JP2003083070A - ディーゼルエンジンの燃料燃焼装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ピストン１上部に形成されたキャビティ８内
に生成する縦渦の強化を図るとともに、キャビティ８内
にスワールを適切に生じさせることにより、燃料の燃焼
に伴うＮＯｘ及び煤の生成量を可及的に低減する。 【解決手段】 ディーゼルエンジンの燃料燃焼装置につ
いて、ピストン１のキャビティ８開口縁たるリップ部１
１に向かって燃料を噴射する燃料噴射弁９を備え、この
燃料噴射弁９により噴射された燃料噴霧を着火遅れ期間
にリップ部１１に到達させてリップ部１１付近に燃料蒸
気１６の領域を形成する一方、燃料噴射方向前方で燃料
蒸気１６に着火することで膨張流を発生させ、着火位置
前方の燃料蒸気をキャビティ８の周壁面１２に当ててキ
ャビティ８の底の方へ誘導するように構成する。さら
に、キャビティ内にスワールを形成するスワール形成手
段と、エンジン負荷が所定値未満になったときに、スワ
ール形成手段により形成されるスワールの強度を、エン
ジン負荷が上記所定値以上であるときに比べて増大する
ように制御するスワール制御手段とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ピストンに形成さ
れたリエントラント型のキャビティ内に直接噴射された
燃料を燃焼させるディーゼルエンジンの燃料燃焼装置に
関する技術分野に属する。

【０００２】

【従来の技術】直噴式ディーゼルエンジンにおいて、ピ
ストンの頂部にリエントラント型のキャビティを形成し
たものは一般に知られている。例えば、特開平９−４１
９７５号公報には、ピストンのリップ部に向けて噴射さ
れた燃料が該リップ部から当該キャビティの底部に向か
うときにキャビティ側壁から剥離するように、当該キャ
ビティ形状を定めることにより、燃料噴霧と空気との混
合を良くし、煤の発生を抑えることが記載されている。

【０００３】また、自動車技術会論文集Vol.31,No.3,Ju
ly 2000第５１〜５６頁には、ピストンのリエントラン
ト型キャビティの底部中央を隆起させれば、圧縮行程
中にリップ部下の側壁に沿って下向きに流れる縦渦が形
成されること、燃料を噴射すると、燃料噴霧は上記縦
渦に引き込まれリップ部下の側壁に沿って下向きに回転
する流れを形成すること、リップ径を大きくすると逆
スキッシュ流が弱まってスキッシュエリアへの混合気の
流出が抑制されること、上記縦渦はスワールの影響に
より螺旋渦となること、この螺旋渦により、キャビテ
ィ内で混合気形成と燃焼が促進されること、その後、
混合気はスキッシュエリアに排出され、燃え残りの煤を
酸化することがそれぞれ記載されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、直噴式ディ
ーゼルエンジンの駆動運転により発生するのは、煤だけ
ではない。すなわち、燃焼室内に吸入される空気中の窒
素が酸化されることによりＮＯｘも同時に生成されると
いう問題がある。しかし、上記各従来のものでは、煤の
排出を抑制するようにしているものの、煤だけでなくＮ
Ｏｘの生成をも同時に抑制することは困難である。

【０００５】そこで、燃料噴霧を、所定の噴霧の貫徹度
合いたるペネトレーション（噴霧の貫徹力ともいう）で
噴射して着火遅れ期間中にリップ部付近に燃料蒸気の領
域を比較的まとまった状態で形成し、この燃料蒸気の一
部を着火後の燃料ガス膨張流によりキャビティ底部へ誘
導して縦渦の生成・強化を図ることにより、ＮＯｘ及び
煤の双方の生成をそれぞれ低減することが考えられる。

【０００６】そのことに加えて、さらに、吸気によりキ
ャビティ内にスワールを形成して燃料と空気との混合を
促進させることによって、煤の発生をより一層低減させ
ることも考えられる。しかしながら、スワールを強くす
ると、上記燃料噴霧のペネトレーションが弱められるた
め、縦渦の流速が小さくなって、ＮＯｘ低減効果が低下
してしまうという問題が生じる。

【０００７】本発明は斯かる諸点に鑑みてなされたもの
であり、その目的とするところは、キャビティ内に生成
する縦渦の強化を図るとともに、キャビティ内にスワー
ルを適切に生じさせることにより、ＮＯｘ及び煤の双方
の生成量を可及的に低減しようとすることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、この発明では、着火により発生する膨張流により
燃料蒸気の一部をキャビティ底部へ誘導して縦渦を強化
するようにし、さらに、エンジン負荷が所定値未満にな
ったときには、キャビティ内のスワールの強度を増大さ
せるようにした。

【０００９】具体的には、第１の発明では、頂部に開口
端に近付くに従って径が小さくなるリエントラント型の
キャビティが形成されたピストンと、上記ピストンのキ
ャビティ開口縁を形成するリップ部に向かって燃料を噴
射する燃料噴射弁とを備え、上記燃料噴射弁より噴射さ
れた燃料噴霧を着火遅れ期間に上記リップ部に到達させ
て該リップ部付近に燃料蒸気の領域を形成し、上記燃料
噴射弁の燃料噴射方向前方で燃料を着火させ、この着火
による燃焼ガスの膨張流により、その着火位置前方の上
記燃料蒸気を上記キャビティの周壁面に当てて該キャビ
ティの底の方へ誘導し、火炎がキャビティの底に伝播さ
れるように構成されたディーゼルエンジンの燃料燃焼装
置が対象である。そして、上記キャビティ内にスワール
を形成するスワール形成手段と、エンジン負荷が所定値
未満になったときには、上記スワール形成手段により形
成されるスワールの強度を、エンジン負荷が上記所定値
以上であるときに比べて増大するように制御するスワー
ル制御手段とを備える。

【００１０】上記の発明によると、燃料噴霧が燃料噴射
弁から噴射され、着火遅れ期間中にリップ部に到達する
ことによって、該リップ部付近に燃料蒸気の領域が形成
される。そして、燃料噴霧の着火位置（着火点）は、燃
料蒸気の領域における燃料噴射方向上流側の位置となる
ため、この着火による燃焼によって着火位置から下流側
へ向かって爆発的に広がる強い膨張流が生成される。

【００１１】そして、上記燃料蒸気領域の下流側のリッ
プ部付近の燃料蒸気は、上記膨張流によってキャビティ
内周壁面（特にリップ部と、該リップ部よりもピストン
径方向外側へ凹入した部分との境界付近）に当たり、キ
ャビティ内周壁面に沿ってキャビティ底部側へ誘導され
ることで、強力な縦渦が生成される。さらに、キャビテ
ィ底部に誘導された燃料を追いかけて火炎が伝播してい
くことで、さらに縦渦が成長していく。

【００１２】この縦渦の流れとともに、火炎もリップ部
からキャビティ底部へ回り込む。これにより、ヒートス
ポット（局所的な高温領域）がリップ部付近からキャビ
ティ底部へ広がる一方、リップ部付近では燃料蒸気が少
なくなるので、リップ部付近のヒートスポットは速やか
に消滅していく。すなわち、燃料噴射終了までにキャビ
ティ内の最高温度部位がリップ部からキャビティ底部側
へ移行して分散する。

【００１３】従って、ヒートスポットがキャビティ内の
特定位置で長時間存在するのを防止し、あるいはヒート
スポットを早く消滅させるため、ＮＯｘの生成量を効果
的に低減させることができる。さらに、縦渦が強化され
ることにより、キャビティ内における燃料と空気との混
合と、燃焼後半での燃焼ガスと空気との混合とがそれぞ
れ促進されるため、煤の生成量を有効に低減させること
ができる。

【００１４】ところで、燃焼によるＮＯｘの生成量は、
エンジン負荷が比較的小さいときには比較的少なくな
る。そこで、この第１の発明では、エンジン負荷が所定
値未満になったときに、スワールがスワール制御手段に
よって縦渦よりも優先して強化させる。このことで、強
化されたスワールによりキャビティ内における燃料と空
気との混合と、燃焼後半での燃焼ガスと空気との混合と
が、それぞれより一層促進されるので、煤の生成を効果
的に抑制することができる。

【００１５】すなわち、エンジン負荷が所定値以上であ
るときには、スワールの強度を弱めて縦渦の強化を優先
することによってＮＯｘ及び煤の生成を抑制する一方、
エンジン負荷が所定値未満であるときには、縦渦よりも
スワール強度を優先して混合を優先し、煤の生成量をさ
らに効果的に低減させることができる。

【００１６】第２の発明では、上記第１の発明におい
て、スワール制御手段は、排気ガスの一部を吸気として
還流させる排気ガス還流手段を有している。

【００１７】上記の発明によると、排気ガス還流手段に
よりキャビティ内に排気が供給されるので、さらにＮＯ
ｘの生成を低減させることができる。特に、エンジン負
荷が所定値未満であって比較的低負荷状態であるとき
に、吸気に含まれる還流排気ガスの割合を増大させるこ
とで、ＮＯｘの発生をさらに有効に抑制することができ
る。

【００１８】すなわち、エンジン負荷が所定値以上であ
るときには、強化された縦渦によりＮＯｘ及び煤の生成
を抑制する一方、エンジン負荷が所定値未満であるとき
には、排気ガスを含むスワールを強化することにより、
ＮＯｘ及び煤の双方の生成量を効果的に低減させること
ができる。

【００１９】第３の発明では、上記第１又は２の発明に
おいて、燃料噴射弁の燃料噴射開始から０．４２ｍｓ経
過時点での燃料噴霧の到達距離Ｓｐと、上記燃料噴射弁
の燃料噴霧のコーン角Θと、キャビティのリップ部にお
ける最小口径Ｄlip とが次式 Ｄlip ＝ｋ×Ｓｐ×sin(Θ／２) ……（１） （但し、ｋ＝１．４〜１．８）を満足する関係にあるこ
とを特徴とする。

【００２０】すなわち、本発明は、燃料噴射弁からリッ
プ部に向けて燃料を噴射し、燃料の着火遅れ期間に燃料
噴霧をリップ部に到達させて該リップ部付近に燃料蒸気
が形成されるようにしようとするものである。そのため
に、キャビティの最小口径Ｄlip は、燃料噴射開始か
ら、中負荷運転時の代表的な着火遅れ期間である０．４
２ｍｓ経過時点での燃料噴霧の到達距離Ｓｐ（噴霧のペ
ネトレーション）に基づいて決定される。このＳｐにsi
n(Θ／２)を乗じているのは、燃料がコーン角Θをもっ
て噴射されることから、燃料噴霧の水平方向での到達距
離を求めるためである。

【００２１】ところで、上記ｋ値が１．４未満であっ
て、キャビティの最小口径Ｄlip が相対的に小さくなり
過ぎると、燃料噴射弁から液状噴流として噴射された燃
料は、リップ部に到達するまでに充分に分裂しないた
め、不完全な噴霧状態となる。従って、燃料蒸気の形成
も不充分となって、上記燃焼ガスの膨張流が有効に働か
ない。さらに、燃料噴霧のコア（燃料噴射弁から噴射さ
れた燃料噴霧の中に存在する液柱部分又は燃料濃度が非
常に高い部分）がリップ部に衝突して燃焼を悪化させて
出力が低下するので、ＮＯｘ生成量が少なくなるとして
も、煤の生成量は多くなってしまう。

【００２２】一方、上記ｋ値が１．８を越えて、上記Ｄ
lip が相対的に大きくなり過ぎると、着火点からリップ
部までの距離が遠くなるため、着火による燃焼ガスの膨
張流がその前方の燃料蒸気に作用したとしても、その燃
料蒸気は、リップ部に当たる前に周囲に分散する。従っ
て、燃料蒸気を膨張流によってキャビティ底の方へ誘導
することができないため、ＮＯｘ発生量が増えてしま
う。

【００２３】したがって、このことから、上記ｋ値とし
て、ｋ＝１．４〜１．８であることが望ましい。さら
に、このような観点から、上記ｋ値として、ｋ＝１．５
〜１．７とすることがより好ましい。

【００２４】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施形態に係る
燃料燃焼装置を備える直噴式ディーゼルエンジンの燃焼
室近傍を示している。同図において、２はシリンダブロ
ック、２ａはシリンダブロック２に形成されたシリン
ダ、１はシリンダ２ａ内に設けられたピストンである。
また、３はシリンダブロック２の上部に組み付けられた
フラット型のシリンダヘッドである。

【００２５】ピストン１の頂部には開口端に近付くに従
って径が小さくなる凹状のリエントラント型のキャビテ
ィ８が形成されている。図３にも拡大して示すように、
１１はキャビティ８の開口縁を形成するようにピストン
頂面部において内方へ突出する環状のリップ部、１２は
該リップ部１１に続いてピストン径外方向に凹入した環
状凹入部である。また、ピストン１には、キャビティ８
の底部中央において該キャビティ８の開口に向かって隆
起した凸部１３が形成されている。

【００２６】シリンダヘッド３の下部には、燃料噴射弁
９がその先端の噴射ノズル１０がシリンダ２ａ内に臨ん
だ状態で取付固定されている。図４にも示すように、燃
料噴射弁９は、燃料を、噴射ノズル１０からリップ部１
１に向かって放射状に例えば６方向へそれぞれ均等に噴
射することによって、キャビティ８内に燃料を直接噴射
するためのものである。この燃料噴射弁９は、クランク
軸（図示省略）の回転角度を検出する電磁式のクランク
角センサ２２や、アクセルペダルの開度（アクセル操作
量）を検出するアクセル開度センサ２３等の出力信号に
基づいて、コントロールユニット（以降、ＥＣＵとい
う）４０により作動制御されるようになっている。

【００２７】そして、本実施形態に係る燃料燃焼装置
は、燃料噴射弁９より噴射された燃料噴霧を着火遅れ期
間にリップ部１１に到達させて、このリップ部１１付近
に燃料蒸気１６の領域を形成するように構成されてい
る。さらに、この燃料噴射弁９の燃料噴射方向前方の所
定位置で燃料を着火させ、この着火による燃焼ガスの膨
張流により、その着火位置前方の燃料蒸気をキャビティ
８の内周壁面に当てて該キャビティ８の底の方へ誘導
し、火炎がキャビティ８の底に伝播されるように構成さ
れている。

【００２８】４はシリンダヘッド３の下部に形成されて
キャビティ８内に空気を供給するための吸気ポート（ヘ
リカルポート）であり、５は同様にシリンダヘッド３の
下部に形成されてキャビティ８内から排気ガスを排出す
るための排気ポートである。図２に示すように、吸気ポ
ート４及び排気ポート５は、それぞれ例えば２つずつ設
けられている。吸気ポート４には直立型の吸気バルブ６
が、また排気ポート５には同様の排気バルブ７がそれぞ
れ設けられている。

【００２９】そして、吸気ポート４，４には吸気通路２
４，２４がそれぞれ接続される一方、排気ポート５には
排気通路２５，２５がそれぞれ接続されている。２本の
吸気通路２４，２４のうち一方には、その一方の吸気通
路２４内の吸気の流通量を変更するためのスワール制御
弁３０が設けられている。スワール制御弁３０は、例え
ばバタフライバルブからなるもので、アクチュエータに
より駆動されて開閉される。そして、図２に示すよう
に、このスワール制御弁３０が完全に閉じられると、吸
気は他方の吸気通路２４のみからキャビティ８に流入し
て、キャビティ８内に、図４中に矢示されるような比較
的強いスワールが生成される。このようにして、吸気通
路２４，２４と、スワール制御弁３０とによりキャビテ
ィ８内にスワールを形成するスワール形成手段が構成さ
れている。

【００３０】そして、スワール制御弁３０が、完全に閉
じた状態から徐々に開くに連れて、２本の吸気通路２
４，２４の双方から吸気が流入するようになり、吸気の
タンブル成分が強まるとともに、スワール成分が弱まる
ようになっている。このスワール制御弁３０は、その弁
開度を、アクセル開度センサ２３により検出されるアク
セル開度に基づいて、ＥＣＵ４０により制御するように
構成されている。すなわち、アクセル開度が基準値未満
になって、エンジン負荷が所定値未満になったときに
は、スワール制御弁３０の開度が小さくされて（閉じら
れて）スワールが強化される。一方、アクセル開度が基
準値以上になって、エンジン負荷が所定値以上になった
ときには、スワール制御弁３０の開度が大きくされて
（開かれて）スワールが弱められる。このように、スワ
ール制御弁３０と、アクセル開度センサ２３と、ＥＣＵ
４０とによって、上記スワール形成手段により形成され
るスワールの強度を、エンジン負荷が上記所定値以上で
あるときに比べて増大するように制御するスワール制御
手段が構成されている。

【００３１】さらに、スワール制御手段は、排気ガスの
一部を吸気として還流させる排気ガス還流手段を有して
いる。すなわち、図１において、２０は吸気通路４と排
気通路５とを連通するＥＧＲ通路であり、排気通路５を
通って排出される排気ガスの一部を吸気通路４へ還流さ
せるためのものである。このＥＧＲ通路２０には、ＥＣ
Ｕ４０により開度調節される電気式のＥＧＲ弁２１が配
設されている。ＥＧＲ弁２１は、ＥＧＲ通路２０内を流
れる排気ガスの流通量を変更するためのものである。そ
して、ＥＧＲ弁２１は、エンジン負荷が所定値未満であ
って比較的小さくなったときに、還流される排気ガスの
流通量を増大するように構成されている。

【００３２】上記ディーゼルエンジンの燃料燃焼装置は
次のように構成されている。すなわち、燃料噴射弁９の
燃料噴射開始から０．４２ｍｓ経過時点での燃料噴霧の
到達距離Ｓｐ（ペネトレーション、又は噴霧の貫徹力と
もいう）と、該燃料噴射弁９の燃料噴霧のコーン角Θ
と、上記キャビティ８の上記リップ部１１における最小
口径（以下、リップ径という。）Ｄlip とは、次式を満
足する関係にある。

【００３３】 Ｄlip ＝ｋ×Ｓｐ×sin(Θ／２) ……（１） 但し、ｋ＝１．４〜１．８であり、ｋ＝１．５〜１．７
であることがさらに好ましい。また、上記コーン角Θ＝
１５３〜１５７度であることが好ましく、Θ＝１５４〜
１５６度であることがさらに好ましい。燃料噴射開始か
らの時間０．４２ｍｓは、エミッション運転モード（中
負荷運転時）での代表的な着火遅れ期間である。

【００３４】本発明は、燃料噴射弁９からリップ部１１
に向けて燃料を噴射し、燃料の着火遅れ期間に燃料噴霧
をリップ部１１に到達させて該リップ部１１付近に燃料
蒸気１６が形成されるようにしようとするものである。
そのために、キャビティ８の最小口径Ｄlip は、燃料噴
射開始から、着火遅れ期間０．４２ｍｓ経過時点での燃
料噴霧の到達距離Ｓｐ（ペネトレーション）に基づいて
決定される。このＳｐにsin(Θ／２)を乗じているの
は、燃料がコーン角Θをもって噴射されることから、燃
料噴霧の水平方向での到達距離を求めるためである。

【００３５】到達距離Ｓｐは、定容器実験（燃料噴射圧
力８０ＭＰａ，雰囲気圧力２．５ＭＰａ，温度２０℃）
により求められる。定容器実験データがない場合には広
安の式から見積もることができる。広安の式は、到達距
離Ｓｐと燃料噴射弁９のノズル径とを関係付ける実験式
であり、それは次の通りである。

【００３６】 Ｓｐ＝Spb＋2.95×(ΔP×10⁶/ρf)^0.25×(Dn×(t-tb))^0.5 Spb＝0.39×(2×ΔP×10⁶/ρf)^0.5×tb tb＝28.65×(ρf×Dn×10^-3)/(ρA×ΔP×10⁶)^0.5/10^-3 但し、ΔP：容器圧力と噴射圧力との差圧(ＭＰａ)、ρ
f：軽油密度(kg/ｍ³)、Dn：ノズル径(mm)、t：噴射開始
後の時間（０．４２ｍｓ）、ρA：容器空気密度であ
る。

【００３７】シリンダボア径Ｂは次式を満足する関係に
ある。

【００３８】 Ｂ＝Ｋ×Ｄlip ……（２） 但し、Ｋ＝１．８〜２．５であることが好ましく、Ｋ＝
２．０〜２．３であることがさらに好ましい。

【００３９】例えば、到達距離Ｓｐ＝２７ｍｍ、コーン
角Θ＝１５４度の場合、リップ径Ｄlip ＝３８．９４〜
４４．２０ｍｍとし、ボア径Ｂ＝７７．８７〜１００．
３３ｍｍとすることになる。凸部１３の高さはリップ径
Ｄlip の０．２〜０．２５倍程度とすればよい。

【００４０】上記燃料噴霧の噴霧角θ＝１５〜２４度で
あることが好ましく、θ＝１８〜２３度がさらに好まし
い。上記燃料噴射弁９の燃料噴射圧Ｐ＝５０ＭＰａ以上
であることが好ましく、Ｐ＝８０ＭＰａ以上であること
がさらに好ましい。噴射圧の上限は例えば１５０ＭＰ
ａ、さらには２００ＭＰａとすることができる。

【００４１】燃料噴射弁９より噴射された燃料噴霧が上
記ピストンのキャビティ８のリップ部１１に最初に到達
した時点の、該リップ部１１おける燃料噴霧の運動量に
対するスワールの運動量の比は０．９〜１．５であるこ
とが好ましく、この運動量比は１．１〜１．３であるこ
とがさらに好ましい。この運動量比は次式によって求め
ることができる。

【００４２】 運動量比＝((ρa/ρao)×Va)/((ρs/ρso)×Vs) ……（３） 但し、ρa：充填空気密度、ρao：標準状態での空気密
度、Va：圧縮行程上死点でのリップ部１１の部位のスワ
ール速度、ρs：定容器実験での燃料噴霧の密度、ρs
o：標準状態での燃料噴霧の密度、Vs：定容器実験での
リップ部到達時の噴霧速度である。標準状態は２０℃、
１気圧（0.1013ＭＰａ)である。

【００４３】ここに、ρa/ρao＝(Ｐin/101.3)/(Ｔin/2
93.3)、 Va＝ρa×ＳＲi×(Ｄlip/Ｂ/2))²×(Ｎ×２π/60)×Ｄl
ip、 である。ρs/ρso＝１とすることができる。

【００４４】但し、Ｐin：吸気マニホールド内圧力(ｋ
Ｐａ)、Ｔin：吸気マニホールド内温度、ＳＲi：リグテ
ストでのスワール比、Ｎ：エンジン回転数(ｒｐｍ)であ
る。

【００４５】次にｋ値がＮＯｘ生成量に与える影響につ
いて説明する。すなわち、上記（１）式から明らかなよ
うに、ｋ値の大小はリップ径Ｄlip の大小として反映さ
れ、到達距離Ｓｐを一定とすると、縦渦の強さに影響を
与える。そこで、ｋ値を変化させたときのＮＯ生成量を
調べた。その結果は図５に示されている。

【００４６】同図において、ｋ＝１．９のデータは、リ
エントラント率Ｒ＝１で且つキャビティ８中央の凸部１
３がないＰＡＮ（平鍋）型のものである。なお、リエン
トラント率Ｒはキャビティ８の最大内径をＤmax とする
ときの、Ｄlip／Ｄmax値である。ｋ＝１．７３のデータ
は、リエントラント率Ｒ＝１．７３／１．９でキャビテ
ィ８中央に凸部１３を有するリエントラント型のもので
ある。ｋ＝１．６５及びｋ＝１．５４の各データは、凹
入部１２のリップ部１１からの凹入量Ｒｅ（図３（Ｂ）
参照）をｋ＝１．７３のものと同じにしたリエントラン
ト型のものである。

【００４７】図５によれば、ｋ値が小さくなるに従って
ＮＯ生成量が減少している。これは、リップ径が小さく
なることによって燃焼初期の燃焼ガスの膨張流がキャビ
ティ８内周壁面に強く作用し、縦渦が促進されること、
さらに、凹入部１２と凸部１３との距離が近くなり、縦
渦を生じ易くなるためである。

【００４８】しかしながら、上記ｋ値が１．４未満であ
って、キャビティ８の最小口径Ｄlip が相対的に小さく
なり過ぎると、燃料噴射弁９から液状噴流として噴射さ
れた燃料は、リップ部１１に到達するまでに充分に分裂
しないため、不完全な噴霧状態となる。従って、燃料蒸
気１６の形成も不充分となって、膨張流が有効に働かな
い。さらに、燃料噴霧のコア（燃料噴射弁９から噴射さ
れた燃料噴霧の中に存在する液柱部分又は燃料濃度が非
常に高い部分）がリップ部１１に衝突して燃焼を悪化さ
せて出力が低下するので、ＮＯｘ生成量は少なくなると
しても、煤の生成量は多くなってしまう。

【００４９】一方、ｋ値が１．８を越えて、最小口径Ｄ
lip が相対的に大きくなり過ぎると、着火点からリップ
部１１までの距離が遠くなるため、膨張流がその前方の
燃料蒸気１６に作用したとしても、その燃料蒸気１６
は、リップ部１１に当たる前に周囲に分散する。従っ
て、燃料蒸気１６を膨張流によってキャビティ底の方へ
誘導することができないため、ＮＯｘ発生量が増えてし
まう。

【００５０】このことから、上記ｋ値として、ｋ＝１．
４〜１．８であることが望ましい。さらに、このような
観点から、上記ｋ値として、ｋ＝１．５〜１．７とする
ことがより好ましい。

【００５１】次に、図３（Ａ）〜（Ｃ）を参照して、本
発明のディーゼルエンジンの燃焼コンセプトについて説
明する。同図（Ａ）に着火遅れ期間の状態を示すよう
に、キャビティ８に縦渦（キャビティ８のリップ部１１
から凹入部１２、最深部、凸部１３を経て再びリップ部
１３に至る流れ）が実質的に生じていないときに、燃料
噴射弁９から燃料をピストン１のリップ部１１に向かう
ように噴射する。この燃料の着火遅れ期間に燃料噴霧１
５をリップ部１１に到達させて該リップ部１１付近に燃
料蒸気１６の領域を形成する。そして、この燃料蒸気溜
まりの領域における燃料噴射方向上流側の位置で燃料蒸
気１６に着火させる。着火点を同図（Ａ）中に★印で示
す。尚、着火点が燃料蒸気１６領域の上流側に位置する
理由は、圧縮行程では強力な縦渦が形成されないため、
燃料がリップ部１１近傍において過リッチとなる一方、
リップ部１１からやや離れた所が着火に適した濃度にな
るためと考えられる。

【００５２】この場合、噴霧のペネトレーションＳｐを
大きくすることにより、リップ部１１付近に燃料蒸気１
６の領域を形成することができる。このことは、次に述
べる膨張流によって燃料蒸気１６を凹入部１２の方へ多
量に誘導する上で有利になる。また、コーン角Θを大き
くする（Θ＝１５３〜１５７度とする）方がリップ部１
１の付近に燃料蒸気１６の領域を形成する上で有利にな
る。

【００５３】同図（Ｂ）に燃焼初期状態を示すように、
上記着火により下流側へ向かって爆発的に広がる強い膨
張流が生成される。そして、燃料蒸気領域の下流側（着
火位置前方）のリップ部付近の燃料蒸気１６は、燃焼ガ
ス１７の膨張流によってキャビティ８内周壁面（特にリ
ップ部１１と、該リップ部１１よりもピストン１径方向
外側へ凹入した凹入部１２との境界付近）に当たる。そ
して、この燃料蒸気１６がキャビティ８内周壁面に沿っ
てキャビティ８の底部側へ誘導されることで、強力な縦
渦が生成される。さらに、キャビティ８の底部に誘導さ
れた燃料を追いかけて火炎が伝播していくことで、さら
に縦渦が成長していく。

【００５４】この場合、上記噴霧ペネトレーションＳｐ
を大きくすると、噴射方向前方への膨張流が大きくな
り、縦渦の促進に有利になる。また、リップ径Ｄlip は
小さい方が膨張流をキャビティ８内周壁面に強く当てて
燃料蒸気をキャビティ底の方へ誘導する上で有利にな
る。但し、リップ径Ｄlip が小さくなりすぎると、エン
ジンの最高出力が低くなるため、リップ径Ｄlip はボア
径Ｂの１／２よりも大きい方が好ましい。

【００５５】同図（Ｃ）に燃焼後期の状態を示すよう
に、キャビティ８中央部の凸部１３により、キャビティ
底の最も深い部位からの燃焼ガス１７の当該凸部１３の
立ち上がり面に沿った巻き上げを促進する。

【００５６】以上により、燃料噴射終了までにキャビテ
ィ８内の最高温度部位をリップ部１１よりもキャビティ
８の底部側に移行させるものである。従って、ヒートス
ポットがキャビティ８内の特定部位で大きくならず、ま
た、ヒートスポットの消滅が早くなり、ＮＯｘの低減が
図れる。また、燃焼後期の上記巻き上げによって燃焼ガ
ス１７とキャビティ８中央部上方に残存する酸素との混
合が進み、さらには燃焼ガス１７がスキッシュエリアに
流れるため、空気利用率が高まって、当該燃焼ガス１７
中の煤の再燃焼が促進され、煤排出量が低減する。

【００５７】次に、図６及び図８に示すフローチャート
を参照して、本発明のディーゼルエンジンの燃料燃焼制
御の具体的な処理手順について説明する。まず、図６の
フローチャートでは、スタート後のステップＳ１におい
て、クランク角センサ２２及びアクセル開度センサ２３
等の各種センサからの出力信号が、ＥＣＵ４０に入力さ
れる。続いて、ステップＳ２において、ＥＣＵ４０によ
って、クランク角センサ２２からの出力に基づいてエン
ジン回転数Ｎｅが演算され、またアクセル開度センサ２
３からの出力に基づいてアクセル開度が演算される。そ
して、これらエンジン回転数Ｎｅやアクセル開度等に基
づいて、ＥＣＵ４０により基本噴射量Ｑｂ及び基本噴射
時期Ｉｂがそれぞれ演算される。

【００５８】その後、ステップＳ３において、演算され
た基本噴射量Ｑｂが所定のしきい値たる噴射量Ｑ₀未満
であるか否かが判断される。換言すれば、エンジン負荷
が所定値未満であるか否かが判断される。そして、基本
噴射量Ｑｂが所定の噴射量Ｑ ₀未満であって（エンジン
負荷が所定値未満であって）ＹＥＳと判断された場合、
ステップＳ４において、スワール制御弁３０は、その弁
開度を小さくして全閉状態とされる。このことにより、
一方の吸気ポート４から吸気されてキャビティ８内のス
ワールが強化される。その後、ステップＳ５へ進んで、
燃料噴射弁９からキャビティ８内への燃料噴射が実行さ
れる。

【００５９】一方、上記ステップＳ３において、基本噴
射量Ｑｂが上記噴射量Ｑ₀以上であって（エンジン負荷
が所定値以上であって）ＮＯと判断された場合、ステッ
プＳ６において、スワール制御弁３０は、その弁開度を
大きくして全開状態とされる。このことにより、双方の
吸気ポート４，４から吸気されてキャビティ８内のスワ
ールが弱められる。その後、ステップＳ５へ進んで、燃
料噴射が実行される。

【００６０】すなわち、図７にも示すように、燃料の基
本噴射量Ｑｂが所定値Ｑ₀未満であるとき、スワール制
御弁３０が全閉状態とされることにより、エンジン回転
数に対するスワール速度の比であるスワール比が比較的
大きくされて、キャビティ８内のスワールは強化され
る。そして、基本噴射量Ｑｂが増大されて所定値Ｑ₀以
上になると、その噴射量Ｑｂの増大に伴って、スワール
制御弁３０の弁開度は大きくなる一方、スワール比は小
さくなる。そして、基本噴射量Ｑｂの増大に伴って、ス
ワール制御弁３０が一旦全開状態となった後は、基本噴
射量Ｑｂがさらに大きくなっても、スワール制御弁３０
は全開状態に維持される。

【００６１】尚、スワール制御弁３０を閉じた状態で燃
料噴射量Ｑｂを増量させた場合に、ＮＯｘの生成量も次
第に増大していく。そして、燃料噴射量Ｑｂがそれ以上
増量すると中高負荷となって、ＮＯｘの生成量が所定値
まで増大するため、エミッション上好ましくない領域と
ならないように、燃料噴射量の所定値Ｑ₀は設定され
る。

【００６２】次に、図８のフローチャートを参照して、
排気ガスの一部を吸気として還流させるためのＥＧＲ制
御について説明する。まず、スタート後のステップＳ１
１において、上記図６のフローチャートにおけるステッ
プＳ１と同様に、クランク角センサ２２及びアクセル開
度センサ２３等の各種センサからの出力信号が、ＥＣＵ
４０に入力される。

【００６３】続いて、ステップＳ１２において、クラン
ク角センサ２２からの出力に基づいて演算されるエンジ
ン回転数Ｎｅや、アクセル開度センサ２３からの出力に
基づいて演算されるアクセル開度に基づいて、ＥＣＵ４
０により基本噴射量Ｑｂと、吸入側への所定還流量たる
基本還流量ＥＧＲｂとがそれぞれ演算される。基本還流
量ＥＧＲｂは、空燃比が、エンジン負荷が比較的小さい
低中負荷領域において、生成されるＮＯｘと煤とがそれ
ぞれ所定値以下となるトレードオフＡ／Ｆとなるように
設定される。

【００６４】その後、ステップＳ１３において、基本噴
射量Ｑｂが所定の噴射量Ｑ₀未満であるか否かが判断さ
れる。換言すれば、エンジン負荷が所定値未満であるか
否かが判断される。そして、基本噴射量Ｑｂが所定の噴
射量Ｑ₀未満であって（エンジン負荷が所定値未満であ
って）ＹＥＳと判断された場合、ステップＳ１４におい
て、吸気に含まれる排気ガス量を増大させる目的で、上
記基本還流量ＥＧＲｂを所定量αだけ大きくするように
補正する。つまり、実際に吸入側へ還流させる排気ガス
の還流量ＥＧＲｉをＥＧＲｂ＋αとする。その後、ステ
ップＳ１５へ進んで、ＥＧＲ弁２１を駆動させる。

【００６５】一方、上記ステップＳ１３において、基本
噴射量Ｑｂが所定の噴射量Ｑ₀以上であって（エンジン
負荷が所定値以上であって）ＮＯと判断された場合、ス
テップＳ１６において、実際の還流量ＥＧＲｉを上記基
本還流量ＥＧＲｂとして、ステップＳ１５へ進み、ＥＧ
Ｒ弁２１を駆動させる。

【００６６】以上のように、本実施形態によれば、着火
遅れ期間中に形成された燃料蒸気領域におけるリップ部
１１付近の燃料蒸気１６が、着火により発生する膨張流
によって、キャビティ８内周壁面に沿ってキャビティ８
底部側へ誘導されるため、強力な縦渦を生成することが
できる。さらに、キャビティ８底部に誘導された燃料を
追いかけて火炎が伝播するので、さらに縦渦を成長させ
ることができる。そして、この縦渦により火炎がキャビ
テイ８底部側へ伝播して、ヒートスポットがリップ部１
１付近からキャビティ８底部へ広がる一方、リップ部１
１付近では燃料蒸気１６が少なくなるので、リップ部１
１付近のヒートスポットは速やかに消滅していく。した
がって、燃料噴射終了までにキャビティ８内の最高温度
部位がリップ部１１付近からキャビティ８底部側へ移行
して分散させることができる。

【００６７】すなわち、ヒートスポットがキャビティ８
内の特定位置で長時間存在するのを防止し、さらにはヒ
ートスポットを早く消滅させるため、ＮＯｘの生成量を
効果的に低減させることができる。加えて、縦渦が強化
されることによって、キャビティ８内における燃料と空
気との混合と、燃焼後半での燃焼ガスと空気との混合と
がそれぞれ促進されるため、煤の生成量を有効に低減さ
せることができる。

【００６８】エンジン負荷が所定値未満になって、燃焼
によるＮＯｘの生成量が比較的少なくなるときに、キャ
ビティ８内のスワールが、スワール制御手段によって縦
渦よりも優先して強化される。このことで、強化された
スワールによりキャビティ８内における燃料と空気との
混合と、燃焼後半での燃焼ガスと空気との混合とが、そ
れぞれより一層促進されるので、煤の生成を効果的に抑
制することができる。

【００６９】そのことに加えて、排気ガス還流手段によ
りキャビティ８内に排気が供給されるので、さらにＮＯ
ｘの排出を低減することができる。特に、エンジン負荷
が所定値未満であって比較的小さくなったときに、スワ
ールの強化に伴って還流される排気ガスの流通量を増大
させることで、ＮＯｘの発生を有効に抑制できる。

【００７０】すなわち、エンジン負荷が所定値以上であ
る高負荷状態のときには、スワールの強度を弱めて縦渦
の強化を優先することによってＮＯｘ及び煤の生成を抑
制する一方、エンジン負荷が所定値未満である低負荷状
態のときには、縦渦よりもスワール強度を優先して混合
を優先するとともに、スワールが排気ガスを含むように
することにより、ＮＯｘ及び煤の双方の生成量を効果的
に低減させることができる。

【００７１】

【発明の効果】以上説明したように、第１の発明による
と、頂部に開口端に近付くに従って径が小さくなるリエ
ントラント型のキャビティが形成されたピストンと、ピ
ストンのキャビティ開口縁を形成するリップ部に向かっ
て燃料を噴射する燃料噴射弁とを備え、燃料噴射弁より
噴射された燃料噴霧を着火遅れ期間にリップ部に到達さ
せてリップ部付近に燃料蒸気の領域を形成し、燃料噴射
弁の燃料噴射方向前方で燃料を着火させ、この着火によ
る燃焼ガスの膨張流により、その着火位置前方の燃料蒸
気をキャビティの周壁面に当ててキャビティの底の方へ
誘導するように構成されたディーゼルエンジンの燃料燃
焼装置について、キャビティ内にスワールを形成するス
ワール形成手段と、エンジン負荷が所定値未満になった
ときに、スワール形成手段により形成されるスワールの
強度を、エンジン負荷が上記所定値以上であるときに比
べて増大するように制御するスワール制御手段とを備え
ることにより、ヒートスポットがキャビティ内の特定位
置で長時間存在するのを防止して、ＮＯｘの生成量を効
果的に低減させるとともに、キャビティ内における燃料
又は燃焼ガスと、空気との混合を促進して、煤の生成量
を有効に低減させることができる。そのことに加えて、
エンジン負荷が所定値以上であるときには、スワールよ
りも優先して強化された縦渦によってＮＯｘ及び煤の生
成を抑制する一方、エンジン負荷が所定値未満であると
きには、縦渦よりも優先して強化されたスワールによ
り、煤の生成量をさらに低減させることができる。

【００７２】第２の発明によると、スワール制御手段
は、排気ガスの一部を吸気として還流させる排気ガス還
流手段を有することにより、エンジン負荷が所定値以上
であるときには、強化された縦渦によりＮＯｘ及び煤の
生成を抑制する一方、エンジン負荷が所定値未満である
ときには、排気ガスを含むスワールを強化することによ
り、ＮＯｘ及び煤の双方の生成量を効果的に低減させる
ことができる。

【００７３】第３の発明によると、燃料噴射弁の燃料噴
射開始から０．４２ｍｓ経過時点での燃料噴霧の到達距
離Ｓｐと、上記燃料噴射弁の燃料噴霧のコーン角Θと、
キャビティのリップ部における最小口径Ｄlip とが、Ｄ
lip ＝ｋ×Ｓｐ×sin(Θ／２)、（但し、ｋ＝１．４〜
１．８）を満足する関係にあることにより、燃料噴射弁
からリップ部に向けて燃料を噴射し、燃料の着火遅れ期
間に燃料噴霧をリップ部に到達させて該リップ部付近に
燃料蒸気を適正に形成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係るディーゼルエンジンの
燃料燃焼装置を示す部分断面図である。

【図２】燃料燃焼装置の要部を拡大して示す平面図であ
る。

【図３】本発明の燃焼コンセプトを示す説明図である。

【図４】燃料噴霧が噴射された燃焼室を示す平面図であ
る。

【図５】ｋ値とＮＯ生成量との関係を示すグラフ図であ
る。

【図６】燃料燃焼装置における燃料燃焼制御を示すフロ
ーチャート図である。

【図７】基本燃料噴射量と、スワール弁開度及びスワー
ル速度との関係を示すグラフ図である。

【図８】排気ガスを還流させるためのＥＧＲ制御を示す
フローチャート図である。

【符号の説明】

Ｓｐ ペネトレーション（貫徹力、燃料噴霧の到達距
離） Θ 燃料噴霧のコーン角 Ｄlip リップ部の最小口径 １ ピストン ８ キャビティ ９ 燃料噴射弁 １１ リップ部 １２ 凹入部（キャビティの周壁面） １６ 燃料蒸気 ２０ ＥＧＲ通路（排気ガス還流手段） ２１ ＥＧＲ弁 （排気ガス還流手段） ２３ アクセル開度センサ（スワール制御手段） ２４ 吸気通路 （スワール形成手段） ３０ スワール制御弁（スワール形成手段、スワール制
御手段） ４０ ＥＣＵ（スワール制御手段、排気ガス還流手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｆ０２Ｂ 31/00 Ｆ０２Ｂ 31/00 ３３１Ｆ 31/02 31/02 Ｃ Ｆ０２Ｆ 3/26 Ｆ０２Ｆ 3/26 Ｃ Ｆ０２Ｍ 25/07 ５７０ Ｆ０２Ｍ 25/07 ５７０Ｇ ５７０Ｊ (72)発明者 寺沢 保幸 広島県安芸郡府中町新地３番１号 マツダ 株式会社内 (72)発明者 林原 寛 広島県安芸郡府中町新地３番１号 マツダ 株式会社内 Ｆターム(参考） 3G023 AA04 AA05 AA07 AA12 AB05 AC05 AD02 AD06 AD29 AG03 3G062 AA01 BA04 BA05 BA06 CA07 EA10 GA01 GA15

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 頂部に開口端に近付くに従って径が小さ
   くなるリエントラント型のキャビティが形成されたピス
   トンと、 上記ピストンのキャビティ開口縁を形成するリップ部に
   向かって燃料を噴射する燃料噴射弁とを備え、 上記燃料噴射弁より噴射された燃料噴霧を着火遅れ期間
   に上記リップ部に到達させて該リップ部付近に燃料蒸気
   の領域を形成し、 上記燃料噴射弁の燃料噴射方向前方で燃料を着火させ、
   この着火による燃焼ガスの膨張流により、その着火位置
   前方の上記燃料蒸気を上記キャビティの周壁面に当てて
   該キャビティの底の方へ誘導し、火炎がキャビティの底
   に伝播されるように構成されたディーゼルエンジンの燃
   料燃焼装置であって、 上記キャビティ内にスワールを形成するスワール形成手
   段と、 エンジン負荷が所定値未満になったときには、上記スワ
   ール形成手段により形成されるスワールの強度を、エン
   ジン負荷が上記所定値以上であるときに比べて増大する
   ように制御するスワール制御手段とを備えることを特徴
   とするディーゼルエンジンの燃料燃焼装置。
2. 【請求項２】 請求項１のディーゼルエンジンの燃料燃
   焼装置において、 スワール制御手段は、排気ガスの一部を吸気として還流
   させる排気ガス還流手段を有していることを特徴とする
   ディーゼルエンジンの燃料燃焼装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は２のディーゼルエンジンの
   燃料燃焼装置において、 燃料噴射弁の燃料噴射開始から０．４２ｍｓ経過時点で
   の燃料噴霧の到達距離Ｓｐと、上記燃料噴射弁の燃料噴
   霧のコーン角Θと、キャビティのリップ部における最小
   口径Ｄlip とが次式 Ｄlip ＝ｋ×Ｓｐ×sin(Θ／２) （但し、ｋ＝１．４〜１．８） を満足する関係にあることを特徴とするディーゼルエン
   ジンの燃料燃焼装置。