JP7288585B2

JP7288585B2 - エンジンシステム

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Publication number: JP7288585B2
Application number: JP2020007566A
Authority: JP
Inventors: 和弘長津; 裕和鈴木
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2020-01-21
Filing date: 2020-01-21
Publication date: 2023-06-08
Anticipated expiration: 2040-01-21
Also published as: JP2021113551A

Description

本発明は、エンジンシステムに係わり、特に、エンジンと、主燃焼室と、主燃焼室に連通する連通孔が形成された副室と、インジェクタと、主燃焼室の混合気に点火する第１点火プラグと、副室内の混合気に点火する第２点火プラグと、インジェクタ、第１点火プラグおよび第２点火プラグを制御する制御装置と、を備えるエンジンシステムに関する。

従来、エンジン（内燃機関）において、主燃焼室内に副室を設け、副室の連通孔から火炎を主燃焼室内に噴出させることで主燃焼室での燃焼伝搬を早めて、エンジンの熱効率を向上させるようにした技術が知られている。

たとえば、特許文献１には、主燃焼室に燃料を噴射する主インジェクタと、副室の上流側に設けられた副インジェクタと、副室内に設けられた点火プラグとを備え、副室内の点火プラグにより副室内の混合気に点火し、その副室内で燃焼した混合気の火炎を噴孔から主燃焼室に噴出させて、主燃焼室内の混合気を燃焼させるようにしたエンジンが開示されている。

特開２０１４－２２７９７５号公報

ところで、エンジンの負荷はドライバ（運転者）の要求トルクに応じて変化する。ドライバの要求トルクに応じたエンジン負荷が低い場合には、特許文献１のような技術でも、副室から火炎を噴出させることで、主燃焼室内での火炎伝搬を早めて熱効率を向上させることができる。

ここで、ドライバの要求トルクに応じたエンジン負荷が高いときには、圧縮行程において、点火時期直前の上死点付近で過早着火する、いわゆる、プリイグニッション（pre-ignition）が発生しやすくなる。このようにエンジンが高負荷域で作動している場合、プリイグニッションを抑制するために、圧縮行程において、プリイグニッションが生じやすい点火時期直前に燃料噴射を行い、気筒内を冷却することが有効な方法として知られている。

しかしながら、上述したような副室を有する燃焼室の場合、燃料噴射を点火時期直前に行うと、その燃料噴射から点火までの間に、噴射された燃料と空気とのミキシング時間が確保しにくくなる。これにより、混合気がほぼ生じずに、副室内への流入する混合気が点火可能するほど多くない過剰なリーン状態となり、その結果、副室から火炎を噴出させて主燃焼室での燃焼伝搬を早めて、熱効率を高めた燃焼ができない、という問題がある。

そこで、本発明は、上述した問題を解決するためになされたものであり、プリイグニッションを抑制しつつ、副室を設けたエンジンにおいて、主燃焼室内の混合気を確実に燃焼させると共に、エンジンの熱効率を高めることができるエンジンシステムを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明は、エンジンと、このエンジンのシリンダヘッドおよびピストンで形成される主燃焼室と、エンジンの主燃焼室に設けられ、主燃焼室に連通する連通孔が形成された副室と、エンジンに設けられ、主燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタと、エンジンに設けられ、主燃焼室に臨み主燃焼室の混合気に点火する第１点火プラグと、エンジンの副室内に設けられ、副室内の混合気に点火する第２点火プラグと、ドライバのアクセル開度を検出するアクセル開度検出器と、このアクセル開度検出器からの出力信号を受け、インジェクタ、第１点火プラグおよび第２点火プラグを制御する制御装置と、を備え、この制御装置は、アクセル開度検出器により検出されたアクセル開度に基づいてドライバの要求トルクを判定するドライバ要求トルク判定手段と、このドライバ要求トルク判定手段により判定されたドライバ要求トルクに基づいてエンジンの負荷を決定するエンジン負荷決定手段と、このエンジン負荷決定手段により決定されるエンジン負荷が、所定値以上であるか否かを判定するエンジン負荷判定手段と、を有し、制御装置は、エンジン負荷判定手段によりエンジンの負荷が所定値未満であると判定されたとき、第２点火プラグで副室内の混合気に点火させるように第２点火プラグを制御すると共に所定の時期に燃料を噴射するようにインジェクタを制御し、かつ、エンジン負荷判定手段によりエンジン負荷が所定値以上であると判定されたとき、第１点火プラグで主燃焼室内の混合気に点火させるように第１点火プラグを制御すると共に所定の時期よりも遅い時期に燃料を噴射するようにインジェクタを制御するよう構成されている、ことを特徴としている。

このように構成された本発明によれば、エンジンの負荷が所定負荷以上のとき（所定値以上のとき）は第１点火プラグで主燃焼室内の混合気に点火すると共に、エンジン負荷が所定負荷未満のときの燃料噴射時期よりも遅い時期で主燃焼室内に燃料を噴射するので、その燃料噴射時期を遅くした分、燃料噴射により主燃焼室内の温度上昇を抑制し、その結果、プリイグニッションの発生を抑制することができる。さらに、エンジン負荷が所定負荷未満のときの燃料噴射時期よりも遅い時期に燃料を噴射することで、その燃料噴射時期を遅くした分、主燃焼室内に噴射された燃料と主燃焼室内の空気がミキシングされる時間が確保しにくくなり、副室に流入する混合気が少なくなることに起因して副室で失火しやすくても、第１点火プラグで主燃焼室内の混合気に点火するので、主燃焼室内の混合気を確実に燃焼させることができる。また、本発明によれば、所定負荷未満のとき（所定値未満のとき）は第２点火プラグで副室内の混合気に点火するので、第２点火プラグによる副室内の燃焼により、副室の連通孔から火炎を噴出させて、主燃焼室における燃焼伝搬を早めることができ、その結果、エンジンの熱効率を高めることができる。このように、本発明によれば、プリイグニッションを抑制しつつ、副室を設けたエンジンにおいて、主燃焼室内の混合気を確実に燃焼させると共に、エンジンの熱効率を高めることができる。

また、本発明において、好ましくは、エンジン負荷が所定値未満であるときの所定の時期は吸気行程における時期であり、エンジン負荷が所定値以上であるときの所定の時期よりも遅い時期は、圧縮行程における第１点火プラグの点火時期の直前の時期である。
このように構成された本発明によれば、より効果的に、プリイグニッションを抑制しつつ、副室を設けたエンジンにおいて、主燃焼室内の混合気を確実に燃焼させると共に、エンジンの熱効率を高めることができる。

また、本発明において、好ましくは、制御装置は、エンジン負荷が所定値未満と判定されたとき、吸気行程のみで燃料を噴射させるようインジェクタを制御し、かつ、エンジン負荷が所定値以上と判定されたとき、吸気行程と圧縮行程とに分割して燃料を噴射させるようインジェクタを制御するよう構成されている。
このように構成された本発明によれば、エンジンの負荷が所定値未満のとき、吸気行程のみで燃料を噴射させるので、第２点火プラグによる副室内の混合気の燃焼により、副室の連通孔から火炎を噴出させて、主燃焼室における燃焼伝搬を早めることができる。また、本発明によれば、エンジンの負荷が所定値以上のとき、吸気行程と圧縮行程とに分割して燃料を噴射させるので、圧縮行程中に噴射される燃料により、プリイグニッションを抑制しつつ、第１点火プラグにより主燃焼室内の混合気を確実に燃焼させることができる。また、低負荷時（エンジン負荷が所定値未満のとき）は、高負荷時（エンジン負荷が所定値以上のとき）に比べて、全燃料を吸気行程で噴射するので、分割噴射するよりも、主燃焼室から副室内に流入する混合気の空燃比を理論空燃比にしやすく、その結果、より確実に副室の連通孔から火炎を噴出させて、主燃焼室における燃焼伝搬を早めることができる。

また、本発明において、好ましくは、エンジンにおいて、第１点火プラグはエンジンの排気ポート側に設けられ、副室および第２点火プラグはエンジンの吸気ポート側に設けられている。
このように構成された本発明によれば、第１点火プラグは排気ポート側に設けられ、副室および第２点火プラグは吸気ポート側に設けられているので、副室が、排気ガスの熱を受けることによる、副室内の過度の温度上昇を抑制することができる。すなわち、副室が排気ガスの熱を受けると、その熱を受けた分、副室内の温度が高温になり、その高温となった副室での燃焼伝搬が早くなるが、本発明では、排気ガスの受熱による副室の過度の温度上昇を抑制することができるので、副室内において混合気を安定して燃焼させることができ、それに伴い、連通孔から主燃焼室に噴出する火炎の勢いが強くなり過ぎてしまうことを抑制することができる。

本発明のエンジンシステムによれば、プリイグニッションを抑制しつつ、副室を設けたエンジンにおいて、主燃焼室内の混合気を確実に燃焼させると共に、エンジンの熱効率を高めることができる。

本発明の実施形態によるエンジンシステムの概略構成図である。本実施形態によるエンジンシステムにおけるエンジンの気筒に形成された主燃焼室まわりの概略構成を示す断面図である。本実施形態によるエンジンシステムにおけるエンジンの気筒に形成された主燃焼室まわりの概略構成をシリンダ軸線方向の上方から見た平面図である。本実施形態によるプレチャンバープラグを示す図であり、図４（ａ）はプレチャンバープラグの副室および副点火プラグを側方から見た部分断面図であり、図４（ｂ）は、プレチャンバープラグの副室をその軸線方向の下方から見た平面図である。本発明の実施形態によるエンジンの制御装置の制御ブロック図である。本発明の実施形態によるエンジンの制御装置によるエンジン負荷とエンジン回転数に応じて設定されるエンジン制御マップである。本発明の実施形態によるエンジンの制御装置により制御される燃料噴射タイミングおよび点火タイミングのタイムチャートであり、図６に示すエンジン制御マップにおける低中負荷領域におけるタイムチャートの一例を示す図である。本発明の実施形態によるエンジンの制御装置により制御される燃料噴射タイミングおよび点火タイミングのタイムチャートであり、図６に示すエンジン制御マップにおける高負荷低回転領域におけるタイムチャートの一例を示す図である。本発明の実施形態によるエンジンの制御装置により制御される燃料噴射タイミングおよび点火タイミングのタイムチャートであり、図６に示すエンジン制御マップにおける高負荷高回転領域におけるタイムチャートの一例を示す図である。本発明の実施形態によるエンジンの制御装置により制御される燃料噴射タイミングおよび点火タイミングのタイムチャートであり、図６に示すエンジン制御マップにおける高負荷高回転領域においてエンジン負荷に応じた燃料噴射タイミングの変更を説明するためのタイムチャートの一例を示す図である。本発明の実施形態によるエンジンの制御装置によるエンジン制御マップに基づくエンジンの制御内容を示すフローチャートである。図６に示す制御マップおよび図１１に示すフローチャートに基づいて決定される、高負荷低回転領域および低中負荷領域においてエンジン負荷に応じて切り換えられる主点火プラグと副点火プラグの制御内容を示す線図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態によるエンジンシステムについて説明する。

まず、図１を参照して、本発明の実施形態によるエンジンシステムの概略構成を説明する。図１は、本発明の実施形態によるエンジンシステムの概略構成図である。

図１に示すように、エンジンシステム１は、吸気と燃料との混合気を燃焼させて車両の動力を発生する多気筒（本実施形態では４気筒）のエンジン（内燃機関）２と、このエンジン２に吸気を導入するための吸気通路４と、エンジン２からの排気ガスを排出するための排気通路６と、を備える。なお、本発明は４気筒のエンジンに限らず、６気筒など他のエンジンにも適用可能である。

エンジン２の各気筒には、吸気通路４に接続され、後述するシリンダヘッド５４（図２参照）に形成された吸気ポート８と、この吸気ポート８に設けられた吸気バルブ１０と、排気通路６に接続され、シリンダヘッド５４に形成された排気ポート１２と、この排気ポート１２に設けられた排気バルブ１４と、が設けられている。
吸気バルブ１０には、吸気バルブ１０の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（Sequential Valve Timing）１６が設けられている。
排気バルブ１４にも同様に、排気バルブ１４のリフト量および開閉タイミングを可変にする可変バルブリフト機構１８が設けられている。

エンジン２は、クランクシャフト２０によって気筒（シリンダ）２２内を往復動するピストン２４を備え、このピストン２４と、シリンダヘッド５４とにより、燃焼室（主燃焼室）２６が形成される（図２参照）。
この主燃焼室２６には、主燃焼室２６内に燃焼を噴射するインジェクタ２８と、後述するプレチャンバープラグ３０と、主点火プラグ３２とが、それぞれ、主燃焼室２６内に臨むように設けられている。

吸気通路４の上流側には、エアクリーナ３４と、ドライバのアクセル開度に基づく要求燃料噴射量および後述するＥＣＵ５０からの命令信号に基づき、電動で作動し、通過する吸気量を調整するスロットルバルブ（吸気絞り弁）３６と、エンジン２に供給する吸気を一時的に蓄えるサージタンク３８とが設けられている。
排気通路６の下流側には、排気ガスを浄化する三元触媒４０が設けられている。
また、排気通路６には、三元触媒４０を通過した排気ガスの一部を吸気通路４に環流するＥＧＲ通路４２が接続されている。このＥＧＲ通路４２には、ＥＧＲクーラ４４と、ＥＧＲ通路４２を流れる排気ガスの流量を制御するＥＧＲバルブ４６とが設けられている。

また、エンジンシステム１は、エンジン２を制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を有する。このＥＣＵ５０は、本発明における「エンジンの制御装置」に相当し、本実施形態では、後述する各種センサ（図示せず）の出力信号に基づいて、エンジン２の作動（燃料噴射タイミング、点火タイミング、空燃比など）を制御する。具体的には、以下で説明するインジェクタ２８の燃料噴射時期や点火プラグ３０、３２の点火時期などの制御は、ＥＣＵ５０内の回路で実行される。

次に、図２および図３により、エンジン２の主燃焼室２６まわりの概略構成を説明する。図２は、本実施形態によるエンジンの気筒に形成された主燃焼室まわりの概略構成を示す断面図であり、図３は、本実施形態によるエンジンの気筒に形成された主燃焼室まわりの概略構成をシリンダ軸線方向の上方から見た平面図である。なお、図２および図３では、多気筒のうち１つの気筒の主燃焼室まわりの概略構成を示す。他の気筒も同様に構成される。

まず、図２に示すように、エンジン２は、シリンダブロック５２およびシリンダヘッド５４を備えている。
シリンダブロック５２には、気筒（シリンダ）２２が形成されている。この気筒２２内に設けられたピストン２４には、クランクシャフト２０に連結されたコンロッド２１が接続され、これにより、ピストン２４が気筒２２内を往復動するようになっている。

次に、図２および図３に示すように、シリンダヘッド５４には、各気筒２２毎に、各々独立した２つの吸気ポート８（８ａ、８ｂ）、および、２つの排気ポート１２が形成されている。これら吸気ポート８ａ、８ｂおよび排気ポート１２には、図２および図３では図示を省略するが、上述した吸気バルブ１０及び排気バルブ１４が、それぞれ、主燃焼室２６側の開口を開閉するように設けられている。

２つの吸気ポート８ａ、８ｂのうち、一方の吸気ポート８ａに接続された吸気通路４ａには、吸気通路４ａの開度を調整するスワールコントロールバルブ５６が設けられている。主燃焼室２６には、このスワールコントロールバルブ５６の開度に応じた強さのスワール流が生じる。このスワール流の強さが大きいほど、主燃焼室２６内で周回する混合気のスワール流は、主燃焼室２６およびピストン２４の外周側に流れやすくなる。

次に、図２に示すように、シリンダヘッド５４には、インジェクタ２８、プレチャンバープラグ３０および主点火プラグ３２が取り付けられている。
図２および図３に示すように、インジェクタ２８は、シリンダ軸線上に設けられ、主燃焼室２６を上方から見たとき、主燃焼室２６の中央部に臨むよう設けられている。

また、プレチャンバープラグ３０は、インジェクタ２８に対して、吸気ポート８側に設けられており、図２に示すように、吸気ポート８側から斜め下方に延びて、主燃焼室２６に臨むよう配置されている。
本実施形態では、図３に示すように、主燃焼室２６に臨むプレチャンバープラグ３０の先端部（図３で符号３０で示す破線の部分）は、平面視で、２つの吸気ポート８ａ、８ｂの中間の位置に設けられている。なお、プレチャンバープラグ３０の先端部には、後述するように、副室６０および副点火プラグ６２が設けられている。

本実施形態では、このように、副室６０および副点火プラグ６２が吸気ポート８側に設けて、副室６０が排気ガスの熱を受け、副室６０内の温度が過度に上昇することを抑制するようにしている。これにより、副室６０内での燃焼伝搬が早くなり、それに伴い、連通孔６６から主燃焼室２６に噴出する火炎の勢いが強くなってしまうことが抑制される。

また、本実施形態では、図２および図３で示すように、プレチャンバープラグ３０の先端部は、主燃焼室２６の外周側の領域（少なくとも吸排気ポート８、１２の開口部より外周側の領域）より内方の中央領域に設けられている。

また、主点火プラグ３２は、インジェクタ２８に対して、排気ポート１２側に設けられており、図２に示すように、排気ポート１２側から斜め下方に延びて、主燃焼室２６に臨むよう配置されている。
本実施形態では、図３に示すように、主燃焼室２６に臨む主点火プラグ３２の先端部は、平面視で、２つの排気ポート１２の中間の位置に設けられている。また、なお、図３に破線で示す符号３２の部分は、主点火プラグ３２の先端部の中心電極３２ａおよび側方電極（アース）３２ｂ（図２参照）の位置を示している。

次に、図４により、プレチャンバープラグ３０を説明する。図４は、本実施形態によるプレチャンバープラグを示す図であり、図４（ａ）はプレチャンバープラグの副室および副点火プラグを側方から見た部分断面図であり、図４（ｂ）は、プレチャンバープラグの副室をその軸線方向の下方から見た平面図である。
まず、図４（ａ）に示すように、プレチャンバープラグ３０は、その先端部に、副室６０が形成され、この副室６０内に副点火プラグ６２が設けられている。
副点火プラグ６２は、主点火プラグ３２と同様に、中心電極６２ａおよび側方電極（アース）６２ｂを有している。

副室６０は、主燃焼室２６内に設けられているが、主燃焼室２６とは独立して副室６０内の混合気を燃焼可能なものである。より具体的には、副室６０内の混合気を副点火プラグ６２で点火して、副室６０内に火炎伝搬を生じさせる副燃焼室として機能するものである。

次に、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、副室６０は、所定の径および厚み（本実施形態では半径５ｍｍ、厚み１ｍｍ）を有する半球状の副室形成部６４により形成されている。この副室形成部６４には、主燃焼室２６に連通する複数の連通孔（噴孔）６６が形成されている。

これらの連通孔６６は、第１に、主燃焼室２６内の混合気を副室６０内に流入させるために設けられ、第２に、その流入した混合気を副点火プラグ６２により点火し、その副室６０内で発生した燃焼伝搬を、火炎として主燃焼室２６に噴出／放射させ、それにより、主燃焼室２６内の混合気の燃焼伝搬を早めるために設けられている。
混合気は、基本的に、ＥＧＲバルブ４６が閉じられている場合は、吸気ポート８からの新気とインジェクタ２８から噴射される燃料との混合気であり、ＥＧＲバルブ４６が開かれている場合は、吸気ポート８からの新気とＥＧＲ通路４２からの排気ガスとインジェクタ２８から噴射される燃料との混合気である。

本実施形態においては、これらの連通孔６６は、図４（ｂ）に示す下方から見た平面視において、副室形成部６４の頂点Ａを通る軸線まわりに１２０°間隔に３つ設けられ、それぞれの直径はφ１．２ｍｍである。また、連通孔６６は、いずれも、図４（ａ）に示すように、側面視で、副室形成部６４の頂点Ａから４５°の位置に４５°の方向に延びるよう形成され、これにより、連通孔６６からは、その軸線に対して４５°の角度で火炎が噴出するようになっている。

なお、後述するように、連通孔６６の数、径および位置は、これらの数値に限らず、たとえば、下方から見た平面視において、１８０°間隔に２つ設け、直径はφ１．０ｍｍであってもよい。このように、連通孔６６の孔数を少なくし、および／または、直径を小さくすると、連通孔６６から主燃焼室２６に噴出する火炎を強くすることが出来る。また、このように噴出する火炎を強くすると、その分、主燃焼室２６内の燃焼伝搬が早くなるので、主燃焼室２６内の混合気を、よりリーンな混合気にして、エンジン２の熱効率を高めることができる。

また、連通孔６６の数および径は、後述するエンジン制御マップにおいてエンジン回転数のしきい値を設定する際に、予め、変更可能である。言い換えると、連通孔６６の数および径を変更すると、エンジン制御マップにおけるエンジン回転数の適切なしきい値を変更することができる。

次に、図５により、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置の制御ブロックを説明する。図５は、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置の制御ブロック図である。
図５に示すように、エンジンシステム１を制御するＥＣＵ５０（図１参照）は、図示しないマイクロコンピュータ、メモリ、Ｉ／Ｆ回路などを有し、イグニッション信号ＳＷ１、および、各種センサＳＷ２～ＳＷ１０からの出力信号に基づいて、後述するように、エンジン２の燃料噴射タイミング、点火タイミング、空燃比、スワール流の強さなどを制御する。なお、ＳＷ２～ＳＷ１０の各センサは、公知のものであり、図１、図２などにおいて図示を省略している。

具体的には、ＥＣＵ５０には、エンジン始動の指令を意味するイグニッション出力信号（ＳＷ１）、吸気通路４に設けられたエアフローセンサＳＷ２からの吸気量に関する出力信号、吸気通路４に設けられた吸気温度センサＳＷ３からの吸気温度に関する出力信号、吸気通路４に設けられた吸気圧センサＳＷ４からの吸気圧に関する出力信号、シリンダヘッド５４に設けられた冷却水温度センサＳＷ５からの冷却水温度に関する出力信号、クランク軸２０に設けられたクランク角センサＳＷ６からのクランク角に関する出力信号、アクセル開度センサＳＷ７からのアクセルペダルの開度に関する出力信号、吸気カムシャフト（図示せず）に設けられた吸気カム角センサＳＷ８からの吸気側のカム角に関する出力信号、排気カムシャフト（図示せず）に設けられた排気カム角センサＳＷ９からの排気側のカム角に関する出力信号、および、シリンダヘッド５４に設けられた燃圧センサＳＷ１０からの主燃焼室２６内の燃焼圧力に関する出力信号がそれぞれ入力される。

ここで、アクセルペダルの開度に関する出力信号は、ドライバがアクセルペダルを踏み込んだ量に相当する数値を出力する信号であり、この信号は、ＥＣＵ５０において、ドライバの要求トルクを決定すると共に、そのドライバの要求トルクに基づいてエンジン２のエンジン負荷（目標出力トルク／目標エンジントルク）、および、エンジンの各作動領域（図６の制御マップに示す、「エンジン低中負荷領域」、「エンジン低回転高負荷領域」、および、「所定回転数以上におけるエンジン高負荷領域」）を決定するために使用される。

ＥＣＵ５０は、これらの出力信号に基づいて、インジェクタ２８による燃料噴射タイミングを制御する。
また、ＥＣＵ５０は、主点火プラグ３２およびプレチャンバープラグ３０内の副点火プラグ（ＰＣＰ点火プラグ）３０による点火タイミングを制御する。
また、ＥＣＵ５０は、主に、吸気側の可変バルブリフト機構（吸気電動Ｓ－ＶＴ）１６、および、スロットルバルブ３６を制御することにより、主燃焼室２６への吸入空気量を制御すると共に、インジェクタ２８による燃料噴射タイミングおよび燃料噴射量を制御することより、主燃焼室２６内の空燃比を制御する。本実施形態では、主に、燃料噴射タイミングを制御することにより空燃比を制御する。なお、この空燃比の制御に伴い、たとえば、ＮＯｘ低減のため、排気側の可変バルブリフト機構（排気電動Ｓ－ＶＴ）１８、および、ＥＧＲバルブ４６も制御される。
さらに、ＥＣＵ５０は、スワールコントロールバルブ５６によりスワール流の強さを制御する。

次に、図６により、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置で用いられる、エンジン負荷とエンジン回転数に応じて設定されるエンジン制御マップを説明する。図６は、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置によるエンジン負荷とエンジン回転数に応じて設定されるエンジン制御マップである。
このエンジン制御マップは、ＥＣＵ５０のメモリ内に記憶され、ＥＣＵ５０は、この制御マップに基づいてエンジン２を制御する。
ここで、図６において、縦軸のエンジン負荷は目標エンジントルクであり、横軸はエンジン回転数である。ＥＣＵ５０は、アクセル開度センサＳＷ７からの出力信号に基づいて算出された目標エンジントルク、および、クランク角センサＳＷ６からの出力信号に基づいて算出されたエンジン２の回転数（ｒｐｍ）に基づき、この制御マップを参照しながらエンジン２を制御する。
以下、このＥＣＵ５０が参照する制御マップにおけるエンジン制御の設定内容およびＥＣＵ５０によるエンジン２の制御方法を具体的に説明する。

まず、図６に示すように、本実施形態のエンジン制御マップでは、エンジン始動時には、主点火プラグ３２のみで点火するように設定している。
より具体的には、ＥＣＵ５０にイグニッション出力信号ＳＷ１が入力され、エンジン始動時と判定されると、ＥＣＵ５０が、主点火プラグ３２により主燃焼室２６内の混合気に点火するよう設定されている。エンジン始動時の主燃焼室２６内の混合気は、理論空燃比（λ＝１）である。このとき、プレチャンバープラグ３０の副点火プラグ６２では、副室６０内を点火しない。

次に、図６に示すように、本実施形態のエンジン制御マップでは、所定のエンジン負荷Ｔ１未満である低～中負荷のエンジン負荷領域（以下、「低中負荷領域」という）において、主燃焼室２６内の混合気を理論空燃比（λ＝１）と設定すると共に、プレチャンバープラグ３０の副室６０に流入する混合気の空燃比を理論空燃比と設定している。また、この領域では、プレチャンバープラグ３０の副点火プラグ６２のみの点火と設定している。

ＥＣＵ５０は、このような制御マップに基づき、エンジン２の作動時において、アクセル開度センサＳＷ７の出力信号により決定される目標エンジントルクにより、エンジン２がこの低中負荷領域で作動しているか否かを判定する（図１１参照）。
この領域であると判定された場合、ＥＣＵ５０は、本実施形態では、主に、インジェクタ２８による燃料噴射タイミングを制御することにより、点火時に、主燃焼室２６内およびプレチャンバープラグ３０の副室６０内の空燃比が理論空燃比となるよう制御する。また、ＥＣＵ５０は、副点火プラグ６２により副室６０内の混合気に点火するタイミングを制御する。具体的な燃料噴射タイミングおよび点火タイミングは後述する。

次に、図６に示すように、所定のエンジン負荷Ｔ１以上である高負荷のエンジン負荷領域、かつ、所定のエンジン回転数Ｒｅ１未満の回転数領域（以下、「高負荷低回転領域」という）においては、主点火プラグ３２のみの点火と設定している。本実施形態では、この領域での主燃焼室２６内の混合気を、理論空燃比（λ＝１）と設定している。この領域では、プレチャンバープラグ３０の副点火プラグ６２では、副室６０内で点火しない。

ＥＣＵ５０は、このような制御マップに基づき、エンジン２の作動時において、アクセル開度センサＳＷ７の出力信号により決定される目標エンジントルク、および、クランク角センサＳＷ６により得られたエンジン２の回転数（ｒｐｍ）により、エンジン２がこの高負荷高回転領域で作動しているか否かを判定する（図１１参照）。
この領域であると判定された場合、ＥＣＵ５０は、本実施形態では、主に、インジェクタ２８による燃料噴射タイミングを制御することにより、点火時に、主燃焼室２６内の空燃比が理論空燃比となるよう制御する。また、ＥＣＵ５０は、主点火プラグ３２により主燃焼室２６内の混合気に点火するタイミングを制御する。具体的な燃料噴射タイミングおよび点火タイミングは後述する。

次に、図６に示すように、所定のエンジン負荷Ｔ１以上である高負荷のエンジン負荷領域、かつ、所定のエンジン回転数Ｒｅ１以上の高回転数領域（以下、「高負荷高回転領域」という）においては、主燃焼室２６の混合気を、理論空燃比よりリーンな混合気（λ＞１）と設定すると共に、プレチャンバープラグ３０の副室６０に流入する混合気の空燃比を、理論空燃比よりリーンな空燃比（λ＞１）と設定している。また、この高負荷高回転領域では、プレチャンバープラグ３０の副点火プラグ６２のみで点火するよう設定している。

ＥＣＵ５０は、このような制御マップに基づき、エンジン２の作動時において、アクセル開度センサＳＷ７の出力信号により決定される目標エンジントルク、および、クランク角センサＳＷ６により得られたエンジン２の回転数（ｒｐｍ）により、エンジン２がこの高負荷高回転領域で作動しているか否かを判定する（図１１参照）。
この領域であると判定された場合、ＥＣＵ５０は、本実施形態では、主に、インジェクタ２８による燃料噴射タイミングを制御することにより、主燃焼室２６内およびプレチャンバープラグ３０の副室６０内の空燃比が、理論空燃比よりリーンな空燃比となるよう制御する。また、ＥＣＵ５０は、副点火プラグ６２により副室６０内の混合気に点火するタイミングを制御する。具体的な燃料噴射タイミングおよび点火タイミングは後述する。

ここで、本実施形態では、図６に示す制御マップにおいて、低中負荷領域と高負荷低回転領域との境界、および、低中負荷領域と高負荷高回転領域との境界となる所定のエンジン負荷（目標エンジントルク）Ｔ１は、最大のエンジン負荷を１００％としたときの７０％（Ｔ１＝７０％）に設定している。なお、変形例として、エンジンの仕様等に応じて、７０％以外の数値を設定してもよい。

また、本実施形態では、図６に示す制御マップにおいて、高負荷低回転領域と高負荷高回転領域との境界となる所定のエンジン回転数Ｒｅ１を３０００ｒｐｍに設定している。なお、変形例として、この境界となるエンジン回転数を、上述した副室６０の連通孔６６の数および径などに応じて、たとえば、１０００ｒｐｍに設定してもよい。

次に、図７～図１０により、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置により制御される燃料噴射タイミングおよび点火タイミングを説明する。図７～図１０は、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置により制御される燃料噴射タイミングおよび点火タイミングのタイムチャートの一例であり、図７は、図６に示すエンジン制御マップにおける低中負荷領域における基本的なタイムチャートの例を示す図であり、図８は、図６に示すエンジン制御マップにおける高負荷低回転領域における基本的なタイムチャートの一例を示す図であり、図９は、図６に示すエンジン制御マップにおける高負荷高回転領域におけるタイムチャートの一例を示す図であり、図１０は、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置により制御される燃料噴射タイミングおよび点火タイミングのタイムチャートであり、図６に示すエンジン制御マップにおける高負荷高回転領域においてエンジン負荷に応じた燃料噴射タイミングの変更を説明するためのタイムチャートの一例を示す図である。

まず、図７に示すように、本実施形態では、低中負荷領域において、吸気行程の中期（クランク角＝－３００°～－２４０°）の所定の時期で一括燃料噴射を行う。なお、このような燃料噴射時期は、吸気行程中期に限らず、吸気行程初期の所定のタイミングから吸気行程中期の所定のタイミングまでの間や、吸気行程中期の所定のタイミングから吸気行程後期の所定のタイミングまでの間など、吸気行程において燃料と空気をミキシングして、その混合気を理論空燃比とし、圧縮行程において、副室６０内に理論空燃比の混合気を流入させることができるような時期であればよい。

また、図７に示すように、この低中負荷領域では、プレチャンバープラグ３０の副点火プラグ６２による副室６０内の混合気への点火（以下、「ＰＣＰ点火」という）を、圧縮上死点より前の圧縮行程後期に行う。

このように本実施形態では、基本的に吸気行程の中期で一括燃料噴射を行うことにより、吸気行程の後期において燃料と空気のミキシングを行い、混合気を均質にすることで、気筒２２内に、λ＝１の理論空燃比を有する混合気を形成し、その後、圧縮行程において、プレチャンバープラグ３０の副室６０内に、理論空燃比となっている混合気を流入させるようにしている。そして、設定した点火時期になると、副室６０内に流入した混合気を副点火プラグ６２により点火し、その副室６０内で発生した火炎伝搬を、火炎として主燃焼室２６に噴出／放射させ、それにより、主燃焼室２６内の混合気の火炎伝搬を早めるようにしている。

次に、図８に示すように、本実施形態では、高負荷低回転領域において、吸気行程中期の所定の時期で燃料を噴射し、さらに、点火時期直前の少なくとも圧縮行程後半の所定の時期で燃料を噴射する。本実施形態では、この燃料噴射時期は、点火時期直前の圧縮行程の後半の範囲内に設定している。本実施形態における、このような燃料噴射時期は、点火時期直前の上死点付近におけるプリイグニッションが生じることが想定されるクランク角である。

また、図８に示すように、この高負荷低回転領域では、主点火プラグ３２による主燃焼室２６内の混合気への点火（以下、「主プラグ点火」という）を、圧縮上死点前後に行う。

このように本実施形態では、圧縮行程の後期の後半の時期、すなわち、点火時期の直前のプリイグニッションの発生が想定されるクランク角において燃料を噴射するようにして、その燃料噴射により主燃焼室２６の温度上昇を抑制して、プリイグニッションが発生するのを抑制するようにしている。
また、本実施形態では、点火時期直前の圧縮行程で分割噴射しているので、圧縮行程で噴射された燃料と主燃焼室２６内の空気がミキシングされる時間が確保しにくくなり、その分、副室６０に流入する混合気がリーンになりすぎて失火しやすいので、主点火プラグ３２で点火することにより、主燃焼室２６内の混合気を確実に燃焼させるようにしている。

次に、図９に示すように、本実施形態では、高負荷高回転領域において、吸気行程中期の所定の時期で燃料を噴射し、さらに、圧縮行程中期（－１２０°～－６０°）の所定の時期で燃料を噴射する。なお、このような燃料噴射時期は、吸気行程中期および／または圧縮行程中期に限らず、点火時に、副室６０内に燃焼可能な程度のリーンの空燃比の混合気が流入するような時期であればよい。

また、図９に示すように、この高負荷高回転領域では、プレチャンバープラグ３０の副点火プラグ６２による副室６０内の混合気への点火を、圧縮行程の後期に行う。

このように本実施形態では、分割噴射を行い、全噴射量の一部の燃料を圧縮行程で主燃焼室２６に噴射するので、吸気行程における燃料噴射量を減らした分、点火時期に至るまでの間にミキシングされる主燃焼室２６内の混合気をリーンにすることができ、そのようなリーンとなっている混合気を、副室６０に流入させることができる。この場合、圧縮行程で噴射した燃料は、ミキシング時間が短い分、生成される混合気が少なくなり、副室６０に入る混合気が少なくなる。これによっても、副室６０内の混合気をリーン（λ＞１）にすることができる。そして、副点火プラグ６２により、副室６０内の混合気に点火すると、混合気が理論空燃比である場合に対して混合気がリーンである分、副室６０内の燃焼した混合気の火炎伝搬が遅くなる。そして、この副室６０内の火炎伝搬が遅くなった分、副室６０の連通孔６６から噴出される火炎の勢いも弱まる。このようにして、本実施形態では、高負荷高回転領域では、主燃焼室２６内における燃焼伝搬を遅くするようにしている。

言い換えると、この高負荷高回転領域においては、副室６０内の混合気をリーンにすることによって、副室６０から勢いよく火炎が噴出することを抑制している。これにより、本実施形態では、主燃焼室２６における燃焼伝搬が異常に早くなり、主燃焼室２６の空間（気柱）に高周波数の気柱共鳴（１．５ｋＨｚ、３～４ｋＨｚ、６～７ｋＨｚ付近など）が励振されるような異常燃焼を抑制するようにしている。

次に、図１０に示すように、高負荷高回転領域では、エンジン負荷（目標エンジントルク）に応じて燃料噴射タイミングを変更するようにしている。より具体的には、本実施形態では、吸気行程における燃料噴射タイミングは変更しないが、圧縮行程における燃料噴射タイミングを、エンジン負荷が高くなるほど遅角するようにしている。より具体的には、本実施形態では、エンジン負荷が、低中負荷領域との境界であるエンジン負荷Ｔ１＝７０％のとき、図１０においてＦ１で示すような燃料噴射タイミングで燃料を噴射し、その後、エンジン負荷が高くなるほど、図１０においてＦ２で示すような燃料噴射タイミングまで遅角する。このように本実施形態では、高負荷高回転領域において、エンジン負荷が高くなるほど、燃料噴射タイミングを、圧縮行程中期から圧縮行程後期へと遅角するようにしている。

また、この高負荷高回転領域では、副室６０内の混合気への点火の時期を、上述した燃料噴射タイミングのエンジン負荷に応じた遅角と同様に、エンジン負荷が高くなるほど、圧縮上死点前後の時期に向けて遅角する。

また、この高負荷高回転領域では、主燃焼室２６内のスワール流が強くなるよう、図３に示すスワールコントロールバルブ５６を制御する。
本実施形態では、主燃焼室２６内のスワール流が強いほど、混合気が主燃焼室２６およびピストン２４の外周側に流れ、主燃焼室２６およびピストン２４の中央領域には流れにくくなることを利用している。ここで、本実施形態では、プレチャンバープラグ３０の副室６０は、上述したように、平面視で、主燃焼室２６の中央領域に設けられている（図３参照）。従って、本実施形態では、主燃焼室２６内のスワール流が強くなるようにすることで、混合気が中央領域には流れにくくなり、その分、中央領域に設けた副室６０内に流入する混合気をリーンにするようにしている。

次に、図１１により、図６に示すエンジン制御マップに基づくＥＣＵ５０によるエンジン２の制御内容を説明する。図１１は、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置によるエンジン制御マップに基づくエンジンの制御内容を示すフローチャートである。なお、図１１において、Ｓは各ステップを示す。

まず、図１１に示すように、ＥＣＵ５０は、Ｓ１において、アクセル開度センサＳＷ７からの出力信号、および、クランク角センサＳＷ６の出力信号を読み込む。
次に、Ｓ２において、アクセル開度センサＳＷ７からの出力信号に基づいて、目標エンジントルクＴ１を算出し、次に、Ｓ３において、クランク角センサＳＷ６からの出力信号に基づいて、エンジン回転数を算出する。
次に、Ｓ４において、Ｓ２で算出された目標エンジントルクが所定値未満か否かを判定する。本実施形態では、このＳ４における目標エンジントルクの所定値は、上述したように、７０％に設定されている。

Ｓ４において、目標エンジントルクが所定値（７０％）未満であった場合（Ｓ４でＹＥＳ）は、上述した低中負荷領域であると判定し、Ｓ５に進み、上述したように、λ＝１の混合気でＰＣＰ点火を行う。
一方、Ｓ４において、目標エンジントルクが所定値（７０％）以上であった場合（Ｓ４でＮＯ）は、Ｓ６に進み、Ｓ３で算出されたエンジン回転数が所定値未満か否かを判定する。本実施形態では、このＳ５におけるエンジン回転数の所定値は、上述したように、３０００ｒｐｍに設定されている。

Ｓ６において、目標エンジントルクが所定値（７０％）未満であった場合（Ｓ６でＹＥＳ）は、上述した高負荷低回転領域であると判定し、Ｓ７に進み、上述したように主点火プラグ３２により主燃焼室２６の混合気に点火する。
一方、Ｓ６において、目標エンジントルクが所定値（７０％）以上であった場合（Ｓ６でＮＯ）は、上述した高負荷高回転領域であると判定し、Ｓ８に進み、上述したように、λ＞１の混合気でＰＣＰ点火を行う。

次に、図１２により、図１１に示すフローチャートに基づいて決定される、高負荷低回転領域および低中負荷領域においてエンジン負荷に応じて切り換えられる主点火プラグと副点火プラグの制御内容を説明する。図１２は、図６に示す制御マップおよび図１１に示すフローチャートに基づいて決定される、高負荷低回転領域および低中負荷領域においてエンジン負荷に応じて切り換えられる主点火プラグと副点火プラグの制御内容を示す線図である。
図１２に示すように、低～中負荷領域および高負荷低回転領域においては、エンジン負荷（目標エンジントルク）に応じて点火プラグが切り換えられる。すなわち、エンジン負荷が、低～中負荷の範囲（低中負荷領域）では、上述したように、副点火プラグ６２によるＰＣＰ点火が行われ（図１２においてＰＣＰ点火ＯＮ）、その後、エンジン負荷が高まり、高負荷低回転領域に入ると、上述したように、主点火プラグ３２による点火に切り換えられ（図１２においてＰＣＰ点火ＯＦＦ、主点火ＯＮ）、主燃焼室２６の混合気に点火される。

次に、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置の主な作用効果を説明する。
まず、本発明の実施形態によるエンジンシステム１のエンジン２の制御装置（ＥＣＵ）５０は、エンジン負荷が所定負荷以上のとき（たとえば、Ｔ１＝７０％以上の高負荷低回転領域）、主点火プラグ３２で主燃焼室２６内の混合気に点火させると共に、エンジン負荷が所定負荷未満のときの燃料噴射時期よりも遅い時期（本実施形態では、点火時期の直前の時期、圧縮工程後期の時期、圧縮行程後期の後半の時期）で主燃焼室２６内に燃料を噴射するので、燃料噴射により主燃焼室２６内の温度上昇を抑制することができ、その結果、プリイグニッションの発生を抑制することができる。さらに、エンジン負荷が所定負荷未満のときの燃料噴射時期よりも遅い時期（点火時期の直前の時期、圧縮工程後期の時期、圧縮行程後期の後半の時期）で燃料を噴射することで、主燃焼室２６内に噴射された燃料と主燃焼室２６内の空気がミキシングされる時間が確保しにくくなり、副室６０に流入する混合気が少なくなることに起因して副室６０で失火しやすい状態でも、主点火プラグ３２で主燃焼室２６内の混合気に点火するので、主燃焼室２６内の混合気を確実に燃焼させることができる。
また、本実施形態によれば、エンジン負荷が所定負荷未満のとき（たとえば、Ｔ１＝７０％未満の低中負荷領域）は、副点火プラグ６２で副室６０内の混合気に点火し燃焼させるので、副室６０の連通孔６６から火炎を噴出させて、主燃焼室２６における燃焼伝搬を早めることができ、その結果、エンジンの熱効率を高めることができる。

また、本実施形態によれば、エンジンシステム１のエンジン２の制御装置５０は、エンジン負荷が所定負荷未満のとき（たとえば、Ｔ１＝７０％未満の低中負荷領域）は、吸気行程のみで燃料を噴射させるので、副点火プラグ６２による副室６０内の混合気の燃焼により、副室６０の連通孔６６から火炎を噴出させて、主燃焼室２６における燃焼伝搬を早めることができる。
また、本実施形態によれば、エンジンシステム１のエンジン２の制御装置５０は、エンジン負荷が所定負荷以上のとき（たとえば、Ｔ１＝７０％以上の高負荷低回転領域）は、吸気行程と圧縮行程とに分割して燃料を噴射させるので、圧縮行程中に噴射される燃料により、プリイグニッションを抑制しつつ、主点火プラグ３２により主燃焼室２６内の混合気を確実に燃焼させることができる。また、低負荷時（エンジン負荷が所定負荷未満のとき）は、高負荷時（エンジン負荷が所定負荷以上のとき）に比べて、全燃料を吸気行程で噴射するので、分割噴射するよりも、主燃焼室２６から副室内に流入する混合気の空燃比を理論空燃比にしやすく、その結果、より確実に副室６０の連通孔６６から火炎を噴出させて、主燃焼室２６における燃焼伝搬を早めることができる。

また、本実施形態によれば、エンジン２において、主点火プラグ３２は排気ポート１２側に設けられ、副室６０および副点火プラグ６２は吸気ポート８側に設けられている。従って、副室６０が排気ガスの熱を受け、副室６０内の温度が過度に上昇することを抑制することができ、これにより、副室６０内での燃焼伝搬が早くなり、それに伴い、連通孔６６から主燃焼室２６に噴出する火炎の勢いが強くなってしまうことを抑制することができる。

１エンジンシステム
２エンジン
８吸気ポート
１０吸気バルブ
１２排気ポート
１４排気バルブ
１６、１８可変バルブリフト機構
２２気筒（シリンダ）
２４ピストン
２６主燃焼室
３０プレチャンバープラグ（第２点火プラグ）
３２主点火プラグ（第１点火プラグ）
５０ＥＣＵ（エンジンの制御装置）
５２シリンダブロック
５４シリンダヘッド
５６スワールコントロールバルブ
６０プレチャンバープラグ（ＰＣＰ）の副室
６２副点火プラグ（第２点火プラグ）
６６連通孔／噴孔

Claims

エンジンと、
このエンジンのシリンダヘッドおよびピストンで形成される主燃焼室と、
上記エンジンの主燃焼室に設けられ、上記主燃焼室に連通する連通孔が形成された副室と、
上記エンジンに設けられ、上記主燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタと、
上記エンジンに設けられ、上記主燃焼室に臨み主燃焼室の混合気に点火する第１点火プラグと、
上記エンジンの副室内に設けられ、上記副室内の混合気に点火する第２点火プラグと、
ドライバのアクセル開度を検出するアクセル開度検出器と、
このアクセル開度検出器からの出力信号を受け、上記インジェクタ、上記第１点火プラグおよび上記第２点火プラグを制御する制御装置と、を備え、
この制御装置は、
上記アクセル開度検出器により検出されたアクセル開度に基づいてドライバの要求トルクを判定するドライバ要求トルク判定手段と、
このドライバ要求トルク判定手段により判定されたドライバ要求トルクに基づいて上記エンジンの負荷を決定するエンジン負荷決定手段と、
このエンジン負荷決定手段により決定されるエンジン負荷が、所定値以上であるか否かを判定するエンジン負荷判定手段と、を有し、
上記制御装置は、上記エンジン負荷判定手段によりエンジンの負荷が所定値未満であると判定されたとき、上記第２点火プラグで上記副室内の混合気に点火させるように上記第２点火プラグを制御すると共に所定の時期に燃料を噴射するように上記インジェクタを制御し、かつ、上記エンジン負荷判定手段によりエンジン負荷が所定値以上であると判定されたとき、上記第１点火プラグで上記主燃焼室内の混合気に点火させるように上記第１点火プラグを制御すると共に上記所定の時期よりも遅い時期に燃料を噴射するように上記インジェクタを制御するよう構成されている、ことを特徴とするエンジンシステム。
上記エンジン負荷が所定値未満であるときの上記所定の時期は吸気行程における時期であり、上記エンジン負荷が所定値以上であるときの上記所定の時期よりも遅い時期は、圧縮行程における上記第１点火プラグの点火時期の直前の時期である、請求項１に記載のエンジンシステム。
上記制御装置は、エンジン負荷が上記所定値未満と判定されたとき、吸気行程のみで燃料を噴射させるよう上記インジェクタを制御し、かつ、エンジン負荷が上記所定値以上と判定されたとき、吸気行程と圧縮行程とに分割して燃料を噴射させるよう上記インジェクタを制御するよう構成されている、請求項１または請求項２に記載のエンジンシステム。
上記エンジンにおいて、上記第１点火プラグは上記エンジンの排気ポート側に設けられ、上記副室および上記第２点火プラグは上記エンジンの吸気ポート側に設けられている、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のエンジンシステム。