JP2010127255A - 火花点火式内燃機関の多点点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ハーフスワール流れと多点点火との組み合わせにより、火炎伝播時間の短縮化及び火炎伝播の均一化を図る。
【解決手段】シリンダ中心１４Ａを通って２つの吸気弁３と２つの排気弁４とが並ぶ方向へシリンダ１４内を横断する基準線Ｋ１に対して両側に、それぞれシリンダ軸方向視でシリンダ１４内を旋回する吸気のハーフスワール流れＳ１，Ｓ２が生成される。シリンダ軸方向視で、基準線Ｋ１上に一つの第１点火プラグ２１を配置するとともに、シリンダ外周部１４Ｂであって、かつ、基準線Ｋ１に対して互いに対称位置に、２つの第２点火プラグ２２，２２を配置する。基準線Ｋ１に沿うハーフスワールの流れ方向Ｓ１について、第１点火プラグ２１からシリンダの壁面Ｃ１までの第１の距離Ｌ１と、シリンダ外周部に沿うハーフスワールの流れ方向Ｓ２について、第２点火プラグ２２から基準線Ｋ１と交差する位置Ｃ２までの第２の距離Ｌ２と、を等しくする。
【選択図】図３

Description

本発明は、複数の点火プラグを備えた火花点火式内燃機関の多点点火装置の改良に関する。

特許文献１には、希薄燃焼を可能とする、いわゆるリーンバーンエンジンにおいて、燃焼室内に設けられた複数の点火プラグと、シリンダ外周部に沿って旋回する一つのスワール流と、を利用して、燃焼期間の短縮化や希薄燃焼の安定化を図る技術が記載されている。このものでは、第１点火プラグを燃焼室中央に配置するとともに、ストレート吸気ポートの吸気流れとスワール吸気ポートからのスワール流れとが衝突する部位近傍のシリンダ外周部に一つの第２点火プラグを配置している。
特許第３４６８０５５号公報

しかしながら、上述した従来技術では、シリンダ外周部には一つの第２点火プラグしか設けられていないために、シリンダ軸方向視で点火プラグの配置つまり点火位置が線対称とはならず、例えば吸気弁と排気弁とが並ぶ方向（吸気流入方向）つまりスラスト−反スラスト方向に沿ってシリンダ中心を通る基準線に対し、シリンダ軸方向視で点火位置が非対称なものとなる。このため、燃焼室内に均一に火炎を伝播させることが難しく、火炎伝播時間の短縮化やこれによる熱効率向上効果も限られたものとなる。また、シリンダ外周部に沿って旋回する一つのスワール流を利用したものでは、特に流速の早いシリンダ外周部（燃焼室の肩部）で流れの乱れが形成され難く、十分な着火性・燃焼安定性の改善効果が期待できない。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、ハーフスワール流れと多点点火との組み合わせにより、火炎伝播時間の短縮化や火炎伝播の均一化つまり燃焼の均一化を図るものである。すなわち、本発明は、一つのシリンダに２つの吸気弁と２つの排気弁とが設けられ、シリンダ軸方向視でシリンダ中心を通って吸気弁と排気弁とが並ぶ方向へシリンダ内を横断する基準線に対して両側に、それぞれシリンダ内を旋回する吸気のハーフスワール流れが生成される火花点火式内燃機関の多点点火装置において、上記シリンダ軸方向視で上記基準線上に配置される一つの第１点火プラグと、上記シリンダ外周部であって、かつ、上記基準線に対して互いに対称位置に配置される２つの第２点火プラグと、を有している。そして、上記基準線に沿うハーフスワールの流れ方向について、上記第１点火プラグからシリンダの壁面までの第１の距離と、上記シリンダ外周部に沿うハーフスワールの流れ方向について、上記第２点火プラグから基準線と交差する位置までの第２の距離と、が等しくなるように設定されていることを特徴としている。

基準線の両側をそれぞれ旋回するハーフスワール流れと、基準線上に配置された第１点火プラグ及び基準線に対して対称に配置された第２点火プラグと、の組み合わせによって、基準線の両側に独立した火炎を短い時間で均一に伝播させることが可能となる。加えて、上記基準線に沿うハーフスワールの流れ方向について、上記第１点火プラグからシリンダの壁面までの第１の距離と、上記シリンダ外周部に沿うハーフスワールの流れ方向について、上記第２点火プラグから基準線と交差する位置までの第２の距離と、が等しくなるように設定されているために、各点火プラグにより発生した火炎が短い時間で燃焼室内に均一に伝播し、未燃領域が少なく抑えられ、熱効率を向上することができ、かつ、均一な火炎伝播により自着火発生時の未燃燃料量も少なく抑えられ、ノッキングの発生を有効に抑制することができる。

以下、本発明の好ましい実施例を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、この発明のに係る火花点火式内燃機関の多点点火装置の一例を示すシステム構成図である。内燃機関１の各シリンダ（気筒）１４には、吸気通路７の吸気ポート７Ａを開閉する一対の吸気弁３と、排気通路９の排気ポート９Ａを開閉する一対の排気弁４と、が設けられている。吸気通路７には、モータ等のアクチュエータにより開度が制御される電制のスロットル弁２が設けられている。また、燃料噴射弁８が吸気通路７に配置されており、上記のように吸気弁３もしくはスロットル弁２により調整された吸入空気量に応じた量の燃料が、この燃料噴射弁８から吸気ポート７Ａへ噴射される。シリンダ１４内を往復移動するピストン１５の上方にはペントルーフ形の燃焼室１６が形成されており、この燃焼室１６には、１つの第１点火プラグ２１と、２つの第２点火プラグ２２と、が設けられている。

コントロールユニット１０は、運転者により操作されるアクセルペダルに設けられたアクセル角度センサ１１からのアクセル開度信号ＡＰＯと、エンジン回転数センサ１２からのエンジン回転数信号Ｎｅと、吸入空気量センサ１３からの吸入空気量信号と、を受け取り、これらの信号等に基づいて、スロットル開度，燃料噴射量及び点火時期をそれぞれ演算する。そして、要求のスロットル開度，燃料噴射量及び点火時期を実現するように、スロットル弁２，燃料噴射弁８，第１点火プラグ２１及び第２点火プラグ２２へ制御信号を出力し、その動作を制御する。

ここで、低中負荷域では、後述するように、火炎伝播時間（燃焼時間）の短縮化及び火炎伝播の均一化による熱効率の向上を図るために、ハーフスワール流れＳ１，Ｓ２と多点点火とを組み合わせた成層希薄燃焼が行われる。一方、均質燃焼を行う高負荷域では、シリンダ中心１４Ａに配置された第１点火プラグ２１のみによる一般的な一点点火が行われる。

図２及び図３は、シリンダ軸方向視での点火プラグ２１，２２の配置及び火炎伝播の様子を示す説明図であり、図２が比較例、図３が第１実施例を示している。図中、破線Ｓ１，Ｓ２は吸気ポート７Ａからシリンダ１４内へ流入する吸気によって点火時期の近傍で燃焼室１６内に形成される吸気の流れを示し、符号Ｆ１，Ｆ２は火炎の伝播を模式的に表している。また、直線Ｋ１は、シリンダ軸方向視でシリンダ中心１４Ａを通って吸気弁３と排気弁４とが並ぶ方向つまりスラスト−反スラスト方向に沿ってシリンダ１４を横断・二等分する基準線を示している。更に、『ＩＮＴ』は吸気弁３（吸気ポート７Ａ），『ＥＸＨ』は排気弁４（排気ポート９Ａ）を表している。

上記成層希薄燃焼における圧縮上死点付近の点火時期近傍では、吸気ポート７Ａより燃焼室１６内へ流入した吸気の流れとして、シリンダ軸方向視で基準線Ｋ１に対して両側に、それぞれシリンダ１４内を旋回する、いわゆるハーフスワール流れＳ１，Ｓ２が生成される。特に、この第１実施例においては、基準線Ｋ１に沿う流れ方向Ｓ１が、燃料噴射方向や吸気流入方向と同様に、吸気弁側から排気弁側へ向かう方向（図の右方向）となる、いわゆる正ハーフスワール流れとなっている。

そして、この第１実施例においては、第１点火プラグ２１で点火された火炎Ｆ１が基準線Ｋ１に沿って移動し、排気弁側で基準線Ｋ１とシリンダ１４とが交差する位置Ｃ１の近傍でシリンダ壁面に到達・衝突するまでの火炎伝播時間と、２つの第２点火プラグ２２，２２で点火された火炎Ｆ２がそれぞれシリンダ外周部１４Ｂに沿って移動し、吸気弁側の基準線Ｋ１近傍の位置Ｃ２で互いに交差・衝突するまでの火炎伝播時間と、が等しくなるように、点火プラグ２１，２２の位置が設定されている。

具体的には、第１点火プラグ２１は、２つの吸気ポート７Ａと２つの排気ポート９Ａに囲われたシリンダ軸線上のシリンダ中心１４Ａに配置される。一方、２つの第２点火プラグ２２は、シリンダ１４の外周部１４Ｂであって、かつ、基準線Ｋ１に対して互いに対称位置に配置されている。ここで、図２に示す比較例では、第２点火プラグ２２が、シリンダ１４の外周部１４Ｂに沿うハーフスワールの流れ方向Ｓ２について、シリンダ中心１４Ａと同じ位置、つまりシリンダ中心１４Ａを通って上記基準線Ｋ１に直交するピストンピン方向（クランク軸方向）に沿うシリンダ外周部１４Ｂに配置されている。これに対して第１実施例では、火炎伝播時間が均一なものとなるように、第２点火プラグ２２が、シリンダ１４の外周部１４Ｂに沿うハーフスワールの流れ方向Ｓ２について、第１点火プラグ２１が配置されたシリンダ中心１４Ａよりも下流側寄り（図の左側寄り）、つまりシリンダ外周部１４Ｂの吸気ポート７Ａ寄りの部分に配置されている。

上記の火炎伝播時間は、流動場による移動速度や点火位置からの距離により定まり、特に、点火位置からの距離に大きく依存する。そこで、上記実施例では、基準線Ｋ１に沿うハーフスワールの流れ方向Ｓ１について、第１点火プラグ２１から排気弁側のシリンダ外周部１４Ｂまでの第１の距離Ｌ１，すなわち第１点火プラグ２１による火炎Ｆ１が排気弁側のシリンダ壁面の位置Ｃ１に突き当たるまでの第１の距離Ｌ１と、シリンダ外周部１４Ｂに沿うハーフスワールの流れ方向Ｓ２について、第２点火プラグ２２から基準線Ｋ１と交差する位置Ｃ２までの第２の距離Ｌ２、つまり２つの第２点火プラグ２２による火炎Ｆ２が互いに衝突・交差するまでの第２の距離Ｌ２と、が実質的に等しくなるように設定されている。

このように本実施例では、基準線Ｋ１に沿って対称なハーフスワール流れＳ１，Ｓ２と、基準線Ｋ１に沿って対称に配置された点火プラグ２１，２２と、の組み合わせによって、基準線Ｋ１の両側に独立した火炎を短い時間で燃焼室１６内に均一に伝播させることが可能となり、火炎伝播の大幅な短縮化や均一化により熱効率を向上することができる。

また、本実施例の更なる作用効果について、図２の比較例を参照しつつ説明する。図２（Ａ２），図３（Ｂ２）に示すように、各点火プラグ２１，２２による点火は同時に行われ、図２（Ａ３），図３（Ｂ３）に示すように、各火炎Ｆ１，Ｆ２は成長・拡大しつつ正ハーフスワール流れＳ１，Ｓ２に乗って移動する。ここで、正ハーフスワールの流れ場においては、基準線Ｋ１に沿う領域では流れ方向Ｓ１が吸気弁側から排気弁側に向かうものとなっているために、第１点火プラグ２１で発生した火炎Ｆ１は、基準線Ｋ１に沿って排気弁側へ向かうこととなる。一方、シリンダ外周部１４Ｂに沿う領域では、流れ方向Ｓ２が排気弁側から吸気弁側に向かうものとなっているために、第２点火プラグ２２で発生した火炎Ｆ２はシリンダ外周部１４Ｂに沿って吸気弁側へ向かうこととなる。

ここで、上記比較例のように、第２点火プラグ２２を第１点火プラグ２１と同様にシリンダ中心１４Ａと同じスラスト−反スラスト方向位置に配置した場合、第１点火プラグ２１からシリンダ壁面までの距離Ｌ１’に比して、第２点火プラグ２２から基準線Ｋ１までの距離Ｌ２’が長くなる。このため、図２（Ａ３）に示すように、火炎伝播が不均一なものとなり、火炎伝播時間が長くなるとともに、第２点火プラグ２２で発生した火炎Ｆ２の伝播が遅れ、吸気弁側に未燃領域Ｒが生じ易い。

これに対し本実施例では、上述したように第１点火プラグ２１による火炎伝播時間と第２点火プラグ２２による火炎伝播時間とが等しくなるように、各点火プラグ２１，２２が配置されている。これによって、図２（Ｂ３）に示すように、各点火プラグ２１，２２により同時に発生した火炎Ｆ１，Ｆ２が燃焼室１６内に均一に伝播することとなり、より短い時間で燃焼室１６内に均一に火炎が伝播し、未燃領域が少なく抑えられ、熱効率を向上することができ、かつ、均一な火炎伝播により自着火発生時の未燃燃料量も少なく抑えられ、ノッキングの発生を有効に抑制することができる。

図４〜図６はそれぞれ本発明の第２〜４実施例を示している。なお、上記第１実施例と同様の構成には同じ参照符号を付し、重複する説明を適宜省略する。

図４の第２実施例では、第１点火プラグ２１が、基準線Ｋ１に沿う正ハーフスワールの流れ方向Ｓ１について、シリンダ中心１４Ａよりも上流側寄りつまり吸気弁側寄り（図４の左寄り）、より具体的には排気ポート９Ａ側の２つの吸気ポート７Ａに挟まれた付け根部分に配置されている。一方、第２点火プラグ２２は、シリンダ外周部１４Ｂに沿うスワール流れ方向Ｓ２についてシリンダ中心１４Ａと同じ位置、つまりシリンダ中心１４Ａを通ってスラスト−反スラスト方向と直交するピストンピン方向に沿う線上に配置されている。

図５の第３実施例では、第１点火プラグ２１が、基準線Ｋ１に沿う正ハーフスワールの流れ方向Ｓ１について、上記第２実施例よりも更に上流側寄りつまり吸気弁側寄り（図５の左寄り）、より具体的にはシリンダ外周側の２つの吸気ポート７Ａに挟まれた付け根部分に配置されている。このため、第２点火プラグ２２は、シリンダ外周部１４Ｂに沿うスワール流れ方向Ｓ２について、シリンダ中心１４Ａよりも上流側寄りつまり排気弁側寄りに配置されている。

これら第２，３実施例に示すように、点火プラグ２１，２２のレイアウトは、第１実施例のものに限られず、吸気ポート７Ａや排気ポート９Ａを含む燃焼室形状や燃焼時間等を考慮して適宜設定することができ、第２，３実施例では第１実施例よりも距離Ｌ１，Ｌ２が長くなる分、火炎伝播時間が長くなる。そして、これらの第２，第３実施例においても、上記第１実施例と同様、第１点火プラグ２１による火炎Ｆ１が排気弁側のシリンダ壁面Ｃ１に到達するまでの火炎伝播時間と第２点火プラグ２２による火炎Ｆ２が吸気弁側の基準線Ｋ１付近で互いに衝突するまでの火炎伝播時間とが等しくなるように、スワール流れ方向Ｓ１，Ｓ２について、第１点火プラグ２１からシリンダ壁面までの距離Ｌ１と、第２点火プラグ２２から吸気弁側の基準線Ｋ１と交差する位置Ｃ２までの距離Ｌ２と、が等しくなるように設定されており、第１実施例と同様、火炎伝播時間の短縮化と燃焼の均一化とを図ることができる。

図６の第４実施例では、点火時期近傍で燃焼室１６内に生成されるハーフスワール流れが、基準線Ｋ１に沿う流れ方向Ｓ１が排気弁側から吸気弁側へ向かうもの、つまり吸気流入方向と逆方向となり、シリンダ外周部１４Ｂに沿う流れ方向Ｓ２が吸気弁側から排気弁側に向かう、いわゆる負ハーフスワール流れとなっている。この場合でも、各点火位置からの火炎伝播時間が均一となるように、第１点火プラグ２１はシリンダ中心１４Ａに配置され、第２点火プラグ２２は、シリンダ外周部１４Ｂに沿う流れ方向Ｓ２について、シリンダ中心１４Ａよりも下流側寄りつまり排気弁側寄りに配置されている。また、基準線Ｋ１に沿う負ハーフスワールの流れ方向Ｓ１について、第１点火プラグ２１から吸気弁側のシリンダ外周部１４Ｂに突き当たる位置Ｃ１までの第１の距離Ｌ１と、シリンダ外周部１４Ｂに沿う負ハーフスワールの流れ方向Ｓ２について、第２点火プラグ２２から基準線Ｋ１と交差する位置Ｃ２までの距離Ｌ２、つまり２つの第２点火プラグ２２による火炎Ｆ２が互いに衝突・交差するまでの距離Ｌ２と、が実質的に等しくなるように設定されている。このように負ハーフスワール流れを利用した第４実施例においても、上記第１実施例と同様の効果を得ることができる。

図７は、上記第１〜３実施例のような正ハーフスワール流れを生じるピストン冠面等の形状の一例を示している。なお、図７及び図８では明りょう化のために第２点火プラグを省略している。図７に示すように、ピストン１５の冠面中央に燃焼室１６から窪んだ凹部（キャビティ）３１が凹設されていると、一対の吸気ポート７Ａからの吸気が凹部３１内に流れ込み、基準線Ｋ１に沿って流れた後、排気弁側で両側に分岐し、シリンダ外周部１４Ｂに沿って吸気弁側へと旋回する正ハーフスワール流れが生成される。

図８は、負ハーフスワール流れを生じるピストン冠面等の形状の一例を示している。同図に示すように、ピストン１５の冠面中央に燃焼室１６へ向けて隆起する凸部３２が形成されていると、吸気ポート７Ａから流入する吸気が凸部３２を迂回するように凸部３２の両側をそれぞれシリンダ外周部１４Ｂに沿って吸気弁側から排気弁側へと旋回し、排気弁側の端部で互いに衝突・折り返されて、基準線Ｋ１に沿って排気弁側より吸気弁側へ向かって流れる負ハーフスワール流れが生成される。

以上のように本発明を具体的な実施例に基づ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、上記実施例では吸気ポート７Ａへ燃料を噴射するポート噴射形式の内燃機関に本発明を適用しているが、燃焼室内に直接燃料を噴射する筒内直接噴射形式の火花点火式内燃機関に本発明を適用しても良い。

本発明に係る内燃機関の多点点火装置の一例を示すシステム構成図。 比較例に係る点火プラグの配置及び火炎伝播の様子を示す説明図。 本発明の第１実施例に係る点火プラグの配置及び火炎伝播の様子を示す説明図。 本発明の第２実施例に係る点火プラグの配置を示す説明図。 本発明の第３実施例に係る点火プラグの配置を示す説明図。 本発明の第４実施例に係る点火プラグの配置を示す説明図。 正ハーフスワール流れを生じるためのピストン冠面形状等を示す説明図。 負ハーフスワール流れを生じるためのピストン冠面形状等を示す説明図。

符号の説明

３…吸気弁
４…排気弁
８…燃料噴射弁
１４…シリンダ
１５…ピストン
１６…燃焼室
２１…第１点火プラグ
２２…第２点火プラグ

Claims (6)

1. 一つのシリンダに２つの吸気弁と２つの排気弁とが設けられ、シリンダ軸方向視でシリンダ中心を通って吸気弁と排気弁とが並ぶ方向へシリンダ内を横断する基準線に対して両側に、それぞれシリンダ内を旋回する吸気のハーフスワール流れが生成される火花点火式内燃機関の多点点火装置において、
   シリンダ軸方向視で上記基準線上に配置される一つの第１点火プラグと、
   シリンダ外周部であって、かつ、上記基準線に対して互いに対称位置に配置される２つの第２点火プラグと、を有し、
   上記基準線に沿うハーフスワールの流れ方向について、上記第１点火プラグからシリンダの壁面までの第１の距離と、
   上記シリンダ外周部に沿うハーフスワールの流れ方向について、上記第２点火プラグから基準線と交差する位置までの第２の距離と、
   が等しくなるように設定されていることを特徴とする火花点火式内燃機関の多点点火装置。
2. 上記第１点火プラグがシリンダ中心に配置され、上記第２点火プラグが、上記シリンダ外周部に沿うハーフスワールの流れ方向について、上記シリンダ中心よりも下流側寄りに配置されてい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の多点点火装置。
3. 上記第１点火プラグが、上記基準線に沿うハーフスワールの流れ方向について、上記シリンダ中心よりも上流側寄りに配置されてい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の多点点火装置。
4. 上記第２点火プラグが、上記基準線に沿うハーフスワールの流れ方向について、上記シリンダ中心よりも上流側寄りに配置されていることを特徴とする請求項３に記載の火花点火式内燃機関の多点点火装置。
5. 上記ハーフスワール流れが、上記基準線に沿う流れが吸気弁側から排気弁側へ向かう正ハーフスワール流れとなるように、ピストン冠面に凹部が形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の火花点火式内燃機関の多点点火装置。
6. 上記ハーフスワール流れが、上記基準線に沿う流れが排気弁側から吸気弁側へ向かう負ハーフスワール流れとなるように、ピストン冠面に凸部が形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の火花点火式内燃機関の多点点火装置。

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