JP7148892B2 - エンジンの制御装置 - Google Patents

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本発明は、エンジンの制御装置に関し、特に燃焼室内に燃料の多段噴射を行う圧着着火エンジンの制御装置に関するものである。
予混合圧縮着火方式の燃焼が採用されるエンジンにおいては、１サイクル中に燃焼室内へ複数回の燃料噴射を行わせる技術が知られている。このような燃料の多段噴射を行う圧着着火エンジンにおいて、燃焼騒音を抑制するための技術として、例えば、特許文献１（特開２０１６－１６６５８７）には、１回目の燃料噴射（前段噴射）による燃焼の圧力上昇のピークと２回目の燃料噴射（後段噴射）による燃焼の圧力上昇のピークの時間間隔（ピーク間隔）を、噴射による燃焼音の周期の略１／２とすることにより、互いに反対位相となる前段噴射による燃焼音と後段噴射による燃焼音が互いに相殺し合うようにして、燃焼騒音の発生を抑制する技術が開示されている。
特開２０１６－１６６５８７
このような燃料の多段噴射を行うエンジンにおいて、前段噴射による燃焼が予混合圧縮着火燃焼である場合には、燃料を噴射してから着火するまでに着火遅れと呼ばれるタイムラグがあり、着火遅れの長さは、車両の運転状態（例えばエンジン回転数）や、燃焼室内の温度や酸素濃度といった環境パラメータが変化することで影響を受けて変化する。このため、前段噴射と後段噴射のピーク間隔を燃焼音抑制のために最適化されていたとしても、環境パラメータの変化により、ピーク間隔が最適値（燃焼音の略１／２周期）から変動してしまうことがある。このような状況に対処するために、ピーク間隔が再び最適値となるように、前段噴射と後段噴射の噴射時期を調整することが考えられるが、単純に噴射時期を変更するのでは、燃焼室内の燃焼（熱発生率）の特性が変化してしまったり、熱効率が悪化したりする弊害が生じてしまう。
本発明は、以上のような事情を勘案してなされたもので、その目的は、燃焼室内に燃料の多段噴射を行う圧着着火エンジンに備えられるエンジンの制御装置において、環境パラメータが変化した場合でも、燃焼特性や熱効率を良好に保ちつつ、燃焼騒音を抑制し得るエンジンの制御装置を提供することである。
前記目的を達成するため、本発明にあっては、次のような解決方法を採択している。すなわち、請求項１に記載のように、
燃焼室内への燃料の多段噴射が実行される圧縮着火エンジンに備えられるエンジンの制御装置において、
前記圧縮着火エンジンの圧縮上死点よりも進角側で実行されるプレ噴射と、前記プレ噴射よりも遅角側において該プレ噴射により噴射された燃料の燃焼中に燃料噴射が実行されるメイン噴射を前記燃焼室内に噴射する燃料噴射部と、
前記圧縮着火エンジンのエンジン回転数を取得するエンジン回転数取得手段と、
前記燃料噴射部により実行される各噴射の噴射時期と噴射量を制御する噴射制御部と
を備え、
前記噴射制御部は、
前記プレ噴射により噴射された燃料の燃焼に起因した熱発生率の第１ピークと前記メイン噴射により噴射された燃料の燃焼に起因した熱発生率の第２ピークの間隔が前記プレ噴射およびメイン噴射の各燃料の燃焼により生じる圧力波が互いに打ち消し合う間隔となるように、各噴射の噴射時期と噴射量のベース設定を決定するベース設定決定手段と、
前記プレ噴射の噴射開始から前記プレ噴射による燃焼室内の熱発生率のピーク発生までのピーク遅れの前記エンジン回転数の変動に起因する変動を算出する噴射時期変動演算手段と、
燃料噴射量一定の条件下において前記エンジン回転数の増大が検出された場合、前記メイン噴射の噴射時期を前記ベース設定に維持しつつ、前記プレ噴射の噴射開始時期を前記噴射時期変動演算手段による演算結果にしたがって前記ベース設定から進角側に変更するとともに、前記プレ噴射の噴射量を前記ベース設定から増大させ、前記メイン噴射の噴射量を前記プレ噴射の噴射量の増大量だけ減少させる設定補正手段と
を備え、
前記設定補正手段による前記プレ噴射の噴射量の増大量は、当該増大量に起因する前記プレ噴射による熱発生率の前記第１ピークの上昇量が、前記プレ噴射の噴射時期の進角に起因する前記プレ噴射による熱発生率の前記第１ピークの下降量を超えないように設定される。
上記解決手法によれば、エンジン回転数が増大したときには、そのままではプレ噴射による熱発生率のピーク発生が遅角してしまうのに対して、プレ噴射の噴射開始時期を進角させる制御が実行されるので、プレ噴射による熱発生率のピーク発生タイミングを、エンジン回転数増大前のタイミング（クランク角）に近づけることができる。また、この場合、プレ噴射の噴射量を増大するので、プレ噴射の噴射時期を進角させたことによる熱発生率ピークの高さの低下を抑制できるとともに、プレ噴射の噴射量の増大分だけメイン噴射の噴射量が減量されるので、プレ噴射とメイン噴射の全体での燃料噴射量は一定に保たれる。したがって、エンジン回転数が増大した場合でも、燃焼室内における熱発生率特性をエンジン回転数増大前の特性に近づけることができるので、プレ噴射とメイン噴射は互いの燃焼音を適切に相殺し合い、燃焼騒音を適切に抑制することができ、また熱効率の悪化も防止できる。
また、プレ噴射の噴射量の増大量が過大となることが防止されるので、熱発生率のピークは、エンジン回転数上昇前よりも高くなり過ぎることはなく、エンジン回転数上昇前の高さに適切に近づけることができる。
また、請求項２の発明のように、
燃焼室内への燃料の多段噴射が実行される圧縮着火エンジンに備えられるエンジンの制御装置において、
前記圧縮着火エンジンの圧縮上死点よりも進角側で実行されるプレ噴射と、前記プレ噴射よりも遅角側において該プレ噴射により噴射された燃料の燃焼中に燃料噴射が実行されるメイン噴射を前記燃焼室内に噴射する燃料噴射部と、
前記圧縮着火エンジンのエンジン回転数を取得するエンジン回転数取得手段と、
前記燃料噴射部により実行される各噴射の噴射時期と噴射量を制御する噴射制御部と
を備え、
前記噴射制御部は、
前記プレ噴射により噴射された燃料の燃焼に起因した熱発生率の第１ピークと前記メイン噴射により噴射された燃料の燃焼に起因した熱発生率の第２ピークの間隔が前記プレ噴射およびメイン噴射の各燃料の燃焼により生じる圧力波が互いに打ち消し合う間隔となるように、各噴射の噴射時期と噴射量のベース設定を決定するベース設定決定手段と、
前記プレ噴射の噴射開始から前記プレ噴射による燃焼室内の熱発生率のピーク発生までのピーク遅れの前記エンジン回転数の変動に起因する変動を算出する噴射時期変動演算手段と、
燃料噴射量一定の条件下において前記エンジン回転数の増大が検出された場合、前記メイン噴射の噴射時期を前記ベース設定に維持しつつ、前記プレ噴射の噴射開始時期を前記噴射時期変動演算手段による演算結果にしたがって前記ベース設定から進角側に変更するとともに、前記プレ噴射の噴射量を前記ベース設定から増大させ、前記メイン噴射の噴射量を前記プレ噴射の噴射量の増大量だけ減少させる設定補正手段と
を備え、
前記設定補正手段により設定される前記プレ噴射の噴射開始時期が所定の進角限界を超える場合には、前記プレ噴射を、前記進角限界と前記メイン噴射の噴射時期の間に実行される複数のプレ噴射に分割して実行する。
これにより、設定補正手段により設定されるプレ噴射の噴射開始時期が進角限界を超える場合には、プレ噴射が複数に分割されるので、分割された各プレ噴射の噴射量を少なくすることができる。したがって、噴射時期の進角により、燃焼室内の温度（筒内ガス温度）が十分に上昇していない状態での噴射がなされ、噴射された燃料がエンジン壁面に付着してしまう虞があるのに対して、１噴射毎の噴射量が低減されるので、エンジン壁面への燃料の付着を適切に抑制することができる。
また、請求項３に記載の発明においては、
燃焼室内への燃料の多段噴射が実行される圧縮着火エンジンに備えられるエンジンの制御装置において、
前記圧縮着火エンジンの圧縮上死点よりも進角側で実行されるプレ噴射と、前記プレ噴射よりも遅角側において該プレ噴射により噴射された燃料の燃焼中に燃料噴射が実行されるメイン噴射を前記燃焼室内に噴射する燃料噴射部と、
前記圧縮着火エンジンのエンジン回転数を取得するエンジン回転数取得手段と、
前記燃料噴射部により実行される各噴射の噴射時期と噴射量を制御する噴射制御部と
を備え、
前記噴射制御部は、
前記プレ噴射により噴射された燃料の燃焼に起因した熱発生率の第１ピークと前記メイン噴射により噴射された燃料の燃焼に起因した熱発生率の第２ピークの間隔が前記プレ噴射およびメイン噴射の各燃料の燃焼により生じる圧力波が互いに打ち消し合う間隔となるように、各噴射の噴射時期と噴射量のベース設定を決定するベース設定決定手段と、
前記プレ噴射の噴射開始から前記プレ噴射による燃焼室内の熱発生率のピーク発生までのピーク遅れの前記エンジン回転数の変動に起因する変動を算出する噴射時期変動演算手段と、
燃料噴射量一定の条件下において前記エンジン回転数の低下が検出された場合、前記メイン噴射の噴射時期を前記ベース設定に維持しつつ、前記プレ噴射の噴射開始時期を前記噴射時期変動演算手段による演算結果にしたがって前記ベース設定から遅角側に変更するとともに、前記プレ噴射の噴射量を前記ベース設定から減少させ、前記メイン噴射の噴射量を前記プレ噴射の噴射量の減少量だけ増大させる設定補正手段と
を備え、
前記設定補正手段による前記プレ噴射の噴射量の減少量は、当該減少量に起因する前記プレ噴射による熱発生率の前記第１ピークの下降量が、前記プレ噴射の噴射時期の遅角に起因する前記プレ噴射による熱発生率の前記第１ピークの上昇量を超えないように設定される。
上記解決方法によれば、エンジン回転数が低下したときには、そのままではプレ噴射による熱発生率のピーク発生が進角してしまうのに対して、プレ噴射の噴射開始時期を遅角させる制御が実行されるので、プレ噴射による熱発生率のピーク発生タイミングを、エンジン回転数低下前のタイミング（クランク角）に近づけることができる。また、この場合、プレ噴射の噴射量を減少するので、プレ噴射の噴射時期を遅角させたことによる熱発生率ピークの高さの増大を抑制できるとともに、プレ噴射の噴射量の減少分だけメイン噴射の噴射量が増量されるので、プレ噴射とメイン噴射の全体での燃料噴射量は一定に保たれる。したがって、エンジン回転数が低下した場合でも、燃焼室内における熱発生率特性をエンジン回転数低下前の特性に近づけることができるので、プレ噴射とメイン噴射は互いの燃焼音を適切に相殺し合い、燃焼騒音を適切に抑制することができ、また熱効率の悪化も防止できる。
また、プレ噴射の噴射量の減少量が過大となることが防止されるので、熱発生率のピークは、エンジン回転数低下前よりも低くなり過ぎることはなく、エンジン回転数上昇前の高さに適切に近づけることができる。
本発明によれば、エンジン回転数が変動した場合に、プレ噴射の噴射開始時期と、プレ噴射及びメイン噴射の燃料噴射量が適切に変更されるので、燃焼室内における熱発生率特性をエンジン回転数変動前の特性に近づけることができる。よって、エンジン回転数変動時にも、燃焼騒音を適切に抑制することができ、また熱効率の悪化も防止することができる。
本発明に係るエンジンの制御装置が適用されるディーゼルエンジンのシステム図である。 （Ａ）は、図１に示されたディーゼルエンジンのピストンの、冠面部分の斜視図、（Ｂ）は、前記ピストンの断面付きの斜視図である。 図２（Ｂ）に示すピストン断面の拡大図である。 ピストンの冠面とインジェクタによる燃料の噴射軸との関係を説明するための、ピストンの断面図である。 燃料噴射のタイミング及び熱発生率を示すタイムチャートである。 燃焼室における混合気の生成状況を模式的に示す図である。 ディーゼルエンジンの制御系統を示すブロック図である。 （Ａ）は、目標熱発生率特性の一例を示すグラフ、（Ｂ）は、前段噴射及び後段噴射の各燃焼により生じる熱発生率のピーク及びその比率と、これらピーク間のインターバルとを示す概略図である。 燃焼騒音の打ち消し効果を説明するための模式図である。 予測熱発生率特性を目標熱発生率特性に近づけるための補正例を示すグラフである。 目標熱発生率特性の達成に影響を与える燃焼環境要因を説明するための模式図である。 （Ａ）は、パイロット噴射に起因する前段燃焼のピーク遅れを示す図、（Ｂ）は前記ピーク遅れの予測モデル式、（Ｃ）は前記予測モデル式のキャリブレーション結果を示す表形式の図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、パイロット噴射に起因する前段燃焼のピーク高さに影響を与える要因を示す図、（Ｃ）は前記ピーク高さの予測モデル式、（Ｄ）は前記予測モデル式のキャリブレーション結果を示す表形式の図である。 エンジン回転数が増大した場合における制御の概略を説明するための図である。 エンジン回転数又は噴射時期の変化率に対する着火遅れの変化率の関係を示すグラフである。 エンジン回転数又は噴射時期の変化率に対する熱発生率ピークの変化率の関係を示すグラフである。 エンジン回転数が増大した場合における制御の一例を示すタイミングチャートである。 エンジン回転数が低下した場合における制御を説明するための図である。 エンジン回転数が低下した場合における制御の一例を示すタイミングチャートである。 エンジン回転数が増加した場合において、算出されたプレ噴射開始時期が進角限界を超えた場合における制御を説明するための図である。 燃料噴射制御の一例を示すフローチャートである。 燃料噴射制御において、エンジン回転数が変動した場合の制御の一例を示すフローチャートである。
［エンジンの全体構成］
以下、図面に基づいて、本発明に係るエンジンの制御装置の実施形態を詳細に説明する。まず、本発明に係る制御装置が適用されるディーゼルエンジンシステムの全体構成を、図１に基づいて説明する。図１に示すディーゼルエンジンは、走行用の動力源として車両に搭載される４サイクルのディーゼルエンジンである。ディーゼルエンジンシステムは、複数のシリンダ２を有し軽油を主成分とする燃料の供給を受けて駆動されるエンジン本体１と、エンジン本体１に導入される吸気が流通する吸気通路３０と、エンジン本体１から排出される排気ガスが流通する排気通路４０と、排気通路４０を流通する排気ガスの一部を吸気通路３０に還流させるＥＧＲ装置４４と、排気通路４０を通過する排気ガスにより駆動されるターボ過給機４６とを備えている。
エンジン本体１は、図１の紙面に垂直な方向に並ぶ複数のシリンダ２（図１ではそのうちの一つのみを示す）を有し、軽油を主成分とする燃料の供給を受けて駆動されるエンジンである。エンジン本体１は、シリンダブロック３、シリンダヘッド４及びピストン５を備える。シリンダブロック３は、シリンダ２を形成するシリンダライナを有する。シリンダヘッド４は、シリンダブロック３の上面に取り付けられ、シリンダ２の上部開口を塞いでいる。ピストン５は、シリンダ２に往復摺動可能に収容されており、コネクティングロッド８を介してクランク軸７と連結されている。ピストン５の往復運動に応じて、クランク軸７はその中心軸回りに回転する。ピストン５の構造については、後記で詳述する。
ピストン５の上方には燃焼室６が形成されている。燃焼室６は、シリンダヘッド４の下面（燃焼室天井面６Ｕ、図３及び図４参照）、シリンダ２及びピストン５の冠面５０によって形成されている。燃焼室６には前記燃料が、後述するインジェクタ１５からの噴射によって供給される。供給された燃料と空気との混合気が燃焼室６で燃焼され、その燃焼による膨張力で押し下げられたピストン５が上下方向に往復運動する。
シリンダブロック３には、クランク角センサＳＮ１及び水温センサＳＮ２が取り付けられている。クランク角センサＳＮ１は、クランク軸７の回転角度（クランク角）及びクランク軸７の回転速度（エンジン回転速度）を検出する。水温センサＳＮ２は、シリンダブロック３及びシリンダヘッド４の内部を流通する冷却水の温度（エンジン水温）を検出する。
シリンダヘッド４には、燃焼室６と連通する吸気ポート９及び排気ポート１０が形成されている。シリンダヘッド４の下面には、吸気ポート９の下流端である吸気側開口と、排気ポート１０の上流端である排気側開口とが形成されている。シリンダヘッド４には、前記吸気側開口を開閉する吸気弁１１と、前記排気側開口を開閉する排気弁１２とが組み付けられている。なお、図示は省いているが、エンジン本体１のバルブ形式は、吸気２バルブ×排気２バルブの４バルブ形式であって、吸気ポート９及び排気ポート１０は、各シリンダ２につき２つずつ設けられるとともに、吸気弁１１及び排気弁１２も２つずつ設けられている。
シリンダヘッド４には、カムシャフトを含む吸気側動弁機構１３及び排気側動弁機構１４が配設されている。吸気弁１１及び排気弁１２は、これら動弁機構１３、１４により、クランク軸７の回転に連動して開閉駆動される。吸気側動弁機構１３には、吸気弁１１の少なくとも開時期を変更可能な吸気ＶＶＴが、排気側動弁機構１４には、排気弁１２の少なくとも閉時期を変更可能な排気ＶＶＴが、各々内蔵されている。
シリンダヘッド４には、先端部から燃焼室６内に燃料を噴射するインジェクタ１５（燃料噴射弁）が、各シリンダ２につき１つずつ取り付けられている。インジェクタ１５は、図略の燃料供給管を通して供給された燃料を燃焼室６に噴射する。インジェクタ１５は、燃料を噴射する先端部（ノズル１５１；図４）が燃焼室６の径方向中心又はその近傍に位置するように、シリンダヘッド４に組み付けられ、ピストン５の冠面５０に形成された後述のキャビティ５Ｃ（図２～図４）に向けて燃料を噴射する。
インジェクタ１５は、燃料供給管を介して全シリンダ２に共通の蓄圧用コモンレール（図示せず）と接続されている。コモンレール内には、図外の燃料ポンプにより加圧された高圧の燃料が貯留されている。このコモンレール内で蓄圧された燃料が各シリンダ２のインジェクタ１５に供給されることにより、各インジェクタ１５から高い圧力（５０ＭＰａ～２５０ＭＰａ程度）で燃料が燃焼室６内に噴射される。前記燃料ポンプと前記コモンレールとの間には、インジェクタ１５から噴射される燃料の圧力である噴射圧を変更するための燃圧レギュレータ１６（図１では不図示、図７参照）が設けられている。
吸気通路３０は、吸気ポート９と連通するようにシリンダヘッド４の一側面に接続されている。吸気通路３０の上流端から取り込まれた空気（新気）は、吸気通路３０および吸気ポート９を通じて燃焼室６に導入される。吸気通路３０には、その上流側から順に、エアクリーナ３１、ターボ過給機４６、スロットル弁３２、インタークーラ３３及びサージタンク３４が配置されている。
エアクリーナ３１は、吸気中の異物を除去して吸気を清浄化する。スロットル弁３２は、図略のアクセルの踏み込み動作と連動して吸気通路３０を開閉し、吸気通路３０における吸気の流量を調整する。ターボ過給機４６は、吸気を圧縮しつつ吸気通路３０の下流側へ当該吸気を送り出す。インタークーラ３３は、過給機４６により圧縮された吸気を冷却する。サージタンク３４は、吸気ポート９に連なるインテークマニホールドの直上流に配置され、複数のシリンダ２に吸気を均等に配分するための空間を提供するタンクである。
吸気通路３０には、エアフローセンサＳＮ３、吸気温センサＳＮ４、吸気圧センサＳＮ５及び吸気Ｏ2センサＳＮ６が配置されている。エアフローセンサＳＮ３は、エアクリーナ３１の下流側に配置され、当該部分を通過する吸気の流量を検出する。吸気温センサＳＮ４は、インタークーラの下流側に配置され、当該部分を通過する吸気の温度を検出する。吸気圧センサＳＮ５及び吸気Ｏ2センサＳＮ６は、サージタンク３４の近傍に配置され、それぞれ当該部分を通過する吸気の圧力、吸気の酸素濃度を検出する。なお、図１には図示していないが、インジェクタ１５の噴射圧を検出する噴射圧センサＳＮ７（図７）が備えられている。
排気通路４０は、排気ポート１０と連通するようにシリンダヘッド４の他側面に接続されている。燃焼室６で生成された既燃ガス（排気ガス）は、排気ポート１０及び排気通路４０を通して車両の外部に排出される。排気通路４０には排気浄化装置４１が設けられている。排気浄化装置４１には、排気通路４０を流通する排気ガス中に含まれる有害成分（ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘ）を浄化するための三元触媒４２と、排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するためのＤＰＦ（ディーゼル・パティキュレート・フィルタ）４３とが内蔵されている。
排気通路４０には、排気Ｏ2センサＳＮ８及び差圧センサＳＮ９が配置されている。排気Ｏ2センサＳＮ８は、ターボ過給機４６と排気浄化装置４１との間に配置され、当該部分を通過する排気の酸素濃度を検出する。差圧センサＳＮ９は、ＤＰＦ４３の上流端と下流端との差圧を検出する。
ＥＧＲ装置４４は、排気通路４０と吸気通路３０とを接続するＥＧＲ通路４４Ａと、ＥＧＲ通路４４Ａに設けられたＥＧＲ弁４５とを備える。ＥＧＲ通路４４Ａは、排気通路４０におけるターボ過給機４６よりも上流側の部分と、吸気通路３０におけるインタークーラ３３とサージタンク３４との間の部分とを互いに接続している。なお、ＥＧＲ通路４４Ａには、排気通路４０から吸気通路３０に還流される排気ガス（ＥＧＲガス）を熱交換により冷却するＥＧＲクーラ（図略）が配置されている。ＥＧＲ弁４５は、ＥＧＲ通路４４Ａを流通する排気ガスの流量を調整する。
ターボ過給機４６は、吸気通路３０側に配置されたコンプレッサ４７と、排気通路４０に配置されたタービン４８とを含む。コンプレッサ４７とタービン４８とは、タービン軸で一体回転可能に連結されている。タービン４８は、排気通路４０を流れる排気ガスのエネルギーを受けて回転する。これに連動してコンプレッサ４７が回転することにより、吸気通路３０を流通する空気が圧縮（過給）される。
［ピストンの詳細構造］
続いて、ピストン５の構造、とりわけ冠面５０の構造について詳細に説明する。図２（Ａ）は、ピストン５の上方部分を主に示す斜視図である。ピストン５は、上方側のピストンヘッドと、下方側に位置するスカート部とを備えるが、図２（Ａ）では、冠面５０を頂面に有する前記ピストンヘッド部分を示している。図２（Ｂ）は、ピストン５の径方向断面付きの斜視図である。図３は、図２（Ｂ）に示す径方向断面の拡大図である。なお、図２（Ａ）及び（Ｂ）において、シリンダ軸方向Ａ及び燃焼室の径方向Ｂを矢印で示している。
ピストン５は、キャビティ５Ｃ、周縁平面部５５及び側周面５６を含む。上述の通り、燃焼室６を区画する燃焼室壁面の一部（底面）は、ピストン５の冠面５０で形成されており、キャビティ５Ｃは、この冠面５０に備えられている。キャビティ５Ｃは、シリンダ軸方向Ａにおいて冠面５０が下方に凹没された部分であり、インジェクタ１５から燃料の噴射を受ける部分である。周縁平面部５５は、冠面５０において径方向Ｂの外周縁付近の領域に配置された環状の平面部である。キャビティ５Ｃは、周縁平面部５５を除く冠面５０の径方向Ｂの中央領域に配置されている。側周面５６は、シリンダ２の内壁面と摺接する面であり、図略のピストンリングが嵌め込まれるリング溝が複数備えられている。
キャビティ５Ｃは、第１キャビティ部５１、第２キャビティ部５２、連結部５３及び山部５４を含む。第１キャビティ部５１は、冠面５０の径方向Ｂの中心領域に配置された凹部である。第２キャビティ部５２は、冠面５０における第１キャビティ部５１の外周側に配置された、環状の凹部である。連結部５３は、第１キャビティ部５１と第２キャビティ部５２とを径方向Ｂに繋ぐ部分である。山部５４は、冠面５０（第１キャビティ部５１）の径方向Ｂの中心位置に配置された山型の凸部である。山部５４は、インジェクタ１５のノズル１５１の直下の位置に凸設されている（図４）。
第１キャビティ部５１は、第１上端部５１１、第１底部５１２及び第１内側端部５１３を含む。第１上端部５１１は、第１キャビティ部５１において最も高い位置にあり、連結部５３に連なっている。第１底部５１２は、第１キャビティ部５１において最も凹没した、上面視で環状の領域である。キャビティ５Ｃ全体としても、この第１底部５１２は最深部であって、第１キャビティ部５１は、第１底部５１２においてシリンダ軸方向Ａに所定の深さ（第１の深さ）を有している。上面視において、第１底部５１２は、連結部５３に対して径方向Ｂの内側に近接した位置にある。
第１上端部５１１と第１底部５１２との間は、径方向Ｂの外側に湾曲した径方向窪み部５１４で繋がれている。径方向窪み部５１４は、連結部５３よりも径方向Ｂの外側に窪んだ部分を有している。第１内側端部５１３は、第１キャビティ部５１において最も径方向内側の位置にあり、山部５４の下端に連なっている。第１内側端部５１３と第１底部５１２との間は、裾野状に緩やかに湾曲した曲面で繋がれている。
第２キャビティ部５２は、第２内側端部５２１、第２底部５２２、第２上端部５２３、テーパ領域５２４及び立ち壁領域５２５を含む。第２内側端部５２１は、第２キャビティ部５２において最も径方向内側の位置にあり、連結部５３に連なっている。第２底部５２２は、第２キャビティ部５２において最も凹没した領域である。第２キャビティ部５２は、第２底部５２２においてシリンダ軸方向Ａに第１底部５１２よりも浅い深さを備えている。つまり、第２キャビティ部５２は、第１キャビティ部５１よりもシリンダ軸方向Ａにおいて上側に位置する凹部である。第２上端部５２３は、第２キャビティ部５２において最も高い位置であって最も径方向外側に位置し、周縁平面部５５に連なっている。
テーパ領域５２４は、第２内側端部５２１から第２底部５２２に向けて延び、径方向外側へ先下がりに傾斜した面形状を有する部分である。図３に示されているように、テーパ領域５２４は、径方向Ｂに延びる水平ラインＣ１に対して傾き角αで交差する傾斜ラインＣ２に沿った傾きを有している。
立ち壁領域５２５は、第２底部５２２よりも径方向外側において、比較的急峻に立ち上がるように形成された壁面である。径方向Ｂの断面形状において、第２底部５２２から第２上端部５２３にかけて、第２キャビティ部５２の壁面が水平方向から上方向へ向かうように湾曲された曲面とされており、第２上端部５２３の近傍において垂直壁に近い壁面とされている部分が立ち壁領域５２５である。立ち壁領域５２５の上端位置に対して、立ち壁領域５２５の下方部分は、径方向Ｂの内側に位置している。これにより、混合気が燃焼室６の径方向Ｂの内側へ戻り過ぎないようにし、立ち壁領域５２５よりも径方向外側の空間（スキッシュ空間）も有効に活用した燃焼を行わせることができる。
連結部５３は、径方向Ｂの断面形状において、下側に位置する第１キャビティ部５１と上側に位置する第２キャビティ部５２との間で、径方向内側にコブ状に突出する形状を有している。連結部５３は、下端部５３１及び第３上端部５３２（シリンダ軸方向の上端部）と、これらの間の中央に位置する中央部５３３とを有している。下端部５３１は、第１キャビティ部５１の第１上端部５１１に対する連設部分である。第３上端部５３２は、第２キャビティ部５２の第２内側端部５２１に対する連設部分である。
シリンダ軸方向Ａにおいて、下端部５３１は連結部５３の最も下方に位置する部分、第３上端部５３２は最も上方に位置する部分である。上述のテーパ領域５２４は、第３上端部５３２から第２底部５２２に向けて延びる領域でもある。第２底部５２２は、第３上端部５３２よりも下方に位置している。つまり、本実施形態の第２キャビティ部５２は、第３上端部５３２から径方向Ｂの外側に水平に延びる底面を有しているのではなく、換言すると、第３上端部５３２から周縁平面部５５までが水平面で繋がっているのではなく、第３上端部５３２よりも下方に窪んだ第２底部５２２を有している。
山部５４は、上方に向けて突出しているが、その突出高さは連結部５３の第３上端部５３２の高さと同一であり、周縁平面部５５よりは窪んだ位置にある。山部５４は、上面視で円形の第１キャビティ部５１の中心に位置しており、これにより第１キャビティ部５１は山部５４の周囲に形成された環状溝の態様となっている。
［燃料噴射の空間的分離について］
続いて、インジェクタ１５によるキャビティ５Ｃへの燃料噴射状況、及び噴射後の混合気の流れについて、図４に基づいて説明する。図４は、燃焼室６の簡略的な断面図であって、冠面５０（キャビティ５Ｃ）とインジェクタ１５から噴射される噴射燃料１５Ｅの噴射軸ＡＸとの関係と、噴射後の混合気の流れを模式的に表す矢印Ｆ１１、Ｆ１２、Ｆ１３、Ｆ２１、Ｆ２２、Ｆ２３とが示されている。
インジェクタ１５は、燃焼室天井面６Ｕ（シリンダヘッド４の下面）から燃焼室６へ下方に突出するように配置されたノズル１５１を備えている。ノズル１５１は、燃焼室６内へ燃料を噴射する噴射孔１５２を備えている。図４では一つの噴射孔１５２を示しているが、実際は複数個の噴射孔１５２がノズル１５１の周方向に等ピッチで配列されている。噴射孔１５２から噴射される燃料は、図中の噴射軸ＡＸに沿って噴射される。噴射された燃料は、噴霧角θをもって拡散する。図４には、噴射軸ＡＸに対する上方向への拡散を示す上拡散軸ＡＸ１と、下方向への拡散を示す下拡散軸ＡＸ２とが示されている。噴霧角θは、上拡散軸ＡＸ１と下拡散軸ＡＸ２とがなす角である。
噴射孔１５２は、キャビティ５Ｃの連結部５３に向けて燃料を噴射可能である。すなわち、ピストン５の所定のクランク角において噴射孔１５２から燃料噴射動作を行わせることで、噴射軸ＡＸを連結部５３に指向させることができる。図４は、前記所定のクランク角における噴射軸ＡＸとキャビティ５Ｃとの位置関係を示している。噴射孔１５２から噴射された燃料は、燃焼室６の空気と混合されて混合気を形成しつつ、連結部５３に吹き当たることになる。
図４に示すように、噴射軸ＡＸに沿って連結部５３に向けて噴射された燃料１５Ｅは、連結部５３に衝突し、その後、第１キャビティ部５１の方向（下方向）へ向かうもの（矢印Ｆ１１）と、第２キャビティ部５２の方向（上方向）へ向かうもの（矢印Ｆ２１）とに空間的に分離される。すなわち、連結部５３の中央部５３３を指向して噴射された燃料は、上下に分離され、その後は各々第１、第２キャビティ部５１、５２に存在する空気と混合しながら、これらキャビティ部５１、５２の面形状に沿って流動する。
詳しくは、矢印Ｆ１１の方向（下方向）に向かう混合気は、連結部５３の下端部５３１から第１キャビティ部５１の径方向窪み部５１４へ入り込み、下方向に流れる。その後、混合気は、径方向窪み部５１４の湾曲形状によって流動方向を下方向から径方向Ｂの内側方向へ変え、矢印Ｆ１２で示すように、第１底部５１２を有する第１キャビティ部５１の底面形状に倣って流動する。この際、混合気は、第１キャビティ部５１の空気と混合して濃度を薄めて行く。山部５４が存在することによって、第１キャビティ部５１の底面は径方向中央に向けてせり上がる形状を有している。従って、矢印Ｆ１２方向に流動する混合気は上方に持ち上げられ、ついには矢印Ｆ１３で示すように、燃焼室天井面６Ｕから径方向外側へ向かうように流動する。このような流動の際にも、前記混合気は燃焼室６内に残存する空気と混合し、均質で薄い混合気となってゆく。
一方、矢印Ｆ２１の方向（上方向）に向かう混合気は、連結部５３の第３上端部５３２から第２キャビティ部５２のテーパ領域５２４に入り込み、テーパ領域５２４の傾きに沿って斜め下方に向かう。そして、矢印Ｆ２２で示すように、前記混合気は第２底部５２２に至る。ここで、テーパ領域５２４は噴射軸ＡＸに沿う傾きを持つ面とされている。このため、前記混合気は径方向外側へスムースに流動することができる。つまり前記混合気は、テーパ領域５２４の存在、並びに、連結部５３の第３上端部５３２も下方に位置する第２底部５２２の存在によって、燃焼室６の径方向外側の奥深い位置まで到達することができる。
しかる後、前記混合気は、第２底部５２２から立ち壁領域５２５の間の立ち上がり曲面によって上方に持ち上げられ、燃焼室天井面６Ｕから径方向内側へ向かうように流動する。このような、矢印Ｆ２２で示す流動の際に、前記混合気は第２キャビティ部５２内の空気と混合し、均質で薄い混合気となって行く。ここで、第２底部５２２よりも径方向外側に、概ね上下方向に延びる立ち壁領域５２５が存在することで、噴射された燃料（混合気）がシリンダ２の内周壁（一般に、図略のライナーが存在する）に到達することが阻止される。つまり、前記混合気は、第２底部５２２の形成によって燃焼室６の径方向外側付近まで流動できるが、立ち壁領域５２５の存在によって、シリンダ２の内周壁との干渉は抑止される。このため、前記干渉による冷損の発生を抑制することができる。
ここで、立ち壁領域５２５は、その下方部分が、上端位置に対して径方向Ｂの内側に位置する形状を備えている。このため、矢印Ｆ２２で示す流動は過度に強くならず、混合気が径方向Ｂの内側へ戻り過ぎないようにすることができる。矢印Ｆ２２の流動が強すぎると、一部燃焼している混合気が新たに噴射された燃料が十分に拡散する前に当該燃料と衝突し、均質な燃焼を阻害して煤などを発生させる。しかし、本実施形態の立ち壁領域５２５は、径方向外側に抉れた形状を備えておらず、矢印Ｆ２２の流動は抑制的となり、矢印Ｆ２３にて示す径方向Ｂの外側へ向かう流動も生成する。とりわけ、燃焼後期では逆スッキシュ流に牽引されることもあり、矢印Ｆ２３の流動が生じ易くなる。従って、立ち壁領域２５２よりも径方向外側の空間（周縁平面部５５上のスキッシュ空間）も有効に活用した燃焼を行わせることができる。従って、煤の発生などを抑止し、燃焼室空間の全体を有効活用した燃焼を実現させることができる。
以上の通り、噴射軸ＡＸに沿って連結部５３に向けて噴射された燃料が、連結部５３に衝突して空間的に分離され、第１、第２キャビティ部５１、５２の空間に各々存在する空気を活用して混合気を生成する。これにより、燃焼室６の空間を広く利用して均質で薄い混合気を形成でき、燃焼時に煤などの発生を抑制することができる。
［燃料噴射の時間的分離について］
本実施形態では、上述した燃料噴射の空間的分離に加え、時間的にも分離して、より燃焼室６内の空気を有効活用する例を示す。図５は、インジェクタ１５からキャビティ５Ｃへの燃料噴射のタイミングの一例と、その時の熱発生率特性Ｈとを示すタイムチャートである。インジェクタ１５による燃料噴射の動作は、後述の燃料噴射制御部７１（図７参照）によって制御される。燃料噴射制御部７１（分割噴射制御部）は、１サイクル当たり、所定の第１タイミングで燃料を噴射させる前段噴射と、当該前段噴射よりも遅い第２タイミングで燃料を噴射させる後段噴射と、を実行させる。
本実施形態においては、燃料噴射制御部７１が、前記前段噴射としてプレ噴射Ｐ１を、後段噴射としてメイン噴射Ｐ２を、それぞれインジェクタ１５に実行させる例を示す。メイン噴射Ｐ２は、ピストン５が圧縮上死点（ＴＤＣ）付近に位置するタイミング（第２タイミング）で実行される燃料噴射である。図５では、ＴＤＣよりも僅かに遅角となるタイミングで、メイン噴射Ｐ２が実行される例を示している。プレ噴射Ｐ１は、メイン噴射Ｐ２よりも早いタイミング（第１タイミング）であって、ＴＤＣよりも早いタイミングで実行される燃料噴射である。本実施形態では、プレ噴射Ｐ１が、進角側の第１プレ噴射Ｐ１１と、遅角側の第２プレ噴射Ｐ１２とに分けて実行される例を示している。
図５では、クランク角－ＣＡ１６から－ＣＡ１２の期間に第１プレ噴射Ｐ１１が実行される例を示している。燃料の噴射率ピーク値は、第１プレ噴射Ｐ１１とメイン噴射Ｐ２とで同一であるが、燃料噴射期間は前者の方が長く設定されている。第２プレ噴射Ｐ１２は、第１プレ噴射Ｐ１１とメイン噴射Ｐ２との間において実行される、少量の燃料噴射である。この第２プレ噴射Ｐ１２は、熱発生率特性Ｈにおけるピーク間の谷部（クランク角ＣＡ２～３ｄｅｇ付近の谷部）を可及的に小さくして消音を図る目的で実行されるが、当該第２プレ噴射Ｐ１２を省くようにしても良い。
上述の連結部５３を指向した燃料噴射は、第１プレ噴射Ｐ１１の際に実行される。メイン噴射Ｐ２は、第１プレ噴射Ｐ１１にて噴射された燃料（混合気）が、上述の通り下側の第１キャビティ部５１と上側の第２キャビティ部５２とに空間的に分離された後に、その分離された上下の混合気間に噴射される噴射である。この点を図６に基づいて説明する。図６は、メイン噴射Ｐ２が終了するタイミングにおける、燃焼室６での混合気の生成状況を模式的に示す図である。
第１プレ噴射Ｐ１１の噴射燃料は、燃焼室６内の空気と混合されて混合気となりつつ、連結部５３に吹き当たる。連結部５３への吹き当たりによって当該混合気は、図６に示すように、第１キャビティ部５１へ向かう下側混合気Ｍ１１と、第２キャビティ部５２へ向かう上側混合気Ｍ１２とに分離される。これが上述した混合気の空間的分離である。メイン噴射Ｐ２は、プレ噴射Ｐ１にて噴射された燃料（混合気）が第１、第２キャビティ部５１、５２の空間に入り込んで空間的に分離された後に、その分離された２つの混合気間の空間に残存する空気を活用して新たな混合気を形成するべく実行される噴射である。
図６に基づきさらに説明を加える。メイン噴射Ｐ２の実行タイミングではピストン５はほぼＴＤＣの位置にあるので、当該メイン噴射Ｐ２の燃料は、連結部５３のやや下方位置を指向して噴射されることになる。先に噴射された第１プレ噴射Ｐ１１の下側混合気Ｍ１１、上側混合気Ｍ１２は、各々第１キャビティ部５１、第２キャビティ部５２に入り込み、それぞれの空間の空気と混合して稀釈化が進行している。メイン噴射Ｐ２が開始される直前は、下側混合気Ｍ１１と上側混合気Ｍ１２との間に未使用の空気（燃料と混合していない空気）が存在する状態である。このような未使用空気層の形成に、第１キャビティ部５１のエッグシェープ形状が貢献する。メイン噴射Ｐ２の噴射燃料は、下側混合気Ｍ１１と上側混合気Ｍ１２との間に入り込む形態となり、前記未使用の空気と混合されて第２混合気Ｍ２となる。これが燃料噴射の時間的分離である。以上の通り、本実施形態では、燃料噴射の空間的、時間的分離によって、燃焼室６に存在する空気を有効活用した燃焼を実現させることができる。
［制御構成］
図７は、前記ディーゼルエンジンシステムの制御構成を示すブロック図である。本実施形態のエンジンシステムは、プロセッサ７０（ディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置）によって統括的に制御される。プロセッサ７０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成される。プロセッサ７０には、車両に搭載された各種センサからの検出信号が入力される。上記で説明したセンサＳＮ１～ＳＮ９に加え、車両には、アクセル開度を検出するアクセル開度センサＳＮ１０と、車両の走行環境の大気圧を計測する大気圧センサＳＮ１１と、車両の走行環境の気温を計測する外気温センサＳＮ１２と、が備えられている。
プロセッサ７０は、上述したクランク角センサＳＮ１、水温センサＳＮ２、エアフローセンサＳＮ３、吸気温センサＳＮ４、吸気圧センサＳＮ５、吸気Ｏ2センサＳＮ６、噴射圧センサＳＮ７、排気Ｏ2センサＳＮ８、差圧センサＳＮ９、アクセル開度センサＳＮ１０、大気圧センサＳＮ１１及び外気温センサＳＮ１２と電気的に接続されている。これらのセンサＳＮ１～ＳＮ１２によって検出された情報、すなわち、クランク角、エンジン回転速度、エンジン水温、吸気流量、吸気温、吸気圧、吸気酸素濃度、インジェクタ１５の噴射圧、排気酸素濃度、アクセル開度、外気温、気圧等の情報がプロセッサ７０に逐次入力される。
プロセッサ７０は、上記各センサＳＮ１～ＳＮ１２他からの入力信号に基づいて種々の判定や演算等を実行しつつエンジンの各部を制御する。すなわち、プロセッサ７０は、インジェクタ１５（燃圧レギュレータ１６）、スロットル弁３２及びＥＧＲ弁４５等と電気的に接続されており、上記演算の結果等に基づいてこれらの機器にそれぞれ制御用の信号を出力する。
プロセッサ７０は、機能的に、インジェクタ１５の動作を制御する燃料噴射制御部７１（分割噴射制御部、設定部、算出部）と、記憶部７７とを備えている。燃料噴射制御部７１は、少なくとも予混合圧縮着火（Premixed Compression Ignition）燃焼が適用される運転領域（以下、ＰＣＩ領域という）の各サイクルにおいて、圧縮上死点より前の所定のタイミング（第１タイミング）で燃料を噴射させるプレ噴射（前段噴射）と、ピストン５が圧縮上死点付近に位置するタイミング（前段噴射よりも遅い第２タイミング）で燃料噴射を行わせるメイン噴射（後段噴射）とを、インジェクタ１５に実行させる。
燃料噴射制御部７１は、所定のプログラムが実行されることで、運転状態判定部７２、噴射パターン選択部７３（分割噴射制御部）、噴射設定部７４（設定部）、予測部７５及び補正部７６を機能的に具備するように動作する。
運転状態判定部７２は、クランク角センサＳＮ１が検出値に基づくエンジン回転数、及びアクセル開度センサＳＮ１０の開度情報に基づくエンジン負荷などから、エンジン本体１の運転状態を判定する。この判定結果は、現状の運転領域が、上記のプレ噴射Ｐ１及びメイン噴射Ｐ２を実行させるＰＣＩ領域であるか否かの判定に用いられる。
噴射パターン選択部７３は、インジェクタ１５からの燃料噴射のパターンを、各種の条件に応じて設定する。少なくともＰＣＩ領域においては、噴射パターン選択部７３は、上記のプレ噴射Ｐ１（前段噴射）及びメイン噴射Ｐ２（後段噴射）を含む燃料噴射のパターンを設定する。
噴射設定部７４は、インジェクタ１５からの燃料噴射量若しくは燃料噴射タイミングを、各種の条件に応じて設定する。上記のＰＣＩ領域においては、噴射設定部７４は、プレ噴射Ｐ１（前段噴射）に伴う燃焼室６内の熱発生率の上昇ピークである第１ピークと、メイン噴射Ｐ２（後段噴射）に伴う燃焼室６内の熱派生率の上昇ピークである第２ピークとの比率が、予め定めた目標値となる目標熱発生率特性が得られるように、プレ噴射Ｐ１（本実施形態では特に第１プレ噴射Ｐ１１）における燃料噴射量、若しくは燃料噴射タイミングを設定する。図８（Ａ）に、目標熱発生率特性Ｈｓの一例を示す。例示された目標熱発生率特性Ｈｓでは、クランク角＝４度付近に前記第１ピークが、クランク角＝８度付近に前記第２ピークが各々表れている。目標熱発生率特性Ｈｓを、最もディーゼルノック音などの燃焼騒音が抑制できる特性に設定しておくことで、燃焼騒音を可及的に小さくすることができる。
さらに、噴射設定部７４は、前記第１ピークが発生する時期と前記第２ピークが発生する時期とのピーク間隔が、プレ噴射Ｐ１（第１プレ噴射Ｐ１１）の燃料の燃焼に起因する圧力波の振幅とメイン噴射Ｐ２の燃料の燃焼に起因する圧力波の振幅とが互いに打ち消し合う間隔となるように、インジェクタ１５からの燃料噴射量若しくは燃料噴射タイミングを設定する。これにより、第１プレ噴射Ｐ１１及びメイン噴射Ｐ２によって各々発生する燃焼騒音同士が打ち消し合うこととなり、燃焼騒音を極めて低いレベルに抑制することができる。これらについては、後記で詳述する。
ここで、目標熱発生率特性Ｈｓを得るために、第１プレ噴射Ｐ１１だけでなく、第２プレ噴射Ｐ１２及びメイン噴射Ｐ２の燃料噴射量若しくは燃料噴射タイミングも調整することが考えられる。しかし、本実施形態では、第１プレ噴射Ｐ１１が制御対象とされ、前記第１ピーク（着火時期）が調整対象とされる。
本実施形態のように、前段噴射及び後段噴射に分割して燃料噴射を行わせる場合、専ら前段噴射の実行状況によって着火時期等が定まる。前段噴射の態様を定めれば、後段噴射に伴う燃焼は比較的ロバスト性の高い燃焼となる。従って、最も早いタイミングで比較的多くの燃料を噴射する第１プレ噴射Ｐ１１の燃料噴射量若しくは燃料噴射タイミングを適宜変更することで、前記第１ピークと前記第２ピークとの比率を目標値に近づける制御、並びに第１、第２ピーク間のインターバルを設定する制御を的確に行わせることができる。なお、メイン噴射Ｐ２の態様（噴射量や噴射タイミング）を主導的に変更すると、燃焼期間が全体的にシフトし、燃費性能やトルクに影響を及ぼすことがある。
予測部７５は、噴射設定部７４が目標熱発生率特性Ｈｓに基づいて設定したプレ噴射Ｐ１の燃料噴射量若しくは燃料噴射タイミングと、燃焼室６での燃焼に影響を与える所定の燃焼環境要因とに基づき、現状のコンデションにおける前記第１ピークの発生時期と、前記第１ピークのピーク値との少なくとも一方を予測する処理を行う。この予測のために予測部７５は、所定の予測モデル式を用いる（図１２、図１３に基づき後述する）。前記第１ピークの発生時期やピーク値は、各種センサＳＮ１～ＳＮ１２の検知結果に基づきフィードバック制御で調整することが可能である。しかし、フィードバック制御では、現にディーゼルノック音が発生してしまうことがあり、ドライバーに不快感を与えかねない。そこで、予測部７５は、前記予測モデル式を用いたフィードフォワード方式で、前記第１ピークの発生時期やピーク値の目標熱発生率特性Ｈｓにおける目標値に対するずれを予測する。
補正部７６は、予測部７５により予測された前記第１ピークの発生時期若しくはピーク値に基づいて、噴射設定部７４が設定した第１プレ噴射Ｐ１１の燃料噴射量若しくは燃料噴射タイミングを補正する。すなわち、補正部７６は、燃焼環境要因を参照して予測部７５により求められた前記第１ピークの発生時期やピーク値の予測値と、目標熱発生率特性Ｈｓにおける目標値との乖離を解消させるように、前記燃料噴射量若しくは燃料噴射タイミングを補正する。つまり、ディーゼルノック音が発生してしまう前に、前記乖離を解消する補正が行われる。
記憶部７７は、予測部７５が所定の演算処理を行う際に用いる予測モデル式を記憶する。予測モデル式は、所定の燃焼環境要因に基づいて、前記第１ピークの発生時期若しくは前記第１ピークのピーク値の目標熱発生率特性Ｈｓに対する変動を予測する式である。なお、前記燃焼環境要因は、例えば、各センサＳＮ１～１２の計測値から直接的又は間接的に導出される、シリンダブロック３の壁面温度、筒内圧、筒内温度、筒内酸素濃度、エンジン負荷などである。
［二段熱発生率と騒音相殺］
図８（Ｂ）は、プレ噴射Ｐ１（第１プレ噴射Ｐ１１）及びメイン噴射Ｐ２の各燃焼により生じる熱発生率のピーク及びその高さ比率と、これらピーク間のインターバルとを示す図である。図８（Ｂ）に示す熱発生率特性Ｈは、図５に示した熱発生率特性Ｈを、より概略的に示したものである。
熱発生率特性Ｈは、燃焼室６内の燃焼圧力の上昇率に関連深い特性であって、プレ噴射Ｐ１に伴う燃焼によって生じる山部である前段燃焼部分ＨＡと、メイン噴射Ｐ２に伴う燃焼によって生じる山部である後段燃焼部分ＨＢを有する。前段燃焼部分ＨＡ及び後段燃焼部分ＨＢは、それぞれの山部において最も熱発生率が高い第１ピークＨＡｐ及び第２ピークＨＢｐを有している。これら第１、第２ピークＨＡｐ、ＨＢｐに対応して、燃焼圧力の変化率（上昇率）にも２つのピークが生じることとなる。
図８では、第１ピークＨＡｐの値が第２ピークＨＢｐの値よりも小さい例を示している。第１ピークＨＡｐ又は第２ピークＨＢｐの値が傑出して高いと、これに起因して燃焼騒音が大きくなる。従って、前段燃焼部分ＨＡと後段燃焼部分ＨＢとの熱発生割合を制御し、第１ピークＨＡｐと第２ピークＨＢｐとの高さ比率をなるべく揃えることが望ましい。
また、第１ピークＨＡｐが発生する時期と第２ピークＨＢｐが発生する時期とのインターバルも、燃焼騒音の抑制に大きな影響を与える。前記インターバルを、前段燃焼部分ＨＡの燃焼に起因する圧力波（音波）の振幅と、後段燃焼部分ＨＢの燃焼に起因する圧力波の振幅とが互いに打ち消し合う間隔とすれば、周波数効果によって表出する圧力波（燃焼騒音）を抑制することができる。この点につき、図９に基づき説明を加える。
図９（Ａ）～（Ｃ）は、燃焼騒音の打ち消し効果を説明するための模式図である。図９（Ａ）では、ある高さの熱発生率の第１ピークＨＡｐを有する前段燃焼部分ＨＡと、第１ピークＨＡｐと同じ高さの熱発生率の第２ピークＨＢｐを有する後段燃焼部分ＨＢとが、実線で模式的に描かれている。第１ピークＨＡｐと第２ピークＨＢｐとの間のインターバルは、各々の燃焼に起因する圧力波が互いに打ち消し合う第１インターバルＩｎ１に設定されている。さらに図９（Ａ）には点線で、比較例として、第１ピークＨＡｐと同じ高さのピークＨＡｐ１を有するが、第１インターバルＩｎ１よりも長い第２インターバルＩｎ２で発生する後段燃焼部分ＨＢ１と、第１ピークＨＡｐよりも高いピークＨＡｐ１を有する前段燃焼部分ＨＡ１とを示している。
図９（Ｂ）には、前段燃焼部分ＨＡの燃焼に起因して発生する前段圧力波ＥＡｗと、後段燃焼部分ＨＢの燃焼に起因して発生する後段圧力波ＥＢｗとが示されている。第１ピークＨＡｐ及び第２ピークＨＢｐのピーク高さが同じであることから、前段圧力波ＥＡｗの振幅と後段圧力波ＥＢｗの振幅とは同じである。また、第１インターバルＩｎ１は、前段圧力波ＥＡｗ及び後段圧力波ＥＢｗの周期の１／２倍に設定されている。この場合、前段圧力波ＥＡｗと後段圧力波ＥＢｗとは逆位相となって互いに打ち消し合うように干渉し、その合成波ＥＭの振幅はゼロとなる。つまり、燃焼騒音は、打ち消し効果によってキャンセルされる。
一方、前段燃焼部分ＨＡに対して第２インターバルＩｎ２を置いて比較例の後段燃焼部分ＨＢ１を発生させた場合、前段圧力波ＥＡｗと後段圧力波ＥＢｗとは完全な逆位相とはならない。この場合、図９（Ｂ）に示した両圧力波ＥＡｗ、ＥＢｗの打ち消し効果は減退し、合成波ＥＭは逆に増幅されてしまう部分も生じ得る。例えば、両圧力波ＥＡｗ、ＥＢｗが同位相となった場合、合成波ＥＭは両圧力波ＥＡｗ、ＥＢｗが合算されて大きな振幅となる。つまり、燃焼騒音が増大してしまう。
前記打ち消し効果は、両圧力波ＥＡｗ、ＥＢｗの振幅が同一であるときに最大となる。図９（Ｃ）には、比較例の前段燃焼部分ＨＡ１の燃焼に起因して発生する前段圧力波ＥＡｗ１と、上述の後段圧力波ＥＢｗとが示されている。前段圧力波ＥＡｗ１の振幅が後段圧力波ＥＢｗの振幅よりも大きいことから、第１インターバルＩｎ１を採用して両者を逆位相としても、合成波ＥＭはその差分に応じた振幅を持つ。従って、燃焼騒音の打ち消し効果は低減する。
以上の点に鑑みると、第１ピークＨＡｐと第２ピークＨＢｐとの差を可及的に縮めるように、且つ、前段圧力波ＥＡｗと後段圧力波ＥＢｗとが互いに打ち消し合うインターバルとなるように、噴射設定部７４がインジェクタ１５の燃料噴射動作を制御することが望ましい。すなわち、燃焼騒音の打ち消し効果を発揮できる目標熱発生率特性Ｈｓを設定し、当該目標熱発生率特性Ｈｓを達成する燃焼が行われるよう、プレ噴射Ｐ１又はメイン噴射Ｐ２（とりわけ第１プレ噴射Ｐ１１）における燃料噴射量、若しくは燃料噴射タイミングを設定させることが望ましい。
［熱発生率特性の補正の基本形］
続いて、補正部７６による熱発生率特性の補正の基本形について説明する。図１０（Ａ）及び（Ｂ）は、予測部７５により予測された予測熱発生率特性Ｈｐを目標熱発生率特性Ｈｓに近づけるための補正の基本形を示すグラフである。先ず、図１０（Ａ）は、第１ピークＨＡｐ及び第２ピークＨＢｐのピーク値を、狙いの値に補正する例を示している。ピーク値を補正する場合、最も制御を簡略化する態様では、第１プレ噴射Ｐ１１の噴射量を補正する。
図１０（Ａ）中において実線で示す熱発生率特性Ｈ１は、前段燃焼部分ＨＡにおいてあるピーク値の第１ピークＨＡｐ１を、後段燃焼部分ＨＢにおいてあるピーク値の第２ピークＨＢｐ１を有している。このような熱発生率特性Ｈ１を、点線で示す熱発生率特性Ｈ２に補正する場合を例示する。熱発生率特性Ｈ２が備える第１、第２ピークＨＡｐ２、ＨＢｐ２は、熱発生率特性Ｈ１が有する第１、第２ピークＨＡｐ１、ＨＢｐ１よりも大きいピーク値を有している。実線で示すプレ噴射Ｐ１及びメイン噴射Ｐ２の噴射量は、熱発生率特性Ｈ１に沿った燃焼を実行させることができる噴射量であるとする。
この場合、補正部７６は、各々第１プレ噴射Ｐ１１の噴射量を、図中に点線で示す噴射Ｐ１１ａの噴射量に増量させる制御を行う（噴射タイミングは一定）。これにより、前段燃焼部分ＨＡの第１ピークのピーク値を、ＨＡｐ１からＨＡｐ２に上昇させることができる。また、これに追従して、後段燃焼部分ＨＢの第２ピークのピーク値も、ＨＢｐ１からＨＢｐ２に上昇させることができる。逆に、第１ピークＨＡｐ１を下げる場合には、第１プレ噴射Ｐ１１の噴射量を減量させる制御を行えば良いことになる。このように、第１プレ噴射Ｐ１１の噴射量を補正することで、前段、後段燃焼部分ＨＡ、ＨＢの傾き及び第１、第２ピークＨＡｐ１、ＨＢｐ１のピーク値を調整でき、ひいては当該燃焼により生じる圧力波の振幅（音圧）をコントロールすることができる。
上記熱発生率特性Ｈ１、Ｈ２は、目標熱発生率特性Ｈｓ、予測熱発生率特性Ｈｐに置換することができる。例えば、図１０（Ａ）中の実線の熱発生率特性Ｈ１が、記憶部７７に記憶されている目標熱発生率特性Ｈｓ、熱発生率特性Ｈ２が、予測部７５により予測された予測熱発生率特性Ｈｐとする。そして、実線で示すプレ噴射Ｐ１及びメイン噴射Ｐ２の噴射量は、環境条件（燃焼環境要因）が定常の条件であれば、予測熱発生率特性Ｈｐに沿った燃焼を実行させることができる噴射量であるとする。しかし、現状の環境条件では、当該噴射量を採用した場合には予測熱発生率特性Ｈｐの如き燃焼が生じてしまうことが、予測部７５により予測されているものとする。つまり、予測部７５が予測した第１ピークＨＡｐ２のピーク値が、目標熱発生率特性Ｈｓに基づく第１ピークＨＡｐ１のピーク値に対してずれている場合である。この場合、補正部７６は、予測された第１ピークＨＡｐ２が目標とする第１ピークＨＡｐ１に近づくように、つまり前記ずれを解消するように、第１プレ噴射Ｐ１１の噴射量を補正する。この場合は、噴射量がＰ１１ａからＰ１１へ減量されることになる。
次に、図１０（Ｂ）は、第１ピークＨＡｐと第２ピークＨＢｐとのピーク間隔を、狙いの間隔に補正する例を示している。ピーク間隔を補正する場合、最も制御を簡略化する態様では、第１プレ噴射Ｐ１１の噴射タイミングを補正する。
図１０（Ｂ）中に示す熱発生率特性Ｈ１は、前段燃焼部分ＨＡの第１ピークＨＡｐ１と、後段燃焼部分ＨＢの第２ピークＨＢｐ１との間に、あるピーク間隔ａ１を有している。このような熱発生率特性Ｈ１を、熱発生率特性Ｈ２に補正する場合を例示する。熱発生率特性Ｈ２が備える第１、第２ピークＨＡｐ２、ＨＢｐ２間のピーク間隔ａ２は、熱発生率特性Ｈ１が有するピーク間隔ａ１よりも短い。実線で示すプレ噴射Ｐ１及びメイン噴射Ｐ２の噴射量は、熱発生率特性Ｈ１に沿った燃焼を実行させることができる噴射量であるとする。
この場合、補正部７６は、第１プレ噴射Ｐ１１の噴射タイミングを、図中に点線で示す噴射タイミングＰ１１ｂに遅角させる制御を行う（噴射量は一定）。これにより、前段燃焼部分ＨＡの第１ピークの発生時期を、ＨＡｐ１からＨＡｐ２に遅角させることができる。これに伴い、後段燃焼部分ＨＢの第２ピークＨＢｐ２の発生時期も変動する。ここでは、ＨＢｐ１からＨＢｐ２に進角し、これによりピーク間隔ａ２がピーク間隔ａ１よりも短くなっている例を示している。逆に、第１ピークＨＡｐ１を進角させる場合には、第１プレ噴射Ｐ１１の噴射タイミングを、図中に点線で示す噴射タイミングＰ１１ｃに進角させる制御を行えば良いことになる。このように、第１プレ噴射Ｐ１１の噴射タイミングを補正することで、前段、後段燃焼部分ＨＡ、ＨＢの傾き及び第１、第２ピークＨＡｐ１、ＨＢｐ１のピーク間隔を調整でき、ひいては当該燃焼により生じる圧力波の周波数を、図９に示した打ち消し効果が生じるようにコントロールすることが可能となる。
図１０（Ｂ）中の熱発生率特性Ｈ１、Ｈ２が、それぞれ目標熱発生率特性Ｈｓ、予測熱発生率特性Ｈｐである場合を想定する。そして、実線で示すプレ噴射Ｐ１及びメイン噴射Ｐ２の噴射量は、環境条件（燃焼環境要因）が通常の条件であれば、予測熱発生率特性Ｈｐに沿った燃焼を実行させることができる噴射量であるとする。しかし、現状の環境条件では、当該噴射量を採用した場合には予測熱発生率特性Ｈｐの如き燃焼が生じてしまうことが、予測部７５により予測されているものとする。つまり、予測部７５が予測した第１ピークＨＡｐ２の発生時期が、目標熱発生率特性Ｈｓに基づく第１ピークＨＡｐ１の発生時期に対してずれている場合である。この場合、補正部７６は、予測された第１ピークＨＡｐ２の発生時期が目標とする第１ピークＨＡｐ１の発生時期に近づくように、つまり前記ずれを解消するように、第１プレ噴射Ｐ１１の噴射タイミング量を補正する。この場合は、噴射タイミングがＰ１１からＰ１１ｃへ進角されることになる。
なお、図１０（Ａ）、（Ｂ）に示したパターンは、熱発生率特性の補正の基本形であり、実際には双方のパターンが複合的に用いられる場合がある。例えば、第１ピークＨＡｐ及び第２ピークＨＢｐのピーク値を狙いの値とするために、プレ噴射Ｐ１の噴射量だけではなく、噴射タイミングも変更される場合がある。同様に、ピーク発生時期を狙いの値とするために、プレ噴射Ｐ１の噴射タイミングだけではなく、噴射量も変更される場合がある。このような噴射制御例を、後記で説明する図１４及び図１５の具体例でも示している。
［予測モデル式について］
続いて、予測部７５が使用する予測モデル式の具体例について説明する。図１１は、目標熱発生率特性の達成に影響を与える燃焼環境要因を説明するための模式図である。図１１の左上に示すような目標熱発生率特性Ｈｓが、記憶部７７に記憶されているとする。燃焼環境要因が想定している定常範囲内であれば、プレ噴射Ｐ１（前段噴射）及びメイン噴射Ｐ２（後段噴射）を、所定の基準噴射量及び基準噴射タイミングで実行させることで、目標熱発生率特性Ｈｓに沿った燃焼を燃焼室６で実現することができる。
しかしながら、燃焼環境要因が定常範囲から外れた場合、燃焼室６の筒内状態量が変化する。これにより、上記基準噴射量及び基準噴射タイミングを採用しても、目標熱発生率特性Ｈｓを得ることができない場合が生じる。例えば、図１１の左下に示したような、過早着火や、着火遅れが生じる。過早着火は、混合気への着火が所期のタイミングよりも早くなる結果として、前段燃焼部分ＨＡが高い熱発生率を持ってしまうケースである。着火遅れは、混合気への着火が所期のタイミングよりも遅れる結果、前段燃焼部分ＨＡがほとんど消失してしまうケースである。
筒内状態量に影響を与える主要な燃焼環境要因が、図１１の右欄に列挙されているように、シリンダブロック３の壁面温度、筒内圧力、筒内温度、筒内酸素濃度、エンジン回転数（負荷）、燃料噴射量、噴射時期、噴射圧である。例えば、壁面温度、筒内圧力及び筒内温度は、外気温や外気圧、エンジ冷却水温度で変動する。また、筒内酸素濃度は、燃焼室６へ取り入れるＥＧＲガス量などによって変化する。また、運転状態が大きく変化する際の過渡的な要因（吸気温度や過給圧等に過渡的なズレが生じる等）によっても、燃焼環境要因は変動し得る。
図１２は、熱発生率特性Ｈにおける前段燃焼部分ＨＡの第１ピークＨＡｐの発生時期を予測するモデル式を説明するための図である。図１２（Ａ）に示すように、第１ピークＨＡｐの発生時期は、プレ噴射Ｐ１（本実施形態では第１プレ噴射Ｐ１１）の噴射開始タイミングから、第１ピークＨＡｐが生じるまでの期間である「ピーク遅れ」にて予測される。
図１２（Ｂ）には、前記ピーク遅れの予測モデル式が示されている。ここでは、各因子の特性を、アレニウス型の予測式で表現している。式の右辺には、係数Ａの他、図１１の右欄に列挙された、燃料の噴射量、噴射時期、噴射圧、筒内圧力、筒内温度、壁面温度、筒内酸素濃度、エンジンの回転数が項目として挙げられている。係数Ａは、右辺の値を全体的に変動させる切片である。右辺の各項目に付されている指数Ｂ～Ｉは、その項目の感度を示すものであり、プラス符号のものは比例、マイナス符号のものは反比例の意味を持つ。なお、上記の項目に、エンジン油温などを加えるようにしても良い。
図１２（Ｃ）は前記予測モデル式のキャリブレーション結果を示す表形式の図であり、係数Ａの値、及び指数Ｂ～Ｉの値を示している。この結果は、燃料噴射量、噴射時期、噴射圧などの噴射に関わるパラメータについては目標熱発生率特性Ｈｓに対応した基準値に固定する一方、外気温、外気圧、エンジ冷却水温度、ＥＧＲガス量などの状態量を変動させて多数のデータを取得し、重回帰分析により燃焼状態（熱発生率）の変動と、筒内状態変動とを関連付けたものである。当該予測モデル式による「ピーク遅れ」の予測結果（第１ピークＨＡｐが生じるクランク角）と、実測による「ピーク遅れ」との予実差は±２ｄｅｇ以下であることが確認されている。
次に、第１ピークＨＡｐのピーク高さ（ピーク値）の予測モデル式について、図１３を参照して説明する。第１ピークＨＡｐのピーク高さは、図１２に示した「ピーク遅れ」の予測モデル式と、公知の燃焼効率予測モデル式との組合せによって表現することができる。図１３（Ａ）及び（Ｂ）は、噴射（本実施形態ではプレ噴射）に起因するピーク高さ（前段燃焼のピーク高さ）に影響を与える要因を示す図である。
図１３（Ａ）に示すように、燃焼室６内での燃焼効率が一定であるとしても、「ピーク遅れ」の変動によって、熱発生率特性のピーク高さは変動する。例えば、噴射タイミングをＰ１１→Ｐ１２→Ｐ１３と遅角させた場合（「ピーク遅れ」の変動）、燃焼効率が一定であっても、ピーク高さがｈ１→ｈ２→ｈ３と高くなるように変動する。また、図１３（Ｂ）に示すように、「ピーク遅れ」を固定したとしても、燃焼効率が変化すると熱発生率特性のピーク高さは変動する。例えば、噴射タイミングを同じＰ１１、Ｐ１２、Ｐ１３に設定しても、燃焼効率がＰ１１→Ｐ１２→Ｐ１３の順で良好となる場合、ピーク高さがｈ１→ｈ２→ｈ３と高くなるように変動する。
図１３（Ｃ）には、前記ピーク高さの予測モデル式が示されている。図１２（Ｂ）と同様に、各因子の特性を、アレニウス型の予測式で表現している。式の右辺には、係数Ａの他、上述の「ピーク遅れ」及び燃焼効率と、ピーク高さの絶対値に影響を与えるエンジン回転数、噴射量とが、項目として挙げられている。図１３（Ｄ）は、図１３（Ｃ）の予測モデル式のキャリブレーション結果を示す表形式の図である。図１３（Ｄ）には、各項目の値を振って得た多数のデータを重回帰分析して得た係数Ａの値、及び指数Ｂ～Ｅの値を示されている。当該予測モデル式による「ピーク高さ」の予測結果（第１ピークＨＡｐが生じる熱発生率）と、実測による「ピーク高さ」との予実差は±２ｄｅｇ以下であることが確認されている。
図１２（Ｂ）及び図１３（Ｃ）に例示したような予測モデル式が、予め記憶部７７に格納される。予測部７５は、記憶部７７から予測モデル式を読み出し、現状の環境条件における第１ピークＨＡｐの発生時期及びピーク値の予測演算を行うものである。
［エンジン回転数変動時における制御］
次に、プロセッサ７０の燃料噴射制御部７１により実行される燃料噴射制御において、エンジン回転数が変動した場合の制御について説明する。
まず、図１４（Ａ）～（Ｃ）から図１７にしたがって、エンジン回転数が増大する場合の制御について説明する。図１４（Ａ）には、エンジン回転数が変動する前の設定（ベース設定）における燃焼室６内の熱発生率特性Ｈを示す。
このベース設定において、プレ噴射Ｐ１とメイン噴射Ｐ２の噴射時期及び噴射量は、プレ噴射Ｐ１の燃焼音周波数とメイン噴射Ｐ２の燃焼周波数が互いに相殺されて、燃焼騒音が抑制されるように設定されている。すなわち、ベース設定においては、プレ噴射Ｐ１による熱発生率ピークＨＡｐ（第１ピーク）の発生からメイン噴射Ｐ２による熱発生率ピークＨＢｐ（第２ピーク）の発生までの時間間隔（ピーク間隔）は、燃焼音の周期の略１／２となるように（プレ噴射Ｐ１による燃焼の燃焼音とメイン噴射Ｐ２による燃焼の燃焼音が反対位相となるように）に設定されており、また各噴射による熱発生率のピーク高さ（ピークＨＡｐ及びＨＢｐの高さ）は、大きく異なる値とならないように設定されている。これにより、プレ噴射Ｐ１による燃焼音とメイン噴射Ｐ２による燃焼音は互いに相殺されて、燃焼騒音が低減されるようになっている（図９参照）。
このような状態から、同一エンジン負荷（燃料噴射量一定）の条件下でエンジン回転数が上昇した場合、ベース設定から制御パラメータを変更することなく、プレ噴射Ｐ１及びメイン噴射Ｐ２が実行されると、プレ噴射Ｐ１の噴射開始から熱発生率ピークＨＡｐが現れるまでのピーク遅れは、図１４（Ｂ）に示されるように、図１４（Ａ）に示すエンジン回転数上昇前よりも長くなる。
以下、この事情について詳しく説明する。プレ噴射Ｐ１で噴射される燃料は、予混合圧縮着火燃焼を行うものであり、筒内温度（燃焼室６の温度）が十分に上昇していない段階で噴射され、噴射後の燃焼室６の圧縮による温度上昇により着火し燃焼する。したがって、プレ噴射Ｐ１による燃焼において、熱発生率のピークが現れるタイミング（クランク角）には、燃料噴射のタイミング（クランク角）からの遅れ（ピーク遅れ）が生じることになる。
このように、プレ噴射Ｐ１による燃焼における熱発生率のピークは、燃焼室６内の温度上昇率によって決まってくるが、燃焼室６内の温度上昇率は、エンジン回転数（ピストン速度）が増大した場合に、それに比例して高まることはない。すなわち、エンジン回転数が上昇した場合には、上昇前と比較してピストン（クランク角）の進行に対する筒内温度の上昇が遅れることになるので、熱発生率のピークＨＡｐの発生は遅角する。この結果、同一設定（ベース設定）のもとでエンジン回転数上昇時した場合には、ピーク遅れが大きくなる。
図１５には、エンジン回転数及び噴射時期の変化率に対する着火遅れ（ピーク遅れ）の変化率の関係を示す。なお、この特性関係は、図１２（Ｂ）で示したアレニウス型予測式を用いて算出されるものである。図１５のグラフａに示されるように、エンジン回転数が増大するにつれて、着火遅れ（ピーク遅れ）は増大していく。
一方、メイン噴射Ｐ２は、エンジンの圧縮上死点（ＴＤＣ）付近で噴射されるもので、燃焼室６内の温度が十分に高まった後に噴射がなされ、噴射された燃料は拡散燃焼していくことになる。したがって、メイン噴射Ｐ２による燃焼における熱発生率ピークＨＢｐの発生は、エンジン回転数上昇前から大きく遅角することはなく、また、メイン噴射Ｐ２による熱発生率波形ＨＢは、エンジン回転数上昇によって大きく変わることはない。
このように、エンジン回転数が上昇した場合、プレ噴射Ｐ１の噴射におけるピーク遅れが大きくなるのに対して、メイン噴射Ｐ２によるピーク発生のタイミングは大きく変動することはないので、プレ噴射Ｐ１とメイン噴射Ｐ２による燃焼の熱発生率ピークのピーク間隔（時間間隔）は、エンジン回転数上昇前から変動してしまう。このため、プレ噴射Ｐ１による燃焼の燃焼音とメイン噴射Ｐ２による燃焼の燃焼音は、互いに相殺し合う関係（１／２周期だけずれて、反対位相となる関係）ではなくなってしまうので、燃焼騒音抑制ができなくなってしまう。
これに対して、本制御では、プレ噴射Ｐ１とメイン噴射Ｐ２の噴射時期及び噴射量を補正することにより対処する。詳しく説明すると、まず噴射時期の補正として、図１４（Ｃ）に示すように、ベース設定におけるメイン噴射Ｐ２のタイミングを維持しつつ、プレ噴射Ｐ１の噴射時期をベース設定から進角させることにより、プレ噴射Ｐ１による燃焼の熱発生率ピークＨＡｐが現れるタイミングを遅角させ、エンジン回転数上昇前のタイミングに近づける。これにより、プレ噴射Ｐ１とメイン噴射Ｐ２による燃焼の熱発生率ピークのピーク間隔（時間間隔）をエンジン回転数上昇前に近づけて、プレ噴射Ｐ１による燃焼の燃焼音周波数とメイン噴射Ｐ２による燃焼の燃焼音周波数を、互いに相殺し合う関係（１／２周期だけずれて、反対位相となる関係）に戻す。一方、メイン噴射Ｐ２の噴射時期は変更されることはないので、メイン噴射Ｐ２による拡散燃焼は、ベース設定で予定された通りの適切な特性のものとなる。
このように、本制御では、プレ噴射Ｐ１の噴射時期を進角させる制御を行うが、これだけでは、ピーク遅れが増大した状態が維持されたままであり、プレ噴射Ｐ１による熱発生率ピークＨＡｐの高さは、エンジン回転数上昇前よりも低くなっている。このため、プレ噴射Ｐ１による熱発生率ピークＨＡｐの高さは、メイン噴射Ｐ２による熱発生率ピークＨＢｐの高さよりも低くなってしまい、メイン噴射Ｐ２による燃焼の燃焼音を相殺するには不十分な大きさとなっている。
図１６には、エンジン回転数の変化率に対する熱発生率のピーク高さの変化率の関係（アレニウス型予測式で算出される関係）を示す。図１６のグラフｃに示されるように、エンジン回転数が増大すると、熱発生率のピーク高さは小さくなる。
そこで、本制御では、プレ噴射Ｐ１の噴射時期を進角させる補正に加えて、噴射量についての補正として、プレ噴射Ｐ１の噴射量を所定量だけ増大し、メイン噴射Ｐ２の噴射量をプレ噴射Ｐ１の増大量だけ少なくする補正を行う。この場合、プレ噴射Ｐ１の噴射量の増大量は、この増大量に起因する熱発生率ピークの上昇量がプレ噴射Ｐ１の噴射時期の進角に起因する熱発生率ピークの下降量を超えない範囲で、上記増大量に起因する熱発生率ピークの上昇量がプレ噴射Ｐ１の噴射時期の進角に起因する熱発生率ピークの下降量と略一致するように設定される。
このような噴射量の補正により、プレ噴射Ｐ１とメイン噴射Ｐ２の総噴射量を一定に保ちつつ、プレ噴射Ｐ１による熱発生率ピークＨＡｐの高さをメイン噴射Ｐ２による熱発生率ピークＨＢｐの高さに近づけることができる。すなわち、プレ噴射Ｐ１による燃焼の燃焼音の振幅とメイン噴射Ｐ２による燃焼の振幅を近づけることができる。また、プレ噴射Ｐ１の噴射量の増大量が過大となることも防止されるので、熱発生率のピークは、エンジン回転数上昇前よりも高くなり過ぎることはなく、エンジン回転数上昇前の高さに適切に近づけることができる。
なお、図１６のグラフｄには、噴射量の変化率に対する熱発生率のピーク高さの変化率の関係（アレニウス型予測式で算出される関係）を示す。図示されるように、噴射量を増大することにより、熱発生率のピーク高さは高くなっていく。
このように、本制御によれば、エンジン回転数上昇時には、メイン噴射Ｐ２の噴射時期を維持しつつ、プレ噴射Ｐ１の噴射時期を進角させるとともに、プレ噴射Ｐ１の噴射量を所定量増大させ、メイン噴射Ｐ２の噴射量をプレ噴射Ｐ１の増大量だけ減量するようにしているので、エンジン回転数上昇後にも、プレ噴射Ｐ１による燃焼の燃焼音とメイン噴射Ｐ２による燃焼の燃焼音を互いに相殺される関係とでき、燃焼騒音は適切に抑制される。また、プレ噴射Ｐ１とメイン噴射Ｐ２を併せた熱発生率特性を、エンジン回転数上昇前に近づけることができ、熱発生率波形の面積変化を抑制できるので、熱効率の悪化も抑制することができる。
図１７には、エンジン回転数が増大した場合における制御をタイミングチャートで示す。タイミングチャートに示されるように、本制御は、アクセル踏込量が一定でギア段が変更される結果、エンジン回転数が上昇した場面に実行される。エンジン回転数が上昇すると、プレ噴射の噴射時期が進角される一方で、メイン噴射の時期は維持される。また、プレ噴射の噴射量は所定量Ｄだけ増大され、メイン噴射の噴射量は所定量Ｄと同量だけ減量され、プレ噴射とメイン噴射を合わせた総噴射量は一定に保たれる。
次に、図１８及び図１９にしたがって、エンジン回転数が減少した場合の制御について説明する。図１８の上段、中段、下段には、それぞれ、ベース設定、エンジン回転数上昇時、エンジン回転数低下時におけるプレ噴射Ｐ１１、中段噴射Ｐ１２及びメイン噴射Ｐ２の噴射タイミングを示している。
なお、本実施形態においては、前段噴射として、プレ噴射Ｐ１１と中段噴射Ｐ１２が実行されるようになっている。中段噴射Ｐ１２は、噴射された燃料がプレ噴射Ｐ１１による燃焼熱で燃焼するものであり、噴射量も少なく、燃焼音に対する影響は小さいものである。したがって、本制御では、プレ噴射Ｐ１１とメイン噴射Ｐ２を制御対象とし、中段噴射Ｐ１２は制御対象としていない（ベース設定から設定変更しない）。
エンジン回転数が低下した場合には、上述のエンジン回転数が増大した場合と正反対の現象が生じることになるので、エンジン回転数増大の場合と正反対の制御が実行されることになる。詳しく説明すると、同一エンジン負荷（燃料噴射量一定）の条件下でエンジン回転数が低下した場合、ベース設定からパラメータを変更しないでプレ噴射Ｐ１１及びメイン噴射Ｐ２が実行されると、プレ噴射Ｐ１１の噴射開始から熱発生率ピークが現れるまでのピーク遅れ（着火遅れ）は、図１５のグラフａの特性からも分かるように、エンジン回転数上昇前よりも短くなる。すなわち、エンジン回転数が低下したときには、プレ噴射Ｐ１１の噴射時に筒内温度の上昇が進行しているので、プレ噴射Ｐ１１で噴射された燃料は、エンジン回転数上昇前よりも早いタイミング（クランク角）で燃焼し、熱発生率ピークも早いタイミング（クランク角）で現れることになる。
そこで、本制御においては、図１８の下段に示すように、メイン噴射Ｐ２（及び中段噴射Ｐ１２）の噴射時期を維持しつつ、プレ噴射Ｐ１１の噴射時期を遅角させることにより、プレ噴射Ｐ１１による燃焼の熱発生率ピークが現れるタイミングをエンジン回転数低下前に近づける。これにより、プレ噴射Ｐ１１とメイン噴射Ｐ２による燃焼の熱発生率ピークのピーク間隔（時間間隔）をエンジン回転数低下前に近づけて、プレ噴射Ｐ１による燃焼の燃焼とメイン噴射Ｐ２による燃焼の燃焼音を、互いに相殺し合う関係（１／２周期だけずれて、反対位相となる関係）に戻す。
また、この場合、プレ噴射Ｐ１１の噴射量を変更しないままであると、図１６のグラフｃの特性からも分かるように、プレ噴射Ｐ１１による熱発生率ピークの高さは高くなってしまう。このため、本制御では、プレ噴射Ｐ１１の噴射量を所定量だけ減少し、メイン噴射Ｐ２の噴射量をこの減少量だけ増大する補正を行う。この場合、プレ噴射Ｐ１の噴射量の減少量は、この減少量に起因する熱発生率ピークの下降量がプレ噴射Ｐ１の噴射時期の遅角に起因する熱発生率ピークの上昇量を超えない範囲で、上記減少量に起因する熱発生率ピークの下降量がプレ噴射Ｐ１の噴射時期の遅角に起因する熱発生率ピークの上昇量と略一致するように設定される。
これにより、プレ噴射Ｐ１１とメイン噴射Ｐ２の総噴射量を一定に保ちつつ、プレ噴射Ｐ１１による熱発生率ピークの高さを低くし（図１６のグラフｄ参照）、プレ噴射Ｐ１１による熱発生率ピークの高さを、メイン噴射Ｐ２による熱発生率ピークの高さに近づけることができる。また、プレ噴射Ｐ１の噴射量の減少量が過大となることも防止されるので、熱発生率のピークは、エンジン回転数上昇前よりも低くなり過ぎることはなく、エンジン回転数上昇前の高さに適切に近づけることができる。
以上のような制御により、エンジン回転数低下時においても、プレ噴射Ｐ１１とメイン噴射Ｐ２による燃焼の熱発生率は、ピーク間隔とピーク高さが最適に調整されるので、プレ噴射Ｐ１１による燃焼の燃焼音とメイン噴射Ｐ２による燃焼の燃焼音は互いに相殺され、燃焼騒音は適切に抑制される。また、プレ噴射Ｐ１１とメイン噴射Ｐ２を併せた熱発生率特性をエンジン回転数上昇前に近づけることができるので、熱効率の悪化も抑制することができる。
図１９には、エンジン回転数が低下した場合における制御をタイミングチャートで示す。タイミングチャートに示されるように、本制御は、アクセル踏込量が一定でギア段が変更される結果、エンジン回転数が低下した場面に実行される。エンジン回転数が低下すると、メイン噴射の噴射時期は維持される一方で、プレ噴射の噴射開始時期は遅角するように変更される。また、プレ噴射の噴射量は所定量Ｄだけ減量される一方、メイン噴射の噴射量は所定量Ｄと同量だけ増量される。
次に、図２０にしたがって、エンジン回転数増大時の制御において、算出されたプレ噴射Ｐ１１の進角量が所定の進角限界（進角限界クランク角度）を超えてしまう場合の制御を説明する。ここで、進角限界は、筒内温度が十分に上昇していない段階での噴射を防止するために設定されているもので、進角限界を超えたタイミングで噴射がなされると、噴射された燃料がシリンダの壁面に付着してしまう虞がある。このため、本制御においては、プレ噴射Ｐ１１を複数に分割することにより、１回の噴射量を少なくし、噴射された燃料がシリンダの壁面に付着してしまう虞を低減するようにしている。
図２０に示す実施形態では、上段に示すベース設定の状態からエンジン回転数が増大した場合に、中段に示すように、プレ噴射Ｐ１１の噴射時期の適正化のために算出された噴射開始時期の計算値が進角限界を超えてしまうときには、下段に示すように、プレ噴射Ｐ１１を２つのプレ噴射Ｐ１１１とＰ１１２に分割して噴射する。なお、この場合、分割された１段目のプレ噴射Ｐ１１１の噴射は、ちょうど進角限界のタイミングで開始され、２段目のプレ噴射Ｐ１１２は、プレ噴射Ｐ１１１に引き続いて実行されるようになっている。
このように、図２０に示す実施形態では、プレ噴射を複数に分割した後も進角限界を変更せず、１段目のプレ噴射Ｐ１１１の噴射開始時期を、この進角限界に合わせているが、本発明はこのような形態に限られない。例えば、プレ噴射を複数に分割した場合には進角限界も補正して（例えば、進角限界を補正前よりも進角させて）、分割されたプレ噴射の噴射開始時期を、補正された進角限界に一致させるようにしてもよい。
［制御フロー］
図２１は、プロセッサ７０の燃料噴射制御部７１（図７）による燃料噴射制御の一例を示すフローチャートである。燃料噴射制御においては、まずステップＳ１において、燃料噴射制御部７１が、図７に示す各センサＳＮ１～ＳＮ１２や他のセンサ（筒内圧センサ等）から、車両の運転領域（エンジン本体１の運転状態）に関する情報、及び上記の燃焼環境要因となる環境情報を取得する。
続くステップＳ２においては、運転状態判定部７２が、ステップＳ１で取得した運転領域に関する情報より、現状の運転領域が予混合圧縮着火燃焼を実行させるＰＣＩ領域に該当するか否かを判定する。この判定によりＰＣＩ領域に該当しない場合には、ステップＳ３に進み、燃料噴射制御部７１は、ＰＣＩ領域以外の運転領域について予め設定された他の燃焼制御を実行する。すなわち、噴射パターン選択部７３は、他の燃焼制御用の燃料噴射パターンを設定する。
一方、ステップＳ２の判定によりＰＣＩ領域に該当する場合には、ステップＳ４に進み、噴射パターン選択部７３は、図５に例示したような、プレ噴射Ｐ１（前段噴射）及びメイン噴射Ｐ２（後段噴射）を含む分割噴射パターンを設定する。続くステップＳ５においては、噴射設定部７４が、例えば図８（Ａ）に例示したような目標熱発生率特性Ｈｓを達成できるよう、プレ噴射Ｐ１及びメイン噴射Ｐ２の燃料噴射量と燃料噴射タイミング（結果としての着火タイミング）のベース設定を決定する。続くステップＳ６においては、ステップＳ１で取得された各種情報（燃焼環境要因）に応じて、補正部７６がベース設定を補正する。
図２２には、燃料噴射制御において、エンジン回転数が変動した場合における制御の一例をフローチャートで示す。なお、図２２に示される制御は、図２０のフローチャートのステップＳ６における制御（補正部７６によるベース設定の補正）の１つとして実行されるものである。
本制御においては、まずステップＳ１１において、エンジン回転数が取得される（クランク角センサＳＮ１の検出値に基づいて算出される）。続くステップＳ１２においては、エンジン回転数が上昇したか否かの判定がなされ、エンジン回転数が上昇した場合には、ステップＳ１３に進む。ステップＳ１３においては、検出されたエンジン回転数の上昇を予測式（図１２及び図１３に示したアレニウス型予測式）に適用して、プレ噴射Ｐ１による燃焼の熱発生率のピーク発生タイミングの遅角量とピーク高さの変動（低下量）を把握する。
続くステップＳ１４では、ステップＳ１３での算出結果に基づいて、プレ噴射Ｐ１による熱発生率ピークの発生時期を適正化するためのプレ噴射開始時期の進角量を算出する。続くステップＳ１５においては、ステップＳ１４で算出されたプレ噴射Ｐ１の噴射開始時期の算出値が進角限界を超えるか否かの判定がなされ、進角限界を超えない場合には、ステップＳ１７に進む。一方、プレ噴射開始時期が進角限界を超えた場合には、ステップＳ１６において、プレ噴射を複数に分割する処理を行って、ステップＳ１７に進む。
ステップＳ１７においては、ステップＳ１４で算出された進角量に基づいて、プレ噴射Ｐ１の噴射開始時期を進角させる補正を行う。続くステップＳ１８においては、予測式により把握された熱変動率特性を適正化するように、プレ噴射の噴射量を増量し、メイン噴射の噴射量をプレ噴射量の増量分だけ減量する補正を行って、処理を終了する。
一方、ステップＳ１２において、エンジン回転数が上昇していないと判定された場合には、ステップＳ１９に進み、エンジン回転数が低下したか否かの判定がなされる。ステップＳ１９の判定で、エンジン回転数が低下していない場合には、エンジン回転数の変動なしとして、処理を終了する。
ステップＳ１９において、エンジン回転数が低下したと判定された場合には、ステップＳ２０に進み、検出されたエンジン回転数の低下を予測式（図１２及び図１３に示したアレニウス型予測式）に適用して、各噴射（特にプレ噴射Ｐ１）による燃焼の熱発生率のピーク発生タイミングの進角量とピーク高さの変動（上昇量）を把握する。続くステップＳ２１では、ステップＳ２０での算出結果に基づいて、プレ噴射Ｐ１による熱発生率ピークの発生時期を適正化するためのプレ噴射開始時期の遅角量を算出する。
続くステップＳ２２においては、ステップＳ１９で算出された遅角量に基づいて、プレ噴射Ｐ１の噴射開始時期を遅角させる補正する。続くステップＳ２２においては、予測式により把握された熱変動率特性を適正化するように、プレ噴射の噴射量を減量し、メイン噴射の噴射量をプレ噴射量の減量分だけ増量する補正を行い、処理を終了する。
以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲において適宜の変更が可能である。例えば、図２０に示した制御においては、プレ噴射Ｐ１を２個のプレ噴射（プレ噴射Ｐ１１１、Ｐ１１２）に分割したが、本発明はこのような形態に限られるものではなく、プレ噴射Ｐ１を３個以上のプレ噴射に分割するようにしてもよい。
１ エンジン本体
２ シリンダ
５ ピストン
５０ 冠面
５Ｃ キャビティ
５１ 第１キャビティ部
５１２ 第１底部
５２ 第２キャビティ部
５２２ 第２底部
５２５ 立ち壁領域
５３ 連結部
６ 燃焼室
１５ インジェクタ（燃料噴射弁）
７０ プロセッサ（ディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置）
７１ 燃料噴射制御部（分割噴射制御部、設定部、予測部、補正部）
７２ 運転状態判定部
７３ 噴射パターン選択部（分割噴射制御部）
７４ 噴射設定部（設定部）
７５ 予測部
７６ 補正部
７７ 記憶部
Ｐ１ プレ噴射（前段噴射）
Ｐ２ メイン噴射（後段噴射）
Ｈ 熱発生率特性
Ｈｓ 目標熱発生率特性
Ｈｐ 予測熱発生率特性
ＨＡｐ 第１ピーク
ＨＢｐ 第２ピーク

Claims (3)

  1. 燃焼室内への燃料の多段噴射が実行される圧縮着火エンジンに備えられるエンジンの制御装置において、
    前記圧縮着火エンジンの圧縮上死点よりも進角側で実行されるプレ噴射と、前記プレ噴射よりも遅角側において該プレ噴射により噴射された燃料の燃焼中に燃料噴射が実行されるメイン噴射を前記燃焼室内に噴射する燃料噴射部と、
    前記圧縮着火エンジンのエンジン回転数を取得するエンジン回転数取得手段と、
    前記燃料噴射部により実行される各噴射の噴射時期と噴射量を制御する噴射制御部と
    を備え、
    前記噴射制御部は、
    前記プレ噴射により噴射された燃料の燃焼に起因した熱発生率の第１ピークと前記メイン噴射により噴射された燃料の燃焼に起因した熱発生率の第２ピークの間隔が前記プレ噴射およびメイン噴射の各燃料の燃焼により生じる圧力波が互いに打ち消し合う間隔となるように、各噴射の噴射時期と噴射量のベース設定を決定するベース設定決定手段と、
    前記プレ噴射の噴射開始から前記プレ噴射による燃焼室内の熱発生率のピーク発生までのピーク遅れの前記エンジン回転数の変動に起因する変動を算出する噴射時期変動演算手段と、
    燃料噴射量一定の条件下において前記エンジン回転数の増大が検出された場合、前記メイン噴射の噴射時期を前記ベース設定に維持しつつ、前記プレ噴射の噴射開始時期を前記噴射時期変動演算手段による演算結果にしたがって前記ベース設定から進角側に変更するとともに、前記プレ噴射の噴射量を前記ベース設定から増大させ、前記メイン噴射の噴射量を前記プレ噴射の噴射量の増大量だけ減少させる設定補正手段と
    を備え、
    前記設定補正手段による前記プレ噴射の噴射量の増大量は、当該増大量に起因する前記プレ噴射による熱発生率の前記第１ピークの上昇量が、前記プレ噴射の噴射時期の進角に起因する前記プレ噴射による熱発生率の前記第１ピークの下降量を超えないように設定される エンジンの制御装置。
  2. 燃焼室内への燃料の多段噴射が実行される圧縮着火エンジンに備えられるエンジンの制御装置において、
    前記圧縮着火エンジンの圧縮上死点よりも進角側で実行されるプレ噴射と、前記プレ噴射よりも遅角側において該プレ噴射により噴射された燃料の燃焼中に燃料噴射が実行されるメイン噴射を前記燃焼室内に噴射する燃料噴射部と、
    前記圧縮着火エンジンのエンジン回転数を取得するエンジン回転数取得手段と、
    前記燃料噴射部により実行される各噴射の噴射時期と噴射量を制御する噴射制御部と
    を備え、
    前記噴射制御部は、
    前記プレ噴射により噴射された燃料の燃焼に起因した熱発生率の第１ピークと前記メイン噴射により噴射された燃料の燃焼に起因した熱発生率の第２ピークの間隔が前記プレ噴射およびメイン噴射の各燃料の燃焼により生じる圧力波が互いに打ち消し合う間隔となるように、各噴射の噴射時期と噴射量のベース設定を決定するベース設定決定手段と、
    前記プレ噴射の噴射開始から前記プレ噴射による燃焼室内の熱発生率のピーク発生までのピーク遅れの前記エンジン回転数の変動に起因する変動を算出する噴射時期変動演算手段と、
    燃料噴射量一定の条件下において前記エンジン回転数の増大が検出された場合、前記メイン噴射の噴射時期を前記ベース設定に維持しつつ、前記プレ噴射の噴射開始時期を前記噴射時期変動演算手段による演算結果にしたがって前記ベース設定から進角側に変更するとともに、前記プレ噴射の噴射量を前記ベース設定から増大させ、前記メイン噴射の噴射量を前記プレ噴射の噴射量の増大量だけ減少させる設定補正手段と
    を備え、
    前記設定補正手段により設定される前記プレ噴射の噴射開始時期が所定の進角限界を超える場合には、前記プレ噴射を、前記進角限界と前記メイン噴射の噴射時期の間に実行される複数のプレ噴射に分割して実行するエンジンの制御装置。
  3. 燃焼室内への燃料の多段噴射が実行される圧縮着火エンジンに備えられるエンジンの制御装置において、
    前記圧縮着火エンジンの圧縮上死点よりも進角側で実行されるプレ噴射と、前記プレ噴射よりも遅角側において該プレ噴射により噴射された燃料の燃焼中に燃料噴射が実行されるメイン噴射を前記燃焼室内に噴射する燃料噴射部と、
    前記圧縮着火エンジンのエンジン回転数を取得するエンジン回転数取得手段と、
    前記燃料噴射部により実行される各噴射の噴射時期と噴射量を制御する噴射制御部と
    を備え、
    前記噴射制御部は、
    前記プレ噴射により噴射された燃料の燃焼に起因した熱発生率の第１ピークと前記メイン噴射により噴射された燃料の燃焼に起因した熱発生率の第２ピークの間隔が前記プレ噴射およびメイン噴射の各燃料の燃焼により生じる圧力波が互いに打ち消し合う間隔となるように、各噴射の噴射時期と噴射量のベース設定を決定するベース設定決定手段と、
    前記プレ噴射の噴射開始から前記プレ噴射による燃焼室内の熱発生率のピーク発生までのピーク遅れの前記エンジン回転数の変動に起因する変動を算出する噴射時期変動演算手段と、
    燃料噴射量一定の条件下において前記エンジン回転数の低下が検出された場合、前記メイン噴射の噴射時期を前記ベース設定に維持しつつ、前記プレ噴射の噴射開始時期を前記噴射時期変動演算手段による演算結果にしたがって前記ベース設定から遅角側に変更するとともに、前記プレ噴射の噴射量を前記ベース設定から減少させ、前記メイン噴射の噴射量を前記プレ噴射の噴射量の減少量だけ増大させる設定補正手段と
    を備え、
    前記設定補正手段による前記プレ噴射の噴射量の減少量は、当該減少量に起因する前記プレ噴射による熱発生率の前記第１ピークの下降量が、前記プレ噴射の噴射時期の遅角に起因する前記プレ噴射による熱発生率の前記第１ピークの上昇量を超えないように設定される エンジンの制御装置。
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