(57)【要約】  超希薄燃焼エンジンや、大量のＥＧＲを行うエンジンであっても、安定した燃焼を可能とする。非熱プラズマ発生部によりシリンダー内に非熱プラズマ発生させ、当該非熱プラズマによる被処理混合気が易燃焼状態を保つ時間帯に、筒内流動の後に点火プラグに到達するまたは点火プラグの電極の周囲に存在する位置に、当該非熱プラズマ発生部を設け、当該非熱プラズマ被処理混合気が易燃焼状態を保つ時間帯の、易燃焼状態の混合気が筒内流動の後に点火プラグに到達するタイミングまたは易燃焼状態の混合気が点火プラグの電極の周囲に存在するタイミングで点火プラグの放電により点火する火花放電着火促進装置。
2017082300.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
予混合燃料を用いるエンジンの混合気圧縮工程のシリンダー内の点火プラグの付近、または点火プラグを含む領域に非熱プラズマを発生させ、非熱プラズマ被処理混合気が易燃焼状態を保つ時間帯の、易燃焼状態の混合気が筒内流動の後に点火プラグに到達するタイミングまたは易燃焼状態の混合気が点火プラグの電極の周囲に存在するタイミングにて点火プラグの放電で点火する、火花放電着火促進方法。
【請求項２】
請求項１記載の火花放電促進方法において、
前記非熱プラズマの発生する位置は、点火プラグからシリンダー半径の１／２以下である、火花放電着火促進方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の火花放電着火促進方法において、
前記非熱プラズマのシリンダーにおける発生する面積は、１ｃｍ２以上から１０ｃｍ２以下である、火花放電着火促進方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の火花放電着火促進方法において、
前記筒内流動は、ピストン運動および／または非熱プラズマ誘起流による流動である、火花放電着火促進方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の火花放電着火促進方法において、
前記非熱プラズマの発生からプラグ点火の時間は、０．１ｍｓ以上から２０ｍｓ以下である、火花放電着火促進方法。
【請求項６】
非熱プラズマ発生部によりシリンダー内に非熱プラズマを発生させ、前記非熱プラズマによる被処理混合気が易燃焼状態を保つ時間帯に筒内流動の後に点火プラグに到達するまたは点火プラグの電極の周囲に存在する位置に当該非熱プラズマ発生部を設け、前記非熱プラズマによる被処理混合気が易燃焼状態を保つ時間帯の、易燃焼状態の混合気が筒内流動の後に点火プラグに到達するタイミングまたは易燃焼状態の混合気が点火プラグの電極の周囲に存在するタイミングで点火プラグの放電により点火する、火花放電着火促進装置。
【請求項７】
請求項６記載の火花放電着火促進装置において、
前記非熱プラズマ発生部は、点火プラグからシリンダー半径の１／２以下の距離の位置に設ける、火花放電着火促進装置。
【請求項８】
請求項６または７記載の火花放電着火促進装置において、
前記非熱プラズマ発生部は、非熱プラズマのシリンダーにおける発生する面積が１ｃｍ２以上から１０ｃｍ２以下である、火花放電着火促進装置。
【請求項９】
請求項６〜８のいずれか１項に記載の火花放電着火促進装置において、
前記筒内流動は、ピストン運動および／または非熱プラズマ誘起流による流動である、火花放電着火促進装置。
【請求項１０】
請求項６記載の火花放電着火促進装置において、
前記非熱プラズマ被処理による混合気が易燃焼状態を保つ時間帯で、筒内流動の後に点火プラグに到達するタイミングまたは易燃焼状態の混合気が点火プラグの電極の周囲に存在するタイミングで点火プラグの放電で点火する時間が、前記非熱プラズマの発生から０．１ｍｓ秒以上２０ｍｓ秒以下である、放電着火促進装置。
【請求項１１】
請求項６〜１０のいずれか１項に記載の火花放電着火促進装置において、
前記非熱プラズマ発生部は、シリンダーに装着された点火プラグの周囲に埋め込まれた埋め込み電極および前記埋め込み電極に対向する露出電極からなり、
エンジンの圧縮行程時、点火プラグの点火タイミングに先立って、前記埋め込み電極と前記露出電極の間にＲＦ高電圧を印加することによりプラズマ放電を行い、燃焼室内において、ラジカルおよび部分酸化物の成分を含むとともに、プラズマ中に形成されるイオンや励起状態のエネルギー緩和によって急速な温度上昇がもたらされた誘起流を点火プラグに向けて生成し、点火タイミングにおいて、点火プラグの中心電極付近に易着火燃焼領域を形成する、火花放電着火促進装置。
【請求項１２】
請求項６〜１０のいずれか１項に記載の火花放電着火促進装置において、
前記非熱プラズマ発生部は、円環状の埋め込み電極、前記埋め込み電極の外径よりも大きい内径を有する露出電極、および円環状の前記埋め込み電極を嵌着する誘電体を有する、火花放電着火促進装置。
【請求項１３】
請求項１１または１２記載の火花放電着火促進装置において、
前記非熱プラズマ発生部の露出電極をシリンダヘッド、シリンダブロックを介してアースし、前記埋め込み電極にＲＦ高電圧を印加し、
前記ＲＦ高電圧を印加するタイミング、印加時間、および印加電圧を制御装置により制御する、火花放電着火促進装置。
【請求項１４】
請求項６〜１３のいずれか１項に記載の火花放電着火促進装置を有するエンジンである火花放電着火促進装置付きエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火花放電着火促進方法、火花放電着火促進装置、および火花放電着火促進装置付きエンジンに関し、特に、超希薄燃焼エンジンや、大量のＥＧＲを行うエンジンの火花放電着火促進に有効な技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車用ガソリンエンジンを初め、予混合燃焼方式のエンジンの燃費改善が最大のテーマとなっており、燃焼効率の観点からは、空燃比を超希薄化や、大量のＥＧＲ等によって超希釈し、ポンピングロスを可能な限り低減することが有効とされている。【０００３】
すなわち、省エネかつ低窒素酸化物排出の観点から混合気を希薄/希釈化して、あるいは超希薄/超希釈化して、動作するエンジンが求められている。【０００４】
しかし、空燃比を超希薄化や、大量の排気ガスを燃焼室に再循環させて超希釈化すると、燃焼が不安定になり、所期の出力を発揮できないばかりか、失火によりかえって燃費の悪化を招いてしまうという問題がある。【０００５】
〈点火プラグによる着火〉
点火プラグにより着火するエンジン内の構成は、シリンダー内燃焼室に着火手段として点火プラグのみ設けたものである（例えば（非特許文献１参照）。その着火の作用は、点火プラグによる、混合気圧縮工程で空中スパーク（火花）を起こして着火する。【０００６】
点火プラグによるスパーク（火花）は、熱プラズマである。熱プラズマは、イオン温度、電子温度とも高温（数千度〜1万度）である。着火は、主にイオン温度が高いことが作用として利用されている。【０００７】
当該従来の着火手段である点火プラグによる着火は、混合気を希薄/希釈化すると着火が不安定になり着火しにくくなる。すなわち、希薄/希釈の領域の混合気でエンジンを運転ができないという問題が発生する。【０００８】
なお、特許文献１には、吸気通路に設けたスワール制御弁の下流に環流排気の導入部を設け、環流排気を燃焼室中央の濃混合気部に分布させることにより、希薄燃焼を可能にすることが記載されている。特許文献２には、ピストン上面に形成したキャビティ内に燃料を噴射し、成層混合気を点火プラグ近傍に導くことが記載されている。しかし、環流排気を燃焼室中央の濃混合気部に分布させたり、成層混合気を点火プラグ近傍に導くようにしても、混合気の希薄化には限度があり、希薄化が可能な運転領域も限定されたものとなっている。【０００９】
〈ディーゼルエンジン〉
ディーゼルエンジンは、点火プラグ等は設けていない。燃料インジェクターを設けた構成である（例えば非特許文献１参照）。着火作用は、高い断熱圧縮（加圧）で、高温化した空気に燃料噴射して着火する。ディーゼルエンジンは、拡散燃焼なので予混合燃焼方式のエンジンとは別の形式のエンジンである。【００１０】
〈非熱プラズマのみによる着火〉
特許文献３には、シリンダー内燃焼室に非熱プラズマを発生する発生手段のみで、点火プラグ等は設けていない構成の混合燃焼方式のエンジン着火技術が開示されている。ただし、非熱プラズマ中のイオン温度はスパークよりはるかに低い温度である。非熱プラズマは低温プラズマ、非熱平衡プラズマともいうことがある。非熱プラズマには、誘電体バリア放電、ストリーマ、マイクロ波等放電などがある。【００１１】
スパーク点火プラグでは局所的な高温着火を用いるが、一方、当該非熱プラズマのみによる着火では、断熱圧縮（加圧）で高温化した混合気に、広い領域にプラズマを発生させ体積的な着火を実現する。【００１２】
スパーク点火プラグによる点火方法は、シリンダー内燃焼室にプラズマを発生する発生手段のみで点火するが、当該点火方法は、混合気を希薄/希釈化して運転ができても、高電圧を印加し、投入電力が大きいためプラズマを発生手段の電極がダメージを受けやすく、電極寿命が短いという問題がある。【００１３】
また、ラジカルの発生効率が悪く、消費電力も大きい。そして、体積的なプラズマの形成のためにも大きな電源が必要であり、プラズマ発生手段を備えた装置全体が大型になってしまう問題がある。【００１４】
なお、例えば特許文献４に開示されている技術も非熱プラズマのみの着火であるが、上記非熱プラズマ着火とは別物である。特許文献４には、吸気管でプラズマにより処理した予混合気をピストンの断熱圧縮により高温化し着火する技術である。これは予混合圧縮着火（HCCI）エンジンを対象とした技術であり別タイプのエンジンである。HCCIエンジンでは着火時期の精密な制御が難しい欠点がある。【００１５】
〈その他の従来技術〉
本願発明者は、先願技術として特願２０１５−５４２６８２を出願した。この先願技術は、シリンダー内燃焼室に点火プラグが設けてある通常の予混合燃焼方式の内燃機関であるが、吸気ポートに到るまでの混合気供給系統に非熱平衡プラズマ発生装置を設けた構成である。【００１６】
吸気ポートに到るまでの混合気供給系統に非熱平衡プラズマ発生装置により発生した易着火状態の予混合気を気筒（シリンダー）の燃焼室に吸入させる技術である。【００１７】
吸気ポートに到るまでの混合気供給系統に非熱平衡プラズマ発生装置により発生したい着火領域、これは、ラジカル等の発生後に部分酸化物等が発生して、これを含む混合気領域は、燃焼室内の点火プラグによるスパークで、元の混合気よりも着火し易くなる。【００１８】
しかし、一定量濃度の当該部分酸化物等を含まなければ希薄混合気の着火の効果がない。上述した先願技術は、吸気ポートに到るまでの混合気供給系統に非熱平衡プラズマ発生装置を設けてあるので、設置の容易さ等のメリットはあるものの、点火プラグまでの吸引で部分酸化物等を含む混合気は混ざって分散して部分酸化物の濃度が薄まり、希薄混合気点火に対して着火し易さは得られない。【００１９】
これを防ぐには、希薄混合気点火を容易にするために吸気混合気のほとんどに一定量濃度の上記部分酸化物等を含むように、大きな体積に渡ってプラズマによる改質をしなければならない。【００２０】
そのためには、エネルギー消費は大きく、プラズマ発生手段も大きくせざるを得ないという問題がある。さらに、混合気のほとんどすべてに非熱プラズマ処理することにより、異常着火が生じやすいことから、逆にノッキングが起きる懸念がある。【００２１】
上述の様に、従来技術による希薄/希釈或いは超希薄/超希釈燃焼エンジンの実現には多くの問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】特開平１１−２１５８号公報
【特許文献２】特開２００２−１１５５４９号公報
【特許文献３】特開２０１４−１０７１９８号公報
【特許文献４】特開２０１５−０５５２２４号公報
【非特許文献】
【００２３】
【非特許文献１】Internal Combustion Engine Fundamentals J.B.Heywood著
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
そこで、本発明の目的は、混合気の希薄化ないし超希薄化でも動作する予混合燃焼方式のエンジンを実現するための、確実にかつ安定して着火し、着火に省エネルギーにて、装置が長寿命、装置が低コスト、比較的小型な火花着火放電着火促進装置、火花着火放電着火促進装置付きエンジン、および火花着火放電着火促進方法を提供することである。【００２５】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴については、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本願発明者は、着火のタイミングの制御の精度かつ確実な着火には、点火プラグを用いる方法が必須であり、一方、希薄化ないし超希薄化で確実に着火させるためには混合気への改質が必須でありそのために非熱プラズマ処理がベストであると考え、従来技術の燃焼技術について鋭意研究した結果、点火のタイミングで点火プラグの電極に改質された易燃焼領域の混合気が到達していないか、あるいは易燃焼領域の混合気が易燃焼状態を維持したまま到達していないことが明らかとなり、本発明に至った。【００２７】
例えば、上述のように、特願2015-54268開示されている方法では、従来の吸気管における非熱プラズマの形成とその処理をされた予混合気の拡散をさけて、吸気バルブが閉じたあとの流動によりスパークプラグ近傍に集中させることは、事実上困難であることが分かった。【００２８】
したがって、混合気の非熱プラズマ処理後の変化を把握し、その易着火性が生かされた着火が着火促進の本質的解決方法である。【００２９】
一般に、非熱プラズマは電子温度（数万℃から数十万℃）のみ高く、イオン温度が電子温度より２桁以上低い特徴を有する。その発生手段は誘電体バリア放電、ストリーマ、マイクロ波放電等により発生させる。混合気の非熱プラズマ処理では次の様なことが起こる。【００３０】
非熱プラズマ発生後速やかにプラズマ中の緩和過程によりラジカル等が発生した後、百マイクロ秒程度の時間までにはラジカルから反応が進み部分酸化物が発生し、圧縮によって燃焼しやすい状態の領域が発生する。形成された部分酸化物等の準安定化学種は数秒程度の寿命を有し、適切な温度圧力状態にならなければ易燃焼性は失われる。【００３１】
気流によっても易燃焼領域の混合気は通常の混合気と送り込むときに混合、拡散等により事実上、その性質が失われ、安定燃焼にはつながらない。【００３２】
すなわち、非熱プラズマとスパークプラグの単なる組み合わせでは上記の希薄、ないし超希薄化エンジンを運転することは困難である。【００３３】
上記課題の解決には、非熱プラズマ処理とプラグ点火のタイミングおよび点火プラグと非熱プラズマの発生位置の選択が技術のカギとなる。【００３４】
すなわち課題の解決の手段は次のとおりである。
（１）予混合燃料を用いるエンジンの混合気圧縮工程のシリンダー内の点火プラグの付近、又はプラグを含む領域に非熱プラズマを発生させ、非熱プラズマ被処理混合気が易燃焼状態を保つ時間帯の、易燃焼状態の混合気が筒内流動の後に点火プラグに到達するタイミングまたは易燃焼状態の混合気が点火プラグの電極の周囲に存在するタイミングで点火プラグの放電で点火することを特徴とする火花放電着火促進方法である。
（２）上記非熱プラズマの発生する位置が、プラグからシリンダー半径の１／２以下であることを特徴とする火花放電着火促進方法である。
（３）上記非熱プラズマのシリンダーにおける発生する面積が、１ｃｍ２以上から１０ｃｍ２以下であることを特徴とする火花放電着火促進方法である。
（４）上記筒内流動が、ピストン運動および/または非熱プラズマ誘起流による流動であることを特徴とする火花放電着火促進方法である。
（５）上記非熱プラズマの発生からプラグ点火の時間が０．１ｍｓ以上から２０ｍｓ以下であることを特徴とする火花放電着火促進方法である。
（６）非熱プラズマ発生手段によりシリンダー内に非熱プラズマ発生させ、当該非熱プラズマによる被処理混合気が易燃焼状態を保つ時間帯に、筒内流動の後に点火プラグに到達するまたは点火プラグの電極の周囲に存在する位置に、当該非熱プラズマ発生手段を設け、当該非熱プラズマ被処理混合気が易燃焼状態を保つ時間帯の、易燃焼状態の混合気が筒内流動の後に点火プラグに到達するタイミングまたは易燃焼状態の混合気が点火プラグの電極の周囲に存在するタイミングで点火プラグの放電により点火することを特徴とする火花放電着火促進装置である。
（７）上記プラズマ発生手段が、プラグからシリンダー半径の１／２以下の距離の位置に設けたことを特徴とする火花放電着火促進装置である。
（８）上記非熱プラズマ部が、非熱プラズマのシリンダーにおける発生する面積が１ｃｍ２以上から１０ｃｍ２以下であることを特徴とする火花放電着火促進装置である。
（９）上記筒内流動が、ピストン運動および/または非熱プラズマ誘起流による流動であることを特徴とする火花放電着火促進装置である。
（１０）上記非熱プラズマ被処理混合気が易燃焼状態を保つ時間帯で、筒内流動の後に点火プラグに到達するタイミングまたは易燃焼状態の混合気が点火プラグの電極の周囲に存在するタイミングで点火プラグの放電で点火する時間が、非熱プラズマの発生から０．１ミリ秒以上２０ミリ秒以下であることを特徴とする火花放電着火促進装置である。
（１１）火花放電着火促進装置が、上記（６）〜（１０）のいずれかに記載の火花放電着火促進装置を備えたエンジンであることを特徴とする火花放電着火促進装置付きエンジンである。
【発明の効果】
【００３５】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
（１）混合気の希薄化ないし超希薄化でも、確実にかつ安定して着火することができる。
（２）省エネルギーにて着火することができる。
（３）装置を長寿命化することができる。
（４）装置を低コストにて実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】実施例１の全体構成を示す図である。
【図２】実施例１における着火促進装置を燃焼室側からみた図である。
【図３】、スパークプラグと着火促進装置の関係を示す図である。
【図４】着火促進装置における左側断面図と電気的な接続を示す図である。
【図５】実施例２の概要を示す図である。
【図６】点火プラグの着火タイミングと、着火促進装置による放電タイミング、放電時間との関係を示す図である。
【図７】混合気の非熱プラズマ処理効果を検証する実験の概要を示す図である。
【図８】圧力履歴に関する実験データを示す図である。
【図９】実験装置において、着火促進装置のリアクタを作動させない場合のシュリーレン計測結果を示す図である。
【図１０】実験装置において、着火促進装置のリアクタを作動させた場合のシュリーレン計測結果を示す図である。
【図１１】４気筒エンジンに着火促進装置を装着した場合の全体構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
〈概要〉
（１）非熱プラズマ発生部によりシリンダー内に非熱プラズマ発生させ、当該非熱プラズマによる被処理混合気が易燃焼状態を保つ時間帯に、筒内流動の後に点火プラグに到達する、または点火プラグの電極の周囲に存在するために、（時間を遡ってプラズマが存在する）位置に非熱プラズマを発生するための当該非熱プラズマ発生部を設け、易燃焼状態の混合気が点火プラグの電極に到達、或いは点火プラグの電極の周囲に存在するタイミングで点火プラグにより点火しないと、非熱プラズマで処理しても混合気の易着火性は十分ではなく、希薄/希釈混合気の安定した着火はできない。
【００３８】
したがって、火花放電着火促進方法、及び火花放電着火促進装置は、非熱プラズマ発生部によりシリンダー内に非熱プラズマ発生させ、当該非熱プラズマによる被処理混合気が易燃焼状態を保つ時間帯に、筒内流動の後に点火プラグに到達するまたは点火プラグの電極の周囲に存在する位置に、当該非熱プラズマ発生部を設け、当該非熱プラズマ被処理混合気が易燃焼状態を保つ時間帯の、易燃焼状態の混合気が筒内流動の後に点火プラグに到達するタイミングまたは易燃焼状態の混合気が点火プラグの電極の周囲に存在するタイミングで点火プラグの放電により点火する。
【００３９】
（２）混合気の圧縮工程から、点火プラグによる点火までの時間で、混合気のが筒内流動でシリンダー半径の1/2以上の距離の移動はほとんど不可能である。
【００４０】
したがって、火花放電着火促進方法、及び火花放電着火促進装置は、非熱プラズマの発生する位置が、添加プラグからシリンダー半径の１／２以下である必要がある。
【００４１】
（３）非熱プラズマ部による、非熱プラズマのシリンダーにおける発生する面積が１ｃｍ２より小さくなると、非熱プラズマ処理の効果は十分ではなくなる。一方、非熱プラズマ部による、非熱プラズマのシリンダーにおける発生する面積が１０ｃｍ２以を超えると易燃焼領域が広くなりすぎて、異常燃焼が起こる危険性が出てくる。
【００４２】
したがって、火花放電着火促進方法、および火花放電着火促進装置は、熱プラズマのシリンダーにおける発生する面積が１ｃｍ２以上から１０ｃｍ２以下である必要がある。
【００４３】
（４）筒内流動は、通常の点火プラグだけのエンジンでは、圧縮工程の混合ガスが、（点火プラグによる）点火までにピストン運動により起こる流動である。圧縮工程の混合ガスが、（点火プラグによる）点火までに、混合気の一部に非熱プラズマ処理するので、非熱プラズマ誘起流による流動も起こる。
【００４４】
したがって、筒内流動は、圧縮工程の混合ガスが、（点火プラグによる）点火までにピストン運動および/または非熱プラズマ誘起流により起こる流動である。一般に、筒内流動は技術的には測定で概ね把握でき、あるいはコンピュータシミュレーションでもある程度予測できる。
【００４５】
（５）ガソリンエンジンのシリンダー内の混合気は、非熱プラズマ処理において、非熱プラズマ発生直後にラジカル等が発生し、その後、１０マイクロ秒程度の時間でラジカルから反応が進み部分酸化物が発生し、燃焼しやすい状態の領域が発生する。
【００４６】
点火プラグによる着火にふさわしい易燃焼状態は点火プラグによる点火の時間が０．１ｍｓ以上であることが望まし良い。一方、形成された部分酸化物等の準安定化学種は数秒の寿命を有し、易燃焼性は失われる。したがって、長くとも、点火プラグによる点火の時間が、非熱プラズマの発生から２０ｍｓ以内である必要がある。
【００４７】
すなわち、火花放電着火促進方法、及び火花放電着火促進装置は、非熱プラズマ被処理混合気が易燃焼状態を保つ時間帯で点火プラグにより点火するタイミングが、非熱プラズマの発生からプラグ点火の時間が０．１ｍｓ以上２０ｍｓ以下である必要がある。
【００４８】
非熱プラズマ発生部と点火プラグとの位置関係などを初め、着火装置はエンジン本体との位置関係、大きさ関係、また非熱プラズマ発生部動作と点火プラグタイミング動作との関係があるため、火花放電着火促進装置付きエンジンとして効果が発揮される。
【００４９】
以下、実施の形態を詳細に説明する。
【実施例１】
【００５０】
図１は、実施例１の全体構成を示す。シリンダヘッド１には、スパークプラグ２が装着されており、スパークプラグ２の周囲には、非熱プラズマ放電に伴い誘起流を発生する着火促進装置３が設置されている。実施例1は非熱プラズマ発生手段の電極がシリンダー内部の面にそって設けているので、シリンダー面上に非熱プラズマ発生する面積の大きさを自由に設定して設置し易い構成である。【００５１】
図２は、シリンダヘッド１を燃焼室側から見た図であり、本実施例では、スパークプラグ２は、吸気バルブ４、排気バルブ５に取り囲まれた中央部に配置されている。【００５２】
なお、燃料供給方式は、ポート噴射、直噴いずれの方式でもよい。【００５３】
図３は、スパークプラグ２と着火促進装置３の関係を示したもので、円環状の着火促進装置３の開口部からスパークプラグ２の中心電極、設置電極が突出するよう配置されている。【００５４】
スパークプラグ２は、通常のエンジンと同様にシリンダヘッド１に形成されたプラグ孔に螺合される。【００５５】
図１に示すように、シリンダヘッド１の燃焼室側壁面には、プラグ孔の周囲に沿って凹部が形成されており、この凹部に円環状の着火促進装置３が燃焼室内に段差が発生しないよう嵌め込まれ、燃焼室形状に影響を与えないようにしている。【００５６】
なお、特殊な燃焼室形状を採用して、プラグ付近に極めて早い流動を形成する場合などは、上流側に着火促進装置３を設置することが望ましい。【００５７】
図４は、着火促進装置３における左側断面図と電気的な接続を示す図であり、アルミナセラミック、サファイヤ等の燃焼室温度に対し耐久性の高い材料から成型された円環状の誘電体３ａに、やはり円環状の埋め込み電極３ｂが埋め込まれている。電極３ｂは誘電体３ａの燃焼室側底面から深さｄ（数百ミクロンから数ミリメートル程度）の位置に、略平行に配置されている。【００５８】
一方、円環状の誘電体３ａの燃焼室側底面には、埋め込み電極３ｂの外周側には、露出電極３ｃが半径方向に距離Ｌ（０から数ミリメートル程度）だけ離隔するよう取り付けられている。なお、埋め込み電極３ｂも、点火プラグの中心電極に使用されている金属等、燃焼室温度に対し耐久性が高く、ある程度の導電性を有する材料で成形し、シリンダブロックを介して接地電極を形成すればよい。シリンダブロックそのものを露出電極とすることも可能である。【００５９】
パルス電圧印加装置６を介して、埋め込み電極３ｂに交流のＲＦ高電圧を印加すると、アースされた埋め込み電極３ｂの下方付近との間で、燃焼室内に放電に伴う非熱プラズマが発生し、非熱プラズマ中を通過した予混合気中にはラジカルやイオン、部分酸化物等が生成される。また、非熱プラズマ中に形成されるイオンや励起状態のエネルギー緩和によって急速な温度上昇ももたらされる。この混合気は、プラズマ発生に伴う誘起流により矢印の方向、すなわち燃焼室の外周側から燃焼室中央部に向けて流れる。このため点火プラグの周辺には、ラジカルや部分酸化物を高濃度に含む混合気が集まり、点火プラグで放電が生じると、これを起点に混合気が燃焼を開始し、燃焼室の外周側に向けて燃焼が伝搬する。【００６０】
これにより、超希薄混合気であっても、ノッキングや失火を生じることなく、燃焼室全体にわたり円滑な燃焼が行われる。なお、パルス電圧印加装置６は、後述するように、点火時期制御装置と連携する制御装置７により、埋め込み電極３ｂに印加するＲＦ高電圧のタイミング、電圧値、印加時間が制御される。【００６１】
図６は、点火プラグの着火タイミングと、着火促進装置３による放電タイミング、放電時間との関係を示すものである。基本的には、点火プラグの着火タイミングのΔｔ前から着火促進装置３による放電を開始し、着火タイミング時に放電を終了することにより、着火タイミング時に誘起流が点火プラグ周辺に形成されるようにする。【００６２】
例えば、エンジンの回転数が１２００ｒｐｍのときは、クランク角度が上死点から１０°手前、２４００ｒｐｍのときは、クランク角度が上死点から２０°手前から放電を開始し、放電時間として１ｍｓ程度を確保する。【００６３】
実施例1の火花放電着火促進装置付きエンジンは上記の構成であるので、混合気の希薄化ないし超希薄化でも、火花放電着火促進装置の着火促進の効果を奏し確実にかつ安定して着火することができる。【００６４】
また、非熱プラズマ発生手段は、点火プラグによる着火を促進する事のみ作用するので、特段大きな電力を投入することなく、省エネルギーにて着火することができる。【００６５】
それゆえ、プラズマを発生する電極等に負担が小さく、装置が長寿命であり、その電源も含め大型にする必要はないので、装置は低コストにて実現することができる。【００６６】
（比較例１）
実施例１のエンジンで非熱プラズマ発生手段を作動せず運転を行う場合、通常の点火プラグのみの着火で運転となり、従来エンジンと同様の運転となる。【００６７】
当該運転に使用する混合気を希薄化ないし超希薄化すると、点火プラグだけによる着火は、安定に行われず、運転不可能となる。【００６８】
（比較例２）
本願発明者による先願技術特願２０１５−５４２６８２は、シリンダー内燃焼室に点火プラグが設けてある通常の予混合燃焼方式の内燃機関であるが、吸気ポートに到るまでの混合気供給系統に非熱平衡プラズマ発生装置を設けた構成である。【００６９】
当該比較例２のエンジンに、使用する混合気を希薄化ないし超希薄化すると、比較例１の従来エンジンより着火しやすさは改善されるものの、着火は安定せず、超希薄ないし超希釈では運転不可能となる。【００７０】
実施例１に比べ、比較例２のエンジンの構成は、混合気供給系において非熱プラズマ処理された混合気は、その後シリンダー内に吸気、圧縮、（点火プラグによる）点火までの経路が長く、非熱プラズマの非処理の混合気と混合・拡散が進み、易燃焼性を失い易い。【００７１】
比較例２のエンジンを混合気希薄化ないし超希薄化しても運転（着火）を安定させるには、非熱プラズマ処理される混合気の体積割合を大きくする必要がある。【００７２】
すなわち、希薄混合気点火を容易にするために吸気混合気のほとんどに一定量濃度の上記部分酸化物等を含むように、大きな体積に渡ってプラズマによる改質をしなければならない。【００７３】
そのために、当該比較例２のエンジンには、大きな非熱プラズマ発生手段とそれに電力を供給する大きな電源が必要となる。しかし、それは易燃焼状態の混合気が大量に発生させて吸気するので、点火プラグによる着火前のタイミングで異常燃焼してノッキング等の危険性が増大する。
【実施例２】
【００７４】
図５に実施例２の構成を示す。実施例２は、スパークプラグ１の中心電極が貫通する碍子部分に、環状の埋め込み電極３ｂを埋め込み、碍子の外表面に、環状の露出電極３ｃを装着することで、碍子部分の外周と接地電極との間に形成された空間から燃焼室内部に向けてプラズマ発生に伴う誘起流を噴出する。
シリンダー内比熱プラズマ発生面積を稼ぐには一体化したプラグ周辺のセラミック製の電気絶縁管部材を太くするおよび/または長くする必要があるが、エンジンシリンダーへの取り付けはほぼ通常の点火プラグと同様で、取り付け、交換が容易で、保守点検が容易な構成である。
以上、本発明者によってなされた発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【参考：混合気の非熱プラズマ処理効果を検証する実験】
【００７５】
以下、本発明における、混合気の非熱プラズマ処理効果を検証する実験について説明する。
【００７６】
図７は、実験装置の概要を示すもので、着火から燃焼に到る様子を可視化するために、急速圧縮膨張装置（ＲＣＥＭ）ライナー８の一端には、透明の石英窓９が装着されている。ＲＣＥＭライナー８内を .動するＲＣＥＭピストン１０により、燃焼室１１が形成され、内部の混合気が圧縮される。燃焼室１１の上部から、パルスＹＡＧレーザー光１２を集光し、燃焼室１１内の中央でブレイクダウンを形成することで着火させる。このとき、燃料はイソオクタン、等量比０.５、圧縮比は５.５、回転数１２００ｒｐｍ相当で、非熱プラズマを発生させるリアクタ１３は、レーザーブレイクダウン位置に誘起流を到達させるために市販のスパークプラグを改造して、プラズマアクチュエータから垂直にジェット状の誘起噴流を形成するプラズマアクチュエータを用い、印加電圧Ｖｐｐ=７.８ｋＶ（交流電圧のピークからピーク）印加時間は、パルスＹＡＧレーザー光１２による着火タイミングまでの３６ｍｓとした。
【００７７】
圧力履歴は、図８に示すとおりであり、リアクタ１３を作動させない場合は、破線で示すとおり、４０ｍｓ経過以降の圧力が平坦であるのに対し、リアクタ１３を作動させると、実線に示すとおり、１８０ｍｓに到るまで圧力が上昇し、着火、燃焼が発生していることが確認できる。
【００７８】
図９、図１０は、石英窓９を通して４ｍｓ毎に撮影したシュリーレン計測の結果を示すもので、同じ作動条件で、着火促進装置３のリアクタ１３を作動させない場合、作動させた場合をそれぞれ示している。
【００７９】
両図を比較すると明らかなように、リアクタ１３を作動させないときは、ほとんど火炎が伝播せず、圧縮端の流動中に失火しているが、リアクタ１３を作動させると、点火に成功し、燃焼室内の混合気に伝搬していることが確認できる。
【００８０】
図１１は、４気筒エンジンに着火促進装置３を装着した場合の全体構成を示すもので、点火時期制御に使用されているマイクロコンピュータにより制御装置７が構成され、クランク角センサの検出に基づき、回転数に応じて、点火タイミングを終了時期として、埋め込み電極３ｂに対する最適なＲＦ高電圧の電圧値、印加開始タイミングを制御する。
【００８１】
また、高回転数においては、誘起流速を早くする必要があることから、エンジン回転数の増大に応じて、ＲＦ高電圧の電圧値を高くする制御を取り入れることも有効である。また、高負荷状態などで着火が安定しているときは、着火促進装置３の作動を停止させてもよい。
【００８２】
なお、埋め込み電極３ｂにＲＦ高電圧を印加し非熱プラズマを発生させるために必要な電力は、およそ３Ｗであり、印加時間幅を１５ｍｓ、回転数を２４００ｒｐｍで平均電力は１Ｗ程度で、エンジン出力からみて無視できる程度のものである。  
【符号の説明】
【００８３】
１  シリンダヘッド
２  スパークプラグ
３  着火促進装置
３ａ  誘電体
３ｂ  埋め込み電極
３ｃ  露出電極
４  吸気バルブ
５  排気バルブ
６  パルス電圧印加装置
７  制御装置
８  ＲＣＥＭライナー
９  石英窓
１０  ＲＣＥＭピストン
１１  燃焼室
１２  パルスＹＡＧレーザー光
１３  リアクタ
【図１】
2017082300.tif 000003
【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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【手続補正書】
【提出日】平成30年6月11日(2018.6.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
予混合燃料を用いるエンジンの着火促進方法であって、
前記エンジンの圧縮工程において、シリンダー内の点火プラグの周囲または該点火プラグを含む領域に非熱プラズマ発生部によって非熱プラズマを発生させて混合気を処理するステップであって、該非熱プラズマ発生部が誘電体に埋め込まれた埋め込み電極と該埋め込み電極に対向する露出電極とを有する、該ステップと、
前記発生した非熱プラズマによって処理された混合気が易燃焼状態を保つ時間内で、該混合気が筒内流動によって前記点火プラグに到達するタイミング、または該混合気が該点火プラグの電極を含む領域に存在するタイミングにて該点火プラグの放電で該混合気に点火するステップと、を含む、着火促進方法。
【請求項２】
前記埋め込み電極および前記露出電極は、円環状であり、前記点火プラグを囲むように配置され、該露出電極が該埋め込み電極の外径よりも大きい内径を有する、請求項１に記載の着火促進方法。
【請求項３】
前記非熱プラズマ発生部は、前記点火プラグからシリンダー半径の１／２以内に配置される、請求項１または２記載の着火促進方法。
【請求項４】
前記非熱プラズマを発生する面積が１ｃｍ２以上１０ｃｍ２以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の着火促進方法。
【請求項５】
前記筒内流動は、ピストン運動および／または非熱プラズマ誘起流による流動である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の着火促進方法。
【請求項６】
前記非熱プラズマの発生からプラグ点火の時間は、０．１ｍｓ以上２０ｍｓ以下である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の着火促進方法。
【請求項７】
シリンダー内に設けられ、非熱プラズマを発生させてその非熱プラズマによって予混合燃料の混合気を処理して昜燃焼状態の混合気を形成する非熱プラズマ発生部であって、誘電体に埋め込まれた埋め込み電極と該埋め込み電極に対向する露出電極とを有する該非熱プラズマ発生部と、
前記シリンダーに装着され、前記易燃焼状態の混合気に放電によって点火する点火プラグと、を備え、
前記非熱プラズマ発生部は、前記混合気が易燃焼状態を保つ時間内で、該混合気が筒内流動によって前記点火プラグに到達し得る位置、または該混合気が前記点火プラグの電極を含み得る位置に配置される、着火促進装置。
【請求項８】
前記埋め込み電極および前記露出電極は、円環状であり、前記点火プラグを囲むように配置され、該露出電極が該埋め込み電極の外径よりも大きい内径を有する、請求項７記載の着火促進装置。
【請求項９】
前記非熱プラズマ発生部の前記露出電極は、シリンダーヘッドおよびシリンダーブロックを介してアースされ、
前記埋め込み電極は、ＲＦ高電圧が印加される、請求項７または８に記載の着火促進装置。
【請求項１０】
前記非熱プラズマ発生部は、点火プラグからシリンダー半径の１／２以内に配置される、着火促進装置。
【請求項１１】
前記非熱プラズマ発生部は、前記非熱プラズマを発生する面積が１ｃｍ２以上１０ｃｍ２以下である、請求項７〜１０のいずれか１項に記載の着火促進装置。
【請求項１２】
前記筒内流動は、ピストン運動および／または非熱プラズマ誘起流による流動である、請求項７〜１１のいずれか１項に記載の着火促進装置。
【請求項１３】
前記非熱プラズマ発生部が非熱プラズマを発生してから前記点火プラグが前記混合気に点火する時間が、０．１ｍｓ秒以上２０ｍｓ秒以下である、請求項７〜１２のいずれか１項に記載の着火促進装置。
【請求項１４】
前記埋め込み電極と前記露出電極との間にＲＦ高電圧を印加して前記非加熱プラズマを発生する、請求項７〜１１のいずれか１項に記載の着火促進装置。
【請求項１５】
シリンダーと、
請求項７〜１４のいずれか１項に記載の着火促進装置と、を備えるエンジン。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３６】
【図１】実施例１の全体構成を示す図である。
【図２】実施例１における着火促進装置を燃焼室側からみた図である。
【図３】スパークプラグと着火促進装置の関係を示す図である。
【図４】着火促進装置における断面図と電気的な接続を示す図である。
【図５】実施例２の概要を示す図である。
【図６】点火プラグの着火タイミングと、着火促進装置による放電タイミング、放電時間との関係を示す図である。
【図７】混合気の非熱プラズマ処理効果を検証する実験の概要を示す図である。
【図８】圧力履歴に関する実験データを示す図である。
【図９】実験装置において、着火促進装置のリアクタを作動させない場合のシュリーレン計測結果を示す図である。
【図１０】実験装置において、着火促進装置のリアクタを作動させた場合のシュリーレン計測結果を示す図である。
【図１１】４気筒エンジンに着火促進装置を装着した場合の全体構成を示す図である。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５７】
図４は、着火促進装置３における断面図と電気的な接続を示す図であり、アルミナセラミック、サファイヤ等の燃焼室温度に対し耐久性の高い材料から成型された円環状の誘電体３ａに、やはり円環状の埋め込み電極３ｂが埋め込まれている。電極３ｂは誘電体３ａの燃焼室側底面から深さｄ（数百ミクロンから数ミリメートル程度）の位置に、略平行に配置されている。
【国際調査報告】
2017082300.tif 000014
2017082300.tif 000015
2017082300.tif 000016