JP2004232478A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】２本の点火プラグを有することにより排出ガスを低減させ、かつ高効率でノック抑制効果の高い内燃機関を提供する。
【解決手段】燃焼室とシリンダヘッド上面とを連通する少なくとも２本の吸気通路と、燃焼室略中央に臨むように設置された第１の点火プラグと、燃焼室の吸気側の端縁部に臨みかつ２本の吸気通路の間に設置された第２の点火プラグと、第１及び第２の点火プラグを制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関、特に２つの点火プラグを有する内燃機関に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関には、ノッキングの発生を抑制することを目的として、１つの気筒に対して複数の点火プラグを配置した構造のものが特許文献１に提案されている。即ち、特許文献１には燃焼室の中央と、燃焼室の外周縁部に周方向に間隔をあけて４本の点火プラグを配置した構造が開示されている。
また、１つの気筒に対して２つの点火プラグを配置した構造が特許文献２に提案されている。即ち、特許文献２には、吸気及び排気通路が燃焼室の対角線上に１本ずつで、吸気側燃焼室上部と排気側燃焼室上部と燃焼室の対角線上に２つの点火プラグが配置されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−６００４７号公報（第３頁段落［００１７］、図１）
【特許文献２】
特開２００１−２８９１４３公報（第２頁段落［０００８］、図２）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１の構造のように、吸気及び排気通路が２本ずつある場合、４本の点火プラグを実際に配置しようとすると、前記の吸気及び排気通路や燃料噴射弁などがあるために、点火プラグを配置するスペースを確保するのが極めて難しいという問題がある。
【０００５】
また、特許文献２のように吸気及び排気通路が燃焼室の対角線上に１本ずつ設けられている場合においては、吸気および排気通路が１本である分スペースが生じるので、燃焼室の対角線上に２つの点火プラグを配置する構造をとることが可能である。
しかしながら、このような構造では吸気弁を２本設けて大きな空気流量を確保し、高出力化することができないという問題がある。
そこで特許文献１のように、燃焼室中央の他、燃焼室の吸気側の端縁部かつ２本の吸気ポートの間に点火プラグ１２（公報図１，図２、参照）を配置する事が考えられるが、吸気ポートがシリンダヘッド側面から燃焼室に連通するよう形成されているため、燃焼室の吸気側端縁壁部とシリンダヘッド側面とを連通するプラグホールと前記吸気ポートとが干渉し易く、吸気ポートの形状に多大な影響を及ぼすため、十分な吸気流量を確保できず、吸気ポートの設計自由度にも大きな制約を受ける問題がある。
さらに、本願発明者らの実験の結果によると、内燃機関の高負荷時においては、特に低中回転時に燃焼室の吸気側からノッキングが発生することが分かってきた。この点からも、点火プラグを燃焼室の吸気側に設けることが求められている。
【０００６】
本発明の目的は、２本の点火プラグを有することにより未燃排出ガスを低減させ、かつ高効率でノック抑制効果の高い内燃機関を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するもので、シリンダヘッド下面とピストン頂面とによって構成された燃焼室とシリンダヘッド上面とを連通してシリンダヘッドに形成される少なくとも２本の吸気通路と、前記燃焼室の略中央に配置されて前記シリンダヘッドに形成される第１のプラグホールと、該第１のプラグホールに設置される第１の点火プラグと、前記燃焼室の吸気側の壁部とシリンダヘッド側面とを連通するとともに前記２本の吸気通路の間に位置して前記シリンダヘッドに形成される第２のプラグホールと、該第２のプラグホールに設置される第２の点火プラグと、前記第１及び第２の点火プラグの点火時期を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
かかる発明によれば、シリンダヘッドに２本の吸気通路を設けているので、吸気通路が１本である場合よりも空気流量を確保することができるため、高出力を確保できる。また、前記吸気通路が燃焼室からシリンダヘッド上面を連通するため、２本の吸気通路間から吸気側のシリンダヘッド側面のスペースが空くので、第２の点火プラグを配置することが容易となり、吸気ポートの形状に大きな影響を与えることなく燃焼室の略中央と吸気通路間とに２本の点火プラグを配置することが可能となる。さらに、第２の点火プラグを２本の吸気通路間に配置したことにより、吸気側で発生するノッキングを抑制することができる。
【０００９】
かかる発明において、好ましくは、燃料噴射弁を、前記燃焼室の略中央に臨むように前記シリンダヘッドに配置するとともに、前記第１のプラグホールに隣接させて該第１のプラグホールよりも前記燃焼室の中央寄りに位置せしめる。
このように構成すれば、燃料噴射弁が燃焼室の略中央に臨むように配置され、かつ第１の点火プラグと隣接していることにより、燃焼室内に直接燃料を噴射した場合に、シリンダ側壁に燃料が付着しにくい。さらに、２つの点火プラグを有することから燃料の着火性が上がり、従来の点火プラグが１本の筒内直接噴射エンジンよりも少ない燃料でのリーン燃焼が可能となるので、燃料消費量を減少させることができる。
【００１０】
また、かかる発明において好ましくは、前記制御手段は、前記内燃機関の通常運転時には前記第１の点火プラグを点火させ、前記内燃機関の冷態時及び／または高負荷時及び／または加速時には前記第１及び第２の点火プラグを点火させるように構成される。
このように構成すれば、内燃機関の通常運転時は第１の点火プラグを点火させ、冷態時及び／または高負荷時及び／またはアクセルを大きく踏み込んだ時等の加速時には第１及び第２の点火プラグを点火させるように制御することにより、内燃機関の冷態時においては、排気側よりも温度が上がりにくい吸気側の燃焼室壁面付近で発生し易い不完全燃焼を防止することができ、排出ガス中の有害物質を低下できる。
また、内燃機関の高負荷時や加速時においては、特に内燃機関の低中速回転時における吸気側のノッキングの発生を効率良く抑制することができる。
【００１１】
また、かかる発明において好ましくは、前記ピストンには、吸気側に偏心してキャビティ燃焼室が設けられ、前記第１の点火プラグまたは前記第２の点火プラグは、該第１の点火プラグ及び第２の点火プラグと前記キャビティ燃焼室底面との距離と、前記第１及び第２の点火プラグのシリンダヘッドからの突出量とが略同一となるように配置される。
このように構成すれば、前記第１の点火プラグまたは前記第２の点火プラグにおいて、前記第１の点火プラグ及び第２の点火プラグとピストンのキャビティ燃焼室底面と、第１及び第２の点火プラグのシリンダヘッドからの突出量とが略同一となるように配置したことにより、第１及び第２の点火プラグから燃焼室を形成する面までの距離が上下両方向で短くなり、燃焼室全体の火炎伝播距離が短くなるので燃焼が短時間で成立し、ノッキングの発生を抑制することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図に示した実施例を用いて詳細に説明する。但し、この実施例に記載される構成部品の寸法、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。
【００１３】
図１は本発明の第１実施例に係る内燃機関の構造を示す要部断面図である。図２は図１におけるシリンダヘッド下面の平面略図である。図３は本発明の第２実施例に係る内燃機関の構造を示す要部断面図である。図４は図３におけるシリンダヘッド下面の平面略図である。図５は前記第２実施例における燃焼室近傍の要部拡大断面図である。
【００１４】
図１において、２はシリンダヘッドで、シリンダブロック１の上面に図示しない締付ボルトによって結合され、該シリンダヘッド２の下面とシリンダブロック１のシリンダ壁面とピストン３の頂面とで燃焼室４が画成されている。
図２に示すように、前記燃焼室４には、シリンダヘッド２上面から連通する２本の吸気ポート５と、シリンダヘッド２の側面から連通する２本の排気ポート６が開口され、各吸排気ポート５，６にはそれぞれのポートを開閉しポペット弁にて構成される図示しない吸気弁および排気弁が設けられている。
【００１５】
図１に示すように、前記吸気ポート５のシリンダヘッド２上面寄りには燃料噴射弁８が燃焼室側に向けて燃料を噴射するように配置され、該燃料噴射弁８からの燃料噴射により、燃焼室４に混合気が供給されるようになっている。
前記燃焼室４に供給された混合気に点火するために、シリンダヘッド２下面から燃焼室４に臨んで第１の点火プラグ９と第２の点火プラグ１０が配置されている。該第１の点火プラグ９は、燃焼室４の略中央に臨んでシリンダヘッド２上面から連通する第１のプラグホール１１の中に収まり、第２の点火プラグ１０は燃焼室の吸気側の端縁部に臨みシリンダヘッド側面を連通しかつ２本の吸気ポート５間に形成される第２のプラグホール１２の中に位置している。
【００１６】
次にかかる第１実施例の作用について説明する。
図示しないクランクシャフトによりベルト又はチェーンなどで駆動される図示しないカムシャフトのカムが図示しない吸気弁を押し下げ、前記吸気ポート５内で燃料噴射弁８により燃料を噴射して生成された混合気が吸気ポート５から燃焼室４内へ流れ込む。該混合気はピストン３により圧縮され、圧縮上死点近傍で第１及び第２の点火プラグ９及び１０によって点火される。
【００１７】
エンジンの冷態時においては、混合気の燃焼による燃焼ガスが排出される排気側と異なり、吸気側の燃焼室４壁面は温度が上がりにくく、燃焼室４壁面近くで不完全燃焼が発生しやすい。
このため、前記第１の点火プラグ９に加えて、吸気側の燃焼室４壁面近くに設けられた第２の点火プラグ１０でも混合気に着火せしめることにより、かかる不完全燃焼を確実に防止することが可能となる。これにより、未燃燃料による排出ガスの悪化を防ぐことができる。
【００１８】
前記燃焼室４の略中央に臨む１本の点火プラグ９で点火していた従来のエンジンにおいては、高負荷時及び加速時に吸気側でノッキングが発生する場合があったが、かかる実施例によれば、燃焼室４の中央と吸気側とに第１及び第２の点火プラグ９，１０を備えた構造であるため、高負荷時及び加速時において第２の点火プラグ１０が吸気側で混合気に着火することとなり、吸気側におけるノッキングの発生を防ぐことができる。
なお、エンジンの冷態時及び高負荷時及び加速時には、前記第１の点火プラグ９と第２の点火プラグ１０の点火タイミングをずらしてもよい。また本実施例では、キャビティ燃焼室１３を持つピストン３としたが、該ピストン３の形状はフラット型等のピストンでも良い。
【００１９】
以上のようにかかる実施例によれば、内燃機関のシリンダヘッド２に、該シリンダヘッド２上面と燃焼室４とを接続する２本の吸気ポート５と、燃焼室４の略中央に臨む第１の点火プラグ９と、２本の吸気ポート５間に位置し燃焼室４の端部に臨む第２の点火プラグ１０とを備えたことにより、内燃機関の通常運転時は第１の点火プラグ９を作動させ、冷態時、高負荷及び加速時は第１及び第２の点火プラグ９及び１０を作動させることが可能となるので、内燃機関の冷態時における吸気側の燃焼室４壁部付近で発生しやすい不完全燃焼を防止することができると共に、内燃機関の高負荷時、特に低中回転時に吸気側で発生するノッキングや、加速時に発生するノッキングを抑制することができる。
【００２０】
図３は本発明の第２実施例に係るエンジンを示している。
このエンジンは、図３、４に示すように、燃料噴射弁８が燃焼室４の略中央に臨んで配置された燃料筒内直接噴射式のエンジンである。
図３において、前記第１の点火プラグ９が配置される第１のプラグホール２１は、前記燃料噴射弁８と隣接し、かつ該燃料噴射弁８と２本の排気ポート６とに囲まれた領域で燃焼室４に連通して設けられている。
また、前記第１の点火プラグ９または第２の点火プラグ１０は、図５に示すように、第１及び第２の点火プラグ９，１０の中心線９ｂ，１０ｂ上において、中心電極中心９ａ，１０ａからピストン３の頂面３ａまでの距離２２ａ，２２ｂと、第１及び第２の点火プラグ９，１０のシリンダヘッド２からの突出量２３ａ，２３ｂとが略同一であるように構成されている。
【００２１】
図３、図４に示す第２実施例に係る吸気ポート５は逆タンブル生成ポートであって、シリンダヘッド２上面から燃焼室４へ連通する構成により、吸気の流れに逆タンブル流を起こす。このため、吸気ポート５から燃焼室４内へ流れ込んだ吸気は、吸気側の燃焼室４壁側からピストン３頂面のキャビティ燃焼室１３の形状に沿って流れてから、第１の点火プラグ９の下方へと流動するようになっている。
それ以外の構成については、前記第１実施例のエンジンと同様であるため、両者に共通の箇所に共通の符号を付して説明は省略する。
【００２２】
次にかかる第２実施例の作用について説明する。
エンジンの低中負荷時において、図示しないクランクシャフトによりベルト又はチェーンなどで駆動される図示しないカムシャフトが吸気弁を押し下げ、吸気ポート５内から吸気が燃焼室４内へ流れ込む。該吸気は、吸気ポート５が逆タンブル生成ポートであるので、燃焼室４内で逆タンブル流を形成する。機関の圧縮行程において、燃料噴射弁８から燃料がリーン空燃比になるように噴射され、逆タンブル流に沿った層状の混合気が維持されたまま圧縮され、第１の点火プラグ９によって点火されることによりリーン燃焼が成立する。前記燃料噴射弁８が燃焼室４の略中央に配置されているため、噴射された燃料がシリンダ壁に付着しにくくなり、従って未燃燃料が堆積しにくい。
【００２３】
また、前記ピストン３の頂面３ａには吸気側に偏ってキャビティ燃焼室１３が設けられている。
そして、第１の点火プラグ９または第２の点火プラグ１０の点火時期において、前記のように、第１及び第２の点火プラグ９，１０の中心線９ｂ，１０ｂ上において、中心電極中心９ａ，１０ａからピストン３の頂面３ａまでの距離２２ａ，２２ｂと、第１及び第２の点火プラグ９，１０のシリンダヘッド２からの突出量２３ａ，２３ｂとが略同一であるように構成されているため、燃料噴射弁８から噴射された燃料がキャビティ燃焼室１３内で偏っていたとしても、燃料が点火され易く、良好な着火性を維持できる。
さらには、前記燃焼室４内に燃料噴射弁８から直接燃料を噴射した際に、第１及び第２の点火プラグ９，１０を有することから、燃料の着火性が上がり、より少ない燃料量でのリーン燃焼が可能となるので、燃料消費量を減少させることができる。
【００２４】
エンジンの高負荷時や加速時においては、機関の吸気行程において燃料噴射弁８から燃料が理論空燃比で噴射され、噴霧をピストン３に衝突させることなく燃焼室４全域に広がるように噴射時期が設定され、燃焼室４内の均一な混合気が、第１の点火プラグ９及び第２の点火プラグ１０により点火されることにより、未燃燃料の排出量を大幅に低減することができる。
尚、高負荷時及び加速時においては、燃料をリーン空燃比で噴射してもよく、前記第１の点火プラグ９及び第２の点火プラグ１０により点火されてリーン燃焼が成立し、燃料消費率を減少させることができる。
【００２５】
また、かかる実施例においては，燃焼室の中央と吸気側とに第１及び第２の点火プラグ９，１０を有し、かつピストン３が吸気側にキャビティ燃焼室１３を持つため、第１の点火プラグ９または第２の点火プラグ１０の点火時期において、前記のように、第１の点火プラグ９または第２の点火プラグ１０の点火時期において、第１及び第２の点火プラグ９，１０の中心線９ｂ，１０ｂ上において、中心電極中心９ａ，１０ａからピストン３の頂面３ａまでの距離２２ａ，２２ｂと、第１及び第２の点火プラグ９，１０のシリンダヘッド２からの突出量２３ａ，２３ｂとが略同一であるように構成されているため、前記第１及び第２のプラグ９，１０から燃焼室４を形成する面即ちピストン３の頂面３ａまでの距離が上下両方向で短くなり、火炎伝播距離が短くなるので、ノッキングの発生時期よりも短時間で燃焼を終了させることができ、ノッキングの発生をより一層抑制することが可能となる。
また、前記第１実施例と同様に、ノッキングを抑制するために第１の点火プラグ９と第２の点火プラグ１０の点火タイミングをずらしてもよく、具体的には第１の点火プラグ９を先に点火してから吸気側でノッキングが発生する前に該第１の点火プラグ９に遅れて第２の点火プラグ１０を点火してもよいし、点火の順序を逆にしてもよい。
【００２６】
以上のように、第２実施例によれば、シリンダヘッド２に該シリンダヘッド２上面と燃焼室４とを接続する２本の吸気ポート５を設け、燃料噴射弁８を該燃焼室４の略中央に臨むように配置すると共に、第１の点火プラグ９を燃料噴射弁８に隣接配置させ、更に２本の吸気ポート５，５間に位置し、燃焼室４の端縁部に臨む第２の点火プラグ１０を備えたことにより、リーン燃焼時の着火性が上がり、より少ない燃料でのリーン燃焼が可能になる。
また前記のように、燃焼室４を形成するピストン３がキャビティ燃焼室１３を有し、前記第１の点火プラグ９または第２の点火プラグ１０の点火時期において、第１及び第２の点火プラグ９，１０の中心線９ｂ，１０ｂ上において、中心電極中心９ａ，１０ａからピストン３の頂面３ａまでの距離２２ａ，２２ｂと、第１及び第２の点火プラグ９，１０のシリンダヘッド２からの突出量２３ａ，２３ｂとが略同一であるように構成されたことにより、燃焼室４を形成する面までの距離が上下両方向で短くなるので、火炎伝播距離を短くでき、ノッキングの発生をより一層抑制することができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上記載の如く本発明によれば、吸気通路が燃焼室からシリンダヘッド上面を連通するため、吸気ポートの形状に大きな影響を与えることなく燃焼室略中央と吸気通路間とに２本の点火プラグを配置することが可能になり、高出力を得ることができると共に、吸気側で発生するノッキングを抑制することができる。
また本発明によれば、燃料噴射弁が燃焼室内に直接燃料を噴射した際に、２本の点火プラグで点火することにより着火性が上がり、燃料消費量を減少させることができる。
【００２８】
また本発明によれば、内燃機関の通常運転時は第１の点火プラグを点火させ、冷態時及び／または高負荷時及び／またはアクセルを大きく踏み込んだ時等の加速時は、前記第１及び第２の点火プラグを点火させる制御方法を備えることにより、冷態時には排気ガス成分の低下が可能であると共に、高負荷時及び加速時には低中速回転時における吸気側のノッキングの発生を効率良く抑制することができる。
また本発明によれば、第１の点火プラグまたは第２の点火プラグの点火時期において、第１及び第２の点火プラグから吸気側に偏心したキャビティ燃焼室を有するピストン頂面までの距離と、第１及び第２の点火プラグのシリンダヘッドからの突出量とが略同一とされたことにより第１及び第２の点火プラグとの距離が略同一となるように配置されたことにより、燃焼室全体の火炎伝播距離が短くなるので、燃焼が短時間で成立し、ノッキングの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係る内燃機関の構造を示す要部断面図である。
【図２】図１におけるシリンダヘッド下面の平面略図である。
【図３】本発明の第２実施例に係る内燃機関の構造を示す要部断面図である。
【図４】図３におけるシリンダヘッド下面の平面略図である。
【図５】前記第２実施例における燃焼室近傍の要部拡大断面図である。
【符号の説明】
１ シリンダブロック
２ シリンダヘッド
３ ピストン
３ａ ピストン頂面
４ 燃焼室
５ 吸気ポート
６ 排気ポート
９ 第１の点火プラグ
９ａ 第１の点火プラグの電極中心（中心電極中心）
８ 燃料噴射弁
１０ 第２の点火プラグ
１０ａ 第２の点火プラグの電極中心（中心電極中心）
１１ 第１のプラグホール
１２ 第２のプラグホール
１３ キャビティ燃焼室
２０ 燃料噴射弁
２２ａ 第１の点火プラグの電極中心からピストンまでの距離
２２ｂ 第２の点火プラグの電極中心からピストンまでの距離
２３ａ 第１の点火プラグのシリンダヘッドからの突出量
２３ｂ 第２の点火プラグのシリンダヘッドからの突出量

Claims (4)

1. シリンダヘッド下面とピストン頂面とによって構成された燃焼室とシリンダヘッド上面とを連通してシリンダヘッドに形成される少なくとも２本の吸気通路と、前記燃焼室の略中央に配置されて前記シリンダヘッドに形成される第１のプラグホールと、該第１のプラグホールに設置される第１の点火プラグと、前記燃焼室の吸気側の壁部とシリンダヘッド側面とを連通するとともに前記２本の吸気通路の間に位置して前記シリンダヘッドに形成される第２のプラグホールと、該第２のプラグホールに設置される第２の点火プラグと、前記第１及び第２の点火プラグの点火時期を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする内燃機関。
2. 燃料噴射弁を、前記燃焼室の略中央に臨むように前記シリンダヘッドに配置するとともに、前記第１のプラグホールに隣接させて該第１のプラグホールよりも前記燃焼室の中央寄りに位置せしめたことを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
3. 前記制御手段は、前記内燃機関の通常運転時には前記第１の点火プラグを点火させ、前記内燃機関の冷態時及び／または高負荷時及び／または加速時には前記第１及び第２の点火プラグを点火させるように構成されたことを特徴とする請求項１または２の何れかの項に記載の内燃機関。
4. 前記ピストンには、吸気側に偏心してキャビティ燃焼室が設けられ、前記第１の点火プラグまたは前記第２の点火プラグは、該第１の点火プラグ及び第２の点火プラグと前記キャビティ燃焼室底面との距離と、前記第１及び第２の点火プラグのシリンダヘッドからの突出量とが略同一となるように配置されたことを特徴とする請求項２または３の何れかの項に記載の内燃機関。

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