JP4548369B2

JP4548369B2 - 内燃機関

Info

Publication number: JP4548369B2
Application number: JP2006074169A
Authority: JP
Inventors: 尊雄井上; 公良西沢; 泰弘小西; 俊一三石
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2006-03-17
Filing date: 2006-03-17
Publication date: 2010-09-22
Anticipated expiration: 2026-03-17
Also published as: JP2007247583A

Description

本発明は、火花点火式内燃機関に関し、特に気筒あたりに複数の点火栓を備えた多点点火式内燃機関に関する。

多点点火式内燃機関の従来技術として、特許文献１または特許文献２に開示されたようなものが知られている。この内燃機関では、主軸方向に沿って気筒あたりに３個の点火栓を設け、多点着火とすることで、特に燃焼が滞りがちな排気還流時の燃焼期間の短縮を図っている。
特開平４−１０７６４７号公報特開平６−８８５３０号公報

前記従来技術では、各点火栓から発した燃焼火炎が燃焼室等の壁面に達するまでの距離が不均等であり、特にシリンダボアないしは燃焼室の周辺領域に位置する点火栓からの火炎伝播距離が相対的に短いことに原因して、燃焼効率が損なわれるという問題がある。すなわち、本出願人の知見によれば、１点着火の場合に比較して多点着火では各点火栓から発した燃焼火炎の表面積が全体として大きくなるため、周囲の燃焼室壁面に接して消炎する割合もそれだけ大となり、特に燃焼室辺縁部から発した燃焼火炎は早期にピストン頂面に達して消炎されてしまうことから燃焼効率が損なわれることになる。

本発明は、前記知見に基づき、吸気弁と排気弁とをそれぞれ複数個配置し、前記吸気弁および排気弁に包囲された燃焼室中央領域に第１の点火栓を設けると共に、第１の点火栓に関して略対称位置となる吸排気弁両側方の燃焼室周辺領域にそれぞれ第２、第３の点火栓を配置した内燃機関において、前記各点火栓の放電電極部を通る線の方向から見た燃焼室形状を、前記各放電電極部から発した燃焼火炎が略同時に該放電電極部周囲の燃焼室壁面に達するように形成した。

前記燃焼室としては、例えば前記各点火栓の放電電極部を通る線を中心線とする円筒面からなる燃焼室室凹部をピストン頂部に形成する。

本発明では、前記の構成に基づき、各点火栓の火花間隙からその周囲の消炎面に達するまでの火炎伝播距離が略均等になることから燃焼期間が短くなる。すなわち、燃焼室周辺部の点火栓から発した燃焼火炎が比較的早期にピストンの壁面に達して消炎するようなことがないので、全体として燃焼速度は向上する。この結果、燃焼安定度が向上するので始動直後のアイドル運転時に点火時期リタードをして暖機促進およびＨＣ低減を図ることができ、ＥＧＲ率を増大させて排気組成を改善し、あるいは等容度の悪化を回避して燃費を改善することができ、均等な燃焼となるので高負荷運転領域でのノック特性を改善することができる等、内燃機関の諸性能を改善することができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明が適用可能な内燃機関の概略構成を示している。図中の１は複数の気筒を主軸方向に配設した気筒列を有する多気筒内燃機関の本体、２はその吸気通路、３は吸入ポート部、４はスロットル弁、５は排気ポート部、６は吸気弁、７は排気弁、８は燃料噴射弁、９は燃焼室、１０はピストン、１１〜１３は点火栓である。また、２０はコントロールユニット、２１は吸入空気量センサ、２２はクランク角センサである。２３はシリンダ内にスワールを生起するための制御弁であり、コントロールユニット２０からの指令に基づき、比較的低負荷の運転条件下で吸気通路２の流路面積を絞ってシリンダへの吸気流速を高めることにより吸気スワールを生起する構成となっている。

コントロールユニット２０は、ＣＰＵおよびその周辺装置からなるマイクロコンピュータにより構成されており、運転状態検出装置としての前記各センサ２１、２２からの入力に基づいて内燃機関の運転状態を判断し、燃料の噴射時期、噴射量、点火時期がそれぞれ所定の目標値に一致するように燃料噴射弁８および点火栓１１〜１３の作動を制御する。

図２以下に、前記３個の点火栓１１〜１３の配置および燃焼室形状の詳細を示す。この実施形態の内燃機関は図２に平面視にて示したように気筒あたりに吸気弁６と排気弁７とをそれぞれ２個ずつ配置した４弁形式となっている。３個の点火栓のうち、中央に位置する第１の点火栓１１はメインプラグと称し、前記都合４個の吸気弁６または排気弁７に包囲された燃焼室９の中央領域に位置する。これに対して、第２、第３の点火栓１２，１３はサブプラグと称し、前記第１の点火栓１１に関して略対称位置となる吸気弁６および排気弁７の両側方の燃焼室９の周辺領域に位置する。

前記構成において、図３または図４に示したように、ピストン１０の頂部には、上死点位置にて前記各点火栓１１〜１３のそれぞれの放電電極部１１ｇ〜１３ｇを通る線Ｌｇを中心線とする円筒Ａの外周に相当する円筒面からなる燃焼室凹部９ａを形成してある。また、この燃焼室凹部９ａの長さはシリンダボア径Ｄに略等しい。一方、シリンダヘッド１ａ側の燃焼室形状は、前記点火栓放電電極部１１ｇ〜１３ｇを通る線Ｌｇの付近を稜線とするいわゆるペントルーフ形である。

前記円筒面からなる燃焼室凹部９ａは、ピストン１０とシリンダヘッド１ａとの間に画成される全燃焼室容積に対する割合をできるだけ大きくして、燃焼火炎の消炎までの時間が長くなるように図る。具体的には、燃焼室凹部９ａの容積は、点火栓や動弁系のレイアウトまたは構造や寸法上の制約がある場合であっても、全燃焼室容積に対する割合が約６０％以上であることが望ましい。そして、前記各点火栓の放電電極部を通る線Ｌｇが、前記第２または第３の点火栓の放電電極部１１ｇまたは１３ｇにおいて直交する断面内で、前記円筒の内側で燃焼室空間となる凹部空間の占める面積の割合が、ピストン１０とシリンダヘッド１ａとの間に画成される燃焼室が占める全面積に対して約６０％以上となるように燃焼室が形成される。またこの場合、寸法上は第１の点火栓１１の放電電極部１１ｇから第２の放電電極部１２ｇまたは第３の点火間隙部１３ｇまでの距離Ｌと燃焼室凹部９ａをなす円筒面の直径ｄとを略等しくする。これによって、各点火栓１１〜１３の放電電極部１１ｇ〜１３ｇを通る線Ｌｇを中心とし、直径が第１の点火栓１１の放電電極部１１ｇと第２または第３の点火栓１２、１３の放電電極部１２ｇ、１３ｇとの間隔と略等しい円筒Ａを定義したときに、円筒Ａの内側が概ね燃焼空間となるような凹部空間９ｂがピストン頂部に形成される。

次に、前記のような３点点火方式の燃焼室構造による作用ないし効果につき、図５以下の各図を使用して説明する。図５の（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ全燃焼期間θ_10-90と三種類の区間燃焼期間θ_Ig-10、θ_10-50、θ_50-90との相関を運転状態を変えて調べた結果を示している。全燃焼期間θ_10-90は点火後に質量燃焼割合が１０％から９０％に達するまでの期間として定義し、θ_Ig-10、θ_10-50、θ_50-90はそれぞれ、点火から１０％、１０％から５０％、５０％から９０％に達するまでの期間として定義している。図に示したように、全燃焼期間θ_10-90に対して燃焼後期の期間θ_50-90よりも燃焼中期までの期間θ_10-50のほうが相関がよく、これは質量燃焼割合が５０％程度までの燃焼中期の期間の燃焼速度を高めることが全体の（異なる運転条件でほぼ一様に）燃焼期間θ_10-90を短縮するうえで有効であることを示している。

一方、図６は１点点火と３点点火によるそれぞれの燃焼火炎の半径と表面積または表面積拡大率との関係を比較したものである。３点点火では隣り合う火炎同士が合体するまでは、等伝播距離に対して１点点火よりも全体としての火炎表面積が大きく、燃焼火炎半径に対する表面積の拡大率（火炎表面積の増大速度）が大きい。燃焼室周辺部に位置する第２または第３の点火栓（サブプラグ）から発した燃焼火炎は比較的早期にシリンダボア壁に達して消炎され、さらに３個の燃焼火炎が互いに合体することで表面積の拡大は頭打ちとなる（燃焼火炎半径がＬ／２のとき）。その後、燃焼火炎の表面積拡大率は減少を続け、火炎が隣り合う点火栓間の距離まで成長すると表面積の拡大は止まる。言い換えると、燃焼火炎の表面積が拡大を続けることによって、燃焼期間を大幅に短縮する効果があるのは、燃焼火炎の半径が隣り合う点火栓間の距離に達するまでである。本図においてはピストン頂面での消炎を含めていないので、その後ボア壁によって制限された空間内で３つの球状の火炎が１つの大きな球状（シリンダボアで制限されることを考慮すれば１本の柱状）の火炎へと変化する過程において表面積が幾分減少する。よって、３点点火においては、燃焼火炎の半径が隣り合う点火栓間の距離に達する以前のピストン頂面での消炎を抑制することが重要である。

したがって、３点点火において燃焼効率を高めるためには、質量燃焼割合がおよそ５０％に達するまでの燃焼火炎の消炎を抑制することが望ましいと言える。図７は燃焼火炎の既燃焼部の体積割合と質量割合との関係を示したもので、図示したように質量燃焼割合５０％は体積燃焼割合では約６０％に相当する。燃焼火炎半径が隣り合う点火栓間距離相当に成長するまでの燃焼火炎の表面積の拡大、すなわち燃焼期間の短縮を有効に利用するべく、体積燃焼割合で約６０％または質量燃焼割合で約５０％相当に達するまでピストン頂面での消炎を抑制させる。このような観点から、図２〜図４に示した燃焼室構造においては、各点火栓１１〜１３の放電電極部１１ｇ〜１３ｇを通る線Ｌｇを中心とし、直径が、第１の点火栓の放電電極部１１ｇと第２または第３の点火栓の放電電極部１２ｇまたは１３ｇとの間隔と略等しい円筒を定義したときに、該円筒の内側に含まれるように、凹部空間９ｂがピストン１０の頂部に形成してある。そして、凹部空間９ｂの容積割合（燃焼室凹部９ｂの容積）を、全燃焼室容積の約６０％以上としている。このような燃焼室構造とすることで、３個の点火栓１１〜１３から発した燃焼火炎全体が質量燃焼割合にして約５０％に達するまではピストン壁に達して消炎されるのを抑制することができ、したがって燃焼速度を効果的に高めることが可能となる。全燃焼室に対する凹部空間９ｂの容積割合を、ピストン１０が上死点位置にあるときに合わせておけば、点火時期を変化させてピストンが上死点位置にあるときに燃焼が生じても燃焼速度が低下することはない。

図８〜図１０は、本発明の他の実施形態である。図２〜図４と同一の部分には同一の符号を付して示してある。この実施形態では、各点火栓１１〜１３の放電電極部１１ｇ〜１３ｇを通る線Ｌｇの方向から見て、各放電電極部１１ｇ〜１３ｇから発した燃焼火炎の質量燃焼割合が少なくとも５０％以上に達するまで、あるいは体積燃焼割合が少なくとも５０％以上に達するまでは、各放電電極部１１ｇ〜１３ｇから発した燃焼火炎の大部分が該放電電極部周囲のピストン頂面に達しないように、凹部空間９ｂをピストン頂部上方に設けている。図９において、凹部空間９ｂを含むハッチンブ部分は各放電電極部１１ｇ〜１３ｇから発した燃焼火炎の質量燃焼割合が少なくとも５０％以上または体積燃焼割合が少なくとも６０％以上に達する範囲を示している。円筒Ａはピストンの頂面の一部と重なっているが、ハッチング部分だけで燃焼室全体に対する体積燃焼割合が少なくとも６０％以上、または質量燃焼割合が少なくとも５０％以上に達するように構成されているので、燃焼速度が低下する影響は最小限に抑えられる。そして凹部空間９ｂが概ね円筒に近い形状に形成されているので、点火栓や動弁系のレイアウトまたは構造や寸法状の制約がある場合であっても、前記燃焼割合を実現する構成とすることが可能となる。

なお、前記実施形態の燃焼室凹部９ａは直円筒面状に形成してあるが、各電極部１１ｇ〜１３ｇを通る曲線または屈曲線を設定し、該線分に沿って湾曲または屈曲した形状としてもよい。さらに、本願発明の主要点は、各点火栓の放電電極部を通る線の方向から見た燃焼室形状を、前記各放電電極部から発した燃焼火炎が略同時に該放電電極部周囲の燃焼室壁面に達するように形成することにあり、この要件を満たす限りにおいてどのような燃焼室形状を適用してもよく、例えば燃焼室凹部の横断面を多角形等の非円形形状としてもよい。

本発明の実施形態に係る内燃機関の全体構成図。実施形態の燃焼室構造の概略を示す平面図。実施形態の燃焼室構造の概略を示す正面図。実施形態の燃焼室構造の概略を示す側面図。３点着火における全燃焼期間と部分燃焼期間の関係を示す相関図。１点点火と３点点火によるそれぞれの燃焼火炎の半径と表面積または表面積拡大率との関係を示す説明図。燃焼火炎の既燃焼部の体積割合と質量割合との関係を示す説明図。他の実施形態の燃焼室構造の概略を示す平面図。他の実施形態の燃焼室構造の概略を示す正面図。他の実施形態の燃焼室構造の概略を示す側面図。

符号の説明

１内燃機関の本体
１ａシリンダヘッド
２吸気通路
３吸入ポート部
４スロットル弁
５排気ポート部
６吸気弁
７排気弁
８燃料噴射弁
９燃焼室
９ａ燃焼室凹部
９ｂ凹部空間
１０ピストン
１１第１の点火栓
１１ｇ放電電極部
１２第２の点火栓
１２ｇ放電電極部
１３第３の点火栓
１３ｇ放電電極部

Claims

吸気弁と排気弁とをそれぞれ複数個配置し、前記吸気弁および排気弁に包囲された燃焼室中央領域に第１の点火栓を設けると共に、第１の点火栓に関して略対称位置となる吸排気弁両側方の燃焼室周辺領域にそれぞれ第２、第３の点火栓を配置した内燃機関において、
前記各点火栓の放電電極部を通る線を中心線とする円筒面からなる燃焼室凹部をピストン頂部に形成したことを特徴とする内燃機関。
前記第１の点火栓の放電電極部と第２または第３の点火栓の放電電極部との間隔と、前記円筒面の直径とを略等しく設定し、かつ前記燃焼室凹部の容積が、ピストンとシリンダヘッドとの間に画成される燃焼室の全容積に対して約６０％以上となるように燃焼室を形成した請求項１に記載の内燃機関。
吸気弁と排気弁とをそれぞれ複数個配置し、前記吸気弁および排気弁に包囲された燃焼室中央領域に第１の点火栓を設けると共に、第１の点火栓に関して略対称位置となる吸排気弁両側方の燃焼室周辺領域にそれぞれ第２、第３の点火栓を配置した内燃機関において、
前記各点火栓の放電電極部を通る線の方向から見た燃焼室形状を、前記各放電電極部から発した燃焼火炎が略同時に該放電電極部周囲の燃焼室壁面に達するように形成したことを特徴とする内燃機関。
前記燃焼室形状は、各放電電極部から発した燃焼火炎の質量燃焼割合が約５０％以上に達してから該燃焼火炎が燃焼室壁面に到達する形状である請求項３に記載の内燃機関。
前記燃焼室形状は、各放電電極部から発した燃焼火炎の体積燃焼割合が約６０％以上に達してから該燃焼火炎が燃焼室壁面に到達する形状である請求項３に記載の内燃機関。
吸気弁と排気弁とをそれぞれ複数個配置し、前記吸気弁および排気弁に包囲された燃焼室中央領域に第１の点火栓を設けると共に、第１の点火栓に関して略対称位置となる吸排気弁両側方の燃焼室周辺領域にそれぞれ第２、第３の点火栓を配置した内燃機関において、
前記各点火栓の放電電極部を通る線を中心とし、直径が前記第１の点火栓の放電電極部と第２または第３の点火栓の放電電極部との間隔と略等しい円筒を定義したときに、前記円筒の内側が概ね燃焼空間となるように、凹部空間をピストン頂部上方に設けたことを特徴とする内燃機関。
前記円筒の内側で燃焼空間となる凹部空間の容積割合が、ピストンとシリンダヘッドとの間に画成される燃焼室の全容積に対して約６０％以上となるように燃焼室を形成した請求項６に記載の内燃機関。
前記円筒の内側で燃焼空間となる凹部空間の容積割合が、ピストンとシリンダヘッドとの間に画成される燃焼室の全容積に対して約６０％以上となるのは、上死点においてである請求項７に記載の内燃機関。
前記各点火栓の放電電極部を通る線が、前記第２または第３の点火栓の放電電極部において直交する断面内で、前記円筒の内側で燃焼空間となる凹部空間が占める面積の割合が、ピストンとシリンダヘッドとの間に画成される燃焼室が占める全面積に対して約６０％以上となるように燃焼室を形成した請求項７または請求項８に記載の内燃機関。
吸気弁と排気弁とをそれぞれ複数個配置し、前記吸気弁および排気弁に包囲された燃焼室中央領域に第１の点火栓を設けると共に、第１の点火栓に関して略対称位置となる吸排気弁両側方の燃焼室周辺領域にそれぞれ第２、第３の点火栓を配置した内燃機関において、
前記各点火栓の放電電極部を通る線の方向から見て、前記各放電電極部から発した燃焼火炎の質量燃焼割合が、少なくとも約５０％以上に達するまでは、前記各放電電極部から発した燃焼火炎の大部分が該放電電極部周囲のピストン頂部に達しないように、凹部空間をピストン頂部上方に設けたことを特徴とする内燃機関。
吸気弁と排気弁とをそれぞれ複数個配置し、前記吸気弁および排気弁に包囲された燃焼室中央領域に第１の点火栓を設けると共に、第１の点火栓に関して略対称位置となる吸排気弁両側方の燃焼室周辺領域にそれぞれ第２、第３の点火栓を配置した内燃機関において、
前記各点火栓の放電電極部を通る線の方向から見て、前記各放電電極部から発した燃焼火炎の体積燃焼割合が、少なくとも約６０％以上に達するまでは、前記各放電電極部から発した燃焼火炎の大部分が該放電電極部周囲のピストン頂部に達しないように、凹部空間をピストン頂部上方に設けたことを特徴とする内燃機関。