(57)【要約】【課題】バリア放電用の放電装置において、印加する電界の強度を変化させる場合に、電界強度の変化によって誘電損失が大きくなったり、誘電率が低くなったりすることで、放電効率が低下することを防止する。【解決手段】少なくともいずれか一方が誘電体２１に覆われた正の電極２０及び負の電極２２と、これらの電極間に交流電界を印加する電源１  ２と、印加する交流電界に応じて誘電体２１の誘電率及び誘電損失を制御する誘電体制御手段１１と、を備える。【選択図】図１
2009121422.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともいずれか一方が誘電体に覆われた正及び負の電極と、
前記正及び負の電極間に交流電界を印加する電源と、
印加する交流電界に応じて前記誘電体の誘電率及び誘電損失を制御する誘電体制御手段と、
を備えることを特徴とする放電装置。
【請求項２】
前記誘電体の誘電率及び誘電損失が、前記誘電体の温度または圧力に対する依存性を有することを特徴とする請求項１に記載の放電装置。
【請求項３】
前記誘電体制御手段は、前記誘電体の温度または圧力を制御することにより前記誘電率及び誘電損失を制御することを特徴とする請求項２に記載の放電装置。
【請求項４】
前記誘電体の誘電率及び誘電損失は、いずれも所定温度または所定圧力で最大値となるピークを有し、かつ前記所定温度または所定圧力近傍では誘電損失の方が誘電率よりも大きく変化することを特徴とする請求項２または３に記載の放電装置。
【請求項５】
前記誘電体は強誘電体であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の放電装置。
【請求項６】
前記誘電体制御手段は、前記誘電体の温度を転移温度近傍の所定温度範囲に制御することを特徴とする請求項３から５のいずれか一つに記載の放電装置。
【請求項７】
前記誘電体制御手段は、前記誘電体の温度を転移温度近傍かつ転移温度より高温側の所定温度範囲に制御することを特徴とする請求項３から６のいずれか一つに記載の放電装置。
【請求項８】
前記交流電界の強度を制御する電界制御手段を備え、
前記電界制御手段は、印加電圧もしくは印加周波数を制御することにより前記交流電界の強度を制御することを特徴とする請求項１から７のいずれか一つに記載の放電装置。
【請求項９】
前記電界制御手段が前記交流電界の強度を増大させる場合には、前記誘電体制御手段は前記交流電界強度が増大する前と略同等の放電効率を維持するように、誘電損失が相対的に低く、かつ誘電率が相対的に高くなるように前記誘電体の温度を制御することを特徴とする請求項８に記載の放電装置。
【請求項１０】
前記誘電体制御手段は、前記電界制御手段が印加電圧を高めることにより前記交流電界の強度を増大させる場合には、周波数を高めることにより前記交流電界の強度を増大させる場合に比べて、より低い誘電損失、かつより高い誘電率になるように前記誘電体の温度を制御することを特徴とする請求項９に記載の放電装置。
【請求項１１】
内燃機関の点火装置または点火補助装置として使用することを特徴とする請求項１から１０のいずれか一つに記載の放電装置。
【請求項１２】
前記誘電体制御手段は、機関運転状態に応じて前記誘電体の温度を制御することにより前記誘電体の誘電率及び誘電損失を制御することを特徴とする請求項１１に記載の放電装置。
【請求項１３】
機関負荷が低負荷になるほど、前記電界制御手段は交流電界の強度を増大させ、前記誘電体制御手段は前記交流電界の強度が増大する前と略同様の放電効率を維持するように誘電損失が低くかつ誘電率が高くなるように前記誘電体の温度を制御することを特徴とする請求項１２の記載の放電装置。
【請求項１４】
機関回転数が高回転になるほど、前記電界制御手段は交流電界の強度を増大させ、前記誘電体制御手段は前記交流電界の強度が増大する前と略同様の放電効率を維持するように誘電損失が低くかつ誘電率が高くなるように前記誘電体の温度を制御することを特徴とする請求項１２の記載の放電装置。
【請求項１５】
機関負荷が低負荷かつ機関回転数が高回転になるほど、前記電界制御手段は交流電界の強度を増大させ、前記誘電体制御手段は前記交流電界の強度が増大する前と略同様の放電効率を維持するように誘電損失が低くかつ誘電率が高くなるように前記誘電体の温度を制御することを特徴とする請求項１２の記載の放電装置。
【請求項１６】
前記機関の所定の運転領域でのみ作動することを特徴とする請求項１１から１５のいずれか一つに記載の放電装置。
【請求項１７】
前記所定の運転領域は、機関低負荷領域であることを特徴とする請求項１６に記載の放電装置。
【請求項１８】
前記誘電体の転移温度が、前記機関の放電装置設置部近傍の機関運転中の温度と略同等であることを特徴とする請求項１１から１７のいずれか一つに記載の放電装置。
【請求項１９】
前記誘電体制御手段が前記誘電体を昇温させる際には、前記電界制御手段は誘電損失によって生じる熱量が温度上昇に必要な熱量となるように電界強度を増大させることを特徴とする請求項３から１８のいずれか一つに記載の放電装置。
【請求項２０】
前記誘電損失によって生じる熱量による誘電体の昇温を、機関冷間始動時に実施することを特徴とする請求項１９に記載の放電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、放電装置に関し、特に、内燃機関の点火または点火補助装置として使用し得る放電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の点火装置としては、一般的に火花放電式点火プラグが用いられている。しかしながら、より希薄な混合気で機関を運転しようとすると、電極間に極めて高い電圧を印加しなければならず、この場合、電力消費量が増大したり、電極表面が短期間に摩耗してしまうという問題があった。
【０００３】
この問題を解決するため、特許文献１では、交流電極を誘電体で覆ったいわゆるバリア放電装置を用いて、予混合気の着火過程において生成された混合気中のイオンに交流電界を印加し、混合気が全体的に効率よく着火するようにした構成が開示されている。
【特許文献１】特開２０００−７３９２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、例えば誘電率が低ければ、印加した電界に対して形成される放電エネルギが低くなる。また、誘電損失が大きければ、投入電力が熱エネルギとして放出されてしまう。このように、誘電率及び誘電損失は、投入電力の放電エネルギへの変換効率（放電効率）を決定する要因となる。
【０００５】
しかしながら、特許文献１には、中心電極を覆っている誘電体の誘電率及び誘電損失についての記載がない。このため、印加した電界の強度によっては、誘電損失が大きくなったり、誘電率が低くなる等によって、放電効率が低下するおそれがある。
【０００６】
そこで、本発明では、印加する電界の強度によらず、高い放電効率で放電することが可能な放電装置とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の放電装置は、少なくともいずれか一方が誘電体に覆われた正及び負の電極と、この正及び負の電極間に交流電界を印加する電源と、印加する交流電界に応じて誘電体の誘電率及び誘電損失を制御する誘電体制御手段と、を備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、印加する交流電界に応じて誘電率及び誘電損失を制御するので、例えば印加する交流電界が変化した場合に誘電率が低下しないように、また誘電損失が増大しないように制御することで、印加する電界の強度によらず、高い放電効率で放電することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１０】
図１は本実施形態による内燃機関のシリンダヘッド部の構成を示す図である。１はシリンダヘッド、２は燃焼室、３は吸気通路、４は排気通路、５は吸気バルブ、６は排気バルブ、７は吸気カムシャフト、８は排気カムシャフト、９は燃料噴射弁、１０は非平衡プラズマ放電装置、１１はエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）、１２は高電圧高周波発生器、１３はヒータ、１４は冷却水路、１５はラジエター、１６はポンプ、１７は電磁バルブ、１８は温度センサ、１９はヒータ１３用の加熱電源である。
【００１１】
シリンダヘッド１は、その下面側に凹状の燃焼室２を備える。吸気通路３はシリンダヘッド１の下面と一方の側面とを貫通しており、下面側は燃焼室２に臨むように開口している。当該開口部には、吸気通路３と燃焼室２との連通を遮断し得るように吸気バルブ５が備えられる。同様に、排気通路４はシリンダヘッド１の下面と他方の側面とを貫通しており、燃焼室２との連通を遮断しうるように排気バルブ６が備えられる。
【００１２】
吸気カムシャフト７と排気カムシャフト８は、図示しないクランクシャフトと同期して回転し、吸気バルブ５と排気バルブ６を図示しないピストンの上下動と同期させて開閉駆動する。
【００１３】
燃料噴射弁９は、後述するＥＣＵ１１によって設定された噴射時期、噴射量にしたがって燃料を噴射する。通常は排気行程中の所定の時期に、吸気通路３内に向けて燃料を噴射する。
【００１４】
冷却水路１４は、後述する非平衡プラズマ放電装置１０の誘電体２１のうち、燃焼室２の外にある部分を囲み、かつ、エンジン冷却水用のラジエター１５との間で冷却水が循環するよう配置する。ラジエター１５と冷却水路１４との間には、冷却水循環用のポンプ１６及び循環・停止切り換え用の電磁バルブ（又はサーモスタット）１７を介装する。ヒータ１３は、誘電体２１の燃焼室２外にある部分に配置し、ＥＣＵ１１によって運転状態に応じて誘電体２１を加熱するよう制御される。
【００１５】
高電圧高周波発生器１２で発生させる交流高電圧の印加電圧、印加波数（周波数または印加時間）及び印加時期、そして印加時期におけるヒータ１３の温度はＥＣＵ１１により制御される。
【００１６】
ＥＣＵ１１はエンジンの統合的な制御も行うので、高電圧高周波発生器１２及びヒータ１３の制御の他に、図示しないエアフローメータやアクセル開度センサ等の各種センサから入力された信号に基づいて、燃料噴射弁９等の制御も行う。
【００１７】
非平衡プラズマ放電装置１０は、高電圧高周波発生器１２を介して判定手段としてのコントロールユニット１（ＥＣＵ）１１に接続されている。高電圧高周波発生器１２はＥＣＵ１１によって適切な時期にパルスを生じるように制御され、このパルスに応じて高電圧高周波発生器１２で発生した電圧は、図示しないディストリビュータによって点火時期となる気筒に印加される。
【００１８】
図２は非平衡プラズマ放電装置１０の拡大図である。本発明では非平衡プラズマ放電装置１０としてバリア放電機構を使用する。２０は高電圧高周波発生器１２に接続された中心電極、２１は中心電極２０全体を覆う誘電体（絶縁体）、２２は燃焼室２の上面に開口するようにシリンダヘッド１に設けられ、放電室２３を画成する管状電極である。
【００１９】
中心電極２０に高周波電圧を印加すると、中心電極２０が放電を開始するが、誘電体２１があることによってアーク放電への遷移が制限されるので、誘電体２１と管状電極２２との間、つまり放電室２３内に、複数のストリーマと呼ばれる正イオンと電子とが混在したプラズマが形成される。このストリーマにより燃料の電子温度が上昇し、着火に至る。ここでは、図２に示すように複数のストリーマが形成されるので、着火する部位も複数となり、結果として放電室２３内で着火が生じる部位の体積が大きくなる。そして、放電室２３内で発生した火炎は燃焼室２へ噴出するので、燃焼室２の燃焼は放電室２３の開口部付近から開始することとなり、いわゆる体積点火を実現することができる。
【００２０】
図３は高周波電圧を印加したときの放電の様子を説明する図である。バリア放電（非平衡プラズマ放電）をすると誘電体２１の表面には電荷が蓄えられる。そして、印加した電圧による電界Ｖ０と、誘電体２１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２１と管状電極２２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、図３に示すように放電時間ｔの間には、８回のバリア放電（非平衡プラズマ放電）が発生する。
【００２１】
図４は、非平衡プラズマ放電装置１０に使用する誘電体２１の、誘電率及び誘電損失の温度依存性を示す図である。本実施形態の誘電体２１は強誘電体であり、図３に示すように、転移温度Ｔｃを境界として、低温側では強誘電相、高温側では常誘電相となる。
【００２２】
誘電率及び誘電損失は、転移温度Ｔｃから離れた温度領域では小さいが、転移温度Ｔｃに近づくと大きくなり、転移温度Ｔｃ近傍でピーク値をとる。特に、誘電損失は誘電率と比較して、転移温度Ｔｃに近い部分で急激に変化するので、転移温度Ｔｃ近傍では、例えば常誘電相であるＴ１からＴ２の領域のように、誘電率は高いが誘電損失は低い状態となる。誘電率が高く誘電損失が低い状態とは、投入するエネルギに対して形成される放電エネルギが大きく、かつ、投入するエネルギのうち熱エネルギとして放出されてしまうエネルギが少ない状態である。つまり、放電効率を下式（１）のように定義すると、（投入電力−電力損失）の項が大きくなるので、放電効率が高い状態といえる。
【００２３】
放電効率＝（投入電力−電力損失）／投入電力      ・・・（１）
そこで、非平衡プラズマ放電装置１０で放電を行う場合には、例えば温度Ｔ１〜Ｔ２の領域のように、放電効率が高い状態になる範囲内で誘電体２１の温度を制御する。なお、強誘電相の転移温度Ｔｃ近傍にも放電効率が高い状態となる領域があるので、その領域となるように制御してもよい。ただし、強誘電相では、電界を一度印加すると電界がゼロになっても分極が残る、いわゆる残留分極が存在するため、印加電圧に対してヒステリシスを示す。したがって、強誘電相を制御範囲に設定すると、電界強度による制御が困難になる。そこで、制御性を高めるために、転移点Ｔｃ近傍の常誘電相を制御範囲として設定することが望ましい。具体的な制御については後述する。
【００２４】
なお、図４は温度依存性について示しているが、圧力依存性についても同様の図になり、誘電体２１に作用する圧力を制御することにより、放電効率の高い状態にすることができる。
【００２５】
図５は、本実施形態の運転領域マップ及び運転領域ごとの放電エネルギマップである。縦軸はエンジン負荷、横軸はエンジン回転数である。図５に示すように、低回転・低負荷領域から中回転・中負荷領域までは、理論空燃比よりも希薄な空燃比でのリーン燃焼またはＥＧＲガス導入による希釈燃焼により運転し、高回転領域及び高負荷領域では理論空燃比（λ＝１）で運転する。そして、リーン燃焼または希釈燃焼する運転領域では、負荷が低くなるほどλまたはＥＧＲ率を増大させる。なお、本実施形態では上述したように体積点火を実現できるので、低負荷領域でのリーン空燃比またはＥＧＲ率は、一般的な火花放電点火の場合と比べて、よりリーンな空燃比または高ＥＧＲ率にすることができる。
【００２６】
放電エネルギは、λ＝１の運転領域ではエンジン負荷、エンジン回転数によらず一定値とし、リーン燃焼または希釈燃焼する運転領域では、負荷が低減するほど大きくする。なお、λ＝１の運転領域における放電エネルギは、リーン燃焼または希釈燃焼する運転領域における放電エネルギの最小値よりも小さくする。
【００２７】
図６は、高い放電効率で運転するためにＥＣＵ１１が実行する制御ルーチンのフローチャートである。具体的には、一般的なエンジン制御と同様に運転状態に応じたスロットル開度及び燃料噴射量の設定の他に、高い放電効率で運転するための誘電体２１の温度の設定を行う制御ルーチンである。
【００２８】
ステップＳ１０００では、図示しないアクセル開度センサ、クランク角センサの検出信号から、アクセル開度及び機関回転速度を読み込む。
【００２９】
ステップＳ１０１０では、アクセル開度及び機関回転速度に基づいて、一般的なエンジンと同様に目標機関負荷を決定する。
【００３０】
ステップＳ１０２０では、目標機関負荷に基づいて、図５のマップから目標放電エネルギを決定する。なお、本実施形態では、印加電圧の大きさは一定とし、投入するエネルギの大きさは印加する交流電界の周波数を調節することにより制御する。したがって、ここでは図５のマップから目標放電エネルギを決定し、これに応じて印加する交流電界の周波数を図示しないマップを用いて決定する。目標放電エネルギと印加する交流電界の周波数との関係は、非平衡プラズマ放電装置１０の仕様により異なるので、仕様毎にマップを予め作成しておく。
【００３１】
ステップＳ１０３０では、目標放電エネルギに基づいて、目標誘電率及び目標誘電損失を設定する。ここで、目標誘電率及び目標誘電損失の設定方法について説明する。
【００３２】
図７は、印加電圧を一定とした場合の、交流電界の周波数と誘電損失による電力損失との関係を示す図である。
【００３３】
図７に示すように、誘電損失による電力損失は周波数の一乗に比例して変化し、周波数が高くなるほど、つまり投入電力が大きくなるほど、電力損失も大きくなる。そこで、投入電力が増大した場合の電力損失の増大を抑制するために、図８に示すように、周波数が高くなるほど誘電損失が小さくなるように制御する。これにより、図７の直線の傾きが小さくなる。図８は周波数に対する誘電損失を設定しており、周波数が高くなるほど誘電損失が小さくなっている。なお、図８において誘電損失が周波数に対して非線形になっているが、これは、図４に示したように誘電損失は温度（または圧力）に対して非線形に変化するためである。
【００３４】
ところで、誘電率及び誘電損失はいずれも誘電体２１の温度に対する依存性があり、図４に示すように、誘電体２１の温度を変化させるといずれも変化する。したがって、誘電損失を図８のように制御すると、周波数が高くなるほど誘電体２１の温度は高くなるので、図９に示すように周波数が高くなるほど誘電率は低下する。しかしながら、誘電率が高いほど投入電力に対して形成される放電エネルギは大きくなるので、放電効率が悪化しないのであれば、誘電効率は高い方が望ましい。
【００３５】
そこで、いずれの周波数領域でも放電効率が悪化しないように、図８における曲線の傾き（周波数の変化量に対する誘電損失の変化量の割合）、及び図９における曲線の傾き（周波数の変化量に対する誘電率の変化量の割合）を設定して制御用マップとし、これらのマップに基づいて最適誘電率及び最適誘電損失を設定する。
【００３６】
フローチャートの説明に戻る。
【００３７】
ステップＳ１０４０では、決定した最適誘電率及び最適誘電損失となる誘電体２１の温度（最適温度）を図４に基づいて求める。なお、誘電体２１として使用する部材に添加する添加物を選択することで、転移温度Ｔｃが機関運転中の非平衡プラズマ放電装置１０近傍のシリンダヘッド１の温度に近くなるようにする。これにより、後述する誘電体２１の温度制御のために消費するエネルギを低減することができる。
【００３８】
ステップＳ１０５０では、非平衡プラズマ放電装置１０近傍の冷却水温度として温度センサ１８の検出値を読み込む。
【００３９】
ステップＳ１０６０では、この冷却水温が予め設定した規定範囲内であるか否かの判定を行う。この判定は、誘電体２１の温度が最適温度付近の温度であるか否かを判定するものであり、誘電体２１の温度を直接検出せずに冷却水温から予測するものである。したがって、ここで用いる規定範囲は、誘電体２１が最適温度付近の温度であるときの冷却水温の範囲であり、予め測定等して定めておく。
【００４０】
規定範囲内の場合はステップＳ１１００へ進む。規定範囲外の場合にはステップＳ１０７０に進む。
【００４１】
ステップＳ１０７０では、規定範囲よりも高温であるか否かの判定を行う。規定範囲よりも高温の場合にはステップＳ１０８０に進み、規定範囲より低温の場合にはステップＳ１０９０に進む。
【００４２】
ステップＳ１０８０では、冷却水路１４を流れる水量により温度調節を行う。具体的には、ポンプ１６を駆動し、かつ電磁バルブ（またはサーモスタット）１７の開度によって水量を調節する。これにより、非平衡プラズマ放電装置１０は冷却水との間での熱交換することで温度が低下する。この熱交換により温度上昇した冷却水は、ラジエター１５で放熱することにより温度が低下し、再び非平衡プラズマ放電装置１０との間で熱交換を行う。
【００４３】
ステップＳ１０９０では、加熱電源１９を作動させ、ヒータ１３により非平衡プラズマ放電装置１０を加熱する。
【００４４】
ステップＳ１０８０またはＳ１０９０による温度調節を、冷却水温が規定範囲内になるまで繰り返し行う。
【００４５】
ステップＳ１１００では、ステップＳ１０００で読み込んだ運転状態に応じた当量比を図５に基づいて算出する。
【００４６】
ステップＳ１１１０では、一般的なエンジンの場合と同様に、運転状態に応じたスロットル開度及び燃料噴射量を算出する。
【００４７】
ステップＳ２２０では、ステップＳ１１１０で算出したスロットル開度及び燃料噴射量を設定する。
【００４８】
図１０は、上記のようにして印加する交流電界の周波数と誘電率及び誘電損失との関係を定めた場合の効果について説明するための図である。縦軸は投入電力及び誘電損失による電力損失、横軸は印加する交流電界の周波数であり、実線は周波数により定まる投入電力（中心電極２０に印加する電力）、破線は誘電損失による電力損失を示している。なお、図１０では説明の便宜上、周波数領域を低周波数、中周波数、高周波数の３つの領域に分割し、誘電率および誘電損失をそれぞれの領域の代表値とした場合について示している。
【００４９】
上述したように、低周波ほど高誘電率、高周波数ほど低誘電率となり、これにより低周波ほど周波数の変化に対する投入電力の変化量が大きくなる。なお、ここでいう誘電率の高低は、図４の温度Ｔ１〜Ｔ２の範囲内における相対的な高低である。また、高周波数ほど誘電損失が小さくなるので、周波数の変化量に対する電力損失が小さくなる。
【００５０】
低周波数領域では、周波数が高くなるほど投入電力が増大しているが、投入電力の傾きよりも電力損失の傾きの方が大きいため、周波数が高くなるほど投入力と電力損失との差が小さくなる。すなわち、周波数が高くなるほど放電効率が低下している。
【００５１】
中周波数領域では、上述したように誘電率及び誘電損失が低下するので、投入電力及び電力損失の傾きはいずれも低周波数領域よりも小さくなり、低周波数領域と同じ誘電率及び誘電損失のまま中周波数領域まで周波数を高めた場合に比べて、放電効率の低下の度合が抑制されている。このため、誘電率の低下により投入電力は高誘電率の場合に比べて減少するが、放電効率の低下が抑制されたことにより、結果として形成される放電エネルギは高誘電率の場合よりも大きくなる。
【００５２】
高周波数領域についても同様に、中周波数領域のまま高周波数領域まで周波数を高める場合よりも、放電効率の低下の度合が抑制され、結果として形成される放電エネルギは大きくなる。
【００５３】
このように、印加する交流電界の周波数が高まるほど、誘電損失及び誘電率が低下するように誘電体２１の温度を制御することにより、放電効率の低下を抑制して効率よく放電することができる。
【００５４】
なお、図６のフローチャートに替えて図１１のフローチャートを用いてもよい。図１１は、ステップＳ２０９０を除いて図６と同様である。
【００５５】
ステップＳ２０９０では、中心電極２０への印加電圧を高めることにより、冷却水を規定範囲内まで昇温する。すなわち、印加電圧を高めると後述する図１４に示すように誘電損失による電力損失が増大し、この損失する電力は熱として失われるので、この熱を利用して冷却水を昇温する。印加電圧をどの程度高めるかは、印加電圧と電力損失との関係、及び電力損失により発生する熱量との関係を予めマップ化等しておき、これに基づいて決定する。
【００５６】
このように誘電損失による熱量を用いて冷却水を昇温する場合には、ヒータ１３及び加熱電源１９が不要となり、システムが簡略化できる。
【００５７】
以上により本実施形態では、次のような効果を得ることができる。
（１）少なくとも一方が誘電体２１に覆われた中心電極２０及び管状電極２２と、これら電極間に交流電界を印加する高電圧高周波発生器１２と、印加する交流電界に応じて誘電体２１の誘電率及び誘電損失を制御するＥＣＵ１１と、を備えるので、放電の効率を高め、システム全体として高効率化を図ることができる。
【００５８】
（２）誘電体２１の誘電率及び誘電損失が、誘電体２１の温度または圧力に対する依存性を有するので、温度または圧力を制御することにより誘電率及び誘電損失を制御することができる。
【００５９】
（３）ＥＣＵ１１は誘電体２１の温度または圧力を制御することにより誘電率及び誘電損失を制御するので、複雑な機構等を用いることなく誘電率及び誘電損失の制御が可能である。
【００６０】
（４）誘電体２１の誘電率及び誘電損失は、いずれも転移温度Ｔｃ近傍で最大値となるピークを有し、かつ転移温度Ｔｃ近傍では誘電損失の方が誘電率よりも大きく変化するので、転移温度Ｔｃ近傍には高誘電率かつ低誘電損失となる温度範囲が存在する。
【００６１】
（５）ＥＣＵ１１は、誘電体２１の温度を転移温度Ｔｃ近傍の温度範囲に制御するので、高誘電率かつ低誘電損失の状態で放電を行うことができる。
【００６２】
（６）ＥＣＵ１１は、誘電体２１の温度を転移温度Ｔｃ近傍かつ高温側の温度範囲Ｔ１〜Ｔ２に制御するので、残留分極の影響を受けることがなく、制御性がよい。
【００６３】
（７）交流電界の強度を増大させる場合には、ＥＣＵ１１は交流電界強度が増大する前と略同等の放電効率を維持するように、誘電損失が相対的に低く、かつ誘電率が相対的に高くなるように誘電体２１の温度を制御するので、交流電界強度の増大に伴う誘電損失による電力損失の増大を抑制し、高効率の放電を行うことができる。
【００６４】
（８）非平衡プラズマ放電装置１０を内燃機関の点火装置または点火補助装置として使用するので、バリア放電により生成される活性種による燃料速度の増加、放電体積の拡大による体積点火を実現することができる。これにより、希薄燃焼運転領域が拡大し、内燃機関の熱効率を高めることができる。
【００６５】
（９）機関負荷が低負荷になるほど、ＥＣＵ１１は交流電界の強度を増大させ、交流電界の強度が増大する前と略同様の放電効率を維持するように誘電損失が低くかつ誘電率が高くなるように誘電体２１の温度を制御するので、低負荷の希薄燃焼または希釈燃焼運転領域を拡大して熱効率を向上させつつ、放電効率の低下を抑制することができる。
【００６６】
（１０）機関回転数が高回転になるほど、ＥＣＵ１１は交流電界の強度を増大させ、交流電界の強度が増大する前と略同様の放電効率を維持するように誘電損失が低くかつ誘電率が高くなるように誘電体２１の温度を制御するので、高効率に回転速度に応じた放電を行うことができる。
【００６７】
（１１）機関負荷が低負荷かつ機関回転数が高回転になるほど、ＥＣＵ１１は交流電界の強度を増大させ、交流電界の強度が増大する前と略同様の放電効率を維持するように誘電損失が低くかつ誘電率が高くなるように誘電体２１の温度を制御するので、より広い運転領域で高効率の放電を行うことができる。
【００６８】
（１２）誘電体２１の転移温度が、シリンダヘッド１の非平衡プラズマ放電装置１０の設置場所近傍の機関運転中の温度と略同等であるので、昇温のために投入するエネルギを低減することができる。
【００６９】
（１３）誘電体２１を昇温させる際には、ＥＣＵ１１は誘電損失によって生じる熱量が温度上昇に必要な熱量となるように電界強度を増大させるので、ヒータ１３及び加熱電源１９等の加熱装置を設けることなく誘電体２１を昇温することができる。
【００７０】
なお、ここでは吸気通路３内に燃料噴射を行う、いわゆるポート噴射式のエンジンにつて説明したが、燃焼室２に直接燃料噴射を行う、いわゆる筒内直接噴射式のエンジンについても、同様に適用することができる。
【００７１】
第２実施形態について説明する。
【００７２】
本実施形態は、シリンダヘッド部の構成及び非平衡プラズマ放電装置１０の構成は、基本的には第１実施形態と同様であるが、スパーク点火用の点火栓３０を備える点と、運転領域ごとの点火方法及び印加する交流電界の強度の制御方法が異なる。本実施形態では、印加する交流電界の強度を、印加する周波数は一定とし、印加電圧の大きさにより制御する。
【００７３】
図１２は、燃焼室２を下面側から見た図である。図１２に示すように、非平衡プラズマ放電装置１０の近傍に、スパーク点火用の点火栓３０を備える。点火栓３０は、一般的な火花点火用の点火栓である。
【００７４】
図１３は、運転領域マップ及び運転領域ごとの放電エネルギマップである。低回転・低負荷領域から中回転・中負荷領域までは、理論空燃比よりも希薄な空燃比でのリーン燃焼またはＥＧＲガス導入による希釈燃焼により運転し、高回転領域及び高負荷領域では理論空燃比（λ＝１）で運転する。そして、リーン燃焼または希釈燃焼する運転領域では、負荷が低くなるほどλまたはＥＧＲ率を増大させる。一方、高回転領域及び高負荷領域のλ＝１で運転する領域では、点火栓３０による火花点火を行う。
【００７５】
機関運転中にＥＣＵ１１が実行する制御ルーチンのフローチャートは、基本的に第１実施形態と同様である。ただし、印加する交流電界の強度の制御方法が異なるので、ステップＳ１０３０における最適誘電率及び最適誘電損失の設定方法が異なる。
【００７６】
図１４は、印加周波数を一定とした場合の、印加電圧と誘電損失による電力損失との関係を示す図である。
【００７７】
図１４に示すように、誘電損失による電力損失は印加電圧の二乗に比例して変化し、印加電圧が高くなるほど、つまり投入電力が大きくなるほど、電力損失も大きくなる。そこで、投入電力が増大した場合の電力損失の増大を抑制するために、図１５に示すように、印加電圧が高くなるほど誘電損失が小さくなるように制御する。これにより、図１４の曲線の傾き（印加電圧の変化量に対する誘電損失の変化量の割合）が小さくなる。図１５は印加電圧に対する誘電損失を設定しており、印加電圧が高くなるほど誘電損失が小さくなっている。
【００７８】
誘電損失を図１５のように制御すると、第１実施形態と同様に、周波数が高くなるほど誘電率は低下する（図１６）。
【００７９】
なお、図１５及び図１６の曲線の傾き（印加電圧の変化量に対する誘電損失及び誘電率の変化量の割合）は、図８及び図９の曲線の傾き（周波数の変化量に対する誘電損失及び誘電率の変化量の割合）よりも大きい。これは、誘電損失による電力損失が印加電圧の大きさの二乗に比例しているため、印加電圧が大きくなるほど誘電損失をより低減する必要があるからであり、その結果、誘電率の低下量も大きくなるからである。
【００８０】
そこで、いずれの印加電圧領域でも放電効率が悪化しないように、図１５における曲線の傾き（周波数の変化量に対する誘電損失の変化量の割合）、及び図１６における曲線の傾き（周波数の変化量に対する誘電率の変化量の割合）を設定して制御用マップとし、これらのマップに基づいて最適誘電率及び最適誘電損失を設定する。
【００８１】
図１７は、第１実施形態の図１０に相当する図であり、上記のようにして印加する交流電界の印加電圧と誘電率及び誘電損失との関係を定めた場合の効果について説明するための図である。縦軸は投入電力及び誘電損失による電力損失、横軸は印加電圧であり、実線は印加電圧により定まる投入電力（非平衡プラズマ放電装置１０に印加する電力）、破線は誘電損失による電力損失を示している。なお、図１７では説明の便宜上、印加電圧領域を低圧、中圧、高圧の３つの領域に分割し、誘電率および誘電損失をそれぞれの領域の代表値とした場合について示している。
【００８２】
図１７に示すように、本実施形態でも第１実施形態と同様に、放電効率の低下を抑制して効率よく放電することができる。
【００８３】
以上により本実施形態では、第１実施形態と同様の効果に加え、さらに次のような効果を得ることができる。
【００８４】
誘電損失による電力損失は、周波数の一乗に比例して増大する一方、印加電圧の二乗に比例して増大する。本実施形態では、ＥＣＵ１１は印加電圧を高めることにより交流電界強度を増大させる場合には、周波数を高めることにより交流電界強度を増大させる場合に比べて、より低い誘電損失、かつより高い誘電率になるように誘電体２１の温度を制御するので、印加電圧を高めることにより電界強度を高める場合にも、誘電損失による電力損失を低減し、効率よく放電を行うことができる。
【００８５】
第３実施形態について説明する。
【００８６】
本実施形態は、第１実施形態または第２実施形態と同様の構成のシリンダヘッド部及び非平衡プラズマ放電装置１０を用いた、機関始動時の制御に関する。
【００８７】
図１８は機関始動時にＥＣＵ１１が実行する制御ルーチンのフローチャートである。
【００８８】
ステップＳ３０００では、冷却水温として温度センサ１８の検出値を読み込む。
【００８９】
ステップＳ３０１０では、冷却水温が冷間始動か否かの判定用に予め設定した規定値以上であるか否かの判定を行う。規定値以上、つまり冷間始動ではない場合には、ステップＳ３０３０に進み、一般的な始動時と同様にスロットル開度及び燃料噴射量を設定する。
【００９０】
一方、規定値以下、つまり冷間始動の場合には、ステップＳ３０２０に進む。
【００９１】
ステップＳ３０２０では、冷却水温が規定値以上になるように中心電極２０に電圧を印加する。これは、図１１のステップＳ２０９０と同様に、誘電損失による電力損失によって生じる熱を用いて誘電体２１を昇温するためである。
【００９２】
以上により本実施形態では、誘電損失によって生じる熱量による誘電体２１の昇温を、機関冷間始動時に実施するので、中心電極２０を放電効率が高い温度まで短時間で昇温することで高効率かつ低エミッションで燃焼温度を高めることができる。さらに、早期に排気浄化触媒を昇温して排気浄化の効率を高めることもできる。
【００９３】
なお、非平衡プラズマ放電装置１０は、内燃機関の点火装置以外にも使用することができる。例えば、中心電極２０及び管状電極２２を排気通路４に臨むように設置し、排気通路４内に向けて放電するようにしてもよい。これにより、排気通路４を通過する排気中の微粒子を燃焼させたり、ＮＯｘを分解することができるので、排気性能を向上させることができる。
【００９４】
また、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】第１実施形態のシステムの構成を示す図である。
【図２】非平衡プラズマ放電装置の構成を示す図である。
【図３】バリア放電の放電時期について説明するための図である。
【図４】誘電率及び誘電損失の温度または圧力に対する特性を示す図である。
【図５】運転領域ごとの放電エネルギの大きさを示す図である（第１実施形態）。
【図６】周波数により交流電界強度を制御する場合の、機関運転用の制御ルーチンを表すフローチャートである。
【図７】誘電損失による電力損失と周波数との関係を示す図である。
【図８】周波数により交流電界強度を制御する場合の、誘電損失の制御目標値を示す図である。
【図９】周波数により交流電界強度を制御する場合の、誘電率の制御目標値を示す図である。
【図１０】周波数により交流電界強度を制御する場合の、放電効率を説明するための図である。
【図１１】印加電圧により交流電界強度を制御する場合の、機関運転用の制御ルーチンを表すフローチャートである。
【図１２】燃焼室を機関下方から見た図である。
【図１３】運転領域ごとの放電エネルギの大きさを示す図である（第２実施形態）。
【図１４】誘電損失による電力損失と印加電圧との関係を示す図である。
【図１５】印加電圧により交流電界強度を制御する場合の、誘電損失の制御目標値を示す図である。
【図１６】印加電圧により交流電界強度を制御する場合の、誘電率の制御目標値を示す図である。
【図１７】印加電圧により交流電界強度を制御する場合の、放電効率を説明するための図である。
【図１８】機関始動時の制御ルーチンを表すフローチャートである。
【符号の説明】
【００９６】
１    シリンダヘッド
２    燃焼室
３    吸気通路
４    排気通路
５    吸気バルブ
６    排気バルブ
７    吸気カムシャフト
８    排気カムシャフト
９    燃料噴射弁
１０  非平衡プラズマ放電装置
１１  エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
１２  高電圧高周波発生器
１３  ヒータ
１４  冷却水路
１５  ラジエター
１６  ポンプ
１７  電磁バルブ（またはサーモスタット）
１８  温度センサ
１９  加熱電源
２０  中心電極
２１  誘電体
２２  管状電極
２３  放電室
【図１】
2009121422.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】
2009121422.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
2009121422.tif 000014
【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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