JP4253560B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、燃焼室内の混合気に点火する点火プラグを有し、燃焼室内で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、内燃機関の燃焼室内の混合気に点火する点火プラグとして、プラグハウジングを有さず、中心電極を保持する絶縁碍子がシリンダヘッドの取付け穴に直接装着されるものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。この点火プラグの絶縁碍子は、大径化された中間部と、細径の先端部とを有し、当該先端部がシリンダヘッドのプラグ穴に差し込まれると共に、絶縁碍子の後端部にケーシングが装着される。そして、当該ケーシングをシリンダヘッドにボルトで固定することにより、絶縁碍子の中間部がプラグ穴の周囲のシート面に押圧され、絶縁碍子（点火プラグ）が取付け穴内に固定されることになる。なお、内燃機関用の点火装置としては、複数のバルブの何れか１つを点火プラグの中心電極として使用し、他のバルブまたはバルブシートへ直接発火させることにより、点火プラグ自体を省略可能としたものも知られている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００１−１２３９２６号公報 特開平８−３５４７３号公報

上述の点火プラグは、プラグハウジングを要しない分だけ小型化可能なものであるが、当該点火プラグでは、燃焼室に比較的近接する絶縁碍子の中間部が大径化されている。このため、上述のような点火プラグを備えた内燃機関では、シリンダヘッドの点火プラグ周辺に充分な容積の冷却媒体通路を確保することが困難となり、点火プラグを効率よく冷却することができなくなってしまう。

そこで、本発明は、点火プラグの周辺に充分な容積の冷却媒体通路を確保可能であり、点火プラグを良好に冷却す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、燃焼室内の混合気に点火する点火プラグとを含み、燃焼室内で混合気を燃焼させて動力を発生する内燃機関において、点火プラグは、シリンダヘッドと結合する取付部と、高電圧が印加される中心電極と、少なくとも取付部よりも燃焼室側に位置する部位が取付部よりも細く且つ長く形成されており、中心電極を覆って絶縁する碍子とを含み、シリンダヘッドには、点火プラグの取付部と結合する部位と燃焼室との間で碍子を囲む冷却媒体通路が形成され、前記碍子の、前記取付部よりも前記燃焼室側に位置する部位は、前記取付部の前記燃焼室側の端と、前記点火プラグの反燃焼室側の端との間の距離よりも長いことを特徴とする。

この内燃機関は、燃焼室内の混合気に点火する手段として、いわゆるハウジングレス点火プラグを備えるものであり、当該点火プラグの碍子は、少なくとも取付部よりも燃焼室側に位置することになる部位が当該取付部よりも細く且つ長く形成されている。そして、シリンダヘッドには、点火プラグの取付部と結合する部位と燃焼室との間で碍子を囲む冷却媒体通路が形成される。このように、点火プラグとシリンダヘッドとの結合部を燃焼室から遠ざけると共に、点火プラグの碍子の少なくとも取付部よりも燃焼室側に位置することになる部位を当該取付部よりも細く且つ長く形成しておくことより、点火プラグの取付部と結合する部位と燃焼室との間において、シリンダヘッドに充分な容積の冷却媒体通路が確保され、点火プラグを良好に冷却することが可能となる。

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複数の点火プラグが配設されていると好ましい。

このように、吸気弁および排気弁の間に複数の点火プラグが配設される場合であっても、本発明によれば、各点火プラグ（碍子）を囲む充分な容積の冷却媒体通路をシリンダヘッドに確保することができるので、各点火プラグを良好に冷却することが可能となる。

更に、碍子は、冷却媒体と直接接触するように冷却媒体通路を貫通しているとよい。

このような構成を採用すれば、冷却媒体通路の容積を更に拡大させたり、吸気弁および排気弁の間に配設される点火プラグの数を増加させたりすることができると共に、冷却媒体通路内で冷却媒体を良好に循環させて、点火プラグをより一層効率よく冷却することが可能となる。

また、吸気弁または排気弁のバルブシートが点火プラグの中心電極と対をなす接地電極として利用されると好ましい。

このような構成を採用すれば、混合気を点火させるための構成をより一層コンパクト化すると共に、良好な点火性能を得ることが可能となる。

本発明によれば、点火プラグの周辺に充分な容積の冷却媒体通路を確保可能となり、点火プラグを良好に冷却す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、本発明の一実施形態に係る内燃機関のシリンダヘッド構造を模式的に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５により画成される燃焼室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、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、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、それぞれ吸気通路３に接続され、各燃焼室２の２つの排気ポートは、それぞれ排気通路４に接続されている。更に、内燃機関１のシリンダヘッド５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、吸気通路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、複数の点火プラグ１０を有している。本実施形態では、３体の点火プラグ１０が、シリンダヘッド５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によって囲まれるシリンダヘッド５の中央部に配設されており、各点火プラグ１０の発火点は燃焼室２の上部中央付近に臨む。

ここで、本実施形態で用いられる点火プラグ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。このように、１つの燃焼室２に対して備えられる複数の点火手段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５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可能となる。

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かつ長尺の碍子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の一方の端部（図３における上端部、すなわち、燃焼室２と反対側の端部）には、低炭素鋼等により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に比べて短い全長（例えば１６〜２６ｍｍ程度）を有し、碍子１７の一方の端部に熱カシメ等により強固に固定される。そして、ハウジング１８の下部外周には、シリンダヘッド５のプラグホール５１の上端部５１ａ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。すなわち、点火プラグ１０は、ハウジング１８の雄ねじ１８ａをプラグホール５１の上端部５１ａに螺合させることにより、シリンダヘッド５に固定されることになり、ハウジング１８は、シリンダヘッド５と結合する点火プラグ１０の取付部として機能する。なお、燃焼室２の上内壁（天井面）から、ハウジング１８と螺合する上端部５１ａの下端までの長さは、最低で２０ｍｍ程度確保されればよい。

図３からわかるように、点火プラグ１０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５のプラグホール５１に挿入される碍子１７の燃焼室２側の部位１７ａを覆っていない。そして、碍子１７は、基本的にハウジング１８の外径（例えば８〜１４ｍｍ程度）よりも細い外径（例えば５〜８ｍｍ程度）を有するように形成されており、碍子１７の少なくともハウジング１８よりも燃焼室側に位置することになる部位１７ａは、ハウジング１８よりも細くなっている。碍子１７のハウジング１８よりも燃焼室側に位置することになる部位１７ａは、プラグホール５１内に収容され、碍子１７の先端は、プラグホール５１の燃焼室側端部近傍に達する。なお、本実施形態では、碍子１７の燃焼室側の端部が、ハウジング１８に近接した部位よりも更に細く形成されている。

一方、中心電極１２と対をなすことになる環状の接地電極２０は、シリンダヘッド５とは異なる材料（例えば低炭素鋼）により形成されている。接地電極２０は、プラグ本体１１が挿入されるプラグホール５１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。

更に、内燃機関１のシリンダヘッド５には、図２および図３に示されるように、プラグホール５１の上端部５１ａ（点火プラグ１０のハウジング１８と結合する部位）と燃焼室２との間で薄い壁部５ａを介して各点火プラグ１０の碍子１７を囲む冷却媒体通路５２が形成されている。この冷却媒体通路５２には、例えばエンジン冷却水等の冷却媒体が循環供給される。

ここで、上述のように、燃焼室２内の混合気に点火する手段としてシリンダヘッド５に複数備えられているのは、いわゆるハウジングレス式の点火プラグ１０であり、しかも、各点火プラグ１０の碍子１７は、少なくともハウジング（取付部）１８よりも燃焼室側に位置することになる部位が当該ハウジング１８よりも細く形成されている。そして、内燃機関１では、図３に示されるように、各点火プラグ１０とシリンダヘッド５との結合部（ハウジング１８およびプラグホール５１の上端部５１ａ）が燃焼室２から上方に遠ざけられている。

これにより、内燃機関１では、吸気弁Ｖｉおよび排気弁Ｖｅの間に複数の点火プラグ１０が配設されるシリンダヘッド５に対して、各点火プラグ１０（碍子１７）の周囲に充分な容積の冷却媒体通路５２を確保することができるので、各点火プラグ１０を適切かつ効率よく冷却して、点火性能を良好に維持することが可能となる。なお、上述の構成は、１つの燃焼室に対して吸気弁および排気弁の間に複数の点火プラグが配設される内燃機関に対して有効なものであるが、１つの燃焼室に対して１体の点火プラグが設置される内燃機関にも有効なものであることはいうまでもない。

また、内燃機関１では、図１および図２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１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１０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。この結果、燃焼室２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２の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２の内壁に達するタイミングとを概ね一致させ、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。

以上より、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、例えば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。

図４は、本実施形態の内燃機関の変形例を模式的に示す拡大斜視図である。同図に示される内燃機関１Ａも４バルブエンジンとして構成されており、そのシリンダヘッド５には、燃焼室２内の混合気に点火するために、吸気弁と排気弁との間に、上述のハウジングレス式の点火プラグ１０と、プラグハウジングを備えた一般的な点火プラグ１０Ａとが１体ずつ配置されている。この内燃機関１Ａにおいても、点火プラグ１０の碍子１７は、少なくともハウジング（取付部）１８よりも燃焼室側に位置することになる部位が当該ハウジング１８よりも細く形成されており、各点火プラグ１０とシリンダヘッド５との結合部（ハウジング１８およびプラグホールの上端部）が燃焼室２から上方に遠ざけられている。

これにより、内燃機関１Ａにおいても、シリンダヘッド５に対して、点火プラグ１０（碍子１７）および点火プラグ１０Ａの周囲に充分な容積の冷却媒体通路（図示省略）を確保可能となり、点火プラグ１０および１０Ａを適切かつ効率よく冷却して、点火性能を良好に維持することができる。また、点火プラグ１０は、図５に示されるように、中心電極１２の先端部１２ａが吸気バルブ用の２つのバルブシート６同士の隙間に位置するようにシリンダヘッド５に装着されており、内燃機関１Ａでは、吸気弁用のバルブシート６が中心電極１２と対をなす接地電極として利用される。このような構成を採用することにより、混合気を点火させるための構成をより一層コンパクト化すると共に、良好な点火性能を得ることが可能となる。なお、排気バルブ用のバルブシートも中心電極１２と対をなす接地電極として利用され得ることはいうまでもない。

また、上述の内燃機関１，１Ａに対して、点火プラグ１０や１０Ａに加えて、または、点火プラグ１０，１０Ａの何れかに代えて、図６に示されるようなハウジングレス式の点火プラグ１０Ｂが備えられてもよい。図６に示される点火プラグ１０Ｂは、上述の点火プラグ１０に比べて短尺の碍子１７Ｂと、シリンダヘッド５と結合する取付部としてのハウジング１８Ｂとを有している。そして、図６に示されるように、点火プラグ１０Ｂは、ポート下（本実施形態では、排気通路（排気ポート）４の下方）において斜めに延在するようにシリンダヘッド５に配置される。更に、点火プラグ１０Ｂは、中心電極の先端部１２ａが排気バルブ用のバルブシート７の近傍に位置するようにシリンダヘッド５に装着されており、図６の例では、排気弁用のバルブシート７が接地電極として利用される。

図６に示されるような構成を採用することにより、シリンダヘッド５の余剰スペースを有効に利用しつつ、点火性能を向上させることができる。また、吸気弁と排気弁との間の点火プラグ１０または１０Ａの何れかの代わりに、ポート下にハウジングレス式の点火プラグ１０Ｂを追設することにより、吸気弁と排気弁との間の点火プラグのために、十分な容積の冷却媒体通路を確保することが可能となる。

図７は、本発明による内燃機関の他の実施形態を示す断面図である。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７の内燃機関１Ｂも、先の実施形態に係る内燃機関１と同様に、吸気弁および排気弁の間に配置された少なくとも１体のハウジングレス点火プラグ１０を備える。内燃機関１Ｂにおいても、点火プラグ１０の碍子１７は、少なくともハウジング（取付部）１８よりも燃焼室側に位置することになる部位が当該ハウジング１８よりも細く形成されており、点火プラグ１０とシリンダヘッド５との結合部（ハウジング１８等）は、燃焼室２から上方に遠ざけられている。

そして、内燃機関１Ｂのシリンダヘッド５に対しても、点火プラグ１０のハウジング１８と結合する部位５ｂと燃焼室２との間に、エンジン冷却水等の冷却媒体が循環供給される冷却媒体通路５２が形成されるが、本実施形態の内燃機関１Ｂでは、上述の内燃機関１のシリンダヘッド５に含まれていた冷却媒体通路５２内で碍子１７を覆う壁部５ａが省略されている。すなわち、本実施形態の内燃機関１Ｂでは、点火プラグ１０の碍子１７が冷却媒体通路５２を貫通しており（冷却媒体通路５２内で露出されており）、碍子１７の大半の部位が冷却媒体通路５２内の冷却媒体と直接接触することになる。

これにより、内燃機関１Ｂでは、冷却媒体通路５２の容積を更に拡大させたり、吸気弁および排気弁の間に配設される点火プラグの数を増加させたりすることができると共に、冷却媒体通路５２内で冷却媒体を良好に循環させて、点火プラグ１０をより一層効率よく冷却することが可能となる。この場合、ハウジング１８とシリンダヘッド５との間および碍子１７の先端部とシリンダヘッド５との間には、シール手段としてのＯリング２１が配置され、これらのＯリング２１により、冷却媒体通路５２からシリンダヘッド５の外部や燃焼室２内へのエンジン冷却水等の漏洩が確実に抑制される。なお、本実施形態において、冷却媒体通路５２の高さＨ（図７参照）は、１つの燃焼室２に対して配置される点火プラグ１０の数が１本である場合、最低でおよそ８ｍｍ程度確保されれば、点火プラグ１０を充分に冷却することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関を示す拡大斜視図である。 図１の内燃機関を説明するための断面図である。 図１の内燃機関の要部を示す拡大断面図である。 本発明の一実施形態に係る内燃機関の変形例を示す拡大斜視図である。 図４の内燃機関の要部を示す拡大断面図である。 本発明の一実施形態に係る内燃機関の他の変形例を示す拡大斜視図である。 本発明による内燃機関の他の実施形態を示す断面図である。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ 内燃機関
２ 燃焼室
３ 吸気通路
４ 排気通路
５ シリンダヘッド
６，７ バルブシート
１０，１０Ａ，１０Ｂ 点火プラグ
１１ プラグ本体
１２ 中心電極
１２ａ 先端部
１７，１７Ｂ 碍子
１８，１８Ｂ ハウジング
２０ 接地電極
２１ Ｏリング
５１ プラグホール
５１ａ 上端部
５２ 冷却媒体通路
Ｖｅ 排気弁
Ｖｉ 吸気弁

Claims (4)

1. 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、前記燃焼室内の混合気に点火する点火プラグとを含み、前記燃焼室内で前記混合気を燃焼させて動力を発生する内燃機関において、
   前記点火プラグは、前記シリンダヘッドと結合する取付部と、高電圧が印加される中心電極と、少なくとも前記取付部よりも前記燃焼室側に位置する部位が前記取付部よりも細く且つ長く形成されており、前記中心電極を覆って絶縁する碍子とを含み、
   前記シリンダヘッドには、前記点火プラグの前記取付部と結合する部位と前記燃焼室との間で前記碍子を囲む冷却媒体通路が形成され、
   前記碍子の、前記取付部よりも前記燃焼室側に位置する部位は、前記取付部の前記燃焼室側の端と、前記点火プラグの反燃焼室側の端との間の距離よりも長いことを特徴とする内燃機関。
2. 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前記点火プラグが配設されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記碍子は、冷却媒体と直接接触するように前記冷却媒体通路を貫通していることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関。
4. 前記吸気弁または前記排気弁のバルブシートが前記点火プラグの前記中心電極と対をなす接地電極として利用されることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の内燃機関。

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