JP2004176653A

JP2004176653A - 内燃機関用火花点火装置

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Publication number: JP2004176653A
Application number: JP2002345367A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yorita; 浩頼田; Shinichi Okabe; 伸一岡部; Hitoshi Morita; 斉森田; Masamichi Shibata; 正道柴田; Tetsuya Miwa; 哲也三輪; Masaharu Ichise; 雅春市瀬; Toshimi Kashiwakura; 利美柏倉; Mutsumi Kanda; 睦美神田
Original assignee: Denso Corp; Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 2002-11-28
Filing date: 2002-11-28
Publication date: 2004-06-24

Abstract

【課題】１気筒２点点火の火花点火装置において、より確実な着火と良好な燃焼を実現する。
【解決手段】２点点火の場合、２つの火炎面内はその周囲よりも圧力が高くなって、２つの火炎が互いに押し合うような相互作用が生じるため、２つの火炎は燃焼室中央部よりも燃焼室周辺部に向かって速く成長する。そして、燃焼室９１０における２つの電極対１１、１２、２１、２２の各中心部を通る線上の寸法を基準寸法としたとき、２つの電極対の各中心部間の距離Ｌ１を、２ｍｍを超え、且つ、基準寸法の１／２未満にすることにより、２点点火による効果を確実に発揮させて、より確実な着火と良好な燃焼を実現することができる。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、点火プラグにより燃焼室内の混合気を着火させる内燃機関用火花点火装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
近年、内燃機関においては、燃費低減のために、成層燃焼、リーンバーン、高ＥＧＲ率化等の手法が採用されているが、このような内燃機関では、混合気の燃焼速度が遅くなったり、混合気が着火し難いという問題があった。
【０００３】
ところで、本発明者は、燃焼室内の近接した２点で点火させることにより、点火により形成された初期火炎核の成長を速め、早期に安定した火炎に成長させることができ、その結果、安定した着火性能が得られ、燃焼速度を速められることを発見した。
【０００４】
本発明は上記のように２点で点火させる火花点火装置において、より確実な着火と良好な燃焼を実現することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
ところで、本発明者の検討によれば、図４に示すように、火炎の相当径が２０ｍｍを超えると、火炎の成長が急速に速まる、すなわち、安定した火炎となることがわかった。
【０００６】
そして、図５は、火炎相当径が２０ｍｍに到達するまでの時間（以下、到達所要時間という）と、２つの電極対の各中心部間の距離、すなわち点火位置間隔との関係の、検討結果を示すもので、点火位置間隔を２ｍｍ超にしたときに到達所要時間が短くなり、早期に安定した火炎に成長させ得ることがわかった。因みに、本明細書でいう電極対の中心部は、中心電極の軸線上で、且つ、中心電極と接地電極との隙間の中央部を意味している。
【０００７】
一方、２点点火の場合、２つの火炎面内はその周囲よりも圧力が高くなって、２つの火炎が互いに押し合うような相互作用が生じるため、２つの火炎は燃焼室中央部よりも燃焼室周辺部に向かって速く成長する。よって、２点点火による効果を有効に生かすためには、点火位置間隔を燃焼室寸法の１／２未満とするのが望ましい。
【０００８】
請求項１に記載の発明は、上記の検討に基づいてなされたもので、点火プラグ（１、２）の放電ギャップ（Ｇ１，Ｇ２）での放電により燃焼室（９１０）内の混合気に着火し、ピストン（９００）が燃焼室（９１０）内の燃焼ガスの圧力を受けてシリンダ（９２０）内を往復動し、燃焼室（９１０）は、スキッシュ効果を発生させる第１空間（９１１）と、スキッシュ効果により第１空間（９１１）から混合気が移動してくる第２空間（９１２）とを有する内燃機関に搭載されるものであって、放電ギャップ（Ｇ１，Ｇ２）を形成する電極対（１１、１２、２１、２２）が１つの第２空間（９１２）に２つ設けられ、第２空間（９１２）をピストン（９００）の往復動方向から見たときの、２つの電極対（１１、１２、２１、２２）の各中心部を通る線（Ｘ）上の第２空間（９１２）の長さを基準寸法（Ｌｓ）としたとき、２つの電極対（１１、１２、２１、２２）の各中心部間の距離（Ｌ１）が、２ｍｍを超え、且つ、基準寸法（Ｌｓ）の１／２未満であることを特徴とするものであり、これによれば、スキッシュ効果を発生させるようにした内燃機関において、２点点火による効果を確実に発揮させて、より確実な着火と良好な燃焼を実現することができる。
【０００９】
一方、スキッシュ効果を発生させない形式の内燃機関においては、請求項２に記載の発明のように、点火プラグ（１、２）の放電ギャップ（Ｇ１，Ｇ２）での放電により燃焼室（９１０）内の混合気に着火し、ピストン（９００）が燃焼室（９１０）内の燃焼ガスの圧力を受けてシリンダ（９２０）内を往復動する内燃機関に搭載されるものであって、放電ギャップ（Ｇ１，Ｇ２）を形成する電極対（１１、１２、２１、２２）が１つの燃焼室（９１０）に２つ設けられ、２つの電極対（１１、１２、２１、２２）の各中心部間の距離（Ｌ１）が、２ｍｍを超え、且つ、シリンダ（９２０）の径の１／２未満になるようにすることにより、スキッシュ効果を発生させない形式の内燃機関において、２点点火による効果を確実に発揮させて、より確実な着火と良好な燃焼を実現することができる。
【００１０】
請求項３に記載の発明では、２つの電極対（１１、１２、２１、２２）の各中心部間の距離（Ｌ１）が、６ｍｍ以上で、且つ２０ｍｍ以下であることを特徴とする。
【００１１】
ところで、火炎相当径が２０ｍｍに到達して安定した火炎となるまで上記の相互作用が有効になるように、点火位置間隔は２０ｍｍ以下とするのが望ましい。また、図５から、点火位置間隔が６ｍｍの場合に、点火位置間隔が２０ｍｍの場合と同じ到達所要時間となる。
【００１２】
従って、２つの電極対の各中心部間の距離を請求項２に記載の発明のように設定することにより、２点点火による効果を確実に発揮させて、より一層確実な着火と良好な燃焼を実現することができる。
【００１３】
請求項１ないし３に記載の内燃機関用火花点火装置は、請求項４に記載の発明のように、前記燃焼室に導入される燃料と空気と再循環排気ガスとを混合したときの空燃比が、理論空燃比よりも大きく設定されて運転される内燃機関に好適である。
【００１４】
なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施形態に基づいて説明する。図１は本発明の一実施形態に係る火花点火装置を示す構成図、図２は図１の点火プラグにおける電極近傍の拡大断面図、図３（ａ）は燃焼室近傍の断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＡ矢視図である。
【００１６】
図１〜図３において、火花点火装置は、ピストン９００が燃焼室９１０内の燃焼ガスの圧力を受けてシリンダ９２０内を往復動する内燃機関に搭載されており、１気筒２点点火を行うために各気筒に一対の点火プラグ１、２を有し、各点火プラグ１、２に各点火用電源３、４から高電圧が印加されるようになっている。
【００１７】
各点火プラグ１、２は、中心電極１１、２１と接地電極１２、２２間に放電ギャップＧ１、Ｇ２を形成し、それらの放電ギャップＧ１、Ｇ２を燃焼室９１０に臨ませた状態でシリンダヘッド９３０に装着され、放電ギャップＧ１、Ｇ２で放電して燃焼室９１０内の混合気を着火させるものである。なお、一方の点火プラグ１の中心電極１１と接地電極１２が本発明の電極対に相当し、また、他方の点火プラグ２の中心電極２１と接地電極２２も本発明の電極対に相当する。
【００１８】
点火用電源３、４は、１次巻線３１、４１、２次巻線３２、４２、直流電源３３、４３、およびトランジスタ３４、４４を備えている。１次巻線３１、４１の一端が直流電源３３、４３に接続され、１次巻線３１、４１の他端がトランジスタ３４、４４のコレクタ側に接続されている。２次巻線３２、４２の一端は、高電圧線５、６を介して点火プラグ１、２に接続されている。
【００１９】
燃焼室９１０は、スキッシュ効果を発生させる第１空間９１１と、スキッシュ効果により第１空間９１１から混合気が移動してくる第２空間９１２とを有し、ピストン９００が上死点に近づくにつれて、第１空間９１１の混合気が第２空間９１２に押し出され、いわゆるスキッシュ効果が発生するようになっている。
【００２０】
なお、ピストン９００の頂部外周部と、この頂部外周部に対向する部位のシリンダヘッド９３０との間が、第１空間９１１に相当する。ピストン９００の頂部中央に形成された凹部９０１と、このピストン９００の凹部９０１に対向する部位に位置するシリンダヘッド９３０の凹部９３１とによって形成される空間が、第２空間９１２に相当する。また、両凹部９０１、９３１をピストン９００の往復動方向から見たときの形状は円形であり、かつ両凹部９０１、９３１の直径は等しくなっている。
【００２１】
ここで、図３に示すように、２つの電極対１１、１２、２１、２２の各中心部を通る線Ｘ上の第２空間９１２の長さ、換言すると両凹部９０１、９３１の長さを、基準寸法Ｌｓとする。そして、本実施形態では、上記のようにピストン９００の往復動方向から見たときの第２空間９１２の形状は円形であり、本例では第２空間９１２の直径Ｄが基準寸法Ｌｓになる。
【００２２】
因みに、第２空間９１２の直径Ｄは６０ｍｍ、シリンダ９２０の内径は８０ｍｍ、２つの電極対の各中心部間の距離Ｌ１（以下、点火位置間隔という）は１５ｍｍとしている。
【００２３】
次に、上記構成になる火花点火装置の作動を説明する。まず、点火用電源３、４のトランジスタ３４、４４が同時にオン／オフされることにより直流電源３３、４３から１次巻線３１、４１に流れる１次電流が通電／遮断され、その１次電流が遮断されると電磁誘導作用により２次巻線３２、４２から点火プラグ１、２に高電圧が同時に印加される。
【００２４】
点火プラグ１、２に高電圧が印加されると、放電ギャップＧ１、Ｇ２で放電を開始し、図２に示すように、各放電ギャップＧ１、Ｇ２の周囲にそれぞれ火炎面１０１、２０１が形成される。
【００２５】
燃焼初期には発熱量が少ないので、火炎は成長が遅く且つ不安定である。従って、着火の確率を高めるためにはこの燃焼初期の火炎の成長を速め、早期に安定した火炎に成長させる必要がある。ここで、各火炎面１０１、２０１の内側部分１０２、２０２は既燃焼ガス（ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ等）を多く含み、各火炎面１０１、２０１の外側部分１０３、１０４、２０３、２０４は未燃焼ガス（燃料、Ｏ_２）を多く含み、各火炎面１０１、２０１は燃焼中間生成物（イオンやラジカル）を多く含む。
【００２６】
ところで、点火位置間隔Ｌ１が極めて狭い場合には、燃焼初期に１つの火炎の中に両放電ギャップＧ１、Ｇ２が入ってしまうため、火炎の成長の仕方は、１つの放電ギャップに２倍の放電エネルギを投入した場合と殆ど同じになってしまう。この場合、エネルギを投入している部分は火炎面の内側であり、既に反応を終えてしまった既燃焼ガス（ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ等）を加熱していることになり、火炎の成長を速める効果は殆どない。
【００２７】
これに対し、点火位置間隔Ｌ１が適当である場合には、火炎面内側部分１０２、２０２は共に圧力が高くなっているのでそれらの圧力差が小さく、火炎面外側部分１０３、１０４、２０３、２０４のうち、燃焼室９１０の中心側の火炎面外側部分１０３、２０３では、混合気の流速が遅い。
【００２８】
一方、火炎面内側部分１０２、２０２は共に圧力が高くなっていて、２つの火炎が互いに押し合うような相互作用（以下、２点点火の相互作用という）が生じるため、火炎面外側部分１０３、１０４、２０３、２０４のうち、燃焼室９１０の周辺側の火炎面外側部分１０４、２０４では、混合気の流速が速い。
【００２９】
一般に、燃焼場の流れが速いと乱れが強く十分に攪拌されるため燃焼が速い。上記のように、燃焼室９１０の周辺側の火炎面外側部分１０４、２０４は混合気の流速が速いため、その周辺の燃焼中間生成物と未燃焼ガスが十分に攪拌され燃焼が速くなる。
【００３０】
以上の作用により、点火位置間隔Ｌ１が適当である場合には、２つの火炎が燃焼室周辺に向かって速く成長するため、着火の確率が高くなる。
【００３１】
さらに、燃焼室９１０の中心側の火炎面外側部分１０３、２０３は火炎の成長が遅いので、２つの火炎は近接しているにもかかわらず、なかなか１つに合体しない。従って、上述の効果は、燃焼初期だけでなくその後の燃焼でも得られ、燃焼速度を速めることができる。
【００３２】
また、点火位置間隔Ｌ１を十分に広くした場合、同じ体積の１つの火炎に比べて表面積が広い、すなわち燃焼反応に関与する部分の面積が広いため、燃焼速度が速くなるという効果があるが、本例においても２つの火炎が燃焼後期まで２つの火炎として成長するので同様の効果が得られる。
【００３３】
次に、点火位置間隔Ｌ１の望ましい範囲について、図３〜図５に基づいて説明する。図３（ａ）、図３（ｂ）は、点火位置間隔Ｌ１が燃焼室９１０の直径Ｄの１／２の場合の火炎成長の例を示している。
【００３４】
上述の２点点火の相互作用がないと仮定すると、２つの火炎は全方位に等しい速度で成長するため、図３（ｂ）に示すように、２つの火炎面１０１、２０１が燃焼室９１０の中央部で衝突するタイミングと、各火炎面１０１、２０１が燃焼室９１０の外縁部に達するタイミングが、同じになる。
【００３５】
しかし、実際には上述の２点点火の相互作用によって２つの火炎は燃焼室中央部よりも燃焼室周辺部に向かって速く成長する。従って、２点点火による効果を有効に生かすためには、点火位置間隔Ｌ１を第２空間９１２の直径Ｄの１／２未満にする必要がある。換言すると、点火位置間隔Ｌ１を基準寸法Ｌｓの１／２未満にする必要がある。
【００３６】
図４は、１気筒１点点火において、火炎の時間的成長について本発明者が検討した結果を示すものである。図４の縦軸は、１つの火炎の体積を求め、その体積から火炎が球状であるとみなした場合の直径を計算により求めた値、すなわち火炎相当径である。図４の横軸は、点火開始からの経過時間である。なお、この計算の前提条件は、混合気のＡ／Ｆは１４．７、点火時の燃焼室９１０内の圧力は１ＭＰａ、点火時の燃焼室９１０内の混合気温度は４００℃である。
【００３７】
図４によれば、火炎相当径が２０ｍｍを超えてから火炎の成長が急速に速まる、すなわち、安定した火炎となることがわかる。従って、火炎相当径が２０ｍｍに到達するまで上述の相互作用が有効になるように、点火位置間隔Ｌ１は２０ｍｍ以下とすることが望ましい。
【００３８】
そして、図５は、１気筒２点点火において、点火開始から各火炎の火炎相当径がそれぞれ２０ｍｍに到達するまでの所要時間（以下、到達所要時間という）と、点火位置間隔Ｌ１との関係について検討した結果を示すものである。なお、この検討の前提条件は、混合気のＡ／Ｆは１４．７、点火時の燃焼室９１０内の圧力は１ＭＰａである。
【００３９】
図５によれば、点火位置間隔Ｌ１が２ｍｍの場合の到達所要時間は、点火位置間隔Ｌ１が無限大の場合の到達所要時間、換言すると、上述の２点点火の相互作用が全くない場合の到達所要時間と同じであった。すなわち、点火位置間隔Ｌ１が２ｍｍ以下では到達所要時間は１気筒１点点火の場合に近づき、１気筒２点点火の効果が得られない。従って、点火位置間隔Ｌ１は２ｍｍ超とする必要がある。
【００４０】
さらに、前述したように、点火位置間隔Ｌ１は２０ｍｍ以下とすることが望ましいが、図５によれば、点火位置間隔Ｌ１が６ｍｍの場合に、点火位置間隔Ｌ１が２０ｍｍの場合と同じ到達所要時間となり、従って、点火位置間隔Ｌ１は６ｍｍ以上２０ｍｍ以下が最も望ましい。
【００４１】
本実施形態によれば、２点点火による効果を確実に発揮させて、より確実な着火と良好な燃焼を実現することができる。
【００４２】
（他の実施形態）
上記実施形態では、ピストン９００の往復動方向から見たときの両凹部９０１、９３１の直径は等しくなっているが、図６に示すように、両凹部９０１、９３１の直径が異なる内燃機関にも本発明は適用可能である。
【００４３】
因みに、図６に示す内燃機関は、ピストン９００の頂部外周部と、シリンダヘッド９３０の凹部９３１におけるピストン頂部外周部に対向する部位との間が、第１空間９１１に相当し、この第１空間９１１の隙間が小さくなるように、ピストン９００の頂部外周部の形状が設定されている。ピストン９００の凹部９０１と、シリンダヘッド９３０の凹部９３１におけるピストン凹部９０１に対向する部位とによって形成される空間が、第２空間９１２に相当する。そして、この場合、ピストン９００の凹部９０１の直径が第２空間９１２の直径Ｄであり、かつ基準寸法Ｌｓである。
【００４４】
また、上記実施形態では、ピストン９００およびシリンダヘッド９３０に共に凹部９０１、９３１を有する例を示したが、ピストン９００およびシリンダヘッド９３０のうちの一方にのみ凹部を有する内燃機関にも本発明は適用可能である。
【００４５】
さらに、ピストン９００およびシリンダヘッド９３０のいずれにも凹部を備えていない内燃機関にも本発明は適用可能であり、この場合、シリンダ９２０の内径が基準寸法Ｌｓとなる。
【００４６】
上記実施形態では、１気筒２点点火を行うために各気筒に一対の点火プラグ１、２を配置したが、２つの電極対を有する１個の点火プラグを各気筒に配置してもよい。
【００４７】
さらに、上記実施形態では各気筒に一対の点火用電源３、４が必要であるが、２つの電極対を有する点火プラグを用いた場合、２つの電極対を電気的に直列にすることにより、上記実施形態の効果を確保しつつ、点火用電源を１気筒当たり１個にすることができる。
【００４８】
また、本発明の火花点火装置は、より確実な着火と良好な燃焼を実現することができるため、燃焼室９１０に導入される燃料と空気と再循環排気ガスとを混合したときの空燃比が、理論空燃比よりも大きく設定されて運転される内燃機関に好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る火花点火装置を示す構成図である。
【図２】図１の点火プラグにおける電極近傍の拡大断面図である。
【図３】図３は本発明の説明のために参考例として示す要部の断面図である。
【図４】火炎相当径と点火開始からの経過時間との関係を示す図である。
【図５】火炎相当径が２０ｍｍに到達するまでの所要時間と点火位置間隔Ｌ１との関係を示す図である。
【図６】本発明の他の実施形態を示す電極近傍の断面図である。
【符号の説明】
１、２…点火プラグ、１１、１２、２１、２２…電極対を構成する電極、
９００…ピストン、９１０…燃焼室、９１１…第１空間、９１２…第２空間、９２０…シリンダ、Ｇ１、Ｇ２…放電ギャップ。

Claims

点火プラグ（１、２）の放電ギャップ（Ｇ１，Ｇ２）での放電により燃焼室（９１０）内の混合気に着火し、ピストン（９００）が前記燃焼室（９１０）内の燃焼ガスの圧力を受けてシリンダ（９２０）内を往復動し、前記燃焼室（９１０）は、スキッシュ効果を発生させる第１空間（９１１）と、スキッシュ効果により前記第１空間（９１１）から混合気が移動してくる第２空間（９１２）とを有する内燃機関に搭載されるものであって、
前記放電ギャップ（Ｇ１，Ｇ２）を形成する電極対（１１、１２、２１、２２）が１つの第２空間（９１２）に２つ設けられ、
前記第２空間（９１２）をピストン（９００）の往復動方向から見たときの、前記２つの電極対（１１、１２、２１、２２）の各中心部を通る線（Ｘ）上の前記第２空間（９１２）の長さを基準寸法（Ｌｓ）としたとき、
前記２つの電極対（１１、１２、２１、２２）の各中心部間の距離（Ｌ１）が、２ｍｍを超え、且つ、前記基準寸法（Ｌｓ）の１／２未満であることを特徴とする内燃機関用火花点火装置。
点火プラグ（１、２）の放電ギャップ（Ｇ１，Ｇ２）での放電により燃焼室（９１０）内の混合気に着火し、ピストン（９００）が前記燃焼室（９１０）内の燃焼ガスの圧力を受けてシリンダ（９２０）内を往復動する内燃機関に搭載されるものであって、
前記放電ギャップ（Ｇ１，Ｇ２）を形成する電極対（１１、１２、２１、２２）が１つの燃焼室（９１０）に２つ設けられ、
前記２つの電極対（１１、１２、２１、２２）の各中心部間の距離（Ｌ１）が、２ｍｍを超え、且つ、前記シリンダ（９２０）の径の１／２未満であることを特徴とする内燃機関用火花点火装置。
前記２つの電極対（１１、１２、２１、２２）の各中心部間の距離（Ｌ１）が、６ｍｍ以上で、且つ２０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関用火花点火装置。
前記燃焼室（９１０）に導入される燃料と空気と再循環排気ガスとを混合したときの空燃比が、理論空燃比よりも大きく設定されて運転される内燃機関に搭載されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の内燃機関用火花点火装置。