JP6445322B2 - 内燃機関及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関及びその制御方法に関する。

従来より、内燃機関の燃焼室に電界を形成することで、燃焼室で混合気が燃焼する火炎を制御する技術が知られている。このような技術として、特許文献１に記載の内燃機関は、シリンダブロックとシリンダヘッドとの間に設けられたヘッドガスケットを、正または負の電位に帯電させている。この特許文献１には、ヘッドガスケットを負の電位に帯電させた場合、本来的に正極帯電の性質を持つ火炎がヘッドガスケットに引きつけられることにより火炎面がピストンから遠ざかるので、内燃機関の冷却損失が低減されると記載されている。
また、特許文献１には、ヘッドガスケットを正の電位に帯電させた場合、本来的に正極帯電の性質を持つ火炎とヘッドガスケットとの反発力により火炎面がピストンに押し当てられるので、内燃機関の暖気時間が短縮されると記載されている。

特開昭６４−３６９１６号公報

ところで、特許文献１に記載の技術は、火炎が本来的に有する正極帯電の性質を利用して火炎を制御するものである。しかしながら、火炎が本来的に有する正極帯電の性質は僅かなものであるので、高圧の燃焼室で膨張する火炎を正確に制御することは困難である。
また、特許文献１に記載の技術は、ヘッドガスケットが燃焼室に露出した箇所の近傍のみに強い電界が形成され、ヘッドガスケットから離れた位置にあるピストンに強い磁界は形成されないと考えられる。そのため、ヘッドガスケットを負の電位に帯電させた場合、ピストンから火炎を遠ざけることは困難である。また、ヘッドガスケットを正の電位に帯電させた場合、ヘッドガスケットと火炎との反発力を利用してピストンへ火炎を強く押し当てることは困難である。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、燃焼室で混合気が燃焼する火炎を制御することの可能な内燃機関を提供することを目的とする。
また、本発明は、内燃機関の燃焼室における火炎の制御方法を提供することを目的とする。

第１発明によると、内燃機関は、シリンダ、ピストンおよび電圧印加手段を備える。シリンダ内に往復移動可能に設けられるピストンは、シリンダの内壁と共に燃焼室を形成する。そのシリンダとピストンは、グランドに接続されている。燃焼室に供給された燃料と空気との混合気が火花点火または圧縮自己着火により燃焼する火炎に対し、電圧印加手段は正または負の電圧を印加することが可能である。また、電圧印加手段は、側方電極と中心電極とを有する点火プラグである。点火プラグは、側方電極と中心電極との間の火花放電により燃焼室の混合気を着火した後、側方電極及び中心電極の少なくともいずれか一方を正または負の電位とすることにより、火炎に対し電圧を印加する。

これにより、燃焼室の火炎を正または負の高電位の状態にすることが可能である。
電圧印加手段により火炎を正の高電位の状態にした場合、その火炎面とシリンダの内壁およびピストンとが反発することが発明者らの実験により証明されている。そのため、この内燃機関は、シリンダの内壁またはピストンと火炎との接触に起因する火炎の膨張エネルギーの冷却損失を低減し、熱効率を高めることが可能である。したがって、燃費を向上すると共に、出力を高めることができる。
一方、電圧印加手段により火炎を負の高電位の状態にした場合、その火炎面とシリンダの内壁およびピストンとの間に放電が生じることが発明者らの実験により証明されている。そのため、この内燃機関は、その放電により、火炎面よりも外側にある混合気の燃焼を促進し、等容度を高めることが可能である。したがって、熱効率の向上および排ガスのエミッションを低減することができる。

第２発明によると、内燃機関の制御方法は、混合気が火花点火された時刻または圧縮自己着火した時刻から、火炎面がシリンダの内壁またはピストンに到達する時刻の間に、その火炎に対し電圧印加手段により正または負の電圧を印加する。電圧印加手段は、点火プラグであり、側方電極と中心電極との間で火花放電を行った後に、側方電極と中心電極との間の火花放電を抑制可能な電圧を火炎に印加する。
これにより、燃焼室で火炎を正または負の高電位の状態にすることが可能である。したがって、この内燃機関は、第１発明と同様の作用効果を奏することができる。

本発明の第１実施形態による内燃機関の断面図である。 本発明の第１実施形態による内燃機関の拡大断面図である。 第１実施形態による内燃機関の制御のフローチャートである。 火炎を正の高電位する場合の内燃機関の制御のタイムチャートである。 火炎を正の高電位にした場合の模式図である。 火炎を負の高電位する場合の内燃機関の制御のタイムチャートである。 火炎を負の高電位にした場合の模式図である。 内燃機関と同等の条件の実験装置の説明図である。 実験装置により火炎を正の高電位にしたときの写真である。 図９（Ｂ）の拡大写真である。 実験装置により火炎を正の高電位にしたときの写真である。 図１１（Ｂ）の拡大写真である。 本発明の第２実施形態による内燃機関の断面図である。 本発明の第３実施形態による内燃機関の断面図である。 本発明の第４実施形態による内燃機関の断面図である。 本発明の第５実施形態による内燃機関の断面図である。 第５実施形態による内燃機関の制御のフローチャートである。 本発明の第６実施形態による内燃機関の断面図である。 本発明の第７実施形態による内燃機関の断面図である。 本発明の第８実施形態による内燃機関の断面図である。 電流センサの計測値を示すグラフである。 第８実施形態による内燃機関の制御のフローチャートである。 本発明の第９実施形態による内燃機関の運転領域のマップである。 第９実施形態による内燃機関の制御のフローチャートである。 本発明の第１０実施形態による内燃機関の運転領域のマップである。 第１０実施形態による内燃機関の制御のフローチャートである。 本発明の第１０実施形態による燃料と電圧印加時間のマップである。

以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づき説明する。複数の実施形態の説明において、実質的に同一の構成には同一の符号を付し、重複した説明を省略するものとする。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態を図１〜図１２に示す。第１実施形態の内燃機関１は、例えば４サイクルレシプロエンジンであり、シリンダブロック２、シリンダヘッド３、ヘッドガスケット４、ピストン５および電圧印加手段等から構成される。本実施形態のシリンダブロック２、シリンダヘッド３およびヘッドガスケット４は、特許請求の範囲に記載の「シリンダ」の一例に相当する。以下の説明において、シリンダブロック２、シリンダヘッド３、ヘッドガスケット４及びシリンダライナーを総称して「シリンダ２」というものとする。なお、各図面において、シリンダ２の内側に嵌め込まれるシリンダライナーについてはシリンダ２に含まれるものとして図示を省略している。
シリンダ２の内側に往復移動可能にピストン５が設けられる。シリンダ２の内壁とピストン５により燃焼室６が形成される。本実施形態において、シリンダ２とピストン５は、グランド７に接続されている。

内燃機関１は、吸気行程においてピストン５の下降と共に吸気バルブ８が開弁し、吸気ポート９から燃焼室６に空気と燃料との混合気が導入される。圧縮行程においてピストン５の上昇により混合気が圧縮された後、燃焼行程においてその混合気は点火プラグ１０の火花放電により着火され、火炎となって燃焼と共に膨張し、ピストン５を押し下げる。排気行程においてピストン５の上昇と共に排気バルブ１１が開弁し、排気ポート１２から排ガスが排出される。
なお、本実施形態の内燃機関１に燃料を供給する燃料噴射弁（図示していない）は、吸気ポート９を流れる空気に対し燃料を噴射するものであってもよく、或いは、燃焼室６に燃料を直接噴射するものであってもよい。

シリンダヘッド３に設けられた点火プラグ１０は、バッテリ１３から供給される電力を昇圧回路１４により昇圧し、燃焼室６に露出した側方電極１５と中心電極１６との間に火花放電を生じることが可能である。さらに、本実施形態の点火プラグ１０は、その火花放電により燃焼室６の混合気に点火した後、電圧印加手段として機能する。電圧印加手段は、燃焼室６で混合気が燃焼する火炎に対し、正または負の電圧を印加するものである。これにより、火炎は、正または負の高電位の状態となる。

図２に示すように、点火プラグ１０には、グランド７に接続された側方電極１５の放電箇所１７を除く箇所に電気的導通を遮断可能な絶縁コート１８が設けられている。また、シリンダヘッド３の内壁も、電気的導通を遮断可能な絶縁部１９を有する。絶縁コート１８と絶縁部１９は、電圧印加手段により高電位の状態となった火炎から、側方電極１５又はシリンダヘッド３へ電流が流れることを防ぐことが可能である。

本実施形態の点火プラグ１０の通電制御について、図３のフローチャートと、図４及び図５のタイムチャートを参照して説明する。なお、図面では、「ステップ」を「Ｓ」と表記する。
図３に示すように、ステップ１では、燃焼行程において点火プラグ１０が火花放電し、燃焼室６の混合気に点火する。
その後、ステップ２で点火プラグ１０は電圧印加手段として機能し、側方電極１５及び中心電極１６の少なくともいずれか一方を正または負の電位とすることにより、その混合気が燃焼する火炎に対し電圧を印加する。

図４は、点火プラグ１０が火炎に対し、正の高電圧を印加するときの制御を示すものである。
図４の時刻ｔ１からｔ２の間、点火プラグ１０は昇圧回路１４により昇圧した負の電圧Ｖ１を中心電極１６に印加する。これにより、側方電極１５と中心電極１６との間に火花放電が生じ、混合気が点火される。
次に、時刻ｔ３からｔ４の間、点火プラグ１０は昇圧回路１４により昇圧した正の電圧Ｖ２を中心電極１６に印加する。この時刻ｔ３からｔ４までの時間は、混合気が点火された時刻から、その混合気が燃焼する火炎面がシリンダ２の内壁またはピストン５に到達する時刻までの時間内に設定されている。また、電圧Ｖ２は、側方電極１５と中心電極１６との間に放電が生じない程度の電圧であり、例えば＋２から＋８ｋｖに設定される。これにより、点火プラグ１０は電圧印加手段として機能し、火炎に対し正の高電圧を印加することが可能である。なお、図４では、時刻ｔ３からｔ４の間、点火プラグ１０は火炎に対し連続して電圧を印加しているが、電圧の印加方法はこれに限らず、例えばパルス状に電圧を印加してもよい。

図５は、上述した通電制御により火炎を正の高電位にした場合の模式図である。
このとき、火炎面２０は、シリンダ２の内壁およびピストン５の頂面５１（以下、シリンダ２の内壁およびピストン５の頂面５１を適宜「ピストン頂面等」という）に対して反発し、釣鐘状に広がる。
これは、次の原理によるものと考えられる。
正の高電位状態の火炎面２０に向けてグランド電位であるピストン頂面等の広い範囲から電子が放出され、その放出された電子が火炎面２０とピストン頂面等との間に存在する混合気に付着し、マイナスイオン化された混合気イオンが火炎面２０に衝突する。これにより、火炎面２０が混合気イオンに押され、ピストン頂面等に対して火炎面２０が反発するのである。
火炎面２０とピストン頂面等との接触が抑制されることにより、内燃機関１は、ピストン頂面等と火炎との接触に起因する火炎の膨張エネルギーの冷却損失が低減されるため、熱効率を高めることが可能である。

これに対し、図６は、点火プラグ１０が火炎に対し、負の高電圧を印加するときの制御を示すものである。
図６の時刻ｔ１０からｔ１１の間、点火プラグ１０は昇圧回路１４により中心電極１６に負の電圧Ｖ１を印加する。これにより、側方電極１５と中心電極１６との間に火花放電が生じ、混合気が点火される。
次に、時刻ｔ１２からｔ１３の間、点火プラグ１０は昇圧回路１４により中心電極１６に負の電圧Ｖ３を印加する。この時刻ｔ１２からｔ１３までの時間は、混合気が点火された時刻から、その混合気が燃焼する火炎面がシリンダ２の内壁またはピストン５に到達する時刻までの時間内に設定されている。また、電圧Ｖ３は、側方電極１５と中心電極１６との間に放電が生じない程度の電圧であり、例えば−２から−８ｋｖに設定される。これにより、点火プラグ１０は電圧印加手段として機能し、火炎に対し負の高電圧を印加することが可能である。なお、図６では、時刻ｔ１２からｔ１３の間、点火プラグ１０は火炎に対し連続して電圧を印加しているが、電圧の印加方法はこれに限らず、例えばパルス状に電圧を印加してもよい。

図７は、上述した通電制御により火炎を負の高電位にした場合の模式図である。
このとき、火炎面２０とピストン頂面等との間に放電２１が生じる。その放電２１により、火炎面２０よりも外側にある混合気の燃焼が促進される。なお、図７の符号２２は、放電により、火炎面２０よりも外側にある混合気が燃焼する火炎面２２を模式的に示したものである。
内燃機関１は、火炎面２０よりも外側にある混合気を放電によって点火し、そこからも燃焼を拡げることにより、燃焼室全域の混合気が早く燃えるので、等容度を高めることが可能である。

次に、内燃機関１と同等の条件で火炎に電圧を印加した実験結果を説明する。
図８は、絶縁体からなる容器３０の内側にプロパンガスを高圧充填し、そのプロパンガスにレーザ３１を用いて着火した様子を示すものである。容器上部から容器内側に電極３２が挿し込まれている。また、容器３０の底には、グランドに接続された金属プレート３３が設けられている。
図９は、容器３０の内側でレーザにより着火されて膨張する火炎の様子を写した写真である。このとき、電極には正の高電圧が印加されているため、火炎は正の高電位状態となっている。図９の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の順に、時間経過とともに火炎は拡がっている。
図１０は、図９（Ｂ）の容器３０の底部分を拡大した写真である。図１０では、火炎面が、容器３０の底に設置したグランド電位の金属プレート３３に反発し、釣鐘状に広がっている様子が捉えられている。これは、上述したように、正の高電位状態の火炎面に向けて金属プレート３３から放出された電子が火炎面と金属プレート３３との間に存在するガスに付着し、それによりマイナスイオン化されたガスイオンが火炎面に衝突することにより、金属プレート３３に対して火炎面が反発したものと考えられる。
なお、火炎面が金属プレート３３に反発する現象は、電極に＋２から＋８ｋｖの電圧を印加したときに確認することができた。

図１１も、容器３０の内側でレーザにより着火されて膨張する火炎の様子を写した写真である。図１１では、電極に負の高電圧が印加されているため、火炎は負の高電位状態となっている。図１１の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の順に、時間経過とともに火炎は拡がっている。
図１２は、図１１（Ａ）の容器３０の底部分を拡大した写真である。図１２では、容器３０の底に設置したグランド電位の金属プレート３３と火炎面との間に放電が生じている様子が捉えられている。なお、金属プレート３３と火炎面との間に放電が生じる現象は、電極に−２から−８ｋｖの電圧を印加したときに確認することができた。

（作用効果）
第１実施形態の内燃機関１は、次の作用効果を奏する。
（１）第１実施形態では、電圧印加手段として機能する点火プラグ１０は、燃焼室６に供給された燃料と空気との混合気が火花点火により燃焼する火炎に対し、正または負の電圧を印加することが可能である。また、内燃機関１のシリンダ２およびピストン５は、グランドに接続されている。
これにより、電圧印加手段は、燃焼室６の火炎を正または負の高電位の状態にすることが可能である。火炎を正の高電位の状態にした場合、その火炎面とピストン頂面等とが反発する。そのため、この内燃機関１は、火炎とピストン頂面等との接触に起因する火炎の膨張エネルギーの冷却損失を低減し、熱効率を高めることが可能である。したがって、燃費を向上すると共に、出力を高めることができる。
一方、火炎を負の高電位の状態にした場合、その火炎面とピストン頂面等との間に放電が生じる。そのため、この内燃機関１は、その放電により、火炎面よりも外側にある混合気の燃焼を促進し、等容度を高めることが可能である。したがって、熱効率の向上および排ガスのエミッションを低減することができる。

（２）第１実施形態では、電圧印加手段は、側方電極１５と中心電極１６とを有する点火プラグ１０である。点火プラグ１０は、側方電極１５と中心電極１６との間の火花放電により燃焼室６の混合気を着火した後、側方電極１５及び中心電極１６の少なくともいずれか一方を正または負の電位とすることにより、火炎に対し電圧を印加する。
これにより、内燃機関１の構成を変えることなく、点火プラグ１０の通電時間及び電圧を制御することにより、点火プラグ１０を電圧印加手段として機能させることが可能である。

（３）第１実施形態では、点火プラグ１０は、側方電極１５の放電箇所１７を除く箇所に設けられた絶縁コート１８を有する。
これにより、電圧印加手段により高電位の状態となった火炎から側方電極１５へ電流が流れることを防ぐことが可能である。したがって、内燃機関１は、火炎面がピストン５の近傍に到達する前に、火炎の電位が低下することを防ぐことができる。

（４）第１実施形態では、シリンダヘッド３の内壁は、電気的導通を遮断可能な絶縁部１９を有する。
これにより、電圧印加手段により高電位の状態となった火炎からシリンダヘッド３の内壁へ電流が流れることを防ぐことが可能である。したがって、内燃機関１は、火炎面がピストン５の近傍に到達する前に、火炎の電位が低下することを防ぐことができる。

（５）第１実施形態では、内燃機関１の制御方法は、混合気が点火された時刻または圧縮自己着火した時刻から、火炎面がピストン頂面等に到達する時刻までの時間に、その火炎に対し電圧印加手段により正または負の電圧を印加する。
これにより、電圧印加手段は、火炎を正または負の高電位の状態にすることが可能である。

（６）第１実施形態では、電圧印加手段は、中心電極１６と側方電極１５との間の放電を抑制可能な電圧を火炎に印加する。
これにより、電圧印加手段は、火炎を正または負の高電位の状態にすることが可能である。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態を図１３に基づいて説明する。第２実施形態では、点火プラグ１０の側方電極１５とグランド７とを接続する配線に、その電気的接続を導通又は遮断可能な第１スイッチ回路２３が設けられている。この第１スイッチ回路２３は、特許請求の範囲に記載の「スイッチ回路」の一例に相当する。なお、第１スイッチ回路２３として、例えばアナログスイッチまたは半導体スイッチ等、種々のスイッチを適用することが可能である。

第１スイッチ回路２３は、点火プラグ１０が火花点火により混合気に着火する際にオンし、側方電極１５とグランド７とを電気的に接続する。次に、点火プラグ１０の火花点火により混合気が着火した後、点火プラグ１０が電圧印加手段として機能するとき、第１スイッチ回路２３はオフし、側方電極１５とグランド７との電気的接続を遮断する。これにより、電圧印加手段によって高電位の状態となった火炎から側方電極１５へ電流が流れることが防がれる。したがって、第２実施形態では、第１実施形態の側方電極１５に設けた絶縁コート１８を廃止することが可能である。

また、第２実施形態では、点火プラグ１０の側方電極１５と昇圧回路１４を接続する配線が設けられ、その配線に第２スイッチ回路２４が設けられている。点火プラグ１０が火花点火を行う際、第２スイッチ回路２４はオフし、第１スイッチ回路２３がオンしている。点火プラグ１０の火花点火により混合気が着火した後、点火プラグ１０が電圧印加手段として機能するとき、第１スイッチ回路２３はオフし、第２スイッチ回路２４がオンし、昇圧回路１４により側方電極１５と中心電極１６とを同電位とする。これにより、点火プラグ１０が電圧印加手段として機能する際に、中心電極１６と側方電極１５との間に火花放電が生じることが防がれる。さらに、第２実施形態では、点火プラグ１０が電圧印加手段として機能する際に、中心電極１６と側方電極１５の両方から火炎に対し高電圧を印加することが可能である。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態を図１４に基づいて説明する。第３実施形態では、シリンダヘッド３に、点火プラグ１０とは別個に、電圧印加手段としての火炎用電極２５が設けられている。火炎用電極２５は、点火プラグ１０に対し隣接した位置に設けられている。この位置は、点火プラグ１０の火花放電により混合気が燃焼する火炎に対し、電圧を印加することの可能な位置である。なお、火炎用電極２５を設ける場所は、図１４に示した位置に限らず、例えばタンブル流またはスワール流などの燃焼室６の混合気の流れにより点火プラグ１０から火炎の中心が移動する場合、その火炎の移動する位置に設けることが可能である。
また、火炎用電極２５は、図１４に示した針状のものに限らず、例えば球状または直方体状など、どのような形状でもよい。

火炎用電極２５は、昇圧回路２６に接続されており、点火プラグ１０により混合気が点火された時刻から、火炎面がピストン頂面等に到達する時刻までの間に、その火炎に対し正または負の電圧を印加することが可能である。
第３実施形態では、点火プラグ１０の回路構成を変更することなく、火炎に対し高電圧を印加することが可能である。
また、第３実施形態では、ディーゼル機関のような点火プラグ１０を備えていない内燃機関１にも火炎用電極２５を設置することで、火炎に対し高電圧を印加することが可能である。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態を図１５に基づいて説明する。第４実施形態では、火炎用電極２７は、シリンダヘッド３側の断面積よりも、燃焼室６中心側の端部２７１の断面積の方が大きい形状である。これにより、火炎用電極２７の燃焼室６中心側の端部２７１が火炎に接触する時間を長くすることが可能である。そのため、第４実施形態では、火炎をより高電位の状態にすることができる。
また、第４実施形態では、ヘッドガスケット４から延びる火炎用電極２７２を備えている。このように、火炎用電極２５，２７，２７２は、燃焼室６の様々な場所に設けることが可能である。
なお、第４実施形態の内燃機関１はディーゼル機関であるので、点火プラグを備えていない。ディーゼル機関に設けられた火炎用電極２７、２７２は、燃焼室６に供給された混合気が圧縮自己着火により燃焼する火炎に対し、電圧印加手段は正または負の電圧を印加することが可能である。

（第５実施形態）
本発明の第５実施形態を図１６に基づいて説明する。第５実施形態では、ヘッドガスケット４が昇圧回路２８に電気的に接続されている。また、ピストン頂面に設けられた帯電部２９も、昇圧回路２８に電気的に接続されている。昇圧回路２８からの電圧の印加により、ヘッドガスケット４とピストン頂面に設けられた帯電部２９は、正または負の電位に帯電可能である。
第５実施形態のヘッドガスケット４とピストン頂面に設けられた帯電部２９は、いずれも特許請求の範囲に記載の「帯電部」の一例に相当する。なお、これらの帯電部４、２９は、ヘッドガスケット４またはピストン頂面の一部に限らず、燃焼室６を形成する内壁の少なくとも一部に設けられていればよい。
なお、ヘッドガスケット４等を帯電部とする代わりに、帯電部として用いることの可能な電極（図示していない）を、火炎が届きにくいスキッシュエリアに設けることも可能である。

第５実施形態では、火炎と帯電部４、２９とを同極に印加した場合、その火炎面は帯電部４、２９に対して反発する。そのため、内燃機関１は、冷却損失を低減することが可能である。
一方、第５実施形態では、火炎と帯電部４、２９とを異極にした場合、その火炎面は帯電部４、２９に引きつけられる。そのため、内燃機関１は、混合気の燃焼を促進することが可能である。

さらに、第５実施形態による内燃機関１の制御の一例を図１７のフローチャートを参照して説明する。
ステップ１で、内燃機関１の燃焼行程おいて点火プラグ１０は火花放電し、燃焼室６の混合気に点火する。その後、ステップ２で、点火プラグ１０は電圧印加手段として機能し、混合気が燃焼する火炎に対し電圧を印加する。
ステップ３は、ステップ２と同時に、火炎に印加した極性と異なる極性の電圧を帯電部４、２９に印加する。これにより、火炎を帯電部４、２９に引き寄せ、混合気の燃焼を促進することが可能である。
続いてステップ４では、火炎がシリンダ２の内壁に接触する直前に帯電部４、２９の極性を変える。即ち、火炎に印加した極性と同じ極性の電圧を帯電部４、２９に印加する。これにより、火炎と帯電部４、２９とを反発させ、冷却損失を低減することが可能である。

第５実施形態では、燃焼室６のスキッシュエリア等の混合気の燃焼を促進すると共に、火炎の膨張エネルギーの冷却損失を低減することが可能である。
また、第５実施形態は、上述した特許文献１に開示された技術に対し、火炎を正または負の高電位の状態にするので、燃焼室６で火炎を確実に制御することができる。

（第６実施形態）
本発明の第６実施形態を図１８に基づいて説明する。第６実施形態では、ピストン頂面の一部に、面粗さの粗い粗面部４０が設けられている。なお、粗面部４０は、ピストン頂面に限らず、燃焼室６を形成する内壁の少なくとも一部に設けることが可能である。
第６実施形態では、電圧印加手段により火炎を正の高電位の状態にした場合、粗面部４０から電子が放出されやすくなる。そのため、粗面部４０から放出された電子が混合気に付着し、マイナスイオン化された混合気イオンが火炎面に衝突することにより、粗面部４０に対する火炎面の反発力が大きくなる。したがって、内燃機関１は、火炎の膨張エネルギーの冷却損失を低減することが可能である。

一方、電圧印加手段により火炎を負の高電位の状態にした場合、その火炎面から粗面部４０へ電子が飛びやすくなる。粗面部４０が一定以上の面粗さ、例えば５ｍｍ以上のギャップを持つような凹凸面の場合、放電を起こせる電圧が低下し、容易に電子を飛ばすことが可能となる。これにより、火炎面と粗面部４０との間の放電が起こりやすくなる。したがって、内燃機関１は、粗面部４０によって放電箇所を特定し、火炎面よりも外側にある混合気を放電によって点火することにより、その放電箇所からも燃焼を拡げることが可能である。
なお、粗面部４０は、混合気が火花点火または圧縮自己着火する箇所から比較的遠い箇所に設けるのが好ましい。

（第７実施形態）
本発明の第７実施形態を図１９に基づいて説明する。第７実施形態では、ピストン頂面の一部に、シリンダ本体またはピストン本体よりも電気抵抗率の低い低抵抗部４１が設けられている。低抵抗部４１は、ピストン頂面に限らず、燃焼室６を形成する内壁の少なくとも一部に設けることが可能である。
第７実施形態では、電圧印加手段により火炎を正の高電位の状態にした場合、低抵抗部４１から電子が放出されやすくなる。一方、電圧印加手段により火炎を負の高電位の状態にした場合、その火炎面から低抵抗部４１へ電子が飛びやすくなる。したがって、第７実施形態は、第６実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
なお、第７実施形態においても、低抵抗部４１は、混合気が火花点火または圧縮自己着火する箇所から比較的遠い箇所に設けるのが好ましい。

（第８実施形態）
本発明の第８実施形態を図２０から図２２に基づいて説明する。図２０に示すように、第８実施形態では、内燃機関１は、シリンダ２に流れる電流を検出可能な第１電流センサ４２と、ピストン５に流れる電流を検出可能な第２電流センサ４３を備えている。第１電流センサ４２と第２電流センサ４３から出力される信号は、内燃機関１の制御装置（ＥＣＵ４４）に出力される。ＥＣＵ４４は、その信号に応じて、電圧印加手段として機能する点火プラグ１０及びその昇圧回路１４を制御する。

図２１に示すように、高電位の状態の火炎面がシリンダ２またはピストン５に到達すると、そこに電流が流れる。図２１の時刻ｔ２０において、高電位の状態の火炎面がシリンダ２またはピストン５に到達したことが示されている。これにより、ＥＣＵ４４は、第１電流センサ４２または第２電流センサ４３からの信号により、火炎面がシリンダ２またはピストン５に到達した時刻を検出することが可能である。したがって、ＥＣＵ４４は、火炎面がシリンダ２またはピストン５に到達した時、又はそれより前に電圧印加手段による電圧印加を停止すれば、内燃機関１の電力消費量を低減することが可能である。

第８実施形態による内燃機関１の制御の一例を図２２のフローチャートを参照して説明する。
ステップ１で、内燃機関１の燃焼行程おいて点火プラグ１０は火花放電し、燃焼室６の混合気に点火する。その後、ステップ２で、点火プラグ１０は電圧印加手段として機能し、混合気が燃焼する火炎に対し電圧を印加する。
ステップ５では、ＥＣＵ４４は、第１電流センサ４２または第２電流センサ４３からの信号により、シリンダ２またはピストン５に電流が流れたことから、火炎面がシリンダ２の内壁またはピストン頂面に到達したことを検出する。
ステップ６で、ＥＣＵ４４は、電圧印加手段として機能する点火プラグ１０に対し、火炎への電圧印加を停止する。これにより、ＥＣＵ４４は、火炎面がシリンダ２またはピストン５に到達した時に電圧印加手段による電圧印加を停止し、内燃機関１の電力消費量を低減することが可能である。

なお、ＥＣＵ４４は、フィードバック制御により、火炎面がシリンダ２またはピストン５に到達する前に電圧印加手段による電圧印加を停止し、内燃機関１の電力消費量を低減することも可能である。
また、ＥＣＵ４４は、フィードバック制御により、火炎面がシリンダ２またはピストン５に到達する直前のみに電圧印加手段による電圧印加を行い、内燃機関１の電力消費量を低減することも可能である。

（第９実施形態）
本発明の第９実施形態を図２３及び図２４に基づいて説明する。第９実施形態では、図２３で示した内燃機関の回転数とトルクとの関係を示すマップに基づき、内燃機関１の運転状態が回転数が高く、または、トルクが大きい領域Ａのとき、ＥＣＵ４４は、電圧印加手段から火炎に対しパルス状の電圧を印加する。一方、内燃機関１の運転状態が回転数が低く、かつ、トルクが小さい領域Ｂのとき、ＥＣＵ４４は、電圧印加手段から火炎に対し連続した電圧又はパルス状の電圧を印加する。
ここで、発明者らの実験により、電圧印加手段から火炎に対して連続した電圧を印加したときよりも、パルス状の電圧を印加したときの方が火炎面からグランド面へストリーマ放電が起こりにくいことが証明されている。そのため、例えば、燃焼室６の燃焼圧力が高いときに、電圧印加手段から火炎に対しパルス状の電圧を印加し、火炎をより高電位の状態にすることが好適である。一方、燃焼室６の燃焼圧力が低いときに、電圧印加手段から火炎に対し連続した電圧の印加、又はパルス状の電圧の印加のいずれを行うことも可能である。

第９実施形態による内燃機関１の制御の一例を図２４のフローチャートを参照して説明する。
ステップ１０で、ＥＣＵ４４は、内燃機関１の回転数とトルクを検出する。
次にステップ１１で、ＥＣＵ４４は、内燃機関１の運転状態が上記の所定領域Ａにあるか否かを図２３に示したマップに基づいて判定する。内燃機関１の運転状態がマップの所定領域Ａにある場合（Ｓ１１；ＹＥＳ）、処理はステップ１２に移行する。ステップ１２でＥＣＵ４４は、電圧印加手段から火炎に対しパルス状の電圧を印加する。
一方、ステップ１１で、内燃機関１の運転状態がマップの所定領域Ｂにあると判定された場合（Ｓ１１；ＮＯ）、処理はステップ１３に移行する。ステップ１３でＥＣＵ４４は、電圧印加手段から火炎に対し連続した電圧又はパルス状の電圧を印加する。
第９実施形態では、内燃機関１の運転状態に応じて電圧の印加方法を変えることで、火炎を正確に制御することが可能である。

（第１０実施形態）
本発明の第１０実施形態を図２５及び図２６に基づいて説明する。第１０実施形態では、図２５に示すように、内燃機関１の運転状態が回転数が高く、または、トルクが大きい領域Ｃのとき、ＥＣＵ４４は、電圧印加手段による電圧印加時間を、点火時刻から火炎がピストン頂面等に到達する時刻までの時間とする。一方、内燃機関１の運転状態が回転数が低く、かつ、トルクが小さい領域Ｄのとき、ＥＣＵ４４は、電圧印加手段による電圧印加時間を、点火時刻から火炎がピストン頂面等に到達する時刻までの時間よりも短くする。
内燃機関１の回転数が低くトルクが小さい領域Ｄでは、領域Ｃに比べてピストン５の下降速度が遅く火炎の膨張速度も遅いので、点火時刻から火炎がピストン頂面等に到達する時刻までの時間が長くなる。しかし、シリンダ２の内壁およびピストン５と火炎面とを反発させるために必要な電位を火炎に印加するために電圧印加時間を必要以上に長くすると、電力消費が無駄になることが懸念される。したがって、ＥＣＵ４４は、内燃機関１の回転数が低くトルクが小さい領域Ｄにおいて電圧印加時間を短くすることにより、消費電力を低減することができる。

第１０実施形態による内燃機関１の制御の一例を図２６のフローチャートを参照して説明する。
ステップ１０で、ＥＣＵ４４は、内燃機関１の回転数とトルクを検出する。
次にステップ１１で、ＥＣＵ４４は、内燃機関１の運転状態が上記の所定領域Ｃにあるか否かを図２５に示したマップに基づいて判定する。内燃機関１の運転状態がマップの所定領域Ｃにある場合（Ｓ１１；ＹＥＳ）、処理はステップ１４に移行する。ステップ１４でＥＣＵ４４は、電圧印加手段による電圧印加時間を、点火時刻から火炎がピストン頂面等に到達する時刻までの時間とする。
一方、ステップ１１で、内燃機関１の運転状態がマップの所定領域Ｄにあると判定された場合（Ｓ１１；ＮＯ）、処理はステップ１５に移行する。ステップ１５でＥＣＵ４４は、電圧印加手段による電圧印加時間を、点火時刻から火炎がピストン頂面等に到達する時刻までの時間よりも短くする。
第１０実施形態では、内燃機関１の運転状態に応じて電圧の印加時間を変えることで、消費電力を低減することが可能である。

（第１１実施形態）
本発明の第１１実施形態を図２７に基づいて説明する。第１１実施形態では、ＥＣＵ４４は、内燃機関１に使用される燃料の種類に応じて電圧印加時間を変えている。図２７の表では、燃料の種類がＦ１，Ｆ２，Ｆ３の順に、燃焼に要する期間が短いもの、中間のもの、長いものであるとする。
内燃機関１にＦ１の燃料が使用されるとき、ＥＣＵ４４は、電圧印加手段による電圧印加時間を、点火時刻から火炎がピストン頂面等に到達する時刻までの時間とする。燃焼に要する期間が短いと、燃焼室の燃焼圧力が高くなる。そのため、ＥＣＵ４４は、燃焼に要する期間が短い燃料が使用されるとき、電圧印加手段による電圧印加時間を長くすることで、火炎を確実に制御することが可能である。

これに対し、内燃機関１にＦ２の燃料が使用されるとき、ＥＣＵ４４は、電圧印加手段による電圧印加時間を、点火時刻から火炎がピストン頂面等に到達する時刻までの時間よりも短くする。
内燃機関１にＦ３の燃料が使用されるとき、ＥＣＵ４４は、電圧印加手段による電圧印加時間を、Ｆ２の時間よりも短くする。
燃焼に要する期間が長いと、燃焼室の燃焼圧力が低くなる。そのため、ＥＣＵ４４は、燃焼に要する期間が長い燃料が使用されるとき、電圧印加手段による電圧印加時間を短くすることで、火炎を確実に制御すると共に、消費電力を低減することが可能である。

（他の実施形態）
（１）上述した実施形態では、内燃機関１として４サイクルエンジンを例に説明したが、他の実施形態では、内燃機関は２サイクルエンジンであってもよい。また、上述した実施形態では、内燃機関１としてレシプロエンジンを例に説明したが、他の実施形態では、内燃機関はロータリーエンジンであってもよい。この場合、シリンダ２およびピストン５に代えて、マユ型のハウジングとローターが内燃機関の構成要素となる。

（２）上述した第９、第１０実施形態では、ＥＣＵ４４は、内燃機関１の回転数とトルクにより電圧印加方法または電圧印加時間を決定した。これに対し、他の実施形態では、ＥＣＵ４４は、排気再循環構造による排ガス率、吸気量、又は当量比を検出し、これに応じてパルス等による電圧印加方法、または電圧印加時間を決定してもよい。
このように、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、上述した複数の実施形態を組み合わせることに加え、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。

１・・・内燃機関
２・・・シリンダブロック（シリンダ）
３・・・シリンダヘッド（シリンダ）
４・・・ヘッドガスケット（シリンダ）
５・・・ピストン
６・・・燃焼室
１０・・・点火プラグ（電圧印加手段）
２５，２７・・・電圧印加手段

Claims (12)

1. シリンダ（２，３，４）と、
   前記シリンダ内に往復移動可能に設けられ、前記シリンダの内壁と共に燃焼室（６）を形成するピストン（５）と、
   前記シリンダおよび前記ピストンが接続されるグランドと、
   前記燃焼室に供給された燃料と空気との混合気が火花点火または圧縮自己着火により燃焼する火炎に対し、正または負の電圧を印加することの可能な電圧印加手段（１０，２５，２７）と、を備え、
   前記電圧印加手段は、側方電極（１５）と中心電極（１６）とを有する点火プラグ（１０）であり、
   前記点火プラグは、前記側方電極と前記中心電極との間の火花放電により前記燃焼室の混合気を着火した後、前記側方電極及び前記中心電極の少なくともいずれか一方を正または負の電位とすることにより、火炎に対し電圧を印加することを特徴とする内燃機関。
2. 前記シリンダまたは前記ピストンは、前記燃焼室を形成する内壁の少なくとも一部に、正または負の電位に帯電可能な帯電部（４，２９）を有することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記シリンダまたは前記ピストンは、前記燃焼室を形成する内壁の少なくとも一部に、シリンダ本体またはピストン本体よりも電気抵抗率の低い低抵抗部（４１）、または面粗さの粗い粗面部（４０）を有することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。
4. 前記点火プラグは、前記側方電極の放電箇所（１７）を除く箇所に設けられた絶縁コート（１８）を有することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
5. 前記点火プラグの前記側方電極とグランドとの電気的接続を導通または遮断可能なスイッチ回路（２３）を備えることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
6. 前記シリンダは、シリンダブロック、シリンダヘッド及びヘッドガスケットから構成されるものであり、
   前記シリンダヘッドの内壁は、電気的導通を遮断可能な絶縁部（１９）を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の内燃機関。
7. 前記シリンダまたは前記ピストンに流れる電流を検出可能な電流センサ（４２，４３）を備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の内燃機関。
8. 請求項１に記載の内燃機関の制御方法であって、
   混合気が火花点火された時刻または圧縮自己着火した時刻から、火炎面が前記シリンダの内壁または前記ピストンに到達する時刻までの時間に、その火炎に対し前記電圧印加手段により正または負の電圧を印加し（Ｓ２）、
   前記電圧印加手段は、前記点火プラグであり、前記側方電極と前記中心電極との間で火花放電を行った後に（Ｓ１）、前記側方電極と前記中心電極との間の火花放電を抑制可能な電圧を火炎に印加すること（Ｓ２）を特徴とする内燃機関の制御方法。
9. 前記電圧印加手段は、パルス状の電圧を火炎に印加すること（Ｓ１２）を特徴とする請求項８に記載の内燃機関の制御方法。
10. 前記電圧印加手段は、前記シリンダまたは前記ピストンに流れる電流を検出可能な電流センサの信号に基づき、火炎面が前記シリンダまたは前記ピストンに到達した時、又はそれより前に火炎への電圧印加を停止することを特徴とする請求項８または９に記載の内燃機関の制御方法。
11. 前記電圧印加手段は、
    前記内燃機関が備える制御装置に記憶された、前記内燃機関の回転数とトルクとの関係を示すマップの領域に基づき、
    前記内燃機関の回転数が高く、または、トルクが大きい領域のとき、電圧印加時間を、混合気が火花点火された時刻または圧縮自己着火した時刻から火炎面が前記シリンダの内壁または前記ピストンに到達する時刻までの時間とし（Ｓ１４）、
    前記内燃機関の回転数が低く、且つ、トルクが小さい領域のとき、前記電圧印加時間を、混合気が火花点火された時刻または圧縮自己着火した時刻から火炎面が前記シリンダの内壁または前記ピストンに到達する時刻までの時間よりも短くすること（Ｓ１５）を特徴とする請求項８から１０のいずれか一項に記載の内燃機関の制御方法。
12. 前記電圧印加手段は、
    前記内燃機関に使用される燃料の燃焼に要する期間が短いほど、電圧印加時間を長くし、
    前記内燃機関に使用される燃料の燃焼に要する期間が長いほど、前記電圧印加時間を短くすることを特徴とする請求項８から１０のいずれか一項に記載の内燃機関の制御方法。

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