WO2023105860A1 - ディーゼルエンジン - Google Patents

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WO2023105860A1
WO2023105860A1 PCT/JP2022/032402 JP2022032402W WO2023105860A1 WO 2023105860 A1 WO2023105860 A1 WO 2023105860A1 JP 2022032402 W JP2022032402 W JP 2022032402W WO 2023105860 A1 WO2023105860 A1 WO 2023105860A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
injection
fuel
combustion chamber
diesel engine
timing
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/032402
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
泰 小林
順太郎 長井
莉菜 金子
将成 天呑
成浩 松尾
Original Assignee
株式会社クボタ
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社クボタ filed Critical 株式会社クボタ
Publication of WO2023105860A1 publication Critical patent/WO2023105860A1/ja

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B19/00—Engines characterised by precombustion chambers
    • F02B19/14—Engines characterised by precombustion chambers with compression ignition
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D41/00—Electrical control of supply of combustible mixture or its constituents
    • F02D41/30—Controlling fuel injection
    • F02D41/38—Controlling fuel injection of the high pressure type
    • F02D41/40—Controlling fuel injection of the high pressure type with means for controlling injection timing or duration
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02D—CONTROLLING COMBUSTION ENGINES
    • F02D45/00—Electrical control not provided for in groups F02D41/00 - F02D43/00

Definitions

  • the present invention relates to a pre-combustion chamber type diesel engine that injects fuel into the sub-combustion chamber.
  • Patent Document 1 discloses a direct-injection diesel engine that directly injects fuel into the cylinder.
  • the fuel injection control means performs a relatively small amount of early injection in a plurality of times during the compression stroke, and after a predetermined period after the end of the early injection, a relatively large amount of fuel is injected. main injection. Further, the fuel injection control means executes the first early injection at a timing after 80° BTDC and before 40° BTDC.
  • NOx can be reduced by introducing EGR (Exhaust Gas Recirculation).
  • EGR Exhaust Gas Recirculation
  • the oxygen concentration of the air taken into the cylinder becomes lower than when EGR is not introduced, so fuel may be difficult to ignite or misfire may occur.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a diesel engine that can simultaneously achieve reduction of NOx and PM.
  • the subject is a diesel engine having a main combustion chamber and a sub-combustion chamber communicating with the main combustion chamber, an injector facing the sub-combustion chamber and injecting fuel into the sub-combustion chamber; and exhaust gas recirculation means for recirculating exhaust gas from the engine, wherein the control device controls main injection and a preceding injection that is executed prior to the main injection. by controlling the injection timing of the preceding injection and securing a premixing period of the preceding injection from the start of the preceding injection until the mixture of the fuel and air injected by the preceding injection ignites.
  • a homogeneous and lean premixture is generated in the auxiliary combustion chamber by the fuel and the air injected in the injection, and after the main injection is started, the fuel and the air injected in the main injection are mixed.
  • the diesel engine according to the present invention is characterized in that control is executed to ensure a premixing period of the main injection until the air-fuel mixture ignites.
  • the control device controls the main injection and the injection timing of the pre-injection performed before the main injection, and the fuel injected by the pre-injection after the pre-injection is started.
  • control is executed to generate a homogeneous and lean pre-mixture in the sub-combustion chamber with the fuel and air injected in the pre-injection. .
  • the control device super-earns the injection timing of the pre-injection to the extent that a homogeneous and lean pre-mixture can be generated in the sub-combustion chamber.
  • the premixing period of the pre-injection is ensured until the mixture of the fuel and the air that has been injected is ignited. Therefore, combustion by pre-injection can be realized as PCCI (Premixed Charge Compression Ignition) combustion. Therefore, it is possible to suppress the increase in the in-cylinder pressure and the in-cylinder temperature when the fuel injected in the preceding injection is burned, and to suppress the peak of the heat release rate generated by the preceding injection to a low level.
  • the control device executes control to ensure a premixing period of the main injection from when the main injection is started until the mixture of the fuel and air injected by the main injection is ignited.
  • the mixing period can also be lengthened. Therefore, generation of PM can be suppressed.
  • the diesel engine according to the present invention can simultaneously realize a reduction in NOx and a reduction in PM due to the introduction of the exhaust gas recirculation means.
  • the injection timing of the main injection is after the peak of the heat release rate generated by the preceding injection and before the top dead center of the compression stroke. do.
  • the injector starts the main injection after the peak of the heat release rate generated by the preceding injection and before the top dead center of the compression stroke. Therefore, it is possible to ensure a longer premixing period of the main injection. As a result, the diesel engine according to the present invention can more reliably reduce NOx and PM at the same time by introducing the exhaust gas recirculation means.
  • the timing at which the mixture of the fuel and the air injected in the main injection is ignited is preferably after the top dead center of the compression stroke.
  • the timing at which the mixture of fuel and air injected in the main injection ignites is after the top dead center of the compression stroke. Therefore, it is possible to ensure a longer premixing period of the main injection. As a result, the diesel engine according to the present invention can more reliably reduce NOx and PM at the same time by introducing the exhaust gas recirculation means.
  • the injection timing of the preceding injection is a timing when the crank angle is 60° or more and 120° or less before the top dead center of the compression stroke.
  • the injection timing of the preceding injection is the timing when the crank angle is 60° or more and 120° or less before the top dead center of the compression stroke. That is, the control device sets the timing at which the crank angle is 60° or more and 120° or less before the top dead center of the compression stroke as the injection timing of the preceding injection. Therefore, the control device can ensure a sufficient premixing period from the start of the pre-injection to the ignition of the mixture of the fuel and air injected in the pre-injection. and air to create a homogeneous and lean premixture in the subcombustion chamber.
  • the diesel engine according to the present invention can more reliably reduce NOx and PM at the same time by introducing the exhaust gas recirculation means.
  • the injection timing of the preceding injection is a timing when the crank angle is 80° or more and 120° or less before the top dead center of the compression stroke.
  • the injection timing of the preceding injection is the timing when the crank angle is 80° or more and 120° or less before the top dead center of the compression stroke. That is, the control device sets the timing at which the crank angle is 80° or more and 120° or less before the top dead center of the compression stroke as the injection timing of the preceding injection. Therefore, the control device can ensure a sufficient premixing period from the start of the pre-injection to the ignition of the mixture of the fuel and air injected in the pre-injection. and air to create a homogeneous and lean premixture in the subcombustion chamber.
  • the diesel engine according to the present invention can more reliably reduce NOx and PM at the same time by introducing the exhaust gas recirculation means.
  • the diesel engine according to the present invention is preferably characterized in that the control device executes the preceding injection only once prior to the main injection.
  • the piston is injected by the pre-injection before reaching the top dead center of the compression stroke.
  • a homogeneous and lean premixed gas can be generated in the sub-combustion chamber by the combined fuel and air.
  • the diesel engine according to the present invention is preferably characterized in that the preceding injection is pilot injection.
  • the control device suppresses the peak of the heat release rate when the fuel injected by the pilot injection burns by realizing the combustion by the pilot injection as the PCCI combustion, and the indicated thermal efficiency aggravation can be suppressed.
  • unburned fuel is suppressed from being discharged as PM, and PM can be further reduced.
  • FIG. 4 is a graph illustrating the relationship between crank angle and heat release rate; 7 is a graph showing an example of study results comparing the presence or absence of pilot injection; 7 is a graph showing an example of study results comparing pilot injection timings; FIG. 10 is an enlarged graph obtained by enlarging the range in which the crank angle is 10° or more before top dead center and 10° or less after top dead center in the graph shown in FIG. 9 ; FIG. 4 is a graph showing an example of the relationship between the crank angle of the pilot injection timing and soot (PM) and NOx;
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a diesel engine according to an embodiment of the invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the vicinity of the main combustion chamber and the auxiliary combustion chamber of the diesel engine according to this embodiment.
  • the diesel engine 1 is an internal combustion engine, such as an industrial diesel engine.
  • the diesel engine 1 is, for example, a vertical in-line multi-cylinder engine such as a supercharged, high-output four-cylinder engine with a turbocharger.
  • the diesel engine 1 is mounted, for example, on vehicles such as construction machinery, agricultural machinery, and lawn mowers.
  • the number of cylinders is not particularly limited, and may be three or less, or may be five or more.
  • the diesel engine 1 includes a cylinder head 2, an intake manifold (intake manifold) 3, an exhaust manifold (exhaust manifold) 4, a turbocharger 5, an EGR (Exhaust Gas Recirculation) valve 63, and an EGR cooling 62 , EGR gas path 23 , and ECU (Electronic Control Unit) 100 .
  • the ECU 100 of this embodiment is an example of the "control device" of the present invention.
  • the EGR valve 63, the EGR cooler 62, and the EGR gas path 23 of this embodiment are included in the "exhaust gas recirculation means" of the present invention. Note that the diesel engine 1 does not necessarily have to include the turbocharger 5 .
  • the diesel engine 1 shown in FIG. 1 is, for example, a vertical in-line multi-cylinder engine having four cylinders 11 .
  • the intake manifold 3 has a main pipe 35 having a starting end 351 into which intake air (intake air) AR flows, and branch pipes 31 branching from the main pipe 35 .
  • the intake air AR of this embodiment is an example of the "air" of the present invention.
  • the longitudinal direction of the main pipe 35 is along the direction in which the plurality of cylinders 11 are arranged, that is, along the direction in which the crankshaft extends.
  • a branch pipe 31 of the intake manifold 3 is connected to the cylinder 11 .
  • An injector 15 is provided in the combustion chamber of the cylinder 11 .
  • Injector 15 is connected to common rail 16 .
  • Fuel in a fuel tank (not shown) is sent to the common rail 16 by the operation of a fuel pump.
  • the common rail 16 accumulates the pressure of fuel sent from the fuel pump under the control of the ECU 100 .
  • the fuel pressure-accumulated in the common rail 16 is injected from the injector 15 into the combustion chamber. Details of this will be described later.
  • the turbocharger 5 has a blower 5B and a turbine 5T, and supercharges the intake air AR sent to the intake manifold 3.
  • Blower 5B is connected to intake pipe 20 and intake passage 21 .
  • the intake passage 21 is connected to an inlet flange 22 of the intake manifold 3 .
  • the turbine 5T is connected to the exhaust passage 4B.
  • the starting end 23M of the EGR gas path 23 is connected to the exhaust manifold 4.
  • the starting end 23M of the EGR gas path 23 may be connected to the exhaust passage 4B between the exhaust manifold 4 and the turbine 5T.
  • a terminal portion 23N of the EGR gas path 23 is connected to the inlet flange 22 .
  • An EGR valve 63 and an EGR cooler 62 are provided in the EGR gas path 23 .
  • the EGR cooler 62 cools the exhaust recirculated gas ECG flowing through the EGR gas path 23 .
  • the ECU 100 controls the operations of the EGR valve 63, the common rail 16, and the like. As shown in FIG. 1, an ECU 100 is supplied with a detection signal relating to the degree of opening of the accelerator, a detection signal relating to the engine speed, and a detection signal relating to the crank angle. The amount of intake AR supplied to the inlet flange 22 of the intake manifold 3 is controlled by a command from the ECU 100 based on the accelerator opening. The EGR valve 63 adjusts the supply amount of the exhaust recirculated gas ECG supplied from the exhaust manifold 4 to the inlet flange 22 of the intake manifold 3 according to a command from the ECU 100 .
  • the ECU 100 also controls the injection timing and injection amount of fuel injected from the injector 15 .
  • the ECU 100 controls the fuel injection timing and injection amount using a preset governor map based on a detection signal regarding the accelerator opening and a detection signal regarding the engine speed.
  • the injection amount of fuel is controlled by, for example, the energization period of the injector 15 .
  • the diesel engine 1 is a so-called pre-combustion chamber type diesel engine, and has a main combustion chamber 12 and a sub-combustion chamber 13 .
  • the diesel engine 1 has a cylinder block 7 .
  • a cylinder (cylinder) 11 is provided inside the cylinder block 7 .
  • the piston 71 is arranged inside the cylinder 11 and can reciprocate along the central axis P of the cylinder.
  • the main combustion chamber 12 is formed above the cylinder 11 .
  • the cylinder head 2 is assembled on the cylinder block 7.
  • the secondary combustion chamber 13 is formed inside the cylinder head 2 .
  • the auxiliary combustion chamber 13 is also called an auxiliary chamber, a vortex chamber, or a vortex chamber.
  • the main combustion chamber 12 is connected to the auxiliary combustion chamber 13 via a mouthpiece 50.
  • the mouthpiece 50 has a nozzle hole 40 through which the combustion airflow G passes.
  • the main combustion chamber 12 communicates with the sub-combustion chamber 13 through the injection port 40 of the mouthpiece 50 .
  • the injection port 40 is provided at a location eccentric to the main combustion chamber 12 .
  • the nozzle hole 40 is formed obliquely downward along the substantially tangential direction of the inner peripheral surface of the sub-combustion chamber 13 .
  • the injector 15 is attached to the cylinder head 2.
  • the injection part 151 of the injector 15 is provided to face the interior of the sub-combustion chamber 13 and is exposed to the internal space of the sub-combustion chamber 13 obliquely downward from above.
  • the injector 15 injects fuel into the sub-combustion chamber 13 based on the control signal regarding the injection timing and injection amount transmitted from the ECU 100 .
  • FIG. 3 to 6 are schematic diagrams for explaining the fuel injection control executed by the ECU of the present embodiment.
  • FIG. 7 is a graph illustrating the relationship between crank angle and heat release rate.
  • 3 and 4 are schematic diagrams showing the compression stroke of the diesel engine according to this embodiment.
  • 5 and 6 are schematic diagrams showing the combustion stroke of the diesel engine according to this embodiment.
  • the ECU 100 of this embodiment controls the injector 15 to perform multi-stage injection in which the fuel injection is divided into a plurality of times during one cycle. Specifically, the ECU 100 performs a main injection and a pilot injection in which an injection amount of fuel smaller than that of the main injection is injected prior to the main injection during one cycle.
  • the pilot injection of this embodiment is an example of the "advance injection" of the present invention. Note that the "advance injection" in the present invention is not limited to pilot injection, and may be pre-injection, or may include both pilot injection and pre-injection. In the following description, the case where the preceding injection is the pilot injection will be taken as an example.
  • the ECU 100 controls the injection timing and injection amount of the pilot injection and injects the fuel 81 into the auxiliary combustion chamber 13.
  • the ECU 100 of the present embodiment ensures a premixing period of the pilot injection from the start of the pilot injection to the ignition of the air-fuel mixture of the fuel 81 injected by the pilot injection and the intake air AR.
  • a control is executed to generate a homogeneous and lean premixture in the auxiliary combustion chamber 13 with the fuel 81 injected by the injection and the intake air AR.
  • the term "premixing period” refers to the period from the start of fuel injection until the mixture of fuel and intake air (intake air) is ignited.
  • the ECU 100 sets the timing at which the crank angle is 60° or more and 120° or less before the top dead center of the compression stroke as the injection timing of the pilot injection. are doing. That is, the injection timing of the pilot injection is the timing when the crank angle is 60° or more and 120° or less before the top dead center of the compression stroke. More preferably, the ECU 100 sets the injection timing of the pilot injection to a timing when the crank angle is 80° or more and 120° or less before the top dead center of the compression stroke. That is, more preferably, the injection timing of the pilot injection is a timing when the crank angle is 80° or more and 120° or less before the top dead center of the compression stroke.
  • the piston 71 exists below the cylinder 11 when the pilot injection is performed. Also, the ECU 100 sets the injection amount of the pilot injection to the smallest possible amount. In this embodiment, the injection amount of the pilot injection is set to the lower limit injection amount of the injector 15, for example, 30% or less of the injection amount of the main injection.
  • the piston 71 further rises toward the top dead center of the compression stroke.
  • the intake air AR of the main combustion chamber 12 passes through the injection port 40 and flows into the auxiliary combustion chamber 13 .
  • a vortex that is stronger than the air flow generated in the combustion chamber of a direct injection diesel engine is generated in the sub-combustion chamber 13 .
  • the fuel 81 injected into the sub-combustion chamber 13 by the pilot injection and the intake air AR flowing into the sub-combustion chamber 13 mix with each other due to the swirl generated in the sub-combustion chamber 13 .
  • the piston 71 has not reached the top dead center of the compression stroke, and is in the lower or intermediate portion of the cylinder 11. Therefore, the temperature and pressure of the air-fuel mixture formed in the sub-combustion chamber 13 have not risen as high as the temperature and pressure at which the air-fuel mixture ignites. As a result, the fuel 81 injected into the auxiliary combustion chamber 13 by the pilot injection does not burn until the piston 71 reaches the vicinity of the top dead center of the compression stroke (for example, about 10 degrees before the top dead center). It is premixed with the intake air AR that has flowed into the chamber 13 .
  • the fuel 81 injected into the auxiliary combustion chamber 13 by pilot injection over a long period of time until the piston 71 reaches the vicinity of the top dead center of the compression stroke (for example, about 10 degrees before the top dead center). is premixed with the intake air AR that has flowed into the Since a relatively large amount of intake air AR exists in the sub-combustion chamber 13 with respect to the small amount of fuel 81 injected in the pilot injection, a homogeneous and lean pre-mixture is generated in the sub-combustion chamber 13 .
  • the ECU 100 of the present embodiment ensures the premixing period of the pilot injection from the start of the pilot injection until the mixture of the fuel 81 injected by the pilot injection and the intake AR ignites. , control is executed to generate a homogeneous and lean premixture in the auxiliary combustion chamber 13 by the fuel 81 injected by the pilot injection and the intake air AR.
  • the main injection is started after the peak of the heat release rate generated by the pilot injection and before the top dead center of the compression stroke. That is, the ECU 100 sets the injection timing of the main injection to the timing after the peak of the heat release rate generated by the pilot injection and before the top dead center of the compression stroke.
  • the main injection is started 2° before the top dead center of the compression stroke (see FIG. 10). After the top dead center of the compression stroke, ignition of the main injection is started.
  • the flame 82 generated in the auxiliary combustion chamber 13 flows into the main combustion chamber 12. Then, the flame 82 flowing into the main combustion chamber 12 takes in the intake air AR present in the main combustion chamber 12 . Diffusion combustion thereby occurs in the main combustion chamber 12 .
  • the pre-chamber type diesel engine 1 has a longer combustion period than the direct injection type diesel engine. Therefore, generation of unburned substances such as HC (hydrocarbon) and CO (carbon monoxide) can be suppressed.
  • a direct-injection diesel engine if the timing at which the crank angle is 60° or more and 120° or less or 80° or more and 120° or less before the top dead center of the compression stroke is set as the injection timing of the pilot injection, the pilot When the injection is executed, the air flow as strong as that generated in the auxiliary combustion chamber 13 of the auxiliary diesel engine 1 is not generated in the combustion chamber of the direct injection diesel engine. Therefore, the fuel injected into the combustion chamber from the injector may adhere to the inner wall surface of the cylinder. Then, the air-fuel mixture burns in a state in which the fuel and the intake air are not sufficiently mixed. That is, simultaneous multi-point ignition occurs by main injection. If so, it may not be possible to suppress the generation of unburned substances such as HC (hydrocarbon) and CO (carbon monoxide).
  • HC hydrocarbon
  • CO carbon monoxide
  • the pilot injection is performed at the timing when the crank angle is 60° or more and 120° or less or 80° or more and 120° or less before the top dead center of the compression stroke.
  • the pilot injection is executed, a vortex stronger than the air flow generated in the combustion chamber of the direct injection diesel engine is generated in the auxiliary combustion chamber 13. Therefore, it is possible to prevent the fuel 81 injected from the injector 15 into the sub-combustion chamber 13 from adhering to the inner wall surface of the sub-combustion chamber 13 .
  • the fuel 81 injected into the sub-combustion chamber 13 by the pilot injection and the intake air AR flowing into the sub-combustion chamber 13 can be sufficiently mixed with each other due to the swirl generated in the sub-combustion chamber 13 . Therefore, generation of unburned substances such as HC (hydrocarbon) and CO (carbon monoxide) can be suppressed.
  • FIG. 8 is a graph showing an example of the study results comparing the presence and absence of pilot injection.
  • FIG. 9 is a graph showing an example of the study results comparing the pilot injection timings.
  • FIG. 10 is an enlarged graph obtained by enlarging the range in which the crank angle is 10° or more before top dead center and 10° or less after top dead center in the graph shown in FIG. 9 .
  • FIG. 11 is a graph showing an example of the relationship between the crank angle of the pilot injection timing and Soot (PM) and NOx.
  • the unit "deg ATDC” of the crank angle shown in Figs. 8 to 11 means the angle (°: degree) after top dead center (After Top Dead Center) of the compression stroke. That is, “-10 (deg ATDC)” means that the crank angle is 10° before the top dead center of the compression stroke. “10 (deg ATDC)” means that the crank angle is 10° after the top dead center of the compression stroke.
  • NOx can be reduced by introducing EGR.
  • EGR oxygen concentration of the air taken into the cylinder becomes lower than when EGR is not introduced, so fuel may be difficult to ignite or misfire may occur.
  • the ECU 100 of the present embodiment controls the pilot injection from the start of the pilot injection until the mixture of the fuel 81 injected by the pilot injection and the intake air AR is ignited.
  • control is executed to generate a homogeneous and lean premixed gas in the auxiliary combustion chamber 13 with the fuel 81 injected by the pilot injection and the intake air AR.
  • the ECU 100 sets the injection amount of the pilot injection to the smallest possible amount, and sets the injection timing of the pilot injection to the timing when the crank angle is 60° or more and 120° or less before the top dead center of the compression stroke. are doing. More preferably, the ECU 100 sets the timing at which the crank angle is 80° or more and 120° or less before the top dead center of the compression stroke as the injection timing of the pilot injection.
  • the premixing period of the pilot injection is the timing when the crank angle is 60 degrees before the top dead center of the compression stroke. It is longer than the premixing period of the pilot injection when it is set as the injection timing of the injection. That is, the ECU 100 can sufficiently secure the premixing period of the pilot injection by advancing the injection timing of the pilot injection to an extent that a homogeneous and lean premixed gas can be generated in the sub-combustion chamber 13. . Therefore, as shown in the graphs of FIGS.
  • the pilot injection combustion that occurs after about 10° before the top dead center of the compression stroke can be realized as PCCI combustion.
  • PCCI combustion As a result, it is possible to suppress the increase in the in-cylinder pressure and the in-cylinder temperature when the fuel 81 injected by the pilot injection is combusted, and to suppress the peak of the heat release rate generated by the pilot injection.
  • the ECU 100 executes control to ensure a premixing period of the main injection from when the main injection is started until the mixture of the fuel 81 injected by the main injection and the intake air AR is ignited.
  • the premixing period can also be lengthened. For example, as shown in the graph of FIG. 10, when the timing at which the crank angle is 100° before the top dead center of the compression stroke is set as the injection timing of the pilot injection, the ignition of the main injection The timing of 60° before top dead center is later than the ignition of the main injection when the injection timing of the pilot injection is set.
  • the premixing period of the main injection when the timing at which the crank angle is 100 degrees before the top dead center of the compression stroke is set as the injection timing of the pilot injection is 60 degrees before the top dead center of the compression stroke.
  • a certain timing is longer than the premixing period of the main injection when the injection timing of the pilot injection is set.
  • the ECU 100 can extend the premixing period of the main injection by making the injection timing of the pilot injection very early to the extent that a homogeneous and lean premixed gas can be generated in the sub-combustion chamber 13. . Therefore, the air-fuel mixture is combusted after the fuel 81 injected in the main injection and the intake air AR are sufficiently mixed.
  • the injection timing of the pilot injection is advanced to such an extent that the ECU 100 can generate a homogeneous and lean pre-mixture in the sub-combustion chamber 13, so that, for example, as shown in the graph shown in FIG.
  • the amount of particulate matter (PM) such as soot generated when the timing of 100° before the top dead center of the compression stroke is set as the injection timing of the pilot injection is The amount of PM generated is less than when the timing of 60° forward is set as the injection timing of the pilot injection.
  • the ECU 100 super-earns the injection timing of the pilot injection to the extent that a homogeneous and lean premixed gas can be generated in the sub-combustion chamber 13, thereby generating particulate matter (PM) such as soot. You can reduce the amount.
  • PM particulate matter
  • the injector In a direct-injection diesel engine, if the timing at which the crank angle is 60° or more and 120° or less or 80° or more and 120° or less before the top dead center of the compression stroke is set as the injection timing of the pilot injection, the injector The fuel injected into the combustion chamber from the cylinder may adhere to the inner wall surface of the cylinder. Then, the air-fuel mixture burns in a state in which the fuel and the intake air are not sufficiently mixed. That is, simultaneous multi-point ignition occurs by main injection. If so, it may not be possible to suppress the generation of unburned substances such as HC (hydrocarbon) and CO (carbon monoxide).
  • HC hydrocarbon
  • CO carbon monoxide
  • the ECU 100 controls the injection timing of the main injection and the pilot injection that is executed prior to the main injection, and the pilot injection is performed after the pilot injection is started.
  • the pilot injection is performed after the pilot injection is started.
  • the premixing period of the pilot injection until the mixture of the fuel 81 injected by the injection and the intake air AR ignites, a homogeneous and lean premixture is produced by the fuel 81 injected by the pilot injection and the intake air AR. is generated in the sub-combustion chamber 13.
  • the ECU 100 advances the injection timing of the pilot injection to an extent that a homogeneous and lean premixed gas can be generated in the sub-combustion chamber 13, so that the pilot injection is injected after the pilot injection is started.
  • a premixing period is ensured until the air-fuel mixture of the fuel 81 and the intake air AR ignites. Therefore, combustion by pilot injection can be realized as PCCI combustion. Therefore, it is possible to suppress the increase in the in-cylinder pressure and the in-cylinder temperature when the fuel 81 injected by the pilot injection is burned, and to suppress the peak of the heat release rate generated by the pilot injection.
  • the ECU 100 executes control to ensure a premixing period of the main injection from when the main injection is started until the mixture of the fuel 81 injected by the main injection and the intake air AR is ignited.
  • the premixing period can also be lengthened. Therefore, generation of PM can be suppressed.
  • the diesel engine 1 according to the present embodiment can simultaneously realize a reduction in NOx and a reduction in PM due to the introduction of EGR.
  • the injection timing of the main injection is after the peak of the heat release rate generated by the pilot injection and before the top dead center of the compression stroke. That is, the ECU 100 sets the injection timing of the main injection to the timing after the peak of the heat release rate generated by the pilot injection and before the top dead center of the compression stroke. Therefore, it is possible to ensure a longer premixing period of the main injection. As a result, the diesel engine 1 according to the present embodiment can more reliably reduce NOx and PM by introducing EGR at the same time.
  • the timing at which the mixture of the fuel 81 injected in the main injection and the intake AR ignites is after the top dead center of the compression stroke. Therefore, it is possible to ensure a longer premixing period of the main injection. As a result, the diesel engine 1 according to the present embodiment can more reliably reduce NOx and PM by introducing EGR at the same time.
  • the injection timing of the pilot injection is the timing when the crank angle is 60° or more and 120° or less before the top dead center of the compression stroke. That is, the ECU 100 sets the injection timing of the pilot injection to the timing when the crank angle is 60° or more and 120° or less before the top dead center of the compression stroke. More preferably, the injection timing of the pilot injection is a timing when the crank angle is 80° or more and 120° or less before the top dead center of the compression stroke. That is, more preferably, the ECU 100 sets the injection timing of the pilot injection to a timing when the crank angle is 80° or more and 120° or less before the top dead center of the compression stroke.
  • the ECU 100 can ensure a sufficient premixing period from when the pilot injection is started until the mixture of the fuel 81 injected by the pilot injection and the intake air AR is ignited. Control can be executed to generate a homogeneous and lean premixture in the auxiliary combustion chamber 13 with the fuel 81 and the intake air AR. Therefore, the combustion by the pilot injection can be more reliably realized as the PCCI combustion, and the increase in the in-cylinder pressure and the in-cylinder temperature can be further suppressed. As a result, the diesel engine 1 according to the present embodiment can more reliably reduce NOx and PM by introducing EGR at the same time.
  • the ECU 100 may execute the pilot injection only once before the main injection. Even in this case, the fuel 81 injected by the pilot injection and the intake air AR form a homogeneous and lean premixed gas in the auxiliary combustion chamber 13 until the piston 71 reaches the top dead center of the compression stroke. can do.
  • the ECU 100 realizes the combustion by pilot injection as PCCI combustion, thereby suppressing the peak of the heat release rate when the fuel 81 injected by pilot injection is burned, and suppressing deterioration of the indicated thermal efficiency. As a result, unburned fuel is suppressed from being discharged as PM, and PM can be further reduced.

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Abstract

【課題】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。 【解決手段】ディーゼルエンジン１は、副燃焼室１３に臨んで設けられ副燃焼室１３に燃料を噴射するインジェクタ１５と、インジェクタ１５から噴射される燃料８１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、を備える。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８１と空気ＡＲ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８１と空気ＡＲとにより均質で希薄な予混合気を副燃焼室１３において生成し、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と空気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する。

Description

ディーゼルエンジン
　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 (7)

  1. 　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ディーゼルエンジン。
  2. 　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請求項１に記載のディーゼルエンジン。
  3. 　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請求項２に記載のディーゼルエンジン。
  4. 　前記先行噴射の前記噴射時期は、クランク角度が前記圧縮行程の前記上死点前６０°以上、１２０°以下である時期であることを特徴とする請求項２または３に記載のディーゼルエンジン。
  5. 　前記先行噴射の前記噴射時期は、クランク角度が前記圧縮行程の前記上死点前８０°以上、１２０°以下である時期であることを特徴とする請求項２または３に記載のディーゼルエンジン。
  6. 　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１～５のいずれか１項に記載のディーゼルエンジン。
  7. 　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１～６のいずれか１項に記載のディーゼルエンジン。
     
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