(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
往復移動可能なピストン（３０）と、
前記ピストンを収容し、前記ピストンの往復移動により容積が可変する燃焼室（２２）を形成するシリンダ（２０）と、
前記燃焼室に燃料を供給する燃料供給手段（２５）と、
前記シリンダに設けられ前記燃焼室に電界を形成する電界形成手段（３５）と、
前記電界形成手段が形成する電界の強さおよび電界を形成する時間を制御する制御部（５０）と、
を備え、
前記ピストンは、前記燃焼室を形成するピストン面（３１）に帯電可能なピストン絶縁膜（３２）が形成され、
前記制御部は、前記ピストンの往復移動に合わせて内燃機関の燃焼行程前に前記電界形成手段によって前記ピストン絶縁膜を帯電させることが可能であって、前記燃焼室の圧力の大きさに応じて前記燃焼室に形成する電界の強さを制御することを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記シリンダは、前記燃焼室を形成する内壁面（２４１、２６１）に帯電可能なシリンダ絶縁膜（２４２、２６２）が形成されることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記燃焼室に少なくとも大気を供給する吸気弁（１８）を備え、
前記吸気弁は、前記燃焼室を形成する吸気弁端面（１８１）に帯電可能な吸気弁絶縁膜（１８２）が形成されることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記燃焼室の排気を排出する排気弁（４８）を備え、
前記排気弁は、前記燃焼室を形成する排気弁端面（４８１）に帯電可能な排気弁絶縁膜（４８２）が形成されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記ピストン絶縁膜は、酸化アルミ、または、酸化珪素を主成分とする絶縁材料または半導体材料から形成されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項６】
前記ピストン絶縁膜は、凹凸状に形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項７】
前記ピストン絶縁膜上には、前記ピストン絶縁膜に比べ帯電しやすい帯電膜（３３、２４３、２６３、１８３、４８３）が形成されることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項８】
前記電界形成手段は、高電圧が印加されると前記燃焼室に電界を形成することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項９】
前記燃焼室に供給する燃料を帯電させる帯電手段（２５１）を備え、
前記燃料供給手段は、帯電した燃料を前記燃焼室に供給することを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の内燃機関。
【請求項１０】
往復移動可能なピストン（３０）と、
前記ピストンを収容し、前記ピストンの往復移動により容積が可変する燃焼室（２２）を形成するシリンダ（２０）と、
前記燃焼室に燃料を供給する燃料供給手段（２５）と、
前記シリンダに設けられ前記燃焼室に電界を形成する電界形成手段（３５）と、
前記電界形成手段が形成する電界の強さおよび電界を形成する時間を制御する制御部（５０）と、
を備え、
前記ピストンは、前記燃焼室を形成するピストン面（３１）に帯電可能なピストン絶縁膜（３２）が形成され、
前記制御部は、前記ピストンの往復移動に合わせて内燃機関の燃焼工程前に前記電界形成手段によって前記ピストン絶縁膜を帯電させることが可能であって、前記燃焼室の圧力の大きさに応じて前記燃焼室に形成する電界の強さを制御する内燃機関の制御方法であって、
前記電界形成手段は、排気行程、吸気行程、及び、圧縮行程の少なくとも一つ以上の行程において前記燃焼室に電界を形成することを特徴とする内燃機関の制御方法。
【請求項１１】
前記電界形成手段は、排気行程と吸気行程との間であって前記ピストンが上死点にあるとき、前記燃焼室に電界を形成することを特徴とする請求項１０に記載の内燃機関の制御方法。
【請求項１２】
前記電界形成手段は、圧縮行程中に前記燃焼室に電界を形成することを特徴とする請求項１０または１１に記載の内燃機関の制御方法。
【請求項１３】
前記電界形成手段は、前記内燃機関の始動から一定の時間、前記ピストン絶縁膜または前記ピストン絶縁膜上に形成され前記ピストン絶縁膜に比べ帯電しやすい帯電膜を負に帯電させることを特徴とする請求項１０から１２のいずれか一項に記載の内燃機関の制御方法。
【請求項１４】
前記電界形成手段は、前記内燃機関の始動から一定の時間経過した後、前記ピストン絶縁膜または前記ピストン絶縁膜上に形成され前記ピストン絶縁膜に比べ帯電しやすい帯電膜を正に帯電させることを特徴とする請求項１０から１３のいずれか一項に記載の内燃機関の制御方法。
【請求項１５】
前記電界形成手段は、燃焼行程において前記燃焼室の電界を形成することを特徴とする請求項１０から１４のいずれか一項に記載の内燃機関の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関およびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃焼室の燃焼を電界によって促進させる内燃機関が知られている。例えば、特許文献１には、燃焼行程中にシリンダのガスケットとピストンとの間に電界を形成する内燃機関が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平０１−０３６９１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の内燃機関では、正極の性質を有している火炎は負極となっているガスケットの方向に移動する。一般に、火炎が有する燃焼熱に対して燃焼室を形成する壁面を通って外部に放出される燃焼熱、いわゆる、冷却損失は、ピストンやシリンダヘッド部を介して外部に放出される熱量の割合が比較的高い。特許文献１に記載の内燃機関では、ピストンの端面とガスケットとを結ぶ限られた領域にのみ形成される電界が火炎のシリンダヘッド部内壁やシリンダライナ部内壁近傍への接近あるいは衝突を妨げる効果は小さく、冷却損失を大幅に低減することができない。このため、熱効率向上の効果は小さいと考えられる。
【０００５】
本発明の目的は、熱効率を向上する内燃機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、ピストンと、ピストンの往復移動によって容積が可変する燃焼室を形成するシリンダと、シリンダに設けられ燃焼室に電界を形成する電界形成手段と、電界形成手段が形成する電界の強さおよび電界を形成する時間を制御する制御部と、を備える内燃機関であって、ピストンは、燃焼室を形成する端面に帯電可能なピストン絶縁膜が形成されることを特徴とする。また、本発明の内燃機関では、制御部は、ピストンの往復移動に合わせて内燃機関の燃焼行程前に電界形成手段によってピストン絶縁膜を帯電させることが可能であって、燃焼室の圧力の大きさに応じて燃焼室に形成する電界の強さを制御することを特徴とする。
【０００７】
一般に、火炎は正極の性質を有し、電界中において正極と反発し負極に近づくよう振る舞うことが知られている。本発明の内燃機関では、燃焼室内に設けられた電界形成手段によってピストンに設けられている絶縁膜を正または負に帯電させる。これにより、本発明の内燃機関では、燃焼室壁面全体に電界が形成され、燃焼室の火炎は絶縁膜の極性にあわせて燃焼室壁面との距離が制御される。例えば、絶縁膜を正に帯電させると、火炎は絶縁膜のある燃焼室壁面から離れ、燃焼室の中心に偏る。これにより、火炎が有する燃焼熱のうち燃焼室壁面から放出される燃焼熱が少なくなり、冷却損失を低減することができる。このように、本発明の内燃機関は、燃焼室壁面、特にピストンやシリンダヘッドからの燃焼熱の放出量を制御し、内燃機関の冷却損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１実施形態による内燃機関の模式図である。
【図２】図１のＩＩ部拡大図である。
【図３】本発明の第１実施形態による内燃機関の制御方法を説明するタイムチャートである。
【図４】本発明の第１実施形態による内燃機関における絶縁膜の帯電方法を説明する模式図である。
【図５】本発明の第１実施形態による内燃機関における燃焼室の火炎の位置を説明する要部断面図である。
【図６】本発明の第２実施形態による内燃機関の要部拡大図である。
【図７】本発明の第２実施形態による内燃機関の制御方法を説明するタイムチャートである。
【図８】本発明の第３実施形態による内燃機関の要部拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１０】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による内燃機関について、図１から図５に基づいて説明する。
【００１１】
第１実施形態によるエンジン１は、例えば、軽油を直接燃焼室２２に噴射する直噴式の４ストロークエンジンである。エンジン１は、吸気系１０、シリンダ２０、ピストン３０、電界形成電極３５、排気系４０、制御部５０などから構成されている。なお、図１には、吸気系１０に導入される空気の流れを矢印Ｓ１、排気系４０から大気に排出される排気の流れを矢印Ｓ２で示す。
【００１２】
吸気系１０は、大気中の空気を燃焼室２２に供給する。吸気系１０は、吸気管１２、スロットルバルブ１４、及び、吸気弁１８などから構成されている。
【００１３】
吸気管１２は、吸気管１２が形成する吸気通路１２１が大気とシリンダ２０内に形成される燃焼室２２とを連通するよう設けられる。吸気管１２は、空気に含まれる異物を除去するエアクリーナ１３を備える。
【００１４】
スロットルバルブ１４は、エアクリーナ１３からみて燃焼室２２側、すなわち、吸気管１２の下流側に設けられる。スロットルバルブ１４は、運転者による図示しないアクセル装置の開度に応じて吸気管１２を流れる空気の量を調整する。
【００１５】
吸気弁１８は、吸気管１２とシリンダ２０とが接続される位置に設けられる。吸気弁１８は、シリンダ２０に対するピストン３０の往復移動の位置に応じて開弁または閉弁し、開弁時、吸気通路１２１を流れる空気を燃焼室２２に供給する。
【００１６】
排気系４０は、燃焼室２２の燃焼後の気体である排気を大気に放出する。排気系４０は、排気管４２、排気温センサ４４、及び、排気弁４８などから構成されている。
【００１７】
排気管４２は、排気管４２が形成する排気通路４２１が燃焼室２２と大気とを連通するよう設けられる。排気管４２の外壁には、排気温センサ４４が設けられる。排気温センサ４４は、排気通路４２１を流れる排気の温度を検出する。
【００１８】
排気弁４８は、排気管４２とシリンダ２０とが接続される位置に設けられる。排気弁４８は、シリンダ２０に対するピストン３０の往復移動の位置に応じて開弁または閉弁し、開弁時、燃焼室２２の排気を排気管４２に流通させる。
【００１９】
シリンダ２０は、シリンダヘッド部２４、シリンダライナ部２６、及び、クランクケース部２８を有する。
【００２０】
シリンダヘッド部２４には、吸気通路１２１と連通する吸気ポート２４４、排気通路４２１と連通する排気ポート２４５が形成されている。また、シリンダヘッド部２４の略中央には、燃料噴射弁２５が設けられる。
【００２１】
燃料噴射弁２５は、燃焼室２２に燃料を直接噴射する。燃料噴射弁２５には図示しない燃料タンクが貯留する燃料が供給される。燃料噴射弁２５は、燃料を正または負に帯電させる帯電部２５１を有する。燃料噴射弁２５は、「帯電手段」としての帯電部２５１により帯電した燃料を燃焼室２２に噴射する。燃料噴射弁２５の燃焼室２２側には、電界形成電極３５が設けられている。燃料噴射弁２５は、特許請求の範囲に記載の「燃料供給手段」に相当する。
【００２２】
電界形成電極３５は、図２に示すように、燃料噴射弁２５の燃焼室２２側の径方向外側に燃料噴射弁２５を囲むよう周方向に設けられている。「電界形成手段」としての電界形成電極３５は、高電圧印加によってコロナ放電を形成可能な電極であって、正または負のいずれかの電圧を印加可能である。電界形成電極３５は、先端に複数の突起３５１が形成されている。複数の突起３５１は、その長さが、ピストン３０がＴＤＣにあるとき複数の突起３５１それぞれの先端とピストン３０の燃焼室２２を形成するピストン面３１上の「ピストン絶縁膜」としての絶縁膜３２の表面との距離が略同じになるよう形成されている。すなわち、複数の突起３５１の長さは、図２に示すように、絶縁膜３２までに距離に応じて長さが異なる。これにより、電界形成電極３５は、燃焼室２２全体に電界を形成する。なお、図２では、電界形成電極３５の突起３５１の数は、図面の都合上８本としているが、突起３５１の数はこれに限定されない。
【００２３】
シリンダライナ部２６は、略筒状に形成され、シリンダヘッド部２４及びピストン３０と燃焼室２２を形成する。シリンダライナ部２６の側壁の内部にはエンジン１を冷却する冷却水が流れる流路２６５が形成されている。流路２６５を流れる冷却水の温度は、シリンダライナ部２６の側壁に設けられている水温センサ２７によって検出される。
【００２４】
クランクケース部２８は、シリンダライナ部２６のシリンダヘッド部２４と接続する側とは反対側の端部に接続するよう設けられている。クランクケース部２８は、内部にクランク２８１を収容する。
【００２５】
ピストン３０は、シリンダライナ部２６の径内方向に往復移動可能に収容されている。燃焼室２２を形成するピストン３０のピストン面３１は、図２に示すようにトロイダル状に形成されている。ピストン面３１には、例えば、帯電可能な酸化アルミニウムから形成される絶縁膜３２が設けられている。絶縁膜３２は、その厚みが略一定であり、その表面の表面積が大きくなるよう凹凸状に形成されている。
【００２６】
制御部５０は、種々の情報に基づいて算出された電圧値及び電流値の電力を電界形成電極３５に供給する。制御部５０は、演算部５２、車載バッテリ、キャパシタ、ハイブリッドの高電圧回路などから構成される電源５４、昇圧部５６などから構成されている。
【００２７】
演算部５２は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ、及びこれらを接続するバスラインを有する周知の小型のコンピュータである。演算部５２には、スロットルバルブ１４、燃料噴射弁２５、水温センサ２７、排気温センサ４４などと電気的に接続している。演算部５２は、スロットルバルブ１４が出力するスロットルバルブ１４の開度を示す電気信号、燃料噴射弁１６が出力する燃料噴射量を示す電気信号、水温センサ２７が出力するシリンダライナ部２６の冷却水の温度を示す電気信号、図示しないクランク角センサが出力するクランク角を示す電気信号、排気温センサ４４が出力する排気温を示す電気信号などが入力される。演算部５２では、スロットルバルブ１４の開度を示す電気信号に基づいて燃焼室２２の圧力を算出し、スロットルバルブ１４の開度を示す電気信号及び排気温を示す電気信号に基づいて燃焼室２２の温度を算出し、クランク角を示す電気信号に基づいてピストン位置を算出する。演算部５２では、これら算出した値に基づいて燃焼室２２に電界を形成するために最適な電圧値及び電流値を算出する。また、演算部５２では、燃料噴射量を示す電気信号に基づいて後述するエンジン１の燃焼行程において電界形成電極３５に印加する電圧値及び電流値を算出する。また、演算部５２は、シリンダライナ部２６の冷却水の温度を示す電気信号に基づいてエンジン１の運転状態にあわせた極性の電圧を電界形成電極３５に印加する。演算部５２は、これら算出された電圧値、電流値、及び極性を昇圧部５６に出力する。
【００２８】
昇圧部５６は、演算部５２が出力する電圧値、電流値及び極性に基づき電源５４が供給する電力を昇圧し、昇圧された電力を電界形成電極３５に印加する。これにより、燃焼室２２に所望の電界が形成される
【００２９】
次に、エンジン１の作用をピストン３０の往復移動の位置にしたがって図３〜５に基づいて説明する。ここでは、説明の便宜上、燃焼室２２の混合気が燃焼する燃焼行程が終了した時点から説明する。なお、図３では、横軸はシリンダ２０に対するピストン３０の相対位置を示している。図３（ａ）では、燃料噴射弁２５が燃焼室２２に噴射する燃料の量を示している。また、図３（ｂ）では、燃焼室２２の圧力を示している。また、図３（ｃ）では、電界形成電極３５に印加される電圧の大きさを示している。また、以降の説明は、特に触れない限り、絶縁膜３２を正に帯電させる場合を説明する。
【００３０】
燃焼室２２の混合気が燃焼し下死点（以下、「ＢＤＣ」という）まで移動したピストン３０は、上死点（以下、「ＴＤＣ」という）に向かって移動する（図３の時刻ｔ１０以降）。このとき、排気弁４８が開弁し、ＴＤＣに向かうピストン３０によって燃焼室２２の排気が排気通路４２１に排出される（排気行程）。排気行程中の時刻ｔ１１において、電界形成電極３５に電圧Ｖ１１が印加され、燃焼室２２にコロナ放電が発生する。
【００３１】
電界形成電極３５に電圧Ｖ１１が印加されると、ピストン面３１の絶縁膜３２は、電界形成電極３５の極性と同じ極性に帯電する。この絶縁膜の帯電現象について図４に基づいて説明する。図４には、電界形成電極３５の突起３５１と絶縁膜３２との間における正イオン、負イオン及び電子のやり取りの模式図を示す。図４には、電界形成電極３５の突起３５１と絶縁膜３２との間における正イオン、負イオン及び電子の移動方向を白抜き矢印で示している。
突起３５１に比較的高い正電圧Ｖ１１が印加されると、突起３５１に対向する位置に設けられている絶縁膜３２から電子などの負の電荷が引き抜かれる。絶縁膜３２は本来電位０の状態であるため、負の電荷が突起３５１によって引き抜かれると絶縁膜３２は正の電荷が多く残るため、絶縁膜３２全体は正に帯電した状態となる。なお、ここでは、電界形成電極３５の突起３５１に正電圧Ｖ１１が印加される場合を説明したが、電界形成電極３５の突起３５１に負電圧が印加されると絶縁膜３２が負に帯電する現象は同じ原理である。
【００３２】
ここで、制御部５０は、エンジン１の運転状態にあわせて電界形成電極３５の極性を変更する。具体的には、エンジン１が始動した直後では電界形成電極３５を負極にする。これにより、絶縁膜３２は負に帯電する。また、エンジン１が始動から一定時間経過すると電界形成電極３５を正極にする。これにより、絶縁膜３２は正に帯電する。
【００３３】
次に、シリンダ２０内のピストン３０がＴＤＣからＢＤＣに向かって移動するとき、吸気弁１８が開弁し、吸気管１２を流れる吸気が燃焼室２２に流入する（吸気行程）。排気行程中の時刻ｔ１１に開始された電界形成電極３５への電圧の印加は、吸気行程中の時刻ｔ１２において終了する。時刻ｔ１１から時刻ｔ１２までの間、電界形成電極３５に正電圧が印加されると、絶縁膜３２は正に帯電することとなる。また、電界形成電極３５に図３（ｃ）の一点鎖線Ｌ１１に示すように負電圧が印加されると、絶縁膜３２は負に帯電することとなる。
【００３４】
次に、吸気行程が終了した後、ピストン３０がＢＤＣからＴＤＣに向かって移動し、燃焼室２２の吸気が圧縮される（圧縮行程）。圧縮行程中の時刻ｔ１３において、電界形成電極３５に正電圧が印加される。このとき電界形成電極３５に印加される正電圧は、圧縮行程が進行し燃焼室２２の圧力が増加するにしたがって大きくなり、ピストン３０がＴＤＣに到達したとき、正電圧Ｖ１１に比べ大きい正電圧Ｖ１２が印加される（図３の時刻ｔ１４）。この圧縮行程における電圧の印加により絶縁膜３２の正の帯電量はさらに増加する。また、時刻ｔ１３から時刻ｔ１４までの間、電界形成電極３５に図３（ｃ）の一点鎖線Ｌ１２に示すように負電圧が印加されると、絶縁膜３２の負の帯電量はさらに増加する。
【００３５】
また、圧縮行程の後半では燃料噴射弁２５によってパイロット噴射（図３（ａ）の実線Ｌ１３における凸部分Ｊ１）、プレ噴射（図３（ａ）の実線Ｌ１３における凸部分Ｊ２）、メイン噴射（図３（ａ）の実線Ｌ１３における凸部分Ｊ３）が行われ、燃焼室２２に燃料が供給される。燃焼室２２に供給される燃料は、帯電部２５１によって正に帯電しており、正に帯電している絶縁膜３２に対して反発するため燃料は燃焼室２２の中央寄りに集まった状態で燃焼が開始する。
【００３６】
燃料の燃焼が開始しピストン３０がＴＤＣまで到達した後、ピストン３０はＢＤＣに向かって移動する（燃焼行程）。燃焼行程においては、燃料噴射弁２５によってアフター噴射（図３（ａ）の実線Ｌ１３における凸部分Ｊ４）、ポスト噴射（図３（ａ）の実線Ｌ１３における凸部分Ｊ５）が行われる。
【００３７】
一般に、火炎は正極の性質を有し、電界中において正極と反発し負極に近づくよう振る舞うことが知られている。第１実施形態によるエンジン１では、ピストン３０の往復移動に合わせて燃焼行程前に電界形成電極３５によって絶縁膜３２を帯電させる。燃焼室２２を形成するピストン面３１の絶縁膜３２が帯電すると、帯電の極性に応じて燃焼室２２の火炎が移動する。具体的には、絶縁膜３２を正に帯電させると、燃焼室２２の火炎はピストン面３１と反発し、図５に示すように、絶縁膜３２が帯電していない場合の燃焼室２２の火炎Ｆ０（図５中の二点差線）に比べ燃焼室２２の火炎Ｆ１（図５中の一点鎖線）のようにピストン面３１から離れる。燃焼室２２の火炎がピストン面３１から離れると、ピストン３０と火炎との間には空気の層が形成され、火炎の燃焼熱がピストン３０に伝わりにくくなる。これにより、火炎が有する燃焼熱がシリンダ２０の外部に放出される量が少なくなり、火炎の燃焼熱に対して燃焼室を形成する壁面を通って外部に放出される燃焼熱、すなわち、冷却損失を小さくすることができる。したがって、エンジン１の熱効率を向上することができる。
【００３８】
また、制御部５０は、エンジン１が始動した直後、電界形成電極３５を負極にし、絶縁膜３２を負に帯電させる。絶縁膜３２が負に帯電すると正極の性質を有する火炎がピストン３０に近づき火炎の熱が伝わりやすくなり、ピストン３０やシリンダ２０の温度が迅速に上昇する。ピストン３０やシリンダ２０の温度が上昇すると、エンジン冷却水、エンジンオイルが迅速に既定温度に上昇する。これにより、エンジン１の始動性を向上することができる。具体的には、排気中のＣＯ、ＨＣ、ＰＭの量が低減され、始動した直後の燃料消費量を低減することができる。
また、火炎の燃焼熱がピストン３０やシリンダ２０に早く伝わることによってエンジン１が十分に暖められエンジン１の運転状態が安定すると、制御部５０は電界形成電極３５を正極にし、絶縁膜３２を正に帯電させる。これにより、火炎がピストン３０から離れ火炎の熱が伝わりにくくなるため、冷却損失を小さくする。したがって、第１実施形態によるエンジン１では、電界形成電極３５の極性を変更することでエンジン１の運転状態を迅速に安定させることができる。
【００３９】
また、絶縁膜３２の表面は凹凸状に形成されている。これにより、電界形成電極３５によって電界が形成されるとき、フラットな表面の絶縁膜に比べ、絶縁膜３２の帯電量を増加させることができる。したがって、火炎のピストン３０に対する反発力が比較的大きくなり火炎のピストン面３１への接近をさらに防止できるため、エンジン１の熱効率をさらに向上することができる。
【００４０】
制御部５０は、図３に示したように排気行程中の時刻ｔ１１から吸気行程中の時刻ｔ１２にかけて電界形成電極３５に電圧を印加する。これにより、エンジン１では、絶縁膜３２の電荷が排気行程において排出される水蒸気と一緒に燃焼室２２の外部に排出されることを防止することができる。
【００４１】
また、制御部５０は、図３に示したように、圧縮行程中の時刻ｔ１３から時刻ｔ１４にかけて電界形成電極３５に電圧を印加する。このとき、印加される電圧の大きさは、燃焼室２２の圧力が大きくなるにつれて大きくする。
一般に、平行な電極間に印加可能な電圧Ｖｓ、平行な電極により形成される空間の圧力Ｐ、及び、電極の間の距離ｄには、パッシェンの法則として以下の関係が成立する。
Ｖｓ＝Ｐ×ｄ                                                  ・・・・・（１）
パッシェンの法則をエンジン１の電界形成電極３５と絶縁膜３２との関係に適用すると、電界形成電極３５に印加可能な電圧Ｖｓは、燃焼室２２の圧力Ｐ及び電界形成電極３５と絶縁膜３２との距離ｄによって決定される。圧縮行程において、ピストン３０のＴＤＣへの移動によって燃焼室２２の圧力Ｐが大きくなるため、電界形成電極３５に印加可能な電圧Ｖｓを大きくとることができる。これにより、絶縁膜３２の帯電量はさらに多くなり、燃焼室２２に比較的強い電界を形成することができる。したがって、エンジン１の熱効率をさらに向上することができる。
【００４２】
燃料噴射弁１６は、帯電した燃料を燃焼室２２に直接噴射する、いわゆる、「静電噴霧」を行うことができる。帯電した燃料は、電界形成電極３５の極性、及び、絶縁膜３２の極性に応じてピストン３０に対する位置を変更する。具体的には、正に帯電した燃料は、正に帯電した絶縁膜３２を有するピストン３０と反発し、ピストン３０から離れる。また、負に帯電した燃料は、正に帯電した絶縁膜３２を有するピストン３０に近づく。このように、燃料を帯電させることにより、ピストン３０に対する位置を制御することができ、燃焼行程において発生する火炎の位置を制御することができる。
【００４３】
燃焼行程において生成される微粒子状物質は、電界形成電極３５に印加した正または負の極性を有している。排気行程において電界形成電極３５に電圧を印加すると、この微粒子状物質は帯電している絶縁膜３２上に一定量トラップされ、燃焼室２２に閉じ込められる。これにより、排気に含まれる微粒子状物質の量を低減することができる。
【００４４】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による内燃機関を図６、７に基づいて説明する。第２実施形態は、絶縁膜上に帯電膜が形成されている点が第１実施形態と異なる。なお、第１実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００４５】
第２実施形態によるエンジン２では、ピストン面３１に設けられる絶縁膜３２上に帯電膜３３が形成されている。帯電膜３３は、絶縁膜３２に比べ帯電しやすい材料から形成されている。帯電膜３３は、電界形成電極３５に電圧が印加されるとき、電界形成電極３５の極性と同じ極性に帯電する。
【００４６】
次に、エンジン２の作用をピストン３０の往復移動の位置にしたがって図７に基づいて説明する。排気行程及び吸気行程におけるエンジン２の作用は、第１実施形態によるエンジン１と同じである。
【００４７】
吸気行程が終了した後、ピストン３０がＢＤＣからＴＤＣに向かって移動し燃焼室２２の吸気が圧縮される（圧縮行程）。圧縮行程中の時刻ｔ２３において、電界形成電極３５に正電圧が印加される。電界形成電極３５に印加される正電圧は、圧縮行程が進行し燃焼室２２の圧力が増加するにしたがって大きくなる。エンジン２では、ピストン３０がＴＤＣに到達し燃焼行程に移行した後、電界形成電極３５に印加されている正電圧を負電圧に変化する（図７（ｃ）の時刻ｔ２４）。
【００４８】
第２実施形態によるエンジン２では、絶縁膜３２に比べ帯電しやすい帯電膜３３が形成されている。これにより、燃焼室２２に形成される電界は第１実施形態によるエンジン１に比べ強くなるため、正極の性質を有する燃焼室２２の火炎がピストン面３１とさらに反発し、火炎がピストン面からさらに離れる。したがって、第１実施形態の効果に加え、冷却損失をさらに小さくすることができる。
【００４９】
また、エンジン２では、燃焼の初期段階では、電界形成電極３５に正電圧を印加し帯電膜３３を正に帯電させる。これにより、燃焼室２２の火炎はピストン３０と反発し火炎はピストン３０から離れる。一方、燃焼の後期段階では、電界形成電極３５に負電圧を印加し、燃焼室２２に帯電膜３３から電界形成電極３５への方向の電界を形成する。これにより、燃焼室２２には燃焼の初期段階で形成されている電界に比べさらに強い電界が形成され、燃焼室２２の火炎はピストン３０とさらに反発し火炎はピストン３０から離れる。このように、エンジン２では、電界形成電極３５に印加する電圧の極性を燃焼の初期段階と後期段階とに分けて制御し、燃焼室２２に形成される電界をさらに強くする。したがって、エンジン２は、排気行程及び吸気行程における帯電膜３３への帯電に加え燃焼行程における燃焼室２２での電界の形成により、燃焼室２２で生成される火炎の位置を制御することができる。
【００５０】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態による内燃機関を図８に基づいて説明する。第３実施形態は、絶縁膜及び帯電膜が形成されている位置が第２実施形態と異なる。なお、第２実施形態と実質的に同一の部位には同一の符号を付し、説明を省略する。
【００５１】
第３実施形態によるエンジン３では、ピストン面３１の絶縁膜３２及び帯電膜３３に加えて、燃焼室２２を形成するシリンダヘッド部２４の内壁面２４１に絶縁膜２４２及び帯電膜２４３が設けられている。また、燃焼室２２を形成するシリンダライナ部２６の内壁面２６１に絶縁膜２６２及び帯電膜２６３が設けられている。また、燃焼室２２を形成する吸気弁１８の吸気弁端面１８１に「吸気弁絶縁膜」としての絶縁膜１８２及び帯電膜１８３が設けられている。また、燃焼室２２を形成する排気弁４８の排気弁端面４８１に「排気弁絶縁膜」としての絶縁膜４８２及び帯電膜４８３が形成されている。
【００５２】
エンジン３の電界形成電極３５は、複数の突起３５１をシリンダヘッド部２４の内壁面２４１及びシリンダライナ部２６の内壁面２６１に対向する位置に有している。複数の突起３５１のそれぞれは、その長さが帯電膜３３、２４３、２６３、１８３、４８３との距離が略同じになるよう形成されている。
【００５３】
第３実施形態によるエンジン３では、燃焼室２２を形成するピストン面３１、シリンダヘッド部２４の内壁面２４１、シリンダライナ部２６の内壁面２６１、吸気弁１８の吸気弁端面１８１、及び、排気弁４８の排気弁端面４８１の全てに絶縁膜３２、２４２、２６２、１８２、４８２、及び、帯電膜３３、２４３、２６３、１８３、４８３が形成されている。これにより、火炎は、帯電膜３３、２４３、２６３、１８３、４８３が正に帯電すると、ピストン面３１、内壁面２４１、２６１、吸気弁端面１８１、排気弁端面４８１と反発し、燃焼室２２を形成するこれらの面から離れる。したがって、第１実施形態の効果に加え、冷却損失をさらに小さくすることができる。
【００５４】
（他の実施形態）
（ア）上述の実施形態では、エンジンは、軽油を燃料とする直噴式の４ストロークエンジンであるとした。しかしながら、燃料の種類及びエンジンの種類はこれに限定されない。ディーゼルエンジンの場合、圧着着火式エンジンであってもよいし、グロープラグを備えるエンジンであってもよい。また、ガソリンを燃料とするエンジンであってもよい。ガソリンエンジンの場合、燃焼室に直接ガソリンを噴射する直噴式のエンジンであってもよいし、吸気通路にガソリンを噴射するＰＦＩ式であってもよい、また、天然ガスを燃料とするガスエンジンであってもよいし、例えばアルコールとガソリンとの混合燃料を燃料とするエンジンであってもよい。また、２ストロークエンジンであってもよい。
【００５５】
（イ）上述の実施形態では、絶縁膜の厚さは一定に形成され、電界形成電極が有する複数の突起は、絶縁膜の表面との距離が略同じになるよう形成されるとした。しかしながら、電界形成電極の突起と絶縁膜の表面との距離はこれに限定されない。絶縁膜の厚み及び材料などを場所により変更することで、絶縁強度を変化させる。このように、突起と絶縁膜との距離を場所によって変化する絶縁膜の帯電性に応じて変更し、ピストン面の近傍に一定の帯電状態を形成できればよい。
【００５６】
（ウ）上述の実施形態では、制御部は、スロットルバルブの開度、排気温、クランク角に基づいて燃焼室に電界を形成するために最適な電圧値及び電流値を算出するとした。しかしながら、制御部が最適な電圧値及び電流値を算出するときに基づくパラメータはこれに限定されない。例えば、最適な電圧値及び電流値を算出するときに用いられる燃焼室の圧力は、アクセル装置のアクセル開度やマップに基づくＥＧＲ量、圧縮比などに基づいて算出してもよい。また、最適な電圧値及び電流値を算出するときに用いられる燃焼室の温度は、マップに基づくＥＧＲ量に基づいて算出してもよい。
【００５７】
（エ）第１実施形態では、排気行程から吸気行程にかけて、及び、圧縮行程において、電界形成電極３５に電圧が印加されるとした。また、第２実施形態では、排気行程から吸気行程にかけて、圧縮行程において、及び、燃焼行程において、電界形成電極３５に電圧が印加されるとした。しかしながら、電界形成電極３５に電圧が印加されるタイミングはこれに限定されない。吸気行程中、または、排気行程中に電圧を印加してもよい。このとき、吸気行程中には吸気弁が開弁し、また、排気行程中には排気弁が開弁しているため、電界形成電極に印加される電圧は比較的低く設定される。一方、吸気弁及び排気弁が閉弁しているとき、電界形成電極に印加される電圧は比較的高く設定される。これにより、効率的に絶縁膜または帯電膜を帯電することができる。
【００５８】
（オ）上述の実施形態では、制御部は、圧縮行程において、燃焼室の圧力の大きさに応じて大きくなる電圧を電界形成電極に印加するとした。しかしながら、電圧の大きさはこれに限定されない。
【００５９】
（カ）上述の実施形態では、電界形成電極は複数の突起を有するとした。しかしながら、電界を形成する電極の形状はこれに限定されない。突起がない電極であってもよい。
【００６０】
（キ）上述の実施形態では、電界形成電極は燃料噴射弁に設けられるとした。しかしながら、電界形成電極が設けられる位置はこれに限定されない。燃焼室の形状に合わせ、シリンダヘッド部またはシリンダライナ部の内壁面に設けられればよい。また、電界形成電極は１個設けられてもよいし、複数設けられてもよい。
【００６１】
（ク）上述の実施形態では、ピストン面はトロイダル状に形成されるとした。しかしながら、ピストン面の形状はこれに限定されない。リエントラント型であってもよいし、皿型であってもよい。
【００６２】
（ケ）上述の実施形態では、燃料噴射弁が噴射する燃料は帯電しているとした。しかしながら、燃料は帯電していなくてもよい。
【００６３】
（コ）上述の実施形態では、絶縁膜は酸化アルミニウムから形成されているとした。しかしながら、絶縁膜を形成する材料はこれに限定されない。例えばガラスなどの酸化珪素を主原料とする耐熱性が高い材料であって比較的帯電しやすい絶縁材料または半導体材料であればよい。
【００６４】
以上、本発明はこのような実施形態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の形態により実施可能である。
【符号の説明】
【００６５】
１          ・・・エンジン（内燃機関）、
１８        ・・・吸気弁、
１８１      ・・・吸気弁端面、
２０        ・・・シリンダ、
２２        ・・・燃焼室、
２５        ・・・燃料噴射弁（燃料供給手段）、
３０        ・・・ピストン、
３１        ・・・ピストン面、
３２ ・・・絶縁膜（ピストン絶縁膜）、
３５        ・・・電界形成電極（電界形成手段）、
４８        ・・・排気弁、
４８１      ・・・排気弁端面。
【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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