JP6436133B2 - 内燃機関 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関に関する。
噴孔を上下に複数配置した燃料噴射弁において、上側の噴孔の中心軸と下側の噴孔の中心軸とを燃料噴射弁から比較的近い位置で交差させることにより、燃料の微粒化を促進させる技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２０００−０６４９２８号公報 特開２０１３−２０４４５５号公報 特開平０８−２５４１２３号公報
燃料噴射弁から比較的近い位置で燃料噴霧が交差すると、夫々の噴孔から噴射された燃料が結合して燃料の粒径が大きくなる虞がある。また、燃焼室の中心軸付近から燃料を噴射して、燃焼室の中心軸付近で燃料噴霧が交差してしまうため、燃焼室の中心軸付近の燃料濃度が高くなってしまい、局所的に酸素が不足することで煤が発生する虞もある。特に、高温の燃焼室内に燃料を噴射すると、燃料の温度が直ぐに上昇することで、燃焼が比較的早く始まる。したがって、燃料と空気との混合が十分でない時期に燃焼が始まってしまい、局所的に酸素が不足することで煤が発生する虞がある。
本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料と空気との混合を促進させることにより煤の発生を抑制することにある。
上記課題を解決するために本発明は、圧縮自着火式の内燃機関のピストンに形成されるキャビティの側壁に向かって燃料を噴射する燃料噴射弁を備えた内燃機関において、前記燃料噴射弁は、燃料を噴射するための第一噴孔及び第二噴孔であって、前記第一噴孔から噴射された燃料噴霧の一部と前記第二噴孔から噴射された燃料噴霧の一部とが前記キャビティの側壁から所定距離離れた位置で重なるように形成された第一噴孔及び第二噴孔と、前記第一噴孔を開閉する第一ニードルと、前記第二噴孔を開閉する第二ニードルであって、前記第一噴孔を開くために前記第一ニードルが作動を開始した時点から、所定時間が経過した後に、前記第二噴孔を開くために作動を開始する第二ニードルと、を有する。
第一噴孔から燃料を噴射した後に第二噴孔から燃料を噴射すると、先ずは第一噴孔からの燃料噴霧の先端側の温度が着火可能な温度まで上昇する。そして、第一噴孔からの燃料噴霧の燃焼が拡大する前に、第一噴孔からの燃料噴霧の先端側よりも後端側であってまだ燃焼が始まっていない箇所に、後から来る第二噴孔からの燃料噴霧が重なると、第一噴孔からの燃料噴霧の温度の上昇が、第二噴孔から噴射された燃料の気化潜熱により緩和される。したがって、第一噴孔から噴射された燃料の燃焼が拡大する時期を遅らせることができる。そうすると、燃料と空気との混合が促進された状態で燃焼が拡大するようになるので、局所的に酸素濃度が低い状態で燃焼が拡大することを抑制できるため、煤の発生を抑制できる。ここでいう所定距離は、キャビティの側壁に比較的近い距離であり、キャビティの側壁から、第一噴孔から噴射された燃料の燃焼が始まる位置までの距離とすることが
できる。この所定距離は０または略０とすることもできる。また、第一ニードルが作動を開始した時点から第二ニードルが作動を開始する時点までの時間である所定時間は、第一噴孔からの燃料噴霧と第二噴孔からの燃料噴霧との一部がキャビティの側壁から所定距離で重なるように設定される時間であり、第二噴孔から噴射される燃料により、第一噴孔から噴射された燃料の燃焼の拡大を抑制し得る時間である。なお、第一噴孔の中心軸と第二噴孔の中心軸とがキャビティの側壁から所定距離離れた位置で交差するように第一噴孔及び第二噴孔を形成することで、第一噴孔から噴射された燃料噴霧と第二噴孔から噴射された燃料噴霧との一部が前記キャビティの側壁から所定距離離れた位置で重なるようにしてもよい。
前記第一噴孔及び前記第二噴孔は、燃料噴霧が前記キャビティの側壁に当たった後に、前記ピストンの頂部側に向かう燃料量と、前記ピストンの底部側に向かう燃料量と、の比が所定比になるように形成されていてもよい。
キャビティにおけるピストンの頂部側には、スキッシュエリアから空気が供給される。すなわち、燃料噴霧の一部がピストンの頂部側に向かうことで、スキッシュエリアからの空気と燃料とを混合させることができるので、燃料の燃焼が拡大するまでに、燃料と空気との混合をより促進することができる。このため、煤の発生を抑制することができる。所定比は、煤の発生を抑制し得る比としてもよい。また、スキッシュエリアから供給される空気量に応じた量の燃料がピストン頂部側に向かうように第一噴孔及び第二噴孔を形成することにより、スキッシュエリアからの空気をより有効に活用して空気と燃料との混合を促進させるようにしてもよい。
前記燃料噴射弁からの燃料噴射を前記第一噴孔からの燃料噴射及び前記第二噴孔からの燃料噴射に分けて実施し、前記第一噴孔を開くために前記第一ニードルが作動を開始した時点から、前記所定時間が経過した後に、前記第二噴孔を開くために前記第二ニードルの作動を開始させる制御装置を備えることができる。
すなわち、制御装置が、第一ニードル及び第二ニードルを制御することにより、第一噴孔から噴射された燃料の燃焼が拡大するのを抑制し得る時期に、第二噴孔から燃料を噴射させることができる。これにより、煤が発生することを抑制できる。
前記制御装置は、前記燃料噴射弁からメイン噴射と、該メイン噴射を行った後の燃料噴射であるアフタ噴射と、を行い、且つ、前記メイン噴射を第一噴孔からの燃料噴射及び第二噴孔からの燃料噴射に分けて実施し、前記メイン噴射において、前記第一噴孔を開くために前記第一ニードルが作動を開始した時点から、前記所定時間である所定のメイン遅れ時間が経過した後に、前記第二噴孔を開くために前記第二ニードルの作動を開始させてもよい。
すなわち、メイン噴射を第一噴孔及び第二噴孔の両噴孔から実施するときに第一ニードル及び第二ニードルを制御することにより、第一噴孔から噴射された燃料の燃焼が拡大するのを抑制し得る時期に、第二噴孔から燃料を噴射させることができる。所定のメイン遅れ時間は、メイン噴射時に、第一噴孔からの燃料噴霧と第二噴孔からの燃料噴霧との一部がキャビティの側壁から所定距離で重なるように設定される時間であり、メイン噴射時に、第二噴孔から噴射される燃料により、第一噴孔から噴射された燃料の燃焼の拡大を抑制し得る時間である。
前記制御装置は、前記燃料噴射弁からメイン噴射と、該メイン噴射を行った後の燃料噴射であるアフタ噴射と、を行い、且つ、前記アフタ噴射を第一噴孔からの燃料噴射及び第二噴孔からの燃料噴射に分けて実施し、前記アフタ噴射において、前記第一噴孔を開くた
めに前記第一ニードルが作動を開始した時点から、前記所定時間である所定のアフタ遅れ時間が経過した後に、前記第二噴孔を開くために前記第二ニードルの作動を開始させてもよい。
すなわち、アフタ噴射を第一噴孔及び第二噴孔の両噴孔から実施するときに第一ニードル及び第二ニードルを制御することにより、第一噴孔から噴射された燃料の燃焼が拡大するのを抑制し得る時期に、第二噴孔から燃料を噴射させることができる。所定のアフタ遅れ時間は、アフタ噴射時に、第一噴孔からの燃料噴霧と第二噴孔からの燃料噴霧との一部がキャビティの側壁から所定距離で重なるように設定される時間であり、アフタ噴射時に、第二噴孔から噴射される燃料により、第一噴孔から噴射された燃料の燃焼の拡大を抑制し得る時間である。
本発明によれば、燃料と空気との混合を促進させることにより煤の発生を抑制することができる。
実施例に係る内燃機関１の断面図である。 燃料噴射弁をピストン側から見た図である。 機関回転速度とアクセル開度との関係を示した図である。 実施例１に係るアウタニードル及びインナニードルのリフト量と、クランク角度との関係を示した図である。 発生する煤の量と時間差Ｔ１との関係を示した図である。 機関回転速度と時間差Ｔ１との関係を示した図である。 アクセル開度と時間差Ｔ１との関係を示した図である。 燃料のセタン価と時間差Ｔ１との関係を示した図である。 実施例１に係る燃料噴射の制御フローを示したフローチャートである。 実施例２に係るアウタニードル及びインナニードルのリフト量と、クランク角度との関係を示した図である。 実施例２に係る燃料噴射の制御フローを示したフローチャートである。 実施例３に係るアウタニードル及びインナニードルのリフト量と、クランク角度との関係を示した図である。 実施例４に係るアウタニードル及びインナニードルのリフト量と、クランク角度との関係を示した図である。 所定比で分かれる燃料噴霧を示した図である。
以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
（実施例１）
図１は、本実施例に係る内燃機関１の断面図である。内燃機関１の気筒２には、ピストン３が備わる。なお、本実施例においては、内燃機関１を簡潔に表示するため、一部の構成要素の表示を省略している。内燃機関１は、ディーゼル機関である。内燃機関１は例えば車両に搭載される。ピストン３には、ピストン３の頂部からピストン３の内部に向かって凹むキャビティ３１が形成されている。ピストン３が上死点近傍に位置するときに、ピストン３の頂部とシリンダヘッド１１との間には、スキッシュエリア１００が形成される。
内燃機関１のシリンダヘッド１１には、気筒２内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁４が設けられている。ここで、図２は、燃料噴射弁４をピストン３側から見た図である。燃料噴射弁４の本体４１の先端側には、燃料噴射弁４の中心軸４Ａを中心として等角度に第一噴孔４１Ａ及び第二噴孔４１Ｂが複数設けられている。なお、燃料噴射弁４の中心軸４Ａは、気筒２の中心軸と一致する。第二噴孔４１Ｂは第一噴孔４１Ａよりも燃料噴射弁４の先端側で且つ燃料噴射弁４の中心軸４Ａ側に形成されている。第一噴孔４１Ａ及び第二噴孔４１Ｂは、同数設けられており、第一噴孔４１Ａの一つと、該第一噴孔４１Ａに最も近い第二噴孔４１Ｂの一つと、が一対の噴孔として配置されている。この一対の噴孔を形成する第一噴孔４１Ａと第二噴孔４１Ｂとは、燃料噴射弁４の中心軸４Ａを通る同一平面上に配置されている。
燃料噴射弁４には、第一噴孔４１Ａを開閉するアウタニードル４２及び第二噴孔４１Ｂを開閉するインナニードル４３が設けられている。アウタニードル４２は、アウタニードル動弁機構４２Ａにより進退され、インナニードル４３は、インナニードル動弁機構４３Ａにより進退される。アウタニードル動弁機構４２Ａ及びインナニードル動弁機構４３Ａは、例えばピエゾ素子を備えており、このピエゾ素子に別々に通電することにより、アウタニードル４２及びインナニードル４３が別々にリフトする。なお、本実施例においてはアウタニードル４２が本発明における第一ニードルに相当し、インナニードル４３が本発明における第二ニードルに相当する。
また、ピストン３が上死点近傍にあるときに、第一噴孔４１Ａから噴射された燃料の噴霧と、この第一噴孔４１Ａと対になる第二噴孔４１Ｂから噴射された燃料の噴霧と、の一部がキャビティ３１の側壁３１Ａから所定距離Ｌ１の位置で重なるように、第一噴孔４１Ａ及び第二噴孔４１Ｂを形成している。所定距離Ｌ１は側壁３１Ａの近傍といえる範囲である。このような位置で燃料噴霧の一部を重ねるために、第一噴孔４１Ａの中心軸４１ＡＡと、第二噴孔４１Ｂの中心軸４１ＢＢと、がキャビティ３１の側壁３１Ａから所定距離Ｌ１の点Ｐ１（以下、交差点Ｐ１という。）で交差するように、第一噴孔４１Ａ及び第二噴孔４１Ｂを形成している。
なお、本実施例では、第一噴孔４１Ａから噴射された燃料の噴霧と、第二噴孔４１Ｂから噴射された燃料の噴霧と、の一部がキャビティ３１の側壁３１Ａの近傍で重なればよいため、交差点Ｐ１は、側壁３１Ａ上にあってもよい。すなわち、所定距離Ｌ１を０としてもよい。また、本実施例では、交差点Ｐ１において第一噴孔４１Ａの中心軸４１ＡＡと、第二噴孔４１Ｂの中心軸４１ＢＢと、が交差しているが、第一噴孔４１Ａから噴射された燃料の噴霧と、第二噴孔４１Ｂから噴射された燃料の噴霧と、の一部がキャビティ３１の側壁３１Ａから所定距離Ｌ１の位置で重なればよいため、第一噴孔４１Ａの中心軸４１ＡＡと、第二噴孔４１Ｂの中心軸４１ＢＢと、は必ずしも交差する必要はない。
以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ１０が併設されている。このＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１を制御する。ＥＣＵ１０には、運転者がアクセルペダルを踏み込んだ量に応じた電気信号を出力し機関負荷を検知するアクセル開度センサ１７、および機関回転速度を検知するクランクポジションセンサ１８が電気配線を介して接続され、これら各種センサの出力信号がＥＣＵ１０に入力される。
一方、ＥＣＵ１０には、アウタニードル動弁機構４２Ａ及びインナニードル動弁機構４３Ａが電気配線を介して接続されており、該ＥＣＵ１０によりこれらの機器が制御される。ＥＣＵ１０からアウタニードル動弁機構４２Ａへ指令信号が供給されると、アウタニードル４２が上昇することにより、該アウタニードル４２が第一噴孔４１Ａを開く方向へ移
動する。一方、ＥＣＵ１０からアウタニードル動弁機構４２Ａへの指令信号の供給が停止されると、アウタニードル４２が下降することにより、該アウタニードル４２が第一噴孔４１Ａを閉じる方向に移動する。同様に、ＥＣＵ１０からインナニードル動弁機構４３Ａへ指令信号が供給されると、インナニードル４３が上昇することにより、該インナニードル４３が第二噴孔４１Ｂを開く方向へ移動する。一方、ＥＣＵ１０からインナニードル動弁機構４３Ａへの指令信号の供給が停止されると、インナニードル４３が下降することにより、該インナニードル４３が第二噴孔４１Ｂを閉じる方向に移動する。
ＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転状態（例えば機関回転速度及びアクセル開度）に基づいて、燃料噴射弁４からの燃料噴射量及び燃料噴射時期を決定する。なお、内燃機関１の運転状態と、第一噴孔４１Ａ及び第二噴孔４１Ｂからの燃料噴射の量及び燃料噴射の時期と、の関係は、予め実験等により求めてマップ化され、ＥＣＵ１０に記憶されている。燃料噴射量のマップは、気筒内の空燃比が目標空燃比となるように設定されており、この目標空燃比が、内燃機関１の運転状態に応じて設定される。
また、ＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転状態に応じて、例えば、メイン噴射、パイロット噴射、アフタ噴射を実施する。パイロット噴射はメイン噴射より前に行われる燃料噴射であり、アフタ噴射はメイン噴射よりも後に行われる燃料噴射である。図３は、機関回転速度とアクセル開度との関係を示した図である。領域１は機関回転速度またはアクセル開度が比較的小さい運転領域であり、例えばパイロット噴射及びメイン噴射を実施する。領域２は機関回転速度またはアクセル開度が中程度の運転領域であり、例えばパイロット噴射、メイン噴射及びアフタ噴射を実施する。領域３は機関回転速度またはアクセル開度が比較的大きい運転領域であり、例えばパイロット噴射及びメイン噴射を実施する。
図４は、本実施例に係るアウタニードル４２及びインナニードル４３のリフト量と、クランク角度との関係を示した図である。図４は、領域２においてパイロット噴射、メイン噴射、アフタ噴射を実施する場合を示している。「フルリフト」は、アウタニードル４２及びインナニードル４３のリフト量が夫々最も大きくなった場合のリフト量である。インナニードル４３は、パイロット噴射、メイン噴射、アフタ噴射に対応し、アウタニードル４２は、メイン噴射のみに対応している。すなわち、メイン噴射は、第一噴孔４１Ａ及び第二噴孔４１Ｂの両方から実施されるが、パイロット噴射及びアフタ噴射は第二噴孔４１Ｂのみから実施される。そして本実施例では、メイン噴射において、インナニードル４３のリフト量が増加を開始する時点よりも前に、アウタニードル４２のリフト量が増加を開始している。このメイン噴射におけるインナニードル４３及びアウタニードル４２のリフト量が増加を開始する時点の時間差を図４ではＴ１で示している。この時間差Ｔ１は、クランク角度の差ではなく、時間の差として示される。なお、実施例における時間差Ｔ１が、本発明における所定時間または所定のメイン遅れ時間に相当する。以下では、第一噴孔４１Ａからのメイン噴射を第一メイン噴射といい、第二噴孔４１Ｂからのメイン噴射を第二メイン噴射という。
ここで、領域２では気筒２内の温度が高いためにメイン噴射を実施すると、メイン噴射に係る燃料の燃焼が比較的早い時期に始まるため、メイン噴射に係る燃料の燃焼が比較的早い時期に拡大し得る。この場合、燃料と空気との混合がまだ十分でないときに燃焼が拡大してしまうため、燃料濃度の高い箇所において酸素が不足した状態で燃料が燃焼してしまう。そうすると、局所的な酸素不足により煤が発生する虞がある。一方、本実施例では、メイン噴射に係る燃料の燃焼が比較的早い時期に拡大することを抑制するために、ピストン３が上死点近傍にあるときに、第一噴孔４１Ａから噴射された燃料の噴霧と、この第一噴孔４１Ａと対になる第二噴孔４１Ｂから噴射された燃料の噴霧と、の一部がキャビティ３１の側壁３１Ａから時間差Ｔ１があるときに所定距離Ｌ１の位置で重なるように、第一噴孔４１Ａ及び第二噴孔４１Ｂを形成し、且つ、メイン噴射時に図４に係る時間差Ｔ１
を設けて第一噴孔４１Ａ及び第二噴孔４１Ｂから燃料噴射を実施している。本実施例では、第一メイン噴射による燃料の燃焼が燃料噴霧の先端部から拡大する前に、第二メイン噴射による燃料噴霧と第一メイン噴射による燃料噴霧との一部が重なるように一対の噴孔を形成し、且つ、時間差Ｔ１を設けて燃料を噴射しているため、燃料噴霧が重なる箇所においては、第二メイン噴射による燃料の気化潜熱により、第一メイン噴射による燃料噴霧の温度が低下する。このため、燃焼が比較的早い時期に拡大することを抑制できる。また、第二メイン噴射による燃料噴霧は、燃焼が始まった箇所とは別の箇所において気化している途中の第一メイン噴射による燃料噴霧に重なるため、この第一メイン噴射による燃料噴霧の気化潜熱により、第二メイン噴射による燃料の燃焼が抑制される。さらに、第一メイン噴射による燃料噴霧が燃焼を始める位置までは、第一メイン噴射による燃料噴霧と第二メイン噴射による燃料噴霧とが重ならないため、両燃料噴霧が夫々より多くの空気と混合することができるので、燃料と空気との混合が促進される。また、キャビティ３１の側壁３１Ａから所定距離Ｌ１の位置までは、両燃料噴霧が重なることが抑制されるため、燃料の粒径が大きくなることを抑制できる。このようにして、燃焼が拡大するまでの時間を延ばすことができるので、その間に、第一メイン噴射及び第二メイン噴射による燃料と空気との混合を促進させることができる。したがって、燃料と空気との混合が進んでいる状態で燃焼が拡大するため、煤の発生を抑制できる。
図５は、発生する煤の量と時間差Ｔ１との関係を示した図である。例えば、１３０μｓ以下で煤の低減効果が認められる。したがって、時間差Ｔ１を例えば１３０μＳ以下に設定することにより、煤の排出量を低減することができる。ただし、図５に示されるように時間差Ｔ１が短すぎると逆に煤の量が多くなり得る。このため、時間差Ｔ１の最適値は実験またはシミュレーション等により求める。ここで、燃料の燃焼のし易さは、内燃機関１の運転状態及び燃料のセタン価に応じて変化する。したがって、時間差Ｔ１の最適値は、内燃機関１の運転状態及び燃料のセタン価によって変化し得る。そこで本実施例では、時間差Ｔ１を内燃機関１の運転状態（アクセル開度）及び燃料のセタン価と関連付けて求めた。
図６は、機関回転速度と時間差Ｔ１との関係を示した図である。機関回転速度が変化したとしても、燃料の燃焼のし易さ（自己着火のし易さ）は殆ど変化しないため、機関回転数によっては時間差Ｔ１を変化させない。また、図７は、アクセル開度と時間差Ｔ１との関係を示した図である。アクセル開度が大きくなるほど、気筒２内の温度が高くなるため、メイン噴射から燃焼開始までの時間が短くなり得る。したがって、アクセル開度が大きいほど、時間差Ｔ１を小さくしている。また、図８は、燃料のセタン価と時間差Ｔ１との関係を示した図である。セタン価が大きいほど、燃料に着火し易くなるため、メイン噴射から燃焼開始までの時間が短くなり得る。したがって、セタン価が大きいほど、時間差Ｔ１を小さくしている。なお、アクセル開度及びセタン価と、時間差Ｔ１との関係は予め実験またはシミュレーション等により求めてＥＣＵ１０に記憶させておく。なお、セタン価は地域によって値が決まると考えられるため、地域によって給油されると想定される燃料のセタン価を予め設定しておいてもよい。
図９は、本実施例に係る燃料噴射の制御フローを示したフローチャートである。本フローチャートは、領域２においてＥＣＵ１０により各気筒２のサイクル毎に実行される。
ステップＳ１０１では、内燃機関１の運転状態が取得される。ＥＣＵ１０は、アクセル開度センサ１７の出力信号に基づいて得られるアクセル開度と、クランクポジションセンサ１８の出力信号に基づいて得られる機関回転速度と、を取得する。これらは、燃料噴射量及び燃料噴射時期を求めるときに利用する。
ステップＳ１０２では、内燃機関１の運転状態に基づいて、パイロット噴射時の燃料噴
射量であるパイロット噴射量、第一メイン噴射時の燃料噴射量である第一メイン噴射量、第二メイン噴射時の燃料噴射量である第二メイン噴射量、アフタ噴射時の燃料噴射量であるアフタ噴射量が算出され、パイロット噴射を開始する時期であるパイロット噴射時期、第一メイン噴射を開始する時期である第一メイン噴射時期、アフタ噴射を開始する時期であるアフタ噴射時期が算出される。内燃機関１の運転状態に基づいてパイロット噴射量、パイロット噴射時期、第一メイン噴射量、第一メイン噴射時期、アフタ噴射量、アフタ噴射時期を夫々求めるマップまたは計算式を予め実験またはシミュレーション等により求めてＥＣＵ１０に記憶させておく。また、第二メイン噴射を開始する時期である第二メイン噴射時期は、第一メイン噴射時期に前述の時間差Ｔ１を加えることにより算出される。なお、第一メイン噴射量と第二メイン噴射量とは同量であってもよく、異なる量であってもよい。また、これらのマップまたは計算式は、内燃機関１の運転領域によって異なるため、本ステップＳ１０２では、領域２に対応したマップまたは計算式を用いる。
ステップＳ１０３では、パイロット噴射時期であるか否か判定される。ステップＳ１０３で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０４へ進んでパイロット噴射が実施される。パイロット噴射は第二噴孔４１Ｂから実施されるため、ＥＣＵ１０は、パイロット噴射量に応じた時間だけインナニードル動弁機構４３Ａに指令信号を与える。一方、ステップＳ１０３で否定判定がなされた場合にはステップＳ１０３が再度実行される。
ステップＳ１０５では、第一メイン噴射時期であるか否か判定される。ステップＳ１０５で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０６へ進んで第一メイン噴射が実施される。第一メイン噴射は第一噴孔４１Ａから実施されるため、ＥＣＵ１０は、第一メイン噴射量に応じた時間だけアウタニードル動弁機構４２Ａに指令信号を与える。一方、ステップＳ１０５で否定判定がなされた場合にはステップＳ１０５が再度実行される。
ステップＳ１０７では、第二メイン噴射時期であるか否か判定される。ステップＳ１０７で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０８へ進んで第二メイン噴射が実施される。第二メイン噴射は第二噴孔４１Ｂから実施されるため、ＥＣＵ１０は、第二メイン噴射量に応じた時間だけインナニードル動弁機構４３Ａに指令信号を与える。一方、ステップＳ１０７で否定判定がなされた場合にはステップＳ１０７が再度実行される。
ステップＳ１０９では、アフタ噴射時期であるか否か判定される。アフタ噴射時期は、内燃機関１の運転状態と関連付けて予め実験またはシミュレーション等により求めてＥＣＵに記憶させておく。ステップＳ１０９で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１１０へ進んでアフタ噴射が実施される。アフタ噴射は第二噴孔４１Ｂから実施されるため、ＥＣＵ１０は、アフタ噴射量に応じた時間だけインナニードル動弁機構４３Ａに指令信号を与える。一方、ステップＳ１０９で否定判定がなされた場合にはステップＳ１０９が再度実行される。
なお、本実施例では、パイロット噴射を第二噴孔４１Ｂから行っているが、これに代えて、第一噴孔４１Ａから行ってもよい。また、本実施例では、アフタ噴射を第二噴孔４１Ｂから行っているが、これに代えて、第一噴孔４１Ａから行ってもよい。また、本実施例では、第二メイン噴射の前に第一メイン噴射を行っているが、順番を変えて、第一メイン噴射の前に第二メイン噴射を行ってもよい。ただし、図４に示したように、メイン噴射を最初に行う噴孔と、パイロット噴射を行う噴孔と、を変えることにより、パイロット噴射時に発生する燃料の脈動の影響をメイン噴射時に受けることを抑制できるため、なお良い。
以上説明したように本実施例によれば、第一メイン噴射の燃料噴霧と、第二メイン噴射の燃料噴霧と、の一部がキャビティ３１の側壁３１Ａから所定距離Ｌ１離れた位置で重な
るように第一メイン噴射と第二メイン噴射とをずらして行うことにより、燃焼が早期に拡大することを抑制できるため、燃料と空気との混合が進んだ後に、燃焼を拡大させることができる。これにより、煤の発生を抑制できる。
（実施例２）
本実施例では、領域２においてアフタ噴射を第一噴孔４１Ａと第二噴孔４１Ｂとから分けて行う。また、メイン噴射は、第二噴孔４１Ｂのみから行う。その他の装置等は実施例１と同じため説明を省略する。
以下では、第一噴孔４１Ａからのアフタ噴射を第一アフタ噴射といい、第二噴孔４１Ｂからのアフタ噴射を第二アフタ噴射という。また、第一噴孔４１Ａからのアフタ噴射を開始する時期を第一アフタ噴射時期といい、第二噴孔４１Ｂからのアフタ噴射を開始する時期を第二アフタ噴射時期という。また、第一アフタ噴射時の燃料噴射量を第一アフタ噴射量といい、第二アフタ噴射時の燃料噴射量を第二アフタ噴射量という。本実施例では、第一アフタ噴射時期と第二アフタ噴射時期とに時間差Ｔ２を設けている。すなわち、アフタ噴射におけるインナニードル４３とアウタニードル４２とのリフト量が増加を開始する時点の時間差をＴ２とする。なお、実施例における時間差Ｔ２が、本発明における所定時間または所定のアフタ遅れ時間に相当する。ここで、アフタ噴射時にはメイン噴射による燃料の燃焼によってキャビティ３１内の温度が上昇しているため、メイン噴射による燃料よりもアフタ噴射による燃料のほうが燃料し易くなる。この点を踏まえて時間差Ｔ２が設定される。
図１０は本実施例に係るアウタニードル４２及びインナニードル４３のリフト量と、クランク角度との関係を示した図である。インナニードル４３は、パイロット噴射、メイン噴射、第二アフタ噴射に対応してリフト量が増加し、アウタニードル４２は、第一アフタ噴射に対応してリフト量が増加する。すなわち、アフタ噴射は、第一噴孔４１Ａ及び第二噴孔４１Ｂの両方から実施されるが、パイロット噴射及びメイン噴射は第二噴孔４１Ｂのみから実施される。そして本実施例では、アフタ噴射において、インナニードル４３のリフト量が増加を開始するよりも前に、アウタニードル４２のリフト量が増加を開始している。このアフタ噴射におけるインナニードル４３とアウタニードル４２とのリフト量が増加を開始する時点の時間差がＴ２である。
ここで、アフタ噴射による燃料も燃焼するため、空気との混合が進む前に燃焼すると煤が発生する虞がある。したがって、実施例１のメイン噴射と同様に、第一アフタ噴射による燃料噴霧の燃焼を第二アフタ噴射による燃料噴霧によって抑制することで、第一アフタ噴射の燃焼が拡大する時期を遅らせることができる。これにより、第一アフタ噴射及び第二アフタ噴射による燃料と空気とが混合する時間を長くすることができる。したがって、燃焼時には燃料と空気との混合が進んでいるため、煤の発生を抑制できる。
図１１は、本実施例に係る燃料噴射の制御フローを示したフローチャートである。本フローチャートは、領域２においてＥＣＵ１０により各気筒２のサイクル毎に実行される。図９に示したフローチャートと同じ処理がなされるステップについては、同じ符号を付して説明を省略する。
図１１に示したフローチャートでは、ステップＳ１０１の処理が終了した場合に、ステップＳ２０１へ進む。ステップＳ２０１では、内燃機関１の運転状態に基づいて、パイロット噴射量、パイロット噴射時期、メイン噴射量、メイン噴射時期、第一アフタ噴射量、第一アフタ噴射時期、第二アフタ噴射量が算出される。内燃機関１の運転状態に基づいてパイロット噴射量、パイロット噴射時期、メイン噴射量、メイン噴射時期、第一アフタ噴射量、第一アフタ噴射時期、第二アフタ噴射量を夫々求めるマップまたは計算式を予め実
験またはシミュレーション等により求めてＥＣＵ１０に記憶させておく。また、第二アフタ噴射時期は、第一アフタ噴射時期に前述の時間差Ｔ２を加えることにより算出される。なお、第一アフタ噴射量と第二アフタ噴射量とは同量であってもよく、異なる量であってもよい。
また、図１１に示したフローチャートでは、ステップＳ１０４の処理が終了した場合に、ステップＳ２０２へ進む。ステップＳ２０２では、メイン噴射時期であるか否か判定される。ステップＳ２０２で肯定判定がなされた場合にはステップＳ２０３へ進んでメイン噴射が実施される。メイン噴射は第二噴孔４１Ｂから実施されるため、ＥＣＵ１０は、メイン噴射量に応じた時間だけインナニードル動弁機構４３Ａに指令信号を与える。一方、ステップＳ２０２で否定判定がなされた場合にはステップＳ２０２が再度実行される。
ステップＳ２０４では、第一アフタ噴射時期であるか否か判定される。ステップＳ２０４で肯定判定がなされた場合にはステップＳ２０５へ進んで第一アフタ噴射が実施される。第一アフタ噴射は第一噴孔４１Ａから実施されるため、ＥＣＵ１０は、第一アフタ噴射量に応じた時間だけアウタニードル動弁機構４２Ａに指令信号を与える。一方、ステップＳ２０４で否定判定がなされた場合にはステップＳ２０４が再度実行される。
ステップＳ２０６では、第二アフタ噴射時期であるか否か判定される。ステップＳ２０６で肯定判定がなされた場合にはステップＳ２０７へ進んで第二アフタ噴射が実施される。第二アフタ噴射は第二噴孔４１Ｂから実施されるため、ＥＣＵ１０は、第二アフタ噴射量に応じた時間だけインナニードル動弁機構４３Ａに指令信号を与える。一方、ステップＳ２０６で否定判定がなされた場合にはステップＳ２０６が再度実行される。
なお、本実施例では、パイロット噴射を第二噴孔４１Ｂから行っているが、これに代えて、第一噴孔４１Ａから行ってもよい。また、本実施例では、メイン噴射を第二噴孔４１Ｂから行っているが、これに代えて、第一噴孔４１Ａから行ってもよい。また、本実施例では、第二アフタ噴射の前に第一アフタ噴射を行っているが、順番を変えて、第一アフタ噴射の前に第二アフタ噴射を行ってもよい。ただし、図１０に示したように、アフタ噴射を最初に行う噴孔と、メイン噴射を行う噴孔と、を変えることにより、メイン噴射時に発生する燃料の脈動の影響をアフタ噴射時に受けることを抑制できるため、なお良い。
以上説明したように本実施例によれば、第一アフタ噴射の燃料噴霧と、第二アフタ噴射の燃料噴霧と、の一部がキャビティ３１の側壁３１Ａから所定距離Ｌ１離れた位置で重なるように第一アフタ噴射と第二アフタ噴射とをずらして行うことにより、燃焼が早期に拡大することを抑制できるため、燃料と空気との混合が進んだ後に、燃焼させることができる。これにより、煤の発生を抑制できる。
（実施例３）
本実施例では、領域２においてメイン噴射及びアフタ噴射を第一噴孔４１Ａと第二噴孔４１Ｂとから分けて行う。その他の装置等は実施例１と同じため説明を省略する。
図１２は本実施例に係るアウタニードル４２及びインナニードル４３のリフト量と、クランク角度との関係を示した図である。インナニードル４３は、パイロット噴射、第二メイン噴射、第二アフタ噴射に対応してリフト量が増加し、アウタニードル４２は、第一メイン噴射、第一アフタ噴射に対応してリフト量が増加する。すなわち、メイン噴射及びアフタ噴射は、第一噴孔４１Ａ及び第二噴孔４１Ｂの両方から実施されるが、パイロット噴射は第二噴孔４１Ｂのみから実施される。そして本実施例では、メイン噴射及びアフタ噴射において、インナニードル４３のリフト量が増加を開始するよりも前に、アウタニードル４２のリフト量が増加を開始している。このメイン噴射におけるインナニードル４３と
アウタニードル４２とのリフト量が増加を開始する時点の時間差がＴ１であり、アフタ噴射におけるインナニードル４３とアウタニードル４２とのリフト量が増加を開始する時点の時間差がＴ２である。
このようにして、第一メイン噴射及び第一アフタ噴射による燃料の燃焼の拡大を抑制することができるため、第一メイン噴射及び第二メイン噴射、並びに、第一アフタ噴射及び第二アフタ噴射による燃料と空気とが混合する時間を長くすることができる。したがって、夫々の噴射による燃料の燃焼時には燃料と空気との混合が進んでいるため、煤の発生を抑制できる。
なお、本実施例では、パイロット噴射を第二噴孔４１Ｂから行っているが、これに代えて、第一噴孔４１Ａから行ってもよい。また、本実施例では、第二メイン噴射の前に第一メイン噴射を行っているが、順番を変えて、第一メイン噴射の前に第二メイン噴射を行ってもよい。また、本実施例では、第二アフタ噴射の前に第一アフタ噴射を行っているが、順番を変えて、第一アフタ噴射の前に第二アフタ噴射を行ってもよい。
（実施例４）
本実施例では、領域３において第一メイン噴射及び第二メイン噴射を実施し、アフタ噴射は実施しない。その他の装置等は実施例１と同じため説明を省略する。本実施例では、メイン噴射において、インナニードル４３のリフト量が増加を開始するよりも前に、アウタニードル４２のリフト量が増加を開始している。図１３は本実施例に係るアウタニードル４２及びインナニードル４３のリフト量と、クランク角度との関係を示した図である。メイン噴射におけるインナニードル４３とアウタニードル４２とのリフト量が増加を開始する時点の時間差を図１３ではＴ３で示している。領域３では、領域２よりもキャビティ３１内の温度が高いため、領域２における時間差Ｔ１と、領域３における時間差Ｔ３とを異なる値に設定する。このように、アフタ噴射を実施しない場合においても、第一メイン噴射と第二メイン噴射とをずらして行うことにより、燃焼が早期に拡大することを抑制できるため、燃料と空気との混合が進んだ後に、燃焼させることができる。これにより、煤の発生を抑制できる。なお、実施例における時間差Ｔ３が、本発明における所定時間または所定のメイン遅れ時間に相当する。
（実施例５）
本実施例では、第一噴孔４１Ａ及び第二噴孔４１Ｂから噴射され、重なった後の燃料量が所定比で、ピストン３の頂部側（すなわち、シリンダヘッド１１側）と、ピストン３の底部側（すなわち、キャビティ３１の底部側）と、に分かれるように第一噴孔４１Ａ及び第二噴孔４１Ｂを形成する。図１４は、所定比で分かれる燃料噴霧を示した図である。ピストン３の頂部側に向かう燃料噴霧をＳ１とし、ピストン３の底部側に向かう燃料噴霧をＳ２で示している。
ピストン３が上死点近傍に位置するときに、ピストン３の頂部表面とシリンダヘッド１１との間には、スキッシュエリア１００が形成される。このスキッシュエリア１００は、ピストン３の上昇と共に容積が小さくなるため、スキッシュエリア１００から中心軸４Ａ側に向かって気流が生じる。第一噴孔４１Ａ及び第二噴孔４１Ｂから噴射された燃料が、スキッシュエリア１００からの気流によって撹拌されることにより、空気と燃料との混合が促進される。すなわち、交差点Ｐ１において燃焼の拡大が抑制され、その後、燃焼が拡大する前に、ピストン３の頂部側に向かう燃料噴霧Ｓ１と、ピストン３の底部側に向かう燃料噴霧Ｓ２と、に分かれる。そして、ピストン３の頂部側に向かう燃料噴霧Ｓ１は、スキッシュエリア１００からの気流によって燃料と空気との混合が更に促進された後に燃焼が拡大するため、煤の発生量を低減することができる。
一方、ピストン３の頂部側に向かう燃料量が多くなりすぎると、ピストン３の頂部側において燃料濃度が高くなってしまうため、空気が不足する虞がある。したがって、ピストン３の頂部側と底部側とに所定比で燃料が分かれるように第一噴孔４１Ａ及び第二噴孔４１Ｂの向きを設定することにより、ピストン３の頂部側の燃料濃度が高くなりすぎることを抑制でき、キャビティ３１の底部側に存在する空気も有効に利用することができる。このため、ピストン３の底部側に向かう燃料噴霧Ｓ２も、ピストン３の底部側に存在する空気を利用して空気と燃料との混合が促進された後に燃焼が拡大するため、煤の発生量を低減することができる。
このようにして、燃料の燃焼が拡大する前に、空気と燃料との混合をより促進させることができるため、煤の発生を抑制できる。なお、所定比は、実験またはシミュレーション等により最適値を求めることができ、例えば一対一である。
１ 内燃機関
２ 気筒
３ ピストン
４ 燃料噴射弁
４Ａ 中心軸
１０ ＥＣＵ
１１ シリンダヘッド
１７ アクセル開度センサ
１８ クランクポジションセンサ
３１ キャビティ
３１Ａ 側壁
４１ 本体
４１Ａ 第一噴孔
４１ＡＡ 中心軸
４１Ｂ 第二噴孔
４１ＢＢ 中心軸
４２ アウタニードル
４２Ａ アウタニードル動弁機構
４３ インナニードル
４３Ａ インナニードル動弁機構
１００ スキッシュエリア

Claims (5)

  1. 圧縮自着火式の内燃機関のピストンに形成されるキャビティの側壁に向かって燃料を噴射する燃料噴射弁を備えた内燃機関において、
    前記燃料噴射弁は、
    燃料を噴射するための第一噴孔及び第二噴孔であって、前記第一噴孔から噴射された燃料噴霧の一部と前記第二噴孔から噴射された燃料噴霧の一部とが前記キャビティの側壁から所定距離離れた位置で重なるように形成された第一噴孔及び第二噴孔と、
    前記第一噴孔を開閉する第一ニードルと、
    前記第二噴孔を開閉する第二ニードルであって、前記第一噴孔を開くために前記第一ニードルが作動を開始した時点から、アクセル開度または燃料のセタン価に応じて決まる所定時間が経過した後に、前記第二噴孔を開くために作動を開始する第二ニードルと、
    を有する燃料噴射弁を備えた内燃機関。
  2. 前記第一噴孔及び前記第二噴孔は、燃料噴霧が前記キャビティの側壁に当たった後に、前記ピストンの頂部側に向かう燃料量と、前記ピストンの底部側に向かう燃料量と、の比が所定比になるように形成される請求項１に記載の内燃機関。
  3. 前記燃料噴射弁からの燃料噴射を前記第一噴孔からの燃料噴射及び前記第二噴孔からの燃料噴射に分けて実施し、前記第一噴孔を開くために前記第一ニードルが作動を開始した時点から、前記所定時間が経過した後に、前記第二噴孔を開くために前記第二ニードルの作動を開始させる制御装置を備えた請求項１または２に記載の内燃機関。
  4. 前記制御装置は、前記燃料噴射弁からメイン噴射と、該メイン噴射を行った後の燃料噴射であるアフタ噴射と、を行い、且つ、前記メイン噴射を第一噴孔からの燃料噴射及び第二噴孔からの燃料噴射に分けて実施し、前記メイン噴射において、前記第一噴孔を開くために前記第一ニードルが作動を開始した時点から、前記所定時間である所定のメイン遅れ時間が経過した後に、前記第二噴孔を開くために前記第二ニードルの作動を開始させる請求項３に記載の内燃機関。
  5. 前記制御装置は、前記燃料噴射弁からメイン噴射と、該メイン噴射を行った後の燃料噴射であるアフタ噴射と、を行い、且つ、前記アフタ噴射を第一噴孔からの燃料噴射及び第
    二噴孔からの燃料噴射に分けて実施し、前記アフタ噴射において、前記第一噴孔を開くために前記第一ニードルが作動を開始した時点から、前記所定時間である所定のアフタ遅れ時間が経過した後に、前記第二噴孔を開くために前記第二ニードルの作動を開始させる請求項３または４に記載の内燃機関。
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