JP2021042732A - 火花点火式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】凹穴から離れた位置の混合気によるノッキングを抑制する。【解決手段】火花点火式内燃機関は、シリンダヘッド１４からシリンダ１２内に向けて突出された中心電極２４と、ピストン１３の頂面１３Ａに設けられ、ピストンの昇降動作に応じて中心電極が挿抜される凹穴２５と、ピストンの内部に設けられ、凹穴の底部付近で開口する一端２８Ａと、ピストンの頂面外周部で開口する他端２８Ｂとを有する連通孔２８とを備える。【選択図】図１

Description

本開示は火花点火式内燃機関に関する。

一般に火花点火式内燃機関では、シリンダヘッドに取り付けられた点火プラグの中心電極と接地電極の間のギャップに火花を発生させ、この火花によりシリンダ内の混合気を点火している。

一方、このような通常の点火プラグを用いた内燃機関だと、中心電極に比較的大きな電気エネルギを印加したときに電極が摩耗し、ギャップの拡大が促進される欠点がある。

そこで本発明者は、こうした欠点を解消した火花点火式内燃機関を以前提案した（特許文献１参照）。このものでは、中心電極がシリンダヘッドからシリンダ内に向けて突出されると共に、接地電極として、ピストンの頂面に設けられた凹穴が用いられる。

特開２０１７−２２７１６４号公報

しかし、このものでは凹穴内で火花点火が起こるため、凹穴から離れた位置の混合気に火炎が伝播しづらい。そのため、その位置の混合気が自己着火しノッキングが生じる虞がある。

そこで本開示は、かかる事情に鑑みて創案され、その目的は、凹穴から離れた位置の混合気によるノッキングを抑制することができる火花点火式内燃機関を提供することにある。

本開示の一の態様によれば、
シリンダヘッドからシリンダ内に向けて突出された中心電極と、
ピストンの頂面に設けられ、前記ピストンの昇降動作に応じて前記中心電極が挿抜される凹穴と、
前記ピストンの内部に設けられ、前記凹穴の底部付近で開口する一端と、前記ピストンの頂面外周部で開口する他端とを有する連通孔と、
を備えたことを特徴とする火花点火式内燃機関が提供される。

好ましくは、前記ピストンの頂面外周縁部に環状の凹部が設けられ、前記連通孔の他端は前記凹部で開口する。

好ましくは、前記連通孔は、前記ピストンの周方向に複数設けられる。

本開示によれば、凹穴から離れた位置の混合気によるノッキングを抑制することができることができる。

内燃機関の断面図である。 比較的早い点火時期における状態の内燃機関を示す断面図である。 比較的遅い点火時期における状態の内燃機関を示す断面図である。 図３の部分断面図である。

以下、添付図面を参照して本開示の実施形態を説明する。なお本開示は以下の実施形態に限定されない点に留意されたい。

図１に示すように、内燃機関（エンジンともいう）１０は火花点火式内燃機関であり、そのシリンダブロック１１のシリンダ１２内には、ピストン１３が昇降動作可能に収容されている。また、シリンダブロック１１の上部には、シリンダヘッド１４が図示しないヘッドボルトによって固定されている。これらシリンダ１２、ピストン１３およびシリンダヘッド１４により燃焼室１７が画成される。

シリンダ１２の中心軸すなわちシリンダ軸を符号Ｃで示す。ピストン１３はシリンダ１２と同軸に配置される。以下特に断らない限り、軸方向、半径方向および周方向といった場合、シリンダ軸Ｃを基準とした軸方向、半径方向および周方向を意味するものとする。

シリンダヘッド１４には、吸気ポート１５及び排気ポート１６が設けられている。また、シリンダブロック１４には、吸気ポート１５内に燃料（ガソリン又は、ＬＰＧ、ＬＮＧ、ＣＮＧ等の天然ガス）を噴射するインジェクタ３０が設けられている。また、シリンダヘッド１４には、吸気ポート１５を開閉する吸気バルブ１８と、排気ポート１６を開閉する排気バルブ１９とが設けられている。吸気バルブ１８の開弁時に、燃料と空気の混合気が吸気ポート１５から燃焼室１７に導入される。本実施形態では、燃焼室１７の天井面を形成するシリンダヘッド１４の下面が、シリンダ軸Ｃに垂直な略平坦面形状とされる。但しその形状は任意であり、例えばより一般的なペントルーフ形状とされてもよい。

シリンダヘッド１４には点火プラグ２０が取り付けられている。点火プラグ２０はハウジング２１と、絶縁碍子２２と、接続端子２３と、中心電極２４とを備える。但しこの点火プラグ２０は、通常の点火プラグと異なり、接地電極を備えていない。点火プラグ２０はシリンダ軸Ｃと同軸に配置される。

ハウジング２１は軸方向に延びる筒状に形成され、金属製である。点火プラグ２０をシリンダヘッド１４の雌ネジ孔１４Ａに締め付けて固定するため、ハウジング２１は六角ナット部２１Ａと雄ネジ部２１Ｂを備える。ハウジング２１とシリンダヘッド１４の間には図示しないガスケットが介設される。

絶縁碍子２２は、ハウジング２１の半径方向内側に配置され軸方向に延びる筒状に形成され、磁器等の絶縁体で形成される。絶縁碍子２２の上端部２２Ａと下端部２２Ｂはハウジング２１から突出されている。特に絶縁碍子２２の下端部２２Ｂは、シリンダヘッド１４よりも下方に突出され、燃焼室１７内に突出されている。

接続端子２３は、絶縁碍子２２の半径方向内側に配置され軸方向に延びる軸状に形成され、導体金属で形成される。接続端子２３の上端部は絶縁碍子２２から上方に突出され、電気エネルギが供給されるプラグキャップ（図示せず）が着脱可能に取り付けられるようになっている。接続端子２３は、絶縁碍子２２の内部で中心電極２４に電気的に接続される。

中心電極２４は、絶縁碍子２２の半径方向内側に配置され軸方向に延びる円形軸状に形成され、導体金属で形成される。中心電極２４の下端部２４Ａは、絶縁碍子２２の下方に突出され、燃焼室１７内に露出されている。中心電極２４の下端部２４Ａは、通常の点火プラグの中心電極よりも大径に形成される。中心電極２４はシリンダ軸Ｃと同軸に配置されている。こうして中心電極２４はシリンダヘッド１４からシリンダ１２内に向けて突出される。

他方、ピストン１３の頂面１３Ａには、ピストン１３の昇降動作に応じて中心電極２４が挿抜される凹穴２５が設けられる。この凹穴２５も、シリンダ軸Ｃと同軸に配置され、軸方向に延びる円筒状に形成される。この凹穴２５は接地電極として、あるいは通常の点火プラグの接地電極の代わりとして、使用される。凹穴２５は頂部が開放され、底部が閉止される。凹穴２５は、一定径の円筒穴２５Ａとその下端に連なる略半球状の底穴２５Ｂとにより画成される。

また、ピストン１３の頂面１３Ａにおける半径方向外側の外周縁部には環状の凹部２６が設けられる。凹部２６は、ピストン１３の頂面外周縁部の角部を断面円弧状にえぐったような断面形状とされる。凹部２６はピストン１３の全周に亘り環状に形成される。なお凹部２６の断面形状および全体形状はこれに限定されない。

図４にも示すように、円筒穴２５Ａの内径は絶縁碍子２２の下端部２２Ｂの外径より僅かに大きくされる。これにより円筒穴２５Ａ内には絶縁碍子２２の下端部２２Ｂも挿入可能となり、かつ、挿入時に両者の間に僅かな半径方向の隙間が形成される。また、円筒穴２５Ａに中心電極２４の下端部２４Ａが挿入されたとき、両者の間には、通常の点火プラグのギャップ（中心電極と接地電極の隙間）と同等か、それ以上の大きさの半径方向のギャップ（隙間）２７が形成される。

加えて、ピストン１３の内部には連通孔２８が設けられる。連通孔２８は、凹穴２５の底部付近で開口する一端２８Ａと、ピストン１３の頂面１３Ａにおける外周部で開口する他端２８Ｂとを有する。

詳しくは、連通孔２８は、凹穴２５の底部付近から凹部２６まで、半径方向外側かつ頂面１３Ａ側に向かって直線状に延びる貫通孔とされる。連通孔２８の一端２８Ａは、円筒穴２５Ａと底穴２５Ｂの接続部またはその付近で開口されている。またその一端２８Ａの位置は、図４に示すようにピストン１３が上死点に位置するときの中心電極２４の下端部２４Ａより下方とされる。連通孔２８の他端２８Ｂは、凹部２６の下側部分で開口されている。但し、一端２８Ａおよび他端２８Ｂの位置を変更することが可能である。連通孔２８はピストン１３の周方向に複数（本実施形態では四つ）設けられ、本実施形態では等間隔で設けられている。

次に、エンジン１０の作動を説明する。

図２は、比較的早い点火時期、具体的には最大進角時の点火時期（例えば圧縮上死点前３０°）における状態を示す。このときには、中心電極２４の下端部２４Ａの下側部分のみが凹穴２５に挿入され、絶縁碍子２２の下端部２２Ｂはまだ凹穴２５に挿入されていない。この状態で中心電極２４に高電圧が印加されると、中心電極２４の外周面と円筒穴２５Ａの内周面との間のギャップ２７に、放電による火花Ｐが発生し、混合気が点火される。

こうした火花放電は典型的に、ギャップ２７の大きさが微視的に見て最小となる１箇所で起こる。しかし、この一箇所で点火し続けるとやがてその一箇所で中心電極２４の外周面と円筒穴２５Ａの内周面とに摩耗が生じ、ギャップ２７が大きくなる。すると、ギャップ２７の大きさが最小となる別の１箇所で火花放電が起こり、摩耗箇所が移動する。こうして摩耗が生じる度に次々と摩耗箇所を移動させることができるので、中心電極２４の外周面と円筒穴２５Ａの内周面とにおいて、摩耗を均等に行わせることができる。しかも、中心電極２４の外周面および円筒穴２５Ａの内周面は、通常の点火プラグにおいて放電が起こる電極面よりも遙かに広面積である。よって摩耗箇所を集中させず、その広面積全体に分散させることができ、点火プラグ２０を含む点火装置全体の寿命を延ばすことができる。

一方、より大きな火炎核を形成するため、中心電極２４に、通常の点火プラグより高い電気エネルギすなわち電圧を印加することが考えられる。こうすると通常の点火プラグでは摩耗によるギャップ拡大が急速に進み、早期に点火不良および失火に至り、寿命が短くなる可能性がある。

しかし本実施形態では、摩耗箇所を広面積全体に分散できるので、通常の点火プラグよりも、点火不良および失火を起こすまでの時間を長くすることができ、寿命を長期化できる。

ところで、凹穴２５内の混合気が火花Ｐにより点火されると、その点火位置で火炎核が形成され、その後火炎が火炎核から遠ざかる方向に拡散していく。火炎は、矢印ａで示すような、凹穴２５内からピストン頂面１３Ａ上の空間を通じて半径方向外側に拡散する第１の流れと、矢印ｂで示すような、凹穴２５内から複数の連通孔２８を通じて燃焼室１７の外周部に至る第２の流れとに大別される。

ここで仮に、連通孔２８が無い比較例を想定する。この比較例では、凹穴２５から半径方向に最も離れた燃焼室１７の外周部の混合気（エンドガスといい、符号Ｇで略示する）に、第１の流れａによる火炎が伝播しづらい。また、第１の流れａの圧力によりエンドガスＧがシリンダ１２の内壁に押し付けられ、エンドガスＧの圧力が急激に上昇する。そのため、エンドガスＧが第１の流れａによって着火される前に、自己着火し、これによりノッキングが発生する虞がある。

しかし本実施形態では、連通孔２８を通じた第２の流れｂを生成し、第２の流れｂによる火炎を、連通孔２８の他端２８ＢからエンドガスＧに向かってトーチ状もしくはバーナー状に噴出させることができる。よって、第２の流れｂによる火炎を速やかにエンドガスＧに到達させ、その火炎でエンドガスＧを、自己着火する前に着火させることができる。また、第１の流れａによりエンドガスＧの圧力が上昇しようとしても、エンドガスＧが連通孔２８内に浸入して逃げることができるため、エンドガスＧの圧力上昇を抑制することができる。これらにより、エンドガスＧの自己着火によるノッキングを抑制することができる。

また、本実施形態ではエンドガスＧの燃焼を促進できるため、エンドガスＧが未燃のまま排出されて未燃成分（ＨＣ、ＣＯ）排出量が増加し、排気エミッションが悪化することを抑制できる。

また、ノッキングを抑制できればその分、点火時期を進角することができるので、熱効率を向上し、排気エミッションをさらに改善することができる。

因みに本実施形態では、ディーゼルエンジンのシリンダヘッドを流用したために燃焼室１７の天井面が略平坦面形状とされ、これに対応してピストン１３の頂面１３Ａもピストン軸に垂直な平坦面形状とされている。他方、本実施形態ではピストン１３の頂面外周部に環状の凹部２６を設けている。これにより、上記形状の燃焼室１７であっても圧縮比を通常のディーゼルエンジンより低下させ、最適な値に調節することができる。

図３は、比較的遅い点火時期、具体的には図２の点火時期より遅く圧縮上死点に等しい点火時期における状態を示す。このときには、中心電極２４の下端部２４Ａの全部と、絶縁碍子２２の下端部２２Ｂの下側部分とが、凹穴２５に挿入される。従って凹穴２５の頂部開口部は、それら中心電極２４と絶縁碍子２２により殆ど塞がれる。

この状態で凹穴２５内の混合気が火花Ｐにより点火されると、凹穴２５の頂部開口部が絞られているため、図２の例よりも第１の流れａが遅くなる。よって連通孔２８が無い上記比較例では、エンドガスＧに第１の流れａによる火炎が益々伝播しづらい。一方、混合気は図２の場合よりも圧縮されているので、エンドガスＧの圧力はより高まっている。そのためやはり、エンドガスＧが第１の流れａによって着火される前に、自己着火し、ノッキングが発生する虞がある。

しかし本実施形態では、前記同様、第２の流れｂによる火炎を速やかにエンドガスＧに到達させ、その火炎でエンドガスＧを、自己着火する前に着火させることができる。圧縮によりエンドガスＧの圧力が上昇しようとしても、エンドガスＧが連通孔２８内に浸入して逃げられるため、その圧力上昇を抑制することができる。これらにより、エンドガスＧの自己着火によるノッキングを抑制することができる。

また、図３の例の場合、第１の流れａが遅いためエンドガスＧが未燃のまま排出される虞があるが、本実施形態では、連通孔２８を通じて第２の流れｂの火炎を早急にエンドガスＧに供給できるため、エンドガスＧの未燃排出を抑制し、排気エミッション悪化を抑制できる。

なお、上記では中心電極２４の外周面と円筒穴２５Ａの内周面との間のギャップ２７の一箇所で火花放電が起こる例を説明したが、こうした火花放電は、ギャップ２７の複数箇所で同時に起こる可能性があり、また、ギャップ２７以外の箇所で起こる可能性もある。例えば、中心電極２４の外周面または下端面と、底穴２５Ｂの内周面との間で起こる可能性もある。しかしこうした場合でも、上述のような優れた作用効果を同様に発揮できる。

以上、本開示の実施形態を詳細に述べたが、本開示の実施形態および変形例は他にも様々考えられる。

（１）例えば、複数の連通孔が設けられている場合、その一端および他端の少なくとも一方の開口位置を、連通孔毎に変えてもよい。すなわち、一端および他端の少なくとも一方の開口位置を、燃焼室内の燃焼状態に合わせて最適に設定することが可能である。

（２）同様に、連通孔自体の位置、形状等も、燃焼室内の燃焼状態に合わせて最適に設定することが可能である。

（３）凹部２６は省略されてもよい。

本開示の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本開示の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本開示に含まれる。従って本開示は、限定的に解釈されるべきではなく、本開示の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

１０ 内燃機関
１２ シリンダ
１３ ピストン
１３Ａ 頂面
１４ シリンダヘッド
２４ 中心電極
２５ 凹穴
２６ 凹部
２８ 連通孔
２８Ａ 一端
２８Ｂ 他端

Claims (3)

1. シリンダヘッドからシリンダ内に向けて突出された中心電極と、
   ピストンの頂面に設けられ、前記ピストンの昇降動作に応じて前記中心電極が挿抜される凹穴と、
   前記ピストンの内部に設けられ、前記凹穴の底部付近で開口する一端と、前記ピストンの頂面外周部で開口する他端とを有する連通孔と、
   を備えたことを特徴とする火花点火式内燃機関。
2. 前記ピストンの頂面外周縁部に環状の凹部が設けられ、前記連通孔の他端は前記凹部で開口する
   請求項１に記載の火花点火式内燃機関。
3. 前記連通孔は、前記ピストンの周方向に複数設けられる
   請求項１または２に記載の火花点火式内燃機関。

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