本發(fā)明涉及通過自點(diǎn)火使從噴射裝置噴射至燃燒室的燃料燃燒的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。

背景技術(shù)：

以往，為使柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒形態(tài)更為恰當(dāng)，進(jìn)行了各種研究，作為其中之一，已知有推定噴射至汽缸內(nèi)的燃料的點(diǎn)火延遲（從燃料被噴射起到點(diǎn)燃為止的時(shí)間），并基于推定的點(diǎn)火延遲控制噴射系統(tǒng)的技術(shù)。

例如，下述專利文獻(xiàn)1中公開了在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中，將基于進(jìn)氣量、EGR氣體量、燃料噴射量、進(jìn)氣溫度?壓力等計(jì)算得到的實(shí)際點(diǎn)火延遲與根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及燃料噴射量利用映射圖求得的基準(zhǔn)運(yùn)行時(shí)的點(diǎn)火延遲（基準(zhǔn)點(diǎn)火延遲）進(jìn)行比較，并基于兩者的差值修正燃料噴射正時(shí)。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)：

專利文獻(xiàn)：

專利文獻(xiàn)1：日本特開2012-87743號(hào)公報(bào)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明要解決的問題：

在這里，尤其在車載用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中，需要充分考慮冷狀態(tài)時(shí)的燃燒穩(wěn)定性（點(diǎn)火性）等實(shí)用上的問題，因此通常將壓縮比設(shè)定為比較高的值。例如，現(xiàn)在市售的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)大多數(shù)幾何壓縮比在16以上。在這樣的傳統(tǒng)型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中，即使像上述專利文獻(xiàn)1那樣精細(xì)地控制噴射正時(shí)，只要柴油發(fā)動(dòng)機(jī)未采用特有的高度排氣凈化系統(tǒng)，就難以應(yīng)對(duì)近年來越發(fā)嚴(yán)格的排氣限制。尤其，在傳統(tǒng)型柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中，壓縮比高導(dǎo)致的燃燒溫度的上升造成NOx的產(chǎn)生，因此需要設(shè)置例如利用尿素水等還原NOx的昂貴的NOx催化器，這是增加柴油發(fā)動(dòng)機(jī)制造成本的原因之一。

本發(fā)明鑒于以上的情況而形成，目的在于提供一種無需NOx催化器且燃燒穩(wěn)定性優(yōu)異的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。

解決問題的手段：

為解決上述問題，本申請(qǐng)的第一發(fā)明是通過自點(diǎn)火使從噴射裝置噴射至燃燒室的燃料燃燒的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，具備：能旋轉(zhuǎn)地設(shè)置于排氣通路的渦輪；以能夠與渦輪聯(lián)動(dòng)地旋轉(zhuǎn)的形式設(shè)置于進(jìn)氣通路的壓縮機(jī)；以及，包括為了控制與渦輪碰撞的排氣的流速而能變更角度地設(shè)置于渦輪周圍的多個(gè)噴嘴葉片的渦輪增壓器，將關(guān)閉進(jìn)氣門時(shí)的燃燒室容積與活塞處于上死點(diǎn)時(shí)的燃燒室容積的比值設(shè)為有效壓縮比ε_e，并將發(fā)動(dòng)機(jī)的總排氣量設(shè)為V（L）時(shí)，以滿足下式（1）的形式設(shè)定有效壓縮比ε_e：

-0.67×V+15.2≦ε_e≦14.8 ……（1）。

根據(jù)該第一發(fā)明的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，有效壓縮比ε_e被設(shè)定為14.8以下，因此在空氣與燃料充分混合的狀態(tài)下開始燃燒，燃燒溫度被抑制得較低。由此，因燃燒而生成的NOx的量變得很少，因此不用在排氣通路中設(shè)置用于處理NOx的特別的催化器等，能夠?qū)Ox的排出量抑制為足夠低的水平。

但是，過度降低有效壓縮比ε_e時(shí)，尤其在像冷狀態(tài)條件下的無負(fù)荷運(yùn)行（空轉(zhuǎn)）時(shí)，汽缸的壁面溫度較低且熱發(fā)生量也較少的情況下，無法提供能夠點(diǎn)燃燃料的缸內(nèi)環(huán)境（溫度、壓力），最壞的情況可能會(huì)招致失火。對(duì)此，在上述第一發(fā)明中，有效壓縮比ε_e設(shè)定為與總排氣量V之間的關(guān)系在“-0.67×V+15.2”以上，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)中具備在渦輪周圍設(shè)置有噴嘴葉片的渦輪增壓器（所謂的可變幾何渦輪增壓器），因此在例如冷狀態(tài)且無負(fù)荷那樣難以確保點(diǎn)火性的運(yùn)行條件下，利用噴嘴葉片（降低葉片開度）提高排氣的流速，以此能夠充分發(fā)揮增壓能力，從而能提高缸內(nèi)壓力，并能夠改善點(diǎn)火性。由此，能夠與運(yùn)行條件無關(guān)且可靠地使燃料點(diǎn)燃，能夠確保充分的燃燒穩(wěn)定性。

上述第一發(fā)明中，優(yōu)選上述渦輪增壓器是在發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行中能夠?qū)⑷~片開度最小降低至小于10%的渦輪增壓器，所述葉片開度是指將噴嘴葉片關(guān)閉至相鄰的上述噴嘴葉片彼此接觸為止時(shí)的開度設(shè)為0%、且將最大限度打開時(shí)的開度設(shè)為100%的情況下的葉片開度。

像這樣，如果能夠使葉片開度降低至小于10%，則與渦輪碰撞的排氣的流速被充分提高，因此能夠可靠地改善燃料的點(diǎn)火性并確保較高的燃燒穩(wěn)定性。

又，本申請(qǐng)的第二發(fā)明是通過自點(diǎn)火使從噴射裝置噴射至汽缸內(nèi)的燃料燃燒的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，具備：包括能旋轉(zhuǎn)地設(shè)置于排氣通路的渦輪、和以能夠與該渦輪聯(lián)動(dòng)地旋轉(zhuǎn)的形式設(shè)置于進(jìn)氣通路的壓縮機(jī)的小型渦輪增壓器；以及，包括能旋轉(zhuǎn)地設(shè)置于排氣通路且比上述小型渦輪增壓器大型的渦輪、和以能夠與該渦輪聯(lián)動(dòng)地旋轉(zhuǎn)的形式設(shè)置于進(jìn)氣通路且比上述小型渦輪增壓器大型的壓縮機(jī)的大型渦輪增壓器，將關(guān)閉進(jìn)氣門時(shí)的燃燒室容積與活塞處于上死點(diǎn)時(shí)的燃燒室容積的比值設(shè)為有效壓縮比ε_e，并將發(fā)動(dòng)機(jī)的總排氣量設(shè)為V（L）時(shí)，以滿足下式（2）的形式設(shè)定有效壓縮比ε_e：

-0.67×V+15.0≦ε_e≦14.8……（2）。

根據(jù)該第二發(fā)明的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，有效壓縮比ε_e被設(shè)定為14.8以下，因此能夠與上述第一發(fā)明相同地將燃燒溫度抑制得較低，并且能夠?qū)Ox 的產(chǎn)生量降低至可以不需要NOx催化器等的水平。

又，上述第二發(fā)明中，有效壓縮比ε_e設(shè)定為與總排氣量V的關(guān)系在“-0.67×V+15.0”以上，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)中具備尺寸不同的兩種渦輪增壓器（所謂的雙級(jí)渦輪增壓器），因此在例如冷狀態(tài)且無負(fù)荷那樣那難以確保點(diǎn)火性的運(yùn)行條件下，利用即使少量排氣也能進(jìn)行工作的小型渦輪增壓器來進(jìn)行增壓，以此能夠充分發(fā)揮增壓能力，從而能提高缸內(nèi)壓力，并且能夠改善點(diǎn)火性。由此，能夠與運(yùn)行條件無關(guān)且可靠地使燃料點(diǎn)燃，并且能夠確保充分的燃燒穩(wěn)定性。

在上述第一發(fā)明或第二發(fā)明中，優(yōu)選在與上述噴射裝置相向的活塞的冠面上形成凹狀的腔，至少在包括無負(fù)荷的低負(fù)荷側(cè)的運(yùn)行區(qū)域內(nèi)，上述噴射裝置在燃料噴霧的至少一部分容納于上述腔中的正時(shí)分多次噴射燃料。

根據(jù)該結(jié)構(gòu)，能夠在腔的內(nèi)部形成易點(diǎn)燃且較濃的混合氣，能夠有效地改善點(diǎn)火性并確保較高的燃燒穩(wěn)定性。即，與一次噴射所需量的燃料的情況相比，分多次噴射燃料時(shí)，每次噴射的燃料量變少，因此噴霧的穿透能力（penetration）（貫徹力）變?nèi)?。由此，例如噴霧容易停留在腔的特定場(chǎng)所，因此盡管總的噴射量較少，也能夠形成局部較濃的混合氣，能夠促進(jìn)燃料的點(diǎn)燃。

在這里，在上述第一發(fā)明或第二發(fā)明中，排氣門的閉正時(shí)可以設(shè)定于比上死點(diǎn)后10°CA靠近提前角側(cè)。

像這樣，將排氣門的閉正時(shí)設(shè)定于上死點(diǎn)附近時(shí)，幾乎不發(fā)生排氣殘留于燃燒室的內(nèi)部EGR，不可能期望由高溫排氣帶來的燃燒室的升溫效果（由此帶來的點(diǎn)火性的改善）。然而，如果是滿足上述第一發(fā)明或第二發(fā)明中規(guī)定的條件的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，則即使是上述那樣幾乎不發(fā)生內(nèi)部EGR的環(huán)境，也能夠確保充分的燃燒穩(wěn)定性。這意味著在以下時(shí)刻能夠采用同一氣門正時(shí)：進(jìn)行內(nèi)部EGR反倒妨礙適當(dāng)燃燒這樣的運(yùn)行條件（例如高負(fù)荷域等）時(shí)，以及，在點(diǎn)火性方面嚴(yán)苛的運(yùn)行條件時(shí)（例如冷狀態(tài)且無負(fù)荷時(shí)）。因此，可以不需要用于變更排氣門的開閉正時(shí)等的可變機(jī)構(gòu)，能夠削減柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的制造成本。

發(fā)明效果：

如以上說明的，根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種不需要NOx催化器并且燃燒穩(wěn)定性優(yōu)異的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。

附圖說明

圖1是示出根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)的圖；

圖2是放大示出上述柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)主體的一部分的剖視圖；

圖3是示出上述柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)?排氣門的開閉特性的圖；

圖4是上述柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞的局部放大剖視圖；

圖5是上述活塞的俯視圖；

圖6是詳細(xì)示出上述柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)的圖；

圖7是用于說明上述渦輪增壓器的可變?nèi)~片機(jī)構(gòu)的動(dòng)作的圖，（a）示出噴嘴葉片全閉時(shí)的狀態(tài)，（b）示出噴嘴葉片打開時(shí)的狀態(tài)；

圖8是示出上述柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)的框圖；

圖9是用來說明上述柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中在極低負(fù)荷域中進(jìn)行的燃料噴射的形態(tài)的圖；

圖10是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)的圖；

圖11是用與總排氣量的關(guān)系示出為了兼顧燃燒穩(wěn)定性的確保及NOx催化器的省略而必要的有效壓縮比的條件的圖表；

圖12是用來說明發(fā)明人為了獲得圖11的結(jié)論而進(jìn)行的與點(diǎn)火性指標(biāo)有關(guān)的研究?jī)?nèi)容的模式圖（其一）；

圖13是用來說明與上述點(diǎn)火性指標(biāo)有關(guān)的研究?jī)?nèi)容的模式圖（其二）。

具體實(shí)施方式

（1）第一實(shí)施例

圖1是示出根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)的圖。該圖所示的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)是作為行駛用動(dòng)力源而搭載于車輛的四沖程四汽缸的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。具體而言，該柴油發(fā)動(dòng)機(jī)具備：接收以輕油作為主成分的燃料的供給而被驅(qū)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)主體1；用于向發(fā)動(dòng)機(jī)主體1導(dǎo)入燃燒用空氣的進(jìn)氣通路30；用于排出在發(fā)動(dòng)機(jī)主體1中生成的排氣（燃燒氣體）的排氣通路40；用于使通過排氣通路40的排氣的一部分回流至進(jìn)氣通路30的EGR裝置50；和借助于通過排氣通路40的排氣進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的渦輪增壓器60。

圖2是放大示出發(fā)動(dòng)機(jī)主體1的一部分的剖視圖。如該圖2以及前面的圖1所示，發(fā)動(dòng)機(jī)主體1具有：內(nèi)部形成有圓筒狀的汽缸2的汽缸體3；可往復(fù)運(yùn)動(dòng)（上下運(yùn)動(dòng)）地容納于汽缸2內(nèi)的活塞4；以從與活塞4的冠面4a相向的一側(cè)覆蓋汽缸2的端面（上表面）的形式設(shè)置的汽缸蓋5；和為了貯留潤(rùn)滑油而配設(shè)在汽缸體3的下側(cè)的油底殼6。另，假設(shè)本實(shí)施例中的發(fā)動(dòng)機(jī)主體1為直列四汽缸型。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)主體1具有排成列狀的四個(gè)汽缸2和四個(gè)活塞4，各汽缸2以及各活塞4以在與紙面正交的方向上排列的形式進(jìn)行配置（圖上僅示出其中之一）。

活塞4經(jīng)由連桿8與作為發(fā)動(dòng)機(jī)主體1的輸出軸的曲軸7連接。又，活塞4的上方形成有燃燒室9，該燃燒室9中，從后述的噴射器20噴射的燃料通過自點(diǎn)火進(jìn)行燃燒。而且，該燃燒所伴隨的膨脹能量使活塞4進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并使曲軸7繞中心軸旋轉(zhuǎn)。

在這里，本實(shí)施例中的發(fā)動(dòng)機(jī)主體1的總排氣量，即各汽缸2的沖程容積（活塞所移動(dòng)的范圍的容積）與汽缸個(gè)數(shù)（這里為四）相乘得到的值設(shè)定為1.5L（1498CC）。又，各汽缸2的幾何壓縮比，即活塞4處于下死點(diǎn)時(shí)的燃燒室容積與活塞4處于上死點(diǎn)時(shí)的燃燒室容積之比設(shè)定為14.80。

汽缸蓋5中設(shè)置有：用于將從進(jìn)氣通路30供給的空氣導(dǎo)入至燃燒室9中的進(jìn)氣道16；用于將燃燒室9中生成的排氣導(dǎo)出至排氣通路40的排氣道17；將進(jìn)氣道16的燃燒室9側(cè)的開口進(jìn)行開閉的進(jìn)氣門18；和將排氣道17的燃燒室9側(cè)的開口進(jìn)行開閉的排氣門19。

活塞4的冠面4a上形成有使包含其中心部的區(qū)域向與汽缸蓋5相反的一側(cè)（下方）凹入的腔10（參照?qǐng)D2）。該腔10形成為具有占據(jù)活塞4上升至上死點(diǎn)時(shí)的燃燒室9的大部分的容積的結(jié)構(gòu)。

作為向燃燒室9噴射燃料的噴射裝置，汽缸蓋5中安裝有噴射器20。該噴射器20以其活塞4側(cè)的端部（梢端部）面向腔10的中心部的姿勢(shì)、與汽缸2同軸地（噴射器20的中心軸與汽缸2的中心軸一致地）進(jìn)行安裝。

如圖1所示，渦輪增壓器60具有配設(shè)于進(jìn)氣通路30的壓縮機(jī)61、以及與壓縮機(jī)61同軸地連接且配設(shè)于排氣通路40的渦輪62。渦輪62接收排氣通路40中流動(dòng)的排氣的能量而旋轉(zhuǎn)，壓縮機(jī)61與渦輪62聯(lián)動(dòng)地旋轉(zhuǎn)，以此將進(jìn)氣通路30中流通的空氣進(jìn)行壓縮（增壓）。

EGR裝置50是將通過排氣通路40的排氣的一部分作為EGR氣體而回流至進(jìn)氣通路30的裝置，具備：將排氣通路40與進(jìn)氣通路30進(jìn)行相互連接的EGR通路51、為了調(diào)節(jié)通過EGR通路51的EGR氣體的流量（EGR氣體向汽缸2的導(dǎo)入量）而設(shè)置于EGR通路51的EGR閥53、和用于冷卻EGR氣體的EGR冷卻器52。另，本實(shí)施例中，借助EGR通路51將比渦輪62靠近上游側(cè)（排氣的流動(dòng)方向上游側(cè)）的排氣通路40與比壓縮機(jī)61靠近下游側(cè)（吸入空氣的流動(dòng)方向下游側(cè)）的進(jìn)氣通路30進(jìn)行連接，以此將通過渦輪62前的高壓排氣回流至進(jìn)氣通路30，但亦可代替地或附加地將通過渦輪62后的低壓排氣回流至進(jìn)氣通路30。該情況下，會(huì)設(shè)置將比渦輪62靠近下游側(cè)的排氣通路40與比壓縮機(jī)61靠近上游側(cè)的進(jìn)氣通路30進(jìn)行連接的其他EGR通路。

進(jìn)氣通路30中比壓縮機(jī)61靠近下游側(cè)處設(shè)置有用于冷卻由壓縮機(jī)61壓縮的空氣的中冷器35、和可開閉的節(jié)氣門36。另，節(jié)氣門36在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中基本維持全開或者接近全開的高開度，并且僅在發(fā)動(dòng)機(jī)停止時(shí)等的必要時(shí)閉閥而切斷進(jìn)氣通路30。

排氣通路40中比渦輪62靠近下游側(cè)處設(shè)置有用于凈化排氣中的有害成分的排氣凈化裝置41。該排氣凈化裝置41包括：使排氣中的CO以及HC（hydrocarbon；碳?xì)浠衔铮┭趸难趸呋?1a；和捕集排氣中的黑煙（煤）的DPF（Diesel Particulate Filter；柴油微粒過濾器）41b。另，具體內(nèi)容在后述的“（3）作用”中進(jìn)行說明，但在本實(shí)施例的發(fā)動(dòng)中，能夠?qū)⑷紵傻腘Ox量抑制為足夠小的值。因此，排氣通路40中沒有設(shè)置用于處理NOx的催化器（例如利用尿素水等還原NOx的催化器）。

圖3是示出進(jìn)氣門18和排氣門19的開閉正時(shí)的圖表。該圖表中，縱軸為升程量，橫軸為曲軸角（CA），橫軸中“TDC”、“ BDC”分別示出上死點(diǎn)、下死點(diǎn)。又，帶有“EX”的曲線示出排氣門19的升程曲線，帶有“IN”的曲線示出進(jìn)氣門18的升程曲線。另，各升程曲線的起點(diǎn)和終點(diǎn)，即進(jìn)?排氣門18、19的開正時(shí)和閉正時(shí)分別與氣門的升程量處于0.1mm的時(shí)刻相對(duì)應(yīng)。

排氣門19的閉正時(shí)（圖中的EVC）設(shè)定為比ATDC（上死點(diǎn)后）10°CA靠近提前角側(cè)（例如ATDC8°CA）。像這樣，上死點(diǎn)后立刻關(guān)閉排氣門19，因此本實(shí)施例的發(fā)動(dòng)機(jī)中，高溫排氣從排氣道17向燃燒室9逆流的現(xiàn)象，即內(nèi)部EGR幾乎不會(huì)發(fā)生。

又，進(jìn)氣門18的閉正時(shí)（圖中的IVC）設(shè)定為ABDC（下死點(diǎn)后）25°CA。因此，本實(shí)施例的發(fā)動(dòng)機(jī)中，各汽缸2的有效壓縮比，即關(guān)閉進(jìn)氣門18時(shí)的燃燒室容積與活塞4處于上死點(diǎn)時(shí)的燃燒室容積的比值設(shè)定為14.45。

本實(shí)施例中，上述那樣的進(jìn)?排氣門18、19的開閉特性與發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行條件無關(guān)而保持一定。因此，本實(shí)施例中，無需變更氣門的開閉特性（開閉正時(shí)及升程量），也不需要用于該目的的特別機(jī)構(gòu)。即，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)，有時(shí)會(huì)將變更進(jìn)氣門或排氣門的開閉正時(shí)的正時(shí)可變機(jī)構(gòu)或變更升程量的升程可變機(jī)構(gòu)等添加到氣門操縱機(jī)構(gòu)中，但本實(shí)施例的發(fā)動(dòng)機(jī)中未設(shè)置這樣的可變機(jī)構(gòu)。

圖4和圖5示出從噴射器20向設(shè)置于活塞4的冠面4a上的腔10噴射燃料的狀況。如這些圖所示，噴射器20的梢端部設(shè)置有成為燃料出口的多個(gè)（在這里為十個(gè)）噴孔22，各噴孔22以在周方向上大致等間隔地排列的形式配置。燃料噴射時(shí)，從這樣的噴孔22噴射燃料，從而形成俯視時(shí)呈放射狀展開的多個(gè)噴霧F（參照?qǐng)D5）。

腔10設(shè)定為能夠接收當(dāng)活塞4處于上死點(diǎn)及其附近時(shí)從噴射器20噴射的燃料（噴霧F）的形狀和大小。更具體地，本實(shí)施例中，腔10設(shè)為所謂的凹型的形狀。即，形成腔10的壁面具有：大致山型的中央隆起部11、形成于比中央隆起部11靠近活塞4的徑向外側(cè)且俯視為圓形的周邊凹部12、和形成于周邊凹部12和活塞4的冠面4a之間且俯視為圓形的唇部13。

中央隆起部11形成為越靠近腔10的中心側(cè)越以靠近噴射器20的形式隆起，并且該隆起的頂部位于噴射器20的梢端部的正下方。周邊凹部12形成為與中央隆起部11連續(xù)，并且剖視時(shí)形成向活塞4的徑向外側(cè)凹入的圓弧狀的結(jié)構(gòu)。唇部13形成為與周邊凹部12連續(xù)，并且剖視時(shí)形成向活塞4的徑向內(nèi)側(cè)凸出的圓弧狀的結(jié)構(gòu)。

上述那樣構(gòu)成的腔10整體上具有越靠近活塞4的冠面4a而開口面積越小的上側(cè)較窄形狀的截面形狀。尤其在來自于噴射器20的燃料的噴射量較多時(shí)，這樣形狀的腔10發(fā)揮使噴射的燃料的噴霧F主要沿著周邊凹部12以及中央隆起部11從徑向外側(cè)向內(nèi)側(cè)（腔10的中心側(cè)）反轉(zhuǎn)的功能，因此有利于促進(jìn)燃料的混合。另一方面，燃料噴射量較少時(shí)，噴霧F主要停留在周邊凹部12及其附近，因此形成局部較濃的混合氣，其結(jié)果是，可以促進(jìn)燃料的點(diǎn)燃（自點(diǎn)火）。

圖6是示出渦輪增壓器60中的渦輪62的詳細(xì)結(jié)構(gòu)的圖。如該圖所示，可使本實(shí)施例的渦輪62采用對(duì)與渦輪62碰撞的排氣的流速進(jìn)行控制的可變?nèi)~片機(jī)構(gòu)66。即，本實(shí)施例的渦輪增壓器60是所謂的可變幾何渦輪增壓器（VGT；variable geometry turbocharger）。

可變?nèi)~片機(jī)構(gòu)66具有：以包圍渦輪62的形式配置的多個(gè)噴嘴葉片（nozzle vanes）67；與各噴嘴葉片67協(xié)作的桿68；以及，進(jìn)退驅(qū)動(dòng)桿68從而變更各噴嘴葉片67的角度的葉片執(zhí)行器69。借助于葉片執(zhí)行器69和桿68往閉方向（縮小相鄰噴嘴葉片67彼此之間的距離的方向）驅(qū)動(dòng)噴嘴葉片67時(shí)，排氣的流路面積變小，與渦輪62碰撞的排氣的流速增大。因此，即便是排氣流量較少的運(yùn)行條件（例如發(fā)動(dòng)機(jī)低速域）也能使渦輪62高速旋轉(zhuǎn)從而提高增壓壓力。相反，在排氣流量較多的運(yùn)行條件下，稍稍閉合噴嘴葉片67反而會(huì)妨礙排氣流通，因此借助于葉片執(zhí)行器69和桿68往開方向（擴(kuò)大相鄰噴嘴葉片67彼此之間的距離的方向）驅(qū)動(dòng)各噴嘴葉片67。

本實(shí)施例中，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中的葉片開度（噴嘴葉片67的開度）最小可以小于10%，更具體地，可低至7%。即，如圖7（a）所示，將相鄰噴嘴葉片67彼此接觸而完全切斷排氣的流路時(shí)的桿68的沖程位置設(shè)為0mm，并將從該位置往打開噴嘴葉片67的方向移動(dòng)桿68時(shí)的移動(dòng)量（mm）設(shè)為葉片升程S（參照?qǐng)D7（b））。又，將該葉片升程S的最大值設(shè)為Smax，并將通過“S/Smax×100”計(jì)算的值作為葉片開度（%）。即，將噴嘴葉片67彼此接觸的狀態(tài)的開度設(shè)為0%，從該狀態(tài)起，越打開噴嘴葉片67而葉片開度越大，最大限度打開的狀態(tài)下變成開度100%。越縮小該葉片開度而排氣增速效果越強(qiáng)，但相應(yīng)地誤差的影響變大，因此葉片升程的控制要求精密度。本實(shí)施例中，葉片執(zhí)行器69等驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用能夠應(yīng)對(duì)緊密控制的高性能驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，能夠?qū)l(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中的葉片開度最小降低至7%。

接著，利用圖8的框圖說明發(fā)動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)。如該圖所示，本實(shí)施例的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)由PCM（powertrain control module；動(dòng)力控制模塊）70綜合地進(jìn)行控制。PCM70如公知那樣是由CPU、ROM、RAM等構(gòu)成的微型處理器。

PCM70與用于檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)的各種傳感器電氣連接。即，在發(fā)動(dòng)機(jī)以及車輛中設(shè)置有包括用于檢測(cè)通過進(jìn)氣通路30吸入的空氣的流量（吸入空氣量）的空氣流量傳感器SN1、用于檢測(cè)曲軸7的旋轉(zhuǎn)速度（發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度）的發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度傳感器SN2、和用于檢測(cè)由駕駛車輛的駕駛員操作的加速器踏板（圖示省略）的開度的加速器開度傳感器SN3在內(nèi)的各種傳感器，并且由這些各種傳感器檢測(cè)出的信息作為電氣信號(hào)輸入至PCM70。

又，PCM70基于來自于上述各種傳感器的輸入信號(hào)執(zhí)行各種判定或運(yùn)算等，并且控制發(fā)動(dòng)機(jī)的各部分。即，PCM70與噴射器20、節(jié)氣門36、EGR閥53、葉片執(zhí)行器69等各部分電氣連接，并且基于上述運(yùn)算的結(jié)果等向這些設(shè)備分別輸出驅(qū)動(dòng)用控制信號(hào)。

例如，PCM70根據(jù)空氣流量傳感器SN1、發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度傳感器SN2、加速器開度傳感器SN3等的信號(hào)逐步判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，并基于判斷的運(yùn)行狀態(tài)控制渦輪增壓器60的可變?nèi)~片機(jī)構(gòu)66，或控制來自于噴射器20的燃料的噴射類型（噴射正時(shí)及噴射量）。

圖9示出極低負(fù)荷域A0中的燃料的噴射類型，該極低負(fù)荷域A0設(shè)定于包括發(fā)動(dòng)機(jī)的無負(fù)荷狀態(tài)（加速器開度為零的空轉(zhuǎn)狀態(tài)）的低負(fù)荷且低速側(cè)的區(qū)域。如該圖所示，在發(fā)動(dòng)機(jī)的極低負(fù)荷域A0中，PCM70以在壓縮上死點(diǎn)（壓縮行程結(jié)束時(shí)的上死點(diǎn)）前后分多次噴射燃料的形式控制噴射器20。具體地，圖9的示例中，在壓縮上死點(diǎn)之前執(zhí)行三次前噴射Qp，并在該前噴射Qp之后的壓縮上死點(diǎn)附近執(zhí)行一次主噴射Qm。這些前噴射Qp以及主噴射Qm均為從噴射器20噴射的燃料（圖4、圖5的噴霧F）的至少一部分容納于腔10中這樣的正時(shí)。

又，在上述那樣的極低負(fù)荷域A0中運(yùn)行時(shí)，PCM70以使可變?nèi)~片機(jī)構(gòu)66的葉片開度處于控制范圍的最小值（這里為7%）的形式，控制渦輪增壓器60的葉片執(zhí)行器69。

（2）第二實(shí)施例

圖10是示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)的圖。與前面的第一實(shí)施例相比，該第二實(shí)施例的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中發(fā)動(dòng)機(jī)主體的諸要素以及渦輪增壓器的結(jié)構(gòu)等不同，其他與第一實(shí)施例相同。因此，以下，以不同于第一實(shí)施例的點(diǎn)為中心進(jìn)行說明。

第二實(shí)施例的發(fā)動(dòng)機(jī)具有與第一實(shí)施例相同的直列四汽缸型的發(fā)動(dòng)機(jī)主體1’，但其總排氣量或壓縮比等諸要素不同。具體地，發(fā)動(dòng)機(jī)主體1’的總排氣量設(shè)定為2.2L（2188cc），各汽缸2的幾何壓縮比設(shè)定為14.30。

又，第二實(shí)施例的發(fā)動(dòng)機(jī)中，進(jìn)氣門18的閉正時(shí)設(shè)定為ABDC（下死點(diǎn)后）36°CA，基于該正時(shí)確定的各汽缸2的有效壓縮比為13.56。

另一方面，排氣門19的閉正時(shí)與第一實(shí)施例相同地設(shè)定于比ATDC（上死點(diǎn)后）10°CA靠近提前角側(cè)（例如ATDC8°CA）。又，未設(shè)置變更進(jìn)氣門18和排氣門19的開閉特性（開閉正時(shí)及升程量）的機(jī)構(gòu)這點(diǎn)也與第一實(shí)施例相同。

如圖10所示，第二實(shí)施例的發(fā)動(dòng)機(jī)具有尺寸不同的兩種渦輪增壓器80、90（以下，稱為小型渦輪增壓器80以及大型渦輪增壓器90）。即，本實(shí)施例的渦輪增壓器是所謂的雙級(jí)渦輪增壓器。

大型渦輪增壓器90的壓縮機(jī)91配設(shè)在比小型渦輪增壓器80的壓縮機(jī)81靠近進(jìn)氣通路30的上游側(cè)，大型渦輪增壓器90的渦輪92配設(shè)在比小型渦輪增壓器80的渦輪82靠近排氣通路40的下游側(cè)。而且，大型渦輪增壓器90的壓縮機(jī)91及渦輪92形成為分別比小型渦輪增壓器80的壓縮機(jī)81及渦輪82大的尺寸。

進(jìn)氣通路30中設(shè)置有用于繞開小型渦輪增壓器80的壓縮機(jī)81的旁通通路83，該旁通通路83中設(shè)置有可開閉的旁通閥84。

排氣通路40中設(shè)置有用于繞開小型渦輪增壓器80的渦輪82的旁通通路85、和用于繞開大型渦輪增壓器90的渦輪92的旁通通路95。這些旁通通路85、95中分別設(shè)置有可開閉的排氣泄壓閥（wastegate valve）86、96。

控制上述旁通閥84和排氣泄壓閥86、96以根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)而分別使用小型渦輪增壓器80和大型渦輪增壓器90。例如，在排氣流量較少的發(fā)動(dòng)機(jī)低速域中，至少關(guān)閉旁通閥84以及排氣泄壓閥86，從而進(jìn)行由小型渦輪增壓器80執(zhí)行的增壓。另一方面，在排氣流量較多的發(fā)動(dòng)機(jī)高速域中，打開旁通閥84以及排氣泄壓閥86，同時(shí)關(guān)閉排氣泄壓閥96。由此，在發(fā)動(dòng)機(jī)高速域中，進(jìn)行由大型渦輪增壓器90執(zhí)行的增壓，另一方面，停止由小型渦輪增壓器80執(zhí)行的增壓。

第二實(shí)施例的發(fā)動(dòng)機(jī)中，上述點(diǎn)以外的結(jié)構(gòu)及控制內(nèi)容基本上與第一實(shí)施例相同。例如，第二實(shí)施例的發(fā)動(dòng)機(jī)中，在包括無負(fù)荷（空轉(zhuǎn)）狀態(tài)的低速?低負(fù)荷的運(yùn)行范圍內(nèi)，進(jìn)行與圖9所示內(nèi)容相同的噴射類型的燃料噴射。即，在低速?低負(fù)荷域中運(yùn)行時(shí)，PCM70在從噴射器20噴射的燃料（噴霧F）的至少一部分容納于活塞4的腔10中這樣的正時(shí)，分為三次前噴射Qp和一次主噴射Qm地使噴射器20噴射燃料。但是，與第一實(shí)施例相比，第二實(shí)施例中發(fā)動(dòng)機(jī)的總排氣量大，因此來自噴射器20的總噴射量相比第一實(shí)施例增加。

（3）作用

在以上說明的第一實(shí)施例和第二實(shí)施例中的任意一個(gè)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中，均能夠?qū)Ox 的產(chǎn)生量降至可以不需要NOx催化器的水平，并且能夠充分確保燃料噴射量較少（因此點(diǎn)火性容易降低）的低負(fù)荷域中的燃燒穩(wěn)定性。

即，在例示了總排氣量1.5L的四汽缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的上述第一實(shí)施例中，采用像幾何壓縮比為14.80且有效壓縮比為14.45這樣，作為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)算是相當(dāng)?shù)偷膲嚎s比。同樣地，在例示了總排氣量2.2L的四汽缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的上述第二實(shí)施例中，也采用像幾何壓縮為14.30且有效壓縮比為13.56這樣，作為柴油發(fā)動(dòng)機(jī)仍然算是相當(dāng)?shù)偷膲嚎s比。因此，在任一個(gè)實(shí)施例的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中，均在空氣與燃料充分混合的狀態(tài)下開始燃燒，可以將燃燒溫度抑制得較低。由此，燃燒生成的NOx的量變得非常少，因此不用在排氣通路40中設(shè)置處理NOx的特別的催化器等，就能夠?qū)Ox的排出量抑制為足夠低的水平。

但是，在上述那樣推行低壓縮比化的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中，尤其在像冷狀態(tài)條件下的無負(fù)荷運(yùn)行（空轉(zhuǎn)）時(shí)那樣汽缸2的壁面溫度較低且熱發(fā)生量也較少的情況下，無法提供能夠點(diǎn)燃燃料的缸內(nèi)環(huán)境（溫度、壓力），最壞的情況可能會(huì)導(dǎo)致失火。針對(duì)這樣的問題，上述第一實(shí)施例中，采用具備可變?nèi)~片機(jī)構(gòu)66的所謂的可變幾何渦輪增壓器（VGT；Variable Geometry Turbocharger）作為渦輪增壓器60，包括無負(fù)荷狀態(tài)的極低負(fù)荷域A0中的葉片開度被降低至小于10%（具體而言為7%），因此盡管是原本排氣流量較少的條件，也能夠充分發(fā)揮增壓能力從而提高缸內(nèi)壓力，并能夠改善點(diǎn)火性。又，在上述第二實(shí)施例中，采用由小型渦輪增壓器80及大型渦輪增壓器90構(gòu)成的雙級(jí)渦輪增壓器作為渦輪增壓器，在極低負(fù)荷域A0中運(yùn)行時(shí)，使用重量（慣性；inertia）相對(duì)較小且即使少量的排氣也能工作的小型渦輪增壓器80進(jìn)行增壓，因此也能夠充分發(fā)揮增壓能力，并能夠改善點(diǎn)火性。由此，即使是冷狀態(tài)且無負(fù)荷那樣的難點(diǎn)燃的環(huán)境，也能夠可靠地點(diǎn)燃燃料，并能夠確保充分的燃燒穩(wěn)定性。

尤其，上述第一?第二實(shí)施例中，在極低負(fù)荷域A0中運(yùn)行時(shí)，在噴霧F的至少一部分容納于活塞4的腔10中那樣的正時(shí)，分多次從噴射器20噴射燃料，因此腔10的內(nèi)部能夠形成易點(diǎn)燃的較濃的混合氣，能夠有效改善點(diǎn)火性并確保較高的燃燒穩(wěn)定性。即，分為多次（上述各實(shí)施例中，分為三次前噴射Qp和一次主噴射Qm的總計(jì)四次）噴射燃料時(shí)，與一次噴射所需量的燃料的情況相比，每次噴射的燃料量變少，因此噴霧F的穿透能力（penetration）（貫徹力）變?nèi)?。由此，噴霧F容易停留在例如腔10的周邊凹部12或其附近，因此盡管總的噴射量較少，也能夠形成局部較濃的混合氣，能夠促進(jìn)燃料的點(diǎn)燃。

（4）條件的一般化

除上述實(shí)施例以外，發(fā)明人還想到制造各種具有與上述第一?第二實(shí)施例相同特性的（即不需要NOx催化器而且燃燒穩(wěn)定性優(yōu)異的）柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，并研究了用于該目的的條件。并且，得到了圖11那樣的結(jié)果。

圖11是示出了為實(shí)現(xiàn)具有與上述第一?第二實(shí)施例相同特性的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)所必需的有效壓縮比ε_e和總排氣量V的條件的圖表。在這里，如上述實(shí)施例的說明中已記述的那樣，有效壓縮比ε_e是指關(guān)閉進(jìn)氣門時(shí)的燃燒室容積與活塞處于上死點(diǎn)時(shí)的燃燒室容積的比值，如用公式表示該比值，則可以像下述公式（3）那樣進(jìn)行定義。

ε_e=1+{(ε-1)/2}×{L+1-cosθ-(L²-sin²θ)^1/2}……(3)

此時(shí)，

ε為幾何壓縮比；

θ為進(jìn)氣閉閥時(shí)期（deg.BTDC）；

L為連桿長(zhǎng)度/曲軸半徑。

但是，上述的有效壓縮比ε_e的定義式（3）是曲軸中心與汽缸軸線一致的情況下的定義式，假如是曲軸中心相對(duì)于汽缸軸線偏移的情況，則使用該偏移量如下述公式（4）那樣定義有效壓縮比ε_e。

ε_e=1+{(ε-1)/2}×[{(L+1)²-e²}^1/2-cos(θ+φ)-{L²-(sin(θ+φ)-e)²}^1/2]……(4)

此時(shí)，

e=偏移量/曲軸半徑；

φ=tan^-1[e/{(1+L)²-e²}^1/2]。

另，在圖11的圖表中，總排氣量V限定在1.0～3.0L的范圍內(nèi)，這主要是因?yàn)橐源钶d于車輛（乘用車）的車載用柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為對(duì)象。

根據(jù)本申請(qǐng)發(fā)明人的研究，如果將由上述公式（3）或公式（4）定義的有效壓縮比ε_e設(shè)定為與總排氣量V的關(guān)系處于圖11所示的區(qū)域X、Y中的值，則能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)燃燒穩(wěn)定性的確保以及NOx催化器的省略。

具體而言，圖11所示的區(qū)域X、Y由直線L1、L2、L3劃定。其中，最下側(cè)的直線L1是在發(fā)動(dòng)機(jī)中搭載與上述第二實(shí)施例相同的雙級(jí)渦輪增壓器（小型＋大型渦輪增壓器）的情況下能夠確保燃燒穩(wěn)定性的有效壓縮比ε_e的下限值，根據(jù)后述的理由，其條件可用“ε_e=-0.67×V+15.0”表示（總排氣量V的單位為L(zhǎng)（升））。即，在具備雙級(jí)渦輪增壓器的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，如果將有效壓縮比ε_e設(shè)定為上述直線L1(-0.67×V+15.0)上的值或比其大的值，則能夠確保實(shí)用上所需的燃燒穩(wěn)定性，即使在冷狀態(tài)條件下的無負(fù)荷運(yùn)行（空轉(zhuǎn)運(yùn)行）時(shí)那樣嚴(yán)苛的條件下也能點(diǎn)燃燃料。

又，圖11中設(shè)定于比直線L1稍微靠近上側(cè)的直線L2是在發(fā)動(dòng)機(jī)中搭載與上述第一實(shí)施例相同的單一的可變幾何渦輪增壓器（單VGT ）的情況下能夠確保燃燒穩(wěn)定性的有效壓縮比ε_e的下限值，根據(jù)后述的理由，其條件可用“ε_e=-0.67×V+15.2”表示（總排氣量V的單位為L(zhǎng)（升））。即，在具備可變幾何渦輪增壓器的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，如果將有效壓縮比ε_e設(shè)定為上述直線L2(-0.67×V+15.2)上的值或比其大的值，則能夠確保實(shí)用上所需的燃燒穩(wěn)定性。

此外，圖11中設(shè)定于最上側(cè)的直線L3是用于將燃燒產(chǎn)生的NOx的生成量抑制為能夠省略NOx催化器的較低程度的有效壓縮比ε_e的上限值，其條件可以表示為“ε_e＝14.8”。即，如果有效壓縮比ε_e在14.8以下，則能夠防止燃燒溫度上升至大量產(chǎn)生NOx那樣的溫度，能夠省略NOx催化器。

圖11中，區(qū)域X是在直線L1與直線L3之間劃定的區(qū)域，區(qū)域Y是在直線L2與直線L3之間劃定的區(qū)域。這些區(qū)域X、Y可通過下述不等式（2）（1）表示。

（表示區(qū)域X的不等式）

-0.67×V+15.0≦ε_e≦14.8 ……（2）

（表示區(qū)域Y的不等式）

-0.67×V+15.2≦ε_e≦14.8 ……（1）。

上述不等式（2）所表示的區(qū)域X的范圍示出搭載了雙級(jí)渦輪增壓器的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)滿足的有效壓縮比ε_e的條件，上述不等式（1）所表示的區(qū)域Y的范圍示出搭載了可變幾何渦輪增壓器的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)滿足的有效壓縮比ε_e的條件。即，在搭載了雙級(jí)渦輪增壓器的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，以滿足上述不等式（2）的關(guān)系的形式設(shè)定有效壓縮比ε_e（即使其處于區(qū)域X中），以此能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)燃燒穩(wěn)定性的確保以及NOx催化器的省略；在搭載了可變幾何渦輪增壓器的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，以滿足上述不等式（1）的關(guān)系的形式設(shè)定有效壓縮比ε_e（即處于區(qū)域Y中），以此也能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)燃燒穩(wěn)定性的確保以及NOx催化器的省略。

圖12和圖13是簡(jiǎn)單說明本申請(qǐng)發(fā)明人為了導(dǎo)出上述那樣的結(jié)論而進(jìn)行的研究的模式圖。該研究中，從以下觀點(diǎn)出發(fā)研究了缸內(nèi)環(huán)境：在（?。┘铀倨鏖_度為零的無負(fù)荷狀態(tài)、（ⅱ）發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2000rpm、（ⅲ）外部氣體溫度－25℃、（ⅳ）進(jìn)氣溫度－10℃、（ⅴ）高度3000m這樣的條件下，能否可靠地點(diǎn)燃燃料。

在研究的時(shí)候，首先引入點(diǎn)火性指標(biāo)這個(gè)想法。點(diǎn)火性指標(biāo)是表示缸內(nèi)環(huán)境為多大程度有利于燃料的點(diǎn)燃的環(huán)境的指標(biāo)，并且是與開始燃料噴射之后至該燃料開始點(diǎn)燃為止所需的時(shí)間（點(diǎn)火延遲）密切相關(guān)的值。即，點(diǎn)火性指標(biāo)越小，點(diǎn)火延遲越短，從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)火有利的缸內(nèi)環(huán)境。

如果將上述點(diǎn)火性指標(biāo)設(shè)為Z，Z可由下述公式（5）定義。

Z=A×P_TDC^B×exp(1/T_TDC)C×NE^D×CCLD^E……（5）

該公式（5）中，P_TDC為非燃燒時(shí)的壓縮上死點(diǎn)的缸內(nèi)壓力，T_TDC為非燃燒時(shí)的壓縮上死點(diǎn)的缸內(nèi)溫度，NE為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，CCLD為缸內(nèi)的氧濃度（燃燒前的氧濃度）。又，A、B、C、D、E分別為常數(shù)，這些常數(shù)中，A、C、D為正值，B、E為負(fù)值。因此，缸內(nèi)的壓力、溫度、氧濃度越高，點(diǎn)火性指標(biāo)Z越小（即點(diǎn)火延遲越短），并且發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速越高，點(diǎn)火性指標(biāo)Z越大（即點(diǎn)火延遲越長(zhǎng)）。

本申請(qǐng)的申請(qǐng)人已經(jīng)將壓縮比設(shè)定得很低的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)市場(chǎng)化，該柴油發(fā)動(dòng)機(jī)（以下稱先行發(fā)動(dòng)機(jī)）中，即使上述（?。áィ┧灸菢訃?yán)苛的環(huán)境也能確保點(diǎn)火性這點(diǎn)已被確認(rèn)。因此，本申請(qǐng)發(fā)明人以該先行發(fā)動(dòng)機(jī)為出發(fā)點(diǎn)研究了用于確保相同點(diǎn)火性的條件。

具體而言，由申請(qǐng)人市場(chǎng)化的上述先行發(fā)動(dòng)機(jī)是總排氣量為2.2L（2188cc）且有效壓縮比設(shè)定為13.28的四汽缸柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，具備雙級(jí)渦輪增壓器。又，上述先行發(fā)動(dòng)機(jī)具備用于在進(jìn)氣行程中切換是否再打開排氣門的升程可變機(jī)構(gòu)，在包括無負(fù)荷的發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷域中，為了實(shí)現(xiàn)使排氣殘留于缸內(nèi)的內(nèi)部EGR，借助于上述升程可變機(jī)構(gòu)在進(jìn)氣行程中再打開排氣門，以此謀求缸內(nèi)溫度的上升（點(diǎn)火性的提高）。

圖11的圖表中，將這樣的先行發(fā)動(dòng)機(jī)圖示為標(biāo)記（plot）p。先行發(fā)動(dòng)機(jī)中，如上所述地在低負(fù)荷域進(jìn)行內(nèi)部EGR，因此能夠進(jìn)一步使有效壓縮比ε_e降低該內(nèi)部EGR產(chǎn)生的點(diǎn)火性的改善部分。因此，與上述的區(qū)域X相比，表示先行發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)記p位于有效壓縮比ε_e較低的一側(cè)。

首先，本申請(qǐng)發(fā)明人以標(biāo)記p所表示的上述先行發(fā)動(dòng)機(jī)為對(duì)象，在上述的（?。áィ┑膰?yán)苛的環(huán)境條件下，計(jì)算上述點(diǎn)火性指標(biāo)Z。將該值設(shè)為Z1。如果總排氣量為2.2L的發(fā)動(dòng)機(jī)中點(diǎn)火性指標(biāo)Z同樣為Z1，則能夠確保與上述先行發(fā)動(dòng)機(jī)相同的點(diǎn)火性。在這樣的前提之下，本申請(qǐng)發(fā)明人設(shè)想在2.2L發(fā)動(dòng)機(jī)中省略用于進(jìn)行內(nèi)部EGR的上述升程可變機(jī)構(gòu)，并研究了即使省略升程可變機(jī)構(gòu)也能獲得與上述先行發(fā)動(dòng)機(jī)相同的點(diǎn)火性指標(biāo)Z1的條件。其結(jié)果是，得到如果對(duì)先行發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行將有效壓縮比ε_e從13.28提高至13.56，則點(diǎn)火性指標(biāo)Z變?yōu)橄嗤闹担╖1）這樣的見解。即，如圖12中（q1）的柱形圖所示，將有效壓縮比ε_e提高至13.56時(shí)，由此產(chǎn)生的點(diǎn)火性的改善部分與因省略升程可變機(jī)構(gòu)而導(dǎo)致的點(diǎn)火性的惡化部分相匹配（點(diǎn)火性指標(biāo)Z的上升幅度與減少幅度均為α1），其結(jié)果是，點(diǎn)火性指標(biāo)Z可以維持與先行發(fā)動(dòng)機(jī)相同的值（Z1）。

上述結(jié)果由圖11的標(biāo)記q1表示。即，該標(biāo)記q1所示的發(fā)動(dòng)機(jī)是有效壓縮比ε_e為13.56的、具備雙級(jí)渦輪增壓器且不具備升程可變機(jī)構(gòu)的、總排氣量2.2L的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。上述的第二實(shí)施例是將該標(biāo)記q1的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)具體化而成的。

又，本申請(qǐng)發(fā)明人設(shè)想對(duì)于上述先行發(fā)動(dòng)機(jī)，不僅省略升程可變機(jī)構(gòu)，而且將雙級(jí)渦輪增壓器替換為單一的可變幾何渦輪增壓器（單VGT ），并研究了為此所需的有效壓縮比ε_e的條件。并且，得到了如果對(duì)先行發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行將有效壓縮比ε_e從13.28提高至13.70，同時(shí)將可變?nèi)~片機(jī)構(gòu)的葉片開度收攏至7%，則點(diǎn)火性指標(biāo)Z變?yōu)橄嗤闹担╖1）這樣的見解。即，如圖12中（q2）的柱形圖所示，在能夠?qū)⒂行嚎s比提高至13.70并將可變幾何渦輪增壓器的葉片開度收攏至7%地進(jìn)行控制的情況下，由此產(chǎn)生的點(diǎn)火性的改善部分與因升程可變機(jī)構(gòu)的省略以及雙級(jí)渦輪增壓器的省略而導(dǎo)致的點(diǎn)火性的惡化部分相匹配（點(diǎn)火性指標(biāo)Z的上升幅度與減少幅度均為α2），其結(jié)果是，點(diǎn)火性指標(biāo)Z能夠維持在與先行發(fā)動(dòng)機(jī)相同的值（Z1）。

上述結(jié)果由圖11的標(biāo)記q2表示。即，該標(biāo)記q2所示的發(fā)動(dòng)機(jī)是有效壓縮比ε_e為13.70的、具備能夠?qū)⑷~片開度收攏至7%的單一的可變幾何渦輪增壓器且不具備升程可變機(jī)構(gòu)的、總排氣量2.2L的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。

在這里，將葉片開度收攏至7%地進(jìn)行控制需要使驅(qū)動(dòng)噴嘴葉片的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能相當(dāng)高。因此，本申請(qǐng)發(fā)明人設(shè)想將葉片開度的最小值再設(shè)置得高一點(diǎn)，并研究了為此所需的有效壓縮比ε_e的條件。并且，得到了如果將有效壓縮比ε_e提高至14.60，則即使葉片開度的最小值為15%也可以獲得相同的點(diǎn)火性這樣的見解。即，如圖12中（q3）的柱形圖所示，通過將有效壓縮比ε_e提高至14.60，從而即使葉片開度的最小值為15%，總的點(diǎn)火性的改善部分也會(huì)與上述標(biāo)記q2時(shí)相同（α2），其結(jié)果是，點(diǎn)火性指標(biāo)Z可以維持在與先行發(fā)動(dòng)機(jī)相同的值（Z1）。

上述結(jié)果由圖11的標(biāo)記q3表示。即，該標(biāo)記q3所示的發(fā)動(dòng)機(jī)是有效壓縮比ε_e為14.60的、具備能夠?qū)⑷~片開度收攏至15%的單一的可變幾何渦輪增壓器且不具備升程可變機(jī)構(gòu)的、總排氣量2.2L的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。

接著，本申請(qǐng)發(fā)明人以在具有與上述標(biāo)記q1～q3的發(fā)動(dòng)機(jī)不同的總排氣量的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中，實(shí)現(xiàn)相同的點(diǎn)火性為目標(biāo)進(jìn)行了研究。具體而言，設(shè)想使總排氣量為1.5L，并計(jì)算了該情況下所需的點(diǎn)火性指標(biāo)Z。如果總排氣量從2.2L減少至1.5L，則伴隨于此燃料的噴射量變少，因此汽缸內(nèi)的局部當(dāng)量比降低。這意味著，如果不使缸內(nèi)成為更有利于點(diǎn)火的環(huán)境，點(diǎn)火延遲就會(huì)變長(zhǎng)。本申請(qǐng)發(fā)明人從該觀點(diǎn)出發(fā)進(jìn)行了各種研究，并算出在1.5L發(fā)動(dòng)機(jī)中實(shí)現(xiàn)與2.2L發(fā)動(dòng)機(jī)同等的點(diǎn)火延遲的點(diǎn)火性指標(biāo)Z。將該值設(shè)為Z2。如圖13所示，該1.5L發(fā)動(dòng)機(jī)中的目標(biāo)的點(diǎn)火性指標(biāo)Z2是小于2.2L發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火性指標(biāo)Z1的值。

首先，本申請(qǐng)發(fā)明人研究了在具備與標(biāo)記q1的發(fā)動(dòng)機(jī)相同的雙級(jí)渦輪增壓器的1.5L柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中，使點(diǎn)火性指標(biāo)Z＝Z2的有效壓縮比ε_e的條件。其結(jié)果是，得到了如果將有效壓縮比ε_e設(shè)定為14.03，則可以得到點(diǎn)火性指標(biāo)Z＝Z2這樣的見解。

上述結(jié)果由圖11的標(biāo)記r1表示。即，該標(biāo)記r1所示的發(fā)動(dòng)機(jī)是有效壓縮比ε_e為14.03的、具備雙級(jí)渦輪增壓器且不具備升程可變機(jī)構(gòu)的、總排氣量1.5L的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。

又，本申請(qǐng)發(fā)明人設(shè)想對(duì)于上述標(biāo)記r1的發(fā)動(dòng)機(jī)，將雙級(jí)渦輪增壓器替換為單一的可變幾何渦輪增壓器（單VGT ），并研究了為此所需的有效壓縮比ε_e的條件。而且，得到了如果對(duì)標(biāo)記r1的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行將有效壓縮比ε_e從14.03提高至14.18，同時(shí)將可變?nèi)~片機(jī)構(gòu)的葉片開度收攏至7%，則點(diǎn)火性指標(biāo)Z變?yōu)橄嗤闹担╖2）這樣的見解。即，如圖13中（r2）的柱形圖所示，在能夠?qū)⒂行嚎s比提高至14.18并將可變幾何渦輪增壓器的葉片開度收攏至7%地進(jìn)行控制的情況下，由此產(chǎn)生的點(diǎn)火性的改善部分與因雙級(jí)渦輪增壓器的省略而導(dǎo)致的點(diǎn)火性的惡化部分相匹配（點(diǎn)火性指標(biāo)Z的上升幅度與減少幅度均為β1），其結(jié)果是，點(diǎn)火性指標(biāo)Z可以維持在相同的值（Z2）。

上述結(jié)果由圖11的標(biāo)記r2表示。即，該標(biāo)記r2所示的發(fā)動(dòng)機(jī)是有效壓縮比ε_e為14.18的、具備能夠?qū)⑷~片開度收攏至7%的單一的可變幾何渦輪增壓器且不具備升程可變機(jī)構(gòu)的、總排氣量1.5L的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。

此外，位于比圖11的標(biāo)記r2靠近上側(cè)的標(biāo)記r3示出為了更加改善點(diǎn)火性而相比標(biāo)記r2進(jìn)一步提高有效壓縮比ε_e的發(fā)動(dòng)機(jī)。

具體地，該標(biāo)記r3的發(fā)動(dòng)機(jī)是有效壓縮比ε_e為14.45的、具備能夠?qū)⑷~片開度收攏至7%的單一的可變幾何渦輪增壓器且不具備升程可變機(jī)構(gòu)的、總排氣量1.5L的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。上述的第一實(shí)施例是將該標(biāo)記r3的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)具體化而成的。

該發(fā)動(dòng)機(jī)中，將有效壓縮比ε_e提高至14.45，從而如圖13所示地，點(diǎn)火性的改善部分從β1增大至β2，其結(jié)果是，與標(biāo)記r2的發(fā)動(dòng)機(jī)相比點(diǎn)火性指標(biāo)進(jìn)一步改善了（β2-β1）。

另，本申請(qǐng)發(fā)明人研究了即使在1.5L發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，也與上述標(biāo)記q3時(shí)相同地，將可變幾何渦輪增壓器中的葉片開度最小值提高至15%，并研究了該情況所需的有效壓縮比ε_e。其結(jié)果是，知道了所需的有效壓縮比ε_e為15.07，但由于這個(gè)15.07的值超過了作為考慮NOx的情況下有效壓縮比ε_e的上限的14.8（直線L3），因此無法采用。

如上，本申請(qǐng)發(fā)明人進(jìn)行了這樣的研究：借助省略了用于增加內(nèi)部EGR量的可變氣門機(jī)構(gòu)的更加簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)具有與已開發(fā)的先行柴油發(fā)動(dòng)機(jī)相同的點(diǎn)火性（即使冷狀態(tài)且無負(fù)荷也能點(diǎn)燃的燃燒穩(wěn)定性）的多種排氣量的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，并獲得了圖11中示出為標(biāo)記q1～q3及r1～r3的六種候補(bǔ)。而且，通過將以具備雙級(jí)渦輪增壓器為前提的標(biāo)記q1與r1進(jìn)行連接，從而獲得了上述的直線L1（ε_e=0.67×V+15.0），又，通過將以具備能夠?qū)⑷~片開度收攏至7%的可變幾何渦輪增壓器為前提的標(biāo)記q2與r2進(jìn)行連接，從而獲得了上述的直線L2（ε_e=-0.67×V+15.2）。除此之外，還確定了能夠?qū)⑷紵a(chǎn)生的NOx生成量降低至可以省略NOx催化器的水平的有效壓縮比ε_e的上限值，由此獲得了直線L3（ε_e=14.8）。

而且，根據(jù)上述結(jié)果，獲得了如下的結(jié)論。

在具備雙級(jí)渦輪增壓器的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中，使有效壓縮比ε_e處于使用了總排氣量V的函數(shù)的不等式（2）“-0.67×V+15.0≦ε_e≦14.8”的范圍，即圖11的區(qū)域X中，從而能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)燃燒穩(wěn)定性的確保和NOx催化器的省略。

又，在具備能夠?qū)⑷~片開度收攏至7%地進(jìn)行控制的可變幾何渦輪增壓器的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中，使有效壓縮比ε_e處于使用了總排氣量V的函數(shù)的不等式（1）“-0.67×V+15.2≦ε_e≦14.8”的范圍，即圖11的區(qū)域Y中，從而能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)燃燒穩(wěn)定性的確保和NOx催化器的省略。

在這里，在像上述的第一?第二實(shí)施例那樣不可變更進(jìn)氣閉閥時(shí)期的發(fā)動(dòng)機(jī)中，有效壓縮比ε_e通常是一定的，但在具備例如進(jìn)氣VVT（Variable Valve Timing；變更進(jìn)氣門的開閉正時(shí)的機(jī)構(gòu)）等可變機(jī)構(gòu)的發(fā)動(dòng)機(jī)中，有效壓縮比ε_e并非是一定的。該情況下，只要至少使無負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的有效壓縮比符合圖11的條件（上述不等式（1）或（2）），即可確保所需的燃燒穩(wěn)定性。換而言之，在能夠變更進(jìn)氣閉閥時(shí)期的發(fā)動(dòng)機(jī)中，如果無負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的有效壓縮比符合圖11的條件，則此外的運(yùn)行條件下的有效壓縮比可為比圖11的條件低的值。

又，上述第一?第二實(shí)施例中均例示了四汽缸的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，但從上述的研究?jī)?nèi)容可以明了：在除四汽缸以外的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)中，如果基于總排氣量特別指定符合圖11的條件的有效壓縮比的話，也可以做出具有相同特性（效果）的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。

又，上述説明中，作為采用圖11中區(qū)域Y的下限的直線L2（ε_e=-0.67×V+15.2）上的有效壓縮比ε_e的條件，而搭載能夠?qū)⑷~片開度收攏至7%地進(jìn)行控制的可變幾何渦輪增壓器，但只要至少能將葉片開度收攏至小于10%地進(jìn)行控制即可，由于未達(dá)到7%部分的少許點(diǎn)火性的惡化部分可以通過例如其他點(diǎn)火性改善技術(shù)來補(bǔ)充，因此能夠確保經(jīng)得住實(shí)用的足夠的點(diǎn)火穩(wěn)定性。

符號(hào)說明：

1 發(fā)動(dòng)機(jī)主體；

2 汽缸；

4 活塞；

4a 冠面；

10 腔；

18 進(jìn)氣門；

19 排氣門；

20 噴射器（噴射裝置）；

30 進(jìn)氣通路；

40 排氣通路；

60 渦輪增壓器；

61 壓縮機(jī)；

62 渦輪；

67 噴嘴葉片；

80 小型渦輪增壓器；

81 壓縮機(jī)；

82 渦輪；

90 大型渦輪增壓器；

91 壓縮機(jī)；

92 渦輪。