JP2007239627A - 火花点火式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃焼室外周部で点火する場合に、燃焼急速化と失火率低減とを達成し、燃焼安定度を向上させる。
【解決手段】 スワールガス流動を生じる燃焼室の外周部に２本の点火プラグ１１、１２を１８０°間隔で配置し、当該点火プラグに、１サイクルに２回の点火動作を行わせる。そして、各点火プラグが受け持つ周方向の所定範囲（１８０°）内に、各点火により生じる火炎が直列に並んで行き渡り、各点火により生じる火炎Ｆ１、Ｆ２がほぼ等しい長さとなるか、１回目の点火による火炎Ｆ１の長さが２回目の点火による火炎Ｆ２の長さより短くなるように構成する。
【選択図】 図６

Description

本発明は、火花点火式内燃機関に関し、特に少なくとも１つの点火プラグを燃焼室の外周部に配置して燃焼安定性を向上させるようにした火花点火式内燃機関に関する。

特許文献１には、燃焼室内にスワールガス流動を生成する手段を備え、燃焼室の外周部に２本の点火プラグを１８０°間隔で配置し、各点火プラグに１サイクルに２回の点火動作を行わせるようにしたものが開示されている。
ここで、２本の点火プラグの１回目の点火により、点火位置の近傍のみに未燃混合気を残存させて燃焼室の大半を占める火炎核を形成し、かかる状態において、２回目の点火を行わせることで、後期の燃焼を急速化している。
特開２００５−２４８８４０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、２回目の点火を行うときには、燃焼室の大半に火炎が行き渡っており、２回目の点火による燃焼急速化の効果に乏しい。
また、燃焼室内にスワールガス流動を形成する場合、燃焼室外周部の点火プラグ周りのガス流速が高いため、当該点火プラグでの失火率が高まる。
本発明は、このような実状に鑑み、燃焼急速化と失火率低減とを達成し、燃焼安定度を向上させることを目的とする。

このため、本発明では、外周側の１つの点火プラグにつき、１サイクルに複数回の点火動作を行わせ、当該点火プラグが受け持つ周方向の所定範囲内に、各点火により生じる火炎が直列に並んで行き渡り、各点火により生じる火炎がほぼ等しい長さとなるか、１回目の点火による火炎の長さが２回目以降の点火による火炎の長さより短くなるように構成する。

本発明によれば、２回目以降の点火が比較的早期に行われることで、火炎が全周に行き渡るのが速くなって、燃焼の急速化を達成できると共に、１回目の点火で失火を生じても早期の２回目以降の点火によりカバーでき、失火率を低減することができる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１〜図３を参照し、シリンダヘッド１、シリンダブロック２及びピストン３により、ペントルーフ型の燃焼室４が形成されている。
燃焼室４の中央部（ペントルーフの稜線の中央部）には点火プラグ５が配置されている。そして、ペントルーフの一方の傾斜面に分岐した２本の吸気ポート６が開口し、対向する形（クロスフロー形）で、他方の傾斜面に２本の排気ポート７が開口している。各開口部には吸気弁８及び排気弁９が備えられている。

また、燃焼室４内にスワールガス流動を生成する手段として、吸気ポート６に、スワール制御弁１０が設けられている。スワール制御弁１０は、２つの吸気ポートのうち一方、又は、集合部のポート断面の一部を閉じることにより、吸気を偏らせて、燃焼室内にスワールガス流動を生成する。
また、燃焼室４の中央部の点火プラグ５とは別に、燃焼室４の外周部に、１８０°間隔で（ペントルーフの稜線の両端部に位置させて）、２本の点火プラグ１１、１２を配置してある。従って、燃焼室４には、ペントルーフの稜線に沿って、３本の点火プラグ１１、５、１２が配置されることになる。

これらの点火プラグ５、１１、１２は、いずれも点火コイルＣ１、Ｃ２、Ｃ３を一体に備えるものであり、中央側の点火プラグ５は、ＥＣＵ１３により、信号ライン１４を介して供給される点火信号により点火動作を行い、外周側の点火プラグ１１、１２は、別の信号ライン１５を介して供給される点火信号により点火動作を行う。
ここで、通常運転時には、中央側の点火プラグ５のみを用いて１点点火を行わせ、必要により、中央側の点火プラグ５と同じ点火タイミングで外周側の点火プラグ１１、１２を同時に作動させて、多点点火を行わせる。

その一方、所定の運転条件、特に冷間始動直後などの排気浄化触媒の昇温要求時には、外周側の点火プラグ１１、１２に１サイクルにつき２回の点火動作を行わせる。
エンジンの冷間始動直後は、排気通路に配置される排気浄化触媒が活性温度に達しておらず、ＨＣの排出量が増大することから、排気温度を上昇させて、触媒の早期活性化を図る必要がある。このため、点火時期を遅角させて、排気温度を上昇させるが、点火時期の遅角により燃焼安定性が低下することから、スワール制御弁１０を用いてスワールガス流動を強化する一方、外周部の点火プラグ１１、１２を用いて、燃焼の急速化を図り、燃焼安定性を向上させる。

ここで、燃焼室４の外周部に周方向に等間隔（１８０°）で２本の点火プラグ１１、１２を配置し、各点火プラグ１１、１２に３６０°／２＝１８０°の範囲を受け持たせることを前提とすると、各点火プラグ１１、１２に、１サイクルに２回の点火動作を行わせ、当該点火プラグが受け持つ周方向の所定範囲（１８０°）内に、各点火により生じる火炎が直列に並んで行き渡り、（１）各点火により生じる火炎がほぼ等しい長さとなるか、（２）１回目の点火による火炎の長さが２回目の点火による火炎の長さより短くなるように構成する。

図４は点火タイミングを示すタイムチャートであり、排気温度上昇のため点火時期を上死点後（ＡＴＤＣ）まで遅らせた１回目の点火タイミングにて、中央部の点火プラグ５と共に、外周側の点火プラグ１１、１２を同時に点火動作させ、直後の適切な２回目の点火タイミングにて、外周側の点火プラグ１１、１２のみを点火動作させる。
そして、２回目の点火タイミングの設定により、（１）各点火により生じる火炎がほぼ等しい長さとなるか、（２）１回目の点火による火炎の長さが２回目の点火による火炎の長さより短くなるように構成する。

図５は、１回目及び２回目の点火により火炎核が成長する様子を概念的に示している。
図５（ａ）に示すように、１回目の点火により各点火プラグ１１、１２に火種Ｓ１を生じるが、外周部のスワール流動が強いため、図５（ｂ）に示すように、火種Ｓ１は点火プラグ１１、１２付近には止まらず、スワール下流方向に流され、その火種位置からスワール上流方向に火炎Ｆ１が延びていく。この火炎Ｆ１がある程度延びたところで、図５（ｃ）に示すように、各点火プラグ１１、１２により２回目の点火を行うと、各点火プラグ１１、１２に再び火種Ｓ２を生じる、そして、図５（ｄ）に示すように、この火種Ｓ２も点火プラグ１１、１２付近には止まらず、スワール下流方向に流され、その火種位置から下流方向に火炎Ｆ２が延びていく。その一方、１回目の点火による火炎Ｆ１は、火炎の先端が２回目の火種Ｓ２付近まで延びたところで、未燃混合気が無くなるため、それ以上火炎Ｆ１が延びることはない。その後、図５（ｅ）に示すように、１回目の点火による火炎Ｆ１と２回目の点火による火炎Ｆ２とが直列に並んだ状態で全周に行き渡るようになる。

ここで、２回目の点火タイミングにより、１回目の点火による火炎Ｆ１の長さを制御でき、１回目の点火による火炎Ｆ１の長さと２回目の点火による火炎Ｆ２の長さとを制御できる。
図６は、２回目の点火タイミングを比較的遅くすることにより、（１）各点火により生じる火炎がほぼ等しい長さとなるようにした場合である。

図７は、２回目の点火タイミングを比較的早くすることにより、（２）１回目の点火による火炎の長さが２回目の点火による火炎の長さより短くなるようにした場合である。
本実施形態によれば、２回目以降の点火が特許文献１に記載の従来技術に比較して早期に行われることで、火炎が全周に行き渡るのが速くなって、燃焼の急速化を達成できると共に、１回目の点火で失火を生じても早期の２回目以降の点火によりカバーでき、失火率を低減することができる。

ここで失火率について説明する。
図８は筒内ガス流速分布を示しており、スワールガス流動により燃焼室外周部ほどガス流速が高くなり、スワール比（クランク軸１回転当たりの吸気の横方向回転数）が２．０で、エンジン回転数が１４００ｒｐｍのとき、燃焼室外周部（外周側点火プラグ周り）のガス流速は、１０ｍ／ｓ程度となる。

図９はガス流速が失火率に及ぼす影響を示しており、燃焼室外周部のガス流速が１０ｍ／ｓのとき、失火率は２０％程度となる。これは強いガス流動場では噴き消えによる失火が発生するためである。尚、図９の特性は点火プラグの向きを９０°（ガスの流れに対し点火プラグの中心電極と側方電極とが並列になるように配置）とし、当量比を１．０とした場合である。従って、燃焼室外周部のガス流速が１０ｍ／ｓのとき、２回点火することで、失火率を２０％×２０％＝４％程度まで低減できる。

そして、燃焼速度の向上と失火率の低減とによる燃焼安定度の向上により、冷間始動直後に安定化リタード燃焼が可能となり、点火時期の遅角量を大きくして、より排気温度を上昇させ、排気浄化触媒の早期活性化によるＨＣ排出量の低減が可能となる。
図１０は、燃焼安定度の向上により、図示平均有効圧力の変動率σＰｉを図示点線のレベルから図示実線のレベルまで低減でき、その分、点火時期を遅角して、排温を上昇させることで、ＨＣ排出量を低減できることを示している。

次に、上記（１）、（２）の場合の具体例について説明する。
代表的運転点をエンジン回転数１４００ｒｐｍ、燃焼室外周部ガス流速１０ｍ／ｓとして、上記（１）、（２）の場合の１回目の点火時期と２回目の点火時期とについて説明する。
（１）図６の場合
冷機始動時では、１０°ＡＴＤＣ程度を１回目の点火時期とする。

ボア径９８ｍｍとすると、外周の１／４は７６．９ｍｍであり、ガス流速が１０ｍｍ／ｍｓであれば、それに要する時間は７．６９ｍｓとなる。１４００ｒｐｍは８．４°／ｍｓであるため、クランク角で６５．３°となる。
但し、２回目は着火遅れ期間３０°を考慮しなければならず、実際は、１回目の点火からクランク角で３５°、時間にして４．２ｍｓの間隔が要求される。

（２）図７の場合
この場合は、着火確率を上げるために、１回目の点火後、クランク角で１０°程度の間隔をあけて、２回目を点火する。尚、この後、３０〜６０°の間隔で３回目以降の点火を行うようにしてもよい。

本発明の一実施形態を示す燃焼室の縦断面図 燃焼室の平面図 図２のＡ−Ａ断面図 複数回点火のタイムチャート 複数回点火による火炎核の成長の様子を示す図 火炎核の長さを等しくした場合の図 火炎核の長さを異ならせた場合の図 筒内ガス流速分布を示す図 ガス流速と失火率との関係を示す図 複数回点火による効果の説明図

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
５ 点火プラグ
６ 吸気ポート
７ 排気ポート
８ 吸気弁
９ 排気弁
１０ スワール制御弁
１１、１２ 点火プラグ
１３ ＥＣＵ
１４、１５ 点火信号ライン

Claims (7)

1. 燃焼室内にスワールガス流動を生成する手段を備えると共に、少なくとも１つの点火プラグを燃焼室の外周部に配置した火花点火式内燃機関において、
   外周側の１つの点火プラグにつき、１サイクルに複数回の点火動作を行わせ、当該点火プラグが受け持つ周方向の所定範囲内に、各点火により生じる火炎が直列に並んで行き渡り、各点火により生じる火炎がほぼ等しい長さとなるか、１回目の点火による火炎の長さが２回目以降の点火による火炎の長さより短くなるように構成したことを特徴とする火花点火式内燃機関。
2. 燃焼室の外周部に複数の点火プラグを周方向に等間隔に配置し、各点火プラグに３６０°／ｎ（ｎは外周側の点火プラグの個数）の範囲を受け持たせたことを特徴とする請求項１記載の火花点火式内燃機関。
3. 燃焼室の外周部に配置する点火プラグを２つとすることを特徴とする請求項２記載の火花点火式内燃機関。
4. 燃焼室の中央部に１つの点火プラグを備えることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の火花点火式内燃機関。
5. 外周側の点火プラグに１サイクルに行わせる点火動作を２回とすることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の火花点火式内燃機関。
6. 所定の運転条件にて、外周側の１つの点火プラグにつき、１サイクルに複数回の点火動作を行わせ、前記所定の運転条件を排気浄化触媒の昇温要求時とすることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載の火花点火式内燃機関。
7. 前記所定の運転条件にて、点火時期の遅角と共に実施することを特徴とする請求項６記載の火花点火式内燃機関。

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