特開 2022-7388 内燃機関

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022007388

(43)【公開日】2022-01-13

(54)【発明の名称】内燃機関

(51)【国際特許分類】

   F02P 3/01 20060101AFI20220105BHJP

   F02P 13/00 20060101ALI20220105BHJP

   F02B 23/08 20060101ALI20220105BHJP

【ＦＩ】

F02P3/01 A

F02P13/00 301A

F02B23/08 L

F02B23/08 M

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020110324

(22)【出願日】2020-06-26

(71)【出願人】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】特許業務法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】前嶋 秀明

【テーマコード（参考）】

3G019

3G023

【Ｆターム（参考）】

3G019AB01

3G019BA03

3G019GA01

3G019GA02

3G019GA15

3G023AA02

3G023AA04

3G023AB01

3G023AB02

3G023AB08

3G023AC01

3G023AC07

(57)【要約】

【課題】混合気を点火する前にラジカルを気筒の側壁面に分布させる。
【解決手段】制御装置は、内燃機関の作動中に（Ｓ１００にてＹＥＳ）、点火時期を設定するステップ（Ｓ１０２）と、ラジカル生成時期を設定するステップ（Ｓ１０４）と、空気噴射時期を設定するステップ（Ｓ１０６）と、空気圧力の制御を実行するステップ（Ｓ１０８）と、ラジカル生成制御を実行するステップ（Ｓ１１０）と、空気噴射制御を実行するステップ（Ｓ１１２）と、点火制御を実行するステップ（Ｓ１１４）とを含む、処理を実行する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

混合気を燃焼させる燃焼室を有する気筒と、
前記気筒の頂部に設けられ、プラズマ放電を発生させることによってラジカルを生成する放電電極と、
前記放電電極とともに前記気筒の頂部に設けられ、前記頂部から前記気筒の側面に向けて放射状に空気を噴射する空気噴射装置と、
前記放電電極を用いた放電動作と前記空気噴射装置の動作とを制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記混合気を点火させる前に、前記放電電極を用いて前記ラジカルを生成し、かつ、前記空気を噴射するように前記空気噴射装置を制御する、内燃機関。

【請求項2】

前記制御装置は、前記空気を噴射する場合に、前記空気の圧力が前記気筒内の圧力よりも高くなるように前記空気噴射装置を制御する、請求項１に記載の内燃機関。

【請求項3】

前記制御装置は、前記放電電極を用いて前記プラズマ放電を複数回発生させて前記ラジカルを生成する、請求項１または２に記載の内燃機関。

【請求項4】

前記制御装置は、前記プラズマ放電を発生させて前記混合気を点火させる、請求項１～３のいずれかに記載の内燃機関。

【請求項5】

前記内燃機関は、アーク放電の発生が可能に構成される点火用放電電極をさらに備え、
前記制御装置は、前記アーク放電を発生させて前記混合気を点火させる、請求項１～３のいずれかに記載の内燃機関。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、内燃機関の点火制御に関する。

【背景技術】

【0002】

内燃機関の作動中、気筒内の燃料と空気との混合気を点火する前に、気筒内に設けられる電極を用いて活性酸素の一種であるラジカルを生成することによって混合気の燃焼を促進させて熱効率を向上させる技術が公知である。たとえば、特開２００８－２４０５４７号公報（特許文献１）には、混合気を点火する前に、気筒内の中心電極と中心電極を円筒状に囲うように設けられる側方電極とを用いてコロナ放電を発生させてラジカルを生成する技術が開示される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００８－２４０５４７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上述のような内燃機関においては、熱効率をより向上させるために、生成したラジカルを気筒の側壁面に分布させることが求められる。しかしながら、内燃機関の圧縮行程中の筒内流動は、運転条件やサイクル毎に変化するため、ガス流動が弱くラジカルが気筒の側壁面に到達するまでに要する時間が長くなる運転条件である場合には、気筒の側壁面に到達前にラジカルが消滅する場合がある。

【0005】

本開示は、上述した課題を解決するためになされたものであって、その目的は、混合気を点火する前にラジカルを気筒の側面の内壁に分布させる内燃機関を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示のある局面に係る内燃機関は、混合気を燃焼させる燃焼室を有する気筒と、気筒の頂部に設けられ、プラズマ放電を発生させることによってラジカルを生成する放電電極と、放電電極とともに気筒の頂部に設けられ、頂部から気筒の側面に向けて放射状に空気を噴射する空気噴射装置と、放電電極を用いた放電動作と空気噴射装置の動作とを制御する制御装置とを備える。制御装置は、混合気を点火させる前に、放電電極を用いてラジカルを生成し、かつ、空気を噴射するように空気噴射装置を制御する。

【0007】

このようにすると、生成したラジカルを空気噴射によって気筒の側面方向に流動させることができるため、気筒の側面に沿ってラジカルを周方向に分布させることができる。気筒の側面に沿ってラジカルを周方向に分布させることによって、混合気が点火させられたときに燃焼後半の速度を上げて、燃焼期間を短縮し、時間損失を低減することができる。さらに、気筒の側面における未燃ガスの発生量を低減して燃焼効率を向上させることができる。そのため、混合気の燃焼を促進させて熱効率を向上させることができる。

【0008】

ある実施の形態においては、制御装置は、空気を噴射する場合に、空気の圧力が気筒内の圧力よりも高くなるように空気噴射装置を制御する。

【0009】

このようにすると、空気の圧力が気筒内の圧力よりも高くなるように空気噴射装置が制御されるので、生成したラジカルを空気噴射によって気筒の側面方向に流動させることができる。

【0010】

さらにある実施の形態においては、制御装置は、放電電極を用いてプラズマ放電を複数回発生させてラジカルを生成する。

【0011】

このようにすると、混合気を点火させる前に、気筒内において適切な量のラジカルを発生させることができる。

【0012】

さらにある実施の形態においては、制御装置は、プラズマ放電を発生させて混合気を点火させる。

【0013】

このようにすると、気筒の側面に沿ってラジカルを周方向に分布させた状態で混合気を点火させることができる。

【0014】

さらにある実施の形態においては、内燃機関は、アーク放電の発生が可能に構成される点火用放電電極をさらに備える。制御装置は、アーク放電を発生させて混合気を点火させる。

【0015】

このようにすると、気筒の側面に沿ってラジカルを周方向に分布させた状態で混合気を点火させることができる。

【発明の効果】

【0016】

本発明によると、混合気を点火する前にラジカルを気筒の側面の内壁に分布させる内燃機関を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本実施の形態に係る内燃機関の構成の一例を示す図である。

【図2】制御装置によって実行される処理の一例を示すフローチャートである。

【図3】本実施の形態における熱発生率と点火信号と空気噴射信号との変化の一例を示すタイミングチャートである。

【図4】空気噴射によるラジアルの流動について説明するための図である。

【図5】空気噴射の有無による燃焼期間の差について説明するための図である。

【図6】空気噴射の有無による時間損失の差について説明するための図である。

【図7】空気噴射の有無による未燃損失の差について説明するための図である。

【図8】変形例における熱発生率と点火信号と空気噴射信号との変化の一例を示すタイミングチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

【0019】

図１は、本実施の形態に係る内燃機関１の構成の一例を示す図である。本実施の形態において、天然ガスを燃料として用いるガスエンジンである場合を内燃機関１の一例として説明する。

【0020】

内燃機関１は、気筒２と、ピストン４と、放電電極８と、空気噴射装置１０と、吸気バルブ１２と、排気バルブ１４と、吸気通路１６と、排気通路１８と、ポンプ２０と、制御装置１００と、筒内圧センサ１０２とを備える。

【0021】

気筒２は、シリンダブロックに形成される。気筒２は、シリンダブロックに複数個形成されてもよい。気筒２内には、ピストン４が摺動可能に収納される。気筒２の頂部３には、吸気通路１６の一方端部と、排気通路１８の一方端部とが接続される。気筒２の頂部３には、さらに放電電極８と空気噴射装置１０とが設けられる。気筒２の頂部３と、ピストン４の上面と気筒２の側面の内壁とによって燃焼室６が形成される。

【0022】

吸気通路１６の途中には、制御装置１００からの制御信号に応じて、吸気通路１６に天然ガスを供給する供給装置（図示せず）が設けられる。制御装置１００は、たとえば、内燃機関１の運転状態や要求出力等に基づいて天然ガスの供給量を設定する。制御装置１００は、設定された供給量の天然ガスが供給されるように供給装置を制御する。吸気通路１６の他方端部である吸気口から流通する空気は、供給装置から供給される天然ガスと混合され、混合気として気筒２に流通する。

【0023】

気筒２の頂部３には、放電電極８が設けられる。本実施の形態において、放電電極８は、プラズマ放電を発生させることによって活性酸素の一種であるＯＨラジカル（ヒドロキシルラジカル、以下単に「ラジカル」と記載する。）を生成するラジカル生成動作と、気筒２の燃焼室６内の混合気を点火する点火動作とを行なう。放電電極８は、プラズマ放電の発生が可能な公知の構成であればよく、その詳細な構造については説明しない。放電電極８を用いて各種放電動作は、制御装置１００によって制御される。すなわち、放電電極８は、制御装置１００からの制御信号に基づいてラジカル生成動作と、点火動作とのうちの少なくともいずれかを実行可能に構成される。

【0024】

気筒２の頂部３には、放電電極８とともに空気噴射装置１０がさらに設けられる。空気噴射装置１０は、たとえば、制御装置１００からの制御信号に基づいて空気を噴射する。空気噴射装置１０には、頂部３から気筒２内に突出する突出部が設けられる。突出部には、複数の噴射孔が設けられる。複数の噴射孔は、たとえば、頂部３から気筒２の側面の内壁に向けて放射状に空気が噴射可能に設けられる。空気噴射装置１０には、たとえば、ポンプ２０が接続されている。ポンプ２０は、たとえば、制御装置１００の制御信号に基づいて空気噴射装置１０によって噴射される空気の圧力を調整可能に構成される。空気噴射装置１０には、弁体が設けられており、弁体の開弁時間や開度を調整することにより空気の噴射量が制御される。空気噴射装置１０の先端から噴射された空気は、図１の矢印に示すように、気筒２の側面の内壁に向けて流通する。

【0025】

気筒２の頂部３と吸気通路１６の一方端部との接続部分には、吸気バルブ１２が設けられる。吸気バルブ１２は、クランク軸の回転に同期して回転する吸気用カムを用いて１サイクル中の期間のうちの所定期間（たとえば、吸気行程）に開状態になり、その他の期間に閉状態になる。

【0026】

ピストン４は、コネクティングロッドを介して出力軸であるクランク軸（いずれも図示せず）に連結されている。ピストン４が上死点（ＴＤＣ：Top Dead Center）に到達するクランク軸の回転角度を含む所定の回転角度区間において放電電極８を用いた点火動作が行なわれると、燃焼室６内の混合気が燃焼する。混合気の燃焼によって生じる燃焼圧（圧力波）によってピストン４が押し下げられ、ピストン４が動作する。クランク軸においてピストンの動作が回転動作に変換されることによって、ピストン４に作用する燃焼圧が、クランク軸の回転トルクとして作用してクランク軸が回転する。

【0027】

気筒２の燃焼室６で燃焼した気体は、排気として排気通路１８を流通する。気筒２と排気通路１８の一方端部との接続部分には、排気バルブ１４が接続される。排気バルブ１４は、クランク軸の回転に同期して回転する排気用カムを用いて１サイクル中の期間のうちの所定期間（たとえば、排気行程）に開状態になり、その他の期間に閉状態になる。排気通路１８には、排気処理装置（図示せず）が設けられ、排気に含まれる所定の成分（たとえば、窒素酸化物等）が排気処理装置により浄化される。排気通路１８を流通する排気は、排気処理装置を経由して排気通路１８の他方端部から外部に排出される。

【0028】

制御装置１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、メモリと、入力ポートおよび出力ポート（いずれも図示せず）とを含む。ＣＰＵは、各種処理を実行する。メモリは、ＣＰＵが実行する各種処理を示すプログラムおよび各種処理の実行時に用いられるデータを記憶するＲＯＭ（Read Only Memory）と、ＣＰＵの処理結果等を記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）とを含む。入力ポートおよび出力ポートを介して、制御装置１００と、制御装置１００の外部の機器との情報のやり取りが行なわれる。入力ポートには、筒内圧センサ１０２が接続される。

【0029】

筒内圧センサ１０２は、気筒２内の圧力を検出する。筒内圧センサ１０２は、検出した気筒２内の圧力を示す信号を制御装置１００に送信する。

【0030】

出力ポートには、制御対象となる各種電気機器（たとえば、供給装置、放電電極８の駆動回路、空気噴射装置１０およびポンプ２０）が接続される。すなわち、制御装置１００は、入力ポートに接続された各種センサから信号を受信し、受信した信号に基づいて各種処理結果に従って制御信号を制御対象となる各種電気機器に送信して各種電気機器を制御する。

【0031】

以上のような構成を有する内燃機関１の作動中、気筒２内の混合気を点火する前に、気筒２内に設けられる放電電極８を用いてラジカルが生成される場合がある。ラジカルを生成することにより、たとえば、内燃機関１の希薄燃焼運転域などの燃焼が緩慢になる運転領域においても混合気の燃焼を促進させて熱効率を向上させることができる。そのため、内燃機関１の運転領域を拡大しても熱効率を向上させつつ安定した燃焼が可能なる。このようなラジカルは、気筒２の側面の内壁に周方向に沿って分布させることが望ましい。これは、気筒２の側面の内壁にラジカルを周方向に分布させることにより、燃焼後半での燃焼速度を高めることができるためである。

【0032】

しかしながら、内燃機関１の圧縮行程中の筒内流動は、運転条件やサイクル毎に変化するため、ガス流動が弱くラジカルが気筒２の側面の内壁に到達するまでに要する時間が長くなる運転状態になる場合には、気筒２の側面の内壁に到達する前にラジカルが消滅する場合がある。

【0033】

そこで、本実施の形態においては、制御装置１００が、混合気を点火させる前に、放電電極８を用いてラジカルを生成し、かつ、空気を噴射するように空気噴射装置１０を制御するものとする。

【0034】

このようにすると、生成したラジカルを空気噴射によって気筒２の側面方向に流動させることができるため、気筒２の側面に沿ってラジカルを周方向に分布させることができる。気筒２の側面に沿ってラジカルを周方向に分布させることによって、混合気が点火させられたときに燃焼後半の燃焼速度を上げて、燃焼期間を短縮し、時間損失を低減することができる。さらに、気筒２の側面における未燃ガスの発生量を低減して燃料効率を向上させることができる。そのため、混合気の燃焼を促進させて熱効率を向上させることができる。

【0035】

以下、図２を参照して、制御装置１００で実行される処理について説明する。図２は、制御装置１００によって実行される処理の一例を示すフローチャートである。このフローチャートに示される一連の処理は、制御装置１００により、所定の制御周期毎に繰り返し実行される。

【0036】

ステップ（以下、ステップをＳと記載する）１００にて、制御装置１００は、内燃機関１が作動中であるか否かを判定する。制御装置１００は、たとえば、始動要求を受けて内燃機関１が始動した後であって、停止要求を受け付けていない場合に、内燃機関１が作動中であると判定する。内燃機関１が作動中であると判定される場合（Ｓ１００にてＹＥＳ）、処理はＳ１０２に移される。

【0037】

Ｓ１０２にて、制御装置１００は、点火時期を設定する。制御装置１００は、たとえば、内燃機関１の運転状態（たとえば、内燃機関１の回転数や内燃機関１に対する要求出力等）に基づいて基準となる点火時期を設定する。制御装置１００は、たとえば、内燃機関１の運転状態とマップ等とを用いて基準となる点火時期を設定する。制御装置１００は、さらに、内燃機関１の冷却水の温度やノッキングの有無等によって点火時期の補正値を設定する。制御装置１００は、基準となる点火時期を補正値を用いて補正して最終的な点火時期（クランク軸の回転角度）を設定する。

【0038】

Ｓ１０４にて、制御装置１００は、ラジカル生成時期を設定する。制御装置１００は、たとえば、最終的な点火時期から予め定められた回転角度だけ前の回転角度をラジカル生成時期として設定する。予め定められた回転角度は、たとえば、クランク軸の回転角度が最終的な点火時期に到達する前に予め定められた回数（本実施の形態においては、３回）の放電電極８を用いたプラズマ放電と、空気噴射装置１０を用いた空気噴射とが実施可能な期間を確保できるように設定される。

【0039】

なお、予め定められた回数は、たとえば、内燃機関１の回転数に応じて設定されてもよいし、内燃機関１の回転数にかかわらず、一定の値に設定されてもよい。また、ラジカル生成時期は、たとえば、プラズマ放電が発生しても混合気が点火しない程度の筒内圧となる回転角度区間に設定される。

【0040】

Ｓ１０６にて、制御装置１００は、空気噴射時期を設定する。制御装置１００は、たとえば、ラジカル生成時期と最終的な点火時期との間の時期であって、たとえば、ラジカル生成時期から予め定められた回転角度だけ進んだ回転角度を空気噴射時期として設定する。

【0041】

Ｓ１０８にて、制御装置１００は、空気圧力の制御を実行する。制御装置１００は、たとえば、ポンプ２０を用いて調整される空気圧力が、現時点までの予め定められた期間における筒内圧センサ１０２によって検出される筒内圧の履歴のうちの最大値よりも大きくなるように空気圧力を設定する。制御装置１００は、設定された空気圧力になるようにポンプ２０を制御する。

【0042】

Ｓ１１０にて、制御装置１００は、設定されたラジカル生成時期にラジカル生成制御を実行する。制御装置１００は、クランク軸の回転角度がラジカル生成時期に相当する回転角度に到達するときにラジカル生成制御を実行する。本実施の形態において、制御装置１００は、たとえば、ラジカル生成時期を始期としてプラズマ放電が３回発生するように放電電極８の放電動作を制御する。プラズマ放電の発生間隔は、たとえば、予め定められた回転角度区間になるように設定されてもよいし、あるいは、内燃機関１の回転数に応じて異なる間隔になるように変更されてもよい。

【0043】

Ｓ１１２にて、制御装置１００は、設定された空気噴射時期に空気が噴射されるように空気噴射装置１０を制御する。制御装置１００は、クランク軸の回転角度が空気噴射時期に相当する回転角度に到達するときに空気が噴射されるように空気噴射装置１０を制御する。

【0044】

Ｓ１１４にて、制御装置１００は、点火制御を実行する。制御装置１００は、クランク軸の回転角度が最終的な点火時期に相当する回転角度に到達するときに点火制御を実行する。本実施の形態において、制御装置１００は、たとえば、最終的な点火時期を始期としてプラズマ放電が３回発生するように放電電極８の放電動作を制御する。プラズマ放電の発生間隔は、たとえば、予め定められた回転角度区間になるように設定されてもよいし、あるいは、内燃機関１の回転数に応じて異なる間隔になるように変更されてもよい。また、本実施の形態においては、ラジカル生成動作も点火動作もプラズマ放電が発生する回転角度のみが異なるものとして説明したが、ラジカル生成動作と点火動作とでプラズマ放電の発生回数や発生間隔を異なるものとしてもよい。なお、内燃機関１が作動中でないと判定される場合（Ｓ１００にてＮＯ）、この処理は終了される。

【0045】

以上のような構造およびフローチャートに基づく本実施の形態に係る内燃機関１における制御装置１００の動作について図３および図４を参照しつつ説明する。

【0046】

図３は、本実施の形態における熱発生率と点火信号と空気噴射信号との変化の一例を示すタイミングチャートである。図３の横軸は、クランク軸の回転角度（ＣＡ）を示す。図３の縦軸は、熱発生率と点火信号の信号レベルと、空気噴射信号の信号レベルとを示す。また、図３のＬＮ１は、空気噴射がない場合の熱発生率の変化（燃焼波形）を示す。図３のＬＮ２は、空気噴射がある場合の熱発生率の変化を示す。図３のＬＮ３は、点火信号の信号レベルの変化を示す。図３のＬＮ４は、空気噴射信号の信号レベルの変化を示す。また、図４は、空気噴射によるラジアルの流動について説明するための図である。図４には、気筒２の下方から頂部３側を視た図が示される。

【0047】

たとえば、内燃機関１が作動中である場合を想定する。内燃機関１が作動中であるため（Ｓ１００にてＹＥＳ）、内燃機関１の運転状態や内燃機関１の状態に基づいて最終的な点火時期が設定され（Ｓ１０２）、設定された最終的な点火時期に基づいてラジカル生成時期が設定される（Ｓ１０４）。さらに、ラジカル生成時期から予め定められた回転角度だけ進んだ回転角度が空気噴射時期として設定されるとともに（Ｓ１０６）、空気圧力の制御が実行される（Ｓ１０８）。そして、図３のＬＮ３に示すように、クランク軸の回転角度がラジカル生成時期に相当する回転角度ＣＡ（０）になるとラジカル生成制御が実行され（Ｓ１１０）、３回のプラズマ放電の発生が行なわれる。３回のプラズマ放電の発生が行なわれる場合において、圧縮前の筒内圧が低い状態であるため、燃焼は始まらないが化学反応が起こり、図４の（Ａ）の領域５０に示すように、放電電極８の周囲にラジカルが生成されることとなる。

【0048】

そして、図３のＬＮ４に示すように、空気噴射時期に相当する回転角度ＣＡ（１）になると空気噴射制御が実行される（Ｓ１１２）。空気噴射制御によって空気噴射が行なわれると、図４の（Ｂ）の領域６０に示すように、放電電極８の周囲に生成されたラジカルが空気噴射装置１０の先端を中心として一定の厚さを有する環状の領域に分布し、気筒２の側面の内壁に向けて拡大していく。

【0049】

その後、図３のＬＮ２に示すように、最終的な点火時期に相当する回転角度ＣＡ（３）になると点火制御が実行され、３回のプラズマ放電の発生が行なわれる。３回のプラズマ放電の発生が行なわれると、混合気が点火し、図３のＬＮ２に示すように、回転角度ＣＡ（３）の時点から熱発生率が上昇することとなる。

【0050】

放電電極８から燃焼が開始されると、図４の（Ｃ）の領域７０に示すように、燃焼により生じた燃焼圧（圧力波）が生じる。このとき、火炎伝播初期に火炎前縁とラジカルが分布した領域８０までに空間があることで、初期燃焼でラジカルが消費されず、さらに、その後の火炎伝播の圧力により、気筒２の側面の内壁までラジカルが押される。その結果、ラジカルが放電電極８を中心に均一に拡大し、図４の（Ｃ）の領域８０に示すように、ラジカルが気筒２の側面に沿って周方向に分布した状態になる。

【0051】

そのため、図３のＬＮ２に示すように、燃焼の後半においてラジカルを含む混合気が燃焼するため、燃焼速度が上がり、早期に燃焼が完了するため、図３のＬＮ１に示す空気噴射がない場合と比較して燃焼期間が短縮する。

【0052】

図５は、空気噴射の有無による燃焼期間の差について説明するための図である。図５の縦軸は、燃焼期間（ＣＡ）を示す。図５の左側の棒グラフが空気噴射なしの場合の燃焼期間の長さを示す。図５の右側の棒グラフが空気噴射ありの場合の燃焼期間の長さを示す。

【0053】

図５の棒グラフの下方の無地の領域が燃焼前半の予め定められた回転角度区間における燃焼期間を示し、図５の棒グラフの上方の斜線の領域が燃焼後半の予め定められた回転角度区間における燃焼期間を示す。

【0054】

図５に示すように、燃焼前半の燃焼期間は、空気噴射の有無にかかわらず同じであるのに対して、燃焼後半の燃焼期間は、空気噴射がある方が空気噴射がない方よりも短くなる。これは、上述したように気筒２の側面の内壁に沿ってラジカルが周方向に分布させることによって燃焼後半の燃焼速度が向上することに起因している。

【0055】

図６は、空気噴射の有無による時間損失の差について説明するための図である。図６の縦軸は、時間損失（％）を示す。図６の左側の棒グラフが空気噴射なしの場合の時間損失の大きさを示す。図６の右側の棒グラフが空気噴射ありの場合の時間損失の大きさを示す。時間損失とは、ピストン４が上死点（ＴＤＣ：Top Dead Center）となる位置で気筒２内の混合気が完全燃焼する場合と比較したときの損失の割合を示す。

【0056】

時間損失は、燃焼期間が短くなるほど低減する。そのため、図５に示したように、空気噴射ありの場合の方が空気噴射なしの場合と比較して燃焼期間を短くなるため、図６に示すように、空気噴射ありの場合の方が空気噴射なしの場合と比較して時間損失が低減する。時間損失を低減することによって内燃機関１の熱効率が向上する。

【0057】

図７は、空気噴射の有無による未燃損失の差について説明するための図である。図７の縦軸は、未燃損失（％）を示す。図７の左側の棒グラフが空気噴射なしの場合の未燃損失の大きさを示す。図７の右側の棒グラフが空気噴射ありの場合の未燃損失の大きさを示す。未燃損失とは、供給された燃料のうち、燃え残った燃料による損失の割合を示す。

【0058】

空気噴射がない場合には、気筒２の側面の内壁において未燃ガスとなり得る混合気は、空気噴射がある場合には、気筒２の側面の内壁にラジカルが分布されて燃焼するため、未燃ガスの発生量が低減し、未燃損失が低減される。そのため、図７に示すように，空気噴射ありの場合の方が空気噴射なしの場合と比較して未燃損失が低減する。未燃損失が低減することによって燃焼効率が向上するとともに内燃機関１の熱効率が向上する。

【0059】

以上のようにして、本実施の形態に係る内燃機関１によると、生成したラジカルを空気噴射によって気筒２の側面方向に流動させることができるため、気筒の側面に沿ってラジカルを周方向に分布させることができる。気筒２の側面に沿ってラジカルを周方向に分布させることによって、混合気が点火させられたときに燃焼後半の速度を上げて燃焼期間を短縮することで時間損失を低減することができる。さらに、気筒２の側面における未燃ガスの発生量を低減して燃料効率を向上させることができる。そのため、混合気の燃焼を促進させて内燃機関１の熱効率を向上させることができる。したがって、混合気を点火する前にラジカルを気筒の側面の内壁に分布させる内燃機関を提供することができる。

【0060】

さらに、空気を噴射する場合に、空気の圧力が気筒２内の圧力よりも高くなるように空気噴射装置１０が制御されるので、生成したラジカルを空気噴射によって気筒２の側面方向に流動させることができる。

【0061】

さらに、放電電極８を用いてプラズマ放電を複数回発生させてラジカルが生成されるので、混合気を点火させる前に、気筒２内において適切な量のラジカルを発生させることができる。

【0062】

さらに、プラズマ放電を発生させて混合気を点火させるので、気筒２の側面の内壁に沿ってラジカルを周方向に分布させた状態で混合気を点火させることができる。

【0063】

以下、変形例について記載する。
上述の実施の形態では、内燃機関１は、天然ガスを燃料とするガスエンジンである場合を一例として説明したが、内燃機関１は、火花点火式の内燃機関であればよく、天然ガスを燃料とする内燃機関に特に限定されるものではない。内燃機関１は、たとえば、ＬＰＧ（Liquefied Petroleum Gas）等の気体燃料を燃料とするガスエンジンであってよいし、あるいは、ガソリンを燃料とするポート噴射式あるいは直噴式のガソリンエンジンであってもよい。

【0064】

さらに上述の実施の形態では、プラズマ放電を３回実施することによってラジカルを生成するものとして説明したが、特に、ラジカルを生成するためのプラズマ放電の回数は、３回に限定されるものではなく、たとえば、ラジカルの生成量の目標値に応じて設定されてもよい。また、ラジカルの生成量の目標値は、たとえば、内燃機関１の運転状態に基づいて設定されてもよい。

【0065】

さらに上述の実施の形態では、プラズマ放電を３回実施することによって点火制御を実行するものとして説明したが、特に、混合気を点火するためのプラズマ放電の回数は、３回に限定されるものではなく、１回、２回あるいは４回以上であってもよい。

【0066】

さらに上述の実施の形態では、空気噴射装置１０は、気筒２の中心軸に対して予め定められた角度を有する方向に空気を噴射することによって気筒２の頂部３から気筒２の側面の内壁に向けて放射状に空気を噴射するものとして説明が、たとえは、空気噴射装置１０の先端が気筒２の下方に突出し、水平方向であって、かつ、放射状に空気を噴射するように構成されてもよい。

【0067】

さらに上述の実施の形態では、最終的な点火時期からラジカル生成時期と空気噴射時期とを設定するものとして説明したが、ラジカル生成時期と空気噴射時期とは最終的な点火時期にかかわらず一定の時期（クランク軸の回転角度）に設定されてもよい。

【0068】

さらに上述の実施の形態では、放電電極８においてプラズマ放電を発生させることによって混合気を点火させるものとして説明したが、内燃機関１は、放電電極８に加えて、混合気を点火させるためのアーク放電を発生させることが可能な点火用放電電極をさらに備えてもよい。なお、この変形例における内燃機関１の構成は、点火用放電電極をさらに備える点を除き、図１に示す内燃機関１の構成と同様である。そのため、その詳細な説明は、繰り返さない。点火用放電電極は、たとえば、気筒２の軸中心であって、かつ、頂部３に設けられる。このような構成によって、気筒２の側面の内壁に沿ってラジカルを周方向に分布させた状態で混合を点火させることができる。

【0069】

図８は、この変形例における熱発生率と点火信号と空気噴射信号との変化の一例を示すタイミングチャートである。図８の横軸は、クランク軸の回転角度（ＣＡ）を示す。図８の縦軸は、熱発生率と点火信号の信号レベルと、空気噴射信号の信号レベルを示す。また、図８のＬＮ５は、空気噴射がない場合の熱発生率の変化を示す。図８のＬＮ６は、空気噴射がある場合の熱発生率の変化を示す。図８のＬＮ７は、点火信号の信号レベルの変化を示す。図８のＬＮ８は、空気噴射信号の信号レベルの変化を示す。

【0070】

たとえば、内燃機関１が作動中である場合を想定する。図８のＬＮ７に示すように、クランク軸の回転角度がラジカル生成時期に相当する回転角度ＣＡ（４）になるとラジカル生成制御が実行され、３回のプラズマ放電の発生が行なわれる。３回のプラズマ放電の発生が行なわれる場合において、圧縮前の筒内圧が低い状態であるため、燃焼は始まらないが化学反応が起こり、放電電極８の周囲にラジカルが生成される。

【0071】

そして、空気噴射時期に相当する回転角度ＣＡ（５）になると空気噴射制御が実行される。空気噴射制御によって空気噴射が行なわれると、放電電極８の周囲に生成されたラジカルが空気噴射装置１０の先端を中心として一定の厚さを有する環状の領域に分布し、気筒２の側面の内壁に向けて拡大していく。

【0072】

その後、図３のＬＮ７に示すように、最終的な点火時期に相当する回転角度ＣＡ（６）になると点火制御が実行され、アーク放電の発生が行なわれる。アーク放電の発生が行なわれると、混合気が点火し、図３のＬＮ６に示すように、回転角度ＣＡ（７）の時点から熱発生率が上昇することとなる。

【0073】

放電電極８から燃焼が開始されると、燃焼により生じた燃焼圧（圧力波）が生じる。このとき、火炎伝播初期に火炎前縁とラジカルが分布した領域までに空間があることで、初期燃焼でラジカルが消費されず、さらに、その後の火炎伝播の圧力により、気筒２の側面の内壁までラジカルが押される。その結果、ラジカルが放電電極８を中心に均一に拡大し、ラジカルが気筒２の側面に沿って周方向に分布した状態になる。

【0074】

そのため、図８のＬＮ６に示すように、燃焼の後半においてラジカルを含む混合気が燃焼するため、燃焼速度が上がり、早期に燃焼が完了するため、図８のＬＮ５に示す空気噴射がない場合と比較して燃焼期間が短縮する。

【0075】

なお、上記した変形例は、その全部または一部を適宜組み合わせて実施してもよい。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0076】

１ 内燃機関、２ 気筒、３ 頂部、４ ピストン、６ 燃焼室、８ 放電電極、１０ 空気噴射装置、１２ 吸気バルブ、１４ 排気バルブ、１６ 吸気通路、１８ 排気通路、２０ ポンプ、５０，６０，７０，８０ 領域、１００ 制御装置、１０２ 筒内圧センサ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】