JP6943229B2 - Premixed compression ignition engine - Google Patents
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Description
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。 The present invention is a premixed compression ignition engine that mixes the fuel injected into the combustion chamber with air and then compresses and ignites it, and in particular, it is possible to supply a non-equilibrium plasma for promoting combustion to the combustion chamber. Regarding mixed compression ignition type engine.
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。
The following
また、上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。
Further, the following
上記特許文献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、特に低温での燃焼が促進され、圧縮着火燃焼が安定化するという利点がある。
According to
しかしながら、上記特許文献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、特に燃焼室の温度が低くなる燃焼後半における燃焼速度が遅くなり、熱効率が低下してしまうという問題がある。
However, in
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、燃焼騒音を適正なレベルに抑えながら燃焼速度を十分に速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。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a premixed compression ignition engine capable of sufficiently increasing the combustion speed while suppressing combustion noise to an appropriate level. do.
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するピストンと、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、前記ピストンの冠面の径方向外側領域から前記燃焼室の天井面までのピストン摺動方向の距離が、当該冠面の径方向内側領域から前記燃焼室の天井面までのピストン摺動方向の距離よりも小さくされることにより、前記ピストンの上死点への接近に伴って径方向外側から内側へと流れるスキッシュ流が生じるスキッシュエリアが前記燃焼室の外周部に形成され、前記ピストンは、前記冠面の中央部にキャビティを有し、前記スキッシュエリアは、前記ピストンの冠面のうち前記キャビティよりも径方向外側の領域と前記燃焼室の天井面との間に形成され、前記制御装置は、前記インジェクタから噴射された燃料と空気とが混合された混合気の一部が前記スキッシュエリアに形成されるように前記インジェクタを制御するとともに、前記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、前記プラズマ生成プラグの電極から前記キャビティの開口縁に向けて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し、前記プラズマ生成プラグの電極は、プラズマ生成プラグの中心軸に対応する位置から放射状に延びるように形成されるとともに、前記ピストンが上死点にある状態で、前記電極の先端と前記キャビティの開口縁とを結ぶ線が前記電極の延設方向と略平行になるように形成されている、ことを特徴とするものである(請求項1)。 To solve the above problems, the premixed compression ignition engine of the present invention includes an injector that injects fuel into a combustion chamber, a piston having a crown surface that defines the bottom surface of the combustion chamber, and the combustion chamber. A plasma generation plug that has an electrode near the center of the ceiling and discharges unbalanced plasma from the electrode, and premixed compression ignition combustion that compresses and ignites the fuel injected from the injector while mixing it with air. The injector and the control device for controlling the plasma generation plug are provided, and the distance in the piston sliding direction from the radial outer region of the crown surface of the piston to the ceiling surface of the combustion chamber is the radial direction of the crown surface. By making the distance smaller than the distance in the piston sliding direction from the inner region to the ceiling surface of the combustion chamber, a squish flow is generated that flows from the outer side to the inner side in the radial direction as the piston approaches the top dead point. An area is formed on the outer peripheral portion of the combustion chamber, the piston has a cavity in the central portion of the crown surface, and the squish area is a region of the crown surface of the piston that is radially outer of the cavity. The injector is formed between the ceiling surface of the combustion chamber and the control device so that a part of the air-fuel mixture injected from the injector is formed in the squish area. While controlling, the non-equilibrium plasma is discharged from the electrode of the plasma generation plug toward the opening edge of the cavity from a predetermined time in the latter half of the compression stroke when the squish flow begins to weaken until the air-fuel mixture is ignited. As described above, the plasma generation plug is controlled, and the electrodes of the plasma generation plug are formed so as to extend radially from a position corresponding to the central axis of the plasma generation plug, and the piston is at the top dead point. The line connecting the tip of the electrode and the opening edge of the cavity is formed so as to be substantially parallel to the extending direction of the electrode (claim 1).
本発明によれば、燃焼室のスキッシュエリアに混合気が形成されるとともに、当該スキッシュエリアを流れるスキッシュ流(径方向外側から内側へと向かうガス流れ)が弱ま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、キャビティの開口縁(スキッシュエリアの径方向内側端部)に向けて非平衡プラズマが放電されるので、非平衡プラズマの作用から生じるオゾンやOH等の活性種を、圧縮上死点以降のピストンの下降に伴い生成される逆スキッシュ流(径方向内側から外側へと向かうガス流れ)に乗せて前記スキッシュエリアへと移動させることができる。そして、移動した活性種がスキッシュエリア内の混合気の燃焼を促進することにより、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。 According to the present invention, an air-fuel mixture is formed in the squish area of the combustion chamber, and the squish flow (gas flow from the outer side to the inner side in the radial direction) that flows through the squish area begins to weaken. Before the qi ignites, the non-equilibrium plasma is discharged toward the opening edge of the cavity (the radial inner end of the squish area ) , so active species such as ozone and OH generated from the action of the non-equilibrium plasma are discharged. It can be moved to the squish area on the reverse squish flow (gas flow from the inside to the outside in the radial direction) generated by the descent of the piston after the compression top dead center. Then, the transferred active species promotes the combustion of the air-fuel mixture in the squish area, so that the combustion speed of the air-fuel mixture can be increased and the combustion period can be shortened.
ここで、燃焼室の外周部に位置するスキッシュエリアの温度は、燃焼室の中央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、燃焼室の中央部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、本発明では、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、先に着火する燃焼室の中央部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。
また、本発明では、ピストンが上死点にある状態で、プラズマ生成プラグの電極の先端とキャビティの開口縁とを結ぶ線が電極の延設方向と略平行になるので、上述したタイミングで放電される非平衡プラズマの放電経路を可及的に短くすることができる。これにより、非平衡プラズマを効率よく生成することができ、十分な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。
Here, the temperature of the squish area located on the outer peripheral portion of the combustion chamber tends to be lower than that in the central portion of the combustion chamber. Therefore, if the active species were not supplied to the squish area, the air-fuel mixture in the squish area would ignite with a considerable delay with respect to the air-fuel mixture in the central part of the combustion chamber, and the combustion rate after ignition would be considerably slow. turn into. On the other hand, in the present invention, since the active species is supplied to the squish area, the ignition delay of the air-fuel mixture in the squish area can be shortened, and the combustion rate of the air-fuel mixture (that is, the combustion rate in the latter half of combustion) can be reduced. You can speed it up. Moreover, since the combustion speed of the air-fuel mixture in the central portion of the combustion chamber that ignites first does not change in particular, the pressure increase that occurs in the first half of combustion does not become significant. Therefore, the entire air-fuel mixture can be burned in a short period of time while suppressing the combustion noise to an appropriate level, and a sufficiently high thermal efficiency can be obtained.
Further, in the present invention, when the piston is at the top dead center, the line connecting the tip of the electrode of the plasma generation plug and the opening edge of the cavity is substantially parallel to the extending direction of the electrode. The discharge path of the unbalanced plasma to be generated can be shortened as much as possible. As a result, non-equilibrium plasma can be efficiently generated, and a sufficient amount of active species can be supplied to the squish area.
なお、スキッシュ流が弱くなり始める時期は、圧縮上死点から10°進角したBTDC10°CAとすることができる。この場合、前記制御装置は、BTDC10°CA以降に前記プラズマ生成プラグに非平衡プラズマを放電させればよい(請求項2)。
The time when the squish flow begins to weaken can be BTDC 10 ° CA advanced by 10 ° from the compression top dead center. In this case, the control device may discharge the non-equilibrium plasma to the plasma generation plug after
前記構成において、より好ましくは、前記制御装置は、エンジン負荷が所定負荷以上となる高負荷域でエンジンが運転されているときに、前記スキッシュエリアに混合気の一部を形成しかつ前記非平衡プラズマを生成する前記制御を実行する(請求項3)。 In the above configuration, more preferably, the control device forms a part of the air-fuel mixture in the squish area and the non-equilibrium when the engine is operated in a high load region where the engine load is equal to or higher than a predetermined load. The control for generating plasma is performed ( claim 3 ).
エンジンの高負荷域では低負荷域に比べて燃料の所要噴射量が多いので、スキッシュエリアに形成される混合気の量も多くなる傾向にある。したがって、スキッシュエリア内の燃焼速度を高速化できる本発明の構成は、このような高負荷域での運転時においてより好適に適用することができる。 Since the required fuel injection amount is larger in the high load region of the engine than in the low load region, the amount of the air-fuel mixture formed in the squish area tends to be large. Therefore, the configuration of the present invention capable of increasing the combustion speed in the squish area can be more preferably applied during operation in such a high load region.
前記構成において、より好ましくは、前記インジェクタは、前記燃焼室の天井部中央付近から前記キャビティに向けて放射状に燃料を噴射するものであり、前記制御装置は、吸気行程と圧縮行程の後半とにそれぞれ前記インジェクタに燃料を噴射させる(請求項4)。 In the above configuration, more preferably, the injector radially injects fuel from the vicinity of the center of the ceiling of the combustion chamber toward the cavity, and the control device performs the intake stroke and the latter half of the compression stroke. Fuel is injected into each of the injectors ( claim 4 ).
この構成によれば、スキッシュエリアとキャビティの内部とにそれぞれ混合気を適正に形成することができ、これらの混合気を上述したプラズマ放電を利用して短期間のうちに燃焼させることができる。 According to this configuration, an air-fuel mixture can be appropriately formed in the squish area and the inside of the cavity, respectively, and these air-fuel mixture can be burned in a short period of time by utilizing the plasma discharge described above.
前記構成において、より好ましくは、前記エンジンは、前記燃焼室に導入される空気の流量を調整するスロットル弁をさらに備え、前記制御装置は、前記高負荷域での運転時に、前記燃焼室内の空気過剰率が2よりも大きくなるように前記スロットル弁および前記インジェクタを制御する(請求項5)。 In the above configuration, more preferably, the engine further comprises a throttle valve that regulates the flow rate of air introduced into the combustion chamber, and the control device is equipped with air in the combustion chamber during operation in the high load region. The throttle valve and the injector are controlled so that the excess rate is greater than 2 ( claim 5 ).
この構成によれば、高負荷域での運転時における混合気の燃焼温度を大幅に低下させることができるので、燃焼に伴うNOxの発生量を、NOx触媒を不要にできるほど十分に低減することができる。 According to this configuration, the combustion temperature of the air-fuel mixture during operation in a high load region can be significantly lowered, so that the amount of NOx generated during combustion can be sufficiently reduced so that the NOx catalyst becomes unnecessary. Can be done.
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焼速度を十分に速めることができる。 As described above, according to the premixed compression ignition engine of the present invention, the combustion speed can be sufficiently increased while suppressing the combustion noise to an appropriate level.
(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。
(1) Overall Configuration of Engine FIG. 1 is a schematic plan view showing the configuration of a premixed compression ignition engine (hereinafter, also simply referred to as an engine) according to an embodiment of the present invention. The engine shown in this figure is a four-cycle gasoline direct injection engine mounted on a vehicle as a power source for traveling, and includes an in-line
図2は、エンジン本体1の吸排気方向に沿った断面図であり、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、上記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。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the
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。
Above the
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。
Fuel containing gasoline as a main component is supplied to the
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。
Below the
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。
The
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。
The geometric compression ratio of the
図1および図2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。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
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。
The
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。この図4および先の図2および図3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。
FIG. 4 is a plan view showing the crown surface S of the
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。
The cavity C has a flat
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。
The raised
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。
A pair of
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。当実施形態では、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(後述する図13、図14参照)。
Here, the region (that is, the intake side / exhaust side inclined surfaces 24 and 25, the
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)。
As shown in FIGS. 1 to 3, the
図5(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。本図に示すように、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突出する複数の(ここでは4つの)放電電極33とを有している。放電電極33は、燃焼室6の天井面28の中央部に対応する位置において燃焼室6に露出するように設けられている。プラグ本体31に対し燃焼室6側に突出する中心電極32の先端部は、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。
5 (a) and 5 (b) are enlarged views of the tip of the
図4に示す平面視において、プラズマ生成プラグ16は、その中心(中心電極32の中心軸)が気筒軸線Xと略一致し、かつ放電電極33がキャビティCの底面部22と重複する位置に配置されている。4つの放電電極33は、吸排気方向および気筒列方向のいずれとも非平行な方向に、より詳しくは、吸排気方向および気筒列方向とそれぞれ約45度の角度をもって交差する方向に延びるように形成されている。
In the plan view shown in FIG. 4, the
また、後述する図14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、ピストン5が上死点にある状態で、各電極33の先端とキャビティCの開口縁C1とを結ぶ線が各電極33の延設方向と略平行になるように形成されている。詳細は後述するが、中心電極32には所定のパルス電圧が印加されるようになっており、この印加電圧に応じて各放電電極33から燃焼室6(キャビティCの開口縁C1)に向けて非平衡プラズマが放電されるようになっている。
Further, as shown in FIG. 14 described later, the four
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。
As shown in FIG. 3, the
図6は、インジェクタ15単体の断面図である。本図に示すように、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。
FIG. 6 is a cross-sectional view of the
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。
When the
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。
The lift amount of the
図7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。本図に示すように、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(後述する図14参照)、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。
FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view of the
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。
The
上記のように、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、ピストン5のキャビティCの開口縁C1に限っては遮熱層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。このため、プラズマ生成プラグ16の放電電極33から非平衡プラズマが放電されたとき、この非平衡プラズマは、自ずと、遮熱層19により覆われていないキャビティCの開口縁C1へと導かれる(後述する図14参照)。このように、プラズマ放電時には、放電電極33とキャビティCの開口縁C1とによって、アノードおよびカソードが構成されるようになっている。すなわち、放電電極33がアノードとして機能し、キャビティCの開口縁C1がカソードとして機能する。
As described above, the
なお、カソードとして機能するキャビティCの開口縁C1は、上述したスキッシュエリアの径方向内側端部に相当する。言い換えると、当実施形態では、プラズマ生成プラグ16の放電電極33からスキッシュエリアの径方向内側端部に向けて非平衡プラズマが放電されるようになっている。
The opening edge C1 of the cavity C that functions as a cathode corresponds to the radial inner end of the squish area described above. In other words, in this embodiment, the non-equilibrium plasma is discharged from the
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。
Returning to FIG. 1, the intake / exhaust system of the engine will be described. The
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。
The
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。
The
(2)エンジンの制御系統
図8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。
(2) Engine control system FIG. 8 is a block diagram showing an engine control system. The
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、上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。 Detection signals from various sensors are input to the PCM100. For example, the PCM100 is electrically connected to the crank angle sensor SN1 and the airflow sensor SN2 described above, and the information detected by these sensors (that is, the crank angle, engine rotation speed, intake flow rate, etc.) is used as an electric signal for the PCM100. It is designed to be input sequentially to.
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。
Further, the vehicle is provided with an accelerator sensor SN3 that detects the opening degree of the accelerator pedal (not shown) operated by the driver who drives the vehicle, and the detection signal by the accelerator sensor SN3 is also input to the
PCM100は、上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、上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。
The
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。
For example, the PCM50 calculates the engine load (required torque) based on the accelerator opening degree and the like detected by the accelerator sensor SN3, and the calculated engine load, the intake flow rate detected by the airflow sensor SN2, and the crank angle sensor. Based on the engine rotation speed detected by the SN1, the amount of fuel to be injected into the cylinder 2 (target injection amount) and the fuel injection timing are determined, and the
また、PCM100は、上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。
Further, the
図9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9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。
FIG. 9 is a graph for explaining the generation conditions of non-equilibrium plasma, and shows the relationship between the conditions of the pulse voltage (pulse width and applied voltage) applied to the
上記の知見より、当実施形態では、PCM100により、図10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から燃焼室6(ピストン5のキャビティCの開口縁C1)に向けて非平衡プラズマが放電される。
Based on the above findings, in this embodiment, the
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。
The peak voltage of the pulse voltage for generating the non-equilibrium plasma may be changed in the range of 1 kV to 30 kV depending on the operating conditions. For example, it is conceivable to set the peak voltage higher as the operating condition increases the pressure (in-cylinder pressure) of the
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、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。
When non-equilibrium plasma is generated in the
(3)運転条件に応じた制御
図11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。
(3) Control according to operating conditions FIG. 11 is a map diagram for explaining a difference in control according to engine operating conditions (load / rotational speed). The operation map shown in this figure is roughly divided into a low load region A1 having a predetermined load Ts or less and a high load region A2 having a predetermined load Ts or more. The PCM100 determines whether the operating point of the engine is included in the low load region A1 or the high load region A2 each time based on the detected values of the sensors SN1 to SN3, and the combustion corresponding to the determined operating region is performed. Control each part of the engine to be realized. For example, when operating in the high load region A2, the PCM100 is such that an air-fuel mixture is formed over almost the entire combustion chamber 6 (both inside and outside the cavity C) and the air-fuel mixture is burned by compression ignition. It controls the
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。 Specific examples of combustion control in the high load region A2 and the low load region A1 are as follows.
(a)高負荷域での制御
図12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り、高負荷域A2に含まれる代表的な運転ポイント(例えば2/3負荷、3000rpm)にて実行される燃料噴射およびプラズマ放電のタイミングを示している。本図に示すように、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、圧縮行程での燃料噴射が終了してから混合気が着火するまでの間に、プラズマ生成プラグ16から非平衡プラズマを放電させる。
(A) Control in the high load region FIG. 12 is a time chart for exemplifying the contents of the combustion control executed by the
具体的に、高負荷域A2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。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複数回(例えば2回または3回)に分けて実行される。前段噴射は、吸気行程の開始時期である排気上死点(図12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。
Specifically, in the high load region A2, fuel is injected from the
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12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、当実施形態では、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から複数回に分けて燃料が噴射される。初回の後段噴射はBTDC90°CA以降に始まり、最終回の後段噴射はBTDC45°CAまでに終了する。図12の例では、後段噴射の分割回数が2回とされ、1回目の後段噴射の開始時期がBTDC90°CAよりもやや遅角側に、2回目の後段噴射の終了時期がBTDC45°CAよりもやや進角側に、それぞれ設定されている。なお、以下では、後段噴射が行われる上記の期間(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。
The timing of the post-stage injection will be described in more detail. The time when 1/2 of the compression stroke has passed is the BTDC 90 ° CA advanced by 90 ° from the compression top dead center (TDC on the right side of FIG. 12) (“° CA” represents the crank angle). The time point at which 3/4 of the compression stroke has elapsed is the BTDC 45 ° CA advanced by 45 ° from the compression top dead center. In other words, in the present embodiment, as the post-stage injection, fuel is injected from the
プラズマ生成プラグ16からの非平衡プラズマの放電は、上記後段噴射の終了後、圧縮上死点を含む所定の期間に亘って実行される。より詳しくは、当実施形態では、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、非平衡プラズマが放電される。当実施形態の場合、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。このため、上記プラズマ放電を開始する最早時期はBTDC10°CAとされる。また、当実施形態では、高負荷域A2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、上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、当実施形態では、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、プラズマ放電の終了とほぼ同時に(つまりATDC5°CAの近傍で)混合気が着火している。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。
The discharge of the non-equilibrium plasma from the
図13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13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。図13(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霧となって、燃焼室6内に拡散する。これにより、図13(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の各所に燃料が分散して存在する状態が得られる。ただし、図13(b)において濃い目の着色領域で示すように、燃焼室6の最外周部では、液滴の状態で気筒2の周面に付着していた燃料が蒸発した蒸発燃料による噴霧と、燃焼室6内に形成されるタンブル流(縦渦)の主流が流れない領域(よどみ領域)に取り残されていた噴霧とが集まって、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13(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。
FIG. 13 is a diagram for explaining the behavior of the fuel injected from the
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、当実施形態では、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という比較的遅めのタイミングで(つまりインジェクタ15がピストンに比較的近づいた状態で)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)。しかも、後段噴射は複数回に分けて実行されるので、各回の後段噴射による噴霧のペネトレーション(貫徹力)は弱くなる。このため、図13(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。
On the other hand, the fuel injected in 1/2 to 3/4 of the compression stroke by the subsequent injection is introduced into the cavity C of the
ここで、ピストン5が上死点に近づく過程で、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は、図13(b)に示すように、径方向外側から内側へと流れるスキッシュ流が形成される。このため、図13(c)に示す圧縮上死点の時点では、元々燃焼室6の最外周部(あるいはスキッシュエリアの最外周部)に存在していた相対的にリッチな混合気は、スキッシュエリア内において径方向内側へと移動し、スキッシュエリア内の比較的広い範囲に亘って混合気が存在するようになる。このように、当実施形態では、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がスキッシュエリア(キャビティCの外側)に形成されるとともに、後段噴射に基づく相対的にリッチな混合気がキャビティCの内部に形成されるようになっている。
Here, in the process of the
上記のように、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。
As described above, during operation in the high load region A2, an air-fuel mixture is mainly formed inside the cavity C and in the squish area (that is, fuel is distributed over a wide range in the combustion chamber 6). On the other hand, the amount of air introduced into the
図14は、プラズマ生成プラグ16から非平衡プラズマが放電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。本図に示すように、プラズマ生成プラグ16の放電電極33から放電された非平衡プラズマは、遮熱層19に覆われていないために絶縁性の低いキャビティCの開口縁C1へと導かれる。ここで、高負荷域A2では、上述したように、圧縮上死点に近いBTDC10°CAからATDC10°CAまでの間に(図12の例ではBTDC5°CAからATDC5°CAまでの間に)非平衡プラズマが放電されるので、この放電の時点で、非平衡プラズマの径方向内側と外側、つまりスキッシュエリアとキャビティCの内部とには、それぞれ比較的リッチな混合気が形成されている。一方、放電電極33とキャビティCの開口縁C1とを結ぶ放電経路上は、上記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かなりリーンである。このように、非平衡プラズマの放電経路上の環境がかなりリーンであることから、当該非平衡プラズマは、オゾン(O3)やOH等の活性種を生成する作用を発揮する。
FIG. 14 is a diagram schematically showing a situation in the
上記のように圧縮上死点付近で活性種が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、非平衡プラズマによって生成された上記活性種は、その多くが上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。移動した活性種は、上記スキッシュエリアに存在する混合気の着火、燃焼を促進させる。
As described above, the
プラズマ生成プラグ16によるプラズマ放電の後、混合気は、ほとんど時間間隔をおくことなく(例えばATDC5〜10°CA程度で)着火に至り、圧縮着火燃焼が開始される。このとき、上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。
After the plasma discharge by the
(b)低負荷域での制御
詳細な図示は省略するが、上記高負荷域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。
(B) Control in the low load region Although detailed illustration is omitted, in the low load region A1 where the engine load is lower (that is, the required amount of fuel is reduced) than the high load region A2, the fuel injection from the
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。
For example, in the low load region A1, fuel is injected from the
また、低負荷域A1では、圧縮行程の3/4経過時点(BTDC45°CA)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。このように、燃焼噴射の直後から圧縮上死点までの間に放電された非平衡プラズマは、キャビティC内の混合気よりも外側の領域(燃料がほとんど存在しない領域)に作用し、オゾンやOH等の活性種を生成させる。生成された活性種は、少なくともその一部がキャビティC内の混合気の外周部に供給され、当該外周部の着火、燃焼を促進させる。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キャビティCの外周部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。 Further, in the low load region A1, the non-equilibrium plasma is discharged from the plasma generation plug 16 from the time when 3/4 of the compression stroke (BTDC 45 ° CA) elapses to the compression top dead center. In this way, the non-equilibrium plasma discharged from immediately after the combustion injection to the compression top dead center acts on the region outside the air-fuel mixture in the cavity C (the region where almost no fuel exists), and ozone or Generate active species such as OH. At least a part of the generated active species is supplied to the outer peripheral portion of the air-fuel mixture in the cavity C to promote ignition and combustion of the outer peripheral portion. As a result, the combustion speed of the air-fuel mixture in the outer peripheral portion of the cavity C, which tends to be lower than that in the central portion of the cavity C, becomes faster, and the combustion period of the air-fuel mixture is shortened.
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、当実施形態では、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。
The air-fuel ratio (A / F) of the air-fuel mixture of the
(4)作用効果
以上説明したように、当実施形態では、エンジンが高負荷域A2で運転されているときに、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とにそれぞれ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、圧縮行程後期の所定時期(BTDC10°CA)から混合気が着火するまでの間に、プラズマ生成プラグ16の放電電極33からキャビティCの開口縁C1に向けて非平衡プラズマが放電されるように、プラズマ生成プラグ16が制御される。このような構成によれば、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十分に速めることができるという利点がある。
(4) Action and effect As described above, in the present embodiment, when the engine is operated in the high load region A2, the inside of the cavity C and the squish area radially outside the cavity C are mixed. The
すなわち、上記実施形態では、スキッシュ流(スキッシュエリアを径方向外側から内側へと向かうガス流れ)が弱くなり始めるBTDC10°CAから混合気が着火するまでの間に、燃焼室6の天井面28の中央部に位置するプラズマ生成プラグ16からキャビティCの開口縁C1に向けて非平衡プラズマが放電されるので、非平衡プラズマの作用から生じるオゾンやOH等の活性種を、圧縮上死点以降のピストン5の下降に伴い生成される逆スキッシュ流(径方向内側から外側へと向かうガス流れ)に乗せて上記スキッシュエリアへと移動させることができる。そして、移動した活性種がスキッシュエリア内の混合気の燃焼を促進することにより、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。
That is, in the above embodiment, the
ここで、燃焼室6の外周部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、上記実施形態では、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。
Here, the temperature of the squish area located on the outer peripheral portion of the
図15は、上記の作用効果を説明するための図である。この図15では、上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(つまり上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。 FIG. 15 is a diagram for explaining the above-mentioned action and effect. In FIG. 15, the waveform of the heat generation rate when the air-fuel mixture is burned by the method of the above embodiment is shown by W1. As shown in this waveform W1, when the combustion rate of the air-fuel mixture in the squish area is increased by using the non-equilibrium plasma (active species) (that is, when the method of the above embodiment is used), the combustion noise is taken into consideration. Below the "combustion noise limit" line, which is the upper limit of heat generation rate (that is, within the range where excessive combustion noise is not generated), it is possible to obtain a sufficiently peaky combustion waveform that rises and falls relatively rapidly. .. As a result, it is possible to realize near-ideal combustion with a short combustion period, excellent thermal efficiency, and no excessive combustion noise.
図15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。
The waveform W2 in FIG. 15 shows the waveform of the heat generation rate when the active species based on the non-equilibrium plasma is not supplied. As shown in this waveform W2, when the active species is not supplied to the squish area, a high combustion rate can be obtained in the first half of combustion, which is the stage where the air-fuel mixture in the cavity C having a high temperature burns. In the latter half of combustion, which is the stage where the air-fuel mixture in the squish area where the temperature is low burns, the combustion rate drops significantly, and the combustion period becomes longer as a whole. That is, in the latter half of combustion, the
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15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。これに対し、上記実施形態では、基本的にスキッシュエリア内の混合気の燃焼のみが促進(高速化)されるので、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。
If the active species is supplied to the
また、上記実施形態では、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15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上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。
Further, in the above embodiment, since the excess air ratio λ in the
また、上記実施形態では、プラズマ生成プラグ16に備わる複数の(4つの)放電電極33が、ピストン5が上死点にある状態で各電極33の先端とキャビティCの開口縁C1とを結ぶ線が各電極33の延設方向と略平行になるように形成されているので、上記のようなタイミング(圧縮上死点を含むタイミング)で放電される非平衡プラズマの放電経路を可及的に短くすることができる。これにより、非平衡プラズマを効率よく生成することができ、十分な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。
Further, in the above embodiment, a plurality of (four)
また、上記実施形態では、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、吸気行程の前半と、圧縮行程の1/2〜3/4に相当する時期(BTDC90°CAからBTDC45°CAまでの間に)とに、それぞれ燃料がコーン状(放射状)に噴射されるので、スキッシュエリアとキャビティCの内部とにそれぞれ混合気を適正に形成することができ、これらの混合気を上述したプラズマ放電を利用して短期間のうちに燃焼させることができる。
Further, in the above embodiment, from the
(5)変形例
上記実施形態では、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、上記のような混合気の分布が得られる限りにおいて、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。
(5) Modification example In the above embodiment, the
上記実施形態では、燃焼室6の天井面28の中央にプラズマ生成プラグ16を配置するとともに、このプラズマ生成プラグ16の位置(天井面28の中央)から気筒列方向の一方側に若干オフセットした位置にインジェクタ15を配置するようにしたが(図3参照)、これとは逆に、インジェクタ15を天井面28の中央に配置し、プラズマ生成プラグ16を天井面28の中央からオフセットした位置に配置してもよい。あるいは、インジェクタ15およびプラズマ生成プラグ16の双方を天井面28の中央からオフセットした位置に配置してもよい。この場合、プラズマ生成プラグ16の位置は天井面28の中央(気筒軸線X)から吸気側にオフセットさせることが好ましい。プラズマ生成プラグ16の位置を吸気側にオフセットさせた場合には、プラズマ生成プラグ16の放電電極33から放電される非平衡プラズマを吸気側においてより強めることができる。これにより、排気側よりも吸気側の方が低温になる傾向にある燃焼室6において、混合気の燃焼速度がバランスよく高められ(吸気側と排気側で燃焼速度が同等になり)、燃焼期間がより短縮するという効果が期待できる。
In the above embodiment, the
一方、プラズマ生成プラグ16の吸気側へのオフセット量が大きいと、吸気側に供給される活性種の量が増えすぎて、燃焼速度が吸気側と排気側で逆転する(吸気側の方が速くなる)おそれがある。このような燃焼速度の逆転現象が懸念される場合には、例えば図16に示すように、スキッシュエリアの上下隙間を吸気側よりも排気側で小さくすることが有効である。すなわち、吸気側傾斜面24とこれに対向する天井面28との離間距離を第1隙間寸法G1、排気側傾斜面25とこれに対向する天井面28との離間距離を第2隙間寸法G2としたとき、G2<G1という関係が成立するようにピストン5の冠面Sを形成すればよい。これにより、ピストン5の下降に伴い生じる逆スキッシュ流の強さが排気側でより強くなるので、プラズマ生成プラグ16からの径方向の距離が大きいために活性種の供給量が減りがちな排気側のスキッシュエリアにおいて、活性種の供給量を増大方向に補正することができ、プラズマ生成プラグ16を吸気側に大きくオフセットさせながらも上記のような燃焼速度の逆転現象を回避することができる。
On the other hand, if the amount of offset of the
なお、プラズマ生成プラグ16を気筒列方向(吸排気方向と直交する方向)にオフセット配置した場合にも、それに伴う燃焼速度の不均衡をピストン5の形状によって補正することが可能である。例えば、燃焼室6の天井面28の中央(気筒軸線X)から気筒列方向の一方側にオフセットした位置にプラズマ生成プラグ16を配置した場合、ピストン5の一対の峰部26(図3、図4参照)と天井面28との上下隙間を、気筒列方向の一方側よりも他方側で小さくすることが考えられる。あるいは、一対の峰部26の面積を、気筒列方向の一方側よりも他方側で大きくすることによっても、同様の効果を得ることができる。
Even when the
上記実施形態では、ピストン5の冠面Sのうちキャビティ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)キャビティCの開口縁C1をプラズマ放電時のカソードとして機能させるようにしたが、非平衡プラズマの放電は、プラズマ生成プラグ16の電極33とスキッシュエリアの径方向内側端部との間で行えばよく、その限りにおいて種々の変形が可能である。例えば、燃焼室6の天井面28(シリンダヘッド4の下面)のうちスキッシュエリアの径方向内側端部に対応するリング状の領域を、遮熱層19で覆われない領域とすることにより、当該領域(天井面28の一部)をカソードとして機能させるようにしてもよい。
In the above embodiment, almost the entire surface of the
上記実施形態では、プラズマ生成プラグ16として、中心電極32の先端から放射状に突出する複数の放電電極33を有するものを用いたが(図5参照)、これに代えて、例えば図17(a)(b)に示されるような、浅皿状の放電電極133を有するプラズマ生成プラグ116を用いてもよい。
In the above embodiment, as the
より具体的に、上記変形例にかかるプラズマ生成プラグ116は、筒状のプラグ本体131と、プラグ本体131の内部に挿入された中心電極132と、中心電極132の先端から径方向外側に拡がる浅皿状の放電電極133と、プラグ本体131の端面と放電電極133との間に設けられた絶縁体134とを有している。放電電極133は、底面視で中心電極132の先端部を中心とした円形状に形成され、かつ断面視で径方向外側ほど高さが低くなるように形成されている。絶縁体134は、放電電極133の裏面(シリンダヘッド4側の面)をほぼ全面的に覆うように形成されている。
More specifically, the
上記実施形態では、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。
In the above embodiment, as the
上記実施形態では、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。 In the above embodiment, an example in which the present invention is applied to a premixed compression ignition type gasoline engine in which a fuel containing gasoline as a main component is compressed and ignited while being mixed with air has been described. The present invention may be applied to a premixed compression ignition type diesel engine in which compression ignition is performed while mixing with air.
1 エンジン本体
5 ピストン
6 燃焼室
S (ピストンの)冠面
C (ピストンの)キャビティ
C1 (キャビティの)開口縁
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
1
A2 high load range
Claims (5)
前記燃焼室の底面を規定する冠面を有するピストンと、
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、
前記ピストンの冠面の径方向外側領域から前記燃焼室の天井面までのピストン摺動方向の距離が、当該冠面の径方向内側領域から前記燃焼室の天井面までのピストン摺動方向の距離よりも小さくされることにより、前記ピストンの上死点への接近に伴って径方向外側から内側へと流れるスキッシュ流が生じるスキッシュエリアが前記燃焼室の外周部に形成され、
前記ピストンは、前記冠面の中央部にキャビティを有し、
前記スキッシュエリアは、前記ピストンの冠面のうち前記キャビティよりも径方向外側の領域と前記燃焼室の天井面との間に形成され、
前記制御装置は、前記インジェクタから噴射された燃料と空気とが混合された混合気の一部が前記スキッシュエリアに形成されるように前記インジェクタを制御するとともに、前記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、前記プラズマ生成プラグの電極から前記キャビティの開口縁に向けて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し、
前記プラズマ生成プラグの電極は、プラズマ生成プラグの中心軸に対応する位置から放射状に延びるように形成されるとともに、前記ピストンが上死点にある状態で、前記電極の先端と前記キャビティの開口縁とを結ぶ線が前記電極の延設方向と略平行になるように形成されている、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。 An injector that injects fuel into the combustion chamber and
A piston having a crown surface that defines the bottom surface of the combustion chamber,
A plasma generation plug having an electrode near the center of the ceiling of the combustion chamber and discharging non-equilibrium plasma from the electrode.
It is provided with a control device for controlling the injector and the plasma generation plug so as to realize premixed compression ignition combustion in which the fuel injected from the injector is compressed and ignited while being mixed with air.
The distance in the piston sliding direction from the radial outer region of the crown surface of the piston to the ceiling surface of the combustion chamber is the distance in the piston sliding direction from the radial inner region of the crown surface to the ceiling surface of the combustion chamber. A squish area is formed on the outer peripheral portion of the combustion chamber to generate a squish flow that flows from the outside in the radial direction to the inside as the piston approaches the top dead point.
The piston has a cavity in the center of the crown surface and has a cavity.
The squish area is formed between a region of the crown surface of the piston that is radially outer of the cavity and the ceiling surface of the combustion chamber.
The control device controls the injector so that a part of the air-fuel mixture injected from the injector is formed in the squish area, and the squish flow begins to weaken in a compression stroke. The plasma generation plug is controlled so that the non-equilibrium plasma is discharged from the electrode of the plasma generation plug toward the opening edge of the cavity between a predetermined time in the latter period and the ignition of the air-fuel mixture .
The electrode of the plasma generation plug is formed so as to extend radially from a position corresponding to the central axis of the plasma generation plug, and the tip of the electrode and the opening edge of the cavity are in a state where the piston is at top dead center. A premixed compression ignition type engine characterized in that the line connecting the electrodes is formed so as to be substantially parallel to the extending direction of the electrodes.
前記制御装置は、圧縮上死点から10°進角したBTDC10°CA以降において前記プラズマ生成プラグに非平衡プラズマを放電させる、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。 In the premixed compression ignition engine according to claim 1,
The control device is a premixed compression ignition engine characterized in that the non-equilibrium plasma is discharged to the plasma generation plug after BTDC 10 ° CA advanced by 10 ° from the compression top dead center.
前記制御装置は、エンジン負荷が所定負荷以上となる高負荷域でエンジンが運転されているときに、前記スキッシュエリアに混合気の一部を形成しかつ前記非平衡プラズマを生成する前記制御を実行する、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。 In the premixed compression ignition engine according to claim 1 or 2.
The control device executes the control of forming a part of the air-fuel mixture in the squish area and generating the non-equilibrium plasma when the engine is operated in a high load region where the engine load is equal to or higher than a predetermined load. A premixed compression ignition engine that is characterized by its ability to do so.
前記インジェクタは、前記燃焼室の天井部中央付近から前記キャビティに向けて放射状に燃料を噴射するものであり、
前記制御装置は、吸気行程と圧縮行程の後半とにそれぞれ前記インジェクタに燃料を噴射させる、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。 In the premixed compression ignition engine according to claim 3,
The injector radially injects fuel from the vicinity of the center of the ceiling of the combustion chamber toward the cavity.
The control device is a premixed compression ignition engine characterized in that fuel is injected into the injectors in the intake stroke and the latter half of the compression stroke, respectively.
前記燃焼室に導入される空気の流量を調整するスロットル弁をさらに備え、
前記制御装置は、前記高負荷域での運転時に、前記燃焼室内の空気過剰率が2よりも大きくなるように前記スロットル弁および前記インジェクタを制御する、ことを特徴とする予混合圧縮着火式エンジン。 In the premixed compression ignition engine according to claim 3 or 4.
Further equipped with a throttle valve for adjusting the flow rate of air introduced into the combustion chamber,
The control device controls the throttle valve and the injector so that the excess air ratio in the combustion chamber becomes larger than 2 when operating in the high load region. The premixed compression ignition engine. ..
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