JP2019157647A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮自着火式の内燃機関において、燃料の予混合を促進してスモークの発生を抑制することのできる内燃機関を提供する。【解決手段】内燃機関は、燃料を噴射する噴孔が内燃機関のシリンダヘッドから燃焼室へ露出するように設けられた燃料噴射ノズルと、入口及び出口が燃焼室に露出した中空のダクトと、を備えている。ダクトは、燃料噴射ノズルの噴孔から噴射された燃料噴霧が入口から出口へ通過するように設けられている。そして、燃料噴射ノズル及びダクトは、メイン噴射の前に行われるパイロット噴射において噴射された燃料噴霧の一部が、ダクトの内壁面に直接付着するように構成されている。【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関に関し、詳しくは、圧縮された燃焼室に燃料を直接噴射することにより燃焼を行う圧縮自着火式の内燃機関に関する。

従来、例えば特許文献１には、圧縮自着火式の内燃機関において、燃料と充填空気との燃焼室での予混合を促進するための技術が開示されている。この技術では、燃焼室に露出する燃料噴射装置の先端部の開口部に近接して、中空管で構成されたダクトが設けられている。開口部から噴射された燃料は、この中空管を通して燃焼室へと噴射される。中空管の内部では、噴射された燃料が通過する過程で充填空気との予混合が促進される。これにより、燃焼室において過濃な燃料の分布が低減されるので、スモークの発生が低減される。

特表２０１７−５３０２９８号公報

しかしながら、上記の従来の技術では、ダクトが燃焼室に宙吊りの状態で配置されている。このような構成では、燃焼室での燃焼が継続して行われた場合に、ダクトの過熱が進むおそれがある。この場合、ダクトを通過する過程で燃料の蒸発が促進されてしまい、充填空気との予混合が進む前に燃焼が誘発されてしまうおそれがある。

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、圧縮自着火式の内燃機関において、燃料の予混合を促進してスモークの発生を抑制することのできる内燃機関を提供することを目的とする。

第１の発明は、上記の目的を達成するため、圧縮された燃焼室に燃料を噴射することにより燃焼を行う圧縮自着火式の内燃機関を対象としている。内燃機関は、燃料を噴射する噴孔が内燃機関のシリンダヘッドから燃焼室へ露出するように設けられた燃料噴射ノズルと、入口及び出口が燃焼室に露出した中空のダクトと、を備えている。ダクトは、燃料噴射ノズルの噴孔から噴射された燃料噴霧が入口から出口へ通過するように設けられている。そして、燃料噴射ノズル及びダクトは、メイン噴射の前に行われるパイロット噴射において噴孔から噴射された燃料噴霧の一部がダクトの内壁面に直接付着するように構成されている。

第２の発明は、第１の発明において、更に以下の特徴を有する。
燃料噴射ノズルは、噴孔から噴射される燃料噴霧の噴霧角を調整可能に構成されている。燃料噴射ノズルは、パイロット噴射において噴孔から噴射された燃料噴霧の一部がダクトの内壁面に直接付着するような噴霧角に調整されている。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、更に以下の特徴を有する。
内燃機関は、パイロット噴射においてダクトに直接付着する燃料付着量を調整する制御装置を更に備えている。制御装置は、ダクトの温度の指標となる指標値を取得し、指標値がダクトの温度の高温領域に対応する領域に属する場合には、低温領域に対応する領域に属する場合に比べて、燃料付着量を増量するように構成されている。

第４の発明は、第３の発明において、更に以下の特徴を有する。
燃料噴射ノズルは、先端部に噴孔を有するボディと、ボディの内部を軸方向に移動可能に収容されたニードル弁と、ニードル弁の着座位置からのリフト量を調整するアクチュエータと、を含んで構成されている。燃料噴射ノズルは、ニードル弁の着座位置からのリフト量が小さいほど、噴孔からの燃料噴射の噴射角が拡大するように構成されている。そして、制御装置は、指標値に応じてアクチュエータを操作するように構成されている。

第５の発明は、第４の発明において、更に以下の特徴を有する。
制御装置は、指標値がダクトの温度の高温領域に対応する領域に属する場合には、低温領域に対応する領域に属する場合に比べて、パイロット噴射におけるリフト量の最大値を下げるようにアクチュエータを操作する。

第６の発明は、第４の発明において、更に以下の特徴を有する。
制御装置は、指標値がダクトの温度の高温領域に対応する領域に属する場合には、低温領域に対応する領域に属する場合に比べて、パイロット噴射におけるリフト量の最大値までの上昇速度又は最大値からの下降速度を下げるようにアクチュエータを操作する。

第７の発明は、第４の発明において、更に以下の特徴を有する。
制御装置は、指標値がダクトの温度の高温領域に対応する領域に属する場合には、低温領域に対応する領域に属する場合に比べて、パイロット噴射におけるリフト量の最大値の期間を短くするとともにパイロット噴射の回数を増やすようにアクチュエータを操作する。

第１の発明によれば、パイロット噴射において燃焼室内に噴射された燃料噴霧の一部は、シリンダヘッドの内部に設けられたダクトの内壁面に直接付着する。ダクトは、付着した燃料の潜熱によって冷却される。これにより、ダクトの過熱が抑えられるため、その後のメイン噴射において噴射される燃料噴霧は、ダクトを通過する過程で有効に冷却される。これにより、燃料噴霧が自着火することを抑えながら充填空気との予混合が進められるので、過濃な燃料が燃焼することを防ぐことができる。これにより、スモークの低減、及び後燃え期間の短縮による熱効率の向上を図ることができる。

第２の発明によれば、パイロット噴射において燃料噴霧の一部がダクトの内壁面に直接付着するように、燃料噴射ノズルの噴霧角を調整することができる。これにより、簡易な構成でダクトの過熱を防ぐことが可能となる。

第３の発明によれば、ダクトの温度が高い場合には、低い場合に比べてパイロット噴射においてダクトの内壁面に直接付着する燃料付着量が増量される。これにより、ダクトの温度が高いほど潜熱による冷却度合を高めることができるので、ダクトの冷却の最適化を図ることができる。

第４の発明によれば、パイロット噴射において燃料噴射ノズルのニードルのリフト量を調整することにより、燃料噴霧の噴霧角を調整することができる。このため、本発明によれば、ダクトの温度の指標値に応じてリフト量を調整することにより、パイロット噴射においてダクトの内壁面に直接付着する燃料付着量を調整することが可能となる。

第５の発明によれば、ダクトの温度が高い場合には低い場合よりもパイロット噴射でのニードルのリフト量の最大値が小さくされる。これにより、ダクトの温度が高いほど噴霧角を拡大させることができるので、潜熱を利用したダクトの冷却の最適化を図ることができる。

第６の発明によれば、ダクトの温度が高い場合には低い場合よりもパイロット噴射でのニードルのリフト量の最大値までの上昇速度又は最大値からの下降速度が小さくされる。これにより、ダクトの温度が高いほどパイロット噴射において噴霧角が大きい期間を増やすことができるので、潜熱を利用したダクトの冷却の最適化を図ることができる。

第７の発明によれば、ダクトの温度が高い場合には低い場合よりもパイロット噴射の回数が増やされる。これにより、ダクトの温度が高いほどパイロット噴射において噴霧角が大きい期間を増やすことができるので、潜熱を利用したダクトの冷却の最適化を図ることができる。

実施の形態１に係る内燃機関の燃焼室の内部構造を下面側から模式的に透視した図である。 図１中の内燃機関をＡ−Ａ線で切断して内部構造を側面側から模式的に透視した図である。 ニードル弁のリフト量と噴霧角との関係を説明するための図である。 実施の形態１のエンジンが備える制御装置の概略構成を示す図である。 ダクト温度とパイロット噴射でのリフト量との関係を示す図である。 高リフト時のパイロット噴射の燃料噴霧とダクトとの関係を説明するための模式図である。 低リフト時のパイロット噴射の燃料噴霧とダクトとの関係を説明するための模式図である。 実施の形態１のエンジンにおいて実行される制御ルーチンを示すフローチャートである。 クランク角度に対するニードル弁のリフト量の関係を示す図である。 実施の形態１のエンジンで採用されるパイロット噴射の変形例を説明するための図である。 実施の形態１のエンジンで採用されるパイロット噴射の他の変形例を説明するための図である。 実施の形態２のエンジンにおいて実行される制御ルーチンを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

実施の形態１．
実施の形態１について図を参照して説明する。

［実施の形態１の構成］
図１は、実施の形態１に係る内燃機関の燃焼室の内部構造を下面側から模式的に透視した図である。また、図２は、図１中の内燃機関をＡ−Ａ線で切断して内部構造を側面側から模式的に透視した図である。実施の形態１の内燃機関２は、複数気筒を備えた圧縮自着火式の内燃機関（以下、単に「エンジン」と称する）である。なお、図１及び図２では、エンジン２が備える複数の気筒のうちの１つの気筒の内部構造を示している。

図１及び図２に示すように、エンジン２は、シリンダヘッド４とシリンダブロック６とを備えている。シリンダブロック６にはシリンダボア６２が形成されている。図示しないピストンは、シリンダボア６２の内部に配置されている。シリンダヘッド４、シリンダボア６２及びピストンの頂面で囲まれた空間には、燃焼室８が形成されている。

燃焼室８を形成するシリンダヘッド４の天面部４２には、吸気バルブ１２及び排気バルブ１４が、それぞれ２つずつ配置されている。天面部４２の中央には、燃料噴射ノズル１６が配置されている。より詳しくは、天面部４２の中央には、気筒中心軸線Ｌ１を中心軸として、燃料噴射ノズル１６を固定するための取付穴４６が貫通している。燃料噴射ノズル１６は、先端に設けられた噴孔１６４が燃焼室８内へ露出するように取付穴４６に固定される。

燃料噴射ノズル１６は、燃焼室８内に直接燃料を噴射するためのものである。実施の形態１の燃料噴射ノズル１６には、シリンダボア６２に向かって均等に放射状に噴射される８つの噴孔１６４が設けられている。また、それぞれの噴孔１６４は、燃料の噴射方向を示す噴孔軸線Ｌ２と気筒中心軸線Ｌ１との成す角θ１が、例えば４５°から９０°の範囲になるように構成されている。なお、燃料噴射ノズル１６の内部構造については詳細を後述する。

実施の形態１のエンジン２は、その特徴的な構成として、ダクト２０が形成されたダクト支持体４８を備えている。ダクト支持体４８は、燃料噴射ノズル１６の噴孔１６４の周囲を囲むように凸状に構成された環状の部材である。ダクト支持体４８は、シリンダヘッド４の天面部４２に密着するように、４つのボルト４４によって固定されている。

ダクト２０は、ダクト支持体４８の内周側に設けられた入口２０２から外周側に設けられた出口２０４に向かってダクト支持体４８の内部を貫通する直線の中空管によって構成されている。なお、ダクト２０は、中空管の中心軸線が噴孔軸線Ｌ２と一致する位置になるように構成されている。実施の形態１のエンジン２では、８つの噴孔１６４の噴孔軸線Ｌ２に対してそれぞれダクト２０が設けられている。

次に、燃料噴射ノズル１６の内部構造について説明する。燃料噴射ノズル１６は、ボディ１６１とニードル弁１６２とを備えている。ボディ１６１は、ニードル弁１６２を往復移動可能に収容する有底円筒形状を有している。ボディ１６１は、サック部１６３、複数の噴孔１６４、シート部１６５および燃料供給流路１６６を有している。燃料供給流路１６６には、図示しないコモンレール内の燃料が流入する。シート部１６５は、先端側に向かって内径が縮径する円錐面を有している。サック部１６３は、半球面状に形成され、シート部１６５の下流端と接続している。複数の噴孔１６４は、ボディ１６１の先端に設けられており、サック部１６３と外部とを連通している。

ニードル弁１６２は、ボディ１６１の内周に収容される。ニードル弁１６２は、ボディ１６１の軸方向に往復移動することで、噴孔１６４を通じた燃料の噴射を開始させたり停止させたりする。ニードル弁１６２は、先端部１６７と本体部１６８を有している。先端部１６７は、円錐状に形成され、シート部１６５に着座可能に構成されている。本体部１６８は、先端部１６７よりも軸方向後端側の部分であり、燃料供給流路１６６の入口側からシート部１６５にかけて軸方向に沿って延伸している。

ボディ１６１には、シート部１６５から離座させる側にニードル弁１６２を駆動するアクチュエータ１６９（図示せず）が接続されている。アクチュエータとしては、例えばソレノイドアクチュエータやピエゾアクチュエータが用いられる。

燃料噴射ノズル１６は、リターンスプリング（図示せず）の付勢力によってニードル弁１６２が軸方向の先端側に移動すると、先端部１６７がシート部１６５に着座する。このときのニードル弁１６２の位置を「着座位置」と称する。ニードル弁１６２が着座位置にあるときには、燃料供給流路１６６が遮断されるので、噴孔１６４から燃焼室８内への燃料噴射が停止される。一方、燃料噴射ノズル１６は、アクチュエータ１６９による駆動によってニードル弁１６２が着座位置から軸方向の後端側に移動すると、先端部１６７がシート部１６５から離座する。このときのニードル弁１６２の着座位置からの移動量を、ニードル弁１６２の「リフト量」と称する。先端部１６７がシート部１６５から離座している期間は、燃料供給流路１６６が開放される。これにより、燃料供給流路１６６からサック部１６３へと流れた燃料が、噴孔１６４から燃焼室８内へ噴射される。

ここで、図２に示すように、噴孔１６４から噴射された燃料は円錐状の燃料噴霧となる。このときの燃料噴霧の広がり角度θ２を「噴霧角」と称する。燃料噴射ノズル１６は、アクチュエータ１６９によってニードル弁のリフト量を調整することにより噴霧角を調整可能に構成されている。図３は、ニードル弁のリフト量と噴霧角との関係を説明するための図である。この図に示すように、ニードル弁１６２のリフト量が小さい低リフト時には、シート部１６５においてキャビテーションが発生する。このため、ニードル弁１６２の低リフト時には、ニードル弁１６２のリフト量が大きい高リフト時よりも噴霧角が広がる。また、ニードル弁１６２の低リフト時には、高リフト時よりも噴射量が少量となる。

以上のように構成されるエンジン２は、制御装置１００によって制御される。図４は、実施の形態１のエンジンが備える制御装置の概略構成を示す図である。制御装置１００はＥＣＵ(Electronic Control Unit)である。ＥＣＵ１００の処理回路は、少なくとも入出力インタフェース１０２と少なくとも１つのメモリ１０４と少なくとも１つのＣＰＵ（プロセッサ）１０６とを備えている。入出力インタフェース１０２は、エンジンに取り付けられた各種センサからセンサ信号を取り込むとともに、内燃機関が備えるアクチュエータに対して操作信号を出力するために設けられている。ＥＣＵ１００が信号を取り込むセンサには、吸気通路に取り込まれた新気の流量を計測するためのエアフローメータ５０、クランク軸の回転角度を検出するクランク角センサ５２、アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルポジションセンサ５４等、エンジンの制御に必要な各種のセンサが含まれる。ＥＣＵ１００が操作信号を出すアクチュエータには、上述したアクチュエータ１６９等の各種アクチュエータが含まれる。メモリ１０４には、内燃機関を制御するための各種の制御プログラム、マップ等が記憶されている。ＣＰＵ（プロセッサ）１０６は、制御プログラム等をメモリから読み出して実行し、取り込んだセンサ信号に基づいて操作信号を生成する。

なお、制御装置１００の各機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアおよびファームウェアの少なくとも一方は、プログラムとして記述される。ソフトウェアおよびファームウェアの少なくとも一方は、少なくとも１つのメモリ１０４に格納される。少なくとも１つのプロセッサ１０６は、少なくとも１つのメモリ１０４に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、制御装置１００の各機能を実現する。少なくとも１つのプロセッサ１０６は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）ともいう。例えば、少なくとも１つのメモリ１０４は、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＥＥＰＲＯＭ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ Ｅｒａｓａｂｌｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｒｅａｄ−Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）等の、不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク等である。

また、制御装置１００の処理回路が少なくとも１つの専用のハードウェアを備える場合、処理回路は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）、またはこれらを組み合わせたものである。制御装置１００の各部の機能がそれぞれ処理回路で実現されても良い。また、制御装置１００の各部の機能がまとめて処理回路で実現されても良い。

また、制御装置１００の各機能について、一部を専用のハードウェアで実現し、他の一部をソフトウェアまたはファームウェアで実現してもよい。このように、処理回路は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの組み合わせによって、制御装置１００の各機能を実現する。

［実施の形態１の動作］
圧縮自着火式のエンジン２では、燃焼室８内に充填された空気が圧縮された状態で、燃料噴射ノズル１６から燃料が噴射される。噴射された燃料噴霧は、充填空気と混合されて燃料濃度の均質化が進められた後、自着火による燃焼が行われることが好ましい。しかしながら、例えば、ダクト２０を備えていない構成では、燃料噴射ノズル１６から噴射された燃料噴霧が、燃焼室８の熱を受けて逸早く過熱し、充填空気と十分に混合される前に自着火してしまうおそれがある。この場合、過濃燃料が燃焼することによるスモークの発生や、後燃え期間が長期化することによる熱効率の低下が問題となる。

実施の形態１のエンジン２では、上記の問題を解決する手段として、燃焼室８内にダクト２０を設けることとしている。燃料噴射ノズル１６から噴射された燃料噴霧は、入口２０２からダクト２０の内部へと導入される。また、ダクト２０の入口２０２は燃焼室８内に露出しているため、燃焼室８内の新気もまた、ダクト２０の内部へと導かれる。ダクト２０の内部は、燃焼室８の熱の影響を直接的に受け難い。このため、ダクト２０に噴射された燃料噴霧は、冷却されながら充填空気との混合が進められるので、早期に自着火することなく燃料濃度の均質化が進められる。ダクト２０の出口２０４から噴射された混合気は、燃焼室８の熱を受けて自着火して燃焼する。

このように、実施の形態１のエンジン２によれば、噴射された燃料噴霧がダクト２０を通過する過程で、自着火を抑制しながら燃料噴霧と充填空気との予混合を促進することができる。これにより、均質化される前の過濃燃料が自着火することによるスモークの発生を抑制することが可能となる。また、実施の形態１のエンジン２によれば、ダクト２０を通過する間の自着火が抑制されるため、自着火時期を遅らせることができる。これにより、後燃え期間が短縮されるので、熱効率の向上を図ることができる。

ここで、本出願の発明者は、上述のダクト２０についての以下の課題を認識した。それは、エンジン２の高負荷運転が継続されると、ダクト２０自体の温度であるダクト温度が高温になり、ダクト２０を通過する燃料噴霧の冷却効果が減るということである。その結果、自着火を抑制しながら燃料噴霧と充填空気との予混合を促進することができず、スモークの発生を抑制する効果が低下してしまう。

そこで、本出願の発明者は、パイロット噴射での噴射形態に着目した。なお、パイロット噴射とは、エンジントルクを引き出すメイン噴射に先立って行われる微量の燃料噴射である。パイロット噴射は、メイン噴射との間に未噴射期間を挟む形態でもよいし、またパイロット噴射とメイン噴射とが連続して行われる形態でもよい。パイロット噴射が行われると、予混合燃焼比率を減少させることができるので、着火遅れ期間を短縮して騒音を低減することができる。

本実施の形態のエンジン２では、このパイロット噴射において噴射された燃料噴霧を、ダクト２０の内壁面に直接付着させる構成を採用している。図５は、ダクト温度とパイロット噴射でのリフト量との関係を示す図である。図６は、高リフト時のパイロット噴射の燃料噴霧とダクトとの関係を説明するための模式図である。また、図７は、低リフト時のパイロット噴射の燃料噴霧とダクトとの関係を説明するための模式図である。なお、図６及び図７では、エンジン２からダクト２０の部分を抜粋して、その内部を透視した模式図である。

図５に示すように、エンジン２の制御装置１００は、ダクト温度が低い低温領域に属する場合に、ニードル弁１６２のリフト量を高リフト（例えばフルリフト）に制御する。この場合のパイロット噴射は、図６に示すように、燃料噴霧の噴霧角が小さくなり、これに伴いパイロット噴射量は多量となる。このため、パイロット噴射の燃料噴霧は、ダクト２０の内壁に接触せずに、ダクト２０の内部を通過して燃焼室８へと噴射される。

一方、図５に示すように、エンジン２の制御装置１００は、ダクト温度が低温領域よりも高い高温領域に属する場合に、ニードル弁１６２のリフト量を高リフトよりも小さい低リフトに制御する。このような状況は、例えばエンジン２の高負荷運転が継続された場合等が該当する。この場合のパイロット噴射は、図７に示すように、パイロット噴射量が少量に絞られることによって燃料噴霧の噴霧角が大きくなる。このため、パイロット噴射の燃料噴霧の一部は、ダクト２０の内壁面に接触する。ダクト２０の内壁面に付着した燃料は、気化潜熱によってダクト２０の熱を吸収する。これにより、ダクト２０は、メイン噴射の前に冷却される。

このように、パイロット噴射の燃料噴霧の一部をダクト２０の内壁面に付着させると、エンジン２の高負荷運転時であっても、ダクト２０の壁面温度を燃焼室８のガス温度よりも低温に保つことができる。これにより、メイン噴射の燃料噴霧を当該ダクト２０によって冷却することができるので、スモークの低減および熱効率の向上といったダクト２０の効果を継続して得ることができる。

［実施の形態１の具体的処理］
次に、フローチャートを参照して、上述した構成を備える実施の形態１のエンジン２の制御装置１００において実行される制御の具体的処理について説明する。図８は、実施の形態１のエンジンにおいて実行される制御ルーチンを示すフローチャートである。なお、図８に示すルーチンは、エンジン２の運転中に所定の制御周期で制御装置１００によって繰り返し実行される。

図８に示すルーチンでは、先ず、ダクト温度Ｔｄが推定される（ステップＳ２）。ここでは、先ず、ダクト温度Ｔｄを推定するために必要な各種のデータとして、エンジン回転速度、燃料噴射量、吸入空気量等が取得される。次に、ダクト２０への入熱量と放熱量に基づいて、ダクト温度Ｔｄが推定される。具体的には、ダクト２０への入熱量は、例えば、エンジン回転速度、燃料噴射量及び吸入空気量等を用いて推定することができる。また、ダクト２０の放熱量は、ダクト２０への燃料付着量、冷却水流量及び冷却水温度等を用いて推定することができる。入熱量から放熱量を差し引いた偏差が、ダクト２０の保有する熱量となるため、この熱量からダクト温度Ｔｄを推定することができる。

次に、ダクト温度Ｔｄが所定の基準温度Ｔ１よりも大きいか否かが判定される（ステップＳ４）。基準温度Ｔ１は、ダクト２０の過熱による燃料噴霧の冷却不足が問題となるか否かを判定するための閾値であって、予めメモリ１０４に記憶されている値が読み込まれる。その結果、判定の成立が認められた場合には、ダクト温度Ｔｄが基準温度Ｔ１より高温となる高温領域に属すると判断することができる。この場合、ダクト２０の過熱が問題となると判断されて、次のステップへと移行し、パイロット噴射の噴射角が拡大される（ステップＳ６）。

図９は、クランク角度に対するニードル弁のリフト量の関係を示す図である。ステップＳ６の処理では、この図に示すように、パイロット噴射におけるリフト量の最大値が、通常時の高リフトよりも低リフトとなるように、アクチュエータ１６９が操作される。これにより、パイロット噴射の最大リフト時の噴霧角が通常時よりも拡大する。

一方、上記ステップＳ４において判定の成立が認められない場合には、ダクト温度Ｔｄが基準温度Ｔ１以下となる低温領域に属すると判断される。この場合、ダクト２０の過熱による燃料噴霧の冷却不足の問題は生じないと判断されて、リフト量が通常時の高リフトに維持される。

このように、実施の形態１のエンジン２によれば、ダクト温度Ｔｄが過剰に上昇する場合に、パイロット噴射の燃料噴霧の一部をダクト２０に付着させてダクト２０を冷却することができる。これにより、メイン噴射の燃料噴霧を当該ダクト２０によって冷却することができるので、スモークの低減および熱効率の向上といったダクト２０の効果を継続して得ることができる。

［実施の形態１の変形例］
実施の形態１のエンジン２は、以下のように変形した形態を採用してもよい。

ダクト２０の構成は、燃料噴射ノズル１６の噴孔１６４から噴射された燃料噴霧が入口２０２から出口２０４へ通過するように構成されていれば、その形状、本数等に限定はない。例えば、ダクト２０は、シリンダヘッド４の内部に形成されていてもよい。また、円筒形状のダクト２０がシリンダヘッド４の天面部４２に取り付けられている構成でもよい。なお、この変形例は、後述する実施の形態２のエンジン２に対しても適用することができる。

パイロット噴射の噴射角を拡大するための制御は上記の方法に限られない。図１０は、実施の形態１のエンジンで採用されるパイロット噴射の変形例を説明するための図である。この図に示すように、パイロット噴射では、ダクト温度Ｔｄが高温領域に属する場合に、リフト量の最大値までの上昇速度を小さくする、又はリフト量の最大値からの下降速度を小さくすることとしてもよい。このような制御によれば、通常時よりもパイロット噴射の噴射角が拡大されている期間が長くなる。これにより、ダクト２０に付着する燃料付着量が通常時よりも増量されるので、ダクト２０の冷却効果を通常時よりも高めることが可能となる。なお、この変形例は、後述する実施の形態２のエンジン２に対しても適用することができる。

図１１は、実施の形態１のエンジンで採用されるパイロット噴射の他の変形例を説明するための図である。この図に示すように、パイロット噴射では、ダクト温度Ｔｄが高温領域に属する場合に、リフト量の最大値の期間を通常時よりも短縮するとともにパイロット噴射の噴射回数を増やすこととしてもよい。このような制御によれば、通常時よりもパイロット噴射の噴射角が拡大されている期間が長くなる。これにより、ダクト２０に付着する燃料付着量が通常時よりも増量されるので、ダクト２０の冷却効果を通常時よりも高めることが可能となる。なお、この変形例は、後述する実施の形態２のエンジン２に対しても適用することができる。

ダクト温度Ｔｄが高温領域に属する場合のパイロット噴射の総噴射時間は、ダクト温度Ｔｄが低温領域（通常時）に属する場合と同じである必要はない。すなわち、図９から図１１に示すパイロット噴射では、ダクト温度Ｔｄが高温領域に属する場合と低温領域（通常時）に属する場合の総噴射時間が同じ場合を例示している。しかしながら、ダクト温度Ｔｄが高温領域に属する場合の総噴射時間は、ダクト２０の内壁面に付着する総燃料付着量が増量される範囲であれば、通常時よりも短くてもよいし、また通常時よりも長くてもよい。特に、パイロット噴射の噴射量は、噴霧角が拡大されるほど減量される。このため、高温領域に属する場合のパイロット噴射の噴射時間を通常時よりも長くすることとすれば、パイロット噴射における総噴射量が通常時よりも減量されることを抑制しつつ、ダクト２０の内壁面への燃料付着量を増量することができる。なお、この変形例は、後述する実施の形態２のエンジン２に対しても適用することができる。

制御装置１００は、ダクト温度Ｔｄに応じてニードル弁１６２のリフト量を段階的に変化させてもよい。この場合、制御装置１００は、ダクト温度Ｔｄが高いほどリフト量が小さくなるようにアクチュエータ１６９を操作すればよい。これにより、ダクト温度Ｔｄが高いほどダクト２０の内壁面に付着する燃料付着量を増量することができるので、ダクト温度Ｔｄに応じた冷却が可能となる。

パイロット噴射では、ダクト温度Ｔｄに限らず燃料噴霧の一部が常にダクト２０に接触する構成でもよい。このような構成によれば、ダクト２０の冷却を継続して行うことができる。

実施の形態２．
［実施の形態２の特徴］
次に、本発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２のエンジンは、図１に示すハードウェア構成を用いて、制御装置１００に後述する図１２のフローチャートを実行させることにより実現することができる。

実施の形態２のエンジン２では、ダクト温度Ｔｄに替えてエンジン２のエンジン負荷に応じてパイロット噴射の噴霧角を制御する点に特徴を有している。すなわち、１サイクルの噴射量が増えてエンジン負荷が高くなると、燃焼室８内での燃焼温度が上昇する。燃焼温度が上昇すると、ダクト２０への入熱量が増大するため、それに応じてダクト温度Ｔｄが上昇する。つまり、エンジン２の噴射量は、ダクト温度Ｔｄの指標となる指標値として用いることができる。

そこで、実施の形態２のエンジン２の制御装置１００は、噴射量が少量となる低負荷領域に属する場合には、ニードル弁１６２のリフト量を高リフト（例えばフルリフト）に制御する。この場合、パイロット噴射での噴霧角が小さくなるため、燃料噴霧は、ダクト２０の内壁に接触せずに、ダクト２０の内部を通過して燃焼室８へと噴射される。

一方、エンジン２の制御装置１００は、噴射量が低負荷領域よりも多量となる高負荷領域に属する場合には、ニードル弁１６２のリフト量を高リフトよりも小さい低リフトに制御する。この場合、パイロット噴射での噴霧角が大きくなるため、燃料噴霧の一部は、ダクト２０の内壁に接触する。ダクト２０の内壁に付着した燃料は、気化潜熱によってダクト２０の熱を吸収する。これにより、ダクト２０は、メイン噴射の前に冷却される。

このように、実施の形態２のエンジン２では、エンジン２の高負荷運転時であっても、ダクト２０の壁面温度を燃焼室８のガス温度よりも低温に保つことができる。これにより、メイン噴射の燃料噴霧を当該ダクト２０によって冷却することができるので、スモークの低減および熱効率の向上といったダクト２０の効果を継続して得ることができる。

［実施の形態２の具体的処理］
次に、フローチャートを参照して、上述した構成を備える実施の形態２のエンジン２の制御装置１００において実行される制御の具体的処理について説明する。図１２は、実施の形態２のエンジンにおいて実行される制御ルーチンを示すフローチャートである。なお、図１２に示すルーチンは、エンジン２の運転中に所定の制御周期で制御装置１００によって繰り返し実行される。

図１２に示すルーチンでは、先ず、運転条件が取得される（ステップＳ１２）。ここでは、具体的には、１サイクルの噴射量Ｑが取得される。次に、噴射量Ｑが所定の基準噴射量Ｑ１よりも大きいか否かが判定される（ステップＳ１４）。基準噴射量Ｑ１は、ダクト２０の過熱による燃料噴霧の冷却不足が問題となるか否かを判定するための閾値であって、予めメモリ１０４に記憶されている値が読み込まれる。その結果、判定の成立が認められた場合には、噴射量Ｑが基準噴射量Ｑ１より多量となる高負荷領域に属すると判断することができる。この場合、ダクト２０の過熱が問題となると判断されて、次のステップへと移行し、パイロット噴射の噴射角が拡大される（ステップＳ１６）。ここでは、具体的には。図９に示すように、パイロット噴射におけるリフト量の最大値が、通常時の高リフトよりも低リフトとなるように、アクチュエータ１６９が操作される。これにより、パイロット噴射の噴霧角は通常時よりも拡大する。

一方、上記ステップＳ１４において判定の成立が認められない場合には、噴射量Ｑが基準噴射量Ｑ１以下となる低負荷領域に属すると判断することができる。この場合、ダクト２０の過熱による燃料噴霧の冷却不足の問題は生じないと判断されて、リフト量が通常時の高リフトに維持される。

このように、実施の形態２のエンジン２によれば、噴射量Ｑをダクト温度Ｔｄの指標値として用いることにより、過熱しているダクト２０を有効に冷却することができる。これにより、メイン噴射の燃料噴霧を当該ダクト２０によって冷却することができるので、スモークの低減および熱効率の向上といったダクト２０の効果を継続して得ることができる。

［実施の形態２の変形例］
実施の形態１のエンジン２は、以下のように変形した形態を採用してもよい。

ダクト温度Ｔｄの指標値はエンジン２の噴射量Ｑに限られない。すなわち、例えば、制御装置１００は、以下に示す指標値を用いてリフト量を制御するように構成されていてもよい。

エンジン２の冷却水温度又は潤滑油温度が高くなると、ダクト２０からの放熱量が減少するため、それに応じてダクト温度Ｔｄが上昇する。このため、制御装置１００は、冷却水温度又は潤滑油温度をダクト温度Ｔｄの指標値として用いるように構成することができる。この場合、制御装置１００は、冷却水温度又は潤滑油温度がダクト温度Ｔｄの高温領域に対応する領域に属する場合には低リフトに制御し、ダクト温度Ｔｄの低温領域に対応する領域に属する場合には高リフトに制御するように構成すればよい。

また、エンジン２の負荷が高負荷領域に属する場合であっても、それが一時的である場合にはダクト２０が過昇温とならない場合もある。そこで、制御装置１００は、エンジン２の負荷が高負荷領域に属している継続時間をダクト温度Ｔｄの指標値として用いるように構成することができる。この場合、制御装置１００は、継続時間がダクト温度Ｔｄの高温領域に対応する領域に属する場合には低リフトに制御し、ダクト温度Ｔｄの低温領域に対応する領域に属する場合には高リフトに制御するように構成すればよい。

また、エンジン２の吸気温度が高いとダクト２０への入熱量が増大するため、それに応じてダクト温度Ｔｄが上昇する。このため、制御装置１００は、エンジン２の吸気温度をダクト温度Ｔｄの指標値として用いるように構成することができる。この場合、制御装置１００は、外気温度又は吸気マニホールド温度から吸気温度を検出し、検出された吸気温度がダクト温度Ｔｄの高温領域に対応する領域に属する場合には低リフトに制御し、ダクト温度Ｔｄの低温領域に対応する領域に属する場合には高リフトに制御するように構成すればよい。

また、ダクト温度Ｔｄが昇温すると着火遅れ期間が短くなる。このため、制御装置１００は、着火遅れ期間をダクト温度Ｔｄの指標値として用いるように構成することができる。この場合、制御装置１００は、筒内圧センサまたはクランク角センサ５２の検出値から着火遅れ期間を検出し、検出された着火遅れ期間がダクト温度Ｔｄの高温領域に対応する領域に属する場合には低リフトに制御し、ダクト温度Ｔｄの低温領域に対応する領域に属する場合には高リフトに制御するように構成すればよい。

また、排気に含まれるスモークの濃度が高い場合には、ダクト２０が過熱しておりメイン噴射の燃料噴霧を冷却できていないと判断することができる。このため、制御装置１００は、排気のスモーク濃度をダクト温度Ｔｄの指標値として用いるように構成することができる。この場合、制御装置１００は、煤量を検出する煤センサの検出値からスモーク濃度を検出し、検出されたスモーク濃度がダクト温度Ｔｄの高温領域に対応する領域に属する場合には低リフトに制御し、ダクト温度Ｔｄの低温領域に対応する領域に属する場合には高リフトに制御するように構成すればよい。

さらに、エンジン２が搭載された車両の車速が高い状態が継続されている場合には、エンジンの高負荷運転が継続されていると判断することができる。このため、制御装置１００は、車速が高い状態が継続されている時間をダクト温度Ｔｄの指標値として用いるように構成することができる。この場合、制御装置１００は、車速センサから検出された車速が所定の高負荷運転に対応する車速よりも高い継続時間を算出し、当該継続時間がダクト温度Ｔｄの高温領域に対応する領域に属する場合には低リフトに制御し、ダクト温度Ｔｄの低温領域に対応する領域に属する場合には高リフトに制御するように構成すればよい。

２ 内燃機関（エンジン）
４ シリンダヘッド
６ シリンダブロック
８ 燃焼室
１２ 吸気バルブ
１４ 排気バルブ
１６ 燃料噴射ノズル
１６１ ボディ
１６２ ニードル弁
１６３ サック部
１６４ 噴孔
１６５ シート部
１６６ 燃料供給流路
１６７ 先端部
１６８ 本体部
１６９ アクチュエータ
２０ ダクト
２０２ 入口
２０４ 出口
４２ 天面部
４４ ボルト
４６ 取付穴
４８ ダクト支持体
５０ エアフローメータ
５２ クランク角センサ
５４ アクセルポジションセンサ
６２ シリンダボア
１００ 制御装置
１０２ 入出力インタフェース
１０４ メモリ

Claims (7)

1. 圧縮された燃焼室に燃料を噴射することにより燃焼を行う圧縮自着火式の内燃機関において、
   燃料を噴射する噴孔が前記内燃機関のシリンダヘッドから前記燃焼室へ露出するように設けられた燃料噴射ノズルと、
   入口及び出口が前記燃焼室に露出した中空のダクトと、を備え、
   前記ダクトは、前記燃料噴射ノズルの前記噴孔から噴射された燃料噴霧が前記入口から前記出口へ通過するように設けられ、
   前記燃料噴射ノズル及び前記ダクトは、メイン噴射の前に行われるパイロット噴射において前記噴孔から噴射された燃料噴霧の一部が前記ダクトの内壁面に直接付着するように構成されていることを特徴とする内燃機関。
2. 前記燃料噴射ノズルは、前記噴孔から噴射される燃料噴霧の噴霧角を調整可能に構成され、
   前記燃料噴射ノズルは、前記パイロット噴射において前記噴孔から噴射された燃料噴霧の一部が前記ダクトの内壁面に直接付着するような噴霧角に調整されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記パイロット噴射において前記ダクトに直接付着する燃料付着量を調整する制御装置を更に備え、
   前記制御装置は、
   前記ダクトの温度の指標となる指標値を取得し、
   前記指標値が前記ダクトの温度の高温領域に対応する領域に属する場合には、低温領域に対応する領域に属する場合に比べて、前記燃料付着量を増量するように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関。
4. 前記燃料噴射ノズルは、
   先端部に前記噴孔を有するボディと、
   前記ボディの内部を軸方向に移動可能に収容されたニードル弁と、
   前記ニードル弁の着座位置からのリフト量を調整するアクチュエータと、を含んで構成され、
   前記燃料噴射ノズルは、前記ニードル弁の着座位置からのリフト量が小さいほど、前記噴孔からの燃料噴射の噴射角が拡大するように構成され、
   前記制御装置は、前記指標値に応じて前記アクチュエータを操作するように構成されることを特徴とする請求項３に記載の内燃機関。
5. 前記制御装置は、前記指標値が前記ダクトの温度の前記高温領域に対応する領域に属する場合には、前記低温領域に対応する領域に属する場合に比べて、前記パイロット噴射における前記リフト量の最大値を下げるように前記アクチュエータを操作することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関。
6. 前記制御装置は、前記指標値が前記ダクトの温度の前記高温領域に対応する領域に属する場合には、前記低温領域に対応する領域に属する場合に比べて、前記パイロット噴射における前記リフト量の最大値までの上昇速度又は前記最大値からの下降速度を下げるように前記アクチュエータを操作することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関。
7. 前記制御装置は、前記指標値が前記ダクトの温度の前記高温領域に対応する領域に属する場合には、前記低温領域に対応する領域に属する場合に比べて、前記パイロット噴射における前記リフト量の最大値の期間を短くするとともに前記パイロット噴射の回数を増やすように前記アクチュエータを操作することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関。

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