JP7189487B2 - ディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置 - Google Patents

ディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置 Download PDF

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Description

本発明は、燃焼室の一部がキャビティを有するピストンの冠面で区画されるディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置に関する。
自動車などの車両用ディーゼルエンジンの燃焼室は、シリンダの内壁面、シリンダヘッドの下面（燃焼室天井面）及びピストンの冠面によって区画されている。前記燃焼室には、当該燃焼室の径方向中心付近に配置された燃料噴射弁から燃料が供給される。前記ピストンの冠面にキャビティ（凹部）を配置し、このキャビティに向けて前記燃料噴射弁から燃料が噴射されるように構成された燃焼室構造が知られている。特許文献１、２には、前記キャビティが上側キャビティと下側キャビティとの２段構造とされた燃焼室構造を対象として、当該２段構造キャビティの分岐部に燃料を噴射させ、上側キャビティと下側キャビティとに燃料を分散させるようにした燃料噴射制御装置が開示されている。
仏国特許出願公開第２９０２４６２号明細書 特許第４９０６０５５号公報
２段構造キャビティが採用された場合、燃料噴射弁から噴射された燃料を含む混合気の筒内流動は、前記分岐部で上側キャビティに向かう流動と、下側キャビティに向かう流動とに分離され、各キャビティで旋回流を形成する。１段構造のキャビティの場合には、前記分離が生じないことから、キャビティに沿って比較的強い旋回流が形成される。これに比べて２段構造キャビティの旋回流は、前記分離により比較的弱いものとなる。このため、燃焼室の径方向中央領域に存在する空気が、前記旋回流によって燃焼室の径方向外側に引き込まれ難くなる傾向が発現する。この場合、空気利用率が低下する、つまり燃焼室の径方向中央領域に残存する酸素を有効利用できないという問題が生じる。
本発明は、ピストンの冠面にキャビティを備えたディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置であって、燃焼室内の空気を有効活用して均質で薄い混合気を形成し、煤などの発生を可及的に抑制することが可能な燃料噴射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ディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置は、シリンダヘッドの下面、シリンダ及びピストンの冠面により形成されるエンジンの燃焼室と、前記燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁の動作を制御する燃料噴射制御部と、を備えるディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置であって、前記ピストンの冠面にはキャビティが備えられ、当該キャビティは、前記冠面の径方向中心領域に配置され、シリンダ軸方向に第１の深さを有する第１底部を備えた第１キャビティ部と、前記冠面における前記第１キャビティ部の外周側に配置され、シリンダ軸方向に前記第１の深さよりも浅い深さを有する第２底部を備えた第２キャビティ部と、前記第１キャビティ部と前記第２キャビティ部とを繋ぐ連結部と、を含み、前記燃料噴射弁は、前記キャビティに向けて燃料を噴射するものであって、前記燃焼室の径方向中心又はその近傍に配置され、前記燃料噴射制御部は、少なくとも前記ピストンが圧縮上死点付近に位置するタイミングで燃料噴射を行わせるメイン噴射と、当該メイン噴射よりも早いタイミングで燃料噴射を行わせるパイロッ
ト噴射と、前記パイロット噴射よりも早いタイミング若しくは前記メイン噴射よりも遅いタイミングで燃料噴射を行わせる低ペネトレーション噴射と、を前記燃料噴射弁に実行させるものであって、前記メイン噴射若しくは前記パイロット噴射の少なくとも一方を、前記連結部を指向して燃料噴射するタイミングで実行させる第１噴射制御部と、 前記低ペネトレーション噴射を、前記燃焼室の径方向中央領域内だけに燃料噴射が行われるように実行させる第２噴射制御部と、を含み、前記第２噴射制御部は、大気圧が低いときは高いときよりも前記低ペネトレーション噴射の噴射タイミングを進角させ、大気圧が所定の基準大気圧未満のときは、前記低ペネトレーション噴射を前記パイロット噴射よりも早いタイミングで実行させるとともに、大気圧が前記基準大気圧以上のときは前記低ペネトレーション噴射を前記メイン噴射よりも遅いタイミングで実行させる、ことを特徴とする。
この燃料噴射制御装置によれば、燃焼室の一部が前記第１、第２キャビティ部を含む冠面で形成され、前記連結部を指向して前記メイン噴射若しくは前記パイロット噴射の燃料噴射が実行される。このため、混合気の筒内流動が連結部にて分離され、筒内旋回流が比較的弱くなり、燃焼室の径方向中央領域付近の空気が径方向外側へ引き込まれにくくなる傾向が出る。しかし、前記燃料噴射制御装置によれば、通常のメイン噴射及びパイロット噴射に加えて、低ペネトレーション噴射が実行される。当該低ペネトレーション噴射は、前記燃焼室の径方向中央領域内だけに燃料噴射が行われるように実行される。従って、燃焼室の径方向中央領域に残存する空気と、低ペネトレーション噴射による噴霧燃料とで、混合気を形成することができる。その結果、燃焼室内の空気を有効活用して均質で薄い混合気を形成し、煤などの発生を抑制した良質なディーゼル燃焼を実現することができる。
ここで、大気圧が高いときは燃焼室内の混合気の圧縮端圧力が高くなる。圧縮端圧力が高くなると混合気の着火性が高くなる。混合気の着火性が過剰に高いと、所望のタイミングよりも早いタイミングで混合気が燃焼を開始する過早着火が生じるおそれがある。これに対して、この装置では、大気圧が高いときは低いときよりも低ペネトレーション噴射の噴射タイミングが遅角される（大気圧が低いときは高いときよりも低ペネトレーション噴射の噴射タイミングが進角される）。そのため、大気圧が高いときに、低ペネトレーション噴射に係る燃料と空気の混合時間を短く抑えることができる。つまり、この燃料と空気の混合を抑制できる。そのため、過早着火を防止することができる。また、大気圧が低いときは着火性が低下することで着火遅れが生じやすくなるが、このときには、低ペネトレーション噴射に係る燃料と空気の混合時間を長くしてこれらの混合を促進することができるため、着火遅れを防止することができる。
また、前記第２噴射制御部は、大気圧が所定の基準大気圧未満のときは、前記低ペネトレーション噴射を前記パイロット噴射よりも早いタイミングで実行させ、前記第２噴射制御部は、大気圧が前記基準大気圧以上のときは前記低ペネトレーション噴射を前記メイン噴射よりも遅いタイミングで実行させる。
この構成によれば、大気圧が基準大気圧未満であって混合気の着火性が比較的低いときに、低ペネトレーション噴射がパイロット噴射よりも早いタイミングで実行される。そのため、過早着火の発生を回避しながら、低ペネトレーション噴射に係る燃料のエネルギーをより確実に有効なトルクとして得ることができる。つまり、燃費性能を高めることができる。
また、大気圧が基準大気圧以上であって混合気の着火性が比較的高いときには、低ペネトレーション噴射がメイン噴射よりも遅いタイミングで実行される。そのため、メイン噴射に係る燃料の燃焼開始後に低ペネトレーション噴射に係る燃料を燃焼させることができ、過早着火の問題を回避できる。さらに、低ペネトレーション噴射に係る燃料の燃焼エネルギーによって、メイン噴射に係る燃料等の燃焼によって生成された煤を酸化できる。
本発明の他の局面に係るディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置は、シリンダヘッドの下面、シリンダ及びピストンの冠面により形成されるエンジンの燃焼室と、前記燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁の動作を制御する燃料噴射制御部と、を備えるディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置であって、前記ピストンの冠面にはキャビティが備えられ、当該キャビティは、前記冠面の径方向中心領域に配置され、シリンダ軸方向に第１の深さを有する第１底部を備えた第１キャビティ部と、前記冠面における前記第１キャビティ部の外周側に配置され、シリンダ軸方向に前記第１の深さよりも浅い深さを有する第２底部を備えた第２キャビティ部と、前記第１キャビティ部と前記第２キャビティ部とを繋ぐ連結部と、を含み、前記燃料噴射弁は、前記キャビティに向けて燃料を噴射するものであって、前記燃焼室の径方向中心又はその近傍に配置され、前記燃料噴射制御部は、少なくとも前記ピストンが圧縮上死点付近に位置するタイミングで燃料噴射を行わせるメイン噴射と、当該メイン噴射よりも早いタイミングで燃料噴射を行わせるパイロット噴射と、前記パイロット噴射よりも早いタイミング若しくは前記メイン噴射よりも遅いタイミングで燃料噴射を行わせる低ペネトレーション噴射と、を前記燃料噴射弁に実行させるものであって、前記メイン噴射若しくは前記パイロット噴射の少なくとも一方を、前記連結部を指向して燃料噴射するタイミングで実行させる第１噴射制御部と、前記低ペネトレーション噴射を、前記燃焼室の径方向中央領域内だけに燃料噴射が行われるように実行させる第２噴射制御部と、を含み、前記第２噴射制御部は、前記燃料噴射弁の噴射圧が所定の基準噴射圧以上のときに、大気圧が低いときの方が高いときよりも前記低ペネトレーション噴射の噴射タイミングを進角させ、前記燃料噴射弁の噴射圧が前記基準噴射圧未満のときは、前記低ペネトレーション噴射を前記メイン噴射よりも遅いタイミングで実行するとともに、大気圧が低いときの方が高いときよりも前記低ペネトレーション噴射の噴射タイミングを遅角させる、ことを特徴とする（請求項２）。
この構成によれば、低ペネトレーション噴射によって燃焼室から外部に排出される煤の量を効果的に低減できる。
具体的には、燃料噴射弁の噴射圧が低いときは、燃料噴霧の粒径が大きくなることで煤が発生しやすい。これに対して、この装置では、燃料噴射弁の噴射圧が基準噴射圧未満のときに低ペネトレーション噴射がメイン噴射よりも遅いタイミングで実行される。そのため、パイロット噴射やメイン噴射に係る燃料の燃焼によって生成された煤を、低ペネトレーション噴射に係る燃料の燃焼エネルギーによって酸化できる。しかも、このときに、大気圧が低いときの方が高いときよりも低ペネトレーション噴射の噴射タイミングが遅角される。そのため、大気圧が低く充填効率が低下することで増大しやすい煤を、低ペネトレーション噴射に係る熱エネルギーよって効果的に酸化させることができる。また、燃料噴射弁の噴射圧が低く煤が発生しにくいときは、大気圧が低いときの方が高いときよりも低ペネトレーション噴射の噴射タイミングを進角させているので、前記のように過早着火や着火遅れを防止できる。
本発明の他の局面に係るディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置は、シリンダヘッドの下面、シリンダ及びピストンの冠面により形成されるエンジンの燃焼室と、前記燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁の動作を制御する燃料噴射制御部と、を備えるディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置であって、前記ピストンの冠面にはキャビティが備えられ、当該キャビティは、前記冠面の径方向中心領域に配置され、シリンダ軸方向に第１の深さを有する第１底部を備えた第１キャビティ部と、前記冠面における前記第１キャビティ部の外周側に配置され、シリンダ軸方向に前記第１の深さよりも浅い深さを有する第２底部を備えた第２キャビティ部と、前記第１キャビティ部と前記第２キャビティ部とを繋ぐ連結部と、を含み、前記燃料噴射弁は、前記キャビティに向けて燃料を噴射するものであって、前記燃焼室の径方向中心又はその近傍に配置され、前記燃料噴射制御部は、少なくとも前記ピストンが圧縮上死点付近に位置するタイミングで燃料噴射を行わせるメイン噴射と、当該メイン噴射よりも早いタイミングで燃料噴射を行わせるパイロット噴射と、前記パイロット噴射よりも早いタイミング若しくは前記メイン噴射よりも遅いタイミングで燃料噴射を行わせる低ペネトレーション噴射と、を前記燃料噴射弁に実行させるものであって、前記メイン噴射若しくは前記パイロット噴射の少なくとも一方を、前記連結部を指向して燃料噴射するタイミングで実行させる第１噴射制御部と、前記低ペネトレーション噴射を、前記燃焼室の径方向中央領域内だけに燃料噴射が行われるように実行させる第２噴射制御部と、を含み、前記第２噴射制御部は、大気圧が低いときは高いときよりも前記低ペネトレーション噴射の噴射タイミングを進角させるとともに、前記燃焼室の前記径方向中央領域の外縁が噴霧ペネトレーションとなるように、前記低ペネトレーション噴射を実行させる、ことを特徴とする。（請求項３）。
この構成によれば、前記燃焼室の前記径方向中央領域の外縁の位置が、噴霧ペネトレーションの目標とされる。従って、前記径方向中央領域に存在する空気をフル活用して混合気を形成することができ、結果的に煤などの発生をより抑制することができる。
前記構成において、前記第２噴射制御部は、前記第１噴射制御部による前記メイン噴射若しくは前記パイロット噴射の噴射圧、噴射量及び噴射タイミングに基づいて、前記燃焼室の径方向中央領域に生じる酸素残存可能領域を推定し、当該酸素残存可能領域の外縁が噴霧ペネトレーションとなるように、前記低ペネトレーション噴射を実行させることが望ましい（請求項４）。
この構成によれば、活用すべき酸素が残存する酸素残存可能領域が、前記第１噴射制御部による噴射制御結果から推定され、その推定された酸素残存可能領域内を対象として低ペネトレーション噴射が実行される。従って、燃焼室内の残存酸素を有効活用した燃焼を実現することができる。
本発明によれば、燃焼室内の空気を有効活用して均質で薄い混合気を形成し、煤などの発生を可及的に抑制することが可能なディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置を提供することができる。
図１は、本発明に係る燃料噴射制御装置が適用されるディーゼルエンジン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、図２（Ｂ）に示すピストン断面の拡大図である。 図４は、ピストンの冠面とインジェクタによる燃料の噴射軸との関係を説明するための、ピストンの断面図である。 図５は、ディーゼルエンジンの制御系統を示すブロック図である。 図６（Ａ）は、比較例に係るキャビティを採用した場合における筒内旋回流を模式的に示す図、図６（Ｂ）は、本実施形態に係るキャビティを採用した場合における筒内旋回流を模式的に示す図である。 図７（Ａ）は、比較例に係るキャビティを採用した場合の燃焼室内における残存空気の発生状況を、図７（Ｂ）は、本実施形態に係るキャビティを採用した場合の燃焼室内における残存空気の発生状況を、各々示す燃焼室の断面図である。 図８は、本実施形態における、低ペネトレーション噴射の実行状況を示す燃焼室の断面図である。 図９（Ａ）～（Ｃ）は、低ペネトレーション噴射の目標ラインの設定方法を説明するための図である。 図１０（Ａ）～（Ｄ）は、第１実施形態に係る低ペネトレーション噴射の態様を示すタイムチャートである。 図１１は、第１実施形態に係る低ペネトレーション噴射制御を示すフローチャートである。 図１２は、第２実施形態に係る低ペネトレーション噴射制御における、制御区分を示す図である。 図１３は、（Ａ）～（Ｄ）は、第２実施形態に係る低ペネトレーション噴射の態様を示すタイムチャートである。 図１４（Ａ）～（Ｃ）は、第２実施形態に係る低ペネトレーション噴射の態様を示すタイムチャートである。 図１５は、第２実施形態に係る低ペネトレーション噴射制御の一部を示すフローチャートである。 図１６は、第２実施形態に係る低ペネトレーション噴射制御の一部を示すフローチャートである。
［エンジンの全体構成］
以下、図面に基づいて、本発明に係るディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置の実施形態を詳細に説明する。まず、本発明に係る燃料噴射制御装置が適用されるディーゼルエンジンシステムの全体構成を、図１に基づいて説明する。図１に示すディーゼルエンジンは、走行用の動力源として車両に搭載される４サイクルのディーゼルエンジンである。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）を有し、軽油を主成分とする燃料の供給を受けて駆動されるエンジンである。エンジン本体１は、シリンダブロック３、シリンダヘッド４及びピストン５を備える。シリンダブロック３は、シリンダ２を形成するシリンダライナを有する。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、シリンダ２の上部開口を塞いでいる。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及び図４参照）、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には前記燃料が、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。そして、供給された燃料と空気との混合気が燃焼室６で燃焼され、その燃焼による膨張力で押し下げられたピストン５が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、エンジン本体１つまりシリンダブロック３及びシリンダヘッド４の内部を流通してこれらを冷却するための冷却水の温度（大気圧）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及び排気ポート１０は、各シリンダ２につき２つずつ設けられるとともに、吸気弁１１及び排気弁１２も２つずつ設けられている。
シリンダヘッド４には、カムシャフトを含む吸気側動弁機構１３及び排気側動弁機構１４が配設されている。吸気弁１１及び排気弁１２は、これら動弁機構１３、１４により、クランク軸７の回転に連動して開閉駆動される。吸気側動弁機構１３には、吸気弁１１の少なくとも開時期を変更可能な吸気ＶＶＴが、排気側動弁機構１４には、排気弁１２の少なくとも閉時期を変更可能な排気ＶＶＴが、各々内蔵されている。
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。インジェクタ１５は、図略の燃料供給管を通して供給された燃料を燃焼室６に噴射する。インジェクタ１５は、燃料を噴射する先端部（ノズル１５１；図４）が燃焼室６の径方向中心又はその近傍に位置するように、シリンダヘッド４に組み付けられ、ピストン５の冠面５０に形成された後述のキャビティ５Ｃ（図２～図４）に向けて燃料を噴射する。
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。このコモンレール内で蓄圧された燃料が各シリンダ２のインジェクタ１５に供給されることにより、各インジェクタ１５から高い圧力（５０ＭＰａ～２５０ＭＰａ程度）で燃料が燃焼室６内に噴射される。前記燃料ポンプと前記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５参照）が設けられている。
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、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して吸気を清浄化する。スロットル弁３２は、図略のアクセルの踏み込み動作と連動して吸気通路３０を開閉し、吸気通路３０における吸気の流量を調整する。ターボ過給機４６は、吸気を圧縮しつつ吸気通路３０の下流側へ当該吸気を送り出す。インタークーラ３３は、過給機４６により圧縮された吸気を冷却する。サージタンク３４は、吸気ポート９に連なるインテークマニホールドの直上流に配置され、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タンクである。
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Ｏ２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Ｏ２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。なお、図１には図示していないが、インジェクタ１５の噴射圧を検出する噴射圧センサＳＮ７が備えられている。
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には排気浄化装置４１が設けられている。排気浄化装置４１には、排気通路４０を流通する排気ガス中に含まれる有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ）を浄化するための三元触媒４２と、排気ガス中に含まれる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とが内蔵されている。
排気通路４０には、排気Ｏ２センサＳＮ８及び差圧センサＳＮ９が配置されている。排気Ｏ２センサＳＮ８は、ターボ過給機４６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に設けられたＥＧＲ弁４５とを備える。ＥＧＲ通路４４Ａは、排気通路４０におけるターボ過給機４６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、排気通路４０から吸気通路３０に還流される排気ガス（ＥＧＲガス）を熱交換により冷却するＥＧＲクーラ（図略）が配置されている。ＥＧＲ弁４５は、ＥＧＲ通路４４Ａを流通する排気ガスの流量を調整する。
ターボ過給機４６は、吸気通路３０側に配置されたコンプレッサ４７と、排気通路４０に配置されたタービン４８とを含む。コンプレッサ４７とタービン４８とは、タービン軸で一体回転可能に連結されている。タービン４８は、排気通路４０を流れる排気ガスのエネルギーを受けて回転する。これに連動してコンプレッサ４７が回転することにより、吸気通路３０を流通する空気が圧縮（過給）される。
［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。ピストン５は、上方側のピストンヘッドと、下方側に位置するスカート部とを備えるが、図２（Ａ）では、冠面５０を頂面に有する前記ピストンヘッド部分を示している。図２（Ｂ）は、ピストン５の径方向断面付きの斜視図である。図３は、図２（Ｂ）に示す径方向断面の拡大図である。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。以下では、シリンダ軸と直交する面を水平面として（シリンダ軸と直交する面が水平面となるようにピストン５が配置されているとして）説明する。
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。上述の通り、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から燃料の噴射を受ける部分である。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り、図略のピストンリングが嵌め込まれるリング溝が複数備えられている。
キャビティ５Ｃは、第１キャビティ部５１、第２キャビティ部５２、連結部５３及び山部５４を含む。第１キャビティ部５１は、冠面５０の径方向Ｂの中心領域に配置された凹部である。第２キャビティ部５２は、冠面５０における第１キャビティ部５１の外周側に配置された、環状の凹部である。連結部５３は、第１キャビティ部５１と第２キャビティ部５２とを径方向Ｂに繋ぐ部分である。山部５４は、冠面５０（第１キャビティ部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４）。
第１キャビティ部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、第１キャビティ部５１において最も高い位置にあり、連結部５３に連なっている。第１底部５１２は、第１キャビティ部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は最深部であって、第１キャビティ部５１は、第１底部５１２においてシリンダ軸方向Ａに所定の深さ（第１の深さ）を有している。上面視において、第１底部５１２は、連結部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、連結部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、第１キャビティ部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。
第２キャビティ部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、第２キャビティ部５２において最も径方向内側の位置にあり、連結部５３に連なっている。第２底部５２２は、第２キャビティ部５２において最も凹没した領域である。第２キャビティ部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、第２キャビティ部５２は、第１キャビティ部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、第２キャビティ部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。図３に示されているように、テーパ領域５２４は、径方向Ｂに延びる水平ライン（シリンダ軸Ａと直交する面に沿うライン）Ｃ１に対して傾き角αで交差する傾斜ラインＣ２に沿った傾きを有している。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、第２キャビティ部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。
連結部５３は、径方向Ｂの断面形状において、下側に位置する第１キャビティ部５１と上側に位置する第２キャビティ部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。連結部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、第１キャビティ部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、第２キャビティ部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は連結部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、本実施形態の第２キャビティ部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、その突出高さは連結部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、上面視で円形の第１キャビティ部５１の中心に位置しており、これにより第１キャビティ部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。
［燃料噴射後の筒内流動について］
続いて、インジェクタ１５によるキャビティ５Ｃへの燃料噴射状況、及び噴射後の混合気の流れについて、図４に基づいて説明する。図４は、燃焼室６の簡略的な断面図であって、冠面５０（キャビティ５Ｃ）とインジェクタ１５から噴射される噴射燃料１５Ｅの噴射軸ＡＸとの関係と、噴射後の混合気の流れを模式的に表す矢印Ｆ１１、Ｆ１２、Ｆ１３、Ｆ２１、Ｆ２２、Ｆ２３とが示されている。
インジェクタ１５は、燃焼室天井面６Ｕ（シリンダヘッド４の下面）から燃焼室６へ下方に突出するように配置されたノズル１５１を備えている。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４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。噴射孔１５２から噴射される燃料は、図中の噴射軸ＡＸに沿って噴射される。噴射された燃料は、噴霧角θをもって拡散する。図４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。噴射孔１５２から噴射された燃料は、側面視で上拡散軸ＡＸ１と下拡散軸ＡＸ２の間の領域を通って飛散する。なお、噴射軸ＡＸは、インジェクタ１５から噴射された燃料噴霧の中心軸であって、噴射孔１５２の中心軸の延長線とほぼ一致する。
噴射孔１５２は、キャビティ５Ｃの連結部５３に向けて燃料を噴射可能である。すなわち、ピストン５の所定のクランク角において噴射孔１５２から燃料噴射動作を行わせることで、噴射軸ＡＸを連結部５３に指向させることができる。図４は、前記所定のクランク角における噴射軸ＡＸとキャビティ５Ｃとの位置関係を示している。噴射孔１５２から噴射された燃料は、燃焼室６の空気と混合されて混合気を形成しつつ、連結部５３に吹き当たることになる。
図４に示すように、噴射軸ＡＸに沿って連結部５３に向けて噴射された燃料１５Ｅは、連結部５３に衝突し、その後、第１キャビティ部５１の方向（下方向）へ向かうもの（矢印Ｆ１１）と、第２キャビティ部５２の方向（上方向）へ向かうもの（矢印Ｆ２１）とに空間的に分離される。すなわち、連結部５３の中央部５３３を指向して噴射された燃料は、上下に分離され、その後は各々第１、第２キャビティ部５１、５２に存在する空気と混合しながら、これらキャビティ部５１、５２の面形状に沿って流動する。
詳しくは、矢印Ｆ１１の方向（下方向）に向かう混合気は、連結部５３の下端部５３１から第１キャビティ部５１の径方向窪み部５１４へ入り込み、下方向に流れる。その後、混合気は、径方向窪み部５１４の湾曲形状によって流動方向を下方向から径方向Ｂの内側方向へ変え、矢印Ｆ１２で示すように、第１底部５１２を有する第１キャビティ部５１の底面形状に倣って流動する。この際、混合気は、第１キャビティ部５１の空気と混合して濃度を薄めて行く。山部５４が存在することによって、第１キャビティ部５１の底面は径方向中央に向けてせり上がる形状を有している。従って、矢印Ｆ１２方向に流動する混合気は上方に持ち上げられ、ついには矢印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する。このような流動の際にも、前記混合気は燃焼室６内に存在する空気と混合し、均質で薄い混合気となってゆく。
一方、矢印Ｆ２１の方向（上方向）に向かう混合気は、連結部５３の第３上端部５３２から第２キャビティ部５２のテーパ領域５２４に入り込み、テーパ領域５２４の傾きに沿って斜め下方に向かう。そして、矢印Ｆ２２で示すように、前記混合気は第２底部５２２に至る。ここで、テーパ領域５２４は噴射軸ＡＸに沿う傾きを持つ面とされている。このため、前記混合気は径方向外側へスムースに流動することができる。つまり前記混合気は、テーパ領域５２４の存在、並びに、連結部５３の第３上端部５３２も下方に位置する第２底部５２２の存在によって、燃焼室６の径方向外側の奥深い位置まで到達することができる。
しかる後、前記混合気は、第２底部５２２と立ち壁領域５２５の間の立ち上がり曲面によって上方に持ち上げられ、燃焼室天井面６Ｕに沿って径方向内側へ向かうように流動する。このような、矢印Ｆ２２で示す流動の際に、前記混合気は第２キャビティ部５２内の空気と混合し、均質で薄い混合気となって行く。ここで、第２底部５２２よりも径方向外側に、概ね上下方向に延びる立ち壁領域５２５が存在することで、噴射された燃料（混合気）がシリンダ２の内周壁（一般に、図略のライナーが存在する）に到達することが阻止される。つまり、前記混合気は、第２底部５２２の形成によって燃焼室６の径方向外側付近まで流動できるが、立ち壁領域５２５の存在によって、シリンダ２の内周壁との干渉は抑止される。このため、前記干渉による冷損の発生を抑制することができる。
以上の通り、噴射軸ＡＸに沿って連結部５３に向けて噴射された燃料が、連結部５３に衝突して空間的に分離され、第１、第２キャビティ部５１、５２の空間に各々存在する空気を活用して混合気を生成する。これにより、燃焼室６の空間を広く利用して均質で薄い混合気を形成でき、燃焼時に煤などの発生を抑制することができる。
［制御構成］
図５は、前記ディーゼルエンジンシステムの制御構成を示すブロック図である。本実施形態のエンジンシステムは、プロセッサ７０（ディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置）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。前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、外気温つまり車両の走行環境の気温を計測する外気温センサＳＮ１２と、が備えられている。
プロセッサ７０は、上述したクランク角センサＳＮ１、水温センサＳＮ２、エアフローセンサＳＮ３、吸気温センサＳＮ４、吸気圧センサＳＮ５、吸気Ｏ２センサＳＮ６、噴射圧センサＳＮ７、排気Ｏ２センサＳＮ８、差圧センサＳＮ９、アクセル開度センサＳＮ１０、大気圧センサＳＮ１１及び外気温センサＳＮ１２と電気的に接続されている。これらのセンサＳＮ１～ＳＮ１２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、大気圧、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、ＤＰＦ４３の前後差圧、アクセル開度、外気温、気圧等の情報がプロセッサ７０に逐次入力される。なお、吸気圧センサＳＮ５はコンプレッサ４７よりも下流側に設けられており、吸気圧センサＳＮ５で検出される吸気圧は過給圧と同じである。以下では、吸気圧を過給圧という場合がある。
プロセッサ７０は、前記各センサＳＮ１～ＳＮ１２他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、前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、機能的に、インジェクタ１５の動作を制御する燃料噴射制御部７１（第１噴射制御部、第２噴射制御部）を備えている。本実施形態において燃料噴射制御部７１は、少なくとも、ピストン５が圧縮上死点付近に位置するタイミングで燃料噴射を行わせるメイン噴射と、当該メイン噴射よりも早いタイミングで燃料噴射を行わせるパイロット噴射と、前記パイロット噴射よりも早いタイミング若しくは前記メイン噴射よりも遅いタイミングで燃料噴射を行わせる低ペネトレーション噴射と、をインジェクタ１５に実行させる。
ここで、前記メイン噴射及びパイロット噴射は、従前の燃焼制御において汎用されている燃料噴射である。これらの噴射の態様は多々存在する。メイン噴射よりも遅いタイミングで、煤の抑制のためアフター噴射が行われる場合もある。これらの噴射に加えて、本実施形態では、ペネトレーションが他の噴射よりも制限された低ペネトレーション噴射が実行される点に特徴を有する。後記で詳述するが、低ペネトレーション噴射は、燃焼室６の径方向中央領域に残存する空気（酸素）を有効活用するための燃料噴射である。燃料噴射制御部７１は、前記メイン噴射若しくは前記パイロット噴射の少なくとも一方を、キャビティ５Ｃの連結部５３を指向して燃料噴射するタイミングで実行させる第１噴射制御と、前記低ペネトレーション噴射を、燃焼室６の径方向中央領域内だけに燃料噴射が行われるように実行させる第２噴射制御と、を実行する。
燃料噴射制御部７１は、機能的に、噴射範囲設定部７２、運転状態判定部７３、残存酸素量判定部７４、モード判定部７６、噴射パターン設定部７７及び噴射タイミング設定部７８を含む。
噴射範囲設定部７２は、上掲の各燃料噴射におけるペネトレーション目標を設定する。特に前記の低ペネトレーション噴射において、噴射範囲設定部７２は、キャビティ５Ｃによって形成される筒内旋回流の態様を予測して、ペネトレーション目標を設定する（図９に基づき、後記で詳述する）。
運転状態判定部７３は、クランク角センサＳＮ１が検出値に基づくエンジン回転速度、及びアクセル開度センサＳＮ１０の開度情報に基づくエンジン負荷より、エンジン本体１の運転状態を判定する。この判定結果は、前記の低ペネトレーション噴射を実行させる運転モードであるか否かに用いられる。
残存酸素量判定部７４は、排気Ｏ２センサＳＮ８の検出値に基づき、燃焼室６内での酸素利用状況、つまり燃焼室６で残存酸素が発生しているか否か、さらには残存する酸素量のレベルを判定する。なお、排気Ｏ２センサＳＮ８の検出値に依存せず、エアフローセンサＳＮ３が検出する吸気量、インジェクタ１５からの燃料噴射量等を参照したモデル計算により、残存酸素を導出するようにしても良い。
モード判定部７６は、噴射圧センサＳＮ７が検出するインジェクタ１５の噴射圧に基づいて、或いは、エンジン負荷に応じて算出される噴射圧の設定値データを受領して、現状の運転モードを判定する。
噴射パターン設定部７７は、インジェクタ１５からの燃料噴射のパターンを、設定する。前記の低ペネトレーション噴射において、噴射パターン設定部７７は、モード判定部７６が判定した運転モードに応じて、低ペネトレーション噴射の噴射パターンを設定する。この噴射パターンの変動要素は、低ペネトレーション噴射の大まかな実行タイミング（例えば、パイロット噴射よりも早いタイミングか、或いはメイン噴射よりも遅いタイミングか）、低ペネトレーション噴射の回数（単発噴射か、或いは分割噴射か）などである。
噴射タイミング設定部７８は、インジェクタ１５からの燃料噴射の噴射タイミングを、各種の条件に応じて設定する。
［低ペネトレーション噴射が必要な理由］
上述の通り、第１、第２キャビティ部５１、５２を備えた２段構造キャビティを採用することにより、燃焼室６内の空気、とりわけ径方向外側のスキッシュ領域（本実施形態では、周縁平面部５５の上方の領域）の空気を有効利用して均質で薄い混合気を形成できる利点、シリンダ２の内周壁を通した冷損の発生抑制の利点などを期待することができる。他方で、２段構造キャビティを採用した場合、燃焼室６の径方向中央領域の空気の利用率が低下する傾向があることを本発明者らは見出した。この点を図６に基づいて説明する。
図６（Ａ）は、比較例に係るキャビティを採用した場合における筒内旋回流を模式的に示す図である。比較例のピストン５００は、１段構造のキャビティ５００Ｃを備える。キャビティ５００Ｃは、キャビティ部５０１と、当該キャビティ部５０１の径方向外側の開口縁となるキャビティエッジ５０２と、径方向Ｂの中心領域に突設された山部５０３とを含む。キャビティ部５０１は、卵型に湾曲した断面形状を有している。
このようなキャビティ５００Ｃによって区画された燃焼室６Ａにおいて、図略のインジェクタから噴射軸ＡＸに沿って、キャビティエッジ５０２に向けて燃料が噴射されたとする。この場合、噴射された燃料を含む混合気の筒内流動は、図中に矢印で示す旋回流Ｅ１となる。旋回流Ｅ１は、キャビティエッジ５０２に吹き当たり、キャビティ部５０１の形状に沿って軸方向Ａの下方、径方向Ｂの内方へ順次向かい、山部５０３によって上方へ誘導され、径方向Ｂの外方へ向かう流動を作る。このような旋回流Ｅ１は、比較的強い渦流であり、燃焼室６Ａの径方向中央領域（山部５０３の上方付近）に存在する空気ＡＲを径方向Ｂの外側へ引き込む引き込み力ＥＰ１も強くなる。従って、径方向中央領域の空気ＡＲを利用して混合気を形成することができる。
一方、図６（Ｂ）は、本実施形態に係る２段構造のキャビティ５Ｃを備えたピストン５を採用した場合における筒内旋回流を模式的に示す図である。当該燃焼室６において、図略のインジェクタから噴射軸ＡＸに沿って、連結部５３に向けて燃料が噴射されたとする。この場合、混合気の筒内流動は連結部５３で分岐され、軸方向Ａの下側の第１キャビティ５１に向かう流動と、上側の第２キャビティ部５２に向かう流動とに分離される。そして、各キャビティ５１、５２で、それぞれ下側旋回流Ｅ２、上側旋回流Ｅ３を形成する。下側旋回流Ｅ２は、旋回流Ｅ１と同様な流動であって、第１キャビティ部５１の形状に沿って軸方向Ａの下方、径方向Ｂの内方へ順次向かい、山部５４によって上方へ誘導され、径方向Ｂの外方へ向かう流動である。上側旋回流Ｅ３は、径方向Ｂの外方から軸方向Ａの上方に向かった後、径方向Ｂの内方へ順次向かう流動である。上側旋回流Ｅ３の形成により、１段構造のキャビティ５００Ｃに比べて、スキッシュ領域の空気を活用できることが判る。
しかし、燃焼室６の径方向中央領域の空気ＡＲの利用率については、１段構造のキャビティ５００Ｃに劣る傾向がある。すなわち、２段構造のキャビティ５Ｃの場合、旋回流が下側旋回流Ｅ２と上側旋回流Ｅ３とに分離されてしまうので、空気ＡＲを径方向Ｂの外側へ引き込む引き込み力ＥＰ２も比較的弱いものとなる。つまり、空気ＡＲの引き込みに寄与する下側旋回流Ｅ２が、旋回流の分離によって比較例の旋回流Ｅ１よりも弱くなり、渦流に基づく引き込み力ＥＰ２が弱体化するものである。
図７（Ａ）は、比較例に係るキャビティ５００Ｃを採用した場合の燃焼室６Ａ内における残存空気の発生状況を、図７（Ｂ）は、本実施形態に係るキャビティ５Ｃを採用した場合の燃焼室６内における残存空気の発生状況を、各々示す断面図である。図６（Ａ）に基づき説明したように、比較例では比較的強い渦流の旋回流Ｅ１が形成される。従って、図７（Ａ）に示すように、燃焼室６Ａの径方向Ｂの中央領域に存在する空気は旋回流Ｅ１に引き込まれ易くなり、未使用の空気（酸素）が残り得る酸素残存可能領域Ｇ１は比較的狭い領域となる。
これに対し、本実施形態に係るキャビティ５Ｃでは、図６（Ｂ）に基づき説明したように、下側旋回流Ｅ２は比較的弱い渦流となることから、燃焼室６の径方向中央領域に存在する空気は下側旋回流Ｅ２に引き込まれ難くなる。つまり、空気が径方向Ｂの外側へ向かい難くなる。このため、図７（Ｂ）に示すように、未使用の空気（酸素）が残り得る酸素残存可能領域Ｇ２は、径方向中央領域において広いエリアを占めるようになる。従って、燃焼室６の径方向中央領域に残存する酸素を有効利用できないという問題が生じる。
［低ペネトレーション噴射による残存空気の活用］
前記の問題に鑑み、本実施形態では、ディーゼルエンジンに燃焼制御において一般に実行されるメイン噴射及びパイロット噴射に加えて、燃焼室６の径方向中央領域内だけに燃料噴射を行う低ペネトレーション噴射が実行される。図８は、インジェクタ１５からの低ペネトレーション噴射１５Ａの実行状況を示す燃焼室６の断面図である。
低ペネトレーション噴射１５Ａは、燃焼室６の径方向Ｂの中央領域に残存する空気を活用して混合気を生成するための噴射である。このため、低ペネトレーション噴射１５Ａの噴霧ペネトレーションは、燃焼室６の径方向中央領域において空気（酸素）が存在し得る領域の外縁Ｈに設定される。つまり、低ペネトレーション噴射１５Ａの燃料噴霧の先端の到達位置が前記の外縁Ｈに設定される。外縁Ｈは、先に図７（Ｂ）に示した酸素残存可能領域Ｇ２の外縁に相当する。低ペネトレーション噴射１５Ａの噴霧ペネトレーションを、外縁Ｈよりも径方向Ｂの内側に設定しても良い。しかし、酸素残存可能領域Ｇ２の酸素をなるべく活用するという観点からは、外縁Ｈを噴霧ペネトレーションに設定することが望ましい。なお、外縁Ｈよりも径方向Ｂの外側に噴霧ペネトレーションを設定すると、外縁Ｈよりも径方向Ｂの外側に、過剰に燃料リッチな領域が発生する可能性があるので回避することが望ましい。
以上の理由から、噴射範囲設定部７２（図５；第２噴射制御部）は、低ペネトレーション噴射１５Ａを実行させる際、外縁Ｈが噴霧ペネトレーションの目標ラインとなるように設定する。この外縁Ｈは、センサ等で検出することができないが、燃焼室６で発生する旋回流（下側旋回流Ｅ２及び上側旋回流Ｅ３）の、径方向Ｂの内側への到達位置から推定することができる。
図９（Ａ）～（Ｃ）は、酸素残存可能領域Ｇ２の外縁Ｈであって低ペネトレーション噴射１５Ａの目標ラインＨ１の設定方法を説明するための図である。未使用の空気が滞留することになる酸素残存可能領域Ｇ２は、下側旋回流Ｅ２及び上側旋回流Ｅ３の渦流が生じない領域、或いは前記渦流が到達しない領域に発生すると言うことができる。従って、旋回流が到達する径方向Ｂの内側の境界ラインを求めることで、目標ラインＨ１を導出することができる。つまり、旋回流Ｅ２、Ｅ３の最も外周部分が燃焼室６の径方向Ｂの中心に最も接近する位置が、上述の境界ライン、つまり目標ラインＨ１となる。
２段構造のキャビティ５Ｃを備えた燃焼室６内で生じる下側旋回流Ｅ２及び上側旋回流Ｅ３の旋回流のサイズは、１サイクル当たりにおいて最大のエネルギーを持つ噴射すなわちメイン噴射の噴霧ペネトレーション、当該噴霧ペネトレーションの上下のキャビティ部５１、５２への配分、キャビティ部５１、５２の形状（旋回曲率）や容積（旋回距離）などの要因によって定まる。
図９（Ａ）に示すように、旋回流Ｅ２、Ｅ３は、前記要因に応じて変動する径方向Ｂの旋回径を持つ渦流である。キャビティ５Ｃの形状、容積は固定化されているので、前記旋回径の変動要因は、噴霧ペネトレーション及びその配分ということになる。旋回流Ｅ２、Ｅ３の最も外周部分が燃焼室６の径方向Ｂの中心に最も接近する位置が、上述の境界ライン、つまり目標ラインＨ１となる。本実施形態では、専ら第２キャビティ部５２よりも径方向内側に配置されている第１キャビティ部５１において発生する、下側旋回流Ｅ２の旋回径で目標ラインＨ１が決まる。
メイン噴射の噴霧ペネトレーションは、図９（Ｂ）に示すように、インジェクタ１５からの燃料の噴射圧と噴射量とによって定まる。すなわち、噴射圧と噴射量との積算値が大きくなるほど、噴霧ペネトレーションも大きくなり、このことは旋回流の旋回径（旋回エネルギー）も大きくなることを意味する。一方、噴霧ペネトレーションの上下のキャビティ部５１、５２への配分については、噴射軸ＡＸとキャビティ部５１、５２との位置関係、つまり噴射タイミングに依存する。
図９（Ｃ）は、噴射タイミングと、下側の第１キャビティ部５１における噴霧ペネトレーションとの関係を示すグラフである。メイン噴射は、一般に圧縮上死点以降に行われることから、遅角側になるほどピストン５が下降する状態となる。このため、噴射タイミングが遅角するほど、噴射軸ＡＸは連結部５３よりも上側、つまり第２キャビティ部５２側を指向するようになる。すなわち、噴射タイミングが遅角するほど、第１キャビティ部５１に配分される噴霧ペネトレーションは小さくなり、よって下側旋回流Ｅ２の旋回径（旋回エネルギー）も小さくなる。
以上の通りであるので、下側旋回流Ｅ２の旋回径を、メイン噴射の噴射圧、噴射量及び噴射タイミングから推定することができる。噴射範囲設定部７２（図５）は、推定された下側旋回流Ｅ２の旋回径に基づいて、燃焼室６の径方向中央領域に生じる酸素残存可能領域Ｇ２（図７（Ｂ））のサイズを推定する。そして、噴射範囲設定部７２は、その酸素残存可能領域Ｇ２の外縁Ｈ（図８）を、低ペネトレーション噴射における目標ラインＨ１に設定する。そして、燃料噴射制御部７１が、目標ラインＨ１をペネトレーション目標とする低ペネトレーション噴射を適宜なタイミングで実行させることで、酸素残存可能領域Ｇ２に残存する空気と、低ペネトレーション噴射による噴霧燃料とで、混合気を形成することができる。その結果、燃焼室６内の空気を有効活用して均質で薄い混合気を形成し、煤などの発生を抑制した良質なディーゼル燃焼を実現することができる。
［第１実施形態］
続いて、低ペネトレーション噴射制御の第１実施形態を示す。第１実施形態では、前記で説明した低ペネトレーション噴射を、「パイロット噴射よりも早いタイミング」（以下、「ＰＩＬＯＴ領域」という）又は「メイン噴射よりも遅いタイミング」（以下、「ＡＦＴＥＲ領域」という）のいずれで実行させるかを、大気圧に応じて選択する簡易的な例を示す。
図１０（Ａ）～（Ｄ）は、第１実施形態に係る低ペネトレーション噴射の態様を示すタイムチャートである。ここでは、１サイクル当たりに行われる燃料噴射の噴射タイミング（クランク角ＣＡ）とその噴射量とを模式的に示している。燃料噴射制御部７１の噴射パターン設定部７７は、少なくとも図１０（Ａ）～（Ｄ）に示すような噴射パターンを設定し、インジェクタ１５に燃料噴射を実行させる。
図１０（Ａ）は、低ペネトレーション噴射が実行されない場合の、基本噴射パターンを示している。ここでは、基本噴射パターンとして、メイン噴射Ｐ１、パイロット噴射Ｐ２及びアフター噴射Ｐ３が実行される例を示している。メイン噴射Ｐ１は、最大のエネルギー（噴射量）を持つ噴射であり、圧縮上死点付近（例えば２～６ｄｅｇ＿ＡＴＤＣ）で実行される噴射である。パイロット噴射Ｐ２は、メイン噴射Ｐ１よりも早いタイミング（例えば１～１０ｄｅｇ＿ＢＴＤＣ）で実行される噴射であり、事前に混合気を作って着火性を高める目的で実行される。図１０（Ａ）では、パイロット噴射Ｐ２が、第１パイロット噴射Ｐ２１と第２パイロット噴射Ｐ２２との２回に分けて実行される例を示している。アフター噴射Ｐ３は、メイン噴射Ｐ１よりも遅いタイミング（例えば８～１５ｄｅｇ＿ＢＴＤＣ）で実行される噴射であり、燃料を完全燃焼させて煤を発生させないようにすることを目的として実行される。なお、これら噴射Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３は、上述の低ペネトレーション噴射のように、噴霧ペネトレーションが目標ラインＨ１以内の中央領域に制限されない噴射である。
図１０（Ｂ）は、パイロット噴射Ｐ２よりも進角側のＰＩＬＯＴ領域で低ペネトレーション噴射Ｐ４が実行される噴射パターンを示している。低ペネトレーション噴射Ｐ４は、噴霧ペネトレーションが目標ラインＨ１に制限されることから、一般に噴射量は基本噴射パターンの噴射Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３よりも少なくなる。
図１０（Ｃ）は、アフター噴射Ｐ３よりも遅角側のＡＦＴＥＲ領域で低ペネトレーション噴射Ｐ５が実行される噴射パターンを示している。ＡＦＴＥＲ領域で実施される低ペネトレーション噴射Ｐ５も、噴射量は基本噴射パターンの噴射Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３よりも少なくなる。
本実施形態では、噴射パターン設定部７７によって、これら図１０（Ｂ）の噴射パターンと図１０（Ｃ）の噴射パターンが、大気圧に応じて変更される。
まず、図１０（Ｂ）の噴射パターンは、大気圧が予め設定された基準大気圧未満であり、圧縮端温度が低くなることで燃焼室６内において混合気が着火し難い条件（低着火性）であると判定された場合に採用される。本実施形態では、噴射パターン設定部７７が、大気圧が基準大気圧未満であるか否かの判定を実施する。大気圧が基準大気圧未満であって混合気か着火し難い条件（低着火性）のときは、燃焼室６の径方向中央の酸素残存可能領域Ｇ２（図７（Ｂ））に、ＰＩＬＯＴ領域の段階で早めに燃料を噴射しておくことで燃料と空気との均質化を促進でき、当該領域の着火性を高めることができる（着火遅れを防止できる）。従って、酸素残存可能領域Ｇ２内の空気を効果的に燃焼させて利用することができる。
逆に、大気圧が基準大気圧以上であって混合気が着火し易い条件（高着火性）のときに仮にＰＩＬＯＴ領域での低ペネトレーション噴射Ｐ４を実施してしまうと、この噴射Ｐ４に係る燃料と空気との反応が過度に促進されることで、この燃料と空気の混合気や、その後のパイロット噴射やメイン噴射に係る燃料と空気の混合気が、所望のタイミングよりも早くに燃焼を開始してしまい、いわゆる過早着火が生じるおそれがある。そのため、大気圧が基準大気圧以上であって高着火性と判定された場合には、ＰＩＬＯＴ領域での低ペネトレーション噴射Ｐ４は回避される。
一方、図１０（Ｃ）の噴射パターンは、大気圧が基準大気圧以上であり、燃焼室６内において混合気が着火し易い条件（高着火性）であると判定された場合に採用される。このような高着火性条件の場合、着火性は問題とならない一方で、ＰＩＬＯＴ領域を用いると上述の過早着火の問題が生じる。そのため、図１０（Ｃ）の噴射パターンが採用されて、ＡＦＴＥＲ領域が活用される。
図１０（Ｄ）は、ＰＩＬＯＴ領域において２回に分割して低ペネトレーション噴射Ｐ４１、Ｐ４２が実行される噴射パターンを示している。つまり、本実施形態では、インジェクタ１５は、低ペネトレーション噴射を複数回に分割して実行できるようになっている。噴霧ペネトレーションは、先に図９（Ｂ）にも示したように、噴射圧と噴射量によって定まる（噴射圧が高いときおよび噴射量が多いときは噴霧ペネトレーションは大きくなる）。ここで、一般に噴射圧は、エンジン本体１の運転状態（エンジン負荷や回転速度）によって設定される。そのため、設定された噴射圧が高いときには、低ペネトレーション噴射の噴霧ペネトレーションが目標ラインＨ１となるように低ペネトレーション噴射の噴射量を設定したときに、１回の低ペネトレーション噴射にて供給される燃料が非常に少なくなってしまい、酸素残存可能領域Ｇ２内の空気の量を十分に利用できなくなる場合が生じ得る。具体的には、本実施形態では、少なくとも１燃焼サイクル中において、噴射圧は一定に維持されるようになっている。従って、少なくとも同じ燃焼サイクルで実施される、低ペネトレーション噴射、パイロット噴射、メイン噴射、アフター噴射の噴射圧は、全てほぼ同じ圧力となる。そして、この噴射圧には、エンジン本体１の運転状態（エンジン負荷や回転速度）に応じてメイン噴射の噴射圧として適した圧力が採用される。そのため、前記のように、設定された噴射圧が高いために１回の低ペネトレーション噴射の噴射量を少なくする必要があり、これに伴い、低ペネトレーション噴射のトータル噴射量を充分量確保できない場合が生じ得る。そこで、このようなケースにおいては、複数回に分割して低ペネトレーション噴射Ｐ４１、Ｐ４２を実行させることにより、所要の噴射量を確保することができる。
図１１は、第１実施形態に係る低ペネトレーション噴射制御を示すフローチャートである。プロセッサ７０の燃料噴射制御部７１（図５）は、図５に示す各センサＳＮ１～ＳＮ１２や他のセンサから、車両の走行領域（エンジン本体１の運転状態）に関する情報、並びに、大気圧を取得する（ステップＳ１）。
続いて、運転状態判定部７３が、クランク角センサＳＮ１が検出するエンジン回転速度及びアクセル開度センサＳＮ１０が検出するエンジン負荷が、予め定められた所定の走行領域（運転状態）の範囲内に該当するか否かを判定する（ステップＳ２）。前記所定の走行領域は、図７（Ｂ）に示した酸素残存可能領域Ｇ２が形成されるような走行領域である。所定の走行領域に含まれない領域は、例えば、メイン噴射Ｐ１若しくはパイロット噴射Ｐ２の噴霧ペネトレーションが所定の設定量よりも大きい場合が例示される。前記所定の設定量は、燃焼室６の径方向中央領域に空気が残存し得ないような噴射量を作る噴霧ペネトレーションであり、所定の走行領域に含まれない領域は、一般に高負荷、高回転速度の走行領域が該当する。
所定の走行領域に該当しない場合（ステップＳ２でＮＯ）、つまり、酸素残存可能領域Ｇ２が形成されない場合、運転状態判定部７３は、低ペネトレーション噴射を実行させる運転モードではないと判定する。この場合、燃料噴射制御部７１は低ペネトレーション噴射を禁止する（ステップＳ３）。このような走行領域で低ペネトレーション噴射を実行させると、混合気がリッチ化し、燃焼性や燃費性能を悪化させるからである。
一方、所定の走行領域に該当する場合（ステップＳ２でＹＥＳ）は、燃焼室６の径方向中央領域に酸素残存可能領域Ｇ２が形成される状態となる。この場合、残存酸素量判定部７４が、その酸素残存可能領域Ｇ２に所定値以上の酸素量が残存している状態か否かを判定する（ステップＳ４）。この判定は、上述の通り、排気Ｏ２センサＳＮ８の検出値若しくはモデル計算に基づいて実行される。酸素残存可能領域Ｇ２に所定値以上の酸素量が残存していない場合（ステップＳ４でＮＯ）、そもそも低ペネトレーション噴射を実行して活用すべき酸素が存在しないことから、燃料噴射制御部７１は低ペネトレーション噴射を禁止する（ステップＳ３）。
これに対し、残存酸素量判定部７４が、径方向中央領域に所定値以上の酸素量が残存していると判定した場合（ステップＳ４でＹＥＳ）、低ペネトレーション噴射が実行されるモードとなる。この場合、次に、噴射パターン設定部７７が、大気圧が前記の基準大気圧以上であるか否かを判定する（ステップＳ５）。
ステップＳ５において、大気圧が基準大気圧以上であると判定した場合（ステップＳ５でＹＥＳ）、噴射パターン設定部７７は、低ペネトレーション噴射をＡＦＴＥＲ領域で実行させる噴射パターンを設定する（ステップＳ６）。例えば、図１０（Ｃ）に示された、低ペネトレーション噴射Ｐ５を含む噴射パターンが設定される。一方、ステップＳ５において大気圧が基準大気圧未満であると判定した場合（ステップＳ５でＮＯ）、噴射パターン設定部７７は、低ペネトレーション噴射をＰＩＬＯＴ領域で実行させる噴射パターンを設定する（ステップＳ７）。例えば、図１０（Ｂ）に示された、低ペネトレーション噴射Ｐ４を含む噴射パターン、若しくは分割の低ペネトレーション噴射Ｐ４１、Ｐ４２を含む噴射パターンが設定される。
［第２実施形態］
次に、低ペネトレーション噴射制御の第２実施形態を示す。第２実施形態では、運転状態に応じて定まるインジェクタ１５の噴射圧に応じて運転モードを判定し、各運転モードと着火性とに応じて低ペネトレーション噴射の噴射パターンを定める例を示す。
＜基本的な制御区分の説明＞
図１２は、第２実施形態に係る低ペネトレーション噴射制御における、基本的な制御区分を示す図である。図１２において、横軸はインジェクタ１５からの燃料の噴射圧つまりインジェクタ１５の噴射圧であり、設定最高噴射圧ＦＰｍａｘと、設定最小噴射圧ＦＰｍｉｎとを示している。縦軸は低ペネトレーション噴射によってインジェクタ１５から噴射される燃料量である。図中の斜線Ｈ２は、低ペネトレーション噴射の噴霧ペネトレーション（噴霧の先端位置）が目標ラインＨ１（図９）となるときの噴射圧と噴射量とを結んだライン、つまり、低ペネトレーション噴射の噴霧ペネトレーションを目標ラインＨ１とするための噴射圧と噴射量の基本的な制御目標ラインである。図１２の縦軸は、１回の低ペネトレーション噴射によってインジェクタ１５から噴射される燃料量である。以下では、適宜、この１回の低ペネトレーション噴射によってインジェクタ１５から噴射される燃料量を、単発低ペネトレーション噴射量という。
前記のように、噴射圧が高い方が噴霧ペネトレーションは大きくなり、噴射量が多い方が噴霧ペネトレーションは大きくなる。これより、制御目標ラインＨ１は、噴射圧が高くなるほど単発低ペネトレーション噴射量が小さくなるラインである。
本実施形態では、前記のように、噴射圧は、エンジン本体１の運転状態に応じて設定される。これより、低ペネトレーション噴射の噴霧を目標ラインＨ１まで飛ばすために、設定されている噴射圧に応じて、噴射量を調整する。つまり、本実施形態の低ペネトレーション噴射制御では、噴射圧データを既存値として受領し、その噴射圧に応じて噴射量を設定することで、目標ラインＨ１の噴霧ペネトレーションを達成する。制御目標ラインＨ２は、そのような噴射量の設定ラインを表している。
大略的に、噴射圧が比較的高い領域では、ＰＩＬＯＴ領域を活用して低ペネトレーション噴射が実行され、噴射圧が比較的低い領域ではＡＦＴＥＲ領域を活用して低ペネトレーション噴射が実行される。このように大略的に区分されるのは、次の理由による。
先ず、燃費性能の面からは、ＰＩＬＯＴ領域を活用する方が有利となる。ＡＦＴＥＲ領域での噴射は、メイン噴射の燃焼の後に実行されるものとなるため、主としてピストンの下降中に熱発生が生じ、燃費ロスが増加する。これに対して、ＰＩＬＯＴ領域で噴射された燃料は、圧縮上死点付近で熱効率良く燃焼されることでその燃焼エネルギーの多くを有効なトルクとして取り出すことができる。従って、燃費性能を高めるために、なるべくＰＩＬＯＴ領域を活用することが望ましい。
しかし、制御目標ラインＨ２に示されるように、噴射圧が低いときは、噴霧の先端を目標ラインＨ１に到達させるために、噴射量を多くする必要がある。ＰＩＬＯＴ領域において多量の燃料を燃焼室６に供給すると、過早着火の問題が生じる。具体的には、ＰＩＬＯＴ領域で低ペネトレーション噴射によって多量の燃料を燃焼室６に供給すると、この燃料がパイロット噴射やメイン噴射に係る燃料の燃焼開始前に燃焼を開始するおそれや、低ペネトレーション噴射に係る燃料と空気の反応によってパイロット噴射やメイン噴射に係る燃料の反応が促進されてこれら噴射に係る燃料が所望のタイミングよりも早くに燃焼を開始するおそれがある。これに対して、ＡＦＴＥＲ領域で低ペネトレーション噴射を実施したときは、パイロット噴射やメイン噴射に係る燃料の燃焼後に低ペネトレーション噴射に係る燃料が燃焼するため、過早着火の問題は生じない。
これより、本実施形態では、基本的に、噴射圧が低く低ペネトレーション噴射によって燃焼室６に供給される燃料の量が多いときは、ＡＦＴＥＲ領域を活用し、低ペネトレーション噴射によって燃焼室６に供給される燃料の量が少ないときは、ＰＩＬＯＴ領域を活用する。
ここで、噴射圧が低くなるほど、噴霧粒の粒度が大きくなって煤が発生し易くなるというディーゼルエンジンの特性がある。そのため、前記のように噴射圧が低いときにＡＦＴＥＲ領域で燃料を噴射すれば、煤を再燃焼させることができるという効果を得ることができる。
以上の通りであるので、大略的に、高低噴射圧の領域ではＰＩＬＯＴ領域が活用され、低噴射圧の領域ではＡＦＴＥＲ領域が活用される。
次に、上述のＰＩＬＯＴ領域及びＡＦＴＥＲ領域のさらなる区分について説明する。図１２に示すように、ＰＩＬＯＴ領域は、先に図１０（Ｄ）で例示したように、噴射が分割で実行される高噴射圧側の第１領域と、図１０（Ｂ）で例示したように、噴射が単発で実行される低噴射圧側の第２領域とに区分されている。また、ＡＦＴＥＲ領域も、噴射が分割で実行される高噴射圧側の第３領域と、噴射が単発で実行される低噴射圧側の第４領域とに区分されている。
単発噴射と分割噴射との区分は、制御目標ラインＨ２に沿った噴射において、燃焼室６の径方向中央領域に生じる酸素残存可能領域Ｇ２の酸素を全て燃焼させるのに必要な噴射量を確保できるか否かに依存する。噴射圧が高い側の領域（第１領域、第３領域）では、１回当たりの噴射量（単発低ペネトレーション噴射量）が少なくなるので（多くすると、目標ラインＨ１を超過する噴射となってしまうので）、２回又はそれ以上の噴射を実行させて、必要な噴射量を確保する。一方、噴射圧が低い側の領域では、１回当たりの噴射量（単発低ペネトレーション噴射量）が比較的多くなるので、１回の噴射で必要な噴射量を確保することができる。
第１領域は、ＰＩＬＯＴ領域において複数回に分割して低ペネトレーション噴射が実行される「ＰＩＬＯＴ分割」の領域、第２領域は、ＰＩＬＯＴ領域において単発で低ペネトレーション噴射が実行される「ＰＩＬＯＴ単発」の領域である。また、第３領域は、ＡＦＴＥＲ領域において複数回に分割して低ペネトレーション噴射が実行される「ＡＦＴＥＲ分割」の領域、第４領域は、ＡＦＴＥＲ領域において単発で低ペネトレーション噴射が実行される「ＡＦＴＥＲ単発」の領域である。図１２には、これらの区分の上限若しくは下限の噴射量を示す第１、第２、第３、第４、第５ラインＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５が表されている。燃料の噴射量は、Ｌ１＜Ｌ２＜Ｌ３＜Ｌ４＜Ｌ５の関係にある。
第３ラインＬ３は、ＰＩＬＯＴ領域を活用するときの低ペネトレーション噴射の噴射量の上限であり、第１領域および第２領域は、少なくとも単発低ペネトレーション噴射量が第３ラインＬ３以下となる領域に設定されている。前記のように、ＰＩＲＯＴ領域で多量の燃料を低ペネトレーション噴射によって燃焼室６内に供給すると、過早着火が生じる。第３ラインＬ３は、ＰＩＬＯＴ領域で低ペネトレーション噴射を実施したときに、過早着火が生じない噴射量の上限ラインである。
ここで、第３ラインＬ３は、低ペネトレーション噴射によって１燃焼サイクルあたりに燃焼室６内に供給される燃料の総量の上限ラインである。従って、ＰＩＬＯＴ領域において複数回に分けて低ペネトレーション噴射が実施される場合には、各噴射に係る燃料の総量がこの第３ラインＬ３を超えないようにする必要がある。
なお、第３ラインＬ３は、結果的に第３領域のＡＦＴＥＲ分割噴射の下限になっているが、これはＡＦＴＥＲ分割噴射の機能的な意味での下限ではない。上述の通り、燃費ロスに鑑みるとＰＩＬＯＴ領域の活用が有利であるので、ＰＩＬＯＴ領域を優先適用するものとした上で、過早着火の問題からＰＩＬＯＴ領域ではカバーできない噴射量領域をＡＦＴＥＲ領域で補うという観点での下限である。
第２ラインＬ２は、第２領域のＰＩＬＯＴ単発噴射において、酸素残存可能領域Ｇ２で着火遅れを生じさせないようにする噴射量が確保される下限ラインである。１回当たりの噴射量（単発低ペネトレーション噴射量）が第２ラインＬ２以下になると、１回の噴射では酸素残存可能領域Ｇ２に存在する空気に対して充分な量の燃料を確保できず、酸素残存可能領域Ｇ２で燃焼が生じない、若しくは燃焼開始タイミングが遅れることになる。つまり、第２ラインＬ２は、前記領域Ｇ２の酸素を用いて適切に燃焼を生じさせることができる最低限の熱量を１回の低ペネトレーション噴射によって与えるという観点から設定されるラインである。
これより、ＰＩＬＯＴ単発噴射が実施される第２領域は、制御目標ラインＨ２上において、第２ラインＬ２と第３ラインＬ３との間の領域となる。
そして、ＰＩＬＯＴ分割噴射が実施される第１領域は、制御目標ラインＨ２上において、第２ラインＬ２以下の領域となる。つまり、前記のように、１回当たりの噴射量が第２ラインＬ２以下になると、１回の低ペネトレーション噴射によっては必要な噴射量を確保できず、分割噴射が必要となるため、第２ラインＬ２以下では、複数回に分けて低ペネトレーション噴射を実施する。
本実施形態では、第１領域において、２回に分けて低ペネトレーション噴射が実施される。そして、第２ラインＬ２のレベル（噴射量）は、第３ラインＬ３のレベル（噴射量）の半分以下に設定されており、第１領域において低ペネトレーション噴射を２回実施しても、そのトータルの噴射量は第３ラインＬ３以下の量に抑えられるようになっている。
最も噴射量の少ない第１ラインＬ１は、第１領域のＰＩＬＯＴ分割噴射において、酸素残存可能領域Ｇ２で着火遅れを生じさせないようにする噴射量を確保する下限ラインである。これ以上、１回当たりの噴射量が減ると、分割噴射によっても必要な噴射量を確保できず、結果として酸素残存可能領域Ｇ２で燃焼が生じない、若しくは燃焼開始タイミングが遅れることになる。つまり、第１ラインＬ１は、前記領域Ｇ２の酸素を用いて燃焼を生じさせることができる最低限の熱量を与えるという観点から設定されるラインである。なお、第１ラインＬ１は、制御目標ラインＨ２と設定最高噴射圧ＦＰｍａｘとが交差する噴射量でもあり、実際にはこれ以上は噴射量を減らすことのできないラインでもある。
第４ラインＬ４は、第４領域のＡＦＴＥＲ単発噴射において、煤を酸化させる機能を発揮させる噴射量を確保する下限ラインである。第４ラインＬ４よりも１回当たりの噴射量が減ると、単発噴射によっては十分に煤の酸化を図るための噴射量を確保できず、分割噴射が必要となる（第３領域）。一方、第５ラインＬ５は、第４領域のＡＦＴＥＲ単発噴射において、酸素残存可能領域Ｇ２が過剰にリッチとならないように噴射量を制限する上限ラインである。第５ラインＬ５よりも１回当たりの噴射量が増えると、酸素残存可能領域Ｇ２に存在する酸素量以上の熱量を与えてしまい、新たに煤を発生させ得る。
以上の通り、低ペネトレーション噴射は、第１～第４領域の区分に応じて噴射パターンが使い分けられる。しかし、これら区分（第１～第５ラインＬ１～Ｌ５）や噴射タイミングは固定化されておらず、運転状況に応じて補正（設定）される。前記区分及び噴射タイミングに影響を与えるのは、主として燃焼室６の混合気に対する着火性、煤の発現性である。
着火性や煤の発現性は、大気圧によって変化する。具体的には、大気圧が高いと、圧縮端圧力が高くなって混合気の着火性は高くなる。また、大気圧が高いと、充填効率が高くなるため（燃焼室６に導入される酸素の重量が多くなるため）、煤は発生しにくくなる。これより、本実施形態では、大気圧に応じて低ペネトレーション噴射の噴射パターンおよび噴射タイミングを設定する。
着火性は、図１２に示す第２ラインＬ２及び第３ラインＬ３の設定に影響を与える。
大気圧が高く高着火性である場合、より少ない噴射量でも着火性を確保できるようになる。従って、大気圧が高く高着火性である場合、着火遅れの防止の観点から設定される第２ラインＬ２を、より低い噴射量のレベルに設定することが可能となる。つまり、第２領域の下限を拡大することができる。一方、第３ラインＬ３については、より過早着火が生じ易い傾向となることから、大気圧が高く高着火性である場合、より低い噴射量のレベルに設定する必要がある。つまり、大気圧が高く高着火性の場合には、第３領域の下限を拡大し、ＡＦＴＥＲ領域の活用範囲を拡張させる必要がある。
また、噴射タイミングについては、ＰＩＬＯＴ領域を活用する場合において、過早着火の抑制の観点から、大気圧が高く高着火性である場合は、低ペネトレーション噴射の噴射タイミングを遅角傾向に設定することが望ましい。つまり、噴射タイミングが早いと、燃料と空気の混合気の混合時間が長くなって混合が促進されてより早期に着火しやすくなるため、着火を遅くするためには（過早着火を回避するためには）、噴射タイミングを遅角側にするのが望ましい。
一方、大気圧が低く低着火性である場合、着火性の確保のために、第２ラインＬ２をより高い噴射量のレベルに設定することが望ましい。一方、第３ラインＬ３については、大気圧が低く低着火性の場合には過早着火が生じ難い傾向となることから、より高い噴射量のレベルに設定することができる。つまり、大気圧が低く低着火性である場合、燃費ロスの面で有利なＰＩＬＯＴ領域（第２領域）の活用範囲を拡張させることができる。
また、噴射タイミングについては、ＰＩＬＯＴ領域を活用する場合において、大気圧が低く低着火性である場合は、低ペネトレーション噴射による燃料と空気との混合度合いを高めて着火性を良くするために、低ペネトレーション噴射の噴射タイミングを進角傾向に設定することが望ましい。
大気圧の変化に伴う煤の発現性の変化は、図１２に示す第４ラインＬ４の設定に影響を与える。
大気圧が低く煤が発生しやすい状態である場合は、煤の酸化を促進するために、第４ラインＬ４をより高い噴射量のレベルに設定して、より高い噴射量においても低ペネトレーション噴射が複数回にわたって実施されることが望ましい。
また、ＡＦＴＥＲ領域を活用する場合において、大気圧が低く煤が発生しやすい場合は、低ペネトレーション噴射によって生成されるエネルギーが煤の酸化に効果的に利用されるように、低ペネトレーション噴射の噴射タイミングを遅角傾向に設定することが望ましい。
一方、大気圧が高く煤が発生しにくい状態である場合は、多量の燃料がメイン噴射の後に噴射されることで燃費性能が悪化するのを防止するために、第４ラインＬ４をより低い噴射量のレベルに設定して、低ペネトレーション噴射によって燃焼室６に供給される燃料のトータル量を少なくすることが望ましい。
また、ＡＦＴＥＲ領域を活用する場合において、大気圧が高く煤が発生しにくい場合は、燃費性能の悪化を防止するべく、低ペネトレーション噴射の噴射タイミングを進角傾向に設定することが望ましい。
＜大気圧に基づく噴射パターンの設定＞
（噴射パターンの具体例）
図１３（Ａ）～（Ｄ）、図１４（Ａ）～（Ｃ）は、第２実施形態において採用される低ペネトレーション噴射の７つの噴射態様を簡略的に示すタイムチャートである。ここでも、図１０（Ａ）に示したと同様に、基本噴射パターンとして、メイン噴射Ｐ１、パイロット噴射Ｐ２（第１、第２パイロット噴射Ｐ２１、Ｐ２２）及びアフター噴射Ｐ３が実行される例を示している。これら噴射Ｐ１～Ｐ３に加えて、低ペネトレーション噴射が実行される。
図１３（Ａ）は、「ＰＩＬＯＴ分割－Ａ」と称する噴射パターンであり、図１２の第１領域の基本噴射パターンとして採用されるパターンである。ＰＩＬＯＴ分割－Ａでは、基本噴射パターンの噴射Ｐ１～Ｐ３に先立つＰＩＬＯＴ領域において、低ペネトレーション噴射Ｐ４が実行される。低ペネトレーション噴射Ｐ４は、所定のクランク角ＣＡ１１において実行される第１噴射Ｐ４１と、この第１噴射Ｐ４１から所定のインターバルｔ１１を置いた遅角側で実行される第２噴射Ｐ４２とからなる。第１噴射Ｐ４１及び第２噴射Ｐ４２の噴射量は、制御目標ラインＨ２に沿った噴射量Ｆａに設定される。
図１３（Ｂ）は、「ＰＩＬＯＴ分割－Ｂ」と称する噴射パターンであり、低ペネトレーション噴射Ｐ４がＰＩＬＯＴ分割－Ａよりも進角側のタイミングで実行される噴射パターンである。ＰＩＬＯＴ分割－Ｂの低ペネトレーション噴射Ｐ４は、ＰＩＬＯＴ分割－Ａと同じ分割噴射であるが、第１噴射Ｐ４１がクランク角ＣＡ１１よりも進角したクランク角ＣＡ１２で実行される。そして、インターバルｔ１１よりも短いインターバルｔ１２を置いた遅角側で、第２噴射Ｐ４２が実行される。第１噴射Ｐ４１の噴射タイミングを早めることで、噴射から着火までの時間を稼ぐことができ、着火性を改善することができる。また、第１、第２噴射Ｐ４１、Ｐ４２間を短いインターバルｔ１２とすることで、第１噴射Ｐ４１の噴射燃料と、第２噴射Ｐ４２の噴射燃料とが重畳されたリッチゾーンが形成され、これにより着火性を向上させることができる。
図１３（Ｃ）は、「ＰＩＬＯＴ単発－Ａ」と称する噴射パターンであり、第２領域の基本噴射パターンとして採用されるパターンである。ＰＩＬＯＴ単発－Ａでは、ＰＩＬＯＴ領域において、単発の噴射からなる低ペネトレーション噴射Ｐ４が、所定のクランク角ＣＡ２において実行される。低ペネトレーション噴射Ｐ４の噴射量は、制御目標ラインＨ２に沿った噴射量Ｆｂに設定される。つまり噴射量Ｆｂは、分割噴射の１回当たりの噴射量Ｆａよりも多い量となる。また、「ＰＩＬＯＴ単発－Ａ」は、低ペネトレーション噴射Ｐ４の噴射タイミング（ＣＡ２）が、ＰＩＬＯＴ分割－Ａ（図１３（Ａ））の低ペネトレーション噴射Ｐ４の噴射タイミング（第１噴射Ｐ４１の噴射タイミング、ＣＡ１１）よりも遅角側に設定されたパターンである。
図１３（Ｄ）は、「ＰＩＬＯＴ単発－Ｂ」と称する噴射パターンであり、単発の低ペネトレーション噴射Ｐ４が、ＰＩＬＯＴ単発－ＡよりもΔＣＡ２だけ進角したタイミングで実行される噴射パターンである。ΔＣＡ２の進角により、ＰＩＬＯＴ分割－Ｂで説明したように、着火性を改善することができる。
図１４（Ａ）は、「ＡＦＴＥＲ分割－Ａ」と称する噴射パターンであり、第３領域の基本噴射パターンとして採用されるパターンである。ＡＦＴＥＲ分割－Ａでは、基本噴射パターンの噴射Ｐ１～Ｐ３の実行後のＡＦＴＥＲ領域において、低ペネトレーション噴射Ｐ５が実行される。低ペネトレーション噴射Ｐ５は、所定のクランク角ＣＡ３１において実行される第１噴射Ｐ５１と、この第１噴射Ｐ５１から所定のインターバルｔ２１を置いた遅角側で実行される第２噴射Ｐ５２とからなる。第１噴射Ｐ５１及び第２噴射Ｐ５２の噴射量は、制御目標ラインＨ２に沿った噴射量Ｆｃに設定される。
図１４（Ｂ）は、「ＡＦＴＥＲ分割－Ｂ」と称する噴射パターンであり、低ペネトレーション噴射Ｐ５がＡＦＴＥＲ分割－Ａよりも遅角側のタイミングで実行される噴射パターンである。ＡＦＴＥＲ分割－Ｂの低ペネトレーション噴射Ｐ５は、ＡＦＴＥＲ分割－Ａと同じ分割噴射であるが、第１噴射Ｐ５１がクランク角ＣＡ３１よりも遅角したクランク角ＣＡ３２で実行される。そして、インターバルｔ２１よりも長いインターバルｔ２２を置いた遅角側で、第２噴射Ｐ５２が実行される。第１噴射Ｐ５１の噴射タイミングを遅くすることで、煤の酸化、燃焼に有利となり、煤の発生をより抑制できる。また、第１、第２噴射Ｐ５１、Ｐ５２間を長いインターバルｔ２２とすることも、煤の抑制に寄与する。
図１４（Ｃ）は、「ＡＦＴＥＲ単発－Ａ」と称する噴射パターンであり、第４領域の基本噴射パターンとして採用されるパターンである。ＡＦＴＥＲ単発－Ａでは、ＡＦＴＥＲ領域において、単発の噴射からなる低ペネトレーション噴射Ｐ５が、所定のクランク角ＣＡ４において実行される。低ペネトレーション噴射Ｐ５の噴射量は、制御目標ラインＨ２に沿った噴射量Ｆｄに設定される。つまり噴射量Ｆｄは、分割噴射の１回当たりの噴射量Ｆｃよりも多い量となる。また、「ＡＦＴＥＲ単発－Ａ」は、低ペネトレーション噴射Ｐ５の噴射タイミングが、「ＡＦＴＥＲ分割－Ｂ」の（図１４（Ｂ））の低ペネトレーション噴射Ｐ５の噴射タイミング（第１噴射Ｐ５１の噴射タイミング、ＣＡ３２）よりも進角側に設定されたパターンである。
（噴射パターンの使い分け）
以上説明した７つの噴射パターンの使い分けについて次に説明する。
以下では、噴射圧および単発低ペネトレーション噴射量が、大気圧が予め設定された基本圧力以上の状態で図１３（Ａ）のＰＩＬＯＴ分割－Ａのパターンが用いられる噴射圧および噴射量である場合を第１領域モード、大気圧が基本圧力以上の状態で図１３（Ｃ）のＰＩＬＯＴ単発－Ａのパターンが用いられる噴射圧および噴射量である場合を第２領域モード、大気圧が基本圧力以上の状態で図１４（Ａ）のＡＦＴＥＲ分割－Ａのパターンが用いられる噴射圧および噴射量である場合を第３領域モード、大気圧が基本圧力以上の状態で図１４（Ｃ）のＡＦＴＥＲ単発－Ａのパターンが用いられる噴射圧および噴射量である場合を第４領域モードという。
前記の基本圧力とは、平地付近で大気圧がとり得る圧力の下限値であり、大気圧が基本圧力未満になる状態とはすなわち高地である状態をさしている。この基本圧力は予め設定されてモード判定部７６に記憶されている。
モード判定部７６は、噴射範囲設定部７２により前記のようにして設定された目標ラインＨ１に基づいて、制御目標ラインＨ２（目標とする噴射圧と噴射量の関係）を設定する。また、モード判定部７６は、制御目標ラインＨ２と、大気圧が基本圧力以上のときの第２ラインＬ２～第４ラインＬ４とが交差する点の噴射圧を算出する。つまり、制御目標ラインＨ２上で、噴射量が、大気圧が基本圧力以上のときの第２ラインＬ２～第４ラインＬ４のレベルとなる噴射圧を算出する。大気圧が基本圧力以上のときのこれらラインＬ２～Ｌ４のレベルは予め設定されてモード判定部７６に記憶されている。モード判定部７６は、別途設定された噴射圧と、前記の大気圧が基本圧力以上のときのラインＬ２～Ｌ４に対応する噴射圧とを比較する。そして、モード判定部７６は、設定された噴射圧が制御目標ラインＨ２と第２ラインＬ２とが交差する点の噴射圧である第２噴射圧ＦＰ２以上のときは第１領域モードであると判定する。また、モード判定部７６は、設定された噴射圧が第２噴射圧ＦＰ２未満且つ制御目標ラインＨ２と第３ラインＬ３とが交差する点の噴射圧である第３噴射圧ＦＰ３以上のときは、第２領域モードであると判定する。また、モード判定部７６は、設定された噴射圧が第３噴射圧ＦＰ３未満且つ制御目標ラインＨ２と第４ラインＬ４とが交差する点の噴射圧である第４噴射圧ＦＰ４以上のときは第３領域モードであると判定する。また、モード判定部７６は、設定された噴射圧が第４噴射圧ＦＰ４未満のときは第４領域モードであると判定する。ここで、第４噴射圧ＦＰ４は、請求項の「基準噴射圧」に相当する。
（１）第１領域モード
第１領域モードでは、前記のように、大気圧が基本圧力以上のときは、図１３（Ａ）のＰＩＬＯＴ分割－Ａのパターンが用いられる。
これに対し、第１領域モードにおいて、大気圧が基本圧力よりも低く、これに伴って着火性が低いときには、図１３（Ｂ）のＰＩＬＯＴ分割－Ｂのパターンが用いられる。すなわち、大気圧が基本圧力以上のときよりも第１噴射Ｐ４１の噴射タイミングが進角される。また、第１、第２噴射Ｐ４１、Ｐ４２間のインターバルが短くされて、大気圧が基本圧力以上のときよりも第２噴射Ｐ４１の噴射タイミングが進角される。これは、前記のように着火性が低いときに、この着火性を改善するためである。
（２）第２領域モード
第２領域モードでは、前記のように、大気圧が基本圧力以上のときは、図１３（Ｃ）のＰＩＬＯＴ単発－Ａのパターンが用いられる。
これに対し、第２領域モードにおいて、大気圧が基本圧力よりも低く、これに伴って着火性が低いときには、図１３（Ｂ）のＰＩＬＯＴ分割－Ｂのパターンが用いられる。これは、着火性が悪くなることに伴い、前記のように、第２ラインＬ２を規定する噴射量が増大するからである。ここで、前記のように、ＰＩＬＯＴ単発－Ａのパターンの低ペネトレーション噴射Ｐ４の噴射タイミングＣＡ２は、ＰＩＬＯＴ分割－Ａのパターンの低ペネトレーション噴射（第１噴射Ｐ４１）の噴射タイミングＣＡ１１よりも遅角側であり、ＰＩＬＯＴ分割－Ｂのパターンの低ペネトレーション噴射（第１噴射Ｐ４１）の噴射タイミングＣＡ１２は、この噴射タイミングＣＡ１１よりも進角側であり、ＰＩＬＯＴ分割－Ｂのパターンでは、ＰＩＬＯＴ単発－Ａのパターンよりも低ペネトレーション噴射Ｐ４の噴射タイミングが進角側に設定されている。これより、大気圧が基本圧力未満のときは、大気圧が基本圧力以上のときよりも、低ペネトレーション噴射の噴射タイミングが進角されることになる。この噴射タイミングの進角により、また、低ペネトレーション噴射が分割して実施されることにより、燃料と空気の混合は促進され、着火性が改善される。
（３）第３領域モード
第３領域モードでは、前記のように、大気圧が基本圧力以上のときは、基本的に、図１４（Ａ）のＡＦＴＥＲ分割－Ａのパターンが用いられる。
これに対し、第３領域モードにおいて、大気圧が基本圧力よりも低く、これに伴って着火性が低いときには、図１３（Ｄ）のＰＩＬＯＴ単発－Ｂのパターンが用いられる。つまり、低ペネトレーション噴射の噴射タイミングが、アフター噴射Ｐ３よりも遅角側の時期からパイロット噴射Ｐ２よりも進角側の時期に進角される。これは、着火性が低くなることで過早着火が起こりにくい環境となり、第３ラインＬ３を規定する噴射量を上昇させ得るため、燃費ロスの少ないＰＩＬＯＴ領域を活用できることに依る。また、進角された低ペネトレーション噴射Ｐ４の実行により、着火性を改善できる点も、ＰＩＬＯＴ単発－Ｂの採用理由である。
（４）第４領域モード
第４領域モードでは、前記のように、大気圧が基本圧力以上のときは、図１４（Ｃ）のＡＦＴＥＲ単発－Ａのパターンが用いられる。
これに対し、第４領域モードにおいて、大気圧が基本圧力よりも低く、これに伴って煤が発生しやすいときは、図１４（Ｂ）のＡＦＴＥＲ分割－Ｂのパターンが用いられる。これは、煤をより確実に酸化させるべく、第４ラインＬ４を規定する噴射量を上昇させる必要があるためである。ここで、前記のように、ＡＦＴＥＲ分割－Ｂのパターンの低ペネトレーション噴射Ｐ５の噴射タイミング（第１噴射Ｐ５１の噴射タイミング）は、ＡＦＴＥＲ単発－Ａのパターンの低ペネトレーション噴射Ｐ５の噴射タイミングＣＡ４よりも遅角側である。これより、大気圧が基本圧力未満のときは、大気圧が基本圧力以上のときよりも、低ペネトレーション噴射の噴射タイミングが遅角されることになる。この噴射タイミングの遅角により、また、低ペネトレーション噴射が分割して実施されて多量の燃料が噴射されることにより、煤の酸化・燃焼が促進される。
以上のように、第２実施形態では、第１領域モード、第２領域モードおよび第３領域モードのとき、つまり、噴射圧が第４噴射圧ＦＰ４以上のときは、大気圧が低いときの方が（基本圧力未満であるときの方が）、高いときよりも（基本圧力以上であるときよりも）、低ペネトレーション噴射の噴射タイミングを進角させる。一方、第４領域モードのとき、つまり、噴射圧が第４噴射圧ＦＰ４未満のときは、大気圧が低いときの方が（基本圧力未満であるときの方が）、高いときよりも（基本圧力以上であるときよりも）、低ペネトレーション噴射の噴射タイミングを遅角させる。
＜低ペネトレーション噴射の制御フロー＞
続いて、図１５および図１６に示すフローチャートを参照して、第２実施形態に係る低ペネトレーション噴射制御のフローを説明する。
図１５を参照して、まず、図１１のステップＳ１～Ｓ４に示した処理と同様の処理が実行される。すなわち、プロセッサ７０の燃料噴射制御部７１（図５）は、車両の走行領域に関する情報、並びに、大気圧を取得する（ステップＳ１１）。次に、運転状態判定部７３が、エンジン回転速度及びエンジン負荷が、予め定められた所定の走行領域（高負荷、高回転数の運転状態）の範囲内に該当するか否かを判定する（ステップＳ１２）。
所定の走行領域に該当しない場合（ステップＳ１２でＮＯ）、運転状態判定部７３は、低ペネトレーション噴射を実行させる運転モードではないと判定し、燃料噴射制御部７１は低ペネトレーション噴射を禁止する（ステップＳ１３）。一方、所定の走行領域に該当する場合（ステップＳ１２でＹＥＳ）は、残存酸素量判定部７４が、酸素残存可能領域Ｇ２に所定値以上の酸素量が残存している状態か否かを判定する（ステップＳ１４）。酸素残存可能領域Ｇ２に所定値以上の酸素量が残存していない場合（ステップＳ１４でＮＯ）、燃料噴射制御部７１は低ペネトレーション噴射を禁止する（ステップＳ１３）。
これに対し、残存酸素量判定部７４が、酸素残存可能領域Ｇ２に所定値以上の酸素量が残存していると判定した場合（ステップＳ１４でＹＥＳ）、低ペネトレーション噴射が実行される。この場合、モード判定部７６が、インジェクタ１５の噴射圧の設定値データに基づいて、前記のように、現状の運転モードを判定する（ステップＳ１５）。ステップＳ１５では運転モードが第１領域モードであるか否かが判定される。なお、噴射圧の設定値データとしては、噴射圧センサＳＮ７の検出値、若しくは、プロセッサ７０がエンジン負荷に応じて算出する算出値を利用することができる。
現状の運転モードが第１領域モードである場合（ステップＳ１５でＹＥＳ）、噴射パターン設定部７７が、大気圧が基本圧力以上であるか否かを判定する（ステップＳ１６）。大気圧が基本圧力以上である場合（ステップＳ１６でＹＥＳ）、噴射パターン設定部７７は、低ペネトレーション噴射の噴射パターンとして、図１４（Ａ）のＰＩＬＯＴ分割－Ａのパターンを設定する（ステップＳ１７）。これにより、当該サイクルでは、ＰＩＬＯＴ分割－Ａのパターンでインジェクタ１５が燃料を噴射する。
これに対し、大気圧が基本圧力未満と判定した場合（ステップＳ１６でＮＯ）、噴射パターン設定部７７は、低ペネトレーション噴射の噴射パターンとして、図１３（Ｂ）のＰＩＬＯＴ分割－Ｂのパターンを設定する（ステップＳ１８）。
一方、ステップＳ１５において、現状の運転モードが第１領域モードではないと判定した場合（ステップＳ１５でＮＯ）、モード判定部７６は、現状の運転モードが第２領域モードであるか否かを判定する（ステップＳ１９）。現状の運転モードが第２領域モードである場合（ステップＳ１９でＹＥＳ）、噴射パターン設定部７７は、ステップＳ１６と同様に、大気圧が基本圧力以上であるか否かを判定する（ステップＳ２０）。大気圧が基本圧力以上の場合（ステップＳ２０でＹＥＳ）、噴射パターン設定部７７は、低ペネトレーション噴射の噴射パターンとして、図１３（Ｃ）のＰＩＬＯＴ単発－Ａのパターンを設定する（ステップＳ２１）。これに対し、大気圧が基本圧力以上でない場合（ステップＳ２０でＮＯ）、噴射パターン設定部７７は、噴射パターンとして、図１３（Ｂ）のＰＩＬＯＴ分割－Ｂのパターンを設定する（ステップＳ２２）。
ステップＳ１９において、現状の運転モードが第２領域モードではないとモード判定部７６が判定した場合（ステップＳ１９でＮＯ）、処理は図１６のフローへ移行する。この場合、モード判定部７６は、現状の運転モードが第３領域モードであるか否かを判定する（ステップＳ２３）。現状の運転モードが第３領域モードである場合（ステップＳ２３でＹＥＳ）、噴射パターン設定部７７は、ステップＳ１６、Ｓ２０と同様に、大気圧が基本圧力以上であるか否かを判定する（ステップＳ２４）。大気圧が基本圧力以上の場合（ステップＳ２４でＹＥＳ）、噴射パターン設定部７７は、低ペネトレーション噴射の噴射パターンとして、図１４（Ａ）のＡＦＴＥＲ分割－Ａのパターンを設定する（ステップＳ２５）。
これに対し、大気圧が基本圧力未満の場合（ステップＳ２４でＮＯ）、噴射パターン設定部７７は、噴射パターンとして、図１３（Ｄ）のＰＩＬＯＴ単発－Ｂのパターンを設定する（ステップＳ２６）。
ステップＳ２３において、現状の運転モードが第３領域モードではないと判定した場合（ステップＳ２３でＮＯ）、モード判定部７６は、現状の運転モードが第４領域モードであるか否かを判定する（ステップＳ２７）。現状の運転モードが第４領域モードである場合（ステップＳ２７でＹＥＳ）、噴射パターン設定部７７は、ステップＳ１６、Ｓ２０、２４と同様に、大気圧が基本圧力以上であるか否かを判定する（ステップＳ２８）。大気圧が基本圧力以上の場合（ステップＳ２８でＹＥＳ）、噴射パターン設定部７７は、低ペネトレーション噴射の噴射パターンとして、図１４（Ｃ）のＡＦＴＥＲ単発－Ａのパターンを設定する（ステップＳ２９）。
これに対し、大気圧が基本圧力未満の場合（ステップＳ２８でＮＯ）、噴射パターン設定部７７は、噴射パターンとして、図１４（Ｂ）のＡＦＴＥＲ分割－Ｂのパターンを設定する（ステップＳ３０）。
なお、ステップＳ２７において、運転モードが第４領域ではないと判定された場合（ステップＳ２７でＮＯ）、現状の運転モードが、第１～第４領域モードのいずれにも該当しないイレギュラーな状態ということになる。この場合、燃料噴射制御部７１は低ペネトレーション噴射を禁止する（ステップＳ１３）。
［作用効果］
以上説明した本実施形態に係るディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置によれば、次のような作用効果を奏する。制御対象となるディーゼルエンジンの燃焼室６の底面は、第１、第２キャビティ部５１、５２と、この両者を繋ぐ連結部５３とを含む冠面５０で区画されている。そして、燃料噴射制御部７１はインジェクタ１５に、連結部５３を指向したメイン噴射Ｐ１若しくはパイロット噴射Ｐ２を実行させる。このため、混合気の筒内流動が連結部５３にて分離され、筒内旋回流が比較的弱くなり、燃焼室６の径方向Ｂの中央領域付近の空気が径方向外側へ引き込まれにくくなる傾向が出る。
しかし、前記燃料噴射制御装置によれば、燃料噴射制御部７１が、通常のメイン噴射Ｐ１及びパイロット噴射Ｐ２に加えて、燃焼室６の径方向中央領域内だけに燃料を噴射する、つまり筒内旋回流の弱体化により酸素が残存し得る中央領域の外縁Ｈ（図８）をペネトレーション目標とする低ペネトレーション噴射を、インジェクタ１５に実行させる。従って、燃焼室６の径方向中央領域に残存する空気と、低ペネトレーション噴射による噴霧燃料とで、混合気を形成することができる。また、外縁Ｈがペネトレーション目標とされるので、前記径方向中央領域に存在する空気をフル活用して混合気を形成することができる。その結果、燃焼室６内の空気を有効活用して均質で薄い混合気を形成し、煤などの発生を抑制した良質なディーゼル燃焼を実現することができる。
また、第１実施形態において、燃料噴射制御部７１は、前記のように、大気圧が基準大気圧以上のときは基準大気圧未満のときよりも低ペネトレーション噴射の噴射タイミングを遅角側の時期とする。つまり、燃料噴射制御部７１は、大気圧が高いときは低いときに比べて低ペネトレーション噴射の噴射タイミングを遅角させる。また、第２実施形態においても、噴射圧が第４噴射圧ＦＰ４以上となる第１～第３領域モードにおいて、燃料噴射制御部７１は、前記のように、大気圧が基本圧力以上のときは基本圧力未満のときよりも低ペネトレーション噴射の噴射タイミングを遅角側の時期として、大気圧が高いときは低いときに比べて低ペネトレーション噴射の噴射タイミングを遅角させる。
そのため、大気圧が高いことで混合気の着火性が高く、これに伴い過早着火が生じやすいときに、低ペネトレーション噴射に係る燃料と空気の混合時間を短く抑えることができる。つまり、この燃料と空気の混合を抑制できる。そのため、過早着火を防止することができる。また、大気圧が低いときは着火性が低下することで着火遅れが生じやすくなるが、このときには、低ペネトレーション噴射に係る燃料と空気の混合時間を長くしてこれらの混合を促進することができるため、着火遅れを防止できる。
特に、第１実施形態では、燃料噴射制御部７１は、大気圧が基準大気圧未満であって混合気の着火性が比較的低いときに、低ペネトレーション噴射がパイロット噴射よりも早いタイミングで実行する。そのため、過早着火の発生を回避しながら、低ペネトレーション噴射に係る燃料のエネルギーをより確実に有効なトルクと、燃費性能を高めることができる。また、大気圧が基準大気圧以上であって混合気の着火性が比較的高いときには、低ペネトレーション噴射がメイン噴射よりも遅いタイミングで実行される。そのため、メイン噴射に係る燃料の燃焼開始後に低ペネトレーション噴射に係る燃料を燃焼させて、過早着火の問題を回避できる。さらに、低ペネトレーション噴射に係る燃料の燃焼エネルギーによって、パイロット噴射やメイン噴射に係る燃料等の燃焼によって生成された煤を酸化できる。
また、第２実施形態では、燃料噴射制御部７１は、噴射圧が第３噴射圧ＦＰ３未満となる第４領域モードにおいて、低ペネトレーション噴射をメイン噴射よりも遅いタイミングで実行する。そのため、噴射圧が低く燃料噴霧の粒径が大きくなることに伴って煤が発生しやすいときに、生成された煤を低ペネトレーション噴射に係る燃料の燃焼エネルギーによって効果的に酸化することができる。しかも、噴射圧が第４噴射圧ＦＰ４未満の場合、燃料噴射制御部７１は、大気圧が基本圧力未満のときは基本圧力以上のときよりも低ペネトレーション噴射を遅角させる。従って、噴射圧が低いことに加えて大気圧が低く充填効率が低くなることによって増大しやすい煤を、低ペネトレーション噴射に係る熱エネルギーよって効果的に酸化させることができる。
また、燃料噴射制御部７１は、メイン噴射Ｐ１若しくはパイロット噴射Ｐ２の噴霧ペネトレーションが所定の設定量よりも大きい場合に、低ペネトレーション噴射を禁止する（図１１のステップＳ２、Ｓ３、図１５のステップＳ１２、Ｓ１３）。メイン噴射Ｐ１若しくはパイロット噴射Ｐ２の噴霧ペネトレーションが所定の設定量よりも大きくなるのは、例えばエンジン負荷が大きい場合であって、これら噴射における燃料噴射量が比較的多くなるケースである。このようなケースでは、燃焼室６の径方向中央領域に空気が残存しない（酸素残存可能領域Ｇ２が発生しない）状態となるので、低ペネトレーション噴射を禁止することで、混合気が過度なリッチ化を防止することができる。
さらに、燃料噴射制御部７１は、燃焼室６の径方向中央領域の酸素量が所定値以下となる条件下では、低ペネトレーション噴射を禁止する（図１１のステップＳ４、Ｓ３、図１５のステップＳ１４、Ｓ１３）。燃焼室６の径方向中央領域の酸素量が稀薄となる条件下では、たとえ酸素残存可能領域Ｇ２が発生する条件でも、そもそも低ペネトレーション噴射を実行させる必要が無い。そのような条件下において燃料噴射制御部７１、低ペネトレーション噴射を禁止するので、無用な燃料消費を防止することができる。
［変形例］
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば次のような変形実施形態を採ることができる。
（１）前記実施形態では、基本噴射パターンとして、メイン噴射Ｐ１、パイロット噴射Ｐ２及びアフター噴射Ｐ３が実行される例を示した（図１０、図１３、図１４）。基本噴射パターンは、少なくともメイン噴射Ｐ１及びパイロット噴射Ｐ２を含んでいれば良く、アフター噴射Ｐ３を省くようにしても良い。また、前記実施形態では、パイロット噴射Ｐ２が、第１パイロット噴射Ｐ２１と第２パイロット噴射Ｐ２２との２回に分けて実行される例を示した。これに代えて、パイロット噴射Ｐ２を、単発の噴射、或いは、３回以上の噴射としても良い。さらに、前記実施形態では、メイン噴射Ｐ１が最大のエネルギー（噴射量）を持つ噴射とする例を示したが、パイロット噴射Ｐ２を最大の噴射量とし、当該パイロット噴射Ｐ２が連結部５３を指向する態様としても良い。この場合には、噴射範囲設定部７２によって、パイロット噴射Ｐ２の噴射量、噴射圧および噴射タイミングに基づいて酸素残存可能領域Ｇ２の外縁Ｈつまり目標ラインＨ１が設定されるように構成する。
（２）前記実施形態では、低ペネトレーション噴射の噴射タイミングに関し、運転状態や環境に応じて、パイロット噴射Ｐ２よりも早いタイミング（ＰＩＬＯＴ領域）、若しくはメイン噴射Ｐ１よりも遅いタイミング（ＡＦＴＥＲ領域）を使い分ける例を示した。これに代えて、各々の領域における機能を考慮して、ＰＩＬＯＴ領域及びＡＦＴＥＲ領域の双方で低ペネトレーション噴射を実行させるようにしても良い。また、ＰＩＬＯＴ領域と、ＡＦＴＥＲ領域の一方でのみ低ペネトレーション噴射を実行させるようにしてもよい。
（３）前記実施形態では、低ペネトレーション噴射を分割噴射で実行させる場合、２回に分けて噴射させる例を示したが、３回又はそれ以上に分割噴射させても良い。また、１３（Ｂ）のＰＩＬＯＴ分割－Ｂ制御、図１４（Ｂ）のＡＦＴＥＲ分割－Ｂ制御において、分割噴射のインターバルをセンター領域の場合の噴射制御に比べて縮小、拡大する例を示した。これに代えて、インターバルを変更しない制御としても良い。
（４）前記実施形態では、噴射パターンとして図１３（Ａ）～（Ｄ）および図１４（Ａ）～（Ｃ）に示したパターンを設定し、大気圧に応じてこれら噴射パターンを切替えて、これにより、大気圧に応じて低ペネトレーション噴射の噴射タイミングを変更する例を示した。これに代えて、噴射パターンは変更せずに、低ペネトレーション噴射の噴射タイミングだけを大気圧に応じて変更するようにしてもよい。具体的には、第１領域モードではＰＩＬＯＴ－分割を実施し、第２領域モードではＰＩＬＯＴ－単発を実施し、第３領域モードではＡＦＴＥＲ－分割を実施し、第４領域モードではＡＦＴＥＲ－単発を実施するように構成する。そして、各運転モードで前記の噴射パターンを実施しつつ、低ペネトレーション噴射の噴射タイミングを大気圧に応じて変更してもよい。
１ エンジン本体
２ シリンダ
４ シリンダヘッド
４４ ＥＧＲ装置
５ ピストン
５０ 冠面
５Ｃ キャビティ
５１ 第１キャビティ部
５１２ 第１底部
５２ 第２キャビティ部
５２２ 第２底部
５３ 連結部
６ 燃焼室
６Ｕ 燃焼室天井面（シリンダヘッドの下面）
１５ インジェクタ（燃料噴射弁）
７０ プロセッサ（ディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置）
７１ 燃料噴射制御部（第１噴射制御部、第２噴射制御部）
Ｐ１ パイロット噴射
Ｐ２ メイン噴射
Ｐ４、Ｐ５ 低ペネトレーション噴射

Claims (4)

  1. シリンダヘッドの下面、シリンダ及びピストンの冠面により形成されるエンジンの燃焼室と、
    前記燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
    前記燃料噴射弁の動作を制御する燃料噴射制御部と、を備えるディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置であって、
    前記ピストンの冠面にはキャビティが備えられ、当該キャビティは、
    前記冠面の径方向中心領域に配置され、シリンダ軸方向に第１の深さを有する第１底部を備えた第１キャビティ部と、
    前記冠面における前記第１キャビティ部の外周側に配置され、シリンダ軸方向に前記第１の深さよりも浅い深さを有する第２底部を備えた第２キャビティ部と、
    前記第１キャビティ部と前記第２キャビティ部とを繋ぐ連結部と、を含み、
    前記燃料噴射弁は、前記キャビティに向けて燃料を噴射するものであって、前記燃焼室の径方向中心又はその近傍に配置され、
    前記燃料噴射制御部は、
    少なくとも前記ピストンが圧縮上死点付近に位置するタイミングで燃料噴射を行わせるメイン噴射と、当該メイン噴射よりも早いタイミングで燃料噴射を行わせるパイロット噴射と、前記パイロット噴射よりも早いタイミング若しくは前記メイン噴射よりも遅いタイミングで燃料噴射を行わせる低ペネトレーション噴射と、を前記燃料噴射弁に実行させるものであって、
    前記メイン噴射若しくは前記パイロット噴射の少なくとも一方を、前記連結部を指向して燃料噴射するタイミングで実行させる第１噴射制御部と、
    前記低ペネトレーション噴射を、前記燃焼室の径方向中央領域内だけに燃料噴射が行われるように実行させる第２噴射制御部と、を含み、
    前記第２噴射制御部は、
    大気圧が低いときは高いときよりも前記低ペネトレーション噴射の噴射タイミングを進角させ、
    大気圧が所定の基準大気圧未満のときは、前記低ペネトレーション噴射を前記パイロット噴射よりも早いタイミングで実行させるとともに、
    大気圧が前記基準大気圧以上のときは前記低ペネトレーション噴射を前記メイン噴射
    よりも遅いタイミングで実行させる、ことを特徴とするディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置。
  2. シリンダヘッドの下面、シリンダ及びピストンの冠面により形成されるエンジンの燃焼室と、
    前記燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
    前記燃料噴射弁の動作を制御する燃料噴射制御部と、を備えるディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置であって、
    前記ピストンの冠面にはキャビティが備えられ、当該キャビティは、
    前記冠面の径方向中心領域に配置され、シリンダ軸方向に第１の深さを有する第１底部を備えた第１キャビティ部と、
    前記冠面における前記第１キャビティ部の外周側に配置され、シリンダ軸方向に前記第１の深さよりも浅い深さを有する第２底部を備えた第２キャビティ部と、
    前記第１キャビティ部と前記第２キャビティ部とを繋ぐ連結部と、を含み、
    前記燃料噴射弁は、前記キャビティに向けて燃料を噴射するものであって、前記燃焼室の径方向中心又はその近傍に配置され、
    前記燃料噴射制御部は、
    少なくとも前記ピストンが圧縮上死点付近に位置するタイミングで燃料噴射を行わせるメイン噴射と、当該メイン噴射よりも早いタイミングで燃料噴射を行わせるパイロット噴射と、前記パイロット噴射よりも早いタイミング若しくは前記メイン噴射よりも遅いタイミングで燃料噴射を行わせる低ペネトレーション噴射と、を前記燃料噴射弁に実行させるものであって、
    前記メイン噴射若しくは前記パイロット噴射の少なくとも一方を、前記連結部を指向して燃料噴射するタイミングで実行させる第１噴射制御部と、
    前記低ペネトレーション噴射を、前記燃焼室の径方向中央領域内だけに燃料噴射が行われるように実行させる第２噴射制御部と、を含み、
    前記第２噴射制御部は、
    前記燃料噴射弁の噴射圧が所定の基準噴射圧以上のときに、大気圧が低いときの方が高いときよりも前記低ペネトレーション噴射の噴射タイミングを進角させ、
    前記燃料噴射弁の噴射圧が前記基準噴射圧未満のときは、前記低ペネトレーション噴射を前記メイン噴射よりも遅いタイミングで実行するとともに、大気圧が低いときの方が高いときよりも前記低ペネトレーション噴射の噴射タイミングを遅角させる、ことを特徴とするディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置。
  3. シリンダヘッドの下面、シリンダ及びピストンの冠面により形成されるエンジンの燃焼室と、
    前記燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
    前記燃料噴射弁の動作を制御する燃料噴射制御部と、を備えるディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置であって、
    前記ピストンの冠面にはキャビティが備えられ、当該キャビティは、
    前記冠面の径方向中心領域に配置され、シリンダ軸方向に第１の深さを有する第１底部を備えた第１キャビティ部と、
    前記冠面における前記第１キャビティ部の外周側に配置され、シリンダ軸方向に前記第１の深さよりも浅い深さを有する第２底部を備えた第２キャビティ部と、
    前記第１キャビティ部と前記第２キャビティ部とを繋ぐ連結部と、を含み、
    前記燃料噴射弁は、前記キャビティに向けて燃料を噴射するものであって、前記燃焼室の径方向中心又はその近傍に配置され、
    前記燃料噴射制御部は、
    少なくとも前記ピストンが圧縮上死点付近に位置するタイミングで燃料噴射を行わせるメイン噴射と、当該メイン噴射よりも早いタイミングで燃料噴射を行わせるパイロット
    噴射と、前記パイロット噴射よりも早いタイミング若しくは前記メイン噴射よりも遅いタイミングで燃料噴射を行わせる低ペネトレーション噴射と、を前記燃料噴射弁に実行させるものであって、
    前記メイン噴射若しくは前記パイロット噴射の少なくとも一方を、前記連結部を指向して燃料噴射するタイミングで実行させる第１噴射制御部と、
    前記低ペネトレーション噴射を、前記燃焼室の径方向中央領域内だけに燃料噴射が行われるように実行させる第２噴射制御部と、を含み、
    前記第２噴射制御部は、
    大気圧が低いときは高いときよりも前記低ペネトレーション噴射の噴射タイミングを進角させるとともに、
    前記燃焼室の前記径方向中央領域の外縁が噴霧ペネトレーションとなるように、前記低ペネトレーション噴射を実行させる、ことを特徴とするディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置。
  4. 請求項１～３のいずれか１項に記載のディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置において、
    前記第２噴射制御部は、前記第１噴射制御部による前記メイン噴射若しくは前記パイロット噴射の噴射圧、噴射量及び噴射タイミングに基づいて、前記燃焼室の径方向中央領域に生じる酸素残存可能領域を推定し、当該酸素残存可能領域の外縁が噴霧ペネトレーションとなるように、前記低ペネトレーション噴射を実行させる、ことを特徴とするディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置。
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