柴油发动机
阅读：935发布：2020-05-11
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1.一种柴油发动机，是通过自点火使从喷射装置喷射至汽缸内的燃料燃烧的柴油发动机，其特征在于，
具备：能旋转地设置于排气通路的涡轮；以能够与涡轮联动地旋转的形式设置于进气通路的压缩机；以及，包括为了控制与涡轮碰撞的排气的流速而能变更角度地设置于涡轮周围的多个喷嘴叶片的单一的涡轮增压器，
在所述柴油发动机的全部运行条件下，排气门的闭正时设定为比上死点后10°CA靠近提前角侧的一定的正时，
将关闭进气门时的燃烧室容积与活塞处于上死点时的燃烧室容积的比值设为有效压缩比εe，并将发动机的总排气量设为V（L）时，以满足下式（1）的形式设定有效压缩比εe：
-0.67×V+15.2≦εe≦14.8 ……（1）；
所述涡轮增压器在至少包括无负荷的低负荷侧的运行区域中通过将叶片开度设定为小于10%从而提高增压压力，所述叶片开度是指将喷嘴叶片关闭至相邻的所述喷嘴叶片彼此接触为止时的开度设为0%、且将最大限度打开时的开度设为100%的情况下的叶片开度。
2.根据权利要求1所述的柴油发动机，其特征在于，
与所述喷射装置相向的活塞的冠面上形成凹状的腔，
至少在包括无负荷的低负荷侧的运行区域内，所述喷射装置在燃料喷雾的至少一部分容纳于所述腔中的正时分多次喷射燃料。
柴油发动机
技术领域
背景技术
[0002] 以往，为使柴油发动机的燃烧形态更为恰当，进行了各种研究，作为其中之一，已知有推定喷射至汽缸内的燃料的点火延迟（从燃料被喷射起到点燃为止的时间），并基于推定的点火延迟控制喷射系统的技术。
[0003] 例如，下述专利文献1中公开了在柴油发动机中，将基于进气量、EGR气体量、燃料喷射量、进气温度・压力等计算得到的实际点火延迟与根据发动机转速及燃料喷射量利用映射图求得的基准运行时的点火延迟（基准点火延迟）进行比较，并基于两者的差值修正燃料喷射正时。
[0004] 现有技术文献：
[0005] 专利文献：
[0006] 专利文献1：日本特开2012-87743号公报。
发明内容
[0007] 发明要解决的问题：
[0008] 在这里，尤其在车载用柴油发动机中，需要充分考虑冷状态时的燃烧稳定性（点火性）等实用上的问题，因此通常将压缩比设定为比较高的值。例如，现在市售的柴油发动机大多数几何压缩比在16以上。在这样的传统型柴油发动机中，即使像上述专利文献1那样精细地控制喷射正时，只要柴油发动机未采用特有的高度排气净化系统，就难以应对近年来越发严格的排气限制。尤其，在传统型柴油发动机中，压缩比高导致的燃烧温度的上升造成NOx的产生，因此需要设置例如利用尿素水等还原NOx的昂贵的NOx催化器，这是增加柴油发动机制造成本的原因之一。
[0009] 本发明鉴于以上的情况而形成，目的在于提供一种无需NOx催化器且燃烧稳定性优异的柴油发动机。
[0010] 解决问题的手段：
[0011] 为解决上述问题，本申请的第一发明是通过自点火使从喷射装置喷射至燃烧室的燃料燃烧的柴油发动机，具备：能旋转地设置于排气通路的涡轮；以能够与涡轮联动地旋转的形式设置于进气通路的压缩机；以及，包括为了控制与涡轮碰撞的排气的流速而能变更角度地设置于涡轮周围的多个喷嘴叶片的涡轮增压器，将关闭进气门时的燃烧室容积与活塞处于上死点时的燃烧室容积的比值设为有效压缩比εe，并将发动机的总排气量设为V（L）时，以满足下式（1）的形式设定有效压缩比εe：
[0012] -0.67×V+15.2≦εe≦14.8 ……（1）。
[0013] 根据该第一发明的柴油发动机，有效压缩比εe被设定为14.8以下，因此在空气与燃料充分混合的状态下开始燃烧，燃烧温度被抑制得较低。由此，因燃烧而生成的NOx的量变得很少，因此不用在排气通路中设置用于处理NOx的特别的催化器等，能够将NOx的排出量抑制为足够低的水平。
[0014] 但是，过度降低有效压缩比εe时，尤其在像冷状态条件下的无负荷运行（空转）时，汽缸的壁面温度较低且热发生量也较少的情况下，无法提供能够点燃燃料的缸内环境（温度、压力），最坏的情况可能会招致失火。对此，在上述第一发明中，有效压缩比εe设定为与总排气量V之间的关系在“-0.67×V+15.2”以上，同时发动机中具备在涡轮周围设置有喷嘴叶片的涡轮增压器（所谓的可变几何涡轮增压器），因此在例如冷状态且无负荷那样难以确保点火性的运行条件下，利用喷嘴叶片（降低叶片开度）提高排气的流速，以此能够充分发挥增压能力，从而能提高缸内压力，并能够改善点火性。由此，能够与运行条件无关且可靠地使燃料点燃，能够确保充分的燃烧稳定性。
[0015] 上述第一发明中，优选上述涡轮增压器是在发动机的运行中能够将叶片开度最小降低至小于10%的涡轮增压器，所述叶片开度是指将喷嘴叶片关闭至相邻的上述喷嘴叶片彼此接触为止时的开度设为0%、且将最大限度打开时的开度设为100%的情况下的叶片开度。
[0016] 像这样，如果能够使叶片开度降低至小于10%，则与涡轮碰撞的排气的流速被充分提高，因此能够可靠地改善燃料的点火性并确保较高的燃烧稳定性。
[0017] 又，本申请的第二发明是通过自点火使从喷射装置喷射至汽缸内的燃料燃烧的柴油发动机，具备：包括能旋转地设置于排气通路的涡轮、和以能够与该涡轮联动地旋转的形式设置于进气通路的压缩机的小型涡轮增压器；以及，包括能旋转地设置于排气通路且比上述小型涡轮增压器大型的涡轮、和以能够与该涡轮联动地旋转的形式设置于进气通路且比上述小型涡轮增压器大型的压缩机的大型涡轮增压器，将关闭进气门时的燃烧室容积与活塞处于上死点时的燃烧室容积的比值设为有效压缩比εe，并将发动机的总排气量设为V（L）时，以满足下式（2）的形式设定有效压缩比εe：
[0018] -0.67×V+15.0≦εe≦14.8 ……（2）。
[0019] 根据该第二发明的柴油发动机，有效压缩比εe被设定为14.8以下，因此能够与上述第一发明相同地将燃烧温度抑制得较低，并且能够将NOx 的产生量降低至可以不需要NOx催化器等的水平。
[0020] 又，上述第二发明中，有效压缩比εe设定为与总排气量V的关系在“-0.67×V+15.0”以上，同时发动机中具备尺寸不同的两种涡轮增压器（所谓的双级涡轮增压器），因此在例如冷状态且无负荷那样那难以确保点火性的运行条件下，利用即使少量排气也能进行工作的小型涡轮增压器来进行增压，以此能够充分发挥增压能力，从而能提高缸内压力，并且能够改善点火性。由此，能够与运行条件无关且可靠地使燃料点燃，并且能够确保充分的燃烧稳定性。
[0021] 在上述第一发明或第二发明中，优选在与上述喷射装置相向的活塞的冠面上形成凹状的腔，至少在包括无负荷的低负荷侧的运行区域内，上述喷射装置在燃料喷雾的至少一部分容纳于上述腔中的正时分多次喷射燃料。
[0022] 根据该结构，能够在腔的内部形成易点燃且较浓的混合气，能够有效地改善点火性并确保较高的燃烧稳定性。即，与一次喷射所需量的燃料的情况相比，分多次喷射燃料时，每次喷射的燃料量变少，因此喷雾的穿透能力（penetration）（贯彻力）变弱。由此，例如喷雾容易停留在腔的特定场所，因此尽管总的喷射量较少，也能够形成局部较浓的混合气，能够促进燃料的点燃。
[0023] 在这里，在上述第一发明或第二发明中，排气门的闭正时可以设定于比上死点后10°CA靠近提前角侧。
[0024] 像这样，将排气门的闭正时设定于上死点附近时，几乎不发生排气残留于燃烧室的内部EGR，不可能期望由高温排气带来的燃烧室的升温效果（由此带来的点火性的改善）。然而，如果是满足上述第一发明或第二发明中规定的条件的柴油发动机，则即使是上述那样几乎不发生内部EGR的环境，也能够确保充分的燃烧稳定性。这意味着在以下时刻能够采用同一气门正时：进行内部EGR反倒妨碍适当燃烧这样的运行条件（例如高负荷域等）时，以及，在点火性方面严苛的运行条件时（例如冷状态且无负荷时）。因此，可以不需要用于变更排气门的开闭正时等的可变机构，能够削减柴油发动机的制造成本。
[0025] 发明效果：
[0027] 图1是示出根据本发明的第一实施例的柴油发动机的整体结构的图；
[0028] 图2是放大示出上述柴油发动机的发动机主体的一部分的剖视图；
[0029] 图3是示出上述柴油发动机的进・排气门的开闭特性的图；
[0030] 图4是上述柴油发动机的活塞的局部放大剖视图；
[0031] 图5是上述活塞的俯视图；
[0032] 图6是详细示出上述柴油发动机的涡轮增压器的结构的图；
[0033] 图7是用于说明上述涡轮增压器的可变叶片机构的动作的图，（a）示出喷嘴叶片全闭时的状态，（b）示出喷嘴叶片打开时的状态；
[0034] 图8是示出上述柴油发动机的控制系统的框图；
[0035] 图9是用来说明上述柴油发动机中在极低负荷域中进行的燃料喷射的形态的图；
[0036] 图10是示出根据本发明的第二实施例的柴油发动机的整体结构的图；
[0037] 图11是用与总排气量的关系示出为了兼顾燃烧稳定性的确保及NOx催化器的省略而必要的有效压缩比的条件的图表；
[0038] 图12是用来说明发明人为了获得图11的结论而进行的与点火性指标有关的研究内容的模式图（其一）；
[0039] 图13是用来说明与上述点火性指标有关的研究内容的模式图（其二）。
具体实施方式
[0040] （1）第一实施例
[0041] 图1是示出根据本发明第一实施例的柴油发动机的整体结构的图。该图所示的柴油发动机是作为行驶用动力源而搭载于车辆的四冲程四汽缸的柴油发动机。具体而言，该柴油发动机具备：接收以轻油作为主成分的燃料的供给而被驱动的发动机主体1；用于向发动机主体1导入燃烧用空气的进气通路30；用于排出在发动机主体1中生成的排气（燃烧气体）的排气通路40；用于使通过排气通路40的排气的一部分回流至进气通路30的EGR装置50；和借助于通过排气通路40的排气进行驱动的涡轮增压器60。
[0042] 图2是放大示出发动机主体1的一部分的剖视图。如该图2以及前面的图1所示，发动机主体1具有：内部形成有圆筒状的汽缸2的汽缸体3；可往复运动（上下运动）地容纳于汽缸2内的活塞4；以从与活塞4的冠面4a相向的一侧覆盖汽缸2的端面（上表面）的形式设置的汽缸盖5；和为了贮留润滑油而配设在汽缸体3的下侧的油底壳6。另，假设本实施例中的发动机主体1为直列四汽缸型。因此，发动机主体1具有排成列状的四个汽缸2和四个活塞4，各汽缸2以及各活塞4以在与纸面正交的方向上排列的形式进行配置（图上仅示出其中之一）。
[0043] 活塞4经由连杆8与作为发动机主体1的输出轴的曲轴7连接。又，活塞4的上方形成有燃烧室9，该燃烧室9中，从后述的喷射器20喷射的燃料通过自点火进行燃烧。而且，该燃烧所伴随的膨胀能量使活塞4进行往复运动，并使曲轴7绕中心轴旋转。
[0044] 在这里，本实施例中的发动机主体1的总排气量，即各汽缸2的冲程容积（活塞所移动的范围的容积）与汽缸个数（这里为四）相乘得到的值设定为1.5L（1498CC）。又，各汽缸2的几何压缩比，即活塞4处于下死点时的燃烧室容积与活塞4处于上死点时的燃烧室容积之比设定为14.80。
[0045] 汽缸盖5中设置有：用于将从进气通路30供给的空气导入至燃烧室9中的进气道16；用于将燃烧室9中生成的排气导出至排气通路40的排气道17；将进气道16的燃烧室9侧的开口进行开闭的进气门18；和将排气道17的燃烧室9侧的开口进行开闭的排气门19。
[0046] 活塞4的冠面4a上形成有使包含其中心部的区域向与汽缸盖5相反的一侧（下方）凹入的腔10（参照图2）。该腔10形成为具有占据活塞4上升至上死点时的燃烧室9的大部分的容积的结构。
[0047] 作为向燃烧室9喷射燃料的喷射装置，汽缸盖5中安装有喷射器20。该喷射器20以其活塞4侧的端部（梢端部）面向腔10的中心部的姿势、与汽缸2同轴地（喷射器20的中心轴与汽缸2的中心轴一致地）进行安装。
[0048] 如图1所示，涡轮增压器60具有配设于进气通路30的压缩机61、以及与压缩机61同轴地连接且配设于排气通路40的涡轮62。涡轮62接收排气通路40中流动的排气的能量而旋转，压缩机61与涡轮62联动地旋转，以此将进气通路30中流通的空气进行压缩（增压）。
[0049] EGR装置50是将通过排气通路40的排气的一部分作为EGR气体而回流至进气通路30的装置，具备：将排气通路40与进气通路30进行相互连接的EGR通路51、为了调节通过EGR通路51的EGR气体的流量（EGR气体向汽缸2的导入量）而设置于EGR通路51的EGR阀53、和用于冷却EGR气体的EGR冷却器52。另，本实施例中，借助EGR通路51将比涡轮62靠近上游侧（排气的流动方向上游侧）的排气通路40与比压缩机61靠近下游侧（吸入空气的流动方向下游侧）的进气通路30进行连接，以此将通过涡轮62前的高压排气回流至进气通路30，但亦可代替地或附加地将通过涡轮62后的低压排气回流至进气通路30。该情况下，会设置将比涡轮
62靠近下游侧的排气通路40与比压缩机61靠近上游侧的进气通路30进行连接的其他EGR通路。
62靠近下游侧的排气通路40与比压缩机61靠近上游侧的进气通路30进行连接的其他EGR通路。
[0050] 进气通路30中比压缩机61靠近下游侧处设置有用于冷却由压缩机61压缩的空气的中冷器35、和可开闭的节气门36。另，节气门36在发动机运行中基本维持全开或者接近全开的高开度，并且仅在发动机停止时等的必要时闭阀而切断进气通路30。
[0051] 排气通路40中比涡轮62靠近下游侧处设置有用于净化排气中的有害成分的排气净化装置41。该排气净化装置41包括：使排气中的CO以及HC（hydrocarbon；碳氢化合物）氧化的氧化催化器41a；和捕集排气中的黑烟（煤）的DPF（Diesel Particulate Filter；柴油微粒过滤器）41b。另，具体内容在后述的“（3）作用”中进行说明，但在本实施例的发动中，能够将燃烧生成的NOx量抑制为足够小的值。因此，排气通路40中没有设置用于处理NOx的催化器（例如利用尿素水等还原NOx的催化器）。
[0052] 图3是示出进气门18和排气门19的开闭正时的图表。该图表中，纵轴为升程量，横轴为曲轴角（CA），横轴中“TDC”、“ BDC”分别示出上死点、下死点。又，带有“EX”的曲线示出排气门19的升程曲线，带有“IN”的曲线示出进气门18的升程曲线。另，各升程曲线的起点和终点，即进・排气门18、19的开正时和闭正时分别与气门的升程量处于0.1mm的时刻相对应。
[0053] 排气门19的闭正时（图中的EVC）设定为比ATDC（上死点后）10°CA靠近提前角侧（例如ATDC8°CA）。像这样，上死点后立刻关闭排气门19，因此本实施例的发动机中，高温排气从排气道17向燃烧室9逆流的现象，即内部EGR几乎不会发生。
[0054] 又，进气门18的闭正时（图中的IVC）设定为ABDC（下死点后）25°CA。因此，本实施例的发动机中，各汽缸2的有效压缩比，即关闭进气门18时的燃烧室容积与活塞4处于上死点时的燃烧室容积的比值设定为14.45。
[0055] 本实施例中，上述那样的进・排气门18、19的开闭特性与发动机运行条件无关而保持一定。因此，本实施例中，无需变更气门的开闭特性（开闭正时及升程量），也不需要用于该目的的特别机构。即，根据发动机，有时会将变更进气门或排气门的开闭正时的正时可变机构或变更升程量的升程可变机构等添加到气门操纵机构中，但本实施例的发动机中未设置这样的可变机构。
[0056] 图4和图5示出从喷射器20向设置于活塞4的冠面4a上的腔10喷射燃料的状况。如这些图所示，喷射器20的梢端部设置有成为燃料出口的多个（在这里为十个）喷孔22，各喷孔22以在周方向上大致等间隔地排列的形式配置。燃料喷射时，从这样的喷孔22喷射燃料，从而形成俯视时呈放射状展开的多个喷雾F（参照图5）。
[0057] 腔10设定为能够接收当活塞4处于上死点及其附近时从喷射器20喷射的燃料（喷雾F）的形状和大小。更具体地，本实施例中，腔10设为所谓的凹型的形状。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的径向外侧且俯视为圆形的周边凹部12、和形成于周边凹部12和活塞4的冠面4a之间且俯视为圆形的唇部13。
[0058] 中央隆起部11形成为越靠近腔10的中心侧越以靠近喷射器20的形式隆起，并且该隆起的顶部位于喷射器20的梢端部的正下方。周边凹部12形成为与中央隆起部11连续，并且剖视时形成向活塞4的径向外侧凹入的圆弧状的结构。唇部13形成为与周边凹部12连续，并且剖视时形成向活塞4的径向内侧凸出的圆弧状的结构。
[0059] 上述那样构成的腔10整体上具有越靠近活塞4的冠面4a而开口面积越小的上侧较窄形状的截面形状。尤其在来自于喷射器20的燃料的喷射量较多时，这样形状的腔10发挥使喷射的燃料的喷雾F主要沿着周边凹部12以及中央隆起部11从径向外侧向内侧（腔10的中心侧）反转的功能，因此有利于促进燃料的混合。另一方面，燃料喷射量较少时，喷雾F主要停留在周边凹部12及其附近，因此形成局部较浓的混合气，其结果是，可以促进燃料的点燃（自点火）。
[0060] 图6是示出涡轮增压器60中的涡轮62的详细结构的图。如该图所示，可使本实施例的涡轮62采用对与涡轮62碰撞的排气的流速进行控制的可变叶片机构66。即，本实施例的涡轮增压器60是所谓的可变几何涡轮增压器（VGT；variable geometry turbocharger）。
[0061] 可变叶片机构66具有：以包围涡轮62的形式配置的多个喷嘴叶片（nozzle vanes）67；与各喷嘴叶片67协作的杆68；以及，进退驱动杆68从而变更各喷嘴叶片67的角度的叶片执行器69。借助于叶片执行器69和杆68往闭方向（缩小相邻喷嘴叶片67彼此之间的距离的方向）驱动喷嘴叶片67时，排气的流路面积变小，与涡轮62碰撞的排气的流速增大。因此，即便是排气流量较少的运行条件（例如发动机低速域）也能使涡轮62高速旋转从而提高增压压力。相反，在排气流量较多的运行条件下，稍稍闭合喷嘴叶片67反而会妨碍排气流通，因此借助于叶片执行器69和杆68往开方向（扩大相邻喷嘴叶片67彼此之间的距離的方向）驱动各喷嘴叶片67。
[0062] 本实施例中，发动机运行中的叶片开度（喷嘴叶片67的开度）最小可以小于10%，更具体地，可低至7%。即，如图7（a）所示，将相邻喷嘴叶片67彼此接触而完全切断排气的流路时的杆68的冲程位置设为0mm，并将从该位置往打开喷嘴叶片67的方向移动杆68时的移动量（mm）设为叶片升程S（参照图7（b））。又，将该叶片升程S的最大值设为Smax，并将通过“S/Smax×100”计算的值作为叶片开度（%）。即，将喷嘴叶片67彼此接触的状态的开度设为0%，从该状态起，越打开喷嘴叶片67而叶片开度越大，最大限度打开的状态下变成开度100%。越缩小该叶片开度而排气增速效果越强，但相应地误差的影响变大，因此叶片升程的控制要求精密度。本实施例中，叶片执行器69等驱动系统采用能够应对紧密控制的高性能驱动系统，能够将发动机运行中的叶片开度最小降低至7%。
[0063] 接着，利用图8的框图说明发动机的控制系统。如该图所示，本实施例的柴油发动机由PCM（powertrain control module；动力控制模块）70综合地进行控制。PCM70如公知那样是由CPU、ROM、RAM等构成的微型处理器。
[0064] PCM70与用于检测发动机的运行状态的各种传感器电气连接。即，在发动机以及车辆中设置有包括用于检测通过进气通路30吸入的空气的流量（吸入空气量）的空气流量传感器SN1、用于检测曲轴7的旋转速度（发动机旋转速度）的发动机旋转速度传感器SN2、和用于检测由驾驶车辆的驾驶员操作的加速器踏板（图示省略）的开度的加速器开度传感器SN3在内的各种传感器，并且由这些各种传感器检测出的信息作为电气信号输入至PCM70。
[0065] 又，PCM70基于来自于上述各种传感器的输入信号执行各种判定或运算等，并且控制发动机的各部分。即，PCM70与喷射器20、节气门36、EGR阀53、叶片执行器69等各部分电气连接，并且基于上述运算的结果等向这些设备分别输出驱动用控制信号。
[0066] 例如，PCM70根据空气流量传感器SN1、发动机旋转速度传感器SN2、加速器开度传感器SN3等的信号逐步判断发动机的运行状态，并基于判断的运行状态控制涡轮增压器60的可变叶片机构66，或控制来自于喷射器20的燃料的喷射类型（喷射正时及喷射量）。
[0067] 图9示出极低负荷域A0中的燃料的喷射类型，该极低负荷域A0设定于包括发动机的无负荷状态（加速器开度为零的空转状态）的低负荷且低速侧的区域。如该图所示，在发动机的极低负荷域A0中，PCM70以在压缩上死点（压缩行程结束时的上死点）前后分多次喷射燃料的形式控制喷射器20。具体地，图9的示例中，在压缩上死点之前执行三次前喷射Qp，并在该前喷射Qp之后的压缩上死点附近执行一次主喷射Qm。这些前喷射Qp以及主喷射Qm均为从喷射器20喷射的燃料（图4、图5的喷雾F）的至少一部分容纳于腔10中这样的正时。
[0068] 又，在上述那样的极低负荷域A0中运行时，PCM70以使可变叶片机构66的叶片开度处于控制范围的最小值（这里为7%）的形式，控制涡轮增压器60的叶片执行器69。
[0069] （2）第二实施例
[0070] 图10是示出根据本发明的第二实施例的柴油发动机的整体结构的图。与前面的第一实施例相比，该第二实施例的柴油发动机中发动机主体的诸要素以及涡轮增压器的结构等不同，其他与第一实施例相同。因此，以下，以不同于第一实施例的点为中心进行说明。
[0071] 第二实施例的发动机具有与第一实施例相同的直列四汽缸型的发动机主体1’，但其总排气量或压缩比等诸要素不同。具体地，发动机主体1’的总排气量设定为2.2L（2188cc），各汽缸2的几何压缩比设定为14.30。
[0072] 又，第二实施例的发动机中，进气门18的闭正时设定为ABDC（下死点后）36°CA，基于该正时确定的各汽缸2的有效压缩比为13.56。
[0073] 另一方面，排气门19的闭正时与第一实施例相同地设定于比ATDC（上死点后）10°CA靠近提前角侧（例如ATDC8°CA）。又，未设置变更进气门18和排气门19的开闭特性（开闭正时及升程量）的机构这点也与第一实施例相同。
[0074] 如图10所示，第二实施例的发动机具有尺寸不同的两种涡轮增压器80、90（以下，称为小型涡轮增压器80以及大型涡轮增压器90）。即，本实施例的涡轮增压器是所谓的双级涡轮增压器。
[0075] 大型涡轮增压器90的压缩机91配设在比小型涡轮增压器80的压缩机81靠近进气通路30的上游侧，大型涡轮增压器90的涡轮92配设在比小型涡轮增压器80的涡轮82靠近排气通路40的下游侧。而且，大型涡轮增压器90的压缩机91及涡轮92形成为分别比小型涡轮增压器80的压缩机81及涡轮82大的尺寸。
[0076] 进气通路30中设置有用于绕开小型涡轮增压器80的压缩机81的旁通通路83，该旁通通路83中设置有可开闭的旁通阀84。
[0077] 排气通路40中设置有用于绕开小型涡轮增压器80的涡轮82的旁通通路85、和用于绕开大型涡轮增压器90的涡轮92的旁通通路95。这些旁通通路85、95中分别设置有可开闭的排气泄压阀（wastegate valve）86、96。
[0078] 控制上述旁通阀84和排气泄压阀86、96以根据发动机的运行状态而分别使用小型涡轮增压器80和大型涡轮增压器90。例如，在排气流量较少的发动机低速域中，至少关闭旁通阀84以及排气泄压阀86，从而进行由小型涡轮增压器80执行的增压。另一方面，在排气流量较多的发动机高速域中，打开旁通阀84以及排气泄压阀86，同时关闭排气泄压阀96。由此，在发动机高速域中，进行由大型涡轮增压器90执行的增压，另一方面，停止由小型涡轮增压器80执行的增压。
[0079] 第二实施例的发动机中，上述点以外的结构及控制内容基本上与第一实施例相同。例如，第二实施例的发动机中，在包括无负荷（空转）状态的低速・低负荷的运行范围内，进行与图9所示内容相同的喷射类型的燃料喷射。即，在低速・低负荷域中运行时，PCM70在从喷射器20喷射的燃料（喷雾F）的至少一部分容纳于活塞4的腔10中这样的正时，分为三次前喷射Qp和一次主喷射Qm地使喷射器20喷射燃料。但是，与第一实施例相比，第二实施例中发动机的总排气量大，因此来自喷射器20的总喷射量相比第一实施例增加。
[0080] （3）作用
[0081] 在以上说明的第一实施例和第二实施例中的任意一个的柴油发动机中，均能够将NOx 的产生量降至可以不需要NOx催化器的水平，并且能够充分确保燃料喷射量较少（因此点火性容易降低）的低负荷域中的燃烧稳定性。
[0082] 即，在例示了总排气量1.5L的四汽缸柴油发动机的上述第一实施例中，采用像几何压缩比为14.80且有效压缩比为14.45这样，作为柴油发动机算是相当低的压缩比。同样地，在例示了总排气量2.2L的四汽缸柴油发动机的上述第二实施例中，也采用像几何压缩为14.30且有效压缩比为13.56这样，作为柴油发动机仍然算是相当低的压缩比。因此，在任一个实施例的柴油发动机中，均在空气与燃料充分混合的状态下开始燃烧，可以将燃烧温度抑制得较低。由此，燃烧生成的NOx的量变得非常少，因此不用在排气通路40中设置处理NOx的特别的催化器等，就能够将NOx的排出量抑制为足够低的水平。
[0083] 但是，在上述那样推行低压缩比化的柴油发动机中，尤其在像冷状态条件下的无负荷运行（空转）时那样汽缸2的壁面温度较低且热发生量也较少的情况下，无法提供能够点燃燃料的缸内环境（温度、压力），最坏的情况可能会导致失火。针对这样的问题，上述第一实施例中，采用具备可变叶片机构66的所谓的可变几何涡轮增压器（VGT；Variable Geometry Turbocharger）作为涡轮增压器60，包括无负荷状态的极低负荷域A0中的叶片开度被降低至小于10%（具体而言为7%），因此尽管是原本排气流量较少的条件，也能够充分发挥增压能力从而提高缸内压力，并能够改善点火性。又，在上述第二实施例中，采用由小型涡轮增压器80及大型涡轮增压器90构成的双级涡轮增压器作为涡轮增压器，在极低负荷域A0中运行时，使用重量（惯性；inertia）相对较小且即使少量的排气也能工作的小型涡轮增压器80进行增压，因此也能够充分发挥增压能力，并能够改善点火性。由此，即使是冷状态且无负荷那样的难点燃的环境，也能够可靠地点燃燃料，并能够确保充分的燃烧稳定性。
[0084] 尤其，上述第一・第二实施例中，在极低负荷域A0中运行时，在喷雾F的至少一部分容纳于活塞4的腔10中那样的正时，分多次从喷射器20喷射燃料，因此腔10的内部能够形成易点燃的较浓的混合气，能够有效改善点火性并确保较高的燃烧稳定性。即，分为多次（上述各实施例中，分为三次前喷射Qp和一次主喷射Qm的总计四次）喷射燃料时，与一次喷射所需量的燃料的情况相比，每次喷射的燃料量变少，因此喷雾F的穿透能力（penetration）（贯彻力）变弱。由此，喷雾F容易停留在例如腔10的周边凹部12或其附近，因此尽管总的喷射量较少，也能够形成局部较浓的混合气，能够促进燃料的点燃。
[0085] （4）条件的一般化
[0086] 除上述实施例以外，发明人还想到制造各种具有与上述第一・第二实施例相同特性的（即不需要NOx催化器而且燃烧稳定性优异的）柴油发动机，并研究了用于该目的的条件。并且，得到了图11那样的结果。
[0087] 图11是示出了为实现具有与上述第一・第二实施例相同特性的柴油发动机所必需的有效压缩比εe和总排气量V的条件的图表。在这里，如上述实施例的说明中已记述的那样，有效压缩比εe是指关闭进气门时的燃烧室容积与活塞处于上死点时的燃烧室容积的比值，如用公式表示该比值，则可以像下述公式（3）那样进行定义。
[0088] εe=1+{(ε-1)/2}×{L+1-cosθ-(L2-sin2θ)1/2}……(3)
[0089] 此时，
[0090] ε为几何压缩比；
[0091] θ为进气闭阀时期（deg.BTDC）；
[0092] L为连杆长度/曲轴半径。
[0093] 但是，上述的有效压缩比εe的定义式（3）是曲轴中心与汽缸轴线一致的情况下的定义式，假如是曲轴中心相对于汽缸轴线偏移的情况，则使用该偏移量如下述公式（4）那样定义有效压缩比εe。
[0094] εe=1+{(ε-1)/2}×[{(L+1)2-e2}1/2-cos(θ+φ)-{L2-(sin(θ+φ)-e)2}1/2]……(4)[0095] 此时，
[0096] e=偏移量/曲轴半径；
[0097] φ=tan-1[e/{(1+L)2-e2}1/2]。
[0098] 另，在图11的图表中，总排气量V限定在1.0～3.0L的范围内，这主要是因为以搭载于车辆（乘用车）的车载用柴油发动机为对象。
[0099] 根据本申请发明人的研究，如果将由上述公式（3）或公式（4）定义的有效压缩比εe设定为与总排气量V的关系处于图11所示的区域X、Y中的值，则能够同时实现燃烧稳定性的确保以及NOx催化器的省略。
[0100] 具体而言，图11所示的区域X、Y由直线L1、L2、L3划定。其中，最下侧的直线L1是在发动机中搭载与上述第二实施例相同的双级涡轮增压器（小型＋大型涡轮增压器）的情况下能够确保燃烧稳定性的有效压缩比εe的下限值，根据后述的理由，其条件可用“εe=-0.67×V+15.0”表示（总排气量V的单位为L（升））。即，在具备双级涡轮增压器的柴油发动机的情况下，如果将有效压缩比εe设定为上述直线L1(-0.67×V+15.0)上的值或比其大的值，则能够确保实用上所需的燃烧稳定性，即使在冷状态条件下的无负荷运行（空转运行）时那样严苛的条件下也能点燃燃料。
[0101] 又，图11中设定于比直线L1稍微靠近上侧的直线L2是在发动机中搭载与上述第一实施例相同的单一的可变几何涡轮增压器（单VGT ）的情况下能够确保燃烧稳定性的有效压缩比εe的下限值，根据后述的理由，其条件可用“εe=-0.67×V+15.2”表示（总排气量V的单位为L（升））。即，在具备可变几何涡轮增压器的柴油发动机的情况下，如果将有效压缩比εe设定为上述直线L2(-0.67×V+15.2)上的值或比其大的值，则能够确保实用上所需的燃烧稳定性。
[0102] 此外，图11中设定于最上侧的直线L3是用于将燃烧产生的NOx的生成量抑制为能够省略NOx催化器的较低程度的有效压缩比εe的上限值，其条件可以表示为“εe＝14.8”。即，如果有效压缩比εe在14.8以下，则能够防止燃烧温度上升至大量产生NOx那样的温度，能够省略NOx催化器。
[0103] 图11中，区域X是在直线L1与直线L3之间划定的区域，区域Y是在直线L2与直线L3之间划定的区域。这些区域X、Y可通过下述不等式（2）（1）表示。
[0104] （表示区域X的不等式）
[0105] -0.67×V+15.0≦εe≦14.8 ……（2）
[0106] （表示区域Y的不等式）
[0107] -0.67×V+15.2≦εe≦14.8 ……（1）。
[0108] 上述不等式（2）所表示的区域X的范围示出搭载了双级涡轮增压器的柴油发动机应满足的有效压缩比εe的条件，上述不等式（1）所表示的区域Y的范围示出搭载了可变几何涡轮增压器的柴油发动机应满足的有效压缩比εe的条件。即，在搭载了双级涡轮增压器的柴油发动机的情况下，以满足上述不等式（2）的关系的形式设定有效压缩比εe（即使其处于区域X中），以此能够同时实现燃烧稳定性的确保以及NOx催化器的省略；在搭载了可变几何涡轮增压器的柴油发动机的情况下，以满足上述不等式（1）的关系的形式设定有效压缩比ε（e 即处于区域Y中），以此也能够同时实现燃烧稳定性的确保以及NOx催化器的省略。
[0109] 图12和图13是简单说明本申请发明人为了导出上述那样的结论而进行的研究的模式图。该研究中，从以下观点出发研究了缸内环境：在（ⅰ）加速器开度为零的无负荷状态、（ⅱ）发动机转速2000rpm、（ⅲ）外部气体温度－25℃、（ⅳ）进气温度－10℃、（ⅴ）高度3000m这样的条件下，能否可靠地点燃燃料。
[0110] 在研究的时候，首先引入点火性指标这个想法。点火性指标是表示缸内环境为多大程度有利于燃料的点燃的环境的指标，并且是与开始燃料喷射之后至该燃料开始点燃为止所需的时间（点火延迟）密切相关的值。即，点火性指标越小，点火延迟越短，从而可以实现对点火有利的缸内环境。
[0111] 如果将上述点火性指标设为Z，Z可由下述公式（5）定义。
[0112] Z=A×PTDCB×exp(1/TTDC)C×NED×CCLDE ……（5）
[0113] 该公式（5）中，PTDC为非燃烧时的压缩上死点的缸内压力，TTDC为非燃烧时的压缩上死点的缸内温度，NE为发动机转速，CCLD为缸内的氧浓度（燃烧前的氧浓度）。又，A、B、C、D、E分别为常数，这些常数中，A、C、D为正值，B、E为负值。因此，缸内的压力、温度、氧浓度越高，点火性指标Z越小（即点火延迟越短），并且发动机转速越高，点火性指标Z越大（即点火延迟越长）。
[0114] 本申请的申请人已经将压缩比设定得很低的柴油发动机市场化，该柴油发动机（以下称先行发动机）中，即使上述（ⅰ）～（ⅴ）所示那样严苛的环境也能确保点火性这点已被确认。因此，本申请发明人以该先行发动机为出发点研究了用于确保相同点火性的条件。
[0115] 具体而言，由申请人市场化的上述先行发动机是总排气量为2.2L（2188cc）且有效压缩比设定为13.28的四汽缸柴油发动机，具备双级涡轮增压器。又，上述先行发动机具备用于在进气行程中切换是否再打开排气门的升程可变机构，在包括无负荷的发动机低负荷域中，为了实现使排气残留于缸内的内部EGR，借助于上述升程可变机构在进气行程中再打开排气门，以此谋求缸内温度的上升（点火性的提高）。
[0116] 图11的图表中，将这样的先行发动机图示为标记（plot）p。先行发动机中，如上所述地在低负荷域进行内部EGR，因此能够进一步使有效压缩比εe降低该内部EGR产生的点火性的改善部分。因此，与上述的区域X相比，表示先行发动机的标记p位于有效压缩比εe较低的一侧。
[0117] 首先，本申请发明人以标记p所表示的上述先行发动机为对象，在上述的（ⅰ）～（ⅴ）的严苛的环境条件下，计算上述点火性指标Z。将该值设为Z1。如果总排气量为2.2L的发动机中点火性指标Z同样为Z1，则能够确保与上述先行发动机相同的点火性。在这样的前提之下，本申请发明人设想在2.2L发动机中省略用于进行内部EGR的上述升程可变机构，并研究了即使省略升程可变机构也能获得与上述先行发动机相同的点火性指标Z1的条件。其结果是，得到如果对先行发动机进行将有效压缩比εe从13.28提高至13.56，则点火性指标Z变为相同的值（Z1）这样的见解。即，如图12中（q1）的柱形图所示，将有效压缩比εe提高至13.56时，由此产生的点火性的改善部分与因省略升程可变机构而导致的点火性的恶化部分相匹配（点火性指标Z的上升幅度与减少幅度均为α1），其结果是，点火性指标Z可以维持与先行发动机相同的值（Z1）。
[0118] 上述结果由图11的标记q1表示。即，该标记q1所示的发动机是有效压缩比εe为13.56的、具备双级涡轮增压器且不具备升程可变机构的、总排气量2.2L的柴油发动机。上述的第二实施例是将该标记q1的柴油发动机具体化而成的。
[0119] 又，本申请发明人设想对于上述先行发动机，不仅省略升程可变机构，而且将双级涡轮增压器替换为单一的可变几何涡轮增压器（单VGT ），并研究了为此所需的有效压缩比εe的条件。并且，得到了如果对先行发动机进行将有效压缩比εe从13.28提高至13.70，同时将可变叶片机构的叶片开度收拢至7%，则点火性指标Z变为相同的值（Z1）这样的见解。即，如图12中（q2）的柱形图所示，在能够将有效压缩比提高至13.70并将可变几何涡轮增压器的叶片开度收拢至7%地进行控制的情况下，由此产生的点火性的改善部分与因升程可变机构的省略以及双级涡轮增压器的省略而导致的点火性的恶化部分相匹配（点火性指标Z的上升幅度与减少幅度均为α2），其结果是，点火性指标Z能够维持在与先行发动机相同的值（Z1）。
[0120] 上述结果由图11的标记q2表示。即，该标记q2所示的发动机是有效压缩比εe为13.70的、具备能够将叶片开度收拢至7%的单一的可变几何涡轮增压器且不具备升程可变机构的、总排气量2.2L的柴油发动机。
[0121] 在这里，将叶片开度收拢至7%地进行控制需要使驱动喷嘴叶片的驱动系统的性能相当高。因此，本申请发明人设想将叶片开度的最小值再设置得高一点，并研究了为此所需的有效压缩比εe的条件。并且，得到了如果将有效压缩比εe提高至14.60，则即使叶片开度的最小值为15%也可以获得相同的点火性这样的见解。即，如图12中（q3）的柱形图所示，通过将有效压缩比εe提高至14.60，从而即使叶片开度的最小值为15%，总的点火性的改善部分也会与上述标记q2时相同（α2），其结果是，点火性指标Z可以维持在与先行发动机相同的值（Z1）。
[0122] 上述结果由图11的标记q3表示。即，该标记q3所示的发动机是有效压缩比εe为14.60的、具备能够将叶片开度收拢至15%的单一的可变几何涡轮增压器且不具备升程可变机构的、总排气量2.2L的柴油发动机。
[0123] 接着，本申请发明人以在具有与上述标记q1～q3的发动机不同的总排气量的柴油发动机中，实现相同的点火性为目标进行了研究。具体而言，设想使总排气量为1.5L，并计算了该情况下所需的点火性指标Z。如果总排气量从2.2L减少至1.5L，则伴随于此燃料的喷射量变少，因此汽缸内的局部当量比降低。这意味着，如果不使缸内成为更有利于点火的环境，点火延迟就会变长。本申请发明人从该观点出发进行了各种研究，并算出在1.5L发动机中实现与2.2L发动机同等的点火延迟的点火性指标Z。将该值设为Z2。如图13所示，该1.5L发动机中的目标的点火性指标Z2是小于2.2L发动机的点火性指标Z1的值。
[0124] 首先，本申请发明人研究了在具备与标记q1的发动机相同的双级涡轮增压器的1.5L柴油发动机中，使点火性指标Z＝Z2的有效压缩比εe的条件。其结果是，得到了如果将有效压缩比εe设定为14.03，则可以得到点火性指标Z＝Z2这样的见解。
[0125] 上述结果由图11的标记r1表示。即，该标记r1所示的发动机是有效压缩比εe为14.03的、具备双级涡轮增压器且不具备升程可变机构的、总排气量1.5L的柴油发动机。
[0126] 又，本申请发明人设想对于上述标记r1的发动机，将双级涡轮增压器替换为单一的可变几何涡轮增压器（单VGT ），并研究了为此所需的有效压缩比εe的条件。而且，得到了如果对标记r1的发动机进行将有效压缩比εe从14.03提高至14.18，同时将可变叶片机构的叶片开度收拢至7%，则点火性指标Z变为相同的值（Z2）这样的见解。即，如图13中（r2）的柱形图所示，在能够将有效压缩比提高至14.18并将可变几何涡轮增压器的叶片开度收拢至7%地进行控制的情况下，由此产生的点火性的改善部分与因双级涡轮增压器的省略而导致的点火性的恶化部分相匹配（点火性指标Z的上升幅度与减少幅度均为β1），其结果是，点火性指标Z可以维持在相同的值（Z2）。
[0127] 上述结果由图11的标记r2表示。即，该标记r2所示的发动机是有效压缩比εe为14.18的、具备能够将叶片开度收拢至7%的单一的可变几何涡轮增压器且不具备升程可变机构的、总排气量1.5L的柴油发动机。
[0128] 此外，位于比图11的标记r2靠近上侧的标记r3示出为了更加改善点火性而相比标记r2进一步提高有效压缩比εe的发动机。
[0129] 具体地，该标记r3的发动机是有效压缩比εe为14.45的、具备能够将叶片开度收拢至7%的单一的可变几何涡轮增压器且不具备升程可变机构的、总排气量1.5L的柴油发动机。上述的第一实施例是将该标记r3的柴油发动机具体化而成的。
[0130] 该发动机中，将有效压缩比εe提高至14.45，从而如图13所示地，点火性的改善部分从β1增大至β2，其结果是，与标记r2的发动机相比点火性指标进一步改善了（β2-β1）。
[0131] 另，本申请发明人研究了即使在1.5L发动机的情况下，也与上述标记q3时相同地，将可变几何涡轮增压器中的叶片开度最小值提高至15%，并研究了该情况所需的有效压缩比εe。其结果是，知道了所需的有效压缩比εe为15.07，但由于这个15.07的值超过了作为考虑NOx的情况下有效压缩比εe的上限的14.8（直线L3），因此无法采用。
[0132] 如上，本申请发明人进行了这样的研究：借助省略了用于增加内部EGR量的可变气门机构的更加简单的结构，来实现具有与已开发的先行柴油发动机相同的点火性（即使冷状态且无负荷也能点燃的燃烧稳定性）的多种排气量的柴油发动机，并获得了图11中示出为标记q1～q3及r1～r3的六种候补。而且，通过将以具备双级涡轮增压器为前提的标记q1与r1进行连接，从而获得了上述的直线L1（εe=0.67×V+15.0），又，通过将以具备能够将叶片开度收拢至7%的可变几何涡轮增压器为前提的标记q2与r2进行连接，从而获得了上述的直线L2（εe=-0.67×V+15.2）。除此之外，还确定了能够将燃烧产生的NOx生成量降低至可以省略NOx催化器的水平的有效压缩比εe的上限值，由此获得了直线L3（εe=14.8）。
[0133] 而且，根据上述结果，获得了如下的结论。
[0134] 在具备双级涡轮增压器的柴油发动机中，使有效压缩比εe处于使用了总排气量V的函数的不等式（2）“-0.67×V+15.0≦εe≦14.8”的范围，即图11的区域X中，从而能够同时实现燃烧稳定性的确保和NOx催化器的省略。
[0135] 又，在具备能够将叶片开度收拢至7%地进行控制的可变几何涡轮增压器的柴油发动机中，使有效压缩比εe处于使用了总排气量V的函数的不等式（1）“-0.67×V+15.2≦εe≦14.8”的范围，即图11的区域Y中，从而能够同时实现燃烧稳定性的确保和NOx催化器的省略。
[0136] 在这里，在像上述的第一・第二实施例那样不可变更进气闭阀时期的发动机中，有效压缩比εe通常是一定的，但在具备例如进气VVT（Variable Valve Timing；变更进气门的开闭正时的机构）等可变机构的发动机中，有效压缩比εe并非是一定的。该情况下，只要至少使无负荷运行时的有效压缩比符合图11的条件（上述不等式（1）或（2）），即可确保所需的燃烧稳定性。换而言之，在能够变更进气闭阀时期的发动机中，如果无负荷运行时的有效压缩比符合图11的条件，则此外的运行条件下的有效压缩比可为比图11的条件低的值。
[0137] 又，上述第一・第二实施例中均例示了四汽缸的柴油发动机，但从上述的研究内容可以明了：在除四汽缸以外的柴油发动机中，如果基于总排气量特别指定符合图11的条件的有效压缩比的话，也可以做出具有相同特性（效果）的柴油发动机。
[0138] 又，上述説明中，作为采用图11中区域Y的下限的直线L2（εe=-0.67×V+15.2）上的有效压缩比εe的条件，而搭载能够将叶片开度收拢至7%地进行控制的可变几何涡轮增压器，但只要至少能将叶片开度收拢至小于10%地进行控制即可，由于未达到7%部分的少许点火性的恶化部分可以通过例如其他点火性改善技术来补充，因此能够确保经得住实用的足够的点火稳定性。
[0139] 符号说明：
[0140] 1 发动机主体；
[0141] 2 汽缸；
[0142] 4 活塞；
[0143] 4a 冠面；
[0144] 10 腔；
[0145] 18 进气门；
[0146] 19 排气门；
[0147] 20 喷射器（喷射装置）；
[0148] 30 进气通路；
[0149] 40 排气通路；
[0150] 60 涡轮增压器；
[0151] 61 压缩机；
[0152] 62 涡轮；
[0153] 67 喷嘴叶片；
[0154] 80 小型涡轮增压器；
[0155] 81 压缩机；
[0156] 82 涡轮；
[0157] 90 大型涡轮增压器；
[0158] 91 压缩机；
[0159] 92 涡轮。
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