JP3062270B2

JP3062270B2 - エンジン

Info

Publication number: JP3062270B2
Application number: JP3078591A
Authority: JP
Inventors: 博之山本; 賀雄堀田
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1991-03-18
Filing date: 1991-03-18
Publication date: 2000-07-10
Anticipated expiration: 2015-07-10
Also published as: JPH04287871A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、排気ガス中に含まれる
有害成分、特にＮＯX を低減するようにしたエンジンに
関するものである。

【０００２】

【従来技術】ガソリンエンジンで代表される火花点火式
エンジンにあっては、点火プラグを燃焼室の中心に位置
させることが理想的とされている。すなわち、中心点火
としたときには、点火源から燃焼室の周辺部に至るまで
の火炎伝播距離をシリンダ周方向において均一なものと
することが可能であるという大きな利点を有している。

【０００３】しかしながら、このように燃焼室の中心に
点火源を配置させた場合、運転状態によっては、火炎伝
播速度が早くなりすぎて、ＮＯX が増大するという問題
がある。この問題について、詳しく説明すると、燃焼室
の中心に点火プラグを位置させたエンジンは、火炎が燃
焼室の中心から周辺に向けて放射状に伝播するため、燃
焼が進むに従って燃焼に関与する空間が大きくなるもの
であり、このため燃焼が進むに従って火炎の伝播速度が
大きくなるという特性を本来的に有している。したがっ
て、このようなエンジンでは、運転状態によっては、火
炎の伝播速度を適正に保つことが難しいという問題があ
る。

【０００４】ところで、最近特に、燃費の大幅な向上が
要請されている。このような要求に対して、混合気の空
燃比を理論空燃比よりも十分にリ−ンとした、いわゆる
希薄燃焼を行なわせることが考えられているが、この希
薄燃焼では、火炎の伝播速度の調整が難しく、このため
単位時間当たりの熱発生率にピ−クが発生し易いという
問題を有している。勿論、熱発生率のピ−クはＮＯX 増
大を招くものである。

【０００５】このような問題に対して、特開昭５７−１
４８０２１号公報に見られるように、燃焼室の周回りに
複数の点火ギャップを配設した、いわゆる周辺点火方式
のエンジンが提案されている。このように燃焼室の周回
りに点火ギャップを配したエンジンでは、燃焼室の周辺
で発生した火炎が燃焼室の中心に向けて伝播するため、
燃焼が進むに従って燃焼に関与する空間が小さくなるも
のであり、このため燃焼が進むに従って火炎の伝播速度
が遅くなるという特性を本来的に備えるものである。

【０００６】したがって、周辺点火方式によれば、単位
時間当たりの熱発生率を均一なものとすることが容易で
あり（熱発生率のピ−ク発生の抑制）、このためＮＯX
増大を抑制し易いという大きな利点を有しているもの
の、複数の点火ギャップを燃焼室の周回りに配置させな
ければならないという観点から見れば、エンジンの構造
が複雑なものとなるという欠点がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明の目的
は、従来の中心点火方式を採用しつつ、周辺点火方式の
利点を得るようにした、つまり単位時間当たりの熱発生
率を均一なものとして、ＮＯX 増大を抑えるようにした
エンジンを提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】かかる技術的課題を達成
すべく、本発明にあっては、以下のような構成を採用し
てある。すなわち、特許請求の範囲における請求項１に
記載のように、シリンダヘッド下面に上方に凹となった
容積部が形成されて、該シリンダヘッドの容積部とピス
トン頂部とにより燃焼室が構成されたエンジンにおい
て、燃焼室の径方向ほぼ中心部において、シリンダヘッ
ドに１つの点火プラグが配設され、ピストンの頂面に、
前記燃焼室に向けてシリンダヘッド下面よりも上方へ突
出する突起が形成され、前記突起は、前記点火プラグで
発生した前記径方向へ向けて拡がる火炎の伝播経路を横
断して延びており、燃焼室の周縁部で、かつ前記突起を
挟んで前記点火プラグが配置された領域とは反対側の領
域において点火源が配設され、エンジンの運転状態を検
出する運転状態検出手段が設けられ、前記運転状態検出
手段からの信号を受け、運転状態に応じて、前記点火プ
ラグと前記点火源との点火動作に差をもたせるように制
御する点火制御手段が設けられている、ような構成とし
てある。

【０００９】

【作用】図１、図２は本発明を概念的に図示したもので
あり、これらの図面を参照して、本発明の作用を説明す
る。燃焼室のほぼ中心部に配した点火プラグ１で発生し
た火炎は、燃焼室のほぼ中心部から周辺部に向けて放射
状に伝播する。この火炎の伝播経路に対して、これを横
断して延びる突起２は、火炎の伝播を阻害する要因とし
て作用することになる。

【００１０】このことは、周辺点火の場合に火炎の伝播
が進むに従って火炎の伝播速度が遅くなるのとほぼ同じ
状態になることを意味する。したがって、単位時間当た
りの熱発生率を均一なものとすることが容易であり、こ
のためＮＯX 増大を抑制することが可能となる。尚、図
１、図２に示す符号３はピストンである。

【００１１】火炎伝播速度に影響を与える要因として、
例えば混合気の燃焼室内での偏在、燃焼室内での吸気の
流れ（スワ−ル等）、燃焼室形状、燃焼室壁面温度、残
留燃焼ガスの燃焼室内での偏在等がある。したがって、
これらの因子を十分に考慮して、上記点火プラグ１と突
起２との間の間隔、突起２の配置位置あるいはその形状
等の設定を行なえばよい。

【００１２】勿論、点火プラグ１の配置位置は燃焼室の
中心に限定されるものではない。中心点火方式のエンジ
ンでは、その点火プラグ１の配置位置が、上記の要因を
含め吸気ポ−ト、排気ポ−トのレイアウトを考慮した上
で決定されるものであり、本発明の適用に当たっても、
燃焼室のほぼ中心部に点火プラグ１が位置していればよ
い。

【００１３】上記突起２は、その配置位置を運転状態に
応じて可変とすることが実際上難しい。したがって、突
起２の存在による上記効果が特定の運転状態で得られた
としても、他の運転状態では、逆に、突起２によって失
火あるいは耐ノック性に悪影響を及ぼすことが考えられ
る。具体的には、極低負荷運転状態では失火の問題が発
生し易い。また、低速全負荷運転状態では耐ノック性が
問題となり易い。

【００１４】このような問題に対して、燃焼室の周辺に
点火源を配置させて、上記他の運転状態では、適宜、こ
の点火源を点火させることが望ましい。このような点火
源としては、上記公報に開示のような点火ギャップであ
ってもよく、あるいは点火プラグであってもよい。勿
論、この点火源の最適な数は、本発明を具体化する段階
で決定すれば足りる。

【００１５】

【実施例】以下に、本発明の実施例を添付した図面に基
いて説明する。図３において、１０はシリンダヘッド
で、その内壁によって画成される燃焼室１２がペントル
−フ型とされている。つまり、シリンダヘッドの下面
に、ペントルーフ型となるように上方に凹となった容積
部が構成され、もっとも凹となった部分がペントルーフ
の尾根Ｌとなる。

【００１６】シリンダヘッド１０には、図４に示すよう
に、燃焼室１２に開口する第１、第２の２つの吸気ポ−
ト１４Ａ、１４Ｂと、第１、第２の２つの排気ポ−ト１
６Ａ、１６Ｂとが形成され、上記２つの吸気ポ−ト１４
Ａ、１４Ｂは尾根Ｌを挟んで一側のル−フ部１０ａに配
置され、上記２つの排気ポ−ト１６Ａ、１６Ｂは上記尾
根Ｌを挟んで他側のル−フ部１０ｂに配置されて、これ
ら吸気ポ−ト１４と排気ポ−ト１６には、夫々、図示を
省略した吸気弁あるいは排気弁が配設されている。

【００１７】上記シリンダヘッド１２には、２本の点火
プラグ１８、２０が取付られており、各点火プラグ１
８、２０は、夫々、シリンダヘッド１２の上方から取付
あるいは取り外し可能とされている。上記２本の点火プ
ラグ１８、２０のうち、第１の点火プラグ１８は燃焼室
１２の中心部に取り付けられた中心プラグとされてい
る。

【００１８】すなわち、上記第１の点火プラグ１８は、
上記４つのポ−ト１４Ａ、１４Ｂ、１６Ａ、１６Ｂに囲
まれた部位に配置されている。より具体的には、第１の
点火プラグ１８は、燃焼室１２の中心（尾根Ｌ）から若
干排気ポ−ト１６Ａ、１６Ｂ側に偏在して、これら排気
ポ−ト１６Ａ、１６Ｂの形成されている上記他側のル−
フ部１０ｂに配設されている。

【００１９】他方、第２の点火プラグ２０は、燃焼室１
２の周辺部において、上記一側のル−フ部１０ａ側に、
つまり吸気ポ−ト１４Ａと１４Ｂとで挟まれた部位に配
置されている。より具体的には、上記中心プラグ１８を
通り且つ上記尾根Ｌと直交する仮想線上にこの第２の点
火プラグ２０が配設されている。

【００２０】図３、図４において、２２はピストンで、
その頂面２２ａには燃焼室１２に向けて突出する突起２
４が形成されている。この突起２４は上記尾根Ｌに沿っ
てこの尾根Ｌと平行に真直に延び、そして突起２４の配
置位置は、上記２つの点火プラグ１８と２０とで挟まれ
た部位とされている。

【００２１】すなわち、上記突起２４は、ピストン２２
の頂面２２ａが上記一側のル−フ部１０ａと対面する部
位に配置され、この突起２４によって、燃焼室１２は、
中心プラグ１８が位置する第１の領域１２Ａと、第２の
点火プラグ２０が位置する第２の領域１２Ｂとに仕切ら
れている。そして、上記突起２４の上面２４ａは上記一
側のル−フ部１０ａの傾斜にほぼ一致させた傾斜面とさ
れている。より具体的には、突起２４の上面２４ａの傾
斜形状は、この上面２４ａとシリンダヘッド１０のル−
フ部１０ａとの間隔Ｈが、中心プラグ１８側の間隔Ｈ1
に比べて第２の点火プラグ２０側の間隔Ｈ2 が若干小さ
くなるように設定されている。このように、ピストン２
２が図３に示すような上死点付近に位置するとき、突起
２４は、シリンダヘッド１０の下面よりも上方に位置さ
れる（容積部内に突起２４が突出される）。

【００２２】上記２つの点火プラグ１８、２０は、その
作動（点火）がエンジンの運転状態に応じて変更される
ようになっている。図３に示す符号Ｕは、例えばマイク
ロコンピュ−タで構成された制御ユニットで、この制御
ユニットＵによって点火プラグ１８、２０の作動が制御
される。

【００２３】すなわち、制御ユニットＵには、センサ３
０、３２からの信号が入力される。上記センサ３０はエ
ンジン回転数を検出するものである。上記センサ３２は
吸入空気量（エンジン負荷）を検出するものである。制
御ユニットＵからは、第１の点火回路３４と第２の点火
回路３６とに制御信号が出力される。上記第１の点火回
路３４は中心プラグ１８用のものである。上記第２の点
火回路３６は第２の点火プラグ２０用のものである。

【００２４】上記２つの点火プラグ１８、２０の作動態
様の切換に関し、この切換のための領域設定の一例を図
５に示してある。図５に示す領域Ｉ〜III について説明
すると、極低負荷領域Ｉ及び高負荷領域III では、２つ
の点火プラグ１８、２０を共に点火するものとされ、低
〜中負荷領域IIでは中心プラグ１８を点火させる一方で
第２の点火プラグ２０の点火を停止するように設定され
ている。

【００２５】そして、上記領域Ｉでは、２つの点火プラ
グ１８と２０との点火時期に位相が設けられて、中心プ
ラグ１８が先行して点火され、第２の点火プラグ２０が
後に点火されるようになっている。他方、領域III で
は、２つの点火プラグ１８と２０が同時に点火されるよ
うになっている。

【００２６】上記２つの点火プラグ１８と２０との間の
点火時期制御、すなわち中心プラグ１８に対する第２の
点火プラグ２０の点火時期のリタ−ド量は、図６に実線
で示すように、上記領域Ｉでは、負荷が大きくなるに従
って、そのリタ−ド量が大きくなるように設定されてい
る。

【００２７】尚、図６から明らかなように、片側点火
（中心プラグ１８のみ点火）とされる領域IIにおいて
も、第２の点火プラグ２０の点火を行なうものとされて
いる。ここに領域IIにおける第２の点火プラグ２０の点
火は、火炎面通過後にこの第２の点火プラグ２０の点火
が行なわれるように、十分にその点火時期を遅らせてあ
る。したがって、この第２の点火プラグ２０の点火は燃
焼に関与しないこととなり、実質的に、中心点火とな
る。また、第２の点火プラグ２０を休止させることなく
常に点火を行なうことによって、この第２の点火プラグ
２０の清浄作用（電極の清浄）を維持することが可能と
なる。

【００２８】また、上記領域IIにおける中心点火では、
運転状態に応じて、放電時間を変更するようになってい
る。すなわち、中心プラグ１８だけを点火させた場合
に、突起２４による火炎伝播速度の抑制効果が、図７に
示すように、燃焼速度によって異なったものとなる。す
なわち、負荷が大きくなる程、初期燃焼速度が大きくな
り、負荷が小さくなる程、初期燃焼速度が小さなものと
なる。

【００２９】これに対して、仮に可能であるならば、突
起２４の位置を変化させることで燃焼状態の適正化を図
ることができる。このような問題に対する対処の一例と
して、放電期間を変化させる例を図８に示してある。す
なわち、負荷に応じて、負荷が大きくなる程、放電期間
を小さくする、換言すれば負荷が小さくなる程、放電期
間を大きくして（燃焼室内への投入エネルギ量を増大さ
せる）、火炎の成長を助け、これによって初期値燃焼速
度を増大させて、図７に一点鎖線で示す最適状態に近付
くようにしてある。勿論、上記放電期間を変更するのに
代えて、単位時間当たりの放電エネルギを変更するもの
であってもよい。

【００３０】上記放電期間あるいは放電エネルギを変更
するには、前記第１の点火回路３４（中心プラグ１８用
回路）として例えば図９の構成としたときには、二次側
の放電電流ｉ2 は、近似的に、下記の式で表わされる。

【００３１】

【数１】

【００３２】ここで、Ｉa ＝Ｖa ／Ｒ2 であり、Ｖa は
中心プラグ１８の電極におけるア−ク電位である。ま
た、

【００３３】

【数２】

【００３４】

【数３】

【００３５】ここで、相互インダクタンスＭは、Ｍ＝Ｒ
2 ／Ｌ2 で表わされる。

【００３６】従って、図８に示すように一次側の抵抗Ｒ
1 を可変とする、あるいは二次側の抵抗Ｒ2 、一次側コ
イルのインダクタンスＬ1 、二次側コイルのインダクタ
ンスＬ2 、相互インダクタンスＭ、あるいは上記回路定
数Ｃ1 を変更することで、中心プラグ１８の放電電流特
性を変更することができる。

【００３７】以上の構成において、中心プラグ１８を点
火したときには、この中心プラグ１８で発生し、吸気ポ
−ト側に向う火炎は、突起２４によって、その伝播速度
が抑えられることになる。この伝播速度の減速効果によ
って、単位時間当たりの熱発生率は図１０に示すように
なる。つまり熱発生率のピ−ク発生が抑えられて、ほぼ
台形に近い熱発生パタ−ンとなる。従って燃焼ガス温度
の急激な上昇が抑えられ、この結果ＮＯX 生成が抑制さ
れる。

【００３８】また、上記突起２４の存在は、燃焼期間を
延長するものではない。すなわち、突起２４によって火
炎の伝播速度が抑えられるものの、突起２４で絞り込ま
れた火炎の流れは、この突起２４を通過することによっ
て噴流効果が発生し、この噴流効果による増速によって
ほぼ相殺されることになる。

【００３９】ただし、図５に示す領域Ｉ及び領域III で
は、上記突起２４の存在が無視できない影響を及ぼすこ
とになるが、これらの領域Ｉ、III では、上述したよう
に、中心点火に加えて第２の点火プラグ２０を点火する
ようにしてあるため、突起２４による火炎の過大な減速
による失火を防止し、あるいはノッキングの発生を抑え
ることができる。

【００４０】図１１以降の図面は、上記実施例の変形例
及びエンジンの他の例を示すものである。これらの説明
において、上記実施例と同一の要素には同一の符号を付
すことによってその説明を省略し、以下に、これらの特
徴部分について説明を加える。

【００４１】図１１は突起２４の形状を変えた例を示す
ものである。すなわち、この変形例では、突起２４の形
状として、中心プラグ１８を略中心として弧を描く湾曲
形状としてある。

【００４２】図１２、図１３に示す変形例では、突起２
４を尾根Ｌのほぼ真下に位置するようにしてある。

【００４３】以上、本発明の実施例あるいは変形例を説
明したが、本発明にいう突起は、ピストンに形成する場
合に限定されるものではなく、設計上許容されるのであ
れば、シリンダヘッド１０側に形成してもよい。

【００４４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、周辺点火と同様の効果、つまりＮＯX の増大
の抑制を従来の中心点火方式によって可能となる。この
ため、周辺点火のようにエンジンの構造を複雑にするこ
とがないという実際上の効果がある。また、燃焼室周縁
部に設けた点火源を利用して、突起が弊害となり易い運
転領域での燃焼改善を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の概念を示す上で、その突起をピストン
に形成した場合におけるピストンの斜視図。

【図２】図１に示すピストンの平面図。

【図３】本発明の実施例にかかるエンジンの燃焼室構造
を示す縦断面図。

【図４】図３に示すピストンの平面図。

【図５】点火プラグの作動切換制御に用いられる領域設
定図。

【図６】第２の点火プラグの点火時期制御（位相差制
御）を概念的に示す図。

【図７】初期燃焼速度と単位時間当たりの熱発生率都の
関係を示す図。

【図８】中心プラグの放電時間と負荷との関係を示す
図。

【図９】中心プラグ用の点火回路図。

【図１０】実施例の作用説明図。

【図１１】第１変形例にかかるピストンの平面図。

【図１２】第２変形例にかかるエンジンの燃焼室構造を
示す縦断面図。

【図１３】第２変形例にかかるピストンの平面図。

【符号の説明】

１、１８：中心プラグ２、２４：突起３、２２：ピストン１０：シリンダヘッド１２：燃焼室２０：第２の点火プラグ３４：中心プラグ用の点火回路Ｕ：制御ユニット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＦ０２Ｆ 3/28 Ｆ０２Ｆ 3/28 ＢＦ０２Ｐ 13/00 ３０１Ｆ０２Ｐ 13/00 ３０１Ａ３０２３０２Ｚ (56)参考文献特開昭51−132306（ＪＰ，Ａ) 特開平４−183925（ＪＰ，Ａ) 実開昭56−175519（ＪＰ，Ｕ) 実開昭61−17183（ＪＰ，Ｕ) 実開昭62−16768（ＪＰ，Ｕ) 特公昭59−707（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02B 23/00 - 23/10 F02F 3/00 - 3/28 F02P 1/00 - 17/12

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】シリンダヘッド下面に上方に凹となった容
積部が形成されて、該シリンダヘッドの容積部とピスト
ン頂部とにより燃焼室が構成されたエンジンにおいて、燃焼室の径方向ほぼ中心部において、シリンダヘッドに
１つの点火プラグが配設され、ピストンの頂面に、前記燃焼室に向けてシリンダヘッド
下面よりも上方へ突出する突起が形成され、前記突起は、前記点火プラグで発生した前記径方向へ向
けて拡がる火炎の伝播経路を横断して延びており、燃焼室の周縁部で、かつ前記突起を挟んで前記点火プラ
グが配置された領域とは反対側の領域において点火源が
配設され、エンジンの運転状態を検出する運転状態検出手段が設け
られ、前記運転状態検出手段からの信号を受け、運転状態に応
じて、前記点火プラグと前記点火源との点火動作に差を
もたせるように制御する点火制御手段が設けられてい
る、ことを特徴とするエンジン。
【請求項２】請求項１において、前記点火源が点火プラグで構成されている、ことを特徴
とするエンジン。
【請求項３】請求項１において、前記点火制御手段が、極低負荷運転状態または高負荷運
転状態のときに、前記点火プラグと前記点火源とを共に
点火させるように設定されている、ことを特徴とするエ
ンジン。
【請求項４】請求項３において、前記点火制御手段が、極低負荷運転状態にあるときに、
前記点火プラグを先に点火させ、該点火プラグの点火の
後に前記点火源の点火を行なうように設定されている、
ことを特徴とするエンジン。
【請求項５】請求項１において、前記点火制御手段が、低負荷あるいは中負荷運転状態に
あるときに、前記点火プラグだけを点火させ、前記点火
源を点火させないように設定されている、ことを特徴と
するエンジン。
【請求項６】請求項５において、前記点火プラグの放電期間を変更する放電期間変更手段
を有し、前記点火制御手段が、低負荷あるいは中負荷運転状態に
あるときに、負荷状態に応じて前記点火プラグの放電期
間を制御する、ことを特徴とするエンジン。