(57)【要約】【課題】ＮＯｘ発生量の抑制とスモーク発生量の抑制とを両立できる内燃機関の燃焼制御装置を提供する。【解決手段】エンジンの低負荷運転時、初期緩慢燃焼および予混合燃焼のための燃料を連続する第１燃料噴射によって過進角したタイミングで実行し、その後、拡散燃焼のための第２燃料噴射を圧縮上死点で実行する。また、上記第１燃料噴射での燃料噴射量を第２燃料噴射での燃料噴射量よりも増大させる。これら噴射された燃料同士による相互干渉冷却作用を生じさせ、着火遅れを促進して予混合燃焼割合を増大させ、スモークの発生を抑制する。それに伴い大量ＥＧＲが可能となり、ＮＯｘの発生量を低減できる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、トルク発生のための燃料噴射である主噴射として、少なくとも初期緩慢燃焼および予混合燃焼を順に行わせるための燃料噴射を含む複数段階の分割主噴射が実行可能な構成とされた燃料噴射弁を備えた圧縮自着火式の内燃機関の燃焼制御装置において、
上記排気還流装置によって排気ガスの一部を吸気系に還流させ且つ上記初期緩慢燃焼開始前の予熱動作を行っていない状態で、上記複数段階の分割主噴射のうちの最終分割主噴射をピストンの圧縮上死点近傍で実行すると共に、その最終分割主噴射よりも前段階で行われる燃料噴射をピストンの圧縮上死点よりも進角側で実行することにより、この進角側で実行された燃料噴射でのガス塊と最終分割主噴射でのガス塊とを合体させ、熱発生率が上昇から下降に転じるタイミングがピストンの圧縮上死点よりも遅角側において１箇所のみに存在するように燃料噴射制御を実行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燃焼制御装置。
【請求項２】
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、トルク発生のための燃料噴射である主噴射として、少なくとも初期緩慢燃焼および予混合燃焼を順に行わせるための燃料噴射を含む複数段階の分割主噴射が実行可能な構成とされた燃料噴射弁を備えた圧縮自着火式の内燃機関の燃焼制御装置において、
上記排気還流装置によって排気ガスの一部を吸気系に還流させ且つ上記初期緩慢燃焼開始前の予熱動作を行っていない状態で、上記複数段階の分割主噴射のうちの最終分割主噴射をピストンの圧縮上死点近傍で実行すると共に、その最終分割主噴射よりも前段階で行われる燃料噴射をピストンの圧縮上死点よりも進角側で実行することにより、この進角側で実行された燃料噴射でのガス塊に対する最終分割主噴射でのガス塊による干渉冷却作用を生じさせる燃料噴射制御を実行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燃焼制御装置。
【請求項３】
上記請求項１または２記載の内燃機関の燃焼制御装置において、
上記燃料噴射制御手段は、上記最終分割主噴射の期間として、ピストンの圧縮上死点前から圧縮上死点後に亘る期間として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燃焼制御装置。
【請求項４】
上記請求項１または２記載の内燃機関の燃焼制御装置において、
上記燃料噴射制御手段は、内燃機関の低負荷運転時に、上記最終分割主噴射よりも前段階で行われる燃料噴射をピストンの圧縮上死点よりも進角側で実行させ、上記最終分割主噴射をピストンの圧縮上死点近傍で実行させる一方、内燃機関の高負荷運転時には、上記最終分割主噴射よりも前段階で行われる燃料噴射をピストンの圧縮上死点近傍で実行させ、上記最終分割主噴射をピストンの圧縮上死点よりも遅角側で実行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燃焼制御装置。
【請求項５】
上記請求項１または２記載の内燃機関の燃焼制御装置において、
上記燃料噴射制御手段は、上記最終分割主噴射よりも前段階で行われる燃料噴射で噴射される燃料の貫徹力に比べて上記最終分割主噴射で噴射される燃料の貫徹力を低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燃焼制御装置。
【請求項６】
上記請求項５記載の内燃機関の燃焼制御装置において、
上記燃料噴射制御手段は、上記最終分割主噴射よりも前段階で行われる燃料噴射で噴射される総燃料噴射量に比べて上記最終分割主噴射で噴射される総燃料噴射量を少な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燃焼制御装置。
【請求項７】
上記請求項１または２記載の内燃機関の燃焼制御装置において、
上記燃料噴射制御手段は、上記最終分割主噴射によって噴射された燃料の略全体が初期緩慢燃焼および予混合燃焼となるように、上記最終分割主噴射よりも前段階で行われる燃料噴射の噴射タイミングおよび噴射量を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燃焼制御装置。
【請求項８】
上記請求項１または２記載の内燃機関の燃焼制御装置において、
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、上記最終分割主噴射よりも前段階で行われる燃料噴射を実行するよう構成されていることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項９】
上記請求項７記載の内燃機関の燃焼制御装置において、
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、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燃焼制御装置。
【請求項１０】
上記請求項１または２記載の内燃機関の燃焼制御装置において、
上記排気還流装置によって排気ガスの一部を吸気系に還流させた状態での排気還流率は２０％以上に設定されていることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
【請求項１１】
上記請求項１または２記載の内燃機関の燃焼制御装置において、
上記燃料噴射弁は、開弁時における燃料噴射率が所定噴射率以下になるよう噴孔径が小径化されたものであることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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燃焼制御装置に係る。特に、本発明は、排気エミッションの改善を図るための対策に関する。
【背景技術】
【０００２】
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、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および特許文献２を参照）。つまり、気筒内に向けて排気ガスを還流させることによって、気筒内の酸素濃度や酸素密度を低下させる。これにより燃焼室内での燃焼時における燃焼温度（火炎温度）を低下させることでＮＯｘの生成を抑制して、排気エミッションの改善を図るようにしている。
【０００３】
一方、上記燃焼室内での燃焼時において、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とになる。このスモークの発生量を低減する対策として、主噴射を多段階に分割し、燃料噴射１回当たりの燃料噴射量を減量することで、燃焼場での酸素不足の解消を図り、スモークの発生を抑制することが行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−３４１５号公報
【特許文献２】特開２００２−１８８４８７号公報
【特許文献３】特開２００４−３４３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、燃焼性の改善を目的として、インジェクタから噴射される噴霧の微粒化を図るべく噴孔径を小径化した場合、単位時間当たりにおける燃料噴射量は少なくなる。このため、総燃料噴射量が少なく設定されるエンジンの低負荷運転時において、上述した如く主噴射を多段階に分割した場合、個々の分割噴射での噴射量も少量になることから、これらの噴霧が燃焼室内でそれぞれ互いに独立した状態で燃焼を開始することになる。
【０００６】
このような状況では、燃焼室内温度が急速に高まっていくことになり、その結果、多段階の分割噴射の途中段階で拡散燃焼状態に至り、燃焼場での酸素不足によって大量のスモークが発生してしまう可能性がある。
【０００７】
図１０は、エンジンの低負荷運転時、ピストンの圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）に３回の分割噴射（主噴射の多段分割噴射）が行われた場合の主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の一例を示している。
【０００８】
この図１０に示すような燃料噴射パターンでは、分割噴射（特に第２回目の分割噴射と第３回目の分割噴射）とがそれぞれ独立した燃焼となって、早期に拡散燃焼状態に至っており（着火遅れ不足状態となっており）、燃焼場での酸素不足によって比較的大量のスモークが発生する状況となる。尚、主噴射を２回の分割噴射で実行した場合においても、第１回目の分割噴射をピストンの圧縮上死点後のタイミングで実行した場合には、上述の場合と同様に、比較的大量のスモークが発生する可能性がある。
【０００９】
一方、上述した如くＮＯｘの発生量を抑制するためには、排気ガスの一部を吸気通路に還流させることが有効であるが、ＮＯｘが殆ど発生しない程度にまで排気還流量を増大させた場合（例えばＥＧＲ率を２０％以上に設定した場合）には、この還流される排気ガスの熱によって筒内温度（着火前の燃焼場の温度）が上昇してしまうことになる。つまり、この吸気通路に還流される排気ガス（以下、ＥＧＲガスと呼ぶ場合もある）の温度は、ＥＧＲクーラによる冷却を行ったとしても低下させる温度に限界があり、この高温度のＥＧＲガスが吸気系において増大する状況では筒内温度が大幅に上昇してしまうことになる。
【００１０】
このように還流されるＥＧＲガス量を増大させた状況においては、上述した分割噴射に起因する拡散燃焼状態がよりいっそう早期に開始されることになるので、いっそう大量のスモークが発生してしまう可能性がある。
【００１１】
以上の点を考慮し、本発明の発明者は、排気還流量の増大によってＮＯｘの発生量を抑制した状態において、燃焼室内で予混合燃焼量を増大させれば（予混合燃焼を行う燃料量を増大させれば）、ＮＯｘ発生量の抑制とスモーク発生量の抑制とを両立できることに着目した。
【００１２】
尚、上記特許文献３には、予混合燃焼の割合が拡散燃焼の割合よりも多い燃焼状態になるように吸気行程ないし圧縮行程で主噴射を行うものに対し、主噴射後に第１設定ＥＧＲ値以上のＥＧＲガスが還流するように制御することが開示されている。ところが、この場合、ＥＧＲガスの還流量によって冷炎反応から一気に熱炎反応に移行したり、圧縮行程終盤に実行される副噴射によって局所的に冷炎反応が継続されて熱炎反応に移行できない領域が生じてしまう可能性がある。このため、予混合燃焼を安定的に行うことができず、その結果、排気エミッションの悪化を招いてしまう可能性がある。
【００１３】
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を両立できる内燃機関の燃焼制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
−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、所定のインターバルを存して噴射された分割主噴射のうち、先行して噴射された燃料の着火遅れを、最終段階の燃料噴射タイミング付近まで促進させるように、各燃料噴射タイミングを規定している。これによって燃料噴霧同士の相互干渉冷却作用を生じさせ、燃焼期間中における予混合燃焼の割合を増大させるようにしている。
【００１５】
−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、トルク発生のための燃料噴射である主噴射として、少なくとも初期緩慢燃焼および予混合燃焼を順に行わせるための燃料噴射を含む複数段階の分割主噴射が実行可能な構成とされた燃料噴射弁を備えた圧縮自着火式の内燃機関の燃焼制御装置を前提とする。この内燃機関の燃焼制御装置に対し、上記排気還流装置によって排気ガスの一部を吸気系に還流させ且つ上記初期緩慢燃焼開始前の予熱動作を行っていない状態で、上記複数段階の分割主噴射のうちの最終分割主噴射をピストンの圧縮上死点近傍で実行すると共に、その最終分割主噴射よりも前段階で行われる燃料噴射をピストンの圧縮上死点よりも進角側で実行することにより、この進角側で実行された燃料噴射でのガス塊と最終分割主噴射でのガス塊とを合体させ、熱発生率が上昇から下降に転じるタイミングがピストンの圧縮上死点よりも遅角側において１箇所のみに存在するように燃料噴射制御を実行する燃料噴射制御手段を備えさせている。
【００１６】
また、他の解決手段としては、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、トルク発生のための燃料噴射である主噴射として、少なくとも初期緩慢燃焼および予混合燃焼を順に行わせるための燃料噴射を含む複数段階の分割主噴射が実行可能な構成とされた燃料噴射弁を備えた圧縮自着火式の内燃機関の燃焼制御装置を前提とする。この内燃機関の燃焼制御装置に対し、上記排気還流装置によって排気ガスの一部を吸気系に還流させ且つ上記初期緩慢燃焼開始前の予熱動作を行っていない状態で、上記複数段階の分割主噴射のうちの最終分割主噴射をピストンの圧縮上死点近傍で実行すると共に、その最終分割主噴射よりも前段階で行われる燃料噴射をピストンの圧縮上死点よりも進角側で実行することにより、この進角側で実行された燃料噴射でのガス塊に対する最終分割主噴射でのガス塊による干渉冷却作用を生じさせる燃料噴射制御を実行する燃料噴射制御手段を備えさせている。
【００１７】
これらの特定事項により、最終分割主噴射よりも前段階で行われる燃料噴射（以下、第１燃料噴射と呼ぶ）によって気筒内に噴射された燃料は、ピストンの圧縮上死点よりも進角側で燃焼室内に供給されていることにより気筒内において過拡散状態となり、着火遅れが生じている。これに対し、最終分割主噴射（以下、第２燃料噴射と呼ぶ）によって気筒内に噴射された燃料は、ピストンの圧縮上死点近傍で燃焼室内に供給されることにより気筒内における着火遅れは殆ど生じていないことになる。このような着火遅れ量の差から、第１燃料噴射で噴射された燃料の噴霧（ガス塊）と第２燃料噴射で噴射された燃料の噴霧（ガス塊）とが合体することになる。この際、第２燃料噴射で噴射された噴霧は吸熱反応を行うことで、第１燃料噴射で噴射された噴霧を冷却することになる。このようにして第２燃料噴射での燃料噴射後にあっては、燃焼室内での相互干渉冷却作用によって燃焼室内温度を低く抑えながら、また、各噴霧（第１燃料噴射での噴霧と第２燃料噴射での噴霧）が合体して、上記初期緩慢燃焼および予混合燃焼が順に行われることになる。そのため、熱発生率が上昇から下降に転じるタイミング（熱発生率のピークタイミング）がピストンの圧縮上死点よりも遅角側において１箇所のみに存在することになる。その結果、これら第１燃料噴射および第２燃料噴射で噴射された燃料の燃焼形態としては大部分が予混合燃焼となり、燃焼場での酸素不足は生じていないため、スモークの発生を抑制することができる。また、このように、スモークの発生を抑制できることからＥＧＲ率を高く設定することが可能となり、ＮＯｘの発生量も大幅に削減することが可能になる。尚、本解決手段では、上記第１燃料噴射および第２燃料噴射はそれぞれ１回ずつの燃料噴射に限定されることはなく、一方または両方の燃料噴射を更に分割してもよい。
【００１８】
上記最終分割主噴射の期間としては、ピストンの圧縮上死点前から圧縮上死点後に亘る期間として設定することが好ましい。
【００１９】
これによれば、第２燃料噴射（最終分割主噴射）の燃料噴射期間では燃焼室の容積が最小となり、燃焼室内温度を比較的高く得た状態で第２燃料噴射が行われることになる。そのため、第２燃料噴射での燃料の着火遅れは略最小となる。その結果、上記第１燃料噴射で噴射された燃料と第２燃料噴射で噴射された燃料との着火遅れ量の差を最大に設定することが可能となり、上述した相互干渉冷却作用を効果的に発揮させることができる。
【００２０】
また、内燃機関の負荷状態に応じて燃焼室内での冷却作用の形態を切り換えるために以下の構成とすることが好ましい。つまり、内燃機関の低負荷運転時に、上記最終分割主噴射よりも前段階で行われる燃料噴射をピストンの圧縮上死点よりも進角側で実行させ、上記最終分割主噴射をピストンの圧縮上死点近傍で実行させる一方、内燃機関の高負荷運転時には、上記最終分割主噴射よりも前段階で行われる燃料噴射をピストンの圧縮上死点近傍で実行させ、上記最終分割主噴射をピストンの圧縮上死点よりも遅角側で実行させる構成とする。
【００２１】
この場合、内燃機関の低負荷運転時には、上述した第１燃料噴射と第２燃料噴射との相互干渉冷却作用によって燃焼室内温度を低く抑えながら燃焼が行われることになり、スモークの発生量およびＮＯｘの発生量を抑制できる。一方、内燃機関の高負荷運転時には、最終分割主噴射よりも前段階で行われる燃料噴射（第１燃料噴射）の噴射期間のうちの大部分の期間では、先行して燃焼室内に噴射された燃料が、その後に、後続して燃焼室内に噴射された燃料の吸熱反応によって冷却されることになる。このような後続する燃料による冷却作用（自己干渉冷却作用）が継続して行われることで、燃焼室内の燃焼場温度（噴霧が存在する領域での温度）の上昇は抑制されることになる。このため、この噴射期間で噴射された燃料の燃焼形態としては大部分が予混合燃焼となり、燃焼場での酸素不足は生じていないため、スモークの発生を抑制することができる。また、このような自己干渉冷却作用によってスモークの発生を抑制できることから上記排気還流装置によるＥＧＲ率を高く設定することが可能となり、ＮＯｘの発生量も大幅に削減することが可能になる。このように、本解決手段によれば、何れの負荷状態にあっても、それに応じた冷却作用を生じさせることにより、ＮＯｘ発生量の抑制とスモーク発生量の抑制とを両立できる。
【００２２】
各燃料噴射期間での燃料噴射量を設定する構成として好ましくは以下のものが挙げられる。つまり、上記最終分割主噴射よりも前段階で行われる燃料噴射で噴射される燃料の貫徹力に比べて上記最終分割主噴射で噴射される燃料の貫徹力を低く設定するよう上記燃料噴射制御手段を構成している。より具体的には、上記最終分割主噴射よりも前段階で行われる燃料噴射で噴射される総燃料噴射量に比べて上記最終分割主噴射で噴射される総燃料噴射量を少なく設定するよう上記燃料噴射制御手段を構成している。
【００２３】
このように各燃料噴射期間での燃料噴射量を設定してそれぞれの貫徹力を異ならせることで、燃焼室内の広範囲に亘る燃焼場での燃焼が可能になり、各燃焼場での酸素不足を回避することができ、スモークの発生をより確実に抑制することができる。
【００２４】
より好ましくは、上記最終分割主噴射によって噴射された燃料の略全体が初期緩慢燃焼および予混合燃焼となるように、上記最終分割主噴射よりも前段階で行われる燃料噴射の噴射タイミングおよび噴射量を設定する。そのためには、例えば、上記第１燃料噴射の噴射タイミングを大きく進角側に移行させ、この第１燃料噴射で噴射された燃料を過拡散状態にして予熱作用が生じないようにすることが挙げられる。
【００２５】
これによれば、燃焼期間での燃焼形態を初期緩慢燃焼および予混合燃焼のみにより達成させることができる。つまり、拡散燃焼が存在しないことから、ＮＯｘ発生量の抑制とスモーク発生量の抑制との両立を確実に図ることができる。
【００２６】
スモークおよびＮＯｘの発生を抑制するための補助的な動作として以下の動作を行うことが好ましい。つまり、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、上記最終分割主噴射よりも前段階で行われる燃料噴射を実行するものである。
【００２７】
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）にす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緩慢燃焼が実現できる。
【００２８】
このように気筒内の酸素と燃料噴霧との邂逅率が低下した状態で燃料噴射が行われるので、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、これによってもスモークおよびＮＯｘの発生を抑制することが可能となる。
【００２９】
上記邂逅率低下動作として好ましくは、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、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。
【００３０】
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、上記邂逅率を効果的に低下させることができる。
【００３１】
また、上記排気還流装置によって排気ガスの一部を吸気系に還流させた状態での排気還流率は２０％以上に設定されていることが好ましい。このように比較的高い排気還流率とすることでＮＯｘの発生量を大幅に削減することが可能となる。
【００３２】
更に、上記燃料噴射弁は、開弁時における燃料噴射率が所定噴射率以下になるよう噴孔径が小径化されたものであることが好ましい。
【００３３】
このように噴孔径を小径化した場合、噴霧が微粒化されることによって燃焼性が改善し、例えばＨＣの発生量を抑制することができる。但し、燃料噴射期間の長期化を招く可能性がある。この場合に、上述した如く相互干渉冷却作用が得られるような燃料噴射制御を行うことで、着火遅れの促進によって予混合燃焼の割合を増大させることができ、ＮＯｘ発生量の抑制とスモーク発生量の抑制とを両立することが可能になる。
【発明の効果】
【００３４】
本発明では、先行して噴射された燃料の着火遅れを最終段階の燃料噴射タイミング付近まで促進させるよう各燃料噴射タイミングを規定し、これによって燃料噴霧同士の相互干渉冷却作用を生じさせ、燃焼期間中における予混合燃焼の割合を増大させるようにしている。これにより、ＮＯｘ発生量の抑制とスモーク発生量の抑制とを両立することが可能になり、排気エミッションの改善を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】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】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】ＥＣＵ等の制御系の構成を示すブロック図である。
【図４】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】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６】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マップであって、エンジンの低負荷運転時の変化を示す図である。
【図７】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マップであって、エンジンの高負荷運転時の変化を示す図である。
【図８】燃料噴射形態変更制御の手順を示すフローチャート図である。
【図９】変形例であって、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】従来例において、３回の分割噴射が行われた場合の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す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
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。
【００３７】
−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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
また、本実施形態におけるインジェクタ２３は、周方向に均等間隔で１０個の噴孔（図示省略）を備えていると共に、各噴孔径は一般的なインジェクタの噴孔径に対して小径化されている。これは、噴霧を微粒化することによって燃焼性を改善し、例えばＨＣの発生量を抑制するための構成である。このような構成とした場合、インジェクタ２３の開弁時における単位時間当たりの燃料噴射量（燃料噴射率）は小さくなっている。具体的には、一般的なインジェクタの噴孔径が０．１２ｍｍであるのに対し、本実施形態におけるインジェクタ２３の噴孔径は０．０９ｍｍとなっている。この値はこれに限定されるものではない。尚、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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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の内部に臨んで配置され、タービンホイール５２は排気管７３の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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
−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。
【００５８】
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の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。
【００５９】
−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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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、エンジン回転数およ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およ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。そして、特に、本実施形態に係るエンジン１にあってはＥＧＲ量が比較的多く設定されている。具体的には、エンジン１の負荷状態に関わりなく、常に２０％以上のＥＧＲ率となるＥＧＲバルブ８１の開度が得られるように上記ＥＧＲマップが作成され、上記ＲＯＭ１０２に記憶されている。
【００６３】
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。つまり、パイロット噴射やプレ噴射を実行しないことで、メイン噴射が開始されるまでの予熱動作は行われないようにしている。
【００６４】
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。
【００６５】
−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。尚、本実施形態では、エンジン負荷等に応じて燃料圧力が３０ＭＰａ〜２００ＭＰａの間で調整されるようになっている。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
−分割メイン噴射−
ディーゼルエンジン１においては、ＮＯｘ発生量およ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、燃焼室３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（分割主噴射）による燃料噴射手法を見出した。以下、具体的に説明する。
【００６９】
本実施形態では、エンジン負荷に応じて上記メイン噴射の噴射形態を変更するようにしている。具体的に、本実施形態における燃料噴射制御では、エンジン１の負荷に関わりなく（低負荷運転時、中負荷運転時、高負荷運転時共に）、上記メイン噴射の噴射形態として２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）を確保している。
【００７０】
尚、本実施形態でいう高負荷運転時とは、排気エミッションの改善を図る運転領域の範囲内においてエンジン負荷が比較的高い領域を意味している。つまり、排気エミッションを考慮することなくドライバが要求するトルクを出力する運転領域（トルク優先運転領域）よりもエンジン負荷が低い領域である。
【００７１】
そして、本実施形態において特徴とする分割メイン噴射は、上記エンジン１の低負荷運転時における分割メイン噴射の噴射タイミングにある。各負荷時における噴射形態の詳細については後述する。
【００７２】
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、初期緩慢燃焼（初期低温燃焼とも呼ばれ、比較的燃焼速度が低い燃焼形態をいう）、予混合燃焼、拡散燃焼が順に行われる。言い換えると、同一燃焼過程中に、初期緩慢燃焼および拡散燃焼が行われ、更には、これら初期緩慢燃焼と拡散燃焼との間を予混合燃焼により繋ぐことで、互いに異なる３形態の燃焼が連続して行われるようになっている。つまり、第１段階の燃焼である初期緩慢燃焼と第３段階の燃焼である拡散燃焼との間に、第２段階の燃焼である予混合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。
【００７３】
より具体的に、上記第１段階の燃焼である初期緩慢燃焼は、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初期燃焼用燃料噴射期間として設定して緩慢燃焼用メイン噴射を行って上記初期緩慢燃焼を行わせる。尚、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）。
【００７４】
また、第２段階の燃焼である予混合燃焼は、上記初期緩慢燃焼の開始後、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焼室内に存在する燃料が燃焼することにより行われる。具体的には、上記初期緩慢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予混合燃焼用燃料噴射期間として設定して予混合燃焼用メイン噴射を行って上記予混合燃焼を行わせる。
【００７５】
そして、本実施形態では、後述するように中負荷運転時および高負荷運転時において、上記初期緩慢燃焼を行わせるための初期燃焼用燃料噴射期間と予混合燃焼を行わせるための予混合燃焼用燃料噴射期間とはそれぞれ連続した燃料噴射期間として設定される。つまり、初期緩慢燃焼を行わせるための初期燃焼用燃料噴射期間での燃料噴射と予混合燃焼を行わせるための予混合燃焼用燃料噴射期間での燃料噴射とが、燃料噴射を停止することなく継続（連続）されるようにしている。また、後述するように、エンジン１の低負荷運転時には、中負荷運転時および高負荷運転時に対して燃料噴射タイミングを異ならせ、分割された各分割メイン噴射のうち第２回目の分割メイン噴射（ピストン１３の圧縮上死点（ＴＤＣ）付近に設定された分割メイン噴射）の実行に伴って上記初期緩慢燃焼および予混合燃焼が順に行われるようにしている。詳しくは後述する。
【００７６】
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による燃焼である。具体的には、上記予混合燃焼の燃焼場温度が９００Ｋに達した直後の所定期間を拡散燃焼用燃料噴射期間として設定して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。エンジン１の中負荷運転時および高負荷運転時にはピストン１３の圧縮上死点よりも遅角側（ＡＴＤＣ）に拡散燃焼用燃料噴射期間が設定される。一方、エンジン１の低負荷運転時には、分割された各分割メイン噴射のうち第２回目の分割メイン噴射の実行に伴って上記初期緩慢燃焼および予混合燃焼が順に行われた後に、拡散燃焼が行われることになる。
【００７７】
本実施形態ではメイン噴射の噴射形態として２回の分割メイン噴射が実行されるので、以下では、第１回目の分割メイン噴射を「第１燃料噴射」と呼び、第２回目の分割メイン噴射を「第２燃料噴射（最終分割主噴射）」と呼ぶこととする。
【００７８】
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、エンジン１の低負荷運転時にあっては、第１燃料噴射での燃料噴射量に対して、第２燃料噴射での燃料噴射量を少なく設定している。このように低負荷運転時の燃料噴射量を設定することにより、第１燃料噴射で噴射される燃料の貫徹力に比べて第２燃料噴射で噴射される燃料の貫徹力を低く設定している。この第１燃料噴射での燃料噴射量と、第２燃料噴射での燃料噴射量との比は、例えば「２：１」に設定される。この値はこれに限定されるものではない。
【００７９】
また、エンジン１の中負荷運転時および高負荷運転時にあっても、第１燃料噴射での燃料噴射量に対して、第２燃料噴射での燃料噴射量を少なく設定している。このように高負荷運転時の燃料噴射量を設定することによっても、第１燃料噴射で噴射される燃料の貫徹力に比べて第２燃料噴射で噴射される燃料の貫徹力を低く設定している。この第１燃料噴射での燃料噴射量と、第２燃料噴射での燃料噴射量との比は、例えば「７：１」に設定される。この値はこれに限定されるものではない。
【００８０】
ここで燃料噴射量と貫徹力との関係について説明する。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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
以下、各負荷状態における燃料噴射形態およ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。
【００８６】
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。
【００８７】
これら図４および図５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。
【００８８】
尚、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は、上記高負荷運転時のものに対して燃料噴射が少量に設定され（第１燃料噴射と第２燃料噴射とを実行すること、および、その噴射タイミングは高負荷運転時と同じである）、それに伴って熱発生率も高負荷運転時に比べて小さくなるだけであるので、ここでの説明は省略する。
【００８９】
また、図６は、エンジン１の低負荷運転時に、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、第１燃料噴射で噴射された燃料の燃焼場、および、第２燃料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。
【００９０】
一方、図７は、エンジン１の高負荷運転時に、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φＴマップである。つまり、図５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、第１燃料噴射で噴射された燃料の燃焼場、および、第２燃料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。
【００９１】
これら図６および図７において、燃焼場環境が図中の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、燃焼場環境が図中の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６および図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。
【００９２】
以下、各分割メイン噴射の噴射形態を、低負荷運転時、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１８ｍｍ3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４０ｍｍ3に設定される。尚、中負荷運転時における総メイン噴射量としては例えば３０ｍｍ3に設定される。これら値はこれに限定されるものではない。
【００９３】
（低負荷運転時）
図４に示すように、エンジン１の低負荷運転時における各分割メイン噴射として、先ず、第１燃料噴射のタイミングは、ピストン１３の圧縮上死点（ＴＤＣ）よりも進角側（例えばＢＴＤＣ１６°）で噴射を開始し、噴射終了もピストン１３の圧縮上死点（ＴＤＣ）よりも進角側（例えばＢＴＤＣ６°）となっている（燃料噴射制御手段による燃料噴射制御）。
【００９４】
一方、第２燃料噴射のタイミングは、ピストン１３の圧縮上死点（ＴＤＣ）よりも進角側（例えばＢＴＤＣ４°）で噴射を開始し、噴射終了はピストン１３の圧縮上死点（ＴＤＣ）よりも遅角側（例えばＡＴＤＣ４°）となっている。
【００９５】
これら第１燃料噴射と第２燃料噴射との間には所定のインターバルが設けられる。つまり、第１燃料噴射を実行した後、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第２燃料噴射が開始される。このインターバルとしては、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。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（特に、後述する相互干渉冷却作用）が発揮されるように適宜設定される。以下、各燃料噴射（第１燃料噴射および第２燃料噴射）について説明する。
【００９６】
＜第１燃料噴射＞
図４に示すように、上記低負荷運転時の第１燃料噴射は、ピストン１３の圧縮上死点（ＴＤＣ）よりも進角側（例えばＢＴＤＣ１６°）で噴射を開始している。このタイミング（過進角のタイミング）で第１燃料噴射を開始することにより、比較的広い空間であって（ピストン１３が比較的低い位置にあることから燃焼室３内の容積が大きくなっている）、筒内温度が比較的低い状況（筒内の空気の圧縮度合いが低いことから筒内温度が比較的低い状況にある）において気筒内への燃料噴射が行われることになる。このため、燃焼室３内では、燃料が過拡散状態となり、筒内では当量比が１未満の領域が大部分となり、着火遅れが促進されることになる。この着火遅れが生じている期間中にあっては、気筒内の予熱量は僅かとなる。
【００９７】
また、上述した如く、ＥＧＲ量が比較的多く設定されている（大量ＥＧＲとされている）ことから燃焼室３内において酸素分子と燃料粒子との間の邂逅率も低くなっており、且つ、還流された排気ガス中に含まれるＣＯ2（熱容量の大きいガス）よって気筒内の熱が奪われることから、燃焼室３内での化学反応の進行度が低く、これによっても燃焼室３内での着火遅れは促進されることになる。
【００９８】
この第１燃料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、第１燃料噴射では、燃料噴射量が比較的多く設定されるため、その燃料の貫徹力は比較的高く、燃焼室３内の広範囲に渡って燃料が噴射されることになる。尚、この部分では、上述した如く、上記ＥＧＲ装置によって還流された排気ガス（ＣＯ2）による着火遅れ促進効果が十分に発揮される。
【００９９】
尚、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、上述した如く第１燃料噴射では、上記物理的遅れを大幅に拡大することができ、それに伴って、後述する第２燃料噴射の燃料噴射タイミングまでは殆ど燃焼が開始されない状況となる。
【０１００】
また、この第１燃料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、上述したＥＧＲ装置による排気還流動作の他に、吸気系における吸気絞り動作、気筒内温度を低下させる動作のうち少なくとも一つが実行される。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。
【０１０１】
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、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。
【０１０２】
このような邂逅率低下動作が行われながら上記第１燃料噴射が実行されるため、この第１燃料噴射で噴射された燃料は更に着火遅れが促進されることになる。
【０１０３】
尚、第１燃料噴射での噴射量（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。
【０１０４】
＜第２燃料噴射＞
上記第２燃料噴射は、複数回（本実施形態では２回）のメイン噴射のうちの最終噴射であって、上記第１燃料噴射が停止された後、所定のインターバルを経過した後のタイミングで実行される。例えば、ＴＤＣよりも僅かに進角側で燃料噴射を開始し、ＴＤＣよりも僅かに遅角側で燃料噴射を終了する。具体的には、上述した如く、ピストン１３の圧縮上死点（ＴＤＣ）よりも進角側（例えばＢＴＤＣ４°）で噴射を開始し、ピストン１３の圧縮上死点（ＴＤＣ）よりも遅角側（例えばＡＴＤＣ４°）で噴射を了している。尚、この第２燃料噴射の実行タイミング、つまり、第１燃料噴射と第２燃料噴射とのインターバルとしては、上述した如く最短閉弁期間（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）に設定することが挙げられるが、それに限らず、例えば燃焼ガス中におけるＨＣの発生量に応じて調整するようにしてもよい。
【０１０５】
この第２燃料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。
【０１０６】
このように、第２燃料噴射の燃料噴射期間はピストン１３の圧縮上死点（ＴＤＣ）およびその前後に亘る期間に設定されている。このタイミングでは、燃焼室３内の容積が最小となると共に、上述した第１燃料噴射で噴射された燃料の燃焼が開始され始めることから燃焼室３内温度は比較的高くなっており、第２燃料噴射での燃料の着火遅れは略最小となる。つまり、上記第１燃料噴射で噴射された燃料の着火遅れは大きくなっているのに対し、第２燃料噴射で噴射された燃料の着火遅れは略最小となっている。
【０１０７】
このようにして第１燃料噴射および第２燃料噴射が実行されることにより、未だ燃焼が開始していない又は燃焼が開始し始めている第１燃料噴射での噴霧（ガス塊）に対して第２燃料噴射での噴霧（ガス塊）が合体することになる。この際、第２燃料噴射での噴霧は吸熱反応を行うことで、上記第１燃料噴射での噴霧を冷却することになる。以下、この冷却作用を「相互干渉冷却作用」と呼ぶ。
【０１０８】
このようにして第２燃料噴射での燃料噴射後にあっては、燃焼室３内での相互干渉冷却作用によって燃焼室内温度を低く抑えながら、また、各噴霧（第１燃料噴射での噴霧と第２燃料噴射での噴霧）が合体して、上記初期緩慢燃焼、予混合燃焼、拡散燃焼が順に行われることになる。そのため、図４にも示すように、熱発生率が上昇から下降に転じるタイミング（熱発生率のピークタイミング）がピストン１３の圧縮上死点よりも遅角側（ＡＴＤＣ）において１箇所のみに存在することになる。
【０１０９】
その結果、これら第１燃料噴射および第２燃料噴射で噴射された燃料の燃焼形態としては大部分が予混合燃焼となり、燃焼場での酸素不足は生じていないため、スモークの発生を抑制することができる。また、このように、スモークの発生を抑制できることからＥＧＲ率をよりいっそう高く設定する（例えばＥＧＲ率を６０％程度まで高くする）ことが可能となる。言い換えると、ＥＧＲ率を高く設定してもスモークが発生しない状況を得ることができ、この大量ＥＧＲに伴ってＮＯｘの発生量も大幅に削減することが可能になる。
【０１１０】
また、第１燃料噴射で噴射された燃料の燃焼が殆ど行われることのない状況（予熱のない状況）で第２燃料噴射が実行された場合には、第１燃料噴射での燃料ばかりでなく、第２燃料噴射での燃料の燃焼形態も予混合燃焼となることが考えられる。つまり、燃焼期間での燃焼形態を上記初期緩慢燃焼および予混合燃焼のみにより達成させるものである。この場合、拡散燃焼が存在しないことから、ＮＯｘ発生量の抑制とスモーク発生量の抑制との両立を確実に図ることができる。
【０１１１】
また、上記第１燃料噴射の燃料噴射量と第２燃料噴射の燃料噴射量との比率を変化させたり、第１燃料噴射の噴射タイミング（過進角の度合い）を変化させたりすることにより、上記相互干渉冷却作用の大きさも変化させることができる。つまり、全燃焼期間に対する予混合燃焼の割合や熱発生率のピークタイミングを制御することが可能になる。例えば、ＴＤＣ付近から予混合燃焼を開始させ、ＡＴＤＣ１０°で熱発生率のピークタイミングを迎えるといった効率の高い理想的な熱発生率波形を得ることが可能になる。
【０１１２】
尚、第２燃料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。
【０１１３】
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６を用いて説明する。上述した如く図６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。
【０１１４】
この図６に示すように、第１燃料噴射が開始（図６における点Ａ）された場合、燃料噴射量が比較的多いため燃焼場の当量比はリッチ側に移行する一方、着火遅れによって燃焼は殆ど進まないため燃焼場ガス温度の上昇は僅かである。
【０１１５】
その後、第２燃料噴射が開始されると（図６における点Ｂ）、燃焼場の当量比がリッチ側に移行すると共に各燃焼（初期緩慢燃焼、予混合燃焼、拡散燃焼）が進むことに伴って燃焼場ガス温度が上昇していく。この場合、上記相互干渉冷却作用によって燃焼場ガス温度の上昇量は制限されるため、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。
【０１１６】
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６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。
【０１１７】
（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。
【０１１８】
図５に示すように、エンジン１の高負荷運転時における各分割メイン噴射は、緩慢燃焼用メイン噴射と予混合燃焼用メイン噴射とが連続して行われる上記第１燃料噴射と、上記拡散燃焼用メイン噴射である第２燃料噴射とによって行われる。そして、第１燃料噴射（初期連続メイン噴射）は、噴射開始時点がピストン１３の圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）に設定され、噴射終了時点がピストン１３の圧縮上死点後（ＡＴＤＣ）に設定されている。例えば圧縮上死点前１５°（ＢＴＤＣ１５°）で噴射が開始され、圧縮上死点後２０°（ＡＴＤＣ２０°）で噴射が終了するようになっている。これら値はこれに限定されるものではない。従って、第２燃料噴射は、ピストン１３の圧縮上死点（ＴＤＣ）よりも遅角側で噴射が行われることになる。
【０１１９】
また、上述した如く、第１燃料噴射での燃料噴射量は第２燃料噴射での燃料噴射量よりも多く設定されている。この高負荷運転時における総燃料噴射量が４０ｍｍ3である場合、第１燃料噴射での燃料噴射量は３５ｍｍ3に、第２燃料噴射での燃料噴射量は５ｍｍ3にそれぞれ設定される。これら値はこれに限定されるものではない。
【０１２０】
これら第１燃料噴射と第２燃料噴射との間には所定のインターバルが設けられる。つまり、第１燃料噴射を実行した後、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第２燃料噴射が開始される。このインターバルとしては、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。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、各燃料噴射（第１燃料噴射および第２燃料噴射）について説明する。
【０１２１】
＜第１燃料噴射＞
図５に示すように、高負荷運転時に行われる第１燃料噴射は、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遅角側（例えばＢＴＤＣ２０°）で噴射を終了させる。つまり、比較的長期間に亘って低い燃料噴射率（インジェクタ２３の噴孔径を小径化したことに伴って低い燃料噴射率となっている）での燃料噴射が継続されることになる。
【０１２２】
これにより、この第１燃料噴射の噴射期間の初期時および終了時を除く大部分の期間では、先行して燃焼室３内に噴射された燃料が、その後に、後続して燃焼室３内に噴射される燃料の吸熱反応によって冷却されることになる。このような後続する燃料の冷却作用（以下、この冷却作用を「自己干渉冷却作用」と呼ぶ）が継続して行われることで、燃焼室３内の燃焼場温度（噴霧が存在する領域での温度）の上昇は抑制されることになる。
【０１２３】
この第１燃料噴射の実行期間における冷却作用の状態について具体的に説明すると、先ず、この第１燃料噴射の噴射開始初期時に燃焼室３内に噴射された燃料にあっては、先行する燃料が存在していないため、この噴射開始初期時に噴射された燃料の吸熱反応による燃料の自己干渉冷却作用は生じない。その後に連続噴射された燃料にあっては、上述した如く、燃焼室３内での吸熱反応が行われることで、先行して燃焼室３内に噴射されていた燃料を冷却していくことになる。このような状態が、第１燃料噴射の燃料噴射率が略一定に維持されている間（第１燃料噴射の停止動作に伴うニードルの前進移動（閉弁方向への移動）によって燃料噴射率の低下が開始されるまでの間）継続されることになる（図５において斜線を付した期間を参照）。そして、第１燃料噴射の停止動作に伴うニードルの前進移動（閉弁方向への移動）が開始されると、その後に噴射される燃料の貫徹力が低下していき、飛行距離も短くなっていくため、先行して燃焼室３内に噴射されていた燃料の噴霧領域までは届かなくなり、自己干渉冷却作用は生じなくなる。このため、上述した如く、第１燃料噴射の噴射期間の初期時および終了時を除く大部分の期間において、自己干渉冷却作用が行われることになる。
【０１２４】
また、この第１燃料噴射では、燃料噴射量が比較的多いため、その燃料の貫徹力は比較的高く、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）に達している。尚、この部分では、上述した如く、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。このように、第１燃料噴射で噴射された燃料は自己干渉冷却作用によって冷却されるため、着火遅れが促進されることになり、燃焼室３内の温度上昇は抑えられる。
【０１２５】
その結果、この第１燃料噴射で噴射された燃料の燃焼形態としては大部分が予混合燃焼となり、燃焼場での酸素不足は生じていないため、スモークの発生を抑制することができる。また、このように、スモークの発生を抑制できることからＥＧＲ率をよりいっそう高く設定することが可能となり、言い換えると、ＥＧＲ率を高く設定してもスモークが発生しない状況を得ることができ、この大量ＥＧＲに伴ってＮＯｘの発生量も大幅に削減することが可能になる。
【０１２６】
また、この第１燃料噴射の噴射期間においても、上述した低負荷運転時の場合と同様に、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ている。つまり、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、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ている。これら邂逅率低下動作については上述したので、ここでの説明は省略する。
【０１２７】
尚、この邂逅率低下動作としては、上述したものに限らず、インジェクタ２３からの燃料噴射時期を遅角させる動作を挙げることもできる。この場合、図５に示す各波形は遅角側に移行し、上記第１燃料噴射期間、第２燃料噴射期間も遅角側に移行することになる。このように燃料噴射タイミングを遅角側に移行させることで、燃焼室３内での燃焼温度を低下させることができる。
【０１２８】
このようにして邂逅率低下動作が行われながら第１燃料噴射が実行されるため、上記自己干渉冷却作用との相乗効果によって燃焼室３内の温度上昇は抑えられ、スモークの発生の抑制および大量ＥＧＲに伴うＮＯｘの発生量の削減を図ることができる。
【０１２９】
尚、第１燃料噴射での噴射量（インジェクタ２３の開弁期間に相当）や噴射期間については、例えば実験やシミュレーションによって設定される。
【０１３０】
＜第２燃料噴射＞
エンジン１の高負荷運転時における第２燃料噴射は、上記第１燃料噴射によって噴射された燃料が予混合燃焼した後、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ＡＴＤＣ２２°のタイミングで噴射が行われる。そして、この第２燃料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。
【０１３１】
この第２燃料噴射における燃料噴射量は上述した如く例えば５ｍｍ3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。尚、この第２燃料噴射における燃料噴射量は、例えばこの拡散燃焼時の燃焼音を予め設定された許容燃焼音以下とするように設定される。つまり、高負荷運転時における総燃料噴射量（本実施形態の場合は４０ｍｍ3）から、上述の如く設定された第２燃料噴射の燃料噴射量を減算して求められた残りの燃料量が上記第１燃料噴射によって燃焼室３内に噴射されるようになっている。
【０１３２】
第２燃料噴射で噴射された燃料は、第１燃料噴射で噴射された燃料よりも貫徹力が低くなっているため、上記第１燃料噴射で噴射された燃料の燃焼場まで到達することはなく、比較的狭小な領域（上記キャビティ１３ｂ内の内周側空間）で、上記第１燃料噴射の燃焼場とは独立した燃焼場において拡散燃焼が行われることになる。
【０１３３】
尚、上記説明では、第１燃料噴射の燃焼場と第２燃料噴射の燃焼場とがそれぞれ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。
【０１３４】
また、この第２燃料噴射での燃焼は、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、その燃焼に伴う熱発生率波形を制御することが可能である。
【０１３５】
上述した如く、この拡散燃焼を行うための上記第２燃料噴射における燃料噴射量は上記第１燃料噴射における燃料噴射量よりも大幅に少なく設定されている。言い換えると、この高負荷運転時に比較的多く設定される総燃料噴射量（例えば４０ｍｍ3）のうちの大部分を第１燃料噴射における燃料噴射量とし、第２燃料噴射における燃料噴射量を大幅に少なく設定している。このため、第１燃料噴射で噴射された燃料の燃焼（大部分が予混合燃焼）の割合を大きく確保し、第２燃料噴射で噴射された燃料の燃焼（拡散燃焼）の割合が大幅に小さく設定されたものとなる。このように拡散燃焼を行う燃料量を少なく設定していることによっても、スモークの発生の抑制およびＮＯｘの発生量の削減を図ることができる。
【０１３６】
尚、第２燃料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。
【０１３７】
以上のような高負荷運転時の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。
【０１３８】
この図７に示すように、第１燃料噴射が開始（図７における点Ａ’）された場合、燃料噴射量が比較的多いため燃焼場の当量比は上昇していく。この際、燃焼場では初期緩慢燃焼および予混合燃焼が行われることになるが、上述した如く燃焼場内では自己干渉冷却作用が生じているため、燃焼場ガス温度の上昇は僅かである。従って、この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。
【０１３９】
その後、第２燃料噴射が開始されると（図７における点Ｂ’）、気筒内では拡散燃焼が開始され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。
【０１４０】
そして、この拡散燃焼の後半は、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。
【０１４１】
−燃料噴射形態変更制御−
次に、上述の如くエンジン１の負荷状態に応じて燃料噴射形態を変更する制御動作について図８のフローチャートを参照して説明する。この図８に示すルーチンはエンジン始動後の所定時間毎、例えば、数ｍｓｅｃ毎に実行される。
【０１４２】
先ず、ステップＳＴ１において、エンジン負荷の判定動作が行われる。例えば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るエンジン回転速度、アクセル開度センサ４７の検出信号による求められるアクセルペダルの踏み込み量等をパラメータとした負荷判定マップや演算式を上記ＲＯＭ１０２に記憶させておくことでエンジン負荷を判定するようになっている。
【０１４３】
その後、ステップＳＴ２に移り、エンジン負荷は低負荷状態であるか否かを判定する。エンジン負荷が高負荷状態であり、ステップＳＴ２でＮＯ判定された場合にはステップＳＴ３に移って、上述した自己干渉冷却作用を行わせるための分割メイン噴射（噴霧自己干渉冷却噴射）を実行する。つまり、上記図５で示した、緩慢燃焼用メイン噴射と予混合燃焼用メイン噴射とが連続して行われる第１燃料噴射を圧縮上死点（ＴＤＣ）付近で実行した後、燃料噴射を一旦停止し、所定のインターバルを経た後に、第２燃料噴射を開始するといった分割メイン噴射を実行する。
【０１４４】
一方、エンジン負荷が低負荷状態であって、ステップＳＴ２でＹＥＳ判定された場合にはステップＳＴ４に移って、上述した相互干渉冷却作用を行わせるための分割メイン噴射（噴霧相互干渉冷却噴射）を実行する。つまり、上記図４で示した、第１燃料噴射を圧縮上死点よりも進角側（ＢＴＤＣ）で実行した後、燃料噴射を一旦停止し、所定のインターバルを経た後に、第２燃料噴射を圧縮上死点（ＴＤＣ）付近で実行するといった分割メイン噴射を実行する。
【０１４５】
このようにして、負荷状態に応じて燃料噴射形態が変更されていく。
【０１４６】
以上説明したように、本実施形態によれば、エンジン１の低負荷運転時には、第１燃料噴射で噴射された燃料と第２燃料噴射で噴射された燃料との間で行われる相互干渉冷却作用によって燃焼室３内での着火遅れを促進し、これによって燃焼室３内の温度上昇を抑えるようにしている。このため、燃焼期間における予混合燃焼の割合が大きく確保でき、拡散燃焼の割合が大幅に小さく設定されたものとなり、大量ＥＧＲを行っても（例えばＥＧＲ率を６０％に設定しても）スモークの発生を抑制できることから、ＮＯｘ発生量の抑制とスモーク発生量の抑制との両立を図ることができる。また、燃料噴射タイミングを遅角させることなしにＮＯｘ発生量を抑制できるため、燃料噴射タイミングを進角側に設定することによる燃焼効率の向上を図ることもできる。
【０１４７】
また、高負荷運転時には、比較的多く設定される総燃料噴射量のうちの大部分を上記第１燃料噴射における燃料噴射量とし、第２燃料噴射における燃料噴射量を大幅に少なく設定している。また、第１燃料噴射で噴射された燃料の自己干渉冷却作用によって燃焼室３内での着火遅れを促進し、これによって燃焼室３内の温度上昇を抑えるようにしている。この場合にも、燃焼期間における予混合燃焼の割合を大きく確保し、第２燃料噴射で噴射された燃料の燃焼である拡散燃焼の割合が大幅に小さく設定されたものとなり、大量ＥＧＲを行ってもスモークの発生を抑制できることから、ＮＯｘ発生量の抑制とスモーク発生量の抑制との両立を図ることができる。また、燃料噴射タイミングを遅角させることなしにＮＯｘ発生量を抑制できるため、燃料噴射タイミングを進角側に設定することによる燃焼効率の向上を図ることもできる。
【０１４８】
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。
【０１４９】
−変形例−
次に、本発明の変形例について説明する。この変形例は、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）を確保するようにしたものである。つまり、上記第１燃料噴射を２回の燃料噴射に分割し、その後、上記第２燃料噴射を実行するようにしたものである。以下の説明では、２分割された第１燃料噴射のうち進角側の燃料噴射を「進角側第１燃料噴射」と呼び、遅角側の燃料噴射を「遅角側第１燃料噴射」と呼ぶこととする。
【０１５０】
図９は、本変形例において、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。
【０１５１】
この図９に示すように、エンジン１の低負荷運転時における各分割メイン噴射としては、進角側第１燃料噴射および遅角側第１燃料噴射のそれぞれについては、ピストン１３の圧縮上死点（ＴＤＣ）よりも進角側で噴射を開始し、噴射終了もピストン１３の圧縮上死点（ＴＤＣ）よりも進角側に設定されている。例えば、進角側第１燃料噴射を、ピストン１３の圧縮上死点よりも進角側のＢＴＤＣ１８°で噴射を開始し、ＢＴＤＣ１４°で噴射を終了させる。また、遅角側第１燃料噴射を、ピストン１３の圧縮上死点よりも進角側のＢＴＤＣ１２°で噴射を開始し、ＢＴＤＣ６°で噴射を終了させる。
【０１５２】
一方、第２燃料噴射の噴射タイミングとしては、ピストン１３の圧縮上死点（ＴＤＣ）よりも進角側（例えばＢＴＤＣ４°）で噴射を開始し、噴射終了はピストン１３の圧縮上死点（ＴＤＣ）よりも遅角側（例えばＡＴＤＣ４°）に設定されている。
【０１５３】
また、上記進角側第１燃料噴射および遅角側第１燃料噴射で噴射される総燃料噴射量を、第２燃料噴射で噴射される燃料噴射量よりも多く設定している。
【０１５４】
このような３回の分割メイン噴射を実行した場合にも上記進角側第１燃料噴射および遅角側第１燃料噴射で噴射された燃料は、上述した実施形態における第１燃料噴射で噴射された燃料と同様に、着火遅れが促進された状態となり、第２燃料噴射で噴射された燃料との間で行われる相互干渉冷却作用によって燃焼室３内での着火遅れが促進されることになる。これによって燃焼室３内の温度上昇が抑えられ、燃焼期間における予混合燃焼の割合が大きく確保でき、拡散燃焼の割合が大幅に小さく設定されたものとなって、大量ＥＧＲを行ってもスモークの発生を抑制できることから、ＮＯｘ発生量の抑制とスモーク発生量の抑制との両立を図ることができる。
【０１５５】
また、このようにメイン噴射の分割数を増加させることにより、熱発生率のピーク値を低く抑えることができ、燃焼音の抑制を図ることもできる。
【０１５６】
−他の実施形態−
以上説明した実施形態および変形例では、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。
【０１５７】
また、上記実施形態および変形例では、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。
【０１５８】
尚、上記実施形態および変形例では、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。
【０１５９】
尚、上記実施形態および変形例では、低負荷運転時に行われる第２燃料噴射の噴射タイミングとしてはＴＤＣ（ピストン１３の圧縮上死点）付近に設定していた。本発明はこれに限らず、この第２燃料噴射の噴射タイミングを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。
【０１６０】
また、上述した実施形態および変形例は、通電期間においてのみ全開の開弁状態となることにより燃料噴射率を変更するピエゾインジェクタ２３を適用したエンジン１について説明した。本発明はこれに限らず、通電電圧値等に応じて噴射率が変更可能な可変噴射率インジェクタを搭載したエンジンに対しても適用可能である。
【０１６１】
また、上述した実施形態および変形例は、微小噴孔径のインジェクタ２３を適用したエンジン１について説明した。本発明はこれに限らず、一般的な噴孔径のインジェクタを搭載したエンジンに対しても適用可能である。
【０１６２】
更に、上述した実施形態および変形例では、インジェクタ２３の噴孔径が小径化されていることに伴い、低い燃料噴射率となっているエンジン１について説明した。本発明はこれに限らず、燃料噴射圧力（コモンレール内圧）が低く設定されていることによって、低い燃料噴射率となっているエンジンに対しても適用可能である。
【０１６３】
また、上述した実施形態および変形例では、第２燃料噴射の実行後の副噴射としてアフタ噴射やポスト噴射は実行しないものとしていた。本発明はこれに限らず、これらアフタ噴射およびポスト噴射の少なくとも一方を実行するようにしてもよい。
【０１６４】
加えて、上記実施形態および変形例におけるインジェクタ２３は１０個の噴孔を備えたものであったが、この噴孔数は任意に設定可能である。但し、所定の燃料噴射期間内に必要な燃料噴射量を確保できるように噴孔数を設定する必要がある。特に、微小噴孔径のインジェクタにあっては、噴孔数を多めに（例えば１０個以上に）設定しておく必要がある。
【０１６５】
また、上記実施形態では、第１燃料噴射での燃料噴射量を第２燃料噴射での燃料噴射量よりも多く設定していた。本発明は、これに限定されず、上記実施形態において、第１燃料噴射での燃料噴射量と第２燃料噴射での燃料噴射量とを略同一に設定したり、第２燃料噴射での燃料噴射量の方を多く設定してもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１６６】
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。
【符号の説明】
【０１６７】
１        エンジン（内燃機関）
１３      ピストン
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
【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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