(57)【要約】【課題】振動や騒音の少ないＨＣＣＩ燃焼をより幅広い運転領域で実現し、高い熱効率とＮＶＨ性能とを両立させる。【解決手段】エンジンは、気筒１内に還流されるＥＧＲガスの量を調節するＥＧＲ量調節手段（２２）と、気筒１内にオゾンを供給するオゾン供給手段（１１）と、上記ＥＧＲ量調節手段およびオゾン供給手段を駆動して上記ＥＧＲガスおよびオゾンの供給量を制御する制御手段（３０）とを備える。制御手段（３０）は、混合気の着火時期がエンジン回転速度が高いほど早くなり、且つ混合気の燃焼期間がエンジン負荷が高いほど長くなるように、上記ＥＧＲガスおよびオゾンの供給量を制御する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
幾何学的圧縮比が１４以上に設定された気筒を有するとともに、気筒内に供給される燃料を空気と混合した後に自着火させるＨＣＣＩ燃焼が可能な圧縮自己着火式エンジンであって、
気筒内に還流される排気ガスであるＥＧＲガスの量を調節するＥＧＲ量調節手段と、
気筒内にオゾンを供給するオゾン供給手段と、
上記ＥＧＲ量調節手段およびオゾン供給手段を駆動して上記ＥＧＲガスおよびオゾンの供給量を制御する制御手段とを備え、
上記制御手段は、混合気の着火時期がエンジン回転速度が高いほど早くなり、且つ混合気の燃焼期間がエンジン負荷が高いほど長くなるように、上記ＥＧＲガスおよびオゾンの供給量を制御するものである、
ことを特徴とする圧縮自己着火式エンジン。
【請求項２】
請求項１記載の圧縮自己着火式エンジンにおいて、
上記制御手段は、エンジン回転速度が高いほどオゾンの供給量が増加するように上記オゾン供給手段を駆動するものである、
ことを特徴とする圧縮自己着火式エンジン。
【請求項３】
請求項２記載の圧縮自己着火式エンジンにおいて、
上記制御手段は、エンジン負荷が高いほどＥＧＲガスの供給量が増加するように上記ＥＧＲ調節手段を駆動するものである、
ことを特徴とする圧縮自己着火式エンジン。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧縮自己着火式エンジンにおいて、
上記ＥＧＲ量制御手段は、エンジンの排気通路と吸気通路とを連通するＥＧＲ通路に設けられた開閉可能なＥＧＲ弁であり、
上記制御手段は、エンジンの運転状態に基づいて、設定すべき上記ＥＧＲ弁の開度と、混合気の着火時期および燃焼期間を規定する目標熱発生パターンとを決定し、その結果を用いた演算処理により、上記オゾン供給手段から供給すべきオゾンの量を決定する、
ことを特徴とする圧縮自己着火式エンジン。
【請求項５】
幾何学的圧縮比が１４以上に設定された気筒と、気筒内に還流される排気ガスであるＥＧＲガスの量を調節する開閉可能なＥＧＲ弁と、気筒内にオゾンを供給するオゾン供給手段とを有するとともに、気筒内に供給される燃料を空気と混合した後に自着火させるＨＣＣＩ燃焼が可能な圧縮自己着火式エンジンを制御する方法であって、
設定すべき上記ＥＧＲ弁の開度をエンジンの運転状態に基づいて決定する第１のステップと、
混合気の着火時期および燃焼期間を規定する目標熱発生パターンをエンジンの運転状態に基づいて決定する第２のステップと、
上記第１のステップで求められたＥＧＲ弁の開度と、上記第２のステップで求められた目標熱発生パターンとを用いた演算処理により、上記オゾン供給手段から供給すべきオゾンの量を決定する第３のステップとを含み、
混合気の着火時期がエンジン回転速度が高いほど早くなり、且つ混合気の燃焼期間がエンジン負荷が高いほど長くなるように、上記第１のステップでは、エンジン負荷が高いほどＥＧＲ弁の開度を大きく設定し、上記第３のステップでは、エンジン回転速度が高いほどオゾンの供給量を大きく設定する、
ことを特徴とする圧縮自己着火式エンジンの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、幾何学的圧縮比が１４以上に設定された気筒を有するとともに、気筒内に供給される燃料を空気と混合した後に自着火させるＨＣＣＩ燃焼が可能な圧縮自己着火式エンジン、およびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンの燃焼形式として、一般に、予混合燃焼と拡散燃焼の２種類がよく知られている。予混合燃焼とは、燃料と空気とを予め混合して得た混合気（予混合気）を火花点火により燃焼させる燃焼形式であり、ガソリンを燃料として用いるガソリンエンジンに代表的に採用されている。拡散燃焼とは、圧縮された高温・高圧の空気に燃料を供給することで燃料と空気とを拡散、混合しながら燃焼させる燃焼形式であり、軽油を燃料として用いるディーゼルエンジンに代表的に採用されている。
【０００３】
これに対し、近年、予混合燃焼でも拡散燃焼でもない新しい燃焼形式として、予混合圧縮着火燃焼を実用化する研究が進められている。予混合圧縮着火燃焼とは、燃料と空気とを予め混合して得た混合気（予混合気）を、火花点火ではなく圧縮によって自着火させる燃焼形式である。以下では、このような予混合圧縮着火燃焼のことを、ＨＣＣＩ燃焼（Homogeneous-Charge Compression Ignition Combustion）と称する。
【０００４】
ＨＣＣＩ燃焼は、エンジンの気筒内で混合気が同時多発的に燃焼する形態であるため、火花点火を用いた従来の予混合燃焼と比べて、空燃比リーンな条件でも燃焼期間を短くでき、熱効率に優れた安定した燃焼が得られるといった利点がある。その反面、ノッキングも失火も起こさない適正な燃焼を成立させるための条件の範囲が狭く、このことが、ＨＣＣＩ燃焼を車載用エンジンに適用することを困難にしていた。
【０００５】
このような問題に取り組んだ従来技術として、例えば下記特許文献１が知られている。この特許文献１に開示されたエンジンは、気筒内にプラズマを放出可能な放電部を備えており、この放電部への印加電圧および印加時間が制御されることで、プラズマによる投入エネルギーがエンジンの運転状態に応じて制御されるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−３０９１６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１の技術によれば、プラズマによる投入エネルギーに基づいて、ラジカル（活性種）を含む活性化された混合気の分布が制御されるので、従来よりも幅広い運転領域で適正なＨＣＣＩ燃焼を行わせることができると考えられる。具体的に、同文献では、エンジン回転速度が高いかまたはエンジン負荷が低い場合に、プラズマによる投入エネルギーを相対的に増やすようにしている。すなわち、エンジン回転速度が高いかまたはエンジン負荷が低いと、混合気の着火性が悪化することから、それを混合気の活性化によって補うことにより、ＨＣＣＩ燃焼が可能な運転領域を拡大しようというものである。
【０００８】
しかしながら、上記特許文献１のように、放電部から放出されるプラズマによる投入エネルギーを調節し、それによって混合気の活性度合いを変化させたとしても、基本的には混合気の着火時期が変化するだけである。このため、燃焼の制御性におのずと限界があり、適正なＨＣＣＩ燃焼が可能なエンジンの運転領域を広げることは、まだ十分とはいえなかった。
【０００９】
例えば、放電部から多量のプラズマを放出すると、混合気が大幅に活性化されて早期に自着火し、その後の燃焼が急激に進行することで、大きな振動や騒音がエンジンで発生するおそれがある。このことは、ＮＶＨ（noise, vibration, harshness）の悪化につながり、特にエンジンが車載用エンジンである場合、車両の商品性が損なわれてしまう。一方、このような事態を防ごうとすると、ＨＣＣＩ燃焼の運転領域を狭い範囲に絞らざるを得ず、エンジンの熱効率を充分に高めることが不可能となってしまう。
【００１０】
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、燃料を空気と混合した後に自着火させる圧縮自己着火式エンジンにおいて、振動や騒音の少ないＨＣＣＩ燃焼をより幅広い運転領域で実現することにより、高い熱効率とＮＶＨ性能とを両立させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するためのものとして、本発明は、幾何学的圧縮比が１４以上に設定された気筒を有するとともに、気筒内に供給される燃料を空気と混合した後に自着火させるＨＣＣＩ燃焼が可能な圧縮自己着火式エンジンであって、気筒内に還流される排気ガスであるＥＧＲガスの量を調節するＥＧＲ量調節手段と、気筒内にオゾンを供給するオゾン供給手段と、上記ＥＧＲ量調節手段およびオゾン供給手段を駆動して上記ＥＧＲガスおよびオゾンの供給量を制御する制御手段とを備え、上記制御手段は、混合気の着火時期がエンジン回転速度が高いほど早くなり、且つ混合気の燃焼期間がエンジン負荷が高いほど長くなるように、上記ＥＧＲガスおよびオゾンの供給量を制御することを特徴とするものである（請求項１）。
【００１２】
本発明では、ＥＧＲガスおよびオゾンの供給量を調節することにより、混合気の着火時期と燃焼期間との両方を変化させることができるので、より高い自由度でＨＣＣＩ燃焼を制御することができる。例えば、混合気の着火時期がエンジン回転速度が高いほど早められるので、膨張行程時のピストンの下降速度が速くなる高回転域で、失火が起きるのを確実に防止することができる。また、混合気の燃焼期間がエンジン負荷が高いほど長くされるので、大きな燃焼エネルギーが短期間で発生することを回避でき、燃焼に伴う振動や騒音のレベルを効果的に低減することができる。これにより、大きな振動や騒音を伴わない適正なＨＣＣＩ燃焼が可能な運転領域を大幅に拡大することができ、エンジンの熱効率を効果的に向上させることができる。
【００１３】
本発明において、好ましくは、上記制御手段は、エンジン回転速度が高いほどオゾンの供給量が増加するように上記オゾン供給手段を駆動する（請求項２）。
【００１４】
この構成によれば、低温酸化反応を促進する作用のあるオゾンの供給量を高回転側ほど増やすことで、高回転域での着火時期を早めて失火を確実に防止することができる。
【００１５】
本発明において、好ましくは、上記制御手段は、エンジン負荷が高いほどＥＧＲガスの供給量が増加するように上記ＥＧＲ調節手段を駆動する（請求項３）。
【００１６】
この構成によれば、燃焼を緩慢化させる作用のあるＥＧＲガスの供給量を高負荷側ほど増やすことで、高負荷域での燃焼期間を長期化させて振動や騒音を確実に低減することができる。
【００１７】
本発明において、好ましくは、上記ＥＧＲ量制御手段は、エンジンの排気通路と吸気通路とを連通するＥＧＲ通路に設けられた開閉可能なＥＧＲ弁であり、上記制御手段は、エンジンの運転状態に基づいて、設定すべき上記ＥＧＲ弁の開度と、混合気の着火時期および燃焼期間を規定する目標熱発生パターンとを決定し、その結果を用いた演算処理により、上記オゾン供給手段から供給すべきオゾンの量を決定する（請求項４）。
【００１８】
このように、目標とする熱発生パターン（着火時期、燃焼期間）を予め定めておき、そのパターンに沿った燃焼が起きるようにオゾンの供給量を演算により決定した場合には、運転状態に応じて常に適正な量なオゾンを供給することができるので、失火を伴わず大きな振動や騒音も伴わない適正なＨＣＣＩ燃焼を広範な運転領域で確実に実行させることができる。
【００１９】
また、本発明は、幾何学的圧縮比が１４以上に設定された気筒と、気筒内に還流される排気ガスであるＥＧＲガスの量を調節する開閉可能なＥＧＲ弁と、気筒内にオゾンを供給するオゾン供給手段とを有するとともに、気筒内に供給される燃料を空気と混合した後に自着火させるＨＣＣＩ燃焼が可能な圧縮自己着火式エンジンを制御する方法であって、設定すべき上記ＥＧＲ弁の開度をエンジンの運転状態に基づいて決定する第１のステップと、混合気の着火時期および燃焼期間を規定する目標熱発生パターンをエンジンの運転状態に基づいて決定する第２のステップと、上記第１のステップで求められたＥＧＲ弁の開度と、上記第２のステップで求められた目標熱発生パターンとを用いた演算処理により、上記オゾン供給手段から供給すべきオゾンの量を決定する第３のステップとを含み、混合気の着火時期がエンジン回転速度が高いほど早くなり、且つ混合気の燃焼期間がエンジン負荷が高いほど長くなるように、上記第１のステップでは、エンジン負荷が高いほどＥＧＲ弁の開度を大きく設定し、上記第３のステップでは、エンジン回転速度が高いほどオゾンの供給量を大きく設定することを特徴とするものである（請求項５）。
【００２０】
本発明によれば、上述した圧縮自己着火式エンジンの発明と同様の作用効果を奏することができる。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように、本発明によれば、燃料を空気と混合した後に自着火させる圧縮自己着火式エンジンにおいて、振動や騒音の少ないＨＣＣＩ燃焼をより幅広い運転領域で実現することができ、高い熱効率とＮＶＨ性能とを両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態にかかるエンジンの全体構成を示す図である。
【図２】オゾンを供給した場合のＨＣＣＩ燃焼の態様とオゾンを供給しなかった場合のＨＣＣＩ燃焼の態様とを比較して示す図である。
【図３】ＨＣＣＩ燃焼の進行とオゾンの消費との関係を模式的に示す図である。
【図４】ＥＧＲガスの供給量によってＨＣＣＩ燃焼の態様がどのように変化するかを示す図である。
【図５】オゾンおよびＥＧＲガスの供給量が混合気の着火時期および燃焼期間にどのように影響するかを模式的に示す図である。
【図６】エンジンのＥＣＵが記憶している目標熱発生パターンのデータを模式的に示す図である。
【図７】エンジンの運転中に上記ＥＣＵが行う処理の手順を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
（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エンジンの全体構成を示す図である。本図に示されるエンジンは、燃料を空気と混合した後に自着火させるＨＣＣＩ燃焼が可能な圧縮自己着火式エンジンであり、走行用の動力源として車両に搭載されている。このエンジンは、内部に気筒１が形成されたシリンダブロック２と、シリンダブロック２の上面に設けられたシリンダヘッド３と、シリンダブロック２の気筒１に往復摺動可能に挿入されたピストン４とを有している。
【００２４】
上記ピストン４は、エンジンの出力軸であるクランク軸７とコネクティングロッド６を介して連結されている。ピストン４の上方には燃焼室が区画形成されており、この燃焼室で行われる燃焼（後述するインジェクタ１０から噴射される燃料のＨＣＣＩ燃焼）のエネルギーにより、上記ピストン４が気筒１内で往復運動（上下運動）するとともに、これに伴い上記クランク軸７が中心軸回りに回転するようになっている。
【００２５】
上記シリンダブロック２には、上記クランク軸７の回転速度をエンジンの回転速度として検出するエンジン速度センサＳＷ１と、シリンダブロック２内に設けられた図略のウォータージャケット内を流通する冷却水の温度（エンジン水温）を検出するエンジン水温センサＳＷ３とが設けられている。
【００２６】
上記シリンダヘッド３には、気筒１内に燃料を噴射するためのインジェクタ１０が設けられている。インジェクタ１０は、その先端部がピストン４の上面を臨むように設けられており、図外の燃料供給管から供給される燃料を先端部から噴射することにより、気筒１内に燃料を供給する。なお、インジェクタ１０から噴射される燃料は、ＨＣＣＩ燃焼が可能な燃料であればその種類を問わないが、当実施形態では、ガソリンもしくはガソリンを主成分とする燃料（例えばガソリンにエタノールを添加したもの）が用いられる。
【００２７】
上記エンジンの出力トルクは、車両に設けられたアクセルペダル２５によって制御される。すなわち、このアクセルペダル２５の開度（踏み込み量）に応じて、上記インジェクタ１０からの燃料の噴射量が調節され、それによってエンジンの出力トルクが制御される。また、アクセルペダル２５には、その開度（アクセル開度）を検出するためのアクセル開度センサＳＷ２が設けられている。
【００２８】
上記シリンダヘッド３には、吸気ポート１２および排気ポート１３と、各ポート１２，１３を開閉する吸気弁１４および排気弁１５とが設けられている。吸気弁１４および排気弁１５は、シリンダヘッド３に配設された一対のカムシャフト等を含む動弁機構（図示省略）により、クランク軸７の回転に連動して開閉駆動される。
【００２９】
上記吸気ポート１２には、気筒１内に吸入空気（新気）を導入するための吸気通路１８が接続されており、上記排気ポート１３には、気筒１で生成された排気ガス（燃焼ガス）を外部に排出するための排気通路１９が接続されている。
【００３０】
上記吸気通路１８には、吸気通路１８を通過する空気の流量、つまり吸入空気量を検出するためのエアフローセンサＳＷ４が設けられている。また、吸気通路１８の入口部付近のエンジンルーム内には、外気温を検出するための外気温センサＳＷ５が設けられている。
【００３１】
ここで、当実施形態のエンジンでは、ＨＣＣＩ燃焼を実現するために、気筒１の幾何学的圧縮比が１４以上３０以下という高い値に設定されている。なお、幾何学的圧縮比とは、ピストン４が下死点にあるときの燃焼室容積と、ピストン４が上死点にあるときの燃焼室容積との比である。
【００３２】
また、ＨＣＣＩ燃焼が行われる当実施形態のエンジンは、次のような燃焼サイクルによって運転される。まず、吸気行程において、吸気弁１４が開かれて、上記吸気通路１８からの吸入空気が吸気ポート１２を通じて気筒１の内部（燃焼室）に導入される。次いで、圧縮行程において、インジェクタ１０から燃料が噴射されて、噴射された燃料が気筒１内の空気と混合されて混合気が形成されるとともに、この混合気がピストン４の上昇によって圧縮され、高温・高圧化する。すると、高温・高圧化した混合気が自着火により燃焼し始め（ＨＣＣＩ燃焼）、続く膨張行程において、その燃焼による膨張エネルギーがピストン４に作用してピストン４が押し下げられる。次いで、排気行程において、ピストン４が上昇に転じるとともに、排気弁１５が開かれて、上記燃焼により生成された排気ガスが排気ポート１３および排気通路１９を通じて外部に排出される。排気行程の後は、再び吸気行程に戻ることにより、吸気、圧縮、膨張、排気の各行程が繰り返される。
【００３３】
上記シリンダヘッド３には、気筒１内にプラズマを放出するプラズマリアクタ１１が設けられている。具体的に、このプラズマリアクタ１１は、気筒１内にプラズマを放出することにより、気筒１内の分子やイオンを化学的に反応し易いラジカル（活性種）に変化させるとともに、オゾン（Ｏ3）を発生させる。すなわち、プラズマリアクタ１１は、本発明にかかるオゾン供給手段として機能するものである。なお、プラズマリアクタ１１は、オゾン生成のためのプラズマを放出できるものであればその種類を問わないが、例えば、針状の中心電極と、これを包囲する周囲電極とを有し、両電極の間に極短パルス状または高周波の高電界を印加することが可能なものがプラズマリアクタ１１として用いられる。
【００３４】
上記吸気通路１８と排気通路１９とは、ＥＧＲ通路２０を介して互いに連結されている。ＥＧＲ通路２０は、気筒１から排出された排気ガスの一部を気筒１に還流する操作、つまりＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）を行うための通路である。すなわち、このＥＧＲの実行時、排気通路１９を通過する排気ガスの一部は、ＥＧＲ通路２０を通じて吸気通路１８に戻され、吸気通路１８を通る空気とともに気筒１内へと導入される。なお、以下では、ＥＧＲ通路２０を通じて気筒１内に還流される排気ガスのことを、ＥＧＲガスという。
【００３５】
上記ＥＧＲ通路２０には、エンジンの冷却水等を利用した熱交換によってＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ２１と、ＥＧＲ通路２０の通路面積を変更するための開閉可能なＥＧＲ弁２２とが設けられている。ＥＧＲ弁２２は、その設定開度に応じてＥＧＲガスの量を調節することが可能であり、本発明にかかるＥＧＲ量調節手段として機能するものである。
【００３６】
以上のように構成されたエンジンは、その各部がＥＣＵ（エンジン制御ユニット）３０により統括的に制御される。ＥＣＵ３０は、周知のとおり、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成されるマイクロプロセッサであり、本発明にかかる制御手段として機能するものである。
【００３７】
上記ＥＣＵ３０は、上記エンジン速度センサＳＷ１、アクセル開度センサＳＷ２、エンジン水温センサＳＷ３、エアフローセンサＳＷ４、および外気温センサＳＷ５と電気的に接続されており、これら各センサからの入力信号に基づいて、エンジンの回転速度、エンジン水温、吸入空気量、アクセル開度、および外気温といった種々の情報を取得する。
【００３８】
また、上記ＥＣＵ３０は、上記インジェクタ１０、プラズマリアクタ１１、およびＥＧＲ弁２２と電気的に接続されており、上記各センサから取得した種々の情報に基づく演算等を実行しながら、上記各機器１０，１１，２２にそれぞれ駆動用の制御信号を出力する。具体的に、ＥＣＵ３０は、インジェクタ１０からの燃料の噴射時期および噴射量、プラズマリアクタ１１からのオゾンの供給量、およびＥＧＲ弁２２の開度等を、各時点でのエンジンの運転状態に応じた適切な値になるようにそれぞれ制御する。
【００３９】
（２）オゾン供給の意義
次に、上記プラズマリアクタ１１を用いてオゾンを供給する意義について説明する。プラズマリアクタ１１によるオゾンの供給は、主に、ＨＣＣＩ燃焼の開始時期、つまり、ピストン４により圧縮された混合気が自着火するタイミング（着火時期）を調節するために行われる。オゾンの供給によって混合気の着火時期を調節できる理由は、次のとおりである。
【００４０】
ＨＣＣＩ燃焼は、冷炎反応、青炎反応、熱炎反応、ＣＯの酸化反応という４段階の燃焼を経て完結することが知られている。ただし、青炎反応からＣＯの酸化反応へと至る３段階は、一連のまとまった燃焼として観察されるのが一般的である。このため、当明細書では、青炎反応からＣＯの酸化反応へと至る主燃焼の部分を「高温酸化反応」といい、その前の冷炎反応の部分を「低温酸化反応」という。なお、混合気の着火時期とは、「高温酸化反応」の開始時期を指している。
【００４１】
圧縮行程の途中までにオゾン（Ｏ3）を気筒１内に供給すると、供給されたオゾンは、圧縮行程が進行して気筒１内が所定温度（例えば５００〜６００Ｋ程度）まで上昇した時点で分解され、Ｏラジカルを生成する。Ｏラジカルは強力な酸化力を有するので、このＯラジカルが存在することにより、通常であれば低温酸化反応が起きないような温度条件でも、燃料成分が酸化されて、低温酸化反応が生じる。低温酸化反応が一旦起きると、それによって気筒１内が高温化するので、その後の高温酸化反応も促進される。
【００４２】
このように、オゾンの供給は、低温酸化反応を活発にするので、結果として、高温酸化反応を早める作用をもたらす。したがって、オゾンの供給量を調節することで、混合気の着火時期（高温酸化反応の開始時期）を制御することが可能になる。
【００４３】
図２は、オゾンを供給した場合のＨＣＣＩ燃焼の態様とオゾンを供給しなかった場合のＨＣＣＩ燃焼の態様とを比較して示す図である。この図２において、横軸は圧縮上死点後のクランク角（ｄｅｇＡＴＤＣ）であり、縦軸は熱発生率（Ｊ／ｄｅｇ）である。本図によれば、オゾンを２２ｐｐｍ供給した場合（Ｏ3＝２２ｐｐｍ）には、オゾンを供給しなかった場合（Ｏ3＝０ｐｐｍ）に比べて、混合気の着火時期が早まっていることが分かる。
【００４４】
具体的に、図２に示す２種類の燃焼波形には、いずれも、圧縮上死点（クランク角＝０ｄｅｇ）よりも少し手前の時期に、熱発生率がわずかに立ち上がる部分が存在している。これは、低温酸化反応が生じていることを表している。図２には、合わせて、この部分を拡大した図を示しており、この拡大図からも明らかなように、オゾンを供給した場合には、オゾンを供給しなかった場合に比べて、より早い時期で低温酸化反応が起きている。このことが、その後の高温酸化反応を促進し、高温酸化反応の開始時期、つまり混合気の着火時期を早める役割を果たしているといえる。
【００４５】
上記のように、オゾンの供給が混合気の着火時期に影響することが分かったが、同じく図２から理解されるように、混合気の燃焼期間、つまり高温酸化反応の開始から終了までの期間については、オゾンを供給する場合と供給しない場合とで、それほど大きく変化していない。その理由を図３を用いて説明する。オゾンは、低温酸化反応を促進してその開始タイミングを早めるが、低温酸化反応の開始後は短期間で消失してしまうので、高温酸化反応が始まる時点では、オゾンはほとんど存在していない。このため、高温酸化反応の進行速度にオゾンが影響することはなく、高温酸化反応の期間はさほど変化しないと考えられる。すなわち、オゾンは、低温酸化反応を促進し、そのことが高温酸化反応の開始時期（着火時期）を早めるものの、高温酸化反応の期間（燃焼期間）には直接影響しない。なお、図２の燃焼波形のグラフでは、オゾンを供給した場合の燃焼期間が若干短くなっているが、これは、着火時期が早まって圧縮上死点に近づいたことで、より高温・高圧な環境で燃焼が開始されたからであって、オゾンの供給とは直接関係しない。
【００４６】
ここで、上記のようなオゾンの供給と対比する形で、ＥＧＲガスの気筒１への還流がＨＣＣＩ燃焼に及ぼす影響について説明する。図４は、ＥＧＲガスの供給量によってＨＣＣＩ燃焼の態様がどのように変化するかを示す図である。本図によれば、排気ガスの一部をＥＧＲガスとして気筒１内に還流する操作（ＥＧＲ）を行った場合、ＥＧＲガスの供給量が多くなるほど、混合気の着火時期が遅くなるとともに、混合気の燃焼期間（高温酸化反応の開始から終了までの期間）が長くなっていることが分かる。これは、ＥＧＲガスが増えると、その分だけ酸素濃度が減少することから、酸化反応が起きづらくなり、且つ酸化反応の進行速度が遅くなるためである。このように、ＥＧＲガスの供給は、混合気の着火時期を遅くさせ、しかも燃焼を緩慢化させる作用をもたらす。
【００４７】
上記の結果から理解できることは、ＥＧＲガスの供給量を調節した場合と、オゾンの供給量を調節した場合とでは、ＨＣＣＩ燃焼への影響の仕方が異なるということである。すなわち、オゾンの供給量を調節した場合には、主に混合気の着火時期だけを変化させることができるが、ＥＧＲガスの供給量を調節した場合には、混合気の着火時期だけでなく混合気の燃焼期間をも変化させてしまう。
【００４８】
このことは、見方を変えれば、オゾンの供給量とＥＧＲガスの供給量との両方を調節することで、混合気の着火時期と燃焼時期とをより高い自由度で制御できることを意味する。図５に、オゾンおよびＥＧＲガスの供給量が混合気の着火時期および燃焼期間にどのように影響するかを模式的に示している。この図５において、横軸は着火時期、縦軸は燃焼期間を表しており、太線で示すベースのラインＬは、オゾンの供給量をゼロとし、ＥＧＲガス量の増減だけで着火時期と燃焼期間を変化させた場合を示している。
【００４９】
上記ラインＬに示すように、ＥＧＲガスの供給だけを行った場合は、ＥＧＲガスの供給量を増加させるほど、着火時期が遅くなるとともに燃焼期間が長くなり、逆に、ＥＧＲガスの供給量を減少させるほど、着火時期が早くなるとともに燃焼期間が短くなっている。一方、ＥＧＲガスに加えてオゾンも供給した場合には、オゾンの追加に伴って着火時期だけが単独で変化するため、着火時期および燃焼期間は、上記ベースのラインＬを基本として、ラインＬを左に平行移動した図示の領域Ｓに亘って変化することになる。すなわち、ＥＧＲガスの供給量だけを調節した場合には、着火時期および燃焼期間を１次元的にしか変化させられないのに対し、ＥＧＲガスに加えてオゾンの供給量も調節した場合には、着火時期および燃焼期間を２次元的に変化させることができ、より高い自由度でＨＣＣＩ燃焼を制御することが可能になる。
【００５０】
（３）オゾンとＥＧＲガスを用いた具体的制御
次に、オゾンおよびＥＧＲガスの気筒１への供給量をエンジンの運転状態に応じてどのように制御するかを具体的に説明する。以下に説明する制御は、上述したＥＣＵ３０の処理に基づき行われる。ＥＣＵ３０は、図６に示すような目標熱発生パターンのデータを記憶しており、ＨＣＣＩ燃焼がこの図６の目標熱発生パターンに沿った燃焼となるように、オゾンおよびＥＧＲガスの供給量を制御する。
【００５１】
図６に示すように、目標熱発生パターンは、混合気の着火時期と燃焼期間とを規定するものであり、エンジンの回転速度および負荷に応じて設定されている。着火時期は、エンジン回転速度が高いほど早く（進角側に）、エンジン回転速度が低いほど遅く（遅角側に）設定されており、燃焼期間は、エンジン負荷が高いほど長く、エンジン負荷が低いほど短く設定されている。着火時期が高回転側ほど早くされる理由は、回転速度が速いと、膨張行程時にピストン４が素早く下降することから、早めに燃焼を始めないと途中で失火するおそれがあるためである。また、燃焼期間が高負荷側ほど長くされる理由は、負荷が高いと、燃焼により生じるトータルのエネルギーが大きいことから、燃焼を緩慢化しないと大きな振動や騒音が発生するおそれがあるためである。なお、図６では、代表例として４つの目標熱発生パターンが示されているが、実際には、回転速度および負荷の各値に応じて細かく定められた多数の目標熱発生パターンのデータが用意されている。
【００５２】
図７は、エンジンの運転中に上記ＥＣＵ３０が行う処理の手順を示したフローチャートである。このフローチャートの処理がスタートすると、ＥＣＵ３０は、各種センサ値を読み込む処理を実行する（ステップＳ１）。具体的には、エンジン速度センサＳＷ１、アクセル開度センサＳＷ２、エンジン水温センサＳＷ３、エアフローセンサＳＷ４、および外気温センサＳＷ５からそれぞれの検出信号を読み込み、これらの信号に基づいて、エンジンの回転速度、要求トルク（負荷）、エンジン水温、吸入空気量、および外気温といった各種情報を取得する。
【００５３】
次いで、ＥＣＵ３０は、上記ステップＳ１で取得した情報に基づいて、設定すべきＥＧＲ弁２２の開度を決定し、その開度を目標にＥＧＲ弁２２を駆動する処理を実行する（ステップＳ２）。具体的に、このステップＳ２では、エンジンの負荷（アクセル開度に基づく要求トルク）が高いほど、ＥＧＲ弁２２の開度が大きく設定される。これは、図６の目標熱発生パターンに合わせて、負荷が高いほど燃焼を緩慢化させる必要があるためである。
【００５４】
次いで、ＥＣＵ３０は、上記ステップＳ１で取得した情報に基づいて、インジェクタ１０から噴射すべき燃料の量、および燃料噴射を開始すべき時期を決定する処理を実行する（ステップＳ３）。具体的に、このステップＳ３では、エンジンの負荷が高いほど、インジェクタ１０からの噴射目標値が大きく設定され、エンジンの回転速度が高いほど、インジェクタ１０からの目標噴射時期（燃料噴射を開始すべき時期）が早く設定される。なお、目標噴射時期は、圧縮行程中の所定のクランク角範囲内において設定される。
【００５５】
次いで、ＥＣＵ３０は、図６に示した目標熱発生パターンのデータを参照することにより、現在のエンジンの運転状態（回転速度、負荷）に合った目標熱発生パターンを決定する処理を実行する（ステップＳ４）。具体的には、上記ステップＳ１で取得したエンジンの回転速度および負荷を、図６の目標熱発生パターンのデータに当てはめて、上記回転速度および負荷に応じた適切な一つのパターンを、目標とすべき目標熱発生パターンとして決定する。
【００５６】
次いで、ＥＣＵ３０は、気筒１内に還流される実際のＥＧＲガスの量（以下、真のＥＧＲ量という）と、圧縮上死点付近における気筒１内の温度・圧力とを推定する処理を実行する（ステップＳ５）。具体的に、このステップＳ５では、ＥＧＲ弁２２の開度が増大過程にあるか減少過程にあるか、その開度の増大／減少率はどの程度か、エンジンの回転速度はどの程度かなど、本来期待されるＥＧＲ量（ＥＧＲ弁２２の開度を一定値に保持した場合に得られるＥＧＲ量）と真のＥＧＲ量との差を左右する種々の要素に基づいて、過渡性を考慮した真のＥＧＲ量を推定する演算が行われる。また、その真のＥＧＲ量と、上記ステップＳ１で取得された吸入空気量、エンジン水温、および外気温とに基づいて、圧縮上死点付近の筒内温度・圧力、つまり、ピストン４を圧縮上死点付近の特定時点までモータリングによって上昇させた場合の気筒１内の温度・圧力を推定する演算が行われる。
【００５７】
次いで、ＥＣＵ３０は、プラズマリアクタ１１からのプラズマ放出によってどの程度の量のオゾンを供給すべきかを決定する処理を実行する（ステップＳ６）。具体的に、このステップＳ６では、まず、上記ステップＳ３で決定した燃料の噴射量および噴射時期と、上記ステップＳ５で推定した真のＥＧＲ量および筒内温度・圧力とに基づいて、仮にオゾンを全く供給しなかった場合に生じる熱発生パターンが推定される。そして、この熱発生パターン（オゾン供給量がゼロの場合の熱発生パターン）と、上記ステップＳ４で決定した目標熱発生パターンとを比較して、どの程度の量のオゾンを供給すれば上記目標熱発生パターンに最も近い燃焼が得られるかが演算により求められ、その量が目標のオゾン供給量として決定される。なお、このような演算処理を行うために、ＥＣＵ３０には、オゾン供給によるＨＣＣＩ燃焼への影響（主にオゾン供給量と着火時期の変化との関係）がデータ化されて記憶されている。
【００５８】
上記ステップＳ６では、図６に示した目標熱発生パターンを目指してオゾンの目標供給量が決定される結果、エンジン回転速度が高いほど供給量が多く設定され、逆に回転速度が低いほど供給量が少なく設定される。つまり、高回転側ほど着火時期が早く設定される図６の目標熱発生パターンに従って、オゾンの供給量が高回転側ほど増やされて、低温酸化反応の促進が図られる。
【００５９】
次いで、ＥＣＵ３０は、上記ステップＳ６で決定した供給量に従ってオゾンが供給されるようにプラズマリアクタ１１を駆動するとともに、上記ステップＳ３で決定した噴射量および噴射時期に従って燃料が噴射されるようにインジェクタ１０を駆動する処理を実行する（ステップＳ７）。オゾンの供給量は、プラズマリアクタ１１からのプラズマ放出量によって決まるから、ＥＣＵ３０は、プラズマリアクタ１１への印加電圧および印加時間の少なくとも一方を変化させることで、オゾンの供給量を調節する。また、オゾンの供給時期については、低温酸化反応が始まる圧縮行程の後期までに所要量のオゾンが供給されるような時期であればよく、例えば圧縮行程中期等の適宜の時期に設定される。
【００６０】
（４）作用等
以上説明したように、当実施形態では、燃料を空気と混合した後に自着火させるＨＣＣＩ燃焼が可能な圧縮自己着火式エンジンにおいて、次のような特徴的な構成を採用した。
【００６１】
エンジンは、気筒１内に還流される排気ガスであるＥＧＲガスの量を調節するＥＧＲ弁２２（ＥＧＲ量調節手段）と、気筒１内にオゾンを供給するプラズマリアクタ１１（オゾン供給手段）と、ＥＧＲ弁２２およびプラズマリアクタ１１を駆動して上記ＥＧＲガスおよびオゾンの供給量を制御するＥＣＵ３０（制御手段）とを備える。ＥＣＵ３０は、混合気の着火時期がエンジン回転速度が高いほど早くなり、且つ混合気の燃焼期間がエンジン負荷が高いほど長くなるように（図６参照）、上記ＥＧＲガスおよびオゾンの供給量を制御する。このような構成によれば、振動や騒音の少ないＨＣＣＩ燃焼をより幅広い運転領域で実現することができ、高い熱効率とＮＶＨ性能とを両立できるという利点がある。
【００６２】
すなわち、上記実施形態では、ＥＧＲガスおよびオゾンの供給量の調節によって混合気の着火時期と燃焼期間との両方を変化させることができるので、より高い自由度でＨＣＣＩ燃焼を制御することができる。例えば、混合気の着火時期がエンジン回転速度が高いほど早められるので、膨張行程時のピストン４の下降速度が速くなる高回転域で、失火が起きるのを確実に防止することができる。また、混合気の燃焼期間がエンジン負荷が高いほど長くされるので、大きな燃焼エネルギーが短期間で発生することを回避でき、燃焼に伴う振動や騒音のレベルを効果的に低減することができる。これにより、大きな振動や騒音を伴わない適正なＨＣＣＩ燃焼が可能な運転領域を大幅に拡大することができ、エンジンの熱効率を効果的に向上させることができる。
【００６３】
具体的に、上記実施形態では、エンジン回転速度が高いほどオゾンの供給量が増加するように上記プラズマリアクタ１１が駆動される。このように、低温酸化反応を促進する作用のあるオゾンの供給量を高回転側ほど増やすようにした場合には、高回転域での着火時期を早めて失火を確実に防止することができる。
【００６４】
また、上記実施形態では、エンジン負荷が高いほどＥＧＲガスの供給量が増加するようにＥＧＲ弁２２が駆動される。このように、燃焼を緩慢化させる作用のあるＥＧＲガスの供給量を高負荷側ほど増やすようにした場合には、高負荷域での燃焼期間を長期化させて振動や騒音を確実に低減することができる。
【００６５】
また、上記実施形態では、エンジンの運転状態に基づいて、設定すべきＥＧＲ弁２２の開度と、混合気の着火時期および燃焼期間を規定する目標熱発生パターン（図６）とが決定され、その結果を用いた演算処理により、プラズマリアクタ１１から供給すべきオゾンの量が決定される（図７のＳ７）。このように、目標とする熱発生パターン（着火時期、燃焼期間）を予め定めておき、そのパターンに沿った燃焼が起きるようにオゾンの供給量を演算により決定した場合には、運転状態に応じて常に適正な量なオゾンを供給することができるので、失火を伴わず大きな振動や騒音も伴わない適正なＨＣＣＩ燃焼を広範な運転領域で確実に実行させることができる。
【００６６】
なお、上記実施形態では、エンジンの気筒１内に直接プラズマを放出し得る位置にプラズマリアクタ１１を設けたが、プラズマリアクタ１１は、プラズマの放出に伴い生じるオゾンを気筒１内に供給できるものであればよく、例えば、吸気ポート１２に向けてプラズマを放出するものであってもよい。
【００６７】
また、上記実施形態では、プラズマの放出によってオゾンを供給するプラズマリアクタ１１をオゾン供給手段として設けたが、オゾン供給手段は、オゾンを供給できるものであればよく、必ずしもプラズマを用いたものに限られない。
【符号の説明】
【００６８】
１  気筒
１１  プラズマリアクタ（オゾン供給手段）
１８  吸気通路
１９  排気通路
２０  ＥＧＲ通路
２２  ＥＧＲ弁（ＥＧＲ量調節手段）
３０  ＥＣＵ（制御手段）
【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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