(57)【要約】【課題】  燃料の分散を向上させて、燃料と空気との混合を促進させる。【解決手段】  燃焼室１０内にて予混合燃焼を実現させるべく、燃料Ｂをピストン４のキャビティ１１内に噴射すると共に、その燃料噴射を圧縮上死点より早いタイミングで終了する運転領域を有するディーゼルエンジンであって、キャビティ１１の底面部３１であって、そのキャビティ１１の中心３５と側壁部３２との間に突起部３３を設けて、燃料噴射期間前期において、燃料Ｂをキャビティ１１の側壁部３２に向けて噴射し、燃料噴射期間後期において、燃料Ｂをキャビティ１１の突起部３３に衝突させるようにする。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室内にて予混合燃焼を実現させるべく、燃料をピストンのキャビティ内に噴射すると共に、その燃料噴射を圧縮上死点より早いタイミングで終了する運転領域を有するディーゼルエンジンであって、上記キャビティの底面部であって、そのキャビティの中心と側壁部との間に突起部を設けて、燃料噴射期間前期において、燃料を上記キャビティの側壁部に向けて噴射し、燃料噴射期間後期において、燃料を上記キャビティの突起部に衝突させるようにしたことを特徴とするディーゼルエンジン。
【請求項２】
上記予混合燃焼を実現させる第一の運転領域と、燃焼室内にて拡散燃焼を実現させるべく、燃料をピストンのキャビティ内に噴射すると共に、その燃料噴射を圧縮上死点近傍で行う第二の運転領域とを備え、上記第二の運転領域における燃料噴射期間の少なくとも前期において、燃料を上記キャビティの突起部に衝突させるようにした請求項１記載のディーゼルエンジン。
【請求項３】
上記キャビティの底面部は、大径側ほど高さが低くなると共に、径方向の外側の部分に高さが高くなる段差部が形成され、その段差部の径方向の内側の端部によって上記突起部が形成される請求項１又は２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】
本発明は、予混合燃焼を実行するディーゼルエンジンに係り、特に、燃料の分散の向上を図ったディーゼルエンジンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ディーゼルエンジンでは、筒内が高温・高圧となるピストンの圧縮上死点近傍で燃料を噴射するのが一般的であった。この場合、燃料の噴射中に燃料（混合気）が着火して火炎が形成され、その火炎に後続の燃料が供給されることで燃焼が継続される。このような従来の燃焼形態では、燃焼室内における燃料濃度のバラツキが大きくなるため、ＮＯｘやスモーク等が発生するという問題が指摘されていた。
【０００３】
そこで本出願人は、燃料の噴射時期を圧縮上死点よりも早期にし、燃料の噴射終了後に混合気が着火するようにしたディーゼルエンジンを提案した（特許文献１参照）。
【０００４】
このディーゼルエンジンでは、燃料の噴射終了後、ある程度の期間を経て混合気が着火するため、着火までに混合気が充分に希薄・均一化される。従って、局所的な燃焼温度が下がりＮＯｘ排出量が低減する。また、局所的に空気不足状態での燃焼も回避されるのでスモークの発生も抑制される。
【０００５】
ここで、燃料の噴射中に混合気が着火する燃焼形態を本明細書では拡散燃焼と称する。また、燃料の噴射終了後に混合気が着火する燃焼形態を本明細書では予混合燃焼と称し、燃料の噴射が終了してから混合気が着火するまでの期間を予混合期間と称する。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−８３１１９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、燃料の噴射を圧縮上死点よりも早期に行うとなると、燃料は圧縮上死点から下方に比較的大きく離れたピストンに対して噴射されることとなる。その際、燃料がピストンのキャビティ内に収まらずに、シリンダの側壁に付着してしまうと、ＨＣやＣＯの増大を招き、結果的に燃焼効率の悪化を招いてしまう。そこで、燃料を燃料噴射期間の全期間に亘ってピストンのキャビティ内に収めようとすると、燃料の噴射角度（図２の符号θ参照）を狭くせざるを得ない。多くのディーゼルエンジンは、ロングストロークエンジンであり、このロングストロークエンジンのピストンの変位量はスクエアエンジンやショートストロークエンジンのピストンの変位量に比べて大きい。つまり、ロングストロークエンジンでは燃料を噴射するときに、ピストンがより下方に位置することになる。そのため、特に、ロングストロークエンジンでは、燃料の噴射角度をより狭くする必要がある。
【０００８】
しかしながら、燃料の噴射角度を狭くすると、燃料噴射期間の後期、即ち、ピストンが圧縮上死点側に近づいた際に、燃料がピストンのキャビティの底面部に衝突して、底面部付近に付着して留まってしまうため、燃料が十分に分散されないという問題があった。図８及び図９を用いてこれを説明する。
【０００９】
図中、７１はシリンダ、７２はシリンダヘッド、７３はピストン、７４はインジェクタ、矢印７５はインジェクタ７４より噴射される燃料をそれぞれ表す。
【００１０】
燃料噴射期間の前期においては、ピストン７３が圧縮上死点（ＴＤＣ）から下方に比較的大きく離れた状態で、燃料７５がインジェクタ７４から噴射される。上述したように、燃料７５がピストン７３のキャビティ７６内に収まらずに、シリンダ７１の側壁に付着してしまうと、ＨＣやＣＯの増大を招くため、図８（ａ）に示すように、燃料７５が燃料噴射期間の前期においてピストン７３のキャビティ７６の側壁部７７に向けて噴射されるように、燃料７５の噴射角度が設定される。キャビティ７６の側壁部７７に衝突した燃料７５は、キャビティ７６の中心７８側へと拡散される。これにより、燃料７５は燃焼室７９（キャビティ７６）内に広く且つ十分に分散されて、燃焼室７９内の空気と良好に混合される。
【００１１】
一方、燃料噴射期間の後期においては、ピストン７３が上昇されて圧縮上死点（ＴＤＣ）に近づくにつれ、燃料７５はキャビティ７６の中心７８側に噴射されるようになる。すると、図８（ｂ）に示すように、燃料７５はキャビティ７６の底面部８０に衝突して、キャビティ７６の側壁部７７側へと滑走する。キャビティ７６の側壁部７７側へと滑走した燃料７５は、キャビティ７６の底面部８０付近に付着して留まってしまうので、燃料７５は燃焼室７９（キャビティ７６）内に十分に分散されないおそれがある。つまり、キャビティ７６の底面部８０付近に留まった燃料７５への空気導入は、ピストン７３の上方側からのみとなる（図９参照）。そのため、燃料７５と空気との混合が不十分となり、ＨＣやＣＯの増大を招き、結果的に燃焼効率の悪化を招いてしまう。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、燃料の分散を向上させて、燃料と空気との混合を促進させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明は、燃焼室内にて予混合燃焼を実現させるべく、燃料をピストンのキャビティ内に噴射すると共に、その燃料噴射を圧縮上死点より早いタイミングで終了する運転領域を有するディーゼルエンジンであって、上記キャビティの底面部であって、そのキャビティの中心と側壁部との間に突起部を設けて、燃料噴射期間前期において、燃料を上記キャビティの側壁部に向けて噴射し、燃料噴射期間後期において、燃料を上記キャビティの突起部に衝突させるようにしたものである。
【００１４】
ここで、上記予混合燃焼を実現させる第一の運転領域と、燃焼室内にて拡散燃焼を実現させるべく、燃料をピストンのキャビティ内に噴射すると共に、その燃料噴射を圧縮上死点近傍で行う第二の運転領域とを備え、上記第二の運転領域における燃料噴射期間の少なくとも前期において、燃料を上記キャビティの突起部に衝突させるようにしても良い。
【００１５】
また、上記キャビティの底面部は、大径側ほど高さが低くなると共に、径方向の外側の部分に高さが高くなる段差部が形成され、その段差部の径方向の内側の端部によって上記突起部が形成されても良い。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、燃料の分散を向上させて、燃料と空気との混合を促進させることができるという優れた効果を発揮するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１８】
図１は本実施形態のディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）の概略図である。なお、図１では一気筒のみ示されているが、当然多気筒であっても良い。図２は図１の要部拡大図である。図２中、吸気ポート、排気ポート、吸気弁及び排気弁は省略されている。図３は図２のIII部拡大図である。
【００１９】
図中１がエンジン本体であり、これはシリンダ２、シリンダヘッド３、ピストン４、吸気ポート５、排気ポート６、吸気弁７、排気弁８、インジェクタ９等から構成される。シリンダ２とシリンダヘッド３との空間に燃焼室１０が形成され、燃焼室１０内にインジェクタ９から燃料が直接噴射される。
【００２０】
ピストン４の頂部には、底面部３１と側壁部３２とで区画されたキャビティ１１が形成されている。このキャビティ１１は燃焼室１０の一部をなす。本実施形態のキャビティ１１はその底面部３１が大径側ほど高さが低くなるトロイダル型燃焼室の形態をなす。
【００２１】
キャビティ１１の底面部３１であって、そのキャビティ１１の中心３５と側壁部３２との間には、突起部３３が全周に亘って設けられている。突起部３３は側壁部３２と同芯的に形成されている。本実施形態においては、キャビティ１１の底面部３１の径方向外側部分に高さが高くなる段差部３４が形成され、その段差部３４の径方向の内側の端部によって突起部３３が形成されている。また、本実施形態では、段差部３４の径方向の内側の端部（突起部３３）をＲ面により形成している。
【００２２】
インジェクタ９はシリンダ２及びピストン４と同一の軸心Ｃ上に配置され、複数の噴孔（ホール）３７から同時に放射状に燃料を噴射する。インジェクタ９はコモンレール２４に接続され、そのコモンレール２４に貯留された高圧燃料がインジェクタ９に常時供給される。コモンレール２４への燃料圧送は高圧サプライポンプ２５により行われる。
【００２３】
インジェクタ９の各噴孔３７の燃料噴射軸Ａは、軸心Ｃに対してそれぞれ所定の噴射角度θだけ傾けられている。この噴射角度θは、燃料が燃料噴射期間の全期間に亘ってキャビティ１１内に収まるような角度に設定される。噴射角度θの決定に当たっては、燃料の噴射開始のタイミングや、その燃料の噴射開始時のピストン４の位置等が関係してくる。本実施形態では、噴射角度θは、燃料が後述する第一の運転領域（予混合燃焼領域）における燃料噴射期間の前期にキャビティ１１の側壁部３２に向けて噴射され、キャビティ１１の突起部３３に衝突しない角度に設定される。
【００２４】
吸気ポート５は吸気管１２に、排気ポート６は排気管１３にそれぞれ接続される。
【００２５】
本実施形態のエンジンは、排気ガスの一部を燃焼室１０内に還流する外部ＥＧＲ装置１９を備えている。ＥＧＲ装置１９は、吸気管１２と排気管１３とを結ぶＥＧＲ管２０と、ＥＧＲ管２０の管路面積を変えてＥＧＲ率を調節するためのＥＧＲ弁２１と、ＥＧＲ弁２１の上流側にてＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ２２とを備える。吸気管１２においては、ＥＧＲ管２０との接続部の上流側にて吸入空気を適宜絞るための吸気絞り弁２３が設けられる。
【００２６】
このエンジンを電子制御するためのＥＣＵ（制御装置）２６が設けられる。ＥＣＵ２６は各種センサ類からエンジンの運転状態を読み取り、そのエンジン運転状態に基づいてインジェクタ９、ＥＧＲ弁２１、吸気絞り弁２３等を制御する。前記センサ類としては、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ１４、エンジンの回転速度を検出するエンジン回転センサ１５、エンジンのクランク軸（図示せず）の角度を検出するクランク角度センサ１６、コモンレール２４内の燃料圧力を検出するコモンレール圧センサ１７等が含まれ、それら各センサの検出値がＥＣＵ２６に入力される。
【００２７】
本実施形態のエンジンは所定の第一の運転領域では、予混合燃焼を実現させる。つまり、第一の運転領域（以下、予混合燃焼領域）では、燃料の噴射を圧縮上死点よりも早期に開始し、且つ、圧縮上死点より早いタイミングで終了させることにより、燃料の噴射終了後に混合気が着火する。本実施形態においては、第一の運転領域（予混合燃焼領域）は、比較的低負荷領域に設定される。
【００２８】
さらに、本実施形態のエンジンは所定の第二の運転領域では、拡散燃焼を実現させる。つまり、第二の運転領域（以下、拡散燃焼領域）では、燃料の噴射を圧縮上死点近傍で開始し、且つ、圧縮上死点より遅いタイミングで終了させることにより、燃料の噴射中に混合気が着火する。つまり、第二の運転領域（拡散燃焼領域）では、圧縮上死点近傍で燃料の噴射を行う。本実施形態においては、第二の運転領域（拡散燃焼領域）は、第一の運転領域（予混合燃焼領域）よりも高負荷領域に設定される。
【００２９】
ところで、本出願人は上記予混合燃焼を実現させる際に混合気のＥＧＲ率を高めることで、排気浄化効果をより高めることができることを見いだした。つまり、ＥＧＲ率を高くすれば、混合気の酸素濃度が低下するため、予混合期間が長くなる（着火時期が遅くなる）。従って、ＥＧＲ弁２１の弁開度を大きくして、ＥＧＲ率を比較的高くすることで、燃料噴射開始時期をより早くし、着火までに混合気をより良好に希薄・均一化させることができる。なお、この技術は、本願の出願時において未公開のものである。上述のように、燃料の噴射角度θは、燃料が燃料噴射期間の全期間に亘ってキャビティ１１内に収まるような角度に設定する必要がある。そのため、燃料噴射開始時期をより早くすると、噴射角度θをより狭く設定する必要がある。
【００３０】
このように、本実施形態のＥＣＵ２６は、エンジンの運転状態に応じて、燃料の噴射終了後に混合気が着火する予混合燃焼と、燃料の噴射中に混合気が着火する拡散燃焼とを実行するようにインジェクタ９及びＥＧＲ装置１９等を制御する。
【００３１】
具体的に説明すると、まず、燃料の噴射が完全に終了した後又は燃料の噴射中に混合気が着火し、且つ、その着火時期が最適な着火時期（基本的には上死点近傍）となるような燃料噴射時期（噴射開始時期）及びＥＧＲ率をエンジンの運転状態毎に予め求めておき、そのデータに基づいて目標燃料噴射時期マップ及び目標ＥＧＲ弁開度マップを作成してＥＣＵ２６に入力しておく。ＥＣＵ２６は、アクセル開度センサ１４やエンジン回転センサ１５等の検出値に基づいてエンジンの運転状態を読み取ったならば、上記マップから目標燃料噴射時期及び目標ＥＧＲ弁開度を決定し、それらに従ってインジェクタ９及びＥＧＲ弁２１をそれぞれ制御する。
【００３２】
まず、予混合燃焼領域における目標燃料噴射開始時期は基本的に、拡散燃焼領域で設定される燃料噴射開始時期（圧縮上死点近傍）よりも早期（例えば４０°ＢＴＤＣ〜２０°ＢＴＤＣ程度）に設定される。また、予混合燃焼領域における目標ＥＧＲ率は基本的に拡散燃焼領域で設定されるＥＧＲ率よりも高く（例えば、５０％以上）設定される。
【００３３】
図４（ａ）に示すように、予混合燃焼領域における燃料噴射期間の前期においては、ピストン４は圧縮上死点（ＴＤＣ）から下方に比較的大きく離れている。インジェクタ９より噴射された燃料（図中矢印Ｂで示す）は、キャビティ１１の側壁部３２に衝突する。キャビティ１１の側壁部３２に衝突した燃料Ｂは、キャビティ１１の中心３５側へと拡散される（図６（ａ）参照）。これにより、燃料Ｂは燃焼室１０（キャビティ１１）内に広く分散されて、燃料Ｂと空気とが良好に混合される。
【００３４】
一方、予混合燃焼領域における燃料噴射期間の後期においては、ピストン４が上昇されて圧縮上死点（ＴＤＣ）に近づくにつれ、燃料Ｂはキャビティ１１の中心３５側に噴射されるようになる。図４（ｂ）に示すように、ピストン４が所定位置まで上昇すると、燃料Ｂはキャビティ１１の突起部３３に衝突する。キャビティ１１の突起部３３に衝突した燃料Ｂは、キャビティ１１の上方側へと拡散される（図６（ｂ）参照）。これにより、燃料Ｂは燃焼室１０（キャビティ１１）内に広く分散される。また、燃料Ｂがキャビティ１１の上方側へと拡散されるので、燃料Ｂへの空気導入は、ピストン７３の上方側及び下方側から行われるようになる。そのため、燃料Ｂと空気とが良好に混合される。そして、燃料噴射が終了した後、ある程度の期間（予混合期間）を経て混合気が着火する。
【００３５】
ここで、段差部３４（突起部３３）の高さ３６（図３参照）及び形状は、インジェクタ９より噴射され突起部３３に衝突した燃料Ｂが、上述のようにキャビティ１１の上方側へと拡散するようなものであることが望ましい。例えば、段差部３４（突起部３３）の高さ３６を２ｍｍ程度とする。これは段差部３４（突起部３３）が高すぎると、燃料Ｂがキャビティ１１の上方側に拡散されず、キャビティ１１の中心３５側の底面部３１に付着して留まってしまうおそれがあるためである。また、段差部３４（突起部３３）の形状を軸心Ｃに対してキャビティ１１の径方向の外側に傾斜させる。これは段差部３４（突起部３３）が軸心Ｃに対して平行又はキャビティ１１の径方向の内側に傾斜していると、燃料Ｂがキャビティ１１の上方側に拡散されず、キャビティ１１の中心３５側の底面部３１に付着して留まってしまうおそれがあるためである。
【００３６】
このように、本実施形態においては、予混合燃焼における燃料噴射期間の前期において、燃料Ｂをキャビティ１１の側壁部３２に向けて噴射し、燃料噴射期間の後期において、燃料Ｂをキャビティ１１の突起部３３に衝突させるようにしている。これにより、燃料噴射期間の全期間に亘って、燃料Ｂが十分に分散されて、燃料Ｂと空気とが十分に混合されるため、燃費や排気ガスの悪化等が改善される。
【００３７】
次に、拡散燃焼領域における目標燃料噴射開始時期は基本的に、圧縮上死点近傍（例えば１０°ＢＴＤＣ〜１０°ＡＴＤＣ程度）に設定される。
【００３８】
図５（ａ）に示すように、拡散燃焼領域における燃料噴射期間の前期においては、ピストン４は圧縮上死点（ＴＤＣ）から下方に比較的小さく離れている。このとき、インジェクタ９により噴射された燃料Ｂは、キャビティ１１の突起部３３に衝突する。キャビティ１１の突起部３３に衝突した燃料Ｂは、キャビティ１１の上方側へと拡散される（図６（ｂ）参照）。これにより、燃料Ｂは燃焼室１０（キャビティ１１）内に広く分散されて、燃料Ｂと空気とが良好に混合される。
【００３９】
一方、拡散燃焼領域における燃料噴射期間の後期においては、ピストン４が上昇された圧縮上死点（ＴＤＣ）近傍にて、混合気が着火する。図５（ｂ）に示すように、これによってできた火炎（図中矢印Ｄで示す）の中に継続して燃料Ｂを噴射することによりその燃料Ｂが燃焼する。
【００４０】
このように、本実施形態においては、拡散燃焼領域における燃料噴射期間の少なくとも前期において、燃料Ｂをキャビティ１１の突起部３３に衝突させるようにしている。これにより、燃料噴射期間の前期、即ち、混合気の着火より早いタイミングにおいて、燃料Ｂが十分に分散されて、燃料Ｂと空気とが十分に混合されるため、燃費や排気ガスの悪化等が改善される。
【００４１】
以上、本実施形態によれば、燃料を十分に分散させて、燃料と空気との混合を促進させることができるため、燃費や排気ガスの悪化等を確実に回避できる。
【００４２】
さらに本実施形態によれば、予混合燃焼における燃料噴射の開始のタイミングに合わせて、燃料の噴射角度を比較的狭くしても、燃料を十分に分散させて、燃料と空気との混合を促進させることができるため、燃費や排気ガスの悪化等を招くことはない。
【００４３】
本発明は以上説明した実施形態に限定はされない。
【００４４】
例えば、上記実施形態では、キャビティ１１の突起部３３は全周に亘って設けられているとしたが、突起部３３がキャビティ１１の周方向に対して部分的に設けられても良い。つまり、突起部３３を燃料Ｂが噴射される部分（インジェクタ９の噴孔３７に対応する部分）のみに設けても同様の効果を得ることができる。
【００４５】
また、上記実施形態では、キャビティ１１の径方向の外側の部分に高さが高くなる段差部３４を形成し、その段差部３４の径方向の内側の端部によって突起部３３を形成するとしたが、図７（ａ）に示すように、キャビティ６１の中心６２と側壁部６３との間に部分的に高さが高くなる段差部６４を形成し、その段差部６４の径方向の内側の端部によって突起部６５を形成しても良い。さらに、図７（ｂ）に示すように、キャビティ６１の径方向に段差部６４を複数形成し、各段差部６４の径方向の内側の端部によって突起部６５をそれぞれ形成しても良い。このようにすると、燃料が、燃料の噴射期間中に順次各突起部６５に衝突する。これにより、燃料が燃焼室（キャビティ）内により十分に分散されて、燃料と空気とがより良好に混合される。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の一実施形態に係るディーゼルエンジンの概略図である。
【図２】図１の要部拡大図である。
【図３】図２のIII部拡大図である。
【図４】ピストンと燃料噴射との関係を示す概略図であり、（ａ）は第一の運転領域における燃料噴射期間前期を、（ｂ）は第一の運転領域における燃料噴射期間後期を示す。
【図５】ピストンと燃料噴射との関係を示す概略図であり、（ａ）は第二の運転領域における燃料噴射期間前期を、（ｂ）は第二の運転領域における燃料噴射期間後期を示す。
【図６】ピストンと燃料噴射との関係を示す概略図であり、（ａ）はインジェクタより噴射された燃料がキャビティの側壁部に衝突した状態を示し、（ｂ）はインジェクタより噴射された燃料がキャビティの突起部に衝突した状態を示す。
【図７】（ａ）及び（ｂ）は、突起部の変形例を示すピストンの概略図である。
【図８】従来のディーゼルエンジンにおけるピストンと燃料噴射との関係を示す概略図であり、（ａ）は予混合燃焼における燃料噴射期間前期を、（ｂ）は予混合燃焼における燃料噴射期間後期を示す。
【図９】ピストンと燃料噴射との関係を示す概略図であり、インジェクタより噴射された燃料がキャビティの底面部に衝突した状態を示す。
【符号の説明】
【００４７】
１  エンジン本体
２  シリンダ
３  シリンダブロック
４  ピストン
１０  燃焼室
１１  キャビティ
３１  底面部
３２  側壁部
３３  突起部
３４  段差部
３５  中心
Ａ  燃料噴射軸
Ｂ  燃料
Ｃ  軸心
θ  噴射角度
【図１】
2005315211.tif 000003
【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】
2005315211.tif 000009
【図８】
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【図９】
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