JP2022030604A - 点火システム - Google Patents

Abstract

【課題】上死点後点火制御において、火炎を速やかに主室内に伝播させる【解決手段】点火システムは、隔壁３４と点火プラグ４０とを有する。隔壁３４は、エンジンの燃焼室３０を主室３１と副室３８とに区分けしている。その隔壁３４には、主室３１から副室３８にまで連通する噴孔３５が一又は複数設けられている。そして、点火システムは、エンジンが所定の運転状況の時には、圧縮上死点よりも後に点火プラグ４０により点火を行う上死点後点火制御を実行する。その上死点後点火制御では、点火開始タイミングから２０クランクアングル以内において、噴孔近傍領域Ｒ内、噴孔３５内又は主室３８内に、自己成長可能な大きさの火炎核としての着火源を配置する。【選択図】図２

Description

本発明は、燃焼室内の燃料に点火する点火システムに関する。

点火システムの中には、隔壁と点火プラグとを有するものがある。隔壁は、エンジンの燃焼室を主室と副室とに区分けしている。その隔壁には、主室から副室にまで連通する複数の噴孔が設けられている。点火プラグは、副室内において所定の放電ギャップに電圧を印加することにより、放電火花を発生させて燃料に点火する。そして、このような技術を示す文献としては、次の特許文献１がある。

特許第５１２２３６７号公報

このような点火システムは、通常時等には、圧縮上死点よりも前に、すなわち圧縮行程内に点火を行う制御としての上死点前点火制御を実行する。その上死点前点火制御においては、副室に発生させた放電火花が、燃焼室内に発生しているタンブルやスワールにより伸長する。その伸長した放電火花により着火した炎が噴孔を通じて主室内に勢いよく噴出することにより、燃焼室内における燃焼の進行が促進される。

しかしながら、点火システムは、所定の状況下では、圧縮上死点よりも前にではなく後に、すなわち膨張行程内に点火を行う制御としての上死点後点火制御を実行する。具体的には、例えば、触媒暖機のためのファーストアイドリング時には、燃焼で発生した熱を排気通路にある触媒に効率よく伝えるために、極力遅く点火を行う。そのため、圧縮上死点よりも後に点火を行うことになる。

しかしながら、圧縮上死点よりも後においては、ピストンが圧縮上死点を通過する際にタンブルやスワールが崩壊してしまうため、副室内における気流が弱くなってしまう。そのため、放電火花が伸長し難くなってしまい、着火性が低下してしまう。そのため、副室内で着火して、火炎が副室内に伝播して噴孔から主室内に噴出するまでの時間が長くなってしまう。そのため、火炎を速やかに主室内に伝播させることができない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、上死点後点火制御において、火炎を速やかに主室内に伝播させることを主たる目的とする。

本発明の点火システムは、隔壁と点火プラグとを有する。前記隔壁は、エンジンの燃焼室を主室と副室とに区分けしている。前記隔壁には、前記主室から前記副室にまで連通する噴孔が一又は複数設けられている。前記点火プラグは、第１電極と第２電極との間の放電ギャップに電圧を印加することにより、放電火花を発生させて燃料に点火する。前記第１電極は、前記副室内に設けられている。前記第２電極は、前記隔壁に又は前記隔壁と電気的に導通した部位に設けられている。

以下では、前記放電ギャップに電圧を印加し始めるタイミングを点火開始タイミングとし、前記噴孔の前記副室側の開口の中心を噴孔中心とし、前記副室内における前記噴孔中心から３ｍｍ以内の領域を噴孔近傍領域とする。

前記点火システムは、前記エンジンが所定の運転状況の時には、圧縮上死点よりも後に前記点火を行う制御としての上死点後点火制御を実行する。前記上死点後点火制御では、前記点火開始タイミングから２０クランクアングル以内において、前記噴孔近傍領域内、前記噴孔内又は前記主室内に、自己成長可能な大きさの火炎核としての着火源を配置する。

本発明によれば、次の効果が得られる。上死点後点火制御では、点火開始タイミングから２０クランクアングル以内といった早期に、噴孔近傍領域内、噴孔内又は主室内に着火源を配置する。そして、噴孔近傍領域内や噴孔内に着火源を配置した場合には、その着火源から成長した炎が速やかに主室内に噴出し易い。また、主室内に着火源を配置した場合には、その着火源から成長した炎がそのまま主室内に伝播することになる。そのため、上死点後点火制御において、火炎を速やかに主室内に伝播させることができる。

第１実施形態の点火システムを示す断面図 副室及びその周辺を示す断面図 着火源の噴孔中心からの距離と燃焼安定指数との関係を示すグラフ 火炎核の成長を示すグラフ 燃焼室内の圧力の推移を示すグラフ 点火システムの製造方法のフローを示す図 噴孔距離及び噴孔比とギャップ気流との関係を示すグラフ 比較例及び本実施形態の点火プラグ及びその周辺を示す断面図 比較例及び本実施形態における燃焼の進行を示すタイムチャート 図９に示す各タイムチャートの点火開始タイミングを揃えて示す図 比較例及び本実施形態における燃焼割合の推移を示すグラフ 図９の一部を拡大したグラフ 比較例及び本実施形態におけるギャップ流速の推移を示すグラフ

次に本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。ただし、本発明は実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して実施できる。

［第１実施形態］
図１は、本実施形態の点火システム７０が搭載されたエンジン９０を示す断面図である。エンジン９０は、一燃焼サイクルが吸気行程→圧縮行程→膨張行程→排気行程の４行程（７２０クランクアングル）からなる４ストロークエンジンである。以下では、それらのうちの圧縮行程と膨張行程との間の上死点を、「圧縮上死点Ｔｄ」という。エンジン９０は、シリンダ１０と、その上部に取り付けられているヘッド２０とを有する。

以下では、図に合わせて、シリンダ１０の中心線Ｘの長さ方向を上下方向として説明する。ただし、例えば、当該中心線Ｘを上下方向に対して斜めにしてエンジン９０及び点火システム７０を設置したり、当該中心線Ｘを水平方向にしてエンジン９０及び点火システム７０を設置したりする等、エンジン９０及び点火システム７０は、任意の方向に設置できる。

シリンダ１０内には、ピストン１８が設置されている。ピストン１８は、リンク１２を介してクランクシャフト１１に連結されており、クランクシャフト１１の回転に従い上下動する。そのピストン１８の上面とシリンダ１０の内周面とヘッド２０の下面とに囲まれた空間が、燃焼室３０を構成している。

ヘッド２０には、燃焼室３０内に気体を吸入するための吸気通路２１と、燃焼室３０内の気体を排出するための排気通路２９とが設けられている。そして、吸気通路２１には吸気弁２４が設置され、排気通路２９には排気弁２６が設置されている。吸気弁２４は吸気カム２３により駆動され、排気弁２６は排気カム２７により駆動される。そして、ヘッド２０には、吸気通路２１に燃料を噴射するための燃料噴射装置２２が設置されている。

点火システム７０は、隔壁３４と点火プラグ４０と点火制御部５０を有する。点火制御部５０は、ＥＣＵ（電子制御ユニット）等の一部であって、エンジン９０が有する所定のセンサ等からの情報に基づいて点火プラグ４０を制御する。その所定のセンサとしては、例えば、クランク角センサや、ノックセンサや、吸気圧センサや、排気圧センサや、内圧センサや、触媒温度センサ等が挙げられる。

図２は、副室３８及びその周辺を示す断面図である。点火プラグ４０は、第１電極４４とその外周側に設けられている絶縁碍子４１とを有する。絶縁碍子４１の下端部に、隔壁３４が取り付けられている。その隔壁３４よりも内側が副室３８を構成し、隔壁３４よりも外側が主室３１を構成している。すなわち、隔壁３４は、エンジン９０の燃焼室３０を主室３１と副室３８とに区分けしている。その隔壁３４には、主室３１から副室３８にまで連通する噴孔３５が複数設けられている。隔壁３４は、導電体製であり、点火プラグ４０の第２電極４６を兼ねている。そして、点火プラグ４０は、第１電極４４と第２電極４６との間の放電ギャップ４５に電圧を印加することにより、放電火花ｆを発生させて燃料に点火する。

より具体的には、点火プラグ４０は、一次コイルと二次コイルとを有する。そして、一次コイルに電流を流すことにより、一次コイルに磁気エネルギーが蓄積される。次に、その電流を止めると、一次コイルに蓄積されている磁気エネルギーにより、二次コイルに起電圧が発生する。その起電圧により、放電ギャップ４５に電圧が印加されて放電火花ｆが形成される。そのため、一次コイルに流している電流を止めるタイミングが、放電ギャップ４５に電圧を印加し始めて点火を開始するタイミングとしての点火開始タイミングＴｓとなる。

以下では、複数の噴孔３５のうちの１つを「中央噴孔３５ｃ」とする。中央噴孔３５ｃは、シリンダ１０の中心線Ｘ上に設けられており、隔壁３４を上下方向に貫通している。その中央噴孔３５ｃのすぐ上方に第１電極４４の下端部が位置している。すなわち、第１電極４４の下部は、絶縁碍子４１の下端から下方に長く突出しており、複数の噴孔３５のうち中央噴孔３５ｃに最も近接している。その第１電極４４の下端部と、隔壁３４における中央噴孔３５ｃの上端周辺部との間の隙間が、放電ギャップ４５を構成している。そして、隔壁３４における中央噴孔３５ｃの周囲等に、他の噴孔３５が設けられている。中央噴孔３５ｃと他の噴孔３５との断面積や形状は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。

点火システム７０は、通常時等には、圧縮上死点Ｔｄよりも前に点火を行う制御としての上死点前点火制御を実行する。他方、触媒暖機のためのファーストアイドリング時等の、エンジン９０が所定の運転状況の時には、圧縮上死点Ｔｄよりも後に点火を行う制御としての上死点後点火制御を実行する。

以下では、放電ギャップ４５に流れる気流を「ギャップ気流」とする。また以下では、第１電極４４から中央噴孔３５ｃに向かう方向を「噴孔方向ｄ１」とし、その反対方向を「反噴孔方向ｄ２」とする。本実施形態では、噴孔方向ｄ１は下方向であり、反噴孔方向ｄ２は上方向である。そして、噴孔方向ｄ１を成分に含む方向を「噴孔方向ｄ１側」とし、反噴孔方向ｄ２を成分に含む方向を「反噴孔方向ｄ２側」とする。

点火システム７０は、上死点後点火制御の実行時には、点火開始タイミングＴｓまでに、ギャップ気流の方向が、反噴孔方向ｄ２側から噴孔方向ｄ１側に転じる。そのため、点火開始タイミングＴｓには、ギャップ気流の方向が噴孔方向ｄ１側になり、放電火花ｆが噴孔方向ｄ１側に伸長する。

以下では、中央噴孔３５ｃの副室３８側の開口の中心を「噴孔中心」とし、副室３８内における噴孔中心から３ｍｍ以内の領域を「噴孔近傍領域Ｒ」とする。

点火システム７０は、上死点後点火制御の実行時には、点火開始タイミングＴｓから２０クランクアングル以内といった早期に、噴孔近傍領域Ｒ内、中央噴孔３５ｃ内又は主室３１内に、自己成長可能な大きさの火炎核としての着火源を配置する。以下では、噴孔近傍領域Ｒ内、中央噴孔３５ｃ内又は主室３１内を、「噴孔近傍領域Ｒ内等」という。

なお、ここでの自己成長可能な大きさとは、たとえ仮に放電ギャップ４５に対する電圧印加を止めても、冷損や希薄混合気等により消炎することなく炎が燃え広がる火炎核の大きさをいう。より具体的には、その自己成長可能な大きさ火炎核とは、直径が概ね０．５～１ｍｍ以上の火炎核である。

このような早期に噴孔近傍領域Ｒ内等に着火源を配置する構成は、第１電極４４から中央噴孔３５ｃまでの距離である噴孔距離Ｄや、副室３８の体積である副室体積Ｖや、隔壁３４に設けられている全ての噴孔３５の断面積の和である総噴孔面積Ｓや、放電ギャップ４５に印加する電圧である放電電圧等の設定により実現される。以下に、その詳細について説明する。なお、噴孔３５が括れている場合等の、噴孔３５の断面積が一様でない場合には、最も断面積が狭い部分の断面積を当該噴孔３５の断面積とする。

まず、噴孔距離Ｄについて説明する。噴孔距離Ｄについては、小さいほど、中央噴孔３５ｃを通過する気流の影響を受け易くなる。それにより、火炎核が成長し易くなるのに加え、その成長が噴孔近傍領域Ｒ内等やその近辺において行われ易くなる。そのため、噴孔距離Ｄについては、小さいほど、早期に着火源を噴孔近傍領域Ｒ内等に配置し易くなる。

次に、副室体積Ｖ及び総噴孔面積Ｓについて説明する。副室体積Ｖについては、大きいほど、上死点後点火制御において中央噴孔３５ｃを通過する気流が速くなる。なぜなら、副室３８から主室３１へ流出する気体の流量が同じなら、副室体積Ｖが大きいほど、副室３８の圧力低下が主室３１の圧力低下に追従し難くなる。それにより、副室３８と主室３１との差圧が大きくなり、中央噴孔３５ｃを通過する気流が速くなるからである。

他方、総噴孔面積Ｓついては、小さいほど、上死点後点火制御において中央噴孔３５ｃを通過する気流が速くなる。なぜなら、副室体積Ｖが同じなら、総噴孔面積Ｓが小さいほど、副室３８から主室３１へ流出する気体の流量が小さくなり、副室３８の圧力低下が主室３１の圧力低下に追従し難くなる。それにより、副室３８と主室３１との差圧が大きくなり、中央噴孔３５ｃを通過する気流が速くなるからである。

そして、中央噴孔３５ｃを通過する気流が速くなるほど、放電火花ｆが噴孔方向ｄ１側に伸長し易くなる。それにより、火炎核が早期に成長し易くなるのに加え、その成長が噴孔近傍領域Ｒ内等やその近辺において行われ易くなる。よって、副室体積Ｖ及び総噴孔面積Ｓについては、副室体積Ｖに対する総噴孔面積Ｓの割合である噴孔比（Ｓ／Ｖ）が小さいほど、早期に着火源を噴孔近傍領域Ｒ内等に配置し易くなる。

次に、放電電圧について説明する。放電電圧については、大きいほど、火炎核が成長し易くなる。さらに、放電電圧については、大きいほど、吹き消え難くなるので、気流により放電火花ｆを噴孔近傍領域Ｒ内等やその近辺にまで伸長させ易くなる。そのため、放電電圧については、大きいほど、早期に着火源を噴孔近傍領域Ｒ内等に配置し易くなる。

以上のとおり、噴孔距離Ｄ及び噴孔比（Ｓ／Ｖ）については小さく、且つ、放電電圧については大きいほど、早期に着火源を噴孔近傍領域Ｒ内等に配置し易くなる。しかしながら、噴孔距離Ｄや噴孔比（Ｓ／Ｖ）を小さくし過ぎたり、放電電圧を大きくし過ぎたりした場合には、他の面において弊害が生じ得る。そこで、それらの弊害を抑えられる範囲内で、噴孔距離Ｄ及び噴孔比（Ｓ／Ｖ）を小さくし、且つ、放電電圧を大きくすることにより、上記の早期に着火源を噴孔近傍領域Ｒ内等に配置する構成を実現している。

そして、噴孔近傍領域Ｒ内や噴孔３５内に着火源を配置した場合には、着火源から成長した火炎が速やかに主室３１内に噴出する。また、主室３１内に着火源を配置した場合には、着火源から成長した炎がそのまま主室３１内に伝播する。そのため、これらの場合には、火炎を速やかに主室３１内に伝播させることができる。

図３は、着火源の噴孔中心からの距離と燃焼安定指数（Coefficient of Variation）との関係を示すグラフである。燃焼安定指数は、最も安定性の悪い失火から最も安定性の良い完全燃焼までの度合を示す指数であり、その値が大きいほど燃焼が不安定であることを示す。このグラフに示すように、着火源の噴孔中心からの距離が大きくなると、燃焼安定指数は大きくなるが、特に噴孔中心からの距離が３ｍｍ以上のあたりから急に燃焼安定指数は大きくなる。そのため、本実施形態では、上記のとおり、噴孔中心から３ｍｍ以内を噴孔近傍領域Ｒとして、その噴孔近傍領域Ｒ内等に着火源を配置するようにしている。

図４は、火炎核の成長を示すグラフである。本実施形態の場合の方が、比較形態ｉ,iiの場合よりも火炎核の成長が早く、また火炎の伝播も早い。本実施形態や比較形態ｉの場合のように、火炎核が所定の着火閾値まで成長した場合には、自己成長可能になり、そのまま燃え広がる。他方、比較形態iiの場合のように、火炎核が所定の着火閾値まで成長しなかった場合は、自己成長不能になり、消炎してしまう。

図５は、燃焼室内の圧力の推移を示すグラフである。本実施形態及び比較形態ｉ，iiのそれぞれにおいて、圧縮上死点Ｔｄよりも前ではクランク角が進む従い圧力が上昇し、圧縮上死点Ｔｄからはクランク角が進むに従い圧力が低下する。そして、本実施形態及び比較形態ｉでは、点火が行われると圧力が再び上昇する。ただし、本実施形態の方が比較形態ｉの場合よりも、火炎核の成長が早く、また火炎の伝播も早いので、速やかに圧力が上昇する。他方、比較形態iiのように消炎した場合には、圧力は上昇しない。

図６は、点火システム７０を製造する製造方法のフローを示す図である。この製造方法は、設定工程ｐ１と製造工程ｐ２とを有する。

設定工程ｐ１では、噴孔比（Ｓ／Ｖ）を算出すると共に、その噴孔比（Ｓ／Ｖ）及び噴孔距離Ｄに基づいて副室３８及び噴孔３５の寸法を設定する。その設定工程ｐ１の詳細について、図７を参照しつつ後述する。そして、製造工程ｐ２では、設定工程ｐ１で設定した当該寸法になるように点火システム７０を製造する。

図７は、噴孔距離及び噴孔比とギャップ気流との関係を示すグラフであり、横軸に噴孔距離Ｄを示し、縦軸に噴孔比（Ｓ／Ｖ）を示している。そして、曲線αは、上死点後点火制御での点火開始タイミングＴｓにおけるギャップ気流が、噴孔方向ｄ１側に５ｍ／ｓになる噴孔比（Ｓ／Ｖ）と噴孔距離Ｄとの関係を示している。この曲線αを数式で近似すると、次の数式Ａとなる。

Ｓ／Ｖ ＝ －0.025Ｄ^3 ＋ 0.34Ｄ^2 － 1.4Ｄ ＋ 2.1 （数式Ａ）

この数式Ａにおいて、「Ｖ」は副室体積Ｖ［cc］を示し、「Ｓ」は総噴孔面積Ｓ［mm^2］を示し、「Ｄ」は噴孔距離Ｄ［mm］を示している。そして「^」は累乗を示している。すなわち「^3」は３乗を示し、「^2」は２乗を示している。

そのため、曲線αよりも上側であれば、上死点後点火制御での点火開始タイミングＴｓにおけるギャップ気流が、噴孔方向ｄ１側に５ｍ／ｓよりも小さくなる。他方、曲線αよりも下側であれば、上死点後点火制御での点火開始タイミングＴｓにおけるギャップ気流が、噴孔方向ｄ１側に５ｍ／ｓよりも大きくなる。

本実施形態では、上死点後点火制御での点火開始タイミングＴｓにおけるギャップ気流を、噴孔方向ｄ１側に５ｍ／ｓ以上にしたいので、曲線αとそれよりも下側とを含む領域β内で、噴孔比（Ｓ／Ｖ）を選択する。すなわち、数式Ａの「＝」を「≦」に代えた次の数式Ｂを満たすように、噴孔比（Ｓ／Ｖ）を選択する。

Ｓ／Ｖ ≦ －0.025Ｄ^3 ＋ 0.34Ｄ^2 － 1.4Ｄ ＋ 2.1 （数式Ｂ）

これにより、上死点後点火制御での点火開始タイミングＴｓにおけるギャップ気流が、噴孔方向ｄ１側に５ｍ／ｓ以上になるように設定される。

なお、この曲線αは、環境が変化した場合にはシフトする。具体的には、例えば、エンジン９０の回転速度が高くなった場合や、吸気量が多くなった場合や、圧縮比がより大きいエンジン９０を採用した場合等には、曲線αは右上側にシフトする。他方、エンジン９０の回転速度が低くなった場合や、吸気量が少なくなった場合や、圧縮比がより小さいエンジン９０を採用した場合等には、曲線αが左下側にシフトする。そのため、それらの場合には、数式Ｂを適宜補正するとよい。

ただし、そのような補正を行わない場合であっても、大よそ一般的な回転速度や吸気量や圧縮比等で、ファーストアイドル時等における上死点後点火制御が実行される場合には、点火開始タイミングＴｓにおいて、大よそ良好なギャップ気流が得られることが期待できる。

ただし、噴孔比（Ｓ／Ｖ）が0.3未満である場合には、噴孔３５を通過する気流が強くなり過ぎて吹き消えが生じるといった弊害等が発生し易くなる。そのため、開孔比（Ｓ／Ｖ）は0.3以上であることが好ましい。また、数式Ｂにおいて、噴孔距離Ｄが0である時、右辺は2.1になるので、この数式Ｂを満たすには、噴孔比（Ｓ／Ｖ）を2.1以下にする必要がある。そのため、上記数式Ｂに加え、さらに、次の数式Ｃを満たすように、噴孔比（Ｓ／Ｖ）を選択する。

0.3 ≦ Ｓ／Ｖ ≦ 2.1 （数式Ｂ）

より詳細には、各噴孔３５の直径は、噴孔３５を通過する火炎が冷損により消炎するのを抑制できるように、０．３mm以上であることが好ましい。また、副室体積Ｖについては、主室３１内での火炎伝播を充分に促進できるだけの噴出量（熱量）を確保できるように、０．２cc以上であることが好ましい。

また、噴孔距離Ｄは、放電ギャップ４５の大きさにも影響を及ぼすので、その放電ギャップ４５の大きさでの電力の消耗や放電火花ｆの吹き消え等を考慮して設定するとよい。そして、中央噴孔３５ｃの断面積は、放電ギャップ４５に及ぼす各影響を考慮して設定するとよい。そして、中央噴孔３５ｃ以外の噴孔３５の断面積の設定により、噴孔比（Ｓ／Ｖ）を調整するとよい。

図６に示す設定工程ｐ１では、以上のとおり、噴孔比（Ｓ／Ｖ）を設定する。なお、噴孔比（Ｓ／Ｖ）に関する部分以外の設定については、従来通りの公知の手法により設定するとよい。そして、製造工程ｐ２では、そのように設定工程ｐ１で設定した当該寸法の通りに点火システム７０を製造することにより、点火システム７０を製造する。

次に、本実施形態の点火システム７０の機能について説明する。

図８（ａ）は、比較例１の点火システム７０を示す断面図である。比較例１は、隔壁３４を有しておらず、第２電極４６（接地電極）が隔壁３４とは別に設けられている点で本実施形態と相違している。図８（ｂ）は、比較例２の点火システム７０を示す断面図である。比較例２は、比較例１とは違い、隔壁３４は有しているが、中央噴孔３５ｃを有していない。そして、第１電極４４が本実施形態の場合ほど下方に突出しておらず、代わりに、第２電極４６（接地電極）が隔壁３４から第１電極４４（中心電極）に向けて大きく突出している点で相違している。そして、この比較例２では、上記の数式Ｂを満たしていない。なお、この比較例２には、上記のとおり中央噴孔３５ｃはないが、最も近接する複数の噴孔３５の重心は放電ギャップ４５の下方にあるので、この比較例２においても、本実施形態に合わせて、下方向を噴孔方向ｄ１といい、上方向を反噴孔方向ｄ２という。

図８（ｃ）は、本実施形態の態様１の点火システム７０を示す断面図であり、図８（ｄ）は、本実施形態の態様２の点火システム７０を示す断面図である。態様１よりも態様２の方が、噴孔比（Ｓ／Ｖ）が小さいか、噴孔距離Ｄが小さい。なお、図では、噴孔距離Ｄが小さい。そのため、態様１よりも態様２の方が、上死点後点火制御での点火開始タイミングＴｓにおける噴孔方向ｄ１側へのギャップ気流が大きくなる。その関係上、態様１では、初期の着火源が、副室３８内や中央噴孔３５ｃ内に形成されるのに対して、態様２では、初期の着火源が、副室３８内や中央噴孔３５ｃ内に加え、主室３１内にも形成される。

図９は、それら比較例１，２及び態様１，２での上死点後点火制御における燃焼の進行を示すタイムチャートである。比較例１では、燃焼は、火花段階ｓ１→主室着火段階ｓ２´→主室伝播段階ｓ５の順に進行する。火花段階ｓ１の最初は、点火開始タイミングＴｓであり、火花段階ｓ１は、放電ギャップ４５に対する電圧の印加を開始したが、燃焼室３０内において未だに火炎核が形成されていない段階である。

主室着火段階ｓ２´は、主室内において火炎核が自己成長可能な着火源にまで成長しつつある段階である。その主室着火段階ｓ２´の終わりは、主室３１内に着火源が形成されたタイミングとしての主室着火タイミングＴｊを示している。主室伝播段階ｓ５は、着火源が主室３１内に伝播しつつある段階である。そして、主室伝播段階ｓ５の終わりは、燃料の１００％が燃え切ったとみなされる燃え切りタイミングＴｅを示している。

他方、比較例２及び態様１では、燃焼は、火花段階ｓ１→副室着火段階ｓ２→副室伝播段階ｓ３→噴出段階ｓ４→主室伝播段階ｓ５の順に進行する。副室着火段階ｓ２は、副室内において火炎核が自己成長可能な着火源にまで成長しつつある段階である。その副室着火段階ｓ２の終わりは、副室３８内に着火源が形成されたタイミングとしての副室着火タイミングＴｉを示している。

副室伝播段階ｓ３は、着火源が副室３８内に伝播しつつある段階である。噴出段階ｓ４は、副室３８内の火炎、すなわち着火源が噴孔３５から主室３１内に噴出している段階である。その噴出段階ｓ４の最初は、主室３１内に着火源が配置されたタイミングとしての主室着火タイミングＴｊを示している。

態様２では、放電火花ｆが副室３８内から中央噴孔３５ｃを経て主室３１内にまで伸長する。そのため、放電火花ｆにより副室３８内や中央噴孔３５ｃ内に着火源が形成されるのに加え、主室３１内にも着火源が形成される。そのため、態様２では、態様１の場合と同様に、火花段階ｓ１→副室着火段階ｓ２→副室伝播段階ｓ３→噴出段階ｓ４→主室伝播段階ｓ５の順に進行するのに並行して、火花段階ｓ１→主室着火段階ｓ２´→主室伝播段階ｓ５の順にも進行する。それにより、主室着火タイミングＴｊが、態様１の場合よりもさらに早くなる。

比較例１，２及び態様１，２のいずれの態様においても、燃え切りタイミングＴｅは、排気弁２６が開き始めるタイミングとしての排気開始タイミングＴｏよりも前になることが要求される。未燃の燃料が排出されるのを防ぐためである。よって、いずれの態様においても、まず、排気開始タイミングＴｏよりも前に燃え切りタイミングＴｅがくるように設定されてから、その燃え切りタイミングＴｅに実際に燃料が燃え切るように点火開始タイミングＴｓが設定される。すなわち、燃え切りタイミングＴｅから逆算して点火開始タイミングＴｓが設定される。そのため、比較例１，２及び態様１，２の各態様では、燃え切りタイミングＴｅは大よそ揃っているが、点火開始タイミングＴｓは互いにずれている。

図１０は、図９に示す比較例１，２及び態様１，２のタイムチャートを、便宜的に点火開始タイミングＴｓを揃えて示したグラフである。比較例２の場合、放電ギャップ４５が噴孔３５から離れているので、着火源が噴孔近傍領域Ｒ内に配置されるのは、副室伝播段階ｓ３の終わり付近となる。その比較例２における副室伝播段階ｓ３の終わり付近は、点火開始タイミングＴｓから２０クランクアングル以降である。そのため、この比較例２では、点火開始タイミングＴｓから２０クランクアングル以降に、噴孔近傍領域Ｒ内に着火源が配置される。それにより、主室着火タイミングＴｊが遅くなり、副室３８がない比較例１よりも燃焼の進行が遅くなる。

他方、本実施形態の態様１の場合、放電ギャップ４５が中央噴孔３５ｃに近いので、噴孔近傍領域Ｒ内に着火源が配置されるタイミングは、副室伝播段階ｓ３の前半等となる。その態様１における副室伝播段階ｓ３の前半等は、点火開始タイミングＴｓから２０クランクアングル以内である。そのため、この態様１では、点火開始タイミングＴｓから２０クランクアングル以内に、噴孔近傍領域Ｒ内に着火源が配置される。それにより、比較例１に比べて、主室着火タイミングＴｊの遅れが小さくなり、最終的には、副室３８がない比較例１よりも燃焼の進行が早くなる。

また、本実施形態の態様２の場合、主室３１内において、放電火花ｆにより着火源が形成されるタイミングが、主室着火段階ｓ２´の終わりの主室着火タイミングＴｊとなる。その態様２における主室着火タイミングＴｊは、点火開始タイミングＴｓから２０クランクアングル以内である。そのため、この態様２では、点火開始タイミングＴｓから２０クランクアングル以内に、主室３１内に着火源が配置される。それにより、態様１よりも燃焼の進行がさらに早くなる。

図１１は、比較例１，２及び態様１の各態様における燃焼割合の推移を示すグラフである。上記の通り、比較例２では、副室３８がない比較例１よりも燃焼割合の進行が却って遅くなるのに対して、態様１では、比較例１よりも燃焼割合の進行が速くなる。

図１２は、図９の一部を拡大したグラフである。図１３は、図１２に示す期間での、比較例２及び態様１，２におけるギャップ気流の推移を示すグラフである。比較例２では、上死点後点火制御での点火開始タイミングＴｓにおいては、ギャップ気流の方向は未だ反噴孔方向ｄ２側である。副室３８の奥では、圧縮上死点Ｔｄを経過してもしばらくは、慣性等でギャップ気流が反噴孔方向ｄ２側に向くからである。その後に、一旦ギャップ気流の強度が零になってから、ギャップ気流の方向が噴孔方向ｄ１側に転じる。そのため、この時期の気流は極めて弱く、放電火花ｆが効率的に伸長しないので、効率的に着火することができない。

その点、本実施形態の態様１，２では、上述のとおり、上死点後点火制御での点火開始タイミングＴｓよりも前に、既にギャップ気流の方向が反噴孔方向ｄ２側から噴孔方向ｄ１側に転じている。それにより、点火開始タイミングＴｓには、ある程度強い、具体的には５ｍ／ｓ以上の気流が噴孔方向ｄ１側に向けて発生している。そのため、放電火花ｆが噴孔方向ｄ１に伸長し易い。そのため、火炎核が成長し易いのに加えて、その成長が噴孔近傍領域Ｒ内等やその近辺において行われ易い。そのため、この点でも、本実施形態の態様１，２では、早期に着火源を噴孔近傍領域Ｒ内等に配置し易い。

再び、図９を参照しつつ説明する。上記の通り、燃え切りタイミングＴｅは、排気開始タイミングＴｏよりも早いタイミングであることが要求される。そのため、この制約から、点火開始タイミングＴｓから燃え切りタイミングＴｅまでの時間である燃焼時間が長い比較例１，２では、燃焼のタイミングを極力遅くしたいファーストアイドリング時においても、点火開始タイミングＴｓをさほど遅角側に設定することができない。そのため、燃料の５０％が燃え切るタイミングとしての燃焼重心Ｔｃもさほど遅角側に設定することができず、ファーストアイドリングにおいて、触媒暖機をさほど効率的に行うことができない。

その点、態様１，２では、比較例１，２に比べて、点火開始タイミングＴｓから燃え切りタイミングＴｅまでの時間である燃焼時間を短く抑えられるので、点火開始タイミングＴｓをより遅角側に設定できる。そのため、燃焼重心Ｔｃをより遅角側に設定でき、ファーストアイドリングにおいて、触媒暖機を効率的に行うことができる。そのため、ファーストアイドリング時間の短縮につながり、引いては、燃費向上やエミッションの低下に繋がる。

本実施形態によれば、次の効果が得られる。上死点後点火制御では、点火開始タイミングＴｓから２０クランクアングル以内といった早期に、図２に示す噴孔近傍領域Ｒ内、中央噴孔３５ｃ内又は主室３１内に着火源を配置する。そして、噴孔近傍領域Ｒ内や中央噴孔３５ｃ内に着火源を配置した場合には、その着火源から成長した炎が速やかに中央噴孔３５ｃから主室３１内に噴出し易い。また、主室３１内に着火源を配置した場合には、その着火源から成長した炎がそのまま主室３１内に伝播することになる。そのため、上死点後点火制御において、火炎を速やかに主室３１内に伝播させることができる。

さらに、上記の態様２によれば、次の効果も得られる。態様２における上死点後点火制御では、放電火花ｆを主室３１内にまで伸長させる。それにより、点火開始タイミングから２０クランクアングル以内の早期に、主室３１内に着火源を配置する。その着火源から成長した炎がそのまま主室３１内に伝播することになる。そのため、上記の態様２によれば、より速やかに主室３１内に火炎を伝播させることができる。

また、次の効果も得られる。噴孔比（Ｓ／Ｖ）が図７に示す領域βに収まるように、すなわち、上記の数式Ｂを満たすように、副室３８と噴孔３５との寸法を設定する。この領域βは、上記の通り、上死点後点火制御での点火開始タイミングＴｓにおけるギャップ気流が、噴孔方向ｄ１側に５ｍ／ｓ以上になる領域である。そして、ギャップ気流が、噴孔方向ｄ１側に５ｍ／ｓ以上になれば、上記のとおり、早期に着火源を噴孔近傍領域Ｒ内等に配置し易くなる。

そして、この領域βは、環境等により若干変化するものの、大よそ一般的な回転速度や吸気量や圧縮比等で上死点後点火制御が実行される場合には、点火開始タイミングＴｓにおいて、大よそ良好なギャップ気流が得られることが期待できる。そのため、このように噴孔比（Ｓ／Ｖ）を領域βに収まるように設定することにより、早期に着火源を噴孔近傍領域Ｒ内等に配置する構成を実現し易くなる。

また、次の効果も得られる。上記の通り、噴孔比（Ｓ／Ｖ）が0.3未満である場合には、噴孔３５を通過する気流が強くなり過ぎて吹き消えが生じるといった弊害等が発生し易い。その点、本実施形態では、開孔比（Ｓ／Ｖ）が0.3以上であるので、そのような心配はない。

また、次の効果が得られる。本実施形態では、図１３に示すように、上死点後点火制御における点火開始タイミングＴｓまでに、ギャップ気流の方向が、反噴孔方向ｄ２側から噴孔方向ｄ１側に転じる。そのため、上死点後点火制御における点火開始タイミングＴｓには、ギャップ気流の方向が噴孔方向ｄ１側になる。そのため、効率的に、放電火花ｆを噴孔方向ｄ１側に伸長させることができる。そのため、この点でも、着火源を早期に噴孔近傍領域Ｒ内等に配置し易くなる。

［他の実施形態］
以上に示した実施形態は、次のように変更して実施してもよい。例えば、第１実施形態では、隔壁３４に複数の噴孔３５が設けられているが、噴孔３５は中央噴孔３５ｃの１つのみであってもよい。また例えば、第１実施形態では、第１電極４４が中央噴孔３５ｃに最も近接しているが、他の噴孔３５に最も近接しており、放電火花ｆが当該他の噴孔３５に向けて伸長するようにしてもよい。また例えば、第１実施形態では、隔壁３４が第２電極４６を兼ねており隔壁３４はヘッド２０に取り付けられることでヘッド２０と電気的に導通しているが、隔壁３４に設けられた突起等の、隔壁３４と電気的に導通した部位が第２電極４６を構成していてもよい。また隔壁３４とは別部材で、ヘッド２０と電気的に導通する第２電極４６を構成していてもよい。

また例えば、第１実施形態では、隔壁３４は、点火プラグ４０の絶縁碍子４１に取り付けられている。これに代えて、隔壁３４は、ヘッド２０に設けられており、そのヘッド２０の隔壁３４に絶縁碍子４１を係合させるように、点火プラグ４０を取り付けるようにしてもよい。

３０…燃焼室、３１…主室、３４…隔壁、３５…噴孔、３８…副室、４０…点火プラグ、４４…第１電極、４５…放電ギャップ、４６…第２電極、７０…点火システム、９０…エンジン、ｆ…放電火花、Ｒ…噴孔近傍領域、Ｔｄ…圧縮上死点、Ｔｓ…点火開始タイミング。

Claims (6)

1. エンジン（９０）の燃焼室（３０）を主室（３１）と副室（３８）とに区分けしており、前記主室から前記副室にまで連通する噴孔（３５）が一又は複数設けられている隔壁（３４）と、
   第１電極（４４）と第２電極（４６）との間の放電ギャップ（４５）に電圧を印加することにより、放電火花（ｆ）を発生させて燃料に点火する点火プラグ（４０）と、を有し、
   前記第１電極は、前記副室内に設けられており、前記第２電極は、前記隔壁に又は前記隔壁と電気的に導通した部位に設けられており、
   前記放電ギャップに電圧を印加し始めるタイミングを点火開始タイミング（Ｔｓ）とし、前記噴孔の前記副室側の開口の中心を噴孔中心とし、前記副室内における前記噴孔中心から３ｍｍ以内の領域を噴孔近傍領域（Ｒ）として、
   前記エンジンが所定の運転状況の時には、圧縮上死点（Ｔｄ）よりも後に前記点火を行う制御としての上死点後点火制御を実行し、
   前記上死点後点火制御では、前記点火開始タイミングから２０クランクアングル以内において、前記噴孔近傍領域内、前記噴孔内又は前記主室内に、自己成長可能な大きさの火炎核としての着火源を配置する、点火システム。
2. 前記上死点後点火制御では、前記放電火花を前記主室内にまで伸長させて、前記点火開始タイミングから２０クランクアングル以内において、前記主室内に前記着火源を配置する、請求項１に記載の点火システム。
3. 前記上死点後点火制御における前記放電火花の発生期間に、前記放電ギャップに流速５ｍ／ｓ以上の気流が流れるように構成されている、請求項１又は２に記載の点火システム。
4. 前記副室の体積を「Ｖ」ccとし、前記隔壁に設けられている全ての前記噴孔の断面積の和を「Ｓ」mm^2とし、
   一又は複数の前記噴孔のうち前記放電ギャップに最も近接する噴孔を近接噴孔（３５ｃ）とし、前記第１電極から前記近接噴孔までの距離を「Ｄ」mmとして、
   Ｓ／Ｖ ≦ －0.025Ｄ^3 ＋ 0.34Ｄ^2 － 1.4Ｄ ＋ 2.1
   を満たすように構成されている、請求項１～３のいずれか１項に記載の点火システム。
5. 前記副室の体積を「Ｖ」ccとし、前記隔壁に設けられている全ての前記噴孔の断面積の和を「Ｓ」mm^2として、
   0.3 ≦ Ｓ／Ｖ ≦ 2.1
   を満たすように構成されている、請求項１～４のいずれか１項に記載の点火システム。
6. 一又は複数の前記噴孔のうち前記第１電極に最も近い前記噴孔を近接噴孔（３５ｓ）とし、前記第１電極から前記近接噴孔に向かう方向を噴孔方向（ｄ１）とし、その反対方向を反噴孔方向（ｄ２）とし、前記噴孔方向を成分に含む方向を噴孔方向側とし、前記反噴孔方向を成分に含む方向を反噴孔方向側とし、前記放電ギャップに流れる気流をギャップ気流として、
   前記上死点後点火制御における前記点火開始タイミングまでに、前記ギャップ気流の方向が、前記反噴孔方向側から前記噴孔方向側に転じることにより、前記点火開始タイミングには、前記ギャップ気流の方向が前記噴孔方向側になるように構成されている、請求項１～５のいずれか１項に記載の点火システム。

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