JP2007064175A

JP2007064175A - 筒内噴射式火花点火内燃機関

Info

Publication number: JP2007064175A
Application number: JP2005254873A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Ashizawa; 剛芦澤
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2005-09-02
Filing date: 2005-09-02
Publication date: 2007-03-15
Also published as: CN1924317A; US20070051333A1; DE102006040819A1

Abstract

【課題】燃料噴射弁から気筒内へ噴射されて吸気と混合しながら気筒内を飛行する燃料により形成される混合気流れを点火プラグにより確実に着火燃焼させて良好な成層燃焼を実現する筒内噴射式火花点火内燃機関を提供する。
【解決手段】燃料噴射弁から噴射されて吸気と混合しながら気筒内を飛行する燃料により形成される混合気流れを点火プラグ２により着火燃焼させる筒内噴射式火花点火内燃機関において、点火プラグは、中心電極２ａと、略Ｌ字形断面を有する他方電極２ｃとを有し、中心電極と他方電極との間の点火ギャップは三方向に開口しており、混合気流れが、開口のうちの互いに対向する二方向の開口２２ｂ，２３ｂを通って点火ギャップを通過するように、点火プラグが配置されている。
【選択図】図５

Description

本発明は、筒内噴射式火花点火内燃機関に関する。

圧縮行程で噴射された燃料によって気筒内の一部だけに可燃混合気を形成し、この可燃混合気を点火プラグによって着火燃焼させることにより、気筒内全体の空燃比を理論空燃比よりリーンとした燃焼を可能とする成層燃焼が公知である。成層燃焼時において点火時期には点火プラグの点火ギャップを可燃混合気内に位置させなければならず、そのために、可燃混合気を形成するための噴射燃料をピストン頂面に形成されたキャビティによって点火プラグ方向へ偏向させることが提案されているが、このためには、燃料噴射時期がピストン位置の制限を受けることとなる。

このような制限なしに燃料噴射時期を設定可能とするために、気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁から燃料を噴射し、吸気と混合しながら気筒内を飛行する燃料により混合気流れを形成し、これを点火プラグにより着火燃焼させるようにした筒内噴射式火花点火内燃機関が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この筒内噴射式火花点火内燃機関において、点火プラグの接地電極は中心電極より燃料噴射弁側に位置するようにされており、それにより、混合気流れは、接地電極に衝突し、接地電極の裏側に位置する中心電極には直接衝突しない。こうして、中心電極は、混合気流れに含まれる液状燃料より濡らされることがなく、失火が発生しないとしている。

実開平４−１０７４８５実開平２−１４７４特開平６−４２３５２

前述の筒内噴射式火花点火内燃機関において、確かに、中心電極は液状燃料により濡らされることはない。しかしながら、この一方で、接地電極と中心電極との間の点火ギャップに混合気流れが接触するとは限らず、混合気流れの着火に失敗することがある。

従って、本発明の目的は、燃料噴射弁から気筒内へ噴射されて吸気と混合しながら気筒内を飛行する燃料により形成される混合気流れを点火プラグにより確実に着火燃焼させて良好な成層燃焼を実現する筒内噴射式火花点火内燃機関を提供することである。

本発明による請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁と点火プラグとを具備し、前記燃料噴射弁から噴射されて吸気と混合しながら気筒内を飛行する燃料により形成される混合気流れを前記点火プラグにより着火燃焼させる筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記点火プラグは、中心電極と、略Ｌ字形断面を有する他方電極とを有し、前記中心電極と前記他方電極との間の点火ギャップは三方向に開口を有しており、前記混合気流れが、前記開口のうちの互いに対向する二方向の開口を通って前記点火ギャップを通過するように、前記点火プラグが配置されていることを特徴とする。

本発明による請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記燃料噴射弁は、気筒上部略中心に配置され、平面視において略放射状に、斜め下向きの複数の方向に燃料を噴射するものであり、前記複数の方向のうちの一つの方向に噴射されて吸気と混合しながら気筒内を飛行する燃料により形成される混合気流れが、前記開口のうちの互いに対向する二方向の開口を通って前記点火ギャップを通過するように、前記点火プラグが配置されていることを特徴とする。

本発明による請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、点火プラグにおいて、中心電極と略Ｌ字形断面を有する他方電極との間の点火ギャップは三方向に開口を有しており、燃料噴射弁から噴射されて吸気と混合しながら気筒内を飛行する燃料により形成される混合気流れが、開口のうちの互いに対向する二方向の開口を通って点火ギャップを通過するように、点火プラグが配置されている。それにより、混合気流れが、点火プラグの他方電極に垂直に衝突して他方電極により妨げられて点火ギャップを通過しないようなことはなく、点火ギャップを通過する混合気流れを点火プラグによって確実に着火燃焼させて良好な成層燃焼を実現することができる。

点火ギャップを通過する混合気流れは、飛行中の吸気との混合により、点火ギャップの通過に際して、液状燃料割合が少なくなっており、失火を発生させるほど中心電極を濡らすことはなく、また、点火ギャップにおいて発生するアークは、混合気流れと共に下流側へ伸ばされるために、点火ギャップを通過後の混合気流れも同時に着火させることができ、このように広い範囲で混合気流れを着火させることにより混合気流れの着火性をさらに向上させることができる。もし、混合気流れが互いに対向する二つの開口以外のもう一つの開口を通り点火ギャップへ侵入するようにされていると、点火ギャップにおいて発生したアークは、他方電極により妨げられて下流側へ伸びることができず、このように着火性を向上させることはできない。

また、本発明による請求項２に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、燃料噴射弁は、気筒上部略中心に配置され、平面視において略放射状に、斜め下向きの複数の方向に燃料を噴射するものであり、複数の方向のうちの一つの方向に噴射されて吸気と混合しながら気筒内を飛行する燃料により形成される混合気流れが、開口のうちの互いに対向する二方向の開口を通って点火ギャップを通過するように、点火プラグが配置されている。それにより、噴射期間前半に複数の方向に噴射された燃料によってそれぞれ形成された混合気流れは、点火時期において吸気との混合が進行して液状燃料を殆ど含まない混合気としてピストン頂面近傍に環状に繋がっており、噴射期間後半に一方向に噴射された燃料により形成された混合気流れは、点火時期において、点火ギャップを通過してアークを下流側へ伸ばすために、確実に広範囲に渡って着火燃焼させられ、この火炎によって環状に繋がる混合気も確実に燃焼するために、良好な成層燃焼を実現することができる。

図１は本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の実施形態を示す概略縦断面図であり、図２はピストン側から見たシリンダヘッドの底面図である。図１及び２において、１は気筒上部略中心に配置されて気筒内へ直接的に燃料を噴射するための燃料噴射弁であり、２は燃料噴射弁５の近傍に配置された点火プラグである。３は一対の吸気弁、４は一対の排気弁である。吸気弁３に比較して排気弁４の方が小さく、点火プラグ２は二つの排気弁４の間のスペースに配置されている。５はピストンである。

燃料噴射弁１は、平面視において略放射状に、斜め下向きの複数の方向に燃料を噴射するものであり、本実施形態においては、六方向に燃料を噴射するようになっている。図３は図１の点火プラグ近傍の拡大図であり、図４は図３の点火プラグの側面図である。図３及び４に示すように、点火プラグ２の先端には、中心軸線上の中心電極２ａと、中心電極２ａとの間に点火ギャップ２ｂを形成する他方電極２ｃとが設けられている。一般的には、他方電極は接地電極であるが、中心電極が接地電極となることもある。他方電極は、点火プラグ２の中心軸線と略平行な平行部２１ｃと、略垂直な垂直部２２ｃとを有し、図４に示すように略Ｌ字形断面形状を有している。

こうして、点火プラグ２の点火ギャップ２ｂは、他方電極２ｃの平行部２１ｃ及び垂直部２２ｃにより二方向が閉鎖されるが、三方向の開口を有している。これらのうちの一つの開口は、正面開口２１ｂであり、他方電極２ｃの平行部２１ｃに垂直な方向の開口である。また、これらのうちの残り二つの開口は、側面開口２２ｂ及び２３ｂであり、他方電極２ｃの平行部２１ｃに平行な方向の開口であり、互いに対向している。

燃料噴射弁１は、通常の丸孔噴孔を有して、各方向に柱状に燃料を噴射するものである。こうして柱状に噴射される燃料は、気筒内を飛行中に吸気と混合しながら吸気との摩擦により気化して図１及び２に示すように円錐状に拡がる混合気流れとなる。成層燃焼時においては、圧縮行程後半に燃料噴射が実施され、噴射期間前半に噴射された燃料は、点火時期において、吸気と十分に混合すると共に気化して混合気となり、同様に隣接して形成される他の噴射燃料の混合気と繋がり、図１及び２に示すように、ピストン頂面近傍に環状の混合気が形成される。

一方、各噴射方向において、噴射期間後半に噴射された燃料は、燃料噴射完了直後の点火時期において、円錐状に拡がる混合気流れとして環状の混合気に繋がっている。こうして、円錐状に拡がる混合気流れの一つを点火プラグ２により着火燃焼させれば、その火炎が環状の混合気に伝播され、また、他の円錐状に拡がる混合気流れは、燃焼している環状の混合気内へ進行して燃焼するために、全ての噴射燃料は確実に燃焼させられて、気筒内全体としては理論空燃比によりリーンな成層燃焼を良好に実現することができる。

本実施形態においては、吸気と混合しながら円錐状に拡がる混合気流れの一つを確実に着火燃焼させるために、図３と、図２の点火プラグ近傍の拡大図である図５とに示すように、点火プラグ２の点火ギャップ２ｂの三つの開口のうちの互いに対向する二つの側面開口２２ｂ及び２３ｂを通って、吸気と混合して気筒内を飛行する燃料により形成される混合気流れが点火ギャップ２ｂを通過するように、点火プラグ２が配置されている。すなわち、点火ギャップ２ｂを通過する混合気流れの一部に対して、点火プラグ２の他方電極２ｃの平行部２１ｃ及び垂直部２２ｃがいずれも略平行となるように、点火プラグ２が配置されている。本実施形態においては、混合気流れが円錐形状となるために、矢印で示す燃料噴射方向に対して、点火プラグ２の他方電極２ｃの平行部２１ｃ及び垂直部２２ｃは平行とはならずに、若干傾くこととなる。

もし、図６に示すように、点火プラグ２の他方電極２ｃの平行部２１ｃが混合気流れに対向するように、点火プラグ２が配置されていると、混合気流れは、点火プラグ２の他方電極２ｃの平行部２１ｃに垂直に衝突して分流し、図６に示すように、平行部２１ｃの裏側に位置する点火ギャップ２ｂを通過しないことがあり、この場合には、点火ギャップにおいてアークが発生しても混合気流れを着火させることができないことがある。

これに対して、本実施形態では、図３及び図５に示すように、点火プラグ２の点火ギャップ２ｂを確実に混合気流れが通過するために、点火ギャップにおいて発生するアークによって混合気流れを確実に着火燃焼させることができる。点火ギャップ２ｂを通過する混合気流れは、飛行中に吸気と混合された燃料により形成されるために、失火を発生させるほど中心電極２ａを濡らすような多量の液状燃料を含んではいない。

また、図３に示すように、点火ギャップ２ｂにおいて発生するアークＡは、混合気流れと共に下流側へ伸ばされるために、点火ギャップ２ｂを通過後の混合気流れも同時に着火させることができ、このように広い範囲で混合気流れを着火させることにより混合気流れの着火性をさらに向上させることができる。もし、混合気流れが正面開口２１ｂを通り点火ギャップ２ｂへ侵入するように点火プラグ２が配置されていると（図６の点火プラグの配置とは点対称となる配置）、点火ギャップ２ｂにおいて発生したアークは、他方電極２ｃにより妨げられて下流側へ伸びることができず、このように混合気流れの着火性を向上させることはできない。

こうして、本実施形態において、噴射期間前半に複数の方向に噴射された燃料は、圧縮行程末期の点火時期において、混合気としてピストン頂面近傍に環状に繋がっており、噴射期間後半に複数の方向に噴射された燃料により形成される混合気流れの一つが点火ギャップ２ｂを通過するようにし、この混合気流れによりアークＡを下流側へ伸ばして、この混合気流れを確実に着火燃焼させることにより、この火炎によって環状に繋がる混合気も確実に燃焼させ、良好な成層燃焼を実現することができる。

本実施形態において、点火プラグ２の点火ギャップ２ｂには、円錐形状に拡がる混合気流れの外周部が通過するようにしている。円錐形状の混合気流れの外周部は、中心部から気化しながら外側へ拡散した燃料により形成されており、それにより、混合気流れが点火ギャップ２ｂを通過する際に液状燃料により中心電極２ａが濡らされる可能性を少なくしている。もちろん、燃料噴射弁１から点火プラグ２までの距離がある程度長くされれば、円錐形状の混合気流れの中心部は、吸気との十分な混合によって、液状燃料の割合が少なくなっており、この場合には、円錐形状の混合気流れの中心部が点火プラグ２の点火ギャップ２ｂを通過するようにしても良い。この場合においては、燃料噴射方向に対して、点火プラグ２の他方電極２ｃの平行部２１ｃ及び垂直部２２ｃは略平行となる。

本実施形態において、燃料噴射弁１は六方向に燃料を噴射するものとしたが、もちろん、これは本発明を限定するものではない。燃料噴射方向の数は任意に設定可能であり、例えば、燃料噴射弁１から一方向にしか燃料を噴射しない場合にも本願発明は適用可能である。また、本実施形態においては、燃料噴射弁は柱状に燃料を噴射するものとしたが、扁平扇形状又は円錐形状に燃料を噴射しても良い。いずれにしても、燃料噴射弁から噴射されて吸気と混合しながら気筒内を飛行する燃料により形成される混合気流れが、互いに対向する側面開口２２ｂ及び２３ｂを通って点火プラグ２の点火ギャップ２ｂを通過するように、点火プラグ２が配置されていれば良い。この時に、側面開口２２ｂ及び２３ｂを通って点火ギャップ２ｂを通過する混合気流れは、点火プラグ２の他方電極２ｃの平行部２１ｃ及び垂直部２２ｃと必ずしも平行に点火ギャップ２ｂを通過しなくても良く、点火ギャップ２ｂを通過する混合気流れにより下流側に伸ばされるアークによって噴射期間後半に噴射された燃料により形成される混合気流れを確実に着火させることができれば、噴射期間前半に噴射された燃料により形成される混合気を含めて、全ての噴射燃料を良好に燃焼させることができる。

本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の実施形態を示す概略縦断面図である。図１の筒内噴射式火花点火内燃機関のピストン側から見たシリンダヘッドの底面図である。図１の点火プラグ近傍の拡大図である。図３の点火プラグの側面図である。図２の点火プラグ近傍の拡大図である。従来を示す図５に相当する図である。

符号の説明

１燃料噴射弁
２点火プラグ
２ａ中心電極
２ｂ点火ギャップ
２ｃ他方電極
２１ｂ正面開口
２２ｂ側面開口
２３ｂ側面開口

Claims

気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁と点火プラグとを具備し、前記燃料噴射弁から噴射されて吸気と混合しながら気筒内を飛行する燃料により形成される混合気流れを前記点火プラグにより着火燃焼させる筒内噴射式火花点火内燃機関において、前記点火プラグは、中心電極と、略Ｌ字形断面を有する他方電極とを有し、前記中心電極と前記他方電極との間の点火ギャップは三方向に開口を有し、前記混合気流れが、前記開口のうちの互いに対向する二方向の開口を通って前記点火ギャップを通過するように、前記点火プラグが配置されていることを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。
前記燃料噴射弁は、気筒上部略中心に配置され、平面視において略放射状に、斜め下向きの複数の方向に燃料を噴射するものであり、前記複数の方向のうちの一つの方向に噴射されて吸気と混合しながら気筒内を飛行する燃料により形成される混合気流れが、前記開口のうちの互いに対向する二方向の開口を通って前記点火ギャップを通過するように、前記点火プラグが配置されていることを特徴とする請求項１に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。