JP2011236821A - 自動車搭載用ディーゼルエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】自動車搭載用ディーゼルエンジンＡにおいて、特に相対的に低回転側の運転領域内でかつ、所定負荷の特定領域における燃焼形態をコントロールすることによって、ＮＶＨ性能の向上を図る。
【解決手段】エンジン本体１は、幾何学的圧縮比が１５以下に設定されている。噴射制御手段（ＥＣＵ４０）は、相対的に低回転側の運転領域内でかつ、所定負荷の特定領域においては、圧縮上死点付近において燃料を噴射する主噴射と、それよりも前の前段噴射と、を実行すると共に、前段噴射として、燃料噴霧の少なくとも一部がピストン頂面でのキャビティ３１の外に至るタイミングで噴射を行うパイロット噴射と、当該パイロット噴射後の所定タイミングで燃料噴射を行うことにより、パイロット噴射による燃料の着火を抑制すると共に、主噴射による燃料の着火遅れを短縮するプレ噴射と、を実行する。
【選択図】図７

Description

ここに開示する技術は、自動車搭載用ディーゼルエンジンに関し、特に幾何学的圧縮比が１５以下に設定された、比較的低圧縮比のディーゼルエンジンに関する。

自動車に搭載されたディーゼルエンジンでは、排ガス中のＮＯｘや煤の低減、騒音乃至振動の低減、燃費やトルクの向上等を図るため、エンジン１サイクル中に、気筒内に複数回の燃料の噴射を行うことがある。例えば特許文献１には、トルク発生のためのメイン噴射に先立ち、予混合用プレ噴射と予熱用プレ噴射との２回の噴射を行う燃料噴射形態が記載されている。この特許文献１にはまた、予混合用プレ噴射及び予熱用プレ噴射の噴射タイミングの設定に関して、メイン噴射の噴射タイミングを固定した状態で、予熱用プレ噴射の噴射タイミングを進角側に変化させていきながら気筒内での熱発生量又は熱発生率が低下するタイミングを求めることで、予熱用プレ噴射の進角限界を取得すると共に、同じくメイン噴射の噴射タイミングを固定した状態で、予混合用プレ噴射の噴射タイミングを変化させていきながら気筒内での熱発生量が０となるタイミングを求めることで、予混合用プレ噴射の遅角限界を取得することが記載されている。

特開２００９−２９３３８３号公報

自動車に搭載されたディーゼルエンジンにおいて使用頻度の高い、相対的に低回転側の部分負荷（低負荷乃至中負荷）領域では、ＮＶＨ（Noise Vibration Harshness)性能が重要であるが、この運転領域内においても特に中負荷域は、燃料噴射量の増量に伴い、主噴射によって噴射された燃料が燃焼する主燃焼（拡散燃焼が主体の燃焼）時に、熱発生率（又は熱発生速度、ｄＱ／ｄθ）が急上昇して燃焼騒音の増大を招き、ＮＶＨ性能が低下し易いという不都合がある。

これに対し前記特許文献に記載された技術は、予混合用プレ噴射の遅角限界や、予熱用プレ噴射の進角限界を設定しているだけであり、主燃焼の熱発生率の急上昇を抑制することはできない。従って、所定負荷域において、主燃焼の熱発生率の急上昇を抑制し得るような、気筒内の燃焼形態を積極的にコントロールする技術が求められる。

ここに開示する技術は、かかる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、自動車搭載用ディーゼルエンジンにおいて、特に相対的に低回転側の運転領域内でかつ、所定負荷の特定領域における燃焼形態をコントロールすることによって、ＮＶＨ性能の向上を図ることにある。

ここに開示する技術は、幾何学的圧縮比が１５以下の、比較的低圧縮比のディーゼルエンジンであって、相対的に着火し難い条件のエンジンにおいては、燃料の噴射形態の制御を通じた気筒内の燃焼形態のコントロール性が高まることに着目した技術である。つまり、ここに開示する技術は、圧縮上死点付近に実行する主噴射に先立つ、パイロット噴射及びプレ噴射の噴射タイミングをそれぞれ適切に設定することによって、気筒内の燃焼形態、特に主噴射に伴う主燃焼を緩慢にして、熱発生率の急上昇の回避、ひいてはＮＶＨ性能の向上を図るものである。

具体的に、ここに開示するディーゼルエンジンは、自動車に搭載されかつ軽油を主成分とした燃料が供給されると共に、気筒内に嵌挿されたピストンの上死点及び下死点間での往復動に係る幾何学的圧縮比が１５以下に設定されたエンジン本体と、前記気筒内に臨んで配設されかつ、当該気筒内に前記燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁を通じた、前記気筒内への前記燃料の噴射形態を制御する噴射制御手段と、を備える。

そして、前記噴射制御手段は、前記エンジン本体の温間時の相対的に低回転側の運転領域内でかつ、所定負荷の特定領域においては、圧縮上死点付近において燃料を噴射する主噴射と、当該主噴射よりも前の圧縮行程中に燃料を噴射する前段噴射と、を実行すると共に、前記噴射制御手段はまた、前記前段噴射として、その燃料噴霧の少なくとも一部が前記ピストン頂面で凹陥するキャビティの外に至るようなタイミングで燃料噴射を行うパイロット噴射と、前記パイロット噴射後の所定タイミングで燃料噴射を行うことにより、前記パイロット噴射によって噴射された燃料の着火を抑制すると共に、前記主噴射によって噴射された燃料の着火遅れを短縮するプレ噴射と、を実行する。ここで、前記エンジン本体の幾何学的圧縮比は、例えば１２以上、１５以下に設定してもよい。

この構成によると、エンジン本体の温間時の、相対的に低回転側の運転領域内でかつ、所定負荷の特定領域、例えばエンジンの運転領域を低、中、高の３つの負荷領域に分けた場合の中負荷の領域においては、圧縮上死点付近において燃料を噴射する主噴射と、当該主噴射よりも前の圧縮行程中に燃料を噴射する前段噴射と、を実行すると共に、その前段噴射として、パイロット噴射とプレ噴射との２回の燃料噴射を実行する。この内、パイロット噴射は、燃料噴霧の少なくとも一部がピストンのキャビティの外に至る（換言すれば、燃料噴霧の全てがキャビティ内に到達しない）ような早いタイミングで噴射を行う燃料噴射であって、燃料噴霧はキャビティの外の気筒内空気と混合し得るから、空気利用率が向上すると共に、燃料の予混合性が高まる。

これに対しプレ噴射は、前記のパイロット噴射後でかつ、主噴射の前に噴射される燃料噴射である。このプレ噴射のタイミングは、実質的に全燃料噴霧が前記キャビティ内に到達するタイミングとしてもよい。プレ噴射のタイミングとして好ましいのは、気筒内の圧縮に伴い、前記のパイロット噴射によって噴射された燃料が着火し得るようなタイミングと重なるタイミングである。このことで、プレ噴射により噴射した燃料の気化潜熱により予混合気の温度が低下すること、及び／又は、燃料の噴射に伴い気筒内の流動が強まること、によって、パイロット噴射による燃料が、このタイミングで着火することは抑制されるようになる。つまり、プレ噴射は、パイロット噴射によって噴射された燃料の着火遅れを長くするための噴射である。

一方で、プレ噴射によって噴射された燃料は、前記パイロット噴射によって噴射された燃料と共に、主燃焼直前で燃焼する（プレ燃焼）。このプレ燃焼は、パイロット噴射によって予混合が進んだ燃料が存在していることと、プレ噴射によって燃料が追加で噴射されることとが組み合わさって、その燃焼期間が短くなると共に、その熱発生率が比較的高くなる。このような特性を有するプレ燃焼は、主噴射の実行タイミングには、気筒内を、十分に高温にして着火性を適切に高めた状態にするから、主噴射による燃料の着火遅れを短くして主燃焼を緩慢にし得る。つまり、主燃焼の熱発生率が急上昇することが抑制されて、燃料騒音が低減し得る。前記のプレ噴射は、パイロット噴射との組み合わせによって、主噴射の着火遅れを短くするための噴射でもある。

このように前記のディーゼルエンジンは、幾何学的圧縮比が１５以下に設定された、比較的低圧縮比のディーゼルエンジンであるが故に、パイロット噴射及びプレ噴射のタイミングの制御を通じてプレ燃焼の燃焼形態をコントロールし得ると共に、主燃焼の燃焼形態をもコントロールして、燃料騒音の低減及びＮＶＨ性能の向上の点で有利になる。

前記ディーゼルエンジンは、前記気筒内へのＥＧＲガス量を調整するＥＧＲ量制御手段をさらに備え、前記ＥＧＲ量制御手段は、少なくとも前記特定領域においては、前記気筒内に前記ＥＧＲガスを導入する、としてもよい。

前記の特定領域において気筒内にＥＧＲガスを導入することによって、前記幾何学的圧縮比が１５以下であることと相俟って、気筒内の着火性がより悪化する。このことは逆に、パイロット噴射及びプリ噴射の制御を通じたプリ燃焼及び主燃焼の燃焼形態のコントロール性を、さらに向上させる。つまり、燃焼騒音の低減及びＮＶＨ性能の向上の点では、より有利になり得る。

前記ＥＧＲ量制御手段は、前記エンジン本体の吸気弁及び排気弁の内の少なくとも一方の作動を制御することによって内部ＥＧＲガス量を調整する、としてもよい。例えば吸気行程時に、排気弁を再開弁させる、いわゆる排気の二度開きを実行することにより、大量のＥＧＲガスを気筒内に導入して、前述した燃焼形態のコントロール精度がさらに高まり得る。

前記噴射制御手段は、前記相対的に低回転側の運転領域内でかつ、前記特定領域に対し低負荷側に隣接する第２の特定領域においては、前記前段噴射としてのパイロット噴射を禁止しかつ、前記プレ噴射を実行する、としてもよい。

前記の特定領域よりも低負荷側の領域（第２の特定領域）では、負荷が相対的に低いことに起因して主噴射の燃料噴射量が低減し得るから、主燃焼時の熱発生率の急上昇が予め抑制され得る。つまり燃焼騒音の点で有利であり、パイロット噴射を行わなくても、プレ噴射のみで所望のＮＶＨ性能を達成し得る。

前記噴射制御手段は、前記相対的に低回転側の運転領域内でかつ、前記第２の特定領域よりも低負荷側の領域においては、前記前段噴射による燃料噴射割合を、前記主噴射による燃料噴射割合に対して増大させる、としてもよい。ここで、「前段噴射による燃料噴射割合を、前記主噴射による燃料噴射割合に対して増大させる」ことには、主噴射を行わずに（換言すれば、主噴射による燃料噴射割合をゼロにして）、前段噴射のみを行うことも含み得る。

前記の第２の特定領域よりもさらに低負荷側の運転領域では、燃焼安定性が相対的低下するため、前段噴射による燃料噴射割合を増大して予混合性を高めることで、燃焼安定性を高めることが好ましい。さらにこの運転領域においては、前記主噴射を行わずに前段噴射のみを行って、いわゆる予混合圧縮着火燃焼を行うようにすれば、燃費及びエミッションの観点でさらに有利になり得る。

前記噴射制御手段は、前記特定領域よりも高負荷側の運転領域乃至相対的に高回転側の運転領域においては、前記前段噴射としての前記プレ噴射を禁止しかつ、前記パイロット噴射を実行する、としてもよい。

相対的に高負荷側乃至相対的に高回転側の運転領域は、ＮＶＨ性能が問題になり難い領域でありことを考慮して、前段噴射として、燃焼騒音の低減に有効なプレ噴射を禁止しかつ、パイロット噴射のみを実行する。前述したように、パイロット噴射は、その燃料噴霧の一部がキャビティの外に至ることで空気利用率が高まるため、燃料噴射量が相対的に増大する高負荷乃至高回転側の運転領域においては、トルク増大の上で有利になる。

以上説明したように、前記の自動車搭載用ディーゼルエンジンによると、幾何学的圧縮比が１５以下の比較的低圧縮比のエンジンにおいて、エンジン本体の温間時の、相対的に低回転側の運転領域内でかつ、所定負荷の特定領域では、圧縮上死点付近において燃料を噴射する主噴射を実行すると共に、当該主噴射よりも前の圧縮行程中に、所定のタイミングでパイロット噴射とプレ噴射との２回の燃料噴射を実行することで、主燃焼直前のプレ燃焼の期間が短くかつその熱発生率が比較的高くなり、主噴射による着火遅れが短くなって主燃焼を緩慢にし得るから、燃焼騒音の低減に伴い、ＮＶＨ性能の向上が図られる。

ディーゼルエンジンの構成を示す概略図である。 ディーゼルエンジンの状態に応じた、インジェクタの燃料噴射モードのマップの一例である。 予混合燃焼モードにおける燃料噴射形態の一例と、それに伴う熱発生率の履歴の一例とを示す図である。 拡散燃焼モード（近接２段）における燃料噴射形態の一例と、それに伴う熱発生率の履歴の一例とを示す図である。 拡散燃焼モード（３段）における燃料噴射形態の一例と、それに伴う熱発生率の履歴の一例とを示す図である。 拡散燃焼モード（遠隔２段）における燃料噴射形態の一例と、それに伴う熱発生率の履歴の一例とを示す図である。 拡散燃焼モード（３段）における燃料噴射形態及び熱発生率の履歴の実例（実施例）と、プレ噴射を行わない場合の燃料噴射形態及び熱発生率の履歴の実例（比較例）と、を示す図である。

以下、実施形態に係るディーゼルエンジンを図面に基づいて説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎない。図１はエンジンＡの一例を示し、１は車両に搭載されたエンジン本体である。このエンジン本体１は軽油を主成分とした燃料が供給されるディーゼルエンジンであって、複数の気筒２，２，…（１つのみ図示する）を有し、その各気筒２内に往復動可能にピストン３が嵌挿されていて、このピストン３の頂面にはリエントラント形燃焼室４を区画するキャビティ３１が形成されている。また、燃焼室４の天井部にはインジェクタ５（燃料噴射弁）が配設されていて、その先端部の噴口から高圧の燃料を燃焼室４に直接、噴射するようになっている。ここで、このエンジン本体１は、幾何学的圧縮比が１５以下（かつ１２以上）の比較的、低圧縮比のエンジンに構成されていると共に、後述するようにＥＧＲ通路３４，４４上のＥＧＲ弁３５，４５の制御や排気弁８２の開閉制御を通じて、大量のＥＧＲガスを気筒２内に導入することによって、予混合着火燃焼（ＰＣＩ（Premixed Charge compression Ignition）燃焼）を可能にしている。

各気筒２毎のインジェクタ５に燃料を供給する構成は、図示は省略するが、各インジェクタ５が接続される共通の燃料分配管（コモンレール）を備えたいわゆるコモンレールタイプとされており、これによってエンジンの１サイクル中に、気筒２内に複数回の燃料の噴射を可能にしている。インジェクタ５は、一例として、但しそれに限定するものではないが、制御弁を内蔵し、当該インジェクタ５への通電量に応じて制御弁のリフト量が変化することにより燃料が噴射されるタイプとしてもよい。

エンジン本体１の上部には、吸気弁８１及び排気弁８２をそれぞれ開閉させる、動弁機構７１，７２が配設されている。吸気弁８１側及び排気弁８２側の動弁機構７１，７２の内、排気弁８２側の動弁機構７２としては、当該排気弁８２の作動モードを通常モードと特殊モードとに切り替える油圧作動式の可変機構（以下、ＶＶＭ（Variable Valve Motion）と称し、このＶＶＭについて符号７２を付す）が設けられている。このＶＶＭ７２は、その構成の詳細な図示は省略するが、カム山を１つ有する第１カムとカム山を２つ有する第２カムとの、カムプロファイルの異なる２種類のカム、及び、その第１及び第２カムのいずれか一方のカムの作動状態を選択的に排気弁に伝達するロストモーション機構を含んで構成されており、第１カムの作動状態を排気弁８２に伝達しているときには、排気弁８２は、排気行程中において一度だけ開弁される通常モードで作動するのに対し、第２カムの作動状態を排気弁８２に伝達しているときには、排気弁８２が、排気行程中において開弁すると共に、吸気行程中においても開弁するような、いわゆる排気の二度開きを行う特殊モードで作動する。ＶＶＭ７２の通常モードと特殊モードとの切り替えは、エンジン駆動の油圧ポンプ（図示省略）から供給される油圧によって行われ、特殊モードは、後述するように、内部ＥＧＲに係る制御の際に利用され得る。尚、吸排気弁８１，８２の制御を通じて内部ＥＧＲガスの導入が可能な構成であれば、どのような構成を採用してもよい。例えば吸排気弁８１，８２を電磁アクチュエータによって駆動する電磁駆動式の動弁系を採用してもよい。

エンジン本体１の一側（図の右側）の側面には、各気筒２の燃焼室４に対しエアクリーナ（図示省略）で濾過した空気（新気）を供給するための吸気通路１６が接続されている。この吸気通路１６には、上流側から下流側に向かって順に、バタフライバルブからなる吸気絞り弁２２と、後述のタービン２７により駆動されて吸気を圧縮するコンプレッサ２０と、このコンプレッサ２０により圧縮した吸気を冷却するインタークーラ２１と、バタフライバルブからなるインタークーラ（Ｉ／Ｃ）経路絞り弁２３とが設けられている。

一方、エンジン本体１の反対側（図の左側）の側面には、各気筒２の燃焼室４からそれぞれ燃焼ガス（排気）を排出するための排気通路２６が接続されている。この排気通路２６の上流端部は各気筒２毎に分岐して、それぞれ排気ポートにより燃焼室４に連通する排気マニホルドであり、該排気マニホルドよりも下流の排気通路２６には上流側から下流側に向かって順に、排気流を受けて回転されるタービン２７と、排気中の有害成分を浄化可能なディーゼル酸化触媒２８及びＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）２９と、が配設されている。酸化触媒２８及びＤＰＦ２９は１つのケース内に収容されている。酸化触媒２８は、白金又は白金にパラジウムを加えたもの等を担持した酸化触媒を有していて、排気ガス中のＣＯ及びＨＣが酸化されてＣＯ_２及びＨ_２Ｏが生成する反応を促すものである。また、前記ＤＰＦ２９は、エンジン本体１の排気ガス中に含まれる煤等の微粒子を捕集するものである。尚、ＤＰＦ２９に酸化触媒をコーティングしてもよい。

前記排気通路２６には、ＤＰＦ２９よりも排気下流側の部位に臨んで開口するように、排気の一部を吸気側に還流させるための第１の排気還流通路（以下第１のＥＧＲ通路という）３４の上流端が接続されている。この第１のＥＧＲ通路３４の下流端は吸気絞り弁２２とコンプレッサ２０との間で吸気通路１６に接続されていて、排気通路２６から取り出された排気の一部を吸気通路１６に還流させるようになっている。また、第１のＥＧＲ通路３４の途中には、その内部を流通する排気を冷却するためのＥＧＲクーラ３７と、開度調節の可能な排気還流量調節弁（以下第１のＥＧＲ弁という）３５とが配置されている。

また、前記排気マニホールドには、第２の排気還流通路（以下第２のＥＧＲ通路という）４４の上流端が接続されている。この第２のＥＧＲ通路４４の下流端はインタークーラ２１（Ｉ／Ｃ経路絞り弁２３）よりも下流側で吸気通路１６に接続されている。また、第２のＥＧＲ通路４４の途中には、開度調節の可能な第２の排気還流量調節弁（以下第２のＥＧＲ弁という）４５が配置されている。尚、第２のＥＧＲ通路４４の途中に、ＥＧＲクーラを介設してもよい。

そして、前記各インジェクタ５、動弁系のＶＶＭ７２、吸気絞り弁２２、Ｉ／Ｃ経路絞り弁２３、第１及び第２のＥＧＲ弁３５，４５等は、いずれもコントロールユニット（Electronic Control Unit：以下ＥＣＵという）４０からの制御信号を受けて作動する。ＥＣＵ４０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。ＥＣＵ４０には、少なくとも、エンジン本体１のクランク軸の回転角度を検出するクランク角センサ５１、吸気の圧力状態を検出する吸気圧センサ５２、排気中の酸素濃度を検出するＯ_２センサ５３、外部からエンジン本体１に吸入される空気の流量を検出するエアフローセンサ５４、ＥＧＲガス混合後の吸気の温度を検出する吸気温度センサ５５、及び図示省略のアクセルペダルの踏み操作量（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ５６、等からの出力信号がそれぞれ入力される。これらの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本体１や車両の状態を判定し、これに応じて前述した、インジェクタ５、動弁系のＶＶＭ７２、各種の弁２２，２３，３５，４５のアクチュエータへ制御信号を出力する。このＥＣＵ４０が噴射制御手段及びＥＧＲ量制御手段を構成する。

（エンジンの燃焼制御の概要）
前記ＥＣＵ４０によるエンジン本体１の基本的な制御は、主にアクセル開度に基づいて目標トルク（目標となる負荷）を決定し、これに対応する燃料の噴射量や噴射時期等をインジェクタ５の作動制御によって実現するものである。また、絞り弁２２，２３や第１及び第２のＥＧＲ弁３５，４５の開度の制御（外部ＥＧＲ制御）や、ＶＶＭ７２の制御（内部ＥＧＲ制御）によって、気筒２内への排気の還流割合を制御する。

図２は、エンジン本体１の温間時の、エンジンの状態に応じたインジェクタ５の燃料噴射モードを示すマップである。図２に示すように、エンジン本体１は、温間時には、エンジン回転数とエンジン負荷（燃料の実総噴射量）とに応じて、予混合燃焼モード（同図のＡの領域）と拡散燃焼モード（同図のＢ、Ｃ及びＤの領域）との、大別して２つの燃焼モードを切り替える。

この内、拡散燃焼モードでは、基本的には、ピストン３が圧縮上死点近傍にあるときに、気筒２内に燃料が噴射される（主噴射）。これによって、インジェクタ５による燃料の噴射と燃料の着火とが並行して行われる。尚、拡散燃焼モードにおいては、この実施形態では、主噴射に先立って前段噴射が行われる。

一方で、予混合燃焼モードは、圧縮行程中の早いタイミングで気筒２内に燃料が噴射され、燃料が着火する前に燃料の噴射を終える。これにより、燃料の着火前に燃料が均一な雰囲気を作り出すことができ、燃料と空気との当量比を比較的低くして、燃料の不完全燃焼及び煤の発生が抑制される。この予混合燃焼モードは、燃費及びエミッションの点で有利である一方で、燃料を均一にするための時間を確保する必要があるため、エンジン負荷が比較的低くかつ、回転数が比較的低い場合に使用される。

そして、この実施形態においてはさらに、拡散燃焼モードが、エンジン負荷及び回転数に応じて３つの領域に分けられており、それぞれの領域において、燃料の噴射形態が異なっている。具体的には、相対的に低回転側の領域（図２のマップにおける左側の領域）であって比較的負荷の高い領域は、燃料噴射として、パイロット噴射、プレ噴射及び主噴射の３回を実行するように設定され（領域Ｃの拡散燃焼モード（３段））、その低回転側の領域中の前記予混合燃焼モード領域Ａ及び３段の拡散燃焼モード領域Ｃを除く領域は、燃料噴射として、プレ噴射及び主噴射の２回を実行するように設定されている（領域Ｂの拡散燃焼モード（近接２段））。これに対し、相対的に高回転側の領域（図２のマップにおける右側の領域）及び前記の領域Ｂ及びＣの拡散燃焼モードの領域よりも高負荷側の領域では、燃料噴射として、パイロット噴射及び主噴射の２回を実行するように設定されている（領域Ｄの拡散燃焼モード（遠隔２段））。

ここで、特に領域Ａ，Ｂ，Ｃの、相対的に負荷が低い領域においては、前記ＶＶＭ７２の制御により、気筒２内には比較的大量の内部ＥＧＲガスが導入されて、排気エミッションの向上が図られている。この大量の内部ＥＧＲガスの導入と、前述したようにエンジン本体１が低圧縮比であることとが相俟って、これらの運転領域では、気筒２内は燃料の着火性が悪化した状態となり得る。

以下、各燃焼モードにおける燃料噴射形態について、図３〜６を参照しながら説明する。尚、図３〜図６に示す燃料噴射量や熱発生率は、これらの図を相互に比較したときに、必ずしも、相対的な燃料噴射量の大小や熱発生率の大小を示してはいない。先ず、図３は、予混合燃焼モード領域Ａにおける燃料噴射形態（上図）及びそれに伴う気筒２内の熱発生率の履歴の一例（下図）を示している。前述したように、予混合燃焼モード領域Ａでは、圧縮行程中（圧縮上死点前）において、所定の時間間隔を空けて３回の燃料噴射を実行すると共に、相対的に早いタイミングで噴射する燃料噴射量を相対的に多く、相対的に遅いタイミングで噴射する燃料噴射量を相対的に少なくしている。これは、可及的に多くの燃料を早期に噴射することで、燃料の予混合性を高めるためである。尚、予混合燃焼モード領域Ａにおける燃料噴射の回数は３回に限定されるものではなく適宜設定すればよい。こうして噴射した燃料は、空気と十分に混合された状態で圧縮上死点付近において自着火により燃焼する（ＰＣＩ燃焼）。このような予混合燃焼モードは、エンジンの低負荷かつ低回転領域において、燃費及び排気エミッションの点で有利になる。

図４は、近接２段の拡散燃焼モード領域Ｂにおける燃料噴射形態（上図）及びそれに伴う気筒２内の熱発生率の履歴の一例（下図）を示している。前述したように、領域Ｂでは、圧縮上死点付近における主噴射と、その直前のプレ噴射との２回の燃料噴射を実行する。ここで、主噴射とプレ噴射（前段噴射）との噴射タイミングの間隔が相対的に近いため、領域Ｂの拡散燃焼モードは、近接２段の拡散燃焼モードと呼ぶことにする。

このプレ噴射は、主噴射に伴う主燃焼の熱発生率の急上昇を抑えて燃焼騒音の低減を図るための噴射であり、圧縮上死点の直前に実行されることで、その燃料噴霧の概略全てがピストン３の頂面のキャビティ３１内に到達するようになる。プレ噴射に伴うプレ燃焼の開始により気筒２内の温度が高まり、主噴射を実行したときの着火遅れが短縮する。この主噴射の着火遅れの短縮が主燃焼を緩慢にして、熱発生率の急上昇の抑制に寄与するため、燃焼騒音が低減し得る。

図５は、３段の拡散燃焼モード領域Ｃにおける燃料噴射形態（上図）及びそれに伴う気筒２内の熱発生率の履歴の一例（下図）を示している。前述したように、領域Ｃでは、圧縮上死点付近における主噴射と、その直前のプレ噴射と、プレ噴射のタイミングから間隔をおいた圧縮行程後半でのパイロット噴射との３回の燃料噴射を実行する。

パイロット噴射は、ＴＤＣから離れた圧縮行程後半で実行されることで燃料の予混合性が高まると共に、噴射された燃料噴霧の少なくとも一部はピストン３のキャビティ３１の外に至ることで、燃料噴霧はキャビティ３１外の気筒内空気と混合し得るから、空気利用率が向上する。

一方、プレ噴射は、前述したように、その燃料噴霧の概略全てがキャビティ３１内に到達するようなタイミングで実行される。このタイミングはまた、前記パイロット噴射により噴射された燃料が、気筒２内の圧縮により自着火し得るタイミングと重なり得る。このタイミングでプレ噴射を実行することは、当該プレ噴射により噴射された燃料の気化潜熱により気筒２内の予混合気の温度が低下すること、及び／又は、燃料の噴射に伴い気筒２内の流動が強まること、によって、このタイミングで予混合気が自着火することを抑制する。つまり、プレ噴射は、パイロット噴射の着火遅れを長くし得る。

そうして、このプレ噴射により噴射された燃料と、前記パイロット噴射により噴射された燃料とは、主噴射に伴う主燃焼の直前でプレ燃焼するが、このプレ燃焼は、前述したようにパイロット噴射による燃料の予混合が十分に進んでいることと、その燃料の予混合が進んだ雰囲気中にプレ噴射による燃料噴射が追加して行われることと、によって、燃焼期間は比較的短くなると共に、熱発生率は比較的高くなる。このように、主燃焼直前のプレ燃焼の燃焼期間を短くかつ、熱発生率を高くすることは、気筒２内を着火しやすい状態にさせるから、主噴射の実行により噴射された燃料の着火遅れは短くなる。このことは、主燃焼を緩慢にし、熱発生率が急上昇してしまうことを回避し得る。その結果、燃焼騒音を低減する上で有利になる。

ここで、前記のプレ燃焼は、主噴射による燃料の着火遅れを短くする観点からは、その熱発生率は比較的高くすることが望ましい。但し、プレ燃焼の熱発生率が高くなりすぎると、このプレ燃焼時の燃焼騒音が問題になる可能性があることから、所定の熱発生率以下に制限することが好ましい。そのため、制限された熱発生率を満足する範囲で高い熱発生率を達成すべく、パイロット噴射及びプレ噴射それぞれの燃料噴射量並びにそれぞれの噴射タイミングを設定することが望ましい。

また、前記の領域Ｂの拡散燃焼モードと領域Ｃの拡散燃焼モードとの比較において、領域Ｂでは、主噴射前の前段噴射としてプレ噴射のみを実行するのに対し、領域Ｃでは、主噴射前の前段噴射としてパイロット噴射及びプレ噴射の双方を実行する。これは、領域Ｃは相対的に高負荷の領域であり、主噴射の燃料噴射量が増量されて燃焼騒音が大きくなりやすい領域であるのに対し、領域Ｂは相対的に低負荷の領域であって、主噴射の燃料噴射量が相対的に少なく、燃焼騒音がそれほど大きくはならない領域であるためである。また、領域Ｃは、エンジン本体１の使用頻度の高い領域であり、特にＮＶＨ性能が問題となりやすい領域であることから、この領域Ｃでは、燃焼騒音を確実に低減させる上で、パイロット噴射及びプレ噴射の双方を実行する一方で、領域Ｂは、プレ噴射を実行することだけで、主燃焼の熱発生率の急上昇を抑制して、燃焼騒音が問題とならないレベルにまで低減させ得るため、パイロット噴射の省略により燃費性能が向上し得る。

図６は、拡散燃焼モード領域Ｄにおける燃料噴射形態（上図）及びそれに伴う気筒内の熱発生率の履歴の一例（下図）を示している。前述したように、拡散燃焼モード領域Ｄでは、圧縮上死点付近における主噴射と、パイロット噴射との２回の燃料噴射を実行する。ここで、主噴射とパイロット噴射（前段噴射）との噴射タイミングの間隔が相対的に遠いため、領域Ｄの拡散燃焼モードは、遠隔２段の拡散燃焼モードと呼ぶことにする。

領域Ｄの拡散燃焼モードと領域Ｃの拡散燃焼モードとの比較において、領域Ｄでは、主噴射前の前段噴射としてパイロット噴射のみを実行するのに対し、領域Ｃでは、前述したようにパイロット噴射及びプレ噴射の双方を実行する。これは、領域Ｄは、相対的に高いトルクが要求されていることから、ＮＶＨ性能よりもトルク性能を優先させるためである。つまり領域Ｄでは、パイロット噴射により、燃料噴霧の一部をピストン３のキャビティ３１外に至らせることで空気利用率を向上させると共に、予混合性を高める。このことは、燃料噴射量が相対的に増量されるこの運転領域において、トルクの増大に有利になる。

ここで、３段の拡散燃焼モード領域Ｃにおける燃焼騒音の低減効果について、図７を参照しながら説明する。図７は、前記の拡散燃焼モード領域Ｃのように、主噴射に先立つ前段噴射として、パイロット噴射及びプレ噴射の双方を実行した場合の、気筒２内の熱発生率の変化履歴と（実施例、同図の実線参照）、前段噴射として、パイロット噴射のみを実行し、プレ噴射を実行しない場合の、気筒２内の熱発生率の変化履歴と（比較例、同図の破線参照）、を比較する図である。図７の上図は、インジェクタの、例えば制御弁のリフト量によって代表し得る燃料噴射量の変化履歴を示している。尚、幾何学的圧縮比は１４に設定されていると共に、ＥＧＲ率は４０％に設定されている。ここでのＥＧＲ率の定義は、（吸気通路内のＣＯ_２濃度（％）−大気中のＣＯ_２濃度（％））／（排気中のＣＯ_２濃度（％）−大気中のＣＯ_２濃度（％））である。

同図の破線に示すように、パイロット噴射を行う一方でプレ噴射を行わないときには、主噴射よりもかなり早い時点で、当該パイロット噴射により噴射された燃料が自着火し、プレ燃焼が開始してしまう。このため、主燃焼の前のプレ燃焼は、その燃焼期間が長くかつ、熱発生率も低くなる。その結果、主燃焼の熱発生率は、急上昇するようになり、燃焼騒音が悪化する。これは、主噴射による燃料の着火遅れが長くなることに起因すると考えられる。

これに対し、同図の実線に示すように、パイロット噴射を行うと共に、当該パイロット噴射により噴射された燃料が自着火し得るようなタイミングで、プレ噴射を実行することにより、その自着火は抑制される。そうして、主燃焼の直前のタイミングまで着火遅れが延びることになる。その結果、主燃焼直前のプレ燃焼は、パイロット噴射によって予混合が進んだ燃料と、プレ噴射によって追加された燃料とが燃焼するため、燃焼期間が短くかつ、熱発生率が比較的高くなる。この実施例では、熱発生率の履歴は、プレ燃焼による山が立ち上がって、その後、一旦下がった後に、主燃焼による山が立ち上がるようになっており、主燃焼の熱発生率が急上昇することが抑制されて（図７における実線の傾きが、破線の傾きよりも緩やかになって）、燃焼騒音が低減している。これは、プレ燃焼の燃焼期間を短くかつ、熱発生率を高くしていることで、主噴射による燃料の着火遅れが短くなり、主燃焼が緩慢になっているためと考えられる。つまり、比較例及び実施例は共に、主燃焼による熱発生率のピークのタイミングが概ねＭＢＴとなるように、換言すれば、主燃焼による熱発生率の山の頂部が互いに一致するように、主噴射のタイミングを設定しており、主噴射による燃料の着火遅れを短くすることは、主燃焼による山の立ち上がりを早期に開始させて、その傾きを緩やかにすることに寄与するのである。

このように、前記のディーゼルエンジンＡでは、幾何学的圧縮比が１５以下の、比較的低圧縮比でかつ、大量のＥＧＲガスを導入することで、気筒２内が着火し難い条件であることを前提に、相対的に低回転側の領域内の部分負荷領域（領域Ｃ）において、主噴射前の前段噴射として、パイロット噴射及びプレ噴射の双方を、適切なタイミングで実行している。このことにより、主噴射により噴射された燃料の着火遅れを短くして、主燃焼の熱発生率が急上昇することが抑制される。その結果、燃焼騒音が低減する。特に領域Ｃは、いわば使用頻度の高い常用領域であるため、燃焼騒音を低減することはエンジン本体１のＮＶＨ性能を向上させる上で有利である。

また、領域Ｃに対して低負荷側に隣接する領域Ｂでは、前段噴射としてパイロット噴射を禁止し、プレ噴射のみを実行することで、ＮＶＨ性能の低下を回避しつつ、燃費の点で有利になる一方、領域Ｃに対して高負荷側に隣接する又は相対的の高回転側の、ＮＶＨが大きく問題にならない領域Ｄでは、前段噴射としてプレ噴射を禁止し、パイロット噴射のみを実行することで、トルク性能を向上し得る。さらに、領域Ｂに対してさらに低負荷側の領域Ａでは、ＰＣＩ燃焼を実行することで、燃費及びエミッションの点で有利になる。尚、領域Ａでは、拡散燃焼のための圧縮上死点付近の主噴射も実行するようにしてもよく、その場合においては圧縮行程中の前段噴射による燃料噴射割合を相対的に高めるようにすることが好ましい。

１ エンジン本体
２ 気筒
３ ピストン
３１ キャビティ
３５ 第１のＥＧＲ弁（ＥＧＲ量制御手段）
４０ ＥＣＵ（噴射制御手段、ＥＧＲ量制御手段）
４５ 第２のＥＧＲ弁（ＥＧＲ量制御手段）
５ インジェクタ（燃料噴射弁）
７２ ＶＶＭ（ＥＧＲ量制御手段）
８１ 吸気弁
８２ 排気弁
Ａ ディーゼルエンジン

Claims (6)

1. 自動車に搭載されかつ軽油を主成分とした燃料が供給されると共に、気筒内に嵌挿されたピストンの上死点及び下死点間での往復動に係る幾何学的圧縮比が１５以下に設定されたエンジン本体と、
   前記気筒内に臨んで配設されかつ、当該気筒内に前記燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、
   前記燃料噴射弁を通じた、前記気筒内への前記燃料の噴射形態を制御する噴射制御手段と、を備え、
   前記噴射制御手段は、前記エンジン本体の温間時の相対的に低回転側の運転領域内でかつ、所定負荷の特定領域においては、圧縮上死点付近において燃料を噴射する主噴射と、当該主噴射よりも前の圧縮行程中に燃料を噴射する前段噴射と、を実行すると共に、
   前記噴射制御手段は、前記前段噴射として、
   その燃料噴霧の少なくとも一部が前記ピストン頂面で凹陥するキャビティの外に至るようなタイミングで燃料噴射を行うパイロット噴射と、
   前記パイロット噴射後の所定タイミングで燃料噴射を行うことにより、前記パイロット噴射によって噴射された燃料の着火を抑制すると共に、前記主噴射によって噴射された燃料の着火遅れを短縮するプレ噴射と、を実行する自動車搭載用ディーゼルエンジン。
2. 請求項１に記載の自動車搭載用ディーゼルエンジンにおいて、
   前記気筒内へのＥＧＲガス量を調整するＥＧＲ量制御手段をさらに備え、
   前記ＥＧＲ量制御手段は、少なくとも前記特定領域においては、前記気筒内に前記ＥＧＲガスを導入する自動車搭載用ディーゼルエンジン。
3. 請求項２に記載の自動車搭載用ディーゼルエンジンにおいて、
   前記ＥＧＲ量制御手段は、前記エンジン本体の吸気弁及び排気弁の内の少なくとも一方の作動を制御することによって内部ＥＧＲガス量を調整する自動車搭載用ディーゼルエンジン。
4. 請求項１に記載の自動車搭載用ディーゼルエンジンにおいて、
   前記噴射制御手段は、前記相対的に低回転側の運転領域内でかつ、前記特定領域に対し低負荷側に隣接する第２の特定領域においては、前記前段噴射としてのパイロット噴射を禁止しかつ、前記プレ噴射を実行する自動車搭載用ディーゼルエンジン。
5. 請求項４に記載の自動車搭載用ディーゼルエンジンにおいて、
   前記噴射制御手段は、前記相対的に低回転側の運転領域内でかつ、前記第２の特定領域よりも低負荷側の運転領域においては、前記前段噴射による燃料噴射割合を、前記主噴射による燃料噴射割合に対して増大させる自動車搭載用ディーゼルエンジン。
6. 請求項１に記載の自動車搭載用ディーゼルエンジンにおいて、
   前記噴射制御手段は、前記特定領域よりも高負荷側の運転領域乃至相対的に高回転側の運転領域においては、前記前段噴射としての前記プレ噴射を禁止しかつ、前記パイロット噴射を実行する自動車搭載用ディーゼルエンジン。

Images