JP2023020228A - 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および排ガス性能を確実に高める。【解決手段】主燃焼室、副室、主燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射装置、主燃焼室内の混合気に点火する主点火装置および副室内の混合気に点火する副点火装置を設け、エンジン回転数が基準回転数以下で且つエンジン負荷がの基準負荷よりも高い特定領域において、燃料噴射時期が圧縮行程に含まれ、且つ、低速条件での燃料噴射時期が高速条件での燃料噴射時期よりも遅くなるように燃料噴射装置を制御するとともに、副点火時期が、前記主点火時期よりも遅角側で、且つ、主点火時期に対する副点火時期の遅角量である点火位相差が高速条件よりも低速条件で大きくなるように、主点火装置および副点火装置を制御する。【選択図】図１０

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。

従来より、車両等に搭載されるエンジンにおいて、その燃費性能や排ガス性能を高めるために主燃焼室とこれと連通する副室とを設けることが検討されている。具体的に、主燃焼室とこれと連通する副室とを設けて、副室で生成された火炎を主燃焼室に噴出させれば、主燃焼室での燃焼速度を高めて燃費性能の向上が図れるとともに、未燃混合気の残留を抑制して排ガス性能の向上を図ることができる。

例えば、特許文献１には、シリンダブロック、シリンダヘッドおよびピストンにより区画された主燃焼室（特許文献１における主室）と、これと連通する副室と、吸気ポートに設けられて吸気ポートを介して主燃焼室に燃料を供給する主燃料噴射弁と、主燃焼室内の混合気に点火を行う主室点火プラグと、副室に燃料を直接噴射する副燃料噴射弁と、副室内の混合気に点火を行う副室点火プラグとを備えたエンジンが開示されている。このエンジンでは、主燃焼室に形成された混合気であって主燃料噴射弁から噴射された燃料と空気の混合気が主室点火プラグによって先ず点火され、その後、副室に形成された混合気であって副燃料噴射弁から噴射された燃料と空気の混合気が副室点火プラグによって点火されるようになっている。

特開２００７－２５５３７０号公報

特許文献１のエンジンでは、主燃焼室と副室とにそれぞれ個別に燃料が噴射されるように構成されており、１つの気筒に対して２つの燃料噴射弁が必要となる。そのため、構造が複雑化するとともにコスト面で不利になる。これに対して、主燃焼室と副室とを有するエンジンにおいて、主燃焼室にのみ燃料噴射弁を設けることが考えられる。しかしながら、主燃焼室にのみ燃料噴射弁を設ける構成では、燃料噴射弁から噴射された燃料が副室に十分に導入されず、副室内で混合気が適切に燃焼しないおそれがある。つまり、主燃焼室と副室とを設けることで得られる燃費性能および排ガス性能の向上効果が十分に得られないおそれがある。

本発明は、前記のような事情に鑑みてなされたものであり、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および排ガス性能を確実に高めることを目的とする。

前記課題を解決するためのものとして、本発明は、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、および前記ピストンにより画成された主燃焼室と、前記主燃焼室と隔壁により隔てられるとともに、当該隔壁に形成された連通孔を通じ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装置と、前記副室内の混合気に点火する副点火装置と、前記燃料噴射装置、前記主点火装置、および前記副点火装置に電気的に接続されて当該各装置に制御用の電気信号を出力する制御装置とを備え、エンジン回転数が所定の基準回転数以下で且つエンジン負荷が所定の基準負荷よりも高い特定領域でエンジンが運転されている場合、前記制御装置は、前記燃料噴射装置による燃料の噴射時期である燃料噴射時期が圧縮行程に含まれるように前記燃料噴射装置を制御するとともに、前記燃料噴射時期よりも後に前記主点火装置および前記副点火装置にそれぞれ点火を行わせ、エンジン負荷が同一で且つエンジン回転数が異なる前記特定領域内の２つの条件のうち回転数が低い方を低速条件、高い方を高速条件としたとき、前記低速条件での前記燃料噴射時期が前記高速条件での前記燃料噴射時期よりも遅くなるように前記燃料噴射装置を制御し、前記副点火装置の点火時期である副点火時期が前記主点火装置の点火時期である主点火時期よりも遅角側の時期となり、且つ、前記主点火時期に対する前記副点火時期の遅角量である点火位相差が前記高速条件よりも前記低速条件で大きくなるように、前記主点火装置および前記副点火装置を制御する、ことを特徴とする。

エンジン回転数が所定の基準回転数以下で且つエンジン負荷が所定の基準負荷よりも高い特定領域つまり低速高負荷領域では、吸気行程中に主燃焼室に燃料を噴射すると点火装置による点火の前に混合気が自着火してしまうプリイグニッションが生じやすい。これに対して、本発明では、特定領域において、燃料噴射時期が圧縮行程に含まれるように制御されるので、プリイグニッションの発生を抑制できる。しかも、エンジン回転数が低いことでプリイグニッションが特に生じやすい低速条件での燃料噴射時期が、プリイグニッションが比較的生じにくい高速条件での燃料噴射時期よりも遅くされる。そのため、低速条件でのプリイグニッションの発生をより確実に抑制できる。また、高速条件では、プリイグニッションの発生を抑制しつつ圧縮上死点付近までの燃料と空気との混合を促進して未燃混合気の残留を抑制できる。

ここで、圧縮行程中に燃料噴射を行うと、圧縮上死点付近までに燃料が主燃焼室内に十分に拡散しないことから、ピストンの圧縮作用のみで副室に十分量の混合気(燃料)を導入するのが難しくなる。これに対して、本発明では、副点火時期が主点火時期よりも遅角側の時期とされる。そのため、主点火装置による点火によって主燃焼室で混合気を燃焼させて、これにより生じた主燃焼室の圧力上昇を利用して副室に混合気(燃料)を押し込むことができる。従って、本発明によれば、低速高負荷に設定された特定領域において、プリイグニッションの発生を抑制しつつ、主燃焼室と副室での適切な燃焼を実現して燃費性能および排気性能を高めることができる。

しかも、本発明では、主点火時期に対する副点火時期の遅角量である点火位相差が、高速条件よりも低速条件で大きくされる。つまり、燃料噴射時期がより圧縮上死点に近いことでピストンの圧縮作用のみでの副室内への混合気(燃料)導入がより困難な低速条件の方が、主燃焼室の圧力上昇に伴う混合気(燃料)の副室への導入が開始してから副点火装置による点火が行われるまでの期間が長くされる。そのため、低速条件において、副室内に導入される混合気(燃料)の量を確保して副室での適切な燃焼をより確実に実現できる。また、高速条件においては、主燃焼室内での燃焼開始後の比較的早い時期に副室での燃焼を開始させることができ、燃焼期間を短くして燃費性能をより確実に高めることができる。

前記構成において、好ましくは、前記制御装置は、前記低速条件での前記主点火時期を前記高速条件での前記主点火時期よりも遅角側の時期に設定するとともに、前記低速条件での前記副点火時期を前記高速条件での前記副点火時期よりも遅角側の時期に設定する（請求項２）。

この構成によれば、低速条件と高速条件の双方において燃料噴射時期から主点火時期までの期間、つまり、主点火時期までの燃料と空気の混合期間を確保しつつ、低速条件での点火位相差を高速条件での点火位相差よりも大きくできる。そのため、主燃焼室および副室での適切な燃焼をより一層確実に実現できる。

上記構成を実現する具体的構成として、前記制御装置は、前記高速条件での前記副点火時期に対する前記低速条件での前記副点火時期の遅角量を、前記高速条件での前記主点火時期に対する前記低速条件での前記主点火時期の遅角量よりも大きくする構成が挙げられる（請求項３）。

ここで、膨張行程ではピストンが下降していくことから、副点火時期が膨張行程中の時期に設定される場合は、ピストンの圧縮作用のみで副点火時期の副室内の混合気(燃料)を十分量にするのが特に難しくなる。これに対して、本発明では、上記のように、燃焼に伴う主燃焼室の圧力上昇を利用して副室に混合気(燃料)を押し込むことができる。従って、前記制御装置が、前記特定領域での前記副点火時期を膨張行程中の時期に設定する構成においても、副室内の混合気(燃料)量を確保できる（請求項４）。

前記構成において、好ましくは、前記制御装置は、前記特定領域での運転時、エンジン回転数が低くなるほど前記点火位相差が大きくなり、且つ、エンジン回転数に対する前記点火位相差の変化率が低回転側よりも高回転側で大きくなるように、前記主点火装置および前記副点火装置を制御する（請求項５）。

この構成によれば、エンジン回転数が低くなるほど点火位相差が大きくされることで、各エンジン回転数において燃費性能を良好にしつつ副室での適切な燃焼を確実に実現できる。ただし、副点火時期が膨張行程中の時期に設定される構成において点火位相差を過度に大きくすると、副点火時期が膨張行程の過度に遅い時期となることで副室への混合気(燃料)の導入効果が小さくなるとともに燃費性能が低下する。これに対して、この構成では、エンジン回転数に対する点火位相差の変化率が低回転側よりも高回転側で大きくされる。そのため、点火位相差が過大になること、つまり、副点火時期が膨張行程の過度に遅い時期となることを回避でき、副室内に導入される混合気(燃料)量を確保しつつ燃費性能を良好にできる。

前記構成において、好ましくは、前記制御装置は、前記特定領域での運転時、前記主点火時期を膨張行程中に設定する（請求項６）。

この構成によれば、燃料噴射時期から主点火時期までの期間、つまり、主点火時期までの燃料と空気の混合期間を確保でき、主燃焼室での適切な燃焼をより一層確実に実現できる。

以上説明したように、本発明のエンジンシステムによれば、燃費性能および排ガス性能を確実に高めることができる。

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。 エンジン本体の概略断面図である。 副点火ユニットの先端部を側方から見た部分断面図である。 副点火ユニットの先端部の平面図である。 エンジンの制御ブロックを示した図である。 エンジンの運転領域を示したマップである。 第３領域におけるインジェクタと点火プラグの制御手順を示したフローチャートである。 第３領域でのインジェクタの駆動パルス、主点火時期および副点火時期の一例を示した図である。 第３領域でのインジェクタの駆動パルス、主点火時期および副点火時期の他の例を示した図である。 第３領域におけるエンジン回転数と各パラメータとの関係を示した図である。

（エンジンの全体構成）
図１は、本発明のエンジンシステムの好ましい実施形態を示す概略構成図である。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。エンジンシステム１は、車両にその走行用の動力源等として搭載される。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り、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。本実施形態では、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、複数の気筒２２が内部に形成されたシリンダブロック５２と、各気筒２２の上端開口を塞ぐ底面５４ａを有してシリンダブロック５２の上面に取り付けられるシリンダヘッド５４と、各気筒２２にそれぞれ往復摺動可能に収容された複数のピストン２４とを備える。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が、これは説明の便宜のためであって、エンジン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がそれぞれ区画されている。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（下面）５４ａと、ピストン２４の冠面２４ａとによって画成されている。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。ピストン２４は、この燃料と空気の混合気の燃焼による膨張力を受けて上下方向に往復動する。

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に導入するための吸気ポート８と、主燃焼室２６で生成された排気ガスを排気通路６に導出するための排気ポート１２とが、それぞれ気筒２２ごとに形成されている。シリンダヘッド５４には、吸気ポート８の主燃焼室２６側の開口を開閉する吸気弁１０と、排気ポート１２の主燃焼室２６側の開口を開閉する排気弁１４とが、それぞれ気筒２２ごとに設けられている。本実施形態では、１つの気筒２２につき２つの吸気弁１０および２つの排気弁１４が設けられている。

吸気弁１０および排気弁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、インジェクタ２８、主点火プラグ３２および副点火ユニット３０が各気筒２２につきそれぞれ１組ずつ設けられている。インジェクタ２８は請求項の「燃料噴射装置」に相当し、主点火プラグ３２は請求項の「主点火装置」に相当する。

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。本実施形態では、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（詳細には、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、主燃焼室２６内の混合気に火花放電による点火を行うものである。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。この電極部３２ｘは、中心電極３２ａと側方電極（アース）３２ｂとを含む。主点火プラグ３２は、その電極部３２ｘ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。本実施形態では、主点火プラグ３２は、その電極部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に火炎を噴出するための装置である。副点火ユニット３０の詳細については後述する。

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いる。各分岐通路はそれぞれ１つの吸気ポート８に接続されている。各気筒２２について、２つの吸気ポート８の一方につながる分岐通路には、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に還流させて、吸気通路４を介してこれと連通する主燃焼室２６に導入する（還流させる）ための装置である。ＥＧＲ装置５０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と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、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３０）
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である。図４は、副点火ユニット３０の先端部３０ｘの平面図（先端側から見た）である。

副点火ユニット３０は、火花放電によって混合気に点火を行う副点火プラグ６２を有する。副点火プラグ６２の先端には、火花を放電するための電極部６２ｘが設けられている。電極部６２ｘは、中心電極６２ａと側方電極（アース）６２ｂとを含む。副点火ユニット３０は、その先端部３０ｘに設けられて副点火プラグ６２の電極部６２ｘを覆うカバー部材６４を備える。カバー部材６４の内側には、所定の空間である副室６０が区画されている。換言すると、副点火プラグ６２はその電極部６２ｘが副室６０を臨むように配設されており、副室６０内の混合気に点火を行う。カバー部材６４は、副点火ユニット３０の先端側に向かって膨出する中空の半球状を呈している。上記の副点火プラグ６２は請求項の「副点火装置」に相当し、上記のカバー部材６４は請求項の「隔壁」に相当する。

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。本実施形態では、副点火ユニット３０は、主燃焼室２６の天井面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。本実施形態では、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。

カバー部材６４には、その表裏を貫通して主燃焼室２６と副室６０とを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の内側空間つまり副室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。このように、本実施形態では、エンジン本体２に上記のように構成された副点火ユニット３０が取り付けられることで、カバー部材６４によって主燃焼室２６と隔てられ、且つ、連通孔６６を通じて主燃焼室２６と連通する副室６０がエンジン本体２に形成されている。

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度間隔で形成されている。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４５度の位置に形成されている。また、カバー部材６４の半径および厚みはそれぞれ５ｍｍ、１ｍｍとされて、各連通孔６６の直径は１．２ｍｍとされている。

副点火ユニット３０は、主燃焼室２６に火炎を噴出する。具体的に、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／放出され、主燃焼室２６内の混合気に伝搬する。

ここで、上記のように、主点火プラグ３２による点火が行われると、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。これより、主点火プラグ３２と副点火プラグ６２の双方により点火が行われて主燃焼室２６および副室６０内で適切に混合気が燃焼すれば、主燃焼室２６内の混合気には複数の位置から火炎が伝搬されることになり、主燃焼室２６内での混合気の燃焼速度が高められて燃費性能が高められるとともにノッキングの発生および未燃混合気の残留が抑制されることになる。

（制御系統）
図５は、エンジンの制御系統を示すブロック図である。本図に示されるＥＣＵ１００は、エンジンを統括的に制御する装置であり、各種演算処理を行うプロセッサ（ＣＰＵ）と、ＲＯＭおよび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は、請求項の「制御装置」に相当する。

ＥＣＵ１００には、各種センサによる検出情報が入力される。例えば、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および吸気圧センサＳＮ３は、エンジン本体２に導入される吸気の温度およ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およ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。

ＥＣＵ１００は、各種センサからの入力信号に基づいて種々の判定や演算等を行う。ＥＣＵ１００は、インジェクタ２８、主点火プラグ３２、副点火プラグ６２、ＥＧＲ装置５０（詳細には、ＥＧＲ弁４６）等と電気的に接続されており、演算結果等に基づいて、これら装置に制御用の電気信号を出力する。

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。図６に示すように、エンジンの運転領域は、インジェクタ２８および点火プラグ３２、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以下の低速低負荷領域である。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よりも高い低速高負荷領域である。第２領域Ａ２は、その他の領域であり、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よりも高く且つ第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。上記の第２負荷Ｔｑ２は請求項の「基準負荷」に相当し、第１回転数Ｎ１は請求項の「基準回転数」に相当し、第３領域Ａ３は請求項の「特定領域」に相当する。

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および点火プラグ３２、６２が制御される。具体的に、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。また、点火プラグ３２、６２の駆動（これら点火プラグ３２、６２による点火）が停止される。

上記のようにインジェクタ２８は主燃焼室２６を臨んでおり、インジェクタ２８から噴射された燃料は主燃焼室２６の全体に拡散可能となっている。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。そして、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（主燃焼室２６内の燃料重量に対する主燃焼室２６内の空気重量の割合）を、火炎伝播が不可能なレベルにまでリーンに（高く）して燃費性能を高めることができる。これより、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（高く）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、ＳＩ：Ｓｐａｒｋ Ｉｇｎｉｔｉｏｎ）が実現されるように、インジェクタ２８および点火プラグ３２、６２が制御される。

具体的に、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および副点火プラグ６２が駆動されて、これら双方の点火プラグ３２、６２による点火が行われる。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、点火プラグ３２、６２による点火によってこれら点火プラグ３２、６２の電極部３２ｘ、６２ｘ回りに火炎核が生成され、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および副室６０の混合気が燃焼する。

（第３領域Ａ３での制御内容）
次に、本発明の特徴である第３領域Ａ３での制御内容について説明する。図７は、ＥＣＵ１００により実施される第３領域Ａ３における、インジェクタ２８、主点火プラグ３２および副点火プラグ６２の制御手順の全体の流れを示したフローチャートである。

ＥＣＵ１００は、まず、各種情報を読み込む（ステップＳ１）。ＥＣＵ１００は、クランク角センサＳＮ５により検出されたエンジン回転数、アクセル開度センサＳＮ６により検出されたアクセル開度等を読みこむ。

次に、ＥＣＵ１００は、エンジン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およびアクセル開度に基づいて要求トルク（エンジン負荷）を算出する。

次に、ＥＣＵ１００は、エンジンの運転ポイントが第３領域Ａ３であるか否かを判定する（ステップＳ３）。具体的に、ＥＣＵ１００は、ステップＳ１で読み込んだエンジン回転数およびステップＳ２で算出した要求トルク（エンジン負荷）に基づいて、現在のエンジンの運転ポイントが第３領域Ａ３内のポイントであるか否かを判定する。

ステップＳ３の判定がＮＯであってエンジンの運転ポイントが第３領域Ａ３内のポイントではない場合、ＥＣＵ１００は処理を終了する（第１領域Ａ１あるいは第２領域Ａ２の制御を実施する）。一方、ステップＳ３の判定がＹＥＳであってエンジンの運転ポイントが第３領域Ａ３内のポイントである場合、ＥＣＵ１００はステップＳ４に進む。

ステップＳ４にて、ＥＣＵ１００は、エンジン回転数とエンジン負荷とに基づいて、インジェクタ２８による燃料噴射が開始される時期である燃料噴射時期、主点火プラグ３２の点火時期である主点火時期（主点火プラグ３２が点火つまり火花放電を行うクランク角での時期）および副点火プラグ６２の点火時期である副点火時期（副点火プラグ６２が点火つまり火花放電を行うクランク角での時期）を設定する。

次に、ステップＳ５にて、ＥＣＵ１００は、ステップＳ４にて設定した燃料噴射時期で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Ｓ４にて設定した主点火時期に主点火プラグ３２による点火が行われるように主点火プラグ３２を駆動する。また、ＥＣＵ１００は、ステップＳ４にて設定した副点火時期に副点火プラグ６２による点火が行われるように副点火プラグ６２を駆動する。

上記のステップＳ４で設定される第３領域Ａ３における燃料噴射時期、主点火時期および副点火時期の詳細について次に説明する。

図８および図９は、第３領域Ａ３に含まれる運転ポイントＰ１、Ｐ２における、インジェクタ２８の駆動パルスと、主点火時期ｔｍと、副点火時期ｔｓとをそれぞれ示した図である。図６に示すように、運転ポイントＰ２は、運転ポイントＰ１と同じエンジン負荷Ｔｑ３で、且つ、運転ポイントＰ１よりもエンジン回転数の高いポイントである。図１０は、第３領域Ａ３におけるエンジン回転数と各パラメータとの関係を示した図である。図１０の一番上のグラフは、エンジン回転数と燃料噴射時期ｔｉｎｊの関係を示したグラフである。図１０の上から二番目のグラフは、エンジン回転数と後述する点火位相差ｄｔの関係を示したグラフである。図１０の上から三番目のグラフは、エンジン回転数と主点火時期ｔｍおよび副点火時期ｔｓの関係を示したグラフである。なお、これらのグラフには、エンジン負荷一定でのエンジン回転数と各パラメータとの関係が示されている。以下では、適宜、エンジン負荷が同一で且つエンジン回転数が異なる２つの運転ポイント（例えば、運転ポイントＰ１、Ｐ２）において、エンジン回転数が低い運転ポイント（Ｐ１）を低速ポイントといい、エンジン回転数が高いポイント（Ｐ２）を高速ポイントという。

第３領域Ａ３でも、第２領域Ａ２と同様にＳＩ燃焼が実現されるように、インジェクタ２８および点火プラグ３２、６２が制御される。

ただし、第３領域Ａ３では、第２領域Ａ２と同様に吸気行程中にインジェクタ２８から燃料を噴射するとプリイグニッションが生じるおそれがある。具体的に、エンジン負荷が高いときは、主燃焼室２６内で生成される燃焼エネルギーが大きくなることで主燃焼室２６内の温度が高くなる。エンジン回転数が低いときは、１クランク角あたりの時間が長くなる。このため、エンジン回転数が低く且つエンジン負荷が高い低速高負荷領域である第３領域Ａ３において、第２領域Ａ２と同様に吸気行程中にインジェクタ２８から燃料を噴射すると、圧縮上死点付近に至るまでの混合気の受熱量および受熱時間が大きくなることで、所望のタイミングつまり点火プラグによる点火が行われる前に混合気が自着火するプリイグニッションが生じやすくなる。

これより、第３領域Ａ３では、圧縮行程中にインジェクタ２８からの燃料噴射を開始させるリタードＳＩ燃焼が実施されて、圧縮上死点付近に至るまでの混合気（燃料）の受熱時間が短く抑えられるように、つまり、プリイグニッションの発生が抑制されるようになっている。すなわち、第３領域Ａ３では、燃料噴射時期ｔｉｎｊが圧縮行程中の時期に設定されて（圧縮行程に含まれるように制御されて）、圧縮行程中にインジェクタ２８から主燃焼室２６内への燃料噴射が開始される。なお、インジェクタ２８による燃料噴射の終了時期は圧縮行程中の時期に限られない。例えば、図８に示すように、本実施形態では、第３領域Ａ３のうちエンジン回転数が低い運転ポイントでは、インジェクタ２８からの燃料噴射は膨張行程中の時期に終了する。

ここで、第３領域Ａ３内においてもエンジン回転数が低いほどプリイグニッションの生じる可能性は高くなる。これより、第３領域Ａ３では、エンジン負荷が同一で且つエンジン回転数が異なる２つの運転ポイント（例えば、運転ポイントＰ１、Ｐ２）において、低速ポイント（Ｐ１）の燃料噴射時期ｔｉｎｊの方が、高速ポイント（Ｐ２）の燃料噴射時期ｔｉｎｊよりも遅くされる。つまり、第３領域Ａ３では、エンジン負荷が同一で且つエンジン回転数が異なる２つの条件のうちエンジン回転数が低い低速条件での燃料噴射時期ｔｉｎｊの方が、エンジン回転数が高い高速条件での燃料噴射時期ｔｉｎｊよりも遅くされる。本実施形態では、後述するように、第３領域Ａ３において、エンジン回転数が低くなるほど燃料噴射時期ｔｉｎｊは遅く（遅角側の時期に）される。

本実施形態では、図１０に示すように、第３領域Ａ３において、燃料噴射時期ｔｉｎｊはエンジン回転数が低くなるほど遅角側の時期とされる。なお、図１０には、燃料噴射時期ｔｉｎｊがエンジン回転数に比例して増減する例を示したが、これらの関係は比例関係に限られない。

第３領域Ａ３では、主点火プラグ３２および副点火プラグ６２の双方が駆動される。

図８および図９に示すように、第３領域Ａ３では、主点火時期ｔｍが副点火時期ｔｓよりも進角側の時期とされて、まず主点火プラグ３２による点火が行われ、その後、副点火プラグ６２による点火が行われる。本実施形態では、第３領域Ａ３における主点火時期ｔｍと副点火時期ｔｓとが、ともに膨張行程中の時期とされる。上記の点火位相差ｄｔは、副点火時期ｔｓの主点火時期ｔｍに対する遅角量つまり主点火時期ｔｍから副点火時期ｔｓまでのクランク角での期間である。

第３領域Ａ３では、エンジン負荷が同一で且つエンジン回転数が異なる２つの運転ポイント（例えば、運転ポイントＰ１、Ｐ２）において、低速ポイント（Ｐ１）の主点火時期ｔｍの方が高速ポイント（Ｐ２）の主点火時期ｔｍよりも遅くされ、低速ポイント（Ｐ１）の副点火時期ｔｓの方が高速ポイント（Ｐ２）の副点火時期ｔｓよりも遅くされる。

第３領域Ａ３では、エンジン負荷が同一で且つエンジン回転数が異なる２つの運転ポイント（例えば、運転ポイントＰ１、Ｐ２）において、高速ポイント（Ｐ２）での副点火時期ｔｓに対する低速ポイント（Ｐ１）での副点火時期ｔｓの遅角量の方が、高速ポイント（Ｐ２）での主点火時期ｔｍに対する低速ポイント（Ｐ１）での主点火時期ｔｍの遅角量よりも大きくされる。これに伴い、第３領域Ａ３では、点火位相差ｄｔ（副点火時期ｔｓの主点火時期ｔｍに対する遅角量）が次のように制御される。つまり、エンジン負荷が同一で且つエンジン回転数が異なる２つの運転ポイント（例えば、運転ポイントＰ１、Ｐ２）において、低速ポイント（Ｐ１）の点火位相差ｄｔの方が高速ポイント（Ｐ２）の点火位相差ｄｔよりも大きくされる。

図１０に示すように、本実施形態では、第３領域Ａ３において、主点火時期ｔｍおよび副点火時期ｔｓは、それぞれエンジン回転数が低くなるほど遅い時期に設定される。

また、主点火時期ｔｍおよび副点火時期ｔｓは、エンジン回転数が低くなるほど点火位相差ｄｔが大きくなるような時期にそれぞれ設定される。つまり、副点火時期ｔｓはのエンジン回転数に対する変化率の方が主点火時期ｔｍの変化率よりも大きくされる。

また、主点火時期ｔｍは、エンジン回転数に対するその変化率が第３領域Ａ３の全エンジン回転数について一定となるように設定される一方、副点火時期ｔｓは、エンジン回転数に対するその変化率が、エンジン回転数が所定のエンジン回転数Ｎ２以上のときの方が当該回転数Ｎ２未満のときよりも大きくなるように設定される。これに伴い、第３領域Ａ３では、エンジン回転数に対する点火位相差ｄｔの変化率が、エンジン回転数が所定のエンジン回転数Ｎ２以上の高回転側の方が当該回転数Ｎ２未満の低回転側よりも大きくされる。

なお、本実施形態では、上記のように設定された各時期（燃料噴射時期ｔｉｎｊ、主点火時期、副点火時期ｔｓ）が予めＥＣＵ１００にエンジン回転数とエンジン負荷とについてマップで記憶されている。ＥＣＵ１００は、上記のステップＳ４において、ＥＣＵ１００は、記憶しているマップから現在のエンジン負荷とエンジン回転数とに対応する値を抽出する。

（作用等）
以上のように、上記実施形態では、エンジン本体２に主燃焼室２６と副室６０とが設けられているので、これら２つの燃焼室２６、６０での混合気の燃焼によって燃費性能および排ガス性能を高めることができる。しかも、燃料を噴射する装置であるインジェクタ２８が主燃焼室２６にのみ設けられて副室６０には設けられていないことで、主燃焼室２６と副室６０とにそれぞれインジェクタ２８を設ける場合に比べてエンジンシステムの構造を簡素化できるとともにコスト面で有利になる。また、インジェクタ２８が主燃焼室２６に燃料を噴射するように配設されていることで、主燃焼室２６全体に均一に燃料を拡散させることができる。そのため、低速低負荷の第１領域Ａ１において適切なＨＣＣＩ燃焼を実現できる。

また、低速高負荷領域である第３領域Ａ３において、燃料噴射時期ｔｉｎｊが圧縮行程中の時期に設定されるとともに、エンジン負荷が同一で且つエンジン回転数が異なる２つの運転ポイント（例えば、運転ポイントＰ１、Ｐ２）において、低速ポイント（Ｐ１）の燃料噴射時期ｔｉｎｊの方が、高速ポイント（Ｐ２）の燃料噴射時期ｔｉｎｊよりも遅くされる。そのため、上記のように、第３領域Ａ３において、圧縮上死点付近に至るまでの混合気の受熱時間が過大になるのを回避してプリイグニッションの発生を抑制できる。

ただし、燃料噴射時期ｔｉｎｊを圧縮行程中の時期に設定した場合は、圧縮上死点付近までに燃料が主燃焼室２６全体に拡散しないことから、ピストン２４の圧縮作用のみで副室６０に十分量の燃料を導入するのが難しくなり副室６０内での適切な燃焼が実現され難くなる。特に、上記実施形態では、副点火時期ｔｓが膨張行程中であってピストン２４の下降が開始した後の時期に設定されていることで、ピストン２４の圧縮作用のみでは副点火時期の副室内の混合気（燃料）が不足する可能性が高くなる。また、仮に、燃料の拡散が十分に進んで副室６０内に十分な混合気が導入されるのを待って副点火プラグ６２による点火を行い、その後に主点火プラグ３２による点火を行ったとすると、主点火プラグ３２の点火時期が膨張行程の非常に遅い時期となることで、主燃焼室２６内の混合気が適切に燃焼しない可能性が高くなる。

これに対して、上記実施形態では、第３領域Ａ３において、副点火時期ｔｓが主点火時期ｔｍよりも遅角側の時期とされる。そのため、圧縮上死点付近における主点火プラグ３２による点火によって主燃焼室２６内での適切な燃焼を実現できる。また、主燃焼室２６内での燃焼によって生じた主燃焼室２６内の圧力上昇によって主燃焼室２６から副室６０に混合気（燃料）を押し込むことができる。従って、副点火プラグ６２による点火時に副室６０内に十分量の混合気（燃料）を存在させることができ、副室６０内においても適切な燃焼を実現できる。

このように、上記実施形態によれば、第３領域Ａ３において、燃料噴射時期ｔｉｎｊを圧縮行程中の時期に設定して、これによりプリイグニッションの発生を抑制しつつ、主燃焼室２６と副室内での適切な燃焼を実現でき、燃費性能および排気性能を高めることができる。

さらに、上記実施形態では、第３領域Ａ３において、燃料噴射時期ｔｉｎｊが比較的遅角側とされる低速ポイントでの点火位相差ｄｔの方が、燃料噴射時期ｔｉｎｊが比較的進角側とされる高速ポイントでの点火位相差ｄｔよりも大きくされる。つまり、燃料噴射時期ｔｉｎｊがより圧縮上死点に近いことでピストン２４の圧縮作用のみでの副室６０内への混合気（燃料）導入がより困難な低速ポイントの方が、主燃焼室２６の圧力上昇に伴う混合気（燃料）の副室６０への導入が開始してから副点火プラグ６２による点火が行われるまでの期間、すなわち、混合気（燃料）の副室６０への導入期間が長くされる。そのため、低速ポイントにおいて、副室６０内に確実に十分量の混合気（燃料）を導入させて副室６０内での混合気の適切な燃焼を確実に実現できる。また、高速ポイントでは、副室６０内の混合気（燃料）量が確保されつつ、主燃焼室２６内での燃焼開始後の比較的早い時期に副室６０での燃焼が開始することになるので、副室６０内での混合気の適切な燃焼を実現しつつ、燃焼期間を短くして燃費性能をより確実に高めることができる。

特に、上記実施形態では、第３領域Ａ３のうちエンジン回転数が低い運転ポイントでは、インジェクタ２８からの燃料噴射が膨張行程中の時期に終了するようになっており、一部の燃料にピストン２４の圧縮作用が及ばないことで、副室６０内の混合気（燃料）量が不足しやすい。これに対して、上記実施形態によれば、このようなエンジン回転数が低く且つ燃料噴射が膨張行程中の時期に終了する運転ポイントにおいても副室６０内に十分量の混合気（燃料）を導入させることが可能になる。

また、上記実施形態では、第３領域Ａ３において、エンジン回転数が低くなるほど点火位相差ｄｔが大きくされる。そのため、各エンジン回転数において燃費性能を良好にしつつ副室６０での適切な燃焼を確実に実現できる。

ここで、上記実施形態では、第３領域Ａ３において、副点火時期ｔｓが膨張行程中の時期に設定されることから、点火位相差ｄｔを過度に大きくすると副点火時期ｔｓが膨張行程の過度に遅い時期になる。膨張行程が進むと主燃焼室２６内の圧力が大幅に低下することで主燃焼室２６から副室６０への混合気（燃料）の押し込み効果は小さくなる。また、副室６０での燃焼開始時期が膨張行程の過度に遅い時期になるとかえって燃費性能が悪化するおそれがある。これに対して、上記実施形態では、第３領域Ａ３において、エンジン回転数に対する点火位相差ｄｔの変化率が、エンジン回転数が所定のエンジン回転数Ｎ２以上の高回転側の方が当該回転数Ｎ２未満の低回転側よりも大きくされる。そのため、低回転側において点火位相差ｄｔが過大になること、つまり、副点火時期ｔｓが膨張行程の過度に遅い時期になるのを回避でき、燃費性能を確実に良好にできる。

また、上記実施形態では、第３領域Ａ３において、燃料噴射時期ｔｉｎｊが遅角側とされる低速ポイントでの主点火時期ｔｍが、燃料噴射時期ｔｉｎｊが比較的進角側とされる高速ポイントでの主点火時期ｔｍよりも遅角側の時期に設定される。そのため、低速ポイントと高速ポイントの双方において燃料噴射時期ｔｉｎｊから主点火時期ｔｍまでの期間、つまり、主点火時期ｔｍまでの燃料と空気の混合期間を確保でき、主燃焼室２６内での混合気の適切な燃焼より確実に実現できる。

また、上記実施形態では、第３領域Ａ３において、主点火時期ｔｍが膨張行程中の時期に設定される。そのため、燃料噴射時期ｔｉｎｊから主点火時期ｔｍまでの期間、つまり、主点火時期ｔｍまでの燃料と空気の混合期間を特に長くでき、主燃焼室２６での適切な燃焼をより一層確実に実現できる。

（変形例）
副点火ユニット３０のカバー部材６４の具体的形状および寸法は、上記に限られない。また、カバー部材６４に設けられる連通孔６６の数および寸法は上記に限られない。また、副点火ユニット３０の取付位置は上記に限られない。例えば、副点火ユニット３０は、インジェクタ２８の先端部２８ｘに対して排気ポート１２側に設けられてもよい。

上記実施形態では、第１領域Ａ１の上限回転数と第３領域Ａ３の上限回転数とが同じである場合を説明したが、これらは一致していなくてもよい。つまり、第１領域Ａ１の上限回転数は、第３領域Ａ３の上限回転数である第１回転数Ｎ１でなくてもよい。

また、第１領域Ａ１および第２領域Ａ２の制御内容は上記に限られない。

また、エンジン本体２の気筒数等の詳細構造は上記に限られない。

１ エンジンシステム
２ エンジン本体
２４ ピストン
２８ インジェクタ（燃料噴射装置）
２６ 主燃焼室
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 副燃焼室
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（制御装置）

Claims (6)

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、および前記ピストンにより画成された主燃焼室と、
   前記主燃焼室と隔壁により隔てられるとともに、当該隔壁に形成された連通孔を通じ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装置と、
   前記副室内の混合気に点火する副点火装置と、
   前記燃料噴射装置、前記主点火装置、および前記副点火装置に電気的に接続されて当該各装置に制御用の電気信号を出力する制御装置とを備え、
   エンジン回転数が所定の基準回転数以下で且つエンジン負荷が所定の基準負荷よりも高い特定領域でエンジンが運転されている場合、前記制御装置は、
   前記燃料噴射装置による燃料の噴射時期である燃料噴射時期が圧縮行程に含まれるように前記燃料噴射装置を制御するとともに、前記燃料噴射時期よりも後に前記主点火装置および前記副点火装置にそれぞれ点火を行わせ、
   エンジン負荷が同一で且つエンジン回転数が異なる前記特定領域内の２つの条件のうち回転数が低い方を低速条件、高い方を高速条件としたとき、前記低速条件での前記燃料噴射時期が前記高速条件での前記燃料噴射時期よりも遅くなるように前記燃料噴射装置を制御し、
   前記副点火装置の点火時期である副点火時期が前記主点火装置の点火時期である主点火時期よりも遅角側の時期となり、且つ、前記主点火時期に対する前記副点火時期の遅角量である点火位相差が前記高速条件よりも前記低速条件で大きくなるように、前記主点火装置および前記副点火装置を制御する、ことを特徴とす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、
   前記制御装置は、前記低速条件での前記主点火時期を前記高速条件での前記主点火時期よりも遅角側の時期に設定するとともに、前記低速条件での前記副点火時期を前記高速条件での前記副点火時期よりも遅角側の時期に設定する、ことを特徴とするエンジンシステム。
3. 請求項２に記載のエンジンシステムにおいて、
   前記制御装置は、前記高速条件での前記副点火時期に対する前記低速条件での前記副点火時期の遅角量を、前記高速条件での前記主点火時期に対する前記低速条件での前記主点火時期の遅角量よりも大きくする、ことを特徴とす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、
   前記制御装置は、前記特定領域での前記副点火時期を膨張行程中の時期に設定する、ことを特徴とするエンジンシステム。
5. 請求項４に記載のエンジンシステムにおいて、
   前記制御装置は、前記特定領域での運転時、エンジン回転数が低くなるほど前記点火位相差が大きくなり、且つエンジン回転数に対する前記点火位相差の変化率が低回転側よりも高回転側で大きくなるように、前記主点火装置および前記副点火装置を制御する、ことを特徴とするエンジンシステム。
6. 請求項４または５に記載のエンジンシステムにおいて、
   前記制御装置は、前記特定領域での前記主点火時期を膨張行程中に設定する、ことを特徴とするエンジンシステム。
   

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