WO2012124573A1 - 燃料噴射装置 - Google Patents

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裕史 葛山
謹 河合
匡浩 町田
健仁 ▲濱▼松
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株式会社豊田自動織機
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Definitions

  • the present invention relates to a fuel injection device for an engine that performs premixed compression ignition (PCCI) combustion.
  • PCCI premixed compression ignition
  • Patent Document 1 shifts the fuel injection mode between the diffusion combustion mode and the premixed combustion mode in accordance with the engine load.
  • the fuel injection device gradually decreases the oxygen concentration in the combustion chamber and gradually increases the fuel injection amount of the pilot injection while fueling the main injection. While gradually reducing the injection amount, the interval between the pilot injection and the main injection is gradually reduced.
  • the fuel injection device described in Patent Document 2 injects fuel that contributes to combustion in two parts. At this time, the first injection is performed at a timing at which premixed combustion is possible, and the second injection is performed at a timing at which premixed combustion is possible and before compression top dead center (TDC). Further, as the engine load increases, the first injection timing is advanced, and the interval between the first injection and the second injection is expanded.
  • TDC compression top dead center
  • An object of the present invention is to provide a fuel injection device capable of sufficiently reducing combustion noise, HC and CO, and smoke.
  • the present invention controls a fuel injection valve for injecting fuel into a combustion chamber of an engine and a fuel injection valve so that the fuel is divided into a plurality of times and injected in a fuel injection device for an engine that performs premixed compression ignition combustion.
  • Control means and the control means performs the first fuel injection by the fuel injection valve so as to perform the first fuel injection on the retarded side with respect to the timing when the premixing time immediately after the first fuel injection is minimum.
  • the second fuel injection timing by the fuel injection valve is controlled so that the heat generation rate waveform generated by the first fuel injection and the second fuel injection performed thereafter is a two-peak shape.
  • the first fuel injection timing by the fuel injection valve is such that the first fuel injection is performed on the retard side with respect to the timing when the premixing time immediately after the first fuel injection is minimum. Is controlled. As a result, the time region existing after the compression top dead center in the premixing time immediately after the first fuel injection becomes longer, and the flow of air (reverse squish flow) from the cavity formed in the center of the piston in the engine toward the squish area. ) Effectively promotes mixing of air and fuel. Thereby, smoke can be sufficiently reduced.
  • the second fuel injection timing by the fuel injection valve is controlled so that the heat generation rate waveform generated by the first fuel injection and the second fuel injection performed thereafter is a two-peak shape. Thereby, since the heat release rate peak due to fuel injection is suppressed, combustion noise can be sufficiently reduced. In addition, since the unburned portion due to the first fuel injection is burned by the second fuel injection, HC and CO can be sufficiently reduced.
  • the control means may control the first fuel injection timing by the fuel injection valve so that the start timing of the high temperature oxidation reaction generated by the first fuel injection is after the compression top dead center.
  • the time region existing after the compression top dead center becomes longer, and the mixing of air and fuel can be surely promoted by the effective use of the reverse squish flow. it can.
  • the control means performs the second fuel injection after the heat generation rate peak due to the low temperature oxidation reaction generated by the first fuel injection and before the heat generation rate peak due to the high temperature oxidation reaction generated after the low temperature oxidation reaction by the first fuel injection.
  • the second fuel injection timing by the fuel injection valve may be controlled. In this case, it becomes even easier to reliably form a heat generation rate waveform generated by the first and second fuel injections into a two-peak shape. Further, since latent heat of vaporization is generated in the combustion chamber by the second fuel injection, the high-temperature oxidation reaction generated by the first fuel injection becomes slow. Therefore, since the heat generation rate peak due to the first fuel injection is further suppressed, the combustion noise can be further reduced.
  • the control means may control the second fuel injection timing by the fuel injection valve so that the second fuel injection is performed before the start of the high temperature oxidation reaction caused by the first fuel injection.
  • the control means may control the second fuel injection timing by the fuel injection valve so that the second fuel injection is performed before the start of the high temperature oxidation reaction caused by the first fuel injection.
  • a fuel injection device capable of sufficiently reducing combustion noise, HC and CO, and smoke.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a diesel engine provided with a fuel injection device according to the present embodiment.
  • 2 is a cross-sectional view showing the engine body shown in FIG.
  • FIG. 3 is a diagram showing the timing at which the fuel is divided into two injections from the injector shown in FIG.
  • FIG. 4 is a graph showing the fuel injection period and the premixing time together with the relationship between the piston crank angle and the heat generation rate.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the crank angle of the piston, the first fuel injection period, the premixing time immediately thereafter, and the squish flow velocity.
  • FIG. 6 is a graph showing an example of the relationship between the premixing time immediately after the first fuel injection and the smoke concentration.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a diesel engine provided with a fuel injection device according to the present embodiment.
  • 2 is a cross-sectional view showing the engine body shown in FIG.
  • FIG. 3 is a diagram showing the timing at which the fuel is divided into two
  • FIG. 7 is a graph showing the second fuel injection timing together with the relationship between the crank angle of the piston and the heat generation rate.
  • FIG. 8 is a graph showing an example of the relationship between the second fuel injection amount, the HC concentration, and the CO concentration.
  • FIG. 9 is a graph showing an example of the relationship between the second fuel injection timing and the HC concentration and CO concentration.
  • FIG. 10 is a graph showing an example of the relationship between the premixing time immediately after the second fuel injection and the smoke concentration.
  • FIG. 11 is a graph showing an example of the relationship between the second fuel injection timing and the smoke concentration.
  • FIG. 12 is a graph showing a result of comparing the relationship between the crank angle of the piston and the heat generation rate between the two-part injection and the single injection.
  • FIG. 13 is a graph showing the result of comparing combustion noise and fuel consumption between the two-part injection and the single injection.
  • FIG. 14 is a graph showing how the establishment limit line of premixed compression ignition combustion expands.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a diesel engine equipped with a fuel injection device according to the present embodiment.
  • the diesel engine 1 according to the present embodiment is a four-cylinder in-line diesel engine.
  • the diesel engine 1 includes an engine body 2, and the engine body 2 is provided with four cylinders 3.
  • a piston 4 is accommodated in the cylinder 3.
  • a cylinder head 5 is disposed on the cylinder 3.
  • a space surrounded by the cylinder 3, the piston 4 and the cylinder head 5 constitutes a combustion chamber 6.
  • a cavity 6 a that forms part of the combustion chamber 6 is formed at the top of the piston 4.
  • a region between the outer peripheral side portion of the cavity 6 a in the piston 4 and the cylinder head 5 constitutes a squish area 7.
  • Each cylinder 3 is provided with an injector (fuel injection valve) 8 for injecting fuel into the combustion chamber 6.
  • the injector 8 has a plurality of injection holes (not shown) and injects fuel radially from each injection hole.
  • Each injector 8 is connected to a common rail 9, and high-pressure fuel stored in the common rail 9 is constantly supplied to each injector 8.
  • the engine body 2 is connected to an intake passage 10 for taking air into the combustion chamber 6 via an intake manifold 11.
  • An exhaust passage 12 for exhausting exhaust gas after combustion is connected to the engine body 2 via an exhaust manifold 13.
  • the intake passage 10 is provided with an air cleaner 14, a compressor 16 of the turbocharger 15, an intercooler 17, and a throttle valve 18 from the upstream side toward the downstream side.
  • the throttle valve 18 adjusts the intake amount of air into the combustion chamber 6.
  • the exhaust passage 12 is provided with a turbine 19 of the turbocharger 15 and a DPF (Diesel Particulate Filter) 20 with a catalyst.
  • DPF Diesel Particulate Filter
  • the diesel engine 1 includes an EGR (Exhaust Gas Recirculation) device 21 that recirculates a part of the exhaust gas after combustion into the combustion chamber 6.
  • the EGR device 21 includes an EGR passage 22, an EGR valve 23, an EGR cooler 24, a bypass passage 25, and a switching valve 26.
  • the EGR passage 22 connects the intake passage 10 and the exhaust manifold 13.
  • the EGR valve 23 adjusts the recirculation amount of exhaust gas (EGR gas) from the exhaust manifold 13 to the intake passage 10.
  • the EGR cooler 24 cools the EGR gas passing through the EGR passage 22.
  • the bypass passage 25 bypasses EGR gas with respect to the EGR cooler 24.
  • the switching valve 26 switches the EGR gas flow path between the EGR cooler 24 and the bypass passage 25.
  • the diesel engine 1 is controlled by an electronic control unit (ECU) (controller) 27.
  • the ECU 27 includes an accelerator opening sensor 28 that detects the accelerator opening, an engine rotation sensor 29 that detects the engine speed, a crank angle sensor 30 that detects the angle of the crankshaft (not shown) of the piston 4, Is connected.
  • the ECU 27 controls each of the injectors 8, the throttle valve 18, the EGR valve 23, and the switching valve 26 based on the detection signals of these sensors 28-30.
  • the injector 8, the ECU 27, and the sensors 28 to 30 constitute the fuel injection device 31 of the present embodiment.
  • the ECU 27 determines the fuel injection amount and the fuel injection timing mainly from the engine speed and the accelerator opening, and controls each injector 8 accordingly. That is, the ECU 27 operates each injector 8 based on the determined fuel injection amount and fuel injection timing.
  • the ECU 27 controls each injector 8 to perform premixed compression ignition combustion of two-split injection, as shown in FIG. That is, the ECU 27 performs control so that the fuel is injected in two from each injector 8 in one cycle of the intake stroke, the compression stroke, the expansion stroke, and the exhaust stroke. At this time, it is preferable to make the first fuel injection amount larger than the second fuel injection amount, particularly in a high load region.
  • the first fuel injection (first fuel injection) is set to be performed on the retard side with respect to the timing when the premixing time immediately after the first fuel injection is minimum (> 0).
  • the premixing time is the time from the end of fuel injection to the start of ignition (high temperature oxidation reaction).
  • the start timing of the premix time of the first fuel injection is before the compression top dead center (TDC), and the end timing of the premix time of the first fuel injection is compressed.
  • TDC compression top dead center
  • the premix time of the first fuel injection is minimum.
  • the time when the premixing time of the first fuel injection is minimum varies depending on the fuel injection amount, the operating condition, and the like.
  • the premix time is long (see FIG. 6). For this reason, the air and the fuel are easily mixed as much as the premixing time becomes longer, and as a result, smoke is reduced.
  • a thin solid line R in FIG. 5 shows a state in which the first fuel injection is performed on the advance side with respect to the time when the premixing time is minimum.
  • the first fuel injection proceeds more than the time when the premixing time is the minimum value (white circle in the figure).
  • the smoke concentration is 6.9%.
  • the first fuel injection is performed on the retard side with respect to the time when the premixing time is minimum, the smoke concentration is reduced to 3.6%.
  • the smoke concentration is partially negative, but this is a problem of the instrument used to detect smoke, and the smoke concentration itself has no negative value.
  • the first fuel injection is set to be performed on the retard side with respect to the timing when the premixing time immediately after the first fuel injection is minimum.
  • the time of the first fuel injection By setting the time of the first fuel injection in this way, the generation timing of the high temperature oxidation reaction (described later) by the first fuel injection is surely after the compression top dead center (see FIG. 7).
  • the first fuel injection timing is set so that the first fuel injection is started before the compression top dead center and the first fuel injection is ended after the compression top dead center. ing.
  • the second fuel injection (second fuel injection) has two heat release rate waveforms generated by the first fuel injection and ignition and the second fuel injection and ignition. It is set to be performed at a time when it is a shape.
  • ignition is performed after the fuel injection is completed, a heat generation rate peak due to a high-temperature oxidation reaction occurs. Therefore, by giving a time difference between the first fuel injection and the second fuel injection, a heat generation rate waveform in which two heat generation rate peaks due to the high temperature oxidation reaction exist can be obtained.
  • the second fuel injection is after the heat generation rate peak due to the low temperature oxidation reaction caused by the first fuel injection and before the heat generation rate peak due to the high temperature oxidation reaction caused by the first fuel injection (FIG. 7). It is preferable to be performed in the middle crank angle range H).
  • the second fuel injection start is performed at a time later than the heat generation rate peak due to the low temperature oxidation reaction generated by the first fuel injection, and the second fuel injection end is the high temperature oxidation generated by the first fuel injection. More preferably, it is carried out before the start of the reaction.
  • the low-temperature oxidation reaction is also called a cold flame reaction, and is a reaction that changes the gas composition although the change in the gas temperature is small.
  • the high temperature oxidation reaction is caused by the ignition of fuel after the low temperature oxidation reaction, and is a reaction in which the gas temperature changes greatly.
  • the second fuel injection is performed early in the crank angle range H.
  • the second fuel injection is preferably performed at a later time within the crank angle range H.
  • the second fuel injection amount is set to be 65% or less of the total of the first fuel injection amount and the second fuel injection amount. At this time, the ratio of the second fuel injection amount to the first fuel injection amount is preferably lowered as the load becomes higher.
  • the fuel and air are appropriately mixed by performing premixed combustion in both the first fuel injection and the second fuel injection. Therefore, the occurrence of local rich and local lean is suppressed, and NOx can be reduced in addition to the reduction of smoke.
  • the unburned portion generated at the first fuel injection is reburned, so that unburned HC and unburned CO can be reduced.
  • HC and CO are reduced as compared to the case where the second fuel injection is not performed.
  • Securing the premixing time for the second fuel injection facilitates mixing of air and fuel as described above, which can further contribute to smoke reduction. For example, as shown in FIG. 10, when the premixing time of the second fuel injection is Bms, the smoke concentration becomes almost zero.
  • the atmospheric temperature in the combustion chamber 6 is kept low during the second fuel injection. Accordingly, since the ignition delay of the fuel due to the second fuel injection is extended, a sufficient premixing period for the second fuel injection is ensured. Thereby, smoke can be further reduced. For example, as shown in FIG. 11, when the second fuel injection is performed within the crank angle range H, the smoke is reduced compared to the case where the second fuel injection is performed at other times.
  • the in-cylinder pressure increase rate can be reduced and combustion noise can be reduced.
  • combustion noise is reduced as compared with the case of premixed compression ignition combustion of single injection. Is done.
  • the combustion noise is sufficient compared to the case where the second fuel injection is performed at other times. Reduced.
  • the present embodiment is a fuel injection device for an engine that performs premixed compression ignition combustion, a fuel injection valve that injects fuel into the combustion chamber of the engine, and the fuel is divided into multiple injections. And a controller for operating the fuel injection valve, and the controller performs the fuel injection so that the first fuel injection is performed on the retarded side with respect to the time when the premixing time immediately after the first fuel injection is minimum.
  • the timing of the first fuel injection by the valve is controlled, and the second heat generation rate waveform generated by the first fuel injection and the subsequent second fuel injection has a two-peak shape so that the second fuel injection valve has a second shape.
  • the fuel injection timing is controlled.
  • the present embodiment is a fuel injection device for an engine that performs premixed compression ignition combustion, a fuel injection valve that injects fuel into a combustion chamber of the engine, a first fuel injection, and a first fuel injection device.
  • the fuel injection valve is operated so as to perform the second fuel injection after the fuel injection, and the first fuel injection is performed on the retard side with respect to the timing when the premixing time immediately after the first fuel injection is minimum.
  • the timing of the first fuel injection is controlled to be performed, and the timing of the second fuel injection is controlled so that the heat generation rate waveform generated by the first fuel injection and the second fuel injection has a two-sided shape.
  • a controller configured to.
  • the present invention is not limited to the above embodiment.
  • the premixed compression ignition combustion of the two-split injection in which the fuel is injected in two times is performed, but the fuel may be injected in three or more times.
  • the fuel injection device 31 ECU 27
  • the fuel injection device 31 performs the first fuel injection timing so that the first fuel injection is performed on the retard side with respect to the timing when the premixing time immediately after the first fuel injection is minimum.
  • the second fuel injection timing may be controlled so that the heat generation rate waveform generated by the first fuel injection and the second fuel injection performed thereafter has a two-peak shape.
  • the present invention can be used for a fuel injection device of an engine that performs premixed compression ignition combustion.

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Abstract

　燃料噴射装置は、エンジンの燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、燃料を複数回に分割して噴射させるように燃料噴射弁を操作する電子制御ユニットと、を備えている。電子制御ユニットは、第１の燃料噴射直後の予混合時間が最小である時期よりも遅角側で第１の燃料噴射を行うように、燃料噴射弁による第１の燃料噴射の時期を制御すると共に、第１の燃料噴射及びその後に行われる第２の燃料噴射によって生じる熱発生率波形が二山形状であるように、燃料噴射弁による第２の燃料噴射の時期を制御する。

Description

燃料噴射装置
　本発明は、予混合圧縮着火（ＰＣＣＩ：Premixed Charge Compression Ignition）燃焼を行うエンジンの燃料噴射装置に関する。
　従来の燃料噴射装置としては、例えば特許文献１及び２に記載されているものが知られている。特許文献１に記載の燃料噴射装置は、エンジン負荷に応じて燃料噴射モードを拡散燃焼モードと予混合燃焼モードとの間で移行させる。この燃料噴射装置は、燃料噴射モードを拡散燃焼モードから予混合燃焼モードに移行させる場合、燃焼室内の酸素濃度を徐々に低くしつつ、パイロット噴射の燃料噴射量を徐々に増やしながらメイン噴射の燃料噴射量を徐々に減らすと共に、パイロット噴射とメイン噴射との間隔を徐々に狭める。
　特許文献２に記載の燃料噴射装置は、燃焼に寄与する燃料を２回に分割して噴射する。このとき、１回目の噴射は、予混合燃焼が可能なタイミングで行われ、２回目の噴射は、予混合燃焼が可能なタイミングで且つ圧縮上死点（ＴＤＣ）以前に行われる。また、エンジンの負荷の増加に伴って１回目の噴射時期が進角され、１回目の噴射と２回目の噴射とのインターバルが拡大する。
特開２０１０－１８０７１８号公報 特開２００９－２６４３３２号公報
　しかしながら、上記従来技術においては、以下の問題点が存在する。特許文献１に記載の燃料噴射装置においては、パイロット噴射の燃料噴射量がメイン噴射の燃料噴射量よりも少ないことから拡散しやすく燃焼し難い。このため、燃焼室内の酸素濃度が低下した状態で予混合燃焼が行われると、パイロット噴射の燃料とメイン噴射の燃料とがほぼ同時に燃焼される。この場合、高温酸化反応による熱発生率ピークが高くなることで、筒内圧力上昇率が上がり、燃焼騒音が増大しやすい。また、そのような予混合燃焼形態では、シングル噴射の予混合圧縮着火と同様の燃焼形態となるため、未燃ＨＣ及び未燃ＣＯが多いという予混合圧縮着火燃焼の課題を十分に解決するには至らない。
　特許文献２に記載の燃料噴射装置においては、エンジンの負荷が増加すると１回目の噴射時期が進角されるので、予混合時間（燃料噴射が終了してから高温酸化反応開始までの時間）を十分に確保して、燃料と空気とが十分に混合及び攪拌される。しかし、ピストン中央部に凹状のキャビティが形成された直噴型エンジンにおいて、噴射時期が進角されると、新たにＨＣ及びＣＯが増大する要因が生じる。上記構造のエンジンでは、特定の時期に、キャビティ内の複数方向に向けて燃料が噴射される。しかし、１回目の噴射時期が進角される、即ち圧縮行程においてピストンが下方にある時期に燃料の噴射が行われると、噴射された燃料がキャビティ内に収まらず、シリンダ壁面に付着しやすい。エンジン冷却水の作用により温度の低いシリンダ壁面に付着した燃料は、十分に燃焼しないため、ＨＣまたはＣＯが増大する要因となる。この不具合を回避するために、燃料噴射時期の進角幅が制限されると、増量された燃料に対し空気を十分に混合する時間を確保することができず、結果的にスモークを十分に低減することが困難である。
　本発明の目的は、燃焼騒音、ＨＣ及びＣＯ、並びにスモークを十分低減することができる燃料噴射装置を提供することである。
　本発明は、予混合圧縮着火燃焼を行うエンジンの燃料噴射装置において、エンジンの燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、燃料を複数回に分割して噴射させるように燃料噴射弁を制御する制御手段とを備え、制御手段は、第１の燃料噴射直後の予混合時間が最小である時期よりも遅角側で第１の燃料噴射を行うように、燃料噴射弁による第１の燃料噴射時期を制御すると共に、第１の燃料噴射及びその後に行われる第２の燃料噴射によって生じる熱発生率波形が二山形状であるように、燃料噴射弁による第２の燃料噴射時期を制御する。
　本発明の燃料噴射装置においては、第１の燃料噴射直後の予混合時間が最小である時期よりも遅角側で第１の燃料噴射を行うように、燃料噴射弁による第１の燃料噴射時期が制御される。これにより、第１の燃料噴射直後の予混合時間において圧縮上死点以降に存在する時間領域が長くなり、エンジンにおけるピストン中央部に形成されたキャビティよりスキッシュエリアに向かう空気の流れ（逆スキッシュ流）の有効活用によって、空気と燃料との混合が十分に促進される。これにより、スモークを十分低減することができる。第１の燃料噴射及びその後に行われる第２の燃料噴射によって生じる熱発生率波形が二山形状であるように、燃料噴射弁による第２の燃料噴射時期が制御される。これにより、燃料噴射による熱発生率ピークが抑制されるため、燃焼騒音を十分低減することができる。また、第１の燃料噴射による未燃分が第２の燃料噴射により燃焼されるため、ＨＣ及びＣＯを十分低減することができる。
　制御手段は、第１の燃料噴射によって生じる高温酸化反応の開始時期が圧縮上死点以降であるように、燃料噴射弁による第１の燃料噴射時期を制してもよい。この場合には、第１の燃料噴射直後の予混合時間において圧縮上死点以降に存在する時間領域が長くなり、逆スキッシュ流の有効活用による空気と燃料との混合を確実に促進させることができる。
　制御手段は、第１の燃料噴射によって生じる低温酸化反応による熱発生率ピーク以降で且つ第１の燃料噴射によって低温酸化反応後に生じる高温酸化反応による熱発生率ピーク以前に第２の燃料噴射を行うように、燃料噴射弁による第２の燃料噴射時期を制御してもよい。この場合には、第１及び第２の燃料噴射によって生じる熱発生率波形を確実に二山形状にすることが更に容易になる。また、第２の燃料噴射により燃焼室内に蒸発潜熱が発生するため、第１の燃料噴射によって生じる高温酸化反応が緩慢となる。従って、第１の燃料噴射による熱発生率ピークが更に抑制されるため、燃焼騒音を一層低減することができる。
　制御手段は、第１の燃料噴射によって生じる高温酸化反応の開始前に第２の燃料噴射を行うように、燃料噴射弁による第２の燃料噴射時期を制御してもよい。この場合には、第２の燃料噴射期間中は燃焼室内の雰囲気温度が低い状態であるため、第２の燃料噴射による着火遅れが延びる。従って、第２の燃料噴射直後の予混合時間が十分に確保されるため、スモークを一層低減することができる。
　本発明によれば、燃焼騒音、ＨＣ及びＣＯ、並びにスモークを十分低減することができる燃料噴射装置を提供することができる。
図１は、本実施形態に係わる燃料噴射装置を備えたディーゼルエンジンを示す概略構成図である。 図２は、図１に示したエンジン本体を示す断面図である。 図３は、図１に示したインジェクタから燃料を２回に分割して噴射するタイミングを示す図である。 図４は、燃料噴射期間及び予混合時間をピストンのクランク角と熱発生率との関係と共に示すグラフである。 図５は、ピストンのクランク角と１回目の燃料噴射期間及びその直後の予混合時間とスキッシュ流速との関係を示すグラフである。 図６は、１回目の燃料噴射直後の予混合時間とスモーク濃度との関係の一例を示すグラフである。 図７は、２回目の燃料噴射時期をピストンのクランク角と熱発生率との関係と共に示すグラフである。 図８は、２回目の燃料噴射量とＨＣ濃度及びＣＯ濃度との関係の一例を示すグラフである。 図９は、２回目の燃料噴射時期とＨＣ濃度及びＣＯ濃度との関係の一例を示すグラフである。 図１０は、２回目の燃料噴射直後の予混合時間とスモーク濃度との関係の一例を示すグラフである。 図１１は、２回目の燃料噴射時期とスモーク濃度との関係の一例を示すグラフである。 図１２は、ピストンのクランク角と熱発生率との関係を２分割噴射とシングル噴射とで比較した結果を示すグラフである。 図１３は、燃焼騒音及び燃費を２分割噴射とシングル噴射とで比較した結果を示すグラフである。 図１４は、予混合圧縮着火燃焼の成立限界ラインが拡大する様子を示すグラフである。
　以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
　図１は、本実施形態に係わる燃料噴射装置を備えたディーゼルエンジンを示す概略構成図である。本実施形態に係るディーゼルエンジン１は、４気筒直列ディーゼルエンジンである。ディーゼルエンジン１はエンジン本体２を備え、このエンジン本体２には４つのシリンダ３が設けられている。
　シリンダ３内には、図２に示されるように、ピストン４が収容されている。シリンダ３の上部には、シリンダヘッド５が配設されている。シリンダ３とピストン４とシリンダヘッド５とで囲まれる空間は、燃焼室６を構成している。ピストン４の頂部には、燃焼室６の一部をなすキャビティ６ａが形成されている。ピストン４におけるキャビティ６ａの外周側の部分とシリンダヘッド５との間の領域は、スキッシュエリア７を構成している。
　各シリンダ３には、燃焼室６内に燃料を噴射するインジェクタ（燃料噴射弁）８がそれぞれ配設されている。インジェクタ８は複数の噴孔（図示せず）を有し、各噴孔から放射状に燃料を噴射する。各インジェクタ８はコモンレール９に接続されており、コモンレール９に貯留された高圧燃料が各インジェクタ８に常時供給されている。
　エンジン本体２には、燃焼室６内に空気を吸入するための吸気通路１０がインテークマニホールド１１を介して接続されている。エンジン本体２には、燃焼後の排気ガスを排出するための排気通路１２がエキゾーストマニホールド１３を介して接続されている。
　吸気通路１０には、上流側から下流側に向けてエアクリーナー１４、ターボ過給機１５のコンプレッサ１６、インタークーラー１７、及びスロットルバルブ１８が設けられている。スロットルバルブ１８は、燃焼室６内への空気の吸入量を調整する。排気通路１２には、ターボ過給機１５のタービン１９及び触媒付きＤＰＦ（Diesel Particulate Filter）２０が設けられている。
　ディーゼルエンジン１は、燃焼後の排気ガスの一部を燃焼室６内に還流するＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）装置２１を備えている。ＥＧＲ装置２１は、ＥＧＲ通路２２、ＥＧＲバルブ２３、ＥＧＲクーラ２４、バイパス通路２５、及び切替弁２６を有している。ＥＧＲ通路２２は、吸気通路１０とエキゾーストマニホールド１３とを繋ぐ。ＥＧＲバルブ２３は、エキゾーストマニホールド１３から吸気通路１０への排気ガス（ＥＧＲガス）の還流量を調整する。ＥＧＲクーラ２４は、ＥＧＲ通路２２を通るＥＧＲガスを冷却する。バイパス通路２５は、ＥＧＲガスをＥＧＲクーラ２４に対してバイパスさせる。切替弁２６は、ＥＧＲクーラ２４とバイパス通路２５との間でＥＧＲガスの流路を切り替える。
　ディーゼルエンジン１は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）（コントローラ）２７によって制御される。ＥＣＵ２７には、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ２８と、エンジン回転数を検出するエンジン回転センサ２９と、ピストン４のクランク軸（図示せず）の角度を検出するクランク角度センサ３０と、が接続されている。ＥＣＵ２７は、これらのセンサ２８～３０の検出信号に基づいて、上記の各インジェクタ８、スロットルバルブ１８、ＥＧＲバルブ２３、及び切替弁２６を制御する。
　インジェクタ８、ＥＣＵ２７、及びセンサ２８～３０は、本実施形態の燃料噴射装置３１を構成している。燃料噴射装置３１において、ＥＣＵ２７は、主にエンジン回転数及びアクセル開度から燃料噴射量及び燃料噴射時期を決定し、それに応じて各インジェクタ８を制御する。すなわち、ＥＣＵ２７は、決定した燃料噴射量及び燃料噴射時期に基づいて、各インジェクタ８を操作する。
　ＥＣＵ２７は、図３に示されるように、２分割噴射の予混合圧縮着火燃焼を行うように各インジェクタ８を制御する。つまり、ＥＣＵ２７は、吸気行程、圧縮行程、膨張行程、及び排気行程という１サイクルにおいて、各インジェクタ８から燃料を２回に分けて噴射させるように制御する。このとき、特に高負荷域では、１回目の燃料噴射量を２回目の燃料噴射量よりも多くするのが好ましい。
　１回目の燃料噴射（第１の燃料噴射）は、１回目の燃料噴射直後の予混合時間が最小（＞０）である時期よりも遅角側で行うように設定されている。予混合時間とは、図４に示されるように、燃料噴射の終了時点から着火（高温酸化反応）の開始時点までの時間である。１回目の燃料噴射時期を上記のように設定する理由は、以下の通りである。
　例えば図５の破線Ｐで示されるように、１回目の燃料噴射の予混合時間の開始タイミングが圧縮上死点（ＴＤＣ）以前であり、１回目の燃料噴射の予混合時間の終了タイミングが圧縮上死点以降であるときに、１回目の燃料噴射の予混合時間が最小である。１回目の燃料噴射の予混合時間が最小である時期は、燃料噴射量や運転状況等によって変わる。１回目の燃料噴射が、予混合時間が最小である時期よりも進角側または遅角側で行われると、当該予混合時間が長い（図６参照）。このため、予混合時間が長くなる分だけ空気と燃料とが混ざりやすくなり、結果的にスモークの低減につながる。
　圧縮上死点以降では、ピストン４が圧縮下死点側に移動することで、キャビティ６ａからスキッシュエリア７に向かって空気が流れる逆スキッシュ流（図２参照）が発生する。しかも、ピストン４が圧縮上死点近傍から離れると、図５に示されるように、所定のクランク角までは逆スキッシュ流の流速が急激に高くなる。
　１回目の燃料噴射が、予混合時間が最小である時期よりも遅角側で行われると、図５の太実線Ｑで示されるように、１回目の燃料噴射の予混合期間が圧縮上死点以降である状態が長い。このため、高流速の逆スキッシュ流の利用によって空気と燃料とが一層混ざりやすくなり、スモークの低減に効果的である。図５の細実線Ｒは、１回目の燃料噴射が、予混合時間が最小である時期よりも進角側で行われる様子を示す。
　例えば図６に示されるように、１回目の燃料噴射の予混合時間がＡｍｓである場合に、１回目の燃料噴射が、予混合時間が最小値（図中の白丸）である時期よりも進角側で行われると、スモークの濃度が６．９％である。これに対し、１回目の燃料噴射が、予混合時間が最小である時期よりも遅角側で行われると、スモークの濃度が３．６％と低下している。図６においては、スモークの濃度が一部で負の値であるが、これはスモークの検出に用いた計器の問題であり、スモークの濃度自体に負の値はない。
　そこで本実施形態では、１回目の燃料噴射が、１回目の燃料噴射直後の予混合時間が最小である時期よりも遅角側で行われるように設定される。そのように１回目の燃料噴射時が設定されることで、１回目の燃料噴射による高温酸化反応（後述）の発生時期が確実に圧縮上死点以降となる（図７参照）。特に図５に示されるものでは、圧縮上死点以前に１回目の燃料噴射が開始されて圧縮上死点以降に１回目の燃料噴射が終了するように、１回目の燃料噴射時期が設定されている。
　２回目の燃料噴射（第２の燃料噴射）は、図４及び図７に示されるように、１回目の燃料噴射及び着火と２回目の燃料噴射及び着火とにより生じる熱発生率波形が二山形状であるような時期に行われるように設定されている。燃料の噴射完了後に着火が行われると、高温酸化反応による熱発生率ピークが生じる。従って、１回目の燃料噴射と２回目の燃料噴射との間で時間差をもたせることで、高温酸化反応による熱発生率ピークが２つ存在するような熱発生率波形が得られる。
　具体的には、２回目の燃料噴射は、１回目の燃料噴射によって生じる低温酸化反応による熱発生率ピーク以降であり且つ１回目の燃料噴射によって生じる高温酸化反応による熱発生率ピーク以前（図７中のクランク角範囲Ｈ内）に行われることが好ましい。特に、２回目の燃料噴射開始は、１回目の燃料噴射によって生じる低温酸化反応による熱発生率ピークよりも遅い時期に行われ、２回目の燃料噴射終了は、１回目の燃料噴射によって生じる高温酸化反応の開始までに行われることがより好ましい。
　低温酸化反応は、冷炎反応とも呼ばれ、ガスの温度の変化は小さいが、ガスの組成を変化させるような反応である。高温酸化反応は、低温酸化反応後に燃料の着火によって起こるものであり、ガスの温度が大きく変化する反応である。
　低負荷域では、２回目の燃料噴射は、上記クランク角範囲Ｈ内における早い時期に行われることが好ましい。高負荷域では、２回目の燃料噴射は、上記クランク角範囲Ｈ内における遅い時期に行われることが好ましい。２回目の燃料噴射量は、１回目の燃料噴射量と２回目の燃料噴射量との合計の６５％以下であるように設定される。このとき、１回目の燃料噴射量に対する２回目の燃料噴射量の比率は、高負荷域になるほど、下げることが好ましい。
　１回目の燃料噴射及び２回目の燃料噴射のいずれも予混合燃焼が実施されることにより、燃料と空気とが適切に混合される。したがって、局所リッチや局所リーンの発生が抑えられ、上記スモークの低減に加え、ＮＯｘを低減することもできる。
　２回目の燃料噴射が行われることにより、１回目の燃料噴射時に生じた未燃分が再燃焼されるため、未燃ＨＣ及び未燃ＣＯを低減することができる。例えば図８に示されるように、２回目の燃料噴射が行われる場合には、２回目の燃料噴射が行われない場合に比べて、ＨＣやＣＯが低減される。
　２回目の燃料噴射が、１回目の燃料噴射によって生じる低温酸化反応による熱発生率のピーク以降であり且つ１回目の燃料噴射によって生じる高温酸化反応による熱発生率のピーク以前というクランク角範囲Ｈ内に行われることにより、１回目の燃料噴射によって生じる高温酸化反応が開始された後に、２回目の燃料噴射によって生じる高温酸化反応が起こる。このため、１回目の燃料噴射により燃焼した後のガスの温度が十分上がるため、１回目の燃料噴射における未燃分の酸化反応が促進される。従って、未燃ＨＣ及び未燃ＣＯをより低減することができる。例えば図９に示されるように、２回目の燃料噴射が上記クランク角範囲Ｈ内に行われる場合には、それ以外の時期に２回目の燃料噴射が行われる場合に比べて、ＨＣ及びＣＯが低減される。この効果は、特に燃焼温度が低い低負荷域において顕著に表れる。
　２回目の燃料噴射の予混合時間が確保されることにより、上述したように空気と燃料とが混ざりやすくなるため、スモークの低減に一層寄与することができる。例えば図１０に示されるように、２回目の燃料噴射の予混合時間がＢｍｓであると、スモークの濃度がほぼゼロとなる。
　２回目の燃料噴射が１回目の燃料噴射によって生じる高温酸化反応のピークまでに終了する場合には、２回目の燃料噴射中は燃焼室６内の雰囲気温度が低い状態に維持される。従って、２回目の燃料噴射による燃料の着火遅れが延びるため、２回目の燃料噴射の予混合期間が十分確保される。これにより、スモークを更に低減することができる。例えば図１１に示されるように、２回目の燃料噴射が上記クランク角範囲Ｈ内に行われる場合には、それ以外の時期に２回目の燃料噴射が行われる場合に比べて、スモークが低減される。
　２分割噴射の予混合圧縮着火燃焼が実施されることにより、高温酸化反応による熱発生率ピークが低減される。例えば図１２に示されるように、２分割噴射の予混合圧縮着火燃焼（実線Ｘ参照）が実施される場合には、シングル噴射の予混合圧縮着火燃焼（破線Ｙ参照）が実施される場合に比べて、熱発生率のピークが低減される。また、２回目の燃料噴射によって１回目の燃料噴射及び着火により発生した熱が奪われるため、１回目の燃料噴射によって生じる高温酸化反応が緩慢になり、高温酸化反応による熱発生率のピークが更に低減される。
　このように熱発生率のピークが抑制されるので、筒内圧力上昇率が低減し、燃焼騒音を低減することができる。例えば図１３（ａ）に示されるように、２分割噴射の予混合圧縮着火燃焼が実施される場合には、シングル噴射の予混合圧縮着火燃焼が実施される場合に比べて、燃焼騒音が低減される。例えば図１１に示されるように、２回目の燃料噴射が上記クランク角範囲Ｈ内に行われる場合には、それ以外の時期に２回目の燃料噴射が行われる場合に比べて、燃焼騒音が十分低減される。
　また、熱発生率のピークが抑制されることで、過度な急速燃焼が抑えられる。このため、冷却損失が低減され、結果的に低燃費の燃焼を実現することができる。例えば図１３（ｂ）に示されるように、２分割噴射の予混合圧縮着火燃焼が実施される場合には、シングル噴射の予混合圧縮着火燃焼が実施される場合に比べて、燃費が低減される。
　以上のように本実施形態によれば、予混合圧縮着火燃焼におけるスモーク、未燃ＨＣ及び未燃ＣＯ、燃焼騒音、燃費、並びにエミッションを十分に低減することができる。この結果、予混合燃焼成立領域を拡大させ、ひいては運転可能範囲を拡大させることが可能となる。例えば図１４に示されるように、２回目の燃料噴射が上記クランク角範囲Ｈ内に行われる場合（実線参照）には、その後に２回目の燃料噴射が行われる場合（破線参照）に比べて、予混合圧縮着火燃焼の成立限界ラインがエンジン回転数（トルク）の高いほうへ拡大する。図１４は、２回目の燃料噴射時期が適切に設定された場合に、予混合圧縮着火燃焼の成立限界ラインが拡大する様子を示す。
　別の観点では、本実施形態は、予混合圧縮着火燃焼を行うエンジンの燃料噴射装置であって、エンジンの燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、燃料を複数回に分割して噴射させるように燃料噴射弁を操作するコントローラと、を備え、コントローラは、第１の燃料噴射直後の予混合時間が最小である時期よりも遅角側で第１の燃料噴射を行うように、燃料噴射弁による第１の燃料噴射の時期を制御すると共に、第１の燃料噴射及びその後に行われる第２の燃料噴射によって生じる熱発生率波形が二山形状であるように、燃料噴射弁による第２の燃料噴射の時期を制御する。
　更に別の観点では、本実施形態は、予混合圧縮着火燃焼を行うエンジンの燃料噴射装置であって、エンジンの燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、第１の燃料噴射と第１の燃料噴射の後の第２の燃料噴射とを実施するように燃料噴射弁を操作し、第１の燃料噴射直後の予混合時間が最小である時期よりも遅角側で第１の燃料噴射を行うように、第１の燃料噴射の時期を制御し、第１の燃料噴射及び第２の燃料噴射によって生じる熱発生率波形が二山形状であるように、第２の燃料噴射の時期を制御するように構成されたコントローラと、を備える。
　なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、燃料が２回に分けて噴射される２分割噴射の予混合圧縮着火燃焼が行われているが、燃料が３回以上に分けて噴射されてもよい。この場合でも、燃料噴射装置３１（ＥＣＵ２７）は、第１の燃料噴射直後の予混合時間が最小である時期よりも遅角側で第１の燃料噴射を行うように、第１の燃料噴射時期を制御すると共に、第１の燃料噴射及びその後に行われる第２の燃料噴射によって生じる熱発生率波形が二山形状であるように、第２の燃料噴射時期を制御すればよい。
　本発明は、予混合圧縮着火燃焼を行うエンジンの燃料噴射装置に利用できる。
　１…ディーゼルエンジン、６…燃焼室、８…インジェクタ（燃料噴射弁）、２７…ＥＣＵ（制御手段）、３１…燃料噴射装置。

Claims (4)

  1. 　予混合圧縮着火燃焼を行うエンジンの燃料噴射装置であって、
    　前記エンジンの燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
    　前記燃料を複数回に分割して噴射させるように前記燃料噴射弁を制御する制御手段と、を備え、
    　前記制御手段は、第１の燃料噴射直後の予混合時間が最小である時期よりも遅角側で前記第１の燃料噴射を行うように、前記燃料噴射弁による前記第１の燃料噴射の時期を制御すると共に、前記第１の燃料噴射及びその後に行われる第２の燃料噴射によって生じる熱発生率波形が二山形状であるように、前記燃料噴射弁による前記第２の燃料噴射の時期を制御する。
  2. 　請求項１に記載の燃料噴射装置であって、
    　前記制御手段は、前記第１の燃料噴射によって生じる高温酸化反応の開始時期が圧縮上死点以降であるように、前記燃料噴射弁による前記第１の燃料噴射の前記時期を制御する。
  3. 　請求項１又は２に記載の燃料噴射装置であって、
    　前記制御手段は、前記第１の燃料噴射によって生じる低温酸化反応による熱発生率ピーク以降で且つ前記第１の燃料噴射によって前記低温酸化反応後に生じる高温酸化反応による熱発生率ピーク以前に前記第２の燃料噴射を行うように、前記燃料噴射弁による前記第２の燃料噴射の前記時期を制御する。
  4. 　請求項３に記載の燃料噴射装置であって、
    　前記制御手段は、前記第１の燃料噴射によって生じる前記高温酸化反応の開始前に前記第２の燃料噴射を行うように、前記燃料噴射弁による前記第２の燃料噴射の前記時期を制御する。
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