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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】
(24)【登録日】2022-02-15
(45)【発行日】2022-02-24
(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 20060101AFI20220216BHJP
F02D 41/04 20060101ALI20220216BHJP
F02D 45/00 20060101ALI20220216BHJP
F02D 43/00 20060101ALI20220216BHJP
F02D 41/02 20060101ALI20220216BHJP
【ＦＩ】
F02P3/01 A
F02D41/04
F02D45/00 364A
F02D45/00 368F
F02D43/00 301H
F02D43/00 310Z
F02D45/00 362
F02D41/02
F02P3/01 K
【請求項の数】
12
(21)【出願番号】P 2018097334
(22)【出願日】2018-05-21
(65)【公開番号】P2019203399
(43)【公開日】2019-11-28
【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】沖濱 圭佑
(72)【発明者】
【氏名】田中 達也
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 圭峰
(72)【発明者】
【氏名】瀬戸 祐利
【審査官】北村 亮
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１４－０２５３６９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－２９２０６５（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１１／１１８７６７（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１５－０５５２２４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０００－０５４８７５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１４－１４１９１９（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ０２Ｐ ３／０１
Ｆ０２Ｄ ４１／０４
Ｆ０２Ｄ ４５／００
Ｆ０２Ｄ ４３／００
Ｆ０２Ｄ ４１／０２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
燃焼室が形成された気筒と、上記燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射手段と、上記燃料噴射手段から噴射中の燃料の少なくとも一部が電極間を通るように配設され、該電極間で放電すること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を備え、上記燃料噴射手段により噴射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圧縮着火させるエンジンの燃焼制御方法であって、上記燃焼室内での混合気の燃焼制御として、上記エンジンの運転時において、エンジン負荷が所定負荷以上であるときには、吸気行程から圧縮行程前期の期間内で、上記燃料噴射手段により上記燃焼室内に燃料を噴射する第１燃料噴射工程と、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抑制種生成工程と、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第１活性種生成工程と、を含み、
上記抑制種生成工程は、上記第１燃料噴射工程で上記燃料噴射手段から噴射中の燃料が上記電極間を通る期間において、該電極間に放電して非平衡プラズマを生成することで、上記抑制種を生成する工程であり、
上記第１活性種生成工程は、上記抑制種生成工程の後に、上記電極間の混合気の空燃比が所定空燃比以上であるときに、上記電極間に放電して非平衡プラズマを生成することで、上記活性種を生成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、上記燃焼室内での混合気の燃焼制御として、上記エンジンの運転時において、エンジン負荷が上記所定負荷未満であるときには、吸気行程から圧縮行程前期の期間内に、上記電極間に放電して非平衡プラズマを生成することで、上記活性種を生成する第２活性種生成工程と、該第２活性種生成工程の後の圧縮行程後期において、上記燃料噴射手段により上記燃焼室内に燃料を噴射する第２燃料噴射工程と、を含む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２に記載のエンジンの燃焼制御方法において、上記第２活性種生成工程は、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が２５以上の運転状態で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２又は３に記載のエンジンの燃焼制御方法において、上記第２活性種生成工程は、吸気行程から圧縮行程前期の期間内における第１クランク角期間の間、上記活性種を生成する工程であり、
上記第１クランク角期間は、エンジン回転数が高いほど長い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、上記第１活性種生成工程は、吸気行程から圧縮行程前期の期間内における第２クランク角期間において、上記電極間の混合気の空燃比が上記所定空燃比以上であるときに、上記活性種を生成する工程であり、
上記第２クランク角期間は、エンジン回転数が高いほど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１～５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、上記エンジンは、幾何学的圧縮比が１５以上の圧縮着火式エンジン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】
燃焼室が形成された気筒と、上記燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射手段と、上記燃料噴射手段により噴射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圧縮着火させるエンジンの燃焼制御装置であって、上記燃料噴射手段から噴射中の燃料の少なくとも一部が電極間を通るように配設され、該電極間で放電すること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、
上記燃料噴射手段及び上記プラズマ生成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、上記エンジンの運転時において、エンジン負荷が所定負荷以上であるときには、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抑制種生成制御と、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第１活性種生成制御と、を実行可能に構成され、
上記抑制種生成制御は、吸気行程から圧縮行程前期の期間内で、上記燃料噴射手段により上記燃焼室内に燃料を噴射させるときに、上記燃料噴射手段から噴射中の燃料が上記電極間を通る期間において、該電極間に放電して非平衡プラズマを生成することで、上記抑制種を生成する制御であり、
上記第１活性種生成制御は、上記抑制種生成制御の後に、上記電極間の混合気の空燃比が所定空燃比以上であるときに、上記電極間に放電して非平衡プラズマを生成することで、上記活性種を生成する制御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、上記制御手段は、上記エンジンの運転時において、エンジン負荷が所定負荷未満であるときには、吸気行程から圧縮行程前期の期間内で、上記電極間に放電して非平衡プラズマを生成することで、上記活性種を生成する第２活性種生成制御を実行し、該第２活性種生成制御の後の圧縮行程後期において、上記燃料噴射手段により上記燃焼室内に燃料を噴射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9】
請求項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、上記第２活性種生成制御を、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が２５以上の運転状態で実行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10】
請求項８又は９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、吸気行程から圧縮行程前期の期間内における第１クランク角期間の間、上記第２活性種生成制御を実行するように構成されており、
さらに上記制御手段は、エンジン回転数が高いほど上記第１クランク角期間を長く設定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、吸気行程から圧縮行程前期の期間内における第２クランク角期間において、上記電極間の混合気の空燃比が所定空燃比以上であるときに、上記第１活性種生成制御を実行するように構成されており、
さらに上記制御手段は、エンジン回転数が高いほど上記第２クランク角期間を長く設定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７～１１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、上記エンジンは、幾何学的圧縮比が１５以上の圧縮着火式エンジンであ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】
【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、プラズマ生成手段の電極間に、空燃比の小さいリッチ混合気が存在しているときに、上記電極間で放電させて非平衡プラズマを生成すると、混合気の着火及び燃焼を抑制する物質（以下、抑制種という）が生成されることが分かった。また、プラズマ生成手段の電極間に、空燃比の大きいリーン混合気が存在しているときに、上記電極間で放電させて非平衡プラズマを生成すると、混合気の着火及び燃焼を促進する物質（以下、活性種という）が生成されることが分かった。そして、これらを利用すれば、着火時期を早くしつつも、燃焼期間を拡大することでき、適切なエンジントルクを得つつ、燃焼騒音やエミッション性能の向上を図ることができることが分かった。
【0006】
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、プラズマを生成することが可能なエンジンにおいて、着火時期を早くしつつ、燃焼期間を拡大することで、適切なエンジントルクを得つつ、燃焼騒音やエミッション性能を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記課題を解決するために、ここに開示された技術では、燃焼室が形成された気筒と、上記燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射手段と、上記燃料噴射手段から噴射中の燃料の少なくとも一部が電極間を通るように配設され、該電極間で放電すること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を備え、上記燃料噴射手段により噴射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圧縮着火させるエンジンの燃焼制御方法を対象にして、上記燃焼室内での混合気の燃焼制御として、上記エンジンの運転時において、エンジン負荷が所定負荷以上であるときには、吸気行程から圧縮行程前期の期間内で、上記燃料噴射手段により上記燃焼室内に燃料を噴射する第１燃料噴射工程と、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抑制種生成工程と、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第１活性種生成工程と、を含み、上記抑制種生成工程は、上記第１燃料噴射工程で上記燃料噴射手段から噴射中の燃料が上記電極間を通る期間において、該電極間に放電して非平衡プラズマを生成することで、上記抑制種を生成する工程であり、上記第１活性種生成工程は、上記抑制種生成工程の後に、上記電極間の混合気の空燃比が所定空燃比以上であるときに、上記電極間に放電して非平衡プラズマを生成することで、上記活性種を生成する工程である、ものとした。
【0008】
この構成によると、燃料がプラズマ生成手段の電極間を通る期間は、該電極周りはリッチ混合気となっているため、効率的に抑制種を生成することができる。また、上記電極間の混合気における燃料の濃度が薄い時期であれば、活性種を効率的に生成することができる。そして、上記活性種によって着火時期を早くすることができる一方で、上記抑制種によって、火炎の拡大を抑制して、燃焼期間を長くすることができる。この結果、適切なエンジントルクを得つつ、燃焼騒音やエミッション性能を向上させることができる。
【0009】
上記エンジンの燃焼制御方法において、上記燃焼室内での混合気の燃焼制御として、上記エンジンの運転時において、エンジン負荷が上記所定負荷未満であるときには、吸気行程から圧縮行程前期の期間内に、上記電極間に放電して非平衡プラズマを生成することで、上記活性種を生成する第２活性種生成工程と、該第２活性種生成工程の後の圧縮行程後期において、上記燃料噴射手段により上記燃焼室内に燃料を噴射する第２燃料噴射工程と、を含んでもよい。
【0010】
すなわち、エンジン負荷が低い運転状態では、燃料の噴射量が少なく、燃焼が不安定になりやすい。このため、エンジン負荷が所定負荷未満であるときには、出来る限り多くの活性種を生成することが好ましい。そこで、吸気行程から圧縮行程前期の期間内に、非平衡プラズマを生成して活性種を効率的に生成する。これにより、圧縮行程後期において、燃料を噴射したときの、該燃料の着火性及び燃焼性を向上させることができる。この結果、エンジン負荷が所定負荷未満の運転状態における燃焼安定性も向上させることができる。
【0011】
上記第２活性種生成工程を含む、上記エンジンの燃焼制御方法において、上記第２活性種生成工程は、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が２５以上の運転状態で実行する工程であってもよい。
【0012】
すなわち、Ｇ／Ｆが２５以上の運転状態では、筒内がかなりリーンな状態であるため、燃焼安定性を確保するには、特に多くの活性種が必要となる。このため、Ｇ／Ｆが２５以上の運転状態において、第２活性種生成工程を実行することで、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。
【0013】
上記第２活性種生成工程を含む、上記エンジンの燃焼制御方法において、上記第２活性種生成工程は、吸気行程から圧縮行程前期の期間内における第１クランク角期間の間、上記活性種を生成する工程であり、上記第１クランク角期間は、エンジン回転数が高いほど長くてもよい。
【0014】
また、上記エンジンの燃焼制御方法において、上記第１活性種生成工程は、吸気行程から圧縮行程前期の期間内における第２クランク角期間において、上記電極間の混合気の空燃比が上記所定空燃比以上であるときに、上記活性種を生成する工程であり、上記第２クランク角期間は、エンジン回転数が高いほど長くてもよい。
【0015】
すなわち、各工程を実行する期間がクランク角度で決定される場合、エンジン回転数が高くなると、吸気行程及び圧縮行程の実時間が短くなるため、上記活性種を生成する期間を長くしなければ、上記活性種を生成する時間が十分に得られない。そこで、エンジン回転数が高いほど、上記活性種を生成する期間を長くすることで、上記活性種を生成する時間を十分に確保する。この結果、適切な燃焼状態を得ることができる。
【0016】
上記エンジンの燃焼制御方法において、上記エンジンは、幾何学的圧縮比が１５以上の圧縮着火式エンジンであってもよい。
【0017】
すなわち、幾何学的圧縮比が１５以上のエンジンであれば、比較的圧縮比が高いため、圧縮上死点近傍において混合気を燃焼させると、燃焼が急峻になりやすい。このため、幾何学的圧縮比が１５以上のエンジンでは、エンジン負荷が高い運転状況における、燃焼騒音やエミッション性能の低下が問題となりやすい。このため、上記抑制種及び上記活性種を生成するにより、着火時期を早くしつつ、燃焼期間を拡大して、適切なエンジントルクを得つつ、燃焼騒音やエミッション性能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。
【0018】
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、燃焼室が形成された気筒と、上記燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射手段と、上記燃料噴射手段により噴射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圧縮着火させるエンジンの燃焼制御装置を対象として、上記燃料噴射手段から噴射中の燃料の少なくとも一部が電極間を通るように配設され、該電極間で放電すること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、上記燃料噴射手段及び上記プラズマ生成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、上記エンジンの運転時において、エンジン負荷が所定負荷以上であるときには、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抑制種生成制御と、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第１活性種生成制御と、を実行可能に構成され、上記抑制種生成制御は、吸気行程から圧縮行程前期の期間内で、上記燃料噴射手段により上記燃焼室内に燃料を噴射させるときに、上記燃料噴射手段から噴射中の燃料が上記電極間を通る期間において、該電極間に放電して非平衡プラズマを生成することで、上記抑制種を生成する制御であり、上記第１活性種生成制御は、上記抑制種生成制御の後に、上記電極間の混合気の空燃比が所定空燃比以上であるときに、上記電極間に放電して非平衡プラズマを生成することで、上記活性種を生成する制御である、ものとした。
【0019】
この構成でも、上記活性種によって着火時期を早くすることができる一方で、上記抑制種によって、火炎の拡大を抑制して、燃焼期間を長くすることができる。この結果、適切なエンジントルクを得つつ、燃焼騒音やエミッション性能を向上させることができる。
【0020】
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時において、エンジン負荷が所定負荷未満であるときには、吸気行程から圧縮行程前期の期間内で、上記電極間に放電して非平衡プラズマを生成することで、上記活性種を生成する第２活性種生成制御を実行し、該第２活性種生成制御の後の圧縮行程後期において、上記燃料噴射手段により上記燃焼室内に燃料を噴射させるように構成されていてもよい。
【0021】
この構成によると、吸気行程から圧縮行程前期の期間内に、非平衡プラズマを生成して上記活性種を効率的に生成して、圧縮行程後期において、燃料を噴射することで、該燃料の着火性及び燃焼性を向上させることができる。この結果、エンジン負荷が所定負荷未満の運転状態における燃焼安定性も向上させることができる。
【0022】
上記制御手段が第２活性種生成制御を実行可能な、上記エンジンの燃焼制御装置において、上記制御手段は、上記第２活性種生成制御を、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が２５以上の運転状態で実行するように構成されている。
【0023】
この構成によると、Ｇ／Ｆが２５以上という燃焼安定性が低下しやすい運転状況において、第２活性種生成制御を実行するため、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。
【0024】
上記制御手段が第２活性種生成制御を実行可能な、上記エンジンの燃焼制御装置において、上記制御手段は、吸気行程から圧縮行程前期の期間内における第１クランク角期間の間、上記第２活性種生成制御を実行するように構成されており、さらに上記制御手段は、エンジン回転数が高いほど上記第１クランク角期間を長く設定するように構成されていてもよい。
【0025】
また、上記エンジンの燃焼制御装置において、上記制御手段は、吸気行程から圧縮行程前期の期間内における第２クランク角期間において、上記電極間の混合気の空燃比が所定空燃比以上であるときに、上記第１活性種生成制御を実行するように構成されており、さらに上記制御手段は、エンジン回転数が高いほど上記第２クランク角期間を長く設定するように構成されていてもよい。
【0026】
これにより、エンジン回転数に応じて、上記活性種を生成する期間を調整することで、上記活性種を生成する時間を十分に確保することができ、適切な燃焼状態を得ることができる。
【0027】
上記エンジンの燃焼制御装置において、上記エンジンは、幾何学的圧縮比が１５以上の圧縮着火式エンジンであってもよい。
【0028】
すなわち、幾何学的圧縮比が１５以上という比較的高圧縮比のエンジンでは、エンジン負荷が高い運転状況における、燃焼騒音やエミッション性能の低下が問題となりやすい。このため、上記抑制種及び上記活性種を生成するにより、着火時期を早くしつつ、燃焼期間を拡大して、適切なエンジントルクを得つつ、燃焼騒音やエミッション性能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。
【発明の効果】
【0029】
以上説明したように、ここに開示された技術によると、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によって着火時期を早くすることができる一方で、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によって、火炎の拡大を抑制して、燃焼期間を長くすることができるため、適切なエンジントルクを得つつ、燃焼騒音やエミッション性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0030】
【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】放電プラグとインジェクタとの位置関係を示す概略図である。
【図4】エンジンの制御系統を示すブロック図である。
【図5】非平衡プラズマの生成条件を示すマップである。
【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】エンジンの運転状態に応じた、放電プラグの放電モード及びインジェクタの燃料噴射モードを示すマップである。
【図12】抑制種生成制御及び第１活性種生成制御をそれぞれ実行した場合の熱発生の履歴の一例を概略的に示す図である。
【図14】放電プラグの電極間の混合気の空燃比を計測するためのマップである。
【図15】ＰＣＭの燃焼制御における処理動作を示すフローチャートの一部である。
【図16】ＰＣＭの燃焼制御における処理動作を示すフローチャートの残部である。
【発明を実施するための形態】
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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、本実施形態では１５以上、特に、１５～２５（例えば１７程度）に設定されている。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
シリンダヘッド４には、燃焼室６内に燃料を噴射するインジェクタ（燃料噴射手段）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の冠面に向かって燃料を噴射するように構成されている。
【0042】
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。
【0043】
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。
【0044】
本実施形態では、放電プラグ１３は、インジェクタ１４からの燃料の噴射角度に応じて配設されている。具体的には、図３に示すように、放電プラグ１３は、インジェクタ１４からの燃料の噴射領域内に電極１３ａ，１３ｂが位置するように配設されている。より詳しくは、放電プラグ１３は、インジェクタ１４から噴射中の燃料の少なくとも一部が電極１３ａ，１３ｂ間を通るように配設されている。これにより、インジェクタ１４から燃料が噴射されている間は、電極１３ａ，１３ｂ間には、空燃比が小さいリッチな混合気が形成される。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【0048】
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。
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
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。
【0052】
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。
【0053】
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。
【0054】
〈非平衡プラズマの生成〉
本実施形態では、エンジン１の燃焼サイクルにおいて、非平衡プラズマを生成することにより、エンジン１の燃焼状態を制御するようにしている（制御の詳細については後述する）。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。
本実施形態では、エンジン１の燃焼サイクルにおいて、非平衡プラズマを生成することにより、エンジン１の燃焼状態を制御するようにしている（制御の詳細については後述する）。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。
【0055】
本実施形態では、非平衡プラズマは、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生成する。図５及び図６は、非平衡プラズマの生成条件を示す。図５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５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５に示すように、パルス幅を短くすると（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、パルス幅を長くすると（１μｓｅｃ以上にすると）熱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。
【0056】
本実施形態では、図６に示すように、基本的には、ピーク電圧が１０ｋＶ、パルス幅が０．１μｓｅｃのパルス電圧を、放電プラグ１３の電極１３ａ，１３ｂ間に印加して、非平衡プラズマを生成する。また、ＰＣＭ１００は、非平衡プラズマを生成する際には、上記のパルス電圧を１００ｋＨｚの周波数で繰り返し放電させる。
【0057】
尚、非平衡プラズマを生成する際のパルス電圧におけるピーク電圧は、筒内圧等に基づいて１ｋＶ～３０ｋＶの範囲で変更してもよい。詳しくは、筒内圧が高いほど、ピーク電圧を高く設定してもよい。
【0058】
燃焼室６内で非平衡プラズマを生成すると、放電プラグ１３の電極１３ａ，１３ｂの周辺の状態に応じて、種々の物質が生成される。例えば、電極１３ａ，１３ｂの周辺が、空燃比が高いリーンな状態であった場合には、非平衡プラズマを生成すると、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が生成される。一方で、電極１３ａ，１３ｂの周辺が、空燃比が低いリッチな状態であった場合には、燃料を基にして、ホルムアルデヒド（ＣＨ２Ｏ）や水（Ｈ２Ｏ）等の、燃焼室６内での混合気の燃焼を抑制させる物質である抑制種が生成される。
【0059】
〈燃焼制御〉
本実施形態では、エンジン１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、圧縮上死点よりも前にインジェクタ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燃焼室６内で圧縮することで昇温させ、圧縮上死点付近で混合気を自着火させる。
本実施形態では、エンジン１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、圧縮上死点よりも前にインジェクタ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燃焼室６内で圧縮することで昇温させ、圧縮上死点付近で混合気を自着火させる。
【0060】
図７は、エンジン１の運転状態に応じた、放電プラグ１３の放電モード及びインジェクタ１４の燃料噴射モードを示すマップである。図７に示すように、エンジン１は、エンジン回転数とエンジン負荷とに応じて、Ａ～Ｄの４個の運転領域が設定されている。本実施形態では、運転領域毎に、放電モード（つまり、非平衡プラズマ生成モード）及び燃料噴射モードが設定されている。
【0061】
本実施形態では、ＰＣＭ１００は、エンジンの運転時において、エンジン負荷が第１所定負荷Ｔｑ１以上であるとき（すなわち、領域Ｂ，Ｃ，Ｄのとき）には、吸気行程から圧縮行程前期の期間内で、上記抑制種を生成する抑制種生成制御と、上記抑制種生成制御の後に、上記活性種を生成する第１活性種生成制御とを実行する。一方で、ＰＣＭ１００は、エンジンの運転時において、エンジン負荷が所定負荷Ｔｑ１未満であるとき（すなわち、領域Ａのとき）には、吸気行程から圧縮行程前期の期間内で、上記活性種を生成する第２活性種生成制御を実行する。尚、本明細書においては、圧縮行程前期及び後期とは、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、前半の期間が前期に相当し、後半の期間がそれぞれ後期に相当する。
【0062】
以下、各運転領域における、放電態様及び燃料噴射態様について、図８～図１１を参照しながら説明する。尚、図８～図１１では、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。図８～図１１において、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。
【0063】
図８は、領域Ａにおける放電態様及び燃料噴射態様の一例を示している。領域Ａは、エンジン負荷が第１所定負荷Ｔｑ１未満の運転状態である。この領域Ａでは、燃焼室６内の混合気におけるガスと燃料との比であるＧ／Ｆが、燃焼室６の全体において２５以上とされ、理論空燃比よりもかなり大きくされる（リーン空燃比とされる）。つまり、燃焼室６の全体において、混合気の空気過剰率λが１を超える値（例えばλ＞３）とされる。
【0064】
領域Ａでは、燃焼室６内がかなりリーンな状態となっており、燃焼安定性が低下しやすい。このため、この領域Ａでは、ＰＣＭ１００は上記第２活性種生成制御を実行する。具体的には、図８に示すように、吸気行程では燃料を噴射せずに、吸気行程から圧縮行程前期の期間内における第１所定期間の間、放電プラグ１３の電極１３ａ，１３ｂ間に放電して非平衡プラズマを生成して、上記活性種を生成する。そして、上記第２活性種生成制御の後の圧縮行程後期において、インジェクタ１４により燃料を噴射する。尚、第１所定期間は、第１クランク角期間に相当する。
【0065】
インジェクタ１４から燃料を噴射する前であれば、電極１３ａ，１３ｂの周辺はリーンな状態であるため、非平衡プラズマを生成すれば、上記活性種を効率的に生成することができる。領域Ａでは、特に燃焼安定性が低下しやすいので、出来る限り長い期間、非平衡プラズマを生成し続けて、出来る限り多くの上記活性種を燃焼室６内に生成することが好ましい。そこで、本実施形態では、ＰＣＭ１００は、少なくとも、吸気行程の半分以上の期間（すなわち、クランク角で９０°分以上の期間）の間、上記第２活性種生成制御を実行する。
【0066】
本実施形態では、ＰＣＭ１００は、エンジン回転数が高いほど、上記第１所定期間を長く設定する。また、ＰＣＭ１００は、エンジン負荷が低いほど、上記第１所定期間を長く設定する。すなわち、エンジン回転数が高くなると、ピストン５が往復する時間が短くなり、上記第２活性種生成制御を実行する期間を長くしなければ、上記活性種を生成する時間が十分に得られないためである。また、エンジン負荷が低いほど、燃料の噴射量が少なくなって、燃焼安定性が低下しやすいためである。ＰＣＭ１００は、エンジン負荷が低くなるほど、燃料噴射時期を圧縮上死点に近付ける。
【0067】
また、本実施形態では、図７に示すように、領域Ａと、領域Ｂ及び領域Ｃとの境界線は、エンジン回転数が高くなるほど、エンジン負荷が高くなるような曲線で表される。つまり、第１所定負荷Ｔｑ１は、エンジン回転数が高いほど大きな値になるように設定されている。これは、エンジン回転数が高くなると、燃料の自着火がその速さに対応できなくなるので、より高いエンジン負荷まで燃焼の促進が要求されるためである。
【0068】
図９は、領域Ｂにおける放電態様及び燃料噴射態様の一例を示している。領域Ｂは、エンジン負荷が第１所定負荷Ｔｑ１以上かつ第２所定負荷Ｔｑ２未満であるとともに、エンジン回転数が所定回転数Ｒ未満である運転状態である。この領域Ｂでは、燃焼室６の全体におけるＧ／Ｆが、領域Ａよりは小さくされるが、理論空燃比よりは大きくされる（リーン空燃比とされる）。つまり、この領域Ｂでも、燃焼室６の全体において、混合気の空気過剰率λが１を超える値（例えばλ＝２～３）とされる。
【0069】
領域Ｂでは、燃焼室６内が比較的リーンな状態ではあるが、エンジン回転数が低く、燃料の自着火がその速さに対応可能であるため、燃焼安定性は確保しやすい。しかしながら、燃焼が急峻になってしまうと、燃焼騒音が大きくなったり、ＮＯｘが大量に発生してエミッション性能が低下してしまったりするおそれがある。そこで、この領域Ｂでは、ＰＣＭ１００は、吸気行程で燃料を噴射し、吸気行程から圧縮行程前期の期間内で、上記抑制種生成制御を実行し、上記抑制種生成制御の後の圧縮行程後期において、上記第１活性種生成制御を実行する。そして、圧縮上死点の近傍で燃料の追加噴射を実行する。
【0070】
より具体的には、ＰＣＭ１００は、領域Ｂの運転状態における上記抑制種生成制御では、図９に示すように、吸気行程での燃焼噴射と同期して、インジェクタ１４から噴射中の燃料が電極１３ａ，１３ｂの間を通る期間において、該電極１３ａ，１３ｂ間に放電して非平衡プラズマを生成することで上記抑制種を生成する。ＰＣＭ１００は、領域Ｂの運転状態における上記第１活性種生成制御では、図９に示すように、圧縮上死点前（－３０°～０°の期間）の第２所定期間において、電極１３ａ，１３ｂ間の混合気の空燃比が所定空燃比以上であるときに、電極１３ａ，１３ｂ間に放電して非平衡プラズマを生成することで上記活性種を生成する。電極１３ａ，１３ｂ間の混合気の空燃比の検出方法については後述する。尚、第２所定期間は、第２クランク角期間の一例である。
【0071】
インジェクタ１４から噴射中の燃料が電極１３ａ，１３ｂの間を通る期間中は、電極１３ａ，１３ｂ間には、かなりリッチな混合気が形成される。このため、燃料が電極１３ａ，１３ｂの間を通る期間中に非平衡プラズマを生成すれば、効率的に上記抑制種を生成することができる。これにより、燃焼が急峻になるのを抑制して、燃焼期間の拡大を図ることができる。
【0072】
一方で、上記抑制種のみが燃焼室６内に拡散している状態では、燃焼期間が拡大されすぎてエンジンの運転効率が低下するおそれがあり、さらには、失火してしまう可能性もある。このため、圧縮上死点前において、上記第１活性種生成制御を実行する。これにより、上記活性種を生成して、低温酸化反応を促進させることで、燃料の着火を促す。この結果、上記活性種により、燃料の着火を促進させて着火時期を早くしつつ、上記抑制種により、燃焼が急峻になるのを抑制して燃焼期間を適度に拡大することができる。尚、領域Ｂでは、ＰＣＭ１００は、エンジン回転数が高いほど、上記第２所定期間を長く設定する。
【0073】
また、圧縮上死点前で燃料の追加噴射を行うことにより、燃焼室６内での燃料の着火性を向上させることができ、このことでも、燃料の着火を促進させることができる。本実施形態では、ＰＣＭ１００は、この燃料の追加噴射の噴射開始時期を、エンジン負荷が低くなるほど、燃料噴射時期を圧縮上死点に近付ける。尚、図９に示すように、燃料の追加噴射の時期と上記第２所定期間とは重複する。ＰＣＭ１００は、追加噴射のときに、電極１３ａ，１３ｂ間の混合気の空燃比が所定空燃比未満となったときには、一時的に（例えば、２パルス分程度）、非平衡プラズマの生成を停止させる。
【0074】
図１０は、領域Ｃにおける放電態様及び燃料噴射態様の一例を示している。領域Ｃは、エンジン負荷が第１所定負荷Ｔｑ１以上かつ第２所定負荷Ｔｑ２未満であるとともに、エンジン回転数が所定回転数Ｒ以上である運転状態である。この領域Ｃでは、燃焼室６の全体におけるＧ／Ｆが、領域Ａよりは小さくされるが、理論空燃比よりは大きくされる（リーン空燃比とされる）。つまり、この領域Ｃでも、燃焼室６の全体において、混合気の空気過剰率λが１を超える値（例えばλ＝１．５～２）とされる。
【0075】
領域Ｃでは、燃焼室６内が比較的リーンな状態ではあるが、理論空燃比に近い状態であるため、燃焼安定性は確保しやすい。しかしながら、領域Ｂのときと同様に、燃焼が急峻になってしまうと、燃焼騒音が大きくなったり、ＮＯｘが大量に発生してエミッション性能が低下してしまったりするおそれがある。そこで、この領域Ｃでも、領域Ｂと同様に、ＰＣＭ１００は、吸気行程で燃料を噴射し、吸気行程から圧縮行程前期の期間内で、上記抑制種生成制御を実行し、上記抑制種生成制御の後の圧縮行程後期において、上記第１活性種生成制御を実行する。そして、圧縮上死点の近傍で燃料の追加噴射を実行する。
【0076】
より具体的には、ＰＣＭ１００は、領域Ｃの運転状態における上記抑制種生成制御では、図１０に示すように、吸気行程で燃料を噴射するとともに、インジェクタ１４から噴射中の燃料が電極１３ａ，１３ｂの間を通る期間において、該電極１３ａ，１３ｂ間に放電して非平衡プラズマを生成することで上記抑制種を生成する。ＰＣＭ１００は、領域Ｃの運転状態における上記第１活性種生成制御では、図１０に示すように、圧縮行程の半分以上の期間を含む第３所定期間の間において、電極１３ａ，１３ｂ間の混合気の空燃比が所定空燃比以上であるときに、電極１３ａ，１３ｂ間に放電して非平衡プラズマを生成することで上記活性種を生成する。電極１３ａ，１３ｂ間の混合気の空燃比の検出方法については後述する。尚、第３所定期間は、第２クランク角期間の一例である。
【0077】
領域Ｃでは、領域Ｂと比べてエンジン回転数が高く、ピストン５が往復する時間が短い。このため、燃焼室６内に十分な量の上記抑制種及び上記活性種を生成するために、領域Ｂと比べて、上記抑制種生成制御の期間及び上記第１活性種生成制御の期間が長く設定される。特に、上記第１活性種生成制御は、圧縮行程の半分以上の期間（クランク角で９０°分以上の期間）実施される。また、領域Ｃでは、ＰＣＭ１００は、エンジン回転数が高いほど、上記抑制種生成制御を実行する期間を短くするとともに、上記第３所定期間を長くする。上記抑制種生成制御を実行する期間を短くするときには、放電プラグ１３による放電とインジェクタ１４による燃料噴射は同期せず、燃料の噴射期間の一部で放電プラグ１３による放電が実行される。
【0078】
上記のように放電プラグ１３及びインジェクタ１４を制御することで、領域Ｃでも、上記活性種により、燃料の着火を促進させて着火時期を早くしつつ、上記抑制種により、燃焼が急峻になるのを抑制して燃焼期間を適度に拡大することができる。
【0079】
また、領域Ｃでも、領域Ｂのときと同様に、圧縮上死点前で燃料の追加噴射を行うことにより、燃焼室６内での燃料の着火性を向上させることができ、燃料の着火を促進させることができる。本実施形態では、ＰＣＭ１００は、この燃料の追加噴射の噴射開始時期を、エンジン負荷が低くなるほど、燃料噴射時期を圧縮上死点に近付ける。尚、図１０に示すように、燃料の追加噴射の時期と上記第３所定期間とは重複する。ＰＣＭ１００は、追加噴射のときに、電極１３ａ，１３ｂ間の混合気の空燃比が所定空燃比未満となったときには、一時的に（例えば、２パルス分程度）、非平衡プラズマの生成を停止させる。
【0080】
図１１は、領域Ｄにおける放電態様及び燃料噴射態様の一例を示している。領域Ｄは、エンジン負荷が第２所定負荷Ｔｑ２以上の運転状態である。この領域Ｄでは、燃焼室６の全体におけるＧ／Ｆは、理論空燃比近傍に設定される。つまり、この領域Ｄでは、燃焼室６の全体において、混合気の空気過剰率λが１近傍（λ＝０．７５～１．０）とされる。
【0081】
領域Ｄでは、燃焼室６内が理論空燃比に近い状態であるため、燃焼安定性は確保しやすい。しかしながら、領域Ｄでは、燃焼が急峻になってしまうと、ノッキング等の異常燃焼が生じて、燃焼騒音が大きくなるおそれがある。そこで、この領域Ｄでも、領域Ｂ及びＣと同様に、ＰＣＭ１００は、吸気行程で燃料を噴射し、吸気行程から圧縮行程前期の期間内で、上記抑制種生成制御を実行し、上記抑制種生成制御の後の圧縮行程後期において、上記第１活性種生成制御を実行する。
【0082】
より具体的には、ＰＣＭ１００は、領域Ｄの運転状態における上記抑制種生成制御では、図１１に示すように、吸気行程で燃料を噴射するとともに、該燃焼噴射と同期して、インジェクタ１４から噴射中の燃料が電極１３ａ，１３ｂの間を通る期間において、該電極１３ａ，１３ｂ間に放電して非平衡プラズマを生成することで上記抑制種を生成する。ＰＣＭ１００は、領域Ｄの運転状態における上記第１活性種生成制御では、図１１に示すように、圧縮上死点前（－３０°～０°の期間）の第４所定期間において、電極１３ａ，１３ｂ間の混合気の空燃比が所定空燃比以上であるときに、電極１３ａ，１３ｂ間に放電して非平衡プラズマを生成することで上記活性種を生成する。電極１３ａ，１３ｂ間の混合気の空燃比の検出方法については後述する。尚、第４所定期間は、第２クランク角期間の一例である。
【0083】
領域Ｄでは、領域Ｂ及びＣと比べてエンジン負荷が高く、燃料の噴射量が多い（燃料の噴射期間が長い）。このため、図１１に示すように、領域Ｂ及びＣと比べて、上記抑制種生成制御の期間が長く設定される。尚、領域Ｄでは、燃料の噴射量が多いため、燃焼が急峻になるのを抑制するには、燃料の噴射量に応じて、上記抑制種の量も増加させる必要がある。このため、燃料の噴射期間全体で上記抑制種生成制御を実行したとしても、上記抑制種を生成し過ぎて、失火を招くことはない。
【0084】
領域Ｄでは、領域Ｃと比べて、上記第１活性種生成制御の期間が短い。これは、領域Ｄでは、空燃比が小さく、燃料の着火性自体は高いことから、上記活性種の量が少なくても、燃料を着火させることが可能なためである。本実施形態では、ＰＣＭ１００は、エンジン回転数が高いほど、上記第４所定期間を長く設定する。
【0085】
上記のように放電プラグ１３及びインジェクタ１４を制御することで、領域Ｄでも、上記活性種により、燃料の着火を促進させて着火時期を早くしつつ、上記抑制種により、燃焼が急峻になるのを抑制して燃焼期間を適度に拡大することができる。また、燃焼が急峻になるのが抑制されるため、ノッキング等の異常燃焼を抑制することができる。
【0086】
図１２は、上記抑制種生成制御及び上記第１活性種生成制御をそれぞれ実行した場合の熱発生の履歴を示す。この図１２において、実線は、上記抑制種生成制御及び上記第１活性種生成制御をそれぞれ実行したときの熱発生の履歴であり、破線は、上記抑制種生成制御及び上記第１活性種生成制御のどちらも実行していないときの熱発生の履歴であり、一点鎖線は、上記抑制種生成制御のみを実行したときの熱発生の履歴である。
【0087】
図１２に示すように、上記抑制種生成制御及び上記第１活性種生成制御のどちらも実行していないときには、燃焼が急峻になっていることが分かる。また、燃焼後半においてノッキングが生じていることが分かる。また、上記抑制種生成制御のみを実行したときには、燃焼がかなり緩やかで、熱発生率のピークが低いことが分かる。つまり、上記抑制種生成制御のみを実行すると、燃料の燃焼をエンジン１の仕事にあまり変換できず、エンジン１の運転効率が低下することが分かる。
【0088】
一方で、図１２に示すように、上記抑制種生成制御及び上記第１活性種生成制御をそれぞれ実行すると、圧縮上死点よりも前に燃焼が開始（混合気が着火）されるが、熱発生率が緩やかに上昇していることが分かる。これは、上記活性種によって、混合気の着火時期は進角されるが、上記抑制種により、火炎の伝播が抑制されるためである。このことについて、図１３を参照して説明する。
【0089】
図１３は、上記第１活性種生成制御を実行した直後の、燃焼室６内における上記活性種と上記抑制種との分布を示す。図１３は、燃焼室６をシリンダヘッド４側から見たものである。先ず、上述したように、吸気行程における燃料噴射の時期と同期して、上記抑制種生成制御を実行することで、燃焼室６内に上記抑制種が生成される。生成された抑制種は、圧縮行程で混合気の流動により燃焼室６内に拡散されて、燃焼室６全体に広がる。その後、上記第１活性種生成制御を実行すると、放電プラグ１３の電極１３ａ，１３ｂの周辺に上記活性種が生成される。これにより、図１３に示すように、燃焼室６の外周縁部には上記抑制種が偏在する一方、燃焼室６の中央付近に上記活性種が偏在するような分布になる。
【0090】
燃焼室６の中央付近に上記活性種が偏在することで、温度が高くなりやすい燃焼室６の中央付近で、圧縮上死点前に低温酸化反応が促進される。これにより、圧縮上死点前に上記活性種の存在する領域で混合気が着火可能になる。混合気への着火後は、その着火点から火炎が伝播するが、燃焼室６の外周縁部には上記抑制種が存在するため、火炎の伝播速度が遅くなる。これらのことから、図１２に示すように、着火時期が早くなって、圧縮上死点前に着火したとしても、熱発生率は緩やかに上昇して、燃焼期間は長くなる。また、燃焼室６の外周縁部に上記抑制種が存在することで、燃焼室６の外周縁部付近での混合気の自着火が抑制される。これにより、図１２に示すように、ノッキングも抑制される。
【0091】
よって、上記抑制種生成制御及び上記第１活性種生成制御をそれぞれ実行することにより、着火時期を早くしつつ、燃焼期間を拡大することができる。これにより、適切なエンジントルクを得つつ、燃焼騒音やエミッション性能を向上させることが可能となる。
【0092】
次に、上記第１活性種生成制御において、放電プラグ１３の電極１３ａ，１３ｂ間の混合気の空燃比の検出方法について説明する。本実施形態では、非平衡プラズマを生成するためのパルス電圧を電極１３ａ，１３ｂ間に印加した際に生じるイオン電流を測定することで、電極１３ａ，１３ｂ間の混合気の空燃比を検出するようにしている。
【0093】
図１４には、混合気の空燃比を検出する際に用いられるマップを示す。図１４のマップの横軸は、電極１３ａ，１３ｂ間にパルス電圧を印加した際に生じるイオン電流であり、縦軸は、電極１３ａ，１３ｂ間の混合気の空燃比である。図１４中の３つの直線は、それぞれ筒内圧が異なる直線であり、筒内圧が高いほど直線の傾きが大きくなるように設定されている。
【0094】
ＰＣＭ１００は、先ず、筒内圧センサＳＮ６の検出結果から、空燃比の検出に利用する直線を決定する。次に、ＰＣＭ１００は、非平衡プラズマを生成するためのパルス電圧を電極１３ａ，１３ｂ間に印加した際に生じるイオン電流を測定する。そして、ＰＣＭ１００は、測定したイオン電流の値をマップに当てはめて、電極１３ａ，１３ｂ間の混合気の空燃比を求める。これにより、電極１３ａ，１３ｂ間の混合気の空燃比を検出することができる。ＰＣＭ１００は、上記第１活性種生成制御において、上述のようにして検出された、電極１３ａ，１３ｂ間の混合気の空燃比が上記所定空燃比以上のときに、非平衡プラズマを生成して、上記活性種を生成する。所定空燃比は、上記抑制種が生成されにくくかつ上記活性種が生成されやすい空燃比であり、例えば、上記抑制種生成制御の実行時における、電極１３ａ，１３ｂ間の混合気の空燃比よりも高い空燃比である。尚、エンジン負荷に応じて所定空燃比を変更するようにしてもよい。具体的には、エンジン負荷が高いほど所定空燃比を低くしてもよい。エンジン負荷が高いときには、エンジン１の燃焼安定性はある程度確保されており、上記第１活性種生成制御の実行時に、多少の上記抑制種が生成されたとしても、混合気の燃焼にあまり影響しないためである。
【0095】
イオン電流の測定、すなわち、電極１３ａ，１３ｂ間の混合気の空燃比の検出は、非平衡プラズマを生成するためのパルス電圧を電極１３ａ，１３ｂ間に印加する度に毎回行ってもよいし、所定回数毎（例えば、１０回印加する毎）に行ってもよい。ただし、上記第１活性種生成制御において、最初にパルス電圧を印加するときや、非平衡プラズマの生成を一時的に停止させた後、再開させる時に最初にパルス電圧を印加するときには、イオン電流の測定を行って、電極１３ａ，１３ｂ間の混合気の空燃比を検出することが好ましい。
【0096】
【0097】
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。
【0098】
次のステップＳ２では、ＰＣＭ１００は、エンジン負荷が第１所定負荷Ｔｑ１未満であるか否かを判定する。ＰＣＭ１００は、エンジン負荷が第１所定負荷Ｔｑ１未満であるＹＥＳのときには、ステップＳ３に進む一方で、エンジン負荷が第１所定負荷Ｔｑ１以上であるＮＯのときには、ステップＳ５に進む。
【0099】
上記ステップＳ３では、ＰＣＭ１００は、上記第２活性種生成制御を実行する期間を設定する。このステップＳ３において、ＰＣＭ１００は、エンジン負荷及びエンジン回転数に基づいて、上記第２活性種生成制御を実行する期間を設定する。
【0100】
次のステップＳ４では、ＰＣＭ１００は、上記第２活性種生成制御を実行する。
【0101】
続くステップＳ５では、ＰＣＭ１００は、圧縮上死点近傍で燃料を噴射するように、インジェクタ１４を制御する。ステップＳ５の後は、ステップＳ１４に進む。
【0102】
一方で、上記ステップＳ２の判定がＮＯの時に進むステップＳ６では、ＰＣＭ１００は、上記抑制種生成制御を実行する期間を設定する。このステップＳ６において、ＰＣＭ１００は、エンジン負荷及びエンジン回転数に基づいて、上記抑制種生成制御を実行する期間を設定する。
【0103】
上記ステップＳ７では、ＰＣＭ１００は、吸気行程でインジェクタ１４から燃料を噴射させるとともに、上記抑制種生成制御を実行する。
【0104】
次の上記ステップＳ８では、ＰＣＭ１００は、上記第１活性種生成制御を実行する期間を設定する。このステップＳ１０において、ＰＣＭ１００は、エンジン負荷及びエンジン回転数に基づいて、上記第１活性種生成制御を実行する期間を設定する。
【0105】
続く上記ステップＳ９では、ＰＣＭ１００は、上記第１活性種生成制御を実行すべく、放電プラグ１３による放電を開始する。
【0106】
次の上記ステップＳ１０では、ＰＣＭ１００は、電極１３ａ，１３ｂ間の混合気の空燃比が、所定空燃比以上であるか否かを判定する。ＰＣＭ１００は、電極１３ａ，１３ｂ間の混合気の空燃比が、所定空燃比以上であるＹＥＳのときには、ステップＳ１２に進む一方で、電極１３ａ，１３ｂ間の混合気の空燃比が、所定空燃比未満であるＮＯのときには、ステップＳ１１に進む。
【0107】
上記ステップＳ１１では、ＰＣＭ１００は、放電プラグ１３による放電を一時的に停止させる。このステップＳ１１では、例えば、上記第１活性種生成制御において、電極１３ａ，１３ｂ間に印加するパルス電圧の２パルス分の期間だけ放電を停止させる。ステップＳ１１の後は、上記ステップＳ９に戻り放電プラグ１３による放電を再開して、再び上記ステップＳ１０の判定を受ける。
【0108】
上記ステップＳ１２では、ＰＣＭ１００は、放電プラグ１３による放電を継続させる。
【0109】
次のステップＳ１３では、ＰＣＭ１００は、上記ステップＳ１０で設定した期間が経過したか否かを判定する。設定した期間が経過したＹＥＳのときには、ステップＳ１４に進む一方、設定した期間が経過していないＮＯのときには、上記ステップＳ１２に戻り、設定した期間が経過するまで、上記ステップＳ９～ステップＳ１３を繰り返す。尚、エンジン負荷が第２所定負荷Ｔｑ２未満のときには、燃料の追加噴射が行われる。
【0110】
上記ステップＳ１４では、失火又は異常燃焼（ノッキング等）が発生していないか否かを判定する。ＰＣＭ１００は、失火及び異常燃焼が発生していないＹＥＳのときには、リターンする一方、失火又は異常燃焼が発生したＮＯのときには、ステップＳ１５に進む。尚、このステップＳ１４では、ＰＣＭ１００は、筒内圧センサＳＮ６の検出結果に基づいて、失火や異常燃焼の発生を検知する。
【0111】
上記ステップＳ１５では、ＰＣＭ１００は、失火及び異常燃焼を抑制すべく、放電期間（上記抑制種生成制御、並びに、上記第１及び第２活性種生成制御を実行する期間）や燃料噴射量を補正する。例えば、失火が生じたときには、上記抑制種生成制御を実行する期間を短くしたり、上記第１及び第２活性種生成制御を実行する期間を長くしたりする。一方で、異常燃焼としてノッキングが生じたときには、上記抑制種生成制御を実行する期間を長くする。上記ステップＳ１５の後はリターンする。
【0112】
したがって、本実施形態では、エンジン１の運転時において、エンジン負荷が第１所定負荷Ｔｑ１以上であるときには、燃焼室６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抑制種生成制御と、燃焼室６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第１活性種生成制御とを実行する。これにより、上記活性種によって着火時期を早くすることができる一方で、上記抑制種によって、火炎の拡大を抑制して、燃焼期間を長くすることができる。この結果、適切なエンジントルクを得つつ、燃焼騒音やエミッション性能を向上させることができる。
【0113】
特に、本実施形態では、吸気行程において上記抑制種生成制御を実行し、圧縮行程において上記第１活性種生成制御を実行するため、圧縮上死点近傍の時期において、上記抑制種が燃焼室６の外周縁部に偏在し、上記活性種が燃焼室６の中央付近に偏在する。これにより、圧縮上死点前に低温酸化反応が促進されて、圧縮上死点前に混合気が着火可能になる一方で、燃焼室６の外周縁部の上記抑制種により、火炎の伝播速度が緩やかになる。これらのことから、着火時期を早くしつつ、燃焼期間を長くすることができる。
【0114】
また、本実施形態では、エンジン１の運転時において、エンジン負荷が第１所定負荷Ｔｑ１未満であるときには、吸気行程で、電極１３ａ，１３ｂ間に放電して非平衡プラズマを生成することで、上記活性種を生成する第２活性種生成制御を実行する。これにより、エンジン負荷が低く、エンジン１の燃焼安定性が低下しやすい運転状態であっても、燃焼安定性を向上させることができる。
【0115】
さらに、本実施形態では、上記第１及び上記第２活性種生成制御のいずれにおいても、エンジン回転数が高いほど、該制御を実施するための期間を長く設定するため、エンジン回転数に応じて、上記活性種を生成する時間を十分に確保することができ、適切な燃焼状態を得ることができる。
【0116】
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。
【0117】
例えば、上述の実施形態では、エンジン負荷が第１所定負荷Ｔｑ１以上のときには、吸気行程で燃料を噴射しているため、上記抑制種生成制御は吸気行程で実行されていたが、これに限らず、燃料を圧縮行程前期まで噴射する場合には、圧縮行程前期で上記抑制種生成制御を実行してもよい。
【0118】
また、上述の実施形態では、エンジン負荷が第１所定負荷Ｔｑ１未満である、領域Ａのでは、吸気行程で上記第２活性種生成制御を実行していたが、これに限らず、圧縮行程前期でも上記第２活性種生成制御を実行してもよい。
【0119】
さらに、上述の実施形態では、エンジン負荷が、第１所定負荷Ｔｑ１以上でかつ第２所定負荷Ｔｑ２未満である、領域Ｂ及びＣでは、圧縮上死点近傍で燃料の追加噴射を行っていたが、これに限らず、領域Ｂ及びＣでの燃料の追加噴射は省略してもよい。
【0120】
また、上述の実施形態では、上記抑制種生成制御を実行する際には、電極１３ａ，１３ｂ間の混合気の空燃比を検出していなかったが、これに限らず、上記抑制種生成制御を実行する際にも、電極１３ａ，１３ｂ間の混合気の空燃比を検出するようにしてもよい。
【0121】
さらに、上述の実施形態では、上記第１及び第２活性種生成制御を実行する際に、電極１３ａ，１３ｂ間の空燃比が上記所定空燃比未満になったときに、非平衡プラズマの生成を停止させる時には、電極１３ａ，１３ｂ間での放電を一時的に停止させていたが、これに限らず、電極１３ａ，１３ｂ間に印加するパルス電圧のピーク電圧を非平衡プラズマが生成されない程度の電圧（例えば、１０Ｖ）まで下げるようにしてもよい。
【0122】
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】
【0123】
ここに開示された技術は、燃焼室が形成された気筒と、燃焼室内に燃料を噴射する燃料噴射手段と、燃料噴射手段により噴射された燃料によって形成される混合気を燃焼室内で圧縮着火させるエンジンに有用である。
【符号の説明】
【0124】
１ エンジン
２ 気筒
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（燃焼噴射手段）
１００ ＰＣＭ（制御手段）
２ 気筒
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（燃焼噴射手段）
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】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】