特許 7001002 予混合圧縮着火式エンジン

(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】

(24)【登録日】2021-12-28

(45)【発行日】2022-01-19

(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】

   F02D 41/02 20060101AFI20220112BHJP

   F02D 41/04 20060101ALI20220112BHJP

   F02D 41/38 20060101ALI20220112BHJP

   F02B 17/00 20060101ALI20220112BHJP

   F02B 23/00 20060101ALI20220112BHJP

   F02B 23/02 20060101ALI20220112BHJP

   F02B 23/10 20060101ALI20220112BHJP

【ＦＩ】

F02D41/02

F02D41/04

F02D41/38

F02B17/00 F

F02B23/00 H

F02B23/02 H

F02B23/02 N

F02B23/10 320

F02B23/10 310A

F02B23/10 310E

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2018115767

(22)【出願日】2018-06-19

(65)【公開番号】P2019218883

(43)【公開日】2019-12-26

【審査請求日】2020-07-15

(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】乃生 芳尚

(72)【発明者】

【氏名】太田 統之

(72)【発明者】

【氏名】荒木 啓二

【審査官】戸田 耕太郎

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－１２１４１０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－０３７９４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２３６４７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－２１７２２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０１１２４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－２０３３９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－２０３４００（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０２Ｄ ４１／０２

Ｆ０２Ｄ ４１／０４

Ｆ０２Ｄ ４１／３８

Ｆ０２Ｂ １７／００

Ｆ０２Ｂ ２３／００

Ｆ０２Ｂ ２３／０２

Ｆ０２Ｂ ２３／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

燃焼室が形成された気筒を有するエンジン本体を備え、該燃焼室内で燃料と空気との混合気を自着火させる予混合圧縮着火式エンジンであって、
上記エンジン本体の幾何学的圧縮比が、１６以上であり、
上記燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
１つ又は複数の放電電極部を有し、該放電電極部での放電により該放電電極部に非平衡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の作動を制御する制御手段とを備え、
上記制御手段は、
上記エンジン本体の運転時における吸気行程において、上記燃焼室に吸入された空気、又は、該空気と上記燃料噴射弁により上記燃焼室内に噴射された燃料とによる、第１所定空燃比以上の燃料リーンな混合気に対して上記非平衡プラズマを照射するように、上記プラズマ生成手段の少なくとも１つの放電電極部で、第１の放電を実行させるとともに、
圧縮行程において、上記燃料噴射弁により上記燃焼室内に噴射された燃料、又は、上記空気と該燃料とによる、上記第１所定空燃比よりも小さい第２所定空燃比未満の燃料リッチな混合気に対して上記非平衡プラズマを照射するように、上記プラズマ生成手段の、上記第１の放電を実行させた放電電極部と同じか又は異なる放電電極部で、第２の放電を実行させる
ように構成されてい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記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
上記制御手段は、吸気行程において上記第１の放電を実行させることで、上記燃焼室内での混合気の燃焼を促進する物質である活性種を生成するとともに、圧縮行程において上記第２の放電を実行させることで、上記燃焼室内での混合気の燃焼を抑制する物質である抑制種を生成するように構成されてい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又は２記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
上記燃焼室内に、吸入された空気のタンブル流が生成されるようになされており、
上記プラズマ生成手段は、上記燃焼室の天井面中央の近傍から該燃焼室に臨みかつ上記第１の放電及び上記第２の放電の両方を実行する放電電極部を有してい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１又は２記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
上記燃焼室内に、吸入された空気のスワール流が生成されるようになされており、
上記プラズマ生成手段は、上記燃焼室の天井面の外周部から該燃焼室に臨みかつ上記第１の放電を実行する放電電極部と、上記燃焼室の天井面中央の近傍から該燃焼室に臨みかつ上記第２の放電を実行する放電電極部とを有してい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、予混合圧縮着火式エンジンに関する技術分野に属する。

【背景技術】

【0002】

従来より、燃焼室内で燃料と空気との混合気を自着火させる（ＨＣＣＩ燃焼させる）予混合圧縮着火式エンジンが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、幾何学的圧縮比が１５以上４０以下とされた高圧縮比のエンジンも知られている（例えば、特許文献２参照）。

【0003】

さらに、例えば特許文献３には、放電電極部への電圧の印加による該放電電極部での放電により該放電電極部に非平衡プラズマ（低温プラズマとも呼ばれる）を生成するようにしたエンジンが開示されている。このエンジンは、中心電極及び接地電極で構成された放電電極部（中心電極及び接地電極間）に放電が生じる点火プラグ（放電プラグ）と、中心電極及び接地電極間に非平衡プラズマ状態を形成する短パルスの電界を発生可能な短パルス回路とを備え、この短パルス回路により、中心電極及び接地電極間に短パルスの電界を発生させることで、放電電極部に非平衡プラズマを生成する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１５－０８１５２７号公報

【文献】特開２０１３－１９４７１２号公報

【文献】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、本発明者らが鋭意研究したところ、放電プラグの放電電極部の周辺に、空気又は空燃比のかなり大きい燃料リーンな混合気（基本的に空気）が存在しているときに、放電電極部での放電により非平衡プラズマが生成されたときには、空気に非平衡プラズマが照射されることで、空気から、混合気の自着火及び燃焼を促進する物質である活性種（例えばオゾン、ＯＨ等）が生成されることが分かった。一方、放電電極部の周辺に、燃料又は比較的燃料リッチな混合気が存在しているときに、放電電極部での放電により非平衡プラズマが生成されたときには、燃料又は比較的燃料リッチな混合気に非平衡プラズマが照射されることで、燃料から、混合気の自着火及び燃焼を抑制する物質である抑制種（例えばホルムアルデヒド、二酸化窒素等）が生成されることが分かった。このように、放電電極部の周辺の空燃比に応じて、非平衡プラズマを生成することにより、混合気の燃焼を制御できることが分かった。

【0006】

ここで、高圧縮比の予混合圧縮着火式エンジンでは、圧縮行程における圧縮上死点付近において燃焼室の中央部から混合気の自着火が開始し、燃焼が燃え拡がることにより、燃焼室内の圧力が急激に上昇するとともに、最大圧力が非常に高くなり、この結果、燃焼騒音の増大やエンジンの信頼性の低下を招き易くなる。また、燃焼室内の温度も非常に高くなり、ＲａｗＮＯｘの発生量が増大し易くなる。

【0007】

そこで、上記抑制種によって、自着火の開始時期を遅らせて圧縮上死点以降にすることが考えられる。このように自着火の開始時期を圧縮上死点以降に遅らせれば、燃焼室内の圧力の急上昇を抑制することができるとともに、燃焼室内の最大圧力及び温度が高くなり過ぎるのを抑制することができる。

【0008】

しかし、自着火の開始時期を圧縮上死点以降に遅らせると、燃焼室の外周部の領域では、ゆっくりとした熱発生にしかならず、このため、エンジンの熱効率を低下させるとともに、ピストンの下降による燃焼室内の圧力低下及び温度低下によって、特に燃焼後期の燃焼が不安定になるという問題がある。

【0009】

本発明は、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、非平衡プラズマを利用することによって、混合気の自着火の開始時期を圧縮上死点以降に遅らせつつ、燃焼後期の燃焼を安定させ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にある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記の目的を達成するために、本発明では、燃焼室が形成された気筒を有するエンジン本体を備え、該燃焼室内で燃料と空気との混合気を自着火させる予混合圧縮着火式エンジンを対象として、上記エンジン本体の幾何学的圧縮比が、１６以上であり、上記燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射弁と、１つ又は複数の放電電極部を有し、該放電電極部での放電により該放電電極部に非平衡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の作動を制御する制御手段とを備え、上記制御手段は、上記エンジン本体の運転時における吸気行程において、上記燃焼室に吸入された空気、又は、上記燃料噴射弁により上記燃焼室内に噴射された燃料により該燃焼室内に形成された第１所定空燃比以上の燃料リーンな混合気に対して上記非平衡プラズマを照射するように、上記プラズマ生成手段の少なくとも１つの放電電極部で、第１の放電を実行させるとともに、圧縮行程において、上記燃料噴射弁により上記燃焼室内に噴射された燃料又は該燃料により該燃焼室内に形成された、上記第１所定空燃比よりも小さい第２所定空燃比未満の燃料リッチな混合気に対して上記非平衡プラズマを照射するように、上記プラズマ生成手段の、上記第１の放電を実行させた放電電極部と同じか又は異なる放電電極部で、第２の放電を実行させるように構成されている、という構成とした。

【0011】

より詳細には、上記制御手段は、吸気行程において上記第１の放電を実行させることで、上記燃焼室内での混合気の燃焼を促進する物質である活性種を生成するとともに、圧縮行程において上記第２の放電を実行させることで、上記燃焼室内での混合気の燃焼を抑制する物質である抑制種を生成するように構成されている。

【0012】

上記の構成により、吸気行程における第１の放電の実行により、空気又は第１所定空燃比以上の燃料リーンな混合気に対して非平衡プラズマを照射することで、空気から活性種が生成される。また、圧縮行程における第２の放電の実行により、燃焼室内に噴射された燃料又は第２所定空燃比未満の燃料リッチな混合気に対して非平衡プラズマを照射することで、燃料から抑制種が生成される。圧縮行程で噴射された燃料は、圧縮上死点付近において、燃焼室の中央部に、比較的燃料リッチな混合気層を形成する。圧縮行程で燃料から生成された抑制種は、基本的に、燃焼室の中央部における燃料リッチな混合気層中に存在することになる。また、圧縮上死点付近において、燃料リッチな混合気層の周囲には、吸気行程で燃焼室に吸入された空気、又は、該空気を含む、該混合気層よりも燃料リーンな混合気層が存在する。吸気行程で空気から生成された活性種は、燃料リーンな混合気層中に存在することになる。

【0013】

ここで、燃料リッチな混合気層中に抑制種が存在しなければ、高圧縮比であることから、圧縮行程における圧縮上死点付近で、混合気の自着火が開始される。また、混合気の自着火は、燃焼室において温度が最も高くなりかつ燃料リッチな混合気層が形成された中央部から開始される。これに対し、燃料リッチな混合気層中に抑制種が存在していると、その抑制種によって、混合気の自着火の開始時期を圧縮上死点以降に遅らせることができるようになる。

【0014】

そして、圧縮上死点以降に混合気の自着火が開始された後、燃焼が燃料リッチな混合気層の周囲にまで拡がると、そこには活性種が存在するので、その活性種によって、燃焼が促進される。この結果、混合気の自着火の開始時期を圧縮上死点以降に遅らせても、燃焼後期の燃焼性が向上して、燃焼後期の燃焼が安定するようになる。しかも、活性種が生成されない場合に比べて、燃焼の促進により、燃焼を早期に終了させることができ（燃焼期間を短くすることができ）、このことからも、燃焼後期の燃焼を安定させることができるようになる。したがって、混合気の自着火の開始時期を圧縮上死点以降に遅らせつつ、燃焼後期の燃焼を安定させることができる。

【0015】

上記予混合圧縮着火式エンジンの一実施形態において、上記燃焼室内に、吸入された空気のタンブル流が生成されるようになされており、上記プラズマ生成手段は、上記燃焼室の天井面中央の近傍から該燃焼室に臨みかつ上記第１の放電及び上記第２の放電の両方を実行する放電電極部を有している。

【0016】

このことにより、燃焼室内に吸入空気のタンブル流が生成される場合、吸気行程において、燃焼室の天井面中央の近傍から該燃焼室に臨む放電電極部での第１の放電により、燃焼室内に吸入された直後の空気に対して非平衡プラズマを照射することができる。また、圧縮行程において、第１の放電を実行した放電電極部と同じ放電電極部での第２の放電により、燃焼室内に噴射された燃料又は燃料リッチな混合気に対して非平衡プラズマを照射することができる。

【0017】

上記予混合圧縮着火式エンジンの別の実施形態において、上記燃焼室内に、吸入された空気のスワール流が生成されるようになされており、上記プラズマ生成手段は、上記燃焼室の天井面の外周部から該燃焼室に臨みかつ上記第１の放電を実行する放電電極部と、上記燃焼室の天井面中央の近傍から該燃焼室に臨みかつ上記第２の放電を実行する放電電極部とを有している。

【0018】

このことで、燃焼室内に吸入空気のスワール流が生成される場合、吸気行程において、燃焼室の天井面の外周部から該燃焼室に臨む放電電極部での第１の放電により、燃焼室内に吸入された空気に対して非平衡プラズマを照射することができる。また、圧縮行程において、燃焼室の天井面中央の近傍から該燃焼室に臨む放電電極部での第２の放電により、燃焼室内に噴射された燃料又は燃料リッチな混合気に対して非平衡プラズマを照射することができる。

【発明の効果】

【0019】

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ると、燃料から生成された抑制種によって、混合気の自着火の開始時期を圧縮上死点以降に遅らせることができるとともに、空気から生成された活性種によって、混合気の自着火の開始時期を圧縮上死点以降に遅らせても、燃焼後期の燃焼を安定させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明の実施形態に係る予混合圧縮着火式エンジンの概略構成を示す図である。

【図2】上記エンジンの要部を拡大して示す断面図である。

【図3】上記エンジンの或る１つの気筒の概略平面図である。

【図4】上記エンジンの制御系を示すブロック図である。

【図5】上記放電プラグの放電電極部に印加するパルス電圧のパルス幅とピーク値とに応じて、放電電極部での放電により生成されるプラズマの種類を示す図である。

【図6】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7】第１の放電及び第２の放電の実行タイミングと燃料噴射のタイミングとを示すタイムチャートである。

【図8】圧縮上死点付近における燃焼室内の燃料分布を示す図である。

【図9】本実施形態に係る予混合圧縮着火式エンジン、及び、圧縮上死点付近で自着火する予混合圧縮着火式エンジンのＰＶ線図を示すグラフである。

【図10】実施例及び比較例における熱発生率（ｄＱ／ｄθ）の変化を示すグラフである。

【図11】上記実施例及び上記比較例における圧力上昇率（ｄＰ／ｄθ）の変化を示すグラフである。

【図12】変形例を示す図２相当図である。

【図13】上記変形例を示す図３相当図である。

【図14】更に別の変形例を示す図３相当図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

【0022】

図１は、本発明の実施形態に係る予混合圧縮着火式エンジン１（以下、エンジン１という）を示す。本実施形態では、エンジン１は、燃焼室６が形成された４つの気筒２（シリンダ）を有するエンジン本体１ａを備えていて、各気筒２における燃焼室６内で燃料と空気との混合気を自着火させるエンジンである。

【0023】

エンジン１は、エンジン本体１ａの４つの気筒２が図１の紙面に垂直な方向に直列に配置された直列４気筒エンジンである。エンジン１は、車両に搭載されて、該車両の駆動源として利用される。本実施形態では、エンジン１は、少なくともガソリンを含有する燃料の供給を受けて駆動される。燃料は、ガソリンに加えて、例えばバイオエタノール等が含有されていてもよい。

【0024】

エンジン本体１ａは、４つの気筒２が設けられたシリンダブロック３と、このシリンダブロック３上に配設されたシリンダヘッド４とを有している。各気筒２内には、シリンダヘッド４との間に燃焼室６を区画するピストン５が往復動（上下動）可能にそれぞれ嵌挿されている。各気筒２のピストン５は、コンロッド８を介して、気筒列方向に延びる不図示のクランクシャフトと連結されている。

【0025】

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の天井面が、吸気側及び排気側の２つの傾斜面からなる三角屋根状をなしている。

【0026】

ピストン５の冠面５ａには、該冠面５ａの中心部をシリンダヘッド４とは反対側（下側）に凹ませたキャビティ５ｂが形成されている。ピストン５の側周面における冠面５ａの近傍には、複数（本実施形態では、３つ）のピストンリング５ｃ（図２参照）が嵌められている。

【0027】

本実施形態では、エンジン本体１ａ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の容積に対して、ピストン５が下死点にあるときの燃焼室６の容積の比が、１６以上に設定されている。エンジン本体１ａの幾何学的圧縮比は、１６以上３０以下に設定されていることが好ましく、２０以上２５以下に設定されていることがより一層好ましい。

【0028】

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、気筒２内で生成された排気ガスを排気通路３０に導出するための排気ポート１０とが形成されている。本実施形態では、吸気ポート９及び排気ポート１０は、各気筒２毎にそれぞれ２つずつ形成されている。本実施形態では、吸気ポート９の形状により、燃焼室６内には、吸気ポート９から燃焼室６に吸入された空気のタンブル流Ｔ（図２参照）が生成されるようになっている。

【0029】

また、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９ａ（図３参照）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１０ａ（図３参照）をそれぞれ開閉する排気弁１２とが設けられている。

【0030】

吸気弁１１は、吸気動弁機構によって、所定のタイミングで開閉する。吸気動弁機構は、バルブタイミング及び／又はバルブリフトを可変にする可変動弁機構とされている。本実施形態では、この可変動弁機構は、吸気電動Ｓ－ＶＴ（Sequential-Valve Timing）１７を有している。吸気電動Ｓ－ＶＴ１７は、吸気カムシャフトの回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更するよう構成されている。それによって、吸気弁１１の開弁時期及び閉弁時期は、連続的に変化する。尚、吸気動弁機構は、電動Ｓ－ＶＴに代えて、油圧式のＳ－ＶＴを有していてもよい。

【0031】

排気弁１２は、排気動弁機構によって、所定のタイミングで開閉する。排気動弁機構も、バルブタイミング及び／又はバルブリフトを可変にする可変動弁機構とされている。本実施形態では、この可変動弁機構は、排気電動Ｓ－ＶＴ１８を有している。排気電動Ｓ－ＶＴ１８は、排気カムシャフトの回転位相を所定の角度範囲内で連続的に変更するよう構成されている。それによって、排気弁１２の開弁時期及び閉弁時期は、連続的に変化する。尚、排気動弁機構は、電動Ｓ－ＶＴに代えて、油圧式のＳ－ＶＴを有していてもよい。

【0032】

さらに、図２及び図３にも示すように、シリンダヘッド４には、各気筒２毎に、燃料をピストン５の冠面５ａに向かって噴射する燃料噴射弁１４が設けられている。燃料噴射弁１４は、各気筒２の燃焼室６の天井壁の略中央に取り付けられている。燃料噴射弁１４は、その先端部に、燃料を噴射する燃料噴射口を有し、該燃料噴射口が燃焼室６の天井面の略中央から燃焼室６に臨んでいる。燃料噴射弁１４の燃料噴射口から噴射される燃料の燃圧は、１５ＭＰａ以上６０ＭＰａ以下に設定される。

【0033】

本実施形態では、燃料噴射弁１４は、燃料噴射口を開閉する外開弁を有する、外開弁式の燃料噴射弁である。燃料噴射口は、先端側ほど径が大きくなるテーパ状に形成されている。そして、燃料噴射弁１４は、燃料噴射口からピストン５の冠面に向かって略円錐状（詳しくはホローコーン状）に燃料を噴射する。この円錐のテーパ角は、例えば９０°～１００°である（内側の中空部のテーパ角は７０°程度である）。燃料噴射弁１４より噴射された燃料のペネトレーションは、燃焼室６の外周部にまでは届かないような長さとされている。尚、燃料噴射弁１４は、外開弁式の燃料噴射弁に限らず、先端部に複数（例えば、１０～２０個）の噴孔（燃料噴射口）を有する多噴孔型の燃料噴射弁であってもよい。この場合も、該複数の噴孔から、燃料がピストン５の冠面５ａに向かって、該複数の噴孔全体で略円錐状に拡がるように噴射される。

【0034】

また、シリンダヘッド４には、各気筒２毎に、燃焼室６の天井壁に取り付けられた放電プラグ１３が設けられている。本実施形態では、放電プラグ１３は、燃焼室６の天井壁の燃料噴射弁１４の近傍における２つの排気ポート１０の間の部分に設けられている。放電プラグ１３は、金属製の放電電極部１３ａを有している。この放電電極部１３ａは、燃焼室６の天井面における上記燃料噴射弁口の近傍（天井面の中央近傍）における２つの排気ポート１０の燃焼室６側の開口１０ａの間から燃焼室６に臨んでいる。

【0035】

放電電極部１３ａは、放電プラグ１３の中心軸方向に互いに対向する金属製の中心電極１３ｂ及び接地電極１３ｃで構成されている。中心電極１３ｂは、中心電極１３ｂ及び接地電極１３ｃ間（つまり放電電極部１３ａ）にプラズマを生成するための所定の電圧を印加する電圧印加回路９１（図４参照）に接続されており、該電圧印加回路９１により中心電極１３ｂ及び接地電極１３ｃ間に上記所定の電圧が印加されると、中心電極１３ｂと接地電極１３ｃとの間で放電して、該放電のエネルギーにより、放電電極部１３ａにプラズマ（本実施形態では、非平衡プラズマ）が生成されるようになっている。

【0036】

吸気ポート９には、吸気通路２０が連通接続されている。この吸気通路２０の上流側端部には、吸入空気を濾過するエアクリーナ２１が配設されており、このエアクリーナ２１で濾過した吸入空気が吸気通路２０及び吸気ポート９を介して各気筒２の燃焼室６に供給される。

【0037】

吸気通路２０におけるエアクリーナ２１の下流側近傍には、吸気通路２０に吸入された吸入空気量を検出するエアフローセンサＳＮ２が配設されている。また、吸気通路２０における下流端の近傍には、サージタンク２５が配設されている。このサージタンク２５よりも下流側の吸気通路２０は、各気筒２毎に分岐する独立通路とされ、これら各独立通路の下流端が各気筒２の２つの吸気ポート９にそれぞれ接続されている。

【0038】

さらに、吸気通路２０におけるエアフローセンサＳＮ２とサージタンク２５との間には、吸気通路２０を開閉するためのスロットル弁２２が配設されている。本実施形態では、スロットル弁２２は、エンジン１の運転中、基本的に全開又はこれに近い開度に維持され、エンジン１を停止させるとき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。

【0039】

排気ポート１０には、各気筒２の燃焼室６からの排気ガスを排出する排気通路３０が連通接続されている。この排気通路３０の上流側の部分は、各気筒２毎に分岐して排気ポート１０に接続された独立通路と該各独立通路が集合する集合部とを有する排気マニホールドによって構成されている。

【0040】

排気通路３０（排気マニホールドよりも下流側の部分）には、排気を浄化する排気浄化装置３１が設けられている。本実施形態では、排気浄化装置３１は、３元触媒を含む。

【0041】

エンジン１は、排気ガスの一部を排気通路３０から吸気通路２０にＥＧＲガスとして還流するためのＥＧＲ通路４１を備える。このＥＧＲ通路４１は、排気通路３０における排気浄化装置３１よりも上流側でかつ上記排気マニホールドよりも下流側の部分と、吸気通路２０におけるサージタンク２５の部分とを連通するように、該両部分に接続されている。

【0042】

ＥＧＲ通路４１には、該ＥＧＲ通路４１を開閉するＥＧＲ弁４２と、該ＥＧＲ通路４１を通過するＥＧＲガスを冷却するためのＥＧＲクーラ４３とが設けられている。ＥＧＲガスは、ＥＧＲクーラ４３によって冷却された後に吸気通路２０に還流される。

【0043】

尚、本実施形態では、エンジン１は、過給機を備えていないが、過給機を備えていてもよい。

【0044】

図４に示すように、エンジン１は、ＥＣＵ（Engine ControlUnit）１００によって制御される。ＥＣＵ１００は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラーである。ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ１０１、メモリ１０２、入出力バス１０３等を備えている。ＣＰＵ１０１は、コンピュータプログラム（ＯＳ等の基本制御プログラム、及び、ＯＳ上で起動されて特定機能を実現するアプリケーションプログラムを含む）を実行する中央演算処理装置である。メモリ１０２は、ＲＡＭ及びＲＯＭにより構成されている。ＲＯＭには、種々のコンピュータプログラム（特にエンジン１を制御するための制御プログラム）や、該コンピュータプログラムの実行時に用いられる後述のマップを含むデータ等が格納されている。ＲＡＭは、ＣＰＵ１０１が一連の処理を行う際に使用される処理領域が設けられるメモリである。入出力バス１０３は、ＥＣＵ１００に対して電気信号の入出力をするものである。

【0045】

ＥＣＵ１００には、クランク角センサＳＮ１、エアフローセンサＳＮ２、アクセル開度センサＳＮ３等の各種のセンサが電気的に接続されている。クランク角センサＳＮ１は、シリンダブロック３に設けられていて、クランクシャフトの回転角を検出する。アクセル開度センサＳＮ３は、車両のアクセルペダル機構に取り付けられていて、アクセルペダルの操作量に対応したアクセル開度を検出する。これらセンサＳＮ１～ＳＮ３等は、検知信号をＥＣＵ１００に出力する。

【0046】

ＥＣＵ１００は、センサＳＮ１～ＳＮ３等からの入力信号に基づいて、エンジン１の運転状態を判断するとともに、電圧印加回路９１、燃料噴射弁１４、吸気電動Ｓ－ＶＴ１７、排気電動Ｓ－ＶＴ１８、スロットル弁２２、ＥＧＲ弁４２等といった、エンジン１の各デバイスに対して制御信号を出力して、各デバイスを制御する。

【0047】

放電プラグ１３の放電電極部１３ａ及び電圧印加回路９１は、放電電極部１３ａでの放電により放電電極部１３ａに非平衡プラズマを生成するプラズマ生成手段を構成する。また、ＥＣＵ１００は、該プラズマ生成手段の作動を制御する制御手段を構成する。

【0048】

本実施形態では、エンジン本体１ａの燃焼サイクルにおいて、放電プラグ１３の放電電極部１３ａでの放電により非平衡プラズマ（低温プラズマとも呼ばれる）を生成することによって、燃焼室６内での燃焼を制御するようにしている。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。

【0049】

非平衡プラズマは、放電プラグ１３の放電電極部１３ａ（中心電極１３ｂ及び接地電極１３ｃ間）に印加するパルス電圧のパルス幅及びピーク値を適切な値に設定することによって生成することができる。図５は、パルス電圧のパルス幅とピーク値とに応じて、放電電極部１３ａでの放電により生成されるプラズマの種類を示す。図５の横軸はパルス電圧のパルス幅であり、対数スケールで示している。一方、図５の縦軸はパルス電圧のピーク値であり、対数スケールで示している。図５に示すように、パルス幅を短くすると（具体的には、０．０１μｓｅｃ以上かつ１μｓｅｃ未満にすると）、非平衡プラズマが生成されることが分かる。これは、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。一方、パルス幅を長くすると（１μｓｅｃ以上にすると）、熱平衡プラズマ（高温プラズマとも呼ばれる）が生成されることが分かる。非平衡プラズマは、混合気を着火する点火源とはならないが、熱平衡プラズマは、混合気を着火する点火源となる。

【0050】

本実施形態では、図６に示すように、電圧印加回路９１により放電プラグ１３の放電電極部１３ａに印加する上記所定の電圧は、ピーク値が１０ｋＶでかつパルス幅が０．１μｓｅｃのパルス電圧であり、このパルス電圧により、非平衡プラズマを生成する。ＥＣＵ１００は、非平衡プラズマを生成する際には、電圧印加回路９１を作動させて、該電圧印加回路９１により、上記パルス電圧を１００ｋＨｚの周波数でもって放電電極部１３ａに繰り返し印加させるようにする。図６では、パルス電圧は三角波であるが、方形波であってもよい。

【0051】

尚、非平衡プラズマを生成する際の放電電極部１３ａに印加するパルス電圧のピーク値は、１０ｋＶに固定する必要はなく、例えば燃焼室６内の圧力（圧力センサにより検出する）等に基づいて、１ｋＶ～３０ｋＶの範囲で変更してもよい。詳しくは、燃焼室６内の圧力が高いほど、パルス電圧のピーク値を高く設定してもよい。

【0052】

放電電極部１３ａに非平衡プラズマが生成されたとき、放電電極部１３ａの周辺の空燃比に応じて、燃焼室６内において生成される物質が異なる。すなわち、放電電極部１３ａの周辺に、空気、又は、空気と燃料とによる、第１所定空燃比以上の燃料リーンな混合気（基本的に空気）が存在している場合に、放電電極部１３ａに非平衡プラズマが生成されると、その空気又は燃料リーンな混合気に非平衡プラズマが照射されて、空気から、オゾン（Ｏ_３）やＯＨ等のような、燃焼室６内での混合気の自着火及び燃焼を促進させる物質である活性種が生成される。一方、放電電極部１３ａの周辺に、燃料、又は、空気と燃料とによる、上記第１所定空燃比よりも小さい第２所定空燃比未満の燃料リッチな混合気が存在している場合に、放電電極部１３ａに非平衡プラズマが生成されると、その燃料又は燃料リッチな混合気に非平衡プラズマが照射されて、燃料を基にして、ホルムアルデヒド（ＣＨ_２Ｏ）や二酸化窒素（ＮＯ_２）等のような、燃焼室６内での混合気の自着火及び燃焼を抑制させる物質である抑制種が生成される。

【0053】

したがって、基本的に、放電電極部１３ａの近傍に位置する燃料噴射弁１４より燃料を噴射しているときに、放電電極部１３ａに非平衡プラズマが生成されたときには、抑制種が生成される一方、吸気行程で吸気を行っていて燃料を噴射してないときに、非平衡プラズマが生成されたときには、活性種が生成されることになる。このようにして燃焼室６に活性種及び／又は抑制種を生成することによって、混合気の燃焼を早めたり遅らせたりすることで燃焼を制御する。

【0054】

本実施形態では、エンジン本体１ａの全運転領域において、圧縮着火燃焼（ＣＩ燃焼）が実施される。具体的には、エンジン本体１ａの運転時における圧縮上死点よりも前に燃料噴射弁１４から燃焼室６内に燃料が噴射され、この燃料と空気との混合気を圧縮することで昇温して、混合気を自着火させる。本実施形態では、後に説明するように、圧縮上死点以降に混合気を自着火させる。

【0055】

より具体的には、図７に示すように、ＥＣＵ１００は、燃料噴射弁１４に対して、吸気行程における吸気下死点の付近、及び、圧縮行程の後半に燃料噴射を行わせる。特に圧縮行程では、複数回（本実施形態では、３回）に分けて燃料噴射を行わせることが好ましい。

【0056】

このような燃料の噴射によって、図８に示すように、圧縮上死点付近において、燃焼室６の中央部に、比較的燃料リッチな混合気層５１（圧縮行程で噴射された燃料と空気との混合気層）が形成されるとともに、混合気層５１の周囲には、混合気層５１よりも燃料リーンな混合気層５２（吸気行程で噴射された燃料と空気との混合気層）が形成される。

【0057】

また、ＥＣＵ１００は、吸気行程において、燃焼室６に吸入された直後の空気に対して非平衡プラズマを照射するように、放電プラグ１３の放電電極部１３ａで、第１の放電を実行させる。すなわち、図７に示すように、吸気行程における燃料噴射の前に（燃料噴射弁１４の非作動時に）、電圧印加回路９１を作動させて、放電プラグ１３の放電電極部１３ａに上記所定の電圧（上記パルス電圧）を印加することで、放電電極部１３ａに非平衡プラズマを生成する。この第１の放電の実行時、各吸気ポート９の燃焼室６側の開口９ａから燃焼室６内に空気が流入した直後に、該空気が放電電極部１３ａの近傍を通るので、その空気に対して非平衡プラズマが照射されることになる。これにより、空気から上記活性種が生成される。

【0058】

上記のように空気から生成された活性種は、基本的に、混合気層５２中に存在することになる。尚、特にエンジン本体１ａの回転数が高くなると、生成された活性種が拡散し易くなるので、第１の放電の実行は、吸気行程の中期及び後期（吸気行程を初期、中期及び後期と３等分したときの中期及び後期）が好ましい。

【0059】

さらに、ＥＣＵ１００は、その後の圧縮行程（詳細には、圧縮行程の後半であって、本実施形態では、２回目の分割噴射の開始から３回目の分割噴射の終了までの期間）において、燃料噴射弁１４により燃焼室６内に噴射された燃料に対して非平衡プラズマを照射するように、放電電極部１３ａ（本実施形態では、上記第１の放電を実行させた放電電極部と同じ放電電極部）で、第２の放電を実行させる。すなわち、図７に示すように、圧縮行程における２回目の分割噴射の開始から３回目の分割噴射の終了までの期間において、電圧印加回路９１を連続的に作動させて、放電プラグ１３の放電電極部１３ａに上記所定の電圧（上記パルス電圧）を印加することで、放電電極部１３ａに非平衡プラズマを生成する。この第２の放電の実行時、放電電極部１３ａの周辺には、燃料噴射弁１４により噴射された燃料が存在する。２回目の分割噴射と３回目の分割噴射との間における燃料の非噴射時においても、その間が短くかつ燃料のペネトレーションが短いので、基本的に、放電電極部１３ａの周辺に燃料が存在する。この放電電極部１３ａの周辺に存在する燃料に対して非平衡プラズマが照射されて、燃料から上記抑制種が生成される。

【0060】

尚、燃料リッチな混合気層５１が放電電極部１３ａの周辺に位置する場合もあり、この混合気層５１の空燃比が上記第２所定空燃比未満であれば、この第２所定空燃比未満の燃料リッチな混合気に対しても非平衡プラズマを照射して、上記抑制種を生成することができる。この場合、圧縮行程における２回目の分割噴射の開始から、混合気の自着火の開始時期まで、電圧印加回路９１を連続的に作動させてもよい。また、電圧印加回路９１の作動開始を、１回目の分割噴射の開始時とすることも可能である。

【0061】

上記のようにして燃料から生成された抑制種は、基本的に、混合気層５１中に存在することになる。したがって、圧縮上死点付近において、抑制種は、燃焼室の中央部（混合気層５１）に存在し、活性種は、その周囲（混合気層５２）に存在する。

【0062】

ここで、混合気層５１中に抑制種が存在しなければ、高圧縮比であることから、圧縮行程における圧縮上死点付近で、混合気の自着火が開始される。また、混合気の自着火は、燃焼室６において温度が最も高くなりかつ燃料リッチな混合気層５１が形成された中央部から開始される。

【0063】

しかし、本実施形態では、混合気層５１中に抑制種が存在するので、その抑制種によって、混合気の自着火の開始時期を圧縮上死点以降に遅らせることができるようになる。混合気の自着火の開始時期は、その後の燃焼性を考慮して、膨張行程における圧縮上死点付近（例えば、クランク角度で圧縮上死点後５°～１０°）であることが好ましい。これにより、燃焼室６内の圧力の急上昇を抑制することができるとともに、燃焼室６内の最大圧力及び温度が高くなるのを抑制することができる。

【0064】

そして、圧縮上死点以降に混合気の自着火が開始された後、燃焼が混合気層５１の周囲にまで拡がると、そこには活性種が存在するので、その活性種によって、燃焼が促進される。この結果、混合気の自着火の開始時期を圧縮上死点以降に遅らせても、燃焼後期の燃焼性が向上して、燃焼後期の燃焼が安定するようになる。しかも、活性種が生成されない場合に比べて、燃焼の促進により燃焼を早期に終了させることができ（燃焼期間を短くすることができ）、このことからも、燃焼後期の燃焼を安定させることができるようになる。

【0065】

図９は、本実施形態に係るエンジン１、及び、抑制種及び活性種を生成させずに圧縮上死点付近で自着火する予混合圧縮着火式エンジン（以下、従来のエンジンという）のＰＶ線図を示す。エンジン１では、混合気の自着火の開始時期が、圧縮上死点後５°～１０°とされている。従来のエンジンでは、燃焼室６内の最大圧力（Ｐｍａｘ）及び時間の変化に対する燃焼室６内の圧力の変化である圧力上昇率（ｄＰ／ｄｔ）が、特に異常燃焼時に大きくなり過ぎる（図９の破線参照）。これに対し、エンジン１では、Ｐｍａｘ及びｄＰ／ｄｔの値を小さくすることができる（図９の実線参照）。

【0066】

図１０は、本実施形態に係るエンジン１（実施例）における、クランク角度の変化に対する熱発生量の変化である熱発生率（ｄＱ／ｄθ）の変化を示す。実施例では、混合気の自着火の開始時期が、圧縮上死点後５°～１０°とされている。比較のために、従来のエンジンにおいて、混合気の自着火をエンジン１と同じ程度に遅くした場合（比較例）のｄＱ／ｄθの変化を図１０に合わせて示す。

【0067】

図１１は、上記実施例における、クランク角度に対する燃焼室６内の圧力の変化である圧力上昇率（ｄＰ／ｄθ）を示す。比較のために、上記比較例におけるｄＰ／ｄθの変化を図１１に合わせて示す。

【0068】

図１０に示すように、本実施形態に係るエンジン１においては、活性種によってｄＱ／ｄθが比較例よりも大きく増大し、その後、ｄＱ／ｄθが急激に低下して、燃焼が早期に終了する。また、エンジン１においては、ｄＱ／ｄθの増大によりｄＰ／ｄθが上昇するが、ｄＰ／ｄθが上昇しても、ピストン５が或る程度下降していて燃焼室６内の圧力が低下している段階で上昇しているので、ｄＰ／ｄθが、燃焼騒音が懸念されるようなレベルに達するまでには余裕がある。

【0069】

したがって、本実施形態では、混合気の自着火の開始時期を圧縮上死点以降に遅らせることにより、燃焼室６内の圧力の急上昇を抑制することができるとともに、燃焼室６内の最大圧力及び温度が高くなるのを抑制することができる。この結果、燃焼騒音の低減、エンジン本体１ａの信頼性の向上、及び、ＲａｗＮＯｘの発生量の低減を図ることができる。また、混合気の自着火の開始時期を圧縮上死点以降に遅らせても、燃焼後期の燃焼を安定させることができる。

【0070】

本発明は、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。

【0071】

例えば、上記実施形態では、放電プラグ１３が、燃焼室６の天井壁の燃料噴射弁１４の近傍における２つの排気ポート１０の間の部分に設けられているが、これに代えて、又は加えて、燃焼室６の天井壁の燃料噴射弁１４の近傍における２つの吸気ポート９の間の部分に設けられてもよい。該２つの吸気ポート９の間の部分に設けられた放電プラグ１３の放電電極部１３ａは、燃焼室６の天井面の中央近傍における２つの吸気ポート９の燃焼室６側の開口９ａの間から燃焼室６に臨んで、上記実施形態と同様に、第１の放電及び第２の放電の両方を実行する。

【0072】

また、複数の放電プラグ１３を設け、該複数の放電プラグ１３のうちの少なくとも１つの放電プラグ１３の放電電極部１３ａが第１の放電を実行し、残りの放電プラグ１３の放電電極部１３ａが第２の放電を実行するようにしてもよい。燃焼室６内に、吸入された空気のタンブル流Ｔが生成される場合、例えば図１２及び図１３に示すように、第１の放電を実行する放電電極部１３ａを有する放電プラグ１３（図１２及び図１３では、符号を１３Ａとしている）は、燃焼室６の天井壁の燃料噴射弁１４の近傍における２つの排気ポート１０の間の部分に配置され、第２の放電を実行する放電電極部１３ａを有する放電プラグ１３（図１２及び図１３では、符号を１３Ｂとしている）は、燃焼室６の天井壁の燃料噴射弁１４の近傍における２つの吸気ポート９の間の部分に配置される。すなわち、放電プラグ１３Ａの放電電極部１３ａは、燃焼室６の天井面の中央近傍における２つの開口１０ａの間の部分から燃焼室６に臨み、放電プラグ１３Ｂの放電電極部１３ａは、燃焼室６の天井面の中央近傍における２つの開口９ａの間の部分から燃焼室６に臨むことになる。尚、図１２及び図１３に示す放電プラグ１３Ｂを、放電プラグ１３Ａと共に第１の放電を実行するようにしてもよい。

【0073】

また、上記実施形態では、燃焼室６内に、吸入された空気のタンブル流Ｔが生成されるようになっているが、燃焼室６内に、吸入された空気のスワール流Ｓが生成されるようになっていてもよい。この場合、図１４に示すように、各気筒２の２つの吸気ポート９のうちの一方の吸気ポート９に接続される上記独立通路（図１４では、符号を２０ａとしている）に、スワール弁１６を設けて、該スワール弁１６の閉弁により、他方の吸気ポート９から空気を燃焼室６内に流入させる。

【0074】

上記のように燃焼室６内にスワール流Ｓが生成される場合、複数の放電プラグ１３を設け、該複数の放電プラグ１３のうちの少なくとも１つの放電プラグ１３（放電プラグ１３Ａ）の放電電極部１３ａが第１の放電を実行し、残りの放電プラグ１３（放電プラグ１３Ｂ）の放電電極部１３ａが第２の放電を実行する。図１４に示すように、放電プラグ１３Ａは、燃焼室６の天井壁の外周部に配置される。図１４では、放電プラグ１３Ａは、燃焼室６の天井壁の外周部において、気筒２の中心軸方向から見て気筒２の中心を通りかつ気筒列方向に延びる直線Ｌ上の２箇所に配置されている。放電プラグ１３Ａは、該２箇所のうちのいずれか一箇所に配置されてもよく、この場合、上記他方の吸気ポート９に近い側の箇所に配置されることが好ましい。放電プラグ１３Ｂは、上記実施形態と同様に、燃焼室６の天井壁の燃料噴射弁１４の近傍に配置される。放電プラグ１３Ａの放電電極部１３ａは、燃焼室６の天井面の外周部（例えば、上記他方の吸気ポート９の開口９ａと、該開口９ａに対してスワール流Ｓの流れ方向進み側に隣接する開口１０ａとの間の部分）から燃焼室６に臨み、放電プラグ１３Ｂの放電電極部１３ａは、燃焼室６の天井面の中央近傍（２つの開口９ａの間の部分）から燃焼室６に臨むことになる。

【0075】

また、燃焼室６内にスワール流Ｓが生成される場合、放電プラグ１３Ａの、燃焼室６に臨む放電電極部１３ａが第１の放電を実行しているときに、燃料噴射弁１４より燃料を噴射してもよい。この場合、第１の放電を実行している放電電極部１３ａの周辺が、燃焼室６に吸入された空気と燃料噴射弁１４より噴射された燃料とによる、第１所定空燃比以上の燃料リーンな混合気（基本的に空気と見做すことが可能なかなり大きな空燃比の混合気）であれば、第１の放電の実行により活性種を生成可能である。

【0076】

上述の実施形態は単なる例示に過ぎず、本発明の範囲を限定的に解釈してはならない。本発明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、全て本発明の範囲内のものである。

【産業上の利用可能性】

【0077】

本発明は、燃焼室が形成された気筒を有しかつ幾何学的圧縮比が１６以上であるエンジン本体を備え、該燃焼室内で燃料と空気との混合気を自着火させる予混合圧縮着火式エンジンに有用である。

【符号の説明】

【0078】

１ 予混合圧縮着火式エンジン
１ａ エンジン本体
２ 気筒
５ ピストン
５ａ 冠面
６ 燃焼室
１３ 放電プラグ
１３ａ 放電電極部（プラズマ生成手段）
１４ 燃料噴射弁
９１ 電圧印加回路（プラズマ生成手段）
１００ ＥＣＵ（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】

【図12】

【図13】

【図14】