JP2023020226A - エンジンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】主燃焼室と副室とを備えるエンジンシステムにおいて、燃費性能及び排ガス性能を確実に高める。【解決手段】エンジンシステム１は、主燃焼室２６に燃料を噴射するインジェクタ２８、主燃焼室２６の混合気に主点火する主点火プラグ３２、及び、副室６０内の混合気に副点火する副点火プラグ６２に電気的に接続され、各装置に制御用の電気信号を出力するＥＣＵ１００を備える。エンジン負荷が所定の基準回転数よりも高い高回転領域である特定領域Ａ２Ｈでエンジンが運転される場合において、ＥＣＵ１００は次の制御を行う。エンジン負荷が所定の基準負荷（Ｔｑｓ）以下の低負荷領域では、ＥＣＵ１００は、前記主点火を実行させた後に前記副点火を実行させる。エンジン負荷が前記基準負荷（Ｔｑｓ）を越える高負荷領域では、前記副点火のみを実行させる、若しくは、前記副点火と当該副点火と同時期又はそれ以降の時期に行う前記主点火とを実行させる。【選択図】図７

Description

本発明は、主燃焼室と副室とを備えたエンジンシステムに関する。

気筒を用いた主燃焼室と、該主燃焼室に連通する副室とを備えたエンジンが知られている。例えば特許文献１には、主燃焼室及び副室の双方に燃料噴射装置及び点火プラグを配置したエンジンが開示されている。このエンジンでは、主燃焼室で混合気を燃焼させた後に副室で混合気を燃焼させ、副室の火炎を主燃焼室に噴出させることによって、主燃焼室に存在する未燃混合気を燃焼させる。従って、主燃焼室に未燃混合気が残留することを抑制でき、ひいては燃費性能及び排ガス性能を高めることができる。

特開２００７－２５５３７０号公報

特許文献１のエンジンとは異なり、構造の簡略化等の目的で主燃焼室だけに燃料噴射装置を配置する構成を採用すると、副室内に混合気が導入され難くなる場合がある。例えば、エンジンの高回転低負荷の運転領域では、主燃焼室に取り入れられる空気量が比較的少なく、副室へ混合気が導入され難くなる。従って、副室の点火プラグで点火を実行させても、混合気不足で失火することがある。また、高回転高負荷の運転領域では、本来的に主燃焼室においてノッキングが生じ易いという問題もある。これらの結果、主燃焼室に加えて副室を設けることで得られる燃費性能及び排ガス性能の向上効果が、充分に発揮されないおそれがある。

本発明の目的は、主燃焼室と副室とを備えるエンジンシステムにおいて、燃費性能及び排ガス性能を確実に高めることにある。

本発明の一局面に係るエンジンシステムは、気筒を形成するシリンダブロックおよびシリンダヘッドと、前記気筒に往復動可能に収容されたピストンと、前記シリンダブロック、前記シリンダヘッド、及び前記ピストンにより区画された主燃焼室と、前記主燃焼室と隔壁により隔てられ、当該隔壁に形成された連通孔を通して前記主燃焼室と連通する副室と、前記主燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射装置と、前記主燃焼室内の混合気に点火する主点火を行う主点火装置と、前記副室内の混合気に点火する副点火を行う副点火装置と、前記燃料噴射装置、前記主点火装置、及び前記副点火装置に電気的に接続され、当該各装置に制御用の電気信号を出力する制御器と、を備え、エンジン回転数が所定の基準回転数よりも高い高回転領域でエンジンが運転される場合において、前記制御器は、エンジン負荷が所定の基準負荷以下の低負荷領域では、前記主点火を実行させた後に前記副点火を実行させ、エンジン負荷が前記基準負荷を越える高負荷領域では、前記副点火のみを実行させる、若しくは、前記副点火と当該副点火と同時期又はそれ以降の時期に行う前記主点火とを実行させる。

エンジンが高回転低負荷の運転領域では、主燃焼室に取り入れられる空気量が比較的少ないことに起因して、副室へ混合気が導入され難くなる。副室に十分な混合気が存在しない状態で、副点火装置で副点火を実行しても失火することがある。失火が生じた場合、副室から火炎を噴出させることができず、主燃焼室に存在する未燃混合気の燃焼に寄与することができない。これに対し、上記のエンジンシステムによれば、高回転低負荷の運転領域では、主点火を実行させた後に副点火が実行される。これにより、副室への混合気の流入が促進される。すなわち、前記主点火により生じる火炎伝搬燃焼の燃焼圧力が、ピストンによる押圧力に重畳されることによって、副室への混合気の押し込み力が増大する。従って、主燃焼室に取り入れられる空気量が少ない場合でも、副室内への混合気の導入が促進される。結果として、上述の失火は生じず、副点火の実行によって副室から火炎を噴出させることができ、主燃焼室に残存する未燃混合気を良好に燃焼させることができる。一方、高回転高負荷の運転領域では、本来的に主燃焼室においてノッキングが生じ易い傾向が出る。上記のエンジンシステムでは、高負荷高回転の運転領域においては、前記副点火を先行的に実行させて副室から火炎を噴出させる。これにより、主燃焼室における燃焼が早められ、ノッキングを抑制することができる。

上記のエンジンシステムにおいて、前記制御器は、前記低負荷領域において、エンジン負荷が低負荷であるほど、前記主点火の時期を進角させることが望ましい。

エンジン負荷が低負荷であるほど、主燃焼室に取り込まれる空気量は少なくなり、副室へ混合気が導入され難い傾向が出る。上記のエンジンシステムによれば、低負荷であるほど主点火の時期が進角されるので、エンジン負荷に応じて、副室内へ混合気を押し込むための時間を十分に確保することができる。

上記のエンジンシステムにおいて、前記制御器は、前記高負荷領域において、エンジン負荷が高負荷であるほど、前記主点火の時期を進角させることが望ましい。

エンジン負荷が高負荷であるほど、主燃焼室において未燃混合気が自着火し易い傾向が出る。上記のエンジンシステムによれば、高負荷であるほど主点火の時期が進角されるので、前記自着火が生じる前に燃焼を完了させることが可能となる。従って、ノッキングを抑制することができる。

上記のエンジンシステムにおいて、前記制御器は、前記主点火及び前記副点火の双方を互いに時期を異ならせて実行させるものであって、前記主点火を先行させる前記低負荷領域では、前記主点火を圧縮行程中に実行させ、前記副点火を先行させる前記高負荷領域では、前記主点火を膨張行程中に実行させることが望ましい。

このエンジンシステムによれば、低負荷領域では主点火を圧縮行程中に実行させるので、その後の副室への混合気の押し込みが実現し易くなる。また、高負荷領域では主点火を膨張行程中に実行させるので、副点火の後に主燃焼室に残存している混合気を前記主点火によって速やかに燃焼させることができる。従って、ノッキングを抑制できる。

上記のエンジンシステムにおいて、前記制御器は、前記低負荷領域において、エンジン負荷が低負荷であるほど、前記副点火と前記主点火との間の点火位相差を大きく設定することが望ましい。

このエンジンシステムによれば、エンジン負荷が低負荷であるほど前記点火位相差が大きくなるので、副室内へ混合気を押し込むための時間をエンジン負荷に応じて十分に確保することができる。

本発明によれば、主燃焼室と副室とを備えるエンジンシステムにおいて、副室での失火やノッキングを抑制し、燃費性能及び排ガス性能を確実に高めることができる。

図１は、本発明の実施形態に係るエンジンシステムの概略構成図である。 図２は、エンジン本体の概略断面図である。 図３は、サブチャンバープラグの先端部を側方から見た部分断面図である。 図４は、サブチャンバープラグの先端部の平面図である。 図５は、エンジンシステムの制御構成を示すブロック図である。 図６は、エンジンの運転領域を示したマップである。 図７は、運転領域が特定領域であるときに実行される、燃料噴射及び点火制御の一例を示すフローチャートである。 図８は、前記特定領域内の低負荷領域における燃料噴射時期、主点火時期及び副点火時期を示すタイムチャートである。 図９は、前記特定領域内の高負荷領域における燃料噴射時期、主点火時期及び副点火時期を示すタイムチャートである。 図１０は、前記特定領域におけるエンジン負荷と主点火、副点火、及び点火位相差との関係を示すチャートである。

以下、図面に基づいて、本発明の実施形態に係るエンジンシステムを詳細に説明する。本実施形態では、エンジンシステムが、自動車等の車両の走行駆動用の動力源として前記車両に搭載されるエンジンシステムである場合を例示する。

［エンジンの全体構成］
図１は、本発明の実施形態に係るエンジンシステム１の概略構成図である。エンジンシステム１は、エンジン本体２と、エンジン本体２に導入される空気（吸気）が内側を流通する吸気通路４と、エンジン本体２から導出された排気ガスが内側を流通する排気通路６と、ＥＧＲ装置５０とを備える。エンジン本体２は、主としてガソリンを燃料とする４ストロークのガソリンエンジンであって、ガソリンを含む燃料がエンジン本体２に供給される。

図２は、エンジン本体２の概略断面図である。エンジン本体２は、複数の気筒２２を有する多気筒エンジンである。例えば、エンジン本体２は、一列に並ぶ（図１の紙面と直交する方向に並ぶ）４つの気筒２２を有する。エンジン本体２は、シリンダブロック５２、シリンダヘッド５４及び複数のピストン２４を備える。気筒２２は、シリンダブロック５２およびシリンダヘッド５４によって形成されている。シリンダブロック５２の内部には、複数の気筒２２を形成する複数の円筒空間が備えられている。シリンダヘッド５４は、前記円筒空間の上端開口を塞ぐ底面５４ａを有し、シリンダブロック５２の上面に取り付けられている。ピストン２４は、各気筒２２にそれぞれ往復摺動可能に収容されている。なお、本実施形態では、シリンダブロック５２からシリンダヘッド５４に向かう側を上、その逆を下として扱う。これらは説明の便宜のためであって、エンジン本体２の据付姿勢を限定する趣旨ではない。

各気筒２２のピストン２４の上方には、主燃焼室２６となる空間が形成されている。主燃焼室２６は、シリンダブロック５２に形成された気筒２２の内周面２２ａと、シリンダヘッド５４の底面５４ａと、ピストン２４の冠面２４ａとによって区画されている。主燃焼室２６には、後述するインジェクタ２８からの噴射によって燃料が供給される。供給された燃料と空気との混合気は主燃焼室２６で燃焼し、当該燃焼による膨張力を受けてピストン２４は上下方向に往復運動する。

シリンダブロック５２の下部（ピストン２４の下方）には、エンジン本体２の出力軸であるクランク軸２０が設けられている。クランク軸２０は、各気筒２２のピストン２４とコネクティングロッド２１を介して連結されており、ピストン２４の往復運動に応じて中心軸回りに回転する。

シリンダヘッド５４には、吸気ポート８及び吸気弁１０と、排気ポート１２及び排気弁１４とが、それぞれ気筒２２ごとに形成されている。吸気ポート８は、吸気通路４から供給される空気を主燃焼室２６に導入するためのポートである。排気ポート１２は、主燃焼室２６で生成された排気ガスを排気通路６に導出するためのポートである。吸気弁１０は、吸気ポート８の主燃焼室２６側の開口を開閉する。排気弁１４は、排気ポート１２の主燃焼室２６側の開口を開閉する。本実施形態では、１つの気筒２２につき、２つの吸気弁１０及び２つの排気弁１４が設けられている。

吸気弁１０及び排気弁１４は、それぞれ、シリンダヘッド５４に配設された動弁機構１６、１８により、クランク軸２０の回転に連動して開閉駆動される。吸気弁１０用の動弁機構１６には、吸気弁１０のバルブリフト量および開閉タイミングを電動で可変に制御する可変バルブリフト機構（吸気Ｓ－ＶＴ）１６ａが設けられている。同様に、排気弁１４用の動弁機構１８にも、排気弁１４のバルブリフト量および開閉タイミングを電動で可変に制御する可変バルブリフト機構（排気Ｓ－ＶＴ）１８ａが設けられている。

シリンダヘッド５４には、各気筒２２につきそれぞれ１組ずつ、インジェクタ２８（燃料噴射装置）、主点火プラグ３２（主点火装置）及び副点火ユニット３０が設けられている。インジェクタ２８は、主燃焼室２６に燃料を噴射する噴射弁である。インジェクタ２８の先端部２８ｘには、燃料を噴射する噴射口が形成されている。インジェクタ２８は、その先端部２８ｘが主燃焼室２６を上方から臨むようにシリンダヘッド５４に取り付けられている。インジェクタ２８は、その先端部２８ｘが主燃焼室２６の天井面の中央、より詳しくは気筒２２の軸線上に位置するように配設されている。

主点火プラグ３２は、火花放電によって主燃焼室２６内の混合気に点火する主点火を行う。主点火プラグ３２の先端には、火花を放電するための電極部３２ｘが設けられている。電極部３２ｘは、中心電極３２ａとアース用の側方電極３２ｂとを含む。主点火プラグ３２は、その電極部３２ｘが燃焼室５を上方から臨むように、シリンダヘッド５４に取り付けられている。主点火プラグ３２は、電極部３２ｘが主燃焼室２６の天井面のうちインジェクタ２８の先端部２８ｘよりも吸気ポート８側に位置するように配設されている。

副点火ユニット３０は、主燃焼室２６に火炎を噴射するための装置である。副点火ユニット３０については後記で詳述する。

吸気通路４は、各気筒２２の吸気ポート８と連通するようにシリンダヘッド５４の一側面に接続されている。吸気通路４には、その上流側から順に、吸気中の異物を除去するエアクリーナ３４と、吸気の流量を調整する開閉可能なスロットル弁３６と、サージタンク３８とが設けられている。吸気通路４の下流端は、複数の通路に分岐しており、これら各分岐通路がそれぞれ１つの吸気ポート８に接続されている。各気筒２２において、２つの吸気ポート８の一方に繋がる分岐通路には、これを開閉するスワールバルブ５６（図５参照）が設けられている。

排気通路６は、各気筒２２の排気ポート１２と連通するように、シリンダヘッド５４の一側面（吸気通路４と反対側の面）に接続されている。排気通路６には、三元触媒等の触媒４１が内蔵された触媒装置４０が設けられている。

ＥＧＲ装置５０は、排気ガスの一部をＥＧＲガスとして吸気通路４に還流するための装置である。ＥＧＲ装置００は、排気通路６と吸気通路４とを連通するＥＧＲ通路４２と、ＥＧＲ通路４２にそれぞれ設けられたＥＧＲ弁４６及びＥＧＲクーラ４４とを有する。ＥＧＲ通路４２の上流端は、触媒装置４０の下流端であって触媒４１よりも下流側の排気通路６に接続されている。ＥＧＲ通路４２の下流端は、サージタンク３８に接続されている。ＥＧＲ弁４６は、ＥＧＲ通路４２を開閉してＥＧＲガスの流量を調整するバルブである。ＥＧＲクーラ４４は、ＥＧＲガスを冷却する熱交換器である。ＥＧＲクーラ４４は、ＥＧＲ弁４６よりも下流側に配設されている。

［副点火ユニットの詳細］
図３は、副点火ユニット３０の先端部３０ｘを側方から見た部分断面図、図４は、先端部３０ｘを下方から見た平面図である。副点火ユニット３０は、副点火プラグ６２（副点火装置）と、この副点火プラグ６２の先端に取り付けられたカバー部材６４（隔壁）と、カバー部材６４で覆われた内部空間である副室６０と、を含む。

副点火プラグ６２は、火花放電によって副室６０内の混合気に点火する副点火を行う。副点火プラグ６２の先端には、火花を放電する電極部６２ｘが備えられている。電極部６２ｘは、中心電極６２ａと、アース用の側方電極６２ｂとを含む。カバー部材６４は、副点火ユニット３０の先端部３０ｘを構成し、副点火プラグ６２の電極部６２ｘの周囲を覆っている。カバー部材６４は、下方に向けて膨出する半球型の形状を有している。副室６０は、カバー部材６４の内側の空間である。詳しくは副室６０は、副点火プラグ６２の電極部６２ｘ付近の周囲の空間であって、カバー部材６４で区画された空間である。このような空間であるゆえ、副室６０のサイズは、主燃焼室２６のサイズに比べると狭小である。副点火プラグ６２の電極部６２ｘは、副室６０に臨むように配設されており、上記副点火が実行可能とされている。

図２に示すように、副点火ユニット３０は、その先端部３０ｘが主燃焼室２６を上方から臨むようにシリンダヘッド５４に取り付けられている。副点火ユニット３０は、主燃焼室２６の天井面（シリンダヘッド５４の底面５４ａ）のうち、インジェクタ２８よりも排気ポート１２側の位置に取り付けられている。この取付状態において、カバー部材６４のほぼ全体が主燃焼室２６内に位置している。結果として、カバー部材６４は、副室６０を主燃焼室２６と隔てる隔壁となっている。

カバー部材６４には、その表裏を貫通して主燃焼室２６と連通する複数の連通孔６６が形成されている。カバー部材６４の内側空間である副室６０は、これら連通孔６６を介して主燃焼室２６と連通している。本実施形態では、カバー部材６４に３つの連通孔６６が形成された例を示している。図４に示すように、３つの連通孔６６は、カバー部材６４の頂点Ａを通るカバー部材６４の軸線回りに１２０度間隔で配置されている。また、図３に示すように、各連通孔６６は、側面視で、頂点Ａから約４５度斜め上の位置に配置されている。本実施形態では、カバー部材６４の半径が５ｍｍ、厚みが１ｍｍであり、各連通孔６６の直径が１．２ｍｍである。

上記の構成を有する副点火ユニット３０は、主燃焼室２６に火炎を噴射するための装置として機能する。インジェクタ２８から主燃焼室２６内に燃料が噴射されて主燃焼室２６内で空気と燃料の混合気が形成されると、この混合気の一部は連通孔６６を介して副室６０内に導入される。副室６０内に十分な量の混合気が存在する状態で副点火プラグ６２によって火花放電（副点火）が行われると、副室６０内にて混合気は燃焼を開始し、副点火プラグ６２の電極部６２ｘ付近から周囲へと火炎が伝播していく。そして、この火炎は連通孔６６を介して主燃焼室２６に噴出され、主燃焼室２６内の混合気に伝搬する。

ここで、主点火プラグ３２によって主燃焼室２６内の混合気に主点火が行われると、主点火プラグ３２の電極部３２ｘ付近からも周囲へと火炎が伝搬していく。このように、主点火プラグ３２及び副点火プラグ６２の双方により点火が行われ、主燃焼室２６及び副室６０内で適切に混合気が燃焼を開始すれば、主燃焼室２６内の混合気には複数の位置（電極部３２ｘ及び各連通孔６６の位置）から火炎が伝搬されることになる。従って、主燃焼室２６内での混合気の燃焼速度が高められ、ひいては燃費性能が高められると共にノッキングの発生が抑制される。

［制御系統］
図５は、エンジンシステム１の制御系統を示すブロック図である。エンジンシステム１は、当該エンジンシステム１が具備する各機能部を統括的に制御するＥＣＵ１００（制御器）を備える。ＥＣＵ１００は、上述のインジェクタ２８（燃料噴射装置）、主点火プラグ３２（主点火装置）及び副点火プラグ６２（副点火装置）などと電気的に接続され、これら装置に制御用の電気信号を出力する。ＥＣＵ１００は、各種演算処理を行うプロセッサ（ＣＰＵ）と、ＲＯＭ及びＲＡＭ等のメモリーと、各種の入出力バスとを含むマイクロコンピュータにより構成されている。

ＥＣＵ１００には、各種センサによる検出情報が入力される。ＥＣＵ１００は、各種センサからの入力情報に基づいて種々の判定や演算等を実施してエンジンの各部を制御する。ＥＣＵ１００には、エンジンシステム１に設けられたエアフローセンサＳＮ１、吸気温センサＳＮ２、吸気圧センサＳＮ３、水温センサＳＮ４およびクランク角センサＳＮ５や、車両に設けられたアクセル開度センサＳＮ６の検出値が入力される。

エアフローセンサＳＮ１は、吸気通路４を通過してエンジン本体２に導入される吸気の流量を検出する。吸気温センサＳＮ２及び吸気圧センサＳＮ３は、エンジン本体２に導入される吸気の温度及び圧力をそれぞれ検出する。水温センサＳＮ４は、エンジン本体２を冷却するエンジン冷却水の温度を検出する。クランク角センサＳＮ５は、クランク軸２０の回転角度であるクランク角及びエンジン回転数を検出する。アクセル開度センサＳＮ６は、車両に備わるアクセルペダル（不図示）の開度であるアクセル開度を検出する。

図６は、横軸をエンジン回転数、縦軸をエンジン負荷としたエンジンの運転領域を示すマップである。エンジンの運転領域は、インジェクタ２８、主点火プラグ３２及び副点火プラグ６２の制御内容に応じて、３つの領域Ａ１～Ａ３（第１領域Ａ１、第２領域Ａ２、第３領域Ａ３）に大別される。

第１領域Ａ１は、エンジン回転数が所定の第１回転数Ｎ１以下且つエンジン負荷が所定の第１負荷Ｔｑ１以下の低回転低負荷領域である。第３領域Ａ３は、エンジン回転数が第１回転数Ｎ１以下且つエンジン負荷が所定の第２負荷Ｔｑ２よりも高い低回転高負荷領域である。第２領域Ａ２は、その他の領域、つまり、エンジン回転数が第１回転数Ｎ１以下の領域のうち、エンジン負荷が第１負荷Ｔｑ１よりも高く第２負荷Ｔｑ２以下の領域と、エンジン回転数が第１回転数Ｎ１よりも高い領域とからなる領域である。

第１領域Ａ１では、ＨＣＣＩ燃焼（予混合圧縮着火燃焼、ＨＣＣＩ：Ｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｃｈａｒｇｅ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）が実現されるように、インジェクタ２８、主点火プラグ３２及び副点火プラグ６２が制御される。具体的に、吸気行程中にインジェクタ２８から燃料が噴射される。また、主点火プラグ３２及び副点火プラグ６２の点火動作が停止される。

インジェクタ２８は主燃焼室２６に臨んで配置されており、インジェクタ２８から噴射された燃料は主燃焼室２６の全体に拡散する。これより、第１領域Ａ１では、吸気行程中にインジェクタ２８から燃料が噴射されることで、圧縮上死点に到達するまでの間に主燃焼室２６内で燃料と空気とが十分に混合される。第１領域Ａ１では、この十分に混合された混合気（予混合気）が、ピストン２４の圧縮により高温・高圧化されることで圧縮上死点付近において自着火する。ＨＣＣＩ燃焼では、混合気の空燃比を、火炎伝播が不可能なレベルにまでリーン（高く）にし、燃費性能を高めることができる。従って、第１領域Ａ１では、主燃焼室２６内の混合気の空燃比が理論空燃比（１４．７）よりもリーンになるように、スロットル弁３６の開度が調整される。

第２領域Ａ２では、火炎伝播燃焼（ＳＩ燃焼）が実現されるように、インジェクタ２８、主点火プラグ３２及び副点火プラグ６２が制御される。第２領域Ａ２では、第１領域Ａ１と同様に吸気行程中にインジェクタ２８から燃料が噴射される。一方、第２領域Ａ２では、主点火プラグ３２及び副点火プラグ６２が駆動されて、これら双方の点火プラグ３２、６２により主点火及び副点火が行われる。また、主燃焼室２６内の混合気の空燃比が理論空燃比近傍になるように、スロットル弁３６の開度が調整される。第２領域Ａ２では、主点火プラグ３２による主点火及び副点火プラグ６２による副点火によって、各電極部３２ｘ、６２ｘ回りに火炎核が生成される。これら火炎核から周囲へと火炎が伝搬していくことで、主燃焼室２６及び副室６０の混合気が燃焼する。

第３領域Ａ３では、第２領域Ａ２よりも燃料噴射時期を遅角させたリタードＳＩ燃焼が実現されるように、インジェクタ２８、主点火プラグ３２及び副点火プラグ６２が制御される。第３領域Ａ３では、吸気行程ではなく圧縮行程中にインジェクタ２８から燃料が噴射される。これは、低回転高負荷の第３領域Ａ３において吸気行程で燃料噴射を実行させると、主点火前に混合気が自着火するプリイグニッションが生じ得るからである。

本実施形態では、第２領域Ａ２内の特定領域Ａ２Ｈにおいて、特有の点火制御が実行される。特定領域Ａ２Ｈは、エンジン回転数が、高回転域として予め定められた第２回転数Ｎ２（所定の基準回転数）よりも高い高回転領域である。第２回転数Ｎ２は、第１領域Ａ１及び第３領域Ａ３との境界となる第１回転数Ｎ１よりも高回転の領域において設定される所定のエンジン回転数である。特定領域Ａ２ＨにおいてＥＣＵ１００は、所定の境界負荷Ｔｑｓ（所定の基準負荷）を境として、異なる点火制御を実行する。境界負荷Ｔｑｓは、ノッキングの発生見込み等を参照して設定される。

ＥＣＵ１００は、境界負荷Ｔｑｓ以下の低負荷領域（例えば図６の運転ポイントＰ１）では、主点火プラグ３２に主点火を実行させた後に副点火プラグ６２に副点火を実行させる。つまり、特定領域Ａ２Ｈの低回転領域では、主点火を副点火よりも先行させる制御が実行される。一方、境界負荷Ｔｑｓを越える高回転領域（例えば、運転ポイントＰ２）では、副点火を主点火よりも優先的に扱う制御が実行される。具体的には、前記高回転領域においてＥＣＵ１００は、
・パターンＡ；副点火のみを実行させる、
・パターンＢ；副点火と主点火とを同時期に実行させる、若しくは、
・パターンＣ；副点火と、当該副点火以降の時期に行う主点火とを実行させる、
という３つのパターンから選ばれるいずれかの制御を行う。

高回転の特定領域Ａ２Ｈにおける比較的低負荷の運転領域（運転ポイントＰ１）では、主燃焼室２６に取り入れられる空気量が比較的少ないことに起因して、副室６０へ混合気が導入され難くなる。副室６０に十分な混合気が存在しない状態で、副点火プラグ６２で副点火を実行しても失火することがある。失火が生じた場合、副室６０の連通孔６６から火炎を噴出させることができず、主燃焼室２６に存在する未燃混合気の燃焼に寄与することができない。この点に鑑み、ＥＣＵ１００は、高回転低負荷の運転領域では、主点火を実行させた後に副点火を実行させる。これにより、副室６０への混合気の流入が促進される。すなわち、前記主点火により生じる火炎伝搬燃焼の燃焼圧力が、ピストン２４による押圧力に重畳されることによって、副室６０への混合気の押し込み力が増大する。従って、主燃焼室２６に取り入れられる空気量が少ない場合でも、副室６０内への混合気の導入が促進される。結果として、上述の失火は生じず、副点火の実行によって副室６０から火炎を噴出させることができ、主燃焼室２６に残存する未燃混合気を良好に燃焼させることができる。

これに対し、特定領域Ａ２Ｈにおける比較的高負荷の運転領域（運転ポイントＰ２）では、本来的に主燃焼室２６においてノッキングが生じ易い傾向が出る。この点に鑑み、ＥＣＵ１００は、高負荷高回転の運転領域においては、副点火を先行的に実行させて副室６０から火炎を噴出させる。例えば、副点火のみを所定の時期に実行させて（パターンＡ）、副室６０から噴出する火炎で主燃焼室２６内の混合気を全てＳＩ燃焼させる。若しくは、副点火と共に主点火を同時期に実行させ（パターンＢ）、副室６０から火炎を噴出させると共に、主点火プラグ３２の電極部３２ｘの周囲に火炎核を形成させ、主燃焼室２６内の混合気をＳＩ燃焼させる。或いは、副点火を先行した後に主点火を実行させ（パターンＣ）、主燃焼室２６内の混合気を副室６０からの火炎で先行してＳＩ燃焼させると共に、残りの混合気を主点火プラグ３２の主点火で燃焼させる。これらのいずれかの制御により、主燃焼室２６における燃焼が早められ、ノッキングを抑制することができる。

［特定領域における具体的な制御例］
続いて、上述の特定領域Ａ２Ｈにおける具体的な制御例について説明する。図７は、運転領域が特定領域Ａ２ＨであるときＥＣＵ１００が実行する、インジェクタ２８の燃料噴射制御、並びに、主点火プラグ３２及び副点火プラグ６２の点火制御の一例を示すフローチャートである。ここでは、特定領域Ａ２Ｈの高回転領域（運転ポイントＰ２）において、上掲の「パターンＣ」の制御が実行される例を示す。

ＥＣＵ１００は、所定のサンプリング周期が到来すると、図５に示す各種センサＳＮ１～６及び他のセンサから各種情報を読み込む（ステップＳ１）。上記の燃料噴射制御及び点火制御のために、ＥＣＵ１００は、クランク角センサＳＮ５により検出されるエンジン回転数、及び、アクセル開度センサＳＮ６により検出されたアクセルペダルの開度を読みこむ。

次に、ＥＣＵ１００は、エンジン本体２に要求されているトルクである要求トルク、つまりエンジン負荷を算出する（ステップＳ２）。ＥＣＵ１００は、ステップＳ１で読み込んだエンジン回転数及びアクセルペダルの開度に基づいて、要求トルク（エンジン負荷）を算出する。

続いてＥＣＵ１００は、エンジン本体２の運転ポイントが第２領域Ａ２内の特定領域Ａ２Ｈ（図６の運転マップ参照）であるか否かを判定する（ステップＳ３）。具体的にはＥＣＵ１００は、ステップＳ１で読み込んだエンジン回転数と、ステップＳ２で算出したエンジン負荷とに基づいて、現在のエンジンの運転ポイントが特定領域Ａ２Ｈ内のポイントであるか否かを判定する。

エンジン本体２の運転ポイントが特定領域Ａ２Ｈ内のポイントではない場合（ステップＳ３でＮＯ）、ＥＣＵ１００は他の運転領域に応じた制御、すなわち第１領域Ａ１、第３領域Ａ３、若しくは第２領域Ａ２の特定領域Ａ２Ｈ以外の領域について、予め設定されている燃料噴射制御及び点火制御を実行する（ステップＳ８）。一方、エンジン本体２の運転ポイントが特定領域Ａ２Ｈ内のポイントである場合（ステップＳ３でＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は、ステップＳ４～Ｓ７の処理を実行する。これらの処理により、インジェクタ２８に燃料噴射を開始させる時期である燃料噴射時期、主点火プラグ３２が点火（火花放電）を行う時期である主点火時期、及び副点火プラグ６２が点火（火花放電）を行う時期である副点火時期が設定される。

ステップＳ４においてＥＣＵ１００は、エンジン本体２の運転ポイントが特定領域Ａ２Ｈ内の低負荷領域であるか否かを判定する（ステップＳ４）。運転ポイントが特定領域Ａ２Ｈ内において境界負荷Ｔｑｓ以下の低負荷領域（例えば運転ポイントＰ１）である場合（ステップＳ４でＹＥＳ）、ＥＣＵ１００は、主点火を実行させた後に副点火を実行するよう、主点火時期及び副点火時期を設定する（ステップＳ５）。

これに対し、運転ポイントが特定領域Ａ２Ｈ内において境界負荷Ｔｑｓを越える高負荷領域（例えば運転ポイントＰ２）である場合（ステップＳ４でＮＯ）、ＥＣＵ１００は、副点火を実行させた後に主点火を実行するよう、主点火時期及び副点火時期を設定する（ステップＳ６）。なお、上記低回転領域及び高回転領域のいずれでも、燃料噴射時期は吸気行程の所定時期に設定される。

しかる後、ＥＣＵ１００は、設定された燃料噴射時期に燃料の噴射が開始されるようにインジェクタ２８を駆動する。また、ＥＣＵ１００は、ステップＳ５又はＳ６にて設定した主点火時期に主点火行われるように主点火プラグ３２を駆動し、ステップＳ５又はＳ６にて設定した副点火時期に副点火が行われるように副点火プラグ６２を駆動する（ステップＳ７）。なお、実際の制御では、エンジン負荷及びエンジン回転数に対して、燃料噴射時期、主点火時期及び副点火時期を紐付けて形成された制御マップを予めＥＣＵ１００の記憶領域に格納しておき、前記制御マップを参照して燃料噴射時期及び点火時期が設定される。

図８は、特定領域Ａ２Ｈ内の低負荷領域の運転ポイントＰ１における燃料噴射時期、主点火時期ｔｍ及び副点火時期ｔｓを示すタイムチャートである。低負荷領域の燃料噴射時期は、吸気行程中である。詳しくは、インジェクタ２８からの燃料噴射開始時期及びその終了時期が、吸気行程に含まれるように設定される。これは、特定領域Ａ２Ｈでは、第３領域Ａ３のように、プリイグニッションを抑止のため燃料噴射時期をリタードさせる要請が少ないためである。なお、燃料噴射終了時期は、圧縮行程に差し掛かっていても良い。

特定領域Ａ２Ｈ内の低負荷領域では、図７のステップＳ５で説明した通り、主点火時期ｔｍが副点火時期ｔｓよりも進角側の時期に設定される。すなわち、まず主点火プラグ３２による主点火が行われ、その後、副点火プラグ６２による副点火が行われる。主点火時期ｔｍは、圧縮上死点ＴＤＣよりも進角側の圧縮行程後半に、副点火時期ｔｓは圧縮上死点ＴＤＣよりも僅かに遅角側の膨張行程に設定される。先行の主点火により、主燃焼室２６の混合気のＳＩ燃焼が始まる。低負荷領域では、主燃焼室２６に取り入れられる空気量が比較的少ないことから、副室６０へ混合気が導入され難い。しかし、前記ＳＩ燃焼に伴う圧力上昇のアシストよって、主燃焼室２６内に残存する未燃の混合気が、連通孔６６を通して副室６０内に押し込まれる。これにより、十分な量の混合気が、副室６０内に導入される。

主点火に続く副点火によって、副室６０内に導入された混合気が燃焼する。上述の通り、副室６０内には十分な量の混合気が導入されているため、失火は生じ難く、副点火によって副室６０内の混合気は燃焼する。その結果、複数の連通孔６６から火炎を噴出させる確実性を高めることができる。これら火炎は、主燃焼室２６内の未燃混合気を一気に燃焼させる。従って、燃費性能及び排ガス性能を高めることができる。

図９は、特定領域Ａ２Ｈ内の高負荷領域の運転ポイントＰ２における燃料噴射時期、主点火時期ｔｍ及び副点火時期ｔｓを示すタイムチャートである。高負荷領域の燃料噴射時期は、上述の低負荷領域と同様に、吸気行程中である。高負荷領域の点火時期は、図７のステップＳ６で説明した通り、副点火時期ｔｓが主点火時期ｔｍよりも進角側の時期に設定される。すなわち、上述の低負荷領域とは逆に、まず副点火プラグ６２による副点火が行われ、その後、主点火プラグ３２による主点火が行われる。副点火時期ｔｓは圧縮行程の圧縮上死点ＴＤＣに近い時期であり、主点火時期ｔｍは膨張行程の比較的ＴＤＣに近い時期である。

高負荷領域では、主燃焼室２６に取り入れられる空気量が比較的多いことから、副室６０へ混合気が導入され易い状態となる。このため、先行して副点火を実行しても、失火は生じ難い。副点火によって副室６０内の混合気が燃焼し、その火炎が複数の連通孔６６から噴き出す。これらの火炎を着火点として、主燃焼室２６内の混合気がＳＩ燃焼を開始する。この副点火に続く主点火によって、主燃焼室２６内に残存する混合気が一気に燃焼する。従って、主燃焼室２６内の混合気の燃焼速度が早められ、高回転領域において生じがちなノッキングを抑制することができる。

［エンジン負荷と点火制御の関係］
図１０は、特定領域Ａ２Ｈにおけるエンジン負荷と主点火時期（図１０の上段）、副点火時期（中段）、及び点火位相差（下段）との関係を示すチャートである。図１０では、境界負荷Ｔｑｓを基準負荷として、低負荷領域と高負荷領域とが区分されている。各チャートの縦軸はクランク角であり、ＴＤＣより進角側が圧縮行程、遅角側が膨張行程である。図８、図９では、低負荷領域内の特定の運転ポイントＰ１、高負荷領域内の特定の運転ポイントＰ２における点火制御例を各々示した。図１０では、ＥＣＵ１００が実行する、特定領域Ａ２Ｈの全負荷領域における点火制御の傾向を示す。なお、図１０のチャートは、エンジン回転数一定での各パラメータとエンジン負荷との関係を示したものである。

主点火時期は、低負荷領域においては先行点火となるため圧縮行程に設定される。当該低負荷領域において、ＥＣＵ１００は、エンジン負荷が低負荷であるほど主点火時期を進角させる制御を行う。具体的には主点火時期は、境界負荷Ｔｑｓにおいて最もＴＤＣ近くに設定され、エンジン負荷が低くなるほど進角側にシフトするよう設定される。エンジン負荷が低負荷であるほど、主燃焼室２６に取り込まれる空気量は少なくなり、副室６０へ混合気が導入され難い傾向が出る。そこで、低負荷であるほど主点火の時期を進角させることで、主点火が行われてから副点火が行われるまでの期間をより長くすることができる。これにより、副室６０内へ混合気を押し込むための時間を十分に確保することができ、複数の連通孔６６から確実に火炎を噴出させることができる。

高負荷領域において主点火時期は、後行点火となるため膨張行程に設定される。すなわち主点火時期は、点火制御の反転ポイントとなる境界負荷Ｔｑｓにおいて、ＴＤＣよりも進角側から遅角側へステップワイズにシフトする。ＥＣＵ１００は、高回転領域の主点火時期を、境界負荷Ｔｑｓのポイントにおいて最も遅角し、エンジン負荷が高負荷となるほどＴＤＣに近づくよう、進角側にシフトさせる。エンジン負荷が高負荷であるほど、主燃焼室２６において未燃混合気が自着火し易い傾向が出る。そこで、高負荷であるほど主点火の時期を進角させることで、前記自着火が生じる前に燃焼を完了させることが可能となる。従って、ノッキングを抑制することができる。

以上の通り、ＥＣＵ１００は、主点火を先行させる前記低負荷領域では、主点火時期ｔｍを圧縮行程中に設定し、副点火を先行させる前記高負荷領域では、主点火時期ｔｍを膨張行程中に設定する。前記低負荷領域において主点火を圧縮行程中に実行させることで、その後の副室６０への混合気の押し込みが実現し易くなる。また、前記高負荷領域において主点火を膨張行程中に実行させることで、副点火の後に主燃焼室２６に残存している混合気を前記主点火によって速やかに燃焼させることができる。従って、ノッキングを抑制できる。

副点火時期は、低負荷領域においては後行点火となるため膨張行程に設定される。当該低負荷領域において、ＥＣＵ１００は、エンジン負荷が低負荷であるほど副点火時期を遅角させる制御を行う。具体的には副点火時期は、境界負荷ＴｑｓではＴＤＣ付近とされ、エンジン負荷が低くなるほど遅角側にシフトするよう制御される。低負荷であるほど副点火の時期を遅角させることで、主点火が行われてから副点火が行われるまでの期間をより長くすることができる。これにより、上述の主点火時期を進角制御と相俟って、副室６０内へ混合気を押し込むための時間を十分に確保することができる。

副点火時期は、高負荷領域においては先行点火となるため圧縮行程に設定される。当該高負荷領域において、ＥＣＵ１００は、エンジン負荷が高負荷であるほど副点火時期を進角させる制御を行う。具体的には副点火時期は、境界負荷ＴｑｓではＴＤＣ付近とされ、エンジン負荷が高くなるほど進角側に緩くシフトするよう制御される。この制御は、エンジン負荷が高くなるほど副点火時期を進角させるようにすれば、副室６０から噴出する火炎に基づくＳＩ燃焼を速い時期から開始させ得る。従って、主燃焼室２６の混合気の燃焼速度をより速めることができ、ノッキングの抑制に寄与することができる。

図８に示しているように、点火位相差ｄｔは、主点火時期ｔｍと副点火時期ｔｓとの間のクランク角上の位相差である。点火位相差ｄｔは、特定領域Ａ２Ｈの低負荷領域において、エンジン負荷が低負荷であるほど大きく設定される。低負荷領域において、主点火時期ｔｍは、エンジン負荷が低くなるほど進角される。一方、副点火時期ｔｓは、エンジン負荷が低負荷であるほど遅角される。従って、点火位相差ｄｔは、エンジン負荷が低負荷であるほど大きくなる。なお、高負荷領域においては、点火位相差ｄｔは高負荷であるほど小さくなる。

上記の通り、エンジン負荷が低負荷であるほど点火位相差ｄｔを大きく設定することで、副室６０内へ混合気を押し込むための時間をエンジン負荷に応じて十分に確保することができる。つまり、点火位相差ｄｔを大きくするということは、低負荷領域においては先行点火となる主点火と、後行点火となる副点火との間の期間を長くすることに繋がる。従って、主燃焼室２６での燃焼に伴う副室６０への混合気の導入効果を得やすくすることができる。

［変形例］
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、次のような変形実施形態を取ることができる。

（１）図９、図１０に示した高負荷領域（Ｐ２）の制御では、上掲の「パターンＣ」の制御に基づいた例を示した。上掲の「パターンＡ」の制御（副点火のみを実行させる）を行う場合は、副点火時期ｔｓだけが設定される。この場合、ノッキングを抑制するために、図１０に示す副点火時期を全体的に進角側にシフトさせても良い。また、上掲の「パターンＢ」の制御（副点火と主点火とを同時期に実行させる）を行う場合は、主点火時期ｔｍと副点火時期ｔｓとが同時期（点火位相差ｄｔ＝０）に設定される。

（２）上記実施形態では、副点火ユニット３０のカバー部材６４として、半円球のドーム型（図３）を有し、３つの連通孔６６（図４）を有する態様を例示した。カバー部材６４の形状は円錐台型、直方体型の形状等、他の形状であっても良い。また、連通孔６６の数やサイズは適宜設定することができる。また、副点火ユニット３０の取り付け位置は、図２の態様に限られない。例えば、副点火ユニット３０は、インジェクタ２８の先端部２８ｘに対して吸気ポート８側に設けられてもよい。

１ エンジンシステム
２２ 気筒
２４ ピストン
２６ 主燃焼室
２８ インジェクタ（燃料噴射装置）
３０ 副点火ユニット
３２ 主点火プラグ（主点火装置）
５２ シリンダブロック
５４ シリンダヘッド
６０ 副室
６２ 副点火プラグ（副点火装置）
６４ カバー部材（隔壁）
６６ 連通孔
１００ ＥＣＵ（制御器）
Ａ２Ｈ 特定領域（基準回転数よりも高い高回転領域）
Ｐ１ 低負荷領域の運転ポイント
Ｐ２ 高負荷領域の運転ポイント
Ｎ２ 第２回転数（所定の基準回転数）
Ｔｑ２１ 境界負荷（所定の基準負荷）
ｔｍ 主点火時期
ｔｓ 副点火時期
ｄｔ 点火位相差

Claims (5)

1. 気筒を形成するシリンダブロックおよびシリンダヘッドと、
   前記気筒に往復動可能に収容されたピストンと、
   前記シリンダブロック、前記シリンダヘッド、及び前記ピストンにより区画された主燃焼室と、
   前記主燃焼室と隔壁により隔てられ、当該隔壁に形成された連通孔を通して前記主燃焼室と連通する副室と、
   前記主燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射装置と、
   前記主燃焼室内の混合気に点火する主点火を行う主点火装置と、
   前記副室内の混合気に点火する副点火を行う副点火装置と、
   前記燃料噴射装置、前記主点火装置、及び前記副点火装置に電気的に接続され、当該各装置に制御用の電気信号を出力する制御器と、を備え、
   エンジン回転数が所定の基準回転数よりも高い高回転領域でエンジンが運転される場合において、前記制御器は、
   エンジン負荷が所定の基準負荷以下の低負荷領域では、前記主点火を実行させた後に前記副点火を実行させ、
   エンジン負荷が前記基準負荷を越える高負荷領域では、前記副点火のみを実行させる、若しくは、前記副点火と当該副点火と同時期又はそれ以降の時期に行う前記主点火とを実行させる、エンジンシステム。
2. 請求項１に記載のエンジンシステムにおいて、
   前記制御器は、前記低負荷領域において、エンジン負荷が低負荷であるほど、前記主点火の時期を進角させる、エンジンシステム。
3. 請求項１に記載のエンジンシステムにおいて、
   前記制御器は、前記高負荷領域において、エンジン負荷が高負荷であるほど、前記主点火の時期を進角させる、エンジンシステム。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載のエンジンシステムにおいて、
   前記制御器は、前記主点火及び前記副点火の双方を互いに時期を異ならせて実行させるものであって、
   前記主点火を先行させる前記低負荷領域では、前記主点火を圧縮行程中に実行させ、
   前記副点火を先行させる前記高負荷領域では、前記主点火を膨張行程中に実行させる、エンジンシステム。
5. 請求項１～３のいずれか１項に記載のエンジンシステムにおいて、
   前記制御器は、前記低負荷領域において、エンジン負荷が低負荷であるほど、前記副点火と前記主点火との間の点火位相差を大きく設定する、エンジンシステム。

Images