(57)【要約】【課題】自己着火性を向上させるためのラジカルの生成効率を高める。【解決手段】第１電極５１と、第１電極５１を囲む第２電極５５２と、第１電極５１と第２電極５２との間に形成され開放部を介して燃焼室１３と連通する点火室５５と、を有し、第１電極５１と第２電極５２との間に電圧を印加することにより点火室５５内に活性種を生成する活性種生成手段５０と、活性種生成手段５０の作動時期を可変に制御し得る制御手段７０と、燃焼室１３に燃料を直接噴射する燃料噴射弁３４と、を備える筒内直接噴射式内燃機関において、燃料噴霧によって形成されるガス流動または圧力差によって、活性種が点火室５５内から筒内１３へ引き出されるように、燃料噴射弁３４及び活性種生成手段５０を配置する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極と、
前記第１電極を囲む第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に形成され開放部を介して燃焼室と連通する点火室と、
を有し、
前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加することにより前記点火室内に活性種を生成する活性種生成手段と、
前記活性種生成手段の作動時期を可変に制御し得る制御手段と、
燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、
を備える筒内直接噴射式内燃機関において、
燃料噴霧によって形成されるガス流動または圧力差によって、前記活性種が前記点火室内から筒内へ引き出されるように、前記燃料噴射弁及び前記活性種生成手段を配置することを特徴とする筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項２】
前記燃料噴射弁は燃料噴霧の少なくとも一部と燃焼室壁との間に負圧が形成されるよう燃料を噴射し、この負圧が形成される位置付近に前記活性種生成手段の開放部が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項３】
前記燃料噴霧と燃焼室壁との間隔が、前記開放部が配置された部分で最も小さくなることを特徴とする請求項２に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項４】
前記燃料噴射弁は多孔式の噴射弁であって、少なくとも１つの燃料噴霧が前記開放部付近の燃焼室壁面に沿うように噴射されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項５】
前記燃料噴射弁は燃料噴霧外延部に循環渦が形成される外開き式の噴射弁であって、循環渦が形成される位置付近に前記活性種生成手段の開放部が配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項６】
前記燃料噴射弁が針弁リフト量の調整機構を有することを特徴とする請求項５に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項７】
ピストンは冠面にキャビティを有し、
前記燃料噴射弁は吸気弁及び排気弁よりも燃焼室中心側に配置されて前記キャビティ内に向けて燃料を噴射し、
前記開放部は前記キャビティ上空の燃焼室壁に配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項８】
前記燃料噴射弁及び前記活性種生成手段は吸気弁及び排気弁よりも燃焼室中心側に配置され、かつ前記活性種生成手段は前記燃料噴射弁よりも排気側に配置されていることを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項９】
前記活性種生成手段は、前記第１電極と第２電極との間で非平衡プラズマ放電により活性種を生成することを特徴する請求項１から８のいずれか一ついに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項１０】
前記第１電極は誘電体により覆われており、前記第１電極と前記第２電極との間でバリア放電を発生させて前記活性種を生成することを特徴とする請求項１から９のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項１１】
前記制御手段は、前記活性種生成手段の作動時期を燃料噴射時期と近接するよう設定することを特徴とする請求項１から１０のいずれ一つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項１２】
前記燃料噴射弁により成層混合気を形成して燃焼させる成層燃焼モードを有し、
この成層燃焼モード時には燃料噴射開始前に前記活性種生成手段を作動させることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項１３】
前記成層燃焼モード時には、前記活性種生成手段への投入エネルギーを燃料噴射量に比例して変化させることを特徴とする請求項１２に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項１４】
前記成層燃焼モード時には、他の燃焼モードに比べて燃料噴射圧を高くし、かつ機関負荷の低下に応じて燃料噴射圧を高めることを特徴とする請求項１２または１３に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項１５】
前記制御手段は、前記活性種生成手段の作動時期を圧縮行程開始時期近傍から圧縮行程終了時期近傍の間のいずれかの時期に設定することを特徴とする請求項１２から１４のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項１６】
前記制御手段は１サイクル中に前記活性種生成手段を少なくとも２回作動させ、そのうちの１回が吸気弁閉時期近傍であることを特徴とする請求項１２から１５のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項１７】
混合気を圧縮自己着火させる圧縮自己着火燃焼モードを有することを特徴とする請求項１から１６のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項１８】
圧縮自己着火燃焼モードを実行する運転領域よりも高負荷側の運転領域に、火炎伝播燃焼モードを実行する運転領域を有することを特徴とする請求項１７に記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【請求項１９】
機関圧縮比を可変に制御し得る機構を備え、
機関負荷が高くなるほど機関圧縮比を低下させることを特徴とする請求項１から１８のいずれか一つに記載の筒内直接噴射式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、着火性を促進させる物質を筒内に供給する装置を有する内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関において、混合気の着火性を向上させるために、着火性促進物質を供給する技術が知られている。
【０００３】
出願人は、着火性促進物質を生成する装置として、２つの電極間に電圧を印加し、非平衡プラズマ放電を行うことにより活性種（ラジカル）を生成する装置を特許文献１に開示している。そして、この装置に電圧を印加する時期や時間、印加電圧の大きさ等に加え、筒内のガス流動の強弱を制御することにより、活性種の筒内分布を均質状態または成層状態に制御する技術が開示されている。
【０００４】
非平衡プラズマは、スパーク点火の熱プラズマとは異なり、低温プラズマに属する。このような低温プラズマは、電子温度（エネルギー）のみが非常に高くガス温度を高めないので熱損失が少なく、さらにはストリーマと呼ばれる複数の放電路を形成するため、体積的な放電空間ができ、放電体積当たりのエネルギー消費量が少ない等のメリットがある。
【特許文献１】特開２００７−３０９１６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の着火性促進物質生成装置では、２つの電極間のガス密度が高く、かつ非平衡プラズマ放電中における両電極に挟まれた空間（点火室）のガス交換が促進するほど、活性種の生成量が増加する。
【０００６】
活性種の生成量が増加すれば、均質状態で燃焼させる場合には、筒内の活性種濃度を高めることができ、また成層状態で燃焼させる場合には、成層混合気の内部またはその周辺の活性種濃度を高めることができるので、着火性をさらに向上させることができる。
【０００７】
そこで、本発明では、特許文献１に開示したものと同様の着火性促進物質生成装置について、点火室内のガス交換をさらに促進させた内燃機関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】
本発明の筒内直接噴射式内燃機関は、第１電極と、第１電極を囲む第２電極と、第１電極と第２電極との間に形成され開放部を介して燃焼室と連通する点火室と、を有し、第１電極と第２電極との間に電圧を印加することにより点火室内に活性種を生成する活性種生成手段と、活性種生成手段の作動時期を可変に制御し得る制御手段と、燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、を備える筒内直接噴射式内燃機関であって、さらには燃料噴霧によって形成されるガス流動または圧力差によって、活性種が点火室内から筒内へ引き出されるように、燃料噴射弁及び活性種生成装置を配置したものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、燃料噴霧によるガス流動または圧力差によって、活性種が点火室内から筒内へ引き出されるので、点火室内のガス交換が促進する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１１】
図１は、第１実施形態の非平衡プラズマ放電式エンジンの構成を示す図である。
【００１２】
非平衡プラズマ放電式エンジン１００は、シリンダブロック１０と、シリンダブロック１０の上側に配置されるシリンダヘッド２０とを備える。
【００１３】
シリンダブロック１０には、ピストン１１を収装するシリンダ１２が形成される。そして、ピストン１１の冠面と、シリンダ１２の壁面と、シリンダヘッド２０の下面とによって燃焼室１３を形成する。この燃焼室１３で混合気が燃焼すると、ピストン１１は燃焼による燃焼圧力を受けてシリンダ１２を往復動する。
【００１４】
また、シリンダヘッド２０には、燃焼室１３に混合気を流す吸気ポート４０と、燃焼室１３からの排気を流す排気ポート３０とが形成される。
【００１５】
吸気ポート４０には、吸気弁４１が設けられる。吸気弁４１は、吸気側カムシャフト４２に一体形成されるカム４３によって駆動され、ピストン１１の上下動に応じて吸気ポート４０を開閉する。
【００１６】
一方、排気ポート３０には、排気弁３１が設けられる。排気弁３１は、排気側カムシャフト３２に一体形成されるカム３３によって駆動され、ピストン１１の上下動に応じて排気ポート３０を開閉する。なお、排気ポート３０には、排気を外部に流す図示しない排気通路が接続しており、この排気通路に設置されたＥＧＲ装置が排気通路を流れる排気の一部を吸気系に再循環させる。
【００１７】
上記した吸気ポート４０と排気ポート３０との間であって、シリンダヘッド２０の燃焼室中心部付近には、非平衡プラズマ放電によって混合気に着火する活性種生成手段としての活性種生成装置５０が吸気側に、燃焼室１３に向けて燃料を噴射する燃料噴射弁３４が排気側にそれぞれ設置される。活性種生成装置５０及び燃料噴射弁３４の配置の詳細については後述する。
【００１８】
活性種生成装置５０は、第１電極としての中心電極５１と、第２電極としての円環状電極５２と、絶縁部５３と、主体金具５４とを備える。活性種生成装置５０は、絶縁部５３の軸方向中央に設けられた主体金具５４によってシリンダヘッド２０に設置される。そして、活性種生成装置５０の絶縁部５３と円環状電極５２との間には、燃焼室１３と連通する点火室５５が形成される。
【００１９】
中心電極５１は棒状の導電体からなり、点火室５５に突出するように、燃焼室に延設して配置、形成される。中心電極５１は、誘電体からなる絶縁部５３によって覆われている。そして、この絶縁部５３を取り囲むように、かつ、中心電極５１に対向して、導電体からなる円環状電極５２が配置される。
【００２０】
また、中心電極５１の後端には、後端側端子５１ａが設置されている。この後端側端子５１ａには、エンジン運転状態に応じた交流電圧を印加する高電圧高周波発生器６０が接続される。
【００２１】
非平衡プラズマ放電式エンジン１００は、制御手段としてのコントローラ７０によって統合的に制御される。このコントローラ７０はＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びＩ／Ｏインタフェースを有し、図示しないエアフローメータ、アクセル開度センサ、クランク角センサ、冷却水温センサ等からの信号が入力され、これらの信号に基づいて燃料噴射弁３４、高電圧高周波発生器６０の交流高電圧の印加電圧及び印加波数（周波数または印加時間）、印加時期の制御を行う。
【００２２】
活性種生成装置５０における非平衡プラズマ放電について、図２を参照して説明する。
【００２３】
図２（Ａ）は、活性種生成装置５０の近傍の拡大図である。また、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【００２４】
活性種生成装置５０は、高電圧高周波発生器６０から交流電圧が印加されると、図２（Ａ）に示すように、絶縁部５３と円環状電極５２との間で、ストリーマ５６と呼ばれる平衡プラズマ放電する以前の過渡的な非平衡プラズマ放電（いわゆる誘電体バリア放電）する。このストリーマ５６は、図２（Ａ）に示すように絶縁部５３の軸方向において複数発生するとともに、図２（Ｂ）に示すように絶縁部５３を中心として放射状に形成される。
【００２５】
これにより、圧縮時の自己着火性を促進するラジカルを生成することができる。また、活性種生成装置５０は複数のストリーマ５６を形成することで点火室内の電子温度を高めて分子活性度を高くでき、広い体積を占める多点同時点火、つまり体積的な点火（以下「体積点火」という。）をすることができる。
【００２６】
本実施形態の活性種生成装置５０では、中心電極５１は誘電体からなる絶縁部５３によって覆われているので、放電エネルギーが大きくなっても非平衡プラズマ放電から平衡プラズマ放電に遷移することが抑制される。
【００２７】
次に、本実施形態における運転領域ごとの燃焼方式について図３を参照して説明する。
【００２８】
図３は運転領域ごとの燃焼方式を示す燃焼モードマップである。高負荷・高回転領域では、活性種生成装置５０による体積点火をする火炎伝播燃焼モードを行う。一方、低中負荷・低中回転領域では、活性種生成装置５０を作動させてラジカルを生成し、後述する方法によりラジカルを筒内に供給した状態で、ピストン１１の圧縮により混合気を着火に至らしめる自己着火燃焼モードを行う。
【００２９】
火炎伝播燃焼モードの場合には、空気過剰率λ＝１（空燃比がストイキ）としたうえで、負荷が低下するほどＥＧＲ率を増大させて運転する。活性種生成装置５０を作動させる時期については、基本的には従来のスパーク点火における点火時期と同様の手法により設定する。
【００３０】
なお、体積点火であることから、従来のスパーク点火に比べて点火が強化され、よりリーンな空燃比まで確実に点火することができるので、負荷に応じて空燃比を変化させて負荷に対応するようにしてもよい。
【００３１】
自己着火燃焼モードの場合には、負荷が高いときには圧縮行程中期に活性種生成装置５０を作動させる。そして、負荷低減に伴い活性種生成装置５０の作動時期を圧縮行程中期から吸気行程初期に向けて進角させる。これは、吸気行程初期に活性種生成装置５０を作動させると、自己着火性が高いためである。なお、ここでいう吸気行程初期とは、圧縮上死点前３３０°Ｃ．Ａ．〜２４０°Ｃ．Ａ．の範囲である。
【００３２】
図４は、自己着火燃焼モード時に、吸気行程初期に活性種生成装置５０を作動させる場合の、筒内の燃料噴霧及びラジカルの状態を時系列で示す図である。
【００３３】
燃料噴射弁３４は、特開２００６−５２６６５号公報等に記載されたものと同様の、いわゆる外開き噴射弁であって、燃料噴霧の外延部に循環渦が形成される。この燃料噴射弁３４を、図４（Ａ）に示すように、活性種生成装置５０に対して排気側、かつ燃料噴射開始直後に循環渦が点火室５５の開口部（開放部）付近に形成されるように配置する。
【００３４】
このような配置にすることで、点火室５５の開口部付近の燃焼室壁面と燃料噴霧との間には、燃料噴霧内に周囲の空気が取り込まれることにより負圧が生成される。
【００３５】
この負圧と循環渦によるガス流動によって、点火室５５内で生成したラジカルが筒内に引き出される。引き出されたラジカルは、図４（Ａ）〜（Ｃ）に示すように燃料噴霧外延部の循環渦によって、燃料及び吸入空気とともに筒内に拡散する。
【００３６】
そして、図４（Ｄ）に示すように、ラジカルが筒内に拡散した状態で圧縮行程が開始され、図４（Ｅ）に示すようにピストン１１が上昇することによって自己着火に至る。
【００３７】
ここで、活性種生成装置５０内のガス交換について説明する。図５は、図４に示す構成における、吸気流動による活性種生成装置５０内のガス交換特性を示す図であり、活性種生成装置５０近傍を拡大した図である。
【００３８】
吸気弁４１が開いて、吸気ポート４０の活性種生成装置５０側から筒内に流入した吸気は、排気側（図５中の左側）へと流れる。そして、その一部が排気側（図５中の左側）から点火室５５へ流入し、点火室５５内で図中時計周り方向の循環流を形成して吸気側（図５中の右側）から掃気され、排気側へと流れる流動に乗る。このようにして、点火室５５内のガス交換が行われる。
【００３９】
また、図４に示したように、燃料噴霧外延部に生成される循環渦は、点火室５５の開口部付近では図中時計周りとなり、点火室５５の開口部付近の吸気の流れと方向が一致する。
【００４０】
また、点火室５５の開口部付近の燃焼室壁面と燃料噴霧との間に負圧が生成され、特に燃料噴射開始直後には負圧が大きいので、負圧による吸い出し効果も働く。
【００４１】
この結果、活性種生成装置５０内のガス交換効率が向上するので、ラジカル生成量が増加し、着火促進効果が高まる。
【００４２】
以上により本実施形態では、次のような効果を得ることができる。
【００４３】
（１）燃料噴霧によって形成されるガス流動または圧力差によって、ラジカルが点火室５５内から筒内へ引き出されるように、燃料噴射弁３４及び活性種生成装置５０を配置するので、点火室５５内のガス交換が促進され、混合気内に高濃度なラジカルを効率よく分布させることができる。
【００４４】
（２）燃料噴射弁３４は燃料噴霧の少なくとも一部と燃焼室壁との間にエントレインメント効果により負圧が形成されるよう燃料を噴射し、この負圧が形成される位置付近に活性種生成装置５０の点火室５５の開口部が配置されているので、点火室５５からラジカルを引き出すことができる。点火室５５内に向けて燃料を噴射することでも、点火室５５内のガス交換が促進されるが、この場合には活性種生成装置５０内に燃料が付着したり、過濃混合気を形成したりするおそれがある。しかしながら、負圧を用いてラジカルを引き出す場合には、燃料を燃焼室１３に留めながら点火室５５内のガス交換を促進することができる。
【００４５】
（３）燃料噴霧と燃焼室壁との間隔が、点火室５５の開口部が配置された部分で最も小さくなるようにするので、開口部付近にのみ負圧が形成される。仮に燃料噴霧と燃焼室壁との間すべてに負圧を形成した場合には、負圧によって燃料が燃焼室壁に付着し、スモークの増加や未燃燃料の増加等の問題が生じるおそれがある。しかし、本実施形態のように開口部付近にのみ負圧が形成されれば、ラジカルを引き出す効果を得つつ、燃料の壁面付着を抑制することができる。
【００４６】
（４）燃料噴射弁３４は外開き式の噴射弁であって、循環渦が形成される位置付近に点火室５５の開口部が配置されているので、循環渦によってラジカルが点火室５５から引き出される。また、この循環渦は噴射終了後も保持される特性があるため、噴射終了後から燃焼開始まで、継続してラジカルを引き出す効果が得られる。
【００４７】
（５）燃料噴射弁３４及び活性種生成装置５０は吸気弁４１及び排気弁３１よりも燃焼室中心側に配置され、かつ活性種生成装置５０は燃料噴射弁３４よりも排気側に配置されているので、吸気流動により点火室５５内に形成されたガス流動と、燃料噴射により形成されるガス流動の方向が一致する。このため、点火室５５内で生成されたラジカルを燃焼室１３へ効率よく誘導、分布させることができる。
【００４８】
（６）活性種生成装置５０は、非平衡プラズマ放電によりラジカルを生成するので、スパーク点火の場合と比較して、ガス温度が低く熱損失を抑制することができる。また、ストリーマと呼ばれる複数の放電路を形成するため、体積的な放電空間ができ、放電体積当たりのエネルギー消費が少ない。
【００４９】
（７）中心電極５１は誘電体により覆われており、電極間でバリア放電が発生することによりラジカルを生成するので、放電開始電圧（放電電圧の下限値）から誘電体の耐電圧性を確保できる電圧（印加電圧の上限値）の範囲であれば、アーク遷移することなく常に非平衡プラズマ放電となる。このため、運転条件が頻繁に変化する車両用内燃機関の筒内においても、高い放電ロバスト性を確保することができる。
【００５０】
（８）活性種生成装置５０を燃料噴射時期と近接した時期に作動させるので、ラジカルは生成後ただちに筒内に引き出されて拡散する。これにより高い着火促進効果が得られ、希薄可燃限界を向上させることができる。また、点火室５５内のガス交換が促進されるので、ラジカルの生成効率が高まる。これにより活性種生成装置５０の作動期間を短縮して、作動に要するエネルギーを低減することができるので、燃費が向上する。
【００５１】
（９）圧縮自己着火燃焼モードを実行することにより、火炎伝播燃焼と比べて希薄可燃限界が拡大され、燃費が向上する。
【００５２】
（１０）圧縮自己着火燃焼モードを実行する運転領域よりも高負荷側の運転領域では、火炎伝播燃焼モードを実行する、すなわち圧縮自己着火燃焼モードでは燃焼時の圧力上昇が過度に急峻となるような領域では火炎伝播燃焼モードを実行することにより、機関の騒音・振動の悪化を回避することができる。
【００５３】
第２実施形態について説明する。
【００５４】
本実施形態は、燃料噴射弁３４がマルチホール式であること、その配置、及びピストン１１のキャビティ形状が第１実施形態と異なる。
【００５５】
図６（Ａ）〜（Ｅ）は、図４（Ａ）〜（Ｅ）と同様に、自己着火燃焼モード時において吸気行程初期に活性種生成装置５０を作動させる場合の、筒内の燃料噴霧及びラジカルの状態を時系列で示す図である。
【００５６】
本実施形態では、燃料噴射弁３４を吸気ポート４０の開口部下方に配置し、複数の開放部から噴射される燃料噴霧のうち少なくとも１つを、点火室５５の開口部付近の燃焼室壁に沿うように噴射する。また、ピストン１１の冠面には、吸気側よりも排気側の方が深く、かつ排気側端面がシリンダ軸方向とほぼ平行となるキャビティ８０を設ける。
【００５７】
このような構成にすると、図６（Ａ）に示すように、点火室５５の開口部付近には、燃料噴霧に周辺空気が取り込まれることでガス流動及び負圧が生成される。これにより、点火室５５内のラジカルが引き出される。このとき、点火室５５内では第１実施形態と同様にガス交換が行われる。
【００５８】
ラジカルを含む吸気及び燃料噴霧は、図６（Ｂ）に示すように筒内を吸気側から排気側へと進む。その後、図６（Ｃ）に示すように、ピストン１１付近の流れはキャビティ８０に衝突し、筒内上部を通った流れが主流となり、順タンブル流動が生成される。
【００５９】
ラジカルは、この順タンブル流動によって図６（Ｄ）に示すように筒内全域に拡散し、図６（Ｅ）に示すように、圧縮自己着火に至る。
【００６０】
このように、本実施形態によっても、第１実施形態と同様に、活性種生成装置５０内のガス交換効率を向上させることでラジカル生成量を増加させ、着火促進効果を高めることができる。
【００６１】
第３実施形態について説明する。
【００６２】
本実施形態は、燃料噴射弁３４がマルチホール式であること、及びその配置が第１実施形態と異なる。
【００６３】
図７（Ａ）〜（Ｅ）は、図４（Ａ）〜（Ｅ）と同様に、自己着火燃焼モード時において吸気行程初期に活性種生成装置５０を作動させる場合の、筒内の燃料噴霧及びラジカルの状態を時系列で示す図である。
【００６４】
本実施形態では、燃料噴射弁３４を第１実施形態よりも活性種生成装置５０に近づけて配置する。また、複数の開放部から噴射される燃料噴霧のうち少なくとも１つが、点火室５５の開口部付近を通過するように噴射する。
【００６５】
このような構成にすると、図７（Ａ）に示すように、点火室５５の開口部付近には、燃料噴霧に周辺空気が取り込まれることでガス流動及び負圧が生成される。これにより、点火室５５内のラジカルが引き出される。このとき、点火室５５内では第１実施形態と同様にガス交換が行われる。そして、図７（Ｂ）〜（Ｅ）に示すように、ラジカルが筒内に分散し、ピストン１１による圧縮によって自己着火に至る。
【００６６】
このように、本実施形態によっても、第１、第２実施形態と同様に、活性種生成装置５０内のガス交換効率を向上させることでラジカル生成量を増加させ、着火促進効果を高めることができる。
【００６７】
特に、本実施形態においては、点火室５５の開口部付近を通過する燃料噴霧と燃焼室壁との間の空間を狭くすることで、点火室５５からのラジカルの引き出し効果が高まり、より高い着火促進効果が得られる。
【００６８】
第４実施形態について説明する。
【００６９】
本実施形態は、構成については第１実施形態と同様であるが、活性種生成装置５０の作動時期が異なる。
【００７０】
図８は、図３と同様に運転領域ごとの燃焼方式を示す燃焼モードマップである。図３と異なるのは、自己着火燃焼モード領域内の高負荷側が均質自己着火燃焼モード、低負荷側が成層自己着火燃焼モードと設定されている点である。均質自己着火燃焼モードは、第１実施形態の自己着火燃焼モードと同様の燃焼モードである。
【００７１】
成層自己着火燃焼モードは、筒内に成層混合気を形成し、これを自己着火させる燃焼モードである。この成層自己着火燃焼モードを実行する領域では、負荷に応じて混合気濃度は一定のまま混合気量を変化させる。なお、燃料噴射弁３４として図示しない針弁のリフト量制御が可能な外開き弁を用いる。成層混合気量の制御はこのリフト量及び印加するパルス幅により行い、負荷の増加に応じてリフト量も増加させる。これにより、負荷の変化に応じて循環渦の生成位置を制御することができる。
【００７２】
成層自己着火燃焼モードでは、一般的な火花点火による成層燃焼と同様に、圧縮行程中に燃料を噴射する。この場合、ラジカルは燃焼室全体に均質に分布させるよりも、混合気が存在する領域に合わせて成層化させることが望ましい。
【００７３】
しかし、第１実施形態と同様に吸気行程において活性種生成装置５０を作動させて、燃料噴射によるガス流動と吸気流動とによってラジカルを筒内に分布させると、上述したようにラジカルは筒内全体へ広く分散してしまう。
【００７４】
そこで、活性種生成装置５０も、燃料噴射と同様に圧縮行程中に、かつ燃料噴射時期に近接した時期に作動させることとする。
【００７５】
図９は、本実施形態の、筒内の燃料噴霧及びラジカルの状態を時系列で示す図である。
【００７６】
図９（Ａ）に示すように、点火室５５の開口部付近の燃料噴霧外延部には、図中反時計周りの循環渦が形成される。この循環渦に新気が取り込まれることでガス流動が生じ、また、取り込まれる新気が点火室５５の開口部前を通過することにより、開口部周辺には負圧が生じる。これらのガス流動及び負圧によって、点火室５５内に生成されたラジカルは筒内に引き出され、点火室５５内のガス交換が行われる。
【００７７】
なお、燃料噴射圧は他の燃焼モードの場合と比較して高く設定し、負荷の低下に応じて燃料噴射圧を高めることとする。これは、燃料噴射量が少なくなる低負荷ほど、燃料噴射圧を高めることで燃料噴霧の初期運動量を増加させ、これにより点火室５５から迅速にラジカルを引き出し、成層混合気内にラジカルを分布させるためである。ラジカルの生成量は、燃料噴射量に概ね比例させることとし、活性種生成装置５０の作動期間もしくは作動電圧により制御する。
【００７８】
外開き式の燃料噴射弁３４から噴射された燃料噴霧の外延部に生成される循環渦は、噴射終了後も概ね同一領域に停滞する特性を有することが知られている（ＳＡＥ２００８−０１−０１４２、ＳＡＥ２００７−０１−１４０９等参照）。したがって、吸気ポート４０から流入する新気による吸気流動がない圧縮行程中に噴射された燃料噴霧は、噴射終了後から圧縮上死点付近まで、図９（Ｂ）に示すように概ね場所を変えずに一定位置に滞在する。そして、点火室５５からラジカルを引き出し続けるとともに、引き出されたラジカルは混合気内に拡散する。このように、圧縮行程中であっても、確実にラジカルを点火室５５から引き出すことができる。また、圧縮行程中はピストンモーションによる圧縮によって筒内のガス密度が高まるため、点火室５５内のガス質量は吸気行程中と比べて増加している。このため、圧縮行程において活性種生成装置５０を作動させることにより、成層混合気内のラジカル濃度を高めることができる。
【００７９】
したがって、図９（Ｃ）に示すように、ピストン１１が上昇して筒内圧が高まったときの自己着火性を向上させることができる。
【００８０】
ところで、成層自己着火燃焼モード領域内であっても、均質自己着火燃焼モード領域に近い領域では、混合気量が多くなる。この場合、必要な燃料量を噴射するためには、より早い時期から噴射を開始する必要があり、これに伴って活性種生成装置５０の作動時期も早める必要がある。
【００８１】
しかし、活性種生成装置５０の作動時期が早くなるほど、ピストン位置が低い状態、つまり筒内のガス密度が低い状態で作動させることとなるので、燃料噴霧による点火室５５内のガス交換作用のみでは、ラジカルの生成量が不足する場合が生じるおそれがある。
【００８２】
そこで、このような場合には、不足するラジカル生成量を補うために、吸気行程中の吸気弁４１の閉弁時期付近にも活性種生成装置５０を作動させる。
【００８３】
図１０は、吸気弁４１の閉弁時期付近にも活性種生成装置５０を作動させる場合の、筒内の燃料噴霧及びラジカルの状態を時系列で示す図である。
【００８４】
吸気弁４１の閉弁時期付近に活性種生成装置５０を作動させると、燃料噴射は行われていないため循環渦による引き出し効果は得られないが、吸気流動によってラジカルは点火室５５から引き出される。そして、このようにして引き出されたラジカルは、吸気流動に乗って排気側に流れ、排気側に成層化された状態で分布するという知見が、出願人により見出された。
【００８５】
そこで、ラジカルが排気側に成層化されて分布している状態で、図１０（Ａ）に示すように燃料噴射を開始すると、吸気側については図９と同様に点火室５５の開口部付近に循環渦が形成され、排気側の燃料噴霧外延の循環渦付近には吸気行程中に生成されたラジカルが分布することとなる。
【００８６】
そして、図１０（Ｂ）に示すように、点火室５５から引き出されたラジカル及び排気側に分布していたラジカルは、それぞれ新気とともに循環渦に取り込まれ、混合気内部に拡散し、図１０（Ｃ）に示すように、上死点付近で自己着火に至る。
【００８７】
上記の制御によれば、成層混合気内のラジカル濃度を高めることができるとともに、ラジカル分布を均質化することができる。この結果、自己着火のロバスト性及び着火促進効果を向上させることができる。
【００８８】
図１１は、上述した活性種生成装置５０の作動開始時期、混合気の空気過剰率、混合気量、燃料噴射開始時期、及び燃料噴射弁３４の針弁のリフト量の制御についてまとめた図である。各マップの横軸は機関負荷である。
【００８９】
成層自己着火燃焼モード領域では、負荷の上昇に伴って、活性種生成装置５０の作動時期が進角し、均質自己着火燃焼モード領域に近づくと、吸気下死点付近で、追加的な作動を行う。
【００９０】
また、成層自己着火燃焼モード領域では、成層混合気内の空気過剰率λを一定に保持したまま、混合気量を負荷の増大に応じて増加させる。このため、燃焼室全体として見れば、空気過剰率は負荷の増大に応じて低下することとなる。
【００９１】
一方、燃料噴射圧は負荷の増大に応じて低下させ、燃料噴射時期は負荷の増大に応じて進角させる。また、燃料噴射弁３４の針弁のリフト量も負荷の増大に応じて増加させる。
【００９２】
均質自己着火燃焼モード領域では、第１実施形態と同様に、負荷の増大に応じて活性種生成装置５０の作動時期を遅角させる。そして、負荷の増大に応じて空気過剰率λを低下させる。これにより負荷に応じた出力制御を行うので、混合気量及び燃料噴射圧は一定とする。また、燃料噴射開始時期は吸気行程開始直後で一定とし、針弁のリフト量も一定とする。
【００９３】
なお、図１１には表していないが、負荷に応じた燃料噴射量とするため、燃料噴射の終了時期は負荷の増大に応じて遅角する。
【００９４】
火炎伝播燃焼モード領域では、負荷の増大に応じて活性種生成装置５０の作動開始時期を遅角させる。なお、均質自己着火燃焼モード領域に比べて、負荷増加量当たりの変化量は小さい。この領域では、混合気の空気過剰率λを一定（λ＝１）に保持し、負荷の増大に応じて図示しないＥＧＲ率を低下させる。これにより負荷の変化に対応するため、混合気量、燃料噴射圧、燃料噴射開始時期及び針弁リフト量は負荷によらず一定とする。
【００９５】
以上により、本実施形態では次のような効果を得ることができる。
【００９６】
（１）燃料噴射弁３４は針弁リフト量の調整機構を有するので、燃料噴霧外延部に生成される循環渦の位置を調整することができ、運転条件の変化に対応してラジカルを安定して筒内に供給することができる。
【００９７】
（２）成層燃焼モードを有し、この成層燃焼モード時には燃料噴射開始前に活性種生成装置５０を作動させるので、予め点火室５５内に生成されたラジカルを、燃料噴射の全運動量を利用して筒内に引き出し、拡散させることができ、着火促進効果が向上する。
【００９８】
（３）成層燃焼モード時には、活性種生成装置５０への投入エネルギーを燃料噴射量に比例して変化させるので、ラジカル生成のためのエネルギー消費量が必要以上に多くなることを抑制することができる。
【００９９】
（４）成層燃焼モード時には、他の燃焼モードに比べて燃料噴射圧を高くし、かつ機関負荷の低下に応じて燃料噴射圧を高めるので、燃料噴霧の初期運動量が高められ、点火室５５からラジカルを迅速に成層混合気内部に取り込む効果が促進される。この結果、燃料噴射時期が圧縮行程であって、噴射開始から燃焼開始までの期間が短い成層燃焼モードにおいても、安定した成層燃焼が実現され、燃費が向上する。
【０１００】
（５）活性種生成装置５０の作動時期を圧縮行程開始時期近傍から圧縮行程終了時期近傍の間のいずれかの時期に設定するので、ピストン１１による圧縮によって、点火室５５内のガスの全質量が吸気行程時と比較して高い状態で作動することとなる。これにより、より多くのラジカルを生成することができ、着火促進効果が向上する。
【０１０１】
（６）１サイクル中に活性種生成装置５０を少なくとも２回作動させ、そのうちの１回が吸気弁閉時期近傍である。このため、吸気行程後半に生成されたラジカルは、吸気流動によって排気側の燃焼室天井面付近へ弱成層化されつつ混合気内へ取り込まれ、圧縮行程中に生成されたラジカルは、燃料噴霧の流動により混合気内に引き出され、拡散する。これら両者の効果により、混合気の着火性がさらに向上する。
【０１０２】
なお、燃料噴射時期及び活性種生成装置５０の作動時期が、圧縮行程かつ吸気弁閉弁時期付近に設定されているために、上述した追加的な作動を通常の作動と分割して行うことが困難な場合も生じ得る。この場合には、吸気行程中のさらに早い時期に１回目の作動を行うようにしてもよいし、吸気行程中の吸気弁閉弁時期付近から圧縮行程にかけて、連続的に燃料噴射を行うようにしてもよい。
【０１０３】
第５実施形態について説明する。
【０１０４】
本実施形態は、第１実施形態の図６と同様の構成で、第２実施形態の図８及び図１１と同様の燃焼モード制御を行う。
【０１０５】
図１２は、本実施形態の筒内の燃料噴霧及びラジカルの状態を時系列で示す図である。
【０１０６】
図１２（Ａ）に示すように、圧縮行程中に、図６と同様に点火室５５の開口部付近の燃焼室壁に沿うように燃料を噴射する。この燃料噴霧に周辺の空気が取り込まれることで形成されるガス流動及び負圧により、点火室５５内で生成したラジカルが筒内に引き出される。このようにして燃料噴霧により引き出されたラジカル及び混合気は、図１２（Ｂ）に示すように燃焼室１３の天井面付近に滞留する。一方、ピストン１１のキャビティ８０内にも混合気が滞留する。これらの混合気は、ピストン上昇に伴って図１２（Ｃ）に示すように拡散・混合し、自己着火に至る。
【０１０７】
これにより、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１０８】
第６実施形態について説明する。
【０１０９】
本実施形態は、第１実施形態の図７と同様の構成で、第２実施形態の図８及び図１１と同様の燃焼モード制御を行う。
【０１１０】
図１３は、本実施形態の筒内の燃料噴霧及びラジカルの状態を時系列で示す図である。
【０１１１】
図１３（Ａ）に示すように、ピストン１１は冠面にキャビティ８０を有し、燃料噴射弁３４は吸気弁４１及び排気弁３１よりも燃焼室中心側に配置されており、点火室５５の開口部はキャビティ８０の上空の燃焼室壁に配置されている。このような構成で、圧縮行程中にキャビティ８０に向けて燃料噴射を行う。キャビティ８０の底面に衝突した燃料は、図１３（Ｂ）に示すようにキャビティ８０の側壁に沿って循環流を形成する。そして、さらにピストン１１が上昇すると、図１３（Ｃ）に示すように、循環流が周辺の空気を取り込むことで形成されたガス流動が、点火室５５の開口部周辺に形成される。これにより、点火室５５内で生成されたラジカルは、筒内に引き出されて混合気内に拡散し、図１３（Ｄ）に示すように自己着火に至る。
【０１１２】
これにより、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。特に、本実施形態では、燃料噴霧全体が循環流を形成するため、混合気及びラジカルの均質化が促進される。
【０１１３】
第７実施形態について説明する。
【０１１４】
本実施形態では、第１実施形態から第４実施形態のいずれかと同様の構成に、さらに、例えば特開２００２−１１５５７１号公報に記載されているような可変圧縮比機構を加え、負荷に応じて圧縮比を変更する。
【０１１５】
図１４は、本実施形態における圧縮比の設定を示す圧縮比マップである。横軸はエンジン回転速度、縦軸は負荷である。図示するように、高回転速度領域では、負荷によらず、相対的に低圧縮比とする。その他の領域では、低負荷ほど高圧縮比とし、負荷の増大に伴って圧縮比を低下させる。
【０１１６】
これにより、低負荷領域では高圧縮比化によって圧縮自己着火性を向上させ、かつ高負荷領域ではノッキングの発生を回避することができるので、結果として、燃費及び出力を向上させることができる。
【０１１７】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【０１１８】
【図１】第１実施形態を適用するエンジンの構成図である。
【図２】活性種生成装置の構成図であり、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は下面図である。
【図３】第１実施形態の燃焼モードマップである。
【図４】（Ａ）〜（Ｅ）は、第１実施形態の燃料噴射から自己着火に至るまでの筒内の様子を時系列で示した図である。
【図５】点火室内のガス交換を説明するための点火室断面図である。
【図６】（Ａ）〜（Ｅ）は、第２実施形態の燃料噴射から自己着火に至るまでの筒内の様子を時系列で示した図である。
【図７】（Ａ）〜（Ｅ）は、第３実施形態の燃料噴射から自己着火に至るまでの筒内の様子を時系列で示した図である。
【図８】第２実施形態の燃焼モードマップである。
【図９】（Ａ）〜（Ｃ）は、第４実施形態の燃料噴射から自己着火に至るまでの筒内の様子を時系列で示した図である（その１）。
【図１０】（Ａ）〜（Ｃ）は、第４実施形態の燃料噴射から自己着火に至るまでの筒内の様子を時系列で示した図である（その２）。
【図１１】各パラメータの制御マップである。
【図１２】（Ａ）〜（Ｃ）は、第５実施形態の燃料噴射から自己着火に至るまでの筒内の様子を時系列で示した図である。
【図１３】（Ａ）〜（Ｄ）は、第６実施形態の燃料噴射から自己着火に至るまでの筒内の様子を時系列で示した図である．
【図１４】圧縮比マップである。
【符号の説明】
【０１１９】
１０    シリンダブロック
１１    ピストン
１２    シリンダ
１３    燃焼室
２０    シリンダヘッド
３０    排気ポート
３１    排気弁
３２    排気側カムシャフト
３３    カム
３４    燃料噴射弁
４０    吸気ポート
４１    吸気弁
４２    吸気側カムシャフト
４３    カム
５０    活性種生成装置
５１    中心電極
５２    円環状電極
５３    絶縁部
５４    主体金具
５５    点火室
５６    ストリーマ
６０  高電圧高周波発生器
７０  コントローラ
８０  キャビティ
【図１】
2010037948.tif 000003
【図２】
2010037948.tif 000004
【図３】
2010037948.tif 000005
【図４】
2010037948.tif 000006
【図５】
2010037948.tif 000007
【図６】
2010037948.tif 000008
【図７】
2010037948.tif 000009
【図８】
2010037948.tif 000010
【図９】
2010037948.tif 000011
【図１０】
2010037948.tif 000012
【図１１】
2010037948.tif 000013
【図１２】
2010037948.tif 000014
【図１３】
2010037948.tif 000015
【図１４】
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