JP5170317B2

JP5170317B2 - 内燃機関の燃料噴射制御装置

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Publication number: JP5170317B2
Application number: JP2011532415A
Authority: JP
Inventors: 彰生松永
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-09-03
Filing date: 2010-09-03
Publication date: 2013-03-27
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Description

本発明は、ディーゼルエンジンに代表される内燃機関の燃料噴射制御装置に係る。特に、本発明は、メイン噴射（以下、主噴射と呼ぶ場合もある）の後に実施されるアフタ噴射（以下、副噴射と呼ぶ場合もある）の噴射形態を最適化するための対策に関する。

従来から周知のように、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）からの燃料噴射量や燃料噴射タイミングを調整する燃料噴射制御が行われている。

ところで、上記ディーゼルエンジンの膨張（燃焼）行程において、燃焼室内で混合気の不完全燃焼が生じた場合、排気ガス中にＳｏｏｔが発生し、排気エミッションの悪化を招いてしまう。例えばエンジンの要求トルクが増加し（アクセルペダルの踏み込み等により要求トルクが増加し）、インジェクタからの燃料噴射量を増量させる状況において、メイン噴射のみで目標燃料噴射量（上記要求トルクが発生する燃料噴射量）が得られるように燃料噴射を行うと、燃焼場での酸素不足に起因して許容量を超えたＳｏｏｔが発生してしまう可能性がある。

この点に鑑み、メイン噴射での燃料噴射量をＳｏｏｔが抑制できる量（例えばＳｏｏｔ発生量を許容量以下に抑えることができる燃料噴射量）に規定し、このメイン噴射で発生するトルクの不足分を補うためにアフタ噴射を実行することが行われている。つまり、メイン噴射の実行後に所定の燃料噴射停止期間（インターバル）を経てアフタ噴射を実行し、燃焼室内での空気利用率を高めてＳｏｏｔの発生を抑制しながらも、このアフタ噴射で噴射された燃料の燃焼によってトルクを発生させ、上記メイン噴射での燃焼により発生するトルクの不足分を補って上記要求トルクが得られるようにしている。

このようなアフタ噴射を実行する場合、このアフタ噴射で噴射された燃料により生成された混合気の不完全燃焼が生じないように、つまりＳｏｏｔが発生しないようにアフタ噴射の噴射形態を適切に設定することが必要になる。

この点に鑑みられたものとして、例えば下記の特許文献１では、メイン噴射後に実施される燃料噴射の噴射時期を筒内温度が目標温度となった時点とすることで排気エミッションの改善を図るようにしている。また、特許文献２では、１つの気筒に対して複数のインジェクタを備えさせ、燃焼室内の空気利用率を高めることでＳｏｏｔの発生を抑制している。

また、その他の技術として、燃圧の異なる複数の燃料供給系を備えさせ、使用する燃料供給系を選択することで燃料噴射率を適宜変更し、これによってＳｏｏｔの抑制が可能な噴霧を生成する手法なども提案されている。

特開２０００−４５８２８号公報特開２００９−３０５１７号公報

ところで、上述したようなＳｏｏｔ抑制のための燃料噴射タイミング及び燃料噴射量（上述したアフタ噴射の噴射タイミング及び噴射量）は、試行錯誤で適合（エンジンの種類毎に、それに適した噴射パターンを構築すること）を実施して取得していた。

このため、上記試行錯誤でアフタ噴射を実行していき、Ｓｏｏｔの低減が図れる燃料噴射タイミング及び燃料噴射量を適合値として取得しているに過ぎなかった。

このように、排気ガス中のＳｏｏｔ量を低減するための燃料噴射形態として、種々のエンジンに共通した体系的な燃料噴射制御手法は未だ構築されていないのが実情であった。

また、上記特許文献２に開示されている技術や、燃圧の異なる複数の燃料供給系を備えさせるものでは、燃料供給システムの複雑化や製造コストの高騰を招いてしまうため実用性に欠けるものであった。

そこで、本発明の発明者は、燃焼室内における空気の利用を定量的に扱えるようにし、種々のエンジンに共通した体系的なアフタ噴射の噴射形態の設定手法を構築することに鑑み本発明に至った。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、燃焼室内における空気の利用を定量的に扱うことによりＳｏｏｔの発生を抑制可能とするアフタ噴射の噴射形態を得ることが可能な内燃機関の燃料噴射制御装置を提供することにある。

−課題の解決原理−
上記の目的を達成するために講じられた本発明の解決原理は、アフタ噴射が実行される前に筒内に噴射された燃料の燃焼に使用された空間の体積を求めておく。そして、ピストンの下死点側への移動に伴って拡大する残存空気体積（燃焼に未使用の空間の体積）が、アフタ噴射が実行される場合の噴霧の体積以上になったタイミングでは、このアフタ噴射での噴霧の略全量が筒内の残存空気を利用可能である（既に燃焼に使用された空間にアフタ噴射の噴霧が及ぶことがない）として、このタイミングでアフタ噴射を実行するようにしている。

−解決手段−
具体的に、本発明は、内燃機関の１サイクル中に、燃料噴射弁から、トルク発生のための燃料噴射であるメイン噴射と、このメイン噴射の実行後に行われる燃料噴射であるアフタ噴射とを含む複数回の燃料噴射が実行可能な圧縮自着火式の内燃機関の燃料噴射制御装置を前提とする。この内燃機関の燃料噴射制御装置に対し、上記メイン噴射の噴射量を、燃焼室内での燃焼に伴って発生するＳｏｏｔ量が予め設定されたＳｏｏｔ発生許容量以下となる量に設定する一方、アフタ噴射の噴射量を、上記メイン噴射で噴射された燃料の燃焼により発生するトルクと、内燃機関に要求されているトルクとの差である不足分のトルクを得るための量として設定している。また、アフタ噴射前噴霧占有体積算出手段、残存空気体積算出手段、アフタ噴射噴霧体積算出手段、アフタ噴射許可手段を備えさせている。アフタ噴射前噴霧占有体積算出手段は、上記アフタ噴射が実行されるまでに、このアフタ噴射と同一サイクル中に燃料噴射弁から噴射された燃料の噴霧が燃焼室内の空間を占有する体積である「アフタ噴射前噴霧占有体積」をクランク角度毎に算出する。残存空気体積算出手段は、各クランク角度毎に算出された「筒内容積」から、それに対応する各クランク角度毎の上記「アフタ噴射前噴霧占有体積」を減算することにより、クランク角度毎の「残存空気体積」を算出する。アフタ噴射噴霧体積算出手段は、各クランク角度毎に、そのクランク角度で上記アフタ噴射を実行したと仮定した場合のそれらアフタ噴射それぞれのアフタ噴射実行終了時におけるその燃料の噴霧が燃焼室内の空間を占有する体積である「アフタ噴射噴霧体積」をそれぞれ算出する。アフタ噴射許可手段は、上記残存空気体積算出手段により算出されたクランク角度の「残存空気体積」と上記アフタ噴射噴霧体積算出手段により算出された上記各仮定のアフタ噴射それぞれの「アフタ噴射噴霧体積」とを比較し、上記「残存空気体積」が上記「アフタ噴射噴霧体積」以上となる上記仮定されたアフタ噴射の実行タイミングでのアフタ噴射を許可する。

この特定事項により、メイン噴射の実行後に行われるアフタ噴射は、上記「残存空気体積」が上記「アフタ噴射噴霧体積」以上となるように許可される。このタイミングでアフタ噴射が実行されると、このアフタ噴射での噴霧の略全量が筒内の残存空気（上記「残存空気体積」の空気）を利用可能となる。つまり、アフタ噴射が実行されるまでに筒内に噴射された燃料の燃焼場の体積である上記「アフタ噴射前噴霧占有体積」の空間にアフタ噴射での噴霧が及ぶことがなく、このアフタ噴射で噴射された燃料の燃焼場での酸素不足は生じず、その結果、このアフタ噴射に起因するＳｏｏｔの発生は抑制されることになる。

また、メイン噴射で噴射された燃料に起因するＳｏｏｔ発生量を許容量以下に抑えながらも、アフタ噴射で噴射された燃料により発生するトルクによって、内燃機関に要求されているトルクを得ることができる。また、上述したように、アフタ噴射に起因するＳｏｏｔの発生は抑制されているため、内燃機関の性能の確保と排気エミッションの改善とを両立することが可能となる。

実際にアフタ噴射が実行されるタイミングとしては、上記メイン噴射の終了後に設定される燃料噴射禁止期間の経過後であって、上記「残存空気体積」が上記「アフタ噴射噴霧体積」以上となる上記仮定されたアフタ噴射の実行タイミングで実行される。つまり、燃料噴射弁の応答性（開閉動作の速さ）によって決定される上記燃料噴射禁止期間を考慮し、この燃料噴射禁止期間の経過後で、且つ「残存空気体積」が「アフタ噴射噴霧体積」以上となるタイミングでアフタ噴射が実行されることになる。

上記アフタ噴射によって噴射された燃料の燃焼場として具体的には以下のものが挙げられる。先ず、上記燃料噴射弁は、燃焼室内の中央部から外周部に向けて燃料を噴射するように配設され、上記アフタ噴射が実行されるまでに燃料噴射弁から噴射された燃料の噴霧が、燃焼室内の外周部において上記「アフタ噴射前噴霧占有体積」を有している一方、上記アフタ噴射として燃料噴射弁から噴射された燃料の噴霧は、燃焼室内の中央部において上記「アフタ噴射噴霧体積」を有している。

つまり、アフタ噴射が実行されるまでに噴射された燃料の燃焼場よりも燃焼室内の中央部に、アフタ噴射で噴射された燃料の燃焼場が存在することになり、この燃焼室内の中央部において上記「残存空気体積」が上記「アフタ噴射噴霧体積」以上になった時点でアフタ噴射が実行されることになる。

メイン噴射の終了後に発生する燃料圧力の変動を考慮した構成として以下のものが挙げられる。つまり、上記アフタ噴射噴霧体積算出手段が、メイン噴射の実行に伴う燃料圧力の変動に基づいて、上記各仮定されたアフタ噴射毎に上記「アフタ噴射噴霧体積」を算出する構成としている。

より具体的には、上記アフタ噴射噴霧体積算出手段が、上記メイン噴射の終了後において変動する燃料噴射弁内部の燃料圧力に基づいて、上記各仮定されたアフタ噴射毎に上記「アフタ噴射噴霧体積」を算出する構成としている。

メイン噴射の終了後に発生する燃料圧力の変動によりクランク角度毎の「アフタ噴射噴霧体積」も変動することになる。つまり、「残存空気体積」が「アフタ噴射噴霧体積」以上となる状態と、逆に「残存空気体積」が「アフタ噴射噴霧体積」未満となる状態とが交互に発生する可能性がある。そして、「残存空気体積」が「アフタ噴射噴霧体積」未満となる状態でアフタ噴射を実行してしまうと、このアフタ噴射で噴射された燃料が上記「アフタ噴射前噴霧占有体積」の空間に及んでしまってＳｏｏｔの発生量が増大してしまう可能性がある。このため、このように「アフタ噴射噴霧体積」が変動する状況においては、メイン噴射の終了後に発生する燃料圧力の変動を考慮して「アフタ噴射噴霧体積」を算出し、「残存空気体積」が「アフタ噴射噴霧体積」以上となるようにアフタ噴射を実行するようにしている。これにより、燃料圧力の変動が生じていてもアフタ噴射で噴射された燃料の燃焼場での酸素不足は生じないことになり、その結果、このアフタ噴射に起因するＳｏｏｔの発生は抑制されることになる。

本発明では、アフタ噴射が実行される前に筒内に噴射された燃料の燃焼に使用された空間の体積を求めておき、燃焼に未使用の空間の体積が、アフタ噴射が実行される場合の噴霧の体積以上となるタイミングでアフタ噴射を実行するようにしている。このため、アフタ噴射に起因するＳｏｏｔの発生を抑制することができる。

図１は、実施形態に係るエンジン及びその制御系統の概略構成を示す図である。図２は、ディーゼルエンジンの燃焼室及びその周辺部を示す断面図である。図３は、ＥＣＵ等の制御系の構成を示すブロック図である。図４は、燃焼室内での燃焼形態の概略を説明するための吸排気系及び燃焼室の模式図である。図５は、燃料噴射時における燃焼室及びその周辺部を示す断面図である。図６は、燃料噴射時における燃焼室の平面図である。図７は、第１実施形態におけるアフタ噴射実行タイミング制御の手順を示すフローチャート図である。図８（ａ）は、総燃料噴射量とＳｏｏｔ発生量との関係を示し、図８（ｂ）は、要求トルクとメイン及びアフタの各噴射における燃料噴射量との関係を示す図である。図９は、燃料噴射圧と噴霧体積との関係を示す図である。図１０は、第１実施形態における筒内容積、アフタ噴射前噴霧占有体積、残存空気体積、アフタ噴射噴霧体積の変化を示す図である。図１１は、第２実施形態におけるアフタ噴射実行タイミング制御の手順を示すフローチャート図である。図１２は、メイン噴射の実行に伴う燃料噴射圧力の変動状態を示す図である。図１３（ａ）は、第２実施形態における筒内容積、アフタ噴射前噴霧占有体積、残存空気体積、アフタ噴射噴霧体積の変化を示す図であり、図１３（ｂ）は、アフタ噴射の実行タイミングを説明するための残存空気体積及びアフタ噴射噴霧体積の変化を示す図である。

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−
先ず、本実施形態に係るディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）の概略構成について説明する。図１は本実施形態に係るエンジン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、本実施形態に係るエンジン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、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。上記エアフローメータ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。

また、この吸気系６には、燃焼室３内でのスワール流（水平方向の旋回流）を可変とするためのスワールコントロールバルブ６６が備えられている（図２参照）。具体的に、上記吸気ポート１５ａとしては、ノーマルポート及びスワールポートの２系統が各気筒毎に備えられており、そのうち図２に示されているノーマルポート１５ａに、開度調整可能なバタフライバルブで成るスワールコントロールバルブ６６が配置されている。このスワールコントロールバルブ６６には図示しないアクチュエータが連繋されており、このアクチュエータの駆動によって調整されるスワールコントロールバルブ６６の開度に応じてノーマルポート１５ａを通過する空気の流量が変更できるようになっている。そして、スワールコントロールバルブ６６の開度が大きいほど、ノーマルポート１５ａから気筒内に吸入される空気量が増加する。このため、スワールポート（図２では図示省略）により発生したスワールは相対的に弱まり、気筒内は低スワール（スワール流速が低い状態）となる。逆に、スワールコントロールバルブ６６の開度が小さいほど、ノーマルポート１５ａから気筒内に吸入される空気量が減少する。このため、スワールポートにより発生したスワールは相対的に強められ、気筒内は高スワール（スワール流速が高い状態）となる。

排気系７は、シリンダヘッド１５に形成された上記排気ポート７１に接続される排気マニホールド７２を備え、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：ＮＯｘＳｔｏｒａｇｅＲｅｄｕｃｔｉｏｎ触媒）７５及びＤＰＮＲ触媒（ＤｉｅｓｅｌＰａｔｉｃｕｌａｔｅ−ＮＯｘＲｅｄｕｃｔｉｏｎ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若しくは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。即ち、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成分の調整を上記燃料添加弁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。

尚、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へ空気を導入する上記吸気ポート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共に、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、本エンジン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。

更に、図１に示す如く、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及びコンプレッサホイール５３を備えている。コンプレッサホイール５３は吸気管６４内部に臨んで配置され、タービンホイール５２は排気管７３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ホイール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。本実施形態におけるターボチャージャ５は、可変ノズル式ターボチャージャであって、タービンホイール５２側に可変ノズルベーン機構（図示省略）が設けられており、この可変ノズルベーン機構の開度を調整することにより、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設けられた上記スロットルバルブ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。

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。

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、上記サプライポンプ２１、インジェクタ２３、燃料添加弁２６、スロットルバルブ６２、スワールコントロールバルブ６６、及び、ＥＧＲバルブ８１などが接続されている。また、出力インターフェース１０６には、その他に、上記ターボチャージャ５の可変ノズルベーン機構に備えられたアクチュエータ（図示省略）も接続されている。

そして、ＥＣＵ１００は、上記した各種センサからの出力、その出力値を利用する演算式により求められた演算値、または、上記ＲＯＭ１０２に記憶された各種マップに基づいて、エンジン１の各種制御を実行する。

例えば、ＥＣＵ１００は、エンジン１の運転状態に応じてＥＧＲバルブ８１の開度を制御し、吸気マニホールド６３に向けての排気還流量（ＥＧＲ量）を調整する。このＥＧＲ量は、上記ＲＯＭ１０２に予め記憶されたＥＧＲマップに従って設定される。具体的に、このＥＧＲマップは、エンジン回転数及びエンジン負荷をパラメータとしてＥＧＲ量（ＥＧＲ率）を決定するためのマップである。尚、このＥＧＲマップは、予め実験やシミュレーション等によって作成されたものとなっている。つまり、上記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たエンジン回転数及びスロットル開度センサ４２によって検出されたスロットルバルブ６２の開度（エンジン負荷に相当）とをＥＧＲマップに当て嵌めることでＥＧＲ量（ＥＧＲバルブ８１の開度）が得られるようになっている。

更に、ＥＣＵ１００は、上記スワールコントロールバルブ６６の開度制御を実行する。このスワールコントロールバルブ６６の開度制御としては、燃焼室３内に噴射された燃料の噴霧の単位時間当たり（または単位クランク回転角度当たり）における気筒内の周方向の移動量を変更するように行われる。

また、ＥＣＵ１００は、インジェクタ２３の燃料噴射制御として、パイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射（主噴射）、アフタ噴射（副噴射）、ポスト噴射等を実行する。

−燃料噴射形態−
以下、本実施形態における上記パイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射、アフタ噴射、ポスト噴射の各動作の概略について説明する。

（パイロット噴射）
パイロット噴射は、インジェクタ２３からのメイン噴射に先立ち、予め少量の燃料を噴射する動作である。つまり、このパイロット噴射の実行後、燃料噴射を一旦中断し、メイン噴射が開始されるまでの間に圧縮ガス温度（気筒内温度）を十分に高めて燃料の自着火温度に到達させるようにし、これによってメイン噴射で噴射される燃料の着火性を良好に確保するようにしている。即ち、この実施形態におけるパイロット噴射の機能は、気筒内の予熱に特化したものとなっている。言い換えれば、この実施形態におけるパイロット噴射は、燃焼室３内でのガスの予熱を行うための噴射動作（予熱用燃料の供給動作）となっている。

（プレ噴射）
プレ噴射は、インジェクタ２３からのメイン噴射に先立ち、予め少量の燃料を噴射する噴射動作である。プレ噴射は、メイン噴射による燃料の着火遅れを抑制し、安定した拡散燃焼に導くための噴射動作である。また、本実施形態におけるプレ噴射は、上述したメイン噴射による初期燃焼速度を抑制する機能ばかりでなく、気筒内温度を高める予熱機能をも有するものとなっている。これにより、メイン噴射による初期燃焼速度の抑制を確実に行って、安定した拡散燃焼に導くことができる。

（メイン噴射）
メイン噴射は、エンジン１のトルク発生のための噴射動作（トルク発生用燃料の供給動作）である。このメイン噴射での噴射量は、基本的には、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に応じ、要求トルクが得られるように決定される。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、それに応じてメイン噴射での燃料噴射量としても多く設定されることになる。

また、このメイン噴射での燃料噴射量は、燃焼室３内での混合気の燃焼によって発生するＳｏｏｔの発生量が所定の許容限界量以下となるように制限されている。このメイン噴射での燃料噴射量の制限については後述する。

（アフタ噴射）
アフタ噴射は、本実施形態において特徴とする燃料噴射動作である。詳しくは後述するが、エンジン１に要求されるトルクを得るための燃料噴射量の全てを上記メイン噴射で実行した場合に、Ｓｏｏｔの発生量が上記許容限界量を超えてしまう状況では排気エミッションの悪化を招いてしまう。このため、メイン噴射での燃料噴射量をＳｏｏｔが抑制される量（Ｓｏｏｔ発生量を許容限界量以下に抑えることができる燃料噴射量）に抑え、このメイン噴射で発生するトルクの不足分を補うための燃料噴射としてアフタ噴射が実行される。つまり、メイン噴射の実行後に所定の燃料噴射停止期間（インターバル）を経た後の所定タイミングでアフタ噴射を実行し、燃焼室３内での空気利用率を高めてＳｏｏｔの発生を抑制しながらも、このアフタ噴射で噴射された燃料の燃焼によってトルクを発生させ、上記メイン噴射での燃焼により発生するトルクの不足分を補って上記要求トルクが得られるようにしている。このアフタ噴射の噴射タイミング制御の詳細については後述する。

また、このアフタ噴射は、排気ガス温度を上昇させて各触媒７５，７６の温度を活性温度まで高める機能や、ＰＭ再生時にＤＰＮＲ触媒７６の温度をフィルタ再生温度まで上昇させる機能や、ＮＯｘ還元時に各触媒７５，７６に未燃燃料成分を供給する機能を必要に応じて発揮する。

（ポスト噴射）
ポスト噴射は、排気系７に燃料を直接的に導入して上記マニバータ７７の昇温を図るための噴射動作である。例えば、ＤＰＮＲ触媒７６に捕集されているＰＭの堆積量が所定量を超えた場合（例えばマニバータ７７の前後の差圧を検出することにより検知）、ポスト噴射が実行されるようになっている。

−燃料噴射圧−
上述した各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、即ち目標レール圧は、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。即ち、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。尚、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。尚、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。

上記パイロット噴射やメイン噴射などの燃料噴射パラメータについて、その最適値はエンジン運転状態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、即ち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に基づいてパイロット噴射やメイン噴射等における燃料噴射タイミングや燃料噴射量を決定する。

−燃焼形態の概略説明−
次に、本実施形態に係るエンジン１における燃焼室３内での燃焼形態の概略について説明する。

図４は、エンジン１の一つの気筒に対して吸気マニホールド６３及び吸気ポート１５ａを経てガス（空気）が吸入され、燃焼室３内へインジェクタ２３からの燃料噴射によって燃焼が行われると共に、その燃焼後のガスが排気ポート７１を経て排気マニホールド７２へ排出される様子を模式的に示した図である。

この図４に示すように、気筒内に吸入されるガスには、吸気管６４からスロットルバルブ６２を介して吸入された新気と、上記ＥＧＲバルブ８１が開弁された場合にＥＧＲ通路８から吸入されるＥＧＲガスとが含まれる。吸入される新気量（質量）と吸入されるＥＧＲガス量（質量）との和に対するＥＧＲガス量の割合（即ち、ＥＧＲ率）は、運転状態に応じて上記ＥＣＵ１００により適宜制御されるＥＧＲバルブ８１の開度に応じて変化する。

このようにして気筒内に吸入された新気及びＥＧＲガスは、吸気行程において開弁している吸気バルブ１６を介し、ピストン１３（図４では図示省略）の下降に伴って気筒内に吸入されて筒内ガスとなる。この筒内ガスは、エンジン１の運転状態に応じて決定されるバルブ閉弁時にて吸気バルブ１６が閉弁することにより筒内に密閉され（筒内ガスの閉じ込め状態）、その後の圧縮行程においてピストン１３の上昇に伴って圧縮される。そして、ピストン１３が上死点近傍に達すると、上述したＥＣＵ１００による噴射量制御によって所定時間だけインジェクタ２３が開弁されることで燃料を燃焼室３内に直接噴射する。具体的には、ピストン１３が上死点に達する前に上記パイロット噴射等が実行され、燃料噴射が一旦停止された後、所定のインターバルを経て、ピストン１３が上死点近傍に達した時点で上記メイン噴射が実行されることになる。また、このメイン噴射が実行された後、必要に応じて所定のインターバルを経て上記アフタ噴射やポスト噴射が行われる。

図５は、この燃料噴射（メイン噴射）時における燃焼室３及びその周辺部を示す断面図であり、図６は、この燃料噴射時における燃焼室３の平面図（ピストン１３の上面を示す図）である。図６に示すように、本実施形態に係るエンジン１のインジェクタ２３には、周方向に亘って等間隔に８個の噴孔が設けられており、これら噴孔からそれぞれ均等に燃料が噴射されるようになっている。尚、この噴孔数としては８個に限るものではない。

そして、この各噴孔から噴射された燃料の噴霧Ａ，Ａ，…は略円錐状に拡散していく。また、各噴孔からの燃料噴射（特に、メイン噴射）は、ピストン１３が圧縮上死点近傍に達した時点で行われるため、図５に示すように、各燃料の噴霧Ａ，Ａ，…は上記キャビティ１３ｂ内で拡散していくことになる。

このように、インジェクタ２３に形成されている各噴孔から噴射された燃料の噴霧Ａ，Ａ，…は、時間の経過に伴って筒内ガスと混ざり合いながら混合気となって筒内においてそれぞれ円錐状に拡散していき、自己着火によって燃焼する。つまり、この各燃料の噴霧Ａ，Ａ，…は、それぞれ筒内ガスと共に略円錐状の燃焼場を形成し、その燃焼場（本実施形態では８箇所の燃焼場）でそれぞれ燃焼が開始されることになる。

そして、この燃焼により発生したエネルギの大部分はピストン１３を下死点に向かって押し下げるための運動エネルギ（エンジン出力となるエネルギ）として得られる。

そして、燃焼後の筒内ガスは、排気行程において開弁する排気バルブ１７を介し、ピストン１３の上昇に伴って排気ポート７１及び排気マニホールド７２へ排出されて排ガスとなる。

−アフタ噴射実行タイミング制御−
次に、本実施形態の特徴とする動作であるアフタ噴射実行タイミング制御についての複数の実施形態を説明する。上述したように、エンジン１に要求されるトルク（要求トルク）を得るための燃料噴射量の全てをメイン噴射で実行した場合に許容限界量を超えるＳｏｏｔが発生する状況では、排気エミッションの悪化を招いてしまう。このため、メイン噴射での燃料噴射量をＳｏｏｔが抑制される量（Ｓｏｏｔ発生量を許容限界量以下に抑えることができる燃料噴射量）に抑え、このメイン噴射で発生するトルクの不足分を補うための燃料噴射としてアフタ噴射を実行する。

そして、本実施形態におけるアフタ噴射実行タイミング制御は、このアフタ噴射で噴射された燃料の燃焼によって要求トルクが得られるようにしながらも（メイン噴射で発生するトルクの不足分を補えるようにしながらも）、このアフタ噴射により燃焼室３内に噴射された燃料の燃焼に伴うＳｏｏｔの発生量を抑制（許容限界量以下に抑制）するためのものである。

（第１実施形態）
先ず、第１実施形態について説明する。この第１実施形態におけるアフタ噴射実行タイミング制御の概略について説明すると、先ず、アフタ噴射が実行されるまでの間に燃焼室３内に噴射された燃料（主にメイン噴射で噴射された燃料（上記パイロット噴射やプレ噴射が実行された場合には、これらで噴射された燃料も含む））が燃焼室３内において占有する体積（以下、「アフタ噴射前噴霧占有体積Ｖfuel」と呼ぶ）をクランク角度毎に算出する（アフタ噴射前噴霧占有体積算出手段による「アフタ噴射前噴霧占有体積Ｖfuel」の算出動作）。この「アフタ噴射前噴霧占有体積Ｖfuel」を有する噴霧は、インジェクタ２３から燃料が噴射された際のペネトーレーション（貫徹力）によって燃焼室３内（例えば上記キャビティ１３ｂ内）を外周側に向かって拡がっていく。つまり、この「アフタ噴射前噴霧占有体積Ｖfuel」を有する噴霧は、燃焼室３内の中央部ではなく、この燃焼室３内の比較的外周側の空間を占有することになる。

また、ピストン１３が圧縮上死点から下死点に向かって移動していくことに伴って大きくなっていく燃焼室３内の容積（以下、「筒内容積Ｖcyl（θ）」と呼ぶ）をクランク角度毎に算出する。

そして、上記「筒内容積Ｖcyl（θ）」から「アフタ噴射前噴霧占有体積Ｖfuel」を減算することで、燃焼室３内のうち未だ燃焼に寄与していない空気が存在する空間の体積（以下、「残存空気体積Ｖair（θ）」と呼ぶ）をクランク角度毎に算出する（残存空気体積算出手段による「残存空気体積Ｖair（θ）」の算出動作）。上述した如く「アフタ噴射前噴霧占有体積Ｖfuel」を有する噴霧は燃焼室３内の比較的外周側の空間を占有しているのに対し、この「残存空気体積Ｖair（θ）」を有する空気は燃焼室３内の中央部の空間を占有している。

更に、アフタ噴射を実行したと仮定した場合に、そのアフタ噴射の実行終了時（アフタ噴射の噴き終わり時）におけるこのアフタ噴射によって噴射された燃料の噴霧が燃焼室３内の空間を占有する体積（以下、「アフタ噴射噴霧体積Ｖafter」と呼ぶ）を算出する（アフタ噴射噴霧体積算出手段による「アフタ噴射噴霧体積Ｖafter」の算出動作）。そして、上記「残存空気体積Ｖair（θ）」と「アフタ噴射噴霧体積Ｖafter」とをクランク角度毎に比較していき、「残存空気体積Ｖair（θ）」が、「アフタ噴射噴霧体積Ｖafter」以上となるタイミングでインジェクタ２３からのアフタ噴射を実行するようにしている（アフタ噴射許可手段によるアフタ噴射の許可）。

以下、本実施形態におけるアフタ噴射実行タイミング制御について具体的に説明する。図７は、このアフタ噴射実行タイミング制御の手順を示すフローチャートである。このフローチャートは、各気筒の燃焼行程が実施される度に実行され、その燃焼行程でアフタ噴射が実施される場合にそのアフタ噴射実行タイミングを算出し、その算出結果に従ってアフタ噴射を実行するようになっている。

先ず、ステップＳＴ１において、アフタ噴射実行要求が有るか否かを判定する。このアフタ噴射実行要求は、上述した如く、エンジン１に要求されるトルクを得るための燃料噴射量の全てをメイン噴射で実行したと仮定した場合に、Ｓｏｏｔの発生量が許容限界量を超える状況にある場合に生じる。つまり、メイン噴射での燃料噴射量をＳｏｏｔ発生量が許容限界量以下となるように抑えたことに伴ってアフタ噴射実行要求が生じ、このアフタ噴射の実行により、メイン噴射で発生するトルクの不足分を補うことになる。

図８（ａ）は、総燃料噴射量とＳｏｏｔ発生量との関係を示し、図８（ｂ）は、要求トルクと、メイン噴射及びアフタ噴射それぞれの燃料噴射量との関係を示す図である。これらの図に示すように、総燃料噴射量の増加に伴って増加していくＳｏｏｔ発生量がＳｏｏｔ発生量許容限界付近にまで達すると、アフタ噴射が実行（アフタ噴射ＯＮ）されることになる。つまり、総燃料噴射量（上記筒内予熱のための燃料噴射量と上記要求トルクを得るための燃料噴射量との合算噴射量）が所定量（図中に破線で示す総燃料噴射量）を超えている場合には、メイン噴射での噴射量を一定量に抑え（Ｓｏｏｔ発生量がＳｏｏｔ発生量許容限界以下に抑えられるようにし：図８（ｂ）に一点鎖線で示すメイン噴射量を参照）、アフタ噴射を実行することで（図８（ｂ）に二点鎖線で示すアフタ噴射量を参照）、総燃料噴射量を確保してトルクの不足分を補うようにしている。

より具体的には、アフタ噴射の噴射タイミングはメイン噴射の噴射タイミングよりも遅角側に設定されるため、このアフタ噴射では、単位燃料噴射量に対するトルク発生量（トルクへの変換効率）がメイン噴射に比べて低下することになる。このため、上記要求トルクを得るために、アフタ噴射の噴射タイミングが遅角側に設定されるほど、このアフタ噴射での燃料噴射量は増量補正されることになる。つまり、総燃料噴射量としては、このアフタ噴射の増量補正分だけ増量されることになる。

アフタ噴射実行要求が無い場合、つまり、エンジン１に要求されるトルクを得るための燃料噴射量の全てをメイン噴射で実行した場合であってもＳｏｏｔの発生量が抑制できる（Ｓｏｏｔ発生量を許容限界以下に抑えることができる）場合には、ステップＳＴ１でＮＯ判定され、アフタ噴射を実行することなく、次の燃焼行程が実施されるまで（次に燃焼行程を迎える気筒のピストン１３が圧縮上死点近傍に達するまで）待機する。

アフタ噴射実行要求が有り、ステップＳＴ１でＹＥＳ判定された場合には、ステップＳＴ２に移り、上記アフタ噴射前噴霧占有体積Ｖfuelを算出する。このアフタ噴射前噴霧占有体積Ｖfuelは、上述したパイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射（以下、メイン噴射等と呼ぶ）のようにアフタ噴射が実行されるまでに燃焼室３内に噴射された燃料の噴霧（燃焼場）が燃焼室３内において占有する体積である。このアフタ噴射前噴霧占有体積Ｖfuelは、メイン噴射等で噴射された燃料がそのペネトーレーション（貫徹力）により、クランク角度が進むに従って燃焼室３内を外周側に向かって拡がっていく。尚、インジェクタ２３から噴射された燃料の噴霧は、燃焼室３内の中央部から外周部に向かって移動することになるが、この噴霧が燃焼室３内の中央部にある状態では、未だ燃焼は開始されておらず（可燃空燃比にはなっておらず）、この燃焼室３内の中央部に存在する空気（酸素）が消費されることはない。

上記アフタ噴射前噴霧占有体積Ｖfuelの算出手法として具体的には、例えば以下の式（１）〜式（４）（広安の式）が使用可能である。尚、式（１）及び式（２）はメイン噴射等で噴射された燃料の噴霧長さＳの算出式であり、式（１）は燃料噴射開始からの経過時間ｔが液滴分裂時間ｔ_bに達するまでの噴霧長さＳの算出式であって、式（２）は燃料噴射開始からの経過時間ｔが液滴分裂時間ｔ_bを経過した後における噴霧長さＳの算出式である。また、式（３）はメイン噴射等で噴射された燃料の噴霧角度θの算出式である。また、式（４）は上記式（１）〜式（３）により得られた噴霧長さＳ及び噴霧角度θを用いて噴霧体積Ｖ（上記アフタ噴射前噴霧占有体積Ｖfuelに相当）を算出する式である。

また、上記式（１）〜式（４）に代えて、図９に示す噴霧体積マップ（噴射圧に基づいて噴霧体積を求めるマップ）を上記ＲＯＭ１０２に記憶させておき、この噴霧体積マップからアフタ噴射前噴霧占有体積Ｖfuelを求めることも可能である。

このようにしてアフタ噴射前噴霧占有体積Ｖfuelを算出した後、ステップＳＴ３に移り、上記筒内容積Ｖcyl（θ）を算出する。この筒内容積Ｖcyl（θ）は、ピストン１３が圧縮上死点から下死点に向かって移動していくことに伴って次第に大きくなっていく。つまり、シリンダボア１２の内径寸法、及び、クランクシャフトの単位クランク角度回転毎におけるピストン１３の移動距離（下死点に向かって移動していく距離）をエンジン諸元から求め、これにより、クランク角度毎の筒内容積Ｖcyl（θ）を算出することができる。

図１０は、筒内容積Ｖcyl（θ）、アフタ噴射前噴霧占有体積Ｖfuel、残存空気体積Ｖair（θ）、アフタ噴射噴霧体積Ｖafterの変化を示す図である。この図１０では、クランク角度に対する筒内容積Ｖcyl（θ）、アフタ噴射前噴霧占有体積Ｖfuel、残存空気体積Ｖair（θ）、アフタ噴射噴霧体積Ｖafterの変化を示している。

この図１０からも判るように、筒内容積Ｖcyl（θ）はピストン１３の圧縮上死点（ＴＤＣ）では最も小さく、ピストン１３が下死点に向かって移動していくに従って（クランク角度が進んでいくに従って）次第に大きくなっていく。

以上のようにしてアフタ噴射前噴霧占有体積Ｖfuel及び筒内容積Ｖcyl（θ）を算出した後、ステップＳＴ４に移り、上記筒内容積Ｖcyl（θ）からアフタ噴射前噴霧占有体積Ｖfuelを減算することで（Ｖcyl（θ）−Ｖfuel）、残存空気体積Ｖair（θ）を算出する。この残存空気体積Ｖair（θ）は、上記メイン噴射等で噴射された燃料の燃焼に寄与していない空気が残存する空間の体積である。

図１０からも判るように、この残存空気体積Ｖair（θ）は、ピストン１３が下死点に向かって移動していくに従って、つまり上記筒内容積Ｖcyl（θ）が大きくなっていくに従って次第に大きくなっていく。また、上述した如く、アフタ噴射前噴霧体積Ｖfuelを有する噴霧が燃焼室３内の比較的外周側の空間を占有していることに伴い、この残存空気体積Ｖair（θ）を有する空気は燃焼室３内の中央部の空間を占有している。

また、ステップＳＴ５では、アフタ噴射噴霧体積Ｖafterを算出する。このアフタ噴射噴霧体積Ｖafterは、アフタ噴射を実行したと仮定した場合に、そのアフタ噴射の実行終了時（アフタ噴射の噴き終わり時）におけるこのアフタ噴射によって噴射された燃料の噴霧が燃焼室３内の空間を占有する体積であり、各クランク角度毎に、そのクランク角度でアフタ噴射を実行したと仮定した場合のそれぞれのアフタ噴射実行終了時におけるその燃料の噴霧が燃焼室内の空間を占有する体積である。このアフタ噴射噴霧体積Ｖafterも上記式（１）〜式（４）から算出することが可能である。

このアフタ噴射で噴射される燃料はペネトーレーション（貫徹力）が比較的小さいため（メイン噴射での噴射量に比べて噴射量が少ないためペネトーレーションは小さくなっている）、燃焼室３内の中央部に存在することになる。つまり、上記残存空気体積Ｖair（θ）を有する空気が存在している空間と略重なり合うようにアフタ噴射での燃料が供給されることになる。

そして、ステップＳＴ６では、アフタ噴射の噴射時期を算出する。具体的には、上記ステップＳＴ４で算出された残存空気体積Ｖair（θ）が上記ステップＳＴ５で算出されたアフタ噴射噴霧体積Ｖafter以上となるように（Ｖair（θ）≧Ｖafter）、アフタ噴射の噴射時期を算出する。図１０にあっては、ピストン１３の圧縮上死点（ＴＤＣ）からクランク角度が進むに従って拡大していく残存空気体積Ｖair（θ）がアフタ噴射噴霧体積Ｖafterに一致するように（図中のタイミングＴ１）、アフタ噴射の噴射時期が求められることになる。

より具体的には、アフタ噴射は、メイン噴射の実行後に所定インターバル（インジェクタ２３の応答性（開閉動作の速さ）によって決定されるインターバル（燃料噴射禁止期間））を経過した後に実行されるため、このアフタ噴射の噴射時期としては、このインターバルの経過後であって、且つ残存空気体積Ｖair（θ）がアフタ噴射噴霧体積Ｖafter以上となるタイミングとして算出される。言い換えると、上記所定インターバルを経過した時点、及び、残存空気体積Ｖair（θ）がアフタ噴射噴霧体積Ｖafter以上となる噴射タイミングのうちの遅い方の時点としてアフタ噴射の噴射時期は算出されることになる。

このようにしてアフタ噴射の噴射時期を算出した後、ステップＳＴ７では、現在のクランク回転角度がアフタ噴射の噴射時期（ステップＳＴ６で算出されたアフタ噴射の噴射時期）となったか否かを判定する。未だクランク回転角度がアフタ噴射の噴射時期に達しておらずステップＳＴ７でＮＯ判定された場合には、クランク回転角度がアフタ噴射の噴射時期に達するのを待つ。そして、クランク回転角度がアフタ噴射の噴射時期に達し、ステップＳＴ７でＹＥＳ判定されると、ステップＳＴ８に移り、アフタ噴射を実行する。

以上のような動作が各気筒の燃焼行程毎に実行されていく。

このようにしてアフタ噴射の噴射時期が設定されるため、アフタ噴射での噴霧の略全量が筒内の残存空気（上記「残存空気体積Ｖair（θ）」の空気）を利用可能となる。つまり、アフタ噴射が実行されるまでに筒内に噴射された燃料の燃焼場の体積である上記「アフタ噴射前噴霧占有体積Ｖfuel」の空間にアフタ噴射での噴霧が及ぶことがなく、このアフタ噴射で噴射された燃料の燃焼場での酸素不足は生じず、このアフタ噴射に起因するＳｏｏｔの発生は抑制されることになる。その結果、アフタ噴射で噴射された燃料により発生するトルクによって、上記要求トルクを得ることができ、且つメイン噴射及びアフタ噴射に起因するＳｏｏｔの発生は抑制されて排気エミッションの改善を図ることができる。

また、上述した如く、上記所定インターバルの経過後であって、且つ残存空気体積Ｖair（θ）がアフタ噴射噴霧体積Ｖafter以上となるようにアフタ噴射の噴射時期は算出される。つまり、これら両条件が成立する期間の最も進角側でアフタ噴射は実行される。このため、アフタ噴射における単位燃料噴射量に対するトルク発生量（トルクへの変換効率）を高く確保することができ、アフタ噴射の実行による燃料消費率の悪化を最小限に抑えることができる。尚、本発明の技術的思想は、これに限定されるものではなく、残存空気体積Ｖair（θ）がアフタ噴射噴霧体積Ｖafter以上となる期間にアフタ噴射を実行すればＳｏｏｔ発生量の低減効果を得ることができるので、この期間の何れのタイミングでアフタ噴射が実行されても本発明の技術的思想の範疇に含まれる。

尚、アフタ噴射での噴射量が比較的多く設定された場合（メイン噴射での噴射量が大きく制限されたことに伴ってアフタ噴射での噴射量が多く設定された場合）、１回のアフタ噴射で、その噴射量を噴射した場合には燃料のペネトーレーションが大きくなり、既に燃焼に使用された空間（燃焼室１３内の外周側の空間）にアフタ噴射の噴霧が及んでしまう可能性がある。つまり、上記残存空気体積Ｖair（θ）がアフタ噴射噴霧体積Ｖafter（１回のアフタ噴射を実行した場合のアフタ噴射噴霧体積Ｖafter）以上にならない可能性がある。このため、この場合には、アフタ噴射を複数回の分割噴射（以下、それぞれを「分割アフタ噴射」と呼ぶ）とし、これら分割アフタ噴射の噴射タイミングを上述したアフタ噴射実行タイミング制御によって設定することになる。例えば、２回の分割アフタ噴射が実行される場合、第２回目の分割アフタ噴射の噴射タイミングを設定するに当たっては、第１回目の分割アフタ噴射で噴射された燃料の噴霧の体積を上記アフタ噴射前噴霧占有体積Ｖfuelとして扱って第２回目の分割アフタ噴射の噴射タイミングを設定することになる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について説明する。この第２実施形態におけるアフタ噴射実行タイミング制御では、メイン噴射の実行に伴う燃料噴射圧力の変動（脈動）を考慮してアフタ噴射実行タイミングを設定するようにしている。

この第２実施形態におけるアフタ噴射実行タイミング制御の概略について説明すると、上述した第１実施形態の場合と同様に、上記「アフタ噴射前噴霧占有体積Ｖfuel」、「筒内容積Ｖcyl（θ）」、「残存空気体積Ｖair（θ）」をクランク角度毎に算出する。また、メイン噴射の実行に伴う燃料噴射圧力の変動を考慮して「燃料噴射圧力Ｐcyl（θ）」をクランク角度毎に算出する。そして、この「燃料噴射圧力Ｐcyl（θ）」に基づき、アフタ噴射を実行したと仮定した場合に、そのアフタ噴射の実行終了時（アフタ噴射の噴き終わり時）におけるこのアフタ噴射によって噴射された燃料の噴霧が燃焼室３内の空間を占有する体積である「アフタ噴射噴霧体積Ｖafter」を算出し、上記「残存空気体積Ｖair（θ）」が、上記「アフタ噴射噴霧体積Ｖafter」以上となるようにインジェクタ２３からのアフタ噴射を実行するようにしている。

以下、本実施形態におけるアフタ噴射実行タイミング制御について具体的に説明する。図１１は、このアフタ噴射実行タイミング制御の手順を示すフローチャートである。このフローチャートも、各気筒の燃焼行程が実施される度に実行され、その燃焼行程でアフタ噴射が実施される場合にそのアフタ噴射実行タイミングを算出し、その算出結果に従ってアフタ噴射を実行するようになっている。

ステップＳＴ１の判定動作（アフタ噴射実行要求が有るか否かの判定動作）、ステップＳＴ２〜ステップＳＴ４の算出動作（アフタ噴射前噴霧占有体積Ｖfuelの算出動作、筒内容積Ｖcyl（θ）の算出動作、残存空気体積Ｖair（θ）の算出動作）は、上述した第１実施形態のものと同様であるため、ここでの説明は省略する。

ステップＳＴ１０では、メイン噴射の実行に伴う燃料噴射圧力の変動を考慮して「燃料噴射圧力Ｐcyl（θ）」をクランク角度毎に算出する。

図１２は、メイン噴射の実行に伴う燃料噴射圧力の変動（脈動）状態の一例を示している。この図１２に示すように、インジェクタ２３内のニードルの後退移動によって噴孔が開放されてメイン噴射が行われている状態からニードルの前進移動によって噴孔が閉鎖（インジェクタ閉弁）されて燃料噴射が停止されると、インジェクタ２３内の燃料に圧力変動が生じる。この圧力変動は、上記目標レール圧（指令噴射圧）を中心圧として上昇及び下降を繰り返し、時間の経過に伴って上記目標レール圧に収束していくことになる。このため、燃料圧力が目標レール圧よりも高くなっているタイミングでアフタ噴射が行われると、アフタ噴射噴霧体積Ｖafterは規定量（目標レール圧で噴射した場合の噴霧体積）よりも大きくなる。逆に、燃料圧力が目標レール圧よりも低くなっているタイミングでアフタ噴射が行われると、アフタ噴射噴霧体積Ｖafterは規定量よりも小さくなる。

図１３（ａ）は、本実施形態における筒内容積Ｖcyl（θ）、アフタ噴射前噴霧占有体積Ｖfuel、残存空気体積Ｖair（θ）、アフタ噴射噴霧体積Ｖafterの変化を示す図である。また、図１３（ｂ）は、メイン噴射の終了直後の所定期間における残存空気体積Ｖair（θ）及びアフタ噴射噴霧体積Ｖafterの変化を拡大して示す図である。この図１３に示すように、メイン噴射の終了直後の所定期間にあっては、燃料圧力の変動により、アフタ噴射噴霧体積Ｖafterが残存空気体積Ｖair（θ）に対して大きくなる状態と小さくなる状態とが繰り返されることになる。

ステップＳＴ５では、このような燃料圧力の変動を考慮し、アフタ噴射噴霧体積Ｖafterを算出する。つまり、アフタ噴射を実行したと仮定した場合に、そのアフタ噴射の実行終了時（アフタ噴射の噴き終わり時）におけるこのアフタ噴射によって噴射された燃料が燃焼室３内の空間を占有する体積としてアフタ噴射噴霧体積Ｖafterを算出する。より具体的には、インジェクタ２３の内部に圧力センサを設置し、このインジェクタ２３の内部、つまり、燃料圧力を圧力センサによってモニタする。そして、クランク角度毎に取得される燃料圧力に基づいて、上記式（１）〜式（４）からアフタ噴射噴霧体積Ｖafterを求める。

そして、ステップＳＴ６では、アフタ噴射の噴射時期を算出する。具体的には、上記残存空気体積Ｖair（θ）が上記アフタ噴射噴霧体積Ｖafter以上となるように（Ｖair（θ）≧Ｖafter）、アフタ噴射の噴射時期を算出する。図１３（ｂ）にあっては、ピストン１３の圧縮上死点（ＴＤＣ）からクランク角度が進むに従って拡大していく残存空気体積Ｖair（θ）がアフタ噴射噴霧体積Ｖafterに一致するように（図中のタイミングＴ２）、アフタ噴射の噴射時期が求められることになる。

より具体的には、上述した如く、アフタ噴射は、メイン噴射の実行後に所定インターバル（インジェクタ２３の応答性（開閉動作の速さ）によって決定されるインターバル（燃料噴射禁止期間））を経過した後に実行されるため、このアフタ噴射の噴射時期としては、このインターバルの経過後であって、且つ残存空気体積Ｖair（θ）がアフタ噴射噴霧体積Ｖafter以上となるタイミングとして算出される。言い換えると、上記所定インターバルを経過した時点、及び、残存空気体積Ｖair（θ）がアフタ噴射噴霧体積Ｖafter以上となる噴射タイミングのうちの遅い方の時点としてアフタ噴射の噴射時期は算出されることになる。例えば、図１３（ｂ）において燃料噴射禁止期間の終了時点が図中のタイミングＴ２よりも進角側（ＴＤＣ側）であった場合には、図中のタイミングＴ２がアフタ噴射の噴射時期として求められるのに対し、燃料噴射禁止期間の終了時点が図中のタイミングＴ３であった場合には、図中のタイミングＴ４がアフタ噴射の噴射時期として求められることになる。

このようにしてアフタ噴射の噴射時期が設定されるため、本実施形態にあっても、アフタ噴射での噴霧の略全量が筒内の残存空気（上記「残存空気体積Ｖair（θ）」の空気）を利用可能となる。つまり、アフタ噴射が実行されるまでに筒内に噴射された燃料の燃焼場の体積である上記「アフタ噴射前噴霧占有体積Ｖfuel」の空間にアフタ噴射での噴霧が及ぶことがなく、このアフタ噴射で噴射された燃料の燃焼場での酸素不足は生じず、このアフタ噴射に起因するＳｏｏｔの発生は抑制されることになる。その結果、アフタ噴射で噴射された燃料により発生するトルクによって、上記要求トルクを得ることができ、且つメイン噴射及びアフタ噴射に起因するＳｏｏｔの発生は抑制されて排気エミッションの改善を図ることができる。

また、本実施形態では、メイン噴射の実行に伴う燃料噴射圧力の変動（脈動）を考慮しているため、よりいっそう高い精度でアフタ噴射噴霧体積Ｖafterを算出することが可能になり、Ｓｏｏｔの発生の抑制に加えて、燃料の壁面付着（シリンダボア壁面への付着）を確実に防止することもできる。

また、本実施形態にあっても、上記所定インターバルの経過後であって、且つ残存空気体積Ｖair（θ）がアフタ噴射噴霧体積Ｖafter以上となるようにアフタ噴射の噴射時期は算出される。このため、アフタ噴射における単位燃料噴射量に対するトルク発生量（トルクへの変換効率）を高く確保することができ、アフタ噴射の実行による燃料消費率の悪化を最小限に抑えることができる。

尚、本実施形態にあっても、アフタ噴射を複数回に分割する場合には、各分割アフタ噴射の噴射タイミングを上述したアフタ噴射実行タイミング制御によって設定することになる。この場合も、２回の分割アフタ噴射が実行される場合、第２回目の分割アフタ噴射の噴射タイミングを設定するに当たっては、第１回目の分割アフタ噴射で噴射された燃料の噴霧の体積を上記アフタ噴射前噴霧占有体積Ｖfuelとして扱って第２回目の分割アフタ噴射の噴射タイミングを設定することになる。

−他の実施形態−
以上説明した各実施形態では、自動車に搭載される直列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、自動車用に限らず、その他の用途に使用されるエンジンにも適用可能である。また、気筒数やエンジン形式（直列型エンジン、Ｖ型エンジン等の別）についても特に限定されるものではない。

また、上記各実施形態では、マニバータ７７として、ＮＳＲ触媒７５及びＤＰＮＲ触媒７６を備えたものとしたが、ＮＳＲ触媒７５及びＤＰＦ（ＤｉｅｓｅｌＰａｔｉｃｕｌａｔｅＦｉｌｔｅｒ）を備えたものとしてもよい。

また、上記各実施形態では、エンジン１の燃焼行程において各フローチャート（第１実施形態における図７、第２実施形態における図１１）のルーチンを実行するようにしていた。本発明は、これに限らず、予め上記ＲＯＭ１０２に記憶された制御マップのマップ値に従ってアフタ噴射の噴射タイミングを設定するようにしてもよい。例えば、アフタ噴射前噴霧占有体積Ｖfuel、筒内容積Ｖcyl（θ）、残存空気体積Ｖair（θ）、アフタ噴射噴霧体積Ｖafterを、エンジン１の諸元やエンジン回転数等のパラメータに従って求める各種マップを上記ＲＯＭ１０２に記憶させておき、エンジン１の運転状態等から各マップ値を読み出してアフタ噴射の噴射タイミングを設定するようにしたものである。

また、上記第２実施形態では、圧力センサによってインジェクタ２３の内部圧力を検出するようにしたが、上記レール圧センサ４１によって検出されたレール内圧によってインジェクタ２３の内部圧力を推定してアフタ噴射噴霧体積Ｖafterを算出するようにしてもよい。または、メイン噴射実行時における燃料噴射圧力と、このメイン噴射での開弁期間とをパラメータとする燃料噴射圧力マップ（変動する燃料噴射圧力の値をクランク角度毎に取得可能なマップ）を上記ＲＯＭ１０２に記憶させておき、この燃料噴射圧力マップから各クランク角度毎の燃料噴射圧力を取得するようにしてもよい。

更に、上記各実施形態では、アフタ噴射前噴霧占有体積Ｖfuelを、燃焼室３内の外周部を占有する体積とし、残存空気体積Ｖair（θ）及びアフタ噴射噴霧体積Ｖafterを、燃焼室３内の中央部を占有する体積として説明した。本発明はこれに限らず、メイン噴射等で噴射された燃料の噴霧が燃焼室３内のスワール流によって周方向に流れる場合に、各噴霧同士の間の空間（上記実施形態の場合には８箇所に生成される噴霧同士の間の空間）を残存空気体積Ｖair（θ）及びアフタ噴射噴霧体積Ｖafterが占有するものとして扱うようにしてもよい。

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、要求トルクが達成でき、且つＳｏｏｔ発生量を許容量以下に抑えることを可能にするアフタ噴射の噴射タイミング制御に適用することが可能である。

１エンジン（内燃機関）
１３ｂキャビティ
２３インジェクタ（燃料噴射弁）
３燃焼室
１００ＥＣＵ
Ｖfuel アフタ噴射前噴霧占有体積
Ｖcyl（θ）筒内容積
Ｖair（θ）残存空気体積
Ｖafter アフタ噴射噴霧体積

Claims

内燃機関の１サイクル中に、燃料噴射弁から、トルク発生のための燃料噴射であるメイン噴射と、このメイン噴射の実行後に行われる燃料噴射であるアフタ噴射とを含む複数回の燃料噴射が実行可能な圧縮自着火式の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
上記メイン噴射の噴射量は、燃焼室内での燃焼に伴って発生するＳｏｏｔ量が予め設定されたＳｏｏｔ発生許容量以下となる量に設定されている一方、アフタ噴射の噴射量は、上記メイン噴射で噴射された燃料の燃焼により発生するトルクと、内燃機関に要求されているトルクとの差である不足分のトルクを得るための量として設定されており、
上記アフタ噴射が実行されるまでに、このアフタ噴射と同一サイクル中に燃料噴射弁から噴射された燃料の噴霧が燃焼室内の空間を占有する体積である「アフタ噴射前噴霧占有体積」をクランク角度毎に算出するアフタ噴射前噴霧占有体積算出手段と、
各クランク角度毎に算出された「筒内容積」から、それに対応する各クランク角度毎の上記「アフタ噴射前噴霧占有体積」を減算することにより、クランク角度毎の「残存空気体積」を算出する残存空気体積算出手段と、
各クランク角度毎に、そのクランク角度で上記アフタ噴射を実行したと仮定した場合のそれらアフタ噴射それぞれのアフタ噴射実行終了時におけるその燃料の噴霧が燃焼室内の空間を占有する体積である「アフタ噴射噴霧体積」をそれぞれ算出するアフタ噴射噴霧体積算出手段と、
上記残存空気体積算出手段により算出されたクランク角度毎の「残存空気体積」と上記アフタ噴射噴霧体積算出手段により算出された上記各仮定のアフタ噴射それぞれの「アフタ噴射噴霧体積」とを比較し、上記「残存空気体積」が上記「アフタ噴射噴霧体積」以上となる上記仮定されたアフタ噴射の実行タイミングでのアフタ噴射を許可するアフタ噴射許可手段とを備えていることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
請求項１記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
上記アフタ噴射は、上記メイン噴射の終了後に設定される燃料噴射禁止期間の経過後であって、上記「残存空気体積」が上記「アフタ噴射噴霧体積」以上となる上記仮定されたアフタ噴射の実行タイミングで実行されるよう構成されていることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
請求項１記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
上記燃料噴射弁は、燃焼室内の中央部から外周部に向けて燃料を噴射するようになっており、
上記アフタ噴射が実行されるまでに燃料噴射弁から噴射された燃料の噴霧は、燃焼室内の外周部において上記「アフタ噴射前噴霧占有体積」を有している一方、上記アフタ噴射として燃料噴射弁から噴射された燃料の噴霧は、燃焼室内の中央部において上記「アフタ噴射噴霧体積」を有していることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
請求項１記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
上記アフタ噴射噴霧体積算出手段は、上記メイン噴射の実行に伴う燃料圧力の変動に基づいて、上記各仮定されたアフタ噴射毎に上記「アフタ噴射噴霧体積」を算出する構成とされていることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
請求項４記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
上記アフタ噴射噴霧体積算出手段は、上記メイン噴射の終了後において変動する燃料噴射弁内部の燃料圧力に基づいて、上記各仮定されたアフタ噴射毎に上記「アフタ噴射噴霧体積」を算出する構成とされていることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。