JP2006291798A

JP2006291798A - 内燃機関の燃焼室構造

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Publication number: JP2006291798A
Application number: JP2005111931A
Authority: JP
Inventors: Masaru Tanaka; 大田中; Keisuke Nagakura; 啓介長倉; Yusaku Fukuoka; 祐作福岡; Akihito Miyamoto; 彰仁宮本
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2005-04-08
Filing date: 2005-04-08
Publication date: 2006-10-26
Anticipated expiration: 2025-04-08
Also published as: JP4379370B2

Abstract

【課題】内燃機関の燃焼安定性が損なわれる事態を未然に防ぐことができるようにする。
【解決手段】筒内噴射型内燃機関１０の燃焼室１１に向けて突設された一端に中心電極２１を備えた点火プラグ２０と、点火プラグ２０の一端に指向して燃料を噴射する燃料噴射弁１９とを備える。そして、点火プラグ２０の一端において中心電極２１に近接し且つこの中心電極２１と燃料噴射弁１９との間に形成され燃料噴射弁１９から噴射される燃料を受け止める被噴射部２３と、この被噴射部２３に形成された連通部２６とを備えて構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、筒内噴射型（又は直噴型）の内燃機関に用いて好適な、内燃機関の燃焼室構造に関するものである。

従来より、層状希薄燃焼運転が可能な筒内噴射型（直噴型）のガソリンエンジンが実用化されている。一般的に、このような筒内噴射型のガソリンエンジンにおいては、ピストン上面に凹部が形成され、ピストンが上死点付近に位置する際に、このピストン上面の凹部へ向けて燃料を噴射できるようにインジェクタが配設されるとともに、ピストン上面の凹部内に点火プラグの先端が位置するように点火プラグが配設されている。

これにより、燃焼室内へ噴射された燃料は、点火プラグ回りにおいては空燃比が比較的リッチとすることができ、一方、点火プラグから離れた箇所においては超リーンの雰囲気を形成することで、燃焼室内に層状希薄状態を形成し、この状態で点火プラグが点火することで、燃焼室全体としてはリーンな空燃比が形成されるものの、安定して運転できるようになっている。

一方、上述の一般的な筒内噴射型のエンジンとは別に、スプレーガイド方式と呼ばれる筒内噴射型ガソリンエンジン（以下、「スプレーガイド直噴エンジン」という）も開発されている。
このスプレーガイド直噴エンジンは、点火プラグへ向けて燃料を直接的に噴射することで、燃焼室内に層状希薄状態を形成することができる筒内噴射型のガソリンエンジンであって、例えば、以下の特許文献１においてその技術が開示されている。
特開平１０−５４２４６号公報

しかしながら、スプレーガイド直噴エンジンは、上述のように、一般的なポート噴射型のエンジンや一般的な筒内噴射型エンジンとは異なり、燃料を直接点火プラグに対して噴射するため、噴射された燃料の霧化が十分でない場合には、液滴化した燃料が点火プラグに付着することでカーボンとなり、燃焼安定性が損なわれる。特に、インジェクタと点火プラグが近接された場合には、燃料の気化時間が取れず、更に燃焼安定性が悪化する傾向にある。

また、スプレーガイド直噴エンジンにおいて燃焼安定性を向上させるためには、点火プラグと燃料噴射装置とを総合的にチューニングする必要があるが、この点、図８〜図１１を用いて説明する。
図８は、一般的なスプレーガイド方式の直噴エンジン（以下、「スプレーガイド直噴エンジン」という）１００の燃焼室１０１を主に示す模式的な断面図である。

この燃焼室１０１は、シリンダヘッド１０２の下面１０２Ａと、シリンダブロック１０３のシリンダライナ１０４と、ピストン１０５の上面１０５Ａとによって囲まれて形成されている。
また、シリンダヘッド１０２には、吸気ポート１０６を開閉する吸気バルブ１０７と排気ポート１０８を開閉する排気バルブ１０９とが設けられ、さらに、このシリンダヘッド１０２には、吸気ポート１０６と排気ポート１０８との間に燃焼室１０１へ突出するように点火プラグ１１０とインジェクタ１１１とが設けられている。

また、このインジェクタ１１１は、点火プラグ１１０の下端１１０ａへ指向してガソリンを噴射するものであって、点火プラグ１１０回りにストイキオに近似した雰囲気を形成するとともに点火プラグ１１０から離れた箇所においてはリーンの雰囲気を形成することで、燃焼室１０１内に層状希薄状態の雰囲気を形成することができるようになっている。
また、点火プラグ１１０の下端１１０ａ側には、中心電極１１２および側極１１３が設けられ、これらの中心電極１１２と側極１１３との間でスパークを生じさせるようになっている。

ところが、インジェクタ１１１からの燃料噴射方向に対する側極１１３の位置を常に一定とすることは困難であって、これにより、燃焼安定性にバラつきが生じてしまうという課題がある。
つまり、点火プラグ１１０には雄ネジ部１１０ｂが形成され、この雄ネジ部１１０ｂがシリンダヘッド１０２に形成された雌ネジ部１０２ｂに螺合されることで、点火プラグ１１０がシリンダヘッド１０２に固定されるようになっているが、この雄ネジ部１１０ｂと雌ネジ部１０２ｂとの螺合が完了した時点で、側極１１３の先端（即ち、点火プラグ１１０の一端）１１０ａがどのような方向で配設されているかは、点火プラグ１１０の雄ネジ部１１０ｂやシリンダヘッド１０２の雌ネジ部１０２ｂによってまちまちである。

この点をもう少し具体的に説明すると、例えば、図９に示すように、側極１１３の先端１１０ａがインジェクタ１１１からの燃料噴射方向に対して反対となるように配設された場合と、図１０に示すように、側極１１３の先端１１０ａが燃料噴射方向に対して直交するように配設された場合と、図１１に示すように、側極１１３の先端１１０ａが燃料噴射方向と同じになるように配設された場合とでは、それぞれ、燃焼特性が異なる。この燃焼特性の違いを図１２に示す。なお、図９に示す場合の点火プラグ１１０の取り付け角度を基準（０度）とし、図１０に示す場合を９０度あるいは２７０度、また、図１１に示す場合を１８０度として説明する。

図１２中、符号Ａ₁₀₁で示す領域は図９に示すように点火プラグ１０７の取り付け角度を０度とした場合に安定燃焼が成立する燃料噴射時期−点火時期の組み合わせを示している。
また、符号Ａ₁₀₂で示す領域は図１０で示すように点火プラグ１０７の取り付け角度を９０度あるいは２７０度とした場合に燃焼が安定する燃料噴射時期を示している。

そして、符号Ａ₁₀₃で示す領域は図１１で示すように点火プラグの取り付け角度を１８０度とした場合に燃焼が安定する燃料噴射時期および点火時期を示している。
つまり、点火プラグ１１０の取り付け角度が一定とはならないことを考慮した上で、エンジン１００の燃焼安定性を確保するためには、これら領域Ａ₁₀₁〜Ａ₁₀₃がオーバラップする領域Ａ₁₀₀の範囲内でしか燃料噴射時期および点火時期を制御することができないということになる。

そして、このような狭い領域Ａ₁₀₀の範囲内に限って燃料噴射時期および点火時期を制御するということは現実的ではなく、実際には、このような狭い領域Ａ₁₀₀の範囲外においてエンジンを運転せざるを得ない場合が生じており、燃焼安定性が損なわれてしまっているという課題がある。
本発明はこのような課題に鑑み案出されたもので、燃焼安定性が損なわれる事態を未然に防ぐことができる、筒内噴射型内燃機関の燃焼室構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の筒内噴射型内燃機関の燃焼室構造（請求項１）は、筒内噴射型内燃機関の燃焼室に向けて突設された一端側に中心電極を備えた点火プラグと、該点火プラグの該一端側に指向して燃料を噴射する燃料噴射弁とを備えた、筒内噴射型内燃機関の燃焼室構造であって、該点火プラグの該一端側において該中心電極に近接し且つ該中心電極と該燃料噴射弁との間に形成され、該燃料噴射弁から噴射される燃料を受け止める被噴射部と、該被噴射部に形成され該中心電極側と該燃料噴射弁側とを連通させる連通部とを備えることを特徴としている。

また、請求項２記載の本発明の筒内噴射型内燃機関の燃焼室構造は、請求項１記載の内容において、該被噴射部は、該中心電極の全周を取り囲んで形成されていることを特徴としている。
また、請求項３記載の本発明の筒内噴射型内燃機関の燃焼室構造は、請求項１または２記載の内容において、該中心電極の先端部を除いて該中心電極を被覆する中心電極絶縁部が設けられ、該連通部は、該中心電極に近接した該中心電極絶縁部に対向する位置に形成されていることを特徴としている。

また、請求項４記載の本発明の筒内噴射型内燃機関の燃焼室構造は、請求項１〜３いずれか１項に記載の内容において、該点火プラグの側面外周に形成され該燃焼室に対して該点火プラグを固定するケース部が設けられ、該被噴射部は、該ケース部と一体に形成されていることを特徴としている。
また、請求項５記載の本発明の筒内噴射型内燃機関の燃焼室構造は、請求項１〜４いずれか１項に記載の内容において、該連通部が複数設けられていることを特徴としている。

また、請求項６記載の本発明の筒内噴射型内燃機関の燃焼室構造は、請求項１〜４いずれか１項に記載の内容において、該中心電極と対向して位置する側極が、該被噴射部に設けられていることを特徴としている。

本発明の筒内噴射型内燃機関によれば、燃料噴射弁から噴射される燃料が点火プラグの一端側に形成された被噴射部によって受け止められることにより、十分に霧化されていない燃料が直接中心電極に接触することを防ぎ、燃焼安定性が損なわれる事態を未然に防ぐことができる
また、万が一、碍子部（絶縁部）がカーボン汚損した場合でも燃焼室内で生じた火炎が連通部を通じて碍子部に到達するので、付着したカーボンを焼ききることが可能となる。これにより、点火プラグのスパーク性能の低下を防ぎ、燃焼安定性の低下を防ぐことができる。

また、中心電極に近接して形成された被噴射部は高温となっているが、この高温の被噴射部によって燃料が受け止められることにより、霧化されている燃料はもとより、十分に霧化されていない燃料であっても気化させることが可能となり、さらに、この気化した燃料を連通部を通じて中心電極近傍に到達させることができるため、燃焼安定性が損なわれる事態を未然に防ぐことができる。（請求項１）
また、被噴射部が中心電極の全周を取り囲むように形成されているので、点火プラグの取り付け角度に関わらず、安定した燃焼を確保することができる（請求項２）。

また、中心電極がその先端部を除いて中心電極絶縁部によって被覆され、また、この中心電極絶縁部に対向する位置に連通部が形成されているので、万が一、十分に霧化していない燃料が連通部を通過したとしても、この燃料が中心電極に到達することを防ぐことができる（請求項３）。
また、被噴射部をケース部と一体に形成することで、点火プラグの生産性を高めることができる（請求項４）。

また、連通部を複数設けることにより、被噴射部に受け止められて気化した燃料を容易に中心電極近傍に到達させることができる。（請求項５）
また、側極を被噴射部に設けることで、点火プラグの生産性を高めることとともに、側極が連通部を阻害することがない。（請求項６）

以下、図面により、本発明の一実施形態に係る筒内噴射型内燃機関の燃焼室構造について説明すると、図１はその全体構成を示す模式的な断面図、図２は被噴射部が設けられた点火プラグを示す斜視図、図３（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ被噴射部が設けられた点火プラグを示す模式図、図４は燃焼室のシリンダヘッド下面を示す模式図であって点火プラグの取り付け角度が０度である場合を示す図、図５は燃焼室のシリンダヘッド下面を示す模式図であって点火プラグの取り付け角度が９０度である場合を示す図、図６は燃焼室のシリンダヘッド下面を示す模式図であって点火プラグの取り付け角度が１８０度である場合を示す図、図７はプラグの取り付け角度に応じた燃焼安定性を示す模式的なグラフである。

図１に示すように、スプレーガイド方式の直噴エンジン（以下、「スプレーガイド直噴エンジン」という）１０の燃焼室１１は、シリンダヘッド１２の下面１２Ａと、シリンダブロック１３のシリンダライナ１３Ａと、ピストン１４の上面１４Ａにより囲まれて形成されている。
シリンダヘッド１２には、吸気ポート１５を開閉する吸気バルブ１６と、排気ポート１７を開閉する排気バルブ１８とがそれぞれ設けられるとともに、吸気ポート１５と排気ポート１７との間には、燃焼室１１へ突出するように、点火プラグ２０とインジェクタ１９とが近接して設けられている。

このインジェクタ１９は、点火プラグ２０のシュラウド２３（後述する）へ指向してガソリン（燃料）を噴射するものであって、点火プラグ２０の周辺にストイキオに近似した雰囲気を形成するとともに、点火プラグ２０から離れた箇所においてはリーンの雰囲気を形成することで、燃焼室１１内に層状希薄状態の雰囲気を形成することができるようになっている。

点火プラグ２０の一端には、中心電極２１および側極２２が設けられ、これらの中心電極２１と側極２２との間でスパークが生じるようになっている。また、図２および図３（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、中心電極２１の先端部を除いてこの中心電極２１を被覆する碍子部（中心電極絶縁部）２４が設けられている。
また、この点火プラグ２０には、雄ネジが形成された金属製のケース部２５が設けられ、シリンダヘッド１２に形成された雌ネジ部１２Ａに対して螺合できるようになっている。

さらに、この点火プラグ２０の中心電極２１側（一端側）には、中心電極２１に近接して且つ中心電極２１とインジェクタ１９との間で、中心電極２１の全周を取り囲んで形成され、このインジェクタ１９から噴射されるガソリンを受け止めるシュラウド（被噴射部）２３が形成されている。
また、このシュラウド２３は、中心電極２１の全周を取り囲んで形成されており、さらに、ケース部２５と一体に形成されている。

そして、このシュラウド２３には、円形の穴部（連通部）２６が４つ形成されている。なお、シュラウド２３において側極２２が固着されている位相を０度とした場合、これらの穴部２６は、０度、９０度、１８０度および２７０度の位置にそれぞれ形成されている。また、これらの穴部２６は、碍子部２４に対向する位置に形成されている。
本発明の一実施形態に係る筒内噴射型内燃機関の燃焼室構造は上述のように構成されているので、以下のような作用および効果を奏する。

インジェクタ１９からガソリンが噴射されると、このガソリンが点火プラグ２０の一端に形成されたシュラウド２３によって受け止められる。これにより、十分に霧化されていないガソリンが、直接、中心電極２１に付着することを防ぎ、スプレーガイド直噴エンジン１０の燃焼安定性を向上させることができる。特に、本実施形態のようにインジェクタ１９と中心電極２１が近接しており、燃料の気化時間を取れない場合、シュラウド２３が燃料の気化を促進して燃焼安定性を向上させることができる。

また、万が一、十分に霧化されていないガソリンが碍子部２４に付着してカーボンとなった場合であっても、燃焼室１１内で生じた火炎を穴部２６を通じて碍子部２４に到達させることができるので、付着したカーボンを焼ききることが可能となる。これにより、点火プラグ２０のスパーク性能の低下を防ぎ、燃焼安定性の低下を防ぐことができる。
また、中心電極２１に近接して形成されたシュラウド２３は高温となっているため、この高温のシュラウド２３により、インジェクタ１９から噴射されたガソリンが受け止められることにより、霧化されているガソリンはもとより、十分に霧化されていないガソリンであっても気化させることができ、さらに、この気化したガソリンを穴部２６を通じて中心電極２１近傍に到達させることができるため、スプレーガイド直噴エンジン１０燃焼安定性を向上させることができる。

また、シュラウド２３が中心電極２１の全周を取り囲むように形成されているので、点火プラグ２０の取り付け角度に関わらず、安定した燃焼を確保することができる。
この点について、図４〜図６を用いて説明すると、例えば、図４に示すように、側極２２の先端２２ａがインジェクタ１９からのガソリンＧの噴射方向とは反対に配設された場合（点火プラグ２０取り付け角度＝０度）と、図５に示すように、側極２２の先端２２ａがガソリンＧの噴射方向に対して直交するように配設された場合（点火プラグ２０取り付け角度＝９０または２７０度）と、図６に示すように、側極２２の先端２２ａがガソリンＧの噴射方向と同じになるように配設された場合（点火プラグ２０取り付け角度＝１８０度）と、それぞれ点火プラグ２０の取り付け角度がまちまちである場合でも、実質的に同様の燃焼特性を得ることができる。

つまり、図７に示すように、符号Ａ₁で示す領域は、点火プラグ２０の取り付け角度を０度とした場合に（図４参照）、燃焼が安定する燃料噴射時期および点火時期を示し、また、符号Ａ₂で示す領域は点火プラグ２０の取り付け角度を９０度あるいは２７０度とした場合に（図５参照）、燃焼が安定する燃料噴射時期および点火時期を示し、さらに、符号Ａ₃で示す領域は点火プラグ２０の取り付け角度を１８０度とした場合に（図６参照）、燃焼が安定する燃料噴射時期および点火時期を示している。

この図７からも読み取れるように、点火プラグ２０の取り付け角度がまちまちであっても、これらのｎ領域Ａ₁〜Ａ₃がオーバラップする領域Ａ₀（即ち、燃料噴射時期および点火時期が制御できる領域）を広く確保することができる。この点、従来の燃焼特性を示す図１２における領域Ａ₁₀₀と比較すると、本発明のオーバラップする領域Ａ₀が大きく確保できていることは一目瞭然である。

したがって、このような広い領域Ａ₀の範囲内で燃料噴射時期および点火時期を自在に制御することを可能にしながら、且つ、燃焼安定性が損なわれる事態を未然に防ぐことができる。
また、中心電極２１がその先端部を除いて碍子部２４によって被覆され、また、この碍子部２４に対向する位置に穴部２６が形成されているので、万が一、十分に霧化していないガソリンが穴部２６を通過したとしても、このガソリンが中心電極２１に到達することを防ぐことができる。

また、シュラウド２３がケース部２５と一体に形成されているので、点火プラグ２０の生産性を向上させることができる。
また、穴部２６を複数設けることにより、シュラウド２３に受け止められて気化したガソリンを容易に中心電極近傍２１へ到達させることができる。
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は係る実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

上述の実施形態においては、穴部２６を４つ形成した場合を例にとって説明したが、例えば、４つよりも少ない数の穴部を形成してもよいし、４つよりも多い数の穴部を形成してもよい。
また、上述の実施形態においては、穴部２６を円形とした場合を例にとって説明したが、円形に限定するものではなく、例えば、楕円形や多角形の穴やスリットとしてもよい。

本発明の一実施形態に係る筒内噴射型内燃機関の燃焼室構造の全体構成を示す模式的な断面図である。本発明の一実施形態に係る筒内噴射型内燃機関の燃焼室構造の点火プラグを示す模式的な斜視図である。本発明の一実施形態に係る筒内噴射型内燃機関の燃焼室構造の点火プラグを示す図であって、（Ａ）はその模式的な上面図、（Ｂ）はその模式的な正面図、（Ｃ）はその模式的な側面図である。本発明の一実施形態に係る筒内噴射型内燃機関の燃焼室構造の燃料噴射弁と点火プラグとの関係を示す模式図である。本発明の一実施形態に係る筒内噴射型内燃機関の燃焼室構造の燃料噴射弁と点火プラグとの関係を示す模式図である。本発明の一実施形態に係る筒内噴射型内燃機関の燃焼室構造の燃料噴射弁と点火プラグとの関係を示す模式図である。本発明の一実施形態に係る筒内噴射型内燃機関の燃焼室構造において、点火時期と燃料噴射時期との関係を点火プラグの配設角度に応じて示す模式的なグラフである。従来の筒内噴射型内燃機関の燃焼室構造の全体構成を示す模式的な断面図である。従来の筒内噴射型内燃機関の燃焼室構造において、燃料噴射弁と点火プラグとの関係を示す模式図である。従来の筒内噴射型内燃機関の燃焼室構造において、燃料噴射弁と点火プラグとの関係を示す模式図である。従来の筒内噴射型内燃機関の燃焼室構造において、燃料噴射弁と点火プラグとの関係を示す模式図である。従来の筒内噴射型内燃機関の燃焼室構造において、点火時期と燃料噴射時期との関係を点火プラグの配設角度に応じて示す模式的なグラフである。

符号の説明

１０エンジン（筒内噴射型内燃機関）
１１燃焼室
１９インジェクタ（燃料噴射弁）
２０点火プラグ
２１中心電極
２３シュラウド（被噴射部）
２４碍子部（中心電極絶縁部）
２５ケース部
２６穴部

Claims

筒内噴射型内燃機関の燃焼室に向けて突設された一端側に中心電極を備えた点火プラグと、該点火プラグの該一端側に指向して燃料を噴射する燃料噴射弁とを備えた、筒内噴射型内燃機関の燃焼室構造であって、
該点火プラグの該一端側において該中心電極に近接し且つ該中心電極と該燃料噴射弁との間に形成され、該燃料噴射弁から噴射される燃料を受け止める被噴射部と、
該被噴射部に形成され該中心電極側と該燃料噴射弁側とを連通させる連通部とを備える
ことを特徴とする、筒内噴射型内燃機関の燃焼室構造。
該被噴射部は、該中心電極の全周を取り囲んで形成されている
ことを特徴とする、請求項１記載の筒内噴射型内燃機関の燃焼室構造。
該中心電極の先端部を除いて該中心電極を被覆する中心電極絶縁部が設けられ、
該連通部は、該中心電極に近接した該中心電極絶縁部に対向する位置に形成されている
ことを特徴とする、請求項１または２記載の筒内噴射型内燃機関の燃焼室構造。
該点火プラグの側面外周に形成され該燃焼室に対して該点火プラグを固定するケース部が設けられ、
該被噴射部は、該ケース部と一体に形成されている
ことを特徴とする、請求項１〜３いずれか１項に記載の筒内噴射型内燃機関の燃焼室構造。
該連通部が複数設けられている
ことを特徴とする、請求項１〜４いずれか１項に記載の筒内噴射型内燃機関の燃焼室構造。
該中心電極と対向して位置する側極が、該被噴射部に設けられていることを特徴とする求項１〜５いずれか１項に記載の筒内噴射型内燃機関の燃焼室構造。