JP5093407B2 - 内燃機関の燃焼制御装置 - Google Patents
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Description
本発明は、ディーゼルエンジンに代表される圧縮自着火式の内燃機関の燃焼制御装置に関する。
自動車用エンジン等として使用されるディーゼルエンジンでは、エンジン回転数、アクセル操作量、冷却水温度、吸気温度等に応じて、燃料噴射弁（以下、インジェクタと呼ぶ場合もある）からの燃料噴射タイミングや燃料噴射量を調整することにより燃焼室内（気筒内）での燃焼形態を制御することが行われている。
上記ディーゼルエンジンの燃焼は、下記の特許文献１にも開示されているように、主として予混合燃焼と拡散燃焼とにより成り立っている。インジェクタから燃焼室内への燃料噴射が開始されると、まず、燃料の気化拡散により可燃混合気が生成される（着火遅れ期間）。次に、この可燃混合気が燃焼室の数ヶ所でほぼ同時に自己着火し、急速に燃焼が進む（予混合燃焼）。さらに、燃焼室内への燃料噴射が継続され、燃焼が継続的に行われる（拡散燃焼）。その後、燃料噴射が終了した後にも未燃燃料が存在するため、しばらくの間、熱発生が続けられる（後燃え期間）。
ところで、ディーゼルエンジンでは、ＮＯｘの発生量及びスモークの発生量を共に抑制することによる排気エミッションの改善、燃焼行程時の燃焼音の低減、エンジントルクの十分な確保といった各要求を連立することが重要である。
ＮＯｘの発生量を抑制するものとして、排気ガスの一部を吸気通路に還流させる排気還流（ＥＧＲ：Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置が知られている（例えば下記の特許文献２を参照）。こうしたＥＧＲ装置においては、気筒内に向けて排気ガスを還流させることにより、気筒内（燃焼室内）の酸素濃度を低下させることで、着火遅れを促進して予混合燃焼の割合を増大させることによってＮＯｘの生成を抑制してエミッションの改善を図るようにしている。
上述の如く、ＮＯｘの発生量を抑制するには、排気ガスの一部を吸気通路に還流させて筒内の酸素濃度を低減することが有効であるが、筒内の酸素濃度を低減するとスモークが発生してしまうので、筒内の酸素濃度の低減には限界がある。一方、スモーク発生量を抑制するには、例えば、燃料の噴射圧増加により空間利用率を向上（燃焼場を拡大）させることにより燃焼速度を低減させる方法があるが、燃料噴射圧を増加するとＮＯｘが増大してしまうので、スモークの発生を抑止しながら、ＮＯｘ発生量を低減することは難しい。
なお、スモーク発生量の抑制とＮＯｘ発生量の抑制の両方を実現するには、例えば水冷や空冷によって筒内温度を低減させる方法があるが、この場合、負荷増大（発熱量増加）に対応するには限界がある。
本発明はそのような実情を考慮してなされたもので、スモーク発生量の抑制とＮＯｘ発生量の抑制とを両立することが可能な内燃機関の燃焼制御装置を提供することを目的とする。
−課題の解決原理−
まず、圧縮自着火式の内燃機関において、筒内の着火前圧力を低減すると、燃焼室内に噴射された噴霧の運動エネルギを減衰させるガス圧力（分子密度）が低下し、空間利用率の向上（燃焼場の拡大）によって燃焼速度が低下するので、着火遅れが促進されて予混合燃焼の割合が増大する（つまり、酸欠が生じない最低酸素濃度を維持した状態で予混合燃焼の割合を増大することができる）。そして、予混合燃焼の割合が増大すると、スモーク発生量を抑制することができる。
まず、圧縮自着火式の内燃機関において、筒内の着火前圧力を低減すると、燃焼室内に噴射された噴霧の運動エネルギを減衰させるガス圧力（分子密度）が低下し、空間利用率の向上（燃焼場の拡大）によって燃焼速度が低下するので、着火遅れが促進されて予混合燃焼の割合が増大する（つまり、酸欠が生じない最低酸素濃度を維持した状態で予混合燃焼の割合を増大することができる）。そして、予混合燃焼の割合が増大すると、スモーク発生量を抑制することができる。
このような点に着目し、本発明の発明者は、筒内の着火前圧力を低減した状態で筒内の酸素濃度を低減させたところ、筒内の着火前圧力を制限しない状態（低減しない場合）と比較して、筒内の酸素濃度の低減量を多くしても、スモークの発生を抑止できる領域（特定領域：図５に示す合体燃焼領域）が存在することを見出した。そこで、本発明では、エミッションの低減を重視する場合（エミッション重視の場合）は、筒内の着火前圧力を低く制限して、筒内の酸素濃度を上記した特定領域にまで低下させることで、スモークの発生を抑制しながら、ＮＯｘの発生量を可能な限り低減できるようにする。
−解決手段−
具体的に、本発明は、燃料噴射弁から気筒内に噴射された燃料が気筒内で燃焼する圧縮自着火式の内燃機関の燃焼制御装置を前提としており、このような内燃機関の燃焼制御装置において、前記燃料噴射弁の燃料噴射前における筒内の酸素濃度を調整可能な酸素濃度調整手段と、筒内の着火前圧力を調整可能な圧力調整手段と、筒内の着火前圧力が所定圧力以下に制限された領域で酸素濃度を低減してもスモークが発生しない特定領域を目標として、その特定領域よりも筒内の酸素濃度及び筒内の着火前圧力が高い状態から当該特定領域の状態にする場合は、筒内の着火前圧力を低下させてから筒内の酸素濃度を低下させることにより、スモーク発生領域を回避しながら前記特定領域の状態に設定するガス状態制御手段とを備えていることを特徴的特徴としている。
具体的に、本発明は、燃料噴射弁から気筒内に噴射された燃料が気筒内で燃焼する圧縮自着火式の内燃機関の燃焼制御装置を前提としており、このような内燃機関の燃焼制御装置において、前記燃料噴射弁の燃料噴射前における筒内の酸素濃度を調整可能な酸素濃度調整手段と、筒内の着火前圧力を調整可能な圧力調整手段と、筒内の着火前圧力が所定圧力以下に制限された領域で酸素濃度を低減してもスモークが発生しない特定領域を目標として、その特定領域よりも筒内の酸素濃度及び筒内の着火前圧力が高い状態から当該特定領域の状態にする場合は、筒内の着火前圧力を低下させてから筒内の酸素濃度を低下させることにより、スモーク発生領域を回避しながら前記特定領域の状態に設定するガス状態制御手段とを備えていることを特徴的特徴としている。
上記特定事項により、スモーク発生量を抑制しながら、ＮＯｘ発生量を従来制御よりも低減することができる。すなわち、ＮＯｘ発生量を低減するために、筒内の酸素濃度のみを単に低減する場合（従来制御の場合）、筒内の酸素濃度を低減しすぎるとスモーク発生領域に達してしまうので、その酸素濃度の低減量は限界があったが、本発明では、上述の如く筒内の着火前圧力を低く制限して予混合燃焼の割合を増大させているので、筒内の酸素濃度の低減量を従来制御よりも多くしても、スモークの発生を抑止することが可能となり、ＮＯｘ発生量の低減化を達成することができる。これによってスモーク発生量の抑制とＮＯｘ発生量の抑制とを両立することが可能となり、排気エミッションの改善を図ることができる。しかも、上記特定領域（エミッション重視領域）よりも筒内の酸素濃度及び筒内の着火前圧力が高い状態から当該特定領域の状態にするにあたり、筒内の着火前圧力を低下させてから筒内の酸素濃度を低下させる制御により、スモーク発生領域を回避しながら酸素濃度を低下させていくので、スモーク発生を抑止しながら上記特定領域の状態に設定することができる。
なお、前記特定領域の筒内の酸素濃度の低減側の下限値は、スモーク発生領域及びＨＣ（炭化水素）発生領域によって制限される（図５参照）。
ここで、本発明において、前記特定領域よりも筒内の酸素濃度及び筒内の着火前圧力が高い状態から当該特定領域にする場合、筒内の着火前圧力の低下と同時に筒内の酸素温度を低下してスモーク発生領域の直前の状態とし、その後筒内の着火前圧力を低下させてから、筒内の酸素濃度を低下させるという制御を行ってもよい。
また、本発明において、筒内の着火前圧力を低下させる際に、筒内の着火前圧力が低下しすぎると、ＨＣ発生領域に突入する場合があるので、ＨＣ発生領域を考慮したガード値を用いて筒内の着火前圧力を下限ガードすることでＨＣの発生を防止する。この場合、筒内の着火前圧力の下限ガード値は、固定値であってもよいが、可変に設定することが好ましい。すなわち、過渡運転や燃料性状（例えば、低セタン価の燃料）により着火遅れが発生すると、ＨＣが急増するので、これを抑止するために、燃料噴射前の筒内の酸素濃度に応じて下限ガード値を可変に設定することが好ましい。具体的には、筒内の酸素濃度が低い場合は高い場合と比較して筒内の着火前圧力の下限ガード値を高く設定する。なお、筒内の酸素濃度は、吸入空気量、吸入空気温度、過給圧、ＥＧＲ率などから得ることができる。
本発明において、前記特定領域（エミッション重視領域）の状態から当該特定領域よりも筒内の酸素濃度及び筒内の着火前圧力が高い状態にする場合は、筒内の酸素濃度の調整と筒内の着火前圧力の調整とを組み合わせてスモーク発生領域を回避しながら酸素濃度を上昇させる。具体的には、先に筒内の酸素濃度を上昇させてから、筒内の着火前圧力を上昇させていくことで、スモーク発生領域を回避しながら、当該特定領域よりも筒内の酸素濃度及び筒内の着火前圧力が高い状態に設定する。
本発明において、燃料噴射弁の燃料噴射前における筒内の酸素濃度を調整可能な酸素濃度調整手段の具体的な例は、内燃機関の排気系に排出された排気ガスの一部を吸気系に還流させる排気還流装置（ＥＧＲ装置）である。そして、この排気還流装置によって排気ガスの吸気系への還流量を増大または減少させることにより、前記筒内の酸素濃度を低下または上昇させるように構成する。
本発明において、筒内の着火前圧力を調整可能な圧力調整手段の具体的な例は、吸気系において吸入空気を過給する過給装置である。そして、この過給装置によって吸入空気量を減少または増大させることにより、筒内の着火前圧力を低下または上昇させるように構成する。また、圧力調整手段の具体的な例として、吸気系において吸入空気量を調整する吸気絞り弁（スロットルバルブ）を挙げることができる。そして、この吸気絞り弁によって吸入空気量を減少または増大させることにより、筒内の着火前圧力を低下または上昇させるように構成する。
さらに、これら過給装置による吸入空気量の減少または増大と、吸気絞り弁による吸入空気量の減少または増大とを組み合わせて、筒内の着火前圧力を低下または上昇させるように構成してもよい。
なお、例えば、可変バルブタイミング（ＶＶＴ：Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖａｌｖｅ Ｔｉｍｉｎｇ）機構などの筒内圧力を調整できる圧力可変調整機構が内燃機関に装備されている場合、その圧力可変調整機構により筒内の着火前圧力を低下または上昇させるようにしてもよい。また、そのような圧力可変調整機構と上記した過給装置や吸気絞り弁とを組み合わせて筒内の着火前圧力を低下または上昇させるように構成してもよい。
本発明によれば、エミッションの低減を重視する燃焼状態にする場合には、筒内の着火前圧力が所定圧力以下に制限された領域（予混合燃料の割合が大きな領域）で、酸素濃度を低減してもスモークが発生しない特定領域を目標として、筒内の着火前圧力を低下させてから筒内の酸素濃度を低下させることにより、スモーク発生領域を回避しながら前記特定領域の燃焼形態に制御するので、スモーク発生量の抑制とＮＯｘ発生量の抑制とを両立することが可能となり、排気エミッションの改善を図ることができる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、自動車に搭載されたコモンレール式筒内直噴型多気筒（例えば直列４気筒）ディーゼルエンジン（圧縮自着火式内燃機関）に本発明を適用した場合について説明する。
−エンジンの構成−
まず、本発明を適用するディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）の一例について説明する。図１はエンジン１及びその制御系統の概略構成図である。また図２は、ディーゼルエンジンの燃焼室３及びその周辺部を示す断面図である。
まず、本発明を適用するディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）の一例について説明する。図１はエンジン１及びその制御系統の概略構成図である。また図２は、ディーゼルエンジンの燃焼室３及びその周辺部を示す断面図である。
図１に示すように、この例のエンジン１は、燃料供給系２、燃焼室３、吸気系６、排気系７等を主要部とするディーゼルエンジンシステムとして構成されている。
燃料供給系２は、サプライポンプ２１、コモンレール２２、インジェクタ（燃料噴射弁）２３、遮断弁２４、燃料添加弁２６、機関燃料通路２７、添加燃料通路２８等を備えて構成されている。
上記サプライポンプ２１は、燃料タンクから燃料を汲み上げ、この汲み上げた燃料を高圧にした後、機関燃料通路２７を介してコモンレール２２に供給する。コモンレール２２は、サプライポンプ２１から供給された高圧燃料を所定圧力に保持（蓄圧）する蓄圧室としての機能を有し、この蓄圧した燃料を各インジェクタ２３に分配する。インジェクタ２３は、その内部に圧電素子（ピエゾ素子）を備え、適宜開弁して燃焼室３内に燃料を噴射供給するピエゾインジェクタにより構成されている。このインジェクタ２３からの燃料噴射制御の詳細については後述する。
また、上記サプライポンプ２１は、燃料タンクから汲み上げた燃料の一部を、添加燃料通路２８を介して燃料添加弁２６に供給する。添加燃料通路２８には、緊急時において添加燃料通路２８を遮断して燃料添加を停止するための上記遮断弁２４が備えられている。
また、上記燃料添加弁２６は、後述するＥＣＵ１００による添加制御動作によって排気系７への燃料添加量が目標添加量（排気Ａ／Ｆが目標Ａ／Ｆとなるような添加量）となるように、また、燃料添加タイミングが所定タイミングとなるように開弁時期が制御される電子制御式の開閉弁により構成されている。つまり、この燃料添加弁２６から所望の燃料が適宜のタイミングで排気系７（排気ポート７１から排気マニホールド７２）に噴射供給される構成となっている。
吸気系６は、シリンダヘッド１５（図２参照）に形成された吸気ポート１５ａに接続される吸気マニホールド６３を備え、この吸気マニホールド６３に、吸気通路を構成する吸気管６４が接続されている。また、この吸気通路には、上流側から順に、エアクリーナ６５、エアフローメータ４３、スロットルバルブ（吸気絞り弁）６２が配設されている。エアフローメータ４３は、エアクリーナ６５を介して吸気通路に流入される空気量に応じた電気信号を出力するようになっている。
排気系７は、シリンダヘッド１５に形成された排気ポート７１に接続される排気マニホールド７２を備えており、この排気マニホールド７２に対して、排気通路を構成する排気管７３，７４が接続されている。また、この排気通路には、ＮＯｘ吸蔵触媒（ＮＳＲ触媒：ＮＯｘ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ触媒）７５、及び、ＤＰＮＲ触媒（Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｔｉｃｕｌａｔｅ−ＮＯｘ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ触媒）７６を備えたマニバータ（排気浄化装置）７７が配設されている。以下、これらＮＳＲ触媒７５及びＤＰＮＲ触媒７６について説明する。
ＮＳＲ触媒７５は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒であって、例えば、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を担体とし、この担体上に例えばカリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、セシウム（Ｃｓ）のようなアルカリ金属、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）のようなアルカリ土類、ランタン（Ｌａ）、イットリウム（Ｙ）のような希土類と、白金（Ｐｔ）のような貴金属とが担持された構成となっている。
このＮＳＲ触媒７５は、排気中に多量の酸素が存在している状態においてはＮＯｘを吸蔵し、排気中の酸素濃度が低く、かつ還元成分（例えば燃料の未燃成分（ＨＣ））が多量に存在している状態においてはＮＯｘをＮＯ2もしくはＮＯに還元して放出する。ＮＯ2やＮＯとして放出されたＮＯｘは、排気中のＨＣやＣＯと速やかに反応することによってさらに還元されてＮ2となる。また、ＨＣやＣＯは、ＮＯ2やＮＯを還元することで、自身は酸化されてＨ2ＯやＣＯ2となる。すなわち、ＮＳＲ触媒７５に導入される排気中の酸素濃度やＨＣ成分を適宜調整することにより、排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを浄化することができるようになっている。本実施形態のものでは、この排気中の酸素濃度やＨＣ成分の調整を、燃料添加弁２６からの燃料添加動作によって行うことが可能となっている。
一方、ＤＰＮＲ触媒７６は、例えば、多孔質セラミック構造体にＮＯｘ吸蔵還元型触媒を担持させたものであり、排気ガス中のＰＭは多孔質の壁を通過する際に捕集される。また、排気ガスの空燃比がリーンの場合、排気ガス中のＮＯｘはＮＯｘ吸蔵還元型触媒に吸蔵され、空燃比がリッチになると、吸蔵したＮＯｘは還元・放出される。さらに、ＤＰＮＲ触媒７６には、捕集したＰＭを酸化・燃焼する触媒（例えば白金等の貴金属を主成分とする酸化触媒）が担持されている。
ここで、ディーゼルエンジンの燃焼室３及びその周辺部の構成について、図２を用いて説明する。この図２に示すように、エンジン本体の一部を構成するシリンダブロック１１には、各気筒（４気筒）毎に円筒状のシリンダボア１２が形成されており、各シリンダボア１２の内部にはピストン１３が上下方向に摺動可能に収容されている。
ピストン１３の頂面１３ａの上側には上記燃焼室３が形成されている。つまり、この燃焼室３は、シリンダブロック１１の上部にガスケット１４を介して取り付けられたシリンダヘッド１５の下面と、シリンダボア１２の内壁面と、ピストン１３の頂面１３ａとにより区画形成されている。そして、ピストン１３の頂面１３ａの略中央部には、キャビティ（凹陥部）１３ｂが凹設されており、このキャビティ１３ｂも燃焼室３の一部を構成している。
なお、このキャビティ１３ｂの形状としては、その中央部分（シリンダ中心線Ｐ上）では凹陥寸法が小さく、外周側に向かうに従って凹陥寸法が大きくなっている。つまり、図２に示すように、ピストン１３が圧縮上死点付近にある際、このキャビティ１３ｂによって形成される燃焼室３としては、中央部分では比較的容積の小さい狭小空間とされ、外周側に向かって次第に空間が拡大される（拡大空間とされる）構成となっている。
上記ピストン１３は、コネクティングロッド１８の小端部１８ａがピストンピン１３ｃにより連結されており、このコネクティングロッド１８の大端部はエンジン出力軸であるクランクシャフトに連結されている。これにより、シリンダボア１２内でのピストン１３の往復移動がコネクティングロッド１８を介してクランクシャフトに伝達され、このクランクシャフトが回転することでエンジン出力が得られるようになっている。また、燃焼室３に向けてグロープラグ１９が配設されている。このグロープラグ１９は、エンジン１の始動直前に電流が流されることにより赤熱し、これに燃料噴霧の一部が吹きつけられることで着火・燃焼が促進される始動補助装置として機能する。
上記シリンダヘッド１５には、燃焼室３へ空気を導入する吸気ポート１５ａと、燃焼室３から排気ガスを排出する上記排気ポート７１とがそれぞれ形成されているとともに、吸気ポート１５ａを開閉する吸気バルブ１６及び排気ポート７１を開閉する排気バルブ１７が配設されている。これら吸気バルブ１６及び排気バルブ１７はシリンダ中心線Ｐを挟んで対向配置されている。つまり、この例のエンジン１はクロスフロータイプとして構成されている。また、シリンダヘッド１５には、燃焼室３の内部へ直接的に燃料を噴射する上記インジェクタ２３が取り付けられている。このインジェクタ２３は、シリンダ中心線Ｐに沿う起立姿勢で燃焼室３の略中央上部に配設されており、上記コモンレール２２から導入される燃料を燃焼室３に向けて所定のタイミングで噴射するようになっている。
さらに、図１に示すように、このエンジン１には、過給機（ターボチャージャ）５が設けられている。このターボチャージャ５は、タービンシャフト５１を介して連結されたタービンホイール５２及びコンプレッサインペラ５３を備えている。コンプレッサインペラ５３は吸気管６４の内部に臨んで配置され、タービンホイール５２は排気管７３の内部に臨んで配置されている。このためターボチャージャ５は、タービンホイール５２が受ける排気流（排気圧）を利用してコンプレッサインペラ５３を回転させ、吸気圧を高めるといった所謂過給動作を行うようになっている。この例のターボチャージャ５は、可変ノズル式ターボチャージャ（ＶＮＴ）であって、タービンホイール５２側に可変ノズルベーン機構５４が設けられており、この可変ノズルベーン機構５４の開度（ＶＮ開度）を調整することによってエンジン１の過給圧を調整することができる。
吸気系６の吸気管６４には、ターボチャージャ５での過給によって昇温した吸入空気を強制冷却するためのインタークーラ６１が設けられている。このインタークーラ６１よりも更に下流側に上記スロットルバルブ６２が設けられている。スロットルバルブ６２は、その開度を無段階に調整することができる電子制御式の開閉弁であり、所定の条件下において吸入空気の流路面積を絞り、この吸入空気の供給量を調整（低減）する機能を有している。
また、エンジン１には、吸気系６と排気系７とを接続する排気還流通路（ＥＧＲ通路）８が設けられている。このＥＧＲ通路８は、排気の一部を適宜吸気系６に還流させて燃焼室３へ再度供給することにより燃焼温度を低下させ、これによってＮＯｘ発生量を低減させるものである。また、このＥＧＲ通路８には、電子制御によって無段階に開閉され、同通路を流れる排気流量を自在に調整することができるＥＧＲバルブ８１と、ＥＧＲ通路８を通過（還流）する排気を冷却するためのＥＧＲクーラ８２とが設けられている。これらＥＧＲ通路８、ＥＧＲバルブ８１、ＥＧＲクーラ８２等によってＥＧＲ装置（排気還流装置）が構成されている。
−センサ類−
エンジン１の各部位には、各種センサが取り付けられており、それぞれの部位の環境条件や、エンジン１の運転状態に関する信号を出力する。
エンジン１の各部位には、各種センサが取り付けられており、それぞれの部位の環境条件や、エンジン１の運転状態に関する信号を出力する。
例えば、上記エアフローメータ４３は、吸気系６内のスロットルバルブ６２の上流において吸入空気の流量（吸入空気量）に応じた検出信号を出力する。吸気温センサ４９は、吸気マニホールド６３に配置され、吸入空気の温度に応じた検出信号を出力する。吸気圧センサ４８は、吸気マニホールド６３に配置され、吸入空気圧力に応じた検出信号を出力する。Ａ／Ｆ（空燃比）センサ４４は、排気系７のマニバータ７７の下流において排気中の酸素濃度に応じて連続的に変化する検出信号を出力する。排気温センサ４５は、同じく排気系７のマニバータ７７の下流において排気ガスの温度（排気温度）に応じた検出信号を出力する。レール圧センサ４１はコモンレール２２内に蓄えられている燃料の圧力（以下、燃圧ともいう）に応じた検出信号を出力する。スロットル開度センサ４２はスロットルバルブ６２の開度を検出する。
−ＥＣＵ−
ＥＣＵ１００は、図３に示すように、ＣＰＵ１０１、ＲＯＭ１０２、ＲＡＭ１０３及びバックアップＲＡＭ１０４などを備えている。ＲＯＭ１０２は、各種制御プログラムや、それら各種制御プログラムを実行する際に参照されるマップ等が記憶されている。ＣＰＵ１０１は、ＲＯＭ１０２に記憶された各種制御プログラムやマップに基づいて各種の演算処理を実行する。ＲＡＭ１０３は、ＣＰＵ１０１での演算結果や各センサから入力されたデータ等を一時的に記憶するメモリである。バックアップＲＡＭ１０４は、例えばエンジン１の停止時にその保存すべきデータ等を記憶する不揮発性のメモリである。
ＥＣＵ１００は、図３に示すように、ＣＰＵ１０１、ＲＯＭ１０２、ＲＡＭ１０３及びバックアップＲＡＭ１０４などを備えている。ＲＯＭ１０２は、各種制御プログラムや、それら各種制御プログラムを実行する際に参照されるマップ等が記憶されている。ＣＰＵ１０１は、ＲＯＭ１０２に記憶された各種制御プログラムやマップに基づいて各種の演算処理を実行する。ＲＡＭ１０３は、ＣＰＵ１０１での演算結果や各センサから入力されたデータ等を一時的に記憶するメモリである。バックアップＲＡＭ１０４は、例えばエンジン１の停止時にその保存すべきデータ等を記憶する不揮発性のメモリである。
以上のＣＰＵ１０１、ＲＯＭ１０２、ＲＡＭ１０３及びバックアップＲＡＭ１０４は、バス１０７を介して互いに接続されるとともに、入力インターフェース１０５及び出力インターフェース１０６と接続されている。
入力インターフェース１０５には、上記レール圧センサ４１、スロットル開度センサ４２、エアフローメータ４３、Ａ／Ｆセンサ４４、排気温センサ４５、吸気圧センサ４８、吸気温センサ４９が接続されている。さらに、この入力インターフェース１０５には、エンジン１の冷却水温に応じた検出信号を出力する水温センサ４６、アクセルペダルの踏み込み量に応じた検出信号を出力するアクセル開度センサ４７、及び、エンジン１の出力軸（クランクシャフト）が一定角度回転する毎に検出信号（パルス）を出力するクランクポジションセンサ４０などが接続されている。
一方、出力インターフェース１０６には、上記インジェクタ２３、燃料添加弁２６、スロットルバルブ６２、可変ノズルベーン機構５４、及び、ＥＧＲバルブ８１などが接続されている。
そして、ＥＣＵ１００は、上記した各種センサの出力に基づいて、エンジン１の各種制御を実行する。例えば、ＥＣＵ１００は、インジェクタ２３の燃料噴射制御を実行する。このインジェクタ２３の燃料噴射制御として、本実施形態では、従来の一般的なディーゼルエンジンにおいて実行される、パイロット噴射、プレ噴射等の副噴射は実行せず、エンジントルクを得るためのメイン噴射のみが実行されるようになっている。つまり、パイロット噴射やプレ噴射を実行しないことで、メイン噴射が開始されるまでの筒内の予熱動作は行われないようにしている。
このメイン噴射での総燃料噴射量は、エンジン回転数、アクセル操作量、冷却水温度、吸気温度等の運転状態や環境条件に応じて決定される要求トルクを得るために必要な燃料噴射量として設定される。例えば、エンジン回転数（クランクポジションセンサ４０の検出値に基づいて算出されるエンジン回転数）が高いほど、また、アクセル操作量（アクセル開度センサ４７により検出されるアクセルペダルの踏み込み量）が大きいほど（アクセル開度が大きいほど）エンジン１のトルク要求値としては高く得られる。
−燃料噴射圧−
上記メイン燃料噴射を実行する際の燃料噴射圧は、コモンレール２２の内圧により決定される。このコモンレール内圧として、一般に、コモンレール２２からインジェクタ２３へ供給される燃料圧力の目標値つまり目標レール圧は、エンジン負荷（機関負荷）が高くなるほど、及び、エンジン回転数（機関回転数）が高くなるほど高いものとされる。すなわち、エンジン負荷が高い場合には燃焼室３内に吸入される空気量が多いため、インジェクタ２３から燃焼室３内に向けて多量の燃料を噴射しなければならず、よってインジェクタ２３からの噴射圧力を高いものとする必要がある。また、エンジン回転数が高い場合には噴射可能な期間が短いため、単位時間当たりに噴射される燃料量を多くしなければならず、よってインジェクタ２３からの噴射圧力を高いものとする必要がある。このように、目標レール圧は一般にエンジン負荷及びエンジン回転数に基づいて設定される。なお、この目標レール圧は例えば上記ＲＯＭ１０２に記憶された燃圧設定マップに従って設定される。つまり、この燃圧設定マップに従って燃料圧力を決定することで、インジェクタ２３の開弁期間（噴射率波形）が制御され、その開弁期間中における燃料噴射量を規定することが可能になる。なお、本実施形態では、エンジン負荷等に応じて燃料圧力が３０ＭＰａ〜２００ＭＰａの間で調整されるようになっている。
上記メイン燃料噴射を実行する際の燃料噴射圧は、コモンレール２２の内圧により決定される。このコモンレール内圧として、一般に、コモンレール２２からインジェクタ２３へ供給される燃料圧力の目標値つまり目標レール圧は、エンジン負荷（機関負荷）が高くなるほど、及び、エンジン回転数（機関回転数）が高くなるほど高いものとされる。すなわち、エンジン負荷が高い場合には燃焼室３内に吸入される空気量が多いため、インジェクタ２３から燃焼室３内に向けて多量の燃料を噴射しなければならず、よってインジェクタ２３からの噴射圧力を高いものとする必要がある。また、エンジン回転数が高い場合には噴射可能な期間が短いため、単位時間当たりに噴射される燃料量を多くしなければならず、よってインジェクタ２３からの噴射圧力を高いものとする必要がある。このように、目標レール圧は一般にエンジン負荷及びエンジン回転数に基づいて設定される。なお、この目標レール圧は例えば上記ＲＯＭ１０２に記憶された燃圧設定マップに従って設定される。つまり、この燃圧設定マップに従って燃料圧力を決定することで、インジェクタ２３の開弁期間（噴射率波形）が制御され、その開弁期間中における燃料噴射量を規定することが可能になる。なお、本実施形態では、エンジン負荷等に応じて燃料圧力が３０ＭＰａ〜２００ＭＰａの間で調整されるようになっている。
上記メイン噴射における燃料噴射パラメータについて、その最適値はエンジン１や吸入空気等の温度条件によって異なるものとなる。
例えば、上記ＥＣＵ１００は、コモンレール圧がエンジン運転状態に基づいて設定される目標レール圧と等しくなるように、つまり燃料噴射圧が目標噴射圧と一致するように、サプライポンプ２１の燃料吐出量を調量する。また、ＥＣＵ１００はエンジン運転状態に基づいて燃料噴射量及び燃料噴射形態を決定する。具体的には、ＥＣＵ１００は、クランクポジションセンサ４０の検出値に基づいてエンジン回転速度（エンジン回転数）を算出するとともに、アクセル開度センサ４７の検出値に基づいてアクセルペダルの踏み込み量（アクセル開度）を求め、このエンジン回転速度及びアクセル開度等に基づいて総メイン噴射量（メイン噴射での噴射量）を決定する。
−分割メイン噴射−
ディーゼルエンジン１においては、ＮＯｘ発生量及びスモーク発生量を削減することによる排気エミッションの改善、燃焼行程時の燃焼音の低減、エンジントルクの十分な確保といった各要求を連立することが重要である。本発明の発明者は、これら要求を連立するための手法として、燃焼行程時における気筒内（燃焼室内）での熱発生率の変化状態（熱発生率波形で表される変化状態）を適切にコントロールすることが有効であることに着目し、この熱発生率の変化状態を適切にコントロールするための手法として分割メイン噴射（分割主噴射）による燃料噴射手法を見出した。その分割メイン噴射について以下に説明する。
ディーゼルエンジン１においては、ＮＯｘ発生量及びスモーク発生量を削減することによる排気エミッションの改善、燃焼行程時の燃焼音の低減、エンジントルクの十分な確保といった各要求を連立することが重要である。本発明の発明者は、これら要求を連立するための手法として、燃焼行程時における気筒内（燃焼室内）での熱発生率の変化状態（熱発生率波形で表される変化状態）を適切にコントロールすることが有効であることに着目し、この熱発生率の変化状態を適切にコントロールするための手法として分割メイン噴射（分割主噴射）による燃料噴射手法を見出した。その分割メイン噴射について以下に説明する。
本実施形態では、エンジン負荷の変化に応じて上記メイン噴射の燃料噴射形態（燃料噴射パターン）を連続的に変更するようにしている。具体的に、本実施形態における燃料噴射制御では、上記メイン噴射の噴射形態として２回または３回の分割メイン噴射を実行することで、このメイン噴射で必要とされる、総メイン噴射量（要求トルクを得るための総燃料噴射量）を確保している。
そして、本実施形態において特徴とする分割メイン噴射は、燃焼室３内での燃焼として、主に予混合燃焼を行わせるための燃料噴射である予混合燃焼用燃料噴射と、主に拡散燃焼を行わせるための燃料噴射である拡散燃焼用燃料噴射とを、それぞれ個別に１回または２回実行するようになっており、これら分割メイン噴射の噴射タイミング及び噴射量（噴射パターン）を上記エンジン負荷に応じて変更するようにしている。
なお、上記予混合燃焼用燃料噴射の終了タイミングと拡散燃焼用燃料噴射の開始タイミングとの間には所定のインターバルが設けられている。つまり、予混合燃焼用燃料噴射を実行した後、燃料噴射を一旦停止（インジェクタ２３を遮断）し、所定のインターバルを経た後に拡散燃焼用燃料噴射が開始されるようになっている。このインターバルとしては、例えばインジェクタ２３の性能によって決定される最短閉弁期間（インジェクタ２３が閉弁してから開弁を開始するまでの最短期間：例えば２００μｓ）として設定される。
本実施形態における燃焼室３内での燃焼行程中における燃焼形態の概略は以下のとおりである。
この燃焼形態では、同一燃焼行程中に予混合燃焼と拡散燃焼とが順に行われる。その燃焼形態としては、「拡散燃焼」、「分離燃焼」、「一部重畳燃焼」、「全体重畳燃焼」、「一体燃焼」の５つの燃焼形態に分類することができる。
ここで、「拡散燃焼」は、ＴＤＣ（ピストン１３の圧縮上死点）着火の主燃焼がほぼ１００％拡散燃焼である燃焼形態である（図４（ａ）に示す熱発生率波形を参照）。「分離燃焼」は、予混合燃焼領域と拡散燃焼領域とが殆ど重畳しない燃焼形態である（図４（ｂ）に示す熱発生率波形を参照）。「一部重畳燃焼」は、予混合燃焼領域と拡散燃焼領域との一部分が重畳した燃焼形態である（図４（ｃ）に示す熱発生率波形を参照）。「全体重畳燃焼」は、予混合燃焼領域と拡散燃焼領域とが略一致（重畳）した燃焼形態である（図４（ｄ）に示す熱発生率波形を参照）。「一体燃焼」は、予混合燃焼領域と拡散燃焼領域との熱発生率波形が一体化した燃焼形態（図４（ｅ）に示す熱発生率波形を参照）。
そして、これら「拡散燃焼」、「分離燃焼」、「一部重畳燃焼」、「全体重畳燃焼」、「一体燃焼」は、エンジン負荷（またはエンジン１の要求出力）に応じて燃料噴射パターン（燃料噴射形態）を調整することによって設定される。
−拡散燃焼の着火タイミングについて−
本実施形態では、上記予混合用燃料噴射での予混合燃焼によって燃焼室３内の予熱が十分に行われた状態で、上記拡散燃焼用燃料噴射が実行されることにより、この拡散燃焼用燃料噴射で噴射された燃料は、直ちに自着火温度以上の温度環境下に晒されて熱分解が進み、噴射後は直ちに燃焼が開始されることになる。
本実施形態では、上記予混合用燃料噴射での予混合燃焼によって燃焼室３内の予熱が十分に行われた状態で、上記拡散燃焼用燃料噴射が実行されることにより、この拡散燃焼用燃料噴射で噴射された燃料は、直ちに自着火温度以上の温度環境下に晒されて熱分解が進み、噴射後は直ちに燃焼が開始されることになる。
具体的に、ディーゼルエンジンにおける燃料の着火遅れとしては、物理的遅れと化学的遅れとがある。物理的遅れは、燃料液滴の蒸発・混合に要する時間であり、燃焼場のガス温度に左右される。一方、化学的遅れは、燃料蒸気の化学的結合・分解かつ酸化発熱に要する時間である。そして、上述した如く気筒内の予熱が十分になされている状況では上記物理的遅れを最小限に抑えることができ、その結果、着火遅れも最小限に抑えられることになる。
従って、拡散燃焼用燃料噴射によって噴射された燃料の燃焼形態としては、予混合燃焼が殆ど行われないことになり、大部分が拡散燃焼となる。そして、この拡散燃焼用燃料噴射の噴射タイミングや噴射量を調整することで、拡散燃焼での着火タイミング、熱発生率の変化割合（熱発生率波形の勾配）、熱発生率のピーク、燃焼重心に達する時期を共に制御することが可能になる。
−貫徹力について−
ここで、燃料噴射量と貫徹力との関係について説明する。上記インジェクタ２３では、噴射指令信号を受けて燃料噴射が開始されると、噴射孔を閉塞しているニードルが噴射孔から後退していくことで噴射孔の開口面積を次第に増大させていく。そして、ニードルが最後退位置まで移動すると噴射孔の開口面積は最大となる。ところが、このニードルが最後退位置に達するまでに噴射指令信号が解除されると（閉弁指令を受けると）、後退移動している途中でニードルは閉弁方向に向かって前進することになる。つまり、この場合、噴射孔の開口面積は最大となることなく燃料噴射を終了することになる。このため、噴射期間が長く設定されるほど噴射孔の開口面積としては大きく得られることになる。
ここで、燃料噴射量と貫徹力との関係について説明する。上記インジェクタ２３では、噴射指令信号を受けて燃料噴射が開始されると、噴射孔を閉塞しているニードルが噴射孔から後退していくことで噴射孔の開口面積を次第に増大させていく。そして、ニードルが最後退位置まで移動すると噴射孔の開口面積は最大となる。ところが、このニードルが最後退位置に達するまでに噴射指令信号が解除されると（閉弁指令を受けると）、後退移動している途中でニードルは閉弁方向に向かって前進することになる。つまり、この場合、噴射孔の開口面積は最大となることなく燃料噴射を終了することになる。このため、噴射期間が長く設定されるほど噴射孔の開口面積としては大きく得られることになる。
そして、上記噴射孔の開口面積は、その噴射孔から噴射される燃料（噴霧）の飛行距離に相関がある。つまり、噴射孔の開口面積が大きい状態で燃料が噴射された場合には、噴射孔から噴射される燃料の液滴の寸法も大きいため運動エネルギも大きく（貫徹力（ペネトレーション）が大きく）なっている。このため、この燃料の液滴の飛行距離は長くなる。一方、噴射孔の開口面積が小さい状態で燃料が噴射された場合には、この噴射孔から噴射される燃料の液滴の寸法も小さいため運動エネルギも小さく（貫徹力（ペネトレーション）が小さく）なっている。このため、この燃料の液滴の飛行距離も短い。
そして、インジェクタ２３の開弁期間が比較的長く設定された場合（言い換えると、メイン噴射１回当たりの噴射量が比較的多く設定された場合）には、ニードルが最後退位置まで移動することになって噴射孔の開口面積は最大となるので、この場合の燃料の液滴の飛行距離は長くなる。つまり、インジェクタ２３から噴射された燃料の大部分は上記キャビティ１３ｂの外周端付近まで飛行可能な状態となる。ただし、インジェクタ２３から噴射された燃料の液滴の飛行距離については燃焼室形状による制約もあるので、その燃料液滴の飛行距離には限度がある。
一方、インジェクタ２３の開弁期間が比較的短く設定された場合（言い換えると、メイン噴射１回当たりの噴射量が比較的少なく設定された場合）には、ニードルが最後退位置まで移動することがなく噴射孔の開口面積は小さいため、この場合の燃料の液滴の飛行距離は短くなる。つまり、インジェクタ２３から噴射された燃料の大部分は上記キャビティ１３ｂの中央部付近までしか飛行できない状態となる。
このように、インジェクタ２３の開弁期間によって決まる噴射孔の開口面積と、その噴射孔から噴射される燃料（噴霧）の飛行距離とには相関がある。このため、上記予混合燃焼用燃料噴射での噴射量が多く設定されるほど、燃料の飛行距離は長くなり、上記キャビティ１３ｂの外周端付近にまで燃料が飛行することになって、燃焼室３内の酸素との邂逅率が高く確保されることで酸素不足を解消できる。これにより、スモークの発生量を抑制することができる。つまり、予混合燃焼用燃料噴射での噴射量が多く設定されるほど、燃焼室３内の広範囲に亘って燃料が噴射されることにより、酸素不足を招くことのなしに燃焼が行われ、スモークの発生量を抑制することができる。
−筒内の酸素濃度の低減制御について−
本実施形態の特徴は、燃料噴射前の筒内の酸素濃度及び筒内の着火前圧力を、燃料噴射前の筒内ガス状態を設定するパラメータとし、市街地走行時（モード走行時）などのエミッションの低減を重視する燃焼状態にする場合には、筒内の着火前圧力を低く制限して、筒内の酸素濃度を後述する特定領域にまで低下させることで、スモークの発生を抑止しながら、ＮＯｘの発生量を可能な限り低減できるようにする点にある。以下、この技術的思想について説明する。
本実施形態の特徴は、燃料噴射前の筒内の酸素濃度及び筒内の着火前圧力を、燃料噴射前の筒内ガス状態を設定するパラメータとし、市街地走行時（モード走行時）などのエミッションの低減を重視する燃焼状態にする場合には、筒内の着火前圧力を低く制限して、筒内の酸素濃度を後述する特定領域にまで低下させることで、スモークの発生を抑止しながら、ＮＯｘの発生量を可能な限り低減できるようにする点にある。以下、この技術的思想について説明する。
まず、上述したように、筒内の着火前圧力を低減すると、燃焼室３内に噴射された噴霧の運動エネルギを減衰させるガス圧力（分子密度）が低下し、空間利用率の向上（燃焼場の拡大）によって燃焼速度が低下するので、着火遅れが促進されて予混合燃焼の割合が増大する。予混合燃焼の割合が増大すると、スモークの発生を抑止することができる。
このような点に着目し、本発明の発明者は、燃料噴射前の筒内の酸素濃度及び筒内の着火前圧力をパラメータとし、実験・シミュレーション等によって、筒内の着火前圧力を変化させながら、その各「筒内の着火前圧力」の変化ごとに、筒内の酸素濃度を増減させてスモーク発生領域を調べたところ、図５に示すように、筒内の着火前圧力がある制限範囲内（例えば４ＭＰａ〜３ＭＰａ）にある場合、スモーク発生領域が低酸素濃度側にシフトし、筒内の酸素濃度を低減してもスモーク発生領域に達しない領域（特定領域：例えば酸素濃度１４％〜１７％の領域）が存在することを見出した。この特定領域は、上述した如く、筒内の着火前圧力を低減したことにより、着火遅れが促進されて予混合燃焼の割合が増大したことに起因する燃焼形態の領域（拡散燃焼と予混合燃焼とが重畳もしくは一体化した領域）である。以下、この特定領域を「合体燃焼領域」ともいう。
なお、本実施形態において、図５に示す筒内の酸素濃度及び筒内の着火前圧力とスモーク発生領域等の各領域との関係はマップ化されており、そのマップは例えばＥＣＵ１００のＲＯＭ１０２内に格納されている。
そして、本実施形態では、エミッションの低減を重視する燃焼状態にする場合、上記した合体燃焼領域に入るように、筒内の着火前圧力を低く制限して筒内の酸素濃度（燃料噴射前）を低下させることにより、スモークの発生を抑止しながら、ＮＯｘ発生量を従来よりも低減できるようにしている。
この点について図６のイメージ図を参照して説明する。図６では筒内の酸素濃度（Ｘ軸）及び予混合燃焼比率（Ｙ軸）をパラメータとして、スモーク発生領域を３次元で示している。ここで、予混合燃焼比率とは、燃焼期間中における全発生熱量に対する予混合燃焼の熱発生量の比率のことである。
まず、筒内圧力が成り行きで高い状態（過給圧大の状態）で、筒内の酸素濃度のみを単に低下していくと（図６のＸ軸に沿う推移（太破線））、その酸素濃度の低下過程においてスモーク発生領域の山に突入してしまい、排気ガス中にスモークが発生する。このため、従来制御では、例えば図５に示す２点鎖線をガード値として筒内の酸素濃度を下限ガードすることにより、筒内の着火前圧力が高い状態であっても、スモーク発生領域に到達しないようにすることで、排気ガスにスモークが発生しないようにしていた。このような従来制御ではＮＯｘ発生量の低減には限界があった。
これに対し、筒内の着火前圧力を上記した制限範囲（図５参照）内に制限して筒内の酸素濃度を低下させていくと、図６の太実線で示すように、酸素濃度の低下過程において予混合燃焼比率（予混合燃焼の割合）が増大するので、上記筒内の酸素濃度のみを単に低下させる場合（従来制御）と比較して、筒内の酸素濃度の低減量を多くしても、スモーク発生領域の山に突入しない燃焼形態（領域）に遷移するようになる。このように、筒内の着火前圧力を低く制限することにより、スモークの発生を抑止しながら、筒内の酸素濃度を従来制御よりも低減することが可能になる。これによってスモーク発生量の抑制とＮＯｘ発生量の抑制とを両立することが可能となり、排気エミッションの改善を図ることができる。
−具体的な制御手順−
次に、筒内の酸素濃度を低下する際の具体的な制御手順について説明する。
次に、筒内の酸素濃度を低下する際の具体的な制御手順について説明する。
図７に示すように、エンジン運転状態が、Ａの運転ポイント（性能重視でＥＧＲ率０％（Ｌ／ＥＧＲ）の運転ポイント）からＢの運転ポイント（例えば市街地走行時（モード走行時）の運転ポイント）に移行する場合を例にとって説明する。
まず、図７に示す運転ポイントＡは、図８上に表すとポイントａの状態となる。ここで、本実施形態では、例えば市街地走行時（モード走行時）など、エミッション重視つまりスモーク発生量及びＮＯｘ発生量の両方を可能な限り抑制することが要求される場合、燃焼形態が図５の合体燃焼領域に遷移するように、筒内の酸素濃度と筒内の着火前圧力とを組み合わせて低下させる。しかしながら、それら筒内の酸素濃度と筒内の着火前圧力とを合体燃焼領域を目標として同時に低下させると、合体燃焼領域への遷移過程においてスモーク発生領域に突入してスモークが発生する場合がある。そこで、本実施形態においては、合体燃焼領域に遷移する過程においてスモーク発生領域に突入しないように（スモーク発生領域を回避できるように）、筒内の酸素濃度と筒内の着火前圧とを所定の順番をもって低下させていく。その具体的な処理について図８を参照して説明する。なお、以下に説明する処理はＥＣＵ１００において実行される。
（１）ＥＧＲバルブ８１の開度を固定した状態（筒内の酸素濃度を固定した状態）で、まずは、ターボチャージャ５の可変ノズルベーン機構５４に備えられているノズルベーンの開度（ＶＮ開度）を限界まで開いていき、エンジン１の過給圧を低くして（吸入空気量を減少させて）、図８に示すように、「ａの状態」つまり合体燃焼領域（特定領域）よりも筒内の酸素濃度及び筒内の着火前圧力が高い状態から筒内の着火前圧力のみを低下させていく。さらに、スロットルバルブ（吸気絞り弁）６２の開度を小さくして吸入空気量を減少させていき、筒内の着火前圧力を、上記した制限範囲（図５参照）の上限値の近傍にまで低下させる。このようにして筒内の着火前圧力を低下していくと、燃料噴射パターンが変化して燃焼形態が「拡散燃焼」から「分離燃焼」へと移行していく。
なお、このような処理において、ターボチャージャ５のＶＮ開度を先に調整しているのは、過給能力が高い状態で、先にスロットルバルブ６２（吸気絞り弁）の開度を小さくすると、損失が大きくなってしまうので、これを回避するためである。
ここで、以上の着火前圧力の低減処理において、合体燃焼領域に移行する前の状態における筒内の着火前圧力が比較的小さくて（移行前の筒内の着火前圧力と制限領域の上限値との差が小さくて）、ターボチャージャ５のＮＶ開度の調整だけで、筒内の着火前圧力を、上記した制限範囲（図５参照）の上限値の近傍にまで低下させることができる場合は、スロットルバルブ６２の開度調整による吸入空気量の低減を行わなくてもよい。
（２）ターボチャージャ５のＶＮ開度及びスロットルバルブ６２の開度を固定した状態で、ＥＧＲバルブ８１の開度を大きくしていき、ＥＧＲ量を増加させていくことで筒内の酸素濃度を低減していく。このとき、上記したマップ（図５をマップ化したマップ）を参照し、合体燃焼領域を目標として、筒内の酸素濃度の低減度合い（図８に示す傾き）を調整することにより、合体燃焼領域内に入るようにする。なお、筒内の酸素濃度を低減する過程において燃料噴射パターン（燃焼形態）は刻々と変化していく。
以上のように、エミッション重視の状態に移行する場合には、筒内の着火前圧力に制限を加えて、筒内の酸素濃度を合体燃焼領域にまで低下させることで、スモークの発生を抑止しながら、ＮＯｘ発生量の低減化を達成することができる。これによって排気エミッションの改善を図ることができる。
ここで、上述の如く筒内の着火前圧力を低下させる際に、筒内の着火前圧力が低下しすぎると、ＨＣ発生領域（図５参照）に突入する場合があるので、ＨＣ発生領域を考慮したガード値（例えば３ＭＰａ）を用いて筒内の着火前圧力を下限ガードすることで、ＨＣの発生を防止する。
また、このようにして筒内の着火前圧力を下限ガードする場合、その下限ガード値は、固定値であってもよいが、可変に設定することが好ましい。つまり、過渡運転や燃料性状（例えば低セタン価）により着火遅れが発生するとＨＣが急増するので、これを抑止するために、燃料噴射前の筒内の酸素濃度に応じて下限ガード値を可変に設定することが好ましい。具体的には、筒内の酸素濃度が低い場合は高い場合と比較して、筒内の着火前圧力の下限ガード値を高く設定する。なお、筒内の酸素濃度は、吸入空気量、吸入空気温度、過給圧、ＥＧＲ率などから得ることができる。
一方、合体燃焼領域内の状態から上記した「ａの状態」つまり合体燃焼領域（特定領域）よりも筒内の酸素濃度及び筒内の着火前圧力が高い状態にする場合、上述した処理（１）及び（２）とは逆の処理、すなわち、［ＥＧＲバルブ８１の開度を小さくして筒内の酸素濃度を上昇］→［スロットルバルブ６２の開度を大きくして筒内の着火前圧力を上昇］→［ターボチャージャ５のＶＮ開度を小さくして筒内の着火前圧力を上昇］の処理を順次実行して、図９に示すように、スモーク発生領域を回避しながら「ａの状態」に移行すればよい。
−他の制御手順について−
上記した図８の例では、合体燃焼領域に移行する際に、筒内の着火前圧力を低下させてから筒内の酸素濃度を低下させているが、スモーク発生領域を回避できる経路であれば、筒内の着火前圧力の低下及び筒内の酸素濃度の低下の制御手順は特に限定されない。
上記した図８の例では、合体燃焼領域に移行する際に、筒内の着火前圧力を低下させてから筒内の酸素濃度を低下させているが、スモーク発生領域を回避できる経路であれば、筒内の着火前圧力の低下及び筒内の酸素濃度の低下の制御手順は特に限定されない。
例えば図１０に示すように、先に筒内の酸素濃度の低下を行い、次いで、筒内の圧着前圧力を上記した制限範囲（図５参照）の上限値の近傍にまで低下させる。そして、合体燃焼領域内に入るように筒内の酸素濃度を低下させていくようにしてもよい。また、図１１に示すように、先に筒内の酸素濃度の低下を行ってスモーク発生領域の直前の状態にしてから、筒内の着火前圧力を上記した制限範囲（図５参照）の上限値の近傍にまで低下させた後に、合体燃焼領域内に入るように筒内の酸素濃度を低下させていくようにしてもよい。さらに、図１２に示すように、筒内の着火前圧力の低下と筒内の酸素温度の低下とを同時に制御してスモーク発生領域の直前の状態にしてから、筒内の着火前圧力を低下させた後に、合体燃焼領域内に入るように筒内の酸素濃度を低下させていくようにしてもよい。
なお、合体燃焼領域内の状態から、当該合体燃焼領域よりも筒内の酸素濃度及び筒内の着火前圧力が高い状態にする場合においても、スモーク発生領域を回避できる経路であれば、筒内の着火前圧力の上昇及び筒内の酸素濃度の上昇の制御手順は特に限定されない。
−他の実施形態−
以上の例では、過給装置や吸気絞り弁を用いて筒内の着火前圧力を低下または上昇させているが、本発明はこれに限定されない。例えば可変バルブタイミング（ＶＶＴ）機構などの筒内圧力を調整できる圧力可変調整機構が内燃機関に装備されている場合、その圧力可変調整機構により筒内の着火前圧力を低下または上昇させるようにしてもよい。また、そのような圧力可変調整機構と上記した過給装置や吸気絞り弁とを組み合わせて筒内の着火前圧力を低下または上昇させるように構成してもよい。
以上の例では、過給装置や吸気絞り弁を用いて筒内の着火前圧力を低下または上昇させているが、本発明はこれに限定されない。例えば可変バルブタイミング（ＶＶＴ）機構などの筒内圧力を調整できる圧力可変調整機構が内燃機関に装備されている場合、その圧力可変調整機構により筒内の着火前圧力を低下または上昇させるようにしてもよい。また、そのような圧力可変調整機構と上記した過給装置や吸気絞り弁とを組み合わせて筒内の着火前圧力を低下または上昇させるように構成してもよい。
以上の例では、コモンレール式筒内直噴型多気筒（４気筒）ディーゼルエンジンに本発明を適用した場合について説明した。本発明はこれに限らず、例えば６気筒ディーゼルエンジンなど他の任意の気筒数のディーゼルエンジンにも適用可能である。また、本発明が適用可能なエンジンは、自動車用のエンジンに限るものではない。
以上の例では、通電期間においてのみ全開の開弁状態となることにより燃料噴射率を変更するピエゾインジェクタ２３を適用したエンジン１について説明したが、本発明は、可変噴射率インジェクタを適用したエンジンへの適用も可能である。
本発明は、自動車に搭載されるコモンレール式筒内直噴型多気筒ディーゼルエンジンにおいて、スモーク発生量及びＮＯｘ発生量を抑制する燃焼制御に利用可能である。
１ エンジン（内燃機関）
３ 燃焼室（気筒）
２３ インジェクタ（燃料噴射弁）
５ ターボチャージャ
５４ 可変ノズルベーン機構
６２ スロットルバルブ
８１ ＥＧＲバルブ
１００ ＥＣＵ
３ 燃焼室（気筒）
２３ インジェクタ（燃料噴射弁）
５ ターボチャージャ
５４ 可変ノズルベーン機構
６２ スロットルバルブ
８１ ＥＧＲバルブ
１００ ＥＣＵ
Claims (11)
- 燃料噴射弁から気筒内に噴射された燃料が気筒内で燃焼する圧縮自着火式の内燃機関の燃焼制御装置において、
前記燃料噴射弁の燃料噴射前における筒内の酸素濃度を調整可能な酸素濃度調整手段と、筒内の着火前圧力を調整可能な圧力調整手段と、筒内の着火前圧力が所定圧力以下に制限された領域で酸素濃度を低減してもスモークが発生しない特定領域を目標として、その特定領域よりも筒内の酸素濃度及び筒内の着火前圧力が高い状態から当該特定領域の状態にする場合は、筒内の着火前圧力を低下させてから筒内の酸素濃度を低下させることにより、スモーク発生領域を回避しながら前記特定領域の状態に設定するガス状態制御手段とを備えていることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。 - 請求項１記載の内燃機関の燃焼制御装置において、
前記特定領域よりも筒内の酸素濃度及び筒内の着火前圧力が高い状態から当該特定領域の状態にする場合は、筒内の着火前圧力の低下と同時に筒内の酸素温度を低下してスモーク発生領域の直前の状態とし、その後筒内の着火前圧力を低下させてから、筒内の酸素濃度を低下させることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。 - 請求項１または２記載の内燃機関の燃焼制御装置において、
前記筒内の着火前圧力を低下させる際に、ガード値を用いて当該筒内の着火前圧力を下限ガードすることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。 - 請求項３記載の内燃機関の燃焼制御装置において、
前記筒内の着火前圧力の下限ガード値はＨＣ発生領域を考慮して設定されることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。 - 請求項３または４記載の内燃機関の燃焼制御装置において、
前記筒内の着火前圧力の下限ガード値は前記筒内の酸素濃度に応じて可変に設定されることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。 - 請求項１記載の内燃機関の燃焼制御装置において、
前記ガス状態制御手段は、前記特定領域の状態から当該特定領域よりも筒内の酸素濃度及び筒内の着火前圧力が高い状態にする場合に、筒内の酸素濃度の上昇と前記筒内の着火前圧力の上昇とを組み合わせて制御することにより、スモーク発生領域を回避しながら前記特定領域よりも筒内の酸素濃度及び筒内の着火前圧力が高い状態に制御する機能も備えていることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。 - 請求項６記載の内燃機関の燃焼制御装置において、
前記特定領域の状態から当該特定領域よりも筒内の酸素濃度及び筒内の着火前圧力が高い状態にする場合は、筒内の酸素濃度を上昇させてから筒内の着火前圧力を上昇させることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。 - 請求項１〜７のいずれか１つに記載の内燃機関の燃焼制御装置において、
前記酸素濃度調整手段は、前記内燃機関の排気系に排出された排気ガスの一部を吸気系に還流させる排気還流装置であって、この排気還流装置によって排気ガスの吸気系への還流量を増大または減少させることにより、前記筒内の酸素濃度を低下または上昇させるように構成されていることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。 - 請求項１〜８のいずれか１つに記載の内燃機関の燃焼制御装置において、
前記圧力調整手段は、吸気系において吸入空気を過給する過給装置であって、この過給装置によって吸入空気量を減少または増大させることにより、筒内の着火前圧力を低下または上昇させるように構成されていることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。 - 請求項１〜８のいずれか１つに記載の内燃機関の燃焼制御装置において、
上記圧力調整手段は、吸気系において吸入空気量を調整する吸気絞り弁であって、この吸気絞り弁によって吸入空気量を減少または増大させることにより、筒内の着火前圧力を低下または上昇させるように構成されていることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。 - 請求項９または１０記載の内燃機関の燃焼制御装置において、
前記過給装置及び吸気絞り弁を備え、前記過給装置による吸入空気量の減少または増大と、前記吸気絞り弁による吸入空気量の減少または増大とを組み合わせて、筒内の着火前圧力を低下または上昇させるように構成されていることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
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