JP2020084848A

JP2020084848A - 副室式ディーゼル機関

Info

Publication number: JP2020084848A
Application number: JP2018217400A
Authority: JP
Inventors: 豪朝井; Takeshi Asai; 銀森田; Gin MORITA; 和也松木; Kazuya MATSUKI
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2018-11-20
Filing date: 2018-11-20
Publication date: 2020-06-04
Also published as: WO2020105355A1; US20220003147A1; EP3885565A1; EP3885565A4

Abstract

【課題】副燃焼室に供給する燃料の着火時期を適切に制御することができる熱効率に優れた副室式ディーゼル機関を提供する。【解決手段】本発明によれば、連絡孔１２によって連通される主燃焼室１４及び副燃焼室１０を備えた副室式ディーゼル機関１において、任意のタイミングで副燃焼室１０に燃料を噴射する電気的に駆動されるインジェクタ２０と、インジェクタ２０の燃料入口に接続される燃料通路管３０と、燃料通路管３０に燃料を供給する燃料ポンプ４１と、機関運転状態を検出する機関運転状態検出手段と、制御手段１００と、を備え、制御手段１００により、吸気行程前半に燃料の予備噴射Ｆｐを実施し、圧縮行程中にメイン噴射Ｆｍを実施し、メイン噴射Ｆｍの後、圧縮上死点近傍で着火制御用噴射Ｆｃを実施する副室式ディーゼル機関１が提供される。【選択図】図１

Description

本発明は、連絡孔によって連通される主燃焼室及び副燃焼室を備えた副室式ディーゼル機関に関する。

従来から、連絡孔によって連通される主燃焼室及び副燃焼室を備えた副室式ディーゼル機関が知られている。

一般的な渦流室式の副室式ディーゼル機関は、ピストン上に形成される主燃焼室と、主燃焼室と連絡孔によって連通される副燃焼室と、副燃焼室に燃料を噴射するインジェクタと、を備え、圧縮行程において連通孔を介して主燃焼室側から副燃焼室に空気が進入して、副燃焼室内に強い渦流を発生させる。そして、副燃焼室に臨むように配設されたインジェクタから、渦流が発生している副燃焼室に対して燃料を噴射して混合気を形成し、圧縮上死点近傍で圧縮自着火させて燃焼を開始させる。次いで、副燃焼室にて発生した燃焼ガスの燃焼エネルギーにより、副燃焼室から連通孔を介して主燃焼室に燃焼ガスを進入させて、ピストンを駆動しながら燃焼を完遂させ、動力を得る（例えば、特許文献１、及び特許文献２を参照。）。

特許文献１に記載された副室式ディーゼル機関では、副室式ディーゼル機関の燃焼改善のために、副燃焼室に臨むインジェクタを２本配設し、吸気行程後期から圧縮行程前期にかけて１回目の燃料を副室壁面に向けて噴射し、次いで圧縮行程後期から膨張行程前期にかけて２回目の燃料を副燃焼室に噴射することで燃焼の改善を図っている。

また、特許文献２に記載された副室式ディーゼル機関では、副燃焼室に臨むインジェクタから予備噴射が実施されることで混合気形成が阻害されることを抑制すべく、始動領域では、該予備噴射を実施しないようにすることで、未燃燃料や未燃ガスの排出を低減する。

特公平７−１１６９４１号公報特許第３８５１７２７号公報

上記したように、副室式ディーゼル機関において予備噴射を実施することにより、予め混合気を形成して圧縮自着火させる、いわゆる予混合圧縮自着火燃焼を行うことができる。しかし、予混合御圧縮自着火を行う場合、運転状態によっては、燃料の着火時期が早くなりすぎ、熱効率が大きく低下することがある。そのため、自着火しにくい燃料を使用したり、圧縮比を下げたりすることで、着火時期を遅らせることが提案されている。しかし、燃料を変更したり、機関の圧縮比を下げたりすることは、機関を採用する条件が狭められたり、機関の性能を低下させることに繋がり、容易に採用できるものではない。また、予備噴射を実施する場合において、適切な燃焼が実施されるように、燃料を副燃焼室に噴射する噴射条件を細かく変更することが考えられるが、前記特許文献１及び特許文献２に記載された従来の副室式ディーゼル機関では、機械式のジャーク式燃料噴射装置が採用されており、エンジンの回転速度に燃料噴射特性が支配されるため、燃料特性を自在に変更することができず、運転条件に応じた最適な燃料噴射制御を実施することができない。

本発明は、上記事実に鑑みなされたものであり、その主たる技術課題は、副燃焼室に供給する燃料の着火時期を適切に制御することができる熱効率に優れた副室式ディーゼル機関を提供することにある。

上記主たる技術課題を解決するため、本発明によれば、連絡孔によって連通される主燃焼室及び副燃焼室を備えた副室式ディーゼル機関において、任意のタイミングで副燃焼室に燃料を噴射する電気的に駆動されるインジェクタと、前記インジェクタの燃料入口に接続される燃料通路管と、前記燃料通路管に燃料を供給する燃料ポンプと、機関運転状態を検出する機関運転状態検出手段と、制御手段と、を備え、前記制御手段により、吸気行程前半に燃料の予備噴射を実施し、圧縮行程中にメイン噴射を実施し、前記メイン噴射の後、圧縮上死点近傍で着火制御用噴射を実施する副室式ディーゼル機関が提供される。

前記インジェクタから噴射される燃料の噴霧中心軸と、前記連絡孔の孔中心軸とは、オフセットしていることが好ましい。また、前記副燃焼室には、グロープラグが配設され、前記制御手段は、前記運転状態検出手段により検出される排気温度が所定の温度以下の場合には、前記予備噴射を実施せず、前記グロープラグを作動して、副燃焼室を加熱することが好ましい。

また、前記制御手段は、前記運転状態検出手段により検出した運転状態に基づいて、インジェクタから噴射されるメイン噴射の噴射開始時期、噴射量、噴射圧を制御するものであり、前記制御手段により算出されるメイン噴射の噴射量及びその時に要求される噴射圧に応じて、メイン噴射を所定の回数に分割して噴射することが好ましい。前記制御手段は、前記運転状態検出手段により検出されるエンジン回転速度が、低回転から高回転へと変化するに伴い、前記メイン噴射の噴射開始時期を、圧縮行程の上死点側から下死点側へと進角させるようにしてもよい。さらに、前記インジェクタから噴射される噴射圧は、８ＭＰａ乃至４０ＭＰａの間で設定されることが好ましい。

本発明のディーゼル機関によれば、副燃焼室に供給する燃料の着火時期を適切に制御することができる熱効率に優れた副室式ディーゼル機関が提供される。

副室式ディーゼル機関の全体概略図である。図１に示すディーゼル機関によって実施されるインジェクタの通電時間を説明するための概念図である。エンジンＥＣＵによって実施される演算フローを示す図である。図３に示す演算フローのメイン噴射回数演算手段をより具体的に示す演算フローを示す図である。図１に示す副室式ディーゼル機関の副燃焼室、インジェクタ、及びグロープラグの配置を示す概略図である。図４に示す演算フローによってメイン噴射開始時期を演算する過程を説明するための説明図である。

本発明に従って構成された副室式のディーゼル機関の好適な実施形態について添付図面を参照しながら、以下に説明する。

図１には、主燃焼室及び副燃焼室を備えた副室式のディーゼル機関１の全体概略図が示されている。ディーゼル機関１は、エンジン本体部２、燃料供給系４０、吸気系５０、排気系６０、過給機７０、ＥＧＲ系８０、制御手段（エンジンＥＣＵ）１００を備えている。

エンジン本体部２は、シリンダブロック３、シリンダヘッド４、ピストン５、吸気ポート６、吸気弁７、排気ポート８（破線で示す）、及び排気弁（図示は省略する。）を備えている。排気弁は紙面に垂直な方向で、吸気弁７と並列に配設されており、図示しない動弁機構により、吸気弁７と共に開閉される。

シリンダヘッド４には、略球形状に形成された副燃焼室１０が形成されている。主燃焼室１４は、シリンダ３ａ内を摺動するピストン５の頂面５ａとシリンダヘッド４の下面４ａとの間に形成される。副燃焼室１０は、矢印で示すピストン５の摺動方向に対して傾斜する連通孔１２を介して主燃焼室１４に連通されている。副燃焼室１０には、副燃焼室１０に燃料を噴射するインジェクタ２０と、副燃焼室１０内を加熱するためのグロープラグ２５が備えられている。

インジェクタ２０には、燃料を蓄圧してインジェクタ２０に燃料を供給する燃料通路管３０が接続される。燃料通路管３０に対し燃料供給系４０によって燃料が供給される。燃料供給系４０は、燃料ポンプ４１、燃料供給管４２、圧送量制御弁４３、燃料タンク４４を備えている。燃料ポンプ４１は、ディーゼル機関１のクランク軸９によって図示しない動力伝達機構を介して駆動され、燃料ポンプ４１が燃料タンク４４から吸引した燃料を、燃料供給管４２を介して燃料通路管３０に供給する。圧送量制御弁４３は電気的に作動するものであり、燃料ポンプ４１が吸引した燃料のうち、燃料タンク側にリリーフする量を制御する機能を備え、燃料ポンプ４１から燃料通路管３０に供給する燃料量を調整することができる。

図示は省略するが、ディーゼル機関１は、複数のシリンダ３ａを備えたいわゆる多気筒エンジンであり、複数のシリンダ３ａは、シリンダブロック３に直列に配設される。各シリンダ３ａに対応して副燃焼室１０が形成され、各副燃焼室１０に対してインジェクタ２０、及びグロープラグ２５が備えられる。各インジェクタ２０は、共通する燃料通路管３０に接続されており、燃料通路管３０に蓄圧された燃料圧力で、副燃焼室１０に燃料を噴射する。すなわち、燃料通路管３０内の燃料圧力が、インジェクタ２０から副燃焼室１０に燃料を噴射する際の噴射圧となる。インジェクタ２０は、いわゆる内開弁式タイプのインジェクタであり、図示しない電磁ソレノイドによりその作動が電気的に駆動されるものであり、インジェクタ２０に送られる電気信号に基づいて任意のタイミングで燃料を噴射することができる。燃料通路管３０は、図１の紙面に垂直な方向に延びる管状の部材であり、インジェクタ２０の燃料入口が挿入されるインジェクタ取付ボス３２が形成されている。インジェクタ取付ボス３２は、装着されるインジェクタ２０の数に合わせて燃料通路管３０の軸方向に均等間隔で形成される。

吸気系５０は、ディーゼル機関１の吸気ポート６に空気（外気）を導入する。この吸気系５０は、吸気通路５２を備え、吸気通路５２には、過給機７０のコンプレッサ７２と、吸気冷却器（インタークーラ）５４が備えられる。なお、吸気通路５２には、吸気量を調整する吸気制御弁を備えることもできる。

排気系６０は、ディーゼル機関１から排出される排気ガスをディーゼル機関１の外部に排出するものである。排気系６０は、排気通路６２を備えている。排気通路６２には、過給機７０のタービン７４が備えられている。排気通路６２はディーゼル機関１の排気ポート８に接続されている。

ＥＧＲ系８０は、排気通路６２を流れる排気ガスの一部をＥＧＲガスとしてディーゼル機関１の吸気ポート６に導入するＥＧＲ通路８１を備えている。ＥＧＲ通路８１の上流端は、排気通路６２に接続されている。ＥＧＲ通路８１の下流端は、吸気通路５２の吸気ポート６の上流側に接続されている。ＥＧＲ通路８１にＥＧＲガスを冷却するＥＧＲガスクーラ８２が備えられている。ＥＧＲ通路８１には、ＥＧＲガスクーラ８２をバイパスしてＥＧＲガスを吸気通路５２側に流すためのクーラバイパス通路８４が設けられている。クーラバイパス通路８４には、バイパスするＥＧＲガスの量を調整するバイパス量調整弁８６が備えられている。ＥＧＲ通路８１におけるＥＧＲガスクーラ８２よりも下流側（吸気通路５２側）にはＥＧＲガス量調整弁８８が備えられている。ＥＧＲガス量調整弁８８の開度を制御することにより、吸気通路５２を介して吸気ポート６に導入されるＥＧＲガス量を調整することができる。

ディーゼル機関１には、ディーゼル機関１全体を制御する制御手段としてのエンジンＥＣＵ１００が備えられている。エンジンＥＣＵ１００は、コンピュータにより構成され、制御プログラムに従って演算処理する中央演算処理装置（ＣＰＵ）と、制御プログラム等を格納するリードオンリメモリ（ＲＯＭ）と、検出した検出値、演算結果等を一時的に格納するための読み書き可能なランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）と、入力インターフェース、及び出力インターフェースとを備えている（詳細についての図示は省略する。）。

エンジンＥＣＵ１００は、ディーゼル機関１の運転状態を検出し、検出した運転状態に対応して、予めにＲＯＭに記憶された制御プログラムに従って、インジェクタ２０から副燃焼室１０に供給される燃料の噴射時期、噴射圧力、噴射量、噴射回数、吸気ポートに導入されるＥＧＲガス量等を制御する。

上記したディーゼル機関１の運転状態を検出する機関運転状態検出手段について説明する。機関運転状態検出手段は、図１に示すように、各種センサを備えることにより構成することができる。各種センサとしては、例えば、燃料通路管３０の管内に蓄圧される燃料の圧力を検出する燃料通路管圧力センサ１０１、クランク軸９の角度位置を検出するクランク角センサ１０２、排気ポート８から排出される排気ガス温度（例えば、排気マニホールド内温度）を検出する排気温度センサ１０３、排気通路６２から分岐されＥＧＲ通路８１に導入された排気ガスの温度を検出するＥＧＲガス温度センサ１０４、アクセルレバー開度センサ１０５を備えることができる。上記した各種センサは、エンジンＥＣＵ１００に接続され、各種センサで検出された値は、エンジンＥＣＵ１００に入力される。エンジンＥＣＵ１００は、クランク角センサ１０２からの信号に基づき、基準気筒の基準角度位置、及びエンジン回転速度も算出する。なお、ディーゼル機関１には、前記した各種センサに加え、吸気ポート６に吸入される実吸気量を検出する吸気量センサ、吸気ポート６内の圧力を検出する吸気圧センサ、大気圧を検出する大気圧センサ、及び冷却水温センサ等、他にも各種センサが備えられる（図示は省略する。）。また、運転状態検出手段は、クランク角センサ１０２とは別に、基準気筒の基準角度位置を検出する基準位置センサ、エンジン回転速度を検出するエンジン回転速度センサを別途備えても良い。また、運転状態検出手段には、エンジンＥＣＵ１００に記憶された制御プラグラムにより、運転状態の推定値を算出する手段も含む。

図２乃至図６を参照しながら、エンジンＥＣＵ１００の作動について説明する。エンジンＥＣＵ１００は、上記した運転状態検出手段により検出した運転状態に基づいて、インジェクタ２０から噴射する燃料の噴射量、噴射圧、噴射開始時期、噴射回数を適宜演算する。そして、図２に示すように、吸気行程前半に燃料の予備噴射Ｆｐを実施し、圧縮行程中にメイン噴射Ｆｍを実施し、メイン噴射Ｆｍの後、圧縮上死点近傍で着火制御用噴射Ｆｃを実施する。なお、図２において、縦軸はインジェクタ２０を駆動するための噴射パルスの発生を示し、横軸は、圧縮上死点を基準（０°）としたクランク角度（ＣＡ）で示すインジェクタ２０に対する通電期間を示している。この通電期間が、インジェクタ２０から副燃焼室１０に燃料を噴射する噴射期間に相当する。以下に、本実施形態の燃料噴射制御についてより具体的に説明する。

図３にはエンジンＥＣＵ１００が実施する演算フローが示されている。エンジンＥＣＵ１００は、クランク角センサ１０２によって検出されるエンジン回転速度Ｎｅ、及びアクセルレバー開度センサ１０５のレバー開度及びディーゼル機関１に掛かる作業負荷等を考慮した要求負荷Ｌを要求メイン噴射量演算手段１２１に入力し、ディーゼル機関１が必要とする総噴射量から予備噴射Ｆｐと、着火制御用噴射Ｆｃで供給される燃料量を引くことによりメイン噴射の噴射量を演算し、要求メイン噴射量Ｑｍとして出力する。なお、予備噴射Ｆｐ及び着火制御用噴射Ｆｃによって噴射される噴射量は固定値でも良いし、運転状態によって増減される値であっても良い。いずれにしても、要求メイン噴射量Ｑｍは、予備噴射Ｆｐ、着火制御用噴射Ｆｃで実施される噴射量に対して、相対的に大きな値となるように設定される。

また、上記した要求メイン噴射量演算手段１２１と平行して、エンジン回転速度Ｎｅ及び要求負荷Ｌを、要求メイン噴射圧力演算手段１２２にも入力し、ディーゼル機関１が必要とするメイン噴射の噴射圧を要求メイン噴射圧力Ｐｍとして出力する。要求メイン噴射圧力Ｐｍは、要求負荷Ｌが低い場合、及びエンジン回転速度Ｎｅが低い場合に低くなるように、逆に、要求負荷Ｌが高い場合、エンジン回転速度Ｎｅが高い場合に高くなるようにマップ等（図示は省略する。）で設定される。なお、上記要求メイン噴射圧力Ｐｍが出力されたならば、要求メイン噴射圧力Ｐｍを燃料通路管３０の目標燃料圧力として設定し、燃料通路管３０に設置された燃料通路管圧力センサ１０１の検出値に基づいて燃料ポンプ４１の圧送量制御弁４３を制御する。これにより、燃料通路管３０内の圧力は、常に要求メイン噴射圧力Ｐｍ近傍の所定範囲内に調整される。

要求メイン噴射量Ｑｍ、及び要求メイン噴射圧力Ｐｍを演算したならば、次いで、要求メイン噴射量Ｑｍ、及び要求メイン噴射圧力Ｐｍをメイン噴射回数演算手段１２３に入力し、メイン噴射Ｆｍを所定の回数に分割して噴射するためのメイン噴射回数ＦＮｍを演算する。メイン噴射回数演算手段１２３の具体的な演算フローについて、図４を参照しながらより具体的に説明する。

図４に示すように、メイン噴射回数演算手段１２３に入力された要求メイン噴射量Ｑｍ、及び要求メイン噴射圧力Ｐｍは、まず、要求メイン噴射時間演算手段１２３ａに入力される。要求メイン噴射時間演算手段１２３ａでは、図中右方に示すようなＴ−Ｑマップを参照する。Ｔ−Ｑマップは、予めエンジンＥＣＵ１００に記録されており、インジェクタ２０から噴射される噴射量（ｍｍ^３）及び燃料通路管３０の圧力（Ｐ１〜Ｐ４：ＭＰａ）に対応して設定されるインジェクタ２０の通電時間、すなわち噴射時間（μｓ）を特定するためのマップであり、実験等により設定される。入力された要求メイン噴射量Ｑｍ、及び要求メイン噴射圧力Ｐｍ（例えば、Ｐｍ＝Ｐ２とする。）に基づいて、Ｔ−Ｑマップを参照することで、要求メイン噴射圧力Ｐｍの下で要求メイン噴射量Ｑｍを実現するための噴射時間、すなわち、要求メイン噴射時間ＦｍＴが求められる。

上記した要求メイン噴射時間ＦｍＴが求められたならば、要求メイン噴射時間ＦｍＴを要求メイン噴射圧力Ｐｍと共に、噴霧先端到達距離演算手段１２３ｂに入力し、図示しないマップを参照することでインジェクタ２０から噴射される噴霧の噴霧先端到達距離ＦＤを演算する。噴霧先端到達距離ＦＤは、要求メイン噴射圧力Ｐｍが高いほど、又、要求メイン噴射時間ＦｍＴが長いほど大きくなる値である。実際に噴霧の先端が到達する距離は、インジェクタ２０の先端に形成される噴口径、噴口形状にも影響を受けるため、噴霧先端到達距離ＦＤを求めるためのマップは、インジェクタ２０毎に、実験等により策定される。

噴霧先端到達距離ＦＤを演算したならば、メイン噴射回数演算手段１２３ｃに入力し、メイン噴射回数ＦＮｍを演算する。ここで、メイン噴射回数演算手段１２３ｃにおいてメイン噴射回数ＦＮｍを演算する際に、噴霧先端到達距離リミット値ＦＤＬを参照する。この噴霧先端到達距離リミット値ＦＤＬについて、図５を参照しながら説明する。

図５に示すように、インジェクタ２０の先端部に形成された噴射孔２０ａから副燃焼室１０内に燃料が噴射される。この際、この燃料によって形成される噴霧Ｆが、副燃焼室１０の壁面１０ａに到達して付着すると、付着した燃料が圧縮上死点近傍で圧縮自着火するまでに十分に蒸発できず、良好に燃焼しないことが懸念される。よって、インジェクタ２０から噴射される燃料の噴霧先端到達距離ＦＤが副燃焼室１０の壁面１０ａに達するものであるのか否かを判断する基準として、インジェクタ２０の先端部から対向する副燃焼室１０の壁面１０ａまでの距離を噴霧先端到達距離リミット値ＦＤＬとして設定する。なお、噴霧先端到達距離リミット値ＦＤＬは、必ずしもインジェクタ２０の先端部から対向する副燃焼室１０の壁面１０ａまでの距離をそのまま使用することに限定されない。噴霧Ｆが、副燃焼室１０の壁面１０ａに付着した際の燃焼への影響を考慮して、インジェクタ２０の先端部から対向する副燃焼室１０の壁面１０ａまでの距離よりも若干小さい値に設定したり、若干大きい値に設定したりすることも可能である。

上記のようにして設定された噴霧先端到達距離リミット値ＦＤＬと、噴霧先端到達距離ＦＤとを比較して、噴霧先端到達距離ＦＤが噴霧先端到達距離リミット値ＦＤＬよりも小さい場合は、要求メイン噴射量Ｑｍを１回で噴射しても、インジェクタ２０から噴射された燃料は副燃焼室１０の壁面に到達しないため、メイン噴射回数ＦＮｍを１回とする。また、仮に、噴霧先端到達距離ＦＤが噴霧先端到達距離リミット値ＦＤＬ以上となった場合は、メイン噴射回数ＦＮｍを１回で噴射すると噴霧Ｆが副燃焼室１０の壁面１０ａに到達することになる。よって、インジェクタ２０から噴射されるメイン噴射Ｆｍが、多段噴射となるように、メイン噴射回数ＦＮｍを所定の複数の回数とし、分割した回数に応じて要求メイン噴射量Ｑｍを分割する。メイン噴射回数ＦＮｍを具体的に何回に設定するのかは、噴霧先端到達距離ＦＤが噴霧先端到達距離リミット値ＦＤＬをどの程度超えたかによって決定することができるが、２回、３回・・と増加させる毎に、１回当たりに噴射する燃料噴射量に基づいてＴ−Ｑマップを参照して、各１回当たりの噴射時間を算出し、再度、噴霧先端到達距離ＦＤを算出して、噴霧先端到達距離リミット値ＦＤＬと比較して噴霧Ｆの先端が副燃焼室１０の壁面に到達しないか確認してもよい。また、要求メイン噴射量Ｑｍが理論上取り得る最大値であっても、２回に分割することで噴霧Ｆの先端が副燃焼室１０の壁面に到達しないことが分かっている場合は、噴霧先端到達距離ＦＤが噴霧先端到達距離リミット値ＦＤＬ以上と判定された場合に、メイン噴射回数ＦＮｍを２回にすればよい。以上のようにして、メイン噴射回数演算手段１２３によってメイン噴射Ｆｍを噴射する際の所定の回数（メイン噴射回数ＦＮｍ）が出力される。

図３に戻り説明を続ける。メイン噴射回数演算手段１２３によりメイン噴射回数ＦＮｍが演算されたならば、１回当たり噴射量演算手段１２４により、メイン噴射を多段階で実施した場合の１回当たりの燃料噴射量Ｑｍ１が演算される。１回当たりの燃料噴射量Ｑｍ１は、要求メイン噴射量Ｑｍをメイン噴射回数ＦＮｍで除算することにより得られる。１回当たりの燃料噴射量Ｑｍ１が算出されたならば、要求メイン噴射圧力Ｐｍと共に１回当たりメイン噴射時間演算手段１２５に入力され、上記したＴ−Ｑマップを参照することにより、１回当たりのメイン噴射時間Ｆｍｔが算出される。

１回当たりのメイン噴射時間Ｆｍｔが算出されたならば、先に算出されたメイン噴射回数ＦＮｍと共に、総メイン噴射時間演算手段１２６に入力し、目標噴射間隔ＦＩを参照して、メイン噴射Ｆｍを開始してから、全てのメイン噴射が完了するまでの総メイン噴射時間ＦＴを演算する。例えば、メイン噴射回数ＦＮｍが２回の場合の総メイン噴射時間ＦＴは以下のようにして算出される。
総メイン噴射時間ＦＴ＝１回当たりのメイン噴射時間Ｆｍｔ×２＋目標噴射間隔ＦＩ

当然のことながら、メイン噴射回数ＦＮｍが１回の場合は、目標噴射間隔ＦＩを考慮する必要はなく、１回当たりのメイン噴射時間Ｆｍｔがそのまま総メイン噴射時間ＦＴとなる。なお、上記した目標噴射間隔ＦＩは、インジェクタ２０を作動してＴ−Ｑマップ通りに燃料を噴射するために最低限開けるべき間隔を考慮して決定されるが、これに限定されず、前記最低限開けるべき間隔に加え、運転状態に応じて増減されるものであってもよい。

上記したように、総メイン噴射時間ＦＴが算出されたならば、メイン噴射開始時期演算手段１２７に入力し、目標メイン噴射終わり時期ＦＥを参照することで、メイン噴射Ｆｍの噴射開始時期として、メイン噴射開始時期ＦＳを算出する。メイン噴射開始時期ＦＳを算出する手順について以下に説明する。

ところで、上記したように、総メイン噴射時間ＦＴは、時間（μｓ）を基準に算出されている。これに対し、インジェクタ２０の燃料噴射時期の制御は、クランク角センサ１０２から検出されるクランク角度（ＣＡ）に基づいて実施される。よって、メイン噴射開始時期ＦＳを算出するに際しては、クランク角度に変換して設定する必要がある。これについて、図６も併せて参照しながら、メイン噴射開始時期ＦＳをクランク角度に変換しながら演算する手順を説明する。なお、図６では、横軸にクランク角度（ＣＡ）を示し、吸気行程において実施される予備噴射Ｆｐについては省略し、圧縮行程中に実施されるメイン噴射Ｆｍと、着火制御用噴射Ｆｃのパルスのみを示している。

エンジン回転速度Ｎｅが低回転から高回転になるにつれて、ピストン５の平均速度が上昇し、１サイクルに要する時間が変化して小さくなる。他方、上記したように、要求メイン噴射量Ｑｍを全て噴射するために要する時間、すなわち、総メイン噴射時間ＦＴ（μｓ）は、エンジン回転速度Ｎｅに直接的に影響を受けず、要求メイン噴射圧力Ｐｍと、要求メイン噴射量Ｑｍに依存する。また、本実施形態において実施される燃料の噴射は、予備噴射Ｆｐと、メイン噴射Ｆｍと、着火制御噴射Ｆｃを実施することを前提とし、メイン噴射Ｆｍは、圧縮上死点近傍の圧縮自着火タイミングで実施される着火制御用噴射Ｆｃの噴射開始時期に対して、所定時間Ｔ０だけ前の目標メイン噴射終わり時期ＦＥに完了している必要がある。この所定時間Ｔ０は、上記した目標噴射間隔ＦＩに加え、メイン噴射Ｆｍが副燃焼室１０内で副燃焼室１０内に導入される空気の渦流Ｓ（図５を参照。）と十分混合されるための時間も考慮され設定される時間である。このようにして、着火制御用噴射Ｆｃの噴射開始時期を基準として所定時間Ｔ０だけ遡った目標メイン噴射終わり時期ＦＥを設定する。ここで、着火制御用噴射Ｆｃの噴射開始時期はクランク角度を基準にして規定されている。そこで、所定時間Ｔ０をクランク角（ＣＡ）当たりで変換した所定期間Ｔ０_ＣＡを求める。所定期間Ｔ０_ＣＡは、所定時間Ｔ０が一定であっても、エンジン回転速度Ｎｅが上昇すると大きくなり、エンジン回転速度が低下すると小さくなる値である。このようにして、図６に示すように、着火制御用噴射Ｆｃの噴射開始時期からＴ０_ＣＡだけ遡ったタイミングを、目標メイン噴射終わり時期ＦＥとして設定する。なお、目標メイン噴射終わり時期ＦＥの設定に当たっては、必ずしも着火制御用噴Ｆｃ射の噴射開始時期を基準とする必要はなく、着火制御用噴Ｆｃ射の噴射開始時期が圧縮上死点近傍の狭い範囲でしか変化しないのであれば、圧縮上死点（０°）を基準に決めてもよい。

上記したように、目標メイン噴射終わり時期ＦＥをクランク角度で設定したならば、この目標メイン噴射終わり時期ＦＥにメイン噴射Ｆｍが完了するように、目標メイン噴射終わり時期ＦＥから総メイン噴射時間ＦＴだけ遡った時期をメイン噴射開始時期ＦＳとして算出する。上記したように、総メイン噴射時間ＦＴも時間で演算されていることから、上記した所定時間Ｔ０と同様に、総メイン噴射時間ＦＴをクランク角（ＣＡ）当たりで変換し、総メイン噴射期間ＦＴ_ＣＡを算出する。総メイン噴射期間ＦＴ_ＣＡを算出したならば、目標メイン噴射終わり時期ＦＥから上記した総メイン噴射期間ＦＴ_ＣＡだけ遡ったタイミングをメイン噴射開始時期ＦＳとして算出する。以上の手順により、メイン噴射開始時期ＦＳがクランク角度で決定される。

上記したメイン噴射開始時期ＦＳの演算手段によって、目標メイン噴射終わり時期ＦＥがクランク角度で設定され、この目標メイン噴射終わり時期ＦＥにメイン噴射Ｆｍが完了するように、目標メイン噴射終わり時期ＦＥから総メイン噴射時間ＦＴだけ遡った時期をメイン噴射開始時期ＦＳとして演算している。よって、エンジン回転速度Ｎｅが、低回転から高回転へと変化するに伴い、メイン噴射Ｆｍのメイン噴射開始時期ＦＳが、圧縮行程の上死点側から下死点側へと進角されることになる。

実際にディーゼル機関１が運転される際には、上記したメイン噴射開始時期ＦＳで、分割されたメイン噴射Ｆｍのうち、１回目のメイン噴射Ｆｍ１の噴射が開始される。この１回目のメイン噴射Ｆｍ１の噴射期間は、上記した１回当たりのメイン噴射時間演算手段１２５によって演算された１回当たりのメイン噴射時間Ｆｍｔをエンジン回転速度Ｎｅに応じたクランク角度に変換した１回当たりのメイン噴射期間Ｆｍｔ_ＣＡとなる。そして、１回当たりのメイン噴射期間Ｆｍｔ_ＣＡだけ噴射を実施し終了したならば、２回目のメイン噴射Ｆｍ２の噴射を開始するまで目標噴射間隔ＦＩだけ間隔を開ける。この際、目標噴射間隔ＦＩも時間で設定されているため、エンジン回転速度Ｎｅに応じて、目標噴射間隔ＦＩをクランク角度に変換した目標噴射間隔ＦＩ_ＣＡを演算し、目標噴射間隔ＦＩ_ＣＡだけ間隔を開けた後、２回目のメイン噴射Ｆｍ２を１回当たりのメイン噴射期間Ｆｍｔ_ＣＡで実行する。このようにして実行されたメイン噴射Ｆｍは、図６に示すように、目標メイン噴射終わり時期ＦＥで完了する。そして、所定期間Ｔ０_ＣＡ後に、着火制御用噴射Ｆｃが実行されることで着火条件が満たされ、着火時期が適切に制御された予混合圧縮自着火燃焼が高い熱効率で実現される。

図１、及び図５に示したように、本実施形態におけるディーゼル機関１の副燃焼室１０には、グロープラグ２５が配設されている。エンジンＥＣＵ１００は、運転状態検出手段として配設された排気温度センサ１０３により検出される排気温度に基づき、ディーゼル機関１が低温始動時、又は低温始動後の暖気モードであると判断される場合には、エンジン回転速度Ｎｅ、要求負荷Ｌによって特定される運転状態が予備噴射Ｆｐを実施する場合であっても、予備噴射Ｆｐを実施せず、グロープラグ２５を作動して、副燃焼室１０を加熱する。この際、予備噴射Ｆｐとして設定されていた燃料は、メイン噴射Ｆｍの要求メイン噴射量Ｑｍに加算される。また、低温状態と判断された場合に、予備噴射Ｆｐのみを禁止して、メイン噴射Ｆｍ、及び着火制御用噴射Ｆｃを実施してもよいが、予混合圧縮自着火燃焼を止め、圧縮上死点近傍で全ての燃料を噴射する、通常の拡散燃焼を実施してもよい。これにより、ディーゼル機関１が低温であることによって副燃焼室１０内で噴射された燃料が十分に蒸発せず、均一な予混合を形成できない問題を回避し、また、排気ガスに含まれる未燃ＨＣが増大することを防止する。

本実施形態では、図５に示すように、インジェクタ２０から噴射される燃料の噴霧Ｆの中心軸Ｃ１と、連絡孔１２の孔中心軸Ｃ２とは、オフセットしている。このような配置により、吸気行程、及び圧縮行程の前半にインジェクタ２０から燃料を噴射しても、容易に主燃焼室１４に漏れ出ない。したがって、燃料がシリンダ３ａに付着して潤滑油が希釈されることが防止される。また、ピストン５の上昇に伴って主燃焼室１４から副燃焼室１０に流入する空気による渦流Ｓによって副燃焼室１０内で燃料が予混合圧縮自着火に十分なレベルまで混合される。

本実施形態では、排気系８０から吸気系５０に排気ガスを還流するＥＧＲ系８０が配設されており、運転状態に応じて、排気ガスを吸気通路５２に供給することができる。これにより、排気ガス中に含まれる窒素酸化物の排出を低減すると共に、予備噴射Ｆｐ、メイン噴射Ｆｍによって予混合を形成して圧縮上死点近傍にて圧縮自着火させる際にも、ＥＧＲガスの投入によって過早着火を防止する等して、着火時期を良好にコントロールすることが可能になる。

本実施形態の副室式のディーゼル機関１は、８ＭＰａ乃至４０ＭＰａの範囲で、より好ましくは、１５ＭＰａ乃至２５ＭＰａの範囲でインジェクタ２０から噴射される燃料の噴射圧を設定する。副室式ディーゼル機関１であれば、このような噴射圧の範囲でも、所望の燃焼性能を得ることができる。すなわち、最大噴射圧力が２００ＭＰａを超える昨今の直噴式ディーゼル機関に比べ、格段に噴射圧を低く設定できることから、インジェクタ２０自身の構造を過剰に堅牢にする必要はなく、燃料通路管３０から電気的に駆動可能なインジェクタ２０を用いて燃料を噴射するシステムをシンプルに構成することができ、製造コストを低く抑えることができる。

１：ディーゼル機関
２：エンジン本体部
３：シリンダブロック
４：シリンダヘッド
５：ピストン
５ａ：ピストン頂面
６：吸気ポート
７：吸気弁
８：排気ポート
９：クランク軸
１０：副燃焼室
１２：連通孔
１４：主燃焼室
２０：インジェクタ
２５：グロープラグ
３０：燃料通路管
４０：燃料供給系
４１：燃料ポンプ
４２：燃料供給管
４３：圧送量制御弁
４４：燃料タンク
５０：吸気系
５２：吸気通路
５４：吸気冷却器（インタークーラ）
６０：排気系
６２：排気通路
７０：過給機
７２：コンプレッサ
７４：タービン
８０：ＥＧＲ系
８１：ＥＧＲ通路
８２：ＥＧＲガスクーラ
８４：クーラバイパス通路
８６：バイパス量調整弁
８８：ＥＧＲガス量調整弁
１００：制御手段
１０１：燃料通路管圧力センサ
１０２：クランク角センサ
１０３：排気温度センサ
１０４：ＥＧＲガス温度センサ
１０５：アクセルレバー開度センサ
Ｎｅ：エンジン回転速度
Ｌ：要求負荷
Ｆｐ：予備噴射
Ｆｍ：メイン噴射
Ｆｃ：着火制御用噴射
Ｑｍ：要求メイン噴射量
Ｑｍ１：１回当たりの燃料噴射量
Ｐｍ：要求メイン噴射圧
ＦＮｍ：メイン噴射回数
ＦｍＴ：要求メイン噴射時間
Ｆｍｔ：１回当たりのメイン噴射時間
ＦＤ：噴霧先端到達距離
ＦＤＬ：噴霧先端到達距離リミット値
ＦＩ：目標噴射間隔
ＦＴ：総メイン噴射時間
ＦＳ：メイン噴射開始時期
ＦＥ：目標メイン噴射終わり時期

Claims

連絡孔によって連通される主燃焼室及び副燃焼室を備えた副室式ディーゼル機関において、
任意のタイミングで副燃焼室に燃料を噴射する電気的に駆動されるインジェクタと、前記インジェクタの燃料入口に接続される燃料通路管と、前記燃料通路管に燃料を供給する燃料ポンプと、機関運転状態を検出する機関運転状態検出手段と、制御手段と、を備え、
前記制御手段により、吸気行程前半に燃料の予備噴射を実施し、圧縮行程中にメイン噴射を実施し、前記メイン噴射の後、圧縮上死点近傍で着火制御用噴射を実施する副室式ディーゼル機関。
前記インジェクタから噴射される燃料の噴霧中心軸と、前記連絡孔の孔中心軸とは、オフセットしている、請求項１に記載の副室式ディーゼル機関。
前記副燃焼室には、グロープラグが配設され、前記制御手段は、前記運転状態検出手段により検出される排気温度が所定の温度以下の場合には、前記予備噴射を実施せず、前記グロープラグを作動して、副燃焼室を加熱する請求項１、又は２に記載の副室式ディーゼル機関。
前記制御手段は、前記運転状態検出手段により検出した運転状態に基づいて、インジェクタから噴射されるメイン噴射の噴射開始時期、噴射量、及び噴射圧を制御するものであり、前記制御手段により算出されるメイン噴射の噴射量及びその時に要求される噴射圧に応じて、メイン噴射を所定の回数に分割して噴射する請求項１乃至３のいずれかに記載された副室式ディーゼル機関。
前記制御手段は、前記運転状態検出手段により検出されるエンジン回転速度が、低回転から高回転へと変化するに伴い、前記メイン噴射の噴射開始時期を、圧縮行程の上死点側から下死点側へと進角させる請求項１乃至４のいずれかに記載された副室式ディーゼル機関。
前記インジェクタから噴射される噴射圧は、８ＭＰａ乃至４０ＭＰａの間で設定される、請求項１乃至５のいずれかに記載された副室式ディーゼル機関。