JP3984636B1 - 多点点火エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】火花点火エンジンにおいて混合気の急速燃焼を実現し、エンジンの出力、燃費を向上する。
【解決手段】多点点火エンジン１は、燃焼室２の中央に配置されて中央点火ギャップ１０を形成する中央電極対９と、シリンダ５の開口部に対応する位置にシリンダ５の開口部と略同径の開口部を有するヘッドガスケット１５に保持され、シリンダ５の開口部の内周に沿って複数の周辺点火ギャップ１３を形成する複数の周辺電極対１２と、を備える。そして、燃料と空気が均質に混合された燃焼室２内の理論空燃比あるいはこれよりも濃い／薄い混合気を、中央点火ギャップ１０と複数の周辺点火ギャップ１３の両方を用いて点火する。
【選択図】 図１

Description

本発明は燃焼室一つにつき複数の点火ギャップを有する多点点火エンジンに関する。

火花点火エンジンは点火プラグにより燃焼室内の混合気に点火するエンジンであり、従来、点火プラグは燃焼室の中央に取り付けるのが理想とされていた。中央で点火した場合、火炎は中央から周辺に向けて同心円状に伝播する。

しかしながら、周辺に近づいた火炎は燃焼室の壁面で冷却されて消炎しやすく、消炎すると未燃ガスがそのまま排気バルブから排出される。例えば、空気過剰率が１．７程度の場合はシリンダ内の混合気の燃料濃度は約90,000ppmであり、周辺部で消炎すると、低負荷時に未燃のまま排出されるハイドロカーボンは7,000ppmを越えることもある。これは、実に８％の燃料が無駄に排出されたことになる。また、排気中のＨＣ、ＣＯの排出量が増大し、排気性能を悪化させる。

そこで、出願人は、シリンダ開口部に沿って複数の点火ギャップを配置し、消炎しやすい燃焼室の周辺から点火する方法を検討している。この方法によれば、火炎が周辺の複数の点火ギャップから中央に向けて伝播し、燃焼室内の混合気を速やかに燃焼させ、周辺部での消炎を抑えることができる。また、燃焼時間が短くなれば、従来、上死点前に点火していた点火時期を遅らせ、上昇してくるピストンが爆発によって押し戻されることによるロスを抑え、エンジンの出力、燃費を向上させることができる。

なお、燃焼室周辺の複数の点火ギャップで点火する技術としては、出願人が調査したところ、特許文献１、２が見つかった。

特開昭５７−１８５６８９号 特開昭５８−１７５２７９号

しかしながら、燃焼室周辺の複数の点火ギャップで点火する方法では、火炎が周辺から中央に近づくにつれて火炎同士が干渉して伝播速度が遅くなり、期待したほどの急速燃焼が実現できないことがわかった。

本発明は、このような従来技術の技術的課題を鑑みてなされたもので、火花点火エンジンにおいて急速燃焼を実現し、エンジンの出力、燃費を向上させることを目的とする。

本発明に係る多点点火エンジンは、底面に燃焼室が形成されたシリンダヘッドと、前記燃焼室に対向する位置にシリンダを有するシリンダブロックと、前記シリンダに収装されるピストンと、前記燃焼室の中央に配置されて中央点火ギャップを形成する中央電極対と、前記シリンダの開口部に対応する位置に前記シリンダの開口部と略同径の開口部を有し前記シリンダヘッドと前記シリンダブロックの間に介装される絶縁性部材に保持され、前記シリンダの開口部の内周に沿って複数の周辺点火ギャップを形成する複数の周辺電極対と、前記絶縁性部材に埋設され、前記複数の周辺電極対に接続する導電性部材と、備え、燃料と空気が均質に混合された前記燃焼室内の混合気を前記中央点火ギャップと前記複数の周辺点火ギャップの両方を用いて点火し、前記複数の周辺電極対と前記導電性部材が異なる材質でできており、前記導電性部材の長さ、太さ、幅の少なくとも一つを変更して前記複数の周辺電極対からなる点火装置の熱価を調節する。

本発明によれば、均質に混合された混合気を中心点火ギャップと複数の周辺点火ギャップの両方を用いて点火することにより、混合気を急速に燃焼させることが可能となる。急速燃焼が可能になったことで従来のエンジンに比べ、より上死点位置近くのタイミングで点火を行うことができ、上昇してくるピストンが爆発によって押し戻されることによるロスを抑えてエンジンの出力、燃費を向上させることができる。
また、導電性部材をシリンダヘッドとシリンダブロックの間に介装される絶縁性部材に埋設し、複数の周辺電極対とこれらを接続する導電性部材を異なる材質で構成し、導電性部材の長さ、太さ、幅の少なくとも一つを変更するようにしたことで、複数の周辺電極対からなる点火装置の熱価を調節することができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。

第１の実施形態
図１は本発明に係る多点点火エンジン１の概略構成を示している。

この実施形態では、エンジン１は、図示しない吸気ポートに取り付けられたインジェクタから噴射された燃料を空気と均質に混合し、燃焼室２に導入された混合気を火花点火により点火し、燃焼させる予混合エンジンであり、所望の空燃比が得られるよう吸入空気量、インジェクタからの燃料噴射量が調整される。エンジン１は後述の通り、直噴エンジンであってもよい。また、混合気の空燃比は、燃費を向上させるために理論空燃比よりも大きくするが（例えば、空気過剰率が２前後）、エンジン１の出力を確保するために運転領域に応じて、あるいは全運転領域において、混合気の空燃比を理論空燃比あるいはこれよりも小さな（濃い）空燃比としても良い。

燃焼室２はシリンダヘッド３の底面のペントルーフ状の窪みによって形成される。燃焼室２内にスキッシュエリアは設けられていない。これは後述の通り、本発明に係る多点点火エンジンにおいては、燃焼速度を高めるためのガス流動が不要であり、ガス流動が却って冷却損失の点において不利になることを考慮したものである。また、シリンダブロック４は燃焼室２に対向する位置にシリンダ５を有しており、シリンダ５にはピストン６が収装される。

シリンダヘッド３には上側から点火プラグ８がねじ込まれ、燃焼室２の中央には点火プラグ８の先端が露出し、先端からは通電電極９ａ及びアース電極９ｂ（以下、「中央電極対９」）が燃焼室２内に突出する。アース電極９ｂはＬ字型に屈曲し、その側面を通電電極９ａと間隔をおいて対峙させることで点火ギャップ（以下、「中央点火ギャップ１０」）が形成される。点火プラグ８の基部はターミナル（以下、「中央ターミナル１１」）になっており、図示しない点火コイルに接続される。

一方、シリンダ５の開口部の周囲には複数の通電電極１２ａとアース電極１２ｂ（以下、「周辺電極対１２」）が配置され、複数の点火ギャップ（以下、「周辺点火ギャップ１３」）が周方向に等間隔に配置される。周辺点火ギャップ１３はそれぞれ周辺電極対１２を構成する電極１２ａ、１２ｂの先端面を対峙させることで形成される。周辺電極対１２の基部はシリンダヘッド３とシリンダブロック４の間に介装されるヘッドガスケット１５によって保持される。周辺電極対１２がシリンダ開口部内側に突出するので、周辺点火ギャップ１３を通る円の半径はシリンダ５の半径よりも小さい。

周辺電極対１２の材質としては、既存のエンジンの点火プラグの電極と同様に、ニッケルや白金等の耐熱性の高い金属が用いられる。周辺電極対１２の材質に耐久性の高いイリジウムを用いて両電極の先端を細くし、周辺点火ギャップ１３の放電性を高めるようにしてもよい。

図２はヘッドガスケット１５の構造を示したものである。

ヘッドガスケット１５には、シリンダ５の開口部に対応する位置にシリンダ５の開口部と略同径(同径あるいはこれより若干大きいもの）の開口部１７を有している。ヘッドガスケットには、この開口部１７に沿って導電性部材１８が複数埋め込まれている。導電性部材１８は周辺電極対１２とは異なる材質で構成され、銅等の導電性の高い材料で構成される。

複数の周辺電極対１２を構成する通電電極１２ａ、アース電極１２ｂは導電性部材１８の端部に接合され、複数の周辺電極対１２は導電性部材１８によって電気的に直列に接続される。そして、その一端は、ターミナル（以下、「周辺ターミナル２０」）に接続され、他端はアース端子２１に接続される。

周辺ターミナル２０は最も周辺ターミナル２０側にある導電性部材１８の端部を円柱状の絶縁体でモールドすることで形成される。周辺ターミナル２０は、図１に示すように、シリンダヘッド３、シリンダブロック４それぞれに形成された溝内に収装され、この状態でシリンダヘッド３とシリンダブロック４の間に挟持することで強固に保持される。

周辺ターミナル２０は図示しない点火コイルに接続される。電波ノイズの影響を抑えるために最も周辺ターミナル２０側にある導電性部材１８と周辺ターミナル２０の間に５ｋΩ程度の抵抗を入れるようにしても良い。

周辺点火ギャップ１３の幅の総和は、単一のギャップが安定して火花を飛ばすことのできる幅を周辺点火ギャップ１３の数で割った値を約1.5倍した値に設定される。例えば、圧縮された混合気の中で単一ギャップが安定して火花を飛ばすことのできる幅が3mmであれば、周辺点火ギャップ１３が６個の場合の各周辺点火ギャップ１３の幅は約0.8mmになる。

図３は点火コイルが供給できる２次電流のエネルギーが45mJのとき、空気中で安定して放電可能な周辺点火ギャップ１３の数と幅との関係を示す。周辺点火ギャップ１３の数が多くなるほど幅を小さくしないと火花が飛ばなくなる。例えば、周辺点火ギャップ１３が２個のときは幅を1.2mmにしても火花が飛ぶが、２０個になると0.2mmが火花が飛ぶ限界となる。このデータは空気中で放電させた場合のデータであるため、実際の燃焼室２内の高圧下ではさらに放電可能な周辺点火ギャップ１３の幅は小さくなる。点火コイルの容量を大きくすれば、周辺点火ギャップ１３の幅を大きくできるが、点火コイルに近い周辺点火ギャップ１３からリークする可能性が高くなる。

周辺点火ギャップ１３の幅は、好ましくは、アース端子２１側に近い周辺点火ギャップ１３ほど広くする。これにより、周辺ターミナル２０に近い周辺点火ギャップ１３のブレークダウン電圧（容量成分）を下げ、持続時間（誘導成分）を長くすることができ、周辺ターミナル２０に近い周辺点火ギャップ１３からのリークの可能性を減らすことができる。

一方、複数の周辺電極対１２で構成される点火装置の熱価（熱の逃がしやすさ）は、導電性部材１８の長さを調節することで調整する。つまり、導電性部材１８の長さを長くすれば、周辺電極対１２の熱を導電性部材１８、ヘッドガスケット１５を介してシリンダヘッド３、シリンダブロック４へと逃しやすくなり、点火装置の熱価が大きくなる。好ましくは、周辺電極対１２の温度が、自己清浄作用の得られる500℃から、異常燃焼を余裕を持って避けることができる850℃（高くとも1000℃）の範囲内に保たれるように、導電性部材１８の長さを変更する。

なお、ここでは導電性部材１８の長さを調節して熱価を調節しているが、導電性部材１８の長さを調整することに加えて、あるいは、これに代えて、導電性部材１８の太さ（断面積、丸断面の場合は径）、幅（長手方向に垂直な方向の寸法、厚み含む）、材質を変更することで熱価を調整するようにしても構わない。

ヘッドガスケット１５は、導電性部材１８に高い電圧を印加した場合であっても、周辺点火ギャップ１３とシリンダヘッド３、シリンダブロック４あるいはピストン６の冠面との間のリークを防止する必要があるので、ヘッドガスケット１５の厚みは、周辺点火ギャップ１３とシリンダヘッド３等との間の絶縁抵抗が周辺点火ギャップ１３の絶縁抵抗よりも大きくなるよう設定され、例えば２ｍｍに設定される。

ヘッドガスケット１５は、図４に示すように、対向する面に導電性部材１８及び周辺電極対１２の基部の形状に対応する溝１５ａを少なくとも一方に有する一対の板状部材１５ｂ、１５ｃを、グラスウールを珪素やジルコニウムなどの無機物質からなる水ガラス状のバインダで整形し、さらに、この溝１５ａに導電性部材１８及び周辺電極対１２の基部を収装した状態で一対の板状部材１５ｂ、１５ｃを不燃性、耐熱性を有する接着剤で貼り合わせて製造する。

なお、整形前のグラスウールの内部に導電性部材１８及び周辺電極対１２の基部を埋設し、この状態でガスケット全体を水ガラス状のバインダで整形することで、上記構成のヘッドガスケット１５を一体的に形成するようにしても構わない。

この構成によれば、ヘッドガスケット１５の厚さが2mm程度であっても周辺点火ギャップ１３とシリンダヘッド３等との間で100MΩ以上の高い絶縁抵抗を確保することができ、周辺点火ギャップ１３とシリンダヘッド３等との間のリークを防止することができる。

なお、ヘッドガスケット１５の厚さは均一である必要は無く、必要に応じてシリンダ５の開口部の周りや冷却水が流通する水穴の周囲でヘッドガスケット１５を厚くしたり、接着剤を塗布したり、あるいは、ビードをつけた薄板を設けることによってシール性を向上させてもよい。

続いて、上記多点点火エンジン１の動作について説明する。

燃焼室２には吸気ポートから均質な混合気が導入される。混合気は理論空燃比あるいはこれより小さな（濃い）空燃比の場合もあるが、ここでは燃費を改善するために空気過剰率が２前後の希薄混合気を用いる。燃焼室２に導入された混合気は、中央ターミナル１１、周辺ターミナル２０に高圧の二次電圧を印加し、中央点火ギャップ１０及び複数の周辺点火ギャップ１３から火花を飛ばすことで点火される。

図５は、燃焼室２内の混合気を中央点火ギャップ１０と複数の周辺点火ギャップ１３とで同時に点火した場合の燃焼室２内における火炎の伝播状態を示している。燃焼室２内の火炎の伝播状態は、透明な観察窓を取り付けた定容容器燃焼実験により調べることができる。

火炎は、中央点火ギャップ１０、複数の周辺点火ギャップ１３から同心円状に広がる。さらに、中央点火ギャップ１０からの火炎は燃焼室２の頂部から底部に向けても伝播し、周辺点火ギャップ１３からの火炎は燃焼室２の底部から頂部に向けても伝播する。これにより、火炎が燃焼室２内で三次元的に広がり、混合気の急速燃焼を実現することができる。この急速燃焼は従来の単一の点火ギャップのみを用いての点火では実現し得ないものである。

また、最後に燃焼するのは中央点火ギャップ１０と周辺点火ギャップ１３の間で圧縮される未燃ガスであるが、この部分は冷却により消炎されにくいので、未燃部分を殆ど残すことなく燃焼室２内の混合気を燃焼させることができる。

このように本発明に係る多点点火エンジン１では、点火ギャップ１０、１３からの点火のみで十分な燃焼速度が得られるので、従来のエンジンのようにスキッシュやスワールによるガス流動を利用して燃焼速度を補助する必要がない。ガス流動は却って冷却損失を増大させるので、本発明に係るエンジンにおいては燃焼室２の形状を壁面に起伏の少ないペントルーフ型、半球型とし、ガス流動を生じさせないほうが好適である。

図６は周辺点火ギャップ１３のみで点火した場合と、周辺点火ギャップ１３に加え中央点火ギャップ１０でも点火を行った場合で空気過剰率の上限（リーン限界）を比較したものである。運転条件としては、市街地を走行しているときの運転条件に相当する2,000rpmの部分負荷条件としている。これに示すように、周辺点火ギャップ１３の数に関係なく、周辺点火ギャップ１３のみで点火するよりも、中央点火ギャップ１０と周辺点火ギャップ１３の両方を用いて点火を行ったほうがより高い空気過剰率で運転できることがわかる。

なお、ここでは中央ターミナル１１、周辺ターミナル２０への電圧の印加時期を同時期としているが、好ましくは、中央ターミナル１１に電圧を印加した後に周辺ターミナル２０に電圧を印加し、中央点火ギャップ１０から先に点火する。

中央ターミナル１１への電圧の印加を先に行うと、中央の熱い高圧ガスによって未燃ガスが燃焼室２の周辺で圧縮され、周辺点火ギャップ１３で点火したときの発熱量が大きくなり、かつ、中央で発生した火炎の輻射熱によって周辺部の未燃ガスの温度が上昇する。これにより、壁面による冷却の影響を受けにくくなり、燃焼室２の周辺部における消炎、着火遅れ等がなくなって、安定した燃焼を実現できる。

位相差は、例えば５°に設定されるが、位相差をエンジン１の運転状態（回転速度、負荷、空燃比等）に応じて変化させるようにしても良い。例えば、低速時には位相差を小さく、高速高負荷時には位相差を大きくする。燃焼室２の形状によっては逆の位相差を設けたほうが良い場合も有り得る。

なお、複数の周辺点火ギャップ１３で略同時に点火できるのは、導電性部材１８とシリンダヘッド３あるいはシリンダブロック４との間に微小なコンデンサが形成され、この微小なコンデンサに蓄えられている電荷が火花生成に寄与するためと考えられる。つまり、微小なコンデンサが各導電性部材１８の近傍に形成され、それぞれに電荷が蓄えられているため、ある周辺点火ギャップ１３で放電が起こると、放電によって電荷が流れ込む側に形成されている微小なコンデンサにおいて電荷の容量超過が起こり、これによって隣接する周辺点火ギャップ１３にも高電圧が印加され、放電が連鎖的に起こる。

続いて本発明の作用効果について説明する。

上記構成の多点点火エンジン１によれば、混合気を中心点火ギャップ１０と複数の周辺点火ギャップ１３の両方を用いて点火することにより、燃焼室２内の均質に混合された混合気を急速に燃焼させ、特に薄い混合気であっても急速燃焼が可能になる。急速燃焼が可能になったことにより、従来のエンジンに比べ、より上死点位置近くのタイミングで点火を行うことが可能になり、上昇してくるピストン６が爆発によって押し戻されることによるロスを抑えてエンジン１の出力、燃費を向上させることができる。

また、中心点火ギャップ１０と複数の周辺点火ギャップ１３それぞれから燃焼が始まり、最後に燃焼するのが中央点火ギャップ１０と周辺点火ギャップ１３の間の混合気になるが、この部分は燃焼室２の壁面から遠いため消炎しにくい。したがって、燃焼室２内の混合気を略完全に燃焼させ、排出されるＨＣ、ＣＯの量を減らすことができる。また、希薄燃焼時でも成層燃焼ではなく、混合気を均質にして燃焼させることができるので、極めて薄い混合気を燃焼させ、ＮＯｘの排出を低減することが可能になる。つまり、上記構成の多点点火エンジン１によれば、ＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘいずれの排出量も低減し、排気性能を向上することが可能である。

また、燃焼のサイクル変動が減少し、特に、アイドリング時のエンジン１の安定度が改善されるので、フライホイールを軽量化することができ、これによって燃費をさらに向上させることができる。この場合、エンジン１の過渡特性も改善されるので、加速時のエンジン１の吹き上がりも良好になる。

さらに、中央点火ギャップ１０による点火が複数の周辺点火ギャップ１３による点火よりも先に起こるよう、電圧の印加時期に位相差を設けるようにすれば、中央で発生した高圧ガスによって周辺部における未燃ガスの密度が高くなって着火時の発熱量が増大し、また、中央からの輻射熱によって周辺部における未燃ガスの温度が上昇する。これにより、周辺点火ギャップ１３における着火遅れを縮小するとともに火炎が壁面で冷却されて消炎してしまうのを抑え、周辺からの火炎の燃焼速度を高めることができる。

なお、上記実施形態では、シリンダ５の開口部に沿って６つの周辺点火ギャップ１３を配置しているが、周辺点火ギャップ１３の数はこれに限らず、最適な燃焼状態が得られるよう必要に応じて増減しても構わない。

また、導電性部材１８及び周辺電極対１２の基部をヘッドガスケット１５で保持しているが、これらを絶縁性材料でできたスペーサで保持し、このスペーサの上下をガスケットで挟んだものをシリンダヘッド３とシリンダブロック４とで挟持するようにしても構わない。ただし、エンジン１の圧縮比を上げるためには、上記の通り、導電性部材１８及び周辺電極対１２の基部をヘッドガスケット１５で保持する構成が有利である。

さらに、エンジン１は予混合エンジンではなく、直噴エンジンであってもよい。吸気行程で燃料を燃焼室２内に噴射すれば、燃料が燃焼室２に導入される空気と混合され、ピストン６が上死点に近づくにつれ燃焼室２内に均質な混合気を形成することができる。

第２の実施形態
上記多点点火エンジン１の出力、燃費をさらに向上するにはヘッドガスケット１５を薄くし、エンジン１の圧縮比を上げればよい。圧縮比が上がれば熱効率が改善され、出力や燃費が向上する。しかしながら、ヘッドガスケット１５を薄くすると、周辺点火ギャップ１３とシリンダヘッド３等との距離が近くなり、リークの可能性が高くなる。特に、ヘッドガスケット１５の厚さを6mm以下にすると、リークが頻発する。点火コイルの容量を増大させた場合も同様である。

第２の実施形態は、周辺点火ギャップ１３からシリンダヘッド３、ピストン６の冠面へのリークを抑えるために、図７、図８に示すように、シリンダヘッド３及びピストン６の冠面の周辺点火ギャップ１３の周方向位置に対応する位置にそれぞれリーク防止用の窪み２３、２４をそれぞれ形成している。その他の構成は第１の実施形態と同じである。

リーク防止用の窪み２３、２４は図９、図１０に示すようにシリンダ５の径方向の長さＷが周方向の長さＬよりも短くなるように、かつ、深さＤがシリンダ５の中心に近づくにつれ浅くなるようにしてもよい。この形状にすれば、周辺点火ギャップ１３で発生する火炎を燃焼室２の中央に導くとともに、燃焼室２の中央に伝播するにつれ燃焼室２の頂部に導くことができ、さらなる急速燃焼が可能となる。

なお、シリンダヘッド３、ピストン６の冠面の両方にリーク防止用の窪みを形成しているが、シリンダヘッド３、ピストン６の冠面のうち一方のみへのリークが懸念される場合は、一方にのみリーク防止用の窪みを形成するようにしてもよい。

第３の実施形態
第３の実施形態は、周辺点火ギャップ１３からシリンダヘッド３等へのリークを抑えるため、周辺電極対１２の構成を第１の実施形態と異ならせている。その他の構成は第１の実施形態と同じである。

図１１は第３の実施形態の周辺電極対１２の構成を示したものである。周辺電極対１２の燃焼室２内に露出する部分は直線棒状であり、途中に曲がり部を有していない。また、周辺点火ギャップ１３は、周辺電極対１２を構成する一方の電極（通電電極１２ａ）の先端側側面に他方の電極（アース電極１２ｂ）の先端面を間隔をおいて対峙させることで形成される。電極１２ａ、１２ｂの露出部分がなす角は略９０°である。

この構成によれば、周辺電極対１２が途中に曲がり部を有していない分、周辺電極対１２の途中からリークしにくくなり、周辺点火ギャップ１３からシリンダヘッド３等へのリークを抑えることができる。

また、この構成によれば、周辺電極対１２の厚さを薄くしても熱に対する耐久性が高くなる。また、周辺電極対１２の先端が磨耗しても周辺点火ギャップ１３の間隔が急激に広がることがなく、周辺電極対１２の寿命が長くなる。

なお、ここでは通電電極１２ａの先端側側面にアース電極１２ｂの先端面を対峙させることで周辺点火ギャップ１３を形成しているが、アース電極１２ｂの先端側側面に通電電極１２ａの先端面を対峙させて周辺点火ギャップ１３を形成するようにしても構わない。

第４の実施形態
第４の実施形態は、第３の実施形態と同様に、周辺点火ギャップ１３からシリンダヘッド３等へのリークを抑えるため、周辺電極対１２の構成を第１の実施形態と異ならせている。その他の構成は第１の実施形態と同じである。

図１２は第４の実施形態の周辺電極対１２の構成を示している。周辺電極対１２はいずれも緩やかなＳ字型である。周辺点火ギャップ１３は、周辺電極対１２を構成する通電電極１２ａの先端面とアース電極１２ｂの先端面を間隔をおいて対峙させることで形成される。

この構成によれば、周辺電極対１２が途中に急激な曲がり部を有していない分、周辺電極対１２の途中からシリンダヘッド３等へのリークを抑えることができる。

第５の実施形態
第５の実施形態は、第３の実施形態と同様に、周辺点火ギャップ１３からシリンダヘッド等へのリークを抑えるため、周辺電極対１２、ヘッドガスケット１５の形状を第１の実施形態と異ならせている。その他の構成は第１の実施形態と同じである。

図１３に示すように、第５の実施形態では、ヘッドガスケット１５の周辺電極対１２の基部を保持する部分が燃焼室２の内側（ヘッドガスケット１５の開口部内）に突出している。周辺点火ギャップ１３は、周辺電極対１２を構成する通電電極１２ａの先端面とアース電極１２ｂの先端面を間隔をおいて対峙させることで形成され、周辺点火ギャップ１３を通る円の半径はシリンダ５の半径よりも小さくなる。

この構成によれば、周辺点火ギャップ１３からシリンダヘッド３等までの距離が長くなるので、周辺点火ギャップ１３からシリンダヘッド３等へのリークを抑えることができる。

第６の実施形態
第６の実施形態は、第３の実施形態と同様に、周辺点火ギャップ１３からシリンダヘッド等へのリークを抑えるため、周辺電極対１２の構成を第１の実施形態と異ならせている。また、ピストン６の上死点位置を第１の実施形態よりも上昇させている。その他の構成は第１の実施形態と同じである。

図１４は第６の実施形態の周辺電極対１２の構成を示している。周辺電極対１２の先端面はシリンダ５の開口部に露出しているものの内側には突出しておらず、ヘッドガスケット１５の開口部１７の内周面２７と面一になっている。周辺点火ギャップ１３は周辺電極対１２を構成する通電電極１２ａの先端面とアース電極１２ｂの先端面の間に形成され、周辺点火ギャップ１３を通る円の半径とシリンダ５の半径は同一である。

この構成によれば、周辺電極対１２からの火花がヘッドガスケット１５の開口部１７の内周面２７を伝って飛ぶ沿面放電となり、周辺点火ギャップ１３からシリンダヘッド３等へのリークを抑えることができる。出願人による実験では、厚さ4mmのヘッドガスケットの中間に0.4mm角の白金電極を0.4mmの間隔をおいて埋め込み、放電させても、シリンダヘッド等へのリークは起こらなかった。

さらに、ピストン６と周辺電極対１２とが干渉することがないので、ピストン６の上死点位置を周辺点火ギャップ１３よりも高い位置に設定することができ、これによってエンジン１の圧縮比をさらに高め、エンジン１の出力、燃費をさらに向上することができる。

なお、この構成は、冷間時のアイドリング運転のように混合気が濃くシリンダ５内の温度が低いときには、ヘッドガスケット１５の開口部１７の内周面２７にカーボンが付着し、くすぶりが発生する可能性がある。しかしながら、中央点火ギャップ１０からの点火を併せて行うことで、付着したカーボンを燃焼させることができ、付着したカーボンが原因となって周辺点火ギャップ１３からシリンダヘッド３等へのリークが起こるのを抑えることができる。

第７の実施形態
第７の実施形態は、第３の実施形態と同様に、周辺点火ギャップ１３からシリンダヘッド３等へのリークを抑えるため、周辺電極対１２の構成を第１の実施形態と異ならせている。また、ピストン６の上死点位置を第１の実施形態よりも上昇させている。その他の構成は第１の実施形態と同じである。

図１５は第７の実施形態の周辺電極対１２の構成を示している。ヘッドガスケット１５の開口部１７の内周面２７の周辺点火ギャップ１３に対応する周方向位置にはそれぞれ凹部２９が形成されており、周辺電極対１２の先端はこの凹部２９に露出している。周辺点火ギャップ１３は周辺電極対１２を構成する通電電極１２ａの先端面とアース電極１２ｂの先端面を間隔をおいて対峙させることで形成され、周辺点火ギャップ１３を通る円の半径とシリンダ５の半径は略同一である。

周辺電極対１２の基部に接合される導電性部材１８は、図１６に示すようにヘッドガスケット１５の開口部１７の内周面２７に形成された溝３０に収装、保持され、その側面が内周面２７に露出する。導電性部材１８はこれまでの実施形態と同様に図１７、図１８に示すようにヘッドガスケット１５に埋設するようにしてもよい。

凹部２９の深さは、図１９に示すようにヘッドガスケット１５の厚さ方向中央（周辺電極対が突出する位置に対応）で一番深くなり、ヘッドガスケット１５の上端あるいは下端に近づくにつれて浅くなるようにする。あるいは、加工の容易さを考慮し、図２０に示すようにヘッドガスケット１５の厚さ方向には均一の深さとしてもよい。

あるいは、図２１に示すように、周辺点火ギャップ１３に対応する周方向位置に半球状に凹部２９を形成しても良い。この構成によれば凹部２９の容積を最小限にすることができ、凹部を形成することによるヘッドガスケット１５の強度、気密性の低下を抑えることができる。

このように、第７の実施形態では、周辺点火ギャップ１３の背面に凹部２９が形成され、周辺点火ギャップ１３が燃焼ガスに曝されるので、周辺点火ギャップ１３へのカーボンの付着を抑えることができる。周辺点火ギャップ１３にカーボンが付着することによってリークが発生するのをより一層抑えることができる。

第８の実施形態
第８の実施形態では、周辺点火ギャップ１３を複数のグループにわけ、各グループの周辺点火ギャップ１３を導電性部材１８で電気的に接続し、直列に接続された周辺点火ギャップ１３の一端にそれぞれ点火コイル３１を接続している。

図２２に示す例では、周辺点火ギャップ１３を２つのグループに分け、それぞれの周辺ターミナル２０に点火コイルを接続している。この構成によれば、一つの点火コイルに要求されるエネルギーが小さくなり、最も点火コイルに近い周辺点火ギャップ１３に印加される電圧を下げることができ、リークの発生を抑えることができる。

なお、ここでは独立した点火コイル３１を２つ設けているが、これに代えて図２３に示すように双頭型の点火コイル３２を設け、これに２グループの周辺点火ギャップ１３を接続するようにしても構わない。

また、ここでは２つのグループに分けているが、周辺点火ギャップ１３の数が多い場合は３つ以上のグループに分けても構わない。

第９の実施形態
図２４は第９の実施形態を示す。第９の実施形態は第１の実施形態と異なり、ヘッドガスケット１５とは別体に構成される点火リング３３に導電性部材１８と周辺電極対１２の基部とを埋設し、これをシリンダヘッド３の下面及びシリンダブロック４の上面の少なくとも一方のシリンダ５の開口部に対応する位置に設けられた浅い座ぐり部３４に収装することで、シリンダ５の開口部の周囲に複数の点火ギャップ１３を配置している。

この例では、シリンダヘッド３の下面に座ぐり部３４が形成され、点火リング３３の下面がシリンダヘッド３の下面と同じ高さとなるように座ぐり部３４の深さが設定される。シリンダヘッド３とシリンダブロック４は、座ぐり部３４に点火リング３３を収装し、さらに、既存のエンジンと同じヘッドガスケット３５をシリンダヘッド３とシリンダブロック４の間に挟持した状態で連結される。

点火リング３３は、絶縁性のシリコンベース等のセラミックで導電性部材１８及び周辺電極対１２の基部を保持し、この状態で焼成することによって構成される。先の実施形態のヘッドガスケット１５と同じく、２枚の絶縁材料できた環状部材の間に導電性部材１８と周辺電極対１２の基部を挟み込み、２枚の絶縁材料できた環状部材を不燃性、耐熱性のある接着剤で張り合わせて形成してもよい。

点火リング３３の厚みは先の実施形態のヘッドガスケット１５と同じく、周辺点火ギャップ１３とシリンダヘッド３等との間で必要とされる絶縁抵抗を確保できる厚みに設定される。

このように、導電性部材１８及び周辺電極対１２の基部を埋設する絶縁性部材（点火リング３３）をヘッドガスケット３５とは別体に構成することで、ヘッドガスケット３５として従来のヘッドガスケットをそのまま流用できる。また、絶縁性部材に要求される性能、例えば、耐久性、強度、絶縁性能等をより最適な値に調節することが可能となる。

さらに、第９の実施形態においては、図２５に示すように、最も始端側に位置する導電性部材１８の上面にシリンダ５の軸方向上側に延びる受電ピン３６が形成され、これが点火リング３３の上面からシリンダ５の軸方向上側に突出している。受電ピン３６の周囲は、後述する導電ニードル３８が押し付けられる部位を除いて絶縁材３９で覆われ、受電ピン３６とシリンダヘッド３との間でリークが起こらないようになっている。図２４に示すように、シリンダヘッド３の下面にはピン収装穴４０が形成され、シリンダブロック４にシリンダヘッド３を連結すると、受電ピン３６がこのピン収装穴４０に嵌め込まれる。

さらに、シリンダヘッド３には、ピン収装穴４０とシリンダヘッド３の外側表面とを連通する連通孔４１が形成され、この連通孔４１を通して導電ニードル３８がスプリング４２によって付勢され、受電ピン３６に押し付けられる。導電ニードル３８と連通孔４１の内壁の間には、導電ニードル３８とシリンダヘッド３との間でリークが起こらないよう絶縁材４３が充填される。スプリング４２を導電経路途中に介装する構成としているのは、エンジン１の構成部材の寸法が熱膨張により変化するのをスプリング４２の伸縮によって吸収するためである。

導電ニードル３８の基端側にはターミナル４５が形成される。導電性ニードル３８、スプリング４２は絶縁材料でできたホルダ４６に収装され、ホルダ４６はフランジ部４７をシリンダヘッド３にビス４８でネジ止めすることで固定される。電波ノイズ抑制用の抵抗を挿入する場合には、スプリング４２とターミナル４５の間に挿入するのが好ましい。

なお、ここでは点火リング３３から受電ピン３６をシリンダ軸方向上側に延ばし、これを収装するピン収装穴４０、受電ピン３６に電圧を供給する導電ニードル３８を収装する連通孔４１をシリンダヘッド３に形成しているが、受電ピン３６をシリンダ５の軸方向下方に延ばし、ピン収装穴４０、連通孔４１をシリンダブロック４に形成するようにしても良い。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記実施形態は適宜組み合わせて実施することも可能である。

本発明に係る多点点火エンジンの概略構成図である。 ヘッドガスケットの構成を示した図である。 周辺点火ギャップの数と火花を安定して飛ばすことのできるギャップ幅の関係を示した図である。 ヘッドガスケットの製造方法を説明するための図である。 燃焼室内部の火炎伝播の様子を示した図である。 周辺点火ギャップの数と空気過剰率の上限（リーン限界）の関係を示した図である。 本発明の第２の実施形態を示す図である。 同じく本発明の第２の実施形態を示す図であり、ピストンの上面を示している。 本発明の第２の実施形態の一部変形例を示す図である。 同じく本発明の第２の実施形態の一部変形例を示す図であり、ピストンの上面を示している。 本発明の第３の実施形態を示す図である。 本発明の第４の実施形態を示す図である。 本発明の第５の実施形態を示す図である。 本発明の第６の実施形態を示す図である。 本発明の第７の実施形態を示す図である。 図１５のXVI−XVI断面図である。 本発明の第７の実施形態の一部変形例を示す図である。 図１７のXVIII−XVIII断面図である。 図１５のXIX−XIX断面図である。 本発明の第７の実施形態の一部変形例を示す図である。 本発明の第７の実施形態の一部変形例を示す図である。 本発明の第８の実施形態を示す図である。 本発明の第８の実施形態の一部変形例を示す図である。 本発明の第９の実施形態を示す図である。 同じく本発明の第９の実施形態を示し、点火リングの受電ピンの構成を示している。

符号の説明

１ 多点点火エンジン
２ 燃焼室
３ シリンダヘッド
４ シリンダブロック
５ シリンダ
６ ピストン
８ 点火プラグ
９ 中央電極対
１０ 中央点火ギャップ
１１ 中央ターミナル
１２ 周辺電極対
１３ 周辺点火ギャップ
１５ ヘッドガスケット
１８ 導電性部材
２０ 周辺ターミナル
２３、２４ リーク防止用の窪み
３１ 点火コイル
３３ 点火リング
３６ 受電ピン
３８ 導電ニードル
４１ 連通孔

Claims (23)

1. 底面に燃焼室が形成されたシリンダヘッドと、
   前記燃焼室に対向する位置にシリンダを有するシリンダブロックと、
   前記シリンダに収装されるピストンと、
   前記燃焼室の中央に配置されて中央点火ギャップを形成する中央電極対と、
   前記シリンダの開口部に対応する位置に前記シリンダの開口部と略同径の開口部を有し前記シリンダヘッドと前記シリンダブロックの間に介装される絶縁性部材に保持され、前記シリンダの開口部の内周に沿って複数の周辺点火ギャップを形成する複数の周辺電極対と、
   前記絶縁性部材に埋設され、前記複数の周辺電極対に接続する導電性部材と、
   を備え、燃料と空気が均質に混合された前記燃焼室内の混合気を前記中央点火ギャップと前記複数の周辺点火ギャップの両方を用いて点火し、
   前記複数の周辺電極対と前記導電性部材が異なる材質でできており、前記導電性部材の長さ、太さ、幅の少なくとも一つを変更して前記複数の周辺電極対からなる点火装置の熱価を調節することを特徴とする記載の多点点火エンジン。
2. 前記多点点火エンジンは、吸気ポート内に噴射された燃料を空気と混合することで均質な混合気を生成し、これを前記燃焼室内に導入する予混合エンジンであることを特徴とする請求項１に記載の多点点火エンジン。
3. 前記多点点火エンジンは、吸気行程で前記燃焼室内に燃料を噴射することで前記燃焼室内に均質な混合気を生成する直噴エンジンであることを特徴とする請求項１に記載の多点点火エンジン。
4. 前記複数の周辺点火ギャップへの電圧印加時期と前記中央点火ギャップへの電圧印加時期との間に位相差を設けたことを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の多点点火エンジン。
5. 前記複数の周辺点火ギャップへの電圧印加時期が前記中央点火ギャップへの電圧印加時期よりも遅いことを特徴とする請求項４に記載の多点点火エンジン。
6. 前記複数の周辺点火ギャップは前記シリンダの開口部の内周に沿って周方向に等間隔に配置されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の多点点火エンジン。
7. 前記複数の周辺電極対の全てが前記導電性部材によって電気的に直列に接続され、
   前記直列に接続された複数の周辺電極対の一端に電圧を印加する電圧印加装置を備えたことを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の多点点火エンジン。
8. 前記複数の周辺電極対を複数のグループに分け、
   前記各グループの複数の周辺電極対は前記導電性部材によって電気的に直列に接続され、
   前記各グループの直列に接続された複数の周辺電極対の一端にそれぞれ電圧を印加する電圧印加装置を備えたことを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載の多点点火エンジン。
9. 前記直列に接続された複数の周辺電極対の一端に電気的に接続する受電部材と、
   前記エンジンのシリンダヘッドあるいはシリンダブロックの外側表面から前記受電部材まで延びる貫通孔と、
   前記貫通孔に挿通されて前記受電部材に接触する棒状部材と、
   を備え、前記電圧印加装置は、前記棒状部材を介して前記電圧印加装置から前記複数の周辺電極対に電圧を供給することを特徴とする請求項７または８に記載の多点点火エンジン。
10. 前記絶縁性部材が前記シリンダヘッドと前記シリンダブロックの間に挟持されるヘッドガスケットであることを特徴とする請求項１から９のいずれか一つに記載の多点点火エンジン。
11. 前記シリンダヘッド及び前記シリンダブロックの少なくとも一方には前記シリンダの開口部に対応する位置に座ぐり部が形成されており、
    前記絶縁性部材が前記座ぐり部に収装される環状部材であることを特徴とする請求項１から９のいずれか一つに記載の多点点火エンジン。
12. 前記絶縁性部材は２枚の絶縁性材料でできた板を張り合わせて形成され、
    前記複数の周辺電極対の基部が前記２枚の板の少なくとも一方に形成された凹溝に収装され保持されることを特徴とする請求項１０または１１に記載の多点点火エンジン。
13. 前記複数の周辺点火ギャップを通る円の半径が前記シリンダの開口部の半径と同じであることを特徴とする請求項１から１２に記載の多点点火エンジン。
14. 前記ピストンの上死点位置が前記周辺点火ギャップよりも高い位置に設定されることを特徴とする請求項１３に記載の多点点火エンジン。
15. 前記周辺電極対の先端面と前記絶縁性部材の開口部の内周面が面一であることを特徴とする請求項１３または１４に記載の多点点火エンジン。
16. 前記絶縁性部材の開口部の内周面の前記複数の周辺点火ギャップに対向する位置にはそれぞれ凹部が形成され、前記複数の周辺点火ギャップはそれぞれ対応する凹部に露出することを特徴とする請求項１３または１４に記載の多点点火エンジン。
17. 前記複数の周辺点火ギャップを通る円の半径が前記シリンダの半径よりも小さいことを特徴とする請求項１から１２のいずれか一つに記載の多点点火エンジン。
18. 前記複数の周辺電極対は、少なくとも前記燃焼室に突出する部分が直線棒状であり、
    前記周辺点火ギャップは、前記周辺電極対を構成する一方の電極の端面を他方の電極の側面に間隔をおいて対峙させることで形成されることを特徴とする請求項１７に記載の多点点火エンジン。
19. 前記複数の周辺電極対はＳ字型の電極であり、
    前記周辺点火ギャップは、前記周辺電極対を構成する電極の先端を対峙させることで形成されることを特徴とする請求項１７に記載の多点点火エンジン。
20. 前記絶縁性部材のうち前記複数の周辺電極対を保持する部分が前記燃焼室の内側に突出していることを特徴とする請求項１７に記載の多点点火エンジン。
21. 前記ピストンの冠面の前記複数の周辺点火ギャップの周方向位置に対応する位置にリーク防止用の窪みを形成したことを特徴とする請求項１から２０のいずれか一つに記載の多点点火エンジン。
22. 前記シリンダヘッドの前記複数の周辺点火ギャップの周方向位置に対応する位置にリーク防止用の窪みを形成したことを特徴とする請求項１から２１のいずれか一つに記載の多点点火エンジン。
23. 前記リーク防止用の窪みの前記シリンダの径方向の長さが前記シリンダの周方向の長さよりも長いことを特徴とする請求項２１または２２に記載の多点点火エンジン。

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