(57)【要約】【課題】ディーゼルエンジンにおいて、排気中のスモーク量をスモーク限界閾値未満に抑制しつつ、三元触媒による排気浄化を適切に行なうことを可能にする。【解決手段】ディーゼルエンジンは、燃焼室（１５）と、噴射ノズル（１６ａ）と、三元触媒とを備える。ピストンの頂部には、燃焼室キャビティ（１４ｂ）が形成される。逆スキッシュ流の最大速度をＶｓとし、燃焼室キャビティ１４ｂの開口周縁部近傍での燃料噴霧速度をＶｓｐとするとき、当量比が０．９５以上となる運転条件において速度比Ｖｓ／Ｖｓｐが０．４以下となるように、燃焼室キャビティ（１４ｂ）の開口径および噴射ノズル（１６ａ）の噴孔径が決められている。【選択図】図２
2020112058.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンとシリンダヘッドとシリンダとに囲まれて形成される燃焼室と、
前記燃焼室内に燃料を噴霧するノズルと、
前記燃焼室で燃焼した後の排気を浄化する三元触媒とを備え、
前記ピストンの頂部には、前記ピストンの頂面の外周部分よりも窪み、前記シリンダヘッドに対向する側が開口した燃焼室キャビティが形成され、
圧縮上死点近傍において燃焼膨張時に前記燃焼室キャビティから前記ピストンの頂面の外周部分に向かう逆スキッシュ流の最大速度をＶｓとし、前記燃焼室キャビティの開口周縁部近傍での燃料噴霧速度をＶｓｐとするとき、当量比が０．９５以上となる運転条件において速度比Ｖｓ／Ｖｓｐが０．４以下となるという速度比条件を満たすように前記燃焼室キャビティの開口径および前記ノズルの噴孔径が決められている、ディーゼルエンジン。
【請求項２】
前記燃焼室キャビティの前記開口周縁部には、前記ピストンの半径方向外側から半径方向内側に向けて徐々に傾斜するテーパー部が形成され、
前記テーパー部の内径と外径との間の値に基づいて算出される前記逆スキッシュ流の速度Ｖｓが前記速度比条件を満たすように、前記テーパー部の形状が決められている、請求項１に記載のディーゼルエンジン。
【請求項３】
前記速度比Ｖｓ／Ｖｓｐが０．４以下となる運転領域で前記ディーゼルエンジンが運転される場合に、前記燃焼室内の前記当量比が１となるように、前記燃焼室に吸入される空気量、および前記ノズルの燃料噴射量の少なくとも一方が調整される、請求項１または２に記載のディーゼルエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、燃焼室キャビティが頂部に形成されたピストンを有する直接噴射式のディーゼルエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許第３７５１４６２号公報（特許文献１）には、浅皿状に窪んだ燃焼室キャビティが頂部に形成されたピストンを有する直接噴射式のディーゼルエンジンが開示されている。このディーゼルエンジンにおいては、圧縮上死点近傍において燃焼室キャビティからスキッシュエリアに向かう逆スキッシュ流の速度をＶｓとし、燃焼室キャビティの開口部近傍での燃料噴霧速度をＶｓｐとするとき、速度比Ｖｓ／Ｖｓｐがすべての運転条件で１．２５以下となるように燃焼室キャビティの開口径が決められている。これにより、燃焼室キャビティおよびスキッシュエリアにて燃料を均一に分布させ、且つ均一に燃焼させるようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３７５１４６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般的に、ディーゼルエンジンは、燃料量に対する空気量の割合を示す空燃比が理論空燃比（ストイキ）よりも大きいリーン状態で運転される。このため、リーン状態で運転されるディーゼルエンジンにおいては、排気ガス中の有害物質、特に窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するために、リーン状態でもＮＯｘの浄化率が高い、例えば、尿素添加型の触媒（いわゆる尿素ＳＣＲ（Selective  Catalytic  Reduction）が多く用いられている。しかしながら、尿素添加型の触媒を用いるためには、触媒本体に加えて、尿素タンク、添加弁、添加した尿素を排気ガスと混合させるための混合機など、多くの付属装置が必要となるため、後処理（排気浄化処理）にかかるコストが高くなってしまうという課題がある。ディーゼルエンジンの後処理にかかるコストを低減する方法として、本願発明者等は、ガソリンエンジンで多く使用される安価な三元触媒をディーゼルエンジンにも適用することを考えた。
【０００５】
ここで、エンジンの排気を三元触媒で適切に浄化するためには、空燃比が理論空燃比となるストイキ運転を行なう必要がある。ところが、上述のようにディーゼルエンジンはリーン状態で運転されるのが一般的であり、従来構造のディーゼルエンジンでストイキ運転を行なうと許容量を超える多量のスモークが発生するとの背反が生じ得る。
【０００６】
本開示は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、ディーゼルエンジンにおいて、排気に含まれるスモーク量を許容量以下に抑制しつつ、三元触媒による排気浄化を適切に行なうことを可能にすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）  本開示によるディーゼルエンジンは、ピストンとシリンダヘッドとシリンダとに囲まれて形成される燃焼室と、燃焼室内に燃料を噴霧するノズルと、燃焼室で燃焼した後の排気を浄化する三元触媒とを備える。ピストンの頂部には、ピストンの頂面の外周部分よりも窪み、シリンダヘッドに対向する側が開口した燃焼室キャビティが形成される。圧縮上死点近傍において燃焼膨張時に燃焼室キャビティからピストンの頂面の外周部分に向かう逆スキッシュ流の最大速度をＶｓとし、燃焼室キャビティの開口周縁部近傍での燃料噴霧速度をＶｓｐとするとき、当量比が０．９５以上となる運転条件において速度比Ｖｓ／Ｖｓｐが０．４以下となるという速度比条件を満たすように燃焼室キャビティの開口径およびノズルの噴孔径が決められている。
【０００８】
上記のディーゼルエンジンにおいては、当量比が０．９５以上となる運転条件において速度比Ｖｓ／Ｖｓｐが０．４以下となるという速度比条件を満たすように燃焼室キャビティの開口径およびノズルの噴孔径が決められている。これにより、上記のディーゼルエンジンにおいては、スモーク量を許容量未満に抑制しつつ当量比が０．９５以上となる（すなわち実空燃比がほぼ理論空燃比となる）運転領域が確保され、この運転領域においてストイキ運転を行なうことによって、スモーク量を許容量以下に抑制しつつ、三元触媒による排気浄化を適切に行なうことが可能になる。
【０００９】
（２）  ある形態においては、燃焼室キャビティの開口周縁部には、ピストンの半径方向外側から半径方向内側に向けて徐々に傾斜するテーパー部が形成される。テーパー部の内径と外径との間の値に基づいて算出される逆スキッシュ流の速度Ｖｓが速度比条件を満たすように、テーパー部の形状が決められている。
【００１０】
逆スキッシュ流の速度（以下、単に「逆スキッシュ速度」ともいう）Ｖｓは燃焼室キャビティの開口径（以下、単に「キャビティ開口径」ともいう）を用いて算出することができることが知られている。しかしながら、燃焼室キャビティの開口周縁部にテーパー部が形成される場合、逆スキッシュ速度Ｖｓの算出に用いるキャビティ開口径をどのような値に設定するのかが問題となることが、本願発明者等の実験等によって新たに判明した。具体的には、仮にキャビティ開口径をテーパー部の内径とすると、逆スキッシュ速度Ｖｓが実際の速度よりも高く算出されてしまうことが判明した。逆に、仮にキャビティ開口径をテーパー部の外径とすると、逆スキッシュ速度Ｖｓが実際の速度よりも低く算出されてしまうことが判明した。
【００１１】
これらの結果に鑑み、上記形態においては、テーパー部の内径と外径との間の値（たとえば内径と外径との平均値）に基づいて逆スキッシュ速度Ｖｓが算出され、その逆スキッシュ速度Ｖｓが速度比条件を満たすように、テーパー部の形状が決められている。これにより、燃焼室キャビティの開口周縁部にテーパー部が形成される場合においても、逆スキッシュ速度Ｖｓをより正確に算出し、その結果を用いて、速度比条件を満たすテーパー部の形状を精度よく決めることができる。
【００１２】
（３）  ある形態においては、速度比Ｖｓ／Ｖｓｐが０．４以下となる運転領域でディーゼルエンジンが運転される場合に、燃焼室内の当量比が１となるように、燃焼室に吸入される空気量、およびノズルの燃料噴射量の少なくとも一方が調整される。
【００１３】
上記形態によれば、速度比Ｖｓ／Ｖｓｐが０．４以下となる運転領域において当量比が１となるように、燃焼室に吸入される空気量（ディーゼルスロットル開度、ノズルベーン開度など）、およびノズルの燃料噴射量（パイロット噴射量、ポスト噴射量など）の少なくとも一方が調整される。そのため、スモーク量を許容量以下に抑制しつつ、三元触媒による排気浄化を適切に行なうことが可能になる。
【発明の効果】
【００１４】
本開示によれば、ディーゼルエンジンにおいて、排気に含まれるスモーク量を許容量以下に抑制しつつ、三元触媒による排気浄化を適切に行なうことを可能にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施の形態によるエンジンおよびその制御システムの概略構成を示す図である。
【図２】ピストンの詳細形状を示す図である。
【図３】逆スキッシュ速度Ｖｓの算出に用いるキャビティ開口径ｄｃの設定手法を説明するための図である。
【図４】速度比Ｖｓ／Ｖｓｐと限界当量比Φｌｉｍとの対応関係を示す図である。
【図５】当量比が０．９５かつＥＧＲ率が０％である状態でエンジンを運転した時における、速度比Ｖｓ／Ｖｓｐとスモーク量との対応関係を示す図である。
【図６】本実施の形態によるエンジンにおけるストイキ運転可能領域Ａを模式的に示す図である。
【図７】制御装置の処理手順の一例を示すフローチャートである。
【図８】制御装置がストイキ運転モード中に行なう処理手順の概要の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しつつ、本開示の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号が付されている。それらの名称および機能も同じである。したがってそれらについての詳細な説明は繰返されない。
【００１７】
図１は、本実施の形態に係るエンジン１およびその制御システムの概略構成を示す図である。エンジン１は、直接噴射式のディーゼルエンジンである。エンジン１は、直列型のエンジンであってもよいし、その他の気筒レイアウト（たとえば、Ｖ型あるいは水平型）のエンジンであってもよい。
【００１８】
エンジン１は、エンジン本体１０と、サプライポンプ１７と、コモンレール１８と、エアクリーナ２０と、インタークーラ２６と、吸気マニホールド２８と、過給機３０と、排気マニホールド５０と、排気処理装置５５と、ＥＧＲ装置（排気再循環装置）６０と、エンジン回転数センサ１０２と、エアフローメータ１０４と、過給圧センサ１０６と、燃圧センサ１０８と、制御装置２００とを備える。
【００１９】
エンジン本体１０は、シリンダヘッド１１と、シリンダ１２と、ピストン１４と、インジェクタ１６とを含む。シリンダ１２は、シリンダヘッド１１の下部に配設される。ピストン１４は、シリンダ１２内に上下往復動可能に介挿される。ピストン１４の頂部とシリンダヘッド１１とシリンダ１２とで囲まれた空間によって燃焼室１５が形成される。ピストン１４の形状については後に詳述する。
【００２０】
インジェクタ１６は、シリンダヘッド１１に設けられ、燃焼室１５に燃料を噴霧する燃料噴射装置である。燃料タンク（図示せず）に貯留された燃料は、サプライポンプ１７によって所定圧まで加圧されてコモンレール１８へ供給される。コモンレール１８に供給された燃料は、インジェクタ１６に供給され、インジェクタ１６の噴射ノズル１６ａから所定のタイミングで燃焼室１５に噴射される。インジェクタ１６は、制御装置２００からの制御信号に応じて指令された燃料噴射量を燃焼室１５内に供給する。
【００２１】
エアクリーナ２０は、エンジン１の外部から吸入される空気から異物を除去する。エアクリーナ２０には、第１吸気管２２の一方端が接続される。
【００２２】
第１吸気管２２の他方端は、過給機３０のコンプレッサ３２の吸気流入口に接続される。コンプレッサ３２の吸気流出口には、第２吸気管２４の一方端が接続される。コンプレッサ３２は、第１吸気管２２から流通する空気を過給して第２吸気管２４に供給する。第２吸気管２４の他方端には、インタークーラ２６の一方端が接続される。インタークーラ２６は、第２吸気管２４を流通する空気を冷却する空冷式あるいは水冷式の熱交換器である。
【００２３】
インタークーラ２６の他方端には、第３吸気管２７の一方端が接続される。第３吸気管２７の他方端には、吸気マニホールド２８が接続される。吸気マニホールド２８は、エンジン本体１０の吸気ポートに連結される。第３吸気管２７の途中であって、後述するＥＧＲ６０との分岐点よりもインタークーラ２６側には、ディーゼルスロットル２５が設けられる。ディーゼルスロットル２５は、制御装置２００から制御信号に応じて吸気の流量を調整する。
【００２４】
排気マニホールド５０は、エンジン本体１０の排気ポートに連結される。排気マニホールド５０には、第１排気管５２の一方端が接続される。第１排気管５２の他方端は、過給機３０のタービン３６の排気流入口に接続される。そのため、各気筒の排気ポートから排出される排気は、排気マニホールド５０および第１排気管５２を経由してタービン３６に供給される。
【００２５】
タービン３６の排気流出口には、第２排気管５４の一方端が接続される。第２排気管５４の他方端には、三元触媒５６と、ＰＭ（Particulate  Matter）除去フィルタ５７と、ＳＣＲ触媒５８とを含む排気処理装置５５が接続される。タービン３６の排気流出口から排出された排気は、第２排気管５４および排気処理装置５５を経由して車外に排出される。なお、本実施の形態においては、ＳＣＲ触媒５８を省略するようにしてもよい。
【００２６】
三元触媒５６は、排気中に含まれる有害物質である炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）を、プラチナ、パラジウム、ロジウムを使用した触媒により酸化および還元することによって同時に除去する。具体的には、三元触媒５６は、炭化水素を水と二酸化炭素に酸化し、一酸化炭素を二酸化炭素に酸化し、窒素酸化物を窒素に還元する。
【００２７】
排気中に含まれる有害物質を三元触媒５６で適切に浄化（酸化および還元）するためには、空燃比が理論空燃比となるストイキ状態でエンジン１が運転される必要がある。ディーゼルエンジンでは、空燃比が理論空燃比よりも大きくなるリーン運転となるのが一般的である。しかしながら、リーン運転では、排気を浄化するために高価な後処理装置が必要になりコストがかかる。本実施の形態によるエンジン１は、ディーゼルエンジンでありながら、後処理コスト低減のために、ガソリンエンジンで多く使用されている安価な三元触媒５６を採用している。三元触媒５６で排気を適切に浄化するために、本実施の形態によるエンジン１においては、後述するように、スモーク量を許容値未満に抑制しつつストイキ運転を行なうための工夫が施されている。
【００２８】
第３吸気管２７と排気マニホールド５０とは、エンジン本体１０の燃焼室１５を経由せずにＥＧＲ装置６０によって接続される。ＥＧＲ装置６０は、ＥＧＲバルブ６２と、ＥＧＲ通路６６とを含む。ＥＧＲ通路６６は、第３吸気管２７と排気マニホールド５０とを接続する。ＥＧＲバルブ６２は、ＥＧＲ通路６６の途中に設けられる。
【００２９】
ＥＧＲバルブ６２は、制御装置２００からの制御信号に応じて、ＥＧＲ通路６６を流通するＥＧＲガスの流量を調整する調整弁である。ＥＧＲバルブ６２の開度を調整することによって、ＥＧＲ率（エンジン本体に供給される吸気ガス量中に占めるＥＧＲガス量の割合）が調整される。排気マニホールド５０内の排気がＥＧＲ装置６０を経由してＥＧＲガスとして吸気側に戻されることによって燃焼室１５内の燃焼温度が低下され、ＮＯｘの生成量が低減される。
【００３０】
過給機３０は、コンプレッサ３２と、タービン３６と、可変ノズル機構４０と、アクチュエータ４４とを含む。コンプレッサ３２のハウジング内にはコンプレッサホイール３４が収納され、タービン３６のハウジング内にはタービンホイール３８が収納される。コンプレッサホイール３４とタービンホイール３８とは、連結軸４２によって連結され、一体的に回転する。そのため、コンプレッサホイール３４は、タービンホイール３８に供給される排気の排気エネルギーによって回転駆動される。
【００３１】
可変ノズル機構４０は、タービンホイール３８の回転軸を中心とした周囲の排気流入部に配置され、第１排気管５２から供給される排気をタービンホイール３８に導く複数のベーンと、複数のベーンの各々を回転させることによって隣接するベーン間の隙間（以下の説明においてこの隙間の大きさを「ベーン開度」ともいう）を変化させるリンク機構とを含む。アクチュエータ４４は、制御装置２００からの動作指示に応じてリンク機構を動作させることによって、可変ノズル機構４０のベーン開度を変化させる。
【００３２】
可変ノズル機構４０のベーン開度を変化させることによって、タービンホイール３８への排気流入部における排気の流路が絞られたり、拡げられたりする。これにより、タービンホイール３８に吹き付けられる排気の流速を変化させることができる。
【００３３】
エンジン回転数センサ１０２は、エンジン１の出力軸であるクランクシャフトの回転数（回転速度）をエンジン回転数ＮＥとして検出する。エアフローメータ１０４は、第１吸気管２２に導入される新気の流量（吸入空気量）Ｑｉｎを検出する。過給圧センサ１０６は、吸気マニホールド２８内の圧力を過給圧として検出する。燃圧センサ１０８は、コモンレール１８内の燃料の圧力（以下「コモンレール圧」ともいう）を検出する。これらのセンサは、検出結果を示す信号を制御装置２００に出力する。
【００３４】
制御装置２００は、エンジン１の動作を制御する。制御装置２００は、各種処理を行なうＣＰＵ（Central  Processing  Unit）２０１と、プログラムおよびデータを記憶するＲＯＭ（Read  Only  Memory）およびＣＰＵの処理結果等を記憶するＲＡＭ（Random  Access  Memory）等を含むメモリ２０２と、外部との情報のやり取りを行なうための入・出力ポート（図示せず）とを含む。入力ポートには、上述したセンサ類（たとえば、エンジン回転数センサ１０２、エアフローメータ１０４、過給圧センサ１０６、および燃圧センサ１０８等）が接続される。出力ポートには、制御対象となる機器（たとえば、インジェクタ１６、アクチュエータ４４、ＥＧＲバルブ６２、およびサプライポンプ１７等）が接続される。
【００３５】
制御装置２００は、各センサおよび機器からの信号、ならびにメモリに格納されたマップおよびプログラムに基づいて、所定の演算処理を実行する。そして、制御装置２００は、演算処理の結果に基づいて、インジェクタ１６、アクチュエータ４４、ＥＧＲバルブ６２、およびサプライポンプ１７等を制御する。
【００３６】
たとえば、制御装置２００は、エンジン１を作動させる場合、各気筒への１サイクルの燃料噴射としてパイロット噴射とメイン噴射とを行なう。具体的には、制御装置２００は、要求パワーに応じたメイン噴射指令を所定のタイミングでインジェクタ１６に出力する。これにより、メイン噴射指令に応じた燃料がインジェクタ１６から噴射される「メイン噴射」が行なわれる。また、制御装置２００は、燃焼騒音を低減したり排気を浄化したりするために、メイン噴射指令に先立って極少量の燃料を噴射させるためのパイロット噴射指令をインジェクタ１６に出力する。これにより、メイン噴射に先立って、パイロット噴射指令に応じた極少量の燃料がインジェクタ１６から噴射される「パイロット噴射」が行なわれる。なお、各気筒への１サイクルの燃料噴射としてパイロット噴射およびメイン噴射以外の噴射（たとえばメイン噴射後のポスト噴射）が行なわれるようにしてもよい。
【００３７】
＜ピストンの形状＞
図２は、ピストン１４の詳細形状を示す図である。ピストン１４の頂部（上部）には、最上面１４ａと、燃焼室キャビティ１４ｂとが形成されている。
【００３８】
ピストン１４の最上面１４ａは、ピストン１４の頂面の外周部分に位置し、シリンダヘッド１１の下面と略平行となるように形成される。以下、ピストン１４の最上面１４ａとシリンダヘッド１１の下面とに挟まれた空間をスキッシュエリア１５ａとも記載する。
【００３９】
燃焼室キャビティ１４ｂは、最上面１４ａよりも下側に窪み、シリンダヘッド１１の下面に対向する側が開口した浅皿状の形状を有する。燃焼室キャビティ１４ｂの開口周縁部には、噴霧火炎によるエンジン筒内の冷却損失を低減する目的から、ピストン１４の半径方向外側から半径方向内側に向けて徐々に下側に傾斜するテーパー部Ｔが形成される。テーパー部Ｔの半径方向内側の先端部分には、半径方向内側に向けて僅かに張り出すリップ部Ｌが形成されている。このような形状を有する燃焼室キャビティ１４ｂに向けて、インジェクタ１６の噴射ノズル１６ａから燃料が噴霧される。
【００４０】
以下では、圧縮上死点近傍におけるリップ部Ｌ近傍での代表的な燃料噴霧速度を「噴霧速度Ｖｓｐ」と定義し、燃焼膨張時に燃焼室キャビティ１４ｂからスキッシュエリア１５ａに向かう逆スキッシュ流の代表的な流速を「逆スキッシュ速度Ｖｓ」と定義する。さらに、噴霧速度Ｖｓｐの大きさに対する逆スキッシュ速度Ｖｓの大きさの比を「速度比Ｖｓ／Ｖｓｐ」と定義する。
【００４１】
本実施の形態によるエンジン１は、速度比Ｖｓ／Ｖｓｐが基準値Ｒｒｅｆ未満となるエンジン運転領域が存在するように、燃焼室キャビティ１４ｂの開口径（以下「キャビティ開口径ｄｃ」ともいう）および噴射ノズル１６ａの噴孔径（以下「ノズル噴孔径ｄ０」ともいう）が決められている。以下、この点について詳細に説明する。
【００４２】
まず、キャビティ開口径ｄｃおよびノズル噴孔径ｄ０を決定するパラメータとなる、逆スキッシュ速度Ｖｓおよび噴霧速度Ｖｓｐの算出方法について説明する。逆スキッシュ速度Ｖｓは、キャビティ開口径ｄｃを用いて下記の式（１）で表されることが知られている。
【００４３】
【数１】
2020112058.tif 000003
【００４４】
式（１）において、「ｘ」は、クランク角度θにおける、シリンダヘッド１１の下面からピストン１４の最上面１４ａまでの距離である。「Ｖｋ」は、燃焼室容積である。「Ｄ」は、ピストン１４の直径である。「ｄｘ／ｄｔ」は、下記の式（２）で表される。
【００４５】
【数２】
2020112058.tif 000004
【００４６】
式（２）に用いられる記号の意味は以下のとおりである。
θ：クランク角度
ｒ：ストローク／２
ω：２π・ＮＥ／６０
ρ：ｒ／コンロッド長さ
なお、「ＮＥ」は、上述したようにエンジン回転数（単位：ｒｐｍ）である。
【００４７】
上記の式（１）および式（２）から理解されるように、逆スキッシュ速度Ｖｓは、キャビティ開口径ｄｃによって変化し得る。本実施の形態においては、テーパー部Ｔを設けてキャビティ開口径ｄｃを大きくすることで、逆スキッシュ速度Ｖｓを低下させている。
【００４８】
図３は、逆スキッシュ速度Ｖｓの算出に用いるキャビティ開口径ｄｃの設定手法を説明するための図である。上述のように、本実施の形態によるピストン１４においては、燃焼室キャビティ１４ｂの開口周縁部（噴霧衝突部）に、テーパー部Ｔが設けられている。
【００４９】
このようなテーパー部Ｔを有するピストン１４においては、逆スキッシュ速度Ｖｓの算出に用いるキャビティ開口径ｄｃをどのような値に設定するのかが問題となることが、発明者等の実験等によって新たに判明した。具体的には、仮にキャビティ開口径ｄｃをテーパー部Ｔの最も内周側の内径ｄｉｎとすると、逆スキッシュ速度Ｖｓが実際の速度よりも高く算出されてしまうことが判明した。逆に、仮にキャビティ開口径ｄｃをテーパー部Ｔの最も外周側の外径ｄＯＵＴとすると、逆スキッシュ速度Ｖｓが実際の速度よりも低く算出されてしまうことが判明した。これらの結果から、燃焼室内の代表的な逆スキッシュ速度Ｖｓを算出するためには、キャビティ開口径ｄｃをテーパー部Ｔの内径ｄｉｎと外径ｄＯＵＴとの間の値に設定することが望ましいと考えられる。
【００５０】
そこで、本実施の形態においては、逆スキッシュ速度Ｖｓの算出に用いるキャビティ開口径ｄｃとして、テーパー部Ｔの中央部分の径、すなわち内径ｄｉｎと外径ｄＯＵＴとの平均値（＝（ｄｉｎ＋ｄＯＵＴ）／２）が用いられる。これにより、逆スキッシュ速度Ｖｓをより正確に算出することができる。なお、逆スキッシュ速度Ｖｓの算出に用いるパラメータは、テーパー部Ｔの内径ｄｉｎと外径ｄＯＵＴとの間の値であればよく、必ずしも内径ｄｉｎと外径ｄＯＵＴとの平均値であることに限定されない。
【００５１】
噴霧速度Ｖｓｐは、特許文献１に記載されているように、信頼性の高い実験式である「広安」の式に基づき算出される。まず、噴射開始後の時間ｔにおける噴霧到達距離Ｓは、下記の式（３）で表される。
【００５２】
【数３】
2020112058.tif 000005
【００５３】
式（３）において、「ΔＰ」は、噴射圧とガス圧との圧力差である。ここで、噴射圧は、本実施の形態においてはコモンレール圧に相当する。ガス圧は燃料噴射開始時の筒内ガス圧力をもって代表させることができる。なお、１サイクル中に複数回（パイロット噴射、メイン噴射など）に分けて燃料を噴射する場合、上死点に最も近い時期での噴射であるメイン噴射の開始時期での筒内ガス圧力をもって代表させる。「ρa」は、雰囲気密度である。「ρa」は燃料噴射開始時の筒内雰囲気密度をもって代表させることができる。おな、本実施の形態においては、上死点に最も近い時期での噴射であるメイン噴射の開始時期での筒内雰囲気密度をもって代表させる。「ｄ０」は、インジェクタ１６の噴射ノズル１６ａの噴孔径である。
【００５４】
上記の式（３）より、噴霧速度Ｖｓｐは、噴霧到達距離Ｓの関数として、下記の式（４）で表される。
【００５５】
【数４】
2020112058.tif 000006
【００５６】
上記の式（４）において、「Ｃ」は下記の式（５）で表される。
【００５７】
【数５】
2020112058.tif 000007
【００５８】
以上から、噴霧速度Ｖｓｐは、噴霧到達距離Ｓをテーパー部Ｔの中央部分の径（ｄｃ＝（ｄｉｎ＋ｄＯＵＴ）／２）とした場合の噴霧速度ｄＳ／ｄｔとし、上記の式（３）〜式（５）に従い算出される。
【００５９】
このようにして逆スキッシュ速度Ｖｓおよび噴霧速度Ｖｓｐが算出され、それらの速度比Ｖｓ／Ｖｓｐが基準値Ｒｒｅｆ未満となるエンジン運転領域が存在するように、キャビティ開口径ｄｃおよびノズル噴孔径ｄ０が決定される。
【００６０】
次に、速度比Ｖｓ／Ｖｓｐが満たすべき条件として用いられる「基準値Ｒｒｅｆ」の設定手法について説明する。本実施の形態によるエンジン１においては、上述のように、ディーゼルエンジンでありながら、後処理コスト低減のために、安価な三元触媒５６を採用している。三元触媒５６で排気を適切に浄化するためには、空燃比が理論空燃比となるストイキ状態でエンジン１が運転される必要がある。ところが、ディーゼルエンジンはリーン状態で運転されるのが一般的であり、従来構造のディーゼルエンジンでストイキ運転を行なうと予め定められた許容量（以下「スモーク限界閾値」ともいう）を超える多量のスモークが発生するとの背反が生じ得る。
【００６１】
このような問題の対策を検討するために、本願発明者等が実験を重ねて調査した結果、エンジン１の排気に含まれるスモーク量がスモーク限界閾値となるときの当量比Φ（実空燃比に対する理論空燃比の割合）を「限界当量比Φｌｉｍ」としたとき、限界当量比Φｌｉｍと速度比Ｖｓ／Ｖｓｐと間に高い相関があることが判明した。
【００６２】
図４は、速度比Ｖｓ／Ｖｓｐと限界当量比Φｌｉｍとの対応関係を示す図である。図４において、横軸は速度比Ｖｓ／Ｖｓｐを示し、縦軸は限界当量比Φｌｉｍを示す。なお、図４および後述の図５において、横軸の「速度比Ｖｓ／Ｖｓｐ」に用いられる「逆スキッシュ速度Ｖｓ」は、上述の式（１）で表されるように時間の関数であり、時間の経過によって変化する。そこで、本願発明者等は、図４および後述の図５において、逆スキッシュ速度Ｖｓとして、逆スキッシュ速度Ｖｓの最大流速（絶対値として最大になるもの）を用いることにした。
【００６３】
本願発明者等は、一定の燃料量に対して空気量を減少させていき、スモーク量がスモーク限界閾値となったときの当量比Φを限界当量比Φｌｉｍとして測定する実験を、複数の速度比Ｖｓ／Ｖｓｐごとに行った。図４に示す「◇」（菱形印）は、その実験結果をプロットした点である。速度比Ｖｓ／Ｖｓｐと限界当量比Φｌｉｍとの対応関係は、図４に示すように、実験結果を近似した直線Ｌ１で表わすことができる。すなわち、速度比Ｖｓ／Ｖｓｐと限界当量比Φｌｉｍとの間には負の相関関係があり、限界当量比Φｌｉｍは速度比Ｖｓ／Ｖｓｐに対して単調減少する特性を有することが理解できる。
【００６４】
この特性を用いれば、限界当量比Φｌｉｍが１または１よりも僅かに小さい所定値Φｕとなるときの速度比Ｖｓ／Ｖｓｐを「基準値Ｒｒｅｆ」として予め実験等によって求めることによって、スモーク量をスモーク限界閾値以下に抑制しつつストイキ燃焼を実現するためのキャビティ開口径ｄｃ、ノズル噴孔径ｄ０、コモンレール圧を簡単に算出することが可能となる。たとえば、制御可能なコモンレール圧の最大値が決まっているエンジンにおいてスモーク量をスモーク限界閾値以下に抑制しつつストイキ燃焼を実現したい場合、速度比Ｖｓ／Ｖｓｐが基準値Ｒｒｅｆ未満となるようにキャビティ開口径ｄｃおよびノズル噴孔径ｄ０を一意に決定することができる。また、たとえば、キャビティ開口径ｄｃおよびノズル噴孔径ｄ０が既に決まったエンジンにおいてスモーク量をスモーク限界閾値以下に抑制しつつストイキ燃焼を実現したい場合、速度比Ｖｓ／Ｖｓｐが基準値Ｒｒｅｆ未満となるようにコモンレール圧を一意的に決めることができる。
【００６５】
図５は、当量比Φが「０．９５」かつＥＧＲ率が「０％」である状態でエンジン１を運転した時における、速度比Ｖｓ／Ｖｓｐとスモーク量との対応関係を示す図である。図５において、横軸は速度比Ｖｓ／Ｖｓｐを示し、縦軸はスモーク量を示す。なお、スモーク量の単位は「ＦＳＮ（Filter  Smoke  Number）」である。
【００６６】
本願発明者等は、当量比Φが０．９５かつＥＧＲ率が０％である状態でエンジン１を運転したときにエンジン１が排出するスモーク量を測定する実験を、複数の速度比Ｖｓ／Ｖｓｐごとに行った。図５に示す「○」（丸印）は、その実験結果をプロットした点である。速度比Ｖｓ／Ｖｓｐとスモーク量との対応関係は、図５に示すように、実験結果を近似した曲線Ｌ２で表わすことができる。すなわち、速度比Ｖｓ／Ｖｓｐとスモーク量との間には正の相関関係があり、スモーク量は速度比Ｖｓ／Ｖｓｐに対して単調増加する特性を有することが理解できる。
【００６７】
さらに、図５の実験結果から、当量比Φが「０．９５」である状態でスモーク量がスモーク限界閾値（たとえば２ＦＳＮ）となる時の速度比Ｖｓ／Ｖｓｐが「０．４」となることが理解できる。これは、上述の図４において、限界当量比Φｌｉｍを１よりも小さい所定値Φｕに設定し、その所定値Φｕが「０．９５」である時の基準値Ｒｒｅｆが「０．４」であることを意味する。
【００６８】
この実験結果を踏まえ、本実施の形態においては、当量比Φが０．９５以上である運転条件において速度比Ｖｓ／Ｖｓｐが０．４以下となるという条件（以下「速度比条件」ともいう）を満たすように、キャビティ開口径ｄｃおよびノズル噴孔径ｄ０が決められている。
【００６９】
ここで、上述の速度比条件に用いられる当量比Φを「１」（ストイキ）ではなく、「０．９５」に設定した理由について説明する。三元触媒で窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するためには、触媒入口のガス組成として、酸素を残さないことが必要である。このためにシンプルな方法は、燃焼でストイキ（当量比Φ＝１）を実現し、排気ポートから出た排気ガスをそのまま触媒入口に導く方法である。
【００７０】
一方で、ディーゼルエンジンでは、短時間で燃料を空気と混合させるため混合不足の領域が生じてスモークが発生するというディーゼル燃焼固有の課題を有しており、燃焼時の当量比Φを「１」（ストイキ）にした状態でスモークを抑制することは非常に難しい。このため、本願発明者等は、燃焼時には当量比Φを１にはせずに０．９５程度とし、不足分については排気管（たとえばタービンホイール３８の出口付近）に設置された燃料添加弁（図示せず）から追加燃料を噴射して高温の排気ガスによって炭化水素（ＨＣ）と、一酸化炭素（ＣＯ）を生成することにより、三元触媒の入口におけるガス組成の当量比Φを「１」（ストイキ）にする方法が有効であると考えた。このような排気管への燃料添加で当量比を制御する方法を採用すると、過渡運転時など、過給機３０のレスポンスなどの影響で、燃焼時の当量比Φ（空燃比）がねらい値からずれた場合にも、三元触媒の入口でストイキを実現できるというメリットがある。
【００７１】
また、燃焼では従来通りリーン状態で運転して、排気管への燃料添加によって三元触媒の入口におけるガス組成の当量比Φを「１」（ストイキ）にする方法では、燃費が悪化したり、触媒温度が過度に高くなったりしてしまうなどのデメリットが発生し得る。
【００７２】
こうした状況を踏まえ、本実施の形態においては、燃焼時における当量比Φを０．９５程度とし、不足分については排気管へ燃料を添加することで三元触媒の入口付近の当量比Φを「１」（ストイキ）にしている。これにより、スモーク量をスモーク限界閾値以下に抑制しつつ、当量比Φが０．９５以上となる（すなわち実空燃比がほぼ理論空燃比となる）ストイキ運転を実行可能な運転領域（以下「ストイキ運転可能領域Ａ」ともいう）を確保することができる。
【００７３】
図６は、本実施の形態によるエンジン１におけるストイキ運転可能領域Ａを模式的に示す図である。図６において、横軸はエンジン回転数ＮＥを示し、縦軸はエンジン負荷（エンジントルク）を示す。エンジン１においては、図６に示す全負荷ラインよりも低トルク側の領域で運転可能であるところ、その大部分がストイキ運転可能領域Ａとなっている。なお、図６に示す全負荷ラインよりも低トルク側の全領域がストイキ運転可能領域Ａとなるように、エンジンを設計するようにしてもよい。
【００７４】
＜エンジンの制御＞
本実施の形態による制御装置２００のメモリ２０２には、上述のストイキ運転可能領域Ａが予め記憶されている。そして、制御装置２００は、エンジン１の運転領域がストイキ運転可能領域Ａに含まれる場合に、当量比Φが０．９５となる（すなわち実空燃比がほぼ理論空燃比となる）ストイキ運転を行なう。これにより、スモーク量をスモーク限界閾値以下に抑制しつつ、三元触媒５６による排気浄化を適切に行なうことが可能となる。
【００７５】
図７は、制御装置２００の処理手順の一例を示すフローチャートである。制御装置２００は、現在のエンジン１の運転領域がストイキ運転可能領域Ａに含まれるか否かを判定する（ステップＳ１０）。
【００７６】
現在のエンジン１の運転領域がストイキ運転可能領域Ａに含まれる場合（ステップＳ１０においてＹＥＳ）、制御装置２００は、エンジン１の運転モードをストイキ運転モードに設定する（ステップＳ２０）。
【００７７】
図８は、制御装置２００がストイキ運転モード中に行なう処理手順の概要の一例を示すフローチャートである。
【００７８】
制御装置２００は、上述の式（１）〜式（５）を参照して、現在のエンジン回転数ＮＥおよびコモンレール圧に対応する速度比Ｖｓ／Ｖｓｐを算出する（ステップＳ２１）。
【００７９】
次いで、制御装置２００は、ステップＳ２１で算出された速度比Ｖｓ／Ｖｓｐが基準値Ｒｒｅｆ（＝０．４）以下となるようにコモンレール圧を調整する（ステップＳ２２）。
【００８０】
次いで、制御装置２００は、ユーザの要求トルクに対応する目標メイン噴射量を算出する（ステップＳ２３）。
【００８１】
次いで、制御装置２００は、目標メイン噴射量に理論空燃比を乗じた値を０．９５で割った値を、目標空気量に設定する（ステップＳ２４）。これにより、当量比Φが０．９５になるように目標空気量が設定されることになる。
【００８２】
次いで、制御装置２００は、メイン噴射量が目標メイン噴射量となるようにインジェクタ１６を制御する（ステップＳ２５）。
【００８３】
次いで、制御装置２００は、燃焼室１５に吸入される空気量が目標空気量となるように、ディーゼルスロットル２５の開度および可変ノズル機構４０のベーン開度の少なくとも一方を制御する（ステップＳ２６）。これにより、当量比Φが０．９５に制御される。
【００８４】
以上のような制御によって、エンジン１の運転領域がストイキ運転可能領域Ａに含まれる場合にストイキ運転が行なわれる。これにより、スモーク量をスモーク限界閾値以下に抑制しつつ、三元触媒５６による排気浄化を適切に行なうことが可能となる。
【００８５】
図７に戻って、現在のエンジン１の運転領域がストイキ運転可能領域Ａに含まれない場合（ステップＳ１０においてＮＯ）、制御装置２００は、エンジン１の運転モードを通常モードに設定する（ステップＳ３０）。通常モードでは、制御装置２００は、メイン噴射量がユーザの要求トルクに対応する目標メイン噴射量となるようにインジェクタ１６を制御するが、ストイキ運転を行なうための処理は行なわない。すなわち、通常モードでは、制御装置２００は、ストイキ運転モード中に行なわれる図８のステップＳ２１，Ｓ２２（速度比Ｖｓ／Ｖｓｐが基準値Ｒｒｅｆ（＝０．４）以下未満となるようにコモンレール圧を調整する処理）、ステップＳ２４（目標メイン噴射量に理論空燃比を乗じた値を目標空気量に設定する処理）、ステップＳ２６（吸入空気量が目標空気量となるようにスロットル開度およびベーン開度の少なくとも一方を制御する処理）を行なわない。その結果、通常モードでは、空燃比は成り行きの値となり、一般的には従来と同様にリーン運転が行われることになる。
【００８６】
以上のように、本実施の形態によるエンジン１においては、圧縮上死点近傍において燃焼膨張時に燃焼室キャビティ１４ｂからスキッシュエリア１５ａ（ピストン頂面の外周部分）に向かう逆スキッシュ流の最大速度をＶｓとし、燃焼室キャビティ１４ｂの開口周縁部近傍での燃料噴霧速度をＶｓｐとするとき、当量比Φが０．９５以上である運転条件において速度比Ｖｓ／Ｖｓｐが０．４以下となるという速度比条件を満たすように、キャビティ開口径ｄｃおよびノズル噴孔径ｄ０が決定されている。これにより、スモーク量をスモーク限界閾値以下に抑制しつつストイキ運転を実行可能なストイキ運転可能領域Ａを確保することができる。
【００８７】
さらに、本実施の形態によるエンジン１においては、燃焼室キャビティ１４ｂの開口周縁部にテーパー部Ｔが形成されている。そして、テーパー部Ｔの内径ｄｉｎと外径ｄＯＵＴとの平均値に基づいて逆スキッシュ速度Ｖｓが算出され、算出された逆スキッシュ速度Ｖｓが上述の速度比条件を満たすように、テーパー部Ｔの形状が決められている。これにより、燃焼室キャビティ１４ｂの開口周縁部にテーパー部Ｔが形成されるエンジン１においても、逆スキッシュ速度Ｖｓをより正確に算出し、その結果を用いて速度比条件を満たすテーパー部Ｔの形状を精度よく決めることができる。
【００８８】
さらに、本実施の形態によるエンジン１においては、ストイキ運転可能領域Ａでエンジン１が運転される場合に、燃焼室１５内の当量比Φが１となるように（すなわち空燃比が理論空燃比となるように）、燃焼室１５に吸入される空気量（スロットル開度、ベーン開度）が調整される。そのため、スモーク量をスモーク限界閾値以下に抑制しつつ、三元触媒５６による排気浄化を適切に行なうことが可能になる。
【００８９】
＜変形例１＞
上述の実施の形態においては、速度比条件に用いられる「基準値Ｒｒｅｆ」を、スモーク量がスモーク限界閾値となる時の速度比Ｖｓ／Ｖｓｐである「０．４」に設定した。
【００９０】
しかしながら、基準値Ｒｒｅｆは、スモーク量がスモーク限界閾値以下となる時の速度比Ｖｓ／Ｖｓｐであればよい。すなわち、基準値Ｒｒｅｆは、０．４以下であってもよい。
【００９１】
＜変形例２＞
上述の実施の形態においては、ストイキ運転可能領域Ａにおいて、当量比Φが１となるように（すなわち空燃比が理論空燃比となるように）、吸入空気量（スロットル開度、ベーン開度）を調整した。
【００９２】
しかしながら、ストイキ運転可能領域Ａにおいて当量比Φが１となるように調整される対象は、吸入空気量に限定されるものではなく、燃料噴射量であってもよい。１サイクル中の燃料噴射量のうち、メイン噴射量はユーザの要求トルクによって決まるため、メイン噴射量以外のパイロット噴射量あるいはポスト噴射量を調整することによって当量比Φが１となるようにしてもよい。
【００９３】
たとえば、当量比Φが１よりも小さい場合には、酸素過剰な状態であるため、パイロット噴射量あるいはポスト噴射量を増量するように補正すればよい。また、当量比Φが１よりも大きい場合には、燃料過剰であるため、パイロット噴射量あるいはポスト噴射量を減量するように補正すればよい。
【００９４】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００９５】
１  エンジン、１０  エンジン本体、１１  シリンダヘッド、１２  シリンダ、１４  ピストン、１４ａ  最上面、１４ｂ  燃焼室キャビティ、１５  燃焼室、１５ａ  スキッシュエリア、１６  インジェクタ、１６ａ  噴射ノズル、１７  サプライポンプ、１８  コモンレール、２０  エアクリーナ、２２  第１吸気管、２４  第２吸気管、２５  ディーゼルスロットル、２６  インタークーラ、２７  第３吸気管、２８  吸気マニホールド、３０  過給機、３２  コンプレッサ、３４  コンプレッサホイール、３６  タービン、３８  タービンホイール、４０  可変ノズル機構、４２  連結軸、４４  アクチュエータ、５０  排気マニホールド、５２  第１排気管、５４  第２排気管、５５  排気処理装置、５６  三元触媒、５７  ＰＭ除去フィルタ、５８  ＳＣＲ触媒、６０  ＥＧＲ装置、６２  ＥＧＲバルブ、６６  ＥＧＲ通路、１０２  エンジン回転数センサ、１０４  エアフローメータ、１０６  過給圧センサ、１０８  燃圧センサ、２００  制御装置、２０１  ＣＰＵ、２０２  メモリ、Ｌ  リップ部、Ｔ  テーパー部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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