JP2006177175A - 火花点火式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 複数のギャップ４２で同時に火花点火可能な火花点火式内燃機関で、着火性の更なる改善を図る。
【解決手段】 複数の電極４１が火花ギャップ４２を挟んで電気的に直列に配列された電極列と、これら電極４１の一つ４１Ａに電圧を印加する点火コイル部４３と、を有する。上記電極列として、ペントルーフ型の燃焼室１５の傾斜面に沿って配設され、燃焼室１５の上部からシリンダヘッド１４の下面１４Ａ近傍まで機関上下方向Ｌｃに延在する傾斜部４４Ａと、シリンダボア１１に取り付けられる垂直部４４Ｂと、ピストン１３の冠面上に取り付けられる水平部４４Ｃと、を設ける。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃焼室内の混合気を火花点火する火花点火式内燃機関に関し、特に、複数の電極が点火ギャップを挟んで直列に配列された電極列を備える内燃機関に関する。

特許文献１には、燃焼室内の混合気を火花点火する火花点火式内燃機関において、複数の電極が火花ギャップを挟んで電気的に直列に配列された電極列を設け、複数のギャップで実質的に同時に火花を発生させる技術が開示されている。このような同時多点点火を行うことにより、空燃比が３０程度の極めて希薄な燃焼を実現可能で、火花点火式内燃機関にける燃費性能を著しく向上することが可能である。

また、特許文献２には、機関停止状態で膨張行程にある気筒の燃焼室に燃料を噴射するとともに火花点火を行うことにより、スタータを用いることなく内燃機関を再始動する、いわゆるスタータレス始動の技術が開示されている。
特開２００２−７０５６１号公報 特開２００２−３９０３８号公報

本発明は、同時多点点火が可能な火花点火式内燃機関における着火性や燃焼安定性等の更なる改善を図ることを主たる目的としている。

本発明に係る火花点火式内燃機関は、シリンダブロックのシリンダボア内を昇降するピストンの冠面が、上記シリンダブロック上に固定されるシリンダヘッドの下面に凹設された燃焼室に臨んでおり、かつ、上記燃焼室内の混合気を火花点火する点火装置を備えている。上記点火装置は、複数の電極が火花ギャップを挟んで電気的に直列に配列された電極列と、上記複数の電極の一つに電圧を印加する電圧印加手段と、を有している。そして、上記電極列が、上記燃焼室の上部から少なくともシリンダヘッドの下面近傍にわたって機関上下方向に延在している。

電極列の複数の点火ギャップにより実質的に同時に火花点火が行われる点火装置を備えることにより、例えば空燃比が３０程度の極めて希薄な混合気であっても安定した燃焼が可能である。そして、燃焼室内に電極列を機関上下方向で幅広い範囲にわたって延在させているので、その点火ギャップが機関上下方向に幅広く配設されることとなる。従って、燃焼室の下方側に存在する混合気をも火花点火により安定して確実に着火させることが可能となり、着火性が著しく向上する。特に、部分負荷領域での燃費向上を図るために超希薄燃焼を行う場合や、ＥＧＲ装置によるＥＧＲ量を大量に付与している場合のように、燃焼が遅く点火時期を大幅に（例えば上死点からクランク角度で５０〜６０度程度）進角しており、ピストンが比較的に低い位置（上死点から遠い位置）で点火が行われる場合に、その着火性を有効に向上することができる。

また、スタータレス始動が可能な火花点火式内燃機関に適用した場合、スタータレス始動時には、噴射した燃料が燃焼室の下方側に偏在する傾向にあり、このようなスタータレス始動時における着火性を著しく改善できるとともに、スタータレス始動が可能なクランク角度範囲、つまりピストン位置を下方側へ拡大することができる。

以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。なお、本明細書においては、基本的に、シリンダ軸線Ｌｃに沿うピストン１３の往復移動方向を「上下」方向とし、ピストン上死点側を「上」側、下死点側を「下」側と呼ぶ。また、この上下方向に直交する方向を「水平」方向と呼ぶ。
図１は、本発明の一実施例に係る火花点火式内燃機関としてのガソリンエンジン１０のシステム構成図である。このエンジン１０は、気筒毎にシリンダボア１１が形成されたシリンダブロック１２と、シリンダボア１１内を昇降するピストン１３と、シリンダブロック１２上に固定されるシリンダヘッド１４と、を有し、シリンダヘッド１４の下面１４Ａに凹設された燃焼室１５に、ピストン１３の冠面が臨んでいる。

シリンダブロック１２には、ピストン１３の往復動に連動して回転する機関出力軸としてのクランクシャフト１６が支持されている。シリンダヘッド１４には、燃焼室１５内へ燃料を直接噴射する燃料噴射弁１７と、燃焼室１５内の混合気を火花点火する点火装置１８と、吸気通路２０を開閉する吸気弁２１と、排気通路２２を開閉する排気弁２３と、が設けられている。また、吸気通路２０には、吸気通路２０のコレクタ２５上流部の開度を調整するスロットル弁２６が設けられる。排気通路２２には、排気を浄化する三元触媒等の触媒２７が設けられる。また、排気の一部を吸気系へ還流するＥＧＲ装置２８が設けれている。このＥＧＲ装置２８は、排気通路２２と吸気通路２０のスロットル弁２６下流とを結ぶＥＧＲ通路２９と、このＥＧＲ通路２９の開度を調整することによりＥＧＲ量（率）を調整するＥＧＲ弁３０と、を有している。

エンジン制御部３１は、周知のように各種制御処理を記憶及び実行する機能を有しており、つまり、アクセル開度やエンジン回転数等の機関運転状態に基づいて、燃料噴射弁１７、点火装置１８、スロットル弁２６、ＥＧＲ弁３０、及び通常の機関始動時にクランクシャフト１６を回転駆動するスタータ（モータ）３５等に指令信号を出力し、その動作を制御する。上記のアクセル開度は例えばアクセルペダル３２の開度を検出するアクセル開度センサ３３により検出され、機関回転数は周知のクランク角センサ３４等により検出される。

図２を参照して、シリンダブロック１２とシリンダヘッド１４とはヘッドガスケット３６を挟んでヘッドボルト等により締結されている。燃料噴射弁１７はシリンダ軸線Ｌｃに対して吸気弁２１が設けられる吸気側（図２の左側）に偏心して配設されており、その噴射軸線（噴射方向）１７Ａが排気側を指向している。なお、この図２では明瞭化のために吸気弁及び排気弁を図示省略している。

上記の点火装置１８は、多数の電極４１が点火ギャップ４２を挟んで電気的に直列に配置された電極列（４４Ａ〜４４Ｃ）と、この電極列の一端に位置するプラグ電極４１Ａに電圧を印加する点火コイル部４３と、を有している。点火コイル部４３はシリンダ軸線Ｌｃ上の燃焼室１５頂部に設けられている。上記の電極列は、セラミック等の絶縁材からなる棒状をなす３つの碍子部４４Ａ〜４４Ｃにより構成されている。図４に示す示すように、各碍子部４４Ａ〜４４Ｃは、電極４１が燃焼室１５側に表出する姿勢で、シリンダヘッド１４、シリンダブロック１２及びピストン１３のそれぞれに埋設されている。電極４１は、白金系合金やイリジウム系合金等の導電性を有する貴金属からなり、上記の碍子部に固定され、あるいは蒸着処理等により格子部の表面にコーティングされる。

電極列としての碍子部４４Ａ〜４４Ｃは、シリンダヘッド１４の下面１４Ａに凹設されたペントルーフ型をなす燃焼室１５の傾斜面に沿って設けられ、燃焼室１５の上部、より詳しくは点火コイル部４３のある頂部付近からシリンダヘッド１４の下面１４Ａ近傍まで機関上下方向に延在する傾斜部４４Ａと、シリンダボア１１の壁面にシリンダ軸線Ｌｃ（機関上下方向）に沿って設けられた垂直部４４Ｂと、機関水平方向に沿うピストン１３の冠面上に設けられる水平部４４Ｃ（図３参照）と、により構成される。これらの碍子部４４Ａ〜４４Ｃは、燃料噴射弁１７の噴射方向１７Ａに面する排気側に沿って配置されている。

電極列の中で最も上端に位置するプラグ電極４１Ａには電線４６を介して点火コイル部４３より電圧が印加される。また、傾斜部４４Ａの下端の電極４１Ｂと垂直部４４Ｂの上端の電極４１Ｃとは火花ギャップ４２Ａを挟んで隣設している。つまり、これら２つの電極４１Ｂ，４１Ｃが飛火可能な程度に近接して配置されている。ピストン１３が所定位置、つまり図２に示すようにピストン１３の冠面が垂直部４４Ｂの高さ範囲内にあるときに、水平部４４Ｃの排気側端部の電極４１Ｄと垂直部４４Ｂの電極４１の一つとが火花ギャップ４２Ｂを挟んで近接するように設定されている。つまり、水平部４４Ｃの電極４１Ｄが垂直部４４Ｂの電極４１に飛火可能な程度に近接するようにピストン１３外縁近傍に配置されている。

この実施例では、機関停止状態で、スタータ３５によりクランクシャフト１６を回転駆動することなく、ピストン位置が膨張行程の上死点近傍の所定範囲にある気筒に対して燃料を噴射するとともに火花点火を行うことにより、この気筒内で燃焼を発生させて機関再始動を行う、いわゆるスタータレス始動を行うことができる。このようなスタータレス始動の技術自体は上記の特開２００２−３９０３８号公報に記載されているように公知であるので、ここでは簡単な説明に留める。

図５及び図６は上記のエンジン制御部３１により記憶及び繰り返し実行されるアイドルストップ及びスタータレス始動の制御の流れを示すフローチャートである。図５を参照して、ステップ（以下、図面上では単に「Ｓ」と記す）１及びステップ２では、機関運転状態に基づいて、所定のアイドルストップ条件が成立するかを判定する。例えばステップ１では暖機が終了したかを判定するために、水温Ｔｗが所定の暖機終了後水温Ｔｗａを越え、かつ、油温Ｔｏが所定の暖機終了後油温Ｔｏａを越えているかを判定する。ステップ２では、信号待ち等の車両一時停止状態であるかを判定する。例えば、車速が０でアイドルスイッチがＯＮであるかを判定する。これらのアイドルストップ条件が成立すると、ステップ３へ進み、燃料噴射を停止してエンジン停止、すなわちアイドルストップを行う。

図６を参照して、ステップ１１では、上記のアイドルストップ中であるかを判定する。アイドルストップ中であれば、ステップ１２へ進み、機関再始動要求を検出・判定する。例えば、アクセル開度ＡＰＯ又はこのアクセル開度ＡＰＯに基づいて演算される要求エンジントルクＱｅｎｇが０より高いか等を判定する。機関始動要求があると、ステップ１３へ進み、スタータレス始動が可能であるかを判定する。例えば、上記のクランク角センサ３４の信号に基づいて、機関停止状態でピストン１３が膨張行程での所定位置（例えば、圧縮上死点後所定角度範囲内）にある気筒が存在するかを判定する。

スタータレス始動が可能でなければステップ１４へ進み、スタータ３５によりクランクシャフト１６を回転駆動するとともに燃料噴射及び点火を行う通常のスタータ始動が行われる。スタータレス始動が可能であれば、ステップ１５へ進み、スタータレス始動を行う。つまり、ピストン１３が膨張行程での所定位置にある気筒に対して燃料を噴射するとともに点火装置１８により点火を行うことにより、当該気筒で燃焼を発生させて、スタータ３５を駆動することなく機関再始動を行う。

以上のように本発明の好ましい実施例について説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形・変更を含むものである。例えば、本発明は多気筒内燃機関であれば気筒数に関わらず適用できるが、好ましくは、スタータレス始動が容易な気筒数が６気筒以上のものに好適である。また、例えば図７に示すように、簡素化のためにピストン１３冠面に水平部（４４Ｃ）のない構成としても良い。

図８に示すように、吸気通路（吸気ポート）２０の形状等を適宜に設定することにより燃焼室１５内にタンブル流動Ｆｔを形成する、いわゆるタンブルコンセプトの内燃機関の場合には、上記実施例と同様、このタンブル流動Ｆｔに沿うように、電極列すなわち碍子部４４Ａ，４４Ｂを配置することが好ましい。具体的には、シリンダ軸線Ｌｃ（図２，図７参照）に沿って碍子部４４Ａ，４４Ｂを配列することが好ましい。一方、図９に示すように、吸気通路２０内にスワール弁４８を設けて燃焼室１５内にスワール流動Ｆｓを形成するスワールコンセプトの内燃機関の場合には、このスワール流動Ｆｓに沿うように電極列を斜めに配置することが好ましい。具体的には、碍子部４４Ａ’，４４Ｂ’が機関上下方向及び周方向の双方に延在するように、機関上下方向に対して螺旋状に配置すれば良い。

以上の実施例より把握し得る本発明の特徴的な技術思想及びその作用効果を、上記実施例を参照して説明する。但し、本発明は参照符号を付した実施例の構成に限定されるものではない。

（１）シリンダブロック１２のシリンダボア１１内を昇降するピストン１３の冠面が、上記シリンダブロック１２上に固定されるシリンダヘッド１４の下面１４Ａに凹設された燃焼室１５に臨んでおり、かつ、上記燃焼室１５内の混合気を火花点火する点火装置１８を備えた火花点火式内燃機関に関する。上記点火装置１８が、複数の電極４１が火花ギャップ４２を挟んで電気的に直列に配列された電極列（碍子部４４Ａ〜４４Ｃ）と、上記複数の電極４１の一つ４１Ａに電圧を印加する電圧印加手段（点火コイル部４３）と、を有する。このように複数の電極で実質的に同時に火花点火が可能な点火装置を備えることにより、例えば空燃比が３０程度の極めて希薄な混合気であっても安定した燃焼が可能で、燃費性能を著しく向上することができる。

そして、上記電極列が、燃焼室１５の上部から少なくともシリンダヘッド１４の下面１４Ａ近傍まで機関上下方向に延在している（傾斜部４４Ａ参照）。従って、燃焼室１５の下方側に存在する混合気をも安定して火花点火させることが可能となり、着火性及び燃焼安定性を更に向上することができる。特に、部分負荷領域で燃費向上を図るために超希薄燃焼を行う場合や、上記のＥＧＲ装置２８によるＥＧＲ量を大量に付与している場合のように、燃焼が遅く点火時期を大幅に（例えば上死点からクランク角度で５０〜６０度）進角している難燃状態での着火性を有効に向上することができる。

（２）また、機関停止状態でピストン１３が膨張行程にある気筒の燃焼室１５に対し、燃料を噴射するとともに火花点火を行うことにより内燃機関を再始動する、いわゆるスタータレス始動が可能な内燃機関に本発明は特に適している。この理由は、図２や図７に模式的に示すように、機関停止状態で再始動用に噴射した燃料Ｆは燃圧が低いために噴霧微粒化が十分に行われないので、その燃料Ｆは自重によりピストン１３の冠面へ向けて落下するので、比較的燃焼室１５の下方に偏在することとなる。このため、従来のように点火ギャップが燃焼室の上方のみに位置していると、スタータレス始動時での着火が極めて困難であるのに対し、本発明では点火ギャップが機関上下方向に沿って燃焼室の下方側へ延在しているため、スタータレス始動時における着火性能を著しく改善することができる。また、ピストンが比較的低い（上死点から遠い）位置にある場合にも着火が可能となり、スタータレス始動が可能なクランク角度範囲、すなわちピストン位置を下死点側へ拡大することができる。

（３）より好ましくは、燃焼室１５内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁１７を備え、この燃料噴射弁１７の噴射方向１７Ａに面する側に上記電極列（４４Ａ〜４４Ｃ）が配置されている。従って、図２や図７に示すように、燃料噴射弁１７より噴射される燃料Ｆが偏在する側に電極列が配置されることとなり、その着火性が更に向上する。

（４）好ましくは、電極列として、ペントルーフ型をなす燃焼室１５の傾斜面に沿って傾斜部４４Ａを設ける。このようにペントルーフ型燃焼室１５の傾斜面に沿って傾斜部４４Ａを設けることにより、燃焼室１５内に棒状の電極を張り出させることなく、燃料室１５の上部からシリンダヘッド１４の下面１４Ａ近傍にわたって電極及び点火ギャップを配列することができる。

（５）より好ましくは、電極列として、上記シリンダボア１１の壁面に機関上下方向Ｌｃに沿って垂直部４４Ｂを設ける。これにより、点火ギャップ４２をシリンダブロック１２のシリンダボア１１に沿って更に機関下方側へ配置することができる。従って、ピストン１３位置が低い場合での着火性を更に向上することができる。

また、傾斜部４４Ａの下端の電極４１Ｂと垂直部４４Ｂの上端の電極４１Ｃとを火花ギャップ４２Ａを挟んで隣設させている。従って、これらの傾斜部４４Ａ及び垂直部４４Ｂが一連の電極列を構成し、一つの電圧印加手段を共用することができる。つまり、複数の点火コイル部を設けることのない簡素な構成で、燃焼室１５の傾斜面からシリンダボア１１の壁面にかけて点火ギャップ１２を配列することができる。

（６）スタータレス再始動時に噴射した燃料は燃圧が低いために噴霧微粒化が十分に行われず着火が困難であり、また燃圧不足により燃料を燃焼室の上部付近に噴射することができず、燃料Ｆが自重により落下し、ピストン冠面付近に溜まり易い。また、スタータレス再始動時に限らず、通常の機関始動後にも早期暖機を目的とした燃料増量時等には、未燃燃料がピストン冠面に液滴として残ると、ＨＣ（ハイドロカーボン）の増加を招くおそれがある。そこで好ましくは図２に示すように、電極列として、ピストン１３の冠面上に水平部４４Ｃを設ける。このような水平部４４Ｃを設けることによって、上記のスタータレス再始動時の着火性を更に高めることができるとともに、ピストン１３の冠面上に付着・滞留する燃料を速やかに燃焼させることが可能となり、上記の未燃ＨＣの排出量を大幅に低減することができる。

また、水平部４４Ｃの一端の電極４１Ｄと垂直部４４Ｂの電極４１の一つとが火花ギャップ４２Ｂを挟んで近接可能であるので、傾斜部４４Ａ〜垂直部４４Ｂ〜水平部４４Ｃにわたって、一つの電圧印加手段（点火コイル部４３）により火花点火される一連の電極列を構成することができる。つまり、複数の点火コイル部を設けることのない簡素な構成で、燃焼室１５の壁面からシリンダボア１１の壁面及びピストン１３の冠面にわたって多数の点火ギャップ４２を配設することができる。

本発明の一実施例に係る火花点火式内燃機関のシステム構成図。 上記火花点火式内燃機関の要部を示す断面対応図。 上記火花点火式内燃機関のピストン冠面を示す平面対応図。 図２のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図。 本実施例のアイドルストップ制御の流れを示すフローチャート。 本実施例の機関再始動制御の流れを示すフローチャート。 ピストンの冠面に水平部のない例を示す断面対応図。 スワールコンセプトの内燃機関に好適な電極列の配置を示す模式図。 タンブルコンセプトの内燃機関に好適な電極列の配置を示す模式図

符号の説明

１０…エンジン
１１…シリンダボア
１２…シリンダブロック
１３…ピストン
１４…シリンダヘッド
１５…燃焼室
１６…クランクシャフト
１７…燃料噴射弁
１８…点火装置
４１…電極
４２…点火ギャップ
４３…点火コイル部
４４Ａ〜４４Ｃ…碍子部（電極列）
４４Ａ…傾斜部
４４Ｂ…垂直部
４４Ｃ…水平部

Claims (6)

1. シリンダブロックのシリンダボア内を昇降するピストンの冠面が、上記シリンダブロック上に固定されるシリンダヘッドの下面に凹設された燃焼室に臨んでおり、かつ、上記燃焼室内の混合気を火花点火する点火装置を備えた火花点火式内燃機関において、
   上記点火装置が、複数の電極が火花ギャップを挟んで電気的に直列に配列された電極列と、上記複数の電極の一つに電圧を印加する電圧印加手段と、を有し、
   上記電極列が、上記燃焼室の上部から少なくともシリンダヘッドの下面近傍にわたって機関上下方向に延在していることを特徴とする火花点火式内燃機関。
2. 機関停止状態でピストンが膨張行程における所定位置にある気筒の燃焼室に対し、燃料を噴射するとともに火花点火を行うことにより内燃機関を再始動する再始動手段を有することを特徴とする請求項１に記載の火花点火式内燃機関。
3. 上記燃焼室内に直接燃料を噴射する燃料噴射弁を備え、この燃料噴射弁の噴射方向に面する側に上記電極列が配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の火花点火式内燃機関。
4. 上記電極列が、ペントルーフ型をなす燃焼室の傾斜面に沿って設けられる傾斜部を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の火花点火式内燃機関。
5. 上記電極列が、上記シリンダボアの壁面に機関上下方向に沿って設けられる垂直部を有し、
   上記傾斜部の下端の電極と上記垂直部の上端の電極とが火花ギャップを挟んで隣設していることを特徴とする請求項４に記載の火花点火式内燃機関。
6. 上記電極列が、上記ピストンの冠面上に設けられる水平部を有し、
   上記水平部の一端の電極と上記垂直部の電極の一つとが火花ギャップを挟んで近接可能であることを特徴とする請求項５に記載の火花点火式内燃機関。

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