JP2020037894A - Premixed compression ignition engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃焼室に噴射された燃料を空気と混合した上で圧縮着火させる予混合圧縮着火式エンジン、特に、燃焼を促進するための非平衡プラズマを燃焼室に供給することが可能な予混合圧縮着火式エンジンに関する。 The present invention relates to a premixed compression-ignition engine in which fuel injected into a combustion chamber is mixed with air and then compression-ignited, in particular, a premixed compression-ignition engine capable of supplying a non-equilibrium plasma for promoting combustion to the combustion chamber. The present invention relates to a mixed compression ignition type engine.
非平衡プラズマを利用した予混合圧縮着火式エンジンの一例として、下記特許文献1のものが知られている。この特許文献1の予混合圧縮着火式エンジンは、ガソリンを含有する燃料を燃焼室に噴射するインジェクタと、非平衡プラズマ(ストリーマ放電)を生じさせることにより活性種としてのオゾンを燃焼室に供給するオゾン生成装置とを備えている。
As an example of a premixed compression ignition engine using non-equilibrium plasma, the one disclosed in
また、前記と同様のエンジンを開示するものとして、下記特許文献2も知られている。
Also,
前記特許文献1、2によれば、活性種としてのオゾンが混合気に供給されることにより、特に低温での燃焼が促進され、圧縮着火燃焼が安定化するという利点がある。
According to
しかしながら、前記特許文献1、2では、混合気とオゾンとが全体的に混在した状態で圧縮着火燃焼が行われるので、不用意に多くのオゾンを供給した場合には、燃焼が過度に急峻化して大きな燃焼騒音等が発生するおそれがあった。一方、燃焼騒音の抑制のためにオゾンの供給量を減らした場合には、特に燃焼室の温度が低くなる燃焼後半における燃焼速度が遅くなり、熱効率が低下してしまうという問題がある。
However, in
本発明は、前記のような事情に鑑みてなされたものであり、燃焼騒音を適正なレベルに抑えながら燃焼速度を十分に速めることが可能な予混合圧縮着火式エンジンを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a premixed compression ignition engine capable of sufficiently increasing a combustion speed while suppressing combustion noise to an appropriate level. I do.
前記課題を解決するためのものとして、本発明の予混合圧縮着火式エンジンは、燃焼室に燃料を噴射するインジェクタと、前記燃焼室の底面を規定する冠面を有するピストンと、前記燃焼室の天井面の中央付近に電極を有しかつ当該電極から非平衡プラズマを前記燃焼室内に放電するプラズマ生成プラグと、前記インジェクタから噴射された燃料を空気と混合しつつ圧縮着火させる予混合圧縮着火燃焼が実現されるように前記インジェクタおよび前記プラズマ生成プラグを制御する制御装置とを備え、前記プラズマ生成プラグの電極は、前記プラズマ生成プラグの先端から前記燃焼室の外周側に延びる形状を有し、前記制御装置は、圧縮上死点付近において前記インジェクタから噴射された燃料と空気の混合気の一部が前記燃焼室の外周部分に形成されるように前記インジェクタを制御するとともに、前記インジェクタによる燃料噴射の後、前記混合気が着火する前に、前記プラズマ生成プラグの前記電極から非平衡プラズマが放電されるように前記プラズマ生成プラグを制御する、ことを特徴とするものである(請求項1)。 In order to solve the above-mentioned problem, a homogeneous charge compression ignition type engine of the present invention includes an injector for injecting fuel into a combustion chamber, a piston having a crown defining a bottom surface of the combustion chamber, A plasma generating plug having an electrode near the center of the ceiling surface and discharging non-equilibrium plasma from the electrode into the combustion chamber, and premixed compression ignition combustion for compressing and igniting fuel injected from the injector while mixing it with air A control device that controls the injector and the plasma generation plug so that is realized, the electrode of the plasma generation plug has a shape extending from the tip of the plasma generation plug to the outer peripheral side of the combustion chamber, The control device may be configured such that a part of a mixture of fuel and air injected from the injector near a compression top dead center is an outer peripheral portion of the combustion chamber. Controlling the injector to be formed, and after the fuel injection by the injector, before the mixture is ignited, the plasma generating plug is discharged so that non-equilibrium plasma is discharged from the electrode of the plasma generating plug. Is controlled (claim 1).
本発明では、プラズマ生成プラグの電極が燃焼室の外周側に延びる形状を有しているとともに、燃焼室の外周部分に混合気が形成されて且つ燃焼室内に燃料が噴射されてから混合気が着火するまでの間にプラズマ生成プラグの電極から非平衡プラズマが放電される。そのため、非平衡プラズマの作用から生じるオゾンやOH等の活性種を、燃焼室の外周部分に存在する着火前の混合気に供給することができる。 In the present invention, the electrode of the plasma generation plug has a shape extending to the outer peripheral side of the combustion chamber, and the air-fuel mixture is formed on the outer peripheral portion of the combustion chamber and the air-fuel mixture is injected into the combustion chamber before the air-fuel mixture is injected. Until the ignition, the non-equilibrium plasma is discharged from the electrode of the plasma generating plug. For this reason, active species such as ozone and OH generated by the action of the non-equilibrium plasma can be supplied to the air-fuel mixture before ignition existing in the outer peripheral portion of the combustion chamber.
ここで、燃焼室の外周部分は、燃焼室の中央部分に比べて低温になる傾向にある。このため、仮に燃焼室の外周部分への活性種の供給がなかった場合、この外周部分の混合気は、燃焼室の中央部分の混合気に対して相当程度遅れて着火するとともに着火後の燃焼速度もかなり遅くなってしまう。これに対し、本発明では、前記のように、燃焼室の外周部分に混合気の着火前に活性種が供給されることで、活性種の作用によってこの外周部分の混合気の着火遅れを短縮できるとともに、当該混合気の燃焼を促進して燃焼速度(つまり燃焼の後半部の燃焼速度)を速めることができる。しかも、先に着火する燃焼室の中央部分の混合気の燃焼速度は特に変わらないので、燃焼の前半部に生じる圧力上昇が顕著になることはない。このため、燃焼騒音を適正なレベルに抑えながら、混合気の全体を短期間のうちに燃焼させることができ、十分に高い熱効率を得ることができる。 Here, the outer peripheral portion of the combustion chamber tends to be lower in temperature than the central portion of the combustion chamber. Therefore, if the active species is not supplied to the outer peripheral portion of the combustion chamber, the air-fuel mixture at the outer peripheral portion ignites with a considerable delay with respect to the air-fuel mixture at the central portion of the combustion chamber, and the combustion after ignition The speed will be quite slow. In contrast, in the present invention, as described above, the active species is supplied to the outer peripheral portion of the combustion chamber before the mixture is ignited, so that the effect of the active species reduces the ignition delay of the air-fuel mixture in the outer peripheral portion. At the same time, the combustion of the air-fuel mixture can be promoted to increase the combustion speed (that is, the combustion speed in the latter half of the combustion). In addition, since the combustion speed of the air-fuel mixture in the central portion of the combustion chamber that ignites first does not particularly change, the pressure rise that occurs in the first half of combustion does not become remarkable. Therefore, the entire air-fuel mixture can be burned in a short period of time while suppressing the combustion noise to an appropriate level, and a sufficiently high thermal efficiency can be obtained.
前記構成において、好ましくは、前記制御装置は、吸気行程中に燃料を前記燃焼室内に噴射する前段噴射と、圧縮行程中に燃料を前記燃焼室内に噴射する後段噴射とを、前記インジェクタに実施させる(請求項2)。 In the above configuration, preferably, the control device causes the injector to perform a first-stage injection for injecting fuel into the combustion chamber during an intake stroke and a second-stage injection for injecting fuel into the combustion chamber during a compression stroke. (Claim 2).
この構成によれば、後段噴射によって燃焼室の中央部分の混合気の燃料濃度を適度に高くして当該混合気を確実に着火させ、これにより燃焼室全体の混合気を確実に燃焼させることができる。そして、前記のように比較的着火しにくい燃焼室の外周部分に存在する混合気を非平衡プラズマの作用によって早期に燃焼させることができる。 According to this configuration, the fuel concentration of the air-fuel mixture in the central portion of the combustion chamber is appropriately increased by the latter-stage injection, and the air-fuel mixture is reliably ignited, thereby reliably burning the air-fuel mixture of the entire combustion chamber. it can. As described above, the air-fuel mixture existing in the outer peripheral portion of the combustion chamber, which is relatively difficult to ignite, can be burned early by the action of the non-equilibrium plasma.
前記構成において、好ましくは、前記制御装置は、前記前段噴射が終了してから前記後段噴射が開始されるまでの期間中に、前記プラズマ生成プラグの前記電極から放電がなされるように、前記プラズマ生成プラグを制御する(請求項3)。 In the above configuration, preferably, the control device is configured to discharge the plasma from the electrode of the plasma generation plug during a period from the end of the pre-injection to the start of the post-injection, The generation plug is controlled (claim 3).
この構成によれば、燃焼室内の圧力が比較的低いときに、プラズマ生成プラグの電極から放電がなされるため、より確実に多量の活性種を燃焼室の外周部分に供給することができる。また、後段噴射により燃焼室に供給された燃料と非平衡プラズマとの接触を回避して、ホルムアルデヒド等の燃焼を抑制する物質が生成されるのを抑制することができる。 According to this configuration, when the pressure in the combustion chamber is relatively low, discharge is performed from the electrode of the plasma generation plug, so that a large amount of active species can be more reliably supplied to the outer peripheral portion of the combustion chamber. Further, the contact between the fuel supplied to the combustion chamber by the latter-stage injection and the non-equilibrium plasma can be avoided, and the generation of substances that suppress combustion, such as formaldehyde, can be suppressed.
前記構成において、好ましくは、前記制御装置は、エンジン回転数が高いときの方が低いときよりも、クランク角度において前記プラズマ生成プラグの前記電極からの放電期間が長くなるように、前記プラズマ生成プラグを制御する(請求項4)。 In the above configuration, preferably, the control device is configured such that the plasma generation plug is configured such that a discharge period from the electrode of the plasma generation plug is longer at a crank angle than when the engine speed is higher than when the engine speed is lower. Is controlled (claim 4).
エンジン回転数が高いときは低いときよりも単位時間あたりにインジェクタから噴射される燃料の量が多くなることで、燃焼室の外周側の壁面等に燃料が付着しやすい。このため、エンジン回転数が高いときは低いときよりも燃焼室の外周部分の混合気が燃焼しにくい傾向にある。これに対して、この構成によれば、エンジン回転数が高いときに燃焼室の外周部分に多量の活性種を供給することができ、燃焼室の外周部分の混合気をより適切に燃焼させることができる。一方で、エンジン回転数が低いときはプラズマ生成プラグの放電期間つまり駆動期間が短く抑えられることで、プラズマ生成プラグの駆動に伴うエネルギー消費を抑制することができる。 When the engine speed is high, the amount of fuel injected from the injector per unit time is larger than when the engine speed is low, so that the fuel is more likely to adhere to the outer peripheral wall surface of the combustion chamber. Therefore, when the engine speed is high, the air-fuel mixture on the outer peripheral portion of the combustion chamber tends to be less likely to burn than when the engine speed is low. On the other hand, according to this configuration, a large amount of active species can be supplied to the outer peripheral portion of the combustion chamber when the engine speed is high, and the air-fuel mixture in the outer peripheral portion of the combustion chamber can be more appropriately burned. Can be. On the other hand, when the engine speed is low, the discharge period of the plasma generating plug, that is, the driving period is suppressed to be short, so that the energy consumption accompanying the driving of the plasma generating plug can be suppressed.
前記構成において、好ましくは、前記制御装置は、エンジン回転数が所定の基準回転数より高いときは、前記前段噴射が終了してから前記後段噴射が開始されるまでの期間中および前記後段噴射が終了してから前記混合気が着火するまでの期間中に前記プラズマ生成プラグの前記電極から非平衡プラズマが放電され、エンジン回転数が前記基準回転数以下のときは、前記後段噴射が終了してから前記混合気が着火するまでの期間中の前記プラズマ生成プラグの前記電極からの放電が停止されるように、前記プラズマ生成プラグを制御する(請求項5)。 In the above configuration, preferably, when the engine speed is higher than a predetermined reference speed, during the period from the end of the first-stage injection to the start of the second-stage injection and the second-stage injection, Non-equilibrium plasma is discharged from the electrode of the plasma generation plug during the period from the end to the time when the air-fuel mixture ignites, and when the engine speed is equal to or less than the reference speed, the post-injection ends. The plasma generation plug is controlled so that the discharge from the electrode of the plasma generation plug is stopped during a period from when the air-fuel mixture ignites (claim 5).
この構成によれば、エンジン回転数が基準回転数よりも高く前段噴射と後段噴射との間の時間が短いとき、および、前記のようにエンジン回転数が高いことで燃焼室の外周部分の混合気が比較的燃焼しにくいときに、プラズマ生成プラグの放電時間を確保できるので、燃焼室の外周部分の混合気に供給される活性種の量を確保することができる。また、エンジン回転数が基準回転数よりも低く前段噴射と後段噴射との間の時間が比較的長いときは、これらの噴射の間にプラズマ生成プラグから放電させることで多くの活性種を混合気に供給しつつ、プラズマ生成プラグの駆動機会を少なく抑えてこの駆動に伴うエネルギー消費を抑制することができる。 According to this configuration, when the engine speed is higher than the reference speed and the time between the first injection and the second injection is short, and when the engine speed is high as described above, mixing of the outer peripheral portion of the combustion chamber is prevented. When the gas is relatively difficult to burn, the discharge time of the plasma generating plug can be secured, so that the amount of active species supplied to the air-fuel mixture at the outer peripheral portion of the combustion chamber can be secured. When the engine speed is lower than the reference speed and the time between the first injection and the second injection is relatively long, a large amount of active species is mixed by discharging from the plasma generating plug during these injections. While driving the plasma generating plug, the number of opportunities for driving the plasma generating plug can be suppressed to reduce the energy consumption associated with the driving.
前記構成において、好ましくは、前記燃焼室の天井面には、その中央部を含む所定領域に絶縁体が設けられている(請求項6)。 In the above configuration, preferably, an insulator is provided in a predetermined region including a central portion of the ceiling surface of the combustion chamber (claim 6).
この構成によれば、プラズマ生成プラグの電極から燃焼室の天井面の中央部を含む領域に向けて放電がなされるのを防止でき、前記電極から燃焼室の外周部分に向けてより確実に放電させることができる。 According to this configuration, discharge can be prevented from being performed from the electrode of the plasma generation plug toward the region including the center of the ceiling surface of the combustion chamber, and the discharge can be more reliably performed from the electrode toward the outer peripheral portion of the combustion chamber. Can be done.
以上説明したように、本発明の予混合圧縮着火式エンジンによれば、燃焼騒音を適正なレベルに抑えながら燃焼速度を十分に速めることができる。 As described above, according to the homogeneous charge compression ignition engine of the present invention, the combustion speed can be sufficiently increased while suppressing the combustion noise to an appropriate level.
(1)全体構成
図1は、本発明の一実施形態にかかる予混合圧縮着火式エンジン(以下、単にエンジンともいう)の構成を示す概略平面図である。本図に示されるエンジンは、走行用の動力源として車両に搭載された4サイクルのガソリン直噴エンジンであり、列状に並ぶ4つの気筒2を含む直列多気筒型のエンジン本体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50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60と、排気通路60を流通する排気ガスの一部を吸気通路50に還流するEGR装置70を備えている。
(1) Overall Configuration FIG. 1 is a schematic plan view showing a configuration of a homogeneous charge compression ignition type engine (hereinafter, also simply referred to as an engine) according to an embodiment of the present invention. The engine shown in this figure is a four-cycle gasoline direct injection engine mounted on a vehicle as a power source for traveling, and includes an in-line
エンジン本体1には、気筒2の中心軸を通る面を挟んで一方側に後述する吸気弁11が設けられて他方側に後述する排気弁12が設けられている。本実施形態では、気筒2の配列方向(以下、気筒列方向という)に沿う面を挟んで一方側と他方側とにそれぞれ吸気弁11と排気弁12とが設けられている。以下では、気筒列方向と直交する方向を吸排気方向といい、この吸排気方向において、吸気弁11が設けられる側を吸気側、排気弁12が設けられる側を排気側という。
The
図2は、エンジン本体1の吸排気方向に沿った断面を模式的に示した図であり、図3は、吸排気方向と直交する方向(気筒配列方向)に沿ったエンジン本体1の断面を模式的に示した図である。なお、図2中のINは吸気側を、EXは排気側を示している。これら図2および図3に示すように、エンジン本体1は、前記4つの気筒2が内部に形成されたシリンダブロック3と、各気筒2を上から閉塞するようにシリンダブロック3の上面に取り付けられたシリンダヘッド4と、各気筒2に往復摺動可能に挿入されたピストン5とを有している。
FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a cross section of the
ピストン5の上方には、気筒2の周面とピストン5の冠面Sとシリンダヘッド4の下面とに囲まれた燃焼室6が形成されている。シリンダヘッド4の下面のうち燃焼室6を覆う部分である天井面28は、いわゆるペントルーフ状(三角屋根状)に形成されている。すなわち、燃焼室6の天井面28は、図2に示す断面視(つまり吸排気方向に沿った断面視)において、気筒軸線X(気筒2の中心軸)から吸気側に離れるほど高さが低くなる傾斜面と、気筒軸線Xから排気側に離れるほど高さが低くなる傾斜面とを有している。
Above the
燃焼室6には、ガソリンを主成分とする燃料が、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、供給された燃料が燃焼室6で空気と混合されつつ圧縮着火により燃焼し、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。なお、燃焼室6に噴射される燃料は、主成分としてガソリンを含有していればよく、例えばガソリンに加えてバイオエタノール等の副成分を含んでいてもよい。
Fuel mainly composed of gasoline is supplied to the
ピストン5の下方には、エンジン本体1の出力軸であるクランク軸7が設けられている。クランク軸7は、ピストン5とコネクティングロッド8を介して連結され、ピストン5の往復運動(上下運動)に応じて中心軸回りに回転駆動される。
Below the
シリンダブロック3には、クランク軸7の回転角度(クランク角)およびクランク軸7の回転速度(エンジン回転速度)を検出するクランク角センサSN1が設けられている。
The
気筒2の幾何学的圧縮比、つまりピストン5が上死点にあるときの燃焼室6の容積とピストン5が下死点にあるときの燃焼室の容積との比は、ガソリン含有燃料を予混合圧縮着火燃焼させるのに好適な値として、15以上30以下に設定されている。
The geometric compression ratio of the
図4は、ピストン5の冠面Sを後述するプラズマ生成プラグ16の先端部(放電電極33)と併せて示した平面図である。図4等に示すように、シリンダヘッド4には、気筒2ごとに、吸気通路50から供給される空気を燃焼室6に導入するための吸気ポート9と、燃焼室6で生成された排気ガスを排気通路60に導出するための排気ポート10と、吸気ポート9の燃焼室6側の開口を開閉する吸気弁11と、排気ポート10の燃焼室6側の開口を開閉する排気弁12とがそれぞれ設けられている。本実施形態では、吸気ポート9と排気ポート10とは、1つの気筒にそれぞれ2つずつ設けられており、吸気弁11と排気弁12とも、1つの気筒にそれぞれ2つずつ設けられている。吸気弁11および排気弁12は、シリンダヘッド4に配設された一対のカム軸等を含む図外の動弁機構により、クランク軸7の回転に連動して開閉駆動される。
FIG. 4 is a plan view showing the crown surface S of the
図5は、吸気弁11の開弁時の燃焼室6内の様子を模式的に示した図である。吸気ポート9は、燃焼室6の天井面28から上方に延びるように形成されており、吸気弁11の開弁に伴って、燃焼室6内にはタンブル流が形成される。本実施形態では、燃焼室6の天井面28に対して吸気ポート9が直角に近い角度で接続されている(吸気ポート9の燃焼室6側の開口部分の内周面と燃焼室6の天井面28とのなす角度がより90度に近い状態とされている)。また、吸気ポート9の燃焼室6側の開口部分の面積が大きくされている。これにより、タンブル流の渦径は比較的小さくなる。具体的には、矢印Y1で示すように、吸気ポート9から燃焼室6に流入した後、燃焼室6内の排気側部分に向かう主たる吸気の流れが、より下向き(ピストン5の冠面S向き)とされる。また、矢印Y2で示すように、吸気ポート9から吸気側部分にも比較的多くの吸気が流れ込む。前記の主たる吸気流れY1は、ピストン5の冠面S付近において燃焼室6の吸気側に向かおうとするが、この流れが矢印Y2で示した流れにより阻害される。これらにより、本実施形態では、燃焼室6内に形成されるタンブル流は、燃焼室6の中央付近を通る径の小さい渦となる。また、これに伴い、吸気弁11の開弁中および吸気弁11の閉弁直後において、燃焼室6の天井面28の外周縁付近のガス流動は小さく抑えられる。なお、図5において、破線の矢印Y11は、吸気ポート9を図5の実線に示す状態よりも寝かせた状態で燃焼室6の天井面28に接続し、且つ、吸気ポート9の燃焼室6側の開口部分の面積を本実施形態よりも小さくしたときの比較例に係るタンブル流を例示したものである。
FIG. 5 is a diagram schematically showing a state in the
図4等に示すように、燃焼室6の底面を規定するピストン5の冠面Sは、その外周縁部に位置する平面状の基準面21と、基準面21よりも上方(シリンダヘッド4に近づく側)に隆起する隆起部20とを有している。隆起部20は、ペントルーフ状の燃焼室6の天井面28に沿うように、図2の断面視(つまり吸排気方向に沿った断面視)において気筒軸線Xに近づくほど高さが高くなるように形成されている。隆起部20の中央部、言い換えるとピストン5の冠面Sの中央部には、下方(シリンダヘッド4とは反対側)に窪むキャビティCが形成されている。
As shown in FIG. 4 and the like, the crown surface S of the
キャビティCは、平面視略円形を呈する平面状の底面部22と、底面部22の外周縁から上方かつ径方向外側に傾斜しつつ立ち上がる周面部23とを有している。周面部23の上端であるキャビティCの開口縁C1は、平面視でほぼ楕円形をなすように形成されており、吸排気方向の寸法よりも気筒列方向(吸排気方向と直交する方向)の寸法の方が長くなるように形成されている。
The cavity C has a flat
隆起部20は、キャビティCの吸気側に形成された吸気側傾斜面24と、キャビティCの排気側に形成された排気側傾斜面25とを有している。吸気側傾斜面24は、キャビティCの吸気側の開口縁C1から吸気側に離れるほど(径方向外側ほど)高さが低くなるように形成されており、排気側傾斜面25は、キャビティCの排気側の開口縁C1から排気側に離れるほど(径方向外側ほど)高さが低くなるように形成されている。
The raised
キャビティCの気筒列方向の外側であって吸気側傾斜面24と排気側傾斜面25との間に位置する領域には、一対の峰部26が形成されている。一対の峰部26は、冠面Sの中でも最も高い位置において略平面状に形成されている。
A pair of
ここで、ピストン5の冠面SにおけるキャビティCの開口縁C1よりも径方向外側の領域(つまり吸気側・排気側傾斜面24、25、峰部26、基準面21)を「冠面Sの径方向外側領域」、ピストン5の冠面SにおけるキャビティCの開口縁C1よりも径方向内側の領域(つまりキャビティCの形成面22、23)を「冠面Sの径方向内側領域」という。本実施形態では、燃焼室6の天井面28とは反対側に窪むようにキャビティCが形成されているため、当然ながら、冠面Sの径方向外側領域とこれに対向する燃焼室6の天井面28との間の上下方向(ピストン摺動方向)の距離は、冠面Sの径方向内側領域とこれに対向する燃焼室6の天井面28との間の上下方向の距離よりも小さい。このため、ピストン5が上死点に接近したとき、冠面Sの径方向外側領域と天井面28との間の空間には、径方向外側から内側へと向かうガス流れであるスキッシュ流が形成される。以下では、燃焼室6のうち当該スキッシュ流が形成される部分、つまり冠面Sの径方向外側領域(キャビティCの開口縁C1よりも径方向外側の領域)と天井面28との間の部分を、スキッシュエリアと称する。
Here, the region of the crown surface S of the
図1〜図3に示すように、シリンダヘッド4には、燃焼室6に燃料(主にガソリン)を噴射するインジェクタ15と、燃焼室6に非平衡プラズマを放電するプラズマ生成プラグ16とが、各気筒2に対し1組ずつ設けられている。なお、非平衡プラズマとは、電子、イオン、分子等のエネルギーが一様でない(電子のエネルギーがイオンや分子等のエネルギーよりも大きい)熱的に非平衡なプラズマのことである。非平衡プラズマは、温度上昇を伴わないことから、低温プラズマとも呼ばれる。このような性質の非平衡プラズマの供給は、燃焼室6内のガス温度をほとんど上昇させないが、燃焼室6内のガス成分を改質することにつながる(詳細は後述する)。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
図6(a)(b)は、プラズマ生成プラグ16の先端部を拡大して示す図である。図7は、インジェクタ15単体の断面図である。図8は、燃焼室6およびその周辺部を拡大して示す断面図である。
FIGS. 6A and 6B are enlarged views of the tip of the
図6(a)(b)に示すように、プラズマ生成プラグ16の先端部を拡大して示す図である。本図に示すように、プラズマ生成プラグ16は、筒状のプラグ本体31と、プラグ本体31の内部に挿入された中心電極32と、中心電極32の先端から放射状に延びる複数(ここでは4つ)の放電電極33とを有している。本実施形態では、これら放電電極33が、請求項の「電極」に相当する。図6(a)に示すように、プラグ本体31から突出する中心電極32の先端部分は、アルミナ等からなる絶縁体34(碍子)によって覆われている。
As shown in FIGS. 6A and 6B, FIG. 7 is an enlarged view of the tip of the
プラズマ生成プラグ16は、図8等に示すように、中心電極32の先端部分および放電電極33の全体が燃焼室6に露出する状態でシリンダヘッド4に設けられている。プラズマ生成プラグ16は、その中心軸(中心電極32の中心軸)が気筒軸線Xと略一致して、中心電極32および放電電極33が燃焼室6の天井面28の中央付近に位置するように、シリンダヘッド4に設けられている。
As shown in FIG. 8 and the like, the
放電電極33は、中心電極32の先端つまりプラズマ生成プラグ16の中心軸に対応する位置ひいては気筒軸線Xに対応する位置から放射状に延びており、プラズマ生成プラグ16の中心軸に対応する位置から燃焼室6の外周側に延びている。放電電極33は、平面視で(気筒軸線Xに沿う方向から見て)、キャビティCの底面部22と重複する位置に配置されている。4つの放電電極33は、それぞれ吸気弁11と排気弁12のバルブ面の略中心に向かって延びており、吸排気方向および気筒列方向のいずれとも非平行な方向に、より詳しくは、吸排気方向および気筒列方向とそれぞれ約45度の角度をもって交差する方向に延びている。
The
プラズマ生成プラグ16の4つの放電電極33は、燃焼室6の外周側に向かうに従って下方(ピストン5の冠面Sに近づく方向)に傾斜する形状を有している。本実施形態では、各放電電極33の気筒軸線Xと直交する平面に対する傾斜角度θ1は、燃焼室6の天井面28のこの平面に対する傾斜角度θ2よりも大きい。そのため、各放電電極33と燃焼室6の天井面28との離間量は、放電電極33の先端側(燃焼室6の外周側)ほど大きくなっている。
The four
中心電極32に所定のパルス電圧が印加されると(詳細は後述する)、この印加電圧に応じて各放電電極33から燃焼室6に設けられたアース側電極に向けて放電がなされる。これにより、放電電極33とアース側電極とを結ぶ放電経路に沿って非平衡プラズマが生成される。そして、電荷をもったプラズマの粒子(イオンと電子)が電場の作用によってガス分子と衝突し、オゾン(O3)やOHといった活性種が生成されるとともに、これら活性種が放電電極33からアース側電極に向かって移動する流れ(誘起流)が形成される。
When a predetermined pulse voltage is applied to the center electrode 32 (details will be described later), discharge is performed from each of the
図3に示すように、インジェクタ15は、燃料の噴出口(後述するノズル口44)が形成された先端部が燃焼室6の天井面28の中央付近に位置するように取り付けられている。インジェクタ15の先端部は、図3の断面視において気筒軸線Xから気筒列方向の一方側に若干オフセットし、かつ平面視でキャビティCと重複する位置に配置されている。言い換えると、インジェクタ15の先端部は、燃焼室6の天井面28の中央に位置するプラズマ生成プラグ16の先端部(放電電極33)に対し気筒列方向に近接して並ぶように配置されている。
As shown in FIG. 3, the
図7は、インジェクタ15単体の断面図である。本図に示すように、インジェクタ15は、いわゆる外開式のインジェクタであり、筒状のバルブボディ41と、バルブボディ41内に進退可能に挿入されたニードル弁42と、印加された電圧に応じて変形するピエゾ素子を含む駆動部43とを有している。ニードル弁42は、先端側ほど外径が小さくなる略円錐台状の先端部42aを有している。
FIG. 7 is a cross-sectional view of the
インジェクタ15の閉弁時、ニードル弁42は、その先端部42aの最大径部の周面がバルブボディ41の先端部の内周面に密着する状態でバルブボディ41に収容されている。このような外開式のインジェクタ15では、その開弁時にニードル弁42が突出方向に駆動されることにより、ニードル弁42の先端部42aとバルブボディ41との間に連続したリング状のスリットからなるノズル口44が形成される。このため、インジェクタ15の開弁時、燃料はノズル口44を通じてコーン状(詳しくはホローコーン状)に噴射されることになる。なお、本明細書では、このようなコーン状の燃料噴射も放射状に燃料を噴射する一態様である。
When the
ニードル弁42のリフト量は、ピエゾ素子に印加される電圧の大きさおよび印加期間に応じて変化する。このようなリフト量の変化に応じて、ノズル口44から噴射される燃料の噴霧の拡がりや噴霧のペネトレーション(貫徹力)を調整することができる。
The lift amount of the
図8に示すように、燃焼室6を区画する各壁面、つまり気筒2の周面と、ピストン5の冠面Sと、燃焼室6の天井面28と、吸気弁11および排気弁12の各バルブヘッドの下面とには、それぞれ遮熱層19が設けられている。なお、気筒2の周面に設けられる遮熱層19は、ピストン5が上死点にあるときのピストンリング5aよりも上側(シリンダヘッド4側)の位置に限定されており、ピストンリング5aが遮熱層19上を摺動しないようになっている。
As shown in FIG. 8, each wall surface that partitions the
遮熱層19は、シリンダブロック3、シリンダヘッド4、ピストン5、および吸・排気弁11、12のいずれよりも熱伝導率および容積比熱が小さい材質により構成されている。これは、燃焼室6で生成された燃焼ガスの熱が燃焼室6の外部に放出されるのを抑制し、エンジンの冷却損失を低減するためである。なお、遮熱層19としては、シリコーン系の主材にシリカ系の多孔質粒子を含有させたものを好適に用いることができる。
The
前記のように、遮熱層19は、ピストン5が上死点にあるときの燃焼室6をほぼ全面的に覆っているが、燃焼室6の天井面28の一部の領域Dと、ピストン5のキャビティCの開口縁C1とには遮熱層19が形成されていない。遮熱層19は、例えばアルミ合金等からなるピストン5に比べて高い絶縁性を有している。従って、前記の領域DとキャビティCの開口縁C1との絶縁性は、燃焼室6の壁面の他の領域に比べて低くなっている。以下では、燃焼室6の天井面28に形成された絶縁性の低い領域Dを天井側非絶縁領域Dという。これより、プラズマ生成プラグ16の放電電極33から非平衡プラズマが放電されたとき、この非平衡プラズマは、遮熱層19により覆われていない天井側非絶縁領域DまたはキャビティCの開口縁C1へと導かれる。具体的には、ピストン5が比較的下方に位置して、放電電極33の先端と天井側非絶縁領域Dとの距離の方が放電電極33の先端とキャビティCの開口縁C1との距離よりも短いときは、非平衡プラズマは天井側非絶縁領域Dに導かれ、ピストン5が比較的上方に位置して、放電電極33の先端と天井側非絶縁領域Dとの距離の方が放電電極33の先端とキャビティCの開口縁C1との距離よりも長いときは、非平衡プラズマはキャビティCの開口縁C1に導かれる。このように、プラズマ放電時には、放電電極33がアノードとして機能し、天井側非絶縁領域DまたはキャビティCの開口縁C1がカソードつまりアース側電極として機能する。
As described above, the
図9は、燃焼室6の天井面28を模式的に示した図である。この図9に示すように、天井側非絶縁領域Dは、プラズマ生成プラグ16の中心軸を中心とするリング状に設けられている。本実施形態では、天井側非絶縁領域Dは、吸気弁11および排気弁12よりも外周側であって燃焼室6の天井面28の外周縁近傍に設けられている。具体的には、燃焼室6の天井面28には、その外周縁付近において、径方向外側に向かって下方に傾斜する部分とこの部分の下縁から気筒軸線Xと直交する方向に延びる部分とによって段部28aが形成されており、この段部28aが天井側非絶縁領域Dとされている。また、ピストン5が、下死点位置と上死点位置の中央位置(ピストン5がそのストロークのおよそ1/2だけ上昇した位置)と上死点までの位置にあるときは、プラズマ生成プラグ16の放電電極33の先端とキャビティCの開口縁C1との距離の方が、放電電極33の先端と天井側非絶縁領域Dとの距離よりも短くなるような位置に、天井側非絶縁領域Dは設けられている。
FIG. 9 is a diagram schematically illustrating the
図1に戻ってエンジンの吸排気系について説明する。吸気通路50は、4つの気筒2の各吸気ポート9と連通する4本の独立吸気通路51と、各独立吸気通路51の上流端部(吸気流れ方向の上流側の端部)に接続されたサージタンク52と、サージタンク52から上流側に延びる単管状の共通吸気通路53とを有している。共通吸気通路53の途中部には、エンジン本体1に導入される吸気の流量を調節する開閉可能なスロットル弁54が設けられている。サージタンク52には、エンジン本体1に導入される吸気の流量を検出するエアフローセンサSN2が設けられている。
Returning to FIG. 1, the intake and exhaust system of the engine will be described. The
排気通路60は、4つの気筒2の各排気ポート10と連通する4本の独立排気通路61と、各独立排気通路61の下流端部(排気ガス流れ方向の下流側の端部)が1箇所に集合した集合部62と、集合部62から下流側に延びる単管状の共通排気通路63とを有している。共通排気通路63には、排気ガスを浄化するための触媒コンバータ65が設けられている。触媒コンバータ65には、例えば、排気ガス中に含まれるHCおよびCOを酸化して無害化する酸化触媒と、排気ガス中に含まれる粒子状物質(PM)を捕集するGPF(ガソリン・パティキュレート・フィルタ)とが内蔵されている。
The
EGR装置70は、共通排気通路63とサージタンク52とを連通するEGR通路71と、EGR通路71を通じて吸気通路50に還流される排気ガス(EGRガス)を冷却するEGRクーラ72と、EGRガスの流量を調整するためにEGR通路71に開閉可能に設けられたEGR弁73とを有している。
The
(2)エンジンの制御系統
図10は、エンジンの制御系統を示すブロック図である。本図に示されるPCM100は、エンジンを統括的に制御するためのマイクロプロセッサであり、周知のCPU、ROM、RAM等から構成されている。なお、PCM100は、請求項にいう「制御装置」の一例に該当する。
(2) Control System of Engine FIG. 10 is a block diagram showing a control system of the engine. The
PCM100には各種センサによる検出信号が入力される。例えば、PCM100は、上述したクランク角センサSN1およびエアフローセンサSN2と電気的に接続されており、これらのセンサによって検出された情報(つまりクランク角、エンジン回転速度、吸気流量等)が電気信号としてPCM100に逐次入力されるようになっている。
Detection signals from various sensors are input to
また、車両には、当該車両を運転するドライバーにより操作されるアクセルペダル(図示省略)の開度を検出するアクセルセンサSN3が設けられており、このアクセルセンサSN3による検出信号もPCM100に入力される。
Further, the vehicle is provided with an accelerator sensor SN3 for detecting an opening degree of an accelerator pedal (not shown) operated by a driver who drives the vehicle. A detection signal from the accelerator sensor SN3 is also input to the
PCM100は、前記各種センサ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、PCM100は、インジェクタ15、プラズマ生成プラグ16、スロットル弁54、およびEGR弁73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。
The
例えば、PCM50は、アクセルセンサSN3により検出されるアクセル開度等に基づいてエンジンの負荷(要求トルク)を算出し、算出したエンジン負荷と、エアフローセンサSN2により検出される吸気流量と、クランク角センサSN1により検出されるエンジン回転速度とに基づいて、気筒2に噴射すべき燃料の量(目標噴射量)および燃料の噴射タイミングを決定し、その決定に従ってインジェクタ15を制御する。
For example, the
また、PCM100は、前記エンジン負荷およびエンジン回転速度に基づいて、プラズマ生成プラグ16から非平衡プラズマを放電すべきタイミングおよび放電期間を決定し、その決定に従ってプラズマ生成プラグ16を制御する。
Further, the
図11は、非平衡プラズマの生成条件を説明するためのグラフであり、プラズマ生成プラグ16に印加されるパルス電圧の条件(パルス幅および印加電圧)と、生成されるプラズマの種類との関係を示している。グラフの横軸はパルス幅を、縦軸は印加電圧のピーク値をそれぞれ示しており、各軸のスケールはともに対数スケールである。この図11のグラフに示すように、非平衡プラズマを生成するには、パルス幅を0.01μsec以上かつ1μsec未満に設定することが必要である。これに対し、パルス幅を1μsec以上まで長くすると、熱平衡プラズマが生成されるようになる。このように、パルス幅の短いパルス電圧を印加すると非平衡プラズマが生成されるのは、パルス幅が短い条件下では電子のみが反応して、イオンや分子はほとんど反応しないからである。
FIG. 11 is a graph for explaining the conditions for generating the non-equilibrium plasma, and shows the relationship between the conditions of the pulse voltage (pulse width and applied voltage) applied to the
前記の知見より、本実施形態では、PCM100により、図12に示すような条件でプラズマ生成プラグ16への印加電圧が制御される。すなわち、PCM100は、10kVのピーク電圧と0.1μsecのパルス幅をもったパルス電圧がプラズマ生成プラグ16の中心電極32に印加されるように、図外の電源部から中心電極32への電力の供給を制御する。このとき、PCM100は、パルス電圧を100kHzの周波数で繰り返し印加する。これにより、プラズマ生成プラグ16の4つの放電電極33と天井側非絶縁領域Dまたはピストン5のキャビティCの開口縁C1との間で非平衡プラズマが生成される。
From the above findings, in the present embodiment, the
なお、非平衡プラズマを生成するためのパルス電圧のピーク電圧は、運転条件に応じて1kV〜30kVの範囲で変更してもよい。例えば、燃焼室6の圧力(筒内圧)が高くなる運転条件であるほどピーク電圧を高く設定することが考えられる。
In addition, the peak voltage of the pulse voltage for generating the non-equilibrium plasma may be changed in a range of 1 kV to 30 kV according to the operating conditions. For example, it is conceivable to set the peak voltage to be higher as the operating conditions increase the pressure (in-cylinder pressure) of the
燃焼室6内で非平衡プラズマが生成されると、プラズマ生成プラグ16の放電電極33の周辺の環境に応じて、種々の物質が生成される。特に、放電電極33の周辺が空燃比の大きいリーンな環境であった場合には、非平衡プラズマの作用により、オゾン(O3)やOH等の、燃焼室6内での混合気の燃焼を促進させる物質である活性種(ラジカル)が生成される。
When the non-equilibrium plasma is generated in the
(3)運転条件に応じた制御
図13は、エンジンの運転条件(負荷/回転速度)に応じた制御の相違を説明するためのマップ図である。本図に示される運転マップは、所定負荷Ts未満の低負荷域A1と、所定負荷Ts以上の高負荷域A2とに大別される。PCM100は、エンジンの運転ポイントが低負荷域A1および高負荷域A2のいずれに含まれるかを各センサSN1〜SN3の検出値等に基づいて都度判定し、判定された運転領域に適合する燃焼が実現されるようにエンジンの各部を制御する。例えば、高負荷域A2での運転時、PCM100は、燃焼室6のほぼ全体にわたって(キャビティCの内側と外側の双方において)混合気が形成されかつ当該混合気が圧縮着火により燃焼するように、インジェクタ15およびプラズマ生成プラグ16を制御する。一方、低負荷域A1での運転時、PCM100は、キャビティCの内部に限定的に混合気が形成されかつ当該混合気が圧縮着火により燃焼するように、インジェクタ15およびプラズマ生成プラグ16を制御する。
(3) Control According to Operating Conditions FIG. 13 is a map diagram for explaining a difference in control according to operating conditions (load / rotational speed) of the engine. The operation map shown in the figure is roughly divided into a low load region A1 having a load less than the predetermined load Ts and a high load region A2 having a load equal to or more than the predetermined load Ts. The
高負荷域A2および低負荷域A1での燃焼制御の具体例はそれぞれ次のとおりである。 Specific examples of the combustion control in the high load area A2 and the low load area A1 are as follows.
(a)高負荷域での制御
図14、図15は、高負荷域A2での運転時にPCM100により実行される燃焼制御の内容を例示するためのタイムチャートである。図14は、高負荷域A2のうちエンジン回転数が予め設定された基準回転数N1以下の高負荷低速域A21での運転時の例を示している。図13は、高負荷域A2のうちエンジン回転数が基準回転数N1よりも高い高負荷高速域A22での運転時の例を示している。これら図14、図15に示すように、高負荷域A2での運転時、PCM100は、吸気行程と圧縮行程とにそれぞれインジェクタ15から燃料を噴射させるとともに、プラズマ生成プラグ16から非平衡プラズマを放電させる。
(A) Control in High Load Range FIGS. 14 and 15 are time charts illustrating the contents of the combustion control executed by the
(高負荷低速域での制御)
高負荷低速域A21では、吸気行程の前半と圧縮行程の後半とにそれぞれインジェクタ15から燃料が噴射される。以下では、吸気行程の前半に行われる燃料噴射を前段噴射、圧縮行程の後半に行われる燃焼噴射を後段噴射という。前段噴射は、吸気行程の開始時期である排気上死点(図14の左側のTDC)から吸気行程の1/2が経過した時点までの間にまとめて(分割されることなく)実行される。後段噴射は、圧縮行程の1/2が経過した時点から圧縮行程の3/4が経過した時点までの間に実行される。
(Control at high load and low speed range)
In the high-load low-speed range A21, fuel is injected from the
後段噴射のタイミングについてより詳しく説明する。圧縮行程の1/2が経過した時点とは、圧縮上死点(図14の右側のTDC)から90°進角したBTDC90°CAのことであり(「°CA」はクランク角を表す)、圧縮行程の3/4が経過した時点とは、圧縮上死点から45°CA進角したBTDC45°CAのことである。言い換えると、本実施形態では、後段噴射として、BTDC90°CAからBTDC45°CAまでの間に、インジェクタ15から燃料が噴射される。以下では、後段噴射が行われる前記の期間(BTDC90°CAからBTDC45°CAまでの期間)のことを「圧縮行程の1/2〜3/4」などということがある。
The timing of the latter injection will be described in more detail. The time point at which の of the compression stroke has elapsed means BTDC 90 ° CA advanced by 90 ° from the compression top dead center (TDC on the right side of FIG. 14) (“° CA” represents a crank angle), The time point at which / of the compression stroke has elapsed is BTDC 45 ° CA advanced by 45 ° CA from the compression top dead center. In other words, in the present embodiment, the fuel is injected from the
図16は、高負荷域A2での運転時にインジェクタ15から噴射された燃料の挙動を説明するための図である。なお、図16では便宜上、プラズマ生成プラグ16の図示を省略するとともに、これよりも紙面手前に位置するインジェクタ15を本来のプラズマ生成プラグ16の位置に図示している。図16(a)に示すように、前段噴射により吸気行程前半に噴射された燃料は、燃焼室6の天井面28の中央付近に配置されたインジェクタ15からコーン状に拡がる噴霧となって、燃焼室6内に拡散する。このとき、燃料の一部は、気筒2の周面に付着して液滴となる。
FIG. 16 is a diagram for explaining the behavior of the fuel injected from the
図16(b)に示すように、後段噴射が行われる時点において、前段噴射によって燃焼室6内に噴射された燃料は、燃焼室6の各所に分散して存在することになる。ただし、図16(b)において濃い目の着色領域で示すように、燃焼室6の外周側部分には、前記のように液滴の状態で気筒2の周面に付着していた燃料の一部が蒸発することで、比較的リッチな(他の領域よりも燃料濃度の濃い)混合気が形成される。なお、図16(b)において濃い目の着色領域以外の領域を薄く着色しているのは、相対的にリーンな(燃料濃度の薄い)混合気が存在していることを表している。
As shown in FIG. 16 (b), at the time when the second-stage injection is performed, the fuel injected into the
一方、後段噴射により圧縮行程の1/2〜3/4に噴射された燃料は、ピストン5のキャビティCに導入されて、圧縮上死点までキャビティCの内部に留まる。すなわち、本実施形態では、キャビティCと対向する燃焼室6の天井面28の中央付近にインジェクタ15が配置されるので、圧縮行程の1/2〜3/4というタイミングでインジェクタ15からコーン状に燃料が噴射されると、噴射された燃料は、径方向に十分に拡がる前にキャビティCに導入される(図16(b)参照)。
On the other hand, the fuel injected by the latter injection in 1/2 to 3/4 of the compression stroke is introduced into the cavity C of the
図16(c)に示すように、一旦キャビティCに導入された燃料は、そのほとんどが、キャビティCの外部に漏れ出ることなく、圧縮上死点まで(着火直前まで)キャビティCの内部に留まることになる。これに伴い、圧縮上死点付近において、キャビティCの上方の混合気は、比較的リーンな状態に維持される。 As shown in FIG. 16 (c), most of the fuel once introduced into the cavity C does not leak out of the cavity C and stays in the cavity C until the compression top dead center (immediately before ignition). Will be. Accordingly, near the compression top dead center, the air-fuel mixture above the cavity C is maintained in a relatively lean state.
このように、本実施形態では、圧縮上死点近傍における燃焼室6において、前段噴射に基づく相対的にリッチな混合気(燃料濃度が高い混合気)が燃焼室6の外周側部分つまりスキッシュエリア(キャビティCの外側)に形成されるとともに、後段噴射に基づくよりリッチな混合気(燃料濃度が高い混合気)がキャビティCの内部に形成される。
As described above, in the present embodiment, in the
図14に示すように、高負荷低速域A21では、プラズマ生成プラグ16からの非平衡プラズマの放電は、前段噴射の終了後から後段噴射の開始前までの期間に実行される。以下では、この前段噴射の終了後から後段噴射の開始前までの期間に実行される放電を主放電という。
As shown in FIG. 14, in the high-load low-speed range A21, the discharge of the non-equilibrium plasma from the
図17は、主放電が実行されたときの燃焼室6内の状況を模式的に示す図である。本実施形態では、主放電は、吸気下死点(BDC)から吸気弁11の閉弁時期付近の所定時期までの期間にわたって実行され、この期間中、継続して中心電極32に中心電極32にパルス電圧が印加される。吸気弁11は吸気下死点よりも前に開弁するようになっており、吸気弁11が開弁している状態で主放電は開始される。例えば、吸気弁11は、排気上死点前20°CA程度で開弁し、吸気下死点後60℃A程度で閉弁される。
FIG. 17 is a diagram schematically showing a situation in
本実施形態では、エンジン回転数によらず主放電の開始時期は一定に維持される。一方、エンジン回転数が高くなるほど、クランク角度において主放電の終了時期は遅角される。すなわち、エンジン回転数が低いときは図14の実線で示す期間中、主放電が実施され、エンジン回転数が高いときは図14の破線で示す期間中、主放電が実施される。 In the present embodiment, the start timing of the main discharge is kept constant regardless of the engine speed. On the other hand, as the engine speed increases, the end timing of the main discharge is retarded at the crank angle. That is, when the engine speed is low, the main discharge is performed during the period shown by the solid line in FIG. 14, and when the engine speed is high, the main discharge is performed during the period shown by the broken line in FIG.
前記のように、ピストン5が上死点位置と下死点位置の中央よりも下方にあるときは、放電電極33の先端と天井側非絶縁領域Dとの距離の方がプラズマ生成プラグ16の放電電極33の先端とキャビティCの開口縁C1との距離よりも短くなる。これより、主放電では、図17に示すように放電電極33と天井側非絶縁領域Dとを結ぶラインL1に沿って非平衡プラズマが放電される。つまり、非平衡プラズマは放電電極33の先端から燃焼室6の外周に向かって放出されて絶縁レベルの低い天井側非絶縁領域Dに導かれる。
As described above, when the
主放電は、後段噴射よりも前であって燃焼室6内の燃料濃度が低く、オゾン(O3)やOH等の活性種が生成されやすい状態で実行される。また、主放電は、吸気下死点付近であって燃焼室6内の圧力が比較的低い時期に実施される。プラズマ放電では、放電がなされる場の圧力すなわち雰囲気圧力が低いときの方が高いときよりも、形成されるオゾン(O3)やOH等の活性種が多くなる。そのため、主放電が前記のようなタイミングで実施されることによって、燃焼室6内には多くの活性種が生成される。
The main discharge is performed before the latter stage injection, in a state where the fuel concentration in the
オゾン(O3)等の活性種は、前記のように、放電経路上で生成されて放電電極33からアース側電極側に向かって流れる。そのため、主放電では、プラズマ生成プラグ16の放電電極33と天井側非絶縁領域Dとを結ぶラインL1回りでオゾン(O3)等の活性種が生成されて、放電電極33から天井側非絶縁領域Dに向かってこの活性種が流動する。
Active species such as ozone (O 3 ) are generated on the discharge path and flow from the
ここで、吸気弁11の開弁に伴って燃焼室6内にはタンブル流が形成される。ただし、図5の破線や実線で示したように、タンブル流は主として吸気弁11から下方に向かう流れであり、天井側非絶縁領域Dが位置する燃焼室6の天井面の外周縁付近の流れは比較的弱く抑えられる。特に、本実施形態では、図15の実線についての前記説明のように、燃焼室6の天井面の外周縁付近の流れは非常に弱くされる。そのため、生成された活性種は放電電極33から天井側非絶縁領域Dに向かい、その後、この領域D付近つまり燃焼室6の天井面28の外周縁付近の領域(図17のM1で示した領域)に活性種が滞留する。
Here, a tumble flow is formed in the
主放電の後は、後段噴射が実施されてキャビティC内にリッチな混合気が形成される。その後、圧縮上死点付近において、燃料濃度が高く且つ比較的低温の燃焼室6の壁面から遠いキャビティC内に存在する混合気が着火、燃焼する。これに続いて燃焼室6の外周部分つまりスキッシュエリアに存在する混合気が着火、燃焼する。このとき、燃焼室6の外周縁付近に留まっている活性種によって、スキッシュエリアに存在する混合気の着火、燃焼が促進される。具体的には、活性種がない場合よりもスキッシュエリアに存在する混合気の着火が早期に開始し、且つ、この混合気の燃焼速度が早められる。ここで、圧縮上死点付近では、ピストンの上昇に伴ってスキッシュエリアに燃焼室6の内周に向かう流れが生じる。そのため、この流れによって燃焼室6の外周縁付近に滞留していた活性種はスキッシュエリア全体に広がる。そして、スキッシュエリア全体で混合気の着火、燃焼が活性種によって促進されることになる。
After the main discharge, post-stage injection is performed, and a rich air-fuel mixture is formed in the cavity C. Thereafter, near the compression top dead center, the air-fuel mixture present in the cavity C having a high fuel concentration and a relatively low temperature from the wall surface of the
(高負荷高速域での制御)
図15に示すように、高負荷高速域A22でも、高負荷低速域A21と同様に吸気行程の前半と圧縮行程の後半とにそれぞれインジェクタ15から燃料が噴射される。この燃料噴射の制御は、高負荷高速域A22と高負荷低速域A21とで同様であり、ここでの説明は省略する。
(Control at high load and high speed range)
As shown in FIG. 15, in the high-load high-speed range A22, fuel is injected from the
一方、図15に示すように、高負荷高速域A22では、プラズマ生成プラグ16からの放電として、前段噴射の終了後から後段噴射の開始前までの期間に実行される主放電に加えて、後段噴射の終了後、圧縮上死点を含む所定の期間に亘って実行される追加放電が実施される。主放電の制御内容は、高負荷高速域A22と高負荷低速域A21とで同様であり、ここでの説明は省略する。
On the other hand, as shown in FIG. 15, in the high-load high-speed region A22, the discharge from the
図18は、追加放電が実行されたときの燃焼室6内の状況を模式的に示す図である。前記のように、後段噴射は、圧縮行程の1/2が経過した時点以降に実施される。これより、後段噴射の終了後における追加放電の実施時点では、放電電極33の先端とキャビティCの開口縁C1との距離の方が放電電極33の先端と天井側非絶縁領域Dとの距離よりも短い。そのため、追加放電では、主として放電電極33からキャビティCの開口縁C1に向かって非平衡プラズマが放電される。具体的には、非平衡プラズマは、放電電極33とキャビティCの開口縁C1とを結ぶラインL2に沿って、放電電極33の先端からキャビティCの開口縁C1に向かって燃焼室6の外周側向き且つ下向きに放電される。
FIG. 18 is a diagram schematically showing a situation in
本実施形態では、追加放電は、スキッシュ流が弱くなり始める圧縮行程後期の所定時期から混合気が着火するまでの間に実行される。本実施形態の場合、ピストン5の上昇に伴いスキッシュエリア(キャビティCの開口縁C1よりも径方向外側に位置する領域)に形成されるスキッシュ流、つまり径方向外側から内側へと向かうガス流れは、圧縮上死点から10°進角したBTDC10°CAから弱くなり始める。これに伴い、追加放電を開始する最早時期はBTDC10°CAとされる。また、本実施形態では、高負荷高速域A22での運転時に、混合気は遅くとも、圧縮上死点から10°遅角したATDC10°CAまでには着火する。このため、前記プラズマ放電を終了する最遅時期はATDC10°CAとされる。言い換えると、本実施形態では、スキッシュ流が弱くなり始めるBTDC10°CAから、混合気着火の最遅時期であるATDC10°CAまでの間に、プラズマ放電が開始および終了される。図12の例では、プラズマ生成プラグ16からの非平衡プラズマの放電がBTDC5°CAからATDC5°CAまでの間に継続的に実行される。なお、本明細書において、混合気の着火時点とは、燃料の熱炎反応の開始時点のことである。この熱炎反応の開始時期は、供給された全燃料の約10%質量分が燃焼した時点(MFB10%)として定義することができる。
In the present embodiment, the additional discharge is performed from a predetermined timing in the latter half of the compression stroke when the squish flow starts to weaken until the fuel-air mixture ignites. In the case of the present embodiment, a squish flow formed in a squish area (a region located radially outward from the opening edge C1 of the cavity C) as the
図16(c)に示したように、圧縮上死点付近では、前段噴射と後段噴射とによって、スキッシュエリアとキャビティCの内部とに、それぞれ比較的リッチな混合気が形成されている。一方で、放電電極33の先端とキャビティCの開口縁C1とを結ぶ放電経路L2は、前記2箇所の混合気領域の間(スキッシュエリアとキャビティCとの間)に位置しており、ここに存在する混合気は比較的リーンである。また、前記のように、後段噴射に係る燃料はキャビティC内に留まり、キャビティCの上方に存在する混合気は比較的リーンである。そのため、追加放電によっても、放電電極33の先端とキャビティCの開口縁C1とを結ぶ放電経路L2回りでオゾン(O3)やOH等の活性種が生成される。このようにして圧縮上死点付近で活性種がラインL2回りで追加生成されるのと併せて、ピストン5が下降を開始する。ピストン5が下降を開始すると、スキッシュエリアには、径方向内側から外側へと流れる逆スキッシュ流が形成され始める。このため、ラインL2回りで生成された活性種は、その多くが前記逆スキッシュ流に乗ってスキッシュエリアへと移動することになる。
As shown in FIG. 16C, near the compression top dead center, a relatively rich air-fuel mixture is formed in the squish area and the inside of the cavity C by the first-stage injection and the second-stage injection. On the other hand, the discharge path L2 connecting the tip of the
このように、高負荷高速域A22では、主噴射によって生成された活性種M1に加えて追加放電によって生成された活性種M2がスキッシュエリアに供給されて、スキッシュエリアに存在する混合気の着火、燃焼が促進される。 As described above, in the high-load, high-speed range A22, the active species M2 generated by the additional discharge in addition to the active species M1 generated by the main injection are supplied to the squish area, and the mixture present in the squish area is ignited. Combustion is promoted.
本実施形態では、追加放電の終了とほぼ同時に(つまりATDC5°CAの近傍で)混合気は着火する。例えばATDC5〜10°CA程度で混合気は着火し、圧縮着火燃焼が開始される。
In this embodiment, the air-fuel mixture ignites almost simultaneously with the end of the additional discharge (that is, in the vicinity of ATDC5 ° CA). For example, the mixture is ignited at about
(吸気の制御)
前記のように、高負荷域A2での運転時は、主にキャビティCの内部とスキッシュエリアとに混合気が形成される(つまり燃焼室6内の広い範囲に燃料が分布する)が、その一方で、燃焼室6に導入される空気の量はかなり多くされ、その結果、燃焼室6内の空燃比(A/F)は、理論空燃比(14.7)よりも大幅にリーンな値に設定される。具体的に、高負荷域A2では、燃焼室6全体における平均の空燃比、つまり1サイクル中にインジェクタ15から噴射される燃料の量と燃焼室6内の空気量との比(質量比)が、理論空燃比に対し2倍を超えて大きい値に設定される。言い換えると、高負荷域A2では、空気過剰率λが2よりも大きくなる(λ>2相当の空気が燃焼室6に導入される)ように、スロットル弁54が十分に高い開度まで開かれる。また、高負荷域A2では、少なくとも最高負荷の近傍を除いて、EGR弁73が開弁され、所定量のEGRガスが燃焼室6に導入される。例えば、高負荷域A2では、インジェクタ15から噴射される燃料の量と燃焼室6内の全ガス量(空気およびEGRガスの合計量)との比であるガス空燃比(G/F)が、30以上に設定される。なお、高負荷域A2でλ>2相当の空気量を確保しようとしても、自然吸気だけでは空気量が不足するおそれがあるが、このような場合は過給機を追加すればよい。
(Control of intake)
As described above, during operation in the high load range A2, an air-fuel mixture is formed mainly in the cavity C and the squish area (that is, fuel is distributed over a wide range in the combustion chamber 6). On the other hand, the amount of air introduced into the
このように、高負荷域A2では、燃焼室6内の空気過剰率λが2よりも大きい非常にリーンな状態とされるが、上述した活性種の存在によって特にスキッシュエリア内の混合気(言い換えるとキャビティCの内部よりも低温の環境にある混合気)の燃焼が促進されるので、λ>2というリーンな環境下であるにもかかわらず、混合気の燃焼速度が速められ、比較的短時間のうちに燃焼が終了することになる。
As described above, in the high load area A2, the
(b)低負荷域での制御
詳細な図示は省略するが、前記高負荷域A2よりもエンジン負荷が低い(つまり燃料の所要量が減る)低負荷域A1では、インジェクタ15からの燃料噴射が圧縮行程の後半にのみ実行され、かつ当該燃焼噴射が終了してから圧縮上死点までの間にプラズマ生成プラグ16から非平衡プラズマが放電される。
(B) Control in the low load range Although not shown in detail, in the low load range A1 in which the engine load is lower than the high load range A2 (that is, the required amount of fuel is reduced), the fuel injection from the
例えば、低負荷域A1では、圧縮行程の1/2〜3/4において複数回に分けてインジェクタ15から燃料が噴射される。これにより、低負荷域A1では、キャビティCの内部に限定して混合気が形成される。すなわち、混合気の全部または大部分がキャビティCの内部に形成され、キャビティCの外部にはほとんど混合気が形成されない。
For example, in the low load range A1, fuel is injected from the
また、低負荷域A1では、圧縮行程の3/4経過時点(BTDC45°CA)以降であって燃料噴射が終了してから圧縮上死点までの間にプラズマ生成プラグ16から放電がなされる。このタイミングで放電がなされることで、低負荷域A1では、前記の追加噴射と同様に放電電極33の先端とキャビティCの開口縁C1とを結ぶライン回りで非平衡プラズマおよび活性種が生成されるとともに、主としてスキッシュエリアに活性種が供給される。これにより、キャビティCの中心部に比べれば温度が低い傾向にあるスキッシュエリアの混合気の燃焼速度が速くなり、混合気の燃焼期間が短縮される。
Further, in the low load region A1, a discharge is generated from the
燃焼室6全体の混合気の空燃比(A/F)は、理論空燃比に対し2倍を超えて大きい値に設定される(つまりλ>2とされる)。このように、本実施形態では、高負荷域A2でも低負荷域A1でも(エンジンの全ての運転領域において)、λ>2というリーンな環境下で混合気を圧縮着火燃焼させる制御が実行される。
The air-fuel ratio (A / F) of the air-fuel mixture in the
(4)作用効果
以上説明したように、本実施形態では、プラズマ生成プラグ16の放電電極33が、燃焼室の天井部中央付近においてプラズマ生成プラグの中心軸(気筒軸線X)に対応する位置から燃焼室6の外周側に延びる形状を有している。そして、エンジンが高負荷域A2で運転されているときに、前段噴射が実施されてキャビティCの内部と当該キャビティCよりも径方向外側のスキッシュエリアつまり燃焼室6の外周部分に混合気が形成されるようにインジェクタ15が制御されるとともに、前段噴射が実施された後、混合気が着火する前にプラズマ生成プラグから放電がなされて(主放電がなされて)燃焼室6内に非平衡プラズマが生成される。そのため、予混合圧縮着火式エンジンにおいて、燃焼騒音を適正なレベルに抑えながら燃焼速度を十分に速めることができるという利点がある。
(4) Operational Effects As described above, in the present embodiment, the
具体的には、プラズマ生成プラグ16から放電がなされることで燃焼室6内に非平衡プラズマおよびオゾン(O3)等の活性種を生成することができる。ここで、放電電極33が前記のような形状を有していることで、放電電極33から燃焼室6の外周側に向かって非平衡プラズマを放電して、オゾン(O3)等の活性種を燃焼室6の外周側に移動させることができる。そのため、燃焼室6の外周部分つまりスキッシュエリアの混合気に多くの活性種を供給することができる。そして、活性種がスキッシュエリア内の混合気の燃焼を促進することにより、混合気の燃焼速度を速めて燃焼期間を短縮することができる。
Specifically, non-equilibrium plasma and active species such as ozone (O 3 ) can be generated in the
ここで、燃焼室6の外周部に位置するスキッシュエリアの温度は、燃焼室6の中央部(キャビティCの内部)に比べて低くなる傾向にある。このため、仮にスキッシュエリアへの活性種の供給がなかった場合、スキッシュエリア内の混合気は、キャビティC内の混合気に対し相当程度遅れて着火し、着火後の燃焼速度もかなり遅くなってしまう。これに対し、前記実施形態では、スキッシュエリアに活性種が供給されるので、スキッシュエリア内の混合気の着火遅れを短縮できるとともに、当該混合気の燃焼速度(つまり燃焼の後半部の燃焼速度)を速めることができる。しかも、先に着火するキャビティC内の混合気の燃焼速度はほぼ変わらないので、燃焼の前半部に生じる圧力上昇が顕著になることはない。このため、燃焼騒音を適正なレベルに抑えながら、混合気の全体を短期間のうちに燃焼させることができ、十分に高い熱効率を得ることができる。
Here, the temperature of the squish area located on the outer peripheral portion of the
図19は、前記の作用効果を説明するための図である。この図19では、前記実施形態の方法により混合気を燃焼させた場合の熱発生率の波形をW1で示している。この波形W1に示すように、非平衡プラズマ(活性種)を利用してスキッシュエリア内の混合気の燃焼速度を速めた場合(つまり前記実施形態の方法による場合)には、燃焼騒音を考慮した上限の熱発生率である「燃焼騒音限界」のラインよりも下側において(つまり過大な燃焼騒音が発生しない範囲で)、比較的急激に立ち上がりかつ落ち込む十分にピーキーな燃焼波形を得ることができる。これにより、燃焼期間が短く熱効率に優れ、しかも過大な燃焼騒音を伴わない理想に近い燃焼を実現することができる。 FIG. 19 is a diagram for explaining the operation and effect. In FIG. 19, the waveform of the heat generation rate when the air-fuel mixture is burned by the method of the embodiment is indicated by W1. As shown in the waveform W1, when the combustion speed of the air-fuel mixture in the squish area is increased by using the non-equilibrium plasma (active species) (that is, according to the method of the above embodiment), the combustion noise is considered. Below the upper limit of the heat generation rate, the "combustion noise limit" line (that is, within a range where excessive combustion noise does not occur), it is possible to obtain a sufficiently peaky combustion waveform that rises and falls relatively sharply. . This makes it possible to achieve near-ideal combustion with a short combustion period, excellent thermal efficiency, and without excessive combustion noise.
図19における波形W2は、非平衡プラズマに基づく活性種の供給がなかった場合の熱発生率の波形を示している。この波形W2に示すように、スキッシュエリアに活性種が供給されなかった場合には、温度が高いキャビティC内の混合気が燃焼するステージである燃焼の前半部こそ速い燃焼速度が得られるが、温度が低いスキッシュエリア内の混合気が燃焼するステージである燃焼の後半部については燃焼速度が大幅に低下し、全体として燃焼期間が長期化してしまう。すなわち、燃焼の後半部では、ピストン5の低下(燃焼室6の膨張)が進んでいるため、スキッシュエリア内の温度が元々低かったことと相俟って、このスキッシュエリア内の混合気の燃焼速度は大幅に低下せざるを得ない。このように、プラズマ放電(活性種の供給)がされなかった場合には、スキッシュエリア内の混合気の燃焼が緩慢化する結果、全体として燃焼期間が長期化し、熱効率の低下を招くことが理解される。
A waveform W2 in FIG. 19 shows a waveform of the heat generation rate when no active species is supplied based on the non-equilibrium plasma. As shown in the waveform W2, when no active species is supplied to the squish area, a high combustion speed is obtained in the first half of the combustion, which is a stage in which the air-fuel mixture in the cavity C having a high temperature burns. In the latter half of the combustion, which is the stage where the air-fuel mixture in the squish area where the temperature is low is burned, the combustion speed is significantly reduced, and the combustion period is prolonged as a whole. That is, in the latter half of the combustion, since the
なお、仮に燃焼室6の全体に活性種を供給するなどして、スキッシュエリア内の混合気とキャビティC内の混合気の双方の燃焼を促進するようにした場合には、例えば図19に波形W3で示すように、より燃焼期間を短縮して熱効率を高めることが可能になる。しかしながら、このようにすると、元々高温であるために燃焼が急峻化し易いキャビティC内の混合気の燃焼がますます急峻化してしまい、燃焼騒音限界を超えるほど燃焼初期の熱発生率の立ち上がりが急になってしまう。これでは、熱効率の面では優れていても、燃焼騒音が大きくなりすぎて商品性を維持することができなくなる。これに対し、前記実施形態では、基本的にスキッシュエリア内の混合気の燃焼のみが促進(高速化)されるので、燃焼騒音が過大にならない範囲で可及的に燃焼速度を速めることができ、商品性と熱効率とを高次元に両立することができる。
If the active species is supplied to the
また、前記実施形態では、高負荷域A2での運転時に、燃焼室6内の空気過剰率λが2より大きくされるので、混合気の燃焼温度を大幅に低下させることができ、燃焼に伴うNOxの発生量を十分に抑制することができる。ここで、図15中の「NOx限界」のラインは、NOxを還元するための触媒(NOx触媒)が不要なほどNOxの発生量を抑えることが可能な下限の熱発生率を示している。このNOx限界のラインと波形W1との比較から明らかなように、λ>2という大幅にリーンな環境下で混合気を燃焼させる前記実施形態によれば、NOx限界を超えるような高温の燃焼が起きるのを回避することができ、NOx触媒を不要にできるほどNOx発生量を低減することができる。
Further, in the above embodiment, the excess air ratio λ in the
前記実施形態では、高負荷域A2において、吸気行程中にインジェクタ15から燃料を噴射する前段噴射に加えて、圧縮行程中にインジェクタ15から燃料を噴射する後段噴射が実施される。そのため、燃焼室6の外周部分のスキッシュエリアに混合気を形成しつつ、燃焼室6の中央部分に位置するキャビティCの内部に燃料濃度が適度に高い混合気を形成することができる。従って、燃焼室6の中央部分の混合気を確実に着火させて、これにより燃焼室全体の混合気を確実に燃焼させることができる。そして、前記のように比較的着火しにくい燃焼室の外周部分に存在する混合気を非平衡プラズマの作用によって早期に燃焼させることができる。
In the above-described embodiment, in the high load region A2, in addition to the first-stage injection in which fuel is injected from the
特に、後段噴射が、圧縮行程の1/2が経過した時点から圧縮行程の3/4が経過した時点までの間(BTDC90°CAからBTDC45°CAまでの間に)に実施されるため、後段噴射によりインジェクタ15から噴射された燃料を圧縮上死点までキャビティCの内部により確実に留めることができる。また、キャビティCの上方の混合気の燃料濃度を小さく抑えることができ、これにより、追加放電の実施時に、ホルムアルデヒド等の抑制種の生成を抑制して、オゾン(O3)等の活性種を多く生成することができる。従って、混合気の燃焼を適切に促進できる。
In particular, the latter-stage injection is performed during a period from the time when half of the compression stroke has elapsed to the time when three-fourths of the compression stroke has elapsed (between BTDC 90 ° CA and BTDC 45 ° CA). The fuel injected from the
また、前記実施形態では、高負荷域A2において、吸気行程中に実施される前段噴射が終了してから圧縮行程中に実施される後段噴射が開始されるまでの期間中に主放電が実施される。つまり、燃焼室内の圧力が比較的低いときに主放電が実施される。そのため、より確実に多量の活性種をスキッシュエリアに供給することができる。また、燃料と非平衡プラズマとが接触すると、ホルムアルデヒド等の燃焼を抑制する物質(以下、抑制種という)が生成されやすくなる。これに対して、後段噴射が開始されるまでの期間中に主放電が実施されることで、後段噴射により燃焼室6に供給された燃料と非平衡プラズマとの接触を回避することができる。従って、ホルムアルデヒド等の抑制種によって混合気の燃焼が阻害されるのを防止することができる。
In the above-described embodiment, in the high load range A2, the main discharge is performed during a period from the end of the pre-injection performed during the intake stroke to the start of the post-injection performed during the compression stroke. You. That is, the main discharge is performed when the pressure in the combustion chamber is relatively low. Therefore, a large amount of active species can be more reliably supplied to the squish area. In addition, when the fuel comes into contact with the non-equilibrium plasma, a substance that suppresses combustion such as formaldehyde (hereinafter, referred to as a suppressive species) is likely to be generated. On the other hand, by performing the main discharge during the period before the second-stage injection is started, it is possible to avoid contact between the fuel supplied to the
また、前記実施形態では、エンジン回転数が高いときの方が低いときよりも主放電の終了時期が遅角されて、主放電の実施期間つまりプラズマ生成プラグ16の放電電極33からのクランク角度における放電期間が、エンジン回転数が高いときの方が低いときよりも長くされている。そのため、エンジン回転数が高いときにスキッシュエリアの混合気の燃焼をより確実に促進することができるとともに、プラズマ生成プラグの駆動に伴うエネルギー消費が過大になるのを抑制することができる。具体的には、エンジン回転数が高いときは低いときよりも、単位時間あたりにインジェクタから噴射される燃料の量が多くなることで、燃料のペネトレーションが高くなり気筒2の内周面に燃料が付着しやすい。気筒2の周面に付着した燃料は、ピストン5の上昇に伴って概ね蒸発するが、空気との混合が十分でなく燃焼しにくい。これに対して、前記実施形態では、前記のようにエンジン回転数が高いときに放電期間が長くされることで、多くの活性種をスキッシュエリアつまり気筒2の周面に近い領域に供給することができ、この領域の混合気の燃焼を促進することができる。
Further, in the above embodiment, the end timing of the main discharge is delayed more when the engine speed is high than when the engine speed is low, so that the main discharge is performed during the execution period, that is, in the crank angle from the
また、前記実施形態では、エンジン回転数が基準回転数N1よりも高い高負荷高速域A22において、後段噴射が終了してから混合気が着火するまでの期間中に追加放電が実施されて、燃焼室6の外周部分つまりスキッシュエリアにさらに活性種を追加することができる。そのため、前記のようにエンジン回転数が高いことで燃焼しにくくなりやすい燃焼室6の外周部分の混合気の燃焼を促進することができる。
Further, in the above-described embodiment, in the high-load high-speed range A22 in which the engine speed is higher than the reference speed N1, additional discharge is performed during the period from the end of the second-stage injection to the ignition of the air-fuel mixture, and the combustion is performed. Active species can be further added to the outer peripheral portion of the
(5)変形例
前記実施形態では、燃焼室6の天井面28の中央付近にインジェクタ15を配置するととともに、高負荷域A2での運転時に、スキッシュエリアとキャビティCの内部内とにそれぞれ相対的にリッチな混合気が形成されるように、吸気行程の前半および圧縮行程の1/2〜3/4においてそれぞれインジェクタ15から燃料を噴射するようにしたが、インジェクタ15の位置や燃料噴射の時期はこれに限られない。すなわち、インジェクタ15の位置や当該インジェクタ15からの燃料の噴射時期を適宜変更してもよい。例えば、後段噴射を省略してもよい。
(5) Modification In the above-described embodiment, the
前記実施形態では、主放電を吸気下死点から吸気弁11の閉弁時期付近までの期間に実施する場合について説明したが、主放電の実施期間は、前段噴射の実施後、混合気が着火する前までの期間内の限りで他の期間であってもよい。また、追加放電の実施期間も、前記実施形態の期間に限らず、後段噴射の実施後、混合気が着火するまでの期間内の限りで他の期間に設定されてもよい。また、追加放電は、省略してもよい。
In the above-described embodiment, the case where the main discharge is performed during the period from the bottom dead center of the intake air to the vicinity of the closing timing of the
前記実施形態では、燃焼室6の天井面28の中央にプラズマ生成プラグ16を配置するとともに、このプラズマ生成プラグ16の位置(天井面28の中央)から気筒列方向の一方側に若干オフセットした位置にインジェクタ15を配置するようにしたが(図3参照)、これとは逆に、インジェクタ15を天井面28の中央に配置し、プラズマ生成プラグ16を天井面28の中央からオフセットした位置に配置してもよい。あるいは、インジェクタ15およびプラズマ生成プラグ16の双方を天井面28の中央からオフセットした位置に配置してもよい。この場合、プラズマ生成プラグ16の位置は天井面28の中央(気筒軸線X)から吸気側にオフセットさせることが好ましい。プラズマ生成プラグ16の位置を吸気側にオフセットさせた場合には、プラズマ生成プラグ16の放電電極33から放電される非平衡プラズマを吸気側においてより強めることができる。これにより、排気側よりも吸気側の方が低温になる傾向にある燃焼室6において、混合気の燃焼速度がバランスよく高められ(吸気側と排気側で燃焼速度が同等になり)、燃焼期間がより短縮するという効果が期待できる。
In the above-described embodiment, the
一方、プラズマ生成プラグ16の吸気側へのオフセット量が大きいと、吸気側に供給される活性種の量が増えすぎて、燃焼速度が吸気側と排気側で逆転する(吸気側の方が速くなる)おそれがある。このような燃焼速度の逆転現象が懸念される場合には、例えば図20に示すように、スキッシュエリアの上下隙間を吸気側よりも排気側で小さくすることが有効である。このようにすれば、ピストン5の下降に伴い生じる逆スキッシュ流の強さが排気側でより強くなるので、プラズマ生成プラグ16からの径方向の距離が大きいために活性種の供給量が減りがちな排気側のスキッシュエリアにおいて、活性種の供給量を増大方向に補正することができ、プラズマ生成プラグ16を吸気側に大きくオフセットさせながらも前記のような燃焼速度の逆転現象を回避することができる。
On the other hand, if the offset amount of the
なお、プラズマ生成プラグ16を気筒列方向(吸排気方向と直交する方向)にオフセット配置した場合にも、それに伴う燃焼速度の不均衡をピストン5の形状によって補正することが可能である。例えば、燃焼室6の天井面28の中央(気筒軸線X)から気筒列方向の一方側にオフセットした位置にプラズマ生成プラグ16を配置した場合、ピストン5の一対の峰部26(図3、図4参照)と天井面28との上下隙間を、気筒列方向の一方側よりも他方側で小さくすることが考えられる。あるいは、一対の峰部26の面積を、気筒列方向の一方側よりも他方側で大きくすることによっても、同様の効果を得ることができる。
It should be noted that even when the plasma generating plugs 16 are offset in the cylinder row direction (the direction orthogonal to the intake / exhaust direction), the imbalance of the combustion speed accompanying the offset can be corrected by the shape of the
前記実施形態では、天井側非絶縁領域DとキャビティCの開口縁C1を除いた燃焼室6のほぼ全面を遮熱層19によって覆うことにより、遮熱層19で覆われていない(露出した)天井側非絶縁領域DとキャビティCの開口縁C1とをプラズマ放電時のアース側電極として機能させるようにしたが、アース側電極として機能させる部位はこれに限らない。ただし、少なくとも燃焼室6の天井面28のうちその中央部を含み放電電極33と重複すする部分に絶縁体を設けておけば、放電電極33から燃焼室6の外周側に向かって非平衡プラズマを放電して燃焼室の外周部分により多くの活性種を供給することができる。
In the embodiment, the
また、図21に示すように、各放電電極33の上面(燃焼室6の天井面28側の面)を、アルミナ等からなる絶縁体(碍子)によって覆うようにしてよい。このようにすれば、各放電電極33の上面から上方すなわち燃焼室6の天井面28の中央部に向かって非平衡プラズマが放電されるのを防止して、放電電極33から燃焼室6の外周側により確実に活性種を供給することができる。
Further, as shown in FIG. 21, the upper surface of each discharge electrode 33 (the surface on the
前記実施形態では、プラズマ生成プラグ16として、中心電極32の先端から放射状に突出する複数の放電電極33を有するものを用いたが(図6参照)、これに代えて、例えば図22(a)(b)に示されるような、浅皿状の放電電極133を有するプラズマ生成プラグ116を用いてもよい。
In the above embodiment, the
より具体的に、前記変形例にかかるプラズマ生成プラグ116は、筒状のプラグ本体131と、プラグ本体131の内部に挿入された中心電極132と、中心電極132の先端から径方向外側に拡がる浅皿状の放電電極133と、プラグ本体131の端面と放電電極133との間に設けられた絶縁体134とを有している。放電電極133は、底面視で中心電極132の先端部を中心とした円形状に形成され、かつ断面視で径方向外側ほど高さが低くなるように形成されている。絶縁体134は、放電電極133の裏面(シリンダヘッド4側の面)をほぼ全面的に覆うように形成されている。
More specifically, the
前記実施形態では、インジェクタ15として、開弁時にリング状のノズル口44が形成される外開式のものを用いたが(図7参照)、これに代えて、インジェクタの先端部に周状に並ぶ複数の噴孔を有する多噴孔式のものを用いてもよい。
In the above-described embodiment, the
前記実施形態では、ガソリンを主成分とする燃料を空気と混合しつつ圧縮着火させる予混合圧縮着火式のガソリンエンジンに本発明を適用した例について説明したが、例えば軽油を主成分とする燃料を空気と混合しつつ圧縮着火させる予混合圧縮着火式のディーゼルエンジンに本発明を適用してもよい。 In the above-described embodiment, an example in which the present invention is applied to a premixed compression ignition type gasoline engine that performs compression ignition while mixing fuel containing gasoline as a main component with air has been described. The present invention may be applied to a premixed compression ignition type diesel engine that performs compression ignition while mixing with air.
1 エンジン本体
5 ピストン
6 燃焼室
15 インジェクタ
16、116 プラズマ生成プラグ
33、133 放電電極(電極)
100 PCM(制御装置)
C (ピストンの)キャビティ
C1 (キャビティの)開口縁
D 天井側非絶縁領域
S (ピストンの)冠面
DESCRIPTION OF
100 PCM (control device)
C Cavity (of the piston) C1 Opening edge of the (cavity) D Non-insulated area on the ceiling side S Crown surface (of the piston)
Claims (6)
前記燃焼室の底面を規定する冠面を有するピストンと、
前記燃焼室の天井面の中央付近に電極を有しかつ当該電極から非平衡プラズマを前記燃焼室内に放電するプラズマ生成プラグと、
前記インジェクタから噴射された燃料を空気と混合しつつ圧縮着火させる予混合圧縮着火燃焼が実現されるように前記インジェクタおよび前記プラズマ生成プラグを制御する制御装置とを備え、
前記プラズマ生成プラグの電極は、前記プラズマ生成プラグの先端から前記燃焼室の外周側に延びる形状を有し、
前記制御装置は、圧縮上死点付近において前記インジェクタから噴射された燃料と空気の混合気の一部が前記燃焼室の外周部分に形成されるように前記インジェクタを制御するとともに、前記インジェクタによる燃料噴射の後、前記混合気が着火する前に、前記プラズマ生成プラグの前記電極から非平衡プラズマが放電されるように前記プラズマ生成プラグを制御する、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。 An injector for injecting fuel into the combustion chamber,
A piston having a crown defining a bottom surface of the combustion chamber;
A plasma generation plug having an electrode near the center of the ceiling of the combustion chamber and discharging non-equilibrium plasma from the electrode into the combustion chamber;
A control device that controls the injector and the plasma generation plug so that premixed compression ignition combustion that performs compression ignition while mixing fuel injected from the injector with air is realized,
The electrode of the plasma generation plug has a shape extending from the tip of the plasma generation plug to the outer peripheral side of the combustion chamber,
The control device controls the injector so that a part of a mixture of fuel and air injected from the injector near the compression top dead center is formed on an outer peripheral portion of the combustion chamber, and controls a fuel generated by the injector. A premixed compression ignition engine, comprising: controlling the plasma generation plug so that non-equilibrium plasma is discharged from the electrode of the plasma generation plug before the mixture is ignited after injection.
前記制御装置は、吸気行程中に燃料を前記燃焼室内に噴射する前段噴射と、圧縮行程中に燃料を前記燃焼室内に噴射する後段噴射とを、前記インジェクタに実施させる、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。 The premixed compression ignition engine according to claim 1,
The control device causes the injector to perform a pre-injection of injecting fuel into the combustion chamber during an intake stroke and a post-injection of injecting fuel into the combustion chamber during a compression stroke. Mixed compression ignition engine.
前記制御装置は、前記前段噴射が終了してから前記後段噴射が開始されるまでの期間中に、前記プラズマ生成プラグの前記電極から放電がなされるように、前記プラズマ生成プラグを制御する、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。 The premixed compression ignition engine according to claim 2,
The control device controls the plasma generation plug so that discharge is performed from the electrode of the plasma generation plug during a period from the end of the pre-injection to the start of the post-injection, A homogeneous charge compression ignition engine.
前記制御装置は、エンジン回転数が高いときの方が低いときよりも、クランク角度において前記プラズマ生成プラグの前記電極からの放電期間が長くなるように、前記プラズマ生成プラグを制御する、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。 The premixed compression ignition engine according to claim 3,
The control device controls the plasma generation plug such that a discharge period from the electrode of the plasma generation plug at a crank angle is longer at a crank angle than when the engine rotation speed is low. Premixed compression ignition engine.
前記制御装置は、エンジン回転数が所定の基準回転数より高いときは、前記前段噴射が終了してから前記後段噴射が開始されるまでの期間中および前記後段噴射が終了してから前記混合気が着火するまでの期間中に前記プラズマ生成プラグの前記電極から非平衡プラズマが放電され、エンジン回転数が前記基準回転数以下のときは、前記後段噴射が終了してから前記混合気が着火するまでの期間中の前記プラズマ生成プラグの前記電極からの放電が停止されるように、前記プラズマ生成プラグを制御することを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。 The premixed compression ignition engine according to claim 3 or 4,
When the engine rotation speed is higher than a predetermined reference rotation speed, the control device controls the air-fuel mixture during a period from the end of the first-stage injection to the start of the second-stage injection and after the second-stage injection is completed. Non-equilibrium plasma is discharged from the electrode of the plasma generating plug during a period until the fuel is ignited, and when the engine speed is equal to or lower than the reference speed, the mixture is ignited after the end of the latter-stage injection. And controlling the plasma generation plug so that discharge from the electrode of the plasma generation plug is stopped during the period up to.
前記燃焼室の天井面には、その中央部を含む所定領域に絶縁体が設けられている、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。 The homogeneous charge compression ignition engine according to any one of claims 1 to 5,
A premixed compression ignition engine, wherein an insulator is provided in a predetermined area including a central portion of a ceiling surface of the combustion chamber.
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