JP2008014244A - 筒内噴射式火花点火内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】成層燃焼時において一塊の可燃混合気を二つの点火プラグによって確実に着火燃焼させることを可能とする。
【解決手段】気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁１と、気筒上部に配置された第一点火プラグ２及び第二点火プラグ３を具備し、燃料噴射弁は中空円錐形状に燃料Ｆを噴射するものであり、第一点火プラグの第一点火ギャップ及び第二点火プラグの第二点火ギャップは、それぞれに噴射燃料の中空円錐形状の軌道の外側近傍に位置し、第一点火ギャップから燃料噴射弁の噴孔までの距離ａは、第二点火ギャップから燃料噴射弁の噴孔までの距離ｂより短く、成層燃焼時において、燃料噴射弁により圧縮行程において燃料を噴射し、噴射燃料により形成される一塊の可燃混合気を第一点火プラグ及び第二点火プラグによって着火燃焼させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、筒内噴射式火花点火内燃機関に関する。

圧縮行程後半において気筒内に燃料を直接的に噴射することにより、気筒内の一部に可燃混合気を形成し、この可燃混合気を着火燃焼させる成層燃焼が公知である。このような成層燃焼において、燃料噴射弁が二方向に燃料を噴射するようにし、各噴射燃料により形成される二つの可燃混合気を二つの点火プラグのそれぞれにより着火燃焼させることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−１６１０６８ 特開２００４−１９０５３２ 特表２００２−５３９３６５

成層燃焼において機関負荷に応じて燃料噴射量が変化するために、点火時期において噴射燃料により形成される可燃混合気の位置が変化することがあり、可燃混合気を一つの点火プラグにより確実に着火させることは難しい。それにより、可燃混合気を二つの点火プラグにより着火させることが考えられる。前述の筒内噴射式火花点火内燃機関では、気筒内には二つの点火プラグが設けられているが、それぞれ別の可燃混合気を着火させるようになっており、依然として、それぞれの可燃混合気を確実に着火させることは難しい。また、単に二つの点火プラグを気筒内に配置しただけでは、可燃混合気を確実に着火燃焼させることは困難である。

従って、本発明の目的は、成層燃焼時において一塊の可燃混合気を二つの点火プラグによって確実に着火燃焼させることを可能と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、気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁と、気筒上部に配置された第一点火プラグ及び第二点火プラグを具備し、前記燃料噴射弁は中空円錐形状に燃料を噴射するものであり、前記第一点火プラグの第一点火ギャップ及び前記第二点火プラグの第二点火ギャップは、それぞれに噴射燃料の中空円錐形状の軌道の外側近傍に位置し、前記第一点火ギャップから前記燃料噴射弁の噴孔までの距離は、前記第二点火ギャップから前記燃料噴射弁の噴孔までの距離より短く、成層燃焼時において、前記燃料噴射弁により圧縮行程において燃料を噴射し、噴射燃料により形成される一塊の可燃混合気を前記第一点火プラグ及び前記第二点火プラグによって着火燃焼させ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、成層燃焼時において、前記第二点火プラグによる点火を前記第一点火プラグによる点火より遅く開始することを特徴とする。

本発明による請求項３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、ピストン頂面の両端は、シリンダヘッドとの間に第一スキッシュエリアと第二スキッシュエリアとを形成し、成層燃焼時において、前記第一スキッシュエリアにより形成される第一スキッシュ流の一部が、前記第一点火ギャップにおいて発生させたアークを噴射燃料の中空円錐形状の軌道内へ引き伸ばし、前記第二スキッシュエリアにより形成される第二スキッシュ流の一部が、前記第二点火ギャップにおいて発生させたアークを噴射燃料の中空円錐形状の軌道内へ引き伸ばすことを特徴とする。

本発明による請求項４に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、成層燃焼時において、設定速度以上の前記第一スキッシュ流が前記第一点火ギャップを通過している間は、前記第一点火プラグの点火エネルギを大きくし、設定速度以上の前記第二スキッシュ流が前記第二点火ギャップを通過している間は、前記第二点火プラグの点火エネルギを大きくすることを特徴とする。

本発明による請求項５に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、成層燃焼時において、設定速度以上の前記第一スキッシュ流が前記第一点火ギャップを通過している間は、前記第一点火プラグの点火を中止し、設定速度以上の前記第二スキッシュ流が前記第二点火ギャップを通過している間は、前記第二点火プラグの点火を中止することを特徴とする。

本発明による請求項６に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関は、請求項１から５のいずれか一項に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、均質燃焼時において、機関負荷が設定負荷より低い時には、前記第一点火プラグ及び前記第二点火プラグにより均質混合気を着火燃焼させ、機関負荷が前記設定負荷以上である時には、前記第一点火プラグだけにより均質混合気を着火燃焼させ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、気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁と、気筒上部に配置された第一点火プラグ及び第二点火プラグを具備し、第一点火プラグの第一点火ギャップ及び第二点火プラグの第二点火ギャップは、それぞれに燃料噴射弁から噴射される燃料が通過する中空円錐形状の軌道の外側近傍に位置し、第一点火ギャップから燃料噴射弁の噴孔までの距離は、第二点火ギャップから燃料噴射弁の噴孔までの距離より短くされている。

成層燃焼時において、第一点火プラグの第一点火ギャップは燃料噴射弁の噴孔までの距離が短く、燃料噴射弁から噴射された直後の高い貫徹力を有する高速の燃料が第一点火ギャップ近傍を通過することとなるために、第一点火ギャップにより発生させたアークは、高速の燃料が回りの吸気を巻き込む際に発生する気流によって中空円錐形状の噴射燃料内へ引き伸ばされ、高速の燃料でも確実に着火させることができる。一方、第二点火プラグの第二点火ギャップは、燃料噴射弁の噴孔までの距離が長く、燃料噴射弁から噴射されて暫くした貫徹力の低下した低速の燃料が軌道から外側へ気化燃料を分散させながら第二点火ギャップ近傍を通過することとなるために、第二点火ギャップが気化燃料内に位置し、気化燃料を介して第二点火ギャップ近傍を通過する燃料を確実に着火させることができる。こうして、噴射燃料により形成される一塊の可燃混合気は、燃料噴射弁から噴射された直後の高速の燃料と、燃料噴射弁から噴射されて暫くして気化しながら進行する低速の燃料とから着火されるようになっているために、機関負荷に応じて燃料噴射量が変化しても、少なくとも一方からの確実な着火は可能であり、一塊の可燃混合気を確実に燃焼させて良好な成層燃焼を実現することができる。

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、成層燃焼時において、第二点火プラグによる点火を第一点火プラグによる点火より遅く開始するようになっている。それにより、第二点火プラグにより着火される燃料は、噴射から点火までの十分な時間により気化及び吸気との混合が促進され、良好に着火燃焼させることができる。

本発明による請求項３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、ピストン頂面の両端は、シリンダヘッドとの間に第一スキッシュエリアと第二スキッシュエリアとを形成し、成層燃焼時において、第一スキッシュエリアにより形成される第一スキッシュ流の一部が、第一点火ギャップにおいて発生させたアークを噴射燃料の中空円錐形状の軌道内へ引き伸ばし、第二スキッシュエリアにより形成される第二スキッシュ流の一部が、第二点火ギャップにおいて発生させたアークを噴射燃料の中空円錐形状の軌道内へ引き伸ばすようになっている。それにより、第一点火ギャップ及び第二点火ギャップから第一スキッシュ流及び第二スキッシュ流によって噴射燃料内へ確実に引き伸ばされたアークによって、第一点火ギャップ近傍及び第二点火ギャップ近傍を通過する燃料を確実に着火させることができ、機関負荷に応じて燃料噴射量が変化しても、第一点火ギャップ近傍及び第二点火ギャップ近傍を通過する燃料の少なくとも一方を確実に着火させ、一塊の可燃混合気を確実に燃焼させて良好な成層燃焼を実現することができる。

本発明による請求項４に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、請求項３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、成層燃焼時において、設定速度以上の第一スキッシュ流が第一点火ギャップを通過している間は、アークの吹き消えを防止するために第一点火プラグの点火エネルギを大きくし、設定速度以上の第二スキッシュ流が第二点火ギャップを通過している間は、アークの吹き消えを防止するために第二点火プラグの点火エネルギを大きくするようになっている。それにより、噴射燃料により形成される一塊の可燃混合気を第一点火プラグ及び第二点火プラグによってさらに確実に着火燃焼させることができる。

本発明による請求項５に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関によれば、請求項３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、成層燃焼時において、設定速度以上の第一スキッシュ流が第一点火ギャップを通過している間は、第一点火プラグの点火を中止し、設定速度以上の第二スキッシュ流が第二点火ギャップを通過している間は、第二点火プラグの点火を中止するようになっており、それにより、高速のスキッシュ流の通過によってアークが吹き消されてしまう時には、第一点火プラグ及び第二点火プラグにおいて点火を中止して電気エネルギの浪費を防止している。

本発明による請求項６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から５のいずれか一項に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関において、均質燃焼時において、機関負荷が設定負荷より低い時には、第一点火プラグ及び第二点火プラグにより均質混合気を二点点火し、均質燃焼の燃焼速度を速めている。しかしながら、燃料噴射弁の噴孔からの距離が長い第二点火ギャップを有する第二点火プラグは、気筒内へ大きく突出しているために、機関負荷が設定負荷以上であって燃焼温度が高くなる時に、第二点火プラグにより点火を実施すると、第二点火プラグはさらに高温度となってプレイグニッションを発生し易くなる。それにより、第二点火プラグの温度上昇を抑制するために、機関負荷が設定負荷以上である時には、第二点火プラグによる点火を中止し、第一点火プラグだけにより均質混合気を着火燃焼させるようにしている。

図１は本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第一実施形態を示す圧縮行程後半の概略縦断面図である。同図において、１は気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁である。本筒内噴射式火花点火内燃機関は、吸排気二弁式であり、第一点火プラグ２が、一方の吸気弁及び一方の排気弁の間において気筒上部に配置され、第二点火プラグ３が、他方の吸気弁及び他方の排気弁の間において気筒上部に配置されている。燃料噴射弁１は、ピストン４の頂面へ向けて、好ましくは、気筒軸線と平行に中空円錐形状の燃料を噴射するものである。

第一点火プラグ２の第一点火ギャップ及び第二点火プラグ３の第二点火ギャップは、それぞれに、燃料噴射弁１から噴射される燃料Ｆが通過する中空円錐形状の軌道の外側近傍に位置するようにされている。それにより、第一点火ギャップ及び第二点火ギャップが燃料噴射弁１により噴射される液状燃料によって濡らされてアークの発生が阻害されることはない。また、第一点火ギャップは燃料噴射弁１の噴孔近傍に配置され、第二点火ギャップは燃料噴射弁１の噴孔から離されて配置され、第一点火ギャップから燃料噴射弁１の噴孔までの距離ａは、第二点火ギャップから燃料噴射弁１の噴孔までの距離ｂより短くされている。

成層燃焼を実施する際には、燃料噴射弁１により圧縮行程において噴射された燃料Ｆにより形成される可燃混合気を確実に着火燃焼させなければならない。燃料噴射弁１近傍の拡大図である図２において噴射燃料Ｆは断面で示され、図２に示すように、本実施形態においては、第一点火プラグ２の第一点火ギャップは燃料噴射弁１の噴孔までの距離が短いために、燃料噴射弁１から噴射された直後の高い貫徹力を有する高速の燃料が第一点火ギャップ近傍を通過することとなる。このような高速の燃料は、矢印で示すように回りの吸気を巻き込み、この際に発生する気流によって第一点火ギャップにより発生させたアークＡ１は、中空円錐形状の噴射燃料内へ引き伸ばされ、アークＡ１と広範囲部分において接触するために高速の燃料でも確実に着火させることができる。

一方、第二点火プラグ３の第二点火ギャップは、燃料噴射弁の噴孔までの距離が長いために、燃料噴射弁から噴射されて暫くした貫徹力の低下した低速の燃料が軌道から外側へ気化燃料（ドットで示す）を分散させながら第二点火ギャップ近傍を通過し、第二点火ギャップが気化燃料内に位置することとなるために、気化燃料を介して第二点火ギャップ近傍を通過する燃料を確実に着火させることができる。こうして、噴射燃料により形成される一塊の可燃混合気は、燃料噴射弁から噴射された直後の高速の燃料と、燃料噴射弁から噴射されて暫くして気化しながら進行する低速の燃料とからいずれも確実に着火されるようになっているために、機関負荷に応じて燃料噴射量が変化しても、第一点火ギャップ近傍を通過する燃料及び第二点火ギャップ近傍を通過する燃料の両方が存在しないことはなく、少なくとも一方の燃料から確実な着火が可能であり、一塊の可燃混合気を確実に燃焼させて良好な成層燃焼を実現することができる。

図３は、第一点火プラグ２の第一点火期間及び第二点火プラグ３の第二点火期間を示すタイムチャートである。同図において、ｔ１１は燃料噴射弁１による燃料噴射の開始時刻であり、燃料噴射の終了時刻はｔ１３である。第一点火プラグ２による第一点火の開始時刻ｔ１２は、燃料噴射の終了時刻ｔ１３より前とされる。前述したように、第一点火プラグ２は、燃料噴射弁１から噴射直後の燃料を着火燃焼させるものであるが、燃料噴射期間の中期に噴射される燃料は非常に高速であるために、このような非常に高速の燃料は、伸ばされたアークが確実に接触しても、着火させることは難しく、燃料噴射末期の若干速度低下した燃料を伸ばされたアークにより確実に着火させるようになっている。また、燃料噴射中期の非常に高速の燃料が、第一点火プラグ２の第一点火ギャップ近傍を通過する際には、回りの吸気が燃料に巻き込まれる際に発生する気流も非常に強くなるために、この時に点火を実施してもアークが吹き消されることがある。本実施形態では、第一点火プラグ２により着火させるのは燃料噴射末期の燃料であるために、アークを吹き消すほど強い気流は発生しない。

こうして、第一点火プラグ２は、第一点火を時刻ｔ１２により開始するが、燃料噴射弁１から噴射された燃料が第一点火ギャップ近傍を通過するまでには若干の時間が必要であるために、時刻ｔ１２において、この若干の時間前に噴射された燃料から着火させることとなる。時刻ｔ１３には燃料噴射が終了するが、その後暫くは、第一点火プラグ２の第一点火を持続し、時刻ｔ１５において第一点火を終了する。それにより、燃料噴射末期の燃料を第一点火プラグ２により全て着火させるようになっている。

一方、第二点火プラグ３は、燃料噴射初期及び中期に噴射された燃料を着火燃焼させることを意図しており、燃料噴射開始時刻ｔ１１に噴射された燃料が、貫徹力が低下して気化しかながら第二点火プラグ３の第二点火ギャップ近傍へ到達する時刻ｔ１４（図３においては、第一点火の終了時刻ｔ１５より前となっているが、燃料噴射量によっては、この終了時刻ｔ１５より後となることもある）において第二点火プラグ３の第二点火を開始し、燃料噴射中期の最後（時刻ｔ１２より若干前）に噴射された燃料が、貫徹力が低下して気化しながら第二点火プラグ３の第二点火ギャップ近傍へ到達する時刻ｔ１６において第二点火プラグ３の第二点火を終了する。第二点火プラグ３は、燃料噴射開始時刻ｔ１１に噴射された燃料が第二点火ギャップ近傍へ到達する時刻ｔ１４より後に第二点火を開始するようにしても良く、それにより、第二点火ギャップ近傍へ到達した燃料の気化及び吸気との混合が促進され、第二点火ギャップによる良好な着火燃焼が実現される。

図４は、第一点火プラグ２の第一点火期間及び第二点火プラグ３の第二点火期間を示すもう一つのタイムチャートである。本タイムチャートにおいて、燃料噴射弁１は、必要燃料量を、開始時刻ｔ２１から終了時刻ｔ２２の間の第一噴射期間と、開始時刻ｔ２３から終了時刻ｔ２５の間の第二噴射期間との二回に分けて噴射している。第二噴射期間において噴射される燃料は、第一点火ギャップから伸ばされたアークにより着火燃焼させることが意図され、第一点火プラグ２の第一点火期間は、前述同様な考え方に基づき、第二噴射期間に対して開始時刻ｔ２４及び終了時刻ｔ２６が決定される。必要燃料量に係わらずに、第二噴射期間において噴射される燃料量は比較的少ない一定量とされ、噴射期間中にそれほど高速の燃料は噴射されないようになっている。それにより、第一点火プラグ２により第二噴射期間において噴射される燃料を良好に着火燃焼させることができる。

一方、第一噴射期間において噴射される燃料は、第二点火プラグ３により着火燃焼させることが意図され、第二点火プラグ３の第二点火期間は、第一噴射期間の開始時刻ｔ２１において噴射された燃料が気化しながら第二点火プラグ３の第二点火ギャップ近傍に到達する時刻ｔ２４から開始され、第一噴射期間の終了時刻ｔ２２において噴射された燃料が気化しながら第二点火プラグ３の第二点火ギャップ近傍に到達する時刻ｔ２７に終了する。本フローチャートにおいて、燃料噴射は二回に分けて行われるが、同じ軌道に噴射されるために、気筒内においては直ぐに一塊の可燃混合気となる。第一点火期間及び第二点火期間の開始時刻はいずれも時刻ｔ２４とされ、それにより、一塊の可燃混合気は第一点火プラグ２及び第二点火プラグ３によって同時に着火させられ、燃焼速度を速めることができる。

このように、第一点火期間及び第二点火期間の開始時刻を同一時刻とするように、第一噴射期間の開始時刻ｔ２１及び第二噴射期間の開始時刻ｔ２３を設定することが好ましい。また、第一噴射期間の開始時刻ｔ２１において噴射された燃料が気化しながら第二点火プラグ３の第二点火ギャップ近傍に到達する時刻より後に、第二点火プラグ３の第二点火を開始するようにして、第一点火期間及び第二点火期間の開始時刻を同一時刻としても良い。

本実施形態において、第一点火プラグ２の第一点火ギャップ及び第二点火プラグ３の第二点火ギャップが、燃料噴射弁１から噴射される燃料の中空円錐状の軌道の外側近傍とされ、第一点火ギャップから燃料噴射弁１の噴孔までの距離が、第二点火ギャップから燃料噴射弁１の噴孔までの距離より短くされていれば、第一点火プラグ２及び第二点火プラグ３は、燃料噴射弁１回りに任意に配置することができる。例えば、第一点火プラグ２及び第二点火プラグ３は、平面視において、燃料噴射弁１回りに１８０度で配置されなくても良く、０度、３０度、６０度、９０度、１２０度、１５０度のような任意の角度で配置されても良い。また、第一点火プラグ２は、一方の吸気弁と一方の排気弁との間に配置したが、二つの吸気弁の間、他方の吸気弁と他方の排気弁との間、又は、二つの排気弁の間のように任意に配置することができる。

図５は本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第二実施形態を示す圧縮行程後半の概略縦断面図であり、図６は図５のシリンダヘッドの底面図である。第一実施形態との違いについてのみ以下に説明する。本実施形態において、ピストン４’の頂面の両端には、隆起部４ａ’及び４ｂ’が形成され、これら隆起部４ａ’及び４ｂ’に対向してシリンダヘッドにも隆起部５ａ及び５ｂが形成され、ピストン４’とシリンダヘッドとの互いに対向する隆起部によって、第一スキッシュエリアＳ１と第二スキッシュエリアＳ２とが形成されている。特に、第一スキッシュエリアＳ１は吸気弁６側に、第二スキッシュエリアＳ２は排気弁７側に形成されている。

本実施形態においても、第一点火プラグ２の第一点火ギャップ及び第二点火プラグ３の第二点火ギャップが、燃料噴射弁１から噴射される燃料の中空円錐状の軌道の外側近傍とされ、第一点火ギャップから燃料噴射弁１の噴孔までの距離が、第二点火ギャップから燃料噴射弁１の噴孔までの距離より短くされている。すなわち、第一点火プラグ２の第一点火ギャップから燃料噴射弁１の噴孔までの垂直距離Ｌ１は、第二点火プラグ３の第二点火ギャップから燃料噴射弁１の噴孔までの垂直距離Ｌ３より短く、第一点火プラグ２の第一点火ギャップから燃料噴射弁１の噴孔までの水平距離Ｌ２は、第二点火プラグ３の第二点火ギャップから燃料噴射弁１の噴孔までの水平距離Ｌ４より短くなっている。ここで、垂直距離とは、気筒軸線方向の距離であり、水平距離とは、気筒軸線方向に直交する方向の距離である。

図７は、燃料噴射弁１近傍の拡大図である。同図に示すように、第一スキッシュエリアＳ１及び第二スキッシュエリアＳ２は、互いに気筒軸線方向に偏倚しており、圧縮行程末期において、第一スキッシュエリアＳ１により形成される第一スキッシュ流の一部が、第一点火ギャップにおいて発生させたアークＡ１を略水平方向に噴射燃料の中空円錐形状の軌道内へ引き伸ばし、第二スキッシュエリアＳ２により形成される第二スキッシュ流の一部が、第二点火ギャップにおいて発生させたアークＡ２を略水平方向に噴射燃料の中空円錐形状の軌道内へ引き伸ばすようになっている。

こうして、中空円錐形状の噴射燃料Ｆは、第一スキッシュエリアＳ１側において、燃料噴射弁の噴孔からの垂直距離Ｌ１において侵入するアークＡ１と、第二スキッシュエリアＳ２側において、燃料噴射弁の噴孔からの垂直距離Ｌ３において侵入するアークＡ２とにより、それぞれのアークに接触する広範囲部分から確実に着火され、機関負荷に応じて燃料噴射量が変化しても、第一点火ギャップ近傍を通過する燃料及び第二点火ギャップの近傍を通過する燃料の両方が存在しないことはなく、少なくとも一方の燃料のアークによる確実な着火が保証され、一塊の可燃混合気を確実に燃焼させて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、吸気行程で気筒内へ吸入される吸気は、シリンダボアの排気弁側に沿って下降して吸気弁側に沿って上昇するタンブル流を生成し、図５に一点鎖線で示すように、圧縮行程後半においても、このタンブル流Ｔが弱まって存在している。燃料噴射弁１から噴射される中空円錐形状の噴射燃料の貫徹力は強く、このような弱いタンブル流Ｔには影響されずに軌道を進行するが、吸気弁側の第一スキッシュエリアＳ１からの第一スキッシュ流は、シリンダヘッド側を進行し、排気弁側の第二スキッシュエリアＳ２からの第二スキッシュは、ピストン側を進行するために、第一スキッシュ流及び第二スキッシュ流によって第一点火ギャップのアークＡ１及び第二点火ギャップのアークＡ２が引き伸ばされて噴射燃料内へ侵入すると同時に、第一スキッシュ流及び第二スキッシュ流も噴射燃料内へ侵入してタンブル流Ｔを強めるように作用する。それにより、一塊の可燃混合気の着火後の燃焼が、強められたタンブル流Ｔによって促進され、燃焼速度の速い良好な成層燃焼を実現することができる。

図８は、第一スキッシュ流及び第二スキッシュ流が第一点火プラグ２の第一点火ギャップ及び第二点火プラグ３の第二点火ギャップを通過する際の流速を示すタイムチャートである。前述したように、気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁１に対して、第一点火ギャップの燃料噴射弁１の噴孔からの水平距離Ｌ２は、第二点火ギャップの燃料噴射弁１の噴孔からの水平距離Ｌ４より短いために、第一スキッシュ流が第一点火ギャップへ到達するより早く、第二スキッシュ流が第二点火ギャップへ到達することとなる。第一スキッシュ流及び第二スキッシュ流のいずれも、第一点火ギャップ及び第二点火ギャップを通過する際の流速は、徐々に高くなって最高速となり、その後は徐々に低くなる。また、機関回転数が高いほど、第一スキッシュ流及び第二スキッシュ流の強さが強くなるために、第一点火ギャップ及び第二点火ギャップを通過する際の流速は、早く最高速となり、また、最高速の大きさも大きくなる。

ところで、スキッシュ流の流速が遅いとアークを引き伸ばすことはできず、アークを噴射燃料内へ十分に引き伸ばすことができる流速をｖ１以上とすると、第二スキッシュ流の第二点火ギャップを通過する際の流速がｖ１以上となる時刻ｔ３１から時刻ｔ３６の間において第二点火プラグ３において点火を実施することが好ましい。また、第一スキッシュ流の第一点火ギャップを通過する際の流速がｖ１以上となる時刻ｔ３３から時刻ｔ３８の間において第一点火プラグ２において点火を実施することが好ましい。それにより、無駄な電力消費を抑制することができる。

ところで、スキッシュ流の流速が速過ぎると、アークが吹き消されたり、また、アークを引き伸ばし過ぎてアークが途切れたりすることがある。アークが吹き消されない流速をｖ２未満とすると、第二スキッシュ流の第二点火ギャップを通過する際の流速がｖ２以上となる時刻ｔ３２から時刻ｔ３４の間においては、点火エネルギをこれまでの通常の点火エネルギより大きくして第二点火プラグ３において点火を実施することが好ましい。また、第一スキッシュ流の第一点火ギャップを通過する際の流速がｖ２以上となる時刻ｔ３５から時刻ｔ３７の間においては、点火エネルギをこれまでの通常の点火エネルギより大きくして第一点火プラグ２において点火を実施することが好ましい。それにより、アークが吹き消されることは防止される。もちろん、第一点火ギャップを通過する第一スキッシュ流の流速が速いほど、第一点火プラグ２の点火エネルギを大きくし、また、第二点火ギャップを通過する第二スキッシュ流の流速が速いほど、第二点火プラグ２の点火エネルギを大きくするようにしても良い。

また、第二スキッシュ流の第二点火ギャップを通過する際の流速がｖ２以上となる時刻ｔ３２から時刻ｔ３４の間においては、第二点火プラグ３において点火を中止し、第一スキッシュ流の第一点火ギャップを通過する際の流速がｖ２以上となる時刻ｔ３５から時刻ｔ３７の間においては、第一点火プラグ２において点火を中止するようにしても良い。それにより、アークが吹き消される時には、第一点火プラグ２及び第二点火プラグ３に供給される電気エネルギは無駄となるために、第一点火プラグ２及び第二点火プラグ３において点火を中止して電気エネルギの浪費を防止している。

ところで、成層燃焼では、それほど多量の燃料を燃焼させることができないために、機関高負荷時においては、均質燃焼を実施するようにしても良い。筒内噴射式火花点火内燃機関において均質燃焼を実施するためには、燃料噴射弁１により吸気行程（好ましくは吸気行程後半）において燃料を噴射し、気筒内に均質混合気を形成することとなる。第一及び第二実施形態において、気筒上部には第一点火プラグ２及び第二点火プラグ３が配置されているために、機関負荷が設定負荷未満であれば、均質混合気を、これら二つの点火プラグにより着火させることにより、均質混合気の燃焼速度が速まり、良好な均質燃焼を実現することができる。

しかしながら、燃料噴射弁１の噴孔からの距離が長い第二点火ギャップを有する第二点火プラグ３は、気筒内へ大きく突出しているために、機関負荷が設定負荷以上であって燃焼温度が高くなる時に、第二点火プラグ３により点火を実施すると、第二点火プラグ３はさらに高温度となってプレイグニッションを発生し易くなる。それにより、第二点火プラグ３の温度上昇を抑制するために、均質燃焼時において、機関負荷が設定負荷以上である時には、第二点火プラグによる点火を中止し、第一点火プラグだけにより均質混合気を着火燃焼させることが好ましい。

本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第一実施形態を示す圧縮行程後半の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燃料噴射弁近傍の拡大図である。 図１の筒内噴射式火花点火内燃機関の噴射期間、第一点火期間、及び第二点火期間を示すタイムチャートである。 図１の筒内噴射式火花点火内燃機関の噴射期間、第一点火期間、及び第二点火期間を示すもう一つのタイムチャートである。 本発明による筒内噴射式火花点火内燃機関の第二実施形態を示す圧縮行程末期の概略縦断面図である。 図５の筒内噴射式火花点火内燃機関のシリンダヘッドの底面図である。 図５の筒内噴射式火花点火内燃機関の燃料噴射弁近傍の拡大図である。 第一スキッシュ流及び第二スキッシュ流の第一点火ギャップ及び第二点火ギャップを通過する際の流速を示すタイムチャートである。

符号の説明

１ 燃料噴射弁
２ 第一点火プラグ
３ 第二点火プラグ
４，４’ ピストン
６ 吸気弁
７ 排気弁
Ｔ タンブル流
Ｆ 噴射燃料
Ｓ１ 第一スキッシュエリア
Ｓ２ 第二スキッシュエリア

Claims (6)

1. 気筒上部略中心に配置された燃料噴射弁と、気筒上部に配置された第一点火プラグ及び第二点火プラグを具備し、前記燃料噴射弁は中空円錐形状に燃料を噴射するものであり、前記第一点火プラグの第一点火ギャップ及び前記第二点火プラグの第二点火ギャップは、それぞれに噴射燃料の中空円錐形状の軌道の外側近傍に位置し、前記第一点火ギャップから前記燃料噴射弁の噴孔までの距離は、前記第二点火ギャップから前記燃料噴射弁の噴孔までの距離より短く、成層燃焼時において、前記燃料噴射弁により圧縮行程において燃料を噴射し、噴射燃料により形成される一塊の可燃混合気を前記第一点火プラグ及び前記第二点火プラグによって着火燃焼させることを特徴とする筒内噴射式火花点火内燃機関。
2. 成層燃焼時において、前記第二点火プラグによる点火を前記第一点火プラグによる点火より遅く開始す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。
3. ピストン頂面の両端は、シリンダヘッドとの間に第一スキッシュエリアと第二スキッシュエリアとを形成し、成層燃焼時において、前記第一スキッシュエリアにより形成される第一スキッシュ流の一部が、前記第一点火ギャップにおいて発生させたアークを噴射燃料の中空円錐形状の軌道内へ引き伸ばし、前記第二スキッシュエリアにより形成される第二スキッシュ流の一部が、前記第二点火ギャップにおいて発生させたアークを噴射燃料の中空円錐形状の軌道内へ引き伸ばす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。
4. 成層燃焼時において、設定速度以上の前記第一スキッシュ流が前記第一点火ギャップを通過している間は、前記第一点火プラグの点火エネルギを大きくし、設定速度以上の前記第二スキッシュ流が前記第二点火ギャップを通過している間は、前記第二点火プラグの点火エネルギを大きくすることを特徴とする請求項３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
5. 成層燃焼時において、設定速度以上の前記第一スキッシュ流が前記第一点火ギャップを通過している間は、前記第一点火プラグの点火を中止し、設定速度以上の前記第二スキッシュ流が前記第二点火ギャップを通過している間は、前記第二点火プラグの点火を中止することを特徴とする請求項３に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。
6. 均質燃焼時において、機関負荷が設定負荷より低い時には、前記第一点火プラグ及び前記第二点火プラグにより均質混合気を着火燃焼させ、機関負荷が前記設定負荷以上である時には、前記第一点火プラグだけにより均質混合気を着火燃焼させることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の筒内噴射式火花点火内燃機関。

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