(57)【要約】【課題】燃料の燃焼に伴うＮＯｘ発生量を高い精度で推定し、排気エミッションの改善等に役立てることを可能にする内燃機関のＮＯｘ発生量推定装置及び制御装置を提供する。【解決手段】燃焼行程時における熱発生率の変化から、その熱発生率の上昇度合いの最大値を熱発生率最大傾きとして抽出する。この熱発生率最大傾きに対して、燃料着火時点での燃焼場温度、酸素濃度、充填ガス量、着火時期に応じた補正値を変数とする関数「ｆ」を、熱発生率最大傾きに乗算することにより、ＮＯｘ発生総量を算出する。このＮＯｘ発生総量がＮＯｘ許容量以下となるように、燃焼室内の酸素濃度を制御する。【選択図】図８
2012092748.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮自着火式内燃機関の燃焼室内に向けて燃料噴射弁から噴射された燃料が燃焼する際のＮＯｘ発生量を推定する装置であって、
上記燃料の燃焼による熱発生率の上昇度合いに対して、燃焼室内の状態量に応じた補正を行うことにより、ＮＯｘ発生量を推定するＮＯｘ発生量推定手段を備えていることを特徴とする内燃機関のＮＯｘ発生量推定装置。
【請求項２】
請求項１記載の内燃機関のＮＯｘ発生量推定装置において、
上記ＮＯｘ発生量推定手段は、燃焼行程時における熱発生率の上昇度合いの最大値に対して、燃焼室内の状態量に応じた補正を行うことにより、ＮＯｘ発生量を推定する構成とされていることを特徴とする内燃機関のＮＯｘ発生量推定装置。
【請求項３】
請求項２記載の内燃機関のＮＯｘ発生量推定装置において、
上記ＮＯｘ発生量推定手段は、燃焼行程時における所定期間を複数の分割燃焼行程期間に分割し、各分割燃焼行程期間で求められた複数の熱発生率の上昇度合いの平均値のうち最も高い熱発生率の上昇度合いの平均値を熱発生率の上昇度合いの最大値として抽出し、その熱発生率の上昇度合いの最大値に対して、燃焼室内の状態量に応じた補正を行うことにより、ＮＯｘ発生量を推定する構成とされていることを特徴とする内燃機関のＮＯｘ発生量推定装置。
【請求項４】
請求項１記載の内燃機関のＮＯｘ発生量推定装置において、
上記ＮＯｘ発生量推定手段は、燃焼行程時における所定期間における熱発生率の上昇度合いの平均値に対して、燃焼室内の状態量に応じた補正を行うことにより、ＮＯｘ発生量を推定する構成とされていることを特徴とする内燃機関のＮＯｘ発生量推定装置。
【請求項５】
請求項１〜４のうち何れか一つに記載の内燃機関のＮＯｘ発生量推定装置において、
上記燃料の燃焼による熱発生率の上昇度合いに対して補正を行う燃焼室内の状態量は、燃料着火時点での燃焼場温度、燃焼室内の酸素濃度、燃焼室内の充填ガス量、燃料の着火時期を少なくとも含んでいることを特徴とする内燃機関のＮＯｘ発生量推定装置。
【請求項６】
請求項１〜５のうち何れか一つに記載の内燃機関のＮＯｘ発生量推定装置によって推定されたＮＯｘ発生量に基づいて燃料の燃焼を制御する装置であって、
上記推定されたＮＯｘ発生量が、予め設定されたＮＯｘ許容量以下となるように燃焼室内の酸素濃度を制御する酸素濃度制御手段を備えていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項７】
請求項６記載の内燃機関の制御装置において、
上記酸素濃度制御手段は、上記推定されたＮＯｘ発生量がＮＯｘ許容量を超えている場合には燃焼室内の酸素濃度を低下させる制御を実行する構成とされていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【請求項８】
請求項６または７記載の内燃機関の制御装置において、
上記酸素濃度調整手段は、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による排気還流量を増量するものであることを特徴とする内燃機関の制御装置。
【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ＮＯｘ発生量推定装置、及び、その推定されたＮＯｘ発生量に基づいて燃焼室内での燃料の燃焼状態を制御する内燃機関の制御装置に係る。特に、本発明は、ＮＯｘ発生量の推定精度を高め、排気エミッションの改善に役立て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。このため、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。
【０００３】
また、特許文献１及び特許文献２に開示されているように、上記ＮＯｘの発生量は、気筒内での燃焼温度（以下、火炎温度と呼ぶ場合もある）と相関があることが一般に知られている。従って、ＮＯｘの発生量を低減するためには、気筒内での火炎温度を適正に制御することが有効である。
【０００４】
このＮＯｘの発生量を低減するための対策として、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。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。これにより燃焼行程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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−２９３８１７号公報
【特許文献２】特開２００５−１８０２２０号公報
【特許文献３】特開２００８−１８４９０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記ディーゼルエンジンにあっては、燃焼に影響を与える各種バラツキ（製造バラツキ、燃料性状のバラツキ、燃料噴射量のバラツキ等）によって燃焼室内での燃焼状態が適正に得られず、上記ＮＯｘ発生量が増大してしまうことがある。例えば規定するセタン価よりも高いセタン価の燃料が使用された場合や、燃料噴射量が適正量よりも多くなった場合には、熱発生率（クランク軸の単位回転角度当たりの熱発生量）の急上昇に伴ってＮＯｘ発生量が増大してしまう可能性がある。
【０００７】
これまで、ＮＯｘ発生量を検出する手段として排気系にＮＯｘセンサを設けることが知られている（例えば上記特許文献３）。
【０００８】
しかしながら、上記ＮＯｘセンサを設ける場合、コストの高騰を招いたりセンサ取り付け作業が必要になることから実用性に欠けることになる。
【０００９】
また、ＮＯｘセンサを使用することなしにＮＯｘ発生量を高い精度で推定可能とする技術については未だ提案されていない。つまり、ＮＯｘセンサを使用することなしにＮＯｘ発生量を高い精度で推定し、その推定されたＮＯｘ発生量に適した各種制御パラメータに対する制御量（補正量）を得るといったことは未だ実現されていないのが現状である。
【００１０】
このため、現在、上述した各種バラツキが発生したとしてもＮＯｘ発生量が許容範囲を超えることがないように制御パラメータに対する制御量に余裕を持たせている。つまり、制御パラメータに対する制御量の値として、ＮＯｘ発生量を抑制する側に大きく偏倚させているのが実状である。具体的には、ＥＧＲ量を適正量よりも多めに設定したり、筒内の酸素過剰率が必要以上に高くならないように燃料噴射量を多めに設定したりしている。
【００１１】
ところが、ＥＧＲ量を多めに設定した場合にはエンジンに十分なトルク（過渡時などにおいて運転者が要求するトルク）が得られなくなる可能性があり、また、燃料噴射量を多めに設定した場合には燃料消費量の増加を招くことになってしまう。これではエンジンの性能及び燃料消費率の面で商品性の低下に繋がってしまうことになる。
【００１２】
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、燃料の燃焼に伴うＮＯｘ発生量を高い精度で推定し、排気エミッションの改善等に役立てることを可能にする内燃機関のＮＯｘ発生量推定装置及び内燃機関の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】
【００１３】
−課題の解決原理−
上記の目的を達成するために講じられた本発明の解決原理は、燃焼室内での燃料の燃焼に伴う熱発生率の変化（熱発生率の傾き：例えば熱発生率の微分値（熱発生量の２回微分値等））に基づいて、その燃焼によって発生するＮＯｘ発生量を推定するようにしている。
【００１４】
−解決手段−
具体的に、本発明は、圧縮自着火式内燃機関の燃焼室内に向けて燃料噴射弁から噴射された燃料が燃焼する際のＮＯｘ発生量を推定する装置を前提とする。このＮＯｘ発生量推定装置に対し、上記燃料の燃焼による熱発生率の上昇度合いに対して、燃焼室内の状態量に応じた補正を行うことにより、ＮＯｘ発生量を推定するＮＯｘ発生量推定手段を備えさせている。
【００１５】
本発明は、燃料の燃焼による熱発生率の上昇度合いと、その燃焼に伴うＮＯｘ発生量とに相関があることを見出し、この熱発生率の上昇度合いに基づいてＮＯｘ発生量を高い精度で推定可能とするものである。つまり、ＮＯｘセンサを使用することなしに高い精度でＮＯｘ発生量を推定可能とするものである。また、熱発生率の上昇度合いが同一であったとしても、燃焼室内の状態量に応じてＮＯｘ発生量は異なる可能性があることを考慮し、上記熱発生率の上昇度合いに対して、燃焼室内の状態量に応じた補正を行うことにより、ＮＯｘ発生量を推定するようにしている。これにより、各種バラツキ（製造バラツキ、燃料性状のバラツキ、噴射量のバラツキ等）が生じている場合であっても、高い精度で推定されたＮＯｘ発生量に基づいて内燃機関の制御パラメータを制御し、ＮＯｘ発生量を許容範囲内に抑えることが可能になる。このため、上記各種バラツキが発生することを考慮して制御パラメータに対する制御量に余裕を持たせる（制御パラメータに対する制御量の値として、ＮＯｘ発生量を抑制する側に大きく偏倚させておく）といったことは必要なくなり、排気エミッションの改善を図りながらも、内燃機関の性能及び燃料消費率の改善を図ることができる。
【００１６】
上記燃焼室内の状態量に応じた補正が行われる上記熱発生率の上昇度合いとして具体的には、燃焼行程時における熱発生率の上昇度合いの最大値が挙げられる。つまり、上記ＮＯｘ発生量推定手段が、燃焼行程時における熱発生率の上昇度合いの最大値に対して、燃焼室内の状態量に応じた補正を行うことにより、ＮＯｘ発生量を推定する構成とするものである。
【００１７】
この解決手段は、ＮＯｘ発生量は燃焼行程時における熱発生率の上昇度合いの最大値との相関が特に高いことを見出し、この熱発生率の上昇度合いの最大値を利用すると共に、燃焼室内の状態量に応じた補正を行うことにより、ＮＯｘ発生量を推定するようにしたものである。この場合、燃焼行程時における熱発生率の上昇度合いの最大値を取得した後の情報処理動作としては、燃焼行程の全域における熱発生率の上昇度合いを扱う必要が無くなり、熱発生率の上昇度合いに関する情報として、上記上昇度合いの最大値のみを扱うことで済む。このため、燃焼行程の全域における熱発生率の上昇度合いを扱う場合に比べて、情報量の大幅な削減を図ることができ、演算装置（ＣＰＵ）における処理能力の負荷軽減を図ることが可能になる。
【００１８】
上述の如く燃焼行程時における熱発生率の上昇度合いの最大値に対して、燃焼室内の状態量に応じた補正を行ってＮＯｘ発生量を推定する場合のより具体的な構成としては以下のものが挙げられる。つまり、燃焼行程時における所定期間を複数の分割燃焼行程期間に分割し、各分割燃焼行程期間で求められた複数の熱発生率の上昇度合いの平均値のうち最も高い熱発生率の上昇度合いの平均値を熱発生率の上昇度合いの最大値とするものである。つまり、上記ＮＯｘ発生量推定手段が、燃焼行程時における所定期間を複数の分割燃焼行程期間に分割し、各分割燃焼行程期間で求められた複数の熱発生率の平均値のうち最も高い熱発生率の上昇度合いの平均値を熱発生率の上昇度合いの最大値として抽出し、その熱発生率の上昇度合いの最大値に対して、燃焼室内の状態量に応じた補正を行うことにより、ＮＯｘ発生量を推定する構成とするものである。
【００１９】
この構成によれば、一時的な外乱によって熱発生率の上昇度合いが急変したとしても、抽出される熱発生率の上昇度合いの最大値としては、上記分割燃焼行程期間で求められた複数の熱発生率の上昇度合いの平均値であるため、この外乱による影響を緩和することができ、熱発生率の上昇度合いの最大値を燃焼状態を正確に反映したものとして取得できる。その結果、高い精度でＮＯｘ発生量を推定でき、その推定されたＮＯｘ発生量に基づいて内燃機関の制御パラメータを制御することが可能になって、排気エミッションの改善を図ることができる。
【００２０】
また、上記燃焼室内の状態量に応じた補正が行われる上記熱発生率の上昇度合いとしては、燃焼行程時における所定期間における熱発生率の上昇度合いの平均値としてもよい。つまり、上記ＮＯｘ発生量推定手段が、燃焼行程時における所定期間における熱発生率の上昇度合いの平均値に対して、燃焼室内の状態量に応じた補正を行うことにより、ＮＯｘ発生量を推定する構成とするものである。
【００２１】
この場合にも、一時的な外乱の影響を緩和し、熱発生率の上昇度合いの最大値を燃焼状態を正確に反映したものとして取得できる。このため、高い精度でＮＯｘ発生量を推定でき、その推定されたＮＯｘ発生量に基づいて内燃機関の制御パラメータを制御することが可能になって、排気エミッションの改善を図ることができる。
【００２２】
上記燃料の燃焼による熱発生率の上昇度合いに対して補正を行う燃焼室内の状態量としては、燃料着火時点での燃焼場温度、燃焼室内の酸素濃度、燃焼室内の充填ガス量、燃料の着火時期を少なくとも含んでいる。
【００２３】
上述したＮＯｘ発生量推定装置によって推定されたＮＯｘ発生量に基づいて燃料の燃焼を制御する装置として具体的には以下のものが挙げられる。つまり、上記推定されたＮＯｘ発生量が、予め設定されたＮＯｘ許容量以下となるように燃焼室内の酸素濃度を制御する酸素濃度制御手段を備えさせるものである。
【００２４】
具体的に、この酸素濃度制御手段としては、上記推定されたＮＯｘ発生量がＮＯｘ許容量を超えている場合には燃焼室内の酸素濃度を低下させる制御を実行する構成とされたものである。
【００２５】
例えば、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による排気還流量を増量することが挙げられる。このように燃焼室内の酸素濃度を低下させることにより、燃焼室内での燃焼温度を低下させることができＮＯｘ発生量の抑制を図ることができる。そして、この動作を、上記推定されるＮＯｘ発生量がＮＯｘ許容量以下に達するまで継続することで排気エミッションの改善を図ることができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明では、燃焼室内での燃料の燃焼に伴う熱発生率の変化に基づいて、その燃焼によって発生するＮＯｘ発生量を推定するようにしている。このため、各種バラツキ（製造バラツキ、燃料性状のバラツキ、噴射量のバラツキ等）が生じている場合であっても、ＮＯｘセンサを使用することなしに高い精度で推定されたＮＯｘ発生量に基づいて内燃機関の制御パラメータを制御し、ＮＯｘ発生量を許容範囲内に抑えることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】実施形態に係るエンジン及びその制御系統の概略構成を示す図である。
【図２】ディーゼルエンジンの燃焼室及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】燃焼行程時の熱発生率（クランク軸の単位回転角度当たりの熱発生量）の変化及び燃料噴射率（クランク軸の単位回転角度当たりの燃料噴射量）の変化をそれぞれ示す波形図である。
【図５】燃焼室内での燃焼形態の概略を説明するための吸排気系及び燃焼室の模式図である。
【図６】燃料噴射時における燃焼室及びその周辺部を示す断面図である。
【図７】燃料噴射時における燃焼室の平面図である。
【図８】熱発生率最大傾き算出動作を説明するための熱発生率波形の一部を示す図である。
【図９】燃焼室内の各種状態量とＮＯｘ発生量との相関を示す図であって、図９（ａ）は燃料着火時点での燃焼場温度とＮＯｘ発生量との相関を、図９（ｂ）は燃焼室内の酸素濃度とＮＯｘ発生量との相関を、図９（ｃ）は燃焼室内の充填ガス量とＮＯｘ発生量との相関を、図９（ｄ）は燃料の着火時期とＮＯｘ発生量との相関をそれぞれ示す図である。
【図１０】燃焼室内の状態量変化に伴う、熱発生率最大傾きとＮＯｘ発生総量との関係を説明するための図である。
【図１１】推定されたＮＯｘ発生量に基づく制御パラメータの制御動作の手順を示すフローチャート図である。
【図１２】Ｏ2濃度低下量マップを示す図である。
【図１３】燃料着火時期遅角量マップを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
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。
【００２９】
−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及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及びその周辺部を示す断面図である。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
上記サプライポンプ２１は、燃料タンクから燃料を汲み上げ、この汲み上げた燃料を高圧にした後、機関燃料通路２７を介してコモンレール２２に供給する。コモンレール２２は、サプライポンプ２１から供給された高圧燃料を所定圧力に保持（蓄圧）する蓄圧室としての機能を有し、この蓄圧した燃料を各インジェクタ２３に分配する。インジェクタ２３は、その内部に圧電素子（ピエゾ素子）を備え、適宜開弁して燃焼室３内に燃料を噴射供給するピエゾインジェクタにより構成されている。このインジェクタ２３からの燃料噴射制御の詳細については後述する。
【００３３】
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。
【００３４】
また、上記燃料添加弁２６は、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。
【００３５】
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。
【００３６】
また、この吸気系６には、燃焼室３内でのスワール流（水平方向の旋回流）を可変とするためのスワールコントロールバルブ（スワール速度可変機構）６６が備えられている（図２参照）。具体的に、上記吸気ポート１５ａとしては、ノーマルポート及びスワールポートの２系統が各気筒毎に備えられており、そのうち図２に示されているノーマルポート１５ａに、開度調整可能なバタフライバルブで成るスワールコントロールバルブ６６が配置されている。このスワールコントロールバルブ６６には図示しないアクチュエータが連繋されており、このアクチュエータの駆動によって調整されるスワールコントロールバルブ６６の開度に応じてノーマルポート１５ａを通過する空気の流量が変更できるようになっている。そして、スワールコントロールバルブ６６の開度が大きいほど、ノーマルポート１５ａから気筒内に吸入される空気量が増加する。このため、スワールポート（図２では図示省略）により発生したスワールは相対的に弱まり、気筒内は低スワール（スワール速度が低い状態）となる。逆に、スワールコントロールバルブ６６の開度が小さいほど、ノーマルポート１５ａから気筒内に吸入される空気量が減少する。このため、スワールポートにより発生したスワールは相対的に強められ、気筒内は高スワール（スワール速度が高い状態）となる。
【００３７】
排気系７は、シリンダヘッド１５に形成された上記排気ポート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及び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及びＤＰＮＲ触媒７６について説明する。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
ここで、ディーゼルエンジンの燃焼室３及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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
上記シリンダヘッド１５には、燃焼室３へ空気を導入する上記吸気ポート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及び排気ポート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及び排気バルブ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。
【００４６】
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及びコンプレッサホイール５３を備えている。コンプレッサホイール５３は吸気管６４内部に臨んで配置され、タービンホイール５２は排気管７３内部に臨んで配置されている。このためターボチャージャ５は、タービンホイール５２が受ける排気流（排気圧）を利用してコンプレッサホイール５３を回転させ、吸気圧を高めるといった所謂過給動作を行うようになっている。本実施形態におけるターボチャージャ５は、可変ノズル式ターボチャージャであって、タービンホイール５２側に可変ノズルベーン機構（図示省略）が設けられており、この可変ノズルベーン機構の開度を調整することにより、エンジン１の過給圧を調整することができる。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
−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。
【００５１】
例えば、上記エアフローメータ４３は、吸気系６内のスロットルバルブ６２上流において吸入空気の流量（吸入空気量）に応じた検出信号を出力する。吸気温センサ４９は、吸気マニホールド６３に配置され、吸入空気の温度に応じた検出信号を出力する。吸気圧センサ４８は、吸気マニホールド６３に配置され、吸入空気圧力に応じた検出信号を出力する。Ａ／Ｆ（空燃比）センサ４４は、排気系７のマニバータ７７の下流において排気中の酸素濃度に応じて連続的に変化する検出信号を出力する。排気温センサ４５は、同じく排気系７のマニバータ７７の下流において排気ガスの温度（排気温度）に応じた検出信号を出力する。レール圧センサ４１はコモンレール２２内に蓄えられている燃料の圧力に応じた検出信号を出力する。スロットル開度センサ４２はスロットルバルブ６２の開度を検出する。
【００５２】
−ＥＣＵ−
ＥＣＵ１００は、図３に示すように、ＣＰＵ１０１、ＲＯＭ１０２、ＲＡＭ１０３及びバックアップ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。
【００５３】
以上のＣＰＵ１０１、ＲＯＭ１０２、ＲＡＭ１０３及びバックアップ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及び出力インターフェース１０６と接続されている。
【００５４】
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、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、及び、筒内圧力を検出する筒内圧センサ４Ａなどが接続されている。
【００５５】
一方、出力インターフェース１０６には、上記サプライポンプ２１、インジェクタ２３、燃料添加弁２６、スロットルバルブ６２、スワールコントロールバルブ６６、及び、ＥＧＲバルブ８１などが接続されている。また、出力インターフェース１０６には、その他に、上記ターボチャージャ５の可変ノズルベーン機構に備えられたアクチュエータ（図示省略）も接続されている。
【００５６】
そして、ＥＣＵ１００は、上記した各種センサからの出力、その出力値を利用する演算式により求められた演算値、または、上記ＲＯＭ１０２に記憶された各種マップに基づいて、エンジン１の各種制御を実行する。
【００５７】
例えば、ＥＣＵ１００は、インジェクタ２３の燃料噴射制御として、パイロット噴射（副噴射）とメイン噴射（主噴射）とを実行する。
【００５８】
上記パイロット噴射は、インジェクタ２３からのメイン噴射に先立ち、予め少量の燃料を噴射する動作である。また、このパイロット噴射は、メイン噴射による燃料の着火遅れを抑制し、安定した拡散燃焼に導くための噴射動作であって、副噴射とも呼ばれる。また、本実施形態におけるパイロット噴射は、上述したメイン噴射による初期燃焼速度を抑制する機能ばかりでなく、気筒内温度を高める予熱機能をも有するものとなっている。つまり、このパイロット噴射の実行後、燃料噴射を一旦中断し、メイン噴射が開始されるまでの間に圧縮ガス温度（気筒内温度）を十分に高めて燃料の自着火温度（例えば１０００Ｋ）に到達させるようにし、これによってメイン噴射で噴射される燃料の着火性を良好に確保するようにしている。
【００５９】
上記メイン噴射は、エンジン１のトルク発生のための噴射動作（トルク発生用燃料の供給動作）である。このメイン噴射での噴射量は、基本的には、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に応じ、要求トルクが得られるように決定される。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、それに応じてメイン噴射での燃料噴射量としても多く設定されることになる。また、上記パイロット噴射によって気筒内の予熱が十分に行われている場合には、メイン噴射で噴射された燃料は、直ちに自着火温度以上の温度環境下に晒されて熱分解が進み、噴射後は直ちに燃焼が開始されることになる。
【００６０】
具体的に、ディーゼルエンジンにおける燃料の着火遅れとしては、物理的遅れと化学的遅れとがある。物理的遅れは、燃料液滴の蒸発・混合に要する時間であり、燃焼場のガス温度に左右される。一方、化学的遅れは、燃料蒸気の化学的結合・分解かつ酸化発熱に要する時間である。そして、上述した如く気筒内の予熱が十分になされている状況では上記物理的遅れを最小限に抑えることができ、その結果、着火遅れも最小限に抑えられることになる。従って、メイン噴射によって噴射された燃料の燃焼形態としては、予混合燃焼が殆ど行われないことになり、大部分が拡散燃焼となる。その結果、メイン噴射の噴射タイミングを制御することがそのまま拡散燃焼の開始タイミングを制御することに略等しくなり、燃焼の制御性を大幅に改善することができる。つまり、メイン噴射で噴射された燃料の予混合燃焼の割合を最小限に抑えることで、メイン噴射での燃料噴射タイミング及び燃料噴射量を制御する（噴射率波形を制御する）ことによる熱発生率波形（着火時期及び熱発生量）の制御によって燃焼の制御性を大幅に改善することが可能になる。
【００６１】
尚、上述したパイロット噴射及びメイン噴射の他に、アフタ噴射やポスト噴射が必要に応じて行われる。アフタ噴射は、排気ガス温度を上昇させるための噴射動作である。具体的には、供給された燃料の燃焼エネルギがエンジン１のトルクに変換されることなく、その大部分が排気の熱エネルギとして得られるタイミングでアフタ噴射は実行される。また、ポスト噴射は、排気系７に燃料を直接的に導入して上記マニバータ７７の昇温を図るための噴射動作である。例えば、ＤＰＮＲ触媒７６に捕集されているＰＭの堆積量が所定量を超えた場合（例えばマニバータ７７の前後の差圧を検出することにより検知）、ポスト噴射が実行されるようになっている。
【００６２】
また、ＥＣＵ１００は、エンジン１の運転状態に応じてＥＧＲバルブ８１の開度を制御し、吸気マニホールド６３に向けての排気還流量（ＥＧＲ量）を調整する。このＥＧＲ量は、上記ＲＯＭ１０２に予め記憶されたＥＧＲマップに従って設定される。具体的に、このＥＧＲマップは、エンジン回転数及びエンジン負荷をパラメータとしてＥＧＲ量（ＥＧＲ率）を決定するためのマップである。尚、このＥＧＲマップは、予め実験やシミュレーション等によって作成されたものとなっている。つまり、上記クランクポジションセンサ４０の検出値に基づいて算出されたエンジン回転数及びスロットル開度センサ４２によって検出されたスロットルバルブ６２の開度（エンジン負荷に相当）とをＥＧＲマップに当て嵌めることでＥＧＲ量（ＥＧＲバルブ８１の開度）が得られるようになっている。
【００６３】
更に、ＥＣＵ１００は、上記スワールコントロールバルブ６６の開度制御を実行する。このスワールコントロールバルブ６６の開度制御としては、燃焼室３内に噴射された燃料の噴霧の単位時間当たり（または単位クランク回転角度当たり）における気筒内の周方向の移動量を変更するように行われる。
【００６４】
−燃料噴射圧−
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、及び、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及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。
【００６５】
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】
上記パイロット噴射やメイン噴射などの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及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及びアクセル開度に基づいて総燃料噴射量（パイロット噴射での噴射量とメイン噴射での噴射量との和）を決定する。
【００６８】
−目標燃料圧力の設定−
次に、上記目標燃料圧力の設定手法について説明する。ディーゼルエンジン１においては、ＮＯｘ発生量やスモーク発生量を削減することによる排気エミッションの改善、燃焼行程時の燃焼音の低減、エンジントルクの十分な確保といった各要求を連立することが重要である。これら要求を連立するための手法として、燃焼行程時における気筒内での熱発生率の変化状態（熱発生率波形で表される変化状態）を適切にコントロールすることが有効である。
【００６９】
図４の上段に示す波形のうちの実線は、横軸をクランク角度、縦軸を熱発生率とし、パイロット噴射及びメイン噴射で噴射された燃料の燃焼に係る理想的な熱発生率波形を示している。図中のＴＤＣはピストン１３の圧縮上死点に対応したクランク角度位置を示している。また、図４の下段に示す波形は、インジェクタ２３から噴射される燃料の噴射率（クランク軸の単位回転角度当たりの燃料噴射量）波形を示している。
【００７０】
上記熱発生率波形としては、例えば、ピストン１３の圧縮上死点（ＴＤＣ）付近からメイン噴射で噴射された燃料の燃焼が開始され、ピストン１３の圧縮上死点後の所定ピストン位置（例えば、圧縮上死点後１０度（ＡＴＤＣ１０°）の時点）で熱発生率が極大値（ピーク値）に達し、更に、圧縮上死点後の所定ピストン位置（例えば、圧縮上死点後２５度（ＡＴＤＣ２５°）の時点）で上記メイン噴射において噴射された燃料の燃焼が終了するようになっている。このような熱発生率の変化状態で混合気の燃焼を行わせるようにすれば、例えば圧縮上死点後１０度（ＡＴＤＣ１０°）の時点で気筒内の混合気のうちの５０％が燃焼を完了した状況となる。つまり、圧縮上死点後１０度（ＡＴＤＣ１０°）の時点が燃焼重心となって、膨張行程における総熱発生量の約５０％がＡＴＤＣ１０°までに発生し、高い熱効率でエンジン１を運転させることが可能となる。
【００７１】
また、この燃焼重心に到達した時点でのクランク角度と燃料噴射率波形との関係としては、インジェクタ２３に対して燃料噴射停止信号を送信した時点から燃料噴射が完全に停止するまでの期間（図４における期間Ｔ１）に燃焼重心が位置することになる。
【００７２】
このような理想的な熱発生率波形による燃焼が行われる状況にあっては、パイロット噴射によって気筒内の予熱が十分に行われ、この予熱により、メイン噴射で噴射された燃料は、直ちに自着火温度以上の温度環境下に晒されて熱分解が進み、噴射後は直ちに燃焼が開始されることになる。
【００７３】
また、図４に二点鎖線αで示す波形は、燃料噴射圧力が、適正値よりも高く設定された場合の熱発生率波形であり、燃焼速度及び熱発生率のピーク値が共に高くなりすぎており、燃焼音の増大やＮＯｘ発生量の増加が懸念される状態である。一方、図４に二点鎖線βで示す波形は、燃料噴射圧力が、適正値よりも低く設定された場合の熱発生率波形であり、燃焼速度が低く且つ熱発生率のピークの現れるタイミングが大きく遅角側に移行していることで十分なエンジントルクが確保できないことが懸念される状態である。
【００７４】
−燃焼形態の概略説明−
次に、本実施形態に係るエンジン１における燃焼室３内での燃焼形態の概略について説明する。
【００７５】
図５は、エンジン１の一つの気筒に対して吸気マニホールド６３及び吸気ポート１５ａを経てガス（空気）が吸入され、燃焼室３内へインジェクタ２３からの燃料噴射によって燃焼が行われると共に、その燃焼後のガスが排気ポート７１を経て排気マニホールド７２へ排出される様子を模式的に示した図である。
【００７６】
この図５に示すように、気筒内に吸入されるガスには、吸気管６４からスロットルバルブ６２を介して吸入された新気と、上記ＥＧＲバルブ８１が開弁された場合にＥＧＲ通路８から吸入されるＥＧＲガスとが含まれる。吸入される新気量（質量）と吸入されるＥＧＲガス量（質量）との和に対するＥＧＲガス量の割合（即ち、ＥＧＲ率）は、運転状態に応じて上記ＥＣＵ１００により適宜制御されるＥＧＲバルブ８１の開度に応じて変化する。
【００７７】
このようにして気筒内に吸入された新気及びＥＧＲガスは、吸気行程において開弁している吸気バルブ１６を介し、ピストン１３（図５では図示省略）の下降に伴って気筒内に吸入されて筒内ガスとなる。この筒内ガスは、エンジン１の運転状態に応じて決定されるバルブ閉弁時にて吸気バルブ１６が閉弁することにより筒内に密閉され（筒内ガスの閉じ込め状態）、その後の圧縮行程においてピストン１３の上昇に伴って圧縮される。そして、ピストン１３が上死点近傍に達すると、上述したＥＣＵ１００による噴射量制御によって所定時間だけインジェクタ２３が開弁されることで燃料を燃焼室３内に直接噴射する。具体的には、ピストン１３が上死点に達する前に上記パイロット噴射が実行され、燃料噴射が一旦停止された後、所定のインターバルを経て、ピストン１３が上死点近傍に達した時点で上記メイン噴射が実行されることになる。
【００７８】
図６は、この燃料噴射時における燃焼室３及びその周辺部を示す断面図であり、図７は、この燃料噴射時における燃焼室３の平面図（ピストン１３の上面を示す図）である。図７に示すように、本実施形態に係るエンジン１のインジェクタ２３には、周方向に亘って等間隔に８個の噴孔が設けられており、これら噴孔からそれぞれ均等に燃料が噴射されるようになっている。尚、この噴孔数としては８個に限るものではない。
【００７９】
そして、この各噴孔から噴射された燃料の噴霧Ａ，Ａ，…は略円錐状に拡散していく。また、各噴孔からの燃料噴射（上記パイロット噴射やメイン噴射）は、ピストン１３が圧縮上死点近傍に達した時点で行われるため、図６に示すように、各燃料の噴霧Ａ，Ａ，…は上記キャビティ１３ｂ内で拡散していくことになる。
【００８０】
このように、インジェクタ２３に形成されている各噴孔から噴射された燃料の噴霧Ａ，Ａ，…は、時間の経過に伴って筒内ガスと混ざり合いながら混合気となって筒内においてそれぞれ円錐状に拡散していき、自己着火によって燃焼する。つまり、この各燃料の噴霧Ａ，Ａ，…は、それぞれ筒内ガスと共に略円錐状の燃焼場を形成し、その燃焼場（本実施形態では８箇所の燃焼場）でそれぞれ燃焼が開始されることになる。
【００８１】
そして、この燃焼により発生したエネルギは、ピストン１３を下死点に向かって押し下げるための運動エネルギ（エンジン出力となるエネルギ）、燃焼室３内を温度上昇させる熱エネルギ、シリンダブロック１１やシリンダヘッド１５を経て外部（例えば冷却水）に放熱される熱エネルギとなる。
【００８２】
そして、燃焼後の筒内ガスは、排気行程において開弁する排気バルブ１７を介し、ピストン１３の上昇に伴って排気ポート７１及び排気マニホールド７２へ排出されて排ガスとなる。
【００８３】
−ＮＯｘ発生量推定動作−
本実施形態の特徴は、上記燃焼室３内での燃料の燃焼（主にメイン噴射で噴射された燃料の燃焼）によって発生するＮＯｘ発生量を推定する動作にある。このＮＯｘ発生量推定動作によって推定されたＮＯｘ発生量（１回の燃焼行程で発生するＮＯｘの発生量：以下、「ＮＯｘ発生総量」と呼ぶ場合もある）は、ＮＯｘ発生量を予め設定された許容量（ＮＯｘ規制量）以下に抑えるための制御パラメータ（ＥＧＲ量や燃料噴射タイミング等）の制御に利用される。以下、ＮＯｘ発生量推定動作について具体的に説明する。
【００８４】
このＮＯｘ発生量推定動作としては、「熱発生率最大傾き」の算出動作、及び、「ＮＯｘ発生総量」の算出動作が順に行われる。
【００８５】
＜熱発生率最大傾きの算出動作＞
先ず、熱発生率最大傾きの算出動作について説明する。
【００８６】
この算出動作では、燃焼行程の所定期間中における熱発生率を所定間隔で（クランクシャフトが所定角度だけ回転する毎に）算出していき、その期間中における熱発生率の上昇度合い（傾き）の最大値を抽出する。
【００８７】
具体的には、上記メイン噴射が実行された後の所定のクランクシャフト回転角度位置から、このクランクシャフト回転角度が所定回転角度位置に達するまでの期間中、所定クランク角度毎に上記筒内圧センサ４Ａによって筒内圧力（燃焼室３内の圧力）を検出していく。つまり、この所定期間中の筒内圧力の変化に基づき所定クランク角度毎の熱発生率（クランク軸の単位回転角度当たりの熱発生量）を算出する。即ち、筒内圧力と熱発生率とは相関があるため、これを利用して、筒内圧力に基づいてクランク角度毎の熱発生率を求めるようにしている。
【００８８】
例えば、メイン噴射が開始され、クランクシャフトの回転角度が５°ＣＡ進んだ時点から筒内圧センサ４Ａによる筒内圧力の検出を開始し、クランクシャフトの回転角度が０．５°ＣＡ進む毎に、筒内圧センサ４Ａによって検出された筒内圧力をモニタする。これにより、このクランクシャフトの回転角度が０．５°ＣＡ進む毎の熱発生率を算出する。
【００８９】
尚、上記筒内圧センサ４Ａによって筒内圧力を検出する期間の終了時点としては、熱発生率が極大値（ピーク値）に達した時点（図４で示した熱発生率波形にあっては圧縮上死点後１０°（ＡＴＤＣ１０°）の時点）としたり、メイン噴射が開始されてから、クランクシャフトの回転角度が１５°ＣＡ進んだ時点とすることも可能である。これら値はこれに限定されるものではなく適宜設定される。
【００９０】
図８は、筒内圧センサ４Ａによって検出された筒内圧力に基づいて求められた熱発生率波形（メイン噴射で噴射された燃料の燃焼が開始されてから熱発生率がピーク値に達するまでの期間の熱発生率波形）の一例を示す図である。この場合、メイン噴射が実行された後、クランクシャフトの回転角度が５°ＣＡ進んだ時点（図８におけるタイミングｔ１）から筒内圧センサ４Ａによる筒内圧力の検出が開始される。この図８に示す波形では、このタイミングｔ１は、クランクシャフトの回転角度が圧縮上死点後２．５°（ＡＴＤＣ２．５°）に達した時点となっている。
【００９１】
このタイミングｔ１から、熱発生率が極大値（ピーク値）に達した時点（図８におけるタイミングｔ６）までの期間中、筒内圧センサ４Ａによる筒内圧力の検出を、クランク角度が０．５°ＣＡ進む毎に実行し、この０．５°ＣＡ進む毎の筒内圧力から熱発生率を算出する。尚、熱発生率が極大値（ピーク値）に達した時点を求める動作として具体的には、上記筒内圧センサ４Ａによって検出されている筒内圧力の変化割合が正から負に変化した時点を熱発生率が極大値（ピーク値）に達した時点であるとして求めるようにしている。
【００９２】
そして、上述した筒内圧力検出期間（図８におけるタイミングｔ１からｔ６までの期間）を複数の熱発生率傾き算出期間（本発明でいう分割燃焼行程期間）に分割し、各熱発生率傾き算出期間それぞれにおける熱発生率の傾きを算出する。具体的に、図８に示すものでは５つの期間ｓ１〜ｓ５に分割されている。ここでは、上記タイミングｔ１からタイミングｔ２の期間を第１の熱発生率傾き算出期間ｓ１、上記タイミングｔ２からタイミングｔ３の期間を第２の熱発生率傾き算出期間ｓ２、上記タイミングｔ３からタイミングｔ４の期間を第３の熱発生率傾き算出期間ｓ３、上記タイミングｔ４からタイミングｔ５の期間を第４の熱発生率傾き算出期間ｓ４、上記タイミングｔ５からタイミングｔ６の期間を第５の熱発生率傾き算出期間ｓ５とそれぞれ呼ぶ。また、上述した如く筒内圧センサ４Ａによる筒内圧力の検出期間は、圧縮上死点後２．５°（ＡＴＤＣ２．５°）から圧縮上死点後１０°（ＡＴＤＣ１０°）までの期間であるため、第１〜第５の各熱発生率傾き算出期間ｓ１〜ｓ５それぞれはクランクシャフトの回転角度で１．５°ＣＡの期間となっている。また、上述した如く、クランク角度が０．５°ＣＡ進む毎に、筒内圧センサ４Ａによって筒内圧力が検出されるため、第１〜第５の各熱発生率傾き算出期間ｓ１〜ｓ５それぞれでは、３回の筒内圧力の検出が行われ、これら筒内圧力から求められる熱発生率の傾きの平均値をその熱発生率傾き算出期間ｓ１〜ｓ５における熱発生率傾きの平均値とする。これにより、各期間ｓ１〜ｓ５それぞれにおいて熱発生率傾きの平均値が算出されることになる。尚、熱発生率傾きの具体的な算出手法としては、取得した熱発生量に対して２回微分を行うことで熱発生率傾きが求められる。または、求められた熱発生率に対して１回微分を行うことで熱発生率傾きが求められる。この算出手法としては、これに限定されるものではない。
【００９３】
本実施形態では、上述の如く算出された複数の熱発生率傾きの平均値（第１の熱発生率傾き算出期間ｓ１〜第５の熱発生率傾き算出期間ｓ５それぞれで求められた熱発生率傾きの平均値）のうち、最も熱発生率傾きの平均値の大きなものを「熱発生率最大傾き」として抽出して以下のＮＯｘ発生総量の算出動作を行うようにしている。図８に示すものでは、第４の熱発生率傾き算出期間ｓ４における熱発生率傾きの平均値が、他の熱発生率傾き算出期間ｓ１，ｓ２，ｓ３，ｓ５における熱発生率傾きの平均値よりも大きくなっているため、この第４の熱発生率傾き算出期間ｓ４における熱発生率傾きの平均値が熱発生率最大傾きとして得られることになる（図８に破線で示す熱発生率の傾きを参照）。
【００９４】
尚、この図８を用いて説明した上記各値はこれに限定されるものではなく適宜設定される。
【００９５】
上述の如く、複数の熱発生率の傾きの平均値をその熱発生率傾き算出期間ｓ１〜ｓ５における熱発生率傾きの平均値とすることにより、一時的な外乱によって熱発生率の上昇度合いが急変したとしても、この外乱による影響を緩和することができ、熱発生率最大傾きを正確に求めることが可能になる。
【００９６】
＜ＮＯｘ発生総量の算出動作＞
以上のようにして熱発生率最大傾きが算出された後、下記の式（１）によってＮＯｘ発生総量が算出される（ＮＯｘ発生量推定手段によるＮＯｘ発生量の推定動作）。このＮＯｘ発生総量とは、対象とする燃焼行程での燃料の燃焼によって排気ガス中に含まれるＮＯｘ発生量の全体量である。自動車の排気エミッション規制（Ｅｕｒｏ６等）による規定では、このＮＯｘ発生総量を、予め規定された許容量以下に抑えることが必要である。
【００９７】
【数１】
2012092748.tif 000003
【００９８】
この式（１）に示すように、「Ｔｉｇ（燃料着火時点での燃焼場温度）補正値」、「Ｏ2濃度補正値（酸素濃度による補正値）」、「充填ガス量（充填空気量）補正値」、「着火時期補正値」を変数とする関数「ｆ」を、上記熱発生率最大傾きに乗算することにより、ＮＯｘ発生総量が算出される。つまり、上記熱発生率最大傾きとＮＯｘ発生総量とには相関があり、また、同一熱発生率最大傾きであったとしても、Ｔｉｇ、Ｏ2濃度、充填ガス量、着火時期に応じてＮＯｘ発生総量は変化するため、これらＴｉｇ、Ｏ2濃度、充填ガス量、着火時期に基づく補正値である上記「Ｔｉｇ補正値」、「Ｏ2補正値」、「充填ガス量補正値」、「着火時期補正値」を変数とする関数「ｆ」を、上記熱発生率最大傾きに乗算することにより、ＮＯｘ発生総量が高い精度で算出されることになる。
【００９９】
尚、上述の如く「Ｔｉｇ補正値」、「Ｏ2補正値」、「充填ガス量補正値」、「着火時期補正値」がＮＯｘ発生量に影響を及ぼすことは、周知の「拡大ドルゼビッチ機構」により知られている。以下、参考のために「拡大ドルゼビッチ機構」の演算式を提示する。
【０１００】
【数２】
2012092748.tif 000004
【０１０１】
図９は、燃焼室３内の各種状態量とＮＯｘ発生量との相関を示す図であって、図９（ａ）は燃料着火時点での燃焼場温度（Ｔｉｇ）とＮＯｘ発生量との相関を、図９（ｂ）は燃焼室３内の酸素濃度とＮＯｘ発生量との相関を、図９（ｃ）は燃焼室３内の充填ガス量とＮＯｘ発生量との相関を、図９（ｄ）は燃料の着火時期とＮＯｘ発生量との相関をそれぞれ示している。
【０１０２】
これら各図に示すように、燃料着火時点での燃焼場温度（Ｔｉｇ）、燃焼室３内の酸素濃度、燃焼室３内の充填ガス量、燃料の着火時期は、それぞれＮＯｘ発生量との相関を有している。例えば、燃料着火時点での燃焼場温度（Ｔｉｇ）が高いほどＮＯｘ発生量は増大し、燃焼室３内の酸素濃度が高いほどＮＯｘ発生量は増大し、燃焼室３内の充填ガス量が多いほどＮＯｘ発生量は減少し、燃料の着火時期が進角側にあるほどＮＯｘ発生量は減少することになる。
【０１０３】
尚、上述したＴｉｇ、Ｏ2濃度、充填ガス量、着火時期それぞれの変化に対するＮＯｘ発生総量の変化量（各種状態量それぞれのＮＯｘ発生総量に対する影響度合い）はエンジン１の機種毎に異なる。このため、上記「Ｔｉｇ補正値」、「Ｏ2補正値」、「充填ガス量補正値」、「着火時期補正値」も、エンジン１の機種毎に異なった値として設定されることになる。例えば、燃料着火時点での燃焼場温度が同一であっても、この燃料着火時点での燃焼場温度の変化によるＮＯｘ発生総量の変化が大きくなるエンジン１にあっては、この「Ｔｉｇ補正値」としては大きな値として設定され、この燃料着火時点での燃焼場温度の変化によるＮＯｘ発生総量の変化が小さいエンジン１にあっては、この「Ｔｉｇ補正値」としては小さな値として設定されることになる。他の補正値においても同様である。これらエンジン１の機種毎に与えられる「Ｔｉｇ補正値」、「Ｏ2補正値」、「充填ガス量補正値」、「着火時期補正値」は、予め実験やシミュレーション等によって設定されている。
【０１０４】
図１０は、燃焼室３内の状態量変化に伴う、熱発生率最大傾きとＮＯｘ発生総量との関係を説明するための図である。例えば、ある機種のエンジン１において、上述した燃焼室３内の状態量（Ｔｉｇ、酸素濃度、充填ガス量、着火時期）に応じた補正（ＮＯｘ発生量の補正）を行わなかった場合における熱発生率最大傾きとＮＯｘ発生総量との関係は、図中の実線で示すものである。これに対し、上記燃焼室３内の状態量に応じたＮＯｘ発生量の補正を行うことにより、熱発生率最大傾きとＮＯｘ発生総量との関係が正確に求められることになる。例えば、図８における破線Ｘは、燃焼室３内の状態量に応じた補正を行うことにより、熱発生率最大傾きが大きくなることに伴ってＮＯｘ発生総量の増加量割合も大きくなる場合の特性変化を示しており、破線Ｙは、燃焼室３内の状態量に応じた補正を行うことにより、熱発生率最大傾きが大きくなることに伴うＮＯｘ発生総量の増加量割合が比較的小さい場合の特性変化を示している。
【０１０５】
このように、燃焼室３内の状態量変化に伴ってＮＯｘ発生総量も変化することになる。このことを上記式（３）の燃焼場温度Ｔで表現する演算式としては、例えば下記の式（４）が挙げられる。
【０１０６】
【数３】
2012092748.tif 000005
【０１０７】
−制御パラメータの制御動作−
次に、上述の如く推定されたＮＯｘ発生総量に基づく制御パラメータの制御動作について説明する。尚、以下に示す制御パラメータの制御動作では、上記推定されたＮＯｘ発生総量に基づいてＮＯｘ発生量を許容量以下にするための制御動作と、推定されたｓｍｏｋｅ発生総量に基づいてｓｍｏｋｅ発生量を許容量以下にするための制御動作とが並行される場合について説明する。
【０１０８】
図１１は、この制御パラメータの制御動作の手順を示すフローチャートである。このフローチャートは、エンジン１の始動後、燃焼行程が実行される度に（例えば４気筒エンジンの場合にはクランクシャフトが１８０°回転する度に）実行される。
【０１０９】
先ず、ステップＳＴ１で、上述した推定動作により求められたＮＯｘ発生総量を取得すると共に、ｓｍｏｋｅ発生総量を取得する。このｓｍｏｋｅ発生総量を取得するための動作としては従来より公知の手法が採用可能である。例えば、上記エアフローメータ４３によって検出される吸入空気量、上記レール圧センサ４１によって検出されるコモンレール２２の内圧（燃料噴射圧に相当）、吸気温センサ４９によって検出される吸入空気の温度等に基づき、予め上記ＲＯＭ１０２に記憶されたｓｍｏｋｅ発生総量マップや所定の演算式によってｓｍｏｋｅ発生総量が求められる。
【０１１０】
これらＮＯｘ発生総量及びｓｍｏｋｅ発生総量を取得した後、ステップＳＴ２に移り、ＮＯｘ発生総量が、予め設定されたＮＯｘ許容量以下であるか否かを判定する。このＮＯｘ許容量は、自動車の排気エミッション規制（Ｅｕｒｏ６等）により規定された値、またはそれ以下の値として設定されている。
【０１１１】
ＮＯｘ発生総量がＮＯｘ許容量を超えており、ステップＳＴ２でＮＯ判定された場合には、ステップＳＴ３に移り、ｓｍｏｋｅ発生総量が、予め設定されたｓｍｏｋｅ許容量以下であるか否かを判定する。このｓｍｏｋｅ許容量も、自動車の排気エミッション規制（Ｅｕｒｏ６等）により規定された値、またはそれ以下の値として設定されている。
【０１１２】
ｓｍｏｋｅ発生総量がｓｍｏｋｅ許容量以下であり、ステップＳＴ３でＹＥＳ判定された場合、つまり、ＮＯｘ発生総量がＮＯｘ許容量を超えており、ｓｍｏｋｅ発生総量がｓｍｏｋｅ許容量以下である場合には、ステップＳＴ４に移り、Ｏ2濃度低下制御を実行する（酸素濃度制御手段による燃焼室内の酸素濃度の制御動作）。つまり、次に燃焼行程を迎える気筒での燃焼行程時におけるＯ2濃度を低下させる制御を実行し、ＮＯｘ発生総量が減少するように制御する。具体的にはＥＧＲ量の増量補正を行うことで燃焼室３内のＯ2濃度を低下させることになる。この場合のＯ2濃度の低下量（ＥＧＲの増加量）としては、予め規定された一定値であってもよいし、上記ＮＯｘ発生総量とＮＯｘ許容量との偏差（ＮＯｘ発生総量からＮＯｘ許容量を減算した値）に応じて変更するようにしてもよい。図１２は、このＮＯｘ発生総量とＮＯｘ許容量との偏差に応じてＯ2濃度の低下量を設定するためのＯ2濃度低下量マップを示している。このＯ2濃度低下量マップにより、ＮＯｘ発生総量とＮＯｘ許容量との偏差が大きいほどＯ2濃度の低下量を大きく設定することになる。このＯ2濃度低下量マップは、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であり、上記ＲＯＭ１０２に記憶されている。
【０１１３】
上記ＮＯｘ発生総量がＮＯｘ許容量以下であってステップＳＴ２でＹＥＳ判定された場合にはステップＳＴ５に移り、上記ステップＳＴ３の場合と同様に、ｓｍｏｋｅ発生総量が、予め設定されたｓｍｏｋｅ許容量以下であるか否かを判定する。
【０１１４】
ｓｍｏｋｅ発生総量がｓｍｏｋｅ許容量を超えており、ステップＳＴ５でＮＯ判定された場合、つまり、ＮＯｘ発生総量がＮＯｘ許容量以下であり、ｓｍｏｋｅ発生総量がｓｍｏｋｅ許容量を超えている場合には、ステップＳＴ６に移り、着火時期遅角制御を実行する。つまり、次に燃焼行程を迎える気筒での燃焼行程時における燃料着火時期を遅角させる制御を実行し、ｓｍｏｋｅ発生総量が減少するように制御する。具体的にはメイン噴射の噴射開始タイミングを遅角側に補正することで燃料着火時期を遅角させることになる。この場合の遅角補正量としては、予め規定された一定値であってもよいし、上記ｓｍｏｋｅ発生総量とｓｍｏｋｅ許容量との偏差（ｓｍｏｋｅ発生総量からｓｍｏｋｅ許容量を減算した値）に応じて変更するようにしてもよい。図１３は、このｓｍｏｋｅ発生総量とｓｍｏｋｅ許容量との偏差に応じて燃料着火時期の遅角量を設定するための燃料着火時期遅角量マップを示している。この燃料着火時期遅角量マップにより、ｓｍｏｋｅ発生総量とｓｍｏｋｅ許容量との偏差が大きいほど燃料着火時期遅角量を大きく設定することになる。この燃料着火時期遅角量マップも、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であり、上記ＲＯＭ１０２に記憶されている。
【０１１５】
また、上記ステップＳＴ３でＮＯ判定された場合、つまり、ＮＯｘ発生総量がＮＯｘ許容量を超えており且つｓｍｏｋｅ発生総量がｓｍｏｋｅ許容量を超えている場合には、ステップＳＴ７に移り、上述したＯ2濃度低下制御を実行すると共に着火時期遅角制御を実行する。これにより、ＮＯｘ発生量及びｓｍｏｋｅ発生量が共に減量されるように制御する。
【０１１６】
以上のような制御が継続され、上記ステップＳＴ５でＹＥＳ判定された場合、つまり、ＮＯｘ発生総量がＮＯｘ許容量以下となり且つｓｍｏｋｅ発生総量がｓｍｏｋｅ許容量以下となった場合には、上記Ｏ2濃度低下制御及び着火時期遅角制御を非実行としてリターンされる。
【０１１７】
以上説明したように、本実施形態では、各種バラツキ（製造バラツキ、燃料性状のバラツキ、噴射量のバラツキ等）が生じている場合であっても、高い精度で推定されたＮＯｘ発生総量に基づいてエンジン１の制御パラメータ（ＥＧＲ量や燃料噴射タイミング等）を制御し、ＮＯｘ発生総量を許容範囲内に抑えることが可能になる。このため、上記各種バラツキが発生することを考慮して制御パラメータに対する制御量に余裕を持たせる（制御パラメータに対する制御量の値として、ＮＯｘ発生量を抑制する側に大きく偏倚させておく）といったことは必要なくなり、エンジン１の性能及び燃料消費率の改善を図ることができる。
【０１１８】
また、本実施形態では、燃焼行程時における熱発生率最大傾きを取得した後の情報処理動作としては、燃焼行程の全域における熱発生率の傾きの情報を扱う必要が無くなり、熱発生率の上昇度合いに関する情報として上記熱発生率最大傾きのみを扱うことで済む。このため、燃焼行程の全域における熱発生率の上昇度合いの情報を扱う場合に比べて、情報量の大幅な削減を図ることができ、上記ＣＰＵ１０１に対する負荷の軽減を図ることが可能になる。
【０１１９】
−他の実施形態−
以上説明した実施形態では、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。
【０１２０】
また、上述した実施形態では、燃焼行程期間を複数の熱発生率傾き算出期間に分割し、それぞれの熱発生率傾き算出期間における熱発生率の傾きの平均値を求めるようにした。本発明はこれに限らず、燃焼行程期間中の所定期間（例えばメイン噴射が実行された後、クランクシャフトの回転角度が１０°ＣＡ進んだ時点から１５°ＣＡに達した時点までの期間中）の熱発生率の傾きの平均値を求め、これを上述した熱発生率最大傾きとして扱ってＮＯｘ発生総量の算出を行うようにしてもよい。
【０１２１】
また、上述した実施形態では、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について説明したが、本発明は、可変噴射率インジェクタを適用したエンジンへの適用も可能である。
【０１２２】
加えて、上記実施形態では、マニバータ７７として、ＮＳＲ触媒７５及びＤＰＮＲ触媒７６を備えたものとしたが、ＮＳＲ触媒７５及びＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ  Ｐａｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｆｉｌｔｅｒ）を備えたものとしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１２３】
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いて、ＮＯｘ発生量を高い精度で推定し、そのＮＯｘ発生量を許容量以下に抑えるための制御に適用可能である。
【符号の説明】
【０１２４】
１        エンジン（内燃機関）
３        燃焼室
２３      インジェクタ（燃料噴射弁）
４Ａ      筒内圧センサ
８        ＥＧＲ通路
８１      ＥＧＲバルブ
Ｔｉｇ    燃料着火時点での燃焼場温度
Ｇｃｙｌ  燃焼室内の充填ガス量
【図１】
2012092748.tif 000006
【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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