JP2009036068A - 内燃機関の燃焼制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】副燃焼室内に大容積のプラズマを生成することで燃焼安定性等を向上させ、かつ、これを低消費エネルギで実現する。
【解決手段】主燃焼室１と、主燃焼室１と隣接して設けられ主燃焼室１と比べて容積が小さい副燃焼室１２と、副燃焼室１２を画成する隔壁１９と、隔壁１９に設けられ主燃焼室１と複燃焼室１２とを連通する噴孔２０と、副燃焼室１２内に設けた点火栓１３と、副燃焼室１２内の電界強度を高める電界強度強化手段１６と、を備え、混合気への着火時には、少なくとも点火栓１３の放電中に電界強度強化手段１６により点火栓１３の放電ギャップ１３ａ周辺の電界強度を高める。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の燃焼の制御に関し、特に、マイクロ波を活用する点火装置を用いた燃焼の制御に関する。

エンジンの点火装置にマイクロ波を利用した例として、球形の副燃焼室を設け、この副燃焼室自体をマイクロ波の空洞共振器として活用することで、副燃焼室内部にマイクロ波プラズマを形成させて、副燃焼室内部の混合気に着火するものが特許文献１に記載されている。この装置によれば、プラズマ容積を大きくすることができるので、希薄燃焼下において安定した着火性能を得ることができる。
特開昭５７−１１３９６８号公報

しかしながら、副燃焼室内でマイクロ波を空洞共振させて、副燃焼室内部にマイクロ波プラズマを生成する場合には、副燃焼室の直径をマイクロ波の波長の１／２程度にする必要がある。すなわち、一般的に使用される２．４５ＧＨｚのマイクロ波の場合には波長は約１２ｃｍであるため、副燃焼室の直径として６ｃｍ程度が必要となってしまう。これは、自動車用のエンジンに適用することが事実上不可能な大きさである。

また、雰囲気が高圧化するほど、プラズマを形成するために必要な空間の電界強度は上昇する。したがって、内燃機関の点火時期相当の高圧状態では、発振するマイクロ波の出力を高くする必要があり、特許文献１のようにマイクロ波自体で空間をプラズマ化すると、エネルギ消費が大きくなり、燃費が悪化するおそれもある。

そこで、本発明では、自動車用のエンジンに適用可能な大きさの装置で、マイクロ波によるプラズマの拡大を実現し、かつ、消費エネルギをより少なくすることを目的とする。

本発明の燃焼制御装置は、主燃焼室（１）と、主燃焼室（１）と隣接して設けられ主燃焼室（１）と比べて容積が小さい副燃焼室（１２）と、副燃焼室（１２）を画成する隔壁（１９）と、隔壁（１９）に設けられ主燃焼室（１）と複燃焼室（１２）とを連通する噴孔と、副燃焼室（１２）内に設けた点火栓（１３）と、副燃焼室（１２）内の電界強度を高める電界強度強化手段（１６）と、を備え、混合気への着火時には、少なくとも点火栓（１３）の放電中に電界強度強化手段（１６）により点火栓（１３）の放電ギャップ部（１３ａ）周辺の電界強度を高める。

本発明によれば、点火栓の放電により生成したプラズマにマイクロ波を照射することによって、プラズマ内の電子衝突を促進させてプラズマの体積を拡大し、体積的な点火を行う。したがって、プラズマを生成するために空洞共振させる必要がないので、副燃焼室の容積を特許文献１の構成に比べて大幅に小さくすることができる。また、マイクロ波のみによって点火を行う場合に比べて、少ない消費エネルギで混合気に点火することができる。

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１はエンジンをエンジンフロント側からみた断面図であって、第１実施形態の概略構成を表す図である。１は主燃焼室、２はシリンダヘッド、３はシリンダブロック、４はシリンダブロック３に設けたシリンダ内に収装したピストン、５は主燃焼室１に開口する吸気通路、６は主燃焼室１に開口する排気通路、７は吸気通路５を開閉する吸気バルブ、８は排気通路６を開閉する排気バルブ、９は機関回転数に同期して吸気バルブ７を駆動する吸気カムシャフト、１０は機関回転数に同期して排気バルブ８を開閉駆動する排気カムシャフト、１１は吸気通路５に燃料を噴射する燃料噴射弁、１２は主燃焼室１の略中央上部に設けた副燃焼室、１３は副燃焼室１２に設けた点火栓、１４は同様に副燃焼室１２に設けたマイクロ波発振用アンテナである。

点火栓１３は一般的な点火栓と同様に、中心電極１３ｂと側方電極１３ｃとを備え、中心電極１３ｂの先端と側方電極１３ｃとの間で放電ギャップ１３ａを形成する構造である。そして、点火コイル１５に接続されており、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１７が運転状態に応じて点火時期を制御する。

マイクロ波発振用アンテナ１４は、同軸ケーブル１８を介して電解強化手段としてのマイクロ波発振装置１６に接続されている。そして、マイクロ波発振装置１６をＥＣＵ１７が点火時期に応じて制御する。なお、ここでは一般的に用いられるものと同様に、周波数２．４５ＧＨｚ付近のマイクロ波を用いるが、これに限定されるわけではない。

ＥＣＵ１７には、運転状態を検出するセンサとしての図示しないエアフローメータ、アクセル開度センサ、クランク角センサ、冷却水温センサ等の検出信号が入力され、これらの信号に基づいて燃料噴射弁１１、点火コイル１５及びマイクロ波発振装置１６の制御を行う。

副燃焼室１２は、隔壁１９により画成し、隔壁１９に設けた１以上の噴孔２０によって主燃焼室１と連通している。隔壁１９は、マイクロ波を反射させるために、少なくとも内部表面を例えば銅合金等の金属材料で形成する。

図２は副燃焼室１２のピストン進行方向に沿った断面図である。噴孔２０は、マイクロ波発振用アンテナ１４から発振されたマイクロ波が主燃焼室１へ漏洩しないように、マイクロ波の波長（２．２５ＧＨｚの場合には約１２ｃｍ）よりも十分小さい噴孔径となっている。

副燃焼室１２は、主燃焼室１側先端部近傍の内壁の断面形状が、長軸がピストン進行方向に対して略直交する楕円Ａを長軸で２分割した円弧と概ね一致する。なお、立体的には、この断面形状を楕円Ａの長軸を回転軸として回転した形状となる。

点火栓１３及びマイクロ波発振用アンテナ１４は、楕円Ａの２つの焦点のうち一方の焦点Ｆａ１が点火栓１３の放電ギャップ１３ａ近傍に、他方の焦点Ｆａ２がマイクロ波発振用アンテナ１４の先端部近傍に、それぞれ位置するように設ける。

これにより、楕円Ａの一方の焦点Ｆａ２近傍にあるマイクロ波発振用アンテナ１４から発振されたマイクロ波は、その一部は直接放電ギャップ１３ａ周辺に進行し、他は主燃焼室１側に漏洩することなく隔壁１９に反射して、他方の焦点Ｆａ１がある放電ギャップ１３ａに向けて進行する。

上記のような構成において、点火栓１３により生成したプラズマをマイクロ波照射すると、点火栓１３の放電中に放電ギャップ部周辺の電界強度が高まり、点火栓１３により生成したプラズマ中の電子衝突が促進されてプラズマが拡大する。このようにプラズマを拡大することによって、一般的なアーク放電による点火に比べて広範囲にわたって体積的に点火することができる。

副燃焼室１２内の大半の容積をプラズマ化することができるため、副燃焼室１２内の着火性の向上、及び燃焼期間の短縮を実現することができる。そして、副燃焼室１２内で生成した火炎は、噴孔２０を介して強力なトーチとなって主燃焼室１内に噴射される。これにより、主燃焼室１における燃焼速度が上昇するので、希薄燃焼限界を拡大することができる。希薄燃焼限界とは、安定した機関運転に必要な燃焼安定度を確保することができる空燃比の限界値のことをいう。なお、ＥＧＲガス導入による希釈燃焼の場合には、安定した機関運転に必要な燃焼安定度を確保することができるＥＧＲガス導入率の限界値（希釈限界）が希薄燃焼限界に相当する。

また、点火栓１３により生成したプラズマをマイクロ波を照射することで拡大するので、高いマイクロ波発振出力は必要なく、さらに、マイクロ波発振用アンテナ１４から発振されたマイクロ波は、漏洩することなく放電ギャップ１３ａ周辺に集まる構成となっているので、エネルギ効率を高くすることができる。したがって、従来から知られているマイクロ波自体でプラズマを生成する方法に比べて、消費エネルギを低減することができる。

図３（ａ）は、本実施形態を適用するエンジンの運転領域と、運転領域ごとのマイクロ波発振エネルギを表すマップである。図３（ａ）に示すように、機関の低中回転・低中負荷領域では、リーン燃焼、または排気還流（ＥＧＲ）ガス導入による希釈燃焼による運転を行い、その他の高回転領域及び高負荷領域では理論空燃比（λ＝１）で運転する。リーン燃焼または希釈燃焼を行う領域では、少なくとも点火栓１３の放電中にマイクロ波発振をＯＮにする。一方、理論空燃比で運転する領域ではマイクロ波発振をＯＦＦにする。これは、プラズマ拡大による過早燃焼を抑制するためである。

図３（ａ）のマイクロ波発振をＯＮにする領域内の実線は、マイクロ波発振エネルギが等しい運転点を結ぶ線（等マイクロ波発振エネルギ線）である。制御にあたっては、マップ検索又は演算により運転点ごとにマイクロ波発振エネルギを求めてもよいし、図３（ａ）に示すように所定間隔ごとに等マイクロ波発振エネルギ線を設定し、隣合う等マイクロ波発振エネルギ線で囲まれた領域内であれば同一のマイクロ波発振エネルギとしてもよい。

なお、リーン燃焼または希釈燃焼による運転を行う領域と理論空燃比で運転する領域との境界は、本実施形態を適用するエンジンの仕様等により異なる。

図３（ｂ）はＥＧＲガスの導入率（ＥＧＲ率）と負荷との関係、及び空気過剰率（λ）と負荷との関係を表す図である。

リーン燃焼または希釈燃焼を行う場合には、図３（ｂ）に示すように、負荷の増大に伴い、空気過剰率またはＥＧＲ率が低下するよう設定する。そして、図３（ａ）に示すように、負荷が低減するほど、換言すると空気過剰率が高いほど、マイクロ波発振エネルギを高くするよう設定する。

また、同一負荷の場合には、機関回転速度が高い場合の方が低い場合に比べてマイクロ波発振エネルギを高くするよう設定する。これは、クランク角当りの実時間が短くなる高回転速度時に、燃焼速度を高めて熱発生期間の最適化を図るためである。

図４はマイクロ波発振エネルギの制御方法の一例を示した図である。１回のマイクロ波照射におけるマイクロ波発振エネルギの大きさは、図４に示すように、マイクロ波発振時間とマイクロ波発振出力との積で表される。そこで、負荷の低下に伴ってマイクロ波発振エネルギを増大させる場合には、マイクロ波の発振出力を上げる。高回転速度時には燃焼期間の実時間が短くなるので、マイクロ波発振時間が短くなる。したがって、マイクロ波発振エネルギを高めるためには、マイクロ波発振時間を短くしつつマイクロ波発振出力を上げることとなる。

このように、運転状態に適したマイクロ波発振エネルギを投入するよう制御することにより、過剰なエネルギを投入すること、または投入エネルギが不足することを抑制して、エネルギ効率を高めることができる。

以上により本実施形態では、次のような効果を得ることができる。

（１）副燃焼室１２内に設けた点火栓１３と、マイクロ波発振装置１６と、を備え、混合気への着火時には、マイクロ波発振装置１６により少なくとも点火栓１３の放電中に放電ギャップ１３ａ周辺の電界強度を高めるので、点火栓１３の放電により生成したプラズマが拡大され、体積的な点火が可能となる。そして、副燃焼室１２内で生成した燃焼火炎が噴孔２０からトーチ状に噴出するので、主燃焼室１の燃焼安定性を向上させることができる。また、マイクロ波発振のみで点火に至らしめる場合に比べて、点火に要する消費エネルギを低減することができる。

（２）隔壁１９の少なくとも内部表面材質は金属であり、かつ噴孔２０の径はマイクロ波の波長よりも小さいので、マイクロ波発振用アンテナ１４から発振されたマイクロ波のうち、直接放電ギャップ１３ａに向わないもが主燃焼室１に漏洩することがなく、かつ隔壁１９の内面に当ったものは反射する。

（３）放電ギャップ１３ａ及びマイクロ波発振用アンテナ１４先端部近傍を含む副燃焼室１２の断面図において、副燃焼室１２の主燃焼室１側部分の形状は長軸がピストン進行方向に略直交する楕円Ａの一部となっており、楕円Ａの一方の焦点Ｆａ１近傍に放電ギャップ１３ａが、他方の焦点Ｆａ２近傍にマイクロ波発振用アンテナ１４先端部がそれぞれ位置するので、隔壁１９の内面で反射したマイクロ波が放電ギャップ１３ａに向けて進行する。すなわち、マイクロ波を放電ギャップ１３ａ周辺に集中させることができるので、プラズマ拡大のためのマイクロ波のエネルギ効率をより高くすることができる。

（４）機関運転状態に応じてマイクロ波発振射装置１６のマイクロ波発振出力またはマイクロ波発振時間の少なくとも一方を変化させることによってマイクロ波発振エネルギを制御するので、マイクロ波発振エネルギが過剰になること、または不足することを抑制して、エネルギ効率を向上させることができる。

（５）機関負荷が低いほどマイクロ波発振エネルギを高くするので、燃焼が不安定になりやすい低負荷燃焼時の燃焼変動を抑制することができる。

（６）希薄燃焼またはＥＧＲガス導入による希釈燃焼を行う運転領域では、混合気の空燃比が低いほど、またはＥＧＲガス導入量が多いほど、マイクロ波発振エネルギを高くする。これにより、着火時の筒内温度が低くなり燃焼変動が増大したり燃焼速度が理論空燃比燃焼時に比べて低下する大希薄燃焼時及び大希釈燃焼時にも、燃焼変動を抑制し、かつ熱発生期間の最適化を図り、熱効率及び排気性能の向上を図ることができる。

（７）機関回転速度が高いほどマイクロ波の発振エネルギを高くするので、クランク角度あたりの実時間が短くなる機関高回転速度時にマイクロ波発振エネルギを相対的に高めることで燃焼速度を向上させ、熱発生期間の最適化を図ることができる。

（８）機関回転速度が高いほど、マイクロ波の発振出力を高くし、かつ発振時間を短くするので、機関回転速度によらず、燃焼期間をほぼ同一のクランク角度期間にすることができる。すなわち、高回転速度時にはクランク角度あたりの実時間が短くなるが、発振時間を短く発振出力を高くすることで、エネルギ投入効率が上昇し、回転によらず熱発生期間の最適化を図ることができる。

なお、本実施形態では隔壁１９に反射したマイクロ波をもプラズマの拡大に用いるために、副燃焼室１２の形状を楕円の一部とし、点火栓１３の放電ギャップ１３ａとマイクロ波発振用アンテナ１４が、それぞれ焦点Ｆａ１、Ｆａ２の近傍となるように構成している。しかし、副燃焼室１２内に点火栓１３とマイクロ波発振用アンテナ１４とを備え、マイクロ波の少なくとも一部が直接又は反射して放電ギャップ１３ａに進行する構成であれば、上述した構成に比べればエネルギ効率は低下するものの、マイクロ波発振エネルギのみによる点火に比べればエネルギ効率を向上することができ、また、プラズマの拡大による燃焼安定性の向上、希薄燃焼限界の拡大等の効果を得ることができる。

第２実施形態について説明する。

図５は本実施形態の概略構成図である。第１実施形態とは、副燃焼室１２の構成、及び吸気側の動弁機構が異なる。

図６は副燃焼室１２のピストン進行方向に沿った断面図である。副燃焼室１２は、主燃焼室１側先端部近傍の内壁の断面形状が、短軸がピストン進行方向に対して略直交する楕円Ｂを短軸で２分割した円弧と概ね一致する。なお、立体的には、この断面形状を楕円Ｂの短軸を回転軸として回転した形状となる。

点火栓１３及びマイクロ波発振用アンテナ１４は、楕円Ｂの２つの焦点のうち一方の焦点Ｆｂ１が点火栓１３の放電ギャップ１３ａ近傍に、他方の焦点Ｆｂ２がマイクロ波発振用アンテナ１４の先端部近傍に、それぞれ位置するように設ける。

これにより、マイクロ波発振用アンテナ１４から発振されたマイクロ波は、その一部は直接放電ギャップ１３ａ周辺に進行し、他は主燃焼室１側に漏洩することなく内壁に反射して、放電ギャップ１３ａに向けて進行する。

なお、中心電極１３ｂ、側方電極１３ｃ及びマイクロ波発振用アンテナ１４のそれぞれの配置、形状等は図６に示したものに限られず、焦点Ｆｂ１、Ｆｂ２と放電ギャップ１３ａ及びマイクロ波発振用アンテナ１４とが上述した位置関係となっていれば、他の配置、形状等であってもよい。

上記のような構成によって点火栓１３により生成したプラズマをマイクロ波照射することにより、第１実施形態と同様に点火栓１３により生成したプラズマを拡大し、一般的なアーク放電による点火に比べて広範囲にわたって体積的に点火することができる。

図７は本実施形態で用いる可変動弁機構の構成図である。この可変動弁機構は、バルブリフト量及び作動角を可変に制御することができるなお、ここでいうリフト量とは最大リフト量のことをいう。また、リフト量の可変制御とは最大リフト量を可変制御することをいい、クランクシャフトの回転に同期して開閉する際のリフト量変化は除くものである。

本動弁機構は、吸気バルブ９のリフト・作動角を変化させるリフト・作動角可変機構３３と、そのリフトの中心角の位相（クランクシャフトに対する位相）を進角もしくは遅角させる位相可変機構３２と、が組み合わされて構成されている。

なお、このリフト・作動角可変機構３３は、本出願人が先に提案し、位相可変機構３２とともに特開２００２−８９３０３号公報や特開２００２−８９３４１号公報等によって公知となっているので、その概要のみを説明する。

リフト・作動角可変機構３３は、シリンダヘッド上部の図示せぬカムブラケットに回転自在に支持された中空状の駆動軸２１と、この駆動軸２１に圧入等により固定された偏心カム２２と、上記駆動軸２１の上方位置に同じカムブラケットによって回転自在に支持されるとともに駆動軸２１と平行に配置された制御軸２７と、この制御軸２７の偏心カム部２８に揺動自在に支持された可変動弁用ロッカーアーム２４と、吸気バルブ９を開閉駆動する揺動カム２６と、を備えている。可変動弁用ロッカーアーム２４は一方の端部付近が連結ピン３０を介してリンクアーム２３の上方側端部と連結されており、他方の端部付近が連結ピン２９を介してリンク部材２５の上方側端部と連結されている。リンク部材２５の下方側端部は連結ピン３１を介して揺動カム２６と連結されている。

上記駆動軸２１は、図示しないタイミングチェーンないしはタイミングベルトを介して機関のクランクシャフトによって駆動されるものである。

上記偏心カム２２は、円形外周面を有し、該外周面の中心が駆動軸２１の軸心から所定量だけオフセットしているとともに、この外周面に、リンクアーム２３の環状部２３ａが回転可能に嵌合している。

上記可変動弁用ロッカーアーム２４は、略中央部を上記偏心カム部２８が回転可能に貫通している。上記偏心カム部２８は、制御軸２７の軸心から偏心しており、従って、制御軸２７の角度位置に応じて可変動弁用ロッカーアーム２４の揺動中心は変化する。

上記揺動カム２６は、駆動軸２１の外周に嵌合して回転自在に支持されており、駆動軸２１の軸方向に対して直角方向へ延びた端部付近に、前述したようにリンク部材２５の下端部が連結ピン３１を介して連結している。この揺動カム２６の下面には、駆動軸２１と同心状の円弧をなす基円面２６ｃと、該基円面２６ｃから上記端部へと所定の曲線を描いて延びるカム面２６ｂと、が連続して形成されており、これらの基円面２６ｃならびにカム面２６ｂが、揺動カム２６の揺動位置に応じてバルブリフタ３６に当接するようになっている。

すなわち、上記基円面２６ｃはベースサークル区間として、リフト量がゼロとなる区間であり、揺動カム２６が揺動してカム面２６ｂがバルブリフタ３６に接触すると、吸気バルブ９は徐々にリフトしていくことになる。なお、ベースサークル区間とリフト区間との間には若干のランプ区間が設けられている。

制御軸２７は、一方の端部に設けられたリフト・作動角制御用油圧アクチュエータ３４によって所定角度範囲内で回転するように構成されている。このリフト・作動角制御用油圧アクチュエータ３４への油圧供給は、ＥＣＵ１７からの制御信号に基づいて制御されている。

このリフト・作動角可変機構３３の作用を説明する。駆動軸２１が回転すると、偏心カム２２のカム作用によってリンクアーム２３が上下動し、これに伴って可変動弁用ロッカーアーム２４が制御軸２７を揺動軸として揺動する。この可変動弁用ロッカーアーム２４の揺動は、リンク部材２５を介して揺動カム２６へ伝達され、該揺動カム２６が揺動する。この揺動カム２６のカム作用によって、バルブリフタ３６が押圧され、吸気バルブ９がリフトする。

ここで、リフト・作動角制御用油圧アクチュエータ３４を介して制御軸２７の角度が変化すると、可変動弁用ロッカーアーム２４の揺動中心位置が変化し、ひいては揺動カム２６の初期揺動位置が変化する。

例えば、偏心カム部２８が上方に位置しているとすると、可変動弁用ロッカーアーム２４は全体として上方へ位置し、連結ピン３１が相対的に上方へ引き上げられた状態となる。つまり、揺動カム２６の初期揺動位置は、そのカム面２６ｂがバルブリフタ３６から離れる方向に傾く。従って、駆動軸２１の回転に伴って揺動カム２６が揺動した際に、基円面２６ｃが長い間バルブリフタ３６に接触し続け、カム面２６ｂがバルブリフタ３６に接触する期間は短い。このためリフト量が全体として小さくなり、かつ、その開時期から閉時期までの角度範囲、すなわちカムの作動角も縮小する。

逆に、偏心カム部２８が下方へ位置しているとすると、可変動弁用ロッカーアーム２４は全体として下方へ位置し、揺動カム２６の端部が相対的に下方へ押し下げられた状態となる。つまり、揺動カム２６の初期揺動位置は、そのカム面２６ｂがバルブリフタ３６に近付く方向に傾く。従って、駆動軸２１の回転に伴って揺動カム２６が揺動した際に、バルブリフタ３６と接触する部位が基円面２６ｃからカム面２６ｂへと直ちに移行する。このためリフト量が全体として大きくなり、かつその作動角も拡大する。

上記の偏心カム部２８の初期位置は連続的に変化させ得るので、これに伴って、バルブリフト特性も連続的に変化する。つまり、リフトならびに作動角を、両者同時にかつ連続的に拡大，縮小させることができる。なお、この実施例では、リフト・作動角の大小変化に伴い、吸気バルブ９の開時期と閉時期がほぼ対称に変化する。

位相可変機構３２は、上記駆動軸２１の前端部に設けられたスプロケット３５と、このスプロケット３５と上記駆動軸２１とを、所定の角度範囲内において相対的に回転させる位相制御用アクチュエータ３６と、から構成されている。上記スプロケット３５は、図示せぬタイミングチェーンもしくはタイミングベルトを介して、クランクシャフトと同期して回転している。位相制御用アクチュエータ３６は、ＥＣＵ１７からの制御信号に基づいて制御される。この位相制御用アクチュエータ３６の制御によって、スプロケット３５と駆動軸２１とが相対的に回転し、リフト中心角が遅進する。つまり、リフト特性の曲線自体は変わらずに、全体が進角もしくは遅角する。また、この変化も連続的に得ることができる。位相可変機構３２としては、油圧式、電磁式アクチュエータを利用したものなど、種々の構成が可能である。

図８（ａ）は図３（ａ）と同様に、運転領域ごとのマイクロ波発振エネルギを表すマップである。機関の低中回転・低中負荷領域では、空燃比は理論空燃比のままＥＧＲガス導入による希釈運転（以下、λ＝１＋ＥＧＲ運転という）を行い、かつ吸気バルブ９の閉時期（ＩＶＣ）の制御によるミラーサイクル運転を行う。なお、ミラーサイクル運転中のＥＧＲ率は一定とする。一方、高回転領域及び高負荷領域では、λ＝１＋ＥＧＲ運転を行う。

そして、全運転領域において、少なくとも点火栓１３の放電中にマイクロ波発振をＯＮにする。

なお、リーン燃焼または希釈燃焼による運転を行う領域と理論空燃比で運転する領域との境界は、本実施形態を適用するエンジンの仕様等により異なる。例えば、λ＝１＋ＥＧＲ運転で対応可能な運転領域がより広いエンジンであれば、λ＝１＋ＥＧＲ運転を行う領域を図８（ａ）よりも高回転側や高負荷側に広くすることができる。

図８（ｂ）はＥＧＲガスの導入率（ＥＧＲ率）と負荷との関係、及び吸気バルブ９の閉時期（ＩＶＣ）と負荷との関係を表す図である。

ミラーサイクル運転を行う領域では、ＩＶＣは負荷が低下するほど進角させる。すなわち、負荷が低下するほど有効圧縮比は低下する。また、ＥＧＲ率は一定とする。

一方、λ＝１＋ＥＧＲで運転する領域では、ＩＶＣは一定とし、ＥＧＲ率は負荷の増大とともに低下させる。

そして、図８（ａ）に示すように、負荷が低減するほど、換言すると有効圧縮比が低くなるほど、又はマイクロ波発振エネルギを高くするよう設定する。

図９は吸気バルブ９及び排気バルブ８の開閉時期を表す図である。ＩＶＣは、全負荷時には下死点以降であるが、負荷の低下とともに進角側に移行させる。そして低負荷、中負荷域では下死点前まで進角した状態となる。すなわち、いわゆる早閉じミラーサイクル運転となる。

これにより、負荷が低下するほど吸気バルブ９が開弁している時間が短くして吸入空気量を制限し、ポンプロスを低減することができる。

ＩＶＣを進角して実圧縮比が低くすると、混合気が燃焼したときのエネルギーが相対的に小さくなり、筒内温度が相対的に低くなる。このため、通常の火花点火では燃焼変動の増大や燃焼速度の低下といった弊害が生じやすいが、マイクロ波照射によりプラズマを拡大して、体積的に点火することで、前記弊害を回避することができる。特に、本実施形態のように、実圧縮比が低下するほどマイクロ波発振エネルギを相対的に高めることにより、より効果的に前記弊害を回避することができる。

なお、副燃焼室１２の別の構成の一例を図１０に示す。図１０は副燃焼室１２のピストン進行方向に沿った断面図である。

隔壁１９の形状、及び楕円Ｂの焦点Ｆｂ１が点火栓１３の放電ギャップ１３ａ近傍に位置する点は図６と同様である。しかし、中心電極１３ｂとマイクロ波発振用アンテナ１４を、内側に中心電極１３ｂ、外側にマイクロ波発振用アンテナ１４となるように同軸状に配置する点が異なる。

このような構成にすると、マイクロ波発振用アンテナ１４は中空円管状になるため、マイクロ波が発振される位置が焦点Ｆｂ２からずれることとなる。このため、隔壁１９で反射したマイクロ波は、厳密には他方の焦点Ｆｂ１を通らない。しかしながら、中心電極１３ｂの径が十分に細い場合には、マイクロ波を発進する部分と焦点Ｆｂ２とのずれは小さく、大部分のマイクロ波は放電ギャップ１３ａ付近に進行するものと考えられる。したがって、図６の構成とほぼ同等の効果を得ることが可能である。

一方、図１０のような構成にすると、中心電極１３ｂを図６の構成のように屈曲した形状にする必要がなく、従来の中心電極１３ｂと同様に直線状のものを使用できるため、コストや組立て工数を低減できるという効果がある。

以上により本実施形態では、第１実施形態と同様の効果に加え、さらに次のような効果を得ることができる。

（１）放電ギャップ１３ａ及びマイクロ波発振用アンテナ１４先端部近傍を含む副燃焼室１２の断面図において、副燃焼室１２の主燃焼室１側部分の形状は短軸がピストン進行方向と略直交する楕円Ｂの一部となっており、楕円Ｂの一方の焦点Ｆｂ１近傍に放電ギャップ１３ａが、他方の焦点Ｆｂ２近傍にマイクロ波発振用アンテナ１４先端部がそれぞれ位置するので、隔壁１９の内面で反射したマイクロ波が放電ギャップ１３ａに向けて進行する。すなわち、マイクロ波を放電ギャップ１３ａ周辺に集中させることができるので、プラズマ拡大のためのマイクロ波のエネルギ効率をより高くすることができる。

（２）機関負荷の調整をＩＶＣの制御によって行い、機関負荷が低くなるほどＩＶＣを進角させて実圧縮比を低下させる運転領域を有する内燃機関の燃焼制御装置において、少なくとも前記運転領域では、機関高負荷時に比べて機関低負荷時のマイクロ波発振エネルギを高くする。これにより、着火時の筒内温度が低下する低実圧縮比時にも、燃焼変動を抑制し、かつ熱発生期間の最適化を図ることができる。

第３実施形態について説明する。

本実施形態の構成は、図５と同様である。なお、副燃焼室１２の構成については、図１と同様であってもよい。

図１１は、本実施形態を適用するエンジンの運転領域と、運転領域ごとのマイクロ波発振エネルギを表すマップである。

図１１に示すように、低中回転・低中負荷域ではλ＝２の超リーン燃焼としたうえでＩＶＣ制御によるミラーサイクルでの運転を行う（以下、λ＝２＋ＩＶＣ運転という）。高回転域及び高負荷域ではλ＝１＋ＥＧＲでの希釈燃焼運転を行う。そして、全運転領域でマイクロ波発振によるプラズマの拡大を行うものとし、マイクロ波発振エネルギは負荷が低くなるほど大きくする。

λ＝２＋ＩＶＣ運転中はＥＧＲ率は略ゼロとし、λ＝１＋ＥＧＲ運転中は負荷が増大するほどＥＧＲ率を低下させ、全負荷時には略ゼロとする。

また、λ＝２＋ＩＶＣ運転中は、ＩＶＣを負荷が低いほど下死点よりも進角側となるようにし、λ＝１＋ＥＧＲ運転中は下死点後の所定時期に固定する。

そして、第２実施形態と同様に点火栓１３の放電により生成したプラズマをマイクロ波照射によって拡大し、体積点火を行う。

すなわち、低中回転・低中負荷域では、負荷の低下に伴いＩＶＣの進角によって有効圧縮比が低くなるほどマイクロ波発振エネルギを高くする。

図１４は空燃比と燃焼安定度及びＮＯｘ生成量との関係を表す図である。図１４に示すように、燃焼安定度は空燃比（Ａ／Ｆ）が大きくなるほど悪化する。

一方、ＮＯｘ生成量は、Ａ／Ｆが略３０（λ＝２）の超リーン燃焼下では、ＮＯｘ生成量がほぼゼロになる。ただし、混合気中の燃料量が少ないため、通常のリーン運転時よりもさらに低下してしまう。そのため、着火手段が点火栓１３による放電のみの場合には、図中実線Ｘで示すようにＡ／Ｆが略２２程度で燃焼安定度が悪化して、燃焼安定度限界を超えてしまう。

これに対して、マイクロ波照射による体積点火を行う場合には、前述した燃焼安定性向上の効果により、図中実線Ｙで示すようにＡ／Ｆが略３０程度までは燃焼安定度限界内での燃焼が可能となる。

以上により本実施形態では、第１実施形態と同様の効果に加え、さらに、低中回転・低中負荷域でＮＯｘをほとんど排出しない運転が可能となり、排気性能を向上させることができるという効果が得られる。

第４実施形態について説明する。

本実施形態の構成及び制御は、基本的に第３実施形態と同様であるが、λ＝２＋ＩＶＣ運転中は、体積点火を行う前に副燃焼室１２内でラジカル（活性種）の生成を行う点が異なる。

具体的には、体積点火のための点火栓１３による放電及びマイクロ波照射を行う前の、同一サイクル中のおよそ吸気行程から圧縮行程前半の期間中に、ラジカル生成のために、点火栓１３による放電及びマイクロ波照射を行う。吸気行程から圧縮行程前半に行うのは、この期間中であれば、筒内圧が低いため放電及びマイクロ波照射によって混合気が着火するおそれがほとんどないからである。

図１２は本実施形態における点火栓１３による放電及びマイクロ波照射の時期について表した図であり、横軸はクランク角、縦軸はマイクロ波発振出力を表す。図１２に示すように、体積点火を行う前に、少なくとも１回以上（図１２中では３回）ラジカル生成用に点火栓１３による放電及びマイクロ波照射を行う。

図１３は、ラジカル生成量とマイクロ波発振エネルギとの関係を表す図であり、図に示すように、ラジカル生成量はマイクロ波発振エネルギを大きくするほど増加する。

本実施形態では、第３実施形態と同様に負荷が低下するほどマイクロ波発振エネルギを高める。そして、これに加えて負荷が低下するほどラジカル生成量を増加させることとする。

マイクロ波発振エネルギは、マイクロ波発振出力と発振時間と発振回数との積で表される。したがって、ラジカル生成量を増加させるための第１の方法としては、マイクロ波発振出力を増大させる方法がある。図１２を用いて説明すると、図中のラジカル生成用プラズマの１回当りの高さを高くする方法である。

第２の方法としては、マイクロ波発振時間を長くする方法がある。図１２を用いて説明すると、ラジカル生成用プラズマの１回当りの幅を長くする方法である。

第３の方法としては、マイクロ波発振回数を増やす方法である。図１２を用いて説明すると、図１２ではラジカル生成用の点火栓１３による放電及びマイクロ波照射を３回行っているが、これを４回、５回、と増やす方法である。

ラジカル生成量を増加させるためには、これら第１から第３の方法のいずれであっても、又はこれらを組み合わせたものであってもよい。

ただし、第１から第３の方法のいずれも、ラジカル生成用の総マイクロ波発振用エネルギは体積点火用のマイクロ波発振エネルギよりも小さくする。

なお、本実施形態ではＩＶＣをピストン下死点よりも進角させて、吸気行程の途中で混合気の吸入を停止することで実施したが、ＩＶＣをピストン下死点より遅角させることで混合気の吸入量を変化させても良い。すなわち、本実施形態の早閉じミラーサイクルに対して、ＩＶＣが下死点後となる、いわゆる遅閉じミラーサイクルであっても同様に適用することができる。

また、第１実施形態から第４実施形態では、吸気通路内に燃料噴射を行ういわゆる吸気ポート噴射式のエンジンを挙げて説明したが、筒内直接噴射式エンジンにも同様に適用することができる。

以上により本実施形態では、第３実施形態と同様の効果に加え、さらに次の効果を得ることができる。

（１）概ね吸気行程から圧縮行程前半までの期間中に点火栓１３による放電及びマイクロ波発振を行うことで副燃焼室１２内にラジカルを生成した後に、圧縮行程終了時近傍で混合気に着火するので、副燃焼室１２内の体積点火する位置近傍に着火・燃焼しやすいラジカルが存在することとなり、副燃焼室１２内の着火ロバスト性向上及び燃焼期間短縮効果がさらに大きくなる。

（２）ラジカルを生成するときのマイクロ波の発振エネルギが、混合気に着火する際の発振エネルギよりも小さいので、ラジカル生成用のプラズマによって着火してしまう過早着火を防止することができる。

なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。

第１実施形態の概略構成図である。 第１実施形態の副燃焼室の拡大図である。 （ａ）は第１実施形態の運転流域マップ、（ｂ）は負荷に対するＥＧＲ率、λの特性図である。 マイクロ波発振エネルギの制御方法を説明するための図である。 第２実施形態の概略構成図である。 第２実施形態の副燃焼室の拡大図である。 可変動弁機構の構成図である。 （ａ）は第２実施形態の運転流域マップ、（ｂ）は負荷に対するＥＧＲ率、ＩＶＣの特性図である。 吸気・排気バルブの開閉タイミングを表す図である。 第２実施形態の副燃焼室の他の例を表す図である。 （ａ）は第３実施形態の運転流域マップ、（ｂ）は負荷に対するＥＧＲ率、ＩＶＣの特性図である。 ラジカル生成用のマイクロ波照射のタイミングを表す図である。 ラジカル生成量とマイクロ波発振エネルギとの関係を表す図である。 燃焼安定度及びＮＯｘ排出量と空燃比との関係を表す図である。

符号の説明

１ 主燃焼室
２ シリンダヘッド
３ シリンダブロック
４ ピストン
５ 吸気通路
６ 排気通路
７ 吸気バルブ
８ 排気バルブ
９ 吸気カムシャフト
１０ 排気カムシャフト
１１ 燃料噴射弁
１２ 副燃焼室
１３ 点火栓
１４ マイクロ波発振用アンテナ
１５ 点火コイル
１６ マイクロ波発振装置
１７ エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
１８ 同軸ケーブル
１９ 隔壁
２０ 噴孔
２１ 駆動軸
２２ 偏心カム
２３ リンクアーム
２４ 可変動弁用ロッカーアーム
２５ リンク部材
２６ 揺動カム
２７ 制御軸
２８ 偏心カム部
２９ 連結ピン
３０ 連結ピン
３１ 連結ピン
３２ 位相可変機構
３３ リフト・作動角可変機構
３４ リフト・作動角制御用油圧アクチュエータ
３５ スプロケット
３６ バルブリフタ

Claims (14)

1. 主燃焼室と、
   前記主燃焼室と隣接して設けられ前記主燃焼室と比べて容積が小さい副燃焼室と、
   前記副燃焼室を画成する隔壁と、
   前記隔壁に設けられ前記主燃焼室と前記複燃焼室とを連通する噴孔と、
   前記副燃焼室内に設けた点火栓と、
   前記副燃焼室内の電界強度を高める電界強度強化手段と、
   を備え、
   混合気への着火時には、少なくとも前記点火栓の放電中に前記電界強度強化手段により前記点火栓の放電ギャップ部周辺の電界強度を高めることを特徴とする内燃機関の燃焼制御装置。
2. 前記電界強度強化手段は前記副燃焼室に臨むマイクロ波発振用アンテナを有するマイクロ波発振装置であって、
   少なくとも前記点火栓の放電中にマイクロ波発振を行うことで前記点火栓の放電ギャップ部周辺の電界強度を高めることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
3. 前記隔壁の少なくとも内部表面材質は金属であり、かつ前記噴孔の径はマイクロ波の波長よりも小さいことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
4. 前記放電ギャップ及び前記マイクロ波発振用アンテナ先端部近傍を含む前記副燃焼室の断面図において、
   前記副燃焼室の前記主燃焼室側部分の形状が楕円の一部となっており、
   前記楕円の一方の焦点近傍に前記放電ギャップが、他方の焦点近傍に前記マイクロ波発振用アンテナ先端部がそれぞれ位置することを特徴とする請求項２または３に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
5. 前記楕円の長軸がピストン進行方向に略直交することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
6. 前記楕円の短軸がピストン進行方向に略直交することを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
7. 機関運転状態に応じて前記マイクロ波発振装置のマイクロ波発振出力またはマイクロ波発振時間の少なくとも一方を変化させることによってマイクロ波発振エネルギを制御することを特徴とする請求項２から６のいずれか一つに記載の内燃機関の燃焼制御装置。
8. 機関負荷が低いほど前記少なくとも点火栓の放電中に発振するマイクロ波発振エネルギを高くすることを特徴とする請求項７に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
9. 希薄燃焼またはＥＧＲガス導入による希釈燃焼を行う運転領域を有する内燃機関の燃焼制御装置において、
   少なくとも前記希薄燃焼またはＥＧＲガス導入による希釈燃焼を行う運転領域では、混合気の空燃比が低いほど、またはＥＧＲガス導入量が多いほど、前記少なくとも点火栓の放電中に発振するマイクロ波発振エネルギを高くすることを特徴とする請求項７または８に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
10. 機関負荷の調整を吸気弁閉時期の制御によって行い、機関負荷が低くなるほど吸気弁閉時期をピストン下死点時期より進角または遅角させて実圧縮比を低下させる運転領域を有する内燃機関の燃焼制御装置において、
    少なくとも前記運転領域では、機関低負荷時の前記少なくとも点火栓の放電中に発振するマイクロ波発振エネルギを機関高荷時に比べて高くすることを特徴とする請求項７から９のいずれか一つに記載の内燃機関の燃焼制御装置。
11. 機関回転速度が高いほど、前記少なくとも点火栓の放電中に発振するマイクロ波の発振エネルギを高くすることを特徴とする請求項７から１０のいずれか一つに記載の内燃機関の燃焼制御装置。
12. 機関回転速度が高いほど、前記少なくとも点火栓の放電中に発振するマイクロ波の発振出力を高くし、かつ発振時間を短くすることを特徴とする請求項１１に記載の内燃機関の燃焼制御装置。
13. 概ね吸気行程から圧縮行程前半までの期間中に前記点火栓による放電及び前記マイクロ波発振装置によるマイクロ波発振を行うことで前記副燃焼室内にラジカルを生成した後に、圧縮行程終了時近傍で混合気に着火することを特徴とする請求項２から１２のいずれか一つに記載の内燃機関の燃焼制御装置。
14. 前記ラジカルを生成するときのマイクロ波の発振エネルギが、混合気に着火する際の発振エネルギよりも小さいことを特徴とする請求項１３に記載の内燃機関の燃焼制御装置。