JP2023109478A - 圧縮着火エンジンの制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】上下２段構造のキャビティを有するエンジンにおいて、燃費性能および排気性能を確実に高める。【解決手段】エンジン負荷が切替負荷以下の第１運転領域およびエンジン負荷が切替負荷よりも高い第２運転領域において、圧縮行程中で且つ噴射軸がリップ部を指向するタイミングで燃料を噴射するパイロット噴射と、パイロット噴射よりも後で且つ噴射軸がリップ部を指向するタイミングで燃料を噴射するメイン噴射とを燃料噴射弁に実施させる。第１運転領域では、エンジン負荷が高いときの方が低いときよりもメイン噴射の噴射時期が進角側になるように燃料噴射弁を制御し、第２運転領域では、パイロット噴射およびメイン噴射の噴射時期がそれぞれ切替負荷における当該噴射時期よりも遅角側になるように燃料噴射弁を制御する。【選択図】図１０

Description

本発明は、燃焼室内で混合気の圧縮着火燃焼が実施される圧縮着火エンジンの制御装置に関する。

自動車などの車両用エンジンでは、さらなる燃費性能および排気性能の向上が求められている。これに対して、本件出願人は、特許文献１に示すように、ピストンの冠面に形成されるキャビティを上キャビティと下キャビティとの上下２段構造として、これら２つのキャビティをつなぐリップ部に燃料を衝突させることで燃焼室全体に燃料を分布させ、これにより燃焼時間を短くして燃費性能を高め且つ煤の発生を抑制する構成を構築した。

具体的に、特許文献１には、上記の２段のキャビティが形成されたピストンを有するエンジンであって、キャビティに向かって燃料を噴射する燃料噴射弁に、圧縮上死点付近で行うメイン噴射と圧縮行程中に行うパイロット噴射とを実施させるとともに、これらメイン噴射とパイロット噴射とを燃料噴射弁の噴射軸がリップ部を指向するタイミングで実施するものが開示されている。また、このエンジンでは、エンジン負荷が高いときは、メイン噴射による燃料が下キャビティに分布しやすいことから、エンジン負荷が低いときよりもパイロット噴射による燃料の上キャビティへの分配割合を多くするように構成されている。

特開２０２０－１２２４０７号公報

特許文献１の構成によれば、上記のように、メイン噴射による燃料が下キャビティに分布しやすいときにパイロット噴射による燃料の上キャビティへの分配割合が多くされる。そのため、パイロット噴射とメイン噴射のトータルの燃料の各キャビティへの分配割合が同等となり、メイン噴射終了後における燃焼室全体の燃料分布は均質化される。しかしながら、この構成では、やはりメイン噴射による燃料の分布が偏ることで当該燃料と空気の混合が十分ではなく、この点ひいては燃費性能および排気性能の向上の点において改良の余地がある。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、上下２段構造のキャビティを有するピストン冠面で燃焼室の一部が区画されるエンジンにおいて、燃費性能および排気性能を確実に高めることのできる圧縮着火エンジンの制御装置を提供することを目的とする。

本発明の一局面に係るエンジンの制御装置は、シリンダが形成されたエンジン本体と、前記シリンダ内を往復動するピストンと、前記シリンダおよび前記ピストンの冠面によって形成される燃焼室と、前記燃焼室の天井面に配設されて噴射軸に沿って燃料を噴射する燃料噴射弁と、当該燃料噴射弁を制御する燃料噴射制御部とを備え、前記燃焼室内で混合気の圧縮着火燃焼が実施される圧縮着火エンジンの制御装置において、前記ピストンは、その冠面の径方向中央部に設けられた下キャビティと、当該下キャビティの周囲に設けられ且つ前記下キャビティよりも浅い上キャビティと、前記下キャビティと前記上キャビティとをつなぐリップ部とを有し、前記燃料噴射制御部は、エンジン負荷が所定の切替負荷以下の第１運転領域およびエンジン回転数が前記切替負荷よりも高い第２運転領域でエンジンが運転されている場合、圧縮行程中で且つ噴射期間の少なくとも一部において前記噴射軸が前記リップ部を指向するタイミングで燃料を噴射するパイロット噴射と、当該パイロット噴射よりも後で且つ噴射期間の少なくとも一部において前記噴射軸が前記リップ部を指向するタイミングで燃料を噴射するメイン噴射とを前記燃料噴射弁に実施させる分配噴射制御を実施し、前記分配噴射制御の実施時において、エンジンが前記第１運転領域で運転されている場合は、エンジン負荷が高いときの方が低いときよりも前記メイン噴射の噴射時期が進角側の時期になるように前記燃料噴射弁を制御する第１制御を実施し、エンジンが前記第２運転領域で運転されている場合は、前記パイロット噴射および前記メイン噴射の噴射時期がそれぞれ前記切替負荷における当該噴射時期よりも遅角側の時期になるように前記燃料噴射弁を制御する第２制御を実施する、ことを特徴とする。

この制御装置によれば、分配噴射制御の実施によって、パイロット噴射とメイン噴射の双方が、各噴射期間の少なくとも一部において噴射軸がリップ部を指向するタイミングで実施される。そのため、これら噴射に係る燃料を上キャビティと下キャビティの両方に分配できる。

しかも、エンジン負荷が切替負荷以下の第１運転領域でエンジンが運転されている場合、エンジン負荷が高いときの方が低いときよりもメイン噴射の噴射時期（クランク角度でのメイン噴射による燃料の噴射開始時期）が進角側の時期とされる。そのため、メイン噴射による燃料の上下２つのキャビティへの分配割合を適切な割合にして、メイン噴射による燃料を燃焼室全体により均等に拡散させることができる。従って、圧縮上死点付近において燃焼室全体に空気との混合が進んだ均質な混合気を形成でき、これにより燃費性能の向上および煤の生成量の抑制つまり排気性能の向上を確実に実現できる。

具体的に、エンジン負荷が高くなるとメイン噴射の噴射量が多くなることに伴いメイン噴射の噴射期間（噴射時期からメイン噴射が終了する時期までの期間）は長くなる。そのため、仮にエンジン負荷に関わらずメイン噴射の噴射時期を一定にしてしまうと、エンジン回転数が高いときの方が低いときよりも噴射期間中のピストンの平均位置がより下側となることで、メイン噴射による燃料が上キャビティに偏りやすくなくる。これに対して、上記のようにエンジン負荷が高いときの方が低いときよりもメイン噴射時期を進角側の時期とすれば、各エンジン負荷において、噴射期間中のピストンの平均位置をメイン噴射による燃料が上下２つのキャビティに適切に分配される位置にして当該燃料を２つのキャビティに適切な割合で分配できる。

ただし、メイン噴射の噴射時期の進角量を多くするとメイン噴射による燃料の燃焼エネルギーが有効にエンジントルクに変換されにくくなり燃費性能が却って低下するおそれがある。これに対して、この制御装置では、エンジン負荷が切替負荷以下の第１運転領域において上記のメイン噴射時期を進角する制御を実施し、エンジン負荷が切替負荷よりも高い第２運転領域ではメイン噴射の噴射時期を切替負荷のときの時期よりも遅角させる。従って、燃費性能を確実に良好にできる。

しかも、この制御装置では、第２運転領域においてパイロット噴射の噴射時期を切替負荷のときの噴射時期よりも遅角させる。そのため、メイン噴射の噴射時期の遅角化に伴ってメイン噴射による燃料が上キャビティに偏りやすくなるのに対して、パイロット噴射による燃料を下キャビティに偏らせて、メイン噴射とパイロット噴射によって燃焼室に供給されるトータルの燃料を燃焼室に均等に分布させることができる。従って、この制御装置によれば、切替回転数よりも高い第２運転領域においても、燃費性能を良好にしつつ煤の発生を抑制して排気性能を確実に高めることができる。

上記の制御装置において、前記燃料噴射制御部は、前記第１制御の実施時に、エンジン負荷が高いときの方が低いときよりも前記パイロット噴射の噴射時期が進角側の時期になるように前記燃料噴射弁を制御する、ことが望ましい（請求項２）。

この制御装置によれば、エンジンが第１運転領域で運転されている場合に、メイン噴射による燃料に加えてパイロット噴射による燃料の上下２つのキャビティへの分配割合も適切な割合にできるので、燃費性能および排気性能をより確実に高くできる。

上記の制御装置において、前記燃料噴射制御部は、前記第２制御の実施時に、エンジン負荷が高いほど前記メイン噴射の噴射時期が遅角側の時期になるように前記燃料噴射弁を制御する、ことが望ましい（請求項３）。

この制御装置によれば、第２運転領域において、エンジン負荷が高くなって燃焼室の温度が高くなるのに伴って燃料の着火時期が早くなりやすいときほど、メイン噴射の噴射時期が遅角側の時期にされるので、メイン噴射による燃料の燃焼エネルギーのより多くを確実にエンジントルクに変換できる。

上記の制御装置において、前記燃料噴射制御部は、前記分配噴射制御の実施時に、前記パイロット噴射と前記メイン噴射の間に燃料を噴射するプレ噴射を前記燃料噴射弁に実施させるともに、前記プレ噴射の噴射時期と前記メイン噴射の噴射時期の時間での間隔が一定になるように前記燃料噴射弁を制御する、ことが望ましい（請求項４）。

この制御装置によれば、パイロット噴射とメイン噴射の間に燃料を噴射するプレ噴射が実施されることで、メイン噴射によって多量燃料が一度に燃焼室に供給されるのが回避される。従って、圧縮上死点付近での急激な燃焼を抑制して燃焼音の増大を抑制できる。また、プレ噴射の噴射時期とメイン噴射の噴射時期との時間間隔が一定とされるため、プレ噴射による燃料噴霧とメイン噴射による燃料噴霧との干渉を抑制でき、メイン噴射による燃料を各キャビティにより一層適切に分配できる。

上記の制御装置において、前記エンジンが搭載された車両に設けられる変速機の変速段を検出可能な変速段検出部をさらに備え、前記燃料噴射制御部は、前記変速段検出部により検出された変速段が、２段以上に設定された所定の段数以上のときに、前記第１制御と第２制御とを実施する、ことが望ましい（請求項５）。

上記のように、本発明では、分配噴射制御の実施時において第１運転領域のエンジン負荷が高い領域でエンジンが運転されている場合に、メイン噴射の噴射時期が進角側の時期とされることで燃焼音が高くなるおそれがある。これに対して、この制御装置では、変速段が所定の段数以上の高速段のとき、つまり、エンジンが搭載された車両が高速で走行しているときに、分配噴射制御が実施される。そのため、乗員が燃焼音を感知して違和感を覚えるのを防止できる。

本発明によれば、上下２段構造のキャビティを有するピストン冠面で燃焼室の一部が区画されるエンジンにおいて、燃費性能および排気性能を確実に高めることのできる圧縮着火エンジンの制御装置を提供できる。

図１は、本発明に係る圧縮着火エンジンの制御装置が適用されるディーゼルエンジンが搭載された車両のシステム図である。 図２（Ａ）は、図１に示されたディーゼルエンジンのピストンの、冠面部分の斜視図、図２（Ｂ）は、前記ピストンの断面付きの斜視図である。 図３は、エンジンの制御系統を示すブロック図である。 図４は、エンジンの運転領域を示すマップ図である。 図５は、インジェクタ制御の全体の流れを示したフローチャートである。 図６は、燃料噴射のタイミング及び熱発生率の一例を示すタイムチャートである。 図７は、中負荷領域におけるインジェクタ制御の流れを示したフローチャートである。 図８は、燃料噴霧の流動状態を示す、燃焼室の断面図である。 図９は、メイン噴射の噴射率を示した図である。 図１０は、ピストン位置と燃料噴霧の分配具合を説明するための燃焼室の断面図である。 図１１は、ピストン位置と燃料噴霧の分配具合を説明するための燃焼室の断面図である。 図１２は、エンジン負荷とメイン噴射時期補正量との関係を示したグラフである。 図１３は、エンジン負荷とパイロット噴射時期補正量との関係を示したグラフである。

［全体構成］
以下、図面に基づいて、本発明に係る圧縮着火エンジンの制御装置の実施形態を詳細に説明する。本実施形態では、本発明をディーゼルエンジンシステムに適用する例を示す。

本実施形態に係るディーゼルエンジンシステムは、走行用の駆動源として車両１００に搭載されている。図１は、車両１００のシステム図である。車両１００に設けられた車輪１２０は、ディーゼルエンジンシステムの出力によって回転駆動される。車両１００には、複数のギア段を含む変速機１１０が搭載されており、ディーゼルエンジンシステムの出力は変速機１１０によって変速されつつ車輪１２０に伝達される。変速機１１０としては、例えばギア段が８段のもの(８段変速のもの)が用いられる。

［エンジンの全体構成］
ディーゼルエンジンシステムは、複数のシリンダ２を有し軽油を主成分とする燃料の供給を受けて駆動される４サイクルのエンジン本体１と、エンジン本体１に導入される吸気が流通する吸気通路３０と、エンジン本体１から排出される排気ガスが流通する排気通路４０と、排気通路４０を流通する排気ガスの一部を吸気通路３０に還流させるＥＧＲ装置４４と、排気通路４０を通過する排気ガスにより駆動されるターボ過給機４６とを備えている。

エンジン本体１は、図１の紙面に垂直な方向に並ぶ複数のシリンダ２（図１ではそのうちの一つのみを示す）を有する。エンジン本体１は、シリンダ２が形成されたシリンダブロック３とシリンダヘッド４とピストン５とを備える。シリンダヘッド４は、シリンダブロック３の上面に取り付けられている。ピストン５は、シリンダ２に往復摺動可能に収容されており、コネクティングロッド８を介してクランク軸７と連結されている。ピストン５の往復運動に応じて、クランク軸７はその中心軸回りに回転する。ピストン５の構造については、後記で詳述する。

ピストン５の上方には燃焼室６が形成されている。燃焼室６は、シリンダヘッド４の下面（燃焼室天井面６Ｕ、図３参照）、シリンダ２及びピストン５の冠面５０によって形成されている。燃焼室６には燃料が、後述するインジェクタ１５からの噴射によって供給される。エンジン本体１は、燃焼室６内で混合気の圧縮着火燃焼が実施される圧縮着火式のエンジンであり、供給された燃料と空気との混合気はピストン５によって圧縮されて燃焼室６内で自着火する。ピストン５は、混合気の燃焼による膨張力で押し下げられて上下方向に往復運動する。

シリンダブロック３には、クランク角センサＳＮ１及び水温センサＳＮ２が取り付けられている。クランク角センサＳＮ１は、クランク軸７の回転角度（クランク角）及びクランク軸７の回転速度（エンジン回転速度）を検出する。水温センサＳＮ２は、シリンダブロック３及びシリンダヘッド４の内部を流通する冷却水の温度（エンジン水温）を検出する。

シリンダヘッド４には、燃焼室６と連通する吸気ポート９及び排気ポート１０が形成されている。シリンダヘッド４の下面には、吸気ポート９の下流端である吸気側開口と、排気ポート１０の上流端である排気側開口とが形成されている。シリンダヘッド４には、前記吸気側開口を開閉する吸気弁１１と、前記排気側開口を開閉する排気弁１２とが組み付けられている。なお、図示は省いているが、エンジン本体１のバルブ形式は、吸気２バルブ×排気２バルブの４バルブ形式であって、吸気ポート９、吸気弁１１、排気ポート１０及び排気弁１２は、各シリンダ２につきそれぞれ２つずつ設けられている。吸気弁１１及び排気弁１２は、シリンダヘッド４に設けられた動弁機構１３、１４によってクランク軸７の回転に連動して開閉駆動される。各動弁機構１３、１４にはそれぞれＳ－ＶＴが内蔵されており、吸気弁１１および排気弁１２の開閉時期はそれぞれ連続的に変更される。

シリンダヘッド４には、先端部から燃焼室６内に燃料を噴射するインジェクタ１５（燃料噴射弁）が、各シリンダ２につき１つずつ取り付けられている。後述する図８に示すように、インジェクタ１５は、その先端部にノズル１５１を備えている。インジェクタ１５は、そのノズル１５１が燃焼室天井面６Ｕの径方向の中心又はその近傍から燃焼室６の内部に向かって下方に突出するように、シリンダヘッド４に組み付けられている。ノズル１５１は、燃焼室６内へ燃料を噴射する噴射孔１５２を備えている。図８では一つの噴射孔１５２を示しているが、実際は複数個の噴射孔１５２がノズル１５１の周方向に等ピッチで配列されている。

インジェクタ１５は、燃料供給管を介して全シリンダ２に共通の蓄圧用コモンレール（図示せず）と接続されている。コモンレール内には、図外の燃料ポンプにより加圧された高圧の燃料が貯留されている。燃料ポンプとコモンレールとの間には、インジェクタ１５から噴射される燃料の圧力である噴射圧を変更するための燃圧レギュレータ１６（図１では不図示、図３参照）が設けられている。インジェクタ１５は、コモンレール内に蓄圧された燃料の供給を受けて燃料を高い圧力（５０ＭＰａ～２５０ＭＰａ程度）で燃焼室６内に噴射する。インジェクタ１５の噴射孔１５２は開閉されるように構成されており、インジェクタ１５は噴射孔１５２の開口に伴って燃料を噴射する。噴射孔１５２の開口期間、つまり、インジェクタ１５の噴射期間であってインジェクタ１５からの噴射が開始される時期（噴射時期）から当該噴射が終了する時期までの期間が長いほど、噴射量（インジェクタ１５から噴射される燃料の量）は多くなる。

吸気通路３０は、吸気ポート９と連通するようにシリンダヘッド４の一側面に接続されている。吸気通路３０の上流端から取り込まれた空気（新気）は、吸気通路３０および吸気ポート９を通じて燃焼室６に導入される。吸気通路３０には、その上流側から順に、エアクリーナ３１、ターボ過給機４６のコンプレッサ４７、スロットル弁３２、インタークーラ３３及びサージタンク３４が配置されている。

エアクリーナ３１は、吸気中の異物を除去する。スロットル弁３２は、吸気通路３０を開閉して吸気通路３０における吸気の流量を調整する。コンプレッサ４７は、排気通路４０に設けられたタービン４８により回転駆動されて、吸気通路３０を流通する吸気を圧縮（過給）する。インタークーラ３３は、コンプレッサ４７により圧縮された吸気を冷却する。サージタンク３４は、複数のシリンダ２に吸気を均等に配分するための空間を提供する。

吸気通路３０には、エアフローセンサＳＮ３、吸気温センサＳＮ４、吸気圧センサＳＮ５及び吸気Ｏ_２センサＳＮ６が配置されている。エアフローセンサＳＮ３は、エアクリーナ３１の下流側に配置され、当該部分を通過する吸気の流量を検出する。吸気温センサＳＮ４は、インタークーラ３３の下流側に配置され、当該部分を通過する吸気の温度を検出する。吸気圧センサＳＮ５及び吸気Ｏ_２センサＳＮ６は、サージタンク３４の近傍に配置され、それぞれ当該部分を通過する吸気の圧力、吸気の酸素濃度を検出する。

排気通路４０は、排気ポート１０と連通するようにシリンダヘッド４の他側面に接続されている。燃焼室６で生成された既燃ガス（排気ガス）は、排気ポート１０及び排気通路４０を通して車両の外部に排出される。排気通路４０には、その上流側から順に、ターボ過給機４６のタービン４８及び排気浄化装置４１が設けられている。排気浄化装置４１は、酸化触媒４２と、粒子状物質を捕集するためのＤＰＦ（ディーゼル・パティキュレート・フィルタ）４３とを内蔵している。なお、排気通路４０における排気浄化装置４１よりも下流側の位置に、ＮＯｘを還元して無害化するＮＯｘ触媒をさらに配置しても良い。

排気通路４０には、排気Ｏ_２センサＳＮ８及び差圧センサＳＮ９が配置されている。排気Ｏ_２センサＳＮ８は、タービン４８と排気浄化装置４１との間に配置され、当該部分を通過する排気の酸素濃度を検出する。差圧センサＳＮ９は、ＤＰＦ４３の上流端と下流端との差圧を検出する。

ＥＧＲ装置４４は、排気通路４０と吸気通路３０とを接続するＥＧＲ通路４４Ａと、ＥＧＲ通路４４Ａに設けられてＥＧＲ通路４４Ａを流通する排気ガス（ＥＧＲガスの流量）を調整するＥＧＲ弁４５とを備える。ＥＧＲ通路４４Ａは、排気通路４０におけるタービン４８よりも上流側の部分と、吸気通路３０におけるインタークーラ３３とサージタンク３４との間の部分とを互いに接続している。なお、ＥＧＲ通路４４Ａには、これを通過するＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ（図略）が配置されている。

［ピストンの詳細構造］
続いて、ピストン５の構造、とりわけ冠面５０の構造について詳細に説明する。図２（Ａ）は、ピストン５の上方部分を主に示す斜視図である。図２（Ａ）では、ピストン５の上部を構成して冠面５０を頂面に有するピストンヘッドを示している。図２（Ｂ）は、ピストン５の上部（ピストンヘッド）の径方向断面付きの斜視図である。なお、図２（Ａ）及び（Ｂ）において、シリンダ軸方向Ａ及び燃焼室の径方向Ｂを矢印で示している。以下のピストン５の説明では、ピストン５の摺動方向を垂直方向とし、これと直交する面を水平面として説明を行う。

ピストン５は、キャビティ５Ｃ、周縁平面部５５及び側周面５６を含む。燃焼室６を区画する燃焼室壁面の一部（底面）は、ピストン５の冠面５０で形成されており、キャビティ５Ｃは、この冠面５０に備えられている。キャビティ５Ｃは、シリンダ軸方向Ａにおいて冠面５０が下方に凹没された部分であり、インジェクタ１５が噴射した燃料の噴霧を受ける。周縁平面部５５は、冠面５０において径方向Ｂの外周縁付近の領域に配置された環状の平面部である。キャビティ５Ｃは、周縁平面部５５を除く冠面５０の径方向Ｂの中央領域に配置されている。側周面５６は、シリンダ２の内壁面と摺接する面である。

キャビティ５Ｃは、いわゆるエッグシェープ型の二段キャビティであり、断面が卵状の壁面をそれぞれ有する上下２段のキャビティを有している。

具体的に、キャビティ５Ｃは、下キャビティ５１、上キャビティ５２、リップ部５３及び山部５４を含む。下キャビティ５１は、冠面５０の径方向中央部つまり径方向Ｂの中心領域に配置された凹部である。上キャビティ５２は、冠面５０における下キャビティ５１の外周側に配置された、環状の凹部である。リップ部５３は、下キャビティ５１と上キャビティ５２とを径方向Ｂに繋ぐ部分である。山部５４は、冠面５０（下キャビティ５１）の径方向Ｂの中心位置に配置された山型の凸部である。山部５４は、インジェクタ１５のノズル１５１の直下の位置に凸設されている（図８）。

下キャビティ５１は、第１上端部５１１、第１底部５１２及び第１内側端部５１３を含む。第１上端部５１１は、下キャビティ５１において最も高い位置にあり、リップ部５３に連なっている。第１底部５１２は、下キャビティ５１において最も凹没した、上面視で環状の領域である。キャビティ５Ｃ全体としても、この第１底部５１２は最深部である。上面視において、第１底部５１２は、リップ部５３に対して径方向Ｂの内側に近接した位置にある。

第１上端部５１１と第１底部５１２との間は、径方向Ｂの外側に湾曲した径方向窪み部５１４で繋がれている。径方向窪み部５１４は、リップ部５３よりも径方向Ｂの外側に窪んだ部分を有している。第１内側端部５１３は、下キャビティ５１において最も径方向内側の位置にあり、山部５４の下端に連なっている。第１内側端部５１３と第１底部５１２との間は、裾野状に緩やかに湾曲した曲面で繋がれている。

上キャビティ５２は、第２内側端部５２１、第２底部５２２、第２上端部５２３、テーパ領域５２４及び立ち壁領域５２５を含む。第２内側端部５２１は、上キャビティ５２において最も径方向内側の位置にあり、リップ部５３に連なっている。第２底部５２２は、上キャビティ５２において最も凹没した領域である。上キャビティ５２は、第２底部５２２においてシリンダ軸方向Ａに第１底部５１２よりも浅い深さを備えている。つまり、上キャビティ５２は、下キャビティ５１よりもシリンダ軸方向Ａにおいて上側に位置する凹部である。第２上端部５２３は、上キャビティ５２において最も高い位置であって最も径方向外側に位置し、周縁平面部５５に連なっている。テーパ領域５２４は、第２内側端部５２１から第２底部５２２に向けて延び、径方向外側へ先下がりに傾斜した面形状を有する部分である。

立ち壁領域５２５は、第２底部５２２よりも径方向外側において、比較的急峻に立ち上がるように形成された壁面である。径方向Ｂの断面形状において、第２底部５２２から第２上端部５２３にかけて、上キャビティ５２の壁面が水平方向から上方向へ向かうように湾曲された曲面とされており、第２上端部５２３の近傍において垂直壁に近い壁面とされている部分が立ち壁領域５２５である。立ち壁領域５２５の上端位置に対して、立ち壁領域５２５の下方部分は、径方向Ｂの内側に位置している。

リップ部５３は、径方向Ｂの断面形状において、下側に位置する下キャビティ５１と上側に位置する上キャビティ５２との間で、径方向内側にコブ状に突出する形状を有している。リップ部５３は、下端部５３１及び第３上端部５３２（シリンダ軸方向の上端部）と、これらの間の中央に位置する中央部５３３とを有している。下端部５３１は、下キャビティ５１の第１上端部５１１に対する連設部分である。第３上端部５３２は、上キャビティ５２の第２内側端部５２１に対する連設部分である。

シリンダ軸方向Ａにおいて、下端部５３１はリップ部５３の最も下方に位置する部分、第３上端部５３２は最も上方に位置する部分である。上述のテーパ領域５２４は、第３上端部５３２から第２底部５２２に向けて延びる領域でもある。第２底部５２２は、第３上端部５３２よりも下方に位置している。つまり、本実施形態の上キャビティ５２は、第３上端部５３２から径方向Ｂの外側に水平に延びる底面を有しているのではなく、換言すると、第３上端部５３２から周縁平面部５５までが水平面で繋がっているのではなく、第３上端部５３２よりも下方に窪んだ第２底部５２２を有している。

山部５４は、上方に向けて突出しているが、その突出高さはリップ部５３の第３上端部５３２の高さと同一であり、周縁平面部５５よりは窪んだ位置にある。山部５４は、上面視で円形の下キャビティ５１の中心に位置しており、これにより下キャビティ５１は山部５４の周囲に形成された環状溝の態様となっている。

［制御構成］
続いて、ディーゼルエンジンシステムの制御構成を、図３のブロック図に基づいて説明する。本実施形態のディーゼルエンジンシステムは、プロセッサ７０（エンジンの制御装置）によって統括的に制御される。プロセッサ７０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成される。

プロセッサ７０には、車両に搭載された各種センサからの検出信号が入力される。上記で説明したセンサＳＮ１～ＳＮ９に加え、車両には、アクセル開度を検出するアクセル開度センサＳＮ１０と、車両の走行環境の大気圧を計測する大気圧センサＳＮ１１と、車両の走行環境の気温を計測する外気温センサＳＮ１２と、変速機１１０の現在のギア段を検出するギア段センサＳＮ１３とが備えられている。これらのセンサＳＮ１～ＳＮ１３によって検出された情報、すなわち、クランク角、エンジン回転速度、エンジン水温、吸気流量、吸気温、吸気圧、吸気酸素濃度、インジェクタ１５の噴射圧、排気酸素濃度、アクセル開度、外気温、気圧、ギア段等の情報はプロセッサ７０に逐次入力される。なお、ギア段センサＳＮ１３は、請求項の「変速段検出部」に相当する。

プロセッサ７０は、上記各センサＳＮ１～ＳＮ１３等からの入力信号に基づいて種々の判定や演算等を実行しつつエンジンの各部を制御する。すなわち、プロセッサ７０は、インジェクタ１５（燃圧レギュレータ１６）、スロットル弁３２及びＥＧＲ弁４５等と電気的に接続されており、上記演算の結果等に基づいてこれらの機器にそれぞれ制御用の信号を出力する。

プロセッサ７０は、所定のプログラムが実行されることで、機能的に、判定部７１と、インジェクタ１５の動作を制御する燃料噴射制御部７２と、記憶部７８とを具備するように動作する。

判定部７１は、エンジンの目標トルクである目標エンジントルクを設定する。判定部７１は、クランク角センサＳＮ１により検出されたエンジン回転数と、アクセル開度センサＳＮ１０によって検出されるアクセル開度とに基づいて、目標エンジントルクを設定する。

判定部７１は、エンジンの運転領域を判定する（エンジンがどの運転領域で運転されているかを判定する）。図４は、エンジン回転数と目標エンジントルクつまりエンジン負荷とに応じて設定された運転領域を示すマップ図である。エンジンの運転領域は、燃焼形態の違いによって、低負荷領域Ａ１と中負荷領域Ａ２と高速高負荷領域Ａ３とに大別される。低負荷領域Ａ１は、エンジン回転数が所定の第１回転数Ｎ１以下で、且つ、エンジン負荷が所定の第１負荷Ｔ１以下の領域である。中負荷領域Ａ２は、エンジン回転数が第１回転数Ｎ１以下で且つエンジン負荷が所定の第２負荷Ｔ２以下の領域のうち低負荷領域Ａ１を除いた領域である。高速高負荷領域Ａ３は、低負荷領域Ａ１と中負荷領域Ａ２以外の残余の領域である。判定部７１は、設定した目標エンジントルク（エンジン負荷）とエンジン回転数とに基づいてエンジンの運転領域を判定する。

判定部７１は、変速機１１０の現在のギア段が高速段であるか否かを判定する。判定部７１は、ギア段センサＳＮ１３により検出された現在のギア段が、予め設定された基準ギア段以上の場合にギア段が高速段であると判定する。基準ギア段は予め２段以上の値に設定されて記憶部７８に記憶されている。例えば、変速機１１０が８つのギア段を有している場合において基準ギア段は７段に設定される。

燃料噴射制御部７２は、インジェクタ１５による燃料噴射動作を制御する。燃料噴射制御部７２は、所定のプログラムが実行されることで、噴射量設定部７３、噴射時期設定部７４を機能的に具備するように動作する。

噴射量設定部７３は、インジェクタ１５から噴射させる燃料の量である噴射量を設定する。本実施形態では、いずれのギア段においても、また、領域Ａ１～Ａ３のいずれの領域においても、１燃焼サイクル中にインジェクタ１５から複数回に分けて燃料が噴射される多段噴射が実施される。これより、噴射量設定部７３は、１燃焼サイクル中に実施される各噴射の噴射量をそれぞれ設定する。噴射量設定部７３は、判定部７１の判定結果、エンジン回転数およびエンジン負荷に応じて各噴射量を設定する。なお、噴射量設定部７３は、設定された各噴射量の総量であって１燃焼サイクル中に実施される各噴射の噴射量の合計値と上記の目標エンジントルクを達成するために必要な噴射量とが一致するように、各噴射量を設定する。

噴射時期設定部７４は、各噴射の噴射時期（インジェクタ１５から燃料噴射を開始させる時期）をそれぞれ設定する。噴射時期設定部７４は、判定部７１の判定結果、エンジン回転数およびエンジン負荷に応じて各噴射の噴射時期を設定する。

燃料噴射制御部７２は、噴射時期設定部７４で設定された噴射時期に、噴射量設定部７３で設定された噴射量の燃料が噴射されるように、インジェクタ１５を制御する。

［インジェクタ１５の全体の制御の流れ］
図５は、燃料噴射制御部７２（プロセッサ７０）により実施されるインジェクタ１５の制御の全体の流れを示したフローチャートである。プロセッサ７０は、まず、各センサＳＮ１～ＳＮ１３によって検出された情報等を読み込む（ステップＳ１）。次に、プロセッサ７０（判定部７１）は、エンジンが中負荷領域Ａ２で運転されているか否かを判定する（ステップＳ２）。この判定がＹＥＳであってエンジンが中負荷領域Ａ２で運転されている場合、プロセッサ７０は、急速多段燃焼が実現されるようにインジェクタ１５を制御する（ステップＳ３）。急速多段燃焼については後述する。ステップＳ２の判定がＮＯであってエンジンが中負荷領域Ａ２で運転されていない場合、プロセッサ７０は、エンジンが低負荷領域Ａ１で運転されているか否かを判定する（ステップＳ４）。この判定がＹＥＳであってエンジンが低負荷領域Ａ１で運転されている場合、プロセッサ７０は、混合気が予混合燃焼するようにインジェクタ１５を制御する（ステップＳ５）。例えば、インジェクタ１５に４段噴射を行わせる。一方、ステップＳ４の判定がＮＯの場合つまりエンジンが高速高負荷領域Ａ３で運転されている場合、プロセッサ７０は、混合気が拡散燃焼するようにインジェクタ１５を制御する（ステップＳ６）。例えば、インジェクタ１５に２～６段の噴射を行わせる。

［中負荷領域でのインジェクタの制御］
エンジンが中負荷領域Ａ２で運転されているときのインジェクタ１５の制御について説明する。

図６は、エンジンが中負荷領域Ａ２で運転されているとき（判定部７１によってエンジンが中負荷領域Ａ２で運転されていると判定されたとき）の噴射率（単位時間あたりにインジェクタ１５から噴射される燃料量）と熱発生率の一例を示したグラフである。

図６に示すように、中負荷領域Ａ２では、燃料噴射制御部７２は、５段噴射を実施する。具体的に、燃料噴射制御部７２は、圧縮行程中に燃料を噴射するパイロット噴射Ｐ１と、圧縮行程中で且つパイロット噴射Ｐ１よりも遅い時期に燃料を噴射するプレ噴射Ｐ２と、圧縮上死点(ＴＤＣ)付近であってプレ噴射Ｐ２よりも遅い時期に燃料を噴射するメイン噴射Ｐ３と、膨張行程中であってメイン噴射Ｐ３よりも遅い時期に燃料を噴射する第１アフター噴射Ｐ４と、膨張行程中であって第１アフター噴射Ｐ４よりも遅い時期に燃料を噴射する第２アフター噴射Ｐ５とを、インジェクタ１５に実施させる。

各噴射Ｐ１～Ｐ５の噴射量は、それぞれエンジン負荷が大きいほど大きい量に設定される。これより、中負荷領域Ａ２では、燃料噴射制御部７２は、エンジン負荷が大きいほど各噴射Ｐ１～Ｐ５の噴射期間を長くする（各噴射Ｐ１～Ｐ５の噴射期間が長くなるようにインジェクタ１５を制御する）。

本実施形態では、中負荷領域Ａ２にて、各噴射Ｐ１～Ｐ５の噴射割合がほぼ一定となるように各噴射の噴射量が設定されるようになっており、この設定により、各噴射Ｐ１～Ｐ５の噴射量はエンジン負荷が大きいほど大きくされる。具体的に、燃料噴射制御部７２（噴射量設定部７３）は、判定部７１によって設定された上記の目標エンジントルクに基づいて、１燃焼サイクル中にインジェクタ１５から噴射させる燃料の総量を算出し、当該総量に所定の割合をかけた値を各噴射Ｐ１～Ｐ５の噴射量として設定する。上記の割合は予め設定されて記憶部７８に記憶されている。なお、メイン噴射Ｐ３はエンジントルクを得るための主たる噴射である。これより、メイン噴射Ｐ３の噴射量の割合は他の噴射の割合よりも大きい値に設定されており、メイン噴射Ｐ３の噴射量は他の４つの噴射量よりも多い量とされる。

図７は、中負荷領域Ａ２でエンジンが運転されているときに燃料噴射制御部７２により実施されるインジェクタ１５の制御の概要を示したフローチャートである。図７に示すように、燃料噴射制御部７２は、パイロット噴射量、パイロット噴射時期を設定する（ステップＳ１２）とともに、メイン噴射量、メイン噴射時期を設定する（ステップＳ１３）。また、燃料噴射制御部７２は、プレ噴射量を設定するとともに、後述するように、メイン噴射時期に基づいてプレ噴射時期を設定する（ステップＳ１４）。また、燃料噴射制御部７２は、第１アフター噴射量、第２アフター噴射量を設定するとともに、後述するように、メイン噴射時期に基づいて第１アフター噴射時期および第２アフター噴射時期を設定する（ステップＳ１５、Ｓ１６）。

［高ギア多段燃焼条件成立時の制御構成］
次に、本願発明の特徴的な構成である、エンジンが中負荷領域Ａ２で運転されており且つギア段が高速段であるという条件が成立したとき（判定部７１によってギア段が高速段であると判定されたとき）のインジェクタ１５の制御について説明する。以下では、上記条件を高ギア多段燃焼条件という。

（パイロット噴射およびメイン噴射）
高ギア多段燃焼条件の成立時のパイロット噴射Ｐ１およびメイン噴射Ｐ３の噴射時期（噴射開始時期）について説明する。以下では、適宜、パイロット噴射Ｐ１の噴射時期をパイロット噴射時期、メイン噴射の噴射時期をメイン噴射時期という。

高ギア多段燃焼条件の成立時、燃料噴射制御部７２（噴射時期設定部７４）は、パイロット噴射時期とメイン噴射時期を、それぞれ、その噴射期間（噴射時期から噴射が終了する時期までの期間）の少なくとも一部においてインジェクタ１５の噴射軸ＡＸがリップ部５３を指向する時期に設定する、分配噴射制御を実施する。なお、インジェクタ１５の噴射軸ＡＸがリップ部５３を指向する時期は、インジェクタ１５の仕様によって異なるが、例えば、ＢＴＤＣ（圧縮上死点前）２０°ＣＡ（ＣＡ：クランク角）程度からＡＴＤＣ（圧縮上死点後）２０°ＣＡ程度までの範囲内の時期である。

この噴射制御によって、高ギア多段燃焼条件の成立時には、パイロット噴射Ｐ１による燃料の一部およびメイン噴射Ｐ３による燃料の一部をリップ部５３に衝突させることができ、図６に示すように、パイロット噴射Ｐ１によって生じる熱発生とメイン噴射Ｐ３によって生じる熱発生とが緩やかに連続して熱発生率が圧縮上死点（ＴＤＣ）付近においてピークを迎える急速多段燃焼を実現することが可能になる。

図８を用いて具体的に説明する。図８は、燃焼室６の簡略的な一部断面図である。図６には、インジェクタ１５の噴射軸ＡＸがリップ部５３を指向する位置にピストン５があり、インジェクタ１５から噴射された燃料（燃料噴霧Ｄｆ）の一部がリップ部５３に衝突するときの図を示している。

燃料は、インジェクタ１５の噴射孔１５２から噴射軸ＡＸに沿って噴射される。なお、噴射軸ＡＸは噴射孔１５２の孔軸とほぼ一致する。噴射された燃料（燃料噴霧）Ｄｆは、噴霧角θをもって拡散する。図８には、噴射軸ＡＸに対する上方向への拡散を示す上拡散軸ＡＸ１と、下方向への拡散を示す下拡散軸ＡＸ２とが示されている。噴霧角θは、上拡散軸ＡＸ１と下拡散軸ＡＸ２とがなす角である。

インジェクタ１５から噴射された燃料噴霧Ｄｆがリップ部５３に衝突すると、当該燃料噴霧Ｄｆは、下キャビティ５１の方向（下方向）へ向かうもの（矢印Ｆ１１）と、上キャビティ５２の方向（上方向）へ向かうもの（矢印Ｆ１２）とに分離する。

下キャビティ５１に向かう燃料は、下キャビティ５１の壁面に沿って流動することで下キャビティ５１および燃焼室６の径方向中央の空気と混合する。具体的に、矢印Ｆ１１の方向（下方向）に向かう燃料は、空気と混合しながら、下キャビティ５１の径方向窪み部５１４へ入り込んだ後、その流動方向を下方向から径方向Ｂの内側方向へ変えて、矢印Ｆ１２で示すように、第１底部５１２に沿って流動する。さらに、矢印Ｆ１２方向に流動する燃料は上方に持ち上げられて、矢印Ｆ１３で示すように、燃焼室天井面６Ｕから径方向外側へ向かうように流動して燃焼室６の径方向の中央部分の空気と混合する。

一方、上キャビティ５２に向かう燃料は、上キャビティ５２の壁面に沿って流動することで上キャビティ５２の空気と混合する。具体的に、矢印Ｆ２１の方向（上方向）に向かう燃料は、空気と混合しながら、上キャビティ５２のテーパ領域５２４に入り込み、矢印Ｆ２２で示すように、テーパ領域５２４に沿って斜め下方に流動して第２底部５２２に至った後、第２底部５２２から立ち壁領域５２５の間の立ち上がり曲面によって上方に持ち上げられて、燃焼室天井面６Ｕから径方向内側へ向かうように流動する。また、上方に持ち上げられた燃料の一部は、矢印Ｆ２３に示すように、立ち壁領域２５２よりも径方向外側の空間（周縁平面部５５上のスキッシュ空間）にも流入し、当該空間の空気とも混合する。

このように燃料噴霧Ｄｆをリップ部５３に衝突させて下キャビティ５１と上キャビティ５２とに分配すれば、燃焼室６の全体に燃料を分散させることができる。従って、パイロット噴射Ｐ１による燃料（パイロット噴射Ｐ１の実施に伴ってインジェクタ１５から噴射される燃料）をリップ部５３に衝突させれば、パイロット噴射Ｐ１による燃料が燃焼室６全体に拡散することで、燃焼室６全体に燃料濃度の低い均質な混合気を形成できる。これより、当該混合気を緩やかに燃焼させて燃焼室６全体の温度を高めることができる。そして、メイン噴射Ｐ３による燃料（メイン噴射Ｐ３の実施に伴ってインジェクタ１５から噴射される燃料）をリップ部５３に衝突させれば、メイン噴射Ｐ３による燃料を燃焼室６全体に拡散して燃焼室６全体に燃料濃度の高い均質な混合気を形成できる。これより、当該混合気をパイロット噴射Ｐ１に伴う燃焼に続いて急速に燃焼させることができる。従って、図６に示すような熱発生率が実現される。そして、この燃焼形態によれば、燃焼期間が短いことで燃費性能が向上するとともに、混合気が均質であること、つまり、空気と燃料の混合が促進されていることで煤の発生が抑制されて排気性能が高められる。

ただし、上記の効果を十分に得るためには、燃料を下キャビティ５１と上キャビティ５２とに適切に分配させる必要がある。

これに対して、エンジン負荷に関わらず、メイン噴射時期を所定の時期であって、中負荷領域Ａ２の最も低いエンジン負荷において下キャビティ５１と上キャビティ５２とに燃料を適切に分配できる時期に設定すると、エンジン負荷が高くなるほどメイン噴射Ｐ３による燃料が上キャビティ５２に偏ってしまう。

図９～図１１を用いて具体的に説明する。図９は、メイン噴射Ｐ３の噴射率を示した図である。図９において実線はエンジン負荷が低いとき、破線はエンジン負荷が高いときの図である。図９に示すように、エンジン負荷が高いときは低いときよりもインジェクタ１５の噴射期間は長くなる。これより、エンジン負荷に関わらずメイン噴射時期Ｔｓを一定にすると、エンジン負荷が高いときのメイン噴射Ｐ３の終了時期Ｔｅ２はエンジン負荷が低いときの終了時期Ｔｅ１よりも遅角側になる。また、メイン噴射Ｐ３は、圧縮上死点付近に行われる。そのため、メイン噴射Ｐ３による燃料噴霧がリップ部５３に到達するタイミングにおいてピストン５は概ね下降中にある。従って、エンジン負荷に関わらずメイン噴射時期Ｔｓを一定にすると、エンジン負荷が高いときの方が低いときよりもメイン噴射の終了時期が遅角側の時期になることで、メイン噴射Ｐ３の噴射期間中におけるピストン５の平均位置はエンジン負荷が高いときの方が低いときよりも下側の位置となる。

図１０は、ピストン５の位置が比較的上側のときの燃焼室６の概略断面図であり、図１１は、ピストン５の位置が比較的下側のとき（図１０に示す位置よりも下側のとき）の燃焼室６の概略断面図である。図１０および図９にはそれぞれ噴射軸ＡＸとこれに沿う燃料噴霧Ｄｆとを示している。図１０に示す位置にピストン５があるときは、噴射軸ＡＸは、リップ部５３の上下略中央付近の部分Ｐａと交差し、燃料噴霧Ｄｆはリップ部５３の上下略中央付近の部分Ｐａに衝突する。これに対して、図１１に示す位置にピストン５があるときは、噴射軸ＡＸは、リップ部５３の上寄りの部分Ｐｂと交差し、燃料噴霧Ｄｆはリップ部５３の上端付近の部分Ｐｂに衝突する。このように、ピストン５の位置が下側になるほど、燃料噴霧Ｄｆとリップ部５３との衝突位置はリップ部５３の上側となり、燃料噴霧Ｄｆは上キャビティ５２に偏って分配されることになる。

ここで、上記のように、エンジン負荷に関わらずメイン噴射時期を一定にすると、メイン噴射Ｐ３の噴射期間中のピストン５の平均位置はエンジン負荷が高いときの方が低いときよりも下側の位置となる。従って、メイン噴射時期を所定の時期であって、中負荷領域Ａ２の最も低いエンジン負荷において下キャビティ５１と上キャビティ５２とに燃料を適切に分配できる時期に設定すると、エンジン負荷が高くなるほどメイン噴射Ｐ３による燃料が上キャビティ５２に偏ることになる。

この燃料の偏りに対して、メイン噴射時期をエンジン負荷が高いときは低いときよりも進角側の時期（クランク角度において早い時期）になるように設定すれば、メイン噴射Ｐ３の噴射期間におけるピストン５の平均位置をより上方の位置にして上キャビティ５２への燃料の偏りを抑制できる。

また、パイロット噴射Ｐ１はメイン噴射Ｐ３よりも前の圧縮行程中であってピストン５が上昇しているときに実施される。これより、パイロット噴射時期をエンジン負荷に関わらず一定の時期に維持すると、パイロット噴射Ｐ１の噴射期間中のピストン５の平均位置が、エンジン負荷た高いときの方が低いときよりも上方となる。そのため、パイロット噴射時期をエンジン負荷に関わらず一定の時期に設定すると、エンジン負荷が高いときに、燃料噴霧Ｄｆがリップ部５３のより下部に衝突することになり、より多くの燃料が下キャビティ５１に分配されてしまう。

これに対して、パイロット噴射時期をエンジン負荷が高いときは低いときよりも進角側の時期になるように設定すれば、パイロット噴射Ｐ１の噴射期間中のピストン５の平均位置をより下方の位置にして下キャビティ５１への燃料の偏りを抑制できる。

上記より、メイン噴射時期およびパイロット噴射時期は、各噴射期間の少なくとも一部においてインジェクタ１５の噴射軸ＡＸがリップ部５３を指向するように、且つ、エンジン負荷が大きくなるほど進角側の時期となるように設定されるのが好ましいと考えられる。

しかしながら、本願発明者らは、エンジン負荷の増大に伴ってメイン噴射時期を進角すると燃費性能が却って悪化することを突き止めた。詳細には、メイン噴射時期の進角量が多くなると、エンジントルクに有効に変換されないタイミング、つまり、圧縮上死点前あるいは圧縮上死点後であって圧縮上死点に非常に近いタイミングで、メイン噴射による燃料の多くが燃焼することで、燃焼エネルギーがピストン５を押圧する力に有効に変換されなくなり燃費性能が却って悪化する。また、エンジン負荷が高くなると燃焼室６の壁面温度が高くなること等に伴ってＮＯｘの生成量が大きくなるが、エンジン負荷の増大に伴ってメイン噴射時期を進角すると圧縮上死点付近での熱発生量が多くなることで、上記の増大以上にＮＯｘの生成量が増大する。

上記の問題について鋭意研究の結果、本願発明者らは、エンジン負荷が高いときは、メイン噴射時期を遅角側にしつつパイロット噴射時期を遅角させることで、燃費性能と排気性能を良好にできることを見出した。

具体的に、メイン噴射時期を遅角側にするとメイン噴射Ｐ３による燃料が上キャビティ５２に偏るが、パイロット噴射時期を遅角側の時期とすれば、パイロット噴射Ｐ１の噴射期間中のピストン５の平均位置をより上側の位置として、パイロット噴射Ｐ１による燃料を下キャビティ５１に偏らせることができるので、パイロット噴射Ｐ１とメイン噴射Ｐ３によるトータルの燃料を燃焼室６全体に分布させることができる。これより煤の発生が抑制されるとともに、メイン噴射時期の遅角化によって燃費性能の悪化が抑制され且つＮＯｘ生成量の増大が抑制される。

上記の知見より、本実施形態において、燃料噴射制御部７２（噴射時期設定部７４）は、高ギア多段燃焼条件の成立時で且つエンジン負荷が所定の切替負荷Ｔ１０以下の領域でエンジンが運転されているときは、メイン噴射時期を、メイン噴射Ｐ３の噴射期間の少なくとも一部においてインジェクタ１５の噴射軸ＡＸがリップ部５３を指向する時期に設定するとともに、エンジン負荷が高くなるほどメイン噴射時期が進角側の時期となるように設定する。また、高ギア多段燃焼条件の成立時で且つエンジン負荷が上記の切替負荷Ｔ１０よりも高い領域でエンジンが運転されているときは、メイン噴射時期を、メイン噴射Ｐ３の噴射期間の少なくとも一部においてインジェクタ１５の噴射軸ＡＸがリップ部５３を指向する時期で、且つ、切替負荷Ｔ１０における噴射時期よりも遅角側の時期に設定する。

また、燃料噴射制御部７２（噴射時期設定部７４）は、高ギア多段燃焼条件の成立時で且つエンジン負荷が所定の切替負荷Ｔ１０以下の領域でエンジンが運転されているときは、パイロット噴射時期を、パイロット噴射Ｐ１の噴射期間の少なくとも一部においてインジェクタ１５の噴射軸ＡＸがリップ部５３を指向する時期に設定するとともに、エンジン負荷が高くなるほど進角側の時期となるように設定する。また、燃料噴射制御部７２（噴射時期設定部７４）は、高ギア多段燃焼条件の成立時で且つエンジン負荷が切替負荷Ｔ１０よりも高い領域でエンジンが運転されているときは、パイロット噴射時期をエンジン負荷が切替負荷Ｎ１０のときよりも遅角側の時期に設定する。

具体的に、高ギア多段燃焼条件の成立時、燃料噴射制御部７２（噴射時期設定部７４）は、まず、エンジン回転数に基づいて、第１負荷Ｔ１（中負荷領域Ａ２のうち最も低いエンジン負荷）でのメイン噴射時期（以下、基準メイン噴射時期という）と、第１負荷Ｔ１におけるパイロット噴射時期（以下、基準パイロット噴射時期という）を設定する。基準メイン噴射時期および基準パイロット噴射時期は、それぞれエンジン回転数について予め設定されて記憶部７８に記憶されている。なお、基準メイン噴射時期および基準パイロット噴射時期は、それぞれ噴射期間の少なくとも一部においてインジェクタ１５の噴射軸ＡＸがリップ部５３を指向する時期に設定されている。

次に、燃料噴射制御部７２（噴射時期設定部７４）は、エンジン負荷とエンジン回転数に基づいてメイン噴射時期の補正量であるメイン噴射時期補正量およびパイロット噴射時期の補正量であるパイロット噴射時期補正量を設定する。その後、燃料噴射制御部７２（噴射時期設定部７４）は、基準メイン噴射時期をメイン噴射時期補正量で補正して補正後の値をメイン噴射時期に設定するとともに、基準パイロット噴射時期をパイロット噴射時期補正量で補正して補正後の値をパイロット噴射時期に設定する。メイン噴射時期補正量およびパイロット噴射時期補正量は、それぞれエンジン負荷とエンジン回転数とについて予め設定されて記憶部７８に記憶されている。

図１２は、メイン噴射時期補正量とエンジン負荷との関係を示したグラフである。図１３は、パイロット噴射時期補正量とエンジン負荷との関係を示したグラフである。これら図１２および図１３において、縦軸は噴射時期の進角量（進角側の補正量）を表している。なお、これら図１２および図１３は、所定のエンジン負荷における上記関係を示しているが、高ギア多段燃焼条件の成立時における各補正量とエンジン負荷との関係は他のエンジン回転数においても同様の傾向を有する。

図１２に示すように、エンジン負荷が切替負荷Ｔ１０以下の領域では、エンジン負荷が高くなるほどメイン噴射時期補正量（進角量）は大きい値とされ、エンジン負荷が切替負荷Ｔ１０のときに最大量Ｔｍ＿１０（以下、最進角補正量Ｔｍ＿１０という）とされる。一方、エンジン負荷が切替負荷Ｔ１０よりも高い領域では、メイン噴射時期補正量（進角量）は、エンジン負荷が高くなるのに従って最大進角量Ｔｍ＿１０から徐々に低減されてる。

なお、図１２の例では、エンジン負荷が切替負荷Ｔ１０以下の領域において、メイン噴射時期補正量（進角量）はエンジン負荷の増大に伴ってこれにほぼ比例して増大する。また、エンジン負荷が切替負荷Ｔ１０よりも高い領域において、メイン噴射時期補正量（進角量）は、最進角補正量Ｔｍ＿１０からエンジン負荷の増大に伴ってこれにほぼ比例して減少する。また、切替負荷Ｔ１０と第２負荷Ｔ２（中負荷領域Ａ２の最大負荷）の中間の所定負荷において、メイン噴射時期補正量は０となり、この所定負荷よりもエンジン負荷が高い領域ではメイン噴射時期補正量はマイナスの値となる。これより、エンジン負荷が所定負荷よりも高くなると、メイン噴射時期は第１負荷Ｔ１のときの時期よりも遅角側の時期に設定される。メイン噴射時期補正量の変化幅（最進角補正量Ｔｍ＿１０と、第２負荷Ｔ２のときのメイン噴射時期補正量との差）は、例えば５°ＣＡとされる。

上記のようにメイン噴射時期補正量（進角量）が設定されることで、エンジン負荷が切替負荷Ｔ１０以下の領域において、メイン噴射時期は、エンジン負荷が増大するほど進角側の時期に設定され、エンジン負荷が切替負荷Ｔ１０よりも高い領域において、メイン噴射時期は、エンジン負荷が切替負荷Ｔ１０のときの時期よりも遅角側の時期に設定される。また、エンジン負荷が切替負荷Ｔ１０よりも高い領域において、メイン噴射時期は、エンジン負荷が高いほど遅角側の時期とされる。

図１３に示すように、エンジン負荷が切替負荷Ｔ１０以下の領域では、エンジン負荷が高いときの方が低いときよりもパイロット噴射時期補正量（進角量）は大きい値とされ、エンジン負荷が切替負荷Ｔ１０のときのパイロット噴射時期補正量（進角量）は最大量Ｔｐｌ＿１０（以下、最大補正量Ｔｐｌ＿１０という）とされる。一方、エンジン負荷が切替負荷Ｔ１０よりも高い領域では、パイロット噴射時期補正量（進角量）は、エンジン負荷が高くなるのに従って、最大進角量Ｔｐｌ＿１０から徐々に低減される。

なお、図１３の例では、エンジン負荷が切替負荷Ｔ１０よりも小さい所定負荷Ｔ１１以下の領域において、パイロット噴射時期補正量（進角量）はエンジン負荷の増大に伴ってこれにほぼ比例して増大し、エンジン負荷がこの所定負荷Ｔ１１から切替負荷Ｔ１０までの領域では、エンジン負荷に関わらず同じ値（最大進角量Ｔｐｌ＿１０）に維持される。また、切替負荷Ｔ１０と第２負荷Ｔ２（中負荷領域Ａ２の最大負荷）の中間の所定負荷において、パイロット噴射時期補正量は０となり、この所定負荷よりもエンジン負荷が高い領域ではパイロット噴射時期補正量はマイナスの値となる。これより、エンジン負荷が所定負荷よりも高くなると、パイロット噴射時期補正量は第１負荷Ｔ１のときの時期よりも遅角側の時期に設定される。パイロット噴射時期補正量の変化幅（最進角補正量Ｔｐｌ＿１０と、第２負荷Ｔ２のときのパイロット噴射時期補正量との差）は、メイン噴射時期補正量の変化幅と同程度とされる。

上記のようにパイロット噴射時期補正量（進角量）が設定されることで、エンジン負荷が切替負荷Ｔ１０以下の領域において、パイロット噴射時期は、エンジン負荷が高いときの方が低いときよりも進角側の時期に設定され、エンジン負荷が切替負荷Ｔ１０よりも高い領域において、パイロット噴射時期は、エンジン負荷が切替負荷Ｔ１０のときの時期よりも遅角側の時期とされる。また、エンジン負荷が切替負荷Ｔ１０よりも高い領域において、パイロット噴射時期は、エンジン負荷が高いときほど進角側の時期とされる。

ここで、切替負荷Ｔ１０は、メイン噴射時期の進角に伴って燃費性能が悪化する負荷に実験等によって予め設定されている。例えば、上記の第１負荷Ｔ１と第２負荷Ｔ２とがそれぞれ全負荷の３０％程度の負荷と４５％程度の負荷に設定されるときに、切替負荷Ｔ１０は全負荷の４０％程度の負荷に設定される。なお、中負荷領域Ａ２のうちエンジン負荷が切替負荷Ｔ１０以下の領域が請求項の「第１運転領域」に相当し、中負荷領域Ａ２のうちエンジン負荷が切替負荷Ｔ１０よりも高い領域が請求項の「第２運転領域」に相当する。

また、上記の噴射制御のうち、エンジン負荷が切替負荷Ｔ１０以下の領域において、エンジン負荷が高いときの方が低いときよりもメイン噴射時期が進角側の時期に設定する制御が、請求項の「第１制御」に相当する。また、エンジン負荷が切替負荷Ｔ１０よりも高い領域において、パイロット噴射時期およびメイン噴射時期をそれぞれ切替負荷Ｔ１０における各噴射時期よりも遅角側の時期に設定する制御が、請求項の「第２制御」に相当する。

（プレ噴射、第１アフター噴射および第２アフター噴射）
高ギア多段燃焼条件の成立時のプレ噴射Ｐ２、第１アフター噴射Ｐ４および第２アフター噴射Ｐ５について説明する。

プレ噴射Ｐ２は、燃焼音が過大になるのを防止するための噴射である。つまり、メイン噴射Ｐ３によって多量の燃料を１度に燃焼室６に供給すると、当該燃料と空気の混合気が急激に燃焼することで燃焼音が過大になりやすい。そこで、圧縮上死点付近で燃焼させる燃料の一部をメイン噴射Ｐ３よりも前にプレ噴射Ｐ２によって燃焼室６に供給する。

高ギア多段燃焼条件の成立時、燃料噴射制御部７２（噴射時期設定部７４）は、エンジン回転数に関わらずプレ噴射の噴射時期とメイン噴射の噴射時期との時間での間隔が一定となるように、プレ噴射の噴射時期を設定する。

第１アフター噴射Ｐ４および第２アフター噴射Ｐ５は、ともに煤を燃焼させるための噴射である。つまり、メイン噴射Ｐ３による燃料が燃焼した後に、燃焼室６に燃料を供給して当該燃料を燃焼させることで、メイン噴射Ｐ３による燃料の燃焼に伴って生じた煤を燃焼させる。高ギア多段燃焼条件の成立時、燃料噴射制御部７２（噴射時期設定部７４）は、メイン噴射時期と第１アフター噴射の噴射時期との間隔、およびメイン噴射時期と第２アフター噴射の噴射時期との時間をエンジン回転数とエンジン負荷とに基づいて設定し、既に設定したメイン噴射時期から各間隔分遅角させた時期をそれぞれ第１アフター噴射の噴射時期、第２アフター噴射の噴射時期に設定する。例えば、高ギア多段燃焼条件の成立時、燃料噴射制御部７２（噴射時期設定部７４）は、第１アフター噴射Ｐ４の噴射時期を、エンジン回転数に関わらずメイン噴射時期と第１アフター噴射Ｐ４の噴射時期との時間での間隔が一定となるように設定する。一方、第２アフター噴射Ｐ５の噴射時期を、エンジン負荷が高いときの方が低いときよりも第１アフター噴射Ｐ４の噴射時期と第２アフター噴射Ｐ５の噴射時期との時間での間隔が短くなるように設定する。

［低ギア多段燃焼条件時の制御構成］
エンジンが中負荷領域Ａ２で運転されており且つギア段が低速段であるという条件が成立したとき（判定部７１によってギア段が低速段であると判定されたとき）のインジェクタ１５の制御について簡単に説明する。以下では、上記条件を低ギア多段燃焼条件という。

低ギア多段燃焼条件の成立時も、高ギア多段燃焼条件の成立時と同様に、燃料噴射制御部７２は、上記の分配噴射制御を実施し、パイロット噴射時期およびメイン噴射時期を、それぞれ、その噴射期間の少なくとも一部においてインジェクタ１５の噴射軸ＡＸがリップ部５３を指向する時期に設定する。これにより、低ギア多段燃焼条件の成立時も急速多段燃焼が実現される。ただし、低ギア多段燃焼条件の成立時は、燃料噴射制御部７２は、エンジン負荷が切替負荷ＴＮ１０以下の場合にパイロット噴射時期およびメイン噴射時期をエンジン負荷が高いときの方が低いときよりもそれぞれ進角側の時期に設定し、且つ、エンジン負荷が切替負荷Ｔ１０よりも高い場合にパイロット噴射時期およびメイン噴射時期をそれぞれ切替負荷における当該噴射時期よりも遅角側の時期に設定する、制御は実施しない。例えば、低ギア多段燃焼条件の成立時、燃料噴射制御部７２は、パイロット噴射時期およびメイン噴射時期、エンジン負荷が高い方が遅角側の時期になるように設定する。

［作用等］
以上のように、上記実施形態に係る圧縮着火エンジンの制御装置によれば、高ギア多段燃焼条件の成立時において、パイロット噴射時期とメイン噴射時期の双方が、各噴射期間の少なくとも一部において噴射軸ＡＸがリップ部５３を指向する時期に設定される。そのため、これら噴射に係る燃料をリップ部５３に衝突させて上キャビティ５２と下キャビティ５１の両方に分配できる。

また、高ギア多段燃焼条件の成立時において、エンジン負荷が切替負荷Ｔ１０以下の領域でエンジンが運転されているときは、パイロット噴射時期およびメイン噴射時期が、エンジン回転数が高いときの方が低いときよりもが進角側の時期となるように設定される。そのため、パイロット噴射Ｐ１およびメイン噴射Ｐ３による燃料の双方の上下２つのキャビティ５１、５２への分配割合を適切な割合にできる。従って、燃費性能と排気性能の双方を高めることができる。

さらに、高ギア多段燃焼条件の成立時において、エンジン負荷が切替負荷Ｔ１０よりも高い領域でエンジンが運転されているときは、パイロット噴射時期が切替負荷Ｔ１０のときの時期よりも遅角側の時期に設定されるとともにメイン噴射時期が切替負荷Ｔ１０のときの時期よりも遅角側の時期に設定される。従って、エンジン負荷が切替負荷Ｔ１０よりも高いときにも、燃費性能を良好にできるとともに、煤とＮＯｘの生成を確実に抑制して排気性能を確実に高めることができる。

ここで、エンジン負荷が高いほど燃焼室６の温度は高くなり、混合気の着火時期は、早くなる、つまり、混合気の燃焼エネルギーが有効にエンジントルクに変換されない時期に近づく。これに対して、上記実施形態では、エンジン負荷が切替負荷Ｔ１０よりも高い領域でエンジンが運転されているときは、エンジン負荷が高いほどパイロット噴射時期が遅角される。そのため、混合気の燃焼エネルギーが有効にエンジントルクに変換されなくなるのをより確実に防止して、燃費性能を確実に良好にできる。

また、上記実施形態では、パイロット噴射Ｐ１とメイン噴射Ｐ３の間にプレ噴射Ｐ２が実施される。そのため、燃焼音の増大を抑制しつつ上記の効果を得ることができる。さらに、高ギア多段燃焼条件の成立時において、エンジン負荷に関わらず、プレ噴射Ｐ２の噴射時期とメイン噴射時期との時間での間隔が一定とされる。そのため、プレ噴射Ｐ２による燃料噴霧とメイン噴射Ｐ３による燃料噴霧とが干渉するのを抑制でき、メイン噴射Ｐ３による燃料を確実に適切な配分で各キャビティ５１、５２に分離できる。

ここで、高ギア多段燃焼条件の成立時で、且つ、エンジン負荷が切替負荷Ｔ１０以下の負荷でこれに近い負荷のときは、メイン噴射時期が進角側の時期とされることで燃焼音が高くなりやすい。これに対して、上記実施形態では、変速段が高速段のとき、つまり、車両１００が高速で走行しており暗騒音が大きいときに、上記の噴射制御が実施される。そのため、燃焼音を風切り音等に紛れ込ませることができ、乗員が燃焼音を感知することおよび違和感を覚えることを防止できる。

［変形例］
上記実施形態では、高ギア多段燃焼条件の成立時に、メイン噴射時期に加えてパイロット噴射時期についても、エンジン負荷が切替負荷Ｔ１０以下の場合はエンジン負荷が高いほど進角側の時期とし、エンジン負荷が切替負荷Ｔ１０よりも高い場合はエンジン負荷が切替負荷Ｔ１０のときの時期よりも遅角側の時期とする、制御を実施した。ここで、メイン噴射Ｐ３の噴射量はパイロット噴射Ｐ１の噴射量よりも多いので、メイン噴射Ｐ３による燃料が適切に上下キャビティ５１、５２に分配されないときの方が燃費性能および排気性能に与える影響は大きくなる。これより、上記の制御をメイン噴射Ｐ３に限定して、パイロット噴射時期についてはエンジン負荷に関わらず一定に維持してもよい。

上記実施形態では、エンジン負荷が切替負荷Ｔ１０以下の場合と切替切替負荷Ｔ１０よりも高い場合とでパイロット噴射時期およびメイン噴射時期の制御を切り替える制御（エンジン負荷が切替切替負荷Ｔ１０以下の場合にパイロット噴射時期およびメイン噴射時期をエンジン負荷が高いときの方が低いときよりもそれぞれ進角側の時期に設定し、且つ、エンジン負荷が切替切替負荷Ｔ１０よりも高い場合にパイロット噴射時期およびメイン噴射時期をそれぞれ切替回転数における当該噴射時期よりも遅角側の時期に設定する、制御）を実施する場合を説明したが、変速機の段数に関わらず、エンジンが中負荷領域Ａ２で運転されているときに上記の制御を実施してもよい。ただし、エンジン負荷の増大に伴ってメイン噴射時期を進角させる制御を実施すると、上記のように、エンジン負荷が切替切替負荷Ｔ１０以下のこれに近い負荷のときに燃焼音が高くなりやすい。従って、エンジン負荷の増大に伴ってメイン噴射時期を進角させるを含む上記の制御は、高速段での運転中に実施されるのが好ましい。

また、中負荷領域Ａ２でエンジンが運転されており、且つ、変速機が低速段のときの制御、低負荷領域Ａ１でエンジンが運転されているときの制御、および、高速高負荷領域Ａ３でエンジンが運転されているときの制御は、上記に限られない。

また、上記のプレ噴射Ｐ２、第１アフター噴射Ｐ４、第２アフター噴射Ｐ５は省略してもよい。

また、上記実施形態では、変速機１１０の現在の段数(現在のギア段)をギア段センサＳＮ１３を用いて検出する場合を説明したが、当該段数(ギア段)は、車速とエンジン回転数等から演算されてもよい。

１ エンジン本体
２ シリンダ
５ ピストン
６ 燃焼室
６Ｕ 燃焼室天井面（天井面）
１５ インジェクタ（燃料噴射弁）
５Ｃ キャビティ
５０ 冠面
５１ 下キャビティ
５２ 上キャビティ
５３ リップ部
７０ プロセッサ（制御装置）
７２ 燃料噴射制御部
Ｐ１ パイロット噴射
Ｐ２ プレ噴射
Ｐ３ メイン噴射

Claims (5)

1. シリンダが形成されたエンジン本体と、前記シリンダ内を往復動するピストンと、前記シリンダおよび前記ピストンの冠面によって形成される燃焼室と、前記燃焼室の天井面に配設されて噴射軸に沿って燃料を噴射する燃料噴射弁と、当該燃料噴射弁を制御する燃料噴射制御部とを備え、前記燃焼室内で混合気の圧縮着火燃焼が実施される圧縮着火エンジンの制御装置において、
   前記ピストンは、その冠面の径方向中央部に設けられた下キャビティと、当該下キャビティの周囲に設けられ且つ前記下キャビティよりも浅い上キャビティと、前記下キャビティと前記上キャビティとをつなぐリップ部とを有し、
   前記燃料噴射制御部は、
   エンジン負荷が所定の切替負荷以下の第１運転領域およびエンジン負荷が前記切替負荷よりも高い第２運転領域でエンジンが運転されている場合、圧縮行程中で且つ噴射期間の少なくとも一部において前記噴射軸が前記リップ部を指向するタイミングで燃料を噴射するパイロット噴射と、当該パイロット噴射よりも後で且つ噴射期間の少なくとも一部において前記噴射軸が前記リップ部を指向するタイミングで燃料を噴射するメイン噴射とを前記燃料噴射弁に実施させる分配噴射制御を実施し、
   前記分配噴射制御の実施時において、
   エンジンが前記第１運転領域で運転されている場合は、エンジン負荷が高いときの方が低いときよりも前記メイン噴射の噴射時期が進角側の時期になるように前記燃料噴射弁を制御する第１制御を実施し、
   エンジンが前記第２運転領域で運転されている場合は、前記パイロット噴射および前記メイン噴射の噴射時期がそれぞれ前記切替負荷における当該噴射時期よりも遅角側の時期になるように前記燃料噴射弁を制御する第２制御を実施する、ことを特徴とする圧縮着火エンジンの制御装置。
2. 請求項１に記載の圧縮着火エンジンの制御装置において、
   前記燃料噴射制御部は、前記第１制御の実施時に、エンジン負荷が高いときの方が低いときよりも前記パイロット噴射の噴射時期が進角側の時期になるように前記燃料噴射弁を制御する、ことを特徴とする圧縮着火エンジンの制御装置。
3. 請求項１または２に記載の圧縮着火エンジンの制御装置において、
   前記燃料噴射制御部は、前記第２制御の実施時に、エンジン負荷が高いほど前記メイン噴射の噴射時期が遅角側の時期になるように前記燃料噴射弁を制御する、ことを特徴とする圧縮着火エンジンの制御装置。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の圧縮着火エンジンの制御装置において、
   前記燃料噴射制御部は、前記分配噴射制御の実施時に、前記パイロット噴射と前記メイン噴射の間に燃料を噴射するプレ噴射を前記燃料噴射弁に実施させるともに、前記プレ噴射の噴射時期と前記メイン噴射の噴射時期の時間での間隔が一定になるように前記燃料噴射弁を制御する、ことを特徴とする圧縮着火エンジンの制御装置。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の圧縮着火エンジンの制御装置において、
   前記エンジンが搭載された車両に設けられる変速機の変速段を検出可能な変速段検出部をさらに備え、
   前記燃料噴射制御部は、前記変速段検出部により検出された変速段が、２段以上に設定された所定の段数以上のときに、前記第１制御と第２制御とを実施する、ことを特徴とする圧縮着火エンジンの制御装置。

Images