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JP2020037896A - Premixed compression ignition engine - Google Patents

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JP2020037896A
JP2020037896A JP2018164830A JP2018164830A JP2020037896A JP 2020037896 A JP2020037896 A JP 2020037896A JP 2018164830 A JP2018164830 A JP 2018164830A JP 2018164830 A JP2018164830 A JP 2018164830A JP 2020037896 A JP2020037896 A JP 2020037896A
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intake
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electrode
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芳尚 乃生
太田 統之
Muneyuki Oota
統之 太田
祐利 瀬戸
Suketoshi Seto
祐利 瀬戸
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Keisuke Okihama
圭佑 沖濱
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Tatsuya Tanaka
達也 田中
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Abstract

To provide a premixed compression ignition engine for enhancing its fuel consumption performance while holding combustion noise down to an approximate level.SOLUTION: The premixed compression ignition engine includes an injector 15 for injecting fuel into a combustion chamber 6, and a plasma production plug 16 for discharging non-equilibrium plasma to the combustion chamber 6. The injector 15 injects the fuel during an intake stroke including a valve opening period for an intake valve 11. The plasma production plug 16 having an exhaust side electrode 33e extending to an exhaust side, and an intake side electrode 33i set to be longer than the exhaust side electrode and extending to the intake side of the combustion chamber 6, and performs discharge after the fuel injection is performed during the intake stroke but before air-fuel mixture is ignited.SELECTED DRAWING: Figure 9

Description

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。   The present invention relates to a premixed compression-ignition engine in which fuel injected into a combustion chamber is mixed with air and then compression-ignited, in particular, a premixed compression-ignition engine capable of supplying a non-equilibrium plasma for promoting combustion to the combustion chamber. The present invention relates to a mixed compression ignition type engine.

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。   As an example of a premixed compression ignition engine using non-equilibrium plasma, the one disclosed in Patent Document 1 is known. The premixed compression ignition engine disclosed in Patent Literature 1 supplies an injector that injects gasoline-containing fuel into a combustion chamber and ozone as an active species to the combustion chamber by generating non-equilibrium plasma (streamer discharge). An ozone generator.

また、前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。   Also, Patent Document 2 below is known as an engine that discloses the same engine as described above.

特許第6237329号公報Japanese Patent No. 6237329 特許第6149759号公報Japanese Patent No. 6149759

前記特許文献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、混合気の燃焼が促進されて燃え残りが少なく抑えられ、これにより燃費性能が高められるという利点がある。   According to Patent Documents 1 and 2, the ozone as an active species is supplied to the air-fuel mixture, so that the combustion of the air-fuel mixture is promoted and the unburned residue is reduced, thereby improving fuel economy. is there.

しかしながら、前記特許文献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、燃費性能の向上効果が十分に得られないという問題がある。   However, in Patent Documents 1 and 2, since the compression ignition combustion is performed in a state where the air-fuel mixture and the ozone are entirely mixed, if a large amount of ozone is supplied carelessly, the combustion becomes excessively sharp. Loud combustion noise may be generated. On the other hand, when the supply amount of ozone is reduced to suppress combustion noise, there is a problem that the effect of improving fuel efficiency cannot be sufficiently obtained.

本発明は、前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費性能を高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。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a premixed compression ignition engine capable of improving fuel efficiency while suppressing combustion noise to an appropriate level.

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、燃焼室が形成された気筒と、前記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て前記気筒内を摺動するピストンと、前記燃焼室に空気を導入するための吸気ポートと、前記燃焼室の天井面に形成された前記吸気ポートの開口部分を開閉する吸気弁と、前記燃焼室から排気を導出するための排気ポートと、前記燃焼室の天井面に形成された前記排気ポートの開口部分を開閉する排気弁と、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前記燃焼室内に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、前記気筒の中心軸に沿う方向から見て前記吸気弁が配設されている側を吸気側とし且つ前記排気弁が配設されている側を排気側としたときに、前記プラズマ生成プラグは、前記電極として前記気筒の中心軸と略一致する基点から前記吸気側に延びる吸気側電極と前記起点から前記排気側に延びる排気側電極とを備え、前記吸気側電極および前記排気側電極は、前記基点から前記吸気側電極の先端までの長さの方が、前記基点から前記排気側電極の先端までの長さよりも長くなるように形成されており、前記制御装置は、前記吸気弁の開弁期間を含む吸気行程中に前記インジェクタから前記燃焼室に燃料が噴射されるように当該インジェクタを制御するとともに、当該吸気行程中に実施される燃料噴射の後、前記混合気が着火する前に、前記プラズマ生成プラグから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)。   In order to solve the above problems, a homogeneous charge compression ignition engine according to the present invention includes a cylinder having a combustion chamber, an injector for injecting fuel into the combustion chamber, and a crown defining a bottom surface of the combustion chamber. A piston having a surface and sliding in the cylinder, an intake port for introducing air into the combustion chamber, and an intake valve for opening and closing an opening of the intake port formed on a ceiling surface of the combustion chamber. An exhaust port for extracting exhaust gas from the combustion chamber, an exhaust valve for opening and closing an opening of the exhaust port formed on the ceiling surface of the combustion chamber, and an electrode near the center of the ceiling of the combustion chamber. A plasma generating plug having a non-equilibrium plasma discharged from the electrode into the combustion chamber from the electrode and a premixed compression ignition combustion in which fuel injected from the injector is compressed and ignited while being mixed with air. A control device for controlling the injector and the plasma generation plug, wherein a side on which the intake valve is provided is viewed as a suction side when viewed from a direction along a central axis of the cylinder, and the exhaust valve is provided. The plasma generating plug includes, as the electrode, an intake-side electrode extending from the base point substantially coincident with the center axis of the cylinder to the intake side, and an exhaust-side electrode extending from the starting point to the exhaust side. The intake side electrode and the exhaust side electrode, the length from the base point to the tip of the intake side electrode is longer than the length from the base point to the tip of the exhaust side electrode. The control device controls the injector so that fuel is injected from the injector into the combustion chamber during an intake stroke including an opening period of the intake valve. Controlling the plasma generating plug so that non-equilibrium plasma is discharged from the plasma generating plug after the fuel injection performed during the intake stroke and before the mixture is ignited. (Claim 1).

本発明によれば、吸気側に延びる吸気側電極と排気側に延びる排気側電極とを備えたプラズマ生成プラグが設けられているとともに、燃焼室内に燃料が噴射されてから混合気が着火するまでの間に各電極からの放電によって燃焼室内に非平衡プラズマが生成されるようになっている。そのため、非平衡プラズマの作用から生じるオゾン(O)やOH等の活性種を、燃焼室の吸気側および排気側に向けてつまり燃焼室の外周部分に向けて供給することができる。 According to the present invention, a plasma generating plug including an intake-side electrode extending to the intake side and an exhaust-side electrode extending to the exhaust side is provided, and from when fuel is injected into the combustion chamber until the mixture ignites. During this time, a non-equilibrium plasma is generated in the combustion chamber by the discharge from each electrode. Therefore, active species such as ozone (O 3 ) and OH generated by the action of the non-equilibrium plasma can be supplied toward the intake side and the exhaust side of the combustion chamber, that is, toward the outer peripheral portion of the combustion chamber.

ここで、燃焼室の外周部分は、燃焼室の中央部分に比べて低温になる傾向にある。このため、仮に燃焼室の外周部分への活性種の供給がなかった場合、この外周部分の混合気は、燃焼室の中央部分の混合気に対して相当程度遅れて着火するとともに着火後の燃焼速度もかなり遅くなってしまう。これに対し、本発明では、前記のように、燃焼室の外周部分に活性種が供給されることで、活性種の作用によってこの外周部分の混合気の着火遅れを短縮できるとともに、当該混合気の燃焼を促進して燃焼速度(つまり燃焼の後半部の燃焼速度)を速めることができる。このとき、先に着火する燃焼室の中央部分の混合気の燃焼速度は特に変わらないので、燃焼の前半部に生じる圧力上昇が顕著になることはない。このため、燃焼騒音を適正なレベルに抑えながら、混合気の全体を短期間のうちに燃焼させることができ、十分に高い熱効率を得ることができる。   Here, the outer peripheral portion of the combustion chamber tends to be lower in temperature than the central portion of the combustion chamber. Therefore, if the active species is not supplied to the outer peripheral portion of the combustion chamber, the air-fuel mixture at the outer peripheral portion ignites with a considerable delay with respect to the air-fuel mixture at the central portion of the combustion chamber, and the combustion after ignition The speed will be quite slow. On the other hand, in the present invention, as described above, by supplying the active species to the outer peripheral portion of the combustion chamber, the ignition delay of the air-fuel mixture in the outer peripheral portion can be reduced by the action of the active species, and the air-fuel mixture can be reduced. Combustion can be promoted to increase the combustion speed (that is, the combustion speed in the latter half of combustion). At this time, the combustion speed of the air-fuel mixture in the central portion of the combustion chamber that is ignited first does not particularly change, so that the pressure rise that occurs in the first half of combustion does not become noticeable. Therefore, the entire air-fuel mixture can be burned in a short period of time while suppressing the combustion noise to an appropriate level, and a sufficiently high thermal efficiency can be obtained.

しかも、本発明では、吸気側に延びる吸気側電極の方が排気側に延びる排気側電極よりも長くなるように構成されている。そのため、燃焼室の吸気側の壁面付近に形成される燃料濃度の高い混合気の燃焼を効果的に促進して当該混合気を適切に燃焼させることができる。従って、燃焼室の吸気側の壁面付近における燃料の燃え残りを少なく抑えて燃費性能を確実に高めることができる。   Moreover, in the present invention, the intake-side electrode extending toward the intake side is configured to be longer than the exhaust-side electrode extending toward the exhaust side. Therefore, the combustion of the air-fuel mixture having a high fuel concentration formed near the intake-side wall surface of the combustion chamber can be effectively promoted, and the air-fuel mixture can be appropriately burned. Therefore, fuel unburned fuel near the intake-side wall surface of the combustion chamber can be suppressed to a small level, and the fuel efficiency can be reliably improved.

具体的には、本発明によれば、吸気行程中に燃料が噴射されることで、燃焼室内全体に燃料を拡散させることができる。一方で、吸気弁の開弁中に燃料噴射が行われることで、燃料の一部が吸気弁に衝突して吸気弁や吸気弁回りの燃焼室の壁面に液滴状態で付着し、燃焼室の吸気弁側の壁面近傍に燃料濃度が過度に高い混合気が形成されるおそれがある。これに対して、前記のように吸気側電極の長さがより長くされていることで、燃焼室の吸気側部分により多くの非平衡プラズマひいては活性種を生成することができる。そのため、多量の活性種の作用によって燃焼室の吸気側の壁面近傍の混合気の燃焼を確実に促進することができる。   Specifically, according to the present invention, fuel can be diffused throughout the combustion chamber by injecting fuel during the intake stroke. On the other hand, when the fuel is injected during the opening of the intake valve, part of the fuel collides with the intake valve and adheres in a droplet state on the intake valve and the wall of the combustion chamber around the intake valve, and the combustion chamber There is a possibility that an air-fuel mixture having an excessively high fuel concentration is formed in the vicinity of the wall surface on the intake valve side. On the other hand, by making the length of the intake-side electrode longer as described above, more non-equilibrium plasma and, thus, active species can be generated in the intake-side portion of the combustion chamber. Therefore, the combustion of the air-fuel mixture near the intake-side wall surface of the combustion chamber can be reliably promoted by the action of a large amount of active species.

前記構成において、好ましくは、前記制御装置は、前記吸気行程中に実施される燃料噴射である前段噴射と、圧縮行程中に燃料を前記燃焼室内に噴射する後段噴射とを、前記インジェクタに実施させる(請求項2)。   In the above configuration, preferably, the control device causes the injector to perform a first-stage injection that is a fuel injection performed during the intake stroke and a second-stage injection that injects fuel into the combustion chamber during a compression stroke. (Claim 2).

この構成によれば、燃焼室の中央部の混合気の燃料濃度を適度に高くして当該混合気を確実に着火させ、これにより燃焼室全体の混合気を確実に燃焼させることができる。そして、前記のように比較的着火しにくい燃焼室の外周部分に存在する混合気を非平衡プラズマの作用によって早期に燃焼させることができる。   According to this configuration, the fuel concentration of the air-fuel mixture in the central portion of the combustion chamber is appropriately increased, and the air-fuel mixture is reliably ignited, whereby the air-fuel mixture in the entire combustion chamber can be reliably burned. As described above, the air-fuel mixture existing in the outer peripheral portion of the combustion chamber, which is relatively difficult to ignite, can be burned early by the action of the non-equilibrium plasma.

前記構成において、好ましくは、前記制御装置は、前記前段噴射が終了してから前記後段噴射が開始されるまでの期間中に、前記プラズマ生成プラグから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(請求項3)。   In the above configuration, preferably, the control device is configured to discharge the non-equilibrium plasma from the plasma generation plug during a period from the end of the pre-injection to the start of the post-injection, The generation plug is controlled (claim 3).

この構成によれば、燃焼室内の圧力が比較的低いときに、プラズマ生成プラグの電極から放電がなされることになるため、より確実に多量の活性種を燃焼室の外周部分に供給することができる。また、後段噴射により燃焼室に供給された燃料と非平衡プラズマとの接触を回避して、ホルムアルデヒド等の燃焼を抑制する物質が生成されるのを抑制することができる。   According to this configuration, when the pressure in the combustion chamber is relatively low, discharge is performed from the electrode of the plasma generation plug, so that a large amount of active species can be more reliably supplied to the outer peripheral portion of the combustion chamber. it can. Further, the contact between the fuel supplied to the combustion chamber by the latter-stage injection and the non-equilibrium plasma can be avoided, and the generation of substances that suppress combustion, such as formaldehyde, can be suppressed.

前記構成において、好ましくは、前記制御装置は、エンジン回転数が所定の基準回転数より高いときは、前記前段噴射が終了してから前記後段噴射が開始されるまでの期間中および前記後段噴射が終了してから前記混合気が着火するまでの期間中に、前記プラズマ生成プラグから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(請求項4)。   In the above configuration, preferably, when the engine speed is higher than a predetermined reference speed, during the period from the end of the first-stage injection to the start of the second-stage injection and the second-stage injection, The plasma generation plug is controlled so that non-equilibrium plasma is discharged from the plasma generation plug during a period from the end of the process to the time when the mixture is ignited (claim 4).

エンジン回転数が高いときは単位時間あたりにインジェクタから噴射される燃料の量が多くなることで、吸気弁や燃焼室の壁面等に燃料が付着しやすい。このため、エンジン回転数が高いときは低いときよりも燃焼室の外周部分の混合気が燃焼しにくい傾向にある。これに対して、この構成によれば、エンジン回転数が基準回転数よりも高いときに燃焼室の外周部分に多量の活性種を供給することができ、燃焼室の外周部分の混合気をより適切に燃焼させることができる。一方で、エンジン回転数が低いときはプラズマ生成プラグの駆動機会が少なく抑えられることで、プラズマ生成プラグの駆動に伴うエネルギー消費を抑制することができる。   When the engine speed is high, the amount of fuel injected from the injector per unit time increases, so that the fuel easily adheres to the intake valve, the wall surface of the combustion chamber, and the like. Therefore, when the engine speed is high, the air-fuel mixture on the outer peripheral portion of the combustion chamber tends to be less likely to burn than when the engine speed is low. On the other hand, according to this configuration, when the engine speed is higher than the reference speed, a large amount of active species can be supplied to the outer peripheral portion of the combustion chamber, and the air-fuel mixture at the outer peripheral portion of the combustion chamber can be further reduced. Can be properly burned. On the other hand, when the engine speed is low, the opportunity for driving the plasma generation plug is suppressed to be small, so that the energy consumption accompanying the driving of the plasma generation plug can be suppressed.

前記構成において、好ましくは、前記燃焼室の内側面のうち少なくとも前記吸気側の一部には、遮熱層が設けられている(請求項5)。   In the above configuration, preferably, a heat shield layer is provided on at least a part of the inner side surface of the combustion chamber on the intake side (Claim 5).

この構成によれば、冷却損失を効果的に小さく抑えて燃費性能をより一層高めることができる。具体的には、前記のように燃焼室の吸気側の壁面近傍には燃料濃度の高い混合気が形成されて、この壁面近傍で多くの燃料が燃焼する。そのため、前記のように構成することで、この燃料の燃焼によって生じる比較的多量の熱エネルギーが燃焼室の吸気側の壁面から外部に逃げるのを抑制することができ、冷却損失を効果的に小さく抑えることができる。   According to this configuration, the cooling loss can be effectively suppressed to be small, and the fuel efficiency can be further improved. Specifically, an air-fuel mixture having a high fuel concentration is formed near the intake-side wall surface of the combustion chamber as described above, and a large amount of fuel burns near this wall surface. Therefore, by configuring as described above, it is possible to suppress a relatively large amount of thermal energy generated by the combustion of the fuel from escaping from the intake-side wall surface of the combustion chamber to the outside, thereby effectively reducing the cooling loss. Can be suppressed.

また、本発明は、燃焼室が形成された気筒と、前記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て前記気筒内を摺動するピストンと、前記燃焼室に空気を導入するための吸気ポートと、前記燃焼室の天井面に形成された前記吸気ポートの開口部分を開閉する吸気弁と、前記燃焼室から排気を導出するための排気ポートと、前記燃焼室の天井面に形成された前記排気ポートの開口部分を開閉する排気弁と、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前記燃焼室内に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、前記気筒の中心軸に沿う方向から見て前記吸気弁が配設されている側を吸気側とし且つ前記排気弁が配設されている側を排気側としたときに、前記電極は、前記気筒の中心軸と略一致する基点から前記吸気側に延びる形状を有し、前記制御装置は、前記吸気弁の開弁期間中に前記インジェクタから前記燃焼室に燃料が噴射されるように当該インジェクタを制御するとともに、当該吸気弁の開弁期間中に実施される燃料噴射の後、前記混合気が着火する前に、前記プラズマ生成プラグからの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を提供する(請求項6)。   Further, the present invention provides a cylinder in which a combustion chamber is formed, an injector that injects fuel into the combustion chamber, and a piston that slides in the cylinder having a crown surface that defines a bottom surface of the combustion chamber, An intake port for introducing air into the combustion chamber, an intake valve for opening and closing an opening of the intake port formed on a ceiling surface of the combustion chamber, and an exhaust port for extracting exhaust gas from the combustion chamber. An exhaust valve that opens and closes an opening of the exhaust port formed on the ceiling surface of the combustion chamber; and an electrode near the center of the ceiling of the combustion chamber, and discharges non-equilibrium plasma from the electrode into the combustion chamber. The plasma generating plug and the injector and the plasma generating plug are controlled so as to realize premixed compression ignition combustion in which fuel injected from the injector is compressed and ignited while being mixed with air. When the side where the intake valve is arranged is taken as the intake side and the side where the exhaust valve is arranged is taken as the exhaust side when viewed from the direction along the central axis of the cylinder, The electrode has a shape extending toward the intake side from a base point substantially coinciding with a center axis of the cylinder, and the control device controls the injector so that fuel is injected from the injector into the combustion chamber during the opening period of the intake valve. The injector is controlled so that the non-equilibrium plasma from the plasma generating plug is discharged after the fuel injection performed during the opening period of the intake valve and before the mixture is ignited. The present invention further provides a premixed compression ignition type engine that controls the plasma generation plug (claim 6).

この構成では、プラズマ生成プラグの電極がプラズマ生成プラグの中心軸から吸気側に延びるように構成されている。そのため、前記のように吸気弁の開弁中に燃料が噴射されることで燃焼室の吸気側の壁面付近に燃料濃度の高い混合気が形成されるのに対して、この混合気の燃焼を効果的に促進することができる。そのため、燃焼室の吸気側の壁面付近の燃料の燃え残りを少なく抑えて燃費性能を高めることができる。そして、この構成によっても、先に着火する燃焼室の中央部分の混合気の燃焼速度は特に変わらないので、燃焼の前半部に生じる圧力上昇が顕著になることはない。このため、燃焼騒音を適正なレベルに抑えながら、混合気の全体を短期間のうちに燃焼させることができ、十分に高い熱効率を得ることができる。   In this configuration, the electrode of the plasma generation plug is configured to extend from the central axis of the plasma generation plug to the intake side. Therefore, as described above, the fuel is injected during the opening of the intake valve to form an air-fuel mixture having a high fuel concentration near the intake-side wall surface of the combustion chamber. Can be effectively promoted. Therefore, it is possible to suppress the unburned fuel remaining near the wall surface on the intake side of the combustion chamber and improve the fuel efficiency. Also with this configuration, the combustion speed of the air-fuel mixture in the central portion of the combustion chamber that ignites first does not particularly change, so that the pressure increase that occurs in the first half of combustion does not become noticeable. Therefore, the entire air-fuel mixture can be burned in a short period of time while suppressing the combustion noise to an appropriate level, and a sufficiently high thermal efficiency can be obtained.

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費性能を高めることができる。   As described above, according to the homogeneous charge compression ignition engine of the present invention, fuel efficiency can be improved while suppressing combustion noise to an appropriate level.

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。1 is a schematic plan view showing a configuration of a homogeneous charge compression ignition engine according to one embodiment of the present invention. エンジン本体の吸排気方向に沿った断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of the engine body taken along a direction of intake and exhaust. エンジン本体の気筒列方向に沿った断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of the engine body taken along a cylinder row direction. ピストンの冠面の形状を示す平面図である。It is a top view which shows the shape of the crown surface of a piston. 燃焼室に形成されるタンブル流を説明するための概略図である。It is a schematic diagram for explaining the tumble flow formed in a combustion chamber. 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。It is a figure which expands and shows the front-end | tip part of a plasma generation plug, (a) is a side view, (b) is a bottom view. インジェクタ単体の断面図である。It is sectional drawing of an injector single body. 燃焼室およびその周辺部を拡大して示す断面図である。It is sectional drawing which expands and shows a combustion chamber and its peripheral part. 燃焼室の天井面を示す平面図である。It is a top view which shows the ceiling surface of a combustion chamber. エンジンの制御系統を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing a control system of the engine. 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。5 is a graph for explaining conditions for generating non-equilibrium plasma. 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。4 is a time chart showing a voltage application pattern to a plasma generation plug. 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。FIG. 4 is a map diagram for explaining a difference in control according to an operating condition of an engine. エンジンの高負荷低速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。4 is a time chart for explaining the contents of combustion control executed during operation of the engine in a high-load low-speed range. エンジンの高負荷高速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。5 is a time chart for explaining the contents of combustion control performed during operation of the engine in a high-load, high-speed range. 高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)は前段噴射の実行中の状況を、(b)は後段噴射の実行中の状況を、(c)は圧縮上死点付近の状況を、それぞれ示している。It is a figure for explaining behavior of fuel injected from an injector at the time of operation in a high load area, (a) shows a situation during execution of pre-stage injection, (b) shows a situation during execution of post-stage injection, (C) shows the situation near the compression top dead center, respectively. 主放電が実施されたときの燃焼室内の状況を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the situation in a combustion chamber when main discharge is implemented. 追加放電が実施されたときの燃焼室内の状況を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the situation in a combustion chamber at the time of performing additional discharge. 前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。4 is a graph of a heat generation rate for describing an effect of the embodiment. プラズマ生成プラグの変形例を説明するための図である。It is a figure for explaining the modification of a plasma generation plug. 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)は図4に対応する平面図、(b)はプラズマ生成プラグの先端部分の側面図である。It is a figure for demonstrating the modification of a plasma generation plug, (a) is a top view corresponding to FIG. 4, (b) is a side view of the front-end | tip part of a plasma generation plug. プラズマ生成プラグの変形例を説明するための図である。It is a figure for explaining the modification of a plasma generation plug. プラズマ生成プラグの変形例を説明するための図である。It is a figure for explaining the modification of a plasma generation plug.

(1)全体構成
図1は、本発明の第1実施形態にかかる予混合圧縮着火式エンジン(以下、単にエンジンともいう)の構成を示す概略平面図である。本図に示されるエンジンは、走行用の動力源として車両に搭載された4サイクルのガソリン直噴エンジンであり、列状に並ぶ4つの気筒2を含む直列多気筒型のエンジン本体1と、エンジン本体1に導入される吸気が流通する吸気通路50と、エンジン本体1から排出される排気ガスが流通する排気通路60と、排気通路60を流通する排気ガスの一部を吸気通路50に還流するEGR装置70を備えている。
(1) Overall Configuration FIG. 1 is a schematic plan view showing a configuration of a homogeneous charge compression ignition engine (hereinafter, also simply referred to as an engine) according to a first embodiment of the present invention. The engine shown in this figure is a four-cycle gasoline direct injection engine mounted on a vehicle as a power source for traveling, and includes an in-line multi-cylinder engine body 1 including four cylinders 2 arranged in a row, and an engine. An intake passage 50 through which intake air introduced into the main body 1 flows, an exhaust passage 60 through which exhaust gas discharged from the engine main body 1 flows, and a part of the exhaust gas flowing through the exhaust passage 60 are returned to the intake passage 50. An EGR device 70 is provided.

エンジン本体1には、気筒2の中心軸を通る面を挟んで一方側に後述する吸気弁11が設けられて他方側に後述する排気弁12が設けられている。本実施形態では、気筒2の配列方向(以下、気筒列方向という)に沿う面を挟んで一方側と他方側とにそれぞれ吸気弁11と排気弁12とが設けられている。以下では、気筒列方向と直交する方向を吸排気方向といい、この吸排気方向において、吸気弁11が設けられる側を吸気側、排気弁12が設けられる側を排気側という。   The engine body 1 is provided with an intake valve 11 described later on one side and a discharge valve 12 described later on the other side with a plane passing through the center axis of the cylinder 2 interposed therebetween. In the present embodiment, an intake valve 11 and an exhaust valve 12 are provided on one side and the other side, respectively, with a surface along the arrangement direction of the cylinders 2 (hereinafter, referred to as a cylinder row direction) interposed therebetween. Hereinafter, a direction orthogonal to the cylinder row direction is referred to as an intake / exhaust direction, and in this intake / exhaust direction, a side on which the intake valve 11 is provided is referred to as an intake side, and a side on which the exhaust valve 12 is provided is referred to as an exhaust side.

図2は、エンジン本体1の吸排気方向に沿った断面を模式的に示した図であり、図3は、吸排気方向と直交する方向(気筒列方向)に沿ったエンジン本体1の断面を模式的に示した図である。なお、図2中のINは吸気側を、EXは排気側を示している。これら図2および図3に示すように、エンジン本体1は、前記4つの気筒2が内部に形成されたシリンダブロック3と、各気筒2を上から閉塞するようにシリンダブロック3の上面に取り付けられたシリンダヘッド4と、各気筒2に往復摺動可能に挿入されたピストン5とを有している。   FIG. 2 is a diagram schematically showing a cross section of the engine body 1 along the intake and exhaust directions. FIG. 3 is a cross section of the engine body 1 along a direction (cylinder row direction) orthogonal to the intake and exhaust directions. It is the figure which showed typically. In FIG. 2, IN indicates the intake side, and EX indicates the exhaust side. As shown in FIGS. 2 and 3, the engine body 1 is mounted on a cylinder block 3 in which the four cylinders 2 are formed, and on an upper surface of the cylinder block 3 so as to close each cylinder 2 from above. A cylinder head 4 and a piston 5 inserted into each cylinder 2 so as to be able to slide back and forth.

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。   Above the piston 5, a combustion chamber 6 surrounded by the peripheral surface of the cylinder 2, the crown surface S of the piston 5, and the lower surface of the cylinder head 4 is formed. A ceiling surface 28 which is a portion of the lower surface of the cylinder head 4 that covers the combustion chamber 6 is formed in a so-called pent roof shape (triangular roof shape). In other words, the height of the ceiling surface 28 of the combustion chamber 6 decreases as the distance from the cylinder axis X (the center axis of the cylinder 2) to the intake side increases in the cross-sectional view shown in FIG. 2 (that is, the cross-sectional view along the intake and exhaust directions). And an inclined surface whose height decreases as the distance from the cylinder axis X to the exhaust side increases.

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。   Fuel mainly composed of gasoline is supplied to the combustion chamber 6 by injection from an injector 15 described later. Then, the supplied fuel is burned by compression ignition while being mixed with air in the combustion chamber 6, and the piston 5 pushed down by the expansion force due to the combustion reciprocates vertically. The fuel injected into the combustion chamber 6 only needs to contain gasoline as a main component, and may contain, for example, sub-components such as bioethanol in addition to gasoline.

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。   Below the piston 5, a crankshaft 7, which is an output shaft of the engine body 1, is provided. The crankshaft 7 is connected to the piston 5 via a connecting rod 8, and is driven to rotate around the central axis according to the reciprocating motion (vertical motion) of the piston 5.

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。   The cylinder block 3 is provided with a crank angle sensor SN1 for detecting a rotation angle (crank angle) of the crank shaft 7 and a rotation speed (engine rotation speed) of the crank shaft 7.

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。   The geometric compression ratio of the cylinder 2, that is, the ratio of the volume of the combustion chamber 6 when the piston 5 is at the top dead center to the volume of the combustion chamber when the piston 5 is at the bottom dead center, presumes gasoline-containing fuel. A value suitable for mixed compression ignition combustion is set to 15 or more and 30 or less.

図4は、ピストン5の冠面Sを後述するプラズマ生成プラグ16の先端部(放電電極33)と併せて示した平面図である。図4等に示すように、シリンダヘッド4には、気筒2ごとに、吸気通路50から供給される空気を燃焼室6に導入するための吸気ポート9と、燃焼室6で生成された排気ガスを排気通路60に導出するための排気ポート10と、吸気ポート9の燃焼室6側の開口を開閉する吸気弁11と、排気ポート10の燃焼室6側の開口を開閉する排気弁12とがそれぞれ設けられている。本実施形態では、吸気ポート9と排気ポート10とは、1つの気筒にそれぞれ2つずつ設けられており、吸気弁11と排気弁12とも、1つの気筒にそれぞれ2つずつ設けられている。吸気弁11および排気弁12は、シリンダヘッド4に配設された一対のカム軸等を含む図外の動弁機構により、クランク軸7の回転に連動して開閉駆動される。   FIG. 4 is a plan view showing the crown surface S of the piston 5 together with a tip portion (discharge electrode 33) of the plasma generation plug 16 described later. As shown in FIG. 4 and the like, the cylinder head 4 has, for each cylinder 2, an intake port 9 for introducing air supplied from an intake passage 50 into a combustion chamber 6, and an exhaust gas generated in the combustion chamber 6. , An exhaust valve 10 for opening and closing an opening of the intake port 9 on the combustion chamber 6 side, and an exhaust valve 12 for opening and closing an opening of the exhaust port 10 on the combustion chamber 6 side. Each is provided. In the present embodiment, two intake ports 9 and two exhaust ports 10 are provided for each cylinder, and two intake valves 11 and two exhaust valves 12 are provided for each cylinder. The intake valve 11 and the exhaust valve 12 are opened and closed by a valve operating mechanism (not shown) including a pair of camshafts and the like provided on the cylinder head 4 in conjunction with the rotation of the crankshaft 7.

図5は、吸気弁11の開弁時の燃焼室6内の様子を模式的に示した図である。吸気ポート9は、燃焼室6の天井面28から上方に延びるように形成されており、吸気弁11の開弁に伴って、燃焼室6内にはタンブル流が形成される。本実施形態では、燃焼室6の天井面28に対して吸気ポート9がより急峻な角度で接続されている(吸気ポート9の燃焼室6側の開口部分の内周面と燃焼室6の天井面28とのなす角度がより90度に近い状態とされている)。また、吸気ポート9の燃焼室6側の開口部分の面積が大きくされている。これにより、タンブル流の渦径は比較的小さくなる。具体的には、矢印Y1で示すように、吸気ポート9から燃焼室6に流入した後、燃焼室6内の排気側部分に向かう主たる吸気の流れが、より下向き(ピストン5の冠面S向き)とされる。また、矢印Y2で示すように、吸気ポート9から吸気側部分にも比較的多くの吸気が流れ込む。前記の主たる吸気流れY1は、ピストン5の冠面S付近において燃焼室6の吸気側に向かおうとするが、この流が矢印Y2で示した流れにより阻害される。これらにより、本実施形態では、燃焼室6内に形成されるタンブル流は、燃焼室6の中央付近を通る径の小さい渦となる。また、これに伴い、吸気弁11の開弁中および吸気弁11の閉弁直後において、燃焼室6の天井面28の外周縁付近のガス流動は小さく抑えられる。なお、図5において、破線の矢印Y11は、吸気ポート9を図5の実線に示す状態よりも寝かせた状態で燃焼室6の天井面28に接続し、且つ、吸気ポート9の燃焼室6側の開口部分の面積を本実施形態よりも小さくしたときの比較例に係るタンブル流を例示したものである。   FIG. 5 is a diagram schematically showing a state in the combustion chamber 6 when the intake valve 11 is opened. The intake port 9 is formed to extend upward from the ceiling surface 28 of the combustion chamber 6, and a tumble flow is formed in the combustion chamber 6 with the opening of the intake valve 11. In the present embodiment, the intake port 9 is connected to the ceiling surface 28 of the combustion chamber 6 at a steeper angle (the inner peripheral surface of the opening of the intake port 9 on the combustion chamber 6 side and the ceiling of the combustion chamber 6). The angle with the surface 28 is closer to 90 degrees). In addition, the area of the opening of the intake port 9 on the combustion chamber 6 side is increased. Thereby, the vortex diameter of the tumble flow becomes relatively small. Specifically, as shown by an arrow Y1, after flowing into the combustion chamber 6 from the intake port 9, the flow of the main intake air flowing toward the exhaust side portion in the combustion chamber 6 is directed downward (toward the crown surface S of the piston 5). ). Also, as indicated by arrow Y2, a relatively large amount of intake air flows from the intake port 9 to the intake side. The main intake flow Y1 tends to move toward the intake side of the combustion chamber 6 near the crown surface S of the piston 5, but this flow is obstructed by the flow indicated by the arrow Y2. Thus, in the present embodiment, the tumble flow formed in the combustion chamber 6 becomes a small-diameter vortex passing near the center of the combustion chamber 6. Accordingly, during the opening of the intake valve 11 and immediately after the intake valve 11 is closed, the gas flow near the outer peripheral edge of the ceiling surface 28 of the combustion chamber 6 is suppressed to be small. In FIG. 5, a broken arrow Y11 connects the intake port 9 to the ceiling surface 28 of the combustion chamber 6 in a state where the intake port 9 is laid down more than the state shown by the solid line in FIG. 4 illustrates a tumble flow according to a comparative example when the area of the opening portion is smaller than that of the present embodiment.

図2等に示すように、燃焼室6の底面を規定するピストン5の冠面Sは、その外周縁部に位置する平面状の基準面21と、基準面21よりも上方(シリンダヘッド4に近づく側)に隆起する隆起部20とを有している。隆起部20は、ペントルーフ状の燃焼室6の天井面28に沿うように、図2の断面視(つまり吸排気方向に沿った断面視)において気筒軸線Xに近づくほど高さが高くなるように形成されている。隆起部20の中央部、言い換えるとピストン5の冠面Sの中央部には、下方(シリンダヘッド4とは反対側)に窪むキャビティCが形成されている。   As shown in FIG. 2 and the like, the crown surface S of the piston 5 that defines the bottom surface of the combustion chamber 6 has a flat reference surface 21 located at the outer peripheral edge thereof and a position higher than the reference surface 21 (to the cylinder head 4). (A side approaching). The raised portion 20 is formed so as to be higher along the ceiling surface 28 of the pent roof-shaped combustion chamber 6 as it approaches the cylinder axis X in a sectional view of FIG. 2 (that is, a sectional view along the intake and exhaust directions). Is formed. A cavity C that is depressed downward (on the side opposite to the cylinder head 4) is formed in the center of the raised portion 20, in other words, in the center of the crown surface S of the piston 5.

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。   The cavity C has a flat bottom surface portion 22 having a substantially circular shape in a plan view, and a peripheral surface portion 23 which rises from an outer peripheral edge of the bottom surface portion 22 while being inclined upward and radially outward. The opening edge C1 of the cavity C, which is the upper end of the peripheral surface portion 23, is formed so as to have a substantially elliptical shape in plan view, and is larger in the cylinder row direction (direction perpendicular to the intake / exhaust direction) than in the intake / exhaust direction. It is formed to have a longer dimension.

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。   The raised portion 20 has an intake-side inclined surface 24 formed on the intake side of the cavity C, and an exhaust-side inclined surface 25 formed on the exhaust side of the cavity C. The intake-side inclined surface 24 is formed such that its height becomes lower as it goes away from the opening edge C1 on the intake side of the cavity C toward the intake side (radially outward), and the exhaust-side inclined surface 25 is It is formed so that the height decreases as the distance from the opening edge C1 on the exhaust side to the exhaust side increases (radially outward).

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。   A pair of peaks 26 is formed in a region outside the cavity C in the cylinder row direction and located between the intake-side inclined surface 24 and the exhaust-side inclined surface 25. The pair of peaks 26 are formed in a substantially planar shape at the highest position in the crown surface S.

ここで、ピストン5の冠面SにおけるキャビティCの開口縁C1よりも径方向外側の領域(つまり吸気側・排気側傾斜面24、25、峰部26、基準面21)を「冠面Sの径方向外側領域」、ピストン5の冠面SにおけるキャビティCの開口縁C1よりも径方向内側の領域(つまりキャビティCの形成面22、23)を「冠面Sの径方向内側領域」という。本実施形態では、燃焼室6の天井面28とは反対側に窪むようにキャビティCが形成されているため、当然ながら、冠面Sの径方向外側領域とこれに対向する燃焼室6の天井面28との間の上下方向(ピストン摺動方向)の距離は、冠面Sの径方向内側領域とこれに対向する燃焼室6の天井面28との間の上下方向の距離よりも小さい。このため、ピストン5が上死点に接近したとき、冠面Sの径方向外側領域と天井面28との間の空間には、径方向外側から内側へと向かうガス流れであるスキッシュ流が形成される。以下では、燃焼室6のうち当該スキッシュ流が形成される部分、つまり冠面Sの径方向外側領域(キャビティCの開口縁C1よりも径方向外側の領域)と天井面28との間の部分を、スキッシュエリアと称する。   Here, the region of the crown surface S of the piston 5 radially outside the opening edge C1 of the cavity C (that is, the intake-side / exhaust-side inclined surfaces 24, 25, the peak 26, and the reference surface 21) is referred to as "the crown surface S. The radially outer region and the region on the crown surface S of the piston 5 radially inside the opening edge C1 of the cavity C (that is, the forming surfaces 22 and 23 of the cavity C) are called the “radially inner regions of the crown surface S”. In the present embodiment, since the cavity C is formed so as to be depressed on the side opposite to the ceiling surface 28 of the combustion chamber 6, naturally, the radially outer region of the crown surface S and the ceiling surface of the combustion chamber 6 opposed thereto are formed. 28 is smaller than the vertical distance between the radially inner region of the crown surface S and the opposing ceiling surface 28 of the combustion chamber 6. Therefore, when the piston 5 approaches the top dead center, a squish flow, which is a gas flow flowing from the outside to the inside in the radial direction, is formed in the space between the radially outer region of the crown surface S and the ceiling surface 28. Is done. Hereinafter, a portion of the combustion chamber 6 where the squish flow is formed, that is, a portion between a radially outer region of the crown surface S (a region radially outward of the opening edge C1 of the cavity C) and the ceiling surface 28. Is called a squish area.

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)。   As shown in FIGS. 1 to 3, the cylinder head 4 includes an injector 15 for injecting fuel (mainly gasoline) into the combustion chamber 6 and a plasma generating plug 16 for discharging non-equilibrium plasma into the combustion chamber 6. One set is provided for each cylinder 2. Note that non-equilibrium plasma refers to thermally non-equilibrium plasma in which the energy of electrons, ions, molecules, and the like is not uniform (the energy of electrons is larger than the energy of ions, molecules, and the like). Non-equilibrium plasma is also called low-temperature plasma because it does not involve a rise in temperature. The supply of the non-equilibrium plasma having such a property hardly raises the gas temperature in the combustion chamber 6, but leads to reforming the gas component in the combustion chamber 6 (details will be described later).

図6(a)(b)は、プラズマ生成プラグ16の先端部を拡大して示す図である。図7は、インジェクタ15単体の断面図である。図8は、燃焼室6およびその周辺部を拡大して示す断面図である。   FIGS. 6A and 6B are enlarged views of the tip of the plasma generation plug 16. FIG. 7 is a cross-sectional view of the injector 15 alone. FIG. 8 is an enlarged cross-sectional view showing the combustion chamber 6 and its peripheral portion.

図6(a)(b)に示すように、プラズマ生成プラグ16は、筒状のプラグ本体31と、プラグ本体31の内部に挿入された中心電極32と、中心電極32の先端から放射状に延びる複数(ここでは4つ)の放電電極33とを有している。本実施形態では、これら放電電極33が、請求項の「電極」に相当する。   As shown in FIGS. 6A and 6B, the plasma generating plug 16 extends in a cylindrical shape from a plug body 31, a center electrode 32 inserted into the plug body 31, and a tip of the center electrode 32. And a plurality (four in this case) of discharge electrodes 33. In the present embodiment, these discharge electrodes 33 correspond to “electrodes” in the claims.

中心電極32の中心軸に沿う方向から見て、各放電電極33は、中心電極32の中心軸回りに90度ずつ互いに離間するように配設されている。   When viewed from a direction along the center axis of the center electrode 32, the discharge electrodes 33 are arranged so as to be separated from each other by 90 degrees around the center axis of the center electrode 32.

4つの放電電極33のうち2つの放電電極33iの長さL_i(中心電極32の先端から放電電極33の先端までの長さ)は、他の2つの放電電極33eの長さL_eよりも長く設定されており、本実施形態では、プラズマ生成プラグ16の電極として、長さの長い2つの吸気側電極33iと、長さの短い2つの排気側電極33eとが設けられている。   The length L_i (the length from the tip of the center electrode 32 to the tip of the discharge electrode 33) of two of the four discharge electrodes 33 is set to be longer than the length L_e of the other two discharge electrodes 33e. In the present embodiment, as the electrodes of the plasma generation plug 16, two long intake-side electrodes 33i and two short exhaust-side electrodes 33e are provided.

プラズマ生成プラグ16は、図8等に示すように、中心電極32の先端部分および放電電極33の全体が燃焼室6に露出する状態で、且つ、プラズマ生成プラグ16の中心軸(中心電極32の中心軸)が気筒軸線Xと略一致して中心電極32および放電電極33が燃焼室6の天井面28の中央付近に位置するように、シリンダヘッド4に取り付けられている。これに伴い、放電電極33は、プラズマ生成プラグ16の中心軸に対応する位置つまりは気筒軸線Xに対応する位置に配置された中心電極32の先端(請求項における「基点」に相当する)から燃焼室6の外周側に向かって放射状に延びている。本実施形態では、図4等に示すように、放電電極33は、平面視で(気筒軸線Xに沿う方向から見て)、キャビティCの底面部22と重複する位置に配置されている。   As shown in FIG. 8 and the like, the plasma generation plug 16 is in a state in which the distal end portion of the center electrode 32 and the entire discharge electrode 33 are exposed to the combustion chamber 6, and the center axis of the plasma generation plug 16 (of the center electrode 32). The center electrode 32 is attached to the cylinder head 4 such that the center electrode 32 and the discharge electrode 33 are located substantially near the center of the ceiling surface 28 of the combustion chamber 6 while being substantially coincident with the cylinder axis X. Accordingly, the discharge electrode 33 is located at a position corresponding to the center axis of the plasma generation plug 16, that is, from the tip (corresponding to a “base point” in the claims) of the center electrode 32 disposed at a position corresponding to the cylinder axis X. It extends radially toward the outer peripheral side of the combustion chamber 6. In the present embodiment, as shown in FIG. 4 and the like, the discharge electrode 33 is disposed at a position overlapping with the bottom surface 22 of the cavity C in plan view (when viewed from the direction along the cylinder axis X).

図4等に示すように、4つの放電電極33のうち長さの長い2つの吸気側電極33iは、各吸気弁11のバルブ面の略中心に向かってそれぞれ延びている。一方、長さの短い2つの排気側電極33eが各排気弁12のバルブ面の略中心に向かってそれぞれ延びている。このように、本実施形態では、4つの放電電極33のうち長さの長い放電電極33iが吸気側に延び、長さの短い放電電極33eが排気側に延びるように構成されている。つまり、プラズマ生成プラグ16の放電電極33として、プラズマ生成プラグの中心軸から吸気側に延びる吸気側電極33iとプラズマ生成プラグの中心軸から排気側に延びる排気側電極33eとが設けられており、吸気側電極33iの長さL_i(プラズマ生成プラグの中心軸から吸気側電極33iの先端までの長さ)が、排気側電極33eの長さL_e(プラズマ生成プラグの中心軸から排気側電極33eの先端までの長さ)よりも長く設定されている。   As shown in FIG. 4 and the like, two intake-side electrodes 33i having a long length among the four discharge electrodes 33 extend toward substantially the center of the valve surface of each intake valve 11, respectively. On the other hand, two exhaust-side electrodes 33e having a short length extend toward substantially the center of the valve surface of each exhaust valve 12, respectively. As described above, in the present embodiment, the longer discharge electrode 33i of the four discharge electrodes 33 extends to the intake side, and the shorter discharge electrode 33e extends to the exhaust side. That is, as the discharge electrode 33 of the plasma generation plug 16, an intake-side electrode 33i extending from the central axis of the plasma generation plug to the intake side and an exhaust-side electrode 33e extending from the central axis of the plasma generation plug to the exhaust side are provided. The length L_i of the intake-side electrode 33i (the length from the central axis of the plasma generation plug to the tip of the intake-side electrode 33i) is equal to the length L_e of the exhaust-side electrode 33e (the distance between the central axis of the plasma generation plug and the exhaust-side electrode 33e). Length to the tip).

図例では、吸気側電極33iの長さL_iは排気側電極33eの長さL_eのおよそ2倍とされている。また、図4等に示すように、吸気側電極33iの長さL_iは、平面視で、吸気側電極33iの先端が吸気弁11のバルブ面の外周縁にほぼ到達するような長さに設定されている。   In the illustrated example, the length L_i of the intake electrode 33i is approximately twice as long as the length L_e of the exhaust electrode 33e. Further, as shown in FIG. 4 and the like, the length L_i of the intake side electrode 33i is set to a length such that the tip of the intake side electrode 33i almost reaches the outer peripheral edge of the valve surface of the intake valve 11 in plan view. Have been.

図8に示すように、プラズマ生成プラグ16の4つの放電電極33は、プラズマ生成プラグ16の中心軸に対応する位置から燃焼室6の外周側に向かうに従って下方(ピストン5の冠面Sに近づく方向)に傾斜している。本実施形態では、各放電電極33の気筒軸線Xと直交する平面に対する傾斜角度θ1は、燃焼室6の天井面28のこの平面に対する傾斜角度θ2よりも大きい。そのため、各放電電極33と燃焼室6の天井面28との離間量は、放電電極33の先端側(燃焼室6の外周側)ほど大きくなっている。   As shown in FIG. 8, the four discharge electrodes 33 of the plasma generation plug 16 move downward from the position corresponding to the central axis of the plasma generation plug 16 toward the outer peripheral side of the combustion chamber 6 (approach to the crown surface S of the piston 5). Direction). In the present embodiment, the inclination angle θ1 of each discharge electrode 33 with respect to a plane perpendicular to the cylinder axis X is larger than the inclination angle θ2 of the ceiling surface 28 of the combustion chamber 6 with respect to this plane. Therefore, the distance between each of the discharge electrodes 33 and the ceiling surface 28 of the combustion chamber 6 increases toward the tip of the discharge electrode 33 (the outer peripheral side of the combustion chamber 6).

図6(a)に示すように、中心電極32は、アルミナ等からなる絶縁体34(碍子)によって覆われている。また、各放電電極33の上面(燃焼室6の天井面28側の面)も、アルミナ等からなる絶縁体34(碍子)によって覆われている。   As shown in FIG. 6A, the center electrode 32 is covered with an insulator 34 (insulator) made of alumina or the like. The upper surface of each discharge electrode 33 (the surface on the ceiling surface 28 side of the combustion chamber 6) is also covered with an insulator 34 (insulator) made of alumina or the like.

中心電極32に所定のパルス電圧が印加されると(詳細は後述する)、この印加電圧に応じて各放電電極33から燃焼室6に設けられたアース側電極に向けて放電がなされる。これにより、放電電極33とアース側電極とを結ぶ放電経路に沿って非平衡プラズマが生成される。そして、電荷をもったプラズマの粒子(イオンと電子)が電場の作用によってガス分子と衝突し、O(オゾン)やOHといった活性種が生成されるとともに、これら活性種が放電電極33からアース側電極に向かって移動する流れ(誘起流)が形成される。 When a predetermined pulse voltage is applied to the center electrode 32 (details will be described later), discharge is performed from each of the discharge electrodes 33 to the earth-side electrode provided in the combustion chamber 6 according to the applied voltage. As a result, non-equilibrium plasma is generated along the discharge path connecting the discharge electrode 33 and the ground electrode. Then, charged plasma particles (ions and electrons) collide with gas molecules by the action of the electric field to generate active species such as O 3 (ozone) and OH, and these active species are grounded from the discharge electrode 33. A flow (induced flow) moving toward the side electrode is formed.

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。   As shown in FIG. 3, the injector 15 is mounted such that a tip end portion where a fuel outlet (a nozzle port 44 described later) is formed is located near the center of the ceiling surface 28 of the combustion chamber 6. The tip end of the injector 15 is slightly offset from the cylinder axis X to one side in the cylinder row direction in the cross-sectional view of FIG. 3, and is disposed at a position overlapping the cavity C in a plan view. In other words, the tip of the injector 15 is arranged so as to be arranged in the cylinder row direction close to the tip (discharge electrode 33) of the plasma generation plug 16 located at the center of the ceiling surface 28 of the combustion chamber 6. .

図7に示すように、インジェクタ15は、いわゆる外開式のインジェクタであり、筒状のバルブボディ41と、バルブボディ41内に進退可能に挿入されたニードル弁42と、印加された電圧に応じて変形するピエゾ素子を含む駆動部43とを有している。ニードル弁42は、先端側ほど外径が小さくなる略円錐台状の先端部42aを有している。   As shown in FIG. 7, the injector 15 is a so-called open-type injector, and has a tubular valve body 41, a needle valve 42 inserted into the valve body 41 so as to be able to advance and retreat, and And a driving unit 43 including a piezo element that is deformed. The needle valve 42 has a substantially frustoconical tip portion 42a whose outer diameter decreases toward the tip end.

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。   When the injector 15 is closed, the needle valve 42 is housed in the valve body 41 such that the peripheral surface of the maximum diameter portion of the distal end portion 42a is in close contact with the inner peripheral surface of the distal end portion of the valve body 41. In such an open-type injector 15, the needle valve 42 is driven in the protruding direction when the valve is opened, so that the ring-shaped slit continuous between the distal end portion 42 a of the needle valve 42 and the valve body 41. Is formed. Therefore, when the injector 15 is opened, the fuel is injected in a cone shape (specifically, a hollow cone shape) through the nozzle port 44. Note that, in this specification, such cone-shaped fuel injection is also one mode of radially injecting fuel.

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。   The lift amount of the needle valve 42 changes according to the magnitude of the voltage applied to the piezo element and the application period. In accordance with such a change in the lift amount, it is possible to adjust the spread of the spray of the fuel injected from the nozzle port 44 and the penetration (penetration force) of the spray.

図8に示すように、燃焼室6を区画する各壁面、つまり気筒2の周面と、ピストン5の冠面Sと、燃焼室6の天井面28と、吸気弁11および排気弁12の各バルブヘッドの下面とには、それぞれ遮熱層19が設けられている。なお、気筒2の周面に設けられる遮熱層19は、ピストン5が上死点にあるときのピストンリング5aよりも上側(シリンダヘッド4側)の位置に限定されており、ピストンリング5aが遮熱層19上を摺動しないようになっている。   As shown in FIG. 8, each wall surface that partitions the combustion chamber 6, that is, the peripheral surface of the cylinder 2, the crown surface S of the piston 5, the ceiling surface 28 of the combustion chamber 6, and each of the intake valve 11 and the exhaust valve 12 On the lower surface of the valve head, a heat shield layer 19 is provided. The heat shield layer 19 provided on the peripheral surface of the cylinder 2 is limited to a position above the piston ring 5a when the piston 5 is at the top dead center (on the side of the cylinder head 4). It does not slide on the heat shield layer 19.

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。   The heat shield layer 19 is made of a material having a lower thermal conductivity and a smaller specific heat of volume than any of the cylinder block 3, the cylinder head 4, the piston 5, and the intake / exhaust valves 11 and 12. This is for suppressing the heat of the combustion gas generated in the combustion chamber 6 from being released to the outside of the combustion chamber 6 and reducing the cooling loss of the engine. In addition, as the heat shielding layer 19, a material in which silica-based porous particles are contained in a silicone-based main material can be suitably used.

前記のように、遮熱層19は、ピストン5が上死点にあるときの燃焼室6をほぼ全面的に覆っているが、燃焼室6の天井面28の一部の領域Dと、ピストン5のキャビティCの開口縁C1とには遮熱層19が形成されていない。遮熱層19は、例えばアルミ合金等からなるピストン5に比べて高い絶縁性を有している。従って、前記の領域DとキャビティCの開口縁C1との絶縁性は、燃焼室6の壁面の他の領域に比べて低くなっている。以下では、燃焼室6の天井面28に形成された絶縁性の低い領域Dを天井側非絶縁領域Dという。これより、プラズマ生成プラグ16の放電電極33から放電がなされたとき、この非平衡プラズマは、遮熱層19により覆われていない天井側非絶縁領域DまたはキャビティCの開口縁C1へと導かれる。具体的には、ピストン5が比較的下方に位置して、放電電極33の先端と天井側非絶縁領域Dとの距離の方が放電電極33の先端とキャビティCの開口縁C1との距離よりも短いときは、非平衡プラズマは天井側非絶縁領域Dに導かれ、ピストン5が比較的上方に位置して、放電電極33の先端と天井側非絶縁領域Dとの距離の方が放電電極33の先端とキャビティCの開口縁C1との距離よりも長いときは、非平衡プラズマはキャビティCの開口縁C1に導かれる。このように、プラズマ放電時には、放電電極33がアノードとして機能し、天井側非絶縁領域DまたはキャビティCの開口縁C1がカソードつまりアース側電極として機能する。   As described above, the heat shield layer 19 almost entirely covers the combustion chamber 6 when the piston 5 is at the top dead center. The heat shield layer 19 is not formed on the opening edge C1 of the cavity C of No. 5. The heat shield layer 19 has a higher insulating property than the piston 5 made of, for example, an aluminum alloy. Therefore, the insulation between the region D and the opening edge C1 of the cavity C is lower than that of the other region of the wall surface of the combustion chamber 6. Hereinafter, the region D having low insulation properties formed on the ceiling surface 28 of the combustion chamber 6 is referred to as a ceiling-side non-insulating region D. Thus, when a discharge is generated from the discharge electrode 33 of the plasma generating plug 16, the non-equilibrium plasma is guided to the ceiling-side non-insulating region D or the opening edge C 1 of the cavity C which is not covered by the heat shielding layer 19. . Specifically, the piston 5 is located relatively below, and the distance between the tip of the discharge electrode 33 and the ceiling-side non-insulating region D is longer than the distance between the tip of the discharge electrode 33 and the opening edge C1 of the cavity C. Is shorter, the non-equilibrium plasma is guided to the ceiling-side non-insulated region D, the piston 5 is located relatively above, and the distance between the tip of the discharge electrode 33 and the ceiling-side non-insulated region D is greater than the discharge electrode. When the distance is longer than the distance between the tip of 33 and the opening edge C1 of the cavity C, the non-equilibrium plasma is guided to the opening edge C1 of the cavity C. Thus, at the time of plasma discharge, the discharge electrode 33 functions as an anode, and the opening edge C1 of the ceiling-side non-insulating region D or the cavity C functions as a cathode, that is, an earth-side electrode.

図9は、燃焼室6の天井面28を示した概略平面図である。図9に示すように、天井側非絶縁領域Dは、気筒軸線Xおよびプラズマ生成プラグ16の中心軸を中心とするリング状に設けられている。本実施形態では、天井側非絶縁領域Dは、吸気弁11および排気弁12の各バルブ面の中心付近を通るように構成されており、吸気弁11および排気弁12のバルブ面の一部にそれぞれ絶縁性の低い領域が形成されている。また、ピストン5が上死点と下死点の中央位置付近から上死点までの位置にあるときは、プラズマ生成プラグ16の放電電極33の先端とキャビティCの開口縁C1との距離の方が、放電電極33の先端と天井側非絶縁領域Dとの距離の方よりも短くなるような位置に、天井側非絶縁領域Dは設けられている。   FIG. 9 is a schematic plan view showing the ceiling surface 28 of the combustion chamber 6. As shown in FIG. 9, the ceiling-side non-insulating region D is provided in a ring shape about the cylinder axis X and the central axis of the plasma generation plug 16. In the present embodiment, the ceiling-side non-insulating region D is configured to pass near the center of each of the valve surfaces of the intake valve 11 and the exhaust valve 12, and a part of the valve surface of the intake valve 11 and the exhaust valve 12. Each has a region with low insulation. When the piston 5 is located from the vicinity of the center position between the top dead center and the bottom dead center to the top dead center, the distance between the tip of the discharge electrode 33 of the plasma generating plug 16 and the opening edge C1 of the cavity C is smaller. However, the ceiling-side non-insulated area D is provided at a position where the distance between the tip of the discharge electrode 33 and the ceiling-side non-insulated area D is shorter.

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。   Returning to FIG. 1, the intake and exhaust system of the engine will be described. The intake passages 50 are connected to four independent intake passages 51 communicating with the respective intake ports 9 of the four cylinders 2 and to upstream ends (upstream ends in the intake air flow direction) of the respective independent intake passages 51. It has a surge tank 52 and a single tubular common intake passage 53 extending upstream from the surge tank 52. An openable / closable throttle valve 54 for adjusting the flow rate of the intake air introduced into the engine body 1 is provided at an intermediate portion of the common intake passage 53. The surge tank 52 is provided with an air flow sensor SN2 for detecting a flow rate of intake air introduced into the engine body 1.

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。   The exhaust passage 60 has four independent exhaust passages 61 communicating with the respective exhaust ports 10 of the four cylinders 2, and one downstream end (the downstream end in the exhaust gas flow direction) of each independent exhaust passage 61. And a single tubular common exhaust passage 63 extending downstream from the collecting portion 62. The common exhaust passage 63 is provided with a catalytic converter 65 for purifying exhaust gas. The catalytic converter 65 includes, for example, an oxidation catalyst that oxidizes HC and CO contained in exhaust gas to make it harmless, and a GPF (gasoline particulate) that collects particulate matter (PM) contained in exhaust gas.・ Filter) is built in.

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。   The EGR device 70 includes an EGR passage 71 that connects the common exhaust passage 63 and the surge tank 52, an EGR cooler 72 that cools exhaust gas (EGR gas) that is recirculated to the intake passage 50 through the EGR passage 71, and an EGR gas An EGR valve 73 is provided in the EGR passage 71 so as to be openable and closable to adjust the flow rate.

(2)エンジンの制御系統
図10は、エンジンの制御系統を示すブロック図である。本図に示されるPCM100は、エンジンを統括的に制御するためのマイクロプロセッサであり、周知のCPU、ROM、RAM等から構成されている。なお、PCM100は、請求項にいう「制御装置」の一例に該当する。
(2) Control System of Engine FIG. 10 is a block diagram showing a control system of the engine. The PCM 100 shown in FIG. 1 is a microprocessor for controlling the engine as a whole, and includes a well-known CPU, ROM, RAM, and the like. Note that the PCM 100 corresponds to an example of a “control device” in the claims.

PCM100には各種センサによる検出信号が入力される。例えば、PCM100は、前述したクランク角センサSN1およびエアフローセンサSN2と電気的に接続されており、これらのセンサによって検出された情報(つまりクランク角、エンジン回転速度、吸気流量等)が電気信号としてPCM100に逐次入力されるようになっている。   Detection signals from various sensors are input to PCM 100. For example, the PCM 100 is electrically connected to the above-described crank angle sensor SN1 and air flow sensor SN2, and information detected by these sensors (that is, the crank angle, the engine rotation speed, the intake flow rate, and the like) is used as an electric signal by the PCM 100. Are sequentially input to

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。   Further, the vehicle is provided with an accelerator sensor SN3 for detecting an opening degree of an accelerator pedal (not shown) operated by a driver who drives the vehicle. A detection signal from the accelerator sensor SN3 is also input to the PCM 100. .

PCM100は、前記各種センサからの入力信号に基づいて種々の判定や演算等を実行しつつエンジンの各部を制御する。すなわち、PCM100は、インジェクタ15、プラズマ生成プラグ16、スロットル弁54、およびEGR弁73等と電気的に接続されており、前記演算の結果等に基づいてこれらの機器にそれぞれ制御用の信号を出力する。   The PCM 100 controls various parts of the engine while executing various determinations and calculations based on input signals from the various sensors. That is, the PCM 100 is electrically connected to the injector 15, the plasma generation plug 16, the throttle valve 54, the EGR valve 73, and the like, and outputs a control signal to each of these devices based on the result of the calculation and the like. I do.

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。   For example, the PCM 50 calculates an engine load (requested torque) based on the accelerator opening and the like detected by the accelerator sensor SN3, and calculates the calculated engine load, the intake air flow detected by the air flow sensor SN2, and the crank angle sensor. The amount of fuel to be injected into the cylinder 2 (target injection amount) and the fuel injection timing are determined based on the engine rotation speed detected by SN1, and the injector 15 is controlled according to the determination.

また、PCM100は、前記エンジン負荷およびエンジン回転速度に基づいて、プラズマ生成プラグ16から非平衡プラズマを放電すべきタイミングおよび放電期間を決定し、その決定に従ってプラズマ生成プラグ16を制御する。   Further, the PCM 100 determines a timing and a discharge period for discharging the non-equilibrium plasma from the plasma generation plug 16 based on the engine load and the engine rotation speed, and controls the plasma generation plug 16 according to the determination.

図11は、非平衡プラズマの生成条件を説明するためのグラフであり、プラズマ生成プラグ16に印加されるパルス電圧の条件(パルス幅および印加電圧)と、生成されるプラズマの種類との関係を示している。グラフの横軸はパルス幅を、縦軸は印加電圧のピーク値をそれぞれ示しており、各軸のスケールはともに対数スケールである。この図11のグラフに示すように、非平衡プラズマを生成するには、パルス幅を0.01μsec以上かつ1μsec未満に設定することが必要である。これに対し、パルス幅を1μsec以上まで長くすると、熱平衡プラズマが生成されるようになる。このように、パルス幅の短いパルス電圧を印加すると非平衡プラズマが生成されるのは、パルス幅が短い条件下では電子のみが反応して、イオンや分子はほとんど反応しないからである。   FIG. 11 is a graph for explaining the conditions for generating the non-equilibrium plasma, and shows the relationship between the conditions of the pulse voltage (pulse width and applied voltage) applied to the plasma generation plug 16 and the type of the generated plasma. Is shown. The horizontal axis of the graph indicates the pulse width, and the vertical axis indicates the peak value of the applied voltage. The scale of each axis is a logarithmic scale. As shown in the graph of FIG. 11, in order to generate non-equilibrium plasma, it is necessary to set the pulse width to 0.01 μsec or more and less than 1 μsec. On the other hand, when the pulse width is increased to 1 μsec or more, thermal equilibrium plasma is generated. As described above, when a pulse voltage with a short pulse width is applied, non-equilibrium plasma is generated because, under conditions of a short pulse width, only electrons react and ions and molecules hardly react.

前記の知見より、本実施形態では、PCM100により、図12に示すような条件でプラズマ生成プラグ16への印加電圧が制御される。すなわち、PCM100は、10kVのピーク電圧と0.1μsecのパルス幅をもったパルス電圧がプラズマ生成プラグ16の中心電極32に印加されるように、図外の電源部から中心電極32への電力の供給を制御する。このとき、PCM100は、パルス電圧を100kHzの周波数で繰り返し印加する。これにより、プラズマ生成プラグ16の4つの放電電極33と、絶縁性の低い天井側非絶縁領域Dまたは/およびピストン5のキャビティCの開口縁C1との間で非平衡プラズマが放電される。   From the above findings, in the present embodiment, the PCM 100 controls the voltage applied to the plasma generation plug 16 under the conditions shown in FIG. That is, the PCM 100 controls the power supply from the power supply unit (not shown) to the center electrode 32 such that a pulse voltage having a peak voltage of 10 kV and a pulse width of 0.1 μsec is applied to the center electrode 32 of the plasma generation plug 16. Control the supply. At this time, the PCM 100 repeatedly applies a pulse voltage at a frequency of 100 kHz. As a result, the non-equilibrium plasma is discharged between the four discharge electrodes 33 of the plasma generating plug 16 and the ceiling-side non-insulating region D or / and the opening edge C1 of the cavity C of the piston 5 having low insulation.

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。   In addition, the peak voltage of the pulse voltage for generating the non-equilibrium plasma may be changed in a range of 1 kV to 30 kV according to the operating conditions. For example, it is conceivable to set the peak voltage to be higher as the operating conditions increase the pressure (in-cylinder pressure) of the combustion chamber 6.

燃焼室6内で非平衡プラズマが生成されると、プラズマ生成プラグ16の放電電極33の周辺の環境に応じて、種々の物質が生成される。特に、放電電極33の周辺が空燃比の大きいリーンな環境であった場合には、非平衡プラズマの作用により、前記のように、オゾン(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。 When the non-equilibrium plasma is generated in the combustion chamber 6, various substances are generated according to the environment around the discharge electrode 33 of the plasma generation plug 16. In particular, when the surroundings of the discharge electrode 33 are in a lean environment with a large air-fuel ratio, the action of the non-equilibrium plasma causes the ozone (O 3 ), OH, etc. in the combustion chamber 6 as described above. Active species (radicals), which are substances that promote the combustion of the air-fuel mixture, are generated.

(3)運転条件に応じた制御
図13は、エンジンの運転条件(負荷/回転速度)に応じた制御の相違を説明するためのマップ図である。本図に示される運転マップは、所定負荷Ts未満の低負荷域A1と、所定負荷Ts以上の高負荷域A2とに大別される。PCM100は、エンジンの運転ポイントが低負荷域A1および高負荷域A2のいずれに含まれるかを各センサSN1〜SN3の検出値等に基づいて都度判定し、判定された運転領域に適合する燃焼が実現されるようにエンジンの各部を制御する。例えば、高負荷域A2での運転時、PCM100は、燃焼室6のほぼ全体にわたって(キャビティCの内側と外側の双方において)混合気が形成されかつ当該混合気が圧縮着火により燃焼するように、インジェクタ15およびプラズマ生成プラグ16を制御する。一方、低負荷域A1での運転時、PCM100は、キャビティCの内部に限定的に混合気が形成されかつ当該混合気が圧縮着火により燃焼するように、インジェクタ15およびプラズマ生成プラグ16を制御する。
(3) Control According to Operating Conditions FIG. 13 is a map diagram for explaining a difference in control according to operating conditions (load / rotational speed) of the engine. The operation map shown in the figure is roughly divided into a low load region A1 having a load less than the predetermined load Ts and a high load region A2 having a load equal to or more than the predetermined load Ts. The PCM 100 determines each time whether the operating point of the engine is included in the low load area A1 or the high load area A2 based on the detection values of the sensors SN1 to SN3, etc., and combustion suitable for the determined operating area is performed. Control each part of the engine to be realized. For example, when operating in the high load region A2, the PCM 100 operates such that a mixture is formed over substantially the entire combustion chamber 6 (both inside and outside the cavity C) and the mixture is burned by compression ignition. The injector 15 and the plasma generation plug 16 are controlled. On the other hand, during operation in the low load region A1, the PCM 100 controls the injector 15 and the plasma generation plug 16 such that a mixture is formed only inside the cavity C and the mixture is burned by compression ignition. .

高負荷域A2および低負荷域A1での燃焼制御の具体例はそれぞれ次のとおりである。   Specific examples of the combustion control in the high load area A2 and the low load area A1 are as follows.

(a)高負荷域での制御
図14、図15は、高負荷域A2での運転時にPCM100により実行される燃焼制御の内容を例示するためのタイムチャートである。図14は、高負荷域A2のうちエンジン回転数が予め設定された基準回転数N1以下の高負荷低速域A21での運転時の例を示している。図15は、高負荷域A2のうちエンジン回転数が基準回転数N1よりも高い高負荷高速域A22での運転時の例を示している。これら図14、図15に示すように、高負荷域A2での運転時、PCM100は、吸気行程と圧縮行程とにそれぞれインジェクタ15から燃料を噴射させるとともに、プラズマ生成プラグ16から放電させる。
(A) Control in High Load Range FIGS. 14 and 15 are time charts illustrating the contents of the combustion control executed by the PCM 100 during operation in the high load range A2. FIG. 14 shows an example of operation in a high-load low-speed range A21 in which the engine speed is equal to or less than a preset reference speed N1 in the high-load range A2. FIG. 15 shows an example of operation in a high-load high-speed area A22 in which the engine speed is higher than the reference engine speed N1 in the high-load area A2. As shown in FIGS. 14 and 15, during operation in the high load region A2, the PCM 100 causes fuel to be injected from the injector 15 and discharge from the plasma generation plug 16 during the intake stroke and the compression stroke, respectively.

(高負荷低速域での制御)
高負荷低速域A21では、吸気行程の前半と圧縮行程の後半とにそれぞれインジェクタ15から燃料が噴射される。以下では、吸気行程の前半に行われる燃料噴射を前段噴射、圧縮行程の後半に行われる燃焼噴射を後段噴射という。
(Control at high load and low speed range)
In the high-load low-speed range A21, fuel is injected from the injector 15 in the first half of the intake stroke and in the second half of the compression stroke, respectively. Hereinafter, fuel injection performed in the first half of the intake stroke is referred to as first-stage injection, and combustion injection performed in the second half of the compression stroke is referred to as second-stage injection.

前段噴射は、吸気行程の開始時期である排気上死点(図14の左側のTDC)から吸気行程の1/2が経過した時点までの間にまとめて(分割されることなく)実行される。吸気弁11は、吸気行程中の全期間で開弁しており、吸気弁11の開弁中に前段噴射は実施される。例えば、吸気弁11は、排気上死点前約20°CA〜吸気下死点後約60°CAで閉弁し、吸気弁11のリフト量が比較的高いときに前段噴射は実施される。   The pre-injection is performed collectively (without division) from exhaust top dead center (TDC on the left side in FIG. 14), which is the start timing of the intake stroke, to a point in time when half of the intake stroke has elapsed. . The intake valve 11 is open during the entire intake stroke, and pre-stage injection is performed while the intake valve 11 is open. For example, the intake valve 11 closes at about 20 ° CA before the exhaust top dead center to about 60 ° CA after the intake bottom dead center, and the pre-injection is performed when the lift amount of the intake valve 11 is relatively high.

後段噴射は、圧縮行程の1/2が経過した時点から圧縮行程の3/4が経過した時点までの間に実行される。   The latter-stage injection is executed between the time when 1/2 of the compression stroke has elapsed and the time when 3/4 of the compression stroke has elapsed.

後段噴射のタイミングについてより詳しく説明する。圧縮行程の1/2が経過した時点とは、圧縮上死点(図14の右側のTDC)から90°進角したBTDC90°CAのことであり(「°CA」はクランク角を表す)、圧縮行程の3/4が経過した時点とは、圧縮上死点から45°進角したBTDC45°CAのことである。言い換えると、本実施形態では、後段噴射として、BTDC90°CAからBTDC45°CAまでの間に、インジェクタ15から燃料が噴射される。以下では、後段噴射が行われる前記の期間(BTDC90°CAからBTDC45°CAまでの期間)のことを「圧縮行程の1/2〜3/4」などということがある。   The timing of the latter injection will be described in more detail. The time point at which の of the compression stroke has elapsed means BTDC 90 ° CA advanced by 90 ° from the compression top dead center (TDC on the right side of FIG. 14) (“° CA” represents a crank angle), The time when 3/4 of the compression stroke has elapsed is BTDC 45 ° CA advanced by 45 ° from the compression top dead center. In other words, in the present embodiment, the fuel is injected from the injector 15 during the period from the BTDC 90 ° CA to the BTDC 45 ° CA as the post injection. Hereinafter, the period during which the second-stage injection is performed (the period from BTDC 90 ° CA to BTDC 45 ° CA) may be referred to as “1 / to / of the compression stroke”.

図16は、高負荷域A2での運転時にインジェクタ15から噴射された燃料の挙動を説明するための図である。なお、図16では便宜上、プラズマ生成プラグ16の図示を省略するとともに、これよりも紙面手前に位置するインジェクタ15を本来のプラズマ生成プラグ16の位置に図示している。   FIG. 16 is a diagram for explaining the behavior of the fuel injected from the injector 15 during operation in the high load range A2. In FIG. 16, for convenience, the illustration of the plasma generation plug 16 is omitted, and the injector 15 located on the front side of the drawing is illustrated at the original position of the plasma generation plug 16.

図16(a)に示すように、前段噴射により吸気行程前半に噴射された燃料は、燃焼室6の天井面28の中央付近に配置されたインジェクタ15からコーン状に拡がる。噴射された燃料の多くは、燃焼室6内に拡散する。しかし、前段噴射の実施中に吸気弁11が開弁していることで、図16(a)に示すように、インジェクタ15から噴射された燃料の一部は、充分に拡がる前、および、充分に気化する前に、吸気弁11に衝突する。その結果、吸気弁11には、排気弁12に比べて、比較的多くの燃料が液滴状態で付着することになる。また、一部の燃料は、吸気弁11との衝突によって吸気弁11まわりの燃焼室6の天井面28に飛散し、吸気弁11まわりの燃焼室6の天井面28にも、比較的多くの燃料が液滴状態で付着することになる。   As shown in FIG. 16A, the fuel injected in the first half of the intake stroke by the preceding injection spreads in a cone shape from the injector 15 arranged near the center of the ceiling surface 28 of the combustion chamber 6. Most of the injected fuel diffuses into the combustion chamber 6. However, since the intake valve 11 is opened during the execution of the pre-injection, as shown in FIG. 16A, a part of the fuel injected from the injector 15 is not sufficiently expanded and is not sufficiently expanded. Collides with the intake valve 11 before vaporizing. As a result, a relatively large amount of fuel adheres to the intake valve 11 in a droplet state as compared with the exhaust valve 12. Some of the fuel scatters on the ceiling surface 28 of the combustion chamber 6 around the intake valve 11 due to collision with the intake valve 11, and relatively large amount of fuel also scatters on the ceiling surface 28 of the combustion chamber 6 around the intake valve 11. The fuel will adhere in the form of droplets.

このように、本実施形態では、前段噴射の実施時に、吸気弁11およびその周囲の燃焼室6の天井面28に、多くの燃料が液滴状態で付着することになる。   As described above, in the present embodiment, a large amount of fuel adheres in a droplet state to the intake valve 11 and the ceiling surface 28 of the combustion chamber 6 around the intake valve 11 during the pre-injection.

なお、吸気弁11およびその周囲の燃焼室6の天井面28に付着した燃料の一部は、天井面28を伝って気筒2の内周面の吸気側部分に移動する。   A part of the fuel attached to the intake valve 11 and the ceiling surface 28 of the combustion chamber 6 around the intake valve 11 travels along the ceiling surface 28 to the intake side portion of the inner peripheral surface of the cylinder 2.

図16(b)に示すように、後段噴射が行われる圧縮行程後半の時点において、燃焼室6の各所には前段噴射に係る燃料と空気の混合気が形成される。ただし、図16(b)において濃い目の着色領域で示した燃焼室6の吸気側の壁面(吸気弁11のバルブ面を含む天井面28の吸気側の部分および気筒2の内周面の吸気側の部分)近傍には、前記のように前段噴射時に液滴状態で付着した燃料によって比較的リッチな(他の領域よりも燃料濃度の濃い)混合気が形成される。なお、図16(b)において濃い目の着色領域以外の領域を薄く着色しているのは、相対的にリーンな(燃料濃度の薄い)混合気が存在していることを表している。ここで、前段噴射によって気筒2の内周面の排気側の部分にも燃料は付着するが、その量は吸気側の部分に比べて少なく抑えられる。   As shown in FIG. 16 (b), in the latter half of the compression stroke in which the post-injection is performed, a mixture of fuel and air related to the pre-injection is formed in various parts of the combustion chamber 6. However, the intake-side wall surface of the combustion chamber 6 (the intake-side portion of the ceiling surface 28 including the valve surface of the intake valve 11 and the intake surface of the inner peripheral surface of the cylinder 2) indicated by the dark colored region in FIG. As described above, a relatively rich air-fuel mixture (having a higher fuel concentration than other regions) is formed by the fuel adhering in the form of droplets during the preceding injection as described above. In FIG. 16B, the region other than the dark colored region is lightly colored, indicating that a relatively lean (low fuel concentration) air-fuel mixture exists. Here, the fuel is also attached to the exhaust-side portion of the inner peripheral surface of the cylinder 2 by the pre-stage injection, but the amount thereof is suppressed to be smaller than that of the intake-side portion.

一方、後段噴射により圧縮行程の1/2〜3/4に噴射された燃料は、ピストン5のキャビティCに導入されて、圧縮上死点までキャビティCの内部に留まる。すなわち、本実施形態では、キャビティCと対向する燃焼室6の天井面28の中央付近にインジェクタ15が配置されるので、圧縮行程の1/2〜3/4というタイミングでインジェクタ15からコーン状に燃料が噴射されると、噴射された燃料は、径方向に十分に拡がる前にキャビティCに導入される(図13(b)参照)。   On the other hand, the fuel injected by the latter injection in 1/2 to 3/4 of the compression stroke is introduced into the cavity C of the piston 5 and stays in the cavity C until the compression top dead center. That is, in the present embodiment, since the injector 15 is arranged near the center of the ceiling surface 28 of the combustion chamber 6 facing the cavity C, the injector 15 is formed in a cone shape at a timing of 1/2 to 3/4 of the compression stroke. When the fuel is injected, the injected fuel is introduced into the cavity C before sufficiently expanding in the radial direction (see FIG. 13B).

図16(c)に示すように、一旦キャビティCに導入された燃料は、そのほとんどが、キャビティCの外部に漏れ出ることなく、圧縮上死点まで(着火直前まで)キャビティCの内部に留まることになる。これに伴い、圧縮上死点付近において、キャビティCの上方の混合気は、比較的リーンな状態に維持される。   As shown in FIG. 16 (c), most of the fuel once introduced into the cavity C does not leak out of the cavity C and stays in the cavity C until the compression top dead center (immediately before ignition). Will be. Accordingly, near the compression top dead center, the air-fuel mixture above the cavity C is maintained in a relatively lean state.

ここで、ピストン5が上死点に近づく過程で、気筒2の内周面に付着していた燃料の一部は気化する。そのため、キャビティCの開口縁C1よりも径方向外側に位置するスキッシュエリアにも、比較的(キャビティCの上方部分よりも)リッチな混合気が形成される。   Here, as the piston 5 approaches the top dead center, part of the fuel adhering to the inner peripheral surface of the cylinder 2 evaporates. Therefore, a relatively rich air-fuel mixture is formed in the squish area located radially outward of the opening edge C1 of the cavity C (as compared to the upper portion of the cavity C).

このように、本実施形態では、圧縮上死点近傍における燃焼室6において、前段噴射に基づく相対的にリッチな混合気(燃料濃度が高い混合気)が燃焼室6の外周側部分つまりスキッシュエリア(キャビティCの外側)に形成されるとともに、後段噴射に基づくよりリッチな混合気(燃料濃度が高い混合気)がキャビティCの内部に形成される。また、燃焼室6の吸気側部分の壁面近傍には、特にリッチな混合気(燃料濃度が高い混合気)が形成される。   As described above, in the present embodiment, in the combustion chamber 6 near the compression top dead center, a relatively rich air-fuel mixture (air-fuel mixture having a high fuel concentration) based on the pre-injection is applied to the outer peripheral portion of the combustion chamber 6, that is, the squish area. (Outside of the cavity C), and a richer air-fuel mixture (air-fuel mixture having a high fuel concentration) based on the second-stage injection is formed inside the cavity C. A particularly rich mixture (fuel mixture with a high fuel concentration) is formed near the wall surface of the intake side portion of the combustion chamber 6.

図14に示すように、高負荷低速域A21では、プラズマ生成プラグ16からの非平衡プラズマの放電は、前段噴射の終了後から後段噴射の開始前までの期間に実行される。以下では、この前段噴射の終了後から後段噴射の開始前までの期間に実行される放電を主放電という。   As shown in FIG. 14, in the high-load low-speed range A21, the discharge of the non-equilibrium plasma from the plasma generation plug 16 is performed during a period from the end of the first-stage injection to the start of the second-stage injection. Hereinafter, a discharge performed during a period from the end of the first-stage injection to the start of the second-stage injection is referred to as a main discharge.

図17は、主放電が実行されたときの燃焼室6内の状況を模式的に示す図である。本実施形態では、主放電は、吸気下死点(BDC)から吸気弁11の閉弁時期付近の所定時期までの期間にわたって実行され、この期間中、継続して中心電極32にパルス電圧が印加される。前記のように吸気弁11は吸気下死点よりも前の所定時期に開弁するようになっており、吸気弁11が開弁している状態で主放電は開始される。   FIG. 17 is a diagram schematically showing a situation in combustion chamber 6 when the main discharge is performed. In the present embodiment, the main discharge is performed over a period from the bottom dead center (BDC) of the intake to a predetermined timing near the closing timing of the intake valve 11, and a pulse voltage is continuously applied to the center electrode 32 during this period. Is done. As described above, the intake valve 11 opens at a predetermined timing before the intake bottom dead center, and the main discharge is started in a state where the intake valve 11 is open.

本実施形態では、エンジン回転数によらず主放電の開始時期は一定に維持される。一方、エンジン回転数が高くなるほど、クランク角度において主放電の終了時期は遅角される。すなわち、エンジン回転数が低いときは図14の実線で示す期間中、主放電が実施され、エンジン回転数が高いときは図14の破線で示す期間中、主放電が実施される。   In the present embodiment, the start timing of the main discharge is kept constant regardless of the engine speed. On the other hand, as the engine speed increases, the end timing of the main discharge is retarded at the crank angle. That is, when the engine speed is low, the main discharge is performed during the period shown by the solid line in FIG. 14, and when the engine speed is high, the main discharge is performed during the period shown by the broken line in FIG.

前記のように、ピストン5が上死点と下死点の中央位置付近から上死点までの位置にあるときは、プラズマ生成プラグ16の放電電極33の先端とキャビティCの開口縁C1との距離の方が、放電電極33の先端と天井側非絶縁領域Dとの距離の方よりも短い。これより、主放電では、図17に示すように放電電極33と天井側非絶縁領域Dとを結ぶラインに沿って非平衡プラズマが流れる。つまり、非平衡プラズマは放電電極33の先端から燃焼室6の外周に向かって放出されて絶縁レベルの低い天井側非絶縁領域Dに導かれる。   As described above, when the piston 5 is at a position from the vicinity of the center position between the top dead center and the bottom dead center to the top dead center, the tip of the discharge electrode 33 of the plasma generation plug 16 and the opening edge C1 of the cavity C are located. The distance is shorter than the distance between the tip of the discharge electrode 33 and the ceiling-side non-insulated region D. Thus, in the main discharge, the non-equilibrium plasma flows along the line connecting the discharge electrode 33 and the ceiling-side non-insulating region D as shown in FIG. That is, the non-equilibrium plasma is emitted from the tip of the discharge electrode 33 toward the outer periphery of the combustion chamber 6 and is guided to the ceiling non-insulating region D having a low insulation level.

主放電は、後段噴射よりも前であって燃焼室6内の燃料濃度が低く、オゾン(O)やOH等の活性種が生成されやすい状態で実行される。また、主放電は、吸気下死点付近であって燃焼室6内の圧力が比較的低い時期に実施される。プラズマ放電では、放電がなされる場の圧力すなわち雰囲気圧力が低いときの方が高いときよりも、形成されるオゾン(O)やOH等の活性種が多くなる。そのため、主放電が前記のようなタイミングで実施されることによって、燃焼室6内には多くの活性種が生成される。 The main discharge is performed before the latter stage injection, in a state where the fuel concentration in the combustion chamber 6 is low and active species such as ozone (O 3 ) and OH are easily generated. Further, the main discharge is performed near the intake bottom dead center and at a time when the pressure in the combustion chamber 6 is relatively low. In plasma discharge, more active species such as ozone (O 3 ) and OH are formed when the pressure of the field where the discharge is performed, that is, when the atmospheric pressure is low, than when the pressure is high. Therefore, many active species are generated in the combustion chamber 6 by performing the main discharge at the timing as described above.

オゾン(O)等の活性種は、前記のように、放電経路上で生成されて、放電電極33からアース側電極側に向かって流れる。そのため、主放電では、プラズマ生成プラグ16の放電電極33と天井側非絶縁領域Dとを結ぶライン回りでオゾン(O)等の活性種が生成されて、放電電極33から天井側非絶縁領域Dに向かってこの活性種が流動する。本実施形態では、吸気弁11と排気弁12の各バルブ面に天井側非絶縁領域Dが形成されており、吸気弁11および排気弁12回りに活性種が供給されることになる。さらに、吸気側電極33iが吸気弁11のバルブ面の中心に向かって延びるように配設され、排気側電極33eが排気弁12のバルブ面の中心に向かって延びるように配設されているため、吸気弁11および排気弁12回りに多くの活性種が供給される。 Active species such as ozone (O 3 ) are generated on the discharge path as described above, and flow from the discharge electrode 33 toward the earth-side electrode. Therefore, in the main discharge, active species such as ozone (O 3 ) are generated around the line connecting the discharge electrode 33 of the plasma generation plug 16 and the ceiling-side non-insulating region D, and the discharge electrode 33 causes the ceiling-side non-insulating region This active species flows toward D. In the present embodiment, a ceiling-side non-insulating region D is formed on each valve surface of the intake valve 11 and the exhaust valve 12, and active species are supplied around the intake valve 11 and the exhaust valve 12. Further, the intake-side electrode 33i is provided so as to extend toward the center of the valve surface of the intake valve 11, and the exhaust-side electrode 33e is provided so as to extend toward the center of the valve surface of the exhaust valve 12. Many active species are supplied around the intake valve 11 and the exhaust valve 12.

ここで、本実施形態では、吸気側電極33iの方が排気側電極33eよりも、プラズマ生成プラグ16の中心軸から先端までの長さが長くされている。そのため、吸気側電極33iから天井側非絶縁領域Dに向けて流れる電気エネルギーの方が、排気側電極33eから天井側非絶縁領域Dに向けて流れる電気エネルギーの方が大きくなる。具体的には、吸気側電極33iと天井側非絶縁領域Dとの距離の方が、排気側電極33eと天井側非絶縁領域Dとの距離よりも短くされていることで、中心電極32に加えられた電気は、排気側電極33eと天井側非絶縁領域Dとの間よりも、吸気側電極33iと天井側非絶縁領域Dとの間の方に流れやすくなり、吸気側電極33iから天井側非絶縁領域Dに向けてより多くの電気エネルギーが流れる。これにより、主放電では、吸気側電極33iと天井側非絶縁領域DとをむすぶラインL2回りで生成される非平衡プラズマおよび活性種の方が、排気側電極33eと天井側非絶縁領域DとをむすぶラインL1回りで生成される非平衡プラズマおよび活性種よりも多くなり、吸気弁11回りにより多くの(排気弁12回りに比べて)活性種が供給される。   Here, in the present embodiment, the length from the central axis to the tip of the plasma generation plug 16 is longer in the intake electrode 33i than in the exhaust electrode 33e. Therefore, the electric energy flowing from the intake-side electrode 33i toward the ceiling-side non-insulated region D is larger than the electric energy flowing from the exhaust-side electrode 33e toward the ceiling-side non-insulated region D. Specifically, the distance between the intake-side electrode 33i and the ceiling-side non-insulated region D is shorter than the distance between the exhaust-side electrode 33e and the ceiling-side non-insulated region D. The applied electricity is more likely to flow between the intake-side electrode 33i and the ceiling-side non-insulated region D than between the exhaust-side electrode 33e and the ceiling-side non-insulated region D, and from the intake-side electrode 33i to the ceiling. More electric energy flows toward the side non-insulating region D. Thereby, in the main discharge, the non-equilibrium plasma and the active species generated around the line L2 connecting the intake electrode 33i and the ceiling non-insulated region D are more likely to be separated from the exhaust electrode 33e and the ceiling non-insulated region D. The number of non-equilibrium plasmas and active species generated around the line L1 is increased, and more active species are supplied around the intake valve 11 (compared to around the exhaust valve 12).

吸気弁11の開弁に伴って燃焼室6内にはタンブル流が形成される。ただし、図5の破線や実線で示したように、タンブル流は主として吸気弁11から下方に向かう流れであり、天井側非絶縁領域Dが位置する燃焼室6の天井面の外周縁付近の流れは比較的弱く抑えられる。特に、本実施形態では、図5の実線についての前記説明のように、燃焼室6の天井面の外周縁付近の流れは非常に弱くされる。そのため、生成された活性種は放電電極33から天井側非絶縁領域Dに向かった後、この領域D付近つまり燃焼室6の天井面の外周縁付近に滞留する。   A tumble flow is formed in the combustion chamber 6 with the opening of the intake valve 11. However, as shown by the dashed line and the solid line in FIG. 5, the tumble flow is a flow mainly directed downward from the intake valve 11, and the flow near the outer peripheral edge of the ceiling surface of the combustion chamber 6 where the ceiling-side non-insulating region D is located. Is relatively weak. In particular, in the present embodiment, the flow near the outer peripheral edge of the ceiling surface of the combustion chamber 6 is extremely weak as described above with respect to the solid line in FIG. Therefore, the generated active species travels from the discharge electrode 33 to the ceiling-side non-insulating region D, and stays in the vicinity of the region D, that is, in the vicinity of the outer peripheral edge of the ceiling surface of the combustion chamber 6.

主放電の後は、前記のように、後段噴射が実施されてキャビティC内にリッチな混合気が形成される。その後、圧縮上死点付近において、燃料濃度が高く且つ比較的低温の燃焼室6の壁面から遠いキャビティC内に存在する混合気が着火、燃焼する。これに続いて燃焼室6の外周側部分つまりスキッシュエリアに存在する混合気が着火、燃焼する。このとき、燃焼室6の外周縁付近に留まっている活性種によって、スキッシュエリアに存在する混合気の着火、燃焼が促進される。具体的には、活性種がない場合よりもスキッシュエリアに存在する混合気の着火が早期に開始し、且つ、この混合気の燃焼速度が早められる。   After the main discharge, the post-injection is performed as described above, and a rich mixture is formed in the cavity C. Thereafter, near the compression top dead center, the air-fuel mixture present in the cavity C having a high fuel concentration and a relatively low temperature from the wall surface of the combustion chamber 6 ignites and burns. Subsequently, the mixture present in the outer peripheral portion of the combustion chamber 6, that is, in the squish area is ignited and burned. At this time, the ignition and combustion of the air-fuel mixture present in the squish area are promoted by the active species remaining near the outer peripheral edge of the combustion chamber 6. Specifically, the ignition of the air-fuel mixture present in the squish area starts earlier than in the case where there is no active species, and the combustion speed of the air-fuel mixture is increased.

さらに、本実施形態では、前記のように、吸気弁11回りにより多くの活性種が供給されるようになっている。そのため、前段噴射に起因して燃焼室6の吸気側の壁面近傍に形成された燃料濃度が非常に高い混合気も、活性種の作用によって適切に燃焼することになる。   Further, in the present embodiment, as described above, more active species are supplied around the intake valve 11. Therefore, even a fuel-air mixture having a very high fuel concentration formed near the intake-side wall surface of the combustion chamber 6 due to the pre-stage injection is appropriately burned by the action of the active species.

(高負荷高速域での制御)
図15に示すように、高負荷高速域A22でも、高負荷低速域A21と同様に吸気行程の前半と圧縮行程の後半とにそれぞれインジェクタ15から燃料が噴射される。この燃料噴射の制御は、高負荷高速域A22と高負荷低速域A21とで同様であり、ここでの説明は省略する。
(Control at high load and high speed range)
As shown in FIG. 15, in the high-load high-speed range A22, fuel is injected from the injector 15 in the first half of the intake stroke and in the second half of the compression stroke, similarly to the high-load low-speed range A21. This fuel injection control is the same in the high-load high-speed region A22 and the high-load low-speed region A21, and a description thereof will be omitted.

一方、図15に示すように、高負荷高速域A22では、プラズマ生成プラグ16からの放電として、前段噴射の終了後から後段噴射の開始前までの期間に実行される主放電に加えて、後段噴射の終了後、圧縮上死点を含む所定の期間に亘って実行される追加放電が実施される。主放電の制御内容は、高負荷高速域A22と高負荷低速域A21とで同様であり、ここでの説明は省略する。   On the other hand, as shown in FIG. 15, in the high-load high-speed region A22, the discharge from the plasma generation plug 16 includes, in addition to the main discharge performed during the period from the end of the first-stage injection to the start of the second-stage injection, After the end of the injection, additional discharge is performed over a predetermined period including the compression top dead center. The control content of the main discharge is the same in the high-load high-speed range A22 and the high-load low-speed range A21, and the description thereof will be omitted.

本実施形態では、追加放電は、スキッシュ流が弱くなり始める圧縮行程後期の所定時期から混合気が着火するまでの間に実行される。本実施形態の場合、ピストン5の上昇に伴いスキッシュエリア(キャビティCの開口縁C1よりも径方向外側に位置する領域)に形成されるスキッシュ流、つまり径方向外側から内側へと向かうガス流れは、圧縮上死点から10°進角したBTDC10°CAから弱くなり始める。これに伴い、追加放電を開始する最早時期はBTDC10°CAとされる。また、本実施形態では、高負荷高速域A22での運転時に、混合気は遅くとも、圧縮上死点から10°遅角したATDC10°CAまでには着火する。このため、前記プラズマ放電を終了する最遅時期はATDC10°CAとされる。言い換えると、本実施形態では、スキッシュ流が弱くなり始めるBTDC10°CAから、混合気着火の最遅時期であるATDC10°CAまでの間に、プラズマ放電が開始および終了される。図12の例では、プラズマ生成プラグ16からの非平衡プラズマの放電がBTDC5°CAからATDC5°CAまでの間に継続的に実行される。なお、本明細書において、混合気の着火時点とは、燃料の熱炎反応の開始時点のことである。この熱炎反応の開始時期は、供給された全燃料の約10%質量分が燃焼した時点(MFB10%)として定義することができる。   In the present embodiment, the additional discharge is performed from a predetermined timing in the latter half of the compression stroke when the squish flow starts to weaken until the fuel-air mixture ignites. In the case of the present embodiment, a squish flow formed in a squish area (a region located radially outward from the opening edge C1 of the cavity C) as the piston 5 rises, that is, a gas flow flowing from the radial outside to the inside, BTDC10 ° CA advanced by 10 ° from the compression top dead center begins to weaken. Accordingly, the earliest timing for starting the additional discharge is set to BTDC10 ° CA. Further, in the present embodiment, at the time of operation in the high-load high-speed range A22, the air-fuel mixture ignites at least 10 ATCA of ATDC which is delayed by 10 ° from the compression top dead center. For this reason, the latest time to end the plasma discharge is set to ATDC10 ° CA. In other words, in the present embodiment, the plasma discharge is started and terminated from BTDC 10 ° CA at which the squish flow starts to weaken to ATDC 10 ° CA which is the latest timing of the mixture ignition. In the example of FIG. 12, the discharge of the non-equilibrium plasma from the plasma generation plug 16 is continuously performed between BTDC5 ° CA and ATDC5 ° CA. In this specification, the ignition point of the air-fuel mixture refers to the start point of the hot flame reaction of the fuel. The start time of the hot flame reaction can be defined as the time when about 10% by mass of the total supplied fuel has burned (MFB 10%).

図18は、追加放電が実行されたときの燃焼室6内の状況を模式的に示す図である。本実施形態では、追加放電の実施時において、放電電極33の先端とキャビティCの開口縁C1との距離の方が放電電極33の先端と天井側非絶縁領域Dとの距離よりも短くなる。そのため、追加放電では、主として放電電極33からキャビティCの開口縁C1に向かって非平衡プラズマが放電される。つまり、非平衡プラズマは、放電電極33とキャビティCの開口縁C1とを結ぶラインに沿って、放電電極33の先端からキャビティCの開口縁C1に向かって燃焼室6の外周側向き且つ下向きに流れる。なお、一部の非平衡プラズマが放電電極33から天井側非絶縁領域Dに流れることもある。   FIG. 18 is a diagram schematically showing a situation in combustion chamber 6 when additional discharge is performed. In the present embodiment, when the additional discharge is performed, the distance between the tip of the discharge electrode 33 and the opening edge C1 of the cavity C is shorter than the distance between the tip of the discharge electrode 33 and the ceiling-side non-insulated region D. Therefore, in the additional discharge, the non-equilibrium plasma is discharged mainly from the discharge electrode 33 toward the opening edge C1 of the cavity C. In other words, the non-equilibrium plasma is directed along the line connecting the discharge electrode 33 and the opening edge C1 of the cavity C from the tip of the discharge electrode 33 toward the opening edge C1 of the cavity C toward the outer peripheral side of the combustion chamber 6 and downward. Flows. Note that a part of the non-equilibrium plasma may flow from the discharge electrode 33 to the ceiling non-insulated region D.

この追加放電でも、前記のように吸気側電極33iの長さの方が排気側電極33eの長さよりも長いことに伴い、主放電と同様に、吸気側電極33iからキャビティCの開口縁C1に向かう電気エネルギーの方が、排気側電極33eからキャビティCの開口縁C1に向かう電気エネルギーよりも多くなる。そして、吸気側電極33iとキャビティCの開口縁C1とを結ぶラインL12回りに形成される活性種の方が、排気側電極33eとキャビティCの開口縁C1とを結ぶラインL11回りに形成される活性種よりも多くなる。   Also in this additional discharge, as described above, the length of the intake side electrode 33i is longer than the length of the exhaust side electrode 33e, and thus, like the main discharge, from the intake side electrode 33i to the opening edge C1 of the cavity C. The amount of the electric energy toward the electric power is larger than the amount of electric energy toward the opening edge C1 of the cavity C from the exhaust-side electrode 33e. The active species formed around the line L12 connecting the intake side electrode 33i and the opening edge C1 of the cavity C is formed around the line L11 connecting the exhaust side electrode 33e and the opening edge C1 of the cavity C. More than active species.

図16(c)に示したように、圧縮上死点付近では、前段噴射と後段噴射とによって、スキッシュエリアとキャビティCの内部とに、それぞれ比較的リッチな混合気が形成されている。一方で、放電電極33の先端とキャビティCの開口縁C1とを結ぶ放電経路L11、L12は、前記2箇所の混合気領域の間(スキッシュエリアとキャビティCとの間)に位置しており、ここに存在する混合気は比較的リーンである。また、前記のように、後段噴射に係る燃料はキャビティC内に留まり、キャビティCの上方に存在する混合気は比較的リーンである。そのため、追加放電によっても、放電電極33の先端とキャビティCの開口縁C1とを結ぶ放電経路L11、L12回りでオゾン(O)やOH等の活性種が生成される。このようにして圧縮上死点付近で活性種がラインL11、L12回りで追加生成されるのと併せて、ピストン5が下降を開始する。ピストン5が下降を開始すると、スキッシュエリアには、径方向内側から外側へと流れる逆スキッシュ流が形成され始める。このため、ラインL11、L12回りで生成された活性種は、その多くが前記逆スキッシュ流に乗ってスキッシュエリアへと移動することになる。 As shown in FIG. 16C, near the compression top dead center, a relatively rich air-fuel mixture is formed in the squish area and the inside of the cavity C by the first-stage injection and the second-stage injection. On the other hand, the discharge paths L11 and L12 connecting the tip of the discharge electrode 33 and the opening edge C1 of the cavity C are located between the two air-fuel mixture regions (between the squish area and the cavity C). The mixture present here is relatively lean. Further, as described above, the fuel related to the second-stage injection remains in the cavity C, and the air-fuel mixture existing above the cavity C is relatively lean. Therefore, even by the additional discharge, active species such as ozone (O 3 ) and OH are generated around the discharge paths L11 and L12 connecting the tip of the discharge electrode 33 and the opening edge C1 of the cavity C. In this way, the active species are additionally generated around the lines L11 and L12 near the compression top dead center, and the piston 5 starts descending. When the piston 5 starts descending, a reverse squish flow that flows from the inside to the outside in the radial direction starts to be formed in the squish area. Therefore, most of the active species generated around the lines L11 and L12 move to the squish area on the reverse squish flow.

このように、高負荷高速域A22では、主噴射によって生成された活性種M1に加えて追加放電によって生成された活性種M2がスキッシュエリアに供給されて、スキッシュエリアに存在する混合気の着火、燃焼が促進される。特に、吸気側のスキッシュエリアにより多くの活性種が供給されることで、吸気側のスキッシュエリアに存在して他の領域よりも燃料濃度が高い混合気が適切に燃焼することになる。   As described above, in the high-load, high-speed range A22, the active species M2 generated by the additional discharge in addition to the active species M1 generated by the main injection are supplied to the squish area, and the mixture present in the squish area is ignited. Combustion is promoted. In particular, since more active species are supplied to the squish area on the intake side, the air-fuel mixture present in the squish area on the intake side and having a higher fuel concentration than other regions is appropriately burned.

本実施形態では、追加放電の終了とほぼ同時に(つまりATDC5°CAの近傍で)混合気は着火する。例えばATDC5〜10°CA程度で混合気は着火し、圧縮着火燃焼が開始される。   In this embodiment, the air-fuel mixture ignites almost simultaneously with the end of the additional discharge (that is, in the vicinity of ATDC5 ° CA). For example, the mixture is ignited at about ATDC 5 to 10 ° CA, and compression ignition combustion is started.

(吸気の制御)
前記のように、高負荷域A2での運転時は、主にキャビティCの内部とスキッシュエリアとに混合気が形成される(つまり燃焼室6内の広い範囲に燃料が分布する)が、その一方で、燃焼室6に導入される空気の量はかなり多くされ、その結果、燃焼室6内の空燃比(A/F)は、理論空燃比(14.7)よりも大幅にリーンな値に設定される。具体的に、高負荷域A2では、燃焼室6全体における平均の空燃比、つまり1サイクル中にインジェクタ15から噴射される燃料の量と燃焼室6内の空気量との比(質量比)が、理論空燃比に対し2倍を超えて大きい値に設定される。言い換えると、高負荷域A2では、空気過剰率λが2よりも大きくなる(λ>2相当の空気が燃焼室6に導入される)ように、スロットル弁54が十分に高い開度まで開かれる。また、高負荷域A2では、少なくとも最高負荷の近傍を除いて、EGR弁73が開弁され、所定量のEGRガスが燃焼室6に導入される。例えば、高負荷域A2では、インジェクタ15から噴射される燃料の量と燃焼室6内の全ガス量(空気およびEGRガスの合計量)との比であるガス空燃比(G/F)が、30以上に設定される。なお、高負荷域A2でλ>2相当の空気量を確保しようとしても、自然吸気だけでは空気量が不足するおそれがあるが、このような場合は過給機を追加すればよい。
(Control of intake)
As described above, during operation in the high load range A2, an air-fuel mixture is formed mainly in the cavity C and the squish area (that is, fuel is distributed over a wide range in the combustion chamber 6). On the other hand, the amount of air introduced into the combustion chamber 6 is considerably increased. As a result, the air-fuel ratio (A / F) in the combustion chamber 6 is significantly leaner than the stoichiometric air-fuel ratio (14.7). Is set to Specifically, in the high load region A2, the average air-fuel ratio in the entire combustion chamber 6, that is, the ratio (mass ratio) between the amount of fuel injected from the injector 15 and the amount of air in the combustion chamber 6 during one cycle is reduced. , Is set to a value larger than twice the stoichiometric air-fuel ratio. In other words, in the high load region A2, the throttle valve 54 is opened to a sufficiently high opening degree so that the excess air ratio λ is larger than 2 (air corresponding to λ> 2 is introduced into the combustion chamber 6). . In the high load region A2, the EGR valve 73 is opened except at least near the maximum load, and a predetermined amount of EGR gas is introduced into the combustion chamber 6. For example, in the high load region A2, the gas air-fuel ratio (G / F), which is the ratio of the amount of fuel injected from the injector 15 to the total amount of gas in the combustion chamber 6 (total amount of air and EGR gas), It is set to 30 or more. Note that even if an attempt is made to secure an air amount equivalent to λ> 2 in the high load region A2, there is a possibility that the air amount will be insufficient with only natural intake, but in such a case, a turbocharger may be added.

このように、高負荷域A2では、燃焼室6内の空気過剰率λが2よりも大きい非常にリーンな状態とされるが、前述した活性種の存在によって特にスキッシュエリア内の混合気(言い換えるとキャビティCの内部よりも低温の環境にある混合気)の燃焼が促進されるので、λ>2というリーンな環境下であるにもかかわらず、混合気の燃焼速度が速められ、比較的短時間のうちに燃焼が終了することになる。   As described above, in the high load region A2, the combustion chamber 6 is in a very lean state where the excess air ratio λ in the combustion chamber 6 is larger than 2. However, due to the presence of the above-described active species, the air-fuel mixture particularly in the squish area (in other words, the mixture) And the combustion of the air-fuel mixture in a lower temperature environment than the inside of the cavity C) is promoted. Therefore, the combustion speed of the air-fuel mixture is increased even in a lean environment of λ> 2. Combustion will end in time.

(b)低負荷域での制御
詳細な図示は省略するが、前記高負荷域A2よりもエンジン負荷が低い(つまり燃料の所要量が減る)低負荷域A1では、インジェクタ15からの燃料噴射が圧縮行程の後半にのみ実行され、かつ当該燃焼噴射が終了してから圧縮上死点までの間にプラズマ生成プラグ16から非平衡プラズマが放電される。
(B) Control in the low load range Although not shown in detail, in the low load range A1 in which the engine load is lower than the high load range A2 (that is, the required amount of fuel is reduced), the fuel injection from the injector 15 is not performed. The non-equilibrium plasma is discharged from the plasma generation plug 16 only during the latter half of the compression stroke and between the end of the combustion injection and the compression top dead center.

例えば、低負荷域A1では、圧縮行程の1/2〜3/4において複数回に分けてインジェクタ15から燃料が噴射される。これにより、低負荷域A1では、キャビティCの内部に限定して混合気が形成される。すなわち、混合気の全部または大部分がキャビティCの内部に形成され、キャビティCの外部にはほとんど混合気が形成されない。   For example, in the low load range A1, fuel is injected from the injector 15 in a plurality of times in 1/2 to 3/4 of the compression stroke. As a result, in the low load region A1, an air-fuel mixture is formed only inside the cavity C. That is, all or most of the air-fuel mixture is formed inside the cavity C, and almost no air-fuel mixture is formed outside the cavity C.

また、低負荷域A1では、圧縮行程の3/4経過時点(BTDC45°CA)以降であって燃料噴射が終了してから圧縮上死点までの間にプラズマ生成プラグ16から放電がなされる。このタイミングで放電がなされることで、低負荷域A1では、前記の追加噴射と同様に放電電極33の先端とキャビティCの開口縁C1とを結ぶラインL11、L12回りで非平衡プラズマおよび活性種が生成されるとともに、主としてスキッシュエリアに活性種が供給される。これにより、キャビティCの中心部に比べれば温度が低い傾向にあるスキッシュエリアの混合気の燃焼速度が速くなり、混合気の燃焼期間が短縮される。   Further, in the low load region A1, a discharge is generated from the plasma generation plug 16 after 3/4 of the compression stroke (BTDC 45 ° CA) and after the end of fuel injection and before the compression top dead center. By discharging at this timing, in the low load region A1, the non-equilibrium plasma and the active species are formed around the lines L11 and L12 connecting the tip of the discharge electrode 33 and the opening edge C1 of the cavity C as in the case of the above-described additional injection. Is generated, and active species are mainly supplied to the squish area. As a result, the combustion speed of the air-fuel mixture in the squish area where the temperature tends to be lower than that in the center of the cavity C is increased, and the combustion period of the air-fuel mixture is shortened.

特に、前記のように、吸気側のスキッシュエリアに多量の活性種が供給されて、この活性種の作用によって、吸気側のスキッシュエリアに存在する燃料濃度が非常に高い混合気も比較的短い期間で適切に燃焼することになる。   In particular, as described above, a large amount of active species is supplied to the squish area on the intake side, and due to the action of the active species, the mixture having a very high fuel concentration in the squish area on the intake side can be used for a relatively short period of time. Will burn properly.

燃焼室6全体の混合気の空燃比(A/F)は、理論空燃比に対し2倍を超えて大きい値に設定される(つまりλ>2とされる)。このように、本実施形態では、高負荷域A2でも低負荷域A1でも(エンジンの全ての運転領域において)、λ>2というリーンな環境下で混合気を圧縮着火燃焼させる制御が実行される。   The air-fuel ratio (A / F) of the air-fuel mixture in the entire combustion chamber 6 is set to a value that is more than twice as large as the stoichiometric air-fuel ratio (that is, λ> 2). As described above, in the present embodiment, in both the high-load region A2 and the low-load region A1 (in all the operating regions of the engine), the control of performing the compression ignition combustion of the air-fuel mixture under a lean environment of λ> 2 is executed. .

(4)作用効果
以上説明したように、本実施形態では、非平衡プラズマを生成可能なプラズマ生成プラグ16が設けられるとともに、このプラズマ生成プラグ16の放電電極33が、燃焼室の天井部中央付近においてプラズマ生成プラグの中心軸Xに対応する位置から燃焼室6の吸気側および排気側に延びる形状を有している。そして、エンジンが高負荷域A2で運転されているときに、前段噴射が実施されてキャビティCの内部と当該キャビティCよりも径方向外側のスキッシュエリアつまり燃焼室6の外周部分に混合気が形成されるようにインジェクタ15が制御されるとともに、前段噴射が実施された後、混合気が着火する前にプラズマ生成プラグから放電がなされて(主放電がなされて)燃焼室6内に非平衡プラズマが生成されるようになっている。そのため、予混合圧縮着火式エンジンにおいて、燃焼騒音を適正なレベルに抑えながら燃焼速度を速めることができるという利点がある。
(4) Operational Effect As described above, in the present embodiment, the plasma generating plug 16 capable of generating non-equilibrium plasma is provided, and the discharge electrode 33 of the plasma generating plug 16 is positioned near the center of the ceiling of the combustion chamber. Has a shape extending from the position corresponding to the central axis X of the plasma generation plug to the intake side and the exhaust side of the combustion chamber 6. When the engine is operating in the high load region A2, the pre-injection is performed to form a mixture in the inside of the cavity C and the squish area radially outside the cavity C, that is, the outer peripheral portion of the combustion chamber 6. After the pre-injection is performed and before the mixture is ignited, a discharge is generated from the plasma generating plug (main discharge is performed) and the non-equilibrium plasma is generated in the combustion chamber 6. Is generated. Therefore, in the homogeneous charge compression ignition type engine, there is an advantage that the combustion speed can be increased while suppressing the combustion noise to an appropriate level.

具体的には、プラズマ生成プラグ16から放電がなされることで燃焼室6内に非平衡プラズマおよびオゾン(O)等の活性種を生成することができる。ここで、放電電極33が前記のような形状を有していることで、放電電極33から燃焼室6の外周側に向かって非平衡プラズマを放電させて、オゾン(O)等の活性種を燃焼室6の外周部分に供給することができる。そのため、燃焼室6の外周部分つまりスキッシュエリアの混合気の燃焼を活性種の作用によって促進して、この混合気の燃焼速度を速めて燃焼期間を短縮することができる。 Specifically, non-equilibrium plasma and active species such as ozone (O 3 ) can be generated in the combustion chamber 6 by discharging from the plasma generation plug 16. Here, since the discharge electrode 33 has the above-described shape, the non-equilibrium plasma is discharged from the discharge electrode 33 toward the outer peripheral side of the combustion chamber 6, and active species such as ozone (O 3 ) are discharged. Can be supplied to the outer peripheral portion of the combustion chamber 6. Therefore, the combustion of the air-fuel mixture in the outer peripheral portion of the combustion chamber 6, ie, the squish area, is promoted by the action of the active species, and the combustion speed of the air-fuel mixture can be increased to shorten the combustion period.

ここで、燃焼室6の外周部分に位置するスキッシュエリアの温度は、燃焼室6の中央部(キャビティCの内部)に比べて低くなる傾向にある。このため、仮にスキッシュエリアへの活性種の供給がなかった場合、スキッシュエリア内の混合気は、キャビティC内の混合気に対し相当程度遅れて着火し、着火後の燃焼速度もかなり遅くなってしまう。これに対し、前記実施形態では、スキッシュエリアに活性種が供給されるので、スキッシュエリア内の混合気の着火遅れを短縮できるとともに、当該混合気の燃焼速度(つまり燃焼の後半部の燃焼速度)を速めることができる。しかも、先に着火するキャビティC内の混合気の燃焼速度はほぼ変わらないので、燃焼の前半部に生じる圧力上昇が顕著になることはない。このため、燃焼騒音を適正なレベルに抑えながら、混合気の全体を短期間のうちに燃焼させることができ、十分に高い熱効率を得ることができる。   Here, the temperature of the squish area located at the outer peripheral portion of the combustion chamber 6 tends to be lower than that of the central portion of the combustion chamber 6 (inside the cavity C). Therefore, if the active species is not supplied to the squish area, the air-fuel mixture in the squish area ignites with a considerable delay with respect to the air-fuel mixture in the cavity C, and the combustion speed after the ignition becomes considerably slow. I will. On the other hand, in the embodiment, since the active species is supplied to the squish area, the ignition delay of the air-fuel mixture in the squish area can be reduced, and the combustion speed of the air-fuel mixture (that is, the combustion speed in the latter half of combustion). Can be accelerated. In addition, since the combustion speed of the air-fuel mixture in the cavity C, which is ignited first, does not substantially change, the pressure rise occurring in the first half of the combustion does not become remarkable. Therefore, the entire air-fuel mixture can be burned in a short period of time while suppressing the combustion noise to an appropriate level, and a sufficiently high thermal efficiency can be obtained.

しかも、前記実施形態では、吸気側に延びる放電電極33である吸気側電極33iの方が、排気側に延びる放電電極33である排気側電極33eよりも、放電電極33の先端とプラズマ生成プラグの中心軸との距離が長くなるように構成されている。そのため、燃焼室6の外周部分のうち特に吸気側の部分に多くの活性種を供給することができる。従って、前段噴射の実施時に吸気弁11と衝突することで吸気弁11やその周囲の燃焼室6の壁面に液滴状態で付着した燃料(当該燃料によって形成された燃料濃度の高い混合気)を、活性種の作用によって確実に燃焼させることができる。従って、燃料の燃え残りを少なく抑えて燃費性能をより一層高めることができる。   Moreover, in the above-described embodiment, the suction-side electrode 33i, which is the discharge electrode 33 extending to the suction side, is smaller than the discharge-side electrode 33e, which is the discharge electrode 33 extending to the exhaust side, between the tip of the discharge electrode 33 and the plasma generation plug. It is configured such that the distance from the central axis becomes longer. Therefore, a large amount of active species can be supplied to the outer peripheral portion of the combustion chamber 6, particularly to the portion on the intake side. Therefore, the fuel (a mixture having a high fuel concentration formed by the fuel) which has collided with the intake valve 11 during the pre-injection and adhered in a droplet state to the intake valve 11 and the wall surface of the surrounding combustion chamber 6 is removed. In addition, combustion can be reliably performed by the action of the active species. Therefore, fuel consumption performance can be further improved by suppressing the unburned fuel.

図19は、前記の作用効果を説明するための図である。この図19では、前記実施形態の方法により混合気を燃焼させた場合の熱発生率の波形をW1で示している。この波形W1に示すように、非平衡プラズマ(活性種)を利用してスキッシュエリア内の混合気の燃焼速度を速めた場合(つまり前記実施形態の方法による場合)には、燃焼騒音を考慮した上限の熱発生率である「燃焼騒音限界」のラインよりも下側において(つまり過大な燃焼騒音が発生しない範囲で)、比較的急激に立ち上がりかつ落ち込む十分にピーキーな燃焼波形を得ることができる。これにより、燃焼期間が短く熱効率に優れ、しかも過大な燃焼騒音を伴わない理想に近い燃焼を実現することができる。   FIG. 19 is a diagram for explaining the operation and effect. In FIG. 19, the waveform of the heat generation rate when the air-fuel mixture is burned by the method of the embodiment is indicated by W1. As shown in the waveform W1, when the combustion speed of the air-fuel mixture in the squish area is increased by using the non-equilibrium plasma (active species) (that is, according to the method of the above embodiment), the combustion noise is considered. Below the upper limit of the heat generation rate, the "combustion noise limit" line (that is, within a range where excessive combustion noise does not occur), it is possible to obtain a sufficiently peaky combustion waveform that rises and falls relatively sharply. . This makes it possible to achieve near-ideal combustion with a short combustion period, excellent thermal efficiency, and without excessive combustion noise.

図19における波形W2は、非平衡プラズマに基づく活性種の供給がなかった場合の熱発生率の波形を示している。この波形W2に示すように、スキッシュエリアに活性種が供給されなかった場合には、温度が高いキャビティC内の混合気が燃焼するステージである燃焼の前半部こそ速い燃焼速度が得られるが、温度が低いスキッシュエリア内の混合気が燃焼するステージである燃焼の後半部については燃焼速度が大幅に低下し、全体として燃焼期間が長期化してしまう。すなわち、燃焼の後半部では、ピストン5の低下(燃焼室6の膨張)が進んでいるため、スキッシュエリア内の温度が元々低かったことと相俟って、このスキッシュエリア内の混合気の燃焼速度は大幅に低下せざるを得ない。このように、プラズマ放電(活性種の供給)がされなかった場合には、スキッシュエリア内の混合気の燃焼が緩慢化する結果、全体として燃焼期間が長期化し、熱効率の低下を招くことが理解される。   A waveform W2 in FIG. 19 shows a waveform of the heat generation rate when no active species is supplied based on the non-equilibrium plasma. As shown in the waveform W2, when no active species is supplied to the squish area, a high combustion speed is obtained in the first half of the combustion, which is a stage in which the air-fuel mixture in the cavity C having a high temperature burns. In the latter half of the combustion, which is the stage where the air-fuel mixture in the squish area where the temperature is low is burned, the combustion speed is significantly reduced, and the combustion period is prolonged as a whole. That is, in the latter half of the combustion, since the piston 5 is being lowered (expansion of the combustion chamber 6), the combustion in the air-fuel mixture in the squish area is combined with the fact that the temperature in the squish area was originally low. The speed must be greatly reduced. As described above, it is understood that, when the plasma discharge (supply of the active species) is not performed, the combustion of the air-fuel mixture in the squish area is slowed down, resulting in a longer combustion period as a whole and a decrease in thermal efficiency. Is done.

なお、仮に燃焼室6の全体に活性種を供給するなどして、スキッシュエリア内の混合気とキャビティC内の混合気の双方の燃焼を促進するようにした場合には、例えば図19に波形W3で示すように、より燃焼期間を短縮して熱効率を高めることが可能になる。しかしながら、このようにすると、元々高温であるために燃焼が急峻化し易いキャビティC内の混合気の燃焼がますます急峻化してしまい、燃焼騒音限界を超えるほど燃焼初期の熱発生率の立ち上がりが急になってしまう。これでは、熱効率の面では優れていても、燃焼騒音が大きくなりすぎて商品性を維持することができなくなる。同様に、仮に、燃焼室6の外周部分全体に多量の活性種を供給すると、燃焼室6の排気側の外周部分の燃焼が過度に促進されることで、この部分の混合気がキャビティC内の混合気と同時期に燃焼してしまい燃焼騒音が過大になってしまう。これに対し、前記実施形態では、スキッシュエリア内の混合気の燃焼のみが促進(高速化)されるとともに、吸気側のスキッシュエリア内の混合気の燃焼が効果的に促進されるようになり、燃焼騒音が過大にならない範囲で可及的に燃焼速度を速めることができ、商品性と熱効率とを高次元に両立することができる。   If the active species is supplied to the entire combustion chamber 6 to promote combustion of both the mixture in the squish area and the mixture in the cavity C, for example, the waveform shown in FIG. As shown by W3, it becomes possible to further shorten the combustion period and increase the thermal efficiency. However, in this case, the combustion of the air-fuel mixture in the cavity C, which is likely to be steep due to the originally high temperature, becomes even steeper. Become. In this case, even if it is excellent in terms of thermal efficiency, the combustion noise becomes too large and it is not possible to maintain commerciality. Similarly, if a large amount of active species is supplied to the entire outer peripheral portion of the combustion chamber 6, the combustion of the outer peripheral portion on the exhaust side of the combustion chamber 6 is excessively promoted. Combustion at the same time as the air-fuel mixture, and the combustion noise becomes excessive. On the other hand, in the embodiment, only the combustion of the air-fuel mixture in the squish area is promoted (increased in speed), and the combustion of the air-fuel mixture in the squish area on the intake side is effectively promoted. The combustion speed can be increased as much as possible within a range in which the combustion noise does not become excessive, so that the merchantability and the thermal efficiency can be made compatible at a high level.

また、前記実施形態では、高負荷域A2での運転時に、燃焼室6内の空気過剰率λが2より大きくされるので、混合気の燃焼温度を大幅に低下させることができ、燃焼に伴うNOxの発生量を十分に抑制することができる。ここで、図19中の「NOx限界」のラインは、NOxを還元するための触媒(NOx触媒)が不要なほどNOxの発生量を抑えることが可能な下限の熱発生率を示している。このNOx限界のラインと波形W1との比較から明らかなように、λ>2という大幅にリーンな環境下で混合気を燃焼させる前記実施形態によれば、NOx限界を超えるような高温の燃焼が起きるのを回避することができ、NOx触媒を不要にできるほどNOx発生量を低減することができる。   Further, in the above embodiment, the excess air ratio λ in the combustion chamber 6 is made larger than 2 during the operation in the high load region A2, so that the combustion temperature of the air-fuel mixture can be significantly reduced, and The generation amount of NOx can be sufficiently suppressed. Here, the “NOx limit” line in FIG. 19 indicates the lower limit heat generation rate at which the generation amount of NOx can be suppressed so that a catalyst (NOx catalyst) for reducing NOx is unnecessary. As is clear from the comparison between the NOx limit line and the waveform W1, according to the embodiment in which the air-fuel mixture is burned under a significantly lean environment of λ> 2, high-temperature combustion exceeding the NOx limit is prevented. This can be avoided, and the NOx generation amount can be reduced so that the NOx catalyst can be made unnecessary.

前記実施形態では、高負荷域A2において、吸気行程中にインジェクタ15から燃料を噴射する前段噴射に加えて、圧縮行程中にインジェクタ15から燃料を噴射する後段噴射が実施される。そのため、燃焼室6の中央部分に位置するキャビティCの内部に燃料濃度が適度に高い混合気を形成することができる。従って、燃焼室6の中央部分の混合気を確実に着火させて、これにより燃焼室全体の混合気を確実に燃焼させることができる。そして、前記のように比較的着火しにくい燃焼室の外周部分に存在する混合気を非平衡プラズマの作用によって早期に燃焼させることができる。   In the above-described embodiment, in the high load region A2, in addition to the first-stage injection in which fuel is injected from the injector 15 during the intake stroke, the second-stage injection in which fuel is injected from the injector 15 during the compression stroke is performed. Therefore, an air-fuel mixture having a moderately high fuel concentration can be formed inside the cavity C located at the center of the combustion chamber 6. Therefore, the air-fuel mixture in the central portion of the combustion chamber 6 is reliably ignited, whereby the air-fuel mixture in the entire combustion chamber can be reliably burned. As described above, the air-fuel mixture existing in the outer peripheral portion of the combustion chamber, which is relatively difficult to ignite, can be burned early by the action of the non-equilibrium plasma.

また、前記実施形態では、高負荷域A2において、吸気行程中に実施される前段噴射が終了してから圧縮行程中に実施される後段噴射が開始されるまでの期間中に主放電が実施される。つまり、燃焼室内の圧力が比較的低いときに主放電が実施される。そのため、より確実に多量の活性種をスキッシュエリアに供給することができる。また、燃料と非平衡プラズマとが接触すると、ホルムアルデヒド等の燃焼を抑制する物質(以下、抑制種という)が生成されやすくなる。これに対して、後段噴射が開始されるまでの期間中に主放電が実施されることで、後段噴射により燃焼室6に供給された燃料と非平衡プラズマとの接触を回避することができる。従って、ホルムアルデヒド等の抑制種によって混合気の燃焼が阻害されるのを防止することができる。   In the above-described embodiment, in the high load range A2, the main discharge is performed during a period from the end of the pre-injection performed during the intake stroke to the start of the post-injection performed during the compression stroke. You. That is, the main discharge is performed when the pressure in the combustion chamber is relatively low. Therefore, a large amount of active species can be more reliably supplied to the squish area. In addition, when the fuel comes into contact with the non-equilibrium plasma, a substance that suppresses combustion such as formaldehyde (hereinafter, referred to as a suppressive species) is likely to be generated. On the other hand, by performing the main discharge during the period before the second-stage injection is started, it is possible to avoid contact between the fuel supplied to the combustion chamber 6 by the second-stage injection and the non-equilibrium plasma. Therefore, it is possible to prevent the combustion of the air-fuel mixture from being hindered by a suppressing species such as formaldehyde.

また、前記実施形態では、エンジン回転数が高いときの方が低いときよりも主放電の終了時期が遅角されて、主放電の実施期間つまりプラズマ生成プラグ16の放電電極33からのクランク角度における放電期間が、エンジン回転数が高いときの方が低いときよりも長くされている。そのため、エンジン回転数が高いときにスキッシュエリアの混合気の燃焼をより確実に促進することができるとともに、プラズマ生成プラグの駆動に伴うエネルギー消費が過大になるのを抑制することができる。具体的には、エンジン回転数が高いときは低いときよりも、単位時間あたりにインジェクタから噴射される燃料の量が多くなることで、燃料のペネトレーションが高くなり気筒2の内周面に燃料が付着しやすい。気筒2の周面に付着した燃料は、ピストン5の上昇に伴って概ね蒸発するが、空気との混合が十分でなく燃焼しにくい。これに対して、前記実施形態では、前記のようにエンジン回転数が高いときに放電期間が長くされることで、多くの活性種をスキッシュエリアつまり気筒2の周面に近い領域に供給することができ、この領域の混合気の燃焼を促進することができる。   Further, in the above embodiment, the end timing of the main discharge is delayed more when the engine speed is high than when the engine speed is low, so that the main discharge is performed during the execution period, that is, in the crank angle from the discharge electrode 33 of the plasma generation plug 16. The discharge period is longer when the engine speed is high than when it is low. Therefore, the combustion of the air-fuel mixture in the squish area can be more reliably promoted when the engine speed is high, and the energy consumption accompanying driving of the plasma generation plug can be suppressed from becoming excessive. Specifically, when the engine speed is high, the amount of fuel injected from the injector per unit time is larger than when the engine speed is low, so that the penetration of the fuel is increased and the fuel is deposited on the inner peripheral surface of the cylinder 2. Easy to adhere. The fuel adhering to the peripheral surface of the cylinder 2 evaporates substantially with the rise of the piston 5, but is not sufficiently mixed with air and is difficult to burn. On the other hand, in the embodiment, as described above, the discharge period is extended when the engine speed is high, so that many active species are supplied to the squish area, that is, the area close to the peripheral surface of the cylinder 2. And combustion of the air-fuel mixture in this region can be promoted.

また、前記実施形態では、エンジン回転数が基準回転数N1よりも高い高負荷高速域A22において、後段噴射が終了してから混合気が着火するまでの期間中に追加放電が実施されて、燃焼室6の外周部分つまりスキッシュエリアにさらに活性種を追加することができる。そのため、前記のようにエンジン回転数が高いことで燃焼しにくくなりやすい燃焼室6の外周部分の混合気の燃焼を促進することができる。   Further, in the above-described embodiment, in the high-load high-speed range A22 in which the engine speed is higher than the reference speed N1, additional discharge is performed during the period from the end of the second-stage injection to the ignition of the air-fuel mixture, and the combustion is performed. Active species can be further added to the outer peripheral portion of the chamber 6, that is, the squish area. Therefore, the combustion of the air-fuel mixture in the outer peripheral portion of the combustion chamber 6, which is likely to be difficult to burn due to the high engine speed as described above, can be promoted.

また、前記実施形態では、後段噴射が、圧縮行程の1/2が経過した時点から圧縮行程の3/4が経過した時点までの間(BTDC90°CAからBTDC45°CAまでの間に)に実施される。そのため、後段噴射によりインジェクタ15から噴射された燃料を圧縮上死点までキャビティCの内部に留めることができる。そのため、キャビティC内の混合気をより確実着火させて混合気全体を確実に燃焼させることができる。また、キャビティCの上方の混合気の燃料濃度を小さく抑えることができる。従って、追加放電の実施時に、ホルムアルデヒド等の抑制種の生成を抑制し、オゾン(O)等の活性種を多く生成することができる。従って、混合気の燃焼を適切に促進できる。 Further, in the above-described embodiment, the post-injection is performed during a period from the time when 1/2 of the compression stroke has elapsed to a time when 3/4 of the compression stroke has elapsed (between 90 ° CA of BTDC and 45 ° CA of BTDC). Is done. Therefore, the fuel injected from the injector 15 by the latter injection can be kept inside the cavity C up to the compression top dead center. Therefore, the air-fuel mixture in the cavity C can be more reliably ignited and the entire air-fuel mixture can be reliably burned. Further, the fuel concentration of the air-fuel mixture above the cavity C can be reduced. Therefore, at the time of performing the additional discharge, generation of an inhibitory species such as formaldehyde can be suppressed, and more active species such as ozone (O 3 ) can be generated. Therefore, combustion of the air-fuel mixture can be appropriately promoted.

また、前記実施形態では、遮熱層が設けられている。そのため、燃焼室6の外周部分での混合気の燃焼によって生じた熱エネルギーが燃焼室6の壁面を介して外部に放出されるのを防止することができる。特に、前記のように、燃焼室の吸気側の壁面近傍では、燃料濃度が高い混合気の燃焼によって高い熱エネルギーが生成されるが、この熱エネルギーが外部に放出されるのを防止でき、冷却損失を小さく抑えて燃費性能をより一層高めることができる。   Further, in the above embodiment, the heat shield layer is provided. Therefore, it is possible to prevent the heat energy generated by the combustion of the air-fuel mixture in the outer peripheral portion of the combustion chamber 6 from being released outside through the wall surface of the combustion chamber 6. In particular, as described above, in the vicinity of the wall surface on the intake side of the combustion chamber, high heat energy is generated by the combustion of the air-fuel mixture having a high fuel concentration. However, this heat energy can be prevented from being released to the outside, and cooling can be prevented. It is possible to further reduce the loss and further improve the fuel efficiency.

(5)変形例
前記実施形態では、燃焼室6の天井面28の中央付近にインジェクタ15を配置するととともに、高負荷域A2での運転時に、スキッシュエリアとキャビティCの内部内とにそれぞれ相対的にリッチな混合気が形成されるように、吸気行程の前半および圧縮行程の1/2〜3/4においてそれぞれインジェクタ15から燃料を噴射するようにしたが、インジェクタ15の位置や燃料噴射の時期はこれに限られない。すなわち、インジェクタ15の位置や当該インジェクタ15からの燃料の噴射時期を適宜変更してもよい。
(5) Modification In the above-described embodiment, the injector 15 is disposed near the center of the ceiling surface 28 of the combustion chamber 6, and the squish area and the inside of the cavity C are relatively positioned during operation in the high load area A2. In order to form a rich air-fuel mixture, fuel is injected from the injector 15 in the first half of the intake stroke and in 1/2 to 3/4 of the compression stroke, respectively. Is not limited to this. That is, the position of the injector 15 and the timing of fuel injection from the injector 15 may be appropriately changed.

前記実施形態では、主放電を吸気下死点から吸気弁11の閉弁時期付近までの期間に実施する場合について説明したが、主放電の実施期間は、前段噴射の実施後、混合気が着火する前までの期間内の限りで他の期間であってもよい。また、追加放電の実施期間も、前記実施形態の期間に限らず、後段噴射の実施後、混合気が着火するまでの期間内の限りで他の期間に設定されてもよい。また、追加放電と主放電の一方のみを実施するようにしてもよい。   In the above-described embodiment, the case where the main discharge is performed during the period from the bottom dead center of the intake air to the vicinity of the closing timing of the intake valve 11 has been described. Other periods may be used as long as they are within the period before the operation. Further, the execution period of the additional discharge is not limited to the period of the above-described embodiment, and may be set to another period as long as it is within a period until the air-fuel mixture is ignited after the execution of the second-stage injection. Further, only one of the additional discharge and the main discharge may be performed.

前記実施形態では、プラズマ生成プラグ16として、中心電極32の先端から吸気側に延びる2つの放電電極33iと排気側に延びる2つの放電電極33eとを備えたものについて説明したが、吸気側に延びる放電電極の数と排気側に延びる放電電極の数はこれに限らない。例えば、プラズマ生成プラグ16に、吸気側に延びる1つの放電電極と排気側に延びる1つの放電電極とを設けるようにしてもよい。この場合において、さらに、プラズマ生成プラグ16を図20(a)、(b)に示すように構成してもよい。すなわち、プラズマ生成プラグ16に、放電電極33として、中心電極32の先端から吸気側に延びる1つの放電電極133iと、これよりも長さが短い(中心電極32の先端から放電電極の先端までの長さが短い)排気側に延びる1つの放電電極133eを設けるとともに、吸気側に延びる放電電極133iの中心電極32回りの長さを排気側に延びる放電電極133eよりも大きくする。この構成によれば、中心電極32回りの長さが吸気側に延びる放電電極と排気側に延びる放電電極とで同じ場合に比べて、より多くの電気エネルギーひいては非平衡プラズマおよび活性種を燃焼室6の吸気側に供給することができる。なお、図20(a)および後述する図21、図23では、図を明瞭にするべく、プラズマ生成プラグ16を実線で示している。   In the above-described embodiment, the plasma generation plug 16 includes the two discharge electrodes 33i extending from the front end of the center electrode 32 to the intake side and the two discharge electrodes 33e extending to the exhaust side, but extends to the intake side. The number of discharge electrodes and the number of discharge electrodes extending to the exhaust side are not limited thereto. For example, the plasma generation plug 16 may be provided with one discharge electrode extending toward the intake side and one discharge electrode extending toward the exhaust side. In this case, the plasma generating plug 16 may be further configured as shown in FIGS. That is, one discharge electrode 133i extending from the tip of the center electrode 32 to the suction side as the discharge electrode 33 on the plasma generation plug 16 and having a shorter length (from the tip of the center electrode 32 to the tip of the discharge electrode). One discharge electrode 133e extending to the exhaust side (short in length) is provided, and the length of the discharge electrode 133i extending to the intake side around the center electrode 32 is made larger than that of the discharge electrode 133e extending to the exhaust side. According to this configuration, as compared with the case where the length of the center electrode 32 around the discharge electrode extending toward the intake side and the length of the discharge electrode extending toward the exhaust side are the same, more electric energy, and thus more non-equilibrium plasma and active species are transferred to the combustion chamber. 6 can be supplied to the intake side. In FIG. 20A and FIGS. 21 and 23 described later, the plasma generation plug 16 is shown by a solid line for clarity.

また、図21に示すように、プラズマ生成プラグ16の放電電極33として、吸気側に延びる放電電極233iと排気側に延びる放電電極233eに加えて、吸排気方向と直交する方向に延びる放電電極233cを設けてもよい。この場合には、図例のように、吸気側に延びる放電電極133iの長さを最も長くすることで、燃焼室6の外周部分の吸気側の領域に多量の活性種を供給してこの領域にある燃料濃度の高い混合気を効果的に燃焼させることができる。   As shown in FIG. 21, as the discharge electrode 33 of the plasma generating plug 16, in addition to the discharge electrode 233i extending to the intake side and the discharge electrode 233e extending to the exhaust side, the discharge electrode 233c extending in the direction orthogonal to the intake / exhaust direction is provided. May be provided. In this case, as shown in the figure, by increasing the length of the discharge electrode 133i extending to the intake side, a large amount of active species is supplied to the intake-side area of the outer peripheral portion of the combustion chamber 6 so that this area is supplied. The fuel mixture having a high fuel concentration can be effectively combusted.

前記実施形態では、天井側非絶縁領域DとキャビティCの開口縁C1を除いた燃焼室6のほぼ全面を遮熱層19によって覆うことにより、遮熱層19で覆われていない(露出した)天井側非絶縁領域DとキャビティCの開口縁C1とをプラズマ放電時のアース側電極として機能させるようにしたが、アース側電極として機能させる部位はこれに限らない。ただし、少なくとも燃焼室6の天井面28のうち放電電極33と対向する部分に絶縁体を設けておけば、放電電極33から燃焼室6の外周側に向かって非平衡プラズマを放電させて燃焼室の外周部分により多くの活性種を供給することができる。また、前記実施形態では、各放電電極33の上面(燃焼室6の天井面28側の面)を、アルミナ等からなる絶縁体34(碍子)によって覆った場合について説明したが、各放電電極33の上面を絶縁体34で覆わずに露出させてもよい。ただし、各放電電極33の上面を絶縁体34で覆えば、当該上面から燃焼室6の天井面28に向かって非平衡プラズマが流れるのを防止して、放電電極33から燃焼室6の外周側により確実に非平衡プラズマを放電させることができる。   In the embodiment, the heat insulating layer 19 covers almost the entire surface of the combustion chamber 6 excluding the ceiling-side non-insulating region D and the opening edge C1 of the cavity C, so that the combustion chamber 6 is not covered (exposed). Although the ceiling-side non-insulating region D and the opening edge C1 of the cavity C function as the earth-side electrode during the plasma discharge, the portion functioning as the earth-side electrode is not limited to this. However, if an insulator is provided at least on a portion of the ceiling surface 28 of the combustion chamber 6 facing the discharge electrode 33, the non-equilibrium plasma is discharged from the discharge electrode 33 toward the outer peripheral side of the combustion chamber 6, and the combustion chamber is discharged. More active species can be supplied to the outer peripheral portion of. In the above embodiment, the case where the upper surface of each discharge electrode 33 (the surface on the ceiling surface 28 side of the combustion chamber 6) is covered with the insulator 34 (insulator) made of alumina or the like has been described. May be exposed without being covered with the insulator 34. However, if the upper surface of each of the discharge electrodes 33 is covered with the insulator 34, the non-equilibrium plasma is prevented from flowing from the upper surface toward the ceiling surface 28 of the combustion chamber 6, and the outer peripheral side of the combustion chamber 6 from the discharge electrode 33 is prevented. Thus, the non-equilibrium plasma can be reliably discharged.

また、図22に示すように、各放電電極33の上面(燃焼室6の天井面28側の面)を、アルミナ等からなる絶縁体(碍子)によって覆うようにしてよい。このようにすれば、各放電電極33の上面から上方すなわち燃焼室6の天井面28の中央部に向かって非平衡プラズマが放電されるのを防止して、放電電極33から燃焼室6の外周側により確実に活性種を供給することができる。   Further, as shown in FIG. 22, the upper surface of each discharge electrode 33 (the surface on the ceiling surface 28 side of the combustion chamber 6) may be covered with an insulator (insulator) made of alumina or the like. In this way, the non-equilibrium plasma is prevented from being discharged from the upper surface of each discharge electrode 33 upward, that is, toward the center of the ceiling surface 28 of the combustion chamber 6, and the outer periphery of the combustion chamber 6 is prevented from being discharged from the discharge electrode 33. The active species can be more reliably supplied to the side.

前記実施形態では、インジェクタ15として、開弁時にリング状のノズル口44が形成される外開式のものを用いたが(図6参照)、これに代えて、インジェクタの先端部に周状に並ぶ複数の噴孔を有する多噴孔式のものを用いてもよい。   In the above-described embodiment, the injector 15 is of an open-open type in which a ring-shaped nozzle port 44 is formed at the time of valve opening (see FIG. 6). A multi-hole type having a plurality of side-by-side injection holes may be used.

前記実施形態では、ガソリンを主成分とする燃料を空気と混合しつつ圧縮着火させる予混合圧縮着火式のガソリンエンジンに本発明を適用した例について説明したが、例えば軽油を主成分とする燃料を空気と混合しつつ圧縮着火させる予混合圧縮着火式のディーゼルエンジンに本発明を適用してもよい。   In the above-described embodiment, an example in which the present invention is applied to a premixed compression ignition type gasoline engine that performs compression ignition while mixing fuel containing gasoline as a main component with air has been described. The present invention may be applied to a premixed compression ignition type diesel engine that performs compression ignition while mixing with air.

(6)第2実施形態
さらに、前記実施形態では、プラズマ生成プラグ16として、吸気側に延びる放電電極33iに加えて排気側に延びる放電電極33eを設けた場合を説明したが、図23に示すように、プラズマ生成プラグ16に、排気側に延びる放電電極は設けず、吸気側に延びる放電電極333のみを設けるようにしてもよい。
(6) Second Embodiment Further, in the above-described embodiment, the case where the discharge electrode 33e extending to the exhaust side is provided as the plasma generating plug 16 in addition to the discharge electrode 33i extending to the intake side is shown in FIG. As described above, the plasma generation plug 16 may not be provided with the discharge electrode extending to the exhaust side, and may be provided with only the discharge electrode 333 extending to the intake side.

このように構成されたプラズマ生成プラグ16を用いた第2実施形態では、中心電極32に加えられた電気エネルギーおよびこれにより生成された非平衡プラズマのほぼ全てが燃焼室6の外周部分の吸気側の領域に付与される。そのため、非常に多くの活性種をこの領域に供給することができる。従って、前記のように、前段噴射の実施に伴って吸気弁11回りに液滴状態で付着した燃料およびこの燃料を含む燃料濃度の高い混合気をより確実に燃焼させることができる。そのため、燃料の燃え残りを回避して燃費性能を確実に高めることができる。そして、この第2実施形態においても、先に着火する燃焼室の中央部分の混合気の燃焼速度は特に変わらないので、燃焼の前半部に生じる圧力上昇が顕著になることはない。このため、燃焼騒音を適正なレベルに抑えながら、混合気の全体を短期間のうちに燃焼させることができ、十分に高い熱効率を得ることができる。   In the second embodiment using the plasma generating plug 16 configured as described above, almost all of the electric energy applied to the center electrode 32 and the non-equilibrium plasma generated by the electric power are supplied to the intake side of the outer peripheral portion of the combustion chamber 6. Is given to the area. Therefore, a very large number of active species can be supplied to this region. Therefore, as described above, the fuel adhering in a droplet state around the intake valve 11 and the air-fuel mixture containing the fuel and having a high fuel concentration can be more reliably burned with the execution of the pre-stage injection. Therefore, it is possible to avoid the unburned fuel and to surely improve the fuel efficiency. Also in the second embodiment, the combustion speed of the air-fuel mixture in the central portion of the combustion chamber that ignites first does not particularly change, so that the pressure increase that occurs in the first half of combustion does not become noticeable. Therefore, the entire air-fuel mixture can be burned in a short period of time while suppressing the combustion noise to an appropriate level, and a sufficiently high thermal efficiency can be obtained.

なお、このように、プラズマ生成プラグ16に放電電極として吸気側に延びる放電電極333のみを設ける場合においても、放電電極333の具体的な形状は図23に示したものに限らない。例えば、放電電極を、図21で示した中心電極32回りに広がるような形状としてもよい。   Even when the plasma generating plug 16 is provided with only the discharge electrode 333 extending toward the intake side as the discharge electrode, the specific shape of the discharge electrode 333 is not limited to that shown in FIG. For example, the discharge electrode may be shaped so as to spread around the center electrode 32 shown in FIG.

また、このようなプラズマ生成プラグ16を用いる第2実施形態において、プラズマ生成プラグ16の構造以外の構造および制御内容は、前記の第1実施形態の構成および制御内容とされればよい。   In the second embodiment using such a plasma generation plug 16, the structure and control contents other than the structure of the plasma generation plug 16 may be the same as those in the first embodiment.

1 エンジン本体
5 ピストン
6 燃焼室
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)
A2 高負荷域
C (ピストンの)キャビティ
C1 (キャビティの)開口縁
S (ピストンの)冠面
Reference Signs List 1 engine main body 5 piston 6 combustion chamber 15 injector 16, 116 plasma generation plug 33, 133 discharge electrode 54 throttle valve 100 PCM (control device)
A2 High load area C Cavity (of piston) C1 Opening edge (of cavity) S Crown surface (of piston)

Claims (6)

燃焼室が形成された気筒と、
前記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て前記気筒内を摺動するピストンと、
前記燃焼室に空気を導入するための吸気ポートと、
前記燃焼室の天井面に形成された前記吸気ポートの開口部分を開閉する吸気弁と、
前記燃焼室から排気を導出するための排気ポートと、
前記燃焼室の天井面に形成された前記排気ポートの開口部分を開閉する排気弁と、
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前記燃焼室内に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、
前記気筒の中心軸に沿う方向から見て前記吸気弁が配設されている側を吸気側とし且つ前記排気弁が配設されている側を排気側としたときに、前記プラズマ生成プラグは、前記電極として前記気筒の中心軸と略一致する基点から前記吸気側に延びる吸気側電極と前記起点から前記排気側に延びる排気側電極とを備え、
前記吸気側電極および前記排気側電極は、前記基点から前記吸気側電極の先端までの長さの方が、前記基点から前記排気側電極の先端までの長さよりも長くなるように形成されており、
前記制御装置は、前記吸気弁の開弁期間を含む吸気行程中に前記インジェクタから前記燃焼室に燃料が噴射されるように当該インジェクタを制御するとともに、当該吸気行程中に実施される燃料噴射の後、前記混合気が着火する前に、前記プラズマ生成プラグから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。
A cylinder in which a combustion chamber is formed,
An injector for injecting fuel into the combustion chamber;
A piston having a crown defining a bottom surface of the combustion chamber and sliding in the cylinder;
An intake port for introducing air into the combustion chamber,
An intake valve that opens and closes an opening of the intake port formed on a ceiling surface of the combustion chamber;
An exhaust port for extracting exhaust gas from the combustion chamber;
An exhaust valve that opens and closes an opening of the exhaust port formed on a ceiling surface of the combustion chamber;
A plasma generation plug having an electrode near the center of the ceiling of the combustion chamber and discharging non-equilibrium plasma from the electrode into the combustion chamber;
A control device that controls the injector and the plasma generation plug so that premixed compression ignition combustion that performs compression ignition while mixing fuel injected from the injector with air is realized,
When viewed from a direction along the central axis of the cylinder, the side on which the intake valve is disposed is referred to as an intake side, and the side on which the exhaust valve is disposed is referred to as an exhaust side. An exhaust-side electrode extending from the starting point to the exhaust side from the starting point, the electrode including an intake-side electrode extending from the base point substantially coincident with the center axis of the cylinder as the electrode,
The intake-side electrode and the exhaust-side electrode are formed such that the length from the base point to the tip of the intake-side electrode is longer than the length from the base point to the tip of the exhaust-side electrode. ,
The control device controls the injector so that fuel is injected from the injector into the combustion chamber during an intake stroke including the opening period of the intake valve, and controls a fuel injection performed during the intake stroke. A premixed compression ignition engine, wherein the plasma generation plug is controlled so that non-equilibrium plasma is discharged from the plasma generation plug before the mixture is ignited.
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、前記吸気行程中に実施される燃料噴射である前段噴射と、圧縮行程中に燃料を前記燃焼室内に噴射する後段噴射とを、前記インジェクタに実施させる、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
The premixed compression ignition engine according to claim 1,
The control device causes the injector to perform a first-stage injection that is a fuel injection performed during the intake stroke and a second-stage injection that injects fuel into the combustion chamber during a compression stroke. Mixed compression ignition engine.
請求項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、前記前段噴射が終了してから前記後段噴射が開始されるまでの期間中に、前記プラズマ生成プラグから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。
The premixed compression ignition engine according to claim 2,
The control device controls the plasma generation plug so that non-equilibrium plasma is discharged from the plasma generation plug during a period from the end of the first-stage injection to the start of the second-stage injection, A homogeneous charge compression ignition engine.
請求項2または3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、エンジン回転数が所定の基準回転数より高いときは、前記前段噴射が終了してから前記後段噴射が開始されるまでの期間中および前記後段噴射が終了してから前記混合気が着火するまでの期間中に、前記プラズマ生成プラグから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。
The premixed compression ignition engine according to claim 2 or 3,
When the engine rotation speed is higher than a predetermined reference rotation speed, the control device controls the air-fuel mixture during a period from the end of the first-stage injection to the start of the second-stage injection and after the second-stage injection is completed. A premixed compression ignition engine, wherein the plasma generation plug is controlled such that a non-equilibrium plasma is discharged from the plasma generation plug during a period until the ignition occurs.
請求項1〜4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、
前記燃焼室の内側面のうち少なくとも前記吸気側の一部には、遮熱層が設けられている、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
The premixed compression ignition engine according to any one of claims 1 to 4,
A premix compression ignition engine, characterized in that a heat shield layer is provided on at least a part of the inner surface of the combustion chamber on the intake side.
燃焼室が形成された気筒と、
前記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て前記気筒内を摺動するピストンと、
前記燃焼室に空気を導入するための吸気ポートと、
前記燃焼室の天井面に形成された前記吸気ポートの開口部分を開閉する吸気弁と、
前記燃焼室から排気を導出するための排気ポートと、
前記燃焼室の天井面に形成された前記排気ポートの開口部分を開閉する排気弁と、
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前記燃焼室内に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、
前記気筒の中心軸に沿う方向から見て前記吸気弁が配設されている側を吸気側とし且つ前記排気弁が配設されている側を排気側としたときに、前記電極は、前記気筒の中心軸と略一致する基点から前記吸気側に延びる形状を有し、
前記制御装置は、前記吸気弁の開弁期間中に前記インジェクタから前記燃焼室に燃料が噴射されるように当該インジェクタを制御するとともに、当該吸気弁の開弁期間中に実施される燃料噴射の後、前記混合気が着火する前に、前記プラズマ生成プラグからの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。
A cylinder in which a combustion chamber is formed,
An injector for injecting fuel into the combustion chamber;
A piston having a crown defining a bottom surface of the combustion chamber and sliding in the cylinder;
An intake port for introducing air into the combustion chamber,
An intake valve that opens and closes an opening of the intake port formed on a ceiling surface of the combustion chamber;
An exhaust port for extracting exhaust gas from the combustion chamber;
An exhaust valve that opens and closes an opening of the exhaust port formed on a ceiling surface of the combustion chamber;
A plasma generation plug having an electrode near the center of the ceiling of the combustion chamber and discharging non-equilibrium plasma from the electrode into the combustion chamber;
A control device that controls the injector and the plasma generation plug so that premixed compression ignition combustion that performs compression ignition while mixing fuel injected from the injector with air is realized,
When the side where the intake valve is disposed is referred to as an intake side and the side where the exhaust valve is disposed is referred to as an exhaust side when viewed from a direction along the central axis of the cylinder, the electrode is disposed in the cylinder. Having a shape extending from the base point substantially coinciding with the central axis to the intake side,
The control device controls the injector such that fuel is injected from the injector into the combustion chamber during the opening period of the intake valve, and controls the fuel injection performed during the opening period of the intake valve. A premixed compression ignition engine, wherein the plasma generation plug is controlled so that non-equilibrium plasma from the plasma generation plug is discharged before the mixture is ignited.
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