特許第6965853号(P6965853)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6965853
(24)【登録日】2021年10月25日
(45)【発行日】2021年11月10日
(54)【発明の名称】予混合圧縮着火式エンジン
(51)【国際特許分類】
   F02P 3/01 20060101AFI20211028BHJP
   F02D 41/02 20060101ALI20211028BHJP
   F02D 41/38 20060101ALI20211028BHJP
   F02D 41/04 20060101ALI20211028BHJP
   F02D 45/00 20060101ALI20211028BHJP
   F02P 5/15 20060101ALI20211028BHJP
   F02B 11/00 20060101ALI20211028BHJP
   F02B 23/10 20060101ALI20211028BHJP
   F02B 23/00 20060101ALI20211028BHJP
   F02F 3/12 20060101ALI20211028BHJP
【FI】
   F02P3/01 B
   F02D41/02
   F02D41/38
   F02D41/04
   F02D45/00
   F02P5/15 B
   F02B11/00 A
   F02B23/10 320
   F02B23/00 Y
   F02F3/12
【請求項の数】6
【全頁数】20
(21)【出願番号】特願2018-164832(P2018-164832)
(22)【出願日】2018年9月3日
(65)【公開番号】特開2020-37898(P2020-37898A)
(43)【公開日】2020年3月12日
【審査請求日】2020年7月15日
(73)【特許権者】
【識別番号】000003137
【氏名又は名称】マツダ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100067828
【弁理士】
【氏名又は名称】小谷 悦司
(74)【代理人】
【識別番号】100115381
【弁理士】
【氏名又は名称】小谷 昌崇
(74)【代理人】
【識別番号】100133916
【弁理士】
【氏名又は名称】佐藤 興
(72)【発明者】
【氏名】乃生 芳尚
(72)【発明者】
【氏名】太田 統之
(72)【発明者】
【氏名】瀬戸 祐利
(72)【発明者】
【氏名】沖濱 圭佑
(72)【発明者】
【氏名】田中 達也
【審査官】 家喜 健太
(56)【参考文献】
【文献】 特開2010−216270(JP,A)
【文献】 特開2009−121410(JP,A)
【文献】 特開2006−283737(JP,A)
【文献】 特開2010−037948(JP,A)
【文献】 特開2018−087566(JP,A)
【文献】 特開2010−236467(JP,A)
【文献】 特開2013−194712(JP,A)
【文献】 特開2018−25164(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
F02P 3/01
F02D 41/02
F02D 41/38
F02D 41/04
F02D 45/00
F02P 5/15
F02B 11/00
F02B 23/10
F02B 23/00
F02F 3/12
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
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、
前記キャビティと平面視で重複する前記燃焼室の天井部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、
前記ピストンの冠面には、当該ピストンよりも熱伝導率が小さい遮熱層が設けられ、
前記遮熱層は、前記キャビティの開口縁を除く前記冠面を覆うように形成され、
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が前記キャビティ内に留まって当該キャビティ内にキャビティ外よりもリッチな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、前記キャビティ内の混合気が着火する前に、前記プラズマ生成プラグの電極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2】
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、圧縮行程の3/4が経過した時点から前記キャビティ内の混合気が着火するまでの間に前記プラズマ生成プラグに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3】
請求項1または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、エンジン負荷が所定負荷未満となる低負荷域でエンジンが運転されているときに、前記キャビティ内に相対的にリッチな混合気を形成しかつ前記非平衡プラズマを生成する前記制御を実行する、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
【請求項4】
請求項3に記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
前記インジェクタは、前記燃焼室の天井部中央付近から前記キャビティに向けて放射状に燃料を噴射するものであり、
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大部分が前記非平衡プラズマの放電時まで前記キャビティ内に留まるように、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前記インジェクタに燃料を噴射させる、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
【請求項5】
請求項4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、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複数回に分けて燃料が噴射されるように前記インジェクタを制御する、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
【請求項6】
請求項3〜5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、
前記燃焼室に導入される空気の流量を調整するスロットル弁をさらに備え、
前記制御装置は、前記低負荷域での運転時に、前記燃焼室内の空気過剰率が2よりも大きくなるように前記スロットル弁および前記インジェクタを制御する、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
また、上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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特許第6237329号公報
【特許文献2】特許第6149759号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上記特許文献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。
【0006】
しかしながら、上記特許文献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。
【0007】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、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。
【課題を解決するための手段】
【0008】
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、前記キャビティと平面視で重複する前記燃焼室の天井部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、前記ピストンの冠面には、当該ピストンよりも熱伝導率が小さい遮熱層が設けられ、前記遮熱層は、前記キャビティの開口縁を除く前記冠面を覆うように形成され、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が前記キャビティ内に留まって当該キャビティ内にキャビティ外よりもリッチな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、前記キャビティ内の混合気が着火する前に、前記プラズマ生成プラグの電極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)。
【0009】
本発明によれば、インジェクタによる燃料噴射の後、キャビティ内に形成された混合気が着火する前に、燃焼室の天井部中央付近に位置するプラズマ生成プラグから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ので、非平衡プラズマの作用から生じるオゾンやOH等の活性種によってキャビティ内の混合気の外周部の燃焼が促進される結果、混合気の外周部が中心部よりも先に燃焼するという特異な燃焼を引き起こすことができる。混合気の外周部は、中心部と比較して容積は大きいが、温度は低い傾向にある。このため、混合気の外周部から先に燃焼させることにより、著しい圧力上昇およびそれに伴う過大な燃焼騒音を生じさせることなく、短期間のうちに多量の熱発生を確保することができる。
【0010】
一方、混合気の中心部は外周部に遅れて燃焼するため、この中心部の燃焼時、ピストンの低下スピードはかなり速くなっている。しかしながら、混合気の中心部の温度は元々高いので、このようにピストンが急低下している(そのため燃焼室が急膨張している)状況下であっても、混合気の中心部は比較的速い速度で燃焼する。これにより、燃焼の後半部の燃焼速度が大きく低下することが回避され、混合気の全体を比較的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。
【0011】
好ましくは、前記制御装置は、圧縮行程の3/4が経過した時点から前記キャビティ内の混合気が着火するまでの間に前記プラズマ生成プラグに非平衡プラズマを放電させる(請求項2)。
【0012】
この構成によれば、キャビティ内の混合気が着火する直前において、非平衡プラズマの作用により生じた活性種を当該混合気の外周部に適正に供給することができ、混合気の外周部を先に燃焼させる上述した燃焼形態を確実に実現することができる。
【0013】
好ましくは、前記制御装置は、エンジン負荷が所定負荷未満となる低負荷域でエンジンが運転されているときに、前記キャビティ内に相対的にリッチな混合気を形成しかつ前記非平衡プラズマを生成する前記制御を実行する(請求項3)。
【0014】
エンジンの低負荷域では高負荷域に比べて燃料の所要噴射量が少ないので、燃料の多くを支障なくキャビティに導入することができ、当該キャビティの内部に相対的にリッチな混合気を適正に形成することができる。
【0015】
前記構成において、より好ましくは、前記インジェクタは、前記燃焼室の天井部中央付近から前記キャビティに向けて放射状に燃料を噴射するものであり、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大部分が前記非平衡プラズマの放電時まで前記キャビティ内に留まるように、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前記インジェクタに燃料を噴射させる(請求項4)。
【0016】
この構成によれば、インジェクタから噴射された燃料を、当該燃料の噴霧が径方向に十分に拡がる前にキャビティに導入することができ、燃料の大部分をキャビティ内に留めることができる。これにより、キャビティの内部に相対的にリッチな混合気を適正に形成できるとともに、キャビティの外部に存在する混合気を可及的に減らすことができる。
【0017】
前記構成において、より好ましくは、前記制御装置は、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複数回に分けて燃料が噴射されるように前記インジェクタを制御する(請求項5)。
【0018】
このように、燃料を複数回に分けて噴射するようにした場合には、各回の噴射における噴霧のペネトレーション(貫徹力)が弱くなるので、上記のような混合気の分布(キャビティ内に相対的にリッチな混合気が形成される状態)を混合気の着火直前まで適正に維持することができる。
【0019】
好ましくは、前記エンジンは、前記燃焼室に導入される空気の流量を調整するスロットル弁をさらに備え、前記制御装置は、前記低負荷域での運転時に、前記燃焼室内の空気過剰率が2よりも大きくなるように前記スロットル弁および前記インジェクタを制御する(請求項6)。
【0020】
この構成によれば、低負荷域での運転時における混合気の燃焼温度を大幅に低下させることができるので、燃焼に伴うNOxの発生量を、NOx触媒を不要にできるほど十分に低減することができる。
【発明の効果】
【0021】
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。
【図面の簡単な説明】
【0022】
図1】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。
図2】エンジン本体の吸排気方向に沿った断面図である。
図3】エンジン本体の気筒列方向に沿った断面図である。
図4】ピストンの冠面の形状を示す平面図である。
図5】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。
図6】インジェクタ単体の断面図である。
図7】燃焼室およびその周辺部を拡大して示す断面図である。
図8】エンジンの制御系統を示すブロック図である。
図9】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。
図10】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。
図11】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。
図12】エンジンの低負荷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。
図13】低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)は燃料噴射中の状況を、(b)は燃焼噴射後の状況を、それぞれ示している。
図14】プラズマ生成プラグから非平衡プラズマが放電されたときの燃焼室内の状況を模式的に示す図である。
図15】上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。
図16】上記実施形態で用いられ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り、(a)は側面図、(b)は底面図である。
【発明を実施するための形態】
【0023】
(1)エンジンの全体構成
図1は、本発明の一実施形態にかかる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。
【0024】
図2は、エンジン本体1の吸排気方向に沿った断面図であり、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、上記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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
図1および図2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。
【0031】
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。
【0032】
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。この図4および先の図2および図3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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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)。
【0037】
図5(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。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突出する複数の(ここでは4つの)放電電極33とを有している。放電電極33は、燃焼室6の天井面28の中央部に対応する位置において燃焼室6に露出するように設けられている。プラグ本体31に対し燃焼室6側に突出する中心電極32の先端部は、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。
【0038】
図4に示す平面視において、プラズマ生成プラグ16は、その中心(中心電極32の中心軸)が気筒軸線Xと略一致し、かつ放電電極33がキャビティ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、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るように形成されている。詳細は後述するが、中心電極32には所定のパルス電圧が印加されるようになっており、この印加電圧に応じて各放電電極33から燃焼室6に向けて非平衡プラズマが放電されるようになっている。
【0039】
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。
【0040】
図6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。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
図7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。本図に示すように、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(後述する図14参照)、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。
【0044】
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。
【0045】
上記のように、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、ピストン5のキャビティCの開口縁C1に限っては遮熱層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。このため、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、自ずと、遮熱層19により覆われていないキャビティCの開口縁C1へと導かれる(後述する図14参照)。このように、プラズマ放電時には、放電電極33とキャビティCの開口縁C1とによって、アノードおよびカソードが構成されるようになっている。すなわち、放電電極33がアノードに相当し、キャビティCの開口縁C1がカソードに相当する。
【0046】
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。
【0047】
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。
【0048】
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。
【0049】
(2)エンジンの制御系統
図8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。
【0050】
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。
【0051】
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。
【0052】
PCM100は、上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、上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。
【0053】
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。
【0054】
また、PCM100は、上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。
【0055】
図9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9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。
【0056】
上記の知見より、当実施形態では、PCM100により、図10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から燃焼室6(ピストン5のキャビティCの開口縁C1)に向けて非平衡プラズマが放電される。
【0057】
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。
【0058】
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(O)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。
【0059】
(3)運転条件に応じた制御
図11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。
【0060】
低負荷域A1および高負荷域A2での燃焼制御の具体例はそれぞれ次のとおりである。
【0061】
(a)低負荷域での制御
図12は、低負荷域A1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り、低負荷域A1に含まれる代表的な運転ポイント(例えば1/3負荷、2500rpm)にて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。本図に示すように、低負荷域A1での運転時、PCM100は、圧縮行程の後半のうち圧縮上死点の近傍を除いた所定のタイミングでインジェクタ15から燃料を噴射させるとともに、この燃料噴射が終了し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16から非平衡プラズマを放電させる。
【0062】
より詳しくは、低負荷域A1では、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、複数回に分けてインジェクタ15から燃料が噴射される。ここで、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、当実施形態では、分割噴射の初回がBTDC90°CA以降に始まり、分割噴射の最終回がBTDC45°CAまでに終了するように、インジェクタ15による噴射動作が制御される。図12の例では、燃料の分割噴射の回数が2回とされ、1回目の噴射開始時期がBTDC90°CAよりもやや遅角側に、2回目の噴射終了時期がBTDC45°CAよりもやや進角側に、それぞれ設定されている。なお、以下では、燃料噴射が行われる上記の期間(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。
【0063】
プラズマ生成プラグ16からの非平衡プラズマの放電は、圧縮行程の3/4が経過した時点(BTDC45°CA)から混合気が着火するまでの間に実行される。当実施形態では、低負荷域A1での運転時に、混合気は遅くとも、圧縮上死点から5°遅角したATDC5°CAまでには着火する。このため、上記プラズマ放電を終了する最遅時期はATDC5°CAとされる。言い換えると、当実施形態では、少なくともBTDC45°CAからATDC5°CAまでの間にプラズマ放電が開始および終了されるように、プラズマ生成プラグ16による放電動作が制御される。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BTDC25°CAから圧縮上死点(ATDC0°CA)までの間に継続的に実行され、ほぼ圧縮上死点において(プラズマ放電の終了とほぼ同時に)混合気が着火している。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。
【0064】
図13は、低負荷域A1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13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。本図に示すように、圧縮行程の1/2〜3/4においてインジェクタ15から噴射された燃料は、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、当実施形態では、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という比較的遅めのタイミングで(つまりインジェクタ15がピストンに比較的近づいた状態で)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(a)参照)。しかも、要求トルクが低い低負荷域A1では、燃料の噴射量が少なく噴霧のペネトレーション(貫徹力)が弱いので、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。このように、低負荷域A1では、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ようになっている(図13(b)参照)。
【0065】
特に、当実施形態では、圧縮行程の1/2〜3/4において複数回(例えば2回)に分けて燃料が噴射されるので、同量の燃料を1回でまとめて噴射した場合と比較して、噴霧のペネトレーションはさらに弱くなる。このことは、キャビティCの外部に漏れ出る燃料の量が非常に少なくなること、つまり、上記のような混合気の分布(キャビティCに限定して混合気が形成される状態)がより得られ易くなることを意味する。
【0066】
上記のように、低負荷域A1での運転時は基本的にキャビティCの内部にのみ燃料が供給されるため、燃焼室6全体における混合気の空燃比(A/F)は相当にリーンになる。具体的に、低負荷域A1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(14.7)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、低負荷域A1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が比較的高い開度まで開かれる。また、低負荷域A1では、EGR弁73が開弁されて、所定量のEGRガスが燃焼室6に導入される。これにより、低負荷域A1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、35以上に設定される。
【0067】
図14は、プラズマ生成プラグ16から非平衡プラズマが放電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。本図に示すように、プラズマ生成プラグ16の放電電極33から放電された非平衡プラズマは、遮熱層19に覆われていないために絶縁性の低いキャビティCの開口縁C1へと導かれる。ここで、低負荷域A1では、上述したように、燃料噴射が終了した後でかつ混合気が着火する前に(少なくともBTDC45°CAからATDC5°CAまでの間に)非平衡プラズマが放電されるので、この放電の時点で、非平衡プラズマよりも内側(つまりキャビティCの内部)には既に混合気が存在している。一方、放電電極33とキャビティCの開口縁C1とを結ぶ放電経路上では、燃料の濃度が十分に低いリーンな環境が実現されているため、上記非平衡プラズマの放電によってオゾン(O)やOH等の活性種が生成される。この活性種は、非平衡プラズマの内側に存在する混合気、特に非平衡プラズマの近傍に位置する混合気(外周側の混合気)の着火、燃焼を促進させる。
【0068】
プラズマ生成プラグ16によるプラズマ放電の後、混合気は、ほとんど時間間隔をおくことなく(例えば圧縮上死点の近傍で)着火に至り、圧縮着火燃焼が開始される。このとき、上述した活性種の存在によって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。
【0069】
(b)高負荷域での制御
詳細な図示は省略するが、上記低負荷域A1よりもエンジン負荷が高い(つまり燃料の所要量が増える)高負荷域A2では、インジェクタ15からの燃料噴射が圧縮行程だけでなく吸気行程でも実行され、かつ圧縮上死点の近傍かつ混合気の着火前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。
【0070】
例えば、高負荷域A2では、吸気行程中の所定時期と、圧縮行程の1/2〜3/4に相当する時期とに、それぞれインジェクタ15から燃料が噴射される。これにより、高負荷域A2では、キャビティCの内側と外側との双方に混合気が形成されることになる。
【0071】
また、高負荷域A2では、BTDC5°CAからATDC5°CA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。このように圧縮上死点の近傍で放電された非平衡プラズマは、オゾンやOH等の活性種の生成につながるが、この活性種は、ピストン5の下降に伴い形成される逆スキッシュ流(ピストン5の吸気側・排気側傾斜面24,25に沿って径方向内側から外側へと向かうガス流れ)に乗って主に燃焼室6の外周部へと移動する。移動した活性種は、温度が低いために燃焼速度が低くなりがちな燃焼室6の外周部の混合気の燃焼を促進し、燃焼室6全体の混合気の燃焼期間を短縮することに貢献する。
【0072】
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、当実施形態では、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。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。
【0073】
(4)作用効果
以上説明したように、当実施形態では、エンジンが低負荷域A1で運転されているときに、ピストン5のキャビティC内に限定的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、インジェクタ15による燃料噴射の後、キャビティC内の混合気が着火する前に、プラズマ生成プラグ16の放電電極33からキャビティCの開口縁C1に向けて非平衡プラズマが放電されるように、プラズマ生成プラグ16が制御される。このような構成によれば、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。
【0074】
すなわち、上記実施形態では、インジェクタ15による燃料噴射の後、キャビティC内の混合気が着火する前に、燃焼室6の天井面28の中央部に位置するプラズマ生成プラグ16からキャビティCの開口縁C1に向けて非平衡プラズマが放電されるので、非平衡プラズマの作用から生じるオゾンやOH等の活性種によってキャビティC内の混合気の外周部の燃焼が促進される結果、混合気の外周部が中心部よりも先に燃焼するという特異な燃焼を引き起こすことができる。混合気の外周部は、中心部と比較して容積は大きいが、温度は低い傾向にある。このため、混合気の外周部から先に燃焼させることにより、著しい圧力上昇およびそれに伴う過大な燃焼騒音を生じさせることなく、短期間のうちに多量の熱発生を確保することができる。
【0075】
一方、混合気の中心部は外周部に遅れて燃焼するため、この中心部の燃焼時、ピストン5の低下スピードはかなり速くなっている。しかしながら、混合気の中心部の温度は元々高いので、このようにピストン5が急低下している(そのため燃焼室6が急膨張している)状況下であっても、混合気の中心部は比較的速い速度で燃焼する。これにより、燃焼の後半部の燃焼速度が大きく低下することが回避され、混合気の全体を比較的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。
【0076】
図15は、上記の作用効果を説明するための図である。この図15では、上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)を利用して混合気の外周部から先に燃焼させた場合(つまり上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。
【0077】
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、混合気の外周部に活性種が供給されなかった場合には、相対的に温度が高い混合気の中心部が先に燃焼し、その後に混合気の外周部が燃焼することになるので、燃焼の後半部の燃焼速度が低下することが避けられず、全体として燃焼期間が長期化してしまう。すなわち、温度の高い混合気の中心部が先に燃焼するので、燃焼の前半部の燃焼速度は十分に速くなるが、当該中心部の容積は外周部に比べて小さいので、熱発生の量自体はそれほど大きくならない。容積の大きい混合気の外周部は、燃焼の後半部においてようやく燃焼するが、この時点ではピストン5の低下(燃焼室6の膨張)が進んでいるため、混合気の外周部の温度が元々低かったことと相俟って、燃焼速度は大きく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、低温でかつ大容積の混合気の外周部が遅れて燃焼する結果、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。
【0078】
なお、仮に混合気の全体に活性種を供給するなどして、混合気の中心部と外周部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混合気の中心部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、上記実施形態では、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るので、商品性と熱効率とを高次元に両立することができる。
【0079】
また、上記実施形態では、低負荷域A1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上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。
【0080】
また、上記実施形態では、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から圧縮行程の1/2〜3/4において(BTDC90°CAからBTDC45°CAまでの間に)燃料がコーン状(放射状)に噴射されるので、噴射された燃料を、当該燃料の噴霧が径方向に十分に拡がる前にキャビティCに導入することができ、キャビティC内に限定して混合気が存在する状態(混合気の全部または大部分がキャビティC内に存在する状態)を適正につくり出すことができる。
【0081】
特に、上記実施形態では、圧縮行程の1/2〜3/4において複数回に分けて燃料が噴射されるので、各回の噴射における噴霧のペネトレーション(貫徹力)を弱めることができ、上記のような混合気の分布(キャビティC内に限定して混合気が形成される状態)を混合気の着火直前まで適正に維持することができる。
【0082】
また、上記実施形態では、燃料噴射終了の最遅時期である圧縮行程の3/4経過時点(BTDC45°CA)から混合気が着火する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ので、キャビティC内の混合気が着火する直前において、非平衡プラズマの作用により生じた活性種を当該混合気の外周部に適正に供給することができ、混合気の外周部を先に燃焼させる上述した燃焼形態を確実に実現することができる。
【0083】
(5)変形例
上記実施形態では、低負荷域A1での運転時に、キャビティC内に限定して混合気が形成されるように(つまり混合気の全部または大部分がキャビティC内に存在し、キャビティC外にはほとんど混合気が存在しなくなるように)、圧縮行程の1/2〜3/4においてインジェクタ15から燃料を噴射するようにしたが、少なくとも、キャビティCの内部に形成される混合気の空燃比がキャビティCの外部(キャビティCの開口縁C1よりも径方向外側の領域)の空燃比よりも小さく(リッチに)なるように燃料を噴射すればよく、その限りにおいて燃料噴射の形態を上記実施形態のものから異ならせてもよい。すなわち、キャビティCの内部に外部よりもリッチな混合気が形成される限りにおいて、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等を適宜変更してもよい。
【0084】
上記実施形態では、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。
【0085】
上記実施形態では、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16(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。
【0086】
より具体的に、上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。
【0087】
上記実施形態では、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。
【0088】
上記実施形態では、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。
【符号の説明】
【0089】
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
54 スロットル弁
100 PCM(制御装置)
A1 低負荷域
図1
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