(57)【要約】【課題】全運転条件においてスモークの発生を低減させることができる直接噴射式内燃機関および直接噴射式内燃機関の制御装置を提供する。【解決手段】エンジンシステム１は、摺動方向に平行する面から見て、インジェクタ２８が噴射する燃料の噴霧軸線との成す角度が所定の角度αであるキャビティ１２壁面の位置がインジェクタ２８の燃料噴射孔に対応する周期で燃焼室内のスワール流方向に向かって変化するピストン１１を有し、燃料の噴射時期に基づいてスワール流速を制御して、噴射燃料をスワール流方向に吹き流してピストン１１のキャビティ１２壁面の適切な位置に衝突させることで、燃料噴射時期が変化しても、噴射燃料がキャビティ１２に衝突する衝突角をα以下に調節することができる。よって、全運転条件においてスモークの発生を低減させることができる。【選択図】  図２
2010281269.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円周方向の複数方向に対して設けられた燃料噴射孔から燃焼室内に燃料を直接噴射するインジェクタと、
頂面に凹状に形成されたキャビティを有し、摺動方向に平行する面から見て前記インジェクタが噴射する燃料の噴霧軸線との成す角度がαである前記キャビティ壁面の位置が前記燃料噴射孔に対応する周期で前記燃焼室内のスワール流方向に向かって変化するピストンと、
を備えることを特徴とする直接噴射式内燃機関。
【請求項２】
前記ピストンは、摺動方向に平行する面から見て前記インジェクタが噴射する燃料の噴霧軸線との成す角度がαである前記キャビティ壁面の位置が、スワール流がない場合の燃料の衝突位置を起点として前記燃焼室内のスワール流方向に向かって連続的に前記キャビティの深さ方向に変化することを特徴とする請求項１記載の直接噴射式内燃機関。
【請求項３】
前記インジェクタと前記ピストンとを備える直接噴射式内燃機関の制御装置であって、
前記直接噴射式内燃機関の燃料噴射時期に基づいて、前記インジェクタより噴射された燃料が前記キャビティ壁面に衝突する衝突角をα以下に調節する衝突角調節手段を備えることを特徴とする請求項１または２記載の直接噴射式内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記燃焼室内のスワール流の速度を制御するスワール流速制御手段を備え、
前記衝突角調節手段は、前記スワール流速制御手段によりスワール流速を制御して前記インジェクタより噴射された燃料が前記キャビティ壁面に衝突する位置を前記燃焼室内のスワール流方向に変化させることで、前記衝突角をα以下に調節することを特徴とする請求項３記載の直接噴射式内燃機関の制御装置。
【請求項５】
前記衝突角調節手段は、前記直接噴射式内燃機関の燃料噴射時期がより進角されるにつれて、前記インジェクタより噴射された燃料が前記キャビティ壁面に衝突する位置をより前記燃焼室内のスワール流方向に変化させることを特徴とする請求項３または４記載の直接噴射式内燃機関の制御装置。
【請求項６】
前記スワール流速制御手段は、吸気スロットルの開度を調節することで前記燃焼室内のスワール流の速度を制御することを特徴とする請求項３から５のいずれか１項記載の直接噴射式内燃機関の制御装置。
【請求項７】
前記衝突角は、前記ピストンの摺動方向に平行する面から見て、前記インジェクタが噴射する燃料の噴霧軸線と、前記インジェクタより噴射された燃料が前記キャビティ壁面に衝突する位置に接する接線と、の成す角度であることを特徴とする請求項３から６のいずれか１項記載の直接噴射式内燃機関の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直接噴射式内燃機関および直接噴射式内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンに代表される直接噴射式内燃機関は、ピストン頂面の中央部に設けられたキャビティ内へ向けてインジェクタ先端の複数の燃料噴射孔から燃料を噴射する構成が広く採用されている。この構成によれば、噴射した燃料がキャビティ壁面に衝突することにより噴射燃料内への空気導入が活発化することから、内燃機関の燃焼が促進されてスモークの発生が低減する。このような直接噴射式内燃機関は、近年の厳しい排気ガス規制に対応するために、より噴射燃料と吸入空気との混合を促進させることが要求されている。
【０００３】
噴射燃料と吸入空気との混合を促進させる手段としては、ピストンが上死点に位置するときの燃焼室の壁面と燃料の噴霧軸線とのなす角αを３０°〜４５°とすることにより、広い運転領域においてスモークの発生を減少させる技術が特許文献１に開示されている。
【０００４】
また、ピストン冠部に円筒形のキャビティを設け、インジェクタ噴孔と相対した位置におけるキャビティの壁部にインジェクタ噴孔と同数の突起を形成することにより、噴射燃料と吸入空気との混合を促進させる技術が特許文献２に開示されている。
【０００５】
そして、ピストン頂面に対向するシリンダヘッド爆面に凹状のヘッドキャビティが形成され、ヘッドキャビティの周壁面の燃料が衝突する部分に、噴射ノズル側へ膨出し、頂部が噴射ノズルから離れるに従いスワール流の下流側へ傾斜する膨出部を設けることにより、噴射燃料と吸入空気との混合を促進させる技術が特許文献３に開示されている。
【０００６】
更に、ピストンのキャビティ開口の縁に沿う燃料の吹き当り個所に相互に分離した複数の凹部を配置し、凹部の底面をスワール流の旋回方向に進むにつれてシリンダヘッド側に近づくように傾斜させることにより、燃焼膨張ガス中の未燃燃料成分を空気と良好に混合させる技術が特許文献４に開示されている。
【０００７】
また、頂面の高さが異なるピストンであって、インジェクタから噴射された燃料がピストンのキャビティ壁面に衝突する時の衝突角をピストン頂面の高さに応じて設定することにより、噴射燃料と吸入空気との混合を促進させる技術が特許文献５に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−０２９２９２号公報
【特許文献２】特開平０９−０１３９７２号公報
【特許文献３】特開２００６−３２８９９７号公報
【特許文献４】特開２００７−２３９７２０号公報
【特許文献５】特開２００８−０１４１７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
直接噴射式内燃機関は、噴射した燃料をピストンのキャビティ壁面に適切な角度で衝突させることで、噴射燃料内へ空気を活発に導入することができる。そのため、内燃機関の燃焼を促進しスモークの発生を低減させるためには、噴射された燃料がキャビティ壁面に衝突する角度（衝突角）を、あらゆる運転状態において噴射燃料と吸入空気との混合が促進される適切な角度に維持する必要がある。
しかしながら、特許文献１〜５の技術では、内燃機関の運転状態に応じて燃料の噴射タイミングが変化すると、噴射燃料とピストンとの相対位置が変化するために、噴射燃料とピストンのキャビティ壁面との衝突角が変化してしまう。そのため、燃料の噴射タイミングによっては適切な衝突角を維持できないことから、全運転条件においてスモークの発生を低減させることが困難である、といった問題点がある。
【００１０】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、全運転条件においてスモークの発生を低減させることができる直接噴射式内燃機関および直接噴射式内燃機関の制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の直接噴射式内燃機関は、円周方向の複数方向に対して設けられた燃料噴射孔から燃焼室内に燃料を直接噴射するインジェクタと、頂面に凹状に形成されたキャビティを有し、摺動方向に平行する面から見て前記インジェクタが噴射する燃料の噴霧軸線との成す角度がαである前記キャビティ壁面の位置が前記燃料噴射孔に対応する周期で前記燃焼室内のスワール流方向に向かって変化するピストンと、を備えることを特徴とする。
このような構成とすることにより、燃料噴射時期が変化することで噴射燃料とピストンとの相対位置が変化しても、燃料の噴霧軸線との成す角度が任意の角度α以下であるキャビティ壁面の位置に噴射燃料を衝突させることができる。よって、燃料噴射時期に関わらずキャビティに衝突する衝突角を適切な角度に調節することができることから、全運転条件においてスモークの発生を低減させることができる。
【００１２】
特に、本発明の直接噴射式内燃機関は、前記ピストンが、摺動方向に平行する面から見て前記インジェクタが噴射する燃料の噴霧軸線との成す角度がαである前記キャビティ壁面の位置が、スワール流がない場合の燃料の衝突位置を起点として前記燃焼室内のスワール流方向に向かって連続的に前記キャビティの深さ方向に変化することを特徴とすることができる。
このような構成とすることで、燃料噴射時期が変化することで噴射燃料とピストンとの相対位置が変化しても、噴射燃料の衝突位置をスワール方向に変化させることで、燃料の噴霧軸線との成す角度が任意の角度α以下であるキャビティ壁面の位置に噴射燃料を衝突させることができる。よって、燃料噴射時期に関わらずキャビティに衝突する衝突角を適切な角度に調節することができることから、全運転条件においてスモークの発生を低減させることができる。
【００１３】
また、本発明の直接噴射式内燃機関の制御装置は、前記インジェクタと前記ピストンとを備える直接噴射式内燃機関の制御装置であって、前記直接噴射式内燃機関の燃料噴射時期に基づいて、前記インジェクタより噴射された燃料が前記キャビティ壁面に衝突する衝突角をα以下に調節する衝突角調節手段を備えることを特徴とすることができる。
このような構成とすることで、燃料噴射時期が変化することで噴射燃料とピストンとの相対位置が変化しても、噴射燃料がキャビティに衝突する衝突角を任意の角度α以下に調節することができる。よって、燃料噴射時期に関わらずキャビティに衝突する衝突角を適切な角度に調節することができることから、全運転条件においてスモークの発生を低減させることができる。
【００１４】
そして、本発明の直接噴射式内燃機関の制御装置は、前記燃焼室内のスワール流の速度を制御するスワール流速制御手段を備え、前記衝突角調節手段が、前記スワール流速制御手段によりスワール流速を制御して前記インジェクタより噴射された燃料が前記キャビティ壁面に衝突する位置を前記燃焼室内のスワール流方向に変化させることで、前記衝突角をα以下に調節することを特徴とすることができる。
このような構成とすることで、燃料噴射時期が変化することで噴射燃料とピストンとの相対位置が変化しても、スワール流速を制御して噴射燃料を吹き流すことで、燃料の噴霧軸線との成す角度が任意の角度α以下であるキャビティ壁面の位置に噴射燃料を衝突させることができる。よって、燃料噴射時期に関わらずキャビティに衝突する衝突角を適切な角度に調節することができることから、全運転条件においてスモークの発生を低減させることができる。
【００１５】
更に、本発明の直接噴射式内燃機関の制御装置は、前記衝突角調節手段が、前記直接噴射式内燃機関の燃料噴射時期がより進角されるにつれて、前記インジェクタより噴射された燃料が前記キャビティ壁面に衝突する位置をより前記燃焼室内のスワール流方向に変化させることを特徴とすることができる。
このような構成とすることで、燃料噴射時期がより進角されるにつれて、噴射燃料の衝突位置をよりスワール流方向に変化させることで、燃料の噴霧軸線との成す角度が任意の角度α以下であるキャビティ壁面の位置に噴射燃料を衝突させることができる。よって、燃料噴射時期に関わらずキャビティに衝突する衝突角を適切な角度に調節することができることから、全運転条件においてスモークの発生を低減させることができる。
【００１６】
また、本発明の直接噴射式内燃機関の制御装置は、前記スワール流速制御手段が、吸気スロットルの開度を調節することで前記燃焼室内のスワール流の速度を制御することを特徴とすることができる。
このような構成とすることで、既存の装備によって燃焼室内のスワール流の速度を制御して、噴射燃料がキャビティに衝突する衝突角を適切な角度に調節することができる。よって、コストアップの必要なく内燃機関のスモークの発生を低減させることができる。
【００１７】
そして、本発明の直接噴射式内燃機関の制御装置は、前記衝突角が、前記ピストンの摺動方向に平行する面から見て、前記インジェクタが噴射する燃料の噴霧軸線と、前記インジェクタより噴射された燃料が前記キャビティ壁面に衝突する位置に接する接線と、の成す角度であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の直接噴射式内燃機関および直接噴射式内燃機関の制御装置によれば、運転状態に基づいて燃料噴射時期が変化しても、噴射燃料がキャビティに衝突する衝突角を適切な角度に調節することができる。よって、全運転条件においてスモークの発生を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施例のエンジンシステムの概略構成を示した構成図である。
【図２】実施例のピストンの概略構成を示した構成図である。
【図３】スワール流方向とリップの曲率半径との相関を示している。
【図４】燃料の噴霧軸線とキャビティ壁面との成す角を示している。
【図５】内燃機関のスモーク発生量と衝突角との相関を示している。
【図６】スワール流制御による噴射燃料の衝突位置の調節例を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。
【実施例】
【００２１】
本発明の実施例について図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の直接噴射式内燃機関の制御装置であるエンジンシステム１の概略構成を示した構成図である。なお、図１にはエンジンの一部の構成のみを示している。
【００２２】
図１に示すエンジンシステム１は、動力源であるエンジン１００を備えており、エンジン１００の運転動作を総括的に制御するエンジンＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）１０を備えている。また、エンジンシステム１は、ピストン１１のキャビティ１２内へ燃料を噴射する筒内インジェクタ２８を備えている。そして、エンジンシステム１は、エンジン１００の回転数を検出するクランク角センサ３１、エンジン１００の冷却水温を検出する水温センサ３２、および車両のアクセル開度を検出するアクセル開度センサ３３を備えている。
【００２３】
エンジン１００は、車両に搭載される多気筒ディーゼルエンジンであって、各気筒は燃焼室を構成するピストン１１を備えている。各燃焼室のピストン１１は、エンジン１００のシリンダに摺動自在に嵌合されており、それぞれコネクティングロッドを介して出力軸部材であるクランクシャフトに連結されている（図示しない）。
吸気ポート２１から燃焼室内へ流入した吸入空気は、ピストン１１の上昇運動により燃焼室内で圧縮される。エンジンＥＣＵ１０は、クランク角センサ３１からのピストン１１の位置、および吸気カム角センサからのカム軸回転位相の情報に基づき、燃料噴射タイミングを決定しインジェクタ２８に信号を送る。インジェクタ２８は、エンジンＥＣＵ１０の信号に従って、指示された噴射タイミングで燃料を噴射する。インジェクタ２８より噴射された燃料は、霧化して圧縮された吸入空気と混合することで燃焼し、燃焼室内を膨張させてピストン１１を下降させる。この下降運動がコネクティングロッドを介してクランクシャフトの軸回転に変更されることにより、エンジン１００は動力を得る。
この場合、エンジン１００は、軽油を燃料とするディーゼルエンジンに限られず、ガソリンを燃料とするガソリンエンジン、ガソリンとアルコールとを任意の割合で混合した燃料を使用するフレキシブルフューエルエンジンのいずれでもよい。また、エンジンシステム１は、エンジン１００と複数の電動モータとを組み合わせたハイブリッドシステムであってもよい。
【００２４】
各気筒の燃焼室には、それぞれ燃焼室と連通する吸気ポート２１と、吸気ポート２１に連結し、吸入空気を吸気ポート２１から燃焼室へと導く吸気通路２２とが接続されている。更に、燃焼室の各気筒には、それぞれ燃焼室と連通する排気ポート２３と、燃焼室で発生した排気ガスをエンジン１００の外部へと導く排気通路２４が接続されている。
【００２５】
各気筒の燃焼室の吸気通路、排気通路に対応して複数の吸気弁、排気弁が設けられている。図１には吸気通路、排気通路と吸気弁、排気弁をそれぞれ１つずつ示している。燃焼室の各吸気ポート２１には、それぞれ吸気弁２５が配置されており、吸気弁２５を開閉駆動させるための吸気カムシャフトが配置されている。更に、燃焼室の各排気ポート２３には、それぞれ排気弁２６が配置されており、排気弁２６を開閉駆動させるための排気カムシャフトが配置されている。
吸気弁２５および排気弁２６は、クランクシャフトの回転が連結機構（例えばタイミングベルト、タイミングチェーンなど）により伝達された吸気カムシャフトおよび排気カムシャフトの回転により開閉され、吸気ポート２１および排気ポート２３と燃焼室とを連通・遮断する。なお、吸気弁２５、および排気弁２６の位相は、クランク角を基準にして表される。
【００２６】
エンジン１００の吸気通路２２にはエアフロメータ、スロットルバルブ２７およびスロットルポジションセンサが設置されている。エアフロメータおよびスロットルポジションセンサは、それぞれ吸気通路２２を通過する吸入空気量、スロットルバルブ２７の開度を検出し、検出結果をエンジンＥＣＵ１０に送信する。エンジンＥＣＵ１０は、送信された検出結果に基づいて吸気ポート２１および燃焼室へ導入される吸入空気量を認識し、スロットルバルブ２７の開度を調整することでエンジン１００のガバナー制御を実行しつつ、吸気騒音を低減させる。
スロットルバルブ２７は、ステップモータを用いたスロットルバイワイヤ方式を適用することが好ましいが、例えばステップモータの代わりにワイヤなどを介してアクセルペダル（図示しない）と連動し、スロットルバルブ２７の開度が変更されるような機械式スロットル機構を適用することもできる。
【００２７】
クランクシャフトの軸の近傍には、クランク角センサ３１が設けられている。クランク角センサ３１は、クランクシャフト軸の回転角度を検出するように構成されており、検出結果をエンジンＥＣＵ１０に送信する。それにより、エンジンＥＣＵ１０は、エンジン１００の回転数など、クランク角に関する情報を取得する。
【００２８】
エンジン１００の燃焼室の周辺にはウォータジャケットが設けられており、ウォータジャケット内部は燃焼室等を冷却するための冷却水が循環している。そして、ウォータジャケットには冷却水の温度を測定するための水温センサ３２が設けられており、ウォータジャケット内部の冷却水温の検出結果をエンジンＥＣＵ１０へ送信する。エンジンＥＣＵ１０は、水温センサ３２が検出した冷却水温に基づいてエンジン１００の温度を認識する。
【００２９】
アクセル開度センサ３３は、運転者のアクセル操作量を検出し、検出結果をエンジンＥＣＵ１０に送信する。エンジンＥＣＵ１０は、送信された検出結果に基づいてアクセル開度を認識する。アクセル開度センサ３３としては、ホール素子や作動トランス方式を採用した一般的なセンサを適用することができる。
【００３０】
インジェクタ２８は、エンジン１００の燃焼室に装着されており、エンジンＥＣＵ１０の指示に基づいて、燃料流路を通じて高圧供給された燃料を燃焼室へ噴射する。インジェクタ２８は、ノズルの円周方向に４５°間隔で設けられた８孔の燃料噴射孔よりピストン１１のキャビティ１２内へ燃料を高圧で噴射して、燃料をキャビティ１２壁面へ衝突させて吸入空気との混合を促進させる。この場合、燃料噴射孔より噴射される燃料は、すべて一定の噴射角度に設定される。また、燃料噴射孔の数は８孔に限られず、任意の孔数を等間隔で設けることができる。
エンジンＥＣＵ１０は、アクセル開度センサ３３、エアフロメータ、スロットルポジションセンサ、および吸気カム角センサからの情報に基づき、燃料噴射量と噴射時期を決定しインジェクタ２８に信号を送る。インジェクタ２８は、エンジンＥＣＵ１０の信号に従って、指示された燃料噴射量・噴射時期にて燃焼室へ燃料を高圧噴射する。インジェクタ２８のリーク燃料は、リリーフ弁からリリーフ配管を通じて燃料タンクへと戻される。この場合、燃料流路とインジェクタ２８との間に蓄圧室を設けることで、インジェクタ２８へ高圧の燃料を供給する構成とすることもできる。
【００３１】
ピストン１１は、その頂面に凹状のキャビティ１２を有する。図２は、実施例のピストン１１の概略構成を示した構成図である。ピストン１１は、キャビティ１２底面の中央部に突起部１３が形成されており、突起部１３から連続するなだらかな曲面によってキャビティ１２壁面が形成されている。突起部１３の周囲は円環状の空間となっており、この空間内でスワール流が旋回する。キャビティ１２壁面は、キャビティ１２の開口部に近づくにつれて内径側に絞られており、開口部付近には内径側に突出するリップ１４が形成される。このように、ピストン１１はリエントラント型燃焼室を構成する。この場合、キャビティ１２は、ピストン１１の頂面の中央部分に円環状に形成されるが、エンジンの仕様に応じて任意の位置・形状で形成することができる。
【００３２】
ピストン１１は、摺動方向に平行する面から見て、インジェクタ２８が噴射する燃料の噴霧軸線との成す角度が任意のαであるキャビティ１２壁面の位置が、インジェクタ２８の燃料噴射孔（８孔）に対応する周期で燃焼室内のスワール流方向に向かって変化する構成をとる（図２Ａ−Ａ）。このような構成をとることで、エンジン１００の運転状態に基づいて燃料噴射時期が変化しても、噴射燃料がキャビティ１２に衝突する衝突角を所定の角度以下に維持することができる。
ここで、噴射燃料の衝突角とは、ピストン１１の摺動方向に平行する面から見て、インジェクタ２８が噴射する燃料の噴霧軸線と、インジェクタ２８により噴射された燃料がキャビティ１２壁面に衝突する位置に接する接線と、の成す角度のことをいう（図４参照）。
【００３３】
以下に、ピストン１１のキャビティ１２壁面の形状について詳細に説明する。ピストン１１は、リップ１４の曲率半径が、スワール流がない時に噴射燃料が衝突する位置を起点として、燃料噴射孔に対応する周期でスワール流方向に向かって連続的に大径化されている。なお、燃焼室内のスワール流は図２の（Ａ）から（Ｃ）の方向に流れる。
図２（Ａ）は、燃焼室内にスワール流がない時に噴射燃料が衝突する位置の断面図である。図２（Ａ）の位置におけるキャビティ１２の形状は、リップ１４の曲率半径（Ｒａ）が小径であり（図３参照）、ピストン１１の摺動方向に平行する面から見てインジェクタ２８が噴射する燃料の噴霧軸線との成す角度が任意のαである壁面の部分が、キャビティ１２の深さ方向の最も浅い位置に配置される。具体的には、燃料の噴霧軸線との成す角度がαである壁面の部分が、エンジン１００の燃料噴射時期が最も遅角された時（ピストン１１の位置が最も下死点側での噴射タイミング）の燃料の噴霧軸線とキャビティ１２壁面との交点部分（Ａ２）に、またはＡ２の近傍に位置している（図４（１）参照）。このような構成とすることで、燃料噴射時期が遅角制御された場合でも、インジェクタ２８が噴射する燃料を図２（Ａ）の位置、またはその近傍に衝突させることで、噴射燃料の衝突角を任意の角度α以下に調節することができる。
【００３４】
ここで、任意の角度αについて説明する。図５は、内燃機関のスモーク発生量と衝突角との相関を示している。噴射燃料がキャビティ壁面に衝突する衝突角がより小さいほど、噴射燃料と吸入空気との混合がより促進されるために、内燃機関のスモーク発生量は減少する。ここで、内燃機関の目標スモーク発生量に対応する衝突角をαとすると、すべての運転領域で噴射燃料の衝突角をα以下に維持することで、全運転条件において内燃機関の目標スモーク発生量を達成することができる。
【００３５】
図２に戻り、（Ｂ）は、燃焼室内に適度なスワール流がある時に噴射燃料が衝突する位置の断面図である。リップ１４の曲率半径（Ｒｂ）は、スワール流方向（図２（Ａ）から（Ｃ）方向）に向かうにつれて連続的に大径化（Ｒａ＜Ｒｂ）しており（図３参照）、それに伴って燃料の噴霧軸線との成す角度が任意のαである壁面の部分の位置がキャビティ１２の深さ方向へと連続的に変化している。このような構成とすることで、燃料噴射時期が遅角噴射と進角噴射との間で制御された場合でも、インジェクタ２８が噴射する燃料をキャビティ１２壁面の適切な位置に衝突させることで、噴射燃料の衝突角を任意の角度α以下に調節することができる。
【００３６】
図２（Ｃ）は、燃焼室内のスワール流の速度が最大の時に噴射燃料が衝突する位置の断面図である。図２（Ｃ）の位置におけるキャビティ１２の形状は、リップ１４の曲率半径（Ｒｃ）が大径（Ｒａ＜Ｒｂ＜Ｒｃ）であり（図３参照）、ピストン１１の摺動方向に平行する面から見てインジェクタ２８が噴射する燃料の噴霧軸線との成す角度が任意のαである壁面の部分が、キャビティ１２の深さ方向の最も深い位置に配置される。具体的には、燃料の噴霧軸線との成す角度がαである壁面の部分が、エンジン１００の燃料噴射時期が最も進角された時（ピストン１１の位置が最も上死点側での噴射タイミング）の燃料の噴霧軸線とキャビティ１２壁面との交点部分（Ｃ２）に、またはＣ２の近傍に位置している（図４（２）参照）。このような構成とすることで、燃料噴射時期が進角制御された場合でも、インジェクタ２８が噴射する燃料を図２（Ｃ）の位置、またはその近傍に衝突させることで、噴射燃料の衝突角を任意の角度α以下に調節することができる。
【００３７】
このように、ピストン１１は、燃料の噴霧軸線との成す角度が任意のαであるキャビティ１２壁面の部分の位置が、図２（Ａ）から（Ｃ）に向けてキャビティ１２の深さ方向に変化するように構成される。そして、深さ方向への変化量は、エンジン１００の噴射燃料とピストン１１との相対位置の最大変化量に対応する。更に、ピストン１１は、図２（Ａ）から（Ｃ）のキャビティ１２壁面の形状を、インジェクタ２８の燃料噴射孔に対応する周期で繰り返すように構成される。
このような構成とすることで、各燃料噴射孔より噴射される燃料のすべての衝突角を任意の角度α以下に調節することができる。この場合、ピストン１１は、リップ１４の曲率半径Ｒを変化させずに、燃料の噴霧軸線との成す角度がαであるキャビティ１２壁面の部分の位置をキャビティ１２の深さ方向に変化させてもよい。
【００３８】
エンジンＥＣＵ１０は、演算処理を行うＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）と、プログラム等を記憶するＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）と、データ等を記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）やＮＶＲＡＭ（Ｎｏｎ  Ｖｏｌａｔｉｌｅ  ＲＡＭ）と、を備えるコンピュータである。エンジンＥＣＵ１０は、クランク角センサ３１、吸気カム角センサ、アクセル開度センサ３３、エアフロメータ、スロットルポジションセンサ、排気温センサ、水温センサ３２等の検出結果を読み込み、スロットルバルブ２７の動作、吸気弁、排気弁の動作、インジェクタ２８の動作など、エンジン１００の運転動作を統合的に制御する。
【００３９】
また、エンジンＥＣＵ１０は、エンジン１００の運転状態に基づいて、インジェクタ２８が燃料を噴射する時期を制御する。
エンジンＥＣＵ１０は、クランク角センサ３１、水温センサ３２、アクセル開度センサ３３等の情報に基づき、エンジン１００の運転状態を認識する。つづいて、エンジンＥＣＵ１０は、認識したエンジン１００の運転状態に適した燃料噴射時期を決定し、インジェクタ２８に信号を送る。インジェクタ２８は、エンジンＥＣＵ１０の信号に従って、指示された燃料噴射時期にて燃焼室へ燃料を高圧噴射する。燃料噴射時期の制御としては、従来の内燃機関の噴射タイミング制御方法と同等の技術を適用することができる。
【００４０】
そして、エンジンＥＣＵ１０は、燃料噴射時期の制御結果に基づいて、噴射された燃料の衝突角を調節する制御を実行する。
エンジン１００の運転状態に応じて燃料の噴射タイミングが変化すると、噴射燃料とピストン１１との相対位置が変化するために、噴射燃料とキャビティ１２壁面との衝突角が変化する。そこで、エンジンＥＣＵ１０は、燃料噴射時期の制御結果に基づき燃焼室内のスワール流の速度を制御し、噴射燃料をスワール流の方向へ吹き流してキャビティ１２壁面の適切な位置に衝突させることで、噴射燃料の衝突角を任意の角度α以下に調節する。以下に、噴射燃料の衝突角の調節方法ついて詳細に説明する。
【００４１】
図６は、スワール流制御による噴射燃料の衝突位置の調節例を示している。インジェクタ２８から噴射された燃料は、燃焼室内のスワール流によって図６の（Ａ）から（Ｃ）の方向へ吹き流される。そして、噴射燃料が吹き流される距離は、スワール流の速度に比例する。そのため、スワール流速を制御することで、噴射された燃料がキャビティ１２壁面に衝突する位置をスワール流方向に変化させることができる。
まず、エンジンＥＣＵ１０は、燃料の噴射時期に基づいて、噴射燃料とキャビティ１２壁面との衝突角がα以下となる目標衝突位置を算出する。この場合、エンジンＥＣＵ１０は、燃料噴射時期と目標衝突位置との相関に対応したマップを予め実験にて作成しＲＯＭに記録しておくことで、燃料の噴射時期に基づいて目標衝突位置を迅速に算出することができる。
【００４２】
つづいて、エンジンＥＣＵ１０は、算出した目標衝突位置に噴射燃料を衝突させるために必要なスワール流速を算出する。ここで、噴射燃料が吹き流される距離とスワール流速とは比例関係にあることから、エンジンＥＣＵ１０は、目標衝突位置とスワール流速との相関に対応したマップを予め実験にて作成しＲＯＭに記録しておくことで、必要なスワール流速を迅速に算出することができる。
【００４３】
そして、エンジンＥＣＵ１０は、算出したスワール流速に基づいて、スワール比（Ｋｓ）を以下の（１）式より算出する。
［スワール比の算出式］
ω＝Ｋｓ×Ｎｅ×２π／６０［ｒａｄ］・・・（１）
（ω：スワール流速，Ｋｓ：スワール比，Ｎｅ：エンジン回転数）
エンジンＥＣＵ１０は、上記（１）より算出したスワール比Ｋｓに基づいてスロットルバルブ２７の開度を調節し、燃焼室内のスワール流速を制御する。以下に、燃料噴射時期に基づくスロットルバルブ２７の制御例について説明する。
【００４４】
エンジン１００の燃料噴射時期が最も遅角された時は、噴射燃料はキャビティ１２壁面の深さ方向の最も浅い位置に衝突する（図４（１）参照）。そのため、エンジンＥＣＵ１０は、燃料の噴霧軸線との成す角度がαである壁面の部分が、キャビティ１２の深さ方向の最も浅い位置に配置されるキャビティ１２壁面（Ａ）の位置を目標衝突位置として認定する。そして、目標衝突位置から求めたスワール比に基づいてスロットルバルブ２７の開度を調節し、燃焼室内のスワール流を停止させることで、キャビティ１２壁面（Ａ）の位置に噴射燃料を衝突させる。この制御を実行することで、燃料噴射時期が遅角制御された場合でも、インジェクタ２８が噴射する燃料の衝突角を任意の角度α以下に調節することができる。
【００４５】
燃料噴射時期が最大遅角噴射と最大進角噴射との間にある時は、噴射燃料はキャビティ１２壁面の深さ方向の最も浅い位置と最も深い位置との間にある任意の位置に衝突する。そのため、エンジンＥＣＵ１０は、燃料噴射時期に基づいて噴射燃料の目標衝突位置を算出する。そして、目標衝突位置から求めたスワール比に基づいてスロットルバルブ２７の開度を調節し、燃焼室内のスワール流速を制御することで、キャビティ１２壁面（Ａ）から（Ｃ）の間にある目標衝突位置に噴射燃料を衝突させる。この制御を実行することで、燃料噴射時期が遅角噴射と進角噴射との間で制御された場合でも、インジェクタ２８が噴射する燃料の衝突角を任意の角度α以下に調節することができる。
【００４６】
エンジン１００の燃料噴射時期が最も進角された時は、噴射燃料はキャビティ１２壁面の深さ方向の最も深い位置に衝突する（図４（２）参照）。そのため、エンジンＥＣＵ１０は、燃料の噴霧軸線との成す角度がαである壁面の部分が、キャビティ１２の深さ方向の最も深い位置に配置されるキャビティ１２壁面（Ｃ）の位置を目標衝突位置として認定する。そして、目標衝突位置から求めたスワール比に基づいてスロットルバルブ２７の開度を調節し、燃焼室内のスワール流速を最大にすることで、キャビティ１２壁面（Ｃ）の位置に噴射燃料を衝突させる。この制御を実行することで、燃料噴射時期が進角制御された場合でも、インジェクタ２８が噴射する燃料の衝突角を任意の角度α以下に調節することができる。
【００４７】
この制御を実行することにより、運転状態に基づいて燃料噴射時期が変化しても、噴射燃料がキャビティに衝突する衝突角を適切な角度に調節することができる。よって、全運転条件においてスモークの発生を低減させることができる。
なお、エンジンＥＣＵ１０は、本発明の衝突角調節手段に相当する。
【００４８】
以上のように、本実施例のエンジンシステムは、摺動方向に平行する面から見て、インジェクタが噴射する燃料の噴霧軸線との成す角度が所定の角度αであるキャビティ壁面の位置がインジェクタの燃料噴射孔に対応する周期で燃焼室内のスワール流方向に向かって変化するピストンを有し、燃料の噴射時期に基づいてスワール流速を制御して、噴射燃料をスワール流方向に吹き流してピストンのキャビティ壁面の適切な位置に衝突させることで、燃料噴射時期が変化しても、噴射燃料がキャビティに衝突する衝突角をα以下に調節することができる。よって、全運転条件においてスモークの発生を低減させることができる。
【００４９】
上記実施例は本発明を実施するための一例にすぎない。よって本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００５０】
例えば、エンジン１００の吸気通路２２にスワールコントロールバルブ（ＳＣＶ）を設けることで、燃焼室内のスワール流速の制御を実行してもよい。
【符号の説明】
【００５１】
１  エンジンシステム
１０  エンジンＥＣＵ（衝突角調節手段）
１１  ピストン
１２  キャビティ
１３  突起部
１４  リップ
２１  吸気ポート
２２  吸気通路
２３  排気ポート
２４  排気通路
２５  吸気弁
２６  排気弁
２７  スロットルバルブ
２８  インジェクタ
３１  クランク角センサ
３２  水温センサ
３３  アクセル開度センサ
１００  エンジン
【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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