(57)【要約】【課題】ＮＯｘ量の低減と高熱効率とを両立可能な燃料噴射装置を提供する。【解決手段】本発明の燃料噴射装置１０は、ＮＯｘ量、Ｐｍａｘまたは熱効率ηの少なくとも１つが予め設定された値となるように、シリンダヘッド１６、シリンダ１５およびピストン冠面１３０によって区画される燃焼室１２を有する内燃機関１に用いられる。燃料噴射装置１０は、燃料噴射変更部６０を備える。Ｎを２以上の自然数とし、Ｎ個の燃焼領域６１〜６４に燃焼室を仮想的に分割し、各燃焼領域に応じて燃料噴射方法を変更可能である。燃料噴射変更部６０が燃焼室１２をＮ個の燃焼領域に分割することによって、各燃焼領域の熱量差をなくして、燃焼室１２内における筒内圧力Ｐを精密に制御することができる。これにより、ＮＯｘ量と熱効率とを最適にすることができる。したがって、ＮＯｘ量の低減と高熱効率とを両立することが可能である。【選択図】図１
2017002888.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒素酸化物（ＮＯｘ）量、筒内最高圧力（Ｐｍａｘ）または熱効率（η）の少なくとも１つが予め設定された値となるように、シリンダヘッド（１６）、シリンダ（１５）およびピストン冠面（１３０）によって区画される燃焼室（１２）を有する内燃機関（１）に用いられる燃料噴射装置であって、
前記燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁（３０）と、
前記シリンダヘッドの排気ポートを開閉可能な排気弁（１８）と、
Ｎを２以上の自然数とし、Ｎ個の燃焼領域（６１〜６４）に前記燃焼室を仮想的に分割し、各前記燃焼領域に応じて燃料噴射方法を変更可能な燃料噴射変更部（６０）と、
を備える燃料噴射装置。
【請求項２】
Ｍを２以上の自然数とすると、
前記燃料噴射変更部は、前記燃料噴射弁が開弁した時刻から前記排気弁が開弁した時刻までの期間をＭ個の領域噴射期間（７１〜７４）に分割し、
Ｎ個の各前記燃焼領域をＭ個の前記領域噴射期間のいずれか一つに当てはめて、燃料噴射方法を変更可能である請求項１に記載の燃料噴射装置。
【請求項３】
前記燃料噴射変更部は、前記燃焼室の径方向、前記燃焼室の周方向もしくは前記燃焼室の軸方向のいずれか一つ以上の方向に沿って、Ｎ個の前記燃焼領域に前記燃焼室を仮想的に分割する請求項１または２に記載の燃料噴射装置。
【請求項４】
前記燃料噴射変更部は、任意の順番でＮ個の前記燃焼領域における燃料噴射方法を変更する請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
【請求項５】
前記燃料噴射変更部は、前記燃料噴射弁が開弁した時刻から前記排気弁が開弁した時刻までの期間において、Ｎ個の前記燃焼領域に前記燃焼室を仮想的に分割することを複数回実施する請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
【請求項６】
前記燃料噴射変更部は、前記燃焼室の径方向内側から前記燃焼室の径方向外側に向かって、燃料が燃焼されるように燃料噴射方法を変更する請求項３〜５のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
【請求項７】
任意の設定値（Ｒｓ）以上の燃料噴射率で燃料を噴射するように前記燃料噴射弁を制御する噴射制御部（４２）をさらに備え、
前記燃料噴射弁は、前記ピストン冠面に形成されたキャビティ（１３２）に向かって燃料を噴射し、
前記設定値は、前記燃料噴射弁から噴霧される燃料噴霧流（Ｆ）が前記燃料噴射弁の噴射方向（Ｄ）とは反対方向に向かう空気流（Ａ）を誘起する値に設定されている請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
【請求項８】
前記燃料噴射弁は、前記燃焼室の径方向中心部に配置され、径方向内側から径方向外側に向かって燃料を噴射する請求項７に記載の燃料噴射装置。
【請求項９】
前記噴射制御部は、着火時期における前記燃料噴霧流の到達位置が前記燃焼室の壁面よりも内側になるように、前記燃料噴射弁の噴射圧を制御する請求項７または８に記載の燃料噴射装置。
【請求項１０】
前記噴射制御部は、着火時期における前記燃料噴霧流の到達位置が前記燃料噴射弁の噴孔から前記キャビティの壁面までの最大距離（Ｌｍａｘ）の１／２以下の範囲になるように、前記燃料噴射弁の噴射圧を制御する請求項７〜９のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
【請求項１１】
前記設定値は、２９０ｍｍ3／ｍｓ以上である請求項７〜１０のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
【請求項１２】
１気筒当たりの噴射される噴射燃料体積［ｍｍ3］をＱとし、
前記設定値以上の噴射率で燃料を噴射する噴射期間［ｍｓ］をΔｔとし、
前記燃料噴射弁が有する噴孔の数をｎINJとし、
前記噴孔の径をｄINJ［ｍｍ］とし、
前記燃料噴射弁の噴射差圧［Ｐａ］をΔｐとし、
燃料密度［ｋｇ／ｍ3］をρFとし、
流量係数をＣとし、
前記設定値をＲｓ［ｍｍ3／ｍｓ］とするとき、
前記噴射制御部は、以下の式（１）が成り立つように、前記燃料噴射弁を制御する請求項７〜１１のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
【数１】
2017002888.tif 000008
【請求項１３】
着火遅れ［ｍｓ］をτとし、
ａを１以下の正の数とし、
前記噴孔から前記キャビティの壁面までの最大距離［ｍｍ］をＬｍａｘとするとき、
前記噴射制御部は、前記内燃機関の運転状態に基づいて算出した前記着火遅れに基づき、以下の式（２）が成り立つように、前記噴射差圧（Δｐ）を決定する請求項１２に記載の燃料噴射装置。
【数２】
2017002888.tif 000009
【請求項１４】
前記内燃機関の運転状態に基づいて決定され、１気筒当たりの噴射されるべき燃料体積を総燃料体積（Ｑ＿ａｌｌ）とし、
１以下の正の数であって、前記内燃機関の運転状態に基づいて算出され、前記総燃料体積に乗算される係数を燃料体積係数（ＣQ）とし、
筒内圧力制限値（Ｐ＿ｌｉｍ）から算出される１気筒当たりの燃料体積を適合燃料体積（Ｑｃ）とすると、
前記噴射制御部は、
前記総燃料体積に前記燃料体積係数を乗算した値が前記適合燃料体積の値を下回るとき、前記噴射燃料体積を、前記総燃料体積に前記燃料体積係数を乗算した値とし、
前記総燃料体積に前記燃料体積係数を乗算した値が前記適合燃料体積の値以上となるとき、前記噴射燃料体積を、前記適合燃料体積の値とするように制御する請求項１２または１３に記載の燃料噴射装置。
【請求項１５】
前記燃料体積係数は、０．７以上かつ０．８以下の数である請求項１４に記載の燃料噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、筒内圧センサ等を用いて内燃機関の実際の燃焼状態を検出し、種々の補正を追加することによって内燃機関を制御する手法が知られている。また、特許文献１に記載のように、ディーゼル機関において、生成される窒素酸化物（ＮＯｘ）量を低減するため、筒内に比較的多量の排気ガスを導入する外部排気還流を行う手法が知られている。
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１７４７３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ディーゼル機関において、高熱効率、低燃費、ＮＯｘ量の低減、炭化水素（ＨＣ）量の低減、振動騒音の抑制および筒内最高圧力の制限を両立するのは困難といわれている。特に、高熱効率とＮＯｘ量の低減とを両立することは困難である。特許文献１に構成では、筒内最高圧力や筒内圧力の最大変化率を検出する手段を用い、燃料噴射時期と排気ガス量（ＥＧＲ量）とを補正することによって、所望の筒内最高圧力や筒内圧力の最大変化率になるようにして、ＮＯｘ量の低減することができる。
【０００５】
このように、外部排気還流を用いる場合、低温燃焼になるため、筒内最高圧力をさげるように制御でき、ＮＯｘ量が低減される。しかしながら、排気ガスに含まれる不純物によって、筒内の比熱比が下がり、熱効率が低下してしまう。このように、ＮＯｘ量の低減と高熱効率とは相反する関係である。
【０００６】
本発明は、上述の問題に鑑みて創作されたものであり、その目的は、ＮＯｘ量の低減と高熱効率とを両立可能な燃料噴射装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の燃料噴射装置は、窒素酸化物（ＮＯｘ）量、筒内最高圧力（Ｐｍａｘ）または熱効率（η）の少なくとも１つが予め設定された値となるように、シリンダヘッド（１６）、シリンダ（１５）およびピストン冠面（１３０）によって区画される燃焼室（１２）を有する内燃機関（１）に用いられる。
【０００８】
燃料噴射装置は、燃料噴射弁（３０）、排気弁（１８）および燃料噴射変更部（６０）を備える。
燃料噴射弁は、ピストン冠面に形成されたキャビティ（１３２）に向かって燃焼室内に燃料を噴射する。
排気弁は、シリンダヘッドの排気ポートを開閉可能である。
燃料噴射変更部は、Ｎを２以上の自然数とし、Ｎ個の燃焼領域（６１〜６４）に前記燃焼室を仮想的に分割し、各前記燃焼領域に応じて燃料噴射方法を変更可能である。
【０００９】
本実施形態では、燃料噴射変更部が燃焼室１２をＮ個の燃焼領域に分割することによって、各燃焼領域の熱量差をなくして、燃焼室１２内における筒内圧力Ｐを精密に制御することができる。これにより、ＮＯｘ量と熱効率とを最適にすることができる。したがって、ＮＯｘ量の低減と高熱効率とを両立することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１実施形態による燃料噴射装置が用いられるエンジンを示す概略図。
【図２】エンジンの燃焼室を拡大して示す断面図。
【図３】本発明の第１実施形態による燃料噴射装置が有する燃料噴射弁の先端部を示す図。
【図４】本発明の第１実施形態による燃焼領域を示す模式図。
【図５】本発明の第１実施形態による燃焼領域の二酸化炭素濃度と水蒸気濃度とを示す特性図。
【図６】本発明の第１実施形態による領域噴射期間を説明するためのクランク角と筒内圧力との関係を示す特性図。
【図７】本発明の第１実施形態によるクランク角と筒内圧力との関係を示す特性図。
【図８】本発明の第１実施形態による中心燃焼を説明するための模式図。
【図９】本発明の第１実施形態による燃焼室に誘起される空気流を説明するための模式図。
【図１０】本発明の第１実施形態による空気流と燃料噴射率との関係を示す特性図。
【図１１】本発明の第１実施形態による燃料噴射装置が行う処理を説明するためのフローチャート。
【図１２】本発明の第１実施形態によるエンジン回転数、エンジン負荷および燃料流量係数の関係を示す特性図。
【図１３】本発明の第１実施形態による燃料体積係数と熱効率との関係を示す特性図。
【図１４】着火時期における燃料噴霧流の到達範囲を説明するための模式図。
【図１５】本発明の第１実施形態による適合燃料体積を説明するためのクランク角と筒内圧力との関係を示す特性図。
【図１６】本発明の第１実施形態による適合燃料体積を算出する方法を説明するためのフローチャート。
【図１７】燃料噴射後の燃焼室内の圧力場の変化の様子を示す模式図。
【図１８】燃料噴射後の燃焼室内の速度場の変化の様子を示す模式図。
【図１９】燃料噴射後の燃焼室内の速度場の変化の様子を示す模式図。
【図２０】燃焼室内の温度場の変化の様子を示す模式図。
【図２１】燃焼室内の温度場の変化の様子を示す模式図。
【図２２】燃焼噴射終了のタイミングと既燃ガスによる高温域との関係を説明するための模式図。
【図２３】燃焼噴射終了のタイミングと既燃ガスによる高温域との関係を説明するための模式図。
【図２４】本発明の第２実施形態による燃料噴射装置が行う処理を説明するためのフローチャート。
【図２５】燃料噴射方式の切り替え例を説明するための模式図。
【図２６】その他実施形態による燃焼領域の温度を示す特性図。
【図２７】その他実施形態による燃焼領域を示す模式図。
【図２８】その他実施形態による燃焼領域を示す模式図。
【図２９】その他実施形態による燃焼領域を示す模式図。
【図３０】燃料噴射率、熱効率、筒内最高圧力およびＮＯｘ量の関係を示す特性図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態による燃料噴射装置を図面に基づいて説明する。複数の実施形態の説明において、第１実施形態と実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。この燃料噴射装置は、生成される窒素酸化物の発生量であるＮＯｘ量、筒内最高圧力および熱効率の少なくとも１つが予め設定された値となるように、内燃機関に用いられる燃料噴射装置である。
【００１２】
（第１実施形態）
まず、本実施形態による燃料噴射装置１０が用いられる内燃機関としてのエンジン１について、図１を参照して説明する。
図１に示すように、エンジン１は、例えば、軽油等の燃料が燃焼室１２に直接噴射されるストロークディーゼルエンジン４である。ピストン１３が上死点に到達した後、燃料噴射弁３０が燃料を噴射すると、吸気マニホールド１１から供給される空気と燃料との混合気が燃焼室１２で自己着火し、燃焼する。燃焼時の爆発力によりピストン１３が往復運動し、ピストン１３の往復運動はクランクシャフト１９の回転運動に変換される。燃焼により生じた燃焼ガスは、排気マニホールド１４を軽油して大気中に放出される。
【００１３】
燃焼室１２は、筒状のシリンダ１５、その開口に配置されたピストン冠面１３０およびシリンダヘッド１６の下面によって区画形成されている。燃焼室１２の入口であるシリンダヘッド１６の吸気ポートに吸気弁１７が設けられている。また、燃焼室１２の出口であるシリンダヘッド１６の排気ポートに排気弁１８が設けられている。吸気弁１７および排気弁１８は、図示しないバルブ駆動機構により開閉可能である。
【００１４】
電子制御ユニット４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭおよび入出力ポート等からなるマイクロコンピュータにより構成されている。以下、電子制御ユニットを「ＥＣＵ」と記載する。図１における破線矢印で示すように、ＥＣＵ４０にエンジン１の各部位に取り付けられた筒内圧センサ２１、クランク角センサ２２およびガスセンサ２４等の各種センサ等からの信号が入力される。筒内圧センサ２１は、燃焼室１２内における筒内圧力Ｐ［Ｐａ］を検出し、クランク角センサ２２は、クランクシャフト１９のクランク角θ［ｄｅｇ］を検出する。また、ガスセンサ２４は、燃焼室１２内における二酸化炭素濃度ＤCO2および水蒸気濃度ＤH2Oを検出する。ＥＣＵ４０は、これらの各種センサからの検出信号に基づき、エンジン１の運転状態を制御する。
【００１５】
本実施形態の燃料噴射装置１０は、燃料噴射弁３０、燃料噴射変更部６０および噴射制御部４２を備えている。燃料噴射弁３０は、噴孔３１が燃焼室１２に露出するようにシリンダヘッド１６に設けられており、噴孔３１から燃焼室１２内に燃料を噴射可能である。燃料噴射変更部６０は、例えば、ＥＣＵ４０内に構成されており、燃焼室１２内を仮想的に分割する。噴射制御部４２は、燃料噴射変更部６０と同様に、ＥＣＵ４０内に構成されており、燃料噴射弁３０の燃料噴射率を制御する。
【００１６】
燃料噴射装置１０の詳細について、図２および図３を参照して説明する。
本実施形態において、燃料噴射弁３０は、燃焼室１２の径方向中心部に位置しており、燃焼室１２の径方向内側から径方向外側に向かって燃料を噴射する。
図２に示すように、燃料噴射弁３０の噴射方向Ｄは、燃焼室１２の径方向内側から径方向外側に向かう方向である。噴射された燃料は、周囲の空気と混合しながら燃料噴霧流Ｆを形成する。
【００１７】
ここで、燃焼室１２を構成するピストン冠面１３０には、リエントラント型のキャビティ１３２が形成されている。キャビティ１３２の底面には、中央突起部１３４と、中央突起部１３４を囲う窪み部１３５とが形成されている。
燃料噴霧流Ｆが、キャビティ１３２の中央突起部１３４に衝突せずに窪み部１３５まで到達可能な最大噴霧角をαとする。燃料噴射弁３０による噴霧角βは、０．４α≦β≦αであることが好ましい。例えば、燃料噴射弁３０による噴霧角βは、１２ｄｅｇ以上３０ｄｅｇ以下である。
【００１８】
図３に示すように、本実施形態の燃料噴射弁３０は、燃料噴射弁３０の中心軸Ｃを中心とする同心円上に形成された複数の噴孔３１を有している。これらの噴孔３１から噴霧される燃料噴霧流Ｆは、燃料噴射弁３０から放射状に燃焼室１２内を進む。
なお、噴孔３１の数は、例えば１２個以上であることが好ましい。また、噴孔３１の径は、例えば１．０ｍｍ以下であることが好ましい。
【００１９】
燃料噴射変更部６０は、燃焼室１２をＮ個の燃焼領域に分割し、各燃焼領域において燃料噴射方法を変更可能である。Ｎは、２以上の自然数とする。また、燃料噴射変更部６０は、燃料噴射弁３０が開弁した時刻から排気弁１８が開弁した時刻までの期間をＭ個の領域噴射期間に分割し、Ｎ個の各燃焼領域をＭ個の領域噴射期間のいずれか一つに当てはめる。Ｍは、２以上の自然数とする。本実施形態では、説明を簡単にするため、自然数Ｎの値を４とし、自然数Ｍの値を４とする。
【００２０】
燃料噴射変更部６０は、燃焼室１２の径方向内側から径方向外側に向かって、燃焼室１２の領域を４つの領域に仮想的に分割する。
図４に示すように、燃料噴射変更部６０は、第１〜第４燃焼領域６１〜６４に分割する。第１〜第４燃焼領域６１〜６４は、中心Ｏとする円周状の仮想円Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃと外壁面２３とによって区画形成されている。仮想円Ｉａの直径は、仮想円Ｉｂの直径よりも小さく、仮想円Ｉｂの直径は仮想円Ｉｃの直径よりも小さい。また、仮想円Ｉｃの直径は、燃焼室１２の直径よりも小さい。
【００２１】
第１燃焼領域６１は、仮想線Ｉａで区画形成され、第２燃焼領域６２と隣接する。第２燃焼領域６２は、仮想線Ｉａと仮想線Ｉｂとで区画形成され、第１燃焼領域６１と第３燃焼領域６３との間に設定されている。第３燃焼領域６３は、仮想線Ｉｂと仮想線Ｉｃとで区画形成され、第２燃焼領域６２と第４燃焼領域６４との間に設定されている。第４燃焼領域６４は、仮想線Ｉｃと燃焼室１２の外壁面２３とで区画形成されている。このように、燃焼室１２の径方向における燃焼室１２の中心Ｏから燃焼室１２の外側に向かって、燃焼室１２の領域が４つに分割されている。
【００２２】
図５に示すように、第１〜第４燃焼領域６１〜６４は、吸気弁１７が閉弁直後の二酸化炭素濃度ＤCO2が予め設定された二酸化炭素基準濃度ＪCO2よりも大きい値に設定される領域となっている。または、水蒸気濃度ＤH2Oが予め設定された水蒸気基準濃度ＪH2Oよりも大きい値に設定される領域となっている。燃料噴射変更部６０は、燃焼室１２において二酸化炭素基準濃度ＪCO2または水蒸気基準濃度ＪH2Oよりも大きい値に設定されている領域を分割する。
【００２３】
燃料噴射変更部６０は、燃料噴射弁３０が開弁した時刻から排気弁１８が開弁した時刻までの期間を４つの領域噴射期間に分割する。燃料噴射弁３０が開弁した時刻から排気弁１８が開弁した時刻までの期間は、例えば、クランク角θで表される。燃料噴射弁３０が開弁した時刻におけるクランク角をθ０とし、排気弁１８が開弁した時刻におけるクランク角をθ４とする。
【００２４】
図６に示すように、クランク角θ０からクランク角θ４までの期間を４つに等分割し、クランク角θ０からクランク角θ４までの間におけるクランク角をそれぞれクランク角θ１、θ２、θ３とする。第１〜第４領域噴射期間７１〜７４において、燃焼室１２の燃焼状態に応じた筒内圧力Ｐとなっている。
【００２５】
第１領域噴射期間７１は、クランク角θ０からクランク角θ１までの期間とし、第２領域噴射期間７２は、クランク角θ１からクランク角θ２までの期間とする。また、第３領域噴射期間７３は、クランク角θ２からクランク角θ３までの期間とし、第４領域噴射期間７４は、クランク角θ３からクランク角θ４までの期間とする。
【００２６】
燃料噴射変更部６０は、第１〜第４燃焼領域６１〜６４の燃焼状態に基づき、第１〜第４燃焼領域６１〜６４において、第１〜第４領域噴射期間７１〜７４のいずれかの期間に当てはめる。例えば、第１燃焼領域６１を、第１領域噴射期間７１に当てはめ、第２燃焼領域６２を、第２領域噴射期間７２に当てはめる。同様に、第３燃焼領域６３を、第３領域噴射期間７３に当てはめ、第４燃焼領域６４を、第４領域噴射期間７４に当てはめる。また、例えば、第１燃焼領域６１および第２燃焼領域６２を、第１領域噴射期間７１に当てはめるように、第１〜第４燃焼領域６１〜６４を第１〜第４領域噴射期間７１〜７４のいずれか１つの期間に重複して当てはめてもよい。
【００２７】
燃料噴射変更部６０は、第１〜第４燃焼領域６１〜６４において燃料噴射方法を変更する。燃料噴射方法とは、噴射方向Ｄ、燃料噴射率、燃料噴射圧、燃料噴射回数および燃料噴射期間の少なくとも１つを用いて、燃料を噴射することを示す。本実施形態の燃料噴射変更部６０は、燃料噴射方法として燃料噴射率を変更する。燃料噴射率とは、単位時間当たりの燃料噴射量である。
【００２８】
燃料噴射変更部６０は、第１〜第４燃焼領域６１〜６４を任意の順番で燃料噴射方法を変更する。例えば、第１燃焼領域６１における燃料噴射方法を変更し、順に第２〜第４燃焼領域６２〜６４における燃料噴射方法を変更する。第１〜第４燃焼領域６１〜６４における燃料噴射方法を順に変更し、第１燃焼領域６１から順に燃料が燃焼を進むように変更してもよい。
【００２９】
また、燃料噴射変更部６０は、燃料噴射弁３０が開弁した時刻から排気弁１８が開弁した時刻までの期間において、燃焼室１２の領域の分割を複数回実施する。例えば、第１〜第４燃焼領域６１〜６４に分割されていた燃焼室１２の領域を４つの領域に再度分割する。このとき、再度分割された第１〜第４燃焼領域６１〜６４における領域の面積を変更してもよいし、第１〜第４燃焼領域６１〜６４の４つから分割数を変更してもよい。このように、燃料噴射変更部６０は、燃焼室１２をＮ個の燃焼領域に分割し、各燃焼領域において燃料噴射方法を変更可能である。
【００３０】
従来、ディーゼル機関において、高熱効率とＮＯｘ量の低減とを両立することは困難であった。
図３０に示すように、高熱効率とＮＯｘ量の低減とは、相反関係にある。燃料噴射率と筒内最高圧力Ｐｍａｘと熱効率ηとの関係を実線Ｉ１で示し、燃料噴射率とＮＯｘ量との関係を破線Ｉ２で示す。
【００３１】
燃料噴射率を大きくするとき、燃焼室における筒内最高圧力Ｐｍａｘが高くなり、温度も高くなるため燃料の燃焼が進む。このため、燃料噴射率が大きくなるとき、熱効率ηは大きくなる。しかしながら、このとき、温度が高温になるため、ＮＯｘの生成が促進され、ＮＯｘ量が多くなってしまう。一方、燃料噴射率を小さくするとき、温度が低温になるため、ＮＯｘ量が少なくなるが、熱効率ηは低下する。さらに、ＮＯｘ量を減少させるため、外部排気還流を行うこと場合もあるが、排気ガスに含まれる不純物によって、筒内の比熱比が下がり、熱効率ηは低下する。
【００３２】
（効果）
［１］そこで、本実施形態では、燃料噴射変更部６０が第１〜第４燃焼領域６１〜６４に燃焼室１２を仮想的に分割し、各第１〜第４燃焼領域６１〜６４において、燃料噴射率を変更可能である。例えば、壁面の面積が大きい第４燃焼領域６４は、壁面付近で燃焼するため、第１〜第３燃焼領域６１〜６３と比較して、冷却損失が増大する。燃焼室１２を複数の領域に分割することによって、各燃焼領域の熱量差をなくして、燃焼室１２内における筒内圧力Ｐを精密に制御することができる。
【００３３】
比較例として燃料噴射変更部６０に相当する部位を備えない燃料噴射装置を用いて、本実施形態と比較例との筒内圧力Ｐの制御性を比較する。生成されるＮＯｘ量を制限するために、筒内圧力Ｐにおいて制限値を設けることがあり、筒内圧力Ｐの制限値を筒内圧力制限値Ｐ＿ｌｉｍとする。筒内圧力制限値Ｐ＿ｌｉｍは、熱効率ηとＮＯｘ量とを両立する最適値である。
【００３４】
図７に示すように、比較例では、筒内圧力制限値Ｐ＿ｌｉｍを上回る場合や下回る場合がある。本実施形態において、筒内圧力Ｐは筒内圧力制限値Ｐ＿ｌｉｍを超えない範囲で限界付近の値になっている。筒内圧力Ｐを筒内圧力制限値Ｐ＿ｌｉｍに近づけることができることによって、ＮＯｘ量と熱効率ηとを最適にすることができる。したがって、ＮＯｘ量の低減と高熱効率とを両立することが可能である。図中において、ＴＤＣとは、Ｔｏｐ  Ｄｅａｄ  Ｃｅｎｔｅｒの略で、上死点を示す。
【００３５】
［２］燃料噴射変更部６０は、燃料噴射弁３０が開弁した時刻から排気弁１８が開弁した時刻までの期間を４つの第１〜第４領域噴射期間７１〜７４に分割する。これによって、第１〜第４燃焼領域６１〜６４における筒内圧力Ｐを判別することができるため、各第１〜第４燃焼領域６１〜６４に適合される燃料噴射方法を行うことが可能になる。
【００３６】
また、一般に、ディーゼルエンジン等の内燃機関に適用される燃料噴射装置では、燃料噴射弁が燃焼室内の内側から外側に向かって燃料を噴射する。前述のように、噴射された燃料が燃焼室の壁面付近で燃焼すると、高温の既燃ガスが壁面に接触することがある。このとき、熱が燃焼室から放熱され、冷却損失が増大し、熱効率ηが低下していた。例えば、特許文献である特開２００８−１７５０７８において、燃焼室を区画形成する壁面に断熱層を設けることによって、冷却損失を低減している。
【００３７】
［３］本実施形態において、燃料噴射装置１０は、冷却損失を低減しつつ、高熱効率およびＮＯｘ量の低減の両立を行うことができる。
以下、本実施形態の燃料噴射装置１０が冷却損失を低減しつつ、高熱効率およびＮＯｘ量の低減の両立を行うための具体的な制御方法について説明する。本実施形態は、燃料噴霧流Ｆの前進を抑制することにより、燃料噴霧流Ｆが燃焼室１２の壁面に届くことを回避する。これにより、燃焼室１２内の中央部で燃焼が行われる。以下、燃焼室１２内の中央部における燃焼を「中心燃焼」と記載する。
【００３８】
図８に示すように、中心燃焼が行われる場合、燃焼室１２内の中央部には高温の既燃ガス層Ｂが形成され、燃焼室１２内の外周部には未燃焼の空気による断熱ガス層Ｇが形成される。この断熱ガス層Ｇの存在により、高温の既燃ガス層Ｂが燃焼室１２の壁面に接触することが抑制され、冷却損失を低減することができる。
特に、本実施形態では、既燃ガスが燃焼室１２の内周面１２６、すなわち、キャビティ１３２の径方向外側の壁面１３６、に接触することを抑制する。
【００３９】
中心燃焼を実現する燃料噴射方法として、噴射制御部４２が設定値Ｒｓ以上の燃料噴射率で燃料を噴射するように燃料噴射弁３０を制御する。
図９に示すように、設定値Ｒｓは、燃料噴霧流Ｆが燃料噴射弁３０の噴射方向Ｄとは反対方向に向かう空気流Ａを誘起する値に設定されている。噴射方向Ｄとは反対方向に向かう空気流Ａの流速は、例えば１２０ｍ／ｓ以上になることが好ましい。
【００４０】
本実施形態において、燃料噴射率の設定値Ｒｓは、２９０ｍｍ3／ｍｓである。
図１０に示すように、一般的なリエントラント型の燃焼室において２９０ｍｍ3／ｍｓ以上の燃料噴射率で燃料が噴射された場合に、上述の空気流Ａが誘起されることを見出している。
【００４１】
なお、一般的なディーゼルエンジンでは、高負荷（１気筒当たりの投入燃料量が約６０ｍｍ3程度）の場合であっても、各気筒における燃料噴射率は４０ｍｍ3／ｍｓ程度である。本実施形態における燃料噴射率の設定値Ｒｓは、このような従来技術と比べて極めて高い値に設定されている。上述のように、燃料噴射率が高い値に設定されるとき、筒内最高圧力Ｐｍａｘが高くなり、熱効率ηは高くなるがＮＯｘ量が多くなる。しかしながら、燃料噴射変更部６０が燃焼室１２内を仮想的に分割することによって、筒内圧力Ｐを精密に制御ができる。このため、特に、燃料噴射率が大きいとき、本実施形態における燃料噴射装置１０は、熱効率ηを高くすること、および、ＮＯｘ量を低減することを両立する効果を発揮する。
【００４２】
中心燃焼を実現するための燃料噴射率の上限は特に限定されない。すなわち、設定値Ｒｓ以上の燃料噴射率であれば、上述の空気流Ａを誘起することができる。ただし、一般的なディーゼルエンジンの燃料として用いられる軽油は、５００ＭＰａ程度の圧力で固化する性質を有する。よって、使用する燃料の性質に応じて固化等の変質を起こさないための噴射圧の上限が定まる場合には、噴射圧の上限および燃料噴射弁３０の噴孔３１の数によって燃料噴射率の上限が定まる。
【００４３】
次に、噴射制御部４２が行う処理について、図１１のフローチャートに基づき説明する。フローチャートの説明において、記号「Ｓ」はステップを意味する。噴射制御部４２は、例えば、エンジン１の始動と共に処理を開始する。以下のような制御を行うことによって、冷却損失を低減しつつ、高熱効率およびＮＯｘ量の低減の両立を行う。
【００４４】
最初に、ステップ１０１において、１気筒あたりの噴射されるべき燃料体積である総燃料体積Ｑ＿ａｌｌ［ｍｍ3］を決定する。総燃料体積Ｑ＿ａｌｌは、エンジン１の運転状態であるエンジン１の負荷［Ｎｍ］およびエンジン１の回転数［ｒｐｍ］に基づいてＥＣＵ４０により決定された値である。
ステップ１０２において、１気筒当たりの燃料体積で、筒内圧力制限値Ｐ＿ｌｉｍに基づいて定められる適合燃料体積Ｑｃ［ｍｍ3］が算出される。適合燃料体積Ｑｃの具体的な算出方法については、後述で示す。
【００４５】
総燃料体積Ｑ＿ａｌｌに乗算される係数を燃料体積係数ＣQとする。
図１２に示すように、燃料体積係数ＣQは、エンジン１の運転状態に基づいて、算出される値である。燃料体積係数ＣQは、実験やシミュレーション等によって求めることができる。
図１３に示すように、本実施形態における燃料体積係数ＣQは、０．７以上、かつ、０．８以下にすることによって、熱効率ηの許容値を超え、比較的高い熱効率になる。
【００４６】
ステップ１０３において、総燃料体積Ｑ＿ａｌｌに燃料体積係数ＣQを乗算した値と適合燃料体積Ｑｃとを比較する。総燃料体積Ｑ＿ａｌｌに燃料体積係数ＣQを乗算した値が適合燃料体積Ｑｃよりも下回るとき、ステップ１０４に移行する。
ステップ１０４において、総燃料体積Ｑ＿ａｌｌに燃料体積係数ＣQを乗算した値を１気筒当たりに噴射される噴射燃料体積Ｑとする。また、総燃料体積Ｑ＿ａｌｌから噴射燃料体積Ｑを除算して算出される１気筒当たりの残燃料体積Ｑ＿ｒｅｓ［ｍｍ3］を算出する。
【００４７】
一方、ステップ１０３において、総燃料体積Ｑ＿ａｌｌに燃料体積係数ＣQを乗算した値が適合燃料体積Ｑｃ以上になるとき、ステップ１０５に移行する。
ステップ１０５において、適合燃料体積Ｑｃを噴射燃料体積Ｑとし、残燃料体積Ｑ＿ｒｅｓを算出する。
【００４８】
ステップ１０６において、燃料噴射弁３０の構造や燃焼状態等に基づき、以下の式（１）および式（２）を満たす噴射差圧Δｐを設定可能か否かであることを判断する。
【数１】
2017002888.tif 000003
【数２】
2017002888.tif 000004
ただし、ｎINJは、燃料噴射弁３０が有する噴孔３１の数であり、ｄINJは、噴孔３１の径［ｍｍ］であり、それぞれ既知の値である。ρFは燃料密度［ｋｇ／ｍ3］であり、使用する燃料種に基づく既知の値である。Ｃは流量係数であり、燃料密度ρFおよび噴射差圧Δｐに基づき、テーブルや実験式等から算出可能である。τはステップ１０６で算出した燃料の着火遅れ［ｍｓ］である。Ｌｍａｘは噴孔３１からキャビティ１３２の壁面までの最大距離［ｍｍ］である。
【００４９】
なお、式（１）の左辺は燃料噴射弁３０による燃料噴射率を表している。式（１）を満たす場合、燃料噴射率は設定値Ｒｓ以上に設定される。
また、式（２）の左辺は、噴孔３１から着火時期における燃料噴霧流Ｆの到達位置までの距離を表している。
図１４に示すように、以下の式（２）を満たす場合、着火時期における燃料噴霧流Ｆの到達位置は、噴孔３１から最大距離Ｌｍａｘの１／２以下の範囲に設定される。
【００５０】
ステップ１０７において、噴射差圧Δｐを設定可能であると判断した場合、処理はステップ１０８に移行する。一方、噴射差圧Δｐを設定可能ではないと判断した場合、処理はステップ１０６に戻る。
【００５１】
ステップ１０８において、設定可能であると判断された噴射差圧Δｐの範囲から、燃料噴射弁３０の制御に使用する噴射差圧Δｐの制御値を決定する。
ステップ１０９において、Ｓ１３で決定された噴射差圧Δｐの制御値を用い、以下の式（３）に基づいて、燃料噴射弁３０の噴射期間Δｔを算出する。
【数３】
2017002888.tif 000005
【００５２】
ステップ１１０において、ステップ１０９により算出された噴射期間Δｔに基づいて、噴射開始時期を決定する。具体的には、噴射開始時期と着火時期との間の期間が噴射期間Δｔよりも長くなるように、噴射開始時期が決定される。
ステップ１１１において、これまでのステップ１０８〜ステップ１１０により求められた噴射差圧Δｐの制御値、噴射期間Δｔ、および、噴射開始時期に基づいて、燃料噴射弁３０を制御する。これにより、燃料噴射弁３０は、設定値Ｒｓ以上の燃料噴射率で燃料を噴射し、着火時期よりも前に当該噴射を終了する。
【００５３】
噴射制御部４２が行う適合燃料体積Ｑｃの算出方法について、図１５の特性図および図１６のフローチャートに基づき説明する。
図１５に示すように、燃料噴射弁３０が開弁した時刻におけるクランク角θを噴射開始時クランク角θｓとし、この時刻における筒内圧力Ｐを噴射開始時圧力Ｐｓとする。また、燃料噴射弁３０が閉弁した時刻におけるクランク角θを噴射終了時クランク角θｅとし、燃料の燃焼が終了した時刻におけるクランク角θを燃焼終了時クランク角θａとする。また、燃料の着火遅れτをクランク角θに換算した値を着火遅れクランク期間Δθτとする。
【００５４】
図１６に示すように、ステップ１５１において、噴射開始時クランク角θｓ、噴射終了時クランク角θｅおよび筒内圧力制限値Ｐ＿ｌｉｍを決定する。
ステップ１５２において、着火遅れクランク期間Δθτ、噴射終了時クランク角θｅから燃焼終了時クランク角θａまでの期間、および、噴射開始時圧力Ｐｓを算出する。噴射終了時クランク角θｅから燃焼終了時クランク角θａまでの期間は、燃焼終了時クランク角θａから噴射終了時クランク角θｅを減算して算出される。
【００５５】
ステップ１５３において、以下の式（４）を用いて、仮想的に算出される燃料体積である仮想燃料体積Ｑｉを算出する。ここで、Ｖは、燃焼室１２内における体積を表し、クランク角θの関数である。γは燃焼室１２内の比熱比を表す。ｄＰ／ｄθは、筒内圧力Ｐのクランク角θに対する変化率を表す。ｄＶ／ｄθは、燃焼室１２内における体積Ｖのクランク角θに対する変化率を表す。
【数４】
2017002888.tif 000006
【００５６】
ステップ１５４において、仮想燃料体積Ｑｉに基づいて、筒内最高圧力Ｐｍａｘを算出する。
ステップ１５５において、算出された筒内最高圧力Ｐｍａｘと筒内圧力制限値Ｐ＿ｌｉｍとを比較し、算出された筒内最高圧力Ｐｍａｘと筒内圧力制限値Ｐ＿ｌｉｍとが等しいかを判断する。ここで、「等しい」は、常識的な誤差範囲を含む。算出された筒内最高圧力Ｐｍａｘと筒内圧力制限値Ｐ＿ｌｉｍとが等しい場合、ステップ１５６に移行する。算出された筒内最高圧力Ｐｍａｘと筒内圧力制限値Ｐ＿ｌｉｍとが等しくない場合、ステップ５１に戻る。ステップ５６において、適合燃料体積Ｑｃを仮想燃料体積Ｑｉとする、すなわちＱｃ＝Ｑｉとし、適合燃料体積Ｑｃを算出する。
【００５７】
ステップ１０１からステップ１０５において、高熱効率およびＮＯｘ量の低減の両立可能にする。噴射燃料体積Ｑを総燃料体積Ｑ＿ａｌｌに燃料体積係数ＣQを乗算した値とするとき、噴射燃料体積Ｑが適合燃料体積Ｑｃを下回るため、燃料噴射装置１０は熱効率ηを優先する。
【００５８】
一方、噴射燃料体積Ｑを適合燃料体積Ｑｃとするとき、燃料噴射装置１０は熱効率ηとＮＯｘ量とを両立する。適合燃料体積Ｑｃは、筒内圧力制限値Ｐ＿ｌｉｍに基づいて算出されているため、熱効率ηとＮＯｘ量とを最適にする燃料体積である。したがって、噴射燃料体積Ｑを適合燃料体積Ｑｃとすることで、熱効率ηとＮＯｘ量とが両立される。
【００５９】
ステップ１０６からステップ１１１において、冷却損失を低減する。
設定値Ｒｓが燃料噴射弁３０から噴射される燃料噴霧流Ｆが燃料噴射弁３０の噴射方向Ｄとは反対方向に向かう空気流Ａを誘起するように設定されていることによる冷却損失の低減の効果について説明する。以下では、説明の便宜上、設定値Ｒｓ以上の燃料噴射率を「高噴射率」と称し、設定値Ｒｓよりも低い噴射率を「低噴射率」と称する。
【００６０】
（追加効果）
［４］本実施形態の燃料噴射装置１０は、シリンダヘッド１６、シリンダ１５およびピストン冠面１３０によって区画形成される燃焼室１２を有するエンジン１に適用されるものである。燃料噴射装置１０は、ピストン冠面１３０に形成されたキャビティ１３２に向かって燃焼室１２内に燃料を噴射する燃料噴射弁３０と、設定値Ｒｓ以上の燃料噴射率で燃料を噴射するように燃料噴射弁３０を制御する噴射制御部４２とを備える。
例えば、図１７（ａ）（ｂ）は、それぞれ、燃料噴射直後の燃焼室１２内の圧力場を示す図である。図１７（ａ）は、燃料が低噴射率で噴射された場合を示し、図１７（ｂ）は、燃料が高噴射率で噴射された場合を示している。
【００６１】
図１７（ａ）では、噴射方向Ｄに形成される逆圧力勾配は緩やかである。
一方、図１７（ｂ）では、燃料噴霧流Ｆと燃焼室１２の壁面である内周面１２６との間で空気が圧縮されることにより、噴射方向Ｄに急な逆圧力勾配が形成されていることが分かる。燃料噴霧流Ｆは、この逆圧力勾配下を進むことになるため、前進を抑制される。
【００６２】
また、図１８および図１９は、それぞれ、燃料噴射直後の燃焼室１２内の速度場の変化の様子を示す図である。図１８は、燃料が低噴射率で噴射された場合を示し、図１９は、燃料が高噴射率で噴射された場合を示している。
【００６３】
図１８では、燃料噴霧流Ｆは、燃焼室１２内を噴射方向Ｄに沿って直進し、燃焼室１２の内周面１２６に到達している。
一方、図１９では、噴射方向Ｄとは反対方向に向かう空気流Ａが、燃料噴霧流Ｆの上下に誘起されている。また、空気流Ａが誘起された後、燃料噴霧流Ｆと空気流Ａとの境界には、大規模渦構造Ｓが形成されている。その結果、燃料噴霧流Ｆは、空気流Ａによって剪断されると共に空気流Ａと混合し、その運動量が減少することにより、前進を抑制される。
【００６４】
以上により、燃料噴霧流Ｆは、噴射方向Ｄに形成される逆圧力勾配と、噴射方向Ｄとは反対方向に流れる空気流Ａという２つの現象によって、その前進を抑制される。このため、燃料噴霧流Ｆは、燃焼室１２の壁面に到達することが回避される。
【００６５】
したがって、本実施形態によれば、燃料噴霧流Ｆの燃焼により発生する高温の既燃ガスと燃焼室１２の壁面との間に未燃焼の空気による断熱ガス層を形成することができる。これにより既燃ガスと燃焼室１２の壁面との接触が抑制されるため、冷却損失を低減可能な燃料噴射装置１０が提供される。
【００６６】
［５］本実施形態において、燃料噴射弁３０は、燃焼室１２の径方向中心部に配置され、径方向内側から径方向外側に向かって燃料を噴射する。
このような構成によれば、燃焼室１２の内周面１２６を成すキャビティ１３２の径方向外側の壁面１３６と既燃ガスとの接触を抑制することができる。このため、燃焼室１２から外部に放熱される熱をより抑制し、冷却損失をより低減することができる。
【００６７】
［６］本実施形態において、噴射制御部４２は、着火時期における燃料噴霧流Ｆの到達位置は、燃焼室１２の壁面よりも内側になるように、燃料噴射弁３０の噴射圧としての噴射差圧Δｐを制御する。具体的には、着火時期における燃料噴霧流Ｆの到達位置は、噴孔３１からキャビティ１３２までの最大距離Ｌｍａｘの１／２以下の範囲であることが好ましい。
【００６８】
例えば、図２０および図２１は、それぞれ、燃焼室１２の温度場の変化の様子を示す図である。図２０では、着火時期に燃料噴霧流Ｆが燃焼室１２の内周面１２６に到達している場合（低噴射率の場合）を示し、図２１では、着火時期における燃料噴霧流Ｆの到達位置が噴孔３１からキャビティ１３２までの最大距離Ｌｍａｘの１／２以下である場合（高噴射率の場合）を示している。
【００６９】
図２０では、着火位置ＡFが燃焼室１２の内周面１２６近傍である。これにより、燃焼または既燃ガスによる高温域Ｈは、燃焼初期から燃焼室１２の内周面１２６に接しており、燃焼後期には燃焼室１２の内周面１２６に広く接している。
【００７０】
一方、図２１では、着火位置ＡFは、燃焼室１２の内周面１２６近傍ではなく、燃焼室１２の径方向中央部と内周面１２６との中間付近になる。
図２１に示す例によれば、燃焼または既燃ガスによる高温域Ｈは、燃焼室１２の内周面１２６に接触することが抑制される。すなわち、燃料噴霧流Ｆの燃焼による高温の既燃ガスと燃焼室１２の壁面との間には未燃焼の空気による断熱ガス層が形成される。これにより、既燃ガスと燃焼室１２の壁面との接触を、より好適に抑制することができる。
【００７１】
［８］本実施形態において、噴射制御部４２は、着火時期よりも前に設定値Ｒｓ以上の噴射率で燃料を噴射することを終了するように、燃料噴射弁３０の噴射開始時期を制御する。
このような構成によれば、着火位置ＡF付近が酸欠状態になって火炎が燃焼室１２内に広がることを防止できる。これにより、既燃ガスと燃焼室１２の壁面との接触を、より好適に抑制することができる。
【００７２】
例えば、図２２（ａ）〜（ｄ）および図２３（ａ）〜（ｄ）は、それぞれ、燃料噴射直後から燃焼までの燃焼室１２内の様子を示す図である。
図２２（ａ）〜（ｄ）では、着火前に燃料噴射が終了しているため、上述した通りの中心燃焼が行われている。
一方、図２３（ａ）〜（ｄ）では、着火後も燃料噴射が継続することにより、着火位置ＡF付近が酸欠状態になり、火炎が燃焼室１２内に広がっている。これにより、燃焼または既燃ガスによる高温域Ｈは、燃焼室１２の内周面１２６に接触している。
【００７３】
［９］本実施形態において、燃料噴霧流Ｆが中央突起部１３４に衝突せずにキャビティ１３２の径方向外側の壁面１３６まで到達可能な最大噴霧角をαとするとき、燃料噴射弁３０による噴霧角βは、０．４α≦β≦αである。具体的には、燃料噴射弁３０による噴霧角βは、１２ｄｅｇ以上３０ｄｅｇ以下である。このような構成によれば、燃料噴霧流Ｆは、キャビティ１３２の壁面１３６との間で空気を好適に圧縮することができるため、噴射方向Ｄとは反対方向に向かう空気流Ａを好適に誘起することができる。
【００７４】
［１０］本実施形態において、燃料噴射弁３０は、同心円上に配置された複数の噴孔３１を有する。これにより、各噴孔３１から噴霧される燃料噴霧流Ｆ同士の間の距離を小さくすることができる。すると、燃料噴霧流Ｆの周囲に形成される空気流Ａがお互いに干渉し合うことにより、大規模な渦構造が形成され、燃料噴霧流Ｆの前進がより好適に抑制される。また、燃料噴霧流Ｆと空気との混合が促進されることにより、酸欠による燃焼状態の悪化を回避することができる。
【００７５】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態による燃料噴射装置１０について、図２４および図２５を参照して説明する。第２実施形態では、噴射制御部４２が噴射方式の切り替えを短縮および追加している点が第１実施形態と異なる。
【００７６】
噴射１回分の燃料量が多い場合（高負荷）には、空気不足により全ての燃料を中心燃焼させることができない可能性がある。無理に中心燃焼させようとすると、未燃のまま燃料が残るため、燃焼効率は悪化する。よって、第２実施形態では、可能な限りの燃料を最初に中心燃焼させた後、残りの燃料を燃焼室１２の内周面１２６に近い側で燃焼させることを目的とする。
具体的には、噴射制御部４２は、燃料噴射弁３０が設定値Ｒｓ以上の燃料噴射率で燃料を噴射した後に継続して設定値Ｒｓよりも小さい燃料噴射率で燃料を噴射するように、燃料噴射弁３０の１噴射間の噴射方式を切り替える。
【００７７】
噴射制御部４２が行う処理について、図２４のフローチャートに基づき説明する。噴射制御部４２は、例えばエンジン１の始動と共に処理を開始する。
まず、第１実施形態と同様のステップ１０１からステップ１０５までの処理を行わず、短縮する。ステップ１０６からステップ１０８まで、第１実施形態と同様の処理を行う。
次に、ステップ１２０において、１気筒当たりの噴射燃料体積Ｑが所定値Ｑｓ以下であるか否かを判断する。所定値Ｑｓは、中心燃焼が可能な燃料量の最大値である。
ステップ１２０において、１気筒当たりの噴射燃料体積Ｑが所定値Ｑｓ以下である場合、第１実施形態と同様に、ステップ１０９からステップ１１１までのフローを行う。これにより、燃料噴射弁３０は、設定値Ｒｓ以上の燃料噴射率で燃料を噴射し、着火時期よりも前に当該噴射を終了する。
【００７８】
一方、ステップ１２０において、１気筒当たりの噴射燃料体積Ｑが所定値Ｑｓよりも大きい場合、処理はステップ１２１に移行する。
ステップ１２１において、ステップ１０８で決定した噴射差圧Δｐの値を使用し、以下の式（４）に基づいて、噴射期間Δｔ［ｍｓ］を算出する。
【数５】
2017002888.tif 000007
これにより、所定値Ｑｓ分の燃料について、設定値Ｒｓ以上の燃料噴射率で燃料を噴射するための噴射期間Δｔが求められる。
【００７９】
次に、ステップ１２２では、ステップ１１０と同様、ステップ１２１に算出された噴射期間Δｔに基づいて、噴射開始時期を決定する。
次に、ステップ１２３では、これまでのステップ１０８、ステップ１２１、ステップ１２２により求められた噴射差圧Δｐ、噴射期間Δｔ、および、噴射開始時期に基づいて、燃料噴射弁３０の制御を開始する。これにより、燃料噴射弁３０は、所定値Ｑｓ分の燃料について、設定値Ｒｓ以上の燃料噴射率で燃料を噴射し、着火時期よりも前に当該噴射を終了する。
【００８０】
次に、ステップ１２４では、噴射方式を切り替え、燃料噴射弁３０が残りの燃料の噴射を引き続き噴射するように制御する。
噴射方式の切り替えは、燃料噴射弁３０の噴射差圧Δｐを減少させることによって行ってもよいし、燃料噴射弁３０の噴射を行う噴孔３１の数を減少させることによって行ってもよい。これにより、設定値Ｒｓよりも小さい燃料噴射率で、残りの燃料を噴射することができる。なお、噴射方式の切り替え後における燃料の燃料噴射率は１１５ｍｍ3／ｍｓ以下であることが好ましい。
【００８１】
例えば、図２５（ａ）（ｂ）では、噴射を行う噴孔３１の数を１２個から４個に減らす場合を示している。噴射方式の切り替え後の燃料噴射率は、切り替え前の１／３程度に減少する。なお、燃料噴射弁３０は、噴射を行う噴孔３１の数を切り替えるための構成を有しているものとする。
【００８２】
噴射初期、図２５（ａ）に示すように、燃料噴霧流Ｆは燃焼室１２の内周面１２６にまで到達せず、燃焼室１２の中央部分で燃焼が行われる。噴射方式の切り替え後、燃料噴霧流Ｆは燃焼室１２の内周面１２６にまで到達し、燃焼室１２内の外側部分で燃焼が行われる。
【００８３】
第２実施形態によれば、空気不足により全ての燃料を中心燃焼させることができない場合、可能な限りの燃料を最初に中心燃焼させた後、残りの燃料を燃焼室１２の内周面１２６に近い側で燃焼させることができる。これにより、燃焼効率の悪化を防止しつつ、冷却損失を低減することができる。
【００８４】
（その他実施形態）
（ｉ）図２６に示すように、第１〜第４燃焼領域６１〜６４は、予め設定された基準温度Ｔｃよりも高い温度となるように設定してもよい。基準温度Ｔｃは、例えば、燃料噴射弁が開弁する前における燃焼室の温度または燃焼室の体積と、燃料噴射弁が開弁した後から所定の時刻までの燃焼室内の熱量とによって算出される。燃焼噴射変更部は、燃焼室において基準温度Ｔｃよりも高い値に設定されている領域を分割してもよい。本実施形態の燃焼室の分割における燃焼領域は、二酸化炭素基準濃度ＪCO2または水蒸気基準濃度ＪH2Oよりも大きい値に設定されている領域に限定されない。
【００８５】
（ｉｉ）図２７に示すように、燃料噴射変更部は、燃焼室１２の中心Ｏから燃焼室１２の周方向に向かって、燃焼室１２の領域を４つの領域に分割してもよい。図２７において、中心Ｏとする反時計回りに第１〜第４燃焼領域１６１〜１６４が順に設けられている。また、第１〜第４燃焼領域６１〜６４は、仮想線Ｉｄと仮想線Ｉｅとで区画形成されている。
【００８６】
（ｉｉｉ）図２８に示すように、燃料噴射変更部は、燃焼室１２の軸方向において、燃焼室１２の領域を４つの領域に分割してもよい。図２７において、燃料噴射弁３０からピストン冠面１３０に向かって、第１〜第４燃焼領域２６１〜２６４が順に設けられている。また燃焼室１２、仮想線Ｉｆ、仮想線Ｉｇおよび仮想線Ｉｈによって区画形成されている。
（ｉｖ）図２９に示すように、燃料噴射変更部は、任意の領域において、複数の第１〜第８燃焼領域３６１〜３６４に燃焼室１２の領域を分割してもよい。分割される燃焼室１２の領域によらず、第１実施形態と同様の効果を奏する。
【００８７】
（ｖ）燃料噴射率の設定値Ｒｓは、２９０ｍｍ3／ｍｓであるが、本発明はこれに限られず、燃料噴射弁３０から噴霧される燃料噴霧流Ｆが噴射方向Ｄとは反対方向に向かう空気流Ａを誘起する値に設定されていればよい。この値は実験やシミュレーション等によって求めることができる。
【００８８】
（ｖｉ）燃料噴射弁３０は、燃焼室１２の径方向中心部に配置されているが、厳密な径方向中心に位置せずともよい。燃焼室１２の径方向内側から径方向外側に向かって燃料を噴射する燃料噴射弁であれば好適に利用できる。また、ピストン冠面１３０の形状は、リエントラント型に限られず、燃料が噴射される側にキャビティを有するものであればよい。
【００８９】
（ｖｉｉ）燃料噴霧流Ｆの到達位置は、噴孔３１からキャビティ１３２の壁面までの最大距離Ｌｍａｘの１／２以下の範囲に設定されているが、本発明はこれに限定されない。他の範囲に設定する場合、式（２）のＬｍａｘの乗数である１／２を、１以下の他の正の数に変更すればよい。
【００９０】
（ｖｉｉｉ）燃料噴射弁３０の噴孔３１の数や配置等は、本実施形態に限られない。例えば、燃料噴射弁３０がより多くの数の噴孔３１を有する場合、２つ以上の同心円状上に噴孔３１が互い違いに配置されていてもよい。
【００９１】
（ｉｘ）燃料噴射装置は、ＮＯｘ量を用いてＨＣ量を推定し、熱効率ηを用いて燃費を算出してもよい。また、筒内圧力Ｐのクランク角θにおける変化率ｄＰ／ｄθを算出し、変化率ｄＰ／ｄθを用いて振動または騒音を推定してもよい。本実施形態における燃料噴射装置は、ＮＯｘ量、筒内最高圧力Ｐｍａｘおよび熱効率ηの少なくとも１つが予め設定された値となるように、内燃機関に用いられることに限定されない。本実施形態における燃料噴射装置は、ＮＯｘ量、筒内最高圧力Ｐｍａｘ、熱効率η、ＨＣ量、振動騒音または燃費の少なくとも１つが予め設定された値となるように用いてもよい。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。
【符号の説明】
【００９２】
１  ・・・内燃機関、
１２  ・・・燃焼室、
１５  ・・・シリンダ、
１６  ・・・シリンダヘッド、
１８  ・・・排気弁、
３０  ・・・燃料噴射弁、
６０  ・・・燃料噴射変更部、
６１〜６４  ・・・燃焼領域、
１３０  ・・・ピストン冠面、
１３２  ・・・キャビティ。
【図１】
2017002888.tif 000010
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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