部に複数のシリンダ１３…１３が形成されている。図１および図２では、１つのシリンダ１３のみを示す。

シリンダ１３内には、ピストン３が摺動自在に内挿されている。ピストン３はコネクティングロッド１４を介してクランクシャフト１５に連結されている。クランクシャフト１５は、クランクケース１６に収納されている。ピストン３は、シリンダ１３およびシリンダヘッド１２とともに燃焼室１７を形成している。

シリンダヘッド１２には、燃焼室１７に開口する２つの吸気ポート２０ａ、２０ｂと、２つの排気ポート２１ａ、２１ｂとが形成されるとともに、上記両吸気ポート２０ａ、２０ｂをそれぞれ開閉する２つの吸気弁２２、２２と、上記両排気ポート２１ａ、２１ｂをそれぞれ開閉する２つの排気弁２３、２３と、燃焼室１７に燃料を噴射するインジェクタ１８と、燃焼室１７内の燃料を燃焼させるための点火プラグ１９とが取付けられている。インジェクタ１８は燃焼室１７の中央部に配置され、この位置から燃焼室１７内に直接燃料を噴射するようになっている。また、上記点火プラグ１９は燃焼室１７の周縁部に配置されている。

インジェクタ１８には、燃料供給システム（図示せず）が接続されている。燃料供給システムは、燃料を貯留するよう構成された燃料タンクと、燃料タンクとインジェクタ１８とを互いに連結する燃料供給路とを備えている。燃料供給路には、燃料ポンプとコモンレールとが介設している。燃料ポンプは、コモンレールに燃料を圧送する。燃料ポンプは、この構成例においては、クランクシャフト１５によって駆動されるプランジャー式のポンプである。コモンレールは、燃料ポンプから圧送された燃料を、高い燃料圧力で蓄えるよう構成されている。インジェクタ１８が開弁すると、コモンレールに蓄えられていた燃料が、インジェクタ１８の噴口から燃焼室１７の中に噴射される。燃料供給システムは、３０ＭＰａ以上の高い圧力の燃料を、インジェクタ１８に供給することが可能に構成されている。燃料供給システムの最高燃料圧力は、例えば１２０ＭＰａ程度にしてもよい。インジェクタ１８に供給する燃料の圧力は、エンジン１の運転状態に応じて変更してもよい。尚、燃料供給システムの構成は、前記の構成に限定されない。

エンジン１は、吸気弁２２と排気弁２３によって、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、排気行程からなる燃焼サイクルを実行する。吸気弁２２および排気弁２３は、それぞれの動作タイミングを、可変バルブタイミング機構としての可変吸気バルブ機構および可変排気バルブ機構によって可変に構成されている（図示せず）。なお、吸気ポート２０ａ、２０ｂには吸気通路４が接続されており、排気ポートには２１ａ、２１ｂ排気通路５が接続されている。

吸気通路４には、上流側から順に、外部から導入された吸気を浄化するエアクリーナー４１と、通過する吸気の量を調整するスロットルバルブ４２と、通過する吸気を昇圧させる過給機４３と、外気や冷却水により吸気を冷却するインタークーラー４４と、エンジン１に供給する吸気を一時的に蓄えるサージタンク４５と、が設けられている。

吸気通路４には、バイパス通路４６が接続されており、具体的には、過給機４３およびインタークーラー４４をバイパスするように、吸気通路４の過給機４３の上流部とインタークーラー４４の下流部とが互いに接続されている。バイパス通路４６には、バイパス通路４６を流れる吸気の量を調整するバイパス弁４７が設けられている。

吸気通路４には、吸気系に排気ガスの一部や未燃炭化水素およびオイルミストを導入し、これらを再燃焼させて無害化するようにするためのブローバイガス還元装置４８が設けられている。ブローバイガス還元装置４８は、スロットルバルブ４２より下流側の吸気通路４と、クランクケース１６内に形成されるクランク室１６ａの内部空間とを連通する新気導入通路４８ａ、および、シリンダヘッド１２内と、スロットルバルブ４２の上流における吸気路４とを連通するブローバイガス還元通路４８ｂとが設けられている。なお、新気導入通路４８ａにはスロットルバルブ４２の下流側の吸気負圧に応じて開度が変化するＰＣＶバルブ４８ｃが介装されている。

ブローバイガス還元装置４８は、新気導入通路４８ａからクランク室１６ａ内に新気を導入することでクランク室１６ａが加圧され、クランク室１６ａのブローバイガスをクランク室１６ａ上方のシリンダ１３、シリンダヘッド１２、および、ブローバイガス還元通路４８ｂを介して、スロットルバルブ４２上流の吸気通路４に還元する。

排気通路５には、排気ガスの浄化機能を有する触媒装置５１が設けられており、排気通路５上には、排気ガス（既燃ガス）の一部をＥＧＲガスとして吸気通路４に還流させるＥＧＲ装置５２が設けられている。ＥＧＲ装置５２は、上流側が上流側触媒５１ａと下流側触媒５１ｂとの間に接続され、下流端は、吸気通路４における過給機４３の上流に接続されたＥＧＲ通路５３と、ＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラー５４と、ＥＧＲ通路５３を流れるＥＧＲガス量を制御するＥＧＲバルブ５５とを有する。

ここで、図２を用いて、本実施形態におけるエンジン１の燃焼室１７周辺の構造について詳しく説明する。図２は圧縮行程後期のピストン位置を表している。

ピストン３の上面、つまり燃焼室１７の底面は、ほぼ平坦面である。ピストン３の上面には、キャビティ３０が形成されている。キャビティ３０は、ピストン３の上面から凹陥している。キャビティ３０は、インジェクタ１８に向かい合う。

キャビティ３０は、凸部３１を有している。凸部３１は、シリンダ１３の中心軸Ｘ１から排気側に少しずれた位置に設けられている。凸部３１は、キャビティ３０の底部から、シリンダ１３の中心軸Ｘ１に平行な軸Ｘ２に沿って上向きに緩やかに伸びている。

キャビティ３０は、凸部３１の周囲に設けられた凹状のラージキャビティ３２と、スモールキャビティ３３とで形成されている。ラージキャビティ３２は、凸部３１の排気側を囲むように設けられており、スモールキャビティ３３は、凸部３１の吸気側を囲むように設けられている。ラージキャビティ３２およびスモールキャビティ３３の周側面は、キャビティ３０の底面からキャビティ３０の開口に向かって噴射軸心Ｘ２に対して傾いている。ラージキャビティ３２およびスモールキャビティ３３の内径は、キャビティ３０の底部からキャビティ３０の開口に向かって次第に拡大する。

また、スモールキャビティ３３は、点火プラグ１９に対応する位置に設けられているとともに、ラージキャビティ３２よりも浅底となるように小さく形成されている。これにより、点火プラグ１９の周囲に混合気を輸送しやすい構成とされている。なお、「特許請求の範囲におけるキャビティ」は、このスモールキャビティ３３を示すものである。なお、前述のように、点火プラグ１９によって、スモールキャビティ３３内の混合気に着火するため、以下、スモールキャビティ３３を着火用キャビティ３３と記す。

シリンダヘッド１２の下面、つまり、燃焼室１７の天井面は、図２の下図に示すように、傾斜面１２ａと、傾斜面１２ｂとによって構成されている。傾斜面１２ａは、吸気側から軸Ｘ２に向かって上り勾配となっている。傾斜面１２ｂは、排気側から軸Ｘ２に向かって上り勾配となっている。燃焼室１７の天井面は、いわゆるペントルーフ形状である。

なお、燃焼室１７の形状は、図２に例示する形状に限定されるものではない。例えばキャビティ３０の形状、ピストン３の上面の形状、および、燃焼室１７の天井面の形状等は、適宜変更することが可能である。例えば、キャビティ３０は、シリンダ１３の中心軸Ｘ１に対して対称な形状にしてもよい。傾斜面１２ａと、傾斜面１２ｂとは、シリンダ１３の中心軸Ｘ１に対して対称な形状にしてもよい。

エンジン１の圧縮比（圧縮比＝ピストンが下死点にあるときのシリンダの容積／ピストンが上死点にあるときのシリンダの容積）は、１３以上２０以下に設定されている。好ましくは１４以上である。後述するようにエンジン１は、一部の運転領域において、ＳＩ燃焼とＣＩ燃焼とを組み合わせたＳＰＣＣＩ燃焼を行う。ＳＰＣＣＩ燃焼は、ＳＩ燃焼による発熱と火炎伝播による圧力上昇を利用して、ＣＩ燃焼を行う。

シリンダヘッド１２には、シリンダ１３ごとに、インジェクタ１８が取り付けられている。インジェクタ１８は、燃焼室１７の中に燃料を直接噴射するよう構成されている。インジェクタ１８は、吸気側の傾斜面１２ａと排気側の傾斜面１２ｂとが交差するペントルーフの谷部において、燃焼室１７内に臨んで配設されている。インジェクタ１８は、図２に示すように、その噴射軸心Ｘ２が、シリンダの中心軸Ｘ１に平行に配設されている。インジェクタ１８の噴射軸心Ｘ２と、キャビティ３０の凸部３１の位置とは一致している。インジェクタ１８は、キャビティ３０に対向している。なお、インジェクタ１８の噴射軸心Ｘ２は、シリンダ１３の中心軸Ｘ１と一致していてもよい。その場合も、インジェクタ１８の噴射軸心Ｘ２と、キャビティ３０の凸部３１の位置とは一致していることが望ましい。

インジェクタ１８は、複数の噴口（図示せず）を有する多噴口型の燃料噴射弁によって構成されている。インジェクタ１８は、図２に二点鎖線で示すように、燃料噴霧が、燃焼室１７の中央から放射状に広がりかつ、燃焼室１７の天井部から斜め下向きに広がるように燃料を噴射する。各噴口のインジェクタ１８の噴射軸心Ｘ２に対する噴射角θは、３０度以上６０度以内の範囲であり、好ましくは４５度である。インジェクタ１８は、本実施形態においては、１０個の噴口を有しており、噴口は、周方向に等角度に配置されている。各噴口から噴射される燃料噴霧の軸の中心線Ｌ１〜Ｌ１０を図２に示している。なお、噴口の個数は１０個に限らない。例えば、８個〜１６個の範囲で適宜設定可能である。

噴口の軸の中心線Ｌ１、および中心線Ｌ２は、後述する点火プラグ１９に対して、周方向に位置がずれている。つまり、点火プラグ１９は、隣り合う二つの噴口の軸の中心線Ｌ１、Ｌ２に挟まれている。これにより、インジェクタ１８から噴射された燃料噴霧が、点火プラグ１９に直接当たって、電極を濡らしてしまうことが回避される。

また、複数の噴口のうち、点火プラグ１９を挟む軸の中心線Ｌ１、Ｌ２の噴口から噴射される燃料噴霧は、着火用キャビティ３３内に入り、その他の中心線Ｌ３〜Ｌ１０の噴口から噴射される燃料噴霧は、着火用キャビティ３３外に向かうように配置されている。すなわち、着火用キャビティ３３に向かうように配置された噴口の数が、着火用キャビティ３３外に向かうように配置された噴口の数よりも小さい。

シリンダヘッド１２には、シリンダ１３ごとに、点火プラグ１９が取り付けられている。点火プラグ１９は、燃焼室１７の中の混合気に強制的に点火をする。点火プラグ１９は、この構成例では、図２にも示すように、シリンダ１３の中心軸Ｘ１を挟んだ吸気側に配設されている。点火プラグ１９は、インジェクタ１８に隣接している。点火プラグ１９は、２つの吸気ポート２０の間に位置している。点火プラグ１９は、上方から下方に向かって、燃焼室１７の中央に近づく方向に傾いて、シリンダヘッド１２に取り付けられている。点火プラグ１９の電極は、燃焼室１７の中に臨んでかつ、燃焼室１７の天井面の付近に位置している。

エンジン１は、燃焼室１７内にスワール流を発生させるスワール発生部を有している。このスワール発生部は、図３に示すように、吸気ポート２０に取り付けられたスワールコントロールバルブ２０ｃである。スワールコントロールバルブ２０ｃは、第１吸気ポート２０ａにつながるプライマリ通路２０ｄと、第２吸気ポート２０ｂにつながるセカンダリ通路２０ｅの内、セカンダリ通路２０ｅに配設されている。

スワールコントロールバルブ２０ｃは、セカンダリ通路２０ｅの断面を絞ることができる開度調整弁である。スワールコントロールバルブ２０ｃの開度が小さいと、エンジン１の前後方向に並んだ第１吸気ポート２０ａおよび第２吸気ポート２０ｂの内、第１吸気ポート２０ａから燃焼室１７に流入する吸気流量が相対的に増えかつ、第２吸気ポート２０ｂから燃焼室１７に流入する吸気流量が相対的に減るから、燃焼室１７内のスワール流が強くなる。

スワールコントロールバルブ２０ｃの開度が大きいと、第１吸気ポート２０ａおよび第２吸気ポート２０ｂのそれぞれから燃焼室１７に流入する吸気流量が、略均等になるから、燃焼室１７内のスワール流が弱くなる。スワールコントロールバルブ２０ｃを全開にすると、スワール流が発生しない。なお、スワール流は、矢印で示すように、図３における反時計方向に周回する（図２の白抜きの矢印も参照）。

なお、スワール発生部は、吸気通路４にスワールコントロールバルブ２０ｃを取り付ける代わりに、又は、スワールコントロールバルブ２０ｃを取り付けることに加えて、二つの吸気弁２２、２２の開弁期間をずらし、一方の吸気弁２２のみから燃焼室１７の中に吸気を導入することができる構成を採用してもよい。二つの吸気弁２２の内の一方の吸気弁２２のみが開弁することによって、燃焼室１７の中に不均等に吸気を導入することができるから、燃焼室１７の中にスワール流を発生させることができる。さらに、スワール発生部は、吸気ポート２０の形状を工夫することによって、燃焼室１７の中にスワール流を発生させように構成してもよい。

ここで、スワール比を定義すると、「スワール比」は、吸気流横方向角速度をバルブリフトごとに測定して積分した値を、エンジン角速度で除した値である。吸気流横方向角速度は、図４（ａ）に示すリグ試験装置を用いた測定に基づいて求めることができる。具体的には、同図に示す装置は、基台にシリンダヘッド１２を上下反転して設置して、吸気ポート２０を図外の吸気供給装置に接続する一方、そのシリンダヘッド１２上にシリンダ３５を設置すると共に、その上端にハニカム状ロータ３６を有するインパルスメータ３７を接続して構成されている。インパルスメータ３７の下面は、シリンダヘッド１２とシリンダブロックとの合わせ面から１．７５Ｄ（なお、Ｄはシリンダボア径）の位置に位置づけている。吸気供給に応じてシリンダ３５内に生じるスワール（図４（ａ）の矢印参照）によって、ハニカム状ロータ３６に作用するトルクをインパルスメータ３７によって計測し、それに基づいて、吸気流横方向角速度を求めることができる。

図４（ｂ）は、このエンジン１におけるスワールコントロールバルブ２０ｃの開度と、スワール比との関係を示している。図４（ｂ）は、スワールコントロールバルブ２０ｃの開度を、セカンダリ通路２０ｅの全開断面に対する開口比率によって表している。スワールコントロールバルブ２０ｃが全閉のときに、セカンダリ通路２０ｅの開口比率は０％となり、スワールコントロールバルブ２０ｃの開度が大きくなると、セカンダリ通路２０ｅの開口比率が０％よりも大きくなる。スワールコントロールバルブ２０ｃが全開のときに、セカンダリ通路２０ｅの開口比率は１００％となる。図４（ｂ）に例示するように、このエンジン１は、スワールコントロールバルブ２０ｃを全閉にすると、スワール比は６程度になる。

制御装置は、エンジン１を運転するためのＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１０を備えている。

ＥＣＵ１０には、図５に示すように、各種のセンサＳ１〜Ｓ４が接続されている。センサＳ１〜Ｓ４は、検知信号をＥＣＵ１０に出力する。センサには、以下のセンサが含まれる。

図５に示すように、本実施形態にかかる車両には、エンジンの回転数を検出するためのエンジン回転数センサＳ１と、クランクシャフトの回転角を検出するためのクランク角センサＳ２と、運転者のアクセル操作の有無およびアクセル操作量を検出するためのアクセルポジションセンサＳ３と、触媒装置の温度を検出する触媒温度センサＳ４とが設けられている。ＥＣＵ１０は、これらの各種センサと相互に電気的に接続されている。

ＥＣＵ１０は、これらの検知信号に基づいて、エンジン１の運転状態を判断すると共に、各デバイスの制御量を計算する。ＥＣＵ１０は、計算をした制御量に係る制御信号を、インジェクタ１８、点火プラグ１９、スロットルバルブ４２、ＥＧＲバルブ５５、エアバイパスバルブ４７、および、スワールコントロールバルブ２０ｃに出力する。例えば、ＥＣＵ１０は、図示しない第１圧力センサおよび第２圧力センサの検知信号から得られる過給機４３の前後差圧に基づいてエアバイパスバルブ４７の開度を調整することにより、過給圧を調整する。また、ＥＣＵ１０は、図示しないＥＧＲ差圧センサの検知信号から得られるＥＧＲバルブ５５の前後差圧に基づいてＥＧＲバルブ５５の開度を調整することにより、燃焼室１７の中に導入する外部ＥＧＲガス量を調整する。

ＥＣＵ１０は、車両に設けられた前記各種センサから入力される種々の情報に基づき、エンジン１の通常運転を制御するほか、エンジン１の冷間始動時に、触媒装置５１が未活性状態の時は、触媒装置５１の早期活性化を図るＡＷＳを実行する。

なお、上述のセンサおよび各デバイスは、本発明の触媒の早期暖機制御に関わるものを示しており、ＥＣＵ１０に接続されるセンサおよびデバイスは、上述のものに限らない。

図６は、エンジン１の運転領域を示している。エンジン１の運転領域は、負荷及び回転数によって定められており、負荷の高低および回転数の高低に対し、４つの領域に分けられる。具体的には、低中回転領域Ａと、中回転よりも回転数の高い高回転領域Ｂに分けられ、低中回転領域Ａはさらに、低中負荷低中回転領域Ａ１、高負荷低回転領域Ａ２と、高負荷中回転領域Ａ３とに分けられる。

ここで、低回転領域、中回転領域、および、高回転領域はそれぞれ、エンジン１の全運転領域を回転数方向に、低回転領域、中回転領域および高回転領域の略三等分にしたときの、低回転領域、中回転領域、および、高回転領域とすればよい。図６の例では、回転数Ｎ１未満を低回転、回転数Ｎ２以上を高回転、回転数Ｎ１以上Ｎ２未満を中回転としている。回転数Ｎ１は、例えば１２００ｒｐｍ、回転数Ｎ２は、例えば４０００ｒｐｍとしてもよい。なお、図６における二点鎖線は、エンジン１のロード−ロードライン（Ｒｏａｄ−ＬｏａｄＬｉｎｅ）を示している。

エンジン１は、燃費の向上および排出ガス性能の向上を主目的として、低中負荷低中回転領域Ａ１、および、高負荷中回転領域Ａ３において、ＳＰＣＣＩ燃焼を行う。エンジン１はまた、その他の領域、具体的には、高負荷低回転領域Ａ２、および、高回転領域Ｂにおいては、ＳＩ燃焼を行う。以下、低中負荷低中回転領域Ａ１、および、高負荷中回転領域Ａ３、高負荷低回転領域Ａ２、および、高回転領域Ｂの各領域におけるエンジン１の制御について、図７に示す、各運転領域における燃料噴射時期および点火時期を参照しながら詳細に説明をする。

図７（ａ）には、エンジン１が、低中負荷低中回転領域Ａ１および高負荷中回転領域Ａ３で運転しているときの燃料噴射時期Ａ１１、Ａ１２、点火時期Ａ１３、および、燃焼波形Ａ１４（クランク角に対する熱発生率の変化を示す波形）の一例が示されている。

エンジン１は、低中負荷低中回転領域Ａ１および高負荷中回転領域Ａ３において運転しているときに、ＣＩ燃焼を行う。自己着火による燃焼は、圧縮開始前の燃焼室の中の温度がばらつくと、自己着火のタイミングが大きく変化する。そこで、エンジン１は、低中負荷低中回転領域Ａ１および高負荷中回転領域Ａ３において、ＳＩ燃焼とＣＩ燃焼とを組み合わせたＳＰＣＣＩ燃焼を行う。

ＳＰＣＣＩ燃焼は、点火プラグ１９が着火用キャビティ３３内の混合気に強制的に点火をすることによって、混合気が火炎伝播によりＳＩ燃焼するとともに、ＳＩ燃焼の発熱により燃焼室１７内の温度が高くなりかつ、火炎伝播により燃焼室の中の圧力が上昇することによって、未燃混合気が自己着火によるＣＩ燃焼をする。

低中負荷低中回転領域Ａ１および高負荷中回転領域Ａ３のＳＰＣＣＩ燃焼では、インジェクタ１８は、前段噴射Ａ１１と後段噴射Ａ１２との２回に分けて、燃焼室１７内に燃料を噴射する。前段噴射Ａ１１は、例えば吸気行程の前半に燃料を噴射開始し、後段噴射Ａ１２は、例えば圧縮行程の後期に行う。吸気行程の前半および後半はそれぞれ、吸気行程をクランク角度に関して二等分したときの前半および後半とすればよい。前段噴射Ａ１１は、例えば圧縮上死点ＴＤＣ前２８０°ＣＡで開始し、後段噴射Ａ１２は、例えば圧縮上死点ＴＤＣ前１０°ＣＡで開始しても良い。

そして、点火プラグ１９が、後段噴射Ａ１２後、かつ、圧縮上死点ＴＤＣ付近の前の所定のタイミングで混合気に点火Ａ１３する。点火プラグ１９は、例えば圧縮上死点以降に点火を行う。これにより、火炎伝播によるＳＩ燃焼が開始する。ＳＩ燃焼時の熱発生は、ＣＩ燃焼時の熱発生よりも穏やかである。したがって、熱発生率の波形は、立ち上がりの傾きが相対的に小さくなる。

ＳＩ燃焼によって燃焼室１７内の温度および圧力が高まると、未燃混合気が自己着火する。図７（ａ）の例では、自己着火のタイミングで熱発生率の波形の傾きが、小から大へと変化している。つまり、熱発生率の波形は、ＣＩ燃焼が開始するタイミングで、変曲点を有している。

ＣＩ燃焼が終了することによって、ＳＰＣＣＩ燃焼が終了する。ＣＩ燃焼は、ＳＩ燃焼に比べて、燃焼期間が短い。ＳＰＣＣＩ燃焼は、ＳＩ燃焼よりも、燃焼終了時期が速まるため、膨張行程中の燃焼終了時期を、圧縮上死点に近づけることができる。したがって、ＳＰＣＣＩ燃焼は、ＳＩ燃焼よりも、エンジンの燃費性能の向上に有利である。

また、図２および図８（ａ）に示すように、インジェクタ１８は、燃焼室１７の中央部から径方向外方に向かって、放射状に燃料を噴射する。インジェクタ１８が、吸気行程の後半の期間内において前段噴射Ａ１１を行うと、ピストン３が上死点ＴＤＣから離れているため、噴射した燃料噴霧は、ピストン３の上面のラージキャビティ３２および着火用キャビティ３３の外に到達する。前段噴射Ａ１１によって噴射された燃料は、ピストン３の上面の外周部に混合気を形成する。

インジェクタ１８が、圧縮行程の後期の期間内において後段噴射Ａ１２を行うと、図８（ａ）の仮想線で示すように、ピストン３が上死点ＴＤＣに近いため、噴射した燃料噴霧は、着火用キャビティ３３の中に入る。

その後、圧縮上死点ＴＤＢの前の所定のタイミングで、点火プラグ１９が混合気に点火することによって、混合気は、火炎伝播によりＳＩ燃焼する。火炎伝播による燃焼の開始後、未燃混合気が自己着火して、ＣＩ燃焼する。後段噴射Ａ１２によって噴射された燃料は、主にＳＩ燃焼する。前段噴射Ａ１１によって噴射された燃料は、主にＣＩ燃焼する。

なお、低中負荷低中回転領域Ａ１および高負荷中回転領域Ａ３において運転するときの、燃料噴射Ａ１１、Ａ１２時期および噴射回数は、エンジン１の負荷の高低に応じて変更されてもよい。

図７（ｂ）には、エンジン１が高負荷低回転領域Ａ２の運転状態にて運転しているときの燃料噴射Ａ２１時期、点火Ａ２２時期、および、燃焼波形Ａ２３の一例を示している。

エンジン１の回転数が低いと、クランク角が１°変化するのに要する時間が長くなる。高負荷低回転領域Ａ２において、低中負荷低中回転領域Ａ１、および高負荷中回転領域Ａ３と同様に、例えば吸気行程や圧縮行程の前半に、燃焼室１７内に燃料を噴射すると、燃料の反応が進みすぎてしまって過早着火をまねく虞がある。エンジン１が高負荷低回転領域Ａ２において運転しているときには、図７（ａ）のＳＰＣＣＩ燃焼や、後述する図７（ｃ）のＳＩ燃焼を行うことが困難になる。

そこで、エンジンが高負荷低回転領域Ａ２において運転しているときに、エンジン１は、リタードＳＩ燃焼を行う。具体的に、ＥＣＵ１０は、３０ＭＰａ以上の高い燃料圧力でかつ、圧縮行程後期から膨張行程前期までの期間（以下、この期間をリタード期間と呼ぶ）内のタイミングで、燃焼室１７内に燃料を噴射するよう、燃料供給システムおよびインジェクタ１８に制御信号を出力する。ＥＣＵ１０はまた、燃料の噴射後、圧縮上死点付近のタイミングで、混合気に点火を行うよう、点火プラグ１９に制御信号を出力する。なお、以下においては、高い燃料圧力でかつ、リタード期間内のタイミングで、燃焼室１７の中に燃料を噴射することを、高圧リタード噴射と呼ぶ。高圧リタード噴射は、混合気が反応する時間を短くすることによって、異常燃焼を回避する。すなわち、混合気が反応する時間は、（１）インジェクタが燃料を噴射する期間（つまり、噴射期間）と、（２）燃料の噴射が終了した後、点火プラグの周りに可燃混合気が形成されるまでの期間（つまり、混合気形成期間）と、（３）点火によって開始されたＳＩ燃焼が終了するまでの期間（つまり、燃焼期間）と、を足し合わせた時間である。高い燃料圧力で、燃焼室の中に燃料を噴射すると、噴射期間および混合気形成期間は、それぞれ短くなる。噴射期間及び混合気形成期間が短くなると、燃料の噴射を開始するタイミングを点火タイミングに近づけることが可能になる。高圧リタード噴射は、高い圧力でかつ、燃焼室１７の中に燃料を噴射するから、圧縮行程後期から膨張行程前期までのリタード期間内のタイミングで、燃料噴射を行う。高い燃料圧力で燃焼室１７の中に燃料を噴射すると、燃焼室１７の中の乱流エネルギが高くなる。燃料噴射のタイミングを圧縮上死点に近づけると、燃焼室１７の中の乱流エネルギが高い状態でＳＩ燃焼を開始することができる。その結果、燃焼期間が短くなる。高圧リタード噴射は、噴射期間、混合気形成期間、および、燃焼期間をそれぞれ短くすることができる。吸気行程中に燃焼室１７の中に燃料を噴射する場合と比較して、高圧リタード噴射は、混合気が反応する時間を大幅に短くすることができる。高圧リタード噴射は、混合気が反応する時間が短くなるから、異常燃焼を回避することが可能になる。

すなわち、エンジン１が高負荷低回転領域Ａ２において運転するときに、インジェクタ１８は、前段噴射Ａ２１と後段噴射Ａ２２との２回に分けて、燃焼室１７内に燃料を噴射する。前段噴射Ａ２１は、例えば吸気行程の前半に行い、後段噴射Ａ２２は、例えば圧縮行程後期から膨張行程前期までの期間内のタイミングにおこなう。圧縮行程の後期は、圧縮行程を前期、中期および後期に三等分したときの後期とすればよい。また、膨張行程の前期は、膨張行程を、前期、中期および後期に三等分したときの前期とすればよい。このように、燃料の噴射時期を遅い時期にすることにより、過早着火を回避することが可能になる（以下、「リタードＳＩ燃焼」という）。

点火プラグ１９は、燃料の噴射後、圧縮上死点ＴＤＣ付近のタイミングで、混合気に点火を行う。点火プラグ１９は、例えば圧縮上死点ＴＤＣ後に点火を行ってもよい。混合気は、膨張行程においてＳＩ燃焼をする。ＳＩ燃焼が膨張行程において開始するため、ＣＩ燃焼は開始しない。

なお、インジェクタ１８は、過早着火を回避するために、エンジン１の回転数が低くなるほど、燃料噴射時期をリタードする。燃料噴射は、膨張行程において終了する場合もある。

また、エンジン１が高負荷低回転領域Ａ２において運転するときには、燃料の噴射開始から点火までの時間（Ａ２１〜Ａ２２）が短い。混合気の着火性の向上およびＳＩ燃焼の安定化のためには、燃料を速やかに点火プラグ付近に輸送する必要がある。

図８（ｂ）に示すように、圧縮行程後期から膨張行程前期の期間において、インジェクタ１８が燃料を噴射すると、ピストン３が圧縮上死点ＴＤＣの近くに位置しているため、中心線Ｌ１の噴口から噴射された燃料噴霧Ａは、凸部３１に沿って下向きに流れるとともに、着火用キャビティ３３の底面および周側面に沿って、燃焼室１７の中央部から径方向の外方に放射状に向かって流れる。その後、混合気は着火用キャビティ３３の開口に至り、吸気側の傾斜面１２ａに沿って径方向の外方から、燃焼室１７の中央に向かって流れる。したがって、燃料噴霧Ａを、速やかに点火プラグ１９の付近に輸送することができる。

図７（ｃ）は、エンジンが高回転領域Ｂにおいて運転しているときの燃料噴射Ｂ１１時期、点火Ｂ１２時期、および、燃焼波形Ｂ１３それぞれの一例を示している。

エンジン１の回転が高いと、クランク角が１°変化するのに要する時間が短くなる。そのため、高回転領域Ｂにおいて、前述したように、圧縮行程中に分割噴射を行うことにより、燃焼室１７内において混合気の成層化をすることが困難になる。エンジン１の回転数高くなると、前述したＳＰＣＣＩ燃焼を行うことが困難になる。

そのため、高回転領域Ｂにおいて運転しているときには、エンジン１は、ＳＰＣＣＩ燃焼ではなく、ＳＩ燃焼を行う。なお、高回転領域Ｂは、低負荷から高負荷まで負荷方向の全域に広がっている。

エンジン１は、高回転領域Ｂにおいて運転するときに、インジェクタ１８は、吸気行程に燃料噴射を開始する。インジェクタ１８は、燃料を一括で噴射する。なお、図７（ｃ）に示す運転状態の例では、エンジン１の負荷が高いため、燃料噴射量が多い。燃料の噴射量に応じて燃料の噴射期間は変化する。吸気行程中に燃料噴射を開始することによって、燃焼室１７の中に、均質または略均質な混合気を形成することが可能になる。また、エンジンの回転数が高いときに、燃料の気化時間をできるだけ長く確保することができるため、未燃損失の低減および煤の発生の抑制を図ることもできる。

点火プラグ１９は、燃料の噴射終了後、圧縮上死点ＴＤＣ前の所定のタイミングで混合気に点火を行う。

上記の運転状態に加え、エンジンの制御においては、アイドル運転時に実施するＡＷＳ領域における運転状態が備えられている。ＡＷＳ制御は、いわゆるＡＷＳ（Ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ Ｗａｒｍ−ｕｐ Ｓｙｓｔｅｍ）制御であって、触媒の温度が低い場合にこれらを早期に暖機して活性化させるための制御を実行する。なお、本実施形態では、触媒装置５１の上流側触媒５１ａを基準にこの制御を実行するが、この制御の実行によって上流側触媒５１ａと合わせて下流側触媒５１ａも早期暖機される。以下、ＡＷＳ制御内容を説明する。まず、第１ステップとして、触媒温度推定部で推定された推定触媒温度Ｔｃａｔおよび車速を読み込む。触媒温度推定部は、エンジンの運転状態（エンジン水温、エンジン負荷、エンジン回転）から推定される排ガスの温度に、上流側触媒５１ａ内での排ガスの温度上昇量を加えることで、上流側触媒５１ａの温度を推定する。次に、第２ステップとして、推定触媒温度Ｔｃａｔが予め設定されたＡＷＳ実施温度Ｔｃａｔ＿ＡＷＳ未満か否かを判定する。ＡＷＳ実施温度Ｔｃａｔ＿ＡＷＳは、上流側触媒５１ａがライトオフするとき（上流側触媒５１ａの浄化率が５０％となるとき）の上流側触媒５１ａの温度であり、実験等によって予め設定されている。この判定がＮＯであって、推定触媒温度ＴｃａｔがＡＷＳ実施温度Ｔｃａｔ＿ＡＷＳ以上であり、上流側触媒５１ａがライトオフしている場合はＡＷＳ制御を実施することなく処理を終了する。一方、ステップＳ１２の判定がＹＥＳであって、推定触媒温度ＴｃａｔがＡＷＳ実施温度Ｔｃａｔ＿ＡＷＳ未満であり触媒５１ａがライトオフしていない場合は第３ステップに進む。

第３ステップでは、車速が予め設定されたＡＷＳ許可速度以下か否かを判定する。本実施形態では、ＡＷＳ許可速度は０付近の値に設定されている。この判定がＮＯの場合、すなわち、車速がＡＷＳ許可速度より大きい場合は、そのまま処理を終了する。

一方、第３ステップの判定がＹＥＳであって車速がＡＷＳ許可速度以下の場合は第４ステップに進み、ＡＷＳ制御を実施する。具体的には、第４ステップでは、各気筒の空気充填量を増大させ、点火時期をリタードする。詳細には、各気筒の空気充填量を、基本制御実行時の充填量よりも増大させる。本実施形態では、スロットル弁の開度を基本スロットル弁開度よりも開き側にすることで各気筒の充填量を増大させる。また、点火時期を、後述するように、基本点火時期よりもリタードする。このように点火時期を遅角させると、排ガスの温度が上昇して高温の排ガスが上流側触媒５１ａに導入されるため上流側触媒５１ａを昇温して活性化することができる。しかも、各気筒の充填量が増大されていることで、トルクおよびエンジン回転数を維持することができる。

図７（ｄ）は、エンジン１がＡＷＳ実施のときの燃料噴射時期ＡＷＳ１１（第１燃料噴射時期）、燃料噴射ＡＷＳ１２時期（第２燃料噴射時期）、点火ＡＷＳ１３時期、および、燃焼波形ＡＷＳ１４の一例を示している。

エンジン始動直後等の触媒温度が低い場合、かつ、エンジン１がアイドル状態である場合、触媒の早期暖機のためのＡＷＳが実施される。そのため、前述の高負荷低回転領域Ａ２と同様に、エンジン１の回転数が低いと、クランク角が１°変化するのに要する時間が長くなる。例えば吸気行程や圧縮行程の前半に、燃焼室内に全燃料を噴射すると、燃料の反応が進みすぎてしまって過早着火をまねく虞がある。エンジン１がＡＷＳを行っているときには、ＳＰＣＣＩ燃焼を行うことが困難になる。

そこで、エンジン１がＡＷＳを実行しているときに、エンジン１は、ＳＰＣＣＩ燃焼ではなく、ＳＩ燃焼を行う。

エンジン１は、ＡＷＳを実施するときに、点火プラグ１９は、点火ＡＷＳ１３時期を圧縮上死点ＴＤＣ後にリタードさせて、膨張行程の所定のタイミングで混合気に点火を行う。すなわち、排気損失を発生させて、触媒を早期に暖機させる燃焼効率の悪い膨張行程において点火が行われる。

さらに、この着火性の悪化を補うため、第２燃料噴射時期ＡＷＳ１２をリタードＳＩ燃焼Ａ２の領域よりもさらに遅らせる、例えば、圧縮上死点近傍、あるいは、それ以降から膨張行程の前半（例えば、圧縮上死点前１０°ＣＡ〜圧縮上死点後４０°ＣＡ）で、燃料噴射による燃焼室１７内の強い乱流状態を点火ＡＷＳ１３時期まで継続できるように制御されている。これにより、着火性が確保されるとともに、ＳＩ燃焼の燃焼速度が高まり、ＳＩ燃焼が安定する。なお、第２燃料噴射ＡＷＳ１２時期をリタードさせることで、過早着火も防止されている。本実施形態では、圧縮比が１４以上の高圧縮のため、リタード燃焼が速やかに行われる、言い換えると燃焼期間が短いため、十分なエンジントルクを確保できる。

また、ＡＷＳ実施中においても、高負荷低回転領域Ａ２のリタードＳＩ燃焼よりも、燃料噴射開始から点火までの時間（ＡＷＳ１２〜ＡＷＳ１３）が短い。混合気の着火性の向上およびＳＩ燃焼の安定化のためには、燃料を速やかに点火プラグ１９付近に輸送する必要があるとともに、第２燃料噴射ＡＷＳ１２によって形成された強い乱流状態が保たれている時期に点火プラグ１９による点火を行うためである。具体的には、第２燃料噴射時期ＡＷＳ１２と点火時期ＡＷＳ１３との間隔は、２０°ＣＡ以内とされる。

図８（ｂ）に示すように、圧縮上死点近傍、あるいは、それ以降から膨張行程の前半の期間において、インジェクタ１８が燃料を噴射すると、リタードＳＩ燃焼と同様に、ピストン３が圧縮上死点ＴＤＣの近くに位置しているため、燃料噴霧Ａは、凸部３１に沿って下向きに流れるとともに、着火用キャビティ３３の底面および周側面に沿って、燃焼室１７の中央から径方向の外方に放射状に向かって流れる。その後、混合気は着火用キャビティ３３の開口に至り、吸気側の傾斜面１２ａに沿って径方向の外方から、燃焼室１７の中央に向かって流れる。したがって、噴射された燃料噴霧Ａを、速やかに点火プラグ１９周りに輸送することができる。

また、インジェクタ１８の複数の噴口から噴射される燃料噴霧は、図２に示すように、中心線Ｌ１、Ｌ２の噴口から噴射される燃料噴霧が着火キャビティ３３内に入り、その他の中心線Ｌ３〜Ｌ１０の噴口から噴射される燃料噴霧は、燃料噴射当初は、着火キャビティ３３外へ向かう。

上述のように、ＡＷＳでは、点火時期をリタードさせる制御を実施するので、点火時期が効率の悪い膨張行程となるため、点火プラグ１９周りの燃料をリッチ化する必要がある。

したがって、本実施形態では、燃焼室１７内にスワール流を形成することよって、中心線Ｌ３の噴口から噴射される３本目の燃料噴霧を、点火時期に合わせて着火用キャビティ３３内へ輸送するように構成されている。

図９を用いて、上述のスワール流による燃料噴霧の輸送を説明する。なお、図９は、スワール流による燃料噴霧の輸送を模式的に示したものである。

燃焼室１７内にスワール流を発生させると、図９に白抜きの矢印で示すように、燃焼室１７の外周部Ｚ１は強いスワール流れとなり、中央部Ｚ２のスワール流は相対的に弱くなる。

本実施形態において、スワール流は、複数の噴口から放射状に噴射される燃料噴霧のうち、噴射される燃料噴霧が着火用キャビティ３３に入らず、かつ、着火用キャビティ３３に近接するとともに着火用キャビティ３３に対してスワール流の上流側の中心線Ｌ３の噴口から噴射される燃料噴霧Ｆを、着火用キャビティ３３へ輸送する。

具体的には、中心線Ｌ３の噴口から噴射される燃料噴霧Ｆのうち、燃焼室１７の外周部Ｚ１に到達する外周側燃料噴霧Ｆ１は、燃焼室１７の外周部Ｚ１の強いスワール流に乗るとともに、空気抵抗を受けながら燃焼室１７中央部Ｚ２側の点火プラグ１９周りに輸送される。一方、軸Ｌ３の噴口から噴射される燃料噴霧のうち、燃焼室１７の中央部Ｚ２側の中央側燃料噴霧Ｆ２は、燃焼室１７の中央部Ｚ２の比較的弱いスワール流に乗って点火プラグ１９周りに輸送される。

このとき、両者Ｆ１、Ｆ２の輸送距離は、中央側燃料噴霧Ｆ２よりも外周側燃料噴霧Ｆ１の方が長くなるが、前述のように、外周部Ｚ１に発生するスワール流の速度は、内周部Ｚ２に発生するスワール流よりも相対的に速いため、外周側燃料噴霧Ｆ１が着火用キャビティ３３に到達することが遅れることが抑制される。

なお、燃焼室１７内の中央部Ｚ２は、点火プラグ１９が配置されている部分であり、外周部Ｚ１は中央部Ｚ２の周囲であって、シリンダ１３のライナーに接する部分である。燃焼室１７内の中央部Ｚ２は、スワール流が弱い部分、外周部Ｚ１はスワール流が強い部分と定義してもよい。

ここで、上述のようなスワール流を利用した燃料噴霧の輸送の制御により、ＡＷＳ中における燃焼安定性の良いスワール比を探索すべく、実験を行った。図１０に、実験結果を示す。

この実験では、エンジン回転数を１４００ｒｐｍ、点火時期を３８８°とし、燃料噴射時期を圧縮行程後期（ＴＤＣ−２０ｄｅｇ〜ＴＤＣ）の範囲で変化させた場合における各スワールコントロールバルブ２０ｃ開度での燃焼安定性を評価したものである。

縦軸の燃焼安定性を示すＬＮＶ（Ｌｏｗｅｓｔ Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ Ｖａｌｕｅ）は、測定期間中の図示平均有効圧の最小値と、測定期間中の図示平均有効圧の平均値との比率である。周知のように、図示平均有効圧が小さいほど、エンジン仕事（クランクシャフトを回す力）が小さくなる。したがって、ＬＮＶが小さいほど、測定期間中の図示平均有効圧の変動が大きく、燃焼が不安定となると評価できる。なお、本実験においては、所定期間として３００サイクルで計測を行った。

また、噴射開始タイミングを変化させた場合において、このＬＮＶの値が、閾値以上となる幅が広くなることが、燃焼ロバスト範囲を広く確保できることになる。なお、この実験では、燃焼安定性の閾値をＬＮＶ＝４０％として評価した。

スワールコントロールバルブ２０ｃの開度（以下、「ＳＣＶ開度」という）を、１４．３％、３６％、７２．９％、１００％で変化させたときのＬＮＶの値を示している。ＬＮＶは、燃料噴射時期に対するＬＮＶの変化を示している。スワールコントロールバルブ２０ｃの開度は、図４と同様に、セカンダリ通路の全開断面に対する開口比率によって表している。

まず、スワール比ゼロあるいは略ゼロとなるように、ＳＣＶ開度を１００％あるいは７２．９％にすると、燃焼室１７内においてスワール流による輸送が発生しない。燃料噴射時に着火用キャビティ３３外に噴射された燃料噴霧のスワール流による輸送が発生しないため、燃料噴射時期に対する、ＬＮＶの閾値４０％を超える燃焼ロバスト範囲ａ１が狭く、失火傾向となる。

スワール比４となるように、ＳＣＶ開度を１４．３％にすると、燃焼室１７内において強いスワール流が発生する。燃料噴射時期にキャビティ３３外に噴射された燃料噴霧がスワール流によって輸送される。燃料噴射時期に対する、ＬＮＶの閾値４０％を超える燃焼ロバスト範囲ａ２を広く確保できる。

ＳＣＶ開度を３６％にすると、燃焼室１７内においてスワール比２のＳＣＶ開度１４．３％に比べて弱いスワール流が発生する。ＳＣＶ開度１４．３％同様に、燃料噴射時期にキャビティ３３外に噴射された燃料噴霧がスワール流によって輸送される。燃料噴射時期の変化に対して、ＬＮＶの閾値４０％を超える範囲ａ３がＳＣＶ開度１４．３％よりもさらに拡大する。

以上の結果より、ＡＷＳの運転状態においては、スワール比２以上４未満に設定すればよいことになる。

なお、本実施形態においては、スワール流による着火用キャビティ３３へ輸送する燃料噴霧は、着火用キャビティ３３の上流側でかつ、着火用キャビティ３３に近接する１つの燃料噴霧を示したが、必要な場合は、スワール流によって、さらに上流側の燃料噴霧を輸送してもよい。このとき、輸送する燃料噴霧の着火用キャビティ３３への輸送距離が長くなる場合は、スワール流の強さを強めればよい。

上記の実験結果に基づき、スワール比２（ＳＣＶ開度４０％）のスワール流による燃料噴霧の点火プラグ１９周りへの燃料輸送をシミュレーションで確認した。なお、解析モデルには、実施形態と同様の燃焼室１７構造において、燃料を噴射するとともに、ＳＣＶ開度を１００％、４０％の開度における、燃料噴霧の燃料噴射時期のクランク角度（例えば、３６８ｄｅｇ）から点火時期のクランク角度（例えば、３８８ｄｅｇ）までの時間変化を解析した。

上記のシミュレーションによる解析結果を図１１に示す。

このシミュレーション結果では、インジェクタ１８の複数の噴口から噴射される燃料噴霧のうち、着火用キャビティ３３に入る中心線Ｌ１、Ｌ２の噴口から噴射される燃料噴霧、および、着火用キャビティ３３の外に噴霧を噴射する噴口の軸Ｌ３の燃料噴霧の時間変化に着目して説明する。

まず、図１１（ａ）のＳＣＶ開度１００％では、中心線Ｌ１、Ｌ２の噴口から噴射された燃料噴霧Ａ１、Ａ２は、着火用キャビティ３３の凸部３１に沿って着火用キャビティ３３内に入る。そして、燃料噴霧Ａ１、Ａ２は、着火用キャビティ３３の底部に到達するとともに、その底部の形状に沿って着火用キャビティ３３の開口部へ向かうように方向を変えられる。開口部へ向かって流動した燃料噴霧Ａ１、Ａ２は、点火プラグ１９周りに輸送される。

一方、中心線Ｌ３の噴口から噴射された燃料噴霧Ａ３は、噴射初期において着火用キャビティ３３外に噴射される。その後、中心軸Ｌ３の燃料噴霧Ａ３は、スワール流が発生しないので、点火時期に至るまでの間に燃焼室１７内に拡散するものの、着火用キャビティ３３への移動は確認できない。

図１１（ｂ）のＳＣＶ開度４０％では、中心線Ｌ１、Ｌ２の噴口から噴射された燃料噴霧Ａ１１、Ａ１２は、ＳＣＶ開度１００％同様に、着火用キャビティ３３の凸部３１に沿って着火用キャビティ３３内に入る。そして、燃料噴霧Ａ１１、Ａ１２は、着火用キャビティ３３の底部に到達するとともに、その底部の形状に沿って着火用キャビティ３３の開口部へ向かうように方向を変えられる。開口部へ向かって流動した燃料噴霧は、点火プラグ１９周りに輸送される。

一方、中心線Ｌ３の噴射口から噴射された燃料噴霧Ａ１３は、噴射初期において着火用キャビティ３３外に噴射される。その後、中心軸Ｌ３の燃料噴霧Ａ１３は、燃焼室１７内に発生するスワール流（矢印）によって、その重心位置が着火用キャビティ３３側へ輸送されている。その結果、点火時期における点火プラグ周りの混合気がリッチになっていることが確認できる。

なお、アイドリング中においては、エアコン等の補機が駆動される場合がある。この場合、エンジン１の回転数が高くなることにともない、燃焼サイクルの短縮から、点火時期を進角させる必要がある。その結果、燃料噴射時期と点火時期とが近づき、燃料輸送の時間が短縮されるため、スワール比を高くする必要がある。

したがって、図１２に示すように、ＳＣＶ開度は、点火時期と回転数とを考慮した開度に設定する必要がある。

具体的には、点火時期が進角する回転数が高い場合においては、スワールコントロールバルブ２０ｃを閉弁側に制御して、スワール流を強くすることで、燃料噴射時期と点火時期との短縮に応じたスワール流による燃料の輸送時期を制御する。

ところで、本実施形態のエンジン１においては、前述のように排出ガス浄化装置としてブローバイガス還流装置４８が設けられており、このような排出ガス浄化装置では、吸気通路４上の吸気ポート２０や吸気弁２２のステム部２２ａなどに、排気ガスや未燃炭化水素およびオイルミスト中の炭素を主成分とするデポジットが付着する傾向にある。この吸気ポートや吸気弁２２のステム部２２ａなどへのデポジットの付着が継続すると、経時的にデポジットの堆積量が増加する結果、吸気の流れを阻害しエンジン１の燃焼を悪化させることになる。

特に、本実施形態では、ＡＷＳ運転中における燃焼安定性を確保するため、吸気ポート２２に設けられたスワールコントロールバルブ２０ｃの開度を調整することによって、燃焼室１７内の燃料噴霧を点火プラグ１９周りに輸送する制御を実施している。このため、このデポジットによる吸気流の乱れが、スワール流による燃料輸送を適正に実施できないことになり、エンジンの燃焼安定性が低下し、ひいては失火に繋がる場合がある。

これに対して、本実施形態では、ＡＷＳ運転中のエンジン１の燃焼安定性を確保するために、ＥＣＵ１０によって、エンジン１の失火判定を行うとともに、失火判定後に燃焼を安定させるためのスワールコントロールバルブ２０ｃの制御を実施する。この失火判定を行うため、ＥＣＵ１０には、前述のセンサに加え、図５に示すように筒内圧センサＳ５と、が接続されるとともに、失火判定手段６０が備えられている。

まず、ＥＣＵ１０は、エンジン始動直後かどうかを判断し、エンジン始動直後である場合は、触媒温度を読み込む。そして、触媒温度が所定温度よりも低く、エンジン１がアイドル運転中であると判断された場合、ＡＷＳ運転が実行される。

ＡＷＳ運転では、ＥＣＵ１０は、予め設定された所定の燃料噴射時期、所定の点火時期、および、スワールコントロール弁開度に基づいて、インジェクタ１８、点火プラグ１９、および、スワールコントロールバルブ２０ｃに制御信号を出力し、エンジン１をＡＷＳ運転状態にする。

また、ＡＷＳ運転中において、ＥＣＵ１０は、シリンダヘッド１２に設けられた筒内圧センサＳ５からの圧力を読込み、図１３（ａ）に示すように１サイクルの平均筒内圧が所定の閾値以下となる回数をカウントする。そして、この回数が、所定回数ｎを以上となった場合に、軽度の失火の原因となる、例えば、吸気弁２２のステム部２２ａにデポジットの付着が発生し、吸気の流れが阻害され、この吸気流の乱れが、スワール流による燃料輸送を適正に実施できない（スワール流の強度が低下した）状態としての軽度失火と判定する。

そして、軽度失火が判定された場合、図１３（ｂ）に示すように、ＥＣＵ１０は、次のＡＷＳ運転時において、スワールコントロールバルブ２０ｃの開度を現在のＡＷＳ運転時のスワールコントロールバルブ２０ｃの開度ＳＣＶ４０から、所定開度ＳＣＶ３０に閉弁するようにスワールコントロールバルブ２０ｃに制御信号を出力する。その結果、燃焼室１７内の強さが低下したスワール流を補うように、スワール流が強められ、スワール流による燃料噴霧の点火プラグ周りへの輸送が適正化するように制御される。

さらに、ＥＣＵ１０は、スワールコントロールバルブ２０ｃの開度が、予め設定された所定のスワールコントロールバルブ２０ｃの開度限界ＳＣＶ２０に至り、かつ、軽度失火判定がされた場合、仮想線で示すようにスワールコントロールバルブ２０ｃの弁開度を下げることができないので、メータ部の警告灯６１を点灯し、乗員に修理を促す。

なお、前述のように、ＡＷＳ運転中において、例えば、エアコン作動等により補機が作動状態になることにより、エンジン１の回転数が高くなる場合がある。この場合、燃焼速度は変化しないため、点火時期を進角させる必要がある。

したがって、図１２に示すように、ＥＣＵ１０は、変化する点火時期およびエンジンの回転数をパラメータとするＳＣＶ開度の制御マップを備えている。

このＳＣＶ開度の制御領域マップでは、回転数が高くなるのにともない、点火時期が進角するとともに、スワール流が強まる（ＳＣＶ開度が小さくなる）ようになっている。これにより、回転数が高く、点火時期が進化すると、噴射時期と点火時期とが近づくことになるが、スワール流を強めることで、回転数が低い場合に比して、速やかに燃料噴霧を点火プラグ周りへ輸送することができる。なお、このＳＣＶ開度制御領域マップは、模式的にＳＣＶ開度を大中小の３段階で示しているが、ＳＣＶ開度制御領域をこれに限定するものではなく、例えば、ＳＣＶ開度の制御領域は滑らかに変化するようにしてもよい。

また、軽度失火の判定には、前述の筒内圧の１サイクルにおける平均値が下限値を下回る回数に変えて、燃焼安定性を示すＬＮＶ（Ｌｏｗｅｓｔ Ｎｏｒｍａｌｉｚｅｄ Ｖａｌｕｅ：所定期間中の図示平均有効圧の最小値と、所定期間中の図示平均有効圧の平均値との比率）を用いてもよい。なお、図示平均有効圧の測定には、シリンダヘッド１２に設けられた筒内圧センサＳ５を用いればよい。

具体的には、ＥＣＵ１０は、筒内圧センサＳ５からの圧力を読込み、この筒内圧センサＳ５の所定期間中の図示平均有効圧の最小値と、所定期間中の図示平均有効圧の平均値とから、ＬＮＶを算出する。そして、図１４の上図に示すように、ＬＮＶが、予め備えられたＬＮＶの閾値未満になった場合に、軽度失火と判定する。なお、ＬＮＶの閾値は、例えば４０％とすればよい。

そして、軽度失火が判定された場合、図１４の下図に示すように、ＥＣＵ１０は、次のＡＷＳ運転時において、スワールコントロールバルブ２０ｃの開度を現在のＡＷＳ運転時のスワールコントロールバルブ２０ｃの開度ＳＣＶ４０から、所定開度ＳＣＶ３０に閉弁するようにスワールコントロールバルブ２０ｃに制御信号を出力する。その結果、燃焼室１７内の強さが低下したスワール流を補うように、スワール流が強められ、スワール流による燃料噴霧の点火プラグ周りへの輸送が適正化するように制御される。

さらに、ＥＣＵ１０は、スワールコントロールバルブ２０ｃの開度が、予め設定された所定のスワールコントロール弁開度限界ＳＣＶ２０に至り、かつ、軽度失火判定がされた場合、仮想線で示すようにＳＣＶを下げることができないので、メータ部の警告灯６１を点灯し、乗員に修理を促す。

以上のように、本発明によれば、比較的高圧縮比のエンジンやキャビティが小さいエンジンにおいて、ＡＷＳ実施時の着火性および燃焼安定性を図ることができるので、エンジンの制御分野において好適に利用される可能性がある。

１ エンジン
３ ピストン
４ 吸気通路
５ 排気通路
１０ ＥＣＵ（コントローラ）
１７ 燃焼室
１８ インジェクタ
１９ 点火プラグ
２０ｃ スワールコントロールバルブ（スワール制御弁）
２２ 吸気弁
２２ａ ステム部
３２ ラージキャビティ（第２のキャビティ）
３３ 着火用キャビティ（キャビティ）
４８ ブローバイシステム
５１ 排気浄化触媒
６０ 失火判定手段

Claims (8)

1. エンジンの排気通路に設けられた排気浄化触媒と、
   前記エンジンの燃焼室に備えられ、上面にキャビティを有するピストンと、
   複数の噴口を有し、該複数の噴口の一部は、燃料の噴射方向がキャビティを指向するように設けられ、その他の噴口は、燃料の噴射方向が前記キャビティ外を指向するように設けられたインジェクタと、
   前記キャビティに臨んで配置された点火プラグと、
   前記インジェクタおよび前記点火プラグそれぞれに接続され、かつ、前記インジェクタおよび前記点火プラグそれぞれに制御信号を出力することによって、前記エンジンを運転するように構成されたコントローラとを備えたエンジンの制御装置であって、
   前記コントローラは、前記排気浄化触媒の触媒温度が低い冷間時において、前記排気浄化触媒の触媒温度を上昇させるべく、圧縮上死点近傍あるいはそれ以降に混合気に点火するように前記点火プラグに制御信号を出力し、
   前記その他の噴口の少なくとも一部から噴射される噴霧が前記スワール流によって、前記キャビティに到達するように、前記燃焼室にスワール流を発生させるスワール形成部を設けることで、キャビティ内の混合気がキャビティ外の混合気よりもリッチ空燃比とされ、
   前記点火プラグは、前記リッチ空燃比の混合気に点火することを特徴とするエンジンの制御装置。
2. 前記スワール形成部は、吸気通路に設けられたスワール制御弁であり、
   前記コントローラは、前記エンジンの高回転時においては、低回転時に比べて、前記スワール流を強めるように制御することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの制御装置。
3. 前記スワール形成部は、吸気通路に設けられたスワール制御弁であり、
   前記コントローラは、燃料噴射時期から点火時期までの間のクランク角度が小さい場合には、前記クランク角度が大きい場合よりも前記スワール流を強めるように制御することを特徴とする請求項１に記載のエンジンの制御装置。
4. 前記エンジンは、ステム部を有する吸気弁と、
   ブローバイシステムとを備え、
   前記コントローラは、失火判定手段を有し、
   前記失火判定手段が失火を判定した場合には、スワール制御弁を前記スワール流を強めるように制御することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のエンジンの制御装置。
5. 前記コントローラは、前記スワール制御弁の開度をスワール比２以上４未満になるように制御することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のエンジンの制御装置。
6. 前記エンジンが、高負荷低回転の運転状態において、
   前記コントローラは、圧縮行程後期以降に燃料噴射を行うように前記インジェクタに制御信号を出力するとともに、その後、点火するように点火プラグに制御信号を出力することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のエンジンの制御装置。
7. 前記ピストンには、第２のキャビティが設けられており、前記キャビティは、第２のキャビティよりも小さいスモールキャビティであることを特徴とする請求項１から請求項６のうち１項に記載のエンジンの制御装置。
8. 前記エンジンの圧縮比は１４以上であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のエンジンの制御装置。

Images