JP4156993B2

JP4156993B2 - 内燃機関

Info

Publication number: JP4156993B2
Application number: JP2003281193A
Authority: JP
Inventors: 直巳戸佐; 幸一辻
Original assignee: Toyota Motor Corp; Yamaha Motor Co Ltd
Current assignee: Toyota Motor Corp; Yamaha Motor Co Ltd
Priority date: 2003-07-28
Filing date: 2003-07-28
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2023-07-28
Also published as: JP2005048656A

Description

本発明は、燃焼室内で燃料および空気の混合気を燃焼させて動力を発生する内燃機関に関する。

従来から、複数の発火点を有する点火プラグを備えた内燃機関が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この内燃機関に備えられた点火プラグは、外側電極（接地電極）と中心電極との対を複数組有しており、互いに対をなす外側電極と中心電極との間に形成される点火ギャップ部が発火点となる。そして、この内燃機関では、吸気弁（吸気ポート）および排気弁（排気ポート）によって囲まれたシリンダヘッドの中央部に、上述の点火プラグが１本配置される。

特開２００１−１６４９４０号公報

しかしながら、上述のように構成された従来の内燃機関には、次のような問題点が存在していた。すなわち、上述の複数の発火点を有する点火プラグでは、外側電極と中心電極との間隔（点火ギャップ部の長さ）が小さすぎると、混合気が点火ギャップ部に到達できなくなり、燃焼室内で良好な燃焼状態を得ることが困難となる。その一方で、点火ギャップの長さを十分に確保しようとすれば、点火プラグ全体をコンパクトに構成することが困難となり、場合によっては、点火プラグを吸気弁および排気弁によって囲まれた狭隘なシリンダヘッドの中央部に配置できなくなる。この場合、点火プラグをシリンダヘッドの中央部に配置するために、吸気弁および排気弁のサイズを小さくしたり、ポート数を減らしたりしたのでは、内燃機関の吸排気性能の悪化を招いてしまう。

そこで、本発明は、吸排気性能を良好に確保しつつ、燃焼室内で混合気を確実に点火させ、良好な燃焼状態を得ることができる内燃機関の提供を目的とする。

本発明による内燃機関は、シリンダヘッドと、このシリンダヘッドにより画成され、吸気弁により開閉される吸気ポートおよび排気弁により開閉される排気ポートを有する燃焼室とを含み、燃焼室内で燃料および空気の混合気を燃焼させて動力を発生する内燃機関において、吸気弁および排気弁の間に位置するようにシリンダヘッドに複数の点火プラグが取り付けられており、複数の点火プラグのうちの少なくとも何れか１体は、高電圧が印加される中心電極および当該中心電極を覆って絶縁する碍子を有し、この碍子の少なくとも燃焼室側の端部がハウジングにより覆われていないプラグ本体と、シリンダヘッドとは異なる材料により形成されており、中心電極の先端部の外周を囲むようにシリンダヘッドに取り付けられる環状の接地電極とを含むハウジングレス点火プラグであることを特徴とする。

この内燃機関は、複数の点火プラグを備えるものであり、複数の点火プラグのうちの少なくとも何れか１体として、小さな占有スペースを有するコンパクトなハウジングレス点火プラグを含む。これにより、この内燃機関では、吸気弁および排気弁のサイズや、ポート数を減じることなく、吸気弁および排気弁の間の狭隘な領域に複数の点火プラグを配置することが可能となる。そして、吸気弁および排気弁の間の狭隘な領域に複数の点火プラグを配置することにより、燃焼室内で混合気を失火させることなく、確実に点火させることが可能となる。従って、この内燃機関によれば、吸排気性能を良好に確保しつつ、燃焼室内で混合気を確実に点火させ、良好な燃焼状態を得ることができる。

また、吸気弁および排気弁の間に位置するようにシリンダヘッドに少なくとも３体の点火プラグが取り付けられており、排気弁に寄せて配置された点火プラグの数が吸気弁に寄せて配置された点火プラグの数よりも多いと好ましい。

一般に、燃焼室の内部温度は、吸気側よりも排気側で低くなるので、燃焼室の排気弁周辺の領域では、火炎の伝播速度が遅くなる。この点に鑑みて、この内燃機関では、吸気弁および排気弁の間に位置するようにシリンダヘッドに少なくとも３体の点火プラグが取り付けられると共に、排気弁に寄せて配置された点火プラグの数が、吸気弁に寄せて配置された点火プラグの数よりも多く定められる。これにより、吸気弁に寄せて配置された点火プラグから吸気弁側の燃焼室内壁までの幾何学的距離に比べて、排気弁に寄せて配置された点火プラグから排気弁側の燃焼室内壁までの幾何学的距離を短くすることができるので、排気弁周辺の温度が吸気側よりも低くなっていたとしても、吸気側の領域で火炎が燃焼室内壁に達するタイミングと、排気側の領域で火炎が燃焼室内壁に達するタイミングとを概ね一致させ、燃焼室の内部全体において良好に火炎を伝播させることが可能となる。

本発明による他の内燃機関は、シリンダヘッドと、このシリンダヘッドにより画成され、吸気弁により開閉される吸気ポートおよび排気弁により開閉される排気ポートを有する燃焼室とを含み、燃焼室内で燃料および空気の混合気を燃焼させて動力を発生する内燃機関において、吸気弁および排気弁の間に位置するようにシリンダヘッドに少なくとも３体の点火プラグが取り付けられており、排気弁に寄せて配置された点火プラグの数が、吸気弁に寄せて配置された点火プラグの数よりも多いことを特徴とする。

本発明によれば、吸排気性能を良好に確保しつつ、燃焼室内で混合気を確実に点火させ、良好な燃焼状態を得ることができる内燃機関の実現が可能となる。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明による内燃機関を示す拡大斜視図である。同図に示される内燃機関１は、シリンダヘッドＣＨにより画成された燃焼室２（図３参照）の内部でガソリン等の燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室２内でピストン（図示省略）を往復移動させることにより動力を発生するものである。なお、図１には１気筒のみが示されるが、内燃機関１は多気筒エンジンとして構成されると好ましく、本実施形態の内燃機関１は、例えば４気筒エンジンとして構成される。

また、本実施形態の内燃機関１は、いわゆる４バルブエンジンとして構成されており、各燃焼室２には、吸気ポートおよび排気ポートがそれぞれ２つずつ設けられている。各燃焼室２の２つの吸気ポートは、それぞれ吸気管３に接続され、各燃焼室２の２つの排気ポートは、それぞれ排気管４に接続されている。更に、内燃機関１のシリンダヘッドＣＨには、各吸気ポートを開閉する吸気弁Ｖｉ（図２参照）と、排気ポートを開閉する排気弁Ｖｅ（図２参照）とが燃焼室２ごとに配設されている。２体の吸気弁Ｖｉおよび２体の各排気弁Ｖｅは、例えば、可変バルブタイミング機能を有する動弁機構（図示省略）によって開閉させられる。また、内燃機関１は、図示されないインジェクタを気筒数に応じた数だけ有している。インジェクタは、燃焼室２ごとに少なくとも１体ずつ備えられており、ガソリン等の燃料を燃焼室２の内部に直接噴射する。なお、インジェクタは、吸気管３（吸気ポート）の内部に燃料を噴射するものであってもよい。

そして、内燃機関１は、燃焼室２の内部で燃料および空気の混合気を点火させるために、複数（本実施形態では、２体）の点火プラグ１０，１０Ａを有している。本実施形態では、点火プラグ１０，１０Ａが、シリンダヘッドＣＨの吸気弁Ｖｉ（吸気ポート）および排気弁Ｖｅ（排気ポート）の間の領域、すなわち、吸気弁Ｖｉおよび排気弁Ｖｅによって囲まれたシリンダヘッドＣＨの中央部に取り付けられており、各点火プラグ１０，１０Ａの発火点は燃焼室２の上部中央付近に臨む。ここで、２体の点火プラグ１０，１０Ａのうちの一方の点火プラグ１０Ａは、一般的な構成を有するものであるのに対して、もう一方の点火プラグ１０は、いわゆるハウジングレス点火プラグとして構成されている。

ハウジングレス点火プラグとして構成される点火プラグ１０は、プラグ本体１１と、環状の接地電極２０とを含むものである。図３に示されるように、プラグ本体１１は、図示されない電源から高電圧が印加される略円柱状の中心電極１２、略円筒状の中軸１４およびターミナル１５を備える。中心電極１２と中軸１４との間には、抵抗体である導電性のグラスシール１６が介装されており、このグラスシール１６によって中心電極１２と中軸１４とが互いに固定されると共に電気的に接続される。また、ターミナル１５は、中軸１４の上端開口に圧入されている。中心電極１２、中軸１４およびグラスシール１６は、高純度アルミナ等によりおおむね円筒状に形成された一体型の碍子１７によって被覆されており、これにより外部から絶縁されている。ただし、中心電極１２の先端部１２ａ（図３における下端部）のみは、碍子１７から露出されている。

碍子１７の長手方向中央部には、低炭素鋼等により短尺の概ね円筒形状に形成されたハウジング１８が装着されている。ハウジング１８は、碍子１７の長手方向中央部に熱カシメ等により強固に固定され、ハウジング１８の下部外周には、シリンダヘッドＣＨのプラグホールに形成された雌ねじと螺合する雄ねじ１８ａが形成されている。このハウジング１８は、一般的な点火プラグのハウジングとは異なり、シリンダヘッドＣＨのプラグホールに挿入される碍子１７の燃焼室２側の端部１７ａを覆っていない。

一方、環状の接地電極２０は、シリンダヘッドＣＨとは異なる材料（例えばステンレス）により形成されている。接地電極２０は、プラグ本体１１が挿入されるシリンダヘッドＣＨのプラグホールの燃焼室側端部近傍に固定され、碍子１７から露出された中心電極１２の先端部１２ａの外周を囲む。この結果、点火プラグ１０では、中心電極１２の先端部１２ａと、環状の接地電極２０との間に形成される放電ギャップにおいて火花放電がなされ、それにより、燃焼室２内の混合気が点火されることになる。

上述のように、内燃機関１は、複数の点火プラグのうち、一方の点火プラグ１０が小さな占有スペースを有するコンパクトなハウジングレス点火プラグとして構成されている。従って、内燃機関１では、吸気弁Ｖｉおよび排気弁Ｖｅのサイズや、ポート数を減じることなく、吸気弁Ｖｉおよび排気弁Ｖｅの間の狭隘なシリンダヘッドＣＨの中央部に複数の点火プラグ１０，１０Ａを配置することが可能となる。そして、狭隘なシリンダヘッドＣＨの中央部に複数の点火プラグ１０，１０Ａを配置することにより、燃焼室２内で混合気を失火させることなく、確実に点火させることが可能となる。

この結果、内燃機関１によれば、吸排気性能を良好に確保しつつ、燃焼室２の内部で混合気を確実に点火させて良好な燃焼状態を得ることが可能となる。すなわち、内燃機関１では、良好な始動性能が得られると共に、排気還流量が増加させられた状態でも安定した燃焼を実行することが可能となる。また、内燃機関１では、希薄燃焼運転時においても希薄な混合気を確実に点火させることができるので、燃費を向上させると共に、過渡状態におけるレスポンスを向上させることができる。

なお、本実施形態では、ハウジングレス点火プラグ１０が吸気弁Ｖｉ側に配置されると共に一般的な点火プラグ１０Ａが排気弁Ｖｅ側に配置されるが、これに限られるものではなく、ハウジングレス点火プラグ１０が排気弁Ｖｅ側に配置され、一般的な点火プラグ１０Ａが吸気弁Ｖｉ側に配置されてもよい。また、ハウジングレス点火プラグ１０と一般的な点火プラグ１０Ａとのうちの一方を主点火プラグとして使用し、他方を補助的な副点火プラグとして使用してもよい。

更に、図２からわかるように、排気弁Ｖｅ側に配置される点火プラグ１０Ａとシリンダヘッド頂面の中心との間の距離は、吸気弁Ｖｉ側に配置される点火プラグ１０とシリンダヘッド頂面の中心との間の距離よりも長く設定されると好ましい。これにより、吸気弁Ｖｉに寄せて配置された点火プラグ１０から吸気弁Ｖｉ側の燃焼室２の内壁までの幾何学的距離（最短距離）に比べて、排気弁Ｖｅに寄せて配置された点火プラグ１０Ａから排気弁Ｖｅ側の燃焼室２の内壁までの幾何学的距離（最短距離）を短くすることができるので、排気弁Ｖｅ周辺の温度が吸気側よりも低くなっていたとしても、燃焼室２の内部全体において良好に火炎を伝播させることが可能となる。

図４は、本発明による内燃機関の他の実施形態を示す拡大斜視図である。なお、上述の実施形態に関連して説明されたものと同一の要素には同一の参照符号が付され、重複する説明は省略される。

図４に示される内燃機関１Ａも、シリンダヘッドＣＨにより画成された燃焼室（図示省略）の内部でガソリン等の燃料および空気の混合気を燃焼させ、燃焼室内でピストン（図示省略）を往復移動させることにより動力を発生するものである。図４の内燃機関１Ａは、ハウジングレス点火プラグとして構成された上述の点火プラグ１０（図３参照）を３体備えている。

このように、１つの燃焼室に備えられる複数の点火プラグのすべてをコンパクトなハウジングレス点火プラグとすることにより、吸気弁Ｖｉ（吸気ポート）および排気弁Ｖｅ（排気ポート）の間の狭隘なシリンダヘッドＣＨの中央部に複数（３体）の点火プラグ１０を配置することが可能となり、それにより、燃焼室２内で混合気を失火させることなく、確実に点火させることができる。この結果、内燃機関１Ａによっても、吸排気性能を良好に確保しつつ、燃焼室内で混合気を確実に点火させて良好な燃焼状態を得ることが可能となる。

また、本実施形態では、図４および図５に示されるように、吸気弁Ｖｉ側に１体の点火プラグ１０が配置される一方、排気弁Ｖｅ側に２体の点火プラグ１０が配置されている。すなわち、内燃機関１Ａでは、排気弁Ｖｅに寄せて配置された点火プラグ１０の数が吸気弁Ｖｉに寄せて配置された点火プラグ１０の数よりも多く定められている。これにより、吸気弁Ｖｉに寄せて配置された点火プラグ１０から吸気弁Ｖｉ側の燃焼室内壁までの幾何学的距離（最短距離）に比べて、排気弁Ｖｅに寄せて配置された点火プラグ１０から排気弁Ｖｅ側の燃焼室内壁までの幾何学的距離（最短距離）を短くすることができる。この結果、燃焼室の内部温度が吸気側よりも排気側で低下し、排気弁Ｖｅ周辺における火炎の伝播速度が遅くなったとしても、吸気側の領域で火炎が燃焼室内壁に達するタイミングと、排気側の領域で火炎が燃焼室内壁に達するタイミングとを概ね一致させ、燃焼室の内部全体において良好に火炎を伝播させることが可能となる。

なお、内燃機関１Ａにおいても、図５に示されるように、排気弁Ｖｅ側に配置される点火プラグ１０とシリンダヘッド頂面の中心との間の距離は、吸気弁Ｖｉ側に配置される点火プラグ１０とシリンダヘッド頂面の中心との間の距離よりも長く設定されると好ましい。これにより、排気弁Ｖｅに寄せて配置された点火プラグから排気弁Ｖｅ側の燃焼室２の内壁までの幾何学的距離（最短距離）をより一層短くすることができるので、燃焼室２の内部全体において火炎を速やかに伝播させることが可能となる。

本発明による内燃機関の一実施形態を示す拡大斜視図である。図１に示される内燃機関の燃焼室の内部を下方から見た模式図である。図１の内燃機関に含まれるハウジングレス点火プラグを例示する部分断面図である。本発明による内燃機関の一実施形態を示す拡大斜視図である。図４に示される内燃機関の燃焼室の内部を下方から見た模式図である。

符号の説明

１，１Ａ内燃機関
２燃焼室
１０，１０Ａ点火プラグ
１１プラグ本体
１２中心電極
１７碍子
１７ａ端部
１８ハウジング
２０接地電極
ＣＨシリンダヘッド
Ｖｅ排気弁
Ｖｉ吸気弁

Claims

シリンダヘッドと、このシリンダヘッドにより画成され、吸気弁により開閉される吸気ポートおよび排気弁により開閉される排気ポートを有する燃焼室とを含み、前記燃焼室内で燃料および空気の混合気を燃焼させて動力を発生する内燃機関において、
前記吸気弁および前記排気弁の間に位置するように前記シリンダヘッドに複数の点火プラグが取り付けられており、
前記複数の点火プラグのうちの少なくとも何れか１体は、
高電圧が印加される中心電極および当該中心電極を覆って絶縁する碍子を有し、この碍子の少なくとも燃焼室側の端部がハウジングにより覆われていないプラグ本体と、
前記シリンダヘッドとは異なる材料により形成されており、前記中心電極の先端部の外周を囲むように前記シリンダヘッドに取り付けられる環状の接地電極とを含むハウジングレス点火プラグであることを特徴とする内燃機関。
前記吸気弁および前記排気弁の間に位置するように前記シリンダヘッドに少なくとも３体の点火プラグが取り付けられており、排気弁側に配置される点火プラグとシリンダヘッドの頂面の中心との距離は、吸気弁側に配置される点火プラグとシリンダヘッド頂面の中心との距離よりも長く設定され、かつ、排気弁側に配置される点火プラグの本数が吸気弁側に配置される点火プラグの本数よりも多いこと特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
シリンダヘッドと、このシリンダヘッドにより画成され、吸気弁により開閉される吸気ポートおよび排気弁により開閉される排気ポートを有する燃焼室とを含み、前記燃焼室内で燃料および空気の混合気を燃焼させて動力を発生する内燃機関において、
前記吸気弁および前記排気弁の間に位置するように前記シリンダヘッドに少なくとも３体の点火プラグが取り付けられており、排気弁側に配置される点火プラグとシリンダヘッドの頂面の中心との距離は、吸気弁側に配置される点火プラグとシリンダヘッド頂面の中心との距離よりも長く設定され、かつ、排気弁側に配置される点火プラグの本数が吸気弁側に配置される点火プラグの本数よりも多いことを特徴とする内燃機関。
シリンダヘッドと、このシリンダヘッドにより画成され、２つの吸気弁により開閉される２つの吸気ポートおよび２つの排気弁により開閉される２つの排気ポートを有する燃焼室とを含み、前記燃焼室内で燃料および空気の混合気を燃焼させて動力を発生する内燃機関において、
前記２つの吸気弁および前記２つの排気弁により囲まれた前記燃焼室の頂面の中央部の領域に位置するように前記シリンダヘッドに少なくとも３体の点火プラグが取り付けられており、前記燃焼室を下面から見たとき前記燃焼室の頂面の中心より排気弁側に配置される点火プラグと前記燃焼室の頂面の中心との距離は、前記燃焼室の頂面の中心より吸気弁側に配置される点火プラグと前記燃焼室の頂面の中心との距離よりも長く設定され、かつ、排気弁側に配置される点火プラグの本数が吸気弁側に配置される点火プラグの本数よりも多いことを特徴とする内燃機関。