(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
気筒内の燃焼室に直接噴射した燃料の挙動をタンブル流によって制御するエンジンの制御装置であって、
上記燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、
上記燃焼室内にタンブル流を生成するタンブル流生成手段と、
上記エンジンの運転状態が相対的に高負荷側且つ低回転側の領域内である場合、上記気筒の吸気行程前半に設定された吸気行程前半噴射時期と、上記気筒の吸気行程後半に設定された吸気行程後半噴射時期と、上記気筒の圧縮行程中に設定された圧縮行程噴射時期に、上記燃料噴射弁から燃料を噴射させる燃料噴射弁制御手段とを有し、
上記タンブル流生成手段は、上記エンジンの吸気ポートであり、
上記燃料噴射弁は、上記燃焼室の天井の周縁部の上記吸気ポート側に配置され、上記吸気ポート側から上記エンジンの排気ポート側へ向かって斜め下方に燃料を噴射し、
上記燃料噴射弁制御手段は、上記吸気行程前半噴射の開始時期において、上記燃料噴射弁から上記タンブル流の渦中心に向かって燃料を噴射させる
ことを特徴とするエンジンの制御装置。
【請求項２】
上記エンジンのピストン冠面には、このピストン冠面における上記燃料噴射弁から離間した側の端部から上記燃料噴射弁側へ斜め上方に延びる斜面が形成されている、請求項１に記載のエンジンの制御装置。
【請求項３】
更に、混合気が上記気筒の点火時期より前に自着火するプリイグニッションの発生を検出するプリイグニッション検出手段と、
上記エンジンの吸気弁のバルブタイミングを変化させる可変バルブタイミング機構とを有し、
上記プリイグニッション検出手段によりプリイグニッションが検出された場合、上記燃料噴射弁制御手段は、上記燃料噴射弁の燃料噴射量を増大させ、上記可変バルブタイミング機構は、上記吸気弁の閉時期を吸気下死点以降に遅角させる、請求項１又は２に記載のエンジンの制御装置。
【請求項４】
上記プリイグニッション検出手段によりプリイグニッションが検出された後、所定回数の点火が行われるまで、上記燃料噴射弁は、上記増大させた燃料噴射量を維持し、上記可変バルブタイミング機構は、上記遅角させた上記吸気弁の閉時期を維持する、請求項３に記載のエンジンの制御装置。
【請求項５】
上記燃料噴射弁制御手段は、上記エンジンの運転状態が相対的に高負荷側且つ低回転側の領域外である場合、上記気筒の吸気行程に設定された吸気行程噴射時期を含む噴射時期に上記燃料噴射弁から燃料を噴射させ、上記エンジンの運転状態が相対的に高負荷側且つ低回転側の領域内である場合、上記エンジンの運転状態が相対的に高負荷側且つ低回転側の領域外である場合よりも多数の噴射時期に上記燃料噴射弁から燃料を噴射させる、請求項１乃至４の何れか１項に記載のエンジンの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの制御装置に係わり、特に、気筒内の燃焼室に直接噴射した燃料の挙動をタンブル流によって制御するエンジンの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、車両の動力性能を低下させることなく省燃費性能を向上させるために、エンジンの排気量を小型化して燃費を向上させつつ、過給機による過給を行うことで動力性能を維持する、いわゆるダウンサイジングコンセプトを適用した過給機付きエンジンが知られている。
【０００３】
この過給機付きエンジンでは、過給機により圧縮された高温・高圧の新気が燃焼室内に吸入されるので、自然吸気エンジンと比較して筒内圧や筒内温度が高くなりやすく、燃焼室内の混合気が気筒の点火時期より前に自着火するいわゆるプリイグニッション（過早着火）が発生しやすい。プリイグニッションが発生すると、筒内圧の急激な上昇に伴う騒音や振動が発生するだけでなく、プリイグニッションが継続することによってエンジンの破損を招く可能性もある。
【０００４】
そこで、プリイグニッションを早期に検出し、プリイグニッションの発生を抑制することが検討されている。
例えば、特許文献１に記載されたプリイグニッション検出装置では、異常振動の発生が検出された時期と点火時期との差が所定値以下となった場合にプリイグニッションが発生したと判定することにより、プリイグニッションを確実に検出可能としている。
また、特許文献２においては、ノッキングが発生し易い低回転高負荷運転領域において、吸気行程中に少量の燃料を噴射し、残りの燃料噴射（主たる燃料噴射）を圧縮工程で行うように制御することにより、圧縮工程の主たる燃料噴射から点火時期までの時間が短いので、プリイグニッションの発生を回避できる可能性が指摘されている。
また、特許文献２に記載された筒内直接噴射式内燃機関では、プリイグニッションの発生を検出又は予測していない場合は吸気行程で燃料噴射を行い、プリイグニッションの発生を検出又は予測したときのみ、燃料噴射時期を圧縮工程に遅角することでプリイグニッションを回避するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平８−３１９９３１号公報
【特許文献２】特開２００２−３３９７８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述のようにプリイグニッションが発生し易い条件においては、ノッキング（燃焼室内の混合気の火花点火後に未燃混合気が自着火する現象）も発生し得るが、プリイグニッションとノッキングとは現象が異なり、それらの抑制・回避のために必要なエンジンの制御内容も異なるので、プリイグニッションをノッキングと区別して検出することが求められる。しかしながら、特許文献１に記載されているような従来のプリイグニッション検出装置では、単に振動センサにより検出されたエンジンの振動レベルが所定の閾値を超えたときに異常振動の発生を検出し、その検出時期と点火時期との差が所定値以下となった場合にプリイグニッションが発生したと判定するに過ぎないので、エンジンの運転状態によっては、所定の閾値を超える振動レベルのノッキングが発生したり、あるいは所定の閾値を下回る振動レベルのプリイグニッションが発生したりすることがあり、これらの場合、プリイグニッションを抑制・回避するための適切なエンジン制御を行えないという問題がある。
【０００７】
また、上述の特許文献２に記載されているような従来技術において、燃料噴射量の多い高負荷運転時に、圧縮工程で大部分又は全量の燃料噴射を行うと、大量に噴射された燃料の一部がピストンやシリンダライナに付着する。この付着燃料（デポジット）や、デポジットが剥離して生じたスモークが燃焼室内で加熱されると、着火源となってプリイグニッションを促進してしまう。
【０００８】
本発明は、上述した従来技術の問題点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確実に抑制・回避することができる、エンジンの制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために、本発明のエンジンの制御装置は、気筒内の燃焼室に直接噴射した燃料の挙動をタンブル流によって制御するエンジンの制御装置であって、燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、燃焼室内にタンブル流を生成するタンブル流生成手段と、エンジンの運転状態が相対的に高負荷側且つ低回転側の領域内である場合、気筒の吸気行程前半に設定された吸気行程前半噴射時期と、気筒の吸気行程後半に設定された吸気行程後半噴射時期と、気筒の圧縮行程中に設定された圧縮行程噴射時期に、燃料噴射弁から燃料を噴射させる燃料噴射弁制御手段とを有し、タンブル流生成手段は、エンジンの吸気ポートであり、燃料噴射弁は、燃焼室の天井の周縁部の吸気ポート側に配置され、吸気ポート側からエンジンの排気ポート側へ向かって斜め下方に燃料を噴射し、燃料噴射弁制御手段は、吸気行程前半噴射の開始時期において、燃料噴射弁からタンブル流の渦中心に向かって燃料を噴射させることを特徴とする。
このように構成された本発明においては、タンブル流生成手段により燃焼室内にタンブル流が生成され、燃料噴射弁制御手段は、エンジンの運転状態が相対的に高負荷側且つ低回転側の領域内であり、プリイグニッションが発生し易い状態である場合、気筒の吸気行程前半に設定された吸気行程前半噴射時期を含む複数の噴射時期に燃料噴射弁から燃料を噴射させるので、燃料噴射弁から燃料を一括噴射する場合と比較して各噴射時期の燃料噴射量を抑制して燃料の噴射方向の貫徹力を低減し、ピストンやシリンダライナへの燃料付着を低減することができる。また、燃料噴射時期を複数に分割するので、ピストンやシリンダライナへの燃料付着を低減可能なタイミングで燃料を噴射することができる。特に、吸気行程前半噴射時期に燃料噴射を行うことにより、タンブル流に向かって燃料を噴射することができ、これにより、燃料噴射弁から噴射された燃料の噴射方向の貫徹力をタンブル流の運動エネルギーによって低減し、シリンダライナへの燃料付着を効果的に低減することができる。これにより、プリイグニッションを促進する着火源となる燃料付着を確実に低減することができ、プリイグニッションを確実に抑制・回避することができる。
また、プリイグニッションが発生し易い状態である場合、圧縮行程噴射時期を含む複数の噴射時期に燃料噴射弁から燃料を噴射させるので、圧縮行程で燃料噴射を行うことで、燃料の気化潜熱により燃焼室内の冷却を行うことができ、これにより、プリイグニッションをより発生しにくい状態にすることができる。また、圧縮行程では気筒内の圧力が相対的に高く、燃料噴射弁から噴射された燃料の噴射方向の貫徹力が抑制されるので、シリンダライナへの燃料付着を低減することができる。
また、プリイグニッションが発生し易い状態である場合、吸気行程後半噴射時期を含む複数の噴射時期に燃料噴射弁から燃料を噴射させるので、吸気行程前半において発生したタンブル流がピストンの下降に伴って上下方向に拡大されたタイミングで燃料を噴射し、燃料をタンブル流に乗せて燃焼室内を渦状に流動させることによりシリンダライナへの燃料付着を低減することができ、これにより、プリイグニッションをより発生しにくい状態にすることができる。また、圧縮行程ではピストンの位置が相対的に低くなっており、燃料噴射弁とピストン冠面との距離が相対的に遠くなっているので、ピストンへの燃料付着を低減することができる。
また、燃料噴射弁からタンブル流の渦中心に向かって燃料を噴射することにより、燃料噴射弁から噴射された燃料の噴射方向の貫徹力をタンブル流の運動エネルギーによって確実に低減し、シリンダライナへの燃料付着をより効果的に低減することができ、プリイグニッションを確実に抑制・回避することができる。
【００１３】
また、本発明において、好ましくは、エンジンのピストン冠面には、このピストン冠面における燃料噴射弁から離間した側の端部から燃料噴射弁側へ斜め上方に延びる斜面が形成されている。
このように構成された本発明においては、燃料噴射弁から噴射された燃料は、ピストン冠面における燃料噴射弁から離間した側の端部から燃料噴射弁側へ斜め上方に延びる斜面に沿って燃料噴射弁側へ斜め上方に流れるタンブル流の下部よりも上方において、タンブル流の渦中心に向かって噴射されることになるので、燃料をタンブル流の渦中心に向かって確実に噴射することができ、これにより、燃料噴射弁から噴射された燃料の噴射方向の貫徹力をタンブル流の運動エネルギーによって確実に低減し、シリンダライナへの燃料付着をより効果的に低減することができる。
【００１４】
また、本発明において、好ましくは、エンジンの制御装置は、更に、混合気が気筒の点火時期より前に自着火するプリイグニッションの発生を検出するプリイグニッション検出手段と、エンジンの吸気弁のバルブタイミングを変化させる可変バルブタイミング機構とを有し、プリイグニッション検出手段によりプリイグニッションが検出された場合、燃料噴射弁制御手段は、燃料噴射弁の燃料噴射量を増大させ、可変バルブタイミング機構は、吸気弁の閉時期を吸気下死点以降に遅角させる。
このように構成された本発明においては、プリイグニッションが検出された場合、燃料噴射弁の燃料噴射量を増大させることにより、増量された燃料の気化潜熱で燃焼室内の冷却を行うと共に、吸気弁の閉時期を吸気下死点以降に遅角させて有効圧縮比を低下させることにより、圧縮時の燃焼室内の温度を低下させるので、プリイグニッションを効果的に回避することができる。このとき、吸気弁の閉時期の位相を吸気下死点以降まで遅角させると共に燃料噴射量を増大させることにより、有効圧縮比の低下による発生トルクの減少を、燃料噴射量の増大による発生トルクの増大によって相殺することができ、エンジンが発生させるトルクをほぼ一定に維持することができる。
【００１５】
また、本発明において、好ましくは、プリイグニッション検出手段によりプリイグニッションが検出された後、所定回数の点火が行われるまで、燃料噴射弁は、増大させた燃料噴射量を維持し、可変バルブタイミング機構は、遅角させた吸気弁の閉時期を維持する。
このように構成された本発明においては、プリイグニッションが検出された後、所定回数の点火が行われ、燃焼室内が十分に冷却され、且つ、プリイグニッションの原因となっている付着燃料やスモークが燃焼室内から完全に掃気されるまで十分な期間にわたって、燃料噴射弁は、増大させた燃料噴射量を維持し、可変バルブタイミング機構は、遅角させた吸気弁の閉時期を維持することにより、プリイグニッションの発生を抑制するので、吸気弁の閉時期の位相及び燃料噴射量を元に戻したときに、燃焼室内の温度が高かったり付着燃料やスモーク等の着火源が残留していたりすることによってプリイグニッションが連続的に発生してより大きなプリイグニッションを引き起こすことを確実に防止することができる。
【００１６】
また、本発明において、好ましくは、燃料噴射弁制御手段は、エンジンの運転状態が相対的に高負荷側且つ低回転側の領域外である場合、気筒の吸気行程に設定された吸気行程噴射時期を含む噴射時期に燃料噴射弁から燃料を噴射させ、エンジンの運転状態が相対的に高負荷側且つ低回転側の領域内である場合、エンジンの運転状態が相対的に高負荷側且つ低回転側の領域外である場合よりも多数の噴射時期に燃料噴射弁から燃料を噴射させる。
このように構成された本発明においては、燃料噴射弁制御手段は、エンジンの運転状態が相対的に高負荷側且つ低回転側の領域内であり、プリイグニッションが発生し易い状態である場合には、エンジンの運転状態が相対的に高負荷側且つ低回転側の領域外でありプリイグニッションが発生し難い状態の場合よりも多数の噴射時期に燃料噴射弁から燃料を噴射させるので、エンジンの運転状態がプリイグニッションの発生し難い状態の場合と比較して各噴射時期の燃料噴射量を抑制して燃料の噴射方向の貫徹力を低減し、ピストンやシリンダライナへの燃料付着を低減することができると共に、ピストンやシリンダライナへの燃料付着を低減可能なタイミングで燃料を噴射することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によるエンジンの制御装置によれば、プリイグニッションを確実に抑制・回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態によるエンジンの制御装置が適用されたエンジンシステムの概略構成図である。
【図２】本発明の実施形態によるエンジンのインジェクタ及び点火プラグの詳細構造を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施形態によるエンジンのピストンを示す図であり、図３（ａ）はピストンの平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）におけるＡ−Ａ矢視図である。
【図４】プリイグニッション及びノッキングにより発生したエンジンの振動の振動レベル及び振動検出時期をプロットした散布図である。
【図５】本発明の実施形態によるエンジンの制御装置がプリイグニッションの発生を判定する際に使用する閾値を示す線図である。
【図６】本発明の第１実施形態によるエンジンの制御装置による燃料噴射タイミングを示すタイムチャートである。
【図７】本発明の第１実施形態によるエンジンの制御装置により実行される制御のフローチャートである。
【図８】本発明の実施形態による制御装置によって吸気行程前半に燃料が噴射されたときの燃焼室内の状態を示す断面図である。
【図９】本発明の実施形態による制御装置によって吸気工程後半に燃料が噴射されたときの燃焼室内の状態を示す断面図である。
【図１０】本発明の実施形態による制御装置によって圧縮工程に燃料が噴射された後の燃焼室内の状態を示す断面図である。
【図１１】本発明の実施形態による制御装置による燃料噴射量及び吸気弁の閉時期の制御タイミングを示すタイムチャートである。
【図１２】本発明の第２実施形態によるエンジンの制御装置により実行される制御のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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の制御装置を説明する。
【００２０】
［装置構成］
まず、図１により、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置が適用されたエンジンの装置構成を説明する。図１は、本発明の実施形態によるエンジンの制御装置が適用されたエンジンシステムの概略構成図である。
【００２１】
図１に示すように、エンジンシステム１００は、主に、外部から導入された吸気（空気）が通過する吸気通路１０と、この吸気通路１０から供給された吸気と、後述する燃料噴射弁２３から供給された燃料との混合気を燃焼させて車両の動力を発生するエンジン２０（本実施形態ではガソリンエンジン）と、このエンジン２０内の燃焼により発生した排気ガスを排出する排気通路３０と、エンジンシステム１００全体を制御するＥＣＵ（Electronic Control Unit）４４とを有する。
【００２２】
吸気通路１０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２と、通過する吸気を圧縮して吸気圧力を上昇させる、ターボ過給機４のコンプレッサ４ａと、通過する吸気を冷却するインタークーラ９と、通過する吸気量を調整するスロットルバルブ１１と、エンジン２０に供給する吸気を一時的に蓄えるサージタンク１３と、が設けられている。
また、吸気通路１０には、ターボ過給機４のコンプレッサ４ａを迂回して吸気を流すエアバイパス通路６が設けられている。具体的には、エアバイパス通路６は、一端がコンプレッサ４ａの下流側で且つスロットルバルブ１１の上流側の吸気通路１０に接続され、他端がコンプレッサ４ａの上流側の吸気通路１０に接続されている。また、このエアバイパス通路６上には、エアバイパス通路６を流れる吸気を制御するエアバイパスバルブ７が設けられている。
【００２３】
エンジン２０は、気筒２１が設けられたシリンダブロック２２（なお、図１では、１つの気筒２１のみを図示するが、例えば４つの気筒２１が直列に設けられる）と、このシリンダブロック２２上に配設されたシリンダヘッド２３と、シリンダブロック２２の下側に配設され、潤滑油が貯留されたオイルパン８とを有している。各気筒２１内には、コンロッド２４を介してクランクシャフト１２と連結されているピストン１４が往復動可能に嵌挿されている。シリンダヘッド２３と、気筒２１と、ピストン１４とは、燃焼室１６を画定する。
【００２４】
シリンダヘッド２３には、気筒２１毎に、各々独立した２つの吸気ポート１８及び２つの排気ポート１９が形成されていると共に、これら吸気ポート１８及び排気ポート１９には、燃焼室１６側の開口を開閉する吸気バルブ２５及び排気バルブ２７がそれぞれ配設されている。吸気ポート１８は吸気通路１０に接続され、排気ポート１９は排気通路３０に接続されている。吸気ポート１８は、燃焼室１６内に縦方向の渦流（タンブル流）を生成するタンブル流生成手段として機能する。
また、シリンダヘッド２３の下面は、燃焼室１６の天井２６を形成している。この天井２６は、中央部からシリンダヘッド２３下端まで延びる２つの対向する傾斜面を有する、いわゆるペントルーフ型となっている。
【００２５】
シリンダヘッド２３にはまた、気筒２１毎に、気筒２１内に燃料を直接噴射する（直噴）インジェクタ２８が取り付けられている。インジェクタ２８は、その噴口２９が、燃焼室１６の天井２６の周縁部において２つの吸気ポート１８の間から斜め下方に向かってその燃焼室１６内に臨むように配設されている。このインジェクタ２８は、エンジン２０の運転状態に応じて設定された噴射タイミングでかつ、エンジン２０の運転状態に応じた量の燃料を、燃焼室１６内に直接噴射する。このインジェクタ２８の詳細構造については、後述する。
【００２６】
シリンダヘッド２３にはまた、気筒２１毎に、燃焼室１６内の混合気に強制点火する点火プラグ３９が取り付けられている。点火プラグ３９は、燃焼室１６の天井２６の中央部から下方へ延びるように、シリンダヘッド２３内を貫通して配置されている。点火プラグ３９には、点火プラグ３９に電圧を供給する点火回路４０が接続されている。
【００２７】
シリンダヘッド２３にはまた、各気筒２１の吸気バルブ２５及び排気バルブ２７をそれぞれ駆動するバルブ駆動機構４１が設けられている。このバルブ駆動機構４１は、例えば、吸気バルブ２５及び排気バルブ２７のリフト量を変更することが可能な図外の可変バルブリフト機構（ＶＶＬ）、及び、クランクシャフト１２に対するカムシャフトの回転位相を変更することが可能な図外のバルブ位相可変機構（ＶＶＴ）を備えている。
【００２８】
図外の燃料タンクとインジェクタ２８との間は、燃料供給経路によって互いに連結されている。この燃料供給経路上には、インジェクタ２８に所望の燃料圧力で燃料を供給することが可能な燃料供給システム４２が介設されている。インジェクタ２８に供給される燃料の圧力は、エンジン２０の運転状態に応じて変更される。
【００２９】
排気通路３０には、上流側から順に、通過する排気ガスによって回転され、この回転によって上記したようにコンプレッサ４ａを駆動する、ターボ過給機４のタービン４ｂと、例えばＮＯｘ触媒や三元触媒や酸化触媒などの、排気ガスの浄化機能を有する排気浄化触媒３７、３８と、が設けられている。
また、排気通路３０には、排気ガスを吸気通路１０に還流するＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）通路３２が接続されている。このＥＧＲ通路３２は、一端がタービン４ｂの上流側の排気通路３０に接続され、他端がスロットルバルブ１１の下流側の吸気通路１０に接続されている。加えて、ＥＧＲ通路３２には、還流させる排気ガスを冷却するＥＧＲクーラ３３と、ＥＧＲ通路３２を流れる排気ガスを制御するＥＧＲバルブ３４とが設けられている。
更に、排気通路３０には、ターボ過給機４のタービン４ｂを迂回して排気ガスを流すタービンバイパス通路３５が設けられている。このタービンバイパス通路３５上には、タービンバイパス通路３５を流れる排気ガスを制御するウエストゲートバルブ（Ｗ／Ｇバルブ）３６が設けられている。
【００３０】
ＥＣＵ４４は、ＣＰＵ、メモリ、カウンタタイマ群、インターフェース及びこれらのユニットを接続するパスを有するマイクロプロセッサで構成されている。このＥＣＵ４４が制御器を構成する。
【００３１】
また、エンジン２０は、クランクシャフト１２の回転角を検出するクランク角センサ７０、エンジン冷却水の温度を検出する水温センサ７２、エンジン２０の振動を検出する振動センサ７４、車両のアクセルペダルの操作量に対応したアクセル開度を検出するアクセル開度センサ（図示省略）を有する。これらの各種センサの検出信号は、ＥＣＵ４４に入力される。
ＥＣＵ４４は、これらの検出信号に基づいて種々の演算を行うことによってエンジン２０や車両の状態を判定し、これに応じてインジェクタ２８、点火回路４０、バルブ駆動機構４１、燃料供給システム４２等へ制御信号を出力する。こうしてＥＣＵ４４は、エンジン２０を運転する。詳細は後述するが、ＥＣＵ４４は、本発明におけるエンジン２０の制御装置に相当し、燃料噴射弁制御手段、及びプリイグニッション検出手段として機能する。
【００３２】
［ピストン、インジェクタ及び点火プラグの詳細構造］
次に、図２及び図３を参照して、本発明の実施形態によるエンジン２０のピストン１４、インジェクタ２８及び点火プラグ３９の詳細構造を説明する。図２は、本発明の実施形態によるエンジン２０のインジェクタ２８及び点火プラグ３９の詳細構造を示す斜視図である。また、図３は、本発明の実施形態によるエンジン２０のピストン１４を示す図であり、図３（ａ）はピストン１４の平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）におけるＡ−Ａ矢視図である。
【００３３】
図２に示すように、インジェクタ２８は、複数の噴口２９を有する多噴口型のインジェクタである。このインジェクタ２８は、インジェクタ２８の軸線方向が水平方向から傾斜角αだけ下方に傾斜するように設けられている。これにより、インジェクタ２８の各噴口２９から噴射された燃料噴霧は、燃焼室１６の天井２６の周縁部から斜め下方に向かって、所定の拡がり角βで放射状に広がる。
【００３４】
図２及び図３に示すように、ピストン１４の頂部を形成するピストン冠面５０は、その中央に向かって隆起するように凸型に形成されている。具体的には、ピストン冠面５０は、ピストン冠面５０のインジェクタ２８側の端部からピストン冠面５０の中央に向かって斜め上方に延びるインジェクタ側斜面５２と、ピストン冠面５０のインジェクタ２８から離間した側（以下、必要に応じて「反インジェクタ側」）の端部からピストン冠面５０の中央に向かって傾斜角θで斜め上方に延びる反インジェクタ側斜面５４とを備えている。これらのインジェクタ側斜面５２及び反インジェクタ側斜面５４は、燃焼室１６の天井２６に沿うように形成されている。
【００３５】
また、ピストン冠面５０のインジェクタ２８側の端部及び反インジェクタ２８側の端部には、ピストン冠面５０の基準面となる水平面５６が形成されている。
さらに、ピストン冠面５０のインジェクタ２８側の端部には、ピストン１４と吸気バルブ２５との接触を回避するように窪んだ吸気バルブリセス５８が形成され、反インジェクタ側斜面５４には、ピストン１４と排気バルブ２７との接触を回避するように窪んだ排気バルブリセス６０が形成されている。
【００３６】
また、ピストン冠面５０の中央には、平面視でほぼ円形に窪んだキャビティ６２が形成されている。このキャビティ６２は、平面視でほぼ円形の水平な底面６４と、その底面６４の外周から上方へ拡がるように傾斜して延びる側面６６とによって形成される。ピストン１４が上死点に位置した場合、点火プラグ３９の先端がキャビティ６２内に臨んで配置され、これにより、点火プラグ３９の先端を中心とした略球状の燃焼空間が構成される。
【００３７】
［プリイグニッションとノッキングの区別］
次に、図４及び図５を参照して、プリイグニッションとノッキングの区別について説明する。図４は、プリイグニッション及びノッキングにより発生したエンジン２０の振動の振動レベル及び振動検出時期をプロットした散布図であり、図５は、本発明の実施形態によるエンジン２０の制御装置がプリイグニッションの発生を判定する際に使用する閾値を示す線図である。
【００３８】
本発明の発明者らは、各気筒２１の筒内圧を検出する筒内圧センサを備えた実験用エンジンを用いて、プリイグニッション及びノッキングが発生し易い運転条件でエンジンの運転を行い、筒内圧の変化からプリイグニッション及びノッキングの発生を特定すると共に、プリイグニッション及びノッキングが発生したときに振動センサ７４によって検出された、周波数が７ｋＨｚ及び１３ｋＨｚの各振動の最大変位と、その最大変位が検出された時期を測定した。一例として、所定のエンジン回転数における測定結果を図４に示す。なお、振動の周波数７ｋＨｚ及び１３ｋＨｚは、プリイグニッション及びノッキングに起因する振動の検出において良好なＳ／Ｎ比が得られる周波数を選定した。
図４において、縦軸は各周波数の振動について振動センサ７４が最大変位を検出したときの出力値（無次元）を示し、横軸は振動センサ７４が最大変位を検出した時の圧縮上死点後のクランク角（ｄｅｇ  ＡＴＤＣ）を示す。また、図４において、筒内圧の変化から明確にプリイグニッションと特定された場合の最大変位をひし形で示し、筒内圧の変化から明確にノッキングと特定された場合の最大変位を正方形で示し、プリイグニッションとノッキングとの中間の場合の最大変位を三角形で示す。
【００３９】
図４においてひし形で示すように、プリイグニッションが発生したときに振動センサ７４によって検出された振動は、最大変位が１０以上且つ検出時期が３０（ｄｅｇ  ＡＴＤＣ）未満の領域（図４におけるＸ領域）にある。これに対し、ノッキングが発生したときに振動センサ７４によって検出された振動は、最大変位が１０未満の領域（図４におけるＺ領域）にある。また、最大変位が１０以上且つ検出時期が３０（ｄｅｇ  ＡＴＤＣ）以上の領域（図４におけるＹ領域）については、プリイグニッションもノッキングもほぼ発生していない。
即ち、図４の例では、振動センサ７４によって検出された振動の最大変位が１０以上かつその検出時期が３０（ｄｅｇ  ＡＴＤＣ）未満である場合、その振動はノッキングではなくプリイグニッションにより発生したものと判定することができる。
【００４０】
そこで、本発明の発明者らは、様々なエンジン回転数において上述したような測定を行い、各エンジン回転数において振動センサ７４によって検出された振動に基づきプリイグニッションが発生したことを判定するための閾値を振動の周波数ごとに決定した。プリイグニッションが発生したことを判定するための振動の変位の閾値（第１閾値）を図５に示す。図５における横軸はエンジン回転数（ｒｐｍ）を示し、縦軸はプリイグニッションが発生したと判定するための振動の最大変位の閾値を示す。
【００４１】
図５に示すように、振動の周波数が７ｋＨｚ及び１３ｋＨｚの何れの場合においても、プリイグニッションが発生したと判定するための振動の変位の閾値は、エンジン回転数が高くなるほど上昇するように設定されている。これは、エンジン回転数が上昇し吸気行程や膨張行程の所要時間が短縮されるほど、プリイグニッションやノッキングが発生したときにより強い衝撃波が生じ、それにより、振動の変位がより大きくなることを反映している。
【００４２】
また、図５に示すように、振動の周波数が７ｋＨｚの場合よりも１３ｋＨｚの場合の方が、プリイグニッションが発生したと判定するための振動の最大変位の閾値が小さい。即ち、エンジン２０の振動の周波数が高くなるほどプリイグニッションが発生したと判定するための振動の最大変位の閾値が低く設定されている。これは、周波数が高くなるほど機械振動の変位は小さくなることを反映している。
【００４３】
また、プリイグニッションが発生したと判定するための振動の検出時期の基準時期は、各気筒２１の点火時期から２０（ｄｅｇ）程度遅角した時期に設定されている。この基準時期は、振動の周波数やエンジン回転数によらず一定である。
【００４４】
［燃料噴射タイミング］
次に、図６を参照して、本発明の実施形態によるエンジン２０の制御装置による燃料噴射タイミングの制御を説明する。
図６は、本発明の実施形態によるエンジン２０の制御装置による燃料噴射タイミングを示すタイムチャートであり、図６における横軸は圧縮上死点前のクランク角（ｄｅｇ  ＢＴＤＣ）を示す。また、燃料噴射時期を示すバーの上の数字は、１サイクルにおける全燃料噴射量を１０とした場合における各燃料噴射時期の燃料噴射量を表している。
【００４５】
図６に示すように、エンジン２０の運転状態が相対的に高負荷側且つ低回転側の領域内であり、筒内圧や筒内温度が高くプリイグニッションが発生し易い運転状態である場合、プリイグニッションの抑制を目的として、１サイクルにおける燃料の噴射を２回又は３回に分割して実施する。
具体的には、燃料の噴射を２回に分割する場合には、気筒２１の吸気行程前半、より詳細には３００（ｄｅｇ  ＢＴＤＣ）付近に設定された吸気行程前半噴射時期と、気筒２１の圧縮工程中、より詳細には１２０（ｄｅｇ  ＢＴＤＣ）付近に設定された圧縮工程噴射時期との２つの時期に分割して、インジェクタ２８から燃料を噴射させる。特に、吸気工程前半噴射時期は、インジェクタ２８から気筒２１内のタンブル流の渦中心に向かって燃料を噴射させる時期、より具体的には、インジェクタ２８により所定の拡がり角βで噴射される燃料の噴射範囲を延長した領域が、燃焼室１６の中心軸線上において、ピストン冠面５０の反インジェクタ側斜面５４を含む平面よりも上方に位置する時期に設定されている。
各噴射時期における燃料噴射量の比率は、１サイクルにおける全燃料噴射量を１０とした場合、吸気行程前半噴射時期：圧縮工程噴射時期＝６：４である。
また、燃料の噴射を３回に分割する場合には、気筒２１の吸気行程前半、より詳細には３００（ｄｅｇ  ＢＴＤＣ）付近に設定された吸気行程前半噴射時期と、気筒２１の吸気行程後半、より詳細には２６０（ｄｅｇ  ＢＴＤＣ）付近に設定された吸気行程後半噴射時期と、気筒２１の圧縮工程中、より詳細には１２０（ｄｅｇ  ＢＴＤＣ）付近に設定された圧縮工程噴射時期との３つの時期に分割して、インジェクタ２８から燃料を噴射させる。
各噴射時期における燃料噴射量の比率は、１サイクルにおける全燃料噴射量を１０とした場合、吸気行程前半噴射時期：吸気行程後半噴射時期：圧縮工程噴射時期＝４：３：３である。
なお、１サイクルにおける全燃料噴射量は、例えば、混合気が全体として理論空燃比よりも薄いリーン状態となるように設定されるが、必ずしもリーン状態ではなくてもよい。
【００４６】
また、ＥＣＵ４４は、エンジン２０の運転状態が、エンジン２０の運転状態が相対的に高負荷側且つ低回転側の領域外であり、プリイグニッションが発生し難い通常の運転状態である場合、気筒２１の吸気行程中、より詳細には２８０（ｄｅｇ  ＢＴＤＣ）付近に設定された吸気行程噴射時期に、インジェクタ２８から燃料を一括噴射させる。
即ち、エンジン２０の運転状態がプリイグニッションの発生し難い運転状態である場合には、吸気行程噴射時期に燃料を一括噴射して、燃料の気化を促進すると共に燃料を燃焼室１６内に均等に分布させることにより、エミッション性能の向上を図っている。
【００４７】
［プリイグニッションの抑制・検出・回避制御］
次に、図７乃至図１１を参照して、本発明の第１実施形態によるエンジン２０の制御装置により実行されるプリイグニッションの抑制・検出・回避制御を説明する。図７は、本発明の第１実施形態によるエンジン２０の制御装置により実行されるプリイグニッションの抑制・検出・回避制御のフローチャートである。図７に示す処理は、ＥＣＵ４４によって、車両の運転時に所定の周期で繰り返し実行される。
また、図８乃至図１０は、本発明の実施形態によるエンジン２０の運転状態が相対的に高負荷側且つ低回転側の領域内である場合におけるサージタンク内の状態を示す断面図であり、図８は吸気行程前半に燃料が噴射されたときのサージタンク内の状態、図９は吸気行程後半に燃料が噴射されたときのサージタンク内の状態、図１０は圧縮工程に燃料が噴射された後のサージタンク内の状態を、それぞれ示す。
また、図１１は、本発明の実施形態による制御装置による燃料噴射量及び吸気弁の閉時期の制御タイミングを示すタイムチャートであり、（ａ）はプリイグニッションの検出値（「１」が検出）、（ｂ）は吸気バルブ２５の閉時期（ｄｅｇ  ＢＴＤＣ）、（ｃ）は燃料噴射量の調整率、（ｄ）はエンジン２０の発生トルク（Ｎｍ）を、それぞれ表している。
【００４８】
図７に示すように、プリイグニッションの抑制・検出・回避制御が開始されると、まず、ステップＳ１において、ＥＣＵ４４は、各種のセンサから入力された検出信号等に基づき、エンジン２０の運転状態を取得する。例えば、ＥＣＵ４４は、アクセル開度センサから入力されたアクセル開度やクランク角センサ７０から入力されたクランク角に基づき、エンジン２０の運転状態を取得する。
【００４９】
次に、ステップＳ２において、ＥＣＵ４４は、ステップＳ１で取得したエンジン２０の運転状態に基づき、プリイグニッションが発生したことを判定するための振動の変位の閾値（第１閾値）を設定する。
具体的には、ＥＣＵ４４は、図５に例示したようなマップを参照し、ステップＳ１で取得したエンジン回転数に対応する第１閾値を設定する。
また、ＥＣＵ４４は、ノッキングが発生したことを判定するための振動の変位の閾値（第２閾値）も設定する。この第２閾値は、第１閾値よりも小さい値に設定される。
【００５０】
次に、ステップＳ３において、ＥＣＵ４４は、ステップＳ１で取得したエンジン２０の運転状態が、全運転領域の中で相対的に高負荷側且つ低回転側の領域内か否かを判定する。
その結果、エンジン２０の運転状態が相対的に高負荷側且つ低回転側の領域内である場合、ステップＳ４に進み、ＥＣＵ４４は、気筒２１の吸気行程前半に設定された吸気行程前半噴射時期を含む複数の燃料噴射時期を設定する。
【００５１】
例えば、ＥＣＵ４４は、ステップＳ１で取得したエンジン回転数やエンジン冷却水の温度等に基づき、１サイクルにおける燃料の噴射を３回に分割したとしてもインジェクタ２８の動作に必要な噴射間隔を確保できると判断した場合には、図６に示したように、気筒２１の吸気行程前半、より詳細には３００（ｄｅｇ  ＢＴＤＣ）付近に設定された吸気行程前半噴射時期と、気筒２１の吸気行程後半、より詳細には２６０（ｄｅｇ  ＢＴＤＣ）付近に設定された吸気行程後半噴射時期と、気筒２１の圧縮工程中、より詳細には１２０（ｄｅｇ  ＢＴＤＣ）付近に設定された圧縮工程噴射時期との３つの時期を燃料噴射時期として設定する。
一方、ＥＣＵ４４は、ステップＳ１で取得したエンジン回転数やエンジン冷却水の温度等に基づき、１サイクルにおける燃料の噴射を３回に分割するとインジェクタ２８の動作に必要な噴射間隔を確保できないと判断した場合には、図６に示したように、気筒２１の吸気行程前半、より詳細には３００（ｄｅｇ  ＢＴＤＣ）付近に設定された吸気行程前半噴射時期と、気筒２１の圧縮工程中、より詳細には１２０（ｄｅｇ  ＢＴＤＣ）付近に設定された圧縮工程噴射時期との２つの時期を燃料噴射時期として設定する。
【００５２】
ここで、図８乃至図１０を参照して、本発明の実施形態によるエンジン２０の制御装置が燃料噴射タイミングの制御を行ったときのサージタンク内の状態を説明する。
図８乃至図１０は、本発明の実施形態によるエンジン２０の運転状態が相対的に高負荷側且つ低回転側の領域内であるときのサージタンク内の状態を示す断面図であり、図８は吸気行程前半噴射時期に燃料が噴射されたときのサージタンク内の状態、図９は吸気行程後半噴射時期に燃料が噴射されたときのサージタンク内の状態、図１０は圧縮工程噴射時期に燃料が噴射されたときのサージタンク内の状態を、それぞれ示す。
【００５３】
まず、吸気行程前半噴射時期においては、図８に示すように、吸気バルブ２５の開弁及びピストン１４の下降に応じて吸気ポート１８から燃焼室１６内に流入した吸気により、タンブル流Ｔ（縦方向の渦流）が発生している。ＥＣＵ４４がインジェクタ２８及び燃料供給システム４２を制御して、吸気行程前半噴射時期に燃料をインジェクタ２８から噴射させると、インジェクタ２８から噴射された燃料は、ピストン冠面５０の反インジェクタ側斜面５４に沿ってインジェクタ２８側へ斜め上方に流れるタンブル流Ｔの下部よりも上方において、タンブル流Ｔの渦中心に向かって噴射されることになる。
この場合、インジェクタ２８から噴射された燃料の噴射方向の貫徹力は、燃料の噴射方向に直交する方向に流れるタンブル流Ｔの運動エネルギーによって低減されるので、燃料はタンブル流Ｔを貫徹せず、燃焼室１６の壁面への燃料付着が低減される。
【００５４】
次に、吸気行程後半噴射時期においては、図９に示すように、吸気行程前半において発生したタンブル流Ｔが、ピストン１４の下降に伴って上下方向に拡大されている。このタイミングで、ＥＣＵ４４がインジェクタ２８及び燃料供給システム４２を制御して、燃料をインジェクタ２８から噴射させると、燃料はタンブル流Ｔの上端付近に向かって噴射される。このタンブル流Ｔの上端付近では、タンブル流Ｔは吸気ポート１８から排気ポート１９へ向かう方向、即ちインジェクタ２８から離れる方向へ流れている。従って、インジェクタ２８から噴射された燃料は、タンブル流Ｔの上端付近の流れ方向と同じ方向へ噴射され、タンブル流Ｔに乗って燃焼室１６内を渦状に流動するので、壁面への燃料付着が低減される。
【００５５】
さらに、圧縮工程噴射時期においては、図１０に示すように、吸気行程において発生したタンブル流Ｔが、ピストン１４の上昇に伴って上下方向につぶされながら、燃焼室１６の天井２６とピストン冠面５０との間を渦状に流動する。
したがって、ＥＣＵ４４がインジェクタ２８及び燃料供給システム４２を制御して、圧縮工程後半噴射時期に燃料をインジェクタ２８から噴射させると、インジェクタ２８から噴射された燃料は、ピストン冠面５０の反インジェクタ側斜面５４に沿ってインジェクタ２８側へ斜め上方に流れるタンブル流Ｔの下部よりも上方において、タンブル流Ｔの渦中心に向かって噴射されることになる。
この場合、インジェクタ２８から噴射された燃料の噴射方向の貫徹力は、燃料の噴射方向に直交する方向に流れるタンブル流Ｔの運動エネルギーによって低減されるので、燃料はタンブル流Ｔを貫徹せず、燃焼室１６の壁面への燃料付着が低減される。
【００５６】
上述したように、燃料の噴射を３回に分割する場合、ＥＣＵ４４は、燃料噴射時期を、吸気行程前半噴射時期、吸気行程後半噴射時期、及び圧縮工程噴射時期の３つの時期に分割すると共に、各噴射時期における燃料噴射量の比率が、吸気行程前半噴射時期：吸気工程後半噴射時期：圧縮工程噴射時期＝４：３：３となるように、インジェクタ２８から燃料を噴射させる。
即ち、燃料噴射時期を、吸気行程前半噴射時期、吸気行程後半噴射時期、及び圧縮工程噴射時期の３つの時期に分割することにより、一括噴射と比較して各噴射時期の燃料噴射量を抑制して燃料の噴射方向の貫徹力を低減し、ピストン冠面５０や燃焼室１６の壁面への燃料付着を低減している。また、燃料噴射時期を上記の３つの時期に分割することにより、ピストン冠面５０や燃焼室１６の壁面への燃料付着を低減可能なタイミングで燃料を噴射することが可能となっている。特に、吸気行程前半噴射時期の燃料噴射においては、タンブル流Ｔの渦中心に向かって燃料を噴射することにより、インジェクタ２８から噴射された燃料の噴射方向の貫徹力をタンブル流Ｔの運動エネルギーによって低減し、燃焼室１６の壁面への燃料付着を効果的に低減している。また、圧縮工程で燃料噴射を行うことで、燃料の気化潜熱により燃焼室１６内の冷却を行い、プリイグニッションが発生しにくい状態にしている。
【００５７】
また、燃料の噴射を吸気行程前半噴射時期及び圧縮工程噴射時期の２回に分割する場合においても、燃料の噴射を３回に分割する場合と同様に、ピストン冠面５０や燃焼室１６の壁面への燃料付着を低減していると共に、圧縮工程噴射時期の燃料噴射により、燃焼室１６内をプリイグニッションが発生しにくい状態にしている。
【００５８】
図７のフローチャートに戻り、ステップＳ３において、エンジン２０の運転状態が相対的に高負荷側且つ低回転側の領域外である場合、ステップＳ５に進み、ＥＣＵ４４は、図６に示したように、気筒２１の吸気行程中、より詳細には２８０（ｄｅｇ  ＢＴＤＣ）付近に設定された吸気行程噴射時期を、インジェクタ２８から燃料を一括噴射させる燃料噴射時期として設定する。
【００５９】
ステップＳ４又はＳ５の後、ステップＳ６に進み、ＥＣＵ４４は、振動センサ７４から入力された検出信号と、ステップＳ２で設定した閾値とに基づき、プリイグニッションが発生したか否かを判定する。具体的には、ＥＣＵ４４は、振動センサ７４から入力された検出信号に基づき、周波数７ｋＨｚ又は１３ｋＨｚのエンジン２０の振動の変位が第１閾値以上（本実施形態では検出信号の値が１００以上）であり、且つ、振動の変位が第１閾値以上となった時期が所定の基準時期（本実施形態では気筒２１の点火時期から２０（ｄｅｇ）程度遅角した時期）よりも早い場合に、プリイグニッションが発生したと判定する。
【００６０】
その結果、プリイグニッションが発生したと判定した場合、ステップＳ７に進み、ＥＣＵ４４は、バルブ駆動機構４１により、吸気バルブ２５の閉時期の位相を吸気下死点以降まで遅角させる。
【００６１】
次に、ステップＳ８において、ＥＣＵ４４は、各燃料噴射時期におけるインジェクタ２８の燃料噴射量を２０％増大させる。
【００６２】
次に、ステップＳ９において、ＥＣＵ４４は、ステップＳ６においてプリイグニッションの発生が検出された後の点火回数が１２回になるまで、ステップＳ７において遅角させた吸気バルブ２５の閉時期の位相及びステップＳ８において増大させた燃料噴射量を維持する。
【００６３】
そして、ステップＳ６においてプリイグニッションの発生が検出された後の点火回数が１２回に達した場合、ステップＳ１０に進み、ＥＣＵ４４は、ステップＳ７において遅角させた吸気バルブ２５の閉時期の位相及びステップＳ８において増大させた燃料噴射量を元に戻す。その後、ＥＣＵ４４は、処理を終了する。
【００６４】
具体的には、図１１に示すように、ステップＳ６においてプリイグニッションの発生が検出されると（図１１における時刻ｔ０）、ＥＣＵ４４は、ステップＳ７において、吸気バルブ２５の閉時期の位相を吸気下死点以降（図１１では１７０（ｄｅｇ  ＢＴＤＣ））まで遅角させる指示をバルブ駆動機構４１に出力する（図１１（ｂ）の実線）。バルブ駆動機構４１は、ＥＣＵ４４の指示に応じて吸気バルブ２５のＶＶＴを動作させ、吸気バルブ２５の閉時期の位相を吸気下死点以降まで遅角させる（図１１（ｂ）の破線）。これにより、有効圧縮比が低下し、圧縮時の燃焼室１６内の温度が低下するので、プリイグニッションの発生が抑制される。
【００６５】
また、ＥＣＵ４４は、ステップＳ８において、各燃料噴射時期におけるインジェクタ２８の燃料噴射量を２０％増大させ（図１１（ｃ））、燃料の気化潜熱で燃焼室１６内の冷却を行うことにより、プリイグニッションの発生を抑制している。
また、ステップＳ７において吸気バルブ２５の閉時期の位相を吸気下死点以降まで遅角させることにより有効圧縮比が低下するが、ステップＳ８において燃料噴射量を増大させることにより、図１１（ｄ）に示すように、エンジン２０が発生させるトルクはほぼ一定に維持される。
【００６６】
また、ＥＣＵ４４は、時刻ｔ０においてプリイグニッションの発生が検出された後の点火回数が、時刻ｔ１において１２回に到達するまで、ステップＳ７において遅角させた吸気バルブ２５の閉時期の位相及びステップＳ８において増大させた燃料噴射量を維持することで、燃焼室１６内が十分に冷却され、且つ、プリイグニッションの原因となっている付着燃料やスモークが完全に掃気されるまで、十分な期間プリイグニッションの発生を抑制することにより、吸気バルブ２５の閉時期の位相及び燃料噴射量を元に戻したときに、燃焼室１６内の温度が高かったり付着燃料やスモーク等の着火源が残留していたりすることによってプリイグニッションが再び発生することを抑制できる。
【００６７】
一方、ステップＳ６において、プリイグニッションが発生していないと判定した場合、ステップＳ１１に進み、ＥＣＵ４４は、振動センサ７４から入力された検出信号と、ステップＳ２で設定した閾値とに基づき、プリイグニッションが発生したか否かを判定する。具体的には、ＥＣＵ４４は、振動センサ７４から入力された検出信号に基づき、周波数７ｋＨｚ又は１３ｋＨｚのエンジン２０の振動の変位が第２閾値以上第１閾値未満である場合、又は、周波数７ｋＨｚ又は１３ｋＨｚのエンジン２０の振動の変位が第１閾値以上であり且つ振動の変位が第１閾値以上となった時期が所定の基準時期以降の場合に、ノッキングが発生したと判定する。
【００６８】
その結果、ノッキングが発生したと判定した場合、ステップＳ１２に進み、ＥＣＵ４４は、点火時期を所定量遅角させ、ノッキングの発生を抑制する。
ステップＳ１１においてノッキングが発生していないと判定した場合、又は、ステップＳ１２の後、ＥＣＵ４４は処理を終了する。
【００６９】
次に、図１２を参照して、本発明の第２実施形態によるエンジン２０の制御装置により実行されるプリイグニッションの検出・回避制御を説明する。図１２は、本発明の第２実施形態によるエンジン２０の制御装置により実行されるプリイグニッションの抑制・検出・回避制御のフローチャートである。図１２に示す処理は、ＥＣＵ４４によって、車両の運転時に所定の周期で繰り返し実行される。
なお、この図１２の制御におけるステップＳ２１、Ｓ２２、Ｓ２５乃至Ｓ３０の各処理は、図７を参照して説明した制御におけるステップＳ１、Ｓ２、Ｓ７乃至Ｓ１２の各処理と同様であるので、説明を省略する。
【００７０】
図１２に示した本発明の第２実施形態によるプリイグニッションの検出・回避制御では、プリイグニッションが発生していない状態においては燃料の分割噴射を行わず、プリイグニッションの発生が検出された場合に、燃料の分割噴射を行うようにしている。
【００７１】
即ち、ステップＳ２２において、プリイグニッションが発生したことを判定するための振動の変位の閾値（第１閾値）及びノッキングが発生したことを判定するための振動の変位の閾値（第２閾値）を設定した後、ステップＳ２３において、ＥＣＵ４４は、振動センサ７４から入力された検出信号と、ステップＳ２２で設定した閾値とに基づき、プリイグニッションが発生したか否かを判定する。具体的には、ＥＣＵ４４は、振動センサ７４から入力された検出信号に基づき、周波数７ｋＨｚ又は１３ｋＨｚのエンジン２０の振動の変位が第１閾値以上（本実施形態では検出信号の値が１００以上）であり、且つ、振動の変位が第１閾値以上となった時期が所定の基準時期（本実施形態では気筒２１の点火時期から２０（ｄｅｇ）程度遅角した時期）よりも早い場合に、プリイグニッションが発生したと判定する。
【００７２】
その結果、プリイグニッションが発生したと判定した場合、ステップＳ２４に進み、ＥＣＵ４４は、気筒２１の吸気行程前半に設定された吸気行程前半噴射時期を含む複数の燃料噴射時期を設定する。
例えば、ＥＣＵ４４は、ステップＳ２１で取得したエンジン回転数やエンジン冷却水の温度等に基づき、１サイクルにおける燃料の噴射を３回に分割したとしてもインジェクタ２８の動作に必要な噴射間隔を確保できると判断した場合には、図６に示したように、気筒２１の吸気行程前半、より詳細には３００（ｄｅｇ  ＢＴＤＣ）付近に設定された吸気行程前半噴射時期と、気筒２１の吸気行程後半、より詳細には２６０（ｄｅｇ  ＢＴＤＣ）付近に設定された吸気行程後半噴射時期と、気筒２１の圧縮工程中、より詳細には１２０（ｄｅｇ  ＢＴＤＣ）付近に設定された圧縮工程噴射時期との３つの時期を燃料噴射時期として設定する。
一方、ＥＣＵ４４は、ステップＳ２１で取得したエンジン回転数やエンジン冷却水の温度等に基づき、１サイクルにおける燃料の噴射を３回に分割するとインジェクタ２８の動作に必要な噴射間隔を確保できないと判断した場合には、図６に示したように、気筒２１の吸気行程前半、より詳細には３００（ｄｅｇ  ＢＴＤＣ）付近に設定された吸気行程前半噴射時期と、気筒２１の圧縮工程中、より詳細には１２０（ｄｅｇ  ＢＴＤＣ）付近に設定された圧縮工程噴射時期との２つの時期を燃料噴射時期として設定する。
【００７３】
次に、本発明の実施形態のさらなる変形例を説明する。
まず、上述した実施形態では、シリンダヘッド２３には、気筒２１毎に、各々独立した２つの吸気ポート１８及び２つの排気ポート１９が形成されていると説明したが、これとは異なる数の吸気ポート１８及び排気ポート１９が形成されていてもよい。
【００７４】
また、上述した実施形態では、ＥＣＵ４４は、触媒温度センサ４６、アクセル開度センサから入力されたアクセル開度やクランク角センサ７０から入力されたクランク角に基づきエンジン２０の運転状態を特定すると説明したが、これら以外のセンサから入力された検出信号を用いてエンジン２０の運転状態を特定してもよい。
【００７５】
また、上述した実施形態では、１サイクルにおける全燃料噴射量は、混合気が全体として理論空燃比よりも薄いリーン状態となるように設定されると説明したが、混合気が全体として理論空燃比に等しい状態となるように全燃料噴射量を設定してもよい。
【００７６】
また、上述した実施形態では、振動センサ７４から入力された検出信号に基づきプリイグニッションが発生したか否かを判定する場合について説明したが、イオンセンサによって燃焼室１６内のイオン電流を測定して燃焼状態を判断することにより、プリイグニッションが発生したか否かを判定するようにしてもよい。
【００７７】
次に、上述した本発明の実施形態及び本発明の実施形態の変形例によるエンジン２０の制御装置の作用効果を説明する。
【００７８】
まず、吸気ポート１８により燃焼室１６内にタンブル流Ｔが生成され、ＥＣＵ４４は、エンジン２０の運転状態が相対的に高負荷側且つ低回転側の領域内であり、プリイグニッションが発生し易い状態である場合、気筒２１の吸気行程前半噴射時期を含む複数の噴射時期にインジェクタ２８から燃料を噴射させるので、インジェクタ２８から燃料を一括噴射する場合と比較して各噴射時期の燃料噴射量を抑制して燃料の噴射方向の貫徹力を低減し、ピストン１４や燃焼室１６の壁面への燃料付着を低減することができる。また、燃料噴射時期を複数に分割するので、ピストン１４や燃焼室１６の壁面への燃料付着を低減可能なタイミングで燃料を噴射することができる。特に、吸気行程前半噴射時期に燃料噴射を行うことにより、タンブル流Ｔに向かって燃料を噴射することができ、これにより、インジェクタ２８から噴射された燃料の噴射方向の貫徹力をタンブル流Ｔの運動エネルギーによって低減し、燃焼室１６の壁面への燃料付着を効果的に低減することができる。これにより、プリイグニッションを促進する着火源となる燃料付着を確実に低減することができ、プリイグニッションを確実に抑制・回避することができる。
【００７９】
また、ＥＣＵ４４は、プリイグニッションが発生し易い状態である場合、圧縮工程噴射時期を含む複数の噴射時期にインジェクタ２８から燃料を噴射させるので、圧縮工程で燃料噴射を行うことで、燃料の気化潜熱により燃焼室１６内の冷却を行うことができ、これにより、プリイグニッションをより発生しにくい状態にすることができる。
【００８０】
また、ＥＣＵ４４は、プリイグニッションが発生し易い状態である場合、吸気行程後半噴射時期を含む複数の噴射時期にインジェクタ２８から燃料を噴射させるので、吸気行程前半において発生したタンブル流Ｔがピストン１４の下降に伴って上下方向に拡大されたタイミングで燃料を噴射し、燃料をタンブル流Ｔに乗せて燃焼室１６内を渦状に流動させることにより燃焼室１６の壁面への燃料付着を低減することができ、これにより、プリイグニッションをより発生しにくい状態にすることができる。
【００８１】
また、インジェクタ２８からタンブル流Ｔの渦中心に向かって燃料を噴射することにより、インジェクタ２８から噴射された燃料の噴射方向の貫徹力をタンブル流Ｔの運動エネルギーによって確実に低減し、燃焼室１６の壁面への燃料付着をより効果的に低減することができ、プリイグニッションを確実に抑制・回避することができる。
【００８２】
また、インジェクタ２８から噴射された燃料は、ピストン冠面５０の反インジェクタ側斜面５４に沿ってインジェクタ２８側へ斜め上方に流れるタンブル流Ｔの下部よりも上方において、タンブル流Ｔの渦中心に向かって噴射されることになるので、燃料をタンブル流Ｔの渦中心に向かって確実に噴射することができ、これにより、インジェクタ２８から噴射された燃料の噴射方向の貫徹力をタンブル流Ｔの運動エネルギーによって確実に低減し、燃焼室１６の壁面への燃料付着をより効果的に低減することができる。
【００８３】
また、プリイグニッションが検出された場合、ＥＣＵ４４は、インジェクタ２８の燃料噴射量を増大させることにより、増量された燃料の気化潜熱で燃焼室１６内の冷却を行うと共に、吸気バルブ２５の閉時期を吸気下死点以降に遅角させて有効圧縮比を低下させることにより、圧縮時の燃焼室１６内の温度を低下させるので、プリイグニッションを効果的に回避することができる。このとき、吸気バルブ２５の閉時期の位相を吸気下死点以降まで遅角させると共に燃料噴射量を増大させることにより、有効圧縮比の低下による発生トルクの減少を、燃料噴射量の増大による発生トルクの増大によって相殺することができ、エンジン２０が発生させるトルクをほぼ一定に維持することができる。
【００８４】
また、プリイグニッションが検出された後、所定回数の点火が行われ、燃焼室１６内が十分に冷却され、且つ、プリイグニッションの原因となっている付着燃料やスモークが燃焼室１６内から完全に掃気されるまで十分な期間にわたって、インジェクタ２８は、増大させた燃料噴射量を維持し、バルブ駆動機構４１は、遅角させた吸気バルブ２５の閉時期を維持することにより、プリイグニッションの発生を抑制するので、吸気バルブ２５の閉時期の位相及び燃料噴射量を元に戻したときに、燃焼室１６内の温度が高かったり付着燃料やスモーク等の着火源が残留していたりすることによってプリイグニッションが連続的に発生してより大きなプリイグニッションを引き起こすことを確実に防止することができる。
【００８５】
また、ＥＣＵ４４は、エンジン２０の運転状態が相対的に高負荷側且つ低回転側の領域内であり、プリイグニッションが発生し易い状態である場合には、エンジン２０の運転状態が相対的に高負荷側且つ低回転側の領域外でありプリイグニッションが発生し難い状態の場合よりも多数の噴射時期にインジェクタ２８から燃料を噴射させるので、エンジン２０の運転状態がプリイグニッションの発生し難い状態の場合と比較して各噴射時期の燃料噴射量を抑制して燃料の噴射方向の貫徹力を低減し、ピストン１４や燃焼室１６の壁面への燃料付着を低減することができると共に、ピストン１４や燃焼室１６への燃料付着を低減可能なタイミングで燃料を噴射することができる。
【符号の説明】
【００８６】
４  ターボ過給機
１０  吸気通路
１１  スロットルバルブ
１２  クランクシャフト
１４  ピストン
１６  燃焼室
１８  吸気ポート
１９  排気ポート
２０  エンジン
２１  気筒
２２  シリンダブロック
２３  シリンダヘッド
２４  コンロッド
２５  吸気バルブ
２６  天井
２７  排気バルブ
２８  インジェクタ
３０  排気通路
３９  点火プラグ
４０  点火回路
４１  バルブ駆動機構
４２  燃料供給システム
４４  ＥＣＵ
５０  ピストン冠面
５２  インジェクタ側斜面
５４  反インジェクタ側斜面
７０  クランク角センサ
７２  水温センサ
７４  振動センサ
１００  エンジンシステム
Ｔ  タンブル流
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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