JP6179441B2

JP6179441B2 - エンジンの制御装置

Info

Publication number: JP6179441B2
Application number: JP2014071513A
Authority: JP
Inventors: 山下　洋幸; 洋幸山下; 太田　統之; 統之太田; 祐利瀬戸
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2014-03-31
Publication date: 2017-08-16
Anticipated expiration: 2034-03-31
Also published as: JP2015194089A

Description

本開示は、エンジンの制御装置に関する。

近年、低負荷時に空燃比（Ａ／Ｆ）の値が３０を超えるようなリーン領域を用いる車両用のエンジンにおいて、加速時には、窒素酸化物（ＮＯｘ）の生成量が多くなるＡ／Ｆの値の中間領域、例えば、空気過剰率をλとして、１＜λ＜２程度の領域を避けて、λ≦１領域を用いる場合がある。λ＝１は、Ａ／Ｆ＝１４．７（理論空燃比）に相当する。

このようなエンジンにおいては、加速後の過渡期に燃焼室に吸入される新気量が多く、燃料が増量されることから、スモーク（煤）が増大するという懸念がある。

下記の特許文献１には、エンジンに吸入された新気量とエンジン回転数とに応じて排気スモークが生じない燃料噴射量の最大値を設定し、燃料噴射量をこの最大値で制限することにより、燃料噴射量を実際の吸入空気量に対してスモーク（煤）が生じない範囲に設定するディーゼルエンジンが記載されている。これにより、エンジンへの燃料噴射量が実際の吸入空気量に対してスモークが生じない範囲に設定されるようになるため、加速等の過渡運転時に排気再循環（ＥＧＲ）の作動遅れ等によるスモークの発生が防止される。

特開平１１−０３６９６２号公報

しかしながら、特許文献１に記載された技術では、加速時等の過渡運転時において、燃料噴射量をスモークが生じない範囲に設定していることから、所定の燃料が噴射されず、エンジンのトルク不足により加速の応答性が低下するという問題がある。

本開示の技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、加速時等の高負荷領域においても、スモークを消失させて低エミッション性能を向上し、且つ、加速性能を向上させることにある。

上記の課題を解決するため、本発明は、エンジンの低負荷時から高負荷時への加速時に燃料を所定量だけ増量すると共に、燃料の燃焼前及び燃焼中にオゾン（Ｏ_３）を添加することを特徴とする。

具体的には、本発明は、エンジンの制御装置を対象とし、次のような解決手段を講じた。

すなわち、第１の発明は、エンジン本体と、エンジン本体を運転するよう構成された制御器とを備え、制御器は、エンジン本体における圧縮行程の後半以降に燃焼室に燃料を供給し、新気量が相対的に多い空気過剰率λが２よりも大きい低負荷領域から、ＥＧＲ率（気筒内の全ガス量に対する排気再循環ガスの量の割合）が相対的に高く、新気量が相対的に少ない空気過剰率λが１．０５未満の高負荷領域への加速時において、新気量が高負荷領域の新気量にまで減量する前の加速過渡期では、燃料を所定量に増量し、且つ燃焼前及び燃焼中に新気が活性化するようにオゾンを添加し、空気過剰率λが２よりも大きい低負荷領域では、燃焼室内において局所的にリッチな状態の混合気層の周辺に新気が位置するように、圧縮行程の後半以降に燃焼室に燃料を供給するものである。

これによれば、圧縮行程の後半以降の燃料噴射に伴う混合気密度のむらにより、混合気に局所的なリッチ状態が生じてスモークが生成される。本開示においては、局所的にリッチな状態の周辺に位置する新気（リーン域にある新気）をオゾンによって活性化し、さらに、膨張行程において燃焼を継続させることにより、生成されたスモークを焼失させることができる。その結果、燃料を増量することができるので、低エミッション性能と加速性能とを向上することができる。

第２の発明は、上記第１の発明において、加速過渡期における燃料の所定量は、空気過剰率λが１となる量とするものである。

これによれば、空気過剰率λを１とするため、高い燃焼性と、いずれのエンジンにも広く装備される三元触媒によって低エミッション性能とが確保され、加速性能を確実に向上させることができる。尚、高負荷領域においては、エンジン本体の負荷の増大に伴い、空気過剰率λを２．５以上とすることが困難になることから、すなわち、燃料噴射量が増えるのに伴って大量の空気を気筒内に導入しなければならなくなる反面、設定されるＥＧＲ率は高く、空気量が不足することから、空気過剰率λを、２．５以下で且つ１．０５よりも大きい中間空燃比とするのではなく、１に設定することは好ましい。

第３の発明は、上記第１の発明において、エンジン本体に設けられた気筒内に排気ガスの一部を還流させるように設けられた排気再循環（ＥＧＲ）手段をさらに備え、制御器は、高負荷領域において、排気再循環（ＥＧＲ）手段による排気再循環率を相対的に高く設定し、且つ、低負荷領域における排気再循環（ＥＧＲ）率よりも高く設定するものである。

これによれば、高負荷領域においては、低温燃焼（１５００Ｋ以下の低温燃焼）且つ緩慢燃焼を実現できるため、燃焼温度及び急激な燃焼に伴う燃焼室内の最高圧力（Ｐmax）に起因するＮＯｘ生成の増大が抑制できるので、低エミッション性能が向上し、且つ燃焼時の騒音を抑制することができる。また、ＥＧＲを用いることにより、空気過剰率λを１にすることが容易となる。一方、低負荷領域においては、圧縮着火方式のエンジンの場合は、ＥＧＲによって着火が抑制される。また、成層着火を実現でき、且つ、ＮＯｘの低減を図ることができる。

第４の発明は、上記第３の発明において、排気再循環手段には、排気ガスを冷却する冷却機構が設けられているものである。

これによれば、気筒内に導入されるガス温度が低くでき、密度が高い空気を導入できることから、吸気充填効率の低下を抑制できると共に、低温燃焼を実現でき、ＮＯｘの生成を抑制することができる。

第５の発明は、上記第１〜第４の発明において、圧縮行程の後半以降の燃焼室への燃料の供給は、圧縮行程に続く膨張行程で行われるリタード噴射とするものである。

これによれば、燃焼時の圧力の急激な変化（ｄｐ／ｄｔ）を抑制できるので、騒音の低減を図ることができる。

以上説明したように、前記のエンジンの制御装置によると、加速時等の高負荷領域においても、スモークを消失させて低エミッション性能を向上し、且つ、加速性能を向上させることができる。

図１は一実施形態に係るエンジンを示す概略構成図である。図２は一実施形態に係るエンジンの制御の構成を示すブロック図である。図３（ａ）は一実施形態に係るエンジンの運転制御に係るマップである。図３（ｂ）はエンジン負荷と筒内ガス量との関係を示す模式的なグラフである。図３（ｃ）は一実施形態に係るエンジンの制御装置の低負荷域から高負荷域への移行期における燃料噴射量のタイムチャートを表す模式的なグラフである。図４は一実施形態に係るエンジンのオゾンを添加する様子を示す概略断面図である。図５は一実施形態に係るエンジンの制御装置における制御パターンの一例を表す模式図である。

以下、エンジンの制御装置の一実施形態を図面に基づいて説明する。以下の説明は、例示である。

（エンジンシステムの全体構成）
図１及び図２は、本実施形態に係るエンジンシステム１の構成を示している。エンジンシステム１は、車両に搭載されるシステムである。エンジンシステム１は、エンジン本体（以下、単に「エンジン」という）１０と、該エンジン１０に付随する種々のアクチュエータ、種々のセンサ及び該センサからの信号に基づきアクチュエータを制御するＰＣＭ（Powertrain Control Module：制御器）１００とを含む。

エンジン１０の出力軸は、図示しないが、変速機を介して駆動輪に連結されている。エンジン１０の出力が駆動輪に伝達されることによって車両が推進する。エンジン１０は、シリンダブロック１２と、その上に載置されるシリンダヘッド１３とを備えており、シリンダブロック１２の内部に複数の気筒１１が形成されている（図１では、１つのみを示す。）。シリンダブロック１２及びシリンダヘッド１３の内部には、冷却水が流れるウォータージャケット（図示せず）が形成されている。

各気筒１１内には、ピストン１５がそれぞれ摺動自在に嵌挿されており、ピストン１５は、気筒１１及びシリンダヘッド１３と共に燃焼室を区画している。本実施形態では、燃焼室は、いわゆるペントルーフ型であり、その天井面（シリンダヘッド１３の下面）は吸気側及び排気側の２つの傾斜面からなる三角屋根状をなしている。ピストン１５の冠面は、天井面に対応した凸形状をなしており、冠面の中心部には、凹状のキャビティ１５ａが形成されている。尚、天井面及びピストン１５の冠面の形状は、後述する高い幾何学的圧縮比が可能であれば、どのような形状であってもよく、例えば、天井面及びピストン１５の冠面（キャビティ１５ａを除く部分）の両方が、気筒１１の中心軸に対して垂直な面で構成されていてもよく、天井面が前記のように三角屋根状をなす一方、ピストン１５の冠面（キャビティ１５ａを除く部分）が気筒１１の中心軸に対して垂直な面で構成されていてもよい。

シリンダヘッド１３には、気筒１１毎に２つの吸気ポート１８が形成され、それぞれがシリンダヘッド１３の下面（燃焼室の天井面における吸気側の傾斜面）に開口することにより燃焼室に連通している。同様に、シリンダヘッド１３には、気筒１１毎に２つの排気ポート１９が形成され、それぞれがシリンダヘッド１３の下面（燃焼室の天井面の排気側の傾斜面）に開口することにより燃焼室に連通している。

また、シリンダヘッド１３には、吸気弁２１及び排気弁２２が、それぞれ吸気ポート１８及び排気ポート１９を燃焼室から遮断（閉）することができるように配設されている。吸気弁２１は吸気弁駆動機構により、排気弁２２は排気弁駆動機構により、それぞれ駆動される。吸気弁２１及び排気弁２２は所定のタイミングで往復動して、それぞれ吸気ポート１８及び排気ポート１９を開閉し、気筒１１内のガス交換を行う。吸気弁駆動機構及び排気弁駆動機構は、図示は省略するが、それぞれ、クランクシャフトに駆動連結された吸気カムシャフト及び排気カムシャフトを有している。これらのカムシャフトは、クランクシャフトの回転と同期して回転する。吸気弁駆動機構及び排気弁駆動機構は、この例では、吸気カムシャフトの位相を所定の角度範囲内で連続的に変更可能な、液圧式又は電動式の位相可変機構（Variable Valve Timing：ＶＶＴ）２３を、少なくとも含んで構成されている（図２を参照。）。尚、ＶＶＴ２３と共に、弁リフト量を変更可能なリフト可変機構を備えるようにしてもよい。リフト可変機構は、リフト量を連続的に変更可能なＣＶＶＬ（Continuous Variable Valve Lift）としてもよい。

各気筒１１の吸気ポート１８は、図１において明示されない吸気マニホールドを介して吸気通路３０に連通している。また、各気筒１１の排気ポート１９は、同様に明示されない排気マニホールドを介して排気通路４０に連通している。

吸気通路３０には、エアクリーナ３１と、各気筒１１への吸入空気量を調節するスロットル弁３３とが、上流から下流に向かって順次配設されている。

排気通路４０には、排気ガス中の有害成分を浄化する排気浄化装置として、直キャタリスト４１とアンダーフットキャタリスト４２とが、上流側から下流側に向かって順次配設されている。直キャタリスト４１及びアンダーフットキャタリスト４２は、それぞれ、筒状ケースと、該ケース内の流路に配置した三元触媒とを備えて構成されている。

吸気通路３０におけるスロットル弁３３の下流側部分と、排気通路４０における直キャタリスト４１の上流側部分とは、排気ガスの一部を吸気通路３０に還流するための高圧ＥＧＲ通路５１０によって接続されている。高圧ＥＧＲ通路５１０には、排気ガスの吸気通路３０への還流量を調整するための高圧ＥＧＲ弁５１１、及び排気ガスを冷却するための水冷式のＥＧＲクーラ５１２が配設されている。高圧ＥＧＲ通路５１０、高圧ＥＧＲ弁５１１及びＥＧＲクーラ５１２を含めて高圧ＥＧＲシステム５１（排気再循環手段）が構成される。

エンジン１０において、シリンダヘッド１３における気筒１１の中心軸上には、気筒内（燃焼室内）に燃料を直接噴射するインジェクタ３４が配設されている。インジェクタ３４は、例えばブラケットを使用する等の周知の構造でシリンダヘッド１３に取付固定されている。インジェクタ３４の先端は、燃焼室の天井部の中心に臨んでいる。

インジェクタ３４は、本実施形態においては、外開弁式のインジェクタである。つまり、その構成の詳細な図示は省略するが、気筒１１内に燃料を噴射するノズル口を開閉する外開弁を有し、外開弁が気筒１１側にリフトすることによってノズル口を開放する。このとき、燃料はノズル口から気筒１１内に該気筒１１の中心軸を中心とするコーン状（詳しくはホローコーン状）に噴射される。外開弁のリフト量が大きいほど、ノズル口の開度が大きくなって、該ノズル口から気筒１１内に噴射される燃料噴霧のペネトレーションが大きくなる（長くなる）。さらに、単位時間当たりに噴射される燃料量が多くなり、且つ燃料噴霧の粒径が大きくなる。尚、インジェクタ３４は、外開弁式に限らず、多噴孔型のインジェクタとしてもよい。

燃料供給システム３５は、外開弁を駆動するための電気回路と、インジェクタ３４に燃料を供給する燃料供給系とを備えている。ＰＣＭ１００は、所定のタイミングで、リフト量に応じた電圧を有する噴射信号を電気回路に出力することにより、該電気回路を介して外開弁を作動させて、所望量の燃料を気筒１１内に噴射させる。噴射信号の非出力時（噴射信号の電圧が０であるとき）には、外開弁によりノズル口が閉じられた状態となる。こうしてＰＣＭ１００は、外開弁の作動を制御して、インジェクタ３４のノズル口からの燃料噴射及び該燃料噴射時におけるリフト量を制御する。

燃料供給系には、図示しない高圧燃料ポンプ及びコモンレールが設けられており、高圧燃料ポンプは、低圧燃料ポンプを介して燃料タンクより供給された燃料をコモンレールに圧送し、コモンレールは、圧送された燃料を所定の燃料圧力で蓄える。その後、インジェクタ３４が作動することによって、コモンレールに蓄えられている燃料がノズル口から噴射される。

ここで、エンジン１０の燃料は、本実施形態ではガソリンであるが、バイオエタノール等を含むガソリンであってもよく、少なくともガソリンを含む燃料（液体燃料）であれば、どのような燃料であってもよい。

また、エンジン１０の燃焼室内には、オゾン発生器３６が配設されている。オゾン発生器３６は、例えばねじ等の周知の構造によって、シリンダヘッド１３に固定されている。オゾン発生器３６の先端部は燃焼室の天井部に臨んでいる。オゾン発生器３６の先端部は、インジェクタ３４のノズル口の近傍に位置する。オゾン発生器３６は、絶縁されて配置された１つの電極（正電極）を有している。オゾン発生器３６は、オゾン発生システム３７によって駆動される。オゾン発生システム３７は、オゾン発生回路を有している。オゾン発生システム３７は、ＰＣＭ１００からの制御信号を受けて、高圧の高周波電圧をオゾン発生器３６に出力する。オゾン発生器３６は、高周波電圧が印加されると、電極とシリンダブロック１２又はシリンダヘッド１３との間にオゾン（Ｏ_３）を発生させる。オゾン発生器３６に印加する高周波電圧値又は周波数を変更することによって、オゾンの濃度を調整することができる。尚、オゾン発生器３６の配置及び構成は、上記の構成に限定されない。

ＰＣＭ１００は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラであって、プログラムを実行する中央演算処理装置（ＣＰＵ）と、例えばＲＡＭ及びＲＯＭにより構成されてプログラム及びデータを格納するメモリと、電気信号の入出力をする入出力（Ｉ／Ｏ）バスとを備えている。

ＰＣＭ１００には、車速を検出する車速センサ７１、アクセル開度を検出するアクセル開度センサ７２、及びエンジン１０の回転数を検出するエンジン回転数センサ７３の各センサが接続されている。

吸気通路３０には、吸気通路３０を流れる新気の流量（及び温度）を検出するエアフローセンサ７４が配設されている。エアフローセンサ７４は、検出した流量及び外気温度をＰＣＭ１００に出力する。

サージタンク３８には、燃焼室に供給される空気の圧力を検出する吸気圧センサ７５が取り付けられると共に、排気通路４０には、排気の圧力を検出する排気圧センサ７６が配設されている。各センサ７５、７６は、ＰＣＭ１００と接続されており、その検出値をＰＣＭ１００に出力する。

ＰＣＭ１００は、前述した各センサ等からの信号に基づいて、エンジン１０の運転状態を判断し、それに対応するエンジン１０の制御パラメータを設定する。ＰＣＭ１００は、各制御パラメータに対応する信号を、スロットル弁３３、燃料供給システム３５、ＶＶＴ２３、高圧ＥＧＲ弁５１１及びオゾン発生システム３７等に出力する。

尚、本実施形態の一変形例として、エンジン本体１０を、吸気通路３０にコンプレッサが配設され、排気通路４０にコンプレッサと同軸のタービンが配設されたターボ過給機を有する過給器付きエンジンとしてもよい。さらに、ターボ過給機は、可変ノズルを有するＶＧＴ（Variable Geometry Turbo）であってもよい。

また、過給器付きエンジンとする場合には、吸気通路３０におけるエアクリーナ３１の下流側部分と、排気通路４０における直キャタリスト４１の下流側部分との間に、排気ガスの一部を吸気通路３０に還流するための低圧ＥＧＲシステムを配設してもよい。

（エンジン本体の構成）
次に、エンジン本体１０の構成についてさらに詳細に説明をする。エンジン１０の幾何学的圧縮比εは、２０以上且つ４０以下に設定される。幾何学的圧縮比εは、特に２５以上且つ３５以下が好ましい。エンジン１０は圧縮比＝膨張比となる構成から、高圧縮比と同時に、比較的に高い膨張比を有するエンジン１０でもある。尚、圧縮比≦膨張比となる構成（例えばアトキンソンサイクルや、ミラーサイクル）を採用してもよい。また、吸気弁の遅閉じ等を行う場合には、エンジン１０の有効圧縮比は、１２以上に設定される。好ましくは、エンジン１０の有効圧縮比は、１８以上に設定される。

燃焼室は、気筒１１の壁面と、ピストン１５の冠面と、シリンダヘッド１３の下面（天井面）と、吸気弁２１及び排気弁２２それぞれのバルブヘッドの面とによって区画形成されている。さらに、冷却損失を低減すべく、これらの各面に断熱層が設けられることによって、燃焼室が断熱化されている。断熱層は、これらの区画面の全てに設けてもよく、また、これらの区画面の一部に設けてもよい。また、燃焼室を直接に区画する壁面ではないが、吸気ポート１８や排気ポート１９における、燃焼室の天井面側の開口近傍のポート壁面に断熱層を設けてもよい。

具体的には、ＰＣＭ１００は、エンジン１０の気筒１１内（燃焼室内）の内周部に新気を含むガス層が形成され、且つ中心部に混合気層が形成されるように、圧縮行程の後半以降においてインジェクタ３４のノズル口から気筒１１内に燃料を噴射させるべく、燃料供給システム３５の電気回路に噴射信号を出力する。すなわち、圧縮行程の後半以降において、インジェクタ３４により気筒１１内に燃料を噴射させ、且つその燃料噴霧のペネトレーションを、燃料噴霧が気筒１１内の内周部まで届かないような大きさ（長さ）に抑える。これにより、気筒１１内の中心部に混合気層が形成され、且つその周囲に新気を含むガス層が形成されるという、成層化が実現する。このガス層は、新気のみであってもよく、新気に加えて、既燃ガス（ＥＧＲガス）を含んでいてもよい。尚、ガス層に少量の燃料が混じっても問題はなく、ガス層が断熱層の役割を果たせるように、混合気層よりも燃料リーンであればよい。

前記のようにガス層と混合気層とが形成された状態で燃料が自己着火すれば、混合気層と気筒１１の壁面との間のガス層により、混合気層の火炎が気筒１１の壁面に接触することがなく、そのガス層が断熱層となって、気筒１１の壁面からの熱の放出を抑えることができるようになる。その結果、冷却損失を大幅に低減することができる。

尚、冷却損失を低減させるだけでは、その冷却損失の低減分が排気損失に転換されて図示熱効率の向上にはあまり寄与しないところ、当該エンジン１０では、高圧縮比化に伴う高膨張比化によって、冷却損失の低減分に相当する燃焼ガスのエネルギーを機械仕事に効率良く変換している。すなわち、エンジン１０は、冷却損失及び排気損失を共に低減させる構成を採用することによって、図示熱効率を大幅に向上させることができる。

本実施形態においては、エンジン１０は、新気量が相対的に多い、空気過剰率λが２よりも大きい低負荷領域から、新気量が相対的に少ない、空気過剰率λが１．０５未満の高負荷領域への加速時において、新気量が高負荷領域の新気量にまで減量する前の加速の過渡期では、燃料を所定量に増量し、且つ、燃焼前及び燃焼中にオゾン（Ｏ_３）を添加する。

上記の内容を模式的に説明すると、図３（ａ）に示すエンジン制御に関するマップ、及び図３（ｂ）に示す負荷と筒内ガス量との関係に示すように、ＥＧＲを含め新気量が相対的に多いλ＞２である低負荷領域Ａから、新気量が相対的に少ないλ＜１．０５未満の高負荷領域Ｂへの加速時に、新気量が高負荷領域Ｂの新気量にまで減量する前の加速の過渡期では、燃料を所定量、例えばλ＝１に増量すると共に、燃焼前及び燃焼中にオゾンを添加する。

通常、λ＞２の低負荷領域からλ≦１の高負荷領域に加速すると、圧縮行程の後半以降の燃料噴射に伴う混合気密度のむらにより、混合気に局所的なリッチ状態が生じてスモークを生じる。

そこで、本実施形態においては、局所的にリッチな状態の周辺に位置するリーン域にある新気をオゾンによって活性化し、さらに、膨張行程において燃焼を継続させることにより、生成されたスモークを焼失させることができる。これにより、図３（ｃ）に示すように、燃料を、削減（Ｆ／Ｃ）するのではなく増量することができるので、スモークが低減した分の燃料を加速の増量に上乗せすることができる。その結果、低エミッション性能と加速性能とを両立することができる。また、高負荷領域Ｂにおいて、λ＝１とすることから、燃焼の安定化を得られるので、低エミッション性能と加速性能とを確実に向上させることができる。

尚、気筒１１内に噴射された燃料にオゾンを添加することにより、スモークが低減するメカニズムは、添加されたオゾンによって誘発される低温酸化反応により、燃焼自体が活性化して、スモークが生成されにくい高温且つ高圧場に燃焼条件がシフトするためである。

（オゾンの添加制御）
まず、気筒内放電において、印加される電圧が所定の高電圧に達するまでの初期領域では、ストリーマ放電が発生し、電圧の降下及び電流の急増が生じる後期領域では、アーク放電が発生する。電流がほとんど流れないストリーマ放電ではその可能性がない。このため、ストリーマ放電発生領域を超えない極短パルス幅の高電圧を印加することにより、電極間に誘電体を介在させなくてもオゾンを安定して発生させることができ、オゾン生成効率の向上を図ることができる。

本実施形態に係るエンジン１０では、この極短パルス放電を応用している。これにより、気筒１１の内部で火花等を生じることなくストリーマ放電を安定して発生させることが可能となり、該気筒１１の内部で吸気からオゾンを直接に生成することができる。

例えば、図４は、圧縮行程でピストン１５が上死点（ＴＤＣ）に達した状態を概略的に示している。この状態では、ガソリンと吸気とを含む混合気は、高度に圧縮されて高温高圧となる。従って、混合気は、圧縮行程で自着火し、それによって燃焼する（ＣＩ燃焼）。

前述したように、オゾン生成器３６は、シリンダヘッド１３に保持されており、その先端部は、燃焼室の上面における噴射口３４ａの隣接部位から燃焼室に突出している。放電プラグの先端部には、碍子３６ａで周囲が電気的に絶縁された棒状の電極３６ｂが配置されている。これにより、電極３６ｂは、シリンダヘッド１３及びシリンダブロック１２から電気的に絶縁された状態で、燃焼室に突出している。

気筒１１を形成するシリンダヘッド１３及びシリンダブロック１２等にはアースが施されているため、電極３６ｂに短パルス高電圧が印加されると、気筒１１の内面（具体的には、燃焼室の内面）と電極３６ｂとによって、それぞれカソード及びアノードが構成されて、これらの間で放電が生じる。

さらに、本実施形態に係るエンジン１０には、圧縮行程でインジェクタ３４が燃料を噴射する制御パターンが設定されている（圧縮行程噴射）。この圧縮行程噴射が行われる場合に、圧縮行程及び膨張行程においてオゾン発生システム３７が作動して、ＣＩ燃焼が安定して行えるように工夫されている。

エンジン１０には、圧縮行程噴射の際に、燃焼室の中央部分に混合気が偏在するように、燃料供給システム３５に、インジェクタ３４の噴射口３４ａの開度制御を行う制御パターンが設定されていてもよい。これにより、燃焼室の内面へのスモーク等の付着を抑制すると共に、混合気と燃焼室の内面との間に空気層が形成される。混合気と燃焼室の内面との間に空気層が介在すると、混合気の燃焼熱がシリンダブロック１２等に放熱されるのを空気層によって妨げることができる（空気層断熱）。従って、エネルギー効率の向上を図ることができる。

また、高負荷領域においては、圧縮行程噴射時における燃料の噴射量が相対的に多くなるため、圧縮行程の燃焼室におけるオゾンを直接に生成する制御パターンを設定してもよい。すなわち、本エンジン１０は、電極３６ｂに電圧を印加するだけでオゾンを生成できるため、制御パターンを変更するだけで、密閉されている圧縮行程の燃焼室でオゾンの生成を行うことができる。

具体的には、圧縮行程における燃料の噴射中にオゾン生成器３６が作動する。これにより、密閉された燃焼室であっても、噴射される燃料の勢いによって吸気が流動し、放電空間ではオゾンと吸気とが入れ替わる。その結果、高いオゾン生成効率を維持した状態でオゾンを生成することができる。

（エンジンの燃料噴射制御）
本実施形態においては、エンジン１０は、全運転領域において、インジェクタ３４により気筒内に噴射された燃料を自己着火燃焼させる。

本実施形態においては、燃料の噴射の制御として、燃料の主噴射に先行する前段噴射（パイロット噴射）と、主噴射の噴射時期を所定の時期から遅らせるリタード噴射との、少なくとも一方を行ってもよい。

前段噴射は、圧縮上死点前の、例えば２０°ＣＡ程度の時期に行うことができる。前段噴射によって気筒１１内に噴射する燃料量は、熱炎反応に至らずに酸化反応をする程度の、比較的に少量である。この前段噴射によって噴射された燃料は、熱炎反応に至らずに酸化反応をすることにより、つまり、部分酸化反応により、圧縮上死点での気筒１１内の温度が調整される。前段噴射の噴射量が多くなるほど、圧縮端温度は高くなる。従って、圧縮端温度が所望の温度となるような量の燃料が、前段噴射によって気筒１１内に噴射される。

また、リタード噴射は、主噴射として、上記の前段噴射の後で且つ圧縮上死点（ＴＤＣ）後に実行することができる。これにより、燃焼時の圧力の急激な変化を抑制できるので、騒音の低減を図ることができる。

尚、オゾンの添加は、スモークの低減だけでなく、自己着火燃焼をリタードさせる際のリタード期間を拡大することを可能にする。添加するオゾンの濃度は、１０ｐｐｍ〜３０ｐｐｍ程度とすることができる。また、エンジン１０の負荷が高いほど、該オゾンの濃度を高く設定してもよい。

（エンジンのＥＧＲ制御）
次に、エンジン１０のＥＧＲ制御（吸気充填量制御）について説明をする。

図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、まず、リーン領域内における低負荷領域Ａでは、高圧ＥＧＲシステム５１により、比較的に少ない比率で排気ガスの還流を行う。Ａ／Ｆが例えば５０程度のリーン領域でのＥＧＲは、成層着火を行えると共に、着火の抑制及びＮＯｘの低減を図ることができる。

一方、高負荷領域Ｂでは、低負荷領域Ａの場合よりも高い比率で排気ガスの還流を行う。高負荷領域ＢでのＥＧＲは、新気量を低減して燃焼温度を下げると共に、下層燃焼を防ぐことができる。これにより、低エミッション性能が向上し、且つ、燃焼時の騒音を抑制することができる。なお、前述したように、高圧ＥＧＲシステム５１はＥＧＲクーラ５１２を含むことから、該高圧ＥＧＲシステム５１を通じて還流する排気ガスは冷却されている。

尚、本実施形態においては、燃焼室及び吸気ポート１８に断熱構造を採用すると共に、気筒１１内（燃焼室内）にガス層による断熱層を形成するようにしたが、燃焼室及び吸気ポート１８に断熱構造を採用しないエンジン、又はガス層による断熱層を形成しないエンジンにおいても、本技術を適用することができる。

また、本実施形態においては、エンジン１０の燃焼方式を圧縮着火（ＣＩ）方式としたが、本技術は該ＣＩ方式に限られず、火花点火（ＳＩ）方式にも適用することができる。

１エンジンシステム
１０エンジン（エンジン本体）
１１気筒
１２シリンダブロック
１３シリンダヘッド
１５ピストン
１５ａキャビティ
１８吸気ポート
１９排気ポート
２１吸気弁
２２排気弁
３０吸気通路
３１エアクリーナ
３３スロットル弁
３４インジェクタ（燃料噴射弁）
３６オゾン発生器
３６ａ碍子
３６ｂ電極
３８サージタンク
４０排気通路
４１直キャタリスト
４２アンダーフットキャタリスト
５１高圧ＥＧＲシステム（排気再循環手段）
７４エアフローセンサ
７５吸気圧センサ
７６排気圧センサ
１００ＰＣＭ（制御器）

Claims

エンジン本体と、
前記エンジン本体を運転するよう構成された制御器とを備え、
前記制御器は、
前記エンジン本体における圧縮行程の後半以降に燃焼室に燃料を供給し、
新気量が相対的に多い空気過剰率λが２よりも大きい低負荷領域から、新気量が相対的に少ない空気過剰率λが１．０５未満の高負荷領域への加速時において、新気量が前記高負荷領域の新気量にまで減量する前の加速過渡期では、燃料を所定量に増量し、且つ燃焼前及び燃焼中に新気が活性化するようにオゾンを添加し、
空気過剰率λが２よりも大きい前記低負荷領域では、前記燃焼室内において局所的にリッチな状態の混合気層の周辺に新気が位置するように、圧縮行程の後半以降に前記燃焼室に燃料を供給するエンジンの制御装置。
請求項１に記載のエンジンの制御装置において、
前記加速過渡期における燃料の所定量は、空気過剰率λが１となる量であるエンジンの制御装置。
請求項１に記載のエンジンの制御装置において、
前記エンジン本体に設けられた気筒内に排気ガスの一部を還流させるように設けられた排気再循環手段をさらに備え、
前記制御器は、
前記高負荷領域において、前記排気再循環手段による排気再循環率を相対的に高く設定し、且つ、前記低負荷領域における排気再循環率よりも高く設定するエンジンの制御装置。
請求項３に記載のエンジンの制御装置において、
前記排気再循環手段には、前記排気ガスを冷却する冷却機構が設けられているエンジンの制御装置。
請求項１〜４のいずれか１項に記載のエンジンの制御装置において、
前記圧縮行程の後半以降の前記燃焼室への燃料の供給は、前記圧縮行程に続く膨張行程で行われるリタード噴射であるエンジンの制御装置。