JP5031794B2

JP5031794B2 - 圧縮着火式内燃機関及びその未燃ｈｃ低減方法

Info

Publication number: JP5031794B2
Application number: JP2009125650A
Authority: JP
Inventors: 孝之冬頭; 和久稲垣; 準一水田; 謹河合; 裕史葛山; 剛橋詰; 暁生川口
Original assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2009-05-25
Filing date: 2009-05-25
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2029-05-25
Also published as: JP2010270737A

Description

本発明は、圧縮着火式内燃機関及びその未燃ＨＣ低減方法に関し、特に、シリンダ内に面するピストン頂面にキャビティが形成された圧縮着火式内燃機関、及びこの圧縮着火式内燃機関にて用いられる未燃ＨＣの低減方法に関する。

この種の圧縮着火式内燃機関の関連技術が下記特許文献１に開示されている。特許文献１においては、噴孔径が０．１ｍｍ以下の小径の噴孔を多数有する燃料噴射弁をシリンダヘッド内壁面上に配置し、圧縮上死点前６０度から圧縮上死点までの間に、これら噴孔から燃料をシリンダ内に噴射することによって、シリンダ内の燃焼場における当量比をＣＯおよび煤が生成されないように０〜１．２の範囲にするとともに、燃焼場における燃焼ガス温度をＮＯｘおよびＨＣが生成されないように１２００Ｋ〜２０００Ｋの範囲にしている。

また、圧縮着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）において、ＮＯｘ及び煤の低減を図るために、シリンダ内に形成した燃料と吸気との予混合気を自着火させる予混合圧縮着火燃焼（ＰＣＣＩ燃焼）が行われる。予混合圧縮着火燃焼を行う場合は、ＥＧＲにより吸気側へ供給するＥＧＲガス量（ＥＧＲ率）を拡散燃焼（通常燃焼）を行う場合よりも増大させる。

また、圧縮着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）において、拡散燃焼を行う場合に煤の低減を図るために、例えば図１５に示すように、圧縮上死点付近にてメイン噴射を行った後にアフター噴射が行われる（例えば下記非特許文献１）。図１６Ａ，１６Ｂに示すように、圧縮上死点後（アフター噴射後、例えば圧縮上死点後２０°程度）においては、スキッシュエリア２２（ピストン１２の頂面１２ａにおけるキャビティ部１２ｂより外周側の部分とシリンダヘッド９の下面との間）に、アフター噴射で噴射された燃料により火炎（輝炎）５５が形成される。この輝炎５５により、スキッシュエリア２２に発生する煤５６の低減を図っている。

特開２００８−１６３９１８号公報

Yoshihiro Hotta他,"Achieving Lower Exhaust Emissions and Better Performance in an HSDI Diesel Engine with Multiple Injection",SAE Paper 2005-01-0928,Society of Automotive Engineers

特許文献１においては、多数の小径の噴孔から貫徹力の弱い燃料噴霧をシリンダ内に噴射することで、噴孔から噴射された燃料噴霧が燃焼室（キャビティ）を形成する壁面に到着して付着するのを抑えている。しかし、例えば燃料噴射量が多いとき等、エンジン運転条件によっては、燃料が燃焼室壁面に到着して付着する場合がある。燃料が燃焼室壁面に付着すると、自着火時期には壁面近傍に濃い混合気が形成される。壁面近傍の領域は壁面への熱伝達によって温度が燃焼室内部よりも低下するため失火しやすく、燃焼終了後に壁面近傍に多くの未燃燃料が存在し、未燃ＨＣ（炭化水素）が増加する原因となる。

本発明は、予混合圧縮着火燃焼を行う場合に未燃ＨＣを低減することができる圧縮着火式内燃機関及びその未燃ＨＣ低減方法を提供することを目的とする。

本発明に係る圧縮着火式内燃機関及びその未燃ＨＣ低減方法は、上述した目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明に係る圧縮着火式内燃機関は、シリンダ内に面するピストン頂面にキャビティが形成され、拡散燃焼用の燃料噴射モードと予混合圧縮着火燃焼用の燃料噴射モードとのいずれかを選択的に実行する圧縮着火式内燃機関であって、予混合圧縮着火燃焼用の燃料噴射モードは、圧縮行程にて燃料をピストン頂面の外周部、キャビティのリップ部、及びキャビティの周壁面のいずれかへ向けて噴射するメイン噴射と、メイン噴射後に圧縮上死点より前にてメイン噴射より少量の燃料をキャビティの周壁面へ向けて噴射するスイーパー噴射とを行うことで、メイン噴射で噴射された燃料によりシリンダ内に予混合気を形成して自着火させ、スイーパー噴射で噴射された燃料によりキャビティの少なくともリップ部内側にリング状の輝炎を形成するスイーパー噴射モードを含むことを要旨とする。

本発明の一態様では、予混合圧縮着火燃焼用の燃料噴射モードは、前記スイーパー噴射モードの他に、前記スイーパー噴射を行うことなく、吸気行程と圧縮行程のいずれかにて燃料をシリンダ内に噴射することで、シリンダ内に予混合気を形成して自着火させる通常噴射モードをさらに含むことが好適である。この態様では、予混合圧縮着火燃焼用の燃料噴射モードを実行する場合には、エンジン負荷に基づいて前記スイーパー噴射モードと前記通常噴射モードのいずれを実行するかを決定することが好適である。

本発明の一態様では、エンジン負荷に基づいて拡散燃焼用の燃料噴射モードと予混合圧縮着火燃焼用の燃料噴射モードとのいずれを実行するかを決定することが好適である。この態様では、予混合圧縮着火燃焼用の燃料噴射モードを実行する場合は、拡散燃焼用の燃料噴射モードを実行する場合よりもＥＧＲ率を増大させることが好適である。

本発明の一態様では、スイーパー噴射モードにおいては、スイーパー噴射による燃料噴射時期を圧縮上死点前８°〜圧縮上死点前３°の間に設定することが好適である。

また、本発明に係る圧縮着火式内燃機関の未燃ＨＣ低減方法は、シリンダ内に面するピストン頂面にキャビティが形成された圧縮着火式内燃機関の未燃ＨＣ低減方法であって、予混合圧縮着火燃焼を行う場合に、圧縮行程にて燃料をピストン頂面の外周部、キャビティのリップ部、及びキャビティの周壁面のいずれかへ向けて噴射するメイン噴射と、メイン噴射後に圧縮上死点より前にてメイン噴射より少量の燃料をキャビティの周壁面へ向けて噴射するスイーパー噴射とを行うことで、メイン噴射で噴射された燃料によりシリンダ内に予混合気を形成して自着火させ、スイーパー噴射で噴射された燃料によりキャビティの少なくともリップ部内側にリング状の輝炎を形成して未燃ＨＣを酸化させることを要旨とする。

本発明の一態様では、エンジン負荷に基づいて拡散燃焼と予混合圧縮着火燃焼とのいずれを実行するかを決定することが好適である。この態様では、予混合圧縮着火燃焼を行う場合は、拡散燃焼を行う場合よりもＥＧＲ率を増大させることが好適である。

本発明の一態様では、スイーパー噴射による燃料噴射時期を圧縮上死点前８°〜圧縮上死点前３°の間に設定することが好適である。

本発明によれば、予混合圧縮着火燃焼を行う場合に、スイーパー噴射で噴射された燃料によりキャビティの少なくともリップ部内側にリング状の輝炎を形成することで、キャビティからスキッシュエリアへ流出する未燃ＨＣをキャビティの少なくともリップ部内側に形成されたリング状の輝炎により酸化させることができる。その結果、予混合圧縮着火燃焼を行う場合に、未燃ＨＣを低減することができる。

本発明の実施形態に係る圧縮着火式内燃機関の概略構成を示す図である。本発明の実施形態に係る圧縮着火式内燃機関の概略構成を示す図である。本発明の実施形態に係る圧縮着火式内燃機関の概略構成を示す図である。本発明の実施形態に係る圧縮着火式内燃機関の燃料噴射モードを選択する条件の一例を説明する図である。予混合圧縮着火燃焼用の燃料噴射モードを実行する場合におけるＥＧＲ率の一例を説明する図である。拡散燃焼用の燃料噴射モードを説明する図である。予混合圧縮着火燃焼用の燃料噴射モードを説明する図である。予混合圧縮着火燃焼用の燃料噴射モードを説明する図である。予混合圧縮着火燃焼用の燃料噴射モードを説明する図である。予混合圧縮着火燃焼用の燃料噴射モードを説明する図である。予混合圧縮着火燃焼用の燃料噴射モードを説明する図である。スイーパー噴射モードを行った場合の熱発生率を実験により調べた結果を示す図である。排気中のＴＨＣ濃度を実験により調べた結果を示す図である。スイーパー噴射時期を変化させた場合における排気中のＴＨＣ濃度を実験により調べた結果を示す図である。スイーパー噴射量と未燃ＨＣ・スモークとの関係を示す図である。スワール比の計測方法を説明する図である。スワール比の計測方法を説明する図である。拡散燃焼を行う場合におけるメイン噴射とアフター噴射の噴射時期の一例を示す図である。拡散燃焼を行う場合にアフター噴射で噴射された燃料によりスキッシュエリアに形成される輝炎の一例を説明する図である。拡散燃焼を行う場合にアフター噴射で噴射された燃料によりスキッシュエリアに形成される輝炎の一例を説明する図である。

以下、本発明を実施するための形態（以下実施形態という）を図面に従って説明する。

図１〜３は、本発明の実施形態に係る圧縮着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）１０の概略構成を示す図である。図１は全体構成の概略を示し、図２はシリンダ１１内の概略構成を示し、図３はシリンダ１１内に臨むインジェクタ（燃料噴射弁）１３の先端部の概略構成を示す。図１，２では、１気筒分の構成を示しているが、多気筒の場合も同様の構成である。圧縮着火式内燃機関１０は、例えばピストン−クランク機構を用いたディーゼルエンジンにより構成可能である。圧縮着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）１０では、吸気行程にて吸気ポート１４からシリンダ１１内に吸気（空気）が吸入され、圧縮行程にてシリンダ１１内に吸入された吸気がピストン１２により圧縮される。ここでは、シリンダ１１内への吸気を図示しないターボチャージャー等の過給器で加圧することもできる。そして、例えばピストン１２が圧縮上死点付近に位置するときに燃料（例えば軽油等の液体燃料）をインジェクタ１３からシリンダ１１内に直接噴射することで、シリンダ１１内の燃料が自着火して燃焼（ディーゼル燃焼）する。燃焼後の排出ガスは、排気行程にて排気ポート１５へ排出される。圧縮着火式内燃機関１０においては、排気ポート１５と吸気ポート１４とを繋ぐ還流通路１６が設けられており、燃焼後の排出ガスの一部が還流通路１６を通って吸気ポート１４（吸気側）へＥＧＲガスとして供給される排気再循環（ＥＧＲ）が行われる。還流通路１６にはＥＧＲ制御弁１７が設けられており、ＥＧＲ制御弁１７の開度を制御することで、排気ポート１５から吸気ポート１４への排出ガス（ＥＧＲガス）の還流量が制御され、吸気側へ供給され筒内に吸入されるＥＧＲガス量（ＥＧＲ率）が制御される。

圧縮着火式内燃機関１０では、圧縮上死点付近にて燃料をシリンダ１１内に直接噴射することでシリンダ１１内の燃料を自着火させる通常のディーゼル燃焼（拡散燃焼）用の燃料噴射モードだけでなく、シリンダ１１内に形成した燃料と吸気（空気）との予混合気を自着火させる予混合圧縮着火燃焼（ＰＣＣＩ燃焼）用の燃料噴射モードを実行することもできる。この予混合圧縮着火燃焼を行うことで、黒煙の発生の抑制を図ることができる。予混合圧縮着火燃焼用の燃料噴射モードを実行する際には、吸気行程と圧縮行程のいずれかにて燃料をインジェクタ１３からシリンダ１１内に直接噴射することで燃料と吸気との予混合気をシリンダ１１内に形成し、シリンダ１１内の予混合気をピストン１２により圧縮して自着火させる。予混合圧縮着火燃焼用の燃料噴射モードを実行する場合は、ＥＧＲにより吸気側へ供給するＥＧＲガス量（ＥＧＲ率）を拡散燃焼（通常燃焼）用の燃料噴射モードを実行する場合よりも増大させることが好ましい。空気（新気）に比べて熱容量の大きいＥＧＲガスを吸気中に多量に混在させ、予混合気中の燃料及び酸素の濃度を低下させることで、自着火遅れ時間を延長して予混合気の自着火タイミングを圧縮上死点近傍に制御することができる。しかも、その予混合気中では、燃料及び酸素の周囲に不活性なＥＧＲガスが略均一に分散し、これが燃焼熱を吸収することになるので、窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成が大幅に抑制される。

本実施形態では、圧縮着火式内燃機関１０の燃料噴射モードとして、拡散燃焼用の燃料噴射モードと予混合圧縮着火燃焼用の燃料噴射モードとのいずれかを選択的に実行する。その際には、エンジン負荷（エンジントルク）に基づいて、拡散燃焼用の燃料噴射モードを行うか、または予混合圧縮着火燃焼用の燃料噴射モードを行うかを選択することが可能である。例えば、圧縮着火式内燃機関１０の回転数Ｎｅ及びトルクＴｅが図４Ａに示す特性線Ａを超えない領域である低中速・低中負荷領域内にある場合は、予混合圧縮着火燃焼用の燃料噴射モードを行う方を選択する。一方、圧縮着火式内燃機関１０の回転数Ｎｅ及びトルクＴｅが図４Ａに示す特性線Ａを超える領域である高速・高負荷領域内にある場合は、拡散燃焼用の燃料噴射モードを行う方を選択する。燃料噴射時期（燃料噴射開始時期）を圧縮上死点付近に制御するか圧縮行程（あるいは吸気行程）に制御するかによって、圧縮着火式内燃機関１０の燃料噴射モードとして、拡散燃焼用の燃料噴射モードと予混合圧縮着火燃焼用の燃料噴射モードとのいずれかを選択的に行うことができる。なお、予混合圧縮着火燃焼用の燃料噴射モードを行う場合は、例えば図４Ｂに示すように、エンジン回転数ＮｅやエンジントルクＴｅ（エンジン負荷）に応じてＥＧＲ率を変更することもできる。

図２に示すように、シリンダ１１内に面するピストン１２の頂面１２ａには、キャビティ部１２ｂが形成されている。図２に示す例では、キャビティ部１２ｂの形状が浅皿型の形状であり、キャビティ部１２ｂの外周部の深さがキャビティ部１２ｂの中央部の深さよりも大きく、キャビティ部１２ｂの中央部から外周部に向かうにつれてキャビティ部１２ｂの深さが徐々に増大している。インジェクタ１３は、その先端部がキャビティ部１２ｂの中央部に臨む状態でシリンダヘッド９に配置されている。ここでのインジェクタ１３は、図３に示すように、燃料がシリンダ１１内へ噴出する小径の噴孔１３ａが先端部に多数形成された小径多穴インジェクタである。多数の噴孔１３ａはインジェクタ周方向に沿って略均等に配置されており、各噴孔１３ａから燃料が放射状に噴射される。小径の噴孔１３ａを多数形成することで、予混合圧縮着火燃焼用の燃料噴射モードを行う場合に、各噴孔１３ａから貫徹力の弱い小粒径の燃料噴霧を早期に大量に噴射することができる。これによって、燃料噴霧の微粒化を促進させることができる。

一方、拡散燃焼（ディーゼル燃焼）用の燃料噴射モードを行う場合は、図５に示すように、圧縮上死点付近にてインジェクタ１３の各噴孔１３ａからキャビティ部１２ｂの内周壁面１２ｃへ向けて燃料噴霧２３が放射状に噴射される。そのためには、インジェクタ１３のノズルのコーン角（図５における噴霧軸２３ａ同士の成す角度θ）を１３０°以上且つ１６０°以下に設定することが好ましい。また、圧縮行程時（特に圧縮行程後期）には、ピストン頂面１２ａにおけるキャビティ部１２ｂより外周側の部分とシリンダヘッド９の下面との間に形成されるスキッシュエリア２２のガスがピストン１２の上死点側への移動により押し出されてキャビティ部１２ｂに流入することでスキッシュ流が発生する。スキッシュ流によりキャビティ部１２ｂに流入したガスは縦渦流を形成し、各噴孔１３ａからキャビティ部１２ｂの内周壁面１２ｃへ向けて噴射された燃料噴霧２３の流れはこの縦渦流（スキッシュ流）の影響を受ける。

予混合圧縮着火燃焼用の燃料噴射モードを行う場合に、例えばエンジン負荷が高く燃料噴射量が多くなる等、エンジン運転条件によっては、貫徹力の弱い燃料噴霧を噴射しても、必ずしも均質な混合気（空燃比）分布にはならず、燃料噴霧が燃焼室（キャビティ）を形成する壁面に到着して付着する場合がある。燃料噴霧が燃焼室壁面に付着すると、自着火時期には壁面近傍に濃い混合気が形成される。壁面近傍の領域は壁面への熱伝達によって温度が燃焼室内部よりも低下するため失火しやすく、燃焼終了後に壁面近傍に多くの未燃燃料が存在する。これが未燃ＨＣ（炭化水素）生成の主要因となる。

そこで、本実施形態では、予混合圧縮着火燃焼用の燃料噴射モードは、未燃ＨＣを酸化させて低減するためのスイーパー噴射モードを含む。以下、スイーパー噴射モードによる未燃ＨＣの低減方法について説明する。

スイーパー噴射モードを実行する場合には、例えば図６，７に示すように、シリンダ１１内に燃料と吸気（空気）との予混合気を形成して自着火させるために、まず圧縮行程にてインジェクタ１３の各噴孔１３ａから燃料噴霧３３を放射状に噴射するメイン噴射を行う。このメイン噴射では、１サイクルにおける燃料噴射量の大部分が噴射される。メイン噴射を行う際には、例えば図６に示すように、各噴孔１３ａからピストン頂面１２ａの外周部（キャビティ部１２ｂより外周側の部分）へ向けて燃料噴霧３３を放射状に噴射することで、燃料噴霧３３がシリンダボア内周壁面１１ａに衝突することによるボアフラッシュが回避される。ただし、燃料噴霧３３のシリンダボア内周壁面１１ａへの衝突を回避するために、燃料噴霧３３を各噴孔１３ａからキャビティ部１２ｂのリップ部（縁部）１２ｄへ向けて放射状に噴射することも可能であるし、燃料噴霧３３を各噴孔１３ａからキャビティ部１２ｂの内周壁面１２ｃへ向けて放射状に噴射することも可能である。燃料噴霧３３のシリンダボア内周壁面１１ａへの衝突を回避するためには、メイン噴射による燃料噴射時期（燃料噴射開始時期）を例えば圧縮上死点前約４０°以降に設定することが好ましい。図７に示す例では、メイン噴射開始時期を圧縮上死点前３０°に設定している。

次に、例えば図７，８に示すように、キャビティ部１２ｂの少なくともリップ部１２ｄ内側（リップ部１２ｄ付近）にリング状の火炎（輝炎）を形成するために、メイン噴射後に圧縮上死点より前（圧縮上死点付近）にてインジェクタ１３の各噴孔１３ａからキャビティ部１２ｂの内周壁面１２ｃへ向けて燃料噴霧４３を放射状に噴射するスイーパー噴射を行う。このスイーパー噴射では、１サイクルにおける燃料噴射量の一部が噴射される。図７に示すように、スイーパー噴射期間はメイン噴射期間より短く、スイーパー噴射による燃料噴射量はメイン噴射による燃料噴射量より少ない。スイーパー噴射による燃料噴射時期（燃料噴射開始時期）については、例えば圧縮上死点前８°〜圧縮上死点前３°の間に設定することが好ましい。図７に示す例では、スイーパー噴射開始時期を圧縮上死点前６°に設定している。なお、スイーパー噴射モードを実行する場合は、拡散燃焼用の燃料噴射モードを実行する場合よりもＥＧＲ率を増大させることが好ましい。そして、スイーパー噴射モードを行う場合は、エンジン回転数ＮｅやエンジントルクＴｅ（エンジン負荷）に応じてＥＧＲ率を変更することもできる。

スイーパー噴射モードでは、メイン噴射で噴射された燃料噴霧３３によりシリンダ１１（キャビティ部１２ｂ）内に予混合気を形成して自着火させる。ただし、燃料噴射量が多くなる等、エンジン運転条件によっては、貫徹力の弱い燃料噴霧３３を噴射しても、必ずしも均質な混合気分布にはならず、燃料噴霧３３の多くがキャビティ部１２ｂの内周壁面１２ｃ近傍に到達し、混合気の自着火時期には内周壁面１２ｃ近傍に濃い混合気が形成される。キャビティ部１２ｂの内周壁面１２ｃ近傍の領域は内周壁面１２ｃへの熱伝達によって温度が低下するため失火しやすく、図９Ｂに示すように、燃焼終了後には内周壁面１２ｃ近傍に未燃ＨＣ（未燃燃料）３５が発生しやすくなる。さらに、圧縮上死点以降（膨張行程前期）においては、ピストン１２の下死点側への移動により、キャビティ部１２ｂからスキッシュエリア２２にガスが流出する逆スキッシュ流２５が発生し、内周壁面１２ｃ近傍の未燃ＨＣ３５は、この逆スキッシュ流２５に煽られてスキッシュエリア２２へ流出しようとする。

これに対して本実施形態のスイーパー噴射モードでは、スイーパー噴射で放射状に噴射された燃料噴霧４３が圧縮上死点後に逆スキッシュ流２５に煽られることで、キャビティ部１２ｂの少なくともリップ部１２ｄ内側（リップ部１２ｄ付近）にリング状のリッチ部（火種）が形成される。そして、圧縮上死点後（例えば圧縮上死点後１０°程度）においては、キャビティ部１２ｂのリップ部１２ｄ内側の燃料噴霧４３が自着火することで、図９Ａ，９Ｂに示すように、キャビティ部１２ｂのリップ部１２ｄ内側（リップ部１２ｄ付近）にリング状の輝炎４５が形成される。このリング状の輝炎４５により、キャビティ部１２ｂからスキッシュエリア２２へ流出する未燃ＨＣ３５が酸化される。その結果、予混合圧縮着火燃焼を行う場合に、未燃ＨＣ３５を低減することができる。さらに、未燃ＨＣ３５だけでなく、ＣＯの低減も可能となる。

回転数１６００ｒｐｍ、中負荷のエンジン運転条件で、本実施形態のスイーパー噴射モード（メイン噴射及びスイーパー噴射）を行った場合の熱発生率を実験により調べた結果を図１０に示す。図１０に示す実験結果では、圧縮上死点近傍にてメイン噴射の燃料噴霧３３の自着火による熱発生がピークとなり、圧縮上死点後１０°付近にてスイーパー噴射のリング状火炎による未燃ＨＣの酸化による熱発生がピークとなる。

さらに、本実施形態では、メイン噴射量を減らせることで、同じ燃焼騒音レベルを維持しつつＥＧＲ率を下げることが可能となる。ＥＧＲ率を下げることによってメイン噴射燃料の未燃ＨＣ３５を低減し、それでも残る未燃ＨＣ３５をスイーパー噴射によるリング状の輝炎４５で酸化させて低減することができる。回転数１６００ｒｐｍ、中負荷のエンジン運転条件で、排気中のＴＨＣ濃度を実験により調べた結果を図１１に示す。図１１において、「シングル噴射」は、スイーパー噴射を行わない場合（メイン噴射のみの場合）を表し、「スイーパー噴射」は、メイン噴射及びスイーパー噴射を行った場合を表す。図１１に示すように、「スイーパー噴射」では「シングル噴射」と比較して、ＥＧＲ率を下げたことと、スイーパー噴射で形成される輝炎４５による酸化促進により、ＴＨＣ濃度をほぼ半減できていることがわかる。

本実施形態のスイーパー噴射モードでは、逆スキッシュ流２５の流速がピークになるタイミングまでにキャビティ部１２ｂの少なくともリップ部１２ｄ内側にリング状の輝炎４５を形成するように、スイーパー噴射の燃料噴射時期（燃料噴射開始時期）を設定することが好ましい。スイーパー噴射の最適噴射時期はエンジン回転数や負荷によって変化する。例えばエンジン回転数が高くなる場合は、スイーパー噴射〜輝炎形成までの時間を確保するために、スイーパー噴射の最適噴射時期は進角側となる。

回転数２０００ｒｐｍ、低負荷のエンジン運転条件で、スイーパー噴射の燃料噴射時期（燃料噴射開始時期）を変化させた場合における排気中のＴＨＣ濃度を実験により調べた結果を図１２に示す。図１２においても、「シングル噴射」は、スイーパー噴射を行わない場合（メイン噴射のみの場合）を表し、「スイーパー噴射」は、メイン噴射及びスイーパー噴射を行った場合を表す。ただし、図１２においては、「シングル噴射」と「スイーパー噴射」とで、ＥＧＲ率は同一である。スイーパー噴射開始時期が早すぎると、スイーパー噴射で噴射された燃料噴霧４３がキャビティ部１２ｂ内で拡散してキャビティ部１２ｂのリップ部１２ｄ内側（リップ部１２ｄ付近）の燃料噴霧４３の濃度が薄くなるため、輝炎４５による未燃ＨＣ３５の酸化促進効果が低減し、図１２に示すようにＴＨＣ濃度が増加する。一方、スイーパー噴射開始時期が遅すぎると、未燃ＨＣ３５が逆スキッシュ流２５に煽られてスキッシュエリア２２に流出してからキャビティ部１２ｂのリップ部１２ｄ内側に輝炎４５が形成されるため、輝炎４５による未燃ＨＣ３５の酸化促進効果が低減し、図１２に示すようにＴＨＣ濃度が増加する。図１２に示す実験結果では、圧縮上死点前６°がスイーパー噴射の最適噴射時期となる（ＴＨＣ濃度が最も低くなる）。

また、スイーパー噴射による燃料噴射量については、１気筒１サイクルあたり４ｍｍ³以下にすることが好ましい。スイーパー噴射による燃料噴射量をそれ以上増加させると、拡散燃焼の割合が増加し、図１３に示すように、ＮＯｘが増加したりスモークが増加する等のデメリットが生じる可能性がある。

なお、本実施形態のスイーパー噴射モードによる未燃ＨＣ３５の低減効果は、エンジン負荷が高い（燃料噴射量が多い）ほど高くなる。これは、燃料噴射量が多くなるほどキャビティ部１２ｂの内周壁面１２ｃに付着する燃料が増加することに加え、圧縮上死点付近に自着火時期を調整するためにＥＧＲ量が増加するためである。逆に、エンジン負荷が低い（燃料噴射量が少ない）ほど、スイーパー噴射モードによる未燃ＨＣ３５の低減効果は減少する。これは、シングル噴射でのＥＧＲ率が低下するので、燃料噴射をメイン噴射とスイーパー噴射とに２分割してＥＧＲ率をさらに低下させると、着火が不安定になり失火の可能性が生じることから、ＥＧＲ率を下げられないためである。さらに、燃料噴射量が減少して燃料噴射期間が短くなることから、キャビティ部１２ｂの内周壁面１２ｃに到達・付着する燃料量が少なくなり、内周壁面１２ｃ近傍でのクエンチ（消炎）が未燃ＨＣ生成の主要因ではなくなるためである。

そこで、本実施形態では、予混合圧縮着火燃焼用の燃料噴射モードは、スイーパー噴射モードの他に、スイーパー噴射を行うことなく、吸気行程と圧縮行程のいずれかにてインジェクタ１３の各噴孔１３ａからシリンダ１１内に燃料噴霧を噴射することで、シリンダ１１内に予混合気を形成して自着火させる通常噴射モードをさらに含むこともできる。つまり、予混合圧縮着火燃焼用の燃料噴射モードとして、スイーパー噴射モードと通常噴射モードとのいずれかを選択的に実行することもできる。その際には、エンジン負荷（エンジントルク）に基づいて、スイーパー噴射モードを行うか、または通常噴射モードを行うかを選択することが可能である。例えば、圧縮着火式内燃機関１０の回転数Ｎｅ及びトルクＴｅが図４Ａに示す特性線Ｂを超えない領域である低速・低負荷領域内にある場合は、通常噴射モードを行う方を選択することが可能である。一方、圧縮着火式内燃機関１０の回転数Ｎｅ及びトルクＴｅが図４Ａに示す特性線Ｂを超える領域である中速・中負荷領域内にある場合は、スイーパー噴射モードを行う方を選択することが可能である。

以下、本実施形態に係る圧縮着火式内燃機関（ディーゼルエンジン）１０のより好適な構成例について説明する。

本実施形態では、噴孔１３ａの直径が大きくなるほど、燃料噴霧の微粒化が悪くなるので、予混合圧縮着火燃焼を行う場合に失火しやすくなる。予混合圧縮着火燃焼時のトルクを低下させないためには、噴孔１３ａの直径を０．０９ｍｍ以下に設定することが好ましい。

しかし、噴孔１３ａの直径を小さくすると、拡散燃焼（ディーゼル燃焼）を行う場合に、噴孔１３ａからの燃料噴霧の飛散範囲が狭くなるため、燃料噴射量が多いときにスモーク濃度が増大しやすくなる。その結果、拡散燃焼を行う全負荷運転時には、スモーク濃度を抑えるために燃料噴射量を制限する必要があり、全負荷トルク（フル性能）が低下する。ただし、ディーゼルエンジン１０の圧縮比を低くして、拡散燃焼を行う場合の燃料噴射開始時期を進角させることで、燃焼期間を長くしてスモーク濃度を抑えることができるとともに、燃焼による圧力増加分を大きくして全負荷トルクを増大させることができる。噴孔１３ａの直径を小さくすることにより生じる全負荷トルクの低下分を補償するためには、圧縮比を１４〜１５の範囲内に設定することが好ましい。なお、圧縮比は、行程容積と隙間容積との和を隙間容積で除した量で表される。

しかし、圧縮比を低くすると、圧縮上死点でのシリンダ１１内温度が低下し、ディーゼルエンジン１０の冷間始動性が低下しやすくなる。ただし、ディーゼルエンジン１０のスワール比を小さくする（低流動化する）ことで、冷却損失を低減することができ、圧縮上死点でのシリンダ１１内温度を高くすることができる。その結果、冷間始動性を向上させることができる。冷間始動性を低下させないためには、スワール比を１．５以下の範囲に調整することが好ましい。なお、スワール比は、スワールの回転角速度のクランク軸角速度に対する比で表され、吸気ポート１４のシリンダ１１に対する配置や、ヘリカルポートやタンジェンシャルポート等の吸気ポート１４の形状によりその値を調整することが可能である。

スワール比の計測方法を以下に示す。スワール比を計測する際には、図１４Ａに示すように、ベーン式のスワールメータ２０をシリンダヘッド下面から所定距離（例えばシリンダボア径Ｄの１〜１．５倍の距離）に配置する。そして、あるバルブリフトｌにおいて、スワールメータ（シリンダ）内部圧力と大気圧との差ΔＰが一定値（例えば２．４９ｋＰａ、２５４ｍｍＨ₂Ｏ）になるように空気流量ｄｍ／ｄｔを調整し、空気流量ｄｍ／ｄｔ［ｇ／ｓ］及びベーン回転数ｎ_D［ｒｐｓ］を記録する。この手順を、図１４Ｂに示すようにバルブリフトｌが１ｍｍから最大リフトを超えるまで１ｍｍ間隔で行う。

スワール比を算出する際には、まず各計測点（各バルブリフトｌ）で仮想エンジン回転数ｎ［ｒｐｓ］を計算する。仮想エンジン回転数ｎは以下の（１）式で表される。

次に、吸気行程（ＴＤＣ〜ＢＤＣ）の期間でスワール比を積算する。積算されたスワール比は以下の（２）式で表される。（２）式において、ｎ_D／ｎは各計測点から内挿して計算する。なお、Ｃ(α)／Ｃ_mはエンジン回転数に関係なくクランク角αのみの関数となる。

また、噴孔１３ａの数が少なすぎると、燃料噴射期間が長くなり、高負荷運転時にスモーク濃度が増加しやすくなる。一方、噴孔１３ａの数が多すぎると、単位時間あたりの燃料噴射量が増大し、微少量の燃料噴射が困難になる。本実施形態において、噴孔１３ａからの燃料の流量については、従来の構成（例えば直径０．１３ｍｍの噴孔を１０個形成した場合）から大きく変化しないことが好ましく、噴孔１３ａの数については、例えば１４〜２４の範囲に設定することが好ましい。

以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

１０圧縮着火式内燃機関、１１シリンダ、１２ピストン、１２ａ頂面、１２ｂキャビティ部、１２ｃ内周壁面、１２ｄリップ部、１３インジェクタ、１３ａ噴孔、１４吸気ポート、１５排気ポート、１６還流通路、１７ＥＧＲ制御弁、２２スキッシュエリア、２３，３３，４３燃料噴霧、２５逆スキッシュ流、３５未燃ＨＣ、４５輝炎。

Claims

シリンダ内に面するピストン頂面にキャビティが形成され、拡散燃焼用の燃料噴射モードと予混合圧縮着火燃焼用の燃料噴射モードとのいずれかを選択的に実行する圧縮着火式内燃機関であって、
予混合圧縮着火燃焼用の燃料噴射モードは、圧縮行程にて燃料をピストン頂面の外周部、キャビティのリップ部、及びキャビティの周壁面のいずれかへ向けて噴射するメイン噴射と、メイン噴射後に圧縮上死点より前にてメイン噴射より少量の燃料をキャビティの周壁面へ向けて噴射するスイーパー噴射とを行うことで、メイン噴射で噴射された燃料によりシリンダ内に予混合気を形成して自着火させ、スイーパー噴射で噴射された燃料によりキャビティの少なくともリップ部内側にリング状の輝炎を形成するスイーパー噴射モードを含む、圧縮着火式内燃機関。
請求項１に記載の圧縮着火式内燃機関であって、
予混合圧縮着火燃焼用の燃料噴射モードは、前記スイーパー噴射モードの他に、前記スイーパー噴射を行うことなく、吸気行程と圧縮行程のいずれかにて燃料をシリンダ内に噴射することで、シリンダ内に予混合気を形成して自着火させる通常噴射モードをさらに含む、圧縮着火式内燃機関。
請求項２に記載の圧縮着火式内燃機関であって、
予混合圧縮着火燃焼用の燃料噴射モードを実行する場合には、エンジン負荷に基づいて前記スイーパー噴射モードと前記通常噴射モードのいずれを実行するかを決定する、圧縮着火式内燃機関。
請求項１〜３のいずれか１に記載の圧縮着火式内燃機関であって、
エンジン負荷に基づいて拡散燃焼用の燃料噴射モードと予混合圧縮着火燃焼用の燃料噴射モードとのいずれを実行するかを決定する、圧縮着火式内燃機関。
請求項４に記載の圧縮着火式内燃機関であって、
予混合圧縮着火燃焼用の燃料噴射モードを実行する場合は、拡散燃焼用の燃料噴射モードを実行する場合よりもＥＧＲ率を増大させる、圧縮着火式内燃機関。
請求項１〜５のいずれか１に記載の圧縮着火式内燃機関であって、
スイーパー噴射モードにおいては、スイーパー噴射による燃料噴射時期を圧縮上死点前８°〜圧縮上死点前３°の間に設定する、圧縮着火式内燃機関。
シリンダ内に面するピストン頂面にキャビティが形成された圧縮着火式内燃機関の未燃ＨＣ低減方法であって、
予混合圧縮着火燃焼を行う場合に、圧縮行程にて燃料をピストン頂面の外周部、キャビティのリップ部、及びキャビティの周壁面のいずれかへ向けて噴射するメイン噴射と、メイン噴射後に圧縮上死点より前にてメイン噴射より少量の燃料をキャビティの周壁面へ向けて噴射するスイーパー噴射とを行うことで、メイン噴射で噴射された燃料によりシリンダ内に予混合気を形成して自着火させ、スイーパー噴射で噴射された燃料によりキャビティの少なくともリップ部内側にリング状の輝炎を形成して未燃ＨＣを酸化させる、圧縮着火式内燃機関の未燃ＨＣ低減方法。
請求項７に記載の圧縮着火式内燃機関の未燃ＨＣ低減方法であって、
エンジン負荷に基づいて拡散燃焼と予混合圧縮着火燃焼とのいずれを実行するかを決定する、圧縮着火式内燃機関の未燃ＨＣ低減方法。
請求項８に記載の圧縮着火式内燃機関の未燃ＨＣ低減方法であって、
予混合圧縮着火燃焼を行う場合は、拡散燃焼を行う場合よりもＥＧＲ率を増大させる、圧縮着火式内燃機関の未燃ＨＣ低減方法。
請求項７〜９のいずれか１に記載の圧縮着火式内燃機関の未燃ＨＣ低減方法であって、
スイーパー噴射による燃料噴射時期を圧縮上死点前８°〜圧縮上死点前３°の間に設定する、圧縮着火式内燃機関の未燃ＨＣ低減方法。