(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可燃性の混合気が燃焼する燃焼室の内壁の少なくとも一部として設けられ、前記混合気と接触されると共に電圧により電荷が変化する表面を有する着火燃焼制御手段と、
前記着火燃焼制御手段に電圧を印加する電圧印加手段と、
を備え、前記電圧印加手段により前記着火燃焼制御手段に電圧変化を与えることで、前記表面での前記混合気の酸化反応を促進し又は抑制し、
前記着火燃焼制御手段は、前記混合気と接触する前記表面として金属面を有する第１の金属材と、電圧変化が与えられる第２の金属材と、前記第１の金属材及び前記第２の金属材の間に配された誘電体とを備え、前記電圧印加手段は前記第２の金属材に電圧印加し、
前記表面は、導電性及び酸化作用を有する金属を含む着火燃焼制御装置。
【請求項２】
前記着火燃焼制御手段は、内燃機関の燃焼室内のシリンダの内壁及びピストン上の少なくとも一方に設けられており、前記電圧印加手段は、前記着火燃焼制御手段にノッキングの発生が抑制される電圧を印加する請求項１に記載の着火燃焼制御装置。
【請求項３】
前記着火燃焼制御手段は、内燃機関の燃焼室内の点火プラグに設けられており、前記電圧印加手段は、前記着火燃焼制御手段にプレイグニッションの発生が抑制される電圧を印加する請求項１に記載の着火燃焼制御装置。
【請求項４】
前記表面は、白金、ニッケル、金、銅、タングステン、モリブデン、又は銀を含む請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の着火燃焼制御装置。
【請求項５】
内燃機関に用いられる着火燃焼制御装置であって、
外部装置から要求される要求負荷が所定の閾値に満たないときに、前記第１の金属材の前記金属面での混合気の酸化反応が抑制されるように、前記電圧印加手段による前記第２の金属材への電圧印加を制御する電圧制御手段を更に備えた請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の着火燃焼制御装置。
【請求項６】
混合気が燃焼する燃焼室と、
請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の着火燃焼制御装置と、
を備えた内燃機関。
【請求項７】
請求項６に記載の内燃機関を備えた車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、着火燃焼制御装置、内燃機関及び車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料等の可燃性ガスは、着火により酸素と反応して酸化反応を起こして燃焼する。酸化を伴なう燃焼反応は、燃料及び空気の流量や混合比率などで制御する方法が一般に行われている。
【０００３】
例えば自動車のエンジン等の内燃機関では、その燃焼室内に供給される混合気（燃料と空気の混合ガス）の空燃比を適切に制御し、着火、燃焼させている。燃焼室で混合気が燃焼する場合、着火から燃焼火炎が広がって正常に燃焼が開始する前に混合気が自発火することで金属性の打撃音や振動を伴なう現象、いわゆるノッキング（ノックともいう）と称される異常燃焼を生じる場合がある。
【０００４】
通常、ノッキングの抑制には、オクタン価の高い高ＲＯＮ燃料を使用したり、例えば点火時期を遅らせる等の運転条件の変更、圧縮比の低減、あるいは燃焼室の形状変更などを行なう等の対策が採られている。
【０００５】
化学反応性を制御する方法については、例えば、触媒を利用して制御する際に、金属クラスタ又はその担体表面の電子状態を変化させて分子の吸着状態を制御することで、反応活性や反応生成物の選択性を上げる化学反応制御方法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
また、燃焼室の火炎に作用させる電場の高周波電圧、周波数等の電場特性を制御し、エネルギー利用効率を高めて燃焼促進を図る燃焼制御装置が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
エンジンのノッキングの発生防止を目的とした技術として、１サイクル分の燃料の一部を予熱された触媒層により自着火温度より低い温度で予備燃焼させた後、燃料の残部を主燃焼させる燃焼方法が開示されている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平８−９８８号公報
【特許文献２】特開平１−１９３０１８号公報
【特許文献３】特開平８−３２６５４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、従来技術のうち、上記の化学反応制御方法は、金属クラスタ等における電子の最高被占準位のエネルギーレベルを変化させて分子の吸着状態を制御するものであり、燃焼反応の反応性を電荷を変化させて制御する技術とは異なる。また、燃焼室の火炎に電場を作用させる燃焼制御装置では、着火後の燃焼促進のための制御であり、ノッキングの防止までは予定されていない。予熱した触媒層により自着火温度より低い温度で予備燃焼させる燃焼方法では、酸化作用を変化させることで着火制御を行なうものではない。
【００１０】
本発明は、上記に鑑みなされたものであり、下記目的を達成することを課題とする。
本発明では、第１に、可燃性混合気の酸化反応を電圧変化により制御する着火燃焼制御装置を提供することを目的とし、第２に、可燃性混合気を燃焼させる燃焼室での異常燃焼（ノッキングや点火プラグでのプレイグ等）を電圧変化により防止する着火燃焼制御装置を提供することを目的とする。
また、本発明では、第３に、ノッキングや点火プラグでのプレイグ等の異常燃焼が防止され、安定性の高い出力や動力性能が得られる内燃機関及び車両を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、可燃性の混合気が燃焼する場合、混合気が酸化される反応場で混合気が接触する面の表面電荷密度を変化させると、電荷の極性や電荷密度により混合気の酸化反応性が異なり、ひいては電圧に変化を与えることで燃焼時の酸化反応性を任意に選択できるようになるとの知見を得、かかる知見に基づいて達成されたものである。
【００１２】
前記目的を達成するために、第１の発明は、
可燃性の混合気が供給され、供給された混合気と接触する金属を含む表面の電荷を（例えば電圧により）変化させることで、前記表面での前記混合気の酸化反応を促進し又は抑制する構成とした着火燃焼制御装置である。
【００１３】
第１の発明においては、混合気が酸化反応する反応場に有する表面（例えば、反応場となる燃焼室の内壁面や、任意に配置された金属板の金属面など）における電荷又はその密度を（混合気が接触する表面に与える電圧の極性、電圧印加の有無を任意に選択することにより）変化させることで、該表面での混合気の酸化反応性を制御する。これにより、燃焼状態などに応じて、混合気の燃焼反応（酸化反応）の促進又は抑制が所望により制御される。例えば、正電圧を印加することで、表面の正電荷密度が高められると、酸化反応を軽減し、又は抑制することができる。
【００１４】
次に、第２の発明は、
可燃性の混合気が燃焼する燃焼室の内壁の少なくとも一部として設けられ、前記混合気と接触されると共に電圧により電荷が変化する表面（例えば電圧により表面の電荷が変化する金属面）を有する着火燃焼制御手段と、着火燃焼制御手段に電圧を印加する電圧印加手段とを備えており、前記電圧印加手段により前記着火燃焼制御手段に電圧変化を与えることで、前記表面での前記混合気の酸化反応を促進し又は抑制する構成とした着火燃焼制御装置である。
【００１５】
第２の発明では、例えばエンジン等の内燃機関において、可燃性の混合気が燃焼する燃焼室を形成する内壁の少なくとも一部として着火燃焼制御手段を設け、着火燃焼制御手段は、その表面（例えば金属面）の少なくとも一部が混合気と接するように配置される。着火燃焼制御手段（特に金属面）に印加する電圧の極性、電圧印加の有無を任意に選択することで、混合気と接する表面（例えば金属面）の電荷又はその密度を変化させ、表面（例えば金属面）での混合気の酸化反応性、すなわち酸化反応の促進又は抑制を制御する。これにより、燃焼室内で生じやすい異常燃焼が抑制される。例えば内燃機関では、壁面をなす表面（例えば金属面）で可燃性の混合気の酸化作用が促進するように制御されることで、ノッキングが発生する壁面近傍のエンドガス領域に存在する混合気をより希薄化（リーン化）し、ノッキングの発生が抑制される。また、燃焼室の点火プラグは高温に達するが、プラグ近傍の混合気も希薄化（リーン化）するので、プラグの高温表面に起因して生じるプレイグも抑制される。
【００１６】
第２の発明における着火燃焼制御手段は、混合気と接触する前記表面として金属面を有する第１の金属材と、電圧変化が与えられる第２の金属材と、第１の金属材及び第２の金属材の間に配された誘電体とを設けて構成され、電圧印加手段によって第２の金属材に電圧印加される態様が好適である。
【００１７】
このような態様では、絶縁体である誘電体を挟む２つの金属材のうち、一方は混合気と接触された状態とされ、他方は電圧印加手段から電圧が印加される。混合気と接触している一方の金属材は、金属材の表面（金属面）により燃焼室の内壁を構成している。燃焼室の内壁を構成しない他方の金属材に正電圧（＋）を印加したときには、燃焼室の内壁を構成する一方の金属材には、非接触で印加電圧と同じ極性の正電荷が与えられることになる。すなわち、燃焼室内壁の少なくとも一部における壁面に静電誘導により非接触で電荷を与え、この電荷を所望により変化させることができる。これにより、燃焼室の形状やガス組成を変えずに維持しながら、室内で生じる酸化作用を制御することができる。
【００１８】
第２の発明においては、着火燃焼制御手段は、内燃機関の燃焼室内のシリンダ内壁及びピストン上の少なくとも一方に設けられており、電圧印加手段は、着火燃焼制御手段にノッキングの発生が抑制される電圧を印加するものであることが好ましい。また、着火燃焼制御手段は、内燃機関の燃焼室内に配されている点火プラグに設けられており、電圧印加手段は、着火燃焼制御手段にプレイグの発生が抑制される電圧を印加するものであることが好ましい。
【００１９】
第２の発明において、前記表面は、導電性の金属、及び酸化作用を有する金属を含んでいることが好ましい。前記表面は、電荷が与えられその極性などの制御が可能なように、導電性に優れていることが望ましい。また、酸化作用を有する金属が反応場に存在すると、反応場での酸化反応が進行しやすい。そのため、前記表面への電圧（例えば電圧の極性、電圧印加の有無）に変化が与えられると、該表面での酸化作用を変化させやすく、酸化反応を比較的容易に促進し又は抑制することができる。このとき、電圧を印加しない状態としたときには表面で混合気に対する酸化作用が促進され、例えば正電圧（又は負電圧）を低圧で印加したときは酸化反応を緩和（又は促進）する効果が得られ、正電圧（又は負電荷）を高圧にして印加したときは酸化反応を抑制ないし停止（又はより促進）させる効果が発現する。
【００２０】
可燃性の混合気に対して酸化作用を持ち、電圧印加により酸化抑制効果を発現する金属種としては、白金、ニッケル、金、銅、タングステン、モリブデン、及び銀から選ばれる金属が好適に挙げられる。より好ましい金属種は、金、銀、及びモリブデンである。
【００２１】
第２の発明においては、燃焼室を有する装置に外部から求められる要求負荷が所定の閾値に満たないときには、第１の金属材の金属面での混合気の酸化反応が抑制されるように、電圧印加手段による第２の金属材への電圧印加を制御する電圧制御手段を更に設けて構成されていることが好ましい。
【００２２】
例えばエンジン等の内燃機関では、外部装置から要求される要求負荷が高く、高出力を得ようとする場合、ノッキング又はプレイグが発生しやすい。このような反応条件のときには、ノッキング等が発生しやすいシリンダ等の壁面近傍の領域の混合気をリーン化して異常燃焼を抑止する必要がある。この場合には、酸化作用を最大にする観点から、電圧の印加は行なわない。外部装置からの要求負荷が所定の閾値に満たないような異常燃焼の起きにくい反応条件のときには、逆に混合気のリーン化を抑えるために酸化作用（燃焼）を抑える観点から、電圧印加により第１の金属材の金属面に電荷が与えられるように制御することができる。
【００２３】
本発明の着火燃焼制御装置は、電圧印加は行なうものの、電流自体は流れない構成であるため、消費電力はゼロである点、燃焼室の内部の幾何学的な形状を変えることなく酸化反応の制御が行なえる点に特徴を有している。
【００２４】
次に、第３の発明は、
混合気が燃焼する燃焼室と、既述の第２の発明である着火燃焼制御装置とを備えた内燃機関である。
【００２５】
内燃機関の燃焼室を形成する内壁の少なくとも一部が着火燃焼制御手段を用いて形成され、着火燃焼制御手段の金属面により燃焼室の内壁が構成されている。金属面は混合気と接するように配置され、混合気と接する金属面の電荷又はその密度を、電圧の極性、電圧印加の有無を任意に選択することによって変化させることで、金属面での混合気の酸化反応性、すなわち酸化反応の促進又は抑制の制御が可能になる。燃焼室の壁面をなす金属面で可燃性の混合気の酸化作用が制御されることで、ノッキングが発生しやすい壁面近傍の領域に存在する混合気をよりリーン化し、ノッキングの発生が抑制される。また、点火プラグ近傍の混合気もリーン化するので、点火プラグの高温表面に起因して生じるプレイグも抑制される。
【００２６】
第４の発明は、前記第３の発明である内燃機関を備えた車両である。ノッキングやプレイグの発生が抑えられた内燃機関を備えていることで、走行性の高い車両が得られる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、可燃性混合気の酸化反応を電圧変化により制御する着火燃焼制御装置が提供され、更には、可燃性混合気を燃焼させる燃焼室での異常燃焼（ノッキングや点火プラグでのプレイグ等）を電圧変化により防止する着火燃焼制御装置が提供される。
また、本発明によれば、ノッキングや点火プラグでのプレイグ等の異常燃焼が防止され、安定性の高い出力や動力性能が得られる内燃機関及び車両が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】第１実施形態の内燃機関のシリンダ上部に着火燃焼制御器が取り付けられた構造を簡略して示す断面図である。
【図２】第１実施形態の着火燃焼制御器の構造を示す概略図である。
【図３】（Ａ）は第１実施形態の着火燃焼制御器に正電圧を印加したときの表面電荷を示し、（Ｂ）は第１実施形態の着火燃焼制御器に負電圧を印加したときの表面電荷を示す。
【図４】第１実施形態で奏される効果を原理的に説明するための着火測定装置の構成を示す概略図である。
【図５】（Ａ）は反応管を構成するガラス管の構造を説明するための概略斜視図であり、（Ｂ）はガラス管の断面構造を示す概略図であり、（Ｃ）は自着火による火炎面を観察するための構造を説明するための概略構成図である。
【図６】（Ａ）は反応管を構成するガラス管に正電圧を印加したときの電荷分布を示す概念図であり、（Ｂ）は反応管を構成するガラス管に負電圧を印加したときの電荷分布を示す概念図である。
【図７】金属箔を付設したことによる着火位置の変化を示すグラフである。
【図８】図７の横軸を時間軸に換算し、金属箔の付設又は未付設での着火時間の相違を示すグラフである。
【図９】図８の横軸（時間軸）を拡大してＰｔ箔を付設した場合の着火位置の変化を示すグラフである。
【図１０】Ｎｉ箔を付設した場合の着火位置の変化を示すグラフである。
【図１１】Ａｇ箔を付設した場合の着火位置の変化を示すグラフである。
【図１２】Ａｕ箔を付設した場合の着火位置の変化を示すグラフである。
【図１３】Ｃｕ箔を付設した場合の着火位置の変化を示すグラフである。
【図１４】Ｗ箔を付設した場合の着火位置の変化を示すグラフである。
【図１５】Ｍｏ箔を付設した場合の着火位置の変化を示すグラフである。
【図１６】第１実施形態の電圧制御ルーチンを示す流れ図である。
【図１７】第２実施形態の内燃機関の点火プラグが着火燃焼制御器を兼ねて構成された構造を示す断面図である。
【図１８】図１７の破線領域Ｂを拡大して示す拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、図面を参照して、車両に備えられ、着火燃焼制御装置が取り付けられた内燃機関の実施形態について詳細に説明する。但し、本発明においては、下記の実施形態に制限されるものではない。
【００３０】
（第１実施形態）
本発明の内燃機関の第１実施形態を図１〜図１６を参照して説明する。本実施形態は、車両に搭載された内燃機関であるガソリンエンジンに備えられたシリンダの上部において、その周囲方向を取り巻くように、着火燃焼制御手段の例として着火燃焼制御器が取り付けられた構成となっている。
【００３１】
図１に示すように、本実施形態の内燃機関１０は、供給された混合気を燃焼する燃焼室の吸気、排気等を担う弁機構であるバルブのほか、シリンダ１２と、シリンダ内を往復運動するピストン１４と、着火燃焼制御器１６とを備えている。
【００３２】
本実施形態の内燃機関１０では、バルブから燃焼室に混合気が供給され、点火プラグで混合気に着火されると、点火プラグを中心に火炎が燃焼室内を伝播していき、ピストン１４を押し下げる。このとき、点火プラグから遠い位置に存在している未燃焼の混合気は、図１に示すように、ピストンやシリンダ壁面に押しやられ、高温高圧状態になって自着火に至ることがある。この自着火は、ピストンやシリンダ壁面に近い領域でノッキング等の異常燃焼を起す一因となるものである。このような異常燃焼を抑制するため、本実施形態では、着火燃焼制御器１６が備えられている。
【００３３】
着火燃焼制御器１６は、薄板状の無端構造に形成されている。着火燃焼制御器１６は、シリンダ１２のバルブに近い上部において、図１のように、シリンダ周囲を取り巻くように取り付けられている。着火燃焼制御器を設けることで、異常燃焼が生じやすい壁面近傍や、高温度なりやすい点火プラグ等の領域において、混合気の酸化反応の促進又は抑制が制御される。これにより、ノッキングの要因となる壁面近傍での自着火を防ぎ、高温表面が火種となって生じるプレイグの発生を防止する。壁面近傍の領域とは、図１中の破線領域Ａに示されるように、混合気１８が存在し、着火後の燃焼室で伝播する火炎の到達が遅いエンドガス領域である。
【００３４】
着火燃焼制御器１６は、シリンダ１２内の燃焼室の内壁の一部をなし、図２に示すように、混合気と接触する金属面を有する第１の金属材である金属板２２と、電源と電気的に接続されて電圧が印加される第２の金属材である金属板２４と、金属板２２及び金属板２４の間に挟まれると共に金属板の全体を被覆するように設けられた誘電体２６とで構成されている。
【００３５】
金属板２２と金属板２４とで誘電体２６を挟んだ構造を有していることにより、金属板２４に電圧が印加された場合に、燃焼室内壁をなす金属板２２の、室内に露出する金属面の電荷及び電荷密度を変化させることができる。
【００３６】
具体的には、金属板２４に正電圧を印加したときには、図３（Ａ）に示すように、シリンダ内壁をなす金属板２２の金属面の表面電荷は正電荷となり、正電荷の電荷密度が大きくなる。逆に、金属板２４に負電圧を印加したときには、図３（Ｂ）に示すように、シリンダ内壁をなす金属板２２の金属面の表面電荷は負電荷となり、負電荷の電荷密度が大きくなる。このように、印加する電圧を変化させることにより、非接触にて燃焼室内の壁面の電荷を所望により制御することが可能になり、電荷を変化させることで燃焼室内の酸化反応を制御し、ノッキングやプレイグの発生を低減することができる。すなわち、
本実施形態の内燃機関（ガソリンエンジン）１０では、室内に供給された混合気が点火プラグで着火されると、点火プラグを中心に火炎が伝播していき、点火プラグから比較的遠い位置に存在する未燃焼の混合気は、ピストンやシリンダの壁面に押しやられて高温高圧状態となり、自着火に至る場合がある。このように、燃料である混合気が供給されて室内のエンドガス領域でノッキングが起きやすい条件のときには、着火燃焼制御器１６の金属板２２の金属面の酸化作用を利用して、あるいは例えば負電圧を印加することで負電荷が密な状態とし酸化反応を促進することで、ノッキングの発生が抑えられる。一方、外部装置からの要求負荷が低く燃焼反応が小さく維持されており、エンドガス領域でのガスの希薄化（リーン化）が必要でないときには、酸化作用を低減することができ、例えば正電圧を印加することで正電荷が密な状態とし、酸化反応が抑制されるようにすることができる。
【００３７】
混合気が燃料希薄な組成である場合（リーン条件）や、着火・燃焼しにくい燃料の使用時、始動時等の低温などの条件で着火・燃焼しにくい場合には、着火、燃焼の促進が必要とされ、この際には弱めに酸化作用を与えることで着火、燃焼が促進するため、弱い電圧を印加すればよい。
【００３８】
金属板２２は、電荷を付与する観点から導電性を有すると共に、酸化作用を有している金属で形成されていることが好ましい。酸化作用の強い金属を用いると、燃焼反応が進みやすい一方、電圧印加による酸化反応の制御が行ないやすい。したがって、シリンダ等の壁面近傍の未燃焼ガスを酸化させ、着火しやすい条件に変化させることができる。このような酸化作用を有する金属としては、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、Ａｕ（金）、Ｃｕ（銅）、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）、銀（Ａｇ）などが挙げられ、酸化反応の制御性の観点から、Ａｇ、Ａｕ、及びＭｏがより好適な金属である。
【００３９】
金属板２４は、混合気とは接触しない材料であるため、導電性を有し、静電誘導により非接触で金属板２２に電荷を付与し得る金属であれば、特に制限なく使用することができる。金属板２４に使用可能な金属としては、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、銀（Ａｇ）、Ａｕ（金）、Ｃｕ（銅）、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）などが挙げられる。
【００４０】
金属板２２、金属板２４の厚みとしては、加工性、強度の観点から、０．０１〜５ｍｍの範囲とすることができる。
【００４１】
誘電体２６は、金属板２２及び金属板２４を外部から絶縁し、金属板２２及び金属板２４間を絶縁すると共に、電圧印加時に電荷が現れる誘電材料で形成されている。誘電材料としては、電圧印加時に電流を通さない絶縁性の材料（比誘電率が１０以下）が挙げられ、例えば、ガラス、プラスチック、セラミック、パラフィン、雲母、油などを使用することができる。
【００４２】
金属板２２及び金属板２４間に設けられる誘電体の厚みは、強度や静電誘導、印加電圧の観点から、０．０１〜１ｍｍの範囲とすることができる。
【００４３】
本実施形態の着火燃焼制御器１６は、薄膜のシート状に形成されている。着火燃焼制御器は、薄膜に形成される必要はなく、装着位置や装着のしやすさ等の観点から選択すればよく、例えば立方体や直方体等の四面体に形成されてもよい。薄膜のシート状であると、本実施形態のようにシリンダ周囲にも容易に装着することが可能である。
【００４４】
以下に、本発明において、電荷の付与及びその選択により酸化反応の制御が可能になる原理及びその効果について、図４〜図１６を参照して説明する。
【００４５】
表面の電荷状態が着火に与える影響を観察するため、図４に示すように構成された着火測定装置（フローリアクタ）を用意した。このフローリアクタは、混合気を燃焼反応させる反応管５１と、燃料を導入するためマイクロシリンジ５２と、導入された燃料を気化、保温する保温器５３と、保温器５３にエア（空気）を供給するエア供給器５６と、エア流量を調節するフローコントローラ５４とを備えている。フローコントローラ５４とエア供給器５６とを連通するエア供給管には、バルブ５５が取り付けられている。燃料には、イソオクタンを用いた。
【００４６】
反応管５１は、図５（Ａ）のように、外径４ｍｍ、内径２ｍｍのサイズの石英ガラス製ガラス管６１を備えている。ガラス管６１は、その外周面の一部が黒塗料でコーティングされ、ハロゲンランプ５７で照射して最高１２５０Ｋ（ケルビン）程度まで昇温できるようになっている。また、ガラス管６１には、表面の電荷密度の変化が着火に与える影響を観察できるように、図５（Ａ），（Ｂ）に示されるように長さＬ（本実施形態ではＬ＝３ｍｍ）の領域の管内壁に金属箔（厚み０．０１ｍｍ）６２が設けられている。金属箔には、後述するように、Ｐｔ箔、Ａｇ箔、Ｎｉ箔、Ａｕ箔、Ｃｕ箔、Ｗ箔、及びＭｏ箔を用いた。また、ガラス管６１の外壁には、図５（Ｂ）に示すように、Ｎｉ箔（厚み０．０１ｍｍ）６３が巻き付けられている。ガラス管６１は、図５（Ｃ）のように、Ｎｉ箔６３が設けられていない切欠き領域を部分的に有しており、この領域においてＣＣＤカメラ６５により反射鏡６６を介して自着火に伴なう火炎面の観察が行なえるようになっている。
【００４７】
上記のフローリアクタを用い、図４のように反応管５１のガラス管６１の一端から矢印方向にイソオクタンを含む混合気（イソオクタン／空気の比［当量比］＝１．０）を４．３４ｍｌ／ｍｉｎの速度で流入した。このとき、エア供給器５６からのエアをフローコントローラ５４で流量調節しながら保温器５３に供給すると共に、マイクロシリンジ５２によりイソオクタンを導入した。反応管５１に供給する混合気の流量は微少量としてあり、混合気の温度はガラス管６１の温度に追従している。従って、混合気は、ある温度で着火に至り、このときの温度が自着火温度である。
【００４８】
フローリアクタでは、ＣＣＤカメラ６５により火炎面を検出する際、火炎面に顕著に観察される、活性基であるＯＨラジカル起因の自発光を、中心波長３１０ｎｍ、半値幅１０ｎｍのバンドパスフィルタ６７を通して計測することにより、火炎面の位置を検出することができる。
【００４９】
このフローリアクタを用い、ガラス管６１の外周面に巻き付けたＮｉ箔６３に外部電源を接続し、正電圧又は負電圧を印加することによって、図６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、ガラス管６１の内壁面に正電荷又は負電荷の電荷分布を形成することができる。
このようにして、電圧の有無、印加する電圧の極性による影響を観察し、電荷の付与及びその選択による酸化反応の制御を行なった。
【００５０】
図７に、ガラス管６１の内壁に金属箔６２を設けたことによる着火位置の変化を示す。ここでは、電圧印加は行なっていない。なお、図７には、Ｐｔ、Ａｇ、Ｎｉを設けたときの変化を示す。
図７に示されるように、金属箔としてＰｔ箔、Ａｇ箔、Ｎｉ箔を設けたことで、火炎面の移動が確認された。特にＰｔ箔を用いた場合、火炎面が後流へ大きく移動していることが分かる。これは、Ｐｔを設けることで、Ｐｔ箔表面にて下記化学式で表される燃焼反応が進行し、混合気が希薄化（リーン化）して自着火温度が上昇しているためと推測される。より具体的には、Ｐｔ表面での酸素分子（Ｏ２）のＯラジカルへの解離反応の活性度が異なるためと推察される。このような変化は、Ａｕ箔、Ｃｕ箔、Ｗ箔、Ｍｏ箔でも同様に認められた。
Ｃ８Ｈ１８＋ １２．５Ｏ２ ⇒ ８ＣＯ２＋９Ｈ２Ｏ
【００５１】
次に、図７のＰｔ箔を設けた場合について、横軸をフローリアクタ内で着火に要する時間に換算したグラフを図８に示す。ここでは、金属箔を設けていない場合の着火時間を横軸において時間０ｍｓｅｃとした。
図８に示すように、Ｐｔ箔を設けることで、金属箔を設けない場合と比較し、６０ｍｓｅｃ以上遅れて着火していることが分かる。この時間軸（横軸）を拡大したグラフを図９に示す。図９に示すように、電圧印加しない場合（０ｋＶ）に対して、電圧印加した場合が着火時間に変化が現れていることが分かる。特に＋３．０ｋＶの正電圧を印加した場合、電圧印加しない場合に比べ、２．２ｍｓｅｃ程度変化していることが分かる。このことは、Ｐｔ表面で燃焼反応を制御していることを示すものである。
【００５２】
次に、金属箔をＮｉ箔、Ａｇ箔、Ａｕ箔、Ｃｕ箔、Ｗ箔、及びＭｏ箔に代えて同様にして求めたグラフを図１０〜図１５に示す。
Ｎｉ箔、Ａｇ箔、Ａｕ箔、Ｃｕ箔、Ｗ箔、又はＭｏ箔をガラス管内に設けて電圧印加した場合、電圧の有無及びその極性により図１０〜図１５に示すような変化が現れた。具体的には、いずれの場合も負電圧を印加した場合の変化はあまりみられないものの、＋３．０ｋＶの正電圧を印加したときには、電圧印加しない場合に比べて、Ｎｉ箔では０．９ｍｓｅｃ程度の変化が、Ａｇ箔及びＷ箔では１．２ｍｓｅｃ程度の変化が、Ａｕ箔及びＣｕ箔では０．８ｍｓｅｃ程度の変化が、Ｍｏ箔では１．４ｍｓｅｃ程度の変化がみられた。
特にＡｇ箔、Ａｕ箔、及びＣｕ箔を設けた場合、＋３．０ｋＶの正電圧の印加では金属箔を設けない場合と同等の着火時間が得られており、酸化作用がほぼない状態が実現されている。例えばＡｇ箔でみられた１．２ｍｓｅｃの着火時間の短縮は、例えばエンジン回転数が１２００ｒｐｍでは、クランク角で８．６°に相当する。そのため、ノッキングが発生しやすい運転領域において、燃焼室の壁面で混合気の着火特性を変化させることができれば、耐ノッキング性を飛躍的に向上させることができる。ノッキングが起きやすい圧力下では、単位面積当たりに衝突する数密度が上がるため、より効果が奏されるものと考えられる。
【００５３】
以上のように、混合気が燃焼する燃焼室の内壁に配置した金属面の表面電荷を静電誘導により変化させることにより、ガソリンエンジンなどの内燃機関の燃焼室で進行する酸化反応を、室内のガス組成や構造を変えることなく制御することができる。
【００５４】
次に、本実施形態のガソリンエンジン（内燃機関）を制御する電圧制御手段である制御装置５０による制御ルーチンのうち、外部装置から要求される要求負荷が所定の閾値に満たないときに、燃焼室内での酸化反応がシリンダに取り付けられた着火燃焼制御器により抑制されるように電圧印加する電圧制御ルーチンを中心に、図１６を参照して説明する。
【００５５】
イグニッションスイッチ（ＩＧスイッチ）のオンにより、制御装置５０の電源がオンされると、システムが起動され、着火燃焼制御器を制御するための電圧制御ルーチンが実行される。なお、システムの起動は、自動で行なう以外に手動で行なうようにしてもよい。
【００５６】
本ルーチンが実行されると、まずエンジンに高負荷がかかっている状態か否かを判断するため、ステップ１００において、エンジンに取り付けられた不図示のノッキングセンサにより高周波の振動による出力信号が取り込まれる。そして、ステップ１２０において、取り込まれた出力信号が所定の閾値Ｑ以上であるか否かが判定される。
【００５７】
ステップ１２０において、出力信号が閾値Ｑを下回っていると判定されたときには、外部からの要求負荷が低いためにノッキングが起きやすい状況になく、さらに酸化反応を促す必要がないため、ステップ１４０において着火燃焼制御器１６への正電圧の印加を開始し、酸化反応を抑制する。一方、出力信号が閾値Ｑ以上であると判定されたときには、外部からの要求負荷が高く、高出力が求められているためノッキングが発生しやすい状況にあり、酸化反応を促進してエンドガス領域のガスを希釈化（リーン化）する必要があるため、着火燃焼制御器１６への電圧印加は行なわない。
【００５８】
その後、ステップ１６０において、エンジンを停止するか否かを判定し、依然としてエンジンを運転状態のまま維持するときには、ステップ１２０に戻って同様の制御を繰り返す。また、ステップ１６０において、エンジンの停止要求があったときには、そのまま本ルーチンを終了する。
【００５９】
上記の電圧制御ルーチンにおいては、外部装置からエンジンに要求される負荷の程度を判定するために、ノッキングセンサにより高周波の出力信号を検出し、検出された高周波出力信号が大きい場合にエンジンが高負荷状態にあると判定するようにしたが、出力信号に基づく判定に限らず、エンジンのクランクセンサと吸気スロットル開度による検出値に基づいて判定するようにしてもよい。この場合、図１６のステップ１００において、エンジンのクランクセンサの値を検出した後、ステップ１２０において、クランク角が所定の範囲（例えば−４０ＡＴＤＣ〜３０ＡＴＤＣの範囲）にあるか否かを判定し、クランク角が所定の範囲にあるときには、燃焼室での混合気の圧縮が末期に達し着火タイミングにあり、ノッキングが起きやすい状況のため、電圧の印加は行なわず、あるいは負電圧の印加を開始するようにすることができる。一方、ステップ１２０において、クランク角が所定の範囲内にないときには、ノッキングが起きやすい状況になく、さらに酸化反応を促す必要がないため、ステップ１４０において正電圧を印加して酸化反応を抑制する。このとき、混合気の圧縮末期から着火直後までの間は、電圧印加していることが好ましい。つまり、燃焼室への混合気の圧縮−着火直後の時間帯に電圧印加することで、ノッキングの防止効果が得られる。
【００６０】
上記した実施形態では、薄板状で無端構造の着火燃焼制御器１６をシリンダ上部にその周囲を取り巻くように配置した例を中心に説明したが、着火燃焼制御器１６はその形状を変える等により表面積を場合に応じて調整することにより、シリンダヘッドやピストン上など燃焼室内壁面の全体への装着が可能である。
【００６１】
また、エンジンの運転状況に応じて、着火タイミング、電圧の印加時間、印加電圧などの条件は、所望とする効果が奏されるように適宜調整すればよい。
【００６２】
（第２実施形態）
本発明の内燃機関の第２実施形態について図１７を参照して説明する。本実施形態は、前記第１実施形態と同様に、車両に搭載された内燃機関であるガソリンエンジンのシリンダヘッドに点火プラグが取り付けられて構成されている。なお、第１実施形態と同様の構成要素には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００６３】
図１７に示すように、本実施形態の内燃機関２００は、シリンダ１２内の燃焼室内のシリンダヘッドに、図１７に示されるように、電極７０及び電極７１と、これら電極に挟まれると共に電極を部分的に被覆するように設けられた誘電体７６とを有する点火プラグを備えている。
【００６４】
ここで、図１７の破線領域Ｂを拡大して図１８に示す。この電極部分は、点火のために燃焼室内に露出しているため、高温に曝されることになる。
この電極部分は、図１８に示すように、燃焼室内に露出した状態で配され、混合気と接触する金属面を有する第１の金属材である金属電極７２と、電源と電気的に接続されて電圧が印加される第２の金属材である金属電極７４と、金属電極７２及び金属電極７４の間に挟まれると共に金属電極の一部を被覆するように設けられた誘電体７６とで構成されている。このような構成のため、第１実施形態の場合と同様に、金属電極７４に印加される電圧に基づいて、金属電極７２の表面に印加電圧に応じた電荷が与えられる。
【００６５】
点火プラグは、燃焼室内に配置されており、特に外部からの要求負荷が高い場合（高負荷条件）には、その電極部分は高温に達する。そのため、プレイグが発生しやすい状況になるため、プラグにおいて通常アースされている側方電極をフロティングできる構成に変更した上で、金属電極７４に正電圧を印加することで、混合気と接触する金属電極７２の露出面の電荷が制御され、酸化反応を抑制することができる。これは、点火プラグを形成するベース材料である金属電極７２が酸化作用を有しているときには、系内の酸化反応を促進しながらも、電圧印加により酸化作用を抑制することが可能である。これにより、正常点火前にプラグから着火するプレイグと称される異常燃焼を防ぐことができる。
具体的には、金属電極７４に正電圧を印加すると、金属電極７２の露出面は正電荷の密度が高くなり、金属電極７２表面での酸化反応は抑制され、プレイグ（異常燃焼）の発生が改善される。
【００６６】
金属電極７２、７４に使用可能な金属、及び誘電体７６に使用可能な誘電材料については、第１実施形態にて説明した通りである。
【００６７】
上記では、点火プラグのみに着火燃焼制御手段を適用した例を中心に説明したが、点火プラグと共にシリンダ上部に第１実施形態のように着火燃焼制御器を取り付けた形態としてもよい。
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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