JP3979416B2 - ディーゼルエンジン - Google Patents

Description

本発明は、所定の運転領域において予混合燃焼を実現させるディーゼルエンジンに関するものである。

シリンダ内に燃料を直接噴射するディーゼルエンジンでは、シリンダ内が高温・高圧となるピストンの圧縮上死点近傍で燃料を噴射するのが一般的であった。この場合、燃料の噴射中に着火が始まって火炎が形成され、その火炎に後続の燃料が供給されることで燃焼が継続される。このように、燃料の噴射中に着火が始まる燃焼形態は一般的に拡散燃焼と称されているが、この拡散燃焼ではＮＯｘやスモーク等が発生するという問題が指摘されている。

そこで近年では、燃料の噴射時期をピストンの圧縮上死点よりも早期にして、燃料の噴射完了後に予混合気が着火する、所謂、予混合燃焼と称される燃料形態を実現させることが提案されている（特許文献１、２参照）。

予混合燃焼では、燃料の噴射完了後、ある程度の期間を経て予混合気が着火するので、着火までに予混合気が充分に希薄・均一化される。従って、局所的な燃焼温度が下がりＮＯｘ排出量が低減するうえ、空気不足状態での燃焼も回避されるのでスモークの発生も抑制される。

特開２００３−８３１１９号公報 特開２００２−２２７６５０号公報

ところが、予混合燃焼ではピストンの位置が比較的低いときに燃料が噴射されるので、拡散燃焼を実現させることを前提に設計された通常のディーゼルエンジンで予混合燃焼を実現させようとすると、噴射された燃料がシリンダの側壁に付着したり、ピストンの頂部に衝突して跳ね返った燃料がシリンダヘッドの下面に付着したりして未燃ＨＣの発生につながるおそれがある。

そこで、図７に示すように、予混合燃焼を実現させるディーゼルエンジンにおいて、ピストンＰの頂部に形成するキャビティＣＡを開口部（最上端）に向かって拡大したオープン型にすると共に、インジェクタＩの燃料噴射角度αを通常よりも狭くすることが提案されている（特許文献１、２参照）。こうすれば、噴射された燃料ＦがキャビティＣＡ内に入り、シリンダＣＬの側壁やシリンダヘッドＣＨの下面に付着することがないので、未燃ＨＣの発生を抑制できる。

しかしながら、このようにオープン型キャビティＣＡと狭い噴射角度αのインジェクタＩを用いたディーゼルエンジンには、以下に示すような問題があった。

１）キャビティＣＡがオープン型であるため、キャビティＣＡ内に形成されたスワールをキャビティＣＡ内に保持することが困難である。この結果、予混合気のミキシングによる希薄・均一化が不充分となり、出力の低下及び排気ガスの悪化を招くおそれがある。

２）予混合燃焼を燃料噴射量の多い高負荷領域で実現させるとノッキングが発生するおそれがあるので、高負荷領域では拡散燃焼に切り換える必要があるのだが、インジェクタＩの噴射角度αが狭いため、拡散燃焼を実現させるべくピストンＰの圧縮上死点近傍で燃料を噴射すると、噴射された燃料がキャビティＣＡの底面（中央側）に衝突し、スモークが発生する。つまり、オープン型キャビティＣＡと狭い噴射角度αのインジェクタＩを用いたディーゼルエンジンは予混合燃焼を重視して設計されたものであり、拡散燃焼の実現に課題があった。

そこで本発明の目的は、良好な予混合燃焼を実現できるうえ、拡散燃焼に切り換えた場合であっても良好な燃焼を確保できるディーゼルエンジンを提供することにある。

段落１２の「排気ガスの環流を５０％以上の」との記載を「排気ガスの還流を５０％以上の」と職権訂正し、次のとおりとする。

上記目的を達成するために請求項１に係る発明は、ピストンの頂部に凹設され、かつ内部にスワールを保持すべく上部の開口部が絞られると共に底部中央に上方に隆起した凸部が形成されたリエントラント型のキャビティと、そのキャビティに向かって燃料を噴射し、かつピストンの圧縮上死点近傍で燃料を噴射するときは該燃料が上記キャビティの凸部より径方向外側の内壁に到達するように噴射角度が１４０°〜１６５°の範囲内に設定された燃料噴射手段と、排気ガスの一部を燃焼室内に還流する排気ガス還流手段と、上記燃料噴射手段による燃料の噴射時期及び上記排気ガス還流手段によるＥＧＲ率を制御する制御装置とを備えたディーゼルエンジンにおいて、上記制御装置は、エンジンの運転状態が低負荷領域であるときには、上記燃料噴射手段により１４°〜３０°ＢＴＤＣの範囲内で燃料の噴射を開始してその噴射された燃料を上記キャビティの上部の開口部に衝突させて該キャビティ内に導入すると共に、その燃料の噴射をピストンの圧縮上死点よりも前に完了させ、他方、上記排気ガス還流手段による排気ガスの還流を５０％以上のＥＧＲ率で行い、その還流された排気ガスと吸気と上記キャビティ内に導入された燃料とを、上記キャビティ内のスワールにより予混合した後、ピストンの圧縮上死点近傍で圧縮着火させて予混合燃焼させるものである。

請求項２に係る発明は、上記制御装置が、エンジンの運転状態が中・高負荷領域であるときには、上記燃料噴射手段による燃料の噴射時期をピストンの圧縮上死点近傍に制御して拡散燃焼を実現させるものである。

請求項３に係る発明は、上記請求項１または２記載のディーゼルエンジンであって、排気通路に設けられた触媒と、その触媒よりも上流側で上記排気通路を流れる排気ガスに添加剤を添加するための添加剤添加手段と、その添加剤添加手段に供給する添加剤を蓄えるための添加剤収容手段とを備えた排気ガス後処理装置と、上記添加剤収容手段に蓄えられた添加剤の量を検出するための添加剤残量検出手段とを更に備え、上記制御装置は、上記添加剤残量検出手段の検出値が第一所定値以下であるときには、エンジンの運転状態が上記中・高負荷領域であっても上記予混合燃焼を実現させるものである。

請求項４の発明は、上記制御装置が、上記添加剤残量検出手段の検出値が上記第一所定値以下であるときには、エンジン回転速度とアクセル開度とに基づいて決定する要求トルクを、上記低負荷領域における最大要求トルク以下に制限するものである。

請求項５の発明は、上記制御装置が、上記添加剤残量検出手段の検出値が上記第一所定値以下であるときには、エンジン回転速度とアクセル開度とに基づいて決定する燃料噴射量を、上記低負荷領域における最大燃料噴射量以下に制限するものである。

請求項６の発明は、上記制御装置により作動可能な警告手段を更に備え、上記制御装置が、上記添加剤残量検出手段の検出値が、上記第一所定値以上の値に設定される第二所定値以下となったときに上記警告手段を作動させるものである。

請求項７の発明は、上記排気ガス後処理装置の触媒が選択接触還元触媒であり、上記添加剤がアンモニア水溶液、尿素水溶液又は液体アンモニアであるものである。

本発明によれば、良好な予混合燃焼を実現できるうえ、拡散燃焼に切り換えた場合であっても良好な燃焼を確保できる。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は本実施形態のディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）の概略図である。なお、図１では一気筒のみ示されているが、当然多気筒であっても良い。

図中１がエンジン本体であり、これはシリンダ２、シリンダヘッド３、ピストン４、吸気ポート５、排気ポート６、吸気弁７、排気弁８、インジェクタ９（燃料噴射手段）等から構成される。シリンダ２、シリンダヘッド３及びピストン４で囲まれた空間に燃焼室１０が形成される。ピストン４の頂部にはキャビティ１１が凹設され、燃焼室１０内に臨んで設けられたインジェクタ９からキャビティ１１に向かって燃料が直接噴射される。

本実施形態のエンジンのキャビティ１１及びインジェクタ９は、拡散燃焼を実現させることを前提に設計された通常のディーゼルエンジンと同様のものである。

具体的に説明すると、本実施形態のキャビティ１１は、図３（ａ）に示すように、ピストン４の軸方向と垂直な面積が最も大きい部分が、ピストン４の上端部（本実施形態ではピストン４の軸方向と垂直な面積が最も小さい部分）よりも下側に位置する（つまり開口部が絞られた形状である）と共に、その底部中央に上方に隆起した凸部１１ａが形成されたリエントラント型のものである。インジェクタ９はシリンダ２と略同軸に配置され、複数の噴孔から噴射角度β（図３（ｃ）参照）で燃料を噴射する。インジェクタ９の噴射角度βは、通常の（拡散燃焼を実現させる）エンジンの噴射角度と同等であり、本実施形態では１４０°〜１６５°の範囲内で設定される。

図１に戻り、インジェクタ９はコモンレール２４に接続され、そのコモンレール２４に貯留された高圧燃料がインジェクタ９に常時供給される。コモンレール２４への燃料圧送は高圧サプライポンプ２５により行われる。吸気ポート５は吸気管１２に、排気ポート６は排気管１３にそれぞれ接続される。

本実施形態のエンジンは更に、排気管１３内の排気ガスの一部を燃焼室１０内に還流するＥＧＲ装置１９（排気ガス還流手段）を備えている。

ＥＧＲ装置１９は、吸気管１２と排気管１３とを結ぶＥＧＲ通路２０と、ＥＧＲ通路２０の通路面積を変えて吸気のＥＧＲ率及びＥＧＲ量を調節するためのＥＧＲ弁２１と、ＥＧＲ弁２１の上流側でＥＧＲガス（排気ガス）を冷却するＥＧＲクーラ２２とを備える。ＥＧＲ弁２１の弁開度を大きくすることで、吸気のＥＧＲ率及びＥＧＲ量を増加させることができ、逆にＥＧＲ弁２１の弁開度を小さくすることで、吸気のＥＧＲ率及びＥＧＲ量を低下させることができる。

吸気管１２には、ＥＧＲ管２０との接続部よりも上流側で吸入空気を適宜絞るための吸気絞り弁２３が設けられる。この吸気絞り弁２３の開閉によっても、吸気全体に占める吸入空気（新気）の量ないし割合を調節してＥＧＲ率を調節することができる。即ち、吸気絞り弁２３の弁開度を大きくすることで、吸入空気量（割合）を増加し、吸気のＥＧＲ率及びＥＧＲ量を低下させることができ、逆に吸気絞り弁２３の弁開度を小さくすることで、吸入空気量を低減し、吸気のＥＧＲ率及びＥＧＲ量を増加させることができる。

このエンジンを電子制御するための電子制御ユニット（以下ＥＣＵという）２６が設けられる。ＥＣＵ２６（制御装置）は各種センサ類からエンジンの運転状態を読み取り、そのエンジン運転状態に基づいてインジェクタ９、ＥＧＲ弁２１、吸気絞り弁２３等を制御する。前記センサ類としては、アクセル開度を検出するためのアクセル開度センサ１４、エンジンのクランク軸（図示せず）の位相即ちクランク角を検出するためのクランク角センサ１６、コモンレール２４内の燃料圧力を検出するためのコモンレール圧センサ１７等が含まれ、これら各センサの出力信号に基づいてＥＣＵ２６が実際のアクセル開度、クランク角、コモンレール圧等を決定する。またＥＣＵ２６は、アクセル開度の値に基づいてエンジンの負荷（要求トルク）を決定すると共に、時間に対するクランク角の増加割合を演算してエンジンの回転速度ＮＥを決定する。

インジェクタ９がＥＣＵ２６によりＯＮ／ＯＦＦされることでインジェクタ９による燃料噴射が実行／停止される。ＥＣＵ２６は、前記センサ類から検出されたエンジン運転状態を表すパラメータ、特にエンジン回転速度ＮＥとアクセル開度とに基づいて要求トルクを決定し、その要求トルクに基づいて燃料噴射量Ｑ及び噴射時期の目標値を決定し、実際のクランク角が目標噴射時期に到達したら、その時から目標噴射量相当の時間だけ、インジェクタ９を通電（ＯＮ）する。これにより実際のエンジン運転状態に即した燃料噴射制御が可能となる。なお、目標噴射量と目標噴射時期とは実機試験等により予め決定されており、その値がＥＣＵ２６内のメモリにマップ形式で記憶される。

また、コモンレール圧即ち噴射圧力のフィードバック制御も実行される。即ち、ＥＣＵ２６は、前記センサ類から検出されたエンジン運転状態を表すパラメータ、特にエンジン回転速度ＮＥと要求トルク（エンジン負荷）とに基づいてコモンレール圧の目標値を決定し、この目標値に実際のコモンレール圧が近づくよう、図示しない調量弁の開度を制御して高圧サプライポンプ２５からコモンレール２４への燃料供給量を制御する。

さて、本実施形態のエンジンは、所定の運転領域において「背景技術」の欄で説明したような予混合燃焼を実現させる。具体的に説明すると、図２に示すように、エンジン回転速度ＮＥと燃料噴射量Ｑとにより定められるエンジンの運転状態に基づいて予混合燃焼と拡散燃焼とを切り換えるための切換ラインＡが予めＥＣＵ２６に入力されており、ＥＣＵ２６は、前記センサ類の検出値に基づいて決定したエンジンの運転状態（エンジン回転速度ＮＥ及び燃料噴射量Ｑ）に基づいて、予混合燃焼と拡散燃焼とのいずれか一方の燃料形態を実現させるようにインジェクタ９、ＥＧＲ弁２１、吸気絞り弁２３等を制御する。上述したように、燃料噴射量Ｑは要求トルクに基づいて決定されるので、エンジンの運転状態はエンジン回転速度ＮＥと要求トルクとに基づいて定められると言うこともできる。図２から分かるように、本実施形態のエンジンでは、燃料噴射量Ｑが比較的少ない（要求トルクが比較的小さい）低負荷領域で予混合燃焼を、燃料噴射量Ｑが比較的多い（要求トルクが比較的大きい）中・高負荷領域で拡散燃焼を実現させる。

このように本実施形態のエンジンは、リエントラント型のキャビティ１１と、通常の噴射角度βを有するインジェクタ９とを用いて予混合燃焼を実現させるものである。以下、本実施形態のエンジンによる予混合燃焼の実現方法を説明する。

予混合燃焼を実現させる運転領域では、ＥＣＵ２６は、インジェクタ９による燃料の噴射開始時期を、ピストン４の圧縮上死点よりも前に燃料の噴射が完了し、且つ噴射された燃料の全てがキャビティ１１内に入るような噴射開始時期に制御する。そのような噴射開始時期は、例えば上死点前５〜３５°の範囲である。即ち、予混合燃焼を実現すべく燃料の噴射時期を圧縮上死点よりも進角化するのだが、その進角範囲を、噴射された燃料が全てキャビティ１１内に入る範囲に制限するのである。

ここで、図３を用いて、燃料が全てキャビティ１１内に入るような噴射開始時期について具体的に説明する。

図３（ａ）は燃料の噴射開始時期（インジェクタ９に対する通電開始時）の状態を示しており、この時点ではピストン４は圧縮上死点よりも下方に位置し、燃料はインジェクタ９から噴射されていない。その後、図３（ｂ）に示すように、時間の経過に伴ってピストン４が上昇し、燃料Ｆがインジェクタ９から径方向外側に飛散し始める。ただし、この時点では燃料Ｆはピストン４のキャビティ１１に到達していない。そして、図３（ｃ）に示すように、燃料の噴射開始後、所定期間が経過したときに、燃料Ｆがキャビティ１１の側壁上部に衝突する。このとき、燃料Ｆの衝突位置が適正であれば、図示するように噴射された全ての燃料Ｆがキャビティ１１の内側に流れ込む。このように、全ての燃料Ｆがキャビティ１１の内側に供給されるような噴射時期が、本実施形態において設定される噴射時期である。逆に、キャビティ１１に衝突した燃料の一部が上方に跳ね返ってシリンダヘッド３の下面に付着してしまうような噴射時期は、本実施形態では設定されない。なお、燃料の噴射が全て完了した時点では、ピストン４は圧縮上死点よりも下方に位置する。

燃料Ｆの適切な衝突位置は、キャビティ１１の形状とインジェクタ９の噴射角度β等によって定まるので、この適切な衝突位置とピストンストローク等に基づいて適切な噴射開始時期をエンジンの運転状態毎に求めておき、予めマップとしてＥＣＵ２６に記憶しておく。

図４は、燃料の噴射開始時期及び噴射量を決定するためのマップを具体的に示したものである。横軸はエンジン回転速度（ｒｐｍ）、縦軸は燃料噴射量（ｍｍ³ ／ｓｔ）で、切換ラインＡよりも低負荷側（下側）が予混合燃焼を実現させる領域である。また実用上は、燃料噴射量がゼロとなることはフュエルカット時等を除いてあり得ないので、アイドル相当の燃料噴射量（本実施形態では５ｍｍ³ ／ｓｔ）以上の領域が使用される。図から理解されるように、予混合燃焼を実現させる領域では、燃料噴射時期が上死点前５〜３５°の範囲内に設定され、エンジン回転速度及び燃料噴射量（エンジン負荷に相当）が増大するにつれ、早期化する傾向にある。また、エンジン回転速度が一定の場合、噴射時期は負荷が高まる程早期化する。これは噴射量の増大に伴い予混合期間を増大する必要があるからである。一方、燃料噴射量が一定の場合、噴射時期は回転速度が高まる程早期化する。これは回転速度の増大に伴いピストン速度も増加し、予混合期間を確保するためにはより早期に噴射を開始する必要があるからである。

ところで、一般的な噴射角度β（１４０°〜１６５°の範囲内）のインジェクタ９を用いた本実施形態のエンジンでは、燃料の噴射開始時期の進角可能な範囲は、当然、噴射角度を狭くしたエンジン（図７参照）よりも小さくなる。従って、本実施形態のエンジンでは、燃料室１０内の圧力及び温度が比較的（噴射角度を狭めたエンジンと比較して）高い状態で燃料を噴射することになる。このため、予混合気がピストンの圧縮上死点よりも前に着火してしまい、予混合気を充分に希薄・均一化させることができなくなるおそれがある。

そこで、本実施形態のエンジンは、予混合燃焼を実現させるときに、ＥＧＲ装置１９により比較的多量のＥＧＲを実行してこの問題を回避する。

即ち、予混合燃焼を実現させる運転領域では、ＥＣＵ２６は、ＥＧＲ装置１９による予混合気のＥＧＲ率又はＥＧＲ量を、インジェクタ９により噴射された燃料が、燃料の噴射完了後、ピストン４の圧縮上死点近傍で着火するようなＥＧＲ率又はＥＧＲ量に制御する。つまり、ＥＧＲにより予混合気の空気濃度を低下させることで、予混合期間を充分に確保すると共に着火時期の適正化を図っている。本実施形態では、エンジン運転状態毎にＥＧＲ弁２１及び吸気絞り弁２３の適切な弁開度を定めたマップが予めＥＣＵ２６に入力されており、ＥＣＵ２６はこのマップに従ってＥＧＲ弁２１及び吸気絞り弁２３を制御し、予混合気のＥＧＲ率又はＥＧＲ量を制御する。本実施形態では、予混合燃焼を実現させる運転領域では、予混合気のＥＧＲ率が５０％以上となるように、ＥＧＲ弁２１及び吸気絞り弁２３の弁開度マップが設定される。

このように、ＥＧＲ装置１９により比較的多量のＥＧＲを実行して予混合気の酸素濃度を低下させることで、予混合期間を充分に確保して予混合気の希薄・均一化を促進させることができる。従って、燃料の噴射開始時期を極端に早期化できない本実施形態のエンジンにおいて予混合燃焼を良好に実現させることが可能となる。また、ＥＧＲ率又はＥＧＲ量を調節して予混合気の着火時期を適切な時期（ピストンの圧縮上死点近傍）に制御しているので、燃費及び出力も向上する。更に、多量のＥＧＲを実行して予混合気の酸素濃度を低下させることで、排気ガス中のＮＯｘを低減させることもできる。

図５は、本実施形態のエンジンと、図７に示すようなオープン型のキャビティＣＡ及び狭い噴射角度αのインジェクタＩを用いたエンジン（以下、オープン型エンジンという）とにおける、平均有効圧力Ｐｍｉ、ＴＨＣ排出量、スモーク排出量の測定結果の一例を示している。

図の横軸は燃料の噴射開始時期（ＡＴＤＣ）であり、図中四角ポイントを結ぶラインが本実施形態のエンジン、三角ポイントを結ぶラインがオープン型エンジンの測定結果を示している。なお、菱形ポイントを結ぶラインは、拡散燃焼を行う通常のディーゼルエンジンの測定結果を参考として示したものである。

図から分かるように、本実施形態のエンジンは、平均有効圧力Ｐｍｉ（エンジン出力に相当）が全ての噴射開始時期においてオープン型エンジンを上回っている。

また、ＴＨＣ及びスモークの排出量についても、全ての噴射開始時期においてオープン型エンジンと同等かそれ以下となっている。特筆すべき点は、本実施形態のエンジンは幅広い噴射開始時期に亘ってスモーク排出量が少ないことである。これは噴射開始時期の設定の自由度が高いことを意味している。つまり、オープン型エンジンではスモーク排出量の少ない噴射開始時期の範囲が狭い（この例では約−２６°〜約−１８ＡＴＤＣ）ため噴射開始時期の設定可能範囲が狭いが、本実施形態のエンジンではスモーク排出量の少ない噴射開始時期の範囲が広い（この例では約−３０°〜約−１４°ＡＴＤＣ）ので、噴射開始時期をこの広い範囲内で自由に設定することができる。

このように、本実施形態のエンジンがオープン型エンジンと比較して、出力、排気ガス共に優れている理由は、リエントラント型のキャビティ１１の効果であると推察される。つまり、リエントラント型のキャビティ１１では、燃焼のほとんど全てをキャビティ１１内で行うことができるため、これが出力の向上につながったと考えられる。また、リエントラント型のキャビティ１１は、キャビティ１１内で形成されたスワールをキャビティ１１内に積極的に保持することができるので、予混合気のミキシングにより充分な希薄・均一化が図れる。これが排気ガスの改善につながったと考えられる。更に、リエントラント型のキャビティ１１の他の利点である高スキッシュの形成も、排気ガスの改善に貢献していると考えられる。

図６は、本実施形態のエンジンにおいて燃料の噴射開始時期を三種類設定し、各噴射開始時期においてＥＧＲ率を約４０〜６０％の間で変化させたときの、ＴＨＣ排出量、ＮＯｘ排出量、スモーク排出量、正味平均有効圧力ＢＭＥＰ（エンジン出力に相当）の測定結果の一例を示している。

図の横軸は予混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）を示しており、予混合気のＥＧＲ率が高いほど空燃比は低く、ＥＧＲ率が低いほど空燃比は高くなる。図中丸ポイントを結ぶラインが噴射開始時期２０°ＢＴＤＣ、三角ポイントを結ぶラインが噴射開始時期３０°ＢＴＤＣ、菱形ポイントを結ぶラインが噴射開始時期４０°ＢＴＤＣである。なお、四角ポイントを結ぶラインは、拡散燃焼を行う通常のディーゼルエンジンの測定結果を参考として示したものである。

図から分かるように、ＴＨＣ排出量は、噴射開始時期２０°ＢＴＤＣと３０°ＢＴＤＣとでほぼ同等であるのに対して、噴射開始時期を４０°ＢＴＤＣとした場合だけ大幅に増加している。また、正味平均有効圧力ＢＭＥＰについても、噴射開始時期を２０°及び３０°ＢＴＤＣとした場合はほぼ同等であるのに対し、噴射開始時期を４０°ＢＴＤＣとした場合だけ大幅に低下している。

このように、噴射開始時期を４０°ＢＴＤＣとした場合、噴射開始時期を２０°及び３０°ＢＴＤＣとした場合と比較して、ＴＨＣ排出量、出力共に悪化しているが、その理由は、噴射された燃料の一部がキャビティ１１から外側に飛散していることが原因であると考えられる。

つまり、噴射開始時期を２０°及び３０°ＢＴＤＣとした場合は、噴射された燃料が全てキャビティ１１内に入るため、ＴＨＣ排出量、出力共に良好であり、両者に大きな差は見られないが、噴射開始時期を４０°ＢＴＤＣとした場合、噴射開始時期が早すぎて燃料の一部がキャビティ１１外に飛散し、これがシリンダヘッド３の下面等に付着してＴＨＣの排出につながったと考えられる。また、キャビティ１１外へ飛散した燃料はキャビティ１１内で燃焼することができないため、これが出力の低下につながったと考えられる。

次に、図６において、ＥＧＲ率と排気ガス及び出力との関係に着目すると、全ての噴射開始時期において、ＥＧＲ率が高い程、ＮＯｘ排出量が低下することが分かる。これは、多量のＥＧＲにより予混合気の酸素濃度が低下したことが理由である。図から分かるように、燃料の噴射開始時期を２０°及び３０°ＢＴＤＣとした場合において、ＥＧＲ率を約５０％以上にすれば、ＮＯｘ排出量をほぼゼロレベルまで低減できる。なお、ＴＨＣ排出量、スモーク排出量及び正味平均有効圧力ＢＭＥＰについてはＥＧＲ率との明確な相関関係は見受けられなかった。

図６の測定結果から、燃料の全てがキャビティ１１内に入るように噴射開始時期を設定し、且つ多量のＥＧＲ（ＥＧＲ率５０％以上）を実行する本実施形態のエンジンによれば、優れた排気ガス特性及び出力が得られることが分かる。

さて、上述したように本実施形態のエンジンは、中・高負荷領域では拡散燃焼を実現させるのであるが、本実施形態のエンジンは、拡散燃焼に適したリエントラント型のキャビティ１１と、噴射角度βが比較的広い（１４０°〜１６５°程度）通常のインジェクタ９を用いているので、拡散燃焼を実現させる際にも良好な燃焼を確保できる。つまり、拡散燃焼を実現させるべく、圧縮上死点近傍で燃料を噴射すると、噴射された燃料は、通常のディーゼルエンジンと同様に、キャビティ１１の側壁に当たるので、スモーク等が大幅に発生することはない。また、リエントラント型のキャビティ１１により、キャビティ１１内で形成されたスワールをキャビティ１１内に保持できるので優れた排気ガス特性を得ることができる。

従って、本実施形態のエンジンによれば、低負荷領域で良好な予混合燃焼を実現できるうえ、中・高負荷領域で拡散燃焼に切り換えた場合も良好な燃焼を確保することができる。

ここで、良好な拡散燃焼を確実に実現させるためには、インジェクタ９の燃料噴射角度βを次のように設定することが好ましい。即ち、拡散燃焼を実現すべくピストン４の圧縮上死点近傍で噴射された燃料が、キャビティ１１の最低位置Ｂ（図３（ａ）参照）よりも径方向外側のキャビティ内壁に到達するような角度である。従って、この条件を満たす範囲内でインジェクタ９の噴射角度βをぎりぎりまで狭くすれば、良好な拡散燃焼を確保できるうえ、予混合燃焼を実現させる際に、燃料噴射開始時期を比較的大きく進角化することが可能となる。

なお、本実施形態のディーゼルエンジンにおいて予混合気の混合を更に促進させるためには、高スワールタイプのシリンダヘッド３又は吸気ポート５を用いることが好ましい。例えば、吸気ポート５にスワール生成装置を設けても良い。

また、上記実施形態ではＥＧＲ装置として、排気管１３内の排気ガスの一部を吸気管１２内に還流する外部ＥＧＲ装置を示したが、本発明はこの点において限定されず、排気弁８又は吸気弁７を開閉制御することで排気ガスを燃焼室１０内に還流させる内部ＥＧＲ装置を用いても良い。

ところで、本実施形態のエンジンは、エンジンの運転状態が中・高負荷領域であるときには拡散燃焼を実現させるため、中・高負荷領域で走行（運転）しているときには若干のＮＯｘが排気ガス中に排出されてしまうことになる。

そこで、図１に示されるように、本実施形態のエンジンには、排気ガス中に含まれるＮＯｘを還元・浄化するための排気ガス後処理装置４０が設けられている。

排気ガス後処理装置４０は、排気管１３（排気通路）に設けられた触媒４１と、その触媒４１よりも上流側で排気管１３内を流れる排気ガスに添加剤を添加するための添加剤添加手段４２（添加剤用インジェクタ）と、その添加剤用インジェクタ４２に供給する添加剤を蓄えるための添加剤収容手段４３（添加剤タンク）とを備えており、添加剤タンク４３には、タンク４３内に蓄えられた添加剤の量を検出するための添加剤残量検出手段４４が設けられる。

本実施形態の排気ガス後処理装置４０の触媒４１は選択接触還元触媒（ＳＣＲ触媒）であり、添加剤としてアンモニア水溶液、尿素水溶液あるいは液体アンモニア等が使用される。ＳＣＲ触媒４１としては、ペレット状やハニカム状に形成されたアルミナ（酸化アルミニウム：Ａｌ₂Ｏ₃）、チタニア（酸化チタン：ＴｉＯ₂ ）等を担体とし、白金（Ｐｔ）、酸化バナジウム（Ｖ₂Ｏ₅）、酸化鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃）、酸化銅（ＣｕＯ）、酸化マンガン（Ｍｎ₂Ｏ₃）、酸化クロム（Ｃｒ₂Ｏ₃）、酸化モリブデン（ＭｏＯ₃）等を活性体として使用するものが適用可能である。

添加剤残量検出手段４４としては様々な手段が適用可能であるが、ここではフロート式のレベルゲージが用いられる。

エンジンの運転状態が中・高負荷領域であり、拡散燃焼を実現させているときに、排気ガス後処理装置４０の添加剤用インジェクタ４２により排気ガス中にアンモニア（ＮＨ₃）を噴射（添加）すると、ＳＣＲ触媒４１でアンモニア（ＮＨ₃）と排気ガス中のＮＯｘとが反応して無害な窒素（Ｎ₂）及び水（Ｈ₂Ｏ）に還元される。なお、上述したように、予混合燃焼ではＮＯｘ排出量がほぼゼロレベルとなるので、エンジンの運転状態が予混合燃焼を実現させる領域（低負荷領域）であるときには、排気ガス後処理装置４０を作動させる必要はない。

ところで、添加剤を利用する排気ガス後処理装置４０では、添加剤タンク４３内の添加剤が無くなると、当然、排気ガスの浄化効果が得られなくなる。そこで、本実施形態のディーゼルエンジンでは、添加剤タンク４３内の添加剤が少ないか、完全に無くなったときに、ドライバにそれを知らせて添加剤の補充を促すことができるように工夫がなされている。

具体的に説明すると、本実施形態のディーゼルエンジンでは、添加剤残量検出手段４４により検出される添加剤タンク４３内の添加剤の量が所定値以下となった場合、運転席等に設けられた警告手段４５（図１参照）を作動してドライバにそれを知らせる。なお、本実施形態では警告手段４５としてランプを用いているが、ブザー等の他の手段を用いても良いし、複数の手段を併用しても良い。

更に、本実施形態のディーゼルエンジンでは、添加剤残量検出手段４４により検出される添加剤タンク４３内の添加剤の量が所定値以下となった場合、エンジンの運転状態が上述した予混合燃焼を実現させる領域外であっても、予混合燃焼を実現させる。具体的に説明すると、添加剤タンク４３内の添加剤の量が所定値以下となったときには、エンジン回転速度とアクセル開度等に基づいて決定する要求トルク及び燃料噴射量の上限値を、予混合燃焼を実現させる領域における最大要求トルク及び最大燃料噴射量以下に制限し、それにより、アクセル開度に関わらず予混合燃焼を実現させるようにする。

このように、添加剤の残量が少なくなった、あるいは無くなったときに予混合燃焼を実現させることで、ＮＯｘの排出量がほぼゼロレベルとなるため、添加剤不足により排気ガス後処理装置４０の浄化効果が得られなくなっても、ＮＯｘが大気中に排出されることはない。また、要求トルク及び燃料噴射量が制限されるので、ドライバが意図したような運転・走行が不可能となり、ドライバに添加剤の早期補充を促すことができる。その上、エンジンの運転を完全に止めてしまう訳ではないので、添加剤を補充可能な位置まで自走することが可能である。

以上説明した制御はＥＣＵ２６により実行されるものであるので、図８のフローチャートを用いて、ＥＣＵ２６が実行する制御内容の具体例を説明する。この制御フローは、ＥＣＵ２６により所定期間毎に実行されるものである。

まず、ステップＳ１において、添加剤残量検出手段４４により検出される添加剤タンク４３内の添加剤の残量（レベル）Ｌを読み込む。

次に、ステップＳ２において、ステップＳ１で読み取った添加剤の残量Ｌが、予めＥＣＵ２６に入力された所定値（特許請求の範囲の第二所定値に相当するので、以下第二所定値と言う）よりも大きいか否かを判定する。

添加剤の残量Ｌが第二所定値よりも大きいと判定された場合（ＹＥＳ判定）、ステップＳ１に戻り、添加剤の残量Ｌの読み込みを再度行う。

ステップＳ２において、添加剤の残量Ｌが第二所定値以下であると判定された場合（ＮＯ判定）、ステップＳ３に進み、警告手段を作動する（本実施形態ではランプ４５を点灯する）。これにより、ドライバに添加剤が少なくなった、あるいは無くなったことを知らせることができる。

次に、ステップＳ４に進み、ステップＳ１で読み取った添加剤の残量Ｌが、予めＥＣＵ２６に入力された所定値（特許請求の範囲の第一所定値に相当するので、以下第一所定値と言う）よりも大きいか否かを判定する。この第一所定値はステップＳ２の第二所定値と同じかそれよりも小さい値に設定される。

添加剤の残量Ｌが第一所定値よりも大きいと判定された場合（ＹＥＳ判定）、ステップＳ１に戻り、添加剤の残量Ｌの読み込みを再度行う。

一方、ステップＳ４において、添加剤の残量Ｌが第一所定値以下であると判定された場合（ＮＯ判定）、ステップＳ５に進み、エンジンの全負荷特性を変更する。なお、第一所定値が第二所定値と同じ値に設定された場合、ステップＳ４では必ずＮＯと判定されることになる。

ここで、図９を用いて、ステップＳ５で実行する全負荷特性の変更について説明する。

図９は、エンジン回転速度とアクセル開度とに応じて要求トルク（エンジン出力）を定めたマップを示しており、図９（ａ）が通常時の状態を、図９（ｂ）がステップＳ５により全負荷特性を変更した後の状態を示している。

まず、図９（ａ）を用いて通常時のマップを説明すると、エンジン回転速度とアクセル開度とによりエンジンの運転状態がマップ上の１点として定まる。そして、その運転状態に基づいてマップから要求トルクが決定される。上述したように、その要求トルクに基づいて燃料噴射量が決定されると共に、予混合燃焼と拡散燃焼のどちらの燃焼を実現させるかが決定される。図から分かるように、アクセル開度が大きくなる程、要求トルクは大きく設定される。また、予混合燃焼を実現させる領域は要求トルクが比較的低い領域に設定され、その領域よりも上側の領域が拡散燃焼を実現させる領域となる。

図中９（ａ）中、最も上側に位置するラインは、アクセル開度が最大（１００％）のときの要求トルクを示しており、これが全負荷特性である。図に車速変化の一例を点線で示すが、アクセル開度が１００％となったときに車速が最高速に達することになる。

次に、図９（ｂ）を用いて、全負荷特性を変更した後の状態を説明する。

図８のステップＳ４において、添加剤残量Ｌが第一所定値以下であると判定された場合、ＥＣＵ２６はエンジンの全負荷特性を図９（ａ）から図９（ｂ）のように変更する。

即ち、図から分かるように、全負荷特性（アクセル開度１００％における要求トルクの特性）を予混合燃焼領域の最大値と一致させる。これによって、アクセル開度とエンジン回転速度とに基づいて決定される要求トルクが、予混合燃焼領域内の値に制限される。具体的に説明すると、エンジン回転速度とアクセル開度とに基づいて定まる１点（運転状態）が予混合燃焼領域内である場合は、通常通り要求トルクが決定されるが、上記１点（運転状態）が予混合燃焼領域外である場合、決定される要求トルクは、そのときのエンジン回転速度における予混合燃焼領域の最大要求トルクとなる。従って、ドライバがアクセル開度を０〜１００％のいずれの開度に操作したとしても、エンジン回転速度とアクセル開度とにより決定される要求トルクは必ず予混合燃焼領域内の値となる。また、要求トルクを予混合燃焼領域における最大要求トルク以下に制限することによって、要求トルクに基づいて決定される燃料噴射量も予混合燃焼領域における最大燃料噴射量以下に制限される。

このように本実施形態のディーゼルエンジンでは、添加剤タンク４３内の添加剤の残量が第一所定値以下となったときには、アクセル開度に関わらず予混合燃焼が実現され、要求トルク及び燃料噴射量の上限値が通常時よりも低く（少なく）制限される。これにより、ＮＯｘ排出量がほぼゼロレベルとなるので、添加剤不足により排気ガス後処理装置４０による排気ガス浄化効果が得られなくなっても、ＮＯｘが大気中に排出されることはない。また、エンジン出力が制限されるため、ドライバの意図したような走行が不能となり、添加剤の早期補充を促すことができる。つまり、図９（ｂ）に示すように、車両の最高速が通常時と比べて極めて低く制限されるので、ドライバが添加剤を補充せざるを得なくなる。

なお、上記実施形態では活性剤を利用する排気ガス後処理装置４０としてＳＣＲ触媒を示したが、本発明はこの点において限定されず、排気ガスに対して独立して供給される活性剤を利用する排気ガス後処理装置であれば他のタイプのものであっても良い。例えば、排気ガスに添加する活性剤として炭化水素（ＨＣ）を利用する酸化・ＮＯｘ触媒や、同じく活性剤として炭化水素を利用する触媒付のＤＰＦ（ディーゼル・パティキュレート・フィルタ）等を用いることもできる。

また、上記実施形態では、添加剤の残量が第一所定値以下となったときに、全負荷特性、つまり、要求トルクの上限値のみを変更するとしたが、本発明はこの点において限定されず、図９（ａ）に示すマップの要求トルク特性全体を所定比率で縮小・圧縮して、エンジン回転速度とアクセル開度とに基づいて決定する要求トルクが予混合燃焼を実現させる領域における最大要求トルク以下となるようにしても良い。

また、上記実施形態ではエンジン回転速度とアクセル開度とに基づいて要求トルクを決定し、その要求トルクに基づいて燃料噴射量を決定するトルクベース制御を実行する例を示したが、本発明はこの点において限定されず、エンジン回転速度とアクセル開度とに基づいて燃料噴射量を直接決定する噴射量ベース制御を実行するタイプにも適用できる。この場合も、添加剤の残量が第一所定値以下となったときに、エンジン回転速度とアクセル開度とに基づいて決定する燃料噴射量の上限値を、予混合燃焼を実現させる領域における最大燃料噴射量以下に制限すれば良い。

本発明の一実施形態に係るディーゼルエンジンの概略図である。 予混合燃焼と拡散燃焼との切換ラインを定めたマップである。 インジェクタから噴射される燃料とピストンとの関係を示す図である。 燃料の噴射開始時期及び噴射量を決定するためのマップである。 本発明の一実施形態に係るディーゼルエンジンと、オープン型エンジンとにおける、平均有効圧力Ｐｍｉ、ＴＨＣ排出量、スモーク排出量の測定結果を示すグラフである。 本発明の一実施形態に係るディーゼルエンジンにおいて燃料の噴射開始時期を三種類設定し、各噴射開始時期においてＥＧＲ率を約４０〜約６０％の間で変化させたときの、ＴＨＣ排出量、ＮＯｘ排出量、スモーク排出量、正味平均有効圧力ＢＭＥＰの測定結果を示すグラフである。 オープン型エンジンの概略を示す図である。 ＥＣＵ（制御装置）が実行する制御フロー図である。 エンジン回転速度とアクセル開度に応じて要求トルクを定めたマップの概略図である。

符号の説明

１ エンジン本体
４ ピストン
９ インジェクタ（燃料噴射手段）
１１ キャビティ
１１ａ 凸部
１９ ＥＧＲ装置（排気ガス還流手段）
２１ ＥＧＲ弁
２６ ＥＣＵ（制御装置）
４０ 排気ガス後処理装置
４１ 触媒（ＳＣＲ触媒）
４２ 添加剤添加手段（添加剤用インジェクタ）
４３ 添加剤収容手段（添加剤タンク）
４４ 添加剤残量検出手段

Claims (7)

1. 請求項１の「排気ガスの環流を５０％以上の」との記載を「排気ガスの還流を５０％以上の」と職権訂正し、次のとおりとする。
   
   ピストンの頂部に凹設され、かつ内部にスワールを保持すべく上部の開口部が絞られると共に底部中央に上方に隆起した凸部が形成されたリエントラント型のキャビティと、そのキャビティに向かって燃料を噴射し、かつピストンの圧縮上死点近傍で燃料を噴射するときは該燃料が上記キャビティの凸部より径方向外側の内壁に到達するように噴射角度が１４０°〜１６５°の範囲内に設定された燃料噴射手段と、排気ガスの一部を燃焼室内に還流する排気ガス還流手段と、上記燃料噴射手段による燃料の噴射時期及び上記排気ガス還流手段によるＥＧＲ率を制御する制御装置とを備えたディーゼルエンジンにおいて、
   上記制御装置は、エンジンの運転状態が低負荷領域であるときには、
   上記燃料噴射手段により１４°〜３０°ＢＴＤＣの範囲内で燃料の噴射を開始してその噴射された燃料を上記キャビティの上部の開口部に衝突させて該キャビティ内に導入すると共に、その燃料の噴射をピストンの圧縮上死点よりも前に完了させ、
   他方、上記排気ガス還流手段による排気ガスの還流を５０％以上のＥＧＲ率で行い、その還流された排気ガスと吸気と上記キャビティ内に導入された燃料とを、上記キャビティ内のスワールにより予混合した後、ピストンの圧縮上死点近傍で圧縮着火させて予混合燃焼させることを特徴とするディーゼルエンジン。
2. 上記制御装置は、エンジンの運転状態が中・高負荷領域であるときには、上記燃料噴射手段による燃料の噴射時期をピストンの圧縮上死点近傍に制御して拡散燃焼を実現させる請求項１記載のディーゼルエンジン。
3. 上記請求項１または２記載のディーゼルエンジンであって、
   排気通路に設けられた触媒と、その触媒よりも上流側で上記排気通路を流れる排気ガスに添加剤を添加するための添加剤添加手段と、その添加剤添加手段に供給する添加剤を蓄えるための添加剤収容手段とを備えた排気ガス後処理装置と、
   上記添加剤収容手段に蓄えられた添加剤の量を検出するための添加剤残量検出手段とを更に備え、
   上記制御装置は、上記添加剤残量検出手段の検出値が第一所定値以下であるときには、エンジンの運転状態が上記中・高負荷領域であっても上記予混合燃焼を実現させることを特徴とするディーゼルエンジン。
4. 上記制御装置は、上記添加剤残量検出手段の検出値が上記第一所定値以下であるときには、エンジン回転速度とアクセル開度とに基づいて決定する要求トルクを、上記低負荷領域における最大要求トルク以下に制限する請求項３記載のディーゼルエンジン。
5. 上記制御装置は、上記添加剤残量検出手段の検出値が上記第一所定値以下であるときには、エンジン回転速度とアクセル開度とに基づいて決定する燃料噴射量を、上記低負荷領域における最大燃料噴射量以下に制限する請求項３記載のディーゼルエンジン。
6. 上記制御装置により作動可能な警告手段を更に備え、
   上記制御装置は、上記添加剤残量検出手段の検出値が、上記第一所定値以上の値に設定される第二所定値以下となったときに上記警告手段を作動させる請求項３〜５いずれかに記載のディーゼルエンジン。
7. 上記排気ガス後処理装置の触媒は選択接触還元触媒であり、上記添加剤はアンモニア水溶液、尿素水溶液又は液体アンモニアである請求項３〜６いずれかに記載のディーゼルエンジン。

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