JP2019203401A - エンジンの燃焼制御方法及び燃焼制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮行程後期でも非平衡プラズマを発生させやすくして、エンジンの燃焼安定性を向上させる。【解決手段】圧縮行程後期において、プラズマ生成手段（放電プラグ１３）の電極間に、第１パルス電圧を印加して放電させることで熱平衡プラズマを生成し、熱平衡プラズマの生成を終了した直後に、プラズマ生成手段（放電プラグ１３）の電極間に、第２パルス電圧を印加して放電させることにより、非平衡プラズマを生成する。【選択図】図８

Description

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

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

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

特開２０１４−１４１９１９号公報

ところで、本発明者らが鋭意研究したところ、プラズマ生成手段の電極間に、燃焼室内に非平衡プラズマが生じるように電圧を印加すると、電極近傍に混合気の燃焼を促進する物質（例えば、オゾン（Ｏ_３）やＯＨ）が生成されたり、電極近傍で燃料の分解（低級化）が促進されたりして、エンジンの燃焼安定性が向上することが分かった。特に、混合気の着火性が要求されるときには、圧縮行程後期において非平衡プラズマを発生させれば、混合気が着火しやすくなり、エンジンの着火性が向上する。

しかしながら、圧縮行程後期では燃焼室内の圧力が高くなっており、プラズマ生成手段の電極間には、大量のイオンや分子が存在する。電極間に大量のイオンや分子が存在すると、電極間を電子が移動しにくくなって、電極間で放電がされず、非平衡プラズマが生成されにくくなる。このため、圧縮行程後期において、非平衡プラズマを発生させて、エンジンの燃焼安定性を向上させるという観点からは改良の余地がある。

ここに開示された技術は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、圧縮行程後期でも非平衡プラズマを効率的に発生させて、エンジンの燃焼安定性を向上させることにある。

上記課題を解決するために、ここに開示された技術では、燃焼室が形成された気筒と、該気筒に嵌挿されたピストンの往復動により回転駆動されるクランクシャフトと、上記燃焼室内に臨むように配置され、電極間に電圧を印加することによる放電により上記燃焼室内にプラズマを生成するプラズマ生成手段と、上記燃焼室内に燃料を供給する燃料供給手段とを備え、上記燃料供給手段により供給された燃料によって形成される混合気を上記燃焼室内で燃焼させるエンジンの燃焼制御方法を対象として、圧縮行程後期において、上記プラズマ生成手段の上記電極間に、第１パルス電圧を印加して放電させることで、熱平衡プラズマを生成する熱平衡プラズマ生成工程と、上記熱平衡プラズマ生成工程の終了直後に、上記プラズマ生成手段の上記電極間に、第２パルス電圧を印加して放電させることで、非平衡プラズマを生成する第１非平衡プラズマ生成工程とを含む、ものとした。

この構成によると、圧縮行程後期において、熱平衡プラズマを生成することで、プラズマ生成手段の電極等から熱電子が放出されたり、電極間のイオンや分子から自由電子が乖離したりする。これにより、電極間に存在する自由電子の数が増加するため、電極間に大量のイオンや分子が存在したとしても、電極間で放電をすることができる。このため、熱平衡プラズマ生成工程を実行した後に、第１非平衡プラズマ生成工程を実行することで、圧縮行程後期でも非平衡プラズマを効率的に発生させることができる。これにより、圧縮行程後期に、非平衡プラズマを生成して、電極近傍で燃料の分解（低級化）を促進させたり、燃焼室内に混合気の燃焼を促進する物質（以下、活性種という）を生成したりして、エンジンの燃焼安定性を向上させることができる。

上記エンジンの燃焼制御方法の一実施形態では、上記第１パルス電圧は、パルス幅が第１所定値以上パルス電圧であり、上記第２パルス電圧は、パルス幅が上記第１所定値よりも小さい第２所定値以上でかつ上記第１所定値未満のパルス電圧である。

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

上記エンジンの燃焼制御方法において、圧縮行程における上記熱平衡プラズマ生成工程よりも前の期間において、上記プラズマ生成手段の上記電極間に、上記第２パルス電圧を繰り返し印加して放電させることで、非平衡プラズマを生成する第２非平衡プラズマ生成工程をさらに含んでもよい。

すなわち、例えば、圧縮行程前期であれば、筒内圧はあまり高くなく、熱平衡プラズマを生成した後でなくとも非平衡プラズマを生成することが可能である。よって、熱平衡プラズマを生成する前でかつ非平衡プラズマを生成可能な時期にも、非平衡プラズマを生成することで、燃焼室内に活性種を生成することができる。これにより、燃焼室内で混合気がより燃焼しやすくなり、エンジンの燃焼安定性を一層向上させることができる。

上記エンジンの燃焼制御方法において、上記第１非平衡プラズマ生成工程は、上記熱平衡プラズマ生成工程の終了後、クランク角度で５°以内に実行する工程であってもよい。

すなわち、圧縮行程では、燃焼室内では混合気が流動しているため、熱平衡プラズマ生成工程で放出された電子は、上記混合気の流れによって、プラズマ生成手段の電極間から移動してしまう。そこで、熱平衡プラズマ生成工程後、クランク角度で５°以内に第１非平衡プラズマ生成工程を実行して、電子が電極間からあまり移動していないうちに非平衡プラズマを生成する。これにより、圧縮行程後期において、非平衡プラズマを効率良く生成することができ、燃焼室内での混合気の燃焼を促進させることができる。この結果、エンジンの燃焼安定性をより一層向上させることができる。

上記エンジンの燃焼制御方法において、上記エンジンは、幾何学的圧縮比が１５以上のエンジンであってもよい。

すなわち、エンジンの幾何学的圧縮比が１５以上である場合には、ピストンの圧縮行程後期において、筒内圧が高くなりやすい。このため、圧縮行程後期において、燃焼室内において非平衡プラズマを生成しにくい。したがって、エンジンの幾何学的圧縮比が１５以上であれば、第１非平衡プラズマ生成工程を実行する前に、熱平衡プラズマ生成工程を実行することにより、圧縮行程後期において、非平衡プラズマを生成しやすくして、エンジンの燃焼安定性を向上させるという効果をより適切に発揮することができる。

本開示に係る技術の別の態様は、上記エンジンの燃焼制御装置に係る技術である。具体的には、燃焼室が形成された気筒と、該気筒に嵌挿されたピストンの往復動により回転駆動されるクランクシャフトと、上記燃焼室内に燃料を供給する燃料供給手段とを備え、上記燃料供給手段により供給された燃料によって形成される混合気を上記燃焼室内で燃焼させるエンジンの燃焼制御装置を対象として、上記燃焼室内に臨むように配置され、電極間に電圧を印加することによる放電により上記燃焼室内にプラズマを生成するプラズマ生成手段と、上記プラズマ生成手段の作動を制御する制御手段とを更に備え、上記制御手段は、圧縮行程後期において、上記プラズマ生成手段の上記電極間に、第１パルス電圧を印加して放電させることで、熱平衡プラズマを生成する熱平衡プラズマ生成制御を実行するとともに、上記熱平衡プラズマ生成制御の終了直後に、上記プラズマ生成手段の上記電極間に、第２パルス電圧を印加して放電させることで、非平衡プラズマを生成する第１非平衡プラズマ生成制御とを実行するように構成されている、ものとした。

この構成でも、圧縮行程後期において、熱平衡プラズマを生成することで、プラズマ生成手段の電極等から熱電子が放出されたり、電極間のイオンや分子から自由電子が乖離したりする。これにより、圧縮行程後期でも非平衡プラズマを効率的に発生させることができる。この結果、エンジンの燃焼安定性を向上させることができる。

上記エンジンの燃焼制御装置の一実施形態では、上記第１パルス電圧は、パルス幅が第１所定値以上パルス電圧であり、上記第２パルス電圧は、パルス幅が上記第１所定値よりも小さい第２所定値以上でかつ上記第１所定値未満のパルス電圧である。

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

上記エンジンの燃焼制御装置において、上記制御手段は、上記第１非平衡プラズマ生成制御に加えて、圧縮行程における上記熱平衡プラズマ生成制御を実行するよりも前の期間において、上記第２パルス電圧を繰り返し印加して、非平衡プラズマを生成する第２非平衡プラズマ生成制御を実行するように構成されていてもよい。

この構成によると、熱平衡プラズマを生成する前でかつ非平衡プラズマを生成可能な時期にも、非平衡プラズマを生成することで、燃焼室内に、混合気の燃焼を促進する活性種を生成することができる。これにより、燃焼室内で混合気がより燃焼しやすくなり、エンジンの燃焼安定性を一層向上させることができる。

上記エンジンの燃焼制御装置において、上記制御手段は、上記第１非平衡プラズマ生成制御を、上記熱平衡プラズマ生成制御の終了後、クランク角度で５°以内に実行するように構成されていてもよい。

この構成によると、電子がプラズマ生成手段の電極間からあまり移動していないうちに非平衡プラズマを生成することができる。これにより、圧縮行程後期において、非平衡プラズマを適切に生成することができ、燃焼室内での混合気の燃焼を促進させることができる。この結果、エンジンの燃焼安定性をより一層向上させることができる。

上記エンジンの燃焼制御装置において、上記エンジンは、幾何学的圧縮比が１５以上のエンジンであってもよい。

この構成によると、非平衡プラズマ生成工程を実行する前に、熱平衡プラズマ生成工程を実行することにより、圧縮行程後期において、非平衡プラズマを生成しやすくして、エンジンの燃焼安定性を向上させるという効果をより適切に発揮することができる。

以上説明したように、ここに開示された技術によると、熱平衡プラズマを生成した後に、非平衡プラズマを生成することで、圧縮行程後期でも非平衡プラズマを発生させやすくなる。これにより、圧縮行程後期に非平衡プラズマを生成して、エンジンの燃焼安定性を向上させることができる。

例示的な実施形態に係る燃焼制御装置が適用されたエンジンシステムの概略構成図である。 放電プラグの電極周辺を示す概略図である。 エンジンの制御系統を示すブロック図である。 非平衡プラズマ及び熱平衡プラズマの生成条件を示すマップである。 非平衡プラズマを生成する際のパルス電圧の波形の一例を示すグラフである。 熱平衡プラズマを生成する際のパルス電圧の波形の一例を示すグラフである。 圧縮行程後期において、放電プラグの電極間におけるイオン、分子及び電子の分布を模式的に示す図であって、熱平衡プラズマ生成前の状態を示す。 圧縮行程後期において、放電プラグの電極間におけるイオン、分子及び電子の分布を模式的に示す図であって、熱平衡プラズマ生成後の状態を示す。 熱平衡プラズマ生成後に、非平衡プラズマを生成したときの燃焼室内の状態を模式的に示す概念図である。 非平衡プラズマ及び熱平衡プラズマの生成時期の一例を示す概念図である。 非平衡プラズマ生成制御及び熱平衡プラズマ生成制御を実行する際のＰＣＭの処理動作を示すフローチャートである。

以下、例示的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

〈プラズマの生成〉
本実施形態では、エンジン１の燃焼サイクルにおいて、非平衡プラズマ及び熱平衡プラズマを生成することにより、エンジン１の燃焼安定性を確保するようにしている。尚、非平衡プラズマとは、燃焼室６内のガス温度の上昇を伴わず、燃焼室６内の電子と、燃焼室６内のガスのイオンや分子とが熱平衡状態にないプラズマのことをいう。また、熱平衡プラズマとは、燃焼室６内のガス温度の上昇を伴い、燃焼室６内の電子と、燃焼室６内のガスのイオンや分子とが熱平衡状態にあるようなプラズマのことをいう。

本実施形態では、非平衡プラズマ及び熱平衡プラズマは、放電プラグ１３の電極１３ａ，１３ｂ間に印加するパルス電圧を制御することにより、特に、パルス電圧のパルス幅を制御することにより、目的に合わせて、それぞれ生成する。図４〜図６は、非平衡プラズマ及び熱平衡プラズマの生成条件を示す。図４の横軸は、パルス幅であり、対数スケールで示している。一方、図４の縦軸は印加電圧のピーク値であり、対数スケールで示している。図４に示すように、パルス幅を短くすると非平衡プラズマが生成され、パルス幅を長くすると熱平衡プラズマが生成されることが分かる。イオンや分子は電子と比較するとかなり大きいため、パルス幅の短いパルス電圧では、電子のみが反応して、イオンや分子はほとんど反応しないためである。

本実施形態では、主にパルス幅を変更することにより、非平衡プラズマと熱平衡プラズマとを、目的に合わせて、それぞれ生成するようにしている。具体的には、図５に示すように、ＰＣＭ１００は、熱平衡プラズマを生成するときには、ピーク電圧が１０ｋＶ、パルス幅が上記第１所定値以上の第１パルス電圧を、放電プラグ１３の電極１３ａ，１３ｂ間に印加させる。また、ＰＣＭ１００は、熱平衡プラズマを生成するときには、パルス幅が１０μｓｅｃ以下のパルス電圧については、１００ｋＨｚの周波数で、パルス幅が１０μｓｅｃを超えるパルス電圧については、出来る限り大きな周波数で繰り返し放電させる。図４及び図５に示すように、第１所定値は、例えば、１μｓｅｃである。より具体的には、ＰＣＭ１００は、後述する熱平衡プラズマ生成制御を実行するときには、基本的には、ピーク電圧が１０ｋＶ、パルス幅が１μｓｅｃの第１パルス電圧を放電プラグ１３の電極１３ａ，１３ｂ間に印加させるようにしている。尚、放電プラグ１３の寿命を長くするという観点からは、第１パルス電圧のパルス幅は出来る限り短くすることが好ましい。

一方で、図６に示すように、ＰＣＭ１００は、非平衡プラズマを生成するときには、ピーク電圧が１０ｋＶ、パルス幅が第１所定値よりも小さい第２所定値以上かつ第１所定値未満の第２パルス電圧を、放電プラグ１３の電極１３ａ，１３ｂ間に印加させる。また、ＰＣＭ１００は、非平衡プラズマを生成するときには、上記のパルス電圧を１００ｋＨｚの周波数で繰り返し放電させる。図４及び図６に示すように、第２所定値は、例えば、０．０１μｓｅｃである。より具体的には、ＰＣＭ１００は、後述する第１及び第２非平衡プラズマ生成制御を実行するときには、基本的には、ピーク電圧が１０ｋＶ、パルス幅が０．１μｓｅｃの第２パルス電圧を放電プラグ１３の電極１３ａ，１３ｂ間に印加させるようにしている。

尚、上記熱平衡プラズマ生成制御における第１パルス電圧、並びに、上記第１及び第２非平衡プラズマ生成制御における第２パルス電圧におけるピーク電圧は、図４に示すように、１ｋＶ以上かつ３０ｋＶ以下の範囲で、筒内圧等に基づいて変更してもよい。

〈燃焼制御〉
本実施形態では、エンジン１の全運転領域において、圧縮着火燃焼（ＣＩ燃焼）が実施される。具体的には、圧縮上死点よりも前にインジェクタ１４から燃焼室６内に燃料が噴射され、この燃料と空気との混合気を燃焼室６内で圧縮することで昇温させ、圧縮上死点付近で混合気を自着火させる。

ここで、エンジン負荷が所定負荷以下の低負荷運転領域など、吸気に対する燃料の供給量が少ないとき（リーンなとき）、特に、燃焼室６内の混合気におけるガスと燃料との質量比であるＧ／Ｆが２５以上の運転状況や、燃焼室６内の全ガス量に対する該ガス中のＥＧＲガス（排気）の量の比であるＥＧＲ率が２０％以上の運転状況などは、混合気が自着火しにくく、燃焼安定性が低下しやすい。そこで、本実施形態では、圧縮行程後期において、非平衡プラズマを生成することによって、エンジン１の燃焼安定性を向上させるようにしている。尚、本明細書においては、圧縮行程前期及び後期とは、圧縮行程における実施期間（クランク角度での期間）を均等に２分割したときの、前半の期間（進角側の期間）が前期に相当し、後半の期間（遅角側の期間）がそれぞれ後期に相当する。

すなわち、非平衡プラズマを生成させると、燃焼室６内で燃料の分解（低級化）が促進される（低温酸化反応が進む）。これにより、燃焼室６内の混合気の昇温が促進され、着火、燃焼しやすくなり、エンジン１の燃焼安定性が向上する。また、非平衡プラズマを生成させると、燃焼室６内に、該燃焼室６内での混合気の燃焼を促進する物質（例えば、オゾン（Ｏ_３）やＯＨなど。以下、活性種という）が生成される。これにより、燃焼室６内で混合気に着火した後、火炎伝播しやすくなり、混合気が燃焼しやすくなる。

しかしながら、圧縮行程後期は、筒内圧が高く非平衡プラズマが生成されにくい。そこで、本実施形態では、ＰＣＭ１００は、非平衡プラズマを生成する非平衡プラズマ生成制御を実行する前に、熱平衡プラズマを生成する熱平衡プラズマ生成制御を実行するようにしている。詳しくは、ＰＣＭ１００は、圧縮行程後期において、放電プラグ１３の電極１３ａ，１３ｂ間に、燃焼室６内に熱平衡プラズマが生じるような第１パルス電圧を印加して放電させることで、熱平衡プラズマを生成する熱平衡プラズマ生成制御を実行し、該熱平衡プラズマ生成制御の終了直後に、放電プラグ１３の電極１３ａ，１３ｂ間に、燃焼室６内に非平衡プラズマが生じるような第２パルス電圧を印加して放電させることで、非平衡プラズマを生成する第１非平衡プラズマ生成制御とを実行する。

図７は、熱平衡プラズマを生成する前の、放電プラグ１３の電極１３ａ，１３ｂ間におけるイオン、分子及び自由電子の分布を模式的に示す。図７に示すように、圧縮上死点近傍の時期には、筒内圧が高く、放電プラグ１３の中心電極１３ａと接地電極１３ｂとの間には、混合気を形成するイオンや分子が大量に存在する。このため、電極１３ａ，１３ｂ間に電圧を印加したとしても、自由電子が電極１３ａ，１３ｂ間を移動しにくく、放電されにくい。このため、非平衡プラズマが生成されにくい。

この図７の状態から、上記熱平衡プラズマ生成制御を実行すると、図８に示すように、電極１３ａ，１３ｂ間の自由電子の数が増加する。これは、上記熱平衡プラズマ生成制御により、放電プラグ１３の電極１３ａ，１３ｂ等から熱電子が放出されたり、電極１３ａ，１３ｂ間のイオンや分子から自由電子が乖離したりするためである。電極１３ａ，１３ｂ間の自由電子の数が増加して自由電子の数密度が増加すれば、電極１３ａ，１３ｂ間にイオンや分子が大量に存在したとしても、電極１３ａ，１３ｂ間で放電させることが可能となる。これにより、非平衡プラズマを生成することができるようになる。

図９には、圧縮行程後期に上記熱平衡プラズマ生成制御を実行した場合の燃焼室６内の状態を模式的に示している。図９では、圧縮上死点のクランク角を０°としており、これに対して進角側（圧縮上死点よりも早い時期）をマイナスで表し、遅角側（圧縮上死点よりも遅い時期）をプラスで表している。尚、圧縮行程は−１８０°〜０°の期間である。

図９に示すように、圧縮行程後期に上記熱平衡プラズマ生成制御を実行すると、放電プラグ１３の電極１３ａ，１３ｂ周辺に自由電子の数密度が高い領域Ｓが形成される。そして、上記熱平衡プラズマ生成制御の終了直後、上記第１非平衡プラズマ生成制御を実行すれば、上記領域Ｓにおいて、燃料の分解が促進される（低温酸化反応が進む）とともに、上記活性種が形成される。これにより、電極１３ａ，１３ｂ周辺から火炎が伝播して、燃焼室６内で混合気が燃焼するようになる。よって、エンジン１の燃焼安定性が向上する。

尚、筒内圧が４ＭＰａ以上になると、熱平衡プラズマの生成自体も困難になるため、上記熱平衡プラズマ生成制御は、圧縮行程後期のうち筒内圧が４ＭＰａ未満の期間で実行される。また、上記熱平衡プラズマ生成制御を実施する期間は、上記第１非平衡プラズマ生成制御を実行する期間と比べてかなり短く設定されている。具体的には、本実施形態では、放電プラグ１３の電極１３ａ，１３ｂ周辺に火炎核が形成されない程度の期間、例えば、クランク角で５°程度の期間だけ熱平衡プラズマ生成制御が実行される。ただし、本開示に係る技術は、放電プラグ１３の電極１３ａ，１３ｂ周辺に火炎核が形成される程度にまで、上記熱平衡プラズマ生成制御を実行することを排除しない。

本実施形態では、上記第１非平衡プラズマ生成制御の終了時期は、燃焼室６内で低温酸化反応が開始する付近の時期に設定されている。詳しくは、上記第１非平衡プラズマ生成制御の終了時期は、圧縮上死点前１０°〜３０°に設定されている（図９及び図１０では、圧縮上死点前３０°で終了する場合を例示している）。また、上記第１非平衡プラズマ生成制御を実施する期間は、基本的にはクランク角で１５°程度の期間に設定されている。上記第１非平衡プラズマ生成制御を実施する期間や終了する時期は、エンジン負荷やエンジン回転数により変更してもよい。例えば、エンジン負荷が高い程、上記第１非平衡プラズマ生成制御の終了時期を早い時期（進角側の時期）に設定してもよい。

ここで、圧縮行程後期においては、燃焼室６内では混合気が流動している。このため、上記熱平衡プラズマ生成制御を実行した後、上記非平衡プラズマ生成制御を実行するまでの期間が長いと、上記熱平衡プラズマ生成制御で放出された自由電子が、混合気の流れによって、放電プラグ１３の電極１３ａ，１３ｂ間から移動してしまう。そこで、本実施形態では、ＰＣＭ１００は、上記熱平衡プラズマ生成制御の終了後、クランク角度で５°以内に上記第１非平衡プラズマ生成制御を実行するように構成されている。すなわち、上述した「熱平衡プラズマ生成制御の終了直後」とは、クランク角度で５°以内の期間を意味している。尚、上記熱平衡プラズマ生成制御の終了後、クランク角度で５°以内の期間とは、上記熱平衡プラズマ生成制御の終了と同時を含む。

上記熱平衡プラズマ生成制御の終了後、クランク角度で５°以内の期間に、上記第１非平衡プラズマ生成制御を実行すれば、上記熱平衡プラズマ生成制御により放出された自由電子が電極１３ａ，１３ｂ間からあまり移動していないうちに非平衡プラズマを生成することができる。これにより、圧縮行程後期において、非平衡プラズマを効率良く生成することができる。この結果、エンジン１の燃焼安定性をより向上させることができる。

本実施形態では、上記熱平衡プラズマ生成制御と上記第１非平衡プラズマ生成制御とが連続していないとき、すなわち、上記熱平衡プラズマ生成制御の終了と同時に上記第１非平衡プラズマ生成制御を開始していないときには、上記熱平衡プラズマ生成制御の終了から上記第１非平衡プラズマ生成制御の開始までの間は、放電プラグ１３への電圧の印加を停止させないようにしている。具体的には、上記熱平衡プラズマ生成制御の終了から上記第１非平衡プラズマ生成制御の開始までの間は、非平衡プラズマが生成されない程度のパルス電圧を印加する。これにより、上記熱平衡プラズマ生成制御の終了後、放電プラグ１３の電極１３ａ，１３ｂ間の放電状態を維持して、上記第１非平衡プラズマ生成制御にスムーズに移行することができる。

ここで、本実施形態では、図１０に示すように、ＰＣＭ１００は、上記第１非平衡プラズマ生成制御に加えて、圧縮行程における上記熱平衡プラズマ生成制御を実行するよりも前の期間において、詳しくは、圧縮行程前期において、放電プラグ１３の電極１３ａ，１３ｂ間に、上記第２パルス電圧を繰り返し印加して放電させて、非平衡プラズマを生成する第２非平衡プラズマ生成制御を実行するように構成されている。すなわち、圧縮行程前期であれば、筒内圧はあまり高くなく、熱平衡プラズマを生成した後でなくとも非平衡プラズマを生成することが可能である。よって、圧縮行程前期に非平衡プラズマを生成することで、燃焼室６内に上記活性種を生成することができる。これにより、燃焼室６内で混合気がより燃焼しやすくなり、エンジン１の燃焼安定性を一層向上させることができる。また、圧縮行程前期に上記活性種を生成することで、生成された上記活性種が混合気の流動によって燃焼室６内に拡散する。これにより、混合気に着火した後、火炎が伝播しやすくなる。このため、エンジン１の燃焼安定性をより一層向上させることができる。

エンジン１の燃焼安定性を向上させる観点からは、上記第２非平衡プラズマ生成制御は、出来る限り長い期間行うことが好ましい。このため、本実施形態では、図１０に示すように、ＰＣＭ１００は、圧縮行程前期における半分以上の期間（すなわち、圧縮行程全体の１／４以上の期間）に亘って、上記第２非平衡プラズマ生成制御を実行する。より詳しくは、ＰＣＭ１００は、圧縮行程前期の半分よりも前の時期から、圧縮行程後期に入る直前までの期間、上記第２非平衡プラズマ生成制御を実行する。これにより、燃焼室６内で出来る限り多くの上記活性種を生成することができ、エンジン１の燃焼安定性をさらに向上させることができる。

次に、上記非平衡プラズマ生成制御及び上記熱平衡プラズマ生成制御を実行する際のＰＣＭ１００の処理動作について、図１１のフローチャートを参照しながら説明する。このフローチャートに基づく処理動作は、エンジン１が作動している間は１燃焼サイクル毎に実行される。

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

次のステップＳ２では、ＰＣＭ１００は、圧縮行程に入ったか否かを判定する。ＰＣＭ１００は、圧縮行程に入ったＹＥＳのときには、ステップＳ３に進む一方で、未だに圧縮行程に入っていないＮＯのときには、圧縮行程に入るまでステップＳ２の判定を繰り返す。

上記ステップＳ３では、ＰＣＭ１００は、上記第２非平衡プラズマ生成制御を開始する。

次の、ステップＳ４では、ＰＣＭ１００は、圧縮行程後期に入ったか否かを判定する。ＰＣＭ１００は、圧縮行程後期に入ったＹＥＳのときには、ステップＳ５に進む一方で、未だに圧縮行程に入っていないＮＯのときには、圧縮行程後期に入るまで、ステップＳ２の判定を繰り返し、上記第２非平衡プラズマ生成制御を継続して実行する。

上記ステップＳ５では、ＰＣＭ１００は、上記第２非平衡プラズマ生成制御を終了する。

次のステップＳ６では、ＰＣＭ１００は、上記熱平衡プラズマ生成制御及び上記第１非平衡プラズマ生成制御を実行する期間を設定する。このステップＳ６において、ＰＣＭ１００は、エンジン負荷及びエンジン回転数に基づいて、上記熱平衡プラズマ生成制御及び上記第１非平衡プラズマ生成制御を実行する期間を設定する。

続くステップＳ７では、ＰＣＭ１００は、上記熱平衡プラズマ生成制御を開始する。そして、上記ステップＳ６で設定した期間（基本的には、クランク角で５°程度）が経過したときに、次のステップＳ８において、上記熱平衡プラズマ生成制御を終了する。

次のステップＳ９では、上記第１非平衡プラズマ生成制御を開始する。そして、上記ステップＳ６で設定した期間（基本的には、クランク角で１５°程度）が経過したときに、次のステップＳ１０において、上記第１非平衡プラズマ生成制御を終了する。上記ステップＳ１０の後はリターンする。

したがって、本実施形態では、圧縮行程後期において、放電プラグ１３の電極１３ａ，１３ｂ間に、燃焼室６内に第１パルス電圧を印加して放電させることで、熱平衡プラズマを生成する熱平衡プラズマ生成制御を実行し、熱平衡プラズマ生成制御の終了直後に、放電プラグ１３の電極１３ａ，１３ｂ間に、第２パルス電圧を印加して放電させることで、非平衡プラズマを生成する第１非平衡プラズマ生成制御を実行する。これにより、圧縮行程後期においても、燃焼室６内に非平衡プラズマを効率的に生成することができ、エンジン１の燃焼安定性を向上させることができる。

また、本実施形態では、圧縮行程における上記熱平衡プラズマ生成制御よりも前の期間において、上記第２非平衡プラズマ生成制御を実行するため、筒内圧はあまり高くなく非平衡プラズマを生成可能な時期にも、燃焼室６内に上記活性種が生成される。これにより、燃焼室６内で混合気がより燃焼しやすくなり、エンジン１の燃焼安定性を一層向上させることができる。

さらに、本実施形態では、上記第１非平衡プラズマ生成制御は、上記熱平衡プラズマ生成制御の終了後、クランク角度で５°以内に実行されるため、燃焼室６内に混合気の流動が生じている状況であっても、上記熱平衡プラズマ生成制御により放出された自由電子が電極１３ａ，１３ｂ間からあまり移動していないうちに非平衡プラズマを生成することができる。これにより、圧縮行程後期において、非平衡プラズマを効率良く生成することができ、燃焼室６内での混合気の燃焼を促進させることができる。この結果、エンジン１の燃焼安定性をより一層向上させることができる。

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

例えば、上述の実施形態では、第１パルス電圧のパルス幅は、第１所定値以上（１μｓｅｃ以上）としたが、これに限らず、第１パルス電圧のパルス幅を、第１所定値未満にしてもよい。この場合、第１パルス電圧のピーク電圧を、１０ｋＶよりも大きく（例えば、２０ｋＶ）にするなどすればよい。また、第２パルス電圧のパルス幅は、第１所定値未満（１μｓｅｃ未満）としたが、これに限らず、第２パルス電圧のパルス幅を、１０μｓｅｃ未満の範囲で、第１所定値以上にしてもよい。この場合、第１パルス電圧のピーク電圧を、１０ｋＶ未満（例えば、８ｋＶ）にするなどすればよい。

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

さらに、上述の実施形態では、上記第１非平衡プラズマ生成制御において、放電プラグ１３の電極１３ａ，１３ｂ間に印加するパルス電圧と、上記第２非平衡プラズマ生成制御において、放電プラグ１３の電極１３ａ，１３ｂ間に印加するパルス電圧とを同じパルス電圧としていたが、パルス幅が０．０１μｓｅｃ以上且つ１μｓｅｃ未満、ピーク電圧が１ｋＶ以上かつ３０ｋＶ未満の範囲で、それぞれ異なるパルス電圧としてもよい。特に、上記第２非平衡プラズマ生成制御におけるパルス電圧は、圧縮行程前期に実行されるため、パルス幅やピーク電圧を、上記第１非平衡プラズマ生成制御におけるパルス電圧よりも小さくしたとしても、非平衡プラズマを生成することが可能である。

また、上記第２非平衡プラズマ生成制御を実行する期間は、圧縮行程前期における半分以上の期間であれば、エンジン回転数及びエンジン負荷に応じて変更してもよい。具体的には、エンジン回転数が高いほど、上記第２非平衡プラズマ生成制御を実行する期間を長く設定してもよい。また、エンジン負荷が低いほど、上記第２非平衡プラズマ生成制御を実行する期間を長く設定してもよい。

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

ここに開示された技術は、燃焼室が形成された気筒と、該気筒に嵌挿されたピストンの往復動により回転駆動されるクランクシャフトと、上記燃焼室内に燃料を供給する燃料供給手段とを備え、上記燃料供給手段により供給された燃料によって形成される混合気を上記燃焼室内で燃焼させるエンジンに有用である。

１ エンジン
５ ピストン
６ 燃焼室
７ クランクシャフト
１３ 放電プラグ（プラズマ生成手段）
１３ａ 中心電極（プラズマ生成手段の電極）
１３ｂ 接地電極（プラズマ生成手段の電極）
１４ インジェクタ（燃焼供給手段）
１００ ＰＣＭ（制御手段）

Claims (10)

1. 燃焼室が形成された気筒と、該気筒に嵌挿されたピストンの往復動により回転駆動されるクランクシャフトと、上記燃焼室内に臨むように配置され、電極間に電圧を印加することによる放電により上記燃焼室内にプラズマを生成するプラズマ生成手段と、上記燃焼室内に燃料を供給する燃料供給手段とを備え、上記燃料供給手段により供給された燃料によって形成される混合気を上記燃焼室内で燃焼させるエンジンの燃焼制御方法であって、
   圧縮行程後期において、上記プラズマ生成手段の上記電極間に、第１パルス電圧を印加して放電させることで、熱平衡プラズマを生成する熱平衡プラズマ生成工程と、
   上記熱平衡プラズマ生成工程の終了直後に、上記プラズマ生成手段の上記電極間に、第２パルス電圧を印加して放電させることで、非平衡プラズマを生成する第１非平衡プラズマ生成工程とを含むことを特徴とするエンジンの燃焼制御方法。
2. 請求項１に記載のエンジンの燃焼制御方法において、
   上記第１パルス電圧は、パルス幅が第１所定値以上パルス電圧であり、
   上記第２パルス電圧は、パルス幅が上記第１所定値よりも小さい第２所定値以上でかつ上記第１所定値未満のパルス電圧であることを特徴とするエンジンの燃焼制御方法。
3. 請求項１又は２に記載のエンジンの燃焼制御方法において、
   圧縮行程における上記熱平衡プラズマ生成工程よりも前の期間において、上記プラズマ生成手段の上記電極間に、上記第２パルス電圧を繰り返し印加して放電させることで、非平衡プラズマを生成する第２非平衡プラズマ生成工程をさらに含むことを特徴とするエンジンの燃焼制御方法。
4. 請求項１〜３のいずれか１つに記載のエンジンの燃焼制御方法において、
   上記第１非平衡プラズマ生成工程は、上記熱平衡プラズマ生成工程の終了後、クランク角度で５°以内に実行する工程であることを特徴とするエンジンの燃焼制御方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載のエンジンの燃焼制御方法において、
   上記エンジンは、幾何学的圧縮比が１５以上のエンジンであることを特徴とするエンジンの燃焼制御方法。
6. 燃焼室が形成された気筒と、該気筒に嵌挿されたピストンの往復動により回転駆動されるクランクシャフトと、上記燃焼室内に燃料を供給する燃料供給手段とを備え、上記燃料供給手段により供給された燃料によって形成される混合気を上記燃焼室内で燃焼させるエンジンの燃焼制御装置であって、
   上記燃焼室内に臨むように配置され、電極間に電圧を印加することによる放電により上記燃焼室内にプラズマを生成するプラズマ生成手段と、
   上記プラズマ生成手段の作動を制御する制御手段とを更に備え、
   上記制御手段は、圧縮行程後期において、上記プラズマ生成手段の上記電極間に、第１パルス電圧を印加して放電させることで、熱平衡プラズマを生成する熱平衡プラズマ生成制御を実行するとともに、上記熱平衡プラズマ生成制御の終了直後に、上記プラズマ生成手段の上記電極間に、第２パルス電圧を印加して放電させることで、非平衡プラズマを生成する第１非平衡プラズマ生成制御とを実行するように構成されていることを特徴とするエンジンの燃焼制御装置。
7. 請求項６に記載のエンジンの燃焼制御装置において、
   上記第１パルス電圧は、パルス幅が第１所定値以上パルス電圧であり、
   上記第２パルス電圧は、パルス幅が上記第１所定値よりも小さい第２所定値以上でかつ上記第１所定値未満のパルス電圧であることを特徴とするエンジンの燃焼制御装置。
8. 請求項６又は７に記載のエンジンの燃焼制御装置において、
   上記制御手段は、上記第１非平衡プラズマ生成制御に加えて、圧縮行程における上記熱平衡プラズマ生成制御を実行するよりも前の期間において、上記第２パルス電圧を繰り返し印加して、非平衡プラズマを生成する第２非平衡プラズマ生成制御を実行するように構成されていることを特徴とするエンジンの燃焼制御装置。
9. 請求項６〜８のいずれか１つに記載のエンジンの燃焼制御装置において、
   上記制御手段は、上記第１非平衡プラズマ生成制御を、上記熱平衡プラズマ生成制御の終了後、クランク角度で５°以内に実行するように構成されていることを特徴とするエンジンの燃焼制御装置。
10. 請求項６〜９のいずれか１つに記載のエンジンの燃焼制御装置において、
    上記エンジンは、幾何学的圧縮比が１５以上のエンジンであることを特徴とするエンジンの燃焼制御装置。

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