JP2020037897A

JP2020037897A - 予混合圧縮着火式エンジン

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Publication number: JP2020037897A
Application number: JP2018164831A
Authority: JP
Inventors: 芳尚乃生; Yoshihisa Noo; 太田　統之; Muneyuki Oota; 統之太田; 祐利瀬戸; Suketoshi Seto; 圭佑沖濱; Keisuke Okihama; 田中　達也; Tatsuya Tanaka; 達也田中
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2018-09-03
Filing date: 2018-09-03
Publication date: 2020-03-12
Anticipated expiration: 2038-09-03
Also published as: JP6969526B2

Abstract

【課題】燃焼騒音を適正なレベルに抑えながら燃費性能を高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。【解決手段】予混合圧縮着火式エンジンは、燃焼室６に燃料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とを備える。プラズマ生成プラグ１６は、キャビティＣの開口縁Ｃ１のうち吸気側に位置する部分と電極３３との距離の方がキャビティＣの開口縁Ｃ１のうち排気側に位置する部分と電極３３との距離よりも短くなる位置に配設されている。インジェクタ１５は、燃料と空気とが混合された混合気の一部が燃焼室６の外周部分に形成されるように燃料を噴射する。プラズマ生成プラグ１６は、燃料噴射の後、混合気が着火するまでの間に、非平衡プラズマを放電する。【選択図】図４

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。

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。

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。

特許第６２３７３２９号公報特許第６１４９７５９号公報

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、混合気の燃焼が促進されて燃え残りが少なく抑えられ、これにより燃費性能が高められるという利点がある。

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、燃費性能の向上効果が十分に得られないという問題がある。

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費性能を高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。

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、燃焼室が形成された気筒と、前記燃焼室の中央部分に配設されて当該燃焼室内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しかつ当該冠面の中央部にキャビティが形成されたピストンと、前記燃焼室に空気を導入するための吸気ポートと、前記燃焼室の天井面に形成された前記吸気ポートの開口部分を開閉する吸気弁と、前記燃焼室から排気を導出するための排気ポートと、前記燃焼室の天井面に形成された前記排気ポートの開口部分を開閉する排気弁と、前記燃焼室内に配設された電極を有しかつ当該電極から非平衡プラズマが生成されるように当該電極から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、前記気筒の中心軸に沿う方向から見て前記吸気弁が配設されている側を吸気側とし且つ前記排気弁が配設されている側を排気側としたときに、前記キャビティの開口縁のうち前記吸気側に位置する部分と前記電極との距離の方が前記キャビティの開口縁のうち前記排気側に位置する部分と前記電極との距離よりも短くなる位置に、前記プラズマ生成プラグは配設されており、前記制御装置は、前記インジェクタから噴射された燃料の少なくとも一部によって前記キャビティよりも外周側に燃料と空気の混合気が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から前記キャビティの開口縁に向けて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）。

本発明によれば、キャビティよりも外周側に燃料と空気の混合気が形成された状態で、プラズマ生成プラグとキャビティの開口縁との間で放電がなされる。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、キャビティよりも外周側の部分に供給することができ、この部分の混合気の燃焼を促進することができる。

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。このとき、先に着火する燃焼室の中央部分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。

しかも、本発明では、キャビティの開口縁のうち吸気側に位置する部分と電極との距離の方がキャビティの開口縁のうち排気側に位置する部分と電極との距離よりも短くなるように構成されている。ここで、排気弁は高温の排気が通過することで比較的高温に維持される一方、吸気弁は低温の空気が通過することで比較的低温とされる。そのため、燃焼室の外周部分のうち吸気側の領域の方が排気側の領域よりも低温となり、吸気側の領域に存在する混合気は燃焼しにくい傾向にある。これに対して、本発明では、前記のように構成されていることで、より多くの電気エネルギーひいてはより多くの活性種を燃焼室の外周部分のうちの吸気側の領域に供給することができる。従って、燃焼室の外周部分の混合気の燃焼をより効果的に促進することができる。

また、インジェクタによる燃料噴射の後に放電がなされることで、インジェクタから噴射された燃料と非平衡プラズマとが接触することを回避できるとともに、この接触によって混合気の燃焼を抑制するホルムアルデヒド等の物質が生成されるのを回避できる。

前記構成において、好ましくは、前記制御装置は、前記吸気行程中に実施される燃料噴射であ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とともに、前記後段噴射の後に前記プラズマ生成プラグから非平衡プラズマ放電させる（請求項２）。

この構成によれば、前段噴射によって燃焼室全体に混合気を形成しつつ、後段噴射によってキャビティ内に燃料濃度が比較的高い混合気を形成することができ、キャビティ内において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、圧縮行程中に実施される後段噴射の後であってピストンが燃焼室の天井面に近い位置にあるタイミングでプラズマ生成プラグから放電させることで、プラズマ生成プラグからキャビティの開口縁に向けてより確実に放電することができ、燃焼室の外周部分、特に、吸気側の部分により確実に活性種を供給することができる。

前記構成において、好ましくは、前記制御装置は、前記前段噴射から前記後段噴射までの期間に前記プラズマ生成プラグから前記燃焼室の天井面の外周部分に向けて非平衡プラズマを放電させる（請求項３）。

この構成によれば、燃焼室内の圧力が比較的低い時期にプラズマ生成プラグから非平衡プラズマが放電されることで、燃焼室内により多くの活性種を生成することができる。しかも、前記のように構成されたプラズマ生成プラグから燃焼室の天井面の外周部分に向けて非平衡プラズマが放電されるので、燃焼室の外周部分、特に、吸気側の部分により多くの活性種を供給することができる。

前記構成において、好ましくは、前記プラズマ生成プラグは、前記電極における前記燃焼室の天井面を向く面を覆うように設けられた絶縁体を有する（請求項４）。

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うちこの電極と対向する部分に向けて放電がなされるのを防止でき、前記電極からキャビティの開口縁に向けてより確実に放電させることができる。

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費性能を高めることができる。

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の構成を示す概略平面図である。エンジン本体の吸排気方向に沿った断面図である。エンジン本体の気筒列方向に沿った断面図である。ピストンの冠面の形状を示す平面図である。燃焼室に形成されるタンブル流を説明するための概略図である。プラズマ生成プラグの先端部を拡大して示す図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は底面図である。インジェクタ単体の断面図である。燃焼室およびその周辺部を拡大して示す断面図である。燃焼室の天井面を示す平面図である。エンジンの制御系統を示すブロック図である。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る。プラズマ生成プラグに対する電圧の印加パターンを示すタイムチャートである。エンジンの運転条件に応じた制御の相違を説明するためのマップ図である。エンジンの高負荷低速域での運転時に実行される燃焼制御の内容を説明するためのタイムチャートである。エンジンの高負荷高速域での運転時に実行される燃焼制御の内容を説明するためのタイムチャートである。高負荷域での運転時にインジェクタから噴射された燃料の挙動を説明するための図であり、（ａ）は前段噴射の実行中の状況を、（ｂ）は後段噴射の実行中の状況を、（ｃ）は圧縮上死点付近の状況を、それぞれ示している。主放電が実施されたときの燃焼室内の状況を模式的に示す図である。追加放電が実施されたときの燃焼室内の状況を模式的に示す図である。前記実施形態の効果を説明するための熱発生率のグラフである。プラズマ生成プラグの変形例を説明するための図である。キャビティの開口縁の構造の変形例を説明するための図である。図２１に対応する概略平面図である。プラズマ生成プラグの配置およびキャビティの開口縁の構造の変形例を説明するための図である。プラズマ生成プラグの配置およびキャビティの開口縁の構造の変形例を説明するための図である。プラズマ生成プラグの変形例を説明するための図である。

（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。

エンジン本体１には、気筒２の中心軸線Ｘを通る面Ｐ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Ｐ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、前記面Ｐ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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。吸気ポート９と排気ポート１０とは、１つの気筒に対してそれぞれ２つずつ設けられており、吸気弁１１と排気弁１２とは、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

図６（ａ）（ｂ）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。中心電極３２の中心軸に沿う方向から見て、各放電電極３３は、中心電極３２の中心軸回りに９０度ずつ互いに離間するように配設されている。各放電電極３３は同じ形状を有している。

図４および図８等に示すように、プラズマ生成プラグ１６は、放電電極３３が平面視で（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と重複する領域に、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に取り付けられている。プラズマ生成プラグ１６は、４つの放電電極３３の先端がそれぞれ２つの吸気弁１１と２つの排気弁１２の各バルブ面の略中心とをそれぞれ向くような姿勢でシリンダヘッド４に取り付けられている。つまり、４つの放電電極３３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。

プラズマ生成プラグ１６は、吸気側寄りの位置に取り付けられている。具体的には、気筒列方向について、プラズマ生成プラグ１６の中心軸Ｘ２の位置と気筒軸線Ｘとはほぼ同じ位置である。一方、吸排気方向について、プラズマ生成プラグ１６の中心軸Ｘ２は、気筒軸線Ｘよりも吸気側に位置している。つまり、プラズマ生成プラグ１６の中心軸Ｘ２は、平面視で、気筒軸線Ｘと交差して吸排気方向に延びる第１基準線Ｚ１上に位置し、かつ、気筒軸線Ｘと交差して気筒列方向に延びる第２基準線Ｚ２よりも吸気側の領域に位置している。図例では、放電電極３３の全体が、第２基準線Ｚ２よりも吸気側の領域内となるように、プラズマ生成プラグ１６は配置されている。

ここで、キャビティＣの開口縁Ｃ１は、平面視で、第２基準線Ｚ２について概ね対称となる形状を有している。これより、プラズマ生成プラグ１６が前記のように配設されていることで、プラズマ生成プラグ１６の放電電極３３とキャビティＣの開口縁Ｃ１との距離は、吸気側の方が排気側よりも短くなっている。つまり、放電電極３３のうち吸気側に延びる電極（プラズマ生成プラグ１６の中心軸Ｘ２から吸気弁１１に向かって延びる電極、以下、吸気側電極３３ｉという場合がある）の先端と、これに対向するキャビティＣの開口縁Ｃ１との距離ｄ１の方が、排気側に延びる電極（プラズマ生成プラグ１６の中心軸Ｘ２から排気弁１２に向かって延びる電極、以下、排気側電極３３ｅという場合がある）の先端と、これに対向するキャビティＣの開口縁Ｃ１との距離ｄ２よりも短くなっている。

また、図７に示すように、プラズマ生成プラグ１６の４つの放電電極３３は、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）に傾斜しており、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。

図６（ａ）に示すように、中心電極３２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。また、各放電電極３３の上面（燃焼室６の天井面２８側の面）も、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。

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（Ｏ_３）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。

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。本実施形態では、インジェクタ１５は、その先端部が図３の断面視において気筒軸線Ｘ上に位置するように配設されている。

図７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。

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。

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。

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。

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。

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から放電がなされたとき、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、非平衡プラズマは基本的に天井側非絶縁領域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、非平衡プラズマは基本的にキャビティ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。

図９は、燃焼室６の天井面２８を示した概略平面図である。図９に示すように、天井側非絶縁領域Ｄは、気筒軸線Ｘおよび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の各バルブ面の中心付近を通るように構成されており、吸気弁１１および排気弁１２のバルブ面の一部にそれぞれ絶縁性の低い領域が形成されている。また、ピストン５が上死点と下死点の中央位置付近から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。

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。

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。

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。

（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。

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、前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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、絶縁性の低い天井側非絶縁領域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。

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。

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、前記のように、オゾン（Ｏ_３）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。

（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。

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。

（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１５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。例えば、図１４は、高負荷高速域Ａ２１に含まれる、エンジン負荷が全負荷（最大負荷）の２／３程度で、エンジン回転数が３０００ｒｐｍのときに実行される燃料噴射およびプラズマ放電のタイミングを示している。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。

（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。吸気弁１１は、吸気行程中の全期間で開弁しており、吸気弁１１の開弁中に前段噴射は実施される。例えば、吸気弁１１は、排気上死点前約２０°ＣＡ〜吸気下死点後約６０°ＣＡで閉弁し、吸気弁１１のリフト量が比較的高いときに前段噴射は実施される。

後段噴射は、圧縮行程の１／４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。

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１２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°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（ＢＴＤＣ４５°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。

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。噴射された燃料の多くは、燃焼室６内に拡散する。しかし、前段噴射の実施中に吸気弁１１が開弁していることで、図１６（ａ）に示すように、インジェクタ１５から噴射された燃料の一部は、充分に拡がる前、および、充分に気化する前に、吸気弁１１に衝突する。その結果、吸気弁１１には、排気弁１２に比べて、比較的多くの燃料が液滴状態で付着することになる。また、一部の燃料は、吸気弁１１との衝突によって吸気弁１１まわりの燃焼室６の天井面２８に飛散し、吸気弁１１まわりの燃焼室６の天井面２８にも、比較的多くの燃料が液滴状態で付着することになる。

このように、本実施形態では、前段噴射の実施時に、吸気弁１１およびその周囲の燃焼室６の天井面２８に、多くの燃料が液滴状態で付着する。なお、吸気弁１１およびその周囲の燃焼室６の天井面２８に付着した燃料の一部は、天井面２８を伝って気筒２の内周面の吸気側部分に移動する。

図１６（ｂ）に示すように、後段噴射が行われる圧縮行程後半の時点において、燃焼室６の各所には前段噴射に係る燃料と空気の混合気が形成される。ただし、図１６（ｂ）において濃い目の着色領域で示した燃焼室６の吸気側の壁面（吸気弁１１のバルブ面を含む天井面２８の吸気側の部分および気筒２の内周面の吸気側の部分）近傍には、前記のように前段噴射時に液滴状態で付着した燃料によって比較的リッチな（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。ここで、前段噴射によって気筒２の内周面の排気側の部分にも燃料は付着するが、その量は吸気側の部分に比べて少なく抑えられる。

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１３（ｂ）参照）。

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。

ここで、ピストン５が上死点に近づく過程で、気筒２の内周面に付着していた燃料の一部は気化する。そのため、キャビティＣの開口縁Ｃ１よりも径方向外側に位置するスキッシュエリアにも、比較的（キャビティＣの上方部分よりも）リッチな混合気が形成される。

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。また、燃焼室６の吸気側部分の壁面近傍には、特にリッチな混合気（燃料濃度が高い混合気）が形成される。

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。

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にパルス電圧が印加される。前記のように吸気弁１１は吸気下死点よりも前の所定時期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。

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１７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１７の破線で示す期間中、主放電が実施される。

前記のように、ピストン５が上死点と下死点の中央位置付近から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設定されている。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。

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（Ｏ_３）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（Ｏ_３）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。

オゾン（Ｏ_３）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とを結ぶライン回りでオゾン（Ｏ_３）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。本実施形態では、吸気弁１１と排気弁１２の各バルブ面に天井側非絶縁領域Ｄが形成されているとともに、各放電電極（吸気側電極３３ｉおよび排気側電極３３ｅ）が吸気弁１１および排気弁１２の各バルブ面の中心に向かって延びるように配設されているため、吸気弁１１および排気弁１２回りに活性種が供給される。

また、前記のように、本実施形態では、プラズマ生成プラグ１６が吸気側寄りに配置されており、天井側非絶縁領域Ｄのうち吸気側の部分と放電電極３３との距離（換言すると、吸気側電極３３ｉと天井側非絶縁領域Ｄとの距離）の方が、天井側非絶縁領域Ｄのうち排気側の部分と放電電極３３との距離（換言すると、排気側電極３３ｅと天井側非絶縁領域Ｄとの距離）よりも短い。そのため、中心電極３２に加えられた電気は、排気側電極３３ｅと天井側非絶縁領域Ｄとの間よりも、吸気側電極３３ｉと天井側非絶縁領域Ｄとの間の方に流れやすく、放電電極３３（吸気側電極３３ｉ）から天井側非絶縁領域Ｄのうちの吸気側の領域に向けて流れる電気エネルギーの方が、放電電極３３（排気側電極３３ｅ）から天井側非絶縁領域Ｄのうちの排気側の領域に向けて流れる電気エネルギーの方が大きくなる。これにより、主放電では、吸気側電極３３ｉと天井側非絶縁領域ＤとをむすぶラインＬ１回りで生成される活性種の方が、排気側電極３３ｅと天井側非絶縁領域ＤとをむすぶラインＬ２回りで生成される活性種よりも多くなり、吸気弁１１回りにより多くの（排気弁１２回りに比べて）活性種が供給される。

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の破線や実線および図１７の破線Ｙ１に示すように、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５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に向かった後、この領域Ｄ付近つまり燃焼室６の天井面の外周縁付近に滞留する。

主放電の後は、前記のように、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の外周側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。

本実施形態では、前記のように、吸気弁１１回りにより多くの活性種が供給されるようになっていることで、前段噴射に起因して燃焼室６の吸気側の壁面近傍に形成された燃料濃度が非常に高い混合気も、活性種の作用によって適切に燃焼することになる。また、排気弁１２は高温の排気が流通することで低温の空気が流通する吸気弁１１よりも高温に維持される。そのため、吸気側のスキッシュエリアの方が排気側のスキッシュエリアよりも温度が低くなりやすく、吸気側のスキッシュエリア内の混合気の方が排気側のスキッシュエリア内の混合気よりも燃焼しにくい傾向にある。これに対して、吸気弁１１回りつまり吸気側のスキッシュエリアにより多くの活性種が供給されることで、吸気側のスキッシュエリア内の混合気の燃焼が効果的に促進される。

（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。

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。

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。

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。本実施形態では、追加放電がＢＴＤＣ１０°ＣＡ以降に実施されることに伴い、追加放電の実施時において、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。そのため、追加放電では、主に放電電極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。つまり、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とを結ぶラインに沿い、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流れ、このライン回りでて非平衡プラズマが生成される。なお、一部の非平衡プラズマが放電電極３３から天井側非絶縁領域Ｄに流れることもある。

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Ｌ１１、Ｌ１２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Ｌ１１、Ｌ１２回りで非平衡プラズマオゾン（Ｏ_３）やＯＨ等の活性種が生成される。

ここで、前記のように、プラズマ生成プラグ１６は、吸気側電極３３ｉの先端とキャビティＣの開口縁Ｃ１との距離ｄ１の方が、排気側電極３３ｅの先端とキャビティＣの開口縁Ｃ１との距離ｄ２よりも短く、キャビティＣの開口縁Ｃ１のうち吸気側の部分と放電電極３３との距離の方が、キャビティＣの開口縁Ｃ１のうち排気側の部分と放電電極３３との距離よりも短い。そのため、放電電極３３（吸気側電極３３ｉ）からキャビティＣの開口縁Ｃ１のうちの吸気側の領域に向けて流れる電気エネルギーの方が、放電電極３３（排気側電極３３ｅ）からキャビティＣの開口縁Ｃ１のうちの排気側の領域に向けて流れる電気エネルギーの方が大きくなる。これにより、追加放電では、吸気側電極３３ｉとキャビティＣの開口縁Ｃ１とをむすぶラインＬ１１回りで生成される活性種の方が、排気側電極３３ｅとキャビティＣの開口縁Ｃ１とをむすぶラインＬ１２回りで生成される活性種よりも多くなり、追加放電においても、吸気弁１１回りにより多くの（排気弁１２回りに比べて）活性種が供給される。

このようにして圧縮上死点付近で活性種が混合気に追加供給されるのと併せて、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、放電電極３３とキャビティＣの開口縁Ｃ１とを結ぶライン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。

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に加えて追加放電によって生成された活性種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。特に、吸気弁１１回りすなわち吸気側のスキッシュエリアにより多くの活性種が供給されることで、吸気側のスキッシュエリアに存在する燃料濃度が高く且つ温度が比較的低い混合気が適切に燃焼することになる。

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。

（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。

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、前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。

（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。

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。

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。特に、前記のように、追加放電によって吸気側のスキッシュエリアに多量の活性種が供給されることで、排気側に比べて温度が低い吸気側のスキッシュエリアの混合気の燃焼速度が効果的に高められる。

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。

（４）作用効果
以上説明したように、本実施形態では、非平衡プラズマを生成可能なプラズマ生成プラグ１６が設けられるとともに、このプラズマ生成プラグ１６が吸気側寄りに設けられて、キャビティＣの開口縁Ｃ１のうち吸気側に位置する部分と放電電極３３との距離の方がキャビティＣの開口縁Ｃ１のうち排気側に位置する部分と放電電極３３との距離よりも短くなるように構成されている。そして、エンジンが高負荷高速域Ａ２２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、前段噴射および後段噴射の実施後であってインジェクタ１５から燃料が噴射された後、混合気が着火する前に、追加放電が実施されて、放電電極３３からキャビティＣの開口縁Ｃ１に向けて放電がなされるようになっている。そのため、予混合圧縮着火式エンジンにおける高負荷高速域Ａ２２の運転時において、燃焼騒音を適正なレベルに抑えながら燃焼速度を速めることができるという利点がある。また、低負荷域Ａ１においても、同様に追加放電が実施されるようになっており、低負荷域Ａ１の運転時においても燃焼騒音を適正なレベルに抑えながら燃焼速度を速めることができる。

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（Ｏ_３）等の活性種を生成することができる。ここで、放電電極３３とキャビティＣの開口縁Ｃ１との距離が前記のように設定されていることで、放電電極３３からはキャビティＣの開口縁Ｃ１のうち吸気側の領域に向けて多くの電気エネルギーが供給される。この結果、オゾン（Ｏ_３）等の活性種の多くが吸気側のスキッシュエリアに生成されることになる。そのため、吸気側のスキッシュエリアにおける混合気の燃焼を活性種の作用によって促進して、この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。

ここで、燃焼室６の外周に位置するスキッシュエリア内の温度は、燃焼室６の中央に位置するキャビティＣ内の温度よりも低くなる。さらに、吸気弁１１が配置された吸気側のスキッシュエリアの温度は、高温に維持される排気弁１２が配置された排気側のスキッシュエリアの温度に比べて低くなりやすく、吸気側のスキッシュエリアの温度は燃焼室６内の他の領域よりも特に低くなる傾向にある。また、吸気弁１１の開弁中に前段噴射が実施されて燃料の一部が吸気弁１１に衝突することで、吸気側のスキッシュエリア（より詳細には、燃焼室６の吸気側の壁面近傍）には燃料濃度が非常に高い混合気が形成される。このため、仮に吸気側のスキッシュエリアへの活性種の供給がなかった場合、吸気側の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、吸気側のスキッシュエリアに多量の活性種が供給されるので、吸気側の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。

さらに、前記実施形態では、吸気側よりは少ないが、排気側のスキッシュエリアにも活性種が供給される。そのため、キャビティＣ内よりも低温に抑えられる排気側スキッシュエリア内の混合気の燃焼も促進することができる。

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。

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。

図１５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。

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１５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。同様に、仮に、吸気側と排気側のスキッシュエリアの双方に多量の活性種を供給すると、排気側のスキッシュエリア内での燃焼が過度に促進されることで、この部分の混合気がキャビティＣ内の混合気と同時期に燃焼してしまい燃焼騒音が過大になってしまう。これに対し、前記実施形態では、スキッシュエリア内の混合気の燃焼のみが促進（高速化）されるとともに、吸気側のスキッシュエリア内の混合気の燃焼が効果的に促進されるため、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。

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１９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。

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。

また、前記実施形態では、高負荷低速域Ａ２１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、主放電および追加放電の実施時期と燃料噴射の時期とが重ならないように設定されていることで、活性種によって混合気の燃焼を確実に促進することができる。具体的には、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、および、後段噴射の終了後に追加放電が実施されることで、インジェクタ１５から燃焼室６に噴射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。

また、前記実施形態では、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。そのため、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の内部に留めることができ、キャビティＣ内の混合気をより確実着火させて混合気全体を確実に燃焼させることができる。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る。従って、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することができ、混合気の燃焼を適切に促進できる。

また、前記実施形態では、燃焼室６の壁面に遮熱層１９が設けられている。そのため、燃焼室６の外周部分での混合気の燃焼によって生じた熱エネルギーが燃焼室６の壁面を介して外部に放出されるのを防止することができる。特に、前記のように、燃焼室６の吸気側の壁面近傍では燃料濃度が高い混合気の燃焼によって高い熱エネルギーが生成されるが、この熱エネルギーが外部に放出されるのを防止でき、冷却損失を小さく抑えて燃費性能をより一層高めることができる。

（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。ただし、キャビティＣの内部にリッチな混合気を形成するためには、圧縮行程の１／４が経過した時点（圧縮上死点前１３５°ＣＡ）以降に燃料を噴射するのが望ましい。

前記実施形態では、高負荷低速域Ａ２１では主放電のみを行い、高負荷高速域Ａ２２では主放電と追加放電とを実施する場合について説明したが、高負荷低速域Ａ２１においても主放電に加えて追加放電を実施してもよい。また、高負荷低速域Ａ２１および高負荷高速域Ａ２２において、主放電を省略して追加放電のみを実施してもよい。

前記実施形態では、キャビティＣの開口縁Ｃ１に加えて燃焼室６の天井面２８の一部である天井側非絶縁領域Ｄの絶縁性を低くして、天井側非絶縁領域Ｄ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、キャビティＣの開口縁Ｃ１のみをアース側電極として機能させてもよい。また、燃焼室６にアース側電極として機能させる部位を設ける場合であっても、その位置は前記のような吸、排気弁１２のバルブ面を含む位置に限らない。ただし、吸気弁１１のバルブ面の一部をアース側電極として機能させれば、吸気弁１１回りに多量の活性種を供給でき、吸気弁１１回りの燃料濃度の高い混合気を確実に燃焼させることができる。また、前記実施形態では、キャビティＣの開口縁Ｃ１を遮熱層１９で覆わないことで、これをアース側電極として機能させた場合について説明したが、キャビティＣの開口縁Ｃ１も遮熱層１９で覆ってもよい。この場合であっても、キャビティＣの開口縁Ｃ１は上方（燃焼室６の天井面２８側）に突出しており、ピストン５の冠面Ｓのうちで、プラズマ生成プラグ１６の放電電極３３との距離が最も短くなっていることで、放電電極３３から放電された非平衡プラズマはキャビティＣの開口縁Ｃ１に導かれることになる。ただし、キャビティＣの開口縁Ｃ１を遮熱層１９（絶縁性の高い）で覆わないようにする、あるいは、キャビティＣの開口縁Ｃ１を覆う遮熱層１９の厚さを薄くすれば、より確実に、非平衡プラズマをキャビティＣの開口縁Ｃ１に導くことができる。

また、図２０に示すように、各放電電極３３の上面３３ｂ（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。

また、前記実施形態では、キャビティＣの開口縁Ｃ１が、平面視で第２基準線Ｚ２について概ね対称となる形状を有する場合について説明したが、キャビティＣの開口縁Ｃ１を図２１および図２２に示すように構成してもよい。具体的には、図２１、図２２に示した例では、平面視で、キャビティＣの開口縁Ｃ１の吸気側の部分のうち各吸気側電極３３ｉとそれぞれ対向する２つの部位Ｃ１＿ａが燃焼室６の中央側に向けて膨出するように構成されている。つまり、キャビティＣの周面部２３のうち各吸気側電極３３ｉとそれぞれ対向する部分の立ち上がりが他の部分よりも急峻となるように構成されている。なこの構成によれば、キャビティＣの開口縁Ｃ１の吸気側の部分と各吸気側電極３３ｉとの距離ｄ１をより一層短くすることができ、吸気側のスキッシュエリアにより多くの活性種を供給することが可能となる。お、図２２には、鎖線で、吸気側の周面部２３の底面部２２に対する立ち上がり角度を排気側の周面部２３と同じにした場合の周面部２３を示している。また、図２２では図を明瞭にするために、キャビティＣの遮熱層１９は省略している。また、図２０および後述する図２２、図２３では、図を明瞭にするためにインジェクタ１５およびプラズマ生成プラグ１６を実線で示している。

また、図２３に示すように、キャビティＣの周面部２３および開口縁Ｃ１を図２１および図２２に示したように吸気側の開口縁Ｃ１が排気側の開口縁Ｃ１よりも燃焼室６の内側に位置する構成としつつ、プラズマ生成プラグ１６を燃焼室６の中央であってプラズマ生成プラグの中心軸と気筒軸線Ｘとが一致する位置に配置してもよい。この場合においても、キャビティＣの開口縁Ｃ１のうち吸気側電極３３ｉと対向する部分の方が、キャビティＣの開口縁Ｃ１のうち排気側電極３３ｅと対向する部分よりも燃焼室６の径方向内側に位置していることで、キャビティＣの開口縁Ｃ１と吸気側電極３３ｉとの距離ｄ１を、キャビティＣの開口縁Ｃ１と排気側電極３３ｅとの距離ｄ２よりも短くすることができる。従って、この構成においても、吸気側のスキッシュエリアにより多くの活性種を供給することができる。つまり、前記の実施形態に代えて、プラズマ生成プラグ１６を燃焼室６の中央に配置する一方、キャビティＣの開口縁Ｃ１を、その吸気側の部分の方が排気側の部分よりも燃焼室６の径方向内側に位置するように構成することで、キャビティＣの開口縁Ｃ１のうち吸気側に位置する部分と放電電極３３との距離の方がキャビティＣの開口縁Ｃ１のうち排気側に位置する部分と放電電極との距離よりも短くなるようにしてもよい。

また、図２４に示すように、プラズマ生成プラグ１６が、放電電極３３として、第１基準線Ｚ１に沿って吸気側に延びる放電電極３３ｉと排気側に延びる放電電極３３ｅと吸排気方向と直交する方向に延びる２つの放電電極３３ｃとを備えるように、プラズマ生成プラグ１６を配置してもよい。また、図２４に示すように、このようなプラズマ生成プラグ１６を燃焼室６の天井面の中央に配置し、キャビティＣの開口縁Ｃ１のうち第１基準線Ｚ１上の部分Ｃ１＿ｃを燃焼室６の径方向内側に膨出させるようにしてもよい。

また、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５参照）、これに代えて、例えば図２５（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。

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側の面つまり燃焼室６の天井面を向く面）をほぼ全面的に覆うように形成されている。

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。

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。

１エンジン本体
５ピストン
６燃焼室
Ｓ（ピストンの）冠面
Ｃ（ピストンの）キャビティ
Ｃ１（キャビティの）開口縁
１５インジェクタ
１６、１１６プラズマ生成プラグ
３３、１３３放電電極
１００ＰＣＭ（制御装置）

Claims

燃焼室が形成された気筒と、
前記燃焼室の中央部分に配設されて当該燃焼室内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しかつ当該冠面の中央部にキャビティが形成されたピストンと、
前記燃焼室に空気を導入するための吸気ポートと、
前記燃焼室の天井面に形成された前記吸気ポートの開口部分を開閉する吸気弁と、
前記燃焼室から排気を導出するための排気ポートと、
前記燃焼室の天井面に形成された前記排気ポートの開口部分を開閉する排気弁と、
前記燃焼室内に配設された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、
前記気筒の中心軸に沿う方向から見て前記吸気弁が配設されている側を吸気側とし且つ前記排気弁が配設されている側を排気側としたときに、前記キャビティの開口縁のうち前記吸気側に位置する部分と前記電極との距離の方が前記キャビティの開口縁のうち前記排気側に位置する部分と前記電極との距離よりも短くなる位置に、前記プラズマ生成プラグは配設されており、
前記制御装置は、前記インジェクタから噴射された燃料の一部によって前記キャビティよりも外周側に燃料と空気の混合気が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から前記キャビティの開口縁に向けて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。
請求項１に記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
前記制御装置は、前記吸気行程中に実施される燃料噴射であ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とともに、前記後段噴射の後に前記プラズマ生成プラグから非平衡プラズマを放電させる、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
請求項２に記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
前記制御装置は、前記前段噴射から前記後段噴射までの期間に前記プラズマ生成プラグから前記燃焼室の天井面の外周部分に向けて非平衡プラズマを放電させる、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
前記プラズマ生成プラグは、前記電極における前記燃焼室の天井面を向く面を覆うように設けられた絶縁体を有する、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。