WO2010122643A1

WO2010122643A1 - 内燃機関の制御装置

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Publication number: WO2010122643A1
Application number: PCT/JP2009/058002
Authority: WO
Inventors: 灘　光博
Original assignee: トヨタ自動車株式会社
Priority date: 2009-04-22
Filing date: 2009-04-22
Publication date: 2010-10-28
Also published as: EP2423494A4; CN102414426A; US8904995B2; JP5115651B2; JPWO2010122643A1; CN102414426B; US20120016571A1; EP2423494A1

Abstract

　エンジンの低負荷運転時及び中負荷運転時に、初期低温燃焼、予混合燃焼、拡散燃焼で成る一連の燃焼形態を実施する。初期低温燃焼は、気筒内での酸素と燃料噴霧との邂逅率を低下させる動作を行いながら微小噴射を行うことにより実施する。これにより熱発生率を低く維持してＮＯｘ発生量を抑える。予混合燃焼は、初期低温燃焼の熱量を受けることで実施され、スモークの発生量が抑えられる。拡散燃焼は、上記予混合燃焼の燃焼場を燃料が通過することで行われ、且つその燃料噴射タイミングを制御することで、上記一連の燃焼において熱発生率が最大になるタイミングが適切に調整可能となる。これにより、ＮＯｘ発生量の抑制と、スモーク発生量の抑制と、要求トルクの確保とが連立可能になる。

Description

内燃機関の制御装置

　本発明は、ディーゼルエンジンに代表される圧縮自着火式の内燃機関の制御装置に係る。特に、本発明は、燃焼室内における燃焼形態の適正化を図るための対策に関する。

　ディーゼルエンジン等のように希薄燃焼を行うエンジンでは、高い空燃比（リーン雰囲気）の混合気を燃焼させる運転領域が全運転領域の大部分を占めているため、窒素酸化物（以下、ＮＯｘという）が比較的多く排出されることが懸念される。その対策として、エンジンの排気通路には、排気ガス中に含まれるＮＯｘを吸蔵（吸収）するためのＮＯｘ吸蔵触媒が配置されている。このＮＯｘ吸蔵触媒によってＮＯｘを吸蔵して排気ガスを浄化するようにしている。

　燃焼室内での燃焼に伴うＮＯｘの発生量を抑制するための構成として、排気ガスの一部を吸気通路に還流させる排気還流（ＥＧＲ：Ｅｘｈａｕｓｔ　Ｇａｓ　Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置を備えさせることが知られている（例えば下記の特許文献１及び特許文献２を参照）。

　上記ＥＧＲ装置は、エンジンの排気通路及び吸気通路を互いに連通させるＥＧＲ通路と、このＥＧＲ通路に設けられたＥＧＲバルブとを備えている。そして、ＥＧＲバルブの開度を調整することにより、排気通路からＥＧＲ通路を経て吸気通路へ還流される排気ガスの量（ＥＧＲ量）を調整し、吸気中のＥＧＲ率を、予め設定された目標ＥＧＲ率に設定するようにしている。このようにしてＥＧＲ装置によって排気ガスの一部が吸気通路に還流されると、燃焼室内での燃焼温度が低下してＮＯｘの生成が抑制され、排気エミッションが改善されることになる。

　一方、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、排気ガス中にスモークが発生し、排気エミッションの悪化を招いてしまう。このスモークの発生量を低減する対策として、エンジントルクを得るための燃料噴射であるメイン噴射を複数回の分割メイン噴射に分割して噴射することが提案されている。この場合、メイン噴射１回当たりの噴射量を低減させることで燃焼場での酸素不足の解消を図り、スモークの発生が抑制される。

特開２００４－３４１５号公報特開２００２－１８８４８７号公報特開２００１－２２１０９２号公報特開２００１－１９３５２６号公報特開２００１－１６４９６８号公報

　しかしながら、上記ＮＯｘの発生量を確実に抑制するべくＥＧＲ装置による吸気通路への排気ガス還流量を比較的多く設定した場合（例えばＥＧＲ率を３０％に設定した場合など）、吸気中の酸素量が大幅に低下することになる。このため、不完全燃焼を回避してスモークを発生させないようなメイン噴射を実行しようとすると、メイン噴射１回当たりの噴射量を極端に少なくせねばならなくなる可能性がある。その結果、ドライバの要求するエンジントルク（以下、要求トルクと呼ぶ）を得るための十分な燃料噴射量を確保することができず、エンジンのトルク不足を招いてしまい、ドライバビリティの悪化を招く可能性がある。

　また、上記メイン噴射の噴射タイミングを遅角させることによりＮＯｘの発生量を削減することも知られているが、この場合にも、上記メイン噴射の噴射タイミングを遅角させたことに伴って燃焼効率が低下し、エンジントルクが一時的に低下するトルク空白期間が発生することになってドライバビリティの悪化を招いてしまうことになる。

　このように、これまでの燃焼室内での燃焼形態にあっては、ＮＯｘ発生量の抑制と、スモーク発生量の抑制と、要求トルクの確保とを連立させることは困難であった。

　尚、特許文献１には、ＮＯｘの発生量及びスモークの発生量を共に略「０」にすることが可能なＥＧＲ率（具体的にはＥＧＲ率５５％）について開示されている。しかしながら、このような制御手法では、ＥＧＲ率の過上昇により失火を招く可能性が非常に高く、上記要求トルクを得ることは困難であると考えられる。例えば、制御にバラツキが生じてＥＧＲ率が上記値（ＥＧＲ率５５％）から僅かでも低下した場合には大量のスモークが発生し、逆に、ＥＧＲ率が上記値から僅かでも上昇した場合にはエンジンストールに至ってしまうため極めて信頼性に乏しく実用化することはできない技術である。

　また、特許文献２には、ＮＯｘ触媒の再生運転時において、燃焼室内が予混合燃焼であれば空気過剰率を低く設定し、拡散燃焼であれば空気過剰率を高く設定することで、スモークの発生量を抑制しつつＮＯｘ浄化率の向上を図ることが開示されている。しかしながら、この特許文献２に開示されている技術は、ＮＯｘ触媒の再生運転時におけるＮＯｘ浄化率を向上させるものであり、燃焼室内での燃焼に伴うＮＯｘの発生量を抑制できるものではない。つまり、この特許文献２においても、ＮＯｘ発生量の抑制と、スモーク発生量の抑制と、要求トルクの確保とを連立することは困難である。

　また、特許文献３には、パイロット噴射により予混合燃焼を行わせた後にメイン噴射により拡散燃焼を行わせて、ＮＯｘ低減効果を得ることが開示されている。しかしながら、「パイロット噴射の増量により、メイン噴射の燃料の燃焼までに生じる既燃ガスの量が増加する」との記載からすると、メイン噴射の開始時には筒内温度が十分に上昇しており（燃料の自着火温度以上に上昇しており）、メイン噴射による拡散燃焼時には、気筒内での熱発生率が急激に上昇することになるためＮＯｘ低減効果を十分に得ることは不可能であると考えられる。つまり、この特許文献３にあっては、ＮＯｘ低減効果は限定的であって、しかも、ＮＯｘ発生量の大幅な抑制と、スモーク発生量の抑制と、要求トルクの確保とを連立することは困難である。

　更に、特許文献４には、過給による吸気量の増量と圧縮行程での副噴射による燃焼性向上とによってスモークの発生量を低減することについては開示されているものの、上記特許文献３の場合と同様に、メイン噴射による拡散燃焼時には、副噴射での予混合燃焼によって気筒内温度が十分に上昇しているため、熱発生率が急激に上昇することになり、ＮＯｘ低減効果を十分に得ることは不可能である。つまり、この特許文献４にあっても、ＮＯｘ発生量の大幅な抑制と、スモーク発生量の抑制と、要求トルクの確保とを連立することは困難である。

　また、特許文献５には、大量ＥＧＲと高スワールとを利用した低温予混合燃焼を行うことで燃焼温度を低下させ、これによってＮＯｘ発生量の抑制とスモーク発生量の抑制との両立を可能にしたＭＫ（Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ　Ｋｉｎｅｔｉｃ）燃焼が開示されている。しかし、このＭＫ燃焼では、各気筒における個別の燃焼過程それぞれが低温予混合燃焼で行われるものであり、空気と燃料が予混合された後の混合気の着火タイミングの制御、つまり、気筒内での燃焼開始タイミングの制御が困難であり、また、その燃焼に伴う熱発生率がピーク（最大）となるタイミングの制御が困難である。その結果、燃焼開始タイミングや熱発生率のピークタイミングが大幅に遅角側にずれてしまう可能性があり、この場合、エンジントルクが大幅に低下してしまって、要求トルクを確保できなくなる可能性がある。

　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、ＮＯｘ発生量の抑制と、スモーク発生量の抑制と、要求トルクの確保とを連立できる内燃機関の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、燃焼室内での燃焼形態として３種類の燃焼形態が段階的に行われ、または、一部同時並行されるようにしている。先ず、低温度での初期燃焼を行ってＮＯｘ発生を抑制しながら気筒内を温度上昇させる。そして、この初期燃焼（低温燃焼）を行ったことで、その後の気筒内での燃焼としては拡散燃焼には至らせず予混合燃焼を行わせる。この予混合燃焼によりスモークの発生を抑制する。上記予混合燃焼のための燃料噴射を行った後に、この予混合燃焼によって温度上昇した気筒内への燃料噴射によって拡散燃焼を行わせるようにしている。この拡散燃焼を行うための燃料の噴射タイミングを適切に管理することにより、内燃機関のトルクが効果的に発生できる燃焼形態を実現する。つまり、この一連の燃焼において熱発生率が最大になるタイミングを、この拡散燃焼のための燃料の噴射タイミングによって管理することができるようにしている。尚、この拡散燃焼のための燃料の噴射開始時における吸熱反応により、上記予混合燃焼での熱発生率の過上昇は抑えられ、この予混合燃焼でのＮＯｘの発生や燃焼音の増大は抑えられる。

　－解決手段－
　具体的に、本発明は、排気系に排出された排気ガスの一部を吸気系に還流させる排気還流装置を備えていると共に、内燃機関の燃焼過程中に、燃料噴射弁から、トルク発生のための燃料噴射である主噴射が実行される圧縮自着火式の内燃機関の制御装置を前提とする。この内燃機関の制御装置に対し、上記主噴射の噴射期間として、「初期燃焼用燃料噴射期間」と「拡散燃焼用燃料噴射期間」と「繋ぎ燃焼用燃料噴射期間」とを設定する燃料噴射制御手段を備えさせている。上記「初期燃焼用燃料噴射期間」は、気筒内の酸素と燃料噴霧との邂逅率を低下させる邂逅率低下動作を行いながら、その気筒内で燃料を順次燃焼させていく初期低温燃焼のための燃料噴射期間である。「拡散燃焼用燃料噴射期間」は、気筒内の温度が拡散燃焼に至る所定の拡散燃焼開始温度以上であるときに、上記排気還流装置によって還流された排気ガスによる燃焼温度抑制効果を活用できる領域に向けて燃料噴射が行われることによって拡散燃焼を行わせるための燃料噴射期間である。「繋ぎ燃焼用燃料噴射期間」は、上記「初期燃焼用燃料噴射期間」と「拡散燃焼用燃料噴射期間」との間に設定された期間であって、上記初期低温燃焼の開始後、気筒内の温度が上記拡散燃焼開始温度未満であるときに噴射された燃料が、その後の上記「拡散燃焼用燃料噴射期間」において噴射された燃料の吸熱反応によって噴霧冷却されることに伴い上記初期低温燃焼と上記拡散燃焼との間を連続的に繋ぐ予混合燃焼により成る繋ぎ燃焼を行わせるための燃料噴射期間である。

　また、上記燃料噴射制御手段は、上記「初期燃焼用燃料噴射期間」及び「繋ぎ燃焼用燃料噴射期間」で噴射される燃料の貫徹力に比べて上記「拡散燃焼用燃料噴射期間」で噴射される燃料の貫徹力を高く設定するようにもなっている。

　ここで、上記「気筒内の酸素と燃料噴霧との邂逅率」とは、気筒内において酸素分子と燃料粒子とが所謂「出会う（化学反応を行う）」確率（頻度）であって、この邂逅率が高いほど、気筒内での化学反応が進み、熱発生率の増大に伴って気筒内温度も上昇していくことになる。つまり、上述の如く邂逅率を低下させる動作を行えば、たとえ、気筒内の一部の領域（例えば燃焼室内中央部の狭小領域）における酸素分子の量が少ない場合や燃料粒子の量が多い場合であっても、上記化学反応の進行度は低く、気筒内を低温度（例えば８００Ｋ程度）で燃焼を順次行わせることが可能になる。例えば気筒内の単位容積当たりにおける酸素分子と燃料粒子との衝突回数を抑制したり、酸素分子の運動量を抑制することで上記初期低温燃焼が実現できる。

　上記特定事項により、先ず、「初期燃焼用燃料噴射期間」で噴射された燃料の燃焼である初期低温燃焼は、上記気筒内の酸素と燃料噴霧との邂逅率が低下した状態で行われるので、単位時間当たりの熱発生量である熱発生率は比較的小さく、ＮＯｘの発生量が抑制された燃焼となっている。つまり、この初期低温燃焼では、ＮＯｘの発生量を抑えながら気筒内温度を上昇させていく（上記拡散燃焼開始温度未満の範囲で温度上昇させていく）燃焼となっている。また、仮に、この「初期燃焼用燃料噴射期間」で噴射された燃料の噴射領域の空燃比がリッチとなっていても、上述した如く低温燃焼であるため、その噴射領域はスモーク発生温度には到達せず、スモークの発生も抑えられている。尚、この初期低温燃焼としては、拡散燃焼及び予混合燃焼の何れであってもよい。

　その後、上記初期低温燃焼と拡散燃焼との間を繋ぐための繋ぎ燃焼（上記「繋ぎ燃焼用燃料噴射期間」で噴射された燃料の燃焼）では、上記初期低温燃焼で温度上昇した気筒内の熱量を利用した予混合燃焼が実施される。つまり、現在の気筒内温度に対して燃焼が可能となった空気過剰率が得られた（例えは空気過剰率が「１」となった）領域から燃焼が開始されることになる。言い換えると、混合気の空燃比が、その混合気が存在している領域の温度で着火可能な空燃比に達した時点で燃焼が開始されることになる。この場合、燃焼場での酸素不足は生じていないので、スモークの発生は抑制されることになる。

　そして、上記繋ぎ燃焼によって気筒内温度が上記拡散燃焼開始温度以上であるときに「拡散燃焼用燃料噴射期間」での燃料噴射が開始され、この噴射された燃料の燃焼形態としては、噴射後に直ちに燃焼を開始する拡散燃焼となる。この「拡散燃焼用燃料噴射期間」での燃料噴射により、上記繋ぎ燃焼での熱発生率の過上昇は抑えられることになる。つまり、「拡散燃焼用燃料噴射期間」での燃料噴射に伴う気筒内での吸熱反応によって気筒内温度が低下するため、上記繋ぎ燃焼での熱発生率の変化が緩和されることになり、この繋ぎ燃焼での燃焼音の増大やＮＯｘの発生はない。

　また、「拡散燃焼用燃料噴射期間」では燃料噴射量が多く設定されるなどして（上記「初期燃焼用燃料噴射期間」や「繋ぎ燃焼用燃料噴射期間」での燃料噴射量よりも多く設定されるなどして）、その貫徹力（ペネトレーション）が高くなっているため、この噴射された燃料による拡散燃焼は、燃焼室内の比較的広い領域（燃焼室内の外周側の領域）で行われ、上記排気還流装置によって還流された排気ガスの効果を十分に活用できる領域で行われる。このため、この拡散燃焼での燃焼温度は比較的低く抑えられることになり、この拡散燃焼でのＮＯｘ発生量は低減される。

　このように、本解決手段によれば、従来の圧縮自着火式の内燃機関の燃焼過程では存在し得なかった初期低温燃焼（比較的低温環境下に燃料を噴射することによる燃焼）と拡散燃焼（比較的高温環境下に燃料を噴射することによる燃焼）との間を上記繋ぎ燃焼によって繋ぐことで、これら初期低温燃焼と拡散燃焼とを、この両者間にトルク空白期間を生じさせることなしに同一燃焼過程中に共存させることを可能にしている。これにより、上述の如くＮＯｘ発生量の抑制とスモーク発生量の抑制とが図れ、また、繋ぎ燃焼で温度上昇された気筒内への燃料噴射によって上記拡散燃焼を実施可能としていることで、上記「拡散燃焼用燃料噴射期間」の制御によって、この拡散燃焼の開始タイミングの制御や一連の燃焼（初期低温燃焼から拡散燃焼に亘る燃焼）において熱発生率が最大になるタイミング（燃焼重心）を制御することが可能になる。このため、熱発生率が最大になるタイミングが大きく遅角側に移行してしまうことを阻止できて、内燃機関の要求トルクを確保することが可能になる。

　また、上記「拡散燃焼用燃料噴射期間」において噴射された燃料の吸熱反応によって「繋ぎ燃焼用燃料噴射期間」で噴射された燃料に対する噴霧冷却を行うための手法としては以下のものが挙げられる。つまり、上記「拡散燃焼用燃料噴射期間」の開始タイミングを、上記「繋ぎ燃焼用燃料噴射期間」で噴射された燃料の燃焼開始タイミングに略同期させ、上記「拡散燃焼用燃料噴射期間」の終了タイミングを、上記「繋ぎ燃焼用燃料噴射期間」で噴射された燃料の燃焼における熱発生率が最大となるタイミングに略同期させるよう上記燃料噴射制御手段を構成したものである。

　上記燃料噴射制御手段による各燃料噴射期間における燃料噴射形態として具体的には以下の２タイプが挙げられる。先ず、第１のタイプとして、上記「初期燃焼用燃料噴射期間」、「繋ぎ燃焼用燃料噴射期間」及び「拡散燃焼用燃料噴射期間」での燃料噴射として、「初期燃焼用燃料噴射期間」での燃料噴射終了後、燃料噴射を一旦停止した後に「繋ぎ燃焼用燃料噴射期間」での燃料噴射を開始し、この「繋ぎ燃焼用燃料噴射期間」での燃料噴射終了後、燃料噴射を一旦停止した後に「拡散燃焼用燃料噴射期間」での燃料噴射を開始するものである。

　また、第２のタイプとして、上記「初期燃焼用燃料噴射期間」、「繋ぎ燃焼用燃料噴射期間」及び「拡散燃焼用燃料噴射期間」での燃料噴射として、「初期燃焼用燃料噴射期間」での燃料噴射と「繋ぎ燃焼用燃料噴射期間」での燃料噴射とを停止させることなく連続した燃料噴射により実施する一方、「繋ぎ燃焼用燃料噴射期間」での燃料噴射終了後、燃料噴射を一旦停止した後に「拡散燃焼用燃料噴射期間」での燃料噴射を開始するものである。

　前者の燃料噴射形態によれば、初期低温燃焼、繋ぎ燃焼、拡散燃焼それぞれのための燃料噴射量や燃料噴射タイミングが個別に設定できる。このため、各燃焼での熱発生率や筒内温度の上昇量を適切に制御するための燃料噴射形態を容易に規定でき、各燃焼における気筒内の温度管理を正確に行うことができる。

　一方、後者の燃料噴射形態によれば、燃料噴射弁の開閉動作のインターバルを比較的長く設定することが可能であるので、比較的開閉速度の低い（応答性の低い）燃料噴射弁であっても上述した３種類の燃焼形態を実現することが可能になり、燃料噴射システムのコストの低廉化を図ることができる。また、燃料噴射弁の噴射回数を削減できることで、同一領域（例えば燃料噴射弁の噴射口近傍領域）を流れる燃料噴射量を減少させることができ、上記「初期燃焼用燃料噴射期間」での燃料噴射量が比較的多くても、その後の燃料噴射に伴う上記同一領域でのスモークの発生を抑制することができる。

　上記邂逅率低下動作として具体的には、上記排気還流装置による排気還流動作、吸気系における吸気絞り動作、燃料噴射弁からの燃料噴射時期を遅角させる動作、気筒内温度を低下させる動作のうち少なくとも何れか一つが実行されるようにしている。

　これら動作により、吸気中の酸素濃度を低下させたり、吸気量を低下させたり、気筒内での酸素分子や燃料粒子の運動エネルギを低下させたりすることで、上記邂逅率が効果的に低下し、上記初期低温燃焼を容易に実現することが可能になる。

　また、各燃料噴射期間として具体的には以下のものが挙げられる。先ず、気筒内温度が７５０Ｋ以上で９００Ｋ未満の範囲にあるときを「初期燃焼用燃料噴射期間」として設定する。また、上記初期低温燃焼の開始後、気筒内温度が８００Ｋ以上で９００Ｋ未満の範囲にあるときを「繋ぎ燃焼用燃料噴射期間」として設定する。更に、上記繋ぎ燃焼の開始後、気筒内温度が９００Ｋに達した後を「拡散燃焼用燃料噴射期間」として設定する。

　一般に、気筒内温度が９００Ｋを超えてしまうと、空気過剰率が比較的小さい領域であっても自着火することになるので、燃料噴射が行われた直後に燃焼が開始する拡散燃焼となる。このため、上記初期低温燃焼のための「初期燃焼用燃料噴射期間」や、繋ぎ燃焼のための「繋ぎ燃焼用燃料噴射期間」としては、気筒内温度が９００Ｋ未満の範囲に設定される。また、気筒内温度が７５０Ｋ未満では気筒内の空気過剰率が「１」となっても混合気が自着火しない可能性が高いため、初期低温燃焼のための「初期燃焼用燃料噴射期間」としては、気筒内温度が７５０Ｋ以上の範囲に設定される。これにより、各燃料噴射期間の設定手法を具体化できる。

　尚、燃料噴射弁から噴射される噴霧の改善ができれば、空気過剰率を更に低減することが可能である。このため、スモークの発生を抑制しながらも上記「初期燃焼用燃料噴射期間」における気筒内温度の上限値としては高い値（例えば９５０Ｋや１０００Ｋなど）に設定することが可能となる。つまり、上記「初期燃焼用燃料噴射期間」における気筒内温度の上限値は、気筒内での噴霧状態に応じて適宜設定することが可能な値となっている。

　また、上述した「初期燃焼用燃料噴射期間」、「繋ぎ燃焼用燃料噴射期間」及び「拡散燃焼用燃料噴射期間」での燃料噴射は、内燃機関の低負荷運転時及び中負荷運転時で実行され、上記各噴射期間で噴射される燃料噴射量の和である噴射総量に対する「繋ぎ燃焼用燃料噴射期間」での燃料噴射量の比率は、上記低負荷運転から中負荷運転の範囲において負荷が高いほど大きく設定している。

　これにより、燃料噴射量の噴射総量が比較的多くなる中負荷域での熱発生率のピーク値を低く抑えることができ、上記拡散燃焼に伴うＮＯｘの発生量の増大や燃焼音の増大を招くことがなくなる。

　また、上述した「初期燃焼用燃料噴射期間」、「繋ぎ燃焼用燃料噴射期間」及び「拡散燃焼用燃料噴射期間」での燃料噴射は、内燃機関の低負荷運転時及び中負荷運転時で実行され、内燃機関の高負荷運転時には、気筒内での燃焼開始初期時の所定期間の熱発生率の平均値が、上記初期低温燃焼が行われる期間での熱発生率の平均値に略一致する初期拡散燃焼が行われるようにしている。

　上述した低負荷運転時や中負荷運転時で行われる初期低温燃焼を行った後の拡散燃焼では、内燃機関の高負荷運転時に応じたトルクが十分に得られない可能性がある。このため、高負荷運転時には、燃焼過程中の全域を拡散燃焼として燃焼速度を高めると共に、この拡散燃焼の初期段階である初期拡散燃焼（例えば燃焼開始からクランク角度で１０°ＣＡの範囲内）では、その期間の熱発生率の平均値が、上記初期低温燃焼が行われる期間での熱発生率の平均値に略一致するようにしてＮＯｘの発生量を抑制できるようにしている。つまり、この初期拡散燃焼では、擬似的な低温燃焼を行うことでＮＯｘの発生量を抑制している。これにより、高負荷運転時における排気エミッションの改善を図りながらも必要トルクを得ることができる。

　本発明では、従来の圧縮自着火式の内燃機関の同一燃焼過程中では存在し得なかった初期低温燃焼と拡散燃焼との間に予混合燃焼で成る繋ぎ燃焼を介在させることで、これら初期低温燃焼と拡散燃焼との共存を可能にしている。これにより、ＮＯｘ発生量の抑制と、スモーク発生量の抑制と、要求トルクの確保とを連立することが可能になり、排気エミッションの改善及びドライバビリティの改善を図ることができる。

図１は、実施形態に係るエンジンおよびその制御系統の概略構成図である。図２は、ディーゼルエンジンの燃焼室およ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、エンジンの低負荷運転時における気筒内での熱発生率の変化および燃料噴射パターンをそれぞれ示す図である。図５は、エンジンの中負荷運転時における気筒内での熱発生率の変化および燃料噴射パターンをそれぞれ示す図である。図６は、エンジンの高負荷運転時における気筒内での熱発生率の変化および燃料噴射パターンをそれぞれ示す図である。図７は、各分割メイン噴射が実施された際の燃焼場のガス温度と当量比との変化を表すφＴマップを示す図である。図８は、各燃焼における燃焼室内での燃焼場を示すピストン上部の断面図である。図９は、変形例におけるエンジンの低負荷運転時における気筒内での熱発生率の変化および燃料噴射パターンをそれぞれ示す図である。図１０は、変形例におけるエンジンの中負荷運転時における気筒内での熱発生率の変化および燃料噴射パターンをそれぞれ示す図である。

　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およ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およ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からの燃料噴射制御の詳細については後述する。

　また、上記サプライポンプ２１は、燃料タンクから汲み上げた燃料の一部を、添加燃料通路２８を介して燃料添加弁２６に供給する。添加燃料通路２８には、緊急時において添加燃料通路２８を遮断して燃料添加を停止するための上記遮断弁２４が備えられている。

　また、上記燃料添加弁２６は、後述するＥＣＵ１００による添加制御動作によって排気系７への燃料添加量が目標添加量（排気Ａ／Ｆが目標Ａ／Ｆとなるような添加量）となるように、また、燃料添加タイミングが所定タイミングとなるように開弁時期が制御される電子制御式の開閉弁により構成されている。つまり、この燃料添加弁２６から所望の燃料が適宜のタイミングで排気系７（排気ポート７１から排気マニホールド７２）に噴射供給される構成となっている。

　吸気系６は、シリンダヘッド１５（図２参照）に形成された吸気ポート１５ａに接続される吸気マニホールド６３を備え、この吸気マニホールド６３に、吸気通路を構成する吸気管６４が接続されている。また、この吸気通路には、上流側から順にエアクリーナ６５、エアフローメータ４３、スロットルバルブ（吸気絞り弁）６２が配設されている。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。

　排気系７は、シリンダヘッド１５に形成された排気ポート７１に接続される排気マニホールド７２を備え、この排気マニホールド７２に対して、排気通路を構成する排気管７３，７４が接続されている。また、この排気通路には、ＮＯｘ吸蔵触媒（ＮＳＲ触媒：ＮＯｘ　Ｓｔｏｒａｇｅ　Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ触媒）７５およびＤＰＮＲ触媒（Ｄｉｅｓｅｌ　Ｐａｔｉｃｕｌａｔｅ－ＮＯｘ　Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ触媒）７６を備えたマニバータ（排気浄化装置）７７が配設されている。以下、これらＮＳＲ触媒７５および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およ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および排気ポート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および排気バルブ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およ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およびバックアップ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およびバックアップ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およ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、および、エンジン１の出力軸（クランクシャフト）が一定角度回転する毎に検出信号（パルス）を出力するクランクポジションセンサ４０などが接続されている。一方、出力インターフェース１０６には、上記インジェクタ２３、燃料添加弁２６、スロットルバルブ６２、および、ＥＧＲバルブ８１などが接続されている。

　そして、ＥＣＵ１００は、上記した各種センサの出力に基づいて、エンジン１の各種制御を実行する。例えば、ＥＣＵ１００は、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って、排気系へのＮＯｘ排出量を低減できるＥＧＲ量を設定するためのものである。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。

　さらに、ＥＣＵ１００は、インジェクタ２３の燃料噴射制御を実行する。このインジェクタ２３の燃料噴射制御として、本実施形態では、従来の一般的なディーゼルエンジンにおいて実行される、パイロット噴射、プレ噴射、アフタ噴射、ポスト噴射等の副噴射は実行せず、エンジントルクを得るためのメイン噴射のみが実行されるようになっている。

　このメイン噴射での総燃料噴射量は、エンジン回転数、アクセル操作量、冷却水温度、吸気温度等の運転状態や環境条件に応じて決定される要求トルクを得るために必要な燃料噴射量として設定される。例えば、エンジン回転数（クランクポジションセンサ４０の検出値に基づいて算出されるエンジン回転数）が高いほど、また、アクセル操作量（アクセル開度センサ４７により検出されるアクセルペダルの踏み込み量）が大きいほど（アクセル開度が大きいほど）エンジン１のトルク要求値としては高く得られる。

　－燃料噴射圧－
　上記メイン燃料噴射を実行する際の燃料噴射圧は、コモンレール２２の内圧により決定される。このコモンレール内圧として、一般に、コモンレール２２からインジェクタ２３へ供給される燃料圧力の目標値、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、および、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およ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。

　上記メイン噴射における燃料噴射パラメータについて、その最適値はエンジン１や吸入空気等の温度条件によって異なるものとなる。

　例えば、上記ＥＣＵ１００は、コモンレール圧がエンジン運転状態に基づいて設定される目標レール圧と等しくなるように、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およ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への踏み込み量（アクセル開度）を求め、このエンジン回転速度およびアクセル開度に基づいて総メイン噴射量（メイン噴射での噴射量）を決定する。

　－分割メイン噴射－
　ディーゼルエンジン１においては、ＮＯｘ発生量及びスモーク発生量を削減することによる排気エミッションの改善、燃焼行程時の燃焼音の低減、エンジントルクの十分な確保といった各要求を連立することが重要である。本発明の発明者は、これら要求を連立するための手法として、燃焼行程時における気筒内での燃焼形態を適切にコントロールすることが有効であることに着目し、この燃焼形態をコントロールするための手法として以下に述べるような分割メイン噴射による燃料噴射手法を見出した。以下、具体的に説明する。

　本実施形態では、上記メイン噴射の噴射形態として３回の分割メイン噴射を実行することで、このメイン噴射で必要とされる総メイン噴射量（要求トルクを得るための総燃料噴射量）を確保しながらも、各分割メイン噴射によって噴射されるそれぞれの燃料の燃焼室３内での燃焼形態を互いに異ならせるようにしている。

　具体的には、各分割メイン噴射それぞれにおける噴射タイミング（燃料噴射を開始するタイミング）とその噴射期間（分割メイン噴射１回当たりの噴射量に相関がある）を設定することで、各分割メイン噴射で噴射された燃料（噴霧）の燃焼形態を互いに異ならせるようにしている。以下、具体的に説明する。

　本実施形態における燃焼室３内での燃焼過程中における燃焼形態の概略は以下のとおりである。この燃焼形態では、同一燃焼過程中に、初期低温燃焼及び拡散燃焼が行われ、更には、これら初期低温燃焼と拡散燃焼との間を予混合燃焼により繋ぐための繋ぎ燃焼が行われる。つまり、これら互いに異なる燃焼形態が、同一燃焼室内の同一燃焼過程中に連続して行われるようにしている。言い換えると、第１段階の燃焼である初期低温燃焼と第３段階の燃焼である拡散燃焼との間に、第２段階の燃焼である繋ぎ燃焼を介在させることで、これら互いに異なる燃焼形態の連続性を実現している。

　より具体的に、上記第１段階の燃焼である初期低温燃焼は、気筒内の酸素と燃料噴霧との邂逅率を低下させる邂逅率低下動作を行いながら燃料が噴射されること（本発明でいう初期燃焼用燃料噴射期間での燃料噴射）によって実施され、この燃料の燃焼によって気筒内で燃料が順次燃焼していく。具体的には、気筒内温度が７５０Ｋ以上で９００Ｋ未満の範囲にあるときの所定期間を上記初期燃焼用燃料噴射期間として設定して上記低温燃焼用メイン噴射を行って上記初期低温燃焼を行わせる。尚、上述した如く「初期燃焼用燃料噴射期間」における気筒内温度の上限値は、気筒内での噴霧状態に応じて適宜設定することが可能な値であり、また、大量ＥＧＲによって高くなる場合もあるため、この値は９００Ｋには限定されず、９５０Ｋや１０００Ｋ等となる場合もある（以下では９００Ｋの場合を代表して説明する）。

　また、第２段階の燃焼である繋ぎ燃焼（予混合燃焼）は、上記初期低温燃焼の開始後、気筒内の温度が、拡散燃焼に至る所定の拡散燃焼開始温度（例えば９００Ｋ）未満であるときに燃料噴射が行われること（本発明でいう繋ぎ燃焼用燃料噴射期間での燃料噴射）による燃焼である。具体的には、上記初期低温燃焼の燃焼場温度が８００Ｋ以上で９００Ｋ未満の範囲にあるときの所定期間を上記繋ぎ燃焼用燃料噴射期間として設定して上記繋ぎ燃焼用メイン噴射を行って上記繋ぎ燃焼を行わせる。

　更に、第３段階の燃焼である拡散燃焼は、上記予混合燃焼の開始後、この予混合燃焼によって気筒内の温度が上記拡散燃焼開始温度以上であるときに燃料噴射が行われること（本発明でいう拡散燃焼用燃料噴射期間での燃料噴射）による燃焼である。具体的には、上記繋ぎ燃焼の燃焼場温度が９００Ｋに達した直後に上記拡散燃焼用メイン噴射を行って上記拡散燃焼を行わせる。

　更に、各燃焼形態を実現するためのそれぞれの燃料噴射量としては、第１段階の燃焼である初期低温燃焼を行うための燃料噴射（以下、低温燃焼用メイン噴射と呼ぶ）に比べて、第２段階の燃焼である繋ぎ燃焼を行うための燃料噴射（以下、繋ぎ燃焼用メイン噴射と呼ぶ）での燃料噴射量を多く設定している。また、第２段階の燃焼である繋ぎ燃焼を行うための燃料噴射に比べて、第３段階の燃焼である拡散燃焼を行うための燃料噴射（以下、拡散燃焼用メイン噴射と呼ぶ）での燃料噴射量を多く設定している（燃料噴射制御手段による燃料噴射制御動作）。これにより、低温燃焼用メイン噴射で噴射される燃料の貫徹力に比べて繋ぎ燃焼用メイン噴射で噴射される燃料の貫徹力を高く設定し、且つ繋ぎ燃焼用メイン噴射で噴射される燃料の貫徹力に比べて拡散燃焼用メイン噴射で噴射される燃料の貫徹力を高く設定している。この貫徹力の詳細については後述する。

　尚、本実施形態では、上述した燃焼形態（互いに異なり且つ連続する３種類の燃焼形態）をエンジン１の低負荷運転時及び中負荷運転時において実行し、エンジン１の高負荷運転時には、後述するように２回の燃料噴射による拡散燃焼を行うようにしている。

　以下、各負荷状態における燃料噴射量形態及びそれに伴う燃焼室３内での燃焼形態について個別に説明する。

　図４は、エンジン１の低負荷運転時であってメイン噴射の実行期間中における気筒内での熱発生率の変化および燃料噴射パターンをそれぞれ示している。また、図５は、エンジン１の中負荷運転時であってメイン噴射の実行期間中における気筒内での熱発生率の変化および燃料噴射パターンをそれぞれ示している。更に、図６は、エンジン１の高負荷運転時であってメイン噴射の実行期間中における気筒内での熱発生率の変化および燃料噴射パターンをそれぞれ示している。

　これら各図における熱発生率の変化を示す波形では横軸をクランク角度とし縦軸を熱発生率としている。また、各図における燃料噴射パターンの波形では横軸をクランク角度とし縦軸を噴射率（インジェクタ２３に備えられたニードルの後退移動量に相当）としている。図中のＴＤＣはピストン１３の圧縮上死点に対応したクランク角度位置を示している。

　また、図７は、エンジン１の低負荷運転時に、燃焼室３内において各燃料噴射期間において燃料が噴射された領域である燃焼場（例えば１０個の噴射孔を有するインジェクタ２３の場合には燃焼室３内（より具体的にはキャビティ１３ｂ内）における１０箇所の燃焼場それぞれ）でのガス温度と、その燃焼場における当量比との変化を示すマップ（一般にφＴマップと呼ばれる）である。つまり、図４に示す燃料噴射パターンでメイン噴射（各分割メイン噴射）が実行された場合における上記第１段階の燃焼である初期低温燃焼を行うための低温燃焼用メイン噴射で噴射された燃料の燃焼場、第２段階の燃焼である繋ぎ燃焼を行うための繋ぎ燃焼用メイン噴射で噴射された燃料の燃焼場、および、第３段階の燃焼である拡散燃焼を行うための拡散燃焼用メイン噴射で噴射された燃料の燃焼場それぞれにおける燃焼場環境（燃焼場のガス温度および当量比）の変化を矢印で示している。

　この図７において、燃焼場環境がスモーク発生領域に達した場合には排気中にスモークが発生することになる。このスモーク発生領域は、燃焼場ガス温度が比較的高く且つ燃焼場の当量比がリッチ側の領域である。また、燃焼場環境がＮＯｘ発生領域に達した場合には排気中にＮＯｘが発生することになる。このＮＯｘ発生領域は、燃焼場ガス温度が比較的高く且つ燃焼場の当量比がリーン側の領域である。また、図７に示すＸ領域は排気ガス中にＨＣが発生しやすい領域であり、Ｙ領域は排気ガス中にＣＯが発生しやすい領域である。

　図４及び図５に示すように、低温燃焼用メイン噴射は、各分割メイン噴射のうち最も進角側のメイン噴射である。繋ぎ燃焼用メイン噴射は、上記低温燃焼用メイン噴射よりも遅角側のメイン噴射であって、この低温燃焼用メイン噴射での噴射量よりも多く設定されている。拡散燃焼用メイン噴射は、上記繋ぎ燃焼用メイン噴射よりも更に遅角側のメイン噴射であって、この繋ぎ燃焼用メイン噴射での噴射量よりも更に多く設定されている。これら分割メイン噴射の噴射量については後述する。

　これら低温燃焼用メイン噴射と繋ぎ燃焼用メイン噴射との間、繋ぎ燃焼用メイン噴射と拡散燃焼用メイン噴射との間にはそれぞれ所定のインターバルが設けられる。つまり、低温燃焼用メイン噴射を実行した後、燃料噴射を一旦停止（インジェクタ２３を遮断）し、所定のインターバルを経た後に繋ぎ燃焼用メイン噴射が開始される。また、繋ぎ燃焼用メイン噴射を実行した後、燃料噴射を一旦停止（インジェクタ２３を遮断）し、所定のインターバルを経た後に拡散燃焼用メイン噴射が開始される。このインターバルとしては、噴霧冷却可能なインターバルとして例えば最短閉弁期間（インジェクタ２３の性能によって決定され、インジェクタ２３が閉弁してから開弁を開始するまでの最短期間：例えば２００μｓ）として設定される。より具体的には、上記拡散燃焼用メイン噴射の開始タイミングが、上記繋ぎ燃焼の開始タイミングに略同期するように上記インターバルは設定されている。この分割メイン噴射のインターバルは上記値に限定されるものではなく、後述するように、各燃焼での機能が発揮されるように適宜設定される。

　以下、各分割メイン噴射の噴射形態を、低負荷運転時、中負荷運転時、高負荷運転時それぞれについて説明する。尚、低負荷運転時における総メイン噴射量としては例えば３０ｍｍ³に設定され、中負荷運転時における総メイン噴射量としては例えば４０ｍｍ³に設定され、高負荷運転時における総メイン噴射量としては例えば６０ｍｍ³に設定される。これら値はこれに限定されるものではない。

　（低負荷運転時）
　＜低温燃焼用メイン噴射＞
　図４に示すように、上記低負荷運転時の低温燃焼用メイン噴射は、ピストン１３の圧縮上死点（ＴＤＣ）よりも進角側（例えばＢＴＤＣ１５°）で噴射を開始すると共に、ピストン１３の圧縮上死点よりも進角側で噴射を終了させる。このタイミングで低温燃焼用メイン噴射を開始することにより、上述したように、ピストン１３が圧縮上死点（ＴＤＣ）に達する前段階から低温燃焼用メイン噴射で噴射された燃料の燃焼（初期低温燃焼）が開始される。この低負荷運転時の低温燃焼用メイン噴射における燃料噴射量（インジェクタ２３の開弁期間に相当）は例えば２ｍｍ³に設定されている。この値はこれに限定されるものではない。このように、低温燃焼用メイン噴射では、燃料噴射量が少ないため、その燃料の貫徹力は比較的低く、燃焼室内の中央部分で上記初期低温燃焼が行われることになる。例えば図８（ピストン上部の右側半分を示す断面図）における領域αで示す比較的狭小な領域で上記初期低温燃焼が行われることになる。

　また、この低温燃焼用メイン噴射の噴射期間では、気筒内の酸素と燃料噴霧との邂逅率を低下させるための邂逅率低下動作が行われる。この邂逅率低下動作としては、上記ＥＧＲ装置による排気還流動作、吸気系における吸気絞り動作、インジェクタ２３からの燃料噴射時期を遅角させる動作、気筒内温度を低下させる動作のうち少なくとも何れか一つが実行される。特に、上記吸気系における吸気絞り動作としては、上記吸気系に配設された上記スロットルバルブ６２による吸気絞り動作、ターボチャージャ５による過給低減動作、吸気系に配設された図示しないＳＣＶ（スワールコントロールバルブ）の吸気絞り動作等が挙げられる。また、上記気筒内温度を低下させる動作としては、インタークーラ６１やＥＧＲクーラ８２の冷却能力を高める動作、気筒内の圧縮比を低下させる動作等が挙げられる。

　例えばＥＧＲ装置による排気還流動作が単独で行われる場合には例えば目標ＥＧＲ率を３０％に設定してＥＧＲバルブ８１の開度が制御される。また、吸気絞り動作が単独で行われる場合にはスロットルバルブ６２の開度が例えば７５％まで絞られる。更に、インジェクタ２３からの燃料噴射時期を遅角させる動作が単独で行われる場合には、その燃料噴射時期を、ピストン１３が圧縮上死点（ＴＤＣ）に達した以降のＡＴＤＣの範囲で実行される。この場合、図４に示す各波形は遅角側に移行し、上記初期燃焼用燃料噴射期間、繋ぎ燃焼用燃料噴射期間、拡散燃焼用燃料噴射期間も遅角側に移行することになる。また、上述した上記ＥＧＲクーラ８２の冷却能力やインタークーラ６１の冷却能力を高めるといった気筒内温度を低下させる動作を行った場合、気筒内の酸素分子や燃料粒子の運動エネルギが低下することになり、上記邂逅率が効果的に低下する。尚、上述した各値はこれに限定されるものではない。

　このような邂逅率低下動作が行われながら低温燃焼用メイン噴射が実行されるため、この低温燃焼用メイン噴射で噴射された燃料の燃焼としては、気筒内温度が比較的低い温度（例えば８００Ｋ程度）で行われ、熱発生率が低く推移した状態での燃焼となる。このため、熱発生率の急上昇に伴うＮＯｘ発生量の増大や燃焼音の増大を招くことなしに、気筒内の温度を徐々に上昇（例えば８５０Ｋ程度まで上昇）させていくことになる。また、仮に、この低温燃焼用メイン噴射で噴射された燃料の噴射領域（上記領域α）の空燃比がリッチとなっていても、上述した如く低温燃焼であるため、その噴射領域はスモーク発生温度には到達せず、スモークの発生も抑えられている（図７の初期低温燃焼を参照）。

　尚、低温燃焼用メイン噴射での噴射量（インジェクタ２３の開弁期間に相当）については、例えば実験やシミュレーションによって設定される。

　＜繋ぎ燃焼用メイン噴射＞
　上記繋ぎ燃焼用メイン噴射は、上記低温燃焼用メイン噴射によって噴射された燃料が燃焼（初期低温燃焼）を開始した後、その低温燃焼による熱発生率が最大値（ピーク値）に達したタイミング付近、または、この熱発生率が最大値に達する手前で燃料噴射が開始される。例えばＢＴＤＣ８°付近で噴射が開始される。つまり、上記低温燃焼用メイン噴射での燃料噴射量は比較的少ないため、その初期低温燃焼による熱発生率のピーク値も比較的低く、この熱発生率がピーク値を超えると、徐々に熱発生率が低下することになるが、繋ぎ燃焼用メイン噴射は、この初期低温燃焼による熱発生率がピーク値を超える前に噴射が開始され、この初期低温燃焼によって得られている気筒内の熱量を利用して燃焼を行うようにしている。

　この繋ぎ燃焼用メイン噴射における燃料噴射量は例えば６ｍｍ³に設定されている。この値はこれに限定されるものではない。このように、繋ぎ燃焼用メイン噴射で噴射された燃料は、低温燃焼用メイン噴射で噴射された燃料よりも貫徹力が高くなっているため、この低温燃焼用メイン噴射で噴射された燃料の燃焼場（初期低温燃焼の燃焼場）を通過し、この際、この燃焼場の熱を受けて温度上昇することになる。ところが、気筒内温度は、未だ比較的低い（８５０Ｋ程度である）ため、繋ぎ燃焼用メイン噴射で噴射された燃料は拡散燃焼には至らず、予混合燃焼となる（図４の熱発生率波形において斜線を付した部分を参照）。つまり、この繋ぎ燃焼用メイン噴射で噴射された燃料と気筒内の空気とが攪拌され、その空気過剰率が略「１」となった領域から燃焼が開始されていくことになる。例えば図８における領域βで示す領域で上記予混合燃焼が行われることになる。

　このような予混合燃焼が行われるため、この繋ぎ燃焼用メイン噴射で噴射された燃料の燃焼（繋ぎ燃焼）では、十分な酸素量が確保された領域での燃焼となるため、スモークの発生量は大幅に削減される。

　尚、繋ぎ燃焼用メイン噴射での噴射量についても、例えば実験やシミュレーションによって設定される。

　＜拡散燃焼用メイン噴射＞
　上記拡散燃焼用メイン噴射は、上記繋ぎ燃焼用メイン噴射によって噴射された燃料が燃焼（繋ぎ燃焼）した後、気筒内温度が拡散燃焼可能な温度（９００Ｋ）を超えたタイミングで燃料噴射が開始される。例えばＴＤＣ付近で噴射が開始される。つまり、この拡散燃焼用メイン噴射で噴射された燃料は、その噴射の直後に順次燃焼していくといった拡散燃焼となる。

　この拡散燃焼用メイン噴射における燃料噴射量は例えば１２ｍｍ³に設定されている。この値はこれに限定されるものではない。このように、拡散燃焼用メイン噴射で噴射された燃料は、繋ぎ燃焼用メイン噴射で噴射された燃料よりも貫徹力が高くなっているため、上記低温燃焼用メイン噴射で噴射された燃料の燃焼場（図８にαで示す領域）及び上記繋ぎ燃焼用メイン噴射で噴射された燃料の燃焼場（図８にβで示す領域）を通過し、この際、これら燃焼場の熱を受けて温度上昇しながら、燃焼室３内の比較的広い空間（上記キャビティ１３ｂ内の外周側空間：図８においてγで示す領域）に達しており、この部分では、上記ＥＧＲ装置によって還流された排気ガスによる燃焼温度低減効果が十分に発揮される。このため、ＮＯｘ発生量の増大や燃焼音の増大を招くことなしに、拡散燃焼が行われることになる。尚、図８における領域δは、拡散燃焼用メイン噴射で噴射された燃料が、キャビティ１３ｂの内壁面に沿うように発生している気流によって気筒内中央側へ戻されながら燃焼を行う領域である。

　尚、上記説明では、初期低温燃焼の燃焼場を図８の領域αとし、繋ぎ燃焼の燃焼場を図８の領域βとし、拡散燃焼の燃焼場を図８の領域γとして、それぞれの領域が互いに独立している場合について説明したが、これら領域同士の一部分が重なり合う場合もある。

　また、この拡散燃焼用メイン噴射での燃料噴射量は比較的多いため、その噴射開始初期時には、その噴射された燃料の吸熱反応により上記予混合燃焼の燃焼場が冷却されることになって、この予混合燃焼での熱発生率の急峻さが緩和されることになる。つまり、この予混合燃焼での燃焼音の増大やＮＯｘ発生を抑制することができている。この効果を得るための好ましい拡散燃焼用メイン噴射の噴射タイミングとしては、この拡散燃焼用メイン噴射の開始タイミングを、上記繋ぎ燃焼の開始タイミングに略同期させ、この拡散燃焼用メイン噴射の終了タイミングを、上記繋ぎ燃焼における熱発生率が最大となるタイミングに略同期させることが挙げられる。

　また、この拡散燃焼用メイン噴射での燃焼は、拡散燃焼であるため、その燃料噴射タイミングを制御すれば、その燃焼における熱発生率のピークタイミングを制御することが可能である。以下、具体的に説明する。

　上記繋ぎ燃焼によって気筒内の予熱が十分に行われているため、この状態で拡散燃焼用メイン噴射が開始された場合、この拡散燃焼用メイン噴射で噴射された燃料は、直ちに自着火温度以上の温度環境下に晒されて熱分解が進み、噴射後は直ちに燃焼が開始されることになる。

　具体的に、ディーゼルエンジンにおける燃料の着火遅れとしては、物理的遅れと化学的遅れとがある。物理的遅れは、燃料液滴の蒸発・混合に要する時間であり、燃焼場のガス温度に左右される。一方、化学的遅れは、燃料蒸気の化学的結合・分解かつ酸化発熱に要する時間である。そして、上述した如く気筒内の予熱が十分になされている状況では上記物理的遅れを最小限に抑えることができ、その結果、着火遅れも最小限に抑えられることになる。

　従って、上記拡散燃焼用メイン噴射によって噴射された燃料の燃焼形態としては、大部分が拡散燃焼となる。その結果、この拡散燃焼用メイン噴射の燃料噴射タイミングを制御することがそのまま拡散燃焼の燃焼タイミングや熱発生率のピークタイミングを制御することに略等しくなり、燃焼の制御性を大幅に改善することができる。つまり、この拡散燃焼による熱発生率波形の制御によって燃焼の制御性を大幅に改善することが可能になる。例えば、上述した如くＴＤＣ付近で拡散燃焼用メイン噴射を開始させることで、ＡＴＤＣ１０°で熱発生率のピークタイミングを迎えることが可能になる。

　尚、拡散燃焼用メイン噴射での噴射量についても、例えば実験やシミュレーションによって設定される。

　＜貫徹力について＞
　次に、上記各メイン噴射において噴射される燃料の貫徹力について具体的に説明する。上記インジェクタ２３では、噴射指令信号を受けて燃料噴射が開始されると、噴射孔を閉塞しているニードルが噴射孔から後退していくことで噴射孔の開口面積を次第に増大させていく。そして、ニードルが最後退位置まで移動すると噴射孔の開口面積は最大となる。ところが、このニードルが最後退位置に達するまでに噴射指令信号が解除されると（閉弁指令を受けると）、後退移動している途中でニードルは閉弁方向に向かって前進することになる。つまり、この場合、噴射孔の開口面積は最大となることなく燃料噴射を終了することになる。このため、噴射期間が長く設定されるほど噴射孔の開口面積としては大きく得られることになる。

　そして、上記噴射孔の開口面積は、その噴射孔から噴射される燃料（噴霧）の飛行距離に相関がある。つまり、噴射孔の開口面積が大きい状態で燃料が噴射された場合には、噴射孔から噴射される燃料の液滴の寸法も大きいため運動エネルギも大きく（貫徹力（ペネトレーション）が大きく）なっている。このため、この燃料の液滴の飛行距離は長くなる。一方、噴射孔の開口面積が小さい状態で燃料が噴射された場合には、この噴射孔から噴射される燃料の液滴の寸法も小さいため運動エネルギも小さく（貫徹力（ペネトレーション）が小さく）なっている。このため、この燃料の液滴の飛行距離も短い。

　そして、上述した如く、インジェクタ２３の開弁期間が比較的長く設定された場合（言い換えると、メイン噴射１回当たりの噴射量が比較的多く設定された場合）には、ニードルが最後退位置まで移動することになって噴射孔の開口面積は最大となるので、この場合の燃料の液滴の飛行距離は長くなる。つまり、インジェクタ２３から噴射された燃料の大部分は上記キャビティ１３ｂの外周端付近まで飛行可能な状態となる。

　一方、インジェクタ２３の開弁期間が比較的短く設定された場合（言い換えると、メイン噴射１回当たりの噴射量が比較的少なく設定された場合）には、ニードルが最後退位置まで移動することがなく噴射孔の開口面積は小さいため、この場合の燃料の液滴の飛行距離は短くなる。つまり、インジェクタ２３から噴射された燃料の大部分は上記キャビティ１３ｂの中央部付近までしか飛行できない状態となる。

　このように、インジェクタ２３の開弁期間によって決まる噴射孔の開口面積と、その噴射孔から噴射される燃料（噴霧）の飛行距離とには相関がある。このため、インジェクタ２３の開弁期間を調整することによって燃料の飛行距離を調整することが可能である。言い換えると、メイン噴射１回当たりの噴射量によって決まる噴射孔の開口面積と、その噴射孔から噴射される燃料（噴霧）の飛行距離とには相関がある。このため、メイン噴射１回当たりの噴射量を規定することによって燃料の飛行距離を規定することが可能である。

　そこで、本実施形態では、低温燃焼用メイン噴射での噴射期間に比べて繋ぎ燃焼用メイン噴射での噴射期間を長くし、また、繋ぎ燃焼用メイン噴射での噴射期間に比べて拡散燃焼用メイン噴射での噴射期間を長く設定している。このため、低温燃焼用メイン噴射での燃料噴射量に比べて繋ぎ燃焼用メイン噴射での燃料噴射量が多くなり、且つ貫徹力も高くなる。また、繋ぎ燃焼用メイン噴射での燃料噴射量に比べて拡散燃焼用メイン噴射での燃料噴射量が多くなり、且つ貫徹力も高くなる。

　このため、上述した如く、低温燃焼用メイン噴射で噴射された燃料の燃焼場は、キャビティ１３ｂの内周部分の比較的狭小エリアで形成されることになる（図８における領域α）。また、繋ぎ燃焼用メイン噴射で噴射された燃料の燃焼場は、上記低温燃焼用メイン噴射で噴射された燃料の燃焼場の外周側に形成されることになる（図８における領域β）。更に、拡散燃焼用メイン噴射で噴射された燃料の燃焼場は、キャビティ１３ｂの外周部分の比較的拡大されたエリアで形成されることになる（図８における領域γ）。

　このため、上述した如く、繋ぎ燃焼用メイン噴射で噴射された燃料は、低温燃焼用メイン噴射で噴射された燃料の燃焼場、つまり、上記初期低温燃焼が行われている燃焼場を通過し、その際、この燃焼場から熱量を受けて上記予混合燃焼に至ることになる。また、拡散燃焼用メイン噴射で噴射された燃料は、低温燃焼用メイン噴射で噴射された燃料の燃焼場だけでなく繋ぎ燃焼用メイン噴射で噴射された燃料の燃焼場、つまり、上記予混合燃焼が行われている燃焼場を通過し、その際、この燃焼場から熱量を受けて上記拡散燃焼に至ることになる。

　以上のようなメイン噴射実行時における燃焼場環境の変化について図７を用いて説明する。上述した如く図７は、燃焼場のガス温度と燃焼場の当量比との変化を示すマップである。

　この図７に示すように、低温燃焼用メイン噴射が開始（図７における点Ａ）された場合、燃料噴射量が比較的少ないため燃焼場の当量比は殆ど変化せず、その燃料の燃焼（初期低温燃焼）によって燃焼場ガス温度が僅かに上昇していく。この初期低温燃焼では、上述した如く、燃焼場環境がスモーク発生領域やＮＯｘ発生領域に達することはない。

　その後、繋ぎ燃焼用メイン噴射が開始されると（図７における点Ｂ：初期低温燃焼の燃焼場の熱を受けることで、ガス温度としては点Ｂまで上昇した状態から予混合燃焼を開始する）、上記予混合燃焼に伴って燃焼場の当量比がリッチ側に移行すると共にその燃料の燃焼によって燃焼場ガス温度が上昇していく。この際、燃焼場の温度は上記拡散燃焼可能温度（９００Ｋ）程度まで上昇することになる。この予混合燃焼においても、燃焼場環境がスモーク発生領域やＮＯｘ発生領域に達することはない。

　そして、拡散燃焼用メイン噴射が開始されると（図７における点Ｃ：繋ぎ燃焼の燃焼場の熱を受けることで、ガス温度としては点Ｃまで上昇した状態から拡散燃焼を開始する）、気筒内では拡散燃焼が開始され、燃焼場の当量比がリッチ側に移行すると共にその燃料の燃焼によって燃焼場ガス温度が上昇する。この場合の拡散燃焼も、燃焼場環境がスモーク発生領域やＮＯｘ発生領域に達することはない。

　そして、この拡散燃焼の後半は、当量比が上昇することになるが、図７に示す如く燃焼場環境はＹ領域（ＣＯ領域）となっており、ＮＯｘやスモークの発生は抑えられる。

　（中負荷運転時）
　一方、エンジン１の中負荷運転時には、上述した低負荷運転時に比べて総メイン噴射量が多くなるが、各メイン噴射（低温燃焼用メイン噴射、繋ぎ燃焼用メイン噴射、拡散燃焼用メイン噴射）での燃料噴射量を互いに同じ比率で増量してしまうと、上記拡散燃焼での燃焼速度が急速に高くなって、熱発生率のピーク値が過上昇し、ＮＯｘの発生量が増大したり燃焼音が増大したりする可能性がある。

　このため、この中負荷運転時には、低温燃焼用メイン噴射及び繋ぎ燃焼用メイン噴射での燃料噴射量を増量するのに対し、拡散燃焼用メイン噴射での燃料噴射量を減量しながらも、上記総メイン噴射量が確保できるようにしている（図５における燃料噴射パターンの波形を参照）。これにより、拡散燃焼に伴うＮＯｘ発生量の増大や燃焼音の増大を回避できるようにしている。

　例えば、上述した如く、低負荷運転時における低温燃焼用メイン噴射、繋ぎ燃焼用メイン噴射、拡散燃焼用メイン噴射での各燃料噴射量を、それぞれ２ｍｍ³、６ｍｍ³、２２ｍｍ³とした場合に、中負荷運転時における低温燃焼用メイン噴射、繋ぎ燃焼用メイン噴射、拡散燃焼用メイン噴射での各燃料噴射量を、それぞれ７ｍｍ³、１３ｍｍ³、２０ｍｍ³に設定するものである。これら値はこれに限定されるものではなく、例えば実験やシミュレーションによって設定される。

　特に、低温燃焼用メイン噴射での燃料噴射量は、上述した低温燃焼を維持するために上限値が設定されている。この燃料噴射量の上限値は、低温燃焼用メイン噴射の噴射開始タイミングにおける気筒内温度によって異なる。つまり、この気筒内温度が高いほど上限値としては低く設定されることになる。

　この中負荷運転時においても上述した低負荷運転時の場合と同様に、初期低温燃焼、繋ぎ燃焼、拡散燃焼が順次行われる。これら燃焼それぞれの機能については上述した低負荷運転時の場合と同様であるので、ここでの説明は省略する。

　（高負荷運転時）
　次に、エンジン１の高負荷運転時における燃焼形態について説明する。

　上述した低負荷運転時や中負荷運転時の如く、初期低温燃焼を行った後の拡散燃焼では、エンジン１の高負荷運転時に応じたトルクが十分に得られない可能性がある。このため、本実施形態では、高負荷運転時にあっては、同一燃焼過程中の全域を拡散燃焼として燃焼速度を高めると共に、この拡散燃焼の初期段階である初期拡散燃焼（図６に示した初期拡散燃焼期間）では、その期間の熱発生率の平均値が、上記初期低温燃焼が行われる期間での熱発生率の平均値に略一致するようにしてＮＯｘの発生量を抑制できるようにしている。

　具体的には、図６に示すように２回の分割メイン噴射を実施し、前段の分割メイン噴射（疑似低温燃焼用メイン噴射）の燃料噴射量を比較的少なく設定することで、この燃料の燃焼期間を短く設定する。その後、負荷に応じたエンジントルクが得られる総メイン噴射量が確保できるように比較的大量の燃料噴射（拡散燃焼用メイン噴射）を実施する。尚、この高負荷運転時の燃焼は拡散燃焼であって燃焼速度が高いため、疑似低温燃焼用メイン噴射の噴射タイミングとしては、上述した低負荷運転時や中負荷運転時での低温燃焼用メイン噴射の噴射タイミングよりも遅角側（ＴＤＣ付近）に設定している。

　これにより、疑似低温燃焼用メイン噴射において噴射された燃料の燃焼では、熱発生率が一時的に高まった後、この熱発生率が低下していくことになる。そして、本実施形態では、この燃焼期間（初期拡散燃焼期間）における熱発生率の平均値が、上記低負荷運転時や中負荷運転時において実施されていた初期低温燃焼が行われる期間での熱発生率の平均値に略一致するようにしてＮＯｘの発生量を抑制している。

　より具体的に説明すると、図６に破線で示す熱発生率波形は上記低負荷運転時のものであり、実線で示す熱発生率は高負荷運転時のものである。そして、上記初期拡散燃焼期間において、低負荷運転時の熱発生率波形に対して高負荷運転時の熱発生率波形が上回っている領域（図６における領域Ｈ１）と、低負荷運転時の熱発生率波形に対して高負荷運転時の熱発生率波形が下回っている領域（図６における領域Ｈ１）との面積を略一致させることによって、初期拡散燃焼期間における高負荷運転時の熱発生率の平均値が、上記低負荷運転時において実施されていた初期低温燃焼が行われる期間での熱発生率の平均値に略一致するようにしている。これにより、上述した初期低温燃焼と同等の効果が得られる。

　このような擬似的な低温燃焼を行うことでＮＯｘの発生量を抑制することができ、高負荷運転時における排気エミッションの改善を図りながらも必要トルクを得ることができる。

　以上説明したように、本実施形態に係る燃焼場での燃焼形態によれば、従来のディーゼルエンジンの同一燃焼過程中では存在し得なかった初期低温燃焼（比較的低温環境下での燃焼）と拡散燃焼（比較的高温環境下での燃焼）との間を上記繋ぎ燃焼によって繋ぐことで、これら初期低温燃焼と拡散燃焼とを、この両者間にトルク空白期間を生じさせることなしに同一燃焼過程中に共存させることが可能である。これにより、上述の如くＮＯｘ発生量の抑制とスモーク発生量の抑制とが図れ、また、繋ぎ燃焼で温度上昇された気筒内への燃料噴射によって上記拡散燃焼を実施可能としていることで、上記「拡散燃焼用燃料噴射期間」の制御によって、この拡散燃焼の開始タイミングの制御や一連の燃焼（初期低温燃焼から拡散燃焼に亘る燃焼）において熱発生率が最大になるタイミング（燃焼重心）を制御することが可能になる。例えば、この燃焼重心をＡＴＤＣ１０°付近に設定することで最も燃焼効率の良い燃焼形態を実現することができる。このため、熱発生率が最大になるタイミングが大きく遅角側に移行してしまうことを阻止できて、内燃機関の要求トルクを確保することが可能になる。その結果、ＮＯｘ発生量の抑制と、スモーク発生量の抑制と、要求トルクの確保とを連立させることが可能になる。

　また、本実施形態では、ＮＯｘ発生量を大幅に削減することができるので、上記ＮＳＲ触媒７５やＤＰＮＲ触媒７６の小型化を図ることができ、また、ＮＯｘ発生量を略「０」にすることも可能であるので、上記ＮＳＲ触媒７５やＤＰＮＲ触媒７６を廃止し、それに代えて三元触媒のみを排気系６に設ける構成とすることも可能である。これによれば、ガソリンエンジンと同様の比較的構成の簡素な排気系をディーゼルエンジンにおいて実現することが可能である。

　－変形例－
　上述した実施形態では、上記初期低温燃焼、繋ぎ燃焼、拡散燃焼それぞれに対応する燃料噴射期間を個別に設定していた。つまり、３回の燃料噴射を順に行うことによって、それぞれに対応した３種類の燃焼形態を実現していた。

　本発明は、２回の燃料噴射によって、上記初期低温燃焼、繋ぎ燃焼、拡散燃焼を行わせるものである。

　図９は、本変形例におけるエンジン１の低負荷運転時であってメイン噴射の実行期間中における気筒内での熱発生率の変化および燃料噴射パターンをそれぞれ示している。また、図１０は、本変形例のエンジン１の中負荷運転時であってメイン噴射の実行期間中における気筒内での熱発生率の変化および燃料噴射パターンをそれぞれ示している。尚、本変形例におけるエンジン１の高負荷運転時における熱発生率の変化および燃料噴射パターンは上述した実施形態のものと同一であるので、ここでは説明を省略する。

　本変形例における前段の燃料噴射は、上述した実施形態における低温燃焼用メイン噴射と繋ぎ燃焼用メイン噴射とを兼ね備えたものである。ここでは低温燃焼兼繋ぎ燃焼用メイン噴射と呼ぶ。つまり、この低温燃焼兼繋ぎ燃焼用メイン噴射の噴射期間において前半で噴射された燃料が上記初期低温燃焼のための燃料となり、後半で噴射された燃料が上記繋ぎ燃焼のための燃料となる。一方、後段の燃料噴射は、上述した実施形態における拡散燃焼用メイン噴射に相当する。

　これら図９及び図１０に示すような燃料噴射においても、上述した実施形態と同様に、初期低温燃焼と拡散燃焼との間を繋ぎ燃焼によって繋ぐことが可能であって、これら初期低温燃焼と拡散燃焼とを、この両者間にトルク空白期間を生じさせることなしに同一燃焼過程中に共存させることが可能になる。これにより、ＮＯｘ発生量の抑制と、スモーク発生量の抑制と、要求トルクの確保とを連立させることが可能になる。

　本変形例のように、２回の燃料噴射によって、上記初期低温燃焼、繋ぎ燃焼、拡散燃焼を行わせる場合、インジェクタ２３の開閉動作のインターバルを比較的長く設定することが可能であるので、比較的開閉速度の低い（応答性の低い）インジェクタ２３であっても上述した３種類の燃焼形態を実現することが可能になり、燃料噴射システムのコストの低廉化を図ることができる。また、インジェクタ２３の噴射回数を削減できることで、同一領域（インジェクタ２３の噴射口近傍領域：図８における領域α）を流れる燃料噴射量を減少させることができ、上記低温燃焼用メイン噴射での燃料噴射量が比較的多くても、その後の燃料噴射に伴う上記領域でのスモークの発生を抑制することが可能になる。

　－他の実施形態－
　以上説明した実施形態及び変形例では、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、水平対向型エンジン等の別）についても特に限定されるものではない。

　また、上記実施形態及び変形例では、マニバータ７７として、ＮＳＲ触媒７５およびＤＰＮＲ触媒７６を備えたものとしたが、ＮＳＲ触媒７５およびＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ　Ｐａｔｉｃｕｌａｔｅ　Ｆｉｌｔｅｒ）を備えたものとしてもよい。

　尚、上記実施形態及び変形例では、ＥＧＲ装置として、排気マニホールド７２内の排気ガスを吸気系６に還流させる構成とした。本発明はこれに限らず、ターボチャージャ５におけるタービンホイール５２の下流側の排気ガスを吸気系６に還流させるＬＰＬ（Ｌｏｗ　Ｐｒｅｓｓｕｒｅ　Ｌｏｏｐ）ＥＧＲ装置を採用するようにしてもよい。この場合、ＥＧＲガスによる気筒内の温度上昇が抑えられることになるので、上記初期低温燃焼や繋ぎ燃焼を効果的に実施することが可能である。

　尚、上記実施形態及び変形例では、低負荷運転時及び中負荷運転時に行われる初期低温燃焼の開始タイミングとしてはＢＴＤＣ（ピストン１３の圧縮上死点よりも進角側）に設定していた。本発明はこれに限らず、初期低温燃焼の開始タイミングをＴＤＣ（ピストン１３の圧縮上死点）に設定したり、場合によっては、初期低温燃焼の開始タイミングをＡＴＤＣ（ピストン１３の圧縮上死点よりも遅角側）に設定するようにしてもよい。

　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ける燃料噴射制御に適用することが可能である。

１　　　　エンジン（内燃機関）
３　　　　燃焼室
２３　　　インジェクタ（燃料噴射弁）
６　　　　吸気系
６２　　　スロットルバルブ（吸気絞り弁）
７　　　　排気系
８　　　　ＥＧＲ通路
８１　　　ＥＧＲバルブ
８２　　　ＥＧＲクーラ

Claims

　排気系に排出された排気ガスの一部を吸気系に還流させる排気還流装置を備えていると共に、内燃機関の燃焼過程中に、燃料噴射弁から、トルク発生のための燃料噴射である主噴射が実行される圧縮自着火式の内燃機関の制御装置において、
　上記主噴射の噴射期間として、
　気筒内の酸素と燃料噴霧との邂逅率を低下させる邂逅率低下動作を行いながら、その気筒内で燃料を順次燃焼させていく初期低温燃焼のための「初期燃焼用燃料噴射期間」と、
　気筒内の温度が拡散燃焼に至る所定の拡散燃焼開始温度以上であるときに、上記排気還流装置によって還流された排気ガスによる燃焼温度抑制効果を活用できる領域に向けて燃料噴射が行われることによって拡散燃焼を行わせるための「拡散燃焼用燃料噴射期間」と、
　上記「初期燃焼用燃料噴射期間」と「拡散燃焼用燃料噴射期間」との間に設定された期間であって、上記初期低温燃焼の開始後、気筒内の温度が上記拡散燃焼開始温度未満であるときに噴射された燃料が、その後の上記「拡散燃焼用燃料噴射期間」において噴射された燃料の吸熱反応によって噴霧冷却されることに伴い上記初期低温燃焼と上記拡散燃焼との間を連続的に繋ぐ予混合燃焼により成る繋ぎ燃焼を行わせるための「繋ぎ燃焼用燃料噴射期間」とを設定する燃料噴射制御手段を備えていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
　上記請求項１記載の内燃機関の制御装置において、
　上記燃料噴射制御手段は、「初期燃焼用燃料噴射期間」及び「繋ぎ燃焼用燃料噴射期間」で噴射される燃料の貫徹力に比べて上記「拡散燃焼用燃料噴射期間」で噴射される燃料の貫徹力を高く設定するよう構成されていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
　上記請求項１または２記載の内燃機関の制御装置において、
　上記燃料噴射制御手段は、上記「拡散燃焼用燃料噴射期間」の開始タイミングを、上記「繋ぎ燃焼用燃料噴射期間」で噴射された燃料の燃焼開始タイミングに略同期させ、上記「拡散燃焼用燃料噴射期間」の終了タイミングを、上記「繋ぎ燃焼用燃料噴射期間」で噴射された燃料の燃焼における熱発生率が最大となるタイミングに略同期させるよう構成されていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
　上記請求項１、２または３記載の内燃機関の制御装置において、
　上記燃料噴射制御手段は、上記「初期燃焼用燃料噴射期間」、「繋ぎ燃焼用燃料噴射期間」及び「拡散燃焼用燃料噴射期間」での燃料噴射として、「初期燃焼用燃料噴射期間」での燃料噴射終了後、燃料噴射を一旦停止した後に「繋ぎ燃焼用燃料噴射期間」での燃料噴射を開始し、この「繋ぎ燃焼用燃料噴射期間」での燃料噴射終了後、燃料噴射を一旦停止した後に「拡散燃焼用燃料噴射期間」での燃料噴射を開始するよう構成されていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
　上記請求項１、２または３記載の内燃機関の制御装置において、
　上記燃料噴射制御手段は、上記「初期燃焼用燃料噴射期間」、「繋ぎ燃焼用燃料噴射期間」及び「拡散燃焼用燃料噴射期間」での燃料噴射として、「初期燃焼用燃料噴射期間」での燃料噴射と「繋ぎ燃焼用燃料噴射期間」での燃料噴射とを停止させることなく連続した燃料噴射により実施する一方、「繋ぎ燃焼用燃料噴射期間」での燃料噴射終了後、燃料噴射を一旦停止した後に「拡散燃焼用燃料噴射期間」での燃料噴射を開始するよう構成されていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
　上記請求項１～５のうち何れか一つに記載の内燃機関の制御装置において、
　上記邂逅率低下動作としては、上記排気還流装置による排気還流動作、吸気系における吸気絞り動作、燃料噴射弁からの燃料噴射時期を遅角させる動作、気筒内温度を低下させる動作のうち少なくとも何れか一つが実行されることを特徴とする内燃機関の制御装置。
　上記請求項１～６のうち何れか一つに記載の内燃機関の制御装置において、
　上記燃料噴射制御手段は、気筒内温度が７５０Ｋ以上で９００Ｋ未満の範囲にあるときを「初期燃焼用燃料噴射期間」とし、上記初期低温燃焼の開始後、気筒内温度が８００Ｋ以上で９００Ｋ未満の範囲にあるときを「繋ぎ燃焼用燃料噴射期間」とし、上記繋ぎ燃焼の開始後、気筒内温度が９００Ｋに達した後を「拡散燃焼用燃料噴射期間」としてそれぞれ設定するよう構成されていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
　上記請求項１～７のうち何れか一つに記載の内燃機関の制御装置において、
　上記「初期燃焼用燃料噴射期間」、「繋ぎ燃焼用燃料噴射期間」及び「拡散燃焼用燃料噴射期間」での燃料噴射は、内燃機関の低負荷運転時及び中負荷運転時で実行され、上記各噴射期間で噴射される燃料噴射量の和である噴射総量に対する「繋ぎ燃焼用燃料噴射期間」での燃料噴射量の比率は、上記低負荷運転から中負荷運転の範囲において負荷が高いほど大きく設定されていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
　上記請求項１～７のうち何れか一つに記載の内燃機関の制御装置において、
　上記「初期燃焼用燃料噴射期間」、「繋ぎ燃焼用燃料噴射期間」及び「拡散燃焼用燃料噴射期間」での燃料噴射は、内燃機関の低負荷運転時及び中負荷運転時で実行され、
　内燃機関の高負荷運転時には、気筒内での燃焼開始初期時の所定期間の熱発生率の平均値が、上記初期低温燃焼が行われる期間での熱発生率の平均値に略一致する初期拡散燃焼が行われる構成とされていることを特徴とする内燃機関の制御装置。