JP7445099B2 - ディーゼルエンジン - Google Patents

Description

本発明は、副燃焼室に燃料を噴射する副室式のディーゼルエンジンに関する。

特許文献１には、シリンダ内に燃料を直接噴射する直噴式のディーゼルエンジンが開示されている。特許文献１に開示されたディーゼルエンジンでは、燃料噴射制御手段が、圧縮行程中に比較的少量の早期噴射を複数回に分けて実行すると共に、早期噴射の終了後所定期間を経た後に比較的多量の主噴射を実行する。また、燃料噴射制御手段は、初回の早期噴射を、８０°ＢＴＤＣ以降４０°ＢＴＤＣ以前のタイミングで実行する。

ここで、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation：排気ガス再循環）を導入することによりＮＯｘを低減できることが知られている。しかし、ＥＧＲを導入すると、シリンダ内に吸入される空気の酸素濃度がＥＧＲを導入していない場合よりも低下するため、燃料が着火し難かったり、失火が生じたりするおそれがある。これに対して、メイン噴射よりも先にパイロット噴射が実行されることが有効であることが知られている。

しかし、メイン噴射よりも先にパイロット噴射が実行されると、パイロット噴射により噴射された燃料が燃焼することで、シリンダ内の圧力および温度が上昇する。そうすると、メイン噴射により噴射された燃料と空気との予混合期間が、パイロット噴射が実行されない場合よりも短くなる。そのため、メイン噴射により噴射された燃料が燃焼するときに、煤などの粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）の生成量が増加するという問題がある。また、パイロット噴射により噴射された燃料が燃焼するときに発生する燃焼ガスによるシリンダ内の圧力の上昇により、ピストンの上昇に対して逆らう方向の力がピストンに働く。そうすると、図示熱効率が悪化し、燃費が悪化する。そのため、メイン噴射において余分な燃料が噴射され、未燃焼の燃料がＰＭとして排出されるという問題がある。

このように、ディーゼルエンジンにおいては、ＮＯｘの低減とＰＭの低減とがトレードオフの関係にあり、ＮＯｘの低減とＰＭの低減とを同時に実現することが困難であるという問題がある。

特許第４０７５５８８号公報

本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、ＮＯｘの低減とＰＭの低減とを同時に実現することができるディーゼルエンジンを提供することを目的とする。

前記課題は、主燃焼室と前記主燃焼室に通じた副燃焼室とを有するディーゼルエンジンであって、前記副燃焼室に臨んで設けられ前記副燃焼室に燃料を噴射するインジェクタと、前記インジェクタから噴射される前記燃料の噴射時期を制御する制御装置と、エンジンの排気を還流する排気還流手段と、を備え、前記制御装置は、メイン噴射および前記メイン噴射よりも先に実行される先行噴射の前記噴射時期を制御し、前記先行噴射が開始されてから前記先行噴射で噴射された前記燃料と空気との混合気が着火するまでの前記先行噴射の予混合期間を確保することにより前記先行噴射で噴射された前記燃料と前記空気とにより均質で希薄な予混合気を前記副燃焼室において生成し、前記メイン噴射が開始されてから前記メイン噴射で噴射された前記燃料と前記空気との前記混合気が着火するまでの前記メイン噴射の予混合期間を確保する制御を実行することを特徴とする本発明に係るディーゼルエンジンにより解決される。

本発明に係るディーゼルエンジンによれば、制御装置は、メイン噴射およびメイン噴射よりも先に実行される先行噴射の噴射時期を制御し、先行噴射が開始されてから先行噴射で噴射された燃料と空気との混合気が着火するまでの先行噴射の予混合期間を確保することにより先行噴射で噴射された燃料と空気とにより均質で希薄な予混合気を副燃焼室において生成する制御を実行する。このように、制御装置は、均質で希薄な予混合気を副燃焼室において生成可能な程度に先行噴射の噴射時期を超早期化することで、先行噴射が開始されてから先行噴射で噴射された燃料と空気との混合気が着火するまでの先行噴射の予混合期間を確保する。そのため、先行噴射による燃焼をＰＣＣＩ（Premixed Charge Compression Ignition：予混合圧縮着火）燃焼として実現することができる。そのため、先行噴射で噴射される燃料が燃焼する際の筒内圧力および筒内温度の上昇を抑えることができるとともに、先行噴射により発生する熱発生率のピークを低く抑えることができる。これにより、制御装置は、メイン噴射が開始されてからメイン噴射で噴射された燃料と空気との混合気が着火するまでのメイン噴射の予混合期間を確保する制御を実行し、メイン噴射の予混合期間も長くすることが可能になる。そのため、ＰＭの発生を抑えることができる。これにより、本発明に係るディーゼルエンジンは、排気還流手段の導入によるＮＯｘの低減とＰＭの低減とを同時に実現することができる。

本発明に係るディーゼルエンジンにおいて、好ましくは、前記メイン噴射の前記噴射時期は、前記先行噴射により発生する熱発生率のピーク後、かつ、圧縮行程の上死点前の時期であることを特徴とする。

本発明に係るディーゼルエンジンによれば、インジェクタは、先行噴射により発生する熱発生率のピーク後、かつ、圧縮行程の上死点前に、メイン噴射を開始する。そのため、より長いメイン噴射の予混合期間を確保することができる。これにより、本発明に係るディーゼルエンジンは、排気還流手段の導入によるＮＯｘの低減とＰＭの低減とを同時により確実に実現することができる。

本発明に係るディーゼルエンジンにおいて、好ましくは、前記メイン噴射で噴射された前記燃料と前記空気との前記混合気が着火する時期は、前記圧縮行程の前記上死点以後であることを特徴とする。

本発明に係るディーゼルエンジンによれば、メイン噴射で噴射された燃料と空気との混合気が着火する時期は、圧縮行程の上死点以後である。そのため、より長いメイン噴射の予混合期間を確保することができる。これにより、本発明に係るディーゼルエンジンは、排気還流手段の導入によるＮＯｘの低減とＰＭの低減とを同時により確実に実現することができる。

本発明に係るディーゼルエンジンにおいて、好ましくは、前記先行噴射の前記噴射時期は、クランク角度が圧縮行程の上死点前６０°以上、１２０°以下である時期であることを特徴とする。

本発明に係るディーゼルエンジンによれば、先行噴射の噴射時期は、クランク角度が圧縮行程の上死点前６０°以上、１２０°以下である時期である。つまり、制御装置は、クランク角度が圧縮行程の上死点前６０°以上、１２０°以下である時期を先行噴射の噴射時期として設定する。そのため、制御装置は、先行噴射が開始されてから先行噴射で噴射された燃料と空気との混合気が着火するまでの十分な予混合期間を確保することができ、先行噴射で噴射された燃料と空気とにより均質で希薄な予混合気を副燃焼室において生成する制御を実行できる。そのため、先行噴射による燃焼をＰＣＣＩ燃焼としてより確実に実現することができ、筒内圧力および筒内温度の上昇をより一層抑えることができる。これにより、本発明に係るディーゼルエンジンは、排気還流手段の導入によるＮＯｘの低減とＰＭの低減とを同時により確実に実現することができる。

本発明に係るディーゼルエンジンにおいて、好ましくは、前記先行噴射の前記噴射時期は、クランク角度が圧縮行程の上死点前８０°以上、１２０°以下である時期であることを特徴とする。

本発明に係るディーゼルエンジンによれば、先行噴射の噴射時期は、クランク角度が圧縮行程の上死点前８０°以上、１２０°以下である時期である。つまり、制御装置は、クランク角度が圧縮行程の上死点前８０°以上、１２０°以下である時期を先行噴射の噴射時期として設定する。そのため、制御装置は、先行噴射が開始されてから先行噴射で噴射された燃料と空気との混合気が着火するまでの十分な予混合期間を確保することができ、先行噴射で噴射された燃料と空気とにより均質で希薄な予混合気を副燃焼室において生成する制御を実行できる。そのため、先行噴射による燃焼をＰＣＣＩ燃焼としてより確実に実現することができ、筒内圧力および筒内温度の上昇をより一層抑えることができる。これにより、本発明に係るディーゼルエンジンは、排気還流手段の導入によるＮＯｘの低減とＰＭの低減とを同時により確実に実現することができる。

本発明に係るディーゼルエンジンにおいて、好ましくは、前記制御装置は、前記メイン噴射よりも先に前記先行噴射を１回のみ実行することを特徴とする。

本発明に係るディーゼルエンジンによれば、制御装置は、メイン噴射よりも先に先行噴射を１回のみ実行するとしても、ピストンが圧縮行程の上死点に至るまでの間に、先行噴射で噴射された燃料と空気とにより均質で希薄な予混合気を副燃焼室において生成することができる。

本発明に係るディーゼルエンジンにおいて、好ましくは、前記先行噴射は、パイロット噴射であることを特徴とする。

本発明に係るディーゼルエンジンによれば、制御装置は、パイロット噴射による燃焼をＰＣＣＩ燃焼として実現することにより、パイロット噴射で噴射される燃料が燃焼する際の熱発生率のピークを低く抑え、図示熱効率の悪化を抑えることができる。これにより、未燃焼の燃料がＰＭとして排出されることを抑え、ＰＭのより一層の低減を図ることができる。

本発明によれば、ＮＯｘの低減とＰＭの低減とを同時に実現することができるディーゼルエンジンを提供することができる。

本発明の実施形態に係るディーゼルエンジンを表す模式図である。 本実施形態に係るディーゼルエンジンの主燃焼室および副燃焼室の近傍を表す断面図である。 本実施形態のＥＣＵが実行する燃料噴射に関する制御を説明する模式図である。 本実施形態のＥＣＵが実行する燃料噴射に関する制御を説明する模式図である。 本実施形態のＥＣＵが実行する燃料噴射に関する制御を説明する模式図である。 本実施形態のＥＣＵが実行する燃料噴射に関する制御を説明する模式図である。 クランク角度と熱発生率との関係を例示するグラフである。 パイロット噴射の有無を比較した検討結果の一例を表すグラフである。 パイロット噴射時期を比較した検討結果の一例を表すグラフである。 図９に表したグラフにおけるクランク角度が上死点前１０°以上、上死点後１０°以下の範囲を拡大した拡大グラフである。 パイロット噴射時期のクランク角度とＳｏｏｔ（ＰＭ）およびＮＯｘとの関係の一例を表すグラフである。

以下に、本発明の好ましい実施形態を、図面を参照して詳しく説明する。
なお、以下に説明する実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。また、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

図１は、本発明の実施形態に係るディーゼルエンジンを表す模式図である。
図２は、本実施形態に係るディーゼルエンジンの主燃焼室および副燃焼室の近傍を表す断面図である。

本実施形態に係るディーゼルエンジン１は、内燃機関であって、例えば産業用ディーゼルエンジンである。ディーゼルエンジン１は、例えばターボチャージャ付きの過給式の高出力な４気筒エンジン等の立型の直列の多気筒エンジンである。ディーゼルエンジン１は、例えば建設機械、農業機械、芝刈り機のような車両等に搭載される。なお、気筒の数は、特には限定されず、３つ以下であってもよく、５つ以上であってもよい。

ディーゼルエンジン１は、シリンダヘッド２と、吸気マニホールド（インテークマニホールド）３と、排気マニホールド（エキゾーストマニホールド）４と、ターボチャージャ５と、ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation：排気ガス再循環）バルブ６３と、ＥＧＲ冷却器６２と、ＥＧＲガス経路２３と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit：電子制御ユニット）１００と、を備える。本実施形態のＥＣＵ１００は、本発明の「制御装置」の一例である。本実施形態のＥＧＲバルブ６３、ＥＧＲ冷却器６２およびＥＧＲガス経路２３は、本発明の「排気還流手段」に含まれる。なお、ディーゼルエンジン１は、必ずしもターボチャージャ５を備えていなくともよい。

図１に表したディーゼルエンジン１は、例えば４つの気筒１１を有する立型の直列の多気筒エンジンである。吸気マニホールド３は、吸気（吸入空気）ＡＲが流入する始端部３５１を一端に有する本管３５と、本管３５から分岐する枝管３１と、を有する。本実施形態の吸気ＡＲは、本発明の「空気」の一例である。本管３５の長手方向は、複数の気筒１１が並んだ方向すなわちクランク軸が延びた方向に沿っている。吸気マニホールド３の枝管３１は、気筒１１に接続されている。

気筒１１の燃焼室には、インジェクタ１５が設けられている。インジェクタ１５は、コモンレール１６に接続されている。図示しない燃料タンクの燃料は、燃料ポンプの動作により、コモンレール１６に送られる。コモンレール１６は、ＥＣＵ１００の制御に基づいて、燃料ポンプから送られてくる燃料を蓄圧する。コモンレール１６において蓄圧された燃料は、インジェクタ１５から燃焼室内に噴射される。この詳細については、後述する。

ターボチャージャ５は、ブロア５Ｂとタービン５Ｔとを有し、吸気マニホールド３へ送る吸気ＡＲを過給する。ブロア５Ｂは、吸気配管２０と吸気通路２１とに接続されている。吸気通路２１は、吸気マニホールド３のインレットフランジ２２に接続されている。タービン５Ｔは、排気通路４Ｂに接続されている。排気マニホールド４の排気通路４Ｂを通して導かれた排気ガスＥＧがターボチャージャ５のタービン５Ｔに供給されると、タービン５Ｔとブロア５Ｂとは、高速回転する。ブロア５Ｂが高速回転することで、ターボチャージャ５のブロア５Ｂに供給され圧縮された吸気ＡＲは、吸気通路２１を通じて吸気マニホールド３へ過給される。タービン５Ｔから排出された排気ガスＥＧは、ＤＰＦ（Diesel particulate filter：ディーゼル微粒子捕集フィルタ）１９等を介してディーゼルエンジン１の外部へ排出される。

図１に示すように、ＥＧＲガス経路２３の始端部２３Ｍは、排気マニホールド４に接続されている。あるいは、ＥＧＲガス経路２３の始端部２３Ｍは、排気マニホールド４とタービン５Ｔとの間における排気通路４Ｂに接続されていてもよい。ＥＧＲガス経路２３の末端部２３Ｎは、インレットフランジ２２に接続されている。ＥＧＲガス経路２３には、ＥＧＲバルブ６３と、ＥＧＲ冷却器６２と、が設けられている。ＥＧＲ冷却器６２は、ＥＧＲガス経路２３を流れる排気還流ガスＥＣＧを冷却する。

ＥＣＵ１００は、ＥＧＲバルブ６３と、コモンレール１６等の動作を制御する。図１に表したように、アクセル開度に関する検出信号、エンジン回転数に関する検出信号およびクランク角度に関する検出信号がＥＣＵ１００に入力される。吸気マニホールド３のインレットフランジ２２に供給する吸気ＡＲの供給量は、アクセル開度に基づいたＥＣＵ１００の指令により制御される。ＥＧＲバルブ６３は、ＥＣＵ１００の指令により、排気マニホールド４から吸気マニホールド３のインレットフランジ２２に供給する排気還流ガスＥＣＧの供給量を調整する。

また、ＥＣＵ１００は、インジェクタ１５から噴射される燃料の噴射時期および噴射量を制御する。例えば、ＥＣＵ１００は、アクセル開度に関する検出信号と、エンジン回転数に関する検出信号と、に基づいて、予め設定されたガバナマップを用いて燃料の噴射時期および噴射量を制御する。燃料の噴射量は、例えばインジェクタ１５の通電期間により制御される。

図２に表したように、本実施形態に係るディーゼルエンジン１は、いわゆる副室式のディーゼルエンジンであり、主燃焼室１２と、副燃焼室１３と、を有する。ディーゼルエンジン１は、シリンダブロック７を備える。気筒（シリンダ）１１は、シリンダブロック７の内部に設けられている。ピストン７１は、気筒１１の内部に配置されていて、気筒中心軸Ｐに沿って往復移動可能である。主燃焼室１２は、気筒１１の上部に形成される。

シリンダヘッド２は、シリンダブロック７の上に組付けられている。副燃焼室１３は、シリンダヘッド２の内部に形成されている。副燃焼室１３は、副室、渦流室、あるいは渦室などとも呼ばれる。

主燃焼室１２は、口金５０を介して副燃焼室１３に接続されている。口金５０は、燃焼気流Ｇが通る噴口４０を有する。主燃焼室１２は、口金５０の噴口４０を通じて副燃焼室１３に連通している。噴口４０は、主燃焼室１２に対して偏心した箇所に設けられている。例えば、噴口４０は、副燃焼室１３の内周面のほぼ接線方向に沿って、斜め下方向に向けて形成されている。

インジェクタ１５は、シリンダヘッド２に取り付けられている。インジェクタ１５の噴射部１５１は、副燃焼室１３の内部に臨んで設けられ、上方から斜め下方に向けて副燃焼室１３の内部空間に露出している。インジェクタ１５は、ＥＣＵ１００から送信された噴射時期および噴射量に関する制御信号に基づいて燃料を副燃焼室１３に噴射する。

次に、本実施形態のＥＣＵ１００が実行する燃料噴射に関する制御を、図面を参照して詳しく説明する。
図３～図６は、本実施形態のＥＣＵが実行する燃料噴射に関する制御を説明する模式図である。
図７は、クランク角度と熱発生率との関係を例示するグラフである。
なお、図３および図４は、本実施形態に係るディーゼルエンジンの圧縮行程を表す模式図である。図５および図６は、本実施形態に係るディーゼルエンジンの燃焼行程を表す模式図である。

本実施形態のＥＣＵ１００は、インジェクタ１５を制御し、１サイクル中に燃料噴射を複数回に分割する多段噴射を行う。具体的には、ＥＣＵ１００は、メイン噴射と、メイン噴射における噴射量よりも少ない噴射量の燃料をメイン噴射よりも先に噴射するパイロット噴射と、を１サイクル中に行う。本実施形態のパイロット噴射は、本発明の「先行噴射」の一例である。なお、本発明の「先行噴射」は、パイロット噴射には限定されず、プレ噴射であってもよく、パイロット噴射およびプレ噴射の両方を含んでもよい。以下の説明では、先行噴射がパイロット噴射である場合を例に挙げる。

図３に表したように、ＥＣＵ１００は、パイロット噴射の噴射時期および噴射量を制御し、燃料８１を副燃焼室１３に噴射する。ここで、本実施形態のＥＣＵ１００は、パイロット噴射が開始されてからパイロット噴射で噴射された燃料８１と吸気ＡＲとの混合気が着火するまでのパイロット噴射の予混合期間を確保することにより、パイロット噴射で噴射された燃料８１と吸気ＡＲとにより均質で希薄な予混合気を副燃焼室１３において生成する制御を実行する。本願明細書において「予混合期間」とは、燃料の噴射が開始されてから燃料と吸気（吸入空気）との混合気が着火するまでの期間をいうものとする。

本実施形態のＥＣＵ１００が実行する燃料噴射に関する制御を具体的に説明すると、ＥＣＵ１００は、クランク角度が圧縮行程の上死点前６０°以上、１２０°以下である時期をパイロット噴射の噴射時期として設定している。つまり、パイロット噴射の噴射時期は、クランク角度が圧縮行程の上死点前６０°以上、１２０°以下である時期である。より好ましくは、ＥＣＵ１００は、クランク角度が圧縮行程の上死点前８０°以上、１２０°以下である時期をパイロット噴射の噴射時期として設定している。つまり、より好ましくは、パイロット噴射の噴射時期は、クランク角度が圧縮行程の上死点前８０°以上、１２０°以下である時期である。そのため、図３に表した通り、パイロット噴射が実行されたとき、ピストン７１は、気筒１１の下部に存在する。また、ＥＣＵ１００は、パイロット噴射の噴射量を可能な限り少量に設定している。本実施形態では、パイロット噴射の噴射量は、インジェクタ１５の下限噴射量に設定されており、例えば、メイン噴射の噴射量の３０％以下に設定されている。

続いて、図４に表したように、ピストン７１が圧縮行程の上死点に向かってさらに上昇する。そうすると、主燃焼室１２の吸気ＡＲが噴口４０を通過し副燃焼室１３に流入する。このとき、図４に表した副燃焼室１３の内部の矢印のように、直噴式のディーゼルエンジンの燃焼室に生ずる空気流よりも強い渦流が、副燃焼室１３に生ずる。これにより、パイロット噴射で副燃焼室１３に噴射された燃料８１と副燃焼室１３に流入した吸気ＡＲとは、副燃焼室１３に生じた渦流により互いに混合する。

図４に表した状態では、ピストン７１は、圧縮行程の上死点には到達しておらず、気筒１１の下部あるいは中間部に存在する。そのため、副燃焼室１３に形成された混合気の温度および圧力は、混合気が着火する温度および圧力ほどには上昇していない。これにより、パイロット噴射で副燃焼室１３に噴射された燃料８１は、ピストン７１が圧縮行程の上死点の近傍（例えば上死点前１０°程度）に到達するまで燃焼することなく、副燃焼室１３に流入した吸気ＡＲと予混合される。

続いて、図５に表したように、ピストン７１が圧縮行程の上死点の近傍（例えば上死点前１０°程度）に到達すると、パイロット噴射で副燃焼室１３に噴射された燃料８１と副燃焼室１３に流入した吸気ＡＲとの混合気が、副燃焼室１３で着火し燃焼する。

このように、本実施形態に係るディーゼルエンジン１では、クランク角度が圧縮行程の上死点前６０°以上、１２０°以下あるいは８０°以上、１２０°以下である時期にパイロット噴射が開始されてから、ピストン７１が圧縮行程の上死点の近傍（例えば上死点前１０°程度）に到達するまでの長い期間にわたって、パイロット噴射で副燃焼室１３に噴射された燃料８１は、副燃焼室１３に流入した吸気ＡＲと予混合される。パイロット噴射における燃料８１の微小噴射量に対して比較的多くの吸気ＡＲが副燃焼室１３に存在するため、均質で希薄な予混合気が副燃焼室１３において生成される。このようにして、本実施形態のＥＣＵ１００は、パイロット噴射が開始されてからパイロット噴射で噴射された燃料８１と吸気ＡＲとの混合気が着火するまでのパイロット噴射の予混合期間を確保することにより、パイロット噴射で噴射された燃料８１と吸気ＡＲとにより均質で希薄な予混合気を副燃焼室１３において生成する制御を実行する。

そして、ピストン７１が圧縮行程の上死点の近傍（例えば上死点前１０°程度）に到達すると、予混合気が、均質、かつ空燃比（空気燃料比：Ａ／Ｆ）が希薄な状態で燃焼する。これにより、ＰＣＣＩ（Premixed Charge Compression Ignition：予混合圧縮着火）燃焼が副燃焼室１３において生ずる。

その後、パイロット噴射により発生する熱発生率のピーク後であって、圧縮行程の上死点前で、メイン噴射が開始される。つまり、ＥＣＵ１００は、パイロット噴射により発生する熱発生率のピーク後、かつ、圧縮行程の上死点前の時期をメイン噴射の噴射時期として設定している。本実施形態においては、例えば、メイン噴射は圧縮行程の上死点前２°で開始されている（図１０参照）。そして、圧縮行程の上死点以後で、メイン噴射の着火が開始される。

続いて、図６に表したように、副燃焼室１３で発生した火炎８２が、主燃焼室１２に流れ込む。そうすると、主燃焼室１２に流れ込んだ火炎８２が、主燃焼室１２に存在する吸気ＡＲを取り込む。これにより、拡散燃焼が主燃焼室１２において生ずる。本発明者が得た知見によれば、図７に表したグラフのように、副室式のディーゼルエンジン１では、直噴式のディーゼルエンジンと比較して、燃焼期間が長い。そのため、ＨＣ（炭化水素）およびＣＯ（一酸化炭素）などの未燃焼物質の発生を抑えることができる。

なお、直噴式のディーゼルエンジンにおいて、クランク角度が圧縮行程の上死点前６０°以上、１２０°以下あるいは８０°以上、１２０°以下である時期がパイロット噴射の噴射時期として設定されると、パイロット噴射が実行されたときには、副室式のディーゼルエンジン１の副燃焼室１３に生ずるほどの強い空気流は、直噴式のディーゼルエンジンの燃焼室に生じていない。そのため、インジェクタから燃焼室に噴射された燃料が気筒の内壁面に付着することがある。そうすると、燃料と吸気とが十分に混合されない状態で混合気が燃焼する。つまり、メイン噴射による同時多点着火が生ずる。そうすると、ＨＣ（炭化水素）およびＣＯ（一酸化炭素）などの未燃焼物質の発生を抑えることができないことがある。

これに対して、本実施形態に係る副室式のディーゼルエンジン１では、クランク角度が圧縮行程の上死点前６０°以上、１２０°以下あるいは８０°以上、１２０°以下である時期がパイロット噴射の噴射時期として設定されていても、パイロット噴射が実行されたときには、直噴式のディーゼルエンジンの燃焼室に生ずる空気流よりも強い渦流が、副燃焼室１３に生じている。そのため、インジェクタ１５から副燃焼室１３に噴射された燃料８１が副燃焼室１３の内壁面に付着することを抑えることができる。これにより、パイロット噴射で副燃焼室１３に噴射された燃料８１と副燃焼室１３に流入した吸気ＡＲとは、副燃焼室１３に生じた渦流により互いに十分に混合できる。そのため、ＨＣ（炭化水素）およびＣＯ（一酸化炭素）などの未燃焼物質の発生を抑えることができる。

次に、本発明者が実施した検討の結果の例を挙げつつ、本実施形態のＥＣＵ１００が実行する燃料噴射に関する制御をさらに説明する。
図８は、パイロット噴射の有無を比較した検討結果の一例を表すグラフである。
図９は、パイロット噴射時期を比較した検討結果の一例を表すグラフである。
図１０は、図９に表したグラフにおけるクランク角度が上死点前１０°以上、上死点後１０°以下の範囲を拡大した拡大グラフである。
図１１は、パイロット噴射時期のクランク角度とＳｏｏｔ（ＰＭ）およびＮＯｘとの関係の一例を表すグラフである。

なお、図８～図１１に表したクランク角度の単位「ｄｅｇ ＡＴＤＣ」は、圧縮行程の上死点後（After Top Dead Center）の角度（°：degree）を意味する。すなわち、「－１０（ｄｅｇ ＡＴＤＣ）」は、クランク角度が圧縮行程の上死点前１０°であることを意味する。「１０（ｄｅｇ ＡＴＤＣ）」は、クランク角度が圧縮行程の上死点後１０°であることを意味する。

一般的に、ＥＧＲを導入することによりＮＯｘを低減できることが知られている。しかし、ＥＧＲを導入すると、気筒内に吸入される空気の酸素濃度がＥＧＲを導入していない場合よりも低下するため、燃料が着火し難かったり、失火が生じたりするおそれがある。これに対して、メイン噴射よりも先にパイロット噴射が実行されることが有効であることが知られている。

しかし、図８に表したように、メイン噴射よりも先にパイロット噴射が実行されると、パイロット噴射により噴射された燃料が燃焼することで、気筒内の圧力および温度が上昇する。そうすると、図８に表したように、メイン噴射による着火が、パイロット噴射が実行されない場合よりも早くなる。つまり、メイン噴射の予混合期間が、パイロット噴射が実行されない場合よりも短くなる。メイン噴射の予混合期間が短くなると、メイン噴射で噴射された燃料と吸気とが十分に混合される前に、混合気が燃焼する。そうすると、メイン噴射により噴射された燃料が燃焼するときに、煤などの粒子状物質（ＰＭ：Particulate Matter）の生成量が増加する。また、パイロット噴射により噴射された燃料が燃焼するときに発生する燃焼ガスによる気筒内の圧力の上昇により、ピストンの上昇に対して逆らう方向の力がピストンに働く。そうすると、図示熱効率が悪化し、燃費が悪化する。そのため、メイン噴射において余分な燃料が噴射され、未燃焼の燃料がＰＭとして排出される。

そこで、図３～図７に関して前述したように、本実施形態のＥＣＵ１００は、パイロット噴射が開始されてからパイロット噴射で噴射された燃料８１と吸気ＡＲとの混合気が着火するまでのパイロット噴射の予混合期間を確保することにより、パイロット噴射で噴射された燃料８１と吸気ＡＲとにより均質で希薄な予混合気を副燃焼室１３において生成する制御を実行する。具体的には、ＥＣＵ１００は、パイロット噴射の噴射量を可能な限り少量に設定し、クランク角度が圧縮行程の上死点前６０°以上、１２０°以下である時期をパイロット噴射の噴射時期として設定している。より好ましくは、ＥＣＵ１００は、クランク角度が圧縮行程の上死点前８０°以上、１２０°以下である時期をパイロット噴射の噴射時期として設定する。

このように、ＥＣＵ１００が均質で希薄な予混合気を副燃焼室１３において生成可能な程度にパイロット噴射の噴射時期を超早期化することで、例えば図９に例示したグラフのように、クランク角度が圧縮行程の上死点前１００°である時期がパイロット噴射の噴射時期として設定されたときのパイロット噴射の予混合期間は、クランク角度が圧縮行程の上死点前６０°である時期がパイロット噴射の噴射時期として設定されたときのパイロット噴射の予混合期間よりも長くなる。つまり、ＥＣＵ１００は、均質で希薄な予混合気を副燃焼室１３において生成可能な程度にパイロット噴射の噴射時期を超早期化することで、パイロット噴射の予混合期間を十分に確保することができる。そのため、例えば図９および図１０に例示したグラフのように、圧縮行程の上死点前約１０°以後に生じるパイロット噴射による燃焼をＰＣＣＩ燃焼として実現することができる。これにより、パイロット噴射で噴射される燃料８１が燃焼する際の筒内圧力および筒内温度の上昇を抑えることができるとともに、パイロット噴射により発生する熱発生率のピークを低く抑えることができる。

これにより、ＥＣＵ１００は、メイン噴射が開始されてからメイン噴射で噴射された燃料８１と吸気ＡＲとの混合気が着火するまでのメイン噴射の予混合期間を確保する制御を実行し、メイン噴射の予混合期間も長くすることが可能になる。例えば図１０に例示したグラフのように、クランク角度が圧縮行程の上死点前１００°である時期がパイロット噴射の噴射時期として設定されたときのメイン噴射の着火は、クランク角度が圧縮行程の上死点前６０°である時期がパイロット噴射の噴射時期として設定されたときのメイン噴射の着火よりも遅くなる。つまり、クランク角度が圧縮行程の上死点前１００°である時期がパイロット噴射の噴射時期として設定されたときのメイン噴射の予混合期間は、クランク角度が圧縮行程の上死点前６０°である時期がパイロット噴射の噴射時期として設定されたときのメイン噴射の予混合期間よりも長くなる。このように、ＥＣＵ１００は、均質で希薄な予混合気を副燃焼室１３において生成可能な程度にパイロット噴射の噴射時期を超早期化することで、メイン噴射の予混合期間も長くすることができる。そのため、メイン噴射で噴射された燃料８１と吸気ＡＲとが十分に混合された後に、混合気が燃焼する。

これにより、ＥＣＵ１００が均質で希薄な予混合気を副燃焼室１３において生成可能な程度にパイロット噴射の噴射時期を超早期化することで、例えば図１１に例示したグラフのように、クランク角度が圧縮行程の上死点前１００°である時期がパイロット噴射の噴射時期として設定されたときの煤（Ｓｏｏｔ）などの粒子状物質（ＰＭ）の発生量は、クランク角度が圧縮行程の上死点前６０°である時期がパイロット噴射の噴射時期として設定されたときのＰＭの発生量よりも少なくなる。つまり、ＥＣＵ１００は、均質で希薄な予混合気を副燃焼室１３において生成可能な程度にパイロット噴射の噴射時期を超早期化することで、煤（Ｓｏｏｔ）などの粒子状物質（ＰＭ）の発生量を抑えることができる。

なお、直噴式のディーゼルエンジンにおいて、クランク角度が圧縮行程の上死点前６０°以上、１２０°以下あるいは８０°以上、１２０°以下である時期がパイロット噴射の噴射時期として設定されると、インジェクタから燃焼室に噴射された燃料が気筒の内壁面に付着することがある。そうすると、燃料と吸気とが十分に混合されない状態で混合気が燃焼する。つまり、メイン噴射による同時多点着火が生ずる。そうすると、ＨＣ（炭化水素）およびＣＯ（一酸化炭素）などの未燃焼物質の発生を抑えることができないことがある。

以上説明したように、本実施形態に係るディーゼルエンジン１によれば、ＥＣＵ１００は、メイン噴射およびメイン噴射よりも先に実行されるパイロット噴射の噴射時期を制御し、パイロット噴射が開始されてからパイロット噴射で噴射された燃料８１と吸気ＡＲとの混合気が着火するまでのパイロット噴射の予混合期間を確保することによりパイロット噴射で噴射された燃料８１と吸気ＡＲとにより均質で希薄な予混合気を副燃焼室１３において生成する制御を実行する。このように、ＥＣＵ１００は、均質で希薄な予混合気を副燃焼室１３において生成可能な程度にパイロット噴射の噴射時期を超早期化することで、パイロット噴射が開始されてからパイロット噴射で噴射された燃料８１と吸気ＡＲとの混合気が着火するまでの予混合期間を確保する。そのため、パイロット噴射による燃焼をＰＣＣＩ燃焼として実現することができる。そのため、パイロット噴射で噴射される燃料８１が燃焼する際の筒内圧力および筒内温度の上昇を抑えることができるとともに、パイロット噴射により発生する熱発生率のピークを低く抑えることができる。これにより、ＥＣＵ１００は、メイン噴射が開始されてからメイン噴射で噴射された燃料８１と吸気ＡＲとの混合気が着火するまでのメイン噴射の予混合期間を確保する制御を実行し、メイン噴射の予混合期間も長くすることが可能になる。そのため、ＰＭの発生を抑えることができる。これにより、本実施形態に係るディーゼルエンジン１は、ＥＧＲの導入によるＮＯｘの低減とＰＭの低減とを同時に実現することができる。

また、メイン噴射の噴射時期は、パイロット噴射により発生する熱発生率のピーク後、かつ、圧縮行程の上死点前の時期である。つまり、ＥＣＵ１００は、パイロット噴射により発生する熱発生率のピーク後、かつ、圧縮行程の上死点前の時期をメイン噴射の噴射時期として設定する。そのため、より長いメイン噴射の予混合期間を確保することができる。これにより、本実施形態に係るディーゼルエンジン１は、ＥＧＲの導入によるＮＯｘの低減とＰＭの低減とを同時により確実に実現することができる。

また、メイン噴射で噴射された燃料８１と吸気ＡＲとの混合気が着火する時期は、圧縮行程の上死点以後である。そのため、より長いメイン噴射の予混合期間を確保することができる。これにより、本実施形態に係るディーゼルエンジン１は、ＥＧＲの導入によるＮＯｘの低減とＰＭの低減とを同時により確実に実現することができる。

また、パイロット噴射の噴射時期は、クランク角度が圧縮行程の上死点前６０°以上、１２０°以下である時期である。つまり、ＥＣＵ１００は、クランク角度が圧縮行程の上死点前６０°以上、１２０°以下である時期をパイロット噴射の噴射時期として設定する。より好ましくは、パイロット噴射の噴射時期は、クランク角度が圧縮行程の上死点前８０°以上、１２０°以下である時期である。つまり、より好ましくは、ＥＣＵ１００は、クランク角度が圧縮行程の上死点前８０°以上、１２０°以下である時期をパイロット噴射の噴射時期として設定する。そのため、ＥＣＵ１００は、パイロット噴射が開始されてからパイロット噴射で噴射された燃料８１と吸気ＡＲとの混合気が着火するまでの十分な予混合期間を確保することができ、パイロット噴射で噴射された燃料８１と吸気ＡＲとにより均質で希薄な予混合気を副燃焼室１３において生成する制御を実行できる。そのため、パイロット噴射による燃焼をＰＣＣＩ燃焼としてより確実に実現することができ、筒内圧力および筒内温度の上昇をより一層抑えることができる。これにより、本実施形態に係るディーゼルエンジン１は、ＥＧＲの導入によるＮＯｘの低減とＰＭの低減とを同時により確実に実現することができる。

また、ＥＣＵ１００は、メイン噴射よりも先にパイロット噴射を１回のみ実行してもよい。この場合であっても、ピストン７１が圧縮行程の上死点に至るまでの間に、パイロット噴射で噴射された燃料８１と吸気ＡＲとにより均質で希薄な予混合気を副燃焼室１３において生成することができる。

さらに、ＥＣＵ１００は、パイロット噴射による燃焼をＰＣＣＩ燃焼として実現することにより、パイロット噴射で噴射される燃料８１が燃焼する際の熱発生率のピークを低く抑え、図示熱効率の悪化を抑えることができる。これにより、未燃焼の燃料がＰＭとして排出されることを抑え、ＰＭのより一層の低減を図ることができる。

以上、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、上記実施形態に限定されず、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で種々の変更を行うことができる。上記実施形態の構成は、その一部を省略したり、上記とは異なるように任意に組み合わせたりすることができる。

１：ディーゼルエンジン、 ２：シリンダヘッド、 ３：吸気マニホールド、 ４：排気マニホールド、 ４Ｂ：排気通路、 ５：ターボチャージャ、 ５Ｂ：ブロア、 ５Ｔ：タービン、 ７：シリンダブロック、 １１：気筒、 １２：主燃焼室、 １３：副燃焼室、 １５：インジェクタ、 １６：コモンレール、 １９：ディーゼル微粒子捕集フィルタ、 ２０：吸気配管、 ２１：吸気通路、 ２２：インレットフランジ、 ２３：ＥＧＲガス経路、 ２３Ｍ：始端部、 ２３Ｎ：末端部、 ３１：枝管、 ３５：本管、 ４０：噴口、 ５０：口金、 ６２：ＥＧＲ冷却器、 ６３：ＥＧＲバルブ、 ７１：ピストン、 ８１：燃料、 ８２：火炎、 １００：ＥＣＵ、 １５１：噴射部、 ３５１：始端部、 ＡＲ：吸気、 ＥＣＧ：排気還流ガス、 ＥＧ：排気ガス、 Ｇ：燃焼気流、 Ｐ：気筒中心軸

Claims (6)

1. シリンダブロックの内部に設けられた気筒の上部に形成された主燃焼室と前記シリンダブロックの上に組み付けられたシリンダヘッドの内部に渦流室として形成され前記主燃焼室に通じた副燃焼室とを有するディーゼルエンジンであって、
   前記副燃焼室の内部空間に露出して設けられコモンレールにおいて蓄圧された燃料を前記内部空間に向けて噴射する噴射部を有し、前記シリンダヘッドに取り付けられたインジェクタと、
   前記噴射部から噴射される前記燃料の噴射時期を制御する制御装置と、
   前記ディーゼルエンジンの排気を還流する排気還流手段と、
   を備え、
   前記制御装置は、前記ディーゼルエンジンのメイン噴射および前記メイン噴射よりも先に実行される前記ディーゼルエンジンの先行噴射の前記噴射時期を制御し、前記先行噴射が開始されてから前記先行噴射で噴射された前記燃料と空気との第１混合気が着火するまでの前記先行噴射の予混合期間を確保することにより前記先行噴射で噴射された前記燃料と前記空気とにより均質で希薄な前記第１混合気を前記副燃焼室において生成し、前記メイン噴射が開始されてから前記メイン噴射で噴射された前記燃料と前記空気との第２混合気が着火するまでの前記メイン噴射の予混合期間を確保する制御を実行し、
   前記先行噴射の前記燃料は、前記ディーゼルエンジンのクランク角度として前記ディーゼルエンジンの圧縮行程の上死点前１２０°以後に噴射され、
   前記第１混合気は、前記クランク角度として前記圧縮行程の上死点前１０°よりも後に、かつ、前記圧縮行程の上死点よりも前に着火し、
   前記メイン噴射の前記燃料は、前記第１混合気が着火することにより発生する前記ディーゼルエンジンの熱発生率のピークよりも後に、かつ、前記圧縮行程の上死点よりも前に噴射されることを特徴とするディーゼルエンジン。
2. 前記第２混合気は、前記圧縮行程の上死点以後に着火することを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジン。
3. 前記先行噴射の前記燃料は、前記クランク角度として前記圧縮行程の上死点前６０°以前に噴射されることを特徴とする請求項１または２に記載のディーゼルエンジン。
4. 前記先行噴射の前記燃料は、前記クランク角度として前記圧縮行程の上死点前８０°以前に噴射されることを特徴とする請求項１または２に記載のディーゼルエンジン。
5. 前記制御装置は、前記メイン噴射よりも先に前記先行噴射を１回のみ実行することを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載のディーゼルエンジン。
6. 前記先行噴射は、パイロット噴射であることを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載のディーゼルエンジン。

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