JP7056229B2

JP7056229B2 - Premixed compression ignition engine controller

Info

Publication number: JP7056229B2
Application number: JP2018033900A
Authority: JP
Inventors: 達也田中; 雄司原田
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2018-02-27
Filing date: 2018-02-27
Publication date: 2022-04-19
Anticipated expiration: 2038-02-27
Also published as: JP2019148234A

Description

ここに開示する技術は、予混合圧縮着火式エンジンの制御装置に関する。 The technique disclosed herein relates to a control device for a premixed compression ignition engine.

特許文献１には、リーンバーン運転を行う４ストローク型レシプロエンジンにおいて、電極間に低温プラズマ状態を形成することによって、筒内の流速を計測する技術が記載されている。具体的にこのエンジンでは、電圧制御回路が、点火時期よりも前に、点火プラグに短パルスの電界を与えることによって、電極間に低温プラズマ状態を形成している。 Patent Document 1 describes a technique for measuring a flow velocity in a cylinder by forming a low-temperature plasma state between electrodes in a 4-stroke reciprocating engine that performs lean burn operation. Specifically, in this engine, the voltage control circuit forms a low temperature plasma state between the electrodes by applying a short pulse electric field to the spark plug before the ignition timing.

特許文献２には、火花点火式のレシプロエンジンにおいて、ピストンの冠面に水を噴射する技術が記載されている。このエンジンは、燃焼期間中に冷却損失として失われる熱によって水を気化させると共に、膨張行程において、気化した蒸気の圧力エネルギを仕事として回収することにより、熱効率を向上させる。 Patent Document 2 describes a technique for injecting water onto the crown surface of a piston in a spark-ignition type reciprocating engine. This engine vaporizes water by the heat lost as a cooling loss during the combustion period, and improves thermal efficiency by recovering the pressure energy of the vaporized steam as work in the expansion stroke.

特開２０１４－１４１９１９号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-141919 特開２００８－１７５０７８号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2008-175078

ところで、特許文献１、２に記載されている火花点火式のエンジンとは異なり、燃焼室内に形成した混合気を圧縮着火によって燃焼させるエンジンにおいて、燃焼室内に低温プラズマを生成すると、混合気の着火性を向上させることができる。つまり、低温プラズマ放電によって生成した電子が燃焼室内の酸素や窒素などと化学反応することにより、燃焼室内に、オゾン又はＯラジカルなどの化学種を生成する。そして、オゾン又はＯラジカルなどの化学種が混合気の低温酸化反応を促進することにより、混合気の着火性が向上する。 By the way, unlike the spark ignition type engine described in Patent Documents 1 and 2, in an engine that burns an air-fuel mixture formed in a combustion chamber by compression ignition, when low-temperature plasma is generated in the combustion chamber, the air-fuel mixture is ignited. It is possible to improve the sex. That is, the electrons generated by the low-temperature plasma discharge chemically react with oxygen, nitrogen, etc. in the combustion chamber to generate chemical species such as ozone or O radicals in the combustion chamber. Then, the ignitability of the air-fuel mixture is improved by promoting the low-temperature oxidation reaction of the air-fuel mixture with chemical species such as ozone or O radicals.

しかしながら、低温プラズマによって混合気の着火性を向上させると、燃焼が急速に進行してしまう結果、例えばノッキング等の異常燃焼を招く恐れがある。圧縮着火式エンジンにおいては、混合気の着火性の向上と、異常燃焼の回避とを両立させることが求められる。 However, if the ignitability of the air-fuel mixture is improved by low-temperature plasma, combustion proceeds rapidly, and as a result, abnormal combustion such as knocking may occur. In a compression ignition type engine, it is required to improve the ignitability of the air-fuel mixture and avoid abnormal combustion at the same time.

ここに開示する技術は、予混合圧縮着火式エンジンにおいて、混合気の着火性の向上と、異常燃焼の回避とを両立させる。 The technique disclosed herein achieves both improvement of the ignitability of the air-fuel mixture and avoidance of abnormal combustion in the premixed compression ignition type engine.

ここに開示する技術は、予混合圧縮着火式エンジンの制御装置に係る。予混合圧縮着火式エンジンの制御装置は、吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程を繰り返す燃焼室を有しかつ、前記燃焼室内の混合気が圧縮着火により燃焼するエンジン本体と、前記燃焼室内に配設された一対の電極の間に電圧を印加することにより、前記燃焼室内にプラズマを生成するプラズマ生成部と、前記燃焼室内に燃料を直接噴射するインジェクタと、前記燃焼室内に水を供給する水供給部と、を備える。
The technique disclosed herein relates to a control device for a premixed compression ignition engine. The control device of the premixed compression ignition type engine has a combustion chamber that repeats an intake stroke, a compression stroke, an expansion stroke, and an exhaust stroke, and has an engine body in which the air-fuel mixture in the combustion chamber is burned by compression ignition, and the combustion chamber. A plasma generation unit that generates plasma in the combustion chamber by applying a voltage between the pair of electrodes arranged in the combustion chamber, an injector that directly injects fuel into the combustion chamber, and water is supplied to the combustion chamber. It is equipped with a water supply unit.

そして、前記プラズマ生成部は、吸気行程の開始から圧縮行程の終わりまでの期間における所定タイミングで、前記燃焼室内に低温プラズマを生成し、前記インジェクタは、前記低温プラズマの生成後に、前記燃焼室内に燃料を噴射し、前記水供給部は、前記燃料の供給後に、前記燃焼室内に水を供給する。
Then, the plasma generation unit generates low-temperature plasma in the combustion chamber at a predetermined timing in the period from the start of the intake stroke to the end of the compression stroke, and the injector in the combustion chamber after the generation of the low-temperature plasma. The fuel is injected , and the water supply unit supplies water to the combustion chamber after the fuel is supplied.

吸気行程の開始から圧縮行程の終わりまでの期間における所定タイミングで、プラズマ生成部が、燃焼室内に低温プラズマを生成すると、低温プラズマ放電によって生成した電子が燃焼室内の酸素や窒素などと化学反応することにより、燃焼室内に、オゾン又はＯラジカルなどの化学種が生成される。 When the plasma generator generates low-temperature plasma in the combustion chamber at a predetermined timing in the period from the start of the intake stroke to the end of the compression stroke, the electrons generated by the low-temperature plasma discharge chemically react with oxygen and nitrogen in the combustion chamber. As a result, chemical species such as ozone or O radicals are generated in the combustion chamber.

低温プラズマの生成後、インジェクタが燃焼室内に燃料を噴射することにより、燃焼室内に混合気が形成される。混合気は、オゾン又はＯラジカルなどの化学種によって、低温酸化反応が促進され、混合気の着火性が向上する。混合気は、安定的に、圧縮着火により燃焼する。
After the low temperature plasma is generated, the injector injects fuel into the combustion chamber to form an air-fuel mixture in the combustion chamber. In the air-fuel mixture, the low-temperature oxidation reaction is promoted by chemical species such as ozone or O radicals, and the ignitability of the air-fuel mixture is improved. The air-fuel mixture is stably burned by compression ignition.

燃料の供給後に、水供給部が、燃焼室内に水を供給する。燃焼が急速に進行することが抑制され、ノッキング等の異常燃焼が発生することが防止される。よって、混合気の着火性の向上と、異常燃焼の回避とが両立する。 After the fuel is supplied, the water supply unit supplies water to the combustion chamber. The rapid progress of combustion is suppressed, and abnormal combustion such as knocking is prevented from occurring. Therefore, the improvement of the ignitability of the air-fuel mixture and the avoidance of abnormal combustion are compatible.

また、前記の構成は、燃焼が緩慢になるため、燃焼騒音の低減に有利になると共に、排気エミッション性能の悪化を抑制することができる。 In addition, since the above-mentioned configuration slows down combustion, it is advantageous in reducing combustion noise and can suppress deterioration of exhaust emission performance.

さらに、燃焼室内に低温プラズマを生成することにより、高温プラズマを生成した場合とは異なり、燃焼室内のガス温度が高くなることを抑制することができる。燃焼温度が低くなるため、冷却損失が低減する。従って、前記の構成は、エンジンの燃費性能の向上にも有利になる。 Further, by generating the low temperature plasma in the combustion chamber, it is possible to suppress the increase in the gas temperature in the combustion chamber, unlike the case where the high temperature plasma is generated. Since the combustion temperature is low, the cooling loss is reduced. Therefore, the above configuration is also advantageous for improving the fuel efficiency of the engine.

前記プラズマ生成部は、前記エンジン本体が所定負荷よりも高負荷で運転しているときには、圧縮行程の後半に低温プラズマを生成すると共に、前記エンジン本体が前記所定負荷以下の低負荷で運転しているときには、吸気行程の終期から圧縮行程の初期の期間内であって、少なくとも圧縮行程を含む期間内に低温プラズマを生成する。但し、前記圧縮行程の後半は、圧縮行程を前半と後半とに二等分したときの後半であり、前記吸気行程の終期は、吸気行程を、初期、中期、及び終期に三等分したときの終期であり、前記圧縮行程の初期は、圧縮行程を初期、中期、及び終期に三等分したときの初期である。
When the engine body is operated at a load higher than the predetermined load, the plasma generation unit generates low-temperature plasma in the latter half of the compression stroke, and the engine body is operated at a low load equal to or lower than the predetermined load. When present, cold plasma is generated within the period from the end of the inspiratory stroke to the early stage of the compression stroke, at least within the period including the compression stroke . However, the latter half of the compression stroke is the latter half when the compression stroke is bisected into the first half and the second half, and the end of the intake stroke is when the intake stroke is bisected into the initial, middle, and final stages. The initial stage of the compression stroke is the initial stage when the compression stroke is divided into three equal parts at the initial stage, the middle stage, and the final stage.

低温プラズマの生成タイミングを早くすると、燃焼室内の全体に低温プラズマが拡散する。エンジン本体が高負荷で運転しているときに、低温プラズマの生成タイミングを早くすると、過早着火やノッキング等の異常燃焼を招く恐れがある。エンジン本体が高負荷で運転しているときには、低温プラズマの生成タイミングを遅くすることによって、異常燃焼の発生を防止することができる。一方、エンジン本体が低負荷で運転しているときには、過早着火やノッキング等の異常燃焼が発生しにくい一方、低温プラズマの生成タイミングを早くすることにより、燃焼室内の圧力が低くて、電極間において放電しやすい状態で、低温プラズマを生成することができる。低温プラズマの生成に必要な電力消費を抑制して、エンジンの燃費性能の向上に有利になる。
If the generation timing of the low temperature plasma is advanced, the low temperature plasma diffuses throughout the combustion chamber. If the low temperature plasma generation timing is advanced when the engine body is operating under a high load, abnormal combustion such as premature ignition or knocking may occur. When the engine body is operating under a high load, it is possible to prevent the occurrence of abnormal combustion by delaying the generation timing of the low temperature plasma. On the other hand, when the engine body is operating at a low load, abnormal combustion such as premature ignition and knocking is unlikely to occur, while by accelerating the generation timing of low temperature plasma, the pressure in the combustion chamber is low and the distance between the electrodes is low. It is possible to generate low-temperature plasma in a state where it is easy to discharge. It suppresses the power consumption required to generate low-temperature plasma, which is advantageous for improving the fuel efficiency of the engine.

前記水供給部は、前記燃焼室内の混合気が着火した後に、前記燃焼室内に水を供給する、としてもよい。
The water supply unit may supply water to the combustion chamber after the air-fuel mixture in the combustion chamber is ignited.

低温プラズマを生成することによって混合気が安定的に圧縮着火した後、燃焼が急速に進行してしまうことが、着火後に供給した水によって抑制される。異常燃焼が発生することを、効果的に防止することができる。
After the air-fuel mixture is stably compressed and ignited by generating low-temperature plasma, the rapid progress of combustion is suppressed by the water supplied after ignition. It is possible to effectively prevent the occurrence of abnormal combustion.

前記水供給部は、前記エンジン本体が前記所定負荷よりも高負荷で運転しているときに、前記燃焼室内に水を供給すると共に、前記エンジン本体が前記所定負荷以下の低負荷で運転しているときに、前記燃焼室内に水を供給しない、としてもよい。
The water supply unit supplies water to the combustion chamber when the engine body is operating at a load higher than the predetermined load, and the engine body is operated at a low load equal to or lower than the predetermined load. It may be said that water is not supplied to the combustion chamber when it is present.

エンジン本体が高負荷で運転しているときには、燃焼室内に供給する燃料量が多いため、急速燃焼になりやすく、異常燃焼が発生しやすい。エンジン本体が高負荷で運転しているときに、水供給部が燃焼室内に水を供給することによって、異常燃焼を効果的に防止することができる。一方、エンジン本体が低負荷で運転しているときには、燃焼室内に供給する燃料量が少ないため、異常燃焼が発生しにくい。エンジン本体が低負荷で運転しているときには、水供給部が燃焼室内に水を供給しなくても、異常燃焼を防止することができる。
When the engine body is operating under a high load, a large amount of fuel is supplied to the combustion chamber, so that rapid combustion is likely to occur and abnormal combustion is likely to occur. When the engine body is operating with a high load, the water supply unit supplies water to the combustion chamber, so that abnormal combustion can be effectively prevented. On the other hand, when the engine body is operating at a low load, the amount of fuel supplied to the combustion chamber is small, so that abnormal combustion is unlikely to occur. When the engine body is operating at a low load, abnormal combustion can be prevented even if the water supply unit does not supply water to the combustion chamber.

前記の予混合圧縮着火式エンジンの制御装置によると、混合気の着火性の向上と、異常燃焼の回避とが両立する。 According to the control device of the premixed compression ignition type engine, the improvement of the ignitability of the air-fuel mixture and the avoidance of abnormal combustion are compatible.

図１は、エンジンの構成を例示する図である。FIG. 1 is a diagram illustrating an engine configuration. 図２は、エンジンの制御装置の構成を例示するブロック図である。FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of an engine control device. 図３は、プラズマ生成装置の構成を例示する図である。FIG. 3 is a diagram illustrating the configuration of the plasma generator. 図４は、図３とは異なる構成のプラズマ生成装置を例示する図である。FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a plasma generator having a configuration different from that of FIG. 図５は、燃焼室内において低温プラズマ及び高温プラズマが生成する、放電開始からの時間と、電極間への印加電圧との関係を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the time from the start of discharge and the voltage applied between the electrodes, in which low-temperature plasma and high-temperature plasma are generated in the combustion chamber. 図６は、低温プラズマを生成する際に電極間に印加する電圧の時間波形を例示する図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a time waveform of a voltage applied between electrodes when generating low temperature plasma. 図７は、パッシェン曲線を例示する図である。FIG. 7 is a diagram illustrating the Paschen curve. 図８は、図６とは異なる、低温プラズマを生成する際に電極間に印加する電圧の時間波形を例示する図である。FIG. 8 is a diagram illustrating a time waveform of a voltage applied between the electrodes when generating a low temperature plasma, which is different from FIG. 図９は、エンジンの運転領域を例示する図である。FIG. 9 is a diagram illustrating an operating region of the engine. 図１０の上図は、低負荷の第一運転状態において、筒内圧力の変化曲線と共に、燃焼室内にプラズマを生成するタイミング、及び、燃料を噴射するタイミングを例示する図であり、図１０の下図は、高負荷の第二運転状態において、筒内圧力の変化曲線と共に、燃焼室内にプラズマを生成するタイミング、燃料を噴射するタイミング、及び、水を噴射するタイミングを例示する図であり、The upper figure of FIG. 10 is a diagram illustrating the timing of generating plasma in the combustion chamber and the timing of injecting fuel together with the change curve of the in-cylinder pressure in the first operating state with a low load. The figure below illustrates the timing of plasma generation, fuel injection, and water injection in the combustion chamber, along with the in-cylinder pressure change curve in the second operating state with a high load. 図１１は、エンジンの運転に係る制御を例示するフローチャートである。FIG. 11 is a flowchart illustrating control related to engine operation.

以下、予混合圧縮着火式エンジンの制御装置の例示的な実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、エンジン１の構成を例示する図である。図２は、エンジンの制御装置の構成を例示するブロック図である。なお、図１において、吸気側は紙面左側であり、排気側は紙面右側である。 Hereinafter, exemplary embodiments of the control device for the premixed compression ignition engine will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram illustrating the configuration of the engine 1. FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of an engine control device. In FIG. 1, the intake side is on the left side of the paper surface, and the exhaust side is on the right side of the paper surface.

エンジン１は、燃焼室１７が吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程を繰り返すことにより運転する４ストロークエンジンである。エンジン１は、四輪の自動車に搭載される。自動車は、エンジン１が運転することによって走行する。エンジン１の燃料は、この構成例においてはガソリンである。燃料は、バイオエタノール等を含むガソリンであってもよい。エンジン１の燃料は、少なくともガソリンを含む液体燃料であれば、どのような燃料であってもよい。 The engine 1 is a 4-stroke engine in which the combustion chamber 17 is operated by repeating an intake stroke, a compression stroke, an expansion stroke, and an exhaust stroke. The engine 1 is mounted on a four-wheeled vehicle. The automobile runs by driving the engine 1. The fuel of the engine 1 is gasoline in this configuration example. The fuel may be gasoline containing bioethanol or the like. The fuel of the engine 1 may be any fuel as long as it is at least a liquid fuel containing gasoline.

〈エンジンの構成〉
エンジン１は、図１では一つのシリンダ１１のみを示すが、複数のシリンダ１１を有する多気筒エンジンである。このエンジン１は、燃焼室１７を有するエンジン本体２を備える。エンジン本体２は、シリンダブロック１２と、シリンダブロック１２上に載置されるシリンダヘッド１３とを備えている。 <Engine configuration>
Although the engine 1 shows only one cylinder 11 in FIG. 1, it is a multi-cylinder engine having a plurality of cylinders 11. The engine 1 includes an engine body 2 having a combustion chamber 17. The engine body 2 includes a cylinder block 12 and a cylinder head 13 mounted on the cylinder block 12.

各シリンダ１１内には、ピストン３が摺動自在に内挿されている。ピストン３は、コネクティングロッド１４を介して、図示を省略するクランクシャフトに連結されている。ピストン３は、シリンダ１１及びシリンダヘッド１３と共に燃焼室１７を区画する。ここで、「燃焼室」は、ピストン３が圧縮上死点に至ったときの空間の意味に限定されない。「燃焼室」の語は広義で用いる場合がある。つまり、「燃焼室」は、ピストン３の位置に関わらず、ピストン３、シリンダ１１及びシリンダヘッド１３によって形成される空間を意味する場合がある。「燃焼室」は、「シリンダ１１の内部」と言い換えることも可能である。 A piston 3 is slidably inserted in each cylinder 11. The piston 3 is connected to a crankshaft (not shown) via a connecting rod 14. The piston 3 partitions the combustion chamber 17 together with the cylinder 11 and the cylinder head 13. Here, the "combustion chamber" is not limited to the meaning of the space when the piston 3 reaches the compression top dead center. The term "combustion chamber" may be used in a broad sense. That is, the "combustion chamber" may mean the space formed by the piston 3, the cylinder 11 and the cylinder head 13 regardless of the position of the piston 3. The "combustion chamber" can be paraphrased as "inside the cylinder 11".

シリンダヘッド１３の下面、つまり燃焼室１７の天井面は、いわゆるペントルーフ形状である。ピストン３の上面は、燃焼室１７の天井面に向かって***している。エンジン本体２の幾何学的圧縮比は、１５以上且つ３０以下に設定されている。後述するように、エンジン本体２は、高い幾何学的圧縮比を利用して、燃焼室１７内の混合気を、圧縮着火により燃焼させる。 The lower surface of the cylinder head 13, that is, the ceiling surface of the combustion chamber 17, has a so-called pent roof shape. The upper surface of the piston 3 is raised toward the ceiling surface of the combustion chamber 17. The geometric compression ratio of the engine body 2 is set to 15 or more and 30 or less. As will be described later, the engine body 2 utilizes a high geometric compression ratio to burn the air-fuel mixture in the combustion chamber 17 by compression ignition.

シリンダヘッド１３には、シリンダ１１毎に、吸気ポート１８が形成されている。吸気ポート１８は、燃焼室１７に連通している。吸気ポート１８には、吸気弁２１が設けられている。吸気弁２１は、燃焼室１７と吸気ポート１８との間で吸気ポート１８を開閉する。エンジン本体２には、吸気弁２１の動弁機構２３（図２参照）が設けられている。吸気弁２１は、動弁機構２３によって所定のタイミングで開閉する。吸気弁２１の動弁機構２３は、バルブタイミング及び／又はバルブリフトを可変にする可変動弁機構とすればよい。 The cylinder head 13 is formed with an intake port 18 for each cylinder 11. The intake port 18 communicates with the combustion chamber 17. The intake port 18 is provided with an intake valve 21. The intake valve 21 opens and closes the intake port 18 between the combustion chamber 17 and the intake port 18. The engine body 2 is provided with a valve operation mechanism 23 (see FIG. 2) for the intake valve 21. The intake valve 21 is opened and closed at a predetermined timing by the valve operating mechanism 23. The valve operating mechanism 23 of the intake valve 21 may be a variable valve mechanism that makes the valve timing and / or the valve lift variable.

シリンダヘッド１３にはまた、シリンダ１１毎に、排気ポート１９が形成されている。排気ポート１９は、燃焼室１７に連通している。排気ポート１９には、排気弁２２が設けられている。排気弁２２は、燃焼室１７と排気ポート１９との間で排気ポート１９を開閉する。エンジン本体２には、排気弁２２の動弁機構２４（図２参照）が設けられている。排気弁２２は、動弁機構２４によって所定のタイミングで開閉する。排気弁２２の動弁機構２４は、バルブタイミング及び／又はバルブリフトを可変にする可変動弁機構とすればよい。 The cylinder head 13 is also formed with an exhaust port 19 for each cylinder 11. The exhaust port 19 communicates with the combustion chamber 17. The exhaust port 19 is provided with an exhaust valve 22. The exhaust valve 22 opens and closes the exhaust port 19 between the combustion chamber 17 and the exhaust port 19. The engine body 2 is provided with a valve operation mechanism 24 (see FIG. 2) for the exhaust valve 22. The exhaust valve 22 is opened and closed at a predetermined timing by the valve operating mechanism 24. The valve operation mechanism 24 of the exhaust valve 22 may be a variable valve mechanism that makes the valve timing and / or the valve lift variable.

シリンダヘッド１３には、シリンダ１１毎に、インジェクタ６が取り付けられている。インジェクタ６は、燃焼室１７の中に燃料を直接噴射するように構成されている。インジェクタ６は、燃料供給部の一例である。インジェクタ６は、図１の構成例においては、シリンダ１１の中心付近に配設されている。インジェクタ６の配設箇所は、図１の構成例に限定されるものではない。インジェクタ６は、詳細な図示は省略するが、例えば複数の噴口を有する多噴口型の燃焼噴射弁によって構成されている。インジェクタ６は、外開弁式の燃料噴射弁によって構成してもよい。 An injector 6 is attached to the cylinder head 13 for each cylinder 11. The injector 6 is configured to inject fuel directly into the combustion chamber 17. The injector 6 is an example of a fuel supply unit. In the configuration example of FIG. 1, the injector 6 is arranged near the center of the cylinder 11. The location where the injector 6 is arranged is not limited to the configuration example shown in FIG. Although detailed illustration is omitted, the injector 6 is composed of, for example, a multi-injection type combustion injection valve having a plurality of injection ports. The injector 6 may be configured by an externally open valve type fuel injection valve.

シリンダヘッド１３にはまた、シリンダ１１毎に、水噴射弁６１が取り付けられている。水噴射弁６１は、燃焼室１７の中に水を噴射するよう構成されている。水噴射弁６１は、水供給部の一例である。図１の構成例においては、水噴射弁６１は、シリンダ１１の中心付近に配設されている。インジェクタ６と水噴射弁６１とは、例えばシリンダ列の方向に位置がずれていてもよい。尚、水噴射弁６１の配設位置は、図１の構成例に限定されない。水噴射弁６１は、詳細な図示は省略するが、インジェクタ６と同様に、例えば多噴口型の噴射弁によって構成してもよい。また、水噴射弁６１は、例えば外開弁式の噴射弁によって構成してもよい。 A water injection valve 61 is also attached to the cylinder head 13 for each cylinder 11. The water injection valve 61 is configured to inject water into the combustion chamber 17. The water injection valve 61 is an example of a water supply unit. In the configuration example of FIG. 1, the water injection valve 61 is arranged near the center of the cylinder 11. The injector 6 and the water injection valve 61 may be displaced from each other in the direction of the cylinder row, for example. The arrangement position of the water injection valve 61 is not limited to the configuration example of FIG. Although detailed illustration is omitted, the water injection valve 61 may be configured by, for example, a multi-injection type injection valve, similarly to the injector 6. Further, the water injection valve 61 may be configured by, for example, an externally open type injection valve.

シリンダヘッド１３には、シリンダ１１毎に、放電電極４が取り付けられている。本構成例において、放電電極４は、燃焼室１７で、インジェクタ６よりも排気側に配置されている。詳細は後述するが、放電電極４は、放電を行うことにより、燃焼室１７の中においてプラズマを生成する。放電電極４は、燃焼室１７内に配設された一対の電極の一例である。 A discharge electrode 4 is attached to the cylinder head 13 for each cylinder 11. In this configuration example, the discharge electrode 4 is arranged in the combustion chamber 17 on the exhaust side of the injector 6. Although the details will be described later, the discharge electrode 4 generates plasma in the combustion chamber 17 by performing discharge. The discharge electrode 4 is an example of a pair of electrodes arranged in the combustion chamber 17.

放電電極４は、例えば図３に例示するように、中心電極４１と、接地電極４２と、中心電極４１と接地電極４２との間に介在する絶縁体４３とを、有している。中心電極４１と絶縁体４３とは、筒体４４に収容されている。接地電極４２は、側面視でＬ字状に構成されている。接地電極４２の根元は、筒体４４の下端面に、導通状態で固定されている。接地電極４２の先端は、中心電極４１に対向している。放電電極４は、火花点火用の一般的な点火プラグと同様の構成を有している。 The discharge electrode 4 has, for example, as illustrated in FIG. 3, a center electrode 41, a ground electrode 42, and an insulator 43 interposed between the center electrode 41 and the ground electrode 42. The center electrode 41 and the insulator 43 are housed in the tubular body 44. The ground electrode 42 is configured in an L shape when viewed from the side. The base of the ground electrode 42 is fixed to the lower end surface of the tubular body 44 in a conductive state. The tip of the ground electrode 42 faces the center electrode 41. The discharge electrode 4 has the same configuration as a general spark plug for spark ignition.

放電電極４の中心電極４１と接地電極４２との間のギャップは、燃焼室１７の中に臨んでおり、且つ燃焼室１７の天井面の付近に位置している。 The gap between the center electrode 41 of the discharge electrode 4 and the ground electrode 42 faces the inside of the combustion chamber 17 and is located near the ceiling surface of the combustion chamber 17.

放電電極４は、このエンジン１において、燃焼室１７内に低温プラズマを生成するプラズマ生成装置４９を構成する。プラズマ生成装置４９は、例えば図３に示すように、放電電極４と、放電電極４に電圧を印加する印加部４５とを備えている。図３に例示する印加部４５は、交流式に構成されている。印加部４５は、所望の周波数の交流電流を発生する周波数発生回路４５１と、周波数発生回路４５１が発生させた所望の周波数の交流電流を、所望の電圧まで昇圧する昇圧回路４５２と、を有している。印加部４５は、後述するＥＣＵ１０からの制御信号に従って、放電電極４の電極間に、所定の周波数でかつ、所定の電圧を印加する。印加部４５は、ＥＣＵ１０と共に、電極の間に電圧を印加する制御部を構成する。プラズマ生成装置４９は、プラズマ生成部の一例である。 The discharge electrode 4 constitutes a plasma generator 49 that generates low-temperature plasma in the combustion chamber 17 in the engine 1. As shown in FIG. 3, for example, the plasma generation device 49 includes a discharge electrode 4 and an application unit 45 for applying a voltage to the discharge electrode 4. The application unit 45 illustrated in FIG. 3 is configured in an alternating current manner. The application unit 45 includes a frequency generation circuit 451 that generates an alternating current of a desired frequency, and a booster circuit 452 that boosts the alternating current of a desired frequency generated by the frequency generation circuit 451 to a desired voltage. ing. The application unit 45 applies a predetermined voltage at a predetermined frequency between the electrodes of the discharge electrode 4 according to a control signal from the ECU 10 described later. The application unit 45, together with the ECU 10, constitutes a control unit that applies a voltage between the electrodes. The plasma generator 49 is an example of a plasma generator.

尚、放電電極は、図３に示す構成に限定されない。例えば図４は、放電電極の変形例を例示している。この放電電極４０は、Ｌ字状の接地電極を省略し、絶縁体４３を囲む筒体４４が、接地電極を構成している。放電電極４０は、いわゆる沿面型の点火プラグによって構成してもよい。 The discharge electrode is not limited to the configuration shown in FIG. For example, FIG. 4 illustrates a modified example of the discharge electrode. The discharge electrode 40 omits the L-shaped ground electrode, and the tubular body 44 surrounding the insulator 43 constitutes the ground electrode. The discharge electrode 40 may be configured by a so-called creeping spark plug.

また、印加部は、図３に示す交流式に構成することに限らず、例えば図４に示すように、直流式の印加部４６に構成してもよい。直流式の印加部４６は、所望の高電圧の直流電流を発生させる高電圧発生回路４６１と、高電圧の直流電流を、所望の周波数のパルス波形に変換するスイッチング回路４６２と、を有している。印加部４６も、後述するＥＣＵ１０からの制御信号に従って、放電電極４０の電極間に、所定の周波数でかつ、所定の電圧を印加する。印加部４６は、ＥＣＵ１０と共に、電極の間に電圧を印加する制御部を構成する。 Further, the application unit is not limited to the AC type shown in FIG. 3, and may be configured as a DC type application unit 46 as shown in FIG. 4, for example. The direct current type application unit 46 includes a high voltage generation circuit 461 that generates a desired high voltage direct current, and a switching circuit 462 that converts the high voltage direct current into a pulse waveform of a desired frequency. There is. The application unit 46 also applies a predetermined voltage at a predetermined frequency between the electrodes of the discharge electrode 40 according to a control signal from the ECU 10 described later. The application unit 46, together with the ECU 10, constitutes a control unit that applies a voltage between the electrodes.

尚、図３に示す放電電極４と、図４に示す印加部４６とを組み合わせること、及び、図３に示す印加部４５と、図４に示す放電電極４０とを組み合わせることもそれぞれ可能である。 It is also possible to combine the discharge electrode 4 shown in FIG. 3 and the application unit 46 shown in FIG. 4, and to combine the application unit 45 shown in FIG. 3 and the discharge electrode 40 shown in FIG. 4, respectively. ..

エンジン本体２の吸気ポート１８には、図示を省略する吸気通路が接続される。吸気通路には、スロットル弁５１が介設している（図２を参照）。また、エンジン本体２の排気ポート１９には、図示を省略する排気通路が接続される。排気通路には、燃焼室１７から排出された排気ガスを浄化する触媒コンバーターが配設されている。また、排気通路及び吸気通路にはそれぞれ、排気ガスの一部を吸気通路に還流させるＥＧＲ通路が接続される。ＥＧＲ通路には、排気ガスの還流量を調整するＥＧＲ弁５２が介設している（図２を参照）。 An intake passage (not shown) is connected to the intake port 18 of the engine body 2. A throttle valve 51 is interposed in the intake passage (see FIG. 2). Further, an exhaust passage (not shown) is connected to the exhaust port 19 of the engine body 2. A catalytic converter that purifies the exhaust gas discharged from the combustion chamber 17 is arranged in the exhaust passage. Further, an EGR passage for returning a part of the exhaust gas to the intake passage is connected to the exhaust passage and the intake passage, respectively. An EGR valve 52 for adjusting the amount of exhaust gas recirculation is interposed in the EGR passage (see FIG. 2).

エンジン１は、エンジン本体２を運転するためのＥＣＵ（Engine Control Unit）１０を備えている。ＥＣＵ１０は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラーである。ＥＣＵ１０は、図４に示すように、プログラムを実行する中央演算処理装置（Central Processing Unit：ＣＰＵ）１０１と、例えばＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）により構成されてプログラム及びデータを格納するメモリ１０２と、電気信号の入出力をする入出力バス１０３とを備えている。 The engine 1 includes an ECU (Engine Control Unit) 10 for operating the engine main body 2. The ECU 10 is a controller based on a well-known microcomputer. As shown in FIG. 4, the ECU 10 is composed of a central processing unit (CPU) 101 for executing a program, and for example, a RAM (Random Access Memory) or a ROM (Read Only Memory), and stores programs and data. It includes a memory 102 for storing and an input / output bus 103 for inputting / outputting electric signals.

前記のスロットル弁５１、ＥＧＲ弁５２、インジェクタ６、プラズマ生成装置４９、水噴射弁６１、吸気動弁機構２３、及び、排気動弁機構２４はそれぞれ、ＥＣＵ１０に接続されている。ＥＣＵ１０にはまた、少なくともセンサ７１～７４が接続されている。センサ７１～７４はそれぞれ、検知信号をＥＣＵ１０に出力する。 The throttle valve 51, the EGR valve 52, the injector 6, the plasma generator 49, the water injection valve 61, the intake valve mechanism 23, and the exhaust valve mechanism 24 are each connected to the ECU 10. At least sensors 71 to 74 are also connected to the ECU 10. Each of the sensors 71 to 74 outputs a detection signal to the ECU 10.

当該センサには、吸気通路に配置されたエアフローセンサ７１が含まれる。エアフローセンサ７１は、吸気通路を流れる新気の流量を検知する。 The sensor includes an airflow sensor 71 arranged in the intake passage. The air flow sensor 71 detects the flow rate of fresh air flowing through the intake passage.

前記センサには、エンジン本体２に取り付けられた水温センサ７２、及び、クランク角センサ７３が含まれる。水温センサ７２は、冷却水の温度を検知する。クランク角センサ７３は、クランクシャフトの回転角を検知する。 The sensor includes a water temperature sensor 72 attached to the engine body 2 and a crank angle sensor 73. The water temperature sensor 72 detects the temperature of the cooling water. The crank angle sensor 73 detects the rotation angle of the crankshaft.

前記センサには、アクセルペダル機構に取り付けられたアクセル開度センサ７４が含まれる。アクセル開度センサ７４は、アクセル開度を検知する。 The sensor includes an accelerator opening sensor 74 attached to the accelerator pedal mechanism. The accelerator opening sensor 74 detects the accelerator opening.

ＥＣＵ１０は、これらの検知信号に基づいて、エンジン本体２の運転状態を判断すると共に、各デバイスの制御量を計算する。ＥＣＵ１０は、計算した制御量に係る制御信号をスロットル弁５１、ＥＧＲ弁５２、インジェクタ６、プラズマ生成装置４９、水噴射弁６１、吸気動弁機構２３、及び、排気動弁機構２４に出力する。 Based on these detection signals, the ECU 10 determines the operating state of the engine body 2 and calculates the control amount of each device. The ECU 10 outputs a control signal related to the calculated control amount to the throttle valve 51, the EGR valve 52, the injector 6, the plasma generator 49, the water injection valve 61, the intake valve mechanism 23, and the exhaust valve mechanism 24.

〈エンジンの運転制御〉
図９は、エンジン回転数（横軸）とエンジン負荷（縦軸）とによって定まるエンジン１の運転領域を例示している。このエンジン１は、運転領域の全域において、燃焼室１７内の混合気を圧縮着火により燃焼させるよう構成されている。エンジン１は、混合気が安定的に圧縮着火するように、燃焼室１７内において低温プラズマを生成する。低温プラズマ放電によって生成した電子が燃焼室１７内の酸素や窒素などと化学反応することにより、燃焼室１７内に、オゾン又はＯラジカルなどの化学種が生成される。そして、オゾン又はＯラジカルなどの化学種が混合気の低温酸化反応を促進することにより、混合気の着火性が向上する。 <Engine operation control>
FIG. 9 illustrates an operating region of the engine 1 determined by the engine speed (horizontal axis) and the engine load (vertical axis). The engine 1 is configured to burn the air-fuel mixture in the combustion chamber 17 by compression ignition in the entire operating region. The engine 1 generates low-temperature plasma in the combustion chamber 17 so that the air-fuel mixture is stably compressed and ignited. The electrons generated by the low temperature plasma discharge chemically react with oxygen, nitrogen, etc. in the combustion chamber 17, and chemical species such as ozone or O radicals are generated in the combustion chamber 17. Then, the ignitability of the air-fuel mixture is improved by promoting the low-temperature oxidation reaction of the air-fuel mixture with chemical species such as ozone or O radicals.

ここで、燃焼室１７内の中心電極４１と接地電極４２との間のギャップにおいて高温プラズマを生成すると、燃焼室１７の中の中心電極４１と接地電極４２との間のギャップ付近のガス温度が高くなって、燃焼温度が高くなってしまう。燃焼室１７内において低温プラズマを生成すると、燃焼室１７の中の中心電極４１と接地電極４２との間のギャップ付近のガス温度が高くなることが抑制され、燃焼温度を低くすることができる。これは、冷却損失の低減に有利になる。 Here, when high temperature plasma is generated in the gap between the center electrode 41 and the ground electrode 42 in the combustion chamber 17, the gas temperature in the vicinity of the gap between the center electrode 41 and the ground electrode 42 in the combustion chamber 17 rises. It gets higher and the combustion temperature gets higher. When low-temperature plasma is generated in the combustion chamber 17, the gas temperature near the gap between the center electrode 41 and the ground electrode 42 in the combustion chamber 17 is suppressed from rising, and the combustion temperature can be lowered. This is advantageous in reducing the cooling loss.

従って、燃焼室１７内の中心電極４１と接地電極４２との間のギャップにおいて低温プラズマを生成することにより、圧縮着火燃焼による熱効率の向上と共に、冷却損失が低減し、エンジン１の熱効率を大幅に向上させることができる。 Therefore, by generating low temperature plasma in the gap between the center electrode 41 and the ground electrode 42 in the combustion chamber 17, the thermal efficiency due to the compression ignition combustion is improved, the cooling loss is reduced, and the thermal efficiency of the engine 1 is greatly improved. Can be improved.

〈低温プラズマの生成〉
図５は、燃焼室１７内が、大気圧又は大気圧以上であるときに、低温プラズマ及び高温プラズマが生成する、放電開始からの時間（横軸）と、電極間に印加した電圧（縦軸）との関係を示している。低温プラズマは、図５に破線で囲んだ領域５Ａのように、放電開始からの時間を短くする（つまり、超短パルスの電圧を電極間に印加する）、及び／又は、高電圧を電極間に印加することによって生成することが可能であるが、それを実現するためのプラズマ生成装置は、コストが増大してしまうと共に、消費電力も増大してしまう。自動車の燃費性能の向上のために、燃焼室１７内の中心電極４１と接地電極４２との間のギャップに低温プラズマを生成させようとしたときに、超短パルスの電圧を電極間に印加する、及び／又は、高電圧を電極間に印加するプラズマ生成装置は、自動車への搭載に不利である。 <Generation of low temperature plasma>
FIG. 5 shows the time from the start of discharge (horizontal axis) at which low-temperature plasma and high-temperature plasma are generated when the inside of the combustion chamber 17 is at atmospheric pressure or above atmospheric pressure, and the voltage applied between the electrodes (vertical axis). ) Is shown. The low temperature plasma shortens the time from the start of discharge (that is, applies an ultrashort pulse voltage between the electrodes) and / or applies a high voltage between the electrodes, as shown in the region 5A surrounded by a broken line in FIG. Although it can be generated by applying the voltage to the plasma generator, the cost of the plasma generator for realizing the voltage increases and the power consumption also increases. An ultrashort pulse voltage is applied between the electrodes when trying to generate low temperature plasma in the gap between the center electrode 41 and the ground electrode 42 in the combustion chamber 17 in order to improve the fuel efficiency of the automobile. And / or a plasma generator that applies a high voltage between the electrodes is disadvantageous for mounting in an automobile.

図５に破線で囲んだ領域５Ｂのように、低温プラズマは、放電開始からの時間が比較的長い、及び／又は、電圧が比較的低いときにも生成することが可能であるが、この条件では、低温プラズマを安定的に生成することは難しい。 As shown in the region 5B surrounded by the broken line in FIG. 5, the low temperature plasma can be generated even when the time from the start of discharge is relatively long and / or the voltage is relatively low. Then, it is difficult to stably generate low temperature plasma.

そこで、ここに開示するプラズマの生成方法は、燃焼室１７内の中心電極４１と接地電極４２との間のギャップにおいて先ず高温プラズマを生成する（図５の符号５Ｃの領域参照）。このことにより、電極間に、熱電子や高温のラジカルを残留させ、その状態で、符号５Ｂで示すように、電極間に、所定の高周波の比較的低い電圧を印加することにより、低温プラズマを生成する（図５の白抜きの矢印参照）。 Therefore, the plasma generation method disclosed here first generates high-temperature plasma in the gap between the center electrode 41 and the ground electrode 42 in the combustion chamber 17 (see the region of reference numeral 5C in FIG. 5). As a result, thermions and high-temperature radicals remain between the electrodes, and in that state, as shown by reference numeral 5B, a predetermined high-frequency, relatively low voltage is applied between the electrodes to generate low-temperature plasma. Generate (see the white arrow in FIG. 5).

こうすることで、超短パルスの電圧を電極間に印加したり、高電圧を電極間に印加したりしなくても、低温プラズマを安定的に生成することができる。また、超短パルスの電圧を電極間に印加したり、高電圧を電極間に印加したりする必要がなくなるから、プラズマ生成装置のコストが下がる。さらに、低温プラズマの生成時の消費電力が低くなるから、自動車へ搭載したときに、燃費性能が低下することが回避される。 By doing so, low-temperature plasma can be stably generated without applying an ultrashort pulse voltage between the electrodes or applying a high voltage between the electrodes. Further, since it is not necessary to apply an ultrashort pulse voltage between the electrodes or a high voltage between the electrodes, the cost of the plasma generator is reduced. Further, since the power consumption at the time of generating the low temperature plasma is low, it is possible to prevent the fuel consumption performance from being deteriorated when the low temperature plasma is mounted on the automobile.

具体的に、図６は、印加部４５が放電電極４の電極間に印加する電圧の時間波形を例示している。印加部４５は、図６に例示するように、最初に、所定電圧よりも高い第一電圧を、放電電極４の電極間に印加する（つまり、第１ステップ）。ここで、所定電圧は、パッシェン（Paschen）の法則によって定まる電圧である。パッシェンの法則は、電極間に絶縁破壊が発生する電圧に関する実験側であり、図７に示すように、パッシェンの法則によって定まる所定電圧は、電極間の距離（つまり、ギャップ長）と燃焼室１７内の圧力との積の関数である。パッシェン曲線によると、電極間の距離が長い、及び／又は、圧力が高いと、所定電圧は高くなる。パッシェンの法則によって定まる電圧以上の第一電圧を電極間に印加することによって（図５の５Ｃ参照）、電極間に絶縁破壊が生じ、高温プラズマを、燃焼室１７内に生成することができる。第一電圧は、幾何学的圧縮が１５以上に設定されかつ、後述するように、圧縮行程の後半の期間に第一電圧を電極間に印加する場合は、例えば５ｋＶ以上としてもよい。 Specifically, FIG. 6 illustrates a time waveform of a voltage applied between the electrodes of the discharge electrode 4 by the application unit 45. As illustrated in FIG. 6, the application unit 45 first applies a first voltage higher than a predetermined voltage between the electrodes of the discharge electrode 4 (that is, the first step). Here, the predetermined voltage is a voltage determined by Paschen's law. Paschen's law is the experimental side regarding the voltage at which dielectric breakdown occurs between electrodes, and as shown in FIG. 7, the predetermined voltage determined by Paschen's law is the distance between the electrodes (that is, the gap length) and the combustion chamber 17 It is a function of the product of the pressure inside. According to the Paschen curve, the longer the distance between the electrodes and / or the higher the pressure, the higher the predetermined voltage. By applying a first voltage between the electrodes, which is higher than the voltage determined by Paschen's law (see 5C in FIG. 5), dielectric breakdown occurs between the electrodes, and high-temperature plasma can be generated in the combustion chamber 17. The first voltage may be, for example, 5 kV or more when the geometric compression is set to 15 or more and the first voltage is applied between the electrodes during the latter half of the compression stroke, as will be described later.

次に、第一電圧を電極間に印加した後に続けて、印加部４５は、第一電圧よりも低い第二電圧を、所定の高周波で、放電電極４の電極間に印加する（つまり、第２ステップ）。第二電圧は、低温プラズマが生成される電圧でかつ、所定の高周波も、低温プラズマが生成される周波数である。第二電圧は、第一電圧よりも０．５ｋＶ以上低い電圧としてもよい。また、所定の高周波は、１０ｋＨｚ以上、１０００ｋＨｚ以下の周波数としてもよい。第二電圧を、所定の高周波で電極間に印加することにより、燃焼室１７内に低温プラズマを生成することができる（図５の５Ｂ参照）。第二電圧の印加は、所定の期間、継続してもよい。 Next, after applying the first voltage between the electrodes, the application unit 45 applies a second voltage lower than the first voltage between the electrodes of the discharge electrode 4 at a predetermined high frequency (that is, the first voltage). 2 steps). The second voltage is a voltage at which low-temperature plasma is generated, and a predetermined high frequency is also a frequency at which low-temperature plasma is generated. The second voltage may be a voltage 0.5 kV or more lower than the first voltage. Further, the predetermined high frequency may be a frequency of 10 kHz or more and 1000 kHz or less. By applying a second voltage between the electrodes at a predetermined high frequency, low temperature plasma can be generated in the combustion chamber 17 (see 5B in FIG. 5). The application of the second voltage may be continued for a predetermined period.

第一電圧は、少なくとも一回、電極間に印加すればよい。ここで、燃焼室１７内の圧力が高いと、電極間において放電がし難くなる。そのため、燃焼室１７内の圧力に応じて、圧力が高いときには、図６に二点鎖線で例示するように、第一電圧を印加する回数を、二回以上にしてもよい。こうすることで、燃焼室１７内の中心電極４１と接地電極４２との間のギャップに高温プラズマを安定的に生成することができ、その後、第二電圧を電極間に印加することによって、低温プラズマを安定的に生成することが可能になる。第一電圧を印加する回数を、二回以上にする場合に、第一電圧の印加周波数は、第二電圧の印加周波数と同じ、又は、略同じにしてもよいし、第二電圧の印加周波数よりも低い周波数にしてもよい。 The first voltage may be applied between the electrodes at least once. Here, if the pressure in the combustion chamber 17 is high, it becomes difficult to discharge between the electrodes. Therefore, depending on the pressure in the combustion chamber 17, when the pressure is high, the number of times the first voltage is applied may be two or more as illustrated by the two-dot chain line in FIG. By doing so, high-temperature plasma can be stably generated in the gap between the center electrode 41 and the ground electrode 42 in the combustion chamber 17, and then, by applying a second voltage between the electrodes, a low temperature can be generated. It becomes possible to stably generate plasma. When the number of times the first voltage is applied is two or more, the application frequency of the first voltage may be the same as or substantially the same as the application frequency of the second voltage, or the application frequency of the second voltage. The frequency may be lower than.

尚、第一電圧の印加回数は、燃焼室１７内の圧力が所定圧力よりも高いときに、所定圧力以下のときよりも第一電圧の印加回数が多くなるよう、燃焼室１７内の圧力の高低に対して段階的に変更してもよい。尚、第一電圧の印加回数を変更する段階数は、任意である。また、第一電圧の印加回数は、燃焼室１７内の圧力が高くなるに従って多くなるよう、燃焼室１７の圧力の高低に対して連続的に変更してもよい。 The number of times the first voltage is applied is the pressure in the combustion chamber 17 so that when the pressure in the combustion chamber 17 is higher than the predetermined pressure, the number of times the first voltage is applied is larger than when the pressure is lower than the predetermined pressure. It may be changed stepwise with respect to high and low. The number of steps for changing the number of times the first voltage is applied is arbitrary. Further, the number of times the first voltage is applied may be continuously changed with respect to the height of the pressure in the combustion chamber 17 so as to increase as the pressure in the combustion chamber 17 increases.

また、燃焼室１７内の圧力が高いときには、第一電圧を印加する回数を増やす代わりに、又は、増やすと共に、第一電圧をさらに高くしてもよい。こうすることでも、燃焼室１７内に高温プラズマを安定的に生成することができ、その後、第二電圧を電極間に印加することによって、低温プラズマを安定的に生成することが可能になる。 Further, when the pressure in the combustion chamber 17 is high, instead of or increasing the number of times the first voltage is applied, the first voltage may be further increased. By doing so, high-temperature plasma can be stably generated in the combustion chamber 17, and then, by applying a second voltage between the electrodes, low-temperature plasma can be stably generated.

尚、第一電圧は、燃焼室１７内の圧力が所定圧力よりも高いときに、所定圧力以下のときよりも高くなるよう、燃焼室１７内の圧力の高低に対して段階的に変更してもよい。尚、第一電圧を変更する段階数は、任意である。また、第一電圧は、燃焼室１７内の圧力が高くなるに従って高くなるよう、燃焼室１７の圧力の高低に対して連続的に変更してもよい。 The first voltage is changed stepwise with respect to the pressure in the combustion chamber 17 so that when the pressure in the combustion chamber 17 is higher than the predetermined pressure, it becomes higher than when the pressure is lower than the predetermined pressure. May be good. The number of steps for changing the first voltage is arbitrary. Further, the first voltage may be continuously changed with respect to the height of the pressure in the combustion chamber 17 so as to increase as the pressure in the combustion chamber 17 increases.

また、低温プラズマの生成に際し、プラズマ生成装置４９は、図６に示したように、電極間に印加する電圧を、第一電圧から第二電圧に切り替えて印加するようにしてもよいし、例えば図８に例示するように、電極間に印加する電圧を、第一電圧から前記第二電圧まで、徐々に下げるようにしてもよい。電圧を下げる移行期間を設けることでも、燃焼室１７内に生成するプラズマを、高温プラズマから低温プラズマへと移行させることができる。 Further, when generating the low temperature plasma, as shown in FIG. 6, the plasma generator 49 may switch the voltage applied between the electrodes from the first voltage to the second voltage and apply the voltage, for example. As illustrated in FIG. 8, the voltage applied between the electrodes may be gradually lowered from the first voltage to the second voltage. By providing a transition period for lowering the voltage, the plasma generated in the combustion chamber 17 can be transferred from the high temperature plasma to the low temperature plasma.

〈エンジン運転時の、プラズマ生成、並びに、燃料及び水の供給〉
次に、エンジンの運転時における、プラズマの生成タイミング、燃料の噴射タイミング、及び、水噴射のタイミングについて図９及び図１０を参照しながら説明をする。前述したように、このエンジン１は、運転領域の全域において、燃焼室１７内の混合気を圧縮着火により燃焼させるよう構成されている。 <Plasma generation and fuel and water supply during engine operation>
Next, the plasma generation timing, the fuel injection timing, and the water injection timing during engine operation will be described with reference to FIGS. 9 and 10. As described above, the engine 1 is configured to burn the air-fuel mixture in the combustion chamber 17 by compression ignition in the entire operating region.

図１０の横軸はクランク角を示している。図１０の上図及び下図はそれぞれ、クランク角の進行に伴う燃焼室１７内の圧力の変化を例示している。図１０の上図は、相対的に低負荷かつ、中回転の第一運転状態（図９参照、所定負荷以下の低負荷で運転しているときの低負荷運転時に相当）でエンジン１が運転しているときの、プラズマの生成タイミング、及び、燃料の噴射タイミングを例示している、図１０の下図は、相対的に高負荷かつ、中回転の第二運転状態（所定負荷よりも高い高負荷で運転しているときの高負荷運転時に相当）でエンジン１が運転しているときの、プラズマの生成タイミング、燃料の噴射タイミング、及び、水の噴射タイミングを例示している。 The horizontal axis of FIG. 10 indicates the crank angle. The upper and lower views of FIG. 10 exemplify the change in pressure in the combustion chamber 17 with the progress of the crank angle, respectively. In the upper figure of FIG. 10, the engine 1 is operated in the first operation state of relatively low load and medium rotation (see FIG. 9, corresponding to low load operation when operating at a low load of a predetermined load or less). The lower figure of FIG. 10, which exemplifies the plasma generation timing and the fuel injection timing at the time of the operation, shows a relatively high load and a second operating state of medium rotation (higher than a predetermined load). Illustrates the plasma generation timing, the fuel injection timing, and the water injection timing when the engine 1 is operating under high load operation (corresponding to high load operation).

先ず、第一運転状態でエンジン１が運転しているときには、負荷が相対的に低いため、燃焼室内に供給する燃料量が少ない。そのため、過早着火やノッキング等の異常燃焼は生じにくい。そこで、第一運転状態でエンジン１が運転しているときには、プラズマの生成タイミングを、後述する高負荷時よりも早くする。具体的に、プラズマ生成装置４９は、吸気行程の終期から圧縮行程の初期の期間内の任意のタイミングで、燃焼室１７内に低温プラズマを生成する。ここで、吸気行程の終期は、吸気行程を初期、中期、及び終期に三等分したときの終期としてもよい（つまり、－２４０°～－１８０°ATDC）。また、圧縮行程の初期は、圧縮行程を初期、中期、及び終期に三等分したときの初期としてもよい（つまり、－１８０°～－１２０°ATDC）。比較的早いタイミングで燃焼室１７内に低温プラズマを生成することにより、低温プラズマは燃焼室１７内の全体に拡散する。 First, when the engine 1 is operating in the first operating state, the load is relatively low, so that the amount of fuel supplied to the combustion chamber is small. Therefore, abnormal combustion such as premature ignition and knocking is unlikely to occur. Therefore, when the engine 1 is operating in the first operating state, the plasma generation timing is set earlier than when the load is high, which will be described later. Specifically, the plasma generation device 49 generates low-temperature plasma in the combustion chamber 17 at an arbitrary timing within the period from the end of the intake stroke to the initial period of the compression stroke. Here, the end of the inspiratory stroke may be the end of the inspiratory stroke when it is divided into three equal parts (that is, −240 ° to −180 ° ATDC). Further, the initial stage of the compression stroke may be the initial stage when the compression stroke is divided into three equal parts at the initial stage, the middle stage, and the final stage (that is, −180 ° to −120 ° ATDC). By generating the low temperature plasma in the combustion chamber 17 at a relatively early timing, the low temperature plasma diffuses throughout the combustion chamber 17.

インジェクタ６は、低温プラズマの生成後に、圧縮上死点の付近において燃焼室１７内に燃料を噴射する。燃料の噴射時期を圧縮上死点の近くにまで遅らせることにより、異常燃焼の発生を回避することができる。前述したように、燃焼室１７内に低温プラズマを生成することにより、混合気の低温酸化反応が促進されるため、混合気の着火性が高まる。その結果、混合気は、圧縮上死点付近において、安定的に圧縮着火により燃焼をする。 After the low temperature plasma is generated, the injector 6 injects fuel into the combustion chamber 17 near the compression top dead center. By delaying the fuel injection timing to near the compression top dead center, it is possible to avoid the occurrence of abnormal combustion. As described above, by generating the low temperature plasma in the combustion chamber 17, the low temperature oxidation reaction of the air-fuel mixture is promoted, so that the ignitability of the air-fuel mixture is enhanced. As a result, the air-fuel mixture is stably burned by compression ignition near the compression top dead center.

エンジン１が第一運転状態で運転しているときには、水噴射弁６１による水の噴射を行わない。エンジン１の負荷が低いときには異常燃焼が発生し難いため、水の噴射により異常燃焼の発生を防止する必要性に乏しいためである。 When the engine 1 is operating in the first operating state, water is not injected by the water injection valve 61. This is because abnormal combustion is unlikely to occur when the load of the engine 1 is low, and there is little need to prevent the occurrence of abnormal combustion by injecting water.

これに対し、第二運転状態でエンジン１が運転しているときには、負荷が相対的に高いため、過早着火やノッキング等の異常燃焼が生じやすい。そこで、第二運転状態でエンジン１が運転しているときには、プラズマの生成タイミングを、低負荷時よりも遅くする。具体的に、プラズマ生成装置４９は、圧縮行程の後半に、燃焼室１７内にプラズマを生成する。ここで、圧縮行程の後半とは、圧縮行程を前半と後半とに二等分したときの後半の期間を意味する（つまり、－９０°～０°ATDC）。異常燃焼を回避するために、プラズマ生成装置４９は、図１０に図示するように、圧縮行程の終期に、低温プラズマを生成してもよい。ここで、圧縮行程の終期とは、圧縮行程を初期、中期、終期とに三等分したときの終期の期間を意味する（つまり、－６０°～０°ATDC）。圧縮行程においてピストン３が上死点に向かって上昇するに従い、燃焼室１７内の圧力は次第に高くなるから、プラズマの生成タイミングを遅くすると、燃焼室１７内に生成した低温プラズマは、放電電極の近く、言い換えると、燃焼室１７内の中央部に集まる。異常燃焼を回避する上で有利になる。 On the other hand, when the engine 1 is operating in the second operating state, the load is relatively high, so that abnormal combustion such as premature ignition and knocking is likely to occur. Therefore, when the engine 1 is operating in the second operating state, the plasma generation timing is delayed as compared with the case of low load. Specifically, the plasma generation device 49 generates plasma in the combustion chamber 17 in the latter half of the compression stroke. Here, the latter half of the compression stroke means the period of the latter half when the compression stroke is bisected into the first half and the second half (that is, −90 ° to 0 ° ATDC). In order to avoid abnormal combustion, the plasma generator 49 may generate low temperature plasma at the end of the compression stroke, as shown in FIG. Here, the end of the compression stroke means the end period when the compression stroke is divided into three equal parts: the initial stage, the middle stage, and the final stage (that is, −60 ° to 0 ° ATDC). As the piston 3 rises toward the top dead center in the compression stroke, the pressure in the combustion chamber 17 gradually increases. Therefore, when the plasma generation timing is delayed, the low temperature plasma generated in the combustion chamber 17 is generated in the discharge electrode. Close, in other words, gather in the central part of the combustion chamber 17. It is advantageous in avoiding abnormal combustion.

但し、圧縮行程において、プラズマの生成開始タイミングが遅すぎると、燃焼室１７内の圧力が高いため、放電には不利になる。特に、このエンジン１は、幾何学的圧縮比が高いため、圧縮上死点に近づくと燃焼室１７内の圧力は、かなり高くなる。 However, if the plasma generation start timing is too late in the compression stroke, the pressure in the combustion chamber 17 is high, which is disadvantageous for discharge. In particular, since the engine 1 has a high geometric compression ratio, the pressure in the combustion chamber 17 becomes considerably high as the compression top dead center is approached.

そのため、プラズマの生成開始は、－３０°ATDCよりも遅くならないようにしてもよい。プラズマの生成開始を、－３０°ATDC以前にすると、燃焼室１７内の圧力が比較的低いときに高温プラズマを生成することができ、その後、低温プラズマを生成することができる。そして電極間への第二電圧の印加を、そのまま継続すれば、クランク角の進行に伴い燃焼室１７内の圧力が高くなっても、比較的低い電圧の印加によって低温プラズマの生成を継続することができる。 Therefore, the start of plasma generation may not be slower than −30 ° ATDC. When the plasma generation is started before −30 ° ATDC, high temperature plasma can be generated when the pressure in the combustion chamber 17 is relatively low, and then low temperature plasma can be generated. If the application of the second voltage between the electrodes is continued as it is, even if the pressure in the combustion chamber 17 increases as the crank angle progresses, the generation of low temperature plasma can be continued by applying a relatively low voltage. Can be done.

プラズマ生成装置４９はまた、圧縮上死点（ＴＤＣ）よりも所定期間前に、低温プラズマの生成を終了してもよい。前述の通り、このエンジン１は、燃焼室１７内に低温プラズマ放電による電子を生成することにより、オゾン又はＯラジカルなどの化学種を生成して、混合気の低温酸化反応を促進する。そのため、低温プラズマは、燃焼室１７内に燃料を供給する前に生成する。プラズマ生成装置４９は、例えば、－１０°ATDCまでに、低温プラズマの生成を終了してもよい。 The plasma generation device 49 may also finish the generation of low temperature plasma before a predetermined period before the compression top dead center (TDC). As described above, the engine 1 generates chemical species such as ozone or O radicals by generating electrons by low temperature plasma discharge in the combustion chamber 17, and promotes the low temperature oxidation reaction of the air-fuel mixture. Therefore, the low temperature plasma is generated before the fuel is supplied into the combustion chamber 17. The plasma generator 49 may complete the generation of cold plasma, for example, by −10 ° ATDC.

インジェクタ６は、低温プラズマの生成後に、燃焼室１７内に燃料を噴射する。燃焼室１７内に低温プラズマを生成することにより、混合気の低温酸化反応が促進されるため、混合気の着火性が高まる。その結果、混合気は、圧縮上死点付近において、安定的に圧縮着火し、燃焼する。 The injector 6 injects fuel into the combustion chamber 17 after the low temperature plasma is generated. By generating low-temperature plasma in the combustion chamber 17, the low-temperature oxidation reaction of the air-fuel mixture is promoted, so that the ignitability of the air-fuel mixture is enhanced. As a result, the air-fuel mixture stably compresses and ignites near the compression top dead center and burns.

水噴射弁６１は、インジェクタ６による燃料噴射後に、燃焼室１７内に水を噴射する。水噴射弁６１は、混合気が着火した後に、燃焼室１６内に水を噴射してもよい。図１０の下図に例示するように、水噴射弁６１は、圧縮上死点後に、燃焼室１７内に水を噴射してもよい。水の噴射によって燃焼が急速に進行することが抑制され、ノッキング等の異常燃焼が発生することが防止される。よって、エンジン１が高負荷で運転しているときに、混合気の着火性の向上と、異常燃焼の回避とが両立する。 The water injection valve 61 injects water into the combustion chamber 17 after fuel injection by the injector 6. The water injection valve 61 may inject water into the combustion chamber 16 after the air-fuel mixture is ignited. As illustrated in the lower figure of FIG. 10, the water injection valve 61 may inject water into the combustion chamber 17 after the compression top dead center. The rapid progress of combustion due to the injection of water is suppressed, and abnormal combustion such as knocking is prevented from occurring. Therefore, when the engine 1 is operated with a high load, the improvement of the ignitability of the air-fuel mixture and the avoidance of abnormal combustion are compatible.

図１１は、エンジン１の運転時の、プラズマ生成、燃料噴射及び水噴射に係る制御フローを示している。制御フローは、ＥＣＵ１０が実行する。スタート後のステップＳ１において、ＥＣＵ１０は、各センサ等の検知信号を読み込んで、エンジン１の運転状態を判断する。続くステップＳ２において、エンジン１の運転状態が第一運転状態であれば、制御プロセスはステップＳ３に進み、エンジン１の運転状態が第二運転状態であれば、制御プロセスはステップＳ５に進む。 FIG. 11 shows a control flow related to plasma generation, fuel injection, and water injection during operation of the engine 1. The control flow is executed by the ECU 10. In step S1 after the start, the ECU 10 reads the detection signals of each sensor and the like to determine the operating state of the engine 1. In the following step S2, if the operating state of the engine 1 is the first operating state, the control process proceeds to step S3, and if the operating state of the engine 1 is the second operating state, the control process proceeds to step S5.

ステップＳ３においてＥＣＵ１０は、吸気行程の終期から圧縮行程の初期にかけての期間内における任意のタイミングで、プラズマ生成装置４９によって、燃焼室１７内において低温プラズマを生成する。その後のステップＳ４においてＥＣＵ１０は、圧縮上死点前に、インジェクタ６によって燃料を燃焼室１７内に噴射する。燃焼室１７内に形成された混合気は、オゾン又はＯラジカルなどの化学種により低温酸化反応が促進される結果、所定のタイミングで安定的に着火及び燃焼する。 In step S3, the ECU 10 generates low-temperature plasma in the combustion chamber 17 by the plasma generator 49 at an arbitrary timing within the period from the end of the intake stroke to the beginning of the compression stroke. In a subsequent step S4, the ECU 10 injects fuel into the combustion chamber 17 by the injector 6 before the compression top dead center. The air-fuel mixture formed in the combustion chamber 17 is stably ignited and burned at a predetermined timing as a result of the low-temperature oxidation reaction being promoted by chemical species such as ozone and O radicals.

一方、ステップＳ５においてＥＣＵは、圧縮行程の終期における任意のタイミングで、プラズマ生成装置４９によって、燃焼室１７内において低温プラズマを生成する。その後のステップＳ６においてＥＣＵ１０は、圧縮上死点前に、インジェクタ６によって燃料を燃焼室１７内に噴射する。このときも、燃焼室１７内に形成された混合気は、オゾン又はＯラジカルなどの化学種により低温酸化反応が促進される結果、所定のタイミングで安定的に着火及び燃焼する。 On the other hand, in step S5, the ECU generates low-temperature plasma in the combustion chamber 17 by the plasma generation device 49 at an arbitrary timing at the end of the compression stroke. In a subsequent step S6, the ECU 10 injects fuel into the combustion chamber 17 by the injector 6 before the compression top dead center. Also at this time, the air-fuel mixture formed in the combustion chamber 17 is stably ignited and burned at a predetermined timing as a result of the promotion of the low-temperature oxidation reaction by chemical species such as ozone and O radicals.

そして、ステップＳ７においてＥＣＵ１０は、燃焼開始後に、水噴射弁６１によって、燃焼室１７内に水を噴射する。急速燃焼が防止され、ノッキング等の異常燃焼が発生することが防止される。 Then, in step S7, after the start of combustion, the ECU 10 injects water into the combustion chamber 17 by the water injection valve 61. Rapid combustion is prevented, and abnormal combustion such as knocking is prevented.

尚、ここに開示する技術は、前記の構成に限定されるものではない。前述したプラズマ生成装置は、自動車に搭載したエンジン１の燃焼室１７内において低温プラズマを生成する用途に限らず、その他の用途にも広く適用することが可能である。 The technique disclosed herein is not limited to the above configuration. The above-mentioned plasma generator is not limited to the application of generating low-temperature plasma in the combustion chamber 17 of the engine 1 mounted on an automobile, but can be widely applied to other applications.

１エンジン
１７燃焼室
２エンジン本体
４放電電極（電極）
４０放電電極（電極）
４９プラズマ生成装置（プラズマ生成部）
６インジェクタ（燃料供給部）
６１水噴射弁（水供給部） 1 Engine 17 Combustion chamber 2 Engine body 4 Discharge electrode (electrode)
40 Discharge electrode (electrode)
49 Plasma generator (plasma generator)
6 Injector (fuel supply section)
61 Water injection valve (water supply unit)

Claims

吸気行程、圧縮行程、膨張行程及び排気行程を繰り返す燃焼室を有しかつ、前記燃焼室内の混合気が圧縮着火により燃焼するエンジン本体と、
前記燃焼室内に配設された一対の電極の間に電圧を印加することにより、前記燃焼室内にプラズマを生成するプラズマ生成部と、
前記燃焼室内に燃料を直接噴射するインジェクタと、
前記燃焼室内に水を供給する水供給部と、を備え、
前記プラズマ生成部は、吸気行程の開始から圧縮行程の終わりまでの期間における所定タイミングで、前記燃焼室内に低温プラズマを生成し、
前記インジェクタは、前記低温プラズマの生成後に、前記燃焼室内に燃料を噴射し、
前記水供給部は、前記燃料の供給後に、前記燃焼室内に水を供給し、
前記プラズマ生成部は、前記エンジン本体が所定負荷よりも高負荷で運転しているときには、圧縮行程の後半に低温プラズマを生成すると共に、前記エンジン本体が前記所定負荷以下の低負荷で運転しているときには、吸気行程の終期から圧縮行程の初期の期間内であって、少なくとも圧縮行程を含む期間内に低温プラズマを生成する、
但し、前記圧縮行程の後半は、圧縮行程を前半と後半とに二等分したときの後半であり、前記吸気行程の終期は、吸気行程を、初期、中期、及び終期に三等分したときの終期であり、前記圧縮行程の初期は、圧縮行程を初期、中期、及び終期に三等分したときの初期である予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。 An engine body having a combustion chamber that repeats an intake stroke, a compression stroke, an expansion stroke, and an exhaust stroke, and the air-fuel mixture in the combustion chamber burns by compression ignition.
A plasma generating unit that generates plasma in the combustion chamber by applying a voltage between the pair of electrodes arranged in the combustion chamber.
An injector that directly injects fuel into the combustion chamber,
A water supply unit that supplies water to the combustion chamber is provided.
The plasma generation unit generates low-temperature plasma in the combustion chamber at a predetermined timing in the period from the start of the intake stroke to the end of the compression stroke.
The injector injects fuel into the combustion chamber after the generation of the low temperature plasma.
After supplying the fuel, the water supply unit supplies water to the combustion chamber.
When the engine body is operated at a load higher than the predetermined load, the plasma generation unit generates low-temperature plasma in the latter half of the compression stroke, and the engine body is operated at a low load equal to or lower than the predetermined load. When present, cold plasma is generated during the period from the end of the intake stroke to the beginning of the compression stroke, at least within the period including the compression stroke .
However, the latter half of the compression stroke is the latter half when the compression stroke is bisected into the first half and the second half, and the end of the intake stroke is when the intake stroke is bisected into the initial, middle, and final stages. The control device for the premixed compression ignition engine, which is the final stage of the compression stroke, which is the initial stage when the compression stroke is divided into three equal parts at the initial stage, the middle stage, and the final stage .

請求項１に記載の予混合圧縮着火式エンジンの制御装置において、
前記水供給部は、前記燃焼室内の混合気が着火した後に、前記燃焼室内に水を供給する予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。 In the control device for the premixed compression ignition engine according to claim 1.
The water supply unit is a control device for a premixed compression ignition engine that supplies water to the combustion chamber after the air-fuel mixture in the combustion chamber is ignited.

請求項１又は２に記載の予混合圧縮着火式エンジンの制御装置において、
前記水供給部は、前記エンジン本体が前記所定負荷よりも高負荷で運転しているときに、前記燃焼室内に水を供給すると共に、前記エンジン本体が前記所定負荷以下の低負荷で運転しているときに、前記燃焼室内に水を供給しない予混合圧縮着火式エンジンの制御装置。 In the control device for the premixed compression ignition engine according to claim 1 or 2.
The water supply unit supplies water to the combustion chamber when the engine body is operating at a load higher than the predetermined load, and the engine body is operated at a low load equal to or lower than the predetermined load. A control device for a premixed compression ignition engine that does not supply water to the combustion chamber when the engine is in operation.