(57)【要約】【課題】予混合圧縮着火式の内燃機関において運転可能領域を拡大する。【解決手段】ア−ク放電に遷移させることなく非熱平衡プラズマを形成可能な放電装置１５を備え、この放電装置の放電部５を機関燃焼室１３内に設けると共に、前記放電装置によって活性化される燃焼室内の混合気の量および分布を運転条件に応じて、前記放電装置の投入エネルギまたはその印加電圧および印加時間に基づいて制御する。これにより、ＨＣおよびＮＯｘの発生量を増大させることなく、幅広い運転領域にわたる燃焼コントロールが可能である。【選択図】図１
2007309160.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒内に導入した混合気を圧縮自己着火させる内燃機関において、
ア−ク放電に遷移させることなく非熱平衡プラズマを形成可能な放電装置を備え、この放電装置の放電部を機関燃焼室内に設けると共に、前記放電装置によって活性化される燃焼室内の混合気の量および分布を運転条件に応じて制御するようにしたことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
活性化される燃焼室内の混合気の量および分布を前記放電装置の印加電圧および印加時間に基づいて制御する請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記放電装置への投入エネルギが運転条件にかかわらず略一定となるように印加電圧および印加時間を制御する請求項２に記載の内燃機関。
【請求項４】
運転条件として機関負荷を検出し、
機関低負荷時は機関高負荷時に比較して印加時間を長くかつ印加電圧を低く設定し、機関高負荷時は機関低負荷時に比較して印加時間を短くかつ印加電圧を高く設定するようにした請求項３に記載の内燃機関。
【請求項５】
運転条件として機関回転速度を検出し、
機関低回転時は機関高回転時に比較して印加時間を長くかつ印加電圧を低く設定し、機関高回転時は機関低回転時に比較して印加時間を短くかつ印加電圧を高く設定するようにした請求項３に記載の内燃機関。
【請求項６】
運転条件として機関負荷および機関回転速度を検出し、
機関低負荷かつ低回転時は、機関高負荷かつ高回転時と比較して、印加時間を長くかつ印加電圧を低く設定し、機関高負荷かつ高回転時は、機関低負荷かつ低回転時と比較して、印加時間を短くかつ印加電圧を高く設定するようにした請求項３に記載の内燃機関。
【請求項７】
前記放電装置の投入エネルギを運転条件に応じて変化させる請求項２に記載の内燃機関。
【請求項８】
運転条件として機関負荷を検出し、
機関低負荷時は機関高負荷時に比較して放電装置の投入エネルギを大きく設定し、機関高負荷時は機関低負荷時に比較して放電装置への投入エネルギを小さく設定するようにした請求項７に記載の内燃機関。
【請求項９】
運転条件として機関回転速度を検出し、
機関低回転時は機関高回転時に比較して放電装置の投入エネルギを小さく設定し、機関高回転時は機関低回転時に比較して投入エネルギを大きく設定するようにした請求項７に記載の内燃機関。
【請求項１０】
運転条件として機関負荷および機関回転速度を検出し、
機関低負荷かつ高回転時は、機関高負荷かつ低回転時に比較して、放電装置の投入エネルギを大きく設定し、機関高負荷かつ低回転時は、機関低負荷かつ高回転時に比較して、放電装置への投入エネルギを小さく設定するようにした請求項７に記載の内燃機関。
【請求項１１】
運転条件として機関負荷を検出し、
機関低負荷時は機関高負荷時に比較して印加時間を長く設定し、機関高負荷時は機関低負荷時に比較して印加時間を短く設定するようにした請求項８に記載の内燃機関。
【請求項１２】
運転条件として機関負荷を検出し、
機関低負荷時は機関高負荷時に比較して印加電圧を高く設定し、機関高負荷時は機関低負荷時に比較し印加電圧を低く設定するようにした請求項８に記載の内燃機関。
【請求項１３】
運転条件として機関回転速度を検出し、
機関低回転時は機関高回転時に比較して印加時間を長く設定し、機関高回転時は機関低回転時に比較して印加時間を短く設定するようにした請求項９に記載の内燃機関。
【請求項１４】
運転条件として機関回転速度を検出し、
機関低回転時は機関高回転時に比較して印加電圧を低く設定し、機関高回転時は機関低回転時に比較して印加時間を短くかつ印加電圧を高く設定するようにした請求項９に記載の内燃機関。
【請求項１５】
運転条件として機関負荷および機関回転速度を検出し、
機関低負荷かつ低回転時は、機関高負荷かつ高回転時に比較して印加時間を長く設定し、機関高負荷かつ高回転時は、機関低負荷かつ低回転時に比較して印加時間を短く設定するようにした請求項１０に記載の内燃機関。
【請求項１６】
運転条件として機関負荷および機関回転速度を検出し、
機関低負荷かつ高回転時は、機関高負荷かつ低回転時に比較して印加電圧を高く設定し、機関高負荷かつ低回転時は、機関低負荷かつ高回転時に比較して印加電圧を低く設定するようにした請求項１０に記載の内燃機関。
【請求項１７】
前記放電装置によって活性化された燃焼室内の混合気の分布を、筒内ガス流動に基づき、運転条件に応じて均質状または成層状に制御する手段を備える請求項１に記載の内燃機関。
【請求項１８】
運転条件として機関負荷を検出し、
前記放電装置によって活性化された燃焼室内の混合気を、
機関低負荷時は機関高負荷時に比較して均質状に制御し、機関高負荷時は機関低負荷時に比較して成層状に制御するようにした請求項１７に記載の内燃機関。
【請求項１９】
運転条件として機関回転速度を検出し、
前記放電装置によって活性化された燃焼室内の混合気を、
機関低回転時は機関高回転時に比較して成層状に制御し、機関高回転時は機関低回転時に比較して均質状に制御するようにした請求項１７に記載の内燃機関。
【請求項２０】
運転条件として機関負荷および機関回転速度を検出し、
前記放電装置によって活性化された燃焼室内の混合気を、
機関低負荷かつ高回転時は、機関高負荷かつ低回転時に比較して均質状に制御し、機関高負荷かつ低回転時は、機関低負荷かつ高回転時に比較して成層状に制御するようにした請求項１７に記載の内燃機関。
【請求項２１】
放電部が燃焼室の比較的端部に位置する放電装置を含む複数の放電装置を備え、個々の放電装置の印加電圧および印加時間を運転条件に応じて制御するようにした請求項１から請求項２０の何れかに記載の内燃機関。
【請求項２２】
運転条件として機関負荷を検出し、
機関低負荷時は複数の放電部を用いて燃焼室内の混合気を活性化し、機関高負荷時は前記端部に位置する放電部のみで燃焼室内の混合気を活性化するようにした請求項２１に記載の内燃機関。
【請求項２３】
運転条件として機関回転速度を検出し、
機関低回転時は前記端部に位置する放電部のみで燃焼室内の混合気を活性化し、機関高回転時は複数の放電部を用いて燃焼室内の混合気を活性化するようにした請求項２１に記載の内燃機関。
【請求項２４】
運転条件として機関負荷および機関回転速度を検出し、
機関低負荷かつ高回転時は、複数の放電部を用いて燃焼室内の混合気を活性化し、機関高負荷かつ低回転時は、前記端部に位置する放電部のみで燃焼室内の混合気を活性化するようにした請求項２１に記載の内燃機関。
【請求項２５】
運転条件に応じて、前記放電装置からの放電により制御されたＨＣＣＩと、アーク放電による点火とを切り替えるようにした請求項１から請求項２４の何れかに記載の内燃機関。
【請求項２６】
運転条件に応じて、前記放電装置からの放電により制御されたＨＣＣＩと、前記放電装置のみの放電による点火とを切り替えるようにした請求項１から請求項２４の何れかに記載の内燃機関。
【請求項２７】
運転条件に応じて、前記放電装置からの放電により制御されたＨＣＣＩと、前記放電装置のみの放電による点火と、アーク放電による点火とを切り替えるようにした請求項１から請求項２４の何れかに記載の内燃機関。
【請求項２８】
上死点容積を可変制御する可変圧縮比機構を備え、
筒内の混合気を圧縮自己着火させるＨＣＣＩ運転から点火による運転へと切り替えるとき、前記圧縮比可変機構を介して圧縮比を減じるようにした請求項２５から請求項２７の何れかに記載の内燃機関。
【請求項２９】
吸気弁または排気弁の作動時期を可変制御する可変バルブタイミング機構を備え、
筒内の混合気を圧縮自己着火させるＨＣＣＩ運転から点火による運転に切り替えるとき、前記可変バルブタイミング機構を介して有効圧縮比を減じるようにした請求項２５から請求項２７の何れかに記載の内燃機関。
【請求項３０】
シリンダ内に導入した混合気を圧縮自己着火させる内燃機関の燃焼制御方法であって、
ア−ク放電に遷移させることなく非熱平衡プラズマを形成可能な放電装置を備え、この放電装置の放電部を機関燃焼室内に設け、前記放電装置によって活性化される燃焼室内の混合気の量および分布を運転条件に応じて制御するようにしたことを特徴とする内燃機関の燃焼制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筒内に導入した予混合気を圧縮自己着火させる内燃機関またはその燃焼制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
筒内に導入した予混合気を圧縮自己着火させる内燃機関として、特許文献１に開示されたようなものが知られている。こうした予混合自己着火燃焼方式の利点として、筒内の複数の部位から同時的に燃反応が開始されることから、火花点火に比較して空燃比リーン域においても燃焼期間が短く、安定した燃焼が可能であること、燃焼温度が低いリーン運転が可能であることからＮＯｘを大幅に低減できることが挙げられる。その反面、この燃焼方式は、ノッキング限界と失火限界とによって成立範囲つまり運転が可能な負荷域および回転域がごく限られてしまうという問題がある。特に、火花点火による火炎伝播とは異なり、燃焼室内にて混合気中の燃料が同時的に自己着火する特性から燃焼圧の上昇速度が速く、負荷が高くなるほど運転が困難になる。このため、車両用など運転領域が広い用途への適用は困難であった。
【０００３】
これに対して、特許文献２〜５に示されるように、燃焼制御手法に関する種々の試みが提案されている。特許文献２のものは、燃焼室内の燃料濃度を制御することで、燃焼室内に混合気濃度の不均一場を形成し、燃焼室内で燃焼速度に勾配を設けて燃焼速度を制御するものである。特許文献３のものは、内部ＥＧＲの層を制御し、燃焼室内の温度分布を制御することで、燃焼室内に温度の不均一場を形成し、前記と同様に燃焼速度を制御するものである。特許文献４のものは、吸気ポートに設けたオゾン発生器により燃焼室内で燃焼開始時期を異ならせる、すなわち燃焼開始時期に勾配をつけることで燃焼速度を制御するものである。特許文献５のものは、点火プラグの容量放電または誘導放電により放電開始時期の設定を行い、または容量放電特性の異なる点火プラグを２種類付与することでラジカル生成量を制御し、燃焼安定度を制御するものである。
【特許文献１】特開平7-７１２７９号公報
【特許文献２】特開１９９９−１０１１２７号公報
【特許文献３】特開２００１−３２３８２８号公報
【特許文献４】特開２００１−３２３８２９号公報
【特許文献５】特開２００１−０２０８４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献２のものでは、混合気濃度の不均一場を形成するため、燃焼室内に局所的にリッチな場が存在し、ＨＣおよびＮＯｘが増大するおそれがある。特許文献３のものでは、燃焼室内に温度の不均一場を形成するため、燃焼温度増大によりＮＯｘの生成量が増大する。加えて、外部ＥＧＲなど吸気管を介して導入する場合は、吸気タイミングによって燃焼制御が制限される。また、燃焼を積極的に制御する高負荷に向かって、混合気温度の増大に伴い充填効率が低下する。つまり、燃焼制御成立領域が限定される。特許文献４のものでは、燃焼開始時期に勾配を設定するためのオゾン発生器を吸気ポートに設けた構成であるので、吸気行程中のみしか制御を行うことができず、燃焼制御の自由度が低い。また、ラジカルなどの活性種は低温では存在し難いことが知られており、すなわち吸気行程からの導入では点火時期までの間に大部分が消滅してしまい、その効果が減少する。特許文献５のものでは、通常の点火プラグのみを使用したアーク放電を目的とした放電装置であるため、放電箇所がごく小さく、ラジカルの生成量が限られる。加えて放電開始時期によるラジカル生成量の制御のみでは、高回転時など短時間に多量のラジカルを生成する必要がある条件に対応できない。また、高負荷時には燃焼速度を抑制するために点火アシストを行わないようにしているため、より高負荷側への運転領域拡大への効果が期待できない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、筒内に導入した混合気を圧縮自己着火させる内燃機関において、ア−ク放電に遷移させることなく非熱平衡プラズマを形成可能な放電装置を備え、この放電装置の放電部を機関燃焼室内に設けると共に、前記放電装置によって活性化される燃焼室内の混合気の量および分布を運転条件に応じて制御するようにした内燃機関またはそのような燃焼制御方法である。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、例えば均質混合気場に対して前記放電装置によってア−ク放電に遷移させることなく非熱平衡プラズマを形成し、電子温度のみ上昇させ活性化された混合気の分布を作り、燃焼を制御する。よって、ＨＣおよびＮＯｘの発生量を増大させることなく、幅広い運転領域にわたり所望の燃焼コントロールが可能である。
【０００７】
また、吸気系ではなく燃焼室内に直接的に放電部を設けているので制御の自由度が高く、燃焼室内の温度が高い状態でラジカルなどの燃焼に対して活性な混合気が生成可能となるため、投入エネルギの観点からより高効率な自己着火燃焼を制御可能となる。
【０００８】
装置の特性としては、アーク放電のみを目的とした放電装置ではないため、放電体積が従来のスパークプラグと比較して顕著に大きくなる。さらに、放電電圧も制御可能なため、機関回転速度が高回転時などにも短時間に高い電圧で放電を行い活性化された混合気を生成可能であり、したがって生成時期調整の自由度も大きい。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明を適用した内燃機関の概略構成を示している。図において、１はシリンダヘッド、２はシリンダブロック、３はピストン、４はコンロッド、５は放電部、６は吸気ポート、７は吸気弁、８は吸気弁駆動カム、９は排気ポート、１０は排気弁、１１は排気弁駆動カム、１２は燃料噴射弁、１３は燃焼室である。この内燃機関は吸気弁７と排気弁１０をそれぞれ２個備えた４弁の内燃機関であり、その吸気ポート６に臨むように設けた燃料噴射弁１２からの燃料噴射により筒内に予混合気を供給する、いわゆるＭＰＩ式の燃料噴射装置を備えている。
【００１０】
放電部５は、燃焼室１３の中央部に望むようにシリンダヘッド１に取り付けられており、電極としては針状の中心電極５ａとこれを包囲する円筒状電極５ｂとからなる。この放電部５には、放電装置１５を介して、ア−ク放電に遷移させることなく非熱平衡プラズマを形成可能なように電圧が印加される。このような放電を行わせるための放電装置は種々のものが知られており、たとえば、ＡＩＡＡ−２００５−０９５１に記されるような電圧を極短パルスで制御し、アーク放電への遷移を遮断する装置、またはＳＡＥ２００１−０１−３０８８に記されるような電極間に誘電体を挿入したバリア放電装置などが適用可能である。
【００１１】
前記放電装置１５は、機関運転条件の代表量として、たとえば図示しないアクセル開度センサやクランク角度センサ等によって機関負荷と回転速度とを検出し、これらに基づいて放電部５に印加する電圧および印加時間を制御することで、活性化した混合気の分布を制御し、機関圧縮行程における圧縮により加熱して燃焼を開始させる、圧縮自己着火（以下、ＨＣＣＩという）による運転を実現する。以下、この点につき詳述する。
【００１２】
図２に、活性化した混合気分布の制御による熱発生への影響を示す。図中のＡ〜Ｃはそれぞれ放電部５を中心とした筒内の燃料分布イメージであり、図中の符号Ｍは混合気塊を、ＣＡはクランク角度をそれぞれ表している（以下の各図につき同様）。図示するように活性化した混合気の密度が低く筒内に燃料が均質に分布している場合（Ａ）は、全体の燃焼速度が増大し、図の曲線ａ（実線）のように燃焼期間が短い。それに対して、活性化した混合気の分布が成層化し混合気塊Ｍの密度が上がっていくと、図の曲線ｂ（破線）から曲線ｃ（一点鎖線）へと燃焼開始時期は進角するが燃焼期間は伸長し、燃焼が緩慢化する。本発明は、前記現象に着目して、たとえば図３に示すように、機関負荷と回転速度とに基づいて、機関低回転かつ高負荷ほど成層度を大きく、そして機関高回転かつ低負荷ほど成層度を小さくなるように、混合気の分布および量を制御することで運転可能領域の拡大を図る。
【００１３】
このようにして、活性化した混合気の量および分布を放電装置１５の印加電圧および印加時間により制御することにより、前記制御のための機械的手段を別に設ける必要がなく、また投入エネルギを考慮して運転に応じた緻密な燃焼制御を実現することができる。
【００１４】
図４−１および図４−２は、前記制御の一手法として、放電装置１５ないし放電部５への投入エネルギが運転状態にかかわらず一定となるように、すなわち、印加時間と印加電圧との積が一定となるように、印加電圧および印加時間を制御する場合の制御例を示している。図４−２の（ａ）に示したように全運転領域にわたり投入エネルギを略一定に制御することで、エンジンシステム全体の効率を悪化させることなく燃焼をコントロールし、全体として高効率な運転を実現することができる。
【００１５】
図４−１の（ａ）は、運転条件として機関負荷を検出し、放電装置１５の投入エネルギ量が一定となるように、機関低負荷時は機関高負荷時に比較して印加時間（この場合はクランク角度ＣＡ）を長くかつ印加電圧を低く設定し、機関高負荷時は機関低負荷時に比較して印加時間を短くかつ印加電圧を高く設定するようにした制御を表している。なお、印加開始時期は、機関低負荷時の方が機関高負荷時よりも早くなる。これは、機関低負荷、高負荷のいずれの場合も、着火時期をピストン３の上死点近傍とするため、上述したように、印加時間の長短は印加開始時期で調節することになるからである。
【００１６】
また、図は印加電圧と印加時間との関係が運転条件に応じて変化する様子を便宜的に示したものであって、それぞれ図面上の特性線で包囲された面積は投入エネルギ量に相当するが、必ずしも本実施形態における投入エネルギ量を代表しているわけではない（後出の図５−１についても同様）。
【００１７】
このような制御に基づき、機関低負荷時は、燃焼圧力の上昇率が機関高負荷時と比較して小さいので、印加時間を長くかつ印加電圧を低くすることにより活性化した混合気を着火時期より早い段階から生成して燃焼室内に均質に分布させる。これにより燃焼室内での着火開始時期の勾配を低減させて燃焼室全体の燃焼速度を早くし、より低負荷側にも運転領域を拡大することができる。
【００１８】
また、機関高負荷時は燃焼圧力の上昇率が機関低負荷時と比較して大きいので、印加時間を短くかつ印加電圧を高くすることにより活性化した混合気を着火時期直前に生成して成層化させる。これにより着火開始時期の勾配を増大させて燃焼室内で着火時期に位相差を設けることで燃焼を緩慢化してノッキングを防止し、より高負荷側に運転領域を拡大することができる。
【００１９】
図４−１の（ｂ）は、運転条件として機関回転速度を検出し、放電装置１５の投入エネルギ量が一定となるように、機関低回転時は機関高回転時に比較して印加時間（この場合は実時間τ）を長くかつ印加電圧を低く設定し、機関高回転時は機関低回転時に比較して印加時間を短くかつ印加電圧を高く設定するようにした制御を表している。
【００２０】
なお、印加時間を実時間τに替えて、電圧を印加する期間をクランク角度ＣＡを用いて制御することも可能であり、この場合には、図４−１の（ｃ）に示すように、機関低回転時は機関高回転時に比較してクランク角度ＣＡは小さくかつ印加電圧を低く設定し、機関高回転時は機関低回転時に比較してクランク角度ＣＡは大きくかつ印加電圧を高く設定することになる。
【００２１】
このような制御に基づき、機関低回転時は実時間が長いため、機関高回転時と比較して印加時間を長くかつ印加電圧を低くすることで、活性化した混合気を生成する時間を長く設定する。一方、機関高回転時は実時間が短いため、機関低回転時と比較して印加時間を短くし印加電圧を高く設定する。これにより投入エネルギを増大させることなく、確実に着火開始時期を制御し燃焼を制御することができる。
【００２２】
前記図４−１の（ａ）と（ｂ）を組み合わせた制御としてもよく、すなわち運転条件として機関負荷および機関回転速度を検出し、機関低負荷かつ低回転時は、機関高負荷かつ高回転時と比較して、印加時間を長くかつ印加電圧を低く設定し、機関高負荷かつ高回転時は、機関低負荷かつ低回転時と比較して、印加時間を短くかつ印加電圧を高く設定するようにしてもよい（図４−２の（ｃ），（ｄ）参照）。これにより、運転可能領域を機関回転速度および機関負荷のそれぞれについて拡大することができる。
【００２３】
また、前記各制御において、放電装置１５の電圧を印加する時期（クランク角度）を、機関高回転かつ機関低負荷時には機関低回転かつ機関高負荷時に比較して進角させ、機関低回転かつ機関高負荷時には機関高回転かつ機関低負荷時に比較して遅らせるように制御してもよく（図４−２の（ｂ）参照）、これにより運転可能領域のさらなる拡大を実現できる。
【００２４】
図４−１および図４−２は前記のとおり放電装置１５の投入エネルギを運転条件にかかわらず略一定に制御する手法の代表例を示したものであるが、これに限らず、図５−１または図５−２に示したように、放電装置１５の投入エネルギを運転条件に応じて変化させるようにしてもよい。
【００２５】
図５−１の（ａ）は、運転条件として機関負荷を検出し、機関低負荷時は機関高負荷時に比較して放電装置１５への投入エネルギＳ１を大きく設定し、機関高負荷時は機関低負荷時に比較して放電装置１５への投入エネルギＳ２を小さく設定するようにした制御を表している。
【００２６】
このような制御により、機関低負荷時は機関高負荷時に比較して放電装置１５の投入エネルギを大きくするので、燃焼速度をより増大させてリーン限界を拡大し、更なる高効率を実現することができる。一方、機関高負荷時は機関低負荷時に比較して放電装置１５の投入エネルギを小さくするので、放電装置１５への過剰なエネルギ投入を回避してエンジンシステム全体の高効率化を実現することができる。
【００２７】
図５−１の（ｂ）は、運転条件として機関回転速度を検出し、機関低回転時は機関高回転時に比較して放電装置１５の投入エネルギＳ１を小さく設定し、機関高回転時は機関低回転時に比較して投入エネルギＳ２を大きく設定するようにした制御である。
【００２８】
機関低回転時は実時間が長く、燃焼期間が十分にとれるので、高回転時と比較して放電装置１５への投入エネルギを小さくしても、活性化した混合気を十分に生成することができる。これによりエンジンシステム全体の高効率化を実現することができる。一方、機関高回転時は実時間が短いので、機関低回転時と比較して投入エネルギを大きくすることで活性化した混合気の量を増やす。これにより燃焼速度を増大させ、より高回転まで運転可能領域を拡大させることができる。
【００２９】
前記図５−１の（ａ）と（ｂ）を組み合わせた制御としてもよく、すなわち運転条件として機関負荷および機関回転速度を検出し、機関低負荷かつ高回転時は、機関高負荷かつ低回転時に比較して放電装置１５の投入エネルギを大きく設定し、機関高負荷かつ低回転時は、機関低負荷かつ高回転時に比較して放電装置１５の投入エネルギを小さく設定する（図５−２の（ａ）,（ｃ），（ｄ）参照）。これにより、運転可能領域を機関回転速度および機関負荷のそれぞれについて拡大し、エンジンシステム全体の高効率化を実現することができる。
【００３０】
前記各制御において、放電装置１５の電圧を印加する時期（クランク角度）を、高速かつ低負荷時には低速かつ高負荷時に比較して進角させ、低速かつ高負荷時には高速かつ低負荷時に比較して遅らせるように制御してもよく（図５−２の（ｂ）参照）、これにより、運転可能領域のさらなる拡大を実現できる。
【００３１】
また、図４−１または図４−２に係る実施形態と同様に、放電装置１５の投入エネルギはその放電部５への印加電圧または印加時間によって調整することができる。
【００３２】
たとえば、運転条件として機関負荷を検出する制御においては、機関低負荷時は機関高負荷時に比較して印加時間を長く設定し、機関高負荷時は機関低負荷時に比較して印加時間を短く設定する（図５−２の（ｄ）参照）。機関低負荷時は燃焼圧力の上昇率が機関高負荷時に比較して小さいので、機関高負荷時と比較して印加時間を長くすることで、活性化した混合気を着火時期より早い段階から生成して燃焼室内に均質に分布させる。
【００３３】
これにより、燃焼室内での着火開始時期の勾配を低減することで燃焼室全体の燃焼速度を早くし、より低負荷側にも運転領域を拡大することができる。
【００３４】
また、機関高負荷時は、燃焼圧力の上昇率が機関低負荷時と比較して大きいので、機関低負荷時に比較して印加時間を短くすることで、活性化した混合気を着火時期直前に生成して成層化させる。これにより、着火開始時期の勾配を増大、すなわち燃焼室内に着火時期の位相差を設けることで燃焼を緩慢化させてノッキングの発生を防止し、より高負荷側に運転領域を拡大することができる。
【００３５】
運転条件として負荷を検出する制御における他のエネルギ制御手法として、機関低負荷時は機関高負荷時に比較して印加電圧を高く設定し、機関高負荷時は機関低負荷時に比較し印加電圧を低く設定するようにしてもよい（図５−２の（ｃ）参照）。機関低負荷時は機関高負荷時に比較して印加電圧を高くして放電装置への投入エネルギを大きくする。これによって燃焼速度をより増大させて、リーン限界を拡大することができる。また、機関高負荷時は機関低負荷時に比較し印加電圧を低くすることで、放電装置への投入エネルギを小さくし、エンジンシステム全体の高効率化を図ることができる。
【００３６】
他方、運転条件として機関回転速度を検出する制御においては、機関低回転時は機関高回転時に比較して印加時間を長く設定し、機関高回転時は機関低回転時に比較して印加時間を短く設定する（図５−２の（ｄ）参照）。機関低回転時は実時間が長いので、機関高回転時に比較して印加時間を長くし、活性化した混合気を生成する時間を長く設定する。機関高回転時は実時間が短いので、機関低回転時に比較して印加時間を短く設定する。このような制御により、確実に着火開始時期を制御し燃焼を的確に制御することができる。
【００３７】
運転条件として機関回転速度を検出する制御における他のエネルギ制御手法として、機関低回転時は機関高回転時に比較して印加電圧を低く、かつ印加時間τを長く設定し、機関高回転時は機関低回転時に比較して印加時間を短くかつ印加電圧を高く設定するようにしてもよい（図５−２の（ｃ）と（ｄ）参照）。
【００３８】
機関低回転時は実時間が長いので、燃焼期間を十分にとれる。このため、機関高回転時と比較して印加電圧を低くして、放電装置への投入エネルギを小さくすることでエンジンシステム全体の高効率化を図れる。一方、機関高回転時は実時間が短いので、機関低回転時に比較して印加時間を短くし印加電圧を高くし、投入エネルギを大きくする。これにより活性化した混合気の量を増やして燃焼速度増大させ、より高回転まで運転可能領域を拡大するのである。  運転条件として機関負荷および機関回転速度を検出する制御においては前記各制御手法の組合せ、たとえば、機関低負荷かつ低回転時は、機関高負荷かつ高回転時に比較して印加時間を長く設定し、機関高負荷かつ高回転時は、機関低負荷かつ低回転時に比較して印加時間を短く設定するか、または機関低負荷かつ高回転時は、機関高負荷かつ低回転時に比較して印加電圧を高く設定し、機関高負荷かつ低回転時は、機関低負荷かつ高回転時に比較して印加電圧を低く設定するものとしてもよい。
【００３９】
これにより、運転条件に応じた時期に着火開始時期勾配を形成し、燃焼を制御し、運転可能領域を機関回転速度および機関負荷の双方向に拡大することができる。
【００４０】
図６は前記各制御手法における印加時間τの制御態様を示している。印加時間τは、アーク放電に遷移しない限度で決定する。仮に印加電圧をそれ以上高めるとアーク放電に遷移する場合は、図示したように1サイクル中で複数回の電圧印加を繰り返すように制御する。このように複数回の電圧印加を実施する場合、前記各制御手法における放電部５への印加時間は１サイクル中の印加時間の総和として設定する。
【００４１】
ところで、上述した構成では、活性化した混合気の分布を、電圧を印加する時期や時間、印加電圧の大きさ等により制御しているが、これに加え、筒内のガス流動の制御を行ってもよい。すなわち、ガス流動を強めることで混合気の拡散を促進させて、より均質化し、ガス流動を強めないことで混合気の拡散を防止し、上述した放電装置５の制御によって形成した成層状態を保持する。
【００４２】
これにより、活性化された混合気の均質化・成層化をより積極的に行うことができる。
【００４３】
また、ガス流動の制御を行うことにより、機関低回転かつ高負荷の領域（ガス流動を強化する領域）においては、ガス流動強化による燃焼の促進効果も得られる。
【００４４】
なお、ガス流動はタンブル流やスワール流のいずれでも構わない。したがって、ガス流動を制御する手段としては、吸気ポートの流路断面積の大きさを制御することによってガス流動を調整する、いわゆるスワールコントロールバルブやタンブルプレートのいずれでも構わない。
【００４５】
ここで、筒内のガス流動の制御の例について説明する。
【００４６】
運転条件として機関負荷を検出し、機関低負荷時は機関高負荷時と比較してガス流動を強化することによって、放電装置５によって活性化された燃焼室内の混合気を、機関低負荷時は機関高負荷時と比較して均質状に制御し、着火開始時期の勾配を低減し、かつ燃焼室全体の燃焼速度を早くする。これにより低負荷側に運転領域を拡大することができる。一方、機関高負荷時は機関低負荷時と比較してガス流動を弱めることで、燃焼室内のガス流動を成層状に制御し、着火開始時期の勾配を増大させて着火時期の位相差を付け、燃焼を緩慢化する。これによりノッキングの発生を防止でき、より高負荷側に運転領域を拡大することができる。
【００４７】
また、運転条件として機関回転速度を検出し、機関低回転時は機関高回転時と比較してガス流動を弱めることで燃焼室内の混合気を成層状に制御する。機関低回転時は実時間が長く燃焼期間が十分に存在するため、機関高回転時と比較して成層化することで着火開始時期の勾配を増大させて、燃焼室内で着火時期の位相差を付ける事で燃焼を緩慢化する。
一方、機関高回転時は機関低回転時と比較してガス流動を強めることで燃焼室内の混合気を均質状に制御する。機関高回転時は実時間が短いため、機関低回転時と比較して均質状にすることで、燃焼器を短縮し、より高回転まで運転可能領域を拡大することができる。
【００４８】
また、上記２つの制御を組み合わせた制御としてもよく、すなわち機関負荷及び機関回転速度の両方を検出し、図７に示すように、機関高負荷かつ低回転速度時には機関低負荷かつ高回転速度時と比較してガス流動を弱く、機関低負荷かつ高回転速度時には機関高負荷かつ低回転速度時と比較してガス流動を強める。これにより、運転条件に応じた時期に着火開始時期勾配を形成し、燃焼を制御し、運転領域を機関回転速度及び機関負荷方向に拡大することができる。
【００４９】
次に第２実施形態について説明する。
【００５０】
図８は気筒あたり２つの放電部５を設けた場合のレイアウト（ａ）と、それら放電部５の運転切換の一例（ｂ）について表したものである。放電部５が燃焼室１３の略中央に配置されるのに対して、第２の放電部１６は燃焼室１３の端部近傍に配置する。
【００５１】
このように配置した放電部５及び放電部１６について、それぞれ印加電圧及び印加時間等を後述するように制御することにより、活性化された混合気の成層化をより積極的に行うことに加えて、より大量の活性化した混合気を生成する事が可能となり、より一層の運転領域拡大が実現する。
【００５２】
放電装置５及び放電装置１６の制御としては、例えば、運転条件として機関負荷を検出し、機関低負荷時は複数の放電部を用いて燃焼室内の混合気を活性化し、機関高負荷時は前記端部に位置する放電部のみで燃焼室内の混合気を活性化するような制御がある。
【００５３】
この制御によれば、機関低負荷時は両方の放電部５、１６を用いて、大量の活性化した混合気を生成する事ができる。これにより、燃焼速度を増大させて運転領域をより低負荷側に拡大させる。機関高負荷時は放電部１６のみで混合気を活性化する事で、燃焼室１３内の着火開始時期の勾配を増大させることができる。これにより着火時期の位相差を付けることができるので、燃焼を緩慢化させて、より高負荷側に運転領域を拡大することができる。
【００５４】
また、運転条件として機関回転速度を検出し、機関低回転時は燃焼室１３の端部近傍に配置した放電部１６のみで燃焼室１３内の混合気を活性化し、機関高回転時は両方の放電部５、１６を用いて燃焼室１３内の混合気を活性化するようにしてもよい。
【００５５】
機関低回転時は実時間が長い為、燃焼機関が十分に存在する為、放電部１６のみでも燃焼室１３内の混合気を十分に活性化させることができる。これにより、投入エネルギを低減するとともに、着火開始時期の勾配を増大し、着火時期に位相差を付けることで燃焼を緩慢化することができる。機関高回転時は両方の放電部５、１６を用いることにより、より大量の活性化した混合気を生成することができる。これにより燃焼速度を増大させ、運転領域を高回転側へ拡大することができる。
【００５６】
さらに、上記２つの制御を組み合わせた制御としてもよい。すなわち、運転条件として機関負荷および機関回転速度を検出し、機関低負荷かつ高回転時は、両方の放電部５、１６を用いて燃焼室１３内の混合気を活性化し、機関高負荷かつ低回転時は、放電部１６のみで燃焼室１３内の混合気を活性化する（図８（ｂ）参照）。
【００５７】
このように制御することで、運転条件に応じた時期に着火開始時期勾配を形成して燃焼を制御することができ、運転領域を機関回転速度および機関負荷方向に拡大することができる。
【００５８】
第３実施形態について説明する。
【００５９】
本実施形態を適用する内燃機関の構成及び放電装置１５による印加電圧や印加時間等の制御は、基本的に第１実施形態と同様である。ただし、本実施形態では、ＨＣＣＩによる運転が可能な領域を超えた場合に、ＨＣＣＩから点火装置による点火に切り替える点が異なる。
【００６０】
上記切り替えとしては、例えば図９に示すように、ＨＣＣＩによる運転が可能な回転速度の上限値よりも機関回転速度が高い場合、または機関負荷上限値よりも機関負荷が高い場合に、放電部５に印加する電圧を高めることでアーク遷移させる。これにより、一般的な火花点火プラグによる火花点火と同様の点火を行うこととなり、ＨＣＣＩで運転不可能な領域をカバーすることができる。また、放電部５は放電堆積が大きい為、燃焼速度が増大し、これによりリーン限界が拡大するので、ＨＣＣＩから切り替えても高効率な運転が可能である。（請求項２５、２６））
なお、放電部５の他に、アーク放電専用の点火装置を設けておき、ＨＣＣＩで不可能な領域となった場合に、アーク放電専用の点火装置に切り替えるようにしてもよい。
【００６１】
さらに、上記２つを組み合わせた構成、制御としてもよい。この場合、ＨＣＣＩによる運転が不可能な領域となったら、まず放電部５でアーク放電させる運転に切り替える。そして、放電部５でのアーク放電でも運転不可能な領域となったら、アーク放電専用の点火装置での運転に切り替える。
【００６２】
このような制御により、ＨＣＣＩによる運転が不可能な領域となっても、放電部５によるアーク放電で運転することで、上述したようにリーン限界を拡大した高効率の運転が可能となり、加えて放電部５によるアーク放電でも運転不可能な高回転かつ高負荷領域も、アーク放電専用の点火装置に切り替えることで運転可能となる。
【００６３】
ところで、上述したＨＣＣＩ運転から点火による運転への切り替えに際して、圧縮比を変更することで、切り替えに伴う燃費性能の悪化等を抑制することができる。
【００６４】
例えば、特開２００２−１１５５７１号公報に記載されているような、ピストンとクランクシャフトが複数のリンクを介して連結され、アクチュエータにより前記リンクのジオメトリを変更することによってピストン上死点位置を可変に調整する、可変圧縮比機構を設ける。そして、ＨＣＣＩによる運転から点火による運転に切り替える際に、圧縮比を減ずるように、ピストン上死点位置を下降させる。
【００６５】
このような可変圧縮比機構を用いることで、例えば可変バルブタイミング機構によって実圧縮比を変更する場合のように、目標圧縮比実現のために吸気タイミングが制約を受けるようなことがなく、運転切り替えにともなう燃費性能の悪化等を抑制することができる。
【００６６】
また、圧縮比を変更する手段として、可変バルブタイミング機構を用いることもできる。この場合、ＨＣＣＩ運転から点火による運転への切り替えに際して、吸気弁閉時期を早めて実圧縮比を低下させることとなる。
【００６７】
このような可変バルブタイミング機構を用いて実圧縮比を減ずるように制御する場合、ピストン上死点位置が変わらないため、燃焼室のＳ／Ｖ比が悪化することがない。これにより、運転切り替えに伴う冷却損失の増大を抑制することができる。
【００６８】
なお、可変圧縮比機構としては、上記した機構以外に、ピストン自身に油圧装置を組み込みピストン冠面の高さを調整する機構、またはヘッドとブロック間の距離を調整する機構、クランク軸の中心をオフセットしピストン高さを調整する機構のいずれの手段を用いても構わない。
【００６９】
また、可変バルブタイミング機構は、リンクを用いた揺動カム（特開２０００−２１３３１４号公報参照）、ベーン型可変バルブタイミングシステムのようにカムをひねる機構（特開平９−６０５０８号公報参照）、またはダイレクト可変バルブタイミングシステムのようにタイミングの異なる２種類のカムを切り替える方式（特開平４−１７７０６号公報参照）の何れでも構わない。
【００７０】
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】
【００７１】
【図１】第１実施形態を適用するエンジンの概略構成図である。
【図２】活性化した混合気分布の制御による熱発生への影響を表す図である。
【図３】活性化された混合気分布の成層度を機関負荷と回転速度に割り付けた図である。
【図４−１】（ａ）〜（ｃ）は投入エネルギ一定の場合の印加電圧と印加時間（期間）の関係を表す図である。
【図４−２】（ａ）〜（ｄ）は投入エネルギ一定の場合の印加電圧、印加時期、印加時間を機関負荷と機関回転速度に割り付けた図である。
【図５−１】（ａ）〜（ｃ）は印加電圧と印加時間（期間）の関係を表す図である。
【図５−２】（ａ）〜（ｄ）は印加電圧、印加時期、印加時間を機関負荷と機関回転速度に割り付けた図である。
【図６】印加時間τの制御態様の一例を表す図である。
【図７】筒内ガス流動の強度を機関負荷及び機関回転速度に割り付けた図である。
【図８】（ａ）は第２実施形態のエンジンの概略構成図であり、（ｂ）は放電装置の切り替え特性を表す図である。
【図９】第３実施形態の放電装置の切り替え特性の一例を表す図である（その１）。
【図１０】第３実施形態の放電装置の切り替え特性の一例を表す図である（その２）。
【図１１】第３実施形態の放電装置の切り替え特性の一例を表す図である（その３）。
【符号の説明】
【００７２】
１    シリンダヘッド
２    シリンダブロック
３    ピストン
４    コンロッド
５    放電部
６    吸気ポート
７    吸気弁
８    吸気弁駆動カム
９    排気ポート
１０    排気弁
１１    排気弁駆動カム
１２    燃料噴射弁
１３    燃焼室
１５    放電装置
【図１】
2007309160.tif 000003
【図２】
2007309160.tif 000004
【図３】
2007309160.tif 000005
【図４−１】
2007309160.tif 000006
【図４−２】
2007309160.tif 000007
【図５−１】
2007309160.tif 000008
【図５−２】
2007309160.tif 000009
【図６】
2007309160.tif 000010
【図７】
2007309160.tif 000011
【図８】
2007309160.tif 000012
【図９】
2007309160.tif 000013
【図１０】
2007309160.tif 000014
【図１１】
2007309160.tif 000015