JP6583338B2 - 予混合圧縮着火式エンジン - Google Patents

Description

本発明は、燃料と空気の混合気を自着火により燃焼させる予混合圧縮着火燃焼が可能なエンジンに関する。

従来より、ガソリンエンジン等において、予め混合された燃料と空気の混合気を燃焼室内で自着火させるいわゆる予混合圧縮着火燃焼を実施することが検討されている。予混合圧縮着火燃焼では、圧縮比を高めることができること等に伴い熱効率つまり燃費性能を高めることができる。

しかしながら、予混合圧縮着火燃焼では燃焼室の各所において混合気が略同時に燃焼するため燃焼ガスと燃焼室の壁面との接触量が多くなりやすい。そのため、燃費性能をより効果的に高めるには、予混合圧縮着火燃焼の実施時において燃焼ガスと燃焼室の壁面との接触を抑制してこの接触に伴う冷却損失を低減することが望ましい。

前記接触に伴う冷却損失を低減する技術としては、例えば、特許文献１に、燃焼室内に導入する吸気にオゾンを添加して混合気の燃焼速度を速くして、火炎が燃焼室の壁面に到達する前に燃焼を終了させるようにしたエンジンが開示されている。このエンジンによれば、燃焼室の壁面と高温の火炎とが接触してこの火炎から燃焼室の壁面を介して熱エネルギーが外部に放出されるのを抑制することができる。

特開２０１３−１９４７１２号公報

特許文献１のエンジンでは、吸気にオゾンを添加するために吸気管内等にオゾン発生装置を設ける必要があり、構造が複雑化するとともにコスト面で不利になる。

また、予混合圧縮着火燃焼は前記のように空気と燃料との混合気が自着火する燃焼である。そのため、特許文献１の装置を用いて混合気の燃焼速度を早くしても、混合気が燃焼室の壁面近傍に存在している状態では燃焼ガスと壁面との接触を十分に回避できず、冷却損失の低減効果が限定的になる。

本発明は、前記のような事情に鑑みてなされたものであり、簡単な構成で燃焼室内に過度に燃料濃度が高い領域が形成されるのを防止しつつ冷却損失を低減できる予混合圧縮着火式エンジンを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明は、ピストンが上下方向に往復動可能に嵌装されて内側に燃焼室が形成された気筒と、前記ピストンの冠面に向かって燃料を放射状に噴射するように前記燃焼室の天井面の中央部分に取り付けられた燃料噴射装置と、前記燃料噴射装置を制御する制御部とを備え、燃料と空気の混合気を自着火により燃焼させる予混合圧縮着火燃焼が可能なエンジンであって、前記ピストンの冠面には、前記燃焼室の天井面の中央部分と対向して下方に凹むキャビティが形成されており、エンジン負荷が所定値未満の特定領域でエンジンが運転されているとき、前記制御部は、前記燃料噴射装置から噴射された燃料が前記キャビティの外周縁を指向するように圧縮行程の後半に燃料を噴射する第１噴射と、当該第１噴射の終了後に燃料を噴射する第２噴射と、当該第２噴射が終了してから圧縮上死点までの間に燃料を噴射する第３噴射とが、前記混合気の燃焼が開始する前に実施され、且つ、前記第２噴射の噴射期間が、前記第１噴射の噴射期間および第３噴射の噴射期間よりも長くなるように、前記燃料噴射装置を制御し、前記特定領域での運転時、前記制御部は、前記第１噴射の噴射期間、前記第２噴射の噴射期間および前記第３噴射の噴射期間がそれぞれエンジン負荷が高くなるほど長くなるとともに、前記第１噴射の噴射開始時期のエンジン負荷に対する進角量の方が当該第１噴射の噴射終了時期のエンジン負荷に対する遅角量よりも大きくなり、且つ、前記第３噴射の噴射開始時期のエンジン負荷に対する進角量の方が当該第３噴射の噴射終了時期のエンジン負荷に対する遅角量よりも小さくなるように、前記燃料噴射装置を制御する、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンを提供する（請求項１）。

本発明によれば、前記のように構成された第１噴射と第２噴射と第３噴射とを実施するという簡単な構成で、燃焼室の外周部分、中央部分、上部といった互いに異なる空間にそれぞれ各噴射により供給された燃料を偏在させることができ、燃焼室に燃料濃度が過度に高い混合気が形成されるのを抑制することができるとともに、これら噴射に係る燃料噴霧が燃焼室の壁面に付着するのを抑制して燃焼室の壁面付近に燃料濃度の低いガス層を形成することができ、このガス層によって高温の燃焼ガスとの接触を抑制して冷却損失を低減することができる。
しかも、前記第１噴射の噴射期間、前記第２噴射の噴射期間および前記第３噴射の噴射期間は、それぞれエンジン負荷が高くなるほど長くなるように設定されるとともに、前記第１噴射の噴射開始時期のエンジン負荷に対する進角量の方が当該第１噴射の噴射終了時期のエンジン負荷に対する遅角量よりも大きくなり、且つ、前記第３噴射の噴射開始時期のエンジン負荷に対する進角量の方が当該第３噴射の噴射終了時期のエンジン負荷に対する遅角量よりも小さくなるように設定される。
従って、エンジン負荷に応じた量の燃料を燃焼室に供給しつつ、第１噴射と第２噴射との間のインターバルおよび第２噴射と第３噴射との間のインターバルを確保して、各噴射をより確実に異なる領域に偏在させることができる。

前記構成において、前記特定領域での運転時、前記制御部は、前記第１噴射の噴射期間が前記第３噴射の噴射期間よりも長くなるように、前記燃料噴射装置を制御するのが好ましい（請求項２）。

このようにすれば、第３噴射が終了してから燃焼が開始するまでの期間を長く確保することができ、第３噴射に係る燃料を燃焼開始までに確実に気化させて適切に燃焼させることができる。

以上説明したように、本発明の予混合圧縮着火式エンジンによれば、簡単な構成で効果的に冷却損失を小さくすることができる。

本発明の一実施形態にかかるエンジンシステムの構成を示した図である。 エンジン本体の概略断面図である。 燃焼室の天井面の概略平面図である。 燃料噴射装置の概略断面図である。 エンジンの制御系統を示すブロック図である。 エンジンの運転領域を示す図である。 中負荷領域における噴射パターンと熱発生率とを示した図である。 第１噴射の燃料噴霧の様子を模式的に示した図である。 エンジン負荷と、第１、第２、第３噴射の各噴射タイミングとの関係を示した図である。 第１噴射終了後の燃焼室内の様子を模式的に示した図である。 第２噴射実施時の燃焼室内の様子を模式的に示した図である。 第２噴射の燃料噴霧が偏在している様子を模式的に示した図である。 第３噴射終了後の燃焼室内の燃料噴霧の様子を模式的に示した図である。 （ａ）〜（ｅ）は燃焼室内の混合気の分布の演算結果を示した図であり、（ａ）は本実施形態に係る図、（ｂ）は比較例１に係る図、（ｃ）は比較例２に係る図、（ｄ）は比較例３に係る図、（ｅ）は比較例４に係る図である。

（１）エンジンシステムの全体構成
図１は、本発明の実施形態にかかる予混合圧縮着火式エンジンを含むエンジンシステムの構成を示した図である。本実施形態のエンジンシステムは、４ストロークのエンジン本体１と、エンジン本体１に燃焼用の空気を導入するための吸気通路３０と、エンジン本体１で生成された排ガスを排出するための排気通路４０と、排ガスの一部を吸気に還流するＥＧＲ装置５０とを備える。エンジン本体１は、例えば、４つの気筒２を有する４気筒エンジンであり、ガソリンを含む燃料によって駆動される。このエンジンシステムは車両に搭載され、エンジン本体１は車両の駆動源として利用される。

吸気通路３０には、上流側から順に、エアクリーナ３１、スロットルバルブ３２、サージタンク３３が設けられており、これらを通過した後の空気がエンジン本体１に導入される。

スロットルバルブ３２は、吸気通路３０を開閉するものである。ただし、本実施形態では、エンジンの運転中、スロットルバルブ３２は基本的に全開もしくはこれに近い開度に維持されており、エンジンの停止時等の限られた運転条件のときにのみ閉弁されて吸気通路３０を遮断する。

排気通路４０には、三元触媒等を含み排ガスを浄化するための触媒装置４１が設けられている。

ＥＧＲ装置５０は、ＥＧＲ通路５１と、これを開閉するＥＧＲバルブ５２と、ＥＧＲクーラ５３とを有する。ＥＧＲ通路５１は、排気通路４０のうち触媒装置４１の上流側の部分と吸気通路３０のうちスロットルバルブの下流側の部分（図１の例では、サージタンク３３）とを接続しており、排気通路４０を流通する排ガスの一部は、ＥＧＲ通路５１を通って吸気通路３０に還流する。吸気通路３０に還流する排ガスすなわちＥＧＲガスの量は、ＥＧＲバルブ５２の開弁量によって調整される。ＥＧＲクーラ５３は、ＥＧＲガスを冷却するためのものであり、ＥＧＲガスはＥＧＲクーラ５３にて冷却された後、吸気通路３０に還流される。

（２）エンジン本体の構成
エンジン本体１の構成について次に説明する。

図２は、エンジン本体１の一部を拡大して示した断面図である。以下では、図２に示す上下方向を単に上下方向といい、図２の上、下を単に上、下として説明する。

図２に示すように、エンジン本体１は、気筒２が内部に形成されたシリンダブロック３と、シリンダブロック３の上面に設けられたシリンダヘッド４と、気筒２に往復動可能に嵌装されたピストン５とを有している。以下では、気筒２の径方向を単に径方向という。また、気筒２の径方向についての外周側、内周側を単に外周側、内周側という。

ピストン５の上方には燃焼室８が形成されている。具体的には、燃焼室８は、気筒２の壁面（内側面）と、ピストン５の冠面６（以下、単に、ピストン冠面６という）と、シリンダヘッド４の下面８ａとで区画されている。燃焼室８の天井面（シリンダヘッド４の下面）８ａは外周側から中央に向かって上方に傾斜するいわゆるペントルーフ状を呈しており、この天井面８ａは、後述する吸気弁１３が設けられる吸気側と、後述する排気弁１４が設けられる排気側との２つの傾斜面からなる三角屋根状をなしている。

ピストン冠面６には、その中心部を含む領域を下方に凹ませたキャビティ７が形成されている。詳細には、ピストン冠面６には、その中央部分を囲むように上方に隆起する部分が設けられており、この隆起部分の径方向内側にキャビティ７が区画されている。キャビティ７は、その中心と燃焼室８の天井面８ａの頂部Ｐ１とがほぼ対向するように形成されている。キャビティ７は、ピストン５が上死点まで上昇したときの燃焼室８の大部分を占める容積を有するように形成されている。本実施形態では、エンジン本体１の幾何学的圧縮比、つまり、ピストン５が下死点にあるときの燃焼室８の容積とピストン５が上死点にあるときの燃焼室８の容積との比は、１６以上３５以下、より好ましくは１８以上３０以下（例えば２５程度）に設定されている。

ピストン冠面６のうち前記隆起部分よりも径方向外側の部分すなわちキャビティ７の外周縁７ａから径方向外側の部分６ａ（以下、適宜、ピストン傾斜面部という）は、全体として径方向外側に向かって下方に傾斜している。ピストン傾斜面部６ａは、ピストン５が上死点まで上昇したときに燃焼室８の天井面８ａにほぼ沿って延びる。

シリンダヘッド４には、吸気通路３０から供給される空気を気筒２内に導入するための吸気ポート１１と、気筒２内で生成された燃焼ガスを排気通路４０に導出するための排気ポート１２とが設けられている。各ポート１１，１２は、それぞれ燃焼室８の天井面８ａに開口している。シリンダヘッド４には、燃焼室８の天井面８ａに形成された吸気ポート１１の開口部分を開閉する吸気弁１３と、燃焼室８の天井面８ａに形成された排気ポート１２の開口部分を開閉する排気弁１４とが設けられている。

本実施形態では、１つの気筒２に対して吸気ポート１１と排気ポート１２とがそれぞれ２つずつ設けられており、図３（燃焼室８の天井面８ａの概略平面図）に示すように、燃焼室８の天井面８ａには吸気ポート１１と排気ポート１２とがそれぞれ２つずつ開口している。そして、１つの気筒２に対して、吸気弁１３と排気弁１４とがそれぞれ２つずつ設けられている。図３に示すように、吸気弁１３と排気弁１４（吸気ポート１１の開口部分と排気ポート１２の開口部分）とは、燃焼室８の天井面８ａの頂部Ｐ１を通る直線を挟んで互いに反対側（図３の右側と左側）となる部分に設けられている。

吸気弁１３は、吸気弁開閉機構１５によって開閉される。吸気弁開閉機構１５には、吸気弁１３の開閉時期を変更可能な吸気開閉時期変更機構１５ａが設けられている。

排気弁１４は、排気弁開閉機構１６によって開閉される。吸気弁開閉機構１５には、吸気弁１３の開閉時期を変更可能な排気開閉時期変更機構１６ａが設けられている。

シリンダヘッド４には、燃焼室８内に燃料を噴射する燃料噴射装置（燃料噴射手段）２１が取り付けられている。燃料噴射装置２１は、図外の燃料ポンプにより圧送された燃料を燃焼室８内に噴射する。本実施形態では外開き弁式の燃料噴射装置２１が用いられている。

図４は、燃料噴射装置２１の概略断面図である。図４に示すように、燃料噴射装置２１は、先端（燃焼室８側の端部）にノズル口２１ｂが形成された燃料管２１ｃと、燃料管２１ｃの内側に配設されてノズル口２１ｂを開閉する外開き弁２１ａとを有する。

燃料噴射装置２１は、ノズル口２１ｂが燃焼室８の天井面８ａの頂部Ｐ１に位置してキャビティ７の中央部分を臨むように配置されている。また、燃料噴射装置２１は、ノズル口２１ｂおよび燃料管２１ｃの中心軸が、燃焼室８の天井面８ａの頂部Ｐ１を通り気筒２の中心軸と平行に延びるように配置されている。

外開き弁２１ａは、印加された電圧に応じて変形するピエゾ素子２１ｄに接続されている。外開き弁２１ａは、ピエゾ素子２１ｄに電圧が印加されていない状態でノズル口２１ｂと当接してノズル口２１ｂを閉弁し、ピエゾ素子２１ｄが電圧の印加に伴って変形することでノズル口２１ｂから先端側に突き出してノズル口２１ｂを開弁する。

ノズル口２１ｂおよび外開き弁２１ａのうちノズル口２１ｂと当接する部分は、先端側ほど径が大きくなるテーパ状を有しており、ノズル口２１ｂからは、ノズル口２１ｂの中心軸すなわち気筒２のほぼ中心軸を中心として、燃料が放射状（コーン状、詳しくはホローコーン状）に噴射される。例えば、このコーンのテーパ角は９０°〜１００°（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）となっている。

外開き弁２１ａの開弁期間およびリフト量（リフト量は、外開き弁２１ａの閉弁位置からの突出量でありノズル口２１ｂの開口量である）は、ピエゾ素子２１ｄへの電圧の印加期間および電圧の大きさに応じて変化する。

シリンダヘッド４には、さらに燃焼室８内に形成された燃料と空気の混合気を点火するための点火プラグ２２が取り付けられている。点火プラグ２２は、その先端が、燃料噴射装置２１の側方であって吸気弁１３と排気弁１４との間に位置するように配置されている。本実施形態では、燃料としてガソリンを用いた場合に一般的に採用される火花点火燃焼（混合気を火花点火により強制着火させる燃焼）ではなく、燃料と空気との混合気をピストン５による圧縮に伴い自着火させるＨＣＣＩ燃焼（予混合圧縮着火燃焼）がエンジンの全ての運転領域において実行されるようになっている。このため、本実施形態のエンジンでは基本的に点火プラグは不要であるが、例えばエンジンが冷間始動された直後のような自着火が困難な状況下においてＨＣＣＩ燃焼に代えて火花点火燃焼を実行したり、あるいは暖機後であってもＨＣＣＩ燃焼の促進のためにいわゆるスパークアシストを実行することがあり、そのような目的のために点火プラグ２２が設けられている。

（３）制御系統
（３−１）システム構成
図５は、エンジンの制御系統を示すブロック図である。本図に示すように、本実施形態のエンジンシステムは、ＰＣＭ（パワートレイン・コントロール・モジュール、制御部）１００によって統括的に制御される。ＰＣＭ１００は、周知のとおり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されるマイクロプロセッサである。

ＰＣＭ１００は、エンジンの運転状態を検出するための各種センサと電気的に接続されている。例えば、シリンダブロック３には、クランク軸の回転角度および回転速度すなわちエンジン回転数を検出するクランク角センサＳＮ１が設けられている。また、吸気通路３０には、エアクリーナ３１を通過して各気筒２に吸入される空気量（新気量）を検出するエアフローセンサＳＮ２が設けられている。また、車両には、運転者により操作される図外のアクセルペダルの開度（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサＳＮ３が設けられている。

ＰＣＭ１００は、前記各種センサからの入力信号に基づいて種々の判定や演算等を実行しつつエンジンの各部を制御する。すなわち、ＰＣＭ１００は、スロットルバルブ３２、燃料噴射装置２１、ＥＧＲバルブ５２、点火プラグ２２等と電気的に接続されており、演算の結果等に基づいてこれらの機器にそれぞれ駆動用の制御信号を出力する。

例えば、ＰＣＭ１００は、アクセル開度とエンジン回転数等から求められるエンジン負荷の要求値に応じて燃焼室８に供給すべき燃料量を算出して、これに対応する燃料を燃料噴射装置２１に噴射させる。

（３−２）中負荷領域
次に、本発明の特徴である中負荷領域（特定領域）Ａ２での制御内容について説明する。図６は、横軸がエンジン回転数、縦軸がエンジン負荷の制御マップであり、本実施形態では、運転領域として、エンジン負荷が予め設定された第１基準負荷Ｔ１未満の低負荷領域Ａ１と、エンジン負荷が第１基準負荷Ｔ１以上且つ第２基準負荷（所定値）Ｔ２未満の中負荷領域Ａ２と、エンジン負荷が第２基準負荷Ｔ２以上の高負荷領域Ａ３とに分けられている。

（ｉ）基本制御
中負荷領域Ａ２で実施される基本的な制御について説明する。

中負荷領域Ａ２では、混合気の発熱量が小さく燃焼温度が比較的低いことで燃焼により生成されるＮＯｘ（いわゆるＲａｗ ＮＯｘ）が少なく抑えられる。そのため、この領域Ａ２では、三元触媒４１によりＮＯｘを浄化させる必要がなく、空燃比を三元触媒によるＮＯｘ浄化が可能な理論空燃比にする必要がない。そこで、中負荷領域Ａ２では、燃費性能を高めるべく混合気の空燃比がリーンすなわち空気過剰率λ＞１とされる。

また、中負荷領域Ａ２では、ＥＧＲガスが気筒２内に還流される。すなわち、ＥＧＲバルブ５２が開弁されて、排気通路４０内の排ガスの一部がＥＧＲガスとして吸気通路３０に還流される。

（ｉｉ）燃料噴射制御
次に、中負荷領域Ａ２で実施される燃料噴射の制御について説明する。

図７は、中負荷領域Ａ２での燃料噴射パターンと熱発生率とを示した図である。図７に示すように、中負荷領域Ａ２では、圧縮行程後半（圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）９０°ＣＡ〜圧縮上死点（ＴＤＣ）まで）に燃料噴射装置２１からすべての燃料（１燃焼サイクルで噴射される燃料の全量）が３回に分けて噴射される。これら燃料は空気と混合し、前記のように、圧縮上死点付近において自着火する。

図８は、最初に実施される第１噴射Ｑ１の燃料噴霧Ｆ１の様子を模式的に示した図である。図８に示すように、第１噴射Ｑ１は、第１噴射Ｑ１により噴射された燃料の噴霧Ｆ１（以下、適宜、第１燃料噴霧Ｆ１という）がキャビティ７の外周縁７ａを指向するタイミングで実施される。つまり、第１燃料噴霧Ｆ１の噴霧軸（噴霧の飛翔方向に延びる噴霧の中心軸）Ｌ１上にキャビティ７の外周縁７ａが位置するタイミングで、第１噴射Ｑ１は実施される。本実施形態では、第１噴射Ｑ１の開始時点において第１燃料噴霧Ｆ１の噴霧軸Ｌ１上にキャビティ７の外周縁７ａが位置するように、第１噴射Ｑ１が実施される。なお、第１噴射Ｑ１の噴射タイミグは、第１燃料噴霧Ｆ１の噴霧軸Ｌ１上にキャビティ７の外周縁７ａが位置するタイミングが第１噴射Ｑ１の実施期間に含まれるように設定されればよく、第１噴射Ｑ１の噴射終了時点で第１燃料噴霧Ｆ１の噴霧軸Ｌ１上にキャビティ７の外周縁７ａが位置するように設定されてもよい。さらに、前記タイミングは、第１燃料噴霧Ｆ１の噴霧軸Ｌ１上に厳密にキャビティ７の外周縁７ａが位置するように設定される必要はなく、キャビティ７の外周縁７ａ付近が第１燃料噴霧Ｆ１の噴霧軸Ｌ１上に位置すればよい。例えば、第１噴射Ｑ１は、圧縮上死点前４０°ＣＡ〜圧縮上死点前７０°ＣＡの間に開始される。

図７に示すように、第２噴射Ｑ２は、第１噴射Ｑ１の終了後所定のインターバルｔｉｎｔ１をあけて開始される。例えば、第２噴射Ｑ２は第１噴射Ｑ１が終了してから１０°ＣＡ程度後に開始される。

第２噴射Ｑ２の噴射期間ｄｔ２は第１噴射Ｑ１の噴射期間ｄｔ１よりも長く、第２噴射Ｑ２の燃料噴射量Ｑｍ２は第１噴射Ｑ１の燃料噴射量Ｑｍ１よりも多くなっている。

第３噴射Ｑ３は、第２噴射Ｑ２の終了後所定のインターバルｔｉｎｔ２をあけて開始される。例えば、第３噴射Ｑ３は、第２噴射Ｑ２が終了してから１０°ＣＡ程度後に開始される。

第３噴射Ｑ３の噴射期間ｄｔ３は第２噴射Ｑ２の噴射期間ｄｔ２よりも短く設定されており、第３噴射Ｑ３の燃料噴射量Ｑｍ３は第２噴射Ｑｍ２の燃料噴射量Ｑｍ２よりも少なくなっている。

さらに、第３噴射Ｑ３の噴射期間ｄｔ３は第１噴射の噴射期間ｄｔ１以下に設定されている。つまり、各噴射Ｑ１、Ｑ２，Ｑ３の噴射期間および燃料噴射量の関係は、第３噴射Ｑ３の噴射期間ｄｔ３≦第１噴射Ｑ１の噴射期間ｄｔ１＜第２噴射Ｑ２の噴射期間ｄｔ２、および、第３噴射Ｑ３の燃料噴射量Ｑｍ３≦第１噴射Ｑ１の燃料噴射Ｑｍ１＜第２噴射Ｑ２の燃料噴射量Ｑｍ２となっている。本実施形態では、第１噴射Ｑ１の燃料噴射量Ｑｍ１、第２噴射Ｑ２の燃料噴射量Ｑｍ２、第３噴射Ｑ３の燃料噴射量Ｑｍ３の比率は、この順で、３：５：２に設定されている。

このように、中負荷領域Ａ２では、各噴射Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３が前記の関係を満たしつつ、各噴射Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の燃料噴射量Ｑｍ１、Ｑｍ２、Ｑｍ３を合わせた総燃料噴射量がアクセル開度等から求められるエンジン負荷の要求値に対応した燃料量とされる。

ここで、エンジン負荷が増加すると総燃料噴射量も増加する。これに対応して各噴射Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の燃料噴射量Ｑｍ１、Ｑｍ２、Ｑｍ３および噴射期間ｄｔ１、ｄｔ２、ｄｔ３は、前記比率が維持されるように総燃料噴射量に比例して増大される。一方、各噴射Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の噴射タイミングは、図９に示すように変更される。図９は、横軸をエンジン負荷とし縦軸に噴射タイミングを示した図であって、各噴射Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３の噴射開始時期ＳＯＩと噴射終了時期ＥＯＩとを示している。

図９に示すように、各噴射Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３において、それぞれ、エンジン負荷が高くなるほどその噴射開始時期ＳＯＩ１、ＳＯＩ２、ＳＯＩ３が進角され、且つ、その噴射終了時期ＥＯＩ１、ＥＯＩ２、ＥＯＩ３が遅角されて、各噴射期間ｄｔ１、ｄｔ２、ｄｔ３および燃料噴射量Ｑｍ１、Ｑｍ２、Ｑｍ３は大きくされる。

ただし、第１噴射Ｑ１では、エンジン負荷の増大に対する噴射開始時期ＳＯＩ１の進角量は、エンジン負荷の増大に対する噴射終了時期ＥＯＩ１の遅角量よりも大きくされる。一方、第２噴射Ｑ２では、エンジン負荷の増大に対する噴射開始時期ＳＯＩ２の進角量はと噴射終了時期ＥＯＩ２の遅角量とはほぼ同等とされる。そして、第３噴射Ｑ３では、エンジン負荷の増大に対する噴射開始時期ＳＯＩ３の進角量が、エンジン負荷の増大に対する噴射終了時期ＥＯＩ３の遅角量よりも小さくされる。

このように、本実施形態では、エンジン負荷が増大しても第１噴射Ｑ１の噴射終了時期ＥＯＶ１の遅角量が比較的小さくされ、第３噴射Ｑ３の噴射開始時期ＳＯＩ３の進角量が比較的小さくされ、第２噴射Ｑ２の噴射開始時期ＳＯＩ２および噴射終了時期ＥＯＶ２が同程度に進角および遅角されることで、エンジン負荷の大小によらず各噴射Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３のインターバルｉｎｔ１、ｉｎｔ２、ｉｎｔ３は長く確保される。

（３−３）他の領域
他の領域Ａ１、Ａ３での制御は限定されるものではないが、例えば、低負荷領域Ａ１では、燃料噴射制御を除き中負荷領域Ａ２と同様の制御が実施される。一方、低負荷領域Ａ１では、例えば一括噴射つまり一回の噴射で燃焼室８内に燃料の全量を供給する制御が実施される。また、高負荷領域Ａ２においても例えば一括噴射が実施される。

（４）作用等
以上のように設定された第１噴射Ｑ１、第２噴射Ｑ２、第３噴射Ｑ３が実施されることで、本実施形態では、中負荷領域Ａ２において、燃焼室８内に局所的に燃料濃度が高い混合気が形成されるのを回避し、且つ、燃焼室８の壁面近傍の燃料濃度を小さくすることができる。

以下具体的に説明する。

圧縮行程後半であっても比較的早いタイミングでは筒内圧（燃焼室８内の圧力）は低い。そのため、このタイミングで燃料噴射を行うと、燃料噴霧の飛翔距離が長くなって燃料噴霧は燃焼室８の底面つまりピストン冠面６に付着する、あるいは、ピストン冠面６付近に滞留する。

これに対して、本実施形態では、圧縮行程後半の比較的早いタイミングで実施する第１噴射Ｑ１の噴射期間ｄｔ１および噴射量Ｑｍ１が小さい。そのため、第１噴射Ｑ１の燃料噴霧Ｆ１のペネトレーションを低く抑えてこれの飛翔散離を短くでき、燃料噴霧Ｆ１がピストン冠面６に付近まで飛翔するのを抑制することができる。

しかも、前記のように、第１噴射Ｑ１はその燃料噴霧Ｆ１がキャビティ７の外周縁７ａを指向するように実施される。そのため、第１噴射Ｑ１の燃料噴霧Ｆ１をキャビティ７の外周部分に偏在させることができる。

図１０を用いて具体的に説明する。図１０は、第１噴射Ｑ１が終了してから所定時間が経過したときの燃焼室８内の様子を模式的に示した図である。この図１０に示すように、第１噴射Ｑ１の燃料噴霧Ｆ１は、噴射直後は破線で示すようにノズル口２１ｂから下方および外周側に移動する。しかしながら、ピストン５の上昇に伴ってピストン冠面６付近には上昇流Ｕ１が生じている。そのため、第１噴射Ｑ１の燃料噴霧Ｆ１は、この上昇流Ｕ１の影響を受けて図１０の鎖線に示すように燃焼室８の外周側に向かおうとする。しかし、圧縮上死点に近づくと、今度は、燃焼室８内にその外周部分のいわゆるスキッシュエリア（ピストン傾斜面部６ａと燃焼室８の天井面８ａとに挟まれた領域）６ｂからキャビティ７側に向かういわゆるスキッシュ流Ｕ２が発生する。そのため、外周側に向かいつつあった第１噴射Ｑ１の燃料噴霧Ｆ１は、このスキッシュ流Ｕ２によって内周側に押されてキャビティ７の内側且つキャビティ７の外周部分に導入される。

このようにして、本実施形態では、第１噴射Ｑ１の燃料噴霧Ｆ１の多くを、ピストン冠面６に到達させることなく燃焼室８の外周部分に偏在させることができる。

第１噴射Ｑ１の後に実施される第２噴射Ｑ２は、その実施時においてピストン５がある程度上昇していることで、その燃料噴霧Ｆ２はキャビティ７に向かう。しかし、前記のようにキャビティ７の外周部分には既に第１噴射Ｑ１の燃料噴霧Ｆ１が偏在している。そのため、この外周部分にさらに燃料噴霧Ｆ２が供給されると、この部分の燃料濃度が高くなってしまうとともに第１噴射Ｑ１の燃料噴霧Ｆ１が第２噴射Ｑ２の燃料噴霧Ｆ２によって外周側および下側に押されて燃焼室８の壁面に付着するおそれがある。

これに対して、本実施形態では、第２噴射Ｑ２の燃料噴射量Ｑｍ２が多くされて燃料噴霧Ｆ２のペネトレーションおよび速度が高められている。そのため、図１１に示すように、第２噴射Ｑ２の燃料噴霧Ｆ２で囲まれた部分（ホローコーンの内側部分）Ｘに高い負圧を生成させることができる。そして、これにより、第２噴射Ｑ２の燃料噴霧Ｆ２を燃焼室８の中央側に引き寄せて、第２噴射Ｑ２の燃料噴霧Ｆ２を図１２に示すように第１燃料Ｑ１の燃料噴霧Ｆ１が存在する領域とは異なる領域、具体的には、燃焼室８の中央部分に偏在させることができる。そのため、第２噴射Ｑ２の燃料噴霧Ｆ２によって燃料濃度の高い混合気が形成されることを回避することができる。

ここで、ペネトレーションを高くすれば燃料噴霧Ｆ２とピストン冠面６とは接触しやすくなる。しかしながら、第２噴射Ｑ２の燃料噴霧Ｆ２は、キャビティ７が形成された燃焼室８の中央部分であって燃料噴射装置２１のノズル口２１ｂからピストン冠面６（キャビティ７の底面）までの距離が長く確保された部分に向かう。そのため、燃料噴霧Ｆ２の多くをピストン冠面６から離間させることができ、これらの接触を抑制することができる。

このようにして、本実施形態では、第２噴射Ｑ２の燃料噴霧Ｆ２を、燃料濃度の高い混合気を燃焼室８の壁面８ａ近傍に形成することなく燃焼室８の中央部分に偏在させることができる。

次に、第３噴射Ｑ３を実施するが、前記の第１噴射Ｑ１と第２噴射Ｑ２との関係と同様に、第３噴射Ｑ３の燃料噴霧Ｆ３のペネトレーションが高いと第２噴射Ｑ２の燃料噴霧Ｆ２をピストン冠面６に向かって押し出してしまうおそれがある。

これに対して、本実施形態では、第３噴射Ｑ３の噴射期間ｄｔ３および噴射量Ｑｍ３が、第２噴射Ｑ２の噴射期間ｄｔ２および噴射量Ｑｍ２、さらには、第１噴射Ｑ１の噴射期間ｄｔ１および噴射量Ｑｍ１よりも小さくされている。そのため、第３噴射Ｑ３の燃料噴霧Ｆ３のペネトレーションを小さく抑えることができる。特に、第３噴射Ｑ３は、圧縮上死点に近く筒内圧が高いタイミングで実施されるので、第３噴射Ｑ３のペネトレーションは十分に小さくされる。従って、第３噴射Ｑ３の燃料噴霧Ｆ３と第２噴射Ｑ２の燃料噴霧Ｆ２との干渉を抑制することができ、第２噴霧Ｆ２がピストン冠面６に向かって押し出されるのを回避できる。また、ペネトレーションが小さいことに伴い、第３噴射Ｑ３の燃料噴霧Ｆ３は、図１３に示すように燃焼室８の上部に滞留することになる。

また、前記のように第３噴射Ｑ３の噴射量Ｑｍ３が小さく抑えられていることで、本実施形態では、第３噴射Ｑ３を圧縮上死点近傍で実施しながらその燃料噴霧Ｆ３を混合気の燃焼開始までに確実に気化させて適切に燃焼させることができる。

以上のように、本実施形態では、圧縮行程後半に第１噴射Ｑ１、第２噴射Ｑ２、第３噴射Ｑ３を実施し、第１噴射Ｑ１を燃料噴霧がキャビティ７の外周縁７ａを指向するタイミングで実施し、第２噴射Ｑ２の噴射期間ｄｔ２および噴射量Ｑｍ２を、第１噴射Ｑ１の噴射期間ｄｔ１および噴射量Ｑｍ１と第３噴射Ｑ３の噴射期間ｄｔ３および噴射量Ｑｍ３よりも大きくすることで、燃焼室８にエンジン出力を確保可能な量の燃料を供給しながら、燃焼室８の壁面８ａ近傍の燃料濃度を小さく抑え、且つ、図１３に示すように、第１噴射Ｑ１、第２噴射Ｑ２、第３噴射Ｑ３の各燃料噴霧Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３をそれぞれ異なる領域に偏在させ、これにより、局所的に燃料濃度が高い混合気が燃焼室８内に形成されるのを抑制することができる。そして、これにより、適切な予混合圧縮燃焼を実施して煤等の発生を回避しながら、高温の燃焼ガスと燃焼室の壁面との接触を抑制して冷却損失を低減できる。

この効果をシミュレーションにより確認した結果を図１４（ａ）〜（ｅ）に示す。図１４（ａ）〜（ｅ）は、圧縮上死点における燃焼室内の混合気の分布の演算結果を示した図であり、（ａ）は本実施形態に係る図、（ｂ）は比較例１に係る図、（ｃ）は比較例２に係る図、（ｄ）は比較例３に係る図、（ｅ）は比較例４に係る図である。比較例１は、全ての燃料を一度に噴射する一括噴射を行った場合、比較例２は、燃料を３回に分けて噴射し且つ各噴射の噴射期間（噴射量）を均等とした場合、比較例３は、燃料を３回に分けて噴射し且つ各噴射の噴射期間（噴射量）が遅角側の噴射ほど大きくなるようにした場合、比較例４は、燃料を３回に分けて噴射し且つ各噴射の噴射期間（噴射量）が進角の噴射ほど大きくなるようにした場合である。図１４（ａ）〜（ｅ）では、燃料濃度が高いほど色が濃く表されている。

図１４の（ｂ）に示すように、一括噴射を行った場合には、ピストン冠面６近傍の領域Ｘｂ１、Ｘｂ２において燃料濃度が高くなる。これは、一括噴射では長い期間にわたって継続して燃料が噴射されるために後から噴射された燃料が先に噴射された燃料を押し下げていくために生じると考えられる。

図１４（ｃ）に示すように、燃料を３回に分けて且つ均等に噴射した場合には、キャビティ７の底面の外周部分Ｘｃ２において燃料濃度が高くなる。また、燃焼室８の上側部分Ｘｃ１に燃料濃度が高い領域が生じる。外周部分Ｘｃ２において燃料濃度が高くなるのは、筒内圧が低いタイミングで行われる最初の噴射の噴射量が多いことで、この噴射の噴霧がキャビティ７の底面に到達してしまったためと考えられる。燃焼室８の上側部分Ｘｃ１の燃料濃度が高くなるのは、２回目の噴射の噴射量およびペネトレーションが小さく２回目の噴射の噴霧が燃焼室８の上側部分に滞留している状態で、比較的多い燃料が３回目の噴射によってさらに追加されるためと考えられる。

図１４（ｄ）に示すように、燃料を３回に分けて噴射し且つ各噴射の噴射量が遅角側の噴射ほど大きくなるようにした場合には、キャビティ７の底面付近且つキャビティ７の外周よりの部分Ｘｄ２に燃料濃度が高い領域Ｘｄ２が形成される。これは、２回目の噴射の噴射量およびペネトレーションが相対的に小さくなることで２回目の噴射の噴霧が外周側に拡散して１回目の噴射の噴霧と重なったためと考えられる。また、燃焼室８の中央および上部にも燃料濃度が高い領域Ｘｄ１が形成される。これは、３回目の噴射の噴射量およびペネトレーションが大きいことで、この噴射の噴霧が２回目の噴射の噴霧と重なったためと考えられる。

図１４（ｅ）に示すように、燃料を３回に分けて噴射し且つ各噴射の噴射量が進角の噴射ほど大きくなるようにした場合には、キャビティ７の底面付近Ｘｅ２に燃料濃度の高い領域が形成される。これは、図１４（ｃ）に示した比較例２と同様に、筒内圧が低いタイミングで行われる最初の噴射の噴射量およびペネトレーションが大きいことで、この噴射の噴霧がキャビティ７の底面に到達してしまったためと考えられる。特に、この比較例４では、最初の噴射の噴射量が最も多く、その燃料噴霧のペネトレーションが特に高いために比較例２よりも広い範囲において燃料濃度が高くなったと考えられる。また、比較例４では、燃焼室８の上部にも燃料濃度の高い混合気が形成される。これは、２回目の噴射の噴射量およびペネトレーションが小さいためにこの噴霧の飛翔が抑制され、この噴霧に３回目の噴射の噴霧が合わさったためと考えられる。

これに対して、本実施形態では、図１４（ａ）に示すように、燃焼室８の壁面近傍および燃焼室８の全域において、局所的に燃料濃度が高い領域はほとんど形成されない。

（５）変形例
前記実施形態では、第１噴射Ｑ１の燃料噴射量Ｑｍ１、第２噴射Ｑ２の燃料噴射量Ｑｍ２、第３噴射Ｑ３の燃料噴射量Ｑｍ３の比率が、この順で、３：５：２に設定された場合について説明したが、これら燃料噴射量（噴射期間）Ｑｍ１、Ｑｍ２、Ｑｍ３の具体的な比率はこれに限らない。つまり、第２噴射Ｑ２の噴射期間ｄｔ２および噴射量Ｑｍ２が、第１噴射Ｑ１の噴射期間ｄｔ１および噴射量Ｑｍ１よりも大きく、且つ、第３噴射Ｑ３の噴射期間ｄｔ３および噴射量Ｑｍ３よりも大きく設定されていればよい。

ただし、第３噴射Ｑ３の噴射期間ｄｔ３および噴射量Ｑｍ３を第１噴射Ｑ１の噴射期間ｄｔ１および噴射量Ｑｍ１以下とすれば、前記のように第３噴射Ｑ３の燃料噴霧Ｆ３を燃焼室８の上部により確実に偏在させることができるとともにこれを適切に気化および燃焼させることができる。

前記実施形態では、前記のように設定された第１噴射Ｑ１、第２噴射Ｑ２、第３噴射Ｑ３を実施する領域を中負荷領域Ａ２に限った場合について説明したが、この３つの噴射Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３を実施する領域は、エンジン負荷が所定値よりも低い領域であればよく、中負荷領域Ａ２に加えて前記実施形態の低負荷領域Ａ１で実施されてもよい。なお、エンジン負荷が高いときには燃焼室８に供給せねばならない総燃料噴射量が多くなることで、前記の３つの噴射Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３を実施しても互いにインターバルを十分に長くすることができず、各燃料噴霧Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３を異なる領域に偏在させることが難しくなる。従って、３つの噴射Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３を実施する領域は前記のようにエンジン負荷が所定値よりも低い領域に限られる。

また、燃料噴射装置２１の具体的な構成は前記に限らない。

また、前記実施形態では、ガソリンと空気との混合気を圧縮して自着火させるＨＣＣＩ燃焼が全ての運転領域で実行されるガソリンエンジンに本発明を適用した例について説明したが、本発明が適用可能なエンジンはこのようなエンジンに限られない。例えば、低負荷領域Ａ１を含む一部の運転領域でＨＣＣＩ燃焼が実行されかつ残りの運転領域で火花点火燃焼が実行されるガソリンエンジンや、ガソリン以外の副成分（アルコール等）が含有された燃料をＨＣＣＩ燃焼させるエンジンにも本発明を適用可能である。

１ エンジン本体
２ 気筒
５ ピストン
６ ピストンの冠面
７ キャビティ
７ａ キャビティの外周縁
８ 燃焼室
２１ 燃料噴射装置（燃料噴射手段）
１００ ＰＣＭ（制御部）
Ａ２ 中負荷領域（特定領域）
Ｑ１ 第１噴射
Ｑ２ 第２噴射
Ｑ３ 第３噴射

Claims (2)

1. ピストンが上下方向に往復動可能に嵌装されて内側に燃焼室が形成された気筒と、前記ピストンの冠面に向かって燃料を放射状に噴射するように前記燃焼室の天井面の中央部分に取り付けられた燃料噴射装置と、前記燃料噴射装置を制御する制御部とを備え、燃料と空気の混合気を自着火により燃焼させる予混合圧縮着火燃焼が可能なエンジンであって、
   前記ピストンの冠面には、前記燃焼室の天井面の中央部分と対向して下方に凹むキャビティが形成されており、
   エンジン負荷が所定値未満の特定領域でエンジンが運転されているとき、前記制御部は、前記燃料噴射装置から噴射された燃料が前記キャビティの外周縁を指向するように圧縮行程の後半に燃料を噴射する第１噴射と、当該第１噴射の終了後に燃料を噴射する第２噴射と、当該第２噴射が終了してから圧縮上死点までの間に燃料を噴射する第３噴射とが、前記混合気の燃焼が開始する前に実施され、且つ、前記第２噴射の噴射期間が、前記第１噴射の噴射期間および第３噴射の噴射期間よりも長くなるように、前記燃料噴射装置を制御し、
   前記特定領域での運転時、前記制御部は、前記第１噴射の噴射期間、前記第２噴射の噴射期間および前記第３噴射の噴射期間がそれぞれエンジン負荷が高くなるほど長くなるとともに、前記第１噴射の噴射開始時期のエンジン負荷に対する進角量の方が当該第１噴射の噴射終了時期のエンジン負荷に対する遅角量よりも大きくなり、且つ、前記第３噴射の噴射開始時期のエンジン負荷に対する進角量の方が当該第３噴射の噴射終了時期のエンジン負荷に対する遅角量よりも小さくなるように、前記燃料噴射装置を制御する、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
2. 請求項１に記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
   前記特定領域での運転時、前記制御部は、前記第１噴射の噴射期間が前記第３噴射の噴射期間よりも長くなるように、前記燃料噴射装置を制御する、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
   

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