JP2019157796A - 点火装置、及びそれを備えたエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】過早着火を適切に防止しながらも、点火室内の温度を高め、点火室での着火の安定性を高め、点火室から燃焼室への火炎ジェットを良好に保持して、燃焼室での燃焼改善を図ることができる点火装置、及びそれを備えたエンジンを提供する。【解決手段】点火点カバー部２０のうち、少なくとも点火室１４の内面を構成する内壁部位は、シリンダヘッド６を構成する材料よりも熱伝導性の低い低熱伝導性材料から成る。【選択図】図１

Description

本発明は、点火点を覆い点火室を形成する点火室形成部材を備え、装着対象のエンジンのシリンダヘッドに前記点火室形成部材を装着した状態において、ピストンに面する燃焼室と前記点火室形成部材内に形成された前記点火室とを連通する連通部が前記点火室形成部材に設けられ、前記点火室形成部材に形成されるレーザー光透過窓を介して前記点火点にレーザー光を集光して点火するレーザー光照射機構を備えた点火装置、及びそれを備えたエンジンに関する。

従来、火花点火エンジンでは、希薄混合気の安定した着火を確保するため、点火プラグ本体の点火点を覆って点火室を形成するプラグカバーを備えたプレチャンバープラグをシリンダヘッドに備える場合がある。
当該プレチャンバープラグは、そのプラグカバーに単数又は複数の連通孔を設けて構成され、当該連通孔が点火室と燃焼室とを連通するように構成されている。当該連通孔は、吸気行程において燃焼室に吸気された燃焼用空気と燃料との混合気を、主に圧縮行程において燃焼室から点火室へ流入させると共に、燃焼膨張行程において点火室内で混合気が点火されることにより形成された燃焼火炎を、点火室から燃焼室へ噴出させる。燃焼室では、連通孔から噴出された燃焼火炎により混合気が燃焼することとなる（特許文献１を参照）。
一方、特許文献２に記載の如く、燃焼室と連通する点火室の点火点にレーザー光を集光可能なレーザー点火型エンジンが知られている。
当該レーザー点火型エンジンでは、所望の点火タイミングにおいて、高密度のレーザー光を点火点に集光することで、所望の点火タイミングにて点火室の点火点にて点火するものである。

特開２００７−７７９０２号公報 特表２０１２−５１８１２０号公報

特許文献１に開示のプレチャンバープラグでは、点火室内に位置するプラグの接地電極を起点として過早着火が発生する虞があり、改善の余地があった。
一方で、上記特許文献２に開示のレーザー点火型エンジンでは、点火室内にプラグの接地電極が存在しないため、過早着火の発生を回避できる。
ただし、当該特許文献２には、その〔００３４〕段落に以下の点が開示されている。
『図２は、本発明に係るレーザー点火プラグ１００の別の実施の形態を示している。本実施の形態では、本発明に係る副室モジュール２００は、鋼及び銅からなる複合材料を有している。図２から看取されるように、副室モジュール２００の主要な部材２０２は、銅複合材料から製造されている。その結果、最適化された熱伝導が副室モジュール２００内に生成される。これにより、特に、副室モジュール２００の燃焼室側の表面が過度に強く加熱されてグロー着火あるいは自己着火が発生し得るという問題は回避される。』
即ち、当該特許文献２に開示の技術にあっては、副室（点火室に相当）を構成する部材の昇温を避ける材料として、比較的高い熱伝導性の材料が採用され、熱をシリンダヘッド側へ逃がす構成が採用されている。
このような構成にあっては、過早着火は好適に防止できるものの、エンジンの起動時や異常燃焼時においては、点火室の昇温が妨げられることにより、着火性が安定性せず、改善の余地があった。

本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、過早着火を適切に防止しながらも、点火室内の温度を高め、点火室での着火の安定性を高め、点火室から燃焼室への火炎ジェットを良好に保持して、燃焼室での燃焼改善を図ることができる点火装置、及びそれを備えたエンジンを提供することにある。

上記目的を達成するための点火装置は、
点火点を覆い点火室を形成する点火点カバー部を備え、装着対象のエンジンのシリンダヘッドに前記点火点カバー部を装着した状態において、ピストンに面する燃焼室と前記点火点カバー部内に形成された前記点火室とを連通する連通孔が前記点火点カバー部に設けられ、前記点火点カバー部に設けられるレーザー光透過窓を介して前記点火点にレーザー光を集光して点火するレーザー光照射機構を備えた点火装置であって、その特徴構成は、
前記点火点カバー部のうち、少なくとも前記点火室の内面を構成する内壁部位は、前記シリンダヘッドを構成する材料よりも熱伝導性の低い低熱伝導性材料から成る点にある。

上記特徴構成によれば、点火室内にプラグの接地電極等の過早着火の起点となる部位が存在しないことから、点火室の内部において過早着火が発生し難い状態が実現できる。
このような状態で、点火室の内壁を構成する点火点カバー部の内壁部位を、シリンダヘッドを構成する材料よりも熱伝導性の低い低熱伝導性材料から構成することで、従来技術の如く、点火室の内部の昇温を妨げることがない。これにより、例えば、エンジンの起動時で点火室内の温度が低い場合や、エンジンの異常燃焼時で点火室内において温度降下が発生したりする場合等で、点火室内での着火が安定しないときにも、点火室の昇温が促進され点火室内の温度を比較的高温に保つことで、着火の安定性を高めることができる。
結果、過早着火を適切に防止しながらも、副室内の温度を高め、点火室での着火の安定性を高め、点火室から燃焼室への火炎ジェットを良好に保持して、燃焼室での燃焼改善を図ることができる点火装置を実現できる。

本発明の点火装置の更なる特徴構成は、
前記シリンダヘッドは、鉄を主成分とする合金から構成されている点にある。

上記特徴構成の如く、鉄を主成分とする合金であるシリンダヘッドから構成し、点火点カバー部を、当該鉄を主成分とする合金であるシリンダヘッドよりも熱伝導性が低い材料から構成することが好ましい。
例えば、点火点カバー部を構成する低熱伝導性材料としては、セラミックを好適に用いることができ、より詳細には、ジルコニアを主成分とするセラミックを用いることが好ましい。
当該低熱伝導性材料は、例えば、その熱伝導率が０．５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上１６．３０Ｗ／ｍ・Ｋ以下のものが好適に採用される。

本発明の点火装置の更なる特徴構成は、
前記レーザー光透過窓には、前記点火室で形成される火炎ジェット及び燃焼排ガスの通過を阻止すると共にレーザー光を集光する集光レンズが設けられ、
前記点火点カバー部の前記レーザー光透過窓に前記集光レンズを支持固定する支持固定部材は、前記低熱伝導性材料にて構成されている点にある。

上記特徴構成によれば、レーザー光透過窓に設けられレーザー光を集光する集光レンズ、及び当該集光レンズを支持固定する支持固定部材であって、点火室内に露出する虞のある部材も、点火点カバー部と同様に低熱伝導性材料として構成することで、点火室内での過早着火をより一層好適に抑制することができる。

本発明のエンジンは、これまで説明してきた点火装置を備えることで、これまで説明してきた作用効果を、好適に発揮する。

実施形態に係る点火装置、及びそれを備えたエンジンの概略構成図 別実施形態に係る点火装置、及びそれを備えたエンジンの概略構成図

本発明の実施形態に係る点火装置５０、及びエンジン１００は、過早着火を適切に防止しながらも、点火室１４の内部の温度を高め、点火室１４での着火の安定性を高め、点火室１４から燃焼室３への火炎ジェットを良好に保持して、燃焼室３での燃焼改善を図ることができる点火装置５０、及びそれを備えたエンジン１００に関する。

本発明のエンジン１００は、図１に示す如く、ピストン２と、ピストン２を収容してピストン２の天面２ａと共に燃焼室３を形成するシリンダ４と、シリンダヘッド６に装着された点火点カバー部２０を有する点火装置５０とを備えて構成されている。ピストン２をシリンダ４内で往復運動させるとともに、吸気バルブ５及び排気バルブ（図示を省略）を開閉動作させることにより、燃焼室３において、吸気行程、圧縮行程、燃焼膨張行程、排気行程の各行程を順次行う。これにより、図示は省略するが、ピストン２の往復運動を連結棒によってクランク軸の回転運動として出力するように構成されている。このような構成は、通常の４ストローク内燃機関と同様の構成である。

エンジン１００は、例えば、気体燃料である都市ガス（１３Ａ）を燃料Ｇとするものであり、吸気行程では、吸気バルブ５を開状態として、吸気ポート８から、燃焼室３へ空気と燃料Ｇの混合気（例えば、希薄混合気）を吸気するように構成されている。圧縮行程及び燃焼膨張行程では、燃焼室３に吸気した混合気を圧縮して燃料Ｇを燃焼・膨張させるように構成されている。排気行程では、排気バルブを開状態として、燃焼室３から排気ポート（図示を省略）に排ガスを排出するように構成されている。

ピストン２のシリンダヘッド６と対向する天面２ａには、凹部が形成されている。これにより、燃焼室３は、ピストン２の天面２ａとシリンダ４の内面との間の空間に加え、凹部にて形成される空間から構成されることとなる。このように燃焼室３を形成することにより、圧縮行程においてピストン２が上昇するときに、凹部の周囲から凹部の中心に向う渦流、いわゆるスキッシュを発生させることができる。

シリンダヘッド６に設けられた吸気ポート８には、吸気される空気に対して燃料Ｇを噴射する燃料供給部９が設けられ、空気と燃料Ｇとの混合気（例えば、希薄混合気）を生成するように構成されている。吸気バルブ５を開動作することにより、空気と燃料Ｇとの混合気（例えば、希薄混合気）を燃焼室３に吸気するように構成されている。ここで、燃料供給部９からの燃料噴出量は変更自在であり、エンジン１００の運転状況に応じて空気と燃料Ｇとの混合割合を変更自在である。

さて、当該実施形態に係るエンジン１００にあっては、点火点Ｐを覆い点火室１４を形成する点火点カバー部２０を備えて、所謂、主室としての燃焼室３に対して副室としての点火室１４を備える構成を採用している。

説明を追加すると、点火点カバー部２０は、シリンダヘッド６に装着されている状態において、内部に形成される点火室１４と燃焼室３とを連通する連通孔１５を備える。
更に、点火点カバー部２０に覆われる点火室１４は、シリンダヘッド６から燃焼室３へ向かう延設方向に沿って延設され、当該実施形態にあっては、延設方向に沿う軸（点火室１４の中心軸α）は、燃焼室３の中心軸αに一致した状態で設けられている。

点火点カバー部２０は、円筒状の点火点カバー基端部２２と、その点火点カバー基端部２２の一端を閉じるドーム状の点火点カバー頭部２３とを備えた有底円筒状に構成されている。更に、点火点カバー部２０は、円筒状の点火点カバー基端部２２の外周部位に螺子切られた雄螺子部が、シリンダヘッド６に螺子切られた雌螺子部に螺合する形態で、シリンダヘッド６に装着されている。点火点カバー部２０には、延設方向に沿う方向で、点火点カバー基端部２２における点火点カバー頭部２３と逆側に点火点カバー鍔部２１を有しており、装着状態において、当該点火点カバー鍔部２１が、シリンダヘッド６の頂面に当接する。

当該実施形態においては、連通孔１５は、点火点カバー部２０のうち延設方向で燃焼室３の側である点火点カバー頭部２３に、複数設けられている。具体的には、連通孔１５は、点火室１４の中心軸αを対称軸として、点火点カバー頭部２３に複数（当該実施形態では、４つ：図１には、２つを図示）設けられている。

更に、点火点カバー部２０は、その内部を、点火点カバー鍔部２１側と点火点カバー頭部２３側とに区画する形態で、点火室１４で形成される火炎ジェット及び燃焼排ガスの通過を阻止すると共にレーザー光を集光する耐熱性の集光レンズ３４を、円筒状の点火点カバー基端部２２の内部（レーザー透過窓の一例）に備えている。上記集光レンズ３４は、点火点カバー部２０の点火点カバー基端部２２の内部に支持固定部材３２にて支持固定されている。

即ち、点火室１４は、点火点カバー頭部２３と、点火点カバー基端部２２と、集光レンズ３４、及び支持固定部材３２とに外囲されて形成されている。
当該実施形態にあっては、点火点カバー部２０の点火点カバー基端部２２の内部空間（点火点カバー部２０を貫通して設けられるレーザー光透過窓の一例）を介して高出力のパルスレーザー光を点火室１４の内部に集光するレーザー光照射機構３０を、レーザー光の光軸が燃焼室３と点火室１４とを通る状態で備えている。より詳細には、レーザー光照射機構３０は、光軸を延設方向に沿わせる状態、即ち、点火室１４の中心軸αに沿わせる状態で配設されている。
レーザー光照射機構３０は、詳細な図示は省略するが、エンジン１００に対して組み付けられており、エンジン１００と共に一体振動するように配設されている。
そして、点火点カバー部２０とレーザー光照射機構３０とから点火装置５０が構成されている。

さて、当該実施形態に係る点火装置５０、及びエンジン１００にあっては、過早着火を適切に防止しながらも、点火室１４の内部の温度を高め、点火室１４での着火の安定性を高め、点火室１４から燃焼室３への火炎ジェットを良好に保持して、燃焼室３での燃焼改善を図るべく、点火点カバー部２０のうち、少なくとも点火室１４の内面を構成する内壁部位は、シリンダヘッド６を構成する熱を主成分とする合金（例えば、４５．００Ｗ／ｍ・Ｋ程度の熱伝導率を有するもの）よりも熱伝導性の低い低熱伝導性材料から構成されている。
当該実施形態にあっては、点火点カバー部２０及び集光レンズ３４を支持する支持固定部材３２の双方を低熱伝導性材料から構成している。点火点カバー部２０及び支持固定部材３２の両者は、例えば、セラミックから構成することができ、具体的には、ジルコニアを主成分とするセラミック（例えば、３．００Ｗ／ｍ・Ｋ程度の熱伝導率を有するもの）から構成することができる。その他の材料としては、例えば、ＳＵＳ３０１Ｓ（１６．３０Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率を有するもの）に代表されるステンレスから構成することもできる。

一方、集光レンズ３４としては、例えば、熱伝導率が０．５０〜０．８０Ｗ／ｍ・Ｋの耐熱性のガラスを好適に用いることができる。その他の例としては、熱伝導率が０．１９Ｗ／ｍ・Ｋ程度のポリカーボネート樹脂を用いることもできる。

当該実施形態の点火装置５０、及びエンジン１００において、その効果を良好に発揮するためには、熱伝導率が、０．５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上１６．３０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の低熱伝導性材料を用いることが好ましい。

〔別実施形態〕
（１）上記実施形態では、シリンダヘッド６を鉄を主成分とする合金から構成する例を示した。
近年は、軽量化等の目的から、シリンダヘッド６がアルミ等で構成される場合も多いが、本願にあっても、シリンダヘッド６をアルミ等の比較的熱伝導性の高い材料から構成しても構わない。

（２）上記実施形態では、燃料Ｇは、吸気ポート８に供給され、点火室１４へは連通孔１５を介して燃料Ｇと燃焼用空気との混合気が供給される構成を示した。しかしながら、点火室１４に燃料を直噴するインジェクタを備える構成を採用しても構わない。

（３）上記実施形態では、点火室１４の中心軸（延設方向の軸（光軸）と、燃焼室３の中心軸αとは、一致する例を示したが、両者は一致していなくても構わない。
また、点火室１４の中心軸と光軸も、一致していなくても構わない。

（４）上記実施形態にあっては、点火点カバー部２０のすべてを、低熱伝導性材料から構成する例を示した。しかしながら、例えば、図２に示すように、点火点カバー部２０の内壁部を低熱伝導性材料２５にてコーティングする構成を採用しても構わない。尚、当該構成を採用する場合、集光レンズ３４、及び支持固定部材３２の材料は、上記実施形態と同一のものを好適に採用できると共に、点火点カバー部２０は、例えば、シリンダヘッド６と同一の材料を好適に採用できる。

尚、上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。

本発明の点火措置及びそれを備えたエンジンは、過早着火を適切に防止しながらも、点火室内の温度を高め、点火室での着火の安定性を高め、点火室から燃焼室への火炎ジェットを良好に保持して、燃焼室での燃焼改善を図ることができる点火装置、及びそれを備えたエンジンとして、有効に利用可能である。

２ ：ピストン
３ ：燃焼室
６ ：シリンダヘッド
１４ ：点火室
１５ ：連通孔
２０ ：点火点カバー部
２５ ：低熱伝導性材料
３０ ：レーザー光照射機構
３２ ：支持固定部材
３４ ：集光レンズ
５０ ：点火装置
１００ ：エンジン
Ｇ ：燃料
Ｐ ：点火点

Claims (7)

1. 点火点を覆い点火室を形成する点火点カバー部を備え、装着対象のエンジンのシリンダヘッドに前記点火点カバー部を装着した状態において、ピストンに面する燃焼室と前記点火点カバー部内に形成された前記点火室とを連通する連通孔が前記点火点カバー部に設けられ、前記点火点カバー部に設けられるレーザー光透過窓を介して前記点火点にレーザー光を集光して点火するレーザー光照射機構を備えた点火装置であって、
   前記点火点カバー部のうち、少なくとも前記点火室の内面を構成する内壁部位は、前記シリンダヘッドを構成する材料よりも熱伝導性の低い低熱伝導性材料から成る点火装置。
2. 前記シリンダヘッドは、鉄を主成分とする合金から構成されている請求項１に記載の点火装置。
3. 前記低熱伝導性材料は、セラミックから構成されている請求項１又は２に記載の点火装置。
4. 前記低熱伝導性材料は、ジルコニアを主成分とするセラミックから構成されている請求項１〜３の何れか一項に記載の点火装置。
5. 前記低熱伝導性材料は、その熱伝導率が、０．５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上１６．３０Ｗ／ｍ・Ｋ以下である請求項１〜４の何れか一項に記載の点火装置。
6. 前記レーザー光透過窓には、前記点火室で形成される火炎ジェット及び燃焼排ガスの通過を阻止すると共にレーザー光を集光する集光レンズが設けられ、
   前記点火点カバー部の前記レーザー光透過窓に前記集光レンズを支持固定する支持固定部材及び前記集光レンズの双方は、前記低熱伝導性材料にて構成されている請求項１〜５の何れか一項に記載の点火装置。
7. 請求項１〜６の何れか一項に記載の点火装置を備えたエンジン。

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