JP5257519B2 - 内燃機関の制御装置 - Google Patents

Description

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制御装置に係る。特に、本発明は、燃焼室内での燃焼に伴うＮＯｘの発生量を低減するための対策に関する。

ディーゼルエンジン等のように希薄燃焼を行うエンジンでは、高い空燃比（リーン雰囲気）の混合気を燃焼させる運転領域が全運転領域の大部分を占めているため、窒素酸化物（以下、ＮＯｘという）が比較的多く排出されることが懸念される。

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（火炎温度）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。

また、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も知られている。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。

特開２００５−９０３６８号公報 特開２００５−１８０２２０号公報

ところが、上記排気還流装置によって燃焼室内に排気ガスを還流させたとしても、その後に燃焼室内に噴射される燃料の燃焼状態によっては、その燃焼室内で発生する熱量が大幅に増大することがある。そして、燃焼室内での火炎温度がＮＯｘ発生温度（例えば２２００Ｋ）よりも大幅に高くなってしまうと、ＮＯｘ発生量が増大してしまうといった状況を招くことになる。つまり、上記排気ガスの還流量によって燃焼室内のガス状態を整えるだけではＮＯｘ発生量の低減に限界があるのが実情であった。

そこで、本発明の発明者は、燃焼室内における燃焼場の火炎温度がＮＯｘ発生量を大きく左右することに着目し、その火炎温度の適正化によってＮＯｘ発生量を低減することについて考察を行った。

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、燃焼場の火炎温度の適正化によってＮＯｘ発生量を低減することにある。

−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、燃焼場の火炎温度を目標値として与えると共に、その燃焼場での熱発生量を規定する物理量に基づいて気筒内への投入熱量を制御することにより、火炎温度を適正化してＮＯｘ発生量を低減できるようにしている。

−解決手段−
具体的に、本発明は、燃料噴射弁から噴射された燃料を燃焼室内において自着火により燃焼させる圧縮自着火式の内燃機関の制御装置を前提とする。この内燃機関の制御装置に対し、投入熱量規定部及び投入熱量調整部を備えさせている。投入熱量規定部は、上記燃料が燃焼する燃焼場の容積、この燃焼場の燃焼開始前の温度、この燃焼場における燃焼時のＮＯｘ発生量を所定の目標ＮＯｘ発生量に制限するための燃焼場目標温度、この燃焼場に存在するガスの密度、この燃焼場に存在するガスの比熱、をそれぞれパラメータとして、上記燃焼場における燃焼時の温度が上記燃焼場目標温度となる燃焼室内への投入熱量を規定する。そして、投入熱量調整部は、上記投入熱量規定部によって規定された投入熱量を投入熱量上限値として、燃焼室内へ投入する熱量を調整する。更に、上記投入熱量規定部は、燃焼室内での燃焼期間を複数の微小期間に区画し、燃焼室内での燃焼期間のうち熱発生率が略ピーク値に達するまでの期間のみに対して、上記各微小期間それぞれにおける上記燃焼場の温度が上記燃焼場目標温度となる場合の燃焼室内への投入熱量を規定する構成となっている。

この特定事項により、先ず、投入熱量規定部は、上記各パラメータから、上記燃焼場における燃焼時の温度が上記燃焼場目標温度となる燃焼室内への投入熱量を規定する。つまり、燃焼場における燃焼時のＮＯｘ発生量を所定の目標ＮＯｘ発生量に制限することができる燃焼場目標温度を達成するための燃焼室内への投入熱量を規定する。そして、投入熱量調整部は、上記規定された投入熱量を投入熱量上限値として、燃焼室内へ投入する熱量を調整する。つまり、燃焼室内に投入する熱量が上記投入熱量上限値以下となるように調整する。これにより、燃焼場の温度が上記燃焼場目標温度以下となる状態で燃焼が行われることになり、この燃焼場におけるＮＯｘ発生量を所定の目標ＮＯｘ発生量以下に制限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。また、上記微小期間のそれぞれに対して、燃焼場における燃焼時のＮＯｘ発生量を所定の目標ＮＯｘ発生量に制限するための投入熱量を高い精度で規定できる。
また、燃焼期間において熱発生率がピーク値を超えると、その後は燃焼場温度は次第に下降していく傾向にあり、それに従ってＮＯｘ発生量が増大する可能性も低くなる。これを考慮し、上記燃焼場における燃焼時の温度が燃焼場目標温度となる燃焼室内への投入熱量を規定する期間としては、熱発生率が略ピーク値に達するまでの期間のみとしている。これにより、投入熱量を規定する期間を必要最小限としながらも燃焼期間の全域に亘ってＮＯｘ発生量を所定の目標ＮＯｘ発生量以下に制限することが可能になる。

上記投入熱量調整部の好ましい構成としては以下の各構成が挙げられる。

先ず、投入熱量調整部が、燃料噴射弁から燃焼室内に噴射される燃料の噴射量のうち燃焼室内において熱量に変換される量を予め認識し、その変換される熱量に相当する燃焼室内への投入熱量が上記投入熱量上限値以下となるように燃料噴射弁からの燃料噴射量を設定する構成とされるものである。

また、排気系に排出された排気ガスの一部を吸気系に還流させる排気還流装置を備えたものに対して、投入熱量調整部が、上記燃焼場の温度が上記燃焼場目標温度となるように上記排気還流装置による排気還流量を設定することにより燃焼室内へ投入する熱量を調整する構成とされるものである。

また、上記燃料噴射弁から噴射される燃料の噴射圧力を調整する噴射圧調整部を備えたものに対して、投入熱量調整部が、上記燃焼場の温度が上記燃焼場目標温度となるように上記噴射圧調整部による噴射圧力を設定する構成とされるものである。

これらの構成により上記投入熱量調整部による投入熱量調整動作を具体的に得ることができる。特に、排気還流量や噴射圧力によって燃焼室内へ投入する熱量を調整する構成とした場合には、燃料噴射弁からの燃料噴射量を減少させることなしに燃焼室内へ投入する熱量を適正に調整することが可能となり、燃焼効率を高く維持できる。

上記投入熱量規定部の他の好ましい構成としては、上述した如く燃焼室内での燃焼期間を複数の微小期間に区画した場合に、前回の微小期間において燃焼場で発生した熱量の今回の微小期間における燃焼場での燃焼開始前の温度への影響度を考慮して、今回の微小期間における燃焼開始前の温度を補正することにより、今回の微小期間での燃焼場における燃焼時の温度が上記燃焼場目標温度となる燃焼室内への投入熱量を規定する構成が挙げられる。

また、燃焼室内に噴射された燃料による燃焼場温度の低下分を考慮して、前回の微小期間における燃焼開始前の温度を補正することにより今回の微小期間における燃焼開始前の温度を求めて、今回の微小期間での燃焼場における燃焼時の温度が上記燃焼場目標温度となる燃焼室内への投入熱量を規定する構成も挙げられる。

つまり、前回の微小期間において燃焼場で発生した熱量の今回の微小期間における燃焼場での燃焼開始前の温度への影響度としては、この燃焼開始前の温度を上昇させることが挙げられる。逆に、燃焼室内に噴射された燃料により燃焼場温度が低下する場合には、今回の微小期間における燃焼場での燃焼開始前の温度は、前回の微小期間における燃焼場での燃焼開始前の温度よりも低くなっている。このような燃焼開始前の温度の変化を考慮して燃焼室内への投入熱量を規定するようにしていることにより、投入熱量の上限値を高い精度で求めることができる。

上記燃焼場の燃焼開始前の温度が燃焼場目標温度以上である場合には、上記投入熱量規定部によって投入熱量が規定された対象燃焼場に対しては熱量を投入することができない。このため、このような状況では、上記投入熱量規定部によって規定される熱量が投入される燃焼場とは異なる領域に新たな燃焼場を形成するように燃料の噴霧を移動させる噴霧移動部を備えさせている。

この燃料の噴霧を移動させる手段として具体的には、上記燃料噴射弁から噴射される燃料の噴射圧力の変更、燃焼室内でのスワールの変更、燃料噴射間隔の変更、燃料噴射時期の変更のうち少なくとも一つを実行することが挙げられる。

これによれば、上記対象燃焼場とは異なる燃焼場において燃焼が行われることになり、この燃焼場での燃焼温度が燃焼場目標温度を超えないようにすることができる。

上記投入熱量規定部の他の好ましい構成としては、前回の微小期間において燃焼場に存在するガスの比熱を補正することによって、今回の微小期間において燃焼場に存在するガスの比熱を求めて、今回の微小期間での燃焼場における燃焼時の温度が上記燃焼場目標温度となる燃焼室内への投入熱量を規定する構成が挙げられる。

この場合にも、燃焼場での燃焼が進むことに伴うガスの比熱の変化を考慮して燃焼室内への投入熱量を規定するようにしていることにより、投入熱量の上限値を高い精度で求めることができる。

また、投入熱量規定部が、上記燃焼場目標温度に応じて燃焼室内への投入熱量を規定可能な投入熱量規定マップから投入熱量を読み出す構成も挙げられる。

これによれば、燃焼温度が上記燃焼場目標温度となる燃焼室内への投入熱量を規定するための演算が必要なくなり、燃焼室内へ投入する熱量の調整を迅速に行うことができる。

本発明では、燃焼場の火炎温度を目標値として与えると共に、その燃焼場での熱発生量を規定する物理量に基づいて気筒内への投入熱量を制御している。このため、燃焼場で火炎温度の適正化を図ることができ、ＮＯｘ発生量を低減して、排気エミッションの改善を図ることができる。

図１は、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は、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は、ＥＣＵ等の制御系の構成を示すブロック図である。 図４は、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５は、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６は、燃料噴射時における燃焼室の平面図である。 図７は、燃焼室内での燃焼期間における熱発生率波形及びその微小期間を拡大して示す図である。 図８は、目標燃焼温度設定マップを示す図である。 図９は、燃焼室内で燃焼が進んで行く場合の燃焼開始前温度及び燃焼場の上昇許容温度の変化と、インジェクタの燃料噴射率の変化とを示す図である。 図１０は、第２実施形態におけるＥＧＲ率補正マップの一例を示す図である。 図１１は、第２実施形態における噴射圧補正マップの一例を示す図である。 図１２は、第２実施形態における噴射圧補正マップの他の例を示す図である。 図１３は、第３実施形態における燃焼開始前温度補正係数マップの一例を示す図である。 図１４は、第４実施形態における燃焼開始前温度補正係数マップの一例を示す図である。 図１５は、第５実施形態における燃料噴射圧力変更マップの一例を示す図である。 図１６は、第５実施形態におけるスワール変更マップの一例を示す図である。 図１７は、第５実施形態における燃料噴射時期変更マップの一例を示す図である。 図１８は、第６実施形態における燃焼ガス比熱補正係数マップを示す図である。 図１９は、可変噴射率インジェクタを使用した場合における図９に相当する図である。

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。

−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。

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。

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。

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。

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。

また、上記燃料添加弁２６は、後述するＥＣＵ１００による添加制御動作によって排気系７への燃料添加量が目標添加量（排気Ａ／Ｆが目標Ａ／Ｆとなるような添加量）となるように、また、燃料添加タイミングが所定タイミングとなるように開弁時期が制御される電子制御式の開閉弁により構成されている。つまり、この燃料添加弁２６から所望の燃料が適宜のタイミングで排気系７（排気ポート７１から排気マニホールド７２）に噴射供給される構成となっている。

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。

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弱められることなく、気筒内は高スワールとなる。

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。

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。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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

吸気系６の吸気管６４には、ターボチャージャ５での過給によって昇温した吸入空気を強制冷却するためのインタークーラ６１が設けられている。このインタークーラ６１よりも更に下流側に設けられた上記スロットルバルブ６２は、その開度を無段階に調整することができる電子制御式の開閉弁であり、所定の条件下において吸入空気の流路面積を絞り、この吸入空気の供給量を調整（低減）する機能を有している。

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。

−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、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。

−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。

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。

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、及び、エンジン１の出力軸（クランクシャフト）が一定角度回転する毎に検出信号（パルス）を出力するクランクポジションセンサ４０などが接続されている。

一方、出力インターフェース１０６には、上記サプライポンプ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。

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。

例えば、ＥＣＵ１００は、インジェクタ２３の燃料噴射制御を実行する。このインジェクタ２３の燃料噴射制御として、本実施形態では、説明を簡素化するために１回のメイン噴射のみを実行する場合について説明する。つまり、従来の一般的なディーゼルエンジンにおいて実行されるパイロット噴射、プレ噴射、アフタ噴射、ポスト噴射等の副噴射は実行しないものとして説明する。また、メイン噴射が複数回に亘って間欠的に行われる分割メイン噴射も実行しないものとして説明する。尚、本発明は、これら副噴射や分割メイン噴射を実行するディーゼルエンジンに対しても適用が可能である。

上記メイン噴射での燃料噴射量は、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や環境条件に応じて決定される要求トルクを得るために必要な燃料噴射量として設定される。例えば、エンジン回転数（クランクポジションセンサ４０の検出値に基づいて算出されるエンジン回転数）が高いほど、また、アクセル操作量（アクセル開度センサ４７により検出されるアクセルペダルの踏み込み量）が大きいほど（アクセル開度が大きいほど）エンジン１のトルク要求値としては高く得られ、それに応じて燃料噴射量としても多く設定されることになる。

そして、本実施形態では、後述するように、燃焼室３内への投入熱量を調整するための投入熱量調整制御が実行されるようになっており、実際にインジェクタ２３から噴射される燃料噴射量は、この投入熱量調整制御の実行に伴い、燃料噴射量の上限値以下（後述する投入熱量を上限値以下とするように規定された燃料噴射量）に制限された範囲内で設定されることになる。

つまり、上記要求トルクを得るために必要な燃料噴射量が、投入熱量調整制御で規定される燃料噴射量（投入熱量を上限値以下とするように規定された燃料噴射量）以下であった場合には、この必要な燃料噴射量が実際の燃料噴射量としてインジェクタ２３から噴射される。これに対し、上記要求トルクを得るために必要な燃料噴射量が、投入熱量調整制御で規定される燃料噴射量を超えている場合には、実際の燃料噴射量としては、この投入熱量調整制御で規定される燃料噴射量に制限されてインジェクタ２３から噴射されることになる。この投入熱量調整制御における燃料噴射量の調整動作（燃料噴射量上限値の規定動作）の詳細については後述する（下記の第１実施形態で述べる）。

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。

また、ＥＣＵ１００は、後述する投入熱量調整制御によってもＥＧＲバルブ８１の開度を制御し、ＥＧＲ量を調整するようになっている。この投入熱量調整制御におけるＥＧＲ量の調整動作の詳細については後述する（下記の第２実施形態で述べる）。

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。例えば、後述するように、投入熱量調整制御の実行に伴い、スワールコントロールバルブ６６の開度を変更して燃焼室３内でのスワール流の状態を変化させる（例えば低スワール状態から高スワール状態に変更する）ことになる。この投入熱量調整制御におけるスワールコントロールバルブ６６の開度制御の詳細については後述する（下記の第５実施形態で述べる）。

−燃料噴射圧−
上記メイン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。

上記メイン噴射における燃料噴射パラメータについて、その最適値はエンジン１や吸入空気等の温度条件によって異なるものとなる。

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、この燃料噴射圧も、後述するように、投入熱量調整制御の実行に伴って適正値に変更される（例えば燃料噴射圧を高圧側に補正する）ことになる。この投入熱量調整制御における燃料噴射圧の調整動作の詳細については後述する（下記の第２実施形態及び第５実施形態で述べる）。

−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。

図４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。

この図４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。

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４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、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。

図５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６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６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。

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は、ピストン１３が上死点近傍に達した時点で行われるため、図５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。

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。

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。

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。

−燃焼場での燃焼温度−
上記のように燃焼室３内で混合気が燃焼した際における燃焼温度（火炎温度）に影響を与える因子としては様々なものがある。例えば、燃焼室３内において燃焼している燃焼場（混合気が存在し、その混合気が燃焼している空間：上記円錐状の空間）の容積Ｖ_c（α）、その燃焼場に存在する混合気の燃焼開始前の温度（例えば、燃料噴射開始直後であって未だ燃焼が開始していないタイミングでの混合気の温度：Ｔｈα）、その燃焼場に存在するガス（燃焼開始前の混合気）の密度ρ、燃焼場に存在するガス（燃焼開始前の混合気）の比熱σなどである。

そして、本実施形態では、上記燃焼場での火炎温度の目標値Ｔ_Nを与えると共に、メイン噴射で噴射された燃料の燃焼が開始されてから終了するまでの燃焼期間を多数の微小期間（例えば数μｓｅｃの期間）に区画する。また、各微小期間それぞれにおける上記燃焼場の温度が上記燃焼場目標温度Ｔ_Nとなるような燃焼室３内への投入熱量を各微小期間毎に規定する。そして、その投入熱量を上限値とするように、つまり、燃焼室３内に実際に投入される投入熱量Ｑ（α）がこの上限値以下となるように燃料噴射量等を制御することによって火炎温度を適正化するようにしている。

以下、上記微小期間及び各因子について具体的に説明する。

（微小期間及びその期間中の代表値）
上記燃焼室３内への投入熱量を規定するための微小期間としては、例えば図７（燃焼室３内での燃焼場全体（上記８箇所の燃焼場）における、クランク角度と熱発生率との関係を表す図）に示すように、燃焼期間を時間軸方向で多数に区画し、それぞれの微小期間における投入熱量を規定するために設定されている。

この図７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。この図７における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の圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）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、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°（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。尚、熱発生率波形はこれに限定されるものではない。

以下の説明では、この微小期間を、例えば図７における時刻ｔａ〜ｔｂの期間（図７において斜線を付した期間）とした場合に、その期間におけるクランク角度の代表値を「α」とする。この「α」は、例えば、上記期間（ｔａ〜ｔｂの期間）の中央値であって、α＝（ｔａ＋ｔｂ）／２等の演算式によって与えられる。つまり、この微小期間では後述する「燃焼場の容積Ｖ_c（α）」を一定と見なすために、この微小期間内での中央値が代表されている。

尚、この微小期間の長さ（または燃焼期間の区画数）は任意であり、この期間長さを短く設定するほど（燃焼期間の区画数を多く設定するほど）後述する投入可能熱量（投入熱量Ｑ（α）の上限値）の算出精度を高めることができる。また、この微小期間は、クランクシャフトが微小クランク角度（例えば０．５°ＣＡ）回転する毎の期間として設定することも可能である。

（燃焼場の容積）
燃焼室３内において燃料が燃焼している燃焼場（混合気が存在し、その混合気が燃焼している空間：上記８箇所の円錐状の空間）の容積（以下、単に燃焼場容積Ｖ_c（α）と呼ぶ）としては、ディーゼル燃焼の拡散燃焼において着火遅れ期間が「０」であると仮定すれば、その時間内に噴射された燃料の噴霧が占める容積（上記８箇所の円錐状の空間の合計容積）とすることができる。

このため、この燃焼場容積Ｖ_c（α）は、インジェクタ２３の噴孔径、噴孔数、燃料噴射圧、燃料性状等の影響を受けて求められるペネトレーション（貫徹力）や噴霧拡がり角から求めることが可能である。

例えば、上記インジェクタ２３の噴孔径、噴孔数、燃料噴射圧、燃料性状をパラメータとして燃焼場容積Ｖ_c（α）を求めるためのマップや演算式を上記ＲＯＭ１０２に記憶させておくことで燃焼場容積Ｖ_c（α）を求めるようになっている。この場合、上記燃料噴射圧は、上述した如くエンジン負荷やエンジン回転数等に基づいて設定されるものである。この燃焼場容積Ｖ_c（α）を求めるための上記燃料噴射圧は、上記レール圧センサ４１により検出される検出値を使用したり、予めＲＯＭ１０２に記憶された上記燃圧設定マップから読み出される。

尚、実際には、噴霧の着火遅れが存在する可能性があるため、それを考慮すれば、よりいっそう高い精度で燃焼場容積Ｖ_c（α）を求めることができる。例えば上記マップや演算式から求められた燃焼場容積に対して所定の補正係数（例えば０．８）を乗算することで着火遅れを考慮した燃焼場容積Ｖ_c（α）を求めることができる。この補正係数としては、筒内温度（例えば後述する燃焼開始前温度）等に応じて変更するようにしてもよく、例えば、この補正係数を０．５〜１．０の範囲で筒内温度が高いほど大きな値となるように変更することが挙げられる。

（燃焼開始前の温度）
上記燃焼場に存在する混合気の燃焼開始前の温度（以下、単に燃焼開始前温度Ｔｈαと呼ぶ）は、燃料噴射が行われた時点で上記燃焼場に存在している混合気の温度である。

例えば、エンジン１の圧縮行程の開始時にあっては、一般にピストン１３が下死点付近に達した時点で吸気バルブ１６が閉弁され、その後、インジェクタ２３からの燃料噴射時までは、気筒内に対する新たなガスの流入及び流出は無い。このため、吸気バルブ１６が閉弁された時点での気筒内のガス状態によって圧縮上死点付近での燃焼室３内でのガス温度（燃焼開始前温度Ｔｈα）は決定されることになる。

このため、吸気バルブ１６の閉弁時点での気筒内のガス温度、エンジン１の圧縮比等をパラメータとして燃焼開始前温度Ｔｈαを求めるためのマップや演算式（一般的な断熱圧縮式）を上記ＲＯＭ１０２に記憶させておくことで燃焼開始前温度Ｔｈαを求めることができる。この場合、上記吸気バルブ１６の閉弁時点での気筒内のガス温度は、上記吸気温センサ４９により検出される検出値を使用したり、予めＲＯＭ１０２に記憶された吸気温度推定マップ（外気温やエンジン運転状態等から吸気温度を推定するマップ）から読み出される。

（混合気の密度）
上記燃焼場に存在する燃焼開始前の混合気の密度（以下、単に混合気密度ρと呼ぶ）は、吸気バルブ１６の閉弁時点での気筒内のガス量と、上記燃焼場容積Ｖ_c（α）内に存在する燃料の質量とから算出することが可能である。また、これら吸気バルブ１６の閉弁時点での気筒内のガス量と、上記燃焼場容積Ｖ_c（α）内に存在する燃料の質量とから混合気密度ρを求めるためのマップを上記ＲＯＭ１０２に記憶させておき、このマップから混合気密度ρを求めるようにしてもよい。

（燃焼ガスの比熱）
燃焼場に存在する燃焼開始前のガスの比熱（以下、単に燃焼ガス比熱σと呼ぶ）は、上記混合気密度ρを構成するガス組成及び液相状態の物質の比熱より求められる上記燃焼場容積Ｖ_c（α）内の混合気としての比熱である。この場合も混合気密度ρ等をパラメータとして燃焼ガス比熱σを求めるためのマップや演算式を上記ＲＯＭ１０２に記憶させておくことで燃焼ガス比熱σを求めるようになっている。

（燃焼場の目標温度）
上記燃焼場の目標温度Ｔ_Nは、燃料の燃焼に伴って発生するＮＯｘの発生量を予め設定した目標発生量に規定するために設定される燃焼ガスの温度である。つまり、ＮＯｘの発生量は燃焼場での燃焼温度（火炎温度）と相関があることから、例えば図８に示すような目標燃焼温度設定マップを上記ＲＯＭ１０２に記憶させておき、ＮＯｘの目標発生量（ＮＯｘの許容発生量の上限値）から燃焼場の目標温度Ｔ_Nが得られるようにしている。この目標燃焼温度設定マップに従えば、許容できるＮＯｘ発生量を目標発生量としたうえで、燃焼場の目標温度Ｔ_Nが容易に得られることになる。

また、ＮＯｘ目標発生量を所定の固定値として設定する場合には、この目標燃焼温度設定マップを上記ＲＯＭ１０２に記憶させておく必要はなく、その固定値とされたＮＯｘ目標発生量を達成するための燃焼場の目標温度Ｔ_Nも固定値として決定されることになる。この燃焼場の目標温度Ｔ_Nとしては、例えば２５００Ｋに設定される。この燃焼場の目標温度Ｔ_Nは、この値に限定されるものではない。

−投入熱量の算出−
次に、本実施形態の特徴の一つとして、上記燃焼室３内への投入熱量Ｑ（α）の上限値を算出する動作について説明する。ここで求められる投入熱量Ｑ（α）の上限値は、燃焼室３内において混合気が燃焼する際に発生するＮＯｘ量が所定量以下（上記ＮＯｘ目標発生量以下）となるように規定するために求められる。つまり、ここで求められる投入熱量Ｑ（α）を上限値として燃焼室３内へ熱量を投入することにより、燃焼行程で発生するＮＯｘ量を上記ＮＯｘ目標発生量以下に抑えることができることになる。

先ず、一般的な熱容量の関係から、ある瞬間（上述した微小期間）における１つの噴孔から噴射された燃料の燃焼による熱発生率の関係式を以下の式（１）のように定義する。

ここで、ρ（ｔ）は時刻ｔ（上記微小期間のうちの一つの期間での時刻）における燃焼空間の密度、Ｖ_L（ｉ，ｔ）は時刻ｔに対応するｉ番目（多数に区画された微小期間のうちのｉ番目）の燃焼期間における燃焼空間の容積、σ（ｔ）は時刻ｔに対応するｉ番目の燃焼期間における燃焼空間の容積Ｖ_L（ｉ，ｔ）内の定積比熱である。

上記時刻ｔで燃焼している燃焼空間の総量をＶ_c（ｔ）とすると、以下の式（２）となる。

ここで、Ｎは上記微小期間の区画総数である。

上記式（２）等を用いて、上記式（１）を温度変化に対して変形すると、以下の式（３）となる。

各燃焼単位毎の噴霧塊の時間αで燃焼する燃料がある場合、その燃焼後の温度は、上記式（３）を積分することにより、以下の式（４）となる。

ここで、Ｔ（ｉ，α）はｉ番目の微小期間（中央値α）における燃焼後の噴霧塊の温度であり、Ｔｈαはｉ番目の燃焼期間において燃焼する噴霧を含む燃焼前の混合気ガス温度である。

このとき、ｄｔは非常に小さいので、ρ（ｔ）、Ｖ_L（ｉ，ｔ）は、時刻αとその前後の微小な時間では一定とみなすことができる。このため、以下の式（５）が求められる。

更に、熱発生量に対して上記式（５）の後半を積分すると、以下の式（６）となる。

ここで、微小期間における温度上昇分をΔＴ（ｉ，α）とすると、以下の式（７）が求められる。

ここで、燃焼領域（燃焼場）全体が上昇する温度は、噴霧塊の個別の温度と容積を加えることで、以下の式（８）として求められる。

ここで、Ｍはインジェクタ２３の噴孔数（本実施形態では「８」）である。また、

と定義し、対象とする時間内に投入された熱量をＱ（α）とすると、以下の式（１０）が求められる。

ここで、ＮＯｘは、燃焼温度で生成量が決まるので、ＮＯｘ生成量を所望の値以下（上記ＮＯｘ目標発生量以下）に抑えるには、上記目標燃焼温度Ｔ_Nを設定し、Ｔｈα＋ΔＴ（ｉ，α，ｊ）≦Ｔ_Nとなることが条件となる。これを上記式（１０）に当て嵌めることで以下の式（１１）が求められる。

この式（１１）を変形することで、投入熱量Ｑ（α）の上限値を求めるための以下の式（１２）が得られる。

つまり、この式（１２）によって投入熱量Ｑ（α）の上限値を規定し（投入熱量規定部による規定動作）、この式（１２）における左辺である投入熱量Ｑ（α）を右辺の値以下に設定することでＮＯｘ生成量を所望の値以下（上記ＮＯｘ目標発生量以下）に抑えること（投入熱量調整部による投入熱量調整動作）が可能となる。つまり、この式（１２）を各微小期間それぞれに対して適用することによって、各微小期間（ｉ＝１、ｉ＝２、…、ｉ＝Ｎ）それぞれにおける燃焼室３内への投入熱量の上限値が規定され、この上限値以下の熱量が燃焼室３内に投入されることになる。つまり、本実施形態では、フィードフォワード制御によって燃焼室３内への投入熱量を決定し、この投入熱量が得られるように燃料噴射量等を制御することによって火炎温度を適正化するものとなっている。

−投入熱量の決定−
次に、上記式（１２）によって規定される燃焼室３内への投入熱量Ｑ（α）を得るための制御動作（投入熱量調整制御）についての複数の実施形態を説明する。

（第１実施形態）
本実施形態は、インジェクタ２３からの燃料噴射量を調整することによって、燃焼室３内への投入熱量Ｑ（α）を上記投入熱量上限値以下に設定するものである。以下、この燃料噴射量の調整制御について具体的に説明する。

＜燃料噴射量の調整＞
上述した如く、燃焼室３内に噴射された燃料が燃焼した場合に発生するエネルギは、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、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を経て外部に放熱される熱エネルギに大別される。このうち燃焼室３内を温度上昇させる熱エネルギの量によって燃焼室３内の燃焼温度（火炎温度）が決定される。つまり、この燃焼室３内を温度上昇させる熱エネルギの量が上記燃焼室３内への投入熱量Ｑ（α）に相当することになり、この投入熱量（熱に変換されるエネルギの量）を上記式（１２）に従って上限値（式（１２）の右辺の値が上限値となる）以下に設定することによってＮＯｘ生成量を所望の値以下（上記ＮＯｘ目標発生量以下）に抑えることが可能となる。

具体的な燃料噴射量の設定動作としては、メイン噴射で噴射される燃料噴射量の総量に対して燃焼室３内の温度上昇に寄与する燃料量（投入熱量Ｑ（α）に相当する燃料量）の割合（言い換えると、インジェクタ２３から燃焼室３内に噴射される燃料の噴射量のうち燃焼室３内において熱量に変換される量）を予め求めておき、この温度上昇に寄与する燃料量に対して、上記運動エネルギに寄与する燃料量や外部に放熱される熱エネルギに相当する燃料量等を加算した量を、燃料噴射量の総量として求めることになる。

例えば、メイン噴射で噴射される燃料噴射量の総量のうち５０％が燃焼室３内の温度上昇に寄与するものであった場合、ＮＯｘ生成量を所望の値以下に抑えるべく、燃焼室３内の燃焼温度を上限温度まで上昇させる燃料噴射量（投入熱量変換分の燃料噴射量）に対して２倍の燃料噴射量をメイン噴射での総燃料噴射量として規定することができる。

より具体的には、総燃料噴射量と上記投入熱量Ｑ（α）との関係が規定されたマップや演算式を上記ＲＯＭ１０２に記憶させておき、この投入熱量が上記上限値以下となるように総燃料噴射量を求めるようになっている。

また、上述した如く、上記要求トルクを得るために必要な燃料噴射量が、上記投入熱量調整制御で規定される燃料噴射量以下であった場合には、この必要な燃料噴射量が実際の燃料噴射としてインジェクタ２３から噴射される。この場合、要求トルクを得ながらも投入熱量を十分に小さくできてＮＯｘの発生量を十分に抑制できる。これに対し、上記要求トルクを得るために必要な燃料噴射量が、投入熱量調整制御で規定される燃料噴射量上限値（上記式（１２）の右辺で求められる投入熱量を得るための燃料噴射量の総量）を超えている場合には、実際の燃料噴射としては、この燃料噴射量上限値に制限されてインジェクタ２３から噴射されることになる。この場合、エンジン１のトルクを制限しながら投入熱量を略上限値に設定することでＮＯｘの発生量を抑制（上記ＮＯｘ目標発生量程度に抑制）することになる。

実際に上記式（１２）によって算出される投入熱量Ｑ（α）の上限値は、燃焼室３内で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間（図７における期間Ｓの間）、各微小期間の経過毎に徐々に小さな値として求められていくことになる。その理由の一つは、燃焼室３内での燃焼が進んで行くに従って上記燃焼開始前温度Ｔｈαは次第に上昇していき、上記式（１２）の右辺の値が次第に小さくなっていくためである。つまり、燃焼室３内での燃焼が進んで行くに従って、燃焼室３内に投入可能な熱量は次第に減少していくため、少なくとも上記期間Ｓでの投入熱量Ｑ（α）の上限値の算出が必要になる。本実施形態においても、この期間Ｓに対してのみ投入熱量Ｑ（α）の上限値の算出を行い、上記投入熱量調整制御を実行している。尚、燃焼期間の全領域に亘って上記式（１２）により投入熱量Ｑ（α）の上限値を算出するようにしてもよい。

図９（ａ）は、燃焼室３内での燃焼が進んで行く場合の燃焼場目標温度Ｔ_Nに対する燃焼開始前温度Ｔｈα及び各微小期間それぞれにおける上昇許容温度ΔＴα₁〜ΔＴα₇の変化（燃焼室３内で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間の変化）を示す図である。この上昇許容温度ΔＴα₁〜ΔＴα₇の変化が燃焼室３内への投入可能な熱量Ｑ（α）の変化に相当する。尚、この図９（ａ）では理解を容易にするために、燃焼室３内で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を７個の微小期間に区画し、それぞれにおける上昇許容温度ΔＴα₁〜ΔＴα₇の変化を示している。

この図９（ａ）に示すよう、燃焼室３内での燃焼が進んで行くに従って、上昇許容温度ΔＴα₁〜ΔＴα₇、つまり、燃焼室３内への投入可能な熱量Ｑ（α）は次第に小さくなっていく。そして、燃焼期間の全域に亘って燃焼温度を上記燃焼場目標温度Ｔ_N以下にしてＮＯｘの発生量を上記目標発生量以下とするように各微小期間での投入熱量が変化するように、インジェクタ２３からの噴射噴射期間が規定される。図９（ｂ）は、この投入熱量の変化を行わせるためのインジェクタ２３からの燃料噴射率の変化の一例を示している。このように、燃焼期間のうち比較的早期に燃料噴射を停止することにより、燃焼期間の後半（熱発生率がピーク値に達する付近）での投入熱量Ｑ（α）が小さくなるようにし、燃焼期間の全域に亘って燃焼温度が上記燃焼場目標温度Ｔ_N以下に調整されるようにしている。

＜投入熱量決定タイミング＞
上述の如く投入熱量Ｑ（α）を変化させるための燃料噴射量を決定するタイミング、つまり、燃焼室３内への投入熱量Ｑ（α）を決定するタイミングとして具体的には、上記吸気バルブ１６の閉弁時付近が挙げられる。以下、具体的に説明する。

上述した如く、吸気バルブ１６が閉弁されると、その後、インジェクタ２３からの燃料噴射時までは、気筒内に対する新たなガスの流入及び流出は無い。つまり、吸気バルブ１６が閉弁された時点で上記燃焼場の状態は決定されることになる。このため、吸気バルブ１６の閉弁時点または閉弁直前の気筒内の状態によって上記式（１２）における各パラメータは決定されることになる。つまり、この時点で上記式（１２）に基づいて燃焼開始時点での上記微小期間（第１番目の微小期間：ｉ＝１）における燃焼室３内への投入熱量の上限値を規定することができる。また、この第１番目の微小期間において燃焼室３内に投入する熱量が決定されることにより、第２番目の微小期間（ｉ＝２）における燃焼開始前温度Ｔｈαは規定される。このため、この第２番目の微小期間に対しても上記式（１２）に基づいて、この微小期間における燃焼室３内への投入熱量の上限値を規定することができる。このようにして各微小期間それぞれにおける投入熱量の上限値を、燃料噴射開始タイミングよりも前に求めることができるので、この燃料噴射開始タイミングでは、全ての微小期間における燃焼温度が上記燃焼場目標温度Ｔ_N以下となるような燃料噴射形態（燃料噴射率波形）を設定することが可能となる。このようにして設定された燃料噴射率波形が、上記図９（ｂ）に示す波形となる。

以上の如く、本実施形態では、全ての微小期間における燃焼温度が上記燃焼場目標温度Ｔ_N以下となるような燃料噴射形態（燃料噴射率波形）が設定でき、燃焼室３内でのＮＯｘの発生量を上記目標発生量以下とすることが可能である。

尚、上記説明では、投入熱量決定タイミングは吸気バルブ１６の閉弁時付近であるとした。つまり、直後に行われる燃焼行程での投入熱量を求め、それに従って燃料噴射率波形を設定するものとして説明した。本発明はこれに限らず、上記式（１２）で得られた投入熱量の上限値を、次サイクルで燃焼行程を迎える気筒に対する投入熱量の設定に利用してもよいし、自気筒（投入熱量の演算直後に燃焼行程を迎える気筒）の次のサイクル、つまり、クランク角度で略７２０°ＣＡ後に燃焼行程を迎える気筒に対する投入熱量の設定に利用してもよい。また、投入熱量決定タイミング、つまり、上記式（１２）によって投入熱量の上限値を規定し、それに基づいて燃焼室３内への投入熱量を決定するタイミングとしては、吸気バルブ１６の閉弁時付近に限らず、燃焼行程中であってもよい。この場合には、上述した如く、次サイクルで燃焼行程を迎える気筒や、自気筒の次のサイクルにおける燃料噴射率波形の設定に利用されることになる。

（第２実施形態）
以下の各実施形態では、上記第１実施形態との相違点についてのみ説明する。

上述した第１実施形態では、投入熱量Ｑ（α）が比較的大きい場合にはインジェクタ２３の構成による制約を受けることなく、実現することができる。

これに対し、投入熱量Ｑ（α）が比較的小さい場合、インジェクタ２３の構成による制約を受けることで上記投入熱量の上限値を超えるような燃料噴射量でしか燃料噴射が行えない場合がある。例えば、インジェクタ２３の構成上、１．５ｍｍ³未満の燃料噴射が実行できない場合において、上記式（１２）から得られた投入熱量Ｑ（α）の上限値から求められる燃料噴射量が１．３ｍｍ³に相当するものであった場合などが挙げられる。これは、インジェクタ２３の構成により噴孔径及び噴孔数が決まっており、また、サプライポンプ２１の特性によって最小噴射圧も決まっているため、一定値以下の燃料噴射率が実現できないことに起因する。

この場合の対策が本第２実施形態である。そして、その対策の具体的手法としては、ＥＧＲ率の調整及び燃料噴射圧力の調整が挙げられる。以下、それぞれについて説明する。

＜ＥＧＲ率の調整＞
上述した如く、インジェクタ２３の構成による制約を受けることで投入熱量Ｑ（α）が過剰となる可能性のある場合、例えば、インジェクタ２３の最小限界噴射量（例えば１．５ｍｍ³）で燃料噴射を実行した場合に、投入熱量Ｑ（α）が上記上限値を超えてしまう場合には、上記ＥＣＵ１００によって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）を増大させる。つまり、ＥＧＲ率を高めて、燃焼室３内の酸素濃度を低下させる。

これにより、燃焼室３内では、燃料と酸素との間の空間距離が拡大することになり、これら両者の邂逅率が低下することで化学反応の速度が低下する。つまり、燃料噴射量が比較的多くても、単位期間当たりにおける熱発生量は低下することになり、投入熱量Ｑ（α）が過剰となることが解消される。

このＥＧＲ量を増大させるための具体的な方法としては、例えば、上記インジェクタ２３の最小限界噴射量（例えば１．５ｍｍ³）で燃料噴射を実行した場合（ＥＧＲ量を調整しなかったと仮定した場合）の投入熱量と上記投入熱量の上限値とをパラメータとするＥＧＲ率補正マップを上記ＲＯＭ１０２に記憶させておき、実際の投入熱量が上記上限値以下となるようなＥＧＲ率を求め、これに従ってＥＧＲバルブ８１の開度を制御する。図１０は、このＥＧＲ率補正マップの一例を示している。上記投入熱量調整制御で規定される燃料噴射量がインジェクタ２３の最小限界噴射量未満であった場合に、このＥＧＲ率補正マップが参照される。そして、インジェクタ２３の最小限界噴射量Ｇｍと投入熱量調整制御で規定された燃料噴射量Ｇｔとの差が大きいほど高いＥＧＲ率が求められ、このＥＧＲ率が得られるようにＥＧＲバルブ８１の開度が制御されることになる。

また、インジェクタ２３の最小限界噴射量で燃料噴射を実行した場合の投入熱量と上記投入熱量の上限値とからＥＧＲ率を算出する演算式を上記ＲＯＭ１０２に記憶させておくようにしてもよい。

これにより、例えば気筒内の温度が比較的高く、投入可能な熱量Ｑ（α）が小さい状況であっても、燃焼期間の全域に亘って燃焼温度が上記燃焼場目標温度Ｔ_N以下に調整され、ＮＯｘ生成量を上記ＮＯｘ目標発生量以下に抑えることが可能になる。

＜第１の燃料噴射圧力の調整＞
上述した如く、インジェクタ２３の構成による制約を受けることで投入熱量Ｑ（α）が過剰となる可能性のある場合、上記ＥＣＵ１００によるサプライポンプ２１の制御により、コモンレール内圧を上昇させる。それに伴ってインジェクタ２３からの燃料噴射時における燃料噴射圧力も上昇する（噴射圧調整部による噴射圧力の調整制御）。

これにより、燃焼室３内での噴霧の微粒化が促進されることになる。このように噴霧の微粒化が促進されると、燃焼室３内における単位空間当たりの酸素量に対する燃料量の割合が少なくなり、上記ＥＧＲ率の調整動作の場合と同様に燃料と酸素との邂逅率が低下することで化学反応の速度が低下し、単位期間当たりにおける熱発生量は低下することになる。

コモンレール内圧（燃料噴射圧）を上昇させるための具体的な方法としては、例えば、上記インジェクタ２３の最小限界噴射量（例えば１．５ｍｍ³）で燃料噴射を実行した場合（燃料噴射圧力を変更しなかったと仮定した場合）の投入熱量と上記投入熱量の上限値とをパラメータとする噴射圧補正マップを上記ＲＯＭ１０２に記憶させておき、実際の投入熱量が上記上限値以下となるような噴射圧を求め、これに従ってサプライポンプ２１の制御を行う。図１１は、この噴射圧補正マップの一例を示している。上記投入熱量調整制御で規定される燃料噴射量がインジェクタ２３の最小限界噴射量未満であった場合に、この噴射圧補正マップが参照される。そして、インジェクタ２３の最小限界噴射量Ｇｍと投入熱量調整制御で規定された燃料噴射量Ｇｔとの差が大きいほど高い噴射圧が求められ、この噴射圧が得られるようにサプライポンプ２１の制御が行われる。

また、インジェクタ２３の最小限界噴射量で燃料噴射を実行した場合の投入熱量と上記投入熱量の上限値とから噴射圧を算出する演算式を上記ＲＯＭ１０２に記憶させておくようにしてもよい。

これによっても、燃焼期間の全域に亘って燃焼温度が上記燃焼場目標温度Ｔ_N以下に調整され、ＮＯｘ生成量を上記ＮＯｘ目標発生量以下に抑えることが可能になる。

＜第２の燃料噴射圧力の調整＞
また、上記第１の燃料噴射圧力の調整動作に代えて、上記ＥＣＵ１００によるサプライポンプ２１の制御により、コモンレール内圧を下降させることも挙げられる。このコモンレール内圧の下降に伴ってインジェクタ２３からの燃料噴射時における燃料噴射圧力も下降することになる（噴射圧調整部による噴射圧力の調整制御）。

これにより、燃焼室３内での噴霧の粒子が大型化することになる。このように噴霧が大型化すると、着火状態に至る蒸発期間が長期化することで、その期間内での化学反応の速度が低下し、単位期間当たりにおける熱発生量は低下することになる。

この場合にも、例えば、上記インジェクタ２３の最小限界噴射量（例えば１．５ｍｍ³）で燃料噴射を実行した場合（燃料噴射圧力を変更しなかったと仮定した場合）の投入熱量と上記投入熱量の上限値とをパラメータとする噴射圧補正マップを上記ＲＯＭ１０２に記憶させておき、実際の投入熱量が上記上限値以下となるような噴射圧を求め、これに従ってサプライポンプ２１の制御を行う。図１２は、この噴射圧補正マップの一例を示している。上記投入熱量調整制御で規定される燃料噴射量がインジェクタ２３の最小限界噴射量未満であった場合に、この噴射圧補正マップが参照される。そして、インジェクタ２３の最小限界噴射量Ｇｍと投入熱量調整制御で規定された燃料噴射量Ｇｔとの差が大きいほど低い噴射圧が求められ、この噴射圧が得られるようにサプライポンプ２１の制御が行われる。

また、インジェクタ２３の最小限界噴射量で燃料噴射を実行した場合の投入熱量と上記投入熱量の上限値とから噴射圧を算出する演算式を上記ＲＯＭ１０２に記憶させておくようにしてもよい。

これによっても、燃焼期間の全域に亘って燃焼温度が上記燃焼場目標温度Ｔ_N以下に調整され、ＮＯｘ生成量を上記ＮＯｘ目標発生量以下に抑えることが可能になる。

尚、本実施形態では、インジェクタ２３の構成による制約を受けることで上記投入熱量の上限値を超えるような燃料噴射量でしか燃料噴射が行えない場合に、ＥＧＲ率や燃料噴射圧力を調整するようにしていた。本発明はこれに限らず、インジェクタ２３の構成による制約を受けない状況、つまり、投入熱量Ｑ（α）の上限値から求められる燃料噴射量がインジェクタ２３の最小限界噴射量を超えている場合にも適用可能である。

（第３実施形態）
上述した如く、燃焼場での燃焼は連続的に起こるため、ある時刻αで燃焼した後に時刻α＋Δαで燃焼が開始する空間にあっては、上記時刻αで燃焼した燃焼ガスの温度の影響を受けており、この時刻α＋Δαでの燃焼開始前温度は、上記時刻αでの燃焼開始前温度Ｔｈαに対して上昇している。つまり、この燃焼開始前温度Ｔｈαの上昇分を考慮せずに上記時刻α＋Δαでの投入熱量の上限値を算出した場合には、その上限値は、燃焼温度が上記燃焼場目標温度Ｔ_Nを超えるものとなってしまう可能性がある。

この点を考慮し、本実施形態では、以下の式（１３）によって燃焼開始前温度を更新していくようにしている。

ここで、Ｔ_iは上記微小期間における前回の燃焼開始前温度、Ｔ_i+1は上記微小期間における今回の燃焼開始前温度、βは燃焼開始前温度補正係数である。この燃焼開始前温度補正係数βは上記ＲＯＭ１０２に予め記憶された燃焼開始前温度補正係数マップから得られる。図１３は、この燃焼開始前温度補正係数マップの一例を示している。この図１３に示すように、この燃焼開始前温度補正係数マップにより、燃焼開始時点からの経過時間に応じて次第に大きな燃焼開始前温度補正係数βが得られるようになっている。尚、この燃焼開始前温度補正係数βは初期値を「０」とし、燃焼開始時点からの経過時間に応じて次第に大きくなっていき最大値を「１」とするものとして設定される。つまり、経過時間に応じて燃焼開始前温度を高い値に更新していくようにしている。

このようにして燃焼開始前温度Ｔｈαを更新していきながら、この更新後の燃焼開始前温度Ｔｈαを上記式（１２）に適用することにより、各微小期間それぞれにおける投入熱量Ｑ（α）の上限値を高い精度で求めることができる。その結果、燃焼室３内の燃焼温度が上記燃焼場目標温度Ｔ_Nを超えてしまうことを確実に阻止し、ＮＯｘ生成量を上記ＮＯｘ目標発生量以下に抑えることが可能になる。

（第４実施形態）
また、燃焼室３内に燃料噴射が行われた際、その燃料の潜熱により燃焼場が冷却されることがある。このような場合、上記燃焼開始前温度Ｔｈαは、この潜熱の影響を受けて低下することになる。また、燃料が噴射される前の燃焼室内温度に対して燃料の温度が低く、その温度差が大きい場合にも、この燃料の影響を受けて上記燃焼開始前温度Ｔｈαが低下することになる。つまり、この燃焼開始前温度Ｔｈαの低下分を考慮せずに投入熱量の上限値を算出した場合には、その上限値は本来算出すべき上限値よりも低い値として算出されてしまう可能性がある。

この点を考慮し、本実施形態では、以下の式（１４）によって燃焼開始前温度を更新していくようにしている。

ここで、Ｔ_iは上記微小期間における前回の燃焼開始前温度、Ｔ_i+1は上記微小期間における今回の燃焼開始前温度、γは燃焼開始前温度補正係数である。この燃焼開始前温度補正係数γは上記ＲＯＭ１０２に予め記憶された燃焼開始前温度補正係数マップから得られる。図１４は、この燃焼開始前温度補正係数マップの一例を示している。この図１４に示すように、この燃焼開始前温度補正係数マップにより、燃焼開始時点からの経過時間に応じて次第に大きな燃焼開始前温度補正係数γが得られるようになっている。尚、この燃焼開始前温度補正係数γは初期値を「０」とし、燃焼開始時点からの経過時間に応じて次第に大きくなっていき最大値を「１」とするものとして設定される。つまり、経過時間に応じて燃焼開始前温度を低い値に更新していくようにしている。

このようにして燃焼開始前温度Ｔｈαを更新していきながら、この更新後の燃焼開始前温度Ｔｈαを上記式（１２）に適用することにより、各微小期間それぞれにおける投入熱量Ｑ（α）の上限値を高い精度で求めることができる。その結果、ＮＯｘ生成量を上記ＮＯｘ目標発生量以下に抑えながらも、多くの投入熱量を得ることができて、熱効率の改善を行うことができる。

尚、上記説明では、燃焼開始時点からの経過時間に応じて次第に大きな燃焼開始前温度補正係数γが得られるようにしていた。これに限らず、燃料噴射圧力に応じて燃焼開始前温度補正係数γを変更するようにしてもよい。例えば、燃料噴射圧力が高いほど大きな燃焼開始前温度補正係数γが得られるようにすることが挙げられる。

（第５実施形態）
また、上記各実施形態において求められた燃焼開始前温度Ｔｈαが既に上記燃焼場目標温度Ｔ_Nを超えている場合、上記式（１２）が対象としている燃焼場には熱量を投入することができなくなる。つまり、この燃焼場に熱量を投入した場合、大量のＮＯｘが発生する可能性がある。

この点を考慮し、本実施形態では、燃料噴射圧力、スワール、燃料噴射間隔、燃料噴射時期を調整することによって、上記式（１２）が対象としている燃焼場とは異なる燃焼場に対して熱量を投入し（噴霧移動部による燃料の噴霧の移動）、この新たに設定した燃焼場での燃焼を行わせることによって燃焼温度が燃焼場目標温度Ｔ_Nを超えないようにしている。以下、具体的に説明する。

＜燃料噴射圧力の調整＞
上述した如く燃焼開始前温度Ｔｈαが既に上記燃焼場目標温度Ｔ_Nを超えている場合、コモンレール内圧を上昇または下降させる。それに伴ってインジェクタ２３からの燃料噴射時における燃料噴射圧力も上昇または下降する。

これにより、インジェクタ２３から燃料噴射が行われた際に燃料の噴霧の飛行距離が変更されることになる。つまり、コモンレール内圧を上昇させた場合には噴霧飛行距離が長くなり、逆に、コモンレール内圧を下降させた場合には噴霧飛行距離が短くなる。これにより、上記燃焼場（上記式（１２）が対象としている燃焼場）とは異なる燃焼場に対して熱量が投入されることになって、この新たに設定された燃焼場で燃焼が行われることになる。このため、この燃焼場では、燃焼温度が燃焼場目標温度Ｔ_Nを超えることがなくなり、ＮＯｘ生成量を上記ＮＯｘ目標発生量以下に抑えることが可能になる。

このように燃料噴射圧力を調整するに際し、燃焼開始前温度Ｔｈαが燃焼場目標温度Ｔ_Nを超えているか否かによって燃料噴射圧力を切り換えるようにしてもよいし、燃焼開始前温度Ｔｈαと燃焼場目標温度Ｔ_Nとの差に応じて燃料噴射圧力を変更するようにしてもよい。図１５は、これらの温度差に応じて燃料噴射圧力を変更する場合に適用される燃料噴射圧力変更マップである。この図１５において、実線は温度差が大きいほど燃料噴射圧力を高くする場合を示しており、破線は温度差が大きいほど燃料噴射圧力を低くする場合を示している。

＜スワールの調整＞
上述した如く燃焼開始前温度Ｔｈαが既に上記燃焼場目標温度Ｔ_Nを超えている場合、上記スワールコントロールバルブ６６の開度を変更する。例えば、スワールコントロールバルブ６６の開度を小さくすることで低スワール状態から高スワール状態に変更したり、または、スワールコントロールバルブ６６の開度を大きくすることで高スワール状態から低スワール状態に変更する。

これにより、インジェクタ２３から燃料噴射が行われた際に燃料の噴霧はスワール流の影響を受けて燃焼室３内における周方向の位置が変更（周方向に流れていく速度が変更）される。つまり、高スワール状態に変更した場合には、上記式（１２）が対象としている燃焼場よりもスワール流れ方向の下流側に新たな燃焼場が形成される。逆に、低スワール状態に変更した場合には、上記式（１２）が対象としている燃焼場よりもスワール流れ方向の上流側に新たな燃焼場が形成されることになる。これにより、上記燃焼場（上記式（１２）が対象としている燃焼場）とは異なる燃焼場に対して熱量が投入されることになって、この新たに設定された燃焼場で燃焼が行われることになる。このため、この燃焼場では、燃焼温度が燃焼場目標温度Ｔ_Nを超えることがなくなり、ＮＯｘ生成量を上記ＮＯｘ目標発生量以下に抑えることが可能になる。

このようにスワールを調整するに際し、燃焼開始前温度Ｔｈαが燃焼場目標温度Ｔ_Nを超えているか否かによってスワールコントロールバルブ６６の開度を切り換えるようにしてもよいし、燃焼開始前温度Ｔｈαと燃焼場目標温度Ｔ_Nとの差に応じてスワールコントロールバルブ６６の開度を変更するようにしてもよい。図１６は、これらの温度差に応じてスワールコントロールバルブ６６の開度を変更する場合に適用されるスワール変更マップの一例である。この図１６において、実線は温度差が大きいほどスワールコントロールバルブ６６の開度を小さくして高スワール状態にする場合を示しており、破線は温度差が大きいほどスワールコントロールバルブ６６の開度を大きくして低スワール状態にする場合を示している。

＜燃料噴射間隔、燃料噴射時期＞
また、インジェクタ２３からの燃料噴射が行われる際の燃料噴射間隔や燃料噴射時期を変更することによっても、上記と同様に、上記式（１２）が対象としている燃焼場とは異なる新たな燃焼場が形成されることになる。

例えば、上記スワールを変更すること無しに燃料噴射間隔を変更することで、燃焼室３内における周方向の燃焼場の位置が変更されることになる。また、燃料噴射時期を遅角側に変更し、例えば圧縮上死点（ＴＤＣ）よりも遅角側で燃料噴射を行った場合には、下死点に向かってピストン１３が移動している状態で、つまり、燃焼室３内の容積が拡大している状態で燃料噴射が行われ、これによって燃焼温度を低く抑えることができる。例えば、噴射された燃料の噴霧が上記キャビティ１３ｂから外れた領域において拡散しながら燃焼を開始することになり、この場合にも、上記式（１２）が対象としている燃焼場とは異なる新たな燃焼場が形成されることになる。これにより、上記燃焼場（上記式（１２）が対象としている燃焼場）とは異なる燃焼場に対して熱量が投入されることになって、この新たに設定された燃焼場で燃焼が行われることになる。このため、この燃焼場では、燃焼温度が燃焼場目標温度Ｔ_Nを超えることがなくなり、ＮＯｘ生成量を上記ＮＯｘ目標発生量以下に抑えることが可能になる。また、新たな燃焼場での燃焼が行われることで、気筒内への投入熱量を減少させる必要もなくなり、燃焼効率を高く維持することができる。

このように燃料噴射間隔や燃料噴射時期を変更するに際し、燃焼開始前温度Ｔｈαが燃焼場目標温度Ｔ_Nを超えているか否かによって燃料噴射間隔や燃料噴射時期を切り換えるようにしてもよいし、燃焼開始前温度Ｔｈαと燃焼場目標温度Ｔ_Nとの差に応じて燃料噴射間隔や燃料噴射時期を変更するようにしてもよい。図１７は、これらの温度差に応じて燃料噴射時期を遅角側に移行させる場合に適用される燃料噴射時期変更マップの一例である。

この第５実施形態では、各微小期間それぞれにおける投入熱量の上限値の算出タイミング（例えば吸気バルブ１６の閉弁時付近）において、燃焼開始前温度Ｔｈαが燃焼場目標温度Ｔ_Nを超えている場合に、その直後に実行される燃焼行程において上記燃料噴射圧、スワール、燃料噴射間隔、燃料噴射時期の調整を行うことになる。

（第６実施形態）
ある時刻αで燃焼した後に時刻α＋Δαで燃焼が開始する空間にあっては、上記時刻αでのガス組成と、時刻α＋Δαでのガス組成とが異なる場合がある。この場合、一般には上記燃焼ガス比熱σが大きくなっていく。つまり、この燃焼ガス比熱σの変化を考慮せず上記投入熱量の上限値を算出した場合には、その上限値である投入熱量を過剰に見積もってしまい、燃焼温度が上記燃焼場目標温度Ｔ_Nを超えるものとなってしまう可能性がある。

この点を考慮し、本実施形態では、以下の式（１５）によって燃焼ガス比熱σを更新していくようにしている。

ここで、σ（α）_iは上記微小期間における前回の燃焼ガス比熱、σ（α）_i+1は上記微小期間における今回の燃焼ガス比熱、εは燃焼ガス比熱補正係数である。この燃焼ガス比熱補正係数εは上記ＲＯＭ１０２に予め記憶された燃焼ガス比熱補正係数マップから得られる。図１８は、この燃焼ガス比熱補正係数マップの一例を示している。この図１８に示すように、この燃焼ガス比熱補正係数マップにより、燃焼場における局所の酸素過剰率に応じ、この酸素過剰率が小さいほど次第に大きな燃焼ガス比熱補正係数εが得られるようになっている。尚、この燃焼ガス比熱補正係数εは「０〜１」の範囲の値として求められる。

このようにして燃焼ガス比熱補正係数εを更新していきながら、この更新後の燃焼ガス比熱σを上記式（１２）に適用することにより、各微小期間それぞれにおける投入熱量Ｑ（α）の上限値を高い精度で求めることができる。その結果、燃焼室３内の燃焼温度が上記燃焼場目標温度Ｔ_Nを超えてしまうことを確実に阻止し、ＮＯｘ生成量を上記ＮＯｘ目標発生量以下に抑えることが可能になる。

（第７実施形態）
上述した各実施形態では、演算またはマップから得られた各パラメータを用いて上記式（１２）より投入熱量の上限値を算出し、燃焼室３内への投入熱量を調整するようにしていた。

本実施形態は、それに代えて、燃焼場目標温度Ｔ_Nに応じて投入熱量を自動設定する投入熱量設定マップを上記ＲＯＭ１０２に記憶させておき、この投入熱量設定マップから読み出された投入熱量に従って、上述した各実施形態に係る動作（燃料噴射量の設定やＥＧＲ量の設定など）を行うようにしている。尚、この投入熱量設定マップは、予め実験やシミュレーション等によって作成される。

より具体的に説明すると、エンジン１では、上述した如く、混合気密度ρ、燃焼ガス比熱σ、燃焼開始前温度Ｔｈαは、燃料噴射前にほぼ決定されることになり、大きく変化することはない。また、燃焼場容積Ｖ_c（α）も、ガス流動や燃料噴射パターンでほぼ決まってしまう。このため、各状態が安定している期間（燃焼期間の大部分）では、上記微小期間毎に投入熱量を算出する必要がないと考えることができる。この点に鑑みて燃焼場目標温度Ｔ_Nと投入熱量Ｑ（α）との間に相関を持たせた上記投入熱量設定マップを作成しておき、この投入熱量設定マップから読み出された投入熱量Ｑ（α）に従って、上述した各実施形態に係る動作を行うようにする。

これによれば、上記パラメータの取得や上記演算を行うことなしに、投入熱Ｑ（α）量を設定することができ、安定した燃焼温度状態を得ることができる。

（第８実施形態）
上述した各実施形態は、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を適用したエンジン１について説明した。

本実施形態は、可変噴射率インジェクタを適用した場合について説明する。

図１９（ａ）は、燃焼室３内での燃焼が進んで行く場合の燃焼場目標温度Ｔ_Nに対する燃焼開始前温度Ｔｈα及び各微小期間それぞれにおける上昇許容温度ΔＴα₁〜ΔＴα₇の変化を示す上記図９（ａ）に相当する図である。この上昇許容温度ΔＴα₁〜ΔＴα₇の変化が燃焼室３内への投入可能な熱量Ｑ（α）の変化に相当する。

上述した図９の場合と同様に、燃焼室３内での燃焼が進んで行くに従って、上昇許容温度ΔＴα₁〜ΔＴα₇、つまり、燃焼室３内への投入可能な熱量Ｑ（α）は次第に小さくなっていく。そして、燃焼期間の全域に亘って燃焼温度を上記燃焼場目標温度Ｔ_N以下にしてＮＯｘの発生量を上記目標発生量以下とするように各微小期間での投入熱量が変化するように、可変噴射率インジェクタが制御されることになる。

図１９（ｂ）及び図１９（ｃ）は、それぞれ、この投入熱量の変化を行わせるための可変噴射率インジェクタの燃料噴射率の変化の例を示している。このように、可変噴射率インジェクタによれば上記微小期間それぞれにおける投入熱量に応じた燃料噴射率を設定することができ、全ての微小期間における燃焼温度が上記燃焼場目標温度Ｔ_N以下となるような燃料噴射形態をより高い精度で設定でき、燃焼室３内でのＮＯｘの発生量を上記目標発生量以下とすることが可能である。

尚、図１９（ｂ）に示す可変噴射率インジェクタの燃料噴射率波形は、各微小期間それぞれにおいて求められた各上昇許容温度ΔＴα₁〜ΔＴα₇に対応して各微小期間にそれぞれ個別に燃料噴射率を設定した場合である。これに対し、図１９（ｃ）に示す可変噴射率インジェクタの燃料噴射率波形は、噴射期間の前半の燃料噴射率を高く設定すると共に後半の燃料噴射率を低く設定することにより、燃焼期間の全域に亘って燃焼温度が上記燃焼場目標温度Ｔ_N以下に調整されるようにしたものである。

また、上述した第２〜第８実施形態を利用して投入熱量を求める動作の実行タイミングとしては、上述した第１実施形態の場合と同様に、上記吸気バルブ１６の閉弁時付近であってもよいし、燃焼行程中であってもよい。特に、ＥＧＲ率を調整する場合において、直後に行われる燃焼行程における投入熱量をＥＧＲ率によって調整しようとする場合には、吸気バルブ１６の閉弁前に、投入熱量を求めてＥＧＲ率を決定しておき、吸気バルブ１６の閉弁時点での燃焼室３内のＥＧＲ率が、この投入熱量が得られる値に調整されるようにしておく必要がある。

また、以上説明した第１〜第８実施形態は、それぞれ個別に、つまり１つの実施形態のみをエンジン１に適用するようにしてもよいし、複数を組み合わせてエンジン１の制御に適用するようにしてもよい。

−他の実施形態−
以上説明した各実施形態では、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。

また、上記各実施形態では、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。

尚、上記各実施形態では、ＥＧＲ装置として、排気マニホールド７２内の排気ガスを吸気系６に還流させる構成とした。本発明はこれに限らず、ターボチャージャ５におけるタービンホイール５２の下流側の排気ガスを吸気系６に還流させるＬＰＬ（Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｌｏｏｐ）ＥＧＲ装置を採用するようにしてもよい。

尚、上述した如く、本実施形態は副噴射や分割メイン噴射を実行するディーゼルエンジンに対しても適用が可能である。この場合、副噴射（パイロット噴射、プレ噴射、アフタ噴射、ポスト噴射）のそれぞれに対して本発明を適用し、メイン噴射ばかりでなく何れの副噴射においても、上記燃焼室３内への投入熱量が上記投入熱量上限値以下となるようにしておくことが好ましい。また、分割メイン噴射を実行する場合には、個々の分割メイン噴射それぞれに対して本発明を適用し、何れの分割メイン噴射においても、上記燃焼室３内への投入熱量が上記投入熱量上限値以下となるようにしておくことが好ましい。

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排出量を低減するための制御に適用可能である。

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）
Ｖ_c（α) 燃焼場の容積
Ｔｈα 燃焼場の燃焼開始前の温度
Ｔ_N 燃焼場目標温度
ρ ガスの密度
σ ガスの比熱

Claims (10)

1. 燃料噴射弁から噴射された燃料を燃焼室内において自着火により燃焼させる圧縮自着火式の内燃機関の制御装置において、
   上記燃料が燃焼する燃焼場の容積、この燃焼場の燃焼開始前の温度、この燃焼場における燃焼時のＮＯｘ発生量を所定の目標ＮＯｘ発生量に制限するための燃焼場目標温度、この燃焼場に存在するガスの密度、この燃焼場に存在するガスの比熱、をそれぞれパラメータとして、上記燃焼場における燃焼時の温度が上記燃焼場目標温度となる燃焼室内への投入熱量を規定する投入熱量規定部と、
   上記投入熱量規定部によって規定された投入熱量を投入熱量上限値として、燃焼室内へ投入する熱量を調整する投入熱量調整部とを備えており、
   上記投入熱量規定部は、上記燃焼室内での燃焼期間を複数の微小期間に区画し、燃焼室内での燃焼期間のうち熱発生率が略ピーク値に達するまでの期間のみに対して、上記各微小期間それぞれにおける上記燃焼場の温度が上記燃焼場目標温度となる場合の燃焼室内への投入熱量を規定するよう構成されていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
2. 請求項１記載の内燃機関の制御装置において、
   上記投入熱量調整部は、燃料噴射弁から燃焼室内に噴射される燃料の噴射量のうち燃焼室内において熱量に変換される量を予め認識し、その変換される熱量に相当する燃焼室内への投入熱量が上記投入熱量上限値以下となるように燃料噴射弁からの燃料噴射量を設定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。
3. 請求項１記載の内燃機関の制御装置において、
   排気系に排出された排気ガスの一部を吸気系に還流させる排気還流装置を備えており、
   上記投入熱量調整部は、上記燃焼場の温度が上記燃焼場目標温度となるように上記排気還流装置による排気還流量を設定することにより燃焼室内へ投入する熱量を調整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。
4. 請求項１記載の内燃機関の制御装置において、
   上記燃料噴射弁から噴射される燃料の噴射圧力を調整する噴射圧調整部を備えており、
   上記投入熱量調整部は、上記燃焼場の温度が上記燃焼場目標温度となるように上記噴射圧調整部による噴射圧力を設定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。
5. 請求項１記載の内燃機関の制御装置において、
   上記投入熱量規定部は、前回の微小期間において燃焼場で発生した熱量の今回の微小期間における燃焼場での燃焼開始前の温度への影響度を考慮して、今回の微小期間における燃焼開始前の温度を補正することにより、今回の微小期間での燃焼場における燃焼時の温度が上記燃焼場目標温度となる燃焼室内への投入熱量を規定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。
6. 請求項１記載の内燃機関の制御装置において、
   上記投入熱量規定部は、燃焼室内に噴射された燃料による燃焼場温度の低下分を考慮して、前回の微小期間における燃焼開始前の温度を補正することにより今回の微小期間における燃焼開始前の温度を求めて、今回の微小期間での燃焼場における燃焼時の温度が上記燃焼場目標温度となる燃焼室内への投入熱量を規定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。
7. 請求項１記載の内燃機関の制御装置において、
   上記燃焼場の燃焼開始前の温度が燃焼場目標温度以上である場合、上記投入熱量規定部によって規定される熱量が投入される燃焼場とは異なる領域に新たな燃焼場を形成するように燃料の噴霧を移動させる噴霧移動部を備えていることを特徴とする内燃機関の制御装置。
8. 請求項７記載の内燃機関の制御装置において、
   上記噴霧移動部は、上記燃料噴射弁から噴射される燃料の噴射圧力の変更、燃焼室内でのスワールの変更、燃料噴射間隔の変更、燃料噴射時期の変更のうち少なくとも一つ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。
9. 請求項１記載の内燃機関の制御装置において、
   上記投入熱量規定部は、前回の微小期間において燃焼場に存在するガスの比熱を補正することによって、今回の微小期間において燃焼場に存在するガスの比熱を求めて、今回の微小期間での燃焼場における燃焼時の温度が上記燃焼場目標温度となる燃焼室内への投入熱量を規定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。
10. 請求項１記載の内燃機関の制御装置において、
    上記投入熱量規定部は、上記燃焼場目標温度に応じて燃焼室内への投入熱量を規定可能な投入熱量規定マップから投入熱量を読み出す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。

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