JP2005171815A - 内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃焼室内にガス流動を生成する際に、着火性を向上させる。
【解決手段】 点火プラグ１３の側方電極１３ｂを、中心電極１３ａよりスワール流Ｓの下流側に配置する。スワール流コントロールバルブにより、燃焼室内にスワール流Ｓを発生させる。燃料噴射弁１２の噴孔１２ａ〜１２ｄから噴射された燃料を、スワール流Ｓにより混合気を形成させつつ、点火プラグ１３の側方電極１３ｂに輸送する。側方電極１３ｂは、混合気の流速を低下させ、着火性を向上させる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、内燃機関に関する。

火花点火式の内燃機関において、リーンバーンや大量ガス環流（ＥＧＲ）を可能にするため、または耐ノック性の向上等のために、例えば特許文献１に記載のように燃焼室内（筒内）にガス流動を生成する手段を有するものが知られている。
特開平６−２００７６５号公報

しかしながら、燃焼室内のガス流動を強化し続けると、燃焼速度が速くなっていく一方で、火花点火により形成された火炎核が火炎伝播に至る前に消炎し、失火する可能性が高くなってくる。そのため、従来の技術では火炎核の消炎による失火を起こさないためにガス流動の強さが制限されたものになっていた。
本発明は、このような問題に着目してなされたもので、燃焼室内にガス流動を生成する際に、着火性を向上させることを目的とする。

そのため本発明では、点火プラグの側方電極を、中心電極よりガス流動の下流側に配置した。

本発明によれば、点火プラグの側方電極を、中心電極よりガス流動の下流側に配置することにより、火花点火により火炎核が形成される点火プラグギャップ位置の流速が低下し、かつ点火プラグから離れた位置のガス流動には影響が少ないため、強いガス流動を保ったまま着火性を向上させることが可能となる。

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る内燃機関１をエンジン前方から見た構成を示す図である。図２は、この内燃機関１の燃焼室２の平面図である。図３は、点火プラグ１３の側面図である。
内燃機関１の燃焼室２は、シリンダヘッド３、シリンダブロック４及びピストン５によって形成される。

燃焼室２には、シリンダヘッド３に形成された吸気ポート６と排気ポート７とがそれぞれ連通している。そして、吸気ポート６からの吸気または排気ポート７からの排気を行うため、吸気バルブ８と排気バルブ９とがそれぞれ配設されている。吸気バルブ８は吸気バルブ用カム１０により、排気バルブ８は排気バルブ用カム１１により、それぞれ開閉駆動される。

燃焼室２上部の略中心には、燃料噴射弁１２がシリンダ軸方向の下向きに配設されている。燃料噴射弁１２は、複数の噴孔１２ａ〜１２ｄから燃料を噴射することで略円錐状の噴霧を形成する多噴孔式燃料噴射弁であり、燃焼室２内に直接燃料を噴射する。図２では、噴孔が１２ａ〜１２ｄまで４つ形成されている燃料噴射弁１２について示している。この噴孔の１つ（噴孔１２ａ）は、その中心軸が点火プラグギャップよりもややエンジン前方を指向して形成されている。燃料噴射弁１２は、各噴孔１２ａ〜１２ｄから燃料を外側に噴射する（矢印Ｄ１〜Ｄ４）。なお、噴射された燃料は、ピストン５の冠面の略中央付近に形成されたキャビティ５ａに衝突する。

燃焼室２上部の排気側には、点火プラグ１３がシリンダ軸と平行に配設されている。点火プラグ１３の電極は、図３に示す通り、中心電極１３ａと、側方電極１３ｂ及び下方電極１３ｃとから構成される。
側方電極１３ｂは、中心電極１３ａと平行に形成されており、側方電極１３ｂの下端から略直角に突出する下方電極１３ｃが形成されている。側方電極１３ｂは、中心電極１３ａよりも内燃機関１の後方（図１の奥側）に配置されている。中心点極１３ａは、下方電極１３ｃと対向しており、中心電極１３ａと下方電極１３ｃとの間で火花を発生させる。

なお、図２に示すように、点火プラグ１３は、燃焼室２の平面視にて、燃料噴射弁１２の複数の噴孔１２ａ〜１２ｄのうち円周方向で隣り合う噴孔１２ａ，１２ｂにおける各噴孔中心線の延長線同士の略中間に配置している。
また図１に示すように、吸気ポート６（吸気通路）内には、スワール流コントロールバルブ１４が設置されている。このバルブ１４には、バルブ１４の一部を欠いた切り欠き部１４ａが形成されており、バルブ１４の開閉作動により吸気ポート６の一部を塞ぐことで、燃焼室２内（筒内）にスワール流Ｓ（ガス流動）を生成する（図２）。このスワール流コントロールバルブ１４がガス流動生成手段となる。なお、ガス流動生成手段は、各気筒に２つの吸気バルブ８を有する場合、一方の吸気バルブ８を閉じて他方の吸気バルブ８を開くことで燃焼室２内にスワール流Ｓを生成するようにしてもよい。また、吸気ポート６をヘリカルポートにすることで燃焼室２内にスワール流Ｓを生成するようにしてもよい。

また、点火プラグ１３の側方電極１３ｂは、図２に示す通り、点火時期近傍においてスワールコントロール１４によって生成される点火プラグ電極付近のスワール流Ｓに対して、点火プラグ１３の中心電極１３ａよりも下流側に配置している。そして、点火プラグ１３の側方電極１３の少なくとも一部は、燃焼室２の平面視にて、中心電極１３ａにおけるスワール流Ｓの流れ方向と交差するようにしている。なお、点火プラグ１３の側方電極１３ｂの少なくとも一部は、燃焼室２の平面視にて、中心電極１３ａにおけるスワール流Ｓ及び燃料噴霧により形成された混合気の中心線と交差するようにしてもよい。

ここで、点火プラグ１３の側方電極１３ｂをスワール流Ｓに対して中心電極１３ａよりも下流側に配置（固定）するには、シリンダヘッド３および点火プラグ１３のネジの切り始め位置を予め規定して加工した後、一定のトルクをかけて締め付けることにより行う。
なお、この内燃機関１はエンジンコントロールユニット１５からの信号に基づいて、燃料噴射弁１２の燃料噴射時期（燃料噴射量）や点火プラグ１３の点火時期などの制御が行われる。

また、本内燃機関１では、燃焼形態として主に、圧縮行程中に燃料噴射を行うことで希薄な空燃比で運転を実現し燃費を向上させる成層運転モードと、吸気行程中に燃料噴射を行い理論空燃比で運転する均質運転モードとが設けられている。これらの運転モードは、運転状態（回転数、負荷）から予め定めておいた運転領域マップ等を参照して、現在の運転状態に応じて適切に選択される。

以下、第１の実施形態の成層運転モードにおける吸気行程から圧縮行程でのスワール流Ｓ及び燃料噴霧の状態について説明する。
吸気行程においては、新気の導入と共にスワール流コントロールバルブ１４により燃焼室２内にスワール流Ｓが形成される。
圧縮行程後半には、燃料噴射弁１２により燃料噴霧が行われる。この燃料噴霧は、吸気行程にて形成されたスワール流Ｓによって下流側に流される。スワール流Ｓに流された燃料噴霧は、周囲の空気と混合し、混合気となりつつ点火プラグ１３の側方電極１３ｂに到達し受け止められる。この時期に点火を行うことで、混合気が点火プラグ１３のプラグギャップに安定して存在し、かつスワール流Ｓが周囲に比べて弱まっているため、安定した燃焼を実現する。

ここで、点火プラグ１３の側方電極１３ｂは、図２ではスワール流Ｓの流れ方向に垂直に配置され、且つ燃料噴射弁１２からの燃料噴霧が点火プラグ１３の中心電極１３ａに供給されるように形成されているが、これに限定されない。
すなわち、点火時期近傍における点火プラグ１３付近のスワール流Ｓに対して、点火プラグ１３の側方電極１３ｂが中心電極１３ａより下流側に配置されるようにすればよい。例えば、図４に示すように、少なくとも点火プラグ１３の側方電極１３ｂの一部が、燃焼室２の平面視にて、中心電極１３ａにおけるスワール流Ｓの流れ方向Ｄ５と交差するように、側方電極１３ｂをＡ位置若しくはＢ位置のいずれか一方に配置されるようにしてもよい。

本実施形態によれば、燃焼室２上部に配設され側方電極１３ｂ及び中心電極１３ａを有する点火プラグ１３と、この燃焼室２内にガス流動Ｓ（スワール流）を生成するガス流動生成手段１４（例えば、スワール流コントロールバルブ）と、を有する内燃機関１において、点火プラグ１３の側方電極１３ｂは、点火時期近傍においてガス流動生成手段１４によって生成される点火プラグ電極付近のガス流動Ｓに対して、点火プラグ１３の中心電極１３ａよりも下流側に配置させる。このため、点火プラグ１３の側方電極１３ｂが点火プラグギャップ位置におけるガス流速を低下させることができる一方、ガス流動全体としては、強いガス流動を保ったまま着火性を向上させることが可能となる。

また本実施形態によれば、点火プラグ１３の側方電極１３ｂの少なくとも一部は、燃焼室２の平面視にて、中心電極１３ａにおけるガス流動Ｓの流れ方向と交差させる。このため、側方電極１３ｂが点火プラグギャップ位置におけるガス流速を十分に低下させることができ、着火性を向上させることが可能となる。
また本実施形態によれば、燃焼室２内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁１２を有する。このため、点火プラグ１３付近の混合気が側方電極１３ｂに受け止められる形となり、点火プラグギャップ位置に混合気が滞在しやすくなるため、更に着火性を向上させることが可能となる。

また本実施形態によれば、燃料噴射弁１２を、燃焼室２上部の略中心に配置する。このため、燃焼室２上部の略中央から噴射された燃料噴霧が、ガス流動Ｓと混合することで混合気の形成を促進することが可能となる。
また本実施形態によれば、燃料噴射弁１２は、複数の噴孔１２ａ〜１２ｄから燃料を噴射することで略円錐状の噴霧を形成する多噴孔式燃料噴射弁である。このため、混合気の形成を更に促進することが可能となる。

また本実施形態によれば、ガス流動手段は、燃焼室２内にスワール流Ｓを生成させる手段（例えばスワール流コントロールバルブ）であり、点火プラグ１３を、燃焼室２の平面視にて、複数の噴孔１２ａ〜１２ｄのうち円周方向で隣り合う噴孔１２ａ，１２ｂにおける各噴孔中心線の延長線同士の略中間に配置した。このため、燃料噴射弁１２による燃料噴霧は、ガス流動Ｓによって点火プラグ１３付近に運ばれ、点火プラグギャップ位置で側方電極１３ｂに受け止められ、安定した点火が可能となる。

また本実施形態によれば、点火プラグ１３の側方電極１３ａの少なくとも一部は、燃焼室２の平面視にて、中心電極１３ａにおけるスワール流Ｓ及び燃料噴霧により形成された混合気の中心線と交差するようにした。このため、中心電極１３ａにおいて混合気の流速を遅らせることができ、着火性を向上させることが可能となる。
次に、第２の実施形態について図を用いて説明する。

図５は、本発明の第２の実施形態に係る内燃機関１をエンジン前方から見た構成を示す図である。図６は、この内燃機関１をエンジン吸気側から見た図である。図７は、燃焼室２の平面図である。
本実施形態の内燃機関１は、燃焼室２内（筒内）にタンブル流Ｔを形成する場合において混合気（燃料）への着火性を向上させるためのものである。

点火プラグ１３は、燃料噴射弁１２の近傍（燃焼室２上部の略中心）に斜めに配設され、点火ギャップが燃焼室２の中心に位置している。
吸気ポート６（吸気通路）には、燃焼室２内に縦方向の旋回流であるタンブル流Ｔを生成させる手段として、吸気ポート６の入口側に、タンブル流コントロールバルブ２０が配設されている。このバルブ２０には、図示したように側面から見て吸気ポート６の流路中心より上部にオフセットして開口する切り欠き部２０ａが形成されている。このバルブ２０の開閉が制御されることにより、タンブル流Ｔが燃焼室２内に形成される。

燃料噴射弁１２は、燃焼室２に望む先端部を吸気側で且つエンジン後方に若干傾けて配置されている。点火プラグ１３は、燃焼室２側の先端を排気側で且つエンジン前方に傾けて配置されている。この燃料噴射弁１２には、複数の噴孔１２ａ〜１２ｄが形成されており、各噴孔１２ａ〜１２ｄから外側に向かって燃料が噴射される（図７に示すＤ１〜Ｄ４）。

点火プラグ１３の側方電極１３ｂは、図７に示すように排気側で且つエンジン後方に向けられている。この側方電極１３ｂの向きは、タンブル流Ｔと燃料の噴霧方向とのどちらに対しても下流側となるようにしている。そして、点火プラグ１３の側方電極１３ｂの少なくとも一部は、燃焼室２の平面視にて、タンブル流Ｔと混合した燃料噴霧による混合気の中心線と交差している。なお、点火プラグ１３の側方電極１３ｂの少なくとも一部は、燃焼室２の平面視にて、中心電極１３におけるタンブル流Ｔ及び燃料噴霧により形成された混合気の中心線と交差している。これにより、点火プラグ１３の側方電極１３ｂに燃料を確実に供給させ、着火性を向上させる。

以下、第２の実施形態の成層運転モードにおける吸気行程から圧縮行程でのタンブル流Ｔ及び燃料噴霧の状態について説明する。
吸気行程においては、新気の導入と共にタンブル流コントロールバルブ２０により燃焼室２内にタンブル流Ｔが形成される。
圧縮行程後半には、燃料噴射弁１２による燃料噴霧が行われる。この燃料噴霧は、吸気行程にて形成されたタンブル流Ｔによって下流側に流される。タンブル流Ｔに流された燃料噴霧は、周囲の空気と混合し、混合気となりつつ点火プラグ１３の側方電極１３ｂに到達し受け止められる。この時期に点火を行うことで、混合気が点火プラグ１３のプラグギャップに安定して存在し、かつタンブル流Ｔが周囲に比べて弱まっているため、安定した燃焼を実現する。

本実施形態によれば、ガス流動手段は、燃焼室２内にタンブル流Ｔを生成させる手段（例えば、タンブル流コントロールバルブ２０）であり、点火プラグ１３を、略円錐状の噴霧に対して、タンブル流Ｔの下流側に配置した。このため、燃料噴射弁１２による燃料噴霧は、タンブル流Ｔによって点火プラグ１３付近に運ばれ、点火プラグギャップ位置で側方電極１３ｂに受け止められるため、着火性を向上させることが可能になる。

また本実施形態によれば、点火プラグ１３の側方電極１３ｂの少なくとも一部は、燃焼室２の平面視にて、中心電極１３ａにおけるタンブル流Ｔ及び燃料噴霧により形成された混合気の中心線と交差させた。このため、点火プラグ１３の側方電極１３ｂに燃料を確実に供給でき、着火性を向上させることができる。
なお、本発明において、複数の側方電極１３ｂを持つ点火プラグ１３を使用する場合には、そのうちの１つをガス流動（スワール流Ｓ若しくはタンブル流Ｔ）または噴霧が指向する方向の下流側に配置してもよい。また、複数の点火プラグ１３を有する場合には、そのうちの少なくとも１つの側方電極１３ｂをガス流動または噴霧が指向する方向の下流側に配置してもよい。

第１の実施形態に係る内燃機関をエンジン前方から見た構成を示す図 内燃機関の燃焼室の平面図 点火プラグの側面図 点火プラグの側方電極をスワール流の流れ方向と交差するように配置した図 第２の実施形態に係る内燃機関をエンジン前方から見た構成を示す図 内燃機関をエンジン吸気側から見た図 燃焼室の平面図

符号の説明

１ 内燃機関
２ 燃焼室
３ シリンダヘッド
４ シリンダブロック
５ ピストン
６ 吸気ポート
７ 排気ポート
１２ 燃料噴射弁
１３ 点火プラグ
１３ａ 中心電極
１３ｂ 側方電極
１３ｃ 下方電極
１４ スワール流コントロールバルブ
１４ａ 切り欠き部
１５ エンジンコントロールユニット
２０ タンブル流コントロールバルブ
２０ａ 切り欠き部

Claims (9)

1. 燃焼室上部に配設され側方電極及び中心電極を有する点火プラグと、前記燃焼室内にガス流動を生成するガス流動生成手段と、を有する内燃機関において、
   前記点火プラグの側方電極は、点火時期近傍において前記ガス流動生成手段によって生成される前記点火プラグ電極付近のガス流動に対して、前記点火プラグの中心電極よりも下流側に配置していることを特徴とする内燃機関。
2. 点火プラグの側方電極の少なくとも一部は、燃焼室の平面視にて、前記中心電極におけるガス流動の流れ方向と交差することを特徴とする請求項１記載の内燃機関。
3. 燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を有することを特徴とする請求項１または請求項２記載の内燃機関。
4. 前記燃料噴射弁を、燃焼室上部の略中心に配置することを特徴とする請求項３記載の内燃機関。
5. 前記燃料噴射弁は、複数の噴孔から燃料を噴射することで略円錐状の噴霧を形成する多噴孔式燃料噴射弁であることを特徴とする請求項４記載の内燃機関。
6. 前記ガス流動手段は、前記燃焼室内にスワール流を生成させる手段であり、
   前記点火プラグを、燃焼室の平面視にて、前記複数の噴孔のうち円周方向で隣り合う噴孔における各噴孔中心線の延長線同士の略中間に配置したことを特徴とする請求項５記載の内燃機関。
7. 点火プラグの側方電極の少なくとも一部は、燃焼室の平面視にて、前記中心電極におけるスワール流及び燃料噴霧により形成された混合気の中心線と交差することを特徴とする請求項６記載の内燃機関。
8. 前記ガス流動手段は、前記燃焼室内にタンブル流を生成させる手段であり、
   前記点火プラグを、前記略円錐状の噴霧に対して、前記タンブル流の下流側に配置したことを特徴とする請求項５記載の内燃機関。
9. 点火プラグの側方電極の少なくとも一部は、燃焼室の平面視にて、前記中心電極におけるタンブル流及び燃料噴霧により形成された混合気の中心線と交差することを特徴とする請求項８記載の内燃機関。

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