JP3900210B2 - 点火装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、将来の超希薄燃焼機関（ultra-lean-burn engine）に使用される点火装置および現在生産されている希薄燃焼火花点火機関(lean-burn spark ignition engine)における燃料の希薄限度を拡大するための点火装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関は、広い範囲の速度域および負荷状態域において効率的に燃料を燃焼させて作動する必要がある。
これは、通常、出力サイクルにおいて一様に燃焼する化学量論的混合気を使用することによってなされる。
化学量論的に濃い混合を使用する場合には高性能特性の機関、即ちエンジンとすることができるが、燃料を浪費し、エンジンからの気体汚染物質の排出レベルを増大させる。
【０００３】
ますます高い空燃比で駆動される希薄燃焼機関、即ちリーンバーンエンジンが世界中で提案されている。この種のリーンバーンエンジンの空燃比は２５程度であるが、最近では、４０もの空燃比で作動される直噴型のエンジンが開発されている。このような超希薄な燃焼を達成するためには層状混合気を必要とする。即ち、点火時には、他の部分は希薄であっても、スパークプラグ近辺には濃い混合比のものの存在を必要とする。スパークプラグはこの濃い混合比の部分に着火し、発生する火炎が未燃のガスに向けて拡がり全体の希薄混合気を効果的に燃焼させる。
【０００４】
以下の三種の従来技術は、エンジンそれ自体に大きな変更を加えることなしに、リーンバーン火花点火エンジンの空燃比の希薄限度を拡大する有望なスパークプラグと燃料噴射装置の組合せを提案している。
【０００５】
英国特許第１５１９５１４号明細書には、濃い混合気域での液体燃料（ガソリン）の蒸発を高めるシステムが提案されている。この英国特許明細書に記載のスパークプラグは中心部に燃料噴射装置を有しており、この噴射装置が、スパークプラグの長手方向に形成された蒸発管を通して、プラグ間隙近傍の部分に燃料を噴射する。
燃料は蒸発管を通して流れるときにスパークプラグからの熱によって蒸発する。このスパークプラグは燃焼室に向けて設けられているのでスパークプラグは高温になる。
しかしながら、エンジンを長時間運転すると、蒸発管に燃料からの堆積物が付着してしまい、燃料蒸発システムの耐久性に問題が生じる。
【０００６】
英国特許第１５６１０１７号明細書には、燃料噴射装置の噴霧孔をスパークプラグの火花間隙の近くに設けたシステムが提案されている。この噴霧孔は３６０°方向に開口しており幅広い混合域を形成するので、点火の層状化能には限界がある。このシステムはキャブレタによる希薄混合に基づくものであり、スパークプラグ近傍に局部的に存在する混合気とその流れとの相互作用を考慮してはいない。
【０００７】
英国特許第４５４６７４０号明細書には、気相燃料噴射装置の孔が火花間隙に対向する位置に設けられていて、十分な点火および火炎開始をさせるに要する二次室内に噴射するシステムが提案されている。もし、このシステムが液体燃料で使用されると、その噴射装置は、該チャンバーを満たし且つ火花間隙に燃料を供給するために、多量の液体燃料を噴射する。その結果、火花間隙の廻りには多量の燃料が存在することになり、着火不良や希薄燃料でのエンジンの性能低下の原因となる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
この発明の目的は、着火不良を発生させる確率が極めて小さい状態で火花間隙の廻りに濃い混合気を供給することができる、液体燃料で駆動される超希薄燃焼機関(ultra-lean-burn engine)用の点火装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、エンジンの吸気ポート内に燃料を噴射して該エンジンの燃焼室内にスパークプラグを通過する超希薄な燃料−空気混合気の回転流を形成する主インジェクタと、該超希薄燃料−空気混合の流路にあって、該流路に乱流を形成する障害物と、および該スパークプラグに組み込まれており該火花間隙の近くに噴射ノズルを有し、該火花間隙に向け且つ該乱流内に燃料を噴射するパイロットインジェクタとを備えており、該燃焼室内での超希薄な燃料−空気混合気の回転流の流れの方向に関して、該障害物が火花間隙の直ぐ上流に位置し且つ該火花間隙が該パイロットインジェクタの噴射ノズルの直ぐ上流に位置している点火装置を提供する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
添付の図１から図７を参照して本発明を説明する。
図１を参照して、本発明の点火装置は、燃焼室１１、吸気ポート１２、排気ポート１３、主インジェクタ１４、パイロットインジェクタ１５、およびスパークプラグ１６を備えている。パイロットインジェクタ１５およびスパークプラグ１６は、図２に示すように、ハウジング１７をなして組付けられている。
【００１１】
エンジンのシリンダブロック２１およびシリンダヘッド２２は燃焼室１１を形成している。吸気ポート１２は燃焼室１１に連通している。主インジェクタ１４は吸気ポート１２内に燃料を噴射し、吸気ポート１２内で混合気が形成される。この混合気は超希薄であり、吸気バルブ２３が開いているときに燃焼室１１内に導入される。主インジェクタ１４により噴射される燃料の量は、従来のポート／マニホルド・インジェクタにより噴射される燃料の量に比べて極めて少ない量である。本発明においては、超希薄混合気の”空燃比”は最大５０にまで高められる。これは、パイロットインジェクタ１５が、シリンダ内部が高度に乱雑な状態にあり且つ燃焼室１１内の超希薄混合気が高レベルの主流と乱流を発生させるものとして知られている回転流２４の形態にあるときに、燃焼室の超希薄混合気の全てを燃焼させることができる火炎の核の発生を可能にすることにより可能とさせる。
図１に示すように、超希薄混合気はポートの配置によって定まる一定の方向に回転する。パイロットインジェクタ１５およびスパークプラグ１６の近傍では、該超希薄混合気の回転流２４は、図２に示すように、ほぼ平行方向に流れる。
【００１２】
排気ポート１３も燃焼室１１に連通していて、燃焼ガスの燃焼室１１からの排出を可能にする。燃焼室１１と排気ポート１３との間には排気バルブ２５が設けられている。
【００１３】
図３を参照して、スパークプラグ・インジェクタ３０を説明する。
この組合せスパークプラグ・インジェクタ３０のハウジング１７は、パイロットインジェクタ１５およびスパークプラグ１６の双方を収容している。スパークプラグ１６の偏心（第一）電極３１は、該ハウジング１７から長手方向に延びている。スパークプラグ１６の側面（第二）電極３２は、長手方向部分３４および横方向部分３３を有している。この横方向部分３３は偏心第一電極３１との間に火花間隙３５を形成している。長手方向部分３４はハウジング１７に固定されており、回転流２４の上流に位置して該回転流に対する障害物として作用する。
【００１４】
パイロットインジェクタ１５は、回転流２４の方向において、火花間隙３５の下流の該火花間隙３５の直ぐ近くに位置した孔４０を有している。即ち、該孔４０から噴射される燃料は火花間隙域３５内に導かれる。燃焼室１１内の回転流２４の流れ方向に関して、側面電極３２の長手方向部分３４は火花間隙３５の上流に位置し、該火花間隙３５はパイロットインジェクタ１５の孔４０の上流に位置している。これら火花間隙３５、パイロットインジェクタ１５の孔４０、および障害物として作用する側面電極３２の長手方向部分３４は、ハウジング１７の径内に旨く収まっている。更に、図４に示すように、側面電極３２の横方向部分３３に反射端面４１を設け、パイロットインジェクタ１５の孔４０が厳格に火花間隙３５に対向していなくとも、この反射端面４１により孔４０から噴射される燃料を火花間隙３５方向に向けることができるようにすることができる。
【００１５】
図３を参照する。燃料部屋４２は管を介して孔４０と流体的に連通可能にしてある。ニードル弁４３が部屋４２内に設けられていて、部屋４２内の燃料の圧力がスプリング４４の付勢力よりも大きいときに該部屋４２と孔４０との間での燃料の流通を可能にする。ここで、この付勢力は予負荷設定ネジ４５により制御されている。このニードル弁４３は、摺動自在であり、ニードルガイド４６に支持されている。部屋４２内の燃料の圧力は、図５に示す機械的圧力増幅器５０により増幅される。増幅器５０は、燃料タンク５１から燃料ポンプ５２を介して供給される燃料圧力を増幅し、増幅された燃料圧力を部屋４２に供給する。
【００１６】
燃焼室１１内の圧力は、狭い通路５３を介して増幅器５０の入口部分５４に常時供給されている。通路５３の他端部は、図３に示すように、環状室５５を介してスパークプラグ１６の廻りに開口している。増幅器５０の第一駆動ピストン５６は大きい方のシリンダ５７内で往復動する。第二被動ピストン５８は、小さい方のシリンダ５９内を摺動する。第一および第二ピストンは細い棒材６０で連結され一緒に動くようにしてある。小さい方のシリンダ５９の端部の圧縮室６２には復帰バネ６１が設けられていて、ピストン５６、５８を復帰方向に動かす。このとき調整ストッパー６３がピストン５６、５８の復帰運動の範囲を制限する。このストッパー６３はバネ６１の強さの調整にも使用される。空間６４がピストン５６、５８間に形成され、流通孔６５を介して外気に連通している。燃料の入口６６が増幅器５０の本体７０に固定されていて、逆止弁６７を介して燃料タンク５１と圧縮室６２との間を流通させる。この逆止弁６７はスプリング６８を備えており、これにより圧縮室６２から燃料タンク５１への燃料の逆流が防止される。本体７０には燃料の出口６９が設けられていて、圧縮室６２とパイロットインジェクタ１５の燃料部屋４２との間の液体の流通を可能にしている。
【００１７】
点火装置の機能について以下に述べる。
エンジンが始動すると、主インジェクタ１４が吸気ポート１２にガソリン等の液体燃料を噴射する。吸気弁２３が開いているときには、燃料および空気が超希薄混合気として燃焼室に引き入れられる。この空燃比は５０にも高められる。
【００１８】
エンジンが回転すると、燃焼室１１内の加圧空気が燃料圧増幅器５０の入口部分５４に導入される。図８は４サイクルエンジンのインジケータ線図（圧力−体積）である。圧縮行程においては、入口部分５４の圧力はスプリング６１の付勢力に逆らって第一および第二ピストン５６、５８を駆動しながら増大する。ピストン５６、５８の径の差により、入口部分５４の圧力が増幅され、ピストン５６、５８を介して圧縮室６２内の燃料を加圧する。この時、逆止弁６７は閉じており、パイロットインジェクタのニードル弁４３も閉じている。パイロットインジェクタ１５の燃料部屋４２の圧力は、圧縮室６２の圧力に等しいので、パイロットインジェクタ１５のスプリング４４の力よりも低い。圧縮行程が進行すると、圧縮室６２の燃料圧力および燃料部屋４２の燃料圧力がパイロットインジェクタ１５のスプリング４４の付勢力よりも高くなり、ニードル弁４３はスプリング４４の付勢力に逆らって下流方向に動き、高圧にされた小量の燃料が孔４０を通して火花間隙に向けて噴射される。その時の圧力は、ＴＤＣ（上死点）前の燃焼室圧力の約３から４倍である。パイロットインジェクタから噴射される燃料の量は、主インジェクタ１４から噴射される燃料の量の５〜１０％に制御される。パイロットインジェクタ１５からの液体燃料噴射のための追加制御は必要としない。スプリング４４の設定負荷がパイロットインジェクタ１５の噴射タイミングを決定する。
【００１９】
図６を参照して、超希薄混合気の回転流２４が、スパークプラグハウジング１７の長手方向に延びる第二電極３２の部分３４を廻って流れるので、火花間隙３５の部分に回転流２４の乱流８０が形成される。他方、孔４０から噴射される燃料の方向はこの回転流２４に対向しており、パイロットインジェクタからの噴射燃料は該乱流８０の低圧域と相互に影響し合い、その結果、パイロットインジェクタ１５から噴射された燃料は極めて急速に気化される。これにより局所的に濃い混合気の部分８１が火花間隙３５の廻りではなく火花間隙内に形成される。スパークプラグ１６が起動されると、火花間隙８１内に存在する濃い混合気に点火し、火炎核を形成させる。この火炎核は発達し、回転流２４および乱流に助長されて超希薄混合気の域８２に向かって拡がっていく。
【００２０】
排気行程が進むに連れて燃焼室１１内の圧力が低くなる。したがって、増幅器５０の入口部分５４内の圧力も低下し、第一および第二ピストン５６、５８がバネ６１の力を受けて後方に動く。この時、圧縮室６２の圧力も低下し、次に噴射される燃料が逆止弁６７を介して供給される状態となる。
【００２１】
側面電極３２の長手方向部分３４の代わりに、幅の狭い板状体８５を障害部材として役立てることができる。該板状体８５は、図７に示すように、回転流２４の乱流を発生させる。この場合、燃焼室１１内の回転流２４に関して、板状体８５は火花間隙３５の上流に、火花間隙３５はパイロットインジェクタ１５の孔４０の上流に位置させる。
【００２２】
以上、詳述したとおりで、本発明の点火装置は、スパークプラグの火花間隙の部分に、着火不良を発生させることのない状態で濃い混合気を局所的にタイミングよく供給することを可能にし、燃料消費を低減させ且つ気体汚染物質の排出を低減させることを可能にする超希薄燃焼機関(ultra-lean-burn engine)に適する点火装置である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の点火装置を備えた機関の概要を示す図である。
【図２】図１に示すプラグ−インジェクタを示す拡大断面図である。
【図３】図２の部分拡大図である。
【図４】図２の部分拡大図であり、第二電極の他の構造を示す図である。
【図５】本発明に使用され得る圧力増幅器を示す断面図である。
【図６】図３と同様な図であり、点火装置が作動しており燃料が火花間隙に向けて噴射されている状態を示す図である。
【図７】図２に対する底面図であり、プラグ−インジェクタの他の構成を示す図である。
【図８】４サイクルエンジンのインジケータ線図である。
【符号の説明】
１１ 燃焼室
１２ 吸気ポート
１３ 排気ポート
１４ 主インジェクタ
１５ パイロットインジェクタ
１６ スパークプラグ
２１ シリンダブロック
２２ シリンダヘッド
２３ 吸気バルブ
２４ 混合気の回転流
２５ 排気バルブ
３０ スパークプラグ・インジェクタ
３１ 偏心（第一）電極
３２ 側面（第二）電極
３５ 火花間隙
４０ 孔（ノズル）
５０ 圧力増幅器
５６ 第一駆動ピストン
５８ 第二被動ピストン
６２ 圧縮室
６７ 逆止弁
６９ 燃料の出口
８０ 乱流

Claims (6)

1. 内燃機関の吸気ポート内に燃料を噴射して該内燃機関の燃焼室内にスパークプラグを通過する超希薄な燃料−空気混合気の回転流を形成する主インジェクタと、該超希薄な燃料−空気混合気の流路にあって、該流路に乱流を形成する障害物と、および該スパークプラグに組み込まれており、その該火花間隙の近くに噴射ノズルを有し、該火花間隙に向け且つ該乱流内に燃料を噴射するパイロットインジェクタを備えており、該障害物が、該燃焼室内での超希薄な燃料−空気混合気の回転流の流れの方向に関して、火花間隙の直ぐ上流に位置し且つ該火花間隙が該パイロットインジェクタの噴射ノズルの直ぐ上流に位置している火花点火式内燃機関の点火装置。
2. 前記スパークプラグが、該スパークプラグ本体から長手方向に延びる第一の電極と、該スパークプラグ本体から長手方向に延びる第一部分と該第一部分から横方向に延び且つ該第一の電極の上方に延びることにより火花間隙を形成する第二部分とからなる第二の電極を有していて、前記障害物が、該第二の電極の該第一部分で構成されている請求項１に記載の点火装置。
3. 前記障害物が、スパークプラグ間隙の直ぐ上流のスパークプラグ本体から延びている幅の狭い板状体である請求項１に記載の点火装置。
4. スパークプラグの一つの電極が、パイロットインジェクタの噴射ノズルから噴射される燃料をスパークプラグ間隙に向わせる形状をなしている前記請求項１〜３のいずれか一つに記載の点火装置。
5. 前記スパークプラグの電極、パイロットインジェクタおよび障害物の全てが該スパークプラグ本体の径内に収納されている前記請求項１〜４のいずれか一つに記載の点火装置。
6. 爆発工程における燃焼室内の圧力増大により駆動される圧力増幅器を更に備えており、パイロットインジェクタに供給される燃料の圧力を増加させてパイロットインジェクタによる燃料噴射の時期を制御可能にした前記請求項１〜５のいずれか一つに記載の点火装置。

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