(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダヘッドに取り付けられる導電体の第１電極と、その第１電極と対向する導電体の第２電極と、第１電極又は第２電極の一方の電極の非平衡プラズマ放電する領域に形成される誘電体と、を含み、第１電極と第２電極との間に電圧が印加されると、誘電体と他方の電極との間の非平衡プラズマ放電によって混合気の自着火前の筒内にラジカルを生成可能な非平衡プラズマ放電部を有し、
前記非平衡プラズマ放電部の放電開始時期を、負荷が低いときは吸気行程に設定し、負荷が高いほど遅角側に設定し、負荷が高いときは圧縮行程に設定する非平衡プラズマ放電制御手段を備える、
ことを特徴とする内燃機関の非平衡プラズマ放電制御装置。
【請求項２】
請求項１に記載の内燃機関の非平衡プラズマ放電制御装置において、
前記非平衡プラズマ放電制御手段は、少なくとも吸気弁の開弁後に前記非平衡プラズマ放電部の放電開始時期を設定する、
ことを特徴とする内燃機関の非平衡プラズマ放電制御装置。
【請求項３】
請求項２に記載の内燃機関の非平衡プラズマ放電制御装置において、
前記非平衡プラズマ放電制御手段は、さらに排気弁の閉弁後に前記非平衡プラズマ放電部の放電開始時期を設定する、
ことを特徴とする内燃機関の非平衡プラズマ放電制御装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の内燃機関の非平衡プラズマ放電制御装置において、
前記非平衡プラズマ放電制御手段は、吸気弁の閉弁前に前記非平衡プラズマ放電部の放電終了時期を設定する、
ことを特徴とする内燃機関の非平衡プラズマ放電制御装置。
【請求項５】
シリンダヘッドに取り付けられる導電体の第１電極と、その第１電極と対向する導電体の第２電極と、第１電極又は第２電極の一方の電極の非平衡プラズマ放電する領域に形成される誘電体と、を含み、第１電極と第２電極との間に電圧が印加されると、誘電体と他方の電極との間の非平衡プラズマ放電によって圧縮行程における混合気の自着火性を向上するラジカルを筒内に生成可能な非平衡プラズマ放電部を有する内燃機関の非平衡プラズマ放電制御方法であって、
前記非平衡プラズマ放電部の放電開始時期を、負荷が低いときは吸気行程に設定し、負荷が高いほど遅角側に設定し、負荷が高いときは圧縮行程に設定する非平衡プラズマ放電制御工程を備える、
ことを特徴とする内燃機関の非平衡プラズマ放電制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、内燃機関の非平衡プラズマ放電制御装置及び非平衡プラズマ放電制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮行程中に、スパークプラグによってアシスト的にスパーク点火することで、筒内にラジカルを発生させて混合気の自着火性を向上させるエンジンが提案されている(特許文献１参照)。ラジカルは酸化反応(すなわち燃焼)を誘発しやすくまたその酸化反応(燃焼)が連鎖しやすい。そのため筒内にラジカルが発生していると混合気の自着火性が向上するのである。
【特許文献１】特開２００１−２０８４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、スパーク点火は熱プラズマ放電であるので、前述した従来エンジンのようにスパークプラグによってスパーク点火してもラジカル生成効率が低く、また、ラジカル生成量も限られていた。そのため自着火性向上効果が少ないことが本件発明者らによって知見された。
【０００４】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、混合気の自着火性を従来以上に向上可能な内燃機関の非平衡プラズマ放電制御装置及び非平衡プラズマ放電制御方法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】
【０００５】
本発明は以下のような解決手段によって前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために本発明の実施形態に対応する符号を付するが、これに限定されるものではない。
【０００６】
本発明は、シリンダヘッドに取り付けられる導電体の第１電極(７１)と、その第１電極(７１)と対向する導電体の第２電極(７２)と、第１電極(７１)又は第２電極(７２)の一方の電極の非平衡プラズマ放電する領域に形成される誘電体(７３)と、を含み、第１電極(７１)と第２電極(７２)との間に電圧が印加されると、誘電体(７３)と他方の電極との間の非平衡プラズマ放電によって混合気の自着火前の筒内にラジカルを生成可能な非平衡プラズマ放電部(７０)を有し、前記非平衡プラズマ放電部(７０)の放電開始時期を、負荷が低いときは吸気行程に設定し、負荷が高いほど遅角側に設定し、負荷が高いときは圧縮行程に設定する非平衡プラズマ放電制御手段を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、ラジカルを筒内に生成可能な非平衡プラズマ放電部を有するので、圧縮行程における混合気の自着火性が向上し、ひいては負荷にかかわらず燃料消費率を小さくでき、燃費を向上できたのである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下では図面等を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。
（第１実施形態）
はじめに本発明の基本的な技術思想について説明する。
【０００９】
上述のように、スパーク点火することで、筒内にラジカル(高エネルギ電子が燃料又は空気の分子に衝突することで分子解離が誘発されている状態であり、混合気の着火を促進する化学活性種である)を発生させて混合気の自着火性(圧縮着火性)を向上させるエンジンが提案されている。しかしながら、このようなエンジンでは着火性向上効果が少なかった。この理由は以下のように考えられる。
【００１０】
すなわちスパーク点火では熱プラズマ放電となる。熱プラズマ放電では、電子，イオン，分子の間で運動エネルギが十分に交換される。そのため電子エネルギとイオンエネルギと中性粒子エネルギとが平衡な熱平衡状態となる。ラジカルは、高エネルギ電子が燃料又は空気の分子に衝突することで分子解離が誘発されている状態であり、混合気の着火を促進する化学活性種である。スパーク点火では、ラジカル生成に寄与しないイオンや分子にもエネルギを与えてしまい、投入エネルギの電子エネルギヘの変換効率が低い。ラジカル量を増やすために投入エネルギを大きくすると、電極が溶損する可能性もある。そのためラジカル量を増やすことが困難である。
【００１１】
そこで本件発明者らは、非平衡プラズマ放電に着目した。非平衡プラズマ放電では、電子温度(電子エネルギ)のみが非常に高い熱的に非平衡な状態(すなわち電子エネルギ＞＞イオンエネルギ＝中性粒子エネルギ)となり、投入エネルギに対する電子エネルギヘの変換効率が高い。また非平衡プラズマ放電では、ガス温度を高めないので熱損失が少ない。電極溶損のおそれも小さい。
【００１２】
このような理由により、非平衡プラズマ放電を利用すれば比較的容易にラジカルを生成可能である。そこで本件発明者らは、非平衡プラズマ放電機構をエンジンに組み入れる研究を鋭意進めた。そして本件発明を完成するに至ったのである。
【００１３】
このような技術思想に基づいて自着火性を向上した非平衡プラズマ放電機能付きエンジンについて以下に説明する。
【００１４】
図１は、非平衡プラズマ放電機能付きエンジンの第１実施形態の構成を示す図である。
【００１５】
非平衡プラズマ放電機能付きエンジン１は、非平衡プラズマ放電部７０を備える。非平衡プラズマ放電部７０は、吸気ポート６０ａと排気ポート６０ｂとの間であって、シリンダヘッドのほぼ燃焼室中心に設けられる。非平衡プラズマ放電部７０は、非平衡プラズマ放電によってラジカルを生成する。また非平衡プラズマ放電部７０は、比較的高負荷時(混合気の空燃比が比較的リッチなとき)には、非平衡プラズマ放電によって混合気に着火することも可能である。この非平衡プラズマ放電部７０の詳細構造については、拡大図(図２)を参照して後述する。
【００１６】
本実施形態の非平衡プラズマ放電機能付きエンジン１は、ピストン３２とクランクシャフト３３とを２つのリンクで連結する複リンク機構による可変圧縮比機構(以下「複リンク式可変圧縮比機構」という)を有する。
【００１７】
複リンク式可変圧縮比機構は、ピストン３２とクランクシャフト３３とを２つのリンク(アッパリンク(第１リンク)１１、ロアリンク(第２リンク)１２)で連結するとともに、コントロールリンク(第３リンク)１３でロアリンク１２を制御して機械圧縮比を変更する。
【００１８】
アッパリンク１１は、上端をピストンピン２１を介してピストン３２に連結し、下端を連結ピン２２を介してロアリンク１２の一端に連結する。ピストン３２は、燃焼圧力を受け、シリンダブロック３１のシリンダ３１ａを往復動する。
【００１９】
ロアリンク１２は、一端を連結ピン２２を介してアッパリンク１１に連結し、他端を連結ピン２３を介してコントロールリンク１３に連結する。また、ロアリンク１２は、ほぼ中央の連結孔に、クランクシャフト３３のクランクピン３３ｂを挿入し、クランクピン３３ｂを中心軸として揺動する。ロアリンク１２は左右の２部材に分割である。クランクシャフト３３は、複数のジャーナル３３ａとクランクピン３３ｂとを備える。ジャーナル３３ａは、シリンダブロック３１及びラダーフレーム３４によって回転自在に支持される。クランクピン３３ｂは、ジャーナル３３ａから所定量偏心しており、ここにロアリンク１２が揺動自在に連結する。
【００２０】
コントロールリンク１３は、連結ピン２３を介してロアリンク１２に連結する。またコントロールリンク１３は、他端を連結ピン２４を介してコントロールシャフト２５に連結する。コントロールリンク１３は、この連結ピン２４を中心として揺動する。またコントロールシャフト２５にはギアが形成されており、そのギヤがアクチュエータ５１の回転軸５２に設けられたピニオン５３に噛合する。アクチュエータ５１によってコントロールシャフト２５が回転させられ、連結ピン２４が移動する。
【００２１】
コントローラ９０には、エンジン回転速度やエンジン負荷といったエンジン運転状態を検出する各種センサの信号を入力する。コントローラ９０はアクチュエータ５１を制御してコントロールシャフト２５を回転させて圧縮比を変更する。またコントローラ９０は、エンジン運転状態に応じた交流電圧の電圧値、印加時間、交流周波数、印加時期などを非平衡プラズマ放電部７０に印加するように、高電圧高周波発生器８０を制御する。さらにコントローラ９０は吸気ポート６０ａに設けられた燃料噴射弁６５の燃料噴射を制御する。吸気弁８１は後述のようにその開閉時期を変更可能である。コントローラ９０はエンジンの負荷を判定し、その負荷に応じた制御を行う。コントローラ９０は中央演算装置(ＣＰＵ)、読み出し専用メモリ(ＲＯＭ)、ランダムアクセスメモリ(ＲＡＭ)及び入出力インタフェース(Ｉ／Ｏインタフェース)を備えたマイクロコンピュータで構成される。コントローラ９０を複数のマイクロコンピュータで構成してもよい。
【００２２】
図２は、非平衡プラズマ放電部の拡大図であり、図２(Ａ)は縦断面図であり、図２(Ｂ)は下面図である。
【００２３】
本実施形態では、非平衡プラズマ放電部としてバリア放電機構を使用する。
【００２４】
バリア放電機構(非平衡プラズマ放電部)７０は、中心電極７１と管状電極７２とを備える。
【００２５】
中心電極７１は、棒状の導電体である。中心電極７１は、全周が誘電体(絶縁体)７３で覆われる。中心電極７１は、端子７１ａを介して高電圧高周波発生器８０に接続される。この中心電極７１に、エンジン運転状態に応じて電圧値、印加時間、交流周波数、印加時期などが制御(設定)された交流電圧が、高電圧高周波発生器８０で発生させられた上で印加される。
【００２６】
管状電極７２は、管状の導電体である。管状電極７２は、シリンダヘッドに取り付けられる。管状電極７２の内周側が放電室７２ａである。この放電室７２ａに中心電極７１は突出する。
【００２７】
中心電極７１に、高電圧高周波発生器８０から交流電圧が印加されると、図２(Ａ)に示すように、管状電極７２と誘電体７３との間で、ストリーマＳが発生する。このストリーマＳは、図２(Ａ)に示すように上下方向に複数発生する。図２(Ａ)では、誘電体７３の右側及び左側に、それぞれ６本ずつ発生した様子を示した。また図２(Ｂ)に示すように誘電体７３を中心として放射状に形成される。図２(Ｂ)では、誘電体７３を中心として１２本が放射状に形成される様子を示した。バリア放電機構７０は複数のストリーマＳを形成することで放電室７２ａに多量のラジカルを生成することができる。また放電室内において多点同時点火、つまり体積的な点火(以下「体積点火」という。)をすることも可能である。
【００２８】
またバリア放電機構７０は、所定時間内で多数回放電でき、このことでも放電室７２ａに多量のラジカルを生成することができる。これについて図３を参照して説明する。なお図３は、交流電圧(電界)を印加したときの放電の様子を説明する図であり、図３(Ａ)はスパーク点火放電機構の場合であり、図３(Ｂ)はバリア放電機構の場合である。
【００２９】
はじめに比較として、従来のスパークプラグのスパーク点火放電機構に交流電圧を印加する場合について説明する。スパークプラグに交流電圧を印加する場合は、図３(Ａ)に示すように、印加電圧によって電極間に形成される電界Ｖ0の絶対値が、放電電圧(絶縁破壊電界)Ｖaに達したときに、電極間でアーク放電する。極性が反転した場合でも同様にアーク放電する。スパークプラグでは、図３(Ａ)に示すように放電時間ｔの間に４回のアーク放電が発生する。また放電箇所は１箇所であり、放電形態は点状又は線状である。
【００３０】
一方、バリア放電機構７０では、誘電体(絶縁体)７３が中心電極７１を覆う。誘電体７３は一種のコンデンサとして作用する。バリア放電(非平衡プラズマ放電)した後に、誘電体７３の表面には電荷が蓄えられる。そして図３(Ｂ)に示すように、印加電圧による電界Ｖ0と、誘電体７３の表面電荷による電界Ｖwと、の差の絶対値が、放電電圧Ｖdに達すると、誘電体７３と管状電極７２との間でバリア放電(非平衡プラズマ放電)が発生する。したがって、バリア放電機構７０では放電室７２ａの複数個所でストリーマＳが形成され、図３(Ｂ)に示すように放電時間ｔの間に８回のバリア放電(非平衡プラズマ放電)が発生する。
【００３１】
このように、バリア放電機構７０は、従来手法におけるスパークプラグよりも同一時間(放電時間ｔ)における放電回数を増加させることができる。
【００３２】
なお、図示はしないが、バリア放電機構７０では、交流電圧の電圧値を大きくすることによっても、印加電圧による電界Ｖ0と、誘電体７３の表面電荷による電界Ｖwと、の差の絶対値が、放電電圧Ｖdに達する機会を増やすことができ、放電回数を増加させることができる。
【００３３】
図４は、非平衡プラズマ放電部の放電エネルギを増大する方法を説明する図である。
【００３４】
非平衡プラズマ放電部７０の放電エネルギは、高電圧高周波発生器８０からの交流電圧の電圧値、印加時間、交流周波数によって制御される。
【００３５】
非平衡プラズマ放電部７０の放電エネルギーを増大するには、基準交流印加電圧の波形(図４(Ａ))に対して、図４(Ｂ−１)のように交流電圧の電圧値を増大する方法がある。
【００３６】
また図４(Ｂ−２)のように印加時間を長くしたり、図４(Ｂ−３)のように交流周波数を増大することによって、交流電圧の波数を増やすことでも、非平衡プラズマ放電部の放電エネルギを増大可能である。
【００３７】
図５は複リンク式可変圧縮比機構による圧縮比変更方法を説明する図である。
【００３８】
複リンク式可変圧縮比機構は、コントロールシャフト２５を回転して連結ピン２４の位置を変更することで、機械圧縮比を変更できる。たとえば図５(Ａ)、図５(Ｃ)に示すように連結ピン２４を位置Ａにすれば、上死点位置(ＴＤＣ)が高くなり高圧縮比になる。
【００３９】
そして図５(Ｂ)、図５(Ｃ)に示すように、連結ピン２４を位置Ｂにすれば、コントロールリンク１３が上方へ押し上げられ、連結ピン２３の位置が上がる。これによりロアリンク１２はクランクピン３３ｂを中心として反時計方向に回転し、連結ピン２２が下がり、ピストン上死点(ＴＤＣ)におけるピストン３２の位置が下降する。したがって圧縮比が低圧縮比になる。
【００４０】
図６は動弁の開閉時期を調整する可変動弁機構を説明する図である。
【００４１】
非平衡プラズマ放電機能付きエンジン１は、可変動弁機構２００を備える。可変動弁機構２００は、例えば特開平１１−１０７７２５号に開示された機構を用いることができる。これについて図面を参照して説明する。
【００４２】
可変動弁機構２００は、カムシャフト２１０と、リンクアーム２２０と、バルブリフト制御シャフト２３０と、ロッカアーム２４０と、リンク部材２５０と、揺動カム２６０とを備え、揺動カム２６０の揺動によってカムフォロア６３を押圧し動弁(吸気弁)６１を開閉する。
【００４３】
カムシャフト２１０は、エンジン前後方向に沿ってシリンダヘッド上部に回転自在に支持される。カムシャフト２１０の一端は、カムスプロケット２７０に挿入される。カムスプロケット２７０は、エンジンのクランク軸からトルクが伝達されて回転する。カムシャフト２１０は、カムスプロケット２７０とともに回転する。カムシャフト２１０は、油圧によってカムスプロケット２７０に対して相対回転し、カムスプロケット２７０に対する位相を変更できる。このような構造によって、クランク軸に対するカムシャフト２１０の回転位相を変更できる。カムシャフト２１０にはカム２１１が固定される。カム２１１はカムシャフト２１０と一体回転する。またカムシャフト２１０にはパイプで連結された一対の揺動カム２６０が挿通される。揺動カム２６０はカムシャフト２１０を回転中心として揺動し、カムフォロア６３をストロークさせる。
【００４４】
リンクアーム２２０はカム２１１を挿通して支持される。
【００４５】
バルブリフト制御シャフト２３０は、カムシャフト２１０と平行に配置される。バルブリフト制御シャフト２３０にはカム２３１が一体形成される。バルブリフト制御シャフト２３０はアクチュエータ２８０によって所定回転角度範囲内で回転するように制御される。
【００４６】
ロッカアーム２４０はカム２３１を挿通して支持され、リンクアーム２２０に連結される。
【００４７】
リンク部材２５０は、ロッカアーム２４０に連結される。
【００４８】
揺動カム２６０は、カムシャフト２１０を挿通し、カムシャフト２１０を中心として揺動自在である。揺動カム２６０は、リンク部材２５０に連結される。揺動カム２６０は上下動して、カムフォロア６３を押し下げ、動弁６１を開閉する。
【００４９】
続いて図７を参照して可変動弁機構２００の動作を説明する。
【００５０】
図７(Ａ−１)(Ａ−２)はカムフォロア６３のストローク量を最大にして動弁６１のリフト量を最大にするときの様子を示す図である。図７(Ａ−１)はカムノーズ２６２が最高位置にあって揺動カム２６０の揺動方向が反転するときの様子を示す。このときカムフォロア６３は上端位置にあり動弁６１は閉弁状態である。図７(Ａ−２)はカムノーズ２６２が最低位置にあって揺動カム２６０の揺動方向が反転するときの様子を示す。このときカムフォロア６３は下端位置にあり動弁６１は最大リフト状態である。
【００５１】
図７(Ｂ−１)(Ｂ−２)はカムフォロア６３のストローク量を最小にするときの様子を示す図である。図７(Ｂ−１)はカムノーズ２６２が最高位置にあって揺動カム２６０の揺動方向が反転するときの様子を示す。図７(Ｂ−２)はカムノーズ２６２が最低位置にあって揺動カム２６０の揺動方向が反転するときの様子を示す。本実施形態ではカムフォロア６３のストローク量がゼロであり動弁６１のリフト量もゼロである。そのため、図７(Ｂ−１)(Ｂ−２)では揺動カム２６０の作動にかかわらず、動弁６１は常に閉弁状態である。
【００５２】
カムフォロア６３のストローク量を大きくして動弁６１のリフト量を大きくするには、図７(Ａ−１)(Ａ−２)に示すように、バルブリフト制御シャフト２３０を回転してカム２３１の位置を下げ、軸心Ｐ１を軸心Ｐ２の下方にセットする。これによりロッカアーム２４０は、全体が下方に移動する。
【００５３】
この状態でカムシャフト２１０を回転駆動すると、その駆動力が、リンクアーム２２０→ロッカアーム２４０→リンク部材２５０→揺動カム２６０と伝達する。
【００５４】
図７(Ａ−１)のようにカム２１１がカムシャフト２１０の左側にあるときは揺動カム２６０の基円部２６１がカムフォロア６３に当接しており、このときカムフォロア６３は上端位置にあり動弁６１は最大リフト状態である。
【００５５】
図７(Ａ−２)のように、カム２１１がカムシャフト２１０の右側にあるときは揺動カム２６０のカムノーズ２６２がカムフォロア６３に当接しており、このときカムフォロア６３は下端位置にあり動弁６１は閉弁状態である。
【００５６】
カムフォロア６３のストローク量を小さくして動弁６１のリフト量を小さくするには、図７(Ｂ−１)(Ｂ−２)に示すように、バルブリフト制御シャフト２３０を回転してカム２３１の位置を上げ、軸心Ｐ１を軸心Ｐ２の右斜上方にセットする。これによりロッカアーム２４０は、全体が上方に移動する。
【００５７】
この状態でカムシャフト２１０を回転駆動すると、その駆動力が、リンクアーム２２０→ロッカアーム２４０→リンク部材２５０→揺動カム２６０と伝達する。
【００５８】
図７(Ｂ−１)のように、カム２１１がカムシャフト２１０の左側にあるときは揺動カム２６０の基円部２６１がカムフォロア６３に当接する。
【００５９】
図７(Ｂ−２)のように、カム２１１がカムシャフト２１０の右側にあるときであっても揺動カム２６０の基円部２６１がカムフォロア６３に当接する。
【００６０】
このように、バルブリフト制御シャフト２３０を回転してカム２３１の位置を上げ、軸心Ｐ１を軸心Ｐ２の右斜上方にセットした場合には、カムシャフト２１０が回転して揺動カムが揺動しても、カムフォロア６３はストロークせず、動弁６１は閉弁したままである。
【００６１】
図８は、可変動弁機構２００による動弁のリフト量及び開閉時期を示す図である。実線はバルブリフト制御シャフト２３０を回転したときの動弁６１のリフト量及び開閉時期を示す図である。破線はカムシャフト２１０のカムスプロケット２７０に対する位相を変更したときの動弁６１の開閉時期を示す図である。
【００６２】
上述した可変動弁機構２００の構造によれば、動弁６１のリフト量及び作動角を連続的に変更することができる。このようにバルブリフト制御シャフト２３０の角度及びカムシャフト２１０のカムスプロケット２７０に対する位相を変更することで、動弁６１のリフト量及び作動角を連続的に自在に変更することができる。
【００６３】
図９は、非平衡プラズマ放電機能付きエンジンの運転マップの一例を示す図である。
(極低負荷域)
負荷が非常に低い極低負荷域においては、空燃比Ａ／Ｆは一定値に設定する(図９(Ａ))。非平衡プラズマ放電開始時期は吸気行程の一定時期に設定する(図９(Ｂ))。この一定時期は後述の低負荷域での最進角側設定時期に等しく、また少なくとも吸気弁の開弁後であってかつ排気弁の閉弁後である。すなわち吸気弁と排気弁とがオーバラップするエンジンであれば、排気弁の閉弁後である。吸気弁と排気弁とがマイナスオーバラップするエンジンであれば、吸気弁の開弁後である。なお非平衡プラズマ放電終了時期は、吸気弁の閉弁前である。このように設定する理由は後述する。放電エネルギは、負荷が低いほど大きく設定する(図９(Ｃ))。吸気弁閉弁時期(ＩＶＣ)は、下死点(ＢＤＣ)よりも進角側に設定し、ミラーサイクル運転する。なお負荷が低いほど進角側に設定する(図９(Ｄ))。機械圧縮比は高圧縮比に設定する(図９(Ｅ))。
(低負荷域)
極低負荷域よりも負荷が大きな低負荷域においては、空燃比Ａ／Ｆは、負荷が高いほど小さく(すなわちリッチ側)に設定する(図９(Ａ))。非平衡プラズマ放電開始時期は、負荷が低いときは吸気行程に設定し、負荷が高いほど遅角側に設定し、負荷が高いときは圧縮行程に設定する(図９(Ｂ))。このように設定する理由は後述する。放電エネルギは一定値に設定する(図９(Ｃ))。吸気弁閉弁時期(ＩＶＣ)は下死点(ＢＤＣ)よりも遅角側の一定値に設定する(図９(Ｄ))。機械圧縮比は高圧縮比に設定する(図９(Ｅ))。
(低中負荷域)
低負荷域よりも負荷が大きな低中負荷域においては、空燃比Ａ／Ｆは、負荷が高いほど小さく(すなわちリッチ側)に設定する(図９(Ａ))。非平衡プラズマ放電開始時期は、低負荷域よりも大幅に遅角するとともに、負荷が高いほど遅角側に設定する(図９(Ｂ))。放電エネルギは一定値に設定する(図９(Ｃ))。吸気弁閉弁時期(ＩＶＣ)は下死点(ＢＤＣ)よりも遅角側の一定値に設定する(図９(Ｄ))。機械圧縮比は、極低負荷〜低負荷域よりも大幅に低く、そして負荷が高いほど低圧縮比に設定する(図９(Ｅ))。
(中高負荷域)
低中負荷域よりも負荷が大きな中高負荷域においては、空燃比Ａ／Ｆは、負荷が高いほど小さく(すなわちリッチ側)に設定する(図９(Ａ))。非平衡プラズマ放電開始時期は、負荷が高いほど遅角側に設定する(図９(Ｂ))。放電エネルギは一定値に設定する(図９(Ｃ))。吸気弁閉弁時期(ＩＶＣ)は下死点(ＢＤＣ)よりも遅角側の一定値に設定する(図９(Ｄ))。機械圧縮比は、低中負荷域よりもさらに低めに、負荷が高いほど低圧縮比に設定する(図９(Ｅ))。
【００６４】
ここで上述のように制御マップを設定する理由について説明する。理解を容易にするために、まず低負荷域での設定理由について説明する。
【００６５】
低負荷域では、非平衡プラズマ放電開始時期は、負荷が低いときは吸気行程に設定している。この低負荷域中でも特に負荷が低いときは、非平衡プラズマ放電開始時期は、少なくとも吸気弁の開弁後であってかつ排気弁の閉弁後である。すなわち吸気弁と排気弁とがオーバラップするエンジンであれば、排気弁の閉弁後である。吸気弁と排気弁とがマイナスオーバラップするエンジンであれば、吸気弁の開弁後である。そして非平衡プラズマ放電終了時期は、吸気弁の閉弁前である。このように設定する理由について説明する。
【００６６】
図１０は、非平衡プラズマ放電の開始時期別に、熱発生率の変化を示した図である。
【００６７】
図中のラインＡは、比較例として示したものであり、非平衡プラズマ放電しなかった(すなわちラジカルを生成しなかった)ときの熱発生率の変化を示す線である。ラインＡから、熱発生率はクランク角θaでピークを迎えていることが分かる。なお熱発生率変化はこのピークの前後で略対称であり、質量燃焼割合５０％となるクランク角ＭＢθ50%はθaとほぼ一致する。
【００６８】
図中のラインＢは圧縮行程(たとえば135degBTDC)で非平衡プラズマ放電を開始したときの熱発生率の変化を示す線である。ラインＢから、熱発生率は、非平衡プラズマ放電しなかった場合(ラインＡ)よりも進角側のクランク角θbでピークを迎え、非平衡プラズマ放電しなかった場合(ラインＡ)と比較して早く立ち上がることが分かる。なお熱発生率変化はこのピークの前後で略対称であり、質量燃焼割合５０％となるクランク角ＭＢθ50%はθbとほぼ一致する。
【００６９】
図中のラインＣは吸気行程(たとえば270degBTDC)で非平衡プラズマ放電を開始したときの熱発生率の変化を示す線である。ラインＣから、熱発生率は、圧縮行程で非平衡プラズマ放電を開始した場合(ラインＢ)よりもさらに進角側のクランク角θcでピークを迎え、変化が急峻であることが分かる。なお熱発生率変化はこのピークの前後で略対称であり、質量燃焼割合５０％となるクランク角ＭＢθ50%はθcとほぼ一致する。
【００７０】
図１１は図１０のようになる理由の解析結果であり、筒内のラジカルの分布状態を模式的に示した図である。図中のドットでラジカルを模式的に表した。
【００７１】
図１０のように、非平衡プラズマ放電の開始時期によって熱発生率変化が相違するのは、筒内のラジカルの分布状態に起因する、というのが本件発明者らの知見である。
【００７２】
非平衡プラズマ放電しなかった(すなわちラジカルを生成しない)ときは、当然のことながらシリンダ３１ａにはラジカルの分布はない(図１１(Ａ))。このようにラジカル分布が無い状態で混合気が圧縮着火すると、熱発生率は図１０のラインＡのように比較的緩やかに変化するのである。
【００７３】
一方、吸気行程で非平衡プラズマ放電を開始した場合は、図１１(Ｃ)に図示したように着火直前のシリンダ３１ａには、ほぼ全体にラジカルが分布していることが分かった。これは非平衡プラズマ放電部７０が非平衡プラズマ放電してラジカルが生成されてから着火するまでの期間が長いので、ラジカルが吸気流に乗ってシリンダ３１ａに広く分散するためである。そしてこのようにラジカルが広く分布した状態で圧縮着火すると、混合気はシリンダ３１ａの全体でほぼ同時に燃焼する。ラジカルは高エネルギ電子が燃料又は空気の分子に衝突することで分子解離が誘発されている状態である。このようなラジカルは酸化反応(すなわち燃焼)を誘発しやすくまたその酸化反応が連鎖しやすいという特性がある。このような特性のラジカルがシリンダ３１ａの全体に分布した状態で、筒内圧が高まるとシリンダ３１ａの全体でラジカルがほぼ同時に燃焼するのである。シリンダ３１ａの全体でこのように燃焼反応が生じるので、熱発生率も急激に立ち上がる、というのが本件発明者らが得た知見である。
【００７４】
圧縮行程で非平衡プラズマ放電を開始した場合は、着火直前のシリンダ３１ａには、非平衡プラズマ放電しなかった場合と(図１１(Ａ))、吸気行程で非平衡プラズマ放電を開始した場合と(図１１(Ｃ))、の中間のような状態になり、非平衡プラズマ放電部の近傍にラジカルが分布している(図１１(Ｂ))。これは非平衡プラズマ放電部７０が非平衡プラズマ放電してラジカルが生成されてから着火するまでの期間が短いので、ラジカルが広くは分散できないためである。そしてこのようにラジカルが非平衡プラズマ放電部７０の近傍に分布した状態で圧縮着火すると、まずラジカルが燃焼し、続いてその周辺のラジカルでない混合気が燃焼する。このようなメカニズムであるので、ラインＢはラインＡとラインＣとの中間的なラインになっているのである。
【００７５】
図１２は、非平衡プラズマ放電の開始時期と、質量燃焼割合５０％となるクランク角と、の関係を示した図である。
【００７６】
上述のように、非平衡プラズマ放電の開始時期を変更することで、質量燃焼割合５０％となるクランク角ＭＢθ50%が変わる。すなわち自着火性が変わるのである。この関係をプロットしたのが図１２である。非平衡プラズマ放電の開始時期が270degBTDCくらいまでは、非平衡プラズマ放電の開始時期を進角するにつれて、質量燃焼割合５０％となるクランク角ＭＢθ50%も進角する。すなわち自着火性が良くなっているのである。また非平衡プラズマ放電の開始時期を270degBTDC以上進角すると、非平衡プラズマ放電の開始時期を進角するにつれて、質量燃焼割合５０％となるクランク角ＭＢθ50%は遅角する。
【００７７】
このように非平衡プラズマ放電の開始時期が270degBTDCくらいが質量燃焼割合５０％となるクランク角ＭＢθ50%が最も進角している(すなわち最も自着火性がよい)理由は、以下のように考えられる。すなわちエンジンの吸気弁及び排気弁は、通常開閉時期がオーバラップする。排気弁がまだ閉弁していない時期に非平衡プラズマ放電を開始するよりも、排気弁が閉弁してから非平衡プラズマ放電を開始したほうが、吸気弁から吸入される混合気の流速が増し拡散しやすく自着火性が向上すると考えられる。またピストンの下降前半よりも後半のほうが吸気の流速が速く、この点からも混合気が拡散しやすく自着火性が向上すると考えられる。また非平衡プラズマ放電部は放電開始後所定時間(所定クランク角期間)連続して非平衡プラズマ放電する。吸気弁の閉弁後は気流の流速が遅くなる。気流の流速が遅くなっているときに非平衡プラズマ放電すると、気流が速いときに比較して、ラジカルの分散作用が低下している。したがって効率よくラジカルをシリンダ内に分散するには、非平衡プラズマ放電終了時期は吸気弁の閉弁前であることが望ましい。
【００７８】
図１２から分かるように、非平衡プラズマ放電の開始時期を調整することで、熱発生タイミング(質量燃焼割合５０％となるクランク角ＭＢθ50%)を制御できる。すなわち非平衡プラズマ放電の開始時期を調整することで混合気の自着火性を制御できる。自着火性が向上するほどリーン空燃比での運転性が向上する。しかしながら、空燃比がそれほどリーンではない場合に自着火性が良くなりすぎると、かえってノッキングを生じるおそれがある。そこで空燃比(負荷)に応じて非平衡プラズマ放電の開始時期を調整することが望ましい。
【００７９】
なお図１２には、スパークプラグによってラジカル生成する場合も比較例として挙げてある。スパークプラグによってラジカルを生成しても、ラジカルを生成しない場合との相違が少ないことが分かる。
【００８０】
以上の知見に基づき、本件発明者らは、空燃比が非常に希薄(リーン)であるときは、ラジカルが筒内に広く分布するように吸気行程で非平衡プラズマ放電を開始するようにした。特に負荷が低いときには、少なくとも吸気弁の開弁後であってかつ排気弁の閉弁後であることが望ましい。すなわち吸気弁と排気弁とがオーバラップするエンジンであれば、排気弁の閉弁後である。吸気弁と排気弁とがマイナスオーバラップするエンジンであれば、吸気弁の開弁後である。なお非平衡プラズマ放電終了時期は、吸気弁の閉弁前であることが望ましい。
【００８１】
一方、運転状態によっては、筒内のラジカル生成量が多すぎたり、広く分布しすぎていると、かえって自着火性が良くなりすぎてノッキングが生じるおそれがある。そこで負荷が上がるにつれて(燃料量が増えて空燃比がリッチ側に移行するにつれて)、非平衡プラズマ放電の開始時期を遅角することで、自着火性を調整するようにしたのである。以上が  低負荷域では、非平衡プラズマ放電開始時期は、負荷が低いときは吸気行程に設定し、特に負荷が低いときには少なくとも吸気弁の開弁後であってかつ排気弁の閉弁後に設定し、負荷が高いほど遅角側に設定し、負荷が高いときは圧縮行程に設定した(図９(Ｂ))、ということの理由である。
【００８２】
また低負荷以下の負荷域では、機械圧縮比を高圧縮比に設定している(図９(Ｅ))。このように設定する理由について説明する。
【００８３】
複リンク式可変圧縮比機構を有するエンジンは、圧縮比が一定である通常のエンジン(以下「ノーマルエンジン」という)に比べて、ピストンが上死点付近に滞在する期間が長いという特性がある。そしてこの特性によって、複リンク式可変圧縮比機構を有するエンジンは、通常のエンジンよりも高圧縮比にしてもノッキングを生じにくくなり、また超希薄燃焼であっても比較的大きな燃焼エネルギを得ることができ、燃焼性が安定する。
【００８４】
この点を図１３を参照して説明する。図１３は、複リンク式可変圧縮比機構のピストン挙動を示す図であり、図１３(Ａ)は図１３(Ｂ)の点線部の拡大図である。図１３には、ノーマルエンジンと同じ圧縮比にした複リンク式可変圧縮比機構のエンジンのピストン挙動が細実線で示されている。
【００８５】
ピストンが上死点から所定の距離内にあるときを、ピストン上死点付近滞在期間と定義すると、図１３から明らかなように複リンク式可変圧縮比機構のエンジンは、同じ圧縮比であるノーマルエンジンに比べて、ピストン上死点付近滞在期間が長い。
【００８６】
また複リンク式可変圧縮比機構のエンジンにおいて、高圧縮比でのピストン上死点付近滞在期間Ｌ1は、低圧縮比でのピストン上死点付近滞在期間Ｌ2よりも長い。すなわち図１３(Ｂ)において、Ｌ1＞Ｌ2である。
【００８７】
このように複リンク式可変圧縮比機構のエンジンは、ノーマルエンジンに比べてピストン上死点付近滞在期間が長い。さらに圧縮比が高い方がピストン上死点付近滞在期間が長い。ピストンが上死点付近に長く滞在するということは、燃焼中に高圧縮状態が長く維持されるということである。高圧縮状態が長く維持されると、ノッキングを生じにくくなり、超希薄燃焼であっても比較的大きな燃焼エネルギを得ることができるので燃焼性が安定するのである。
【００８８】
複リンク式可変圧縮比機構のエンジンはこのような特性を有することから、図１４の特性を有する。図１４は、空燃比と燃焼安定度との関係を示す図である。図中の細線はノーマルエンジン、太線は複リンク式可変圧縮比機構のエンジンである。
【００８９】
図１４を見て分かるように、ノーマルエンジン(圧縮比８〜１２程度)において燃焼安定性を確保できる空燃比は２２程度である。
【００９０】
一方、複リンク式可変圧縮比機構のエンジンによれば、ピストンの上死点付近滞在時間が長いので、燃焼安定限界が損なわれにくい。そして圧縮比を高くすることで(例えば圧縮比１８程度)、空燃比A/Fが３０程度であっても安定した燃焼性を得ることができる。
【００９１】
以上が、低負荷以下の負荷域では、機械圧縮比を高圧縮比に設定している(図９(Ｅ))、という理由である。
【００９２】
これらの知見に基づいて図９の低負荷域のマップを設定したのである。
【００９３】
次に制御マップの極低負荷域での設定理由について説明する。
【００９４】
極低負荷域では、上述のように、吸気弁閉弁時期(ＩＶＣ)は、下死点(ＢＤＣ)よりも進角側に設定し、ミラーサイクル運転する。そして負荷が低いほど進角側に設定する(図９(Ｄ))。このようにすることで吸気の充填効率が低くなり実質的な圧縮比が小さくなりポンプロスが低減する。そして負荷が低いほど燃料量が減少するので(吸気量も減るので空燃比は略一定)、混合気の自着火性が悪くなってしまう。そこで負荷が低いほど大きく放電エネルギを上げる(図９(Ｃ))。
【００９５】
以上の知見に基づいて図９の極低負荷域のマップを設定した。このようにすることで極低負荷域でも運転可能である。
【００９６】
次に制御マップの低中負荷域での設定理由について説明する。
【００９７】
低中負荷域では、上述のように、非平衡プラズマ放電開始時期は、低負荷域よりも大幅に遅角する(図９(Ｂ))。機械圧縮比は、極低負荷〜低負荷域よりも大幅に低く設定する(図９(Ｅ))。このように設定する理由について説明する。
【００９８】
ラジカル生成して圧縮着火燃焼する場合は、混合気の自着火性が良くなっているので、負荷が高くなってきて燃料量が増えてくると、図１５のラインＡのように熱発生率が急激に高まりすぎる可能性がある。このように熱発生率が急激に高まりすぎては、ノッキングを生じるおそれがある。
【００９９】
そこで本実施形態では負荷が高くなってきて低中負荷域になったら、圧縮比を低下させ、混合気が圧縮着火しないようにした。そして圧縮行程中に非平衡プラズマ放電部によって体積的な点火を行うようにした。このようにすることで、非平衡プラズマ放電部の近傍の燃料が火炎伝播する。そして、その既燃混合気により残りの未燃混合気が断熱圧縮されて自着火燃焼するのである。
【０１００】
その結果、熱発生率は図１５のラインＢのように変化し、急激に高まりすぎることが無く、ノッキングを生じないのである。
【０１０１】
以上に基づいて図９の低中負荷域のマップを設定した。このようにすることで低中負荷域でも運転可能である。
【０１０２】
そして中高負荷以上の負荷では、非平衡プラズマ放電部によって火花点火するようにすることで中高負荷域でも運転可能である。
【０１０３】
図１６は本実施形態の効果を説明する図である。
【０１０４】
本実施形態では、上述のように運転状態に応じて非平衡プラズマ放電開始時期を適切に制御するようにしたので、希薄燃焼限界を大幅に拡大することができた。
【０１０５】
これについて図１６を参照して説明する。
【０１０６】
空燃比Ａ／Ｆ(横軸)と図示平均有効圧力の変動率ＣＰｉ(縦軸)との相関をプロットすると、通常の圧縮着火燃焼では、ラインＡのようになる。希薄燃焼限界は空燃比AFaである。
【０１０７】
スパークプラグによってラジカル生成して圧縮着火燃焼する場合は、ラインＢのようになる。希薄燃焼限界は空燃比はAFbであり、通常の場合の希薄燃焼限界空燃比AFaよりもややリーンである。
【０１０８】
非平衡プラズマ放電部によってラジカル生成して圧縮着火燃焼する場合は、ラインＣのようになる。希薄燃焼限界は空燃比はAFcであり、通常の場合の希薄燃焼限界空燃比AFaやスパークプラグでのラジカル生成圧縮着火燃焼の希薄燃焼限界空燃比AFbに比べて、大幅に希薄燃焼限界を拡大できる。なお上述の通り、非平衡プラズマ放電の開始時期を調整することで、質量燃焼割合５０％となるクランク角ＭＢθ50%を制御可能であるので、破線の運転を任意に選択できるのである。
【０１０９】
そして希薄燃焼限界を大幅に拡大できれば、図１６(Ｂ)に示すように、燃料消費率ISFCを低減できるのである。
【０１１０】
本実施形態のようにすることで、負荷にかかわらず燃料消費率を小さくでき、燃費を向上できたのである。
【０１１１】
（第２実施形態）
図１７は、本発明による非平衡プラズマ放電機能付きエンジンの第２実施形態を示す図である。
【０１１２】
なお以下では前述と同様の機能を果たす部分には同一の符号を付して重複する説明を適宜省略する。
【０１１３】
第１実施形態の非平衡プラズマ放電機能付きエンジン１は、燃料噴射弁６５が吸気ポートに設けられた、いわゆるポート噴射タイプであったが、図１７のような燃料を筒内に直接噴射する直噴エンジンについても、本発明を適用可能である。
【０１１４】
このような直噴エンジンでは、図１８のように非平衡プラズマ放電部７０の近傍にのみ混合気を成層化してリーン空燃比でも運転が可能であり、このようなリーン混合気にラジカルを生成すれば希薄燃焼限界を拡大でき、燃料消費率を小さくでき、燃費を向上できる。
【０１１５】
なおこのときの非平衡プラズマ放電機能付きエンジンの運転マップの一例を図１９に示す。
【０１１６】
低負荷域中の比較的高負荷付近では、非平衡プラズマ放電しない区間を設けた(図１９(Ａ)(Ｂ))。低負荷域では、圧縮比可変機構によって高圧縮比に設定してあり、ノッキングを生じにくくなっている。そのため非平衡プラズマ放電しなくても希薄燃焼可能な運転域がある。そしてそのような運転域で非平衡プラズマ放電しては、自着火性が良くなりすぎてかえってノッキングを生じるおそれがある。そこで低負荷域中の比較的高負荷付近では、非平衡プラズマ放電しないようにしたのである。
【０１１７】
低負荷域よりも負荷の低い極低負荷域では、成層運転するとともに(図１９(Ｄ))、負荷に応じて空燃比Ａ／Ｆをリーン化(希薄化)する(図１９(Ａ))。そして希薄化にともなって自着火性を向上する必要があるので非平衡プラズマ放電する。非平衡プラズマ放電開始時期は、少なくとも吸気弁の開弁後であってかつ排気弁の閉弁後に設定してある(図１９(Ｂ))。すなわち吸気弁と排気弁とがオーバラップするエンジンであれば、排気弁の閉弁後である。吸気弁と排気弁とがマイナスオーバラップするエンジンであれば、吸気弁の開弁後である。そして希薄化にともなって放電エネルギを大きくすることで(図１９(Ｃ))、自着火性を向上するようにした。
【０１１８】
本実施形態のようにすることで、直噴タイプのエンジンであっても、発明を実現可能であり、負荷にかかわらず燃料消費率を小さくでき、燃費を向上できるのである。
【０１１９】
（第３実施形態）
図２０は、本発明による非平衡プラズマ放電機能付きエンジンの第３実施形態を示す図である。
【０１２０】
本実施形態の非平衡プラズマ放電部７０は、管状電極７２の内周に誘電層(絶縁層)７３が形成されており、中心電極７１は露出する。なお、誘電層(絶縁層)７３の先端は、管状電極７２の先端や中心電極７１の先端よりも燃焼室側に突出することが望ましい。このように構成することで、非平衡プラズマ放電の放電エネルギを大きくした場合においても、管状電極７２の先端と中心電極７１の先端との間での熱プラズマ放電の発生を抑制できるからである。
【０１２１】
本実施形態の構成であっても、誘電層７３は一種のコンデンサとして作用し、第１実施形態と同様の効果が得られるのである。
【０１２２】
（第４実施形態）
図２１は、本発明による非平衡プラズマ放電機能付きエンジンの第４実施形態を示す図である。
【０１２３】
本実施形態の非平衡プラズマ放電部７０は、第１実施形態に比較して中心電極７１が燃焼室まで延設されている。
【０１２４】
このようにすれば非平衡プラズマ放電部７０は、図２１(Ａ)に示すよう燃焼室内で非平衡プラズマ放電する。本実施形態では、ピストン３２の冠面やシリンダヘッド内壁面が電極として作用する。すなわち実施形態では、ピストン３２の冠面と中心電極７１の誘電体(絶縁体)７３との間の領域Ａや、シリンダヘッド内壁面と誘電体(絶縁体)７３との間の領域Ｂにおいて、非平衡プラズマ放電しラジカルが生成される。領域Ａにおいて非平衡プラズマ放電させるか、領域Ｂにおいて非平衡プラズマ放電させるかは、非平衡プラズマ放電部７０に交流電圧を印加したときのピストン３２の位置によって決まる。そこで、非平衡プラズマ放電部７０に印加する交流電圧の印加時期を制御することで非平衡プラズマ放電の放電領域を選択できる。
【０１２５】
なお図２１(Ｂ)に示すようにピストン３２の冠面に凹部を形成し、その凹部と中心電極７１の誘電体(絶縁体)７３の先端との間で非平衡プラズマ放電するように構成してもよい。
【０１２６】
（第５実施形態）
図２２は、本発明による非平衡プラズマ放電機能付きエンジンの第５実施形態を示す図である。
【０１２７】
本実施形態の非平衡プラズマ放電部７０は、第４実施形態に比較して誘電体(絶縁体)７３が短縮化されており、中心電極７１が燃焼室内で露出している。またピストン３２の冠面には誘電層(絶縁層)３２ａが形成されている。
【０１２８】
このようにすれば非平衡プラズマ放電部７０は、図２２(Ａ)に示すよう燃焼室内で非平衡プラズマ放電する。すなわち中心電極７１の先端とピストン３２の冠面には誘電層(絶縁層)３２ａとの間の領域Ａにおいて、非平衡プラズマ放電しラジカルが生成される。
【０１２９】
なお図２２(Ｂ)に示すようにピストン３２の冠面に凹部を形成し、その内周に誘電層(絶縁層)３２ａを形成すれば、その誘電層(絶縁層)３２ａと中心電極７１の先端との間で非平衡プラズマ放電する。
【０１３０】
（第６実施形態）
図２３は、非平衡プラズマ放電機能付きエンジンの第６実施形態の構成を示す全体図である。
【０１３１】
この第６実施形態では、非平衡プラズマ放電部７０に接続されるのは、高電圧短パルス発生器８１である点で、高電圧高周波発生器８０である第１実施形態と相違する。またこの第６実施形態では、非平衡プラズマ放電部７０の詳細が上記実施形態と相違する。これについては以下に説明する。
【０１３２】
図２４は非平衡プラズマ放電部の拡大図であり、図２４(Ａ)は縦断面図であり、図２４(Ｂ)は下面図である。
【０１３３】
本実施形態の非平衡プラズマ放電部７０は、電極間に短パルス電圧が印加されアーク放電に遷移する前に電界が遮断されることで、電極間に非平衡プラズマを放電する。
【０１３４】
非平衡プラズマ放電部７０は、中心電極７１と管状電極７２とを備える。
【０１３５】
中心電極７１は、棒状の導電体である。中心電極７１は、端子７１ａを介して高電圧短パルス発生器８１に接続される。この中心電極７１に、エンジン運転状態に応じて高電圧短パルス発生器８１で発生させる電圧の電圧値、パルス幅、パルス数、印加時期などが制御され、印加される。
【０１３６】
管状電極７２は、管状の導電体である。管状電極７２は、シリンダヘッドに取り付けられる。管状電極７２の内周側が放電室７２ａである。この放電室７２ａに中心電極７１は突出する。
【０１３７】
中心電極７１に、高電圧短パルス発生器８１から短パルスの電圧が印加され、アーク放電に遷移する前に電界が遮断されると、図２４(Ａ)に示すように、中心電極７１と管状電極７２との間で、ストリーマＳが発生する。このストリーマＳは、図２４(Ａ)に示すように上下方向に複数発生する。図２４(Ａ)では、中心電極７１の右側及び左側に、それぞれ４本ずつ発生した様子を示した。また図２４(Ｂ)に示すように中心電極７１を中心として放射状に形成される。図２４(Ｂ)では、中心電極７１を中心として１２本が放射状に形成される様子を示した。非平衡プラズマ放電部７０は複数のストリーマＳを形成することで放電室７２ａに多量のラジカルを生成することができる。また放電室内において多点同時点火、つまり体積的な点火(以下「体積点火」という。)をすることも可能である。
【０１３８】
次に非平衡プラズマ放電部７０において複数のストリーマＳが形成される条件について説明する。図２５は、非平衡プラズマ放電部７０の印加電圧パルス幅−印加電圧特性の一例を示す図である。横軸は印加電圧パルス幅を示し、縦軸は印加電圧を示す。
【０１３９】
図２５に示すように、非平衡プラズマ放電部７０に印加される印加電圧が高くなりすぎて境界線Ａを越えると、放電エネルギーが大きくなり過ぎてしまい、領域Ｐに示す非平衡プラズマ放電から領域Ｑに示す熱プラズマ放電へと移行してしまう。非平衡プラズマ放電部７０での放電形態が熱プラズマ放電になると、短絡した部位を経由して大きな電流が流れ、電圧降下が起こるので、結果として大きな電力を消費してしまう。これに対して、非平衡プラズマ放電部７０の中心電極７１と管状電極７２との間の印加電圧が下限電圧Ｖ0よりも小さい領域Ｒでは、ストリーマＳが生成される量が少なかったり、ストリーマ自体が形成されない暗流状態となってしまう。
【０１４０】
したがって、非平衡プラズマ放電部７０が非平衡プラズマ放電して複数のストリーマＳを形成するには、非平衡プラズマ放電部７０に、短いパルス幅(例えば数十〜数百ｎｓｅｃ程度)の高電圧を領域Ｐの範囲で印加する必要がある。特に、パルス幅を短く設定すると、非平衡プラズマ放電の領域Ｐの印加電圧設定範囲が拡大するので、制御しやすくなる。
【０１４１】
なお、非平衡プラズマ放電と熱プラズマ放電との境界線Ａや、下限電圧Ｖ0は、燃焼室内ガスの相対密度によって変化し、相対密度が大きくなれば境界線Ａ及び下限電圧Ｖ0は大印加電圧側にシフトする。
【０１４２】
このように非平衡プラズマ放電部に短パルスを印加するタイプであっても、第１実施形態と同様の効果が得られるのである。
【０１４３】
以上説明した実施形態に限定されることなく、その技術的思想の範囲内において種々の変形や変更が可能であり、それらも本発明の技術的範囲に含まれることが明白である。
【０１４４】
たとえば、第１〜５実施形態の非平衡プラズマ放電部７０には、エンジン運転状態に応じた交流が印加されるが、この交流は、サイン波(図２６(Ａ))に限定されない。図２６(Ｂ)に示すような両極性の多重パルス電源でもよい。
【０１４５】
また上記では、可変圧縮比機構として複リンク機構によるタイプを例示したが、たとえば、ピストン自身に油圧装置を組み込んでピストン冠面の高さを調整するタイプや、シリンダヘッドとシリンダブロックとの距離を調整するタイプのものや、クランク軸の中心をオフセットすることでピストン高さを調整するタイプのものであってもよい。
【０１４６】
さらに、吸気弁のバルブタイミングを調整する機構としては、たとえば、リンクを用いた揺動カム(特開2000-213314号公報)や、ベーン型可変バルブタイミングシステムのようにカムをひねる機構(特開平9-60508号公報)や、ダイレクト可変バルブタイミングシステムのようにタイミングの異なる２種類のカムを切り替える方式(特開平4-17706号公報)などであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１４７】
【図１】非平衡プラズマ放電機能付きエンジンの第１実施形態の構成を示す図である。
【図２】非平衡プラズマ放電部の拡大図である。
【図３】交流電圧(電界)を印加したときの放電の様子を説明する図である。
【図４】非平衡プラズマ放電部の放電エネルギを増大する方法を説明する図である。
【図５】複リンク式可変圧縮比機構による圧縮比変更方法を説明する図である。
【図６】動弁の開閉時期を調整する可変動弁機構を説明する図である。
【図７】可変動弁機構の動作を説明する図である。
【図８】可変動弁機構による動弁のリフト量及び開閉時期を示す図である。
【図９】非平衡プラズマ放電機能付きエンジンの運転マップの一例を示す図である。
【図１０】非平衡プラズマ放電の開始時期別に、熱発生率の変化を示した図である。
【図１１】筒内のラジカルの分布状態を模式的に示した図である。
【図１２】非平衡プラズマ放電の開始時期と、質量燃焼割合５０％となるクランク角と、の関係を示した図である。
【図１３】複リンク式可変圧縮比機構のピストン挙動を示す図である。
【図１４】空燃比と燃焼安定度との関係を示す図である。
【図１５】熱発生率が急激に高まりすぎることによる問題点及び本発明の効果を説明する図である。
【図１６】第１実施形態の効果を説明する図である。
【図１７】本発明による非平衡プラズマ放電機能付きエンジンの第２実施形態を示す図である。
【図１８】第２実施形態のエンジンによる燃料噴射の様子を示す図である。
【図１９】非平衡プラズマ放電機能付きエンジンの運転マップの一例を示す図である。
【図２０】本発明による非平衡プラズマ放電機能付きエンジンの第３実施形態を示す図である。
【図２１】本発明による非平衡プラズマ放電機能付きエンジンの第４実施形態を示す図である。
【図２２】本発明による非平衡プラズマ放電機能付きエンジンの第５実施形態を示す図である。
【図２３】非平衡プラズマ放電機能付きエンジンの第６実施形態の構成を示す全体図である。
【図２４】非平衡プラズマ放電部の拡大図である。
【図２５】非平衡プラズマ放電部の印加電圧パルス幅−印加電圧特性の一例を示す図である。
【図２６】非平衡プラズマ放電部で印加する交流の波形を示す図である。
【符号の説明】
【０１４８】
１  バリア放電装置付きエンジン
１１  アッパリンク(第１リンク)
１２  ロアリンク(第２リンク)
１３  コントロールリンク(第３リンク)
７０  非平衡プラズマ放電部
７１  中心電極(第１電極)
７２  管状電極(第２電極)
２００  可変動弁機構
【図１】
0005119879.tif 000002
【図２】
0005119879.tif 000003
【図３】
0005119879.tif 000004
【図４】
0005119879.tif 000005
【図５】
0005119879.tif 000006
【図６】
0005119879.tif 000007
【図７】
0005119879.tif 000008
【図８】
0005119879.tif 000009
【図９】
0005119879.tif 000010
【図１０】
0005119879.tif 000011
【図１１】
0005119879.tif 000012
【図１２】
0005119879.tif 000013
【図１３】
0005119879.tif 000014
【図１４】
0005119879.tif 000015
【図１５】
0005119879.tif 000016
【図１６】
0005119879.tif 000017
【図１７】
0005119879.tif 000018
【図１８】
0005119879.tif 000019
【図１９】
0005119879.tif 000020
【図２０】
0005119879.tif 000021
【図２１】
0005119879.tif 000022
【図２２】
0005119879.tif 000023
【図２３】
0005119879.tif 000024
【図２４】
0005119879.tif 000025
【図２５】
0005119879.tif 000026
【図２６】
0005119879.tif 000027