(57)【要約】【課題】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十分に速める。【解決手段】予混合圧縮着火式エンジンは、燃焼室６に燃料を噴射するインジェクタと、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とを備える。インジェクタは、燃料と空気とが混合された混合気の一部がスキッシュエリアに形成されるように燃料を噴射する。プラズマ生成プラグ１６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、スキッシュエリアの径方向内側端部に向けて非平衡プラズマを放電する。【選択図】図１４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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するピストンと、
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、
前記ピストンの冠面の径方向外側領域から前記燃焼室の天井面までのピストン摺動方向の距離が、当該冠面の径方向内側領域から前記燃焼室の天井面までのピストン摺動方向の距離よりも小さくされることにより、前記ピストンの上死点への接近に伴って径方向外側から内側へと流れるスキッシュ流が生じるスキッシュエリアが前記燃焼室の外周部に形成され、
前記制御装置は、前記インジェクタから噴射された燃料と空気とが混合された混合気の一部が前記スキッシュエリアに形成されるように前記インジェクタを制御するとともに、前記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、前記プラズマ生成プラグの電極から前記スキッシュエリアの径方向内側端部に向けて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。
【請求項２】
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、圧縮上死点から１０°進角したＢＴＤＣ１０°ＣＡ以降において前記プラズマ生成プラグに非平衡プラズマを放電させる、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
【請求項３】
請求項１または２に記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
前記ピストンは、前記冠面の中央部にキャビティを有し、
前記スキッシュエリアは、前記ピストンの冠面のうち前記キャビティよりも径方向外側の領域と前記燃焼室の天井面との間に形成され、
前記プラズマ生成プラグは、前記電極から前記キャビティの開口縁に向けて非平衡プラズマを放電する、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
【請求項４】
請求項３に記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
前記プラズマ生成プラグの電極は、プラズマ生成プラグの中心軸に対応する位置から放射状に延びるように形成されるとともに、前記ピストンが上死点にある状態で、前記電極の先端と前記キャビティの開口縁とを結ぶ線が前記電極の延設方向と略平行になるように形成されている、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
【請求項５】
請求項３または４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、エンジン負荷が所定負荷以上となる高負荷域でエンジンが運転されているときに、前記スキッシュエリアに混合気の一部を形成しかつ前記非平衡プラズマを生成する前記制御を実行する、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
【請求項６】
請求項５に記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
前記インジェクタは、前記燃焼室の天井部中央付近から前記キャビティに向けて放射状に燃料を噴射するものであり、
前記制御装置は、吸気行程と圧縮行程の後半とにそれぞれ前記インジェクタに燃料を噴射させる、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
【請求項７】
請求項５または６に記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
前記燃焼室に導入される空気の流量を調整するスロットル弁をさらに備え、
前記制御装置は、前記高負荷域での運転時に、前記燃焼室内の空気過剰率が２よりも大きくなるように前記スロットル弁および前記インジェクタを制御する、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
また、上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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第６２３７３２９号公報
【特許文献２】特許第６１４９７５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献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、特に低温での燃焼が促進され、圧縮着火燃焼が安定化するという利点がある。
【０００６】
しかしながら、上記特許文献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、特に燃焼室の温度が低くなる燃焼後半における燃焼速度が遅くなり、熱効率が低下してしまうという問題がある。
【０００７】
本発明は、上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焼速度を十分に速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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
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するピストンと、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、前記ピストンの冠面の径方向外側領域から前記燃焼室の天井面までのピストン摺動方向の距離が、当該冠面の径方向内側領域から前記燃焼室の天井面までのピストン摺動方向の距離よりも小さくされることにより、前記ピストンの上死点への接近に伴って径方向外側から内側へと流れるスキッシュ流が生じるスキッシュエリアが前記燃焼室の外周部に形成され、前記制御装置は、前記インジェクタから噴射された燃料と空気とが混合された混合気の一部が前記スキッシュエリアに形成されるように前記インジェクタを制御するとともに、前記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、前記プラズマ生成プラグの電極から前記スキッシュエリアの径方向内側端部に向けて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）。
【０００９】
本発明によれば、燃焼室のスキッシュエリアに混合気が形成されるとともに、当該スキッシュエリアを流れるスキッシュ流（径方向外側から内側へと向かうガス流れ）が弱ま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、スキッシュエリアの径方向内側端部に向けて非平衡プラズマが放電されるので、非平衡プラズマの作用から生じるオゾンやＯＨ等の活性種を、圧縮上死点以降のピストンの下降に伴い生成される逆スキッシュ流（径方向内側から外側へと向かうガス流れ）に乗せて前記スキッシュエリアへと移動させることができる。そして、移動した活性種がスキッシュエリア内の混合気の燃焼を促進することにより、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。
【００１０】
ここで、燃焼室の外周部に位置するスキッシュエリアの温度は、燃焼室の中央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、燃焼室の中央部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、本発明では、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、先に着火する燃焼室の中央部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。
【００１１】
なお、スキッシュ流が弱くなり始める時期は、圧縮上死点から１０°進角したＢＴＤＣ１０°ＣＡとすることができる。この場合、前記制御装置は、ＢＴＤＣ１０°ＣＡ以降に前記プラズマ生成プラグに非平衡プラズマを放電させればよい（請求項２）。
【００１２】
好ましくは、前記ピストンは、前記冠面の中央部にキャビティを有し、前記スキッシュエリアは、前記ピストンの冠面のうち前記キャビティよりも径方向外側の領域と前記燃焼室の天井面との間に形成され、前記プラズマ生成プラグは、前記電極から前記キャビティの開口縁に向けて非平衡プラズマを放電する（請求項３）。
【００１３】
この構成によれば、キャビティの開口縁をプラズマ放電時のカソードとして好適に利用することができ、キャビティよりも径方向外側のスキッシュエリアに適正に前記活性種を供給することができる。
【００１４】
前記構成において、より好ましくは、前記プラズマ生成プラグの電極は、プラズマ生成プラグの中心軸に対応する位置から放射状に延びるように形成されるとともに、前記ピストンが上死点にある状態で、前記電極の先端と前記キャビティの開口縁とを結ぶ線が前記電極の延設方向と略平行になるように形成される（請求項４）。
【００１５】
この構成によれば、上述したタイミングで放電される非平衡プラズマの放電経路を可及的に短くすることができるので、非平衡プラズマを効率よく生成することができ、十分な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。
【００１６】
前記構成において、より好ましくは、前記制御装置は、エンジン負荷が所定負荷以上となる高負荷域でエンジンが運転されているときに、前記スキッシュエリアに混合気の一部を形成しかつ前記非平衡プラズマを生成する前記制御を実行する（請求項５）。
【００１７】
エンジンの高負荷域では低負荷域に比べて燃料の所要噴射量が多いので、スキッシュエリアに形成される混合気の量も多くなる傾向にある。したがって、スキッシュエリア内の燃焼速度を高速化できる本発明の構成は、このような高負荷域での運転時においてより好適に適用することができる。
【００１８】
前記構成において、より好ましくは、前記インジェクタは、前記燃焼室の天井部中央付近から前記キャビティに向けて放射状に燃料を噴射するものであり、前記制御装置は、吸気行程と圧縮行程の後半とにそれぞれ前記インジェクタに燃料を噴射させる（請求項６）。
【００１９】
この構成によれば、スキッシュエリアとキャビティの内部とにそれぞれ混合気を適正に形成することができ、これらの混合気を上述したプラズマ放電を利用して短期間のうちに燃焼させることができる。
【００２０】
前記構成において、より好ましくは、前記エンジンは、前記燃焼室に導入される空気の流量を調整するスロットル弁をさらに備え、前記制御装置は、前記高負荷域での運転時に、前記燃焼室内の空気過剰率が２よりも大きくなるように前記スロットル弁および前記インジェクタを制御する（請求項７）。
【００２１】
この構成によれば、高負荷域での運転時における混合気の燃焼温度を大幅に低下させることができるので、燃焼に伴うＮＯｘの発生量を、ＮＯｘ触媒を不要にできるほど十分に低減することができる。
【発明の効果】
【００２２】
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焼速度を十分に速めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】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。
【図２】エンジン本体の吸排気方向に沿った断面図である。
【図３】エンジン本体の気筒列方向に沿った断面図である。
【図４】ピストンの冠面の形状を示す平面図である。
【図５】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。
【図６】インジェクタ単体の断面図である。
【図７】燃焼室およびその周辺部を拡大して示す断面図である。
【図８】エンジンの制御系統を示すブロック図である。
【図９】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。
【図１０】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。
【図１１】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。
【図１２】エンジンの高負荷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。
【図１３】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。
【図１４】プラズマ生成プラグから非平衡プラズマが放電されたときの燃焼室内の状況を模式的に示す図である。
【図１５】上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。
【図１６】上記実施形態で用いられるプラズマ生成プラグの配置場所を変更した変形例を説明するための図である。
【図１７】上記実施形態で用いられる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）は側面図、（ｂ）は底面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
（１）エンジンの全体構成
図１は、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（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。
【００２５】
図２は、エンジン本体１の吸排気方向に沿った断面図であり、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、上記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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
図１および図２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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。この図４および先の図２および図３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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。当実施形態では、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（後述する図１３、図１４参照）。
【００３８】
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）。
【００３９】
図５（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。本図に示すように、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突出する複数の（ここでは４つの）放電電極３３とを有している。放電電極３３は、燃焼室６の天井面２８の中央部に対応する位置において燃焼室６に露出するように設けられている。プラグ本体３１に対し燃焼室６側に突出する中心電極３２の先端部は、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。
【００４０】
図４に示す平面視において、プラズマ生成プラグ１６は、その中心（中心電極３２の中心軸）が気筒軸線Ｘと略一致し、かつ放電電極３３がキャビティＣの底面部２２と重複する位置に配置されている。４つの放電電極３３は、吸排気方向および気筒列方向のいずれとも非平行な方向に、より詳しくは、吸排気方向および気筒列方向とそれぞれ約４５度の角度をもって交差する方向に延びるように形成されている。
【００４１】
また、後述する図１４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、ピストン５が上死点にある状態で、各電極３３の先端とキャビティＣの開口縁Ｃ１とを結ぶ線が各電極３３の延設方向と略平行になるように形成されている。詳細は後述するが、中心電極３２には所定のパルス電圧が印加されるようになっており、この印加電圧に応じて各放電電極３３から燃焼室６（キャビティＣの開口縁Ｃ１）に向けて非平衡プラズマが放電されるようになっている。
【００４２】
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。
【００４３】
図６は、インジェクタ１５単体の断面図である。本図に示すように、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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
図７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。本図に示すように、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（後述する図１４参照）、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。
【００４７】
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。
【００４８】
上記のように、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、ピストン５のキャビティＣの開口縁Ｃ１に限っては遮熱層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。このため、プラズマ生成プラグ１６の放電電極３３から非平衡プラズマが放電されたとき、この非平衡プラズマは、自ずと、遮熱層１９により覆われていないキャビティＣの開口縁Ｃ１へと導かれる（後述する図１４参照）。このように、プラズマ放電時には、放電電極３３とキャビティＣの開口縁Ｃ１とによって、アノードおよびカソードが構成されるようになっている。すなわち、放電電極３３がアノードとして機能し、キャビティＣの開口縁Ｃ１がカソードとして機能する。
【００４９】
なお、カソードとして機能するキャビティＣの開口縁Ｃ１は、上述したスキッシュエリアの径方向内側端部に相当する。言い換えると、当実施形態では、プラズマ生成プラグ１６の放電電極３３からスキッシュエリアの径方向内側端部に向けて非平衡プラズマが放電されるようになっている。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
（２）エンジンの制御系統
図８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。
【００５４】
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、上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。
【００５５】
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。
【００５６】
ＰＣＭ１００は、上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、上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。
【００５７】
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。
【００５８】
また、ＰＣＭ１００は、上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。
【００５９】
図９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９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。
【００６０】
上記の知見より、当実施形態では、ＰＣＭ１００により、図１０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から燃焼室６（ピストン５のキャビティＣの開口縁Ｃ１）に向けて非平衡プラズマが放電される。
【００６１】
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。
【００６２】
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、オゾン（Ｏ３）やＯＨ等の、燃焼室６内での混合気の燃焼を促進させる物質である活性種（ラジカル）が生成される。
【００６３】
（３）運転条件に応じた制御
図１１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。
【００６４】
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。
【００６５】
（ａ）高負荷域での制御
図１２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り、高負荷域Ａ２に含まれる代表的な運転ポイント（例えば２／３負荷、３０００ｒｐｍ）にて実行される燃料噴射およびプラズマ放電のタイミングを示している。本図に示すように、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、圧縮行程での燃料噴射が終了してから混合気が着火するまでの間に、プラズマ生成プラグ１６から非平衡プラズマを放電させる。
【００６６】
具体的に、高負荷域Ａ２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。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複数回（例えば２回または３回）に分けて実行される。前段噴射は、吸気行程の開始時期である排気上死点（図１２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。
【００６７】
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１２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、当実施形態では、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から複数回に分けて燃料が噴射される。初回の後段噴射はＢＴＤＣ９０°ＣＡ以降に始まり、最終回の後段噴射はＢＴＤＣ４５°ＣＡまでに終了する。図１２の例では、後段噴射の分割回数が２回とされ、１回目の後段噴射の開始時期がＢＴＤＣ９０°ＣＡよりもやや遅角側に、２回目の後段噴射の終了時期がＢＴＤＣ４５°ＣＡよりもやや進角側に、それぞれ設定されている。なお、以下では、後段噴射が行われる上記の期間（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。
【００６８】
プラズマ生成プラグ１６からの非平衡プラズマの放電は、上記後段噴射の終了後、圧縮上死点を含む所定の期間に亘って実行される。より詳しくは、当実施形態では、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、非平衡プラズマが放電される。当実施形態の場合、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。このため、上記プラズマ放電を開始する最早時期はＢＴＤＣ１０°ＣＡとされる。また、当実施形態では、高負荷域Ａ２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、上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、当実施形態では、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、プラズマ放電の終了とほぼ同時に（つまりＡＴＤＣ５°ＣＡの近傍で）混合気が着火している。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。
【００６９】
図１３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１３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。図１３（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霧となって、燃焼室６内に拡散する。これにより、図１３（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の各所に燃料が分散して存在する状態が得られる。ただし、図１３（ｂ）において濃い目の着色領域で示すように、燃焼室６の最外周部では、液滴の状態で気筒２の周面に付着していた燃料が蒸発した蒸発燃料による噴霧と、燃焼室６内に形成されるタンブル流（縦渦）の主流が流れない領域（よどみ領域）に取り残されていた噴霧とが集まって、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１３（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。
【００７０】
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、当実施形態では、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という比較的遅めのタイミングで（つまりインジェクタ１５がピストンに比較的近づいた状態で）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）。しかも、後段噴射は複数回に分けて実行されるので、各回の後段噴射による噴霧のペネトレーション（貫徹力）は弱くなる。このため、図１３（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。
【００７１】
ここで、ピストン５が上死点に近づく過程で、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は、図１３（ｂ）に示すように、径方向外側から内側へと流れるスキッシュ流が形成される。このため、図１３（ｃ）に示す圧縮上死点の時点では、元々燃焼室６の最外周部（あるいはスキッシュエリアの最外周部）に存在していた相対的にリッチな混合気は、スキッシュエリア内において径方向内側へと移動し、スキッシュエリア内の比較的広い範囲に亘って混合気が存在するようになる。このように、当実施形態では、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がスキッシュエリア（キャビティＣの外側）に形成されるとともに、後段噴射に基づく相対的にリッチな混合気がキャビティＣの内部に形成されるようになっている。
【００７２】
上記のように、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。
【００７３】
図１４は、プラズマ生成プラグ１６から非平衡プラズマが放電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。本図に示すように、プラズマ生成プラグ１６の放電電極３３から放電された非平衡プラズマは、遮熱層１９に覆われていないために絶縁性の低いキャビティＣの開口縁Ｃ１へと導かれる。ここで、高負荷域Ａ２では、上述したように、圧縮上死点に近いＢＴＤＣ１０°ＣＡからＡＴＤＣ１０°ＣＡまでの間に（図１２の例ではＢＴＤＣ５°ＣＡからＡＴＤＣ５°ＣＡまでの間に）非平衡プラズマが放電されるので、この放電の時点で、非平衡プラズマの径方向内側と外側、つまりスキッシュエリアとキャビティＣの内部とには、それぞれ比較的リッチな混合気が形成されている。一方、放電電極３３とキャビティＣの開口縁Ｃ１とを結ぶ放電経路上は、上記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かなりリーンである。このように、非平衡プラズマの放電経路上の環境がかなりリーンであることから、当該非平衡プラズマは、オゾン（Ｏ３）やＯＨ等の活性種を生成する作用を発揮する。
【００７４】
上記のように圧縮上死点付近で活性種が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、非平衡プラズマによって生成された上記活性種は、その多くが上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。移動した活性種は、上記スキッシュエリアに存在する混合気の着火、燃焼を促進させる。
【００７５】
プラズマ生成プラグ１６によるプラズマ放電の後、混合気は、ほとんど時間間隔をおくことなく（例えばＡＴＤＣ５〜１０°ＣＡ程度で）着火に至り、圧縮着火燃焼が開始される。このとき、上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。
【００７６】
（ｂ）低負荷域での制御
詳細な図示は省略するが、上記高負荷域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。
【００７７】
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。
【００７８】
また、低負荷域Ａ１では、圧縮行程の３／４経過時点（ＢＴＤＣ４５°ＣＡ）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。このように、燃焼噴射の直後から圧縮上死点までの間に放電された非平衡プラズマは、キャビティＣ内の混合気よりも外側の領域（燃料がほとんど存在しない領域）に作用し、オゾンやＯＨ等の活性種を生成させる。生成された活性種は、少なくともその一部がキャビティＣ内の混合気の外周部に供給され、当該外周部の着火、燃焼を促進させる。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キャビティＣの外周部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。
【００７９】
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、当実施形態では、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。
【００８０】
（４）作用効果
以上説明したように、当実施形態では、エンジンが高負荷域Ａ２で運転されているときに、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とにそれぞれ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、圧縮行程後期の所定時期（ＢＴＤＣ１０°ＣＡ）から混合気が着火するまでの間に、プラズマ生成プラグ１６の放電電極３３からキャビティＣの開口縁Ｃ１に向けて非平衡プラズマが放電されるように、プラズマ生成プラグ１６が制御される。このような構成によれば、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十分に速めることができるという利点がある。
【００８１】
すなわち、上記実施形態では、スキッシュ流（スキッシュエリアを径方向外側から内側へと向かうガス流れ）が弱くなり始めるＢＴＤＣ１０°ＣＡから混合気が着火するまでの間に、燃焼室６の天井面２８の中央部に位置するプラズマ生成プラグ１６からキャビティＣの開口縁Ｃ１に向けて非平衡プラズマが放電されるので、非平衡プラズマの作用から生じるオゾンやＯＨ等の活性種を、圧縮上死点以降のピストン５の下降に伴い生成される逆スキッシュ流（径方向内側から外側へと向かうガス流れ）に乗せて上記スキッシュエリアへと移動させることができる。そして、移動した活性種がスキッシュエリア内の混合気の燃焼を促進することにより、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。
【００８２】
ここで、燃焼室６の外周部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、上記実施形態では、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。
【００８３】
図１５は、上記の作用効果を説明するための図である。この図１５では、上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（つまり上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。
【００８４】
図１５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。
【００８５】
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１５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。これに対し、上記実施形態では、基本的にスキッシュエリア内の混合気の燃焼のみが促進（高速化）されるので、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。
【００８６】
また、上記実施形態では、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１５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上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。
【００８７】
また、上記実施形態では、プラズマ生成プラグ１６に備わる複数の（４つの）放電電極３３が、ピストン５が上死点にある状態で各電極３３の先端とキャビティＣの開口縁Ｃ１とを結ぶ線が各電極３３の延設方向と略平行になるように形成されているので、上記のようなタイミング（圧縮上死点を含むタイミング）で放電される非平衡プラズマの放電経路を可及的に短くすることができる。これにより、非平衡プラズマを効率よく生成することができ、十分な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。
【００８８】
また、上記実施形態では、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、吸気行程の前半と、圧縮行程の１／２〜３／４に相当する時期（ＢＴＤＣ９０°ＣＡからＢＴＤＣ４５°ＣＡまでの間に）とに、それぞれ燃料がコーン状（放射状）に噴射されるので、スキッシュエリアとキャビティＣの内部とにそれぞれ混合気を適正に形成することができ、これらの混合気を上述したプラズマ放電を利用して短期間のうちに燃焼させることができる。
【００８９】
（５）変形例
上記実施形態では、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、上記のような混合気の分布が得られる限りにおいて、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。
【００９０】
上記実施形態では、燃焼室６の天井面２８の中央にプラズマ生成プラグ１６を配置するとともに、このプラズマ生成プラグ１６の位置（天井面２８の中央）から気筒列方向の一方側に若干オフセットした位置にインジェクタ１５を配置するようにしたが（図３参照）、これとは逆に、インジェクタ１５を天井面２８の中央に配置し、プラズマ生成プラグ１６を天井面２８の中央からオフセットした位置に配置してもよい。あるいは、インジェクタ１５およびプラズマ生成プラグ１６の双方を天井面２８の中央からオフセットした位置に配置してもよい。この場合、プラズマ生成プラグ１６の位置は天井面２８の中央（気筒軸線Ｘ）から吸気側にオフセットさせることが好ましい。プラズマ生成プラグ１６の位置を吸気側にオフセットさせた場合には、プラズマ生成プラグ１６の放電電極３３から放電される非平衡プラズマを吸気側においてより強めることができる。これにより、排気側よりも吸気側の方が低温になる傾向にある燃焼室６において、混合気の燃焼速度がバランスよく高められ（吸気側と排気側で燃焼速度が同等になり）、燃焼期間がより短縮するという効果が期待できる。
【００９１】
一方、プラズマ生成プラグ１６の吸気側へのオフセット量が大きいと、吸気側に供給される活性種の量が増えすぎて、燃焼速度が吸気側と排気側で逆転する（吸気側の方が速くなる）おそれがある。このような燃焼速度の逆転現象が懸念される場合には、例えば図１６に示すように、スキッシュエリアの上下隙間を吸気側よりも排気側で小さくすることが有効である。すなわち、吸気側傾斜面２４とこれに対向する天井面２８との離間距離を第１隙間寸法Ｇ１、排気側傾斜面２５とこれに対向する天井面２８との離間距離を第２隙間寸法Ｇ２としたとき、Ｇ２＜Ｇ１という関係が成立するようにピストン５の冠面Ｓを形成すればよい。これにより、ピストン５の下降に伴い生じる逆スキッシュ流の強さが排気側でより強くなるので、プラズマ生成プラグ１６からの径方向の距離が大きいために活性種の供給量が減りがちな排気側のスキッシュエリアにおいて、活性種の供給量を増大方向に補正することができ、プラズマ生成プラグ１６を吸気側に大きくオフセットさせながらも上記のような燃焼速度の逆転現象を回避することができる。
【００９２】
なお、プラズマ生成プラグ１６を気筒列方向（吸排気方向と直交する方向）にオフセット配置した場合にも、それに伴う燃焼速度の不均衡をピストン５の形状によって補正することが可能である。例えば、燃焼室６の天井面２８の中央（気筒軸線Ｘ）から気筒列方向の一方側にオフセットした位置にプラズマ生成プラグ１６を配置した場合、ピストン５の一対の峰部２６（図３、図４参照）と天井面２８との上下隙間を、気筒列方向の一方側よりも他方側で小さくすることが考えられる。あるいは、一対の峰部２６の面積を、気筒列方向の一方側よりも他方側で大きくすることによっても、同様の効果を得ることができる。
【００９３】
上記実施形態では、ピストン５の冠面Ｓのうちキャビティ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）キャビティＣの開口縁Ｃ１をプラズマ放電時のカソードとして機能させるようにしたが、非平衡プラズマの放電は、プラズマ生成プラグ１６の電極３３とスキッシュエリアの径方向内側端部との間で行えばよく、その限りにおいて種々の変形が可能である。例えば、燃焼室６の天井面２８（シリンダヘッド４の下面）のうちスキッシュエリアの径方向内側端部に対応するリング状の領域を、遮熱層１９で覆われない領域とすることにより、当該領域（天井面２８の一部）をカソードとして機能させるようにしてもよい。
【００９４】
上記実施形態では、プラズマ生成プラグ１６として、中心電極３２の先端から放射状に突出する複数の放電電極３３を有するものを用いたが（図５参照）、これに代えて、例えば図１７（ａ）（ｂ）に示されるような、浅皿状の放電電極１３３を有するプラズマ生成プラグ１１６を用いてもよい。
【００９５】
より具体的に、上記変形例にかかるプラズマ生成プラグ１１６は、筒状のプラグ本体１３１と、プラグ本体１３１の内部に挿入された中心電極１３２と、中心電極１３２の先端から径方向外側に拡がる浅皿状の放電電極１３３と、プラグ本体１３１の端面と放電電極１３３との間に設けられた絶縁体１３４とを有している。放電電極１３３は、底面視で中心電極１３２の先端部を中心とした円形状に形成され、かつ断面視で径方向外側ほど高さが低くなるように形成されている。絶縁体１３４は、放電電極１３３の裏面（シリンダヘッド４側の面）をほぼ全面的に覆うように形成されている。
【００９６】
上記実施形態では、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。
【００９７】
上記実施形態では、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。
【符号の説明】
【００９８】
１  エンジン本体
５  ピストン
６  燃焼室
Ｓ  （ピストンの）冠面
Ｃ  （ピストンの）キャビティ
Ｃ１  （キャビティの）開口縁
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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