JP2011117356A - 筒内噴射式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】着火性に優れ信頼性の高い筒内噴射式内燃機関を提供する。
【解決手段】点火プラグ１０が、少なくとも、点火プラグ１０の中心に設けた中心電極１１と、絶縁碍子１２を介して所定の放電ギャップＡＧ_１を設けて中心電極１１の先端部１１０に対向する接地電極１３０と、中心電極１１に導通し、中心電極１１の中心軸に対して燃料噴射弁３０から噴射される燃料噴霧ＦＬに近づく側に延設した偏心電極２０と、接地電極１３０の先端を偏心電極２０の燃料噴霧ＦＬ側に近い端縁に対向するように伸ばした接地電極延設部２１とを具備し、燃料噴射弁３０から燃料が噴射されたときに発生する引込み気流ＡＲ_ＥＮＴを放電ギャップＡＧ_１に作用させる
【選択図】 図１

Description

本発明は、筒内噴射式内燃機関に関するもので、特に極希薄な混合気の着火性向上に好適なものである。

近年、燃焼室内の点火プラグ近傍に直接燃料を噴射して、成層燃焼を行うことにより排ガス特性と燃焼安定性との両立を図ろうとする、いわゆるスプレーガイド式の内燃機関について種々提案されている。

例えば、特許文献１には、３つの吸気弁と２つの排気弁を備えた５弁構造の燃焼室城壁の中央部に、インジェクタの噴射口と点火プラグの電極部とを、電極部が噴射口よりも燃焼室内方かつ燃料噴霧稜線の中に位置するように配置した筒内噴射型火花点火式内燃機関が開示されている。

特許文献２には、成層燃焼法を行う場合であっても、確実に混合気を着火させるべく、中心電極と中心電極との間に所定の着火領域を形成する接地電極とを備え、燃料噴射弁から直接噴射された燃料を含む混合気を着火する点火プラグが、着火領域より混合気の着火直前における混合気の気流の上流側であって、少なくとも対抗する２面の壁面に挟まれて形成されるガス流速減衰流路を備えることによって、混合気の流速を減速して混合気の着火を行う筒内噴射式内燃機関が開示されている。

ところが、特許文献１にあるような従来の燃焼制御装置では、点火プラグの電極部が燃料噴霧の稜線の中に位置するように配置してあるため、燃料噴霧の流速が極めて速い場合には、中心電極と接地電極と間に発生した放電火花が吹き飛ばされて、着火できなくなる虞がある。
また、噴射された燃料を含む混合気の空燃比が可燃領域よりも低い層が直接的に点火プラグの着火領域に達する場合には、着火が困難となったり、電極に未燃燃料が堆積したりする虞もある。

筒内噴射式内燃機関では、燃料噴射弁から噴射された燃料が速い流速で燃料点火プラグ近傍を通過するため、放電アークが引き延ばされたり、吹き飛ばされたりすることがある。放電アークが引き延ばされた場合には、放電アークの表面積が増加し、可燃性の混合気に接触する確率が高くなり、着火性が改善される場合もある。
しかし、従来の筒内噴射式内燃機関においては、放電アークの引き延ばし形状や引き延ばし方向が安定せず、出力変動の要因となり、放電アークが吹き飛ばされた場合には、失火の虞もある。

一般に、燃料噴射弁から燃焼室内に噴射された燃料噴霧は、中心部の燃料濃度が最も高く、外周方向に向かって、燃焼室内の空気との混合が進み、燃料濃度が徐々に低くなる。混合気中の燃料濃度が一定範囲を超え過剰に高濃度である場合や、過剰に希薄な場合には着火が不安定となる。
また、燃料噴霧の流速は、中心部が最も速く、外周方向に向かって徐々に遅くなる。混合気の流速が速すぎると、放電アークが吹き消され、混合気の流速が遅すぎると、放電アークの引き延ばしによる着火性向上効果は生まれない。
このため、点火プラグの近傍には、着火に適した混合比及び流速の混合気を配設する必要がある。
しかし、燃料噴射弁から噴射される燃料の流速や噴射方向は、内燃機関の運転状況によって変動し、着火に適した混合気の配置も燃焼サイクル間で変動するため、従来の筒内噴射式内燃機関では、着火が不安定となる虞がある。

また、従来の筒内噴射式内燃機関では、限界空燃比Ａ／Ｆは３０程度が限界とされ、より一層の希薄化が望まれている。

そこで、本発明はかかる実情に鑑み、燃焼室内に直接燃料が噴射される筒内噴射式内燃機関において、着火性に優れ信頼性の高い筒内噴射式内燃機関を提供することを目的とする。

第１の発明では、燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と点火プラグとを備えた筒内噴射式内燃機関において、
上記点火プラグが、少なくとも、プラグの中心に設けた中心電極と、絶縁碍子を介して所定の放電ギャップを設けて上記中心電極の先端に対向する接地電極と、上記中心電極に導通し上記中心電極の中心軸に対して上記燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧に近づく側に延設した偏心電極と、上記接地電極の先端を上記偏心電極の上記燃料噴霧側に近い端縁に対向するように伸ばした接地電極延設部とを具備し、
上記燃料噴射弁から燃料が噴射されたときに発生する引込み気流を上記放電ギャップに作用させる(請求項１）。

第１の発明によれば、上記中心電極の先端とその対向する位置における上記接地電極の端縁との間に発生した放電アークは、上記燃料噴射時に発生する引込み気流によって吹き消されることなく、該放電アークの一端が上記中心電極から上記偏心電極に移動し、より噴霧に近い位置に移動しながら放電アークが維持される。
所定の放電エネルギに対して放電時間を実質的に長くすることができるので、着火性が向上し、成層燃焼における更なる希薄化が可能となる。

第２の発明では、上記中心電極の先端面とこれに対向する上記接地電極の上面までの最短距離を第１の放電ギャップとし、上記偏心電極の先端面とこれに対向する上記接地電極延設部の上面までの最短距離を第２の放電ギャップとしたとき、上記第１の放電ギャップを、上記第２の放電ギャップよりも短く設定する（請求項２）。

第２の発明によれば、中心電極と接地電極との最短距離で放電が開始されるため、一定の条件で放電が開始され、機関の運転状況によって変化する引込み気流の流速に応じて、放電アークが上記偏心電極と上記接地電極延設部との間に移動する。
放電アークを引き延ばす引込み気流の流速が遅い場合には、上記第１の放電ギャップにおいて放電が維持され、要求される放電電圧が低く、それだけ長く放電を維持でき、着火性の向上を図ることができる。
一方、放電アークを引き延ばす引込み気流の流速が速い場合には、放電アークが吹き飛ばされることなく、上記第１の放電ギャップから上記第２の放電ギャップへ放電アークが移動し、より燃料噴霧に近い位置で放電アークが形成されるので、着火性の向上を図ることができる。
したがって、本発明によれば、機関の運転状況の変化に関わらず、安定した着火が可能となる。

第３の発明では、上記第２の放電ギャップを上記中心電極の先端から上記接地電極延設部の端縁までの距離よりも短く設定する（請求項３）。

第３の発明によれば、上記中心電極の先端と上記接地電極延設部の端縁との間の絶縁耐圧よりも上記第２の放電ギャップの絶縁耐圧の方が低いので、中心電極と接地電極との間に形成された放電アークに引込み気流が作用したときに、上記中心電極の先端と上記接地電極延設部先端との間で放電アークを形成するのではなく、速やかに上記偏心電極の先端と接地電極延設部の先端との間へ移動し、燃料噴霧の着火性の良い可燃層に近づく。したがってより安定した着火が実現できる。

第４の発明では、上記点火プラグの放電ギャップを上記燃焼室内の所定位置に固定すべく上記接地電極に延設して設けたハウジングの先端と上記偏心電極の先端との最短距離を第３の放電ギャップとしたとき、該第３の放電ギャップを上記第２の放電ギャップよりも長く設定する（請求項４）。

第４の発明によれば、上記偏心電極と上記ハウジングの先端との間で放電するいわゆる横飛び現象を抑制し、確実に第２の放電ギャップに放電アークを発生させることができるので、着火が不安定となる虞がない。

第５の発明では、上記点火プラグを上記接地電極延設部の先端が上記燃料噴射弁の位置する側に向かうように配設しつつ、上記点火プラグの中心軸と上記燃料噴射弁の中心軸とを結ぶ直線を含む平面に対する、上記接地電極及び上記接地電極延設部のなす角度をプラグ搭載角としたとき、該プラグ搭載角を０°より大きく９０°より小さい範囲に設定する（請求項５）。

第５の発明によれば、上記燃料噴射弁から燃焼室内に燃料が噴射されたときに周囲の空気の持ち去りによって発生する燃料の噴射方向とは略逆向きの引込み気流が上記点火プラグに発生する放電アークに作用すると、該放電アークが上記中心電極から上記偏心電極の先端に向かって移動しつつ、上記燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧に近づき、安定した着火を実現できる。なお、本発明者等の鋭意試験により、本発明の範囲を外れ、上記プラグ搭載角度を９０°以上に設定した場合、即ち、上記接地電極延設部の先端を上記燃料噴射弁の載置位置から離れる方向に向けた場合、上記放電アークは燃料の噴射方向に対して下流側に伸び、着火が不安定となり、数％程度の確率で失火の虞があることが判明した。

本発明の第１の実施形態における筒内噴射式内燃機関に用いられる点火プラグの要部を示し、（ａ）は、下面図、（ｂ）は、本図（ａ）中Ｘ−Ｘに沿った矢視断面図、（ｃ）は、図（ａ）中Ｙ−Ｙに沿った矢視断面図。 本発明の第１の実施形態における筒内噴射式内燃機関の概要を示す構成図。 本発明の第１の実施形態における筒内噴射式内燃機関に用いられる点火プラグの詳細を示す半断面図。 本発明の第１の実施形態における筒内噴射式内燃機関の効果を模式的に示し、（ａ）は、下面図、（ｂ）は、本図（ａ）中Ｂ−Ｂに沿った矢視断面図、（ｃ）は、図（ａ）中Ａ−Ａに沿った矢視断面図。 本発明の第１の実施形態における筒内噴射式内燃機関の効果を模式的に示す要部斜視図。 本発明の第１の実施形態における筒内噴射式内燃機関に用いられる燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧の中心と点火プラグの放電ギャップ中心との距離に対する燃料噴霧の特性を示し、（ａ）は、燃料と空気との当量比分布を示す特性図、（ｂ）は、燃料噴霧の速度分布を示す特性図。 本発明の第２の実施形態における筒内噴射式内燃機関の効果を模式的に示す下面図。 本発明の第３の実施形態における筒内噴射式内燃機関に用いられる点火プラグの要部を示し、（ａ）は、下面図、（ｂ）は、本図（ａ）中Ｘ−Ｘに沿った矢視断面図、（ｃ）は、図（ａ）中Ｙ−Ｙに沿った矢視断面図。 （ａ）から（ｃ）は、本発明の第３の実施形態における筒内噴射式内燃機関における点火プラグの搭載角に対する効果を示す要部下面図。 本発明の第４の実施形態における筒内噴射式内燃機関の概要を示す構成図。

図１から図３を参照して、本発明の第１の実施形態における筒内噴射式内燃機関１及び本実施形態に用いられる点火プラグ１０について説明する。
図１（ａ）から（ｃ）に示すように、点火プラグ１０には、少なくとも、プラグの中心に設けた中心電極１１と、略筒状の絶縁碍子１２を介して所定の放電ギャップを設けて中心電極放電部１１０の先端面に対向する接地電極１３０と、中心電極１１に導通し中心電極１１の中心軸に対してプラグの外径方向に伸びるように延設した偏心電極２０と、接地電極１３０の先端を偏心電極２０の端縁に対向するように、プラグの外径方向に伸ばした接地電極延設部２１とが設けられている。
また、中心電極放電部１１０の先端面とこれに対向する接地電極１３０の上面までの最短距離を第１の放電ギャップＡＧ_１とし、偏心電極２０の先端面とこれに対向する接地電極延設部２１の上面までの最短距離を第２の放電ギャップＡＧ_２としたとき、第１の放電ギャップＡＧ_１は、第２の放電ギャップＡＧ_２よりも短く設定されている。
接地電極１３０に延設して設けられたハウジング１３の先端のシュラウド１３２と偏心電極２０の先端との最短距離を第３の放電ギャップＡＧ_３としたとき、ハウジング１３の外径φＤに応じて、第３の放電ギャップＡＧ_３が第２の放電ギャップＡＧ_２よりも長くなるように絶縁碍子先端部１２０がシュラウド１３２から露出する部分の長さを適宜設定する。
中心電極放電部１１０の先端縁と接地電極延設部２１の外周方向先端縁までの対角距離ＡＧ_４は、第２の放電ギャップＡＧ_２よりも長くなっている。
放電部１１０の先端縁と接地電極１３０の側端縁との対角方向の距離ＡＧ_５は、第２の放電ギャップＡＧ_２と等しいかそれ以下とするのが望ましい。
偏心電極２０の幅Ｅは、中心電極放電部１１０の外径φｄと同等か、又は、接地電極延設部２１の幅Ｆと同等となるように設定されている。

図２に示すように、筒内噴射式内燃機関１は、エンジン４０と、複数の噴孔３１から燃焼室４００内に燃料ＦＬを直接噴射する燃料噴射弁３０と、燃料噴射弁３０の直下で、点火プラグ１０の放電ギャップの中心点Ｐ_ＡＧと燃料噴射弁３０の先端Ｐ_ＺＮＬまでのプラグ−噴孔間距離が所定の範囲となるように配設された点火プラグ１０と、筒内噴射式内燃機関４０を制御する電子制御装置（ＥＣＵ）５０とによって構成されている。
筒内噴射式内燃機関４０は、エンジンヘッド４１と略筒状のシリンダ４２とシリンダ４２内に可動に収納されたピストン４３とによって構成され、エンジンヘッド４１の内壁とシリンダ４２の内周壁とピストン４３の頂面とによって燃焼室４００が区画されている。
エンジンヘッド４１には吸気バルブ４１１によって開閉される吸気筒４１０と、排気バルブ４２１によって開閉される排気筒４２０とが形成されている。

燃料噴射弁３０から燃焼室４００内に、高圧の燃料ＦＬが噴射されると、その周囲の空気を持ち去り（エアエントレインメント）、低圧部が形成されるので、燃料ＦＬの噴射方向とは略逆向きの引込み気流ＡＲ_ＥＮＴが発生する。
点火プラグ１０は、内燃機関４０のエンジンヘッド４１に先端部を燃焼室４００内に露出した状態で固定されており、点火プラグ１０には、点火プラグ１０の放電領域に発生する引込み気流ＡＲ_ＥＮＴによって放電アークＡＲＣが吹き飛ばされるのを防ぐと共に、実質的な放電時間を延ばすべく、放電アークＡＲＣが燃焼室４００内に噴射された燃料噴霧ＦＬの可燃層Ｌ_ＳＴに近づくよう偏心電極２０及び接地電極延設部２１が設けられている。

本発明の筒内噴射式内燃機関１では、燃料噴射弁３０に対して点火プラグ１０を特定の距離に配設し、燃料噴射弁３０から燃料ＦＬが噴射されたときに燃料の噴射方向とは逆方向の引込み気流ＡＲ_ＥＮＴを発生するエアエントレインメントを点火プラグ１０の第１の放電ギャップＡＧ_１の中心点Ｐ_ＡＧ近傍に作用させるようにしている。
ＥＣＵ５０では、機関の運転状況に応じて燃料噴射弁の開弁開始時期及び開弁時間ｔ_３を決定する燃料噴射信号ＩＮＪを発信し、燃料噴射弁３０への通電を開始し、燃料噴射弁３０の開弁の立ち上がりから所定の点火開始時間ｔ_１経過後に、燃料噴射弁３０からの燃料噴射が継続中に、点火プラグ１０への２次電圧Ｖ_２の印加が開始され、所定の点火エネルギ供給時間ｔ_２の間、２次電流Ｉ_２の放電を維持され、所定の燃料噴射時間ｔ_３経過によって燃料噴射弁３０が閉弁される。
燃料噴射弁３０から燃料噴射が継続中に点火プラグ１０への高電圧の印加し、発生する初期放電アークＡＲＣ_ＩＮＴをエアエントレインメントを利用して燃料噴霧ＦＬの可燃層Ｌ_ＳＴに近い位置に移動させつつ、引延ばされた放電アークＡＲＣ_ＥＮＬを、噴射された燃料噴霧と周囲の空気とが適度な空燃比に混合された可燃層Ｌ_ＳＴにさらに近づけると共に延長放電アークＡＲＣ_ＥＮＬの表面積の増加に伴う着火性の向上を利用することによって極めて希薄な混合気の点火を可能としたことを特徴としている。

図３を参照して本実施形態における点火プラグ１０のより具体的な構成について詳述する。点火プラグ１０は、略筒状に形成された絶縁碍子１２と、絶縁碍子１２に設けた軸孔に挿入固定された略長軸状の中心電極１１と、絶縁碍子１２をその内部に収納しつつ内燃機関４０のシリンダヘッド４１に固定するハウジング１３と、ハウジング１３の先端に延設して設けられた接地電極１３０と、本発明の要部であり、中心電極１１に導通し中心電極１１の中心軸に対して燃料噴射弁３０から噴射される燃料噴霧ＦＬ近づく側に延設した偏心電極２０と、中心電極１１の先端部１１０に所定の放電ギャップＡＧ_１を隔てて対向する接地電極１３０の先端を偏心電極２０の燃料噴霧側に近い端縁に対向するように伸ばした接地電極延設部２１とによって構成されている。

中心電極１１は、例えば内材としてＣｕ等の熱伝導性に優れた金属材料が用いられ、外材としてＮｉ基合金等の耐熱性及び耐食性に優れた金属材料が用いられて長軸状に形成されている。
中心電極１１は、中心電極放電部１１０を絶縁碍子先端部１２０から燃焼室４００内に露出するように設けられている。
偏心電極２０は、中心電極放電部１１０に導通し、点火プラグ１０の外径方向に伸びるように、略平板状に形成されている。
中心電極放電部１１０及び偏心電極２０は、耐熱性の高いイリジウム合金や特殊なＮｉ合金によって形成されている。
中心電極１１の基端側には、絶縁碍子１２の軸孔内部において、中心電極中軸部１１１と導電性のガラスシール１１２を介して電気的に接続された長軸状のステム１１３が設けられている。さらにその基端側には、碍子頭部１２２から露出し、外部の図略の点火装置に接続される中心電極端子部１１４が形成されている。

絶縁碍子１２は、高純度アルミナ等の耐熱性、絶縁性に優れたセラミックス材料を用いて略筒状に形成されている。絶縁碍子１２の軸孔には略長軸状に形成された中心電極１１が挿入・固定されている。
絶縁碍子１２の中腹には径大となる係止部１２１が形成されており、ハウジング１３の内側に設けられたハウジング係止部１３５に係止されると共に、封止部材を介してハウジング加締め部１３７によって加締め固定されている。
絶縁碍子１２の碍子先端部１２０は燃焼室４００に露出しつつ、ハウジング１３の先端に設けられた略環状のシュラウド１３２によってその外側が取り囲まれている。
絶縁碍子１２の基端側は、ハウジング１３の加締め部１３７から露出する碍子頭部１２２が設けられている。碍子頭部１２２は、コルゲート状に形成され中心電極端子部１１２とハウジング１３との表面距離を長くして沿面リークを防止している。

ハウジング１３は、例えば、導電性の低炭素鋼等の高耐熱性金属材料を用いて略筒状に形成されている。ハウジング１３の先端側は中心電極１１の側面に絶縁碍子１２を介して対向する側面電極１３４を形成している。側面電極１３４の外周面には、燃焼室４００内の所定位置に点火プラグ１０の先端を固定すべくエンジンヘッド４１に設けられたねじ穴に固定するためのネジ部１３３が設けられている。ネジ部１３３の先端側には略環状のシュラウド部１３２が設けられている。
ハウジング１３の中腹内周は先端側に向かって径小となる係止部１３５が形成され、内側に絶縁碍子１２の係止部１２１が係止され、基端側には加締め部１３７が形成され、封止部材を介して絶縁碍子１２の係止部１２１を覆うように加締め固定している。
ハウジング１３の基端側外周にはネジ部１３４を締めつけるためのナット部１３６が形成されている。ネジ部１３４は、エンジンヘッド４１に設けられたネジ穴にガスケットを介して螺結される。

ハウジング１３のシュラウド部１３１に延設して、接地電極脚部１３１を介して略Ｌ字状に伸びる接地電極１３０が形成され、接地電極１３０は、所定の放電ギャップＡＧ_１を設けて中心電極放電部１１０に対向している。
接地電極１３０の先端側に延設して、偏心電極２０に所定の放電ギャップＡＧ_２を設けて対向する接地電極延設部２１が接地電極１３０と一体的に形成されている。
接地電極１３０及び接地電極延設部２１は、例えばＮｉを主成分とするＮｉ基合金等を用いて断面略角柱形状に形成されている。

図４、図５を参照し、本発明の第１の実施形態における筒内噴射式内燃機関１の効果について説明する。
燃料噴射弁３０の複数の噴孔３１から燃料が噴射され、そのうち２つの燃料噴流ＦＬ_１、ＦＬ_２との間に挟まれるように点火プラグ１０が配設されている。
ＥＣＵ５０からの燃料噴射信号ＩＮＪにしたがって、燃料噴射弁３０から極めて高い圧力の燃料が噴射されると、燃料噴流ＦＬ_１、ＦＬ_２によって周囲の空気が持ち去られ、圧力の低い部分が形成され、燃焼室４００内の圧力の高い部分から低い部分に向かうように、燃料噴流ＦＬ_１、ＦＬの噴射方向とは略逆向きの引込み気流ＡＲ_ＥＮＴが発生する。
ＥＣＵ５０からの点火信号に従って、点火プラグ１０に高電圧が印加されると、中心電極放電部１１０の先端縁とこれに対向する接地電極１３０の側縁の最短距離、即ち第１の放電ギャップＡＧ_１の近傍で、初期放電アークＡＲＣ_ＩＮＴが発生する。
このとき、燃料噴射に伴うエアエントレインメントにより発生する引込み気流ＡＲ_ＥＮＴによって、初期放電アークＡＲＣ_ＩＮＴが燃料噴射弁３０の方向に引き寄せられる。
すると、中心電極放電部１１０と接地電極１３０との間で発生した初期放電アークは、偏心電極２０と接地電極１３０との間で放電するように移動し、さらに、偏心電極２０と接地電極延設部２１との間で放電するように移動し、偏心電極２０の先端縁と接地電極延設部２１の先端縁との間の放電に変わる。
さらに、両電極間の最短距離である第２の放電ギャップＡＧ_２で放電が維持されるのに加え、偏心電極２０及び接地電極延設部２１の角部は電界集中により放電しやすくなっているので、要求電圧が低くなり、放電時間を長く継続できるようになる。
したがって、偏心電極２０の先端縁と接地電極延設部２１の先端縁との間に形成された放電アークは、燃料噴射弁３０の方向に向かう引込み気流ＡＲ_ＥＮＴによって長く引き延ばされた延長放電アークＡＲＣ_ＥＮＬとなる。
このとき、２つの燃料噴流ＦＬ_１、ＦＬ_２のうち、延長放電アークＡＲＣ_ＥＮＬにより近い方の燃料噴流ＦＬ_２の燃料と空気との混合比が安定して着火できる割合となった可燃層Ｌ_ＳＴに近づくため安定した着火が実現できる。

図５に模式的に示すように、初期放電アークＡＲＣ_ＩＮＴに比べて延長放電アークＡＲＣ_ＥＮＬは、長く引き延ばされ、かつ、燃料噴流ＦＬ_２の可燃層Ｌ_ＳＴに近い位置に発生するので、極めて着火安定性に優れている。
従来のスパーク点火では、点火プラグの中心で放電アークが発生するため、消炎効果によって火炎核の成長速度が遅くなったり、燃料噴流の可燃層を点火プラグに近づける必要があるので、燃料が直接点火プラグに付着してデポジットを形成したりする虞がある。
一方、本発明によれば、延長放電アークＡＲＣ_ＥＮＬが、点火プラグ１０の中心からはずれて偏心電極２０と接地電極延設部２１との間で形成されるため、消炎効果も小さくなり、火炎核の成長速度が速くなる。
加えて燃料噴流ＦＬを点火プラグ１０に近づけるのではなく、長く引き延ばされた延長放電アークＡＲＣ_ＥＮＬが燃料噴流ＦＬの可燃層Ｌ_ＳＴに近づくのでデポジットも形成され難くなる。

ここで、図６を参照して、燃料噴射弁３０から噴射された燃料噴流ＦＬの中心と点火プラグの放電ギャップの中心点Ｐ_ＡＧとの距離に対する、当量比分布の変化と、流速分布の変化について説明する。
図６（ａ）に示すように、燃料噴流の中心近傍では、当量比が１．５以上で、空気に対する燃料比率が高すぎて着火できない不燃層Ｌ_ＴＲを形成し、燃料噴流の外側に向かって徐々に燃料の混合比が低下し、安定して着火可能な当量比０．５〜１．５の可燃層Ｌ_ＳＴが形成され、さらにその外側には、燃料比率が低すぎて着火できない不燃層Ｌ_ＴＬが形成されている。
また、図６（ｂ）に示すように、燃料噴流の中心部分は流速Ｖ_ＡＲが極めて速く、外側に向かって徐々に流速が低下している。
流速Ｖ_ＡＲが２０ｍ／ｓより速いと、放電アークＡＲＣが吹き飛ばされてしまい着火が不安定となり、流速Ｖ_ＡＲが２０ｍ／ｓ以下であること、放電アークＡＲＣが安定して形成される。
本実施形態においては、燃料噴流ＦＬの中心から点火プラグ１０のギャップ中心Ｐ_ＡＧまでのプラグ−噴霧中心間距離ｄを１．１ｍｍ以上５．２ｍｍ以下の範囲となるように、点火プラグ１０と燃料噴射弁３０とを配設するのが望ましいことが判明した。
また、本実施形態における筒内噴射式内燃機関１の実機試験によって、限界空燃比Ａ／Ｆを４０程度まで向上させることができることが判明した。

図７を参照して、本発明の第２の実施形態における筒内噴射式内燃機関１ａについて説明する。なお、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する（以下の実施形態において同様である。）。
本実施形態においては、上記実施形態と同様の構成を基本とし、点火プラグ１０ａとして、接地電極延設部２１の先端が燃料噴射弁３０の位置する側に向かうように配設しつつ、点火プラグ１０ａの中心軸と燃料噴射弁３０の中心軸とを結ぶ直線（ギャップ中心点Ｐ_ＡＧとノズル中心点Ｐ_ＮＺＬとを結ぶ直線）を含む平面に対する、接地電極１３０及び接地電極延設部２１のなす角度をプラグ搭載角θ_ＰＬＧとしたとき、プラグ搭載角θ_ＰＬＧを０°より大きく９０°より小さい範囲に設定した点が相違する。
このような角度で、点火プラグ１０ａを装着すると、燃料噴射弁３０から燃焼室４００内に燃料が噴射されたときに周囲の空気の持ち去りによって発生する燃料の噴射方向とは略逆向きの引込み気流ＡＲ_ＥＮＴが点火プラグ１０ａに発生する初期放電アークＡＲＣ_ＩＮＴに作用すると、初期放電アークＡＲＣ_ＩＮＴが中心電極１１０から偏心電極２０の先端に向かって移動しつつ、燃料噴射弁３０から噴射された燃料噴霧ＦＬ_２の可燃層Ｌ_ＳＴに近づき、安定した着火を実現できる。
なお、本発明者等の鋭意試験により、本発明の範囲を外れ、プラグ搭載角度θ_ＰＬＧを９０°以上に設定した場合、即ち、接地電極延設部２１の先端を燃料噴射弁の載置位置から離れる方向に向けた場合、初期放電アークＡＲＣ_ＩＮＴは燃料の噴射方向に対して下流側に伸び、着火が不安定となり、数％程度の確率で失火の虞があることが判明した。エアエントレインメントによる引込み気流ＡＲ_ＥＮＴが燃料噴射弁３０に近づく方向に向かって発生するのに対し、接地電極延設部を燃料噴射弁３０から離れる方向に向けることにより、放電アークは、燃料噴射弁３０から離れる方向に引き寄せられるので、相反する力が作用し、放電が不安定となるためと推察される。

図８を参照して、本発明の第３の実施形態における筒内噴射式内燃機関に用いられる点火プラグ１０ｂについて説明する。
本実施形態においては、上記実施形態と同様の構成を基本とし、接地電極延設部をさらに延設し、シュラウド１３２に繋ぐように、接地電極１３０ｂを略コ字形に形成し、偏心電極２０ｂを中心電極放電部１１０の両側に張り出すように形成した点が相違する。
本実施形態においては、燃料噴射弁３０から噴射される燃料噴流ＦＬ_１、ＦＬ_２に対して、均等の距離に偏心電極２０ｂの両側の端が位置するように点火プラグ１０ｂが配設した場合、燃料噴流ＦＬ_１、ＦＬ_２のいずれか一方に近い位置で延長放電アークＡＲＣ_ＥＮＬが形成される。
また、初期放電アークＡＲＣ_ＩＮＴにより強い引込み気流ＡＲ_ＥＮＴが作用した場合に、上記実施形態のように接地電極を略Ｌ字形に形成したときには、延長放電アークＡＲＣ_ＥＮＬをより長く引き伸ばすように作用するのに対して、本実施形態のようにコ字形に形成した場合には、放電経路がＬ字形の場合には放電アークが形成されない中心電極放電部１１０と接地電極脚部１３１ｂとの間の短い距離へ延長放電アークＡＲＣ_ＥＮＬが移動するため、筒内流動が強く、放電アークの引き伸ばし長さが長くなる条件でも、放電維持に要するエネルギを低減することが可能となる。
なお、本実施形態において、シュラウド１３２と接地電極１３０ｂとを繋ぐ接地電極脚部１３１ｂが、偏心電極２０ｂの両端に近い位置に配置されるので、点火プラグ１０ｂの外径φＤによっては、偏心電極２０ｂと接地電極脚部１３１ｂとの間の距離を接地電極１３０の中心部までの最短距離以上に離すことができず、この間で初期放電ＡＲＣ_ＩＮＴが起こる虞がある。
このような場合には、接地電極脚部１３１ｂの表面の一部を絶縁性耐熱部材でコーティングしたり、接地電極脚部１３１ｂを断面円形に形成して、電界集中し難くしたりする等によって、意図しない位置での初期放電ＡＲＣ_ＩＮＴの発生を防止することも可能である。

図９を参照して、本発明の第３の実施形態における筒内噴射式内燃機関１ｂにおける点火プラグ１０ｂの搭載角θ_ＰＬＧを変化させた場合の効果について説明する。
図９（ａ）に示すように、搭載角θ_ＰＬＧを０°に設定した場合、中心電極放電部１１０の両側に偏心電極２０ｂが伸びているので、放電アークＡＲＣが燃料噴射の状況に応じて任意の位置に移動できる。
図９（ｂ）に示すように、搭載角θ_ＰＬＧを０°より大きく９０°より小さく設定した場合、上記第２の実施形態と同様の効果が期待できる。
図９（ｃ）に示すように、搭載角θ_ＰＬＧを９０°に設定した場合、燃料噴射弁３０の位置する側の接地電極脚部１３１ｂによって、引込み気流ＡＲ_ＥＮＴに乱れが生じ、火炎核の燃焼速度を向上させる効果が期待できる。
従って、本発明の第１の実施形態のように接地電極延設部２１を含む接地電極１３０を略Ｌ字形に形成した場合に比べて、本実施形態のように接地電極１３０ｂを略コ字形にすることによって点火プラグ１０ｂの搭載角θ_ＰＬＧの自由度が増す。

図１０を参照して、本発明の第４の実施形態における筒内噴射式内燃機関１ｃについて説明する。上記実施形態においては、エンジン４０の中心に燃料噴射弁３０を載置し、その直下に位置するように点火プラグ１０を配設した例を示したが、本発明は上記実施形態に限定するものではなく、燃料噴射弁と点火プラグとを特定の距離で配置し、放電ギャップ中心から燃料噴射弁から噴射される２つの燃料噴流までの距離を所定の範囲に設定し、燃料噴射継続中に点火を行うことによって、燃料噴射時に発生するエアエントレインメントによる引込み気流を放電アークに作用させたときに、放電アークが偏心電極２０と接地電極延設部２１との間に移動し、噴射された燃料噴流の可燃層に近い位置で引き延ばされた放電アークを発生させて着火性向上させることができるものであれば、図１０に示すように、点火プラグ１０ｃを燃焼室４００ｃの中央に載置し、燃料噴射弁３０ｃを点火プラグ１０ｃの直下となる位置に載置しても良い。

１ 筒内噴射式内燃機関
１０ 点火プラグ
１１ 中心電極
１１０ 中心電極放電部
１２ 絶縁碍子
１２０ 絶縁碍子先端部
１３ ハウジング
１３０ 接地電極
１３１ 接地電極脚部
２０ 偏心電極
２１ 接地電極延設部
３０ 燃料噴射弁
４００ 燃焼室
ＡＲ_ＥＮＴ エアエントレインメントによる引込み気流
ＡＲＣ_ＩＮＴ 初期放電アーク
ＡＲＣ_ＥＮＬ 延長放電アーク
ＡＧ_１ 第１の放電ギャップ
ＡＧ_２ 第２の放電ギャップ
ＦＬ 燃料噴流

特開２００５−２４８８５７号公報

Claims (5)

1. 燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と点火プラグとを備えた筒内噴射式内燃機関において、
   上記点火プラグが、少なくとも、プラグの中心に設けた中心電極と、絶縁碍子を介して所定の放電ギャップを設けて上記中心電極の先端に対向する接地電極と、上記中心電極に導通し上記中心電極の中心軸に対して上記燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧に近づく側に延設した偏心電極と、上記接地電極の先端を上記偏心電極の上記燃料噴霧側に近い端縁に対向するように伸ばした接地電極延設部とを具備し、
   上記燃料噴射弁から燃料が噴射されたときに発生する引込み気流を上記放電ギャップに作用させることを特徴とする筒内噴射式内燃機関
2. 上記中心電極の先端面とこれに対向する上記接地電極の上面までの最短距離を第１の放電ギャップとし、上記偏心電極の先端面とこれに対向する上記接地電極延設部の上面までの最短距離を第２の放電ギャップとしたとき、上記第１の放電ギャップを、上記第２の放電ギャップよりも短く設定した請求項１に記載の筒内噴射式内燃機関
3. 上記第２の放電ギャップを上記中心電極の先端から上記接地電極延設部の端縁までの距離よりも短く設定した請求項１又は２に記載の筒内噴射式内燃機関
4. 上記点火プラグの放電ギャップを上記燃焼室内の所定位置に固定すべく上記接地電極に延設して設けたハウジングの先端と上記偏心電極の先端との最短距離を第３の放電ギャップとしたとき、該第３の放電ギャップを上記第２の放電ギャップよりも長く設定した請求項１ないし３のいずれか１項に記載の筒内噴射式内燃機関
5. 上記点火プラグを上記接地電極延設部の先端が上記燃料噴射弁の位置する側に向かうように配設しつつ、上記点火プラグの中心軸と上記燃料噴射弁の中心軸とを結ぶ直線を含む平面に対する、上記接地電極及び上記接地電極延設部のなす角度をプラグ搭載角としたとき、該プラグ搭載角を０°より大きく９０°より小さい範囲に設定した請求項１ないし４のいずれか１項に記載の筒内噴射式内燃機関

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