JP6414156B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の制御装置に関するものである。

燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を備えた圧縮自着火式の内燃機関において、燃焼室で発生するスモークの量を低減する技術が種々提案されている。
例えば、特許文献１に記載の装置では、そうした圧縮自着火式の内燃機関であるディーゼルエンジンの吸排気系に可変容量型の過給機を備えるようにしている。こうした可変容量型の過給機には、タービンホイールに吹き付けられる直前の排気が通過する排気流路に可動ベーンが取り付けられている。この可動ベーンの開度を変更すると、タービンホイールに吹き付けられる排気の流速が変化して吸気の過給圧が変化するため、燃焼室内に流入する空気の量が変化する。

そこで、同文献１に記載の装置では、燃料噴射量とセンサで検出された吸入空気量とに基づいて燃焼室内の実空燃比を算出し、この算出された実空燃比が、スモークの発生しやすい空燃比となっているときには、可動ベーンの開度を調整して燃焼室内に流入する空気の量を増やすことにより、スモークの発生量を減少させている。

特開２００２−１１５５５４号公報

ところで、上記文献１に記載の装置は、燃焼室全体における平均空燃比を算出している。しかし、燃焼室内では局所的な空燃比が平均空燃比よりも低くなることがある。例えば燃焼室内を流れる気流の勢いが弱いときなどには、燃焼室内で燃料が燃焼する燃焼場へと流入する空気の量が減少することにより、燃焼場の空燃比が平均空燃比よりも低くなることがある。この場合には、燃焼場の酸素量が少なくなるため、燃焼場においてスモークの発生量が多くなるおそれがある。

この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃焼場の酸素不足に起因して発生するスモークの量を低減することのできる内燃機関の制御装置を提供することにある。

上記課題を解決する内燃機関の制御装置は、可動ベーンを有する可変容量型の過給機と、燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁とを備える圧縮自着火式の内燃機関に適用される制御装置である。そして、この制御装置は、前記可動ベーンの開度を調整することにより吸気の過給圧を制御する過給圧制御部と、前記燃料噴射弁から噴射された燃料の燃焼場の空燃比である局所空燃比を算出する局所空燃比算出部と、前記局所空燃比が予め定められた要求空燃比よりもリッチな空燃比であるか否かを判定する空燃比判定部と、前記空燃比判定部によって前記局所空燃比が前記要求空燃比よりもリッチな空燃比であると判定されるときには前記過給圧を増大させる過給圧変更部と、を備えている。

同構成では、燃焼場の空燃比である局所空燃比を求めるようにしており、この局所空燃比が予め定められた要求空燃比よりもリッチな空燃比となっており、燃焼場においてスモークが多く発生する可能性があるときには、過給機によって過給される吸気の過給圧が増大される。このようにして過給圧が増大されると、燃焼室内に流入する空気の量が増えることによって燃焼場の酸素量も増大するため、燃焼場の酸素不足に起因して発生するスモークの量を低減することができる。なお、同構成の上記要求空燃比としては、燃焼場でのスモークの発生量を許容可能な量にまで抑えることのできる空燃比を設定することが好ましい。

また、上記制御装置において、前記過給圧制御部は、機関運転状態に基づいて設定される目標過給圧となるように前記過給圧を制御するとともに、前記過給圧変更部は、前記局所空燃比が前記要求空燃比となっているときの前記燃焼場の酸素量を要求酸素量としたときに、前記燃焼場の酸素量が前記要求酸素量となるように前記目標過給圧を変更することが好ましい。

同構成によれば、上記空燃比判定部によって局所空燃比が要求空燃比よりもリッチな空燃比であると判定される場合、つまり燃焼場の酸素量が上記要求酸素量に対して不足した状態になっている場合には、燃焼場の酸素量が要求酸素量となるように目標過給圧が変更される。このように不足している酸素量を補うために目標過給圧が変更されると、その変更後の目標過給圧は、酸素量が不足していると判定されたときの目標過給圧よりも高い値になるため、過給圧は増大するようになる。そしてこの過給圧の増大時には、燃焼場の酸素不足に応じた分だけ過給圧は増大されるため、燃焼場の酸素不足を適切に補うことができる。

燃料が燃焼する上記燃焼場の容積は、燃料噴射弁から噴射された燃料の噴霧到達距離や、噴射された燃料が燃焼を開始するときのピストン位置によって変化する。また、燃料が燃焼を開始するときのピストン位置は、燃料の噴射時期が関係している。そのため、燃焼場の容積は、燃料の噴霧到達距離及び燃料の噴射時期に基づいて求めることができる。また、そうして求められる燃焼場の容積内における空気の量である燃焼場空気量は、燃焼室内に入る空気の量が多いときほど多くなるため、燃焼室内に入る空気の量に基づいて求めることができる。そして、その求められた上記燃焼場空気量と燃焼場に噴射される燃料の量との比率を算出することにより、上記局所空燃比を算出することが可能である。

そこで、上記制御装置において、前記内燃機関の吸気通路には、燃焼室内に入る空気の量を検出する吸入空気量センサが設けられており、前記局所空燃比算出部は、前記燃焼場に噴射される燃料の噴霧到達距離及び燃料の噴射時期に基づいて前記燃焼場の容積を算出するとともに、前記容積内の空気量である燃焼場空気量を前記吸入空気量センサによって検出される前記空気の量に基づいて算出し、前記燃焼場に噴射される燃料の量に対する前記燃焼場空気量の比率を算出することにより前記局所空燃比を算出する、という構成を採用することにより、上記局所空燃比を求めることができる。

また、上記制御装置において、当該制御装置は、前記燃料噴射弁の燃料噴射パターンとして多段噴射を実行するとともに、前記局所空燃比算出部が算出する前記局所空燃比が、前記多段噴射のうちで最も噴射量の多いメイン噴射の実行時における前記燃焼場の空燃比であり、前記空燃比判定部によって前記局所空燃比が前記要求空燃比よりもリッチな空燃比であると判定されるときには、前記過給圧変更部による前記過給圧の増大が不可能な状態か否かを判定する増大判定部と、前記増大判定部によって前記過給圧の増大が不可能な状態であると判定されるときには、前記メイン噴射を単噴射から分割噴射に変更する分割噴射部と、を備えるようにしてもよい。

同構成によれば、スモークの発生量を抑えるための過給圧の増大が不可能なときには、メイン噴射の分割噴射が行われる。このようにしてメイン噴射の分割噴射が行われると、その分割噴射で最初に噴射された燃料が燃焼することにより燃焼室内の温度が高まる。そのため、分割噴射で次に噴射された燃料は、燃料噴射弁からの噴射後、速やかに燃焼するようになる。従って、分割噴射で最初に噴射された燃料と比較して、次に噴射された燃料は燃料噴射弁に近い位置で燃焼するようになり、最初に噴射された燃料の燃焼場と、次に噴射された燃料の燃焼場とは異なるようになる。そのため、分割噴射された燃料は、それぞれ十分な酸素量が確保されている領域で燃焼するようになり、これにより燃焼場の酸素不足に起因して発生するスモークの量を低減することができる。

内燃機関の制御装置の一実施形態について、これが適用される内燃機関及びその周辺構成を示す概略図。 同実施形態の内燃機関に設けられたピストンの頂面の形状を示す断面図。 同実施形態の内燃機関において、燃料噴射が行われたときの燃料噴霧の状態を示すキャビティの平面図。 １つの噴射孔から噴射された燃料の噴霧状態を示す模式図。 同実施形態の内燃機関において、燃料噴射が行われたときの燃料噴霧の状態を示す燃焼室の部分断面図。 同実施形態の内燃機関において、燃料噴射が行われたときの燃料噴霧の状態を示す燃焼室の部分断面図。 同実施形態の内燃機関において、燃料噴射が行われたときの燃料噴霧の状態を示す燃焼室の部分断面図。 同実施形態の内燃機関において、燃料噴射が行われたときの燃料噴霧の状態を示す燃焼室の部分断面図。 同実施形態において過給圧制御を行うための処理手順を示すフローチャート。 同実施形態においてスモークの発生量を低減するために実行される一連の処理手順を示すフローチャート。 局所空燃比とスモーク発生量との関係を示すグラフ。 同実施形態において局所空燃比を算出するための処理手順を示すフローチャート。 同実施形態において過給圧を増大させるための処理手順を示すフローチャート。 同実施形態においてメイン噴射を分割して実施するための処理手順を示すフローチャート。 同実施形態における第２メイン噴射量及び第３メイン噴射量の設定態様を示すグラフ。

以下、内燃機関の制御装置を具体化した一実施形態について、図１〜図１５を参照して説明する。
図１に、本実施形態の制御装置が適用された圧縮自着火式の内燃機関であるディーゼルエンジン（以下、単に「エンジン」という）及び同エンジンの周辺構成を示す。

エンジン１には複数の気筒７０が設けられている。シリンダヘッド２には、各気筒７０毎に設けられた燃料噴射弁４が取り付けられている。燃料噴射弁４には、燃料を噴射する噴射孔が複数設けられており、各噴射孔から気筒７０内の燃焼室７１に向けて燃料が噴射される。また、シリンダヘッド２には、新気を燃焼室７１に導入するための吸気ポートや、燃焼ガスを燃焼室７１から排出するための排気ポート６が設けられている。

各燃料噴射弁４は、高圧燃料を蓄圧するコモンレール９に接続されている。コモンレール９はサプライポンプ１０に接続されている。サプライポンプ１０は燃料タンク内の燃料を吸入するとともにコモンレール９に高圧燃料を供給する。コモンレール９に供給された高圧燃料は、各燃料噴射弁４から燃焼室７１内に噴射される。

吸気ポートにはインテークマニホールド７が接続されている。インテークマニホールド７は吸気通路３に接続されている。吸気通路３内には吸入空気量を調整するための吸気絞り弁１６が設けられている。吸気絞り弁１６の回動軸には、吸気絞り弁１６の開度を調整するためのアクチュエータ１７が接続されている。

排気ポート６にはエキゾーストマニホールド８が接続されている。エキゾーストマニホールド８は排気通路２６に接続されている。
排気通路２６の途中には、排気を利用して燃焼室７１内に導入される吸入空気を過給する可変容量型の過給機（以下、ターボチャージャという）１１が設けられている。ターボチャージャ１１は、排気が吹き付けられることによって回転するタービンホイールが収められたタービンハウジング１１Ａと、吸入空気を過給するコンプレッサタービンが収められたコンプレッサハウジング１１Ｂとを備えている。タービンハウジング１１Ａには、タービンホイールに排気を導くための排気流路が形成されており、その排気流路の途中には、同排気流路の流路断面積を変更するための可動式ベーンであるノズルベーン１１ｖが設けられている。ノズルベーン１１ｖには、同ノズルベーン１１ｖの開度を調整するためのアクチュエータが接続されている。このノズルベーン１１ｖの開度を調整することで同ノズルベーン１１ｖが設けられた排気流路の流路断面積が狭くなるほど、タービンホイールに吹き付けられる排気の流速は速くなるため、過給圧は増大するようになる。

ターボチャージャ１１のコンプレッサハウジング１１Ｂと吸気絞り弁１６との間の吸気通路３には、インタークーラ１８が設けられている。このインタークーラ１８によって、ターボチャージャ１１の過給により温度上昇した吸入空気の冷却が図られる。

タービンハウジング１１Ａよりも下流の排気通路２６には、排気を浄化する浄化部材３０が設けられている。この浄化部材３０の内部には、排気の流れ方向に対して直列に酸化触媒３１及びフィルタ３２が配設されている。

酸化触媒３１には、排気中のＨＣ（炭化水素）を酸化処理する触媒が担持されている。また、フィルタ３２は、排気中のＰＭ（粒子状物質）を捕集する部材であって多孔質のセラミックで構成されており、さらにはＰＭの酸化を促進させるための触媒が担持されている。排気中のＰＭは、フィルタ３２の多孔質の壁を通過する際に捕集される。

また、タービンハウジング１１Ａと浄化部材３０との間の排気通路２６には、添加剤としての燃料を酸化触媒３１やフィルタ３２に供給するための燃料添加弁５が設けられている。この燃料添加弁５は、燃料供給管２７を介して上記サプライポンプ１０に接続されている。なお、燃料添加弁５の配設位置は、排気系にあって浄化部材３０よりも上流側であれば適宜変更することが可能である。

上記フィルタ３２に捕集されたＰＭの量が所定値を超えると、フィルタ３２の再生を図るために、燃料添加弁５から燃料が噴射される。燃料添加弁５から噴射された燃料は、酸化触媒３１に達すると酸化され、これにより排気温度の上昇が図られる。そして、酸化触媒３１にて昇温された排気がフィルタ３２に流入することによってフィルタ３２は昇温され、これによりフィルタ３２に堆積したＰＭが酸化して減少することによりフィルタ３２が再生される。

この他、エンジン１には排気再循環装置（以下、ＥＧＲ装置という）が設けられている。このＥＧＲ装置は、排気の一部を吸気通路３に戻してエンジン１の燃焼室７１内における混合気の燃焼温度を低下させることにより、燃焼室７１で発生するＮＯｘの量を低減させる装置である。このＥＧＲ装置は、吸気通路３とエキゾーストマニホールド８とを連通するＥＧＲ通路１３、ＥＧＲ通路１３に設けられたＥＧＲ弁１５、及びＥＧＲ通路１３の途中に設けられたＥＧＲクーラ１４等により構成されている。機関運転状態に応じてＥＧＲ弁１５の開度が調整されることにより、排気通路２６から吸気通路３に戻される排気の量であるＥＧＲ量が調整される。また、ＥＧＲクーラ１４によってＥＧＲ通路１３内を流れる排気が冷却される。

エンジン１には、機関運転状態を検出するための各種センサが取り付けられている。例えば、吸入空気量センサであるエアフロメータ１９は、エンジン１に吸入される空気の質量流量（ｇ／ｓ）である吸入空気量ＧＡを検出する。絞り弁開度センサ２０は吸気絞り弁１６の開度ＴＡを検出する。クランク角センサ２１は、エンジン１が備えるクランクシャフトのクランク角を検出し、同クランク角センサ２１の検出信号から機関回転速度ＮＥが算出される。アクセルセンサ２２はアクセルペダルの踏み込み量であるアクセル操作量ＡＣＣＰを検出する。外気温センサ２３は、外気温ＴＨｏｕｔを検出する。燃圧センサ２４は、コモンレール９内の燃圧ＰＦを検出する。

また、浄化部材３０に設けられた差圧センサ１１０は、フィルタ３２の上流側の排気圧と下流側の排気圧との圧力差ΔＰＥを検出する。この圧力差ΔＰＥは、フィルタ３２に捕集されたＰＭの量を推定する際に利用される。浄化部材３０よりも下流の排気通路２６に設けられた排気温度センサ１２０は、フィルタ３２を通過した後の排気の温度を検出する。インタークーラ１８と吸気絞り弁１６との間の吸気通路３には、インタークーラ１８を通過した後の空気の温度である出口空気温度ＴＨＡＥを検出する空気温度センサ１３０が設けられている。吸気絞り弁１６よりも下流の吸気通路３には、ターボチャージャ１１によって過給された空気の過給圧ＰＩＭを検出する過給圧センサ１４０が設けられている。ＥＧＲ通路１３には、ＥＧＲクーラ１４を通過した後のＥＧＲガスの温度である出口ＥＧＲ温度ＴＨＥＧＲを検出するＥＧＲ温度センサ１５０が設けられている。

これら各種センサの検出信号は制御装置８０に入力される。この制御装置８０は、中央処理制御装置（ＣＰＵ）、各種プログラムやマップ等を予め記憶した読出専用メモリ（ＲＯＭ）、ＣＰＵの演算結果等を一時記憶するランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、タイマカウンタ、入力インターフェース、出力インターフェース等を備えたマイクロコンピュータを中心に構成されている。

そして、制御装置８０により、例えば燃料噴射弁４や燃料添加弁５の燃料噴射制御、サプライポンプ１０の吐出圧力制御、吸気絞り弁１６を開閉するアクチュエータ１７の駆動量制御、ＥＧＲ弁１５の開度制御、ノズルベーン１１ｖの開度制御等、エンジン１の各種制御が行われる。

例えば制御装置８０は、機関回転速度ＮＥや機関負荷などに基づいてコモンレール９内の燃料の目標圧力を算出し、実際の燃圧ＰＦが目標圧力となるようにサプライポンプ１０の吐出圧力を制御する。

また、制御装置８０は、燃料噴射弁４の燃料噴射パターンとして、パイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射、アフタ噴射、及びポスト噴射といった周知の多段噴射を実行する。これら各噴射のうちのメイン噴射は、例えば以下のようにして実施される。まず、制御装置８０は、燃料噴射弁４の燃料噴射量Ｑを機関回転速度ＮＥや機関負荷などに基づいて算出する。次に、制御装置８０は、算出された燃料噴射量Ｑのうちの予め定められた割合分（例えば９０％程度など）をメイン噴射量ＱＭとして設定する。次に、制御装置８０は、燃料噴射弁４からメイン噴射量ＱＭに相当する分の燃料を噴射するために必要なメイン噴射時間ＴＡＵｍをメイン噴射量ＱＭ及び燃圧ＰＦに基づいて設定するとともに、メイン噴射を開始するメイン噴射時期Ｔｍを機関回転速度ＮＥ等に基づいて設定する。そして、制御装置８０は、メイン噴射時期Ｔｍが到来すると燃料噴射弁４を開弁させてメイン噴射を開始し、メイン噴射時期Ｔｍからメイン噴射時間ＴＡＵｍが経過した時点で燃料噴射弁４を閉弁させることにより、メイン噴射を完了する。

また、制御装置８０は、機関回転速度ＮＥや機関負荷などに基づいて目標ＥＧＲ率を算出する。なお、ＥＧＲ率とは、「気筒７０内に流入するＥＧＲ量／（気筒７０内に流入する新気量＋気筒７０内に流入するＥＧＲ量）」で求められる値である。そして、制御装置８０は、実際のＥＧＲ率が目標ＥＧＲ率となるようにＥＧＲ弁１５の開度を制御する。

ところで、燃焼室７１内を流れる気流の勢いが弱くなる、あるいは燃焼室７１内に流れ込む吸入空気量そのものが少なくなるなどの理由により、燃焼室７１内において燃料の燃焼場に存在する酸素の量が燃料の量に対して不足した状態になると、燃焼場から多くのスモークが発生するおそれがある。

そこで、制御装置８０は、以下に説明する簡易な態様にて、そうした燃焼場の容積を算出するとともに、同容積内に存在する空気量を求めることにより、燃焼場の空燃比（燃料に対する空気の質量比）である局所空燃比ＡＦＬを算出する。そして、算出された局所空燃比ＡＦＬに基づき、燃焼場の酸素が不足していると判断できる場合には、ターボチャージャ１１によって過給される吸気の過給圧ＰＩＭを増大させて、燃焼室７１内に流入する空気の量を増やすことにより燃焼場の酸素量を増やし、これによりスモークの発生量を低減するようにしている。また、過給圧の増大が不可能なときには、メイン噴射量ＱＭを複数回に分割して噴射する、つまりメイン噴射の分割噴射を実行することによりスモークの発生量を低減するようにしている。

なお、本実施形態では、燃料噴射弁４の燃料噴射パターンとして上述した多段噴射を行うようにしており、そうした多段噴射のうちで最も燃料噴射量の多いメイン噴射時にスモークが発生しやすい。そこで、メイン噴射時における上記局所空燃比ＡＦＬを算出するようにしている。

こうしたスモークの発生量を低減するために一連の処理を実行する制御装置８０は、ソフトウェア及びハードウェアのうちの少なくとも一方で構成されている機能部として、過給圧制御部８０Ａ、局所空燃比算出部８０Ｂ、空燃比判定部８０Ｃ、過給圧変更部８０Ｄ、増大判定部８０Ｅ、及び分割噴射部８０Ｆを有している。

過給圧制御部８０Ａは、機関運転状態に基づいて目標過給圧ＰＩＭＰを設定する。そして、過給圧制御部８０Ａは、過給圧ＰＩＭが目標過給圧ＰＩＭＰとなるようにノズルベーン１１ｖの開度を調整することによりターボチャージャ１１の過給圧制御を行う。

局所空燃比算出部８０Ｂは、上記局所空燃比ＡＦＬを算出する。
空燃比判定部８０Ｃは、算出された局所空燃比ＡＦＬが予め定められた要求空燃比ＡＦＤよりもリッチな空燃比であるか否かを判定する。

過給圧変更部８０Ｄは、空燃比判定部８０Ｃによって局所空燃比ＡＦＬが要求空燃比ＡＦＤよりもリッチな空燃比であると判定されるときには、ターボチャージャ１１によって過給される吸気の過給圧ＰＩＭを増大させる。

増大判定部８０Ｅは、空燃比判定部８０Ｃによって局所空燃比ＡＦＬが要求空燃比ＡＦＤよりもリッチな空燃比であると判定されるときに、過給圧変更部８０Ｄによる過給圧ＰＩＭの増大が不可能な状態か否かを判定する。

分割噴射部８０Ｆは、増大判定部８０Ｅによって過給圧ＰＩＭの増大が不可能な状態であると判定されるときに、燃料のメイン噴射を単噴射から分割噴射に変更する。ちなみに、メイン噴射の単噴射とは、１回のメイン噴射でメイン噴射量ＱＭの全量を噴射する噴射態様のことである。

以下、局所空燃比ＡＦＬの算出や、スモークの発生量を低減するための一連の処理について説明する。
まずはじめに、燃料が噴射されるキャビティを備えたピストン９０について説明する。

図２に、気筒７０内に配設されたピストン９０の頂面形状を示す。なお、以下では、ピストン９０の中心軸Ｃの延伸方向をピストン９０の上下方向という。また、ピストン９０の中心軸Ｃに直交する方向をピストン９０の水平方向という。

ピストン９０の頂面中央には、キャビティ９１が凹設されている。このキャビティ９１内には、同キャビティ９１の中央上方に配設された燃料噴射弁４から燃料が噴射される。
キャビティ９１は、同キャビティ９１の開口縁９１Ｇから下方に向かって延びる側壁面９１Ｄと、キャビティ９１の底面を形成する底壁面９１Ａと、キャビティ９１の底面中央から隆起した円錐状の突起９１Ｂとで構成されている。突起９１Ｂにおいて底壁面９１Ａに繋がる周縁部分は、底壁面９１Ａ側に向かって屈曲しており、この屈曲した箇所は、底壁面９１Ａから突起９１Ｂに向かって進んできた燃料をキャビティ９１の上方に巻き上げるための巻き上げ部９１Ｃとなっている。

開口縁９１Ｇの外側には、同開口縁９１Ｇの全周を取り囲む環状の傾斜面９１Ｅが形成されている。この傾斜面９１Ｅは、開口縁９１Ｇからピストン９０の上方に向かって傾斜している。傾斜面９１Ｅの外側には、ピストン９０の水平方向に広がる環状のスキッシュ面９１Ｆが形成されている。

キャビティ９１と、シリンダヘッド２の底面と、各気筒毎に形成されている円筒状のシリンダボア７３とで囲まれた空間によって、燃料が燃焼する上記燃焼室７１が形成される。

図３に示すように、キャビティ９１内には、燃料噴射弁４を中心にして放射状に燃料ＦＬが噴射される。噴射された燃料ＦＬは噴霧状になって広がっていき、噴霧の先端部分近傍で燃焼することにより、キャビティ９１内には、酸素を取り込みながら燃料が燃焼する燃焼場ＮＰが形成される。本実施形態では、そうした燃焼場ＮＰの容積を簡易な態様で求めるために、同燃焼場ＮＰの形状を、ピストン９０の中心軸Ｃと同軸な円筒形状であると仮定しており、以下では、燃焼場ＮＰの外径を「外径Ｒ１」、内径を「内径Ｒ２」と称する。

図４に、燃料噴射弁４が有する複数の噴射孔のうちの１つから噴射された燃料噴霧の状態を示す。
燃料噴射弁４の噴射孔から噴射された燃料ＦＬは、その周りに空気を巻き込む巻き込み領域ＡＭを形成しながら噴霧状となって燃焼室７１内を進んでいく。こうした燃料の噴霧到達距離Ｌｓｐは、空気密度ρａ、燃料密度ρｆ、燃料噴射時の筒内圧と燃料の噴射圧との差圧ΔＰ、噴射孔径ｄ、及び燃料の噴射時間ｔに基づき、周知の式（例えば広保の式や、和栗らによる噴霧の運動量理論式など）である次式（１）及び次式（２）に基づいて算出可能である。

なお、上記分裂時間ｔｃは、燃料噴射弁４から噴射された燃料が粒状から噴霧状に変化するまでの時間であり、実験等を通じて予め求められている。

燃料の噴射時間ｔが分裂時間ｔｃ未満であるときには、上記式（１）に基づいて噴霧到達距離Ｌｓｐを算出することができる。また、燃料の噴射時間ｔが分裂時間ｔｃ以上であるときには、上記式（２）に基づいて噴霧到達距離Ｌｓｐを算出することができる。

ここで、上記式（１）及び式（２）から分かるように、燃料の噴射時間ｔが長いほど、あるいはコモンレール９内の燃圧ＰＦが高く、上記差圧ΔＰが大きいときほど、噴霧到達距離Ｌｓｐは長くなる。そこで、本実施形態では、燃圧ＰＦと、メイン噴射時間ＴＡＵｍに相関するメイン噴射量ＱＭと、噴霧到達距離Ｌｓｐとの対応関係が予めの実験等を通じて求められている。そしてそれらの対応関係が噴霧到達距離マップとして制御装置８０の記憶装置に記憶されており、その噴霧到達距離マップを参照することにより、燃圧ＰＦ及びメイン噴射量ＱＭに応じた噴霧到達距離Ｌｓｐを求めるようにしている。

ちなみに、そうした噴霧到達距離マップを用意しておく代わりに、上記式（１）や上記式（２）を使って噴霧到達距離Ｌｓｐを算出することも可能である。
他方、噴射孔から噴射された燃料ＦＬは、燃料噴霧の先端部分に集まり、その先端部分周辺の酸素とともに燃焼するのであるが、同先端部分に集まる燃料ＦＬの全体形状は略球体形状であり、その半径ＦＬｒは、本発明者の経験則から、次式（３）にて近似値を求めることができる。

ＦＬｒ＝Ｌｓｐ・ｔａｎ（θｍ／２） …（３）
Ｌｓｐ：噴霧到達距離
θｍ：噴霧角

上記式（３）における噴霧角θｍは、燃料噴霧の中心線ＨＣを基準として、空気の巻き込み領域ＡＭを含む燃料噴霧の広がりを示す角度である。

また、燃料噴霧の先端部分に集まる燃料ＦＬの直径を、以下、燃料長さＬＹという。この燃料長さＬＹは上記半径ＦＬｒの２倍であるため、次式（４）で表すことができる。

ＬＹ＝２・Ｌｓｐ・ｔａｎ（θｍ／２） …（４）

また、図５に示すように、以下では、ピストン９０の水平方向における距離であって、ピストン９０の中心軸Ｃから上記側壁面９１Ｄまでの距離を壁面距離Ｌ１という。また、側壁面９１Ｄの高さ、つまりピストン９０の上下方向における底壁面９１Ａから開口縁９１Ｇまでの長さを壁面高さＬ２という。また、ピストン９０の水平方向における距離であって、ピストン９０の中心軸Ｃから突起９１Ｂにおいて巻き上げ部９１Ｃが屈曲している部分までの距離を巻き上げ部距離Ｌ３という。また、ピストン９０の水平方向における距離であって、ピストン９０の中心軸Ｃから燃料噴射弁４の噴射孔までの距離を噴射孔距離Ｌ４という。また、ピストン９０の水平方向に対する燃料噴霧の中心線ＨＣの傾斜角を、燃料の噴射角θｓという。また、ピストン９０の水平方向における距離であって、燃料噴射弁４から噴射された燃料ＦＬの最先端部とピストン９０の中心軸Ｃとの間の距離、つまりピストン９０の水平方向における燃料ＦＬの飛距離を燃料飛距離Ｌｔｏｐという。この燃料飛距離Ｌｔｏｐは次式（５）で表すことができる。

Ｌｔｏｐ＝Ｌｓｐ・ｃｏｓθｓ＋Ｌ４ …（５）
Ｌｓｐ：噴霧到達距離
θｓ：燃料の噴射角
Ｌ４：噴射孔距離

次に、図６〜図８を参照して、燃焼場ＮＰの容積である燃焼場容積ＮＰｖの求め方について説明する。

図６は、燃料噴射弁４から噴射された燃料ＦＬの噴霧到達距離Ｌｓｐが短く、燃料ＦＬがキャビティ９１の側壁面９１Ｄにまで届かない場合の燃焼場ＮＰを示す。
この図６に示す状態のときの燃焼場ＮＰの外径Ｒ１は、次式（６）に示すように、燃料飛距離Ｌｔｏｐと等しくなる。

Ｒ１＝Ｌｔｏｐ …（６）

そして、燃焼場ＮＰの内径Ｒ２は、次式（７）に示すように、燃料飛距離Ｌｔｏｐから上記燃料長さＬＹを減じた値で表すことができる。

Ｒ２＝Ｌｔｏｐ−ＬＹ …（７）

図７は、先の図６に示す状態よりも噴霧到達距離Ｌｓｐが長いときの燃料ＦＬの飛散状態を示しており、燃料ＦＬがキャビティ９１の側壁面９１Ｄに当たるものの底壁面９１Ａにまでは広がらない場合の燃焼場ＮＰを示す。

この図７に示す状態のときには、燃料ＦＬの大部分が側壁面９１Ｄの表面で広がり、燃料ＦＬの一部は傾斜面９１Ｅに沿ってピストン９０の外周方向に広がる。この場合には、傾斜面９１Ｅに沿って広がる燃料ＦＬの最先端部が外径Ｒ１となり、このときの燃焼場ＮＰの外径Ｒ１は、上記式（６）と同様に燃料飛距離Ｌｔｏｐと等しくなる。また、この場合の燃焼場ＮＰの内径Ｒ２は、次式（８）に示すように、上記壁面距離Ｌ１から上記燃料長さＬＹを減じた値と等しくなる。

Ｒ２＝Ｌ１−ＬＹ …（８）

図８は、先の図７に示す状態よりも噴霧到達距離Ｌｓｐが長いときの燃料ＦＬの飛散状態を示しており、キャビティ９１の側壁面９１Ｄに当たった燃料ＦＬが底壁面９１Ａにまで広がる場合の燃焼場ＮＰを示す。

この図８に示す状態のときには、燃料ＦＬの大部分が側壁面９１Ｄから底壁面９１Ａにかけて広がり、一部は傾斜面９１Ｅに沿ってピストン９０の外周方向に広がる。この場合には、傾斜面９１Ｅに沿って広がる燃料ＦＬの最先端部が外径Ｒ１となり、このときの燃焼場ＮＰの外径Ｒ１は、上記式（６）と同様に燃料飛距離Ｌｔｏｐと等しくなる。また、この場合の燃焼場ＮＰの内径Ｒ２は、底壁面９１Ａで広がった燃料ＦＬの最先端部から側壁面９１Ｄまでの距離を距離Ｔとすると、上記壁面距離Ｌ１から距離Ｔを減じた値と等しくなる。ここで、距離Ｔは、燃料飛距離Ｌｔｏｐから上記壁面距離Ｌ１と上記壁面高さＬ２とを減じた値になるため、図８に示す状態のときの内径Ｒ２は、次式（９）にて求められる。

Ｒ２＝Ｌ１−（Ｌｔｏｐ−Ｌ１−Ｌ２） …（９）

なお、底壁面９１Ａを広がった燃料ＦＬが上記巻き上げ部９１Ｃに達すると、巻き上げ部９１Ｃに達した燃料ＦＬは上方に巻き上げられる。そのため、底壁面９１Ａを広がる燃料ＦＬは、巻き上げ部９１Ｃを超えてピストン９０の中心側に広がることはない。従って、図８に示す状態のときには、上記巻き上げ部距離Ｌ３が内径Ｒ２の最小値になる。

先の図６〜図８に示したように、燃焼場ＮＰの広がり方は、燃料噴射弁４から噴射された燃料の噴霧到達距離Ｌｓｐに応じて変化する。また、先の図６〜図８に示した燃焼場ＮＰの上下方向の高さを燃焼場高さＨとした場合に、この燃焼場高さＨは、キャビティ９１の底面に対向するシリンダヘッド２の底面とキャビティ９１の底面との間の距離であり、メイン噴射によって噴射された燃料が燃焼室７１で燃焼し始めるときのピストン９０の位置によって決まる。

先の図６〜図８に示した、ピストン９０の中心軸Ｃに沿った燃焼場ＮＰの断面形状の面積は、外径Ｒ１、内径Ｒ２、燃焼場高さＨ、及びピストン９０の形状に基づいて算出することが可能である。そして、ピストン９０の中心軸Ｃを中心にして上記燃焼場ＮＰの断面形状を回転させることにより得られる回転体の体積を算出することにより、燃焼場容積ＮＰｖは求めることができる。

ここで、上記式（６）〜上記式（９）に示されるように、燃焼場ＮＰの外径Ｒ１及び内径Ｒ２は、噴霧到達距離Ｌｓｐの関数になっている。また、燃焼場高さＨは、メイン噴射時期Ｔｍに相関する値である。

つまり、燃料が燃焼する燃焼場ＮＰの容積は、燃料噴射弁４から噴射された燃料の噴霧到達距離Ｌｓｐや、噴射された燃料が燃焼を開始するときのピストン９０の位置によって変化する。また、燃料が燃焼を開始するときのピストン９０の位置は、メイン噴射時期Ｔｍが関係している。そのため、燃焼場容積ＮＰｖは、噴霧到達距離Ｌｓｐ及びメイン噴射時期Ｔｍに基づいて求めることができる。

そこで、本実施形態では、噴霧到達距離Ｌｓｐとメイン噴射時期Ｔｍと燃焼場容積ＮＰｖとの対応関係が予めの実験等を通じて求められている。そしてそれらの対応関係が燃焼場容積マップとして制御装置８０の記憶装置に記憶されている。

なお、そうした燃焼場容積マップを用意しておく代わりに、上述した回転体の体積を機関運転中に算出することによって燃焼場容積ＮＰｖを求めてもよい。
（過給圧制御）
次に、制御装置８０の過給圧制御部８０Ａが実行する過給圧制御の処理手順について、図９を参照しつつ説明する。なお、図９に示す処理は、所定周期毎に繰り返し実行される。

本処理が開始されると、過給圧制御部８０Ａは、燃料噴射量Ｑ等に代表される機関負荷及び機関回転速度ＮＥに基づいて過給圧ＰＩＭの目標値である目標過給圧ＰＩＭＰを算出する（Ｓ１０）。

次に、過給圧制御部８０Ａは、ノズルベーン１１ｖの開度指令値の基本値である基本開度指令値ＶＮｂを機関負荷及び機関回転速度ＮＥに基づいて算出する（Ｓ２０）。
なお、本実施形態では、ノズルベーン１１ｖの開度指令値が「０％」のときにはノズルベーン１１ｖは全開状態となっており、開度指令値が「１００％」のときにはノズルベーン１１ｖは全閉状態となっている。従って、ノズルベーン１１ｖの開度指令値が大きくなるほど、ノズルベーン１１ｖの開度は小さくなって同ノズルベーン１１ｖが設けられた排気流路の流路断面積は狭くなり、過給圧は増大する。

次に、過給圧制御部８０Ａは、目標過給圧ＰＩＭＰと過給圧ＰＩＭとの偏差に基づいてフィードバック補正項ＫＶＮを算出する（Ｓ３０）。このフィードバック補正項ＫＶＮは、ＰＩＤ制御における周知の補正項であり、上記偏差に基づいて各別に算出した比例項、積分項、及び微分項を加算した値である。なお、過給圧ＰＩＭが目標過給圧ＰＩＭＰよりも低いときには、フィードバック補正項ＫＶＮは正の値であって且つ上記偏差が大きいときほど同フィードバック補正項ＫＶＮの絶対値は大きくなるように、当該フィードバック補正項ＫＶＮは算出される。これにより過給圧ＰＩＭが目標過給圧ＰＩＭＰに満たないときには、ノズルベーン１１ｖの開度が小さくなるように補正されて過給圧ＰＩＭは増大される。また、過給圧ＰＩＭが目標過給圧ＰＩＭＰよりも高いときには、フィードバック補正項ＫＶＮは負の値であって且つ上記偏差が大きいときほど同フィードバック補正項ＫＶＮの絶対値は大きくなるように、当該フィードバック補正項ＫＶＮは算出される。これにより過給圧ＰＩＭが目標過給圧ＰＩＭＰを超えているときには、ノズルベーン１１ｖの開度が大きくなるように補正されて過給圧ＰＩＭは低下する。

次に、過給圧制御部８０Ａは、ノズルベーン１１ｖの開度指令値ＶＮｐを算出する（Ｓ４０）。このステップＳ４０において、過給圧制御部８０Ａは、上記基本開度指令値ＶＮｂに上記フィードバック補正項ＫＶＮを加算した値を算出し、その算出された値をノズルベーン１１ｖの開度指令値ＶＮｐとして設定する。そして、過給圧制御部８０Ａは、開度指令値ＶＮｐに基づいてノズルベーン１１ｖの開度を調整して（Ｓ５０）、本処理を一旦終了する。

こうした過給圧制御が行われることにより、過給圧ＰＩＭが目標過給圧ＰＩＭＰとなるようにノズルベーン１１ｖの開度はフィードバック制御される。
（スモークの発生量を低減するための処理手順）
次に、燃焼場におけるスモークの発生量を低減するために実行される一連の処理手順について図１０を参照しつつ説明する。なお、本処理は、制御装置８０によって所定周期毎に繰り返し実行される。

本処理が開始されると、まず、制御装置８０の局所空燃比算出部８０Ｂは、局所空燃比ＡＦＬの算出処理を実行する（Ｓ１００）。このステップＳ１００における処理の詳細は後述する。そして、制御装置８０の空燃比判定部８０Ｃは、算出された局所空燃比ＡＦＬが予め定められた要求空燃比ＡＦＤよりもリッチであるか否か、つまり算出された局所空燃比ＡＦＬが要求空燃比ＡＦＤよりも小さい値であるか否かを判定する（Ｓ２００）。この要求空燃比ＡＦＤは次のような値である。

図１１に示すように、局所空燃比ＡＦＬの値が大きいほど、つまり燃焼場ＮＰに供給される燃料の量に対して燃焼場ＮＰ内に存在する空気の質量が多いほど、燃焼場ＮＰで発生するスモークの量は少なくなる。そこで、燃焼場ＮＰのスモーク発生量について許容できる最大値をスモークの目標発生量とし、その目標発生量に対応する局所空燃比ＡＦＬを要求空燃比ＡＦＤとして設定している。こうして設定される要求空燃比ＡＦＤは、燃焼場ＮＰでのスモークの発生量を許容可能な量にまで抑えることのできる空燃比である。

ステップＳ２００にて、局所空燃比ＡＦＬが要求空燃比ＡＦＤよりもリッチではないと判定されるときには（Ｓ２００：ＮＯ）、制御装置８０は、本処理を一旦終了する。
一方、ステップＳ２００にて、局所空燃比ＡＦＬが要求空燃比ＡＦＤよりもリッチであると判定されるときには（Ｓ２００：ＹＥＳ）、制御装置８０の増大判定部８０Ｅは、過給圧ＰＩＭの増大が不可能な状態であるか否かを判定する（Ｓ３００）。このステップＳ３００において増大判定部８０Ｅは、ノズルベーン１１ｖの開度指令値ＶＮｐが同ノズルベーン１１ｖの全閉状態に相当する値となっている場合に、過給圧ＰＩＭの増大が不可能な状態であると判定する。

ステップＳ３００において、過給圧ＰＩＭの増大が不可能な状態ではないと判定されるときには（Ｓ３００：ＮＯ）、制御装置８０の過給圧変更部８０Ｄは、過給圧ＰＩＭの増大処理を実行する（Ｓ４００）。このステップＳ４００における処理の詳細は後述する。そして、制御装置８０は、本処理を一旦終了する。

一方、ステップＳ３００にて、過給圧ＰＩＭの増大が不可能な状態であると判定されるときには（Ｓ３００：ＹＥＳ）、制御装置８０の分割噴射部８０Ｆは、メイン噴射量ＱＭを複数回に分割して噴射する、メイン噴射の分割噴射を実行する（Ｓ５００）。このステップＳ５００では、メイン噴射が単噴射から分割噴射に変更される。本実施形態におけるメイン噴射の分割噴射は、メイン噴射量ＱＭの量に応じてメイン噴射を２回または３回に分割して実施される。このステップＳ５００における処理の詳細は後述する。そして、制御装置８０は、本処理を一旦終了する。

（局所空燃比の算出処理）
次に、上記ステップＳ１００における局所空燃比ＡＦＬの算出処理について、図１２を参照しつつ説明する。

図１２に示すように、本処理が開始されると、制御装置８０の局所空燃比算出部８０Ｂは、現在の燃圧ＰＦ及びメイン噴射量ＱＭに基づき、上記噴霧到達距離マップを参照して噴霧到達距離Ｌｓｐを求める（Ｓ１１０）。

次に、局所空燃比算出部８０Ｂは、噴霧到達距離Ｌｓｐ及びメイン噴射時期Ｔｍに基づき、上記燃料場容積マップを参照して燃焼場容積ＮＰｖを求める（Ｓ１２０）。
次に、局所空燃比算出部８０Ｂは、メイン噴射時期Ｔｍに基づいて燃焼室容積ＮＳｖを求める（Ｓ１３０）。この燃焼室容積ＮＳｖは、メイン噴射された燃料が燃焼を開始するときの燃焼室７１の容積であって、メイン噴射時期Ｔｍと燃焼室容積ＮＳｖとの対応関係が予めの実験等を通じて求められている。そしてそれらの対応関係が燃焼室容積マップとして制御装置８０の記憶装置に記憶されており、ステップＳ１３０では、この燃焼室容積マップを参照して燃焼室容積ＮＳｖが求められる。

次に、局所空燃比算出部８０Ｂは、吸入空気量ＧＡ及び機関回転速度ＮＥに基づき、ピストン９０の１ストロークで１つの気筒に吸入された空気の量である筒内空気量ＴＫを算出する（Ｓ１４０）。

次に、局所空燃比算出部８０Ｂは、燃焼室容積ＮＳｖ及び筒内空気量ＴＫに基づいて燃焼室７１内の空気密度ＫＭを算出する（Ｓ１５０）。ここでは、筒内空気量ＴＫ（質量）を燃焼室容積ＮＳｖで除することにより、燃焼室７１内の空気密度ＫＭが算出される。

次に、局所空燃比算出部８０Ｂは、燃焼室７１内の空気密度ＫＭを酸素密度ＳＭに換算する（Ｓ１６０）。空気中における窒素と酸素の質量割合は、概ね窒素７５．５２４％、酸素２３．１３９％となっている。従って、空気中における酸素の質量比は、約「０．２３」になる。そこで、ステップＳ１６０では、燃焼室７１内の空気密度ＫＭに「０．２３」を乗じることにより燃焼室７１内の酸素密度ＳＭが算出される。

次に、局所空燃比算出部８０Ｂは、燃焼場ＮＰに存在する酸素量（質量）である燃焼場酸素量ＮＰＳを算出する（Ｓ１７０）。ここでは、燃焼室７１内の酸素密度ＳＭに燃焼場容積ＮＰｖを乗じることにより、燃焼場酸素量ＮＰＳが算出される。

次に、局所空燃比算出部８０Ｂは、燃焼場酸素量ＮＰＳを燃焼場ＮＰの空気量（質量）である燃焼場空気量ＮＰＫに換算する（Ｓ１８０）。上述したように、空気中における酸素の質量割合は、概ね２３．１３９％となっている。従って、「１００％」を「２３．１３９％」で除した値は約「４．３２」となり、ここでは、燃焼場酸素量ＮＰＳに「４．３２」を乗じることにより燃焼場空気量ＮＰＫが算出される。

次に、局所空燃比算出部８０Ｂは、燃焼場空気量ＮＰＫ（質量）をメイン噴射量ＱＭ（質量）で除することにより、燃焼場ＮＰの空燃比を、つまり上記局所空燃比ＡＦＬを算出して（Ｓ１９０）、本処理を終了する。

（過給圧の増大処理）
次に、上記ステップＳ４００における過給圧ＰＩＭの増大処理について、図１３を参照しつつ説明する。

図１３に示すように、本処理が開始されると、制御装置８０の過給圧変更部８０Ｄは、燃焼場ＮＰの要求酸素量ＮＰＤＳを算出する（Ｓ４１０）。燃焼場ＮＰの要求酸素量ＮＰＤＳは、燃焼場ＮＰにおけるスモークの発生量を上述した目標発生量にまで低減するために必要な酸素の量（質量）であり、局所空燃比ＡＦＬが上記要求空燃比ＡＦＤとなっているときの燃焼場ＮＰの酸素量に相当する。この燃焼場ＮＰの要求酸素量ＮＰＤＳは、上記の要求空燃比ＡＦＤに対して、メイン噴射量ＱＭと、空気中における酸素の質量比である「０．２３」とを乗じることによって算出される。

次に、過給圧変更部８０Ｄは、燃焼場ＮＰの要求酸素密度ＮＰＤＳＭを算出する（Ｓ４２０）。ここでは、燃焼場ＮＰの要求酸素量ＮＰＤＳを、先の図１２に示した上記ステップＳ１２０において読み込んだ燃焼場容積ＮＰｖにて除することにより、燃焼場ＮＰの要求酸素密度ＮＰＤＳＭが算出される。

次に、過給圧変更部８０Ｄは、燃焼室７１の要求酸素量ＮＳＤＳを算出する（Ｓ４３０）。燃焼室７１の要求酸素量ＮＳＤＳは、燃焼室７１内における酸素量の分布が均一であるとしたときに、燃焼場ＮＰの酸素量が上記要求酸素量ＮＰＤＳとなるために必要とされる燃焼室７１内の酸素量である。このステップＳ４３０では、燃焼場ＮＰの要求酸素密度ＮＰＤＳＭに対して、先の図１２に示したステップＳ１３０において読み込んだ燃焼室容積ＮＳｖを乗することにより、燃焼室７１の要求酸素量ＮＳＤＳが算出される。

次に、過給圧変更部８０Ｄは、燃焼室７１の要求空気量ＮＳＤＫを算出する（Ｓ４４０）。ここでは、燃焼室７１の要求酸素量ＮＳＤＳに「４．３２」を乗じることにより燃焼室７１の要求空気量ＮＳＤＫが算出される。

次に、過給圧変更部８０Ｄは、燃焼室７１の要求空気量ＮＳＤＫ等に基づき、次式（１０）を使って要求過給圧ＰＩＭＤを算出する（Ｓ４５０）。

ＰＩＭＤ＝｛Ｇｃｙ・Ｒ・Ｔｂ・（（２・６０）／（ηＶｂ・ＥＤ・ＮＥ））｝−Ｐａｔｍ …（１０）

Ｇｃｙ：筒内気体量（Ｇｃｙ＝要求空気量ＮＳＤＫ＋ＥＧＲ量ＥＡ）
Ｒ：気体定数（固定値）
Ｔｂ：吸気温
ηＶｂ：体積効率（エンジン１において固有の値）
ＥＤ：エンジン１の排気量
ＮＥ：機関回転速度
Ｐａｔｍ：大気圧（制御装置８０に設けられた大気圧センサにて検出）

上記の筒内気体量Ｇｃｙは、ピストン９０の１ストロークで１つの気筒内に吸入される気体の量であり、燃焼室７１の要求空気量ＮＳＤＫにＥＧＲ量ＥＡを加算した値である。

この筒内気体量Ｇｃｙの算出に際して加算されるＥＧＲ量ＥＡは、現在のＥＧＲ率において要求空気量ＮＳＤＫが確保された状態でのＥＧＲ量であり、次式（１１）に基づいて算出される。

ＥＡ＝（要求空気量ＮＳＤＫ×現在のＥＧＲ率）／（１００−現在のＥＧＲ率） …（１１）

なお、現在のＥＧＲ率は、ＥＧＲ弁の開度、吸気絞り弁１６の開度、及び現在の過給圧ＰＩＭなどに基づき、本処理とは別の処理にて推定される。

また、上記吸気温Ｔｂは、燃焼室７１に流れ込む吸気の温度であり、次式（１２）に基づいて算出される。

Ｔｂ＝｛ＴＨＡＥ・（ＮＳＤＫ／Ｇｃｙ）｝＋｛ＴＨＥＧＲ・（ＥＡ／Ｇｃｙ）｝ …（１２）

ＴＨＡＥ：出口空気温度（インタークーラ１８を通過した後の空気の温度）
ＮＳＤＫ：要求空気量
Ｇｃｙ：筒内気体量
ＴＨＥＧＲ：出口ＥＧＲ温度（ＥＧＲクーラ１４を通過した後のＥＧＲガスの温度）
ＥＡ：上記式（１１）から求められるＥＧＲ量

次に、過給圧変更部８０Ｄは、ステップＳ４５０で算出された要求過給圧ＰＩＭＤを目標過給圧ＰＩＭＰとして設定し（Ｓ４６０）、本処理を終了する。

このようにして要求過給圧ＰＩＭＤが目標過給圧ＰＩＭＰとして設定されると、先に説明した過給圧制御を通じて、過給圧ＰＩＭが要求過給圧ＰＩＭＤとなるようにノズルベーン１１ｖの開度がフィードバック制御されることにより、過給圧ＰＩＭが増大される。

（メイン噴射の分割噴射）
次に、上記ステップＳ５００におけるメイン噴射の分割処理について、図１４及び図１５を参照しつつ説明する。

図１４に示すように、本処理が開始されると、制御装置８０の分割噴射部８０Ｆは、第１メイン噴射量ＱＭ１、第２メイン噴射量ＱＭ２、及び第３メイン噴射量ＱＭ３を設定する（Ｓ５１０）。第１メイン噴射量ＱＭ１は、メイン噴射において最初に実施される第１メイン噴射時の燃料噴射量である。第２メイン噴射量ＱＭ２は、メイン噴射において第１メイン噴射よりも遅角側の時期に実行される第２メイン噴射時の燃料噴射量である。そして、第３メイン噴射量ＱＭ３は、メイン噴射において第２メイン噴射よりも遅角側の時期に実行される第３メイン噴射時の燃料噴射量である。

第１メイン噴射量ＱＭ１は、上述した燃焼場ＮＰの空燃比が分割時要求空燃比ＡＦＤＤＶとなるように設定される。この分割時要求空燃比ＡＦＤＤＶは、第１メイン噴射から第３メイン噴射までの各噴射時にそれぞれ発生するスモークの量の総和が、上述したスモークの目標発生量と同等になるように、各噴射時における最大空燃比を定めた値であり、予めの実験等を通じて適切な値が設定されている。換言すれば、燃焼場ＮＰの空燃比が上述した要求空燃比ＡＦＤとなっているときに発生するスモークの量よりも、第１メイン噴射から第３メイン噴射までの各噴射時においてそれぞれ発生するスモークの量が少なくなるように、各噴射時におけるスモークの発生量を低減することのできる空燃比が分割時要求空燃比ＡＦＤＤＶとなっている。従って、この分割時要求空燃比ＡＦＤＤＶは、上述した要求空燃比ＡＦＤよりも大きい値、つまりリーン寄りの値となっている。

そして、上記燃焼場空気量ＮＰＫを上記分割時要求空燃比ＡＦＤＤＶで除することによって第１メイン噴射量ＱＭ１が求められる（ＱＭ１＝ＮＰＫ／ＡＦＤＤＶ）。
また、第２メイン噴射量ＱＭ２及び第３メイン噴射量ＱＭ３は、予めの実験等を通じて設定されているマップであって制御装置８０に予め記憶されている噴射量マップを参照しつつメイン噴射量ＱＭに基づいて設定される。

図１５に、噴射量マップによる第２メイン噴射量ＱＭ２及び第３メイン噴射量ＱＭ３の設定態様を示す。
なお、図１５に示す要求燃料量ＱＭＤとは、第２メイン噴射で噴射された燃料の燃焼場における空燃比や、第３メイン噴射で噴射された燃料の燃焼場における空燃比が上記分割時要求空燃比ＡＦＤＤＶになるときの燃料量であり、予めの実験等を通じて適切な値が求められている。ちなみに、分割噴射の各噴射時におけるスモーク発生量の総和が、上述したスモークの目標発生量と同等になるのであれば、第１メイン噴射及び第２メイン噴射及び第３メイン噴射のそれぞれで分割時要求空燃比ＡＦＤＤＶを異ならせてもよい。

図１５に示すように、メイン噴射量ＱＭが第１メイン噴射量ＱＭ１以下の場合には、第２メイン噴射量ＱＭ２は「０」に設定される。そして、メイン噴射量ＱＭが第１メイン噴射量ＱＭ１よりも多くなると、メイン噴射量ＱＭの増大に伴って第２メイン噴射量ＱＭ２は徐々に増えていく。そして、第２メイン噴射量ＱＭ２が上記要求燃料量ＱＭＤに達すると、その後はメイン噴射量ＱＭが増大しても第２メイン噴射量ＱＭ２は要求燃料量ＱＭＤに固定される。他方、第２メイン噴射量ＱＭ２が上記要求燃料量ＱＭＤに達すると、それまで「０」に設定されていた第３メイン噴射量ＱＭ３は、メイン噴射量ＱＭの増大に伴って徐々に増えていく。なお、第１メイン噴射量ＱＭ１と第２メイン噴射量ＱＭ２の最大値である上記要求燃料量ＱＭＤと第３メイン噴射量ＱＭ３との総和が、メイン噴射量ＱＭの最大値ＱＭｍａｘを超えないように、要求燃料量ＱＭＤや第３メイン噴射量ＱＭ３は適切に設定されている。

こうした第１メイン噴射量ＱＭ１及び第２メイン噴射量ＱＭ２及び第３メイン噴射量ＱＭ３の設定により、第２メイン噴射量ＱＭ２が要求燃料量ＱＭＤに達するまでは、メイン噴射が２回に分割される。そして、第２メイン噴射量ＱＭ２が要求燃料量ＱＭＤに達した以降は、メイン噴射が３回に分割される。

第１メイン噴射量ＱＭ１及び第２メイン噴射量ＱＭ２及び第３メイン噴射量ＱＭ３を設定すると、制御装置８０の分割噴射部８０Ｆは、機関回転速度ＮＥ等に基づいて設定される各噴射時期に合わせて第１メイン噴射から第３メイン噴射を実施することにより、メイン噴射の分割噴射を実行する（Ｓ５２０）。なお、第３メイン噴射量ＱＭ３が「０」に設定されているときには、ステップＳ５２０において、第１メイン噴射及び第２メイン噴射を実施することにより、メイン噴射の分割噴射を実行する。そして、本処理を終了する。

以上説明した本実施形態によれば、以下の作用効果を得ることができる。
（１）燃焼場ＮＰの空燃比である局所空燃比ＡＦＬを求めるようにしている（図１０のステップＳ１００）。そして、局所空燃比ＡＦＬが要求空燃比ＡＦＤよりもリッチな空燃比であると判定される場合（図１０のステップＳ２００：ＹＥＳ）、つまり燃焼場ＮＰの酸素量が上記の要求酸素量ＮＰＤＳに対して不足した状態になっている場合には、過給圧ＰＩＭを増大させることが不可能かどうか判定される（図１０のステップＳ３００）。そして、過給圧ＰＩＭを増大させることが可能な場合には（図１０のステップＳ３００：ＮＯ）、過給圧ＰＩＭの増大処理が行われる（図１０のステップＳ４００）。

この過給圧ＰＩＭの増大処理では、燃焼場ＮＰの酸素量を上記要求酸素量ＮＰＤＳにまで増やすために必要な要求過給圧ＰＩＭＤが算出される（図１３のステップＳ４１０〜ステップＳ４５０）。そして、その算出された要求過給圧ＰＩＭＤが目標過給圧ＰＩＭＰとして設定される（図１３のステップＳ４６０）。このように、不足している酸素量を補うために要求過給圧ＰＩＭＤが目標過給圧ＰＩＭＰとして設定されると、その変更後の目標過給圧ＰＩＭＰ（＝要求過給圧ＰＩＭＤ）は、酸素量が不足していると判定されたときの目標過給圧ＰＩＭＰよりも高い値になり、過給圧ＰＩＭは増大する。このようにして過給圧ＰＩＭが増大されると、燃焼室７１に流入する空気の量が増えることによって燃焼場ＮＰの酸素量も増大するため、燃焼場ＮＰでの酸素不足に起因して発生するスモークの量を低減することができる。また、上記要求過給圧ＰＩＭＤを算出することにより過給圧ＰＩＭの増大を図るようにしているため、燃焼場ＮＰの酸素不足に応じた分だけ過給圧ＰＩＭは増大される。従って、燃焼場ＮＰの酸素不足を適切に補うことができる。

（２）過給圧を増大させることができないときには（図１０のステップＳ３００：ＹＥＳ）、メイン噴射の分割噴射が行われる。このようにして分割噴射が行われると、まず、第１メイン噴射にて噴射された燃料が燃焼することによって燃焼室７１内の温度が高まるため、第２メイン噴射で噴射された燃料は、燃料噴射弁４からの噴射後、速やかに燃焼するようになる。つまり、第２メイン噴射で噴射された燃料は、第１メイン噴射にて噴射された燃料と比較して、燃料噴射弁４に近い位置で燃焼するようになるため、第２メイン噴射で噴射された燃料の燃焼場と、第１メイン噴射にて噴射された燃料の燃焼場とは異なるようになる。従って、第１メイン噴射で噴射された燃料や、第２メイン噴射で噴射された燃料は、それぞれ十分な酸素量が確保されている領域で燃焼するようになる。そのため、第１メイン噴射で噴射された燃料が燃焼する燃焼場や、第２メイン噴射で噴射された燃料が燃焼する燃焼場では、酸素不足に起因して発生するスモークの量を低減することができる。

同様に、第２メイン噴射にて噴射された燃料が燃焼することによって燃焼室７１内の温度は更に高まるため、第３メイン噴射で噴射された燃料は、燃料噴射弁４からの噴射後、さらに速やかに燃焼するようになる。つまり、第３メイン噴射で噴射された燃料は、第２メイン噴射にて噴射された燃料と比較して、燃料噴射弁４により近い位置で燃焼するようになるため、第３メイン噴射で噴射された燃料の燃焼場と、第２メイン噴射にて噴射された燃料の燃焼場とは異なるようになる。従って、第３メイン噴射にて噴射された燃料も、十分な酸素量が確保されている領域で燃焼するようになる。そのため、第３メイン噴射で噴射された燃料が燃焼する燃焼場でも、酸素不足に起因して発生するスモークの量を低減することができる。

（３）燃焼室７１内の燃焼場におけるスモークの発生量を低減することができるため、スモークを成分として含む上記ＰＭの量も減少するようになる。従って、こうしたＰＭ量の減少に起因する各種効果も得られるようになる。

例えば、単位時間当たりにフィルタ３２に捕集されるＰＭの量が少なくなるために、フィルタ３２の再生周期が長くなる。フィルタ３２の再生周期が長くなると、フィルタ３２の再生回数が減少するため、フィルタ３２を再生するために必要な燃料の量を低減することができる。また、ＰＭの堆積によるフィルタ３２の圧力損失の増大も抑えられるようになるため、そうした圧力損失による機関出力の低下を補うための燃料消費も抑えることができる。また、フィルタ３２の上流側端面にＰＭが付着することによりフィルタ３２が詰まる現象、いわゆる端面詰まりが起きにくくなるため、フィルタ３２の使用寿命を延ばすことができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更して実施することもできる。
・上述した過給圧ＰＩＭの増大処理では、燃焼場ＮＰの酸素量を上述した要求酸素量ＮＰＤＳにまで増やすために必要な要求過給圧ＰＩＭＤを算出し、その算出した要求過給圧ＰＩＭＤを目標過給圧ＰＩＭＰとすることによって過給圧ＰＩＭを増大させた。この他、簡易的には、先の図９におけるステップＳ１０の処理で算出される目標過給圧ＰＩＭＰに対して、予め定めた所定値を加算することにより過給圧ＰＩＭを増大させてもよい。この場合でも、燃焼室７１に流入する空気の量が増えることによって燃焼場ＮＰの酸素量も増大するため、燃焼場ＮＰの酸素不足によるスモークの発生を抑制することができる。

・メイン噴射を最大で３回分割するようにしたが、そうした分割回数の最大値は適宜変更することができる。
・過給圧を増大させることができないときには（図１０のステップＳ３００：ＹＥＳ）、メイン噴射の分割噴射を実行するようにしたが、そうした分割噴射を省略してもよい。つまり、先の図１０に示したステップＳ３００及びステップＳ５００の処理を省略して、ステップＳ２００で肯定判定されるときには、次の処理として、ステップＳ４００の処理を実行するようにしてもよい。この場合でも、上記（２）以外の作用効果を得ることができる。

・噴射量マップを使って第２メイン噴射量ＱＭ２や第３メイン噴射量ＱＭ３を設定するようにした。この他、第２メイン噴射で噴射される燃料の燃焼場における空燃比や、第３メイン噴射で噴射される燃料の燃焼場における空燃比を、上述した局所空燃比ＡＦＬと同様に機関運転中において実際に算出し、その算出した空燃比が分割時要求空燃比ＡＦＤＤＶとなるように、第２メイン噴射量ＱＭ２や第３メイン噴射量ＱＭ３を算出するようにしてもよい。

・エンジン１は、ディーゼルエンジンであった。その他、燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を備えた圧縮自着火式の内燃機関であれば、上記実施形態や変形を適用することができる。

１…エンジン、２…シリンダヘッド、３…吸気通路、４…燃料噴射弁、５…燃料添加弁、６…排気ポート、７…インテークマニホールド、８…エキゾーストマニホールド、９…コモンレール、１０…サプライポンプ、１１…過給機（ターボチャージャ）、１１Ａ…タービンハウジング、１１Ｂ…コンプレッサハウジング、１１ｖ…ノズルベーン、１３…ＥＧＲ通路、１４…ＥＧＲクーラ、１５…ＥＧＲ弁、１６…吸気絞り弁、１７…アクチュエータ、１８…インタークーラ、１９…エアフロメータ、２０…絞り弁開度センサ、２１…クランク角センサ、２２…アクセルセンサ、２３…外気温センサ、２４…燃圧センサ、２６…排気通路、２７…燃料供給管、３０…浄化部材、３１…酸化触媒、３２…フィルタ、７０…気筒、７１…燃焼室、７３…シリンダボア、８０…制御装置、８０Ａ…過給圧制御部、８０Ｂ…局所空燃比算出部、８０Ｃ…空燃比判定部、８０Ｄ…過給圧変更部、８０Ｅ…増大判定部、８０Ｆ…分割噴射部、９０…ピストン、９１…キャビティ、９１Ａ…底壁面、９１Ｂ…突起、９１Ｃ…巻き上げ部、９１Ｄ…側壁面、９１Ｅ…傾斜面、９１Ｆ…スキッシュ面、９１Ｇ…開口縁、１１０…差圧センサ、１２０…排気温度センサ、１３０…空気温度センサ、１４０…過給圧センサ、１５０…ＥＧＲ温度センサ、ＦＬ…燃料。

Claims (3)

1. 可動ベーンを有する可変容量型の過給機と、燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁とを備える圧縮自着火式の内燃機関に適用される制御装置であって、
   当該制御装置は、
   前記可動ベーンの開度を調整することにより前記過給機による吸気の過給圧を制御する過給圧制御部と、
   前記燃料噴射弁から噴射された燃料の燃焼場の空燃比である局所空燃比を算出する局所空燃比算出部と、
   前記局所空燃比が予め定められた要求空燃比よりもリッチな空燃比であるか否かを判定する空燃比判定部と、
   前記空燃比判定部によって前記局所空燃比が前記要求空燃比よりもリッチな空燃比であると判定されるときには前記過給圧を増大させる過給圧変更部と、を備え、
   当該制御装置は、前記燃料噴射弁の燃料噴射パターンとして多段噴射を実行するとともに、
   前記局所空燃比算出部が算出する前記局所空燃比が、前記多段噴射のうちで最も噴射量の多いメイン噴射の実行時における前記燃焼場の空燃比であり、
   前記空燃比判定部によって前記局所空燃比が前記要求空燃比よりもリッチな空燃比であると判定されるときには、前記過給圧変更部による前記過給圧の増大が不可能な状態か否かを判定する増大判定部と、
   前記増大判定部によって前記過給圧の増大が不可能な状態であると判定されるときには、前記メイン噴射を単噴射から分割噴射に変更する分割噴射部と、を備える
   内燃機関の制御装置。
2. 前記過給圧制御部は、機関運転状態に基づいて設定される目標過給圧となるように前記過給圧を制御するとともに、
   前記過給圧変更部は、前記局所空燃比が前記要求空燃比となっているときの前記燃焼場の酸素量を要求酸素量としたときに、前記燃焼場の酸素量が前記要求酸素量となるように前記目標過給圧を変更する
   請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
3. 前記内燃機関の吸気通路には、燃焼室内に入る空気の量を検出する吸入空気量センサが設けられており、
   前記局所空燃比算出部は、前記燃焼場に噴射される燃料の噴霧到達距離及び燃料の噴射時期に基づいて前記燃焼場の容積を算出するとともに、前記容積内の空気量である燃焼場空気量を前記吸入空気量センサによって検出される前記空気の量に基づいて算出し、前記燃焼場に噴射される燃料の量に対する前記燃焼場空気量の比率を算出することにより前記局所空燃比を算出する
   請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。