JP2020002862A - ディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】キャビティを有する冠面で一部が区画される燃焼室内の空気を有効活用し、均質で薄い混合気を形成し、煤などの発生を可及的に抑制する。
【解決手段】制御対象となるディーゼルエンジンの燃焼室６の底面は、第１、第２キャビティ部５１、５２と、この両者を繋ぐ連結部５３とを含む冠面５０で区画されている。燃料噴射制御部７１はインジェクタ１５に、連結部５３を指向したメイン噴射Ｐ１若しくはパイロット噴射Ｐ２と、パイロット噴射Ｐ２よりも早いタイミングのＰＩＬＯＴ領域、若しくはメイン噴射Ｐ１よりも遅いタイミングのＡＦＴＥＲ領域で燃料噴射を行わせる低ペネトレーション噴射Ｐ４、Ｐ５とを実行させる。燃料噴射制御部７１は、低ペネトレーション噴射Ｐ４、Ｐ５を、燃焼室６の径方向中央領域内だけに燃料噴射が行われるように実行させる。
【選択図】図１０

Description

本発明は、燃焼室の一部がキャビティを有するピストンの冠面で区画されるディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置に関する。

自動車などの車両用ディーゼルエンジンの燃焼室は、シリンダの内壁面、シリンダヘッドの下面（燃焼室天井面）及びピストンの冠面によって区画されている。前記燃焼室には、当該燃焼室の径方向中心付近に配置された燃料噴射弁から燃料が供給される。前記ピストンの冠面にキャビティ（凹部）を配置し、このキャビティに向けて前記燃料噴射弁から燃料が噴射されるように構成された燃焼室構造が知られている。特許文献１、２には、前記キャビティが上側キャビティと下側キャビティとの２段構造とされた燃焼室構造を対象として、当該２段構造キャビティの分岐部に燃料を噴射させ、上側キャビティと下側キャビティとに燃料を分散させるようにした燃料噴射制御装置が開示されている。

仏国特許出願公開第２９０２４６２号明細書 特許第４９０６０５５号公報

２段構造キャビティが採用された場合、燃料噴射弁から噴射された燃料を含む混合気の筒内流動は、前記分岐部で上側キャビティに向かう流動と、下側キャビティに向かう流動とに分離され、各キャビティで旋回流を形成する。１段構造のキャビティの場合には、前記分離が生じないことから、キャビティに沿って比較的強い旋回流が形成される。これに比べて２段構造キャビティの旋回流は、前記分離により比較的弱いものとなる。このため、燃焼室の径方向中央領域に存在する空気が、前記旋回流によって燃焼室の径方向外側に引き込まれ難くなる傾向が発現する。この場合、空気利用率が低下する、つまり燃焼室の径方向中央領域に残存する酸素を有効利用できないという問題が生じる。

本発明は、ピストンの冠面にキャビティを備えたディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置であって、燃焼室内の空気を有効活用して均質で薄い混合気を形成し、煤などの発生を可及的に抑制することが可能な燃料噴射制御装置を提供することを目的とする。

本発明の一局面に係るディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置は、シリンダヘッドの下面、シリンダ及びピストンの冠面により形成されるエンジンの燃焼室と、前記燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁の動作を制御する燃料噴射制御部と、を備えるディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置であって、前記ピストンの冠面にはキャビティが備えられ、当該キャビティは、前記冠面の径方向中心領域に配置され、シリンダ軸方向に第１の深さを有する第１底部を備えた第１キャビティ部と、前記冠面における前記第１キャビティ部の外周側に配置され、シリンダ軸方向に前記第１の深さよりも浅い深さを有する第２底部を備えた第２キャビティ部と、前記第１キャビティ部と前記第２キャビティ部とを繋ぐ連結部と、を含み、前記燃料噴射弁は、前記キャビティに向けて燃料を噴射するものであって、前記燃焼室の径方向中心又はその近傍に配置され、前記燃料噴射制御部は、少なくとも前記ピストンが圧縮上死点付近に位置するタイミングで燃料噴射を行わせるメイン噴射と、当該メイン噴射よりも早いタイミングで燃料噴射を行わせるパイロット噴射と、前記パイロット噴射よりも早いタイミング若しくは前記メイン噴射よりも遅いタイミングで燃料噴射を行わせる低ペネトレーション噴射と、を前記燃料噴射弁に実行させるものであって、前記メイン噴射若しくは前記パイロット噴射の少なくとも一方を、前記連結部を指向して燃料噴射するタイミングで実行させる第１噴射制御部と、前記低ペネトレーション噴射を、前記燃焼室の径方向中央領域内だけに燃料噴射が行われるように実行させる第２噴射制御部と、を含み、前記第２噴射制御部は、前記低ペネトレーション噴射によって噴射される燃料の１燃焼サイクルあたりの総量が所定の基準量以上のときは前記メイン噴射よりも遅いタイミングで前記低ペネトレーション噴射を実行し、前記低ペネトレーション噴射によって噴射される燃料の１燃焼サイクルあたりの総量が前記基準量未満のときは前記パイロット噴射よりも早いタイミングで前記低ペネトレーション噴射を実行する、ことを特徴とする。

この燃料噴射制御装置によれば、燃焼室の一部が前記第１、第２キャビティ部を含む冠面で形成され、前記連結部を指向して前記メイン噴射若しくは前記パイロット噴射の燃料噴射が実行される。このため、混合気の筒内流動が連結部にて分離され、筒内旋回流が比較的弱くなり、燃焼室の径方向中央領域付近の空気が径方向外側へ引き込まれにくくなる傾向が出る。しかし、前記燃料噴射制御装置によれば、通常のメイン噴射及びパイロット噴射に加えて、低ペネトレーション噴射が実行される。当該低ペネトレーション噴射は、前記燃焼室の径方向中央領域内だけに燃料噴射が行われるように実行される。従って、燃焼室の径方向中央領域に残存する空気と、低ペネトレーション噴射による噴霧燃料とで、混合気を形成することができる。その結果、燃焼室内の空気を有効活用して均質で薄い混合気を形成し、煤などの発生を抑制した良質なディーゼル燃焼を実現することができる。

ここで、前記低ペネトレーション噴射によって噴射される燃料の総量が多いときは、低ペネトレーション噴射に係る燃料によってリッチな（燃料濃度の高い）混合気が形成される。この結果、所望のタイミングよりも早いタイミングで、この低ペネトレーション噴射やパイロット噴射やメイン噴射に係る燃料が燃焼を開始する過早着火が生じるおそれがある。これに対して、この装置では、低ペネトレーション噴射によって噴射される燃料の総量が基準量以上のときはメイン噴射よりも遅いタイミングで低ペネトレーションを実施する。そのため、過早着火を防止しつつ燃焼室内の空気を有効活用することができる。また、低ペネトレーション噴射によって噴射される燃料の総量が基準量未満であって過早着火が生じ難いときは、パイロット噴射よりも早いタイミングで低ペネトレーション噴射が実施される。そのため、低ペネトレーション噴射に係る燃料の燃焼エネルギーを有効なトルクにして燃費性能を高めつつ燃焼室内の空気を有効活用することができる。

前記構成において、前記燃料噴射弁は、前記低ペネトレーション噴射を複数回に分割して実行可能に構成されており、前記第２噴射制御部は、前記低ペネトレーション噴射によって噴射される燃料の１燃焼サイクルあたりの総量が所定の第２基準量未満のときは、１燃焼サイクル中に単発で前記低ペネトレーション噴射を実行し、前記総量が前記第２基準量以上のときは、１燃焼サイクル中に複数回に分割して前記低ペネトレーション噴射を実行する、のが望ましい（請求項２）。

この構成によれば、低ペネトレーション噴射によって噴射される１燃焼サイクルあたりの総量が多いときに、多量の燃料が１度に燃焼室に噴射されて空気との混合が悪化するのを防止することができる。従って、低ペネトレーション噴射に係る燃料を適切に燃焼させることができる。また、多量の燃料が１度に燃焼室に噴射されることで低ペネトレーション噴射によって噴射された燃料噴霧が燃焼室の径方向中央領域を超えてしまうのを防止でき、径方向中央領域に残存する空気をより確実に利用することができる。そして、前記総量が少ないときは、前記混合を良好にしつつ燃料噴射弁の駆動回数を低減することができる。

前記構成において、前記燃料噴射弁は、前記低ペネトレーション噴射を複数回の単発低ペネトレーション噴射に分割して実行可能に構成されており、前記第２噴射制御部は、前記単発低ペネトレーション噴射の噴射量を前記燃料噴射弁の噴射圧が高いときの方が低いときよりも少なくなるように設定するとともに、設定した当該単発低ペネトレーション噴射の噴射量が所定の基準単発噴射量以上のときは、１燃焼サイクル中に単発で前記低ペネトレーション噴射を実行し、前記単発低ペネトレーション噴射の噴射量が前記基準単発噴射量未満のときは、１燃焼サイクル中に複数回に分割して前記低ペネトレーション噴射を実行するのが望ましい（請求項３）。

この構成によれば、噴射圧が高く燃料噴霧のペネトレーション（到達距離）が大きくなりやすいときに、１回あたりの噴射量が少なくされる、つまり、燃料噴霧のペネトレーション（到達距離）が小さくなる方向に噴射量が設定される。そのため、低ペネトレーション噴射に係る燃料噴霧が到達する範囲が過度に大きくあるいは過度に小さくなるのを防止して、燃焼室の径方向中央領域に残存する空気をより確実に有効活用できる。

しかも、噴射圧が高いことに伴って単発低ペネトレーション噴射の噴射量が少なく設定された場合でも、低ペネトレーション噴射の噴射量の総量を多くすることができ、燃焼室の径方向中央領域に残存する空気の多くを活用することができる。

前記構成において、前記第２噴射制御部は、前記燃焼室の前記径方向中央領域の外縁が噴霧ペネトレーションとなるように、前記低ペネトレーション噴射を実行させることが望ましい（請求項４）。

この構成によれば、前記燃焼室の前記径方向中央領域の外縁の位置が、噴霧ペネトレーションの目標とされる。従って、前記径方向中央領域に存在する空気をフル活用して混合気を形成することができ、結果的に煤などの発生をより抑制することができる。

前記構成において、前記第２噴射制御部は、前記第１噴射制御部による前記メイン噴射若しくは前記パイロット噴射の噴射圧、噴射量及び噴射タイミングに基づいて、前記燃焼室の径方向中央領域に生じる酸素残存可能領域を推定し、当該酸素残存可能領域の外縁が噴霧ペネトレーションとなるように、前記低ペネトレーション噴射を実行させることが望ましい（請求項５）。

この構成によれば、活用すべき酸素が残存する酸素残存可能領域が、前記第１噴射制御部による噴射制御結果から推定され、その推定された酸素残存可能領域内を対象として低ペネトレーション噴射が実行される。従って、燃焼室内の残存酸素を有効活用した燃焼を実現することができる。

本発明によれば、燃焼室内の空気を有効活用して均質で薄い混合気を形成し、煤などの発生を可及的に抑制することが可能なディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置を提供することができる。

図１は、本発明に係る燃料噴射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。 図２（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、図２（Ｂ）は、前記ピストンの断面付きの斜視図である。 図３は、図２（Ｂ）に示すピストン断面の拡大図である。 図４は、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。 図５は、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。 図６（Ａ）は、比較例に係るキャビティを採用した場合における筒内旋回流を模式的に示す図、図６（Ｂ）は、本実施形態に係るキャビティを採用した場合における筒内旋回流を模式的に示す図である。 図７（Ａ）は、比較例に係るキャビティを採用した場合の燃焼室内における残存空気の発生状況を、図７（Ｂ）は、本実施形態に係るキャビティを採用した場合の燃焼室内における残存空気の発生状況を、各々示す燃焼室の断面図である。 図８は、低ペネトレーション噴射の実行状況を示す燃焼室の断面図である。 図９（Ａ）〜（Ｃ）は、低ペネトレーション噴射の目標ラインの設定方法を説明するための図である。 図１０（Ａ）〜（Ｅ）は、低ペネトレーション噴射の態様を示すタイムチャートである。 図１１は、第１実施形態に係る低ペネトレーション噴射制御における、制御区分を示す図である。 図１２は、第１実施形態に係る低ペネトレーション噴射制御を示すフローチャートである。 図１３は、第２実施形態に係る低ペネトレーション噴射制御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、本発明に係るディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置の実施形態を詳細に説明する。まず、本発明に係る燃料噴射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。そして、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、エンジン本体１つまりシリンダブロック３及びシリンダヘッド４の内部を流通してこれらを冷却するための冷却水の温度（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５参照）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。以下では、シリンダ軸と直交する面を水平面として（シリンダ軸と直交する面が水平面となるようにピストン５が配置されているとして）説明する。

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（シリンダ軸Ａと直交する面に沿うライン）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。

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。

［燃料噴射後の筒内流動について］
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から噴射された燃料は、側面視で上拡散軸ＡＸ１と下拡散軸ＡＸ２の間の領域を通って飛散する。なお、噴射軸ＡＸは、インジェクタ１５から噴射された燃料噴霧の中心軸であって、噴射孔１５２の中心軸の延長線とほぼ一致する。

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内に存在する空気と混合し、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と立ち壁領域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に沿って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。

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。

［制御構成］
図５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。前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、外気温つまり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、ＤＰＦ４３の前後差圧、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。なお、吸気圧センサＳＮ５はコンプレッサ４７よりも下流側に設けられており、吸気圧センサＳＮ５で検出される吸気圧は過給圧と同じである。以下では、吸気圧を過給圧という場合がある。

プロセッサ７０は、前記各センサ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、前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（第１噴射制御部、第２噴射制御部）を備えている。本実施形態において燃料噴射制御部７１は、少なくとも、ピストン５が圧縮上死点付近に位置するタイミングで燃料噴射を行わせるメイン噴射と、当該メイン噴射よりも早いタイミングで燃料噴射を行わせるパイロット噴射と、前記パイロット噴射よりも早いタイミング若しくは前記メイン噴射よりも遅いタイミングで燃料噴射を行わせる低ペネトレーション噴射と、をインジェクタ１５に実行させる。

ここで、前記メイン噴射及びパイロット噴射は、従前の燃焼制御において汎用されている燃料噴射である。これらの噴射の態様は多々存在する。メイン噴射よりも遅いタイミングで、煤の抑制のためアフター噴射が行われる場合もある。これらの噴射に加えて、本実施形態では、ペネトレーションが他の噴射よりも制限された低ペネトレーション噴射が実行される点に特徴を有する。後記で詳述するが、低ペネトレーション噴射は、燃焼室６の径方向中央領域に残存する空気（酸素）を有効活用するための燃料噴射である。燃料噴射制御部７１は、前記メイン噴射若しくは前記パイロット噴射の少なくとも一方を、キャビティ５Ｃの連結部５３を指向して燃料噴射するタイミングで実行させる第１噴射制御と、前記低ペネトレーション噴射を、燃焼室６の径方向中央領域内だけに燃料噴射が行われるように実行させる第２噴射制御と、を実行する。

燃料噴射制御部７１は、機能的に、噴射範囲設定部７２、運転状態判定部７３、残存酸素量判定部７４、モード判定部７６、噴射パターン設定部７７及び噴射タイミング設定部７８を含む。

噴射範囲設定部７２は、上掲の各燃料噴射におけるペネトレーション目標を設定する。特に前記の低ペネトレーション噴射において、噴射範囲設定部７２は、キャビティ５Ｃによって形成される筒内旋回流の態様を予測して、ペネトレーション目標を設定する（図９に基づき、後記で詳述する）。

運転状態判定部７３は、クランク角センサＳＮ１が検出値に基づくエンジン回転速度、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より、エンジン本体１の運転状態を判定する。この判定結果は、前記の低ペネトレーション噴射を実行させる運転モードであるか否かに用いられる。

残存酸素量判定部７４は、排気Ｏ２センサＳＮ８の検出値に基づき、燃焼室６内での酸素利用状況、つまり燃焼室６で残存酸素が発生しているか否か、さらには残存する酸素量のレベルを判定する。なお、排気Ｏ２センサＳＮ８の検出値に依存せず、エアフローセンサＳＮ３が検出する吸気量、インジェクタ１５からの燃料噴射量等を参照したモデル計算により、残存酸素を導出するようにしても良い。

モード判定部７６は、噴射圧センサＳＮ７が検出するインジェクタ１５の噴射圧に基づいて、或いは、エンジン負荷に応じて算出される噴射圧の設定値データを受領して、現状の運転モードを判定する。

噴射パターン設定部７７は、インジェクタ１５からの燃料噴射のパターンを、設定する。前記の低ペネトレーション噴射において、噴射パターン設定部７７は、モード判定部７６が判定した運転モードに応じて、低ペネトレーション噴射の噴射パターンを設定する。この噴射パターンの変動要素は、低ペネトレーション噴射の大まかな実行タイミング（例えば、パイロット噴射よりも早いタイミングか、或いはメイン噴射よりも遅いタイミングか）、低ペネトレーション噴射の回数（単発噴射か、或いは分割噴射か）などである。

噴射タイミング設定部７８は、インジェクタ１５からの燃料噴射のタイミングを、各種の条件に応じて設定する。

［低ペネトレーション噴射が必要な理由］
上述の通り、第１、第２キャビティ部５１、５２を備えた２段構造キャビティを採用することにより、燃焼室６内の空気、とりわけ径方向外側のスキッシュ領域（本実施形態では、周縁平面部５５の上方の領域）の空気を有効利用して均質で薄い混合気を形成できる利点、シリンダ２の内周壁を通した冷損の発生抑制の利点などを期待することができる。他方で、２段構造キャビティを採用した場合、燃焼室６の径方向中央領域の空気の利用率が低下する傾向があることを本発明者らは見出した。この点を図６に基づいて説明する。

図６（Ａ）は、比較例に係るキャビティを採用した場合における筒内旋回流を模式的に示す図である。比較例のピストン５００は、１段構造のキャビティ５００Ｃを備える。キャビティ５００Ｃは、キャビティ部５０１と、当該キャビティ部５０１の径方向外側の開口縁となるキャビティエッジ５０２と、径方向Ｂの中心領域に突設された山部５０３とを含む。キャビティ部５０１は、卵型に湾曲した断面形状を有している。

このようなキャビティ５００Ｃによって区画された燃焼室６Ａにおいて、図略のインジェクタから噴射軸ＡＸに沿って、キャビティエッジ５０２に向けて燃料が噴射されたとする。この場合、噴射された燃料を含む混合気の筒内流動は、図中に矢印で示す旋回流Ｅ１となる。旋回流Ｅ１は、キャビティエッジ５０２に吹き当たり、キャビティ部５０１の形状に沿って軸方向Ａの下方、径方向Ｂの内方へ順次向かい、山部５０３によって上方へ誘導され、径方向Ｂの外方へ向かう流動を作る。このような旋回流Ｅ１は、比較的強い渦流であり、燃焼室６Ａの径方向中央領域（山部５０３の上方付近）に存在する空気ＡＲを径方向Ｂの外側へ引き込む引き込み力ＥＰ１も強くなる。従って、径方向中央領域の空気ＡＲを利用して混合気を形成することができる。

一方、図６（Ｂ）は、本実施形態に係る２段構造のキャビティ５Ｃを備えたピストン５を採用した場合における筒内旋回流を模式的に示す図である。当該燃焼室６において、図略のインジェクタから噴射軸ＡＸに沿って、連結部５３に向けて燃料が噴射されたとする。この場合、混合気の筒内流動は連結部５３で分岐され、軸方向Ａの下側の第１キャビティ５１に向かう流動と、上側の第２キャビティ部５２に向かう流動とに分離される。そして、各キャビティ５１、５２で、それぞれ下側旋回流Ｅ２、上側旋回流Ｅ３を形成する。下側旋回流Ｅ２は、旋回流Ｅ１と同様な流動であって、第１キャビティ部５１の形状に沿って軸方向Ａの下方、径方向Ｂの内方へ順次向かい、山部５４によって上方へ誘導され、径方向Ｂの外方へ向かう流動である。上側旋回流Ｅ３は、径方向Ｂの外方から軸方向Ａの上方に向かった後、径方向Ｂの内方へ順次向かう流動である。上側旋回流Ｅ３の形成により、１段構造のキャビティ５００Ｃに比べて、スキッシュ領域の空気を活用できることが判る。

しかし、燃焼室６の径方向中央領域の空気ＡＲの利用率については、１段構造のキャビティ５００Ｃに劣る傾向がある。すなわち、２段構造のキャビティ５Ｃの場合、旋回流が下側旋回流Ｅ２と上側旋回流Ｅ３とに分離されてしまうので、空気ＡＲを径方向Ｂの外側へ引き込む引き込み力ＥＰ２も比較的弱いものとなる。つまり、空気ＡＲの引き込みに寄与する下側旋回流Ｅ２が、旋回流の分離によって比較例の旋回流Ｅ１よりも弱くなり、渦流に基づく引き込み力ＥＰ２が弱体化するものである。

図７（Ａ）は、比較例に係るキャビティ５００Ｃを採用した場合の燃焼室６Ａ内における残存空気の発生状況を、図７（Ｂ）は、本実施形態に係るキャビティ５Ｃを採用した場合の燃焼室６内における残存空気の発生状況を、各々示す断面図である。図６（Ａ）に基づき説明したように、比較例では比較的強い渦流の旋回流Ｅ１が形成される。従って、図７（Ａ）に示すように、燃焼室６Ａの径方向Ｂの中央領域に存在する空気は旋回流Ｅ１に引き込まれ易くなり、未使用の空気（酸素）が残り得る酸素残存可能領域Ｇ１は比較的狭い領域となる。

これに対し、本実施形態に係るキャビティ５Ｃでは、図６（Ｂ）に基づき説明したように、下側旋回流Ｅ２は比較的弱い渦流となることから、燃焼室６の径方向中央領域に存在する空気は下側旋回流Ｅ２に引き込まれ難くなる。つまり、空気が径方向Ｂの外側へ向かい難くなる。このため、図７（Ｂ）に示すように、未使用の空気（酸素）が残り得る酸素残存可能領域Ｇ２は、径方向中央領域において広いエリアを占めるようになる。従って、燃焼室６の径方向中央領域に残存する酸素を有効利用できないという問題が生じる。

［低ペネトレーション噴射による残存空気の活用］
前記の問題に鑑み、本実施形態では、ディーゼルエンジンに燃焼制御において一般に実行されるメイン噴射及びパイロット噴射に加えて、燃焼室６の径方向中央領域内だけに燃料噴射を行う低ペネトレーション噴射が実行される。図８は、インジェクタ１５からの低ペネトレーション噴射１５Ａの実行状況を示す燃焼室６の断面図である。

低ペネトレーション噴射１５Ａは、燃焼室６の径方向Ｂの中央領域に残存する空気を活用して混合気を生成するための噴射である。このため、低ペネトレーション噴射１５Ａの噴霧ペネトレーションは、燃焼室６の径方向中央領域において空気（酸素）が存在し得る領域の外縁Ｈに設定される。つまり、低ペネトレーション噴射１５Ａの燃料噴霧の先端の到達位置が前記の外縁Ｈに設定される。外縁Ｈは、先に図７（Ｂ）に示した酸素残存可能領域Ｇ２の外縁に相当する。低ペネトレーション噴射１５Ａの噴霧ペネトレーションを、外縁Ｈよりも径方向Ｂの内側に設定しても良い。しかし、酸素残存可能領域Ｇ２の酸素をなるべく活用するという観点からは、外縁Ｈを噴霧ペネトレーションに設定することが望ましい。なお、外縁Ｈよりも径方向Ｂの外側に噴霧ペネトレーションを設定すると、外縁Ｈよりも径方向Ｂの外側に、過剰に燃料リッチな領域が発生する可能性があるので回避することが望ましい。

以上の理由から、噴射範囲設定部７２（図５：第２噴射制御部）は、低ペネトレーション噴射１５Ａを実行させる際、外縁Ｈが噴霧ペネトレーションの目標ラインとなるように設定する。この外縁Ｈは、センサ等で検出することができないが、燃焼室６で発生する旋回流（下側旋回流Ｅ２及び上側旋回流Ｅ３）の、径方向Ｂの内側への到達位置から推定することができる。

図９（Ａ）〜（Ｃ）は、酸素残存可能領域Ｇ２の外縁Ｈであって低ペネトレーション噴射１５Ａの目標ラインＨ１の設定方法を説明するための図である。未使用の空気が滞留することになる酸素残存可能領域Ｇ２は、下側旋回流Ｅ２及び上側旋回流Ｅ３の渦流が生じない領域、或いは前記渦流が到達しない領域に発生すると言うことができる。従って、旋回流が到達する径方向Ｂの内側の境界ラインを求めることで、目標ラインＨ１を導出することができる。つまり、旋回流Ｅ２、Ｅ３の最も外周部分が燃焼室６の径方向Ｂの中心に最も接近する位置が、上述の境界ライン、つまり目標ラインＨ１となる。

２段構造のキャビティ５Ｃを備えた燃焼室６内で生じる下側旋回流Ｅ２及び上側旋回流Ｅ３の旋回流のサイズは、１サイクル当たりにおいて最大のエネルギーを持つ噴射すなわちメイン噴射の噴霧ペネトレーション、当該噴霧ペネトレーションの上下のキャビティ部５１、５２への配分、キャビティ部５１、５２の形状（旋回曲率）や容積（旋回距離）などの要因によって定まる。

図９（Ａ）に示すように、旋回流Ｅ２、Ｅ３は、前記要因に応じて変動する径方向Ｂの旋回径を持つ渦流である。キャビティ５Ｃの形状、容積は固定化されているので、前記旋回径の変動要因は、噴霧ペネトレーション及びその配分ということになる。旋回流Ｅ２、Ｅ３の最も外周部分が燃焼室６の径方向Ｂの中心に最も接近する位置が、上述の境界ライン、つまり目標ラインＨ１となる。本実施形態では、専ら第２キャビティ部５２よりも径方向内側に配置されている第１キャビティ部５１において発生する、下側旋回流Ｅ２の旋回径で目標ラインＨ１が決まる。

メイン噴射の噴霧ペネトレーションは、図９（Ｂ）に示すように、インジェクタ１５からの燃料の噴射圧と噴射量とによって定まる。すなわち、噴射圧と噴射量との積算値が大きくなるほど、噴霧ペネトレーションも大きくなり、このことは旋回流の旋回径（旋回エネルギー）も大きくなることを意味する。一方、噴霧ペネトレーションの上下のキャビティ部５１、５２への配分については、噴射軸ＡＸとキャビティ部５１、５２との位置関係、つまり噴射タイミングに依存する。

図９（Ｃ）は、噴射タイミングと、下側の第１キャビティ部５１における噴霧ペネトレーションとの関係を示すグラフである。メイン噴射は、一般に圧縮上死点以降に行われることから、遅角側になるほどピストン５が下降する状態となる。このため、噴射タイミングが遅角するほど、噴射軸ＡＸは連結部５３よりも上側、つまり第２キャビティ部５２側を指向するようになる。すなわち、噴射タイミングが遅角するほど、第１キャビティ部５１に配分される噴霧ペネトレーションは小さくなり、よって下側旋回流Ｅ２の旋回径（旋回エネルギー）も小さくなる。

以上の通りであるので、下側旋回流Ｅ２の旋回径を、メイン噴射の噴射圧、噴射量及び噴射タイミングから推定することができる。噴射範囲設定部７２（図５）は、推定された下側旋回流Ｅ２の旋回径に基づいて、燃焼室６の径方向中央領域に生じる酸素残存可能領域Ｇ２（図７（Ｂ））のサイズを推定する。そして、噴射範囲設定部７２は、その酸素残存可能領域Ｇ２の外縁Ｈ（図８）を、低ペネトレーション噴射における目標ラインＨ１に設定する。そして、燃料噴射制御部７１が、目標ラインＨ１をペネトレーション目標とする低ペネトレーション噴射を適宜なタイミングで実行させることで、酸素残存可能領域Ｇ２に残存する空気と、低ペネトレーション噴射による噴霧燃料とで、混合気を形成することができる。その結果、燃焼室６内の空気を有効活用して均質で薄い混合気を形成し、煤などの発生を抑制した良質なディーゼル燃焼を実現することができる。

＜低ペネトレーション噴射制御＞
続いて、低ペネトレーション噴射制御の実施形態を示す。

図１０（Ａ）〜（Ｅ）は、本実施形態に係る低ペネトレーション噴射の態様を示すタイムチャートである。ここでは、１サイクル当たりに行われる噴射のタイミング（クランク角ＣＡ）とその噴射量とを模式的に示している。燃料噴射制御部７１の噴射パターン設定部７７は、少なくとも図１０（Ａ）〜（Ｅ）に示すような噴射パターンを設定する。

図１０（Ａ）は、低ペネトレーション噴射が実行されない場合の、基本噴射パターンを示している。ここでは、基本噴射パターンとして、メイン噴射Ｐ１、パイロット噴射Ｐ２及びアフター噴射Ｐ３が実行される例を示している。メイン噴射Ｐ１は、最大のエネルギー（噴射量）を持つ噴射であり、圧縮上死点付近（例えば２〜６ｄｅｇ＿ＡＴＤＣ）で実行される噴射である。パイロット噴射Ｐ２は、メイン噴射Ｐ１よりも早いタイミング（例えば１〜１０ｄｅｇ＿ＢＴＤＣ）で実行される噴射であり、事前に混合気を作って着火性を高める目的で実行される。図１０（Ａ）では、パイロット噴射Ｐ２が、第１パイロット噴射Ｐ２１と第２パイロット噴射Ｐ２２との２回に分けて実行される例を示している。アフター噴射Ｐ３は、メイン噴射Ｐ１よりも遅いタイミング（例えば８〜１５ｄｅｇ＿ＢＴＤＣ）で実行される噴射であり、燃料を完全燃焼させて煤を発生させないようにすることを目的として実行される。なお、これら噴射Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３は、上述の低ペネトレーション噴射のように、噴霧ペネトレーションが目標ラインＨ１以内の中央領域に制限されない噴射である。

図１０（Ｂ）は、パイロット噴射Ｐ２よりも進角側のＰＩＬＯＴ領域で低ペネトレーション噴射Ｐ４が実行される噴射パターンを示している。低ペネトレーション噴射Ｐ４は、噴霧ペネトレーションが目標ラインＨ１に制限されることから、一般に噴射量は基本噴射パターンの噴射Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３よりも少なくなる。

図１０（Ｃ）は、ＰＩＬＯＴ領域において２回に分割して低ペネトレーション噴射Ｐ４１、Ｐ４２が実行される噴射パターンを示している。つまり、本実施形態では、インジェクタ１５は、低ペネトレーション噴射を複数回に分割して実行できるようになっている。

図１０（Ｄ）は、アフター噴射Ｐ３よりも遅角側のＡＦＴＥＲ領域で低ペネトレーション噴射Ｐ５が実行される噴射パターンを示している。この場合も、低ペネトレーション噴射Ｐ５の噴射量は、基本噴射パターンの噴射Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３の噴射量よりも少なくなる。

図１０（Ｅ）は、ＡＦＴＥＲ領域において２回に分割して低ペネトレーション噴射Ｐ５１、Ｐ５２が実行される噴射パターンを示している。

本実施形態では、運転モードに応じてこれら５つの噴射パターンが切り替えられる。

図１１は、本実施形態に係る低ペネトレーション噴射制御における、基本的な制御区分を示す図である。図１１において、横軸はインジェクタ１５の噴射圧であり、設定最高噴射圧ＦＰｍａｘと、設定最小噴射圧ＦＰｍｉｎとを示している。

本実施形態では、少なくとも１燃焼サイクル中に、噴射圧は一定に維持されるようになっている。従って、少なくとも同じ燃焼サイクルで実施される、低ペネトレーション噴射、パイロット噴射、メイン噴射、アフター噴射の噴射圧は、全てほぼ同じ圧力となる。この噴射圧には、エンジン本体１の運転状態（エンジン負荷や回転速度）に応じてメイン噴射の噴射圧として適した圧力が採用される。

図１１の縦軸は低ペネトレーション噴射によってインジェクタ１５から噴射される燃料量である。詳細には、１回の低ペネトレーション噴射（単発低ペネトレーション噴射）によってインジェクタ１５から噴射される燃料量である（以下、適宜、この燃料量を、単発低ペネトレーション噴射量という）。図中の斜線Ｈ２は、低ペネトレーション噴射の噴霧ペネトレーション（噴霧の先端位置）が目標ラインＨ１（図９）となるときの噴射圧と噴射量とを結んだライン、つまり、低ペネトレーション噴射の噴霧ペネトレーションを目標ラインＨ１とするための噴射圧と噴射量の基本的な制御目標ラインである。

前記のように、噴射圧が高い方が噴霧ペネトレーションは大きくなり、噴射量が多い方が噴霧ペネトレーションは大きくなる。これより、制御目標ラインＨ２は、噴射圧が高くなるほど噴射量（単発低ペネトレーション噴射量）が小さくなるラインとなっている。

本実施形態では、前記のように、噴射圧は、エンジン本体１の運転状態に応じて設定される。これより、低ペネトレーション噴射の噴霧を目標ラインＨ１まで飛ばすために、設定されている噴射圧に応じて、噴射量を調整する。つまり、本実施形態の低ペネトレーション噴射制御では、噴射圧データを既存値として受領し、その噴射圧に応じて噴射量を設定することで、目標ラインＨ１の噴霧ペネトレーションを達成する。制御目標ラインＨ２は、そのような噴射量の設定ラインを表している。

図１１に示す第１領域は、図１０（Ｃ）に示す噴射パターンが実施される領域、つまり、ＰＩＬＯＴ領域で２回に分けて低ペネトレーション噴射（以下、適宜、ＰＩＬＯＴ分割噴射という）が実施される領域である。第１領域は、噴射圧が第２基準噴射圧ＦＰ２以上且つ設定最高噴射圧ＦＰｍａｘ以下の領域に設定されている。

図１１に示す第２領域は、図１０（Ｂ）に示す噴射パターンが実施される領域、つまり、ＰＩＬＯＴ領域で単発の低ペネトレーション噴射（以下、適宜、ＰＩＬＯＴ単発噴射という）が実施される領域である。第２領域は、噴射圧が第２基準噴射圧ＦＰ２未満且つ第３基準噴射圧ＦＰ３以上の領域に設定されている。

図１１に示す第３領域は、図１０（Ｅ）に示す噴射パターンが実施される領域、つまり、ＡＦＴＥＲ領域で２回に分けて低ペネトレーション噴射（以下、適宜、ＡＦＴＥＲ分割噴射という）が実施される領域である。第３領域は、噴射圧が第４基準噴射圧ＦＰ４以上且つ第３基準噴射圧ＦＰ３未満の領域に設定されている。

図１１に示す第４領域は、図１０（Ｄ）に示す噴射パターンが実施される領域、つまり、ＡＦＴＥＲ領域で単発の低ペネトレーション噴射（以下、適宜、ＡＦＴＥＲ単発噴射という）が実施される領域である。第４領域は、噴射圧が設定最小噴射圧ＦＰｍｉｎ以上且つ第４基準噴射圧ＦＰ４未満の領域に設定されている。

第３基準噴射圧ＦＰ３は、制御目標ラインＨ２上で噴射量が第３基準噴射量Ｑ３となるときの噴射圧である。図１１における第３ラインＬ３は、噴射量が第３基準噴射量Ｑ３となるラインを示している。この第３基準噴射量Ｑ３は、請求項における「基準量」に相当する。本実施形態では、第３基準噴射量Ｑ３は予め設定されて燃料噴射制御部７１に記憶されている。

第３ラインＬ３（第３基準噴射量Ｑ３）は、ＰＩＬＯＴ領域を活用するときの低ペネトレーション噴射の噴射量の上限である。

具体的には、ＰＩＬＯＴ領域で低ペネトレーション噴射によって過大な量の燃料を燃焼室６に供給すると、燃焼室６の径方向中央領域に過度にリッチな（燃料濃度の高い）混合気が形成されることで混合気が過早着火するおそれがある。つまり、低ペネトレーション噴射に係る燃料が所望のタイミングよりも前に（例えば、パイロット噴射やメイン噴射に係る燃料の燃焼開始前に）燃焼を開始するおそれや、低ペネトレーション噴射に係る燃料と空気の反応によってパイロット噴射やメイン噴射に係る燃料の反応が促進されてこれら噴射に係る燃料が所望のタイミングよりも早くに燃焼を開始するおそれがある。第３ラインＬ３は、ＰＩＬＯＴ領域において低ペネトレーション噴射を実施したときに、このような過早着火を回避することのできる低ペネトレーション噴射の噴射量の上限ラインである。そして、本実施形態では、前記の過早着火を回避するべく、低ペネトレーション噴射の噴射量がこの第３ラインＬ３以下つまり第３基準噴射量Ｑ３以下となる領域に、ＰＩＬＯＴ領域で低ペネトレーション噴射を実施する第１領域および第２領域が設定されている。

なお、第３ラインＬ３は、前記のように過早着火を回避するべく燃焼室６内に過度にリッチな混合気が形成されるのを回避するための上限ラインであり、第３ラインＬ３は、低ペネトレーション噴射によって燃焼室６内に供給される燃料の総量（１燃焼サイクルあたりの総量）の上限ラインである。従って、第２領域においてＰＩＬＯＴ領域において２回に分けて低ペネトレーション噴射が実施される場合には、単発低ペネトレーション噴射量の総量がこの第３ラインＬ３（第３基準噴射量Ｑ３）を超えないようにする必要がある。

ここで、ＡＦＴＥＲ領域で低ペネトレーション噴射を実施したときは、パイロット噴射やメイン噴射に係る燃料の燃焼後に低ペネトレーション噴射に係る燃料が燃焼するため、過早着火の問題は生じない。しかし、ＡＦＴＥＲ領域での噴射は、メイン噴射の燃焼の後に実行されるものとなるため、主としてピストンの下降中に熱発生が生じ、燃費ロスが増加する。これに対して、ＰＩＬＯＴ領域で噴射された燃料は、圧縮上死点付近で熱効率良く燃焼され、有効なトルク発生に貢献する。従って、本実施形態では、燃費性能を良好にするべく、低ペネトレーション噴射の噴射量（１燃焼サイクルあたりの総量）が第３レベルＬ３（第３基準噴射量Ｑ３）以下の場合は、ＰＩＬＯＴ領域での低ペネトレーション噴射を優先して実施する。そして、低ペネトレーション噴射の噴射量（総量）が第３レベルＬ３より高くなるときにのみ、ＡＦＴＥＲ領域で低ペネトレーションを実施する。

このように、第３基準噴射圧ＦＰ３および第３ラインＬ３（第３基準噴射量Ｑ３）は、ＡＦＴＥＲ領域での低ペネトレーション噴射を実施する領域の上限の噴射圧および下限の噴射量となっているが、これはＡＦＴＥＲ領域での低ペネトレーション噴射についての機能的な意味での限界ではなく、ＰＩＬＯＴ領域を優先適用するものとした上で、過早着火の問題からＰＩＬＯＴ領域ではカバーできない噴射量領域をＡＦＴＥＲ領域で補うという観点での限界である。ただし、噴射圧が低いときは、噴霧粒の粒度が大きくなって煤が発生し易くなるというディーゼルエンジンの特性がある。そのため、噴射圧が第３基準噴射圧ＦＰ３未満と低いときにＡＦＴＥＲ領域で燃料を噴射すれば、煤を再燃焼させることができるという効果を得ることができる。

第２基準噴射圧ＦＰ２は、制御目標ラインＨ２上で噴射量が第２基準噴射量Ｑ２となる噴射圧である。図１１における第２ラインＬ２は、噴射量が第２基準噴射量Ｑ２となるラインを示している。この第２基準噴射量Ｑ２は、請求項における「基準単発噴射量」に相当する。本実施形態では、第２基準噴射量Ｑ２は予め設定されて燃料噴射制御部７１に記憶されている。

第２ラインＬ２（第２基準噴射量Ｑ２）は、ＰＩＬＯＴ単発噴射を実施するときの、単発低ペネトレーション噴射量の下限である。

具体的には、単発低ペネトレーション噴射量が第２ラインＬ２（第２基準噴射量Ｑ２）より少なくなると、１回の低ペネトレーション噴射では酸素残存可能領域Ｇ２に存在する空気に対して充分な量の燃料が確保できなくなる。十分な量の燃料が確保されないと、低ペネトレーション噴射に係る燃料と空気との混合気が着火遅れを起こすおそれがある。つまり、酸素残存可能領域Ｇ２で燃焼が生じず酸素残存可能領域Ｇ２内の空気を十分に有効に利用できない、若しくは燃焼開始タイミングが所望のタイミングから遅れてしまい適切な燃焼が生じないおそれがある。第２ラインＬ２は、このような着火遅れを回避できる、また、空気を有効に利用できる単発低ペネトレーション噴射量の下限ラインである。

これより、本実施形態では、前記着火遅れを回避するべく、また、より多くの空気を有効利用するべく、単発低ペネトレーション噴射量が第２ラインＬ２（第２基準噴射量Ｑ２）未満となる領域に、ＰＩＬＯＴ分割噴射を実施する第１領域が設定されて、低ペネトレーション噴射が２回実施されるようになっている。そして、単発低ペネトレーション噴射量が第２ラインＬ２（第２基準噴射量Ｑ２）より大きい領域にＰＩＬＯＴ単発噴射を実施する第２領域が設定されている。

ここで、本実施形態では、前記のように、第１領域では２回に分けて低ペネトレーション噴射が実施されるようになっており、第２ラインＬ２のレベル（第２基準噴射量Ｑ２）は、第３ラインＬ３のレベル（第３基準噴射量Ｑ３）の半分以下に設定されている。そして、これより、第１領域において低ペネトレーション噴射を２回実施しても、その噴射量の総量が第３ラインＬ３（第３基準噴射量Ｑ３）未満に抑えられるようになっている。

第１ラインＬ１は、第１領域で実施されるＰＩＬＯＴ分割噴射において、酸素残存可能領域Ｇ２で着火遅れを生じさせないようにする噴射量を確保する下限ラインである。これ以上、単発低ペネトレーション噴射量が減ると、分割噴射によっても必要な噴射量を確保できず、結果として酸素残存可能領域Ｇ２で燃焼が生じない、若しくは燃焼開始タイミングが遅れることになる。つまり、第１ラインＬ１は、前記領域Ｇ２の酸素を用いて燃焼を生じさせることができる最低限の熱量を与えるという観点から設定されるラインである。なお、第１ラインＬ１は、制御目標ラインＨ２上において噴射圧が設定最高噴射圧ＦＰｍａｘとなる噴射量でもあり、実際にはこれ以上は噴射量を減らすことのできないラインでもある。

第４基準噴射圧ＦＰ４は、制御目標ラインＨ２上で噴射量が第４基準噴射量Ｑ４となるときの噴射圧である。図１１における第４ラインＬ４は、噴射量が第４基準噴射量Ｑ４となるラインを示している。この第４基準噴射量Ｑ４も、請求項における「基準単発噴射量」に相当する。詳細には、第２基準噴射量Ｑ２は、ＰＩＬＯＴ領域で低ペネトレーション噴射を実施するときの「基準単発噴射量」に相当し、第４基準噴射量Ｑ４は、ＡＦＴＥＲ領域で低ペネトレーション噴射を実施するときの「基準単発噴射量」に相当する。本実施形態では、第４基準噴射量Ｑ４は予め設定されて燃料噴射制御部７１に記憶されている。

第４ラインＬ４（第４基準噴射量Ｑ４）は、ＡＦＴＥＲ単発噴射を実施するときの単発低ペネトレーション噴射量の下限である。

具体的には、単発低ペネトレーション噴射量が第４ラインＬ４（第４基準噴射量Ｑ４）より少なくなると、１回の低ペネトレーション噴射によっては十分に煤の酸化を図るための噴射量を確保できず、分割噴射が必要となる。

そこで、本実施形態では、煤の酸化に必要な噴射量を確保するべく、単発低ペネトレーション噴射量が第４ラインＬ４（第４基準噴射量Ｑ４）未満の領域に、ＡＦＴＥＲ分割噴射を実施する第３領域が設定されて、２回に分けて低ペネトレーション噴射が実施されるようになっている。そして、単発低ペネトレーション噴射量が第４ラインＬ４（第４基準噴射量Ｑ４）以上の領域にＡＦＴＥＲ単発噴射を実施する第４領域が設定されている。

第５ラインＬ５は、第４領域のＡＦＴＥＲ単発噴射において、酸素残存可能領域Ｇ２が過剰にリッチとならないように噴射量を制限する上限ラインである。第５ラインＬ５よりも１回当たりの噴射量が増えると、酸素残存可能領域Ｇ２に存在する酸素量以上の熱量を与えてしまい、新たに煤を発生させ得る。

このように、低ペネトレーション噴射は、第１〜第４領域の区分に応じてその噴射パターンが使い分けられる。この噴射パターンの設定の流れを図１２のフローチャートを用いて説明する。

まず、プロセッサ７０の燃料噴射制御部７１（図５）は、図５に示す各センサＳＮ１〜ＳＮ１２や他のセンサから、車両の走行領域（エンジン本体１の運転状態）に関する情報を取得する（ステップＳ１）。

続いて、運転状態判定部７３が、クランク角センサＳＮ１が検出するエンジン回転速度及びアクセル開度センサＳＮ１０が検出するエンジン負荷が、予め定められた所定の走行領域（運転状態）の範囲内に該当するか否かを判定する（ステップＳ２）。前記所定の走行領域は、図７（Ｂ）に示した酸素残存可能領域Ｇ２が形成されるような走行領域である。所定の走行領域に含まれない領域は、例えば、メイン噴射Ｐ１若しくはパイロット噴射Ｐ２の噴霧ペネトレーションが所定の設定量よりも大きい場合が例示される。前記所定の設定量は、燃焼室６の径方向中央領域に空気が残存し得ないような噴射量を作る噴霧ペネトレーションであり、所定の走行領域に含まれない領域は、一般に高負荷、高回転速度の走行領域が該当する。

所定の走行領域に該当しない場合（ステップＳ２でＮＯ）、つまり、酸素残存可能領域Ｇ２が形成されない場合、運転状態判定部７３は、低ペネトレーション噴射を実行させる運転モードではないと判定する。この場合、燃料噴射制御部７１は低ペネトレーション噴射を禁止する（ステップＳ３）。このような走行領域で低ペネトレーション噴射を実行させると、混合気がリッチ化し、燃焼性や燃費性能を悪化させるからである。

一方、所定の走行領域に該当する場合（ステップＳ２でＹＥＳ）は、燃焼室６の径方向中央領域に酸素残存可能領域Ｇ２が形成される状態となる。この場合、残存酸素量判定部７４が、酸素残存可能領域Ｇ２に所定値以上の酸素量が残存する状態か否かを判定する（ステップＳ４）。この判定は、上述の通り、排気Ｏ２センサＳＮ８の検出値若しくはモデル計算に基づいて実行される。酸素残存可能領域Ｇ２に所定値以上の酸素量が残存していない場合（ステップＳ４でＮＯ）、そもそも低ペネトレーション噴射を実行して活用すべき酸素が存在しないことから、燃料噴射制御部７１は低ペネトレーション噴射を禁止する（ステップＳ３）。

これに対し、残存酸素量判定部７４が、酸素残存可能領域Ｇ２に所定値以上の酸素量が残存していると判定した場合（ステップＳ４でＹＥＳ）、低ペネトレーション噴射が実行されるモードとなる。この場合、次に、噴射範囲設定部７２が、前記のように、メイン噴射の噴射量、噴射圧および噴射タイミングに基づいて酸素残存可能領域Ｇ２の外縁Ｈつまり目標ラインＨ１を設定する（ステップＳ５）。続いて、モード判定部７６が、目標ラインＨ１に基づいて、制御目標ラインＨ２を設定する（ステップＳ６）。例えば、モード判定部７６には、複数の目標ラインＨ１に対する制御目標ラインＨ２が予め設定されて記憶されており、モード判定部７６は、記憶している複数の制御目標ラインＨ２から、設定された目標ラインＨ１に対応するラインを抽出する。

次に、モード判定部７６は、噴射圧センサＳＮ７によって検出されたインジェクタ１５の噴射圧に基づいて、或いは、エンジン負荷に応じて算出される噴射圧の設定値データを受領して、設定した制御目標ラインＨ２上で噴射圧がこの噴射圧の検出値あるいは設定値となる噴射量を算出する（ステップＳ７）。つまり、現在の噴射圧において燃料噴霧の先端の到達位置を目標ラインＨ１にすることのできる噴射量（以下、目標噴射量という）を算出する。

次に、モード判定部７６は、算出した目標噴射量が、第３基準噴射量Ｑ３未満であるか否かを判定する（ステップＳ８）。目標噴射量が第３基準噴射量Ｑ３未満のときは（ステップＳ８でＹＥＳ）、モード判定部７６は、さらに、目標噴射量が第２基準噴射量Ｑ２未満であるか否かを判定する（ステップＳ８）。モード判定部７６は、目標噴射量が第２基準噴射量Ｑ２未満であると判定した場合（ステップＳ９でＹＥＳ）、噴射パターンをＰＩＬＯＴ分割噴射に設定する（ステップＳ１０）。

一方、目標噴射量が第３基準噴射量Ｑ３未満で（ステップＳ８でＹＥＳ）、且つ、第２基準噴射量Ｑ２以上である（ステップＳ９でＮＯ）と判定した場合、モード判定部７６は、噴射パターンをＰＩＬＯＴ単発噴射に設定する（ステップＳ１１）。

また、モード判定部７６は、目標噴射量が第３基準噴射量Ｑ３以上と判定した場合（ステップＳ８でＮＯ）、続いて、目標噴射量が第４基準噴射量Ｑ４未満であるか否かを判定する（ステップＳ１２）。この判定において、目標噴射量が第４基準噴射量Ｑ４未満であると判定した場合（ステップＳ１２でＹＥＳ）、モード判定部７６は、噴射パターンをＡＦＴＥＲ分割噴射に設定する（ステップＳ１３）。

一方、目標噴射量が第４基準噴射量Ｑ４以上であると判定した場合（ステップＳ１２でＮＯ）、モード判定部７６は、噴射パターンをＡＦＴＥＲ単発噴射に設定する（ステップＳ１４）。

このようにして噴射パターンが決定されると、燃料噴射制御部７１は、決定した噴射パターンとなるように、且つ、低ペネトレーション噴射の噴射量（分割噴射の場合は、単発低ペネトレーション噴射量）が目標噴射量となるように、インジェクタ１５を駆動する。

このように、本実施形態では、噴射圧が高く燃料噴霧のペネトレーション（到達距離）が大きくなりやすいときに、１回あたりの低ペネトレーション噴射の噴射量が少なくされる、つまり、燃料噴霧のペネトレーション（到達距離）が小さくなる方向に噴射量が設定される。そのため、低ペネトレーション噴射に係る燃料噴霧が到達する範囲が過度に大きくあるいは過度に小さくなるのを防止して、燃焼室の径方向中央領域に残存する空気をより確実に有効活用できる。

しかも、噴射圧が高いことに伴って単発低ペネトレーション噴射の噴射量が少なく設定された場合でも、低ペネトレーション噴射が複数回にわたって実施されることで、低ペネトレーション噴射の噴射量の総量を多くすることができ、燃焼室の径方向中央領域に残存する空気の多くを活用することができる。

＜他の実施形態＞
前記実施形態では、噴射圧と単発低ペネトレーション噴射量とに基づいて噴射パターンを設定した場合について説明したが、低ペネトレーション噴射量の総量に基づいて噴射パターンを設定してもよい。この場合（第２実施形態）の噴射パターンの設定の手順のフローを図１３に示す。

この第２実施形態においても、前記の第１実施形態と同様に、前記ステップＳ１〜Ｓ４を実施する。ここでは、ステップＳ４以降のステップについてのみ説明する。

残存酸素量判定部７４が、径方向中央領域に所定値以上の酸素量が残存していると判定した場合（ステップＳ４でＹＥＳ）、モード判定部７６は、１燃焼サイクル中に実施する低ペネトレーション噴射の噴射量の総量の目標値（以下、目標総量という）を設定する（ステップＳ２１。本実施形態では、残存酸素量判定部７４が燃焼室６に残存する酸素量を推定し、モード判定部７６が、この残存酸素量判定部７４により推定された酸素量に基づいて前記総量の目標値を算出する）。具体的には、モード判定部７６は、燃焼室６に残存する酸素量が多いほど前記総量の目標値が大きくなるようにこれを設定する。

次に、モード判定部７６は、目標総量が前記第１実施形態で説明した第３基準噴射量Ｑ３未満であるか否かを判定する（ステップＳ２２）。目標総量が第３基準噴射量Ｑ３未満であると判定した場合（ステップＳ２２でＹＥＳ）、次に、モード判定部７６は、目標総量が予め設定された第１噴射量Ｑ２１以上であるか否かを判定する（ステップＳ２３）。第１噴射量Ｑ２１は、第３基準噴射量Ｑ３よりも小さい量であって、予め設定されてモード判定部７６に記憶されている。

目標総量が第１噴射量Ｑ２１以上であると判定した場合（ステップＳ２３でＹＥＳ）、つまり、目標総量が第１噴射量Ｑ２１以上且つ第３基準噴射量Ｑ３未満の場合、モード判定部７６は、噴射パターンをＰＩＬＯＴ分割噴射に設定する（ステップＳ２４）。また、目標総量が第１噴射量Ｑ２１未満であると判定した場合（ステップＳ２３でＮＯ）、モード判定部７６は、噴射パターンをＰＩＬＯＴ単発噴射に設定する（ステップＳ２５）。ここで、第１噴射量Ｑ２１は、請求項の「第２基準量」に相当する。

一方、目標総量が第３基準噴射量Ｑ３以上であると判定した場合（ステップＳ２２でＮＯ）、次に、モード判定部７６は、目標総量が予め設定された第２噴射量Ｑ２２以上であるか否かを判定する（ステップＳ２６）。第２噴射量Ｑ２２は、第３基準噴射量Ｑ３よりも大きい量であって、予め設定されてモード判定部７６に記憶されている。

目標総量が第２噴射量Ｑ２２以上であると判定した場合（ステップＳ２６でＹＥＳ）、モード判定部７６は、噴射パターンをＡＦＴＥＲ分割噴射に設定する（ステップＳ２７）。また、目標総量が第２噴射量Ｑ２２未満であると判定した場合（ステップＳ２６でＮＯ）、つまり、目標総量が第３基準噴射量Ｑ３以上且つ第２噴射量Ｑ２２未満の場合、モード判定部７６は、噴射パターンをＡＦＴＥＲ単発噴射に設定する（ステップＳ２８）。ここで、第２噴射量Ｑ２２も、請求項の「第２基準量」に相当する。つまり、第１噴射量Ｑ２１は、ＰＩＬＯＴ領域で低ペネトレーション噴射を実施するときの「第２基準量」であり、第２噴射量Ｑ２２は、ＡＦＴＥＲ領域で低ペネトレーション噴射を実施するときの「第２基準量」である。

このようにして噴射パターンが決定されると、燃料噴射制御部７１は、決定した噴射パターンとなるように、且つ、低ペネトレーション噴射の噴射量の総量が目標総量となるように、インジェクタ１５を駆動する。

このように、第２実施形態では、ＰＩＬＯＴ領域で低ペネトレーション噴射を実施する場合において、低ペネトレーション噴射の噴射量の総量が所定の第１噴射量Ｑ２１以上のときは低ペネトレーション噴射を分割して実施する。また、ＡＦＴＥＲ領域で低ペネトレーション噴射を実施する場合において、低ペネトレーション噴射の噴射量の総量が所定の第２判定量Ｑ２２以上のときは低ペネトレーション噴射を分割して実施する。

なお、この第２実施形態において、ＡＦＴＥＲ領域で低ペネトレーション噴射を実施するときに単発噴射を行うか分割噴射を行うかを切り替える第２噴射量Ｑ２２は、煤の発生状況に応じて設定されてもよい。例えば、煤が発生しやすい運転条件のときには第２噴射量Ｑ２２を大きい値に設定し、煤が発生しにくい運転条件のときには第２噴射量Ｑ２２を小さい値に設定してもよい。

［作用効果］
以上説明した本実施形態に係るディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置によれば、次のような作用効果を奏する。制御対象となるディーゼルエンジンの燃焼室６の底面は、第１、第２キャビティ部５１、５２と、この両者を繋ぐ連結部５３とを含む冠面５０で区画されている。そして、燃料噴射制御部７１はインジェクタ１５に、連結部５３を指向したメイン噴射Ｐ１若しくはパイロット噴射Ｐ２を実行させる。このため、混合気の筒内流動が連結部５３にて分離され、筒内旋回流が比較的弱くなり、燃焼室６の径方向Ｂの中央領域付近の空気が径方向外側へ引き込まれにくくなる傾向が出る。

しかし、前記燃料噴射制御装置によれば、燃料噴射制御部７１が、通常のメイン噴射Ｐ１及びパイロット噴射Ｐ２に加えて、燃焼室６の径方向中央領域内だけに燃料を噴射する、つまり筒内旋回流の弱体化により酸素が残存し得る中央領域の外縁Ｈ（図８）をペネトレーション目標とする低ペネトレーション噴射を、インジェクタ１５に実行させる。従って、燃焼室６の径方向中央領域に残存する空気と、低ペネトレーション噴射による噴霧燃料とで、混合気を形成することができる。また、外縁Ｈがペネトレーション目標とされるので、前記径方向中央領域に存在する空気をフル活用して混合気を形成することができる。その結果、燃焼室６内の空気を有効活用して均質で薄い混合気を形成し、煤などの発生を抑制した良質なディーゼル燃焼を実現することができる。

また、燃料噴射制御部７１は、低ペネトレーション噴射の噴射量の１燃焼サイクルあたりの総量が第３基準噴射量Ｑ３未満のときはＰＩＬＯＴ領域で低ペネトレーション噴射を実施し、低ペネトレーション噴射の噴射量の総量が第３基準噴射量Ｑ３以上のときはＡＦＴＥＲ領域で低ペネトレーション噴射を実施する。そのため、過早着火を回避しつつ、燃費性能を高めることができるとともに燃焼室６内の空気をより確実に有効活用することができる。

また、燃料噴射制御部７１は、ＰＩＬＯＴ領域で低ペネトレーション噴射を実施する場合において、１回あたりの低ペネトレーション噴射の噴射量が少なくなるときは、低ペネトレーション噴射を２回実施する。そのため、低ペネトレーション噴射の総量を多くして、燃焼室６の径方向中央領域に残存する空気のより多くを有効活用できる。

特に、第１実施形態では、図１１に示す制御目標ラインＨ２を実現するべく、つまり、低ペネトレーション噴射の燃料噴霧の到達位置が目標ラインＨ１となるように、噴射圧が高いときは単発低ペネトレーション噴射量を少なくなるようにしている。そのため、噴射圧が高いときに単発低ペネトレーション噴射量が少なくなってしまう。これに対して、本実施形態によれば、前記のように、低ペネトレーション噴射の総量を多く確保することができ、燃料噴霧の到達位置を目標ラインＨ１にできる効果と合わせて、より確実に多くの空気を有効活用することができる。

同様に、燃料噴射制御部７１は、ＡＦＴＥＲ領域で低ペネトレーション噴射を実施する場合において、１回あたりの低ペネトレーション噴射の噴射量が少なくなるときは、低ペネトレーション噴射を２回実施しており、より確実に多くの空気を有効活用することができる。

また、第２実施形態では、ＰＩＬＯＴ領域で低ペネトレーション噴射を実施する場合において、低ペネトレーション噴射によって噴射される燃料の１燃焼サイクルあたりの総量が第１噴射量Ｑ２１未満のときには、１燃焼サイクル中に単発で前記低ペネトレーション噴射を実行し、前記総量が第１噴射量Ｑ２１以上のときは、２回に分けて低ペネトレーション噴射を実行する。また、ＡＦＴＥＲ領域で低ペネトレーション噴射を実施する場合において、低ペネトレーション噴射によって噴射される燃料の１燃焼サイクルあたりの総量が第２噴射量Ｑ２２未満のときには、１燃焼サイクル中に単発で前記低ペネトレーション噴射を実行し、前記総量が第２噴射量Ｑ２２以上のときは、２回に分けて低ペネトレーション噴射を実行する。そのため、多量の燃料が１度に燃焼室６に噴射されて空気との混合が悪化するのを防止することができ、低ペネトレーション噴射に係る燃料を適切に燃焼させることができる。また、多量の燃料が１度に燃焼室６に噴射されることで低ペネトレーション噴射によって噴射された燃料噴霧が燃焼室６の径方向中央領域を超えてしまうのを防止して、径方向中央領域に残存する空気をより確実に利用することができる。そして、前記総量が少ないときには、前記混合を良好にしつつインジェクタ１５の駆動回数を低減することができる。

また、燃料噴射制御部７１は、メイン噴射Ｐ１若しくはパイロット噴射Ｐ２の噴霧ペネトレーションが所定の設定量よりも大きい場合に、低ペネトレーション噴射を禁止する（図１２、図１３のステップＳ２、Ｓ３）。メイン噴射Ｐ１若しくはパイロット噴射Ｐ２の噴霧ペネトレーションが所定の設定量よりも大きくなるのは、例えばエンジン負荷が大きい場合であって、これら噴射における燃料噴射量が比較的多くなるケースである。このようなケースでは、燃焼室６の径方向中央領域に空気が残存しない（酸素残存可能領域Ｇ２が発生しない）状態となるので、低ペネトレーション噴射を禁止することで、混合気が過度なリッチ化を防止することができる。

さらに、燃料噴射制御部７１は、燃焼室６の径方向中央領域の酸素量が所定値以下となる条件下では、低ペネトレーション噴射を禁止する（図１２、図１３のステップＳ４、Ｓ３）。燃焼室６の径方向中央領域の酸素量が稀薄となる条件下では、たとえ酸素残存可能領域Ｇ２が発生する条件でも、そもそも低ペネトレーション噴射を実行させる必要が無い。そのような条件下において燃料噴射制御部７１、低ペネトレーション噴射を禁止するので、無用な燃料消費を防止することができる。

［変形例］
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば次のような変形実施形態を採ることができる。

（１）前記実施形態では、基本噴射パターンとして、メイン噴射Ｐ１、パイロット噴射Ｐ２及びアフター噴射Ｐ３が実行される例を示した（図１０）。基本噴射パターンは、少なくともメイン噴射Ｐ１及びパイロット噴射Ｐ２を含んでいれば良く、アフター噴射Ｐ３を省くようにしても良い。また、前記実施形態では、パイロット噴射Ｐ２が、第１パイロット噴射Ｐ２１と第２パイロット噴射Ｐ２２との２回に分けて実行される例を示した。これに代えて、パイロット噴射Ｐ２を、単発の噴射、或いは、３回以上の噴射としても良い。さらに、前記実施形態では、メイン噴射Ｐ１が最大のエネルギー（噴射量）を持つ噴射とする例を示したが、パイロット噴射Ｐ２を最大の噴射量とし、当該パイロット噴射Ｐ２が連結部５３を指向する態様としても良い。この場合には、噴射範囲設定部７２によって、パイロット噴射Ｐ２の噴射量、噴射圧および噴射タイミングに基づいて酸素残存可能領域Ｇ２の外縁Ｈつまり目標ラインＨ１が設定されるように構成する。

（２）前記実施形態では、低ペネトレーション噴射を分割噴射で実行させる場合、２回に分けて噴射させる例を示したが、３回又はそれ以上に分割噴射させても良い。

（３）前記実施形態では、第２基準噴射量Ｑ２、第３基準噴射量Ｑ３、第４基準噴射量Ｑ４が予め設定されて燃料噴射制御部７１に記憶されている場合について説明したが、これら基準噴射量Ｑ２〜Ｑ４は、エンジンの運転状態に応じて変更されてもよい。例えば、次のように構成されてもよい。

前記のように、第３基準噴射量Ｑ３は、ＰＩＬＯＴ領域で低ペネトレーション噴射を実施したときに過早着火を回避できる噴射量の上限値である。混合気の着火性が低い場合は、過早着火は生じにくく噴射量を多くすることができる。従って、混合気の着火性が低い運転条件のときは第３基準噴射量Ｑ３を大きくしてもよい。また、反対に、混合気の着火性が高い運転条件のときは第３基準噴射量Ｑ３を小さくしてもよい。例えば、外気温が高温、気圧が高圧、エンジン回転数が高回転数、エンジン負荷が高負荷、エンジン水温が高温の場合には高着火性となり、その逆は低着火性となる。また、ＥＧＲ量が少量である場合、過給圧が高圧である場合にも高着火性となる。一方、大量のＥＧＲガスが一気に燃焼室６へ導入された場合や、過給が一時的に追いつかない場合など、ＥＧＲ量が多量、過給圧が低圧の場合には低着火性となる。従って、外気温、気圧、エンジン回転数、エンジン負荷、エンジン水温、過給圧、ＥＧＲガス量が高い（大きい）ときの方が低いときよりも第３基準噴射量Ｑ３が大きくなるように設定してもよい。

１ エンジン本体
２ シリンダ
４ シリンダヘッド
４４ ＥＧＲ装置
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
５３ 連結部
６ 燃焼室
６Ｕ 燃焼室天井面（シリンダヘッドの下面）
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（第１噴射制御部、第２噴射制御部）
Ｐ１ パイロット噴射
Ｐ２ メイン噴射
Ｐ４、Ｐ５ 低ペネトレーション噴射

Claims (5)

1. シリンダヘッドの下面、シリンダ及びピストンの冠面により形成されるエンジンの燃焼室と、
   前記燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   前記燃料噴射弁の動作を制御する燃料噴射制御部と、を備えるディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置であって、
   前記ピストンの冠面にはキャビティが備えられ、当該キャビティは、
   前記冠面の径方向中心領域に配置され、シリンダ軸方向に第１の深さを有する第１底部を備えた第１キャビティ部と、
   前記冠面における前記第１キャビティ部の外周側に配置され、シリンダ軸方向に前記第１の深さよりも浅い深さを有する第２底部を備えた第２キャビティ部と、
   前記第１キャビティ部と前記第２キャビティ部とを繋ぐ連結部と、を含み、
   前記燃料噴射弁は、前記キャビティに向けて燃料を噴射するものであって、前記燃焼室の径方向中心又はその近傍に配置され、
   前記燃料噴射制御部は、
   少なくとも前記ピストンが圧縮上死点付近に位置するタイミングで燃料噴射を行わせるメイン噴射と、当該メイン噴射よりも早いタイミングで燃料噴射を行わせるパイロット噴射と、前記パイロット噴射よりも早いタイミング若しくは前記メイン噴射よりも遅いタイミングで燃料噴射を行わせる低ペネトレーション噴射と、を前記燃料噴射弁に実行させるものであって、
   前記メイン噴射若しくは前記パイロット噴射の少なくとも一方を、前記連結部を指向して燃料噴射するタイミングで実行させる第１噴射制御部と、
   前記低ペネトレーション噴射を、前記燃焼室の径方向中央領域内だけに燃料噴射が行われるように実行させる第２噴射制御部と、を含み、
   前記第２噴射制御部は、前記低ペネトレーション噴射によって噴射される燃料の１燃焼サイクルあたりの総量が所定の基準量以上のときは前記メイン噴射よりも遅いタイミングで前記低ペネトレーション噴射を実行し、前記低ペネトレーション噴射によって噴射される燃料の１燃焼サイクルあたりの総量が前記基準量未満のときは前記パイロット噴射よりも早いタイミングで前記低ペネトレーション噴射を実行する、ことを特徴とするディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置。
2. 請求項１に記載のディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置において、
   前記燃料噴射弁は、前記低ペネトレーション噴射を複数回に分割して実行可能に構成されており、
   前記第２噴射制御部は、前記低ペネトレーション噴射によって噴射される燃料の１燃焼サイクルあたりの総量が所定の第２基準量未満のときは、１燃焼サイクル中に単発で前記低ペネトレーション噴射を実行し、前記総量が前記第２基準量以上のときは、１燃焼サイクル中に複数回に分割して前記低ペネトレーション噴射を実行する、ことを特徴とするディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置。
3. 請求項１に記載のディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置において、
   前記燃料噴射弁は、前記低ペネトレーション噴射を複数回の単発低ペネトレーション噴射に分割して実行可能に構成されており、
   前記第２噴射制御部は、前記単発低ペネトレーション噴射の噴射量を前記燃料噴射弁の噴射圧が高いときの方が低いときよりも少なくなるように設定するとともに、設定した当該単発低ペネトレーション噴射の噴射量が所定の基準単発噴射量以上のときは、１燃焼サイクル中に単発で前記低ペネトレーション噴射を実行し、前記単発低ペネトレーション噴射の噴射量が前記基準単発噴射量未満のときは、１燃焼サイクル中に複数回に分割して前記低ペネトレーション噴射を実行する、ことを特徴とするディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置において、
   前記第２噴射制御部は、前記燃焼室の前記径方向中央領域の外縁が噴霧ペネトレーションとなるように、前記低ペネトレーション噴射を実行させる、ことを特徴とするディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置において、
   前記第２噴射制御部は、前記第１噴射制御部による前記メイン噴射若しくは前記パイロット噴射の噴射圧、噴射量及び噴射タイミングに基づいて、前記燃焼室の径方向中央領域に生じる酸素残存可能領域を推定し、当該酸素残存可能領域の外縁が噴霧ペネトレーションとなるように、前記低ペネトレーション噴射を実行させる、ことを特徴とするディーゼルエンジンの燃料噴射制御装置。

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