(1)全体構成
図1は、本発明の第1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。
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。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。
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がより急峻な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2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。
4つの放電電極33のうち2つの放電電極33iの長さL_i(中心電極32の先端から放電電極33の先端までの長さ)は、他の2つの放電電極33eの長さL_eよりも長く設定されており、本実施形態では、プラズマ生成プラグ16の電極として、長さの長い2つの吸気側電極33iと、長さの短い2つの排気側電極33eとが設けられている。
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、且つ、プラズマ生成プラグ16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に取り付けられている。これに伴い、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つまりは気筒軸線Xに対応する位置に配置された中心電極32の先端(請求項における「基点」に相当する)から燃焼室6の外周側に向かって放射状に延びている。本実施形態では、図4等に示すように、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。
図4等に示すように、4つの放電電極33のうち長さの長い2つの吸気側電極33iは、各吸気弁11のバルブ面の略中心に向かってそれぞれ延びている。一方、長さの短い2つの排気側電極33eが各排気弁12のバルブ面の略中心に向かってそれぞれ延びている。このように、本実施形態では、4つの放電電極33のうち長さの長い放電電極33iが吸気側に延び、長さの短い放電電極33eが排気側に延びるように構成されている。つまり、プラズマ生成プラグ16の放電電極33として、プラズマ生成プラグの中心軸から吸気側に延びる吸気側電極33iとプラズマ生成プラグの中心軸から排気側に延びる排気側電極33eとが設けられており、吸気側電極33iの長さL_i(プラズマ生成プラグの中心軸から吸気側電極33iの先端までの長さ)が、排気側電極33eの長さL_e(プラズマ生成プラグの中心軸から排気側電極33eの先端までの長さ)よりも長く設定されている。
図例では、吸気側電極33iの長さL_iは排気側電極33eの長さL_eのおよそ2倍とされている。また、図4等に示すように、吸気側電極33iの長さL_iは、平面視で、吸気側電極33iの先端が吸気弁11のバルブ面の外周縁にほぼ到達するような長さに設定されている。
図8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。
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、O3(オゾン)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。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。
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。
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との距離の方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/およびピストン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放電される。
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(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。
(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。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1/2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。
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°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。
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ことになる。
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。
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との距離の方よりも短い。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流れる。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(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。
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。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が形成されており、吸気弁11および排気弁12回りに活性種が供給されることになる。さらに、吸気側電極33iが吸気弁11のバルブ面の中心に向かって延びるように配設され、排気側電極33eが排気弁12の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回りに多くの活性種が供給される。
ここで、本実施形態では、吸気側電極33iの方が排気側電極33eよりも、プラズマ生成プラグ16の中心軸から先端までの長さが長くされている。そのため、吸気側電極33iから天井側非絶縁領域Dに向けて流れる電気エネルギーの方が、排気側電極33eから天井側非絶縁領域Dに向けて流れる電気エネルギーの方が大きくなる。具体的には、吸気側電極33iと天井側非絶縁領域Dとの距離の方が、排気側電極33eと天井側非絶縁領域Dとの距離よりも短くされていることで、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なり、吸気側電極33iから天井側非絶縁領域Dに向けてより多くの電気エネルギーが流れる。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L2回りで生成される非平衡プラズマおよび活性種の方が、排気側電極33eと天井側非絶縁領域DとをむすぶラインL1回りで生成される非平衡プラズマおよび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。
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。
さらに、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。そのため、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。
(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。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流れる。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。
この追加放電でも、前記のように吸気側電極33iの長さの方が排気側電極33eの長さよりも長いことに伴い、主放電と同様に、吸気側電極33iからキャビティCの開口縁C1に向かう電気エネルギーの方が、排気側電極33eからキャビティCの開口縁C1に向かう電気エネルギーよりも多くなる。そして、吸気側電極33iとキャビティCの開口縁C1とを結ぶラインL12回りに形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とを結ぶラインL11回りに形成される活性種よりも多くなる。
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L11、L12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L11、L12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。特に、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して他の領域よりも燃料濃度が高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L11、L12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、吸気側のスキッシュエリアに多量の活性種が供給されて、この活性種の作用によって、吸気側のスキッシュエリアに存在する燃料濃度が非常に高い混合気も比較的短い期間で適切に燃焼することになる。
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Xに対応する位置から燃焼室6の吸気側および排気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。
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させて、オゾン(O3)等の活性種を燃焼室6の外周部分に供給することができる。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の外周部分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。
しかも、前記実施形態では、吸気側に延びる放電電極33である吸気側電極33iの方が、排気側に延びる放電電極33である排気側電極33eよりも、放電電極33の先端とプラズマ生成プラグの中心軸との距離が長くなるように構成されている。そのため、燃焼室6の外周部分のうち特に吸気側の部分に多くの活性種を供給することができる。従って、前段噴射の実施時に吸気弁11と衝突することで吸気弁11やその周囲の燃焼室6の壁面に液滴状態で付着した燃料(当該燃料によって形成された燃料濃度の高い混合気)を、活性種の作用によって確実に燃焼させることができる。従って、燃料の燃え残りを少なく抑えて燃費性能をより一層高めることができる。
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。
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。同様に、仮に、燃焼室6の外周部分全体に多量の活性種を供給すると、燃焼室6の排気側の外周部分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ようになり、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。
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。
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。
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る。そのため、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し、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。
また、前記実施形態では、遮熱層が設けられている。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。
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、追加放電と主放電の一方のみを実施するようにしてもよい。
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の先端から吸気側に延びる2つの放電電極33iと排気側に延びる2つの放電電極33eとを備えたものについて説明したが、吸気側に延びる放電電極の数と排気側に延びる放電電極の数はこれに限らない。例えば、プラズマ生成プラグ16に、吸気側に延びる1つの放電電極と排気側に延びる1つの放電電極とを設けるようにしてもよい。この場合において、さらに、プラズマ生成プラグ16を図20(a)、(b)に示すように構成してもよい。すなわち、プラズマ生成プラグ16に、放電電極33として、中心電極32の先端から吸気側に延びる1つの放電電極133iと、これよりも長さが短い(中心電極32の先端から放電電極の先端までの長さが短い)排気側に延びる1つの放電電極133eを設けるとともに、吸気側に延びる放電電極133iの中心電極32回りの長さを排気側に延びる放電電極133eよりも大きくする。この構成によれば、中心電極32回りの長さが吸気側に延びる放電電極と排気側に延びる放電電極とで同じ場合に比べて、より多くの電気エネルギーひいては非平衡プラズマおよび活性種を燃焼室6の吸気側に供給することができる。なお、図20(a)および後述する図21、図23では、図を明瞭にするべく、プラズマ生成プラグ16を実線で示している。
また、図21に示すように、プラズマ生成プラグ16の放電電極33として、吸気側に延びる放電電極233iと排気側に延びる放電電極233eに加えて、吸排気方向と直交する方向に延びる放電電極233cを設けてもよい。この場合には、図例のように、吸気側に延びる放電電極133iの長さを最も長くすることで、燃焼室6の外周部分の吸気側の領域に多量の活性種を供給してこの領域にある燃料濃度の高い混合気を効果的に燃焼させることができる。
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のうち放電電極33と対向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させ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。また、前記実施形態では、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34(碍子)によって覆った場合について説明したが、各放電電極33の上面を絶縁体34で覆わずに露出させてもよい。ただし、各放電電極33の上面を絶縁体34で覆えば、当該上面から燃焼室6の天井面28に向かって非平衡プラズマが流れるのを防止して、放電電極33から燃焼室6の外周側により確実に非平衡プラズマを放電させることができる。
また、図22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。
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6参照)、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。
(6)第2実施形態
さらに、前記実施形態では、プラズマ生成プラグ16として、吸気側に延びる放電電極33iに加えて排気側に延びる放電電極33eを設けた場合を説明したが、図23に示すように、プラズマ生成プラグ16に、排気側に延びる放電電極は設けず、吸気側に延びる放電電極333のみを設けるようにしてもよい。
このように構成されたプラズマ生成プラグ16を用いた第2実施形態では、中心電極32に加えられた電気エネルギーおよびこれにより生成された非平衡プラズマのほぼ全てが燃焼室6の外周部分の吸気側の領域に付与される。そのため、非常に多くの活性種をこの領域に供給することができる。従って、前記のように、前段噴射の実施に伴って吸気弁11回りに液滴状態で付着した燃料およびこの燃料を含む燃料濃度の高い混合気をより確実に燃焼させることができる。そのため、燃料の燃え残りを回避して燃費性能を確実に高めることができる。そして、この第2実施形態においても、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。
なお、このように、プラズマ生成プラグ16に放電電極として吸気側に延びる放電電極333のみを設ける場合においても、放電電極333の具体的な形状は図23に示したものに限らない。例えば、放電電極を、図21で示した中心電極32回りに広がるような形状としてもよい。
また、このようなプラズマ生成プラグ16を用いる第2実施形態において、プラズマ生成プラグ16の構造以外の構造および制御内容は、前記の第1実施形態の構成および制御内容とされればよい。