JP2005133680A - ガソリン内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】熱損失の増加を抑制しつつ、ノッキングを抑制することを目的とする。
【解決手段】シリンダヘッド１に、燃焼室４と連通する吸気ポート６と排気ポート７並びに、これら吸、排気ポート６、７を開閉する吸気弁８と排気弁９とを備える。燃焼室内で混合気に点火する点火栓１０ａ、１０ｂを、その点火する位置が燃焼室内で移動可能に設け、機関回転速度または機関負荷の少なくとも一方に応じて、点火火炎のシリンダ内周壁への到達時期が全周域で概略等しくなるように、点火位置を移動させる。
【選択図】図１

Description

本発明はノックキングを抑制できるようにしたガソリン内燃機関の改良に関する。

複数の点火栓を備えたガソリン内燃機関が特許文献１に開示されている。

この内燃機関では、シリンダヘッドに配置した複数の点火栓で点火することにより、燃焼速度を速め、ノッキングを回避するものであり、とくにシリンダ内周壁に近い点火栓により火花点火することにより、壁面近傍の混合気をより早く燃焼させ、エンドガス（未燃焼ガス）の自着火によるノックキングを回避している。
特開平０８−００４６４１号公報

しかしながら、上記のようなガソリン内燃機関では、シリンダ壁面近傍の点火栓の点火による燃焼により、シリンダ壁近傍のガス温度が上昇し、シリンダ壁を通しての熱損失が増大する傾向があった。この結果、ノッキングは回避できても、熱損失による燃費の悪化が避けられないという問題が生じる。

本発明は熱損失の増加を抑制しつつ、ノッキングを抑制することを目的とする。

本発明のガソリン内燃機関は、リンダヘッドに、燃焼室と連通する吸気ポートと排気ポート並びに、これら吸、排気ポートを開閉する吸気弁と排気弁とを備える。燃焼室内で混合気に点火する点火栓を、その点火位置が燃焼室内で移動可能に設け、機関回転速度または機関負荷の少なくとも一方に応じて、点火火炎のシリンダ内周壁への到達時期が全周域で概略等しくなるように、点火位置を移動させる。

したがって、点火栓による点火位置を、機関回転速度に応じて、あるいは機関負荷に応じて移動させることにより、燃焼火炎のシリンダ内周壁への到達を、シリンダ内周壁の全域でほぼ等しくし、エンドガスの偏りを少なくして、ノックキングの発生を抑制することができる。また、燃焼火炎のシリンダ内周壁への到達が略均一化されるので、局部的な温度上昇がなく、熱損失も小さくできる。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図１において、１はシリンダヘッド、２はシリンダブロック、３はピストン、４はこれらにより区画形成された燃焼室４である。

シリンダヘッド１には吸気ポート６と排気ポート７とが、それぞれ２つづつ形成され、これら吸気ポート６と排気ポート７とが燃焼室４と接続する部位に、それぞれ一対づつの吸気弁８と排気弁９が配置され、機関回転に同期して回転する図示しないカム機構を介して、吸気ポート６と排気ポート７とを開閉する。

燃料は吸気ポート６に設置した図示しない燃料噴射弁から吸入空気量に応じて噴射されるか、あるいは図示しないが、シリンダヘッド１に設置した燃料噴射弁により、燃焼室内に直接的に噴射される。

図１（Ｂ）に示すように、 シリンダヘッド１には、この実施形態では、気筒列方向（多気機関におけるシリンダ配列方向）の中心線Ｃ上に位置して、２つの点火栓１０ａと１０ｂが並列して配置される。また図にもあるように、吸気弁８は前記中心線Ｃを挟んで対称位置に、同じく排気弁９も中心線Ｃを挟んで対称位置に配置される。

点火栓１０ａ、１０ｂは、図示しないコントロールユニットからの点火信号に基づいて点火され、基本的には、低回転時には排気弁側の点火栓１０ａが点火され、高回転時に吸気弁側の点火栓１０ｂが点火されるようになっている。

機関の吸気行程で吸気弁８が開弁すると、ピストン３の下降に伴い、２つの吸気ポート６から燃焼室内に新気が導入され、この導入新気は、燃焼室内で並列的な縦方向の渦、すなわち図１（Ａ）において、矢印Ｆで示すような、タンブル流動を生起する。

吸気は、吸気ポート６の軸線方向から、対向する排気ポート方向に向けてシリンダ内に流入するが、対向するシリンダ壁面に当たり、ピストン移動方向、つまりシリンダ中心軸線方向に向けられ、さらにピストン３の頂面に当たり、ピストン３の上昇に伴い、再び上昇していくガス流動となる。

このタンブル流動は圧縮行程から膨張行程にかけても維持され、ピストン３の上昇により押し潰されていき、圧縮行程の後半には、とくに図１（Ｂ）で示すように、並列するタンブル流動は、燃焼室４の平面的に見ると、吸気ポート６から流入して、点火栓１０ａ、１０ｂの両側を、吸気弁８から排気弁９の方向に向けて流れ、シリンダ内周壁面に沿って外側へと反転しながら旋回し、再び吸気弁側に向かう流れを形成する。

この流れは機関回転速度が高くなるほど強くなり、流れの勢いが増す。

したがって、ピストン３の圧縮上死点近傍で点火栓１０ａまたは１０ｂによる点火が行われ、混合気に着火すると、火炎はこのガス流動に乗って燃焼室中心部から周辺に向けて伝播していくため、流れの下流側、つまり吸気弁８から排気弁９に向かう流れにより、火炎は吸気弁側よりも排気弁側の燃焼室内壁に早く到達しやすくなる。

また、燃焼室内の壁面温度は、一般的には排気側が高く、吸気側が低い。火炎は筒内温度の影響を受け、温度の高い側で速度が大きくなりやすく、この点からも、排気弁側に火炎が速く進み、吸気弁側にはエンドガスが溜まりやすくなる。

図２はこのよう様子をシュミレーションしたものであり、燃焼室中心部に配置した単一の点火栓により、点火を行った場合を示す（なお、図２では、図１に対して、吸気弁と排気弁の位置関係が逆になっていて、吸気弁側をINT.排気弁側をEXT.として示してある）。

図２（Ａ）は、点火後に、時間の経過（左側の図が、右側の図よりも速い時期のものを示す）に伴い拡散する火炎帯の様子を示し、図２（Ｂ）は、エンドガスの化学反応進行度を示す。火炎の進行は排気弁側に速く進み、吸気弁側にはエンドガスの蓄積が観察される。したがって、この場合には、吸気弁側のエンドガスは、運転条件によっては（例えば低回転高負荷時に）化学反応の進行度が高まり、自着火を起こし、ノッキングを生じることがある。

本発明では、点火栓１０ａ、１０ｂの点火を切り換え制御することにより、このような火炎の到達に差異が生じるのを防ぎ、シリンダ内周壁の全域に対して、でるだけ同時に火炎が到達するようにしている。

すなわち、前記したタンブル流動により火炎が、排気弁側のシリンダ内周壁に向けて押し流され、とくに機関回転速度が高くなるほどこの傾向が強まるので、低回転時には排気弁側の点火栓１０ａにより点火していたものを、高回転時には吸気弁側の点火栓１０ｂによる点火に切り換える。

図３には、点火位置を燃焼室中心（燃焼室平面上）から吸気弁側に移動したときの、エンドガスの化学反応進行度の変化する様子を示す。吸気弁側に移動することで、図２の吸気弁側のエンドガスの化学反応進行度が遅くなり、このためノックキングが発生する時期もそれだけ遅くなる。ノックキングの発生時期が遅れるということは、それだけノックキングが発生しにくくなることを意味する。

図４には、点火時期を燃焼室中心から吸気弁側に移動したときの、ノックキング発生時期と、ノックキング発生時における残燃料量（未燃焼燃料量）の関係を示す。点火位置を移動することで、ノッキングの発生時期は遅れ、しかもノックキング発生時の残燃料量も減少し、仮にノックキングが発生したとしてもノックキング強度そのものが低下することになる。

なお、図１（Ｂ）において、点火栓１０ａ、１０ｂは、燃焼室中心に対して、略対称位置に配置されているが、シリンダヘッド１の設置スペース的に可能であれば、タンブル流動の影響を考えて、予め、排気弁側の点火栓１０ａについても、燃焼室中心付近に配置し、吸気弁側の点火栓１０ｂは、より吸気弁側のシリンダ内周壁に近づけるように配置してもよい。したがって、上記の各説明では、点火栓１０ａについては、排気弁側の点火栓とし呼んでいるが、必ずしも、このことは燃焼室中心よりも意図的に点火栓１０ａを排気弁側に偏らせて配置することを意味するのではなく、吸気弁側にある点火栓１０ｂとの相対位置関係から、排気弁側にあるために、排気弁側の点火栓と名付けただけである。

ところで、燃焼室内のガス流動は、機関回転速度に応じて変化するだけでなく、機関負荷に応じてもその強さが変化する。つまり、機関負荷が増加すると、シリンダ内に流入する新気の吸入量が増加し、これに応じてガス流動も強められる。

したがって、回転速度が同じならば、負荷が高くなるほど、燃焼室内での火炎は排気弁側に押し流され、吸気弁側のエンドガスの蓄積が大きくなる。

したがって、コントロールユニットによる点火栓１０ａと１０ｂの点火動作の切り換えは、機関負荷に応じても行うようにしてもよく、低負荷では排気弁側の点火栓１０ａで点火し、高負荷では吸気弁側の点火栓１０ｂで点火を行う。

なお、この点火栓１０ａ、１０ｂの切り換えは、回転速度と負荷の両方関係に基づいて切り換えることもでき、この場合、低回転・高負荷あるいは高回転・低負荷では、どちらの点火栓１０ａ、１０ｂで点火するかの選択は、よりノックキングが発生しやすい条件を優先させればよく、前者、後者とも、点火栓１０ｂによる点火とすればよい。

また、２つの点火栓１０ａ、１０ｂに限らず、さらに多くの点火栓を配置し、運転条件に応じて順次、点火位置を移動させるようにしてもよい。

このように本実施形態によれば、点火栓１０ａ、１０ｂの点火する位置を、機関回転速度に応じて、あるいは機関負荷に応じて切り換えることにより、燃焼火炎のシリンダ内周壁への到達を、シリンダ内周壁の全域でほぼ等しくなるようにすることができ、このためエンドガスの偏りが少なくなり、ノックキングの発生を抑制することができる。

また、点火栓１０ａ、１０ｂの点火位置は、燃焼室内のガス流動の方向、強さに応じて移動させられ、とくにガス流動が強くなるほどその上流側に向けて移動させられるので、上流側のシリンダ内周壁に偏りやすいエンドガスの偏りを防ぐことができ、ノックキングの抑制を効果的に行える。

また、点火栓１０ａ、１０ｂの点火位置は、燃焼室壁面温度の高い側から低い側に向けて移動させられるので、壁面温度の低い側に偏りやすいエンドガスの偏りを防ぎ、ノックキングの抑制が図れる。

また、点火栓１０ａ、１０ｂの位置をそれぞれ一対の吸、排気弁８、９の間で、かつ気筒列方向のほぼ中心線上に配置することで、２つのタンブル流動の間で、安定的に点火を行い、かつ均等な火炎の伝播が実現でき、シリンダ内周壁の全域に対する火炎到達時期をなお一層均一化でき、確実にノックキングの回避が行える。

図５に示す第２の実施形態を説明する。

この実施形態では、シリンダヘッド１には、燃焼室４のほぼ中心部に位置して点火栓１１を配置するが、点火栓１１には２つの中心電極１２ａと１２ｂを設け、側方電極１３との間での火花放電を、選択的に行えるようにしている。

この場合、中心電極１２ａと１２ｂは、気筒列方向の中心線Ｃ上に配置され、一方は排気弁側、他方は吸気弁側に位置する。

この他の構成は、図２と同じであり、したがって、この場合には、運転条件によってコントロールユニットからの信号で、中心電極１２ａまたは１２ｂと、側方電極１３との間で火花が飛ぶ方向を切り換えることができる。

これにより、高回転側または高負荷側では、吸気弁側の中心電極１２ｂで点火することで、エンドガスの偏りを減らし、ノックキングを効果的に抑制することができる。

この場合、単一の点火栓１１により点火位置が変更できるので、点火栓１１の設置スペースが小さく、吸、排気弁８、９との干渉が少なく、これらの吸、排気弁８、９の設計の自由度を高められる。

図６に示す第３の実施形態を説明する。

この実施形態では、シリンダヘッド１には、燃焼室４の側方であって、一対の排気弁９の間に位置して、レーザによる点火を行うレーザ点火栓１４が設けられる。レーザ点火栓１４はレーザの照射方向が、気筒列中心線Ｃ上に略一致するように配置され、レーザの焦点位置が、コントロールユニットからの信号により、自由に調整できるよう、焦点距離が変更自在なレンズを備えている。

この他の構成は、図２と同じであり、したがってこの場合には、運転条件によってコントロールユニットからの信号で、レーザ点火栓１４が照射するレーザの焦点位置を変更することにより、点火位置を無段階に移動させることができる。

これにより、上記と同じく、高回転側または高負荷側では、燃焼室中心よりも吸気弁側にずらした位置で点火させ、火炎の到達をシリンダ内周壁面に対して全域的にほぼ等しくし、エンドガスの偏りを防ぎ、ノックキングの抑制を行える。

この場合、点火位置については、運転条件に応じて無段階に移動させられるので、ノックキングを抑制するのに最適な点火位置に制御することができる。

上記いずれの実施形態においても、吸気弁８と排気弁９をそれぞれ２つ備える場合を例示したが、吸気弁８と排気弁９がそれぞれ１つであってもよく、この場合でも、吸気弁８と排気弁９の位置に依存して生起される筒内ガス流動に応じて、点火された火炎のシリンダ内周壁に到達する時期が、全周的にほぼ等しくなるように、点火位置を移動させればよく、このような関係を満たすように、吸気弁８と排気弁９の位置との関係に基づいて、点火栓の配置も変更される。

本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、その技術的思想の範囲内で当業者がなしうるさまざまな改良、変更をも含むものである。

本発明は自動車用、産業用など、さまざまな内燃機関に適用できる。

本発明の第１の実施形態を示し、（Ａ）は燃焼室の断面図、（Ｂ）は燃焼室の平面図である。 （Ａ）は燃焼室内での火炎の伝播特性を示し、（Ｂ）はエンドガスの化学反応進行度を示す説明図である。 点火位置に応じての未燃ガスの化学反応進行度とノックキング発生時期の関係を示す説明図である。 点火位置に応じてのノッキングの発生時期と残燃料量の関係を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態を示し、（Ａ）は内燃機関の断面図、（Ｂ）は燃焼室平面図である。 本発明の第３の実施形態を示し、（Ａ）は内燃機関の断面図、（Ｂ）は燃焼室平面図である。

符号の説明

１ シリンダヘッド
２ シリンダブロック
３ ピストン
４ 燃焼室
６ 吸気ポート
７ 排気ポート
８ 吸気弁
９ 排気弁
１０ａ 点火栓
１０ｂ 点火栓
１１ 点火栓
１４ レーザ点火栓

Claims (11)

1. シリンダヘッドに、燃焼室と連通する吸気ポートと排気ポート並びに、これら吸、排気ポートを開閉する吸気弁と排気弁とを備えたガソリン内燃機関において、
   燃焼室内で混合気に点火する点火栓を、その点火位置が燃焼室内で移動可能に設け、
   機関回転速度または機関負荷の少なくとも一方に応じて、点火火炎のシリンダ内周壁への到達時期が全周域で概略等しくなるように、点火位置を移動させるようにしたことを特徴とするガソリン内燃機関。
2. 前記燃焼室には複数の点火栓が配置され、機関回転速度または機関負荷の少なくとも一方に応じて、点火する点火栓が切り換えられる請求項１に記載のガソリン内燃機関。
3. 前記燃焼室には単一の点火栓が設けられ、点火栓には複数の電極が備えられ、機関回転速度または機関負荷の少なくとも一方に応じて、点火する電極が切り換えられる請求項１に記載のガソリン内燃機関。
4. 前記燃焼室には焦点距離が調整自由なレーザ点火栓が配置され、機関回転速度または機関負荷の少なくとも一方に応じて、焦点位置を調整して点火位置を移動させる請求項１に記載のガソリン内燃機関
5. 前記点火栓の点火位置は、燃焼室内のガス流動の方向、強さに応じて移動させられる請求項１〜４のいずれか一つに記載のガソリン内燃機関。
6. 前記点火栓の点火位置は、前記ガス流動が強くなるほどその上流側に向けて移動させられる請求項５に記載のガソリン内燃機関。
7. 前記点火栓の点火位置は、燃焼室壁面温度の高い側から低い側に向けて移動させられる請求項６に記載のガソリン内燃機関。
8. 前記点火栓は、燃焼室に配置した吸気弁と排気弁との間において点火し、機関回転速度が高くなるほど、吸気弁側に点火位置を移動させられる請求項１〜４のいずれか一つに記載のガソリン内燃機関。
9. 前記点火栓は、燃焼室に配置した吸気弁と排気弁との間において点火し、機関負荷が高くなるほど、吸気弁側に点火位置を移動させられる請求項１〜４のいずれか一つに記載のガソリン内燃機関。
10. 前記点火栓は、燃焼室に配置した吸気弁と排気弁との間において点火し、少なくとも機関低回転・高負荷時と、機関高回転・低負荷時には、吸気弁側に点火位置を移動させられる請求項１〜４のいずれか一つに記載のガソリン内燃機関。
11. 前記点火栓の点火位置は、機関の気筒列方向の中心線に沿って移動させられる請求項１〜１０のいずれか一つに記載のガソリン内燃機関。

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