JP2009293595A - 内燃機関の燃料噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】主噴射に先立つ副噴射が実行可能な圧縮自着火式の内燃機関に対し、これら主噴射と副噴射との噴射形態の最適化を図ることが可能な体系化された燃料噴射制御手法を提供する。
【解決手段】インジェクタ２３からの燃料噴射動作として少なくともメイン噴射とプレ噴射とが実行可能なコモンレール式ディーゼルエンジン１では、プレ噴射が第１プレ噴射と第２プレ噴射に分けて実行される。そして、第１プレ噴射で噴射された燃料の一部が自着火により燃焼する一方、その残部がメイン噴射で燃料が噴射されるまでの間は燃焼せず、メイン噴射で噴射された燃料とともに燃焼するように各燃料噴射の噴射タイミングおよび噴射量が制御される。また、第１プレ噴射で噴射され且つ気筒内のスワール流に沿って流れる燃料がその後にメイン噴射で噴射された燃料と重畳するように各燃料噴射の噴射タイミングが制御される。
【選択図】図６

Description

本発明は、ディーゼルエンジンに代表される内燃機関の燃料噴射制御装置に係る。特に、本発明は、燃料噴射弁からの主噴射（以下、メイン噴射と呼ぶ場合もある）に先立つ副噴射（以下、プレ噴射と呼ぶ場合もある）が実行可能な圧縮自着火式の内燃機関に対し、これら主噴射と副噴射との噴射形態の最適化を図るための対策に関する。

従来から周知のように、自動車用エンジン等として使用されるディーゼルエンジンでは、エンジン回転数、アクセル操作量、冷却水温度、吸気温度等に応じて、燃料噴射弁（以下、インジェクタと呼ぶ場合もある）からの燃料噴射時期や燃料噴射量を調整する燃料噴射制御が行われている（例えば、特許文献１参照）。

ところで、ディーゼルエンジンの燃焼は、予混合燃焼と拡散燃焼とによって成り立っている。燃料噴射弁からの燃料噴射が開始されると、まず燃料の気化拡散により可燃混合気が生成される（着火遅れ期間）。次に、この可燃混合気が燃焼室の数ヶ所で略同時に自己着火し、急速に燃焼が進む（予混合燃焼）。さらに、燃焼室内への燃料噴射が継続され、燃焼が継続的に行われる（拡散燃焼）。その後、燃料噴射が終了した後にも未燃燃料が存在するため、しばらくの間、熱発生が続けられる（後燃え期間）。

また、ディーゼルエンジンでは、着火遅れ期間が長くなるほど、あるいは着火遅れ期間における燃料の気化が激しいほど、着火後の火炎伝播速度が増大する。この火炎伝播速度が高くなると、一時に燃える燃料の量が多くなり過ぎて、シリンダ内の圧力が急激に増大し、振動や騒音が発生する。こうした現象はディーゼルノッキングと呼ばれており、特に低負荷運転時に発生することが多い。また、このような状況では、燃焼温度の急激な上昇に伴って窒素酸化物（以下、「ＮＯｘ」と呼ぶ）の発生量も増大し、排気エミッションが悪化してしまう。

そこで、こうしたディーゼルノッキングを防止したり、ＮＯｘ発生量を低減するために、各種の燃料噴射制御装置が開発されている。例えば、燃料噴射弁からの燃料噴射を複数回に分割して間欠噴射することなどが一般に行われている。

例えば、特許文献２では、メイン噴射に先立って燃料噴射を行うパイロット噴射の噴射時期として、このパイロット噴射の噴射時期から実際の着火時期までの遅れ期間だけ早めてパイロット噴射時期を設定している。これにより、パイロット噴射による燃料の着火時期とメイン噴射時期とを略一致させて、ＰＭ（Ｐａｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｔｅｒ：微粒子）およびＨＣ（Ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎｓ：炭化水素）の排出量を減少させるようにしている。
特開２００２−１５５７９１号公報 特開２００２−１９５０８４号公報

ところで、上述した如くメイン噴射に先立ってプレ噴射やパイロット噴射（以下、プレ噴射で代表して説明する）を実行するものにあっては、これら噴射開始時における吸熱反応によって着火遅れが生じることになるが、この着火遅れの期間はエンジンの運転状態やその他の環境条件によって変化する。

これまでのディーゼルエンジンにおける燃料噴射制御では、この吸熱反応による熱の収支を最小化する各燃料噴射の噴射タイミングと、各燃料噴射のインターバル（噴射間隔）とが定量化されていなかった。そのため、常に最適なタイミングでプレ噴射およびメイン噴射を実行するといった技術については未だ構築されていないのが実情であった。つまり、燃焼音の低減、ＮＯｘ発生量の低減、高いエンジントルクの確保といった観点から各制御項目（燃料噴射量や燃料噴射タイミング）を個別に設定し、エンジンの種類毎に試行錯誤で適合（エンジンの種類毎にそれに適したプレ噴射およびメイン噴射の燃料噴射パターンを構築すること）を実施しているのが実情であった。

このように、従来のプレ噴射およびメイン噴射の燃料噴射パターンの設定手法では、これらの噴射タイミングとインターバルとの組み合わせが複数存在することになり、これらの適合を行う作業者の評価のバラツキなどが、最適な燃料噴射パターンに対する乖離量となりそのまま燃料噴射パターンのバラツキとして反映されてしまうことになる。このため、最適な燃料噴射パターン（最適解）を得ることはほとんど不可能であった。つまり、従来では、試行錯誤で各燃料噴射パターンを決定していたため、種々のエンジンに共通した体系的な燃料噴射制御手法が構築されておらず、燃料噴射制御の最適化を図るためには、未だ改良の余地があった。

本発明は、そのような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、主噴射に先立つ副噴射が実行可能な圧縮自着火式の内燃機関に対し、これら主噴射と副噴射との噴射形態の最適化を図ることが可能な体系化された燃料噴射制御手法を提供することにある。

本発明は、上述の課題を解決するための手段を以下のように構成している。すなわち、本発明は、圧縮自着火式の内燃機関の燃料噴射制御装置であって、燃料噴射弁からの燃料噴射動作として、少なくとも、主噴射と、この主噴射に先立って行われる副噴射とが実行可能に構成されている。そして、上記副噴射が複数回に分割して実行され、第２副噴射に先立って行われる第１副噴射で噴射された燃料の一部が、自着火により燃焼する一方、その残部が、上記主噴射で燃料が噴射されるまでの間は燃焼せず、上記主噴射で噴射された燃料とともに燃焼するように、上記各燃料噴射の噴射タイミングおよび噴射量を制御する燃料噴射制御手段を備えていることを特徴としている。ここで、上記第２副噴射は、気筒内の予熱に寄与する予熱用の副噴射であることが好ましい。

上記構成では、主噴射に先立つ副噴射が複数回に分割して実行される。このような副噴射の分割噴射（多段噴射）を行うのは、次のような理由による。すなわち、１回当たりの副噴射の噴射量を増加すると、気化潜熱量が増大するため、吸熱量が増大してしまう。これにともなって、燃焼場の雰囲気温度の低下代が大きくなり、副噴射の燃料の着火遅れが大きくなることが懸念される。さらに、副噴射の燃料の着火後の発熱量も大きくなるため、その副噴射の燃料の燃焼によって発生する逆進トルク（クランクシャフトの回転方向に対して逆方向に作用するトルク）も増大することが懸念される。したがって、そのような着火遅れおよび逆進トルクの最小化を図るために、１回当たりの副噴射の噴射量をできる限り最小化することとし、複数回の分割噴射を実行することで要求される噴射量を確保するようにしている。

そして、上記構成によれば、第１副噴射で噴射された燃料の一部を気筒内の予熱に寄与させることができるとともに、気筒内予熱に寄与しない残りの燃料を内燃機関のトルクに寄与させることができる。詳細には、上記第１副噴射の燃料の一部は、自着火可能な状態にあり、第１副噴射が行われると、速やかに燃焼する。この燃焼にともなって気筒内温度が高められる。そして、この燃焼による熱発生量を利用して、第２副噴射で噴射される燃料の燃焼を促進することが可能となる。このように、上記第１副噴射の燃料の一部を、第２副噴射で噴射される燃料の着火性を良好にするための予熱に寄与させることができる。そして、第２副噴射が行われると、第２副噴射の燃料が速やかに燃焼して、気筒内温度がさらに高められる。そして、この燃料の燃焼による熱発生量を最大限に利用して、主噴射で噴射された燃料の燃焼を促進することが可能になる。これにより、主噴射で噴射される燃料の着火性を良好に確保することができる。

ここで、上述したように、着火遅れおよび逆進トルクの最小化を図る観点から副噴射の分割噴射を行うと、第２副噴射の噴射量が制限されるため、第２副噴射の予熱機能だけでは不十分となることが懸念される。そこで、この構成では、第１副噴射の燃料の一部を燃焼させて気筒内予熱に寄与させることで、第２副噴射の予熱機能を補うようにしている。

一方、上記第１副噴射で噴射された燃料の残部が、主噴射で噴射された燃料とともに燃焼することで、その燃料に相当する分だけ内燃機関のトルクを増大させることができる。また、主噴射の噴射タイミングをピストンの圧縮上死点（ＴＤＣ）の近傍とすることで、逆進トルクの発生を回避することができる。これにより、高いトルクを効率よく確保することができる。

本発明において、上記第１副噴射で噴射され且つ気筒内のスワール流に沿って流れる燃料が、その後に上記主噴射で噴射された燃料と重畳するとともに、上記第２副噴射で噴射された燃料が、その後に上記主噴射で噴射された燃料と重畳しないように、上記各燃料噴射の噴射タイミングがそれぞれ設定されていることが好ましい。

この構成によれば、気筒内のスワール流を考慮して、主噴射の燃料が噴射される場所に第１副噴射の燃料を予め噴射しておくようにしている。この重畳噴射により、上記第１副噴射の燃料の残部が、主噴射で噴射された燃料とともに燃焼することで、その燃料に相当する分だけ内燃機関のトルクを増大させることができる。また、主噴射の燃料が噴射される場所に第１副噴射の燃料が予め噴射されるため、燃料が可燃空燃比までに拡散するのに要する時間を短縮することができ、その結果、初期燃焼速度の低下を抑制でき、着火遅れを抑制することができる。

本発明において、上記第１副噴射に先立って第３副噴射が実行され、上記第３副噴射で噴射された燃料が上記主噴射で噴射された燃料とともに燃焼するように、上記各燃料噴射の噴射タイミングおよび噴射量が制御されることが好ましい。ここで、上記第３副噴射で噴射され且つ気筒内のスワール流に沿って流れる燃料が、その後に上記主噴射で噴射された燃料と重畳するように、上記各燃料噴射の噴射タイミングがそれぞれ設定されていることが好ましい。

上記構成によれば、第３副噴射で噴射された燃料により、上記第１副噴射の残部とほぼ同様の効果を得ることができるので、その第１副噴射の残部による効果を一層高めることができる。具体的には、第３副噴射で噴射された燃料は、そのほとんどが自着火不能な状態にあり、気筒内予熱にほとんど寄与しない。一方、気筒内のスワール流を考慮して、主噴射の燃料が噴射される場所に第３副噴射の燃料を予め噴射しておくようにしている。この重畳噴射により、第３副噴射の燃料が、主噴射で噴射された燃料とともに燃焼することで、その燃料に相当する分だけ内燃機関のトルクを増大させることができる。このように、主噴射の燃料とともに、上記第１副噴射の残部だけではなく、第３副噴射の燃料も燃焼可能となるため、内燃機関をより高トルクで運転させることが可能となる。しかも、主噴射で燃料が噴射されるピストンの圧縮上死点（ＴＤＣ）までの間は、第３副噴射の燃料はほとんど燃焼しないため、この燃焼による逆進トルクの発生を回避することができる。また、主噴射の燃料が噴射される場所に第３副噴射の燃料が予め噴射されるため、燃料が可燃空燃比までに拡散するのに要する時間を短縮することができ、その結果、初期燃焼速度の低下を抑制でき、着火遅れを抑制することができる。

ここで、上述したように、着火遅れおよび逆進トルクの最小化を図る観点から副噴射の分割噴射を行うと、第１副噴射の噴射量が制限されるため、上記第１副噴射の残部によるトルクアップの機能だけでは不十分となることが懸念される。そこで、この構成では、第３副噴射の噴射形態を上述したような重畳噴射とすることによって、第３副噴射の燃料を主噴射の燃料とともに燃焼させることで、第１副噴射のトルクアップの機能を補うようにしている。

本発明によれば、第１副噴射で噴射された燃料の一部を気筒内の予熱に寄与させることができるとともに、気筒内予熱に寄与しない残りの燃料を内燃機関のトルクに寄与させることができる。

本発明を実施するための最良の形態について添付図面を参照しながら説明する。

以下では、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例について説明する。

−エンジンの構成−
まず、実施形態に係るディーゼルエンジンの概略構成について説明する。図１は、実施形態に係るディーゼルエンジンおよびその制御系統の概略構成図である。図２は、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１に示すように、ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンともいう）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。

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。

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。

また、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遮断弁２４が備えられている。

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。

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。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６２が配設されている。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。

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。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。

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。

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。すなわち、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。この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。

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。

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。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。

ピストン１３の頂面１３ａの上側には、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。

このピストン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の大端部が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。

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排気ポート７１とがそれぞれ形成されているとともに、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、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、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。

さらに、図１に示す如く、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５Ａを介して連結されたタービンホイール５Ｂおよびコンプレッサホイール５Ｃを備えている。コンプレッサホイール５Ｃは吸気管６４内部に臨んで配置され、タービンホイール５Ｂ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５Ｂ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５Ｃ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。この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５Ｂ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。

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よりもさらに下流側に設けられたスロットルバルブ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。

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。

−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。

例えば、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。

−ＥＣＵ−
ＥＣＵ１００は、図３に示すように、ＣＰＵ１０１、ＲＯＭ１０２、ＲＡＭ１０３、バックアップＲＡＭ１０４などを備えている。ＲＯＭ１０２には、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り、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。

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。

入力インターフェース１０５には、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、インジェクタ２３、燃料添加弁２６、スロットルバルブ６２、ＥＧＲバルブ８１などが接続されている。

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。さらに、ＥＣＵ１００は、インジェクタ２３の燃料噴射制御として、後述するパイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射、アフタ噴射、ポスト噴射を実行する。

これらの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、すなわち目標レール圧は、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。すなわち、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。

上記パイロット噴射やメイン噴射などの燃料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や吸入空気等の温度条件などによって異なるものとなる。

例えば、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、すなわ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への踏み込み量（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燃料噴射量（後述するプレ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。

−燃料噴射形態−
次に、この実施形態における上記パイロット噴射、プレ噴射、メイン噴射、アフタ噴射、ポスト噴射の各動作の概略について説明する。

（パイロット噴射）
パイロット噴射は、インジェクタ２３からのメイン噴射（主噴射）に先立ち、予め少量の燃料を噴射する噴射動作である。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。すなわち、この実施形態におけるパイロット噴射の機能は、気筒内の予熱に特化したものとなっている。言い換えれば、この実施形態におけるパイロット噴射は、燃焼室３内でのガスの予熱を行うための噴射動作（予熱用燃料の供給動作）となっている。

具体的には、噴霧の分配や局所濃度の適正化を図るために、パイロット噴射の１回当たりの噴射量をインジェクタ２３の最小限界噴射量（例えば１．５ｍｍ³）とし、噴射回数を設定することで必要な総パイロット噴射量を確保するようにしている。このようにして分割噴射されるパイロット噴射のインターバルは、インジェクタ２３の応答性（開閉動作の速さ）によって決定される。このインターバルは、例えば２００μｓに設定される。また、パイロット噴射の噴射開始タイミングとしては、例えばクランク角度で、ピストン１３の圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）８０°以降に設定される。なお、パイロット噴射の１回当たりの噴射量や、インターバル、噴射開始タイミングは、上記値に限定されるものではない。

（プレ噴射）
プレ噴射は、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噴射動作である。プレ噴射は、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。このプレ噴射には、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）と、燃焼室３内でのガスの予熱を行うための噴射動作（予熱用燃料の供給動作）とがある。なお、この実施形態におけるプレ噴射の具体的な噴射形態や、プレ噴射とメイン噴射との関係については後述する。

プレ噴射の噴射量は、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に応じて決定される要求トルクを得るための総燃料噴射量（プレ噴射での噴射量とメイン噴射での噴射量との和）に対し、所定の比率（例えば１０％）に設定することが可能である。

また、プレ噴射の噴射開始角度（クランク角度位置）は、以下の式（１）によって設定することが可能である。角度は、クランクシャフトの回転角度に換算した値を意味している。

プレ噴射開始角度＝プレ燃焼終了角度＋プレ噴射期間作用角＋（プレ噴射における燃焼所要時間のクランク角度換算値＋着火遅れ時間のクランク角度換算値−オーバラップ時間のクランク角度換算値） …（１）
この式（１）において、着火遅れ時間は、プレ噴射が実行されてからその燃料が着火するまでの時間遅れである。また、オーバラップ時間は、複数回のプレ噴射が行われる場合において、先行して実行されるプレ噴射による燃料の燃焼期間と、後続して実行されるプレ噴射による燃料の燃焼期間とのオーバラップ時間（２つの燃焼が同時に行われている時間）、および、最終のプレ噴射による燃料の燃焼期間と、後続して実行されるメイン噴射による燃料の燃焼期間とのオーバラップ時間、並びに、最終のパイロット噴射による燃料の燃焼期間と、プレ噴射による燃料の燃焼期間とのオーバラップ時間である。また、上記式（１）に限らず、プレ噴射の着火遅れ時間のクランク角度換算値（着火遅れ角）と、この着火遅れ時間の経過後、プレ噴射開始時の吸熱反応によって気筒内での熱発生量の収支が負になっている状態からこの熱発生量の収支が正に転じた状態になるまでの時間のクランク角度換算値（燃焼開始角）とに応じて、プレ噴射の噴射開始角度を設定することも可能である。

（メイン噴射）
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。なお、この実施形態におけるメイン噴射の具体的な噴射形態や、メイン噴射とプレ噴射との関係については後述する。

メイン噴射の噴射量は、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に応じて決定される要求トルクを得るための上記総燃焼噴射量から、上記プレ噴射での噴射量を減算した噴射量として設定することが可能である。

また、メイン噴射の噴射開始角度（クランク角度位置）は、以下の式（２）によって設定することが可能である。

メイン噴射開始角度＝メイン着火時期＋メイン噴射期間作用角＋（メイン噴射における燃焼所要時間のクランク角度換算値＋着火遅れ時間のクランク角度換算値−オーバラップ時間のクランク角度換算値） …（２）
この式（２）において、着火遅れ時間は、メイン噴射が実行されてからその燃料が着火するまでの時間遅れである。また、オーバラップ時間は、上記プレ噴射による燃料の燃焼期間とメイン噴射による燃料の燃焼期間とのオーバラップ時間、および、メイン噴射による燃料の燃焼期間と、アフタ噴射による燃料の燃焼期間とのオーバラップ時間である。また、上記式（２）に限らず、メイン噴射の着火遅れ時間のクランク角度換算値（着火遅れ角）に応じて、メイン噴射の噴射開始角度を設定することも可能である。

ここで、上述したプレ噴射およびメイン噴射の制御プロセスについて簡単に説明する。まず、エンジン１のトルク要求値に対して、上記プレ噴射での噴射量とメイン噴射での噴射量との和である総燃料噴射量が算出される。つまり、エンジン１に要求されるトルクを発生させるための量として総燃料噴射量が算出される。

上記エンジン１のトルク要求値は、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、補機類等の使用状況に応じて決定される。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る。

このようにして総燃料噴射量が算出された後、この総燃料噴射量に対するプレ噴射の噴射量の比率（分割率）を設定する。つまり、プレ噴射量は、総燃料噴射量に対して上記分割率で分割された量として設定されることになる。この場合、分割率（プレ噴射量）は、メイン噴射による燃料の着火遅れの抑制が可能な値として設定される。この実施形態では、上記分割率は１０％に設定されている。そして、このようなプレ噴射およびメイン噴射によって、高いエンジントルクを確保しながらも、緩慢燃焼の実現による燃焼音の低減やＮＯｘ発生量の低減を図ることが可能になる。

（アフタ噴射）
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、この実施形態では、このアフタ噴射により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を実行するようにしている。また、このアフタ噴射においても、上述したパイロット噴射の場合と同様に、１回当たりの噴射量をインジェクタ２３の最小限界噴射量（例えば１．５ｍｍ³）とし、噴射回数を設定することで必要な総アフタ噴射量を確保するようにしている。

（ポスト噴射）
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。

−目標燃料圧力の設定手法−
ここで、この実施形態において目標燃料圧力を設定する際の技術的思想について説明する。

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。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ことに着目し、この熱発生率の変化状態をコントロールするための手法として、次に述べるような目標燃料圧力の設定手法を見出した。

図４の実線は、横軸をクランク角度、縦軸を熱発生率とし、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４では、メイン噴射単独での熱発生率波形（プレ噴射による熱発生率を加えていない熱発生率波形）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。

この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）からメイン噴射で噴射された燃料の燃焼が開始され、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°（ＡＴＤＣ１０°）の時点）で熱発生率が極大値（ピーク値）に達し、さらに、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°（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。この時点までに燃焼を終了させるために、この実施形態では、圧縮上死点後２２°（ＡＴＤＣ２２°）までにメイン噴射での燃料噴射を終了させ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°（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、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。

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、燃焼速度およびピーク値がとも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。

上述したように、この実施形態に係る目標燃料圧力の設定手法は、熱発生率の変化状態の適正化（熱発生率波形の適正化）を図ることで燃焼効率の向上を図るといった技術的思想に基づくものである。なお、実際の燃料噴射動作としては、このような熱発生率波形となるメイン噴射に先立って、上述したパイロット噴射およびプレ噴射が実行されることになる。すなわち、パイロット噴射およびプレ噴射により気筒内温度を十分に高めて、メイン噴射で噴射される燃料の着火性を良好に確保し、また、プレ噴射により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ようにしている。

−プレ噴射およびメイン噴射の噴射形態−
次に、この実施形態の特徴である上記プレ噴射およびメイン噴射の噴射形態について説明する。

まず、プレ噴射の機能について説明する。プレ噴射で噴射された燃料の機能として、一般に、自着火により気筒内の予熱に寄与する機能（予熱機能と言う）と、自着火せずにその後に噴射される燃料（この実施形態ではメイン噴射の燃料）とともに燃焼する機能（予混合機能と言う）とがある。プレ噴射の燃料のうち、予熱機能に寄与する燃料（予熱項と言う）と、予混合機能に寄与する燃料（予混合項と言う）との比率は、プレ噴射の噴射タイミングおよび噴射量に応じて変化する。この点について、図５を参照して説明する。

図５は、プレ噴射の実行タイミングと、その実行タイミングにおいて気筒内で発生する熱発生量との関係を、複数の燃料噴射量（Ａ〜Ｄ）に対して解析した結果を示している。例えば、Ａは燃料噴射量０．７ｍｍ³であり、Ｂは燃料噴射量１．５ｍｍ³であり、Ｃは燃料噴射量３．０ｍｍ³であり、Ｄは燃料噴射量６．０ｍｍ³である。また、図中の一点鎖線は燃料量１．５ｍｍ³が完全燃焼した場合の熱量レベルを示している。例えば、図中の点Ｘは、プレ噴射をピストン１３の圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）１５°のタイミングで実行し且つ燃料噴射量を１．５ｍｍ³とした場合に熱発生量がＸ１［Ｊ］であることを表している。また、図中の点Ｙは、プレ噴射をピストン１３の圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）７°のタイミングで実行し且つ燃料噴射量を３．０ｍｍ³とした場合に熱発生量がＹ１［Ｊ］であることを表している。更に、図中の点Ｚは、プレ噴射をピストン１３の圧縮上死点（ＴＤＣ）のタイミングで実行し且つ燃料噴射量を６．０ｍｍ³とした場合に熱発生量がＺ１［Ｊ］であることを表している。

この図から分かるように、プレ噴射の噴射タイミングがピストン１３の圧縮上死点（ＴＤＣ）に近付くほど、同一の噴射量であっても熱発生量は大きくなる。すなわち、ピストン１３が圧縮上死点付近に達していて気筒内温度が上昇している環境下にプレ噴射を実行すれば、局部的に濃度の高い混合気が高温環境下に晒されて燃焼が開始することになる。このため、プレ噴射の噴射タイミングがピストン１３の圧縮上死点（ＴＤＣ）に近付くほど、同一の噴射量であっても熱発生量は大きくなる。このように、自着火可能な燃料が上述の予熱項となり得る。

一方、プレ噴射の噴射タイミングがピストン１３の圧縮上死点（ＴＤＣ）から進角されるほど、燃焼室内容積が大きい状態（ピストン１３が低い位置にある状態）で微少量のプレ噴射が行われることになる。このため、その後に、ピストン１３が圧縮上死点付近に達して気筒内温度が上昇（吸気の圧縮による温度上昇）しても、既に燃料が広範囲に拡散し、混合気が可燃空燃比よりも希薄化してしまう結果、混合気が着火不能な状態となる可能性がある。このように、自着火不能な燃料が上述の予混合項となり得る。

そして、プレ噴射の噴射タイミングがピストン１３の圧縮上死点（ＴＤＣ）に近付くほど、予熱項の比率が高くなる。ただし、ピストン１３の圧縮上死点（ＴＤＣ）付近でプレ噴射を行っても、その噴射量のうち実際に熱発生量に寄与できる燃料量（予熱項）は５０％程度である。例えば、ピストン１３の圧縮上死点（ＴＤＣ）のタイミングで噴射量を３．０ｍｍ³としたプレ噴射の場合、熱発生量は、燃料量１．５ｍｍ³が完全燃焼した場合の熱量レベルに相当する。

これに対し、プレ噴射の噴射タイミングがピストン１３の圧縮上死点（ＴＤＣ）から進角されるほど、予混合項の比率が高くなる。図５から分かるように、ピストン１３の圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）１８°よりも進角側のタイミングでプレ噴射を実行した場合には混合気の希薄化が急速に進み、予混合項の比率がさらに高くなる。また、ピストン１３の圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）３０°よりも進角側のタイミングでプレ噴射を実行した場合、その噴射量が所定の上限値以下であれば、プレ噴射の全ての燃料が予混合項となり得る。逆に、ピストン１３の圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）３０°よりも遅角側のタイミングでプレ噴射を実行した場合、プレ噴射で噴射された燃料の一部が予熱項となり、残部が予混合項となる。

続いて、この実施形態の特徴部分について説明する。この実施形態では、メイン噴射に先立つプレ噴射が複数回に分割して実行される。このようなプレ噴射の分割噴射（多段噴射）を行うのは、次のような理由による。すなわち、１回当たりのプレ噴射の噴射量を増加すると、気化潜熱量が増大するため、吸熱量が増大してしまう。これにともなって、燃焼場の雰囲気温度の低下代が大きくなり、プレ噴射の燃料の着火遅れが大きくなることが懸念される。さらに、プレ噴射の燃料の着火後の発熱量も大きくなるため、そのプレ噴射の燃料の燃焼によって発生する逆進トルクも増大することが懸念される。したがって、そのような着火遅れおよび逆進トルクの最小化を図るために、１回当たりのプレ噴射の噴射量をできる限り最小化することとし、複数回の分割噴射を実行することで要求される噴射量を確保するようにしている。以下では、プレ噴射が２回に分けて行われる例について説明することとし、先に行われるプレ噴射を第１プレ噴射と言い、後に行われるプレ噴射を第２プレ噴射と言う。

この実施形態の特徴部分は、第１プレ噴射で噴射された燃料の一部（予熱項）が自着火により燃焼するとともに、第１プレ噴射で噴射された燃料の残部（予混合項）がメイン噴射で燃料が噴射されるまでの間は燃焼せず、メイン噴射で噴射された燃料とともに燃焼するように、プレ噴射およびメイン噴射の噴射タイミングおよび噴射量が制御される点にある（燃料噴射制御手段による燃料噴射タイミングおよび噴射量の制御動作）。言い換えると、プレ噴射およびメイン噴射の噴射形態は、第１プレ噴射で噴射された燃料の一部が、自着火により気筒内の予熱に寄与するとともに、第１プレ噴射で噴射された燃料の残部が、メイン噴射で噴射された燃料とともに燃焼することでエンジン１のトルクに寄与するような形態となっている。つまり、第１プレ噴射で噴射された燃料は、予熱機能および予混合機能の両方の機能を果たすようになっている。また、第２プレ噴射で噴射された燃料は、主として予熱機能を果たすようになっている。

そして、第１プレ噴射の噴射量と第２プレ噴射の噴射量との和は、上述したように、要求トルクを得るための総燃料噴射量に対し１０％に設定される。なお、第１プレ噴射の噴射量と第２プレ噴射の噴射量とを均等に配分することが可能であるが、適宜の配分率で第１プレ噴射の噴射量と第２プレ噴射の噴射量とを異ならせてもよい。ただし、第１プレ噴射の噴射量および第２プレ噴射の噴射量は、インジェクタ２３の最小限界噴射量以上に設定される。

次に、各燃料噴射の噴射タイミングについて説明する。

まず、第１プレ噴射およびメイン噴射の噴射タイミングは、第１プレ噴射で噴射された燃料の残部（予混合項）を、メイン噴射で燃料が噴射されるまでの間は燃焼させず、メイン噴射で噴射された燃料とともに燃焼させることが可能なタイミングに設定されている。つまり、第１プレ噴射で予混合項として供給された燃料を、その後のメイン噴射で供給された燃料とともに燃焼させるように、第１プレ噴射およびメイン噴射の噴射タイミングが設定されている。

具体的には、第１プレ噴射で噴射され且つ気筒内のスワール流に沿って流れる燃料が、その後にメイン噴射で噴射された燃料と重畳するように、第１プレ噴射およびメイン噴射の噴射タイミングを設定している。つまり、気筒内のスワール流を考慮して、第１プレ噴射の燃料を、メイン噴射の燃料が噴射される場所に予め噴射しておくようにしている。このような第１プレ噴射およびメイン噴射の噴射形態を重畳噴射と言う。

詳しく説明すると、エンジン１の吸入行程で吸気ポート１５ａから気筒内に流入する空気の流れは、上記シリンダ中心線Ｐを回転中心とするスワール流となっており、このスワール流は圧縮行程においても継続して気筒内で生じている。このため、第１プレ噴射で噴射された燃料は、このスワール流によって気筒内を周方向に流れることになる。つまり、圧縮行程での時間の経過とともに、第１プレ噴射で噴射された燃料（噴霧の塊）はインジェクタ２３の噴孔に対面する位置（噴射直後の位置）からスワール流に沿った周方向に流されていくことになる。

従って、第１プレ噴射の後に、メイン噴射を実行する時点にあっては、上記先行して実行された第１プレ噴射で噴射されていた燃料は既に気筒内を周方向に流れており、同一噴孔から噴射される２つの噴射同士（第１プレ噴射とメイン噴射）の燃料は重なり合うことはない（両噴射の燃料塊同士が合体することはない）。

この場合、スワール流れ方向の上流側の噴孔から噴射された第１プレ噴射の燃料が、スワール流れ方向の下流側の噴孔に対向する位置に向かって流れているので、後続するメイン噴射の噴射タイミングを調整することで、言い換えると、第１プレ噴射とメイン噴射との間のインターバルを調整することで、第１プレ噴射で噴射された燃料とメイン噴射で噴射された燃料とを合体させるようにすることができる。

より具体的には、ピストン１３が下死点から上死点に達するまでの間に（クランク角度で１８０°移動するまでの間に）、スワール流が気筒内を周方向に１回転する場合を考える。つまり、スワール比が「２」の場合である。また、インジェクタ２３の噴孔数が「１０」である場合を考える。この場合、第１プレ噴射とメイン噴射とのインターバルを気筒内の周方向で３６°（クランク角度で１８°）の整数倍とすれば、第１プレ噴射で噴射された燃料とメイン噴射で噴射された燃料とを合体させることができる。

この実施形態では、第１プレ噴射およびメイン噴射の重畳噴射の噴射パターンは、例えば、図６に示すようになっている。図６に示すように、第１プレ噴射の噴射タイミングがピストン１３の圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）１８°となっており、メイン噴射の噴射タイミングがピストン１３の圧縮上死点（ＴＤＣ）となっている。したがって、第１プレ噴射とメイン噴射とのインターバルがクランク角度で１８°となっている。

なお、第１プレ噴射とメイン噴射とのインターバルは、重畳噴射の点だけを考慮すれば、クランク角度で３６°とすることも可能であるが、次の理由により、インターバルをクランク角度で１８°とすることが好ましい。まず、上述したように、着火遅れおよび逆進トルクの最小化を図る観点からプレ噴射の分割噴射を行うと、第１プレ噴射の噴射量が制限されるため、第１プレ噴射をピストン１３の圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）３０°よりも進角側のタイミングで行うと、予熱項となり得る燃料が極端に少なくなることが懸念されるからである（図５参照）。また、第１プレ噴射をピストン１３の圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）３０°よりも進角側のタイミングで行うと、第１プレ噴射の燃料がシリンダ内壁面に達する可能性があるため、このシリンダ内壁面に達した燃料による潤滑油の希釈が問題となったり、シリンダ内壁面に付着した燃料が原因で排気中のＨＣやＣＯが増加してしまい排気エミッションが悪化するおそれがあるからである。

次に、第２プレ噴射およびメイン噴射の噴射タイミングは、第２プレ噴射で噴射され且つ気筒内のスワール流に沿って流れる燃料が、その後にメイン噴射で噴射された燃料と重畳しないように、第２プレ噴射およびメイン噴射の噴射タイミングを設定している。つまり、気筒内のスワール流を考慮して、第２プレ噴射の燃料を、メイン噴射の燃料が噴射される場所以外の場所に予め噴射しておくようにしている。このような第２プレ噴射およびメイン噴射の噴射形態を隣接噴射と言う。

より具体的には、スワール比が「２」、インジェクタ２３の噴孔数が「１０」の場合、第２プレ噴射とメイン噴射とのインターバルを気筒内の周方向で３６°（クランク角度で１８°）未満とすれば、第２プレ噴射で噴射された燃料とメイン噴射で噴射された燃料とを重なり合わせないようにすることができる。この場合、第２プレ噴射で噴射された燃料の燃焼による熱発生率が最大となるタイミングが、ピストン１３が圧縮上死点に達するタイミングに略一致するように設定することが好ましい。こうすれば、第２プレ噴射で噴射された燃料を最大限に利用して必要十分な熱発生量を確保することができ、しかも、この第２プレ噴射による逆進トルクがほとんど発生しないようにすることができる。

この実施形態では、第２プレ噴射およびメイン噴射の隣接噴射の噴射パターンは、例えば、図６に示すようになっている。図６に示すように、第２プレ噴射の噴射タイミングがピストン１３の圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）１８°未満となるタイミング（例えば７°）となっており、メイン噴射の噴射タイミングがピストン１３の圧縮上死点（ＴＤＣ）となっている。このため、第２プレ噴射とメイン噴射とのインターバルがクランク角度で１８°未満となっている。

また、第１プレ噴射および第２プレ噴射の噴射タイミングは、第１プレ噴射で噴射され且つ気筒内のスワール流に沿って流れる燃料が、その後に第２プレ噴射で噴射された燃料と重畳しないようなタイミングとなっている。つまり、気筒内のスワール流を考慮して、第１プレ噴射の燃料を、第２プレ噴射の燃料が噴射される場所以外の場所に予め噴射しておくようにしている。

そして、この実施形態の燃料噴射制御によれば、次のような効果が得られる。すなわち、第１プレ噴射で噴射された燃料の一部（予熱項）を気筒内の予熱に寄与させることができるとともに、気筒内予熱に寄与しない残りの燃料（予混合項）をエンジン１のトルクに寄与させることができる。

詳細には、第１プレ噴射の予熱項は、自着火可能な状態にあり、第１プレ噴射が行われると、速やかに燃焼する。この第１プレ噴射の予熱項の燃焼にともなって、気筒内で燃焼が行われた場所の圧縮ガス温度が局所的に高められ、筒内圧力が上昇する。これにより、気筒内温度を高めて燃料の自着火温度に到達させることが可能となる。つまり、この燃焼による熱発生量を利用して、第２プレ噴射で噴射される燃料の燃焼を促進することが可能となる。このように、第１プレ噴射の燃料の一部を、第２プレ噴射で噴射される燃料の着火性を良好にするための予熱に寄与させることができる。

そして、第２プレ噴射が行われると、第２プレ噴射の燃料が速やかに燃焼して、気筒内温度がさらに高められる。この場合、第２プレ噴射で噴射された燃料とメイン噴射で噴射された燃料とを重なり合わせないようにしているため、第２プレ噴射で噴射された燃料を気筒内予熱に寄与させることができる。そして、この燃料の燃焼による熱発生量を最大限に利用して、メイン噴射で噴射された燃料の燃焼を促進することが可能になる。これにより、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ことができる。

ここで、上述したように、着火遅れおよび逆進トルクの最小化を図る観点から副噴射の分割噴射を行うと、第２プレ噴射の噴射量が制限されるため、第２プレ噴射の予熱機能だけでは不十分となることが懸念される。そこで、この実施形態では、第１プレ噴射の燃料の一部を燃焼させて気筒内予熱に寄与させることで、第２プレ噴射の予熱機能を補うようにしている。つまり、第２プレ噴射の噴射量不足を第１プレ噴射の燃料の一部によって補うようにしている。

一方、第１プレ噴射で噴射された燃料のうち、気筒内予熱に寄与しない残りの燃料（予混合項）は、上記予熱項とは異なり、自着火不能な状態にある。つまり、第１プレ噴射の予混合項による予混合ガスは、メイン噴射の燃料が噴射されるまでの間は、可燃空燃比よりも希薄化しており、着火できないようになっている。この実施形態では、第１プレ噴射の予混合項による予混合ガスに対し、メイン噴射の燃料を重畳させるようにしている。この重畳噴射により、予混合ガスが可燃空燃比となり、メイン噴射の燃料とともに速やかに燃焼し、エンジン１のトルクに寄与することになる。

このように、第１プレ噴射の予混合項の着火不能の特性を利用することによって、エンジン１を高トルクで運転させることが可能となる。すなわち、この燃焼により、第１プレ噴射の予混合項をエンジン１のトルクに寄与させることができ、燃焼した第１プレ噴射の予混合項に相当する分だけトルクを増大させることができる。この際、第１プレ噴射の予混合項をエンジン１のトルクに全て寄与させることで、この燃焼により発生するトルクを十分に確保することが可能となり、高効率でエンジン１を運転させることが可能となる。しかも、メイン噴射で燃料が噴射されるピストン１３の圧縮上死点（ＴＤＣ）までの間は、第１プレ噴射の予混合項は燃焼しないため、この予混合項は燃焼による逆進トルクの発生を回避することができる。また、重畳噴射により、メイン噴射の燃料が噴射される場所に第１プレ噴射の燃料が予め噴射されているので、燃料が可燃空燃比までに拡散するのに要する時間を短縮することができ、その結果、初期燃焼速度の低下を抑制でき、着火遅れを抑制することができる。

−他の実施形態−
以上、本発明の実施形態について説明したが、ここに示した実施形態はさまざまに変形することが可能である。

エンジン１のスワール比や、インジェクタ２３の噴孔数は一例であって、適宜変更することが可能である。これらの変更にともなってプレ噴射とメイン噴射の重畳噴射のインターバルも変更される。

上記実施形態では、メイン噴射の噴射タイミングがピストン１３の圧縮上死点（ＴＤＣ）であったが、メイン噴射の噴射タイミングは適宜変更することが可能である。この変更にともなって第１プレ噴射および第２プレ噴射の噴射タイミングも変更される。ここで、メイン噴射の噴射タイミングは、逆進トルクの発生を抑制する観点から、ピストン１３の圧縮上死点（ＴＤＣ）の近傍に設定されることが好ましい。

上記実施形態では、プレ噴射が２回に分けて行われたが、プレ噴射を３回に分けて実行する構成としてもよい。プレ噴射が３回の場合のプレ噴射およびメイン噴射の噴射形態について、図７を参照して説明する。第１プレ噴射および第２プレ噴射については、上記実施形態と同様となっており、ここでは、上記実施形態と異なる点について主に説明する。なお、第１プレ噴射に先立って行われるプレ噴射を第３プレ噴射と言う。

まず、第１プレ噴射の噴射量と第２プレ噴射の噴射量と第３プレ噴射の噴射量との和が、要求トルクを得るための総燃料噴射量に対し１０％に設定される。なお、第１プレ噴射の噴射量と第２プレ噴射の噴射量と第３プレ噴射の噴射量とを均等に配分することが可能であるが、適宜の配分率で第１プレ噴射の噴射量と第２プレ噴射の噴射量と第３プレ噴射の噴射量とを異ならせてもよい。ただし、第１プレ噴射の噴射量、第２プレ噴射の噴射量、および第３プレ噴射の噴射量は、インジェクタ２３の最小限界噴射量以上に設定される。

次に、第３プレ噴射およびメイン噴射の噴射タイミングは、第３プレ噴射で噴射された燃料が、メイン噴射で噴射された燃料とともに燃焼するように、第３プレ噴射およびメイン噴射の噴射タイミングが設定されている。具体的には、第３プレ噴射で噴射され且つ気筒内のスワール流に沿って流れる燃料が、その後にメイン噴射で噴射された燃料と重畳するように、第３プレ噴射およびメイン噴射の噴射タイミングを設定している。つまり、第３プレ噴射およびメイン噴射の噴射形態は重畳噴射となっている。

そして、スワール比が「２」、インジェクタ２３の噴孔数が「１０」の場合、第３プレ噴射とメイン噴射とのインターバルが気筒内の周方向で３６°（クランク角度で１８°）の整数倍となっている。この実施形態では、第３プレ噴射およびメイン噴射の重畳噴射の噴射パターンは、例えば、図７に示すようになっている。図７に示すように、第３プレ噴射の噴射タイミングがピストン１３の圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）３６°となっており、メイン噴射の噴射タイミングがピストン１３の圧縮上死点（ＴＤＣ）となっている。したがって、第３プレ噴射とメイン噴射とのインターバルは、クランク角度で３６°となっている。なお、第３プレ噴射とメイン噴射とのインターバルは、重畳噴射の点だけを考慮すれば、クランク角度で１８°とすることも可能であるが、このタイミングでは第１プレ噴射が行われるため、インターバルはクランク角度で３６°とされる。また、第３プレ噴射をピストン１３の圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）３０°よりも進角側のタイミングで行うと、気筒内予熱に寄与する燃料が極端に少なくなるため（図５参照）、インターバルをクランク角度で３６°とすることが好ましい。

また、第３プレ噴射および第１プレ噴射の噴射タイミングは、第３プレ噴射で噴射され且つ気筒内のスワール流に沿って流れる燃料が、その後に第１プレ噴射で噴射された燃料と重畳しないようなタイミングとなっている。つまり、第３プレ噴射および第１プレ噴射の噴射形態は重畳噴射となっている。図７に示す例では、したがって、第３プレ噴射と第１プレ噴射とのインターバルがクランク角度で１８°となっている。一方、第３プレ噴射および第２プレ噴射の噴射タイミングは、第３プレ噴射で噴射され且つ気筒内のスワール流に沿って流れる燃料が、その後に第２プレ噴射で噴射された燃料と重畳しないようなタイミングとなっている。

そして、この実施形態の燃料噴射制御によれば、上記実施形態と同様の効果に加え、次のような効果も得られる。

第３プレ噴射で噴射された燃料によれば、第１プレ噴射の予混合項とほぼ同様の効果を得ることができるので、上述した第１プレ噴射の予混合項による効果を一層高めることができる。つまり、第３プレ噴射の燃料は、主として予混合機能を果たすようになっている。

具体的には、第３プレ噴射で噴射された燃料は、そのほとんどが自着火不能な状態にあり、気筒内予熱にほとんど寄与しない。つまり、第３プレ噴射による混合ガスのほとんどは、メイン噴射の燃料が噴射されるまでの間は、可燃空燃比よりも希薄化しており、着火できないようになっている。この実施形態では、第３プレ噴射による混合ガスに対し、メイン噴射の燃料を重畳させるようにしている。この重畳噴射により、混合ガスが可燃空燃比となり、メイン噴射の燃料とともに速やかに燃焼し、エンジン１のトルクに寄与することになる。

このように、メイン噴射の燃料とともに、第１プレ噴射の予混合項だけではなく、第３プレ噴射の燃料も燃焼可能となるため、エンジン１をより高トルクで運転させることが可能となる。この際、燃焼した第３プレ噴射の燃料に相当する分だけトルクを増大させることができる。しかも、メイン噴射で燃料が噴射されるピストン１３の圧縮上死点（ＴＤＣ）までの間は、第３プレ噴射の燃料はほとんど燃焼しないため、この燃焼による逆進トルクの発生を回避することができる。また、重畳噴射により、メイン噴射の燃料が噴射される場所に第３プレ噴射の燃料が予め噴射されているので、燃料が可燃空燃比までに拡散するのに要する時間を短縮することができ、その結果、初期燃焼速度の低下を抑制でき、着火遅れを抑制することができる。

ここで、上述したように、着火遅れおよび逆進トルクの最小化を図る観点からプレ噴射の分割噴射を行うと、第１プレ噴射の噴射量が制限されるため、中・高負荷時などには、第１プレ噴射の予混合項による予混合機能だけでは不十分となることが懸念される。そこで、この実施形態では、第３プレ噴射の噴射形態を上述したような重畳噴射とすることによって、第３プレ噴射の燃料をメイン噴射の燃料とともに燃焼させることで、第１プレ噴射の予混合機能を補うようにしている。つまり、第１プレ噴射の噴射量不足を第３プレ噴射によって補うようにしている。

上記実施形態では、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型エンジン等の別）についても特に限定されるものではない。

実施形態に係るディーゼルエンジンおよびその制御系統の概略構成図である。 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。 ＥＣＵ等の制御系の構成を示すブロック図である。 膨張行程時の熱発生率の変化状態を示す波形図である。 プレ噴射の実行タイミングと、その実行タイミングにおいて気筒内で発生する熱発生量との関係を、複数の燃料噴射量に対して解析した結果を示す図である。 プレ噴射およびメイン噴射の燃料噴射パターンを示す図である。 他の実施形態に係るプレ噴射およびメイン噴射の燃料噴射パターンを示す図である。

符号の説明

１ エンジン（内燃機関）
１２ シリンダボア
１３ ピストン
２３ インジェクタ（燃料噴射弁）

Claims (5)

1. 燃料噴射弁からの燃料噴射動作として、少なくとも、主噴射と、この主噴射に先立って行われる副噴射とが実行可能な圧縮自着火式の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
   上記副噴射が複数回に分割して実行され、
   第２副噴射に先立って行われる第１副噴射で噴射された燃料の一部が、自着火により燃焼する一方、その残部が、上記主噴射で燃料が噴射されるまでの間は燃焼せず、上記主噴射で噴射された燃料とともに燃焼するように、上記各燃料噴射の噴射タイミングおよび噴射量を制御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料噴射制御装置。
2. 請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
   上記第１副噴射で噴射され且つ気筒内のスワール流に沿って流れる燃料が、その後に上記主噴射で噴射された燃料と重畳するとともに、上記第２副噴射で噴射された燃料が、その後に上記主噴射で噴射された燃料と重畳しないように、上記各燃料噴射の噴射タイミングがそれぞれ設定されていることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
   上記第２副噴射は、気筒内の予熱に寄与する予熱用の副噴射であることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
   上記第１副噴射に先立って第３副噴射が実行され、
   上記第３副噴射で噴射された燃料が上記主噴射で噴射された燃料とともに燃焼するように、上記各燃料噴射の噴射タイミングおよび噴射量が制御されることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。
5. 請求項４に記載の内燃機関の燃料噴射制御装置において、
   上記第３副噴射で噴射され且つ気筒内のスワール流に沿って流れる燃料が、その後に上記主噴射で噴射された燃料と重畳するように、上記各燃料噴射の噴射タイミングがそれぞれ設定されていることを特徴とする内燃機関の燃料噴射制御装置。

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