JP2013194644A - 内燃機関及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】インジェクタ３３により燃焼室１７内に燃料を噴射して燃焼させるエンジン１において、燃焼ガスとシリンダ壁面との温度差に起因して生じる冷却損失の低減と、エミッションの向上との両立を図る。
【解決手段】圧縮行程にてインジェクタ３３より燃料を噴射させる前段噴射と、膨張行程にてインジェクタ３３より燃料を噴射させる後段噴射とを、該各噴射により燃焼室１７内に供給される噴射燃料がシリンダ壁面に到達する前にその燃焼を終了するように実行することで、前段燃焼時及び後段燃焼時にそれぞれ、燃焼ガスとシリンダ壁面との間に空気断熱層５０を形成するようにした。
【選択図】図４

Description

本発明は、シリンダ壁面とピストンの冠面とシリンダヘッドの下面とに囲まれた燃焼室の上部の中心部に配置される燃料噴射弁の先端部から、シリンダ径方向の外側に向かって燃料を噴射するとともに、該噴射した燃料を火花着火又は自己着火により燃焼させる内燃機関、及び内燃機関の制御方法に関する技術分野に属する。

従来より、この種の内燃機関の制御方法として、燃焼室内に予め着火用火炎を形成しておき、この着火用火炎に向けて主噴射を行うことで燃焼火炎を形成するようにしたものが知られている。

例えば、特許文献１に示す内燃機関では、先ず、圧縮行程後期に燃焼室内にパイロット噴射を行い、このパイロット噴射された燃料を火花着火させることで着火用火炎を形成し、次いで、膨張行程の前半にこの着火用火炎に向けて主噴射を行うことで、主噴射により噴射された燃料を自己着火させて燃焼火炎を形成するようにしている。

特開２００８−１２１４２９号公報

しかしながら、上述の特許文献１に示す内燃機関では、パイロット噴射は着火用火炎を形成するためのものであるからその噴射量は少量に抑えられていて、１サイクルに必要な燃料の大半を主噴射により噴射するようにしている。このため、比較的多くの燃料を必要とする中高負荷運転領域においては、主噴射を行った際に、燃焼室内の当量比が高くなってエミッションが悪化するという問題がある。

また、このように主噴射による燃料噴射量が多いと、燃焼時に燃焼ガスがシリンダ壁面に接触することにより、燃焼ガスの熱がシリンダ壁面から外部へと逃げて、冷却損失が増加するという問題がある。

特に、燃焼室内に噴射された燃料を自己着火させるいわゆる圧縮自己着火式のエンジンでは、火花点火式エンジンに比べて圧縮比が高く設定されているため、燃焼ガス温度が高くなって、上述の冷却損失の問題が顕著になる。

本発明は、斯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、燃焼ガスがシリンダ壁面に接触することで生じる冷却損失の低減と、エミッションの向上とを両立可能な内燃機関及び内燃機関の制御方法を提供しようとすることにある。

第１の発明では、シリンダ壁面とピストンの冠面とシリンダヘッドの下面とに囲まれた燃焼室の上部の中心部に配置される燃料噴射弁の先端部から、シリンダ径方向の外側に向かって燃料を噴射するとともに、該噴射した燃料を火花着火又は自己着火により燃焼させる内燃機関の制御方法を対象としている。

そして、圧縮行程にて上記燃料噴射弁より燃料を噴射する前段噴射工程と、膨張行程にて上記燃料噴射弁より燃料を噴射する後段噴射工程と、を備え、上記前段噴射工程及び上記後段噴射工程は、該各工程にて上記燃料噴射弁より噴射される燃料がシリンダ壁面に到達する前にその燃焼を終了するように、上記燃料噴射弁により燃料噴射を実行させる工程であるものとする。

第１の発明によれば、前段噴射工程及び後段噴射工程において燃料噴射弁より噴射された燃料は、シリンダ壁面に到達する前に着火してその燃焼を終了することとなる。これにより、前段噴射燃料の燃焼時及び後段噴射燃料の燃焼時に、燃焼ガスとシリンダ壁面との間（燃焼ガスの周囲）に空気断熱層を形成することができる。よって、この空気断熱層により、燃焼ガスの熱がシリンダ壁面へと逃げるのを抑制して、冷却損失の低減を図ることが可能となる。

また、燃料噴射工程を前段噴射工程と後段噴射工程との２回に分けるようにしているため、１回の噴射により燃焼室内に供給される燃料量は、燃料を一括噴射する場合に比べて少なくなる。したがって、噴射燃料がシリンダ壁面に到達する前に該噴射燃料の燃焼を確実に終了させることができる。よって、前段噴射燃料及び後段噴射燃料の燃焼時（以下、前段燃焼時及び後段燃焼時という）の双方において、燃焼ガスの周囲に空気断熱層を確実に形成して、冷却損失の低減を図ることが可能となる。

そうして空気断熱層を形成した場合には、燃焼時に使用可能な燃焼室内の空気量が減少するため、燃料空気混合気の当量比が高くなる傾向にあるが、本発明では、燃料噴射を２回に分けて実行するようにしたことで、１回の噴射により燃焼室内に供給される燃料噴射量が少なくなり、これにより、噴射燃料を十分に低い当量比（エミッションを発生させない程度の十分に低い当量比であって、例えば０．２〜０．５）で燃焼させることができる。よって、本発明では、エミッションの向上と冷却損失の低減との両立を図ることができる。

第２の発明では、第１の発明において、上記前段噴射工程における燃料噴射時期は、圧縮行程末期に燃焼室内に生じる順スキッシュ流の強さが最大になる時期と同じか又はその直前であるものとした。

第２の発明によれば、燃焼室内に生じる順スキッシュ流を利用して前段燃焼時の空気利用率を向上させることができる。すなわち、圧縮行程において燃料噴射弁の先端部からシリンダ径方向外側に向かって噴射された燃料は、圧縮行程末期に生じる順スキッシュ流による慣性力を受けて、その進行方向をシリンダ軸心方向へと近づけていく。こうして、後段噴射燃料はその噴射広がり角を変化させながら燃焼するので、前段噴射燃料の燃焼時における空気利用率を向上させることができる。よって、前段噴射燃料を当量比が低い状態で確実に燃焼させることができ、延いては、エミッションの向上を図ることができる。

第３の発明では、第１又は第２の発明において、上記後段噴射工程における燃料噴射時期は、圧縮上死点から膨張行程に移行する際に燃焼室内に生じる逆スキッシュ流の強さが最大になる時期と同じか又はその直前であるものとした。

第３の発明によれば、燃焼室内に生じる逆スキッシュ流を利用して後段燃焼時の空気利用率を向上させることができる。すなわち、膨張行程において、燃料噴射弁の先端部からシリンダ径方向外側に向かって噴射された燃料は、圧縮上死点から膨張行程に移行する際に生じる逆スキッシュ流による慣性力を受けて、その進行方向をシリンダ軸心方向から遠ざけていく。こうして、後段噴射燃料はその噴射広がり角を変化させながら燃焼するので、後段噴射燃料の燃焼時における空気利用率を向上させることができる。よって、後段噴射燃料を当量比が低い状態で確実に燃焼させることができ、延いては、エミッションの向上を図ることができる。

第４の発明では、第１乃至第３のいずれか一つの発明において、上記内燃機関の負荷が所定閾値以上となる運転領域においては、上記前段噴射工程及び上記後段噴射工程の実行を許容する一方、上記内燃機関の負荷が上記所定閾値未満となる運転領域においては、上記前段噴射工程の実行を許容するものの上記後段噴射工程の実行を禁止する禁止工程をさらに備えているものとした。

第４の発明によれば、エンジン負荷が所定閾値未満となる運転領域においては、禁止工程にて、後段噴射工程の実行が禁止されて前段噴射工程のみが実行される。これにより、燃料を一括噴射しても過濃混合気部分が生じない程に目標燃料噴射量が少ない運転領域（内燃機関の負荷が所定閾値未満となる運転領域）においては、圧縮行程噴射である前段噴射のみを実行することで、膨張行程噴射である後段噴射を併用することによる熱効率の低下を抑制することができる。

第５の発明では、第４の発明において、上記前段噴射工程及び後段噴射工程は、上記内燃機関の負荷が上記所定閾値以上となる運転領域のうち低負荷側の運転領域においては、後段噴射工程における燃料の噴射量が前段噴射工程における燃料の噴射量よりも少なくなるように、上記燃料噴射弁による燃料噴射量を制御する一方、上記内燃機関の負荷が上記所定閾値以上となる運転領域のうち高負荷側の運転領域においては、後段噴射工程における燃料の噴射量が前段噴射工程における燃料の噴射量よりも多くなるように、上記燃料噴射弁による燃料噴射量を制御する工程であるものとした。

第５の発明によれば、内燃機関の負荷が所定閾値以上となる運転領域のうち低負荷側の運転領域においては、後段噴射の噴射量が前段噴射の噴射量よりも少なくなるので、後段燃焼時においても前段燃焼時に形成された空気断熱層を維持することができる。

一方、内燃機関の負荷が所定閾値以上となる運転領域のうち高負荷側の運転領域においては、後段噴射の噴射量が前段噴射の噴射量よりも多くなる。したがって、後段噴射された燃料の噴霧先端は、前段噴射時に燃料が到達することができなかった領域（つまり前段燃焼時に形成された空気断熱層領域）にまで達する。このため、後段燃焼時には、前段燃焼後の既燃ガス中に残った空気に加えて、空気断熱層内の一部（空気断熱層の内周寄りの一部）の空気を利用して燃料を十分に燃焼させることができる。そうして、燃料の燃焼反応が十分に促進されることと、前段燃焼後の既燃ガスによるＥＧＲ効果とが相俟って、エミッションの向上を図ることができる。しかも、この高負荷側の運転領域においては、後段噴射の噴射量は前段噴射の噴射量よりも多くなるが、例えば前段噴射を単なる火種形成用の少量噴射とした場合と比較すると、前段噴射の噴射量が格段に多い分だけ後段噴射の噴射量を低減することができる。したがって、後段噴射燃料の到達距離を低減して、後段燃焼時においても燃焼ガスとシリンダ壁面との間に十分な空気断熱層を形成することができる。よって、高出力を得ながらエミッションの向上と冷却損失の低減との両立を図ることが可能となる。

第６の発明は、シリンダ壁面とピストンの冠面とシリンダヘッドの下面とに囲まれた燃焼室と、該燃焼室内の上部の中心部に配設され、該中心部からシリンダ径方向の外側に向かって燃料を噴射する燃料噴射弁と、該燃料噴射弁の作動を制御する噴射弁制御手段とを備え、該燃料噴射弁より噴射された燃料を火花着火又は自己着火により燃焼させる内燃機関を対象とする。

そして、上記噴射弁制御手段は、圧縮行程にて上記燃料噴射弁より燃料を噴射させる前段噴射と、膨張行程にて上記燃料噴射弁より燃料を噴射させる後段噴射とを、それぞれの噴射燃料がシリンダ壁面に到達する前にその燃焼を終了するように実行するよう構成されているものとした。

第６の発明によれば、第１の発明と同様の作用効果を得ることができる。

第７の発明は、第６の発明において、上記噴射弁制御手段は、上記前段噴射による燃料の噴射時期が、圧縮行程末期に燃焼室内に生じる順スキッシュ流の強さが最大になる時期と同じか又はその直前になるように、上記燃料噴射弁の作動を制御するように構成されているものとした。

第７の発明によれば、第２の発明と同様の作用効果を得ることができる。

第８の発明では、第６又は第７の発明において、上記噴射弁制御手段は、上記後段噴射による燃料の噴射時期が、圧縮上死点から膨張行程に移行する際に燃焼室内に生じる逆スキッシュ流の強さが最大になる時期と同じか又はその直前になるように、上記燃料噴射弁の作動を制御するように構成されているものとした。

第８の発明によれば、第３の発明と同様の作用効果を得ることができる。

第９の発明では、第６乃至第８のいずれか一つの発明において、上記噴射弁制御手段は、上記内燃機関の負荷が所定閾値以上となる運転領域においては、上記前段噴射及び上記後段噴射の双方を実行する一方、上記内燃機関の負荷が上記所定閾値未満となる運転領域においては、上記前段噴射のみを実行して上記後段噴射の実行を禁止するように構成されているものとした。

第９の発明によれば、第４の発明と同様の作用効果を得ることができる。

第１０の発明は、第９の発明において、上記噴射弁制御手段は、上記内燃機関の負荷が上記所定閾値以上となる運転領域のうち低負荷側の運転領域においては、後段噴射による燃料噴射量が前段噴射による燃料噴射量よりも少なくなるように、上記燃料噴射弁による燃料噴射量を制御する一方、上記内燃機関の負荷が上記所定閾値以上となる運転領域のうち高負荷側の運転領域においては、後段噴射による燃料噴射量が前段噴射による燃料噴射量よりも多くなるように、上記燃料噴射弁による燃料噴射量を制御するように構成されているものとした。

第１０の発明によれば、第５の発明と同様の作用効果を得ることができる。

第１１の発明は、第６乃至第１０のいずれか一つの発明において、上記燃焼室の底面を形成するピストンの冠面には、シリンダ軸心に沿った断面で見て略ω状をなすキャビティが形成されており、上記キャビティは、上記燃料噴射弁より噴射された噴射燃料が該キャビティ内に指向するように形成されているものとした。

第１１の発明によれば、燃料噴射弁により噴射された燃料は、ピストンの冠面に形成されたキャビティ内に指向するため、該キャビティを形成しない場合に比べて、ピストン冠面への燃料の付着（到達）を抑制することができる。よって、噴射燃料がピストンの冠面に到達後に燃焼することで冷却損失が増加するのを防止することができる。

以上説明したように、本発明の内燃機関及び内燃機関の制御方法によると、燃料噴射弁による燃料噴射を、圧縮行程で行う前段噴射と膨張行程で行う後段噴射との２回に分けるとともに、該各噴射により燃焼室内に供給された噴射燃料がシリンダ壁面に到達する前にその燃焼を終了するように、該前段噴射及び後段噴射を実行するようにしたことで、冷却損失の低減とエミッションの向上との両立を図ることが可能となる。

本発明の実施形態に係るエンジン（内燃機関）を示す概略図である。 （ａ）圧縮行程末期に燃焼室内に生じる順スキッシュ流を示す模式図であり、（ｂ）圧縮上死点から膨張行程に移行する際に燃焼室内に生じる逆スキッシュ流を示す模式図である。 インジェクタによる燃料噴射時期を示す、横軸にクランク角をとり且つ縦軸にスキッシュ強さをとったグラフである。 燃料の噴射イメージを示す模式図であり、（ａ）は前段噴射を示し、（ｂ）は後段噴射を示している。 燃料噴射制御を実行する際に使用する制御マップの一例である。 前段噴射の噴射量と後段噴射の噴射量との大小関係を示すグラフであり、（ａ）はエンジンが第１運転領域ｒ１にある場合を示し、（ｂ）はエンジンが第２運転領域ｒ２にある場合を示している。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るエンジン１を概略的に示す。本実施形態では、エンジン１は、後述するように圧縮自己着火モードと火花着火モードとを有している。エンジン１には、エンジン本体に付随する様々なアクチュエータ、様々なセンサ、及び、該センサからの信号に基づきアクチュエータを制御するエンジン制御器１００を含む。

エンジン１は、自動車等の車両に搭載され、その出力軸は、図示しないが、変速機を介して駆動輪に連結されている。エンジン１の出力が駆動輪に伝達されることによって、車両が推進する。エンジン１のエンジン本体は、シリンダブロック１２と、その上に載置されるシリンダヘッド１３とを備えており、シリンダブロック１２の内部に複数のシリンダ１１（気筒）が形成されている（図１では、１つのみ示す）。シリンダブロック１２及びシリンダヘッド１３の内部には、図示は省略するが冷却水が流れるウォータージャケットが形成されている。

各シリンダ１１内には、ピストン１５が摺動自在にそれぞれ嵌挿されており、ピストン１５は、シリンダ１１及びシリンダヘッド１３と共に燃焼室１７を区画している。本実施形態では、燃焼室１７はいわゆるペントルーフ型であり、その天井面（シリンダヘッド１３の下面）は吸気側及び排気側の２つの傾斜面からなる三角屋根状をなしている。ピストン１５の冠面は、上記天井面に対応した凸形状をなしていて、冠面の中心部には、凹状のキャビティ１５ａが形成されている。尚、上記天井面及びピストン１５の冠面の形状は、後述の高い幾何学的圧縮比が可能であれば、どのような形状であってもよく、例えば、天井面及びピストン１５の冠面（キャビティ１５ａを除く部分）の両方が、シリンダ１１の中心軸に対して垂直な面で構成されていてもよく、天井面が上記のように三角屋根状をなす一方、ピストン１５の冠面（キャビティ１５ａを除く部分）がシリンダ１１の中心軸に対して垂直な面で構成されていてもよい。

図１には１つのみ示すが、シリンダ１１毎に２つの吸気ポート１８がシリンダヘッド１３に形成され、それぞれがシリンダヘッド１３の下面（燃焼室１７の天井面における吸気側の傾斜面）に開口することで燃焼室１７に連通している。同様に、シリンダ１１毎に２つの排気ポート１９がシリンダヘッド１３に形成され、それぞれがシリンダヘッド１３の下面（燃焼室１７の天井面の排気側の傾斜面）に開口することで燃焼室１７に連通している。吸気ポート１８は、シリンダ１１内に導入される新気が流れる吸気通路（図示省略）に接続されている。吸気通路には、吸気流量を調整するスロットル弁２０が介設しており、エンジン制御器１００からの制御信号を受けて、スロットル弁２０の開度が調整される。一方、排気ポート１９は、各シリンダ１１からの既燃ガス（排気ガス）が流れる排気通路（図示省略）に接続されている。排気通路には、図示は省略するが、１つ以上の触媒コンバータを有する排気ガス浄化システムが配置される。

シリンダヘッド１３には、吸気弁２１及び排気弁２２が、それぞれ吸気ポート１８及び排気ポート１９を燃焼室１７から遮断（閉）することができるように配設されている。吸気弁２１は吸気弁駆動機構により、排気弁２２は排気弁駆動機構により、それぞれ駆動される。吸気弁２１及び排気弁２２は所定のタイミングで往復動して、それぞれ吸気ポート１８及び排気ポート１９を開閉し、シリンダ１１内のガス交換を行う。吸気弁駆動機構及び排気弁駆動機構は、図示は省略するが、それぞれ、クランクシャフトに駆動連結された吸気カムシャフト及び排気カムシャフトを有し、これらのカムシャフトはクランクシャフトの回転と同期して回転する。また、少なくとも吸気弁駆動機構は、吸気カムシャフトの位相を所定の角度範囲内で連続的に変更可能な、液圧式又は機械式の位相可変機構（Variable Valve Timing：ＶＶＴ）２３を含んで構成されている。尚、ＶＶＴ２３と共に、弁リフト量を連続的に変更可能なリフト可変機構（ＣＶＶＬ（Continuous Variable Valve Lift））を備えるようにしてもよい。

また、シリンダヘッド１３には、点火プラグ３１が配設されている。この点火プラグ３１は、例えばねじ等の周知の構造によって、シリンダヘッド１３に取付固定されている。点火プラグ３１は、本実施形態では、シリンダ１１の中心軸に対し、排気側に傾斜した状態で取付固定されており、その先端部（電極）は燃焼室１７の天井部に臨んでいる。点火プラグ３１は、点火システム３２によって火花を発生する。点火システム３２は、エンジン制御器１００からの制御信号を受けて、点火プラグ３１が所望の点火タイミングで火花を発生するよう、それに通電する。

シリンダヘッド１３におけるシリンダ１１の中心軸上には、燃焼室１７内に燃料を直接噴射するインジェクタ３３が配設されている。このインジェクタ３３は、例えばブラケットを使用する等の周知の構造でシリンダヘッド１３に取付固定されている。インジェクタ３３の先端は、燃焼室１７の天井部の中心に臨んでいる。

インジェクタ３３は、燃焼室１７内に燃料を噴射するノズル口を開閉する外開弁式のインジェクタである。ノズル口は、シリンダ１１の中心軸に沿って延びる燃料管４３の先端部において、先端側ほど径が大きくなるテーパ状に形成されている。そして、インジェクタ３３のノズル口から燃焼室１７内に燃料が、シリンダ１１の中心軸を中心とするコーン状（詳しくはホローコーン状）に噴射される。

燃料供給システム３４は、外開弁４２を駆動するための駆動回路と、インジェクタ３３に燃料を供給する燃料供給系とを備えている。エンジン制御器１００は、所定のタイミングで、リフト量に応じた電圧を有する噴射信号を上記駆動回路に出力することで、該駆動回路を介して外開弁４２を作動させて、所望量の燃料を、燃焼室１７内に噴射させる。

上記燃料供給系には、図示省略の高圧燃料ポンプやコモンレールが設けられており、その高圧燃料ポンプは、低圧燃料ポンプを介して燃料タンクより供給されてきた燃料をコモンレールに圧送し、コモンレールは、その圧送された燃料を、所定の燃料圧力で蓄える。そして、インジェクタ３３が作動する（外開弁がリフトされる）ことによって、上記コモンレールに蓄えられている燃料がノズル口から噴射される。

エンジン制御器１００は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラであって、プログラムを実行する中央演算処理装置（ＣＰＵ）と、例えばＲＡＭやＲＯＭにより構成されてプログラム及びデータを格納するメモリと、電気信号の入出力をする入出力（Ｉ／Ｏ）バスと、を備えている。

エンジン制御器１００は、少なくとも、エアフローセンサ７１からの吸気流量に関する信号、クランク角センサ７２からのクランク角パルス信号、アクセル・ペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ７３からのアクセル開度信号、及び、車速センサ７４からの車速信号をそれぞれ受ける。エンジン制御器１００は、これらの入力信号に基づいて、例えば、所望のスロットル開度信号、燃料噴射パルス、点火信号、バルブ位相角信号等といった、エンジン１の制御パラメーターを計算する。そして、エンジン制御器１００は、それらの信号を、スロットル弁２０（スロットル弁２０を動かすスロットルアクチュエータ）、燃料供給システム３４（上記電気回路）、点火システム３２、ＶＶＴ２３等に出力する。

このエンジン１の幾何学的圧縮比εは、１８以上４０以下とされている。この幾何学的圧縮比εは、特に２５以上３５以下が好ましい。本実施形態では、エンジン１は圧縮比＝膨張比となる構成から、高圧縮比と同時に、比較的高い膨張比を有するエンジン１でもある。尚、圧縮比≦膨張比となる構成（例えばアトキンソンサイクルや、ミラーサイクル）を採用してもよい。

燃焼室１７は、図１に示すように、シリンダ１１の壁面と、ピストン１５の冠面と、シリンダヘッド１３の下面（天井面）と、吸気弁２１及び排気弁２２それぞれのバルブヘッドの面と、によって区画形成されている。

エンジン１は、燃焼室１７内に噴射された燃料を圧縮自己着火させる圧縮自己着火モードと点火プラグ３１により火花着火させる火花着火モードとを切換え可能になっている。

本実施形態では、エンジン１は、基本的には圧縮自己着火モードで運転され、燃料の着火性が悪化する寒冷地走行時など所定条件下において火花着火モードで運転される。この着火モードの切換えはエンジン制御器１００により行われる。以下の説明では、この圧縮自己着火モードにおけるエンジン１の運転制御について説明するが、本発明の構成は、噴射燃料を圧縮自己着火させる場合に限らず、火花着火させる場合にも適用することができる。

エンジン制御器１００は、アクセル開度センサ７３からのアクセル開度信号と、車速センサ７４からの車速信号とを基に要求負荷を算出して、この要求負荷を得るために必要な１エンジンサイクル当たりの目標燃料噴射量を算出する。そして、エンジン制御器１００は、インジェクタ３３の作動を制御することで、この目標燃料噴射量と同量の燃料を燃焼室１７内に噴射供給する。圧縮自己着火モードにおいては、燃焼室１７内に噴射された燃料がピストン１５の上昇により圧縮されて自己着火する。

ここで、燃焼室１７内で燃焼される燃料量が多いと、燃焼室１７内に過濃混合気部分（燃料空気混合気中の過濃部分であって、例えば当量比が０．５を越える部分）が形成されてエミッションが悪化するという問題がある。

そこで、本実施形態では、燃焼室１７内で燃焼される燃料量がエンジン負荷が増加するに従って増量されることを考慮して、エンジン負荷が所定閾値Ｌ１以上となる運転領域では、燃料噴射を２回に分けて実行することで、１回の燃料噴射による噴射量を低減してエミッションの向上を図るようにしている。

具体的には、本実施形態では、エンジン制御器１００は、エンジン負荷が所定閾値Ｌ１未満となる低負荷運転領域Ｑにおいては、圧縮行程で燃料を一括噴射する一方、エンジン負荷が上記所定閾値Ｌ１以上となる中高負荷運転領域Ｒにおいては、圧縮行程で燃料を噴射する前段噴射と膨張行程で燃料を噴射する後段噴射とを実行するように構成されている。このように、中高負荷運転領域Ｒにおいては燃料噴射を２回に分けることで、燃料を一括噴射する場合に比べて、各回の燃料噴射量が減少するので、燃焼室１７内に過濃混合気部分が形成されるのを防止してエミッションの向上を図ることができる。

上記前段噴射により噴射された燃料は、ピストン１５の上昇により圧縮されて自己着火して、その噴霧の先端から順に周りの空気を取り込みながら拡散燃焼する。一方、上記後段噴射により噴射された燃料は、前段噴射された燃料の自己着火燃焼により生じた熱でもって着火し、同じく噴霧先端側から順に拡散燃焼する。

ここで、この拡散燃焼による火炎（燃焼ガス）がシリンダ壁面に達すると、シリンダ壁面と燃焼ガスとの温度差により、燃焼ガスの熱がシリンダ壁面を介して外部に逃げてしまう。この結果、燃焼ガスの熱エネルギーを有効に仕事に変換することができず冷却損失が生じるという問題がある。

そこで、本実施形態では、インジェクタ３３より燃焼室１７内に供給された噴射燃料がシリンダ壁面に到達する前にその燃焼を終了するように、前段噴射及び後段噴射の噴射量や噴射時期等を制御するようにしている。具体的には、エンジン制御器１００は、インジェクタ３３により燃焼室１７内に噴射された燃料のペネトレーションを、燃料噴霧がシリンダ１１の壁面（周壁面）まで届かないような大きさに抑えるように、前段噴射及び後段噴射の噴射量及び噴射時期を制御する。これにより、前段及び後段噴射燃料の燃焼時（以下、前段燃焼時及び後段燃焼時という）の双方において、燃焼室１７の中心部の燃焼ガス層とシリンダ壁面との間に空気断熱層５０を形成することができる（図４参照）。したがって、燃焼ガス層の断熱化を図って冷却損失を低減することが可能となる。

そうして、前段燃焼時及び後段燃焼時に空気断熱層５０を形成した場合、空気断熱層５０を形成しない場合に比べて、燃焼時に使用可能な空気量が減少するので燃焼室１７内に過濃混合気部分が生じる（エミッションが悪化する）ように思える。しかし、本実施形態では、上述のように燃料噴射を前段噴射と後段噴射との２回に分けるようにしているため、１回の噴射（前段噴射又は後段噴射）により燃焼室１７内に供給される燃料量は、燃料を一括噴射する場合に比べて少なく、したがって、燃焼室１７内に過濃混合気部分を生じさせることなく、その当量比を極力低く抑えて、エミッションの向上を図ることができる。

本実施形態では、エンジン制御器１００は、前段噴射及び後段噴射をそれぞれ、燃焼室１７内の燃料空気混合気の当量比が０．２〜０．５になるように実行する。これにより、ＮＯｘ、ＣＯ及びＨＣの３つ全ての排出量を同時に低減することができる。

また、本実施形態では、エミッションのさらなる低減を図るために、インジェクタ３３による前段噴射時期及び後段噴射時期をそれぞれ、燃焼室１７内の順スキッシュ流及び逆スキッシュ流の発生時期に対応させるようにしている。ここで、順スキッシュ流とは、図２（ａ）に太矢印で示すように、圧縮行程末期に、ピストン１５の冠面の周縁部とシリンダヘッド１３の下面との間で圧縮されたガス流体が、シリンダ径方向内側に向かって下方に押し出されることによって生じる流れであり、逆スキッシュ流とは、図２（ｂ）に太矢印で示すように、圧縮上死点から膨張行程に移行する際に、ピストン冠面の周縁部とシリンダヘッド１３の下面との間に生じる隙間（負圧空間）にガス流体が引き込まれることで生じる流れであって、その向きは順スキッシュ流とは逆向き（上方に向かってシリンダ径方向外側）になる。

図３は、クランク角の変化に対する順スキッシュ流及び逆スキッシュ流の強さの変化を示す概略のグラフであり、縦軸よりも左側に描かれた曲線が順スキッシュ流の強さの変化を表しており、縦軸よりも右側に描かれた曲線が逆スキッシュ流の強さの変化を表している。図３中に矢印で示すように、エンジン制御器１００は、インジェクタ３３による前段噴射の実行時期を、順スキッシュ流の強さが最大になる時期よりも７°〜１０°進角した時期（直前）に制御するとともに、後段噴射の実行時期を、逆スキッシュ流の強さが最大になる時期よりも７°〜１０°進角した時期（直前）に制御する。

これにより、前段噴射燃料は、図４（ａ）に示すように、順スキッシュ流による慣性を受けて、噴射広がり角（コーン角）αを狭めながら（噴射燃料の進行方向をシリンダ軸心方向に近づけながら）斜め下方へと突き進む。また、後段噴射燃料は、図４（ｂ）に示すように、逆スキッシュ流による慣性を受けて、噴射広がり角αを拡げながら斜め下方へと突き進む。

こうして、前段噴射及び後段噴射された燃料は、噴射広がり角αを変化させながら周りの空気を取り込んで拡散燃焼するので、スキッシュ流を利用しない場合に比べて、前段燃焼時及び後段燃焼時における空気利用率を格段に向上させることができる。延いては、前段噴射燃料及び後段噴射燃料を、当量比が０．２〜０．５となる比較的リーンな状態で燃焼させることが可能となり、これにより、エミッションの向上を図ることができる。

ここで、順スキッシュ流を利用した前段噴射時には、噴射広がり角αが最小になって、逆スキッシュ流を利用した後段噴射時に比べて、噴射燃料の進行方向が下側（つまりピストン１５の冠面側）を向く。このため、インジェクタ３３からの噴射燃料がピストン１５の冠面に到達し易くなり、この結果、燃焼時の冷却損失が増加するという問題がある。

そこで、本実施形態では、図１に示すように、ピストン１５の冠面にキャビティ１５ａを形成して、噴射燃料をキャビティ１５ａ内に指向させるようにした。これにより、噴射燃料の噴射広がり角αが最大になる場合は勿論のこと最小になる場合にも、ピストン１５の冠面に噴射燃料が到達するのを防止することができる。本実施形態では、このキャビティ１５ａは、シリンダ軸心に沿った任意の断面で見て略ω状をなしていて、ピストン１５の軸心方向から見て環状をなしている。

次に、エンジン負荷が所定閾値Ｌ１未満となる低負荷運転領域Ｑ（図５参照）における燃料噴射制御について説明する。この低負荷運転領域Ｑにおいては、エンジン１の要求負荷が小さいため、１エンジンサイクル当たりの目標燃料噴射量も少ない。よって、燃料を一括噴射したとしても、燃焼室１７内に過濃混合気部分が生じることはなく、したがって、エミッションが悪化することもない。

本実施形態では、エンジン制御器１００は、エンジン負荷が所定閾値Ｌ１未満となる低負荷運転領域Ｑにおいては（過濃混合気部分が生じない程に目標噴射量が少ない運転領域においては）、インジェクタ３３により前段噴射（圧縮行程での噴射）のみを実行して後段噴射（膨張行程での噴射）を禁止するように構成されている。このように、低負荷運転領域Ｑにおいては、燃料を圧縮行程で一括噴射することで、膨張行程噴射を併用する場合に比べて、噴射燃料をピストンが上死点から下死点に向かう膨張行程よりも前で燃焼させることができ、これにより、高い熱効率を得ることができる。

上記エンジン制御器１００による燃料噴射制御は、図５に示す制御マップに基づいて実行される。同図に示すように、エンジン負荷が所定閾値Ｌ１未満の低負荷運転領域Ｑにおいては、インジェクタ３３による燃料噴射は、圧縮行程での一括噴射（前段噴射のみ）とされる。この燃料噴射量は、エンジン１の要求負荷の増加に伴って増加するが、本実施形態では、燃料噴射量に上限値Ｉmaxを設定するようにしている。この上限値Ｉmaxは、空気断熱層５０を形成することができ且つ燃料空気混合気の当量比を０．２〜０．５に抑えることができる燃料噴射量の最大値である。本実施形態では、エンジン１の要求負荷が所定閾値Ｌ１に達すると、インジェクタ３３による前段噴射の噴射量が上限値Ｉmaxに達する。

エンジン１の要求負荷が所定閾値Ｌ１を上回る中高負荷運転領域Ｒに移行すると、前段噴射のみでは要求負荷を賄えなくなるため、前段噴射に加えて後段噴射を開始する。エンジン１の要求負荷が所定閾値を上回る中高負荷運転領域Ｒにおいては、エンジン負荷の増加に対して、前段噴射の噴射量を上限値Ｉmaxに維持したまま、後段噴射の噴射量を増加させることで対応する。

すなわち、本実施形態に係る燃料噴射量制御は、エンジン１の要求負荷の増加に対しては基本的に前段噴射の噴射量を増加させることで対応するが、エンジン１の要求負荷が前段噴射によって賄えないほどに増加した場合には、前段噴射に加えて後段噴射を併用することで、この要求負荷の増加に対応しようとするものである。

このような燃料噴射量制御を行った場合、中高負荷運転領域Ｒのうち低負荷側の第１運転領域ｒ１においては、前段噴射の噴射量の方が後段噴射の噴射量よりも多くなるが（図６（ａ）参照）、エンジン１の要求負荷が増加するにしたがって、後段噴射の噴射量が次第に増加し、高負荷側の第２運転領域ｒ２においては、後段噴射の噴射量の方が前段噴射の噴射量よりも多くなる（図６（ｂ）参照）。

上記第１運転領域ｒ１においては、前段噴射の噴射量よりも後段噴射の噴射量が少ないので、後段燃焼時にも、前段燃焼時と同様に空気断熱層５０を維持することができる。また、後段噴射された燃料は、前段燃焼により生じた既燃ガス中を突き進みながら拡散燃焼するが、前段燃焼がリーン燃焼（当量比０.２〜０．５）であるためこの既燃ガス中にも空気が幾分か残っており、このため、後段燃焼時においてもこの空気を利用して燃料を十分に燃焼させることができる。また、前段燃焼後の既燃ガスのＥＧＲ効果により、後段燃焼時の燃焼温度を下げてＮＯｘの低減を図ることができ、エミッションの向上を図ることができる。

一方、上記第２運転領域ｒ２においては、後段噴射の噴射量が前段噴射の噴射量よりも多いので、後段噴射された燃料の噴射到達距離は、前段噴射された燃料の噴射到達距離に比べて長くなる。したがって、後段噴射された燃料の噴霧先端は、前段噴射時に燃料が到達することができなかった領域、つまり前段燃焼時に燃焼ガスとシリンダ壁面との間に形成された空気断熱層５０領域にまで達する。このため、後段燃焼時には、前段燃焼後の既燃ガス中に残った空気に加えて、空気断熱層５０内の一部（空気断熱層の内周側の一部）の空気を利用して燃料を十分に燃焼させることができる。そうして、噴射燃料の燃焼反応が十分に促進されることと、上述した前段燃焼後の既燃ガスによるＥＧＲ効果とが相俟って、エミッションの向上を図ることができる。また、該第２運転領域ｒ２においては、例えば前段噴射を単なる火種形成用の少量噴射とした場合と比較すると、前段噴射の噴射量が格段に多い分だけ後段噴射の噴射量を低減することができる。これにより、後段噴射燃料の到達距離を低減して、後段燃焼時にも燃焼ガスとシリンダ壁面との間に十分な空気断熱層５０を形成することができる。よって、高出力を得ながらエミッションの向上と冷却損失の低減との両立を図ることが可能となる。

（他の実施形態）
本発明の構成は、上記実施形態に限定されるものではなく、それ以外の種々の構成を包含するものである。すなわち、上記実施形態では、エンジン１は、火花着火モードと圧縮自己着火モードとを備えているが、これに限ったものではなく、火花着火のみを行うエンジンであってもよいし、圧縮自己着火のみを行うエンジンであってもよい。すなわち、噴射燃料の着火形態は、自己着火であってもよいし火花着火であってもよい。

上記実施形態では、燃焼室１７の天井面をペントルーフ状に形成した例を示したが、これに限ったものではなく、例えばコーンルーフ状に形成するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、インジェクタ３３による前段噴射の実行時期を、順スキッシュ流の強さが最大になる時期に対して進角させるようにしているが、同時に設定してもよい。また、上記実施形態では、インジェクタ３３による後段噴射の実行時期を、逆スキッシュ流の強さが最大になる時期よりも進角させるようにしているが、同時に設定してもよい。

また、前段噴射及び後段噴射の時期を、必ずしも順スキッシュ流及び逆スキッシュ流の強さが最大となる時期に対応させる必要はない。

また、上記実施形態では、インジェクタ３３のノズル口から燃焼室１７内に向けて燃料をコーン状（詳しくはホローコーン状）に噴射するようにしているが、これに限ったものではなく、例えば、燃料を放射状に噴射するようにしてもよい。すなわち、燃焼室１７の中心部に配設されたインジェクタ３３の先端部からシリンダ径方向の外側に向かって燃料を噴射するものであれば、どのようなインジェクタ３３を採用してもよい。

本発明は、シリンダ壁面とピストンの冠面とシリンダヘッドの下面とに囲まれた燃焼室の上部の中心部に配置される燃料噴射弁の先端部から、シリンダ径方向の外側に向かって燃料を噴射するとともに、該噴射した燃料を火花着火又は自己着火により燃焼させる内燃機関、及び該内燃機関の制御方法に有用であり、特に、目標燃料噴射量が多くなる中高負荷運転領域において有用である。

１ エンジン（内燃機関）
ｒ１ 第１運転領域（低負荷側の運転領域）
ｒ２ 第２運転領域（高負荷側の運転領域）
１１ シリンダ
１３ シリンダヘッド
１５ ピストン
１５ａ キャビティ
１７ 燃焼室
３３ インジェクタ（燃料噴射弁）
１００ エンジン制御器（噴射弁制御手段）

Claims (11)

1. シリンダ壁面とピストンの冠面とシリンダヘッドの下面とに囲まれた燃焼室の上部の中心部に配置される燃料噴射弁の先端部から、シリンダ径方向の外側に向かって燃料を噴射するとともに、該噴射した燃料を火花着火又は自己着火により燃焼させる内燃機関の制御方法であって、
   圧縮行程にて上記燃料噴射弁より燃料を噴射する前段噴射工程と、
   膨張行程にて上記燃料噴射弁より燃料を噴射する後段噴射工程と、を備え、
   上記前段噴射工程及び上記後段噴射工程は、該各工程にて上記燃料噴射弁より噴射される燃料がシリンダ壁面に到達する前にその燃焼を終了するように、上記燃料噴射弁により燃料噴射を実行させる工程であることを特徴とする内燃機関の制御方法。
2. 請求項１記載の内燃機関の制御方法において、
   上記前段噴射工程における燃料噴射時期は、圧縮行程末期に燃焼室内に生じる順スキッシュ流の強さが最大になる時期と同じか又はその直前であることを特徴とする内燃機関の制御方法。
3. 請求項１又は２記載の内燃機関の制御方法において、
   上記後段噴射工程における燃料噴射時期は、圧縮上死点から膨張行程に移行する際に燃焼室内に生じる逆スキッシュ流の強さが最大になる時期と同じか又はその直前であることを特徴とする内燃機関の制御方法。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の内燃機関の制御方法において、
   上記内燃機関の負荷が所定閾値以上となる運転領域においては、上記前段噴射工程及び上記後段噴射工程の実行を許容する一方、上記内燃機関の負荷が上記所定閾値未満となる運転領域においては、上記前段噴射工程の実行を許容するものの上記後段噴射工程の実行を禁止する禁止工程をさらに備えていることを特徴とする内燃機関の制御方法。
5. 請求項４記載の内燃機関の制御方法において、
   上記前段噴射工程及び後段噴射工程は、上記内燃機関の負荷が上記所定閾値以上となる運転領域のうち低負荷側の運転領域においては、後段噴射工程における燃料の噴射量が前段噴射工程における燃料の噴射量よりも少なくなるように、上記燃料噴射弁による燃料噴射量を制御する一方、上記内燃機関の負荷が上記所定閾値以上となる運転領域のうち高負荷側の運転領域においては、後段噴射工程における燃料の噴射量が前段噴射工程における燃料の噴射量よりも多くなるように、上記燃料噴射弁による燃料噴射量を制御する工程であることを特徴とする内燃機関の制御方法。
6. シリンダ壁面とピストンの冠面とシリンダヘッドの下面とに囲まれた燃焼室と、該燃焼室内の上部の中心部に配設され、該中心部からシリンダ径方向の外側に向かって燃料を噴射する燃料噴射弁と、該燃料噴射弁の作動を制御する噴射弁制御手段とを備え、該燃料噴射弁より噴射された燃料を火花着火又は自己着火により燃焼させる内燃機関であって、
   上記噴射弁制御手段は、圧縮行程にて上記燃料噴射弁より燃料を噴射させる前段噴射と、膨張行程にて上記燃料噴射弁より燃料を噴射させる後段噴射とを、該各噴射により燃焼室内に供給される噴射燃料がシリンダ壁面に到達する前にその燃焼を終了するように実行することを特徴とする内燃機関。
7. 請求項６記載の内燃機関において、
   上記噴射弁制御手段は、上記前段噴射の実行時における燃料の噴射時期が、圧縮行程末期に燃焼室内に生じる順スキッシュ流の強さが最大になる時期と同じか又はその直前になるように、上記燃料噴射弁の作動を制御するように構成されていることを特徴とする内燃機関。
8. 請求項６又は７記載の内燃機関において、
   上記噴射弁制御手段は、上記後段噴射の実行時における燃料の噴射時期が、圧縮上死点から膨張行程に移行する際に生じる逆スキッシュ流の強さが最大になる時期と同じか又はその直前になるように、上記燃料噴射弁の作動を制御するように構成されていることを特徴とする内燃機関。
9. 請求項６乃至８のいずれか一項に記載の内燃機関において、
   上記噴射弁制御手段は、上記内燃機関の負荷が所定閾値以上となる運転領域においては、上記前段噴射及び上記後段噴射の双方を実行する一方、上記内燃機関の負荷が上記所定閾値未満となる運転領域においては、上記前段噴射のみを実行して上記後段噴射の実行を禁止するように構成されていることを特徴とする内燃機関。
10. 請求項９記載の内燃機関において、
    上記噴射弁制御手段は、上記内燃機関の負荷が上記所定閾値以上となる運転領域のうち低負荷側の運転領域においては、後段噴射による燃料噴射量が前段噴射による燃料噴射量よりも少なくなるように、上記燃料噴射弁による燃料噴射量を制御する一方、上記内燃機関の負荷が上記所定閾値以上となる運転領域のうち高負荷側の運転領域においては、後段噴射による燃料噴射量が前段噴射による燃料噴射量よりも多くなるように、上記燃料噴射弁による燃料噴射量を制御するように構成されていることを特徴とする内燃機関。
11. 請求項６乃至１０のいずれか一項に記載の内燃機関において、
    上記燃焼室の底面を形成するピストンの冠面には、シリンダ軸心に沿った断面で見て略ω状をなすキャビティが形成されており、
    上記キャビティは、上記燃料噴射弁より噴射された噴射燃料が該キャビティ内に指向するように形成されていることを特徴とする内燃機関。

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