JP6206364B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関に関する。

燃焼室の圧縮空気に対して燃料を直接噴射して自着火させ拡散燃焼させる、いわゆるディーゼル燃焼は、火花点火式の燃焼と比べて熱効率が良好である。一般に、ディーゼル燃焼には自着火温度が比較的低い軽油が燃料として使用されるが、例えば特許文献１には、自着火温度が比較的高い天然ガス等を燃料としてディーゼル燃焼させる技術が開示されている。具体的には、燃焼室の所定の領域に圧縮行程の初期又は中期に燃料噴射（プレ噴射）を行い、当該領域に形成された混合気に対して圧縮行程上死点直前の時期に点火し、燃焼室内を天然ガスが自着火可能な高温且つ高圧の状態にする。そして、圧縮行程上死点後の高温高圧状態の燃焼室に、拡散燃焼用の燃料噴射（メイン噴射）が行われる。

特開２００３−２５４１０５号公報 特開２００２−０９７９６０号公報 特開２００８−２６７３１８号公報

ここで、燃焼室内におけるプレ噴射による燃料が燃焼した領域では、燃焼により酸素が消費されている。この領域にメイン噴射が行われると、メイン噴射の燃料を燃焼させるために必要となる酸素が不足する。このため、メイン噴射による燃料の燃焼状態が悪化して、スモークが発生する虞がある。

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、自着火温度が比較的高い燃料を使用する内燃機関において、安定したディーゼル燃焼を実現することにある。

上記課題を達成するために本発明では、燃焼室内に気筒中心軸周りの旋回流であるスワールが発生する内燃機関において、複数の噴孔を有し、気筒中心軸側から気筒壁面側に向かって燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁から噴射された燃料の噴霧が点火可能領域を通過し該噴霧に直接に点火可能となるように、該燃料噴射弁に対する相対位置が決定された点火装置と、圧縮行程中に行われる前記燃料噴射弁からの燃料噴射であるプレ噴射と、該プレ噴射によって形成される燃料の噴霧であるプレ噴霧への前記点火装置による点火と、を行った後に、プレ噴射燃料による火炎を起点として燃焼が開始可能な時期であって且つ圧縮行程上死点前の時期である所定噴射開始時期に行われる前記燃料噴射弁からの燃料噴射であるメイン噴射を実行することで、少なくとも該メイン噴射燃料の一部を拡散燃焼させる燃焼制御部と、を備え、前記燃料噴射弁を中心としたスワールの回転方向の角度であって前記点火装置を起点とした９０度以下の角度である所定角度で規定される所定領域に噴射される前記メイン噴射燃料の量が、前記所定領域からスワールの回転方向に位置する前記所定領域を含まない領域であって前記所定角度と同じ大きさの角度で規定される前記所定領域と同じ大きさの領域に噴射される前記メイン噴射燃料の量よりも少なくなるように形成した複数の噴孔を前記燃料噴射弁が有する。

この内燃機関では、主に内燃機関の出力を決定するメイン噴射の前にプレ噴射を行うとともに、プレ噴射によって噴射された燃料（以下、「プレ噴射燃料」という）に対して火花点火しその一部が燃え残り、メイン噴射によって噴射された燃料（以下、「メイン噴射燃料」という）とともにディーゼル燃焼に供される。このプレ噴射及びメイン噴射を行うことにより、メイン噴射が噴射される際の燃焼室内を、メイン噴射燃料のディーゼル燃焼に適した状況にするとともに、プレ噴射燃料の一部を内燃機関の出力に好適に寄与させることが可能となり、熱効率を向上させることができる。なお、本発明において使用される、「プレ」、「メイン」の用語は、両噴射の時間的な前後関係を表す表現に過ぎず、以下に示す技術意義を有するもの以外に限定解釈されるべきではない。

上記点火装置は、燃料噴射弁から噴射され点火可能領域を通過する噴霧である通過噴霧に対して直接点火が可能となるように、点火装置と燃料噴射弁との相対的な位置関係が決定されている。なお、点火装置と燃料噴射弁との相対的な位置関係は、燃料噴射弁の噴孔が点火装置を向いている場合、すなわち、噴霧の中心が点火可能領域を通過する場合に限らない。すなわち、燃料噴射弁の噴孔が点火装置を向いていない場合であっても、噴霧の一部が点火可能領域に入ればよい。一般に、燃焼目的に応じて吸気弁の開弁に伴い燃焼室内に形成される気流や、ピストンの頂部に位置するキャビティ等の形状を利用して、点火装置の点火可能領域に混合気を運ぶことで燃料噴霧に対して点火を行う場合がある。このような一般的な点火形態では、燃料噴射弁からの噴射時期は、吸気弁の開弁時期や気筒内でのピストン位置等の影響を多分に受けることになる。これに対し、本発明に係る内燃機関では、上記の通り燃料噴射弁と点火装置の相対位置が関係付けられているため、燃料噴射時期及び点火時期の制御の自由度が極めて高くなり、故に、各燃料噴射の制御が実現可能とされる。そして、好ましくは上記点火装置は、内燃機関の吸気弁の開弁時期やピストン位置に関係なく任意の時期に、燃料噴射弁からの通過噴霧に対して直接点火が可能とされる。

ここで、本発明においては、先ず、圧縮行程中に行われるプレ噴射と、点火装置によるプレ噴霧への点火が行われる。そして、その後に、圧縮行程上死点前の所定噴射開始時期にメイン噴射が実行され、自着火拡散燃焼が行われることになる。ここで、メイン噴射は、更に、プレ噴射燃料による火炎を起点として燃焼が開始可能となるように行われる燃料噴射である。したがって、プレ噴射燃料の点火及び燃焼によって生じた火炎によりメイン噴射燃料が引火され、その後に自着火拡散燃焼が行われる程度に両噴射の相関が制御されることになる。このようにプレ噴射が行われる時期は、メイン噴射後の自着火拡散燃焼が可能となるように、メイン噴射との相関を踏まえて設定されてもよい。

そして、上記のようにプレ噴射及びメイン噴射を行うことにより、従来技術では奏し得ない燃焼の安定性と内燃機関の熱効率向上の達成が可能であることが見出された。これは、上記のようにプレ噴射とメイン噴射とが関連付けられることで、メイン噴射燃料の噴射時において燃焼室内が、プレ噴射燃料の燃焼により高温高圧の場となっているとともに、プレ噴射燃料の一部がメイン噴射燃料とともに自着火し拡散燃焼に供されて機関出力に効率的に反映されることが、その要因の一つとして想定される。なお、この本願発明による燃焼の安定性と内燃機関の熱効率向上については、必ずしも当該要因のみに限定されるものではなく、その他の要因によってこれらが達成されている場合であっても、上述した技術思想を包含する限りは本願発明の権利範囲に属するものである。

ところで、プレ噴射燃料の燃焼ガスが存在する領域（以下、既燃領域ともいう。）では、プレ噴射燃料の燃焼により酸素濃度が低くなっているため、メイン噴射燃料を燃焼されるのに十分な酸素が存在しない虞がある。このため、既燃領域に向かってメイン噴射が行われると、該既燃領域ではメイン噴射燃料の燃焼状態が悪化する虞がある。これに対し、燃料噴射弁を中心としたスワールの回転方向の角度であって点火装置を起点とした９０度
以下の角度である所定角度で規定される所定領域に噴射されるメイン噴射燃料の量を相対的に少なくすれば、酸素不足による燃焼状態の悪化を抑制し得る。ここで、燃焼室ではスワールが生じているため、既燃領域がスワールによって流される。すなわち、プレ噴射燃料に点火してからメイン噴射が行われるまでの間に、既燃領域はスワールの回転方向に移動する。そこで、本発明に係る内燃機関では、スワールの作用によって既燃領域が移動し得る領域に、メイン噴射の燃料が到達し難くなるように、燃料噴射弁の噴孔の位置または噴孔の形状を設定している。メイン噴射時には、既燃領域は少なくとも点火装置よりもスワールの回転方向に移動していると考えられるため、上記所定角度の起点を点火装置とすることができる。なお、スワールは気筒中心軸周りを回転するが、スワールの中心軸と気筒中心軸とが厳密に一致する必要はない。また、スワールの中心軸と燃料噴射弁の中心軸とが厳密に一致する必要はない。さらに、本発明に係る気筒中心軸は、厳密に気筒の中心である必要はない。例えば、気筒中心軸を、気筒内を上面から見て気筒内の中心領域に存在し、ピストンが上下動する方向に延びる軸としてもよい。すなわち、気筒中心軸は、中心領域内であればよい。

本発明においては、前記所定領域は、前記プレ噴射燃料の燃焼ガスがスワールによって流された後に前記メイン噴射を行うときに、前記燃焼ガスが存在すると想定される燃焼室内の領域であってもよい。なお、所定領域は、プレ噴射燃料の燃焼ガスがスワールによって流された後に、該燃焼ガスが存在する領域としてもよい。所定領域は、プレ噴射とメイン噴射との噴射間隔と関連しており、所定領域は、メイン噴射時にプレ噴射燃料の既燃ガスが多く存在する領域といえる。また、上記所定領域は、既燃領域が存在する領域、または、既燃領域が存在し得る領域としてもよい。所定角度は、燃料噴射弁を中心としたスワールの回転方向の角度であって点火装置を起点とした角度であり、燃焼ガスが存在すると想定される角度としてもよい。また、所定角度は、燃料噴射弁を中心としたスワールの回転方向の角度であって点火装置を起点とした角度であり、既燃領域が存在する角度または既燃領域が存在し得る角度としてもよい。そして、所定領域を考慮して、燃料噴射弁の複数の噴孔が形成されている。

なお、前記燃料噴射弁を中心としたスワールの回転方向の角度であって前記点火装置を起点とした９０度以下の角度である所定角度で規定される所定領域に噴射される前記メイン噴射燃料の量が、前記所定領域からスワールの回転方向に位置する前記所定領域を含まない領域であって前記所定角度と同じ大きさの角度で規定される前記所定領域と同じ大きさの領域に噴射される前記メイン噴射燃料の量よりも少なくなることには、所定領域にメイン噴射燃料が全く噴射されない場合も含むことができる。

このように、所定領域に噴射されるメイン噴射燃料の量を相対的に少なくすることにより、メイン噴射燃料の燃焼時に酸素が不足することを抑制できる。これにより燃焼状態の悪化を抑制することができるため、熱効率を向上させることができる。

また、本発明においては、前記燃料噴射弁は、前記メイン噴射時に前記所定領域に向かって前記メイン噴射燃料を噴射する噴孔を有していなくてもよい。

すなわち、メイン噴射時に、所定領域の方向に燃料噴射弁の噴孔が向かないよう、噴孔を形成してもよい。ここで、既燃領域は、スワールの回転方向に移動するため、既燃領域を形成した燃料を噴射した噴孔は、メイン噴射時において既燃領域と対向していない。したがって、既燃領域を形成した燃料を噴射した噴孔からのメイン噴射燃料は、十分な酸素の下で燃焼し得る。一方、既燃領域を形成した燃料が噴射された噴孔よりもスワールの回転方向の下流側に存在する噴孔は、メイン噴射時に既燃領域に対向する虞がある。仮に、燃料噴射弁の噴孔を該燃料噴射弁の中心軸の周りに等間隔（等角度としてもよい。）に配置した場合には、既燃領域を形成した燃料を噴射した噴孔よりもスワールの回転方向の下
流側の噴孔から噴射される燃料が、既燃領域に流入する虞がある。

一方、メイン噴射時に所定領域（既燃領域）に対向する噴孔が存在しなければ、既燃領域にメイン噴射燃料が流入することを抑制できるため、メイン噴射燃料の燃焼を促進させることができる。このため、メイン噴射燃料の燃焼状態の悪化を抑制できる。

また、本発明においては、 前記メイン噴射時に前記所定領域に向かって前記メイン噴射燃料を噴射する前記燃料噴射弁の噴孔の大きさが、前記メイン噴射時に前記所定領域以外に向かって前記メイン噴射燃料を噴射する前記燃料噴射弁の噴孔の大きさよりも小さくてもよい。

すなわち、メイン噴射時に、所定領域に対向する噴孔の大きさを、所定領域と対向していない噴孔の大きさよりも小さくしてもよい。ここで、燃料の圧力が同じであれば、噴孔が小さいほど噴射される燃料が少なくなる。このため、所定領域に対向する噴孔の大きさを相対的に小さくしておけば、所定領域（既燃領域）に到達するメイン噴射燃料の量を相対的に少なくすることができる。

このようにして、既燃領域に流入するメイン噴射燃料の量が少なくなるため、メイン噴射燃料の燃焼を促進させることができる。このため、メイン噴射燃料の燃焼状態の悪化を抑制できる。

また、本発明においては、前記内燃機関の吸気通路に開度を小さくすることにより前記内燃機関の気筒内のスワールの速度を大きくするスワール調節弁を備え、前記内燃機関の回転速度が速くなるほど、前記スワール調節弁の開度を大きくしてもよい。

ここで、スワールの速度は内燃機関の回転速度によって変化し得る。すなわち、内燃機関の回転速度が高くなるほど、吸気の速度が高くなるため、スワールの速度が高くなり得る。そして、スワールの速度が変化すると、プレ噴射燃料が燃焼して既燃領域が形成されてから、メイン噴射が行われるまでに、既燃領域が移動する距離が変わる。ここで、燃料噴射弁の噴孔の間隔や噴孔の大きさは、燃料噴射弁を内燃機関に取り付けた状態で変化させることは困難である。また、全ての運転領域における既燃領域の位置を考慮して噴孔を設定すると、広い範囲でプレ噴射燃料の量及びメイン噴射燃料の量が少なくなってしまう。これに対して、スワールの速度が内燃機関の回転速度によらず一定となるようにすることもできる。このため、本発明では、スワールの速度をスワール調節弁により調節してもよい。スワール調節弁の開度を小さくすると、燃焼室に流入する吸気に偏りが大きくなったり、吸気の速度が増加したりすることにより、スワールの速度が高くなる。逆に、スワール調節弁の開度を大きくすると、燃焼室に流入する吸気の偏りが小さくなったり、吸気の速度が減少したりすることにより、スワールの速度が低くなる。したがって、内燃機関の回転速度が高くなるほど、スワール調節弁の開度を大きくすることにより、内燃機関の回転速度にかかわらずスワールの速度を一定にすることができる。これにより、既燃領域が移動する距離が変化することを抑制できるため、既燃領域にメイン噴射燃料が流入することを抑制できる。

本発明によれば、自着火温度が比較的高い燃料を使用する内燃機関において、安定したディーゼル燃焼を実現することができる。

本発明の実施例が適用される内燃機関と、その吸気系及び排気系との概略構成を示す図である。 実施例１に係る燃料噴射弁からの燃料の噴霧の状態を示した図である。 本発明の実施例に係る内燃機関の制御装置によって実行される燃焼制御（以下、「本発明に係る燃焼制御」という）を説明するための図である。 図１に示す内燃機関において適用される本発明に係る燃焼制御のフローチャートである。 図１に示す内燃機関において適用されるプレ噴射とその点火、およびメイン噴射に関する制御マップを示す第１の図である。 概ね放射状に１６方向に燃料を噴射可能となるように噴孔を配置した場合の燃料噴霧の状態を示した図である。 燃料噴射弁の噴孔を燃料噴射弁の中心軸周りに等間隔に個配置した場合において、プレ噴射後からメイン噴射後までを燃焼室上方から見た状態を模式的に示した図である。 メイン噴射時に既燃領域に噴孔が向かないように噴孔を配置した場合において、プレ噴射からメイン噴射後までを燃焼室上方から見た状態を模式的に示した図である。 燃料噴射弁の噴孔を等間隔に配置し、且つ、噴孔の数を比較的少なくした場合におけるメイン噴射後の状態を模式的に示した図である。 実施例２に係る燃料噴射弁の各噴孔からの燃料噴射量を示した図である。 実施例３に係る内燃機関およびその吸排気系の概略構成を示す図である。 実施例３に係るＳＣＶの制御フローを示したフローチャートである。 機関回転速度と、ＳＣＶの開度との関係を示した図である。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

（実施例１）
図１は、本実施例に係る内燃機関およびその吸排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、複数の気筒２を備えた４ストロークの内燃機関である。なお、図１では、複数の気筒のうち１気筒のみが示されている。

内燃機関１の各気筒２には、ピストン３が摺動自在に内装されている。ピストン３は、コネクティングロッド４を介して図示しない出力軸（クランクシャフト）と連結されている。また、気筒２の内部は、吸気ポート７及び排気ポート８と連通している。気筒２内における吸気ポート７の開口端は、吸気弁９により開閉される。気筒２内における排気ポート８の開口端は、排気弁１０により開閉される。吸気弁９と排気弁１０は、図示しない吸気カムと排気カムとにより各々開閉駆動される。

更に、各気筒２には、筒内に燃料を噴射するための燃料噴射弁６が、気筒２内に形成される燃焼室の中央頂部に配置されるとともに、燃料噴射弁６から噴射された燃料に対して点火可能な点火プラグ５が内燃機関１のシリンダヘッド側に配置されている。燃料噴射弁６については後述する。なお、本実施例においては点火プラグ５が、本発明における点火装置に相当する。

吸気ポート７は、吸気通路７０と連通している。吸気通路７０には、スロットル７１が配置されている。スロットル７１より上流の吸気通路７０には、エアフローメータ７２が配置されている。一方で、排気ポート８は、排気通路８０と連通している。排気通路８０には、内燃機関１から排出される排気を浄化するための排気浄化触媒８１が配置されてい
る。後述するように、内燃機関１から排出される排気は、ストイキ空燃比よりもリーン側の空燃比であるため、そのようなリーン空燃比の排気中のＮＯｘ浄化が可能な選択還元型のＮＯｘ触媒を、排気浄化触媒８１として採用することができる。

そして、内燃機関１には、内燃機関１の運転状態や排気浄化装置等を制御する電子制御装置であるＥＣＵ２０が併設されている。ＥＣＵ２０には、上述したエアフローメータ７２や、クランクポジションセンサ２１及びアクセルポジションセンサ２２が電気的に接続され、各センサの検出値がＥＣＵ２０に渡される。したがって、ＥＣＵ２０は、エアフローメータ７２の検出値に基づく吸入空気量や、クランクポジションセンサ２１の検出に基づく機関回転速度や、アクセルポジションセンサ２２の検出に基づく機関負荷等の内燃機関１の運転状態を把握可能である。また、ＥＣＵ２０には、燃料噴射弁６、点火プラグ５、スロットル７１等が電気的に接続され、これらの各要素がＥＣＵ２０によって制御される。なお、本実施例ではＥＣＵ２０が、本発明における燃焼制御部に相当する。

ここで、図２は、本実施例に係る燃料噴射弁６からの燃料の噴霧の状態を示した図である。本実施例に係る燃料噴射弁６は、図２に示すように一部の領域（図２の一点鎖線で囲まれた領域）に燃料が噴射されないように、噴孔６ａを配置していない箇所が存在する。図２は、シリンダヘッド側から燃焼室内を見た図であり、右回りのスワールが発生している場合を示している。ここで、図２に示すように、一点鎖線で囲まれた領域に燃料の噴霧が入らないように、噴孔６ａが形成されている。一点鎖線で囲まれた領域は、プレ噴射燃料が燃焼した後の既燃ガスが存在する領域であり、以下では「既燃領域」という。この既燃領域の詳細については後述する。このように、本実施例に係る燃料噴射弁６では、燃料噴射弁６の中心軸から見て、メイン噴射時に既燃領域が存在し得る方向には噴孔６ａを配置していない。また、形成されている噴孔６ａは、既燃領域に隣接する噴孔６ａ以外では、燃料噴射弁６の先端付近に該燃料噴射弁６の中心軸（気筒２の中心軸としてもよい。）の周りに等間隔（等角度としてもよい。）に配置している。なお、本実施例に係る気筒２の中心軸は、燃料噴射弁６の中心軸で規定されてもよい。また、気筒２の中心軸、燃料噴射弁６の中心軸、スワールの中心軸は、厳密に一致する必要はない。各噴孔６ａは、気筒２の中心軸に対して一定の角度の方向に燃料を噴射するように形成されている。また、各噴孔６ａの開口端部の中心は、気筒２の中心軸と直交する同一平面上に存在する。さらに、点火プラグ５の点火可能領域である電極間の領域５ａに対して、噴孔６ａから噴射された燃料噴霧の少なくとも一つが通過するように、且つ、その通過した噴霧に対して領域５ａに流れた電極間電流によって直接点火できるように、燃料噴射弁６に対する点火プラグ５の相対位置、特に燃料噴射弁６に対する領域５ａの相対位置が決定されている。なお、点火プラグ５は、更に吸気弁９および排気弁１０の動作に干渉しないように、２つの吸気弁９の間に位置している。

このように構成された点火プラグ５と燃料噴射弁６は、スプレーガイド燃焼を実現可能とする。すなわち、燃料噴射弁６からの噴射燃料に対して直接点火できるように配置される点火プラグ５と、該燃料噴射弁６は、内燃機関１の吸気弁９の開弁時期やピストン３の位置にかかわらず任意の時期に、領域５ａを通過する噴射燃料に対する点火を可能とする。一方で、燃料噴射弁からの噴射燃料を、吸気弁の開弁により燃焼室内に流れ込んだ空気流に乗せて点火プラグ近傍に運んで点火するエアガイド燃焼や、ピストンの頂部に形成されたキャビティの形状を利用して点火プラグ近傍に噴射燃料を運んで点火するウォールガイド燃焼では、吸気弁の開弁時期やピストン位置が所定の状態とならなければ燃料噴射や点火を行うことが困難となる。そのため、本実施例に係るスプレーガイド燃焼は、これらのエアガイド燃焼やウォールガイド燃焼と比べて、非常に自由度の高い燃料噴射及び点火時期制御が可能となる。

＜燃焼制御＞
このように構成される内燃機関１において実行される燃焼制御について、図３に基づいて説明する。図３（ａ）には、図の左側から右側に進む時系列において、内燃機関１で行われる燃焼制御に関する燃料噴射及び点火の流れ（図３（ａ）の上段を参照）と、その燃料噴射及び点火により燃焼室で生じると想定される燃焼に関する事象の変遷（図３（ａ）の下段を参照）を模式的に示したものである。また、図３（ｂ）には、図３（ａ）に示す燃料噴射であるプレ噴射とメイン噴射、および点火の時間的相関が示されている。なお、図３に示す形態は、あくまでも本発明に係る燃焼制御を説明するために模式的に示したものであり、本発明をこの形態に限定して解釈すべきではない。

本発明に係る燃焼制御では、１サイクルにおいて、圧縮行程の所定時期に燃料噴射弁６から行われる燃料噴射であるプレ噴射と、プレ噴射の後であって圧縮行程上死点（ＴＤＣ）前の時期に同じく燃料噴射弁６から行われる燃料噴射であるメイン噴射が実行される。そして、図３（ｂ）に示すように、プレ噴射の噴射開始時期（以下、単に「プレ噴射時期」という）をＴｐとし、メイン噴射の噴射開始時期（以下、単に「メイン噴射時期」という）をＴｍとする。また、プレ噴射とメイン噴射との間隔（Ｔｍ−Ｔｐ）を噴射インターバルＤｉと定義する。また、プレ噴射による燃焼は上述したスプレーガイド燃焼として実行されるものであり、プレ噴射された燃料（以下、「プレ噴射燃料」という）に対して点火プラグ５による点火が行われる。この点火時期を、図３（ｂ）に示すようにＴｓとし、プレ噴射が開始されてから点火が行われるまでの間隔（Ｔｓ−Ｔｐ）を点火インターバルＤｓと定義する。

次に、本発明に係る燃焼制御の流れについて説明する。
（１）プレ噴射
先ず、圧縮行程の所定時期にプレ噴射が行われる。なお、プレ噴射時期Ｔｐは、後述するメイン噴射との相関に基づいて決定される。プレ噴射が開始されることで、図２に示すように、燃料噴射弁６から噴射された燃料は、燃焼室内において点火プラグ５の点火可能領域５ａを通過する。このようにプレ噴射が開始された直後においては、プレ噴射燃料は燃焼室内に広く拡散はせずに、噴射の貫徹力によりその噴霧先端において周囲の空気を巻き込みながら燃焼室内を進んでいく。そのため、プレ噴射燃料は、燃焼室内で成層された混合気を形成することになる。

（２）プレ噴射燃料への点火
そして、そのように成層されたプレ噴射燃料に対して、プレ噴射開始から点火インターバルがＤｓとなる時期Ｔｓで、点火プラグ５による点火が行われる。上記の通り、プレ噴射燃料は成層化されているため局所的な空燃比は、当該点火による燃焼が可能な状態となっている。ここで、ピストン３の圧縮作用に加えて、点火されたプレ噴射燃料においてその燃焼が進行することで、燃焼室内の更なる温度上昇が得られることになる。その一方で、本発明では、プレ噴射燃料の一部は点火プラグ５の点火による燃焼には供されずに「燃え残り燃料」として燃焼室内に存在することになる。ここで、当該燃え残り燃料は、燃焼室内で一部のプレ噴射燃料の燃焼による高温雰囲気に晒されているため、該燃え残り燃料の少なくとも一部は燃焼には至らない状況下での低温酸化反応により燃焼性が高められた物性に改質された状態となっていることが期待される。ただし、本発明における燃え残り燃料は、プレ噴射燃料の一部が点火プラグ５の点火による燃焼に供されずに残った状態にある燃料を指すものであり、その燃え残った燃料が特定の物性を示す状態になっていることが必ずしも要求されるものではない。

（３）メイン噴射
次に、プレ噴射開始から噴射インターバルがＤｉとなる時期Ｔｍに、換言すれば、点火プラグ５による点火時期ＴｓからＤｉ−Ｄｓの時間が経過した圧縮行程上死点前の時期Ｔｍに、燃料噴射弁６からメイン噴射が実行される。なお、内燃機関１においては、後述す
るようにメイン噴射燃料は拡散燃焼に供され、機関出力の大部分に寄与することになる。そこで、メイン噴射の噴射開始時期Ｔｍは、機関負荷等によって決定される量のメイン噴射燃料によって機関出力が概ね最大となる時期（以下、「適正噴射時期」という）とされる。そして、時期Ｔｍに噴射開始されたメイン噴射燃料は、燃焼されたプレ噴射燃料による火炎から引火されて燃焼室内の温度が更に上昇する。更に、プレ噴射燃料の燃え残りとメイン噴射燃料がその温度上昇場において自着火するとともに拡散燃焼に供されることになる。上記のとおり、燃え残り燃料の燃焼性が高められている場合には、メイン噴射燃料に関する燃焼がより円滑に進むことが期待される。

このように、本発明に係る燃焼制御では、プレ噴射とメイン噴射との間には、点火プラグ５による点火を挟んで上述の一連の燃焼が行われることになる。そこで、プレ燃焼は、適正噴射時期に行われるメイン噴射に対して当該一連の燃焼が可能となるように、プレ噴射の噴射時期Ｔｐ、すなわち噴射インターバルＤｉの設定が行われる。

＜燃焼制御フロー＞
ここで、内燃機関１での本発明に係る燃焼制御に関する具体的な処理の流れを、図４に例示する。図４に示す燃焼制御は、内燃機関１が稼働している間、ＥＣＵ２０に格納された制御プログラムが実行されることで、繰り返し行われている。また、当該燃焼制御がその処理において使用する制御マップの一例を図５に示している。図５の上段（ａ）では、内燃機関１の機関負荷とプレ噴射量の相関を線Ｌ３０で示し、該機関負荷とメイン噴射量との相関を線Ｌ３１で示し、該機関負荷と該機関負荷に対応した燃料噴射量である負荷対応噴射量との相関を線Ｌ３２で示している。更に、図５（ａ）では、機関負荷に応じたプレ噴射燃料の燃え残り量をＭ１で示している。また、図５の下段（ｂ）では、内燃機関１の機関負荷とプレ噴射時期Ｔｐの相関を線Ｌ３３で示し、該機関負荷と点火時期Ｔｓとの相関を線Ｌ３４で示し、該機関負荷とメイン噴射時期Ｔｍとの相関を線Ｌ３５で示している。なお、図５（ｂ）の縦軸は噴射時期を表すが、その値が大きくなるほど圧縮行程上死点より進角される量が大きいことを意味する。

先ず、Ｓ１０１では、アクセルポジションセンサ２２の検出値に基づいて、内燃機関１の機関負荷が算出される。また、別法として、吸気通路７０を流れる空気流量、すなわちエアフローメータ７２の検出値や、吸気通路７０内の吸気圧力に基づいて、内燃機関１の機関負荷を算出することもできる。そして、その後、Ｓ１０２で、Ｓ１０１で算出された機関負荷に基づいて、負荷対応噴射量Ｓ０が決定される。具体的には、図５（ａ）で線Ｌ３２に示す制御マップを利用して、機関負荷に応じた負荷対応噴射量Ｓ０が算出されることになる。なお、本実施例では、線Ｌ３２で示すように、機関負荷が増加するに従い負荷対応噴射量Ｓ０が大きくなるように、両者の相関が制御マップ上に記録されている。Ｓ１０２が終了すると、Ｓ１０３へ進む。

Ｓ１０３では、図５（ｂ）で線Ｌ３５に示す制御マップを利用して、メイン噴射時期Ｔｍが決定される。上述したように、内燃機関１の熱効率を向上させるために、メイン噴射時期Ｔｍは、圧縮行程上死点前の適正噴射時期に設定される。なお、この内燃機関１における適正噴射時期は、事前の実験により機関負荷ごとに測定され、その測定結果に基づいて線Ｌ３５による制御マップが形成される。メイン噴射時期Ｔｍの一例としては、機関負荷が大きくなるに従い徐々に進角されるが、高負荷領域Ｒ８（後述する負荷対応噴射量Ｓ０がＳ２以上となる領域）では上限の進角量に維持される。これは、メイン噴射時期Ｔｍは、メイン噴射量に応じて適正噴射時期が決定されることによるものであり、メイン噴射量は、後述するように高負荷領域Ｒ８では一定の噴射量（最大メイン噴射量）に維持されるからである。Ｓ１０３の処理が終了すると、Ｓ１０４へ進む。

次に、Ｓ１０４では、Ｓ１０２で決定された負荷対応噴射量Ｓ０が所定の第１噴射量Ｓ
１以下であるか否かが判定される。この所定の第１噴射量Ｓ１は、後述するようにプレ噴射時期Ｔｐをメイン噴射時期Ｔｍに連動して進角させる場合（Ｓ１０６の処理を参照）、プレ噴射燃料の燃え残りにメイン噴射燃料が重ねられ空気利用が十分でない状況になることでスモークが発生しやすい状況が生まれる機関負荷に対応する噴射量の閾値である。したがって、負荷対応噴射量Ｓ０が所定の第１噴射量Ｓ１以下である場合には、当該スモークが発生しやすい状況にはなく、一方で合計噴射量Ｓ０が所定の第１噴射量Ｓ１を超える場合には、当該スモークが発生しやすい状況にあることを意味する。Ｓ１０４で肯定判定されるとＳ１０５へ進み、否定判定されるとＳ１１０へ進む。

ここで、Ｓ１０４で肯定判定されたことにより、すなわち負荷対応噴射量Ｓ０が所定の第１噴射量Ｓ１以下であることより、内燃機関１の機関負荷は低負荷領域Ｒ６にある（図５を参照）。そこで、Ｓ１０５では、プレ噴射量Ｓｐが、最小プレ噴射量Ｓｐｍｉｎに設定される。これにより、機関負荷が低負荷領域Ｒ６に属する場合には、図５（ａ）で線Ｌ３０に示されるようにプレ噴射量Ｓｐは、最小プレ噴射量Ｓｐｍｉｎに固定される。Ｓ１０５の処理が終了すると、Ｓ１０６へ進む。

Ｓ１０６では、図５（ｂ）で線Ｌ３３に示す制御マップを利用して、プレ噴射時期Ｔｐが決定される。低負荷領域Ｒ６では、プレ噴射時期Ｔｐは、熱効率が好適な状態となる噴射インターバルＤｉが得られるように設定されればよい。したがって、低負荷領域Ｒ６では、プレ噴射量Ｓｐが最小プレ噴射量Ｓｐｍｉｎに固定されているため、低負荷領域Ｒ６にわたって噴射インターバルＤｉが一定となるように、すなわちＳ１０３で決定されたメイン噴射時期Ｔｍに連動するように、プレ噴射時期Ｔｐが設定される。また、Ｓ１０７では、図５（ｂ）で線Ｌ３４に示す制御マップを利用して、点火時期Ｔｓが決定される。具体的には、プレ噴射時期Ｔｐと同じように低負荷領域Ｒ６ではプレ噴射量Ｓｐが最小プレ噴射量に固定されることに対応するべく、低負荷領域Ｒ６にわたって点火インターバルＤｓが一定となるように点火時期Ｔｓが設定される。

次に、Ｓ１０８では、図５（ａ）で線Ｌ３１に示す制御マップを利用して、メイン噴射量Ｓｍが算出される。なお、低負荷領域Ｒ６では、線Ｌ３１で表される機関負荷とメイン噴射量との相関は、以下の式１に従う。
Ｓｍ ＝ Ｓ０ −Ｓｐ×α ・・・（式１）
α：プレ噴射燃料の燃え残り率

上記のとおり、本発明に係る燃焼制御では、プレ噴射燃料の燃え残りはメイン噴射燃料とともに自着火し拡散燃焼に供されることで機関出力に寄与し、内燃機関１の熱効率の向上が図られる。すなわち、機関出力に寄与するという観点に立てば、プレ噴射燃料の一部、すなわち燃え残りはメイン噴射燃料と同等と言うことができる。そこで、プレ噴射燃料の燃え残り率を示す係数αを事前の実験等で測定しておき、上記式１に従うことで、本発明に係る燃焼制御の特徴を考慮した上でメイン噴射量Ｓｍを算出することができる。なお、上述したように、プレ噴射燃料の燃え残り率は、プレ噴射時期、点火インターバルＤｓ、及び噴射インターバルＤｉに応じて変化する。従って、係数αはこれらに基づいて定まる値である。また、プレ噴射量の総量に対して点火プラグ５による点火によって燃焼する分の燃料量（すなわちスプレーガイド燃焼によって燃焼する分の燃料量）が非常に少ない場合は、制御上、係数α＝１としてもよい。この場合、負荷対応噴射量＝合計噴射量として制御することになる。Ｓ１０８の処理が終了すると、Ｓ１３０へ進む。

このようにプレ噴射、メイン噴射、および点火に関する各パラメータが決定されることで、低負荷領域Ｒ６では、プレ噴射燃料の点火後に図５（ａ）にＭ１で示すプレ噴射燃料の燃え残りが生成されることになる。上記のとおり、低負荷領域Ｒ６では、プレ噴射量Ｓｐは最小プレ噴射量Ｓｐｍｉｎに固定され、点火インターバルＤｓ及び噴射インターバル
Ｄｉも一定であるため、プレ噴射燃料の燃え残り量も概ね一定となる。

次に、Ｓ１０４で否定判定されると処理はＳ１１０へ進み、Ｓ１１０では、Ｓ１０２で決定された負荷対応噴射量Ｓ０が所定の第２噴射量Ｓ２以下であるか否かが判定される。この所定の第２噴射量Ｓ２は、ガソリンエンジンにおいて適正噴射時期に噴射された燃料が比較的多量であり、その気化潜熱の影響により自着火拡散燃焼が不安定となったり、その噴霧に対して周囲の空気（酸素）不足することでスモークが発生したりしやすい状況にある、機関負荷に対応する噴射量の閾値である。換言すれば、燃焼安定性及びスモークの観点からガソリンエンジンにおいて適正噴射時期に噴射し得る上限の噴射量である。したがって、負荷対応噴射量Ｓ０が所定の第２噴射量Ｓ２以下である場合には、当該スモークは発生しにくい状況であり、一方で負荷対応噴射量Ｓ０が所定の第２噴射量Ｓ２を超える場合には、当該スモークが発生し得る状況にあることを意味する。Ｓ１１０で肯定判定されるとＳ１１１へ進み、否定判定されるとＳ１２１へ進む。

ここで、Ｓ１１０で肯定判定されたことにより、すなわち負荷対応噴射量Ｓ０が所定の第１噴射量Ｓ１より多く所定の第２噴射量Ｓ２以下であることにより、内燃機関１の機関負荷は中負荷領域Ｒ７にある（図５を参照）。この場合、処理はＳ１１１、Ｓ１１２へ進み、Ｓ１１１では、図５（ａ）で線Ｌ３０に示す制御マップを利用してプレ噴射量Ｓｐが決定され、Ｓ１１２では、図５（ｂ）で線Ｌ３３に示す制御マップを利用してプレ噴射時期Ｔｐが決定される。具体的には、中負荷領域Ｒ７では、負荷対応噴射量Ｓ０が所定の第１噴射量Ｓ１より多いため、プレ噴射燃料の燃え残りとメイン噴射燃料との干渉によるスモーク発生を抑制する必要がある。そこで、上述したようにプレ噴射時期Ｔｐが、メイン噴射時期Ｔｍの進角量に連動した進角量に加えて、機関負荷の増加（すなわち、負荷対応噴射量Ｓ０の増加）に応じてスモーク抑制のために更に進角される。なお、プレ噴射時期Ｔｐは、熱効率とスモーク発生量のバランスを考慮して適宜設定すればよい。そして、このとき線Ｌ３０に示すようにプレ噴射時期Ｔｐの進角量の増加に応じてプレ噴射量Ｓｐを増量することにより、プレ噴射燃料の燃え残り量を増量させ、それをメイン噴射とともに燃焼させることで、内燃機関１の熱効率を犠牲にすることなくスモーク抑制を図ることができる。

次に、Ｓ１１３では、図５（ｂ）で線Ｌ３４に示す制御マップを利用して、点火時期Ｔｓが決定される。具体的には、Ｓ１１２で決定されるプレ噴射時期Ｔｐの、機関負荷の増加に伴う進角量の増量と同じように、点火時期Ｔｓの進角量が増量される。すなわち、中負荷領域Ｒ７では、点火インターバルＤｓが一定とされた状態で、点火時期Ｔｓが、機関負荷の増加に応じて進角されていく。Ｓ１１３の処理が終了すると、Ｓ１１４へ進む。

次に、Ｓ１１４では、図５（ａ）で線Ｌ３１に示す制御マップを利用して、メイン噴射量Ｓｍが算出される。なお、中負荷領域Ｒ７でも、低負荷領域Ｒ６と同じように、線Ｌ３１で表される機関負荷とメイン噴射量Ｓｍとの相関は、上記の式１に従う。これにより、Ｓ１０８の処理と同じように、本発明に係る燃焼制御の特徴を考慮した上でメイン噴射量Ｓｍを決定することができる。なお、中負荷領域Ｒ７ではプレ噴射量Ｓｐが機関負荷の増加とともに増量されるため、中負荷領域Ｒ７におけるメイン噴射量Ｓｍの増量比率（機関負荷の増加に対するメイン噴射量Ｓｍの増量する比率）は、低負荷領域Ｒ６の場合のメイン噴射量Ｓｍの増量比率よりも小さくなる。Ｓ１１４の処理が終了すると、Ｓ１３０へ進む。

このようにプレ噴射、メイン噴射、および点火に関する各パラメータが決定されることで、中負荷領域Ｒ７では、プレ噴射燃料の点火後に図５（ａ）にＭ１で示すプレ噴射燃料の燃え残りが生成されることになる。上記のとおり、中負荷領域Ｒ７では、プレ噴射量Ｓｐは機関負荷の増加に応じて増量されながら、点火インターバルＤｓが一定の下、プレ噴
射時期Ｔｐ及び点火時期Ｔｓが進角される。その結果、燃え残り量も、機関負荷の増加に応じて、増量していくことになる。

ここで、Ｓ１１０で否定判定されたことにより、すなわち負荷対応噴射量Ｓ０が所定の第２噴射量Ｓ２より多いことにより、内燃機関１の機関負荷は高負荷領域Ｒ８にある（図５を参照）。この場合、処理はＳ１２１へ進み、Ｓ１２１では、図５（ａ）で線Ｌ３１に示す制御マップを利用して、メイン噴射量Ｓｍが決定される。具体的には、高負荷領域Ｒ８では、機関負荷の増加に伴いメイン噴射量Ｓｍも比較的多くなっている。そして上記のとおり、メイン噴射量がある程度多くなると、噴射の際の気化潜熱の影響により燃焼が不安定となったり、その噴霧に対して周囲の空気（酸素）不足することでスモークが発生したりしやすい状態となる。そのため、高負荷領域Ｒ８では、メイン噴射量Ｓｍは、安定した燃焼を確保でき且つ過剰なスモークの発生を抑制できる上限値である最大メイン噴射量Ｓｍｍａｘに設定される。Ｓ１２１の処理が終了すると、Ｓ１２２へ進む。

次に、Ｓ１２２では、図５（ａ）で線Ｌ３０に示す制御マップを利用して、プレ噴射量Ｓｐが算出される。なお、高負荷領域Ｒ８では、線Ｌ３０で表される機関負荷とプレ噴射量Ｓｐとの相関は、以下の式２に従う。
Ｓｐ ＝ （Ｓ０ −Ｓｍ）／α ・・・（式２）

なお、αは、式１と同じく、プレ噴射燃料の燃え残り率である。高負荷領域Ｒ８の場合は、上記の理由でメイン噴射量Ｓｍは最大メイン噴射量Ｓｍｍａｘに固定される。そこで、上記式２に従うことで、Ｓ１０８やＳ１１４の処理と本質的に同じように、本発明に係る燃焼制御の特徴を考慮した上でプレ噴射量Ｓｐを決定することができる。Ｓ１２２の処理が終了すると、Ｓ１２３へ進む。

Ｓ１２３では、図５（ｂ）で線Ｌ３３に示す制御マップを利用してプレ噴射時期Ｔｐが決定される。具体的には、高負荷領域Ｒ８では、合計噴射量Ｓ０が所定の第２噴射量Ｓ２より多いため、安定した燃焼の確保及びスモーク抑制のためメイン噴射量ＳｍがＳ１２１で決定された最大メイン噴射量Ｓｍｍａｘに固定されている。したがって、要求された機関負荷に対応するためにプレ噴射量Ｓｐは上記式２に従い、中負荷領域Ｒ７である場合と比べても、より多い値に決定されることになる。このようにプレ噴射量Ｓｐが多くなると、プレ噴射燃料の燃え残りとメイン噴射燃料との干渉によるスモーク発生が再び懸念されるようになる。そこで、図５（ｂ）で線Ｌ３３に示すように、プレ噴射時期Ｔｐを、中負荷領域Ｒ７である場合と比べてより進角させることで、すなわち、高負荷領域Ｒ８での噴射インターバルＤｉは機関負荷の増加に応じて拡大するようにプレ噴射時期Ｔｐを設定することで、スモーク抑制が図られる。なお、プレ噴射時期Ｔｐの進角量については、上記のとおり高負荷領域Ｒ８ではスモーク発生の懸念があるため、進角によるスモーク抑制の面を優先して、プレ噴射時期Ｔｐを適宜設定すればよい。また、仮にスモーク抑制が所望通りに実現可能であるならば、更に噴射インターバルＤｉと内燃機関１の熱効率との相関を考慮して、プレ噴射時期Ｔｐを適宜設定すればよい。Ｓ１２３の処理が終了すると、Ｓ１２４へ進む。

次に、Ｓ１２４では、図５（ｂ）で線Ｌ３４に示す制御マップを利用して、点火時期Ｔｓが決定される。具体的には、点火時期Ｔｓは、機関負荷の増加に伴い進角されるが、その進角量の増量比率（機関負荷の増加に対する進角量の増量の比率）はプレ噴射の進角量の増量比率よりも小さい。そのため、高負荷領域Ｒ８では、プレ噴射時期Ｔｐも点火時期Ｔｓも機関負荷の増加に応じて進角されるが、点火インターバルＤｓは機関負荷の増加に伴い拡大していくことになる。この結果、高負荷領域Ｒ８では、メイン噴射燃料とともに燃焼に供される、プレ噴射燃料の燃え残り量を大きく増量させることができる（図５（ａ）のＭ１を参照）。上記のとおり、高負荷領域Ｒ８では、メイン噴射量は上限メイン噴射
量に固定されているが、このようにプレ噴射燃料の燃え残り量を増量させることで、要求された機関負荷に答えるとともに内燃機関１の熱効率を好適に維持することが可能となる。Ｓ１２４の処理が終了すると、Ｓ１３０へ進む。

このようにプレ噴射、メイン噴射、および点火に関する各パラメータが決定されることで、高負荷領域Ｒ８では、プレ噴射燃料の点火後に図５（ａ）にＭ１で示すプレ噴射燃料の燃え残りが生成されることになる。上記のとおり、高負荷領域Ｒ８では、プレ噴射量Ｓｐは機関負荷の増加に応じて増量し、且つ、点火インターバルＤｓが拡大しながら、プレ噴射時期Ｔｐ及び点火時期Ｔｓが進角される。また、プレ噴射量Ｓｐは、メイン噴射量Ｓｍが最大メイン噴射量Ｓｍｍａｘに固定されているため、機関負荷の増加に対するプレ噴射量Ｓｐの増加の比率は、中負荷領域Ｒ７の場合よりも大きくなる。その結果、燃え残り量も、機関負荷の増加に応じて、中負荷領域Ｒ７の場合よりも、より増量していくことになる。

ここで、Ｓ１０８、Ｓ１１４、Ｓ１２４の何れかの処理が終了すると、Ｓ１３０の処理が行われる。Ｓ１３０では、上述までの処理で決定されたプレ噴射量Ｓｐ、プレ噴射時期Ｔｐ、メイン噴射量Ｓｍ、メイン噴射時期Ｔｍ、点火時期Ｔｓに従って、燃料噴射弁６によるプレ噴射及びメイン噴射、点火プラグ５による点火を実行する。Ｓ１３０の処理が終了すると、再びＳ１０１の処理から繰り返される。

本燃焼制御によれば、プレ噴射量Ｓｐ、プレ噴射時期Ｔｐ、メイン噴射量Ｓｍ、メイン噴射時期Ｔｍ、点火時期Ｔｓを機関負荷に応じて適切に決定することで、スモークの発生を抑制しながら安定したディーゼル燃焼の実現と、その熱効率の向上を両立することが可能となる。また、内燃機関の低負荷領域から高負荷領域までの広い運転領域において、好適な燃焼が実現されることになる。

＜燃料噴射弁＞
ところで、燃料噴射弁６の噴孔６ａを全て等間隔に配置することも考えられる。ここで、図６は、概ね放射状に１６方向に燃料を噴射可能となるように噴孔６ａを配置した場合の燃料噴霧の状態を示した図である。この場合の噴孔６ａは、燃料噴射弁６の先端付近に該燃料噴射弁６の中心軸（気筒２の中心軸としてもよい。）の周りに等間隔（等角度としてもよい。）に配置している。このように構成された内燃機関１では、以下のような事が起こり得る。

図７は、燃料噴射弁６の噴孔６ａを燃料噴射弁６の中心軸周りに等間隔に１６個配置した場合において、プレ噴射後からメイン噴射後までを燃焼室上方から見た状態を模式的に示した図である。なお、図７では、スワールが発生していない場合を示している。

図７（ａ）は、プレ噴射を行った後であって、点火プラグ５による点火を行う前の状態を示している。このときには、燃料噴霧が等間隔に存在している。図７（ｂ）は、点火プラグ５による点火を行った後であって、メイン噴射を行う直前の状態を示している。点火プラグ５による点火時に点火可能領域５ａに存在する燃料が燃焼し、点火可能領域５ａの周りに既燃ガスが存在している。この、プレ噴射燃料が燃焼した後の既燃ガスが存在する領域が、既燃領域である。点火可能領域５ａから離れているために火炎が伝播しない燃料噴霧は、燃焼せずに燃え残り燃料として燃焼室内に存在する。ここで、スワールが発生していない場合には、プレ噴射燃料の燃焼により既燃領域は拡大するものの、既燃領域は点火可能領域５ａの周りに留まる。

図７（ｃ）は、メイン噴射を行った直後の状態を示している。ここで、メイン噴射燃料の一部が、既燃領域に存在している。図７（ｄ）は、メイン噴射燃料が燃焼している途中
の状態を示した図である。メイン噴射燃料は、既燃領域の外縁に接した箇所から拡散燃焼が始まる。しかし、既燃領域に存在するメイン噴射燃料は、酸素不足により燃焼が緩慢となり、スモークが発生する虞がある。なお、図７は、スワールが発生していない場合を示した図であるが、スワールが発生している場合であっても、既燃領域に向かってメイン噴射が行われると、酸素不足によりスモークが発生し得る。

一方、本実施例に係る燃料噴射弁６は、図２に示すように、燃料噴射弁６の中心軸から見て、メイン噴射時に既燃領域が存在し得る方向には噴孔６ａを配置していない。すなわち、燃料噴射弁６を中心としたスワールの回転方向の角度であって点火プラグ５（点火可能領域５ａとしてもよい。）を起点とした９０度以下の角度である所定角度で規定される既燃領域に噴射されるメイン噴射燃料の量が、既燃領域からスワールの回転方向に位置する既燃領域を含まない領域であって所定角度と同じ大きさの角度で規定される既燃領域と同じ大きさの領域に噴射されるメイン噴射燃料の量よりも少なくなるように形成した複数の噴孔６ａを燃料噴射弁６が有する。なお、本実施例においては既燃領域が、本発明における所定領域に相当する。所定領域は、プレ噴射燃料の燃焼ガスがスワールによって流された後にメイン噴射を行うときに、燃焼ガスが存在すると想定される燃焼室内の領域である。また、本実施例では、燃焼室内にスワールが発生するような構成としている。例えば、スワールが発生するように吸気ポート７を形成してもよいし、吸気ポート７の通路断面積を変化させることによりスワールを発生させるスワールコントロールバルブを備えていてもよい。

図８は、メイン噴射時に既燃領域に噴孔６ａが向かないように燃料噴射弁６の噴孔６ａを配置した場合において、プレ噴射からメイン噴射後までを燃焼室上方から見た状態を模式的に示した図である。図８は、シリンダヘッド側から燃焼室内を見た図であり、右回りのスワールが発生している場合を示している。

図８（ａ）は、プレ噴射を行った後であって、点火プラグ５による点火を行う前の状態を示している。このときには、点火可能領域５ａにプレ噴射燃料が存在している。一方、点火可能領域５ａよりもスワール回転方向のすぐ下流側の領域には、プレ噴射による噴霧は存在していない。

図８（ｂ）は、点火プラグ５による点火を行った後であって、メイン噴射が行われる直前の状態を示している。点火プラグによる点火時に点火可能領域５ａに存在する燃料が燃焼し、既燃領域を形成する。点火可能領域５ａから離れている燃料噴霧には火炎が伝播しないために燃焼せずに、燃え残り燃料として燃焼室内に存在する。

図８（ｃ）は、メイン噴射を行った直後の状態を示している。このときには、既燃領域はスワールの流れに乗ってスワールの回転方向に移動している。このときのメイン噴射燃料の一部が、既燃領域の外縁に接している。すなわち、既燃領域は、点火可能領域５ａを通過する噴孔６ａからの燃料噴霧と、点火可能領域５ａを通過する噴孔６ａよりもスワールの回転方向で１つ下流側の噴孔６ａからの燃料噴霧と、の間に存在している。ここで、既燃領域では、プレ噴射燃料を燃焼させるために酸素が消費されている。すなわち、既燃領域は、酸素濃度が他の領域と比べると低い。このため、仮に、既燃領域にメイン噴射燃料が存在すると、既燃領域内ではメイン噴射燃料を燃焼させるのに必要となる酸素が不足する虞がある。このため、既燃領域においてスモークが発生する虞がある。一方、本実施例に係る燃料噴射弁６では、メイン噴射時に既燃領域に向かって燃料が噴射されないように、噴孔６ａを配置している。

図８（ｄ）は、メイン噴射燃料が燃焼を始めた後の状態を示した図である。メイン噴射燃料が既燃領域の外縁付近を通過すれば、プレ噴射燃料の燃焼による火炎を起点として燃
焼が開始され、プレ噴射燃料の燃え残りとともに自着火拡散燃焼が起こる。なお、メイン噴射燃料の噴霧及びメイン噴射燃料の燃焼部分は、メイン噴射後すぐに拡散燃焼が始まるため、スワールの影響を受け難く、またプレ噴射燃料の燃焼によりスワールの回転速度が低下するため、メイン噴射燃料の噴霧及びメイン噴射燃料の燃焼部分はスワールの回転方向に移動し難いことを実験で確認している。このため、既燃領域にメイン噴射燃料が流入し難い。よって、既燃領域にはメイン噴射燃料がほとんど存在しないため、メイン噴射燃料の燃焼時に酸素不足となることを抑制できる。これにより、スモークの発生を抑制できる。したがって、本実施例では、既燃領域内に流入するメイン噴射燃料が少なくなるように、且つ、メイン噴射燃料が既燃領域の外縁付近を通過するように噴孔６ａを配置している。

このように、メイン噴射を行ったときに、隣り合う噴霧の間に既燃領域が存在するように、２つの噴孔６ａの間隔を設定することにより、既燃領域にメイン噴射燃料が流入することを抑制できる。これにより、メイン噴射燃料の燃焼時における酸素不足を抑制することができるため、スモークの発生を抑制できる。

なお、メイン噴射燃料が既燃領域に流入したとしても、その量が少なければスモークの発生を抑制できる。すなわち、既燃領域に噴孔６ａが向いていたとしても、既燃領域以外の領域を向いている噴孔６ａと比べて、隣接する噴孔６ａとの間隔を広げれば、例え既燃領域にメイン噴射燃料が流入したとしても、スモークを低減することができる。したがって、既燃領域を向いている噴孔６ａの間隔が、他の領域を向いている噴孔６ａの間隔よりも広ければ、本願発明の効果を得ることができる。これは、上記所定角度内の噴孔６ａの間隔が、上記所定角度以外の噴孔６ａの間隔よりも広ければ、本願発明の効果を得ることができるともいえる。

メイン噴射時における既燃領域の位置は、内燃機関１の運転状態によって変化し得る。このため、噴孔６ａの間隔は、内燃機関１の所定の運転状態のときにメイン噴射燃料が既燃領域に流入しないように設定してもよい。所定の運転領域は、例えば、スモークの発生量が多くなり得る運転領域である。さらに、内燃機関１の全ての運転状態を想定して、メイン噴射燃料が既燃領域に流入しないように、噴孔６ａの間隔を設定してもよい。

このように、本実施例では、燃料噴射弁６の中心軸から見てメイン噴射時に既燃領域を向く方向では、既燃領域を向かない方向よりも、メイン噴射燃料が既燃領域を避けるように噴孔６ａの間隔を比較的広くしている一方で、燃料噴射弁６の中心軸から見てメイン噴射時に既燃領域を向いていない方向では、噴孔６ａの間隔を比較的狭くしている。ここで、燃料噴射弁の噴孔を全て等間隔に配置し、且つ、噴孔の数を比較的少なくすることによっても、メイン噴射時に既燃領域に噴孔が向かない場合もあり得る。すなわち、既燃領域を避けるように噴孔の間隔を広くした場合と同様の間隔を、既燃領域が存在しない箇所にも適用することも考えられる。このような場合、少なくとも、メイン噴射燃料が既燃領域を通過することは抑制できる。しかし、このような構成は以下のように好ましくない。

ここで、図９は、燃料噴射弁の噴孔を等間隔に配置し、且つ、噴孔の数を比較的少なくした場合におけるメイン噴射後の状態を模式的に示した図である。このように、噴孔の間隔を等間隔に比較的広くすることにより、メイン噴射燃料が既燃領域に流入することは抑制し得る。しかし、全ての噴孔を等間隔に配置すると、既燃領域から離れている箇所、例えば、燃料噴射弁からみて既燃領域とは反対側の箇所では、隣接する噴霧との間隔が広いために火炎が伝播し難くなり、その結果、拡散燃焼が起こり難くなる。このため、スモークが発生する虞がある。また、噴孔の間隔を比較的広くすると、メイン噴射時に１つの噴孔から噴射される燃料の量が多くなる。このため、局所的に空燃比が過濃となり、スモークが発生する虞がある。

これに対して、本実施例に係る燃料噴射弁６は、メイン噴射時に既燃領域を向いていない噴孔６ａの間隔が比較的狭いために、既燃領域の外縁を起点とした燃焼による火炎が、隣接する噴霧に伝播しやすい。このため、拡散燃焼が起こりやすくなる。また、噴孔６ａの間隔を狭くすることにより、噴孔６ａの数が多くなるため、メイン噴射時に１つ当たりの噴孔から噴射される燃料も比較的少ない。したがって、局所的に燃料が過濃となることを抑制できるため、スモークの発生を抑制できる。

以上説明したように本実施例によれば、プレ噴射燃料に対して点火プラグ５で点火することによりスプレーガイド燃焼を行い、その後に、拡散燃焼及び自着火燃焼を生じさせるメイン噴射が行われるため、ディーゼル燃焼に類似した燃焼が可能となる。このため、熱効率を非常に高くすることができる。さらに、プレ噴射燃料が燃焼して酸素濃度が低下した領域には、メイン噴射燃料が流入し難くなるように燃料噴射弁６の噴孔６ａを配置してあるため、メイン噴射燃料の燃焼が酸素不足により悪化することを抑制できる。これにより、スモークの発生を抑制できる。また、熱効率をさらに高めることができる。

（実施例２）
実施例１では、メイン噴射時に既燃領域に噴孔６ａが向かないように、または、既燃領域に流入するメイン噴射燃料量が相対的に少なくなるように、噴孔６ａの間隔を設定している。一方、本実施例では、燃料噴射弁６の噴孔６ａを等間隔に配置している。すなわち、メイン噴射時に既燃領域に向いている噴孔６ａを有する。さらに、メイン噴射時に既燃領域を向いている噴孔６ａの大きさを、既燃領域を向いていない噴孔６ａの大きさよりも小さくしている。なお、噴孔６ａの大きさは、噴孔６ａの直径としてもよく、軸方向に噴孔６ａを切断したときの断面積としてもよい。

ここで、噴孔６ａを小さくすることにより、該噴孔から噴射される燃料の量を相対的に少なくすることができる。すなわち、本実施例では、既燃領域にメイン噴射燃料が流入するが、既燃領域に流入するメイン噴射燃料量が比較的少なくなるように噴孔６ａの形状を設定している。これは、燃料噴射弁６を中心としたスワールの回転方向の角度であって点火プラグ５（点火可能領域５ａとしてもよい。）を起点とした９０度以下の角度である所定角度で規定される所定領域（すなわち、既燃領域）に噴射されるメイン噴射燃料の量が、所定領域からスワールの回転方向に位置する所定領域を含まない領域であって所定角度と同じ大きさの角度で規定される所定領域と同じ大きさの領域に噴射されるメイン噴射燃料の量よりも少なくなるように形成した複数の噴孔を燃料噴射弁６が有するともいえる。

図１０は、本実施例に係る燃料噴射弁６の各噴孔６ａからの燃料噴射量を示した図である。図１０は、シリンダヘッド側から燃焼室内を見た状態を模式的に示した図である。各噴孔６ａからの燃料噴射量を噴霧の幅で示している。噴霧の幅が広いほど、燃料噴射量が多いことを示している。したがって、実際の噴霧の幅とは異なる場合もある。ここで、図１０において、小さい噴孔６ａは、メイン噴射時に既燃領域と対向する噴孔６ａであり、実施例１において噴孔６ａを設けていない位置に設けられた噴孔６ａである。

既燃領域では、酸素濃度が低いためにメイン噴射燃料が燃焼するときに酸素不足になる虞があるが、本実施例に係る燃料噴射弁６では、既燃領域に流入するメイン噴射燃料が少なくなるため、酸素が不足することを抑制できる。また、酸素が不足したとしても、スモークの発生量を低減することができる。各噴孔６ａの大きさは、実験またはシミュレーション等により最適値を求めることができる。

以上説明したように本実施例によれば、既燃領域に流入するメイン噴射燃料の量を比較的少なくすることができるため、燃焼状態が悪化することを抑制できる。これにより、ス
モークが発生することを抑制できる。

なお、本実施例では、既燃領域を向いている噴孔６ａの中で、少なくとも一部の噴孔６ａの大きさを、他の噴孔よりも小さくすればよい。すなわち、既燃領域を向いていない噴孔６ａと同じ大きさの噴孔６ａが、既燃領域を向いている噴孔６ａの中にあってもよい。また、本実施例では、燃料噴射弁６の噴孔６ａを等間隔に配置しているが、これに代えて、実施例１と同様にして既燃領域を向いている噴孔６ａの間隔を他の領域を向いている噴孔６ａの間隔よりも広くしてもよい。

（実施例３）
図１１は、本実施例に係る内燃機関およびその吸排気系の概略構成を示す図である。図１に示した内燃機関と異なる点について主に説明する。

本実施例では、各気筒に吸気ポート７が２本備わり、一方の吸気ポート７で開閉するスワールコントロールバルブ７３（以下、ＳＣＶ７３という。）が設けられている。なお、本実施例においてはＳＣＶ７３が、本発明におけるスワール調節弁に相当する。ＳＣＶ７３は、ＥＣＵ２０により操作される。ＳＣＶ７３の開度を小さくすることにより、一方の吸気ポート７から気筒内に流入する空気の量が、他方の吸気ポート７から気筒内に流入する空気の量よりも少なくなる。このようにして、燃焼室内のスワールの回転方向に流れる空気の量を増加させる。これにより、スワールの速度が速くなる。すなわち、ＳＣＶ７３の開度を調節することにより、スワールの速度を調節することができる。なお、ＳＣＶ７３の構造はこれに限らず、一方の吸気ポート７を流通する空気の量と、他方の吸気ポート７を流通する空気の量と、を相対的に変化させるものであればよい。また、各気筒に吸気ポート７を１本だけ備える場合であっても、ＳＣＶ７３を備えることができる。この場合、ＳＣＶ７３を閉じることにより、吸気ポート７内で、空気の流れに偏りが生じ、この状態で気筒内に空気が流入することにより、スワールの速度が増す。

ここで、スワールの速度は、内燃機関１の運転状態、特に回転速度によって変化し得る。すなわち、内燃機関１の回転速度が高くなるほど、吸気ポート７を流通する吸気の流速が速くなるため、スワールの速度が高くなり得る。既燃領域はスワールの流れに乗って移動するため、スワールの速度が高くなると、メイン噴射開始までの既燃領域の移動距離が長くなる。このため、内燃機関１の回転速度によって、メイン噴射時の既燃領域の位置が変化し得る。しかし、上記実施例で説明した燃料噴射弁６の噴孔の位置や、噴孔の大きさは、内燃機関１に設置した状態では変えることが困難である。また、プレ噴射と、メイン噴射との間隔には、最適な間隔が存在するため、この間隔を大きく変化させることも困難である。したがって、上記実施例に係る燃料噴射弁６を用いた場合には、内燃機関１の回転速度によっては、メイン噴射燃料が多く存在する位置まで既燃領域が移動する虞がある。さらに、内燃機関１の回転速度が変化することによって既燃領域が移動し得る範囲に対して、プレ噴射燃料量が少なくなるように噴孔を設定すると、内燃機関１の回転速度によっては、既燃領域の外縁にメイン噴射燃料を到達させるのが困難となり得る。

そこで本実施例では、スワールの速度が変化しないように、ＳＣＶ７３の開度を調節する。すなわち、内燃機関１の回転速度が速くなるほど、ＳＣＶ７３の開度を大きくする。内燃機関１の回転速度と、ＳＣＶ７３の開度と、の関係は、予め実験またはシミュレーション等により求めておくことができる。なお、内燃機関１の回転速度に応じて、ＳＣＶ７３の開度を、連続的に変化させてもよく、段階的に変化させてもよい。また、スワールの速度が全く変化しないようにＳＣＶ７３の開度を調節してもよいが、これに代えて、スモークの発生量が許容範囲に収まるようであればスワールの速度が変化してもよい。

図１２は、本実施例に係るＳＣＶ７３の制御フローを示したフローチャートである。本
フローチャートは、ＥＣＵ２０により所定の時間毎に実行される。

Ｓ２０１では、機関回転速度が検出される。本実施例では、機関回転速度に基づいてＳＣＶ７３の開度を調節するために、まずは機関回転速度が検出される。ＥＣＵ２０は、クランクポジションセンサ２１により機関回転速度を得る。Ｓ２０１の処理が終了するとＳ２０２へ進む。

Ｓ２０２では、ＳＣＶ７３の開度が決定される。ここで、図１３は、機関回転速度と、ＳＣＶ７３の開度との関係を示した図である。機関回転速度が高くなるほど、ＳＣＶ７３の開度を大きくする。図１３に示した関係は、スワールの速度が変化しない、または、スワールの速度が変化したとしてもスモークの発生量が許容範囲内となるように設定されている。この図１３に示した関係は、予め実験またはシミュレーション等により求めてＥＣＵ２０に記憶させておく。Ｓ２０２の処理が終了するとＳ２０３へ進む。

Ｓ２０３では、ＳＣＶ７３の開度が調節される。すなわち、ＥＣＵ２０は、Ｓ２０２で決定された開度となるように、ＳＣＶ７３の開度を調節する。例えば、ＳＣＶ７３をステッピングモータにより開閉することで、該ＳＣＶ７３の開度を精度よく調節することができる。また、例えば、ＳＣＶ７３に開度を検出する開度センサを取り付けておき、該開度センサにより検出されるＳＣＶ７３の開度が、Ｓ２０２で決定された開度となるように調節してもよい。Ｓ２０３の処理が完了するとＳ２０４へ進む。

Ｓ２０４では、燃料噴射制御及び点火時期制御が実施される。すなわち、プレ噴射、プレ噴射燃料への点火、及び、メイン噴射が実施される。プレ噴射、プレ噴射燃料への点火、及び、メイン噴射は、上記実施例のようにして行われる。Ｓ２０４の処理が終了すると本フローチャートを終了させる。

以上説明したように本実施例によれば、機関回転速度が変化したとしても、スワールの速度が変化することを抑制できるため、メイン噴射時に既燃領域が略同じ位置に存在することになる。このため、機関回転速度が変化したとしても、既燃領域にメイン噴射燃料が流入することを抑制できるため、メイン噴射燃料を十分な酸素の下で燃焼させることができる。これにより、スモークの発生を抑制できる。

１ 内燃機関
２ 気筒
３ ピストン
５ 点火プラグ
６ 燃料噴射弁
７ 吸気ポート
８ 排気ポート
９ 吸気弁
１０ 排気弁
２０ ＥＣＵ
２１ クランクポジションセンサ
２２ アクセルポジションセンサ
７１ スロットル
７２ エアフローメータ
７３ スワールコントロールバルブ（ＳＣＶ）
Ｔｐ プレ噴射時期
Ｔｍ メイン噴射時期
Ｔｓ 点火時期
Ｄｉ 噴射インターバル
Ｄｓ 点火インターバル

Claims (5)

1. 燃焼室内に気筒中心軸周りの旋回流であるスワールが発生する内燃機関において、
   複数の噴孔を有し、気筒中心軸側から気筒壁面側に向かって燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   前記燃料噴射弁から噴射された燃料の噴霧が点火可能領域を通過し該噴霧に直接に点火可能となるように、該燃料噴射弁に対する相対位置が決定された点火装置と、
   圧縮行程中に行われる前記燃料噴射弁からの燃料噴射であるプレ噴射と、該プレ噴射によって形成される燃料の噴霧であるプレ噴霧への前記点火装置による点火と、を行った後に、プレ噴射燃料による火炎を起点として燃焼が開始可能な時期であって且つ圧縮行程上死点前の時期である所定噴射開始時期に行われる前記燃料噴射弁からの燃料噴射であるメイン噴射を実行することで、少なくとも該メイン噴射燃料の一部を拡散燃焼させる燃焼制御部と、
   を備え、
   前記燃料噴射弁を中心としたスワールの回転方向の角度であって前記点火装置を起点とした９０度以下の角度である所定角度で規定される所定領域に噴射される前記メイン噴射燃料の量が、前記所定領域からスワールの回転方向に位置する前記所定領域を含まない領域であって前記所定角度と同じ大きさの角度で規定される前記所定領域と同じ大きさの領域に噴射される前記メイン噴射燃料の量よりも少なくなるように形成した複数の噴孔を前記燃料噴射弁が有し、
   前記所定領域を向いている前記噴孔の間隔が、前記所定領域以外の領域を向いている前記噴孔の間隔よりも広い内燃機関。
2. 前記燃料噴射弁は、前記メイン噴射時に前記所定領域に向かって前記メイン噴射燃料を噴射する噴孔を有していない請求項１に記載の内燃機関。
3. 燃焼室内に気筒中心軸周りの旋回流であるスワールが発生する内燃機関において、
   複数の噴孔を有し、気筒中心軸側から気筒壁面側に向かって燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   前記燃料噴射弁から噴射された燃料の噴霧が点火可能領域を通過し該噴霧に直接に点火可能となるように、該燃料噴射弁に対する相対位置が決定された点火装置と、
   圧縮行程中に行われる前記燃料噴射弁からの燃料噴射であるプレ噴射と、該プレ噴射に
   よって形成される燃料の噴霧であるプレ噴霧への前記点火装置による点火と、を行った後に、プレ噴射燃料による火炎を起点として燃焼が開始可能な時期であって且つ圧縮行程上死点前の時期である所定噴射開始時期に行われる前記燃料噴射弁からの燃料噴射であるメイン噴射を実行することで、少なくとも該メイン噴射燃料の一部を拡散燃焼させる燃焼制御部と、
   を備え、
   前記燃料噴射弁を中心としたスワールの回転方向の角度であって前記点火装置を起点とした９０度以下の角度である所定角度で規定される所定領域に噴射される前記メイン噴射燃料の量が、前記所定領域からスワールの回転方向に位置する前記所定領域を含まない領域であって前記所定角度と同じ大きさの角度で規定される前記所定領域と同じ大きさの領域に噴射される前記メイン噴射燃料の量よりも少なくなるように形成した複数の噴孔を前記燃料噴射弁が有し、
   前記メイン噴射時に前記所定領域に向かって前記メイン噴射燃料を噴射する前記燃料噴射弁の噴孔の大きさが、前記メイン噴射時に前記所定領域以外に向かって前記メイン噴射燃料を噴射する前記燃料噴射弁の噴孔の大きさよりも小さい内燃機関。
4. 前記内燃機関の吸気通路に開度を小さくすることにより前記内燃機関の気筒内のスワールの速度を大きくするスワール調節弁を備え、
   前記内燃機関の回転速度が速くなるほど、前記スワール調節弁の開度を大きくする請求項１から３の何れか１項に記載の内燃機関。
5. 前記所定領域は、前記プレ噴射燃料の燃焼ガスがスワールによって流された後に前記メイン噴射を行うときに、前記燃焼ガスが存在すると想定される燃焼室内の領域であることを特徴とする請求項１から４のいずれかの１項に記載の内燃機関。

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