(57)【要約】【課題】非平衡プラズマ放電によって体積的な点火を可能とする非平衡プラズマ放電式エンジンを提供する。【解決手段】非平衡プラズマ放電によって燃料に点火する非平衡プラズマ放電式エンジン１００であって、燃料が導入される主燃焼室１３に連通する副燃焼室５５と、導電体からなり、副燃焼室５５内に延設する第１電極５１と、導電体からなり、延設した第１電極５１の側部と対向するように配置される第２電極５２と、第１電極５１と第２電極５２との間に電圧を印加して、電極間の非平衡プラズマ放電によって副燃焼室５５内の燃料に体積点火させる電圧印加手段６０と、を備えることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非平衡プラズマ放電によって燃料に点火する非平衡プラズマ放電式エンジンであって、
燃料が導入される主燃焼室に連通する副燃焼室と、
導電体からなり、前記副燃焼室内に延設する第１電極と、
導電体からなり、前記延設した第１電極の側部と対向するように配置される第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加して、電極間の非平衡プラズマ放電によって副燃焼室内の燃料に体積点火させる電圧印加手段と、
を備えることを特徴とする非平衡プラズマ放電式エンジン。
【請求項２】
前記第２電極は、前記副燃焼室の壁部を構成し、
前記第１電極は、前記第２電極との距離が略等間隔となるように配置される、
ことを特徴とする請求項１に記載の非平衡プラズマ放電式エンジン。
【請求項３】
前記電圧印加手段は、エンジン運転状態に応じて電極間に印加する電圧の電圧特性を制御して、非平衡プラズマ放電の放電エネルギーを調整する、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の非平衡プラズマ放電式エンジン。
【請求項４】
前記電圧印加手段は、前記副燃焼室内の燃料に点火する前に、電極間に点火時よりも放電エネルギーが小さくなるように電圧を印加して、前記副燃焼室内にラジカルを生成する、
ことを特徴とする請求項３に記載の非平衡プラズマ放電式エンジン。
【請求項５】
前記電圧印加手段は、エンジン負荷が小さくなるにしたがって非平衡プラズマ放電の放電エネルギーを大きくする、
ことを特徴とする請求項３又は４に記載の非平衡プラズマ放電式エンジン。
【請求項６】
前記電圧印加手段は、エンジン回転速度が大きくなるにしたがって非平衡プラズマ放電の放電エネルギーを大きくする、
ことを特徴とする請求項３から請求項５のいずれか一つに記載の非平衡プラズマ放電式エンジン。
【請求項７】
前記電圧印加手段は、リーン燃焼する運転領域において、空燃比がリーンになるにしたがって非平衡プラズマ放電の放電エネルギーを大きくする、
ことを特徴とする請求項３から請求項６のいずれか一つに記載の非平衡プラズマ放電式エンジン。
【請求項８】
前記電圧印加手段は、ＥＧＲガスを吸気系に再循環して希釈燃焼する運転領域において、ＥＧＲ率が大きくなるにしたがって非平衡プラズマ放電の放電エネルギーを大きくする、
ことを特徴とする請求項３から請求項６のいずれか一つに記載の非平衡プラズマ放電式エンジン。
【請求項９】
エンジン運転状態に応じて吸気弁の閉弁時期を可変にする可変動弁装置を備え、
前記電圧印加手段は、前記吸気弁の閉弁時期をピストンが下死点から離すように進角または遅角させる運転領域において、前記吸気弁の閉弁時期の進角量または遅角量が大きくなるにしたがって平衡プラズマ放電の放電エネルギーを大きくする、
ことを特徴とする請求項３から請求項８のいずれか一つに記載の非平衡プラズマ放電式エンジン。
【請求項１０】
前記電圧印加手段は、電極間にパルス状の電圧を印加して、電極間で非平衡プラズマ放電させる、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の非平衡プラズマ放電式エンジン。
【請求項１１】
前記電圧印加手段は、電極間に印加する電圧の電圧値、パルス幅、印加回数のうち、少なくとも一つを制御して非平衡プラズマ放電の放電エネルギーを調整する、
ことを特徴とする請求項４に記載の非平衡プラズマ放電式エンジン。
【請求項１２】
前記電圧印加手段は、電極間に印加する電圧の電圧値、パルス幅の少なくとも一つを制御して非平衡プラズマ放電の放電エネルギーを調整する、
ことを特徴とする請求項５から請求項９のいずれか一つに記載の非平衡プラズマ放電式エンジン。
【請求項１３】
前記第１電極と前記第２電極のうち一方の電極を覆う誘電体を備え、
前記電圧印加手段は、電極間に交流の電圧を印加して、前記誘電体と他方の電極との間で非平衡プラズマ放電させる、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の非平衡プラズマ放電式エンジン。
【請求項１４】
前記第１電極と前記第２電極のうち一方の電極を覆う誘電体を備え、
前記電圧印加手段は、前記放電エネルギーを電極に印加する交流電圧の電圧値、交流周波数、印加時間の少なくとも１つを制御して非平衡プラズマ放電の放電エネルギーを調整する、
ことを特徴とする請求項４から請求項９のいずれか一つに記載の非平衡プラズマ放電式エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非平衡プラズマ放電によって点火する非平衡プラズマ放電式エンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、非平衡プラズマ放電（低温プラズマ放電又はコロナ放電ともいう。）によって燃焼室内の混合気を点火するエンジンが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に記載の非平衡プラズマ放電式エンジンでは、マイクロ波を導く導波管の内部に一対の電極を設置する。この一対の電極は、導波管の終端部からマイクロ波の１／４波長離れた位置に設けられている。そして、ピストンが所定の位置に達したときに導波管にマイクロ波パルスを伝送し、一対の電極間に電解を生じさせ、非平衡プラズマ放電を形成して混合気に点火する。
【特許文献１】特開平３−３１５７９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、特許文献１に記載のエンジンでは、一対の電極間で非平衡プラズマ放電を形成して混合気に点火（以下「点点火」という。）する構成である。リーン燃焼のように混合気の濃度が燃焼室の全体にわたって希薄である場合や、大量のＥＧＲガスが導入されＥＧＲ率（新気量に対するＥＧＲガス量の割合）が大きくなっている場合などにおいて、上記の通り点点火により着火を行ったのでは、単位体積当りの発熱量が小さいために混合気への着火性能が悪化する。このように着火性能が悪化すると、周囲を連鎖的に発熱させることができずに消炎してしまうなど燃焼性能が低下してしまい、希薄燃焼限界を拡大できないという問題がある。
【０００５】
そこで、本発明は、非平衡プラズマ放電によって体積的な点火を可能とする非平衡プラズマ放電式エンジンを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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。
【０００７】
本発明は、非平衡プラズマ放電によって燃料に点火する非平衡プラズマ放電式エンジン（１００）であって、燃料が導入される主燃焼室（１３）に連通する副燃焼室（５５）と、導電体からなり、副燃焼室（５５）内に突出する第１電極（５１）と、導電体からなり、突出した第１電極（５１）の側部と対向するように配置される第２電極（５２）と、第１電極（５１）と第２電極（５２）との間に電圧を印加して、電極間の非平衡プラズマ放電によって副燃焼室（５５）内の燃料に体積点火させる電圧印加手段（６０）と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、非平衡プラズマ放電のストリーマが第１電極と第２電極との間で複数形成される。これにより、副燃焼室の内部の燃料に体積点火することができ、また副燃焼室で燃焼した燃焼ガスは主燃焼室にトーチ状に放射して、主燃焼室内の燃料にトーチ点火することができる。そのため、リーン燃焼や希釈燃焼など、燃焼が不安定になりやすい条件においても、着火性能が向上するとともに燃焼期間を短くすることができるので、希薄燃焼限界を大幅に拡大できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
（第１実施形態）
以下、図面を参照して本発明の第１実施形態について説明する。
【００１０】
図１は、第１実施形態の非平衡プラズマ放電式エンジンの構成を示す図である。
【００１１】
非平衡プラズマ放電式エンジン１００は、シリンダブロック１０と、シリンダブロック１０の上側に配置されるシリンダヘッド２０とを備える。
【００１２】
シリンダブロック１０には、ピストン１１を収装するシリンダ１２が形成される。そして、ピストン１１の冠面と、シリンダ１２の壁面と、シリンダヘッド２０の下面とによって燃焼室（以下「主燃焼室」という。）１３を形成する。この主燃焼室１３で混合気が燃焼すると、ピストン１１は燃焼による燃焼圧力を受けてシリンダ１２を往復動する。
【００１３】
また、シリンダヘッド２０には、主燃焼室１３に混合気を流す吸気ポート３０と、主燃焼室１３からの排気を流す排気ポート４０とが形成される。
【００１４】
吸気ポート３０には、吸気弁３１が設けられる。吸気弁３１は、吸気側カムシャフト３２に一体形成されるカム３３によって駆動され、ピストン１１の上下動に応じて吸気ポート３０を開閉する。また、吸気ポート３０には燃料噴射弁３４が設置されている。この燃料噴射弁３４は、吸気ポート３０の主燃焼室１３への開口部に向けて燃料を噴射する。
【００１５】
一方、排気ポート４０には、排気弁４１が設けられる。排気弁４１は、排気側カムシャフト４２に一体形成されるカム４３によって駆動され、ピストン１１の上下動に応じて吸気ポート３０を開閉する。なお、排気ポート４０には、排気を外部に流す図示しない排気通路が接続しており、この排気通路に設置されたＥＧＲ装置が排気通路を流れる排気の一部を吸気系に再循環させる。
【００１６】
上記した吸気ポート３０と排気ポート４０との間であって、シリンダヘッド２０の燃焼室中心部には、非平衡プラズマ放電によって混合気に点火する点火プラグ５０が設置される。この点火プラグ５０は、棒状の中心電極５１と、円筒状電極５２と、絶縁部５３と、主体金具５４とを備える。
【００１７】
中心電極５１は導電体からなり、棒状の絶縁部５３を軸方向に貫通し、絶縁部５３の先端５３ａから突出するように構成されて、副燃焼室５５の内側に延設している。この中心電極５１の後端には、後端側端子５１ａが設置されている。そして、絶縁部５３から突き出した中心電極５１を取り囲むように、導電体からなる円筒状電極５２が設置されており、中心電極５１の側部と対向している。点火プラグ５０の点火時には、中心電極５１と円筒状電極５２との間で非平衡プラズマ放電する。なお、点火プラグ５０の円筒状電極５２は、シリンダヘッド２０を介して電気的に設置されている。
【００１８】
また、点火プラグ５０の中心電極５１と円筒状電極５２との間には、円筒状の空間である副燃焼室５５が形成される。円筒状電極５２は、その先端に複数の連通孔５６を有しており、連通孔５６によって主燃焼室１３と副燃焼室５５とが連通する。
【００１９】
この点火プラグ５０は、絶縁部５３の軸方向中央に設けられた主体金具５４によってシリンダヘッド２０に設置される。そして、点火プラグ５０は、中心電極５１の後端側端子５１ａに連結された高電圧短パルス発生器６０によってエンジン運転状態に応じて制御される。
【００２０】
非平衡プラズマ放電式エンジン１００は、高電圧短パルス発生器６０を制御するため、コントローラ７０を備える。コントローラ７０はＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びＩ／Ｏインタフェースを有する。このコントローラ７０には、エンジン回転速度、エンジン負荷等の車両運転状態を検出する各種センサの出力が入力する。コントローラ７０は、これら出力に基づいて高電圧短パルス発生器６０からの印加電圧、印加時間（パルス幅）、印加回数などを制御して、点火プラグ５０の点火時期や非平衡プラズマ放電の放電エネルギーを調整する。
【００２１】
上記のように構成される非平衡プラズマ放電式エンジン１００では、燃料噴射弁３４が吸気ポート内に燃料を噴射する。ピストン１１が下方に移動するとき、主燃焼室１３の圧力が吸気ポート内の圧力よりも低下するので、このとき吸気弁３１が開かれると、吸気ポート３０と主燃焼室１３との圧力差によって吸気ポート内の混合気が主燃焼室１３に流入する。そして、吸気弁３１が閉じた後に、ピストン１１の上昇により混合気が圧縮されると、その混合気の一部が連通孔５６を介して副燃焼室５５に流れ込む。副燃焼室５５に流入した混合気は、ピストン１１が圧縮上死点に達する直前に、点火プラグ５０の非平衡プラズマ放電によって着火される。このように副燃焼室５５で燃焼した燃焼ガスは、連通孔５６を介して主燃焼室１３の内部にトーチ状に放射され、主燃焼室内の混合気を燃焼（以下「トーチ点火」という。）させる。
【００２２】
点火プラグ５０の非平衡プラズマ放電による着火について、図２及び図３を参照して説明する。
【００２３】
図２（Ａ）は、点火プラグ５０の近傍の拡大図である。また、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【００２４】
点火プラグ５０の中心電極５１にパルス幅の短い（印加時間が短い）高電圧を印加すると、図２（Ａ）に示すように、中心電極５１と円筒状電極５２との間で、いわゆるストリーマ５７と呼ばれる平衡プラズマ放電（高温プラズマ放電又はアーク放電ともいう。）する以前の過渡的な非平衡プラズマ放電が形成される。
【００２５】
本実施形態では、中心電極５１が絶縁部５３から軸方向に突き出すように構成されているので、上記したストリーマ５７は、図２（Ａ）のように中心電極５１の軸方向の複数の位置から円筒状電極５２に向かって発生するとともに、図２（Ｂ）のように中心電極５１を中心として放射状に形成される。したがって、平衡プラズマ放電を利用した従来装置における点点火に比べて点火が生じる部位が大きな体積を占めることとなり、複数のストリーマ５７を形成することによって副燃焼室内の電子温度を高めて分子活性度を高くできる。そのため、本実施形態の非平衡プラズマ放電式エンジン１００では、副燃焼室５５において広い体積を占める多点同時点火、つまり体積的な点火（以下「体積点火」という。）をすることができる。
【００２６】
点火プラグ５０において複数のストリーマ５７が形成される条件について、図３を参照して説明する。図３は、点火プラグ５０における、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。
【００２７】
図３に示すように、点火プラグ５０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って、領域Ｐに示す非平衡プラズマ放電から領域Ｑに示す平衡プラズマ放電へと移行してしまう。点火プラグ５０での放電形態が平衡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、点火プラグ５０の中心電極５１と円筒状電極５２との間の印加電圧が所定値Ｖ0よりも小さくなる領域Ｒでは、ストリーマ５７が生成される量が少なかったり、ストリーマ５７自体が形成されない暗流状態となり、副燃焼室５５の内部の混合気に着火することができなかったりする。
【００２８】
したがって、点火プラグ５０において、非平衡プラズマ放電して複数のストリーマ５７を形成するためには、短いパルス幅（例えば数十〜数百ｎｓｅｃ程度）の高電圧を領域Ｐに示す範囲で点火プラグ５０に印加する必要がある。特に、パルス幅を短く設定する、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。そのため、より着火性及び燃焼速度を高める必要がある場合には、パルス幅を短くして電圧を高く制御する。
【００２９】
なお、非平衡プラズマ放電と平衡プラズマ放電との境界線Ａや、燃焼性能が低下する印加電圧の所定値Ｖ0は、副燃焼室５５内の燃料と空気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及び所定値Ｖ0は大印加電圧側にシフトする。
【００３０】
このように、点火プラグ５０によって非平衡プラズマ放電する非平衡プラズマ放電式エンジン１００は、図４（Ａ）に示す運転マップに基づいて運転される。図４（Ａ）は、エンジン回転速度と負荷とによって表される運転マップである。
【００３１】
非平衡プラズマ放電式エンジン１００は、図４（Ａ）の領域Ｐでは高回転速度・高負荷側運転を実施し、領域Ｑでは低回転速度・低負荷側運転を実施する。
【００３２】
高回転速度・高負荷側運転においては、図４（Ｂ）に示すように、空気過剰率λが１（ストイキ）になるように燃料噴射量などを制御して運転する。この運転領域では、エンジン運転状態によらず空気過剰率λ＝１で制御されており、混合気は着火しやすいので、点火プラグ５０の非平衡プラズマ放電の放電エネルギーは、後述する低回転速度・低負荷側運転時よりも小さく設定される。なお、高回転速度・高負荷側運転時は、エンジン運転状態によらず放電エネルギーが一定となるように設定するが、低負荷で高エンジン回転速度になるほど非平衡プラズマ放電の放電エネルギーが大きくなるように印加電圧などを調整するようにしてもよい。
【００３３】
これに対して、低回転速度・低負荷側運転においては、図４（Ｃ）に示すように負荷に応じて空気過剰率λを制御してリーン燃焼させる。つまり、負荷が所定値Ｔ1よりも小さい場合には、負荷が小さくなるほど空気過剰率λが大きくなるように燃料噴射量などを制御する。ここで所定値Ｔ1は、図４（Ａ）に示すように、低回転速度・低負荷側運転時における最高負荷から決定する。このようなリーン燃焼では、高回転速度・高負荷側運転時と同じ放電エネルギーで体積点火したのでは着火性能が悪化する。そのため、低回転速度・低負荷側運転時は、点火プラグ５０の非平衡プラズマの放電エネルギーを高回転速度・高負荷側運転制御時よりも大きく設定する。そして、図４（Ａ）に示すように低負荷で高エンジン回転速度になるほど、非平衡プラズマ放電の放電エネルギーが大きくなるように印加電圧などを調整することで、着火性能の安定化を図る。
【００３４】
なお、本実施形態では、低回転速度・低負荷側においてリーン燃焼するように設定しているが、ＥＧＲガスを吸気系に再循環して希釈燃焼するようにしてもよい。この場合には、図４（Ｄ）に示すように、負荷が所定値Ｔ1よりも低い場合に、負荷に応じてＥＧＲ率を制御して希釈燃焼させる。このような希薄燃焼においても、点火プラグ５０の非平衡プラズマの放電エネルギーを高回転速度・高負荷側運転制御時よりも大きく設定するとともに、低負荷で高エンジン回転速度になるほど、非平衡プラズマ放電の放電エネルギーが大きくなるように印加電圧などを調整する。
【００３５】
以上により、第１実施形態の非平衡プラズマ放電式エンジン１００は下記の効果を得ることができる。
【００３６】
非平衡プラズマ放電式エンジン１００では、中心電極５１が絶縁部５３から軸方向に突出し、その中心電極５１を取り囲むように円筒状電極５２が設けられているので、ストリーマ５７が中心電極５１から円筒状電極５２に向かって複数形成される。このように、副燃焼室５５の内部において体積点火するので、リーン燃焼や希釈燃焼など、燃焼が不安定になりやすい条件においても、十分大きな熱発生を得ることができる。そのため、着火性能が向上するとともに燃焼期間を短くすることができ、希薄燃焼限界を大幅に拡大できる。
【００３７】
また、副燃焼室５５で燃焼した燃焼ガスは連通孔５６から主燃焼室１３にトーチ状に放射して、主燃焼室内の混合気を燃焼させるので、希薄燃焼限界をさらに拡大できる。
【００３８】
さらに、円筒状電極５２によって副燃焼室５５を形成するようにしたので、副燃焼室内部の広範囲の空間に非平衡プラズマ放電のストリーマを形成することができる。
【００３９】
リーン燃焼や希釈燃焼する低回転速度・低負荷側運転時において、着火時の筒内温度が低くなって燃焼性能が変動しやすくなるが、点火プラグ５０の非平衡プラズマ放電の放電エネルギーを高回転速度・高負荷側運転時よりも大きく設定するので、燃焼性能の変動を抑制することができる。
【００４０】
また、負荷が小さくなるにしたがって、点火プラグ５０の放電エネルギーを大きくするように印加電圧などを制御するので、燃焼性能が不安定になる低負荷時においても燃焼性能の変動を抑制できる。
【００４１】
さらに、高エンジン回転速度になるにしたがって、点火プラグ５０の放電エネルギーを大きくするように印加電圧などを制御するので、クランク角度あたりの実時間が短くなる高エンジン回転速度においても燃焼速度を向上することができる。
【００４２】
（第２実施形態）
第２実施形態の非平衡プラズマ放電式エンジン１００の構成は、第１実施形態とほぼ同様であるが、点火プラグ５０による体積点火の前に、副燃焼室内に反応性の大きい化学種（以下「ラジカル」という。）を生成する点において一部相違する。つまり、副燃焼室内のラジカルによって着火性能を向上させるようにしたもので、以下にその相違点を中心に説明する。
【００４３】
第２実施形態の非平衡プラズマ放電式エンジン１００は、第１実施形態と異なり、エンジン運転状態に応じて吸気弁３１のリフト量や作動角などのバルブ特性を可変動弁装置２００によって制御する。この可変動弁装置２００について、図５を参照して説明する。
【００４４】
図５は、吸気弁３１を駆動する可変動弁装置２００の構成を示す図である。
【００４５】
可変動弁装置２００は、図５に示すように、揺動カム２１０と、その揺動カム２１０を揺動させる揺動カム駆動機構２２０と、吸気弁３１のリフト量を連続的に変化させ得るリフト量可変機構２３０とを備える。
【００４６】
揺動カム２１０は、シリンダ列方向に延びる駆動軸２２１の外周に回転自在に嵌合している。非平衡プラズマ放電式エンジン１００は一つの気筒に対して２つの吸気弁３１を備えるので、一つの気筒に２つの揺動カム２１０とバルブリフタ２１１とが設けられる。この２つの揺動カム２１０は、駆動軸２２１に対して回動自在に挿通された連結筒２２１ａによって同一位相状態で結合され、互いに同期して同一に作動する。そのため、揺動カム駆動機構２２０は、１つの揺動カム２１０に対してのみ備えられる。
【００４７】
揺動カム駆動機構２２０の駆動軸２２１には、偏心カム２２２が圧入等によって固定されている。円形外周面を有する偏心カム２２２は、その外周面の中心が駆動軸２２１の軸心から所定量だけオフセットする。駆動軸２２１は、クランクシャフトの回転に連動して回転するため、偏心カム２２２は駆動軸２２１の軸心回りに偏心回転する。
【００４８】
偏心カム２２２の外周面には、第１リンク２２３の基端側の環状部２２４が回転可能に嵌合している。第１リンク２２３の先端は、連結ピン２２５を介してロッカアーム２２６の一端と連結する。また、ロッカアーム２２６の他端は、連結ピン２２７を介して第２リンク２２８の上端と連結する。第２リンク２２８の下端は、連結ピン２２９を介して、吸気弁３１を駆動する揺動カム２１０ａと連結する。なお、ロッカアーム２２６の略中央部は、リフト量可変機構２３０の制御軸２３１の偏心カム部２３２に揺動自在に支持される。
【００４９】
駆動軸２２１がエンジン回転に同期して回転すると、偏心カム２２２が偏心回転し、これにより第１リンク２２３が上下方向に揺動する。第１リンク２２３の揺動によりロッカアーム２２６が偏心カム部２３２の軸周りに揺動し、第２リンク２２８が上下に揺動して、揺動カム２１０を駆動軸２２１の軸回りに所定の回転角度範囲で揺動運動させる。このように揺動カム２１０は互いに同期して同一に揺動することで、吸気弁３１が図示しない吸気ポート３０を開閉する。
【００５０】
上記した可変動弁装置２００では、駆動軸２２１の一端が図示しないカムスプロケットに挿入されており、駆動軸２２１はカムスプロケットに対して相対回転するように構成されている。そのため、駆動軸２２１はカムスプロケットに対する位相を変更でき、クランクシャフトに対する駆動軸２２１の回転位相を変更できる。
【００５１】
また、リフト量可変機構２３０の制御軸２３１の一端には、ギア等を介して図示しないアクチュエータが設けられている。このアクチュエータによって制御軸２３１の回転位置を変化させることで、ロッカアーム２２６の揺動中心となる偏心カム部２３２の軸心が制御軸２３１の回転中心周りを旋回し、これに伴いロッカアーム２２６の支点が変位する。これにより、第１リンク２２３及び第２リンク２２８の姿勢が変化して、揺動カム２１０の揺動中心とロッカアーム２２６の回転中心との距離が変化し、揺動カム２１０の揺動特性が変化する。
【００５２】
図６は、可変動弁装置２００によって駆動される吸気弁３１のリフト量及び作動角（バルブ特性）の一例を示す図である。実線は制御軸２３１を回転したときの吸気弁３１のバルブ特性を示し、破線は駆動軸２２１のカムスプロケットに対する位相を変更したときの吸気弁３１のバルブ特性を示す。可変動弁装置２００では、制御軸２３１の角度及び駆動軸２２１のカムスプロケットに対する位相を変更することで、図３に示すように吸気弁３１のリフト量や作動角（バルブ特性）を連続的に変更することが可能となる。
【００５３】
第２実施形態の非平衡プラズマ放電式エンジン１００では、上記のように構成される可変動弁装置２００によって吸気弁３１を駆動し、低回転速度・低負荷運転時においてバルブ特性を変更してミラーサイクル運転を実施する。この非平衡プラズマ放電式エンジン１００の運転状態について、図７〜図９を参照して説明する。
【００５４】
図７は、非平衡プラズマ放電式エンジン１００の運転マップを示す図である。また、図８は高回転速度・高負荷側運転の詳細を示し、図９は低回転速度・低負荷側運転の詳細を示す。
【００５５】
非平衡プラズマ放電式エンジン１００は、図７の領域Ｐでは高回転速度・高負荷側運転を実施し、領域Ｑでは低回転速度・低負荷側運転を実施する。
【００５６】
高回転速度・高負荷側運転においては、図８（Ａ）に示すようにエンジン運転状態によらず空気過剰率λが１になるように運転するとともに、図８（Ｂ）に示すように負荷に応じてＥＧＲ率を制御して希釈燃焼させる。希釈燃焼におけるＥＧＲ率は、図８（Ｂ）のように、負荷が大きくなるにしたがって小さくなるように制御される。なお、高回転速度・高負荷側運転ではミラーサイクル運転せずに、図８（Ｃ）に示すようにピストン下死点後に吸気弁３１の閉弁時期（以下「ＩＶＣ」という。）を設定する。
【００５７】
高回転速度・高負荷側運転において希釈燃焼すると、混合気に着火しにくくなるため、図７に示すように低負荷、高エンジン回転速度になるほど非平衡プラズマ放電の放電エネルギーが大きくなるように印加電圧などを調整する。ここで、点火プラグ５０の非平衡プラズマ放電の放電エネルギーは、後述する低回転速度・低負荷側運転制御より小さく設定する。
【００５８】
これに対して、低回転速度・低負荷側運転においては、図９（Ａ）に示すようにエンジン運転状態によらず空気過剰率λが１になるように運転し、図９（Ｂ）に示すようにＥＧＲ率を一定に維持したまま希釈燃焼させ、さらに図９（Ｃ）に示すようにミラーサイクル運転を実施する。
【００５９】
ミラーサイクル運転は、図９（Ｃ）に示すように、ＩＶＣをピストン下死点よりも進角させて、吸気行程の途中で混合気の吸入を停止することで実施する。吸気弁の進角量は負荷が小さくなるほど大きくして、吸気弁３１が早期に閉弁するように制御する。このミラーサイクル運転によって、低負荷においてもポンプロスが低減可能となり、燃費性能を改善することができる。
【００６０】
上記のようにミラーサイクル運転をするとともに希釈燃焼すると、着火性能が悪化するので、点火プラグ５０の非平衡プラズマ放電の放電エネルギーは、低回転速度・低負荷側運転制御時よりも大きく設定される。そして、高回転速度・高負荷側運転時においては、図７に示すように低負荷、高エンジン回転速度になるほど、非平衡プラズマ放電の放電エネルギーが大きくなるように印加電圧などを調整する。このように、体積点火する点火プラグ５０の放電エネルギーを大きくすることで、着火性能の安定化を図る。
【００６１】
さらに、第２実施形態では、副燃焼室内にラジカルを生成して、低回転速度・低負荷運転時における着火性能をより向上させる。
【００６２】
つまり、点火プラグ５０は、図１０（Ａ）に示す通り、体積点火する前にラジカル生成時放電を実施して、副燃焼室５５の内部にラジカルを生成する。このように生成されたラジカルは反応性が大きい化学種であり、体積点火時の副燃焼室内の燃焼を促進する。このラジカルの生成量は、図１０（Ｂ）に示すように、ラジカル生成時放電の放電エネルギーが大きくなるほど多くなる。しかしながら、放電エネルギーを大きくしすぎると早期に体積点火してしまうので、ラジカル生成時放電の放電エネルギーは体積点火時放電よりも放電エネルギーが小さくなるように、点火プラグ５０への印加電圧、パルス幅、印加回数などを調整する。
【００６３】
なお、図１０（Ａ）では、ラジカル生成時放電での点火プラグ５０への印加回数は３回であるが、これに限られるものではなくラジカル生成に必要な放電エネルギーに応じて調整すればよい。
【００６４】
以上により、第２実施形態の非平衡プラズマ放電式エンジン１００は下記の効果を得ることができる。
【００６５】
第２実施形態では、点火プラグ５０による混合気への点火をする前に、副燃焼室内に着火しやすいラジカルを生成するので、副燃焼室内の着火性能をより向上させることができ、さらに燃焼期間を短縮することができる。そのため、第１実施形態よりも希薄燃焼限界を拡大することが可能となる。
【００６６】
また、点火プラグ５０のラジカル生成時放電の放電エネルギーは、体積点火時放電よりも小さくなるように調整されるので、ラジカル生成時放電によって早期に体積点火してしまうことを抑制することができる。
【００６７】
（第３実施形態）
図１１は、第３実施形態の非平衡プラズマ放電式エンジン１００の構成を示す図である。
【００６８】
第３実施形態の非平衡プラズマ放電式エンジン１００の構成は、第１実施形態とほぼ同様であるが、点火プラグ３５０の構成において一部相違する。つまり、点火プラグ３５０の中心電極３５１を絶縁部３５３で覆うようにしたもので、以下にその相違点を中心に説明する。
【００６９】
図９に示すように、第３実施形態では、点火プラグ３５０の中心電極３５１が誘電体からなる絶縁部３５３によって覆われるように構成する。また、中心電極３５１の後端側端子３５１ａには、点火プラグ３５０に交流電圧を印加する高電圧高周波発生器３６０が連結されている。
【００７０】
コントローラ７０は、エンジン運転状態に応じて高電圧高周波発生器３６０からの交流印加電圧、印加時間、交流周波数、印加時期などを制御して、点火プラグ３５０の点火時期などを調整する。
【００７１】
次に、点火プラグ３５０による混合気への着火について、図１２を参照して説明する。図１２（Ａ）は、点火プラグ３５０の近傍の拡大図である。また、図１２（Ｂ）は、図１２（Ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【００７２】
点火プラグ３５０は高電圧高周波発生器３６０からの交流電圧が印加されると、図１２（Ａ）に示すように、絶縁部３５３と円筒状電極３５２との間で、ストリーマ３５７と呼ばれる平衡プラズマ放電する以前の過渡的な非平衡プラズマ放電（いわゆる誘電体バリア放電）する。このストリーマ３５７は、図１２（Ａ）のように絶縁部３５３の軸方向において複数発生するとともに、図１２（Ｂ）のように絶縁部３５３を中心として放射状に形成される。このように、点火プラグ３５０は複数のストリーマ３５７を形成することで副燃焼室内の電子温度を高めて分子活性度を高くでき、副燃焼室５５において体積点火をすることができる。
【００７３】
なお、点火プラグ３５０は、中心電極３５１は誘電体からなる絶縁部３５３によって覆われているので、放電エネルギーが第１実施形態よりも大きくなっても非平衡プラズマ放電から平衡プラズマ放電に遷移することが抑制される。
【００７４】
この点火プラグ３５０の非平衡プラズマ放電の放電エネルギーは、図１３（Ａ）〜図１３（Ｄ）に示すように、高電圧高周波発生器３６０からの交流印加電圧、印加時間、交流周波数によって制御される。例えば、点火プラグ３５０の放電エネルギーを増大する場合には、図１３（Ａ）に示す基準となる交流印加電圧の波形に対して、交流印加電圧を増加したり（図１３（Ｂ））、印加時間を長くしたり（図１３（Ｃ））、交流周波数を増大させる（図１３（Ｄ））。
【００７５】
このような点火プラグ３５０を備える非平衡プラズマ放電式エンジン１００の運転状態について、図１４〜図１６を参照して説明する。
【００７６】
図１４は、非平衡プラズマ放電式エンジン１００の運転マップを示す。また、図１５は高回転速度・高負荷側運転の詳細を示し、図１６は低回転速度・低負荷側運転の詳細を示す。
【００７７】
非平衡プラズマ放電式エンジン１００は、図１４に示すように、領域Ｐにおいて高回転速度・高負荷側運転を実施し、領域Ｑにおいて低回転速度・低負荷側運転を実施する。
【００７８】
高回転速度・高負荷側運転においては、図１５（Ａ）に示すようにエンジン運転状態によらず空気過剰率λが１になるように運転するとともに、図１５（Ｂ）に示すように負荷に応じてＥＧＲ率を制御して希釈燃焼させる。希釈燃焼におけるＥＧＲ率は、図１５（Ｂ）のように、負荷が大きくなるにしたがって小さくなるように制御される。なお、高回転速度・高負荷側運転ではミラーサイクル運転せずに、図１５（Ｃ）に示すようにピストン下死点後に吸気弁３１のＩＶＣを設定する。
【００７９】
高回転速度・高負荷側運転において希釈燃焼すると、混合気に着火しにくくなるため、図１４に示すように低負荷、高エンジン回転速度になるほど非平衡プラズマ放電の放電エネルギーが大きくなるように交流印加電圧、印加時間、交流周波数などを調整する。ここで、点火プラグ３５０の非平衡プラズマ放電の放電エネルギーは、後述する低回転速度・低負荷側運転制御より小さく設定する。
【００８０】
これに対して、低回転速度・低負荷側運転においては、図１６（Ａ）に示すように空気過剰率λが２になるように燃料噴射などを制御してリーン燃焼させるとともに、図１６（Ｃ）に示すようにミラーサイクル運転を実施する。ミラーサイクル運転では、図１６（Ｃ）のように、負荷が小さくなるほどＩＶＣを進角するように制御して、吸気行程の途中で混合気の吸入を停止する。なお、低回転速度・低負荷側運転では、図１６（Ｂ）に示すようにＥＧＲガスの再循環による希釈燃焼はしないので、ＥＧＲ率はゼロとなる。
【００８１】
上記のようにリーン燃焼しながらミラーサイクル運転すると、高負荷・高回転速度運転時よりも着火性能が悪化するので、点火プラグ３５０の非平衡プラズマ放電の放電エネルギーは、高負荷・高回転速度運転時よりも大きく設定される。そして、高回転速度・高負荷側運転制御時には、図１４に示すように低負荷、高エンジン回転速度になるほど、非平衡プラズマ放電の放電エネルギーが大きくなるように交流印加電圧、印加時間、交流周波数などを調整する。このように、体積的な点火を実行する点火プラグ５０の放電エネルギーを大きくすることで、着火性能の向上を図る。
【００８２】
さらに、第３実施形態では点火プラグ３５０による混合気への点火をする前に、図１７に示すように、反応性の大きいラジカルを生成することで、低回転速度・低負荷運転制御時における着火性能をより向上させる。
【００８３】
つまり、点火プラグ３５０は、図１７に示す通り、体積点火する前にラジカル生成時放電を実施して、副燃焼室３５５の内部にラジカルを生成する。このように生成されたラジカルは反応性が大きい化学種であり、体積点火時の副燃焼室内の燃焼を促進する。このラジカルの生成量はラジカル生成時放電の放電エネルギーが大きくなるほど多くなるが、放電エネルギーを大きくしすぎると早期に体積点火してしまうので、ラジカル生成時放電の放電エネルギーは体積点火時放電よりも放電エネルギーが小さくなるように点火プラグ３５０への交流印加電圧、印加時間、交流周波数などを調整する。
【００８４】
以上により、第３実施形態の非平衡プラズマ放電式エンジン１００は下記の効果を得ることができる。
【００８５】
第３実施形態では、点火プラグ３５０の中心電極３５１が誘電体からなる絶縁部３５３によって覆われるように構成されている。この点火プラグ３５０に高電圧高周波発生器３６０からの交流印加電圧が印加されると、ストリーマ３５７が絶縁部３５３から円筒状電極３５２に向かって複数発生する。このように、副燃焼室５５の内部における体積的発火を行うので、リーン燃焼や希薄燃焼など、燃焼が不安定になりやすい条件においても、十分大きな熱発生を得ることができるので、希薄燃焼限界を大幅に拡大できる。
【００８６】
また、第３実施形態では、点火プラグ３５０による混合気への点火をする前に、副燃焼室内に着火しやすいラジカルを生成するので、第２実施形態と同様に副燃焼室内の着火性能を向上させることができ、さらに燃焼期間を短縮することができる。そのため、低回転速度、低負荷側において希薄燃焼限界を拡大することが可能となる。
【００８７】
さらに、点火プラグ３５０は、中心電極３５１は誘電体からなる絶縁部３５３によって覆われているので、放電エネルギーが第１実施形態よりも大きくなっても、非平衡プラズマ放電から平衡プラズマ放電に遷移することが抑制される。
【００８８】
さらに、点火プラグ５０のラジカル生成時放電の放電エネルギーは、体積点火時放電よりも小さくなるように交流電圧、印加時間、交流周波数などによって調整されるので、ラジカル生成時放電によって点火してしまう早期着荷を抑制することができる。
【００８９】
本発明は上記した実施形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなし得ることは明白である。
【００９０】
例えば、第１実施形態から第３実施形態では、４ストロークレシプロエンジンに適用した場合で説明したが、このような４ストロークエンジンに限定されるものでなく、２ストロークエンジンにも適用することができる。
【００９１】
また、第１実施形態から第３実施形態では、燃料噴射弁３４を吸気ポート３０に設置するポート噴射のエンジンに適用した場合で説明したが、燃焼室内に直接燃焼を噴射する筒内直接噴射式エンジンにも適用することができる。
【００９２】
さらに、第１実施形態から第３実施形態では、圧縮行程において主燃焼室内の混合気が副燃焼室内へ流入する構成としたが、副燃焼室５５の内部へ直接、ガソリンや水素等の改質燃料（改質ガス）などを導入するようにしてもよい。これによれば、副燃焼室内での燃焼が強化されるので、トーチ点火の勢いを増大させることができ、主燃焼室内の燃焼速度をさらに促進させることが可能となる。
【００９３】
第２実施形態または第３実施形態では、ＩＶＣをピストン下死点よりも進角させて、吸気行程の途中で混合気の吸入を停止することによって、混合気の吸入量を変化させたが、ＩＶＣをピストン下死点よりも遅角させることで混合気の吸入量を変化させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】第１実施形態の非平衡プラズマ放電式エンジンの構成を示す図である。
【図２】点火プラグ近傍の拡大図である。
【図３】点火プラグにおける、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４】第１実施形態の平衡プラズマ放電式エンジンの運転マップを示す図である。
【図５】吸気弁を駆動する可変動弁装置の構成を示す図である。
【図６】可変動弁装置によって駆動される吸気弁のバルブ特性の一例を示す図である。
【図７】第２実施形態の非平衡プラズマ放電式エンジンの運転マップを示す図である。
【図８】高回転速度・高負荷側運転での動作を示す図である。
【図９】低回転速度・低負荷側運転での動作を示す図である。
【図１０】ラジカルの生成を示す図である。
【図１１】第３実施形態の非平衡プラズマ放電式エンジンの構成を示す図である。
【図１２】点火プラグ近傍の拡大図である。
【図１３】点火プラグの非平衡プラズマ放電の放電エネルギーについて示す図である。
【図１４】第３実施形態の非平衡プラズマ放電式エンジンの運転マップを示す。
【図１５】高回転速度・高負荷側運転の動作を示す図である。
【図１６】低回転速度・低負荷側運転の動作を示す図である。
【図１７】ラジカルの生成を示す図である。
【符号の説明】
【００９５】
１００  非平衡プラズマ放電式エンジン
１０  シリンダブロック
１１  ピストン
１２  シリンダ
１３  主燃焼室
２０  シリンダヘッド
３０  吸気ポート
３１  吸気弁
３４  燃料噴射弁
４０  排気ポート
４１  排気弁
５０、３５０  点火プラグ
５１、３５１  中心電極（第１電極）
５１ａ、３５１ａ  後端側端子
５２、３５２  円筒状電極（第２電極）
５３、３５３  絶縁部
５５、３５５  副燃焼室
５６、３５６  連通孔
５７、３５７  ストリーマ
６０  高電圧短パルス発生器（電圧印加手段）
７０  コントローラ
２００  可変動弁装置
３６０  高電圧高周波発生器（電圧印加手段）
【図１】
2009036123.tif 000003
【図２】
2009036123.tif 000004
【図４】
2009036123.tif 000005
【図５】
2009036123.tif 000006
【図６】
2009036123.tif 000007
【図７】
2009036123.tif 000008
【図８】
2009036123.tif 000009
【図９】
2009036123.tif 000010
【図１０】
2009036123.tif 000011
【図１１】
2009036123.tif 000012
【図１２】
2009036123.tif 000013
【図１３】
2009036123.tif 000014
【図１４】
2009036123.tif 000015
【図１５】
2009036123.tif 000016
【図１６】
2009036123.tif 000017
【図１７】
2009036123.tif 000018
【図３】
2009036123.tif 000019