JP2010261407A - 副燃焼室式点火装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の主燃焼室に連通する副燃焼室内から主燃焼室内に火炎を噴射させて点火を行う副燃焼室式点火装置であって、難着火性内燃機関においても優れた着火性を発揮すると共に、液体燃料の付着によって失火の起こり難い信頼性の高い副燃焼室式点火装置の提供を目的とする。
【解決手段】副燃焼室式点火装置１は、点火手段として副燃焼室付レーザ点火プラグ１０を具備し、副燃焼室付レーザ点火プラグ１０の先端側には、内燃機関の主燃焼室５００に露出する副燃焼室１００が区画され、副燃焼室１００の底部１１０には、主燃焼室５００に連通する連通孔１１１が穿設され、高エネルギ供給手段として電源２０から供給された電気エネルギをレーザ光に変換して発振するレーザ発振器３０を具備し、レーザ発振器３０から発振されたレーザ光を集光手段３４によって副燃焼室１００の容積重心Ｇよりも連通孔１１１に近い位置に集光して起爆点ＦＰとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の点火に用いられる副燃焼室式点火装置の着火性の向上及び液体燃料の付着による失火の防止に関する。

近年、自動車エンジン等の内燃機関において、燃焼排気中に含まれる、窒素酸化物や二酸化炭素、未燃炭化水素化合物等の排出量低減やさらなる燃費の向上を図るべく、内燃機関の極希薄化、高過給化について種々と提案されており、また、極希薄内燃機関や高過給内燃機関等の難着火性機関においても良好な点火が実現可能な点火装置について種々と提案されている。

特許文献１には、主燃焼室と、前記燃焼室に隣接し、連通孔を介して前記燃焼室に連通されている副燃焼室と、前記副燃焼室に設けられた点火部と、前記主燃焼室に導入される新気混合気を旋回させて、前記主燃焼室に前記新気混合気の旋回流を形成させる旋回流形成部と、少なくとも気体燃料を前記主燃焼室へ噴射する気体燃料噴射部と、前記新気混合気の旋回流を介して前記主燃焼室から前記副燃焼室へ前記気体燃料が導入されるように、前記気体燃料噴射部を制御する第１制御部と、を備えた副燃焼室式内燃機関が開示されている。

特許文献１にあるような、従来の副燃焼室式内燃機関では、液体燃料に比べて層流燃焼速度の大きい気体燃料を副燃焼室内に導入して、点火プラグの火花放電によって、副燃焼室内の気体燃料に点火し、短い燃焼期間でトーチ状の火炎を発生させ、主燃焼室内に噴射することによってリーン限界の拡大を図っている。

特許文献２には、レーザ発信装置からのレーザ光を、シリンダヘッドに装着されて該レーザ光を集光するレーザ光集光装置に伝送し、該レーザ光集光装置から集光レーザ光を燃焼室内に照射して発生させたプラズマにより前記燃焼室内のガスに着火するように構成されたレーザ着火式エンジンにおいて、前記レーザ発信装置に、前記燃焼室内におけるレーザ正常着火を可能とするパルス時間間隔にて複数パルスのレーザ光を発信せしめるレーザ光発信制御手段を備えたことを特徴とする複数パルスレーザ照射レーザ着火式エンジンが開示されている。

特許文献３には、開口部と該開口部に対向した底面とをもち軸方向に伸びる断面が円形のチャンバーを区画するハウジングと、該ハウジングの表面に設けられ該チャンバーの開口部と外部とを連通する外部電極孔をもつ外部電極と、該チャンバーの該底面に配置された中心電極と、を有し、該中心電極と該外部電極との間に電圧を印加して該チャンバー内にプラズマを発生させ、該チャンバーの開口部からプラズマジェットを噴射する内燃機関用点火装置であって、該チャンバーの容積が１０ｍｍ^３以下であり、かつ該チャンバーの軸方向の長さと内径の長さとの比が２以上であることを特徴とする内燃機関用点火装置が開示されている。

ところが、本発明者等の鋭意試験により、特許文献１にあるような従来の副燃焼室式内燃機関においては、副燃焼室内における起爆位置が主燃焼室と副燃焼室とを連通する連通孔から副燃焼室の容積重心以上に離れている場合には、副燃焼室内で発生した高温ガスの低温部が先に主燃焼室内に噴射され、着火タイミングに遅れが生じる虞があることが判明した。
さらに、液体燃料を主燃焼室内に直接噴射する直噴式内燃機関において、このような副燃焼室式内燃機関を実現しようとした場合、液体燃料が上記連通孔に液滴状となって付着したり、長期の使用によって未燃炭化水素化合物等からなるデポジットが蓄積したりして、トーチ状火炎の噴出経路が塞がれ、着火性の低下を招く虞もある。

また、特許文献２にあるように燃焼室内に強力なレーザ光を集光させて点火を行う場合、さらなる希薄化を実現すべく燃焼室内に強い気流を形成すると、レーザ光の集光により発生した火炎核が十分な大きさに成長しないうちに、強い筒内気流に晒されるため、火炎核が吹き消されるように燃焼速度の低下を招き、不安定な着火となる虞がある。
さらに、従来のレーザ点火装置を燃焼室内に直接高圧燃料が噴射される直噴式内燃機関の点火に用いた場合、特に低温始動時においては、噴射された燃料が液滴状に凝縮して、レーザ光の集光経路に付着するため、焦点に乱れを生じ、着火に必要なエネルギ密度まで安定して集光することができなくなり不安定な着火となる虞もある。

特許文献３にあるようなプラズマ点火装置では、チャンバー内に高電圧の印加と大電流の供給とを行うことにより、チャンバー内の気体が電離して高温高圧のプラズマ状態となって噴射され、優れた着火性を発揮できるものと期待されている。
しかし、燃焼室内に強い筒内気流が形成されていると、チャンバーから噴射されたプラズマ状態となった電離気体が混合気と反応して形成された火炎核が十分な大きさに燃焼成長しないうちに、この気流に流されて燃焼速度の低下を招き、不安定な着火となる虞がある。
また、燃焼室内に直接高圧燃料が噴射される直噴式内燃機関の点火にプラズマ点火装置を用いた場合、特に低温始動時においては、噴射された燃料が液滴状に凝縮して付着し、チャンバー開口部が塞がれてプラズマ状態となった電離気体の噴射が抑制されたり、放電経路に燃料の液滴が滞留することによって放電電圧の上昇を招いたりして、不安定な着火となる虞もある。

そこで、本発明は、かかる実情に鑑み、内燃機関の主燃焼室に連通する副燃焼室内から主燃焼室内に火炎を噴射させて点火を行う副燃焼室式点火装置であって、難着火性内燃機関においても優れた着火性を発揮すると共に、液体燃料の付着によって失火の起こり難い信頼性の高い副燃焼室式点火装置の提供を目的とするものである。

第１の発明では、内燃機関の主燃焼室に連通する副燃焼室内から主燃焼室内に火炎を噴射させて点火を行う副燃焼室式点火装置であって、副燃焼室式点火装置は、点火手段として先端側に上記副燃焼室が区画され、該副燃焼室の底部近傍に主燃焼室に連通する少なくとも１つ以上の連通孔が穿設された副燃焼室付点火手段と、該副燃焼室付点火手段に電源から供給される電気エネルギを高エネルギに変換して供給する高エネルギ供給手段と、上記内燃機関の運転状況に応じた点火信号を発信して上記高エネルギ供給手段の駆動を制御する電子制御装置と、を具備し、上記副燃焼室付点火手段の起爆点を上記副燃焼室の容積重心よりも上記連通孔に近い位置となす（請求項１）。

第２の発明では、上記副燃焼室付点火手段は、電源から供給された電気エネルギをレーザ光に変換し発振するレーザ発振器を上記高エネルギ供給手段とし、上記電子制御装置から発信された点火信号にしたがって、上記レーザ発振器から発振されたレーザ光を上記副燃焼室内の容積重心よりも上記連通孔に近い位置に集光する集光手段を具備する副燃焼室付レーザ点火プラグである（請求項２）。

第３の発明では、上記副燃焼室付点火手段は、電源から供給された電気エネルギを高電圧に昇圧して印加する点火コイルと該点火コイルを開閉するイグナイタとを上記高エネルギ供給手段とし、上記電子制御装置から発信された点火信号にしたがって、所定の放電ギャップを設けて対向し、絶縁体を介して配設された中心電極と接地電極との間に上記点火コイルから供給された高電圧を印加して、上記副燃焼室の容積重心よりも上記連通孔に近い位置で火花放電を発生させる副燃焼室付スパークプラグである（請求項３）。

第４の発明では、上記点火手段は、電源から供給された電気エネルギを高電圧に昇圧して印加すると共に大電流として供給するプラズマ電源を上記高エネルギ供給手段とし、絶縁体を介して対向せしめた中心電極と接地電極との間に所定の容積を有する放電空間を設けて、上記電子制御装置から発信された点火信号にしたがって上記放電空間内に上記プラズマ電源から高電圧の印加と大電流の供給とを行って上記放電空間内の気体を高温高圧のプラズマ状態とし上記放電空間から上記副燃焼室内に噴出せしめ、上記副燃焼室の容積重心よりも上記連通孔に近い位置でプラズマ火炎核を発生させる副燃焼室付プラズマ点火プラグである（請求項４）。

第５の発明では、上記連通孔を複数穿設せしめる（請求項５）。

第６の発明では、上記連通孔は、上記副燃焼室底部の中心軸に対して上記主燃焼室の特定の位置に向かう方向に穿設せしめると共に、上記起爆点は、上記副燃焼室の容積重心よりも先端側で、かつ、上記連通孔の穿設された特定の方向へ偏心せしめる（請求項６）。

第１の発明によれば、上記連通孔の近傍に起爆点が形成されるので、上記副燃焼室内に導入された混合気が着火され、燃焼成長が進む過程で燃焼気体の高温部が上記連通孔から上記主燃焼室内に噴射される。また、上記副燃焼室内に導入された混合気のうち、未燃焼部分が上記燃焼気体の高温部よりも先に上記主燃焼室内に噴出することがなく、上記副燃焼室内の混合気が効率よく燃焼される。したがって、着火性に優れ、信頼性の高い副燃焼室点火装置が実現できる。

第２の発明によれば、上記内燃機関の圧縮行程において、上記副燃焼室内に導入された混合気に上記電子制御装置０の点火信号にしたがって上記レーザ発振器から発振されたレーザ光が集光手段によって、上記副燃焼室の容積重心よりも先端側の連通孔に近い位置にレーザ光が集光され、その位置を起爆点として、副燃焼室内の混合気が着火され、副燃焼室内の未燃混合気あるいは燃焼気体低温部に次々と引火し、燃焼気体高温部が燃焼成長しながら容積を拡大し、その一部が上記連通孔を通って主燃焼室内に噴出する。
このとき、上記主燃焼室内に強力な筒内気流が発生していても、上記副燃焼室内に発生した燃焼気体の高温部に直接触れることはないので、燃焼初期に火炎が消失する虞がなく、適度に燃焼成長し安定した状態で主燃焼内に噴射されることになる。したがって、着火性に優れ、信頼性の高い副燃焼室点火装置が実現できる。

第３の発明によれば、上記イグナイタの開閉により、上記点火コイルに高い２次電圧が発生し、上記放電ギャップの耐電圧を超えると上記中心電極と接地電極との間に火花放電が発生し、このとき、上記起爆点が上記連通孔に近い位置であるため、上記副燃焼室内で成長した火炎核が速やかに主燃焼室内に噴射され、早期に燃焼が拡大する。
また、本発明を直噴式内燃機関に適用した場合、燃料の液滴が直接上記中心電極及び上記接地電極を汚染することがないので、低温始動時のくすぶりが起こり難く、電極表面にデポジットが形成され難くなるのでの点火装置としての信頼性がさらに向上する。

第４の発明によれば、上記内燃機関の運転状態に応じて上記電子制御装置から発信された点火信号にしたがって、上記中心電極と上記接地電極との間の上記放電空間に高電圧が印加され、該放電空間の絶縁耐圧を超えると、上記中心電極と上記接地電極との間の絶縁が破壊され、上記絶縁体の表面を這うように延面放電が発生し、この延面放電をトリガとして上記プラズマ電源から供給された大電流が上記放電空間内に放出され、上記放電空間内の気体が電離され高温高圧のプラズマ状態となって上記放電空間から噴出する。
さらに、プラズマ状態となった気体は、上記副燃焼室内の上記容量重心よりも上記連通孔に近い位置を起爆点として、副燃焼室内に導入された混合気と反応してプラズマ火炎核を形成する。
このとき、上記起爆点が上記連通孔に近い位置であるため、副燃焼室内で成長したプラズマ火炎核が速やかに主燃焼室内に噴射され、早期に燃焼が拡大する。
また、本発明を直噴式内燃機関に用いた場合、燃料の液滴が直接上記中心電極及び上記接地電極を汚染することがないので、低温始動時のくすぶりが起こりがたく、電極表面にデポジットが形成され難くなるのでの点火装置としての信頼性がさらに向上する。
加えて、上記放電空間から噴射された寿命の短いプラズマ状態の電離気体が直接上記主燃焼室内に噴射されるのではなく、筒内に強力な気流が発生している場合であっても、その影響の少ない上記副燃焼室内の混合気に接触してプラズマ火炎核が形成され、上記副燃焼室内の混合気を効率よく燃焼しながら火炎核成長して上記主燃焼室内に噴射されるので、強力な筒内気流に吹き消される虞がない。
したがって、着火性に優れ信頼性の高い副燃焼室式点火装置が実現できる。

第５の発明によれば、上記主燃焼室内に上記複数の連通孔から火炎が噴射されるので、点火タイミングのバラツキが生じても、上記主燃焼室内の燃料リッチな部分への燃焼気体の高温部が噴出され接触する確率が高くなり、より安定した点火の実現も期待できる。

第６の発明によれば、上記主燃焼室のノッキングを発生し易い特定の位置に向かって火炎を噴射させることが可能となり、ノッキングを抑制し、さらに信頼性の高い副燃焼室式点火装置が実現できる。

本発明の第１の実施形態における点火装置の概要を示す断面図。 本発明の副燃焼室式点火装置の実施例における効果を示し、（ａ）は、圧縮行程における要部断面図、（ｂ）は、点火時の状態を示す要部断面図。 比較例として示す従来の副燃焼室式点火装置の問題点を示し、（ａ）は、圧縮行程における要部断面図、（ｂ）は、点火時の状態を示す要部断面図。 本発明の効果を確認するために用いた試験装置の概要を示し、（ａ）は、上面から見た半断面図、（ｂ）は、側面から見た半断面図。 本発明の実施例における効果を示す図面代用シュリーレン写真。 比較例における図面代用シュリーレン写真。 比較例と共に示す本発明の効果を示す特性図。 本発明の第２の実施形態における副燃焼室式点火装置の概要を示す断面図。 本発明の第３の実施形態における副燃焼室式点火装置の概要を示し、（ａ）は全体図、（ｂ）は要部断面図。 本発明の第４の実施形態における副燃焼室式点火装置の概要を示し、（ａ）は全体図、（ｂ）は要部断面図。 本発明の第５の実施形態における副燃焼室式点火装置の概要を示し、（ａ）は全体図、（ｂ）は要部断面図。 本発明の第６の実施形態における副燃焼室式点火装置の概要を示し、（ａ）は全体図、（ｂ）は要部断面図。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の第６の実施形態における副燃焼室式点火装置の変形例を示す要部断面図。

本発明の副燃焼室式点火装置は、自動車エンジン等の内燃機関の点火に使用され、副燃焼室内の混合気を効率よく燃焼させ、主燃焼室内にトーチ状の火炎を噴射して、内燃機関の点火を行うものである。

本発明の第１の実施形態における点火装置１について、図１を参照して説明する。なお、以下の説明において、図の上方を基端側、下方を先端側と称す。
本実施形態における点火装置１は、自動車エンジン等の内燃機関５０の点火に用いられ、点火手段として、レーザ光を集光して火炎核を発生させると共に、先端側には、内燃機関５０の主燃焼室５００と連通孔１１１を介して連通する副燃焼室１００が区画され、副燃焼室１００内の容積重心よりも連通孔１１１に近い位置において起爆点ＦＰが発生するようにレーザ光を集光して、点火後早期に高温の火炎を副燃焼室１００内に形成し、連通孔１１１から主燃焼室５００内に噴射して内燃機関５０の点火を行う副燃焼室付レーザ点火プラグ１０を有することを最大の特徴としている。

点火装置１は、点火手段である副燃焼室付レーザ点火プラグ１０と、副燃焼室付レーザ点火プラグ１０にエネルギを供給する高エネルギ供給手段であり、電源２０から供給された電気エネルギをレーザ光に変換して発振するレーザ発振器３０と、内燃機関５０の運転状況に応じて、レーザ発振器３０を駆動制御する電子制御装置ＥＣＵ４０とによって構成されている。イグニションスイッチ２１が入れられると車載バッテリ、オルタネータ等の電源２０からレーザ発振器３０にエネルギが供給されると共に運転状況に応じた点火信号がＥＣＵ３０から発信される。

副燃焼室付レーザ点火プラグ１０は、有底筒状に形成されたハウジング１２０を具備し、ハウジング１２０の外周に形成されたネジ部１２１等によって、内燃機関５０のシリンダヘッド５１に穿設されたプラグホール５４０に先端側が主燃焼室５００に露出するように固定されている。

ハウジング１２０の基端側には、レーザ発振器３０から発振されたレーザ光が導入される光ファイバ等のレーザ光伝送手段３３が設けられている。
ハウジング１２０内には、ハウジング１２０の先端側に区画された副燃焼室１００内の所定の位置にレーザ光を集光する集光手段３４が載置されている。
集光手段３４の先端側には、レーザ光を透過しつつ、集光手段３４を保護する保護カバー３５が載置されている。
ハウジング１２０の先端側には、主燃焼室５００側に向かって略半球状に膨出する底部１１０が形成され、ハウジング１２０の内周と保護カバー３４と底部１１０とによって所定の容積を有する副燃焼室１００が区画されている。
ハウジング１２０の底部１１０には、主燃焼室５００と副燃焼室１００とを連通する連通孔１１１が穿設されている。

なお、本発明において、レーザ発振器３０を限定するものではなく、内燃機関の点火に利用可能な公知のレーザ発振器を適宜採用し得るものである。
例えば、レーザ発振器３０は、半導体レーザ等のレーザ媒質と、このレーザ媒質にエネルギを与え励起する励起源とからなるレーザ発振源３１と、発振されたレーザ光を増幅するレーザ増幅部３２とを含んでいる。
レーザ媒質として、半導体レーザ、固体レーザ等を用いることができる。
また、レーザ増幅部は、シャッタ素子（Ｑスイッチ）と、反射鏡と、出力鏡とを具備し、励起用半導体レーザから発振されたレーザ光により、固体レーザとシャッタ素子が共に励起され、シャッタ素子内のエネルギが、そのシャッタ素子自身の物性によって決定されるある閾値を超えた瞬間にシャッタが開き、レーザ光が反射鏡と出力鏡との間を往復する毎に共振し、増幅され、瞬間的にエネルギ密度の高いレーザ光を取り出すことができる。

内燃機関５０は、シリンダヘッド５１と略筒状のシリンダ５２とシリンダ５２内を自在に昇降するピストン５３とによって構成され、シリンダヘッド５１の内壁とシリンダ５２の内周壁とピストン５３の頂面とによって主燃焼室５００が区画されている。
シリンダヘッド５１には、吸気筒５１０と排気筒５２０とが設けられ、それぞれ吸気バルブ５１１と排気バルブ５２１とによって開閉されている。
主燃焼室５００内に吸気筒５１０から導入された空気と図略の燃料噴射装置によって燃料室５００内に供給された燃料とが混合され、ピストン５３によって主燃焼室５００内の混合気が圧縮されると、連通孔１１１を通って副燃焼室１００内に混合気が圧入される。
所定のクランク角においてＥＣＵ３０から発信される点火信号にしたがって、レーザ発振器３０からレーザ光が発振され、集光手段３４によって副燃焼室１００内の所定の位置に定められた起爆点ＦＰにおいて極めて高いエネルギ密度に集光され、副燃焼室１００内の混合気が着火され、高温ガスが連通孔１１１の近くで発生し、この高温ガスの成長と共に、連通孔１１１を通って主燃焼室５００内に噴射され、主燃焼室５００内の混合気の燃焼・爆発が誘発され、主燃焼室５００内の圧力Ｐ_ＣＹＬが一気に上昇し、その圧力によってピストン５３が押下げられ内燃機関５０の動力が得られる。
なお、内燃機関５０の主燃焼室５００内にはタンブル渦等の強い筒内気流ＴＭＢが形成されている。

ここで、図２及び図３を参照し、本発明の副燃焼室点火装置１を用いて、副燃焼室１００の容積重心よりも先端側に近づいた位置を起爆点ＦＰとする実施例と、副燃焼室１００の容積重心よりも基端側に離れた位置を起爆点ＦＰｚとする比較例との燃焼速度の違いについて説明する。

図２（ａ）に示すように、本実施形態における副燃焼室式点火装置１では、副燃焼室１００の容積重心Ｇよりも先端側の連通孔１１１に近い位置にレーザ光が集光されるように集光手段３４の焦点を設定してある。
内燃機関５０の圧縮行程において、ピストン５３の上昇に伴い、主燃焼室５００内の混合気の一部が連通孔１１１を通って副燃焼室１００内に導入される。
ＥＣＵ４０の点火信号にしたがって発振されたレーザ光が集光手段３４によって副燃焼室１００内に集光され、図２（ｂ）に示すように、副燃焼室１００の容積重心Ｇよりも先端側の連通孔１１１に近い位置を起爆点ＦＰとして、副燃焼室１００内の混合気が着火され、副燃焼室１００内の未燃混合気あるいは燃焼気体低温部ＬＧに次々と引火し、燃焼気体高温部ＨＧ_１が燃焼成長しながら容積を拡大し、その一部ＨＧ_２が連通孔１１１を通って主燃焼室５００内に噴出する。
このとき、主燃焼室５００内に強力な筒内気流ＴＭＢが発生していても、副燃焼室１００内に発生した燃焼気体高温部ＨＧ_１に直接触れることはないので、燃焼初期に火炎が消失する虞がなく、適度に燃焼成長し安定した状態で主燃焼室５００内に噴射されることになる。

一方、比較例においては、図３（ａ）に示すように、レーザ光の集光位置が連通孔１１１に対して副燃焼室１００内の容積重心Ｇよりも基端側に離れている。このような構成においては、ＥＣＵ４０の点火信号にしたがって発振されたレーザ光が集光手段３４ｚによって副燃焼室１００ｚ内に集光されたときに、図２（ｂ）に示すように、副燃焼室１００の容積重心Ｇよりも基端側の連通孔１１１ｚから離れた位置を起爆点ＦＰｚとして、副燃焼室１００ｚ内の混合気の着火が起こる。このため、点火直後においては連通孔１１１ｚからは、燃焼気体高温部ＨＧｚが噴出されることなく、その外側に存在する未燃混合気や燃焼気体低温部ＬＧｚが噴出される。したがって、副燃焼室１００ｚ内で燃焼成長が進み主燃焼室５００内に燃焼気体高温部ＨＧｚが噴出するまでの時間が長くなり、燃焼バラツキを生じ易くなる。
さらに、副燃焼室１００ｚ内で燃焼成長するときに燃焼気体高温部ＨＧｚによって未燃混合気が先に押し出されてしまうため副燃焼室１００ｚ内で発生する熱エネルギの総量が低下して失火に至る虞もある。

ここで、本発明の効果を検証するために行った試験について、図４、図５、図６を参照して説明する。図４に示す試験装置は、内燃機関５０のシリンダヘッド５１を模した蓋部５１ａと、シリンダ５２を模した筒部５２ａと、ピストン５３を模した底部５３ａとによって、燃焼室５００を模した燃焼室５００ａを区画し、耐圧性の圧力容器５０ａとから構成されている。
筒部５２ａの側面に点火時の様子を観察すべく耐圧性の観察窓を設けてある。
蓋部５１ａには、ハウジング１２０を模して、略半円柱状の溝を穿設した上側ブロック１２０ａと、底部１１０を模して、略半円柱状の溝を穿設した下側ブロック１１０ａとを合わせて副燃焼室１００を模して一定容量の副燃焼室１００ａを区画し、副燃焼室１００ａの両側面には、耐圧性の観察窓が設けてある。
さらに、上側ブロック１２０ａの中心には、レーザ式発振装置３０から発振され集光手段３４、３４ｚによって副燃焼室１００ａ内の所定の位置に集光するための略円柱状の孔が穿設されている。
下側ブロック１１０ａの中心には、連通孔１１１を模して副燃焼室１００ａと主燃焼室５００ａとを連通する連通孔１１１ａが穿設されている。蓋部５１の中心には、本発明の副燃焼室式点火装置１を模して副燃焼室１００ａの容積重心Ｇよりも先端側に集光する集光手段３５、又は比較例として示した従来の副燃焼室式点火装置１ｚを模して副燃焼室１００ａの容積重心Ｇよりも基端側に集光する集光手段３５ｚを固定するためのプラグホール５４０ａが穿設されている。
圧力容器５０ａには、図略の燃料供給装置が接続され所定圧力で燃料が導入され、さらに図略の圧力調整装置が接続され所定圧力の圧縮空気が導入され、圧力容器５０ａ内は所定の空燃比及び圧力に調整できる。

圧力容器５０ａ内にプロパンと空気とを用いて混合比Ａ／Ｆ＝１２．８の割合で混合した混合気を導入し、主燃焼室５００ａ内の圧力が２気圧となるよう調整し、レーザ発振器３０によって、波長λ５３２ｎｍ、ビーム径φ４ｍｍ、焦点距離２２ｍｍ、エネルギ２０ｍＪのレーザ光を発振し、上述した実施例の起爆点ＦＰと比較例の起爆点ＦＰｚとに対応する位置にレーザ光を集光させ、点火から１．０ｍｓ後の状態をシュリーレン撮影し、その結果をそれぞれ図５、図６に示す。

図５に示すように、本発明の実施例を模して副燃焼室１００ａと主燃焼室５００ａとを連通する連通孔１１１ａに近い位置に起爆点ＦＰを設定した場合、起爆点ＦＰの周囲に形成された火炎を含む燃焼気体高温部ＨＧ１が形成され、連通孔１１１ａから主燃焼室５００ａ内に燃焼気体高温部ＨＧ_２が噴射されることが確認された。

一方、図６に示すように、比較例を模して副燃焼室１００ａと主燃焼室５００ａとを連通する連通孔１１１ａから離れた位置に起爆点ＦＰｚを設定した場合、起爆点ＦＰｚの周囲に火炎を含む燃焼気体高温部ＨＧｚが形成されるものの、連通孔１１１ａからは燃焼気体高温部ＨＧｚは噴射されず、燃焼気体高温部ＨＧｚの燃焼拡大に伴って、その周囲の未燃焼混合又は燃焼気体低温部ＬＧｚの一部が燃焼されることなく排出されてしまうので、燃焼気体高温部ＨＧｚの燃焼拡大速度が低下し、連通孔１１１ａから噴出されるまでの時間が遅れることが確認された。

さらに、本発明の第１の実施形態に示した副燃焼室式点火装置１を用いた場合における主燃焼室５００内の圧力Ｐ_ＣＹＬの変化と、比較例に示した副燃焼室式点火装置１ｚを用いた場合における主燃焼室５００内の圧力Ｐ_ＣＹＬの変化とを測定し、その結果を図７に示す。
図７に示すように、比較例は主燃焼室５００内の圧力Ｐ_ＣＹＬ上昇に遅れが生じ、本発明の実施例の方が早期に主燃焼室内の圧力Ｐ_ＣＹＬが上昇し良好な着火性を実現できることが確認された。

図８を参照して本発明の第２の実施形態における副燃焼室式点火装置１ｂについて説明する。なお、本実施形態において、上記実施形態と同様の構成については、同じ符号を付したので説明を省略し、相違点についてのみ説明をする（以下の実施形態についても同様とする）。
本実施形態においては、燃料噴射弁６０を用いて副燃焼室１００ｂ内に直接燃料を噴射し、副燃焼室１００ｂ内の空燃比をリッチとし、主燃焼室５００内の空燃比をリーンとすることによって、さらに着火性を向上させることも可能となる。
また、このような構成とすることによって全体の空燃比としてはよりリーンとしてさらなる燃費の向上を図ることも可能となると期待される。

図９を参照して本発明の第３の実施形態における副燃焼室式点火装置１ｃについて説明する。本実施形態においては、燃料噴射弁６０ｃを主燃焼室５００内に燃料ＦＬを直接噴射する位置に設けてある。さらに、副燃焼室１００ｃの底部１１０ｃには、副燃焼室１００ｃ内で形成された燃焼気体高温部ＨＧを噴出する連通孔１１１に加えて、燃料噴射弁６０ｃから噴射された燃料ＦＬを副燃焼室５００ｃ内に導入する燃料導入用連通孔１１２ｃが穿設されている。
このような構成とすることによって副燃焼室５００ｃ内への燃料ＦＬの導入を容易にし、副燃焼室５００ｃ内の空燃比をリッチにして着火を容易となる。さらに、副燃焼室５００ｃ自体が保護カバー３５を保護する覆いの役割を果たし、燃料ＦＬの液滴が直接保護カバー３５を汚染することがないため安定して副燃焼室５００ｃ内の所定の位置にレーザ光が集光される。したがって、副燃焼室式点火装置の信頼性がさらに向上する。

図１０を参照して本発明の第４の実施形態における副燃焼室式点火装置１ｄについて説明する。本実施形態においては、副燃焼室１００ｄ内に形成された燃焼気体高温部ＨＧを主燃焼室５００内の特定の方向に噴射させるように、副燃焼室付レーザ点火プラグ１０ｄをシリンダ５２の中心軸に対して斜めに配設してある。
このような構成とすることによって、図１０（ａ）に示すように、燃料噴射弁６０ｄから噴射された燃料ＦＬによって連通孔１１１ｄが汚染されるのを抑制すると共に、図１１（ｂ）に示すように点火時には、主燃焼室５００内のノッキングの発生しやすい特定の位置に向けて燃焼気体高温部ＨＧを優先的に噴射させ、ノッキングを抑制することも可能となる。
さらに、底部１１０ｄに複数の連通孔１１１ｄ、１１２ｄが穿設されていても、集光手段３５ｄを副燃焼室５００ｄの中心軸からズレ対置で集光するように配設すると共に連通孔１１１ｄを底部中心から偏心させた位置に穿設することによって、起爆点ＦＰｄを特定の連通孔１１１ｄに近づけることが可能となり、選択的に連通孔１１１ｄから燃焼気体高温部ＨＧを噴射させることもできる。

図１１を参照して、本発明の第５の実施形態における副燃焼室式点火装置１ｅについて説明する。上記実施形態においては、点火手段として副燃焼室付レーザ点火プラグを用いた例について説明したが、本実施形態のように点火手段として副燃焼室付スパークプラグ１０ｅを用いた構成としても良い。

副燃焼室付スパークプラグ１０ｅは、略長軸状に形成された中心電極１４１と、中心電極１４１を覆う略筒状の絶縁体１４２と絶縁体１４２を覆いつつ、副燃焼室１００ｅを区画する有底筒状に形成されたハウジング１２０ｅとによって構成されている。
ハウジング１２０の外周にはネジ部１２１が形成され、火副燃焼室付花放電プラグ１０ｅの先端が主燃焼室５００内に露出するようにシリンダヘッド５１に固定されている。ハウジング１２０ｅの先端側には底部１１０ｅが形成され、副燃焼室１００ｅと主燃焼室５００とを連通する連通孔１１１ｅが穿設されている。
底部１１０ｅに穿設された連通孔１１１ｅの近傍に所定の放電ギャップＧＰを隔てて、中心電極１４１に対向する接地電極１４３が設けられている。
絶縁体１４２は、火花放電が副燃焼室１００ｅの容積重心Ｇよりも連通孔１１１ｅに近い位置で起爆点ＦＰｅを形成するように連通孔１１１ｅに向かって伸びるように延設されている。

本実施形態における高エネルギ供給手段３０ｅは、電源２０の電圧を昇圧する点火コイル３２とＥＣＵ４０の点火信号にしたがって点火コイル３２を駆動するイグナイタ３１とによって構成され、点火コイル３２は筒状のケーシング３３内に収納され、スパークプラグ１０に接続されている。
イグナイタ３１のスイッチングにより、点火コイル３２に高い２次電圧が発生し、放電ギャップＧＰの耐電圧を超えると中心電極１４１と接地電極１４３との間に火花放電が発生する。
このとき、起爆点ＦＰｅが連通孔１１１ｅに近い位置であるため上記実施形態と同様に、副燃焼室１００ｅ内で成長した火炎核が速やかに主燃焼室５００内に噴射され、早期に燃焼が拡大する。
また、上記実施形態と同様に、燃料の液滴が直接中心電極１４１及び接地電極１４３を汚染することがないので、低温始動時のくすぶりが起こりがたく、電極表面にデポジットが形成され難くなるのでの点火装置としての信頼性がさらに向上する。

図１２を参照して、本発明の第６の実施形態における副燃焼室式点火装置１ｆについて説明する。本実施形態においては、点火手段として、中心電極１４１ｆと、中心電極１４１ｆの周囲を覆いつつ中心電極１４１ｆの先端面よりも先端側下方に延設され内部に放電空間１５０ｆを区画する略円筒状の絶縁体１４２ｆと、絶縁体１４２ｆを覆いつつ、放電空間１５０ｆに連通する内周壁を有して中心電極１４１ｆに対向する略円環状の接地電極１４３ｆと、接地電極１４３ｆに延設して副燃焼室１００ｆを区画する有底筒状に形成されたハウジング１２０ｆとからなる副燃焼室付プラズマ点火プラグ１０ｆと、電源２０から供給される電気エネルギを高電圧に昇圧して印加すると共に大電流を供給するプラズマ電源装置３０ｆと、内燃機関５０の運転状況に応じてプラズマ電源装置３０ｆを制御するＥＣＵ４０とによって構成されている。

プラズマ電源３０ｆのより具体的な構成として、例えば、ＥＣＵ４０から発振される点火信号にしたがって開閉駆動されるイグナイタ３１ｆと、イグナイタ３１ｆの開閉によって電源２０の電圧を高電圧に昇圧して副燃焼室付プラズマ点火プラグ１０ｆに印加する点火コイル３２ｆと、点火コイル３２から流れる電リュを整流する整流素子３３ｆと、点火時に発生する点火ノイズを吸収するノイズ吸収抵抗３４ｆと、電源２０の電圧を所定の電圧に昇圧するＤＣ−Ｄｃコンバータ３５ｆと、ＤＣ−ＤＣコンバータ３５ｆによって充電されるコンデンサ３６ｆと、コンデンサ３６ｆから流れる放電電流を整流する大容量整流素子３７ｆとによって構成したものを用いても良い。

ＥＣＵ４０の点火信号にしたがってイグナイタ３１ｆが開閉されると、点火コイル３２ｆの２次側に高電圧が発生し、中心電極１４１ｆと接地電極１４３ｆとの間の放電空間１５０ｆの絶縁耐圧を超えると、中心電極１４１ｆと接地電極１４３ｆとの間の絶縁が破壊され、絶縁体１４２ｆの表面を這うように延面放電が発生し、この延面放電をトリガとしてコンデンサ３６ｆに蓄積された電荷が大電流となって放電空間１５０ｆ内に放出され、放電空間１５０ｆ内の気体が電離され高温高圧のプラズマ状態となって放電空間１５０ｆから噴出する。さらに、プラズマ状態となった電離気体は、副燃焼室１００ｆ内の容量重心Ｇよりも連通孔１１１ｆに近い位置を起爆点ＦＰｆとして、副燃焼室１００ｆ内に導入された混合気と反応してプラズマ火炎核を形成する。
このとき、起爆点ＦＰｆが連通孔１１１ｆに近い位置であるため、上記実施形態と同様に、副燃焼室１００ｆ内で成長したプラズマ火炎核が速やかに主燃焼室５００内に噴射され、早期に燃焼が拡大する。

また、上記実施形態と同様に、燃料の液滴が直接中心電極１４１ｆ及び接地電極１４３ｆを汚染することがないので、低温始動時のくすぶりが起こりがたく、電極表面にデポジットが形成され難くなるのでの点火装置としての信頼性がさらに向上する。
加えて、放電空間１５０ｆから噴射された寿命の短い電離気体が直接主燃焼室内に噴射されるのではなく、強力な筒内気流ＴＭＢの影響の少ない副燃焼室１００ｆ内の混合気に接触してプラズマ火炎核が形成され、副燃焼室１００ｆ内の混合気を効率よく燃焼しながら火炎核成長して主燃焼室５００内に噴射されるので、強力な筒内気流ＴＭＢに吹き消される虞がない。
したがって、着火性に優れ信頼性の高い副燃焼室式点火装置が実現できる。
なお、本実施形態において、供給するエネルギ、放電空間１５０ｆの大きさ、放電空間１５０ｆから噴射される電離気体の噴射距離Ｌｆ等により、副燃焼室１００ｆの大きさは適宜変更可能である。

図１３（ａ）、（ｂ）に、本発明の第６の実施形態の変形例を示す。本図（ａ）に示すように、底部１１０ｇに複数の連通孔１１１ｇを穿設して副燃焼室付プラズマ点火プラグ１０ｇとしても良い。このように構成することによって、上記実施形態と同様の効果に加え、主燃焼室５００内に複数の連通孔１１１ｇから火炎が噴射されるので点火タイミングのバラツキが生じても、主燃焼室５００内の燃料リッチな部分への燃焼気体高温部ＨＧの噴出確率が高くなりより安定した点火の実現も期待できる。
図１３（ｂ）に示すように、放電空間１５０ｈを絶縁体１４２ｈの内側に形成するのではなく、接地電極１４３ｈに延設したハウジング１２０ｈの一部を利用し、噴出孔１４４ｈを形成して絶縁体１４２ｈの下端面が露出する放電空間１５０ｈを区画しても良い。このような構成とすることによって、上記実施形態と同様の効果に加え、絶縁体１４２ｈの下端面を這うように延面放電が起こり、放電電圧がより安定し、点火装置としての信頼性を向上できる。

なお、本発明は上記実施形態に限定するものではなく、点火手段として先端側に副燃焼室が区画され、該副燃焼室の底部近傍に主燃焼室に連通する少なくとも１つ以上の連通孔が穿設された副燃焼室付点火手段と、該副燃焼室付点火手段に電源から供給される電気エネルギを高エネルギに変換して供給する高エネルギ供給手段と、内燃機関の運転状況に応じた点火信号を発信して上記高エネルギ供給手段の駆動を制御する電子制御装置と、を具備し、副燃焼室付点火手段の起爆点を副燃焼室の容積重心よりも連通孔に近い位置となすことによって、副燃焼室から効率よく高温ガスを主燃焼室内に噴射させ着火性の向上を図る本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。

１ 副燃焼室式点火装置
１０ 副燃焼室付レーザ点火プラグ（副燃焼室付点火手段）
１００ 副燃焼室
１１０ 底部
１１１ 連通孔
２０ 電源
３０ レーザ発振器（高エネルギ供給手段）
４０ ＥＣＵ（電子制御装置）
５０ 内燃機関
５００ 主燃焼室
ＦＰ 起爆点（集光点）
Ｇ 副燃焼室容積重心

特開２００７−１９２２０４号公報 特開２００５−４２５９１号公報 特開２００６−２９４２５７号公報

Claims (6)

1. 内燃機関の主燃焼室に連通する副燃焼室内から主燃焼室内に火炎を噴射させて点火を行う副燃焼室式点火装置であって、
   副燃焼室式点火装置は、点火手段として先端側に上記副燃焼室が区画され、該副燃焼室の底部近傍に主燃焼室に連通する少なくとも１つ以上の連通孔が穿設された副燃焼室付点火手段と、該副燃焼室付点火手段に電源から供給される電気エネルギを高エネルギに変換して供給する高エネルギ供給手段と、上記内燃機関の運転状況に応じた点火信号を発信して上記高エネルギ供給手段の駆動を制御する電子制御装置と、を具備し、上記副燃焼室付点火手段の起爆点を上記副燃焼室の容積重心よりも上記連通孔に近い位置となすことを特徴とする副燃焼室式点火装置。
2. 上記副燃焼室付点火手段は、電源から供給された電気エネルギをレーザ光に変換し発振するレーザ発振器を上記高エネルギ供給手段とし、上記電子制御装置から発信された点火信号にしたがって、上記レーザ発振器から発振されたレーザ光を上記副燃焼室内の容積重心よりも上記連通孔に近い位置に集光する集光手段を具備する副燃焼室付レーザ点火プラグであることを特徴とする請求項１に記載の副燃焼室式点火装置。
3. 上記副燃焼室付点火手段は、電源から供給された電気エネルギを高電圧に昇圧して印加する点火コイルと該点火コイルを開閉するイグナイタとを上記高エネルギ供給手段とし、上記電子制御装置から発信された点火信号にしたがって、所定の放電ギャップを設けて対向し、絶縁体を介して配設された中心電極と接地電極との間に上記点火コイルから供給された高電圧を印加して、上記副燃焼室の容積重心よりも上記連通孔に近い位置で火花放電を発生させる副燃焼室付スパークプラグであることを特徴とする請求項１に記載の副燃焼室式点火装置。
4. 上記点火手段は、電源から供給された電気エネルギを高電圧に昇圧して印加すると共に大電流として供給するプラズマ電源を上記高エネルギ供給手段とし、絶縁体を介して対向せしめた中心電極と接地電極との間に所定の容積を有する放電空間を設けて、上記電子制御装置から発信された点火信号にしたがって上記放電空間内に上記プラズマ電源から高電圧の印加と大電流の供給とを行って上記放電空間内の気体を高温高圧のプラズマ状態とし上記放電空間から上記副燃焼室内に噴出せしめ、上記副燃焼室の容積重心よりも上記連通孔に近い位置でプラズマ火炎核を発生させる副燃焼室付プラズマ点火プラグであることを特徴とする請求項１に記載の副燃焼室式点火装置。
5. 上記連通孔を複数穿設せしめたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の副燃焼室式点火装置。
6. 上記連通孔は、上記副燃焼室の底部の中心軸に対して上記主燃焼室の特定の位置に向かう方向に穿設せしめると共に、上記起爆点は、上記副燃焼室の容積重心よりも先端側で、かつ、上記連通孔の穿設された特定の方向へ偏心せしめることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の副燃焼室式点火装置。