(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
頂部に開口端に近付くに従って径が小さくなるリエントラント型のキャビティが形成されたピストンと、
上記ピストンのキャビティ開口縁を形成するリップ部に向かって燃料を噴射する燃料噴射弁とを備え、
上記燃料噴射弁より噴射された燃料噴霧を着火遅れ期間に上記リップ部に到達させて該リップ部付近に燃料蒸気の領域を形成し、
上記燃料噴射弁の燃料噴射方向前方で燃料を着火させ、この着火による燃焼ガスの膨張流により、その着火位置前方の上記燃料蒸気を上記キャビティの周壁面に当てて該キャビティの底の方へ誘導し、火炎がキャビティの底に伝播されるように構成されたディーゼルエンジンの燃料燃焼装置であって、
エンジン負荷が所定負荷以上である場合と、吸気に加えられる過給圧が所定圧力以上である場合と、吸気温度が所定温度以上である場合とのいずれかの場合に、エンジンの有効圧縮比を所定値以下に制御することにより、着火遅れ期間を所定期間以上に制御する制御手段を備えていることを特徴とするディーゼルエンジンの燃料燃焼装置。
【請求項２】
請求項１のディーゼルエンジンの燃料燃焼装置において、
吸気弁の閉弁時期を可変とする可変動弁機構を備える一方、制御手段は、上記可変動弁機構の閉弁時期を制御することを特徴とするディーゼルエンジンの燃料燃焼装置。
【請求項３】
請求項１又は２のディーゼルエンジンの燃料燃焼装置において、
制御手段は、エンジン負荷が所定負荷以上である場合と、吸気に加えられる過給圧が所定圧力以上である場合と、吸気温度が所定温度以上である場合とのいずれかの場合に、燃料噴射弁の燃料噴射圧を所定値以上に制御することを特徴とするディーゼルエンジンの燃料燃焼装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１つのディーゼルエンジンの燃料燃焼装置において、
燃料噴射弁の燃料噴射開始から０．４２ｍｓ経過時点での燃料噴霧の到達距離と定義したときのペネトレーションＳｐと、上記燃料噴射弁の燃料噴霧のコーン角Θと、キャビティのリップ部における最小口径Ｄlip とが次式
Ｄlip ＝ｋ×Ｓｐ×sin(Θ／２)
（但し、ｋ＝１．４〜１．８）
を満足する関係にあることを特徴とするディーゼルエンジンの燃料燃焼装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ピストンに形成されたリエントラント型のキャビティ内に直接噴射された燃料を燃焼させるディーゼルエンジンの燃料燃焼装置に関する技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
直噴式ディーゼルエンジンにおいて、ピストンの頂部にリエントラント型のキャビティを形成したものは一般に知られている。例えば、特開平９−４１９７５号公報には、ピストンのリップ部に向けて噴射された燃料が該リップ部から当該キャビティの底部に向かうときにキャビティ側壁から剥離するように、当該キャビティ形状を定めることにより、燃料噴霧と空気との混合を良くし、煤の発生を抑えることが記載されている。
【０００３】
また、自動車技術会論文集Vol.31,No.3,July 2000第５１〜５６頁には、ピストンのリエントラント型キャビティの底部中央を隆起させれば、（1）圧縮行程中にリップ部下の側壁に沿って下向きに流れる縦渦が形成されること、（2）燃料を噴射すると、燃料噴霧は上記縦渦に引き込まれリップ部下の側壁に沿って下向きに回転する流れを形成すること、（3）リップ径を大きくすると逆スキッシュ流が弱まってスキッシュエリアへの混合気の流出が抑制されること、（4）上記縦渦はスワールの影響により螺旋渦となること、（5）この螺旋渦により、キャビティ内で混合気形成と燃焼が促進されること、（6）その後、混合気はスキッシュエリアに排出され、燃え残りの煤を酸化することがそれぞれ記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、直噴式ディーゼルエンジンの駆動運転により発生するのは、煤だけではない。すなわち、燃焼室内に吸入される空気中の窒素が酸化されることによりＮＯｘも同時に生成されるという問題がある。しかし、上記各従来のものでは、煤の排出を抑制するようにしているものの、煤だけでなくＮＯｘの生成をも同時に抑制することは困難である。
【０００５】
そこで、燃料噴霧を所定のペネトレーション（噴霧の貫徹度合い）で燃料噴射弁から噴射して、燃料噴射開始から自己着火するまでの期間たる着火遅れ期間中に、リップ部付近に燃料蒸気の領域を比較的まとまった状態で形成し、この燃料蒸気の一部を着火後の燃料ガス膨張流によりキャビティ底部へ誘導して縦渦の生成・強化を図ることにより、ＮＯｘ及び煤の双方の生成をそれぞれ低減することが考えられる。
【０００６】
一方、エンジンの負荷が比較的大きい場合、吸気の過給圧が比較的高い場合、吸気温度が比較的高い場合等には、キャビティを有する燃焼室内の温度が上昇して燃料噴霧が蒸発しやすくなる。すなわち、リップ部付近に充分な燃料蒸気の領域が形成される前に燃料噴霧は自己着火してしまうため、着火後の膨張流により燃料蒸気の一部をキャビティ底部へ充分に誘導することができず、キャビティ内に強力な上記縦渦を生成することが困難となる。その結果、上記のようなエンジンの負荷や、吸気の過給圧や、吸気温度が比較的高い場合には、ＮＯｘ及び煤の生成を有効に低減させることができないという問題がある。
【０００７】
本発明は斯かる諸点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、キャビティ内に生成する縦渦の強化を図るとともに、特にキャビティ内の温度が比較的高温となる運転状態のときに、縦渦を安定して強化できるようにすることにより、ＮＯｘ及び煤の双方の生成量を可及的に低減しようとすることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、この発明では、着火により発生する膨張流により燃料蒸気の一部をキャビティ底部へ誘導して縦渦を強化するようにし、さらに、キャビティ内の温度が比較的高温となるような所定の運転状態のときには、エンジンの有効圧縮比を所定値以下に制御することにより着火遅れ期間を所定期間以上に制御するようにした。
【０００９】
具体的には、第１の発明では、頂部に開口端に近付くに従って径が小さくなるリエントラント型のキャビティが形成されたピストンと、上記ピストンのキャビティ開口縁を形成するリップ部に向かって燃料を噴射する燃料噴射弁とを備え、上記燃料噴射弁より噴射された燃料噴霧を着火遅れ期間に上記リップ部に到達させて該リップ部付近に燃料蒸気の領域を形成し、上記燃料噴射弁の燃料噴射方向前方で燃料を着火させ、この着火による燃焼ガスの膨張流により、その着火位置前方の上記燃料蒸気を上記キャビティの周壁面に当てて該キャビティの底の方へ誘導し、火炎がキャビティの底に伝播されるように構成されたディーゼルエンジンの燃料燃焼装置が対象である。そして、エンジン負荷が所定負荷以上である場合と、吸気に加えられる過給圧が所定圧力以上である場合と、吸気温度が所定温度以上である場合とのいずれかの場合に、エンジンの有効圧縮比を所定値以下に制御することにより、着火遅れ期間を所定期間以上に制御する制御手段を備えている。
【００１０】
上記の発明によると、燃料噴霧が燃料噴射弁から噴射され、着火遅れ期間中にリップ部に到達することによって、該リップ部付近に燃料蒸気の領域が形成される。そして、燃料噴霧の着火位置（着火点）は、燃料蒸気の領域における燃料噴射方向上流側の位置となるため、この着火による燃焼によって着火位置から下流側へ向かって爆発的に広がる強い膨張流が生成される。
【００１１】
そして、上記燃料蒸気領域の下流側のリップ部付近の燃料蒸気は、上記膨張流によってキャビティ内周壁面（特にリップ部と、該リップ部よりもピストン径方向外側へ凹入した部分との境界付近）に当たり、キャビティ内周壁面に沿ってキャビティ底部側へ誘導されることで、強力な縦渦が生成される。さらに、キャビティ底部に誘導された燃料を追いかけて火炎が伝播していくことで、さらに縦渦が成長していく。
【００１２】
この縦渦の流れとともに、火炎もリップ部からキャビティ底部へ回り込む。これにより、ヒートスポット（局所的な高温領域）がリップ部付近からキャビティ底部へ広がる一方、リップ部付近では燃料蒸気が少なくなるので、リップ部付近のヒートスポットは速やかに消滅していく。すなわち、燃料噴射終了までにキャビティ内の最高温度部位がリップ部からキャビティ底部側へ移行して分散する。
【００１３】
従って、ヒートスポットがキャビティ内の特定位置で長時間存在するのを防止し、あるいはヒートスポットを早く消滅させるため、ＮＯｘの生成量を効果的に低減させることができる。さらに、縦渦が強化されることにより、キャビティ内における燃料と空気との混合と、燃焼後半での燃焼ガスと空気との混合とがそれぞれ促進されるため、煤の生成量を有効に低減させることができる。
【００１４】
ところで、エンジン負荷が所定負荷以上である場合と、吸気に加えられる過給圧が所定圧力以上である場合と、吸気温度が所定温度以上である場合とのいずれかの場合には、キャビティ内部の雰囲気温度が上昇し、燃料噴霧が蒸発して燃焼しやすくなる。これに対して、この発明では、そのようにキャビティ内の雰囲気温度が比較的高温となるような運転状態のときには、制御手段により、エンジンの有効圧縮比を所定値以下に制御することによって加圧圧縮によるキャビティ内の空気の高温化が抑制され、着火遅れ期間が所定期間以上となるように制御されるため、リップ部付近に充分な燃料蒸気の領域を形成することができる。そして、その後に、燃料噴霧が自己着火するので、着火後の膨張流によりリップ部付近における燃料蒸気の一部をキャビティ底部へ有効に誘導することができる。その結果、キャビティ内に強力な縦渦を生成してＮＯｘ及び煤の生成を低減させることができる。
【００１５】
第２の発明では、上記第１の発明において、吸気弁の閉弁時期を可変とする可変動弁機構を備える一方、制御手段は、上記可変動弁機構の閉弁時期を制御することを特徴とする。
【００１６】
上記の発明によると、例えばエンジンが高回転高負荷状態にあるとき、制御手段は、可変動弁機構の閉弁時期を制御して、吸気弁の閉弁時期を遅角側に所定角度だけシフトする（吸気弁の遅閉じ）。そのとき、燃焼室内部の混合気の一部が、圧縮行程初期に上昇するピストンにより吸気通路に押し戻される。このことにより、キャビティ内の吸気量が減少するため、このキャビティ内で空気が過剰に加圧圧縮されて高温となるのを抑制することができる。つまり、着火遅れ期間を適正に維持することができる。
【００１７】
第３の発明では、上記第１又は２の発明において、制御手段は、エンジン負荷が所定負荷以上である場合と、吸気に加えられる過給圧が所定圧力以上である場合と、吸気温度が所定温度以上である場合とのいずれかの場合に、燃料噴射弁の燃料噴射圧を所定値以上に制御することを特徴とする。
【００１８】
上記の発明によると、エンジン負荷が所定負荷以上である場合と、吸気に加えられる過給圧が所定圧力以上である場合と、吸気温度が所定温度以上である場合とのいずれかの場合には、上述のように、キャビティ内部の雰囲気温度が上昇するため、着火遅れ期間は短くなる。これに対して、この発明では、そのようにキャビティ内の雰囲気温度が比較的高温となるような運転状態のときには、制御手段により燃料噴射弁からの燃料噴射圧が所定値以上となるように制御されるため、燃料噴霧のペネトレーション（噴霧の貫通度合い）を増大させて、リップ部付近に充分な燃料蒸気の領域を形成することができる。従って、その後の燃料噴霧の自己着火により膨張流を生成し、キャビティ内に強力な縦渦を生成してＮＯｘ及び煤の生成を効果的に低減させることができる。
【００１９】
第４の発明では、上記第１〜３のいずれか１つの発明において、燃料噴射弁の燃料噴射開始から０．４２ｍｓ経過時点での燃料噴霧の到達距離と定義したときのペネトレーションＳｐと、上記燃料噴射弁の燃料噴霧のコーン角Θと、キャビティのリップ部における最小口径Ｄlip とが次式
Ｄlip ＝ｋ×Ｓｐ×sin(Θ／２)
（但し、ｋ＝１．４〜１．８）
を満足する関係にあることを特徴とする。
【００２０】
すなわち、本発明は、燃料噴射弁からリップ部に向けて燃料を噴射し、燃料の着火遅れ期間に燃料噴霧をリップ部に到達させて該リップ部付近に燃料蒸気が形成されるようにしようとするものである。そのために、キャビティの最小口径Ｄlip は、燃料噴射開始から、中負荷運転時の代表的な着火遅れ期間である０．４２ｍｓ経過時点での燃料噴霧の到達距離Ｓｐ（噴霧のペネトレーション）に基づいて決定される。このＳｐにsin(Θ／２)を乗じているのは、燃料がコーン角Θをもって噴射されることから、燃料噴霧の水平方向での到達距離を求めるためである。
【００２１】
ところで、上記ｋ値が１．４未満であって、キャビティの最小口径Ｄlip が相対的に小さくなり過ぎると、燃料噴射弁から液状噴流として噴射された燃料は、リップ部に到達するまでに充分に分裂しないため、不完全な噴霧状態となる。従って、燃料蒸気の形成も不充分となって、上記燃焼ガスの膨張流が有効に働かない。さらに、燃料噴霧のコア（燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧の中に存在する液柱部分又は燃料濃度が非常に高い部分）がリップ部に衝突して燃焼を悪化させて出力が低下するので、ＮＯｘ生成量が少なくなるとしても、煤の生成量は多くなってしまう。
【００２２】
一方、上記ｋ値が１．８を越えて、上記Ｄlip が相対的に大きくなり過ぎると、着火点からリップ部までの距離が遠くなるため、着火による燃焼ガスの膨張流がその前方の燃料蒸気に作用したとしても、その燃料蒸気は、リップ部に当たる前に周囲に分散する。従って、燃料蒸気を膨張流によってキャビティ底の方へ誘導することができないため、ＮＯｘ発生量が増えてしまう。
【００２３】
したがって、このことから、上記ｋ値として、ｋ＝１．４〜１．８であることが望ましい。さらに、このような観点から、上記ｋ値として、ｋ＝１．５〜１．７とすることがより好ましい。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る燃料燃焼装置を備える直噴式ディーゼルエンジンの構成を概略的に示している。同図において、２はシリンダブロック、２ａはシリンダブロック２に形成されたシリンダ、１はシリンダ２ａ内に設けられたピストンである。また、３はシリンダブロック２の上部に組み付けられたフラット型のシリンダヘッドである。
【００２５】
ピストン１の頂部には開口端に近付くに従って径が小さくなる凹状のリエントラント型のキャビティ８が形成されている。図３にも拡大して示すように、１１はキャビティ８の開口縁を形成するようにピストン頂面部において内方へ突出する環状のリップ部、１２は該リップ部１１に続いてピストン径外方向に凹入した環状凹入部である。また、ピストン１には、キャビティ８の底部中央において該キャビティ８の開口に向かって隆起した凸部１３が形成されている。
【００２６】
シリンダヘッド３の下部には、燃料噴射弁９がその先端の噴射ノズル１０がシリンダ２ａ内に臨んだ状態で取付固定されている。図４にも示すように、燃料噴射弁９は、燃料を、噴射ノズル１０からリップ部１１に向かって放射状に例えば６方向へそれぞれ均等に噴射することによって、キャビティ８内に燃料を直接噴射するためのものである。この燃料噴射弁９は、クランク軸（図示省略）の回転角度を検出する電磁式のクランク角センサ２２や、アクセルペダルの開度（アクセル操作量）を検出するアクセル開度センサ２３等の出力信号に基づいて、コントロールユニット（以降、ＥＣＵという）４０により作動制御されるようになっている。また、燃料噴射弁９は、燃料をその噴射圧以上の高圧状態で貯留するコモンレール（図示省略）に接続されており、このコモンレールに内部の燃料圧力を検出する燃料圧力センサ２９が配設されている。
【００２７】
４はシリンダヘッド３の下部に形成されてキャビティ８内に空気を供給するための吸気ポート（ヘリカルポート）であり、５は同様にシリンダヘッド３の下部に形成されてキャビティ８内から排気ガスを排出するための排気ポートである。図２に示すように、吸気ポート４及び排気ポート５は、それぞれ例えば２つずつ設けられている。吸気ポート４には直立型の吸気バルブ６が、また排気ポート５には同様の排気バルブ７がそれぞれ設けられている。
【００２８】
吸気バルブ６及び排気バルブ７は、シリンダヘッド３に配設された２本のカム軸３１，３１がタイミングベルトを介してクランク軸（図示省略）により回転駆動されることにより、複数の各気筒毎に所定のタイミングでそれぞれ開閉作動されるようになっている。また、吸気側のカム軸３１には、クランク軸に対する回転位相を所定の角度範囲において連続的に変化させることにより、吸気弁の閉弁時期を可変とする公知の可変動弁機構３３（Valiable Valve Timing：以下、ＶＶＴと略称する）が付設されていて、このＶＶＴ３３の作動により吸気バルブ６の開閉作動時期が変更されるようになっている。
【００２９】
ＶＶＴ３３は、その概略構造を図６に示すように、カム軸３１の端部に固定されたロータ３３ａと、このロータ３３ａを覆うように配置されてスプロケット３３ｂに固着して設けられたケーシング３３ｃとからなる。ロータ３３ａの外周には外方に向かって放射状に突出する４つのベーンが設けられ、一方、ケーシング３３ｃの内周には内方に向かって延びる４つの区画壁が設けられている。そして、それらのベーンと区画壁との間に複数の油圧作動室３３ｄ，３３ｅ，…がそれぞれ形成され、これらの油圧作動室３３ｄ，３３ｅ，…に作動油として供給されるエンジンオイルの油圧がオイルコントロールバルブ３３ｆ（以下、ＯＣＶという）によって調整されることにより、ロータ３３ａとケーシング３３ｃ、即ちカム軸３１とスプロケット３３ｂとが相対的に回動されて、カム軸３１のクランク軸に対する回転位相が連続的に変更される。ＯＣＶ３３ｆは、ＥＣＵ４０により制御されるようにしている。
【００３０】
より詳しくは、ＶＶＴ３３の油圧作動室は、周方向に交互に配置された進角側及び遅角側の油圧作動室３３ｄ，３３ｅ，…からなり、その進角側の油圧作動室３３ｄ，３３ｄ，…の油圧力が増大すると、ロータ３３ａはケーシング３３ｃに対してカム軸３１の回転する向き（図６中に矢印Ａで示す）に回動され、これにより、図７に破線で示すように、吸気バルブ６の開弁時期IO及び閉弁時期ICが進角側にシフトされる。また、反対に、遅角側の油圧作動室３３ｅ，３３ｅ，…の油圧力が増大すると、ロータ３３ａはケーシング３３ｃに対しカム軸３１の回転する向きとは反対に回動され、これにより、図７に仮想線で示すように、吸気バルブ６の開弁時期IO及び閉弁時期ICが遅角側にシフトされる。
【００３１】
尚、図７において、例えば吸気バルブ６について開弁時期IO、閉弁時期ICとは、それぞれ図示の如く緩衝部を除いた弁揚程曲線の始端及び終端のことである。
【００３２】
また、図１に示すように、吸気ポート４，４には吸気通路２４，２４がそれぞれ接続される一方、排気ポート５，５には排気通路２５，２５がそれぞれ接続されている。吸気通路２４，２４における空気の吸入方向上流側は、サージタンク２１に連通状態でそれぞれ接続されている。つまり、各吸気通路２４，２４は、サージタンク２１で合流するようにしている。また、サージタンク２１には、後述のターボ過給機４１により圧送される吸気の圧力状態を検出する過給圧センサ２７と、吸気の温度状態を検出する吸気温センサ２８とがそれぞれ配設されている。
【００３３】
そして、同図にも示すように、吸気通路２４には、空気の吸入方向上流側から順に、後述のタービン４３により駆動されて吸気を圧縮するブロワ４２と、ブロワ４２により圧縮した吸気を冷却するインタークーラ３５と、バタフライバルブからなる吸気絞り弁２６とがそれぞれ設けられており、吸気絞り弁２６は、アクセル開度センサ２３の出力に応じてＥＣＵ４０により開閉制御するようにしている。
【００３４】
さらに、２本の吸気通路２４，２４のうち一方には、その一方の吸気通路２４内の吸気の流通量を変更するためのスワール制御弁３０が設けられている。スワール制御弁３０は、例えばバタフライバルブからなるもので、アクチュエータにより駆動されて開閉される。そして、図２に示すように、このスワール制御弁３０が完全に閉じられることにより、吸気は他方の吸気通路２４のみからキャビティ８に流入して、キャビティ８内に、図４中に矢示されるような比較的強いスワールを生成するように構成されている。
【００３５】
そして、スワール制御弁３０が、完全に閉じた状態から徐々に開くに連れて、２本の吸気通路２４，２４の双方から吸気が流入するようになり、吸気のタンブル成分が強まるとともに、スワール成分が弱まるようになっている。このスワール制御弁３０は、ＥＣＵ４０によって、例えばエンジン回転数Ｎｅが比較的小さいときに、その弁開度を小さくしてスワールを強化するように制御される。
【００３６】
一方、排気通路２５には、排気流により回転駆動されるタービン４３が配設されている。このタービン４３と吸気通路２４のブロワ４２とは、回転軸４４に回転一体にそれぞれ取付固定されている。そして、排気流によるタービン４３の回転に伴ってブロワ４２が回転することによって、吸入空気を、加圧した状態でサージタンク２１へ供給するようにしている。このブロワ４２と、タービン４３と、回転軸４４とによってターボ過給機４１が構成されている。
【００３７】
そして、本実施形態に係る燃料燃焼装置は、燃料噴射弁９より噴射された燃料噴霧を、燃料噴射開始から自己着火するまでの期間たる着火遅れ期間にリップ部１１に到達させて、このリップ部１１付近に燃料蒸気１６の領域を形成するように構成されている。さらに、この燃料噴射弁９の燃料噴射方向前方の所定位置で燃料を着火させ、この着火による燃焼ガスの膨張流により、その着火位置前方の燃料蒸気をキャビティ８の内周壁面に当てて該キャビティ８の底の方へ誘導し、火炎がキャビティ８の底に伝播されるように構成されている。
【００３８】
すなわち、上記ディーゼルエンジンの燃料燃焼装置は次のように構成されている。燃料噴射弁９の燃料噴射開始から０．４２ｍｓ経過時点での燃料噴霧の到達距離Ｓｐ（ペネトレーション）と、該燃料噴射弁９の燃料噴霧のコーン角Θと、上記キャビティ８の上記リップ部１１における最小口径（以下、リップ径という。）Ｄlip とは、次式を満足する関係にある。
【００３９】
Ｄlip ＝ｋ×Ｓｐ×sin(Θ／２)                ……（１）
但し、ｋ＝１．４〜１．８であり、ｋ＝１．５〜１．７であることがさらに好ましい。また、上記コーン角Θ＝１５３〜１５７度であることが好ましく、Θ＝１５４〜１５６度であることがさらに好ましい。
【００４０】
ここで、燃料噴射開始からの時間０．４２ｍｓは、エミッション運転モード（中負荷運転時）での代表的な着火遅れ期間である。また、ペネトレーションＳｐとは、燃料噴霧の貫徹度合い（貫徹力ともいう）であって、着火遅れ期間（例えば上記０．４２ｍｓ）に形成された燃料噴霧の噴射方向長さ、つまり噴射ノズル１０から燃料噴霧先端までの到達距離により表される。
【００４１】
本発明は、燃料噴射弁９からリップ部１１に向けて燃料を噴射し、燃料の着火遅れ期間に燃料噴霧をリップ部１１に到達させて該リップ部１１付近に燃料蒸気１６が形成されるようにしようとするものである。そのために、キャビティ８の最小口径Ｄlip は、燃料噴射開始から、着火遅れ期間０．４２ｍｓ経過時点での燃料噴霧の到達距離Ｓｐ（ペネトレーション）に基づいて決定される。このＳｐにsin(Θ／２)を乗じているのは、燃料がコーン角Θをもって噴射されることから、燃料噴霧の水平方向での到達距離を求めるためである。
【００４２】
到達距離Ｓｐは、定容器実験（燃料噴射圧力８０ＭＰａ，雰囲気圧力２．５ＭＰａ，温度２０℃）により求められる。定容器実験データがない場合には広安の式から見積もることができる。広安の式は、到達距離Ｓｐと燃料噴射弁９のノズル径とを関係付ける実験式であり、それは次の通りである。
【００４３】
Ｓｐ＝Spb＋2.95×(ΔP×10６/ρf)０．２５×(Dn×(t-tb))０．５
Spb＝0.39×(2×ΔP×10６/ρf)０．５×tb
tb＝28.65×(ρf×Dn×10−３)/(ρA×ΔP×10６)０．５/10−３
但し、ΔP：容器圧力と噴射圧力との差圧(ＭＰａ)、ρf：軽油密度(kg/ｍ３)、Dn：ノズル径(mm)、t：噴射開始後の時間（０．４２ｍｓ）、ρA：容器空気密度である。
【００４４】
シリンダボア径Ｂは次式を満足する関係にある。
【００４５】
Ｂ＝Ｋ×Ｄlip                                ……（２）
但し、Ｋ＝１．８〜２．５であることが好ましく、Ｋ＝２．０〜２．３であることがさらに好ましい。
【００４６】
例えば、到達距離Ｓｐ＝２７ｍｍ、コーン角Θ＝１５４度の場合、リップ径Ｄlip ＝３８．９４〜４４．２０ｍｍとし、ボア径Ｂ＝７７．８７〜１００．３３ｍｍとすることになる。凸部１３の高さはリップ径Ｄlip の０．２〜０．２５倍程度とすればよい。
【００４７】
上記燃料噴霧の噴霧角θ＝１５〜２４度であることが好ましく、θ＝１８〜２３度がさらに好ましい。上記燃料噴射弁９の燃料噴射圧Ｐ＝５０ＭＰａ以上であることが好ましく、Ｐ＝８０ＭＰａ以上であることがさらに好ましい。噴射圧の上限は例えば１５０ＭＰａ、さらには２００ＭＰａとすることができる。
【００４８】
燃料噴射弁９より噴射された燃料噴霧が上記ピストンのキャビティ８のリップ部１１に最初に到達した時点の、該リップ部１１おける燃料噴霧の運動量に対するスワールの運動量の比は０．９〜１．５であることが好ましく、この運動量比は１．１〜１．３であることがさらに好ましい。この運動量比は次式によって求めることができる。
【００４９】
運動量比＝((ρa/ρao)×Va)/((ρs/ρso)×Vs)    ……（３）
但し、ρa：充填空気密度、ρao：標準状態での空気密度、Va：圧縮行程上死点でのリップ部１１の部位のスワール速度、ρs：定容器実験での燃料噴霧の密度、ρso：標準状態での燃料噴霧の密度、Vs：定容器実験でのリップ部到達時の噴霧速度である。標準状態は２０℃、１気圧（0.1013ＭＰａ)である。
【００５０】
ここに、ρa/ρao＝(Ｐin/101.3)/(Ｔin/293.3)、
Va＝ρa×ＳＲi×(Ｄlip/Ｂ/2))２×(Ｎ×２π/60)×Ｄlip、
である。ρs/ρso＝１とすることができる。
【００５１】
但し、Ｐin：吸気マニホールド内圧力(ｋＰａ)、Ｔin：吸気マニホールド内温度、ＳＲi：リグテストでのスワール比、Ｎ：エンジン回転数(ｒｐｍ)である。
【００５２】
次にｋ値がＮＯｘ生成量に与える影響について説明する。すなわち、上記（１）式から明らかなように、ｋ値の大小はリップ径Ｄlip の大小として反映され、到達距離Ｓｐを一定とすると、縦渦の強さに影響を与える。そこで、ｋ値を変化させたときのＮＯ生成量を調べた。その結果は図５に示されている。
【００５３】
同図において、ｋ＝１．９のデータは、リエントラント率Ｒ＝１で且つキャビティ８中央の凸部１３がないＰＡＮ（平鍋）型のものである。なお、リエントラント率Ｒはキャビティ８の最大内径をＤmax とするときの、Ｄlip／Ｄmax値である。ｋ＝１．７３のデータは、リエントラント率Ｒ＝１．７３／１．９でキャビティ８中央に凸部１３を有するリエントラント型のものである。ｋ＝１．６５及びｋ＝１．５４の各データは、凹入部１２のリップ部１１からの凹入量Ｒｅ（図３（Ｂ）参照）をｋ＝１．７３のものと同じにしたリエントラント型のものである。
【００５４】
図５によれば、ｋ値が小さくなるに従ってＮＯ生成量が減少している。これは、リップ径が小さくなることによって燃焼初期の燃焼ガスの膨張流がキャビティ８内周壁面に強く作用し、縦渦が促進されること、さらに、凹入部１２と凸部１３との距離が近くなり、縦渦を生じ易くなるためである。
【００５５】
しかしながら、上記ｋ値が１．４未満であって、キャビティ８の最小口径Ｄlip が相対的に小さくなり過ぎると、燃料噴射弁９から液状噴流として噴射された燃料は、リップ部１１に到達するまでに充分に分裂しないため、不完全な噴霧状態となる。従って、燃料蒸気１６の形成も不充分となって、膨張流が有効に働かない。さらに、燃料噴霧のコア（燃料噴射弁９から噴射された燃料噴霧の中に存在する液柱部分又は燃料濃度が非常に高い部分）がリップ部１１に衝突して燃焼を悪化させて出力が低下するので、ＮＯｘ生成量は少なくなるとしても、煤の生成量は多くなってしまう。
【００５６】
一方、ｋ値が１．８を越えて、最小口径Ｄlip が相対的に大きくなり過ぎると、着火点からリップ部１１までの距離が遠くなるため、膨張流がその前方の燃料蒸気１６に作用したとしても、その燃料蒸気１６は、リップ部１１に当たる前に周囲に分散する。従って、燃料蒸気１６を膨張流によってキャビティ底の方へ誘導することができないため、ＮＯｘ発生量が増えてしまう。
【００５７】
このことから、上記ｋ値として、ｋ＝１．４〜１．８であることが望ましい。さらに、このような観点から、上記ｋ値として、ｋ＝１．５〜１．７とすることがより好ましい。
【００５８】
そして、本実施形態に係る燃料燃焼装置は、エンジン負荷が所定負荷以上である場合（換言すれば、燃料噴射量Ｑｂが所定の噴射量Ｑ０以上である場合）と、ターボ過給機４１により吸気に加えられる過給圧Ｐが所定圧力Ｐ０以上である場合と、吸気温度Ｔｉｎが所定温度Ｔｉｎ０以上である場合とのいずれかの場合に、着火遅れ期間を所定期間以上に制御する制御手段を備えている。制御手段は、上述のＶＶＴ３３の閉弁時期を制御するＥＣＵ４０から構成されている。そして、ＶＶＴ３３は、吸気バルブ６の閉弁時期ICを変更することによって、シリンダ２ａ内（つまり、キャビティ８内）への吸気量を減少させるように構成されている。そして、このことにより、シリンダ２ａ内の吸気圧を低下させて、エンジンの有効圧縮比を所定値以下に制御するようにしている。
【００５９】
さらに、制御手段は、上記のような、エンジン負荷が所定負荷以上である場合と、過給圧Ｐが所定圧力Ｐ０以上である場合と、吸気温度Ｔｉｎが所定温度Ｔｉｎ０以上である場合とのいずれかの場合に、燃料噴射弁９の燃料噴射圧Ｐｒを所定値Ｐｒ０以上に制御するように構成されている。燃料噴射圧Ｐｒは、燃料圧力センサ２９により検出されるコモンレール（図示省略）内の燃料圧力である。そして、燃料噴射圧Ｐｒは、コモンレールに燃料を供給する図外の高圧供給ポンプの作動を制御することにより変更されるようにしている。
【００６０】
次に、図３（Ａ）〜（Ｃ）を参照して、本発明のディーゼルエンジンの燃焼コンセプトについて説明する。同図（Ａ）に着火遅れ期間の状態を示すように、キャビティ８に縦渦（キャビティ８のリップ部１１から凹入部１２、最深部、凸部１３を経て再びリップ部１３に至る流れ）が実質的に生じていないときに、燃料噴射弁９から燃料をピストン１のリップ部１１に向かうように噴射する。この燃料の着火遅れ期間に燃料噴霧１５をリップ部１１に到達させて該リップ部１１付近に燃料蒸気１６の領域を形成する。そして、この燃料蒸気溜まりの領域における燃料噴射方向上流側の位置で燃料蒸気１６に着火させる。着火点を同図（Ａ）中に★印で示す。尚、着火点が燃料蒸気１６領域の上流側に位置する理由は、圧縮行程では強力な縦渦が形成されないため、燃料がリップ部１１近傍において過リッチとなる一方、リップ部１１からやや離れた所が着火に適した濃度になるためと考えられる。
【００６１】
この場合、噴霧のペネトレーションＳｐを大きくすることにより、リップ部１１付近に燃料蒸気１６の領域を形成することができる。このことは、次に述べる膨張流によって燃料蒸気１６を凹入部１２の方へ多量に誘導する上で有利になる。また、コーン角Θを大きくする（Θ＝１５３〜１５７度とする）方がリップ部１１の付近に燃料蒸気１６の領域を形成する上で有利になる。
【００６２】
同図（Ｂ）に燃焼初期状態を示すように、上記着火により下流側へ向かって爆発的に広がる強い膨張流が生成される。そして、燃料蒸気領域の下流側（着火位置前方）のリップ部付近の燃料蒸気１６は、燃焼ガス１７の膨張流によってキャビティ８内周壁面（特にリップ部１１と、該リップ部１１よりもピストン１径方向外側へ凹入した凹入部１２との境界付近）に当たる。そして、この燃料蒸気１６がキャビティ８内周壁面に沿ってキャビティ８の底部側へ誘導されることで、強力な縦渦が生成される。さらに、キャビティ８の底部に誘導された燃料を追いかけて火炎が伝播していくことで、さらに縦渦が成長していく。
【００６３】
この場合、上記噴霧ペネトレーションＳｐを大きくすると、噴射方向前方への膨張流が大きくなり、縦渦の促進に有利になる。また、リップ径Ｄlip は小さい方が膨張流をキャビティ８内周壁面に強く当てて燃料蒸気をキャビティ底の方へ誘導する上で有利になる。但し、リップ径Ｄlip が小さくなりすぎると、エンジンの最高出力が低くなるため、リップ径Ｄlip はボア径Ｂの１／２よりも大きい方が好ましい。
【００６４】
同図（Ｃ）に燃焼後期の状態を示すように、キャビティ８中央部の凸部１３により、キャビティ底の最も深い部位からの燃焼ガス１７の当該凸部１３の立ち上がり面に沿った巻き上げを促進する。
【００６５】
以上により、燃料噴射終了までにキャビティ８内の最高温度部位をリップ部１１よりもキャビティ８の底部側に移行させるものである。従って、ヒートスポットがキャビティ８内の特定部位で大きくならず、また、ヒートスポットの消滅が早くなり、ＮＯｘの低減が図れる。また、燃焼後期の上記巻き上げによって燃焼ガス１７とキャビティ８中央部上方に残存する酸素との混合が進み、さらには燃焼ガス１７がスキッシュエリアに流れるため、空気利用率が高まって、当該燃焼ガス１７中の煤の再燃焼が促進され、煤排出量が低減する。
【００６６】
次に、図８に示すフローチャートを参照して、本発明の実施形態に係るディーゼルエンジンの燃料燃焼制御の具体的な処理手順について説明する。まず、スタート後のステップＳ１において、クランク角センサ２２、アクセル開度センサ２３、過給圧センサ２７、吸気温センサ２８、燃料圧力センサ２９等の各種センサからの出力信号が、ＥＣＵ４０に入力される。
【００６７】
続いて、ステップＳ２において、ＥＣＵ４０によって、クランク角センサ２２からの出力に基づいてエンジン回転数Ｎｅが演算され、またアクセル開度センサ２３からの出力に基づいて目標トルク（エンジンの負荷状態）が演算される。
【００６８】
そして、これらエンジン回転数Ｎｅ及び目標トルクに基づいて、ＥＣＵ４０により基本燃料噴射量Ｑｂが演算されてセットされる。この基本燃料噴射量Ｑｂのセットは、予めＥＣＵ４０のメモリに記録されている燃料噴射量のマップに基づいて行われる。尚、燃料噴射量マップは、エンジンの負荷状態及びエンジン回転数Ｎｅの変化に応じて実験的に決定した基本燃料噴射量Ｑｂの最適値が記録されており、この基本燃料噴射量Ｑｂは目標トルク（エンジンの負荷状態）が大きいほど、またエンジン回転数が高いほど、大きくなるように設定されている。
【００６９】
また、エンジン回転数Ｎｅ及び目標トルクに基づいて、ＥＣＵ４０により基本噴射時期Ｉｂが演算されてセットされる。この基本噴射時期Ｉｂのセットは、予めＥＣＵ４０のメモリに記録されている噴射時期のマップに基づいて行われる。さらに、燃料噴射弁９から噴射される燃料噴霧の基本噴射圧Ｐｂが、基本燃料噴射量Ｑｂと、エンジン回転数Ｎｅとに基づいてＥＣＵ４０により演算される。この基本噴射圧Ｐｂのセットも、予めＥＣＵ４０のメモリに記録されている燃料噴射圧のマップに基づいて行われる。尚、この燃料噴射圧マップにおいて、基本燃料噴射圧Ｐｂは、基本燃料噴射量Ｑｂが大きいほど、またエンジン回転数Ｎｅが高いほど、大きくなるように設定されている。このようにして、ステップＳ２において、基本燃料噴射量Ｑｂ、基本噴射時期Ｉｂ及び基本噴射圧Ｐｂがそれぞれセットされた後、ステップＳ３へ進む。
【００７０】
ステップＳ３では、エンジン回転数Ｎｅ及び目標トルクに基づいて、ＥＣＵ４０により吸気バルブ６の基本動弁時期Ｉｖｂ、すなわち開弁時期IO及び閉弁時期ICがそれぞれ演算される。この基本動弁時期Ｉｖｂのセットについても、予めＥＣＵ４０のメモリに記録されている動弁時期のマップ（ＶＶＴマップ）に基づいて行われる。尚、ＶＶＴマップは、エンジンの負荷状態及びエンジン回転数Ｎｅの変化に応じて実験的に決定した基本動弁時期Ｉｖｂの最適値が記録されており、例えばアイドリング状態ではやや遅角側に、また高負荷状態ではやや進角側にというように、基本動弁時期Ｉｖｂがきめ細かく設定されている。
【００７１】
その後、ステップＳ４に進んで、上記ステップＳ２で演算された基本噴射量Ｑｂが、所定のしきい値たる噴射量Ｑ０以上であるか否かが判断される。換言すれば、エンジン負荷が所定値以上であるか否かが判断される。そして、基本噴射量Ｑｂが所定の噴射量Ｑ０以上であって（エンジン負荷が所定値以上であって）ＹＥＳと判断された場合、ステップＳ５に進む。
【００７２】
ステップＳ５では、キャビティ８内に実際に燃料噴射弁９から噴射される燃料噴射圧Ｐｒを、基本噴射圧Ｐｂに所定圧ΔＰｒ増加させることによって所定値Ｐｒ０以上となるように補正した後、ステップＳ６に進む。
【００７３】
ステップＳ６において、吸気バルブ６の目標となる動弁時期Ｉｖを演算する。すなわち、まずＥＣＵ４０のマップから、吸気バルブの開閉弁時期が標準となる状態（図７の実線）で各運転状態に応じて設定された基本有効圧縮比を求める。そして、その有効圧縮比が所定値以下となり、キャビティ８内温度が比較的低温となってＮＯｘの生成が抑制されるように、動弁時期の変化量ΔＩｖをＥＣＵ４０により演算する。こうして、この変化量ΔＩｖを、基本動弁時期Ｉｖｂに対して加える補正を行うことで、動弁時期Ｉｖを求める（Ｉｖ＝Ｉｖｂ＋ΔＩｖ）。すなわち、例えば図７に仮想線（２点鎖線）で示されるように、基本動弁時期Ｉｖｂが全体として遅角側にシフトされるため、吸気バルブ６の閉弁時期ICも、同様に遅角側にシフトする。
【００７４】
尚、この場合、ディーゼルエンジンでは、吸気開弁時期を進角するように動弁時期を制御すると、ピストン１と吸気バルブ６とが緩衝しやすくなるため、吸気バルブ６のリフト量は、この緩衝期間中で吸気バルブ６がピストン１と緩衝しないように設定される。
【００７５】
その後、ステップＳ７に移行し、上記ステップＳ６で求めた動弁時期Ｉｖに基づいて、ＥＣＵ４０からＶＶＴ３３のＯＣＶ３３ｆへ作動指令となる信号を出力して、このＶＶＴ３３を駆動させる。引き続いて、ステップＳ８において、基本噴射時期Ｉｂ、基本噴射量Ｑｂ及び燃料噴射圧Ｐｒに基づいて、ＥＣＵ４０により燃料噴射弁９からの燃料噴射が実行される。このとき、燃料噴射弁９からの燃料噴射圧が大きくされてペネトレーションＳｐが増大する一方、動弁時期が遅角側にシフトされて有効圧縮比が減少する。その後、リターンする。
【００７６】
ところで、上記ステップＳ４において、ステップＳ２で演算された基本噴射量Ｑｂが、所定のしきい値たる噴射量Ｑ０未満であって（エンジン負荷が所定値未満であって）ＮＯと判断された場合、ステップＳ９に進む。ステップＳ９では、過給圧センサ２７により検出された過給圧Ｐが所定圧力Ｐ０以上であるか否かが判断される。そして、その過給圧Ｐが所定圧力Ｐ０以上であって、ＹＥＳと判断された場合には、上記ステップＳ５以降の制御が行われる。
【００７７】
一方、ステップＳ９において、過給圧Ｐが所定圧力Ｐ０未満であって、ＮＯと判断された場合には、ステップＳ１０へ進む。このステップＳ１０では、吸気温度Ｔｉｎが所定温度Ｔｉｎ０以上であるか否かが判断される。そして、その吸気温度Ｔｉｎが所定温度Ｔｉｎ０以上であってＹＥＳと判断された場合には、上記ステップＳ５以降の制御が行われる。
【００７８】
ステップＳ１０において、吸気温度Ｔｉｎが所定温度Ｔｉｎ０未満であって、ＮＯと判断された場合には、ステップＳ７以降の制御が行われる。すなわち、ステップＳ７で基本動弁時期Ｉｖｂに基づいてＶＶＴ３３を駆動させる。引き続いて、ステップＳ８において、基本噴射時期Ｉｂ、基本噴射量Ｑｂ及び基本噴射圧Ｐｂに基づいて、ＥＣＵ４０により燃料噴射弁９からの燃料噴射が実行される。このとき、ペネトレーションＳｐ及び有効圧縮比は、補正されずに、基本噴射圧Ｐｂ及び基本動弁時期Ｉｖｂに基づいて通常の大きさとされる。
【００７９】
以上のように、本実施形態によれば、着火遅れ期間中に形成された燃料蒸気領域におけるリップ部１１付近の燃料蒸気１６が、着火により発生する膨張流によって、キャビティ８内周壁面に沿ってキャビティ８底部側へ誘導されるため、強力な縦渦を生成することができる。さらに、キャビティ８底部に誘導された燃料を追いかけて火炎が伝播するので、さらに縦渦を成長させることができる。そして、この縦渦により火炎がキャビテイ８底部側へ伝播して、ヒートスポットがリップ部１１付近からキャビティ８底部へ広がる一方、リップ部１１付近では燃料蒸気１６が少なくなるので、リップ部１１付近のヒートスポットは速やかに消滅していく。したがって、燃料噴射終了までにキャビティ８内の最高温度部位がリップ部１１付近からキャビティ８底部側へ移行して分散させることができる。
【００８０】
すなわち、ヒートスポットがキャビティ８内の特定位置で長時間存在するのを防止し、さらにはヒートスポットを早く消滅させるため、ＮＯｘの生成量を効果的に低減させることができる。加えて、縦渦が強化されることによって、キャビティ８内における燃料と空気との混合と、燃焼後半での燃焼ガスと空気との混合とがそれぞれ促進されるため、煤の生成量を有効に低減させることができる。
【００８１】
エンジン負荷が所定値未満になって、燃焼によるＮＯｘの生成量が比較的少なくなるときに、キャビティ８内のスワールが、スワール制御手段によって縦渦よりも優先して強化される。このことで、強化されたスワールによりキャビティ８内における燃料と空気との混合と、燃焼後半での燃焼ガスと空気との混合とが、それぞれより一層促進されるので、煤の生成を効果的に抑制することができる。
【００８２】
そのことに加えて、エンジン負荷が所定負荷以上である場合と、吸気に加えられる過給圧Ｐが所定圧力Ｐ０以上である場合と、吸気温度Ｔｉｎが所定温度Ｔｉｎ０以上である場合とのいずれかの場合には、キャビティ８内部の雰囲気温度が上昇し、燃料噴霧が蒸発して燃焼しやすくなるが、本発明では、そのようにキャビティ８内の雰囲気温度が比較的高温となるような運転状態のときに、制御手段により着火遅れ期間が所定期間以上となるように制御されるため、リップ部１１付近に充分な燃料蒸気１６の領域を形成することができる。そして、その後に、燃料噴霧が自己着火するので、着火後の膨張流によりリップ部１１付近における燃料蒸気１６の一部をキャビティ底部へ有効に誘導することができる。その結果、上記のような、エンジン負荷と、過給圧Ｐと、吸気温度Ｔｉｎとのいずれかがそれぞれ所定値以上となる場合であっても、キャビティ８内に強力な縦渦を生成してＮＯｘ及び煤の生成を低減させることができる。
【００８３】
また、制御手段によりキャビティ８内への吸気量が減少されて有効圧縮比が所定値以下となるように制御されるので、加圧圧縮によるキャビティ８内の空気の高温化を抑制することができる。すなわち、燃料噴霧の過度な蒸発が抑制されるので、着火遅れ期間が所定期間よりも短くなるのを抑制することができる。
【００８４】
さらに、エンジンが高回転高負荷状態にあるときに、制御手段たるＥＣＵ４０は、ＶＶＴ３３の閉弁時期ICを制御して、吸気バルブ６の閉弁時期ICを遅角側に所定角度ΔＩｖだけシフトする（吸気バルブ６の遅閉じ）。そのとき、燃焼室内部の混合気の一部が、圧縮行程初期に上昇するピストン１により吸気通路２４に押し戻される。このことにより、キャビティ８内の吸気量が減少するため、このキャビティ８内で空気が過剰に加圧圧縮されて高温となるのを抑制することができる。つまり、着火遅れ期間を適正に維持することができる。
【００８５】
一方、エンジン負荷が所定負荷以上である場合と、吸気に加えられる過給圧Ｐが所定圧力Ｐ０以上である場合と、吸気温度Ｔｉｎが所定温度Ｔｉｎ０以上である場合とのいずれかの場合には、上述のように、キャビティ８内部の雰囲気温度が上昇するが、そのとき、この発明では、制御手段により燃料噴射弁９からの燃料噴射圧Ｐｒが所定値Ｐｒ０以上となるように制御されるため、燃料噴霧のペネトレーションＳｐを増大させて、リップ部１１付近に充分な燃料蒸気１６の領域を形成することができる。従って、その後の燃料噴霧の自己着火により膨張流を生成し、キャビティ８内に強力な縦渦を生成させることができる。
【００８６】
尚、上記実施形態では、エンジン負荷が所定負荷以上である場合と、過給圧Ｐが所定圧力Ｐ０以上である場合と、吸気温度Ｔｉｎが所定温度Ｔｉｎ０以上である場合とのいずれかの場合に、ＥＣＵ４０及びＶＶＴ３３によって吸気バルブ６の閉弁時期ICを変更することによって、エンジンの有効圧縮比を所定値以下に制御するようにし、着火遅れ期間を所定期間以上に制御するようにするとともに、燃料噴射弁９の燃料噴射圧Ｐｒを所定値Ｐｒ０以上に制御するようにしたが、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、上記のように、エンジン負荷、過給圧Ｐ、吸気温度Ｔｉｎのいずれかが所定値以上となる場合に、着火遅れ期間だけを所定期間以上に制御するようにしてもよく、燃料噴射圧Ｐｒだけを所定値Ｐｒ０以上に制御するようにしてもよい。
【００８７】
【発明の効果】
以上説明したように、第１の発明によると、頂部に開口端に近付くに従って径が小さくなるリエントラント型のキャビティが形成されたピストンと、ピストンのキャビティ開口縁を形成するリップ部に向かって燃料を噴射する燃料噴射弁とを備え、燃料噴射弁より噴射された燃料噴霧を着火遅れ期間にリップ部に到達させてリップ部付近に燃料蒸気の領域を形成し、燃料噴射弁の燃料噴射方向前方で燃料を着火させ、この着火による燃焼ガスの膨張流により、その着火位置前方の燃料蒸気をキャビティの周壁面に当ててキャビティの底の方へ誘導するように構成されたディーゼルエンジンの燃料燃焼装置について、エンジン負荷が所定負荷以上である場合と、吸気に加えられる過給圧が所定圧力以上である場合と、吸気温度が所定温度以上である場合とのいずれかの場合に、着火遅れ期間を所定期間以上に制御する制御手段を備えることにより、ヒートスポットがキャビティ内の特定位置で長時間存在するのを防止して、ＮＯｘの生成量を効果的に低減させるとともに、キャビティ内における燃料又は燃焼ガスと、空気との混合を促進して、煤の生成量を有効に低減させることができる。そのことに加えて、エンジン負荷が所定負荷以上である場合と、過給圧が所定圧力以上である場合と、吸気温度が所定温度以上である場合とのいずれかの場合に、エンジンの有効圧縮比を所定値以下に制御することにより加圧圧縮によるキャビティ内の空気の高温化が抑制され、着火遅れ期間が所定期間以上となるように制御されるため、リップ部付近に充分な燃料蒸気の領域を形成して、キャビティ内に強力な縦渦を生成し、ＮＯｘ及び煤の生成を効果的に低減させることができる。
【００８８】
第２の発明によると、制御手段は、吸気弁の閉弁時期を可変とする可変動弁機構を備える一方、制御手段は、可変動弁機構の閉弁時期を制御することにより、吸気弁の閉弁時期を可変動弁機構により遅角側に所定角度だけシフトしてキャビティ内の吸気量を減少させるため、キャビティ内で空気が過剰に加圧圧縮されて高温となるのを抑制することができる。
【００８９】
第３の発明によると、制御手段は、エンジン負荷が所定負荷以上である場合と、吸気に加えられる過給圧が所定圧力以上である場合と、吸気温度が所定温度以上である場合とのいずれかの場合に、燃料噴射弁の燃料噴射圧を所定値以上に制御することにより、燃料噴霧のペネトレーションを増大させて、リップ部付近に充分な燃料蒸気の領域を形成し、キャビティ内に強力な縦渦を生成することができる。
【００９０】
第４の発明によると、燃料噴射弁の燃料噴射開始から０．４２ｍｓ経過時点での燃料噴霧の到達距離たるペネトレーションＳｐと、燃料噴射弁の燃料噴霧のコーン角Θと、キャビティのリップ部における最小口径Ｄlip とが、Ｄlip ＝ｋ×Ｓｐ×sin(Θ／２)、（但し、ｋ＝１．４〜１．８）を満足する関係にあることにより、燃料噴射弁からリップ部に向けて燃料を噴射し、燃料の着火遅れ期間に燃料噴霧をリップ部に到達させて該リップ部付近に燃料蒸気を適正に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施形態に係るディーゼルエンジンの燃料燃焼装置を示す概略説明図である。
【図２】  燃料燃焼装置の要部を拡大して示す平面図である。
【図３】  本発明の燃焼コンセプトを示す説明図である。
【図４】  燃料噴霧が噴射された燃焼室を示す平面図である。
【図５】  ｋ値とＮＯ生成量との関係を示すグラフ図である。
【図６】  ＶＶＴを一部破断して示す斜視図である。
【図７】  ＶＶＴによる動弁時期の変更を模式的に示すタイムチャート図である。
【図８】  燃料燃焼装置における燃料燃焼制御を示すフローチャート図である。
【符号の説明】
Ｓｐ  ペネトレーション（貫徹力、燃料噴霧の到達距離）
Θ    燃料噴霧のコーン角
Ｄlip   リップ部の最小口径
IC    閉弁時期
Ｔｉｎ  吸気温度
Ｐ    過給圧
Ｐｒ  燃料噴射圧
１  ピストン
６  吸気バルブ（吸気弁）
８  キャビティ
９  燃料噴射弁
１１  リップ部
１２  凹入部（キャビティの周壁面）
１６  燃料蒸気
２２  クランク角センサ（制御手段）
２３  アクセル開度センサ（制御手段）
２７  過給圧センサ（制御手段）
２８  吸気温センサ（制御手段）
２９  燃料圧力センサ（制御手段）
３３  ＶＶＴ（可変動弁機構）
４０  ＥＣＵ  （制御手段）
【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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