(57)【要約】【課題】本発明は、自着火温度が比較的高い燃料を用いてディーゼル燃焼を行う内燃機関において、燃料の急激な自着火の発生を抑制することを目的とする。【解決手段】本発明では、圧縮行程中に火花点火によるプレ燃焼が行われる。その後、圧縮行程上死点前に、筒内噴射弁によるメイン噴射が実行される。これにより、プレ燃焼によって生じた火炎を起点として、メイン噴射によって噴射された燃料の燃焼が開始され、さらに燃料の自着火および拡散燃焼が生じる。そして、本発明では、少なくとも内燃機関の一部の運転領域において、プレ噴射燃料に対する火花点火よりも後であってメイン噴射よりも前の時期にミドル噴射が実行される。そして、ミドル噴射によって噴射された燃料が火炎伝播によって燃焼される。【選択図】図９
2016196852.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関における燃焼室の中央近傍の位置から放射状に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
前記燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧の一部が点火可能領域を通過し該燃料噴霧に直接に点火可能となるように、該燃料噴射弁に対する相対位置が決定された点火装置と、
圧縮行程中のプレ噴射時期に前記燃料噴射弁によるプレ噴射を実行するとともに該プレ噴射によって形成される燃料噴霧であるプレ噴霧に対し前記点火装置によって点火を行い、さらに、前記点火装置による前記プレ噴霧への点火後であり且つ圧縮行程上死点前の時期であって、前記プレ噴霧への点火によって生じた火炎を起点として噴射燃料の燃焼が開始されるように設定されたメイン噴射時期に前記燃料噴射弁によるメイン噴射の実行を開始することで、燃料の自着火を発生させるとともに少なくとも前記メイン噴射によって噴射された燃料の一部を拡散燃焼させる燃焼制御手段と、を備え、
少なくとも内燃機関の一部の運転領域では、前記燃焼制御手段が、一燃焼サイクル中において、前記プレ噴射および前記メイン噴射に加えて、前記点火装置による前記プレ噴霧への点火後であり且つ前記メイン噴射時期より前のミドル噴射時期に、同一燃焼サイクルにおける前記プレ噴射の燃料噴射量よりも少ない量の燃料を前記燃料噴射弁によって噴射するミドル噴射を実行し、該ミドル噴射によって噴射された燃料を前記プレ噴霧への点火によって生じた火炎を起点とする火炎伝播によって燃焼させる内燃機関の制御装置。
【請求項２】
前記一部の運転領域が、内燃機関の機関負荷が所定負荷よりも高い運転領域であって、
内燃機関の機関負荷が前記所定負荷以下の運転領域では、前記燃焼制御手段が、一燃焼サイクル中において前記プレ噴射および前記メイン噴射を実行し、
内燃機関の機関負荷が前記所定負荷よりも高い運転領域では、前記燃焼制御手段が、一燃焼サイクル中において、前記プレ噴射および前記メイン噴射に加えて前記ミドル噴射を実行する請求項１に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項３】
前記ミドル噴射の燃料噴射量が、前記プレ噴射を実行する全運転領域において最も少ない前記プレ噴射の燃料噴射量よりも少ない請求項１または２に記載の内燃機関の制御装置。
【請求項４】
前記ミドル噴射の燃料噴射量が、前記ミドル噴射時期における気筒内の空気量、圧力、および温度に基づいて、Ｌｉｖｅｎｇｏｏｄ−Ｗｕ積分式を用いて算出される、前記ミドル噴射の実行後であって前記メイン噴射時期よりも前に燃料の自着火が生じることとなる燃料噴射量の下限値よりも少ない量である請求項１から３のいずれか一項に記載の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、内燃機関の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃焼室内の圧縮空気に対して燃料を直接噴射して該燃料を自着火させ拡散燃焼させる燃焼形態である、いわゆるディーゼル燃焼は、火花点火による燃焼と比べて熱効率が高い。近年、このようなディーゼル燃焼の利点をガソリンエンジンにおいても享受すべく、ガソリンの自着火および拡散燃焼による燃焼を成立させるための技術が開発されている。
【０００３】
例えば、特許文献１に開示の技術では、先ず、筒内噴射弁によって圧縮行程前半に第１の燃料噴射を行うことで燃焼室内全域にほぼ均質な混合気を形成する。そして、第１の燃料噴射によって形成された混合気に対し火花点火を行う。その後に第２の燃料噴射を行って噴射された燃料を燃焼させ、さらに、この燃焼による燃焼室内の温度および圧力上昇により残りの燃料を自着火させる。
【０００４】
また、特許文献２には、自着火温度が比較的高い天然ガス等を燃料としてディーゼル燃焼を実現させるための技術が開示されている。この特許文献２に開示の技術では、先ず、燃焼室内の所定の火花点火領域において圧縮行程の初期又は中期に燃料噴射を行うことで火花点火可能な混合気を形成する。そして、この火花点火領域に形成された混合気に対して圧縮行程上死点直前の時期に点火することで火花点火燃焼を行う。これによって、燃焼室内が天然ガスの自着火が可能な高温且つ高圧の状態となる。その後、高温高圧状態の燃焼室内に直接燃料を噴射して該燃料をディーゼル燃焼させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２７６４４２号公報
【特許文献２】特開２００３−２５４１０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、ガソリンのように自着火温度が比較的高い燃料を用いてディーゼル燃焼を行う内燃機関において、燃料の急激な自着火の発生を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る内燃機関の燃料噴射弁は、燃焼室の中央近傍の位置から放射状に燃料を噴射する。内燃機関においては、圧縮行程中に燃料噴射弁によるプレ噴射が実行されるとともに、該プレ噴射によって噴射された燃料（以下、「プレ噴射燃料」と称する場合もある）に対して火花点火が行われる。その後、圧縮行程上死点前に燃料噴射弁によるメイン噴射の実行が開始される。これにより、プレ噴射燃料に対して火花点火を行うことで生じた火炎を起点として、メイン噴射によって噴射された燃料（以下、「メイン噴射燃料」と称する場合もある）の燃焼が開始され、さらに燃料の自着火および拡散燃焼が生じる。
【０００８】
さらに、本発明では、少なくとも内燃機関の一部の運転領域において、プレ噴射およびメイン噴射に加えて燃料噴射弁によるミドル噴射が実行される。このミドル噴射は、プレ噴射燃料に対する火花点火よりも後であってメイン噴射よりも前の時期に行われる。そして、ミドル噴射によって噴射された燃料（以下、「ミドル噴射燃料」と称する場合もある）が火炎伝播によって燃焼する。なお、本発明に係る「プレ噴射」、「メイン噴射」、「
ミドル噴射」との用語は、一燃焼サイクル中に燃料噴射弁によって実行される各燃料噴射を区別するために便宜的に用いられているに過ぎない。
【０００９】
より詳しくは、本発明に係る内燃機関の制御装置は、内燃機関における燃焼室の中央近傍の位置から放射状に燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧の一部が点火可能領域を通過し該燃料噴霧に直接に点火可能となるように、該燃料噴射弁に対する相対位置が決定された点火装置と、圧縮行程中のプレ噴射時期に前記燃料噴射弁によるプレ噴射を実行するとともに該プレ噴射によって形成される燃料噴霧であるプレ噴霧に対し前記点火装置によって点火を行い、さらに、前記点火装置による前記プレ噴霧への点火後であり且つ圧縮行程上死点前の時期であって、前記プレ噴霧への点火によって生じた火炎を起点として噴射燃料の燃焼が開始されるように設定されたメイン噴射時期に前記燃料噴射弁によるメイン噴射の実行を開始することで、燃料の自着火を発生させるとともに少なくとも前記メイン噴射によって噴射された燃料の一部を拡散燃焼させる燃焼制御手段と、を備え、少なくとも内燃機関の一部の運転領域では、前記燃焼制御手段が、一燃焼サイクル中において、前記プレ噴射および前記メイン噴射に加えて、前記点火装置による前記プレ噴霧への点火後であり且つ前記メイン噴射時期より前のミドル噴射時期に、同一燃焼サイクルにおける前記プレ噴射の燃料噴射量よりも少ない量の燃料を前記燃料噴射弁によって噴射するミドル噴射を実行し、該ミドル噴射によって噴射された燃料を前記プレ噴霧への点火によって生じた火炎を起点とする火炎伝播によって燃焼させる。
【００１０】
本発明に係る燃料噴射弁は、燃焼室の中央近傍の位置から放射状に燃料を噴射する。そして、本発明では、先ず、圧縮行程中のプレ噴射時期にプレ噴射が実行されるとともに、プレ噴射燃料によって形成されたプレ噴霧に対して点火装置によって直接点火が行われる。これにより、所謂スプレーガイド燃焼が実現される。以下、このようなプレ噴霧への点火によって生じるスプレーガイド燃焼を「プレ燃焼」と称する場合もある。さらに、プレ噴霧に対する点火時期よりも後のメイン噴射時期にメイン噴射の実行が開始される。なお、メイン噴射は、圧縮行程上死点前に実行が開始される噴射であるが、圧縮行程上死点以降まで継続されてもよい。
【００１１】
また、本発明においては、プレ噴射時期、点火時期、およびメイン噴射時期は、プレ燃焼によって生じた火炎を起点としてメイン噴射燃料の燃焼が開始されるように設定されている。そして、メイン噴射燃料の燃焼が開始されると、燃焼室内の温度および圧力が上昇することで、燃料の自着火が発生し、さらには少なくともメイン噴射燃料の一部が拡散燃焼することとなる。また、プレ噴射燃料のうち、点火装置による点火によって燃焼する燃料は一部である。この点火によって生じる火炎伝播により燃焼する一部の燃料以外のプレ噴射燃料は、メイン噴射の実行開始後に自着火または拡散燃焼によって燃焼する。したがって、プレ噴射燃料およびメイン噴射燃料のいずれも内燃機関の出力に寄与することとなる。そのため、熱効率の高いディーゼル燃焼を実現することが可能となる。
【００１２】
ここで、上記のように、プレ燃焼は火炎の伝播による燃焼である。そして、この火炎伝播が生じている間にメイン噴射が実行されることで、該火炎を起点としてメイン噴射燃料の燃焼が開始されることになる。しかしながら、燃料噴射弁の周囲における一部の領域では、プレ噴霧への点火により点火装置付近で生じた火炎が伝播によって到達する前に、プレ噴射燃料が拡散してしまうことで、燃料の燃焼が困難なほど空燃比が高い状態となる場合がある。このような空燃比が高い状態となった領域には火炎が伝播できない。そのため、燃料噴射弁の周囲において、局所的に、プレ燃焼時においても火炎が発生しない領域が生じることになる。以下、このような領域を「火炎未発生領域」と称する。
【００１３】
さらに、本発明では、燃料噴射弁からは、燃焼室の中央近傍の位置から放射状に燃料が噴射される。そのため、プレ燃焼時に火炎未発生領域が生じた場合、燃料噴射弁によって
メイン噴射が実行されると、該火炎未発生領域にもメイン噴射燃料が供給されることになる。しかしながら、火炎未発生領域では、プレ燃焼によって生じた火炎が存在している他の領域に比べてメイン噴射によって供給された燃料（メイン噴射燃料）が燃焼し難い。そのため、火炎未発生領域ではメイン噴射の実行開始後における燃料の自着火の発生が他の領域に比べて遅れることになる。その結果、火炎未発生領域で生じる燃料の自着火は急激なものとなる。このような燃料の急激な自着火は、ノッキングや燃焼騒音の発生要因となる。
【００１４】
そこで、本発明では、少なくとも内燃機関の一部の運転領域において、プレ噴射およびメイン噴射に加えて、燃料噴射弁によるミドル噴射を実行する。このミドル噴射は、点火装置によるプレ噴霧への点火後であり且つメイン噴射時期より前のミドル噴射時期に、同一燃焼サイクルにおけるプレ噴射の燃料噴射量よりも少ない量の燃料を燃料噴射弁によって噴射することで実行される。また、ミドル噴射時期は、ミドル噴射燃料がプレ噴霧への点火によって生じた火炎を起点とする火炎伝播によって燃焼する時期に設定されている。つまり、ミドル噴射燃料はプレ燃焼に供されることになる。
【００１５】
ミドル噴射時期にミドル噴射が実行されることで、仮に該ミドル噴射が実行されなかった場合には火炎未発生領域となり得る領域に、メイン噴射時期よりも前に燃料（ミドル噴射燃料）が追加供給される。これにより、当該領域における空燃比が、燃料の燃焼が可能な程度まで低下する。その結果、プレ燃焼によって生じた火炎が当該領域まで伝播することが可能となる。そのため、当該領域においても火炎が発生する。つまり、ミドル噴射燃料が火炎伝播によって燃焼することで、メイン燃料噴射の実行が開始される時点での燃料噴射弁の周囲において火炎が存在する領域が拡大されることになる。
【００１６】
このように、ミドル噴射が実行されることで、火炎未発生領域が生じることが抑制される。また、ミドル噴射燃料量は、同一燃焼サイクルにおけるプレ噴射燃料量よりも少ない。そのため、ミドル噴射を実行した場合であっても、メイン噴射時期よりも前に燃料の自着火が生じることを可及的に抑制することができる。
【００１７】
以上により、本発明によれば、燃料の急激な自着火の発生を抑制することができる。その結果、ノッキングや燃焼騒音の発生を抑制することが可能となる。
【００１８】
ここで、内燃機関の機関負荷が高いほど、気筒内の圧力および温度が高くなる傾向にある。そのため、プレ燃焼時に火炎未発生領域が生じた場合、内燃機関の機関負荷が高いほど、メイン噴射が実行された際に燃料の急激な自着火が生じ易い。そこで、本発明においては、ミドル噴射が実行される一部の運転領域を内燃機関の機関負荷が所定負荷よりも高い運転領域としてもよい。そして、内燃機関の機関負荷が所定負荷以下の運転領域では、燃焼制御手段が、一燃焼サイクル中においてプレ噴射およびメイン噴射を実行し、内燃機関の機関負荷が所定負荷よりも高い運転領域では、燃焼制御手段が、一燃焼サイクル中においてプレ噴射およびメイン噴射に加えてミドル噴射を実行してもよい。これによれば、内燃機関の機関負荷がより高い運転領域において、燃料の急激な自着火を可及的に抑制しつつ熱効率の高いディーゼル燃焼を実現することができる。
【００１９】
また、本発明においては、ミドル噴射燃料量を、プレ噴射を実行する全運転領域における最も少ないプレ噴射燃料量よりも少ない量としてもよい。これによれば、ミドル噴射を実行した場合であっても、メイン噴射時期よりも前に燃料の自着火が生じることをより高い確率で抑制することができる。
【００２０】
また、本発明においては、ミドル噴射燃料量を、前記ミドル噴射時期における気筒内の空気量、圧力、および温度に基づいて、Ｌｉｖｅｎｇｏｏｄ−Ｗｕ積分式を用いて算出さ
れる、前記ミドル噴射の実行後であって前記メイン噴射時期よりも前に燃料の自着火が生じることとなる燃料噴射量の下限値よりも少ない量としてもよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、ガソリンのように自着火温度が比較的高い燃料を用いてディーゼル燃焼を行う内燃機関において、燃料の急激な自着火の発生を抑制することを目的とする。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施例が適用される内燃機関と、その吸気系及び排気系との概略構成を示す図である。
【図２】図１に示す内燃機関に搭載される点火プラグの配置を説明するための図である。
【図３】本発明の実施例において実行される基本燃焼制御を説明するための図である。
【図４】本発明の実施例に係る基本燃焼制御が行われたときの燃焼室での熱発生率の推移を示す図である。
【図５】本発明の実施例に係る基本燃焼制御でのプレ噴射における、プレ噴射燃料量と、プレ噴射燃料の燃焼効率との相関を示す図である。
【図６】本発明の実施例に係る基本燃焼制御においてプレ噴射燃料量とメイン噴射燃料量との比率を変更した場合における燃焼室内での熱発生比率の推移の変化を示す図である。
【図７】本発明の実施例に係る基本燃焼制御を実行した場合の気筒内における燃料と火炎の様子を示す図である。
【図８】本発明の実施例において実行される高負荷燃焼制御を説明するための図である。
【図９】本発明の実施例に係る高負荷燃焼制御を実行した場合の気筒内における燃料と火炎の様子を示す図である。
【図１０】本発明の実施例に係る燃焼制御に用いられる制御マップを示す図である。
【図１１】本発明の実施例に係る燃焼制御の制御フローを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に記載がない限りは発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【実施例１】
【００２４】
図１は、本発明を適用する内燃機関およびその吸排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、複数の気筒を備えた４ストローク・サイクルの火花点火式内燃機関（ガソリンエンジン）である。なお、図１では、複数の気筒のうち１気筒のみが示されている。また、内燃機関１は、気筒２内においてスワール流が形成されるように構成されている。
【００２５】
内燃機関１の各気筒２には、ピストン３が摺動自在に内装されている。ピストン３は、コネクティングロッド４を介して図示しない出力軸（クランクシャフト）と連結されている。また、気筒２の内部は、吸気ポート７及び排気ポート８と連通している。気筒２内における吸気ポート７の開口端は、吸気弁９により開閉される。気筒２内における排気ポート８の開口端は、排気弁１０により開閉される。吸気弁９と排気弁１０は、図示しない吸気カムと排気カムとにより各々開閉駆動される。
【００２６】
また、各気筒２には、燃料噴射弁６および点火プラグ５が設けられている。燃料噴射弁６は、気筒２内に形成される燃焼室の中央頂部に配置されており、気筒内に燃料を直接噴射する。点火プラグ５は、気筒２の燃焼室内において、燃料（噴霧又は混合気）に対し点火を行う。
【００２７】
ここで、図２に基づいて、気筒２における点火プラグ５の配置について説明する。本実施例に係る燃料噴射弁６は、図２に示すように放射状に１６方向に燃料を噴射可能となるように噴孔６ａを有している。そして、点火プラグ５の点火可能領域である電極間の領域５ａに対して、噴孔６ａから噴射された燃料噴霧の少なくとも一つが通過するように、且つ、その通過した噴霧に対して領域５ａにおける電極間で生じた火花によって直接点火できるように、燃料噴射弁６に対する点火プラグ５の相対位置が決定されている。このように構成された点火プラグ５と燃料噴射弁６は、スプレーガイド燃焼を実現可能とする。すなわち、燃料噴射弁６および点火プラグ５は、内燃機関１の吸気弁９の開弁時期やピストン３の位置にかかわらず任意の時期に、領域５ａを通過する燃料噴霧に対する点火を可能とする。なお、本実施例においては、点火プラグ５は、吸気弁９および排気弁１０の動作に干渉しないように、２つの吸気ポート７の開口部の間に位置している。ただし、本発明に係る点火装置の位置は、２つの吸気ポートの開口部の間に限られるものではない。また、本実施例では、図２に示すように、噴孔６ａから噴射された燃料噴霧の一つと点火プラグ５の電極とが重なるような構成とした。しかしながら、点火プラグ５の点火可能領域は、その電極間の領域５ａに限られるものではなく、該電極近傍の領域も含まれる。したがって、噴孔６ａから噴射された燃料噴霧と点火プラグ５の電極とが必ずしも重なる必要はない。つまり、点火プラグ５ａは、必ずしも、噴孔６ａからの燃料の噴射方向上（噴霧の中心軸上）に配置される必要はない。噴孔６ａから噴射された燃料噴霧が点火プラグ５の電極からずれていても、該燃料噴霧が点火可能領域を通過すれば、点火プラグ５の電極間で生じる火花を起点とするスプレーガイド燃焼を実現することは可能である。つまり、本実施例においては、燃料噴射弁６に対する点火プラグ５の相対位置はスプレーガイド燃焼を実現可能な位置であればよく、点火プラグ５が、噴孔６ａからの燃料の噴射方向上（噴霧の中心軸上）からずれた位置に配置されていてもよい。
【００２８】
ここで図１に戻ると、吸気ポート７は、吸気通路７０と連通している。吸気通路７０には、スロットル弁７１が配置されている。スロットル弁７１より上流の吸気通路７０には、エアフローメータ７２が配置されている。一方で、排気ポート８は、排気通路８０と連通している。排気通路８０には、内燃機関１から排出される排気を浄化するための排気浄化触媒８１が配置されている。なお、後述するように、内燃機関１から排出される排気の空燃比は、ストイキ空燃比よりも高いリーン空燃比である。そのため、排気浄化触媒８１としては、リーン空燃比の排気中のＮＯｘ浄化が可能な選択還元型のＮＯｘ触媒や排気中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集可能なフィルタを採用することができる。
【００２９】
そして、内燃機関１には電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０が併設されている。このＥＣＵ２０は内燃機関１の運転状態や排気浄化装置等を制御するユニットである。ＥＣＵ２０には、上述したエアフローメータ７２や、クランクポジションセンサ２１及びアクセルポジションセンサ２２が電気的に接続され、各センサの検出値がＥＣＵ２０に入力される。したがって、ＥＣＵ２０は、エアフローメータ７２によって検出される吸入空気量、クランクポジションセンサ２１の検出値に基づいて算出される機関回転速度、およびアクセルポジションセンサ２２の検出値に基づいて算出される機関負荷等の内燃機関１の運転状態を把握可能である。また、ＥＣＵ２０には、燃料噴射弁６、点火プラグ５、およびスロットル弁７１等が電気的に接続され、これらの各要素がＥＣＵ２０によって制御される。
【００３０】
＜基本燃焼制御＞
上記のように構成される内燃機関１において実行される基本的な燃焼制御である基本燃
焼制御について、図３に基づいて説明する。図３は、図の左側から右側に進む時系列において、内燃機関１で行われる基本燃焼制御に関する燃料噴射及び点火の流れ（図３（ａ）の上段を参照）と、その燃料噴射及び点火により燃焼室で生じると想定される燃焼に関する事象の変遷（図３（ａ）の下段を参照）を模式的に示したものである。また、図３（ｂ）には、図３（ａ）に示す燃料噴射であるプレ噴射とメイン噴射、および点火の時間的相関が示されている。なお、図３に示す形態は、あくまでも本実施例に係る基本燃焼制御を説明するために模式的に示したものであり、本発明をこの形態に限定して解釈すべきではない。
【００３１】
本実施例に係る基本燃焼制御では、一燃焼サイクルにおいて、燃料噴射弁６によってプレ噴射とメイン噴射とが実行される。プレ噴射は圧縮行程中に実行される燃料噴射である。メイン噴射は、プレ噴射よりも後の時期であって圧縮行程上死点（ＴＤＣ）より前の時期に実行が開始される燃料噴射である。なお、メイン噴射は、ＴＤＣより前の時期に実行が開始されるが、ＴＤＣ以降までその実行が継続されてもよい。そして、図３（ｂ）に示すように、プレ噴射の噴射開始時期（以下、単に「プレ噴射時期」と称する）をＴｐとし、メイン噴射の噴射開始時期（以下、単に「メイン噴射時期」と称する）をＴｍとする。また、プレ噴射時期とメイン噴射時期との間隔（Ｔｍ−Ｔｐ）を第１噴射インターバルＤｉ１と定義する。また、プレ噴射による燃焼は上述したスプレーガイド燃焼として実行される。つまり、プレ噴射によって噴射された燃料（以下、「プレ噴射燃料」と称する）によって形成されるプレ噴霧に対して点火プラグ５による点火が行われる。この点火時期を、図３（ｂ）に示すようにＴｓとする。また、プレ噴射の実行が開始されてから点火が行われるまでの間隔（Ｔｓ−Ｔｐ）を点火インターバルＤｓと定義する。
【００３２】
次に、本発明に係る基本燃焼制御の流れについて説明する。
（１）プレ噴射
基本燃焼制御では、一燃焼サイクル中において、先ず、圧縮行程中のプレ噴射時期Ｔｐにプレ噴射が行われる。なお、プレ噴射時期Ｔｐは、後述するメイン噴射時期Ｔｍとの相関に基づいて決定される。プレ噴射が実行されることで、図２に示すように、燃料噴射弁６から噴射されたプレ噴射燃料によって形成されたプレ噴霧は、燃焼室内において点火プラグ５の点火可能領域５ａを通過する。また、プレ噴霧はペネトレーションが小さいため燃焼室内において広く拡散しない。そのため、プレ噴射の実行直後においては、プレ噴射燃料によって燃焼室内に成層混合気が形成される。
【００３３】
（２）プレ噴射燃料への点火
そして、プレ噴射時期から所定の点火インターバルＤｓが経過した点火時期Ｔｓに、点火プラグ５によるプレ噴霧への点火が行われる。上記の通り、プレ噴射の実行直後においては、プレ噴射燃料は成層化されている。そのため、該プレ噴射燃料量が少量であっても点火プラグ５周囲の局所的な空燃比は、当該点火による燃焼が可能な空燃比となっている。この点火により、プレ噴射燃料が火炎伝播によって燃焼する。つまり、プレ噴射燃料によるスプレーガイド燃焼が行われることになる。換言すれば、スプレーガイド燃焼が可能となるように点火インターバルＤｓが設定されている（以下、プレ噴射燃料によるスプレーガイド燃焼を「プレ燃焼」と称する。）。そして、ピストン３の圧縮作用による圧力上昇に加えて、プレ燃焼が行われることで、燃焼室内の更なる温度上昇が得られることになる。ただし、プレ噴射燃料のうち、このプレ燃焼によって燃焼する燃料は一部である。つまり、プレ噴射燃料の多くは点火によって生じる火炎伝播による燃焼には供されずに該点火以後も「燃え残り燃料」として燃焼室内に存在することになる。これは、プレ噴射燃料によって形成された成層混合気における点火プラグ５の電極間から比較的離れた部分においては、その空燃比が高いために火炎が伝播できなくなるためである。ただし、当該燃え残り燃料は、燃焼室内でプレ噴射燃料の一部が燃焼することで高温雰囲気に晒されることになる。そのため、燃え残り燃料の少なくとも一部は燃焼には至らない状況下での低温酸
化反応により燃焼性が高められた物性に改質された状態となることが期待される。ただし、本発明におけるプレ噴射燃料の燃え残りは、点火によって生じる火炎伝播による燃焼には供されずに該点火以後も燃焼室内に未燃の状態で残った燃料を指すものであり、その燃え残った燃料が特定の物性を示す状態になっていることが必ずしも要求されるものではない。
【００３４】
（３）メイン噴射
次に、プレ噴射時期から所定の第１噴射インターバルＤｉ１が経過した圧縮行程上死点前のメイン噴射時期Ｔｍ（点火プラグ５による点火時期ＴｓからＤｉ１−Ｄｓの時間が経過した時期Ｔｍ）に、燃料噴射弁６によるメイン噴射の実行が開始される。なお、内燃機関１においては、後述するようにメイン噴射燃料は自着火または拡散燃焼に供され、機関出力に寄与することになる。そのため、メイン噴射時期Ｔｍは、機関負荷等によって決定される量のメイン噴射燃料の燃焼によって得られる機関出力が概ね最大となる時期（以下、「適正噴射時期」という）に設定される。そして、メイン噴射燃料は、プレ噴霧に対する点火によって生じた火炎が火種となって燃焼する。つまり、メイン噴射時期Ｔｍが適正噴射時期に設定されるとともに、プレ噴霧への点火によって生じた火炎を起点としてメイン噴射燃料の燃焼が開始されるように第１噴射インターバルＤｉ１が設定されている。メイン噴射時期Ｔｍと第１噴射インターバルＤｉ１とがこのように設定されることで、プレ噴射時期Ｔｐは必然的に決まることになる。そして、メイン噴射燃料の燃焼が開始されると燃焼室内の温度が更に上昇する。その結果、プレ噴射燃料の燃え残りとメイン噴射燃料とがその温度上昇場において自着火し、さらにはこれらの燃料が拡散燃焼に供されることになる。このとき、上記のようにプレ噴射燃料の燃え残りの燃焼性が高められている場合には、メイン噴射の実行開始後の燃料の自着火がより促進されることが期待される。
【００３５】
ここで、図４に本実施例に係る基本燃焼制御が行われたときの燃焼室での熱発生率の推移を示す。なお、図４においては、４つの異なる制御形態Ｌ１〜Ｌ４に対応する熱発生率の推移が示されている。これらの制御形態Ｌ１〜Ｌ４においては、プレ噴射時期Ｔｐ、プレ噴射燃料量（すなわち、プレ噴射の実行期間）、メイン噴射時期Ｔｍ、点火時期Ｔｓは同一となっているが、メイン噴射燃料量（すなわち、メイン噴射の実行期間）が制御形態ごとに異なっている。すなわち、メイン噴射燃料量は、Ｌ１＞Ｌ２＞Ｌ３＞Ｌ４となっている。つまり、図４には、プレ噴射時期Ｔｐ、プレ噴射燃料量、メイン噴射時期Ｔｍ、および点火時期Ｔｓを同一としたときのメイン噴射燃料量の増減に応じた熱発生率の推移の変化が示されていることになる。
【００３６】
ここで、図４中、点線で囲まれたＺ１の部分で、熱発生率の一次ピークが表れている。この一次ピークは、プレ噴射燃料が点火によって燃焼することで発生した熱（つまり、プレ燃焼によって発生した熱）を示している。この熱発生率の一次ピークが表れる時期においては、メイン噴射はまだ行われておらず、燃焼室内にはプレ噴射燃料に対する点火によって生じた火炎と、該点火では燃焼していないプレ噴射燃料である燃え残り燃料が存在していることになる。ここで、図５に基づいてプレ噴射燃料の燃え残りについて説明する。図５は、基本燃焼制御でのプレ噴射における、プレ噴射燃料量と、プレ噴射燃料の燃焼効率（以下、プレ燃焼効率と称する。）との相関を、３つの燃焼条件Ｌ５〜Ｌ７のそれぞれについて示した図である。具体的には、Ｌ５、Ｌ６、Ｌ７の順で、燃焼条件であるプレ噴射時期Ｔｐと点火時期Ｔｓとが、両時期のインターバルである点火インターバルＤｓを一定とした状態で進角されている。なお、図５においては、メイン噴射は行われずに、プレ噴射及び点火のみ（つまり、スプレーガイド燃焼のみ）が行われた場合の上記相関が示されている。
【００３７】
プレ燃焼効率は、プレ噴射燃料の燃え残り率と以下の式１に示す関連性を有する。つまり、プレ燃焼効率が高くなるほどプレ噴射燃料の燃え残り率は低くなる。
プレ噴射燃料の燃え残り率  ＝  １−  プレ燃焼効率  ・・・（式１）
ここで、図５からは、プレ噴射燃料量が一定の場合に、プレ噴射時期Ｔｐおよび点火時期Ｔｓを進角させると（すなわち、第１噴射インターバルＤｉ１を大きくすると）、プレ燃焼効率は下がり、故に燃え残り率は高くなる傾向が見出せる。また、プレ噴射燃料量を変化させた場合であっても、プレ噴射時期Ｔｐ及び点火時期Ｔｓの進角量を調整することで、プレ燃焼効率と燃え残り率とを一定に制御することもできる。このように本実施例に係る燃焼制御では、プレ噴射燃料量と、プレ噴射時期Ｔｐおよび点火時期Ｔｓの進角量（すなわち、第１噴射インターバルＤｉ１）とを調整することで、プレ噴射燃料の燃え残り率を制御することができる。
【００３８】
ここで、図４に戻ると、熱発生率の一次ピークが生じる時期よりも後であって圧縮行程上死点前の時期Ｔｍにおいてメイン噴射の実行が開始される。このとき、メイン噴射燃料は、上述したように、先ずは、プレ燃焼によって生じた火炎を起点として燃焼し始め、その後、プレ噴射燃料の燃え残りとともに自着火し、さらに拡散燃焼に供される。その結果、圧縮行程上死点を過ぎた時期に熱発生率の最大ピークである二次ピークが発生する。ここで、図４では、メイン噴射燃料量の増加にしたがって（すなわち、メイン噴射期間が長くなるのにしたがって）、熱発生率の二次ピークの値が大きくなるとともに、二次ピークの発生時期が遅くなっている。このことは、メイン噴射燃料量の増加にしたがってメイン噴射燃料の燃焼期間が長くなっていることを意味する。このことから、メイン噴射燃料およびプレ噴射燃料の燃え残りは、拡散燃焼に供されているものと推察することができる。
【００３９】
更に、図６に基づいて、本実施例に係る基本燃焼制御において発生する燃料の自着火について説明する。図６は、本実施例に係る基本燃焼制御において、一燃焼サイクル中の合計噴射量（プレ噴射燃料量とメイン噴射燃料量との合計）を一定としたままプレ噴射燃料量とメイン噴射燃料量との比率を変更した２つの形態Ｌ８，Ｌ９それぞれの、燃焼室内での熱発生比率の推移を示している。また、Ｌ９の形態の方がＬ８の形態に比べてプレ噴射燃料量の比率が高くなっている。すなわち、Ｌ９の形態の方がＬ８の形態に比べて、プレ噴射燃料量が多く、その結果、プレ噴射燃料の燃え残り量も多くなっている。この場合、図６に示すように、Ｌ９の形態では、Ｌ８の形態に比べて、圧縮行程上死点後の熱発生率の二次ピーク値が大きくなっている。さらに、Ｌ９の形態では、Ｌ８の形態に比べて、熱発生率の二次ピーク値からの立ち下り速度（二次ピーク以後のグラフの傾き）が大きくなっている。これらは、メイン噴射開始後のプレ噴射燃料の燃え残りおよびメイン噴射燃料の燃焼において、Ｌ９の形態では、Ｌ８の形態に比べて、自着火による燃焼がより促進されている（すなわち、自着火によって燃焼する燃料の割合が高くなり、拡散燃焼によって燃焼する燃料の割合が低くなっている）ことを意味するものと推察される。このことから、プレ噴射燃料の燃え残りがメイン噴射後の燃料の自着火の促進に寄与していると考えられる。また、本実施に係る基本燃焼制御において、プレ噴射燃料量以外にプレ噴射時期Ｔｐや点火時期Ｔｓを調整することでプレ噴射燃料の燃え残り量を多くした場合もメイン噴射後の燃料の自着火が促進されていることを、本発明の発明者は確認した。つまり、本実施例に係る基本燃焼制御においては、プレ噴射や点火に関するパラメータを調整してプレ噴射燃料の燃え残り率を高めることで、メイン噴射実行開始後のプレ噴射燃料の燃え残りとメイン噴射燃料との燃焼において自着火を促進させることが可能である。
【００４０】
以上説明したように、本実施例に係る基本燃焼制御では、プレ噴射と点火プラグ５での点火とによるスプレーガイド燃焼ののちにメイン噴射が実行されることで燃料の自着火および拡散燃焼を生じさせる。そのため、当該基本燃焼制御による燃焼はいわゆるディーゼル燃焼に相当する。したがって、燃焼室内の混合気の空燃比を極めて高いリーン空燃比（例えば２０〜７０程度）とすることができる。また、このようなリーン空燃比での燃焼を実現するため、本実施例に係る燃焼制御では、従来のガソリンエンジンの燃焼制御（均質ストイキ制御）に比べてスロットル弁７１の開度が大きくされる。そのため、内燃機関１
でのポンプ損失を小さくすることができる。さらに、機関出力に寄与する燃焼が自着火および拡散燃焼により行われることで内燃機関１での冷却損失も従来の均質ストイキ制御時と比べて小さくすることができる。したがって、本実施例に係る基本燃焼制御によれば、従来のガソリンエンジンの燃焼制御では実現され得ない高い熱効率を達成することができる。
【００４１】
なお、プレ噴射は圧縮行程中のプレ噴射時期Ｔｐに行われる。そのため、プレ噴射燃料が点火プラグ５による点火によって燃焼すると内燃機関１の機関出力を妨げるように作用するとも考えられる。しかしながら、プレ噴射燃料のプレ噴霧への点火による燃焼では、メイン噴射燃料の燃焼のための火種となる火炎が形成されればよい。そのため、上記のように、プレ噴射燃料において、点火によって生じる火炎伝播による燃焼に供されるのは、そのうちの一部である。したがって、プレ噴射燃料のスプレーガイド燃焼による機関出力を妨げるような作用は小さい。そして、スプレーガイド燃焼には供されないプレ噴射燃料の燃え残りはメイン噴射後においてメイン噴射燃料とともに自着火または拡散燃焼に供されるため機関出力に寄与することになる。そのため、プレ噴射燃料量を増量するとともにその燃え残り率を上昇させることでも、機関負荷の上昇に対応することができる。
【００４２】
また、上記のように、メイン噴射時期は内燃機関１の機関出力が概ね最大となる適正噴射時期に設定されている。そのため、メイン噴射燃料量を増量することによって機関負荷の上昇にある程度までは対応することができる。しかしながら、メイン噴射は、圧縮行程上死点近傍の燃焼室内の圧力が非常に高い時に行われるため、燃料噴射弁６から噴射された燃料噴霧のペネトレーションが小さくなる。つまり、メイン噴射によって噴射された燃料噴霧は広範囲に拡散し難い。そのため、メイン噴射燃料量が過剰に増量されると、メイン噴射燃料の噴霧の周囲に存在する酸素、即ち、メイン噴射燃料の燃焼に供される酸素の量が燃料に対して不足した状態となり、その結果、スモークの発生量が増加する虞がある。また、本実施例に係る燃焼制御では、メイン噴射後に燃料の自着火を生じさせる必要があるが、メイン噴射燃料量が過剰に多くなると、該メイン噴射燃料の気化潜熱によって燃焼室内の温度が低下し、燃焼が不安定となる虞もある。一方、メイン噴射時期においては、プレ噴射燃料の燃え残りは燃焼室内においてメイン噴射燃料よりも広範囲に拡散している。そのため、プレ噴射燃料の燃え残りが自着火または拡散燃焼に供される際には十分な酸素を確保し易い状態となっている。したがって、プレ噴射燃料の増量およびその燃え残り率の上昇により機関負荷の上昇に対応した場合、メイン噴射燃料量を増量した場合に比べてスモークの発生量を抑制することができる。
【００４３】
＜火炎未発生領域＞
ここで、上記のような基本燃焼制御を実行した場合の気筒内における燃料と火炎の様子について図７に基づいて説明する。図７においては、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の順に時間が推移している。また、図７において、ＦＳｐはプレ噴霧を表している。ＦＳｍはメイン噴射によって形成される燃料噴霧（以下、「メイン噴霧」と称する場合もある。）を表している。Ｅは燃料噴射後に燃料噴射弁６の周囲に存在する燃料（燃え残り燃料を含む）を表している。Ｆｒはプレ燃焼によって生じる火炎を表している。なお、図２に示したように、燃料噴射弁６からは１６方向に燃料が噴射されるが、図７においては、便宜上、燃料噴射弁６から噴射された燃料噴霧については８つのみ図示している。また、図７において、白抜き矢印は気筒２内におけるスワール流の流れ方向を表している。
【００４４】
内燃機関１においては、プレ噴射時期に燃料噴射弁６によるプレ噴射が実行されると、図７（ｂ）に示すように、プレ噴霧ＦＳｐのうちの一つが点火プラグ５の点火可能領域を通過する。そして、プレ噴霧ＦＳｐに対し点火プラグ５によって点火が行われると、プレ噴射燃料が燃焼することで点火プラグ５付近に火炎Ｆｒが生じる。この火炎Ｆｒが燃料噴射弁６の周囲を伝播する。このとき、気筒２内にはスワール流が形成されているため、図
７（ｃ）に示すように、火炎Ｆｒは主にスワール流の流れ方向に伝播していくことになる。そして、この火炎伝播が生じている間において、メイン噴射時期に燃料噴射弁６によるメイン噴射が実行されると、図７（ｄ）に示すように、火炎Ｆｒに対してメイン噴射燃料が供給されることになる。これにより、火炎Ｆｒを起点としてメイン噴射燃料の燃焼が開始され、その後、燃料の自着火および拡散燃焼が生じる。
【００４５】
ここで、上述したように、プレ噴射の実行直後においては、プレ噴射燃料は燃料噴射弁６の周囲に成層化される。しかしながら、燃料噴射弁６から噴射されたプレ噴射燃料は、プレ噴射後、時間の経過とともに徐々に広範囲に拡散していく。そのため、燃料噴射弁６の周囲における一部の領域では、火炎Ｆｒが伝播によって到達する前に、プレ噴射燃料が拡散してしまうことで、燃料の燃焼が困難なほど空燃比が高い状態となる場合がある。その結果、図７（ｃ）において破線で囲んだ領域Ｘのように、燃焼室内において局所的にプレ燃焼時においても火炎が発生しない領域（以下、「火炎未発生領域」と称する）が生じる場合がある。
【００４６】
そして、上記のような火炎未発生領域Ｘが生じた場合、燃料噴射弁６によるメイン噴射が実行されると、図７（ｄ）に示すように、該火炎未発生領域Ｘにもメイン噴射燃料が供給されることになる。上述したように、火炎Ｆｒに向けて噴射されたメイン噴射燃料の燃焼は該火炎Ｆｒを起点として開始される。しかしながら、火炎未発生領域Ｘではメイン噴射燃料の燃焼の起点となるべき火炎Ｆｒが存在しない。そのため、火炎未発生領域Ｘでは、メイン噴射時期において火炎Ｆｒが存在している燃焼室内の他の領域に比べて、供給されたメイン噴射燃料が燃焼し難い。ただし、火炎未発生領域Ｘ以外の領域に供給されたメイン噴射燃料の燃焼が生じることで燃焼室内の温度および圧力が上昇すれば、火炎未発生領域Ｘに供給されたメイン噴射燃料も自着火する。しかしながら、この場合、火炎未発生領域Ｘではメイン噴射の実行開始後における燃料の自着火の発生が他の領域に比べて遅れることになる。つまり、燃料の自着火遅れ期間が長くなる。その結果、火炎未発生領域Ｘで生じる燃料の自着火は、他の領域における燃料の自着火に比べて急激なものとなる。このような燃料の急激な自着火は、ノッキングや燃焼騒音の発生要因となる。
【００４７】
＜高負荷燃焼制御＞
特に、内燃機関１の機関負荷が高い場合、気筒２内の圧力および温度が高くなる傾向にある。そのため、プレ燃焼時に火炎未発生領域が生じると、メイン噴射が実行された際に燃料の急激な自着火が生じ易い。そこで、本実施例では、内燃機関１の機関負荷が所定負荷よりも高い運転領域では、燃料の急激な自着火の発生を抑制すべく、上述した基本燃焼制御に代えて高負荷燃焼制御が行われる。以下、本実施例に係る高負荷燃焼制御について、図８に基づいて説明する。図８は、図の左側から右側に進む時系列において、高負荷燃焼制御での各燃料噴射および点火の時間的相関を示したものである。
【００４８】
高負荷燃焼制御においては、一燃焼サイクル中においてプレ噴射およびメイン噴射に加えて燃料噴射弁６によるミドル噴射が行われる。図８に示すように、ミドル噴射は、点火プラグ５によるプレ噴霧への点火後であり且つメイン噴射時期Ｔｍより前のミドル噴射時期Ｔｍｉｄに実行される。ここで、ミドル噴射時期Ｔｍｉｄとメイン噴射時期Ｔｍとの間隔（Ｔｍ−Ｔｍｉｄ）を第２噴射インターバルＤｉ２と定義する。高負荷燃焼制御においても、メイン噴射時期Ｔｍは、基本燃焼制御と同様、適正噴射時期に設定されている。そして、第２噴射インターバルＤｉ２は、ミドル噴射によって噴射された燃料（以下、「ミドル噴射燃料」と称する）が、プレ噴霧への点火によって生じた火炎Ｆｒを起点とする火炎伝播によって燃焼するような期間に設定されている。つまり、ミドル噴射燃料はプレ燃焼に供されることになる。
【００４９】
尚、高負荷燃焼制御においても、プレ噴射時期と点火時期との間隔（Ｔｓ−Ｔｐ）であ
る点火インターバルＤｓは、基本燃焼制御と同様、プレ噴射燃料によるスプレーガイド燃焼が可能となるように設定されている。また、高負荷燃焼制御においても、プレ噴射時期とメイン噴射時期との間隔（Ｔｍ−Ｔｐ）である第１噴射インターバルＤｉ１は、基本燃焼制御と同様、プレ噴霧への点火によって生じた火炎を起点としてメイン噴射燃料の燃焼が開始されるように設定されている。
【００５０】
上記のような高負荷燃焼制御を実行した場合の気筒内における燃料と火炎の様子について図９に基づいて説明する。図９においては、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）の順に時間が推移している。また、図９において、ＦＳｐおよびＦＳｍは、図７と同様、それぞれプレ噴霧およびメイン噴霧を表している。そして、ＦＳｍｉｄは、ミドル噴射によって形成される燃料噴霧（以下、「ミドル噴霧」と称する場合もある。）を表している。また、ＥおよびＦｒは、図７と同様、それぞれ、燃料噴射後に燃料噴射弁６の周囲に存在する燃料およびプレ燃焼によって生じる火炎を表している。なお、図９においても、便宜上、燃料噴射弁６から噴射された燃料噴霧については８つのみ図示している。また、図９においても、白抜き矢印は気筒２内におけるスワール流の流れ方向を表している。
【００５１】
図９（ｂ）は、図７（ｂ）と同様、プレ噴射時期に燃料噴射弁６によるプレ噴射が実行された時の様子を示している。また、図９（ｃ）は、図７（ｃ）と同様、プレ噴射燃料が燃焼することで生じた火炎Ｆｒが燃料噴射弁６の周囲を伝播している様子を示している。そして、この火炎伝播が生じている間であって、メイン噴射時期よりも前のミドル噴射時期に燃料噴射弁６によるミドル噴射が実行されると、図９（ｄ）に示すように、仮に該ミドル噴射が実行されなかった場合には火炎未発生領域となり得る領域Ｘ´に燃料（ミドル噴射燃料）が追加供給されることになる。これにより、領域Ｘ´における空燃比が、ミドル噴射時期にミドル噴射が行われなかった場合に比べて低くなる。つまり、領域Ｘ´における空燃比が、燃料の燃焼が可能な程度まで低下する。その結果、プレ燃焼によって生じた火炎Ｆｒが領域Ｘ´にも伝播することが可能となる。そのために、図９（ｅ）に示すように、領域Ｘ´にも火炎Ｆｒが発生する。つまり、メイン燃料噴射の実行が開始される時点で燃料噴射弁６の周囲において火炎Ｆｒが存在する領域が拡大することになる。
【００５２】
このように、ミドル噴射が実行されると、ミドル噴射燃料がプレ燃焼に供されることで、火炎未発生領域の発生が抑制される。そのため、図９（ｆ）に示すように、仮に該ミドル噴射が実行されなかった場合には火炎未発生領域に供給されることになるメイン噴射燃料が、火炎Ｆｒに供給されることになる。これにより、より広い領域においてメイン噴射燃料の燃焼が火炎Ｆｒを起点として開始されることになる。その結果、燃焼室内の一部の領域において、メイン噴射の実行開始後における燃料の自着火の発生が他の領域に比べて遅れるといった現象が生じることが抑制される。
【００５３】
なお、ミドル噴射では、仮に該ミドル噴射が実行されなかった場合には火炎未発生領域となり得る領域Ｘ´に火炎を形成することが可能となる程度の量の燃料が噴射されればよい。また、ミドル噴射燃料量が過剰に多いと、メイン噴射を実行する前に燃料の自着火が生じる虞がある。そのため、本実施例においては、後述するように、ミドル噴射の燃料噴射量が、プレ噴射を実行する全運転領域において最も少ないプレ噴射の燃料噴射量よりも少ない量に設定される。これにより、メイン噴射時期よりも前に燃料の自着火が生じることを抑制することができる。
【００５４】
したがって、本実施例に係る高負荷燃焼制御によれば、ミドル噴射を実行することで、燃料の急激な自着火の発生を抑制することができる。その結果、ノッキングや燃焼騒音の発生を抑制することができる。
【００５５】
＜燃焼制御マップ＞
ここで、本実施例に係る燃焼制御に用いられる制御マップについて図１０に基づいて説明する。図１０の上段（ａ）では、内燃機関１の機関負荷とプレ噴射燃料量の相関を線Ｌ２１で示し、該機関負荷とメイン噴射燃料量との相関を線Ｌ２２で示し、該機関負荷とミドル噴射燃料量との相関を線Ｌ２３で示し、該機関負荷と該機関負荷に対応した燃料噴射量である負荷対応噴射量との相関を線Ｌ２０で示している。また、図１０に示す制御マップにおいては、運転領域が４つの運転領域Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４に区切られている。そして、それぞれの運転領域における機関負荷の関係は、Ｒ１＜Ｒ２＜Ｒ３＜Ｒ４となっている。
【００５６】
また、図１０（ａ）において、Ｓ１は、運転領域Ｒ１（以下、第１負荷領域Ｒ１と称する）とＲ２（以下、第２負荷領域Ｒ２と称する）との境界となる機関負荷に対応する燃料噴射量を表している（以下、第１所定量Ｓ１と称する）。また、Ｓ２（＞Ｓ１）は、第２負荷領域Ｒ２と運転領域Ｒ３（以下、第３負荷領域Ｒ３と称する）との境界となる機関負荷に対応する燃料噴射量を表している（以下、第２所定量Ｓ２と称する）。また、Ｓ３（＞Ｓ２）は、第３負荷領域Ｒ３と運転領域Ｒ４（以下、第４負荷領域Ｒ４と称する）との境界となる機関負荷に対応する燃料噴射量を表している（以下、第３所定量Ｓ３と称する）。そして、本実施例では、内燃機関１の機関負荷が第１負荷領域Ｒ１または第２負荷領域Ｒ２に属する場合は上記の基本燃焼制御が行われ、内燃機関１の機関負荷が第３負荷領域Ｒ３または第４負荷領域Ｒ４に属する場合は上記の高負荷燃焼制御が行われる。つまり、第３負荷領域Ｒ３および第４負荷領域Ｒ４が、プレ燃焼時に火炎未発生領域が生じた場合、メイン噴射が実行された際に燃料の急激な自着火が生じる可能性が高い運転領域として設定されている。したがって、本実施例では、第２負荷領域Ｒ２と第３負荷領域Ｒ３との境界となる機関負荷Ｑｅ０が、本発明に係る「所定負荷」に相当する。
【００５７】
また、図１０の下段（ｂ）では、内燃機関１の機関負荷とプレ噴射時期Ｔｐの相関を線Ｌ３１で示し、該機関負荷と点火時期Ｔｓとの相関を線Ｌ３０で示し、該機関負荷とメイン噴射時期Ｔｍとの相関を線Ｌ３２で示し、該機関負荷とミドル噴射時期Ｔｍｉｄとの相関を線Ｌ３３で示している。そして、線Ｌ３１と線Ｌ３２との間隔が第１噴射インターバルＤｉ１を示し、線Ｌ３１と線Ｌ３０との間隔が点火インターバルＤｓを示し、線Ｌ３３と線Ｌ３２との間隔が第２噴射インターバルＤｉ２を示している。なお、図１０（ｂ）の縦軸は圧縮行程上死点を基準としたクランク角（BTDC: Before Top Dead Center）を表しており、その値が大きくなるほど圧縮行程におけるより早い時期であることを意味する。
【００５８】
ここで、第１負荷領域Ｒ１および第２負荷領域Ｒ２において基本燃焼制御を実現するための各制御パラメータの値について説明する。第１負荷領域Ｒ１では、図１０（ａ）に示すように、プレ噴射燃料量Ｓｐが最小プレ噴射燃料量Ｓｐｍｉｎに設定される。ここで、最小プレ噴射燃料量Ｓｐｍｉｎは、メイン噴射が実行された際にメイン噴射燃料の燃焼開始のための火種となる火炎を形成することが可能なプレ噴射燃料量の下限値である。ここで、プレ噴射燃料量Ｓｐが多くなると、点火プラグ５での点火による燃焼（即ちスプレーガイド燃焼）が促進され易くなるためプレ噴射燃料における燃え残り率が低下する虞があるが、プレ噴射燃料量Ｓｐを最小プレ噴射燃料量Ｓｐｍｉｎとすることでその燃え残り率を可及的に高くすることができる。そのため、第１負荷領域Ｒ１では、プレ噴射燃料量Ｓｐを最小プレ噴射燃料量Ｓｐｍｉｎとすることで、安定した燃焼を確保しつつ高い熱効率を実現することができる。また、第１負荷領域Ｒ１は、負荷対応噴射量が比較的少ないため、機関負荷の増加に対してメイン噴射燃料量Ｓｍのみの増量によって対応しても、スモークの発生量が増加したり、メイン噴射燃料の気化潜熱に起因して燃焼が不安定となったりする可能性が低い運転領域として設定されている。そのため、図１０（ａ）に示すように、第１負荷領域Ｒ１では、機関負荷の増加に対してはメイン噴射燃料量Ｓｍのみの増加によって対応し、プレ噴射燃料量Ｓｐは最小プレ噴射燃料量Ｓｐｍｉｎで固定される。
【００５９】
また、メイン噴射時期Ｔｍは、内燃機関１の熱効率を向上させるために圧縮行程上死点前の適正噴射時期に設定される。そして、第１負荷領域Ｒ１では、適正噴射時期に設定されたメイン噴射時期Ｔｍに対し、プレ噴射燃料量Ｓｐが最小プレ噴射燃料量Ｓｐｍｉｎである場合に熱効率が好適な状態となる第１噴射インターバルＤｉ１が確保されるように、プレ噴射時期Ｔｐが設定される。なお、上述のように、第１負荷領域Ｒ１では、プレ噴射燃料量Ｓｐは最小プレ噴射燃料量Ｓｐｍｉｎで固定される。そのため、第１負荷領域Ｒ１では、第１噴射インターバルＤｉ１も一定に維持される。したがって、図１０（ｂ）に示すように、第１負荷領域Ｒ１では、機関負荷が増加することでメイン噴射燃料量Ｓｍが増加し、それに伴ってメイン噴射時期Ｔｍが進角された場合、当該メイン噴射時期Ｔｍの進角に連動してプレ噴射時期Ｔｐも進角される。
【００６０】
また、図１０（ｂ）に示すように、プレ噴射時期Ｔｐと点火時期Ｔｓとのインターバルである点火インターバルＤｓは一定に維持される。そのため、第１負荷領域Ｒ１では、メイン噴射時期Ｔｍの増加に連動してプレ噴射時期Ｔｐが進角された場合、当該プレ噴射時期Ｔｐの進角に連動して点火時期Ｔｓも進角される。
【００６１】
なお、第１負荷領域Ｒ１では、図１０（ａ）において線Ｌ２０で示される負荷対応噴射量Ｓ０とメイン噴射燃料量Ｓｍとの相関は、以下の式２に従う。
Ｓｍ  ＝  Ｓ０  −Ｓｐ×α  ・・・（式２）
α：プレ噴射燃料の燃え残り率
上記のとおり、本実施例に係る基本燃焼制御では、プレ噴射燃料の燃え残りはメイン噴射燃料とともに自着火または拡散燃焼に供されることで機関出力に寄与する。そのため、機関出力に寄与するという観点に立てば、プレ噴射燃料の燃え残りはメイン噴射燃料と同等と言うことができる。そこで、プレ噴射燃料の燃え残り率を示す係数αを予め実験等で求めておき、当該係数αを考慮した上記式２に従ってメイン噴射燃料量Ｓｍを算出することで、適切なメイン噴射燃料量Ｓｍを決定することができる。なお、プレ噴射燃料の燃え残り率は、点火インターバルＤｓ及び第１噴射インターバルＤｉ１に応じて変化する。従って、係数αはこれらに基づいて定まる値である。そして、第１負荷領域Ｒ１では、点火インターバルＤｓ及び第１噴射インターバルＤｉ１はいずれも一定であるため、上記式２おける係数αも一定値となる。また、第１負荷領域Ｒ１では、上記の理由によりプレ噴射燃料量Ｓｐは最小プレ噴射燃料量Ｓｐｍｉｎに固定されるため、上記式２においてＳｐ＝Ｓｐｍｉｎとなる。また、プレ噴射燃料量に対して点火プラグ５による点火によって燃焼する分の燃料量（すなわちプレ燃焼によって燃焼する分の燃料量）が非常に少ない場合は、制御上、係数α＝１としてもよい。
【００６２】
また、第２負荷領域Ｒ２は、機関負荷の増加に対してメイン噴射燃料量Ｓｍのみの増量によって対応した場合、スモークの発生量が増加したり、メイン噴射燃料の気化潜熱に起因して燃焼が不安定となったりする可能性が高い運転領域として設定されている。そのため、第２負荷領域Ｒ２では、機関負荷の増加に対してメイン噴射燃料量Ｓｍのみならずプレ噴射燃料量Ｓｐも増量することで対応する。したがって、第２負荷領域Ｒ２では、図１０（ａ）に示すように、内燃機関１の機関負荷が高いほどプレ噴射燃料量Ｓｐは増量される。さらに、第２負荷領域Ｒ２では、後述するように、プレ噴射燃料量Ｓｐの増量に従ってプレ噴射時期Ｔｐが進角される。これにより、内燃機関１の機関負荷が高いほど、プレ噴射燃料の燃え残り量が多くなる。
【００６３】
また、第２負荷領域Ｒ２では、図１０（ａ）で線Ｌ２２に示すように、内燃機関１の機関負荷が高いほどメイン噴射燃料量Ｓｍも増量される。なお、第２負荷領域Ｒ２でも、第１負荷領域Ｒ１と同様に、線Ｌ２０で示される負荷対応噴射量Ｓ０とメイン噴射燃料量Ｓｍとの相関は、上記式２に従う。また、上記のように、第２負荷領域Ｒ２では、機関負荷
の上昇に従いプレ噴射燃料量Ｓｐが増量される。そのため、図１０（ａ）で線Ｌ２２に示すように、該第２負荷領域Ｒ２におけるメイン噴射燃料量Ｓｍの増量比率（機関負荷の上昇量に対するメイン噴射燃料量Ｓｍの増加量の比率）は、プレ噴射燃料量Ｓｐが固定されている第１負荷領域Ｒ１におけるメイン噴射燃料量Ｓｍの増量比率よりも小さくなる。これにより、メイン噴射燃料量の増量に起因するスモークの発生量の増加や、メイン噴射燃料の気化潜熱の増加に起因する失火の発生を抑制することができる。
【００６４】
また、第２負荷領域Ｒ２では、図１０（ｂ）に示すように、内燃機関１の機関負荷が高いほど、第１噴射インターバルＤｉ１が大きくなるようにプレ噴射時期Ｔｐが進角される。つまり、第２負荷領域Ｒ２では、プレ噴射時期Ｔｐが、メイン噴射時期Ｔｍの進角量に連動した進角量以上に進角され、その進角量が、機関負荷が高いほど大きくなっている。このようにプレ噴射時期Ｔｐを制御することで、プレ噴射燃料の燃え残り量が多くなっても、プレ噴射燃料の燃え残りとメイン噴射燃料とが重なった部分の燃料濃度が高くなることを抑制することができる。その結果、これらの燃料の重なりに起因するスモークの発生量を抑制することができる。
【００６５】
また、図１０（ｂ）に示すように、第２負荷領域Ｒ２においても、第１負荷領域Ｒ１と同様、プレ噴射時期Ｔｐと点火時期Ｔｓとのインターバルである点火インターバルＤｓは一定に維持される。そのため、機関負荷の上昇に従い、プレ噴射時期Ｔｐがメイン噴射時期Ｔｍの進角量に連動した進角量以上に進角された場合、点火時期Ｔｓもプレ噴射時期Ｔｐと同程度に進角される。
【００６６】
次に、第３負荷領域Ｒ３および第４負荷領域Ｒ４において高負荷燃焼制御を実現するための各制御パラメータの値について説明する。先ずは、これらの運転領域における、プレ噴射とメイン噴射とに係る制御パラメータについて説明する。第２負荷領域Ｒ２と同様、第３負荷領域Ｒ３は、機関負荷の増加に対してメイン噴射燃料量Ｓｍのみの増量によって対応した場合、スモークの発生量が増加したり、メイン噴射燃料の気化潜熱に起因して燃焼が不安定となったりする可能性が高い運転領域として設定されている。そのため、第３負荷領域Ｒ３では、図１０（ａ），（ｂ）に示すように、機関負荷の変動に対して、プレ噴射燃料量Ｓｐ、メイン噴射燃料量Ｓｍ、プレ噴射時期Ｔｐ、メイン噴射時期Ｔｍ、点火時期Ｔｓが、上述した第２負荷領域Ｒ２における傾向と同様の傾向で変動する。つまり、第３負荷領域Ｒ３では、機関負荷の上昇に従ってプレ噴射燃料量Ｓｐおよびメイン噴射燃料量Ｓｍが増量される。そして、内燃機関１の機関負荷が、第３負荷領域Ｒ３における最大機関負荷であるときに、メイン噴射燃料量Ｓｍが最大メイン噴射燃料量Ｓｍｍａｘとなる。ここで、最大メイン噴射燃料量Ｓｍｍａｘは、安定した燃焼を確保でき且つ過剰なスモークの発生を抑制できるメイン噴射燃料量の上限値である。また、第２負荷領域Ｒ２と同様、第３負荷領域Ｒ３におけるメイン噴射燃料量Ｓｍの増量比率は、第１負荷領域Ｒ１におけるメイン噴射燃料量Ｓｍの増量比率よりも小さくなっている。また、第２負荷領域Ｒ２と同様、第３負荷領域Ｒ３では、機関負荷が高いほど、第１噴射インターバルＤｉ１が大きくなるようにプレ噴射時期Ｔｐが進角される。また、機関負荷が高いほど点火時期Ｔｓも進角されることで、点火インターバルＤｓが一定に維持される。
【００６７】
また、第４負荷領域Ｒ４は、スモークの発生量および燃焼安定性の観点から、機関負荷の増加に対してメイン噴射燃料量Ｓｍの増量によって対応することが困難な運転領域として設定されている。そのため、図１０（ａ）に示すように、第４負荷領域Ｒ４では、メイン噴射燃料量Ｓｍは最大メイン噴射燃料量Ｓｍｍａｘに固定され、機関負荷の増加に対してはプレ噴射燃料量Ｓｐのみを増量することで対応する。このとき、図１０（ａ）で線Ｌ２１に示すように、第４負荷領域Ｒ４におけるプレ噴射燃料量Ｓｐの増量比率は、第２負荷領域Ｒ２および第３負荷領域Ｒ３におけるプレ噴射燃料量Ｓｐの増量比率よりも大きくなっている。
【００６８】
なお、第４負荷領域Ｒ４では、図１０（ａ）において線Ｌ２１で示される負荷対応噴射量Ｓ０とプレ噴射燃料量Ｓｐとの相関は、以下の式３に従う。
Ｓｐ  ＝  （Ｓ０  −Ｓｍｍａｘ）／α  ・・・（式３）
なお、αは、式２と同じく、プレ噴射燃料の燃え残り率である。また、第４負荷領域Ｒ４の場合は、上記のように、メイン噴射燃料量Ｓｍは最大メイン噴射燃料量Ｓｍｍａｘに固定される。そのため、上記式３に従ってプレ噴射燃料量Ｓｐを算出することで、適切なプレ噴射燃料量Ｓｐを決定することができる。
【００６９】
また、第４負荷領域Ｒ４では、図１０（ｂ）に示すように、メイン噴射時期Ｔｍが、最大メイン噴射燃料量Ｓｍｍａｘに対応する適正噴射時期に固定される。そして、第４負荷領域Ｒ４では、機関負荷の増加に従ってプレ噴射燃料量Ｓｐが増加されることから、プレ噴射燃料の燃え残りとメイン噴射燃料との干渉によるスモーク発生が再び懸念されるようになる。そこで、第４負荷領域Ｒ４では、図１０（ｂ）に示すように、プレ噴射燃料量Ｓｐの増加に応じてプレ噴射時期Ｔｐを進角させる。すなわち、第１噴射インターバルＤｉ１が機関負荷の増加に応じて拡大するようにプレ噴射時期Ｔｐが設定される。このとき、第４負荷領域Ｒ４では、プレ噴射燃料量Ｓｐの増量比率が第２負荷領域Ｒ２および第３負荷領域Ｒ３よりも大きいため、プレ噴射時期Ｔｐの進角量の増量比率（機関負荷の上昇量に対するプレ噴射時期Ｔｐの進角量の増量の比率）も第２負荷領域Ｒ２および第３負荷領域Ｒ３よりも大きくなる。これにより、スモークの発生量の抑制が図られる。
【００７０】
また、第４負荷領域Ｒ４では、図１０（ｂ）に示すように、点火時期Ｔｓも機関負荷の増加に従って進角される。ただし、このときの点火時期Ｔｓの進角量の増量比率は、プレ噴射時期Ｔｐの進角量の増量比率よりも小さい。つまり、第４負荷領域Ｒ４では、点火インターバルＤｓが機関負荷の増加に応じて拡大していくことになる。これにより、プレ噴射燃料の燃え残り率をより高めることができる。つまり、メイン噴射燃料とともに燃焼に供される、プレ噴射燃料の燃え残り量をより増加させることができる。上記のとおり、第４負荷領域Ｒ４では、メイン噴射燃料量は最大メイン噴射燃料量に固定されているが、このようにプレ噴射燃料の燃え残り量を増量させることで、要求された機関負荷を満たすとともに内燃機関１の熱効率を好適に維持することが可能となる。
【００７１】
次に、第３負荷領域Ｒ３および第４負荷領域Ｒ４における、ミドル噴射に係る制御パラメータについて説明する。図１０（ａ）で線Ｌ２３に示すように、第３負荷領域Ｒ３および第４負荷領域Ｒ４において、ミドル噴射燃料量Ｓｍｉｄは、最小プレ噴射燃料量Ｓｐｍｉｎよりも少ない一定量に固定されている。ミドル噴射燃料の燃焼は、点火プラグ５による点火を起点として行われるのではなく、プレ噴射燃料が燃焼することですでに発生している火炎を起点として行われる。そのため、ミドル噴射燃料量Ｓｍｉｄが最小プレ噴射燃料量Ｓｐｍｉｎよりも少ない量であっても、ミドル噴射燃料は火炎伝播により燃焼することができる。このミドル噴射燃料量Ｓｍｉｄは、仮に該ミドル噴射が実行されなかった場合には火炎未発生領域となり得る領域に火炎を形成することが可能となる程度の量として予め定められている。
【００７２】
また、第３負荷領域Ｒ３および第４負荷領域Ｒ４では、ミドル噴射燃料量Ｓｍｉｄが一定量に固定されるため、第２噴射インターバルＤｉ２も一定に維持される。このとき、適正噴射時期に設定されたメイン噴射時期Ｔｍに対し、ミドル噴射燃料がプレ噴霧への点火によって生じた火炎の伝播によって燃焼することになる第２噴射インターバルＤｉ２が確保されるように、ミドル噴射時期Ｔｍｉｄが設定される。つまり、ミドル噴射燃料が火炎伝播によって燃焼することで、メイン燃料噴射時期における燃料噴射弁６の周囲において火炎が存在する領域が拡大するようにミドル噴射時期Ｔｍｉｄが設定される。そのため、図１０（ｂ）に示すように、第３負荷領域Ｒ３では、機関負荷が増加することでメイン噴
射燃料量Ｓｍが増加し、それに伴ってメイン噴射時期Ｔｍが進角された場合、当該メイン噴射時期Ｔｍの進角に連動してミドル噴射時期Ｔｍｉｄも進角されることになる。また、第４負荷領域Ｒ４では、メイン噴射時期Ｔｍが一定の時期の固定されるため、ミドル噴射時期Ｔｍｉｄも一定の時期に固定される。
【００７３】
また、本実施例では、ミドル噴射燃料の大部分がプレ燃焼によって生じた火炎の伝播により燃焼するようにミドル噴射燃料量Ｓｍｉｄおよびミドル噴射時期Ｔｍｉｄが設定されている。そのため、ミドル噴射燃料は内燃機関１の出力に寄与しない燃料として取り扱われている。したがって、上記式２および式３においては、ミドル噴射燃料量が考慮されていない。ただし、プレ燃焼に係るパラメータが同一であっても、ミドル噴射を実行する場合とミドル噴射を実行しない場合とではプレ噴射燃料の燃え残り率が異なる値となることも考えられる。このような場合、第３負荷領域Ｒ３および第４負荷領域Ｒ４においては、ミドル噴射を実行する場合におけるプレ噴射燃料の燃え残り率に基づいて、プレ噴射燃料量Ｓｐおよびメイン噴射燃料量Ｓｍが決定される。
【００７４】
なお、第３負荷領域Ｒ３および第４負荷領域Ｒ４のいずれにおいても、ミドル噴射燃料量Ｓｍｉｄは最小プレ噴射燃料量Ｓｐｍｉｎよりも少ないことから、ミドル噴射燃料がメイン噴射時期よりも前に火炎伝播による燃焼に供されたとしても、内燃機関１の機関出力を妨げるような作用は小さい。
【００７５】
＜燃焼制御フロー＞
ここで、本実施例に係る燃焼制御の制御フローについて図１１に基づいて説明する。図１１は、本実施例に係る燃焼制御の制御フローを示すフローチャートである。この制御フローは、ＥＣＵ２０に予め記憶されており、内燃機関１が稼働している間、ＥＣＵ２０に格納された制御プログラムが実行されることで、所定の間隔で繰り返し実行される。
【００７６】
本実施例に係る制御フローでは、先ず、Ｓ１０１において、アクセルポジションセンサ２２の検出値に基づいて、内燃機関１の機関負荷Ｑｅが算出される。また、別法として、吸気通路７０を流れる空気流量、すなわちエアフローメータ７２の検出値や、吸気通路７０内の吸気圧力に基づいて、内燃機関１の機関負荷を算出することもできる。次に、Ｓ１０２において、Ｓ１０１で算出された機関負荷Ｑｅに基づいて、負荷対応噴射量Ｓ０が算出される。具体的には、図１０（ａ）で線Ｌ２０に示す制御マップを利用して、機関負荷Ｑｅに応じた負荷対応噴射量Ｓ０が算出される。なお、本実施例では、線Ｌ２０で示すように、機関負荷が増加するに従い負荷対応噴射量Ｓ０が大きくなるように、両者の相関が制御マップ上に記録されている。
【００７７】
次に、Ｓ１０３において、Ｓ１０２で算出された負荷対応噴射量Ｓ０が第２所定量Ｓ２以下であるか否かが判別される。すなわち、Ｓ１０３において、内燃機関１の機関負荷Ｑｅが、第１負荷領域Ｒ１または第２負荷領域Ｒ２に属しているのか、第３負荷領域Ｒ３または第４負荷領域Ｒ４に属しているのかが判別される。Ｓ１０３において肯定判定された場合、すなわち、内燃機関１の機関負荷Ｑｅが第１負荷領域Ｒ１または第２負荷領域Ｒ２に属している場合、基本燃焼制御を実行すべく、次にＳ１０４の処理が実行される。
【００７８】
Ｓ１０４では、図１０に示す制御マップを用いて、基本燃焼制御を実現するための、プレ噴射燃料量Ｓｐ、メイン噴射燃料量Ｓｍ、プレ噴射時期Ｔｐ、メイン噴射時期Ｔｍ、および点火時期Ｔｓが決定される。次に、Ｓ１０５において、Ｓ１０４で決定されたプレ噴射燃料量Ｓｐ、メイン噴射燃料量Ｓｍ、プレ噴射時期Ｔｐ、メイン噴射時期Ｔｍ、および点火時期Ｔｓに従って、燃料噴射弁６によるプレ噴射およびメイン噴射と、点火プラグ５による点火とが実行される。これにより、本実施例に係る基本燃焼制御が実現される。
【００７９】
一方、Ｓ１０３において否定判定された場合、すなわち、内燃機関１の機関負荷Ｑｅが、第３負荷領域Ｒ３または第４負荷領域Ｒ４に属している場合、高負荷燃焼制御を実行すべく、次にＳ１０６の処理が実行される。
【００８０】
Ｓ１０６では、図１０に示す制御マップを用いて、高負荷燃焼制御を実現するための、プレ噴射燃料量Ｓｐ、ミドル噴射燃料量Ｓｍｉｄ、メイン噴射燃料量Ｓｍ、プレ噴射時期Ｔｐ、ミドル噴射時期Ｔｍｉｄ、メイン噴射時期Ｔｍ、点火時期Ｔｓが決定される。次に、Ｓ１０７において、Ｓ１０６で決定されたプレ噴射燃料量Ｓｐ、ミドル噴射燃料量Ｓｍｉｄ、メイン噴射燃料量Ｓｍ、プレ噴射時期Ｔｐ、ミドル噴射時期Ｔｍｉｄ、メイン噴射時期Ｔｍ、点火時期Ｔｓに従って燃料噴射弁６によるプレ噴射、ミドル噴射、およびメイン噴射と、点火プラグ５による点火とが実行される。これにより、本実施例に係る高負荷燃焼制御が実現される。
【００８１】
なお、図１０に示す制御マップは、あくまで、本実施例に係る燃焼制御に用いられる制御マップの一例であって、内燃機関１の機関負荷と、基本燃焼制御および高負荷燃焼制御における各制御パラメータとの相関は該図１０に示すものに限られるものではない。
【００８２】
また、上記の高負荷燃焼制御では、内燃機関１の機関負荷によらずミドル噴射燃料量を最小プレ噴射燃料量Ｓｐｍｉｎよりも少ない一定量に固定した。しかしながら、内燃機関１の機関負荷に応じてミドル噴射燃料量を変動させてもよい。例えば、機関負荷の増加に応じてミドル噴射燃料量を増加させてもよい。ただし、上述したように、ミドル噴射燃料量が過剰に多いと、メイン噴射を実行する前に燃料の自着火が生じる虞がある。そのため、機関負荷の増加に応じてミドル噴射燃料量を増加させるような場合であっても、ミドル噴射燃料量は、同一燃焼サイクルにおけるプレ噴射燃料量よりも少ない量とする。これにより、メイン噴射時期よりも前に燃料の自着火が生じることを可及的に抑制することができる。
【００８３】
また、高負荷燃焼制御においては、ミドル噴射燃料の一部が、火炎伝播による燃焼には供されずに燃え残るようにミドル噴射燃料量およびミドル噴射時期を制御してもよい。この場合、ミドル噴射燃料の燃え残りはプレ噴射燃料の燃え残りと同様、メイン噴射の実行開始後に自着火または拡散燃焼によって燃焼する。つまり、ミドル噴射燃料の燃え残りは内燃機関１の機関出力に寄与することになる。そのため、ミドル噴射燃料の燃え残りが生じるようにミドル噴射燃料量およびミドル噴射時期を制御する場合は、その燃え残り量分に相当する量だけメイン噴射燃料量を減少させる必要がある。この場合、負荷対応噴射量Ｓ０とメイン噴射燃料量Ｓｍとの相関は、以下の式４のようになる。
Ｓｍ  ＝  Ｓ０  −（Ｓｐ×α  ＋  Ｓｍｉｄ×β）  ・・・（式４）
α：プレ噴射燃料の燃え残り率
β：ミドル噴射燃料の燃え残り率
【００８４】
また、本実施例では、第３負荷領域Ｒ３および第４負荷領域Ｒ４においてのみミドル噴射を実行した。しかしながら、必ずしも、ミドル噴射を実行する運転領域をこれらの運転領域に限る必要はない。例えば、第１負荷領域Ｒ１または第２負荷領域Ｒ２においてもミドル噴射を実行してもよい。
【００８５】
また、気筒内においてタンブル流が形成される内燃機関や、スワール流またはタンブル流のような旋回流が形成されない内燃機関であっても、プレ燃焼時に火炎未発生領域が発生し得る。そのため、本発明が適用される内燃機関は、気筒内においてスワール流が形成されるように構成された内燃機関に限られるものではない。
【００８６】
＜変形例＞
上述したように、一燃焼サイクル中において、プレ噴射およびメイン噴射に加えてミドル噴射を実行する場合、ミドル噴射の実行後且つメイン噴射の実行前に燃料の自着火が生じることを抑制する必要がある。そこで、高負荷燃焼制御におけるミドル噴射燃料量を、Ｌｉｖｅｎｇｏｏｄ−Ｗｕ積分式を用いて算出される、ミドル噴射の実行後であってメイン噴射時期よりも前に燃料の自着火が生じることとなる燃料噴射量の下限値よりも少ない量に設定してもよい。
【００８７】
Ｌｉｖｅｎｇｏｏｄ−Ｗｕ積分式は下記式５のように表される。
2016196852.tif 000003
τ：着火遅れ期間
Ａ：振動数因子
ｎ：反応次数
Ｅ：活性エネルギー
Ｒ：一般ガス定数
Ｐ：気筒内の圧力
Ｔ：気筒内の温度
【００８８】
そして、下記式６が成立するときに燃料の自着火が生じることが一般に知られている。
2016196852.tif 000004
ｔ：燃料噴射の実行開始時点からの経過時間
【００８９】
また、振動数因子Ａは下記式７により表すことができる。
2016196852.tif 000005
ａ，ｂ：定数
Ｆ：当量比（＝理論空燃比／気筒内の空燃比）
【００９０】
ミドル噴射時期における気筒２内の圧力Ｐおよび温度Ｔは内燃機関１の運転状態によって異なるが、これらの値は実験等に基づいて推定することができる。そのため、ミドル噴射時期における気筒２内の圧力Ｐおよび温度Ｔの推定値と上記式（５）〜（７）とから、上記式（６）が成立するときの当量比Ｆを算出することができる。また、気筒２内の空気量は内燃機関１の運転状態によって異なるが、この値も実験等に基づいて推定することができる。そして、上記式（６）が成立するときの当量比Ｆと気筒２内の空気量の推定値とから、上記式（６）が成立するときの燃料噴射量、すなわち、ミドル噴射の実行後であってメイン噴射時期よりも前に燃料の自着火が生じることとなる燃料噴射量の下限値を算出することができる。
【００９１】
そして、ミドル噴射燃料量を、上記のように算出されるミドル噴射の実行後であってメイン噴射時期よりも前に燃料の自着火が生じることとなる燃料噴射量の下限値より少ない量に設定することで、ミドル噴射の実行後且つメイン噴射の実行前に燃料の自着火が生じることをより高い確率で抑制することができる。
【符号の説明】
【００９２】
１・・・内燃機関
２・・・気筒
３・・・ピストン
５・・・点火プラグ
６・・・燃料噴射弁
７・・・吸気ポート
８・・・排気ポート
９・・・吸気弁
１０・・排気弁
２０・・ＥＣＵ
２１・・クランクポジションセンサ
２２・・アクセルポジションセンサ
７１・・スロットル弁
７２・・エアフローメータ
【図１】
2016196852.tif 000006
【図２】
2016196852.tif 000007
【図３】
2016196852.tif 000008
【図４】
2016196852.tif 000009
【図５】
2016196852.tif 000010
【図６】
2016196852.tif 000011
【図７】
2016196852.tif 000012
【図８】
2016196852.tif 000013
【図９】
2016196852.tif 000014
【図１０】
2016196852.tif 000015
【図１１】
2016196852.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成28年4月6日(2016.4.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】
【図１】本発明の実施例が適用される内燃機関と、その吸気系及び排気系との概略構成を示す図である。
【図２】図１に示す内燃機関に搭載される点火プラグの配置を説明するための図である。
【図３】本発明の実施例において実行される基本燃焼制御を説明するための図である。
【図４】本発明の実施例に係る基本燃焼制御が行われたときの燃焼室での熱発生率の推移を示す図である。
【図５】本発明の実施例に係る基本燃焼制御でのプレ噴射における、プレ噴射燃料量と、プレ噴射燃料の燃焼効率との相関を示す図である。
【図６】本発明の実施例に係る基本燃焼制御においてプレ噴射燃料量とメイン噴射燃料量との比率を変更した場合における燃焼室内での熱発生率の推移の変化を示す図である。
【図７】本発明の実施例に係る基本燃焼制御を実行した場合の気筒内における燃料と火炎の様子を示す図である。
【図８】本発明の実施例において実行される高負荷燃焼制御を説明するための図である。
【図９】本発明の実施例に係る高負荷燃焼制御を実行した場合の気筒内における燃料と火炎の様子を示す図である。
【図１０】本発明の実施例に係る燃焼制御に用いられる制御マップを示す図である。
【図１１】本発明の実施例に係る燃焼制御の制御フローを示すフローチャートである。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３９】
更に、図６に基づいて、本実施例に係る基本燃焼制御において発生する燃料の自着火について説明する。図６は、本実施例に係る基本燃焼制御において、一燃焼サイクル中の合計噴射量（プレ噴射燃料量とメイン噴射燃料量との合計）を一定としたままプレ噴射燃料
量とメイン噴射燃料量との比率を変更した２つの形態Ｌ８，Ｌ９それぞれの、燃焼室内での熱発生率の推移を示している。また、Ｌ９の形態の方がＬ８の形態に比べてプレ噴射燃料量の比率が高くなっている。すなわち、Ｌ９の形態の方がＬ８の形態に比べて、プレ噴射燃料量が多く、その結果、プレ噴射燃料の燃え残り量も多くなっている。この場合、図６に示すように、Ｌ９の形態では、Ｌ８の形態に比べて、圧縮行程上死点後の熱発生率の二次ピーク値が大きくなっている。さらに、Ｌ９の形態では、Ｌ８の形態に比べて、熱発生率の二次ピーク値からの立ち下り速度（二次ピーク以後のグラフの傾き）が大きくなっている。これらは、メイン噴射開始後のプレ噴射燃料の燃え残りおよびメイン噴射燃料の燃焼において、Ｌ９の形態では、Ｌ８の形態に比べて、自着火による燃焼がより促進されている（すなわち、自着火によって燃焼する燃料の割合が高くなり、拡散燃焼によって燃焼する燃料の割合が低くなっている）ことを意味するものと推察される。このことから、プレ噴射燃料の燃え残りがメイン噴射後の燃料の自着火の促進に寄与していると考えられる。また、本実施に係る基本燃焼制御において、プレ噴射燃料量以外にプレ噴射時期Ｔｐや点火時期Ｔｓを調整することでプレ噴射燃料の燃え残り量を多くした場合もメイン噴射後の燃料の自着火が促進されていることを、本発明の発明者は確認した。つまり、本実施例に係る基本燃焼制御においては、プレ噴射や点火に関するパラメータを調整してプレ噴射燃料の燃え残り率を高めることで、メイン噴射実行開始後のプレ噴射燃料の燃え残りとメイン噴射燃料との燃焼において自着火を促進させることが可能である。