JP7124734B2 - 圧縮着火エンジンの制御装置 - Google Patents

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Description

ここに開示する技術は、圧縮着火エンジンの制御装置に関する。
特許文献1には、ピストンに第1のキャビティと第2のキャビティと突部とが設けられたディーゼルエンジンが記載されている。
燃料噴射ノズルから噴出された燃料噴霧は、突部によって、第1のキャビティと第2のキャビティとに分配される。いわゆる二段キャビティを有するエンジンは、空気利用率を高くすることができるから、このエンジンは、燃費の向上、及び、排出ガスのクリーン化に有利である。
特開2010-101243号公報
本願出願人は、圧縮着火エンジンにおいて、プレ燃焼の熱発生とメイン燃焼の熱発生とが滑らかに連続することによってクランク角の進行に対する熱発生率の変化が一山になった急速多段燃焼を実現している。急速多段燃焼は、少なくとも一のパイロット噴射とメイン噴射とを行うことにより実現することができる。急速多段燃焼は、燃焼騒音が増大することを抑制しながら、熱効率の向上とエミッション性能の向上とを図ることができる。圧縮着火エンジンが急速多段燃焼を行うことによって、当該エンジンが搭載された自動車は、高い静粛性、低燃費及び排出ガスのクリーン化を実現することができる。
本願発明者らは、二段キャビティを有する圧縮着火エンジンにおいて急速多段燃焼を行おうとしている。燃料噴射弁が噴射した燃料噴霧が、上キャビティと下キャビティとの間のリップ部によって、上キャビティと下キャビティとのそれぞれに所定の割合で分配されると、急速多段燃焼を実現することができる。二段キャビティを有する圧縮着火エンジンにおいて急速多段燃焼を実現すると、当該エンジンが搭載された自動車は、低燃費及び排出ガスのクリーン化がさらに向上する。
しかしながら、エンジンの回転数、及び/又は、エンジンの負荷が変化すると、燃焼室へ噴射される総燃料量及び噴射圧、並びに、燃焼室内の圧力が変化する。そのため、エンジンの回転数、及び/又は、エンジンの負荷が変化すると、燃料噴射弁が燃焼室内へ噴射した燃料噴霧の特性(例えばペネトレーション)や、燃焼室内の環境(例えば圧力)が変わる。燃料噴霧の特性及び燃焼室内の環境が変わることによって、上キャビティと下キャビティとの燃料の分配割合が変わってしまう。その結果、急速多段燃焼が実現しなくなる。つまり、二段キャビティを有するエンジンにおいて急速多段燃焼を行おうとしても、ごく限られた運転状態でしか、急速多段燃焼を実現することができない。
ここに開示する技術は、二段キャビティを備えた圧縮着火エンジンにおいて、エンジンの運転状態が変わっても、上キャビティ及び下キャビティへの燃料の分配割合を維持する。
ここに開示する圧縮着火エンジンの制御装置は、エンジンのシリンダに内挿されかつ、前記シリンダ内を往復移動するピストンと、前記シリンダ及び前記ピストンによって形成される燃焼室の天井面に配設されかつ、噴射軸に沿って燃料噴霧を噴射する燃料噴射弁と、前記エンジンに取り付けられかつ、前記エンジンの排気エネルギによって吸気を過給するターボ過給機と、前記エンジンの運転に関する各種パラメータに応じた計測信号を出力する計測部と、前記計測部の計測信号を受けかつ、前記エンジンの回転数及び負荷によって定まる運転状態に応じて、前記燃料噴射弁に制御信号を出力する制御部と、一燃焼サイクル中に前記燃焼室へ噴射する燃料の総噴射量が増えると、燃料の噴射圧を高くする噴射圧変更部と、を備える。
前記ピストンは、その頂面の径方向中央部に設けられた下キャビティと、前記下キャビティの周囲に設けられかつ、前記下キャビティよりも浅い上キャビティと、前記下キャビティと上キャビティとの間のリップ部と、を有し、前記制御部は、前記エンジンが第1状態、及び、前記第1状態よりも回転数が高い第2状態で運転している場合は、前記燃料噴射弁に、圧縮上死点付近で行うメイン噴射と、圧縮行程中に行う、少なくとも一のパイロット噴射とを実行させ、前記メイン噴射及びパイロット噴射はそれぞれ、噴射期間の少なくとも一部において前記噴射軸が前記リップ部を指向することにより、燃料噴霧が前記下キャビティと前記上キャビティとのそれぞれに分配され、前記制御部は、前記パイロット噴射の回数を、前記エンジンが前記第2状態で運転している場合は、前記第1状態で運転している場合よりも減らし、前記制御部は、前記エンジンが前記第2状態で運転している場合は、前記第1状態で運転している場合と比較して、同タイミングで噴射する前記パイロット噴射の噴射量を増やす。
このエンジンの燃焼室は、二段キャビティを有している。このエンジンは、第1状態及び第2状態で運転している場合は、少なくとも一のパイロット噴射とメイン噴射とを行う。パイロット噴射の燃料噴霧は、上キャビティ及び下キャビティのそれぞれに分配され、メイン噴射の燃料噴霧も、上キャビティ及び下キャビティのそれぞれに分配される。このエンジンは、第1状態及び第2状態で運転している場合に、急速多段燃焼を実現することができる。
エンジンの回転数が高くなると、ターボ過給機の過給圧が高くなって燃焼室内の圧力が高くなる。燃焼室内の圧力が高いと、燃料噴霧は飛びにくくなる。燃料噴霧が飛びにくいと、ピストンのリップ部に到達するまでの時間が長い。尚、圧縮着火エンジンは、回転数が高くなると、総噴射量が増える。
これとは逆に、エンジンの回転数が低くなると、過給圧が低くなって燃焼室内の圧力が低くなる。燃焼室内の圧力が低いと、燃料噴霧は飛びやすくなる。尚、圧縮着火エンジンは、回転数が低くなると、総噴射量が減る。
エンジンが第2状態で運転している場合は、回転数が相対的に高い。燃焼室内の圧力が高いため、燃料噴霧は飛びにくい。特にパイロット噴射は、主噴射に比べて噴射量が少ないため、パイロット噴射の燃料噴霧は飛びにくい。パイロット噴射の燃料噴霧が飛びにくいと、燃料噴射弁に近づきつつあるピストンのリップ部における、下キャビティに近い部分に燃料噴霧が当たる。下キャビティへの燃料の分配が多くなり、上キャビティへの燃料の分配が少なくなる。
エンジンが第1状態で運転している場合は、回転数が相対的に低い。燃焼室内の圧力が低いため、パイロット噴射の燃料噴霧は飛びやすい。パイロット噴射の燃料噴霧が飛びやすいと、燃料噴射弁に近づきつつあるピストンのリップ部における、上キャビティに近い部分に燃料噴霧が当たる。下キャビティへの燃料の分配が少なくなり、上キャビティへの燃料の分配が多くなる。
エンジンが第2状態で運転している場合に、パイロット噴射の燃料噴霧の上キャビティと下キャビティとの分配割合は、エンジンが第1状態で運転している場合に対して、大きくずれる恐れがある。
そこで、制御部は、エンジンが第2状態で運転している場合は、パイロット噴射の燃料噴霧の上キャビティへの分配割合が、エンジンが第1状態で運転している場合よりも多くなるようにする。具体的には、同タイミングで噴射するパイロット噴射の噴射量を増やす。パイロット噴射の噴射量が増えると、燃料噴霧のペネトレーションが高くなる。パイロット噴射の燃料噴霧は、燃焼室内の高い圧力に打ち勝ってリップ部に速やかに到達し、リップ部における、上キャビティに近い部分に燃料噴霧が当たる。上キャビティへの燃料の分配が多くなる。パイロット噴射の燃料噴霧の上キャビティ及び下キャビティへの燃料の分配割合は、エンジンが第1状態で運転している場合も、第2状態で運転している場合も同等、又は、ほぼ同等になる。
メイン噴射は、パイロット噴射よりも噴射量が多いため、燃料噴霧のペネトレーションは比較的高い。エンジンが第2状態で運転していて燃焼室内の圧力が高くても、メイン噴射の燃料噴霧は、燃焼室内の高い圧力に打ち勝ってリップ部に速やかに到達する。メイン噴射の燃料噴霧の上キャビティ及び下キャビティへの燃料の分配割合は、エンジンが第1状態で運転している場合も、第2状態で運転している場合も同等、又は、ほぼ同等になる。
よって、エンジンの回転数が変わっても、パイロット噴射及びメイン噴射の燃料噴霧の、上キャビティ及び下キャビティへの分配割合は所定の割合のままになる。エンジンの回転数が変わっても急速多段燃焼を実現することができる。このエンジンを搭載した自動車は、高い静粛性、低燃費及び排出ガスのクリーン化を実現することができる。
前述した構成は、第1状態のエンジン負荷及び第2状態のエンジン負荷が、共に、所定負荷よりも高く、一燃焼サイクル中に燃焼室へ噴射する燃料の総噴射量が相対的に多い場合に特に有効である。
パイロット噴射の回数を減らすことによって、パイロット噴射一回あたりの噴射量を増やすことができる。
前記制御部は、前記エンジンが前記第2状態で運転している場合は、前記第1状態で運転している場合よりも、最初の前記パイロット噴射の時期を遅くする、としてもよい。
パイロット噴射の回数が少ない場合に最初のパイロット噴射の時期を遅くすると、パイロット噴射とメイン噴射との間隔が狭くなる。この構成は、プレ燃焼とメイン燃焼とが連続した急速多段燃焼が実現する。
前記制御部は、前記エンジンが前記第1状態で運転している場合は、前記メイン噴射を、圧縮上死点後の特定期間において実行させ、前記エンジンが前記第2状態で運転している場合は、前記メイン噴射を、圧縮上死点後の前記特定期間において実行させる、としてもよい。
エンジンの回転数の高低に関わらず、メイン噴射の時期は、圧縮上死点後の特定期間にする。メイン噴射の時期が変わらないため、エンジンは高い熱効率を維持することができる。この構成は、自動車の燃費の向上に有利である。
前記下キャビティは、前記上キャビティよりも容積が大きい、としてもよい。
メイン噴射の噴射量が増えると、燃料噴霧のペネトレーションが高くなる。燃料噴霧のペネトレーションが高くなると、燃料噴霧がリップ部に到達するまでの時間が短くなるから、下キャビティに分配される燃料が多くなる。メイン噴射の噴射量が増えた場合に、燃料は、下キャビティの多量の酸素を利用して燃焼することができる。このエンジンは、空気利用率が向上する。自動車の燃費性能が向上しかつ、排出ガスがクリーンになる。
以上説明したように、前記の圧縮着火エンジンの制御装置は、エンジンの回転数が変わっても、上キャビティ及び下キャビティへの燃料の分配割合が変わらない。
図1は、ディーゼルエンジンシステムの構成例を示す図である。 図2は、ディーゼルエンジンシステムの制御構成例を示すブロック図である。 図3は、ディーゼルエンジンのピストンの頂面部分を例示する斜視図である。 図4は、ピストンの断面付きの斜視図である。 図5は、図4に示すピストン断面の拡大図である。 図6は、インジェクタが噴射した燃料噴霧の流れを説明するための、ピストンの断面図である。 図7は、ディーゼルエンジンの運転マップの一部を例示する図である。 図8は、クランク角の進行に対する熱発生率の変化を例示する図である。 図9は、各領域における燃料噴射パターンを例示する図である。 図10は、領域Bにおける燃料噴射パターンと、各噴射における上キャビティと下キャビティとの燃料の分配割合とを例示する図である。 図11は、領域Cにおける燃料噴射パターンと、各噴射における上キャビティと下キャビティとの燃料の分配割合とを例示する図である。 図12は、領域Dにおける燃料噴射パターンと、各噴射における上キャビティと下キャビティとの燃料の分配割合とを例示する図である。 図13は、領域Aにおける燃料噴射パターンと、各噴射における上キャビティと下キャビティとの燃料の分配割合とを例示する図である。 図14は、領域Eにおける燃料噴射パターンと、各噴射における上キャビティと下キャビティとの燃料の分配割合とを例示する図である。 図15Aは、ECUが実行する燃料噴射に係る制御手順の一部を例示するフローチャートである。 図15Bは、ECUが実行する燃料噴射に係る制御手順の一部を例示するフローチャートである。
以下、圧縮着火エンジンの制御装置の実施形態について、図面を参照しながら説明する。以下で説明する圧縮着火エンジンの制御装置は例示である。
(エンジンシステムの全体構成)
図1は、エンジンシステムの全体構成を例示する図である。エンジンシステムは、四輪の自動車に搭載される。エンジンシステムは、エンジン1と、吸気通路30と、排気通路40と、排気浄化装置41と、EGR装置44と、ターボ過給機47と、を備えている。
エンジン1は、軽油を主成分とした燃料が供給されるディーゼルエンジンである。燃料は圧縮着火によって燃焼する。エンジン1が運転することによって、自動車は走行する。エンジン1は、シリンダブロック11と、シリンダヘッド12と、オイルパン13とを有している。シリンダブロック11には、複数のシリンダ11a(図1においては、一つのみ図示)が設けられている。シリンダヘッド12は、シリンダブロック11の上に配設されている。オイルパン13は、シリンダブロック11の下に配設されている。オイルパン13には、潤滑油が貯留している。
各シリンダ11aには、ピストン5が内挿されている。ピストン5は、シリンダ11a内を往復動する。ピストン5は、コンロッド14を介してクランクシャフト15につながっている。ピストン5と、シリンダ11aと、シリンダヘッド12とは、燃焼室6を形成する。
図3に示すように、ピストン5の頂面59にはキャビティ50が形成されている。キャビティ50の形状の詳細は、後述する。
エンジン1には、クランク角センサSN1及び水温センサSN2が取り付けられている。クランク角センサSN1は、クランクシャフト15の回転に応じた計測信号を出力する。水温センサSN2は、シリンダブロック11及びシリンダヘッド12内を流れる冷却水の温度に応じた計測信号を出力する。
シリンダヘッド12には、シリンダ11a毎に吸気ポート16及び排気ポート17が形成されている。吸気ポート16には、燃焼室6の開口を開閉する吸気弁21が配設されている。排気ポート17には、燃焼室6の開口を開閉する排気弁22が配設されている。
シリンダヘッド12には、吸気動弁機構23及び排気動弁機構24が配設されている。吸気動弁機構23は、クランクシャフト15の回転に同期して吸気弁21を開閉する。排気動弁機構24は、クランクシャフト15の回転に同期して排気弁22を開閉する。吸気動弁機構23は、吸気弁21の開閉時期を連続的に変更することができる吸気S-VT(Sequential-Valve Timing)を有している。排気動弁機構24は、排気弁22の開閉時期を連続的に変更することができる排気S-VTを有している。
シリンダヘッド12には、インジェクタ18が取り付けられている。インジェクタ18は、燃焼室6内へ燃料噴霧を噴射する燃料噴射弁である。インジェクタ18は、シリンダ11a毎に取り付けられている。
各インジェクタ18は、図示を省略する燃料供給管を介して、蓄圧用コモンレールに接続されている。コモンレールは、図外の燃料ポンプによって加圧された高圧の燃料を貯留する。コモンレール内で蓄圧された燃料が各シリンダ11aのインジェクタ18に供給されることにより、インジェクタ18は高圧(例えば50~250MPa)の燃料を、燃焼室6内へ噴射する。燃料ポンプとコモンレールとの間には、インジェクタ18が噴射する燃料の圧力(つまり、噴射圧)を変更するための、燃圧レギュレータ19が設けられている(図2参照)。燃圧レギュレータ19は、一燃焼サイクル中に燃焼室6へ噴射する燃料の総噴射量が増えると、噴射圧を高くする。燃圧レギュレータ19は、噴射圧変更部の一例である。
吸気通路30は、エンジン1の一側面に接続されている。吸気通路30は、各シリンダ11aの吸気ポート16に連通している。吸気通路30は、各燃焼室6へ空気を導く。排気通路40は、エンジン1の他側面に接続されている。排気通路40は、各シリンダ11aの排気ポート17に連通している。排気通路40は、各燃焼室6から排出された排気を自動車の外へ導く。
吸気通路30の上流端部には、エアクリーナ31が配設されている。エアクリーナ31は、吸気中の異物を除去する。吸気通路30の下流端部には、サージタンク33が設けられている。
吸気通路30におけるエアクリーナ31とサージタンク33との間には、上流から順に、ターボ過給機47のコンプレッサ48と、吸気絞り弁32と、インタークーラ35とが配設されている。インタークーラ35は、コンプレッサ48が圧縮した空気を冷却する。吸気絞り弁32は、空気量を調節する。吸気絞り弁32は、基本的に全開である。
吸気通路30には、エアフローセンサSN3、吸気温センサSN4、吸気圧センサSN5及び吸気OセンサSN6が配設されている。
エアフローセンサSN3は、エアクリーナ31の下流に配設されている。エアフローセンサSN3は、当該箇所を通過する吸気の流量に応じた計測信号を出力する。
吸気温センサSN4は、インタークーラ35の下流に配置されている。吸気温センサSN4は、当該箇所を通過する吸気の温度に応じた計測信号を出力する。
吸気圧センサSN5及び吸気OセンサSN6はそれぞれ、サージタンク33の近傍に配設されている。吸気圧センサSN5は、当該箇所における吸気の圧力に応じた計測信号を出力する。吸気OセンサSN6は、当該箇所における吸気の酸素濃度に応じた計測信号を出力する。
尚、図1には図示していないが、エンジンシステムは、インジェクタ18の噴射圧に応じた計測信号を出力する噴射圧センサSN7を有している(図2参照)。
排気通路40には、上流側から順に、ターボ過給機47のタービン49と、排気浄化装置41とが配設されている。
ターボ過給機47のコンプレッサ48とタービン49とは、互いに連結されている。コンプレッサ48とタービン49とは一体に回転する。タービン49は、排気の流体エネルギによって回転する。タービン49が回転すると、コンプレッサ48が回転する。コンプレッサ48は、吸気を圧縮する。
排気浄化装置41は、排気中の有害成分を浄化する。排気浄化装置41は、酸化触媒42と、ディーゼルパティキュレートフィルタ(以下、DPFという)43とを有している。酸化触媒42は、排気中のCO及びHCが酸化されることによってCO及びHOが生成する反応を促す。DPF43は、排気中の煤等の微粒子を捕集する。
排気通路40には、排気OセンサSN8及び差圧センサSN9が配設されている。排気OセンサSN8は、タービン49と排気浄化装置41との間に配設されている。排気OセンサSN8は、当該箇所を通過する排気の酸素濃度に対応する計測信号を出力する。差圧センサSN9は、DPF43の上流端と下流端との差圧に対応する計測信号を出力する。
EGR装置44は、排気の一部(つまり、EGRガス)を吸気通路30に還流する。EGR装置44は、EGR通路45と、EGR弁46とを有している。EGR通路45は、吸気通路30と排気通路40とをつないでいる。より詳細に、EGR通路45は、排気通路40におけるタービン49よりも上流部分と、吸気通路30におけるインタークーラ35とサージタンク33との間の部分とをつないでいる。EGR弁46は、EGR通路45の途中に設けられている。EGR弁46は、EGRガスの還流量を調整する。尚、図示は省略するが、EGR通路45には、EGRガスをエンジン冷却水によって冷却するEGRクーラが配設されている。
(エンジンの制御装置の構成)
図2は、エンジンシステムの制御構成を例示するブロック図である。エンジンシステムは、エンジン1を制御するエンジンコントロールユニット(以下、ECUという)10を備えている。ECU10は、制御部の一例である。ECU10は、マイクロコンピュータ101、メモリ102、及び、I/F回路103を有している。マイクロコンピュータ101は、プログラムを実行する中央演算処理装置(CPU)を含む。メモリ102は、例えばRAM(Random Access Memory)やROM(Read Only Memory)により構成される。メモリ102は、プログラム及びデータを記憶する。I/F回路は、電気信号の入出力を行う。
ECU10は、自動車に搭載されている各センサの計測信号を受ける。自動車には、前述したクランク角センサSN1、水温センサSN2、エアフローセンサSN3、吸気温センサSN4、吸気圧センサSN5及び吸気OセンサSN6、噴射圧センサSN7、排気OセンサSN8、及び、差圧センサSN9の他に、アクセル開度センサSN10、大気圧センサSN11、外気温センサSN12が搭載されている。アクセル開度センサSN10は、アクセルペダルの踏み込み量に応じた計測信号を出力する。大気圧センサSN11は、自動車の走行環境下における大気圧に応じた計測信号を出力する。外気温センサSN12は、自動車の走行環境下における気温に応じた計測信号を出力する。
ECU10は、各センサSN1~SN12の計測信号に基づいてエンジン1の運転状態を判断し、インジェクタ18、燃圧レギュレータ19、吸気絞り弁32、及び、EGR弁46へ制御信号を出力する。これによりエンジン1が運転する。
インジェクタ18の制御に関して、ECU10は、燃料噴射制御部71を有している。燃料噴射制御部71は、ECU10の機能ブロックの一つである。燃料噴射制御部71は、所定のプログラムが実行されることによって、運転状態判断部72、噴射パターン選択部73、及び、噴射設定部74を機能的に具備するよう動作する。
運転状態判断部72は、クランク角センサSN1の計測信号に基づくエンジン回転数、及び、アクセル開度センサSN10の計測信号に基づくエンジン負荷から、エンジン1の運転状態を判断する。運転状態判断部72はまた、詳細は後述するが、エンジン1の運転状態が、急速多段燃焼領域内にあるか、通常燃焼領域内にあるかの判断を行うと共に、エンジン1の運転状態が、急速多段燃焼領域内における領域A~Eのどの領域内にあるかの判断を行う(図7参照)。
噴射パターン選択部73は、詳細は後述するが、運転状態判断部72が判断した運転状態に対応する噴射パターンを選択する。エンジン1の運転状態が急速多段燃焼領域内にある場合、噴射パターンは、少なくとも一のパイロット噴射と、メイン噴射と、少なくとも一のアフター噴射とを含む(図9参照)。
噴射設定部74は、エンジンの運転状態に基づいて、一燃焼サイクル中に燃焼室6内へ噴射する総噴射量及び噴射圧を設定すると共に、噴射パターン選択部73が選択した噴射パターンに応じて、各噴射の噴射量及び噴射タイミングを設定する。噴射設定部74の設定に従って、ECU10がインジェクタ18に制御信号を出力することにより、インジェクタ18は、設定された噴射圧で、設定された時期に、設定された量の燃料を、燃焼室6内へ噴射する。
(ピストンの構造)
次に、図3~5を参照しながら、ピストン5の構造について説明する。図3は、ピストン5の上部を主に示す斜視図である。図4は、ピストン5の断面付きの斜視図である。図5は、図4に示す断面の拡大図である。尚、図3及び図4において、シリンダ11aの軸方向X及びシリンダ11aの径方向Yを矢印で示している。
ピストン5は、キャビティ50、周縁平面部55及び側周面56を含む。燃焼室6を形成する壁面の一部は、ピストン5の頂面59である。キャビティ50は、ピストン5の頂面59に設けられている。キャビティ50は、軸方向Xにおいて頂面59が下方に凹陥した部分である。キャビティ50は、インジェクタ18が噴射した燃料噴霧を受ける。周縁平面部55は、頂面59において径方向Yの外周縁付近の領域に配置された環状の平面部である。キャビティ50は、周縁平面部55を除く頂面の径方向Yの中央領域に設けられている。側周面56は、シリンダ11aの内壁面と摺接する面である。
キャビティ50は、下キャビティ部51、上キャビティ部52、リップ部53及び山部54を含む。燃焼室6は、いわゆる二段キャビティを有している。以下において詳述するように、下キャビティ部51及び上キャビティ部52はそれぞれ、断面が卵状の壁面を有している。このキャビティ50の形状は、二段エッグシェイプ形状と呼ぶことができる。
下キャビティ部51は、頂面59の径方向Yの中心領域に配置された凹部である。上キャビティ部52は、頂面59における下キャビティ部51の周囲に配置された、環状の凹部である。リップ部53は、下キャビティ部51と上キャビティ部52とをつなぐ部分である。山部54は、ピストン5の径方向の中心位置に配置された凸部である。山部54は、インジェクタ18の直下に位置している。
下キャビティ部51の容積は、上キャビティ部52の容積よりも大きい。下キャビティ部51と上キャビティ部52との容積比は、所定の容積比に設定されている。この構成例において、下キャビティ部51と上キャビティ部52との容積比は、70:30である。
下キャビティ部51は、第1上端部511、第1底部512、第1内側端部513、及び、径方向窪み部514を含む。
第1上端部511は、下キャビティ部51において最も高い位置にあり、リップ部53に連続する。第1底部512は、下キャビティ部51において最も凹没した領域である。キャビティ50の全体としても、この第1底部512は最深部であり、下キャビティ部51は、第1底部512において軸方向Xに所定の深さ(第1の深さ)を有している。第1底部512は、上面視で環状である。第1底部512は、リップ部53に対して径方向Yの内側に近接した位置にある。
径方向窪み部514は、第1上端部511と第1底部512との間をつないでいる。径方向窪み部514は、径方向Yの外側に湾曲している。径方向窪み部514は、リップ部53よりも径方向Yの外側に窪んだ部分を有している。第1内側端部513は、下キャビティ部51において径方向の最も内側の位置にあり、山部54の下端に連続する。第1内側端部513と第1底部512との間は、緩やかに湾曲した曲面でつながっている。
上キャビティ部52は、第2内側端部521、第2底部522、第2上端部523、テーパ領域524、及び、立ち壁領域525を含む。
第2内側端部521は、上キャビティ部52において径方向の最も内側の位置にあり、リップ部53に連続する。第2底部522は、上キャビティ部52において最も凹没した領域である。第2底部522は、軸方向Xに、第1底部512よりも上に位置している。上キャビティ部52は、下キャビティ部51よりも浅い。第2上端部523は、上キャビティ部52において最も高い位置であって径方向の最も外側に位置している。第2上端部523は周縁平面部55に連続する。
テーパ領域524は、第2内側端部521から第2底部522に向けて伸びかつ、径方向外側へ先下がりに傾斜した面形状を有する部分である。図5に示されているように、テーパ領域524は、径方向Yに伸びる水平ラインC1に対して傾き角αで交差する傾斜ラインC2に沿った傾きを有している。
立ち壁領域525は、第2底部522よりも径方向外側において、比較的急峻に立ち上がるように形成された壁面である。径方向Yの断面形状において、第2底部522から第2上端部523にかけて、上キャビティ部52の壁面が水平方向から上方向へ向かうように湾曲された曲面とされている。立ち壁領域525は、第2上端部523の近傍において垂直壁に近い壁面とされている部分である。立ち壁領域525の上端位置に対して、立ち壁領域525の下方部分は、径方向Yの内側に位置している。これにより、詳細は後述するが、混合気が燃焼室6の径方向Yの内側へ戻りすきないようにしかつ、立ち壁領域525よりも径方向外側の空間(つまり、スキッシュ領域)も有効に活用した燃焼を行うことができる。
リップ部53は、径方向Yの断面形状において、下キャビティ部51と上キャビティ部52との間で、径方向内側にこぶ状に突出する形状を有している。リップ部53は、下端部531及び第3上端部532と、これらの間の中央に位置する中央部533とを有している。下端部531は、下キャビティ部51の第1上端部511とつながる。第3上端部532は、上キャビティ部52の第2内側端部521につながる。
軸方向Xにおいて、下端部531はリップ部53の最も下方に位置する部分であり、第3上端部532は、リップ部53の最も上方に位置する部分である。テーパ領域524は、第3上端部532から第2底部522に向けて伸びる領域でもある。第2底部522は、第3上端部532よりも下方に位置している。つまり、上キャビティ部52は、第3上端部532よりも下方に窪んだ第2底部522を有している。上キャビティ部52は、第3上端部532から径方向Yの外側に水平に伸びる底面を有しているのではない。換言すると、第3上端部532から周縁平面部55までが水平面でつながっているのではない。
山部54は、上方に向けて突出しているが、その突出高さはリップ部53の第3上端部532の高さと同一又はほぼ同一である。山部54は、周縁平面部55よりも窪んだ位置にある。山部54は、下キャビティ部51の中心に位置している。下キャビティ部51は、山部54の周囲に形成された環状である。
(燃料噴霧の流れ)
次に、インジェクタ18が噴射した燃料噴霧の流れについて、図6を参照しながら説明する。図6は、燃焼室6の簡略的な断面図である。図6には、ピストン5のキャビティ50と、インジェクタ18と、インジェクタ18が噴射した燃料噴霧180の噴射軸AXと、燃料噴霧の流れを示す矢印F11、F12、F13、F21、F22、F23とが描かれている。
インジェクタ18は、燃焼室6の天井面61から、燃焼室6内へ下方に突出するノズル181を備えている。ノズル181は、シリンダ11aの径方向の中心に位置している。ノズル181は、噴射孔182を有している。インジェクタ18は、噴射孔182を通じて燃焼室6へ燃料噴霧180を噴射する。尚、図6では、一つの噴射孔182を示しているが、ノズル181は、実際は複数個の噴射孔182を有している。複数の噴射孔182は、ノズル181の周方向に等間隔で配設されている。燃料噴霧180は、噴射軸AXに沿って流れる。噴射軸AXは、各噴射孔182の孔軸と一致、又は、ほぼ一致する。噴射された燃料噴霧180は、噴霧角θをもって円錐状に拡散する。図6には、噴射軸AXに対する上方向への拡散を示す上拡散軸AX1と、下方向への拡散を示す下拡散軸AX2とが示されている。噴霧角θは、上拡散軸AX1と下拡散軸AX2とがなす角度である。
噴射孔182は、キャビティ50のリップ部53に向けて燃料を噴射することができる。つまり、ピストン5が特定の位置にあるタイミングにおいて、インジェクタ18が噴射孔182を通じて燃料噴霧を噴射することによって、噴射軸AXをリップ部53に指向させることができる。図6は、当該タイミングにおける噴射軸AXとキャビティ50との位置関係を示している。噴射孔182から噴射された燃料噴霧180は、リップ部53に当たる。
リップ部53に当たった燃料噴霧180は、その後、下キャビティ部51の方へ向かう燃料噴霧と、上キャビティ部52の方へ向かう燃料噴霧とに分かれる。
下キャビティ部51の方へ向かった燃料噴霧は、下キャビティ部51に存在する空気と混合しながら下キャビティ部51の面に沿って流れる。詳しくは、矢印F11の方向に向かう燃料噴霧は、リップ部53の下端部531から下キャビティ部51の径方向窪み部514へ入り込み、下向きに流れる。その後、燃料噴霧は、径方向窪み部514の湾曲に沿って、流れ方向を下方向から径方向Yの内側方向へと変え、矢印F12で示すように、第1底部512を有する下キャビティ部51の底面に沿って流れる。下キャビティ部51の底面は、山部54が存在していることにより径方向中央に向かってせり上げる形状を有している。矢印F12の方向に流れる燃料噴霧は、上方へと持ち上げられ、その後、矢印F13で示すように、径方向外側へ向かうように流れる。
一方、上キャビティ部52の方へ向かった燃料噴霧は、上キャビティ部52に存在する空気と混合しながら上キャビティ部52の面に沿って流れる。詳しくは、矢印F21の方向に向かう燃料噴霧は、リップ53部の第3上端部532から上キャビティ部52のテーパ領域524へと入り込み、テーパ領域524の傾きに沿って斜め下方に向かう。そして、矢印F22に示すように、燃料噴霧は第2底部522に至る。ここで、テーパ領域524は噴射軸AXに沿う傾きを有する面である。このため、燃料噴霧は、径方向外側へスムースに流れることができる。つまり、燃料噴霧は、テーパ領域524の存在、及び、リップ部53の第3上端部532よりも下方に位置する第2底部522の存在によって、燃焼室6の径方向外側の奥深い位置まで到達することができる。
その後、燃料噴霧は、第2底部522から立ち壁領域525の間の立ち上がり曲面によって上方へ持ち上げられ、燃焼室6の天井面61に沿って径方向内側へ向かうように流れる。燃料は、ピストン5の頂面59と燃焼室6の天井面61との間の空気も利用して燃焼することができる。ここで、立ち壁領域525は、その下方部分が上端位置に対して径方向Yの内側に位置する形状を有している。このため、矢印F22で示す流動は、過度に強くならず、燃料噴霧は、径方向Yの内側へ戻りすぎない。
また、図6に示す立ち壁領域525は、矢印F23で示す径方向Yの外側へ向かう流動も生成する。とりわけ、膨張行程では、逆スキッシュ流に牽引されることにより、矢印F23の流動が生じやすい。従って、燃焼後期には、立ち壁領域525よりも径方向外側のスキッシュ空間の空気も活用した燃焼が実現する。
二段キャビティを有する燃焼室6内の燃焼は、空気利用率が向上するから、煤の発生を抑制すると共に、エンジン1の燃費の向上に有利になる。
(エンジンの制御)
図7は、エンジン1の運転マップ70を例示している。運転マップ70は、ECU10のメモリ102に記憶されている。ECU10は、運転マップ70に従って、エンジン1を制御する。
エンジン1の運転マップ70は、エンジン回転数と、エンジン負荷とによって規定されている。運転マップ70は、通常燃焼領域と、急速多段燃焼領域とに区分される。急速多段燃焼領域は、エンジン1の運転領域の全体に対して、低回転の領域でかつ、低中負荷の領域である。尚、「低回転の領域」は、エンジン1の運転領域を、回転数の方向に、低回転領域と高回転領域とに二等分したときの低回転領域に相当する。また、「低中負荷の領域」は、エンジン1の運転領域を、負荷の方向に、低負荷領域、中負荷領域及び高負荷領域に三等分したときの、中負荷領域と低負荷領域の一部に相当する。低負荷領域の一部とは、低負荷領域内の、軽負荷領域を除いた領域である。
図8は、急速多段燃焼領域における熱発生率の波形を例示している。図8の横軸はクランク角であり、縦軸は熱発生率である。急速多段燃焼は、プレ燃焼の熱発生とメイン燃焼の熱発生とが滑らか連続することによって熱発生率の変化が一山になった燃焼である。尚、メイン燃焼は、エンジン1のトルクを発生させる燃焼である。プレ燃焼は、メイン燃焼に先立つ燃焼であって、燃料の着火性を高める燃焼である。急速多段燃焼は、熱発生率の立ち上がりが比較的急になるため、燃焼期間も短い。急速多段燃焼は、燃焼騒音の増大を抑制しながら、熱効率の向上とエミッション性能の向上とを図ることができる。エンジン1が急速多段燃焼を行うことによって、当該エンジン1が搭載された自動車は、高い静粛性、低燃費及び排出ガスのクリーン化を実現することができる。
急速多段燃焼領域は、図7に示すように、領域A~領域Eの五つの領域に区分されている。領域Bは、急速多段燃焼領域を、低負荷から高負荷の方向に、第1負荷領域、第2負荷領域、及び第3負荷領域に三等分したときの、第2負荷領域に相当する。領域Bは、急速多段燃焼領域における中央の負荷領域であり、ベースとなる領域である。
領域Aは、領域Bよりも負荷の低い領域である。領域Aはまた、領域Bよりも負荷の低い領域の内の、低回転の領域に相当する。領域Eは、領域Aと同様に、領域Bよりも負荷の低い領域である。領域Eはまた、領域Bよりも負荷の低い領域の内の、高回転の領域に相当する。つまり、領域Eは、領域Aよりも回転数が高い領域である。
領域Cは、領域Bよりも負荷の高い領域である。領域Cはまた、領域Bよりも負荷の高い領域の内の、低回転の領域に相当する。領域Dは、領域Cと同様に、領域Bよりも負荷の高い領域である。領域Dはまた、領域Bよりも負荷の高い領域の内の、高回転の領域に相当する。つまり、領域Dは、領域Cよりも回転数が高い領域である。
尚、領域Bは、急速多段燃焼領域における回転数の方向の全体に広がっている。
図9は、急速多段燃焼領域における燃料噴射パターンを例示している。図9の横軸はクランク角を示し、縦軸はインジェクタ18のリフト量を示している。図9における三角形の面積は、各噴射における噴射量に相当する。つまり、三角形の面積が大きいほど、噴射量が多い。また、図9に示す「高負荷」及び「低負荷」は、ベースである領域Bに対し、相対的に高負荷であること、及び、相対的に低負荷であることを意味する。「低回転」及び「高回転」は、領域Cと領域Dとを比較したときに、相対的に低回転であること、及び、相対的に高回転であることを意味すると共に、領域Aと領域Eとを比較したときに、相対的に低回転であること、及び、相対的に高回転であることを意味する。
エンジン1は、急速多段燃焼領域において、圧縮行程中に少なくとも一のパイロット噴射と、圧縮行程後の特定期間内にメイン噴射と、膨張行程中に少なくとも一のアフター噴射とを行う。
本願発明者らの検討によれば、二段キャビティを有している燃焼室6において急速多段燃焼を行う場合、下キャビティ部51と上キャビティ部52とのそれぞれに、容積比に対応した量の燃料を分配すれば、空気利用率を高めながら急速多段燃焼を実現することができる。燃料噴霧は、前述したように、リップ部53に当たって、下キャビティ部51と上キャビティ部52とに分配される。
ここで、急速燃焼領域においては、領域全体で熱発生率の波形を同じにしたい。そうすることにより、エンジン1の運転領域内の広い範囲にわたって、燃焼騒音の増大を抑制しながら、熱効率の向上とエミッション性能の向上とを図ることができる。
しかしながら、エンジン1の負荷が変わると、燃焼室6へ噴射される総燃料量及び噴射圧が変わる。具体的にエンジン1の負荷が高くなると、総噴射量が多くなりかつ、噴射圧が高くなる。噴射量が多くなる、及び/又は、噴射圧が高くなると、インジェクタ18が噴射した燃料噴霧のペネトレーションが高くなる。燃料噴霧のペネトレーションが変わると、燃料噴霧がリップ部53に到達するまでの時間が変わってしまう。インジェクタ18が同じタイミングで燃料を噴射しても、燃料噴霧のペネトレーションが変わると、燃料噴霧がリップ部53に当たる場所が変わってしまう。その結果、下キャビティ部51と上キャビティ部52との燃料の分配割合が変わってしまう。
また、エンジン1の回転数が高くなると、ターボ過給機47の過給圧が高くなるため、燃焼室6内の圧力が高くなる。燃焼室6内の圧力が高くなると、燃料噴霧が飛びにくくなる。燃焼室6内の圧力が変わると、燃料噴霧がリップ部53に到達するまでの時間が変わってしまうから、前記と同様に、下キャビティ部51と上キャビティ部52との燃料の分配割合が変わってしまう。
そこで、ECU10は、急速燃焼領域内においては、エンジン1の負荷及び/又は回転数が変化しても、上キャビティ部52及び下キャビティ部51への燃料の分配割合が変わらないように、各領域A~Eの燃料噴射のパターンを設定している。以下、急速燃焼領域におけるベース領域である領域Bの燃料噴射について説明をし、その後、領域Bの燃料噴射と比較しながら、領域C、D、A、Eの燃料噴射について順に説明する。
(領域Bの燃料噴射)
図10は、領域Bにおける燃料噴射のパターンと、各噴射の燃料噴霧の、下キャビティ部51と上キャビティ部52との分配割合とを示している。図10における括弧付きの数字は、燃料の分配割合を示している。また、図10の燃料噴射パターンにおける縦の実線は、圧縮上死点を示している。これらは、以下で説明をする図11~14においても同じである。
領域Bにおいて、エンジン1は、第1パイロット噴射PI1、第2パイロット噴射PI2、第3パイロット噴射PI3、メイン噴射MAIN、第1アフター噴射AF1、及び、第2アフター噴射AF2の6回の噴射を順に行う。領域Bは、エンジン1の運転マップの全体に対して、比較的負荷が低い領域である。領域Bの総噴射量は多くないため、燃焼室6内の温度は低い。領域Bは、燃料の着火性が低い領域である。そこで、ECU10は、領域Bにおいては、パイロット噴射の数を多くし、それによって、最初のパイロット噴射の時期を早くする。パイロット噴射の時期が早いと燃料の反応時間が長くなるから、燃料の着火性が向上する。燃料の着火性が向上すると、急速多段燃焼が安定化する。急速多段燃焼の安定化は、自動車の排出ガスのクリーン化とNVH性能の向上に有利になる。
ここで、第1パイロット噴射PI1、第2パイロット噴射PI2、及び、第3パイロット噴射PI3の噴射量を比較すると、第1パイロット噴射PI1の噴射量が最も少なく、第3パイロット噴射PI3の噴射量が最も多く、第2パイロット噴射PI2の噴射量はその中間である。
第1パイロット噴射PI1は早い時期に実行されるため、燃焼室6内の圧力が低くかつ温度が低い。燃料噴霧が飛びやすい上に、燃焼室6内の温度が低いときに燃料噴霧が燃焼室6の壁面に付着してしまうと、未燃燃料が増える恐れがある。そこで、ECU10は、第1パイロット噴射PI1の噴射量を少なくする。燃料噴霧のペネトレーションが低くなるから、第1パイロット噴射PI1の燃料噴霧が壁面へ付着することが抑制される。
第3パイロット噴射PI3は遅い時期に実行されるため、燃焼室6内の温度が高い。燃料噴霧が燃焼室6の壁面に多少付着することは許容される。ECU10は、第3パイロット噴射PI3の噴射量を多くすることができる。
このように、第1パイロット噴射PI1、第2パイロット噴射PI2、及び、第3パイロット噴射PI3の噴射量を、次第に増やすことにより、エンジン1の燃費性能の向上、及び、排出ガスのクリーン化に有利になる。
第1パイロット噴射PI1は、図9に示すように、圧縮上死点(TDC)前の-30~-20°付近に実行される。第1パイロット噴射PI1は、時期が早いため、ピストン5はインジェクタ18から離れている。第1パイロット噴射PI1の燃料噴霧は、リップ部53の上部付近に当たる。上キャビティ部52への燃料噴霧の分配割合が多くなり、下キャビティ部51への燃料噴霧の分配割合が少なくなる。図10の構成例では、第1パイロット噴射PI1の燃料噴霧は、下キャビティ部51に20、上キャビティ部52に80の割合で分配される。
第2パイロット噴射PI2は、TDC前の-20~-10°付近に実行される。第2パイロット噴射PI2は第1パイロット噴射PI1よりも遅いため、ピストン5はインジェクタ18に近づいている。第2パイロット噴射PI2の燃料噴霧は、リップ部53の中央部533の付近に当たる。上キャビティ部52への燃料噴霧の分配割合と、下キャビティ部51への燃料噴霧の分配割合とが、ほぼ等しい。図10の構成例では、第2パイロット噴射PI2の燃料噴霧は、下キャビティ部51に50、上キャビティ部52に50の割合で分配される。
第3パイロット噴射PI3は、TDC前の-10~0°付近に実行される。ピストン5はインジェクタ18にさらに近づいている。第3パイロット噴射PI3の燃料噴霧は、リップ部53の下部付近に当たる。下キャビティ部51への燃料噴霧の分配割合が多くなり、上キャビティ部52への燃料噴霧の分配割合が少なくなる。図10の構成例では、第3パイロット噴射PI3の燃料噴霧は、下キャビティ部51に65、上キャビティ部52に35の割合で分配される。
メイン噴射MAINは、TDC後の特定期間において実行される。図10の構成例では、メイン噴射MAINは、TDC後の0~+10°付近に実行される。メイン噴射MAINの燃料噴霧は、リップ部53の下部付近に当たる。下キャビティ部51への燃料噴霧の分配割合が多くなり、上キャビティ部52への燃料噴霧の分配割合が少なくなる。図10の構成例では、メイン噴射MAINの燃料噴霧は、下キャビティ部51に70、上キャビティ部52に30の割合で分配される。領域Bにおいて、メイン噴射MAINの燃料噴霧は、下キャビティ部51と上キャビティ部52との容積比通りに分配される。換言すれば、ピストン5のキャビティ50は、領域Bのメイン噴射MAINの燃料噴霧が容積比通りに分配されるよう、その形状を定めている。
第1アフター噴射AF1は、TDC後の+10~+15°付近に実行される。第1アフター噴射AF11の燃料噴霧は、リップ部53の下部付近に当たる。下キャビティ部51への燃料噴霧の分配割合が多くなり、上キャビティ部52への燃料噴霧の分配割合が少なくなる。図10の構成例では、第1アフター噴射AF1の燃料噴霧は、下キャビティ部51に65、上キャビティ部52に35の割合で分配される。
第2アフター噴射AF2は、TDC後の+20~+30°付近に実行される。図示は省略するが、第2アフター噴射AF2の燃料噴霧は、燃焼中の混合気内に入る。
ここで、メイン噴射MAINの噴射量が増えると、燃料噴霧のペネトレーションが高くなる。燃料噴霧のペネトレーションが高くなると、燃料噴霧がリップ部53に到達するまでの時間が短くなるから、メイン噴射MAINの燃料噴霧は、下キャビティ部51に多く分配される。下キャビティ部51は、上キャビティ部52よりも容積が大きいため、メイン噴射MAINの噴射量が増えた場合に、燃料は、下キャビティ部51の多量の酸素を利用して燃焼することができる。下キャビティ部51の容積が大きい燃焼室6は、空気利用率の向上に有利になる。
(領域Cの燃料噴射)
図11は、領域Cにおける燃料噴射のパターンと、各噴射の燃料噴霧の、下キャビティ部51と上キャビティ部52との分配割合とを示している。
領域Cは、領域Bに対してエンジン1の負荷が高い領域である。エンジン1の負荷が高いため、領域Cの総噴射量は、領域Bの総噴射量よりも多い。総噴射量が多いため、燃圧レギュレータ19は、領域Cの噴射圧を領域Bの噴射圧よりも高くする。領域Cにおいて、燃料噴霧のペネトレーションは、領域Bよりも高い。また、領域Cは、相対的に低回転の領域である。そのため、過給圧は相対的に低い。燃焼室6の圧力は、相対的に低いため、燃料噴霧は、飛びやすい。
ECU10は、領域Cにおいて、第2パイロット噴射PI2、第3パイロット噴射PI3、メイン噴射MAIN、第1アフター噴射AF1、及び、第2アフター噴射AF2を、順に実行する。
領域Cのメイン噴射MAINの時期は、領域Bのメイン噴射MAINの時期と同じく、TDC後の特定期間(TDC後の0~+10°付近)である。急速多段燃焼領域において、メイン噴射MAINの時期は、エンジン1の負荷及び/又は回転数が変わっても、同じ、又は、ほぼ同じである。こうすることで、メイン噴射による熱発生の時期が同じになるから、エンジン1の負荷及び/又は回転数が変わっても、高い熱効率を維持することができる。
領域Cのメイン噴射MAINの時期が同じである一方で、領域Cのメイン噴射MAINの噴射量は、領域Bのメイン噴射MAINの噴射量よりも多い。メイン噴射MAINの燃料噴霧のペネトレーションは相対的に高くかつ、燃料噴霧は飛びやすい。燃料噴霧は、リップ部53に速やかに到達するから、燃料噴霧は、リップ部53の下部付近に当たる。メイン噴射MAINの燃料噴霧は、下キャビティ部51への分配割合が多くなり、上キャビティ部52への燃料噴霧の分配割合が少なくなる。図11の構成例では、下キャビティ部51に80、上キャビティ部52に20の割合で、メイン噴射MAINの燃料噴霧は分配される。メイン噴射MAINの燃料噴霧の分配割合は、下キャビティ部51と上キャビティ部52との容積比からずれる。
領域Cのメイン噴射MAINは、領域Bと比較して、下キャビティ部51へ燃料噴霧の分配割合が大きい。そこで、ECU10は、パイロット噴射の燃料噴霧を、上キャビティ部52へ多く分配することにより、下キャビティ部51及び上キャビティ部52への燃料の分配割合を、容積比に近づける。
具体的に、領域Cにおいて、ECU10は、パイロット噴射の回数を、領域Bよりも減らす。パイロット噴射の回数を減らすことによって、パイロット噴射一回あたりの噴射量が多くなる。つまり、領域Cの第2パイロット噴射PI2は、領域Bの第2パイロット噴射PI2と比べて、噴射量が多い(図9参照)。尚、領域Cは、エンジン1の負荷が相対的に高いため、燃焼室6内の温度が高い。そのため、燃料の着火性は相対的に高い。パイロット噴射の回数を少なくしても、燃料の着火性は確保される。
領域Cにおいてパイロット噴射の回数を減らすにあたり、ECU10は、第1パイロット噴射PI1を省略する。第2パイロット噴射PI2及び/又は第3パイロット噴射PI3と、メイン噴射MAINとの間隔は狭い。パイロット噴射とメイン噴射とが近接することによって、プレ燃焼とメイン燃焼とが連続した急速多段燃焼が実現する。
領域Cの第2パイロット噴射PI2は、TDC前の-20~-10°付近に実行される。第2パイロット噴射PI2の時期は、領域B及び領域Cにおいて、同じ又はほぼ同じである。領域Cの第2パイロット噴射PI2は、噴射量が多いため、ペネトレーションが相対的に高い。第2パイロット噴射PI2は、リップ部53の上部付近に当たって、上キャビティ部52への燃料の分配が多くなる。図11の構成例では、第2パイロット噴射PI2の燃料噴霧は、下キャビティ部51に40、上キャビティ部52に60の割合で分配される。
また、領域Cの第3パイロット噴射PI3は、領域Bの第3パイロット噴射PI3と比べて、噴射量が同じ又はほぼ同じでありかつ、噴射時期が同じ又はほぼ同じである。従って、第3パイロット噴射PI3の燃料噴霧の分配割合は、領域Bと領域Cとにおいて同じである。つまり、第3パイロット噴射PI3の燃料噴霧は、下キャビティ部51に65、上キャビティ部52に35の割合で分配される。
こうして、領域Cにおいて、ECU10は、パイロット噴射一回あたりの噴射量を、領域Bのパイロット噴射一回あたりの噴射量よりも多くする。このことにより、パイロット噴射の燃料噴霧を、上キャビティ部52へ多く分配させることができる。パイロット噴射は、メイン噴射MAINの燃料噴霧が下キャビティ部51に多く分配されることを補完する。下キャビティ部51と上キャビティ部52との燃料の分配割合は、下キャビティ部51と上キャビティ部52との容積比に等しくなる。その結果、領域Cの熱発生率の波形は、領域Bの熱発生率の波形と同じになる(図8参照)。
尚、領域Cにおいて、第1アフター噴射AF1は、TDC後の+10~+15°付近に実行される。図11の構成例では、第1アフター噴射AF1の燃料噴霧は、下キャビティ部51に55、上キャビティ部52に45の割合で分配される。また、第2アフター噴射AF2は、TDC後の+20~+30°付近に実行される。
(領域Dの燃料噴射)
図12は、領域Dにおける燃料噴射のパターンと、各噴射の燃料噴霧の、下キャビティ部51と上キャビティ部52との分配割合とを示している。
領域Dは、領域Bに対してエンジン1の負荷が高い領域である。エンジン1の負荷が高いため、領域Dの総噴射量は、領域Bの総噴射量よりも多い。また、領域Dは、領域Cよりも高回転の領域である。エンジン1は、圧縮着火エンジンであるため、高回転ほど総噴射量が多い。領域Dの総噴射量は、領域Cの総噴射量よりも多い。燃圧レギュレータ19は、領域Dの噴射圧を、領域Cの噴射圧よりも高くする。領域Dにおいて、燃料噴霧のペネトレーションは、領域Cよりも高い。その一方で、領域Dは、過給圧が相対的に高い。燃料噴霧は、領域Cよりも飛びにくい。
ECU10は、領域Dにおいて、第3パイロット噴射PI3、メイン噴射MAIN、第1アフター噴射AF1、及び、第2アフター噴射AF2を、順に実行する。領域Dは、燃料の着火性が高いため、領域Cよりもパイロット噴射の数を減らす。
領域Dにおいてパイロット噴射の回数を減らすにあたり、ECU10は、第1パイロット噴射PI1及び第2パイロット噴射PI2を省略する。第3パイロット噴射PI3と、メイン噴射MAINとの間隔は狭い。パイロット噴射とメイン噴射とが近接することによって、プレ燃焼とメイン燃焼とが連続した急速多段燃焼が実現する。
領域Dのメイン噴射MAINの時期は、領域Bのメイン噴射MAINの時期と同じく、TDC後の特定期間(TDC後の0~+10°付近)である。
領域Dにおいて、燃料噴霧のペネトレーションは高いため、メイン噴射MAINの燃料噴霧は、下キャビティ部51への分配割合が多くなり、上キャビティ部52への燃料噴霧の分配割合が少なくなる。図12の構成例では、下キャビティ部51に80、上キャビティ部52に20の割合で、メイン噴射MAINの燃料噴霧は分配される。
領域Dのメイン噴射MAINは、領域Bと比較して、下キャビティ部51へ燃料噴霧の分配割合が大きい。そこで、ECU10は、パイロット噴射の燃料噴霧を、上キャビティ部52へ多く分配することにより、上キャビティ部52及び下キャビティ部51への燃料の分配割合を、容積比に近づける。
具体的に、領域Dの第3パイロット噴射PI3は、領域Bの第3パイロット噴射PI3、及び、領域Cの第3パイロット噴射PI3と比べて、噴射量が多い(図9参照)。領域Cの第3パイロット噴射PI3の時期は、TDC前の-10~0°付近に実行される。第3パイロット噴射PI3の時期は、領域B、領域C及び領域Dにおいて、同じ又はほぼ同じである。領域Dの第3パイロット噴射PI3は、噴射量が多いため、ペネトレーションが相対的に高くなる。燃料噴霧は、速やかにリップ部53に到達するから、リップ部53の上部付近に当たって、上キャビティ部52への分配割合が多くなる。図12の構成例では、第3パイロット噴射PI3の燃料噴霧は、下キャビティ部51に50、上キャビティ部52に50の割合で分配される。領域Bの第3パイロット噴射PI3と比較して、上キャビティ部52への燃料の分配が増える。
こうして、領域Dにおいて、ECU10は、第3パイロット噴射PI3の噴射量を、領域Bの第3パイロット噴射PI3の噴射量よりも多くする。第3パイロット噴射PI3は、総噴射量に対するパイロット噴射一回あたりの噴射量が多い。このことにより、上キャビティ部52への燃料を多く分配させることができる。メイン噴射MAINの燃料噴霧が、下キャビティ部51に多く分配されることを補完することができ、上キャビティ部52と下キャビティ部51との燃料の分配割合が、上キャビティ部52と下キャビティ部51との容積比に等しくなる。その結果、領域Dの熱発生率の波形は、領域Bの熱発生率の波形と同じになる(図8参照)。
尚、領域Dにおいて、第1アフター噴射AF1は、TDC後の+10~+15°付近に実行される。図12の構成例では、第1アフター噴射AF1の燃料噴霧は、下キャビティ部51に55、上キャビティ部52に45の割合で分配される。また、第2アフター噴射AF2は、TDC後の+20~+30°付近に実行される。
(領域Aの燃料噴射)
図13は、領域Aにおける燃料噴射のパターンと、各噴射の燃料噴霧の、下キャビティ部51と上キャビティ部52との分配割合とを示している。
領域Aは、領域Bに対してエンジン1の負荷が低い領域である。エンジン1の負荷が低いため、領域Aの総噴射量は、領域Bの総噴射量よりも少ない。燃圧レギュレータ19は、領域Aの噴射圧を、領域Bの噴射圧よりも低くする。領域Aにおいて、燃料噴霧のペネトレーションは、領域Bよりも低い。また、領域Aは、相対的に低回転の領域である。そのため、過給圧は相対的に低い。燃焼室6内の圧力が低いため、燃料噴霧は、飛びやすい。
ECU10は、領域Aにおいて、第1パイロット噴射PI1、第2パイロット噴射PI2、第3パイロット噴射PI3、メイン噴射MAIN、及び、第1アフター噴射AF1を、順に実行する。領域Aは、総噴射量が少ないため、燃料に対する燃焼室6内の空気が多い。そのため、アフター噴射の回数を減らすことができる。アフター噴射の回数を減らした分、パイロット噴射の噴射量を増やすことができる。パイロット噴射を三回に分けて行うことができる。負荷が低い領域Aにおいて、三回のパイロット噴射を行うことによって、燃料の着火性が確保される。
また、第1パイロット噴射PI1、第2パイロット噴射PI2、及び、第3パイロット噴射PI3の噴射量を比較すると、第1パイロット噴射PI1が最も少なく、第3パイロット噴射PI3が最も多く、第2パイロット噴射PI2がその中間である。これにより、前述したように、パイロット噴射の燃料噴霧が、燃焼室6の壁面に付着することを抑制することができる。
領域Aのメイン噴射MAINの時期は、領域Bのメイン噴射MAINの時期と同じく、TDC後の特定期間(TDC後の0~+10°付近)である。
領域Aのメイン噴射MAINの時期が同じである一方で、領域Aのメイン噴射MAINの噴射量は、領域Bのメイン噴射MAINの噴射量よりも少ない。領域Aのメイン噴射MAINの燃料噴霧のペネトレーションは相対的に低い。燃料噴霧は、リップ部53に到達するまでの時間が長くなるから、燃料噴霧は、リップ部53の上部付近に当たる。メイン噴射MAINの燃料噴霧は、上キャビティ部52への分配割合が多くなり、下キャビティ部51への燃料噴霧の分配割合が少なくなる。図13の構成例では、下キャビティ部51に60、上キャビティ部52に40の割合で、メイン噴射MAINの燃料噴霧は分配される。メイン噴射MAINの燃料噴霧の分配割合は、下キャビティ部51と上キャビティ部52との容積比からずれる。
領域Aのメイン噴射MAINは、領域Bと比較して、上キャビティ部52へ燃料噴霧の分配割合が大きい。そこで、ECU10は、パイロット噴射の燃料噴霧を、下キャビティ部51へ多く分配することにより、下キャビティ部51及び上キャビティ部52への燃料の分配割合を、容積比に近づける。
具体的に、領域Aにおいて、ECU10は、第1パイロット噴射PI1及び第2パイロット噴射PI2の時期を、領域Bよりも遅くする(図9参照)。領域Aの第1パイロット噴射PI1の時期は、TDC前の-25~-20°付近である。領域Aの第2パイロット噴射PI2の時期は、TDC前の-15~-10°付近である。尚、領域Aの第3パイロット噴射PI3の時期は、領域Bの第3パイロット噴射PI3の時期と同じ又はほぼ同じである。
第1パイロット噴射PI1及び第2パイロット噴射PI2の時期を遅くすると、ピストン5がインジェクタ18に近づいているため、燃料噴霧は、リップ部53の下部付近に当たる。その結果、下キャビティ部51への燃料の分配量が多くなる。図13の構成例では、第1パイロット噴射PI1の燃料噴霧は、下キャビティ部51に40、上キャビティ部52に60の割合で分配される。また、第2パイロット噴射PI2の燃料噴霧は、下キャビティ部51に55、上キャビティ部52に45の割合で分配される。尚、第3パイロット噴射PI3の燃料噴霧は、下キャビティ部51に60、上キャビティ部52に40の割合で分配される。
こうして、領域Aにおいて、ECU10は、パイロット噴射の時期を、領域Bのパイロット噴射の時期よりも遅くする。このことにより、パイロット噴射の燃料噴霧を、下キャビティ部51へ多く分配させることができる。パイロット噴射が、メイン噴射MAINの燃料噴霧が上キャビティ部52に多く分配されることを補完することができ、下キャビティ部51と上キャビティ部52との燃料の分配割合が、下キャビティ部51と上キャビティ部52との容積比に等しくなる。その結果、領域Aの熱発生率の波形は、領域Bの熱発生率の波形と同じになる(図8参照)。
尚、領域Aにおいて、第1アフター噴射AF1は、TDC後の+5~+15°付近に実行される。図13の構成例では、第1アフター噴射AF1の燃料噴霧は、下キャビティ部51に60、上キャビティ部52に40の割合で分配される。
(領域Eの燃料噴射)
図14は、領域Eにおける燃料噴射のパターンと、各噴射の燃料噴霧の、下キャビティ部51と上キャビティ部52との分配割合とを示している。
領域Eは、領域Bに対してエンジン1の負荷が低い領域である。エンジン1の負荷が低いため、領域Eの総噴射量は、領域Bの総噴射量よりも少ない。燃圧レギュレータ19は、領域Eの噴射圧を、領域Bの噴射圧よりも低くする。また、領域Eは、領域Aよりも高回転の領域である。過給圧が相対的に高いため、燃料噴霧は、領域Aよりも飛びにくい。
ECU10は、領域Eにおいて、第1パイロット噴射PI1、第2パイロット噴射PI2、第3パイロット噴射PI3、メイン噴射MAIN、及び、第1アフター噴射AF1を、順に実行する。領域Aと同様に、アフター噴射の回数を減らして三回のパイロット噴射を行うことにより、燃料の着火性が確保される。また、第1パイロット噴射PI1、第2パイロット噴射PI2、及び、第3パイロット噴射PI3の噴射量を比較すると、第1パイロット噴射PI1が最も少なく、第3パイロット噴射PI3が最も多く、第2パイロット噴射PI2がその中間である。これにより、前述したように、パイロット噴射の燃料噴霧が、燃焼室6の壁面に付着することを抑制することができる。
領域Eのメイン噴射MAINの時期は、領域Bのメイン噴射MAINの時期と同じく、TDC後の特定期間(TDC後の0~+10°付近)である。
領域Eの燃料噴霧のペネトレーションは相対的に低いため、メイン噴射MAINの燃料噴霧は、上キャビティ部52への分配割合が多くなり、下キャビティ部51への燃料噴霧の分配割合が少なくなる。図14の構成例では、下キャビティ部51に55、上キャビティ部52に45の割合で、メイン噴射MAINの燃料噴霧は分配される。
領域Eのメイン噴射MAINは、領域Bと比較して、上キャビティ部52へ燃料噴霧の分配割合が大きい。そこで、ECU10は、パイロット噴射の燃料噴霧を、下キャビティ部51へ多く分配することにより、上キャビティ部52及び下キャビティ部51への燃料の分配割合を、容積比に近づける。
具体的に、ECU10は、領域Eの第1パイロット噴射PI1及び第2パイロット噴射PI2の時期を、領域Bの第1パイロット噴射PI1及び第2パイロット噴射PI2よりも遅くする(図9参照)。領域Eの第1パイロット噴射PI1の時期は、TDC前の-25~-20°付近である。第2パイロット噴射PI2の時期は、TDC前の-15~-10°である。尚、領域Eの第3パイロット噴射PI3の時期は、領域Bの第3パイロット噴射PI3の時期と同じ又はほぼ同じである。
また、領域Eの第1パイロット噴射PI1は、領域Aにおける第1パイロット噴射PI1よりも噴射量が多くかつ、領域Eの第2パイロット噴射PI2は、領域Aの第2パイロット噴射PI2よりも噴射量が多い。領域Eは、領域Aよりも回転数が高いため、領域Eの総噴射量は、領域Aの総噴射量よりも多い。総噴射量が増量する分を、第1パイロット噴射PI1及び第2パイロット噴射の増量に割り当ててもよい。
領域Aよりもパイロット噴射の噴射量を増やすことにより、相対的に高い燃焼室6内の圧力に打ち勝って、燃料噴霧は進む。また、第1パイロット噴射PI1及び第2パイロット噴射PI2の時期を遅くすることにより、前述したように、下キャビティ部51への燃料の分配量が多くなる。図14の構成例では、第1パイロット噴射PI1の燃料噴霧は、下キャビティ部51に50、上キャビティ部52に50の割合で分配される。また、第2パイロット噴射PI2の燃料噴霧は、下キャビティ部51に55、上キャビティ部52に45の割合で分配される。尚、第3パイロット噴射PI3の燃料噴霧は、下キャビティ部51に55、上キャビティ部52に45の割合で分配される。
また、領域Eの第1~第3パイロット噴射PI1~PI3の噴射量と、領域Bの第1~第3パイロット噴射PI1~PI3の噴射量とを比較すると、領域Eの第1~第3パイロット噴射PI1~PI3の噴射量は、領域Bの第1~第3パイロット噴射PI1~PI3の噴射量よりも多い。領域Eは、総噴射量に対する、パイロット噴射一回あたりの噴射量割合が、相対的に多い。
領域Eは領域Bよりも負荷が低いため、総噴射量が少なく、それに伴い、パイロット噴射の噴射量も少なくなる。領域Eのパイロット噴射の燃料噴霧のペネトレーションが低くなって、飛びにくくなる。そこで、総噴射量に対する、パイロット噴射一回あたりの噴射量割合が多くなるように、各パイロット噴射一回あたりの噴射量を多くする。こうすることで、領域Eにおいて、各パイロット噴射の燃料噴霧のペネトレーションが高くなる。各パイロット噴射の燃料噴霧は、下キャビティ部51と上キャビティ部52とのそれぞれに、所望の割合で分配される。
領域Eにおいて、ECU10は、パイロット噴射の時期を、領域Bのパイロット噴射の時期よりも遅くしかつ、総噴射量に対する、パイロット噴射一回あたりの噴射量割合が多くする。このことにより、パイロット噴射の燃料噴霧を、下キャビティ部51へ多く分配させることができる。メイン噴射MAINの燃料噴霧が、上キャビティ部52に多く分配されることを補完することができ、下キャビティ部51と上キャビティ部52との燃料の分配割合が、下キャビティ部51と上キャビティ部52との容積比に等しくなる。その結果、領域Eにおける熱発生率の波形は、領域Bの熱発生率の波形と同じになる(図8参照)。
尚、領域Eにおいて、第1アフター噴射AF1は、TDC後の+5~+15°付近に実行される。図14の構成例では、第1アフター噴射AF1の燃料噴霧は、下キャビティ部51に55、上キャビティ部52に45の割合で分配される。
(負荷の方向についての燃料噴射パターンの比較)
領域C及びDは、領域A、B及びEに対して、エンジン1の負荷が高い領域である。領域C及びDのメイン噴射MAINは、領域A、B及びEのメイン噴射MAINと比較して、下キャビティ部51への燃料の分配が多くなる。そこで、領域C及びDにおいて、ECU10は、パイロット噴射の燃料噴霧の上キャビティ部52への分配割合が、領域A,B及びEよりも多くする。具体的に、ECU10は、領域C及びDにおいて、パイロット噴射の回数を、領域A、B及びEよりも減らす。領域A、B及びEのパイロット噴射の回数は三回である。領域Cのパイロット噴射の回数は二回である。領域Dのパイロット噴射の回数は一回である。領域C及びDでは、総噴射量に対する、パイロット噴射一回あたりの噴射量が増えるから、パイロット噴射の燃料噴霧は、上キャビティ部52への分配が多くなる。
また、領域A及びEは、領域Bに対して、エンジン1の負荷が低い領域である。領域A及びEのメイン噴射MAINは、領域Bのメイン噴射MAINと比較して、上キャビティ部52への燃料の分配が多くなる。換言すると、領域Bのメイン噴射MAINは、領域A及びEのメイン噴射MAINと比較して、下キャビティ部51への燃料の分配が多くなる。そこで、領域Bにおいて、ECU10は、パイロット噴射の時期を、領域A及びEよりも早くする。領域Bでは、パイロット噴射を実行する時に、ピストン5とインジェクタ18とが離れているから、パイロット噴射の燃料噴霧は、上キャビティ部52への分配が多くなる。
また、急速多段燃焼領域における低回転の領域である、領域A、領域B、及び領域Cを比較すると、領域Aは、領域Bに対してエンジン1の負荷が低い領域であり、領域Cは、領域Bに対してエンジン1の負荷が高い領域である。
領域AにおいてECU10は、領域Bに対して、最初のパイロット噴射(つまり、第1パイロット噴射PI1)の時期を遅くする。このことにより、パイロット噴射の燃料噴霧を下キャビティ部51へ多く分配させることができる。
領域CにおいてECU10は、領域Bに対して、パイロット噴射の回数を減らす。前述したように、パイロット噴射の燃料噴霧の上キャビティ部52への分配を多くすることができる。
また、急速多段燃焼領域における高回転の領域である、領域E、領域B、及び領域Dを比較すると、領域Eは、領域Bに対してエンジン1の負荷が低い領域であり、領域Dは、領域Bに対してエンジン1の負荷が高い領域である。
領域EにおいてECU10は、領域Bに対して、最初のパイロット噴射(つまり、第1パイロット噴射PI1)の時期を遅くする。このことにより、パイロット噴射の燃料噴霧を下キャビティ部51へ多く分配させることができる。
領域DにおいてECU10は、領域Bに対して、パイロット噴射の回数を減らす。パイロット噴射の燃料噴霧の上キャビティ部52への分配を多くすることができる。
(回転数の方向についての燃料噴射パターンの比較)
領域Eは、領域Aに対して回転数が高い領域である。領域EにおいてECU10は、領域Aに対して、メイン噴射の噴射量を維持すると共に、パイロット噴射の噴射量を増やす。換言すると、ECU10は、領域Aにおいて、総噴射量に対する、パイロット噴射一回あたりの噴射量割合を、領域Eよりも減らす。
より詳細に、ECU10は、領域Eにおいて、第1パイロット噴射PI1及び第2パイロット噴射PI2の噴射量を領域Aよりも増やす。パイロット噴射は、メイン噴射に比べて噴射量が少ない。また、領域A及び領域Eは、領域Bよりも負荷が低いため、総噴射量が少ない。領域A及び領域Eのパイロット噴射の噴射量は、ますます少ない。領域A及び領域Eにおいて、パイロット噴射の燃料噴霧のペネトレーションは低い。領域A及び領域Eのうちでも、領域Eは、エンジン回転数が高いため、燃焼室6内の圧力が高い。パイロット噴射の燃料噴霧は、さらに飛びにくくなる。領域Eのパイロット噴射の燃料噴霧は、領域Aと比べて、下キャビティ部51へ多く分配されてしまう恐れがある。
そこで、領域EにおいてECU10は、領域Aに対して、第1パイロット噴射PI1及び第2パイロット噴射PI2の噴射量を増やす。このことにより、領域Eにおいて、第1パイロット噴射PI1及び第2パイロット噴射PI2の燃料噴霧は、燃焼室6内の高い圧力に打ち勝ってリップ部53に速やかに到達する。燃料噴霧は、上キャビティ部52へ多く分配される。特に早い時期に行うパイロット噴射は、ピストン5がインジェクタ18から離れているため、上キャビティ部52への燃料の分配割合が、遅い時期に行うパイロット噴射よりも多くなる。第1パイロット噴射PI1及び第2パイロット噴射PI2の噴射量が増えることによって、パイロット噴射は、上キャビティ部52へ燃料を多く分配することができる。
その結果、パイロット噴射の燃料噴霧の、下キャビティ部51と上キャビティ部52との分配割合を、領域Aと領域Eとで略同じにすることができる。また、メイン噴射の燃料噴霧の、下キャビティ部51と上キャビティ部52との分配割合は、領域Aと領域Eとで多少異なるが、パイロット噴射の燃料噴霧の分配割合を調節することにより、メイン噴射の燃料噴霧の分配割合の違いを、補完することができる。その結果、領域Aと領域Eとで、パイロット噴射及びメイン噴射の燃料噴霧の、下キャビティ部51と上キャビティ部52との分配割合を、領域Aと領域Eとで略同じにすることができる。
また、領域Dは、領域Cに対して回転数が高い領域である。領域DにおいてECU10は、領域Cに対して、パイロット噴射一回あたりの噴射割合を増やす。より具体的に、ECU10は、第3パイロット噴射PI3の噴射量を増やす。
領域Dは、領域Bよりも負荷が高い上に、回転数が高いため、過給圧が高くなって、燃焼室6内の圧力が高い。よって、噴射量が少ないパイロット噴射の燃料噴霧は、飛びにくい。
そこで、領域DにおいてECU10は、領域Cに対して、パイロット噴射の回数を減らして、第3パイロット噴射PI3の噴射量を増やす。このことにより、領域Dにおいて、第3パイロット噴射PI3の燃料噴霧は、燃焼室6内の高い圧力に打ち勝ってリップ部53に速やかに到達し、上キャビティ部52への燃料の分配が多くなる(図11のPI3と図12のPI3とを参照)。その結果、パイロット噴射の燃料噴霧の、下キャビティ部51と上キャビティ部52との分配割合を、領域Cと領域Dとで略同じにすることができる。ひいては、領域Cと領域Dとで、パイロット噴射及びメイン噴射の燃料噴霧の、下キャビティ部51と上キャビティ部52との分配割合を、領域Cと領域Dとで略同じにすることができる。
(燃料噴射の制御手順)
図15A及び15Bは、ECU10の燃料噴射制御部71が実行する、インジェクタ18及び燃圧レギュレータ19の制御に係るフローチャートを示している。ECU10は、ステップS1において、各センサSN1~SN12の検出信号を読み込む。続くステップS2において、運転状態判断部72は、エンジン1の運転状態が、急速多段燃焼領域であるか否かを判断する。ステップS2の判断がYESの場合は、プロセスはステップS3に進み、ステップS2の判断がNOの場合は、プロセスはステップS24に進む。
ステップS3において、運転状態判断部72は、エンジン1の運転状態が、領域Aであるか否かを判断する。ステップS3の判断がYESの場合は、プロセスはステップS4に進み、ステップS3の判断がNOの場合は、プロセスはステップS7に進む。
ステップS4において噴射設定部74は、エンジン1の運転状態に対応する総噴射量を決定し、続くステップS5において噴射設定部74は、決定した総噴射量に対応する噴射圧を決定する。そして、ステップS6において噴射パターン選択部73は、エンジン1の運転状態に対応する噴射パターンを選択すると共に、噴射設定部74は、第1パイロット噴射PI1、第2パイロット噴射PI2、第3パイロット噴射PI3、メイン噴射MAIN、第1アフター噴射AF1それぞれの噴射量、及び、噴射時期を決定する。その後、燃料噴射制御部71は、ステップS15において、インジェクタ18に制御信号を出力し、燃料噴射を実行させる(図13参照)。
ステップS7において、運転状態判断部72は、エンジン1の運転状態が、領域Bであるか否かを判断する。ステップS7の判断がYESの場合は、プロセスはステップS8に進み、ステップS7の判断がNOの場合は、プロセスはステップS11に進む。
ステップS8において噴射設定部74は、ステップS4と同様に、エンジン1の運転状態に対応する総噴射量を決定し、続くステップS9において噴射設定部74は、ステップS5と同様に、決定した総噴射量に対応する噴射圧を決定する。そして、ステップS10において噴射パターン選択部73は、エンジン1の運転状態に対応する噴射パターンを選択すると共に、噴射設定部74は、第1パイロット噴射PI1、第2パイロット噴射PI2、第3パイロット噴射PI3、メイン噴射MAIN、第1アフター噴射AF1、及び、第2アフター噴射AF2それぞれの噴射量、及び、噴射時期を決定する。その後、燃料噴射制御部71は、ステップS15において、インジェクタ18に制御信号を出力し、燃料噴射を実行させる(図10参照)。
ステップS11において、運転状態判断部72は、エンジン1の運転状態が、領域Cであるか否かを判断する。ステップS11の判断がYESの場合は、プロセスはステップS12に進み、ステップS11の判断がNOの場合は、プロセスはステップS16に進む。
ステップS12において噴射設定部74は、ステップS4と同様に、エンジン1の運転状態に対応する総噴射量を決定し、続くステップS13において噴射設定部74は、ステップS5と同様に、決定した総噴射量に対応する噴射圧を決定する。そして、ステップS14において噴射パターン選択部73は、エンジン1の運転状態に対応する噴射パターンを選択すると共に、噴射設定部74は、第2パイロット噴射PI2、第3パイロット噴射PI3、メイン噴射MAIN、第1アフター噴射AF1、及び、第2アフター噴射AF2それぞれの噴射量、及び、噴射時期を決定する。その後、燃料噴射制御部71は、ステップS15において、インジェクタ18に制御信号を出力し、燃料噴射を実行させる(図11参照)。
ステップS16において、運転状態判断部72は、エンジン1の運転状態が、領域Dであるか否かを判断する。ステップS16の判断がYESの場合は、プロセスはステップS17に進み、ステップS16の判断がNOの場合は、プロセスはステップS20に進む。
ステップS17において噴射設定部74は、ステップS4と同様に、エンジン1の運転状態に対応する総噴射量を決定し、続くステップS18において噴射設定部74は、ステップS5と同様に、決定した総噴射量に対応する噴射圧を決定する。そして、ステップS19において噴射パターン選択部73は、エンジン1の運転状態に対応する噴射パターンを選択すると共に、噴射設定部74は、第3パイロット噴射PI3、メイン噴射MAIN、第1アフター噴射AF1、及び、第2アフター噴射AF2それぞれの噴射量、及び、噴射時期を決定する。その後、燃料噴射制御部71は、ステップS25において、インジェクタ18に制御信号を出力し、燃料噴射を実行させる(図12参照)。
ステップS20において、運転状態判断部72は、エンジン1の運転状態が、領域Eであるか否かを判断する。ステップS20の判断がYESの場合は、プロセスはステップS21に進み、ステップS20の判断がNOの場合は、プロセスはステップS24に進む。
ステップS21において噴射設定部74は、ステップS4と同様に、エンジン1の運転状態に対応する総噴射量を決定し、続くステップS22において噴射設定部74は、ステップS5と同様に、決定した総噴射量に対応する噴射圧を決定する。そして、ステップS23において噴射パターン選択部73は、エンジン1の運転状態に対応する噴射パターンを選択すると共に、噴射設定部74は、第1パイロット噴射PI1、第2パイロット噴射PI2、第3パイロット噴射PI3、メイン噴射MAIN、及び、第1アフター噴射AF1それぞれの噴射量、及び、噴射時期を決定する。その後、燃料噴射制御部71は、ステップS25において、インジェクタ18に制御信号を出力し、燃料噴射を実行させる(図14参照)。
ステップS24において燃料噴射制御部71は、前述した急速多段燃焼とは別の、通常燃焼制御を実行し、プロセスはリターンする。
尚、ここに開示する技術を適用することができるエンジン1、及び、燃焼室6は、前述した構成に限定されない。
1 エンジン
10 ECU(制御部)
11a シリンダ
18 インジェクタ(燃料噴射弁)
19 燃圧レギュレータ(噴射圧変更部)
47 ターボ過給機
5 ピストン
6 燃焼室
50 キャビティ
51 下キャビティ部
52 上キャビティ部
53 リップ部
AX 噴射軸
SN1 クランク角センサ(計測部)
SN2 水温センサ(計測部)
SN3 エアフローセンサ(計測部)
SN4 吸気温センサ(計測部)
SN5 吸気圧センサ(計測部)
SN6 吸気Oセンサ(計測部)
SN7 噴射圧センサ(計測部)
SN8 排気Oセンサ(計測部)
SN9 差圧センサ(計測部)
SN10 アクセル開度センサ(計測部)
SN11 大気圧センサ(計測部)
SN12 外気温センサ(計測部)
MAIN メイン噴射
PI1 第1パイロット噴射
PI2 第2パイロット噴射
PI3 第3パイロット噴射

Claims (4)

  1. エンジンのシリンダに内挿されかつ、前記シリンダ内を往復移動するピストンと、
    前記シリンダ及び前記ピストンによって形成される燃焼室の天井面に配設されかつ、噴射軸に沿って燃料噴霧を噴射する燃料噴射弁と、
    前記エンジンに取り付けられかつ、前記エンジンの排気エネルギによって吸気を過給するターボ過給機と、
    前記エンジンの運転に関する各種パラメータに応じた計測信号を出力する計測部と、
    前記計測部の計測信号を受けかつ、前記エンジンの回転数及び負荷によって定まる運転状態に応じて、前記燃料噴射弁に制御信号を出力する制御部と、
    一燃焼サイクル中に前記燃焼室へ噴射する燃料の総噴射量が増えると、燃料の噴射圧を高くする噴射圧変更部と、を備え、
    前記ピストンは、その頂面の径方向中央部に設けられた下キャビティと、前記下キャビティの周囲に設けられかつ、前記下キャビティよりも浅い上キャビティと、前記下キャビティと上キャビティとの間のリップ部と、を有し、
    前記制御部は、前記エンジンが第1状態、及び、前記第1状態よりも回転数が高い第2状態で運転している場合は、前記燃料噴射弁に、圧縮上死点付近で行うメイン噴射と、前記メイン噴射よりも早い時期に行う、少なくとも一のパイロット噴射とを実行させ、
    前記メイン噴射及びパイロット噴射はそれぞれ、噴射期間の少なくとも一部において前記噴射軸が前記リップ部を指向することにより、燃料噴霧が前記下キャビティと前記上キャビティとのそれぞれに分配され、
    前記制御部は、前記パイロット噴射の回数を、前記エンジンが前記第2状態で運転している場合は、前記第1状態で運転している場合よりも減らし、
    前記制御部は、前記エンジンが前記第2状態で運転している場合は、前記第1状態で運転している場合と比較して、同タイミングで噴射する前記パイロット噴射の噴射量を増やす圧縮着火エンジンの制御装置。
  2. 請求項に記載の圧縮着火エンジンの制御装置において、
    前記制御部は、前記エンジンが前記第2状態で運転している場合は、前記第1状態で運転している場合よりも、最初の前記パイロット噴射の時期を遅くする圧縮着火エンジンの制御装置。
  3. 請求項1又は2に記載の圧縮着火エンジンの制御装置において、
    前記制御部は、前記エンジンが前記第1状態で運転している場合は、前記メイン噴射を、圧縮上死点後の特定期間において実行させ、前記エンジンが前記第2状態で運転している場合は、前記メイン噴射を、圧縮上死点後の前記特定期間において実行させる圧縮着火エンジンの制御装置。
  4. 請求項に記載の圧縮着火エンジンの制御装置において、
    前記下キャビティは、前記上キャビティよりも容積が大きい圧縮着火エンジンの制御装置。
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