(57)【要約】【課題】上下２段構造のキャビティを有するピストン冠面で燃焼室の一部が区画されるエンジンについて、当該燃焼室内に存在する酸素を有効活用する。【解決手段】ピストンの冠面５０に備えられるキャビティ５Ｃは、径方向中心領域に配置された第１キャビティ部５１と、その外周側に配置された第２キャビティ部５２と、第１、第２キャビティ部５１、５２を繋ぐ連結部５３とを含む。インジェクタ１５の動作を制御する燃料噴射制御部７２は、ピストン５がＴＤＣよりも進角側に位置する時期に、キャビティ５Ｃの連結部５３に向けて燃料を噴射させるプレ噴射Ｐ１と、プレ噴射Ｐ１よりも遅角側において、第１キャビティ部５１に向けて燃料を噴射させるメイン噴射Ｐ２と、プレ噴射Ｐ１とメイン噴射Ｐ２との間の時期に、プレ噴射Ｐ１及びメイン噴射Ｐ２よりも短い噴射期間で燃料を噴射させる中段噴射Ｐ３とを、インジェクタ１５に実行させる。【選択図】図１０
2020084910.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ、ピストンの冠面及び天井面により形成される燃焼室と、
前記天井面の径方向中心部に配置され、前記燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、を有するエンジンの動作を制御するエンジンの制御装置であって、
前記ピストンの冠面にはキャビティが備えられ、前記キャビティは、
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の深さよりも浅い第２の深さを有する第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、
前記制御装置は、前記燃料噴射弁の動作を制御する燃料噴射制御部を備え、
前記燃料噴射制御部は、前記燃料噴射弁に、
前記ピストンが圧縮上死点よりも進角側に位置する時期に、該燃料噴射弁の噴射軸と前記キャビティの前記連結部とが交差するタイミングで燃料を噴射させる第１噴射と、
前記第１噴射よりも遅角側において、前記第１キャビティ部に向けて燃料を噴射させる第２噴射と、
前記第１噴射と前記第２噴射との間の時期に、前記第１噴射及び前記第２噴射よりも短い噴射期間で燃料を噴射させる中段噴射と、を実行させることを特徴とするエンジンの制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載のエンジンの制御装置において、
前記燃料噴射制御部は、前記中段噴射を実行させる際、前記燃料噴射弁の噴射孔から前記キャビティの壁面までの距離よりも短い噴射距離となるように、前記噴射期間を設定する、エンジンの制御装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のエンジンの制御装置において、
前記燃料噴射制御部は、前記第１噴射において噴射される燃料噴射量を、前記第２噴射において噴射される燃料噴射量よりも多く設定する、エンジンの制御装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のエンジンの制御装置において、
前記燃料噴射制御部は、前記中段噴射の開始時期を、前記第１噴射の終了時期よりも前記第２噴射の開始時期に近いタイミングに設定する、エンジンの制御装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のエンジンの制御装置において、
前記燃料噴射制御部は、前記第２噴射の開始時期の方が前記第２噴射の終了時期よりも圧縮上死点に近いタイミングとなるように、前記第２噴射の噴射期間を設定する、エンジンの制御装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のエンジンの制御装置において、
前記燃料噴射制御部は、前記第１噴射による燃焼に起因して発生する第１圧力波と、前記第２噴射による燃焼に起因して発生する第２圧力波とが、互いに１／２周期ずれて出現するように、前記第１噴射及び前記第２噴射を実行させる、エンジンの制御装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のエンジンの制御装置において、
前記第１キャビティ部は、シリンダ軸を含む断面において、
前記燃料噴射弁から最も遠い円弧状の第１部分と、前記第１部分と前記連結部との間に位置する第２部分と、前記第１部分から径方向内側に延びる第３部分とを含み、
前記第２部分から前記第１部分にかけて円弧の半径が小さくなり、前記第１部分から前記第３部分にかけて円弧の半径が大きくなる円弧形状を有する、エンジンの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、キャビティを備えるピストンによって燃焼室の一部が形成されるエンジンの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車などの車両用エンジンの燃焼室は、シリンダの内壁面、シリンダヘッドの底面（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、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せる燃料噴射制御が知られている。特許文献１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、両キャビティの中間に位置するリップ部に燃料を噴射させる制御方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２１１６４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
燃焼室での燃焼の理想的の態様は、当該燃焼室内に存在する空気を使い切った燃焼を行わせることである。しかし、上下２段に並ぶキャビティを有するピストン冠面で底面が区画される燃焼室において、当該燃焼室内に存在する空気（酸素）を有効活用するための燃料噴射の制御態様に関しては、未だ有用な手法が提案されていないのが実情である。
【０００５】
本発明は、上下２段構造のキャビティを有するピストン冠面で燃焼室の一部が区画されるエンジンについて、当該燃焼室内に存在する酸素を有効活用することができるエンジンの制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一局面に係るエンジンの制御装置は、シリンダ、ピストンの冠面及び天井面により形成される燃焼室と、前記天井面の径方向中心部に配置され、前記燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、を有するエンジンの動作を制御するエンジンの制御装置であって、前記ピストンの冠面にはキャビティが備えられ、前記キャビティは、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の深さよりも浅い第２の深さを有する第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、前記制御装置は、前記燃料噴射弁の動作を制御する燃料噴射制御部を備え、前記燃料噴射制御部は、前記燃料噴射弁に、前記ピストンが圧縮上死点よりも進角側に位置する時期に、該燃料噴射弁の噴射軸と前記キャビティの前記連結部とが交差するタイミングで燃料を噴射させる第１噴射と、前記第１噴射よりも遅角側において、前記第１キャビティ部に向けて燃料を噴射させる第２噴射と、前記第１噴射と前記第２噴射との間の時期に、前記第１噴射及び前記第２噴射よりも短い噴射期間で燃料を噴射させる中段噴射と、を実行させることを特徴とする。
【０００７】
この制御装置によれば、第１噴射によって前記噴射軸と前記連結部とが交差するタイミングで噴射された燃料は前記連結部に向かうようになり、第１及び第２キャビティ部に入り込み、これらキャビティ部内の空気（酸素）と混合して混合気を形成し、燃焼に至る。また、前記第１噴射に対して遅角して実行される第２噴射にて噴射された燃料は、第１キャビティ部に残存する空気と混合して混合気を形成し、燃焼に至る。そして、前記第１噴射と前記第２噴射との間の時期に実行される中段噴射では、前記第１噴射及び前記第２噴射よりも短い噴射期間で燃料が噴射される。短い噴射期間の中段噴射で噴射された燃料は、第１及び第２キャビティ部まで到達し難くなり、専ら燃焼室の径方向中央付近の空気と混合して混合気を形成し、燃焼に至る。すなわち、前記中段噴射では、前記第１噴射及び前記第２噴射において使用されない燃焼室の領域の酸素を、積極的に活用して混合気を形成させる。これにより燃焼室内に存在する酸素を有効利用することができ、煤などの発生を抑制することができる。また、前記中段噴射は、前記第１噴射と前記第２噴射との間の時期に実行されることから、当該中段噴射による燃焼をエンジントルクに寄与させることができる。
【０００８】
上記の制御装置において、前記燃料噴射制御部は、前記中段噴射を実行させる際、前記燃料噴射弁の噴射孔から前記キャビティの壁面までの距離よりも短い噴射距離となるように、前記噴射期間を設定することが望ましい。
【０００９】
この制御装置によれば、中段噴射のペネトレーションが、上記の第１及び第２キャビティを含むキャビティの壁面まで到達しない大きさに設定される。従って中段噴射を、より燃焼室の径方向中央付近の空気を活用し易い噴射態様とすることができる。
【００１０】
上記の制御装置において、前記燃料噴射制御部は、前記第１噴射において噴射される燃料噴射量を、前記第２噴射において噴射される燃料噴射量よりも多く設定することが望ましい。
【００１１】
第１噴射では、上述の通り第１及び第２キャビティ部の両空間を活用することになる一方、第２噴射では第１キャビティ部の空間を専ら活用する。上記の制御装置によれば、このような空間利用態様に鑑みて、前記第１噴射における燃料噴射量を、第２噴射よりも多く設定するので、各噴射において燃焼室内の酸素を効率的に使用させることができる。
【００１２】
上記の制御装置において、前記燃料噴射制御部は、前記中段噴射の開始時期を、前記第１噴射の終了時期よりも前記第２噴射の開始時期に近いタイミングに設定することが望ましい。
【００１３】
中段噴射で噴射された燃料は、第２噴射の開始時期までに燃焼を開始していないと、第２噴射による噴射燃料に巻き込まれてしまい得る。この場合、中段噴射の燃料と第２噴射の燃料とが、燃焼室の同じ領域で燃焼されてしまい、燃焼室内の酸素が有効活用されないことが想定される。しかし、上記の制御装置によれば、第２噴射の開始時期に近いタイミングで中段噴射が開始されるので、第１噴射による燃焼によって筒内温度が十分に上昇した環境で中段噴射の燃料が燃焼室内に供給される。従って、前記中段噴射で噴射された燃料を即座に燃焼させることができ、第２噴射の噴射燃料への巻き込みを防止することができる。すなわち、燃焼室内の酸素を有効活用させることができる。
【００１４】
上記の制御装置において、前記燃料噴射制御部は、前記第２噴射の開始時期の方が前記第２噴射の終了時期よりも圧縮上死点に近いタイミングとなるように、前記第２噴射の噴射期間を設定することが望ましい。
【００１５】
この制御装置によれば、第２噴射の開始時期が徒に早く設定されることを防止でき、当該第２噴射による燃焼を、第１噴射による燃焼にて発生する熱を利用した拡散燃焼の態様とすることができる。従って、拡散燃焼による爆発力をより効率良くエンジントルクに変換させることができる。
【００１６】
上記の制御装置において、前記燃料噴射制御部は、前記第１噴射による燃焼に起因して発生する第１圧力波と、前記第２噴射による燃焼に起因して発生する第２圧力波とが、互いに１／２周期ずれて出現するように、前記第１噴射及び前記第２噴射を実行させることが望ましい。
【００１７】
この制御装置によれば、第１圧力波と第２圧力波とが互いに１／２周期ずれて出現することから、これら圧力波が互いに打ち消されるようになる。従って、燃焼騒音を低減することができる。
【００１８】
上記の制御装置において、前記第１キャビティ部は、シリンダ軸を含む断面において、前記燃料噴射弁から最も遠い円弧状の第１部分と、前記第１部分と前記連結部との間に位置する第２部分と、前記第１部分から径方向内側に延びる第３部分とを含み、前記第２部分から前記第１部分にかけて円弧の半径が小さくなり、前記第１部分から前記第３部分にかけて円弧の半径が大きくなる円弧形状を有することが望ましい。
【００１９】
この制御装置によれば、第１〜第３部分が連なる円弧形状によって、第１キャビティ部において混合気を滞留させることなく良好に流動させることができる。すなわち、前記連結部から、第２部分を経て第１部分へ向かう筒内流動は、前記第１部分にかけて円弧の半径が小さくなることから加速される。その後、筒内流動は、前記第３部分で減速されつつ、径方向内側へ案内される。このような流動が確保されることから、第１キャビティ部での混合気の滞留を抑止することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、上下２段構造のキャビティを有するピストン冠面で燃焼室の一部が区画されるエンジンについて、当該燃焼室内に存在する酸素を有効活用することができるエンジンの制御装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】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】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】図３は、図２（Ｂ）に示すピストン断面の拡大図である。
【図４】図４は、第１、第２キャビティ部及び連結部の曲面形状を説明するための図である。
【図５】図５は、エンジンの制御系統を示すブロック図である。
【図６】図６は、燃料噴射のタイミング及び熱発生率を示すタイムチャートである。
【図７】図７（Ａ）は、プレ噴射及びメイン噴射による燃焼の熱発生率のピークのインターバルを示すグラフ、図７（Ｂ）は、これら燃焼で発生する圧力波の打ち消し効果を説明するための模式図である。
【図８】図８は、中段噴射による熱発生率特性の変化を示すグラフである。
【図９】図９は、プレ噴射、メイン噴射及び中段噴射の開始・終了時期と、各噴射のペネトレーションとを説明するための模式図である。
【図１０】図１０は、プレ噴射における混合気の流動状態を示す、燃焼室の断面図である。
【図１１】図１１は、プレ噴射による燃焼の発生領域を示す、燃焼室の断面図である。
【図１２】図１２は、中段噴射による燃焼の発生領域を示す、燃焼室の断面図である。
【図１３】図１３は、メイン噴射による燃焼の発生領域を示す、燃焼室の断面図である。
【図１４】図１４は、燃料噴射制御の一例を示すフローチャートである。
【図１５】図１５（Ａ）は、プレ噴射に起因する燃焼のピーク遅れを示す図、図１５（Ｂ）は前記ピーク遅れの予測モデル式、図１５（Ｃ）は前記予測モデル式のキャリブレーション結果を示す表形式の図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
［エンジンの全体構成］
以下、図面に基づいて、本発明に係るエンジンの制御装置の実施形態を詳細に説明する。本実施形態では、本発明をディーゼルエンジンシステムの制御に適用する例を示す。まず、当該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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。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。
【００２５】
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、シリンダブロック３及びシリンダヘッド４の内部を流通する冷却水の温度（エンジン水温）を検出する。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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１０）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。本実施形態では、後述するプレ噴射とメイン噴射との狭いクランク角の間に中段噴射を実行させるために、開弁応答速度（通電開始から開弁完了までに要する時間）が５０μｓ〜２００μｓ程度の高速応答タイプのインジェクタ１５を用いることが望ましい。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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（図５）が備えられている。
【００３３】
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、排気ガス中に含まれる有害成分（ＣＯおよびＨＣ）を酸化して無害化する酸化触媒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。なお、排気通路４０における排気浄化装置４１よりも下流側の位置に、ＮＯｘを還元して無害化するＮＯｘ触媒をさらに配置しても良い。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
［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。
【００３８】
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。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。
【００３９】
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１０）。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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（第２の深さ）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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。立ち壁領域５２５の上端位置に対して、立ち壁領域５２５の下方部分は、径方向Ｂの内側に位置している。これにより、混合気が燃焼室６の径方向Ｂの内側へ戻り過ぎないようにし、立ち壁領域５２５よりも径方向外側の空間（スキッシュ空間）も有効に活用した燃焼を行わせることができる。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
［キャビティ部の曲面形状について］
図４は、第１、第２キャビティ部５１、５２及び連結部５３の曲面形状を説明するための、シリンダ軸方向Ａに沿った断面図である。第１キャビティ部５１は、シリンダ軸を含む断面において、デカルトの卵型楕円曲線に沿った面形状（以下、エッグシェープ形状という）を備えている。具体的には、第１キャビティ部５１は、インジェクタ１５（噴射孔１５２）から最も遠い円弧状の第１部分Ｒ１と、第１部分Ｒ１と連結部５３との間に位置する第２部分Ｒ２と、第１部分Ｒ１から径方向Ｂの内側に延びる第３部分Ｒ３とを含む。上述の図３の形状に当て嵌めると、第１部分Ｒ１は、径方向窪み部５１４の中央領域に、第２部分Ｒ２は、径方向窪み部５１４から第１上端部５１１へ至る領域に、第３部分Ｒ３は、径方向窪み部５１４から第１底部５１２へ至る領域に各々相当する。
【００４９】
図４では、インジェクタ１５から噴射される燃料の噴射軸ＡＸが、インジェクタ１５から最も遠い第１部分Ｒ１と交差している状態を示している。第１キャビティ部５１が備えるエッグシェープ形状は、このような第１部分Ｒ１の半径ｒ１が最も小さく、第１部分Ｒ１から第２部分Ｒ２方向側に向かうに連れ、並びに第１部分Ｒ１から第３部分Ｒ３方向側に向かうに連れ、連続的に半径が大きくなる円弧形状である。すなわち、第２部分Ｒ２の半径ｒ２は、図４の断面において、第１部分Ｒ１から反時計方向に離れるほど大きくなる。また、第３部分Ｒ３の半径ｒ３は、第１部分Ｒ１から時計方向に離れるほど、第２部分Ｒ２の半径ｒ２を同じ割合で大きくなる（ｒ２＝ｒ３）。連結部５３を起点として前記エッグシェープ形状を表すと、第２部分Ｒ２から第１部分Ｒ１にかけて円弧の半径が小さくなり、第１部分Ｒ１から第３部分Ｒ３にかけて円弧の半径が大きくなる円弧形状を有している。
【００５０】
連結部５３は、下端部５３１（第１上端部５１１）から第３上端部５３２（第２内側端部５２１）にかけて、所定の半径ｒ４を有する曲面からなる凸面形状を有している。第２キャビティ部５２は、第２底部５２２から立ち壁領域５２５にかけて、所定の半径ｒ５を有する曲面からなる凹面形状を有している。第２上端部５２３は、所定の半径ｒ６を有する曲面からなる凸面形状を有している。半径ｒ４の中心点と半径ｒ５の中心点との間のシリンダ軸方向Ａの距離を第１距離Ｓｖ、半径ｒ５の中心点と半径ｒ６の中心点との間の径方向Ｂの距離を第２距離Ｓｈとするとき、
ｒ４＋ｒ５＞Ｓｖ
ｒ５＋ｒ６≦Ｓｈ
の関係を満たすように、半径ｒ４、ｒ５、ｒ６の数値が選ばれる。
【００５１】
第２キャビティ部５２において、第２底部５２２から立ち壁領域５２５の上端位置Ｒ４に至る部分は、半径ｒ５のおおよそ１／４円弧によって形成されている。そして、立ち壁領域５２５の上端位置Ｒ４は、半径ｒ６のおおよそ１／４円弧からなる第２上端部５２３の下端位置に連なっている。なお、第２上端部５２３の上端は、周縁平面部５５に連なっている。このような曲面形状とされている結果、立ち壁領域５２５の上端位置Ｒ４に対して立ち壁領域５２５の下方部分は、径方向Ｂの内側に位置している。つまり、立ち壁領域５２５には、第１キャビティ部５１の径方向窪み部５１４のように、径方向Ｂの外側に抉れた形状部分は存在していない。後記で詳述するが、立ち壁領域５２５がこのような円弧形状とされるのは、第１キャビティ部５１のエッグシェープ形状と協働して、混合気が燃焼室６の径方向Ｂの内側へ戻り過ぎないようにし、立ち壁領域５２５よりも径方向Ｂの外側の空間（スキッシュ空間）も有効に活用した燃焼を行わせるためである。
【００５２】
［制御構成］
続いて、ディーゼルエンジンシステムの制御構成を、図５のブロック図に基づいて説明する。本実施形態のディーゼルエンジンシステムは、プロセッサ７０（エンジンの制御装置）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。上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、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。
【００５３】
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、エンジン水温、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、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。
【００５４】
プロセッサ７０は、上記各センサ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、上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。
【００５５】
プロセッサ７０は、所定のプログラムが実行されることで、機能的に、目標トルク設定部７１と、インジェクタ１５の動作を制御する燃料噴射制御部７２と、記憶部７８とを具備するように動作する。
【００５６】
目標トルク設定部７１は、運転状況に応じて、エンジンの目標トルクを設定する。具体的には目標トルク設定部７１は、アクセル開度センサＳＮ１０によって検出されるアクセル開度に基づいて、エンジンの目標トルクを設定する。
【００５７】
燃料噴射制御部７２は、インジェクタ１５による燃料噴射動作を制御する。燃料噴射制御部７２は、予混合圧縮着火（Premixed Compression Ignition）燃焼が適用される運転領域（ＰＣＩ領域）の各サイクルにおいて、インジェクタ１５に、プレ噴射（第１噴射）と、プレ噴射よりも遅角側に実行されるメイン噴射（第２噴射）と、プレ噴射とメイン噴射との間の時期に実行される中段噴射とを含む、少なくとも３回の噴射を実行させる。すなわち、１サイクル中に燃焼室６へ供給すべき燃料噴射量を、上記のプレ噴射、メイン噴射及び中段噴射によって確保するものである。
【００５８】
燃料噴射制御部７２は、所定のプログラムが実行されることで、燃料噴射制御部７２、運転状態判定部７３、噴射量設定部７４、噴射パターン設定部７５、予測部７６及び補正部７７を機能的に具備するように動作する。
【００５９】
運転状態判定部７３は、上記のセンサＳＮ１〜ＳＮ１２の検出値に基づき、エンジン回転数、エンジン負荷、エンジン水温及び油温、外気温、吸気温、吸気圧、酸素濃度、ＥＧＲ弁４５の開度などの運転状態情報を取得し、エンジン本体１の運転状態等を判定する。
【００６０】
噴射量設定部７４は、１サイクル当たりにインジェクタ１５から噴射させる燃料の噴射量を設定する。設定される噴射量は、目標トルク設定部７１が設定した目標トルクを達成する目標噴射量である。
【００６１】
噴射パターン設定部７５は、前記目標噴射量（エンジン回転数及び負荷の組合せ）毎に予め設定されている噴射パターンの設定マップを読み出して、当該目標噴射量に応じた噴射パターンを設定する。設定される噴射パターンは、少なくとも運転状態判定部７３がＰＣＩ領域であると判定している場合には、上記のプレ噴射、メイン噴射及び中段噴射を含むパターンとなる。またプレ噴射とメイン噴射とは、これら噴射による燃焼に起因して各々発生する圧力波同士が互いに打ち消されるように、両噴射の噴射時期及び噴射量比率が設定される。さらに、中段噴射における燃料噴射量は、プレ噴射及びメイン噴射よりも少ない噴射量であって、これらプレ噴射及びメイン噴射に各々割り当てられた噴射量の一部を、前記噴射量比率を維持しつつ減量し、この減量分の噴射量を割り当てる方式で設定される。なお、前記設定マップに依存することなく、運転状態判定部７３が取得する運転状態情報及び前記目標噴射量に基づいて、噴射パターン設定部７５が逐次噴射パターンを設定するようにしても良い。
【００６２】
予測部７６は、噴射パターン設定部７５が設定したプレ噴射の燃料噴射時期と、燃焼室６での燃焼に影響を与える所定の燃焼環境要因とを参照して、プレ噴射による予混合燃焼の熱発生率ピークの発生時期を予測する。この予測のために予測部７６は、所定の予測モデル式を用いる（図１５に基づき後述する）。予混合燃焼の熱発生率ピークが燃焼環境要因によってズレが生じると、圧力波同士を相殺できるように設定された目標熱発生率特性（前記設定マップ通りの噴射パターンで達成される）を達成できなくなるため、予測部７６は前記ズレを把握する演算を行う。予混合燃焼の熱発生率ピークは、各種センサＳＮ１〜ＳＮ１２の検知結果に基づきフィードバック制御で調整することが可能である。しかし、フィードバック制御では、現にディーゼルノック音が発生してしまうことがあり、ドライバーに不快感を与えかねない。そこで、予測部７６は、前記予測モデル式を用いたフィードフォワード方式で、前記ズレを予測する。
【００６３】
補正部７７は、予測部７６により予測された予混合燃焼の熱発生率ピークの発生時期に基づいて、噴射パターン設定部７５が設定したプレ噴射の燃料噴射時期を補正する。すなわち、補正部７７は、前記設定マップに従った噴射時期にプレ噴射を実行させた場合の熱発生率ピークの発生時期と、燃焼環境要因を参照して予測部７６により予測された前記熱発生率ピークの発生時期とのズレを解消させるように、燃料噴射時期を補正する。つまり、ディーゼルノック音が発生してしまう前に、前記ズレを解消する補正が行われる。
【００６４】
記憶部７８は、噴射パターン設定部７５が噴射パターンを設定する際に参照する前記設定マップを記憶する。また、記憶部７８は、予測部７６が所定の演算処理を行う際に用いる予測モデル式を記憶する。この他、記憶部７８は、各種のプログラム、各種の設定値などを記憶する。
【００６５】
［噴射パターンの具体例］
続いて、噴射パターン設定部７５が設定する燃料の噴射パターンの具体例と、その噴射による燃焼で発生する熱発生率特性とについて説明する。図６は、燃料噴射のタイミング及び熱発生率特性Ｈを示すタイムチャートである。既述の通り、燃料噴射制御部７２はインジェクタ１５に、プレ噴射Ｐ１、メイン噴射Ｐ２及び中段噴射Ｐ３を実行させる。
【００６６】
プレ噴射Ｐ１は、ピストン５が圧縮上死点（ＴＤＣ）よりも進角側に位置する時期に実行される。プレ噴射Ｐ１は、噴射した燃料を予混合燃焼させることを企図したものであり、筒内圧及び筒内温度がある程度高くなる圧縮行程後期に実行される。図６では、プレ噴射Ｐ１が、クランク角−ＣＡ１６ｄｅｇから−ＣＡ１２ｄｅｇの期間に実行される例を示している。キャビティ５Ｃとの位置関係では、プレ噴射Ｐ１は、インジェクタ１５が連結部５３に向けて燃料を噴射することができるタイミング（クランク角）に設定される。つまり、インジェクタ１５の噴射軸ＡＸと連結部５３とが交差するタイミングにて、プレ噴射Ｐ１が実行される。
【００６７】
メイン噴射Ｐ２は、プレ噴射Ｐ１よりも遅角側であって、当該プレ噴射Ｐ１で噴射された燃料が予混合燃焼している期間中に開始される。つまり、メイン噴射Ｐ２は、予混合燃焼の熱を利用して噴射した燃料を拡散燃焼させることを企図したものであり、概ねピストン５がＴＤＣ付近に位置するタイミングに開始される燃料噴射である。図６では、ＴＤＣよりも僅かに遅角となるタイミングで、メイン噴射Ｐ２が実行される例を示している。キャビティ５Ｃとの位置関係では、メイン噴射Ｐ２は、インジェクタ１５が第１キャビティ部５１に向けて燃料を噴射することができるタイミングに設定される。燃料の噴射率ピーク値は、プレ噴射Ｐ１とメイン噴射Ｐ２とで同一であるが、燃料噴射期間（つまり燃料噴射量）はプレ噴射Ｐ１の方が長く（多く）設定されている。
【００６８】
中段噴射Ｐ３は、プレ噴射Ｐ１とメイン噴射Ｐ２との間の時期に実行される噴射である。中段噴射Ｐ３で噴射された燃料は、プレ噴射Ｐ１の燃焼とメイン噴射Ｐ２の燃焼との間に燃焼させることが企図されている。中段噴射Ｐ３も、概ね拡散燃焼となる。図６では、クランク角−ＣＡ６ｄｅｇから中段噴射Ｐ３が開始される例を示している。中段噴射Ｐ３の燃料噴射期間（燃料噴射量）は、プレ噴射Ｐ１及びメイン噴射Ｐ２の双方より短く（少なく）設定されている。
【００６９】
図６には、プレ噴射Ｐ１、メイン噴射Ｐ２及び中段噴射Ｐ３の各燃焼によって熱発生率特性Ｈが示されている。熱発生率特性Ｈは、燃焼室６内の燃焼圧力の上昇率に関連深い特性であって、プレ噴射Ｐ１に伴う予混合燃焼によって生じる山部である前段燃焼部分ＨＡと、メイン噴射Ｐ２に伴う拡散燃焼によって生じる山部である後段燃焼部分ＨＢと、両燃焼部分ＨＡ、ＨＢの中間の中間燃焼部分ＨＣとを有する。すなわち、熱発生率特性Ｈには、時間的に分離して実行される比較的噴射量の多いプレ噴射Ｐ１及びメイン噴射Ｐ２の各燃焼に起因して、二段階で熱発生率のピークが発生する。後記で詳述するが、中段噴射Ｐ３は、プレ噴射Ｐ１及びメイン噴射Ｐ２の各燃焼に起因する熱発生率のピークを抑制するための噴射である。
【００７０】
［二段熱発生率ピークと燃焼騒音の相殺］
プレ噴射Ｐ１とメイン噴射Ｐ２とは、これら噴射による燃焼に起因して各々発生する圧力波同士が互いに打ち消されるように実行される。つまり、燃料噴射制御部７２は、各噴射に起因する燃焼騒音同士が互いに打ち消し合うことができるタイミングで各燃焼が生じるように、インジェクタ１５にプレ噴射Ｐ１及びメイン噴射Ｐ２を実行させる。この点を図７に基づいて説明する。
【００７１】
図７（Ａ）には、図６に示した熱発生率特性Ｈと同様に、二段階の熱発生率ピークを有する熱発生率特性Ｈ０が示されている。ここに示す熱発生率特性Ｈ０は、中段噴射Ｐ３を実行しない場合の特性であり、その分だけ前段燃焼部分ＨＡの前段ピークＨＡｐ及び後段燃焼部分ＨＢの後段ピークＨＢｐの値が大きくなっている。換言すると、中間燃焼部分ＨＣにおける熱発生率の落ち込み度合いが大きくなっている。
【００７２】
前段ピークＨＡｐが発生する時期と後段ピークＨＢｐが発生する時期とのインターバルＩｎ（ピーク間隔）は、燃焼騒音の抑制に大きな影響を与える。インターバルＩｎを、前段燃焼部分ＨＡの燃焼に起因する圧力波（音波）の振幅と、後段燃焼部分ＨＢの燃焼に起因する圧力波の振幅とが互いに打ち消し合う間隔とすれば、周波数効果によって、表出する圧力波（燃焼騒音）を抑制することができる。
【００７３】
図７（Ｂ）は、圧力波の打ち消し効果を説明するための模式図である。図７（Ｂ）には、前段燃焼部分ＨＡの燃焼に起因して発生する前段圧力波ＥＡｗと、後段燃焼部分ＨＢの燃焼に起因して発生する後段圧力波ＥＢｗとが示されている。ここでは、簡略化のため、前段ピークＨＡｐ及び後段ピークＨＢｐのピーク高さが同じであるとし、前段圧力波ＥＡｗの振幅と後段圧力波ＥＢｗの振幅とを同一にしている。ここで、両圧力波を相殺させるには、前段圧力波ＥＡｗと後段圧力波ＥＢｗとを互いに１／２周期ずれて出現させれば良い。つまり、前段圧力波ＥＡｗに続いて後段圧力波ＥＢｗが発生するまでの圧力波インターバルＦｉｎを、両圧力波ＥＡｗ、ＥＢｗの周期の１／２倍に設定すれば良い。この場合、前段圧力波ＥＡｗと後段圧力波ＥＢｗとは逆位相となって互いに打ち消し合うように干渉し、その合成波ＥＭの振幅はゼロとなる。つまり、燃焼騒音は、打ち消し効果によってキャンセルされる。従って、燃料噴射制御部７２が、前段圧力波ＥＡｗに対して後段圧力波ＥＢｗが１／２周期だけ遅れて発生するようにプレ噴射Ｐ１及びメイン噴射Ｐ２を実行させれば、理論上は燃焼騒音を抑制できることになる。
【００７４】
しかしながら、既述のように、プレ噴射Ｐ１による燃焼（予混合燃焼）とメイン噴射Ｐ２による燃焼（拡散燃焼）とでは燃焼形態が異なる。このため、両燃焼による熱発生率の立ち上がり特性等が異なるものとなり、結果として前段圧力波ＥＡｗの周波数成分と後段圧力波ＥＢｗの周波数成分とは、自ずと相違するものとなる。仮に、両圧力波ＥＡｗ、ＥＢｗの代表的な周波数成分同士が逆位相となるように調整しても、他の周波数成分同士は逆位相とはならないため、両圧力波ＥＡｗ、ＥＢｗを十分に相殺させることはできない。従って、実際には両圧力波ＥＡｗ、ＥＢｗの１／２周期ずれを狙ったプレ噴射Ｐ１及びメイン噴射Ｐ２を実行させても、十分に燃焼騒音を低減することができないことを、本発明者らは認識した。
【００７５】
本実施形態では上記課題を、両圧力波ＥＡｗ、ＥＢｗの１／２周期ずれを狙いつつ、熱発生率特性Ｈにおける前段・後段燃焼部分ＨＡ、ＨＢの前段・後段ピークＨＡｐ、ＨＢｐ自体を低下させることで解消している。前段・後段ピークＨＡｐ、ＨＢｐを低下させるために実行されるのが、中段噴射Ｐ３である。すなわち、１サイクル中に必要な燃料噴射量をプレ噴射Ｐ１及びメイン噴射Ｐ２に加えて、中段噴射Ｐ３の実行により確保する。このため、中段噴射Ｐ３が担う噴射量分だけ、プレ噴射Ｐ１及びメイン噴射Ｐ２の噴射量を減らすことができ、その減量分だけプレ噴射Ｐ１及びメイン噴射Ｐ２の各燃焼による熱発生率のピークを抑制することができる。
【００７６】
図８には、プレ噴射Ｐ１及びメイン噴射Ｐ２だけが実行される場合の熱発生率特性Ｈ０（実線）と、プレ噴射Ｐ１及びメイン噴射Ｐ２に加えて中段噴射Ｐ３が実行される場合の熱発生率特性Ｈｘ（点線；図６の熱発生率特性Ｈに相当）が示されている。燃料噴射制御部７２は、プレ噴射Ｐ１及びメイン噴射Ｐ２の噴射量比率を維持しつつ、プレ噴射Ｐ１及びメイン噴射Ｐ２に割り当てられた噴射量の一部を減量する一方で、この減量分の噴射量を割り当てる形で中段噴射Ｐ３を実行させる。このため、図８に示すように、プレ噴射Ｐ１の減量分に応じて、前段燃焼部分ＨＡの前段ピークＨＡｐが低下し、また、メイン噴射Ｐ２の減量分に応じて、後段燃焼部分ＨＢの後段ピークＨＢｐも低下する。このように、熱発生率のピークＨＡｐ、ＨＢｐを抑制することができるので、プレ噴射Ｐ１及びメイン噴射Ｐ２の各燃焼に起因して発生する圧力波ＥＡｗ、ＥＢｗ自体の大きさを抑制することができる。圧力波ＥＡｗ、ＥＢｗの振幅が小さくなることで、燃焼騒音も小さくなる。従って、圧力波ＥＡｗ、ＥＢｗ同士が互いに打ち消す噴射態様と相俟って、燃焼騒音を効果的に抑制することができる。
【００７７】
一方、中間燃焼部分ＨＣの熱発生率は上昇している。中段噴射Ｐ３は、プレ噴射Ｐ１とメイン噴射Ｐ２との間の時期に実行されるので、中段噴射Ｐ３による燃焼は、前段ピークＨＡｐと後段ピークＨＢｐとの間の谷間を埋める作用を果たす。このため、中間燃焼部分ＨＣの熱発生率は嵩上げされる。それゆえ、メイン噴射Ｐ２の遅角側で行われるアフター噴射などとは異なり、中段噴射Ｐ３による燃焼はエンジントルクに直接寄与することになり、熱効率を低下させることはない。しかも、中段噴射Ｐ３は、プレ噴射Ｐ１及びメイン噴射Ｐ２よりも少ない少量の噴射量で実行されるため、メイン噴射Ｐ２の前に燃焼を完了させることが可能となり、メイン噴射Ｐ２による燃焼に影響を与えないようにすることができる。つまり、圧力波ＥＡｗ、ＥＢｗ同士が互いに打ち消すように設定されたメイン噴射Ｐ２の燃焼態様を維持できるので、燃焼騒音の相殺効果を低下させないようにすることができる。
【００７８】
［好ましい燃料噴射の態様］
図９は、プレ噴射Ｐ１、メイン噴射Ｐ２及び中段噴射Ｐ３の開始・終了時期と、各噴射Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３のペネトレーション（噴射距離）ｄ１、ｄ２、ｄ３との関係を説明するための模式図である。以下、図９を参照しつつ、各噴射Ｐ１〜Ｐ３の好ましい噴射態様について説明する。
【００７９】
＜プレ噴射＞
まず、プレ噴射Ｐ１について、燃料噴射制御部７２はインジェクタ１５に、圧縮行程の終盤時期にプレ噴射Ｐ１を実行させることが望ましい。具体的には、圧縮行程をクランク角上で４等分した場合に、最終の１／４の期間にプレ噴射Ｐ１を実行させることが望ましい。プレ噴射Ｐ１がＴＤＣよりも進角側で実行される、予混合燃焼のための噴射であることは上述した通りである。良好な予混合燃焼を実現させるためには、圧縮行程の終盤時期に燃料噴射させることが好ましい。
【００８０】
すなわち、圧縮行程の最終の１／４の期間に至れば、着火温度までは至らないものの燃焼室６の筒内温度は上昇しており、混合気の燃焼に有利な条件が整う。圧縮工程の前半や吸気工程でプレ噴射Ｐ１の一部又は全部を実行させた場合、インジェクタ１５から噴射された燃料噴霧がシリンダ２の内壁面に付着してススやデポジットを誘発する懸念がある。これに対し、圧縮行程の最終の１／４の期間であれば、予混合された混合気は極めて燃焼し易い環境に曝されるので、シリンダ２の内壁面に至ることなく燃焼させることができる。もちろん、遅すぎるタイミングでプレ噴射Ｐ１を実行させると、予混合燃焼を実現できないばかりか、メイン噴射Ｐ２と圧力波相殺を行わせるインターバルＩｎも確保できなくなる。従って、プレ噴射Ｐ１は、予混合燃焼及び圧力波相殺が達成できる条件を満足しつつ、圧縮行程の最終の１／４の期間に実行させることが望ましい。
【００８１】
＜各噴射のペネトレーション＞
次に、各噴射Ｐ１〜Ｐ３の好ましいペネトレーション（噴射距離）ｄ１〜ｄ３について説明する。燃料噴射制御部７２は、プレ噴射Ｐ１及びメイン噴射Ｐ２を実行させる際、インジェクタ１５から噴射される噴霧が燃焼室６を区画する壁面（キャビティ５Ｃの内壁面やシリンダ２の内壁面）に到達するペネトレーションとなるように、インジェクタ１５の噴射期間を設定することが望ましい。一方、燃料噴射制御部７２は、中段噴射Ｐ３を実行させる際には、前記噴霧が燃焼室６の前記壁面に到達しないペネトレーションとなるように、インジェクタ１５の噴射期間を設定することが望ましい。
【００８２】
図９では、前記壁面としてキャビティ５Ｃの内壁面を想定している。プレ噴射Ｐ１においては、キャビティ５Ｃの内壁面に到達するペネトレーションｄ１が得られるように、プレ噴射Ｐ１の開始時期ＣＡ１及び終了時期ＣＡ２（噴射期間）が設定される。プレ噴射Ｐ１の場合、キャビティ５Ｃの内壁面は、連結部５３の壁面である。同様に、メイン噴射Ｐ２においても、キャビティ５Ｃの内壁面に到達するペネトレーションｄ２が得られるように、メイン噴射Ｐ２の開始時期ＣＡ５及び終了時期ＣＡ６が設定される。メイン噴射Ｐ２の場合、キャビティ５Ｃの内壁面は、第１キャビティ部５１の壁面である。
【００８３】
これらに対し、中段噴射Ｐ３においては、キャビティ５Ｃの内壁面に到達しないペネトレーションｄ３となるように、中段噴射Ｐ３の開始時期ＣＡ３及び終了時期ＣＡ４が設定される。詳しくは、中段噴射Ｐ３の噴射タイミングにおける、インジェクタ１５の噴射孔１５２からキャビティ５Ｃの内壁面までの距離よりも短いペネトレーションｄ３が設定される。換言すると、このようなペネトレーションｄ３が得られる程度に、中段噴射Ｐ３の燃料噴射期間はプレ噴射Ｐ１及びメイン噴射Ｐ２に対して短く設定される。結果として、インジェクタ１５が開状態とされたときの噴射圧は一定であって噴射期間と噴射量とは比例することから、中段噴射Ｐ３の燃料噴射量はプレ噴射Ｐ１及びメイン噴射Ｐ２よりも少ない量に設定されることになる。
【００８４】
上記のようにペネトレーションｄ１〜ｄ３を設定することで、燃焼室６内の空間（酸素）を有効利用した燃焼を実現することができる。すなわち、プレ噴射Ｐ１及びメイン噴射Ｐ２にて噴射された燃料は比較的大きなペネトレーションｄ１、ｄ２で噴霧されるので、燃焼室６の径方向の外側領域に存在する酸素を利用して燃焼させることができる。一方、中段噴射Ｐ３にて噴射された燃料は、比較的小さなペネトレーションｄ３で噴霧されるので、燃焼室６の径方向の中央領域の空間を利用して燃焼させることができる。これにより、中段噴射Ｐ３にて噴射された燃料を確実にエンジントルクに寄与させることができる。この点については、図１０〜図１３を参照して、後記でさらに説明を加える。
【００８５】
＜メイン噴射の開始／終了時期＞
メイン噴射Ｐ２の好ましい開始／終了時期について説明する。既述の通り、メイン噴射Ｐ２は、プレ噴射Ｐ１による燃焼期間中に開始され、プレ噴射Ｐ１の燃焼によって生じる熱を利用して拡散燃焼を行わせるための噴射である。この性質上、メイン噴射Ｐ２はＴＤＣ付近で行われることになる。ここで、燃料噴射制御部７２は、メイン噴射Ｐ２の開始時期ＣＡ５の方がメイン噴射Ｐ２の終了時期ＣＡ６よりもＴＤＣに近いタイミングとなるように、メイン噴射Ｐ２の噴射期間を設定することが望ましい。
【００８６】
メイン噴射Ｐ２の開始時期ＣＡ５が徒に早く設定されると、当該メイン噴射Ｐ２にて噴射された燃料の一部又は全部が、拡散燃焼を起こさなくなる場合がある。メイン噴射Ｐ２による燃焼を確実に拡散燃焼とするには、プレ噴射Ｐ１による燃焼のピーク（図８に示す前段ピークＨＡｐ）が過ぎた後に、つまり燃焼室６内が十分に高温高圧化した後に、メイン噴射Ｐ２を実行させることが望ましい。上記の通り、開始時期ＣＡ５の方が終了時期ＣＡ６よりもＴＤＣに近いタイミングに設定すれば、過早にメイン噴射Ｐ２が行われることはない。従って、メイン噴射Ｐ２に基づく拡散燃焼による爆発力を、より効率良くエンジントルクに変換させることができる。
【００８７】
＜中段噴射の開始時期＞
中段噴射Ｐ３は、プレ噴射Ｐ１とメイン噴射Ｐ２との間の時期に実行される、小さいペネトレーションｄ３の噴射である。このような中段噴射Ｐ３について、燃料噴射制御部７２は、当該中段噴射Ｐ３の開始時期ＣＡ３を、プレ噴射Ｐ１の終了時期ＣＡ２よりもメイン噴射Ｐ２の開始時期ＣＡ５に近いタイミングに設定することが望ましい。
【００８８】
中段噴射Ｐ３で噴射された燃料は、メイン噴射Ｐ２の開始時期ＣＡ５までに燃焼を開始していないと、メイン噴射Ｐ２による噴射燃料に巻き込まれてしまい得る。つまり、中段噴射Ｐ３の噴霧が燃焼する前に、メイン噴射Ｐ２の噴霧に中段噴射Ｐ３の噴霧が抱き込まれて、燃焼室６の径方向外側の領域へ運ばれてしまう場合がある。この場合、中段噴射Ｐ３の燃料とメイン噴射Ｐ２の燃料とが、燃焼室６の同じ領域で燃焼されてしまい、燃焼室６内の酸素が有効活用されないことが想定される。また、後段ピークＨＢｐ自体を抑制して燃焼騒音を抑制するという効果も薄れてしまう。
【００８９】
しかし、上記の通りのタイミング設定を行えば、メイン噴射Ｐ２の開始時期ＣＡ５に近いタイミングで中段噴射Ｐ３が開始される。これは、一見すると中段噴射Ｐ３の燃焼が遅滞しそうであるが、プレ噴射Ｐ１の終了時期ＣＡ２に対して中段噴射Ｐ３の開始時期ＣＡ３をより遅角させることになる。つまり、プレ噴射Ｐ１による予混合燃焼によって筒内温度が十分に上昇した燃焼室６内の環境に、中段噴射Ｐ３の燃料が供給されることになる。従って、中段噴射Ｐ３で噴射された燃料を即座に燃焼させることができ、メイン噴射Ｐ２の噴射燃料への巻き込みを防止することができる。
【００９０】
＜３つの噴射間の噴射量の関係＞
プレ噴射Ｐ１とメイン噴射Ｐ２との噴射量の関係について、燃料噴射制御部７２は、プレ噴射Ｐ１において噴射される燃料噴射量を、メイン噴射Ｐ２において噴射される燃料噴射量よりも多く設定することが望ましい。つまり、プレ噴射Ｐ１の開始時期ＣＡ１〜終了時期ＣＡ２の期間を、メイン噴射Ｐ２の開始時期ＣＡ５〜終了時期ＣＡ６までの期間よりも長く設定させることが望ましい。
【００９１】
プレ噴射Ｐ１は、キャビティ５Ｃの連結部５３を指向して為される噴射であり、第１及び第２キャビティ部５１、５２の両空間を活用することになる。これに対し、メイン噴射Ｐ２では、第１キャビティ部５１の空間を専ら活用する。つまり、プレ噴射Ｐ１の方が、広い空間を対象とした噴射になる。このような空間利用態様に鑑みて、プレ噴射Ｐ１における燃料噴射量を、メイン噴射Ｐ２よりも多く設定することで、各噴射において燃焼室６内の酸素を効率的に使用させることができる。この点については、後記で図説する。
【００９２】
プレ噴射Ｐ１、メイン噴射Ｐ２及び中段噴射Ｐ３の噴射比率については、中段噴射Ｐ３がプレ噴射Ｐ１及びメイン噴射Ｐ２よりも少ない噴射量で実行されることを前提に、運転状況等に応じて適時設定される。一例を挙げると、インジェクタ１５が６００ｋＰａで、エンジン回転数が２０００ｒｐｍであるとき、
プレ噴射Ｐ１；１１．１ｍｍ３
メイン噴射Ｐ２；７．８ｍｍ３
中段噴射Ｐ３；３．６ｍｍ３
に設定することができる。この設定例から明らかな通り、プレ噴射Ｐ１に対して中段噴射Ｐ３の噴射量は、概ね１／３以下程度に設定される。
【００９３】
［各噴射と燃焼領域］
燃焼室６での燃焼の理想的の態様は、当該燃焼室６内に存在する酸素を使い切った燃焼を行わせることである。本実施形態の如く、上下２段に並ぶ第１・第２キャビティ部５１、５２を有する冠面５０で底面が区画される燃焼室６において、当該燃焼室６内に存在する酸素を有効活用するために、上述したプレ噴射Ｐ１、メイン噴射Ｐ２及び中段噴射Ｐ３が実行される。燃焼室６の酸素の有効活用には、各噴射Ｐ１〜Ｐ３における燃焼領域を、空間的及び時間的に分離することが有効である。以下、これら噴射Ｐ１〜Ｐ３における燃焼領域を、図１０〜図１３に基づいて図説する。
【００９４】
＜プレ噴射について＞
図１０は、インジェクタ１５によるキャビティ５Ｃへのプレ噴射Ｐ１による燃料噴射状況、及び噴射後の混合気の流れを示す図である。図１０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１５Ｐ１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。
【００９５】
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１０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１０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。
【００９６】
プレ噴射Ｐ１においては、インジェクタ１５はキャビティ５Ｃの連結部５３に向けて燃料を噴射する。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。図１０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。
【００９７】
図１０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１５Ｐ１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１５Ｐ１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。
【００９８】
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内に残存する空気と混合し、均質で薄い混合気となってゆく。
【００９９】
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（図３）。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。
【０１００】
しかる後、前記混合気は、第２底部５２２から立ち壁領域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から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。
【０１０１】
ここで、立ち壁領域５２５は、その下方部分が、上端位置に対して径方向Ｂの内側に位置する形状を備えている。このため、矢印Ｆ２２で示す流動は過度に強くならず、混合気が径方向Ｂの内側へ戻り過ぎないようにすることができる。矢印Ｆ２２の流動が強すぎると、一部燃焼している混合気が新たに噴射された燃料が十分に拡散する前に当該燃料と衝突し、均質な燃焼を阻害してススなどを発生させる。しかし、本実施形態の立ち壁領域５２５は、径方向外側に抉れた形状を備えておらず、矢印Ｆ２２の流動は抑制的となり、矢印Ｆ２３にて示す径方向Ｂの外側へ向かう流動も生成する。とりわけ、燃焼後期では逆スッキシュ流に牽引されることもあり、矢印Ｆ２３の流動が生じ易くなる。従って、立ち壁領域２５２よりも径方向外側の空間（周縁平面部５５上のスキッシュ空間）も有効に活用した燃焼を行わせることができる。
【０１０２】
図１１は、プレ噴射Ｐ１による予混合燃焼の主な発生領域を示す、燃焼室６の断面図である。上述の通り、プレ噴射Ｐ１では、噴射軸ＡＸに沿って連結部５３に向けて噴射された燃料１５Ｐ１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（酸素）を混合して混合気を形成し、燃焼に至る。従って、プレ噴射Ｐ１に起因する燃焼は、第１キャビティ部５１の空間に存在する酸素を使用する燃焼エリアＧ１と、第２キャビティ部５２の空間に存在する酸素を使用する燃焼エリアＧ２とで発生することになる。このように、プレ噴射Ｐ１による予混合燃焼は、第１、第２キャビティ部５１、５２の空間を広く利用して均質で薄い混合気を形成した上で実行される。
【０１０３】
＜中段噴射について＞
図１２は、中段噴射Ｐ３による予混合燃焼の主な発生領域を示す、燃焼室６の断面図である。中段噴射Ｐ３では、上述のプレ噴射Ｐ１による予混合燃焼、及び次述のメイン噴射Ｐ２による拡散燃焼で使用されないところの、燃焼室６の径方向中央付近の領域を燃焼エリアＧ３とする。プレ噴射Ｐ１では、第１、第２キャビティ部５１、５２内の酸素を活用する。一方、メイン噴射Ｐ２では、第１キャビティ部５１に残存する酸素を活用する。これら燃焼は、共に燃焼室６の径方向中央付近以外の領域で発生する燃焼である。これに対し、中段噴射Ｐ３では、プレ噴射Ｐ１及びメイン噴射Ｐ２において使用されない燃焼室６の径方向中央領域の酸素を積極的に活用して混合気を形成し、燃焼させるものである。
【０１０４】
中段噴射Ｐ３は、プレ噴射Ｐ１及びメイン噴射Ｐ２に比べて短い噴射期間（噴射量）で実行される噴射であり、ペネトレーションが小さい。このため、中段噴射Ｐ３にて噴射軸ＡＸに沿って噴射された燃料１５Ｐ３は、第１、第２キャビティ部５１、５２まで到達し難くなり、専ら燃焼室６の径方向中央付近の空気と混合して混合気を形成し、燃焼エリアＧ３を作る。このような燃焼エリアＧ３を設けることにより、燃焼室６内に存在する酸素を有効利用することができ、煤などの発生を抑制することができる。また、中段噴射Ｐ３は、プレ噴射Ｐ１とメイン噴射Ｐ２との間の時期に実行されて上記燃焼エリアＧ３を作るものであるので、当該中段噴射Ｐ３による燃焼をエンジントルクに寄与させることができる。
【０１０５】
＜メイン噴射について＞
図１３は、メイン噴射Ｐ２による予混合燃焼の主な発生領域を示す、燃焼室６の断面図である。メイン噴射Ｐ２は、連結部５３を指向して燃料を噴射するプレ噴射Ｐ１より遅角して実行される噴射である。図６では、メイン噴射Ｐ２がＴＤＣ付近で開始される例を示している。また、メイン噴射Ｐ２のペネトレーションは、キャビティ５Ｃに到達する大きさである。このため、メイン噴射Ｐ２にて噴射軸ＡＸに沿って噴射された燃料１５Ｐ２は、連結部５３のやや下方位置、つまり第１キャビティ部５１の上層領域へ向かうことになる。燃料１５Ｐ２は、前記上層領域に吹き当たった後、矢印Ｆ３１で示すように第１キャビティ部５１の底面形状に倣って流動し、続いて矢印Ｆ３２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。
【０１０６】
メイン噴射Ｐ２は、プレ噴射Ｐ１にて噴射された燃料（混合気）が第１、第２キャビティ部５１、５２の空間に入り込んで空間的に分離された後に、その分離された２つの混合気間の空間に残存する空気を活用して新たな混合気を形成し、燃焼エリアＧ４を作る噴射である。すなわち、先に噴射されたプレ噴射Ｐ１の燃料は、各々第１、第２キャビティ部５１、５２に入り込み、それぞれの空間での空気と混合して混合気を形成し、燃焼エリアＧ１、Ｇ２を生じさせている（空間的分離）。このため、メイン噴射Ｐ２が開始される直前は、燃焼エリアＧ１、Ｇ２の間に未使用の空気（燃料と混合していない空気）が存在する状態である。このような未使用空気層の形成に、第１キャビティ部５１のエッグシェープ形状が貢献していると言える。メイン噴射Ｐ２の噴射燃料は、燃焼エリアＧ１、Ｇ２の間に入り込む形態となり、前記未使用の空気と混合されて混合気を形成する。この混合気に、先のプレ噴射Ｐ１による燃焼エリアＧ１、Ｇ２から熱を与えられることによって、拡散燃焼による燃焼エリアＧ４が形成されるものである。これが燃料噴射の時間的分離である。
【０１０７】
以上の通り、本実施形態によれば、プレ噴射Ｐ１の噴射燃料を空間的に分離して第１、第２キャビティ部５１、５２内の酸素を活用する。また、プレ噴射Ｐ１によって生じる燃焼エリアＧ１、Ｇ２の間に存在する未使用の酸素を、メイン噴射Ｐ２という時間的に分離された噴射にて活用し、燃焼エリアＧ４を形成する。そして、プレ噴射Ｐ１及びメイン噴射Ｐ２では活用されない燃焼室６の径方向中央付近の酸素を、そのような領域をペネトレーション（噴射期間）に設定された中段噴射Ｐ３にて活用し、燃焼エリアＧ３を形成する。これにより燃焼室６内に存在する酸素を有効利用した燃焼を実現させることができ、ススなどの発生を抑制することができる。
【０１０８】
［制御フロー］
図１４は、プロセッサ７０（図５）による燃料噴射制御の一例を示すフローチャートである。プロセッサ７０は、所定のサンプリング周期毎に、図５に示す各センサＳＮ１〜ＳＮ１２や他のセンサ（筒内圧センサ等）から、各種のセンサ値を取得する（ステップＳ１）。これにより、車両の運転領域（エンジン本体１の運転状態）に関する情報、及び後述の燃焼環境要因となる環境情報が取得される。運転状態判定部７３は、これらの情報を参照して、現状の運転領域が予混合圧縮着火燃焼を実行させるＰＣＩ領域に該当するか否かを判定する。ここでは、ＰＣＩ領域であることを前提としたフローを示す。
【０１０９】
次に、目標トルク設定部７１が、アクセル開度センサＳＮ１０によって検出されるアクセル開度に基づいて、エンジンの目標トルクを設定する（ステップＳ２；目標トルク設定ステップ）。これを受けて噴射量設定部７４は、１サイクル（吸気、圧縮、膨張、排気の各工程からなる１サイクル）当たりにインジェクタ１５から燃焼室６内へ供給させる燃料の噴射量を設定する。設定される噴射量は、前記目標トルクを達成する目標噴射量である（ステップＳ３；燃料噴射量決定ステップ）。
【０１１０】
続いて、噴射パターン設定部７５が、ステップＳ３で設定した目標噴射量（エンジン回転数及び負荷の組合せ）毎に予め設定されている噴射パターンの設定マップを記憶部７８から読み出して、当該目標噴射量に応じた噴射パターンを設定する（ステップＳ４；噴射パターン設定ステップ）。この噴射パターンは、プレ噴射Ｐ１、メイン噴射Ｐ２及び中段噴射Ｐ３を含むパターンであって、プレ噴射Ｐ１とメイン噴射Ｐ２とは、互いの燃焼によって発生する圧力波同士が打ち消し合うようなパターンである。また、プレ噴射Ｐ１及びメイン噴射Ｐ２に本来的に割り当てられるべき噴射量の一部を、両噴射Ｐ１、Ｐ２の噴射量比率を維持しつつ減量した分を、中段噴射Ｐ３に割り当てるものである。
【０１１１】
この割り当てには種々の手法を採用できるが、例えば、プレ噴射Ｐ１及びメイン噴射Ｐ２の終了時期ＣＡ２、ＣＡ６（図９参照）側の噴射分を各々削り（噴射期間の最後尾側を短縮し）、中段噴射Ｐ３に割り当てる手法を採用することができる。また、「噴射量比率を維持」するとは、例えばプレ噴射Ｐ１及びメイン噴射Ｐ２に割り当てられた噴射量が
Ｐ１：Ｐ２＝５：４
との噴射量比率であった場合に、両噴射Ｐ１、Ｐ２の噴射量を例えば１０％ずつ同等に削り（Ｐ２＝０．８×Ｐ１の関係を維持）、この削った分を中段噴射Ｐ３に配分して、
Ｐ１：Ｐ２：Ｐ３＝４．５：３．６：０．９
という噴射量比率に設定することを意味する。なお、このステップＳ４において、前記設定マップに依存せず、目標噴射量に応じて、その都度、噴射パターン設定部７５に噴射パターンを演算により設定させるようにしても良い。
【０１１２】
続いて、予測部７６が、記憶部７８に格納されている予測モデル式を用いて、ステップＳ１で取得された環境情報（燃焼環境要因）に基づき、予混合燃焼の熱発生率ピークの発生時期を予測する。ここでは、プレ噴射Ｐ１を開始（開始時期ＣＡ１）してから予混合燃焼の熱発生率ピーク（前段ピークＨＡｐ）が現れるまでの遅れ時間という意味の「ピーク遅れ」という尺度で評価が為される。さらに予測部７６は、予測されたピーク遅れと、燃焼環境要因が標準的な範囲にある場合の目標ピーク遅れとを比較して、予測と目標とのずれを把握する（ステップＳ５）。
【０１１３】
ここで、燃焼環境要因について説明を加える。燃焼室６内の状態量に影響を与える主要な燃焼環境要因は、シリンダブロック３の壁面温度、筒内圧力、筒内温度、筒内酸素濃度、エンジン回転数（負荷）、燃料噴射量、噴射時期、噴射圧等である。例えば、壁面温度、筒内圧力及び筒内温度は、外気温や外気圧、エンジ冷却水温度で変動する。また、筒内酸素濃度は、燃焼室６へ取り入れるＥＧＲガス量などによって変化する。また、運転状態が大きく変化する際の過渡的な要因（吸気温度や過給圧等に過渡的なズレが生じる等）によっても、燃焼環境要因は変動し得る。
【０１１４】
図１５は、熱発生率特性Ｈにおける前段燃焼部分ＨＡの前段ピークＨＡｐの発生時期を予測するモデル式を説明するための図である。図１５（Ａ）に示すように、前段ピークＨＡｐの発生時期は、上述の「ピーク遅れ」にて予測される。本実施形態のように、プレ噴射Ｐ１、メイン噴射Ｐ２及び中段噴射Ｐ３に分割して燃料噴射を行わせる場合、最も早いタイミングで比較的多くの燃料を噴射するプレ噴射Ｐ１の実行状況によって着火時期等が定まる。プレ噴射Ｐ１の態様を定めれば、メイン噴射Ｐ２に伴う燃焼は比較的ロバスト性の高い燃焼となる。従って、前段ピークＨＡｐ（着火時期）が調整対象とされる。
【０１１５】
図１５（Ｂ）には、予測部７６が用いる前記ピーク遅れの予測モデル式が示されている。ここでは、各因子の特性を、アレニウス型の予測式で表現している。式の右辺には、係数Ａの他、上掲の燃料の噴射量、噴射時期、噴射圧、筒内圧力、筒内温度、壁面温度、筒内酸素濃度、エンジンの回転数が項目として挙げられている。係数Ａは、右辺の値を全体的に変動させる切片である。右辺の各項目に付されている指数Ｂ〜Ｉは、その項目の感度を示すものであり、プラス符号のものは比例、マイナス符号のものは反比例の意味を持つ。なお、上記の項目に、エンジン油温などを加えるようにしても良い。
【０１１６】
図１５（Ｃ）は前記予測モデル式のキャリブレーション結果を示す表形式の図であり、係数Ａの値、及び指数Ｂ〜Ｉの値を示している。この結果は、燃料噴射量、噴射時期、噴射圧などの噴射に関わるパラメータについては目標熱発生率特性Ｈｓに対応した基準値に固定する一方、外気温、外気圧、エンジ冷却水温度、ＥＧＲガス量などの状態量を変動させて多数のデータを取得し、重回帰分析により燃焼状態（熱発生率）の変動と、筒内状態変動とを関連付けたものである。当該予測モデル式による「ピーク遅れ」の予測結果（前段ピークＨＡｐが生じるクランク角）と、実測による「ピーク遅れ」との予実差は±２ｄｅｇ以下であることが確認されている。
【０１１７】
次いで、補正部７７が、ステップＳ５で把握されたずれを修正するよう、ステップＳ４で設定されたプレ噴射Ｐ１の燃料噴射タイミングを補正する補正値を導出する（ステップＳ６）。つまり、前段ピークＨＡｐが目標のタイミングで現れるようにすることができる、プレ噴射Ｐ１の燃料噴射タイミングが導出される。前段ピークＨＡｐのピークの発生時期が、目標とする発生時期に対して遅いと予測される場合には、プレ噴射の開始時期ＣＡ１が進角され、早いと予測される場合には遅角させる補正が行われる。もちろん、燃焼環境要因が予め定められた補正不要のセンター範囲内であれば、補正部７７による補正動作は行われない。なお、メイン噴射Ｐ２及び中段噴射Ｐ３は、共に拡散燃焼であってピーク遅れはほぼ生じないため、燃料噴射タイミングの変更は不要である。
【０１１８】
その後、噴射パターン設定部７５が、ステップＳ６で得られた補正値を参照して、プレ噴射Ｐ１の実行タイミングを修正した上で、プレ噴射Ｐ１、メイン噴射Ｐ２及び中段噴射Ｐ３についての燃料噴射量、燃料噴射タイミングを本設定する。そして、燃料噴射制御部７２は、この設定通りにインジェクタ１５を制御し、燃料噴射を実行させる（ステップＳ７）。
【０１１９】
［作用効果］
以上説明した本実施形態に係るエンジンの制御装置によれば、プレ噴射Ｐ１（第１噴射）によってキャビティ５の連結部５３に向けて噴射された燃料は、第１及び第２キャビティ部５１、５２に入り込み、これらキャビティ部５２、５２内の空気（酸素）と混合して混合気を形成し、予混合燃焼に至る。また、プレ噴射Ｐ１に対して遅角して実行されるメイン噴射Ｐ２（第２噴射）にて噴射された燃料は、第１キャビティ部５１に残存する空気と混合して混合気を形成し、拡散燃焼に至る。そして、プレ噴射Ｐ１とメイン噴射Ｐ２との間の時期に実行される中段噴射Ｐ３では、プレ噴射Ｐ１及びメイン噴射Ｐ２よりも短い噴射期間で燃料が噴射される。
【０１２０】
短い噴射期間の中段噴射Ｐ３で噴射された燃料は、第１及び第２キャビティ部５１、５２まで到達し難くなり、専ら燃焼室６の径方向中央付近の空気と混合して混合気を形成し、燃焼に至る。すなわち、中段噴射Ｐ３では、プレ噴射Ｐ１及びメイン噴射Ｐ２において使用されない燃焼室６の径方向中央領域の酸素を、積極的に活用して混合気を形成させる。これにより燃焼室６内に存在する酸素を有効利用することができ、ススなどの発生を抑制することができる。また、中段噴射Ｐ３は、プレ噴射Ｐ１及びメイン噴射Ｐ２との間の時期に実行されることから、当該中段噴射Ｐ３による燃焼をエンジントルクに寄与させることができる。
【０１２１】
［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い。例えば、上記実施形態では、燃料の噴射パターンとして、プレ噴射Ｐ１、メイン噴射Ｐ２及び中段噴射Ｐ３が実行される例を示した。これは一例であり、他の噴射を付随させても良い。例えば、メイン噴射Ｐ２の後に、ススの一層の抑制を狙ってアフター噴射を実行させても良い。また、上記実施形態では、プレ噴射Ｐ１及び中段噴射Ｐ３が各々１回の噴射で実行される例を示したが、２回以上に分割した噴射で、割り当てられた噴射量を噴射させるようにしても良い。
【符号の説明】
【０１２２】
１  エンジン本体
２  シリンダ
５  ピストン
５０  冠面
５Ｃ  キャビティ
５１  第１キャビティ部
５２  第２キャビティ部
５３  連結部
６  燃焼室
６Ｕ  燃焼室天井面６Ｕ（天井面）
１５  インジェクタ（燃料噴射弁）
７０  プロセッサ（エンジンの制御装置）
７１  目標トルク設定部（目標トルク設定ステップ）
７２  燃料噴射制御部
Ｐ１  プレ噴射（第１噴射）
Ｐ２  メイン噴射（第２噴射）
Ｐ３  中段噴射
ＥＡｗ  前段圧力波（第１圧力波）
ＥＢｗ  後段圧力波（第２圧力波）
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３  第１部分、第２部分、第３部分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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