(57)【要約】      （修正有）【課題】新規で有用な着火および燃焼を促進するエンジンおよびエンジンの点火方法を提供する。【解決手段】本開示では、吸気ポート２０と、シリンダヘッド部１１の内壁１１ａに設けられ、燃焼室１２に非熱プラズマを発生して、吸気ポート２０から導入された混合気、または、吸気ポート２０から導入された空気に燃料噴射弁により燃料を噴射して形成された混合気を改質可能なプラズマ発生部３１であって、プラズマ発生部３１は、燃焼室１２に露出する第１の電極と、第１の電極と対向し誘電体材料に覆われた第２の電極とを有し、シリンダヘッド部１１の内壁１１ａに埋め込まれてなる、プラズマ発生部と、シリンダヘッド部１１の内壁１１ａに設けられ、放電により改質された混合気に点火する点火部と、を備える、エンジン１００を提供する。さらにエンジンの点火方法も開示する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダ内壁に設けられ、燃焼室に非熱プラズマを発生して、空気と燃料とを含む混合気を改質可能なプラズマ発生部であって、該プラズマ発生部は、該燃焼室に露出する第１の電極と、該第１の電極と対向し誘電体材料に覆われた第２の電極とを有し、該シリンダ内壁に埋め込まれてなる、該プラズマ発生部と、
前記シリンダ内壁に設けられ、放電により前記改質された混合気に点火する点火部と、
を備える、エンジン。
【請求項２】
前記燃焼室に前記混合気を導入する吸気ポートをさらに備える、請求項１記載のエンジン。
【請求項３】
前記燃焼室に前記空気を導入する吸気ポートと、
前記導入された空気に前記燃料を噴射する燃料噴射弁と、
を更に備える、請求項１記載のエンジン。
【請求項４】
前記吸気ポートは、前記燃焼室に前記混合気のスワール流を生じさせ、
前記吸気ポートと前記プラズマ発生部と前記点火部とが互いにシリンダヘッド部の周方向に配置してなる、請求項２または３記載のエンジン。
【請求項５】
前記プラズマ発生部は、前記点火部に対して、前記スワール流の上流に配置してなる、請求項４記載のエンジン。
【請求項６】
前記吸気ポートは、前記燃焼室に前記混合気のタンブル流を生じさせ、
前記吸気ポートと前記プラズマ発生部と前記点火部とが互いにシリンダの径方向に配置してなる、請求項２または３記載のエンジン。
【請求項７】
前記プラズマ発生部は、前記点火部に対して、前記タンブル流の上流に配置してなる、請求項６記載のエンジン。
【請求項８】
前記プラズマ発生部は、前記第１の電極が前記燃焼室に露出する円環状電極であり、前記第２の電極が該円環状電極と同一の中心を有する円盤状である、請求項１〜７のいずれか一項記載のエンジン。
【請求項９】
前記プラズマ発生部の第１の電極および第２の電極は、前記点火部を囲むように配置される、請求項１〜３のうちいずれか一項記載のエンジン。
【請求項１０】
燃焼室に非熱プラズマを発生するステップであって、空気と燃料とを含む混合気に該非熱プラズマを接触させる、該非熱プラズマを発生するステップと、
前記非熱プラズマに接触した混合気に放電により点火するステップと、
を含み、
前記非熱プラズマは、シリンダ内壁に設けられ前記燃焼室に露出する第１の電極と、該第１の電極と対向し誘電体材料に覆われた第２の電極とを有し、該シリンダ内壁に埋め込まれてなるプラズマ発生部によって発生される、エンジンの点火方法。
【請求項１１】
前記非熱プラズマを発生するステップにおいて前記非熱プラズマの発生を停止した後に、前記点火するステップにおいて前記混合気に放電により点火する、請求項１０記載のエンジンの点火方法。
【請求項１２】
前記非熱プラズマを発生するステップにおいて前記非熱プラズマの発生中に、前記点火するステップにおいて前記混合気に放電により点火する、請求項１０記載のエンジンの点火方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの着火を促進し燃焼を促進する技術に関し、特に、誘電体バリア放電を用いたエンジンおよびその点火方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
省エネルギー化および環境対策のため、エンジンの燃費改善や窒素酸化物の排出低減が進められている。その一つの解決策として、燃料および空気からなる混合気を希薄化しても動作するエンジンの開発が行われている。希薄化した混合気を使用した場合、混合気の着火や燃焼の安定性が懸念される。
【０００３】
吸気管内でプラズマ処理した混合気を燃焼室に導入し、ピストンの圧縮行程により混合気を断熱圧縮して高温化して着火する予混合圧縮着火エンジンが知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、吸気管に設けたスワール制御弁の下流に、還流排気導入部を設け、還流した排気を燃焼室中央の混合気濃度の高い部分に排気を分布させ点火プラグで点火することで燃焼性を確保する技術が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−５５２２４号公報
【特許文献２】特開平１１−２１５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
希薄化した混合気には、点火プラグによる着火が困難で不安定になり、エンジンが運転できないという問題があり、また、着火時期の高精度の制御が必要になるという問題がある。
【０００６】
本発明は、上述した問題を解決するもので、新規で有用な着火および燃焼を促進するエンジンおよびエンジンの点火方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様によれば、シリンダ内壁に設けられ、燃焼室に非熱プラズマを発生して、空気と燃料とを含む混合気を改質可能なプラズマ発生部であって、そのプラズマ発生部は、燃焼室に露出する第１の電極と、その第１の電極と対向し誘電体材料に覆われた第２の電極とを有し、上記シリンダ内壁に埋め込まれてなる、プラズマ発生部と、
上記シリンダ内壁に設けられ、放電により上記改質された混合気に点火する点火部と、
を備える、エンジンが提供される。
【０００８】
上記態様によれば、混合気が燃焼室でプラズマ発生部によって発生した非熱プラズマにより改質され、改質された混合気に点火部により点火される。プラズマ発生部はシリンダ内壁に埋め込まれており、燃料室内側に突出していないので、それによる混合気の流れの乱れが低減される。これにより、非熱プラズマにより改質された混合気に着火が容易になるとともに安定して着火が可能となり、さらに燃焼速度を高めることができる。
【０００９】
本発明の他の態様によれば、燃焼室に非熱プラズマを発生するステップであって、空気と燃料とを含む混合気に該非熱プラズマを接触させる、該非熱プラズマを発生するステップと、
前記非熱プラズマに接触した混合気に放電により点火するステップと、
を含み、
前記非熱プラズマは、シリンダ内壁に設けられ前記燃焼室に露出する第１の電極と、該第１の電極と対向し誘電体材料に覆われた第２の電極とを有し、該シリンダ内壁に埋め込まれてなるプラズマ発生部によって発生される、エンジンの点火方法が提供される。
【００１０】
上記態様によれば、本実施形態に係るエンジンの点火方法によれば、非熱プラズマＳＰに接触した混合気に点火プラグの放電により点火するので、確実に着火し、着火のタイミングも安定する。さらに、燃焼速度が高まる。プラズマ発生部がシリンダ内壁に埋め込まれているので第２の電極を覆う誘電体材料の表面に非熱プラズマが発生し、プラズマ発生部が燃料室内側に突出していないので、それによる混合気の流れの乱れを低減する。それにより非熱プラズマが混合気に接触して改質するため、改質された混合気への点火がいっそう確実になると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係るエンジンの概略構成を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るエンジンの誘電体バリア放電プラグの（ａ）断面および（ｂ）燃焼室に臨むプラズマ発生部を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る他のエンジンの概略構成を示す図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係るエンジンのシリンダの概略構成を示す図である。
【図５】本発明のその他の実施形態に係るエンジンのシリンダの概略構成を示す図である。
【図６】本発明のその他の実施形態に係るエンジンのシリンダの変形例の概略構成を示す図である。
【図７】本発明の一実施形態に係るエンジンの他の誘電体バリア放電プラグの（ａ）断面および（ｂ）燃焼室に臨むプラズマ発生部を示す図である。
【図８】本発明の一実施形態に係るエンジンの点火方法のフローチャートである。
【図９】本発明の実施形態の効果確認実験に使用した急速圧縮膨張装置の概略構成を示す図である。
【図１０】効果確認実験におけるプラズマ発生と点火プラグによる点火のタイミングを示す図である。
【図１１】効果確認実験における燃焼室の圧力変化を示す図である。
【図１２】効果確認実験における燃焼割合を説明する図である。
【図１３】効果確認実験における非熱プラズマの有効維持時間を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面に基づいて本発明の一実施形態を説明する。なお、図面間において共通する要素については同じ符号を付し、その要素の詳細な説明の繰り返しを省略する。
【００１３】
図１は、本発明の一実施形態に係るエンジンの概略構成を示す図である。
【００１４】
図１を参照するに、本発明の一実施形態に係るエンジンは、シリンダヘッド部１１に、吸気ポート２０と、誘電体バリア放電(Dielectric Barrier Discharge)プラグ３０（以下、「ＤＢＤプラグ」と称する。）と、点火プラグ５０と、点火電源６０と、高周波電源６１と、制御部６２とを有している。なお、シリンダヘッド部１１に少なくとも一つの排気ポートおよび排気バルブ等の排気系が設けられるが、図示を省略する。
【００１５】
吸気ポート２０は、シリンダヘッド部１１の内壁１１ａに設けられ、吸気管２１が接続される。吸気管２１には、燃料を気化して空気と混合し、混合気を形成する気化器（不図示）が接続される。混合気は、吸気管２１を介して吸気バルブ２２の開動作およびピストン１３の下降により吸気ポート２０から燃焼室１２に供給される。なお、気化器の代わりに吸気管２１内に燃料を噴射するポート噴射法を用いて混合気を形成してもよい。
【００１６】
点火プラグ５０は、シリンダヘッド部１１の内壁１１ａに、中心電極５２と接地電極５３とを有する点火部５１が燃焼室１２に露出して設けられる。中心電極５２および接地電極５３は、耐熱性に優れた導電材料からなる。中心電極５２は、点火電源６０に電気的に接続され、接地電極５３は接地される。点火電源６０から電圧パルスが供給される。これにより、中心電極５２と接地電極５３との間に点火火花が発生する。点火時期は、点火電源６０に信号通信可能に接続される制御部６２によって制御される。制御部６２は、例えば、ピストン１３と連動するクランク１４のクランク角検出部６３からのクランク角の情報を取得して点火時期を制御する。
【００１７】
ＤＢＤプラグ３０はシリンダヘッド部１１に設けられ、そのプラズマ発生部３１がシリンダヘッド部１１の内壁１１ａに設けられる。ＤＢＤプラグ３０は、高周波電源６１から高周波あるいはパルスの高電圧信号が供給され、プラズマ発生部３１が燃焼室１２に非熱プラズマを発生する。プラズマ発生部３１は、シリンダ１０の側壁１０ａにピストン１３に干渉しない位置に設けられてもよい。
【００１８】
図２は、本発明の一実施形態に係るエンジンのＤＢＤプラグの（ａ）断面および（ｂ）燃焼室に臨むプラズマ発生部を示す図である。
【００１９】
図２（ａ）および（ｂ）を参照するに、ＤＢＤプラグ３０は、シリンダヘッド部１１に配置されており、図３（ａ）の紙面下側が燃焼室１２である。図３（ｂ）は燃焼室１２の内側からシリンダヘッド部１１の内壁１１ａに設けられたプラズマ発生部３１を視た図である。
【００２０】
ＤＢＤプラグ３０は、仮想線である軸線Ｘに対して回転体の形状を有している。ＤＢＤプラグ３０は、支持金具３２と、中心電極３３と、誘電体部材３４とを有する。
【００２１】
支持金具３２は、導電材料からなり、例えば、ステンレス鋼、炭素鋼を用いることができ、点火プラグ５０の中心電極５２と同様の耐熱性の高い材料を用いることができる。支持金具３２は、燃焼室１２に露出する先端面に円環状電極３２ａを有する。円環状電極３２ａはプラズマ発生部３１の第１の電極となる。支持金具３２はシリンダヘッド部１１に電気的に接続されエンジンブロックを介して接地される。
【００２２】
中心電極３３は、軸上に伸びる導電材料からなり、その先端に円盤状電極３３ａを有する。円盤状電極３３ａはプラズマ発生部３１の第２の電極となる。中心電極３３は後端部に高周波電源６１が接続され、高周波またはパルスの高電圧信号が中心電極３３を介して円盤状電極３３ａに印加される。
【００２３】
誘電体部材３４は、その外周面が支持金具３２に保持され、中心電極３３を覆うように形成され、円盤状部材３３ａが燃焼室１２に露出しないように、円盤状部材３３ａを覆うように形成されており、円盤状部材３３ａの表面から誘電体部材３４の表面までの厚さは、例えば、数百μｍ〜数ｍｍである。誘電体部材３４は、誘電体材料からなり、複数の誘電体材料を組み合わせてもよい。誘電体部材３４は、円盤状電極３３ａを覆う部分は、アルミナセラミック、サファイヤ等の融点の高い材料を用いることが好ましい。
【００２４】
プラズマ発生部３１は、シリンダヘッド部１１の内壁１１ａに埋め込まれており、燃焼室１２に突出していない。これにより、プラズマ発生部３１による混合気の流れの乱れを低減できる。さらに、プラズマ発生部３１は、シリンダヘッド部１１の内壁１１ａに段差なく、フラッシュマウント化されていることが好ましい。これにより、プラズマ発生部３１による混合気の流れの乱れをいっそう低減しつつ、効率良く非熱プラズマを混合気に接触可能である。
【００２５】
図２（ｂ）を参照するに、プラズマ発生部３１は、円環状電極３２ａの内側に、誘電体部材３４が充填され、円盤状電極３３ａが、円環状電極３２ａの内側に設けられる。円盤状電極３３ａは、円環状電極３２ａの内径と同一の外径あるいはそれよりも小さい外径を有することが好ましい。これにより、効率良く非熱プラズマを発生できる。
【００２６】
プラズマ発生部３１は、図３（ａ）に示すように、円環状電極３２ａの内周部から円盤状電極３３ａの外周部に近い誘電体部材３４の表面に非熱プラズマＳＰを発生し、例えば、円環状電極３２ａの内周部に沿って環状に形成される。
【００２７】
図１に戻り、制御部６２は、吸気行程から圧縮行程に亘って、吸気ポート２０から導入された混合気に対して、高周波電源６１から高周波またはパルスの高圧電圧を供給させてプラズマ発生部３１に非熱プラズマを発生させ、混合気に非熱プラズマを接触させて混合気を改質する。制御部６２は、さらに、非熱プラズマの発生中に点火部５１により改質された混合気に点火させるように制御する。変形例として、制御部６２は、非熱プラズマの発生を停止した後に、点火部５１により改質された混合気に点火させるように制御してもよい。非熱プラズマにより改質された混合気は、混合気の成分のラジカルや部分酸化物やオゾンを含み、オゾンはさらにラジカルに変化すると考えられる。改質された混合気は、後述する実施例において説明するが、比較的長い間（４０ｍｓ、あるいはそれよりも長い時間）易着火状態を維持することが可能であると推察される。
【００２８】
本実施形態に係るエンジンによれば、混合気が燃焼室１２でプラズマ発生部３１によって発生した非熱プラズマにより改質され、改質された混合気に点火部５１により点火される。プラズマ発生部３１は、円環状電極３２ａ（第１の電極）と円盤状電極３３ａ（第２の電極）とがヘッドシリンダ部１１の内壁１１ａに埋め込まれているので、プラズマ発生部３１による混合気の流れの乱れを低減する。これにより、非熱プラズマにより改質された混合気に着火が容易になるとともに安定して着火が可能となり、さらに燃焼速度を高めることができる。
【００２９】
図３は、本発明の一実施形態に係る他のエンジンの概略構成を示す図である。図３を参照するに、エンジン１５０は、吸気ポート２０から空気を導入し、シリンダの側壁に燃料噴射弁を設け燃料を燃料室に噴射して混合気を形成する（直接燃料噴射法）。燃料噴射弁は、制御部によって燃料の噴射のタイミングが制御される、エンジン１５０は、その他の構成要素は図１に示したエンジン１００と同様の構成および効果を有している。以下では、説明の便宜のため、混合気が燃焼室に導入される場合を例に挙げる。しかしながら、このことは、直接燃料噴射法の実施形態を排除するものではないことを理解されたい。
【００３０】
図４は、本発明の他の実施形態に係るエンジンのシリンダの概略構成を示す図であり、吸気ポートとプラズマ発生部と点火部の配置を示した図である。図４（ａ）は、シリンダの斜視図であり、図４（ｂ）は、シリンダヘッド部を燃焼室側から視た図である。
【００３１】
図４（ａ）および（ｂ）を参照するに、吸気ポート２０から導入される混合気は、公知の構造または手法により、燃焼室において、シリンダ１１０の周方向ＣＦの流れ、つまり、スワール流ＳＷを形成するように構成されている。スワール流ＳＷは、吸気行程から圧縮行程においてその慣性により流れる方向が維持されると考えられる。
【００３２】
ＤＢＤプラグ３０および点火プラグ５０は、吸気ポート２０に対して、シリンダヘッド部１１１の周方向ＣＦに配置される。プラズマ発生部３１および点火部５１は、吸気ポート２０に対して、シリンダヘッド部１１１の内壁１１１ａに周方向ＣＦに配置され、すなわち、吸気ポート２０とプラズマ発生部３１と点火部５１とが互いにシリンダヘッド部１１１の内壁１１１ａに周方向ＣＦに配置される。
【００３３】
図４（ｂ）に示すように、混合気のスワール流ＳＷは、燃焼室１２側からシリンダヘッド部１１１の内壁１１１ａを視ると、時計回りに流れている。吸気ポート２０の位置から時計回りに、プラズマ発生部３１および点火部５１がこの順に配置されることが好ましい。すなわち、プラズマ発生部３１は、点火部５１に対して、スワール流ＳＷの上流に配置されることが好ましい。これにより、プラズマ発生部３１で発生した非熱プラズマによって改質された混合気に点火部５１で短時間に点火が可能になる。なお、ここで説明しない事項は、図１〜図３を用いて説明した事項と同様である。
【００３４】
なお、吸気ポート２０が一つのシリンダヘッド部１１１の内壁１１１ａに複数設けられた場合でも、少なくとも一つの吸気ポート２０が本実施形態の構成を有していればその効果が生じる。さらに、例えば、２つの吸気ポートが一つのシリンダヘッド部１１１の内壁１１１ａに設けられている場合、２つの吸気ポートが互いに周方向ＣＦに配置されていることが好ましく、２つの吸気ポートとプラズマ発生部３１と点火部５１とが互いにシリンダヘッド部１１１の内壁１１１ａに周方向ＣＦに配置されることが好ましい。
【００３５】
図５は、本発明の一実施形態に係るその他のエンジンのシリンダの概略構成を示す図であり、吸気ポートとプラズマ発生部と点火部の配置を示した図である。図５（ａ）は、シリンダの斜視図であり、図５（ｂ）は、シリンダヘッド部を燃焼室側から視た図である。
【００３６】
図５（ａ）および（ｂ）を参照するに、吸気ポート２０から導入される混合気は、公知の構造または手法により、燃焼室において、シリンダ２１０の径方向ＲＤ１の流れ、つまり、タンブル流ＴＢ１を形成するように構成されている。タンブル流ＴＢ１は、シリンダ２１０の軸方向に対して垂直方向の軸の周りに形成される。吸気行程から圧縮行程においてその慣性により流れる方向が維持されると考えられる。
【００３７】
ＤＢＤプラグ３０および点火プラグ５０は、吸気ポート２０に対して、シリンダヘッド部１１の径方向ＲＤ１に配置される。プラズマ発生部３１および点火部５１は、吸気ポート２０に対して、シリンダヘッド部２１１の内壁２１１ａにシリンダ２１０の径方向ＲＤ１に配置される。すなわち、吸気ポート２０とプラズマ発生部３１と点火部５１とが互いにシリンダヘッド部２１１の内壁２１１ａに径方向ＲＤ１に配置される。
【００３８】
図５（ｂ）に示すように、混合気のタンブル流ＴＢ１は、燃焼室１２側からシリンダヘッド部２１１の内壁２１１ａを視ると、径方向ＲＤ１に右斜め下から左斜め上に流れている。吸気ポートの位置からタンブル流ＴＢ１に沿って、径方向ＲＤ１に斜め下から斜め上に、プラズマ発生部３１および点火部５１がこの順に配置されることが好ましい。すなわち、プラズマ発生部３１は、点火部５１に対して、タンブル流ＴＢ１の上流に配置されることが好ましい。これにより、プラズマ発生部３１で発生した非熱プラズマによって改質された混合気に点火部５１で短時間に点火が可能になる。なお、ここで説明しない事項は、図１〜図３を用いて説明した事項と同様である。
【００３９】
なお、吸気ポート２０が一つのシリンダヘッド部２１１の内壁２１１ａに複数設けられた場合でも、少なくとも一つの吸気ポート２０が本実施形態の構成を有していればその効果が生じる。さらに、例えば、２つの吸気ポートが一つのシリンダヘッド部２１１の内壁２１１ａに設けられている場合、２つの吸気ポートが互いに径方向ＲＤ１に配置されていることが好ましく、すなわち、２つの吸気ポートとプラズマ発生部３１と点火部５１とが互いにシリンダヘッド部２１１の内壁２１１ａに径方向ＲＤ１に配置されることが好ましい。
【００４０】
変形例としては、図示を省略するが、２つの吸気ポートが一つのシリンダヘッド部２１１の内壁２１１ａに設けられている場合、２つの吸気ポートが互いに径方向ＲＤ１に対して直交する方向に互いに隣接して配置してもよい。これにより、２つの吸気ポートが略平行な径方向のタンブル流を形成し、２つの吸気ポートとプラズマ発生部３１および点火部５１とがシリンダヘッド部２１１の内壁２１１ａに径方向に配置される。
【００４１】
図６は、本発明のその他の実施形態に係るエンジンのシリンダの変形例の概略構成を示す図であり、吸気ポートとプラズマ発生部と点火部の配置を示した図である。図６（ａ）は、シリンダの斜視図であり、図６（ｂ）は、シリンダヘッド部を燃焼室側から視た図である。図６に示すシリンダは、図５の場合の変形例であり、タンブル流の向きが逆になっている。
【００４２】
図６（ａ）および（ｂ）を参照するに、吸気ポート２０から導入される混合気は、公知の構造または手法により、燃焼室１２において、シリンダの径方向ＲＤ２の流れ、つまり、タンブル流ＴＢ２を形成するように構成されている。タンブル流ＴＢ２は、図５の場合と流れの向きが逆になっている。
【００４３】
ＤＢＤプラグ３０のプラズマ発生部３１はシリンダ３１０の側壁３１０ａに、ピストン１３の上死点よりもシリンダヘッド部３１１側に設けられる。点火プラグ５０の点火部５１はシリンダヘッド部３１１の内壁３１１ａに設けられる。プラズマ発生部３１および点火部５１は、吸気ポート２０に対して、燃焼室内のシリンダの径方向ＲＤ２に配置される。
【００４４】
図６（ｂ）に示すように、混合気のタンブル流ＴＢ２は、燃焼室１２側からシリンダヘッド部３１１の内壁３１１ａを視ると、径方向ＲＤ２に左斜め上から右斜め下に流れている。シリンダヘッド部３１１を燃焼室１２側から視た場合、吸気ポート２０の位置から径方向ＲＤ２に、タンブル流ＴＢ２の方向に沿ってプラズマ発生部３１および点火部５１がこの順に配置されることが好ましい。すなわち、プラズマ発生部３１は、点火部５１に対して、タンブル流ＴＢ２の上流に配置されることが好ましい。これにより、プラズマ発生部３１で発生した非熱プラズマによって改質された混合気に点火部５１で短時間に点火が可能になる。なお、ここで説明しない事項は、図１〜図３を用いて説明した事項と同様である。
【００４５】
なお、吸気ポート２０が一つのシリンダヘッド部３１１の内壁３１１ａに複数設けられた場合でも、少なくとも一つの吸気ポート２０が本実施形態の構成を有していればその効果が生じる。さらに、例えば、２つの吸気ポートが一つのシリンダヘッド部３１１の内壁３１１ａに設けられている場合、２つの吸気ポートが互いに径方向ＲＤ２に配置されていることが好ましく、２つの吸気ポートとプラズマ発生部３１と点火部５１とが互いに燃焼室内のシリンダの径方向ＲＤ２に配置されることが好ましい。
【００４６】
変形例としては、図示を省略するが、２つの吸気ポートが一つのシリンダヘッド部３１１の内壁３１１ａに設けられている場合、２つの吸気ポートが互いに径方向ＲＤ２に対して直交する方向に互いに隣接して配置してもよい。これにより、２つの吸気ポートが略平行な径方向のタンブル流を形成し、２つの吸気ポートとプラズマ発生部３１および点火部５１とが互いに燃焼室内のシリンダの径方向ＲＤ２に配置される。
【００４７】
図７は、本発明の一実施形態に係るエンジンの他の誘電体バリア放電プラグの（ａ）断面および（ｂ）燃焼室に臨むプラズマ発生部を示す図である。
【００４８】
図７（ａ）および（ｂ）を参照するに、ＤＢＤプラグ１３０は、点火プラグ５０を囲むように設けられている。ＤＢＤプラグ１３０のプラズマ発生部１３１は、燃焼室に露出する第１円環状電極１３２と、第２円環状電極１３３と、第２円環状電極１３３を覆う誘電体部材１３４とを有する。
【００４９】
第１円環状電極１３２は、図３に示した支持金具３２（あるいは、円環状電極３２ａ）と同様の導電材料を用いることができる。第１円環状電極１３２は、点火プラグ５０の中心軸Ｘを中心とする円環状としてもよい。第１円環状電極１３２は、プラズマ発生部１３１の第１の電極となり、電気的に接地される。第１円環状電極１３２は、シリンダヘッド部１１と電気的に導通するように設けられてもよく、その場合は、エンジンブロックを介して接地される。
【００５０】
第２円環状電極１３３は、導電材料からなる。第２円環状電極１３３はプラズマ発生部１３１の第２の電極となり、高周波電源に電気的に接続され（接続線は不図示）、高周波またはパルスの高電圧信号が第２円環状電極１３３に印加される。第２円環状電極１３３は、燃焼室１２側から視た場合、誘電体部材１３４の奥に第１円環状電極１３３の内側に設けられる。第２円環状電極１３３は、第１円環状電極１３２の内径と同一の外径あるいはそれよりも小さい外径を有することが好ましい。これにより、非熱プラズマが第１円環状電極１３２の内周部の表面から第２円環状電極１３３を覆う誘電体部材１３４の表面に効率良く形成される。
【００５１】
誘電体部材１３４は、第２円環状電極１３３を覆うように形成される。誘電体部材は、図３に示した誘電体部材と同様の材料を用いることができる。
【００５２】
プラズマ発生部１３１は、シリンダヘッド部１１の内壁１１ａに埋め込まれており、非熱プラズマＳＰが内壁１１ａの表面に発生する。プラズマ発生部１３１が燃焼室１２側に突出している場合は、混合気の流れに乱れを生じさせる原因となるが、シリンダヘッド部１１の内壁１１ａに埋め込まれることによってこの乱れを低減できる。これにより、点火プラグ５０の中心電極５２の先端部と接地電極５３とからなる点火部５１に、非熱プラズマＳＰによって改質した混合気を円滑に供給できる。さらに、プラズマ発生部１３１は、シリンダヘッド部１１の内壁１１ａに段差なくフラッシュマウント化されていることが好ましい。これにより、混合気の流れの乱れをいっそう低減しつつ、非熱プラズマＳＰを混合気に接触させて効率良く改質できる。
【００５３】
なお、点火プラグ５０は、中心電極５２と接地電極５３とこれらを電気的に絶縁するア絶縁部材５４をし、中心電極５２の先端部と接地電極５３とから点火部５１を構成するが、公知の構造の点火プラグを用いてもよい。
【００５４】
変形例として、第１円環状電極１３２および第２円環状電極１３３は、それぞれ、複数の電極片が円環状に配置され、第１円環状電極１３２の電極片と第２円環状電極１３３の電極片が対向するように構成されてもよい。
【００５５】
図８は、本発明の一実施形態に係るエンジンの点火方法のフローチャートである。以下、図８を参照しつつ、本発明の一実施形態に係るエンジンの点火方法を説明する。
【００５６】
最初に、吸気ポート２０から燃焼室１２に混合気を導入する（Ｓ１００）。なお、変形例として、直接噴射方式の場合は、Ｓ１００の代わりに吸気ポートから燃料室に空気を導入し（Ｓ１０２）、燃料噴射弁１６０によって燃料室で燃料を噴射して混合気を形成してもよい。なお、いずれの場合も、混合気は、吸気ポート２０の形状や公知の構成または公知の手法によってスワール流（ＳＷ）またはタンブル流（ＴＢ１またはＴＢ２）を形成するようにしてもよい。
【００５７】
次いで、シリンダ１０の燃焼室１２に非熱プラズマＳＰを発生し、導入した混合気に非熱プラズマＳＰを接触させる（Ｓ１１０）。具体的には、ＤＢＤプラグ３０のプラズマ発生部３１に高周波電源６１から高周波あるいはパルスの高電圧信号を印加することでヘッドシリンダ部１１の内壁１１ａに非熱プラズマＳＰを発生する。プラズマ発生部３１は、ヘッドシリンダ部１１の内壁１１ａに露出する円環状電極３２ａと、円環状電極３２ａに対向し誘電体部材３４に覆われた円盤状電極３３ａとを有し、ヘッドシリンダ部１１の内壁１１ａに埋め込まれている。円環状電極３２ａの内周部から円盤状電極３３ａに向かう誘電体部材３４の表面に非熱プラズマＳＰが発生し、混合気に非熱プラズマＳＰが接触する。さらに、混合気がシリンダ内壁の表面に沿って流れるので、改質された混合気が点火部５１に接触し易くなり、点火が確実になると考えられる。
【００５８】
次いで、非熱プラズマＳＰに接触した混合気に放電により点火する（Ｓ１２０）。具体的には、混合気に放電により点火するタイミングは、非熱プラズマＳＰの発生中に行う。Ｓ１１０における非熱プラズマＳＰの発生の開始タイミングによって、非熱プラズマＳＰで改質された混合気の広がりを制御することができる.過度に拡散してしまう前に点火することで、後述するように、燃焼速度も高まる。
【００５９】
次いで、非熱プラズマＳＰの発生を停止する（Ｓ１２５）。この後に、圧縮行程により燃焼室内の圧力が上昇し、混合気の燃焼が起こる。
【００６０】
なお、変形例として、非熱プラズマＳＰの発生（Ｓ１１０）の後に、非熱プラズマＳＰの発生を停止（Ｓ１１５）し、その後に、放電により点火（Ｓ１２０）してもよい。後述する実験により、改質された混合気の寿命が４０ｍｓよりも長いと推察されるため、非熱プラズマＳＰの発生停止後にも点火が確実に行われる。
【００６１】
また、混合気がスワール流ＳＷまたはタンブル流ＴＢを形成している場合は、それぞれの上流で非熱プラズマＳＰの発生を行い、その下流で点火部５１により点火を行うようにしてもよい。これにより、非熱プラズマによって改質された混合気のスワール流ＳＷまたはタンブル流ＴＢが過度に拡散しないうちにその下流において確実に短時間で点火が可能になる。
【００６２】
本実施形態に係るエンジンの点火方法によれば、非熱プラズマＳＰに接触した混合気に点火プラグの放電により点火するので、確実に着火し、着火のタイミングも安定し、さらに、燃焼速度が高まる。プラズマ発生部３１がヘッドシリンダ部１１の内壁１１ａに埋め込まれているので誘電体部材３４の表面に非熱プラズマＳＰが発生し、混合気を乱すことなく接触して改質するため、改質された混合気への点火がいっそう確実になると考えられる。
【００６３】
次に、誘電体バリア放電による混合気の改質処理の効果確認実験について説明する。
【００６４】
図９は、本発明の実施形態の効果確認実験に使用した急速圧縮膨張装置の概略構成を示す図である。図９を参照するに、急速圧縮膨張装置４００は、シリンダ４１０に、点火プラグ５０およびＤＢＤプラグ１３０が設けられる。点火プラグ５０およびＤＢＤプラグ１３０は、図７に示した構成と同様の構成を有し、点火プラグ５０の周囲に、ＤＢＤプラグ１３０のプラズマ発生部１３１の第１円環状電極１３２および第２円環状電極１３２が配置されている。急速圧縮膨張装置４００は、混合気の流動を形成するために、燃焼室４１２に多数の孔を形成した多孔流動形成板４１６を設けた。ピストン４１３の圧縮行程において、混合気が多孔流動形成板４１６の孔を通過することで、混合気の所望の流動が形成される。急速圧縮膨張装置４００は、シリンダヘッド部に石英窓４１７が設けられ、燃焼時の火炎の広がりを観察できるようになっている。
【００６５】
図１０は、効果確認実験におけるプラズマ発生と点火プラグによる点火のタイミングを示す図である。
【００６６】
［実施例１］
図１０（ａ）を参照するに、実施例１では、点火プラグによる点火に先立って、ＤＢＤプラグによって非熱プラズマを１３.４ミリ秒（ｍｓ）の時間期間発生させた。非熱プラズマの発生停止後、４０ｍｓ後に点火プラグによって点火した。点火プラグによる点火の時点から非熱プラズマの発生停止までの時間をΔｔで表す（以下同様である）。実施例１の場合は、Δｔはマイナス値になる。この条件で１回実験を行った。
【００６７】
［実施例２］
図１０（ｂ）を参照するに、実施例１では、点火プラグによる点火に先立って、ＤＢＤプラグによって非熱プラズマの発生を開始し、１３.４ｍｓの時間期間発生させた。非熱プラズマの発生中に、点火プラグによって点火した。点火プラグによる点火の時点から非熱プラズマの発生停止までの時間Δｔが、−２ｍｓ、５ｍｓの条件で各１回、−５ｍｓの条件で２回実験を行った。
【００６８】
［比較例１］
図１０（ｃ）を参照するに、比較例１では、点火プラグによる点火を行った後でＤＢＤプラグによって非熱プラズマの発生を開始し、１３.４ｍｓの時間期間発生させた。点火プラグによる点火の時点から非熱プラズマの発生停止までの時間Δｔが１５ｍｓの条件で１回実験を行った。
【００６９】
［比較例２］
比較例２では、図示を省略したが、ＤＢＤプラグによって非熱プラズマの発生を行わず、点火プラグによる点火を行った。この条件で３回実験を行った。
【００７０】
この効果確認実験における条件は以下の通りである。燃料：ｎ（ノルマル）−ヘプタン、圧縮比：７.５、圧縮端温度：６００Ｋ、当量比：０.５６。
【００７１】
図１１は、効果確認実験における燃焼室の圧力変化を示す図である。図１１の横軸は、時間を示し、左端が点火プラグによる点火した時間であり、縦軸は圧縮行程から膨張行程における燃焼室の圧力変化を示す。
【００７２】
図１１を参照するに、実施例１および実施例２は、比較例１や比較例２の３つのデータ曲線に対して、ほぼ同時に圧力が立ち上がり、急激に上昇していることが分かる。一方、比較例２の３つのデータ曲線は、圧力の立ち上がりのタイミングにばらつきが多く、着火が安定しないことが分かる。これらのことから、実施例１および実施例２の場合は、非熱プラズマによって改質処理された混合気は、着火が安定し、着火が促進されたことが分かる。さらに、実施例１および実施例２の場合は、非熱プラズマによる改質処理によって、燃焼速度が高まり、最大圧力までの時間が短縮されたことが分かる。
【００７３】
図１２は、効果確認実験における燃焼割合を説明する図である。図１２の横軸は点火プラグによる点火からの経過時間（ｍｓ）であり、縦軸は図１０に示す圧力変化から推定した燃焼割合を示す。なお、比較例２のデータは、図１１において最も速く圧力が立ち上がったデータを使用している。
【００７４】
図１２を参照するに、実施例１および実施例２は、比較例１および比較例２と比較して、燃焼割合が速く立ち上がり、燃焼割合の曲線の傾きも大きいことが分かる。このことから、上述したように、実施例１および実施例２の場合は、着火が促進され燃焼速度が高まり、最大圧力までの時間が短縮されたことが分かる。これにより、エンジンの出力を向上できることが分かる。
【００７５】
図１３は、効果確認実験における非熱プラズマの有効維持時間を示す図である。図１３の横軸は、点火プラグによる点火から非熱プラズマの発生停止までの時間Δｔ（ｍｓ）を示し、縦軸は、誘電体バリア放電による混合気の改質処理効果として、点火プラグによる点火から燃焼室の圧力が２０ｂａｒになるまでの時間（ｍｓ）である。なお、実施例２のΔｔが−５ｍｓの場合は２回の実験のデータがほぼ重なっている。
【００７６】
図１３を参照するに実施例１は、非熱プラズマの発生停止から点火プラグによる点火まで４０ｍｓあるのにも拘わらず、実施例２とほぼ同じ時間で２０ｂａｒに到達した。このことから、誘電体バリア放電による改質された混合気は、数十ｍｓの比較的長い時間、易着火の状態を維持し、点火プラグによる点火によって確実に着火して燃焼速度が高まることが分かる。
【００７７】
一方、比較例１は、２０ｂａｒになるまでの時間が２４ｍｓであり、非熱プラズマの発生を行わなかった比較例２と同様の結果になった。このことから、点火プラグによる点火は、非熱プラズマの発生を予め行うか、非熱プラズマの発生中に行うことが好ましいことが分かる。
【００７８】
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。上述した実施形態は互いに組み合わせることができ、例えば、シリンダとＤＢＤプラグとを互いに組み合わせることができる。また、エンジンの点火方法の実施形態の説明では、主に、図１３に示したエンジンおよびシリンダの実施形態を例に説明したが、エンジンの点火方法の実施形態は、図４〜図７に示した、シリンダあるいはＤＢＤプラグに適用可能である。
【００７９】
なお、以上の説明に関してさらに以下の付記を開示する。
（付記１）
シリンダ内壁に設けられ、前記燃焼室に非熱プラズマを発生して、空気と燃料とを含む混合気を改質可能なプラズマ発生部であって、該プラズマ発生部は、該燃焼室に露出する第１の電極と、該第１の電極と対向し誘電体材料に覆われた第２の電極とを有し、該シリンダ内壁に埋め込まれてなる、該プラズマ発生部と、
前記シリンダ内壁に設けられ、放電により前記改質された混合気に点火する点火部と、
を備える、エンジン。
（付記２）  前記燃焼室に前記混合気を導入する吸気ポートをさらに備える、付記１記載のエンジン。
（付記３）  前記燃焼室に前記空気を導入する吸気ポートと、
前記導入された空気に前記燃料を噴射する燃料噴射弁と、
を更に備える、付記１記載のエンジン。
（付記４）  前記吸気ポートは、前記燃焼室に前記混合気のスワール流を生じさせ、
前記吸気ポートと前記プラズマ発生部と前記点火部とが互いにシリンダヘッド部の周方向に配置してなる、付記２または３記載のエンジン。
（付記５）  前記吸気ポートは一つのシリンダに対して複数設けられ、
前記複数の吸気ポートの少なくとも一つが、前記燃焼室に前記混合気のスワール流を生じさせ、
前記少なくとも一つの吸気ポートと前記プラズマ発生部と前記点火部とが互いにシリンダヘッド部の周方向に配置してなる、付記２または３記載のエンジン。
（付記６）  前記吸気ポートは一つのシリンダに対して２つ設けられ、
前記２つの吸気ポートが、前記燃焼室に前記混合気のスワール流を生じさせ、
前記２つの吸気ポートと前記プラズマ発生部と前記点火部とが互いにシリンダヘッド部の周方向に配置してなる、付記２または３記載のエンジン。
（付記７）  前記プラズマ発生部は、前記点火部に対して、前記スワール流の上流に配置してなる、付記４〜６のうちいずれか一項記載のエンジン。
（付記８）  前記吸気ポートは、前記燃焼室に前記混合気のタンブル流を生じさせ、
前記吸気ポートと前記プラズマ発生部と前記点火部とが互いにシリンダの径方向に配置してなる、付記２または３記載のエンジン。
（付記９）  前記吸気ポートは一つのシリンダに対して複数設けられ、
前記複数の吸気ポートの少なくとも一つが、前記燃焼室に前記混合気のタンブル流を生じさせ、
前記少なくとも一つの吸気ポートと前記プラズマ発生部と前記点火部とが互いに前記燃焼室の径方向に配置してなる、付記２または３記載のエンジン。
（付記１０）  前記吸気ポートは一つのシリンダに対して２つ設けられ、
前記２つの吸気ポートが、前記燃焼室に前記混合気のタンブル流を生じさせ、
前記２つの吸気ポートと前記プラズマ発生部と前記点火部とが互いに前記燃焼室の径方向に配置してなる、付記２または３記載のエンジン。
（付記１１）  前記プラズマ発生部は、前記点火部に対して、前記タンブル流の上流に配置してなる、付記８〜１０のうちいずれか一項記載のエンジン。
（付記１２）  前記プラズマ発生部は、前記第１の電極が前記燃焼室に露出する円環状電極であり、前記第２の電極が該円環状電極と同一の中心を有する円盤状である、付記１〜１１のいずれか一項記載のエンジン。
（付記１３）  前記プラズマ発生部の第１の電極および第２の電極は、前記点火部を囲むように配置される、付記１〜３のうちいずれか一項記載のエンジン。
（付記１４）  前記第１の電極および第２の電極は互い異なる半径を有する環状である、付記１３記載のエンジン。
（付記１５）  前記第１の電極および第２の電極は互い異なる半径位置に、互いに対向して複数配置される、付記１３記載のエンジン。
（付記１６）  制御部をさらに備え、
前記制御部が、前記プラズマ発生部が非熱プラズマの発生を開始して前記混合気に接触させ、該非熱プラズマの発生中に前記点火部により該混合気に点火させるように制御する、付記１〜１５のうちいずれか一項記載のエンジン。
（付記１７）  制御部をさらに備え、
前記制御部が、前記プラズマ発生部が非熱プラズマの発生を開始して前記混合気に接触させ、該非熱プラズマの発生を停止した後に、前記点火部により該混合気に点火させるように制御する、付記１〜１５のうちいずれか一項記載のエンジン。
（付記１８）  燃焼室に非熱プラズマを発生するステップであって、空気と燃料とを含む混合気に該非熱プラズマを接触させる、該非熱プラズマを発生するステップと、
前記非熱プラズマに接触した混合気に放電により点火するステップと、
を含み、
前記非熱プラズマは、シリンダ内壁に設けられ前記燃焼室に露出する第１の電極と、該第１の電極と対向し誘電体材料に覆われた第２の電極とを有し、該シリンダ内壁に埋め込まれてなるプラズマ発生部によって発生される、エンジンの点火方法。
（付記１９）  前記非熱プラズマ発生するステップに先立って、前記燃焼室に前記混合気を導入するステップをさらに備える、付記１８記載のエンジンの点火方法。
（付記２０）  前記非熱プラズマ発生するステップに先立って、
前記燃焼室に前記空気を導入するステップと、
前記導入された空気に前記燃料を噴射して、前記混合気を形成するステップと、
を更に備える、付記１８記載のエンジンの点火方法。
（付記２１）  前記非熱プラズマを発生するステップにおいて前記非熱プラズマの発生を停止した後に、前記点火するステップにおいて前記混合気に放電により点火する、付記１８〜２０のうちいずれか一項記載のエンジンの点火方法。
（付記２２）  前記非熱プラズマを発生するステップにおいて前記非熱プラズマの発生中に、前記点火するステップにおいて前記混合気に放電により点火する、付記１８〜２０のうちいずれか一項記載のエンジンの点火方法。
（付記２３）  前記混合気はスワール流またはタンブル流を形成し、
前記非熱プラズマを発生するステップは、前記点火するステップに対して、該スワール流またはタンブル流の上流で行われる、付記１８〜２２のうちいずれか一項記載のエンジンの点火方法。
【符号の説明】
【００８０】
１０，１１０，２１０，３１０，４１０    シリンダ
１０ａ    側壁
１１，１１１，２１１，３１１    シリンダヘッド部
１１ａ，１１１ａ，２１１ａ，３１１ａ    内壁
１２，４１２    燃焼室
１３，４１３    ピストン
２０    吸気ポート
３０，１３０    ＤＢＤプラグ
３１，１３１    プラズマ発生部
３２ａ    円環状電極
３３ａ    円盤状電極
３４，１３４    誘電体部材
５０    点火プラグ
５１    点火部
６２    制御部
１００，１５０    エンジン
１３２    第１円環状電極
１３３    第２円環状電極
１６０    燃料噴射弁
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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