(57)【要約】【課題】ディーゼルエンジンの予混合圧縮着火燃焼を制御して燃費改善、煤低減及びＮＯｘ低減を図る。【解決手段】気筒内に比較的早期に噴射した燃料の着火を多量の排気還流によって遅延させて予混合燃焼を生ずるようにした直噴式エンジンにおいて、燃料噴射弁により第１噴射量の燃料を噴射させた後、圧縮行程における燃焼室の温度上昇に伴って冷炎反応を生ずる頃に第２噴射量の燃料を噴射させるようにするとともに、上記第１噴射量と第２噴射量との総和に対する第２噴射量の割合を０．１〜０．８に設定する。【選択図】　　　図３
2004100603.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの燃焼室に臨む燃料噴射弁と、
上記燃焼室への排気の還流量を調節する排気還流量調節手段と、
エンジンが予め設定した運転状態にあるときに、予混合燃焼を生ずるように、上記燃料噴射弁により燃料を気筒の吸気行程ないし圧縮行程で噴射させる噴射制御手段と、
エンジンが上記設定運転状態のときに、排気の還流量に関するＥＧＲ値が予め設定した値以上になるように上記排気還流量調節手段を制御する排気還流制御手段とを備えたエンジンの燃焼制御装置において、
上記噴射制御手段は、吸気行程ないし圧縮行程において予混合気を形成するように燃料を噴射する第１噴射量と、圧縮行程における上記燃焼室の温度上昇に伴って上記予混合気に冷炎反応を生ずる頃に燃料を噴射する第２噴射量とを、第１噴射量と第２噴射量との総和に対する第２噴射量の割合が０．１〜０．８になるように制御することを特徴とするエンジンの燃焼制御装置。
【請求項２】
請求項１において、
上記噴射制御手段は、上記第２噴射量の割合が０．４〜０．８になるように制御すること特徴とするエンジンの燃焼制御装置。
【請求項３】
エンジンの燃焼室に臨む燃料噴射弁と、
上記燃焼室への排気の還流量を調節する排気還流量調節手段と、
エンジンが予め設定した運転状態にあるときに、予混合燃焼を生ずるように、上記燃料噴射弁により燃料を気筒の吸気行程ないし圧縮行程で噴射させる噴射制御手段と、
エンジンが上記設定運転状態のときに、排気の還流量に関するＥＧＲ値が予め設定した値以上になるように上記排気還流量調節手段を制御する排気還流制御手段とを備えたエンジンの燃焼制御装置において、
上記噴射制御手段は、吸気行程ないし圧縮行程において予混合気を形成するように燃料を噴射する第１噴射量と、圧縮行程における上記燃焼室の温度上昇に伴って上記予混合気に冷炎反応を生ずる頃に燃料を噴射する第２噴射量とを、第１噴射量と第２噴射量との総和に対する第２噴射量の割合が０．４以上になるように制御することを特徴とするエンジンの燃焼制御装置。
【請求項４】
エンジンの燃焼室に臨む燃料噴射弁と、
上記燃焼室への排気の還流量を調節する排気還流量調節手段と、
エンジンが予め設定した運転状態にあるときに、予混合燃焼を生ずるように、上記燃料噴射弁により燃料を気筒の吸気行程ないし圧縮行程で噴射させる噴射制御手段と、
エンジンが上記設定運転状態のときに、排気の還流量に関するＥＧＲ値が予め設定した値以上になるように上記排気還流量調節手段を制御する排気還流制御手段とを備えたエンジンの燃焼制御装置において、
上記噴射制御手段は、吸気行程ないし圧縮行程において予混合気を形成するように燃料を噴射する第１噴射量と、圧縮行程における上記燃焼室の温度上昇に伴って上記予混合気に冷炎反応を生ずる頃に燃料を噴射する第２噴射量とを、上記燃焼室からの煤排出量又は上記エンジンの排気通路に配設されたＤＰＦの煤捕集量が所定値以上であるときは、該所定値未満であるときよりも、第１噴射量と第２噴射量との総和に対する第２噴射量の割合が小さくなるように制御することを特徴とするエンジンの燃焼制御装置。
【請求項５】
エンジンの燃焼室に臨む燃料噴射弁と、
上記燃焼室への排気の還流量を調節する排気還流量調節手段と、
エンジンが予め設定した運転状態にあるときに、予混合燃焼を生ずるように、上記燃料噴射弁により燃料を気筒の吸気行程ないし圧縮行程で噴射させる噴射制御手段と、
エンジンが上記設定運転状態のときに、排気の還流量に関するＥＧＲ値が予め設定した値以上になるように上記排気還流量調節手段を制御する排気還流制御手段とを備えたエンジンの燃焼制御装置において、
上記噴射制御手段は、吸気行程ないし圧縮行程において予混合気を形成するように燃料を噴射する第１噴射量と、圧縮行程における上記燃焼室の温度上昇に伴って上記予混合気に冷炎反応を生ずる頃に燃料を噴射する第２噴射量とを、上記燃焼室からのＮＯｘ排出量又は上記エンジンの排気通路に配設されたＮＯｘトラップ材のＮＯｘトラップ量が所定値以上であるときは、該所定値未満であるときよりも、第１噴射量と第２噴射量との総和に対する第２噴射量の割合が大きくなるように制御することを特徴とするエンジンの燃焼制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンの燃焼制御装置に関し、特に、気筒内の燃焼室に燃料噴射弁により燃料を直接、噴射させて予混合気を形成し、この予混合気を圧縮して自着火させるようにした技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、例えば直噴式ディーゼルエンジンでは、一般的に、気筒の圧縮上死点近傍で高温高圧の燃焼室に燃料を噴射して、自着火により燃焼させるようにしている。このとき、燃焼室に噴射された燃料は高密度の空気との衝突によって微細な液滴に分裂（霧化）しながら進行し、略円錐状の燃料噴霧を形成するとともに、その燃料液滴の表面から気化しつつ燃料噴霧の主に先端側や外周側で周囲の空気を巻き込んで混合気を形成し、この混合気の濃度及び温度が着火に必要な状態になったところで燃焼を開始する（予混合燃焼）。そして、このようにして着火、即ち燃焼を開始した部分が核となり、周囲の燃料蒸気や空気を巻き込みながら拡散燃焼すると考えられている。
【０００３】
そのような通常のディーゼルエンジンの燃焼（以下、単にディーゼル燃焼ともいう）では、初期の予混合燃焼に続いて大部分の燃料が拡散燃焼することになるが、その場合、濃度の不均一な燃料噴霧中において空気過剰率λが１に近い部分では急激な熱発生に伴い窒素酸化物（ＮＯｘ）が生成され、また、燃料の過濃な部分では酸素不足によって煤が生成されることになる。これに対し、ＮＯｘや煤を低減するために排気の一部を吸気に還流させる（Ｅｘｈａｕｓｔ　Ｇａｓ　ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ：以下、単にＥＧＲという）ことや燃料の噴射圧力を高めることが従来から行われている。
【０００４】
ＥＧＲによって不活性な排気を還流させると、燃焼温度が低下してＮＯｘの生成が抑えられる一方で、吸気中の酸素が減ることになるから、多量のＥＧＲは煤の生成を助長する結果となる。また、燃料噴射圧力を高めることは燃料噴霧の微粒化を促進するとともに、その貫徹力を大きくして空気利用率を向上するので、煤の生成は抑制されるが、ＮＯｘはむしろ生成し易い状況になる。つまり、ディーゼル燃焼においてはＮＯｘの低減と煤の低減とがトレードオフの関係にあり、両者を同時に低減することは難しいのが実状である。
【０００５】
これに対し、近年、燃料の噴射時期を大幅に進角させて、予混合燃焼が主体の燃焼状態とすることにより、ＮＯｘと煤とを同時に且つ格段に低減できる新しい燃焼の形態が提案されており、一般に予混合圧縮着火燃焼と呼ばれている（特許文献１参照）。特許文献１に記載のディーゼルエンジンでは、ＥＧＲによって多量の排気を還流させるとともに、気筒の圧縮行程で燃料を噴射して空気と十分に混合し、この予混合気を圧縮行程の終わりに自着火させて、燃焼させるようにしている。
【０００６】
そのような予混合燃焼（予混合圧縮着火燃焼）のときには、ＥＧＲによって吸気中に還流させる排気の割合（ＥＧＲ率）を上述したディーゼル燃焼のときよりも一段、高くする。すなわち、空気に比べて熱容量の大きい排気を吸気中に多量に混在させ、予混合気中の燃料及び酸素の密度を低下させることで、着火遅れ時間を延長して燃料を吸気（空気及び排気）と十分に混合することができ、しかも、そのように形成された予混合気の着火のタイミングを圧縮行程上死点（ＴＤＣ）近傍まで遅延させて、サイクル効率の高い熱発生のパターンとすることができる。また、そのようにして着火した予混合気中では燃料及び酸素の周囲に不活性な排気が略均一に分散し、これが燃焼熱を吸収することになるので、ＮＯｘの生成が大幅に抑制されるのである。
【０００７】
そうして、そのように多量の排気を各気筒の燃焼室へ還流させるために、上記従来例のディーゼルエンジンでは、吸気通路と排気通路とを連通する大径の排気還流通路を設けて、ターボ過給機のタービンよりも上流側の排気通路から取り出した排気を該ターボ過給機のコンプレッサよりも下流の吸気通路に還流させるようにしている。また、その排気還流通路を流通する排気の流量を流量調節弁により調節して、吸気中の排気の還流割合を適切なものとなるように制御している。
【０００８】
また、予混合気の着火時期を制御する手法として、特許文献２には、エンジンへの要求トルクに対応する燃料の一部を吸気行程から圧縮行程かけて燃焼室に噴射して比較的希薄な予混合気を形成するとともに、残りの燃料を例えば圧縮上死点に噴射して直ちに拡散燃焼させ、この燃焼を契機として予混合気の燃焼を開始させるという技術が開示されている。しかし、このものでは、後から噴射する燃料の拡散燃焼によって予混合気を強制的に着火させるものであるから、その燃焼の際に多量の煤が発生する虞れがあるし、予混合気の燃え残りが多くなり易いので、燃費の悪化が懸念される。
【０００９】
また、非特許文献１には、「予混合圧縮着火ディーゼルの着火制御法の開発」と題する論文が掲載されており、この論文には、圧縮比の比較的低いエンジン仕様において、それ自体では自着火しない程度の燃料を気筒の圧縮行程で早期噴射（例えばＢＴＤＣ５０°ＣＡ）して、燃焼室に予混合気を形成し、気筒の圧縮上死点を過ぎて徐々に温度状態の低下する膨張行程において予混合気の低温酸化反応（冷炎反応）が継続している間に、追加の燃料噴射を行うことで、着火、燃焼させるという技術が開示されている。
【００１０】
しかし、このものでも、追加の燃料噴射はそれ自体が着火の契機となるものであり、特許文献２のものとの相違点は、単に、追加する燃料が拡散燃焼状態となることを避けるべく、その噴射時期を気筒の膨張行程において相対的に遅角側（例えばＡＴＤＣ１０°ＣＡ以降）に設定したことに過ぎない。そして、そのような着火時期の大幅な遅角化に伴いサイクル効率が低下するとともに、予混合気の燃え残りも多くなるから、燃費が著しく悪化すると考えられる。
【００１１】
【特許文献１】
特開２０００−１１０６６９号公報（図９）
【特許文献２】
特開２０００−００８９２９号公報（段落００１１〜００１３，図１）
【非特許文献１】
自動車技術会学術講演会前刷集Ｎｏ．５１−０１（２００１）（ｐ．１７〜２２）
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本願の発明者らは、予混合気の圧縮着火について鋭意、研究を重ねた結果、燃料噴射弁により第１量の燃料を噴射させた後、気筒の圧縮行程の終盤に燃焼室の温度上昇に伴って冷炎反応を生ずる頃に第２量の燃料を噴射させると、そのことによって冷炎反応から熱炎反応への移行、即ち着火が遅延することを見出して、本願発明を完成するに至った。
【００１３】
すなわち、本願発明の目的は、気筒内の燃焼室に比較的早期に燃料を噴射するとともに、その着火を多量の排気還流により遅延させて吸気と十分に混合した上で燃焼させるようにした直噴式エンジンにおいて、予混合気の着火時期を最適化して、燃費の改善、煤の低減、ＮＯｘの低減をより一層図ることにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本願発明では、燃料噴射弁により第１量の燃料を噴射させた後、圧縮行程において上記第１量の燃料による予混合気中で冷炎反応を生ずる頃に第２量の燃料を噴射させるようにするとともに、上記第１量と第２量との総和に対する該第２量の割合を調節するようにした。
【００１５】
すなわち、請求項１の発明は、エンジンの燃焼室に臨む燃料噴射弁と、
上記燃焼室への排気の還流量を調節する排気還流量調節手段と、
エンジンが予め設定した運転状態にあるときに、予混合燃焼を生ずるように、上記燃料噴射弁により燃料を気筒の吸気行程ないし圧縮行程で噴射させる噴射制御手段と、
エンジンが上記設定運転状態のときに、排気の還流量に関するＥＧＲ値が予め設定した値以上になるように上記排気還流量調節手段を制御する排気還流制御手段とを備えたエンジンの燃焼制御装置において、
上記噴射制御手段は、吸気行程ないし圧縮行程において予混合気を形成するように燃料を噴射する第１噴射量と、圧縮行程における上記燃焼室の温度上昇に伴って上記予混合気に冷炎反応を生ずる頃に燃料を噴射する第２噴射量とを、第１噴射量と第２噴射量との総和に対する第２噴射量の割合が０．１〜０．８になるように制御することを特徴とする。
【００１６】
上記の構成により、エンジンが設定運転状態にあるときには、噴射制御手段により燃料噴射弁の制御が行われて、第１噴射量の燃料が少なくとも気筒の吸気行程ないし圧縮行程で比較的早期に噴射されるとともに、排気の還流割合が所定以上に多い状態（ＥＧＲ値≧設定値）になるように、排気還流制御手段により排気還流量調節手段が制御される。よって、上記噴射燃料が燃焼室において比較的広く分散し且つ空気及び還流排気と十分に混合して均一度合いの高い予混合気が形成される。
【００１７】
次に、上記気筒の圧縮行程において燃焼室の温度が上昇して、上記予混合気中で冷炎反応を生ずる頃に、上記噴射制御手段による燃料噴射弁の制御が行われて、第２噴射量の燃料が噴射される。この燃料は気化する際に周囲の予混合気から熱を吸収するので、その分、温度が低下して冷炎反応から熱炎反応への移行、即ち予混合気の自着火が遅延することになる。そうして、第２噴射量が多いほど、予混合気の温度状態が低くなって遅延時間が長くなるから、上記第１噴射量と第２噴射量との総和に対する第２噴射量の割合を調節することで、着火時期を調節することができる。
【００１８】
そこで、本発明は、上記第２噴射量の割合を０．１〜０．８に設定することによって、燃費の改善、煤の低減、ＮＯｘの低減を図ったものである。
【００１９】
すなわち、上記第２噴射量の割合が多くなるほど上記予混合気の着火時期が遅延し圧縮行程上死点付近に或いはその後になるため、サイクル効率の高い熱発生パターンを得ることができ、燃費改善に有利になる。また、第２噴射量の割合が多くなるほど着火時期が遅延して燃料噴霧と還流排気と十分に混合し、急激な熱発生が防止されるから、ＮＯｘの生成量が少なくなる。本発明は、このような燃費改善及びＮＯｘ低減の観点から、上記第２噴射量の割合を０．１以上にしているものである。
【００２０】
一方、煤に関しては、上記第２噴射量の割合が多くなって上記着火時期が遅延すると、燃料と吸気との混合が良好になって煤の生成量が少なくなるが、第２噴射量の割合がさらに多くなってくると、それだけ拡散燃焼の割合が増大し、煤の生成量が逆に多くなってくる。そこで、本発明では上記第２噴射量の割合を０．８以下として煤生成量の増大を抑えたものである。
【００２１】
請求項２に係る発明は、請求項１において、上記第２噴射量の割合が０．４〜０．８に設定されていること特徴とする。
【００２２】
すなわち、上述の如く上記第２噴射量の割合が多くなるほど燃費の改善が図れるとともに、ＮＯｘの低減が図れることから、本発明では当該割合を０．４以上としている。一方、上記第２噴射量の割合がさらに多くなってくると、煤の生成量が多くなることから、本発明ではこれを抑えるべく、当該割合を０．８以下としている。かかる観点から、当該割合のより好ましい範囲は０．５〜０．８である。
【００２３】
請求項３に係る発明は、エンジンの燃焼室に臨む燃料噴射弁と、
上記燃焼室への排気の還流量を調節する排気還流量調節手段と、
エンジンが予め設定した運転状態にあるときに、予混合燃焼を生ずるように、上記燃料噴射弁により燃料を気筒の吸気行程ないし圧縮行程で噴射させる噴射制御手段と、
エンジンが上記設定運転状態のときに、排気の還流量に関するＥＧＲ値が予め設定した値以上になるように上記排気還流量調節手段を制御する排気還流制御手段とを備えたエンジンの燃焼制御装置において、
上記噴射制御手段は、吸気行程ないし圧縮行程において予混合気を形成するように燃料を噴射する第１噴射量と、圧縮行程における上記燃焼室の温度上昇に伴って上記予混合気に冷炎反応を生ずる頃に燃料を噴射する第２噴射量とを、第１噴射量と第２噴射量との総和に対する第２噴射量の割合が０．４以上になるように制御することを特徴とする。
【００２４】
従って、本発明によれば、燃費の改善とＮＯｘの低減に有利になる。
【００２５】
請求項４に係る発明は、エンジンの燃焼室に臨む燃料噴射弁と、
上記燃焼室への排気の還流量を調節する排気還流量調節手段と、
エンジンが予め設定した運転状態にあるときに、予混合燃焼を生ずるように、上記燃料噴射弁により燃料を気筒の吸気行程ないし圧縮行程で噴射させる噴射制御手段と、
エンジンが上記設定運転状態のときに、排気の還流量に関するＥＧＲ値が予め設定した値以上になるように上記排気還流量調節手段を制御する排気還流制御手段とを備えたエンジンの燃焼制御装置において、
上記噴射制御手段は、吸気行程ないし圧縮行程において予混合気を形成するように燃料を噴射する第１噴射量と、圧縮行程における上記燃焼室の温度上昇に伴って上記予混合気に冷炎反応を生ずる頃に燃料を噴射する第２噴射量とを、上記燃焼室からの煤排出量又は上記エンジンの排気通路に配設されたＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）の煤捕集量が所定値以上であるときは、該所定値未満であるときよりも、第１噴射量と第２噴射量との総和に対する第２噴射量の割合が小さくなるように制御することを特徴とする。
【００２６】
すなわち、燃焼室からの煤排出量が多くなるのは、例えば、エンジンの加速運転時、高負荷運転時等の空燃比がリッチ気味になる時であり、また、エンジン高回転運転時においても、燃料と空気との混合時間が短くなるため、煤の排出量が多くなる。従って、かかる時は煤生成を抑える必要がある。また、ＤＰＦの煤捕集量が所定値以上になるとエンジンの背圧が上昇する等の不具合がある。そこで、本発明では、このような燃焼室からの煤排出量又はＤＰＦの煤捕集量が所定値以上であるときは、該所定値未満であるときよりも、上記第２噴射量の割合が小さくなるようにして煤の生成を抑制するようにしたものである。
【００２７】
請求項５に係る発明は、エンジンの燃焼室に臨む燃料噴射弁と、
上記燃焼室への排気の還流量を調節する排気還流量調節手段と、
エンジンが予め設定した運転状態にあるときに、予混合燃焼を生ずるように、上記燃料噴射弁により燃料を気筒の吸気行程ないし圧縮行程で噴射させる噴射制御手段と、
エンジンが上記設定運転状態のときに、排気の還流量に関するＥＧＲ値が予め設定した値以上になるように上記排気還流量調節手段を制御する排気還流制御手段とを備えたエンジンの燃焼制御装置において、
上記噴射制御手段は、吸気行程ないし圧縮行程において予混合気を形成するように燃料を噴射する第１噴射量と、圧縮行程における上記燃焼室の温度上昇に伴って上記予混合気に冷炎反応を生ずる頃に燃料を噴射する第２噴射量とを、上記燃焼室からのＮＯｘ排出量又は上記エンジンの排気通路に配設されたＮＯｘトラップ材のＮＯｘトラップ量が所定値以上であるときは、該所定値未満であるときよりも、第１噴射量と第２噴射量との総和に対する第２噴射量の割合が大きくなるように制御することを特徴とする。
【００２８】
すなわち、燃焼室からのＮＯｘ排出量が多くなるのは、例えば、エンジンの加速運転時、高負荷運転時又は高回転運転時であり、かかる時はＮＯｘの生成を抑える必要がある。また、ＮＯｘトラップ材のＮＯｘトラップ量が所定値以上になれば、ＮＯｘの大気放出量が多くなる。そこで、本発明では、このような燃焼室からのＮＯｘ排出量又はＮＯｘトラップ量が所定値以上であるときは、該所定値未満であるときよりも、上記第２噴射量の割合が大きくなるようにしてＮＯｘの生成を抑制するようにしたものである。
【００２９】
【発明の効果】
以上のように請求項１の発明によれば、気筒内に比較的早期に噴射した燃料の着火を多量の排気還流によって遅延させて予混合燃焼を生ずるようにした直噴式エンジンにおいて、燃料噴射弁により第１噴射量の燃料を噴射させた後、圧縮行程における燃焼室の温度上昇に伴って冷炎反応を生ずる頃に第２噴射量の燃料を噴射させるようにするとともに、上記第１噴射量と第２噴射量との総和に対する第２噴射量の割合を０．１〜０．８に設定したから、冷炎反応から熱炎反応への移行、即ち予混合気の自着火時期を適切に遅延させて燃費の改善、煤の低減、ＮＯｘの低減を図ることができる。
【００３０】
請求項２に係る発明によれば、請求項１において、上記第２噴射量の割合を０．４〜０．８に設定したから、燃費の改善、煤の低減、ＮＯｘの低減にさらに有利になる。
【００３１】
請求項３に係る発明によれば、気筒内に比較的早期に噴射した燃料の着火を多量の排気還流によって遅延させて予混合燃焼を生ずるようにした直噴式エンジンにおいて、燃料噴射弁により第１噴射量の燃料を噴射させた後、圧縮行程における燃焼室の温度上昇に伴って冷炎反応を生ずる頃に第２噴射量の燃料を噴射させるようにするとともに、上記第１噴射量と第２噴射量との総和に対する第２噴射量の割合を０．４以上に設定したから、燃費の改善とＮＯｘの低減に有利になる。
【００３２】
請求項４に係る発明によれば、気筒内に比較的早期に噴射した燃料の着火を多量の排気還流によって遅延させて予混合燃焼を生ずるようにした直噴式エンジンにおいて、燃料噴射弁により第１噴射量の燃料を噴射させた後、圧縮行程における燃焼室の温度上昇に伴って冷炎反応を生ずる頃に第２噴射量の燃料を噴射させるようにするとともに、上記燃焼室からの煤排出量又は上記エンジンの排気通路に配設されたＤＰＦの煤捕集量が所定値以上であるときは、該所定値未満であるときよりも、上記第１噴射量と第２噴射量との総和に対する第２噴射量の割合が小さくなるようにしたから、煤の生成量を少なくして煤の大気への排出を抑えることができ、或いはＤＰＦの煤捕集量が過剰になってエンジンの背圧が上昇することを防止することができる。
【００３３】
請求項５に係る発明によれば、気筒内に比較的早期に噴射した燃料の着火を多量の排気還流によって遅延させて予混合燃焼を生ずるようにした直噴式エンジンにおいて、燃料噴射弁により第１噴射量の燃料を噴射させた後、圧縮行程における燃焼室の温度上昇に伴って冷炎反応を生ずる頃に第２噴射量の燃料を噴射させるようにするとともに、上記燃焼室からのＮＯｘ排出量又は上記エンジンの排気通路に配設されたＮＯｘトラップ材のＮＯｘトラップ量が所定値以上であるときは、該所定値未満であるときよりも、上記第１噴射量と第２噴射量との総和に対する第２噴射量の割合が大きくなるようにしたから、ＮＯｘの生成量を少なくし、ＮＯｘの大気放出抑えることができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面に基いて説明する。
【００３５】
（全体構成）
図１は本発明の実施形態に係るエンジンの燃焼制御装置を示し、１は車両に搭載されたディーゼルエンジンである。このエンジン１は複数の気筒２（１つのみ図示する）を有し、その各気筒２内にピストン３が往復動可能に嵌挿されている。また、気筒２の燃焼室４の天井部にはインジェクタ５（燃料噴射弁）が配設されていて、その先端部の噴口から高圧の燃料を燃焼室４に直接噴射するようになっている。一方、各気筒２毎のインジェクタ５の基端部は、それぞれ分岐管６ａ（１つのみ図示する）により共通の燃料分配管６（コモンレール）に接続されている。このコモンレール６は、燃料供給管８により高圧供給ポンプ９に接続されていて、該高圧供給ポンプ９から供給される燃料を上記インジェクタ５に任意のタイミングで供給できるように高圧の状態で蓄えるものであり、その内部の燃圧を検出するための燃圧センサ７が配設されている。
【００３６】
上記高圧供給ポンプ９は、図示しない燃料供給系に接続されるとともに、歯付ベルト等によりクランク軸１０に駆動連結されていて、燃料をコモンレール６に圧送するとともに、その燃料の一部を電磁弁を介して燃料供給系に戻すことにより、コモンレール６への燃料の供給量を調節するようになっている。この電磁弁の開度が上記燃圧センサ７による検出値に応じてＥＣＵ４０（後述）により制御されることによって、燃圧がエンジン１の運転状態に対応する所定値に制御される。
【００３７】
また、エンジン１の上部には、図示しないが、吸気弁及び排気弁をそれぞれ開閉させる動弁機構が配設されており、一方、エンジン１の下部には、クランク軸１０の回転角度を検出するクランク角センサ１１と、冷却水の温度を検出するエンジン水温センサ１３とが設けられている。上記クランク角センサ１１は、詳細は図示しないが、クランク軸端に設けた被検出用プレートとその外周に相対向するように配置した電磁ピックアップとからなり、上記被検出用プレートの外周部全周に亘って等間隔に形成された突起部が通過する度に、パルス信号を出力するものである。
【００３８】
エンジン１の一側（図の右側）の側面には、各気筒２の燃焼室４に対しエアクリーナ１５で濾過した空気（新気）を供給するための吸気通路１６が接続されている。この吸気通路１６の下流端部にはサージタンク１７が設けられ、このサージタンク１７から分岐した各通路がそれぞれ吸気ポートにより各気筒２の燃焼室４に連通しているとともに、サージタンク１７には吸気の圧力状態を検出する吸気圧センサ１８が設けられている。
【００３９】
また、上記吸気通路１６には、上流側から下流側に向かって順に、外部からエンジン１に吸入される空気の流量を検出するホットフィルム式エアフローセンサ１９と、後述のタービン２７により駆動されて吸気を圧縮するコンプレッサ２０と、このコンプレッサ２０により圧縮した吸気を冷却するインタークーラ２１と、バタフライバルブからなる吸気絞り弁２２とが設けられている。この吸気絞り弁２２は、弁軸がステッピングモータ２３により回動されて、全閉から全開までの間の任意の状態とされるものであり、全閉状態でも吸気絞り弁２２と吸気通路１６の周壁との間には空気が所定量流入するだけの間隙が残るように構成されている。
【００４０】
一方、エンジン１の反対側（図の左側）の側面には、各気筒２の燃焼室４からそれぞれ燃焼ガス（排気）を排出するように、排気通路２６が接続されている。この排気通路２６の上流端部は各気筒２毎に分岐して、それぞれ排気ポートにより燃焼室４に連通する排気マニホルドであり、該排気マニホルドよりも下流の排気通路２６には上流側から下流側に向かって順に、排気中の酸素濃度を検出するリニアＯ２センサ２９と、排気流を受けて回転されるタービン２７と、排気中の有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ）を浄化可能な触媒コンバータ２８と、排気中の煤を捕集するＤＰＦ４１と、該ＤＰＦ４１よりも下流側の排気圧力を検出する排圧センサ４２とが配設されている。
【００４１】
触媒コンバータ２８は、酸素過剰雰囲気において排気中のＮＯｘをトラップし、排気中の酸素濃度が低下するとトラップしていたＮＯｘを放出するＮＯｘトラップ材と、放出されるＮＯｘや排気中のＨＣ、ＣＯを触媒反応で浄化する触媒金属（貴金属）とをサポート材に担持させてなる触媒を備えたハニカム触媒であり、ＮＯｘトラップ材としてはアルカリ金属又はアルカリ土類金属が用いられている。
【００４２】
ＤＰＦ４１はセラミックス製ハニカムの各セルの上流端側と下流端側との交互に目封じしたウォールフロータイプのものであり、セル内面には酸化触媒がコーティングされている。
【００４３】
上記タービン２７と吸気通路１６のコンプレッサ２０とからなるターボ過給機３０は、可動式のフラップ３１，３１，…によりタービン２７への排気の通路断面積を変化させるようにした可変ターボ（以下ＶＧＴという）であり、上記フラップ３１，３１，…は各々、図示しないリンク機構を介してダイヤフラム３２に駆動連結されていて、そのダイヤフラム３２に作用する負圧の大きさが負圧制御用の電磁弁３３により調節されることで、該フラップ３１，３１，…の回動位置が調節されるようになっている。
【００４４】
上記排気通路２６には、タービン２７よりも排気上流側の部位に臨んで開口するように、排気の一部を吸気側に還流させるための排気還流通路（以下ＥＧＲ通路という）３４の上流端が接続されている。このＥＧＲ通路３４の下流端は吸気絞り弁２２及びサージタンク１７の間の吸気通路１６に接続されていて、排気通路２６から取り出された排気の一部を吸気通路１６に還流させるようになっている。また、ＥＧＲ通路３４の途中には、その内部を流通する排気を冷却するためのＥＧＲクーラ３７と、開度調節可能な排気還流量調節弁（以下ＥＧＲ弁という）３５とが配置されている。このＥＧＲ弁３５は負圧応動式のものであり、上記ＶＧＴ３０のフラップ３１，３１，…と同様に、ダイヤフラムへの負圧の大きさが電磁弁３６によって調節されることにより、ＥＧＲ通路３４の断面積をリニアに調節して、吸気通路１６に還流される排気の流量を調節するものである。尚、上記ＥＧＲクーラ３７はなくてもよい。
【００４５】
そして、上記各インジェクタ５、高圧供給ポンプ９、吸気絞り弁２２、ＶＧＴ３０、ＥＧＲ弁３５等は、いずれもコントロールユニット（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｎｔｏｒｏｌ　Ｕｎｉｔ：以下ＥＣＵという）４０からの制御信号を受けて作動する。一方、このＥＣＵ４０には、上記燃圧センサ７、クランク角センサ１１、エンジン水温センサ１３、吸気圧センサ１８、エアフローセンサ１９、リニアＯ２センサ２９等からの出力信号がそれぞれ入力され、さらに、図示しないアクセルペダルの踏み操作量（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサ３９からの出力信号が入力される。
【００４６】
（エンジンの燃焼制御の概要）
上記ＥＣＵ４０によるエンジン１の基本的な制御は、主にアクセル開度に基づいて基本的な目標燃料噴射量を決定し、インジェクタ５の作動制御によって燃料の噴射量や噴射時期を制御するとともに、高圧供給ポンプ９の作動制御により燃圧、即ち燃料の噴射圧力を制御するというものである。また、吸気絞り弁２２やＥＧＲ弁３５の開度の制御によって燃焼室４への排気の還流割合を制御し、さらに、ＶＧＴ３０のフラップ３１，３１，…の作動制御（ＶＧＴ制御）によって吸気の過給効率を向上させる。
【００４７】
具体的には、例えば図２の制御マップ（燃焼モードマップ）に示すように、エンジン１の温間の全運転領域のうちの相対的に低負荷側には、予混合燃焼領域が設定されていて（設定運転状態）、ここでは、図３（ａ），（ｂ）に模式的に示すように、インジェクタ５により気筒２の圧縮行程中期から後期にかけて燃料を噴射させ、予めできるだけ均質な混合気を形成した上で自着火により燃焼させるようにしている。このような燃焼形態は、従来より予混合圧縮着火燃焼と呼ばれており、気筒の１サイクル当たりの燃料噴射量があまり多くないときにその燃料の噴射時期を適切に設定して、燃料を適度に広く分散させ且つ空気と十分に混合した上で、その大部分を圧縮行程上死点付近で自着火させて、一斉に燃焼させるものである。図３（ａ），（ｂ）では圧縮行程の上死点前に燃料を２回に分けて噴射しているが、この点は後述する。
【００４８】
上記予混合圧縮着火燃焼の際には、ＥＧＲ通路３４のＥＧＲ弁３５を相対的に大きく開いて吸気通路１６に多量の排気を還流させるようにする。こうすることで、新気、即ち外部から供給される新しい空気に不活性で熱容量の大きい排気が多量に混合され、これに対して燃料の液滴及び蒸気が混合されることになるから、予混合気自体の熱容量が大きくなるとともに、その中の燃料及び酸素の密度は比較的低くなる。このことで、着火遅れ時間を延長して空気と排気と燃料とを十分に混合した上で、着火、燃焼させることが可能になる。
【００４９】
図４に示すグラフは、エンジン１の低負荷域で圧縮行程上死点前（ＢＴＤＣ）の所定のクランク角（例えばＢＴＤＣ３０°ＣＡ）に燃料を噴射して予混合圧縮着火燃焼させたときに、熱発生のパターンがＥＧＲ率（新気量及び還流排気量を合わせた全吸気量に対する還流排気量の割合）に応じてどのように変化するかを示した実験結果である。同図に仮想線で示すように、ＥＧＲ率が低いときには燃料はＴＤＣよりもかなり進角側で自着火してしまい、サイクル効率の低い過早な熱発生のパターンとなる。一方、ＥＧＲ率が高くなるに連れて自着火のタイミングは徐々に遅角側に移動し、同図に実線で示すようにＥＧＲ率が略５５％のときには、熱発生のピークが略ＴＤＣになってサイクル効率の高い熱発生パターンとなる。
【００５０】
また、図４のグラフによれば、ＥＧＲ率が低いときには熱発生のピークがかなり高くなっていて、燃焼速度の高い激しい燃焼であることが分かる。このときには燃焼に伴うＮＯｘの生成が盛んになり、また、極めて大きな燃焼音が発生する。一方、ＥＧＲ率が高くなるに連れて熱発生の立ち上がりが徐々に緩やかになり、そのピークも低下する。これは、上記の如く混合気中に多量の排気が含まれる分だけ、燃料及び酸素の密度が低くなることと、その排気によって燃焼熱が吸収されることとによると考えられる。そして、そのように熱発生の穏やかな低温燃焼の状態では、ＮＯｘの生成が大幅に抑制される。
【００５１】
図５に示すグラフは、上記の実験においてＥＧＲ率の変化に対する燃焼室４の空気過剰率λ、排気中のＮＯｘ及び煤の濃度の変化を示し、同図（ａ）によれば、この実験条件においてＥＧＲ率が０％のときには空気過剰率λがλ≒２．７と大きく、ＥＧＲ率が大きくなるに従い空気過剰率λが徐々に小さくなって、ＥＧＲ率が略５５〜６０％のときに略λ＝１になっている。すなわち、排気の還流割合が多くなるに連れて混合気の平均的な酸素過剰率λが１に近づくのであるが、たとえ燃料及び酸素の比率が略λ＝１であっても、それらの周囲には多量の排気が存在しているから、燃料や酸素の密度自体はあまり高くはないのである。従って、同図（ｂ）に示すように、排気中のＮＯｘの濃度はＥＧＲ率の増大とともに一様に減少していて、ＥＧＲ率が４５％以上ではＮＯｘは殆ど生成しなくなる。
【００５２】
一方、煤の生成については、同図（ｃ）に示すように、ＥＧＲ率が０〜略３０％では殆ど煤が見られず、ＥＧＲ率が略３０％を超えると煤の濃度が急激に増大するが、ＥＧＲ率が略５０％を超えると再び減少し、ＥＧＲ率が略５５％以上になると略零になる。これは、まず、ＥＧＲ率が低いときには一般的なディーゼル燃焼と同じく、予混合燃焼の割合よりも拡散燃焼の割合が多い燃焼状態になり、しかも、吸気中には燃料に対して酸素が過剰に存在することから、激しい燃焼の際にも煤は殆ど生成しないが、ＥＧＲ率が増大して吸気中の酸素が少なくなると、拡散燃焼の状態が悪化して煤の生成量が急増するということである。一方、ＥＧＲ率が略５５％以上になると、上述したように、新気と排気と燃料とが十分に混合された上で燃焼するようになり、このときには煤は殆ど生成しないと考えられる。
【００５３】
以上、要するに、この実施形態では、エンジン１が予混合燃焼領域にあるときには、燃料を比較的早期に噴射するとともに、ＥＧＲ弁３５の開度を制御して、ＥＧＲ率を予め設定した所定値（第１設定値；上記の実験例では略５５％くらいであり、一般的には略５０〜略６０％くらいの範囲に設定するのが好ましい）以上とすることで、ＮＯｘや煤の生成を抑制するものである。
【００５４】
一方、上記図２の制御マップに示すように、予混合燃焼領域以外の高速ないし高負荷側の運転領域では、混合気の拡散燃焼の割合が予混合燃焼の割合よりも多い一般的なディーゼル燃焼を行うようにする。すなわち、図３（ｃ）に示すように、インジェクタ５により主に気筒２のＴＤＣ近傍で燃料を噴射させて、初期の予混合燃焼に続いて大部分の燃料を拡散燃焼させるようにする（以下、この運転領域を拡散燃焼領域というが、この運転領域では気筒２のＴＤＣ近傍以外でも燃料を噴射するようにしてもよい）。
【００５５】
その際、ＥＧＲ弁３５の開度は、上記した予混合燃焼領域に比べれば小さくして、ＥＧＲ率が予め設定した所定値以下になるようにする。これは、拡散燃焼が主体の一般的なディーゼル燃焼において煤の増大を招かない範囲で、ＮＯｘの生成をできるだけ抑制するように設定されていて、具体的には図６のグラフに一例を示すように、拡散燃焼領域におけるＥＧＲ率の上限は、例えば略３０〜略４０％の範囲に設定するのが好ましい。また、エンジン１の負荷が高くなるほど気筒２への新気の供給量を確保する必要があるので、高負荷側ほどＥＧＲ率は低くなり、しかも、高速ないし高負荷側ではターボ過給機３０による吸気の過給圧が高くなるので、排気の還流は実質的に行われない。
【００５６】
（予混合燃焼領域での噴射制御）
本願の発明者らは、予混合気の圧縮着火について実験研究を重ねた結果、図３（ａ），（ｂ）に示すように例えば圧縮行程の中期に第１噴射量の燃料噴射を行なった後、圧縮行程終盤に燃焼室４の温度状態が上昇することに伴って、予混合気の冷炎反応が開始する頃に第２噴射量の燃料の噴射を行なうと、冷炎反応から熱炎反応への移行、即ち着火が遅延することと、その遅延時間が第２噴射量に応じて変化することとを見出した。
【００５７】
すなわち、エンジン１の低負荷域でＥＧＲ率を略５０％として、気筒２の圧縮行程の比較的早期（ＢＴＤＣ４５°ＣＡ付近）に第１噴射量の燃料を噴射するとともに、圧縮行程終盤の所定の時期（ＢＴＤＣ１５°ＣＡ付近）に第２噴射量の燃料を噴射するようにし、第１噴射量と第２噴射量との総和は全て同じにして、第２噴射比率（第１噴射量と第２噴射量との総和に対する第２噴射量の割合）を変化させたときの熱発生率及び筒内温度を調べた。図７は熱発生率を示し、図８は筒内温度を示す。
【００５８】
図７、８において、特性線Ａ〜Ｇは、互いに第２噴射比率が異なるものであり、第２噴射比率は、線Ａが零、線Ｂが０．１４３７５、線Ｃが０．２２５、線Ｄが０．３３７５，線Ｅが０．５７５、線Ｆが０．７７５、線Ｇが１である。このグラフからは第２噴射量が多いほど、予混合気の着火タイミングが遅角側にずれていくことが分かる。
【００５９】
まず、第２噴射比率零（線Ａ）では、ＢＴＤＣ２０°ＣＡ近傍から冷炎反応による小さな熱発生が見られ、その後、ＢＴＤＣ８°ＣＡ近傍から熱発生率が急激に立ち上がって、筒内温度が高くなり、熱発生率はＴＤＣ前で比較的高いピークを示している。ＥＧＲ率が比較的低い（略５０％）ことから、予混合気が過早なタイミングで着火してしまい、そのため、図９及び図１０に示すようにＮＯｘや煤の生成量が多くなるとともに、図１１及び図１２に示すように平均有効圧力Ｐｅ及び総熱発生量も相対的に低くなっている（燃費の悪化を招いている）。
【００６０】
これに対し、線Ｂ〜Ｅから明らかなように第２噴射量の燃料噴射を行なうと、ＢＴＤＣ１５〜１０°ＣＡあたりで一旦、熱発生率が低下して筒内温度の上昇が緩やかになるとともに、その後に熱発生が大きく立ち上がる着火のタイミングが遅角側に移動している。また、線Ｂ→Ｃ→Ｄ→Ｅというように第２噴射比率大きくなるに従って、着火時期が徐々に遅角側に移動しているとともに、その立ち上がりが緩やかになっている。線Ｄ〜Ｆのように第２噴射比率が０．３〜０．８程度になると、着火時期が略ＴＤＣになっている、つまりサイクル効率の高い熱発生のパターンとなっている。
【００６１】
このように第２噴射量の燃料噴射によって着火時期が遅延するのは、この第２噴射量の燃料が気化する際にその周囲の予混合気から熱を吸収して温度を低下させることによると考えられる。
【００６２】
すなわち、一般に、予混合気が自着火する前の前炎反応は、燃料と酸素との反応によって中間生成物が生まれる比較的低温の酸化反応（冷炎反応）と、この中間生成物ないし燃料と酸素との反応によってＣＯが生成され、次いで水や二酸化炭素が生成される比較的高温の酸化反応（熱炎反応）とに大別され、この熱炎反応が一旦、開始すれば、その反応が爆発的に進行する燃焼状態になると考えられている。
【００６３】
そのような前炎反応の進行は、燃料及び酸素の密度や雰囲気温度によって大きく左右され、比較的温度が低く且つ燃料等の密度も低い状態では、比較的長い冷炎反応の期間を経た後に熱炎反応へ移行することになり、或いは熱炎に至らないこともある（失火）。一方、雰囲気温度や燃料等の密度が高いときには冷炎反応の期間が短く、速やかに熱炎反応に移行する。
【００６４】
従って、第１噴射燃料による予混合気に冷炎反応を生ずる頃に第２噴射を行なうと、該第２噴射燃料の気化潜熱によって冷炎反応が抑制され、或いは冷炎反応後の青炎反応が抑制されて熱炎反応への移行が遅延すると考えられる。
【００６５】
但し、第２噴射のタイミングが遅すぎて、予混合気中で熱炎反応が開始してしまえば、上記のように第２噴射によって予混合気の温度を低下させても燃焼を停止させることはできないから、例えばＢＴＤＣ略２０〜略１０°ＣＡくらいの範囲にて行うのが好ましい。尚、第２噴射時期があまり遅くなると、この第２噴射燃料の大部分が拡散燃焼するようになり、着火を遅延させる効果が得られないばかりか、第２噴射燃料の燃焼によって煤の濃度が高まるという不具合を生じる。
【００６６】
但し、第２噴射量があまり多くなると、今度は燃焼全体に占める拡散燃焼の割合が急激に増大し、図７、８にそれぞれ一点鎖線のグラフＦ、Ｇで示すように（それぞれ第２噴射比率は０．７７５，１）、ＴＤＣ近傍で急激な熱発生が起きて筒内温度も高くなる。こうなると、燃焼速度の高い激しい燃焼によって煤を生成し易くなる（図１０参照）。
【００６７】
そこで、この実施形態では、エンジンの運転領域に応じて第２噴射比率を変化させるとともに、エンジンの加速運転時（特に急加速運転時）、ＮＯｘトラップ量が所定値以上になったとき、或いはＤＰＦ４１の煤捕集量が所定値以上になったとき等の所定の条件が成立するときは第２噴射比率を補正するようにした。
【００６８】
すなわち、図２に示すようにエンジンの予混合燃焼領域においては、原則として上記第２噴射比率を０．１〜０．８となるようにして、燃費の改善、ＮＯｘの低減及び煤の低減を図るものである。
【００６９】
より詳しくは、当該予混合燃焼領域を低負荷側の第１予混合燃焼領域Ｈ１と高負荷側の第２予混合燃焼領域Ｈ２とに分け、第１予混合燃焼領域Ｈ１では燃費の改善及びＮＯｘの低減を図るべく、第２噴射比率を０．４以上０．８以下、好ましくは０．５以上０．８以下にするものである。第２予混合燃焼領域Ｈ２では、この領域から定常運転に移行することは一般に少ないことに鑑み、煤の低減を図るべく、その第２噴射比率は０．１以上０．５未満、好ましくは０．１以上０．４未満とすることになる。なお、第２予混合燃焼領域Ｈ２の第２噴射比率の下限は０．２とすることがより好ましい。
【００７０】
そうして、エンジンの加速運転時には、燃料の増量に伴う燃焼温度の上昇によるＮＯｘの増大を防止すべく、第２噴射比率を所定量増大させる増大補正を行ない（増大の上限値は１）、ＮＯｘトラップ量が所定値以上になったときは、燃焼室４からのＮＯｘの排出を抑制すべく第２噴射比率を０．８〜１に補正し、また、ＤＰＦ４１の煤捕集量が所定値以上になったときは、燃焼室からの煤の排出を抑制すべく第２噴射比率を０．２〜０．４になるよう補正する。
【００７１】
尚、上記インジェクタ５による燃料の第１噴射は、図３（ａ），（ｂ）に示すように１回で行なうようにしてもよいが、複数回に分けて行うようにしてもよい。これは、気筒２の圧縮行程中期から後期にかけて、即ち圧縮行程上死点近傍よりも気体の圧力や密度状態が低い燃焼室４に燃料を噴射する場合に、燃料噴霧の貫徹力が強くなり過ぎることを避けるためであり、従って、燃料噴射量が多いほど燃料噴射の回数（分割回数）を増やすのが好ましい。
【００７２】
（燃料噴射制御フロー）
以下に、上記ＥＣＵ４０によるインジェクタ５の具体的な制御手順を図１３及び図１４のフローチャート図に基づいて説明する。
【００７３】
まず、図１３に示すフローのスタート後のステップＳ１において、燃圧センサ７からの信号、クランク角センサ１１からの信号、吸気圧センサ１８からの信号、エアフローセンサ１９からの信号、リニアＯ２センサ２９からの信号、アクセル開度センサ３９からの信号、排圧センサ４２からの信号等を入力し、また、ＥＣＵ４０のメモリに記憶されている各種データを読み込む（データ入力）。続いて、ステップＳ２において、クランク角信号から求めたエンジン回転速度とアクセル開度とに基づいてエンジン１の目標トルクＴｒを目標トルクマップから読み込んで、設定する。この目標トルクマップは、アクセル開度とエンジン回転速度とに対応する最適な値を予め実験的に求めて設定して、ＥＣＵ４０のメモリに電子的に格納したものであり、アクセル開度が大きいほど、またエンジン回転速度が高いほど、目標トルクＴｒが大きくなっている。
【００７４】
続いて、ステップＳ３において、燃焼モードマップ（図２参照）を参照してエンジン１の燃焼モードを判定する。すなわち、目標トルクＴｒとエンジン回転速度とに基づいてエンジン１が第１予混合燃焼領域Ｈ１にあるかどうか判定する。第１予混合燃焼領域Ｈ１であれば、ステップＳ４に進んで目標トルクＴｒとエンジン回転速度とに基づいて、予め実験により最適値を求めて設定した噴射量データから領域Ｈ１用の総燃料噴射量及び第２噴射比率を読み込んで第１噴射量Ｑｐｒ１及び第２噴射量Ｑｐｒ２を設定するとともに、予め実験により最適値を求めて設定した噴射時期データから領域Ｈ１用の第１噴射時期Ｉｐｒ１及び第２噴射時期Ｉｐｒ２を設定する。
【００７５】
この場合、総燃料噴射量は、目標トルクＴｒが高いほど、また、エンジン回転速度が高いほど大きくなる。第２噴射比率は、０．４以上０．８以下の範囲において目標トルクＴｒが高いほど、また、エンジン回転速度が高いほど小さくなる。第１噴射時期Ｉｐｒ１は、目標トルクＴｒが高いほど、また、エンジン回転速度が高いほど進角側になっていて、燃料噴霧の殆どが空気と十分に混合されてから燃焼するよう、気筒２の圧縮行程における所定のクランク角範囲（例えばＢＴＤＣ９０°〜３０°ＣＡ、好ましくはＢＴＤＣ６０°〜３０°ＣＡ）において燃料噴射量や燃圧（コモンレール圧）に対応付けて設定されている。また、第２噴射時期Ｉｐｒ２は、第１噴射燃料による予混合気が冷炎反応を生ずる頃になるように設定されている。
【００７６】
ステップＳ３において第１予混合燃焼領域Ｈ１でないと判定されたときはステップＳ５に進んでエンジン１が第２予混合燃焼領域Ｈ２にあるかどうか判定する。第２予混合燃焼領域Ｈ２であれば、ステップＳ６に進んで目標トルクＴｒとエンジン回転速度とに基づいて、噴射量データから領域Ｈ２用の総燃料噴射量及び第２噴射比率を読み込んで第１噴射量Ｑｐｒ１及び第２噴射量Ｑｐｒ２を設定するとともに、噴射時期データから領域Ｈ２用の第１噴射時期Ｉｐｒ１及び第２噴射時期Ｉｐｒ２を設定する。
【００７７】
この領域Ｈ２においても、総燃料噴射量は、目標トルクＴｒが高いほど、また、エンジン回転速度が高いほど大きくなる。第２噴射比率は、０．１以上０．４未満の範囲において目標トルクＴｒが高いほど、また、エンジン回転速度が高いほど小さくなる。第１噴射時期Ｉｐｒ１及び第２噴射時期Ｉｐｒ２は、第１予混合燃焼領域Ｈ１の場合と同様の観点から設定されている。
【００７８】
ステップＳ５において第２予混合燃焼領域Ｈ２でないと判定されたときはステップＳ７に進み、目標トルクＴｒとエンジン回転速度とに基づいて、噴射量データから拡散燃焼領域用の燃料噴射量Ｑｔを設定するとともに、噴射時期データから拡散燃焼領域用の噴射時期Ｉｔを設定する。燃料噴射量Ｑｔは、目標トルクＴｒが高いほど、また、エンジン回転速度が高いほど大きくなる。噴射時期Ｉｔは、圧縮上死点後の所定の時期になって、燃料噴霧が良好に拡散燃焼するように燃料噴射量や燃圧に対応付けて設定されている。
【００７９】
ステップＳ４、Ｓ６に続くステップＳ８では、所定の補正条件が成立しているか否かを判定する。すなわち、エンジン１が加速運転状態にある、ＤＰＦ４１の煤捕集量が所定値以上になっている、並びにＮＯｘトラップ材のＮＯｘトラップ量が所定値以上になっている、という３つの補正条件のいずれかが成立しているか否かを判定する。
【００８０】
ステップＳ８においていずれかの補正条件が成立しているときはステップＳ１０において第２噴射比率（Ｑｐｒ２比）の補正を行なってからステップＳ１１に進む。すなわち、エンジン１の加速運転時であれば第２噴射比率を所定量増大させる増大補正を行ない、ＮＯｘトラップ量が所定値以上であるときは第２噴射比率を０．８〜１に補正し、ＤＰＦ４１の煤捕集量が所定値以上であるときは第２噴射比率を０．２〜０．４に補正する。また、燃料タンク内の燃料残量が所定値以下になったときや、例えば車速が４０ｋｍ／時間以上であって、所定時間のアクセル開度の変化量が所定値以下であるとき、つまり高速定常運転時であると判断されたときは第２噴射比率を０．５以上、好ましくは０．６〜０．８に補正する。なお、ＮＯｘトラップ材の硫黄被毒が所定度合よりも高くなったか否かを判定し、高くなっている場合にも第２噴射比率を０．８〜１に補正するようにしてもよい。
【００８１】
エンジン１が加速運転状態か否かはアクセル開度の開方向への変化率が所定値以上か否かによって判定する。ＮＯｘトラップ量が所定値以上か否かの判定には後述するステップＳ１２の判定結果を用い、ＤＰＦ４１の煤捕集量が所定値以上か否かの判定には後述するステップＳ２０の判定結果を用いる。
【００８２】
ステップＳ８において補正条件が成立していないとき、或いはエンジン１が各線燃焼領域にあるときは（ステップＳ７）はそのままステップＳ１１に進む。
【００８３】
ステップＳ１１では、ＮＯｘトラップ材のＮＯｘトラップ量を推定する。この推定は、前回のＮＯｘ放出制御を行なってからのエンジンの運転履歴に基づいて行なう。すなわち、エンジン１からのＮＯｘ排出量はエンジンの運転状態に応じて決まることから、その運転履歴に基づいてＮＯｘ排出量を積算していけば、ＮＯｘトラップ量を求めることができる。
【００８４】
続くステップＳ１２においてＮＯｘトラップ量が所定値以上であるときは、ステップＳ１３に進んでタイマーＴＮＯをインクリメントする。続くステップＳ１４において、タイマーＴＮＯの値が所定値ＴＮＯｏよりも大きいか否かを判定する。否の場合はステップＳ１５に進んでＮＯｘ放出用の燃料噴射量Ｑλ及び噴射時期Ｉλを設定してステップＳ１６に進み、タイマーＴＮＯの値が所定値ＴＮＯｏよりも大きいときはステップＳ１７に進んで該タイマーＴＮＯを零にしてステップＳ１６に進み、燃料噴射を実行する。
【００８５】
また、ステップＳ１２においてＮＯｘトラップ量が所定値未満であると判定されたときは、ステップＳ１８に進んでタイマーＴＮＯのカウント中か否かを判定し、カウント中であれば、ステップＳ１３に進んでタイマーＴＮＯのインクリメントを行なう。すなわち、ＮＯｘトラップ量が所定値以上になったときはタイマーＴＮＯが所定値ＴＮＯｏになるまでＮＯｘ放出制御を行なうという趣旨である。このＮＯｘ放出制御は０．５〜３秒程度となるように上記所定値ＴＮＯｏを設定する。
【００８６】
ＮＯｘ放出用の燃料噴射量Ｑλを設定するとは、エンジン１の運転状態が予混合燃焼領域Ｈ１，Ｈ２にあるときは、第１噴射量Ｑｐｒ１と第２噴射量Ｑｐｒ２とを合わせた総量が空気過剰率λ＝１となるようにする、という意味であり、拡散燃焼領域にあるときは、燃料噴射量Ｑｔを圧縮行程上死点付近で噴射した後の膨張行程において排気がλ＝１相当の酸素濃度となるように後噴射を実行する、という意味である。噴射時期Ｉλに関しては、予混合燃焼領域Ｈ１，Ｈ２では先に設定したＩｐｒ１及びＩｐｒ２とし、拡散燃焼領域にあるときの後噴射時期は例えばＡＴＤＣ６０゜〜１２０゜ＣＡ（好ましくは８０〜１００゜ＣＡ）に設定する。
【００８７】
ステップＳ１８においてタイマーＴＮＯのカウント中でないときはステップＳ１９に進み、排圧センサ４２によって検出されるＤＰＦ４１下流側の排気圧力に基づいてＤＰＦ４１の煤捕集量を推定し、続くステップＳ２０において煤捕集量が所定値以上か否かを判定する。すなわち、排気圧力が所定圧力よりも低いときに煤捕集量が所定値以上になっていると判定する。この所定圧力はエンジンの各運転状態に対応付けて予め設定する。なお、エンジン１からの煤排出量はエンジン運転状態に依存するから、前回のＤＰＦ再生制御（煤の燃焼除去）からのエンジンの運転履歴に基づいてＤＰＦ４１の煤捕集量を推定してもよい。
【００８８】
ステップＳ２０において煤捕集量が所定値以上であるときは、ステップＳ２１に進んでタイマーＴＤＰＦをインクリメントする。続くステップＳ２２において、タイマーＴＤＰＦの値が所定値ＴＤＰＦｏよりも大きいか否かを判定する。否の場合はステップＳ２３に進んでＤＰＦ再生用の後噴射量Ｑｐ及び噴射時期Ｉｐを設定してステップＳ１６に進み、タイマーＴＤＰＦの値が所定値ＴＤＰＦｏよりも大きいときはステップＳ２４に進んで該タイマーＴＤＰＦを零にしてステップＳ１６に進む。
【００８９】
また、ステップＳ２０において煤捕集量が所定値未満であると判定されたときは、ステップＳ２５に進んでタイマーＴＤＰＦのカウント中か否かを判定する。カウント中であれば、ステップＳ２１に進んでタイマーＴＤＰＦのインクリメントを行ない、カウント中でなければ、ステップＳ１６に進む。すなわち、煤捕集量が所定値以上になったときはタイマーＴＤＰＦが所定値ＴＤＰＦｏになるまでＤＰＦ４１の再生制御を行なうという趣旨である。この再生制御は１０分間程度行なわれるように上記所定値ＴＤＰＦｏを設定する。
【００９０】
この場合の後噴射は、未燃ＨＣ（燃料）をＤＰＦ４１に供給して酸化触媒によって酸化させ、そのことによってＤＰＦ４１の温度を上昇させて煤を燃焼除去するためである。従って、後噴射時期Ｉｐは燃焼室内で後噴射燃料が燃焼してしまわないように、ＡＴＤＣ６０〜１２０゜ＣＡ（好ましくは８０〜１００゜ＣＡ）に設定する。
【００９１】
なお、上記例では第２予混合燃焼領域Ｈ２を第１予混合燃焼領域Ｈ１よりも高負荷側に設定したが、予混合燃焼領域を２つの領域に分けずに１つの領域とし、燃費改善とＮＯｘの低減を図るべく、第２噴射比率を０．４〜１．０の範囲において、目標トルクＴｒが高いほど、また、エンジン回転速度が高いほど小さくなるように設定してもよい。その場合、好ましいのは、煤の増大を防止すべく、第２噴射比率を０．４〜０．８の範囲に設定することであり、第２噴射比率のさらに好ましい範囲は０．５〜０．８である。
【００９２】
（ＥＧＲ制御フロー）
次に、上記ＥＣＵ４０によるＥＧＲ制御の具体的な手順について、図１５のフローチャート図に基づいて説明すると、まず、スタート後のステップＳＣ１において、少なくとも、燃圧センサ７からの信号、クランク角センサ１１からの信号、吸気圧センサ１８からの信号、エアフローセンサ１９からの信号、アクセル開度センサ３９からの信号等を入力し（データ入力）、また、ＥＣＵ４０のメモリに記憶されている各種フラグの値を読み込む。続いて、ステップＳＣ２においてエンジン１の燃焼モードを判定し、拡散燃焼領域でＮＯならばステップＳＣ５に進む一方、予混合燃焼領域でＹＥＳならばステップＳＣ３に進み、ＥＣＵ４０のメモリに電子的に格納されているＥＧＲマップからエンジン１の運転状態に対応するＥＧＲ弁３５の開度の目標値ＥＧＲＨを読み込んで、設定する。続いて、ステップＳＣ４において、ＥＣＵ４０からＥＧＲ弁３５のダイヤフラムの電磁弁３７に制御信号を出力して（ＥＧＲ弁の作動）、しかる後にリターンする。
【００９３】
一方、上記ステップＳＣ２においてエンジン１が拡散燃焼領域にあるＮＯと判定して進んだステップＳＣ５では、上記ＥＧＲマップからエンジン１の拡散燃焼状態に対応するＥＧＲ弁３５の開度の目標値ＥＧＲＤを読み込み、上記ステップＳＣ４に進んでＥＧＲ弁３５を作動させて、しかる後にリターンする。
【００９４】
上記ＥＧＲマップは、エンジン１の運転状態に対応する目標ＥＧＲ率ＥＧＲｎｆ、即ち予混合燃焼領域では略５０〜６０％に、また拡散燃焼領域では略４０％以下になるように、ＥＧＲ弁３５の開度の最適値を予め実験的に求めて、目標トルクＴｒとエンジン回転速度とに対応付けて設定したものであり、ＥＧＲ弁３５の開度の目標値ＥＧＲＨ，ＥＧＲＤを、予混合燃焼領域と拡散燃焼領域とでそれぞれ目標トルクＴｒが高いほど、またエンジン回転速度が高いほど小さくなるように設定している。
【００９５】
つまり、エンジン１が予混合燃焼領域にあるときには、ＥＧＲ弁３５を相対的に大きく開いて、ＥＧＲ通路３４により多量の排気を吸気通路１６に還流させ、これによりＥＧＲ率ＥＧＲを第１設定値以上の目標値（目標ＥＧＲ率ＥＧＲｎｆ）として良好な予混合圧縮着火燃焼を実現する。一方、エンジン１が拡散燃焼領域にあるときには、エンジン１を一般的なディーゼル燃焼の状態にし、このときにはＥＧＲ弁３５の開度を相対的に小さくして、ＥＧＲ率ＥＧＲが適度に低い状態とすることで、煤の増大を招くことなく、ＮＯｘの生成を抑制するようにしている。
【００９６】
上記図１５に示す制御フローによって、全体として、エンジン１が予混合燃焼領域にあるときに、ＥＧＲ率が第１設定値以上になるようにＥＧＲ弁３５の開度を制御する一方、拡散燃焼領域にあるときにはＥＧＲ率が上記第１設定値よりも少なくなるように、ＥＧＲ弁３５の開度を制御するＥＧＲ制御部４０ｅ（排気還流制御手段）が構成されている。
【００９７】
（作用効果）
従って、エンジン１が予混合燃焼領域にあるときには、ＥＧＲ弁３５が相対的に大きく開かれ、タービン２７上流の排気通路２６から取り出された排気がＥＧＲ通路３４によって吸気通路１６に還流される。そして、そのように還流する多量の排気が外部から供給される新気と共に気筒２内の燃焼室４へ供給される。また、上記気筒２内の燃焼室４に臨むインジェクタ５により燃料が当該気筒２の圧縮行程の所定時期に第１噴射され、この燃料が燃焼室４において比較的広く分散し且つ吸気（新気及び還流排気）と十分に混合して、均質度合いの高い混合気を形成し、この混合気が気筒２の圧縮行程における燃焼室４の温度上昇に伴い、比較的低温の酸化反応（いわゆる冷炎反応）を開始する。その際、インジェクタ５により燃料が第２噴射が実行される。この燃料は気化する際に周囲の混合気から熱を吸収するので、その分、混合気の温度が低下し、このことで、熱炎反応への移行、即ち着火がさらに遅延することになる。そして、ＴＤＣ近傍に至り、燃焼室４の気体の温度がさらに上昇し、且つ燃料及び酸素の密度が十分に高くなると、混合気は一斉に着火して燃焼する。
【００９８】
そうして、低回転低負荷の第１予混合燃焼領域Ｈ１では、定常運転時には第２噴射比率が０．４以上０．８以下になるから、図１０に示す例から明らかなように、着火時期の遅延によって燃料噴霧と還流排気とが十分に混合して急激な熱発生が抑えられ、ＮＯｘの低減が図れる。また、着火時期が圧縮行程上死点付近まで遅延してサイクル効率の高い熱発生パターンとなり（図７参照）、図１１，１２に示す例から明らかなように燃費の改善が図れる。また、第２噴射比率が０．８以下であるから、図９に示す例から明らかなように、煤の発生量が過大になることが避けられる。
【００９９】
第１予混合燃焼領域Ｈ１よりも高負荷側の第２予混合燃焼領域Ｈ２では、燃料噴射量が多くなってくるものの、定常運転時には第２噴射比率が０．１以上０．４未満になるから、図９に示す例から明らかなように、噴射燃料の大部分は予混合燃焼をするようになり、しかもその着火時期が遅延して空気との混合が良好になるから、煤の発生が抑えられる。
【０１００】
そうして、エンジンが予混合燃焼領域にあっても、加速運転時には、第２噴射比率が所定量増大するから、燃料の増量に伴う燃焼温度の上昇によるＮＯｘ発生量の増大が抑えられる（図１０参照）。また、ＮＯｘトラップ材のＮＯｘトラップ量が所定値以上になったときは、予混合燃焼領域であっても、第２噴射比率が０．８〜１になるから、図１０に示すようにＮＯｘの発生が抑えられ、その状態でＮＯｘトラップ材からのＮＯｘの放出制御（図１４のＳ１１〜Ｓ１８）を行なって放出ＮＯｘを還元浄化し、ＮＯｘトラップ材のＮＯｘトラップ能を回復させることができる。また、ＤＰＦ４１の煤捕集量が所定値以上になったときは、第２予混合燃焼領域Ｈ２であっても、第２噴射比率が０．２〜０．４になるから、図９に示す例から明らかなように、煤の生成が抑えられ、その状態でＤＰＦ４１の再生制御（図１４のＳ１９〜Ｓ２５）を行なってＤＰＦ４１の煤を燃焼除去することができる。
【０１０１】
一方、エンジン１が拡散燃焼領域にあれば、インジェクタ５により燃料が少なくともＴＤＣ近傍で燃焼室４に噴射され、初期の予混合燃焼に続いて良好な拡散燃焼状態になる（一般的なディーゼル燃焼）。この際、ＥＧＲ弁３５の開度は相対的に小さくされ、適度な分量の排気の還流によってＮＯｘや煤の生成が抑制されるとともに、排気の還流割合が所定以下とされることで、新しい空気の供給量が確保されて、十分な出力が得られるようになる。
【０１０２】
（他の実施形態）
上記実施形態では、エンジン１を予混合圧縮着火燃焼とするときに、インジェクタ５による燃料の噴射を気筒２の圧縮行程の所定クランク角範囲で開始させるようにしているが、これに限らず、燃料の噴射は気筒２の吸気行程から開始するようにしてもよい。
【０１０３】
また、上記実施形態では、本願発明をコモンレール式直噴ディーゼルエンジンの燃焼制御装置Ａに適用しているが、これに限らず、例えば、所定の運転状態で点火プラグを用いずにガソリンの予混合を圧縮着火により燃焼させるようにしたエンジンにも本発明は適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るエンジンの燃焼制御装置の全体構成図である。
【図２】エンジンの燃焼モードを切換える制御マップの一例を示す図である。
【図３】インジェクタによる噴射作動の様子を模式的に示す説明図である。
【図４】ＥＧＲ率を変更して、それぞれ、クランク角の進行に伴い変化する熱発生率の様子を示したグラフ図である。
【図５】ＥＧＲ率の変化に対して、（ａ）空気過剰率、（ｂ）ＮＯｘ濃度及び（ｃ）煤の濃度の変化を互いに対応付けて示すグラフ図である。
【図６】ディーゼル燃焼のときのＥＧＲ率の変化に対する排気中のＮＯｘ及び煤の濃度の変化をそれぞれ示すグラフ図である。
【図７】第２噴射比率を変更して、それぞれ、クランク角の進行に伴い変化する熱発生率の様子を示したグラフ図である。
【図８】第２噴射比率を変更して、それぞれ、クランク角の進行に伴い変化する筒内温度の様子を示したグラフ図である。
【図９】第２噴射比率を変更したときの煤排出量の変化を示すグラフ図である。
【図１０】第２噴射比率を変更したときのＮＯｘ排出量の変化を示すグラフ図である。
【図１１】第２噴射比率を変更したときの平均有効圧の変化を示すグラフ図である。
【図１２】第２噴射比率を変更したときの総熱発生量の変化を示すグラフ図である。
【図１３】燃料噴射制御の前半の手順を示すフローチャート図である。
【図１４】燃料噴射制御の後半の手順を示すフローチャート図である。
【図１５】ＥＧＲ制御の手順を示すフローチャート図である。
【符号の説明】
１　　　ディーゼルエンジン
２　　　気筒
４　　　燃焼室
５　　　インジェクタ（燃料噴射弁）
２８　　触媒コンバータ
３５　　ＥＧＲ弁（排気還流量調節手段）
４０　　コントロールユニット（ＥＣＵ）
４１　　ＤＰＦ
【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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