(57)【要約】    【課題】  シリンダヘッドに形成したヘッドキャビティ周壁面への燃料付着に起因した白煙発生を抑制する。    【解決手段】  ピストン１０の頂面に対向するシリンダヘッド１２の爆面２８に凹状のヘッドキャビティ２９を設け、該ヘッドキャビティ２９に、該ヘッドキャビティ２９の周壁面３１に向けて燃料を噴射する燃料噴射ノズル１３を設け、前記ヘッドキャビティ２９の周壁面温度を検出する温度検出手段９０と、検出された周壁面温度に基づいて、燃料の噴射時期と噴射段数とを設定するコントローラ６６と、を備える。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンの頂面に対向するシリンダヘッドの爆面に凹状のヘッドキャビティが設けられ、該ヘッドキャビティに、該ヘッドキャビティの周壁面に向けて燃料を噴射する燃料噴射ノズルが設けられている圧縮自着火式内燃機関において、
前記ヘッドキャビティの周壁面温度を検出する温度検出手段と、
検出された周壁面温度に基づいて、燃料の噴射時期と噴射段数とを設定するコントローラと、を備えていることを特徴とする、圧縮自着火式内燃機関。
【請求項２】
前記コントローラが、温度検出手段により検出された周壁面温度に基づいてヘッドキャビティの周壁面に対する燃料の付着量と該周壁面に接触した燃料の蒸発量とを予測するとともに、予測した付着量と蒸発量との比較に基づいて燃料の噴射時期と噴射段数とを設定する機能を有していることを特徴とする、請求項１記載の圧縮自着火式内燃機関。
【請求項３】
前記コントローラが、噴射段数を２段に分割した場合に１段目の噴射量を全噴射量の３０％〜５０％の範囲に設定する機能を有していることを特徴とする、請求項１に記載の圧縮自着火式内燃機関。
【請求項４】
前記コントローラが、噴射段数を２段に分割した場合に１段目の噴射に伴う自着火が圧縮行程上死点付近で行われるように、１段目の噴射開始時期を圧縮行程上死点前４０°〜０°の範囲内に設定する機能を有していることを特徴とする、請求項１に記載の圧縮自着火式内燃機関。
【請求項５】
シリンダ内の有効圧縮比を変更する有効圧縮比変更手段を備えており、前記付着量が前記蒸発量に対して所定以上の場合に有効圧縮比を上げ、所定未満の場合に有効圧縮比を下るように、前記有効圧縮比変更手段が制御されることを特徴とする、請求項２に記載の圧縮自着火式内燃機関。
【請求項６】
前記ヘッドキャビティの周壁面を加熱するヒーターを備えていることを特徴とする、請求項１に記載の圧縮自着火式内燃機関。
【請求項７】
検出された周壁面温度が所定の目標値よりも低い場合に温度上昇し、高い場合に温度低下するように、前記ヒーターが制御されることを特徴とする、請求項６に記載の圧縮自着火式内燃機関。
【請求項８】
前記ヒーターが、ヘッドキャビティ周壁面の燃料が衝突する部分に対応して、部分的に設けられていることを特徴とする、請求項６記載の圧縮自着火式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮自着火式内燃機関に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジン等の内燃機関の分野では、近年、環境問題の高まりに伴って年々厳しい排気規制が施行されており、煤やスモーク、ＣＯ、ＮＯｘ等の大気汚染物質の排出を低減し、また、燃費を向上することが強く要請されている。
【０００３】
しかしながら、ディーゼルエンジンは、シリンダ内で圧縮された空気に燃料を噴霧し、自着火により燃焼させるため、空気と燃料との混合に濃淡が生じ易く、燃料濃度が濃いところでは煤やスモークを、量論比付近ではＮＯｘを生成し易くなっている。
【０００４】
このような事情に鑑み、下記特許文献１では、ＮＯｘの生成を抑制し、かつ、黒鉛及びＨＣの排出を低減しようとする試みがなされている。具体的には、ピストンの頂面に対向するシリンダヘッドの爆面に凹状のヘッドキャビティを形成し、該ヘッドキャビティの底部に燃料噴射ノズルを設け、ピストンの頂面に凹状のピストンキャビティを設けたものとなっている。ヘッドキャビティは、ドーム状又は円錐状に形成され、燃料噴射ノズルは、ヘッドキャビティの周壁面に向けて燃料を噴射するようになっている。
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−１４１０６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１のように、燃料噴射ノズルから噴射した燃料をヘッドキャビティの周壁面に衝突させる構成では、該周壁面に対する燃料の付着が問題になる。特に、エンジンの始動時や低負荷運転時は燃焼室内の温度が低いため、周壁面に接触した燃料が蒸発し難く、燃料が周壁面に付着すると、燃焼に寄与することなく白煙として排出される可能性が高くなる。
【０００７】
本発明は、シリンダヘッドに形成したヘッドキャビティの周壁面に燃料を衝突させる形式の圧縮自着火式の内燃機関において、当該周壁面への燃料の付着に起因した白煙発生を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１記載の発明は、ピストンの頂面に対向するシリンダヘッドの爆面に凹状のヘッドキャビティが設けられ、該ヘッドキャビティに、該ヘッドキャビティの周壁面に向けて燃料を噴射する燃料噴射ノズルが設けられている圧縮自着火式内燃機関において、前記ヘッドキャビティの周壁面温度を検出する温度検出手段と、検出された周壁面温度に基づいて、燃料の噴射時期と噴射段数とを設定するコントローラと、を備えていることを特徴とする。
【０００９】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記コントローラが、温度検出手段により検出された周壁面温度に基づいてヘッドキャビティの周壁面に対する燃料の付着量と該周壁面に接触した燃料の蒸発量とを予測するとともに、予測した付着量と蒸発量との比較に基づいて燃料の噴射時期と噴射段数とを設定する機能を有していることを特徴とする。
【００１０】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明において、前記コントローラが、噴射段数を２段に分割した場合に１段目の噴射量を全噴射量の３０％〜５０％の範囲に設定する機能を有していることを特徴とする。
【００１１】
請求項４記載の発明は、請求項２記載の発明において、前記コントローラが、噴射段数を２段に分割した場合に１段目の噴射に伴う自着火が圧縮行程上死点付近で行われるように、１段目の噴射開始時期を圧縮行程上死点前４０°〜０°の範囲内に設定する機能を有していることを特徴とする。
【００１２】
請求項５記載の発明は、請求項２記載の発明において、シリンダ内の有効圧縮比を変更する有効圧縮比変更手段を備えており、前記付着量が前記蒸発量に対して所定以上の場合に有効圧縮比を上げ、所定未満の場合に有効圧縮比を下るように、前記有効圧縮比変更手段が制御されることを特徴とする。
【００１３】
請求項６記載の発明は、請求項１の発明において、前記ヘッドキャビティの周壁面を加熱するヒーターを備えていることを特徴とする。
【００１４】
請求項７記載の発明は、請求項６記載の発明において、検出された周壁面温度が所定の目標値よりも低い場合に温度上昇し、高い場合に温度低下するように（例えば、電力消費量を抑えるためにヒーターをオフにするように）、前記ヒーターが制御されることを特徴とする。
【００１５】
請求項８記載の発明は、請求項６記載の発明において、前記ヒーターが、ヘッドキャビティ周壁面の燃料が衝突する部分に対応して、部分的に設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１の発明によれば、例えば、ヘッドキャビティの周壁面温度が低い場合には、燃料の付着量が多くなると考えられるので、噴射段数が多くなるように分割する。これによって各段の噴射量が少なくなるため、ヘッドキャビティ周壁面への燃料付着を低減することができ、その結果、白煙の発生を抑制することができる。
【００１７】
請求項２の発明によれば、ヘッドキャビティ周壁面に対する燃料の付着量や蒸発量を考慮して、より正確で精細な燃料噴射制御を行うことができる。
【００１８】
請求項３の発明によれば、各段の噴射量が適切に設定され、ヘッドキャビティ周壁面に対する燃料付着をより確実に防止することができるとともに、燃料噴射に伴う熱損失を低減して確実に自着火させることができる。
【００１９】
請求項４の発明によれば、１段目の噴射燃料がヘッドキャビティ周壁面に付着したとしても、周囲ガスに晒されて蒸発する時間を十分に確保することができ、１段目の燃料を圧縮行程上死点付近において確実に燃焼させることができる。更に、２段目の噴射燃料を圧縮行程上死点付近で行うことで、確実な昇温と燃焼を実現することができる。したがって、噴射した燃料の略全量を好適に燃焼させることができる。
【００２０】
請求項５の発明によれば、ヘッドキャビティ周壁面に対する燃料の付着量が蒸発量に対して所定以上と予測される場合には、有効圧縮比を上げることによってシリンダ内温度を上昇させ、燃料の蒸発を促進することができる。
【００２１】
請求項６の発明によれば、ヘッドキャビティ周壁面に接触した燃料の蒸発を促進することができ、白煙の発生を抑制することができる。
【００２２】
請求項７の発明によれば、ヘッドキャビティの周壁面温度が、目標値より低い場合には、ヒーターにより温度上昇することで所望の蒸発特性を得ることができ、目標値より高い場合には、ヒーターによる温度上昇を減じてエネルギー消費を少なくすることができる。したがって、ヘッドキャビティ周壁面に接触した燃料を、無駄なエネルギーを用いることなく効率よく蒸発させることができる。
【００２３】
請求項８の発明によれば、燃料の存在する空間を集中的に暖めて、効率のよい蒸発特性を得ることができるとともに、エネルギー消費を少なくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図１は、本発明の実施形態にかかる圧縮予混合式内燃機関であるディーゼルエンジンの概略図である。このディーゼルエンジンは、シリンダ１０にピストン１１が摺動自在に嵌合され、シリンダヘッド１２に、吸気孔１４、排気孔１５、及び燃料噴射ノズル１３が設けられている。吸気孔１４及び排気孔１５には、それぞれ動弁装置７０，７１によって駆動される吸気弁１７Ａ及び排気弁１７Ｂが配置されている。
【００２５】
機関周辺機器として、エンジンコントローラ６６及び過給機６７を備えている。前記吸気孔１４は、吸気通路７３、過給機６７のコンプレッサ部７５、吸気管７６を介して外気に連通し、排気孔１５は、排気通路７７、過給機のタービン部７８、排気管７９を介して外気に連通している。
【００２６】
エンジンコントローラ６６には、演算装置及び各種記憶装置と共に、噴射ノズルＥＣＵ８３と動弁装置ＥＣＵ８４とが含まれている。エンジンコントローラ６６の出力部には、燃料噴射ノズル１３及び動弁装置７０，７１が接続されており、燃料噴射ノズル１３は噴射ノズルＥＣＵ８３により燃料噴射量及び燃料噴射開始時期等が制御され、動弁装置７０，７１は、動弁装置ＥＣＵ８４により、弁開閉時期が制御されるようになっている。エンジンコントローラ６６の入力部には、冷却水温センサー８８、燃焼圧検出センサー８９、吸気温度センサー８６、壁温検出センサー９０が接続されている。
【００２７】
排気弁１５の動弁装置７１は、弁閉時期を変更可能で且つ圧縮行程中に排気弁１５を一時的に再啓開できる、可変型動弁装置で構成されている。この排気弁用の可変型動弁装置７１は、後述するように、燃焼室１８の有効圧縮比を変更する有効圧縮比変更手段の一構成要素となっている。
【００２８】
〔基本構成部品の説明〕
以下、エンジンの基本構成部品であるピストン１１、シリンダ１０、燃料噴射ノズル１３の各構成と、その相互の関係について詳細に説明する。
【００２９】
〔ピストン１１の構成〕
図２は、本発明を適用したディーゼルエンジンのシリンダ頂部の断面図であり、特に、ピストン１１が上死点付近にある状態を示す。ピストン１１の頂面には、凹状のピストンキャビティ２０が形成されている。ピストンキャビティ２０の底部中央には、シリンダヘッド１２側に突出する中央突出部２１が形成されており、該中央突出部２１は、基部（裾野部）の外径が大きく頂部の外径が小さくなるような、山形に形成され、外周面２２が反シリンダヘッド１２側に向けて拡開状に傾斜する傾斜面となっている。この外周面２２の拡開角度にはＣを付してある。
【００３０】
ピストンキャビティ２０の底面２４は、中央突出部２１の傾斜面２２になだらかに連なる円弧面に形成されている。ピストンキャビティ２０の外周面２５は、底面２４から連続する円弧面に形成され、ピストン１１の頂面まで延びている。ピストンキャビティ２０の開口部２６は、外周面２５よりもやや径方向内方に入り込んでおり、これによって、径方向内方に突出するリップ部２７が形成されている。図２において、ピストンキャビティ２０の開口径にはφＹを付し、ピストンキャビティ２０の外周面２５における最大外径にはφＺを付してある。
【００３１】
〔シリンダヘッド１２の構成〕
図３は、ヘッドキャビティ及び燃料噴射ノズルを拡大して示す断面図である。図２及び図３に示すように、ピストン１１頂面に対向するシリンダヘッド１２の爆面２８には、凹状のヘッドキャビティ２９が設けられており、該ヘッドキャビティ２９は、裁頭円錐形に形成されている。すなわち、ヘッドキャビティ２９の底面３０は、爆面２８に略平行な平坦面に形成されており、ヘッドキャビティ２９の周壁面３１は、ピストン１１側（下側）に向けて拡開状に傾斜されている。図２において、ヘッドキャビティ２９の開口径にはφＸを付し、図３において、周壁面３１の拡開角度にはＡを付してある。
【００３２】
図４は、図２のIV−IV矢視断面図である。シリンダヘッド１２には、吸気用、排気用のバルブシート３３が各２個ずつ設けられ、各バルブシート３３に吸気用、排気用のバルブ１７Ａ，１７Ｂが設けられている。ヘッドキャビティ２９は、４つのバルブ１７Ａ，１７Ｂの間に囲まれ、各バルブシート３３に外接する大きさに形成されている。ただし、必ずしも各バルブシート３３に外接しなくても、その外接円の範囲内で可及的に大きく形成することができる。
【００３３】
図３に示すように、本実施形態では、ヘッドキャビティ２９の周壁面３１に、シリンダヘッド１２とは別の素材で形成された燃料衝突部３４を設けている。この燃料衝突部３４は、ヘッドキャビティ２９の深さ全体に渡る幅を有し、当該幅に渡って均等な厚さに形成されている。素材としては、耐熱性及び断熱性を有するものが用いられ、例えば、ＳＵＳ系の耐熱鋼等が用いられる。ただし、この燃料衝突部３４を省略し、シリンダヘッド１２そのものの素材で周壁面３１を構成してもよい。
【００３４】
〔燃料噴射ノズル１３の構成〕
図２に示すように、ヘッドキャビティ２９の底面３０の中央部には、燃料噴射ノズル１３が設けられている。噴射ノズル１３は、下部にニードル弁を収容した細径部３６、上部に細径部３６よりも大径の太径部３７を有しており、細径部３６と太径部３７との間には段部３８が形成されている。噴射ノズル１３は、シリンダヘッド１２に形成された保持孔３９にホルダー４０を介して装着されている。ホルダー４０は、筒形に形成されるとともに、筒内部が、噴射ノズル１３の外形に適合した形状に形成されている。ホルダー４０の内面と細径部３６との間には、両者間の気密を保つ筒形の第１シール材４１が介装され、ホルダー４０と段部３８との間には環状の第２シール材４２が介装されている。ホルダー４０の先端部は、保持孔３９を介してヘッドキャビティ２９の底面に露出している。また、ホルダー４０の先端部には、径内方向に折曲部４３が突設され、折曲部４３によって第１シール材４１を下側から受けている。
【００３５】
図３に示すように、噴射ノズル１３の先端には、複数の燃料噴射口４４が形成されている。燃料噴射口４４は、ノズル軸心Ｏ１を中心として放射状に、４〜１０個形成されている。各噴射口４４は、それぞれヘッドキャビティ２９の周壁面３１（燃料衝突部３４）に向けて開口している。
【００３６】
〔ヘッドキャビティ２９と燃料噴射ノズル１３との関係〕
図２に示すように、噴射ノズル１３の燃料噴射口４４から噴射された燃料は、全体として円錐状又は水平に放射方向に拡散する。このときの噴霧軸線Ｘ１の拡散角度（噴霧角度）をＢ（図３参照）とすると、１２０°≦Ｂ≦１８０°に設定されている。このように設定することによって、燃料が直接周壁面３１に衝突するようになっている。この衝突によって、燃料は、方向が変えられるとともに、微粒化され、空気との混合がより促進される。
【００３７】
上記噴霧角度Ｂを１２０°以上としたのは、それ以下であると、ヘッドキャビティ２９の周壁面３１に燃料を衝突させるためにヘッドキャビティ２９を深く形成する必要が生じ、シリンダヘッド１２の大幅な構造の変更を伴うことになるからである。噴霧角度Ｂを１８０°以下としたのは、それ以上であると、噴射ノズル１３における流量係数が低下するからである。また、ヘッドキャビティ２９内の上部側（底面３０側）に多くの燃料が拡散し、該部分の燃料濃度が高くなり、スモーク発生の原因となるからである。
【００３８】
一方、ヘッドキャビティ２９の周壁面３１の拡開角度Ａ（図３参照）は、６０°≦Ａ≦１２０°に設定されている。この拡開角度Ａを６０°以上としたのは、それ以下であると、周壁面３１に衝突した後の燃料と、シリンダ１０内の径方向外側に存在する多量の空気との混合を促進することが困難となり、均一な混合気形成の妨げになるからである。また、ヘッドキャビティ２９の周壁面３１に衝突した燃料がヘッドキャビティ２９内の上部側に多く拡散されることになり、ヘッドキャビティ２９内の燃料過濃によりスモークを生じ易くなるからである。拡開角度Ａを１２０°以下としたのは、周壁面３１に衝突したのちの燃料がピストンキャビティ２０に確実に導入されるようにするためである。
【００３９】
ヘッドキャビティ２９の周壁面３１と燃料の噴霧軸線Ｘ１との、ピストン１１側の交差角度Ｄは、１２０°≦Ｄ＜１８０°に設定されている。このＤが１２０°以下であると、ヘッドキャビティ２９内の上部側への燃料の拡散が多くなってスモークが発生し易くなり、１８０°以上であると、実質的に燃料がほとんど周壁面３１に衝突しなくなるからである。
【００４０】
上記ヘッドキャビティ２９は、底面３０がシリンダヘッド１２の爆面２８と略平行な平坦面に形成されており、図３に示すように、底面３０と周壁面３１との境界に角部４７が形成されている。この角部４７の存在によって、ヘッドキャビティ２９内の上部側には、従来技術（ドーム形乃至円錐形のヘッドキャビティ）よりも広い空間Ｒが確保されている。そのため、ヘッドキャビティ２９の周壁面３１に衝突した燃料がヘッドキャビティ２９の上部側（底面３０側）に拡散したとしても、従来技術に比べて空気との混合が促進されるようになっている。
【００４１】
燃料は、燃料噴射口４４から出た直後は液柱状であり、その後霧状に拡散しつつ周壁面３１に到るようになっている。本実施形態では、燃料噴射口４４から周壁面３１までの噴霧軸線Ｘ１の距離（長さ）Ｌと、燃料噴射口４４の口径φｄとが、Ｌ／φｄ≧５０の関係に設定されている。このように設定することで、燃料Ｓの液柱部分Ｓ１（長さをＬ１で示す）が直接周壁面３１に衝突し付着することはほとんどない。
【００４２】
機関始動時等の低負荷運転時に、液柱状の燃料がヘッドキャビティ２９の周壁面３１に付着すると、燃焼に関与することなく白煙となって排出されてしまうが、上記の如く、距離Ｌと口径φｄとを設定することで、このような問題を解決することができる。なお、距離Ｌと口径φｄとの上記関係は、燃料噴射圧を約５０ＭＰａ以上とした場合に特に有効である。
【００４３】
前述したように、ヘッドキャビティ２９の周壁面３１には、断熱性及び耐熱性を有する燃料衝突部３４が設けられている。シリンダヘッド１２は冷却水によって冷却されるが、エンジン暖態時において、この燃料衝突部３４は、その断熱性によって温度が低下し難くなっている。したがって、燃料衝突部３４に衝突した燃料は、燃料衝突部３４の熱によって蒸発しやすくなり、付着した燃料が白煙となって排出されることが防止されている。
【００４４】
ヘッドキャビティは、図４に示したように、吸気用及び排気用の４つのバルブシート３３に外接するように設けられている。すなわち、バルブシート３３を侵食しない範囲で最大限に形成されている。これにより、燃料噴射ノズル１３からヘッドキャビティ２９の周壁面３１までの距離を可及的に遠くすることができ、燃料の液柱部分Ｓ１が周壁面３１に付着することを防止している。
【００４５】
〔ヘッドキャビティとピストンキャビティとの関係〕
図２に示すように、上記ヘッドキャビティ２９の開口径φＸは、ピストンキャビティ２０の開口部２６の径φＹよりも、小さく形成されている。具体的には、φＹ≧１．２×φＸの関係にある。したがって、噴射ノズル１３から噴射されヘッドキャビティ２９の周壁面３１に衝突した燃料は、そのほとんどがピストンキャビティ２０内に導入される。そして、圧縮行程におけるピストンキャビティ２０内へのスキッシュ流と、膨張行程におけるピストンキャビティ２０外への逆スキッシュ流によって、燃料の流動に強い乱れが生じるとともに、ピストン１１内の径方向外側において空気との混合がより促進されるようになっている。
【００４６】
なお、ピストンキャビティ２０の開口部２６の径φＹは、ピストンキャビティ２０の外周面２５の外径（最大外形）φＺよりも小さく形成され、開口部２６には、径方向内方に突出するリップ部２７が形成されているため、より強いスキッシュ流及び逆スキッシュ流を得ることができる。
【００４７】
〔噴射燃料とピストンキャビティ２０との関係〕
図２に示すように、ピストンキャビティ２０に形成された突出部２１は、既に説明したように山形に形成されており、その外周面２２の拡開角度Ｃは、Ｃ≦１４０°に設定されている。噴射ノズル１３から噴射されヘッドキャビティ２９に衝突した燃料は、さらに円錐状に広がりながらピストンキャビティ２０内の突出部２１の外周面２２の傾斜に衝突する。したがって、突出部斜面２２に衝突したのちも、燃料はさらに径方向外側に導かれ、空気との混合が促進されるようになっている。
【００４８】
ピストンキャビティ２０に対して燃料が衝突した部分の径φＶと、ピストンキャビティ２０の最大外径φＺとは、φＶ≧０．５×φＺの関係にある。したがって、燃料は、ピストンキャビティ内の径方向外方に広がり、空気との混合が促進される。これにより、ピストンキャビティ２０の中央付近に燃料が噴射されて、径方向外方の空気を使わずに火炎が収縮する”熱ピンチ”の発生が防止されるようになっている。
【００４９】
燃料噴射は、ピストン１１がほぼ上死点にあるときだけでなく、後述するように上死点前４０°〜０°の範囲で行われる場合がある。また、主としてＮＯｘ低減のために、上死点を過ぎた後０°〜４０°の範囲で遅延してなされる場合がある。このような場合に、噴射された燃料がピストンキャビティ２０から外れて噴射されると、均一な混合気の生成が阻害され、スモークが増加する。したがって、本実施形態では、ピストン１１が上死点からクランク角±４０°の範囲内にあるときに、噴射された燃料が確実にピストンキャビティ２０内に入るように、燃料噴射角Ｂ、周壁面３１の拡開角度Ａ、ピストンキャビティ２０の開口径φＹ等が設定されている。
【００５０】
なお、本実施形態では、周壁面３１に衝突した燃料の噴霧軸線Ｘ１が、径方向外方へ最大に広がった場合、すなわち、燃料の噴霧軸線Ｘ１が、周壁面３１に衝突したあと、そのまま周壁面３１の傾斜に沿って拡散した場合を想定して、該噴霧軸線Ｘ１が、上死点±４０°の範囲でピストンキャビティ２０内に入るように設定している。
【００５１】
〔エンジンコントローラによる燃料噴射ノズルの制御〕
次に、エンジンコントローラ６６による燃料噴射ノズル１３の制御について説明する。
図５は、燃料噴射ノズル１３による燃料の噴射パターンを示すタイムチャートである。本実施形態の燃料噴射ノズル１３は、エンジンコントローラ６６（図１）の噴射ノズルＥＣＵ８３によって、２種の燃料噴射モードで作動するように制御されている。一方は、図５（Ａ）に示す如く、圧縮行程のほぼ上死点（上死点前約１０°以降）で燃料噴射を開始する通常モードであり、他方は、図５（Ｂ）（Ｃ）のように、燃料の全噴射量のうち一部を、圧縮行程上死点よりも前（上死点前４０°〜０°）に噴射する活性モードである。
【００５２】
エンジンの始動時や低負荷運転時等、シリンダ内温度が低い場合に、通常モードで燃料を噴射すると、ヘッドキャビティ２９の周壁面３１に対する燃料の付着が多くなり、白煙発生の原因になる。したがって、このような場合には、活性モードに切り換えることによって、各段の噴射量を少なくし、周壁面３１への燃料付着を低減して、噴射した燃料の略全量を燃焼できるようにしている。
【００５３】
〔制御方法１〕
通常モードと活性モードとの切替の方法として、本実施形態では、噴射された燃料のヘッドキャビティ周壁面３１への付着量と、周壁面３１に接触して蒸発する蒸発量とを予測し、この付着量と蒸発量との比較に基づいた制御を行っている。
【００５４】
図６は、燃料噴射開始時期と、燃料噴射段数を決定するためのフローチャートである。このフローチャートによれば、ステップＳ１において、センサー等によって検出された機関回転数と負荷から、実際のアクセル開度を加味して、基本噴射量Ｑを算出する。次に、ステップＳ２において、ヘッドキャビティ周壁面３１への燃料付着量Ｇｄを算出する。このＧｄは、次式で算出することができる。
Ｇｄ＝γ・Ｘ・Ｑ
【００５５】
γは、総噴射量の中でどれぐらいの燃料が周壁面と接触するかを推定する係数であり、γ＝（噴霧先端が周壁面に接触してから噴霧終了までの期間）／（全噴射期間）で求められる。Ｘは、噴射圧、周壁面３１の温度Ｔwall、Ｌ／φｄ（図３参照）から求められる係数であり、周壁面３１に接触した燃料のうち、液膜となって付着するものの割合を推定するものである。
【００５６】
次に、ステップＳ３において、ヘッドキャビティ周壁面３１に接触した燃料の蒸発量Ｇｖを算出する。このＧｖは、周壁面３１の温度Twallと、燃焼室１８内の雰囲気温度Tambと、燃料付着から上死点までの時間τ等と、を変数とする関数である。すなわち、
Ｇｖ＝ｆ（Ｇｄ，Twall，Tamb，τ）
【００５７】
周壁面３１の温度Ｔwallは、壁温検出センサー（温度検出手段）９０によって検出される。この壁温検出センサー９０としては、熱電対を利用した熱電温度計等を用いることができる。また、温度検出手段９０は、周壁面３１の温度を直接的に計測するに限らず、例えば、シリンダ又はシリンダヘッドにおける冷却水温度を計測し、該冷却水温度から間接的に周壁面３１の温度を推定するものであってもよい。
【００５８】
ステップＳ４において、付着量Ｇｄと蒸発量Ｇｖとが比較され、その差ΔＧ（＝Ｇｄ−Ｇｖ）が算出される。そして、ステップＳ５において、ΔＧが所定のしきい値Ｇlimitに満たない場合、周壁面３１への付着が少ないと判断され、ステップＳ６において、通常モードによる燃料噴射を行うように噴射条件が確定される。
【００５９】
ステップＳ５において、ΔＧがしきい値Ｇlimit以上の場合、周壁面３１への付着が多いと判断され、ステップＳ７において、噴射段数を２分割する計算を行うとともに、噴射量割合を決定する。ステップＳ８において、前段噴射（１段目の噴射）の噴射時期を算出し、この噴射について、上記ステップＳ２〜Ｓ５を再度行う。ステップＳ５において、更に分割が必要な場合には、ステップＳ７，Ｓ８〜を繰り返す。これらのステップを経て、活性モードの噴射条件が確定する。
【００６０】
噴射段数を１段又は２段の切替のみとする場合（噴射段数を３段以上にしない場合）は、ステップＳ５において、ΔＧがしきい値Ｇlimit以上のときにステップＳ７’に進み、噴射分割計算及び噴射量割合の決定を行うと共に、ステップＳ８’において、前段噴射時期を算出して、ステップＳ６で噴射条件を確定する。
【００６１】
図７は、クランク経過角度θとシリンダ内圧力Ｐの変化を、燃料噴射時期と対応させて示すグラフである。図７（Ａ）は、圧縮行程上死点付近で１回だけ噴射を行う通常モードの場合を示している。この場合、ほぼ全噴射量の燃料が、シリンダ１０内の熱によって一度で蒸発されるため、多大な熱が奪われ、着火前にシリンダ１０内の圧力がΔｐだけ急激に下がっている。このため、熱損失が大となり、条件によっては失火することがある。
【００６２】
これに対して、図７（Ｂ）は、圧縮行程上死点前の噴射と上死点付近の噴射との２段階の噴射を行う活性モードの場合を示している。この場合、各段の噴射量が少なくなるため、燃料の蒸発のために奪われる熱が少なくなり、シリンダ１０内の圧力低下（Δｐ’）も抑制される。そして、１段目の燃料が自着火する頃に２段目の燃料を噴射することで、全量の燃料が自着火し、白煙の発生が防止されるようになっている。
【００６３】
したがって、前述したように、ヘッドキャビティ２９の周壁面３１に対する燃料の付着が多くなると予測される場合に、複数段の噴射を行うと、図７（Ａ）で見られるような熱損失を低減し、失火を防止することも可能となっている。
【００６４】
〔制御方法２〕
燃料噴射モードの選択は、次のように行うこともできる。図８は、燃料噴射段数と燃料噴射開始時期とを決定するためのフローチャートである。このフローチャートによれば、ステップＳ１において、検出された機関回転数及び負荷から、基本噴射量Ｑを算出し、ステップ２において、基本噴射量Ｑが、所定の値以上かどうかを判別する。その結果、基本噴射量Ｑが所定値以下の場合は、ヘッドキャビティ２９の周壁面３１に対する付着量もそれほど多くならないと予測できるので、ステップＳ６において、噴射段数を１段とする通常モードの条件を確定する。
【００６５】
基本噴射量Ｑが所定値以上の場合は、ステップＳ３に進み、周壁面３１の温度Ｔwallが、所定値、例えば、燃料の蒸発温度以下かどうかを判別する。所定値以上の場合は、周壁面３１に接触した燃料は蒸発すると予測できるので、ステップＳ６において、噴射段数を１段とする通常モードの条件を確定する。
【００６６】
温度Ｔwallが所定値以下の場合は、ステップＳ４に進み、燃料の噴射段数を計算するとともに、噴射量の割合を決定し、ステップＳ５において、前段噴射時期を算出し、ステップＳ６において、噴射段数を複数段とする活性モードの条件を確定する。
【００６７】
この制御方法２によれば、制御方法１に比べて簡単な制御で周壁面３１に対する燃料の付着を防止することができる。
【００６８】
〔ヘッドキャビティへの燃料付着を防止する他の手段〕
本実施形態では、ヘッドキャビティ２９の周壁面３１に対する燃料付着防止を図るため、さらに次の２つの構成を備えている。
（１）その１つは、周壁面３１への燃料の（予測）付着量に応じて、燃焼室の有効圧縮比を変更する有効圧縮比変更手段である。この有効圧縮比変更手段として、本実施形態では、排気弁１７Ｂの再啓開を採用しており、排気弁１７Ｂを開閉する動弁装置７１として可変型動弁装置を用い、この可変型動弁装置７１による排気弁１７Ｂの弁閉時期を、動弁装置ＥＣＵ８４によって制御している。
【００６９】
排気弁１７Ｂの再啓開は、圧縮行程の初期に、排気弁１７Ｂを一時的に開くことによって、見かけの圧縮比に比べて低い有効圧縮比を得るものであり、さらに、再啓開の弁閉時期を変えることによって、有効圧縮比を自在に変更するものである。
【００７０】
排気用可変型動弁装置７１は、動弁カムの形状により弁閉時期を可変にする構成や、電気的なアクチュエータを用いて弁を開閉するとともに弁閉時期を可変にする構成など、従来公知のあらゆる構成を採用することができる。
【００７１】
排気用可変動弁装置７１は、次のように制御される。すなわち、図６のフローチャートのステップＳ４で算出したΔＧが所定以上である場合（付着量Ｇｄが多い場合）には、再啓開の弁閉時期を早くし、有効圧縮比を高くする。これにより、シリンダ１０内の温度が早期に高温まで上昇されるので、燃料の蒸発が促進され、周壁面３１への燃料の付着が抑制される。
【００７２】
逆に、ΔＧが所定未満の場合（付着量Ｇｄが少ない場合）には、再啓開の弁閉時期を遅くして有効圧縮比を低くするようになっている。
【００７３】
なお、適切な有効圧縮比を得るため、上記では、排気弁１７Ｂの再啓開を行っているが、その他の手段を用いてもよい。例えば、吸気用動弁装置７０を可変型に構成し、吸気行程終期における吸気弁１７Ａの早閉じ又は遅閉じによって、最適な有効圧縮比を取得するようにしてもよい。
【００７４】
（２）２つ目は、ヘッドキャビティ２９の周壁面３１の温度を制御するヒーター（加熱装置）である。図３に示すように、ヘッドキャビティ２９には、周壁面３１を加熱するヒーター（加熱装置）９３が設けられている。具体的には、燃料衝突部３４の裏面側に接触するようにグローヒーター等のヒーター９３を設け、このヒーター９３とシリンダヘッド１２との間に空間による断熱層９４を形成している。
【００７５】
このようなヒーター９３を設けることによって、ヘッドキャビティ２９の周壁面３１に接触した燃料の蒸発を助けることができ、燃料の付着に伴う白煙の発生をより確実に防止することができる。
【００７６】
上記ヒーター９３は、エンジンコントローラ６６の出力部に接続され、壁温検出センサー９０により検出された周壁面３１の温度に基づいて制御されるようになっている。すなわち、周壁面３１（衝突部３４）の温度が所定の目標値よりも低い場合に、ヒーター温度を上昇するように制御される。したがって、エンジンの始動時等の周壁面３１の温度が低い場合には、ヒーター温度を上げて蒸発を促進し、エンジンが暖まってきた場合には、ヒーター温度を下げてエネルギー消費を抑制することができる。
【００７７】
ヒーター９３は、ヘッドキャビティ周壁面３１の全周に設けることもできるが、燃料が衝突する部分のみに、部分的に設けることができる。例えば、図９に示すように、燃料噴射ノズルが、８個の燃料噴射口４４を放射状に有している場合、各燃料噴射口４４に対応させて、周壁面３１に８個のヒーターを設けることができる。
【００７８】
これによって、燃料が存在する空間を集中的に暖めることができ、効率のよい蒸発特性を得ることができる。また、エネルギー消費を少なくすることができる。
【００７９】
本発明は、上記実施形態に限定されることなく適宜設計変更可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８０】
本発明は、ディーゼルエンジン等の圧縮自着火式内燃機関に適用することができ、主として圧縮行程上死点付近（上死点±４０°の範囲）のみに燃料噴射を行う内燃機関に適する。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本発明の実施形態にかかる圧縮予混合式内燃機関であるディーゼルエンジンの概略図である。
【図２】本発明を適用したディーゼルエンジンのシリンダ頂部の断面図である。
【図３】ヘッドキャビティ及び燃料噴射ノズルを拡大して示す断面図である。
【図４】図２のIV−IV矢視断面図である。
【図５】燃料噴射ノズルによる燃料の噴射パターンを示すタイムチャートである。
【図６】燃料噴射段数と燃料噴射開始時期を決定するためのフローチャートである。
【図７】クランク経過角度とシリンダ内圧力の変化を示すグラフである。
【図８】燃料噴射段数と燃料噴射開始時期を決定するためのフローチャートである。
【図９】ピストン側からみたヘッドキャビティの平面図である。
【符号の説明】
【００８２】
１０  ピストン
１２  シリンダヘッド
１３  燃料噴射ノズル
２８  爆面
２９  ヘッドキャビティ
３１  周壁面
６６  エンジンコントローラ
７１  排気用可変型動弁装置
９０  温度検出手段
９３  ヒーター
【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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【図９】
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