JP6098536B2 - Control unit for direct injection engine - Google Patents

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Description

ここに開示された技術は、直噴エンジンの制御装置に関する。   The technology disclosed herein relates to a control device for a direct injection engine.

特許文献1には、圧縮自己着火エンジンにおいて、燃焼室を区画する壁面を断熱材で構成することによって、燃焼室の壁面における冷却損失を低減することが記載されている。冷却損失の低減によって、熱効率が向上する。   Patent Document 1 describes that in a compression self-ignition engine, a wall surface defining a combustion chamber is made of a heat insulating material to reduce cooling loss on the wall surface of the combustion chamber. Thermal efficiency is improved by reducing the cooling loss.

特許文献2には、エンジンの燃焼室内に燃料を噴射する外開弁式のインジェクタが記載されている。外開弁式のインジェクタは、弁本体のリフト量を変えることによって、燃料が噴射するノズル口の有効断面積が変化する。また、特許文献3には、VCO(Valve Covered Orifice)ノズルタイプのインジェクタが記載されている。VCOノズルタイプのインジェクタは、ニードル弁が、ノズル口が開口しているシート部に直接着座して、ノズル口を閉鎖するように構成されており、ニードル弁のリフト量に応じて、ノズル口の内周面に発生するキャビテーション領域の大きさが変化する。その結果、VCOノズルタイプのインジェクタでは、外開弁式のインジェクタと同様に、ニードル弁のリフト量に応じて、ノズル口の有効断面積が変化することになる。   Patent Document 2 describes an outer valve-opening injector that injects fuel into a combustion chamber of an engine. In the externally opened injector, the effective sectional area of the nozzle port through which fuel is injected changes by changing the lift amount of the valve body. Patent Document 3 describes a VCO (Valve Covered Orifice) nozzle type injector. The VCO nozzle type injector is configured so that the needle valve is directly seated on the seat portion where the nozzle opening is opened and the nozzle opening is closed, and according to the lift amount of the needle valve, The size of the cavitation region generated on the inner peripheral surface changes. As a result, in the VCO nozzle type injector, the effective sectional area of the nozzle port changes according to the lift amount of the needle valve, as in the case of the externally opened injector.

特許文献4には、気筒中心軸上に配置されかつ、コーン状に燃料を噴射する外開弁式のインジェクタを備えたエンジンにおいて、圧縮行程の後期に気筒内に燃料を噴射することで、燃焼室内に混合気層と、その周囲のガス層(新気を含むガス層)とを形成することが記載されている。この特許文献4に記載されたエンジンでは、混合気層を形成する混合気の燃焼時に、周囲のガス層を断熱層として機能させることで、冷却損失を低減する。特許文献4にはまた、燃料を継続して噴射している途中で、外開弁のリフト量を変更することによって、燃料の噴射方向について燃料濃度を均質化することも記載されている。   In Patent Document 4, in an engine provided with an outer valve-opening injector that is arranged on the cylinder central axis and injects fuel in a cone shape, the fuel is injected into the cylinder at the later stage of the compression stroke, and combustion is performed. It describes that an air-fuel mixture layer and a surrounding gas layer (a gas layer containing fresh air) are formed in the room. In the engine described in Patent Document 4, cooling loss is reduced by causing the surrounding gas layer to function as a heat insulating layer during combustion of the air-fuel mixture forming the air-fuel mixture layer. Patent Document 4 also describes that the fuel concentration is made uniform in the fuel injection direction by changing the lift amount of the outer valve while the fuel is continuously being injected.

特開2009−243355号公報JP 2009-243355 A 特開2008−151043号公報JP 2008-151043 A 特許第4194564号公報Japanese Patent No. 4194564 特開2013−57266号公報JP 2013-57266 A

特許文献4に記載されているように、燃焼室内に混合気層を形成する構成において、当該混合気層における燃料濃度の分布は、常に均質化が好ましいとは限らず、燃料濃度の分布を不均質にすることが有利な場合がある。例えば、エンジン回転数が高くなると、クランク角変化に対する実時間が短くなるため、燃料の噴射後、着火までに確保できる実時間(以下、この時間を着火遅れ時間と呼ぶ場合がある)が短くなってしまう。これは、圧縮自己着火の着火性を低下させ、燃焼安定性が低くなる。尚、十分な着火遅れ時間を確保するために、燃料の噴射時期を、例えば吸気行程や圧縮行程の前半に進角することが考えられるが、燃料の噴射時期を進角した場合は、圧縮行程中に、燃料を含んだ比熱比の高いガスを圧縮することになるから、圧縮端温度の低下を招き、この場合も、着火性が低下し得る。燃料濃度の分布を不均質にした場合、相対的にリッチな混合気部分は、圧縮自己着火の着火性が高まるため、着火遅れ時間が短くなり、高回転領域でも適正なタイミングで着火及び燃焼することが可能になる。   As described in Patent Document 4, in a configuration in which an air-fuel mixture layer is formed in the combustion chamber, the fuel concentration distribution in the air-fuel mixture layer is not always preferable, and the fuel concentration distribution is not preferred. It may be advantageous to make it homogeneous. For example, as the engine speed increases, the actual time for changing the crank angle is shortened, so the actual time that can be secured before ignition after fuel injection (hereinafter, this time may be referred to as the ignition delay time) is shortened. End up. This reduces the ignitability of compression self-ignition and lowers the combustion stability. In order to secure a sufficient ignition delay time, the fuel injection timing may be advanced to, for example, the first half of the intake stroke or the compression stroke. However, if the fuel injection timing is advanced, the compression stroke Since a gas having a high specific heat ratio including fuel is compressed, the compression end temperature is lowered, and in this case, the ignitability can be lowered. When the fuel concentration distribution is inhomogeneous, the relatively rich air-fuel mixture part increases the ignitability of compression self-ignition, so that the ignition delay time is shortened, and ignition and combustion occur at an appropriate timing even in the high rotation region. It becomes possible.

また、混合気層において、燃焼室を区画する区画壁に近い周辺部の燃料濃度を高くしたのでは、当該周辺部で発生する熱量が多くなる分、冷却損失の増大を招き得る。そのため、混合気層における、中央部の燃料濃度が相対的に高くなり、周辺部の燃料濃度が相対的に低くなるように、燃料濃度を不均質にすることが冷却損失の低減の観点からは好ましい。しかしながら、エンジンの負荷が高くなって、燃料噴射量が増えたときには、燃料濃度が相対的高い部分においては、燃料濃度が高くなりすぎて、煤が発生したり、未燃物質が発生したりする可能性がある。従って、燃料噴射量が増大するような負荷の高い領域では、混合気層の燃料濃度を、不均質にするよりも均質にすることが好ましい。   In addition, in the air-fuel mixture layer, if the fuel concentration in the peripheral portion near the partition wall that partitions the combustion chamber is increased, the amount of heat generated in the peripheral portion increases, which may increase the cooling loss. Therefore, in order to reduce the cooling loss, it is necessary to make the fuel concentration non-homogeneous so that the fuel concentration in the central part is relatively high and the fuel concentration in the peripheral part is relatively low. preferable. However, when the engine load is increased and the fuel injection amount is increased, the fuel concentration becomes too high in the portion where the fuel concentration is relatively high, soot is generated, or unburned substances are generated. there is a possibility. Accordingly, in a high load region where the fuel injection amount increases, it is preferable to make the fuel concentration in the air-fuel mixture layer more uniform than inhomogeneous.

ここに開示された技術は、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、エンジンの運転状態に応じて、混合気層の燃料濃度の分布を最適化することにある。   The technology disclosed herein has been made in view of such a point, and an object thereof is to optimize the fuel concentration distribution in the gas mixture layer in accordance with the operating state of the engine.

ここに開示された技術は、直噴エンジンの制御装置を対象としている。この装置は、気筒内に設けられたピストンを有し、該気筒及び該ピストンによって燃焼室が区画されるエンジン本体と、少なくともガソリンを含む燃料を上記燃焼室内に噴口を介して噴射するインジェクタと、上記インジェクタの噴射態様を制御する制御部と、を備える。   The technology disclosed herein is directed to a control device for a direct injection engine. This device includes a piston provided in a cylinder, an engine main body in which a combustion chamber is defined by the cylinder and the piston, an injector that injects fuel containing at least gasoline into the combustion chamber through an injection port, A control unit that controls the injection mode of the injector.

上記制御部は、上記インジェクタに多段噴射を行わせ、上記制御部はまた、上記エンジン本体の運転状態に応じて、上記燃焼室内の中央部における燃料濃度と、当該中央部を囲む周辺部における燃料濃度とが実質的に等しい均質な混合気層、又は、上記燃焼室内の中央部における燃料濃度と、当該中央部を囲む周辺部における燃料濃度とが異なる不均質な混合気層を形成するように、上記インジェクタの噴射態様を変更する。   The control unit causes the injector to perform multi-stage injection, and the control unit also determines the fuel concentration in the central portion of the combustion chamber and the fuel in the peripheral portion surrounding the central portion according to the operating state of the engine body. A homogeneous air-fuel mixture layer having substantially the same concentration or a non-homogeneous air-fuel mixture layer in which the fuel concentration in the central portion of the combustion chamber differs from the fuel concentration in the peripheral portion surrounding the central portion is formed. The injection mode of the injector is changed.

上記多段噴射は、上記噴口を通じて噴射した燃料噴霧の進行方向への飛散距離が短くかつ、上記インジェクタの中心軸に直交する径方向に広がった噴霧となる第1噴射群、及び、上記燃料噴霧の進行方向への飛散距離が長くかつ、上記径方向への広がりが抑制された噴霧となる第2噴射群を含んでおり、上記制御部は、上記多段噴射において、上記第1噴射群により噴射する燃料量と、上記第2噴射群により噴射する燃料量との割合を変更することによって、上記径方向に対して燃料濃度が均質な混合気層、又は、上記径方向に対して燃料濃度が不均質な混合気層を形成する。The multi-stage injection includes a first injection group in which a spray distance in the traveling direction of the fuel spray injected through the nozzle is short and spread in a radial direction perpendicular to the central axis of the injector, and the fuel spray It includes a second injection group that is a spray that has a long scattering distance in the traveling direction and is suppressed from spreading in the radial direction, and the control unit injects the first injection group in the multistage injection. By changing the ratio between the amount of fuel and the amount of fuel injected by the second injection group, the fuel gas mixture has a homogeneous fuel concentration with respect to the radial direction, or the fuel concentration does not increase with respect to the radial direction. A homogeneous mixture layer is formed.

混合気層は、燃焼室内に、可燃混合気によって構成及び形成される層である。可燃混合気は、例えば当量比φ=0.1以上の混合気であると定義してもよい。また、燃料の噴射開始から時間が経過すればするほど、燃料噴霧は拡散することから、混合気層の大きさ及び燃料濃度は、着火時点での大きさ及び濃度としてもよい。従って、着火時点において、燃焼室内で当量比φ=0.1以上となった空間領域を、混合気層と定義することが可能であり、その着火時点での混合気層における燃料濃度を特定することが可能である。さらに、着火とは、例えば、燃料の燃焼質量割合が1%以上となることをもって判定することができる。
The air-fuel mixture layer is a layer constituted and formed by a combustible air-fuel mixture in the combustion chamber. For example, the combustible air-fuel mixture may be defined as an air-fuel mixture having an equivalent ratio φ = 0.1 or more. Further, as the time elapses from the start of fuel injection, the fuel spray diffuses. Therefore, the size of the air-fuel mixture layer and the fuel concentration may be the size and concentration at the time of ignition. Therefore, the space region where the equivalence ratio φ = 0.1 or more in the combustion chamber at the time of ignition can be defined as the air-fuel mixture layer, and the fuel concentration in the air-fuel mixture layer at the time of ignition is specified. It is possible. Furthermore, the ignition can be determined when, for example, the combustion mass ratio of the fuel becomes 1% or more.

上記の構成によると、制御部は、エンジン本体の運転状態に応じて、燃焼室内に、均質な混合気層又は不均質な混合気層を形成する。均質な混合気層は、燃焼値内の中央部における燃料濃度と、その中央部を囲む周辺部における燃料濃度とが実質的に等しく、不均質な混合気層は、中央部における燃料濃度と周辺部における燃料濃度とが異なる。インジェクタの噴射態様を変更することによって、均質な混合気層又は不均質な混合気層が形成される。
According to said structure, a control part forms a homogeneous mixed gas layer or a heterogeneous mixed gas layer in a combustion chamber according to the driving | running state of an engine main body. In the homogeneous mixture, the fuel concentration at the center in the combustion value is substantially equal to the fuel concentration in the periphery surrounding the center. The fuel concentration in the part is different. By changing the injection mode of the injector, a homogeneous mixture layer or a heterogeneous mixture layer is formed.

これにより、エンジン本体の運転状態に対応して、燃費の向上や、排気エミッション性能の向上の点で最適な混合気層が、燃焼室内に形成される。
As a result, an air-fuel mixture layer that is optimal in terms of improving fuel efficiency and exhaust emission performance is formed in the combustion chamber in accordance with the operating state of the engine body.

また、第1噴射群により噴射した燃料は、インジェクタの中心軸に直交する径方向に広がった噴霧となるのに対し、第2噴射群により噴射した燃料は、径方向への広がりが抑制された噴霧となるため、第1噴射群により噴射する燃料量が相対的に多くかつ、第2噴射群により噴射する燃料量が相対的に少ないときには、径方向の外側の燃料濃度が相対的に高くかつ、径方向の内側の燃料濃度が相対的に低い、不均質な混合気層が形成される。逆に、第1噴射群により噴射する燃料量が相対的少なくかつ、第2噴射群により噴射する燃料量が相対的に多いときには、径方向の外側の燃料濃度が相対的に低くかつ、径方向の内側の燃料濃度が相対的に高い、不均質な混合気層が形成される。また、第1噴射群により噴射する燃料量と、第2噴射群により噴射する燃料量とが同量又はほぼ同量のときには、径方向の外側の燃料濃度及び径方向の内側の燃料濃度が同程度になり、均質な混合気層が形成される。
Further, the fuel injected by the first injection group becomes spray that spreads in the radial direction orthogonal to the central axis of the injector, whereas the fuel injected by the second injection group is suppressed from spreading in the radial direction. When the amount of fuel injected by the first injection group is relatively large and the amount of fuel injected by the second injection group is relatively small, the fuel concentration outside in the radial direction is relatively high and A heterogeneous mixture layer is formed in which the fuel concentration in the radial direction is relatively low. Conversely, when the amount of fuel injected by the first injection group is relatively small and the amount of fuel injected by the second injection group is relatively large, the fuel concentration outside in the radial direction is relatively low and the radial direction An inhomogeneous mixture layer with a relatively high fuel concentration inside is formed. Further, when the amount of fuel injected by the first injection group and the amount of fuel injected by the second injection group are the same amount or substantially the same amount, the radially outer fuel concentration and the radially inner fuel concentration are the same. A homogeneous mixture layer is formed.

こうして、第1噴射群により噴射する燃料量と、第2噴射群により噴射する燃料量との割合を変更することによって、径方向に対して燃料濃度が均質な混合気層、径方向の外側が相対的にリッチとなった不均質な混合気層、又は、径方向の内側が相対的にリッチとなった不均質な混合気層をそれぞれ形成することが可能になる。   Thus, by changing the ratio of the amount of fuel injected by the first injection group and the amount of fuel injected by the second injection group, an air-fuel mixture layer having a homogeneous fuel concentration with respect to the radial direction, the outer side in the radial direction is A heterogeneous mixture layer that is relatively rich or a heterogeneous mixture layer that is relatively rich in the radial direction can be formed.

上記インジェクタは、上記噴口が形成されたノズル本体と、該噴口を開閉する弁体とを有し、該弁体のリフト量が大きいほど該噴口の有効断面積が大きくなるように構成され、上記第1噴射群は、上記噴口の有効断面積を所定にしかつ、所定の噴射間隔で複数回の燃料噴射を行い、上記第2噴射群は、上記噴口の有効断面積を上記第1噴射群よりも小さく、及び/又は、燃料の噴射間隔を上記第1噴射群よりも狭くした複数回の燃料噴射を行う、としてもよい。   The injector has a nozzle body in which the nozzle hole is formed, and a valve body that opens and closes the nozzle hole, and is configured such that an effective sectional area of the nozzle hole increases as a lift amount of the valve body increases. The first injection group sets the effective cross-sectional area of the nozzle hole to a predetermined value and performs fuel injection a plurality of times at a predetermined injection interval. The second injection group sets the effective cross-sectional area of the nozzle hole to be higher than that of the first injection group. And / or multiple times of fuel injection with a fuel injection interval narrower than that of the first injection group.

噴口を通じて燃焼室内に燃料が噴射されたときには、コアンダ効果によって噴口の近傍には負圧になる領域が発生する。多段噴射の噴射間隔が広いときには、次の燃料が噴射されるまでの間に負圧領域の圧力が回復し得るため、負圧領域は小さくなる。負圧領域が小さい場合には、燃料噴霧は、負圧にあまり引き寄せられず、拡散しやすくなる。それに対し、噴射間隔が狭いときには、燃料が次々と噴射されることで、負圧領域の負圧が維持され、負圧領域は大きくなる。負圧領域が大きい場合には、燃料噴霧は、負圧に引き寄せられ、広がりが抑制される。つまり、噴射間隔が広いほど、燃焼室内で燃料噴霧が拡散しやすく、噴射間隔が狭いほど、燃料噴霧の広がりが抑制される。   When fuel is injected into the combustion chamber through the nozzle, a negative pressure region is generated in the vicinity of the nozzle due to the Coanda effect. When the injection interval of the multistage injection is wide, the pressure in the negative pressure region can be recovered before the next fuel is injected, so the negative pressure region becomes smaller. When the negative pressure region is small, the fuel spray is not attracted to the negative pressure so much and is easily diffused. On the other hand, when the injection interval is narrow, fuel is injected one after another, so that the negative pressure in the negative pressure region is maintained and the negative pressure region becomes larger. When the negative pressure region is large, the fuel spray is attracted to the negative pressure and the spread is suppressed. That is, the wider the injection interval, the more easily the fuel spray diffuses in the combustion chamber, and the narrower the injection interval, the more spread of the fuel spray is suppressed.

一方、噴口の有効断面積が大きいときには、当該噴口を通じて燃焼室内に噴射される燃料噴霧の粒径が大きくなり、噴口の有効断面積が小さいときには、当該噴口を通じて燃焼室内に噴射される燃料噴霧の粒径が小さくなる。粒径が変化することに伴い、燃料噴霧の運動量が変化する。つまり、噴口の有効断面積が大きいほど、燃料噴霧の運動量が大きくなり、その結果、燃料噴霧の飛散距離は長くなる。   On the other hand, when the effective sectional area of the nozzle is large, the particle size of the fuel spray injected into the combustion chamber through the nozzle is large, and when the effective sectional area of the nozzle is small, the fuel spray injected into the combustion chamber through the nozzle is large. The particle size becomes smaller. As the particle size changes, the momentum of the fuel spray changes. That is, the larger the effective sectional area of the nozzle hole, the greater the momentum of the fuel spray, and the longer the spray distance of the fuel spray.

また、噴口の有効断面積は、燃料噴霧の負圧領域からの影響の受けやすさにも影響する。つまり、噴口の有効断面積が大きいと、燃料噴霧の粒径が大きいので、燃料噴霧は負圧領域からの影響を受けにくい。粒径の大きい燃料噴霧は、負圧領域にあまり引き寄せられず、負圧領域により減速される程度も小さい。それに対し、噴口の有効断面積が小さいと、燃料噴霧の粒径が小さいので、燃料噴霧は負圧領域からの影響を受けやすい。粒径の小さい燃料噴霧は、負圧領域に引き寄せられやすく、また、負圧領域により減速されやすい。   In addition, the effective cross-sectional area of the nozzle hole affects the susceptibility of the fuel spray from the negative pressure region. That is, when the effective area of the nozzle hole is large, the particle size of the fuel spray is large, so that the fuel spray is not easily affected by the negative pressure region. The fuel spray having a large particle size is not attracted so much to the negative pressure region, and is less likely to be decelerated by the negative pressure region. On the other hand, when the effective sectional area of the nozzle is small, the particle size of the fuel spray is small, so that the fuel spray is easily affected by the negative pressure region. The fuel spray having a small particle size is easily attracted to the negative pressure region, and is easily decelerated by the negative pressure region.

第1噴射群は、第2噴射群との比較において、噴口の有効断面積が相対的に大きく、及び/又は、噴射間隔が相対的に広い。従って、第1噴射群は、進行方向への飛散距離が相対的に長くかつ拡散して広がった燃料噴霧を形成する。   In comparison with the second injection group, the first injection group has a relatively large effective cross-sectional area and / or a relatively wide injection interval. Therefore, the first injection group forms a fuel spray that has a relatively long scattering distance in the traveling direction and spreads and spreads.

それに対し、第2噴射群は、噴口の有効断面積が相対的に小さく、及び/又は、噴射間隔が相対的に狭いので、進行方向への飛散距離が相対的に短くかつ広がりが抑制された燃料噴霧を形成する。   On the other hand, the second injection group has a relatively small effective cross-sectional area of the nozzle and / or a relatively narrow injection interval, so the scattering distance in the traveling direction is relatively short and the spread is suppressed. Form a fuel spray.

上記制御部は、上記気筒内の圧力が所定圧力以上のときに、上記インジェクタに燃料を噴射させることで、上記燃焼室内に、上記混合気層と、当該混合気層の周囲のガス層とを形成する、としてもよい。   When the pressure in the cylinder is equal to or higher than a predetermined pressure, the control unit causes the injector to inject fuel so that the mixture layer and a gas layer around the mixture layer are formed in the combustion chamber. It may be formed.

「気筒内の圧力が所定圧力以上のとき」とは、圧縮行程の進行に伴い気筒内の圧力が高まって所定圧力以上となったときの他にも、過給圧が高いことによって、圧縮行程の初期から吸気行程中においても、気筒内の圧力が所定圧力以上になったときを含む。   “When the pressure in the cylinder is equal to or higher than the predetermined pressure” means that the pressure in the cylinder increases with the progress of the compression stroke and becomes equal to or higher than the predetermined pressure. This includes the time when the pressure in the cylinder becomes equal to or higher than the predetermined pressure even during the intake stroke from the initial stage.

気筒内の圧力が比較的高いときに燃焼を噴射することによって、燃料噴霧の飛散が制限される。その結果、燃焼室内に、所定当量比以上の混合気によって混合気層を形成しつつ、その混合気層の周囲に、ガス層を形成することが可能になる。ガス層は、燃料を実質的に含まない層であり、新気や排気ガスを含んで構成される。ガス層に多少の燃料が含まれることは許容される。   By injecting combustion when the pressure in the cylinder is relatively high, scattering of fuel spray is limited. As a result, it is possible to form a gas layer around the air-fuel mixture layer while forming the air-fuel mixture layer with the air-fuel mixture having a predetermined equivalence ratio or more in the combustion chamber. The gas layer is a layer that does not substantially contain fuel, and includes fresh air and exhaust gas. It is permissible for the gas layer to contain some fuel.

混合気層を形成する混合気が燃焼をするときには、その周囲のガス層は、混合気層と燃焼室を区画する壁面との間に介在する断熱層として機能をする。この構成は、冷却損失を大幅に低減する。   When the air-fuel mixture forming the air-fuel mixture burns, the surrounding gas layer functions as a heat insulating layer interposed between the air-fuel mixture layer and the wall surface defining the combustion chamber. This configuration greatly reduces the cooling loss.

上記エンジン本体は、上記混合気層を圧縮自己着火により燃焼させ、上記制御部は、上記エンジン本体の運転状態に応じて、混合気の着火遅れ時間が変化するように、上記均質な混合気層、又は、上記不均質な混合気層を形成する、としてもよい。   The engine body combusts the air-fuel mixture layer by compression self-ignition, and the control unit controls the homogeneous air-fuel mixture layer so that the ignition delay time of the air-fuel mixture changes according to the operating state of the engine main body. Alternatively, the heterogeneous mixture layer may be formed.

燃焼室内に不均質な混合気層を形成することによって、その混合気層において燃料濃度が相対的に高い箇所は、着火性が高まる。つまり、不均質な混合気層を形成したときには、均質な混合気層を形成したときと比較して、着火遅れ時間を短くすることが可能になる。エンジン本体の運転状態に応じて、均質な混合気層を形成することと、不均質な混合気層を形成することとを切り換えることにより、エンジン本体の運転状態に応じて、着火遅れ時間が最適化する。   By forming a heterogeneous mixture layer in the combustion chamber, the ignitability is enhanced at a location where the fuel concentration is relatively high in the mixture layer. That is, when the heterogeneous mixture layer is formed, the ignition delay time can be shortened compared to the case where the homogeneous mixture layer is formed. The ignition delay time is optimal according to the operating state of the engine body by switching between forming a homogeneous air-fuel mixture layer and forming a heterogeneous air-fuel mixture layer according to the operating state of the engine body. Turn into.

上記制御部は、上記エンジン本体の回転数が高いほど、上記混合気層における上記中央部の燃料濃度と上記周辺部の燃料濃度との差が大きい不均質な混合気層を形成する、としてもよい。   The control unit may form a heterogeneous mixture layer in which the difference between the fuel concentration in the central portion and the fuel concentration in the peripheral portion in the mixture layer increases as the rotational speed of the engine body increases. Good.

エンジン本体の回転数が高いほど、燃料の噴射開始から着火までの実時間が短くなり、十分な着火遅れ時間を確保することができずに、着火性の低下や燃焼安定性の低下を招く。その一方で、燃料の噴射時期を進角することは、圧縮端温度の低下を招き、圧縮自己着火の着火性には不利になる。   The higher the rotation speed of the engine body, the shorter the actual time from the start of fuel injection to the ignition, and a sufficient ignition delay time cannot be secured, leading to a decrease in ignitability and combustion stability. On the other hand, advancing the fuel injection timing causes a decrease in the compression end temperature, which is disadvantageous for the ignitability of compression self-ignition.

これに対し、混合気層における中央部の燃料濃度と周辺部の燃料濃度との差が大きいほど、相対的にリッチな箇所の燃料濃度が高くなるため、着火遅れ時間が短くなる。   On the other hand, as the difference between the fuel concentration in the central portion and the fuel concentration in the peripheral portion in the air-fuel mixture layer increases, the fuel concentration in a relatively rich portion increases, so the ignition delay time decreases.

従って、エンジン本体の回転数が高いほど、燃料濃度差の大きい不均質な混合気層を形成することによって、燃料の噴射開始から着火までの実時間が短くなることに対応して、着火遅れ時間を短くすることができ、圧縮自己着火の着火性の向上、ひいては燃焼安定性が向上する。   Therefore, the higher the engine speed, the shorter the actual delay time from the start of fuel injection to ignition by forming an inhomogeneous mixture layer with a large fuel concentration difference. Can be shortened, and the ignitability of compression self-ignition is improved, and as a result, the combustion stability is improved.

上記制御部は、上記エンジン本体が所定回転数以上の高回転状態にあるときには、上記混合気層における上記中央部の燃料濃度を、上記周辺部の燃料濃度よりもリッチにする、としてもよい。   The control unit may make the fuel concentration in the central portion of the air-fuel mixture layer richer than the fuel concentration in the peripheral portion when the engine body is in a high rotation state at a predetermined rotation speed or higher.

中央部の燃料濃度を周辺部の燃料濃度よりもリッチにすることで、周辺部の燃料濃度は相対的にリーンになる。これにより、混合気層を構成する混合気が燃焼をしたときに、周辺部における熱量を抑制することが可能になる。周辺部は中央部と比較して、燃焼室を区画する壁面に近いため、その周辺部における熱量を抑制することは、冷却損失の増大を回避する上で有利になる。また、混合気層の燃料濃度を不均質にしていることで、上述の通り、着火遅れ時間が短くなる。従って、エンジン本体の運転状態が高回転領域にあるときに、燃焼安定性を高めることが可能になる。   By making the fuel concentration in the central portion richer than the fuel concentration in the peripheral portion, the fuel concentration in the peripheral portion becomes relatively lean. Thereby, when the air-fuel mixture constituting the air-fuel mixture layer burns, the amount of heat in the peripheral portion can be suppressed. Since the peripheral portion is closer to the wall surface defining the combustion chamber than the central portion, suppressing the amount of heat in the peripheral portion is advantageous in avoiding an increase in cooling loss. In addition, since the fuel concentration in the air-fuel mixture layer is inhomogeneous, the ignition delay time is shortened as described above. Therefore, it is possible to improve combustion stability when the operating state of the engine body is in the high rotation range.

上記制御部は、上記エンジン本体が所定回転数以上の高回転状態にあるときには、上記混合気層における上記周辺部の燃料濃度を、上記中央部の燃料濃度よりもリッチにする、としてもよい。   The control unit may make the fuel concentration in the peripheral portion of the air-fuel mixture layer richer than the fuel concentration in the central portion when the engine body is in a high rotation state at a predetermined rotation speed or higher.

混合気層における外周部を構成する周辺部の燃料濃度を相対的にリッチにすることで、その周辺部の混合気が先に圧縮自己着火して燃焼を開始するため、燃焼濃度を不均質にした混合気層の攪拌が促進される。これは、煤や未燃物質の発生を抑制すると共に、燃焼期間の短縮に有利になる。   By making the fuel concentration in the peripheral part that constitutes the outer peripheral part of the air-fuel mixture layer relatively rich, the air-fuel mixture in the peripheral part starts compression self-ignition first and starts combustion, so the combustion concentration becomes inhomogeneous. Stirring of the mixed gas layer is promoted. This is advantageous for suppressing the generation of soot and unburned substances and shortening the combustion period.

上記制御部は、上記エンジン本体が第1回転数以上の状態にあるときには、上記混合気層における上記中央部の燃料濃度を、上記周辺部の燃料濃度よりもリッチにし、上記エンジン本体が第2回転数以上の状態(但し、第1回転数<第2回転数)にあるときには、上記混合気層における上記周辺部の燃料濃度を、上記中央部の燃料濃度よりもリッチにする、としてもよい。   The control unit makes the fuel concentration in the central portion of the air-fuel mixture layer richer than the fuel concentration in the peripheral portion when the engine main body is at the first rotational speed or higher, and the engine main body is in the second state. When the rotational speed is equal to or higher than the rotational speed (where the first rotational speed is smaller than the second rotational speed), the fuel concentration in the peripheral portion of the air-fuel mixture layer may be made richer than the fuel concentration in the central portion. .

第1回転数以上の状態にあるときに、混合気層における中央部の燃料濃度を、周辺部の燃料濃度よりもリッチにすることで、上述したように、高回転側の領域において、燃焼安定性の確保と冷却損失の低減とが図られる。   By making the fuel concentration in the central part of the air-fuel mixture layer richer than the fuel concentration in the peripheral part when in the state of the first rotational speed or more, as described above, combustion stability is achieved in the region on the high speed side. Securement and reduction of cooling loss can be achieved.

第2回転数以上の状態にあるときに、混合気層における周辺部の燃料濃度を、中央部の燃料濃度よりもリッチにすることは、相対的にリッチな範囲が広くなるから、着火性の向上、ひいては着火遅れ時間の短縮に、より一層、有利になる。従って、さらに高回転側の領域において、燃焼安定性の確保と、上述したように、排気エミッション性能の向上とが図られる。   Making the fuel concentration in the peripheral part of the gas mixture layer richer than the fuel concentration in the central part when in the state of the second rotational speed or higher increases the relatively rich range. This is even more advantageous for improving and thus reducing the ignition delay time. Therefore, it is possible to secure combustion stability and improve exhaust emission performance as described above in the region on the higher rotation side.

尚、第1回転数及び第2回転数は、エンジンの運転領域を回転数方向に、低回転、中回転及び高回転の3つの領域に区分したときの、各領域の境界に相当するとしてもよい。また、第1回転数を、エンジンの運転領域を回転数方向に、低回転及び高回転の2つの領域に区分したときの境界に相当するとした上で、第2回転数は、その高回転領域内における高回転側の領域を区分する回転数として定義してもよい。   It should be noted that the first rotation speed and the second rotation speed may correspond to the boundary of each region when the engine operation region is divided into three regions of low rotation, middle rotation, and high rotation in the rotation speed direction. Good. In addition, the first rotational speed corresponds to a boundary when the engine operating region is divided into two regions of the low rotational speed and the high rotational speed in the rotational speed direction, and the second rotational speed is the high rotational speed region. You may define as rotation speed which divides the area | region of the high rotation side in the inside.

上記制御部は、上記エンジン本体の運転状態に応じて、上記インジェクタの中心軸方向に燃料濃度が均質な混合気層、又は、上記中心軸方向に燃料濃度が不均質な混合気層を形成する、としてもよい。   The control unit forms an air-fuel mixture layer having a homogeneous fuel concentration in the direction of the central axis of the injector or an air-fuel mixture layer having an inhomogeneous fuel concentration in the direction of the central axis, depending on the operating state of the engine body. It is good also as.

混合気層における燃料濃度の分布としては、上述したように、インジェクタの中心軸に直交する径方向について、均質及び不均質を切り換える他にも、中心軸方向について、均質及び不均質を切り換えることも可能である。   As described above, the fuel concentration distribution in the air-fuel mixture can be switched between homogeneous and non-uniform in the radial direction perpendicular to the central axis of the injector, as well as in the central axis direction. Is possible.

インジェクタの噴口から噴射された燃料噴霧は、噴口から次第に遠ざかるため、噴口から離れた箇所の燃料濃度が高くなる。そのため、中心軸方向については、着火時点の燃焼室におけるピストンの近傍や気筒内壁面の近傍の燃料濃度が高くなり得る。この状態で燃焼が行われると、ピストン近傍や気筒内壁面近傍において大きな熱量が発生する。その結果、ピストン又は気筒内壁を通じた冷却損失が増大する。   Since the fuel spray injected from the injector nozzle gradually moves away from the nozzle, the fuel concentration at a location away from the nozzle increases. Therefore, in the direction of the central axis, the fuel concentration in the vicinity of the piston and the vicinity of the cylinder inner wall surface in the combustion chamber at the time of ignition can be high. When combustion is performed in this state, a large amount of heat is generated in the vicinity of the piston and the inner wall surface of the cylinder. As a result, the cooling loss through the piston or cylinder inner wall increases.

これに対し、インジェクタの中心軸方向に対し、燃焼室の中央部の燃料濃度が、ピストン近傍や気筒内壁面近傍に対応する周辺部の燃料濃度よりも高くなる不均質な混合気層を形成すれば、上述した冷却損失の増大を回避することが可能になる。   On the other hand, an inhomogeneous mixture layer is formed in which the fuel concentration in the center of the combustion chamber is higher than the fuel concentration in the vicinity of the piston and in the vicinity of the cylinder inner wall surface relative to the central axis direction of the injector. Thus, it is possible to avoid the increase in the cooling loss described above.

また、エンジン本体の負荷が高まり、燃料噴射量が増えたときには、インジェクタの中心軸方向に対し、燃焼室の中央部の燃料濃度が相対的に高い不均質な混合気層を形成すると、その中央部において煤や未燃物質が発生してしまう虞がある。この場合、インジェクタの中心軸方向に対し均質な混合気層を形成することが好ましい。   Further, when the load on the engine body increases and the fuel injection amount increases, if a heterogeneous mixture layer having a relatively high fuel concentration in the center of the combustion chamber is formed in the central axis direction of the injector, There is a risk that soot and unburned material may be generated in the part. In this case, it is preferable to form a homogeneous mixture layer in the direction of the central axis of the injector.

このように、エンジン本体の運転状態に応じて、混合気層の、インジェクタの中心軸方向に対する均質及び不均質を切り換えることによって、燃費の向上や排気エミッション性能の向上が図られる。   As described above, by switching between the homogeneous mixture and the heterogeneity of the air-fuel mixture layer in the direction of the central axis of the injector in accordance with the operating state of the engine body, fuel efficiency and exhaust emission performance can be improved.

以上説明したように、上記の直噴エンジンの制御装置によれば、エンジンの運転状態に応じて、混合気層の燃料濃度の分布を最適化することによって、燃費の向上や、排気エミッション性能の向上を図ることができる。   As described above, according to the control device for a direct injection engine, the fuel concentration distribution and the exhaust emission performance can be improved by optimizing the fuel concentration distribution in the air-fuel mixture according to the operating state of the engine. Improvements can be made.

直噴ガソリンエンジンを示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows a direct injection gasoline engine. インジェクタの内部構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the internal structure of an injector. エンジンの運転マップを例示する図である。It is a figure which illustrates the driving | operation map of an engine. 燃焼室内に形成する混合気層の形状を概念的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows notionally the shape of the air-fuel | gaseous mixture layer formed in a combustion chamber. インジェクタから噴射する燃料噴霧の広がり方向を説明する図である。It is a figure explaining the spread direction of the fuel spray injected from an injector. 燃料の噴射間隔を示す図である。It is a figure which shows the injection interval of a fuel. 外開弁式のインジェクタのリフト量を示す図である。It is a figure which shows the lift amount of an outside valve-opening type injector. (A)燃料の噴射間隔が長いときの燃料噴霧の広がりを示す概念図、(B)燃料の噴射間隔が短いときの燃料噴霧の広がりを示す概念図である。(A) Conceptual diagram showing the spread of fuel spray when the fuel injection interval is long, (B) Conceptual diagram showing the spread of fuel spray when the fuel injection interval is short. (A)インジェクタのリフト量が小さいときの燃料噴霧の広がりを示す概念図、(B)インジェクタのリフト量が大きいときの燃料噴霧の広がりを示す概念図である。(A) The conceptual diagram which shows the spread of fuel spray when the lift amount of an injector is small, (B) The conceptual diagram which shows the spread of fuel spray when the lift amount of an injector is large. 低負荷かつ低回転領域における噴射態様を示す図である。It is a figure which shows the injection aspect in a low load and a low rotation area | region. 低負荷かつ低回転領域における燃焼室の燃料濃度分布を示す図である。It is a figure which shows the fuel concentration distribution of the combustion chamber in a low load and a low rotation area | region. 低負荷かつ中回転領域における噴射態様を示す図である。It is a figure which shows the injection aspect in a low load and medium rotation area | region. 低負荷かつ中回転領域における燃焼室の燃料濃度分布を示す図である。It is a figure which shows the fuel concentration distribution of the combustion chamber in a low load and middle rotation area | region. 低負荷かつ高回転領域における噴射態様を示す図である。It is a figure which shows the injection aspect in a low load and a high rotation area | region. 低負荷かつ高回転領域における燃焼室の燃料濃度分布を示す図である。It is a figure which shows the fuel concentration distribution of the combustion chamber in a low load and a high rotation area | region. 中負荷領域における噴射態様を示す図である。It is a figure which shows the injection aspect in a medium load area | region. 中負荷領域における燃焼室の燃料濃度分布を示す図である。It is a figure which shows the fuel concentration distribution of the combustion chamber in a medium load area | region. その他の実施形態に係るインジェクタの内部構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the internal structure of the injector which concerns on other embodiment.

以下、例示的な実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, exemplary embodiments will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、直噴エンジン1(以下、単にエンジン1という)を概略的に示す。エンジン1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。   FIG. 1 schematically shows a direct injection engine 1 (hereinafter simply referred to as an engine 1). The engine 1 includes various actuators associated with the engine body, various sensors, and an engine controller 100 that controls the actuators based on signals from the sensors.

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(気筒)11が形成されている(図1では、シリンダ11を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。   The engine 1 is mounted on a vehicle such as an automobile, and its output shaft is connected to drive wheels via a transmission, although not shown. The vehicle is propelled by the output of the engine 1 being transmitted to the drive wheels. The engine body of the engine 1 includes a cylinder block 12 and a cylinder head 13 mounted thereon, and a plurality of cylinders 11 are formed in the cylinder block 12 (in FIG. 1). , Only one cylinder 11 is shown). Although not shown, a water jacket through which cooling water flows is formed inside the cylinder block 12 and the cylinder head 13.

ここで、エンジン1の燃料は、本実施形態ではガソリンであるが、バイオエタノール等を含むガソリンであってもよく、少なくともガソリンを含む液体燃料であれば、どのような燃料であってもよい。   Here, the fuel of the engine 1 is gasoline in the present embodiment, but it may be gasoline containing bioethanol or the like, and may be any fuel as long as it is a liquid fuel containing at least gasoline.

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いる。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。図例では、燃焼室17は所謂ペントルーフ型であり、その天井面(つまり、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(凹部)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実現するのであれば、どのような形状であってもよい。例えば、天井面及びピストン15の冠面(つまり、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(つまり、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。   A piston 15 is slidably inserted into each cylinder 11. The piston 15 divides the combustion chamber 17 together with the cylinder 11 and the cylinder head 13. In the illustrated example, the combustion chamber 17 is a so-called pent roof type, and its ceiling surface (that is, the lower surface of the cylinder head 13) has a triangular roof shape composed of two inclined surfaces on the intake side and the exhaust side. The crown surface of the piston 15 has a convex shape corresponding to the ceiling surface, and a concave cavity (concave portion) 15a is formed at the center of the crown surface. The shape of the ceiling surface and the crown surface of the piston 15 may be any shape as long as a high geometric compression ratio described later is realized. For example, both the ceiling surface and the crown surface of the piston 15 (that is, the portion excluding the cavity 15a) may be configured by surfaces perpendicular to the central axis of the cylinder 11, and the ceiling surface is triangular as described above. While forming a roof shape, the crown surface of the piston 15 (that is, the portion excluding the cavity 15 a) may be configured by a surface perpendicular to the central axis of the cylinder 11.

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(つまり、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(つまり、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(つまり、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。触媒コンバータは、三元触媒を含む。   Although only one is shown in FIG. 1, two intake ports 18 are formed in the cylinder head 13 for each cylinder 11, each of which is a lower surface of the cylinder head 13 (that is, an inclined surface on the intake side on the ceiling surface of the combustion chamber 17). Opening to communicate with the combustion chamber 17. Similarly, two exhaust ports 19 are formed in the cylinder head 13 for each cylinder 11, and each opens to the lower surface of the cylinder head 13 (that is, the inclined surface on the exhaust side of the ceiling surface of the combustion chamber 17). 17 communicates. The intake port 18 is connected to an intake passage (not shown) through which fresh air introduced into the cylinder 11 flows. A throttle valve 20 for adjusting the intake flow rate is interposed in the intake passage, and the opening degree of the throttle valve 20 is adjusted in response to a control signal from the engine controller 100. On the other hand, the exhaust port 19 is connected to an exhaust passage (not shown) through which burned gas (that is, exhaust gas) from each cylinder 11 flows. Although not shown, an exhaust gas purification system having one or more catalytic converters is disposed in the exhaust passage. The catalytic converter includes a three-way catalyst.

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、電動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 VariableValve Lift))を備えるようにしてもよい。   The cylinder head 13 is provided with an intake valve 21 and an exhaust valve 22 so that the intake port 18 and the exhaust port 19 can be shut off (closed) from the combustion chamber 17, respectively. The intake valve 21 is driven by an intake valve drive mechanism, and the exhaust valve 22 is driven by an exhaust valve drive mechanism. The intake valve 21 and the exhaust valve 22 reciprocate at a predetermined timing to open and close the intake port 18 and the exhaust port 19, respectively, and perform gas exchange in the cylinder 11. Although not shown, the intake valve drive mechanism and the exhaust valve drive mechanism each have an intake camshaft and an exhaust camshaft that are drivingly connected to the crankshaft. These camshafts are synchronized with the rotation of the crankshaft. Rotate. In addition, at least the intake valve drive mechanism includes a hydraulic, electric, or mechanical variable phase mechanism (VVT) 23 that can continuously change the phase of the intake camshaft within a predetermined angle range. It consists of In addition, you may make it provide the lift variable mechanism (CVVL (Continuous VariableValve Lift)) which can change a valve lift amount continuously with VVT23.

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、図例では、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、その先端部は燃焼室17の天井部に臨んでいる。この点火プラグ31の先端部は、後述のインジェクタ33のノズル口41の近傍に位置する。尚、点火プラグ31の配置はこれに限定されるものではない。本実施形態では、点火プラグ31は、プラズマ点火式のプラグであり、点火システム32はプラズマ発生回路を備える。そして、点火プラグ31は、点火システム32によって放電でプラズマを発生させ、そのプラズマを点火プラグ31の先端から気筒内にジェット状に噴射させて、燃料の点火を行う。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プラズマを発生するよう、それに通電する。尚、点火プラグ31は、プラズマ点火式のプラグに限らず、一般によく使用されている火花点火式のプラグであってもよい。   A spark plug 31 is disposed on the cylinder head 13. The spark plug 31 is attached and fixed to the cylinder head 13 by a known structure such as a screw. In the illustrated example, the spark plug 31 is attached and fixed in a state inclined to the exhaust side with respect to the central axis of the cylinder 11, and the tip thereof faces the ceiling of the combustion chamber 17. The tip of the spark plug 31 is located in the vicinity of a nozzle port 41 of an injector 33 described later. The arrangement of the spark plug 31 is not limited to this. In the present embodiment, the ignition plug 31 is a plasma ignition type plug, and the ignition system 32 includes a plasma generation circuit. The spark plug 31 generates plasma by discharge by the ignition system 32 and injects the plasma into the cylinder from the tip of the spark plug 31 to ignite the fuel. The ignition system 32 receives a control signal from the engine controller 100 and energizes the ignition plug 31 to generate plasma at a desired ignition timing. The spark plug 31 is not limited to a plasma ignition type plug, but may be a spark ignition type plug that is commonly used.

シリンダヘッド13におけるシリンダ11の中心軸上には、気筒内(つまり、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。   On the central axis of the cylinder 11 in the cylinder head 13, an injector 33 that directly injects fuel into the cylinder (that is, in the combustion chamber 17) is disposed. The injector 33 is fixedly attached to the cylinder head 13 with a known structure such as using a bracket. The tip of the injector 33 faces the center of the ceiling of the combustion chamber 17.

図2に示すように、インジェクタ33は、シリンダ11内に燃料を噴射するノズル口41が形成されたノズル本体40と、ノズル口41を開閉する外開弁42とを有する、外開弁式のインジェクタである。インジェクタ33は、所定の中心軸Sに対して傾斜する方向であって該中心軸Sを中心とする径方向外側へ広がる方向へ燃料を噴射すると共に、ノズル口41の有効断面積を調整可能に構成されている。ノズル口41は、噴口の一例であり、外開弁42は、弁体の一例である。   As shown in FIG. 2, the injector 33 has an outer valve-opening type having a nozzle body 40 in which a nozzle port 41 for injecting fuel into the cylinder 11 is formed, and an outer valve 42 for opening and closing the nozzle port 41. It is an injector. The injector 33 injects fuel in a direction that is inclined with respect to a predetermined central axis S and spreads radially outward from the central axis S, and can adjust the effective sectional area of the nozzle port 41. It is configured. The nozzle port 41 is an example of a nozzle hole, and the outer opening valve 42 is an example of a valve body.

ノズル本体40は、中心軸Sに沿って延びる管状の部材であって、その内部を燃料が流通する。ノズル口41の開口縁は、ノズル本体40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。ノズル本体40の基端側の端部は、内部にピエゾ素子44が配設されたケース45に接続されている。外開弁42は、弁本体42aと、弁本体42aからノズル本体40内を通ってピエゾ素子44に接続された連結部42bとを有している。弁本体42aは、ノズル本体40の先端においてノズル本体40から外側に露出している。弁本体42aの連結部42b側の部分が、ノズル口41の開口縁と略同じ形状を有しており、該部分がノズル口41の開口縁に当接(つまり、着座)しているときには、ノズル口41が閉状態となる。   The nozzle body 40 is a tubular member extending along the central axis S, and the fuel circulates therein. The opening edge of the nozzle port 41 is formed in a tapered shape whose diameter increases toward the tip side at the tip portion of the nozzle body 40. The proximal end of the nozzle body 40 is connected to a case 45 in which a piezo element 44 is disposed. The outer opening valve 42 includes a valve main body 42 a and a connecting portion 42 b that is connected from the valve main body 42 a through the nozzle main body 40 to the piezo element 44. The valve body 42 a is exposed to the outside from the nozzle body 40 at the tip of the nozzle body 40. When the portion of the valve body 42a on the side of the connecting portion 42b has substantially the same shape as the opening edge of the nozzle port 41, and the portion abuts (that is, sits) on the opening edge of the nozzle port 41, The nozzle port 41 is closed.

インジェクタ33は、中心軸Sがシリンダ11の中心軸X(つまり、気筒中心軸X)と一致し、ノズル口41が燃焼室17の天井部に臨む状態で配置されている。   The injector 33 is arranged such that the central axis S coincides with the central axis X of the cylinder 11 (that is, the cylinder central axis X) and the nozzle port 41 faces the ceiling portion of the combustion chamber 17.

ピエゾ素子44は、電圧の印加による変形により、外開弁42を中心軸方向に押圧してノズル本体40のノズル口41の開口縁からリフトさせることによって、ノズル口41を開放する。このとき、燃料がノズル口41から中心軸Sに対して傾斜した方向であって中心軸Sを中心とする半径方向へ広がる方向へ噴射される。具体的には、燃料は、中心軸S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。そのコーンのテーパ角は、本実施形態では、90°〜100°である(ホローコーンにおける内側の中空部のテーパ角は70°程度である)。そして、ピエゾ素子44への電圧の印加が停止すると、ピエゾ素子44が元の状態に復帰することで、外開弁42がノズル口41を再び閉状態とする。このとき、ケース45内における連結部42bの周囲に配設された圧縮コイルバネ46がピエゾ素子44の復帰を助長する。   The piezo element 44 opens the nozzle port 41 by pressing the outer opening valve 42 in the direction of the central axis and lifting it from the opening edge of the nozzle port 41 of the nozzle body 40 by deformation due to application of voltage. At this time, the fuel is injected in a direction that is inclined with respect to the central axis S from the nozzle opening 41 and spreads in a radial direction centering on the central axis S. Specifically, the fuel is injected in a cone shape (specifically, a hollow cone shape) around the central axis S. The taper angle of the cone is 90 ° to 100 ° in the present embodiment (the taper angle of the inner hollow portion of the hollow cone is about 70 °). When the application of voltage to the piezo element 44 is stopped, the piezo element 44 returns to the original state, and the outer opening valve 42 closes the nozzle port 41 again. At this time, the compression coil spring 46 disposed around the connecting portion 42 b in the case 45 facilitates the return of the piezo element 44.

ピエゾ素子44に印加する電圧が大きいほど、外開弁42の、ノズル口41を閉じた状態からのリフト量(以下、単にリフト量という)が大きくなる(図7も参照)。このリフト量が大きいほど、ノズル口41の開度(つまり、有効断面積)が大きくなってノズル口41から気筒内に噴射される燃料噴霧の粒径が大きくなる。逆に、リフト量が小さいほど、ノズル口41の開度が小さくなってノズル口41から気筒内に噴射される燃料噴霧の粒径が小さくなる。ピエゾ素子44の応答は速く、例えば1サイクル中に20回程度の多段噴射が可能である。但し、外開弁42を駆動する手段としては、ピエゾ素子44には限られない。   As the voltage applied to the piezo element 44 increases, the lift amount (hereinafter simply referred to as lift amount) of the outer open valve 42 from the state in which the nozzle port 41 is closed increases (see also FIG. 7). The larger the lift amount, the larger the opening degree (that is, the effective sectional area) of the nozzle port 41 and the larger the particle size of the fuel spray injected from the nozzle port 41 into the cylinder. Conversely, the smaller the lift amount, the smaller the opening of the nozzle port 41 and the smaller the particle size of the fuel spray injected from the nozzle port 41 into the cylinder. The response of the piezo element 44 is fast, and, for example, about 20 multistage injections are possible in one cycle. However, the means for driving the outer valve 42 is not limited to the piezo element 44.

燃料供給システム34は、外開弁42(ピエゾ素子44)を駆動するための電気回路と、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電気回路に出力することで、該電気回路を介してピエゾ素子44及び外開弁42を作動させて、所望量の燃料を、気筒内に噴射させる。上記噴射信号の非出力時(つまり、噴射信号の電圧が0であるとき)には、外開弁42によりノズル口41が閉じられた状態となる。このようにピエゾ素子44は、エンジン制御器100からの噴射信号によって、その作動が制御される。こうしてエンジン制御器100は、ピエゾ素子44の作動を制御して、インジェクタ33のノズル口41からの燃料噴射及び該燃料噴射時におけるリフト量を制御する。   The fuel supply system 34 includes an electric circuit for driving the outer opening valve 42 (piezo element 44) and a fuel supply system for supplying fuel to the injector 33. The engine controller 100 outputs an injection signal having a voltage corresponding to the lift amount to the electric circuit at a predetermined timing, thereby operating the piezo element 44 and the outer valve 42 via the electric circuit, A desired amount of fuel is injected into the cylinder. When the injection signal is not output (that is, when the voltage of the injection signal is 0), the nozzle opening 41 is closed by the outer opening valve. Thus, the operation of the piezo element 44 is controlled by the injection signal from the engine controller 100. Thus, the engine controller 100 controls the operation of the piezo element 44 to control the fuel injection from the nozzle port 41 of the injector 33 and the lift amount during the fuel injection.

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(つまり、外開弁42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41から噴射される。   The fuel supply system is provided with a high-pressure fuel pump (not shown) and a common rail, and the high-pressure fuel pump pumps the fuel supplied from the fuel tank via the low-pressure fuel pump to the common rail. The pumped fuel is stored at a predetermined fuel pressure. The fuel stored in the common rail is injected from the nozzle port 41 by operating the injector 33 (that is, the outer opening valve 42 is lifted).

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、制御部の一例である。   The engine controller 100 is a controller based on a well-known microcomputer, and includes a central processing unit (CPU) that executes a program, a memory that is configured by, for example, RAM and ROM, and stores a program and data, And an input / output (I / O) bus for inputting and outputting signals. The engine controller 100 is an example of a control unit.

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(正確には、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(正確には、上記電気回路)、点火システム32、及び、VVT23等に出力する。   The engine controller 100 includes at least a signal related to the intake air flow from the air flow sensor 71, a crank angle pulse signal from the crank angle sensor 72, an accelerator opening signal from the accelerator opening sensor 73 that detects the amount of depression of the accelerator pedal, And the vehicle speed signal from the vehicle speed sensor 74 is received, respectively. Based on these input signals, the engine controller 100 calculates control parameters of the engine 1, such as a desired throttle opening signal, fuel injection pulse, ignition signal, valve phase angle signal, and the like. Then, the engine controller 100 converts these signals into a throttle valve 20 (more precisely, a throttle actuator that moves the throttle valve 20), a fuel supply system 34 (more precisely, the above electric circuit), an ignition system 32, and Output to VVT23 or the like.

また、図示は省略するが、このエンジン1は、吸気通路と排気通路とをつなぐEGR通路が設けられており、排気ガスの一部を吸気に還流させるEGRシステムを備えている。エンジン制御器100は、EGRシステムを通じた排気ガスの還流量を、エンジン1の運転状態に応じて調整する。   Although not shown, the engine 1 is provided with an EGR passage that connects the intake passage and the exhaust passage, and includes an EGR system that recirculates part of the exhaust gas to the intake air. The engine controller 100 adjusts the exhaust gas recirculation amount through the EGR system according to the operating state of the engine 1.

このエンジン1の幾何学的圧縮比εは、15以上40以下とされている。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。幾何学的圧縮比を高くすることによって、熱効率の向上を図る。   The geometric compression ratio ε of the engine 1 is 15 or more and 40 or less. In the present embodiment, the engine 1 is also an engine 1 having a relatively high expansion ratio as well as a high compression ratio because of the configuration where the compression ratio = expansion ratio. The thermal efficiency is improved by increasing the geometric compression ratio.

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(つまり、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。そして、このエンジン1では、冷却損失を低減するべく、これらの各面に、断熱層61,62,63,64,65を設けることによって、燃焼室17を断熱化している。尚、以下において、これらの断熱層61〜65を総称する場合は、断熱層に符号「6」を付す場合がある。断熱層6は、これらの区画面の全てに設けてもよいし、これらの区画面の一部に設けてもよい。また、図例では、シリンダ壁面の断熱層61は、ピストン15が上死点に位置した状態で、そのピストンリング14よりも上側の位置に設けられており、これにより断熱層61上をピストンリング14が摺動しない構成としている。但し、シリンダ壁面の断熱層61はこの構成に限らず、断熱層61を下向きに延長することによって、ピストン15のストロークの全域、又は、その一部に断熱層61を設けてもよい。また、燃焼室17を直接区画する壁面ではないが、吸気ポート18や排気ポート19における、燃焼室17の天井面側の開口近傍のポート壁面に断熱層を設けてもよい。尚、図1に図示する各断熱層61〜65の厚みは実際の厚みを示すものではなく単なる例示であると共に、各面における断熱層の厚みの大小関係を示すものでもない。   As shown in FIG. 1, the combustion chamber 17 includes a wall surface of the cylinder 11, a crown surface of the piston 15, a lower surface (that is, a ceiling surface) of the cylinder head 13, and valve heads of the intake valve 21 and the exhaust valve 22. And a surface. And in this engine 1, in order to reduce a cooling loss, the heat insulation layer 61, 62, 63, 64, 65 is provided in each of these surfaces, and the combustion chamber 17 is thermally insulated. In addition, below, when these heat insulation layers 61-65 are named generically, a code | symbol "6" may be attached | subjected to a heat insulation layer. The heat insulation layer 6 may be provided on all of these section screens, or may be provided on a part of these section screens. Further, in the illustrated example, the heat insulating layer 61 on the cylinder wall surface is provided at a position above the piston ring 14 in a state where the piston 15 is located at the top dead center. 14 is configured not to slide. However, the heat insulating layer 61 on the cylinder wall surface is not limited to this configuration, and the heat insulating layer 61 may be provided over the entire stroke or a part of the stroke of the piston 15 by extending the heat insulating layer 61 downward. Further, a heat insulating layer may be provided on the port wall surface near the opening on the ceiling surface side of the combustion chamber 17 in the intake port 18 and the exhaust port 19, although it is not the wall surface that directly partitions the combustion chamber 17. In addition, the thickness of each heat insulation layer 61-65 illustrated in FIG. 1 does not show actual thickness, but is only an illustration, and does not show the magnitude relationship of the thickness of the heat insulation layer in each surface.

燃焼室17の断熱構造について、さらに詳細に説明する。燃焼室17の断熱構造は、上述の如く、燃焼室17を区画する各区画面に設けた断熱層61〜65によって構成されるが、これらの断熱層61〜65は、燃焼室17内の燃焼ガスの熱が、区画面を通じて放出されることを抑制するため、燃焼室17を構成する金属製の母材よりも熱伝導率が低く設定される。ここで、シリンダ11の壁面に設けた断熱層61については、シリンダブロック12が母材であり、ピストン15の冠面に設けた断熱層62についてはピストン15が母材であり、シリンダヘッド13の天井面に設けた断熱層63については、シリンダヘッド13が母材であり、吸気弁21及び排気弁22それぞれのバルブヘッド面に設けた断熱層64,65については、吸気弁21及び排気弁22がそれぞれ母材である。したがって、母材の材質は、シリンダブロック12、シリンダヘッド13及びピストン15については、アルミニウム合金や鋳鉄となり、吸気弁21及び排気弁22については、耐熱鋼や鋳鉄等となる。   The heat insulation structure of the combustion chamber 17 will be described in more detail. As described above, the heat insulating structure of the combustion chamber 17 is constituted by the heat insulating layers 61 to 65 provided on the respective screens that define the combustion chamber 17, and these heat insulating layers 61 to 65 are the combustion gas in the combustion chamber 17. Therefore, the heat conductivity is set to be lower than that of the metal base material constituting the combustion chamber 17. Here, for the heat insulating layer 61 provided on the wall surface of the cylinder 11, the cylinder block 12 is the base material, and for the heat insulating layer 62 provided on the crown surface of the piston 15, the piston 15 is the base material. For the heat insulating layer 63 provided on the ceiling surface, the cylinder head 13 is a base material, and for the heat insulating layers 64 and 65 provided on the valve head surfaces of the intake valve 21 and the exhaust valve 22, respectively, the intake valve 21 and the exhaust valve 22 are provided. Are the base materials. Accordingly, the base material is aluminum alloy or cast iron for the cylinder block 12, cylinder head 13 and piston 15, and heat-resistant steel or cast iron for the intake valve 21 and exhaust valve 22.

また、断熱層6は、冷却損失を低減する上で、母材よりも容積比熱が小さいことが好ましい。つまり、燃焼室17内のガス温度は燃焼サイクルの進行によって変動するが、燃焼室17の断熱構造を有しない従来のエンジンは、シリンダヘッドやシリンダブロック内に形成したウォータージャケット内を冷却水が流れることにより、燃焼室17を区画する面の温度は、燃焼サイクルの進行にかかわらず、概略一定に維持される。   In addition, the heat insulating layer 6 preferably has a volumetric specific heat smaller than that of the base material in order to reduce cooling loss. That is, the gas temperature in the combustion chamber 17 varies with the progress of the combustion cycle, but in a conventional engine that does not have the heat insulation structure of the combustion chamber 17, the cooling water flows in a water jacket formed in the cylinder head or cylinder block. Thus, the temperature of the surface defining the combustion chamber 17 is maintained substantially constant regardless of the progress of the combustion cycle.

一方で、冷却損失は、冷却損失=熱伝達率×伝熱面積×(ガス温度−区画面の温度)によって決定されることから、ガス温度と壁面の温度との差温が大きくなればなるほど冷却損失は大きくなってしまう。冷却損失を抑制するためには、ガス温度と区画面の温度との差温は小さくすることが望ましいが、冷却水によって燃焼室17の区画面の温度を概略一定に維持した場合、ガス温度の変動に伴い差温が大きくなることは避けられない。そこで、断熱層6の熱容量を小さくして、燃焼室17の区画面の温度が、燃焼室17内のガス温度の変動に追従して変化するようにすることが好ましい。   On the other hand, since the cooling loss is determined by cooling loss = heat transfer coefficient × heat transfer area × (gas temperature−temperature of the section screen), the cooling temperature increases as the temperature difference between the gas temperature and the wall surface temperature increases. The loss will increase. In order to suppress the cooling loss, it is desirable to reduce the difference between the gas temperature and the temperature of the section screen. However, when the temperature of the section screen of the combustion chamber 17 is maintained substantially constant by cooling water, It is unavoidable that the temperature difference increases with fluctuation. Therefore, it is preferable to reduce the heat capacity of the heat insulating layer 6 so that the temperature of the section screen of the combustion chamber 17 changes following the fluctuation of the gas temperature in the combustion chamber 17.

上記断熱層6は、例えば、母材上にZrO等のセラミック材料をプラズマ溶射によってコーティングして形成すればよい。このセラミック材料の中には、多数の気孔を含んでいてもよい。このようにすれば、断熱層6の熱伝導率及び容積比熱をより低くすることができる。 The heat insulating layer 6 may be formed, for example, by coating a ceramic material such as ZrO 2 on the base material by plasma spraying. The ceramic material may contain a number of pores. If it does in this way, the thermal conductivity and volume specific heat of the heat insulation layer 6 can be made lower.

また、本実施形態では、図1に示すように、熱伝導率が非常に低くて断熱性に優れかつ耐熱性にも優れたチタン酸アルミニウム製のポートライナ181を、シリンダヘッド13に一体的に鋳ぐるむことによって、吸気ポート18に断熱層を設けている。この構成は、新気が吸気ポート18を通過するときに、シリンダヘッド13から受熱して温度が上がることを抑制乃至回避し得る。これによってシリンダ11内に導入する新気の温度(初期のガス温度)が低くなるため、燃焼時のガス温度が低下し、ガス温度と燃焼室17の区画面との差温を小さくする上で有利になる。燃焼時のガス温度を低下させることは熱伝達率を低くし得るから、そのことによる冷却損失の低減にも有利になる。尚、吸気ポート18に設ける断熱層の構成は、ポートライナ181の鋳ぐるみに限定されない。   Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 1, a port liner 181 made of aluminum titanate having an extremely low thermal conductivity, excellent heat insulation, and excellent heat resistance is integrated with the cylinder head 13. A heat insulating layer is provided in the intake port 18 by casting. With this configuration, when fresh air passes through the intake port 18, it is possible to suppress or avoid an increase in temperature due to heat received from the cylinder head 13. As a result, the temperature of the fresh air introduced into the cylinder 11 (initial gas temperature) is lowered, so that the gas temperature at the time of combustion is lowered and the temperature difference between the gas temperature and the section screen of the combustion chamber 17 is reduced. Become advantageous. Lowering the gas temperature at the time of combustion can lower the heat transfer rate, which is advantageous for reducing the cooling loss. In addition, the structure of the heat insulation layer provided in the intake port 18 is not limited to the casting of the port liner 181.

このエンジン1では、上述の通り幾何学的圧縮比εを15≦ε≦40に設定している。理論サイクルであるオットーサイクルにおける理論熱効率ηthは、ηth=1−1/(εκ−1)であり、圧縮比εを高くすればするほど、理論熱効率ηthは高くなる。しかしながら、エンジン(正確には、燃焼室の断熱構造を有しないエンジン)の図示熱効率は、所定の幾何学的圧縮比ε(例えば15程度)でピークになり、幾何学的圧縮比εをそれ以上に高めても図示熱効率は高くならず、逆に、図示熱効率は低下することになる。これは、燃料量及び吸気量を一定のままで幾何学的圧縮比を高くした場合、圧縮比が高くなればなるほど、燃焼圧力及び燃焼温度が高くなることに起因している。上述したように、燃焼圧力及び燃焼温度が高くなることは、冷却損失を増大させることになるためである。 In the engine 1, the geometric compression ratio ε is set to 15 ≦ ε ≦ 40 as described above. The theoretical thermal efficiency η th in the Otto cycle, which is the theoretical cycle, is η th = 1−1 / (ε κ−1 ), and the theoretical thermal efficiency η th increases as the compression ratio ε increases. However, the illustrated thermal efficiency of the engine (more precisely, the engine having no combustion chamber insulation structure) peaks at a predetermined geometric compression ratio ε (for example, about 15), and the geometric compression ratio ε is more than that. However, the illustrated thermal efficiency does not increase, and conversely, the illustrated thermal efficiency decreases. This is because, when the geometric compression ratio is increased while the fuel amount and the intake air amount are kept constant, the higher the compression ratio, the higher the combustion pressure and the combustion temperature. As described above, the combustion pressure and the combustion temperature are increased because the cooling loss is increased.

これに対し、このエンジン1では、高い幾何学的圧縮比εにおいて図示熱効率が高まるように、上述の通り、燃焼室17の断熱構造を組み合わせている。つまり、燃焼室17の断熱化により冷却損失を低減させ、それによって図示熱効率を高める。   On the other hand, in this engine 1, the heat insulating structure of the combustion chamber 17 is combined as described above so that the illustrated thermal efficiency is increased at a high geometric compression ratio ε. That is, the heat loss of the combustion chamber 17 is reduced to reduce the cooling loss, thereby increasing the indicated thermal efficiency.

一方で、燃焼室17を断熱化して冷却損失を低減させるだけでは、その冷却損失の低減分が排気損失に転換されて図示熱効率の向上にはあまり寄与しないところ、このエンジン1では、上述したように、高圧縮比化に伴う高膨張比化によって、冷却損失の低減分に相当する燃焼ガスのエネルギを、機械仕事に効率よく変換している。すなわち、このエンジン1は、冷却損失及び排気損失を共に低減させる構成を採用することによって、図示熱効率を大幅に向上させているということができる。   On the other hand, merely reducing the cooling loss by insulating the combustion chamber 17 converts the reduced cooling loss into the exhaust loss and does not contribute much to the improvement in the illustrated thermal efficiency. In addition, the high expansion ratio accompanying the high compression ratio efficiently converts the combustion gas energy corresponding to the reduction in cooling loss into mechanical work. That is, it can be said that the engine 1 greatly improves the illustrated thermal efficiency by adopting a configuration that reduces both the cooling loss and the exhaust loss.

このエンジン1では、上記の燃焼室17及び吸気ポート18の断熱構造に加えて、気筒内(燃焼室17内)においてガス層による断熱層を形成することで、冷却損失をさらに低減するようにしている。以下、このことについて詳細に説明する。   In this engine 1, in addition to the heat insulation structure of the combustion chamber 17 and the intake port 18, a heat insulation layer is formed by a gas layer in the cylinder (inside the combustion chamber 17), thereby further reducing the cooling loss. Yes. This will be described in detail below.

図3は、エンジン1の温間時の運転マップを例示している。このエンジン1は、基本的には、運転領域の全域において、燃焼室17内の混合気を圧縮自己着火によって燃焼させるように構成されている。図3に示す運転マップにおいて、所定負荷よりも低い低負荷領域、及び、低負荷領域よりも負荷の高い中負荷領域において、燃焼室17内にガス層による断熱層を形成する。つまり、エンジン負荷が比較的低くかつ、それによって燃料噴射量が比較的少ない運転状態においては、燃焼室17内にガス層による断熱層を形成することによって、冷却損失を低減し、熱効率の向上を図る。ここで、低負荷領域及び中負荷領域はそれぞれ、エンジンの負荷領域を低、中、及び高の3つの領域に区分(例えば、三等分)したときの、低領域及び中領域に相当する、と定義してもよい。また、特に中負荷領域は、例えば全開負荷に対する所定負荷以下(例えば70%負荷以下)の領域としてもよい。   FIG. 3 illustrates an operation map when the engine 1 is warm. The engine 1 is basically configured to burn the air-fuel mixture in the combustion chamber 17 by compression self-ignition over the entire operation region. In the operation map shown in FIG. 3, a heat insulating layer made of a gas layer is formed in the combustion chamber 17 in a low load region lower than a predetermined load and a medium load region where the load is higher than the low load region. In other words, in an operating state where the engine load is relatively low and the fuel injection amount is relatively small, a heat insulation layer is formed in the combustion chamber 17 by a gas layer, thereby reducing cooling loss and improving thermal efficiency. Plan. Here, the low load region and the medium load region respectively correspond to the low region and the medium region when the engine load region is divided into three regions of low, medium, and high (for example, divided into three equal parts). May be defined. In particular, the middle load region may be a region of a predetermined load or less (for example, 70% load or less) with respect to the fully open load, for example.

図4は、低負荷及び中負荷領域において、燃焼室17内に形成する混合気層の形状を概念的に示している。燃焼室17内にガス層による断熱層を形成するとは、同図に示すように、燃焼室17内の中央部に混合気層を形成すると共に、その周囲に新気を含むガス層を形成することである。   FIG. 4 conceptually shows the shape of the air-fuel mixture layer formed in the combustion chamber 17 in the low load and medium load regions. The formation of a heat insulating layer by a gas layer in the combustion chamber 17 means that an air-fuel mixture layer is formed at the center of the combustion chamber 17 and a gas layer containing fresh air is formed around it as shown in FIG. That is.

ここでいう混合気層は、可燃混合気(例えば当量比φ=0.1以上の混合気)によって構成される層と定義している。また、燃料の噴射開始から時間が経過すればするほど、燃料噴霧は拡散することから、混合気層の大きさは、着火時点での大きさである。さらに、着火とは、例えば、燃料の燃焼質量割合が1%以上となることをもって判定することができる。   The air-fuel mixture layer here is defined as a layer composed of a combustible air-fuel mixture (for example, an air-fuel mixture having an equivalent ratio φ = 0.1 or more). Further, as the time elapses from the start of fuel injection, the fuel spray diffuses, and the size of the air-fuel mixture layer is the size at the time of ignition. Furthermore, the ignition can be determined when, for example, the combustion mass ratio of the fuel becomes 1% or more.

また、ガス層は、新気のみであってもよく、新気に加えて、既燃ガス(つまり、EGRガス)を含んでいてもよい。尚、後述の通り、ガス層が断熱層の役割を果たす限度において、ガス層に少量の燃料が混じることは許容される。   Further, the gas layer may be only fresh air, and may contain burned gas (that is, EGR gas) in addition to fresh air. As will be described later, it is allowed that a small amount of fuel is mixed in the gas layer as long as the gas layer serves as a heat insulating layer.

混合気層の表面積(S)と体積(V)との比(S/V比)を小さくすることによって、燃焼時に周囲のガス層との伝熱面積が小さくなると共に、混合気層とシリンダ11の壁面との間のガス層により、混合気層の火炎がシリンダ11の壁面に接触することがなく、また、ガス層自体が断熱層となって、シリンダ11の壁面からの熱の放出を抑えることができるようになる。この結果、冷却損失を大幅に低減することができる。   By reducing the ratio (S / V ratio) between the surface area (S) and the volume (V) of the gas mixture layer, the heat transfer area with the surrounding gas layer is reduced during combustion, and the gas mixture layer and the cylinder 11 Due to the gas layer between the cylinder 11 and the wall surface, the flame of the gas mixture layer does not come into contact with the wall surface of the cylinder 11, and the gas layer itself becomes a heat insulating layer to suppress the release of heat from the wall surface of the cylinder 11. Will be able to. As a result, the cooling loss can be greatly reduced.

エンジン制御器100は、燃焼室17内の中央部に混合気層が形成されかつ、その周囲にガス層が形成されるように、圧縮行程後半から膨張行程初期の期間にインジェクタ33のノズル口41からシリンダ11内に燃料を噴射させるべく、燃料供給システム34の電気回路に噴射信号を出力する。ここで、圧縮行程後半は、圧縮行程を、前半と後半とに二分したときの後半である。また、膨張行程初期は、膨張行程を、初期、中期及び終期に三分したときの初期である。   The engine controller 100 includes a nozzle port 41 of the injector 33 in a period from the latter half of the compression stroke to the initial stage of the expansion stroke so that an air-fuel mixture layer is formed in the central portion of the combustion chamber 17 and a gas layer is formed around it. In order to inject fuel into the cylinder 11, the injection signal is output to the electric circuit of the fuel supply system. Here, the second half of the compression stroke is the second half when the compression stroke is divided into the first half and the second half. In addition, the initial stage of the expansion stroke is an initial stage when the expansion stroke is divided into three parts: an initial stage, a middle stage, and a final stage.

低負荷領域においては、燃料噴射量が相対的に少ないことから、シリンダ11の中心軸X上に配設されたインジェクタ33から、圧縮行程後半から膨張行程初期の期間に、シリンダ11内に燃料を噴射することによって燃料噴霧の広がりを抑制して、燃焼室17内の中央部の混合気層と、その周囲のガス層とを形成することが比較的、容易に実現する。しかしながら、燃焼噴射量が増えるに従い、燃料噴射期間が長くなることから、燃料噴霧は特にシリンダ11の中心軸Xの方向に広がるようになり、その結果、混合気層は、例えばピストン15の冠面に触れるようになる。つまり、混合気層の周囲のガス層が確実に形成されなくなる。上述の通り、このエンジン1は、幾何学的圧縮比が高く、それに伴い燃焼室(つまり、ピストンが圧縮上死点に位置したときのシリンダ内空間)の容積が小さい。そのため、このエンジン1は、燃料噴霧がシリンダ11の中心軸Xの方向に広がったときに、混合気層はピストン15の冠面に触れやすい。   In the low load region, since the fuel injection amount is relatively small, fuel is injected into the cylinder 11 from the injector 33 disposed on the central axis X of the cylinder 11 in the second half of the compression stroke to the initial stage of the expansion stroke. It is relatively easy to suppress the spread of the fuel spray by injecting and form the air-fuel mixture layer at the center in the combustion chamber 17 and the surrounding gas layer. However, since the fuel injection period becomes longer as the combustion injection amount increases, the fuel spray spreads particularly in the direction of the central axis X of the cylinder 11, and as a result, the air-fuel mixture layer forms, for example, the crown surface of the piston 15. Will come to touch. That is, the gas layer around the gas mixture layer is not reliably formed. As described above, the engine 1 has a high geometric compression ratio, and accordingly, the volume of the combustion chamber (that is, the space in the cylinder when the piston is located at the compression top dead center) is small. Therefore, in the engine 1, when the fuel spray spreads in the direction of the central axis X of the cylinder 11, the air-fuel mixture layer tends to touch the crown surface of the piston 15.

そこで、このエンジン1は、燃料噴射量が増える中負荷領域においても燃焼室17内の中心部の混合気層とその周囲のガス層とを確実に形成するために、燃焼室17内に形成する混合気層の形状をコントロールする。具体的には、図4に白抜きの矢印で示すように、燃料噴射量が増えたときには、燃料噴霧を、シリンダ11の中心軸Xに交差する径方向の外方に広がるようにする。そのことによって、混合気層の中心軸Xの方向の長さが長くなることを抑制して混合気層がピストン15の冠面に触れることを回避しつつ、中心軸Xの方向よりも空間的な余裕のある径方向の外方に混合気層を広げることによって、混合気層がシリンダ11の内壁に触れることも回避する。燃焼室17内に形成する混合気層の形状をコントロールすることは、燃焼室17内に形成される混合気層の中心軸方向の長さをL、径方向の幅をWとしたときに、長さLと幅Wとの比(L/W)を調整することであり、上述のS/V比を小さくする上で、L/W比を所定以上にしつつも、燃料噴射量が増えたときには、L/W比を小さくすることになる。   Therefore, the engine 1 is formed in the combustion chamber 17 in order to reliably form the air-fuel mixture layer in the center of the combustion chamber 17 and the surrounding gas layer even in the middle load region where the fuel injection amount increases. Control the shape of the gas mixture. Specifically, as shown by the white arrow in FIG. 4, when the fuel injection amount increases, the fuel spray spreads outward in the radial direction intersecting the central axis X of the cylinder 11. As a result, the length of the air-fuel mixture layer in the direction of the central axis X is prevented from becoming longer, and the air-fuel mixture layer is prevented from touching the crown surface of the piston 15 while being spatially smaller than the direction of the central axis X. By expanding the air-fuel mixture layer in the radially outward direction with a sufficient margin, it is also avoided that the air-fuel mixture layer touches the inner wall of the cylinder 11. Controlling the shape of the air-fuel mixture layer formed in the combustion chamber 17 means that when the length in the central axis direction of the air-fuel mixture layer formed in the combustion chamber 17 is L and the radial width is W, By adjusting the ratio (L / W) between the length L and the width W, the fuel injection amount increased while the L / W ratio was set to a predetermined value or more in order to reduce the S / V ratio. Sometimes, the L / W ratio is reduced.

このような混合気層の形状のコントロールを実現するために、エンジン1では、インジェクタ33による燃料噴射の間隔(図6参照)とリフト量(図7参照)とがそれぞれ調整される。これにより、図5に示すように、燃料噴霧の進行方向への広がりと燃料噴霧の径方向への広がりとが独立して制御される。燃料噴射の間隔は、図6に概念的に示すように、燃料噴射の終了から、次の燃料噴射の開始までの間隔と定義される。上述の通り、このインジェクタ33は高応答であり、1〜2msecの間に、20回程度の多段噴射が可能である。また、インジェクタ33のリフト量は、図7に概念的に示すように、燃料の噴射開口面積に比例し、上述の通り、リフト量が大きいほど、噴射開口面積(即ち、ノズル口41の有効断面積)は大きくなり、リフト量が小さいほど、噴射開口面積は小さくなる。   In order to realize such control of the shape of the air-fuel mixture layer, in the engine 1, the fuel injection interval (see FIG. 6) by the injector 33 and the lift amount (see FIG. 7) are adjusted. Thereby, as shown in FIG. 5, the spread of the fuel spray in the traveling direction and the spread of the fuel spray in the radial direction are controlled independently. The interval between fuel injections is defined as the interval from the end of fuel injection to the start of the next fuel injection, as conceptually shown in FIG. As described above, this injector 33 has a high response and can perform about 20 multistage injections within 1 to 2 msec. Further, as conceptually shown in FIG. 7, the lift amount of the injector 33 is proportional to the fuel injection opening area. As described above, the larger the lift amount, the more the injection opening area (that is, the effective disconnection of the nozzle port 41). Area) increases, and the smaller the lift amount, the smaller the injection opening area.

図8は、インジェクタ33のリフト量を一定にした上で、燃料の噴射間隔を長くしたとき(同図(A))と、噴射間隔を短くしたとき(同図(B))との燃料噴霧の広がりの違いを、概念的に示している。インジェクタ33からホローコーン状に噴射された燃料噴霧は、燃焼室17内を高速で流れる。そのため、コアンダ効果により、ホローコーンの内側においてインジェクタ33の中心軸Sに沿うように、負圧領域が発生する。燃料噴射間隔が長いときには、燃料噴射から次の燃料噴射までの間に、負圧領域の圧力が回復するようになるため、負圧領域は小さくなる。これに対し、燃料噴射間隔が短いときには、間を空けずに燃料噴射が繰り返されるため、負圧領域の圧力が回復することが抑制される。その結果、負圧領域は、図8(B)に示すように、大きくなる。   FIG. 8 shows a fuel spray when the fuel injection interval is lengthened (FIG. (A)) and when the injection interval is shortened (FIG. (B)) while the lift amount of the injector 33 is made constant. Conceptually shows the difference in the spread of The fuel spray injected in a hollow cone shape from the injector 33 flows in the combustion chamber 17 at a high speed. Therefore, a negative pressure region is generated along the central axis S of the injector 33 inside the hollow cone due to the Coanda effect. When the fuel injection interval is long, the pressure in the negative pressure region recovers between the fuel injection and the next fuel injection, so the negative pressure region becomes smaller. On the other hand, when the fuel injection interval is short, the fuel injection is repeated without a gap, so that the recovery of the pressure in the negative pressure region is suppressed. As a result, the negative pressure region becomes large as shown in FIG.

燃料噴霧は、この負圧に引き寄せされるようになる。負圧領域は中心軸Sを中心とする径方向の中央側に形成されるため、負圧領域が相対的に大きいときには、図8(B)に示すように、燃料噴霧の径方向への広がりは抑制される。これに対し、負圧領域が相対的に小さいときには、図8(A)に示すように、燃料噴霧は、あまり引き寄せられないため、径方向へ広がりやすくなる。つまり、インジェクタ33の燃料の噴射間隔を短くすれば、燃料噴霧の径方向の広がりを抑制することが可能になる一方、その噴射間隔を長くすれば、燃料噴霧の径方向の広がりを促進することが可能になる。   The fuel spray is attracted to this negative pressure. Since the negative pressure region is formed on the center side in the radial direction around the central axis S, when the negative pressure region is relatively large, as shown in FIG. 8B, the fuel spray expands in the radial direction. Is suppressed. On the other hand, when the negative pressure region is relatively small, as shown in FIG. 8 (A), the fuel spray is not attracted so much, and thus tends to spread in the radial direction. That is, if the fuel injection interval of the injector 33 is shortened, the radial spread of the fuel spray can be suppressed. On the other hand, if the injection interval is increased, the radial spread of the fuel spray is promoted. Is possible.

図9は、燃料の噴射間隔を一定にした上で、インジェクタ33のリフト量を小さくしたとき(同図(A))と、リフト量を大きくしたとき(同図(B))との燃料噴霧の広がりの違いを、概念的に示している。この場合、噴射間隔が同じであるため、燃焼室17内の負圧領域は同じになるものの、リフト量が相違することによって、燃料噴霧の粒径が異なる。つまり、インジェクタ33のリフト量を小さくしたときには、燃料噴霧の粒径も小さくなるため、燃料噴霧の運動量が小さくなる。このため、燃料噴霧は、負圧によって径方向の中央側に引き寄せられやすくなり、図9(A)に示すように、径方向の外方への広がりが抑制される。これに対し、インジェクタ33のリフト量を大きくしたときには、燃料噴霧の粒径が大きくなるため、燃料噴霧の運動量が大きくなる。このため、燃料噴霧は、負圧に引き寄せられにくくなり、図9(B)に示すように、径方向の外方に広がり易くなる。つまり、インジェクタ33のリフト量を大きくすれば、燃料噴霧の径方向の広がりを促進することが可能になる一方、そのリフト量を小さくすれば、燃料噴霧の径方向の広がりを抑制することが可能になる。   FIG. 9 shows a fuel spray when the lift amount of the injector 33 is reduced (FIG. (A)) and the lift amount is increased (FIG. (B)) while the fuel injection interval is made constant. Conceptually shows the difference in the spread of In this case, since the injection interval is the same, the negative pressure region in the combustion chamber 17 is the same, but the particle size of the fuel spray is different due to the difference in the lift amount. That is, when the lift amount of the injector 33 is reduced, the particle size of the fuel spray is also reduced, so that the momentum of the fuel spray is reduced. For this reason, the fuel spray is easily attracted to the center side in the radial direction by the negative pressure, and the outward spreading in the radial direction is suppressed as shown in FIG. On the other hand, when the lift amount of the injector 33 is increased, the particle size of the fuel spray increases, so the momentum of the fuel spray increases. For this reason, the fuel spray is less likely to be attracted to the negative pressure and easily spreads outward in the radial direction as shown in FIG. 9B. That is, if the lift amount of the injector 33 is increased, the spread of the fuel spray in the radial direction can be promoted. On the other hand, if the lift amount is decreased, the spread of the fuel spray in the radial direction can be suppressed. become.

また、粒径が大きい燃料噴霧は、運動量が大きいので、進行方向への飛散距離も長くなる。さらに、粒径が大きい燃料噴霧は、負圧領域の影響を受けて減速しにくく、このことによっても飛散距離が長くなる。それに対し、粒径が小さい燃料噴霧は、運動量が小さいので、進行方向への飛散距離が短くなる。さらに、粒径が小さい燃料噴霧は、負圧領域の影響を受けて減速しやすく、このことによっても飛散距離が短くなる。   Further, since the fuel spray having a large particle size has a large momentum, the scattering distance in the traveling direction becomes long. Furthermore, the fuel spray having a large particle size is not easily decelerated due to the influence of the negative pressure region, and this also increases the scattering distance. On the other hand, since the fuel spray with a small particle size has a small momentum, the scattering distance in the traveling direction becomes short. Further, the fuel spray having a small particle size is easily decelerated under the influence of the negative pressure region, and this also shortens the scattering distance.

このように、インジェクタ33の噴射間隔及びリフト量を変更することによって、燃料噴霧の広がりを、径方向と進行方向との2方向について独立して制御することが可能になる。そこで、このエンジン1では、リフト量が相対的に大きく且つ噴射間隔が相対的に大きい複数回の燃料噴射を含む第1噴射群と、リフト量が相対的に小さく且つ噴射間隔が相対的に小さい複数回の燃料噴射を含む第2噴射群とを組み合わせて、混合気層の形状を制御している。何れの噴射群においても、複数回の燃料噴射を行う多段噴射が実行される。ここで、多段噴射とは、燃料の噴射間隔(燃料噴射の終了から次の燃料噴射の開始までの間隔)が0.5ms以下の連続的な燃料噴射を意味する。   As described above, by changing the injection interval and the lift amount of the injector 33, it is possible to independently control the spread of the fuel spray in the two directions of the radial direction and the traveling direction. Therefore, in this engine 1, the lift amount is relatively small and the injection interval is relatively small, and the first injection group including a plurality of fuel injections having a relatively large lift amount and a relatively large injection interval. The shape of the air-fuel mixture layer is controlled in combination with the second injection group including a plurality of fuel injections. In any of the injection groups, multi-stage injection that performs fuel injection a plurality of times is executed. Here, the multistage injection means continuous fuel injection in which the fuel injection interval (interval from the end of fuel injection to the start of the next fuel injection) is 0.5 ms or less.

詳しくは、第1噴射群は、インジェクタ33のリフト量を第2噴射群よりも大きくし且つ、燃料の噴射間隔を第2噴射群よりも大きくした、所定回数の燃料噴射を含む。噴射間隔を広くすることによって負圧領域が小さくなる。それに加えて、リフト量を大きくして燃料噴霧の粒径を大きくすることによって、燃料噴霧の運動量が大きくなる。その結果、進行方向への飛散距離が相対的に長く且つ径方向へ広がった燃料噴霧が形成される。   Specifically, the first injection group includes a predetermined number of fuel injections in which the lift amount of the injector 33 is larger than that of the second injection group and the fuel injection interval is larger than that of the second injection group. By increasing the injection interval, the negative pressure region becomes smaller. In addition, the momentum of the fuel spray is increased by increasing the lift amount to increase the particle size of the fuel spray. As a result, a fuel spray is formed in which the scattering distance in the traveling direction is relatively long and spread in the radial direction.

第2噴射群は、インジェクタ33のリフト量を第1噴射群よりも小さくし且つ、燃料の噴射間隔を第1噴射群よりも小さくした、所定回数の燃料噴射を含む。噴射間隔を狭くすることによって負圧領域が拡大される。それに加えて、リフト量を小さくして燃料噴霧の粒径を小さくすることによって、燃料噴霧の運動量が小さくなる。その結果、進行方向への飛散距離が相対的に短く且つ径方向への広がりが抑制された燃料噴霧が形成される。   The second injection group includes a predetermined number of fuel injections in which the lift amount of the injector 33 is smaller than that of the first injection group and the fuel injection interval is smaller than that of the first injection group. By reducing the injection interval, the negative pressure region is expanded. In addition, the momentum of the fuel spray is reduced by reducing the lift amount and the particle size of the fuel spray. As a result, a fuel spray is formed in which the scattering distance in the traveling direction is relatively short and the spread in the radial direction is suppressed.

エンジン制御器100は、エンジン1の運転状態に応じて第1噴射群と第2噴射群との割合を変更することによって、混合気層をエンジン1の運転状態に応じた形状に制御している。基本的な原理としては、第1噴射群の割合を多くすることによって、径方向外方へ広がった混合気層が形成される一方、第2噴射群の割合を多くすることによって、径方向外側への広がりが抑制された混合気層が形成される。   The engine controller 100 controls the air-fuel mixture layer to have a shape corresponding to the operating state of the engine 1 by changing the ratio of the first injection group and the second injection group according to the operating state of the engine 1. . As a basic principle, by increasing the proportion of the first injection group, an air-fuel mixture layer is formed that extends radially outward, while by increasing the proportion of the second injection group, the radially outer side An air-fuel mixture layer in which the spread to is suppressed is formed.

尚、エンジン1の運転状態によっては、第1噴射群が省略され、第2噴射群だけが実行される場合や、第1噴射群に含まれる燃料噴射が1回だけで、あとは第2噴射群となる場合や、第2噴射群が省略され、第1噴射群だけが実行される場合や、第2噴射群に含まれる燃料噴射が1回だけで、あとは第1噴射群となる場合もある。また、第1噴射群の後に第2噴射群を実行してもよいし、第2噴射群のあとに第1噴射群を実行してもよい。   Depending on the operating state of the engine 1, the first injection group is omitted and only the second injection group is executed, or only one fuel injection is included in the first injection group, and the second injection is performed thereafter. When the second injection group is omitted and only the first injection group is executed, or when the fuel injection included in the second injection group is only once and the first injection group is used. There is also. Further, the second injection group may be executed after the first injection group, or the first injection group may be executed after the second injection group.

エンジン制御器100は、上述の多段噴射を前提として、エンジン1の運転状態に応じて第1噴射群8及び第2噴射群9の噴射態様をさらに細かく制御している。図10は、低負荷且つ低回転領域における噴射態様を示す図である。図11は、低負荷且つ低回転領域における燃焼室の燃料濃度分布を示す図である。図12は、低負荷且つ中回転領域における噴射態様を示す図である。図13は、低負荷且つ中回転領域における燃焼室の燃料濃度分布を示す図である。図14は、低負荷且つ高回転領域における噴射態様を示す図である。図15は、低負荷且つ高回転領域における燃焼室の燃料濃度分布を示す図である。図16は、中負荷領域における噴射態様を示す図である。図17は、中負荷領域における燃焼室の燃料濃度分布を示す図である。   The engine controller 100 further controls the injection modes of the first injection group 8 and the second injection group 9 in accordance with the operating state of the engine 1 on the premise of the above-described multistage injection. FIG. 10 is a diagram showing an injection mode in a low load and low rotation range. FIG. 11 is a diagram showing a fuel concentration distribution in the combustion chamber in a low load and low rotation region. FIG. 12 is a diagram showing an injection mode in a low load and medium rotation range. FIG. 13 is a diagram showing a fuel concentration distribution in the combustion chamber in a low load and medium rotation region. FIG. 14 is a diagram showing an injection mode in a low load and high rotation region. FIG. 15 is a diagram showing a fuel concentration distribution in the combustion chamber in a low load and high rotation region. FIG. 16 is a diagram illustrating an injection mode in the medium load region. FIG. 17 is a diagram showing the fuel concentration distribution in the combustion chamber in the medium load region.

具体的には、エンジン制御器100は、低負荷領域における低回転領域においては、圧縮行程後半から膨張行程初期の間に、第1噴射群8及び第2噴射群9を含む多段噴射をインジェクタ33に行わせている。この第1噴射群8には、図10に示すように、所定のリフト量の第1噴射81と、第1噴射81よりも後であって且つ第1噴射81よりもリフト量が大きい第2噴射82と、第2噴射82よりも後であって且つ第2噴射82よりもリフト量が小さい第3噴射83とが含まれている。尚、第3噴射83のリフト量は、第1噴射81のリフト量よりも大きい。このとき、第2噴射群9に含まれる燃料噴射90のリフト量は一定である。   Specifically, the engine controller 100 performs multi-stage injection including the first injection group 8 and the second injection group 9 between the latter half of the compression stroke and the early stage of the expansion stroke in the low rotation region in the low load region. Let me do it. As shown in FIG. 10, the first injection group 8 includes a first injection 81 having a predetermined lift amount and a second lift amount that is later than the first injection 81 and larger than the first injection 81. An injection 82 and a third injection 83 that is after the second injection 82 and has a smaller lift amount than the second injection 82 are included. Note that the lift amount of the third injection 83 is larger than the lift amount of the first injection 81. At this time, the lift amount of the fuel injection 90 included in the second injection group 9 is constant.

ここで、第1噴射81が行われるときは、第2噴射82が行われるときに比べて、燃焼室17内は燃料噴霧が飛散しやすい環境にある。つまり、燃焼室17に燃料が噴射されると、燃焼室17の雰囲気温度が低下し、空気密度が高くなる。空気密度が高くなると、抵抗が大きくなり、燃料噴霧は飛散しにくくなる。第1噴射81が行われるときは、第2噴射82が行われるときと比べて、燃焼室17に噴射された燃料が存在しないか又は少なく、燃焼室17の空気密度が比較的低い。そのため、第1噴射81においては、リフト量を小さくすることによって燃料噴霧の粒径を小さくして、燃料噴霧の運動量を減少させている。これにより、第1噴射81による燃料噴霧の飛散距離を抑制し、該燃料噴霧は、中心軸方向においてノズル口41とピストン15との間に留まりやすくなる。   Here, when the first injection 81 is performed, the fuel spray is more easily scattered in the combustion chamber 17 than when the second injection 82 is performed. That is, when fuel is injected into the combustion chamber 17, the atmospheric temperature in the combustion chamber 17 decreases and the air density increases. As the air density increases, the resistance increases and the fuel spray is less likely to scatter. When the first injection 81 is performed, the fuel injected into the combustion chamber 17 is absent or less than when the second injection 82 is performed, and the air density in the combustion chamber 17 is relatively low. Therefore, in the first injection 81, the particle size of the fuel spray is reduced by reducing the lift amount, and the momentum of the fuel spray is reduced. Thereby, the scattering distance of the fuel spray by the 1st injection 81 is suppressed, and this fuel spray tends to stay between the nozzle port 41 and the piston 15 in the central axis direction.

一方、第2噴射82が行われるときには、第1噴射81が行われるときに比べて、燃焼室17内は燃料噴霧が飛散しにくい環境にある。つまり、燃焼室17内は、第1噴射81によって雰囲気温度が低下し、空気密度が高くなっている。そのため、第2噴射82においては、リフト量を第1噴射81に比べて大きくすることによって、燃料噴霧の粒径を大きくして、燃料噴霧の運動量を増加させている。これにより、第2噴射82による燃料噴霧の飛散距離を増大させ、該燃料噴霧がノズル口41近傍に留まることを防止している。その結果、燃料噴霧は、中心軸方向においてノズル口41とピストン15との間に留まりやすくなる。   On the other hand, when the second injection 82 is performed, the fuel spray is less likely to scatter in the combustion chamber 17 than when the first injection 81 is performed. In other words, the atmosphere temperature in the combustion chamber 17 is lowered by the first injection 81 and the air density is increased. Therefore, in the second injection 82, the lift amount is increased compared to the first injection 81, thereby increasing the particle size of the fuel spray and increasing the momentum of the fuel spray. Thereby, the scattering distance of the fuel spray by the second injection 82 is increased, and the fuel spray is prevented from staying in the vicinity of the nozzle port 41. As a result, the fuel spray tends to stay between the nozzle port 41 and the piston 15 in the central axis direction.

また、第3噴射83が行われるときには、第2噴射82が行われるときに比べて、燃焼室17内は燃料噴霧が飛散しやすい環境にある。詳しくは、燃焼室17内の温度は低下しているものの、ノズル口41から燃料が噴射される先には、第1噴射81及び第2噴射82により噴射された燃料噴霧が存在する。燃料は、空気中に噴射されるよりも、燃料噴霧中に噴射される方が、抵抗が少なく、飛散していきやすい。そこで、第3噴射83においてはリフト量を第2噴射82よりも小さくすることによって、燃料噴霧の粒径を小さくして、燃料噴霧の運動量を小さくしている。これにより、第3噴射83による燃料噴霧の飛散距離を抑制し、該燃料噴霧は、中心軸方向においてノズル口41とピストン15との間に留まりやすくなる。   Further, when the third injection 83 is performed, the fuel spray is more easily scattered in the combustion chamber 17 than when the second injection 82 is performed. Specifically, although the temperature in the combustion chamber 17 is decreasing, the fuel spray injected by the first injection 81 and the second injection 82 exists at the destination where the fuel is injected from the nozzle port 41. Fuel is less resistant and more likely to be scattered when injected during fuel spraying than when injected into air. Therefore, in the third injection 83, the lift amount is made smaller than that of the second injection 82, thereby reducing the particle size of the fuel spray and reducing the momentum of the fuel spray. Thereby, the scattering distance of the fuel spray by the third injection 83 is suppressed, and the fuel spray tends to stay between the nozzle port 41 and the piston 15 in the central axis direction.

一方、第2噴射群9の燃料噴射は、リフト量が相対的に小さく、燃料噴射の粒径が小さいので、運動量が小さい。そのため、第2噴射群9の燃料噴霧は、飛散距離が比較的短く、また、負圧の影響を受けて減速しやすい。そのため、第2噴射群9による燃料噴霧は、中心軸方向において、ピストン15までは到達しにくく、ノズル口41とピストン15との間に留まりやすくなっている。   On the other hand, the fuel injection of the second injection group 9 has a relatively small momentum because the lift amount is relatively small and the particle size of the fuel injection is small. Therefore, the fuel spray of the second injection group 9 has a relatively short scattering distance and is easily decelerated under the influence of negative pressure. Therefore, the fuel spray by the second injection group 9 does not easily reach the piston 15 in the central axis direction, and tends to stay between the nozzle port 41 and the piston 15.

また、第1噴射群8による全噴射量と、第2噴射群9による全噴射量とは、略同じ量になっている。また、第2噴射群9は、圧縮上死点前に完了している。   Further, the total injection amount by the first injection group 8 and the total injection amount by the second injection group 9 are substantially the same amount. The second injection group 9 is completed before the compression top dead center.

このような第1噴射群8及び第2噴射群9による燃料噴射の結果、着火時(圧縮上死点後の所定のタイミング)には、燃料噴霧は、中心軸方向における中央近傍に集中しやすくなる。詳しくは、図11に示すように、混合気層のうち燃料濃度が最大となる部分は、ノズル口41からピストン15までの空間を中心軸方向の距離に関しノズル口41からピストン15に向かって25%の領域A1、50%の領域A2、25%の領域A3に区画した場合の50%の領域A2内に含まれるようになる。尚、燃料の着火は、例えば、燃料の燃焼質量割合が1%以上となることをもって判定することができる。   As a result of such fuel injection by the first injection group 8 and the second injection group 9, at the time of ignition (predetermined timing after compression top dead center), the fuel spray tends to concentrate near the center in the central axis direction. Become. Specifically, as shown in FIG. 11, the portion of the gas mixture layer where the fuel concentration is maximum is 25 in the space from the nozzle port 41 to the piston 15 with respect to the distance in the central axis direction from the nozzle port 41 toward the piston 15. % Area A1, 50% area A2, and 25% area A3 are included in 50% area A2. Note that the ignition of fuel can be determined, for example, when the combustion mass ratio of the fuel becomes 1% or more.

一方、着火時の燃焼室17の径方向への濃度分布は、図11に示すように、概ね均等になっている。これは、進行方向への飛散距離が相対的に長く且つ径方向へ広がった燃料噴霧が形成される第1噴射群8の噴射量と、進行方向への飛散距離が相対的に短く且つ径方向への広がりが抑制された燃料噴霧が形成される第2噴射群9の噴射量とが同じ量になっているためである。つまり、第1噴射群8によって径方向の外方に燃料噴霧が到達すると共に、第2噴射群9によって径方向の内方にも燃料噴霧が到達する結果、混合気層における径方向について、燃料濃度がほぼ同じになる。ここで、混合気層の径方向について、当該混合気層の直径に対して、60%の径の範囲を中央部とし、その周囲の部分を周辺部と定義したときに、その中央部の燃料濃度と、周辺部の燃料濃度との差が所定値以下であることを均質と呼ぶ。図11に示すように、中央部から周辺部にかけて、燃料濃度(つまり、当量比φ)がほぼ一定である状態は、燃料濃度が径方向に均質である。   On the other hand, the concentration distribution in the radial direction of the combustion chamber 17 at the time of ignition is substantially uniform as shown in FIG. This is because the injection amount of the first injection group 8 in which the fuel spray is formed with a relatively long scattering distance in the traveling direction and spread in the radial direction, and the scattering distance in the traveling direction is relatively short and the radial direction. This is because the injection amount of the second injection group 9 in which the fuel spray in which the spread is suppressed is the same amount. That is, as a result of the fuel spray reaching the radially outward direction by the first injection group 8 and the fuel spray reaching the radially inward direction by the second injection group 9, the fuel in the radial direction in the mixture layer Concentration is almost the same. Here, in the radial direction of the air-fuel mixture layer, when the range of 60% of the diameter of the air-fuel mixture layer is defined as the central portion and the surrounding portion is defined as the peripheral portion, the fuel in the central portion The difference between the concentration and the fuel concentration in the peripheral portion is equal to or less than a predetermined value is called homogeneous. As shown in FIG. 11, when the fuel concentration (that is, the equivalence ratio φ) is substantially constant from the central portion to the peripheral portion, the fuel concentration is homogeneous in the radial direction.

この状態で燃料が燃焼すると、ノズル口41近傍及びピストン15近傍には燃料が少ないので、これらの場所において燃焼により発生する熱量が少なくなる。一方、ノズル口41とピストン15との中間部分においては、燃料が相対的に多くなり、燃焼による大きな熱量が発生する。その結果、ノズル口41近傍のシリンダ11の壁面(天井面)及びピストン15を介した放熱が抑制され、冷却損失が低減される。   When the fuel is combusted in this state, there is little fuel in the vicinity of the nozzle opening 41 and in the vicinity of the piston 15, so that the amount of heat generated by combustion in these places is reduced. On the other hand, in the intermediate portion between the nozzle port 41 and the piston 15, the fuel is relatively increased, and a large amount of heat is generated by combustion. As a result, heat dissipation through the wall surface (ceiling surface) of the cylinder 11 near the nozzle port 41 and the piston 15 is suppressed, and cooling loss is reduced.

また、低回転領域であるため、燃料の噴射開始から着火までの実時間は比較的長い時間を確保可能である。そのため、着火性を高める必要性に乏しく、後述の通り、径方向に燃料濃度を不均質にすることは、煤の発生等の不都合を招き得る。そこで、径方向については燃料濃度を均質にすることで、排気エミッション性能の低下が回避される。   Moreover, since it is a low rotation area | region, the real time from the start of fuel injection to ignition can ensure comparatively long time. Therefore, it is not necessary to improve the ignitability, and as described later, making the fuel concentration in the radial direction inhomogeneous can cause inconveniences such as generation of soot. Thus, by making the fuel concentration uniform in the radial direction, a reduction in exhaust emission performance is avoided.

エンジン制御器100は、低負荷領域の中回転領域においては、図12に示すように、第1噴射群8に第1噴射81と第2噴射82とが含まれることに加えて、第2噴射群9にも、所定のリフト量の第1噴射91と、第1噴射91よりも後であって且つ第1噴射91よりもリフト量が大きい第2噴射92と、第2噴射92よりも後であって且つ第2噴射92よりもリフト量が小さい第3噴射93とが含まれる。   In the middle rotation region of the low load region, the engine controller 100 includes the second injection in addition to the first injection group 8 including the first injection 81 and the second injection 82 as shown in FIG. The group 9 also includes a first injection 91 having a predetermined lift amount, a second injection 92 after the first injection 91 and having a lift amount larger than the first injection 91, and after the second injection 92. And the third injection 93 having a lift amount smaller than that of the second injection 92.

このとき、1回のサイクルにおける燃料の全噴射量に対する第2噴射群9の割合は、エンジン1の回転数が高くなるに従い増加する。従って、第2噴射群9の割合は、第1噴射群8の割合よりも多くなる。図12の例では、図10の例に比べて、第1噴射群8に含まれる燃料噴射の回数が1回減少し、第2噴射群9に含まれる燃料噴射の回数が2回増加している。具体的には、第1噴射群8においては、第3噴射83が削除され、第1噴射81及び第2噴射82だけになっている。   At this time, the ratio of the second injection group 9 to the total fuel injection amount in one cycle increases as the rotational speed of the engine 1 increases. Therefore, the ratio of the second injection group 9 is greater than the ratio of the first injection group 8. In the example of FIG. 12, the number of fuel injections included in the first injection group 8 is decreased by one and the number of fuel injections included in the second injection group 9 is increased by two compared to the example of FIG. Yes. Specifically, in the first injection group 8, the third injection 83 is deleted, and only the first injection 81 and the second injection 82 are provided.

また、多段噴射の噴射時期が、低回転領域に比べて進角している。所定のクランク角で燃料を着火させることを想定した場合、エンジン回転数が高くなるほど、燃料の噴射を開始してから該所定のクランク角までの時間が短くなるためである。つまり、燃料噴射を開始してから該所定のクランク角までの間に着火遅れに対応する十分な時間を確保するためである。   Further, the injection timing of the multistage injection is advanced compared to the low rotation region. This is because, assuming that the fuel is ignited at a predetermined crank angle, the time from the start of fuel injection to the predetermined crank angle becomes shorter as the engine speed increases. That is, it is for securing sufficient time corresponding to the ignition delay between the start of fuel injection and the predetermined crank angle.

第2噴射群9について詳しく説明すると、第2噴射群9では、4回の第1噴射91と、3回の第2噴射92と、4回の第3噴射93とが含まれている。   The second injection group 9 will be described in detail. The second injection group 9 includes four first injections 91, three second injections 92, and four third injections 93.

第2噴射群9においても、上述の第1噴射群8の説明と同様に、燃焼室17における燃料噴霧の飛散しやすさを考慮して、燃料噴射のリフト量を調整している。つまり、多段噴射の初期においては、燃焼室17の空気密度が低く燃料噴霧が飛散しやすいため、第1噴射91により燃料噴霧の粒径を小さくすることによって、燃料噴霧を減速しやすい状態とし、燃料噴霧を中心軸方向においてノズル口41とピストン15との間に留めている。多段噴射の中期においては、燃焼室17の空気密度が高く燃料噴霧が飛散しにくいため、第2噴射92により燃料噴霧の粒径を大きくすることによって、燃料噴霧を減速しにくい状態とし、燃料噴霧を中心軸方向においてノズル口41とピストン15との間に留めている。多段噴射の終期においては、燃焼室17に燃料噴霧が多く燃料噴霧が飛散しやすいため、第3噴射93により燃料噴霧の粒径を小さくすることによって、燃料噴霧を減速しやすい状態とし、燃料噴霧を中心軸方向においてノズル口41とピストン15との間に留めている。   In the second injection group 9 as well, the lift amount of the fuel injection is adjusted in consideration of the ease of scattering of the fuel spray in the combustion chamber 17 as in the description of the first injection group 8 described above. That is, in the initial stage of the multi-stage injection, the air density in the combustion chamber 17 is low and the fuel spray is likely to be scattered. Therefore, by reducing the particle size of the fuel spray by the first injection 91, the fuel spray is easily decelerated, Fuel spray is retained between the nozzle port 41 and the piston 15 in the central axis direction. In the middle stage of the multi-stage injection, the air density in the combustion chamber 17 is high and the fuel spray is difficult to scatter. Therefore, by increasing the particle size of the fuel spray by the second injection 92, the fuel spray is difficult to decelerate. Is held between the nozzle port 41 and the piston 15 in the central axis direction. At the end of the multi-stage injection, the fuel spray is much in the combustion chamber 17 and the fuel spray is likely to be scattered. Therefore, by reducing the particle size of the fuel spray by the third injection 93, the fuel spray can be easily decelerated, and the fuel spray. Is held between the nozzle port 41 and the piston 15 in the central axis direction.

このように、低負荷領域の中回転領域においては、第1噴射群8による燃料噴霧だけでなく、第2噴射群9による燃料噴霧も、中心軸方向においてノズル口41とピストン15との間に留まるようにインジェクタ33が制御されている。そのため、図13に示すように、着火時における混合気層は、ノズル口41からピストン15までの空間を中心軸方向の距離に関しノズル口41からピストン15に向かって25%の領域A1、50%の領域A2、25%の領域A3に区画した場合の50%の領域A2内で燃料濃度が最大となる。このとき、第2噴射群9にも第1噴射91、第2噴射92及び第3噴射93を含めることによって、低回転側の領域に比べて、燃料噴霧が50%の領域A2に集中する度合いが高くなっている。   Thus, in the middle rotation region of the low load region, not only the fuel spray by the first injection group 8 but also the fuel spray by the second injection group 9 is between the nozzle port 41 and the piston 15 in the central axis direction. The injector 33 is controlled to stay. Therefore, as shown in FIG. 13, the air-fuel mixture layer at the time of ignition is a 25% region A1, 50% in the space from the nozzle port 41 to the piston 15 with respect to the distance in the central axis direction from the nozzle port 41 toward the piston 15. The fuel concentration becomes maximum in 50% of the region A2 when the region A2 is divided into 25% of the region A3. At this time, by including the first injection 91, the second injection 92, and the third injection 93 also in the second injection group 9, the degree of concentration of the fuel spray in the region A2 of 50% compared to the region on the low rotation side. Is high.

エンジン1の回転数が高いときには、所定のクランク角で燃料を着火させるためには、燃料の噴射を開始してから着火までの間に着火遅れに対応する十分な時間を確保する必要があり、そのために、燃料噴射時期を回転数が低回転のときに比べて進角させている。しかしながら、燃焼室17内に燃料が噴射されると燃焼室17内の比熱比が低くなるので、燃料噴射時期を進角させるほど、圧縮端温度の温度が上がりにくくなり、着火しにくくなる。それに対し、上述の如く、燃料濃度が局所的に高い部分を形成することによって、着火性を向上させることができ、回転数が高い場合であっても所望のクランク角で燃料を着火させることが可能となる。   When the engine 1 has a high rotational speed, in order to ignite the fuel at a predetermined crank angle, it is necessary to ensure a sufficient time corresponding to the ignition delay between the start of fuel injection and the ignition. For this purpose, the fuel injection timing is advanced compared to when the rotational speed is low. However, when the fuel is injected into the combustion chamber 17, the specific heat ratio in the combustion chamber 17 is lowered. Therefore, as the fuel injection timing is advanced, the temperature of the compression end temperature is less likely to increase and ignition is difficult. On the other hand, as described above, by forming a portion where the fuel concentration is locally high, the ignitability can be improved, and the fuel can be ignited at a desired crank angle even when the rotational speed is high. It becomes possible.

それに加えて、低回転側の領域に比べて、全噴射量に対する第2噴射群9の割合が高くなっている。第2噴射群9は、燃料噴霧の粒径が小さく且つ負圧領域が大きいので、燃料噴霧が燃焼室17の径方向中央付近に集まりやすくなっている。そのため、着火時の燃焼室17の径方向については、径方向中央部において燃料濃度が最大となっており、周辺部は、中央部よりも燃料濃度が低くなっている。つまり、第2噴射群9の割合を高めることによって、燃焼室17の径方向においても燃料濃度の分布が不均質になり、燃料濃度が局所的に高い部分を形成することができる。   In addition, the ratio of the second injection group 9 to the total injection amount is higher than that in the low rotation side region. In the second injection group 9, the fuel spray has a small particle size and a large negative pressure region, so that the fuel spray is likely to gather near the radial center of the combustion chamber 17. Therefore, in the radial direction of the combustion chamber 17 at the time of ignition, the fuel concentration is maximum in the central portion in the radial direction, and the fuel concentration is lower in the peripheral portion than in the central portion. That is, by increasing the ratio of the second injection group 9, the fuel concentration distribution becomes non-homogeneous also in the radial direction of the combustion chamber 17, and a portion where the fuel concentration is locally high can be formed.

こうして、第1噴射群8又は第2噴射群に第1噴射81(91)及び第2噴射82(92)を設けることに加えて、第2噴射群9の割合を高めることによって、燃焼室17の燃料濃度分布を中心軸方向と径方向との両方、即ち、三次元的に調整して、燃焼室17内の燃料濃度を中心軸方向だけでなく径方向においても局所的に高めることができる。その結果、燃料濃度がより高い部分を形成することができ、着火性をより一層向上させることができる。これは、中回転領域において燃焼安定性を高める上で有利である。   Thus, in addition to providing the first injection 81 (91) and the second injection 82 (92) in the first injection group 8 or the second injection group, by increasing the ratio of the second injection group 9, the combustion chamber 17 By adjusting the fuel concentration distribution in both the central axis direction and the radial direction, that is, three-dimensionally, the fuel concentration in the combustion chamber 17 can be locally increased not only in the central axis direction but also in the radial direction. . As a result, a portion with a higher fuel concentration can be formed, and the ignitability can be further improved. This is advantageous in improving combustion stability in the middle rotation region.

また、第2噴射群9の割合は、エンジン1の回転数が高くなるに従い増加するため、径方向については、高回転側ほど、局所的な燃料濃度が高くなる(つまり、中央部の燃料濃度が高くなる)。混合気層における燃料濃度差を大きくすることは、高回転側において、着火性をより一層向上させる上で有利である。   Further, since the ratio of the second injection group 9 increases as the rotational speed of the engine 1 increases, the local fuel concentration increases in the radial direction as the engine speed increases (that is, the fuel concentration at the center). Becomes higher). Increasing the fuel concentration difference in the air-fuel mixture layer is advantageous for further improving the ignitability on the high rotation side.

そして、この状態で燃料が燃焼すると、ノズル口41近傍及びピストン15近傍には燃料が少ないので、これらの場所において燃焼により発生する熱量は少ない。その結果、ノズル口41近傍のシリンダ11の壁面(天井面)及びピストン15を介した放熱が抑制され、冷却損失が低減される。   When the fuel is combusted in this state, there is little fuel in the vicinity of the nozzle opening 41 and in the vicinity of the piston 15, so that the amount of heat generated by combustion in these places is small. As a result, heat dissipation through the wall surface (ceiling surface) of the cylinder 11 near the nozzle port 41 and the piston 15 is suppressed, and cooling loss is reduced.

エンジン制御器100は、低負荷領域の高回転領域においては、図14に示すように、第1噴射群8に、第1噴射81と第2噴射82と第3噴射83とを含めて低回転領域と同様にしつつ、第2噴射群9に、第1噴射91と第2噴射92と第3噴射93とを含めて中回転領域と同様にする。一方で、低回転領域及び中回転領域とは異なり、1回のサイクルにおける燃料の全噴射量に対する第1噴射群8の割合が、エンジン1の回転数が高くなるに従い増加する。従って、第1噴射群8の割合は、第2噴射群9の割合よりも多くなる。図14の例では、図10の例に比べて、第1噴射群8に含まれる噴射回数が1回増加している一方、第2噴射群9に含まれる燃料噴射回数が3回減少している。   As shown in FIG. 14, the engine controller 100 includes the first injection 81, the second injection 82, and the third injection 83 in the low rotation speed in the high load region of the low load region. The second injection group 9 includes the first injection 91, the second injection 92, and the third injection 93 in the same manner as the region, and the same as in the intermediate rotation region. On the other hand, unlike the low rotation region and the medium rotation region, the ratio of the first injection group 8 with respect to the total fuel injection amount in one cycle increases as the rotation speed of the engine 1 increases. Therefore, the ratio of the first injection group 8 is greater than the ratio of the second injection group 9. In the example of FIG. 14, the number of injections included in the first injection group 8 is increased by one while the number of fuel injections included in the second injection group 9 is decreased by three compared to the example of FIG. Yes.

また、多段噴射の噴射時期が、中回転領域に比べて進角している。上述したように、燃料噴射を開始してから該所定のクランク角までの間に着火遅れに対応する十分な時間を確保するためである。   Further, the injection timing of the multistage injection is advanced as compared with the middle rotation region. As described above, this is to ensure a sufficient time corresponding to the ignition delay between the start of fuel injection and the predetermined crank angle.

第1噴射群8については、低負荷領域と同様に、第1噴射81、第2噴射82及び第3噴射83を含んでいる。第2噴射群9については、中負荷領域と同様に、第1噴射91、第2噴射92及び第3噴射93を含んでいる。このことにより、図15に示すように、着火時における混合気層は、ノズル口41からピストン15までの空間を中心軸方向の距離に関しノズル口41からピストン15に向かって25%の領域A1、50%の領域A2、25%の領域A3に区画した場合の50%の領域A2内で燃料濃度が最大となる。   About the 1st injection group 8, the 1st injection 81, the 2nd injection 82, and the 3rd injection 83 are included like the low load field. About the 2nd injection group 9, the 1st injection 91, the 2nd injection 92, and the 3rd injection 93 are included like the middle load field. As a result, as shown in FIG. 15, the air-fuel mixture layer at the time of ignition has a region A1 of 25% from the nozzle port 41 toward the piston 15 with respect to the distance from the nozzle port 41 to the piston 15 in the central axis direction. The fuel concentration becomes maximum in the 50% area A2 when the area is divided into 50% area A2 and 25% area A3.

これに対し、高回転領域では、第1噴射群8の噴射量を、第2噴射群9の噴射量よりも多くしている。このことにより、径方向の外方に到達する燃料噴霧が増え、径方向の内方に到達する燃料噴霧が減る。その結果、図15に示すように、径方向については、中央部において燃料濃度が最低になり、周辺部において燃料濃度が最大になる。これは、中回転領域とは逆の特性である。   On the other hand, in the high rotation region, the injection amount of the first injection group 8 is made larger than the injection amount of the second injection group 9. As a result, the fuel spray that reaches radially outward increases and the fuel spray that reaches radially inward decreases. As a result, as shown in FIG. 15, in the radial direction, the fuel concentration is lowest in the central portion and the fuel concentration is highest in the peripheral portion. This is a characteristic opposite to that in the middle rotation region.

高回転領域においても、中回転領域と同様に、混合気層における燃料濃度を不均質にし、着火性を高めることが有効である。このときに、周辺部に燃料濃度が局所的に高い部分を設けることで、中央部に燃料濃度が局所的に高い部分を設ける場合と比較して、燃料濃度が高い範囲が広くなる。これは着火性をより高める上で有利である。また、その周辺部が先に着火をして燃焼が開始されるが、中央部が先に着火をして燃焼が開始される場合と比較して、混合気層全体の混合気の攪拌が促進されるようになる。これは、燃焼状態を良好にして、煤の発生や、未燃物質の発生を抑制する上で有利になる。また、燃焼期間を短くする上でも有利になる。   Even in the high rotation region, as in the middle rotation region, it is effective to increase the ignitability by making the fuel concentration in the gas mixture layer inhomogeneous. At this time, by providing a portion having a locally high fuel concentration in the peripheral portion, a range in which the fuel concentration is high is wide compared to a case in which a portion having a locally high fuel concentration is provided in the central portion. This is advantageous in improving the ignitability. In addition, the surrounding portion is ignited first and combustion is started, but compared with the case where the central portion is ignited first and combustion is started, the stirring of the air-fuel mixture in the entire gas mixture layer is promoted. Will come to be. This is advantageous in improving the combustion state and suppressing the generation of soot and unburned substances. It is also advantageous for shortening the combustion period.

また、高回転領域において、第1噴射群8の割合は、エンジン1の回転数が高くなるに従い増加するため、径方向については、高回転側ほど、局所的な燃料濃度が高くなる(つまり、周辺部の燃料濃度が高くなる)。このように混合気層における燃料濃度差を大きくすることは、高回転側において、着火性をより一層向上させる上で有利である。   Further, in the high speed region, the ratio of the first injection group 8 increases as the rotational speed of the engine 1 increases. Therefore, in the radial direction, the local fuel concentration increases as the speed increases (that is, The fuel concentration in the surrounding area will increase.) Enlarging the fuel concentration difference in the air-fuel mixture layer in this manner is advantageous for further improving the ignitability on the high rotation side.

また、ノズル口41近傍及びピストン15近傍には燃料が少ないことで、冷却損失が低減する点は、前記と同様である。   The point that the cooling loss is reduced due to the small amount of fuel in the vicinity of the nozzle opening 41 and the piston 15 is the same as described above.

エンジン制御器100は、中負荷領域においては、第1噴射群8の燃料噴射の噴射間隔が徐々に長くなると共にリフト量が徐々に小さくなるようにインジェクタ33を制御している。このとき、第2噴射群9に含まれる燃料噴射のリフト量は一定である。また、第2噴射群9は、圧縮上死点前に完了している。   In the middle load region, the engine controller 100 controls the injector 33 so that the fuel injection interval of the first injection group 8 gradually increases and the lift amount gradually decreases. At this time, the lift amount of the fuel injection included in the second injection group 9 is constant. The second injection group 9 is completed before the compression top dead center.

図16は、中負荷の、例えば低回転領域における燃料噴射態様を例示している。同図に示すように、第1噴射群8には、4回の燃料噴射が含まれる。1回目の燃料噴射81のリフト量は、最も大きくなっている。2回目の燃料噴射82は、1回目の燃料噴射81から比較的小さい第1間隔a1を空けて行われる。2回目の燃料噴射82のリフト量は、1回目の燃料噴射81よりも小さい。3回目の燃料噴射83は、2回目の燃料噴射82から第1間隔a1よりも大きい第2間隔a2を空けて行われる。3回目の燃料噴射83のリフト量は、2回目の燃料噴射82よりも小さい。4回目の燃料噴射84は、3回目の燃料噴射83から第2間隔a2よりも大きい第3間隔a3を空けて行われる。4回目の燃料噴射84のリフト量は、3回目の燃料噴射83よりも小さい。   FIG. 16 illustrates a fuel injection mode in a medium load, for example, in a low rotation region. As shown in the figure, the first injection group 8 includes four fuel injections. The lift amount of the first fuel injection 81 is the largest. The second fuel injection 82 is performed at a relatively small first interval a1 from the first fuel injection 81. The lift amount of the second fuel injection 82 is smaller than that of the first fuel injection 81. The third fuel injection 83 is performed with a second interval a2 larger than the first interval a1 from the second fuel injection 82. The lift amount of the third fuel injection 83 is smaller than that of the second fuel injection 82. The fourth fuel injection 84 is performed with a third interval a3 larger than the second interval a2 from the third fuel injection 83. The lift amount of the fourth fuel injection 84 is smaller than that of the third fuel injection 83.

このように、第1噴射群8では、噴射タイミングが後になるほど、噴射間隔が長くなり、負圧領域の大きさが小さくなる。そのため、第1噴射群8の始めの方の燃料噴射による燃料噴霧は、負圧領域が比較的大きいので、中心軸Sを中心とする径方向外側、即ち、燃焼室17の径方向外側への広がりが抑制される。一方、第1噴射群8の終わりの方の燃料噴射による燃料噴霧は、負圧領域が比較的小さいので、燃焼室17の径方向外側へ広がっていく(即ち、中心軸Sに対する燃料噴霧の進行方向の傾斜角が大きくなる)。   Thus, in the first injection group 8, the later the injection timing, the longer the injection interval and the smaller the negative pressure region. Therefore, the fuel spray by the fuel injection at the beginning of the first injection group 8 has a relatively large negative pressure region, so that the fuel spray is directed radially outward with respect to the central axis S, that is, radially outward of the combustion chamber 17. Spreading is suppressed. On the other hand, the fuel spray by the fuel injection toward the end of the first injection group 8 spreads radially outward of the combustion chamber 17 because the negative pressure region is relatively small (that is, the progress of the fuel spray with respect to the central axis S). The angle of inclination of the direction increases).

ここで、燃料噴霧の径方向外側への広がりが大きいほど、中心軸方向への飛散距離は短くなる。つまり、第1噴射群8の始めの方の燃料噴射による燃料噴霧は、径方向への広がりが小さいので、中心軸方向への飛散距離が長くなる。一方、第1噴射群8の終わりの方の燃料噴射による燃料噴霧は、径方向への広がりが大きいので、中心軸方向への飛散距離が短くなる。つまり、中心軸方向において、各燃料噴霧の到達位置を互いに異ならせることができる。その結果、燃料を中心軸方向に分散して噴射することができ、燃料噴霧を中心軸方向に分散させることができる。   Here, the greater the outward spread of the fuel spray in the radial direction, the shorter the scattering distance in the central axis direction. That is, the fuel spray by the fuel injection at the beginning of the first injection group 8 has a small spread in the radial direction, so that the scattering distance in the central axis direction becomes long. On the other hand, since the fuel spray by the fuel injection toward the end of the first injection group 8 has a large spread in the radial direction, the scattering distance in the central axis direction becomes short. That is, the arrival positions of the fuel sprays can be made different from each other in the central axis direction. As a result, fuel can be dispersed and injected in the central axis direction, and fuel spray can be dispersed in the central axis direction.

それに加えて、第1噴射群8では、噴射間隔が長くなるほど、リフト量が小さくなっている。リフト量が小さいと、燃料噴霧の粒径が小さく、運動量が小さくなるので、燃料噴霧の進行方向への飛散距離が短くなる。つまり、噴射間隔が長い、即ち、径方向への広がりが大きい燃料噴霧ほど、進行方向への飛散距離が短くなっている。例えば、第1噴射群8の各燃料噴霧の進行方向への飛散距離が一定であるとすると、燃料噴霧の径方向への広がりを調整することによって燃料噴霧を中心軸方向に分散させることができるとしても、燃料噴霧の径方向への飛散距離は中心軸方向で不均一となる。すなわち、燃料噴霧の径方向への広がりが大きいほど、燃料噴霧の径方向への飛散距離は長くなる。それに対し、径方向への広がりが大きい燃料噴霧の進行方向への飛散距離を短くすることによって、各燃料噴霧の径方向への飛散距離の差を小さくすることができる。つまり、混合気層全体としての径方向の広がりを中心軸方向においてできる限り均等にすることができる。   In addition, in the first injection group 8, the lift amount becomes smaller as the injection interval becomes longer. When the lift amount is small, the particle size of the fuel spray is small and the momentum is small, so that the scattering distance in the traveling direction of the fuel spray is short. That is, the longer the injection interval, that is, the greater the spread in the radial direction, the shorter the scattering distance in the traveling direction. For example, if the scattering distance in the traveling direction of each fuel spray in the first injection group 8 is constant, the fuel spray can be dispersed in the central axis direction by adjusting the spread of the fuel spray in the radial direction. However, the scattering distance in the radial direction of the fuel spray is not uniform in the central axis direction. That is, the greater the spread of the fuel spray in the radial direction, the longer the scattering distance in the radial direction of the fuel spray. On the other hand, by shortening the scattering distance in the traveling direction of the fuel spray having a large spread in the radial direction, the difference in the scattering distance in the radial direction of each fuel spray can be reduced. That is, the spread in the radial direction as the entire air-fuel mixture layer can be made as uniform as possible in the central axis direction.

さらに、燃料噴霧の進行方向への飛散距離が短くなると、燃料噴霧の中心軸方向への飛散距離も短くなる。径方向への広がりが大きい燃料噴霧は、中心軸方向への飛散距離を抑制することによりノズル口41の近傍に配置したい燃料噴霧である。そのため、径方向への広がりが大きい燃料噴霧の粒径を小さくして、進行方向への飛散距離を短くすることは、燃料噴霧の径方向への飛散距離を均等にできるだけでなく、燃料噴霧を噴口の近傍に配置する観点からも有効である。つまり、燃料噴霧の粒径を調整することによって、燃料噴霧を中心軸方向における所望の位置により配置させやすくなる。   Further, when the scattering distance in the traveling direction of the fuel spray is shortened, the scattering distance in the central axis direction of the fuel spray is also shortened. The fuel spray having a large spread in the radial direction is a fuel spray that is desired to be disposed in the vicinity of the nozzle opening 41 by suppressing the scattering distance in the central axis direction. Therefore, reducing the particle size of the fuel spray, which has a large spread in the radial direction, and shortening the scattering distance in the traveling direction can not only equalize the scattering distance in the radial direction of the fuel spray, but also reduce the fuel spray. It is also effective from the viewpoint of disposing near the nozzle. That is, by adjusting the particle size of the fuel spray, the fuel spray can be easily arranged at a desired position in the central axis direction.

一方、第2噴射群9の燃料噴射90,90,…は、噴射間隔が相対的に短く、負圧領域が大きい。また、第2噴射群9の燃料噴射90,90,…は、リフト量が相対的に小さく、燃料噴霧の粒径が小さいので、運動量が小さい。そのため、第2噴射群9による燃料噴霧は、飛散距離が比較的短く、また、負圧の影響を受けて径方向中央に集まりやすい。より詳しくは、燃料噴射90,90,…の噴射間隔は、第1噴射群8の1回目の燃料噴射81と2回目の燃料噴射82との間の第1間隔a1よりも短い。そのため、第2噴射群9による燃料噴霧は、第1噴射群8による燃料噴霧よりも径方向内側へ飛散していく。   On the other hand, the fuel injections 90, 90,... Of the second injection group 9 have a relatively short injection interval and a large negative pressure region. Further, the fuel injections 90, 90,... Of the second injection group 9 have a relatively small momentum because the lift amount is relatively small and the fuel spray particle size is small. For this reason, the fuel spray by the second injection group 9 has a relatively short scattering distance and is likely to gather at the center in the radial direction due to the influence of negative pressure. More specifically, the injection interval of the fuel injections 90, 90,... Is shorter than the first interval a1 between the first fuel injection 81 and the second fuel injection 82 of the first injection group 8. Therefore, the fuel spray by the second injection group 9 is scattered more radially inward than the fuel spray by the first injection group 8.

また、第1噴射群8による全噴射量と、第2噴射群9による全噴射量とは、略同じ量になっている。   Further, the total injection amount by the first injection group 8 and the total injection amount by the second injection group 9 are substantially the same amount.

このような第1噴射群8及び第2噴射群9による燃料噴射の結果、着火時(圧縮上死点後の所定のタイミング)には、燃料噴霧は、中心軸方向に分散して配置され、燃料濃度分布は中心軸方向において概ね均等となる。   As a result of such fuel injection by the first injection group 8 and the second injection group 9, at the time of ignition (predetermined timing after compression top dead center), the fuel spray is distributed in the central axis direction, The fuel concentration distribution is substantially uniform in the central axis direction.

具体的には、1回目の燃料噴射81による燃料噴霧(以下、「1回目の燃料噴霧」という)は、比較的自由に飛散していくが、2回目の燃料噴射82による燃料噴霧(以下、「2回目の燃料噴霧」という)は、大きな負圧領域に引き寄せられ、径方向への広がりが抑制される。そのため、該燃料噴霧は、概ね中心軸Sに沿ってピストン15の近傍まで飛散する。   Specifically, the fuel spray from the first fuel injection 81 (hereinafter referred to as “first fuel spray”) is scattered relatively freely, but the fuel spray from the second fuel injection 82 (hereinafter referred to as “fuel spray”). (Referred to as “second fuel spray”) is attracted to a large negative pressure region, and the spread in the radial direction is suppressed. Therefore, the fuel spray is scattered almost along the central axis S to the vicinity of the piston 15.

3回目の燃料噴射83のときには、2回目の燃料噴射82のときと比べて負圧領域が小さくなっている。そのため、3回目の燃料噴射83による燃料噴霧(以下、「3回目の燃料噴霧」という)は、負圧領域に引き寄せられるものの、2回目の燃料噴霧に比べて中心軸Sに対する傾斜角が大きな方向に飛散し、径方向への広がりが大きくなる。また、3回目の燃料噴霧は、2回目の燃料噴霧に比べて粒径が小さいので、その進行方向への飛散距離が短くなっている。径方向への広がりが大きいことと進行方向への飛散距離が短いことが相俟って、3回目の燃料噴霧の中心軸方向への飛散距離は、2回目の燃料噴霧に比べて短くなる。つまり、3回目の燃料噴霧は、中心軸方向において2回目の燃料噴霧よりもノズル口41に近い位置までしか飛散しない。また、3回目の燃料噴霧は、進行方向への飛散距離が短いので、径方向への飛散距離も短くなっている。そのため、3回目の燃料噴霧は、2回目の燃料噴霧よりも径方向への広がりが大きいものの、径方向への飛散距離は、2回目の燃料噴霧と略同じになっている。   In the third fuel injection 83, the negative pressure region is smaller than that in the second fuel injection 82. Therefore, although fuel spray by the third fuel injection 83 (hereinafter referred to as “third fuel spray”) is attracted to the negative pressure region, the inclination angle with respect to the central axis S is larger than that of the second fuel spray. And spread in the radial direction. Further, since the third fuel spray has a smaller particle size than the second fuel spray, the scattering distance in the traveling direction is short. Combined with the large spread in the radial direction and the short scattering distance in the traveling direction, the scattering distance in the central axis direction of the third fuel spray becomes shorter than that in the second fuel spray. That is, the third fuel spray is scattered only to a position closer to the nozzle opening 41 than the second fuel spray in the central axis direction. Further, since the third fuel spray has a short scattering distance in the traveling direction, the radial scattering distance is also short. Therefore, although the third fuel spray has a larger spread in the radial direction than the second fuel spray, the scattering distance in the radial direction is substantially the same as the second fuel spray.

4回目の燃料噴射84のときには、3回目の燃料噴射83のときと比べて負圧領域が小さくなっている。そのため、4回目の燃料噴射84による燃料噴霧(以下、「4回目の燃料噴霧」という)は、負圧領域に引き寄せられるものの、3回目の燃料噴霧に比べて中心軸Sに対する傾斜角が大きな方向に飛散し、径方向への広がりが大きくなる。また、4回目の燃料噴霧は、3回目の燃料噴霧に比べて粒径が小さいので、その進行方向への飛散距離が短くなっている。径方向への広がりが大きいことと進行方向への飛散距離が短いことが相俟って、4回目の燃料噴霧の中心軸方向への飛散距離は、3回目の燃料噴霧に比べて短くなる。つまり、4回目の燃料噴霧は、中心軸方向において3回目の燃料噴霧よりもノズル口41に近い位置までしか飛散しない。また、4回目の燃料噴霧は、進行方向への飛散距離が短いので、径方向への飛散距離も短くなっている。そのため、4回目の燃料噴霧は、3回目の燃料噴霧よりも径方向への広がりが大きいものの、径方向への飛散距離は、3回目の燃料噴霧と略同じになっている。   In the case of the fourth fuel injection 84, the negative pressure region is smaller than in the case of the third fuel injection 83. Therefore, although the fuel spray by the fourth fuel injection 84 (hereinafter referred to as “fourth fuel spray”) is attracted to the negative pressure region, the inclination angle with respect to the central axis S is larger than that of the third fuel spray. And spread in the radial direction. Further, since the fourth fuel spray has a smaller particle size than the third fuel spray, the scattering distance in the traveling direction is short. Combined with the large spread in the radial direction and the short scattering distance in the traveling direction, the scattering distance in the central axis direction of the fourth fuel spray becomes shorter than that in the third fuel spray. That is, the fourth fuel spray scatters only to a position closer to the nozzle opening 41 than the third fuel spray in the central axis direction. In addition, since the fourth fuel spray has a short scattering distance in the traveling direction, the radial scattering distance is also short. Therefore, although the fourth fuel spray has a larger spread in the radial direction than the third fuel spray, the scattering distance in the radial direction is substantially the same as the third fuel spray.

このような第1噴射群8による燃料噴射が行われた結果、例えば着火時には、中心軸方向において2回目の燃料噴霧がピストン15の近傍に位置し、3回目の燃料噴霧がピストン15とノズル口41との中間部分に位置し、4回目の燃料噴霧がノズル口41の近傍に位置するようになる。こうして、第1噴射群8による燃料噴霧は、中心軸方向に分散される。また、2回目〜4回目の何れの燃料噴霧の径方向への飛散距離も、同じくらいとなっている。   As a result of such fuel injection by the first injection group 8, for example, at the time of ignition, the second fuel spray is located in the vicinity of the piston 15 in the central axis direction, and the third fuel spray is the piston 15 and the nozzle opening. The fuel spray for the fourth time is located in the vicinity of the nozzle port 41. Thus, the fuel spray by the first injection group 8 is dispersed in the central axis direction. Moreover, the scattering distance in the radial direction of any of the second to fourth fuel sprays is about the same.

その後、第1噴射群8による燃料噴霧よりも径方向中央側に、第2噴射群9による燃料噴霧が噴射される。   Thereafter, the fuel spray from the second injection group 9 is injected closer to the center in the radial direction than the fuel spray from the first injection group 8.

その結果、着火時には、燃料噴霧は、中心軸方向において概ね均等に分散した状態となる。つまり、図11に示すように、中心軸方向の燃料濃度分布が概ね均等となる。   As a result, at the time of ignition, the fuel spray is in a state of being approximately evenly distributed in the central axis direction. That is, as shown in FIG. 11, the fuel concentration distribution in the central axis direction is substantially uniform.

また、第1噴射群8による全噴射量と、第2噴射群9による全噴射量とが略同じ量になっているので、燃焼室17の径方向中央に分布する第2噴射群9による燃料噴霧と、該第2噴射群9による燃料噴霧の回りに分布する第1噴射群8による燃料噴霧との割合が同程度となり、燃焼室17の径方向への燃料濃度分布も、図17に示すように、概ね均等になっている。   Further, since the total injection amount by the first injection group 8 and the total injection amount by the second injection group 9 are substantially the same amount, the fuel by the second injection group 9 distributed in the radial center of the combustion chamber 17. The ratio of the spray and the fuel spray by the first injection group 8 distributed around the fuel spray by the second injection group 9 is approximately the same, and the fuel concentration distribution in the radial direction of the combustion chamber 17 is also shown in FIG. As shown, they are almost even.

中負荷領域のように燃料量が多いときには、上述したように、燃焼濃度を局所的に濃くしたときには、煤が発生したり、未燃物質が発生したりする虞がある。これに対し、上述のように燃料の濃度分布を、軸方向及び径方向のそれぞれについて均質化させる場合には、煤の発生や未燃物質の発生を抑制し、排気エミッション性能の向上が図られる。   When the amount of fuel is large as in the middle load region, as described above, when the combustion concentration is locally increased, soot may be generated or unburned substances may be generated. On the other hand, when the fuel concentration distribution is homogenized in each of the axial direction and the radial direction as described above, the generation of soot and unburned material is suppressed, and the exhaust emission performance is improved. .

このように、エンジン1は、シリンダ11内に設けられたピストン15を有し、該シリンダ11及び該ピストン15によって燃焼室17が区画されるエンジン本体と、少なくともガソリンを含む燃料を上記シリンダ11内にノズル口41を介して噴射するインジェクタ33と、上記インジェクタ33の噴射態様を制御するエンジン制御器100とを備え、上記エンジン制御器100は、上記インジェクタ33に多段噴射を行わせ、上記エンジン制御器100はまた、上記エンジン1の運転状態に応じて、上記燃焼室17内の中央部における燃料濃度と、当該中央部を囲む周辺部における燃料濃度と、が実質的に等しい均質な混合気層(図10の径方向について、並びに、図16の軸方向及び径方向について)、又は、上記燃焼室17内の中央部における燃料濃度と、当該中央部を囲む周辺部における燃料濃度とが異なる不均質な混合気層(図10の軸方向について、並びに、図13の軸方向及び径方向について)を形成するように、上記インジェクタ33の噴射態様を変更する。   As described above, the engine 1 includes the piston 15 provided in the cylinder 11, the engine body in which the combustion chamber 17 is partitioned by the cylinder 11 and the piston 15, and fuel including at least gasoline in the cylinder 11. And an engine controller 100 for controlling the injection mode of the injector 33. The engine controller 100 causes the injector 33 to perform multi-stage injection to control the engine. The vessel 100 also has a homogeneous air-fuel mixture layer in which the fuel concentration in the central portion in the combustion chamber 17 and the fuel concentration in the peripheral portion surrounding the central portion are substantially equal depending on the operating state of the engine 1. (About the radial direction of FIG. 10 and about the axial direction and radial direction of FIG. 16) or the center in the combustion chamber 17 So as to form a heterogeneous mixture layer (in the axial direction of FIG. 10, and in the axial direction and radial direction of FIG. 13) having a different fuel concentration in the peripheral portion surrounding the central portion. The injection mode of the injector 33 is changed.

これにより、エンジン1の運転状態に対応した、燃費の向上や、排気エミッション性能の向上の点で最適な混合気層が、燃焼室17内に形成される。   As a result, an air-fuel mixture layer that is optimal in terms of improving fuel consumption and exhaust emission performance corresponding to the operating state of the engine 1 is formed in the combustion chamber 17.

上記多段噴射は、上記ノズル口41を通じて噴射した燃料噴霧の進行方向への飛散距離が短くかつ、上記インジェクタ33の中心軸Sに直交する径方向に広がった噴霧となる第1噴射群8、及び、上記燃料噴霧の進行方向への飛散距離が長くかつ、上記径方向への広がりが抑制された噴霧となる第2噴射群9を含んでおり、上記エンジン制御器100は、上記多段噴射において、上記第1噴射群8により噴射する燃料量と、上記第2噴射群9により噴射する燃料量との割合を変更することによって、上記径方向に対して燃料濃度が均質な混合気層、又は、上記径方向に対して燃料濃度が不均質な混合気層を形成する。   The multi-stage injection includes a first injection group 8 that has a short scattering distance in the traveling direction of the fuel spray injected through the nozzle port 41 and spreads in a radial direction perpendicular to the central axis S of the injector 33, and The second spray group 9 is a spray that has a long scattering distance in the traveling direction of the fuel spray and the spread in the radial direction is suppressed. By changing the ratio of the amount of fuel injected by the first injection group 8 and the amount of fuel injected by the second injection group 9, a mixture layer having a homogeneous fuel concentration in the radial direction, or An air-fuel mixture layer in which the fuel concentration is heterogeneous with respect to the radial direction is formed.

図14に示すように、第1噴射群8により噴射する燃料量が相対的多くかつ、第2噴射群9により噴射する燃料量が相対的に少ないときには、径方向の外側の燃料濃度が相対的に高くかつ、径方向の内側の燃料濃度が相対的に低い、不均質な混合気層が形成される(図15参照)。逆に、図12に示すように第1噴射群8により噴射する燃料量が相対的少なくかつ、第2噴射群9により噴射する燃料量が相対的に多いときには、径方向の外側の燃料濃度が相対的に低くかつ、径方向の内側の燃料濃度が相対的に高い、不均質な混合気層が形成される(図13参照)。また、図10、16に示すように第1噴射群8により噴射する燃料量と、第2噴射群9により噴射する燃料量とが同量又はほぼ同量のときには、径方向の外側の燃料濃度及び径方向の内側の燃料濃度が同程度になり、均質な混合気層が形成される(図11,17参照)。   As shown in FIG. 14, when the amount of fuel injected by the first injection group 8 is relatively large and the amount of fuel injected by the second injection group 9 is relatively small, the fuel concentration outside in the radial direction is relatively high. And an inhomogeneous air-fuel mixture layer having a relatively low radial inner fuel concentration is formed (see FIG. 15). Conversely, when the amount of fuel injected by the first injection group 8 is relatively small and the amount of fuel injected by the second injection group 9 is relatively large as shown in FIG. A heterogeneous mixture layer is formed that is relatively low and has a relatively high radial inner fuel concentration (see FIG. 13). 10 and 16, when the amount of fuel injected by the first injection group 8 and the amount of fuel injected by the second injection group 9 are the same amount or substantially the same amount, the fuel concentration outside in the radial direction In addition, the fuel concentration on the inner side in the radial direction becomes substantially the same, and a homogeneous gas mixture layer is formed (see FIGS. 11 and 17).

上記インジェクタ33は、上記ノズル口41が形成されたノズル本体40と、該ノズル口41を開閉する外開弁42とを有し、該外開弁42のリフト量が大きいほど該ノズル口41の有効断面積が大きくなるように構成され、上記第1噴射群8は、上記ノズル口41の有効断面積を所定にしかつ、所定の噴射間隔で複数回の燃料噴射を行い、上記第2噴射群9は、上記ノズル口41の有効断面積を上記第1噴射群8よりも小さく、及び/又は、燃料の噴射間隔を上記第1噴射群8よりも狭くした複数回の燃料噴射を行う。   The injector 33 includes a nozzle body 40 in which the nozzle port 41 is formed, and an outer opening valve 42 that opens and closes the nozzle port 41. The larger the lift amount of the outer opening valve 42, the higher the amount of the nozzle port 41. The first injection group 8 is configured so that the effective sectional area of the nozzle port 41 is predetermined, the fuel injection is performed a plurality of times at a predetermined injection interval, and the second injection group is configured. 9 performs a plurality of fuel injections in which the effective sectional area of the nozzle port 41 is smaller than that of the first injection group 8 and / or the fuel injection interval is narrower than that of the first injection group 8.

リフト量に応じて有効断面積が変更される外開弁式のインジェクタ33を用いることによって、燃料の噴射態様が異なる第1噴射群8及び第2噴射群9を設けることが可能になる。   By using the outer valve opening type injector 33 whose effective sectional area is changed according to the lift amount, the first injection group 8 and the second injection group 9 having different fuel injection modes can be provided.

上記エンジン制御器100は、圧縮行程後半から膨張行程初期の期間に、上記インジェクタ33に燃料を噴射させることで、上記燃焼室17内に、上記混合気層と、当該混合気層の周囲のガス層とを形成する。   The engine controller 100 causes the injector 33 to inject fuel into the combustion chamber 17 during the period from the latter half of the compression stroke to the initial stage of the expansion stroke, so that the gas mixture layer and the gas around the gas mixture layer are injected into the combustion chamber 17. Forming a layer.

混合気層を形成する混合気が燃焼をするときには、その周囲のガス層は、混合気層と燃焼室17を区画する区画面との間に介在する断熱層として機能をし、冷却損失の低減に有利になる。   When the air-fuel mixture that forms the air-fuel mixture layer burns, the surrounding gas layer functions as a heat insulating layer interposed between the air-fuel mixture layer and the section screen that defines the combustion chamber 17 to reduce cooling loss. To be advantageous.

上記エンジン1は、上記混合気層を圧縮自己着火により燃焼させ、上記エンジン制御器100は、上記エンジン1の運転状態に応じて、混合気の着火遅れ時間が変化するように、上記均質な混合気層、又は、上記不均質な混合気層を形成する。   The engine 1 burns the air-fuel mixture layer by compression self-ignition, and the engine controller 100 performs the homogeneous mixing so that the ignition delay time of the air-fuel mixture changes according to the operating state of the engine 1. A gas layer or the heterogeneous mixed gas layer is formed.

燃焼室17内に不均質な混合気層を形成することによって、その混合気層において燃料濃度が相対的に高い箇所は、着火性が高まるから、着火遅れ時間を短くすることが可能になる。エンジン1の運転状態に応じて、均質な混合気層を形成することと、不均質な混合気層を形成することとを切り換えることにより、着火遅れ時間が最適化する。   By forming a heterogeneous mixture layer in the combustion chamber 17, the ignition delay is increased at a location where the fuel concentration is relatively high in the mixture layer, and therefore the ignition delay time can be shortened. The ignition delay time is optimized by switching between the formation of a homogeneous mixture layer and the formation of a heterogeneous mixture layer according to the operating state of the engine 1.

上記エンジン制御器100は、上記エンジン1の回転数が高いほど、上記混合気層における上記中央部の燃料濃度と上記周辺部の燃料濃度との差が大きい不均質な混合気層を形成する。   The engine controller 100 forms a heterogeneous mixture layer in which the difference between the fuel concentration in the central portion and the fuel concentration in the peripheral portion in the mixture layer increases as the rotational speed of the engine 1 increases.

エンジン1の回転数が高いほど、燃料の噴射開始から着火までの実時間が短くなり、十分な着火遅れ時間を確保することができずに、着火性の低下や燃焼安定性の低下を招く一方で、混合気層における中央部の燃料濃度と周辺部の燃料濃度との差を大きくすることで、相対的にリッチな箇所の燃料濃度が高くなるため、着火遅れ時間が短くなる。   The higher the number of revolutions of the engine 1, the shorter the actual time from the start of fuel injection to the ignition, and a sufficient ignition delay time cannot be secured, leading to a decrease in ignitability and a decrease in combustion stability. Thus, by increasing the difference between the fuel concentration in the central part and the fuel concentration in the peripheral part in the air-fuel mixture layer, the fuel concentration in a relatively rich part increases, so the ignition delay time is shortened.

上記エンジン制御器100は、上記エンジン1が所定回転数以上の高回転状態にあるときには、上記混合気層における上記中央部の燃料濃度を、上記周辺部の燃料濃度よりもリッチにする(図13参照)。これにより、着火性を高めつつ、冷却損失を低減することが可能になる。   The engine controller 100 makes the fuel concentration in the central portion of the air-fuel mixture layer richer than the fuel concentration in the peripheral portion when the engine 1 is in a high rotation state of a predetermined number of revolutions or more (FIG. 13). reference). Thereby, it becomes possible to reduce a cooling loss, improving ignitability.

上記エンジン制御器100は、上記エンジン1が所定回転数以上の高回転状態にあるときには、上記混合気層における上記周辺部の燃料濃度を、上記中央部の燃料濃度よりもリッチにする(図15参照)。これにより、着火性を高めつつ、煤の発生や未燃物質の発生を抑制して、排気エミッション性能の向上が図られる。   The engine controller 100 makes the fuel concentration in the peripheral portion of the air-fuel mixture layer richer than the fuel concentration in the central portion when the engine 1 is in a high rotation state of a predetermined number of revolutions or more (FIG. 15). reference). Thereby, while improving ignitability, generation | occurrence | production of soot and generation | occurrence | production of an unburned substance are suppressed, and the improvement of exhaust emission performance is aimed at.

上記エンジン制御器100は、上記エンジン1が中回転領域にあるときには、上記混合気層における上記中央部の燃料濃度を、上記周辺部の燃料濃度よりもリッチにし、上記エンジン1が高回転領域にあるときには、上記混合気層における上記周辺部の燃料濃度を、上記中央部の燃料濃度よりもリッチにする。これにより、冷却損失の低減による燃費の向上と、排気エミッション性能の向上とが可能になる。   When the engine 1 is in the middle rotation region, the engine controller 100 makes the fuel concentration in the central portion of the air-fuel mixture layer richer than the fuel concentration in the peripheral portion, so that the engine 1 enters the high rotation region. In some cases, the fuel concentration in the peripheral portion of the air-fuel mixture layer is made richer than the fuel concentration in the central portion. This makes it possible to improve fuel efficiency by reducing cooling loss and to improve exhaust emission performance.

上記エンジン制御器100は、上記エンジン1の運転状態に応じて、上記インジェクタ33の中心軸S方向に燃料濃度が均質な混合気層(図17参照)、又は、上記中心軸S方向に燃料濃度が不均質な混合気層(図11、13、15)を形成する。   The engine controller 100 determines whether the fuel concentration is uniform in the direction of the central axis S of the injector 33 (see FIG. 17) or the concentration of fuel in the direction of the central axis S depending on the operating state of the engine 1. Forms a heterogeneous mixture layer (FIGS. 11, 13, and 15).

軸方向について燃料濃度が均質な混合器層、又は、不均質な混合気層を、エンジン1の運転状態に応じて形成することで、燃費の向上及び排気エミッション性能の向上が図られる。   By forming a mixer layer having a homogeneous fuel concentration or an inhomogeneous mixture layer in the axial direction in accordance with the operating state of the engine 1, fuel efficiency and exhaust emission performance can be improved.

《その他の実施形態》
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、上記実施形態を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記実施形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。また、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。
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As described above, the embodiment has been described as an example of the technique disclosed in the present application. However, the technology in the present disclosure is not limited to this, and can also be applied to an embodiment in which changes, replacements, additions, omissions, and the like are appropriately performed. Moreover, it is also possible to combine each component demonstrated by the said embodiment and it can also be set as new embodiment. In addition, among the components described in the accompanying drawings and detailed description, not only the components essential for solving the problem, but also the components not essential for solving the problem in order to exemplify the above technique. May also be included. Therefore, it should not be immediately recognized that these non-essential components are essential as those non-essential components are described in the accompanying drawings and detailed description.

上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。   About the said embodiment, it is good also as the following structures.

例えば、第1噴射群8は、図10,12,14,16に示す噴射態様に限られるものではない。第1噴射群8における燃料噴射の回数は、2回〜4回に限られるものではない。1回や5回以上であってもよい。   For example, the first injection group 8 is not limited to the injection mode shown in FIGS. The number of fuel injections in the first injection group 8 is not limited to 2 to 4 times. It may be 1 time or 5 times or more.

また、第1噴射群8には、第1噴射81及び第2噴射82、場合によっては第3噴射83又は第4噴射84が含まれているが、第1噴射群8にはこれらの燃料噴射が含まれていなくてもよい。例えば、第1噴射群8の燃料噴射のリフト量が一定であってもよい。   The first injection group 8 includes a first injection 81 and a second injection 82, and in some cases, a third injection 83 or a fourth injection 84. The first injection group 8 includes these fuel injections. May not be included. For example, the lift amount of the fuel injection of the first injection group 8 may be constant.

また、第1噴射群8は、第2噴射群9に比べて、リフト量が大きく且つ噴射間隔が大きいが、リフト量及び燃料間隔の何れか一方だけが大きい構成であってもよい。   Further, the first injection group 8 has a larger lift amount and a larger injection interval than the second injection group 9, but only one of the lift amount and the fuel interval may be larger.

また、第2噴射群9は、図10,12,14,16に示す噴射態様に限られるものではない。例えば、低負荷且つ低回転領域においても、第2噴射群9に第1噴射91及び第2噴射92が含まれるように、さらには第3噴射93が含まれるようにしてもよい。   Further, the second injection group 9 is not limited to the injection mode shown in FIGS. For example, the third injection 93 may be further included so that the second injection group 9 includes the first injection 91 and the second injection 92 even in the low load and low rotation region.

さらに、上記多段噴射では、第1噴射群8の後に第2噴射群9が実行されるが、これを逆にして、第2噴射群9の後に第1噴射群8が実行されてもよい。   Furthermore, in the multistage injection, the second injection group 9 is executed after the first injection group 8, but the first injection group 8 may be executed after the second injection group 9 by reversing this.

また、第1噴射群8の燃料噴射は、等間隔でなくてもよい。また、第2噴射群9の噴射間隔も、等間隔でなくてもよい。   Further, the fuel injection of the first injection group 8 may not be equally spaced. Further, the injection interval of the second injection group 9 may not be equal.

さらに、上記実施形態では、多段噴射には、第1噴射群8と第2噴射群9とが含まれているが、何れか一方だけであってもよい。つまり、第1噴射群8と第2噴射群9との割合を変更することには、いずれか一方の噴射群の割合をゼロにし、他方の噴射群の割合を1にすることが含まれる。   Furthermore, in the said embodiment, although the 1st injection group 8 and the 2nd injection group 9 are included in the multistage injection, only one may be sufficient. That is, changing the ratio between the first injection group 8 and the second injection group 9 includes setting the ratio of one of the injection groups to zero and setting the ratio of the other injection group to one.

また、上記の例では、エンジン1の回転数領域を、低回転、中回転及び高回転に区分して、それぞれにおいて、インジェクタの態様を異ならせていたが、例えばエンジン1の回転数領域を、低回転及び高回転の2つに区分してもよい。この場合、低回転領域では、図10に示す噴射態様を採用し、図11に示すような、混合気層における燃料濃度分布を得るようにすればよい。一方で、高回転領域では、図12に示す噴射態様を採用し、図13に示すような混合気層における燃料濃度分布を得るようにしてもよいし、図14に示す噴射態様を採用し、図15に示すような混合気層における燃料濃度分布を得るようにしてもよい。また、エンジン1の回転数領域を、低回転及び高回転の2つに区分し、低回転領域では、図10に示す噴射態様を採用し、図11に示すような、混合気層における燃料濃度分布を得る一方で、高回転領域では、図12に示す噴射態様を採用し、図13に示すような混合気層における燃料濃度分布を得るようにし、さらに、その高回転領域における高回転側においては、図14に示す噴射態様を採用し、図15に示すような混合気層における燃料濃度分布を得るようにしてもよい。   Further, in the above example, the engine speed range is divided into low speed, medium speed, and high speed, and the injector mode is different in each. You may divide into two of low rotation and high rotation. In this case, in the low rotation region, the injection mode shown in FIG. 10 may be adopted to obtain the fuel concentration distribution in the air-fuel mixture layer as shown in FIG. On the other hand, in the high speed region, the injection mode shown in FIG. 12 may be adopted, and the fuel concentration distribution in the air-fuel mixture layer as shown in FIG. 13 may be obtained, or the injection mode shown in FIG. A fuel concentration distribution in the air-fuel mixture layer as shown in FIG. 15 may be obtained. Further, the engine speed range is divided into a low speed range and a high speed range. In the low speed range, the injection mode shown in FIG. 10 is adopted, and the fuel concentration in the air-fuel mixture layer as shown in FIG. While obtaining the distribution, in the high speed region, the injection mode shown in FIG. 12 is adopted so as to obtain the fuel concentration distribution in the air-fuel mixture layer as shown in FIG. May adopt the injection mode shown in FIG. 14 to obtain the fuel concentration distribution in the air-fuel mixture layer as shown in FIG.

また、インジェクタの構成は、上記実施形態に限られるものではない。噴口の有効断面積を変更できる限り、任意のインジェクタを採用することができる。例えば、図18に示すような、VCO(Valve Covered Orifice)ノズルタイプのインジェクタ233であってもよい。図18は、インジェクタ233の内部構成を示す断面図である。   Moreover, the structure of an injector is not restricted to the said embodiment. As long as the effective cross-sectional area of the nozzle can be changed, any injector can be employed. For example, a VCO (Valve Covered Orifice) nozzle type injector 233 as shown in FIG. 18 may be used. FIG. 18 is a cross-sectional view showing the internal configuration of the injector 233.

詳しくは、インジェクタ233は、シリンダ11内に燃料を噴射するノズル口241が形成されたノズル本体240と、ノズル口241を開閉するニードル弁242とを有する。ノズル本体240は、所定の中心軸Sに沿って延びる管状の部材であって、その内部を燃料が流通する。ノズル本体240の先端部は、円錐状に形成されている。ノズル本体240の先端部の内周面には、すり鉢状のシート部243が形成されている。ノズル本体240の先端部に、複数のノズル口241が貫通形成されている。ノズル口241の一端は、シート部243に開口している。ノズル口241は、中心軸S回りに等間隔で複数配置されている。ニードル弁242の先端部は、円錐状に形成され、ノズル本体240のシート部243に着座するようになっている。ノズル口241は、ニードル弁242がシート部243に着座することによって閉鎖されるようになっている。ノズル口241は、噴口の一例であり、ニードル弁242は、弁体の一例である。   Specifically, the injector 233 includes a nozzle body 240 in which a nozzle port 241 that injects fuel into the cylinder 11 is formed, and a needle valve 242 that opens and closes the nozzle port 241. The nozzle body 240 is a tubular member extending along a predetermined central axis S, and the fuel circulates therein. The tip of the nozzle body 240 is formed in a conical shape. A mortar-shaped sheet portion 243 is formed on the inner peripheral surface of the tip portion of the nozzle body 240. A plurality of nozzle openings 241 are formed through the tip of the nozzle body 240. One end of the nozzle port 241 opens into the sheet portion 243. A plurality of nozzle ports 241 are arranged around the central axis S at equal intervals. The tip end portion of the needle valve 242 is formed in a conical shape and is seated on the seat portion 243 of the nozzle body 240. The nozzle port 241 is closed when the needle valve 242 is seated on the seat portion 243. The nozzle port 241 is an example of an injection port, and the needle valve 242 is an example of a valve body.

ニードル弁242は、インジェクタ33と同様にピエゾ素子により駆動される。ニードル弁242が駆動され、シート部243からリフトされると、シート部243とニードル弁242との間に燃料が流通可能な隙間が形成され、この隙間を流通する燃料がノズル口241を介してノズル本体240の外部に噴射される。   The needle valve 242 is driven by a piezo element similarly to the injector 33. When the needle valve 242 is driven and lifted from the seat portion 243, a gap through which fuel can flow is formed between the seat portion 243 and the needle valve 242, and the fuel flowing through this gap passes through the nozzle port 241. Injected outside the nozzle body 240.

このとき、ノズル口241の内周面には、燃料が流通する際にキャビテーションが発生する。このキャビテーションの度合い(例えば、キャビテーションが発生する領域の大きさ)は、ニードル弁242とシート部243との隙間、即ち、ニードル弁242のリフト量に応じて変化する。具体的には、ニードル弁242のリフト量が小さく、ニードル弁242とシート部243との隙間が小さいときには、キャビテーションが発生する領域も大きくなる。一方、ニードル弁242のリフト量が大きく、ニードル弁242とシート部243との隙間が大きいときには、キャビテーションが発生する領域も小さくなる。キャビテーションが発生する領域が大きいと、ノズル口241の有効断面積は小さくなる。キャビテーションが発生する領域が小さいと、ノズル口241の有効断面積は大きくなる。つまり、ニードル弁242のリフト量が小さいほど、ノズル口241の有効断面積は小さくなり、ニードル弁242のリフト量が大きいほど、ノズル口241の有効断面積は大きくなる。   At this time, cavitation occurs on the inner peripheral surface of the nozzle port 241 when fuel flows. The degree of cavitation (for example, the size of a region where cavitation occurs) varies according to the gap between the needle valve 242 and the seat portion 243, that is, the lift amount of the needle valve 242. Specifically, when the lift amount of the needle valve 242 is small and the gap between the needle valve 242 and the seat portion 243 is small, the region where cavitation occurs also becomes large. On the other hand, when the lift amount of the needle valve 242 is large and the gap between the needle valve 242 and the seat portion 243 is large, the region where cavitation occurs is also small. When the area where cavitation occurs is large, the effective sectional area of the nozzle port 241 is small. When the area where cavitation occurs is small, the effective cross-sectional area of the nozzle port 241 increases. That is, the smaller the lift amount of the needle valve 242, the smaller the effective sectional area of the nozzle port 241. The larger the lift amount of the needle valve 242, the larger the effective sectional area of the nozzle port 241.

さらに、上記実施形態では、インジェクタ33のリフト量と燃料噴射間隔とを変更することによって、燃焼室17内の混合気層の形状を変更することが可能であるが、これに加えて、燃料圧力を高くすることは、インジェクタ33のリフト量と燃料噴射間隔との変更に伴う、混合気層の形状の変更幅を、さらに拡大する。つまり、燃料圧力を高くすることによって、インジェクタ33のリフト量を大きくしたときには、燃料噴霧の運動エネルギがより大きくなり、燃料噴射間隔を狭くしたときには、負圧の程度が高くなって負圧領域がより拡大する。その結果、混合気層の形状の変更幅が、さらに拡大する。   Furthermore, in the above embodiment, it is possible to change the shape of the air-fuel mixture layer in the combustion chamber 17 by changing the lift amount of the injector 33 and the fuel injection interval, but in addition to this, the fuel pressure To increase the range of change in the shape of the air-fuel mixture layer accompanying the change in the lift amount of the injector 33 and the fuel injection interval. That is, when the lift amount of the injector 33 is increased by increasing the fuel pressure, the kinetic energy of the fuel spray becomes larger, and when the fuel injection interval is reduced, the degree of negative pressure increases and the negative pressure region becomes larger. Expand more. As a result, the change width of the shape of the air-fuel mixture layer is further expanded.

尚、上記の例では、燃焼室17及び吸気ポート18の断熱構造を採用するとともに、気筒内(燃焼室17内)にガス層による断熱層を形成するようにしたが、ここに開示する技術は、燃焼室17及び吸気ポート18の断熱構造を採用しないエンジンにも適用することができる。   In the above example, the heat insulating structure of the combustion chamber 17 and the intake port 18 is adopted, and a heat insulating layer is formed by a gas layer in the cylinder (inside the combustion chamber 17). The invention can also be applied to an engine that does not employ the heat insulating structure of the combustion chamber 17 and the intake port 18.

また、ここに開示する燃料噴射技術は、燃焼室17内に混合気層とその周囲のガス層とを形成しているが、これに限られるものではない。ガス層が存在せず、混合気層が燃焼室17の壁面と接触する場合でも、上記燃料噴射技術を採用することができる。例えば、燃焼室17の容積に対して燃料噴射量が多くなると、混合気層が燃焼室17の壁面と接触する場合もある。そのような場合であっても、燃焼室17の中央近傍での熱量の発生を増加させ、壁面近傍での熱量の発生を抑制することによって、燃焼室17の壁面からの放熱を抑制し、冷却損失を低減することができる。   In addition, the fuel injection technique disclosed herein forms an air-fuel mixture layer and a surrounding gas layer in the combustion chamber 17, but is not limited thereto. Even when the gas layer does not exist and the air-fuel mixture layer contacts the wall surface of the combustion chamber 17, the fuel injection technique can be employed. For example, when the fuel injection amount increases with respect to the volume of the combustion chamber 17, the air-fuel mixture layer may come into contact with the wall surface of the combustion chamber 17. Even in such a case, the heat generation near the center of the combustion chamber 17 is increased, and the heat generation near the wall surface is suppressed, thereby suppressing the heat radiation from the wall surface of the combustion chamber 17 and cooling. Loss can be reduced.

また、上記の例では、燃料噴射時期を、圧縮行程後半から膨張行程初期の期間に設定している。これは、シリンダ11内の圧力が所定圧力以上になった高圧雰囲気中に燃料を噴射して燃料噴霧の広がりを抑制するためである。例えばターボ過給機付きエンジンにおいて、その過給圧が高いときには、圧縮行程前半や、吸気行程中でも、気筒内の圧力が所定圧力以上になり得る。燃料の噴射時期は、気筒内の圧力状態に応じて設定してもよく、その場合、燃料噴射時期を、圧縮行程前半や吸気行程中に設定してもよい。   In the above example, the fuel injection timing is set to the period from the latter half of the compression stroke to the initial stage of the expansion stroke. This is to suppress the spread of fuel spray by injecting fuel into a high-pressure atmosphere in which the pressure in the cylinder 11 is equal to or higher than a predetermined pressure. For example, in an engine with a turbocharger, when the supercharging pressure is high, the pressure in the cylinder can be equal to or higher than a predetermined pressure even in the first half of the compression stroke or during the intake stroke. The fuel injection timing may be set according to the pressure state in the cylinder. In this case, the fuel injection timing may be set during the first half of the compression stroke or during the intake stroke.

1 エンジン
11 シリンダ(気筒)
15 ピストン
17 燃焼室
33 インジェクタ
40 ノズル本体
41 ノズル口(噴口)
42 外開弁(弁体)
8 第1噴射群
9 第2噴射群
100 エンジン制御器(制御部)
233 インジェクタ
241 ノズル口(噴口)
242 ニードル弁(弁体)
S 中心軸
X 気筒中心軸
1 Engine 11 Cylinder
15 Piston 17 Combustion chamber 33 Injector 40 Nozzle body 41 Nozzle port (jet port)
42 Outside valve (valve)
8 First injection group 9 Second injection group 100 Engine controller (control unit)
233 Injector 241 Nozzle port
242 Needle valve
S Center axis X Cylinder center axis

Claims (9)

気筒内に設けられたピストンを有し、該気筒及び該ピストンによって燃焼室が区画されるエンジン本体と、
少なくともガソリンを含む燃料を上記燃焼室内に噴口を介して噴射するインジェクタと、
上記インジェクタの噴射態様を制御する制御部と、を備え、
上記制御部は、上記インジェクタに多段噴射を行わせ、
上記制御部はまた、上記エンジン本体の運転状態に応じて、上記燃焼室内の中央部における燃料濃度と、当該中央部を囲む周辺部における燃料濃度とが実質的に等しい均質な混合気層、又は、上記燃焼室内の中央部における燃料濃度と、当該中央部を囲む周辺部における燃料濃度とが異なる不均質な混合気層を形成するように、上記インジェクタの噴射態様を変更し、
上記多段噴射は、上記噴口を通じて噴射した燃料噴霧の進行方向への飛散距離が短くかつ、上記インジェクタの中心軸に直交する径方向に広がった噴霧となる第1噴射群、及び、上記燃料噴霧の進行方向への飛散距離が長くかつ、上記径方向への広がりが抑制された噴霧となる第2噴射群を含んでおり、
上記制御部は、上記多段噴射において、上記第1噴射群により噴射する燃料量と、上記第2噴射群により噴射する燃料量との割合を変更することによって、上記径方向に対して燃料濃度が均質な混合気層、又は、上記径方向に対して燃料濃度が不均質な混合気層を形成する直噴エンジンの制御装置。
An engine body having a piston provided in the cylinder, and a combustion chamber defined by the cylinder and the piston;
An injector for injecting fuel including at least gasoline into the combustion chamber through a nozzle;
A control unit for controlling the injection mode of the injector,
The control unit causes the injector to perform multi-stage injection,
The control unit may also be a homogeneous air-fuel mixture layer in which the fuel concentration in the central portion in the combustion chamber and the fuel concentration in the peripheral portion surrounding the central portion are substantially equal, depending on the operating state of the engine body, or Changing the injection mode of the injector so as to form a heterogeneous mixture layer in which the fuel concentration in the central portion of the combustion chamber differs from the fuel concentration in the peripheral portion surrounding the central portion ;
The multi-stage injection includes a first injection group in which a spray distance in the traveling direction of the fuel spray injected through the nozzle is short and spread in a radial direction perpendicular to the central axis of the injector, and the fuel spray Including a second injection group that has a long scattering distance in the traveling direction and is a spray in which spread in the radial direction is suppressed,
In the multi-stage injection, the control unit changes the ratio of the amount of fuel injected by the first injection group and the amount of fuel injected by the second injection group, so that the fuel concentration is changed with respect to the radial direction. A control device for a direct injection engine that forms a homogeneous air-fuel mixture layer or an air-fuel mixture layer whose fuel concentration is heterogeneous with respect to the radial direction .
請求項に記載の直噴エンジンの制御装置において、
上記インジェクタは、上記噴口が形成されたノズル本体と、該噴口を開閉する弁体とを有し、該弁体のリフト量が大きいほど該噴口の有効断面積が大きくなるように構成され、
上記第1噴射群は、上記噴口の有効断面積を所定にしかつ、所定の噴射間隔で複数回の燃料噴射を行い、
上記第2噴射群は、上記噴口の有効断面積を上記第1噴射群よりも小さく、及び/又は、燃料の噴射間隔を上記第1噴射群よりも狭くした複数回の燃料噴射を行う直噴エンジンの制御装置。
The direct injection engine control device according to claim 1 ,
The injector has a nozzle body in which the nozzle hole is formed and a valve body that opens and closes the nozzle hole, and is configured such that an effective sectional area of the nozzle hole increases as a lift amount of the valve body increases.
The first injection group has a predetermined effective cross-sectional area of the nozzle and performs fuel injection a plurality of times at a predetermined injection interval.
The second injection group is a direct injection that performs multiple fuel injections in which the effective sectional area of the nozzle is smaller than that of the first injection group and / or the fuel injection interval is narrower than that of the first injection group. Engine control device.
請求項1又は2に記載の直噴エンジンの制御装置において、
上記制御部は、上記気筒内の圧力が所定圧力以上のときに、上記インジェクタに燃料を噴射させることで、上記燃焼室内に、上記混合気層と、当該混合気層の周囲のガス層とを形成する直噴エンジンの制御装置。
In the control device for a direct injection engine according to claim 1 or 2 ,
When the pressure in the cylinder is equal to or higher than a predetermined pressure, the control unit causes the injector to inject fuel so that the mixture layer and a gas layer around the mixture layer are formed in the combustion chamber. Control device for forming direct injection engine.
請求項1〜のいずれか1項に記載の直噴エンジンの制御装置において、
上記エンジン本体は、上記混合気層を圧縮自己着火により燃焼させ、
上記制御部は、上記エンジン本体の運転状態に応じて、混合気の着火遅れ時間が変化するように、均質な混合気層、又は、不均質な混合気層を形成する直噴エンジンの制御装置。
In the control apparatus of the direct-injection engine of any one of Claims 1-3 ,
The engine body combusts the air-fuel mixture layer by compression self-ignition,
The control unit controls the direct injection engine that forms a homogeneous mixture layer or a heterogeneous mixture layer so that the ignition delay time of the mixture changes according to the operating state of the engine body. .
請求項に記載の直噴エンジンの制御装置において、
上記制御部は、上記エンジン本体の回転数が高いほど、上記混合気層における上記中央部の燃料濃度と上記周辺部の燃料濃度との差が大きい不均質な混合気層を形成する直噴エンジンの制御装置。
The control device for a direct injection engine according to claim 4 ,
The control unit is a direct injection engine that forms a heterogeneous mixture layer in which the difference between the fuel concentration in the central portion and the fuel concentration in the peripheral portion of the mixture layer increases as the rotational speed of the engine body increases. Control device.
請求項に記載の直噴エンジンの制御装置において、
上記制御部は、上記エンジン本体が所定回転数以上の高回転状態にあるときには、上記混合気層における上記中央部の燃料濃度を、上記周辺部の燃料濃度よりもリッチにする直噴エンジンの制御装置。
The direct-injection engine control device according to claim 5 ,
The control unit controls the direct injection engine that makes the fuel concentration in the central portion of the air-fuel mixture layer richer than the fuel concentration in the peripheral portion when the engine body is in a high rotation state at a predetermined rotation speed or higher. apparatus.
請求項に記載の直噴エンジンの制御装置において、
上記制御部は、上記エンジン本体が所定回転数以上の高回転状態にあるときには、上記混合気層における上記周辺部の燃料濃度を、上記中央部の燃料濃度よりもリッチにする直噴エンジンの制御装置。
The direct-injection engine control device according to claim 5 ,
The control unit controls the direct injection engine that makes the fuel concentration in the peripheral portion of the air-fuel mixture layer richer than the fuel concentration in the central portion when the engine body is in a high rotation state at a predetermined rotation speed or higher. apparatus.
請求項に記載の直噴エンジンの制御装置において、
上記制御部は、
上記エンジン本体が第1回転数以上の状態にあるときには、上記混合気層における上記中央部の燃料濃度を、上記周辺部の燃料濃度よりもリッチにし、
上記エンジン本体が第2回転数以上の状態(但し、第1回転数<第2回転数)にあるときには、上記混合気層における上記周辺部の燃料濃度を、上記中央部の燃料濃度よりもリッチにする直噴エンジンの制御装置。
The direct-injection engine control device according to claim 5 ,
The control unit
When the engine body is in a state equal to or higher than the first rotational speed, the fuel concentration in the central portion of the air-fuel mixture layer is made richer than the fuel concentration in the peripheral portion,
When the engine body is in a state equal to or higher than the second rotational speed (provided that the first rotational speed is smaller than the second rotational speed), the fuel concentration in the peripheral portion of the mixture layer is richer than the fuel concentration in the central portion. Control device for direct injection engine.
請求項1〜のいずれか1項に記載の直噴エンジンの制御装置において、
上記制御部は、上記エンジン本体の運転状態に応じて、上記インジェクタの中心軸方向に燃料濃度が均質な混合気層、又は、上記中心軸方向に燃料濃度が不均質な混合気層を形成する直噴エンジンの制御装置。
In the control device for a direct injection engine according to any one of claims 1 to 8 ,
The control unit forms an air-fuel mixture layer having a homogeneous fuel concentration in the direction of the central axis of the injector or an air-fuel mixture layer having an inhomogeneous fuel concentration in the direction of the central axis, depending on the operating state of the engine body. Control device for direct injection engine.
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