本発明に係る予混合圧縮自着火エンジン1 は、図1に示すように、エンジン本体100と、� �ラズマ生成部102と、マイクロ波放射部104と� �制御装置106と、着火時期信号発生装置108と� �備えている。

 プラズマ生成部102により生成されるプラ� ��マのエネルギ密度は、最小着火エネルギ以� ��であり、このプラズマによる混合気の着火� ��行われない。プラズマ生成部102及びマイク� ��波放射部104の動作は、制御装置106によって� ��定される。この制御装置106は、着火時期信� ��発信装置108から発信される信号が表す着火� ��期より前の所定のタイミングにて制御信号� ��発信する。着火時期信号発信装置108は、エ� ��ジン本体100の運転状態(エンジン回転数、負 荷、スロットル開度、吸入空気量、燃料噴射 量など)から最適な着火時期を得る。

 プラズマ生成部102により生成されるプラ� ��マにマイクロ波照射部104によるマイクロ波� ��照射すると、マイクロ波のエネルギがプラ� ��マに吸収されてプラズマが急速拡大すると� ��もに、ラジカルが生成される。先にマイク� ��波をシリンダ内に放射し、放射されたマイ� ��ロ波中にプラズマを生成し、プラズマを急� ��拡大させてもよい。

 急速拡大されたプラズマの強度、生成タ� ��ミング、生成時間、生成回数は、制御装置1 06から発信される信号を基にしたプラズマ生� ��部102及びマイクロ波照射部104の動作により� ��定される。

 図2に示すように、プラズマの生成時間が 短い場合は、非平衡プラズマとなりプラズマ によるシリンダ内ガス温度の大きな上昇はな い。この非平衡プラズマにて生成したラジカ ルにより、混合気の化学反応を促進させて着 火時期の制御が可能である。

 また、図3に示すように、拡大したプラズ マの強度、生成時間、生成回数を変化させる ことで、生成するラジカルの量を決定するこ とができる。着火時期信号発信装置108によっ て発信される信号が表す着火時期にて混合気 が着火するように、拡大したプラズマにより 必要なラジカル量を必要なタイミングで生成 させる。

 図4に示すように、急速拡大されたプラズ マの生成時間がある時間を越えると、熱プラ ズマとなり、プラズマによるシリンダ内ガス 温度が上昇する。この熱プラズマにより、混 合気の着火に至るまで温度を上昇させること によって着火時期の制御が可能である。

 図5に示すように、拡大したプラズマの強 度、生成時間、生成回数を変化させることで 、シリンダ内ガス温度を決定することができ る。着火時期信号発信装置108によって発信さ れる信号が表す着火時期にて混合気が着火す るように、拡大したプラズマによりシリンダ 内ガス温度を上昇させる。サーマルNOxの発生 を抑制するために、ガス温度は1800°Cを超え� �いようにする。

 図6に示すように、予混合圧縮自着火エン ジン1のシリンダ内の空間は、シリンダヘッ� �302及びシリンダブロック304及び往復運動す� �ピストン306にて囲まれている。プラズマ生� �部102の電極314及びマイクロ波放射部104のア� �テナ312を備えたプラグ308により、シリンダ� �に拡大したプラズマを生成する。

 図7に示すように、シリンダヘッド302にプ ラズマ生成部102の電極314及びマイクロ波放射 部104のアンテナ312を備えたシリンダヘッド302 を設置し、シリンダヘッド302及びシリンダブ ロック304及び往復運動するピストン306に囲ま れた予混合圧縮自着火エンジン1のシリンダ� �の空間に拡大したプラズマを生成する。

 図8に示すように、エンジン本体のシリン ダヘッドとシリンダブロックの間のヘッドガ スケット316に、プラズマ生成部102の電極314及 びマイクロ波放射部104のアンテナ312を備え、 シリンダヘッド302及びシリンダブロック304及 び往復運動するピストン306に囲まれた予混合 圧縮自着火エンジン1のシリンダ内の空間に� �大したプラズマを生成する。電極314及びア� �テナ312は、シリンダ内に生成されるプラズ� �が均一になるように複数配置することが好� �しい。

 さらに、図9に示すように(図9の説明だけ� ��細書中に記載されていない)水分噴射装置320 はエンジン本体100のシリンダヘッド302に設置 され、吸気ポート318(図9に記載なし)内に水噴 射を行う。水噴射を行うことで非平衡プラズ マによるラジカル生成量が増加する。また、 水噴射により吸気温度が低下するため熱プラ ズマによる温度調整範囲が広がる。シリンダ ヘッド302に設置された水分噴射装置320により 、シリンダ内に直接水を噴射して良い。また 、水分噴射装置320は吸気ポート318上流の吸気 管に設置してもよい。

 また、エンジン本体100は、内部EGRまたは� ��部EGRの量を調整する機構を備える。EGRの量� ��調整することにより、混合気中の水蒸気量� ��変化させることができる。水蒸気量を増や� ��ことで、非平衡プラズマによるラジカル生� ��量が増加する。また、EGRの量を調整するこ� ��により混合気の圧縮前の温度を変化させる� ��とができる。EGRにより、圧縮前の混合気の� ��度を上昇させることによって拡大したプラ� ��マにより上昇する温度は少なくなり、少な� ��エネルギですむ。

 このエンジンはディーゼルエンジンと同� ��の構成を持ち、図10に示すように、プラズ� �拡大の動作の有無により、予混合圧縮自着� �及びディーゼル着火との選択が可能である� �燃料を早期に噴射し、シリンダ内に予混合� �を形成し、上記手法により所定のタイミン� �でシリンダ内にプラズマを拡大することに� �り、予混合圧縮自着火を実現する。また、� �ラズマ生成及びマイクロ波の放射を行わず� �、燃料噴射を遅角化することにより、ディ� �ゼル着火を実現する。ディーゼル着火時に� �いてもマイクロ波を放射することでプラズ� �を拡大させ、燃焼促進を図ることができる� �

 このエンジンは、火花点火機関と同様の� ��成を持ち、図11に示すように、プラズマ拡� �の動作の有無により、予混合圧縮自着火及� �火花点火との選択が可能である。ポート噴� �エンジンの場合、排気工程中に燃料を噴射� �、吸気行程にて予混合気をシリンダ内に吸� �し、上記手法により所定のタイミングでシ� �ンダ内にプラズマを拡大し、予混合圧縮自� �火を実現する。また、プラズマ生成及びマ� �クロ波の放射を行わずに、最小着火エネル� �以上の火花放電を行い、混合気の火花点火� �実現する。

 また、図12に示すように、火花着火時に� �イクロ波放射を行うことでプラズマを拡大� �せ、燃焼促進を図ることができる。また、� �13に示すように、予混合圧縮自着火時のプラ ズマ生成と火花点火時の火花放電生成を同一 の電極にて行っても良い。シリンダ内直噴式 のエンジンでは、予混合圧縮自着火時は吸気 行程初期に燃料を噴射し、シリンダ内に予混 合気を形成する。

 プラズマ生成部102はレーザ発振器を備え� ��、レーザ光を集光してレーザ誘起プラズマ� ��生成するものであってもよい。

 エンジンは、シリンダ内の温度、圧力及� ��作動流体の流れ、並びに、シリンダ内への� ��料の導入、導入する燃料種、及び燃料と空� ��との混合の度合い、並びに、EGR、並びに、� ��火方式のうち少なくとも一を切替えること� ��より、均一予混合圧縮自着火モードでの運� ��を選択的に行うエンジンであってもよい。

 この場合、均一予混合圧縮自着火モード� ��の運転時に、プラズマの生成及び電磁波の� ��生による着火または燃焼の制御を行うよう� ��してもよい。

 切替により選ばれる運転モードは、火花� ��火等の強制着火による運転モードであって� ��よく、また、一般的なディーゼルと同様に� ��散火炎による燃焼が行われる運転モードで� ��ってもよい。また、成層予混合圧縮自着火� ��ードであってもよい。その他、均一予混合� ��縮自着火モードとの切替が可能な運転モー� ��であれば、その種類を問わない。

 均一予混合圧縮自着火モード以外の運転� ��ードで運転を行っているときには、プラズ� ��種の生成、マイクロ波の照射をその運転モ� ��ドに適した目的で行ってもよい。例えば、� ��ラズマ種の生成を着火のための熱源として� ��よい。また、マイクロ波の照射を筒内温度� ��調整に用いてもよい。また、プラズマ種の� ��成とマイクロ波照射によるプラズマの拡大� ��長を利用し、筒内の作動流体の改質や、化� ��反応の促進を行うようにしてもよい。

 なお、このような運転モードの切替及び� ��れに伴うプラズマの制御は、サイクルごと� ��適宜行ってもよい。また、エンジンが多気� ��エンジンである場合、気筒ごとに運転モー� ��の切替を行ってもよい。

 なお、制御装置106は、実質的にはECU及びE CUに格納されるマップ等のデータ、及び、ECU� ��で動作するプログラム等により実装されて� ��てもよい。また、ECUとは別に一般的な制御� ��コンピュータを設け、これにより実現する� ��うにしてもよい。ECU自体及びコンピュータ� ��体の動作及びハードウェア構成については� ��一般的なものであってよい。

 また、電磁波の照射に用いるアンテナは� ��例えば、ホーンアンテナに代表される開口� ��ンテナであってもよい。ガスの流路の形状� ��び材質について許容されるならば、ガスの� ��路自体が導波管、または、開口アンテナを� ��ねる構成となってもよい。また、アンテナ� ��、電磁波の発生源に接続されたエレメント� ��らなる輻射器と、輻射器からの電磁波を反� ��する反射器とを有する構成であってもよい� ��また、アンテナは、輻射器と輻射器から輻� ��される電磁波の拠りしろとなるベインまた� ��共振エレメントを有する構成であってもよ� ��。

 電磁波の照射目標となる領域の数と、ア� ��テナの数との関係については、種々の組合� ��が想定される。電磁波の照射目標となる一� ��領域の対し、複数アンテナまたはアンテナ� ��複数のエレメントから電磁波を照射するよ� ��にしてもよい。また、例えば3/4波長以上の� ��気長を有するエレメントを備えたアンテナ� ��ように空間上に複数の強電場の領域を形成� ��るものであれば、アンテナに対し電磁波の� ��射目標となる領域を強電場の領域の数に応� ��て複数設定してもよい。さらに、プラズマ� ��契機となる荷電粒子をそれら設定された複� ��の領域において準備するようにし、複数の� ��域で同時にプラズマを形成するようにして� ��よい。