(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費性能を高める。【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とを備える。インジェクタ１５は、吸気弁１１の開弁期間を含む吸気行程中に燃料を噴射する。プラズマ生成プラグ１６は、排気側に延びる排気側電極３３ｅと、これよりも長さが長く設定されて燃焼室６の吸気側に延びる吸気側電極３３ｉとを有し、吸気行程中に実施される燃料噴射の後、混合気が着火する前に放電する。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室が形成された気筒と、
前記燃焼室に燃料を噴射するインジェクタと、
前記燃焼室の底面を規定する冠面を有して前記気筒内を摺動するピストンと、
前記燃焼室に空気を導入するための吸気ポートと、
前記燃焼室の天井面に形成された前記吸気ポートの開口部分を開閉する吸気弁と、
前記燃焼室から排気を導出するための排気ポートと、
前記燃焼室の天井面に形成された前記排気ポートの開口部分を開閉する排気弁と、
前記燃焼室の天井部中央付近に電極を有しかつ当該電極から非平衡プラズマを前記燃焼室内に放電するプラズマ生成プラグと、
前記インジェクタから噴射された燃料を空気と混合しつつ圧縮着火させる予混合圧縮着火燃焼が実現されるように前記インジェクタおよび前記プラズマ生成プラグを制御する制御装置とを備え、
前記気筒の中心軸に沿う方向から見て前記吸気弁が配設されている側を吸気側とし且つ前記排気弁が配設されている側を排気側としたときに、前記プラズマ生成プラグは、前記電極として前記気筒の中心軸と略一致する基点から前記吸気側に延びる吸気側電極と前記起点から前記排気側に延びる排気側電極とを備え、
前記吸気側電極および前記排気側電極は、前記基点から前記吸気側電極の先端までの長さの方が、前記基点から前記排気側電極の先端までの長さよりも長くなるように形成されており、
前記制御装置は、前記吸気弁の開弁期間を含む吸気行程中に前記インジェクタから前記燃焼室に燃料が噴射されるように当該インジェクタを制御するとともに、当該吸気行程中に実施される燃料噴射の後、前記混合気が着火する前に、前記プラズマ生成プラグから非平衡プラズマが放電されるように前記プラズマ生成プラグを制御する、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
【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、前記吸気行程中に実施される燃料噴射である前段噴射と、圧縮行程中に燃料を前記燃焼室内に噴射する後段噴射とを、前記インジェクタに実施させる、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
【請求項３】
請求項２に記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
前記制御装置は、前記前段噴射が終了してから前記後段噴射が開始されるまでの期間中に、前記プラズマ生成プラグから非平衡プラズマが放電されるように、前記プラズマ生成プラグを制御する、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
【請求項４】
請求項２または３に記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
前記制御装置は、エンジン回転数が所定の基準回転数より高いときは、前記前段噴射が終了してから前記後段噴射が開始されるまでの期間中および前記後段噴射が終了してから前記混合気が着火するまでの期間中に、前記プラズマ生成プラグから非平衡プラズマが放電されるように、前記プラズマ生成プラグを制御する、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の予混合圧縮着火式エンジンにおいて、
前記燃焼室の内側面のうち少なくとも前記吸気側の一部には、遮熱層が設けられている、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
【請求項６】
燃焼室が形成された気筒と、
前記燃焼室に燃料を噴射するインジェクタと、
前記燃焼室の底面を規定する冠面を有して前記気筒内を摺動するピストンと、
前記燃焼室に空気を導入するための吸気ポートと、
前記燃焼室の天井面に形成された前記吸気ポートの開口部分を開閉する吸気弁と、
前記燃焼室から排気を導出するための排気ポートと、
前記燃焼室の天井面に形成された前記排気ポートの開口部分を開閉する排気弁と、
前記燃焼室の天井部中央付近に電極を有しかつ当該電極から非平衡プラズマを前記燃焼室内に放電するプラズマ生成プラグと、
前記インジェクタから噴射された燃料を空気と混合しつつ圧縮着火させる予混合圧縮着火燃焼が実現されるように前記インジェクタおよび前記プラズマ生成プラグを制御する制御装置とを備え、
前記気筒の中心軸に沿う方向から見て前記吸気弁が配設されている側を吸気側とし且つ前記排気弁が配設されている側を排気側としたときに、前記電極は、前記気筒の中心軸と略一致する基点から前記吸気側に延びる形状を有し、
前記制御装置は、前記吸気弁の開弁期間中に前記インジェクタから前記燃焼室に燃料が噴射されるように当該インジェクタを制御するとともに、当該吸気弁の開弁期間中に実施される燃料噴射の後、前記混合気が着火する前に、前記プラズマ生成プラグからの非平衡プラズマが放電されるように前記プラズマ生成プラグを制御する、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。
【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、前記と同様のエンジンを開示するものとして、下記特許文献２も知られている。
【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】
前記特許文献１、２によれば、活性種としてのオゾンが混合気に供給されることにより、混合気の燃焼が促進されて燃え残りが少なく抑えられ、これにより燃費性能が高められるという利点がある。
【０００６】
しかしながら、前記特許文献１、２では、混合気とオゾンとが全体的に混在した状態で圧縮着火燃焼が行われるので、不用意に多くのオゾンを供給した場合には、燃焼が過度に急峻化して大きな燃焼騒音等が発生するおそれがあった。一方、燃焼騒音の抑制のためにオゾンの供給量を減らした場合には、燃費性能の向上効果が十分に得られないという問題がある。
【０００７】
本発明は、前記のような事情に鑑みてなされたものであり、燃焼騒音を適正なレベルに抑えながら燃費性能を高めることが可能な予混合圧縮着火式エンジンを提供することを目的とする。
【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、燃焼室が形成された気筒と、前記燃焼室に燃料を噴射するインジェクタと、前記燃焼室の底面を規定する冠面を有して前記気筒内を摺動するピストンと、前記燃焼室に空気を導入するための吸気ポートと、前記燃焼室の天井面に形成された前記吸気ポートの開口部分を開閉する吸気弁と、前記燃焼室から排気を導出するための排気ポートと、前記燃焼室の天井面に形成された前記排気ポートの開口部分を開閉する排気弁と、前記燃焼室の天井部中央付近に電極を有しかつ当該電極から非平衡プラズマを前記燃焼室内に放電するプラズマ生成プラグと、前記インジェクタから噴射された燃料を空気と混合しつつ圧縮着火させる予混合圧縮着火燃焼が実現されるように前記インジェクタおよび前記プラズマ生成プラグを制御する制御装置とを備え、前記気筒の中心軸に沿う方向から見て前記吸気弁が配設されている側を吸気側とし且つ前記排気弁が配設されている側を排気側としたときに、前記プラズマ生成プラグは、前記電極として前記気筒の中心軸と略一致する基点から前記吸気側に延びる吸気側電極と前記起点から前記排気側に延びる排気側電極とを備え、前記吸気側電極および前記排気側電極は、前記基点から前記吸気側電極の先端までの長さの方が、前記基点から前記排気側電極の先端までの長さよりも長くなるように形成されており、前記制御装置は、前記吸気弁の開弁期間を含む吸気行程中に前記インジェクタから前記燃焼室に燃料が噴射されるように当該インジェクタを制御するとともに、当該吸気行程中に実施される燃料噴射の後、前記混合気が着火する前に、前記プラズマ生成プラグから非平衡プラズマが放電されるように前記プラズマ生成プラグを制御する、ことを特徴とするものである（請求項１）。
【０００９】
本発明によれば、吸気側に延びる吸気側電極と排気側に延びる排気側電極とを備えたプラズマ生成プラグが設けられているとともに、燃焼室内に燃料が噴射されてから混合気が着火するまでの間に各電極からの放電によって燃焼室内に非平衡プラズマが生成されるようになっている。そのため、非平衡プラズマの作用から生じるオゾン（Ｏ３）やＯＨ等の活性種を、燃焼室の吸気側および排気側に向けてつまり燃焼室の外周部分に向けて供給することができる。
【００１０】
ここで、燃焼室の外周部分は、燃焼室の中央部分に比べて低温になる傾向にある。このため、仮に燃焼室の外周部分への活性種の供給がなかった場合、この外周部分の混合気は、燃焼室の中央部分の混合気に対して相当程度遅れて着火するとともに着火後の燃焼速度もかなり遅くなってしまう。これに対し、本発明では、前記のように、燃焼室の外周部分に活性種が供給されることで、活性種の作用によってこの外周部分の混合気の着火遅れを短縮できるとともに、当該混合気の燃焼を促進して燃焼速度（つまり燃焼の後半部の燃焼速度）を速めることができる。このとき、先に着火する燃焼室の中央部分の混合気の燃焼速度は特に変わらないので、燃焼の前半部に生じる圧力上昇が顕著になることはない。このため、燃焼騒音を適正なレベルに抑えながら、混合気の全体を短期間のうちに燃焼させることができ、十分に高い熱効率を得ることができる。
【００１１】
しかも、本発明では、吸気側に延びる吸気側電極の方が排気側に延びる排気側電極よりも長くなるように構成されている。そのため、燃焼室の吸気側の壁面付近に形成される燃料濃度の高い混合気の燃焼を効果的に促進して当該混合気を適切に燃焼させることができる。従って、燃焼室の吸気側の壁面付近における燃料の燃え残りを少なく抑えて燃費性能を確実に高めることができる。
【００１２】
具体的には、本発明によれば、吸気行程中に燃料が噴射されることで、燃焼室内全体に燃料を拡散させることができる。一方で、吸気弁の開弁中に燃料噴射が行われることで、燃料の一部が吸気弁に衝突して吸気弁や吸気弁回りの燃焼室の壁面に液滴状態で付着し、燃焼室の吸気弁側の壁面近傍に燃料濃度が過度に高い混合気が形成されるおそれがある。これに対して、前記のように吸気側電極の長さがより長くされていることで、燃焼室の吸気側部分により多くの非平衡プラズマひいては活性種を生成することができる。そのため、多量の活性種の作用によって燃焼室の吸気側の壁面近傍の混合気の燃焼を確実に促進することができる。
【００１３】
前記構成において、好ましくは、前記制御装置は、前記吸気行程中に実施される燃料噴射である前段噴射と、圧縮行程中に燃料を前記燃焼室内に噴射する後段噴射とを、前記インジェクタに実施させる（請求項２）。
【００１４】
この構成によれば、燃焼室の中央部の混合気の燃料濃度を適度に高くして当該混合気を確実に着火させ、これにより燃焼室全体の混合気を確実に燃焼させることができる。そして、前記のように比較的着火しにくい燃焼室の外周部分に存在する混合気を非平衡プラズマの作用によって早期に燃焼させることができる。
【００１５】
前記構成において、好ましくは、前記制御装置は、前記前段噴射が終了してから前記後段噴射が開始されるまでの期間中に、前記プラズマ生成プラグから非平衡プラズマが放電されるように、前記プラズマ生成プラグを制御する（請求項３）。
【００１６】
この構成によれば、燃焼室内の圧力が比較的低いときに、プラズマ生成プラグの電極から放電がなされることになるため、より確実に多量の活性種を燃焼室の外周部分に供給することができる。また、後段噴射により燃焼室に供給された燃料と非平衡プラズマとの接触を回避して、ホルムアルデヒド等の燃焼を抑制する物質が生成されるのを抑制することができる。
【００１７】
前記構成において、好ましくは、前記制御装置は、エンジン回転数が所定の基準回転数より高いときは、前記前段噴射が終了してから前記後段噴射が開始されるまでの期間中および前記後段噴射が終了してから前記混合気が着火するまでの期間中に、前記プラズマ生成プラグから非平衡プラズマが放電されるように、前記プラズマ生成プラグを制御する（請求項４）。
【００１８】
エンジン回転数が高いときは単位時間あたりにインジェクタから噴射される燃料の量が多くなることで、吸気弁や燃焼室の壁面等に燃料が付着しやすい。このため、エンジン回転数が高いときは低いときよりも燃焼室の外周部分の混合気が燃焼しにくい傾向にある。これに対して、この構成によれば、エンジン回転数が基準回転数よりも高いときに燃焼室の外周部分に多量の活性種を供給することができ、燃焼室の外周部分の混合気をより適切に燃焼させることができる。一方で、エンジン回転数が低いときはプラズマ生成プラグの駆動機会が少なく抑えられることで、プラズマ生成プラグの駆動に伴うエネルギー消費を抑制することができる。
【００１９】
前記構成において、好ましくは、前記燃焼室の内側面のうち少なくとも前記吸気側の一部には、遮熱層が設けられている（請求項５）。
【００２０】
この構成によれば、冷却損失を効果的に小さく抑えて燃費性能をより一層高めることができる。具体的には、前記のように燃焼室の吸気側の壁面近傍には燃料濃度の高い混合気が形成されて、この壁面近傍で多くの燃料が燃焼する。そのため、前記のように構成することで、この燃料の燃焼によって生じる比較的多量の熱エネルギーが燃焼室の吸気側の壁面から外部に逃げるのを抑制することができ、冷却損失を効果的に小さく抑えることができる。
【００２１】
また、本発明は、燃焼室が形成された気筒と、前記燃焼室に燃料を噴射するインジェクタと、前記燃焼室の底面を規定する冠面を有して前記気筒内を摺動するピストンと、前記燃焼室に空気を導入するための吸気ポートと、前記燃焼室の天井面に形成された前記吸気ポートの開口部分を開閉する吸気弁と、前記燃焼室から排気を導出するための排気ポートと、前記燃焼室の天井面に形成された前記排気ポートの開口部分を開閉する排気弁と、前記燃焼室の天井部中央付近に電極を有しかつ当該電極から非平衡プラズマを前記燃焼室内に放電するプラズマ生成プラグと、前記インジェクタから噴射された燃料を空気と混合しつつ圧縮着火させる予混合圧縮着火燃焼が実現されるように前記インジェクタおよび前記プラズマ生成プラグを制御する制御装置とを備え、前記気筒の中心軸に沿う方向から見て前記吸気弁が配設されている側を吸気側とし且つ前記排気弁が配設されている側を排気側としたときに、前記電極は、前記気筒の中心軸と略一致する基点から前記吸気側に延びる形状を有し、前記制御装置は、前記吸気弁の開弁期間中に前記インジェクタから前記燃焼室に燃料が噴射されるように当該インジェクタを制御するとともに、当該吸気弁の開弁期間中に実施される燃料噴射の後、前記混合気が着火する前に、前記プラズマ生成プラグからの非平衡プラズマが放電されるように前記プラズマ生成プラグを制御する、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジンを提供する（請求項６）。
【００２２】
この構成では、プラズマ生成プラグの電極がプラズマ生成プラグの中心軸から吸気側に延びるように構成されている。そのため、前記のように吸気弁の開弁中に燃料が噴射されることで燃焼室の吸気側の壁面付近に燃料濃度の高い混合気が形成されるのに対して、この混合気の燃焼を効果的に促進することができる。そのため、燃焼室の吸気側の壁面付近の燃料の燃え残りを少なく抑えて燃費性能を高めることができる。そして、この構成によっても、先に着火する燃焼室の中央部分の混合気の燃焼速度は特に変わらないので、燃焼の前半部に生じる圧力上昇が顕著になることはない。このため、燃焼騒音を適正なレベルに抑えながら、混合気の全体を短期間のうちに燃焼させることができ、十分に高い熱効率を得ることができる。
【発明の効果】
【００２３】
以上説明したように、本発明の予混合圧縮着火式エンジンによれば、燃焼騒音を適正なレベルに抑えながら燃費性能を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【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】燃焼室に形成されるタンブル流を説明するための概略図である。
【図６】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７】インジェクタ単体の断面図である。
【図８】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９】燃焼室の天井面を示す平面図である。
【図１０】エンジンの制御系統を示すブロック図である。
【図１１】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１２】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１３】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１４】エンジンの高負荷低速域での運転時に実行される燃焼制御の内容を説明するためのタイムチャートである。
【図１５】エンジンの高負荷高速域での運転時に実行される燃焼制御の内容を説明するためのタイムチャートである。
【図１６】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１７】主放電が実施されたときの燃焼室内の状況を模式的に示す図である。
【図１８】追加放電が実施されたときの燃焼室内の状況を模式的に示す図である。
【図１９】前記実施形態の効果を説明するための熱発生率のグラフである。
【図２０】プラズマ生成プラグの変形例を説明するための図である。
【図２１】プラズマ生成プラグの変形例を説明するための図であり、（ａ）は図４に対応する平面図、（ｂ）はプラズマ生成プラグの先端部分の側面図である。
【図２２】プラズマ生成プラグの変形例を説明するための図である。
【図２３】プラズマ生成プラグの変形例を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
（１）全体構成
図１は、本発明の第１実施形態にかかる予混合圧縮着火式エンジン（以下、単にエンジンともいう）の構成を示す概略平面図である。本図に示されるエンジンは、走行用の動力源として車両に搭載された４サイクルのガソリン直噴エンジンであり、列状に並ぶ４つの気筒２を含む直列多気筒型のエンジン本体１と、エンジン本体１に導入される吸気が流通する吸気通路５０と、エンジン本体１から排出される排気ガスが流通する排気通路６０と、排気通路６０を流通する排気ガスの一部を吸気通路５０に還流するＥＧＲ装置７０を備えている。
【００２６】
エンジン本体１には、気筒２の中心軸を通る面を挟んで一方側に後述する吸気弁１１が設けられて他方側に後述する排気弁１２が設けられている。本実施形態では、気筒２の配列方向（以下、気筒列方向という）に沿う面を挟んで一方側と他方側とにそれぞれ吸気弁１１と排気弁１２とが設けられている。以下では、気筒列方向と直交する方向を吸排気方向といい、この吸排気方向において、吸気弁１１が設けられる側を吸気側、排気弁１２が設けられる側を排気側という。
【００２７】
図２は、エンジン本体１の吸排気方向に沿った断面を模式的に示した図であり、図３は、吸排気方向と直交する方向（気筒列方向）に沿ったエンジン本体１の断面を模式的に示した図である。なお、図２中のＩＮは吸気側を、ＥＸは排気側を示している。これら図２および図３に示すように、エンジン本体１は、前記４つの気筒２が内部に形成されたシリンダブロック３と、各気筒２を上から閉塞するようにシリンダブロック３の上面に取り付けられたシリンダヘッド４と、各気筒２に往復摺動可能に挿入されたピストン５とを有している。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【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。図４等に示すように、シリンダヘッド４には、気筒２ごとに、吸気通路５０から供給される空気を燃焼室６に導入するための吸気ポート９と、燃焼室６で生成された排気ガスを排気通路６０に導出するための排気ポート１０と、吸気ポート９の燃焼室６側の開口を開閉する吸気弁１１と、排気ポート１０の燃焼室６側の開口を開閉する排気弁１２とがそれぞれ設けられている。本実施形態では、吸気ポート９と排気ポート１０とは、１つの気筒にそれぞれ２つずつ設けられており、吸気弁１１と排気弁１２とも、１つの気筒にそれぞれ２つずつ設けられている。吸気弁１１および排気弁１２は、シリンダヘッド４に配設された一対のカム軸等を含む図外の動弁機構により、クランク軸７の回転に連動して開閉駆動される。
【００３４】
図５は、吸気弁１１の開弁時の燃焼室６内の様子を模式的に示した図である。吸気ポート９は、燃焼室６の天井面２８から上方に延びるように形成されており、吸気弁１１の開弁に伴って、燃焼室６内にはタンブル流が形成される。本実施形態では、燃焼室６の天井面２８に対して吸気ポート９がより急峻な角度で接続されている（吸気ポート９の燃焼室６側の開口部分の内周面と燃焼室６の天井面２８とのなす角度がより９０度に近い状態とされている）。また、吸気ポート９の燃焼室６側の開口部分の面積が大きくされている。これにより、タンブル流の渦径は比較的小さくなる。具体的には、矢印Ｙ１で示すように、吸気ポート９から燃焼室６に流入した後、燃焼室６内の排気側部分に向かう主たる吸気の流れが、より下向き（ピストン５の冠面Ｓ向き）とされる。また、矢印Ｙ２で示すように、吸気ポート９から吸気側部分にも比較的多くの吸気が流れ込む。前記の主たる吸気流れＹ１は、ピストン５の冠面Ｓ付近において燃焼室６の吸気側に向かおうとするが、この流が矢印Ｙ２で示した流れにより阻害される。これらにより、本実施形態では、燃焼室６内に形成されるタンブル流は、燃焼室６の中央付近を通る径の小さい渦となる。また、これに伴い、吸気弁１１の開弁中および吸気弁１１の閉弁直後において、燃焼室６の天井面２８の外周縁付近のガス流動は小さく抑えられる。なお、図５において、破線の矢印Ｙ１１は、吸気ポート９を図５の実線に示す状態よりも寝かせた状態で燃焼室６の天井面２８に接続し、且つ、吸気ポート９の燃焼室６側の開口部分の面積を本実施形態よりも小さくしたときの比較例に係るタンブル流を例示したものである。
【００３５】
図２等に示すように、燃焼室６の底面を規定するピストン５の冠面Ｓは、その外周縁部に位置する平面状の基準面２１と、基準面２１よりも上方（シリンダヘッド４に近づく側）に隆起する隆起部２０とを有している。隆起部２０は、ペントルーフ状の燃焼室６の天井面２８に沿うように、図２の断面視（つまり吸排気方向に沿った断面視）において気筒軸線Ｘに近づくほど高さが高くなるように形成されている。隆起部２０の中央部、言い換えるとピストン５の冠面Ｓの中央部には、下方（シリンダヘッド４とは反対側）に窪むキャビティＣが形成されている。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
ここで、ピストン５の冠面ＳにおけるキャビティＣの開口縁Ｃ１よりも径方向外側の領域（つまり吸気側・排気側傾斜面２４、２５、峰部２６、基準面２１）を「冠面Ｓの径方向外側領域」、ピストン５の冠面ＳにおけるキャビティＣの開口縁Ｃ１よりも径方向内側の領域（つまりキャビティＣの形成面２２、２３）を「冠面Ｓの径方向内側領域」という。本実施形態では、燃焼室６の天井面２８とは反対側に窪むようにキャビティＣが形成されているため、当然ながら、冠面Ｓの径方向外側領域とこれに対向する燃焼室６の天井面２８との間の上下方向（ピストン摺動方向）の距離は、冠面Ｓの径方向内側領域とこれに対向する燃焼室６の天井面２８との間の上下方向の距離よりも小さい。このため、ピストン５が上死点に接近したとき、冠面Ｓの径方向外側領域と天井面２８との間の空間には、径方向外側から内側へと向かうガス流れであるスキッシュ流が形成される。以下では、燃焼室６のうち当該スキッシュ流が形成される部分、つまり冠面Ｓの径方向外側領域（キャビティＣの開口縁Ｃ１よりも径方向外側の領域）と天井面２８との間の部分を、スキッシュエリアと称する。
【００４０】
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）。
【００４１】
図６（ａ）（ｂ）は、プラズマ生成プラグ１６の先端部を拡大して示す図である。図７は、インジェクタ１５単体の断面図である。図８は、燃焼室６およびその周辺部を拡大して示す断面図である。
【００４２】
図６（ａ）（ｂ）に示すように、プラズマ生成プラグ１６は、筒状のプラグ本体３１と、プラグ本体３１の内部に挿入された中心電極３２と、中心電極３２の先端から放射状に延びる複数（ここでは４つ）の放電電極３３とを有している。本実施形態では、これら放電電極３３が、請求項の「電極」に相当する。
【００４３】
中心電極３２の中心軸に沿う方向から見て、各放電電極３３は、中心電極３２の中心軸回りに９０度ずつ互いに離間するように配設されている。
【００４４】
４つの放電電極３３のうち２つの放電電極３３ｉの長さＬ＿ｉ（中心電極３２の先端から放電電極３３の先端までの長さ）は、他の２つの放電電極３３ｅの長さＬ＿ｅよりも長く設定されており、本実施形態では、プラズマ生成プラグ１６の電極として、長さの長い２つの吸気側電極３３ｉと、長さの短い２つの排気側電極３３ｅとが設けられている。
【００４５】
プラズマ生成プラグ１６は、図８等に示すように、中心電極３２の先端部分および放電電極３３の全体が燃焼室６に露出する状態で、且つ、プラズマ生成プラグ１６の中心軸（中心電極３２の中心軸）が気筒軸線Ｘと略一致して中心電極３２および放電電極３３が燃焼室６の天井面２８の中央付近に位置するように、シリンダヘッド４に取り付けられている。これに伴い、放電電極３３は、プラズマ生成プラグ１６の中心軸に対応する位置つまりは気筒軸線Ｘに対応する位置に配置された中心電極３２の先端（請求項における「基点」に相当する）から燃焼室６の外周側に向かって放射状に延びている。本実施形態では、図４等に示すように、放電電極３３は、平面視で（気筒軸線Ｘに沿う方向から見て）、キャビティＣの底面部２２と重複する位置に配置されている。
【００４６】
図４等に示すように、４つの放電電極３３のうち長さの長い２つの吸気側電極３３ｉは、各吸気弁１１のバルブ面の略中心に向かってそれぞれ延びている。一方、長さの短い２つの排気側電極３３ｅが各排気弁１２のバルブ面の略中心に向かってそれぞれ延びている。このように、本実施形態では、４つの放電電極３３のうち長さの長い放電電極３３ｉが吸気側に延び、長さの短い放電電極３３ｅが排気側に延びるように構成されている。つまり、プラズマ生成プラグ１６の放電電極３３として、プラズマ生成プラグの中心軸から吸気側に延びる吸気側電極３３ｉとプラズマ生成プラグの中心軸から排気側に延びる排気側電極３３ｅとが設けられており、吸気側電極３３ｉの長さＬ＿ｉ（プラズマ生成プラグの中心軸から吸気側電極３３ｉの先端までの長さ）が、排気側電極３３ｅの長さＬ＿ｅ（プラズマ生成プラグの中心軸から排気側電極３３ｅの先端までの長さ）よりも長く設定されている。
【００４７】
図例では、吸気側電極３３ｉの長さＬ＿ｉは排気側電極３３ｅの長さＬ＿ｅのおよそ２倍とされている。また、図４等に示すように、吸気側電極３３ｉの長さＬ＿ｉは、平面視で、吸気側電極３３ｉの先端が吸気弁１１のバルブ面の外周縁にほぼ到達するような長さに設定されている。
【００４８】
図８に示すように、プラズマ生成プラグ１６の４つの放電電極３３は、プラズマ生成プラグ１６の中心軸に対応する位置から燃焼室６の外周側に向かうに従って下方（ピストン５の冠面Ｓに近づく方向）に傾斜している。本実施形態では、各放電電極３３の気筒軸線Ｘと直交する平面に対する傾斜角度θ１は、燃焼室６の天井面２８のこの平面に対する傾斜角度θ２よりも大きい。そのため、各放電電極３３と燃焼室６の天井面２８との離間量は、放電電極３３の先端側（燃焼室６の外周側）ほど大きくなっている。
【００４９】
図６（ａ）に示すように、中心電極３２は、アルミナ等からなる絶縁体３４（碍子）によって覆われている。また、各放電電極３３の上面（燃焼室６の天井面２８側の面）も、アルミナ等からなる絶縁体３４（碍子）によって覆われている。
【００５０】
中心電極３２に所定のパルス電圧が印加されると（詳細は後述する）、この印加電圧に応じて各放電電極３３から燃焼室６に設けられたアース側電極に向けて放電がなされる。これにより、放電電極３３とアース側電極とを結ぶ放電経路に沿って非平衡プラズマが生成される。そして、電荷をもったプラズマの粒子（イオンと電子）が電場の作用によってガス分子と衝突し、Ｏ３（オゾン）やＯＨといった活性種が生成されるとともに、これら活性種が放電電極３３からアース側電極に向かって移動する流れ（誘起流）が形成される。
【００５１】
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。
【００５２】
図７に示すように、インジェクタ１５は、いわゆる外開式のインジェクタであり、筒状のバルブボディ４１と、バルブボディ４１内に進退可能に挿入されたニードル弁４２と、印加された電圧に応じて変形するピエゾ素子を含む駆動部４３とを有している。ニードル弁４２は、先端側ほど外径が小さくなる略円錐台状の先端部４２ａを有している。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
図８に示すように、燃焼室６を区画する各壁面、つまり気筒２の周面と、ピストン５の冠面Ｓと、燃焼室６の天井面２８と、吸気弁１１および排気弁１２の各バルブヘッドの下面とには、それぞれ遮熱層１９が設けられている。なお、気筒２の周面に設けられる遮熱層１９は、ピストン５が上死点にあるときのピストンリング５ａよりも上側（シリンダヘッド４側）の位置に限定されており、ピストンリング５ａが遮熱層１９上を摺動しないようになっている。
【００５６】
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。
【００５７】
前記のように、遮熱層１９は、ピストン５が上死点にあるときの燃焼室６をほぼ全面的に覆っているが、燃焼室６の天井面２８の一部の領域Ｄと、ピストン５のキャビティＣの開口縁Ｃ１とには遮熱層１９が形成されていない。遮熱層１９は、例えばアルミ合金等からなるピストン５に比べて高い絶縁性を有している。従って、前記の領域ＤとキャビティＣの開口縁Ｃ１との絶縁性は、燃焼室６の壁面の他の領域に比べて低くなっている。以下では、燃焼室６の天井面２８に形成された絶縁性の低い領域Ｄを天井側非絶縁領域Ｄという。これより、プラズマ生成プラグ１６の放電電極３３から放電がなされたとき、この非平衡プラズマは、遮熱層１９により覆われていない天井側非絶縁領域ＤまたはキャビティＣの開口縁Ｃ１へと導かれる。具体的には、ピストン５が比較的下方に位置して、放電電極３３の先端と天井側非絶縁領域Ｄとの距離の方が放電電極３３の先端とキャビティＣの開口縁Ｃ１との距離よりも短いときは、非平衡プラズマは天井側非絶縁領域Ｄに導かれ、ピストン５が比較的上方に位置して、放電電極３３の先端と天井側非絶縁領域Ｄとの距離の方が放電電極３３の先端とキャビティＣの開口縁Ｃ１との距離よりも長いときは、非平衡プラズマはキャビティＣの開口縁Ｃ１に導かれる。このように、プラズマ放電時には、放電電極３３がアノードとして機能し、天井側非絶縁領域ＤまたはキャビティＣの開口縁Ｃ１がカソードつまりアース側電極として機能する。
【００５８】
図９は、燃焼室６の天井面２８を示した概略平面図である。図９に示すように、天井側非絶縁領域Ｄは、気筒軸線Ｘおよびプラズマ生成プラグ１６の中心軸を中心とするリング状に設けられている。本実施形態では、天井側非絶縁領域Ｄは、吸気弁１１および排気弁１２の各バルブ面の中心付近を通るように構成されており、吸気弁１１および排気弁１２のバルブ面の一部にそれぞれ絶縁性の低い領域が形成されている。また、ピストン５が上死点と下死点の中央位置付近から上死点までの位置にあるときは、プラズマ生成プラグ１６の放電電極３３の先端とキャビティＣの開口縁Ｃ１との距離の方が、放電電極３３の先端と天井側非絶縁領域Ｄとの距離の方よりも短くなるような位置に、天井側非絶縁領域Ｄは設けられている。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
（２）エンジンの制御系統
図１０は、エンジンの制御系統を示すブロック図である。本図に示されるＰＣＭ１００は、エンジンを統括的に制御するためのマイクロプロセッサであり、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されている。なお、ＰＣＭ１００は、請求項にいう「制御装置」の一例に該当する。
【００６３】
ＰＣＭ１００には各種センサによる検出信号が入力される。例えば、ＰＣＭ１００は、前述したクランク角センサＳＮ１およびエアフローセンサＳＮ２と電気的に接続されており、これらのセンサによって検出された情報（つまりクランク角、エンジン回転速度、吸気流量等）が電気信号としてＰＣＭ１００に逐次入力されるようになっている。
【００６４】
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。
【００６５】
ＰＣＭ１００は、前記各種センサからの入力信号に基づいて種々の判定や演算等を実行しつつエンジンの各部を制御する。すなわち、ＰＣＭ１００は、インジェクタ１５、プラズマ生成プラグ１６、スロットル弁５４、およびＥＧＲ弁７３等と電気的に接続されており、前記演算の結果等に基づいてこれらの機器にそれぞれ制御用の信号を出力する。
【００６６】
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。
【００６７】
また、ＰＣＭ１００は、前記エンジン負荷およびエンジン回転速度に基づいて、プラズマ生成プラグ１６から非平衡プラズマを放電すべきタイミングおよび放電期間を決定し、その決定に従ってプラズマ生成プラグ１６を制御する。
【００６８】
図１１は、非平衡プラズマの生成条件を説明するためのグラフであり、プラズマ生成プラグ１６に印加されるパルス電圧の条件（パルス幅および印加電圧）と、生成されるプラズマの種類との関係を示している。グラフの横軸はパルス幅を、縦軸は印加電圧のピーク値をそれぞれ示しており、各軸のスケールはともに対数スケールである。この図１１のグラフに示すように、非平衡プラズマを生成するには、パルス幅を０．０１μｓｅｃ以上かつ１μｓｅｃ未満に設定することが必要である。これに対し、パルス幅を１μｓｅｃ以上まで長くすると、熱平衡プラズマが生成されるようになる。このように、パルス幅の短いパルス電圧を印加すると非平衡プラズマが生成されるのは、パルス幅が短い条件下では電子のみが反応して、イオンや分子はほとんど反応しないからである。
【００６９】
前記の知見より、本実施形態では、ＰＣＭ１００により、図１２に示すような条件でプラズマ生成プラグ１６への印加電圧が制御される。すなわち、ＰＣＭ１００は、１０ｋＶのピーク電圧と０．１μｓｅｃのパルス幅をもったパルス電圧がプラズマ生成プラグ１６の中心電極３２に印加されるように、図外の電源部から中心電極３２への電力の供給を制御する。このとき、ＰＣＭ１００は、パルス電圧を１００ｋＨｚの周波数で繰り返し印加する。これにより、プラズマ生成プラグ１６の４つの放電電極３３と、絶縁性の低い天井側非絶縁領域Ｄまたは／およびピストン５のキャビティＣの開口縁Ｃ１との間で非平衡プラズマが放電される。
【００７０】
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。
【００７１】
燃焼室６内で非平衡プラズマが生成されると、プラズマ生成プラグ１６の放電電極３３の周辺の環境に応じて、種々の物質が生成される。特に、放電電極３３の周辺が空燃比の大きいリーンな環境であった場合には、非平衡プラズマの作用により、前記のように、オゾン（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。
【００７２】
（３）運転条件に応じた制御
図１３は、エンジンの運転条件（負荷／回転速度）に応じた制御の相違を説明するためのマップ図である。本図に示される運転マップは、所定負荷Ｔｓ未満の低負荷域Ａ１と、所定負荷Ｔｓ以上の高負荷域Ａ２とに大別される。ＰＣＭ１００は、エンジンの運転ポイントが低負荷域Ａ１および高負荷域Ａ２のいずれに含まれるかを各センサＳＮ１〜ＳＮ３の検出値等に基づいて都度判定し、判定された運転領域に適合する燃焼が実現されるようにエンジンの各部を制御する。例えば、高負荷域Ａ２での運転時、ＰＣＭ１００は、燃焼室６のほぼ全体にわたって（キャビティＣの内側と外側の双方において）混合気が形成されかつ当該混合気が圧縮着火により燃焼するように、インジェクタ１５およびプラズマ生成プラグ１６を制御する。一方、低負荷域Ａ１での運転時、ＰＣＭ１００は、キャビティＣの内部に限定的に混合気が形成されかつ当該混合気が圧縮着火により燃焼するように、インジェクタ１５およびプラズマ生成プラグ１６を制御する。
【００７３】
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。
【００７４】
（ａ）高負荷域での制御
図１４、図１５は、高負荷域Ａ２での運転時にＰＣＭ１００により実行される燃焼制御の内容を例示するためのタイムチャートである。図１４は、高負荷域Ａ２のうちエンジン回転数が予め設定された基準回転数Ｎ１以下の高負荷低速域Ａ２１での運転時の例を示している。図１５は、高負荷域Ａ２のうちエンジン回転数が基準回転数Ｎ１よりも高い高負荷高速域Ａ２２での運転時の例を示している。これら図１４、図１５に示すように、高負荷域Ａ２での運転時、ＰＣＭ１００は、吸気行程と圧縮行程とにそれぞれインジェクタ１５から燃料を噴射させるとともに、プラズマ生成プラグ１６から放電させる。
【００７５】
（高負荷低速域での制御）
高負荷低速域Ａ２１では、吸気行程の前半と圧縮行程の後半とにそれぞれインジェクタ１５から燃料が噴射される。以下では、吸気行程の前半に行われる燃料噴射を前段噴射、圧縮行程の後半に行われる燃焼噴射を後段噴射という。
【００７６】
前段噴射は、吸気行程の開始時期である排気上死点（図１４の左側のＴＤＣ）から吸気行程の１／２が経過した時点までの間にまとめて（分割されることなく）実行される。吸気弁１１は、吸気行程中の全期間で開弁しており、吸気弁１１の開弁中に前段噴射は実施される。例えば、吸気弁１１は、排気上死点前約２０°ＣＡ〜吸気下死点後約６０°ＣＡで閉弁し、吸気弁１１のリフト量が比較的高いときに前段噴射は実施される。
【００７７】
後段噴射は、圧縮行程の１／２が経過した時点から圧縮行程の３／４が経過した時点までの間に実行される。
【００７８】
後段噴射のタイミングについてより詳しく説明する。圧縮行程の１／２が経過した時点とは、圧縮上死点（図１４の右側のＴＤＣ）から９０°進角したＢＴＤＣ９０°ＣＡのことであり（「°ＣＡ」はクランク角を表す）、圧縮行程の３／４が経過した時点とは、圧縮上死点から４５°進角したＢＴＤＣ４５°ＣＡのことである。言い換えると、本実施形態では、後段噴射として、ＢＴＤＣ９０°ＣＡからＢＴＤＣ４５°ＣＡまでの間に、インジェクタ１５から燃料が噴射される。以下では、後段噴射が行われる前記の期間（ＢＴＤＣ９０°ＣＡからＢＴＤＣ４５°ＣＡまでの期間）のことを「圧縮行程の１／２〜３／４」などということがある。
【００７９】
図１６は、高負荷域Ａ２での運転時にインジェクタ１５から噴射された燃料の挙動を説明するための図である。なお、図１６では便宜上、プラズマ生成プラグ１６の図示を省略するとともに、これよりも紙面手前に位置するインジェクタ１５を本来のプラズマ生成プラグ１６の位置に図示している。
【００８０】
図１６（ａ）に示すように、前段噴射により吸気行程前半に噴射された燃料は、燃焼室６の天井面２８の中央付近に配置されたインジェクタ１５からコーン状に拡がる。噴射された燃料の多くは、燃焼室６内に拡散する。しかし、前段噴射の実施中に吸気弁１１が開弁していることで、図１６（ａ）に示すように、インジェクタ１５から噴射された燃料の一部は、充分に拡がる前、および、充分に気化する前に、吸気弁１１に衝突する。その結果、吸気弁１１には、排気弁１２に比べて、比較的多くの燃料が液滴状態で付着することになる。また、一部の燃料は、吸気弁１１との衝突によって吸気弁１１まわりの燃焼室６の天井面２８に飛散し、吸気弁１１まわりの燃焼室６の天井面２８にも、比較的多くの燃料が液滴状態で付着することになる。
【００８１】
このように、本実施形態では、前段噴射の実施時に、吸気弁１１およびその周囲の燃焼室６の天井面２８に、多くの燃料が液滴状態で付着することになる。
【００８２】
なお、吸気弁１１およびその周囲の燃焼室６の天井面２８に付着した燃料の一部は、天井面２８を伝って気筒２の内周面の吸気側部分に移動する。
【００８３】
図１６（ｂ）に示すように、後段噴射が行われる圧縮行程後半の時点において、燃焼室６の各所には前段噴射に係る燃料と空気の混合気が形成される。ただし、図１６（ｂ）において濃い目の着色領域で示した燃焼室６の吸気側の壁面（吸気弁１１のバルブ面を含む天井面２８の吸気側の部分および気筒２の内周面の吸気側の部分）近傍には、前記のように前段噴射時に液滴状態で付着した燃料によって比較的リッチな（他の領域よりも燃料濃度の濃い）混合気が形成される。なお、図１６（ｂ）において濃い目の着色領域以外の領域を薄く着色しているのは、相対的にリーンな（燃料濃度の薄い）混合気が存在していることを表している。ここで、前段噴射によって気筒２の内周面の排気側の部分にも燃料は付着するが、その量は吸気側の部分に比べて少なく抑えられる。
【００８４】
一方、後段噴射により圧縮行程の１／２〜３／４に噴射された燃料は、ピストン５のキャビティＣに導入されて、圧縮上死点までキャビティＣの内部に留まる。すなわち、本実施形態では、キャビティＣと対向する燃焼室６の天井面２８の中央付近にインジェクタ１５が配置されるので、圧縮行程の１／２〜３／４というタイミングでインジェクタ１５からコーン状に燃料が噴射されると、噴射された燃料は、径方向に十分に拡がる前にキャビティＣに導入される（図１３（ｂ）参照）。
【００８５】
図１６（ｃ）に示すように、一旦キャビティＣに導入された燃料は、そのほとんどが、キャビティＣの外部に漏れ出ることなく、圧縮上死点まで（着火直前まで）キャビティＣの内部に留まることになる。これに伴い、圧縮上死点付近において、キャビティＣの上方の混合気は、比較的リーンな状態に維持される。
【００８６】
ここで、ピストン５が上死点に近づく過程で、気筒２の内周面に付着していた燃料の一部は気化する。そのため、キャビティＣの開口縁Ｃ１よりも径方向外側に位置するスキッシュエリアにも、比較的（キャビティＣの上方部分よりも）リッチな混合気が形成される。
【００８７】
このように、本実施形態では、圧縮上死点近傍における燃焼室６において、前段噴射に基づく相対的にリッチな混合気（燃料濃度が高い混合気）が燃焼室６の外周側部分つまりスキッシュエリア（キャビティＣの外側）に形成されるとともに、後段噴射に基づくよりリッチな混合気（燃料濃度が高い混合気）がキャビティＣの内部に形成される。また、燃焼室６の吸気側部分の壁面近傍には、特にリッチな混合気（燃料濃度が高い混合気）が形成される。
【００８８】
図１４に示すように、高負荷低速域Ａ２１では、プラズマ生成プラグ１６からの非平衡プラズマの放電は、前段噴射の終了後から後段噴射の開始前までの期間に実行される。以下では、この前段噴射の終了後から後段噴射の開始前までの期間に実行される放電を主放電という。
【００８９】
図１７は、主放電が実行されたときの燃焼室６内の状況を模式的に示す図である。本実施形態では、主放電は、吸気下死点（ＢＤＣ）から吸気弁１１の閉弁時期付近の所定時期までの期間にわたって実行され、この期間中、継続して中心電極３２にパルス電圧が印加される。前記のように吸気弁１１は吸気下死点よりも前の所定時期に開弁するようになっており、吸気弁１１が開弁している状態で主放電は開始される。
【００９０】
本実施形態では、エンジン回転数によらず主放電の開始時期は一定に維持される。一方、エンジン回転数が高くなるほど、クランク角度において主放電の終了時期は遅角される。すなわち、エンジン回転数が低いときは図１４の実線で示す期間中、主放電が実施され、エンジン回転数が高いときは図１４の破線で示す期間中、主放電が実施される。
【００９１】
前記のように、ピストン５が上死点と下死点の中央位置付近から上死点までの位置にあるときは、プラズマ生成プラグ１６の放電電極３３の先端とキャビティＣの開口縁Ｃ１との距離の方が、放電電極３３の先端と天井側非絶縁領域Ｄとの距離の方よりも短い。これより、主放電では、図１７に示すように放電電極３３と天井側非絶縁領域Ｄとを結ぶラインに沿って非平衡プラズマが流れる。つまり、非平衡プラズマは放電電極３３の先端から燃焼室６の外周に向かって放出されて絶縁レベルの低い天井側非絶縁領域Ｄに導かれる。
【００９２】
主放電は、後段噴射よりも前であって燃焼室６内の燃料濃度が低く、オゾン（Ｏ３）やＯＨ等の活性種が生成されやすい状態で実行される。また、主放電は、吸気下死点付近であって燃焼室６内の圧力が比較的低い時期に実施される。プラズマ放電では、放電がなされる場の圧力すなわち雰囲気圧力が低いときの方が高いときよりも、形成されるオゾン（Ｏ３）やＯＨ等の活性種が多くなる。そのため、主放電が前記のようなタイミングで実施されることによって、燃焼室６内には多くの活性種が生成される。
【００９３】
オゾン（Ｏ３）等の活性種は、前記のように、放電経路上で生成されて、放電電極３３からアース側電極側に向かって流れる。そのため、主放電では、プラズマ生成プラグ１６の放電電極３３と天井側非絶縁領域Ｄとを結ぶライン回りでオゾン（Ｏ３）等の活性種が生成されて、放電電極３３から天井側非絶縁領域Ｄに向かってこの活性種が流動する。本実施形態では、吸気弁１１と排気弁１２の各バルブ面に天井側非絶縁領域Ｄが形成されており、吸気弁１１および排気弁１２回りに活性種が供給されることになる。さらに、吸気側電極３３ｉが吸気弁１１のバルブ面の中心に向かって延びるように配設され、排気側電極３３ｅが排気弁１２のバルブ面の中心に向かって延びるように配設されているため、吸気弁１１および排気弁１２回りに多くの活性種が供給される。
【００９４】
ここで、本実施形態では、吸気側電極３３ｉの方が排気側電極３３ｅよりも、プラズマ生成プラグ１６の中心軸から先端までの長さが長くされている。そのため、吸気側電極３３ｉから天井側非絶縁領域Ｄに向けて流れる電気エネルギーの方が、排気側電極３３ｅから天井側非絶縁領域Ｄに向けて流れる電気エネルギーの方が大きくなる。具体的には、吸気側電極３３ｉと天井側非絶縁領域Ｄとの距離の方が、排気側電極３３ｅと天井側非絶縁領域Ｄとの距離よりも短くされていることで、中心電極３２に加えられた電気は、排気側電極３３ｅと天井側非絶縁領域Ｄとの間よりも、吸気側電極３３ｉと天井側非絶縁領域Ｄとの間の方に流れやすくなり、吸気側電極３３ｉから天井側非絶縁領域Ｄに向けてより多くの電気エネルギーが流れる。これにより、主放電では、吸気側電極３３ｉと天井側非絶縁領域ＤとをむすぶラインＬ２回りで生成される非平衡プラズマおよび活性種の方が、排気側電極３３ｅと天井側非絶縁領域ＤとをむすぶラインＬ１回りで生成される非平衡プラズマおよび活性種よりも多くなり、吸気弁１１回りにより多くの（排気弁１２回りに比べて）活性種が供給される。
【００９５】
吸気弁１１の開弁に伴って燃焼室６内にはタンブル流が形成される。ただし、図５の破線や実線で示したように、タンブル流は主として吸気弁１１から下方に向かう流れであり、天井側非絶縁領域Ｄが位置する燃焼室６の天井面の外周縁付近の流れは比較的弱く抑えられる。特に、本実施形態では、図５の実線についての前記説明のように、燃焼室６の天井面の外周縁付近の流れは非常に弱くされる。そのため、生成された活性種は放電電極３３から天井側非絶縁領域Ｄに向かった後、この領域Ｄ付近つまり燃焼室６の天井面の外周縁付近に滞留する。
【００９６】
主放電の後は、前記のように、後段噴射が実施されてキャビティＣ内にリッチな混合気が形成される。その後、圧縮上死点付近において、燃料濃度が高く且つ比較的低温の燃焼室６の壁面から遠いキャビティＣ内に存在する混合気が着火、燃焼する。これに続いて燃焼室６の外周側部分つまりスキッシュエリアに存在する混合気が着火、燃焼する。このとき、燃焼室６の外周縁付近に留まっている活性種によって、スキッシュエリアに存在する混合気の着火、燃焼が促進される。具体的には、活性種がない場合よりもスキッシュエリアに存在する混合気の着火が早期に開始し、且つ、この混合気の燃焼速度が早められる。
【００９７】
さらに、本実施形態では、前記のように、吸気弁１１回りにより多くの活性種が供給されるようになっている。そのため、前段噴射に起因して燃焼室６の吸気側の壁面近傍に形成された燃料濃度が非常に高い混合気も、活性種の作用によって適切に燃焼することになる。
【００９８】
（高負荷高速域での制御）
図１５に示すように、高負荷高速域Ａ２２でも、高負荷低速域Ａ２１と同様に吸気行程の前半と圧縮行程の後半とにそれぞれインジェクタ１５から燃料が噴射される。この燃料噴射の制御は、高負荷高速域Ａ２２と高負荷低速域Ａ２１とで同様であり、ここでの説明は省略する。
【００９９】
一方、図１５に示すように、高負荷高速域Ａ２２では、プラズマ生成プラグ１６からの放電として、前段噴射の終了後から後段噴射の開始前までの期間に実行される主放電に加えて、後段噴射の終了後、圧縮上死点を含む所定の期間に亘って実行される追加放電が実施される。主放電の制御内容は、高負荷高速域Ａ２２と高負荷低速域Ａ２１とで同様であり、ここでの説明は省略する。
【０１００】
本実施形態では、追加放電は、スキッシュ流が弱くなり始める圧縮行程後期の所定時期から混合気が着火するまでの間に実行される。本実施形態の場合、ピストン５の上昇に伴いスキッシュエリア（キャビティＣの開口縁Ｃ１よりも径方向外側に位置する領域）に形成されるスキッシュ流、つまり径方向外側から内側へと向かうガス流れは、圧縮上死点から１０°進角したＢＴＤＣ１０°ＣＡから弱くなり始める。これに伴い、追加放電を開始する最早時期はＢＴＤＣ１０°ＣＡとされる。また、本実施形態では、高負荷高速域Ａ２２での運転時に、混合気は遅くとも、圧縮上死点から１０°遅角したＡＴＤＣ１０°ＣＡまでには着火する。このため、前記プラズマ放電を終了する最遅時期はＡＴＤＣ１０°ＣＡとされる。言い換えると、本実施形態では、スキッシュ流が弱くなり始めるＢＴＤＣ１０°ＣＡから、混合気着火の最遅時期であるＡＴＤＣ１０°ＣＡまでの間に、プラズマ放電が開始および終了される。図１２の例では、プラズマ生成プラグ１６からの非平衡プラズマの放電がＢＴＤＣ５°ＣＡからＡＴＤＣ５°ＣＡまでの間に継続的に実行される。なお、本明細書において、混合気の着火時点とは、燃料の熱炎反応の開始時点のことである。この熱炎反応の開始時期は、供給された全燃料の約１０％質量分が燃焼した時点（ＭＦＢ１０％）として定義することができる。
【０１０１】
図１８は、追加放電が実行されたときの燃焼室６内の状況を模式的に示す図である。本実施形態では、追加放電の実施時において、放電電極３３の先端とキャビティＣの開口縁Ｃ１との距離の方が放電電極３３の先端と天井側非絶縁領域Ｄとの距離よりも短くなる。そのため、追加放電では、主として放電電極３３からキャビティＣの開口縁Ｃ１に向かって非平衡プラズマが放電される。つまり、非平衡プラズマは、放電電極３３とキャビティＣの開口縁Ｃ１とを結ぶラインに沿って、放電電極３３の先端からキャビティＣの開口縁Ｃ１に向かって燃焼室６の外周側向き且つ下向きに流れる。なお、一部の非平衡プラズマが放電電極３３から天井側非絶縁領域Ｄに流れることもある。
【０１０２】
この追加放電でも、前記のように吸気側電極３３ｉの長さの方が排気側電極３３ｅの長さよりも長いことに伴い、主放電と同様に、吸気側電極３３ｉからキャビティＣの開口縁Ｃ１に向かう電気エネルギーの方が、排気側電極３３ｅからキャビティＣの開口縁Ｃ１に向かう電気エネルギーよりも多くなる。そして、吸気側電極３３ｉとキャビティＣの開口縁Ｃ１とを結ぶラインＬ１２回りに形成される活性種の方が、排気側電極３３ｅとキャビティＣの開口縁Ｃ１とを結ぶラインＬ１１回りに形成される活性種よりも多くなる。
【０１０３】
図１６（ｃ）に示したように、圧縮上死点付近では、前段噴射と後段噴射とによって、スキッシュエリアとキャビティＣの内部とに、それぞれ比較的リッチな混合気が形成されている。一方で、放電電極３３の先端とキャビティＣの開口縁Ｃ１とを結ぶ放電経路Ｌ１１、Ｌ１２は、前記２箇所の混合気領域の間（スキッシュエリアとキャビティＣとの間）に位置しており、ここに存在する混合気は比較的リーンである。また、前記のように、後段噴射に係る燃料はキャビティＣ内に留まり、キャビティＣの上方に存在する混合気は比較的リーンである。そのため、追加放電によっても、放電電極３３の先端とキャビティＣの開口縁Ｃ１とを結ぶ放電経路Ｌ１１、Ｌ１２回りでオゾン（Ｏ３）やＯＨ等の活性種が生成される。このようにして圧縮上死点付近で活性種がラインＬ１１、Ｌ１２回りで追加生成されるのと併せて、ピストン５が下降を開始する。ピストン５が下降を開始すると、スキッシュエリアには、径方向内側から外側へと流れる逆スキッシュ流が形成され始める。このため、ラインＬ１１、Ｌ１２回りで生成された活性種は、その多くが前記逆スキッシュ流に乗ってスキッシュエリアへと移動することになる。
【０１０４】
このように、高負荷高速域Ａ２２では、主噴射によって生成された活性種Ｍ１に加えて追加放電によって生成された活性種Ｍ２がスキッシュエリアに供給されて、スキッシュエリアに存在する混合気の着火、燃焼が促進される。特に、吸気側のスキッシュエリアにより多くの活性種が供給されることで、吸気側のスキッシュエリアに存在して他の領域よりも燃料濃度が高い混合気が適切に燃焼することになる。
【０１０５】
本実施形態では、追加放電の終了とほぼ同時に（つまりＡＴＤＣ５°ＣＡの近傍で）混合気は着火する。例えばＡＴＤＣ５〜１０°ＣＡ程度で混合気は着火し、圧縮着火燃焼が開始される。
【０１０６】
（吸気の制御）
前記のように、高負荷域Ａ２での運転時は、主にキャビティＣの内部とスキッシュエリアとに混合気が形成される（つまり燃焼室６内の広い範囲に燃料が分布する）が、その一方で、燃焼室６に導入される空気の量はかなり多くされ、その結果、燃焼室６内の空燃比（Ａ／Ｆ）は、理論空燃比（１４．７）よりも大幅にリーンな値に設定される。具体的に、高負荷域Ａ２では、燃焼室６全体における平均の空燃比、つまり１サイクル中にインジェクタ１５から噴射される燃料の量と燃焼室６内の空気量との比（質量比）が、理論空燃比に対し２倍を超えて大きい値に設定される。言い換えると、高負荷域Ａ２では、空気過剰率λが２よりも大きくなる（λ＞２相当の空気が燃焼室６に導入される）ように、スロットル弁５４が十分に高い開度まで開かれる。また、高負荷域Ａ２では、少なくとも最高負荷の近傍を除いて、ＥＧＲ弁７３が開弁され、所定量のＥＧＲガスが燃焼室６に導入される。例えば、高負荷域Ａ２では、インジェクタ１５から噴射される燃料の量と燃焼室６内の全ガス量（空気およびＥＧＲガスの合計量）との比であるガス空燃比（Ｇ／Ｆ）が、３０以上に設定される。なお、高負荷域Ａ２でλ＞２相当の空気量を確保しようとしても、自然吸気だけでは空気量が不足するおそれがあるが、このような場合は過給機を追加すればよい。
【０１０７】
このように、高負荷域Ａ２では、燃焼室６内の空気過剰率λが２よりも大きい非常にリーンな状態とされるが、前述した活性種の存在によって特にスキッシュエリア内の混合気（言い換えるとキャビティＣの内部よりも低温の環境にある混合気）の燃焼が促進されるので、λ＞２というリーンな環境下であるにもかかわらず、混合気の燃焼速度が速められ、比較的短時間のうちに燃焼が終了することになる。
【０１０８】
（ｂ）低負荷域での制御
詳細な図示は省略するが、前記高負荷域Ａ２よりもエンジン負荷が低い（つまり燃料の所要量が減る）低負荷域Ａ１では、インジェクタ１５からの燃料噴射が圧縮行程の後半にのみ実行され、かつ当該燃焼噴射が終了してから圧縮上死点までの間にプラズマ生成プラグ１６から非平衡プラズマが放電される。
【０１０９】
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。
【０１１０】
また、低負荷域Ａ１では、圧縮行程の３／４経過時点（ＢＴＤＣ４５°ＣＡ）以降であって燃料噴射が終了してから圧縮上死点までの間にプラズマ生成プラグ１６から放電がなされる。このタイミングで放電がなされることで、低負荷域Ａ１では、前記の追加噴射と同様に放電電極３３の先端とキャビティＣの開口縁Ｃ１とを結ぶラインＬ１１、Ｌ１２回りで非平衡プラズマおよび活性種が生成されるとともに、主としてスキッシュエリアに活性種が供給される。これにより、キャビティＣの中心部に比べれば温度が低い傾向にあるスキッシュエリアの混合気の燃焼速度が速くなり、混合気の燃焼期間が短縮される。
【０１１１】
特に、前記のように、吸気側のスキッシュエリアに多量の活性種が供給されて、この活性種の作用によって、吸気側のスキッシュエリアに存在する燃料濃度が非常に高い混合気も比較的短い期間で適切に燃焼することになる。
【０１１２】
燃焼室６全体の混合気の空燃比（Ａ／Ｆ）は、理論空燃比に対し２倍を超えて大きい値に設定される（つまりλ＞２とされる）。このように、本実施形態では、高負荷域Ａ２でも低負荷域Ａ１でも（エンジンの全ての運転領域において）、λ＞２というリーンな環境下で混合気を圧縮着火燃焼させる制御が実行される。
【０１１３】
（４）作用効果
以上説明したように、本実施形態では、非平衡プラズマを生成可能なプラズマ生成プラグ１６が設けられるとともに、このプラズマ生成プラグ１６の放電電極３３が、燃焼室の天井部中央付近においてプラズマ生成プラグの中心軸Ｘに対応する位置から燃焼室６の吸気側および排気側に延びる形状を有している。そして、エンジンが高負荷域Ａ２で運転されているときに、前段噴射が実施されてキャビティＣの内部と当該キャビティＣよりも径方向外側のスキッシュエリアつまり燃焼室６の外周部分に混合気が形成されるようにインジェクタ１５が制御されるとともに、前段噴射が実施された後、混合気が着火する前にプラズマ生成プラグから放電がなされて（主放電がなされて）燃焼室６内に非平衡プラズマが生成されるようになっている。そのため、予混合圧縮着火式エンジンにおいて、燃焼騒音を適正なレベルに抑えながら燃焼速度を速めることができるという利点がある。
【０１１４】
具体的には、プラズマ生成プラグ１６から放電がなされることで燃焼室６内に非平衡プラズマおよびオゾン（Ｏ３）等の活性種を生成することができる。ここで、放電電極３３が前記のような形状を有していることで、放電電極３３から燃焼室６の外周側に向かって非平衡プラズマを放電させて、オゾン（Ｏ３）等の活性種を燃焼室６の外周部分に供給することができる。そのため、燃焼室６の外周部分つまりスキッシュエリアの混合気の燃焼を活性種の作用によって促進して、この混合気の燃焼速度を速めて燃焼期間を短縮することができる。
【０１１５】
ここで、燃焼室６の外周部分に位置するスキッシュエリアの温度は、燃焼室６の中央部（キャビティＣの内部）に比べて低くなる傾向にある。このため、仮にスキッシュエリアへの活性種の供給がなかった場合、スキッシュエリア内の混合気は、キャビティＣ内の混合気に対し相当程度遅れて着火し、着火後の燃焼速度もかなり遅くなってしまう。これに対し、前記実施形態では、スキッシュエリアに活性種が供給されるので、スキッシュエリア内の混合気の着火遅れを短縮できるとともに、当該混合気の燃焼速度（つまり燃焼の後半部の燃焼速度）を速めることができる。しかも、先に着火するキャビティＣ内の混合気の燃焼速度はほぼ変わらないので、燃焼の前半部に生じる圧力上昇が顕著になることはない。このため、燃焼騒音を適正なレベルに抑えながら、混合気の全体を短期間のうちに燃焼させることができ、十分に高い熱効率を得ることができる。
【０１１６】
しかも、前記実施形態では、吸気側に延びる放電電極３３である吸気側電極３３ｉの方が、排気側に延びる放電電極３３である排気側電極３３ｅよりも、放電電極３３の先端とプラズマ生成プラグの中心軸との距離が長くなるように構成されている。そのため、燃焼室６の外周部分のうち特に吸気側の部分に多くの活性種を供給することができる。従って、前段噴射の実施時に吸気弁１１と衝突することで吸気弁１１やその周囲の燃焼室６の壁面に液滴状態で付着した燃料（当該燃料によって形成された燃料濃度の高い混合気）を、活性種の作用によって確実に燃焼させることができる。従って、燃料の燃え残りを少なく抑えて燃費性能をより一層高めることができる。
【０１１７】
図１９は、前記の作用効果を説明するための図である。この図１９では、前記実施形態の方法により混合気を燃焼させた場合の熱発生率の波形をＷ１で示している。この波形Ｗ１に示すように、非平衡プラズマ（活性種）を利用してスキッシュエリア内の混合気の燃焼速度を速めた場合（つまり前記実施形態の方法による場合）には、燃焼騒音を考慮した上限の熱発生率である「燃焼騒音限界」のラインよりも下側において（つまり過大な燃焼騒音が発生しない範囲で）、比較的急激に立ち上がりかつ落ち込む十分にピーキーな燃焼波形を得ることができる。これにより、燃焼期間が短く熱効率に優れ、しかも過大な燃焼騒音を伴わない理想に近い燃焼を実現することができる。
【０１１８】
図１９における波形Ｗ２は、非平衡プラズマに基づく活性種の供給がなかった場合の熱発生率の波形を示している。この波形Ｗ２に示すように、スキッシュエリアに活性種が供給されなかった場合には、温度が高いキャビティＣ内の混合気が燃焼するステージである燃焼の前半部こそ速い燃焼速度が得られるが、温度が低いスキッシュエリア内の混合気が燃焼するステージである燃焼の後半部については燃焼速度が大幅に低下し、全体として燃焼期間が長期化してしまう。すなわち、燃焼の後半部では、ピストン５の低下（燃焼室６の膨張）が進んでいるため、スキッシュエリア内の温度が元々低かったことと相俟って、このスキッシュエリア内の混合気の燃焼速度は大幅に低下せざるを得ない。このように、プラズマ放電（活性種の供給）がされなかった場合には、スキッシュエリア内の混合気の燃焼が緩慢化する結果、全体として燃焼期間が長期化し、熱効率の低下を招くことが理解される。
【０１１９】
なお、仮に燃焼室６の全体に活性種を供給するなどして、スキッシュエリア内の混合気とキャビティＣ内の混合気の双方の燃焼を促進するようにした場合には、例えば図１９に波形Ｗ３で示すように、より燃焼期間を短縮して熱効率を高めることが可能になる。しかしながら、このようにすると、元々高温であるために燃焼が急峻化し易いキャビティＣ内の混合気の燃焼がますます急峻化してしまい、燃焼騒音限界を超えるほど燃焼初期の熱発生率の立ち上がりが急になってしまう。これでは、熱効率の面では優れていても、燃焼騒音が大きくなりすぎて商品性を維持することができなくなる。同様に、仮に、燃焼室６の外周部分全体に多量の活性種を供給すると、燃焼室６の排気側の外周部分の燃焼が過度に促進されることで、この部分の混合気がキャビティＣ内の混合気と同時期に燃焼してしまい燃焼騒音が過大になってしまう。これに対し、前記実施形態では、スキッシュエリア内の混合気の燃焼のみが促進（高速化）されるとともに、吸気側のスキッシュエリア内の混合気の燃焼が効果的に促進されるようになり、燃焼騒音が過大にならない範囲で可及的に燃焼速度を速めることができ、商品性と熱効率とを高次元に両立することができる。
【０１２０】
また、前記実施形態では、高負荷域Ａ２での運転時に、燃焼室６内の空気過剰率λが２より大きくされるので、混合気の燃焼温度を大幅に低下させることができ、燃焼に伴うＮＯｘの発生量を十分に抑制することができる。ここで、図１９中の「ＮＯｘ限界」のラインは、ＮＯｘを還元するための触媒（ＮＯｘ触媒）が不要なほどＮＯｘの発生量を抑えることが可能な下限の熱発生率を示している。このＮＯｘ限界のラインと波形Ｗ１との比較から明らかなように、λ＞２という大幅にリーンな環境下で混合気を燃焼させる前記実施形態によれば、ＮＯｘ限界を超えるような高温の燃焼が起きるのを回避することができ、ＮＯｘ触媒を不要にできるほどＮＯｘ発生量を低減することができる。
【０１２１】
前記実施形態では、高負荷域Ａ２において、吸気行程中にインジェクタ１５から燃料を噴射する前段噴射に加えて、圧縮行程中にインジェクタ１５から燃料を噴射する後段噴射が実施される。そのため、燃焼室６の中央部分に位置するキャビティＣの内部に燃料濃度が適度に高い混合気を形成することができる。従って、燃焼室６の中央部分の混合気を確実に着火させて、これにより燃焼室全体の混合気を確実に燃焼させることができる。そして、前記のように比較的着火しにくい燃焼室の外周部分に存在する混合気を非平衡プラズマの作用によって早期に燃焼させることができる。
【０１２２】
また、前記実施形態では、高負荷域Ａ２において、吸気行程中に実施される前段噴射が終了してから圧縮行程中に実施される後段噴射が開始されるまでの期間中に主放電が実施される。つまり、燃焼室内の圧力が比較的低いときに主放電が実施される。そのため、より確実に多量の活性種をスキッシュエリアに供給することができる。また、燃料と非平衡プラズマとが接触すると、ホルムアルデヒド等の燃焼を抑制する物質（以下、抑制種という）が生成されやすくなる。これに対して、後段噴射が開始されるまでの期間中に主放電が実施されることで、後段噴射により燃焼室６に供給された燃料と非平衡プラズマとの接触を回避することができる。従って、ホルムアルデヒド等の抑制種によって混合気の燃焼が阻害されるのを防止することができる。
【０１２３】
また、前記実施形態では、エンジン回転数が高いときの方が低いときよりも主放電の終了時期が遅角されて、主放電の実施期間つまりプラズマ生成プラグ１６の放電電極３３からのクランク角度における放電期間が、エンジン回転数が高いときの方が低いときよりも長くされている。そのため、エンジン回転数が高いときにスキッシュエリアの混合気の燃焼をより確実に促進することができるとともに、プラズマ生成プラグの駆動に伴うエネルギー消費が過大になるのを抑制することができる。具体的には、エンジン回転数が高いときは低いときよりも、単位時間あたりにインジェクタから噴射される燃料の量が多くなることで、燃料のペネトレーションが高くなり気筒２の内周面に燃料が付着しやすい。気筒２の周面に付着した燃料は、ピストン５の上昇に伴って概ね蒸発するが、空気との混合が十分でなく燃焼しにくい。これに対して、前記実施形態では、前記のようにエンジン回転数が高いときに放電期間が長くされることで、多くの活性種をスキッシュエリアつまり気筒２の周面に近い領域に供給することができ、この領域の混合気の燃焼を促進することができる。
【０１２４】
また、前記実施形態では、エンジン回転数が基準回転数Ｎ１よりも高い高負荷高速域Ａ２２において、後段噴射が終了してから混合気が着火するまでの期間中に追加放電が実施されて、燃焼室６の外周部分つまりスキッシュエリアにさらに活性種を追加することができる。そのため、前記のようにエンジン回転数が高いことで燃焼しにくくなりやすい燃焼室６の外周部分の混合気の燃焼を促進することができる。
【０１２５】
また、前記実施形態では、後段噴射が、圧縮行程の１／２が経過した時点から圧縮行程の３／４が経過した時点までの間（ＢＴＤＣ９０°ＣＡからＢＴＤＣ４５°ＣＡまでの間に）に実施される。そのため、後段噴射によりインジェクタ１５から噴射された燃料を圧縮上死点までキャビティＣの内部に留めることができる。そのため、キャビティＣ内の混合気をより確実着火させて混合気全体を確実に燃焼させることができる。また、キャビティＣの上方の混合気の燃料濃度を小さく抑えることができる。従って、追加放電の実施時に、ホルムアルデヒド等の抑制種の生成を抑制し、オゾン（Ｏ３）等の活性種を多く生成することができる。従って、混合気の燃焼を適切に促進できる。
【０１２６】
また、前記実施形態では、遮熱層が設けられている。そのため、燃焼室６の外周部分での混合気の燃焼によって生じた熱エネルギーが燃焼室６の壁面を介して外部に放出されるのを防止することができる。特に、前記のように、燃焼室の吸気側の壁面近傍では、燃料濃度が高い混合気の燃焼によって高い熱エネルギーが生成されるが、この熱エネルギーが外部に放出されるのを防止でき、冷却損失を小さく抑えて燃費性能をより一層高めることができる。
【０１２７】
（５）変形例
前記実施形態では、燃焼室６の天井面２８の中央付近にインジェクタ１５を配置するととともに、高負荷域Ａ２での運転時に、スキッシュエリアとキャビティＣの内部内とにそれぞれ相対的にリッチな混合気が形成されるように、吸気行程の前半および圧縮行程の１／２〜３／４においてそれぞれインジェクタ１５から燃料を噴射するようにしたが、インジェクタ１５の位置や燃料噴射の時期はこれに限られない。すなわち、インジェクタ１５の位置や当該インジェクタ１５からの燃料の噴射時期を適宜変更してもよい。
【０１２８】
前記実施形態では、主放電を吸気下死点から吸気弁１１の閉弁時期付近までの期間に実施する場合について説明したが、主放電の実施期間は、前段噴射の実施後、混合気が着火する前までの期間内の限りで他の期間であってもよい。また、追加放電の実施期間も、前記実施形態の期間に限らず、後段噴射の実施後、混合気が着火するまでの期間内の限りで他の期間に設定されてもよい。また、追加放電と主放電の一方のみを実施するようにしてもよい。
【０１２９】
前記実施形態では、プラズマ生成プラグ１６として、中心電極３２の先端から吸気側に延びる２つの放電電極３３ｉと排気側に延びる２つの放電電極３３ｅとを備えたものについて説明したが、吸気側に延びる放電電極の数と排気側に延びる放電電極の数はこれに限らない。例えば、プラズマ生成プラグ１６に、吸気側に延びる１つの放電電極と排気側に延びる１つの放電電極とを設けるようにしてもよい。この場合において、さらに、プラズマ生成プラグ１６を図２０（ａ）、（ｂ）に示すように構成してもよい。すなわち、プラズマ生成プラグ１６に、放電電極３３として、中心電極３２の先端から吸気側に延びる１つの放電電極１３３ｉと、これよりも長さが短い（中心電極３２の先端から放電電極の先端までの長さが短い）排気側に延びる１つの放電電極１３３ｅを設けるとともに、吸気側に延びる放電電極１３３ｉの中心電極３２回りの長さを排気側に延びる放電電極１３３ｅよりも大きくする。この構成によれば、中心電極３２回りの長さが吸気側に延びる放電電極と排気側に延びる放電電極とで同じ場合に比べて、より多くの電気エネルギーひいては非平衡プラズマおよび活性種を燃焼室６の吸気側に供給することができる。なお、図２０（ａ）および後述する図２１、図２３では、図を明瞭にするべく、プラズマ生成プラグ１６を実線で示している。
【０１３０】
また、図２１に示すように、プラズマ生成プラグ１６の放電電極３３として、吸気側に延びる放電電極２３３ｉと排気側に延びる放電電極２３３ｅに加えて、吸排気方向と直交する方向に延びる放電電極２３３ｃを設けてもよい。この場合には、図例のように、吸気側に延びる放電電極１３３ｉの長さを最も長くすることで、燃焼室６の外周部分の吸気側の領域に多量の活性種を供給してこの領域にある燃料濃度の高い混合気を効果的に燃焼させることができる。
【０１３１】
前記実施形態では、天井側非絶縁領域ＤとキャビティＣの開口縁Ｃ１を除いた燃焼室６のほぼ全面を遮熱層１９によって覆うことにより、遮熱層１９で覆われていない（露出した）天井側非絶縁領域ＤとキャビティＣの開口縁Ｃ１とをプラズマ放電時のアース側電極として機能させるようにしたが、アース側電極として機能させる部位はこれに限らない。ただし、少なくとも燃焼室６の天井面２８のうち放電電極３３と対向する部分に絶縁体を設けておけば、放電電極３３から燃焼室６の外周側に向かって非平衡プラズマを放電させて燃焼室の外周部分により多くの活性種を供給することができる。また、前記実施形態では、各放電電極３３の上面（燃焼室６の天井面２８側の面）を、アルミナ等からなる絶縁体３４（碍子）によって覆った場合について説明したが、各放電電極３３の上面を絶縁体３４で覆わずに露出させてもよい。ただし、各放電電極３３の上面を絶縁体３４で覆えば、当該上面から燃焼室６の天井面２８に向かって非平衡プラズマが流れるのを防止して、放電電極３３から燃焼室６の外周側により確実に非平衡プラズマを放電させることができる。
【０１３２】
また、図２２に示すように、各放電電極３３の上面（燃焼室６の天井面２８側の面）を、アルミナ等からなる絶縁体（碍子）によって覆うようにしてよい。このようにすれば、各放電電極３３の上面から上方すなわち燃焼室６の天井面２８の中央部に向かって非平衡プラズマが放電されるのを防止して、放電電極３３から燃焼室６の外周側により確実に活性種を供給することができる。
【０１３３】
前記実施形態では、インジェクタ１５として、開弁時にリング状のノズル口４４が形成される外開式のものを用いたが（図６参照）、これに代えて、インジェクタの先端部に周状に並ぶ複数の噴孔を有する多噴孔式のものを用いてもよい。
【０１３４】
前記実施形態では、ガソリンを主成分とする燃料を空気と混合しつつ圧縮着火させる予混合圧縮着火式のガソリンエンジンに本発明を適用した例について説明したが、例えば軽油を主成分とする燃料を空気と混合しつつ圧縮着火させる予混合圧縮着火式のディーゼルエンジンに本発明を適用してもよい。
【０１３５】
（６）第２実施形態
さらに、前記実施形態では、プラズマ生成プラグ１６として、吸気側に延びる放電電極３３ｉに加えて排気側に延びる放電電極３３ｅを設けた場合を説明したが、図２３に示すように、プラズマ生成プラグ１６に、排気側に延びる放電電極は設けず、吸気側に延びる放電電極３３３のみを設けるようにしてもよい。
【０１３６】
このように構成されたプラズマ生成プラグ１６を用いた第２実施形態では、中心電極３２に加えられた電気エネルギーおよびこれにより生成された非平衡プラズマのほぼ全てが燃焼室６の外周部分の吸気側の領域に付与される。そのため、非常に多くの活性種をこの領域に供給することができる。従って、前記のように、前段噴射の実施に伴って吸気弁１１回りに液滴状態で付着した燃料およびこの燃料を含む燃料濃度の高い混合気をより確実に燃焼させることができる。そのため、燃料の燃え残りを回避して燃費性能を確実に高めることができる。そして、この第２実施形態においても、先に着火する燃焼室の中央部分の混合気の燃焼速度は特に変わらないので、燃焼の前半部に生じる圧力上昇が顕著になることはない。このため、燃焼騒音を適正なレベルに抑えながら、混合気の全体を短期間のうちに燃焼させることができ、十分に高い熱効率を得ることができる。
【０１３７】
なお、このように、プラズマ生成プラグ１６に放電電極として吸気側に延びる放電電極３３３のみを設ける場合においても、放電電極３３３の具体的な形状は図２３に示したものに限らない。例えば、放電電極を、図２１で示した中心電極３２回りに広がるような形状としてもよい。
【０１３８】
また、このようなプラズマ生成プラグ１６を用いる第２実施形態において、プラズマ生成プラグ１６の構造以外の構造および制御内容は、前記の第１実施形態の構成および制御内容とされればよい。
【符号の説明】
【０１３９】
１  エンジン本体
５  ピストン
６  燃焼室
１５  インジェクタ
１６、１１６  プラズマ生成プラグ
３３、１３３  放電電極
５４  スロットル弁
１００  ＰＣＭ（制御装置）
Ａ２  高負荷域
Ｃ  （ピストンの）キャビティ
Ｃ１  （キャビティの）開口縁
Ｓ  （ピストンの）冠面
【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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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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