(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、
排気ガスの一部を吸気として還流させる排気ガス還流手段と、
上記排気ガス還流手段により還流される還流排気ガスを冷却する冷却手段と、
上記冷却手段による還流排気ガスの冷却度合いを制御する制御手段と、
排気ガス中のＮＯを酸化する酸化触媒と、
上記酸化触媒の排気ガス流通方向下流側に設けられ、排気ガス中のパティキュレートを捕集するフィルタとを備え、
上記制御手段は、上記フィルタの温度が所定温度域にあるとき、還流排気ガスの冷却度合いを、フィルタの温度が上記所定温度域にないときよりも小さく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、
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、還流排気ガスの冷却度合いを通常時よりも大きく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、
排気ガス中のＮＯを酸化する酸化触媒と、
上記酸化触媒の排気ガス流通方向下流側に設けられ、排気ガス中のパティキュレートを捕集するフィルタと、
上記フィルタの温度が所定温度域にあるとき、排気ガス還流手段により還流される排気ガスの流量を、フィルタの温度が上記所定温度域にないときよりも増大させる還流量制御手段と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】
そのことに加えて、さらに、排気ガスの一部を吸気として還流させることによって、ＮＯｘの生成をより一層抑制させようとすることも考えられる。しかしながら、そのような還流排気ガスをキャビティを有する燃焼室内に供給すると、燃焼室内の温度が上昇するため、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、ＮＯｘ及び煤の生成を有効に低減させることが難し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、その主たる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、排気ガスの一部を吸気として適切に利用することにより、ＮＯｘ及び煤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、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、排気ガスの一部を吸気として還流させる排気ガス還流手段と、該排気ガス還流手段により還流される還流排気ガスを冷却する冷却手段と、上記冷却手段による還流排気ガスの冷却度合いを制御する制御手段と、排気ガス中のＮＯを酸化する酸化触媒と、上記酸化触媒の排気ガス流通方向下流側に設けられ、排気ガス中のパティキュレートを捕集するフィルタとを備え、上記制御手段は、上記フィルタの温度が所定温度域にあるとき、還流排気ガスの冷却度合いを、フィルタの温度が上記所定温度域にないときよりも小さくすることを特徴とする。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
さらに、この発明では、キャビティ内における吸気の酸素濃度を低下させて燃料の燃焼に伴うＮＯｘの生成量を低減させる目的で、排気ガス還流手段により排気ガスの一部が吸気として還流される。しかしながら、排気ガスの還流に伴ってキャビティ内の温度が上昇するため、この点に関してＮＯｘが生成し易くなる虞れがある。これに対して、冷却手段によって、排気ガス還流手段により還流される還流排気ガスが冷却され、この冷却された還流排気ガスがキャビティ内に吸入されるので、キャビティ内の温度上昇を抑制することができる。すなわち、キャビティ内における酸素濃度及び温度の双方を低下させることができるため、ＮＯｘの生成を有効に低減させることができる。
【００１４】
さらに、冷却手段による還流排気ガスの冷却度合いを制御する制御手段を備えているため、還流排気ガスを適切な温度に冷却することができる。
【００１５】
ところで、ディーゼルエンジンにおいて、その排気通路に排気ガス中のパティキュレート（以下、ＰＭという）を捕集するフィルタ（以下ＤＰＦ：ディーゼルパティキュレートフィルタという）を設けること、また、ＤＰＦを再生する目的で、ＤＰＦの配設位置よりも排気ガス流通方向上流側に酸化触媒を設け、この酸化触媒により排気ガス中のＮＯを酸化することで生成したＮＯ２により、ＤＰＦに捕集されているＰＭを酸化させてＤＰＦを再生することがそれぞれ考えられる。
【００１６】
そして、酸化触媒におけるＮＯからＮＯ２への反応は、１５０℃以上の温度条件下で促進される一方、ＤＰＦにおけるＰＭ（主成分はＣ：炭素）とＮＯ２との反応は、３００℃以上の温度条件下で促進される。従って、酸化触媒から生成されたＮＯ２によりＤＰＦを再生するときに、冷却手段により還流排気ガスを冷却し過ぎてＤＰＦの温度が３００℃未満になると、ＮＯ２とＰＭとの反応が進行しなくなるため、ＤＰＦを再生することが困難となる。
【００１７】
これに対して、この発明によると、ＤＰＦの温度が、ＮＯ２とＰＭとの反応が活性化する例えば上記３００℃以上の所定の活性温度域にあるときには、還流排気ガスの冷却度合いがＤＰＦの温度がその活性温度域にないときよりも小さくされて、ＤＰＦの温度の適切な保持が還流排気ガスの冷却よりも優先されるため、ＤＰＦの再生を適切に行うことができる。一方、ＤＰＦの温度が上記活性温度域にないときには、還流排気ガスを優先して冷却することにより縦渦を強化することができる。
【００１８】
第２の発明では、上記第１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、還流排気ガスの冷却度合いを通常時よりも大きくすることを特徴とする。
【００１９】
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、制御手段により還流排気ガスの冷却度合いが大きくなるように制御される。従って、通常時に比べてより一層冷却された還流排気ガスによって、キャビティ内の温度上昇を効果的に抑制し、燃料噴霧の着火遅れ期間を適切に維持することができる。すなわち、リップ部付近に充分な燃料蒸気の領域を形成した後に、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、上記のように、エンジン負荷、過給圧及び吸気温度のいずれかが所定値以上である場合であっても、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。
【００２０】
第３の発明では、上記第１又は２の発明において、排気ガス中のＮＯを酸化する酸化触媒と、上記酸化触媒の排気ガス流通方向下流側に設けられ、排気ガス中のパティキュレートを捕集するフィルタと、上記フィルタの温度が所定温度域にあるとき、排気ガス還流手段により還流される排気ガスの流量を、フィルタの温度が上記所定温度域にないときよりも増大させる還流量制御手段とを備えている。
【００２１】
上記の発明によると、ＤＰＦの温度が、ＮＯ２とＰＭとの反応が活性化する例えば上記３００℃以上の所定の活性温度域にあるときには、還流量制御手段によって、排気ガス還流手段により還流される還流排気ガスの流量がフィルタの温度がその活性温度域にないときよりも増大され、冷却手段の所定の冷却能力に対して、冷却の対象たる還流排気ガスの流量が増大する。従って、所定流量に対する冷却度合いが相対的に小さくなるため、上記第４の発明と同様に、ＤＰＦの再生を適切に行うことができる。一方、上記活性温度域にないときには、還流排気ガスの流量を減少させて上記冷却度合いを相対的に大きくすることにより、縦渦を強化することができる。
【００２２】
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。
【００２３】
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（噴霧の貫通度合いたるペネトレーション）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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施形態に係る直噴式ディーゼルエンジンの燃料燃焼装置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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
シリンダボア径Ｂは次式を満足する関係にある。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
そして、本実施形態に係る燃料燃焼装置は、排気ガスの一部を吸気として還流させる排気ガス還流手段を備えている。すなわち、図１において、２０は、吸気通路４と排気通路５とを連通するＥＧＲ通路であって、排気通路５を通って排出される排気ガスの一部を吸気通路４へ還流させるためのものである。このＥＧＲ通路２０には、ＥＣＵ４０により開度調節される電気式のＥＧＲ弁１９が配設されている。ＥＧＲ弁１９は、ＥＧＲ通路２０内を流れる排気ガスの流通量を変更するためのものである。排気ガス還流手段は、これらのＥＧＲ通路２０及びＥＧＲ弁１９から構成されている。
【００５８】
さらに、ＥＧＲ通路２０には、排気ガス還流手段により還流される還流排気ガスを冷却する冷却手段としてのＥＧＲクーラ４７が設けられている。ＥＧＲクーラ４７は、ＥＧＲ通路２０の内部を流通する還流排気ガスを冷却する目的で、ＥＧＲ通路２０の外周面の少なくとも一部に配設されている。ＥＧＲクーラ４７の内部には、冷却水を流通させるための配水管４７ａが、ＥＧＲ通路２０との間で伝熱可能に蛇行した状態で配設されており、この配水管４７ａの両端部は図外のラジエータに接続されている。また、この配水管４７ａには、配水管４７ａを流通する冷却水の流量を調節する目的で、ＥＣＵ４０により開度調節される電気式の冷却水調節弁４８が設けられている。
【００５９】
一方、ＥＧＲ通路２０には、ＥＧＲクーラ４７が配設されている通路区間をバイパスするためのバイパス通路４９が設けられている。すなわち、バイパス通路４９の上流端は、ＥＧＲクーラ４７の上流側（排気通路２５側）のＥＧＲ通路２０に分岐接続される一方、バイパス通路４９の下流端は、ＥＧＲクーラ４７の下流側（吸気通路２４側）のＥＧＲ通路２０に合流接続されている。また、バイパス通路４９には、上記ＥＧＲ弁１９と同様に、ＥＣＵ４０により弁開度を制御するように構成されたバイパス弁５０が配設されている。
【００６０】
ＥＣＵ４０は、これらのＥＧＲ弁１９、冷却水調節弁４８及びバイパス弁５０とともに、冷却手段たるＥＧＲクーラ４７による還流排気ガスの冷却度合いを制御する制御手段を構成している。すなわち、ＥＧＲ弁１９、冷却水調節弁４８及びバイパス弁５０の少なくとも一方の弁開度をＥＣＵ４０により調節することによって、還流排気ガスの冷却度合いを制御するようにしている。
【００６１】
そして、制御手段は、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、還流排気ガスの冷却度合いを通常時（つまりエンジン負荷が所定負荷未満であり、且つ過給圧Ｐが所定圧力Ｐ０未満であり、且つ吸気温度Ｔｉｎが所定温度Ｔｉｎ０未満である場合）よりも大きくするようにしている。すなわち、制御手段は、還流排気ガスの冷却度合いを大きくする目的で、ＥＧＲ弁１９の弁開度を小さくする制御、冷却水調節弁４８の弁開度を大きくする制御、及びバイパス弁５０の弁開度を小さくする制御の何れかの制御を行うように構成されている。
【００６２】
ところで、ターボ過給機４１よりも排気ガス流通方向下流側の排気通路２５には、１５０℃以上の温度条件下で排気ガス中のＮＯを酸化してＮＯ２を生成させる酸化触媒５２と、この酸化触媒５２のさらに排気ガス流通方向下流側に設けられ、排気ガス中の炭素Ｃを主成分とする粒子状物質であるパティキュレート（以下、ＰＭという）を捕集するフィルタ５３（以下ＤＰＦ：ディーゼルパティキュレートフィルタという）とがそれぞれ配設されている。
【００６３】
酸化触媒５２は、例えばハニカム状セラミック担持体に触媒基材と触媒活性成分を担持したものである。ＤＰＦ５３は、例えば多孔質のコーディエライトの押出ハニカムからなり、そのチャネルの入口と出口とを交互に目封じしたウォールフロー型のフィルタにより構成されている。また、ＤＰＦ５３には、その温度を検出し、ＥＣＵ４０へ検出信号を出力する温度センサ５４が配設されている。
【００６４】
これら酸化触媒５２及びＤＰＦ５３により、酸化触媒５２から供給されるＮＯ２と、ＤＰＦ５３に捕集されているＰＭとを反応させ、ＰＭを酸化させる（Ｃ＋ＮＯ２→ＣＯ２＋ＮＯ：係数省略）ことによって、ＤＰＦ５３からＰＭを除去してＤＰＦ５３を再生するようにしている。
【００６５】
そして、制御手段は、ＤＰＦ５３の温度が、このＤＰＦ５３におけるＰＭの酸化反応が活性化する所定の活性温度域（例えば３００℃〜４００℃）にあるとき、還流排気ガスの冷却度合いを通常時（つまりＤＰＦ５３の温度が活性温度域にないとき）よりも小さくするように構成されている。すなわち、ＤＰＦ５３の温度が活性温度域にある場合、ＥＣＵ４０により冷却水調整弁４８の弁開度を小さくする一方、バイパス弁５０の弁開度を大きくするようにしている。
【００６６】
さらに、ＥＣＵ４０は、ＤＰＦ５３の温度が上記の活性温度域にあるとき、排気ガス還流手段たるＥＧＲ通路２０及びＥＧＲ弁１９により還流される排気ガスの流量を通常時（つまりＤＰＦ５３の温度が活性温度域にないとき）よりも増大させる還流量制御手段を構成している。すなわち、ＤＰＦ５３の温度が活性温度域にある場合、ＥＣＵ４０によりＥＧＲ弁１９の弁開度を大きくするようにしている。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
次に、図６及び７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、燃料噴射制御を示す図６について、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等の各センサからの出力信号が、ＥＣＵ４０に入力される。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
そして、ステップＳ３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。その後、リターンする。
【００７８】
次に、ＥＧＲ弁１９、冷却水調整弁４８及びバイパス弁５０のそれぞれの弁開度制御を示す図７について、スタート後のステップＳ４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。
【００７９】
続いて、ステップＳ５において、ＥＣＵ４０によって、上記図６のステップＳ１と同様にエンジン回転数Ｎｅ及び目標トルクが演算され、これらエンジン回転数Ｎｅ及び目標トルクに基づいて、基本燃料噴射量Ｑｂと、吸入側への還流排気ガスの所定還流量としての基本還流量ＥＧＲｂとがそれぞれ演算される。基本還流量ＥＧＲｂは、空燃比が、エンジン負荷が比較的小さい低中負荷領域において、生成されるＮＯｘと煤とがそれぞれ所定値以下となるトレードオフＡ／Ｆとなるように設定される。
【００８０】
その後、ステップＳ６に進んで、上記ステップＳ５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Ｓ７に進む。
【００８１】
ステップＳ７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未満であって、ＮＯと判断された場合には、ステップＳ８へ進む。ステップＳ８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未満であってＮＯと判断された場合には、ステップＳ９へ進む。
【００８２】
ステップＳ９では、バイパス弁５０の弁開度ＣＶを比較的大きな所定の弁開度Ｂに設定し、その後、ステップＳ１０に移行する。ステップＳ１０では、冷却水調整弁４８の弁開度ＷＶを比較的小さい所定の弁開度Ｎに設定し、ステップＳ１１に進む。
【００８３】
以上要するに、基本噴射量Ｑｂが所定の噴射量Ｑ０未満であり、且つ過給圧Ｐが所定圧力Ｐ０未満であり、且つ吸気温度Ｔｉｎが所定温度Ｔｉｎ０未満であるときに、バイパス弁の弁開度ＣＶは大きく設定されて（ＣＶ＝Ｂ）、ＥＧＲクーラ４７をバイパスする還流排気ガスの流量を比較的多くする一方、冷却水調整弁４８の弁開度ＷＶを小さく設定して（ＷＶ＝Ｎ）、ＥＧＲクーラ４７の配水管４７ａを通過する冷却水の流量を比較的少なくする。つまり、還流排気ガスの冷却度合いは比較的小さくなる。
【００８４】
一方、上記ステップＳ６において、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Ｓ１２に進む。ステップＳ１２では、バイパス弁５０の弁開度ＣＶを、上記所定の弁開度Ｂよりも小さい所定の弁開度Ａ（Ａ＜Ｂ）に設定し、その後、ステップＳ１３に移行する。ステップＳ１３では、冷却水調整弁４８の弁開度ＷＶを、上記所定の弁開度Ｎよりも大きい所定の弁開度Ｍに設定し（Ｍ＞Ｎ）、その後ステップＳ１１に進む。
【００８５】
ところで、上記ステップＳ７において過給圧Ｐが所定圧力Ｐ０以上でありＹＥＳと判断された場合、及びステップＳ８において吸気温度Ｔｉｎが所定温度Ｔｉｎ０以上であってＹＥＳと判断された場合には、それぞれ上記ステップＳ１２以降の制御が行われる。
【００８６】
以上要するに、燃料噴射量Ｑｂが所定の噴射量Ｑ０以上である場合（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、バイパス弁５０の弁開度ＣＶを小さく設定して（ＣＶ＝Ａ，Ａ＜Ｂ）、ＥＧＲクーラ４７をバイパスする還流排気ガスの流量を比較的少なくする一方、冷却水調整弁４８の弁開度ＷＶを大きく設定して（ＷＶ＝Ｍ，Ｍ＞Ｎ）、ＥＧＲクーラ４７の配水管４７ａを通過する冷却水の流量を比較的多くする。つまり、還流排気ガスの冷却度合いが通常時（つまりエンジン負荷が所定負荷未満であり、且つ過給圧Ｐが所定圧力Ｐ０未満であり、且つ吸気温度Ｔｉｎが所定温度Ｔｉｎ０未満である場合）よりも大きくなる。
【００８７】
そして、上述のように、バイパス弁５０及び冷却水調整弁４８の弁開度ＣＶ，ＷＶをそれぞれ設定した後、次のステップＳ１１において、ＤＰＦ５３の温度ＴＤＰＦが、このＤＰＦ５３におけるＰＭの酸化反応が活性化する所定の活性温度域（ＴＤＰＦ１≦ＴＤＰＦ≦ＴＤＰＦ２、例えば下限値ＴＤＰＦ１＝３００℃、上限値ＴＤＰＦ２＝４００℃）にあるか否かが判断される。その結果、ＤＰＦ５３の温度ＴＤＰＦが活性温度域にあり（ＴＤＰＦ１≦ＴＤＰＦ≦ＴＤＰＦ２）、ＹＥＳと判断されときには、ステップＳ１４へ進む。
【００８８】
ステップＳ１４では、上記ステップＳ９又はＳ１２で設定したバイパス弁５０の弁開度ＣＶをΔＣＶだけ増大する補正を行う。その後、ステップＳ１５へ移る。ステップＳ１５では、上記ステップＳ１０又はＳ１３で設定した冷却水調整弁４７の弁開度ＷＶをΔＷＶだけ減少する補正を行う。その後、ステップＳ１６に進む。
【００８９】
ステップＳ１６では、吸気に含まれる排気ガス量を増大させる目的で、上記ステップＳ４で演算した基本還流量ＥＧＲｂを所定量αだけ大きくするように補正する。つまり、実際に吸入側へ還流させる還流排気ガスの還流量ＥＧＲｉをＥＧＲｂ＋αとする。続いて、ステップＳ１７へ移行し、ＥＧＲ弁１９、冷却水調節弁４８及びバイパス弁５０をそれぞれ駆動させる。その後、リターンする。
【００９０】
一方、上記ステップＳ１１において、ＤＰＦ５３の温度ＴＤＰＦが活性温度域になく（ＴＤＰＦ＜ＴＤＰＦ１又はＴＤＰＦ２＜ＴＤＰＦ）、ＮＯと判断されときには、ステップＳ１８へ進む。そして、ステップＳ１８において、実際の還流量ＥＧＲｉを上記基本還流量ＥＧＲｂとし、次のステップＳ１７で上記ＥＧＲ弁１９、冷却水調節弁４８及びバイパス弁５０をそれぞれ駆動させる。その後、リターンする。
【００９１】
すなわち、ＤＰＦ５３の温度ＴＤＰＦが活性温度域にあるときには（ＴＤＰＦ１≦ＴＤＰＦ≦ＴＤＰＦ２）、バイパス弁５０の弁開度ＣＶを補正してΔＣＶだけ大きくし、ＥＧＲクーラ４７をバイパスする還流排気ガスの流量を所定量だけ多くする一方、冷却水調整弁４８の弁開度ＷＶを補正してΔＷＶだけ小さくし、ＥＧＲクーラ４７の配水管４７ａを通過する冷却水の流量を所定量だけ少なくすることにより、還流排気ガスの冷却度合いをＤＰＦ５３の温度が活性温度域にないとき（ＴＤＰＦ＜ＴＤＰＦ１又はＴＤＰＦ２＜ＴＤＰＦ）よりも小さくする。さらに、ＥＧＲ弁１９の弁開度を補正して所定の弁開度だけ大きくして基本還流量ＥＧＲｂを多くし、ＥＧＲ通路２０を通過する還流排気ガスの流量をＤＰＦ５３の温度が活性温度域にないとき（ＴＤＰＦ＜ＴＤＰＦ１又はＴＤＰＦ２＜ＴＤＰＦ）よりも所定量αだけ増大させる。つまり、還流排気ガスの冷却度合いは補正されて比較的小さくなる。
【００９２】
これに対して、ＤＰＦ５３の温度ＴＤＰＦが活性温度域にないときには（ＴＤＰＦ＜ＴＤＰＦ１又はＴＤＰＦ２＜ＴＤＰＦ）、バイパス弁５０の弁開度ＣＶ、冷却水調整弁４８の弁開度ＷＶ及び基本還流量ＥＧＲｂをそれぞれ補正しない。つまり、還流排気ガスの冷却度合いは、補正しないので、比較的大きくなる。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
さらに、この実施形態では、キャビティ８内における吸気の酸素濃度を低下させて燃料の燃焼に伴うＮＯｘの生成量を低減させる目的で、ＥＧＲ通路２０及びＥＧＲ弁１９により排気ガスの一部が吸気として還流される。しかしながら、排気ガスの還流に伴ってキャビティ８内の温度が上昇するため、この点に関してＮＯｘが生成し易くなる虞れがある。これに対して、ＥＧＲクーラ４７によって、還流排気ガスが冷却され、この冷却された還流排気ガスがキャビティ８内に吸入されるので、キャビティ８内の温度上昇を抑制することができる。すなわち、キャビティ８内における酸素濃度及び温度の双方を低下させることができるため、ＮＯｘの生成を有効に低減させることができる。
【００９７】
また、ＥＧＲクーラ４７による還流排気ガスの冷却度合いを制御する制御手段を備えているので、還流排気ガスを適切な温度に冷却することができて望ましい。
【００９８】
ところで、エンジン負荷が所定負荷以上である場合（燃料噴射量Ｑｂが所定の噴射量Ｑ０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。これに対して、この実施形態では、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、制御手段により還流排気ガスの冷却度合いが大きくなるように制御される。従って、通常時に比べてより一層冷却された還流排気ガスによって、キャビティ８内の温度上昇を効果的に抑制し、燃料噴霧の着火遅れ期間を適切に維持することができる。すなわち、リップ部１１付近に充分な燃料蒸気１６の領域を形成した後に、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、上記のように、エンジン負荷、過給圧Ｐ及び吸気温度Ｔｉｎのいずれかが所定値以上である場合であっても、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。
【００９９】
また、酸化触媒５２におけるＮＯからＮＯ２への反応は、１５０℃以上の温度条件下で促進される一方、ＤＰＦ５３におけるＰＭ（主成分はＣ：炭素）とＮＯ２との反応は、３００℃以上の温度条件下で促進される。従って、酸化触媒から生成されたＮＯ２によりＤＰＦ５３を再生するときに、ＥＧＲクーラ４７により還流排気ガスを冷却し過ぎてＤＰＦ５３の温度が３００℃未満になると、ＮＯ２とＰＭとの反応が進行しなくなるため、ＤＰＦ５３を再生することが困難となる。
【０１００】
これに対して、ＤＰＦ５３の温度ＴＤＰＦが、ＮＯ２とＰＭとの反応が活性化する所定の活性温度域（ＴＤＰＦ１≦ＴＤＰＦ≦ＴＤＰＦ２，ＴＤＰＦ１＝３００℃，ＴＤＰＦ２＝４００℃）にあるときには、還流排気ガスの冷却度合いがＤＰＦ５３の温度がその活性温度域にないときよりも小さくされて、ＤＰＦ５３の温度ＴＤＰＦの適切な保持が還流排気ガスの冷却よりも優先されるため、ＤＰＦ５３の再生を適切に行うことができる。一方、上記活性温度域にないとき（ＴＤＰＦ＜ＴＤＰＦ１又はＴＤＰＦ２＜ＴＤＰＦ）には、還流排気ガスを優先して冷却することにより縦渦を強化することができる。
【０１０１】
さらに、ＤＰＦ５３の温度ＴＤＰＦが、ＮＯ２とＰＭとの反応が活性化する上記活性温度域にあるときには、還流量制御手段たるＥＣＵ４０及びＥＧＲ弁１９によって、ＥＧＲ通路２０を通って還流される還流排気ガスの流量がＤＰＦ５３の温度ＴＤＰＦが活性温度域にないときよりも増大され、ＥＧＲクーラ４７の所定の冷却能力に対して、冷却の対象たる還流排気ガスの流量が増大する。従って、所定流量に対する冷却度合いが相対的に小さくなるため、ＤＰＦ５３の再生を適切に行うことができる。一方、上記活性温度域にないときには、還流排気ガスの流量を減少させて冷却度合いを相対的に大きくすることにより、縦渦を強化することができる。
【０１０２】
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、還流排気ガスの冷却度合いを通常時よりも大きくするようにしたが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、少なくとも排気ガス還流手段により還流される還流排気ガスを冷却する冷却手段を備えていればよい。したがって、制御手段を設けないようにしてもよい。
【０１０３】
また、この実施形態では、ＤＰＦ５３の温度に応じて還流排気ガスの冷却度合いや、還流排気ガスの流量を変更するようにしたが、そのような変更をしないようにしてもよい。
【０１０４】
【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、排気ガスの一部を吸気として還流させる排気ガス還流手段と、排気ガス還流手段により還流される還流排気ガスを冷却する冷却手段とを備えることにより、キャビティ内に強力な縦渦を生成できるため、ＮＯｘ及び煤の生成量を有効に低減させることができる。さらに、冷却手段によって、排気ガス還流手段により還流される還流排気ガスが冷却されてキャビティ内の温度上昇が抑制されるため、ＮＯｘの生成をさらに有効に低減させることができる。さらに、冷却手段による還流排気ガスの冷却度合いを制御する制御手段を備えるため、還流排気ガスを適切な温度に冷却することができる。加えて、制御手段が、フィルタの温度が所定温度域にあるときに、還流排気ガスの冷却度合いを、フィルタの温度がその所定温度域にないときよりも小さくするため、ＤＰＦの温度が、ＮＯ２とＰＭとの反応が活性化する所定温度域にあるときには、還流排気ガスの冷却度合いを小さくしてＤＰＦの再生を適切に行うことができる一方、上記所定温度域以外のときには縦渦を強化することができる。
【０１０５】
第２の発明によると、制御手段が、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、還流排気ガスの冷却度合いを通常時よりも大きくすることにより、キャビティ内の温度上昇を効果的に抑制して着火遅れ期間を適切に維持することができる。すなわち、エンジン負荷、過給圧及び吸気温度のいずれかが所定値以上である場合であっても、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。
【０１０６】
第３の発明によると、排気ガス中のＮＯを酸化する酸化触媒と、酸化触媒の排気ガス流通方向下流側に設けられ、排気ガス中のパティキュレートを捕集するフィルタと、フィルタの温度が所定温度域にあるとき、排気ガス還流手段により還流される排気ガスの流量を、フィルタの温度がその所定温度域にないときよりも増大させる還流量制御手段とを備えることにより、冷却手段の所定の冷却能力に対し、冷却の対象たる還流排気ガスの流量が増大するため、所定流量に対する冷却度合いを相対的に小さくすることができる。従って、ＤＰＦの再生と、縦渦の強化とをそれぞれ適切に行うことができる。
【０１０７】
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】  燃料燃焼装置における燃料噴射制御を示すフローチャート図である。
【図７】  燃料燃焼装置におけるＥＧＲ弁、冷却水調整弁及びバイパス弁の駆動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
Ｔｉｎ  吸気温度
Ｐ    過給圧
１  ピストン
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
１９  ＥＧＲ弁（排気ガス還流手段）
２０  ＥＧＲ通路（排気ガス還流手段）
４０  ＥＣＵ  （制御手段、還流量制御手段）
４７  ＥＧＲクーラ（冷却手段）
４８  冷却水調節弁
５０  バイパス弁
５２  酸化触媒
５３  ＤＰＦ（フィルタ）
【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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