JP2010144624A - 火花点火式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】スワール流によって燃焼を促進する場合に、スワール流による失火の防止とスワール流による火炎伝播速度の向上との両立を図る。
【解決手段】点火プラグ２１及びプラグホール２ａを、該点火プラグ２１の先端が該プラグホール２ａから燃焼室５内へ突出することなく、かつ、該プラグホール２ａの燃焼室５側開口がシリンダ中心軸線からずれて位置するように設ける。
【選択図】図４

Description

本発明は、燃焼室内にスワール流を発生させる火花点火式内燃機関に関する技術分野に属する。

従来より、この種の火花点火式内燃機関はよく知られており、点火時点において燃焼室に存在するスワール流による乱れによって燃焼を促進するようにしている。このような火花点火式内燃機関では、点火プラグを、燃焼室内においてスワール流の強い（流れが速い）場所に配置すれば、そのスワール流によって、点火プラグによる点火により生成された火炎を燃焼室全体に素早く伝播することができて、機関運転効率を向上させることができるようになる。そのために、例えば特許文献１に示されているように、点火プラグをシリンダヘッドにおいてシリンダ中心軸線からずれた場所（特許文献１では、シリンダ周縁部）に配置することが好ましい。
特開２００７−２３９６６８号公報

しかしながら、点火プラグをスワール流の強い場所に配置した場合、その点火プラグによる点火直後に生成された火炎核が強いスワール流によって消されて失火する可能性が高くなる。

本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、スワール流によって燃焼を促進する場合に、スワール流による失火の防止とスワール流による火炎伝播速度の向上との両立を図ろうとすることにある。

上記の目的を達成するために、この発明では、点火プラグ及びプラグホールを、該点火プラグの先端が該プラグホールから燃焼室内へ突出することなく、かつ、該プラグホールの燃焼室側開口がシリンダ中心軸線からずれて位置するように設けた。

具体的には、請求項１の発明では、火花点火式内燃機関を対象として、シリンダと該シリンダ内で往復動するピストンと該ピストンに対向するシリンダヘッドとにより規定される燃焼室と、上記シリンダヘッドに設けられ、吸気行程において開弁して上記燃焼室を吸気ポートに連通させる吸気弁と、点火時期において上記燃焼室内にスワール流が存在するように、上記吸気ポートから上記燃焼室内へ吸気を導入するスワール流生成手段と、上記シリンダヘッドにおいて上記燃焼室に開口するように設けられたプラグホールと、上記プラグホール内に設けられた第１点火プラグとを備え、上記第１点火プラグ及びプラグホールは、該第１点火プラグの先端が該プラグホールから上記燃焼室内へ突出することなく、かつ、該プラグホールの燃焼室側開口がシリンダ中心軸線からずれて位置するように設けられているものとする。

上記の構成により、プラグホールの燃焼室側開口が、シリンダ中心軸線からずれた、スワール流の強い場所に配置されるが、第１点火プラグの先端（電極）が燃焼室内へ突出していないので、第１点火プラグによる点火直後の火炎核が、スワール流の影響を受けることなくプラグホール内で成長する。そして、この火炎核が成長してなる火炎がプラグホールから燃焼室へ出ても、もはや消えることはなく、スワール流によって火炎が下流側に素早く広がっていく。これにより、燃焼室内の混合気全体が燃焼する期間（燃焼期間）が短縮され、機関運転効率（つまり燃費）を向上させることができる。

請求項２の発明では、請求項１の発明において、点火時期において上記燃焼室内のスワール流の、上記プラグホールの上記燃焼室側開口付近における流速が１０ｍ／ｓ以上であるものとする。

このことにより、燃焼期間を安定的に短縮することができ、高い燃費が安定的に得られる。一方、スワール流の流速を速くしても、第１点火プラグの先端（電極）が燃焼室内へ突出していないので、失火するようなことはない。

請求項３の発明では、請求項１又は２の発明において、上記第１点火プラグは、上記プラグホールの上記燃焼室側開口端と該第１点火プラグの先端との間の距離をＬとし、該プラグホールにおける該両者間の部分の直径をＤとしたとき、
０≦Ｌ／Ｄ≦１
を満たすように、上記プラグホール内に配設されているものとする。

すなわち、Ｌ／Ｄが１よりも大きくて、第１点火プラグの先端（電極）がプラグホールの燃焼室側開口端から離れすぎると、プラグホール内の火炎核が成長して燃焼室へ出るまでの間にプラグホールの壁面で冷却されることで、消える可能性が高くなる。一方、Ｌ／Ｄが０よりも小さくて、第１点火プラグの先端（電極）が燃焼室内へ突出すると、スワール流によって火炎核が消されてしまう。そこで、第１点火プラグを、０≦Ｌ／Ｄ≦１を満たすようにプラグホール内に配設することにより、失火を防止することができるようになる。

請求項４の発明では、請求項１〜３のいずれか１つの発明において、上記スワール流生成手段は、上記燃焼室毎に設けられた第１及び第２の上記吸気ポートと、該第１吸気ポートの吸気抵抗を該第２吸気ポートの吸気抵抗よりも小さくすることが可能な流路抵抗可変手段とを有し、上記プラグホールの上記燃焼室側開口が、上記第１吸気ポートよりも上記第２吸気ポートに近い側に設けられているものとする。

このことにより、流路抵抗可変手段によって、スワール流は、第１吸気ポートから排気ポート側を通って第２吸気ポートへ向かうような流れとなる。このスワール流は、通常、第１吸気ポート寄りでは斜め下に向かう一方、第２吸気ポート寄りでは斜め上に向かう、斜めスワール流となる。この場合、圧縮行程では、第２吸気ポート寄りで斜め上に向かうスワール流の流れがピストンの上昇により増速される。したがって、プラグホールの燃焼室側開口を第２吸気ポートに近い側に設けることで、点火時期において燃焼室内のスワール流の、プラグホールの燃焼室側開口付近における流速を速くすることができ、燃焼期間をより一層短縮することができる。

請求項５の発明では、請求項１〜４のいずれか１つの発明において、上記第１点火プラグは、該第１点火プラグの軸線が上記シリンダ中心軸線と平行であるか、又は、シリンダ中心軸線と平行でかつ上記プラグホールの上記燃焼室側開口付近における上記燃焼室内のスワール流の流れ方向に沿って延びる平面内において第１点火プラグの軸線が上記燃焼室側開口端とは反対側に向かって該スワール流の上流側に傾斜するように配設されているものとする。

すなわち、上記平面内において第１点火プラグの軸線がプラグホールの燃焼室側開口端とは反対側に向かってスワール流の下流側に傾斜していると、第１点火プラグの先端（電極）が、プラグホール内に位置していても、プラグホール内に入ってくるスワール流と対向して該スワール流が直に当たるような位置に位置することととなり、火炎核がそのスワール流によって消え易くなる。これに対し、本発明のように、第１点火プラグの軸線がシリンダ中心軸線と平行であるか、又は、上記平面内において第１点火プラグの軸線がプラグホールの燃焼室側開口端とは反対側に向かってスワール流の上流側に傾斜していれば、第１点火プラグの先端（電極）が、プラグホール内に入ってくるスワール流が直に当たらないような位置に位置することととなり、火炎核がスワール流の影響を受け難くなる。したがって、スワール流による失火をより一層有効に防止することができる。

請求項６の発明では、請求項１〜５のいずれか１つの発明において、上記第１点火プラグの電極は、該第１点火プラグの軸線上に位置する中心電極と、該中心電極の周辺から中心電極の下方に延びる側方電極とからなり、上記側方電極は、上記第１点火プラグの軸線に対して、上記プラグホールの上記燃焼室側開口付近における上記燃焼室内のスワール流の下流側に配設されているものとする。

すなわち、プラグホール内においては、プラグホール内に入ってきたスワール流が、その下流側のプラグホール壁近傍にて、プラグホール奥側でかつプラグホール内に入ってきたときとは反対側へ流れるような渦流となる。ここで、側方電極が第１点火プラグの軸線に対してスワール流の上流側に配設されていると、その渦流の一部は、側方電極に沿って第１点火プラグ内のクエンチゾーンへと流れる。このため、中心電極の先端部と側方電極の先端部との間で生成された火炎核が、その渦流によってクエンチゾーンへと押し込まれ、やがて消えてしまう。これに対し、本発明の如く、側方電極が第１点火プラグの軸線に対してスワール流の下流側に配設されていると、火炎核が渦流に乗って側方電極とは反対側へ成長し、その成長してなる火炎がプラグホールから燃焼室へ出て、燃焼室内のスワール流によって下流側へ広がっていく。したがって、スワール流による失火をより一層有効に防止することができる。

請求項７の発明では、請求項１〜６のいずれか１つの発明において、上記スワール流生成手段によるスワール生成力を制御するスワール制御手段と、上記第１点火プラグよりもシリンダ中心側に配置された第２点火プラグと、上記スワール制御手段が上記スワール流生成手段によるスワール生成力を所定以下に減少させた場合に上記第２点火プラグによる点火を行わせる点火制御手段とを更に備えているものとする。

すなわち、スワール流が弱い場合、第１点火プラグによる点火では、燃焼期間短縮の効果は限定的であり、むしろ第２点火プラグによる点火の方が燃焼期間を短縮できる可能性が高くなる。そこで、本発明では、スワール流生成手段によるスワール生成力が所定以下に減少した場合には、第２点火プラグによる点火を行う。これにより、広い運転領域で、適切な燃焼を生じさせるようにすることができる。

請求項８の発明では、請求項７の発明において、上記第２点火プラグの先端が上記燃焼室内へ突出しているものとする。

すなわち、第１点火プラグの先端がプラグホールから燃焼室内へ突出していないことで、その分だけ燃焼室容積が増大して圧縮比（膨張比）が低下する。しかし、本発明では、第２点火プラグの燃焼室内への突出により、上記燃焼室容積の増大分と相殺して圧縮比を維持することができる。

以上説明したように、本発明の火花点火式内燃機関によると、点火プラグ及びプラグホールを、該点火プラグの先端が該プラグホールから燃焼室内へ突出することなく、かつ、該プラグホールの燃焼室側開口がシリンダ中心軸線からずれて位置するように設けたことにより、スワール流による失火を防止することができるとともに、スワール流により火炎伝播速度を向上させて、機関運転効率（つまり燃費）を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る火花点火式内燃機関としてのエンジンＥを示す。このエンジンＥは、シリンダブロック１と、このシリンダブロック１上に組み付けられるシリンダヘッド２とを備えている。シリンダブロック１内には、複数のシリンダＣ（気筒：図１には１つのみ示す）が図１の紙面に垂直な方向に並ぶように設けられており、各シリンダＣ内には、シリンダＣの中心軸線ｃ１に沿って上下に往復動するようにピストン３がそれぞれ嵌装されている。この各ピストン３は、シリンダブロック１の下部に回転自在に支持されかつ図１の紙面に垂直な方向に延びるクランク軸４に、それぞれコネクティングロッド２０を介して連結されている。

上記各シリンダＣにおけるピストン３の上方には燃焼室５が形成されている。この燃焼室５は、シリンダＣとピストン３と該ピストン３に対向するシリンダヘッド２の下面とにより規定される。シリンダヘッド２の下面により構成される燃焼室天井部５ａ（図２参照）は、２つの傾斜面からなる三角屋根状に形成されており、このことで、燃焼室５は所謂ペントルーフ型とされている。

上記燃焼室天井部５ａの２つの傾斜面には、それぞれ、燃焼室５内へ吸気を導入する吸気ポート６と燃焼室５から既燃ガスを排出する排気ポート７とが開口している。これら吸気ポート６及び排気ポート７は、図２に示すように、燃焼室５毎に２つずつ設けられており（排気ポート７は、図２及び図３では、燃焼室５側の開口のみ示す）、２つの吸気ポート６を区別する場合には、第１吸気ポート６ａ及び第２吸気ポート６ｂという。

上記２つの吸気ポート６は、図２で奥側（図１では左側）の傾斜面にクランク軸４の長手方向（クランク軸方向）に並んで開口しており、２つの排気ポート７は、図２で手前側（図１では右側）の傾斜面にクランク軸方向に並んで開口している。

上記各吸気ポート６の上記開口には、該開口を所定のタイミングで開閉する吸気弁８が設けられ、上記各排気ポート７の上記開口には、該開口を所定のタイミングで開閉する排気弁９が設けられている。吸気弁８は、吸気行程において開弁されて燃焼室５を吸気ポート６に連通させる。排気弁９は、排気行程において開弁されて燃焼室５を排気ポート７に連通させる。

上記吸気ポート６は、燃焼室天井部５ａから比較的急傾斜で斜め上向きに延びるように立ち気味にレイアウトされており、その下方には後述の如く配設されるインジェクタ１４のためのスペースが確保されている。そうして斜め上向きに延びた吸気ポート６は、シリンダヘッド２の側面に開口して、この開口が吸気通路１０（図１及び図３参照）に接続さる。

図３は、エンジンＥの複数（図３の例では＃１〜＃４の４つ）のシリンダＣへの吸気通路１０の連通状態を模式的に示したものであり、図３の例ではサージタンク１１とシリンダＣとの間は、各吸気ポート６毎の分岐通路１０ａ，１０ｂによって連通されている。分岐通路１０ａは吸気ポート６ａに、分岐通路１０ｂは吸気ポート６ｂにそれぞれ接続される。

上記分岐通路１０ｂには、後述の如く燃焼室５内にスワール流を生成するための制御弁１２が配設されている。この制御弁１２は、例えばバタフライバルブ（絞り弁）からなり、その位置の調整によって分岐通路１０ｂの流路面積、つまり第２吸気ポート６ｂの一部と見做すことが可能な分岐通路１０ｂの吸気抵抗を変更する。この制御弁１２を閉じれば、第１吸気ポート６ａ（分岐通路１０ａ）の吸気抵抗が第２吸気ポート６ｂ（分岐通路１０ｂ）の吸気抵抗よりも小さくなることになる。

本実施形態では、制御弁１２は、後述のようにＥＣＵ３０によって制御されて、エンジンＥの所定の運転状態（図５の運転領域Ｓ）で第２吸気ポート６ｂを全閉にすることにより、吸気を第１吸気ポート６ａのみから燃焼室５に流入させて、燃焼室５内にスワール流を生成させる。このスワール流は、点火時期においても燃焼室５内に存在する。一方、制御弁１２が全開とされると、第１吸気ポート６ａ（分岐通路１０ａ）の吸気抵抗と第２吸気ポート６ｂ（分岐通路１０ｂ）の吸気抵抗とが同じになって、スワール流は殆ど生成されない。したがって、制御弁１２は、第１吸気ポート６ａの吸気抵抗を第２吸気ポート６ｂの吸気抵抗よりも小さくすることが可能な流路抵抗可変手段を構成し、第１及び第２吸気ポート６ａ，６ｂ並びに制御弁１２が、スワール流生成手段を構成する。

尚、図３に示すように、本実施形態の場合、＃１及び＃３のシリンダＣでは、第２吸気ポート６ｂが第１吸気ポート６ａよりもエンジンＥの長手方向の一方側（図３の右側）に位置し、＃２及び＃４のシリンダＣでは、第２吸気ポート６ｂが第１吸気ポート６ａよりもエンジンＥの他方側（図３の左側）に位置する。

上記のように独立に設けられた第１及び第２吸気ポート６ａ，６ｂに対し、２つの排気ポート７は、燃焼室天井部５ａの排気側傾斜面から斜め上に延びた後に一つに合流し、その後は図１に示すように略水平に延びて、シリンダヘッド２の排気側の側面に開口している。この排気側の側面には各シリンダＣ毎に分岐して排気ポート７に連通するように排気マニホールド１３が接続されていて、排気ポート７及びマニホールド１３を介して、燃焼室５から既燃ガス（排気ガス）を排出するようになっている。

上記２つの吸気ポート６の下側には、それらの燃焼室５側の開口の中間位置に噴口を臨ませて、そこから燃焼室５の略中央部に向かい（すなわち排気側に向かって）燃料を噴射するように、インジェクタ１４（燃料噴射弁）が配設されている。このインジェクタ１４は、シリンダヘッド２に形成されたインジェクタ収容孔（図示せず）に収容され、その基端部は、複数のシリンダＣに共通の燃料分配管１５（図１にのみ示す）を介して、図示しない高圧燃料ポンプや高圧レギュレータを有する燃料供給系に接続されている。そして、インジェクタ１４は、後述のＥＣＵ３０によって、吸気行程中に燃焼室５に燃料を噴射するように制御される。

図２に示すように、シリンダヘッド２において同図の右側に位置する第２吸気ポート６ｂと右側の排気ポート７との間、つまり第１吸気ポート６ａよりも第２吸気ポート６ｂに近い側におけるシリンダ中心軸線ｃ１からずれた位置に、第１点火プラグ２１が配設されている。この第１点火プラグ２１は、シリンダヘッド２において燃焼室５に開口するように設けられたプラグホール２ａ（図４参照）内に設けられており、このプラグホール２ａの燃焼室５側開口が、シリンダ中心軸線ｃ１からずれて位置することになる。また、第１点火プラグ２１は、その先端（後述の側方電極２１ｂ）がプラグホール２ａから燃焼室５内へ突出しないようにプラグホール２ａ内に配設されている。

上記第１点火プラグ２１の電極は、図４に示すように、該第１点火プラグ２１の軸線Ｙ上に位置する中心電極２１ａと、該中心電極２１ａの周辺から中心電極２１ａの下方に延びる側方電極２１ｂとからなり、中心電極２１ａの先端部と側方電極２１ｂとの先端部とが互いに対向している。これら中心電極２１ａと側方電極２１ｂとの間に電圧が印加されて、中心電極２１ａの先端部と側方電極２１ｂとの先端部との間に火炎核が生成される。

また、本実施形態では、シリンダヘッド２において第１点火プラグ２１よりもシリンダ中心側（本実施形態では、シリンダ中心軸線ｃ１上）に、第１点火プラグ２１と同様の中心電極２２ａ及び側方電極２２ｂ（図１参照）を有する第２点火プラグ２２が配設されている。この第２点火プラグ２２の先端（中心電極２２ａ及び側方電極２２ｂ）は燃焼室５内へ突出している。この第２点火プラグ２２の基端側（上側）には点火コイルユニット１７（図１参照）が接続され、ＥＣＵ３０によって、所定のタイミングで点火コイルユニット１７を介して第２点火プラグ２２の中心電極２２ａ及び側方電極２２ｂ間に電圧が印加されるようになっている。上記第１点火プラグ２１に対しても、第２点火プラグ２２と同様に、ＥＣＵ３０によって、所定のタイミングで不図示の点火コイルユニットを介して中心電極２１ａ及び側方電極２１ｂ間に電圧が印加される。

上記エンジンＥにおいては、制御弁１２の開閉作動、インジェクタ１４による燃料の噴射、第１及び第２点火プラグ２１，２２による点火等がエンジン・コントロールユニット（ＥＣＵ）３０によって制御されるようになっている。上記制御弁１２は、例えば図５に概略的に示すように、エンジンＥの低回転側の運転領域Ｓ、つまり所定エンジン回転数（エンジン負荷によって変化）以下の領域で全閉とされて、燃焼室５内にスワール流が生成される。例えば２０００ｒｐｍ以下では全負荷であっても制御弁１２が全閉とされる。一方、高回転側の運転領域Ｔでは、負荷に依らず制御弁１２が全開とされ、シリンダＣへの充填効率を高めるようにしている。このことで、ＥＣＵ３０は、スワール流生成手段によるスワール生成力を制御するスワール制御手段を構成することになり、運転領域Ｔでは、スワール生成力を所定以下に減少させることになる。尚、運転領域を更に多くの数に区切ってその運転領域毎に制御弁１２の開度を変更するようにして、スワール生成力を制御するようにしてもよい。

上記ＥＣＵ３０は、上記スワール流が生成される運転領域Ｓでは、上記第１点火プラグ２１による点火を行わせる一方、スワール流が殆ど生成されない（スワール生成力が所定以下に減少する）運転領域Ｔでは、第２点火プラグ２２による点火を行わせる。このことで、ＥＣＵ３０は、スワール生成力を所定以下に減少させた場合に第２点火プラグ２２による点火を行わせる点火制御手段を構成することになる。尚、スワール生成力が所定以下に減少する運転領域で、第２点火プラグ２２に加えて、第１点火プラグ２１による点火を行わせるようにしてもよい。

上記制御弁１２が全閉にされると、吸気行程で吸気弁８が開いても、制御弁１２が閉じている第２吸気ポート６ｂには吸気が流れず、吸気は第１吸気ポート６ａのみから燃焼室５に流入するようになる。この吸気流は、シリンダ中心軸線ｃ１の周りを旋回しながら、下降するピストン３を追いかけるように下方に向かう螺旋状の流れになる。但し、上述したように吸気ポート６が立ち気味にレイアウトされていることから、吸気の流れにはタンブル成分が含まれており、これにより所謂斜めスワール流が形成される。

すなわち、ピストン３が下死点に近づいてその下降速度が低下するにつれて、上記流れはピストン３の頂面に沿って上向きに指向されるようになる。そして、インジェクタ１４からの燃料噴射が終了したシリンダＣの圧縮行程では、図６に示すように、吸気と噴射燃料との混合気の流れは、第１吸気ポート６ａ寄りでは斜め下に向かう一方、第２吸気ポート６ｂ寄りでは斜め上に向かう、所謂斜めスワール流になるのである。

上記斜めスワール流は、図７に示すように、シリンダ周壁に沿って大きく旋回し、圧縮行程でもタンブル流のように潰れることなく、点火時期においても維持される。特に第２吸気ポート６ｂ寄りの部分では、圧縮行程でピストン３が上昇することにより、斜め上に向かうスワール流の流れが増速され、これにより、第２吸気ポート６ｂ寄りでスワール流が点火時期においても維持される。

本実施形態では、第１点火プラグ２１及びプラグホール２ａが、第１吸気ポート６ａよりも第２吸気ポート６ｂに近い側に設けられているので、点火時期において燃焼室５内のスワール流の、プラグホール２ａの燃焼室５側開口付近における流速が速く、これにより、第１点火プラグ２１による点火により生成された火炎を燃焼室５全体に素早く伝播することができて、機関運転効率（つまり燃費）を向上させることができる。

しかし、上記スワール流の流速が速いために、第１点火プラグ２１による点火直後において中心電極２１ａの先端部と側方電極２１の先端部との間に生成された火炎核が、そのスワール流によって消されて失火する可能性が高くなる。

そこで、本実施形態では、上記のように、第１点火プラグ２１の先端（側方電極２１ｂ）がプラグホール２ａから燃焼室５内へ突出しないようにして、上記火炎核が、スワール流の影響を受けることなくプラグホール２ａ内で成長するようにしている。そして、この火炎核が成長してなる火炎がプラグホール２ａから燃焼室５へ出ても、もはや消えることはなく、スワール流によって火炎が下流側に素早く広がっていくことになる。

図４に示すように、上記第１点火プラグ２１は、上記プラグホール２ａの燃焼室５側開口端と第１点火プラグ２１の先端（側方電極２１ｂ）との間の距離をＬとし、該プラグホール２ａにおける該両者間の部分の直径をＤとしたとき、
０≦Ｌ／Ｄ≦１
を満たすように、上記プラグホール２ａ内に配設されていることが好ましい。

すなわち、Ｌ／Ｄが１よりも大きくて、第１点火プラグ２１の先端がプラグホール２ａの燃焼室５側開口端から離れすぎると、プラグホール２ａ内の火炎核が成長して燃焼室５へ出るまでの間にプラグホール２ａの壁面で冷却されることで、消える可能性が高くなる。一方、Ｌ／Ｄが０よりも小さくて、第１点火プラグ２１の先端が燃焼室内へ突出すると、スワール流によって火炎核が消されてしまう。そこで、第１点火プラグ２１を、０≦Ｌ／Ｄ≦１を満たすようにプラグホール２ａ内に配設することにより、失火を防止することができるようになる。

図８は、Ｌ／Ｄの値を変化させて失火回数を調べた結果を示す。これによると、０≦Ｌ／Ｄ≦１では失火回数が０であるが、Ｌ／Ｄが１を超えると、失火回数が急激に増大することが分かる。

また、第１点火プラグ２１は、該第１点火プラグ２１の軸線Ｙが上記シリンダ中心軸線ｃ１と平行であるか、又は、シリンダ中心軸線ｃ１と平行でかつ上記プラグホール２ａの燃焼室５側開口付近における燃焼室５内のスワール流の流れ方向に沿って延びる平面内において第１点火プラグ２１の軸線Ｙが上記燃焼室５側開口端とは反対側に向かって該スワール流の上流側に傾斜するように配設されていることが好ましい。

すなわち、図９（ａ）に示すように、上記平面内において第１点火プラグ２１の軸線Ｙがプラグホール２ａの燃焼室５側開口端とは反対側に向かってスワール流の下流側に傾斜していると、第１点火プラグ２１の中心電極２１ａ及び側方電極２１ｂが、プラグホール２ａ内に入ってくるスワール流と対向して該スワール流が直に当たるような位置に位置することととなり、中心電極２１ａ及び側方電極２１ｂ間に生成された火炎核が、そのスワール流によって消される可能性が高くなる。

これに対し、図９（ｂ）に示すように、第１点火プラグ２１の軸線Ｙがシリンダ中心軸線ｃ１と平行であるか、又は、図９（ｃ）に示すように、上記平面内において第１点火プラグ２１の軸線Ｙがプラグホール２ａの燃焼室５側開口端とは反対側に向かってスワール流の上流側に傾斜していれば、第１点火プラグ２１の中心電極２１ａ及び側方電極２１ｂが、プラグホール２ａ内に入ってくるスワール流が直に当たらないような位置に位置することととなり、火炎核がスワール流の影響を受け難くなる。

さらに、図４に示すように、第１点火プラグ２１の側方電極２１ｂは、該第１点火プラグ２１の軸線Ｙに対して、プラグホール２ａの燃焼室５側開口付近における燃焼室５内のスワール流の下流側に配設されていることが好ましい。

図１０（ａ）及び（ｂ）は、側方電極２１ｂを第１点火プラグ２１の軸線Ｙに対してスワール流の上流側に配設した場合と下流側に配設した場合とのＣＦＤによるシミュレーション結果を示す。これによると、プラグホール２ａ内においては、プラグホール２ａ内に入ってきたスワール流が、その下流側のプラグホール壁近傍にて、プラグホール２ａ奥側でかつプラグホール２ａ内に入ってきたときとは反対側へ流れるような渦流となる。ここで、図１０（ａ）に示す、側方電極２１ｂが第１点火プラグ２１の軸線Ｙに対してスワール流の上流側に配設されている場合には、その渦流の一部は、側方電極２１ｂに沿って第１点火プラグ２１内のクエンチゾーン（中心電極２１ａの側周面と側方電極２１ｂとの間の径方向の隙間）へと流れる。このため、中心電極２１ａの先端部と側方電極２１ｂの先端部との間で生成された火炎核が、その渦流によってクエンチゾーンへと押し込まれ、やがて消えてしまう。

これに対し、図１０（ｂ）に示す、側方電極２１ｂが第１点火プラグ２１の軸線Ｙに対してスワール流の下流側に配設されている場合には、火炎核が渦流に乗って側方電極２１ｂとは反対側へ成長し、その成長してなる火炎がプラグホール２ａの燃焼室５側開口における側方電極２１ｂとは反対側（スワール流の上流側）の部分から燃焼室５へ出て、燃焼室５内のスワール流によって下流側へ広がっていく。

図１１は、側方電極２１ｂを第１点火プラグ２１の軸線Ｙに対してスワール流の上流側に配置した場合と下流側に配置した場合とにおいて混合気濃度と失火回数との関係を調べた結果を示す。これによると、いずれの場合も、混合気がリーンになると、失火回数は増える傾向にあるが、下流側に配置した場合の方が、上流側に配置した場合に比べて格段に小さいことが分かる。

点火時期において燃焼室５内のスワール流の、プラグホール２ａの燃焼室５側開口付近における流速（以下、スワール流速という）は、燃焼期間を短縮して燃費を向上させる観点から、１０ｍ／ｓ以上であることが好ましい。

図１２は、プラグホール２ａの燃焼室５側開口の中心（つまり第１点火プラグ２１の軸線Ｙ）の、シリンダ中心軸線ｃ１からの距離（以下、プラグ位置という）を変えて、そのプラグ位置と、燃焼室５内の混合気全体が燃焼する燃焼期間（クランク角で示す）との関係を計算で求めた結果を示す。また、図１３は、上記プラグ位置と燃料消費率との関係を計算で求めた結果を示す。さらに、上記プラグ位置とスワール流速との関係を計算で求めた結果を表１に示す。これら計算の際、スワール比を４．５、エンジン回転数を１５００ｒｐｍ、空気過剰率λ＝２、シリンダ径を９０ｍｍとした。

図１２及び図１３より、プラグ位置が１５ｍｍ以上であれば、燃焼期間を短くかつ燃料消費率を低く安定させ得ることが分かる。そして、表１より、プラグ位置が１５ｍｍ以上であるときのスワール流速は、１０ｍ／ｓ以上であることが分かる。したがって、スワール流速を１０ｍ／ｓとすれば、燃焼期間を安定的に短縮することができ、高い燃費が安定的に得られることになる。

図１４は、空気過剰率λ＝２でかつプラグ位置が３５ｍｍである場合、空気過剰率λ＝２でかつプラグ位置が０である場合、及び、空気過剰率λ＝１でかつプラグ位置が０である場合の、クランク角と燃焼割合との関係を計算で求めた結果を示す。この計算の際、スワール比を４．５、エンジン回転数を１５００ｒｐｍ、シリンダ径を９０ｍｍとした。尚、空気過剰率λ＝２である場合において燃焼割合が１００％となるクランク角が図１２の燃焼期間に相当する。

これにより、プラグ位置を３５ｍｍ（スワール流速：約２５ｍ／ｓ）とすれば、空気過剰率λ＝２というリーンな混合気であっても、空気過剰率λ＝１（理論空燃比）と同等程度の燃焼期間となることが分かる。

したがって、本実施形態では、第１点火プラグ２１及びプラグホール２ａを、スワール流によって燃焼期間を短縮して燃費を向上できるように、シリンダ中心軸線ｃ１からずれた位置に配設するとともに、第１点火プラグ２１の中心電極２１ａの先端部と側方電極２１ｂの先端部との間に生成される火炎核が、そのスワール流によって消されないように、第１点火プラグ２１の先端（側方電極２１ｂ）がプラグホール２ａから燃焼室５内へ突出しないようにしたので、スワール流による失火の防止とスワール流による火炎伝播速度の向上との両立を図ることができる。

本発明は、燃焼室内にスワール流を発生させる火花点火式内燃機関に有用である。

本発明の実施形態に係る火花点火式内燃機関としてのエンジンを示す概略図である。 エンジンの構成を概略的に示す斜視図である。 複数のシリンダへの吸気通路の連通状態を示す模式図である。 第１点火プラグとプラグホールとの関係を示す図である。 エンジンの、制御弁を制御するための制御マップの例を示す図である。 圧縮行程におけるシリンダ内の流動の様子を示す斜視図である。 圧縮行程におけるシリンダ内の流動の様子を示す平面図である。 Ｌ／Ｄの値と失火回数との関係を示すグラフである。 第１点火プラグの軸線の傾斜とスワール流との関係を示す図である。 側方電極を第１点火プラグの軸線に対してスワール流の上流側に配設した場合と下流側に配設した場合とのＣＦＤによるシミュレーション結果を示す図である。 側方電極を第１点火プラグの軸線に対してスワール流の上流側に配置した場合と下流側に配置した場合とにおいて混合気濃度と失火回数との関係を示すグラフである。 プラグ位置と燃焼期間との関係を示すグラフである。 プラグ位置と燃料消費率との関係を示すグラフである。 空気過剰率λ＝２でかつプラグ位置が３５ｍｍである場合、空気過剰率λ＝２でかつプラグ位置が０である場合、及び、空気過剰率λ＝１でかつプラグ位置が０である場合の、クランク角と燃焼割合との関係を示すグラフである。

符号の説明

Ｅ エンジン（火花点火式内燃機関）
Ｃ シリンダ
ｃ１ シリンダ中心軸線
Ｙ 第１点火プラグの軸線
２ シリンダヘッド
２ａ プラグホール
３ ピストン
５ 燃焼室
６ 吸気ポート
６ａ 第１吸気ポート（スワール流生成手段）
６ｂ 第２吸気ポート（スワール流生成手段）
８ 吸気弁
１２ 制御弁（流路抵抗可変手段）（スワール流生成手段）
２１ 第１点火プラグ
２１ａ 中心電極
２１ｂ 側方電極
２２ 第２点火プラグ
３０ ＥＣＵ（スワール制御手段）（点火制御手段）

Claims (8)

1. シリンダと該シリンダ内で往復動するピストンと該ピストンに対向するシリンダヘッドとにより規定される燃焼室と、
   上記シリンダヘッドに設けられ、吸気行程において開弁して上記燃焼室を吸気ポートに連通させる吸気弁と、
   点火時期において上記燃焼室内にスワール流が存在するように、上記吸気ポートから上記燃焼室内へ吸気を導入するスワール流生成手段と、
   上記シリンダヘッドにおいて上記燃焼室に開口するように設けられたプラグホールと、
   上記プラグホール内に設けられた第１点火プラグとを備え、
   上記第１点火プラグ及びプラグホールは、該第１点火プラグの先端が該プラグホールから上記燃焼室内へ突出することなく、かつ、該プラグホールの燃焼室側開口がシリンダ中心軸線からずれて位置するように設けられていることを特徴とする火花点火式内燃機関。
2. 点火時期において上記燃焼室内のスワール流の、上記プラグホールの上記燃焼室側開口付近における流速が１０ｍ／ｓ以上である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. 上記第１点火プラグは、上記プラグホールの上記燃焼室側開口端と該第１点火プラグの先端との間の距離をＬとし、該プラグホールにおける該両者間の部分の直径をＤとしたとき、
   ０≦Ｌ／Ｄ≦１
   を満たすように、上記プラグホール内に配設されていることを特徴とする請求項１又は２記載の火花点火式内燃機関。
4. 上記スワール流生成手段は、上記燃焼室毎に設けられた第１及び第２の上記吸気ポートと、該第１吸気ポートの吸気抵抗を該第２吸気ポートの吸気抵抗よりも小さくすることが可能な流路抵抗可変手段とを有し、
   上記プラグホールの上記燃焼室側開口が、上記第１吸気ポートよりも上記第２吸気ポートに近い側に設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の火花点火式内燃機関。
5. 上記第１点火プラグは、該第１点火プラグの軸線が上記シリンダ中心軸線と平行であるか、又は、シリンダ中心軸線と平行でかつ上記プラグホールの上記燃焼室側開口付近における上記燃焼室内のスワール流の流れ方向に沿って延びる平面内において第１点火プラグの軸線が上記燃焼室側開口端とは反対側に向かって該スワール流の上流側に傾斜するように配設されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の火花点火式内燃機関。
6. 上記第１点火プラグの電極は、該第１点火プラグの軸線上に位置する中心電極と、該中心電極の周辺から中心電極の下方に延びる側方電極とからなり、
   上記側方電極は、上記第１点火プラグの軸線に対して、上記プラグホールの上記燃焼室側開口付近における上記燃焼室内のスワール流の下流側に配設されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の火花点火式内燃機関。
7. 上記スワール流生成手段によるスワール生成力を制御するスワール制御手段と、
   上記第１点火プラグよりもシリンダ中心側に配置された第２点火プラグと、
   上記スワール制御手段が上記スワール流生成手段によるスワール生成力を所定以下に減少させた場合に上記第２点火プラグによる点火を行わせる点火制御手段とを更に備えていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の火花点火式内燃機関。
8. 上記第２点火プラグの先端が上記燃焼室内へ突出していることを特徴とする請求項７記載の火花点火式内燃機関。

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