JP4582045B2 - 筒内直接噴射型火花点火式内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、筒内直接噴射型火花点火式内燃機関に関する。

従来、自動車のガソリンエンジンに用いられる点火プラグの構造として、１つの中心電極と、中心電極の周囲に配置されるとともに中心電極との間で火花放電が行われる接地電極を１つ備える構造がある（例えば、特許文献１）。
特開昭６０―１９８０７７号公報

インジェクタを用いて燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内直接噴射型火花点火式内燃機関において、インジェクタが点火プラグに向かって燃料を直接的に噴射するスプレーガイド式のエンジンでは、圧縮行程に噴射した燃料の一部が，直接中心電極に到達・気化することに加え、残りの一部の燃料が，高温の接地電極にぶつかることによって拡散して空気との混合／気化が促進され、中心電極の周辺に滞留して混合気を形成する。そして、この混合気に点火してこれを燃焼する。これにより，点火プラグの周辺を理論空燃比近傍とし，燃焼室全体では極めてリーンな空燃比での燃焼，所謂成層希薄燃焼を実現する。

特許文献１に開示されているように一つの接地電極を備える点火プラグの場合、接地電極が中心電極を挟んでインジェクタと反対側に配置されると、インジェクタから噴射された燃料の大部分は中心電極を通過した後に接地電極に接触し，中心電極通過前に接触するのは，接地電極先端の一部のみに限られる。

つまり、インジェクタから噴射された燃料は、接地電極にぶつかることによって拡散して空気との混合／気化が促進されることがほとんどなく、中心電極を通過する。それゆえ、接地電極が中心電極を挟んでインジェクタと反対側に配置される場合、中心電極の近傍に混合気が滞留しにくくなる。

安定した成層希薄燃焼を実現するには、点火の際に中心電極の周囲に理論空燃比近傍の混合気を配置する必要があるが、中心電極に直接到達する燃料だけでは不足であるため，接地電極に衝突した後，中心電極に導かれる燃料が重要となり，少なすぎると過薄となり点火不能，多すぎると過濃となりプラグのくすぶりを招いてしまう。接地電極が中心電極を挟んでインジェクタと反対側に配置される場合では、接地電極に衝突する燃料が少ないため，中心電極の周囲は空燃比がリーンな状態になってしまう。この結果、燃料を安定して燃焼することができない。

したがって、本発明の目的は、接地電極が中心電極を挟んでインジェクタの反対側に配置されても、安定した成層希薄燃焼を実現する筒内直接噴射型火花点火式内燃機関を提供することにある。

本発明の筒内直接噴射型火花点火式内燃機関は、点火プラグと、インジェクタと、一対の噴霧制御縦壁部とを備える。前記点火プラグは、プラグ本体と、前記プラグ本体に設けられる中心電極と、前記プラグ本体において前記中心電極の周りに設けられて前記中心電極との間で火花放電が行われる接地電極とを備える。前記一対の噴霧制御縦壁部は、前記インジェクタと前記中心電極との間に設けられて前記インジェクタから噴射された燃料の少なくとも一部を前記中心電極側へ導く。前記一対の噴霧制御縦壁部のうち一方は、前記噴射口から前記中心電極へ向かう仮想線を挟んで一方側に配置される。他方は、前記仮想線を挟んで他方側に配置される。前記一対の噴霧制御縦壁部間には、隙間が設けられる。

この構造によれば、接地電極が中心電極を挟んでインジェクタと反対側に配置されても、インジェクタから噴射された燃料の一部は、噴霧制御部により中心電極へ導かれる。

また、この構造によれば、噴霧制御縦壁部間を通って中心電極側へ導かれる。

本発明によれば、接地電極が中心電極を挟んでインジェクタの反対側に配置されても、燃料が中心電極まで導かれるので、安定した成層希薄燃焼を実現できる。

本発明の第１の実施形態に係る筒内直接噴射型火花点火式内燃機関を、図１〜３を用いて説明する。エンジン２０は、多気筒エンジンである。また、エンジン２０は、筒内直接噴射型火花点火式内燃機関である。

図１は、エンジン２０の1つの燃焼室３０の近傍の断面図を示している。図１に示すように、エンジン２０は、シリンダブロック２１と、シリンダヘッド２２となどを備えている。

シリンダブロック２１には、複数のシリンダ２３が形成されている。シリンダ２３には、ピストン２４が収容されている。ピストン２４は、図示しないコンロッドを介してクランクシャフトに連結されている。ピストン２４は、燃焼ガスの圧力エネルギを受けてシリンダ２３内を往復動する。クランクシャフトは、ピストン２４の往復動によって、回転する。シリンダブロック２１において、シリンダ２３の近傍には、ウォータージャケット２５が形成されている。ウォータージャケット２５内には、冷却水が流動している。

シリンダヘッド２２は、シリンダブロック２１の上端面２１ａに固定されている。シリンダヘッド２２において、シリンダ２３と重なる部位には、燃焼凹部２２ｂが形成されている。燃焼凹部２２ｂは、例えば屋根型である。燃焼凹部２２ｂは、上端面２１ａに開口するシリンダ２３の開口を覆っている。

燃焼凹部２２ｂと、ピストン２４の外面と、シリンダ２３の内面とによって規定される空間は、燃焼室３０となっている。

シリンダヘッド２２には、吸気通路２６と排気通路２７とが形成されている。吸気通路２６の一端は、燃焼凹部２２ｂ内に開口している。吸気通路２６において燃焼凹部２２ｂ側の開口端は、吸気口２６ａになっている。吸気口２６ａには、吸気バルブ２８が設けられている。

排気通路２７の一端は、燃焼凹部２２ｂ内に開口している。排気通路２７において燃焼凹部２２ｂ側の開口端は、排気口２７ａになっている。排気口２７ａには、排気バルブ２９が設けられている。

シリンダヘッド２２には、燃料Ｆ（図２に示す）を噴射するインジェクタ４０と、点火プラグ５０とが設けられている。

インジェクタ４０は、燃料Ｆを噴射する噴射口４１を有している。インジェクタ４０は、噴射口４１が燃焼凹部２２ｂの頂点部分２２ｃの近傍から燃焼凹部２２ｂ内に臨むように、シリンダヘッド２２の頂点部分２２ｃの近傍に取り付けられている。

点火プラグ５０は、燃焼凹部２２ｂの頂点部分２２ｃの近傍において、インジェクタ４０を避けた位置に取り付けられている。具体的には、点火プラグ５０は、インジェクタ４０に対して、図中右にずれた位置の傾斜部分２２ｅから燃焼室３０内に臨むように取り付けられている。

点火プラグ５０は、プラグ本体５１と、１つの中心電極５２と、１つの接地電極５３とを備えている。

プラグ本体５１は、点火プラグ５０において当該点火プラグ５０が固定される相手部材例えばシリンダヘッド２２などに支持される部分の概念である。プラグ本体５１は、略円柱状である。プラグ本体５１は、例えば、プラグハウジング５４や図示しない中軸や碍子５５などを備えている。中軸は、プラグハウジング５４内に収容される。中軸は、プラグハウジング５４内に電流を導く。碍子５５は、プラグハウジング５４内に収容されるとともに、一部がプラグハウジング５４の一端から出ている。

プラグ本体５１の先端側の周面には、ねじ部５６が形成されている。ねじ部５６には、雄ねじが形成されている。シリンダヘッド２２において点火プラグ５０が固定される部位には、ねじ部５６と螺合するように、雌ねじ部２２ｄが形成されている。雌ねじ部２２ｄには、雌ねじが形成されている。ねじ部５６が雌ねじ部２２ｄに螺合することによって、点火プラグ５０は、シリンダヘッド２２に固定される。

図２は、燃焼凹部２２ｂにおいてプラグ本体５１の先端側の周囲を拡大して示す断面図である。図２に示すように、中心電極５２は、プラグ本体５１内に収容されており、プラグ本体５１の軸心線Ｃ上に配置されている。中心電極５２は、碍子５５によって囲まれている。

上記したように、点火プラグ５０が屋根型である燃焼凹部２２ｂの頂点部分２２ｃを避けた位置（傾斜部分２２ｅ）に取り付けられていることにともない、中心電極５２は、インジェクタ４０の噴射口４１よりも燃焼室３０の内側に位置するようになる。

接地電極５３は、プラグ本体５１の先端において中心電極５２の周囲に設置されている。接地電極５３は、本体部５７と延出部５８とを有している。

本体部５７の基部分５７ａは、プラグ本体５１に固定される。本体部５７は、例えばプラグ本体５１の軸心線方向Ｄに沿って中心電極５２の先端よりも進んだ位置まで延びている。本体部５７は、例えば軸心線方向Ｄと略平行である。なお、軸心線方向Ｄは、軸心線Ｃが延びる方向である。

延出部５８は、本体部５７の先端５７ｂから軸心線方向Ｄを横切る方向例えば軸心線方向Ｄを略垂直に横切る方向Ｅに沿って、軸心線方向Ｄに中心電極５２と向かい合う位置を越えるように延びている。それゆえ、接地電極５３は、側面から見ると略Ｌ字形状である。

シリンダヘッド２２においてインジェクタ４０と点火プラグ５０との間には、噴霧制御部６０が設けられている。図３は、図２に示されるＦ３−Ｆ３線に沿う矢視図である。図３は、中心電極５２の軸心線方向Ｄ（中心電極５２は、プラグ本体５１の軸心線Ｃ上に配置されているため）に沿って、燃焼室３０内からインジェクタ４０と点火プラグ５０を見ている。

図３に示すように、噴霧制御部６０は、一対の噴霧制御縦壁部６１を備えている。これら一対の噴霧制御縦壁部６１は、シリンダヘッド２２の壁面２２ａに沿ってインジェクタ４０の噴射口４１から中心電極５２へ向かう方向Ｙを横切る方向Ｚに沿って並んでおり、噴射口４１から中心電極５２とを結ぶ仮想線の両側に配置されている。また、各噴霧制御縦壁部６１間には、隙間Ｓが規定されている。噴霧制御縦壁部６１の断面は、例えば略矩形である。

図２に示すように、各噴霧制御縦壁部６１は、シリンダヘッド２２に固定されている。各噴霧制御縦壁部６１は、例えば中心電極５２の軸心線方向Ｄに沿って、インジェクタ４０の噴射口４１から噴射された燃料Ｆの一部Ｆ１がぶつかる位置Ｐ１まで延びている。なお、一部Ｆ１には、ハッチングを施している。

つぎに、エンジン２０の動作を説明する。インジェクタ４０は、スプレーガイド式であって燃料Ｆをコーン状に噴射するとともに、燃料Ｆの一部が中心電極５２に向かうように調整されている。図２，３中にハッチングを施して示すように、インジェクタ４０の噴射口４１から噴射された燃料Ｆのうち一部Ｆ１（ハッチングが記されている部分）は、噴霧制御縦壁部６１にぶつかる。

燃料Ｆの一部Ｆ１は、噴霧制御縦壁部６１にぶつかることによって拡散して空気との混合が促進されて混合気Ｍとなる。混合気Ｍは、図中矢印Ａに示すように、隙間Ｓを通って中心電極５２まで運ばれる。隙間Ｓは、本発明で言う連通路として機能する。なお、燃料Ｆの一部Ｆ１は、噴霧制御縦壁部６１にぶつかることによって運動エネルギを失っているので中心電極５２の周囲に滞留する。

ついで、中心電極５２と接地電極５３の延出部５８との間で火花放電が行われることによって、混合気Ｍが燃焼されて、燃料Ｆが燃焼される。

このように構成される点火プラグ５０では、接地電極５３が中心電極５２を挟んでインジェクタ４０の噴射口４１に対して反対側に配置された場合であっても、燃料Ｆの一部Ｆ１は、噴霧制御縦壁部６１にぶつかることによって拡散されるとともに混合気Ｍとなって中心電極５２の周囲に滞留する。

それゆえ、接地電極５３が中心電極５２を挟んでインジェクタ４０の噴射口４１に対して反対側に配置される場合であっても、安定した成層希薄燃焼を実現できる。

さらに、噴霧制御部６０が、複数の噴霧制御縦壁部６１を備えて、これら噴霧制御縦壁部６１間の隙間Ｓを連通路として利用する構造であるので、噴霧制御部６０を簡素な構造にすることができる。

なお、噴霧制御縦壁部６１の数は、２個に限定されるものではない。例えば図４に示すように、噴霧制御縦壁部６１が３個設けられてもよい。図４は、噴霧制御縦壁部６１が３個設けられる場合を示す斜視図である。この場合、各噴霧制御縦壁部６１は、方向Ｚに沿って互いの間に隙間Ｓが規定されるように配置される。ようするに、噴霧制御縦壁部６１を複数設ける場合、これら複数の噴霧制御縦壁部６１を、噴霧制御縦壁部６１間に隙間Ｓが規定されるように配置すればよい。または、噴霧制御縦壁部６１は、一つであってもよい。この場合、噴霧制御縦壁部６１内には、インジェクタ４０から中心電極５２へ向かう方向Ｙに沿って噴霧制御縦壁部６１を貫通するスリットが形成される。混合気Ｍは、このスリット内を通って中心電極５２まで導かれる。スリットは、本発明で言う連通路として機能する。

つぎに、本発明の第２の実施形態に係る筒内直接噴射型火花点火式内燃機関を、図５を用いて説明する。なお、第１の実施形態と同様な機能を有する構成は、同一の符号を付して説明を省略する。本実施形態では、噴霧制御縦壁部６１の構造が第１の実施形態と異なる。他の構造は、第１の実施形態と同様であってよい。上記異なる点について具体的に説明する。

図５は、中心電極５２の軸心線方向Ｄに沿ってシリンダ２３側から見たインジェクタ４０と点火プラグ５０を示す斜視図である。図５に示すように、本実施形態では、噴霧制御縦壁部６１は、一つ設けられており、断面が略台形状である。

噴霧制御縦壁部６１の形状について具体的に説明する。噴霧制御縦壁部６１は、内面６２と外面６３と第１の側面６４と第２の側面６５とを有している。内面６２は、噴霧制御縦壁部６１において中心電極５２側に面する面である。内面６２は、略平面である。外面６３は、内面６２を挟んで中心電極５２の反対側に面する面である。外面６３は、略平面であって、内面に略平行である。方向Ｙに沿う内面６２の幅は、方向Ｙに沿う外面６３の幅よりもせまい。ここで言う幅とは、中心電極５２の軸心線方向Ｄの周方向Ｘに略沿う長さである。

第１の側面６４は、本体部５７において図中上方に位置する側面であって、中心電極５２の軸心線方向Ｄの周方向Ｘを横切る面である。内面６２の幅が外面６３の幅よりも狭いため、第１の側面６４は、外面６３から内面６２へ向かうにしたがい、方向Ｙに対して第２の側面６５側へ傾斜している。第１の側面６４は、基部分５７ａから先端５７ｂにわたって全体が傾斜している。つまり、第１の側面６４は、本発明で言う傾斜部でもある。

第２の側面６５は、本体部５７において図中下方に位置する側面であって、周方向Ｘを横切る面である。内面６２の幅が外面６３に幅よりも狭いため、第２の側面６５は、外面６３から内面６２へ向かうにしたがい、方向Ｙに対して第１の側面６４側へ傾斜している。第２の側面６５は、基部分５７ａから先端５７ｂにわたって全体が傾斜している。つまり、第２の側面６５は、本発明で言う傾斜部でもある。

噴霧制御縦壁部６１の断面は、シリンダヘッド２２に接続される基部分から先端にわたって、上記された略台形状である。なお、本実施形態では、側面６４、６５全体が傾斜部となっているが、中心電極側のみに傾斜部を設けてもよい。この場合でもコアンダ効果を得ることができる。

つぎに、エンジン２０の動作を説明する。図中にハッチングを施して示すように、インジェクタ４０の噴射口４１から噴射された燃料のうち一部Ｆ１は、噴霧制御縦壁部６１の外面６３にぶつかる。

燃料の一部Ｆ１は、噴霧制御縦壁部６１の外面６３にぶつかることによって拡散して空気との混合が促進されて混合気Ｍとなる。混合気Ｍは、図中矢印Ｂに示すように、コアンダ効果によって第１，２の側面６４，６５に沿って中心電極５２まで導かれる。なお、燃料の一部Ｆ１は、噴霧制御縦壁部６１にぶつかることによって運動エネルギを失っているので中心電極５２の周囲に滞留する。

ついで、中心電極５２と接地電極５３の延出部５８との間で火花放電が行われることによって、混合気Ｍが燃焼されて、燃料Ｆが燃焼される。

この構造によれば、接地電極５３が中心電極５２を挟んでインジェクタ４０の噴射口４１の反対側に配置される場合であっても、コアンダ効果を利用して、混合気Ｍを中心電極５２まで導くことができる。それゆえ、接地電極５３が中心電極５２を挟んでインジェクタ４０の噴射口４１に対して反対側に配置される場合であっても、安定した成層希薄燃焼を実現できる。

また、第１，２の側面６４，６５が全域にわたって傾斜しているので、コアンダ効果をさらに得ることができる。

なお、第１実施形態の噴霧制御縦壁部にも傾斜部を設けることによりコアンダ効果を得るようにしても良い。

つぎに、本発明の第３の実施形態に係る筒内直接噴射型火花点火式内燃機関を、図６を用いて説明する。第１及び第２の実施形態では、噴霧制御縦壁部の左右のコアンダ効果について説明したが、本実施形態では、噴霧制御縦壁部の下側のコアンダ効果について説明する。なお、第１の実施形態と同様な機能を有する構造は、同一の符号を付して説明を省略する。本実施形態では、噴霧制御縦壁部６１の構造が第１の実施形態と異なる。他の構造は、第１の実施形態と同様であってよい。上記異なる点について具体的に説明する。

図６は、燃焼室３０においてインジェクタ４０と点火プラグ５０との近傍を拡大して示す断面図である。本実施形態では、噴霧制御縦壁部６１は、例えば１つ設けられている。図６に示すように、噴霧制御縦壁部６１の先端６１ｂは、インジェクタ４０の噴射口４１から噴射された燃料Ｆの一部Ｆ１をコアンダ効果を利用して中心電極５２側へ引き寄せることができる位置Ｐ２に位置している。それゆえ、噴霧制御縦壁部６１の先端６１ｂは、噴射口４１から噴射された燃料Ｆにぶつかる必要はない。なお、噴霧制御縦壁部６１の先端６１ｂに燃料をぶつけることよって拡散して空気との混合が促進された混合気をコアンダ効果で中心電極５２側へ引き寄せてもよい。さらに第２実施形態のように噴霧制御縦壁部６１の先端６１ｂに傾斜部を設け、コアンダ効果により燃料Ｆの一部や混合気を中心電極５２側へ引き寄せてもよい。

この構造によれば、コアンダ効果を利用して燃料Ｆのうち一部Ｆ１を中心電極５２まで導くことができる。それゆえ、接地電極５３が中心電極５２を挟んでインジェクタ４０の噴射口４１に対して反対側に配置される場合であっても、安定した成層希薄燃焼を実現できる。

なお、第１〜３の実施形態では、噴霧制御縦壁部６１は、シリンダヘッド２２に設けられたが、これに限定されない。点火プラグ５０の姿勢、具体的には中心電極５２に対する接地電極５３の位置を制御できる場合、噴霧制御縦壁部６１は、例えばプラグ本体５１にもうけられてもよい。この場合、点火プラグ５０は、噴霧制御縦壁部６１がインジェクタ４０の噴射口４１と中心電極５２との間に配置されるように、位置決めされる。

以上で実施形態の説明を終えるが，本発明の形態はこの実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では燃料をコーン状に噴射しているが，コーン状でなくても良い。

本発明の第１の実施形態に係る筒内直接噴射型火花点火式内燃機関の燃焼室の近傍を示す断面図。 図１に示された燃焼凹部においてプラグ本体の先端側の周囲を拡大して示す断面図。 図２に示されるＦ３−Ｆ３線に沿って示す点火プラグとインジェクタとの矢視図。 本発明の第１の実施形態において、噴霧制御縦壁部が３個設けられた場合における点火プラグとインジェクタとを、中心電極の軸心線方向に沿ってシリンダ側から見た状態を示す斜視図。 本発明の第２の実施形態に係る筒内直接噴射型火花点火式内燃機関において、中心電極の軸心線方向に沿ってシリンダ側から見たインジェクタと点火プラグを示す斜視図。 本発明の第３の実施形態に係る筒内直接噴射型火花点火式内燃機関において、インジェクタと点火プラグとの近傍を拡大して示す断面図。

符号の説明

４０…インジェクタ、５０…点火プラグ、５１…プラグ本体、５２…中心電極、５３…接地電極、６０…噴霧制御部、６１…噴霧制御縦壁部、６４…第１の側面（側面）、６５…第２の側面（側面）、Ｓ…隙間（連通路）、Ｆ１…一部。

Claims (1)

1. プラグ本体と、前記プラグ本体に設けられる中心電極と、前記プラグ本体において前記中心電極の周りに設けられて前記中心電極との間で火花放電が行われる接地電極とを備える点火プラグと、
   燃料を噴射する噴射口を具備するインジェクタと、
   前記インジェクタと前記中心電極との間に設けられて前記インジェクタから噴射された燃料の少なくとも一部を前記中心電極側へ導く一対の噴霧制御縦壁部と
   を具備し、
   前記一対の噴霧制御縦壁部のうち一方は、前記噴射口から前記中心電極へ向かう仮想線を挟んで一方側に配置され、他方は、前記仮想線を挟んで他方側に配置され、
   前記一対の噴霧制御縦壁部間には、隙間が設けられる
   ことを特徴とする筒内直接噴射型火花点火式内燃機関。

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