JP2014025369A

JP2014025369A - 圧縮自己着火式エンジン

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Publication number: JP2014025369A
Application number: JP2012164500A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Fujimoto; 昌彦藤本; Hiroyuki Yamashita; 洋幸山下; Ryo Kiyosue; 涼清末
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2012-07-25
Filing date: 2012-07-25
Publication date: 2014-02-06
Anticipated expiration: 2032-07-25
Also published as: JP5906982B2

Abstract

【課題】ＨＣＣＩ燃焼が可能な運転領域を高負荷域まで拡大しつつＮＯｘの発生量を抑制する。
【解決手段】エンジンは、気筒１内に燃料を噴射するインジェクタ１０と、気筒１内にオゾンを供給するオゾン供給手段（１１）と、インジェクタ１０およびオゾン供給手段（１１）の動作を制御する制御手段（３０）とを備える。制御手段（３０）は、エンジンの高負荷域において、上記オゾン供給手段（１１）からオゾンが供給された気筒１内で上記インジェクタ１０からの噴射燃料をＨＣＣＩ燃焼させ、且つ上記インジェクタ１０からの燃料の噴射時期を圧縮行程の後期に設定する。
【選択図】図４

Description

本発明は、幾何学的圧縮比が１４以上に設定された気筒を有するとともに、気筒内に供給される燃料を空気と混合した後に自着火させるＨＣＣＩ燃焼が可能な圧縮自己着火式エンジンに関する。

エンジンの燃焼形式として、一般に、予混合燃焼と拡散燃焼の２種類がよく知られている。予混合燃焼とは、燃料と空気とを予め混合して得た混合気（予混合気）を火花点火により燃焼させる燃焼形式であり、ガソリンを燃料として用いるガソリンエンジンに代表的に採用されている。拡散燃焼とは、圧縮された高温・高圧の空気に燃料を供給することで燃料と空気とを拡散、混合しながら燃焼させる燃焼形式であり、軽油を燃料として用いるディーゼルエンジンに代表的に採用されている。

これに対し、近年、予混合燃焼でも拡散燃焼でもない新しい燃焼形式として、予混合圧縮着火燃焼を実用化する研究が進められている。予混合圧縮着火燃焼とは、燃料と空気とを予め混合して得た混合気（予混合気）を、火花点火ではなく圧縮によって自着火させる燃焼形式である。以下では、このような予混合圧縮着火燃焼のことを、ＨＣＣＩ燃焼（Homogeneous-Charge Compression Ignition Combustion）と称する。

ＨＣＣＩ燃焼は、エンジンの気筒内で混合気が同時多発的に燃焼する形態であるため、火花点火を用いた従来の予混合燃焼と比べて、空燃比リーンな条件でも燃焼期間を短くでき、熱効率に優れた安定した燃焼が得られるといった利点がある。その反面、ノッキングも失火も起こさない適正な燃焼を成立させるための条件の範囲が狭く、このことが、ＨＣＣＩ燃焼を車載用エンジンに適用することを困難にしていた。

このような問題に取り組んだ従来技術として、例えば下記特許文献１が知られている。この特許文献１に開示されたエンジンは、気筒内にプラズマを放出可能な放電部を備えており、この放電部への印加電圧および印加時間が制御されることで、プラズマによる投入エネルギーがエンジンの運転状態に応じて制御されるようになっている。

特開２００７−３０９１６０号公報

上記特許文献１の技術によれば、プラズマによる投入エネルギーに基づいて、ラジカル（活性種）を含む活性化された混合気の分布が制御されるので、従来よりも幅広い運転領域で適正なＨＣＣＩ燃焼を行わせることができると考えられる。具体的に、同文献では、エンジン回転速度が高いかまたはエンジン負荷が低い場合に、プラズマによる投入エネルギーを相対的に増やすようにしている。すなわち、エンジン回転速度が高いかまたはエンジン負荷が低いと、混合気の着火性が悪化することから、それを混合気の活性化によって補うことにより、ＨＣＣＩ燃焼が可能な運転領域を拡大しようというものである。

一方、上記特許文献１において、エンジンの負荷が高まるか回転速度が低くなった場合には、着火性が良好で混合気を活性化する必要がなくなるので、プラズマによる投入エネルギーを減らすか、またはプラズマの放出を停止すればよい。プラズマの放出を停止しても混合気が着火するということは、裏を返せば、ピストンの圧縮（それによる筒内の高温・高圧化）のみによって充分に混合気が活性化されるということである。しかしながら、特にエンジンの高負荷域のような燃料の噴射量が多い条件下で、むやみに混合気の活性化を許してしまうと、燃焼のピーク温度が上昇してＮＯｘが発生し易い条件になり、エミッション性が悪化するという問題がある。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、ＨＣＣＩ燃焼が可能な運転領域を高負荷域まで拡大しつつＮＯｘの発生量を効果的に抑制することが可能な圧縮自己着火式エンジンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するためのものとして、本発明は、幾何学的圧縮比が１４以上に設定された気筒を有するとともに、気筒内に供給される燃料を空気と混合した後に自着火させるＨＣＣＩ燃焼が可能な圧縮自己着火式エンジンであって、気筒内に燃料を噴射するインジェクタと、気筒内にオゾンを供給するオゾン供給手段と、上記インジェクタおよびオゾン供給手段の動作を制御する制御手段とを備え、上記制御手段は、少なくともエンジンの高負荷域において、上記オゾン供給手段からオゾンが供給された気筒内で上記インジェクタからの噴射燃料をＨＣＣＩ燃焼させ、且つ上記インジェクタからの燃料の噴射時期を圧縮行程の後期に設定する、ことを特徴とするものである（請求項１）。

本発明では、オゾンが供給された気筒内に圧縮行程の後期という遅れたタイミングで燃料が噴射されるので、ピストンが圧縮上死点に至るまでの間に低温酸化反応が起きることが回避される一方、オゾンがもたらす化学反応の促進作用により、圧縮上死点付近からいきなり高温酸化反応が発生するようになる。このようなＨＣＣＩ燃焼では、低温酸化反応が伴っていない分、燃焼のピーク温度が低下するので、気筒内の温度をＮＯｘの発生温度未満に抑えることができ、高負荷域で問題になり易いＮＯｘ発生量の増加を効果的に抑制することができる。したがって、本発明によれば、ＨＣＣＩ燃焼を高負荷域でも実行することでエンジンの熱効率を大幅に改善しつつ、ＮＯｘの発生を効果的に抑制することができる。

具体的に、上記インジェクタから噴射される燃料にガソリンが含有される場合、上記高負荷域での燃料の噴射時期は、圧縮上死点前５０°ＣＡから圧縮上死点までのいずれかに設定されることが好ましい（請求項２）。

本発明において、好ましくは、上記制御手段は、上記高負荷域でＨＣＣＩ燃焼を実行する際、エンジンの回転速度が高くなるほど燃料の噴射時期を進角させ且つオゾンの供給量を減少させる（請求項３）。

このように、単位時間あたりのクランク角の変化量が大きい高回転側ほど燃料の噴射時期を進角させるようにした場合には、燃料の受熱時間（燃料が高温条件に晒される実時間）が高回転域で不足する事態を回避して、高回転域での失火を確実に防止することができる。また、燃料の噴射時期が進角されるのに伴いオゾンの供給量を減少させることにより、燃料の着火性を確保しつつ、オゾンの供給に要するエネルギーを節約することができる。

以上説明したように、本発明によれば、ＨＣＣＩ燃焼が可能な運転領域を高負荷域まで拡大しつつＮＯｘの発生量を効果的に抑制することが可能な圧縮自己着火式エンジンを提供することができる。

本発明の一実施形態にかかるエンジンの全体構成を示す図である。オゾンを供給した場合のＨＣＣＩ燃焼の態様と、オゾンを供給しなかった場合のＨＣＣＩ燃焼の態様とを比較して示す図である。オゾンを供給しつつ吸気行程噴射を実行した場合の熱発生率の変化と、オゾンを供給しつつリタード噴射を実行した場合の熱発生率の変化とを比較して示す図である。オゾンを供給しつつ吸気行程噴射を実行した場合の筒内温度の変化と、オゾンを供給しつつリタード噴射を実行した場合の筒内温度の変化とを比較して示す図である。

（１）エンジンの全体構成
図１は、本発明の一実施形態にかかるエンジンの全体構成を示す図である。本図に示されるエンジンは、燃料を空気と混合した後に自着火させるＨＣＣＩ燃焼が可能な圧縮自己着火式エンジンであり、走行用の動力源として車両に搭載されている。このエンジンは、内部に気筒１が形成されたシリンダブロック２と、シリンダブロック２の上面に設けられたシリンダヘッド３と、シリンダブロック２の気筒１に往復摺動可能に挿入されたピストン４とを有している。

上記ピストン４は、エンジンの出力軸であるクランク軸７とコネクティングロッド６を介して連結されている。ピストン４の上方には燃焼室が区画形成されており、この燃焼室で行われる燃焼（後述するインジェクタ１０から噴射される燃料のＨＣＣＩ燃焼）のエネルギーにより、上記ピストン４が気筒１内で往復運動（上下運動）するとともに、これに伴い上記クランク軸７が中心軸回りに回転するようになっている。また、上記シリンダブロック２には、上記クランク軸７の回転速度をエンジンの回転速度として検出するエンジン速度センサＳＷ１が設けられている。

上記シリンダヘッド３には、気筒１内に燃料を噴射するためのインジェクタ１０が設けられている。インジェクタ１０は、その先端部がピストン４の上面を臨むように設けられており、図外の燃料供給管から供給される燃料を先端部から噴射することにより、気筒１内に燃料を供給する。なお、インジェクタ１０から噴射される燃料は、ＨＣＣＩ燃焼が可能な燃料であればその種類を問わないが、当実施形態では、ガソリンもしくはガソリンを主成分とする燃料（例えばガソリンにエタノールを添加したもの）が用いられる。

上記エンジンの出力トルクは、車両に設けられたアクセルペダル２５によって制御される。すなわち、このアクセルペダル２５の開度（踏み込み量）に応じて、上記インジェクタ１０からの燃料の噴射量が制御され、それによってエンジンの出力トルクが制御される。また、アクセルペダル２５には、その開度（アクセル開度）を検出するためのアクセル開度センサＳＷ２が設けられている。

上記シリンダヘッド３には、吸気ポート１２および排気ポート１３と、各ポート１２，１３を開閉する吸気弁１４および排気弁１５とが設けられている。吸気弁１４および排気弁１５は、シリンダヘッド３に配設された一対のカムシャフト等を含む動弁機構（図示省略）により、クランク軸７の回転に連動して開閉駆動される。

上記吸気ポート１２には、気筒１内に吸入空気（新気）を導入するための吸気通路１８が接続されており、上記排気ポート１３には、気筒１で生成された排気ガス（燃焼ガス）を外部に排出するための排気通路１９が接続されている。

ここで、当実施形態のエンジンでは、ＨＣＣＩ燃焼を実現するために、気筒１の幾何学的圧縮比が１４以上３０以下という高い値に設定されている。なお、幾何学的圧縮比とは、ピストン４が下死点にあるときの燃焼室容積と、ピストン４が上死点にあるときの燃焼室容積との比である。

また、ＨＣＣＩ燃焼が行われる当実施形態のエンジンは、次のような燃焼サイクルによって運転される。まず、吸気行程において、吸気弁１４が開かれて、上記吸気通路１８からの吸入空気が吸気ポート１２を通じて気筒１の内部（燃焼室）に導入される。次いで、圧縮行程において、インジェクタ１０から燃料が噴射されて、噴射された燃料が気筒１内の空気と混合されて混合気が形成されるとともに、この混合気がピストン４の上昇によって圧縮され、高温・高圧化する。すると、高温・高圧化した混合気が自着火により燃焼し始め（ＨＣＣＩ燃焼）、続く膨張行程において、その燃焼による膨張エネルギーがピストン４に作用してピストン４が押し下げられる。次いで、排気行程において、ピストン４が上昇に転じるとともに、排気弁１５が開かれて、上記燃焼により生成された排気ガスが排気ポート１３および排気通路１９を通じて外部に排出される。排気行程の後は、再び吸気行程に戻ることにより、吸気、圧縮、膨張、排気の各行程が繰り返される。

上記シリンダヘッド３には、気筒１内にプラズマを放出するプラズマリアクタ１１が設けられている。具体的に、このプラズマリアクタ１１は、気筒１内にプラズマを放出することにより、気筒１内の分子やイオンを化学的に反応し易いラジカル（活性種）に変化させるとともに、オゾン（Ｏ₃）を発生させる。すなわち、プラズマリアクタ１１は、本発明にかかるオゾン供給手段として機能するものである。なお、プラズマリアクタ１１は、オゾン生成のためのプラズマを放出できるものであればその種類を問わないが、例えば、針状の中心電極と、これを包囲する周囲電極とを有し、両電極の間に極短パルス状または高周波の高電界を印加することが可能なものが用いられる。

以上のように構成されたエンジンは、その各部がＥＣＵ（エンジン制御ユニット）３０により統括的に制御される。ＥＣＵ３０は、周知のとおり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されるマイクロプロセッサであり、本発明にかかる制御手段として機能するものである。

上記ＥＣＵ３０は、上記エンジン速度センサＳＷ１およびアクセル開度センサＳＷ２を含む各種センサと電気的に接続されており、これら各センサからの入力信号に基づいて、エンジンの回転速度やアクセル開度といった種々の情報を取得する。

また、上記ＥＣＵ３０は、上記インジェクタ１０およびプラズマリアクタ１１と電気的に接続されており、上記各センサから取得した種々の情報に基づく演算等を実行しながら、上記各機器１０，１１にそれぞれ駆動用の制御信号を出力する。具体的に、ＥＣＵ３０は、インジェクタ１０からの燃料の噴射時期や噴射量、およびプラズマリアクタ１１からのオゾンの供給量等を、各時点でのエンジンの運転状態に応じた適切な値になるようにそれぞれ制御する。なお、オゾンの供給量は、プラズマリアクタ１１に印加される電圧および印加時間の少なくとも一方が調節されることで制御される。

（２）オゾン供給の意義
次に、上記プラズマリアクタ１１を用いてオゾンを供給する意義について説明する。プラズマリアクタ１１によりオゾンが供給されると、通常よりも低い温度条件で化学反応が進行し、ＨＣＣＩ燃焼が促進される。その理由は、次のとおりである。

ＨＣＣＩ燃焼は、冷炎反応、青炎反応、熱炎反応、ＣＯの酸化反応という４段階の燃焼を経て完結することが知られている。ただし、青炎反応からＣＯの酸化反応へと至る３段階は、一連のまとまった燃焼として観察されるのが一般的である。このため、当明細書では、青炎反応からＣＯの酸化反応へと至る主燃焼の部分を「高温酸化反応」といい、その前の冷炎反応の部分を「低温酸化反応」という。

圧縮行程の途中までにオゾン（Ｏ₃）を気筒１内に供給すると、供給されたオゾンは、圧縮行程が進行して気筒１内が所定温度（例えば５００〜６００Ｋ程度）まで上昇した時点で分解され、Ｏラジカルを生成する。Ｏラジカルは強力な酸化力を有するので、このＯラジカルが存在することにより、通常よりも低い温度条件でも化学反応が進行し、ＨＣＣＩ燃焼が促進される。ただし、本願発明者が行った研究によると、このＨＣＣＩ燃焼における反応の進み方は、インジェクタ１０からの燃料噴射を開始する時期（噴射時期）によって、以下のように異なることが分かった。

まず、燃料の噴射時期が早かった場合について説明する。ここでは、吸気行程中か、遅くとも圧縮行程の中期以前にインジェクタ１０から燃料が噴射されるものとする。このような早いタイミングで気筒１内に燃料が噴射されると、上記のオゾン分解に伴うＯラジカルの生成時点（気筒１内が５００〜６００Ｋ程度になる時点）までに、燃料が充分に分散して気化し、その分散、気化した燃料にＯラジカルが作用することで、通常よりも低い温度条件で低温酸化反応（冷炎反応）が起きる。低温酸化反応が一旦起きると、それによって気筒１内が高温化するので、その後の高温酸化反応（青炎反応以降の化学反応）も促進される。

図２は、オゾンを供給した場合のＨＣＣＩ燃焼の態様とオゾンを供給しなかった場合のＨＣＣＩ燃焼の態様とを比較して示す図である。この図２において、横軸は圧縮上死点後のクランク角（ｄｅｇＡＴＤＣ）であり、縦軸は熱発生率（Ｊ／ｄｅｇ）である。本図によれば、オゾンを２２ｐｐｍ供給した場合（Ｏ₃＝２２ｐｐｍ）には、オゾンを供給しなかった場合（Ｏ₃＝０ｐｐｍ）に比べて、ＨＣＣＩ燃焼が促進されていることが分かる。

具体的に、図２に示す２種類の燃焼波形には、いずれも、圧縮上死点（クランク角＝０ｄｅｇ）よりも少し手前の時期に、熱発生率がわずかに立ち上がる部分が存在している。これは、低温酸化反応が生じていることを表している。図２には、合わせて、この部分を拡大した図を示しており、この拡大図からも明らかなように、オゾンを供給した場合には、オゾンを供給しなかった場合に比べて、より早い時期で低温酸化反応が起きている。このことが、その後の高温酸化反応を促進し、混合気の着火時期、つまり高温酸化反応の開始時期を早める役割を果たしているといえる。

次に、燃料の噴射時期が遅い場合、より具体的には、圧縮行程の後期にインジェクタ１０から燃料が噴射された場合について説明する。圧縮行程の後期のような遅れたタイミングで燃焼が噴射されると、上記のＯラジカルの生成時点において、燃料は、未だ気筒１内に噴射されていないか、噴射されていたとしても、未だ充分に気化していないことになる。このため、噴射時期が早い場合と異なり、オゾン分解に伴いＯラジカルが生成されても、その直後から低温酸化反応が始まるようなことはない。

燃料の噴射時期が遅い場合、燃料成分の化学反応は、Ｏラジカルの生成後、さらにピストン４が上昇して圧縮上死点の前後まで移動してから始まる。すなわち、ピストン４が圧縮上死点の前後まで移動して、噴射された燃料が充分に気化された時点で、Ｏラジカルの酸化力が効いて、燃料の化学反応が始まる。ただし、この時点では、気筒１内が充分に高温・高圧になっているため、低温酸化反応ではなく、いきなり高温酸化反応（青炎反応以降の化学反応）が始まる。

図３は、オゾン供給下でのＨＣＣＩ燃焼を、燃料の噴射時期が早い場合と遅い場合とで比較して示す図である。図３の実線の波形は、燃料の噴射時期を圧縮上死点前（ＢＴＤＣ）２０°ＣＡに設定した場合に生じる熱発生率を示しており、一点鎖線の波形は、燃料の噴射時期を吸気行程中に設定した場合に生じる熱発生率の変化を示している。実線の波形および一点鎖線の波形のいずれにおいても、燃料を噴射する前に気筒１内にオゾンを供給しており、そのオゾンの供給量と、燃料の供給量とはともに同一である。

図３に示すように、オゾンを供給しつつ吸気行程中に燃料を噴射した場合には、低温酸化反応が起きた後に高温酸化反応が起きている一方、オゾンを供給しつつＢＴＤＣ２０°ＣＡ（圧縮上死点の２０°ＣＡ手前）で燃料を噴射した場合には、低温酸化反応を伴うことなく、いきなり高温酸化反応が起きていることが理解できる。

このことから、気筒１内にオゾンを供給しつつ、ＢＴＤＣ２０°ＣＡという圧縮行程の後期に属するタイミングで燃料を噴射すれば、低温酸化反応を伴わないＨＣＣＩ燃焼を引き起こすことが可能であると分かった。なお、このような低温酸化反応を伴わないＨＣＣＩ燃焼を引き起こすための噴射時期の好適例を挙げると、当実施形態のようにガソリンを含有する燃料を用いるエンジンの場合、噴射時期（噴射開始時期）は、好ましくは、ＢＴＤＣ５０〜０°ＣＡ（圧縮上死点）までのいずれかに設定され、より好ましくは、ＢＴＤＣ３０〜１０°ＣＡのいずれかに設定される。以下では、気筒１内にオゾンを供給しつつ圧縮行程の後期に燃料を噴射する制御、つまり低温酸化反応を伴わないＨＣＣＩ燃焼を引き起こすための制御のことを、「噴射リタードＨＣＣＩモード」といい、気筒１内にオゾンを供給しつつ遅くとも圧縮行程の中期以前に燃料を噴射する制御、つまり低温酸化反応を伴うＨＣＣＩ燃焼を引き起こすための制御のことを、「通常ＨＣＣＩモード」という。

（３）エンジンの負荷等に応じた制御
次に、当実施形態のエンジンがその運転状態に応じてどのように制御されるかを説明する。

（３−１）低負荷時
まず、エンジンの負荷が低い低負荷運転時の制御について説明する。エンジンの低負荷域では、インジェクタ１０からの燃料の噴射量が少なく、着火性が悪いといえる。そこで、確実にＨＣＣＩ燃焼を引き起こすために、エンジンの運転モードとしては、上述した通常ＨＣＣＩモードが選択される。すなわち、プラズマリアクタ１１からプラズマを放出させて気筒１内にオゾンを供給しつつ、吸気行程中か遅くとも圧縮行程の中期以前にインジェクタ１０から燃料を噴射させる制御が実行される。

具体的に、エンジンのＥＣＵ３０は、アクセル開度センサＳＷ２によって検出されるアクセルペダル２５の開度が所定値未満であり、エンジンの要求トルク（負荷）が相対的に低いと判断される場合に、通常ＨＣＣＩモードによる制御を実行する。通常ＨＣＣＩモードでは、上述したように、オゾンが供給されつつ燃料が早期に噴射されるので、オゾンの存在（より正確にはオゾンの分解により生じるＯラジカルの存在）が低温酸化反応を促進し、この低温酸化反応がさらに高温酸化反応を促進する。このため、たとえエンジンの負荷が低く着火性が悪くても、ＨＣＣＩ燃焼が確実に引き起こされる。

（３−２）高負荷時
次に、エンジンの負荷が高い高負荷運転時の制御について説明する。エンジンの高負荷域、つまり、アクセル開度センサＳＷ２によって検出されるアクセルペダル２５の開度が所定値以上のときは、インジェクタ１０からの燃料の噴射量が多く、混合気が着火し易いといえる。このため、上述したエンジン低負荷域での制御（通常ＨＣＣＩモード）と同様の制御を行うことはできない。そこで、高負荷域でのエンジンの運転モードとしては、上記通常ＨＣＣＩモードではなく、燃料の噴射時期を遅らせた噴射リタードＨＣＣＩモードが選択される。

具体的に、噴射リタードＨＣＣＩモードのとき、エンジンのＥＣＵ３０は、プラズマリアクタ１１からプラズマを放出させて気筒１内にオゾンを供給しつつ、圧縮行程の後期にインジェクタ１０から燃料を噴射させる制御を実行する。この噴射リタードＨＣＣＩモードでは、圧縮行程の後期（ＢＴＤＣ５０°〜０°ＣＡ、より好ましくはＢＴＤＣ３０〜１０°ＣＡ）という遅れたタイミングで燃料が噴射されるために、低温酸化反応が起きる暇がなく、いきなり高温酸化反応が起きる。このことは、燃焼のピーク温度を抑えることにつながるので、エンジンの負荷が高く燃料の噴射量が多い状況でも、燃焼のピーク温度が過度に上昇することがなく、適正なＨＣＣＩ燃焼が実現される。

ここで、噴射リタードＨＣＣＩモードにおいて、オゾンの供給量や燃料の噴射時期は、エンジンの回転速度によって次のように調整される。すなわち、ＥＣＵ３０は、エンジン速度センサＳＷ１によって検出されるエンジンの回転速度が高いほど、インジェクタ１０からの燃料の噴射時期を早くする（進角させる）とともに、プラズマリアクタ１１からのオゾンの供給量を減少させる。逆に、エンジンの回転速度が低いほど、インジェクタ１０からの燃料の噴射時期を遅くする（遅角させる）とともに、プラズマリアクタ１１からのオゾンの供給量を増大させる。

（４）作用等
以上説明したように、当実施形態では、燃料を空気と混合した後に自着火させるＨＣＣＩ燃焼が可能な圧縮自己着火式エンジンにおいて、次のような特徴的な構成を採用した。

エンジンは、気筒１内に燃料を噴射するインジェクタ１０と、気筒１内にオゾンを供給するプラズマリアクタ１１（オゾン供給手段）と、インジェクタ１０およびプラズマリアクタ１１の動作を制御するＥＣＵ３０（制御手段）とを備える。ＥＣＵ３０は、エンジンの高負荷域において、上記プラズマリアクタ１１からオゾンが供給された気筒１内で上記インジェクタ１０からの噴射燃料をＨＣＣＩ燃焼させ、且つ上記インジェクタ１０からの燃料の噴射時期を圧縮行程の後期に設定する（噴射リタードＨＣＣＩモード）。このような構成によれば、ＨＣＣＩ燃焼が可能な運転領域を高負荷域まで拡大しつつＮＯｘの発生量を効果的に抑制できるという利点がある。

すなわち、上記実施形態では、オゾンが供給された気筒１内に圧縮行程の後期という遅れたタイミングで燃料が噴射されるので、ピストン４が圧縮上死点に至るまでの間に低温酸化反応が起きることが回避される一方、オゾンがもたらす化学反応の促進作用により、圧縮上死点付近からいきなり高温酸化反応が発生するようになる。このようなＨＣＣＩ燃焼では、低温酸化反応が伴っていない分、燃焼のピーク温度が低下するので、気筒１内の温度をＮＯｘの発生温度未満に抑えることができ、高負荷域で問題になり易いＮＯｘ発生量の増加を効果的に抑制することができる。したがって、上記実施形態によれば、ＨＣＣＩ燃焼を高負荷域でも実行することでエンジンの熱効率を大幅に改善しつつ、ＮＯｘの発生を効果的に抑制することができる。

図４は、オゾンを供給しつつ吸気行程噴射を実行した場合（通常ＨＣＣＩモード）と、オゾンを供給しつつリタード噴射を実行した場合（噴射リタードＨＣＣＩモード）とで、気筒１内の温度がどの程度異なるかを示した図である。なお、図４では、通常ＨＣＣＩモードのときと噴射リタードＨＣＣＩモードのときとで、燃料の噴射量とオゾンの供給量とをともに同一とし（オゾンの供給量は６ｐｐｍ）、噴射リタードＨＣＣＩモードのときの噴射時期はＢＴＤＣ２０°ＣＡとした。また、上記２つのＨＣＣＩモードのときの温度波形に加えて、オゾンを供給することなくリタード噴射を実行した場合の温度波形も合わせて図示した。

図４に示すように、吸気行程中のような早いタイミングで燃料が噴射される通常ＨＣＣＩモードでは、圧縮上死点よりも約２０°ＣＡ手前（−２０°ＣＡ）において筒内温度が少し盛り上がっており、これは、低温酸化反応が起きたことの現れである。一方、ＢＴＤＣ２０°ＣＡ（−２０°ＣＡ）という圧縮行程の後期に属するタイミングで燃料が噴射される噴射リタードＨＣＣＩモードでは、上記のような筒内温度の盛り上がりは見られず、低温酸化反応が起きていないことが分かる。なお、上記２つのＨＣＣＩモードの各温度波形を比較したときに、ほぼ−２０〜０°ＣＡの範囲に亘って温度差ΔＴが生じているのは、上記のような低温酸化反応の有無によるものである。

また、上記通常ＨＣＣＩモードおよび噴射リタードＨＣＣＩモードでは、ともに、圧縮上死点（０°ＣＡ）以降から筒内温度が急激に上昇しているが、これは、高温酸化反応が起きたことの現れである。ただし、この温度の急上昇部分のピーク値（燃焼のピーク温度）は異なっており、噴射リタードＨＣＣＩモードのときの燃焼のピーク温度の方が通常ＨＣＣＩモードのときの燃焼のピーク温度よりもかなり低くなっている。具体的に、噴射リタードＨＣＣＩモードのときのピーク温度が約１５００Ｋであるのに対し、通常ＨＣＣＩモードのときのピーク温度は約２１００Ｋであり、両者の間には約６００Ｋもの開きがある。これは、噴射リタードＨＣＣＩモードの方が通常ＨＣＣＩモードのときよりも高温酸化反応の開始時期（混合気の着火時期）が遅くなっていることも一因であるが、最も重要な原因は、低温酸化反応を伴っているか伴っていないかということである。すなわち、通常ＨＣＣＩモードの場合は、高温酸化反応が起きる前に低温酸化反応が起きているため、低温酸化反応の反応熱が筒内を高温化し、そのことが燃焼のピーク温度の大幅な上昇を招いている。これに対し、噴射リタードＨＣＣＩモードの場合は、低温酸化反応を伴っておらず、それによる反応熱の上乗せがないため、燃焼のピーク温度が低く抑えられている。

なお、「Ｏ₃なし」の温度波形では、圧縮行程の後期に燃料を噴射するリタード噴射を維持しながら、オゾンの供給をストップしているが、このようにした場合には、低温酸化反応が起きないのはもちろんのこと、圧縮上死点付近に至っても温度の急上昇が見られず、高温酸化反応も起きていない（つまり失火している）ことが分かる。このことから、リタード噴射した燃料を、低温酸化反応を経ずにいきなり高温酸化反応させるには、化学反応を促進する作用のあるオゾンの供給が不可欠であることが分かる。

ここで、噴射リタードＨＣＣＩモードのときの燃焼のピーク温度（約１５００Ｋ）は、ＮＯｘが発生し易くなる温度（約１８００Ｋ）に比べれば充分に低いといえる。このため、たとえエンジン負荷が高くても、噴射リタードＨＣＣＩモードで運転すれば、ＮＯｘの発生量はごく小さい値に抑えられることが分かる。一方、通常ＨＣＣＩモードでは、燃焼のピーク温度が１８００Ｋを大きく超えているので、多量のＮＯｘが発生してしまう。このため、ＮＯｘ吸蔵触媒等の特殊な触媒をエンジンの排気通路１９に設けるなどの措置が必要になり、大幅なコストアップ等を招くことになる。

もちろん、通常ＨＣＣＩモードと同様に吸気行程中のような早い時期に燃料を噴射しながら、オゾンの供給をストップするということも考えられる。このようにすれば、オゾンがもたらす化学反応の促進作用がなくなるので、燃焼のピーク温度が多少低下するからである。しかしながら、低温酸化反応が起きること自体は変わらないので、燃焼のピーク温度は依然としてＮＯｘの発生温度（１８００Ｋ）を超えてしまい、多量のＮＯｘが発生することになる。

以上のことから、エンジンの高負荷域において、ＮＯｘの発生を充分に抑制しつつ適正なＨＣＣＩ燃焼を実現するには、上記噴射リタードＨＣＣＩモードのように、気筒１内にオゾンを供給しながら圧縮行程の後期に燃料を噴射することが有効である。

また、上記実施形態では、上記噴射リタードＨＣＣＩモードでの運転時、エンジンの回転速度が高くなるほど燃料の噴射時期を進角させ且つオゾンの供給量を減少させるようにした。このように、単位時間あたりのクランク角の変化量が大きい高回転側ほど燃料の噴射時期を進角させるようにした場合には、燃料の受熱時間（燃料が高温条件に晒される実時間）が高回転域で不足する事態を回避して、高回転域での失火を確実に防止することができる。また、燃料の噴射時期が進角されるのに伴いオゾンの供給量を減少させることにより、燃料の着火性を確保しつつ、オゾンの供給に要するエネルギーを節約することができる。

なお、上記実施形態では、エンジンの気筒１内に直接プラズマを放出し得る位置にプラズマリアクタ１１を設けたが、プラズマリアクタ１１は、プラズマの放出に伴い生じるオゾンを気筒１内に供給できるものであればよく、例えば、吸気ポート１２に向けてプラズマを放出するものであってもよい。

また、上記実施形態では、プラズマの放出によってオゾンを供給するプラズマリアクタ１１をオゾン供給手段として設けたが、オゾン供給手段は、オゾンを供給できるものであればよく、必ずしもプラズマを用いたものに限られない。

１気筒
１０インジェクタ
１１プラズマリアクタ（オゾン供給手段）
３０ＥＣＵ（制御手段）

Claims

幾何学的圧縮比が１４以上に設定された気筒を有するとともに、気筒内に供給される燃料を空気と混合した後に自着火させるＨＣＣＩ燃焼が可能な圧縮自己着火式エンジンであって、
気筒内に燃料を噴射するインジェクタと、
気筒内にオゾンを供給するオゾン供給手段と、
上記インジェクタおよびオゾン供給手段の動作を制御する制御手段とを備え、
上記制御手段は、少なくともエンジンの高負荷域において、上記オゾン供給手段からオゾンが供給された気筒内で上記インジェクタからの噴射燃料をＨＣＣＩ燃焼させ、且つ上記インジェクタからの燃料の噴射時期を圧縮行程の後期に設定する、
ことを特徴とする圧縮自己着火式エンジン。
請求項１記載の圧縮自己着火式エンジンにおいて、
上記インジェクタから噴射される燃料にガソリンが含有され、
上記高負荷域での燃料の噴射時期が、圧縮上死点前５０°ＣＡから圧縮上死点までのいずれかに設定される、
ことを特徴とする圧縮自己着火式エンジン。
請求項１または２記載の圧縮自己着火式エンジンにおいて、
上記制御手段は、上記高負荷域でＨＣＣＩ燃焼を実行する際、エンジンの回転速度が高くなるほど燃料の噴射時期を進角させ且つオゾンの供給量を減少させる、
ことを特徴とする圧縮自己着火式エンジン。