JP2023020232A - エンジンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】冷間始動時に副室内の混合気を適切に燃焼させる。【解決手段】エンジンシステム１は、主燃焼室２５と、主燃焼室２５と隔壁（６４）により隔てられかつ当該隔壁（６４）に形成された連通孔６６を通じて主燃焼室２５と連通する副室６０と、主燃焼室２５に導入される吸気が流通する吸気導入路（８）と、主燃焼室２５に燃料を噴射する第１燃料噴射装置（２６）と、吸気導入路（８）に燃料を噴射する第２燃料噴射装置（２８）と、副室６０内の混合気に点火する点火装置（６２）と、各装置を制御する制御器（１００）とを備える。エンジン水温が閾値未満の条件でエンジンが始動される冷間始動時、制御器（１００）は、第２燃料噴射装置（２８）から吸気行程中に燃料が噴射されかつ当該燃料噴射の後に点火装置（６２）による点火が行われるように、第２燃料噴射装置（２８）及び点火装置（６２）を制御する。【選択図】図８

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。

シリンダブロック、シリンダヘッド、及びピストンにより画成された主燃焼室と、主燃焼室と隣接する副室とを備え、かつ副室を規定する壁に連通孔が形成されたエンジンが知られている。例えば、下記特許文献１には、主燃焼室及び副室と、吸気ポートに燃料を噴射する主燃料噴射弁と、副室に燃料を噴射する副燃料噴射弁と、主燃焼室内の混合気に点火する主点火プラグと、副室内の混合気に点火する副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、主燃焼室内の混合気が燃焼した後に副室内の混合気が燃焼するように、上記各燃料噴射弁及び各点火プラグが制御される。副室内の混合気が燃焼すると、副室から連通孔を通じて主燃焼室に火炎が噴出され、この噴出された火炎（トーチ火炎）により主燃焼室内の未燃混合気が燃焼する。これにより、主燃焼室に未燃混合気が残留することが抑制され、燃費性能及び排ガス性能が高まるとされている。

特開２００７－２５５３７０号公報

ここで、上記特許文献１のエンジンを改変し、副室ではなく主燃焼室に燃料噴射弁を設けることが考えられる。しかしながら、このようにすると、特にエンジンの冷間始動時に副室で失火が起きる可能性が高くなる。すなわち、エンジンの冷間始動時は、燃料の微粒化及び蒸発が進み難いので、主燃焼室に燃料が噴射されてから当該主燃焼室内の混合気が均質化するまでに要する所要時間が長くなり易い。このことは、主燃焼室から連通孔を通じて副室に導入される混合気の濃度が上昇し難いことを意味する。副室内の混合気の濃度が薄いと、副点火プラグにより副室内の混合気に点火しても混合気が燃焼しない現象、つまり失火が起きる可能性が高くなる。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、冷間始動時に副室内の混合気を適切に燃焼させることが可能なエンジンシステムを提供す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及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、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、前記主燃焼室に導入される吸気が流通する吸気導入路と、前記主燃焼室に燃料を噴射する第１燃料噴射装置と、前記吸気導入路に燃料を噴射する第２燃料噴射装置と、前記副室内の混合気に点火する点火装置と、前記シリンダブロック及び前記シリンダヘッドの内部を流通する冷却水の温度であるエンジン水温を検出する水温検出部と、前記水温検出部、前記第１燃料噴射装置、前記第２燃料噴射装置、及び前記点火装置と電気的に接続され、前記水温検出部から前記エンジン水温の検出情報を表す電気信号を受け付けるとともに、前記第１及び第２燃料噴射装置と前記点火装置とに制御用の電気信号を出力する制御器とを備え、検出された前記エンジン水温が所定の閾値未満の条件でエンジンが始動される冷間始動時に、前記制御器は、前記第２燃料噴射装置から吸気行程中に燃料が噴射されかつ当該燃料噴射の後に前記点火装置による点火が行われるように、前記第２燃料噴射装置及び前記点火装置を制御する、ことを特徴とするものである。

なお、本発明において、「吸気行程中に燃料が噴射され」とは、１燃焼サイクル分の所要燃料の少なくとも一部が吸気行程中に噴射されるという意味であり、必ずしも所要燃料の全部が吸気行程中に噴射されることを意味しない。

本発明によれば、エンジンの冷間始動時に、吸気導入路に燃料を噴射する第２燃料噴射装置から吸気行程中に燃料が噴射されるので、当該第２燃料噴射装置からの噴射燃料を、吸気導入路から主燃焼室に勢いよく流入する吸気と共に主燃焼室に導入することができ、燃料の流動性を高めることができる。これにより、点火装置による副室での点火の前に、燃料と空気とを十分に混合することができ、主燃焼室に十分に均質な混合気を形成することができる。主燃焼室内の混合気が均質化すると、隔壁に形成された連通孔を通じて主燃焼室から副室に導入される混合気の濃度が安定化するので、点火時点で副室に形成される混合気の濃度不足を解消することができる。つまり、点火装置による副室での点火の前に、燃焼（火炎伝播）に適した所期の濃度の混合気を副室に形成することが可能になる。これにより、点火装置の点火をきっかけに副室内の混合気を適切に燃焼させることができ、副室から連通孔を通じて主燃焼室に火炎を噴出させることができる。連通孔から噴出された火炎は、主燃焼室内の混合気を十分な速度で燃焼させる。これにより、冷間始動時の熱効率を高めることができ、エンジンの燃費性能を向上させることができる。

好ましくは、前記吸気導入路は、前記シリンダヘッドに形成された吸気ポートを含み、前記シリンダヘッドには、前記吸気ポートに燃料を噴射する前記第２燃料噴射装置と、前記吸気ポートを開閉する吸気弁とが設けられ、前記制御器は、前記冷間始動時に、前記吸気弁の開弁時期よりも前に前記第２燃料噴射装置に燃料噴射を開始させる。

この構成によれば、特に吸気ポートから主燃焼室に勢いよく吸気が流入する吸気弁の開弁直後に、第２燃料噴射装置からの噴射燃料を当該吸気と共に主燃焼室に導入することができる。これにより、主燃焼室内の混合気を十分に均質化することができ、副室内の混合気の濃度を十分に確保することができる。

好ましくは、前記エンジンシステムは、前記主燃焼室内の混合気に点火する追加点火装置をさらに備え、前記制御器は、前記冷間始動時に、前記点火装置の点火時期よりも前に前記追加点火装置に点火を行わせる。

着火性の低い冷間始動時に、前記点火装置による副室での点火（副点火）よりも前に、追加点火装置による主燃焼室での点火（主点火）を行っても、この主点火は、主燃焼室内の混合気を燃焼させる作用をもたらさない。ただし、主点火は、主燃焼室内の温度を放電エネルギーにより上昇させる作用をもたらす。主燃焼室内の温度が上昇すると、主燃焼室から副室に導入される混合気の温度が上昇するので、その後の副点火時に失火が生じるのをより高い確率で防止することができる。これにより、冷間始動時の混合気の燃焼性を高めることができ、エンジンの燃費性能を向上させることができる。

検出された前記エンジン水温が前記閾値以上の条件でエンジンが始動される通常始動時に、前記制御器は、前記第１燃料噴射装置に燃料を噴射させることが好ましい。

この構成によれば、着火性が相対的に良好な通常始動時に、第１燃料噴射装置から主燃焼室に直接噴射された燃料に基づく混合気を効率よく燃焼させることができる。

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、冷間始動時に副室内の混合気を適切に燃焼させることができる。

本発明の一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を下方から見た平面図である。 エンジンシステムの制御系統を示す機能ブロック図である。 エンジンの運転中に実行される制御の詳細を示すフローチャートである。 図６のステップＳ３の制御の詳細を示すサブルーチンである。 冷間始動時における燃料噴射及び火花点火の各タイミングを示すタイムチャートである。 通常始動時における燃料噴射及び火花点火の各タイミングを示すタイムチャートである。 非アイドリング運転時における燃料噴射及び火花点火の各タイミングを示すタイムチャートである。 図６及び図７の制御により実現される動作の一例を示すタイムチャートである。

以下、図面に基づいて、本発明の一実施形態に係るエンジンシステムについて詳細に説明する。本実施形態にて例示されるエンジンシステムは、自動車等の車両を走行駆動するための動力源として前記車両に搭載される車載用のエンジンシステム１である。

［エンジンの全体構成］
図１は、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流通する排気通路６とを備える。エンジン本体２は、ガソリンを含む燃料の供給を受ける４ストロークのガソリンエンジンである。

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及びシリンダヘッド５４によって形成されている。すなわち、複数の気筒２２に対応する複数の円筒空間がシリンダブロック５２の内部に形成されるとともに、当該円筒空間を上から閉塞するようにシリンダヘッド５４がシリンダブロック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が、これ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２５が形成されている。主燃焼室２５は、気筒２２の側周面（シリンダライナー）を規定するシリンダブロック５２の内周面２２ａと、気筒２２の上面を規定するシリンダヘッド５４の底面５４ａと、ピストン２４の冠面２４ａとによって画成された空間である。主燃焼室２５には、後述するインジェクタ２６，２８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２５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。

クランク軸２０は、始動モータ４５と係脱可能に連結されている。始動モータ４５は、エンジンの始動時にクランク軸２０と係合してこれを強制回転（クランキング）させる電動式のモータである。

シリンダヘッド５４には、各気筒２２の主燃焼室２５に連通する吸気ポート８及び排気ポート１２が形成されている。また、シリンダヘッド５４には、吸気弁１０及び排気弁１４の組合せが、気筒２２ごとにそれぞれ装備されている。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２５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２５で生成された既燃ガス（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２５側の開口を開閉するバルブである。排気弁１４は、排気ポート１２の主燃焼室２５側の開口を開閉するバルブである。本実施形態では、気筒２２ごとに２つの吸気弁１０及び２つの排気弁１４が設けられる。

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により開閉駆動される。動弁機構１６，１８は、例えばクランク軸２０に連係された一対のカムシャフトを含み、クランク軸２０の回転に連動して各気筒２２の吸気弁１０及び排気弁１４を開閉駆動する。吸気弁１０用の動弁機構１６には、吸気弁１０の開閉タイミングを可変的に設定する電動式の可変バルブ機構である吸気Ｓ－ＶＴ１６ａが内蔵されている。

シリンダヘッド５４には、直噴インジェクタ２６、ポートインジェクタ２８、主点火プラグ３２、及び副点火ユニット３０の組合せが、気筒２２ごとにそれぞれ装備されている。なお、直噴インジェクタ２６は、本発明における「第１燃料噴射装置」に相当し、ポートインジェクタ２８は、本発明における「第２燃料噴射装置」に相当する。また、主点火プラグ３２は、本発明における「追加点火装置」に相当する。

直噴インジェクタ２６は、主燃焼室２５に燃料を噴射する噴射弁である。直噴インジェクタ２６は、主燃焼室２５を上方から臨む先端部２６ａを有している。この直噴インジェクタ２６の先端部２６ａには噴口が形成され、当該噴口から主燃焼室２５に向けて燃料が噴射される。直噴インジェクタ２６は、その先端部２６ａが主燃焼室２５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シリンダヘッド５４に取り付けられている。

ポートインジェクタ２８は、吸気ポート８に燃料を噴射する噴射弁である。ポートインジェクタ２８は、吸気ポート８を上方から臨む先端部２８ａを有している。このポートインジェクタ２８の先端部２８ａには噴口が形成され、当該噴口から吸気ポート８に向けて燃料が噴射される。ポートインジェクタ２８から吸気ポート８に噴射された燃料は、吸気ポート８を流れる吸気と共に主燃焼室２５に導入される。

主点火プラグ３２は、主燃焼室２５内の混合気に点火する主点火を行うプラグである。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が備えられている。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が主燃焼室２５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の電極部３２ｘは、主燃焼室２５の天井面のうち直噴インジェクタ２６の先端部２６ａよりも吸気側に配置されている。

副点火ユニット３０は、主燃焼室２５に火炎を噴出するための装置である。副点火ユニット３０の構造については後で詳述する。

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におけるサージタンク３８よりも下流側の部分は、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各気筒２２の吸気ポート８に接続されている。なお、吸気通路４及び吸気ポート８の組合せは、本発明における「吸気導入路」に相当する。

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。

［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。本図に示すように、副点火ユニット３０は、副点火プラグ６２と、この副点火プラグ６２の先端を覆うカバー部材６４と、カバー部材６４の内部空間である副室６０とを備える。なお、副点火プラグ６２は、本発明における「点火装置」に相当し、カバー部材６４は、本発明における「隔壁」に相当する。

副点火プラグ６２は、副室６０内の混合気に点火する副点火を行うプラグである。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の外郭を構成するカバーであり、副点火プラグ６２の電極部６２ｘの周囲を覆うように取り付けられている。カバー部材６４は、下方に向けて膨出する半球型（ドーム型）の形状を有している。

副室６０は、副点火プラグ６２の電極部６２ｘの周囲空間であり、カバー部材６４によって囲まれている。このような空間であるゆえ、副室６０のサイズは、主燃焼室２５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、当該副室６０に火花を放電することで上記副点火を行う。

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２５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の先端部３０ｘは、主燃焼室２５の天井面のうち直噴インジェクタ２６の先端部２６ａよりも排気側に配置されている。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２５に露出している。言い換えると、カバー部材６４は、副室６０と主燃焼室２５とを隔てる隔壁として機能している。

カバー部材６４には、その表裏を貫通して主燃焼室２５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２５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Ｑ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Ｑ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２５に火炎を噴出するための装置として機能する。直噴インジェクタ２６及びポートインジェクタ２８の少なくとも一方から主燃焼室２５に燃料が噴出されて主燃焼室２５内に燃料と空気と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内に混合気が存在する状態で副点火が行われ、副点火プラグ６２の電極部６２ｘから火花が放電されると、副室６０内で混合気が燃焼を開始し、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、当該火炎は連通孔６６を通じて主燃焼室２５に噴出され、主燃焼室２５内の混合気に伝搬する。

［制御系統］
図５は、エンジンシステム１の制御系統を示す機能ブロック図である。本図に示すように、エンジンシステム１は、当該エンジンシステム１に備わる各機能部を統括的に制御するＥＣＵ１００を備える。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た制御器である。ＥＣＵ１００は、上述の直噴インジェクタ２６、ポートインジェクタ２８、主点火プラグ３２、副点火プラグ６２、吸気Ｓ－ＶＴ１６ａ、及びスロットル弁３６等の機器と電気的に接続され、これらの機器に制御用の電気信号を出力する。

ＥＣＵ１００には、エンジンシステム１等に備わる各種センサにより検出された情報が電気信号として逐次入力される。ＥＣＵ１００は、当該各種センサからの入力種情報に基づいて種々の判定や演算等を実行しつつエンジンの各部を制御する。具体的に、エンジンシステム１には、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、及びクランク角センサＳＮ５が設けられている。また、エンジンシステム１を搭載した車両には、アクセル開度センサＳＮ６が設けられている。ＥＣＵ１００は、これら各センサＳＮ１～ＳＮ６と電気的に接続されるとともに、当該各センサＳＮ１～ＳＮ６により検出された情報を逐次受け付ける。なお、水温センサＳＮ４は、本発明における「水温検出部」に相当する。

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センサである。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センサである。水温センサＳＮ４は、エンジン本体２を冷却するためにシリンダブロック５２及びシリンダヘッド５４の内部を流通する冷却水の温度であるエンジン水温を検出するセンサである。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、及びクランク軸２０の回転数であるエンジン回転数を検出するセンサである。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センサである。

さらに、ＥＣＵ１００には、車両に備わるイグニッションスイッチＳＷ１の操作信号も入力される。イグニッションスイッチＳＷ１は、エンジンシステム１を起動又は停止する際に乗員により操作されるスイッチである。ＥＣＵ１００には、当該イグニッションスイッチＳＷ１の操作状態を表す情報が電気信号として逐次入力される。

［制御動作］
次に、エンジンシステム１の具体的な制御例について図６～図１０を用いて説明する。図６及び図７は、エンジンの運転中にＥＣＵ１００により実行される制御の詳細を示すフローチャートである。図８～図１０は、燃料噴射及び火花点火の各タイミングを示すタイムチャートであり、図８は冷間始動時のものを、図９は通常始動時のものを、図１０は非アイドリング運転時のものを、それぞれ示している。

図６に示す制御がスタートすると、ＥＣＵ１００は、イグニッションスイッチＳＷ１がオン操作されたか否かを判定する（ステップＳ１）。例えば、ＥＣＵ１００は、イグニッションスイッチＳＷ１がオフ状態からオン状態に切り替わったことを表すＩＧ・ＯＮの信号がイグニッションスイッチＳＷ１から入力された場合に、イグニッションスイッチＳＷ１がオン操作されたと判定する。

上記ステップＳ１でＹＥＳと判定されてイグニッションスイッチＳＷ１のオン操作が確認された場合、ＥＣＵ１００は、各種情報を読み込む（ステップＳ２）。例えば、ＥＣＵ１００は、水温センサＳＮ４により検出されるエンジン水温と、クランク角センサＳＮ５により検出されるエンジン回転数と、アクセル開度センサＳＮ６により検出されるアクセル開度とを少なくとも読み込む。

次いで、ＥＣＵ１００は、エンジンを始動させる始動制御を実行する（ステップＳ３）。この始動制御の詳細を図７を用いて説明する。始動制御が開始されると、ＥＣＵ１００は、吸気弁１０の開閉タイミングが相対的に遅くなるように吸気Ｓ－ＶＴ１６ａを制御する（ステップＳ２１）。具体的に、ＥＣＵ１００は、吸気弁１０のリフト量の変化であるリフトカーブが図８又は図９に示すようなカーブとなるように、つまり吸気弁１０が吸気行程の途中の時点ｔ１で開弁しかつ圧縮行程の途中の時点ｔ２で閉弁するように、吸気Ｓ－ＶＴ１６ａを制御する。言い換えると、エンジンの始動時は、吸気行程の始まりである排気上死点（排気行程と吸気行程との間のＴＤＣ）から所定のクランク角だけ遅れて吸気弁１０が開弁し、かつ吸気行程の終わりである吸気下死点（吸気行程と圧縮行程との間のＢＤＣ）から所定のクランク角だけ遅れて吸気弁１０が閉弁するように、吸気Ｓ－ＶＴ１６ａによる吸気弁１０の開閉タイミングが設定される。

次いで、ＥＣＵ１００は、エンジンのクランキングを開始する（ステップＳ２２）。すなわち、ＥＣＵ１００は、始動モータ４５を駆動してクランク軸２０に回転力を付与することにより、クランク軸２０を強制的に回転させる。なお、このステップＳ２２におけるクランキングは、上記ステップＳ２１における吸気Ｓ－ＶＴ１６ａの駆動と同時並行的に実行することが可能である。

次いで、ＥＣＵ１００は、上記ステップＳ２で水温センサＳＮ４から取得されたエンジン水温、つまりイグニッション・オンの時点でのエンジンの冷却水の温度が、予め定められた閾値Ｔｘ未満であるか否かを判定する（ステップＳ２３）。閾値Ｔｘは、エンジンの特性に応じて適宜設定されるが、例えば０℃前後に設定することが可能である。

上記ステップＳ２３でＹＥＳと判定されてエンジン水温が閾値Ｔｘ未満であることが確認された場合、ＥＣＵ１００は、ポートインジェクタ２８に燃料を噴射させる（ステップＳ２４）。具体的に、ＥＣＵ１００は、図８に示すように、１燃焼サイクル分の所要燃料が主に吸気行程の初期に噴射されるようにポートインジェクタ２８を制御する。図８には、ポートインジェクタ２８の噴射パルスが排気上死点（吸気行程の始まり）と吸気弁１０の開弁時期ｔ１との間に含まれる例が示される。この場合、ポートインジェクタ２８による燃料噴射は、排気上死点以降に開始され、かつ吸気弁１０の開弁時期ｔ１以前に終了される。ただし、これはあくまで一例であって、図８以外のタイミングも許容される。例えば、ポートインジェクタ２８は、吸気弁１０の開弁時期ｔ１を跨ぐ期間に亘って燃料を噴射してもよい。また、ポートインジェクタ２８は、燃料噴射期間（噴射パルス）の一部が排気行程に含まれ、かつ残りの一部が吸気行程に含まれるようなタイミングで燃料を噴射してもよい。言い換えると、エンジン水温が閾値Ｔｘ未満の条件でのエンジン始動（以下、これを冷間始動という）において、ポートインジェクタ２８による燃料噴射のタイミングは、吸気弁１０の開弁時期ｔ１よりも前に噴射が開始され、かつ所要燃料の少なくとも一部が吸気行程中に噴射されるようなタイミングであればよい。エンジンの冷間始動時、ＥＣＵ１００は、このようなタイミングでポートインジェクタ２８から燃料が噴射されるようにポートインジェクタ２８を制御する。

ここで、上記ステップＳ２４において吸気弁１０の開弁前にポートインジェクタ２８から噴射される燃料は、少なくともその一部が吸気ポート８の壁面に付着することが想定される。ただし、仮に吸気ポート８の壁面に燃料が付着しても、その付着燃料は、吸気弁１０の開弁直後に吸気ポート８が負圧化するのに伴い蒸発し、吸気ポート８を流れる吸気と共に無駄なく主燃焼室２５へと導入される。

上述のとおり、エンジンの冷間始動時は、所要燃料が全てポートインジェクタ２８からの噴射によって賄われる。言い換えると、冷間始動時は、燃料の供給源としてポートインジェクタ２８のみが作動し、直噴インジェクタ２６は停止される。

次いで、ＥＣＵ１００は、主点火プラグ３２に点火を行わせる（ステップＳ２５）。具体的に、ＥＣＵ１００は、図８に示すように、吸気弁１０の閉弁時期ｔ２よりも遅角側でかつ圧縮上死点（圧縮行程と膨張行程との間のＴＤＣ）よりも進角側にあたる圧縮行程の適宜のタイミングで主点火プラグ３２に点火（主点火）を行わせる。ただし、ここでの主点火は、混合気を直接燃焼させるための点火ではない。言い換えると、主点火のタイミングは、主燃焼室２５に存在する混合気が着火（燃焼）しないようなタイミングに設定される。すなわち、主点火が行われるステップＳ２５の時点で、主燃焼室２５には、上記ステップＳ２４でポートインジェクタ２８から噴射された燃料に由来する混合気が形成されているが、当該混合気が主点火によって着火しないように、主点火は主燃焼室２５が十分に高温・高圧化する前に実行される。このようなタイミングで実行される主点火は、混合気の燃焼にはつながらないものの、放電エネルギーにより主燃焼室２５を高温化させる作用をもたらす。このことは、続く副点火による混合気の燃焼を促進させる。

次いで、ＥＣＵ１００は、副点火プラグ６２に点火を行わせる（ステップＳ２６）。具体的に、ＥＣＵ１００は、図８に示すように、上記ステップＳ２５の主点火よりも遅くかつ圧縮上死点に近いタイミングで副点火プラグ６２に点火（副点火）を行わせる。この副点火は、カバー部材６４の内部つまり副室６０に存在する混合気を燃焼させる。副室６０内の混合気が燃焼すると、カバー部材６４の複数の連通孔６６を通じて火炎が主燃焼室２５に噴出され、当該火炎の噴出を受けて主燃焼室２５内の混合気が燃焼する。なお、図８には、圧縮上死点の進角側の近傍で（つまり圧縮行程の終期に）副点火が行われる例が示されているが、副点火のタイミングは、副室６０及び主燃焼室２５内の混合気が燃焼するようなタイミングであればよく、図８のものに限られない。例えば、圧縮上死点に一致するタイミングで副点火を行ってもよいし、圧縮上死点の遅角側の近傍で（つまり膨張行程の初期に）副点火を行ってもよい。

次いで、ＥＣＵ１００は、エンジンの始動が完了したか否かを判定する（ステップＳ２７）。例えば、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が予め定められた基準回転数を超えた場合に、エンジン始動が完了したと判定する。ここでの判定がＮＯである間、つまりエンジン回転数が基準回転数以下である間は、上述したステップＳ２４～Ｓ２６の制御が対象気筒を変えつつ繰り返される。すなわち、ポート噴射、主点火、及び副点火をこの順に行って混合気を燃焼させる制御が、エンジン回転数が基準回転数を超えるまで各気筒２２に対し順次実行される。一方、エンジン回転数が基準回転数を超えてステップＳ２７の判定がＹＥＳになると、フローは図６のステップＳ４へと移行する。

次に、上記ステップＳ２３でＮＯと判定された場合、つまりエンジン水温が閾値Ｔｘ以上である場合の制御について説明する。この場合、ＥＣＵ１００は、直噴インジェクタ２６に燃料を噴射させる（ステップＳ２８）。具体的に、ＥＣＵ１００は、図９に示すように、１燃焼サイクル分の所要燃料が吸気行程中に噴射されるように直噴インジェクタ２６を制御する。より詳しくは、ＥＣＵ１００は、直噴インジェクタ２６の噴射パルスが吸気弁１０の開弁時期ｔ１から吸気下死点までの間に含まれるように、直噴インジェクタ２６を制御する。言い換えると、エンジン水温が閾値Ｔｘ以上の条件でのエンジン始動（以下、これを通常始動という）において、直噴インジェクタ２６は、吸気行程と吸気弁１０の開弁期間との双方に重複するタイミングで燃料を噴射する。

上述のとおり、エンジンの通常始動時は、所要燃料が全て直噴インジェクタ２６からの噴射によって賄われる。言い換えると、通常始動時は、燃料の供給源として直噴インジェクタ２６のみが作動し、ポートインジェクタ２８は停止される。

次いで、ＥＣＵ１００は、副点火プラグ６２に点火を行わせる（ステップＳ２９）。具体的に、ＥＣＵ１００は、図９に示すように、圧縮上死点に近いタイミングで副点火プラグ６２に点火（副点火）を行わせる。なお、図９には、圧縮上死点の進角側の近傍で副点火が行われる例が示されているが、副点火のタイミングは、圧縮上死点に一致するタイミングであってもよいし、圧縮上死点の遅角側の近傍でであってもよい。この副点火により、副室６０内の混合気が燃焼するとともに、当該燃焼に伴いカバー部材６４の連通孔６６から噴出する火炎により主燃焼室２５内の混合気が燃焼する。

次いで、ＥＣＵ１００は、エンジンの始動が完了したか否かを判定する（ステップＳ３０）。ここでの判定の詳細は上述したステップＳ２７と同様である。当該ステップＳ３０で始動完了が確認されるまでは上述のステップＳ２８，Ｓ２９の制御（直接噴射及び副点火）が対象気筒を変えつつ繰り返され、始動完了が確認された時点でフローは図６のステップＳ４へと移行する。

図６に戻って、エンジンの始動が完了した後の制御について説明する。エンジンの始動後、ＥＣＵ１００は、エンジンがアイドリング運転されているか否かを判定する（ステップＳ４）。アイドリング運転は、周知のとおり、車両が実質的に停止しかつアクセル開度が実質的にゼロである条件で、エンジンが安定した自律回転をするのに必要な最小限の燃焼トルクを発生させる運転のことである。例えば、ＥＣＵ１００は、クランク角センサＳＮ５及びアクセル開度センサＳＮ６の各検出値等からエンジン負荷及びエンジン回転数を特定し、特定したエンジン負荷及びエンジン回転数が共に最低レベルである場合に、エンジンがアイドリング運転されていると判定する。

上記ステップＳ４でＹＥＳと判定されてエンジンがアイドリング運転されていることが確認された場合、ＥＣＵ１００は、水温センサＳＮ４により検出されたエンジン水温が閾値Ｔｘ未満であるか否かを判定する（ステップＳ５）。

上記ステップＳ５でＹＥＳと判定されてエンジン水温が閾値Ｔｘ未満であることが確認された場合、ＥＣＵ１００は、ポートインジェクタ２８に燃料を噴射させて当該噴射燃料に基づく混合気を燃焼させる制御を実行する（ステップＳ６）。ここでの制御は、上述した始動制御（図７）におけるステップＳ２４～Ｓ２６の制御と同様である。すなわち、ＥＣＵ１００は、ポート噴射、主点火、及び副点火をこの順に行って混合気を燃焼させる制御を実行する（図８参照）。

一方、上記ステップＳ５でＮＯと判定されてエンジン水温が閾値Ｔｘ以上であることが確認された場合、ＥＣＵ１００は、直噴インジェクタ２６に燃料を噴射させて当該噴射燃料に基づく混合気を燃焼させる制御を実行する（ステップＳ７）。ここでの制御は、上述した始動制御（図７）におけるステップＳ２８，Ｓ２９の制御と同様である。すなわち、ＥＣＵ１００は、直接噴射及び副点火をこの順に行って混合気を燃焼させる制御を実行する（図９参照）。

上記ステップＳ６，Ｓ７のいずれかで燃焼が行われた後、ＥＣＵ１００は、イグニッションスイッチＳＷ１がオフ操作されたか否かを判定する（ステップＳ８）。例えば、ＥＣＵ１００は、イグニッションスイッチＳＷ１がオン状態からオフ状態に切り替わったことを表すＩＧ・ＯＦＦの信号がイグニッションスイッチＳＷ１から入力された場合に、イグニッションスイッチＳＷ１がオフ操作されたと判定する。ここでの判定がＮＯである間、つまりイグニッション・オンの状態が継続されている間は、上記ステップＳ４以降の制御が繰り返される。一方、イグニッションスイッチがオフ操作されてステップＳ８の判定がＹＥＳになると、フローはリターンされる。

次に、上記ステップＳ４でＮＯと判定された場合、つまりエンジンがアイドリング運転されていない場合の制御について説明する。この場合、エンジンの各気筒２２では、アイドリング運転時よりも高いトルク（つまり車両の走行に寄与するトルク）を発生させる燃焼が行われる。以下では、このような運転のことを非アイドリング運転という。当該非アイドリング運転に該当する場合、ＥＣＵ１００は、吸気弁１０の開閉タイミングがアイドリング運転時よりも早い通常タイミングになるように吸気Ｓ－ＶＴ１６ａを制御する（ステップＳ１０）。これにより、吸気弁１０は、吸気行程の全部又は大部分の期間に亘って開弁するようになる。図１０には、吸気弁１０の開弁期間が吸気行程の全部と重複する例が示される。この場合、吸気弁１０は、排気上死点の進角側の近傍の時点ｔ１１で開弁し、かつ吸気下死点の遅角側の近傍の時点ｔ１２で閉弁する。もちろん、図１０に対しやや進角又は遅角したタイミングであってもよく、具体的なタイミングはエンジンの運転条件等に応じて適宜設定され得る。

次いで、ＥＣＵ１００は、直噴インジェクタ２６に燃料を噴射させる（ステップＳ１１）。具体的に、ＥＣＵ１００は、吸気弁１０の開弁時期ｔ１１から圧縮上死点までの間に１燃焼サイクル分の所要燃料が噴射されるように直噴インジェクタ２６を制御する。図１０には、直噴インジェクタ２６の噴射パルスが吸気行程（排気上死点から吸気下死点までの間）に含まれる例が示されるが、噴射パルスの全部又は一部が圧縮行程に含まれていてもよい。

次いで、ＥＣＵ１００は、主点火プラグ３２による点火（主点火）と副点火プラグ６２による点火（副点火）とが適宜の順で実行されるように、主点火プラグ３２及び副点火プラグ６２を制御する（ステップＳ１２）。図１０には、主点火と副点火とが副点火→主点火の順に実行される例が示されるが、これとは逆の主点火→副点火の順であってもよい。点火順序は、非アイドリング運転時のエンジン負荷及びエンジン回転数等の条件に応じて適宜設定され得る。いずれの点火順序の場合でも、主点火及び副点火の各時期は圧縮上死点の近傍に設定される。

上記のように主点火及び副点火が圧縮上死点の近傍で行われることにより、混合気の燃焼が複数の位置で開始される。すなわち、主点火プラグ３２の電極部３２ｘからの火炎伝播により主燃焼室２５内の混合気が燃焼し始めるとともに、副点火プラグ６２の電極部６２ｘからの火炎伝播により副室６０内の混合気が燃焼し始める。さらに、副室６０内の混合気の燃焼は、複数の連通孔６６からの火炎の噴出をもたらし、この噴出火炎によっても主燃焼室２５内の混合気が燃焼する。このように複数の位置から燃焼が開始されることにより、主燃焼室２５での混合気の燃焼速度が速まり、燃費性能が向上する。

上記ステップＳ１２での点火の後、ＥＣＵ１００は、イグニッションスイッチＳＷ１がオフ操作されたか否かを判定し（ステップＳ８）、その結果に応じて、上記ステップＳ４以降の制御を繰り返すか、もしくはフローをリターンさせる。

［動作例］
次に、上述した図６及び図７の制御により実現される動作の一例を図１１のタイムチャートを用いて説明する。図１１の動作例では、時点ｔａにおいて、エンジン水温は閾値Ｔｘ未満であり、この条件でエンジンが始動（冷間始動）される。その後、時点ｔｂでエンジンはアイドリング運転に移行し、さらに時点ｔｃからは非アイドリング運転（車両の走行）が開始される。この期間（時点ｔａ～ｔｃ）の間、エンジン水温は閾値Ｔｘ未満に留まっており、エンジンの冷間状態が継続されている。その後、エンジンは時点ｔｄで一旦停止され、時点ｔｅで再び始動される。この再始動の時点ｔｅにおいて、エンジン水温は閾値Ｔｘより高い値まで上昇しており、エンジンは非冷間状態に移行している。時点ｔｅ以降は、非冷間状態のままアイドリング運転及び非アイドリング運転が適宜行われる。

上記のような運転が行われた場合、各気筒２２への燃料噴射は次のように遷移することになる。すなわち、冷間状態での始動及びアイドリング運転が行われる時点ｔａから時点ｔｃまでの期間は、ポートインジェクタ２８による燃料噴射が行われ、直噴インジェクタ２６は停止される。一方、時点ｔｃから時点ｔｄまでの期間は、エンジンが冷間状態で非アイドリング運転されるか、もしくはエンジンが非冷間状態にある期間であるから、直噴インジェクタ２６による燃料噴射が行われ、ポートインジェクタ２８は停止される。エンジンが再始動される時点ｔｅ以降は、エンジンは非冷間状態にあるから、やはり直噴インジェクタ２６による燃料噴射が行われ、ポートインジェクタ２８は停止される。

［作用効果］
以上説明したように、本実施形態では、エンジンが冷間始動される場合、つまりエンジン水温が閾値Ｔｘ未満の条件でエンジンが始動される場合に、ポートインジェクタ２８から燃料が噴射され、その後に副点火プラグ６２による点火（副点火）が行われる。ポートインジェクタ２８は、吸気弁１０の開弁時期ｔ１よりも前に燃料噴射を開始し、副点火プラグ６２は、圧縮上死点の近傍で副点火を行う。このような構成によれば、アイドリング運転時に副室６０内の混合気を適切に燃焼させることができ、エンジンの燃費性能を向上できるという利点がある。

すなわち、本実施形態では、冷間始動の際に、吸気弁１０の開弁時期ｔ１よりも前にポートインジェクタ２８による燃料噴射が開始されるので、特に吸気ポート８から主燃焼室２５に勢いよく吸気が流入する吸気弁１０の開弁直後に、ポートインジェクタ２８からの噴射燃料を当該吸気と共に主燃焼室２５に導入することができ、燃料の流動性を高めることができる。これにより、副点火プラグ６２による点火（副点火）の前に燃料と空気とを十分に混合することができ、主燃焼室２５に十分に均質な混合気を形成することができる。主燃焼室２５内の混合気が均質化すると、副点火の時点で副室６０に形成される混合気の濃度不足が解消されるので、副点火をきっかけに混合気を適切に燃焼させることができる。

例えば、主燃焼室２５の温度が低い冷間始動時は、燃料の微粒化及び蒸発が進み難いので、仮にポートインジェクタ２８ではなく直噴インジェクタ２６から燃料を噴射してしまうと、副点火までの間に主燃焼室２５内の混合気が十分に均質化しない可能性がある。この場合、副室６０内の混合気の濃度が十分に上昇せず、副点火を行っても混合気が燃焼しない（失火が起きる）可能性がある。これに対し、本実施形態では、冷間始動時にポートインジェクタ２８から燃料が噴射されるので、燃料の流動性を高めて主燃焼室２５内の混合気を十分に均質化することができ、連通孔６６を通じて主燃焼室２５から副室６０に導入される混合気の濃度を安定化させることができる。これにより、燃焼（火炎伝播）に適した所期の濃度の混合気を副点火の前に副室６０に形成し得るので、副点火をきっかけに副室６０内の混合気を適切に燃焼させることができ、副室６０から連通孔６６を通じて主燃焼室２５に火炎を噴出させることができる。連通孔６６から噴出された火炎は、主燃焼室２５内の混合気を十分な速度で燃焼させる。これにより、冷間始動時の熱効率を高めることができ、エンジンの燃費性能を向上させることができる。

また、本実施形態では、エンジンの冷間始動時に、副点火プラグ６２による点火（副点火）よりも前に主点火プラグ３２による点火（主点火）が行われる。着火性が低い冷間始動時に副点火に先んじて主点火を行っても、この主点火は、主燃焼室２５内の混合気を燃焼させる作用をもたらさない。ただし、主点火は、主燃焼室２５内の温度を放電エネルギーにより上昇させる作用をもたらす。主燃焼室２５内の温度が上昇すると、主燃焼室２５から副室６０に導入される混合気の温度が上昇するので、その後の副点火時に失火が生じるのをより高い確率で防止することができる。これにより、冷間始動時の混合気の燃焼性を高めることができ、エンジンの燃費性能を向上させることができる。

また、本実施形態では、エンジン水温が閾値Ｔｘ以上の条件でエンジンが始動される通常始動時に、直噴インジェクタ２６から燃料が噴射され、その後に副点火プラグ６２による点火（副点火）が行われる。このような構成によれば、着火性が相対的に良好な通常始動時に、直噴インジェクタ２６から主燃焼室２５に直接噴射された燃料に基づく混合気を効率よく燃焼させることができる。

［変形例］
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような変形例をも包含し得る。

上記実施形態では、冷間始動時にポートインジェクタ２８から燃料を噴射する際に、吸気弁１０の開弁時期ｔ１よりも前に燃料噴射が開始されるようにポートインジェクタ２８を制御したが（図８参照）、冷間始動時のポートインジェクタ２８からの燃料噴射のタイミングは、１燃焼サイクル分の所要燃料の少なくとも一部が吸気行程に含まれるタイミングであればよく、その限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、吸気弁１０の開弁時期ｔ１と同時もしくはその直後にポートインジェクタ２８の燃料噴射を開始させてもよい。

上記実施形態では、シリンダヘッド５４に設けられたポートインジェクタ２８から吸気ポート８に燃料を噴射するようにしたが、このようなポートインジェクタ２８に代えて、例えば吸気通路４の下流部（サージタンク３８とエンジン本体２との間の部分）に燃料を噴射するインジェクタを設けてもよい。言い換えると、本発明における第２燃料噴射装置は、主燃焼室に導入される吸気が流通する吸気導入路のいずれかの位置に燃料を噴射するものであればよく、その限りにおいて第２燃料噴射装置の取付位置は適宜変更し得る。

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、半球型（ドーム型）の形状を有しかつ３つの連通孔６６を有するものを例示したが（図３及び図４参照）、カバー部材６４の形状は円錐台型や直方体型など他の形状であってもよい。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。さらに、副点火ユニット３０の取り付け位置も図２に示した位置に限られない。例えば、副点火ユニット３０は、直噴インジェクタ２６の先端部２６ａに対して吸気ポート８側に設けられてもよい。

上記実施形態では、副点火ユニット３０（副点火プラグ６２）に加えて主点火プラグ３２を設けたが、主点火プラグ３２は必須ではなく、省略してもよい。

１ エンジンシステム
４ 吸気通路（吸気導入路）
８ 吸気ポート（吸気導入路）
１０ 吸気弁
２２ 気筒
２４ ピストン
２５ 主燃焼室
２６ 直噴インジェクタ（第１燃料噴射装置）
２８ ポートインジェクタ（第２燃料噴射装置）
３２ 主点火プラグ（追加点火装置）
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（点火装置）
６４ カバー部材（隔壁）
６６ 連通孔
１００ ＥＣＵ（制御器）
ＳＮ４ 水温センサ（水温検出部）

Claims (4)

1. 気筒を形成するシリンダブロック及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、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、
   前記主燃焼室に導入される吸気が流通する吸気導入路と、
   前記主燃焼室に燃料を噴射する第１燃料噴射装置と、
   前記吸気導入路に燃料を噴射する第２燃料噴射装置と、
   前記副室内の混合気に点火する点火装置と、
   前記シリンダブロック及び前記シリンダヘッドの内部を流通する冷却水の温度であるエンジン水温を検出する水温検出部と、
   前記水温検出部、前記第１燃料噴射装置、前記第２燃料噴射装置、及び前記点火装置と電気的に接続され、前記水温検出部から前記エンジン水温の検出情報を表す電気信号を受け付けるとともに、前記第１及び第２燃料噴射装置と前記点火装置とに制御用の電気信号を出力する制御器とを備え、
   検出された前記エンジン水温が所定の閾値未満の条件でエンジンが始動される冷間始動時に、前記制御器は、前記第２燃料噴射装置から吸気行程中に燃料が噴射されかつ当該燃料噴射の後に前記点火装置による点火が行われるように、前記第２燃料噴射装置及び前記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、
   前記吸気導入路は、前記シリンダヘッドに形成された吸気ポートを含み、
   前記シリンダヘッドには、前記吸気ポートに燃料を噴射する前記第２燃料噴射装置と、前記吸気ポートを開閉する吸気弁とが設けられ、
   前記制御器は、前記冷間始動時に、前記吸気弁の開弁時期よりも前に前記第２燃料噴射装置に燃料噴射を開始させる、ことを特徴とするエンジンシステム。
3. 請求項１又は２に記載のエンジンシステムにおいて、
   前記主燃焼室内の混合気に点火する追加点火装置をさらに備え、
   前記制御器は、前記冷間始動時に、前記点火装置の点火時期よりも前に前記追加点火装置に点火を行わせる、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、
   検出された前記エンジン水温が前記閾値以上の条件でエンジンが始動される通常始動時に、前記制御器は、前記第１燃料噴射装置に燃料を噴射させる、ことを特徴とするエンジンシステム。

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