JP2009121422A - Electric discharging device - Google Patents

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Morihiro Nagamine
守洋 長嶺
Taisuke Shiraishi
泰介 白石
Akihiko Kakuho
章彦 角方
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent the deterioration of electric discharging efficiency due to increase of a dielectric loss or the lowering of a dielectric constant, when the strength of an applied electric field is changed in an electric discharging device for barrier electric discharging. <P>SOLUTION: The electric discharging device comprises a positive electrode 20 and a negative electrode 22 of which at least either one is covered by a dielectric element 21, a power source 12 applying an alternating current electric field between those electrodes 20, 22, and an dielectric element controlling means 11 controlling the dielectric constant and the dielectric loss of the dielectric element 21 according to the applied alternating current electric field. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

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。   The present invention relates to a discharge device, and more particularly to a discharge device that can be used as an ignition or auxiliary ignition device for an internal combustion engine.

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。   As an ignition device for an internal combustion engine, a spark discharge spark plug is generally used. However, if the engine is to be operated with a leaner air-fuel mixture, a very high voltage must be applied between the electrodes, which increases power consumption and wears the electrode surface in a short time. There was a problem.

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。
特開2000−73929号公報
In order to solve this problem, in Patent Document 1, an AC electric field is applied to ions in a gas mixture generated in the ignition process of the premixed gas using a so-called barrier discharge device in which an AC electrode is covered with a dielectric. A configuration in which the air-fuel mixture is ignited efficiently as a whole is disclosed.
JP 2000-73929 A

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。   By the way, if the dielectric constant is low, for example, the discharge energy formed for the applied electric field is low. If the dielectric loss is large, the input power is released as thermal energy. Thus, the dielectric constant and the dielectric loss are factors that determine the conversion efficiency (discharge efficiency) of input power into discharge energy.

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。   However, Patent Document 1 does not describe the dielectric constant and dielectric loss of the dielectric covering the center electrode. For this reason, depending on the strength of the applied electric field, there is a possibility that the discharge efficiency may be lowered due to an increase in dielectric loss or a decrease in dielectric constant.

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。   Therefore, an object of the present invention is to provide a discharge device capable of discharging with high discharge efficiency regardless of the strength of an applied electric field.

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。   The discharge device according to the present invention includes a positive electrode and a negative electrode, at least one of which is covered with a dielectric, a power source that applies an alternating electric field between the positive and negative electrodes, and a dielectric depending on the applied alternating electric field. And a dielectric control means for controlling the dielectric constant and dielectric loss.

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。   According to the present invention, since the dielectric constant and the dielectric loss are controlled according to the applied AC electric field, for example, when the applied AC electric field changes, the dielectric constant does not decrease and the dielectric loss does not increase. By doing so, it is possible to discharge with high discharge efficiency regardless of the strength of the applied electric field.

以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

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。   FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a cylinder head portion of the internal combustion engine according to the present embodiment. 1 is a cylinder head, 2 is a combustion chamber, 3 is an intake passage, 4 is an exhaust passage, 5 is an intake valve, 6 is an exhaust valve, 7 is an intake camshaft, 8 is an exhaust camshaft, 9 is a fuel injection valve, Non-equilibrium plasma discharge device, 11 is an engine control unit (ECU), 12 is a high voltage high frequency generator, 13 is a heater, 14 is a cooling water channel, 15 is a radiator, 16 is a pump, 17 is an electromagnetic valve, 18 is a temperature sensor, Reference numeral 19 denotes a heating power source for the heater 13.

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。   The cylinder head 1 includes a concave combustion chamber 2 on the lower surface side. The intake passage 3 passes through the lower surface and one side surface of the cylinder head 1, and the lower surface side opens so as to face the combustion chamber 2. The opening is provided with an intake valve 5 so as to block communication between the intake passage 3 and the combustion chamber 2. Similarly, the exhaust passage 4 penetrates the lower surface and the other side surface of the cylinder head 1, and an exhaust valve 6 is provided so as to block communication with the combustion chamber 2.

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。   The intake camshaft 7 and the exhaust camshaft 8 rotate in synchronization with a crankshaft (not shown), and open and close the intake valve 5 and the exhaust valve 6 in synchronization with the vertical movement of a piston (not shown).

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。   The fuel injection valve 9 injects fuel according to an injection timing and an injection amount set by an ECU 11 described later. Normally, fuel is injected into the intake passage 3 at a predetermined time during the exhaust stroke.

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。   The cooling water channel 14 surrounds a portion of the dielectric 21 of the non-equilibrium plasma discharge device 10 described later outside the combustion chamber 2, and the cooling water circulates between the radiator 15 for engine cooling water. Deploy. Between the radiator 15 and the cooling water passage 14, a cooling water circulation pump 16 and a circulation / stop switching electromagnetic valve (or thermostat) 17 are interposed. The heater 13 is disposed in a portion of the dielectric 21 outside the combustion chamber 2 and is controlled by the ECU 11 to heat the dielectric 21 according to the operating state.

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。   The ECU 11 controls the applied voltage of the alternating high voltage generated by the high voltage high frequency generator 12, the applied wave number (frequency or application time), the application timing, and the temperature of the heater 13 at the application timing.

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。   Since the ECU 11 also performs integrated control of the engine, in addition to the control of the high-voltage and high-frequency generator 12 and the heater 13, based on signals input from various sensors such as an air flow meter and an accelerator opening sensor (not shown), the fuel The injection valve 9 and the like are also controlled.

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。   The non-equilibrium plasma discharge apparatus 10 is connected to a control unit 1 (ECU) 11 as a determination means via a high voltage high frequency generator 12. The high voltage high frequency generator 12 is controlled by the ECU 11 so as to generate a pulse at an appropriate time, and the voltage generated by the high voltage high frequency generator 12 in response to this pulse is applied to a cylinder that is the ignition timing by a distributor (not shown). The

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。   FIG. 2 is an enlarged view of the non-equilibrium plasma discharge apparatus 10. In the present invention, a barrier discharge mechanism is used as the nonequilibrium plasma discharge apparatus 10. Reference numeral 20 denotes a center electrode connected to the high-voltage high-frequency generator 12, 21 denotes a dielectric (insulator) covering the entire center electrode 20, and 22 is provided in the cylinder head 1 so as to open on the upper surface of the combustion chamber 2. It is a tubular electrode that defines the chamber 23.

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。   When a high frequency voltage is applied to the center electrode 20, the center electrode 20 starts to discharge, but the presence of the dielectric 21 limits the transition to arc discharge, so between the dielectric 21 and the tubular electrode 22, that is, In the discharge chamber 23, a plasma called a plurality of streamers in which positive ions and electrons are mixed is formed. This streamer raises the electronic temperature of the fuel and leads to ignition. Here, since a plurality of streamers are formed as shown in FIG. 2, there are a plurality of parts to be ignited, and as a result, the volume of the part where ignition occurs in the discharge chamber 23 is increased. Since the flame generated in the discharge chamber 23 is ejected to the combustion chamber 2, the combustion in the combustion chamber 2 starts from the vicinity of the opening of the discharge chamber 23, and so-called volume ignition can be realized.

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。   FIG. 3 is a diagram for explaining the state of discharge when a high-frequency voltage is applied. When barrier discharge (non-equilibrium plasma discharge) is performed, charges are stored on the surface of the dielectric 21. When the absolute value of the difference between the electric field V0 due to the applied voltage and the electric field Vw due to the surface charge of the dielectric 21 reaches the discharge voltage Vd, barrier discharge (non-equilibrium) occurs between the dielectric 21 and the tubular electrode 22. Plasma discharge) occurs. Accordingly, as shown in FIG. 3, eight barrier discharges (non-equilibrium plasma discharge) occur during the discharge time t.

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。   FIG. 4 is a diagram showing the temperature dependence of the dielectric constant and dielectric loss of the dielectric 21 used in the non-equilibrium plasma discharge apparatus 10. The dielectric 21 of the present embodiment is a ferroelectric, and as shown in FIG. 3, with a transition temperature Tc as a boundary, it is a ferroelectric phase on the low temperature side and a paraelectric phase on the high temperature side.

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。   The dielectric constant and dielectric loss are small in the temperature region away from the transition temperature Tc, but increase as the temperature approaches the transition temperature Tc, and take a peak value near the transition temperature Tc. In particular, the dielectric loss changes abruptly near the transition temperature Tc as compared to the dielectric constant, so that the dielectric constant is high in the vicinity of the transition temperature Tc, for example, in the region from T1 to T2, which is a paraelectric phase. However, the dielectric loss is low. The state where the dielectric constant is high and the dielectric loss is low is a state where the discharge energy formed with respect to the input energy is large, and the energy released as thermal energy is small among the input energy. That is, if the discharge efficiency is defined as in the following formula (1), the term (input power-power loss) becomes large, so it can be said that the discharge efficiency is high.

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。
Discharge efficiency = (input power-power loss) / input power (1)
Therefore, when the discharge is performed by the non-equilibrium plasma discharge apparatus 10, the temperature of the dielectric 21 is controlled within a range where the discharge efficiency is high, for example, in a region of temperatures T1 to T2. Since there is a region where the discharge efficiency is high in the vicinity of the transition temperature Tc of the ferroelectric phase, the region may be controlled to be in that region. However, in the ferroelectric phase, when an electric field is applied once, polarization remains even when the electric field becomes zero, so-called residual polarization exists, and thus hysteresis is shown with respect to the applied voltage. Therefore, when the ferroelectric phase is set in the control range, control by the electric field strength becomes difficult. Therefore, in order to improve controllability, it is desirable to set the paraelectric phase near the transition point Tc as the control range. Specific control will be described later.

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。   Although FIG. 4 shows the temperature dependence, the pressure dependence is similar, and by controlling the pressure acting on the dielectric 21, a high discharge efficiency can be achieved.

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。   FIG. 5 is an operation region map and a discharge energy map for each operation region of the present embodiment. The vertical axis represents the engine load, and the horizontal axis represents the engine speed. As shown in FIG. 5, from the low rotation / low load region to the medium rotation / medium load region, the engine is operated by lean combustion at an air / fuel ratio that is leaner than the stoichiometric air / fuel ratio or by dilution combustion by introducing EGR gas, In the high load region, the engine is operated at the theoretical air fuel ratio (λ = 1). In the operation region where lean combustion or dilution combustion is performed, λ or the EGR rate is increased as the load decreases. In the present embodiment, since the volume ignition can be realized as described above, the lean air-fuel ratio or the EGR rate in the low load region is a leaner air-fuel ratio or a higher EGR than in the case of a general spark discharge ignition. Can be rate.

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。   The discharge energy is set to a constant value regardless of the engine load and engine speed in the operation region where λ = 1, and is increased as the load is reduced in the operation region where lean combustion or dilution combustion is performed. The discharge energy in the operation region where λ = 1 is set to be smaller than the minimum value of the discharge energy in the operation region where lean combustion or dilution combustion is performed.

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。   FIG. 6 is a flowchart of a control routine executed by the ECU 11 in order to operate with high discharge efficiency. Specifically, a control routine for setting the temperature of the dielectric 21 for operating at high discharge efficiency in addition to setting of the throttle opening and the fuel injection amount according to the operating state as in general engine control. It is.

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。   In step S1000, the accelerator opening and the engine speed are read from detection signals from an accelerator opening sensor and a crank angle sensor (not shown).

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。   In step S1010, the target engine load is determined on the basis of the accelerator opening and the engine rotational speed in the same manner as a general engine.

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。   In step S1020, the target discharge energy is determined from the map of FIG. 5 based on the target engine load. In the present embodiment, the magnitude of the applied voltage is constant, and the magnitude of the input energy is controlled by adjusting the frequency of the applied AC electric field. Therefore, here, the target discharge energy is determined from the map of FIG. 5, and the frequency of the alternating electric field to be applied is determined using a map (not shown). Since the relationship between the target discharge energy and the frequency of the AC electric field to be applied differs depending on the specifications of the non-equilibrium plasma discharge apparatus 10, a map is created in advance for each specification.

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。   In step S1030, a target dielectric constant and a target dielectric loss are set based on the target discharge energy. Here, a method for setting the target dielectric constant and the target dielectric loss will be described.

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。   FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the frequency of the alternating electric field and the power loss due to dielectric loss when the applied voltage is constant.

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。   As shown in FIG. 7, the power loss due to the dielectric loss changes in proportion to the first power of the frequency. The higher the frequency, that is, the greater the input power, the greater the power loss. Therefore, in order to suppress an increase in power loss when the input power increases, control is performed so that the dielectric loss decreases as the frequency increases, as shown in FIG. Thereby, the inclination of the straight line of FIG. 7 becomes small. FIG. 8 sets the dielectric loss with respect to the frequency, and the dielectric loss decreases as the frequency increases. In FIG. 8, the dielectric loss is nonlinear with respect to the frequency. This is because the dielectric loss varies nonlinearly with respect to temperature (or pressure) as shown in FIG.

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。   Incidentally, both the dielectric constant and the dielectric loss are dependent on the temperature of the dielectric 21, and as shown in FIG. 4, both change when the temperature of the dielectric 21 is changed. Therefore, when the dielectric loss is controlled as shown in FIG. 8, the temperature of the dielectric 21 increases as the frequency increases, so that the dielectric constant decreases as the frequency increases as shown in FIG. However, the higher the dielectric constant, the greater the discharge energy formed with respect to the input power. Therefore, it is desirable that the dielectric efficiency be higher if the discharge efficiency does not deteriorate.

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。   Therefore, the slope of the curve in FIG. 8 (ratio of the amount of change in dielectric loss with respect to the amount of change in frequency) and the slope of the curve in FIG. 9 (dielectric with respect to the amount of change in frequency) so that the discharge efficiency does not deteriorate in any frequency region. A ratio change ratio) is set as a control map, and an optimal dielectric constant and an optimal dielectric loss are set based on these maps.

フローチャートの説明に戻る。   Return to the description of the flowchart.

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。   In step S1040, the temperature (optimum temperature) of the dielectric 21 that is the determined optimum dielectric constant and optimum dielectric loss is obtained based on FIG. Note that by selecting an additive to be added to the member used as the dielectric 21, the transition temperature Tc is made close to the temperature of the cylinder head 1 in the vicinity of the non-equilibrium plasma discharge device 10 during engine operation. Thereby, the energy consumed for the temperature control of the dielectric 21 to be described later can be reduced.

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。   In step S1050, the detected value of the temperature sensor 18 is read as the cooling water temperature near the non-equilibrium plasma discharge apparatus 10.

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。   In step S1060, it is determined whether or not the cooling water temperature is within a preset specified range. This determination is to determine whether or not the temperature of the dielectric 21 is near the optimum temperature, and is predicted from the cooling water temperature without directly detecting the temperature of the dielectric 21. Therefore, the specified range used here is the range of the cooling water temperature when the dielectric 21 is near the optimum temperature, and is determined in advance by measurement or the like.

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。   If it is within the specified range, the process proceeds to step S1100. If it is out of the specified range, the process proceeds to step S1070.

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。   In step S1070, it is determined whether the temperature is higher than the specified range. If the temperature is higher than the specified range, the process proceeds to step S1080. If the temperature is lower than the specified range, the process proceeds to step S1090.

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。   In step S1080, the temperature is adjusted by the amount of water flowing through the cooling water channel 14. Specifically, the pump 16 is driven and the amount of water is adjusted by the opening degree of the electromagnetic valve (or thermostat) 17. As a result, the temperature of the non-equilibrium plasma discharge device 10 is lowered by exchanging heat with the cooling water. The cooling water whose temperature has increased due to this heat exchange is reduced in temperature by radiating heat with the radiator 15, and heat exchange is performed again with the non-equilibrium plasma discharge device 10.

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。   In step S <b> 1090, the heating power source 19 is activated and the non-equilibrium plasma discharge apparatus 10 is heated by the heater 13.

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。   The temperature adjustment in step S1080 or S1090 is repeated until the cooling water temperature falls within the specified range.

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。   In step S1100, the equivalence ratio corresponding to the operation state read in step S1000 is calculated based on FIG.

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。   In step S1110, as in the case of a general engine, the throttle opening and the fuel injection amount corresponding to the operating state are calculated.

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。   In step S220, the throttle opening and the fuel injection amount calculated in step S1110 are set.

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。   FIG. 10 is a diagram for explaining the effect when the relationship between the frequency of the alternating electric field applied, the dielectric constant, and the dielectric loss is determined as described above. The vertical axis represents the power loss due to the input power and dielectric loss, the horizontal axis represents the frequency of the applied AC electric field, the solid line represents the input power determined by the frequency (the power applied to the center electrode 20), and the broken line represents the power loss due to the dielectric loss. ing. For convenience of explanation, FIG. 10 shows a case where the frequency region is divided into three regions of low frequency, medium frequency, and high frequency, and the dielectric constant and dielectric loss are set as the representative values of the respective regions.

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。   As described above, the lower the frequency, the higher the dielectric constant, and the higher the frequency, the lower the dielectric constant. As a result, the lower the frequency, the larger the amount of change in input power with respect to the frequency change. In addition, the level of the dielectric constant here is a relative level in the range of temperatures T1 to T2 in FIG. In addition, since the dielectric loss decreases as the frequency increases, the power loss with respect to the amount of change in frequency decreases.

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。   In the low frequency region, the input power increases as the frequency increases. However, since the slope of the power loss is larger than the slope of the input power, the difference between the throwing input and the power loss decreases as the frequency increases. That is, the discharge efficiency decreases as the frequency increases.

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。   In the middle frequency range, the dielectric constant and dielectric loss decrease as described above, so that the slopes of input power and power loss are both smaller than in the low frequency range, and the same dielectric constant and dielectric loss as in the low frequency range remain. Compared with the case where the frequency is increased to the frequency region, the degree of decrease in discharge efficiency is suppressed. For this reason, the input power is reduced due to the decrease in the dielectric constant compared to the case of the high dielectric constant, but as a result of the suppression of the decrease in the discharge efficiency, the resulting discharge energy is larger than that in the case of the high dielectric constant. Become.

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。   Similarly, in the high frequency region, the degree of decrease in discharge efficiency is suppressed and the resulting discharge energy is larger than when the frequency is increased to the high frequency region while maintaining the medium frequency region.

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。   Thus, by controlling the temperature of the dielectric 21 so that the dielectric loss and the dielectric constant decrease as the frequency of the applied AC electric field increases, the discharge efficiency can be suppressed and the discharge can be efficiently performed. .

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。   Note that the flowchart of FIG. 11 may be used instead of the flowchart of FIG. FIG. 11 is the same as FIG. 6 except for step S2090.

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。   In step S2090, the temperature of the cooling water is raised to within a specified range by increasing the voltage applied to the center electrode 20. That is, when the applied voltage is increased, the power loss due to dielectric loss increases as shown in FIG. 14 to be described later, and this lost power is lost as heat, so the temperature of the cooling water is raised using this heat. The extent to which the applied voltage is increased is determined based on the relationship between the applied voltage and the power loss and the relationship between the amount of heat generated by the power loss and the like in advance.

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。   In this way, when the temperature of the cooling water is raised using the heat quantity due to dielectric loss, the heater 13 and the heating power source 19 are not necessary, and the system can be simplified.

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。
As described above, in the present embodiment, the following effects can be obtained.
(1) The center electrode 20 and the tubular electrode 22 at least one of which is covered with the dielectric 21, the high-voltage high-frequency generator 12 that applies an alternating electric field between these electrodes, and the dielectric 21 according to the alternating electric field to be applied Since the ECU 11 that controls the dielectric constant and the dielectric loss is provided, the efficiency of discharge can be increased and the efficiency of the entire system can be improved.

(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。   (2) Since the dielectric constant and dielectric loss of the dielectric 21 have dependence on the temperature or pressure of the dielectric 21, the dielectric constant and dielectric loss can be controlled by controlling the temperature or pressure.

(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。   (3) Since the ECU 11 controls the dielectric constant and the dielectric loss by controlling the temperature or pressure of the dielectric 21, the dielectric constant and the dielectric loss can be controlled without using a complicated mechanism.

(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。   (4) The dielectric constant and dielectric loss of the dielectric 21 both have a peak that is maximum near the transition temperature Tc, and the dielectric loss changes more than the dielectric constant near the transition temperature Tc. In the vicinity of the transition temperature Tc, there is a temperature range where the dielectric constant is low and the dielectric loss is low.

(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。   (5) Since the ECU 11 controls the temperature of the dielectric 21 to a temperature range in the vicinity of the transition temperature Tc, the ECU 11 can perform discharge with a high dielectric constant and a low dielectric loss.

(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。   (6) Since the ECU 11 controls the temperature of the dielectric 21 in the vicinity of the transition temperature Tc and in the temperature range T1 to T2 on the high temperature side, it is not affected by remanent polarization and has good controllability.

(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。   (7) When increasing the strength of the AC electric field, the ECU 11 has a relatively low dielectric loss and a relatively low dielectric constant so as to maintain a discharge efficiency substantially equal to that before the AC field strength is increased. Since the temperature of the dielectric 21 is controlled to be higher, an increase in power loss due to dielectric loss accompanying an increase in AC electric field strength can be suppressed, and highly efficient discharge can be performed.

(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。   (8) Since the non-equilibrium plasma discharge device 10 is used as an ignition device or an ignition auxiliary device for an internal combustion engine, it is possible to realize an increase in fuel speed due to active species generated by barrier discharge and volume ignition due to an increase in discharge volume. it can. As a result, the lean combustion operation region is expanded, and the thermal efficiency of the internal combustion engine can be increased.

(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。   (9) As the engine load becomes lower, the ECU 11 increases the strength of the AC electric field, and the dielectric loss is lower and the dielectric constant is higher so as to maintain the discharge efficiency substantially the same as before the strength of the AC electric field is increased. Thus, since the temperature of the dielectric 21 is controlled, it is possible to suppress a decrease in discharge efficiency while improving thermal efficiency by expanding a low-load lean combustion or diluted combustion operation region.

(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。   (10) As the engine speed becomes higher, the ECU 11 increases the AC electric field strength, and the dielectric loss is lower and the dielectric constant is higher so as to maintain the discharge efficiency substantially the same as before the AC electric field strength is increased. Since the temperature of the dielectric 21 is controlled as described above, discharge according to the rotational speed can be performed with high efficiency.

(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。   (11) As the engine load is lower and the engine speed is higher, the ECU 11 increases the intensity of the AC electric field, and the dielectric loss decreases so as to maintain the discharge efficiency substantially the same as before the intensity of the AC electric field increases. Since the temperature of the dielectric 21 is controlled so that the dielectric constant is low and the dielectric constant is high, highly efficient discharge can be performed in a wider operating region.

(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。   (12) Since the transition temperature of the dielectric 21 is substantially equal to the temperature during engine operation in the vicinity of the installation location of the non-equilibrium plasma discharge device 10 of the cylinder head 1, the energy input for raising the temperature is reduced. Can do.

(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。   (13) When the temperature of the dielectric 21 is increased, the ECU 11 increases the electric field strength so that the amount of heat generated by the dielectric loss becomes the amount of heat necessary for the temperature increase. Therefore, the heating device such as the heater 13 and the heating power source 19 is installed. The dielectric 21 can be heated without being provided.

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。   Although a so-called port injection type engine in which fuel is injected into the intake passage 3 has been described here, the same applies to a so-called in-cylinder direct injection type engine in which fuel is directly injected into the combustion chamber 2. can do.

第2実施形態について説明する。   A second embodiment will be described.

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。   In the present embodiment, the configuration of the cylinder head and the configuration of the nonequilibrium plasma discharge apparatus 10 are basically the same as those of the first embodiment, except that the spark plug 30 for spark ignition is provided, and for each operating region. The ignition method and the method for controlling the intensity of the applied AC electric field are different. In this embodiment, the intensity of the alternating electric field to be applied is controlled according to the magnitude of the applied voltage while the applied frequency is constant.

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。   FIG. 12 is a view of the combustion chamber 2 as viewed from the lower surface side. As shown in FIG. 12, a spark ignition spark plug 30 is provided in the vicinity of the nonequilibrium plasma discharge apparatus 10. The spark plug 30 is a general spark plug for spark ignition.

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。   FIG. 13 is an operation region map and a discharge energy map for each operation region. From the low rotation / low load range to the medium rotation / medium load range, the engine is operated by lean combustion at an air / fuel ratio that is leaner than the stoichiometric air / fuel ratio or dilution combustion by introducing EGR gas. Operate at a fuel ratio (λ = 1). In the operation region where lean combustion or dilution combustion is performed, λ or the EGR rate is increased as the load decreases. On the other hand, spark ignition by the spark plug 30 is performed in the region operating at λ = 1 in the high rotation region and the high load region.

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。   The flowchart of the control routine executed by the ECU 11 during engine operation is basically the same as that in the first embodiment. However, since the method for controlling the intensity of the applied AC electric field is different, the method for setting the optimum dielectric constant and optimum dielectric loss in step S1030 is different.

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。   FIG. 14 is a diagram illustrating the relationship between the applied voltage and the power loss due to dielectric loss when the applied frequency is constant.

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。   As shown in FIG. 14, the power loss due to dielectric loss changes in proportion to the square of the applied voltage, and the higher the applied voltage, that is, the greater the input power, the greater the power loss. Therefore, in order to suppress an increase in power loss when the input power increases, control is performed such that the dielectric loss decreases as the applied voltage increases, as shown in FIG. As a result, the slope of the curve in FIG. 14 (ratio of change in dielectric loss with respect to change in applied voltage) is reduced. FIG. 15 sets the dielectric loss with respect to the applied voltage, and the dielectric loss decreases as the applied voltage increases.

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)。   When the dielectric loss is controlled as shown in FIG. 15, the dielectric constant decreases as the frequency increases as in the first embodiment (FIG. 16).

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。   The slopes of the curves in FIGS. 15 and 16 (ratio of the change in the dielectric loss and the dielectric constant with respect to the change in applied voltage) are the slopes of the curves in FIGS. 8 and 9 (the dielectric loss and the dielectric in relation to the change in frequency). Greater than the rate of change in rate). This is because the power loss due to the dielectric loss is proportional to the square of the magnitude of the applied voltage, and therefore the dielectric loss needs to be further reduced as the applied voltage increases. Because it grows.

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。   Therefore, the slope of the curve in FIG. 15 (ratio of the amount of change in dielectric loss with respect to the amount of change in frequency) and the slope of the curve in FIG. The ratio of the change amount of the dielectric constant is set as a control map, and the optimum dielectric constant and the optimum dielectric loss are set based on these maps.

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。   FIG. 17 is a diagram corresponding to FIG. 10 of the first embodiment, for explaining the effect when the relationship between the applied voltage of the alternating electric field applied, the dielectric constant, and the dielectric loss is determined as described above. FIG. The vertical axis represents power loss due to applied power and dielectric loss, the horizontal axis represents applied voltage, the solid line represents input power determined by the applied voltage (power applied to the non-equilibrium plasma discharge device 10), and the broken line represents power loss due to dielectric loss. ing. For convenience of explanation, FIG. 17 shows a case where the applied voltage region is divided into three regions of low voltage, medium pressure, and high voltage, and the dielectric constant and dielectric loss are set as representative values of the respective regions.

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。   As shown in FIG. 17, in this embodiment as well, as in the first embodiment, it is possible to efficiently discharge while suppressing a decrease in discharge efficiency.

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。   As described above, in the present embodiment, the following effects can be obtained in addition to the same effects as those of the first embodiment.

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。   The power loss due to dielectric loss increases in proportion to the square of the frequency, and increases in proportion to the square of the applied voltage. In the present embodiment, when the AC electric field strength is increased by increasing the applied voltage, the ECU 11 has a lower dielectric loss and a higher dielectric constant than when increasing the AC electric field strength by increasing the frequency. Thus, since the temperature of the dielectric 21 is controlled, even when the electric field strength is increased by increasing the applied voltage, the power loss due to the dielectric loss can be reduced and the discharge can be performed efficiently.

第3実施形態について説明する。   A third embodiment will be described.

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。   The present embodiment relates to control at the time of engine start using the cylinder head portion and the non-equilibrium plasma discharge apparatus 10 having the same configuration as the first embodiment or the second embodiment.

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。   FIG. 18 is a flowchart of a control routine executed by the ECU 11 when the engine is started.

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。   In step S3000, the detected value of the temperature sensor 18 is read as the cooling water temperature.

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。   In step S3010, it is determined whether or not the coolant temperature is equal to or higher than a predetermined value set in advance for determining whether or not the cold start is performed. If it is equal to or greater than the specified value, that is, if it is not a cold start, the process proceeds to step S3030, and the throttle opening and the fuel injection amount are set in the same manner as in general start.

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。   On the other hand, in the case of the specified value or less, that is, in the case of cold start, the process proceeds to step S3020.

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。   In step S3020, a voltage is applied to the center electrode 20 so that the coolant temperature becomes equal to or higher than a specified value. This is because the temperature of the dielectric 21 is raised using heat generated by power loss due to dielectric loss, as in step S2090 of FIG.

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。   As described above, in the present embodiment, since the temperature of the dielectric 21 is increased by the amount of heat generated by the dielectric loss at the time of engine cold start, high efficiency can be achieved by increasing the temperature of the center electrode 20 to a high discharge efficiency in a short time. In addition, the combustion temperature can be increased with low emissions. Furthermore, it is possible to raise the exhaust purification efficiency by raising the temperature of the exhaust purification catalyst at an early stage.

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。   The non-equilibrium plasma discharge device 10 can be used in addition to an ignition device for an internal combustion engine. For example, the center electrode 20 and the tubular electrode 22 may be installed so as to face the exhaust passage 4 and discharge toward the exhaust passage 4. Thereby, particulates in the exhaust gas passing through the exhaust passage 4 can be burned or NOx can be decomposed, so that the exhaust performance can be improved.

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。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and it goes without saying that various modifications can be made within the scope of the technical idea described in the claims.

第1実施形態のシステムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the system of 1st Embodiment. 非平衡プラズマ放電装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of a non-equilibrium plasma discharge apparatus. 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。It is a figure for demonstrating the discharge time of barrier discharge. 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。It is a figure which shows the characteristic with respect to the temperature or pressure of a dielectric constant and a dielectric loss. 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)。It is a figure which shows the magnitude | size of the discharge energy for every operation area | region (1st Embodiment). 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。It is a flowchart showing the control routine for engine operation in the case of controlling alternating current electric field strength with a frequency. 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。It is a figure which shows the relationship between the electric power loss by a dielectric loss, and a frequency. 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。It is a figure which shows the control target value of dielectric loss in the case of controlling alternating current electric field strength with a frequency. 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。It is a figure which shows the control target value of a dielectric constant in the case of controlling alternating current electric field strength with a frequency. 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。It is a figure for demonstrating discharge efficiency in the case of controlling alternating current electric field strength with a frequency. 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。It is a flowchart showing the control routine for engine operation in the case of controlling alternating current electric field strength with an applied voltage. 燃焼室を機関下方から見た図である。It is the figure which looked at the combustion chamber from the engine lower side. 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)。It is a figure which shows the magnitude | size of the discharge energy for every operation area | region (2nd Embodiment). 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。It is a figure which shows the relationship between the power loss by dielectric loss, and an applied voltage. 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。It is a figure which shows the control target value of dielectric loss in the case of controlling alternating current electric field strength with an applied voltage. 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。It is a figure which shows the control target value of a dielectric constant in the case of controlling alternating current electric field strength with an applied voltage. 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。It is a figure for demonstrating discharge efficiency in the case of controlling alternating current electric field intensity with an applied voltage. 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。It is a flowchart showing the control routine at the time of engine starting.

符号の説明Explanation of symbols

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Cylinder head 2 Combustion chamber 3 Intake passage 4 Exhaust passage 5 Intake valve 6 Exhaust valve 7 Intake camshaft 8 Exhaust camshaft 9 Fuel injection valve 10 Non-equilibrium plasma discharge device 11 Engine control unit (ECU)
12 High Voltage High Frequency Generator 13 Heater 14 Cooling Channel 15 Radiator 16 Pump 17 Electromagnetic Valve (or Thermostat)
18 Temperature Sensor 19 Heating Power Supply 20 Center Electrode 21 Dielectric 22 Tubular Electrode 23 Discharge Chamber

Claims (20)

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。
Positive and negative electrodes at least one of which is covered with a dielectric,
A power supply for applying an alternating electric field between the positive and negative electrodes;
Dielectric control means for controlling the dielectric constant and dielectric loss of the dielectric according to the applied AC electric field;
A discharge device comprising:
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。   The discharge device according to claim 1, wherein the dielectric constant and dielectric loss of the dielectric have a dependency on the temperature or pressure of the dielectric. 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。   The discharge device according to claim 2, wherein the dielectric control unit controls the dielectric constant and dielectric loss by controlling a temperature or a pressure of the dielectric. 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。   Each of the dielectric constant and dielectric loss of the dielectric has a peak that reaches a maximum value at a predetermined temperature or pressure, and the dielectric loss changes more than the dielectric constant near the predetermined temperature or pressure. The discharge device according to claim 2, wherein: 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。   The discharge device according to claim 1, wherein the dielectric is a ferroelectric. 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。   6. The discharge device according to claim 3, wherein the dielectric control means controls the temperature of the dielectric to a predetermined temperature range near a transition temperature. 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。   The discharge device according to any one of claims 3 to 6, wherein the dielectric control means controls the temperature of the dielectric within a predetermined temperature range near the transition temperature and higher than the transition temperature. 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。
Electric field control means for controlling the intensity of the alternating electric field,
The discharge device according to any one of claims 1 to 7, wherein the electric field control means controls the intensity of the AC electric field by controlling an applied voltage or an applied frequency.
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。   When the electric field control means increases the AC electric field strength, the dielectric control means has a relatively low dielectric loss so as to maintain a discharge efficiency substantially equal to that before the AC electric field strength increases. The discharge device according to claim 8, wherein the temperature of the dielectric is controlled so as to have a relatively high dielectric constant. 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。   When the electric field control means increases the strength of the alternating electric field by increasing the applied voltage, the dielectric control means is lower than when increasing the strength of the alternating electric field by increasing the frequency. 10. The discharge device according to claim 9, wherein the temperature of the dielectric is controlled so as to have a dielectric loss and a higher dielectric constant. 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。   11. The discharge device according to claim 1, wherein the discharge device is used as an ignition device or an ignition auxiliary device for an internal combustion engine. 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。   The discharge device according to claim 11, wherein the dielectric control unit controls a dielectric constant and a dielectric loss of the dielectric by controlling a temperature of the dielectric according to an engine operation state. 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。   As the engine load becomes lower, the electric field control means increases the strength of the AC electric field, and the dielectric control means reduces the dielectric loss so as to maintain the discharge efficiency substantially the same as that before the strength of the AC electric field increases. 13. The discharge device according to claim 12, wherein the temperature of the dielectric is controlled so as to be low and the dielectric constant is high. 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。   As the engine speed becomes higher, the electric field control means increases the intensity of the AC electric field, and the dielectric control means maintains the dielectric loss so as to maintain the discharge efficiency substantially the same as before the intensity of the AC electric field increases. 13. The discharge device according to claim 12, wherein the temperature of the dielectric is controlled so that the dielectric constant is low and the dielectric constant is high. 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。   As the engine load is lower and the engine speed is higher, the electric field control means increases the intensity of the AC electric field, and the dielectric control means has a discharge efficiency substantially the same as that before the intensity of the AC electric field increases. 13. The discharge device according to claim 12, wherein the temperature of the dielectric is controlled so that the dielectric loss is low and the dielectric constant is high so as to maintain. 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。   The discharge device according to any one of claims 11 to 15, wherein the discharge device operates only in a predetermined operating region of the engine. 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。   The discharge device according to claim 16, wherein the predetermined operation region is an engine low load region. 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。   18. The discharge device according to claim 11, wherein a transition temperature of the dielectric is substantially equal to a temperature during engine operation in the vicinity of a discharge device installation portion of the engine. 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。   The electric field control means increases the electric field strength so that the amount of heat generated by dielectric loss becomes the amount of heat necessary for temperature rise when the dielectric control means raises the temperature of the dielectric. The discharge device according to any one of 3 to 18. 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。   The discharge device according to claim 19, wherein the temperature rise of the dielectric by the amount of heat generated by the dielectric loss is performed at the time of engine cold start.
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