特許 6982761 エンジンの燃焼制御方法及び燃焼制御装置

(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】6982761

(24)【登録日】2021年11月25日

(45)【発行日】2021年12月17日

(54)【発明の名称】エンジンの燃焼制御方法及び燃焼制御装置

(51)【国際特許分類】

   F02P 3/01 20060101AFI20211206BHJP

【ＦＩ】

   F02P3/01 B

【請求項の数】14

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2018-97342(P2018-97342)

(22)【出願日】2018年5月21日

(65)【公開番号】特開2019-203402(P2019-203402A)

(43)【公開日】2019年11月28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】110001427

【氏名又は名称】特許業務法人前田特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】大野 諒平

(72)【発明者】

【氏名】葛 晰遥

(72)【発明者】

【氏名】沖濱 圭佑

(72)【発明者】

【氏名】原田 雄司

(72)【発明者】

【氏名】田中 達也

【審査官】 池田 匡利

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１６−２１７２２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−２４０５４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１７／０８２３００（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１３−１８５５５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／００３１９８４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 独国特許出願公開第１０２０１５１０９９２８（ＤＥ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０２Ｐ ３／０１

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程の各工程がこの順で繰り返される燃焼室を有するエンジン本体と、上記燃焼室内に臨むように配置され、電極間に電圧を印加することによる放電により上記燃焼室内にプラズマを生成するプラズマ生成手段と、上記燃焼室内に燃料を供給する燃料供給手段と、上記排気行程で上記燃焼室内から排出された排気を、該燃焼室内に還流させる排気還流手段とを備え、上記燃料供給手段により供給された燃料によって形成される混合気を上記燃焼室内で燃焼させるエンジンの燃焼制御方法であって、
少なくとも上記圧縮行程において、上記プラズマ生成手段の上記電極間に、第１パルス電圧を印加して放電させることで、非平衡プラズマを生成する非平衡プラズマ生成工程と、
上記非平衡プラズマ生成工程の終了直後に、上記プラズマ生成手段の上記電極間に、第２パルス電圧を印加して放電させることで、熱平衡プラズマを生成する熱平衡プラズマ生成工程と、を含み、
上記非平衡プラズマ生成工程において、上記第１パルス電圧の印加開始時期及び印加終了時期は、上記燃焼室内の混合気におけるガスと燃料との比であるＧ／Ｆ、及び上記燃焼室内の全ガス量に対する該ガス中の排気の量の比であるＥＧＲ率の少なくとも一方に基づいて算出される一方、上記第１パルス電圧のピーク電圧は、上記圧縮行程における筒内圧に基づいて設定されることを特徴とするエンジンの燃焼制御方法。

【請求項2】

請求項１に記載のエンジンの燃焼制御方法において、
上記第１パルス電圧は、パルス幅が第１所定値以上かつ該第１所定値よりも大きい第２所定値未満のパルス電圧であり、
上記第２パルス電圧は、パルス幅が上記第２所定値以上のパルス電圧であることを特徴とするエンジンの燃焼制御方法。

【請求項3】

請求項１又は２に記載のエンジンの燃焼制御方法において、
上記非平衡プラズマ生成工程は、上記Ｇ／Ｆが１６以上となる運転状態であるときに実行する工程であることを特徴とするエンジンの燃焼制御方法。

【請求項4】

請求項１〜３のいずれか１つに記載のエンジンの燃焼制御方法において、
上記非平衡プラズマ生成工程は、上記ＥＧＲ率が２０％以上となる運転状態であるときに実行する工程であることを特徴とするエンジンの燃焼制御方法。

【請求項5】

請求項１〜４のいずれか１つに記載のエンジンの燃焼制御方法において、
上記非平衡プラズマ生成工程を実行する期間は、上記熱平衡プラズマ生成工程を実行する期間よりも長いことを特徴とするエンジンの燃焼制御方法。

【請求項6】

請求項５に記載のエンジンの燃焼制御方法において、
上記非平衡プラズマ生成工程は、少なくとも、上記圧縮行程後期でかつ上記燃料供給手段による燃料の供給後に実行する工程であり、
上記非平衡プラズマ生成工程を実行する期間の長さは、上記圧縮行程が実行される期間の１／４以上の長さであることを特徴とするエンジンの燃焼制御方法。

【請求項7】

吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程の各工程がこの順で繰り返される燃焼室を有するエンジン本体と、上記燃焼室内に燃料を供給する燃料供給手段と、上記排気行程で上記燃焼室内から排出された排気を、該燃焼室内に還流させる排気還流手段とを備え、上記燃料供給手段により供給された燃料によって形成される混合気を上記燃焼室内で燃焼させるエンジンの燃焼制御装置であって、
上記燃焼室内に臨むように配置され、電極間に電圧を印加することによる放電により上記燃焼室内にプラズマを生成するプラズマ生成手段と、
上記プラズマ生成手段及び上記燃料供給手段の作動を制御する制御手段とを更に備え、
上記制御手段は、少なくとも上記圧縮行程において、上記プラズマ生成手段の上記電極間に、第１パルス電圧を印加して放電させることで、非平衡プラズマを生成する非平衡プラズマ生成制御を実行するとともに、上記非平衡プラズマ生成制御の終了直後に、上記プラズマ生成手段の上記電極間に、第２パルス電圧を印加して放電させることで、熱平衡プラズマを生成する熱平衡プラズマ生成制御とを実行するように構成されており、
上記非平衡プラズマ生成制御において、上記第１パルス電圧の印加開始時期及び印加終了時期は、上記燃焼室内の混合気におけるガスと燃料との比であるＧ／Ｆ、及び上記燃焼室内の全ガス量に対する該ガス中の排気の量の比であるＥＧＲ率の少なくとも一方に基づいて算出される一方、上記第１パルス電圧のピーク電圧は、上記圧縮行程における筒内圧に基づいて設定されることを特徴とするエンジンの燃焼制御装置。

【請求項8】

請求項７に記載のエンジンの燃焼制御装置において、
上記第１パルス電圧は、パルス幅が第１所定値以上かつ該第１所定値よりも大きい第２所定値未満のパルス電圧であり、
上記第２パルス電圧は、パルス幅が上記第２所定値以上のパルス電圧であることを特徴とするエンジンの燃焼制御装置。

【請求項9】

請求項７又は８に記載のエンジンの燃焼制御装置において、
上記制御手段は、上記エンジンの運転状態が、上記Ｇ／Ｆが１６以上となる運転状態であるときに、上記非平衡プラズマ生成制御を実行させるように構成されていることを特徴とするエンジンの燃焼制御装置。

【請求項10】

請求項７〜９のいずれか１つに記載のエンジンの燃焼制御装置において、
上記制御手段は、上記エンジンの運転状態が、上記ＥＧＲ率が２０％以上となる運転状態であるときに、上記非平衡プラズマ生成制御を実行させるように構成されていることを特徴とするエンジンの燃焼制御装置。

【請求項11】

請求項７〜１０のいずれか１つに記載のエンジンの燃焼制御装置において、
上記制御手段は、上記非平衡プラズマ生成制御を実行する期間を、上記熱平衡プラズマ生成制御を実行する期間よりも長くするように構成されていることを特徴とするエンジンの燃焼制御装置。

【請求項12】

請求項１１に記載のエンジンの燃焼制御装置において、
上記制御手段は、上記非平衡プラズマ生成制御を、少なくとも、上記圧縮行程後期でかつ上記燃料供給手段による燃料の供給後に実行させるとともに、該非平衡プラズマ生成制御を実行する期間の長さを、上記圧縮行程が実行される期間の１／４以上の長さにするように構成されていることを特徴とするエンジンの燃焼制御装置。

【請求項13】

請求項１に記載のエンジンの燃焼制御方法において、
上記非平衡プラズマ生成工程において、上記Ｇ／Ｆが２０以上、及びＥＧＲ率が３０％以上の少なくとも一方を満たす運転状態のときには、上記第１パルス電圧は、上記吸気行程中に印加が開始されかつ上記圧縮行程後期に印加が終了される一方、上記Ｇ／Ｆが２０以上、及びＥＧＲ率が３０％以上の両方を満たさず、かつ、上記Ｇ／Ｆが１６以上かつ２０未満、及びＥＧＲ率が２０％以上かつ３０％未満の少なくとも一方を満たす運転状態のときには、上記第１パルス電圧は、上記圧縮行程前期に印加が開始されかつ上記圧縮行程後期に印加が終了されることを特徴とするエンジンの燃焼制御方法。

【請求項14】

請求項７に記載のエンジンの燃焼制御装置において、
上記非平衡プラズマ生成制御において、上記Ｇ／Ｆが２０以上、及びＥＧＲ率が３０％以上の少なくとも一方を満たす運転状態のときには、上記第１パルス電圧は、上記吸気行程中に印加が開始されかつ上記圧縮行程後期に印加が終了される一方、上記Ｇ／Ｆが２０以上、及びＥＧＲ率が３０％以上の両方を満たさず、かつ、上記Ｇ／Ｆが１６以上かつ２０未満、及びＥＧＲ率が２０％以上かつ３０％未満の少なくとも一方を満たす運転状態のときには、上記第１パルス電圧は、上記圧縮行程前期に印加が開始されかつ上記圧縮行程後期に印加が終了されることを特徴とするエンジンの燃焼制御装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

ここに開示された技術は、エンジンの燃焼制御方法及び燃焼制御装置に関する技術分野に属する。

【背景技術】

【0002】

従来より、電極間に電圧を印加することにより燃焼室内にプラズマを生成するプラズマ生成手段を備えたエンジンが知られている。

【0003】

例えば、特許文献１には、中心電極と接地電極との電極間に放電が生じる点火プラグ（プラズマ生成手段）と、中心電極を流れる電流を計測する第１電流計と、接地電極を流れる電流を計測する第２電流とを備え、電極間に低温プラズマ状態（非平衡プラズマ状態）を形成する短パルスの電界を発生される場合に、第１電流計で計測された電流値と第２電流計で計測された電流値との際から、電極間に流れる気体の流速を計測するエンジン（内燃機関）が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１４−１４１９１９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、例えば、エンジンのリーン燃焼時のように、燃焼のきっかけとなる火炎核が形成されにくく、また、火炎伝播しづらいような運転状態では、エンジンの燃焼安定性が低下することがある。これに対して、本発明者らが鋭意研究したところ、プラズマ生成手段の電極間に、燃焼室内に非平衡プラズマが生じるように電圧を印加して放電させると、燃焼室内での燃料の燃焼を促進する物質が生成され、エンジンの燃焼安定性が向上することが分かった。

【0006】

特許文献１に記載のものでは、非平衡プラズマを生じさせてはいるものの、燃焼室内での燃料の燃焼に利用することが全く開示されていない。このため、非平衡プラズマを利用して、エンジンの燃焼安定性を向上させるという観点からは改良の余地がある。

【0007】

ここに開示された技術は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、非平衡プラズマを適切に利用して、エンジンの燃焼安定性を向上させることにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するために、ここに開示された技術では、吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程の各工程がこの順で繰り返される燃焼室を有するエンジン本体と、上記燃焼室内に臨むように配置され、電極間に電圧を印加することによる放電により上記燃焼室内にプラズマを生成するプラズマ生成手段と、上記燃焼室内に燃料を供給する燃料供給手段と、上記排気行程で上記燃焼室内から排出された排気を、該燃焼室内に還流させる排気還流手段とを備え、上記燃料供給手段により供給された燃料によって形成される混合気を上記燃焼室内で燃焼させるエンジンの燃焼制御方法を対象にして、少なくとも上記圧縮行程において、上記プラズマ生成手段の上記電極間に、第１パルス電圧を印加して放電させることで、非平衡プラズマを生成する非平衡プラズマ生成工程と、上記非平衡プラズマ生成工程の終了直後に、上記プラズマ生成手段の上記電極間に、第２パルス電圧を印加して放電させることで、熱平衡プラズマを生成する熱平衡プラズマ生成工程と、を含み、上記非平衡プラズマ生成工程において、上記第１パルス電圧の印加開始時期及び印加終了時期は、上記燃焼室内の混合気におけるガスと燃料との比であるＧ／Ｆ、及び上記燃焼室内の全ガス量に対する該ガス中の排気の量の比であるＥＧＲ率の少なくとも一方に基づいて算出される一方、上記第１パルス電圧のピーク電圧は、上記圧縮行程における筒内圧に基づいて設定される、ものとした。

【0009】

この構成によると、少なくとも圧縮行程において非平衡プラズマを生じさせることで、燃焼室内に燃料の燃焼を促進する物質（以下、活性種という）が生成される。これにより、熱平衡プラズマを生じさせたときに、火炎核が形成されやすくなる。また、上記活性種が燃焼室内に拡散していれば、上記火炎核から火炎が伝播しやすくなる。これにより、エンジンの燃焼安定性を向上させることができる。

【0010】

上記エンジンの燃焼制御方法の一実施形態では、上記第１パルス電圧は、パルス幅が第１所定値以上かつ該第１所定値よりも大きい第２所定値未満のパルス電圧であり、上記第２パルス電圧は、パルス幅が上記第２所定値以上のパルス電圧である。

【0011】

すなわち、一般に、非平衡プラズマと熱平衡プラズマとは、プラズマ生成手段の電極間に印加するパルス電圧のパルス幅を制御することにより、それぞれ切り分けて生成することができる。よって、上記の構成により、非平衡プラズマ及び熱平衡プラズマを、目的に合わせて効率的に生成することができる。この結果、エンジンの燃焼安定性をより向上させることができる。

【0012】

上記エンジンの燃焼制御方法において、上記非平衡プラズマ生成工程は、上記Ｇ／Ｆが１６以上となる運転状態であるときに実行する工程であってもよい。

【0013】

すなわち、Ｇ／Ｆが１６以上となる運転状態では、リーンな状態であるため、エンジンの燃焼安定性が低下しやすい。このため、Ｇ／Ｆが１６以上の運転状態において非平衡プラズマ生成工程を実行することによって、エンジンの燃焼安定性を向上させるという効果を適切に発揮することができる。

【0014】

上記エンジンの燃焼制御方法において、上記非平衡プラズマ生成工程は、上記ＥＧＲ率が２０％以上となる運転状態であるときに実行する工程であってもよい。

【0015】

すなわち、ＥＧＲ率が２０％以上となる運転状態では、燃焼室内の酸素濃度がかなり低いため、エンジンの燃焼安定性が低下しやすい。このため、ＥＧＲ率が２０％以上となる運転状態において非平衡プラズマ生成工程と熱平衡プラズマ生成工程とを実行することによって、エンジンの燃焼安定性を向上させるという効果をより適切に発揮することができる。

【0016】

上記エンジンの燃焼制御方法において、上記非平衡プラズマ生成工程を実行する期間は、上記熱平衡プラズマ生成工程を実行する期間よりも長くてもよい。

【0017】

この構成によると、非平衡プラズマ生成工程において、燃焼室内に出来る限り多くの上記活性種を生成することができるため、熱平衡プラズマ生成工程を実行した際の混合気の燃焼がスムーズに進行する。よって、エンジンの燃焼安定性を一層向上させることができる。

【0018】

上記エンジンの燃焼制御方法において、上記非平衡プラズマ生成工程は、少なくとも、上記圧縮行程後期でかつ上記燃料供給手段による燃料の供給後に実行する工程であり、上記非平衡プラズマ生成工程を実行する期間の長さは、上記圧縮行程が実行される期間の１／４以上の長さであってもよい。

【0019】

この構成によると、圧縮行程プラズマ生成手段の電極周辺に、燃料と吸気との混合気が存在するようになり、非平衡プラズマ生成工程で生成される上記活性種によって、プラズマ生成手段の電極周辺において、局所的な低温酸化反応が発生する。これにより、プラズマ生成手段の電極周辺の温度が高くなるため、熱平衡プラズマ生成工程により熱平衡プラズマを生成した際に、火炎核が形成されやすくなる。この結果、エンジンの燃焼安定性がより一層向上される。

【0020】

本開示に係る技術の別の態様は、上記エンジンの燃焼制御装置に係る技術である。具体的には、吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程の各工程がこの順で繰り返される燃焼室を有するエンジン本体と、上記燃焼室内に燃料を供給する燃料供給手段と、上記排気行程で上記燃焼室内から排出された排気を、該燃焼室内に還流させる排気還流手段とを備え、上記燃料供給手段により供給された燃料によって形成される混合気を上記燃焼室内で燃焼させるエンジンの燃焼制御装置を対象として、上記燃焼室内に臨むように配置され、電極間に電圧を印加することによる放電により上記燃焼室内にプラズマを生成するプラズマ生成手段と、上記プラズマ生成手段及び上記燃料供給手段の作動を制御する制御手段とを更に備え、上記制御手段は、少なくとも上記圧縮行程において、上記プラズマ生成手段の上記電極間に、第１パルス電圧を印加して放電させることで、非平衡プラズマを生成する非平衡プラズマ生成制御を実行するとともに、上記非平衡プラズマ生成制御の終了直後に、上記プラズマ生成手段の上記電極間に、第２パルス電圧を印加して放電させることで、熱平衡プラズマを生成する熱平衡プラズマ生成制御とを実行するように構成されており、上記非平衡プラズマ生成制御において、上記第１パルス電圧の印加開始時期及び印加終了時期は、上記燃焼室内の混合気におけるガスと燃料との比であるＧ／Ｆ、及び上記燃焼室内の全ガス量に対する該ガス中の排気の量の比であるＥＧＲ率の少なくとも一方に基づいて算出される一方、上記第１パルス電圧のピーク電圧は、上記圧縮行程における筒内圧に基づいて設定される、ものとした。

【0021】

この構成でも、燃焼室内に上記活性種が生成されるため、熱平衡プラズマを生じさせたときに、火炎核が形成されやすくなる。また、上記活性種が燃焼室内に拡散していれば、上記火炎核から火炎が伝播しやすくなる。これにより、エンジンの燃焼安定性を向上させることができる。

【0022】

上記エンジンの燃焼制御装置の一実施形態では、上記第１パルス電圧は、パルス幅が第１所定値以上かつ該第１所定値よりも大きい第２所定値未満のパルス電圧であり、上記第２パルス電圧は、パルス幅が上記第２所定値以上となるようなパルス電圧である。

【0023】

この構成によると、非平衡プラズマ及び熱平衡プラズマを、目的に合わせて効率的に生成することができる。この結果、エンジンの燃焼安定性をより向上させることができる。

【0024】

上記エンジンの燃焼制御装置において、上記制御手段は、上記エンジンの運転状態が、上記Ｇ／Ｆが１６以上となる運転状態であるときに、上記非平衡プラズマ生成制御を実行させるように構成されていてもよい。

【0025】

すなわち、Ｇ／Ｆが１６以上となる運転状態ではエンジンの燃焼安定性が低下しやすいため、上記の構成によると、エンジンの燃焼安定性を向上させるという効果を適切に発揮することができる。

【0026】

上記エンジンの燃焼制御装置において、上記制御手段は、上記エンジンの運転状態が、上記ＥＧＲ率が２０％以上となる運転状態であるときに、上記非平衡プラズマ生成制御を実行させるように構成されていてもよい。

【0027】

すなわち、ＥＧＲ率が２０％以上となる運転状態では、エンジンの燃焼安定性が低下しやすいため、上記の構成によると、エンジンの燃焼安定性を向上させるという効果をより適切に発揮することができる。

【0028】

上記エンジンの燃焼制御装置において、上記制御手段は、上記非平衡プラズマ生成制御を実行する期間を、上記熱平衡プラズマ生成制御を実行する期間よりも長くするように構成されていてもよい。

【0029】

この構成によると、非平衡プラズマ生成制御により、燃焼室内に出来る限り多くの上記活性種を生成することができるため、熱平衡プラズマ生成制御を実行した際の混合気の燃焼がスムーズに進行する。よって、エンジンの燃焼安定性を一層向上させることができる。

【0030】

上記エンジンの燃焼制御装置において、上記制御手段は、上記非平衡プラズマ生成制御を、少なくとも、上記圧縮行程後期でかつ上記燃料供給手段による燃料の供給後に実行させるとともに、該非平衡プラズマ生成制御を実行する期間の長さを、上記圧縮行程が実行される期間の１／４以上の長さにするように構成されていてもよい。

【0031】

この構成によると、非平衡プラズマ生成制御で生成される上記活性種によって、プラズマ生成手段の電極周辺において、局所的な低温酸化反応が発生する。これにより、プラズマ生成手段の電極周辺の温度が高くなるため、熱平衡プラズマ生成制御により熱平衡プラズマを生成した際に、火炎核が形成されやすくなる。この結果、エンジンの燃焼安定性がより一層向上される。

【0032】

上記エンジンの燃焼制御方法において、上記非平衡プラズマ生成工程において、上記Ｇ／Ｆが２０以上、及びＥＧＲ率が３０％以上の少なくとも一方を満たす運転状態のときには、上記第１パルス電圧は、上記吸気行程中に印加が開始されかつ上記圧縮行程後期に印加が終了される一方、上記Ｇ／Ｆが２０以上、及びＥＧＲ率が３０％以上の両方を満たさず、かつ、上記Ｇ／Ｆが１６以上かつ２０未満、及びＥＧＲ率が２０％以上かつ３０％未満の少なくとも一方を満たす運転状態のときには、上記第１パルス電圧は、上記圧縮行程前期に印加が開始されかつ上記圧縮行程後期に印加が終了される、という構成でもよい。

【0033】

上記エンジンの燃焼制御装置において、上記非平衡プラズマ生成制御において、上記Ｇ／Ｆが２０以上、及びＥＧＲ率が３０％以上の少なくとも一方を満たす運転状態のときには、上記第１パルス電圧は、上記吸気行程中に印加が開始されかつ上記圧縮行程後期に印加が終了される一方、上記Ｇ／Ｆが２０以上、及びＥＧＲ率が３０％以上の両方を満たさず、かつ、上記Ｇ／Ｆが１６以上かつ２０未満、及びＥＧＲ率が２０％以上かつ３０％未満の少なくとも一方を満たす運転状態のときには、上記第１パルス電圧は、上記圧縮行程前期に印加が開始されかつ上記圧縮行程後期に印加が終了される、という構成でもよい。

【発明の効果】

【0034】

以上説明したように、ここに開示された技術によると、少なくとも圧縮行程において、非平衡プラズマを生成することで、燃焼室内に燃料の燃焼を促進する物質を生成することができる。そして、その後に、熱平衡プラズマを生成することで、上記物質を利用して火炎核を容易に形成することができる。この結果、エンジンの燃焼安定性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0035】

【図1】例示的な実施形態に係る燃焼制御装置が適用されたエンジンシステムの概略構成図である。

【図2】放電プラグの電極周辺を示す概略図である。

【図3】エンジンの制御系統を示すブロック図である。

【図4】非平衡プラズマ生成制御を伴わない燃焼制御を模式的に示す図である。

【図5】非平衡プラズマ生成制御を伴う燃焼制御を模式的に示す図である。

【図6】非平衡プラズマ及び熱平衡プラズマの生成条件を示すマップである。

【図7】非平衡プラズマを生成する際のパルス電圧の波形の一例を示すグラフである。

【図8】熱平衡プラズマを生成する際のパルス電圧の波形の一例を示すグラフである。

【図9】非平衡プラズマの生成開始時期及び生成期間、並びに、熱平衡プラズマの生成開始時期を示す概念図である。

【図10】非平衡プラズマ生成制御及び熱平衡プラズマ生成制御を実行する際のＰＣＭの処理動作を示すフローチャートである。

【図11】燃焼室内での熱発生率の変化を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0036】

以下、例示的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

【0037】

図１には、本実施形態に係る燃焼制御装置が適用されたエンジン１の構成を示す。本実施形態のエンジン１は車両の搭載されるエンジンである。このエンジン１は、エンジン本体１ａと、エンジン本体１ａに燃焼用の空気を導入するための吸気通路２０と、エンジン本体１ａで生成された排気を排出するための排気通路３０とを備える。

【0038】

エンジン本体１ａは、直列４気筒式であって、４つの気筒２が図１の紙面と直交する方向に直列に配置されている。エンジン本体１ａは上記車両の駆動源として利用される。

【0039】

エンジン本体１ａは、気筒２が内部に形成されたシリンダブロック３と、シリンダブロック３の上面に設けられたシリンダヘッド４と、気筒２に往復動（ここでは上下動）可能に嵌装されたピストン５とを有する。

【0040】

気筒２は燃焼室６が形成された気筒である。詳しくは、気筒２内におけるピストン５の上方に燃焼室６が形成されている。燃焼室６はいわゆるペントルーフ型であり、シリンダヘッド４の下面で構成される燃焼室６の天井面は吸気側および排気側の２つの傾斜面からなる三角屋根状をなしている。この燃焼室６内では、エンジン１の燃焼サイクル、すなわち、吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程の各行程がこの順で繰り返される。以下の説明では、ピストン５の位置や混合気の燃焼状態によらず気筒２の内側空間のうちピストン５の上面と燃焼室６の天井面との間に形成される空間を燃焼室６という。

【0041】

シリンダブロック３における気筒２の周囲には、エンジン冷却水が流通するウォータジャケット３ａが形成されている。ウォータジャケット３ａは、４つの気筒２を囲むように、シリンダブロック３内に形成されている。

【0042】

ピストン５は、シリンダブロック３内においてコンロッド８を介してクランクシャフト７と連結されている。クランクシャフト７は、ピストン５の往復動により回転駆動される。ピストン５の上面には、その中心部を含む領域をシリンダヘッド４とは反対側（下方）に凹ませたキャビティが形成されている。

【0043】

エンジン本体１ａの幾何学的圧縮比、つまり、ピストン５が下死点にあるときの燃焼室６の容積とピストン５が上死点にあるときの燃焼室６の容積との比は、本実施形態１では、１５〜２５（例えば１７程度）に設定されている。

【0044】

シリンダヘッド４には、吸気通路２０から供給される空気を気筒２（燃焼室６）内に導入するための吸気ポート９と、燃焼室６内で、燃料と空気との混合気が燃焼することにより生成された排気を排気通路３０に導出するための排気ポート１０とが形成されている。これら吸気ポート９と排気ポート１０とは、気筒２毎にそれぞれ２つずつ形成されている。

【0045】

シリンダヘッド４には、各吸気ポート９の燃焼室６側の開口をそれぞれ開閉する吸気弁１１と、各排気ポート１０の燃焼室６側の開口をそれぞれ開閉する排気弁１２とが設けられている。

【0046】

シリンダヘッド４には、燃焼室６内に燃料を供給（噴射）するインジェクタ（燃料供給手段）１４が設けられている。インジェクタ１４は、噴射口が形成された先端部が燃焼室６の天井面の中央付近に位置して燃焼室６の中央を臨むように取り付けられている。インジェクタ１４は、その先端に複数の噴口を有し、燃焼室の天井面の中央付近からピストン５の冠面に向かって、気筒２の中心軸を中心としたコーン状（詳しくはホローコーン状）に燃料を噴射するように構成されている。コーンのテーパ角（噴霧角）は、例えば９０°〜１００°である。なお、インジェクタ１４の具体的な構成はこれに限らず、単噴口のものであってもよい。

【0047】

インジェクタ１４は、不図示の高圧ポンプから圧送された燃料を燃焼室６内に噴射する。インジェクタ１４の噴射圧は、最大で７０ＭＰａ程度まで高められる。

【0048】

シリンダヘッド４には、燃焼室６内に臨むように配設されかつ該燃焼室６内にプラズマを生成するための放電プラグ１３が設けられている。図２に示すように、放電プラグ１３の先端には中心電極１３ａと接地電極１３ｂとが形成されている。中心電極１３ａは、棒状をなしていて、先端を除く部分は碍子１３ｃによって覆われている。接地電極１３ｂは中心電極１３ａと同心の円筒状をなしている。中心電極１３ａは電源（図示省略）に接続されており、該電源から電圧が印加されると、中心電極１３ａと接地電極１３ｂとの間で放電するようになっている。そして、中心電極１３ａと接地電極１３ｂとの間で放電したときには、放電のエネルギーにより、燃焼室６内にプラズマが生成される。このことから、放電プラグ１３は、電極１３ａ，１３ｂ間に電圧を印加することによる放電により燃焼室６内にプラズマを生成するプラズマ生成手段に相当する。

【0049】

上記吸気通路２０には、上流側から順に、エアクリーナ２１と、吸気通路２０を開閉するためのスロットルバルブ２２とが設けられている。本実施形態では、エンジン１の運転中、スロットルバルブ２２は基本的に全開もしくはこれに近い開度に維持されており、エンジン１の停止時等の限られた運転条件のときにのみ閉弁されて吸気通路２０を遮断する。

【0050】

上記排気通路３０には、排気を浄化するための浄化装置３１が設けられている。浄化装置３１は、例えば、三元触媒を内蔵している。

【0051】

排気通路３０には、排気通路３０を通過する排気の一部をＥＧＲガスとして吸気通路２０に還流するためのＥＧＲ装置４０が設けられている。ＥＧＲ装置４０は、吸気通路２０のうちスロットルバルブ２２よりも下流側の部分と排気通路３０のうち浄化装置３１よりも上流側の部分とを連通するＥＧＲ通路４１、および、ＥＧＲ通路４１を開閉するＥＧＲバルブ４２を有する。

【0052】

尚、本実施形態に係るエンジン１は、過給機を備えていない。但し、本開示に係る技術は、過給機を備えたエンジンに適用することを排除しない。

【0053】

図３は、エンジン１の制御系統を示す。本実施形態に係るエンジン１は、制御装置としてのパワートレイン・コントロール・モジュール１００（以下、ＰＣＭ１００という）によって統括的に制御される。ＰＣＭ１００は、ＣＰＵ、メモリ、カウンタタイマ群、インターフェース及びこれらのユニットを接続するパスを有するマイクロプロセッサで構成されている。

【0054】

車両には各種センサが設けられている。ＰＣＭ１００はこれらセンサと電気的に接続されており、ＰＣＭ１００には、各センサからの検出信号が入力される。例えば、エンジン１には、エンジン本体１ａの温度を検出するエンジン温度センサＳＮ１と、吸気通路２０に流入する吸気流量を検出するエアフローセンサＳＮ２と、燃焼室６に供給される吸気の圧力を検出する吸気圧センサＳＮ３と、クランクシャフト７の回転角度を検出するクランク角センサＳＮ４と、運転者により操作される不図示のアクセルペダルの開度（アクセル開度）を検出するアクセル開度センサＳＮ５と、各気筒２にそれぞれ１つずつ設けられ、各気筒２内の圧力をそれぞれ検出する筒内圧センサＳＮ６が設けられている。

【0055】

エンジン温度センサＳＮ１は、例えば、ウォータジャケット３ａを流通するエンジン冷却水の温度を検出することで、エンジン本体１ａの温度を検出する。尚、エンジン温度センサＳＮ１は、排気温度を検出することで、エンジン本体１ａの温度を検出するセンサであってもよく、エンジンオイルの油温を検出することで、エンジン本体１ａの温度を検出するセンサであってもよい。

【0056】

ＰＣＭ１００は、クランク角センサＳＮ４の検出結果からエンジン本体１ａの回転数（エンジン回転数）を算出する。ＰＣＭ１００は、アクセル開度センサＳＮ５の検出結果からエンジン負荷を算出する。ＰＣＭ１００は、筒内圧センサＳＮ６の検出結果から、燃焼室６内の熱発生率を算出する。

【0057】

ＰＣＭ１００は、これらセンサＳＮ１〜ＳＮ６等からの入力信号に基づいて種々の演算を実行して、放電プラグ１３、インジェクタ１４、スロットルバルブ２２、ＥＧＲバルブ４２等のエンジン１の各部を制御する。

【0058】

〈燃焼制御〉
以下、図４〜９を参照しながら、本実施形態における燃焼制御について説明する。

【0059】

本実施形態では、ＰＣＭ１００は、エンジン１の運転状態及び燃焼室６内の状態に応じて、燃焼形態を異ならせるように、放電プラグ１３等を制御している。図４及び図５には、ＰＣＭ１００による燃焼制御の一例をそれぞれ示す。図４及び図５には、圧縮上死点のクランク角を０°としており、これに対して進角側（圧縮上死点よりも早い時期）をマイナスで表し、遅角側（圧縮上死点よりも遅い時期）をプラスで表している。吸気行程は−３６０°〜−１８０°の期間であり、圧縮行程は、−１８０°〜０°の期間である。

【0060】

図４は、エンジン１の燃焼安定性が低下するおそれが低いときの燃焼制御であって、例えば、エンジン負荷が所定負荷以上の高負荷であるときの燃焼制御の一例である。図４に示すように、例えば、エンジン１が高負荷領域にあるときには、ＰＣＭ１００は、吸気行程中に燃焼室６内にインジェクタ１４により燃料を噴射させた後、圧縮行程における圧縮上死点の直前に、放電プラグ１３の電極１３ａ，１３ｂ間に、燃焼室６内に熱平衡プラズマが生じるようなパルス電圧を印加して、電極１３ａ，１３ｂ間で放電させて、熱平衡プラズマを生成する熱平衡プラズマ生成制御を実行する。尚、熱平衡プラズマとは、燃焼室６内のガス温度の上昇を伴い、燃焼室６内の電子と、燃焼室６内のガスのイオンや分子とが熱平衡状態にあるようなプラズマのことをいう。

【0061】

エンジン１が高負荷領域にあるときには、燃焼室６内の混合気におけるガスと燃料との質量比であるＧ／Ｆが、理論空燃比である１４．７付近か該理論空燃比よりも小さくなる程度に燃料が噴射される。また、多くの量の燃料を燃焼室６内で燃焼させるために、出来る限り多くの新気が燃焼室６内に導入される。このため、エンジン１が高負荷領域にあるときには、ＥＧＲガスはあまり供給されず、燃焼室６内の全ガス量に対する該ガス中のＥＧＲガス（排気）の量の比であるＥＧＲ率が小さい。これらのことから、エンジン１が高負荷領域にあるときには、燃焼室６内の混合気が着火しやすい。このため、図４に示すように、圧縮行程における圧縮上死点の直前に熱平衡プラズマを発生させるだけでも、放電プラグ１３の電極１３ａ，１３ｂの周りに火炎核を形成することができ、燃焼室６内の混合気に着火させることができる。

【0062】

一方で、図５は、エンジン１の燃焼安定性が低下するおそれが高いときの燃焼制御であって、例えば、エンジン負荷が上記所定負荷未満の低負荷である時の燃焼制御の一例である。図５に示すように、例えば、エンジン１が低負荷領域にあるときには、ＰＣＭ１００は、吸気行程中に燃焼室６内にインジェクタ１４により燃料を噴射させた後、圧縮行程において、放電プラグ１３の電極１３ａ，１３ｂ間に、燃焼室６内に非平衡プラズマが生じるようなパルス電圧を印加して、電極１３ａ，１３ｂ間で放電させて、非平衡プラズマを生成する非平衡プラズマ生成制御を実行する。そして、ＰＣＭ１００は、非平衡プラズマ生成制御の終了直後に、上記熱平衡プラズマ生成制御を実行する。尚、非平衡プラズマとは、燃焼室６内のガス温度の上昇を伴わず、燃焼室６内の電子と、燃焼室６内のガスのイオンや分子とが熱平衡状態にないプラズマのことをいう。

【0063】

エンジン１が低負荷領域にあるときには、燃料の供給量が少ないことに加えて、ＥＧＲガスが多く導入されるため、Ｇ／Ｆが大きくなりやすい。また、Ｇ／Ｆ自体は、ある程度小さくても、ＥＧＲ率が高くなりやすい。これらのことから、エンジン１が低負荷領域にあるときには、上記熱平衡プラズマ生成制御だけでは、燃焼室６内の混合気が着火しにくく、エンジン１の燃焼安定性が低下してしまうおそれがある。

【0064】

このため、本実施形態では、ＰＣＭ１００は、エンジン１の燃焼安定性が低下するおそれが高い運転状態において、非平衡プラズマ生成制御を実行する。非平衡プラズマを生成することにより、燃焼室６内に燃料の燃焼を促進する物質（例えば、オゾン（Ｏ３）やＯＨ。以下、活性種という）が生成される。上記活性種が生成されれば、図５に示すように、放電プラグ１３の電極１３ａ，１３ｂの周囲において、局所的な低温酸化反応が発生する。低温酸化反応が発生することで、電極１３ａ，１３ｂ周りの温度が上昇して、火炎核が形成されやすい状態になる。これにより、上記非平衡プラズマ生成制御の終了直後に、上記熱平衡プラズマ生成制御を実行することで、図５に示すように、電極１３ａ，１３ｂの周囲に火炎核が形成される。そして、火炎核が形成された後は、図５に示すように、火炎が伝播して混合気に着火する。これにより、エンジン１の燃焼安定性が低下するおそれが高い運転状態であっても、該エンジン１の燃焼安定性を向上させることができる。尚、「非平衡プラズマ生成制御の終了直後」とは、終了と同時を含み、上記非平衡プラズマ生成制御の終了直後、クランク角度で１０°以内の期間のことをいう。

【0065】

非平衡プラズマ及び熱平衡プラズマは、放電プラグ１３の電極１３ａ，１３ｂ間に印加するパルス電圧を制御することにより、特に、パルス電圧のパルス幅を制御することにより、目的に合わせて、それぞれ生成することができる。図６〜図８は、非平衡プラズマ及び熱平衡プラズマの生成条件を示す。図６の横軸は、パルス幅であり、対数スケールで示している。一方、図６の縦軸は印加電圧のピーク値であり、対数スケールで示している。図６に示すように、パルス幅を短くすると非平衡プラズマが生成され、パルス幅を長くすると熱平衡プラズマが生成されることが分かる。イオンや分子は電子と比較するとかなり大きいため、パルス幅の短いパルス電圧では、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ためである。

【0066】

本実施形態では、主にパルス幅を変更することにより、非平衡プラズマと熱平衡プラズマとを、目的に合わせて、それぞれ生成するようにしている。具体的には、図７に示すように、ＰＣＭ１００は、上記非平衡プラズマ生成制御においては、ピーク電圧が１０ｋＶ、パルス幅が第１所定値以上かつ該第１所定値よりも大きい第２所定値未満の第１パルス電圧を、放電プラグ１３の電極１３ａ，１３ｂ間に印加させる。また、ＰＣＭ１００は、上記非平衡プラズマ生成制御において、上記のパルス電圧を１００ｋＨｚの周波数で繰り返し放電させる。図６及び図７に示すように、第１所定値は、例えば、０．０１μｓｅｃであり、第２所定値は、例えば、１μｓｅｃである。より具体的には、ＰＣＭ１００は、上記非平衡プラズマ生成制御において、基本的には、ピーク電圧が１０ｋＶ、パルス幅が０．１μｓｅｃの第１パルス電圧を放電プラグ１３の電極１３ａ，１３ｂ間に印加させるようにしている。

【0067】

一方で、図８に示すように、ＰＣＭ１００は、上記熱平衡プラズマ生成制御においては、ピーク電圧が１０ｋＶ、パルス幅が上記第２所定値以上かつ第３所定値未満の第２パルス電圧を、放電プラグ１３の電極１３ａ，１３ｂ間に印加させる。また、ＰＣＭ１００は、上記熱平衡プラズマ生成制御において、パルス幅が１０μｓｅｃ以下のパルス電圧については、１００ｋＨｚの周波数で、パルス幅が１０μｓｅｃを超えるパルス電圧については、出来る限り大きな周波数で繰り返し放電させる。図６及び図７に示すように、第３所定値は、例えば、５ｍｓｅｃである。より具体的には、ＰＣＭ１００は、上記熱平衡プラズマ生成制御において、基本的には、ピーク電圧が１０ｋＶ、パルス幅が１μｓｅｃの第２パルス電圧を放電プラグ１３の電極１３ａ，１３ｂ間に印加させるようにしている。尚、放電プラグ１３の寿命を長くするという観点からは、第２パルス電圧のパルス幅は出来る限り短くすることが好ましい。

【0068】

尚、上記非平衡プラズマ生成制御の第１パルス電圧及び上記熱平衡プラズマ生成制御の第２パルス電圧におけるピーク電圧は、１ｋＶ以上かつ３０ｋＶ以下の範囲で、筒内圧等に基づいて変更してもよい。すなわち、例えば、筒内圧が高いときには、電極１３ａ，１３ｂ周辺に、ガスのイオンや分子が大量に存在し、電子の動きが制限される結果、非平衡プラズマ及び熱平衡プラズマが生成されにくいため、ピーク電圧を１０ｋＶよりも高くしてもよい。

【0069】

本実施形態では、エンジン負荷が低負荷である運転状態の中でも、特に、エンジン１の燃焼安定性が低下しやすい運転状態、すなわち、Ｇ／Ｆが大きかったり、ＥＧＲ率が高かったりするような運転状態において、上述した非平衡プラズマ生成制御を実行するようにしている。具体的には、Ｇ／Ｆが１６以上、及び、ＥＧＲ率が２０％以上の少なくとも一方を満たすような運転状態において、非平衡プラズマ生成制御を実行する。より詳しくは、Ｇ／Ｆ及びＥＧＲ率の大きさに基づいて、上記非平衡プラズマ生成制御の開始時期及び継続期間を変更するようにしている。

【0070】

図９には、ＰＣＭ１００による、上記非平衡プラズマ生成制御の開始時期及び継続期間、並びに、上記熱平衡プラズマ生成制御の開始時期を示す。図９では、図４及び図５と同様に、図９（ａ），（ｂ）共に、圧縮上死点のクランク角を０°としており、これに対して進角側（圧縮上死点よりも早い時期）をマイナスで表し、遅角側（圧縮上死点よりも遅い時期）をプラスで表している。吸気行程は−３６０°〜−１８０°の期間であり、圧縮行程は、−１８０°〜０°の期間である。

【0071】

図９の（ａ）は、Ｇ／Ｆが２０以上、及び、ＥＧＲ率が３０％以上の少なくとも一方の条件を満たす運転状態（以下、第１運転状態という）における、上記非平衡プラズマ生成制御の開始時期及び継続期間、並びに、上記熱平衡プラズマ生成制御の開始時期を示す。上記第１運転状態では、エンジン１の燃焼安定性が低下する可能性がかなり高い。そのため、ＰＣＭ１００は、出来る限り長い期間の間、上記非平衡プラズマ生成制御を実行して、燃焼室６内に出来る限り多くの上記活性種を生成する。具体的には、図９（ａ）に示すように、ＰＣＭ１００は、吸気行程中（クランク角度で−３６０°〜−１８０°）に上記非平衡プラズマ生成制御（放電プラグ１３による第１パルス電圧での放電）を開始する。ＰＣＭ１００は、上記非平衡プラズマ生成制御の開始から、少なくとも、圧縮行程における−４５°までの期間に亘って、上記非平衡プラズマ生成制御を継続させる。そして、ＰＣＭ１００は、−４５°〜５°の間に上記非平衡プラズマ生成制御を終了し、その終了直後に、上記熱平衡プラズマ生成制御（放電プラグ１３による第２パルス電圧での放電）を開始する。ＰＣＭ１００は、上記熱平衡プラズマ生成制御を燃焼室６内での燃焼が確認されるまで継続する。ＰＣＭ１００は、燃焼室６内で燃焼が開始したか否かを、筒内圧センサＳＮ６の検出結果により判断する。詳しくは、筒内圧センサＳＮ６の検出結果が所定圧力以上になったときに、燃焼室６内で燃焼が開始したと判断する。

【0072】

上記第１運転状態においては、吸気行程中に上記非平衡プラズマ生成制御を開始しているが、その開始時期は、インジェクタ１４による燃料噴射開始前であってもよく、インジェクタ１４による燃料噴射開始後であってもよい。また、上記非平衡プラズマ生成制御の開始時期及び終了時期は、Ｇ／Ｆの値やＥＧＲ率によって変更してもよい。例えば、Ｇ／Ｆが大きい程又はＥＧＲ率が高い程、早い時期（進角側の時期）から非平衡プラズマ生成制御を開始し、遅い時期（遅角側の時期）に上記非平衡プラズマ生成制御を終了するようにしてもよい。

【0073】

一方、図９の（ｂ）は、Ｇ／Ｆが２０以上、及び、ＥＧＲ率が３０％以上の両方の条件を満たさず、かつ、Ｇ／Ｆが１６以上かつ２０未満、及び、ＥＧＲ率が２０％以上かつ３０％未満の少なくとも一方の条件を満たす運転状態（以下、第２運転状態という）における、上記非平衡プラズマ生成制御の開始時期及び継続期間、並びに、上記熱平衡プラズマ生成制御の開始時期を示す。上記第２運転状態では、上記第１運転状態と比較すると、エンジン１の燃焼安定性が低下する可能性は低くなる。そのため、ＰＣＭ１００は、上記第１運転状態のときと比較して、上記非平衡プラズマ生成制御を実行する期間を短くする。具体的には、図９（ｂ）に示すように、ＰＣＭ１００は、圧縮行程の前半（クランク角度で−１８０°〜−９０°）に非平衡プラズマの生成（放電プラグ１３による第１パルス電圧での放電）を開始する。ＰＣＭ１００は、上記非平衡プラズマ生成制御の開始から、少なくとも、圧縮行程における−４５°までの期間に亘って、上記非平衡プラズマ生成制御を継続する。そして、ＰＣＭ１００は、−４５°〜５°の間に非平衡プラズマの生成を終了し、その終了直後に、上記熱平衡プラズマ生成制御を開始する。ＰＣＭ１００は、上記熱平衡プラズマ生成制御を燃焼室６内での燃焼が確認されるまで継続する。ＰＣＭ１００は、燃焼室６内で燃焼が開始したか否かを、上記第１運転状態のときと同様に、筒内圧センサＳＮ６の検出結果により判断する。

【0074】

上記第２運転状態における上記非平衡プラズマ生成制御の開始時期及び終了時期は、上記第１運転状態のときと同様に、Ｇ／Ｆの値やＥＧＲ率によって変更してもよい。例えば、Ｇ／Ｆが大きい程又はＥＧＲ率が高い程、早い時期（進角側の時期）から上記非平衡プラズマ生成制御を開始し、遅い時期（遅角側の時期）に上記非平衡プラズマ生成制御を終了するようにしてもよい。

【0075】

以上のように、本実施形態では、Ｇ／Ｆ及びＥＧＲ率の大きさに基づいて、上記非平衡プラズマ生成制御の開始時期及び継続期間を変更する。一方で、上述したように、本実施形態では、ＰＣＭ１００は、上記第１及び第２運転状態のいずれのときでも、少なくとも圧縮行程では上記非平衡プラズマ生成制御を実行する。特に、ＰＣＭ１００は、少なくとも、圧縮行程後期でかつインジェクタ１４による燃料の供給後に実行する。すなわち、圧縮行程後期でかつインジェクタ１４による燃料の供給後であれば、放電プラグ１３の電極１３ａ，１３ｂ周辺に、燃料と吸気との混合気が存在するようになる。このため、上記非平衡プラズマ生成制御で生成される上記活性種による、電極１３ａ，１３ｂ周囲の局所的な低温酸化反応が発生しやすい。したがって、熱平衡プラズマ生成制御により、電極１３ａ，１３ｂ周りに火炎核が発生しやすくなり、エンジン１の燃焼安定性がより一層向上される。尚、圧縮行程後期とは、圧縮行程における実施期間（クランク角度での期間）を均等に２分割したときの後半の期間（遅角側の期間）に相当する。

【0076】

また、本実施形態では、ＰＣＭ１００は、非平衡プラズマ生成制御を実行する期間を、上記熱平衡プラズマ生成制御を実行する期間よりも長くする。特に、ＰＣＭ１００は、上記非平衡プラズマ生成制御を実行する期間を、圧縮行程が実行される期間の１／４以上の長さ（つまり、クランク角で４５°以上の長さ）にする。これにより、上記非平衡プラズマ生成制御において、燃焼室６内に出来る限り多くの上記活性種を生成することができる。また、生成された上記活性種の一部が燃焼室６内に拡散することで、上記火炎核から火炎が伝播しやすくなるため、燃焼室６内での混合気の燃焼がスムーズに進行する。この結果、エンジン１の燃焼安定性を一層向上させることができる。

【0077】

次に、上記非平衡プラズマ生成制御及び上記熱平衡プラズマ生成制御を実行する際のＰＣＭ１００の処理動作について、図１０のフローチャートを参照しながら説明する。このフローチャートに基づく処理動作は、エンジン１が作動している間は１燃焼サイクル毎に実行される。

【0078】

まず、ステップＳ１において、ＰＣＭ１００は、各センサＳＮ１〜ＳＮ６からの情報を読み込む。

【0079】

次のステップＳ２では、ＰＣＭ１００は、エンジン負荷が所定負荷未満であるか否かを判定する。ＰＣＭ１００は、エンジン負荷が所定負荷未満の低負荷であるＹＥＳのときには、ステップＳ３に進む一方で、エンジン負荷が所定負荷以上の高負荷であるＮＯのときには、リターンする。

【0080】

上記ステップＳ３では、ＰＣＭ１００は、Ｇ／Ｆが１６以上であるか否かを判定する。Ｇ／Ｆが１６以上であるＹＥＳのときには、ステップＳ５に進む一方で、Ｇ／Ｆが１６未満であるＮＯのときには、ステップＳ４に進む。

【0081】

上記ステップＳ４では、ＰＣＭ１００は、ＥＧＲ率が２０％以上であるか否かを判定する。ＥＧＲ率が２０％以上であるＹＥＳのときには、ステップＳ５に進む一方で、ＥＧＲ率が２０％未満であるＮＯのときには、リターンする。

【0082】

上記ステップＳ５では、ＰＣＭ１００は、上記非平衡プラズマ生成制御を実行すべく、上記非平衡プラズマ生成制御の開始時期及び終了時期を算出する。このステップＳ５において、ＰＣＭ１００は、Ｇ／Ｆ及びＥＧＲ率に基づいて、上記非平衡プラズマ生成制御の開始時期及び終了時期を算出する。また、このステップＳ５において、ＰＣＭ１００は、筒内圧等に基づいて、第１パルス電圧のピーク電圧及びパルス幅を決定する。さらに、このステップＳ５において、ＰＣＭ１００は、筒内圧等に基づいて、第２パルス電圧のピーク電圧及びパルス幅を決定する。

【0083】

次のステップＳ６では、ＰＣＭ１００は、上記ステップＳ５で設定した開始時期になった時に、上記非平衡プラズマ生成制御を開始する。このステップＳ６において、ＰＣＭ１００は、放電プラグ１３の電極１３ａ，１３ｂ間に、燃焼室６内に非平衡プラズマを生じさせるような第１パルス電圧を印加させる。

【0084】

続くステップＳ７では、ＰＣＭ１００は、上記ステップＳ５で設定した終了時期になったか否かを判定する。ＰＣＭ１００は、上記終了時期になったＹＥＳのときには、ステップＳ８に進む一方で、未だ上記終了時期になっていないＮＯのときには、終了時期になるまで、上記非平衡プラズマ生成制御を継続させ、放電プラグ１３の電極１３ａ，１３ｂ間に上記第１パルス電圧を繰り返し印加させる。

【0085】

上記ステップＳ８では、上記非平衡プラズマ生成制御を終了する。

【0086】

次のステップＳ９では、ＰＣＭ１００は、上記ステップＳ８での上記非平衡プラズマ生成制御の終了直後、具体的には、上記非平衡プラズマ生成制御の終了後、クランク角で１０°以内の期間に、上記熱平衡プラズマ生成制御を開始する。このステップＳ９において、ＰＣＭ１００は、放電プラグ１３の電極１３ａ，１３ｂ間に、燃焼室６内に熱平衡プラズマを生じさせるような第２パルス電圧を印加させる。

【0087】

次のステップＳ１０では、ＰＣＭ１００は、燃焼室６内での混合気の燃焼が開始したか否かを判定する。このステップＳ１０において、ＰＣＭ１００は、筒内圧センサＳＮ６の検出結果が上記所定圧力以上であるか否かに基づいて、燃焼室６内での混合気の燃焼が開始したか否かを判定する。ＰＣＭ１００は、燃焼室６内での混合気の燃焼が開始したＹＥＳのときには、ステップＳ１１に進む一方、燃焼室６内での混合気の燃焼が未だ開始していないＮＯのときには、上記熱平衡プラズマ生成制御を継続させ、放電プラグ１３の電極１３ａ，１３ｂ間に上記第２パルス電圧を繰り返し印加させる。

【0088】

上記ステップＳ１１では、ＰＣＭ１００は、上記熱平衡プラズマ生成制御を終了する。ステップＳ１１の後はリターンする。

【0089】

以上のようにして、エンジン１の燃焼安定性が低下するおそれのある運転状態において、上記非平衡プラズマ生成制御を実行することにより、燃焼室６内に上記活性種を生成して、上記熱平衡プラズマ生成制御において、火炎核が形成されやすいようにする。これにより、エンジンの燃焼安定性を向上させることができる。

【0090】

図１１は、上記非平衡プラズマ生成制御を実行した場合と実行しなかった場合とで、燃焼室６内での熱発生率の変化を実験により求めた結果を示すグラフである。図１１（ａ）は上記非平衡プラズマ生成制御を実行した場合の熱発生率の変化を示す一方、図１１（ｂ）は上記非平衡プラズマ生成制御を実行しなかった場合の熱発生率の変化を示す。図１１（ａ），（ｂ）において、縦軸は熱発生率であり、横軸はクランク角である。図１１（ａ），（ｂ）共に、圧縮上死点のクランク角を０°としており、これに対して進角側（圧縮上死点よりも早い時期）をマイナスで表し、遅角側（圧縮上死点よりも遅い時期）をプラスで表している。

【0091】

この実験は、Ｇ／Ｆが３０になる運転状態での熱発生率であり、上記非平衡プラズマ生成制御の実行の有無に拘わらず、上記熱平衡プラズマ生成制御は、クランク角で−１５°の時に実行している。また、この実験では、上記非平衡プラズマ生成制御の終了時期は、クランク角で−１５°以前の時期である。

【0092】

図１１（ｂ）に示すように、上記非平衡プラズマ生成制御を実行しなかった場合、圧縮上死点近傍においても熱発生率の急上昇しているものがある一方で、圧縮上死点近傍でもほとんど熱発生率の上昇がなく失火したものがあることが分かる。一方で、図１１（ａ）に示すように、上記非平衡プラズマ生成制御を実行した場合、失火すること無く、圧縮上死点近傍において、熱発生率が急上昇、すなわち、燃焼室６内で混合気が燃焼していることが分かる。このように、Ｇ／Ｆが３０とかなりリーンな運転状態においても、上記非平衡プラズマ生成制御を実行することにより、燃焼性が向上することが分かる。

【0093】

また、図１１（ａ）に示すように、上記非平衡プラズマ生成制御を実行した場合、上記非平衡プラズマ生成制御を実行しない場合と比較して、熱発生率のピーク値のバラツキが少ないことが分かる。このように、上記非平衡プラズマ生成制御を実行することにより、着火性が向上するだけで無く、安定した燃焼状態を確保することができることが分かる。したがって、本実施形態の如く、上記非平衡プラズマ生成制御を実行することにより、エンジン１の燃焼安定性を向上させることができる。

【0094】

したがって、本実施形態では、少なくとも圧縮行程において、放電プラグ１３の電極１３ａ，１３ｂ間に、燃焼室６内に非平衡プラズマを生じさせるような第１パルス電圧を印加して放電させることで、非平衡プラズマを生成する非平衡プラズマ生成制御を実行し、非平衡プラズマ生成制御の終了直後に、放電プラグ１３の電極１３ａ，１３ｂ間に、燃焼室６内に熱平衡プラズマを生じさせるような第２パルス電圧を印加して放電させることで、熱平衡プラズマを生成する熱平衡プラズマ生成制御を実行する。この構成により、少なくとも圧縮行程において非平衡プラズマを生じさせることで、燃焼室６内に上記活性種を生成することができ、その後に、上記熱平衡プラズマ生成制御を実行することで、上記活性種を利用して火炎核を容易に形成することができる。この結果、エンジン１の燃焼安定性を向上させることができる。

【0095】

また、本実施形態では、上記非平衡プラズマ生成制御を実行する期間が、上記熱平衡プラズマ生成制御を実行する期間よりも長いため、燃焼室６内に出来る限り多くの上記活性種を生成することができる。これにより、上記熱平衡プラズマ生成制御を実行した際の混合気の燃焼がスムーズに進行する。この結果、エンジン１の燃焼安定性を一層向上させることができる。

【0096】

さらに、本実施形態では、上記非平衡プラズマ生成制御は、少なくとも、圧縮行程後期でかつインジェクタ１４による燃料の供給後に実行されるとともに、該非平衡プラズマ生成制御を実行する期間の長さは、圧縮行程が実行される期間の１／４以上の長さであるため、放電プラグ１３の電極１３ａ，１３ｂ周辺に、混合気が存在するようになり、上記非平衡プラズマ生成制御で生成される上記活性種によって、放電プラグ１３の電極１３ａ，１３ｂ周辺において、局所的な低温酸化反応が発生する。これにより、放電プラグ１３の電極１３ａ，１３ｂ周辺の温度が高くなるため、上記熱平衡プラズマ生成制御により熱平衡プラズマを生成した際に、火炎核が形成されやすくなる。この結果、エンジンの燃焼安定性がより一層向上される。

【0097】

ここに開示された技術は、上記実施形態に限られるものではなく、請求の範囲の主旨を逸脱しない範囲で代用が可能である。

【0098】

例えば、上述の実施形態では、第１パルス電圧のパルス幅は、第２所定値未満（１μｓｅｃ未満）としたが、これに限らず、第１パルス電圧のパルス幅を、１０μｓｅｃ未満の範囲で、第２所定値以上にしてもよい。この場合、第１パルス電圧のピーク電圧を、１０ｋＶ未満（例えば、８ｋＶ）にするなどすればよい。

【0099】

また、上述の実施形態では、過給機が設けられていなかったが、過給機を備えるエンジンの場合には、該過給機の過給圧に基づいて、上記非平衡プラズマ生成制御における第１パルス電圧のピーク電圧及び上記熱平衡プラズマ生成制御における第２パルス電圧のピーク電圧を変更するようにしてもよい。より詳しくは、過給圧が高い程、第１及び第２パルス電圧のピーク電圧を高くするようにしてもよい。

【0100】

さらに、上述の実施形態では、エンジン負荷が所定負荷以上の高負荷領域では、上記非平衡プラズマ生成制御を実行しないようにしていたが、これに限らず、エンジン負荷が高負荷であっても、例えば、ＥＧＲ率が２０％以上になるような運転状態では、上記非平衡プラズマ生成制御を実行するようにしてもよい。

【0101】

上述の実施形態は単なる例示に過ぎず、本開示の範囲を限定的に解釈してはならない。本開示の範囲は請求の範囲によって定義され、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本開示の範囲内のものである。

【産業上の利用可能性】

【0102】

ここに開示された技術は、吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程の各工程がこの順で繰り返される燃焼室を有するエンジン本体と、燃焼室内に燃料を供給する燃料供給手段とを備え、燃料供給手段により供給された燃料によって形成される混合気を燃焼室内で燃焼させるエンジンに有用である。

【符号の説明】

【0103】

１ エンジン
１ａ エンジン本体
６ 燃焼室
１３ 放電プラグ（プラズマ生成手段）
１３ａ 中心電極（プラズマ生成手段の電極）
１３ｂ 接地電極（プラズマ生成手段の電極）
１４ インジェクタ（燃焼供給手段）
４０ ＥＧＲ装置（排気還流手段）
１００ ＰＣＭ（制御手段）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】