JP2018115626A - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】予混合主体燃焼と拡散主体燃焼との間で燃焼形態を切り換えるにあたり、切り換えの過渡中に燃焼騒音が増大するのを抑制する。
【解決手段】制御装置は、燃料噴射弁３１からの燃料噴射を制御する噴射制御部を備える。噴射制御部は、主噴射の開始後及び開始前に予備噴射に基づく熱発生が開始されるように燃料噴射を行う第１噴射モード及び第２噴射モードと、主噴射の後に後噴射を行うと共に主噴射の開始後及び開始前に予備噴射に基づく熱発生が開始されるように燃料噴射を行う第１切換モード及び第２切換モードとを実行可能である。噴射制御部は、噴射モードを第１噴射モードと第２噴射モードとの間で切り換えるにあたって、機関負荷が所定負荷よりも低いときには、第１切換モードと第２切換モードとを経て切換を行うと共に、機関負荷が前記所定負荷以上であるときには、第１切換モードを経ることなく第２切換モードを経て切換を行う。
【選択図】図１０

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関する。

従来から、燃焼形態を、予混合圧縮自着火燃焼（ＰＣＣＩ：Premixed Change Compression Ignition）を主体とした燃焼と拡散燃焼（ＤＣ：Diffusive Combustion）を主体とした燃焼との間で切り換えることができる内燃機関が知られている。予混合圧縮自着火燃焼とは燃料と空気とを予め混合させた後に予混合気を自着火させる燃焼形態であり、拡散燃焼とは空気が周囲の雰囲気から拡散によって供給される燃焼形態をいう。

一般に、予混合圧縮自着火燃焼を主体とした燃焼（以下、単に「予混合主体燃焼」という）を行う場合、燃焼室に供給される吸気ガスの酸素濃度は低くされる。このように酸素濃度を低下させることにより、燃焼室内でのＮＯｘの生成を抑制することができる。一方、拡散燃焼を主体とした燃焼（以下、単に「拡散主体燃焼」という）を行う場合、燃焼室に供給される吸気ガスの酸素濃度は高くされる。このように酸素濃度を高めることにより、燃焼室内での煤の生成を抑制することができる。

ここで、上述したように予混合主体燃焼と拡散主体燃焼との間で切り換えを行う場合、その切り換えの際に過渡的に排気エミッションが悪化したり、燃焼騒音の増大を招いたりしてしまう。これは、燃料噴射量や吸入空気量については機関負荷の変化に応じて迅速に変更可能であるのに対して、ＥＧＲ率については迅速に変更することができず、よって酸素濃度を迅速に変更することができないことによるものである。このため、排気エミッションの悪化や燃焼騒音の増大を抑制すべく、これら燃焼態様を切り換えるときには、主噴射によって形成された混合気が燃焼を開始した後に膨張行程中又は排気行程中に燃料を後噴射させることが提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２００４−００３４１５号公報 特開２０１５−１１７６５１号公報

ところで、特許文献１に記載の制御装置では、燃焼形態を予混合主体燃焼から拡散主体燃焼へ切り換える場合、ＥＧＲ率を低下させて酸素濃度を高めると共に、ＥＧＲ率が所定のＥＧＲ率となった時に燃料の噴射形態を予混合主体燃焼に合わせた噴射形態から拡散主体燃焼に合わせた噴射形態に切り換えるようにしている。加えて、噴射形態の切り換え前後において、主噴射の後に後噴射を行うようにしている。

加えて、特許文献１に記載の制御装置では、燃焼形態を拡散主体燃焼から予混合主体燃焼へ切り換える場合、ＥＧＲ率を上昇させて酸素濃度を低下させると共に、ＥＧＲ率が所定のＥＧＲ率となった時に燃料の噴射形態を拡散主体燃焼に合わせた噴射形態から予混合主体燃焼に合わせた噴射形態に切り換えるようにしている。加えて、噴射形態の切り換え前後において後噴射を行うようにしている。

しかしながら、特許文献１に記載の制御装置による制御では、例えば燃焼形態の切り換えを行うにあたって、その切り換え過渡中に、機関負荷が高い状態で予混合主体燃焼に合わせた噴射形態で燃料噴射を行う場合が存在する。しかしながら、機関負荷が高い状態にあるときに、予混合主体燃焼に合わせた噴射形態で燃料噴射を行うと、燃焼騒音が大きなものとなってしまう。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、予混合主体燃焼と拡散主体燃焼との間で燃焼形態を切り換えるにあたり、切り換えの過渡中に燃焼騒音が増大するのを抑制することにある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その要旨は以下のとおりである。

（１） 燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備える内燃機関を制御する、内燃機関の制御装置であって、前記燃料噴射弁からの燃料噴射を制御する噴射制御部と、内燃機関の燃焼室に供給される吸気ガスの酸素濃度を変更可能なアクチュエータを制御する酸素濃度制御部と、を備え、前記噴射制御部は、予備噴射を行った後に主噴射を行うと共に前記主噴射の開始後に前記予備噴射によって形成された混合気による熱発生が開始されるように前記燃料噴射弁からの燃料噴射を制御する第１噴射モードと、予備噴射を行った後に主噴射を行うと共に前記主噴射の開始前に前記予備噴射によって形成された混合気による熱発生が開始されるように前記燃料噴射弁からの燃料噴射を制御する第２噴射モードとを実行可能であり、前記酸素濃度制御部は、前記噴射制御部が第１噴射モードで燃料噴射弁からの燃料噴射を制御しているときには、前記噴射制御部が第２噴射モードで燃料噴射弁からの燃料噴射を制御しているときに比べて、酸素濃度が低くなるように前記アクチュエータを制御し、前記噴射制御部は、予備噴射、主噴射及び後噴射を順次行うと共に、前記主噴射の開始後に前記予備噴射によって形成された混合気による熱発生が開始されるように且つ前記主噴射によって形成された混合気による熱発生が開始された後に後噴射が行われるように前記燃料噴射弁からの燃料噴射を制御する第１切換モードと、予備噴射、主噴射及び後噴射を順次行うと共に、前記主噴射の開始前に前記予備噴射によって形成された混合気による熱発生が開始されるように且つ前記主噴射によって形成された混合気による熱発生が開始された後に後噴射が行われるように前記燃料噴射弁からの燃料噴射を制御する第２切換モードと、を実行可能であり、前記噴射制御部は、前記噴射モードを第１噴射モードと第２噴射モードとの間で切り換えるにあたって、機関負荷が所定負荷よりも低いときには、前記第１切換モードと前記第２切換モードとを経て切換を行うと共に、機関負荷が前記所定負荷以上であるときには、前記第１切換モードを経ることなく前記第２切換モードを経て切換を行う、内燃機関の制御装置。

（２）前記噴射制御部は、噴射モードを前記第１噴射モードから前記第２噴射モードに切り換えるときには、前記第１切換モードを経ることなく第２切換モードを経て切換を行い、噴射モードを前記第２噴射モードから前記第１噴射モードに切り換えるときには、前記第１切換モードと前記第２切換モードとを経て切換を行う、上記（１）に記載の内燃機関の制御装置。

（３）前記噴射制御部は、前記第２噴射モードから第１噴射モードに切り換えるときには、前記第２切換モード、前記第１切換モードの順に切換モードを行って切換を行う、上記（２）に記載の内燃機関の制御装置。

（４）前記噴射制御部は、前記第１切換モードで燃料噴射が行われているときには、燃焼騒音が目標燃焼騒音以下となるように主噴射の燃料噴射量を、第１噴射モードにおける主噴射の燃料噴射量よりも減少させると共に、該減少量が予め定められた所定量以上になるときには前記減少量を所定量に維持すると共に、主噴射の噴射圧を第１噴射モードにおける主噴射の噴射圧よりも低下させる、上記（１）〜（３）のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置。

（５）前記噴射制御部は、機関負荷が前記所定負荷よりも低くなったときには噴射モードを前記第１噴射モードに切り換え、機関負荷が前記所定負荷以上になったときには噴射モードを前記第２噴射モードに切り換え、前記所定負荷は機関回転速度に応じて変化する、上記（１）〜（４）のいずれか１つに記載の内燃機関の制御装置。

本発明によれば、予混合主体燃焼と拡散主体燃焼との間で燃焼形態を切り換えるにあたり、切り換えの過渡中に燃焼騒音が増大するのを抑制する内燃機関の制御装置が提供される。

図１は、内燃機関の概略的な構成図である。 図２は、内燃機関の機関本体の概略的な断面図である。 図３Ａは、ＰＣＣＩ噴射モードにより燃料噴射を行った場合の、燃料噴射率及び熱発生率のクランク角推移を表す図である。 図３Ｂは、ＤＣ噴射モードにより燃料噴射を行った場合の、燃料噴射率及び熱発生率のクランク角推移を表す図である。 図４は、機関運転状態と噴射モードとの関係を示す図である。 図５Ａは、図３Ａに示したＰＣＣＩ噴射モードにて燃料噴射を行った際の煤及びＮＯｘの燃焼室からの排出量並びに燃焼騒音を示す図である。 図５Ｂは、図３Ｂに示したＤＣ噴射モードにて燃料噴射を行った際の煤及びＮＯｘの燃焼室からの排出量並びに燃焼騒音を示す図である。 図６は、機関負荷、燃料噴射弁３１からの総燃料噴射量及び燃焼室１５に供給される吸気ガスの酸素濃度のタイムチャートである。 図７Ａは、ＰＣＣＩベース切換モードにより燃料噴射を行った場合の、燃料噴射率及び熱発生率のクランク角推移を表す図である。 図７Ｂは、ＤＣベース切換モードにより燃料噴射を行った場合の、燃料噴射率及び熱発生率のクランク角推移を表す図である。 図８Ａは、ピストンが圧縮上死点にあるときの燃焼室近傍における機関本体の概略的な断面図である。 図８Ｂは、ピストンが圧縮上死点よりも下降した位置にあるときの燃焼室近傍における機関本体の概略的な断面図である。 図９は、機関回転速度、機関負荷及び酸素濃度と各噴射モード及び各切換モードが行われる領域との関係を３次元的に表した図である。 図１０は、機関負荷及び酸素濃度と各噴射モード及び各切換モードが行われる領域との関係を表した図であり、図９をＸ−Ｘ線で切った断面から見た図である。 図１１は、機関負荷がステップ的に増大したときの機関負荷、酸素濃度、噴射モード、主噴射時期及び後噴射量のタイムチャートである。 図１２は、機関負荷がステップ的に減少したときの機関負荷、酸素濃度、噴射モード、主噴射時期及び後噴射量のタイムチャートである。 図１３は、酸素濃度制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１４は、燃料噴射弁からの燃料噴射制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１５は、ＰＣＣＩベース切換モードにて燃料噴射を行うためのＰＣＣＩベース噴射制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。 図１６は、ＤＣベース切換モードにて燃料噴射を行うためのＤＣベース噴射制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明では、同様な構成要素には同一の参照番号を付す。

＜内燃機関全体の説明＞
まず、図１及び図２を参照して本実施形態に係る制御装置が用いられる内燃機関１の構成について説明する。図１は、内燃機関１の概略的な構成図である。図２は、内燃機関１の機関本体１０の概略的な断面図である。本実施形態の内燃機関は、燃料として軽油を用いる。

図１及び図２に示したように、内燃機関１は、機関本体１０、燃料供給装置３０、吸気系４０、排気系５０、ＥＧＲ機構６０、及び制御装置７０を備える。

機関本体１０は、複数の気筒１１が形成されたシリンダブロック１２と、シリンダヘッド１３とを備える。各気筒１１内には、各気筒１１内を往復運動するピストン１４が配置されている。ピストン１４とシリンダヘッド１３との間の気筒１１内には混合気が燃焼する燃焼室１５が形成されている。ピストン１４の頂面には凹状に形成されたキャビティ１６が形成される。

図２に示したように、シリンダヘッド１３には、吸気ポート１７及び排気ポート１８が形成されている。これら吸気ポート１７及び排気ポート１８は各気筒１１の燃焼室１５に連通している。燃焼室１５と吸気ポート１７との間には吸気弁２１が配置されて、この吸気弁２１が吸気ポート１７を開閉する。同様に、燃焼室１５と排気ポート１８との間には排気弁２２が配置されて、この排気弁２２が排気ポート１８を開閉する。

図１に示したように、燃料供給装置３０は、燃料噴射弁３１、コモンレール３２、燃料供給管３３、燃料ポンプ３４、及び燃料タンク３５を備える。燃料噴射弁３１は、各気筒１１の燃焼室１５内に燃料を直接噴射するようにシリンダヘッド１３に配置されている。特に、本実施形態では、各燃料噴射弁３１は各燃焼室１５の上壁面の中央に配置されており、燃料噴射弁３１からはピストン１４に形成されたキャビティ１６内の周辺部に向けて燃料Ｆが噴射されるように構成されている（図２）。

燃料噴射弁３１は、コモンレール３２及び燃料供給管３３を介して燃料タンク３５に連結されている。燃料供給管３３には、燃料タンク３５内の燃料を圧送する燃料ポンプ３４が配置される。燃料ポンプ３４によって圧送された燃料は、燃料供給管３３を介してコモンレール３２に供給され、燃料噴射弁３１が開弁されるのに伴って燃料噴射弁３１から燃焼室１５内に直接噴射される。

吸気系４０は、吸気マニホルド４１、吸気管４３、エアクリーナ４４、排気ターボチャージャ５のコンプレッサ５ａ、インタークーラ４５、及びスロットル弁４６を備える。各気筒１１の吸気ポート１７は吸気マニホルド４１に連通しており、吸気マニホルド４１は吸気管４３を介してエアクリーナ４４に連通している。吸気管４３には、吸気管４３内を流通する吸入空気を圧縮して吐出する排気ターボチャージャ５のコンプレッサ５ａと、コンプレッサ５ａによって圧縮された空気を冷却するインタークーラ４５とが設けられている。インタークーラ４５は、吸入空気の流れ方向においてコンプレッサ５ａの下流側に配置されている。スロットル弁４６は、インタークーラ４５と吸気マニホルド４１との間の吸気管４３内に配置されている。スロットル弁４６は、スロットル弁駆動アクチュエータ４７によって回動せしめられることで、吸気通路の開口面積を変更することができる。なお、吸気ポート１７、吸気マニホルド４１、及び吸気管４３は、燃焼室１５に吸気ガスを供給する吸気通路を形成する。

排気系５０は、排気マニホルド５１、排気管５２、排気ターボチャージャ５のタービン５ｂ、及び排気後処理装置５３を備える。各気筒１１の排気ポート１８は、排気マニホルド５１に連通しており、排気マニホルド５１は排気管５２に連通している。排気管５２には、排気ターボチャージャ５のタービン５ｂが設けられている。タービン５ｂは、排気ガスのエネルギによって回転駆動せしめられる。排気ターボチャージャ５のコンプレッサ５ａとタービン５ｂとは回転軸によって接続されており、タービン５ｂが回転駆動せしめられると、これに伴ってコンプレッサ５ａが回転し、よって吸入空気が圧縮せしめられる。また、排気管５２にはタービン５ｂの排気流れ方向下流側において排気後処理装置５３が設けられている。排気後処理装置５３は、排気ガスを浄化した上で外気中に排出するための装置であって、有害物質を浄化する各種の排気浄化触媒や有害物質を捕集するフィルタなどを備える。なお、排気ポート１８、排気マニホルド５１、及び排気管５２は、燃焼室１５から排気ガスを排出する排気通路を形成する。

ＥＧＲ機構６０は、ＥＧＲ管６１と、ＥＧＲ制御弁６２と、ＥＧＲクーラ６３とを備える。ＥＧＲ管６１は、排気マニホルド５１と吸気マニホルド４１とに連結され、これらを互いに連通させる。ＥＧＲ管６１には、ＥＧＲ管６１内を流れるＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ６３が設けられている。加えて、ＥＧＲ管６１には、ＥＧＲ管６１によって形成されるＥＧＲ通路の開口面積を変更することができるＥＧＲ制御弁６２が設けられている。ＥＧＲ制御弁６２の開度を制御することによって、排気マニホルド５１から吸気マニホルド４１へ還流せしめられるＥＧＲガスの流量が調整される。

制御装置７０は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）７１及び各種センサを備える。ＥＣＵ７１は、デジタルコンピュータから構成され、双方向性バス７２を介して相互に接続されたＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）７３、ＲＯＭ（リードオンリメモリ）７４、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）７５、入力ポート７６、及び出力ポート７７を備える。

シリンダヘッド１３には、各気筒１１内の圧力（筒内圧力）を検出するための筒内圧センサ８１が配置される。また、コモンレール３２には、コモンレール３２内の燃料の圧力、すなわち燃料噴射弁３１から気筒１１内に噴射される燃料の圧力（噴射圧）を検出するための燃圧センサ８２が設けられている。吸気管４３には、排気ターボチャージャ５のコンプレッサ５ａの吸気流れ方向上流側に、吸気管４３内を流れる空気の温度を検出するための温度センサ８３、及び吸気管４３内を流れる空気の流量を検出するエアフロメータ８４が設けられている。スロットル弁４６には、その開度（スロットル開度）を検出するためのスロットル開度センサ８５が設けられている。加えて、吸気マニホルド４１には、吸気マニホルド４１内の吸気ガスの圧力、すなわち気筒１１内に吸入される吸気ガスの圧力（吸気圧）を検出するための圧力センサ８６が設けられている。さらに、吸気マニホルド４１には、吸気マニホルド４１内の吸気ガスの温度、すなわち気筒１１内に吸入される吸気ガスの温度（吸気温）を検出するための温度センサ８７が設けられている。これら、筒内圧センサ８１、燃圧センサ８２、温度センサ８３、エアフロメータ８４、スロットル開度センサ８５、圧力センサ８６及び温度センサ８７の出力は、対応するＡＤ変換器７８を介して入力ポート７６に入力される。

また、アクセルペダル８８にはアクセルペダル８８の踏み込み量に比例した出力電圧を発生する負荷センサ８９が接続され、負荷センサ８９の出力電圧は対応するＡＤ変換器７８を介して入力ポート７６に入力される。したがって、本実施形態では、アクセルペダル８８の踏み込み量が機関負荷として用いられる。クランク角センサ９０は例えば機関本体１０のクランクシャフトが例えば１５度回転する毎に出力パルスを発生し、この出力パルスが入力ポート７６に入力される。ＣＰＵ７５ではこのクランク角センサ９０の出力パルスから機関回転速度が計算される。

一方、ＥＣＵ７１の出力ポート７７は、対応する駆動回路７９を介して、内燃機関１の運転を制御する各アクチュエータに接続される。図１及び図２に示した例では、出力ポート７７は、燃料噴射弁３１、燃料ポンプ３４、スロットル弁駆動アクチュエータ４７、及びＥＧＲ制御弁６２に接続されている。ＥＣＵ７１は、これらアクチュエータを制御する制御信号を出力ポート７７から出力して、内燃機関１の運転を制御する。

上述したように構成された制御装置７０は、酸素濃度制御部と、噴射制御部とを備える。

酸素濃度制御部は、内燃機関１の燃焼室１５に供給される吸気ガスの酸素濃度を変更可能なアクチュエータを制御する。ここで、本実施形態では、ＥＧＲ機構６０が設けられているため、ＥＧＲ制御弁６２の開度に応じて排気ガスの一部が再び各気筒１１の燃焼室１５に供給されることになる。また、吸気弁２１と排気弁２２とが共に開いているバルブオーバーラップ期間を変更することができる場合、バルブオーバーラップ期間に応じて、一旦排気ポート１８に排出された排気ガスの一部が再び燃焼室１５に供給される。加えて、排気弁２２の閉弁時期を変更することができる場合、排気弁２２の閉弁時期に応じて、排気ガスの一部は燃焼室１５から排気ポート１８に排出されずに燃焼室１５内に残ったままになる。以下では、このようにして燃焼室１５に供給又は残留した排気ガスをＥＧＲガスと称する。ＥＧＲガスは既に燃焼室１５内で一旦燃焼が行われた排気ガスであるため、ＥＧＲガス中には酸素がほとんど含まれない。このため、燃焼室１５に供給される吸気ガス中に占めるＥＧＲガスの割合（ＥＧＲ率）が高くなるほど、吸気ガスの酸素濃度が低くなる。したがって、酸素濃度制御部は、具体的には、ＥＧＲ制御弁６２や、可変動弁機構を備える場合には可変動弁機構を制御することになる。

噴射制御部は、各種センサの出力に基づいて、燃焼室１５内において所望の燃焼を行うことができるように、燃料噴射弁３１等を制御する。噴射制御部による具体的な噴射制御については以下に詳述する。

＜燃焼モードの説明＞
次に、図３Ａ、図３Ｂ及び図４を参照して、本実施形態の制御装置７０の噴射制御部による機関定常運転中の噴射制御について説明する。本実施形態では、制御装置７０の噴射制御部は、内燃機関１の定常運転中においては、予混合圧縮自着火燃焼を主体とした燃焼（予混合主体燃焼）が生じるように燃料噴射を行うＰＣＣＩ噴射モード（第１噴射モード）と、拡散燃焼を主体とした燃焼（拡散主体燃焼）が生じるように燃料噴射を行うＤＣ噴射モード（第２噴射モード）との二つの噴射モードを実行する。図３Ａ及び図３Ｂは、燃料噴射弁３１からの燃料噴射率及び熱発生率のクランク角推移を表す図である。図４は、少なくとも機関負荷及び機関回転速度に基づいて定まる機関運転状態と、各噴射領域との関係を示す図である。

図３Ａは、ＰＣＣＩ噴射モードにより燃料噴射を行って、燃焼室１５内に噴射された燃料を主に予混合圧縮自着火燃焼させている場合の、燃料噴射率及び熱発生率のクランク角推移を表す図である。図３Ａに示したように、本実施形態では、ＰＣＣＩ噴射モードでは、２回の予備噴射ＩＪ１、ＩＪ２と主噴射ＩＪＭとの計３回の燃料噴射が行われる。特に、図３Ａに示した例では、主噴射ＩＪＭがＴＤＣよりも前に開始されてＴＤＣ付近まで継続されている。加えて、第１予備噴射ＩＪ１及び第２予備噴射ＩＪ２は、比較的早い時期に行われている。

燃料噴射がこのように行われると、まず、予備噴射ＩＪ１、ＩＪ２によって形成された混合気が圧縮自着火し、これに伴って熱発生率が上昇する（図中の矢印Ｘｐを参照）。ただし、予備噴射ＩＪ１、ＩＪ２による燃料噴射量はそれほど多くないため、熱発生率はそれほど大きくは上昇しない。その後、主噴射ＩＪＭによって形成された混合気が圧縮自着火し、これに伴って急激に熱発生率が上昇する（図中の矢印Ｘｍを参照）。主噴射ＩＪＭによる燃料噴射量は比較的多いため、熱発生率は急激に上昇する。

ここで、ＰＣＣＩ噴射モードでは、主噴射ＩＪＭは比較的早い時期に行われる。このため、主噴射ＩＪＭは、予備噴射ＩＪ１、ＩＪ２によって形成された混合気が燃焼（熱炎反応をいい、冷炎反応は含まない）を開始する前に開始されることになる。逆にいうと、本実施形態では、噴射制御部は、ＰＣＣＩ噴射モードでは、主噴射ＩＪＭの開始後に、予備噴射ＩＪ１、ＩＪ２によって形成された混合気による熱発生が開始されるように燃料噴射弁３１からの燃料噴射が制御されているといえる。

ＰＣＣＩ噴射モードによって燃料噴射が行われた場合、このように主噴射ＩＪＭは比較的早い時期に行われるため、主噴射ＩＪＭによって噴射された燃料の多くは燃料噴射後に空気との予混合時間がある程度経ってから燃焼する。すなわち、この場合、主噴射ＩＪＭによって噴射された燃料の多くは比較的長い着火遅れ時間（例えば、０．２ｍｓ以上）を経て燃焼する。このような混合気の燃焼形態は予混合圧縮自着火燃焼と呼ばれることから、ＰＣＣＩ噴射モードでは主に予混合圧縮自着火燃焼が行われるといえる。

なお、本実施形態では、ＰＣＣＩ噴射モードにおいて、予備噴射を２回、主噴射を１回行っている。しかしながら、ＰＣＣＩ噴射モードに関して。予備噴射及び主噴射の回数、噴射量及び噴射時期は、主噴射ＩＪＭの開始後に、予備噴射ＩＪ１、ＩＪ２によって形成された混合気による熱発生が開始されれば如何なる回数、噴射量及び噴射時期であってもよい。

図３Ｂは、ＤＣ噴射モードにより燃料噴射を行って、燃焼室１５内に噴射された燃料を主に拡散燃焼させている場合の、燃料噴射率及び熱発生率のクランク角推移を表す図である。図３Ｂに示したように、本実施形態では、ＤＣ噴射モードでは、２回の予備噴射ＩＪ１、ＩＪ２と主噴射ＩＪＭとの計３回の燃料噴射が行われる。特に、図３Ｂに示した例では、主噴射ＩＪＭがＴＤＣよりも後に開始されている。加えて、第１予備噴射ＩＪ１及び第２予備噴射ＩＪ２は、比較的早い時期に行われている。

燃料噴射がこのように行われると、まず、予備噴射ＩＪ１、ＩＪ２によって形成された混合気が圧縮自着火し、これに伴って熱発生率が上昇する（図中の矢印Ｘｐを参照）。しかしながら、予備噴射ＩＪ１、ＩＪ２による燃料噴射量はそれほど多くないため、熱発生率はそれほど大きくは上昇せずに、一旦ピークに到達してから低下する。このような熱発生率の一時的な上昇により燃焼室１５内の温度及び圧力が上昇し、これによって主噴射ＩＪＭによって形成された混合気が燃焼し、これに伴って急激に熱発生率が上昇する（図中の矢印Ｘｍを参照）。主噴射ＩＪＭによる燃料噴射量は比較的多いため、熱発生率は急激に上昇する。

ここで、ＤＣ噴射モードでは、ＰＣＣＩ燃料モードに比べて主噴射ＩＪＭは遅い時期に行われる。このため、主噴射ＩＪＭは、予備噴射ＩＪ１、ＩＪ２によって形成された混合気が燃焼（熱炎反応をいい、冷炎反応は含まない）を開始した後に開始されることになる。逆にいうと、本実施形態では、噴射制御部は、ＤＣ噴射モードでは、主噴射ＩＪＭの開始前に、予備噴射ＩＪ１、ＩＪ２によって形成された混合気による熱発生が開始されるように燃料噴射弁３１からの燃料噴射が制御されているといえる。

ＤＣ噴射モードによって燃料噴射が行われた場合、このように予備噴射ＩＪ１、ＩＪ２によって形成された混合気が燃焼を開始した後に主噴射ＩＪＭが開始される。このため、主噴射ＩＪＭの開始時には燃焼室１５内の温度及び圧力は高く、よって主噴射ＩＪＭによって噴射された燃料の多くはほぼ遅れなく燃焼する。すなわち、この場合、主噴射ＩＪＭによって噴射された燃料の多くは比較的短い着火遅れ時間（例えば、０．２ｍｓ未満）を経て燃焼する。このような混合気の燃焼形態は拡散燃焼と呼ばれることから、ＤＣ噴射モードでは主に拡散燃焼が行われるといえる。

なお、本実施形態では、ＤＣ噴射モードにおいて、予備噴射を２回、主噴射を１回行っている。しかしながら、ＤＣ噴射モードに関しても、予備噴射及び主噴射の回数、噴射量及び噴射時期は、主噴射ＩＪＭの開始後に、予備噴射ＩＪ１、ＩＪ２によって形成された混合気による熱発生が開始されれば如何なる回数、噴射量及び噴射時期であってもよい。

拡散燃焼と予混合圧縮自着火燃焼とを対比すると、予混合圧縮自着火燃焼では、燃料噴射後に燃料と空気との予混合期間をある程度設けた上で予混合気が燃焼せしめられる。この結果、予混合期間中に燃料は分散するため、燃料濃度の高い状態（すなわち、当量比φの高い状態）で燃焼する燃料の割合を低減することができる。燃料濃度の高い混合気が燃焼すると酸素不足により煤が生成されることから、予混合圧縮自着火燃焼では煤の生成を抑制することができ、排気エミッションを向上させることができる。

しかしながら、機関運転状態が高負荷運転状態にあるときには予混合圧縮自着火燃焼を行うことはできない。機関運転状態が高負荷運転状態にあると、燃焼室１５内の温度が上昇するため予混合気が早期に自着火してしまうためである。

一方、拡散燃焼では、主噴射ＩＪＭによって形成される混合気については予混合させるわけではないため、燃焼室１５内の温度が上昇しても主噴射ＩＪＭによって形成された予混合気が自着火することはない。このため、機関運転状態が高負荷運転状態にあるときであっても、拡散燃焼を行うことができる。

しかしながら、拡散燃焼では、燃料噴射後に燃料がほぼ遅れなく燃焼するため、燃料は十分に分散することなく燃焼する。このため、燃料濃度が高い状態で燃焼する燃料の割合が増大し、煤が生成されやすくなる。したがって、予混合圧縮自着火燃焼に比べて、燃焼室１５から煤が排出されやすくなる。

そこで、本実施形態では、噴射制御部は、図４に示したように、機関運転状態が機関負荷及び機関回転速度の低いＰＣＣＩ領域にあるときには、噴射モードをＰＣＣＩ噴射モードに設定するようにしている。加えて、噴射制御部は、機関運転状態が機関負荷又は機関回転速度の高いＤＣ領域にあるときには、噴射モードをＤＣ噴射モードに設定するようにしている。これにより、機関負荷や機関回転速度が高くても拡散燃焼を行うことで内燃機関の運転を維持しつつ、機関負荷や機関回転速度が低いときに予混合圧縮自着火燃焼を行うことで燃焼室１５内での煤の生成を抑制することができる。

＜ＥＧＲ率の設定＞
次に、図５Ａ及び図５Ｂを参照して、機関定常運転中における目標ＥＧＲ率の設定について説明する。図５Ａは、図３Ａに示したＰＣＣＩ噴射モードにて燃料噴射を行った際の煤（ＳＯＯＴ）及びＮＯｘの燃焼室１５からの排出量を示している。一方、図５Ｂは、図３Ｂに示したＤＣ噴射モードにて燃料噴射を行った際の煤及びＮＯｘの燃焼室１５からの排出量を示している。また、図５Ａ及び図５Ｂにおいて、Ｓｌｉｍは、燃焼室１５からの煤排出量の上限値を示しており、Ｎｌｉｍは燃焼室１５からのＮＯｘ排出量の上限値を示している。これらＳｌｉｍやＮｌｉｍは、規制値や排気後処理装置５３における浄化能力を考慮して設定される。

図５Ａに示したように、ＰＣＣＩ噴射モードにて燃料噴射を行った場合には、燃焼室１５内に供給される吸気ガスのＥＧＲ率が高くなるほど、すなわち当該吸気ガスの酸素濃度が低くなるほど、燃焼室１５から排出される煤の量が増大する。これは、酸素濃度が低いほど不完全な燃焼が生じ易くなり、その結果、燃焼室１５内で煤が発生し易くなるためである。一方、ＰＣＣＩ噴射モードにて燃料噴射を行った場合には、燃焼室１５内に供給される吸気ガスのＥＧＲ率が高くなるほど、すなわち当該吸気ガスの酸素濃度が低くなるほど、燃焼室１５から排出されるＮＯｘの量が減少する。これは、酸素濃度が低いほど燃焼によって生じた熱が不活性ガス（ＥＧＲガス）を昇温するのに用いられるようになり、その結果、混合気の燃焼温度が低下することによるものである。加えて、ＰＣＣＩ噴射モードにて燃料噴射を行った場合には、燃焼室１５内に供給される吸気ガスのＥＧＲ率が高くなるほど、すなわち当該吸気ガスの酸素濃度が低くなるほど、燃焼騒音が低くなる。これは、酸素濃度が高い状態で燃焼が行われると燃焼が迅速に行われるようになるのに対して、酸素濃度が低い状態で燃焼が行われると燃焼が緩慢になることによるものである。

ここで、ＰＣＣＩ噴射モードにて燃料噴射を行った場合には、ある程度の予混合期間を経てから燃焼が行われるため、上述したように燃料濃度の濃い状態で燃焼する燃料の割合が少なく、よって煤の生成量が抑制される。このため、ＰＣＣＩ噴射モードでは、ＥＧＲ率を高くしても、すなわち酸素濃度を低くしても煤の排出量はそれほど多くならない。一方、ＥＧＲ率を高くするほど、すなわち酸素濃度を低くするほど、ＮＯｘの排出量は減少し、燃焼騒音も低下する。そこで、本実施形態では、ＰＣＣＩ噴射モードにて燃料噴射を行う際には、ＥＧＲ率が比較的高い所定の値（図５Ａ中で網掛けされた領域内の値）になるように、すなわち酸素濃度が比較的低い所定の値になるように、酸素濃度制御部が制御されることになる。これにより、煤の排出量を少なく抑えつつ、ＮＯｘの排出量及び燃焼騒音を低く抑えることができる。

図５Ｂに示したように、ＤＣ噴射モードにて燃料噴射を行った場合にも、燃焼室１５内に供給される吸気ガスのＥＧＲ率が高くなるほど、すなわち当該吸気ガスの酸素濃度が低くなるほど、燃焼室１５から排出される煤の量が増大し、燃焼室１５から排出されるＮＯｘの量が減少し、燃焼騒音が低下する。ここで、ＤＣ噴射モードにて燃料噴射を行った場合には、主噴射によって噴射された燃料の多くはほぼ遅れなく燃焼することから、ほとんど予混合が行われない。このため、燃料濃度の濃い状態で燃焼する燃料が多く、よって煤が生成され易い。また、予混合圧縮自着火燃焼に比べると拡散燃焼の方が燃焼が緩慢であるため、ＤＣ噴射モードにて燃料噴射を行った場合には燃焼騒音はＰＣＣＩ噴射モードに比べて低くなる。そこで、本実施形態では、ＤＣ噴射モードにて燃料噴射を行う際には、ＥＧＲ率が比較的低い所定の値（図５Ｂ中で網掛けされた領域内）になるように、すなわち酸素濃度が比較的高い所定の値になるように、酸素濃度制御部が制御されることになる。これにより、ＤＣ噴射モードにて燃料噴射を行っているときでも煤の排出量を少なく抑えることができる。なお、このときのＥＧＲ率は、ＮＯｘの排出量が上限値Ｎｌｉｍ以下になるように設定される。これにより、ＮＯｘの排出量も上限値Ｎｌｉｍ以下に抑えることができるようになる。

したがって、本実施形態では、ＰＣＣＩ噴射モードにて燃料噴射を行う場合には、目標ＥＧＲ率は比較的高い所定の値に設定され、ＤＣ噴射モードにて燃料噴射を行う場合には、目標ＥＧＲ率は比較的低い所定の値に設定される。すなわち、本実施形態では、ＰＣＣＩ噴射モードにて燃料噴射を行う場合には、目標酸素濃度は比較的低い所定の値に設定され、ＤＣ噴射モードにて燃料噴射を行う場合には、目標酸素濃度は比較的高い所定の値に設定される。より正確には、機関運転状態が機関負荷及び機関回転速度の低いＰＣＣＩ領域にあるときには、目標酸素濃度は比較的低い所定の値に設定される。一方、機関運転状態が機関負荷又は機関回転速度の高いＤＣ領域にあるときには、目標酸素濃度は比較的高い所定の値に設定される。

＜切換過渡時における遅れ＞
ところで、噴射モードをＰＣＣＩ噴射モードとＤＣ噴射モードとの間で切り換える際には、各燃料噴射（主噴射、予備噴射）の噴射時期や噴射量といった噴射態様の切換に加えて、上述したように酸素濃度の切換が必要になる。ところが、噴射態様の切換については迅速に行うことが可能であるのに対して、酸素濃度の切換については応答遅れが生じる。

図６は、機関負荷、燃料噴射弁３１からの総燃料噴射量及び燃焼室１５に供給される吸気ガスの酸素濃度のタイムチャートである。図６に示した例では、時刻ｔ₀において、機関負荷がステップ的に増大して、ＰＣＣＩ領域とＤＣ領域との間の基準負荷Ｌｒｅｆを超えた場合を示している。

図６に示したように、燃料噴射弁３１からの総燃料噴射量は、時刻ｔ₀において機関負荷が急激に増大するのに伴って、急激に増大する。図６に示した例では、総燃料噴射量のみを示しているが、予備噴射や主噴射の噴射時期及び噴射量についても、時刻ｔ₀において、ＰＣＣＩ噴射モードにおける噴射時期及び噴射量から、ＤＣ噴射モードにおける噴射時期及び噴射量に切り換えられることになる。

これに対して、ＥＧＲ率の応答速度は遅く、時刻ｔ₀にＥＧＲ率が低くなるようにＥＧＲ制御弁６２を操作しても、実際のＥＧＲ率は徐々に減少していく。したがって、燃焼室１５に流入する吸気ガスの酸素濃度も、時刻ｔ₀から徐々に上昇していくことになる。このように噴射モードをＰＣＣＩ噴射モードからＤＣ噴射モードに切り換える際には、実際のＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率に向かって徐々に変化する切換過渡状態が存在する。この結果、機関負荷の増大に伴って噴射モードをＰＣＣＩ噴射モードからＤＣ噴射モードに切り換える際には、その切換過渡中にＤＣ噴射モードに合わせた燃料噴射が行われると共に酸素濃度が低いままの状態（ＥＧＲ率が高いままの状態）で内燃機関が運転される期間が存在する。この場合には、図５Ｂ中で網掛けされた領域よりも右側の領域で燃焼が行われることになるため、煤の排出量が多くなってしまう。

また、図６に示した例とは逆に、機関負荷が減少する場合においても、酸素濃度の切換については応答遅れが生じる。したがって噴射モードをＤＣ噴射モードからＰＣＣＩ噴射モードに切り換える際にも、実際のＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率に向かって徐々に変化する切換過渡状態が存在する。この結果、機関負荷の減少に伴って噴射モードをＤＣ噴射モードからＰＣＣＩ噴射モードに切り換える際には、その切換過渡中にＰＣＣＩ噴射モードに合わせた燃料噴射が行われると共に酸素濃度が高いままの状態（ＥＧＲ率が低いままの状態）で内燃機関が運転される期間が存在する。この場合には、図５Ａ中で網掛けされた領域よりも左側の領域で燃焼が行われることになるため、燃焼騒音が大きくなってしまう。

＜噴射モードの切換過渡時の制御＞
そこで、本実施形態では、噴射モードをＰＣＣＩ噴射モードとＤＣ噴射モードとの間で切り換える際には、その切換過渡中においてＰＣＣＩ噴射モードとＤＣ噴射モードとは異なる噴射モードでの燃料噴射を行うようにしている。具体的には、本実施形態では、切換過渡中においては、ＰＣＣＩベース切換モード（第１切換モード）とＤＣベース切換モード（第２切換モード）との二つの噴射モードでの燃料噴射を行うようにしている。以下では、図７Ａ及び図７Ｂを参照して、これら切換モードについて説明する。

≪ＰＣＣＩベース切換モード≫
図７Ａは、ＰＣＣＩベース切換モードにより燃料噴射を行った場合の、燃料噴射率及び熱発生率のクランク角推移を表す図である。図中の破線は、ＰＣＣＩ噴射モードで燃料噴射を行った際の燃料噴射率の推移を、図中の実線は、ＰＣＣＩベース切換モードで燃料噴射を行った際の燃料噴射率の推移をそれぞれ示している。

また、図中のＸは酸素濃度が適正な状態にてＰＣＣＩ噴射モードで燃料噴射を行った場合における熱発生率の推移を示している。また、図中のＹは、切換過渡中であるため酸素濃度が高い状態にてＰＣＣＩ噴射モードで燃料噴射を行った場合における熱発生率の推移を示している。加えて、図中のＺは、酸素濃度が高い状態においてＰＣＣＩベース切換モードにより燃料噴射を行った場合における熱発生率の推移を示している。

ＰＣＣＩベース切換モードでは、基本的にＰＣＣＩ噴射モードと同様な噴射態様で燃料噴射が行われる。このため、ＰＣＣＩベース切換モードでも、主噴射ＩＪＭの開始後に、予備噴射ＩＪ１、ＩＪ２によって形成された混合気による熱発生が開始されるように燃料噴射弁３１からの燃料噴射が制御しているといえる。しかしながら、ＰＣＣＩベース切換モードでは、機関負荷が同一の場合に行われるＰＣＣＩ噴射モードに対して、主噴射ＩＪＭの噴射量を減少させると共に、主噴射ＩＪＭの後に後噴射ＩＪＡを行うようにしている。以下では、斯かる操作について具体的に説明する。

≪主噴射の噴射量減少≫
酸素濃度が適正な状態（定常運転中）にてＰＣＣＩ噴射モードで燃料噴射を行った場合の熱発生率の推移Ｘと、酸素濃度が高い状態（切換過渡中）にてＰＣＣＩ燃料モードで燃料噴射を行った場合の熱発生率の推移Ｙとを比較する。この比較から分かるように、酸素濃度が高い状態では、酸素濃度が適正な状態と比べて、熱発生率の最大上昇速度及び熱発生率のピーク値が共に大きい。熱発生率の最大上昇速度及び熱発生率のピーク値が大きいほど燃焼騒音が大きくなることから、酸素濃度が高い状態では、酸素濃度が適正な状態と比べて燃焼騒音が大きくなるといえる。

これに対して、ＰＣＣＩベース切換モードでは、燃焼騒音を低減すべく、主噴射ＩＪＭの噴射量がＰＣＣＩ噴射モードにおける主噴射の噴射量よりも減少せしめられる。これにより、図７Ａに矢印Ｍ₁で示したように、主噴射ＩＪＭによって形成された混合気の燃焼によって生じる熱発生率のピーク値が低下せしめられる。加えて、熱発生率の最大上昇速度（すなわち、熱発生率の傾きの最大値）も低下せしめられる。この結果、ＰＣＣＩベース切換モードにて燃料噴射を行った場合には、ＰＣＣＩ噴射モードにて燃料噴射を行った場合に比べて燃焼騒音が低減せしめられる。具体的には、ＰＣＣＩベース切換モードにおける主噴射ＩＪＭの減少量は、燃焼騒音が所望の燃焼騒音となるように設定される。

≪後噴射の実施≫
主噴射ＩＪＭの噴射量を減少させるのみだと、総熱発生量が減少し、内燃機関１の出力トルクの低下を招く。そこで、ＰＣＣＩベース切換モードでは、主噴射ＩＪＭの後に後噴射ＩＪＡを行うようにしている。以下では、後噴射ＩＪＡの噴射時期及び噴射量について説明する。

まず、図８Ａ及び図８Ｂを参照して、後噴射ＩＪＡの噴射時期について説明する。図８Ａは、ピストン１４が圧縮上死点にあるときの燃焼室１５近傍における機関本体１０の概略的な断面図である。一方、図８Ｂは、ピストン１４が圧縮上死点よりも下降した位置にあるときの燃焼室１５近傍における機関本体１０の概略的な断面図である。

図８Ａからわかるように、ピストン１４が圧縮上死点にあるときに燃料噴射弁３１から燃料噴射を行うと、噴射された燃料はピストン１４に形成されたキャビティ１６内に侵入することになる。一方、図８Ｂからわかるように、ピストン１４が圧縮上死点から或る程度下降すると、燃料噴射弁３１から噴射された燃料はキャビティ１６内には侵入しない。したがって、所定の基準クランク角よりも進角側で燃料噴射弁３１から燃料噴射が行われると噴射された燃料はキャビティ１６内に侵入するのに対して、基準クランク角よりも遅角側で燃料噴射弁３１から燃料噴射が行われると噴射された燃料はキャビティ１６内に侵入しない。

ここで、後噴射ＩＪＡよりも前に行われる主噴射ＩＪＭは、ピストン１４が圧縮上死点近傍にあるときに行われる。このため、主噴射ＩＪＭでは燃料はキャビティ１６内に噴射されて、主にキャビティ内で燃焼が生じる。したがって、主噴射ＩＪＭによって噴射された燃料の燃焼では主にキャビティ１６内の吸気ガス（図中のＧＣ）に含まれる酸素が消費されることになる。換言すると、主噴射ＩＪＭによって噴射された燃料の燃焼ではキャビティ１６外の吸気ガス（図中のＧＳ。スキッシュ領域内の吸気ガス等）に含まれる酸素は消費されないことになる。このため、主噴射ＩＪＭの燃焼が終わった後には、主噴射ＩＪＭの燃焼によって消費されなかった酸素はキャビティ１６内に比べてキャビティ１６外に多く残っている。

そこで、本実施形態では、ＰＣＣＩベース切換モードにおいて、噴射された燃料がキャビティ１６内に侵入しないような時期に後噴射ＩＪＡが行われる。すなわち、ＰＣＣＩベース切換モードでは、上述した基準クランク角よりも遅角側で燃料噴射弁３１から燃料噴射が行われる。これにより、主噴射ＩＪＭの燃焼によって消費されなかった酸素が多く残っている領域に後噴射ＩＪＡによる燃料を噴射することができる。その結果、後噴射ＩＪＡによって噴射された燃料も適切に酸素と混合され、よって局所的な酸素不足による煤の生成等を抑制することができる。

次に、後噴射ＩＪＡの噴射量について説明する。ここで、同量の燃料を噴射しても、主噴射ＩＪＭの噴射時期に燃料噴射を行った場合の方が、後噴射ＩＪＡの噴射時期に燃料噴射を行った場合よりも出力トルクが大きい。これは、燃焼が圧縮上死点近傍で生じることによって熱エネルギが運動エネルギに変換されやすいためである。したがって、後噴射ＩＪＡの噴射量を主噴射ＩＪＭの減少量と同量とすると、出力トルクが低下してしまう。このため、本実施形態では、後噴射ＩＪＡにおける噴射量は、主噴射ＩＪＭの噴射量減少前後で出力トルクが変化しないように、主噴射ＩＪＭの減少量よりも多くなるように設定される。特に、後噴射ＩＪＡの噴射時期が遅角されて圧縮上死点から離れるほど後噴射ＩＪＡによって噴射された燃料の出力トルクへの寄与率が低下することから、後噴射ＩＪＡの噴射時期が遅角されるほど後噴射ＩＪＡの噴射量が増大せしめられる。

このように、主噴射ＩＪＭよりも後に後噴射ＩＪＡを行うことによって、後噴射ＩＪＡによって噴射された燃料の燃焼に伴って、図７Ａに矢印Ｍ₂で示したように熱発生率が上昇する。これによって、燃料の燃焼による総発熱量はほぼ等しく維持され、よって出力トルクの低下を抑制することができる。

なお、上記実施形態では、ＰＣＣＩベース切換モードにおいて、後噴射ＩＪＡは、噴射された燃料がキャビティ１６内に侵入しないような時期に行われている。しかしながら、出力トルクの維持という観点からは必ずしも斯かる時期に行う必要はない。ただし、後噴射を主噴射に近づけ過ぎると、主噴射の噴射量を減少させたことによる燃焼騒音の低減効果を十分に得ることができない。したがって、後噴射ＩＪＡは、少なくとも主噴射ＩＪＭによって形成された混合気の燃焼による熱発生が開始された後に行われる。

≪噴射圧の制御≫
ところで、上述したように後噴射ＩＪＡによって噴射された燃料の出力トルクへの寄与率は、主噴射ＩＪＭによって噴射された燃料の出力トルクへの寄与率よりも小さい。このため、主噴射ＩＪＭの減少量が多くなり過ぎ、その結果、後噴射ＩＪＡの噴射量が多くなり過ぎると、燃費が悪化することになる。また、後噴射ＩＪＡが多くなると、燃焼せずに燃焼室１５から流出する未燃燃料の量も増大する。したがって、後噴射ＩＪＡの噴射量は或る一定の限界量よりは増大させないことが必要になる。

そこで、後噴射ＩＪＡの限界量を予め設定し、燃焼騒音から算出される主噴射の減少量がこの限界量以上になるときには主噴射の減少量をこの限界量に維持すると共に、燃料噴射弁３１からの噴射圧を低減するように燃料ポンプ３４等を制御するようにしてもよい。このときの噴射圧は、ＰＣＣＩ噴射モードを行う際の噴射圧よりも低減される。このように噴射圧を低減することで、主噴射ＩＪＭ等によって噴射された燃料の吸気ガスとの混合度合いが低下し、よって急激な熱発生率の上昇が抑制されると共に熱発生率のピーク値が低下せしめられ、これにより燃焼騒音の増大を抑制することができる。

すなわち、この場合、噴射制御部は、ＰＣＣＩベース切換モードで燃料噴射が行われているときには、燃焼騒音が目標燃焼騒音となるように主噴射の燃料噴射量を、ＰＣＣＩ噴射モードにおける主噴射の燃料噴射量よりも減少させると共に、この減少量が予め定められた限界量以上になるときにはこの減少量を所定の限界量に維持すると共に、主噴射の噴射圧をＰＣＣＩ噴射モードにおける主噴射の噴射圧よりも低下させる。

≪ＤＣベース切換モード≫
図７Ｂは、ＤＣベース切換モードにより燃料噴射を行った場合の、燃料噴射率及び熱発生率のクランク角推移を表す図である。図中の破線は、ＤＣ噴射モードで燃料噴射を行った際の燃料噴射率の推移を、図中の実線は、ＤＣベース切換モードで燃料噴射を行った際の燃料噴射率の推移をそれぞれ示している。

図中のＹは、切換過渡中であるため酸素濃度が低い状態にてＤＣ噴射モードで燃料噴射を行った場合における熱発生率の推移を示している。また、図中のＺは、酸素濃度が低い状態においてＤＣベース切換モードにより燃料噴射を行った場合における熱発生率の推移を示している。加えて、図中のＺ’は、噴射圧をＤＣ噴射モードにおける噴射圧と同程度に維持しつつＤＣベース切換モードにより燃料噴射を行った場合における熱発生率の推移を示している。

ＤＣベース切換モードでは、基本的にＤＣ噴射モードと同様な噴射態様で燃料噴射が行われる。したがって、ＤＣベース切換モードでも、主噴射ＩＪＭの開始前に、予備噴射ＩＪ１、ＩＪ２によって形成された混合気による熱発生が開始されるように燃料噴射弁３１からの燃料噴射が制御されているといえる。しかしながら、ＤＣベース切換モードでは、機関負荷が同一の場合に行われるＤＣ噴射モードに対して、主噴射ＩＪＭの噴射量を減少させると共に、主噴射ＩＪＭの後に後噴射ＩＪＡを行うようにしている。以下では、斯かる操作について具体的に説明する。

≪主噴射の噴射量≫
ところで、燃焼室１５内で燃焼が生じたときの煤の発生量は、その燃焼が行われる領域に存在する燃料の質量に対する酸素の質量の比率（酸素質量／燃料質量。以下、「酸素／燃料比率」という）に応じて変化する。酸素／燃料比率が大きくなるほど燃焼時に酸素が過剰になり煤が発生しにくくなり、逆に酸素／燃料比率が小さくなるほど燃焼時に酸素が不足し、煤が発生し易くなる。燃焼室１５から排出される煤の限界量を考慮すると、酸素／燃料比率はこの限界量から定まる限界値以上に維持することが必要となる。

ここで、図８Ａを参照して説明したように、ピストン１４が圧縮上死点近傍にあるときに燃料噴射弁３１から燃料噴射を行うと、噴射された燃料はピストン１４に形成されたキャビティ１６内に侵入する。ＤＣ噴射モード及びＤＣベース切換モードにおいても、主噴射ＩＪＭは圧縮上死点近傍において行われることから、噴射された燃料はそのほとんどがキャビティ１６内に侵入することになる。その結果、主噴射ＩＪＭによって噴射された燃料の燃焼もそのほとんどがキャビティ１６内で行われることになる。

したがって、主噴射ＩＪＭによって噴射された燃料が燃焼したときの煤の発生量は、その燃焼が主に行われる領域であるキャビティ１６内に存在する燃料の質量に対する酸素の質量の比率に応じて変化するということができる。したがって、キャビティ１６内における酸素／燃料比率を上述した限界値以上に維持することにより、燃焼室１５からの煤の排出量を限界量以下に抑制することができる。

そこで、本実施形態では、ＤＣベース切換モードにおいて、主噴射ＩＪＭの噴射終了時におけるキャビティ１６内の酸素／燃料比率が限界値以上になるように、主噴射ＩＪＭの噴射量が設定される。具体的には、燃焼室１５内に供給された吸気ガスのＥＧＲ率、吸入空気量、過給圧、吸気温度や、主噴射ＩＪＭの噴射終了時におけるクランク角等に基づいて、主噴射ＩＪＭの噴射終了時におけるキャビティ１６内の酸素質量が算出される。その後、算出された酸素質量に対して、酸素／燃料比率が限界値となるような主噴射ＩＪＭの噴射量が算出される。

このようにして算出される主噴射ＩＪＭの噴射量は、機関負荷が同一であるときのＤＣ噴射モードにおける主噴射ＩＪＭの噴射量よりも少ない。したがって、ＤＣベース切換モードでは、機関負荷が同一の場合に行われるＤＣ噴射モードに対して、主噴射ＩＪＭの噴射量を減少させているといえる。このように主噴射ＩＪＭの噴射量を減少させた場合（図中のＺ’）、図７Ｂに矢印Ｍ₃で示したように、ＤＣ噴射モードにて燃料噴射を行った場合（図中のＹ）と比べて熱発生率が低下する。

≪後噴射の実施≫
主噴射ＩＪＭの噴射量を減少させるのみだと、総熱発生量が減少し、内燃機関１の出力トルクの低下を招く。そこで、ＤＣベース切換モードにおいても、ＰＣＣＩベース切換モードと同様に、主噴射ＩＪＭの後に後噴射ＩＪＡを行うようにしている。

後噴射ＩＪＡの噴射時期は、ＰＣＣＩベース切換モードで説明したように、噴射された燃料がキャビティ１６内に侵入しないような時期に行われる。すなわち、ＤＣベース切換モードでも、上述した基準クランク角よりも遅角側で燃料噴射弁３１から燃料噴射が行われる。これにより、局所的な酸素不足による煤の生成等を抑制することができる。

また、ＤＣベース切換モードにおいても、後噴射ＩＪＡにおける噴射量は、主噴射ＩＪＭの噴射量減少前後で出力トルクが変化しないように、主噴射ＩＪＭの減少量よりも多くなるように設定される。特に、後噴射ＩＪＡの噴射時期が遅角されて圧縮上死点から離れるほど後噴射ＩＪＡによって噴射された燃料の出力トルクへの寄与率が低下することから、後噴射ＩＪＡの噴射時期が遅角されるほど後噴射ＩＪＡの噴射量が増大せしめられる。

このように、主噴射ＩＪＭよりも後に後噴射ＩＪＡを行うことによって、後噴射ＩＪＡによって噴射された燃料の燃焼に伴って、図７Ｂに矢印Ｍ₄で示したように熱発生率が上昇する。これによって、燃料の燃焼による総発熱量はほぼ等しく維持され、よって出力トルクの低下を抑制することができる。

なお、上記実施形態では、ＤＣベース切換モードにおいて、後噴射ＩＪＡは、噴射された燃料がキャビティ１６内に侵入しないような時期に行われている。しかしながら、出力トルクの維持という観点からは必ずしも斯かる時期に行う必要はない。ただし、後噴射を主噴射に近づけ過ぎると、主噴射の噴射量を減少させたことによる煤の発生量の低減効果を十分に得ることができない。したがって、後噴射ＩＪＡは、少なくとも主噴射ＩＪＭによって形成された混合気の燃焼による熱発生が開始された後に行われる。

≪噴射圧の制御≫
ところで、上述したように、ＤＣ噴射モードに対して主噴射ＩＪＭの噴射量を減少させ且つ後噴射ＩＪＡを加えた場合、熱発生率は図７ＢのＺ’で示したように推移する。したがって、ＤＣ噴射モードで燃料噴射を行った場合（図中のＹ）に比べて、熱発生率の最大上昇速度及び熱発生率のピーク値が小さくなる。したがって、噴射モードをＤＣ噴射モードとＰＣＣＩ噴射モードとの間で切換を行うにあたって、このような噴射態様で噴射を行うと、切換過渡中のみ燃焼騒音が低下することになり、ドライバは違和感を感じることになる。

そこで、本実施形態では、ＤＣベース切換モードにおいて、ＤＣ噴射モードで燃料噴射を行う場合に比べて、燃料噴射圧を上昇させるようにしている。具体的には、主噴射の噴射量を減少させることによって低下した燃焼騒音が減少前まで戻るように燃料噴射圧が上昇せしめられる。

より具体的には、現在の機関負荷及び機関回転速度に基づいてその機関負荷及び機関回転速度で定常運転が行われた場合の熱発生率の最大上昇速度又は熱発生率のピーク値が目標最大上昇速度又は目標熱発生率として算出される。一方で、筒内圧センサ８１の出力等に基づいて、現在の熱発生率の最大上昇速度又は熱発生率のピーク値が算出される。このようにして算出された熱発生率の目標最大上昇速度と現在の最大上昇速度との差、又は熱発生率の目標ピーク値と現在のピーク値との差が算出される。そして、このようにして算出された最大上昇速度の差又はピーク値の差が小さくなるように、燃料噴射圧が制御される。

このような制御が行われると、ＤＣベース切換モードにおける主噴射ＩＪＭの噴射量のＤＣ噴射モードにおける主噴射ＩＪＭの噴射量に対する減少量が多くなるほど、後噴射ＩＪＡの噴射量が多くされ、燃料噴射圧が大きくされる。すなわち、本実施形態の切換モードでは、後噴射の噴射量が多くなるほど主噴射を行う際の噴射圧が大きくされる。これにより、切換過渡中においても、ＤＣ噴射モードで燃料噴射を行った場合（図中のＹ）に比べて、熱発生率の最大上昇速度及び熱発生率のピーク値が同程度に維持される。この結果、切換過渡中であってもドライバが違和感を感じることは抑制される。

＜各切換モードの実行領域＞
上述したように、ＰＣＣＩ噴射モードとＤＣ噴射モードとの切換過渡中においては、ＰＣＣＩベース切換モードとＤＣベース切換モードとの二つの噴射モードで燃料噴射が行われる。以下では、図９及び図１０を参照して、切換過渡中において、これら二つの切換モードのうちいずれの切換モードで燃料噴射が行われるかについて説明する。

図９は、機関回転速度、機関負荷及び酸素濃度と各噴射モード及び各切換モードが行われる領域との関係を３次元的に表した図である。図１０は、機関負荷及び酸素濃度と各噴射モード及び各切換モードが行われる領域との関係を表した図であり、図９をＸ−Ｘ線で切った断面から見た図である。

図９及び図１０からわかるように、機関回転速度、機関負荷及び酸素濃度によって定まる運転状態は、４つの領域にわけられる。具体的には、ＰＣＣＩ噴射モードにて燃料噴射が行われるＰＣＣＩ領域と、ＤＣ噴射モードにて燃料噴射が行われるＤＣ領域と、ＰＣＣＩベース切換モードにて燃料噴射が行われるＰＣＣＩベース領域と、ＤＣベース切換モードにて燃料噴射が行われるＤＣベース領域とにわけられる。

図９及び図１０からわかるように、機関回転速度が低く、機関負荷が低く且つ酸素濃度の低い領域は、ＰＣＣＩ領域又はＰＣＣＩベース領域とされる。その中でも特に酸素濃度が低い領域は、ＰＣＣＩ領域とされる。したがって、機関回転速度が低く、機関負荷が低く且つ酸素濃度の低いときには、ＰＣＣＩ噴射モード又はＰＣＣＩベース切換モードにより燃料噴射が行われる。

一方、機関回転速度が高いか、機関負荷が高いか又は酸素濃度が高い領域は、ＤＣ領域又はＤＣベース領域とされる。その中でも特に酸素濃度が高い領域はＤＣ領域とされる。したがって、機関回転速度が高いか、酸素負荷が高いか又は酸素濃度が高いときには、ＤＣ噴射モード又はＤＣベース切換モードにより燃料噴射が行われる。

図１０は、機関回転速度が特定の機関回転速度となっているときにおける機関負荷及び酸素濃度と各噴射領域との関係を示している。図１０からわかるように、機関負荷が所定の基準負荷Ｌｒｅｆ以上である場合には、酸素濃度が第１基準値ＣＯｄ以上であるときにはＤＣ噴射モードにより燃料噴射が行われ、酸素濃度が第１基準値ＣＯｄ未満であるときにはＤＣベース切換モードにより燃料噴射が行われる。

図１０からわかるように、機関負荷が基準負荷Ｌｒｅｆ以上であるときには、ＤＣベース切換モード又はＤＣ噴射モードにて燃料噴射が行われ、ＰＣＣＩ噴射モードやＰＣＣＩベース切換モードによる燃料噴射は行われない。これは、機関負荷が基準負荷Ｌｒｅｆ以上である領域において、ＰＣＣＩ噴射モードやＰＣＣＩベース切換モードによる燃料噴射を行うと燃焼騒音が大きくなってしまうためである。すなわち、機関負荷が高い領域では燃料噴射量が多くなるため、斯かる多量の燃料を含む予混合気が圧縮自着火によって一気に燃焼してしまうと、熱発生率が急激に増大すると共にそのピーク値が大きくなり、よって燃焼騒音が増大する。

したがって、図１０に示したように、機関負荷が基準負荷Ｌｒｅｆ以上である領域では、ＰＣＣＩ噴射モードやＰＣＣＩベース切換モードによる燃料噴射を行わないようにすることで、燃焼騒音の増大を抑制することができる。逆に言うと、基準負荷Ｌｒｅｆは、ゼロよりも大きく且つ全負荷よりも小さい値であって、これ以上機関負荷が高い状態においてＰＣＣＩ噴射モードやＰＣＣＩベース切換モードにて燃料噴射を行うと、燃焼騒音が所定の限界値よりも大きくなってしまうような値に設定される。

加えて、機関負荷が基準負荷Ｌｒｅｆ以上である領域では、上述したように酸素濃度が第１基準値ＣＯｄ以上であるときにはＤＣ噴射モードにより燃料噴射が行われ、酸素濃度が第１基準値ＣＯｄ未満であるときにはＤＣベース切換モードにより燃料噴射が行われる。これは、図５Ｂを参照して説明したように、酸素濃度が低い状態でＤＣ噴射モードにて燃料噴射を行うと、煤の排出量が増大することから、第１基準値ＣＯｄ未満であるときにはＤＣベース切換モードにて燃料噴射を行うことで煤の排出量を抑制するためである。したがって、第１基準値ＣＯｄは、機関負荷が基準負荷Ｌｒｅｆ以上であるときの目標酸素濃度よりも低い値であって、これ以上酸素濃度が低い状態でＤＣ噴射モードにて燃料噴射を行うと煤の排出量が上限値Ｓｌｉｍを超えてしまうような値に設定される。

一方、機関負荷が基準負荷Ｌｒｅｆ未満である場合には、酸素濃度が第１基準値ＣＯｄ以上であるときにはＤＣ噴射モードにより燃料噴射が行われる。酸素濃度が第１基準値ＣＯｄ未満であって第２基準値ＣＯｍ以上であるときにはＤＣベース切換モードにより燃料噴射が行われる。ここで、第２基準値ＣＯｍは第１基準値ＣＯｄよりも低い値（酸素濃度が低い側の値）とされる。また、酸素濃度が第２基準値ＣＯｍ未満であって第３基準値ＣＯｐ以上であるときにはＰＣＣＩベース切換モードにより燃料噴射が行われる。ここで、第３基準値ＣＯｐは第２基準値ＣＯｍよりも低い値（酸素濃度が低い側の値）とされる。さらに、酸素濃度が大３基準値ＣＯｐ未満であるときにはＰＣＣＩ噴射モードにより燃料噴射が行われる。

機関負荷が基準負荷Ｌｒｅｆ未満である場合には、酸素濃度が低ければＰＣＣＩ噴射モードやＰＣＣＩベース切換モードによる燃料噴射を行っても燃焼騒音はそれほど大きくならない。また、ＰＣＣＩ噴射モードやＰＣＣＩベース切換モードで燃料噴射を行うと、煤の排出量やＮＯｘの排出量を抑制することができる。このため、機関負荷が基準負荷Ｌｒｅｆ未満であるときには、酸素濃度が低い場合に、具体的には第２基準値ＣＯｍ未満である場合に、ＰＣＣＩ噴射モードやＰＣＣＩベース切換モードにて燃料噴射が行われる。したがって、第２基準値ＣＯｍは、酸素濃度がその値未満であればＰＣＣＩ噴射モードやＰＣＣＩベース切換モードにて燃料噴射を行っても燃焼騒音が上限値Ｂｌｉｍ以下に維持されるような値に設定される。

加えて、酸素濃度が第２基準値ＣＯｍ未満の領域であっても、酸素濃度が第３基準値ＣＯｐ以上であるときにはＰＣＣＩベース切換モードにて燃料噴射が行われ、第３基準値ＣＯｐ未満であるときにはＰＣＣＩ噴射モードにて燃料噴射が行われる。これは、図５Ａを参照して説明したように、ＰＣＣＩ噴射モードにて燃料噴射を行うと酸素濃度が高くなるにつれて燃焼騒音が増大するところ、ＰＣＣＩベース切換モードにて燃料噴射を行うことにより燃焼騒音の増大を抑制するためである。したがって、第３基準値ＣＯｐは、機関負荷が基準負荷Ｌｒｅｆ未満であるときの目標酸素濃度よりも高い値であって、これ以上酸素濃度が高い状態でＰＣＣＩ噴射モードにて燃料噴射を行うと燃焼騒音が上限値Ｂｌｉｍを超えてしまうような値に設定される。

加えて、機関負荷が基準負荷Ｌｒｅｆ未満である場合においても、基準負荷Ｌｒｅｆ以上である場合と同様に、酸素濃度が第１基準値ＣＯｄ以上であるときにはＤＣ噴射モードにより燃料噴射が行われ、酸素濃度が第１基準値ＣＯｄ未満であるときにはＤＣベース切換モードにより燃料噴射が行われる。これにより、煤の排出量を抑制することができる。

＜具体的な制御の例＞
次に、図１１及び図１２を参照して、機関負荷が変化した際の噴射モードの切換制御について説明する。図１１は、機関負荷がステップ的に増大したときの機関負荷、酸素濃度、噴射モード、主噴射時期及び後噴射量のタイムチャートである。

図１１に示した例では、時刻ｔ₁以前において、機関負荷が基準負荷Ｌｒｅｆ未満となっており、よってＰＣＣＩ噴射モードにて燃料噴射が行われている。また、このときの酸素濃度は、ＰＣＣＩ噴射モードに合わせた低い酸素濃度となっている。

時刻ｔ₁において、機関負荷が基準負荷Ｌｒｅｆを超えてステップ的に増大せしめられる。時刻ｔ₁において機関負荷が増大せしめられると、これに合わせて目標酸素濃度がＤＣ噴射モードに合わせた高い酸素濃度に変更される。この結果、酸素濃度が高くなるようにＥＧＲ制御弁６２等が制御される。しかしながら、上述したように、酸素濃度の応答速度は比較的遅いため、酸素濃度は、時刻ｔ₁から徐々に増大していく。

また、時刻ｔ₁において機関負荷が基準負荷Ｌｒｅｆ以上になると、この時点では酸素濃度が低いことから運転状態は図１０のＤＣベース領域内の状態となる。したがって、時刻ｔ₁では、噴射モードがＰＣＣＩ噴射モードからＤＣベース切換モードへと切り換えられる。時刻ｔ₁において、ＤＣベース切換モードにて燃料噴射が行われるようになることにより、主噴射ＩＪＭの噴射時期は遅角側に変化せしめられると共に、後噴射が開始される。

時刻ｔ₁以降は、上述したように酸素濃度が目標酸素濃度に向かって徐々に上昇する。酸素濃度が上昇すると、煤が発生しにくくなることから、主噴射ＩＪＭの噴射量を増大させることができ、これに伴って後噴射ＩＪＡの噴射量が減少せしめられる。したがって、時刻ｔ₁以降は、酸素濃度が徐々に上昇するのに伴って、後噴射ＩＪＡの噴射量が徐々に減少せしめられる。

その後、時刻ｔ₂において、酸素濃度が第１基準値ＣＯｄに到達すると、噴射モードがＤＣベース切換モードからＤＣ噴射モードへと切り換えられる。これにより、時刻ｔ₂において後噴射ＩＪＡが終了せしめられる。

図１１からわかるように、本実施形態では、噴射モードをＰＣＣＩ噴射モードからＤＣ噴射モードに切り換えるときには、ＰＣＣＩベース切換モードを経ることなくＤＣベース切換モードを経て切換が行われる。見方を変えると、本実施形態では、機関負荷が基準負荷Ｌｒｅｆ以上であるときには、ＰＣＣＩベース切換モードを経ることなくＤＣベース切換モードを経てＰＣＣＩ噴射モードとＤＣ噴射モードとの切換が行われるといえる。

図１２は、機関負荷がステップ的に減少したときの機関負荷、酸素濃度、噴射モード、主噴射時期及び後噴射量のタイムチャートである。

図１２に示した例では、時刻ｔ₁以前において、機関負荷が基準負荷Ｌｒｅｆ以上となっており、よってＤＣ噴射モードにて燃料噴射が行われている。また、このときの酸素濃度は、ＤＣ噴射モードに合わせた高い酸素濃度となっている。

時刻ｔ₁において、機関負荷が基準負荷Ｌｒｅｆを超えてステップ的に減少せしめられる。時刻ｔ₁において機関負荷が減少せしめられると、これに合わせて目標酸素濃度がＰＣＣＩ噴射モードに合わせた低い酸素濃度に変更される。この結果、酸素濃度が低くなるようにＥＧＲ制御弁６２等が制御される。しかしながら、上述したように、酸素濃度の応答速度は比較的遅いため、酸素濃度は、時刻ｔ₁から徐々に減少していく。

また、時刻ｔ₁において機関負荷がＬｒｅｆよりも小さくなっても、この時点では酸素濃度が高いことから運転状態はＤＣ領域内の状態となる。したがって、時刻ｔ₁では噴射モードは切り換えられずにＤＣ噴射モードのまま維持される。

その後、酸素濃度が徐々に減少し、時刻ｔ₂において酸素濃度が第１基準値ＣＯｄに到達すると、噴射モードがＤＣ噴射モードからＤＣベース切換モードへと切り換えられる。時刻ｔ₂において、ＤＣベース切換モードにて燃料噴射が行われるようになることにより、後噴射が開始される。時刻ｔ₂以降は、酸素濃度が徐々に減少するのに伴って、後噴射ＩＪＡの噴射量が徐々に増大せしめられる。

時刻ｔ₂以降も酸素濃度は徐々に減少し、時刻ｔ₃において酸素濃度が第２基準値ＣＯｍに到達すると、噴射モードがＤＣベース切換モードからＰＣＣＩベース切換モードへと切り換えられる。時刻ｔ₃において、ＰＣＣＩベース切換モードにて燃料噴射が行われるようになることにより、主噴射ＩＪＭの噴射時期が進角側に変化せしめられる。時刻ｔ₃以降も、酸素濃度が目標酸素濃度に向かって徐々に減少する。ＰＣＣＩベース切換モードでは酸素濃度が減少すると、燃焼騒音が低下してくことから、主噴射ＩＪＭの噴射量を増大させることができ、これに伴って後噴射ＩＪＡの噴射量が減少せしめられる。したがって、時刻ｔ₃以降は、酸素濃度が徐々に減少するのに伴って、後噴射ＩＪＡの噴射量が徐々に減少せしめられる。

その後、酸素濃度が減少し、時刻ｔ₄において、酸素濃度が第３基準値ＣＯｐに到達すると、噴射モードがＰＣＣＩベース切換モードからＰＣＣＩ噴射モードへと切り換えられる。これにより、時刻ｔ₄において後噴射ＩＪＡが終了せしめられる。

図１２からわかるように、本実施形態では、噴射モードをＤＣ噴射モードからＰＣＣＩ噴射モードに切り換えるときには、ＰＣＣＩベース切換モード及びＤＣベース切換モードの両方を経て切換が行われる。特に、本実施形態では、噴射モードをＤＣ噴射モードからＰＣＣＩ噴射モードに切り換えるときには、ＤＣベース切換モード、ＰＣＣＩベース切換モードの順に切換モードを行って切換が行われる。見方を変えると、本実施形態では、機関負荷が基準負荷Ｌｒｅｆよりも低いときには、ＰＣＣＩベース切換モード及びＤＣベース切換モードの両方を経てＰＣＣＩ噴射モードとＤＣ噴射モードとの切換が行われるといえる。

＜フローチャート＞
以下、図１３〜図１６を参照して、酸素濃度制御及び噴射制御について説明する。図１３は、酸素濃度制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは、一定時間間隔（例えば、４ｍｓ）毎に実行される。

図１３を参照すると、まず、ステップＳ１１において、負荷センサ８９の出力に基づいて機関負荷Ｌが取得されると共に、クランク角センサ９０の出力に基づいて機関回転速度ＮＥが取得される。次いで、ステップＳ１２では、ステップＳ１１において取得された現在の機関負荷Ｌ及び機関回転速度ＮＥから定まる機関運転状態が、図４に示したＰＣＣＩ領域内にあるか否かが判定される。

ステップＳ１２において現在の機関運転状態がＰＣＣＩ領域内にあると判定された場合にはステップＳ１３へと進む。ステップＳ１３では、目標酸素濃度が低い値（第３基準値ＣＯｐ未満）に設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。一方、ステップＳ１２において、現在の機関運転状態がＰＣＣＩ領域内にないと判定された場合、すなわちＤＣ領域内にあると判定された場合にはステップＳ１４へと進む。ステップＳ１４では、目標酸素濃度が高い値（第１基準値ＣＯｄ以上）に設定され、制御ルーチンが終了せしめられる。

酸素濃度を変更するためのアクチュエータ、例えば、ＥＧＲ制御弁６２は、燃焼室１５内に供給される吸気ガスの酸素濃度がステップＳ１３及びＳ１４で設定された目標酸素濃度になるように制御される。したがって、例えば、ステップＳ１３により目標酸素濃度が低い値に設定された場合には、ＥＧＲ率が大きくなるようにＥＧＲ制御弁６２の開度が大きくされる。逆に、ステップＳ１４により目標酸素濃度が高い値に設定された場合には、ＥＧＲ率が小さくなるようにＥＧＲ制御弁６２の開度が小さくされる。

図１４は、燃料噴射弁３１からの燃料噴射制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは、一定時間間隔（例えば、４ｍｓ）毎に実行される。

図１４を参照すると、まず、ステップＳ２１では、ステップＳ１１と同様に機関負荷Ｌ及び機関回転速度ＮＥが取得される。また、ＥＧＲ制御弁６２の開度、エアフロメータ８４によって検出された空気流量、温度センサ８３、８７によって検出された吸気ガスの温度、及び圧力センサ８６によって検出された吸気ガスの圧力に基づいて、吸気ガスの酸素濃度ＣＯが算出される。

次いで、ステップＳ２２では、ステップＳ２１で算出された現在の酸素濃度ＣＯが第１基準値ＣＯｄ未満であるか否かが判定される。ステップＳ２２において、現在の酸素濃度ＣＯが第１基準値ＣＯｄ以上であると判定された場合には、ステップＳ２３へと進む。ステップＳ２３では、ＤＣ噴射モードにて燃料噴射を行うためのＤＣ噴射制御が行われ、制御ルーチンが終了せしめられる。

一方、ステップＳ２２において、現在の酸素濃度ＣＯが第１基準値ＣＯｄ未満であると判定された場合にはステップＳ２４へと進む。ステップＳ２４では、ステップＳ２１で取得された機関負荷Ｌが基準負荷Ｌｒｅｆ未満であるか否かが判定される。ここで、図９からわかるように、基準負荷Ｌｒｅｆは機関回転速度ＮＥに応じて変化することから、本実施形態では、基準負荷Ｌｒｅｆは機関回転速度ＮＥに基づいて設定される。具体的には、基本的に、機関回転速度ＮＥが高くなるほど、基準負荷Ｌｒｅｆが小さくなるように設定される。

ステップＳ２４において、機関負荷Ｌが基準負荷Ｌｒｅｆ以上であると判定された場合には、ステップＳ２６へと進む。一方、ステップＳ２４において、機関負荷Ｌが基準負荷Ｌｒｅｆ未満であると判定された場合には、ステップＳ２５へと進む。ステップＳ２５では、現在の酸素濃度ＣＯが第２基準値ＣＯｍ未満であるか否かが判定される。ステップＳ２５において、現在の酸素濃度ＣＯが第２基準値ＣＯｍ以上であると判定された場合には、ステップＳ２６へと進む。ステップＳ２６では、ＤＣベース切換モードにて燃料噴射を行うためのＤＣベース噴射制御が行われ、制御ルーチンが終了せしめられる。ＤＣベース噴射制御については、図１６を参照して説明する。

ステップＳ２５において、現在の酸素濃度ＣＯが第２基準値ＣＯｍ未満であると判定された場合には、ステップＳ２７へと進む。ステップＳ２７では、現在の酸素濃度ＣＯが第３基準値ＣＯｐ未満であるか否かが判定される。ステップＳ２７において、現在の酸素濃度ＣＯが第３基準値ＣＯｐ以上であると判定された場合には、ステップＳ２９へと進む。ステップＳ２９では、ＰＣＣＩベース切換モードにて燃料噴射を行うためのＰＣＣＩベース噴射制御が行われ、制御ルーチンが終了せしめられる。ＰＣＣＩベース噴射制御については、図１５を参照して説明する。一方、ステップＳ２７において、現在の酸素濃度ＣＯが第３基準値ＣＯｐ未満であると判定された場合には、ステップＳ２８へと進む。ステップＳ２８では、ＰＣＣＩ噴射モードにて燃料噴射を行うためのＰＣＣＩ噴射制御が行われ、制御ルーチンが終了せしめられる。

図１５は、ＰＣＣＩベース切換モードにて燃料噴射を行うためのＰＣＣＩベース噴射制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは、図１４に示した制御ルーチンがステップＳ２９に到達する毎に実行される。

まず、ステップＳ３１では、現在の機関運転状態に基づいて、ＰＣＣＩ噴射モードで燃料噴射を行うと仮定した場合の主噴射ＩＪＭにおける噴射量及び噴射圧である基本噴射量ＱＭｂ及び基本噴射圧Ｐｆｂが算出される。

次いで、ステップＳ３２では、図１４のステップＳ２１で算出された現在の酸素濃度ＣＯと、ＰＣＣＩ噴射モードにて燃料噴射を行う際の目標酸素濃度ＣＯｔとの濃度差ΔＣＯが算出される。この濃度差ΔＣＯが大きくなるほど、主噴射ＩＪＭによって噴射された燃料の燃焼によって生じる熱発生率の最大上昇速度及びピーク値が大きくなり、よって燃焼騒音が大きくなるといえる。

次いで、ステップＳ３３では、ステップＳ３２において算出された濃度差ΔＣＯに基づいて、主噴射ＩＪＭの減少量ΔＱＭ及び噴射圧低下量ΔＰｆが算出される。主噴射ＩＪＭの減少量ΔＱＭは、濃度差ΔＣＯが大きくなるほど所定の限界量まで増大せしめられ、それ以上の濃度差ΔＣＯが大きくなった場合には減少量ΔＱＭは限界量のまま維持される。加えて、主噴射ＩＪＭの減少量ΔＱＭが限界量に到達する濃度差ΔＣＯｌｉｍ以上に濃度差が大きくなるときには濃度差ΔＣＯが大きくなるにつれて、噴射圧低下量ΔＰｆが減少せしめられる。

次いで、ステップＳ３４では、ステップＳ３１で算出された主噴射ＩＪＭの基本噴射量ＱＭｂからステップＳ３３で算出された減少量ΔＱＭを減算することによって主噴射ＩＪＭの目標噴射量ＱＭが算出される（ＱＭ＝ＱＭｂ−ΔＱＭ）。また、ステップＳ３４では、ステップＳ３１で算出された基本噴射圧ＰｆｂからステップＳ３３で算出された噴射圧低下量ΔＰｆを減算することによって目標噴射圧Ｐｆが算出される（Ｐｆ＝Ｐｆｂ−ΔＰｆ）。

次いで、ステップＳ３５では、ステップＳ３３において算出された主噴射ＩＪＭの減少量ΔＱＭにαを乗算した値が後噴射ＩＪＡにおける目標噴射量ＱＡとして算出され（ＱＡ＝α・ΔＱＭ）、制御ルーチンが終了せしめられる。ここで、αは、１よりも大きい定数である。

燃料噴射弁３１からは、ステップＳ３４において算出された目標噴射量ＱＭとなるように主噴射ＩＪＭが行われると共に、ステップＳ３５において算出された目標噴射量ＱＡとなるように後噴射ＩＪＡが行われる。加えて、燃料ポンプ３４等は、噴射圧がステップＳ３４で算出された目標噴射圧Ｐｆとなるように制御される。

図１６は、ＤＣベース切換モードにて燃料噴射を行うためのＤＣベース噴射制御の制御ルーチンを示すフローチャートである。図示した制御ルーチンは、図１４に示した制御得ルーチンがステップＳ２６に到達する毎に実行される。

まず、ステップＳ４１では、ステップＳ３１と同様に、現在の機関運転状態に基づいて、ＰＣＣＩ噴射モードで燃料噴射を行うと仮定した場合の主噴射ＩＪＭにおける噴射量及び噴射圧である基本噴射量ＱＭｂ及び基本噴射圧Ｐｆｂが算出される。

次いで、ステップＳ４２では、主噴射ＩＪＭの終了時点におけるキャビティ１６内の酸素質量ＭＯが算出される。キャビティ１６内の酸素質量ＭＯは、ステップＳ２１において算出される酸素濃度ＣＯと、主噴射ＩＪＭの予想終了時期とに基づいて算出される。具体的には、以下のようにして算出される。

主噴射ＩＪＭの予想終了時期が早いとピストン１４は上死点近傍に位置するため、キャビティ１６外の燃焼室１５の容積が小さく、よってキャビティ１６内の酸素質量比率が高い。一方、主噴射ＩＪＭの予想収量時期が遅いとピストン１４は上死点から離れて位置するため、キャビティ１６外の燃焼室１５の容積が大きく、よってキャビティ１６内の酸素質量比率が低い。このようにして主噴射ＩＪＭの予想終了時期に基づいてキャビティ１６内の酸素質量比率が算出されると共に、ステップＳ２１において算出される酸素濃度ＣＯから燃焼室１５内全体に供給される酸素質量が算出される。そして、このようにして算出されたキャビティ１６内の酸素質量比率を燃焼室１５内全体の酸素質量に乗算することによって、キャビティ１６内の酸素質量ＭＯが算出される。

次いで、ステップＳ４３では、ステップＳ４２で算出されたキャビティ１６内の酸素質量ＭＯと、上述した酸素／燃料比率の限界値とに基づいて、主噴射の目標噴射量ＱＭが算出される。具体的には、キャビティ１６内の酸素質量ＭＯを限界値によって除算することで、主噴射の目標噴射量ＱＭが算出される。

次いで、ステップＳ４４では、ステップＳ４１で算出された基本噴射量ＱＭｂからステップＳ４３で算出された主噴射の目標噴射量ＱＭを減算した値が噴射量の減少量ΔＱＭとして算出される。この減少量ΔＱＭは、機関負荷に応じた主噴射の噴射量に対して目標噴射量が不足する量を表している。

ステップＳ４５では、ステップＳ４４で算出された減少量ΔＱＭに基づいて予め求められたマップを用いて噴射圧増加量ΔＰｆが算出される。噴射圧増加量ΔＰｆは、減少量ΔＱＭが多くなるほど多くなるように算出される。次いで、ステップＳ４６では、ステップＳ４１で算出された基本噴射圧ＰｆｂにステップＳ４５で算出された噴射圧低下量ΔＰｆを加算することによって目標噴射圧Ｐｆが算出される（Ｐｆ＝Ｐｆｂ＋ΔＰｆ）。

次いで、ステップＳ４７では、ステップＳ４４において算出された主噴射ＩＪＭの減少量ΔＱＭにβを乗算した値が後噴射ＩＪＡにおける目標噴射量ＱＡとして算出され（ＱＡ＝β・ΔＱＭ）、制御ルーチンが終了せしめられる。ここで、βは、１よりも大きい定数である。

１ ０内燃機関
１０ 機関本体
１５ 燃焼室
３１ 燃料噴射弁
７０ 制御装置
７１ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）

ここで、上述したように予混合主体燃焼と拡散主体燃焼との間で切り換えを行う場合、その切り換えの際に過渡的に排気エミッションが悪化したり、燃焼騒音の増大を招いたりしてしまう。これは、燃料噴射量については機関負荷の変化に応じて迅速に変更可能であるのに対して、ＥＧＲ率については迅速に変更することができず、よって酸素濃度を迅速に変更することができないことによるものである。このため、排気エミッションの悪化や燃焼騒音の増大を抑制すべく、これら燃焼態様を切り換えるときには、主噴射によって形成された混合気が燃焼を開始した後に膨張行程中又は排気行程中に燃料を後噴射させることが提案されている（例えば、特許文献１）。

Claims (5)

1. 燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備える内燃機関を制御する、内燃機関の制御装置であって、
   前記燃料噴射弁からの燃料噴射を制御する噴射制御部と、内燃機関の燃焼室に供給される吸気ガスの酸素濃度を変更可能なアクチュエータを制御する酸素濃度制御部と、を備え、
   前記噴射制御部は、予備噴射を行った後に主噴射を行うと共に前記主噴射の開始後に前記予備噴射によって形成された混合気による熱発生が開始されるように前記燃料噴射弁からの燃料噴射を制御する第１噴射モードと、予備噴射を行った後に主噴射を行うと共に前記主噴射の開始前に前記予備噴射によって形成された混合気による熱発生が開始されるように前記燃料噴射弁からの燃料噴射を制御する第２噴射モードとを実行可能であり、
   前記酸素濃度制御部は、前記噴射制御部が第１噴射モードで燃料噴射弁からの燃料噴射を制御しているときには、前記噴射制御部が第２噴射モードで燃料噴射弁からの燃料噴射を制御しているときに比べて、酸素濃度が低くなるように前記アクチュエータを制御し、
   前記噴射制御部は、予備噴射、主噴射及び後噴射を順次行うと共に、前記主噴射の開始後に前記予備噴射によって形成された混合気による熱発生が開始されるように且つ前記主噴射によって形成された混合気による熱発生が開始された後に後噴射が行われるように前記燃料噴射弁からの燃料噴射を制御する第１切換モードと、予備噴射、主噴射及び後噴射を順次行うと共に、前記主噴射の開始前に前記予備噴射によって形成された混合気による熱発生が開始されるように且つ前記主噴射によって形成された混合気による熱発生が開始された後に後噴射が行われるように前記燃料噴射弁からの燃料噴射を制御する第２切換モードと、を実行可能であり、
   前記噴射制御部は、噴射モードを第１噴射モードと第２噴射モードとの間で切り換えるにあたって、機関負荷が所定負荷よりも低いときには、前記第１切換モードと前記第２切換モードとを経て切換を行うと共に、機関負荷が前記所定負荷以上であるときには、前記第１切換モードを経ることなく前記第２切換モードを経て切換を行う、内燃機関の制御装置。
2. 前記噴射制御部は、噴射モードを前記第１噴射モードから前記第２噴射モードに切り換えるときには、前記第１切換モードを経ることなく第２切換モードを経て切換を行い、噴射モードを前記第２噴射モードから前記第１噴射モードに切り換えるときには、前記第１切換モードと前記第２切換モードとを経て切換を行う、請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記噴射制御部は、前記第２噴射モードから第１噴射モードに切り換えるときには、前記第２切換モード、前記第１切換モードの順に切換モードを行って切換を行う、請求項２に記載の内燃機関の制御装置。
4. 前記噴射制御部は、前記第１切換モードで燃料噴射が行われているときには、燃焼騒音が目標燃焼騒音以下となるように主噴射の燃料噴射量を、第１噴射モードにおける主噴射の燃料噴射量よりも減少させると共に、該減少量が予め定められた所定量以上になるときには前記減少量を所定量に維持すると共に、主噴射の噴射圧を第１噴射モードにおける主噴射の噴射圧よりも低下させる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。
5. 前記噴射制御部は、機関負荷が前記所定負荷よりも低くなったときには噴射モードを前記第１噴射モードに切り換え、機関負荷が前記所定負荷以上になったときには噴射モードを前記第２噴射モードに切り換え、前記所定負荷は機関回転速度に応じて変化する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関の制御装置。

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