JP5022298B2 - エンジン及びエンジン用点火プラグ - Google Patents
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Description
一方、噴孔が点火室の内壁面に沿った方向に形成されていると、当該噴孔を介して燃焼室から流入する混合気の流れは点火室内の外周部分のみを周回するものとなり、当該混合気の流れにより、燃焼後に点火室の中心軸付近に残留している未燃焼残留ガスを排除することは困難である。例えば、図5に示すように、点火室に噴孔20を介して流入した混合気(白い部分)は外周のみを周回し、中心軸X付近に未燃焼残留ガス(黒い部分)が残留している。
前記複数の噴孔のそれぞれは、前記点火室の中心軸に直交する断面視で、前記燃焼室から前記噴孔を介して前記点火室に流入する各混合気の流入方向が、前記噴孔の点火室側端部と前記中心軸とが結ばれる直線に対して前記点火室側端部を軸としてそれぞれ同一回転方向に同一角度ずれて設定され、かつ、前記各噴孔の直径をD1とし、対向する位置に配置され対となる噴孔の中心軸間の距離をD2とした場合に、0.5≦D1/D2≦2の条件を満たすように設定されている点にある。
具体的には、上記流入方向の若干のずれは、点火室の中心軸に直交する断面視で、噴孔の点火室側端部と中心軸とが結ばれる直線に対して点火室側端部を軸としてそれぞれ同一回転方向に同一角度のずれとされ、かつ、各噴孔の直径をD1とし、対向する位置に配置され対となる噴孔の中心軸間の距離をD2とした場合に、0.5≦D1/D2≦2の条件を満たすように設定されている。したがって、対向する位置に配置され対となる噴孔から流入する各混合気は互いに衝突を起こすことがないとともに、点火室の中心軸付近において比較的小さな渦流を形成することができている。ここで、D1/D2が0.5よりも小さいと、各混合気を点火室の中心軸付近に流入させることができなくなり、D1/D2が2よりも大きいと、対向して流入する各混合気が衝突して不安定なガス流動を生じるおそれがある。上記D1/D2は、噴流の広がりを無視するとD1=D2(D1/D2=1)の条件を満たしていることが好ましい。しかし噴孔の形状などによって噴流の広がり具合は異なり、最適な値は若干異なる。
本願において、渦流とは、点火室の中心軸を中心として回転する渦流で、点火室の中心軸付近に形成される回転(旋回)渦流をいい、噴孔の点火室側端部とは、点火室の中心軸に直交する断面において、噴孔が点火室に接する最も内側の箇所をいう。
前記複数の噴孔のそれぞれは、前記燃焼室から前記噴孔を介して前記点火室に流入する各混合気の流入方向が、前記点火室の中心軸に直交する断面視で、前記噴孔の点火室側端部と前記中心軸とが結ばれる直線に対して、前記点火室側端部を軸としてそれぞれ同一回転方向に5度以上20度以下の角度ずれて設定されている点にある。
具体的には、上記流入方向の若干のずれは、点火室の中心軸に直交する断面視で、噴孔の点火室側端部と中心軸とが結ばれる直線に対して、点火室側端部を軸としてそれぞれ同一回転方向に5度以上20度以下の角度ずれて設定されているので、当該各混合気は、点火室の半径(点火室側端部と中心軸とが結ばれる直線)の5分の2以下程度を半径とする円の領域内において合流し、当該領域内である点火室の中心軸付近において比較的小さな渦流を形成することができる。ここで、角度が5度よりも小さいと、対向して流入する各混合気が衝突して不安定なガス流動が生じるおそれがあり、角度が20度よりも大きいと、各混合気を点火室の中心軸付近に流入させることができなくなる。
また、混合気に火花点火して燃焼させた後においては、噴孔から燃焼室に燃焼火炎を即座に噴射することができ、希薄燃焼の場合であっても燃焼室内において確実に混合気を燃焼させて燃焼効率の高効率化を図ることができる。
前記複数の噴孔のそれぞれは、前記点火室の中心軸に直交する断面視で、前記燃焼室から前記噴孔を介して前記点火室に流入する各混合気の流入方向が、前記噴孔の点火室側端部と前記中心軸とが結ばれる直線に対して前記点火室側端部を軸としてそれぞれ同一回転方向に同一角度ずれて設定され、かつ、前記各噴孔の直径をD1とし、対向する位置に配置され対となる噴孔の中心軸間の距離をD2とした場合に、0.5≦D1/D2≦2の条件を満たすように設定されている点にある。
具体的には、上記流入方向の若干のずれは、点火室の中心軸に直交する断面視で、噴孔の点火室側端部と中心軸とが結ばれる直線に対して点火室側端部を軸としてそれぞれ同一回転方向に同一角度のずれとされ、かつ、各噴孔の直径をD1とし、対向する位置に配置され対となる噴孔の中心軸間の距離をD2とした場合に、0.5≦D1/D2≦2の条件を満たすように設定されている。したがって、対向する位置に配置され対となる噴孔から流入する各混合気は互いに衝突を起こすことがないとともに、点火室の中心軸付近において比較的小さな渦流を形成することができている。ここで、D1/D2が0.5よりも小さいと、各混合気を点火室の中心軸付近に流入させることができなくなり、D1/D2が2よりも大きいと、対向して流入する各混合気が衝突して不安定なガス流動を生じるおそれがある。上記D1/D2は、噴流の広がりを無視するとD1=D2(D1/D2=1)の条件を満たしていることが好ましい。しかし噴孔の形状などによって噴流の広がり具合は異なり、最適な値は若干異なる。
前記複数の噴孔のそれぞれは、前記燃焼室から前記噴孔を介して前記点火室に流入する各混合気の流入方向が、前記点火室の中心軸に直交する断面視で、前記噴孔の点火室側端部と前記中心軸とが結ばれる直線に対して、前記点火室側端部を軸としてそれぞれ同一回転方向に5度以上20度以下の角度ずれて設定されている点にある。
具体的には、上記流入方向の若干のずれは、点火室の中心軸に直交する断面視で、噴孔の点火室側端部と中心軸とが結ばれる直線に対して、点火室側端部を軸としてそれぞれ同一回転方向に5度以上20度以下の角度ずれて設定されているので、当該各混合気は、点火室の半径(点火室側端部と中心軸とが結ばれる直線)の5分の2以下程度を半径とする円の領域内において合流し、当該領域内である点火室の中心軸付近において比較的小さな渦流を形成することができる。ここで、角度が5度よりも小さいと、対向して流入する各混合気が衝突して不安定なガス流動が生じるおそれがあり、角度が20度よりも大きいと、各混合気を点火室の中心軸付近に流入させることができなくなる。
ここで、図1は、エンジン100のシリンダ3上部とシリンダヘッド6下部周辺における縦断面図であり、図2は、図1における点火室8近傍の中心軸Xに直交するII−II面の
平断面図であり、図3は、図1における点火室8近傍の中心軸Xに平行なIII−III面の縦断面図である。
図1に示すように、エンジン100は、ピストン2と、ピストン2を収容するシリンダ3と、シリンダ3の上部に設けられピストン2の天面Hとシリンダ3の内側面とにより燃焼室1を形成するシリンダヘッド6と、シリンダヘッド6の下部に混合気Mに火花点火する点火プラグ7とを備えている。そして、ピストン2をシリンダ3内で往復運動させると共に、吸気バルブ4及び排気バルブ(図示せず)を開閉動作させて、燃焼室1において吸気、圧縮、燃焼・膨張、排気の諸行程を行い、ピストン2の往復動を連結棒(図示せず)によってクランク軸(図示せず)の回転運動として出力されるものであり、このような構成は、通常の4ストローク内燃機関と変わるところはない。なお、このエンジン100は、例えば、吸気バルブ4と排気バルブとを一つずつ設けた2弁式のエンジンである。
図1に示すように、後述するシリンダヘッド6と対向するピストン2の天面H(ピストン2のヘッド面で、縦置きエンジンの場合は最上部に位置する面)の中央部には、いわゆる深皿型の凹部2aが形成されている。これにより、燃焼室1は、ピストン2の天面Hとシリンダ3の内面との間の空間に加え、凹部2aにて形成される空間から構成されている。このように燃焼室1を形成することにより、圧縮行程においてピストン2が上昇するときに、凹部2aの周囲から凹部2aの中心に向かう渦流、いわゆるスキッシュを発生させるように構成されている。
エンジン100のシリンダヘッド6には、吸気バルブ4を介して燃焼室1に混合気Mを供給できるように吸気ポート5が設けられており、この吸気ポート5内に配置された燃料供給弁9から供給された燃料Gと空気Aとが適切に混合されて混合気Mが形成されている。この混合気Mの混合割合は、エンジン100の運転状況に応じて適宜変更することができるように設定されている。なお、後述する点火プラグ7の点火室8に供給される混合気Mは、吸気ポート5から吸気バルブ4を介して燃焼室1に供給され、この燃焼室1から噴孔10を介して点火室8に流入する混合気Mに限られており、点火プラグ7の点火室8に噴孔10を介さずに直接燃料Gや混合気Mが供給されることはない。
図1に示すように、シリンダヘッド6の下部のピストン2の凹部2aに対向する箇所(シリンダヘッド6の最下面)には、混合気Mに火花点火する点火プラグ7が装着されている。この点火プラグ7の最下部(後述するプラグカバー7bの最下部)は、シリンダヘッド6の最下面及びピストン2の天面Hよりも下側、すなわち、ピストン2が上死点に位置する状態で少なくとも当該ピストン2の凹部2aに侵入するように配置され、また、後述する点火プラグ7の点火点Pもシリンダヘッド6の最下面及びピストン2の天面Hよりも下側、すなわち、ピストン2が上死点に位置する状態で少なくともピストン2の凹部2aに侵入するように配置されている。また、当該プラグカバー7bの最下部は、ピストン2の凹部2aの底面と接触しないように設定されている。すなわち、ピストン2の天面Hから凹部2aの底面までの深さは、シリンダヘッド6の最下面から点火プラグ7のプラグカバー7bの最下部までの長さよりも大きく設定されている。なお、点火プラグ7の点火点Pは、後述するプラグカバー7bにより形成された点火室8の中心軸X上に配置されている。
すなわち、詳細は後述するが、複数の噴孔10がプラグカバー7bに設けられていることにより、圧縮行程において燃焼室1に存在する混合気Mを複数の噴孔10を介して点火室8に流入させることができ、また、燃焼・膨張行程において点火室8で形成された燃焼火炎を複数の噴孔10を介して燃焼室1に噴射させることができる。
ここで、プラグ本体7aとプラグカバー7bとは、当該プラグ本体7aの下部及び点火点Pを覆うように一体的に形成されて点火プラグ7を構成しており、点火室8、点火点P、噴孔10のプラグ本体7a、プラグカバー7bに対する相対的な位置関係を予め適宜設定した上で点火プラグ7を形成することができ、エンジン100への装着が容易となっている。
なお、プラグカバー7bの厚さは、十分な熱耐久性・強度を確保できるとともに、混合気Mの点火室8への流入方向を確実に設定できる程度の厚さであれば特に制限されないが、例えば、1.5〜3mm程度の厚さとすることができる。また、プラグカバー7bは、例えば、SUS(ステンレス鋼)等の材料により構成することができる。
エンジン100は、上記のような構成を採用することにより、燃焼室1に吸気された混合気Mをピストン2の上昇により圧縮して、圧縮された混合気Mを燃焼室1からプラグカバー7bに設けられた噴孔10を介して点火室8に流入させ、点火室8に流入した混合気Mを点火室8において点火プラグ7により火花点火して燃焼させて、点火室8から噴孔10を介して燃焼室1に燃焼火炎を噴射するように構成されている。以下、そのエンジン100における1サイクルの動作状態について説明する。
後に、吸気バルブ4が閉状態となり、ピストン2の上昇により、燃焼室1に吸気された混合気Mを圧縮する、いわゆる圧縮行程が行われる。
そして、圧縮行程では、ピストン2の上昇により、燃焼室1の容積減少によって、燃焼室1の混合気Mが噴孔10を介して点火室8に流入し、点火室8には、混合気Mの流入によりガス流動が発生することで、この混合気Mと未燃焼残留ガスが既に存在する場合にはこの未燃焼残留ガスとが混合されて、火花点火可能範囲内(例えば1程度)の当量比の混合気Mが形成される。
本願のエンジン100では、特に、本願の点火プラグ7のプラグカバー7bに設けられた複数の噴孔10は、上記圧縮行程において、燃焼室1からの混合気Mを点火室8内の中心軸X付近、好ましくは点火点P付近に案内するようなガス流動(中心軸Xを回転中心とする比較的小さな渦流S)を発生させることができるように構成されている。ここで、渦流とは、点火室8の中心軸Xを中心として回転する渦流で、点火室8の中心軸X付近に形成される回転(旋回)渦流をいう。
、噴孔10の点火室側端部Lと中心軸Xとが結ばれる直線に対して、点火室側端部Lを軸としてそれぞれ同一回転方向(図2では、反時計回り方向)に同一の角度α(例えば、図2では、α=10度程度)ずれて形成されている。なお、角度αは、5度以上20度以下程度とすることが好ましい。さらに、この流入方向が、各噴孔10の直径をD1、対向する位置に配置され対となる噴孔10の中心軸Y間の距離(最短距離)をD2とした場合に、0.5≦D1/D2≦2の条件を満たすように形成されている。
なお、噴孔10の点火室側端部Lとは、点火室8の中心軸Xに直交する断面において、噴孔10が点火室8に接する最も内側の箇所をいう。
したがって、上記圧縮行程において、燃焼室1から噴孔10を介して点火室8に流入した混合気Mは、点火室側端部Lと中心軸Xとが結ばれる直線から角度αだけずれた経路で中心軸X付近に直接流入し、各混合気Mと中心軸X付近で合流する。したがって、対向する位置に配置され対となる噴孔10から流入する各混合気Mは互いに衝突を起こすことがないとともに、点火室8の中心軸X付近において比較的小さな渦流Sを形成することができる。
なお、上記所定の角度βは、上記混合気Mを点火点P付近に案内することができる角度であれば適宜選択することができる。ちなみに、角度を小さくし過ぎると、各噴孔10から流入した各混合気Mによる渦流Sが点火点Pに到達する前に減衰して、的確に点火点P付近に案内し難くなるおそれがあり、角度を大きくし過ぎると、渦流Sが点火室8の天井壁に向かい点火点P付近に案内することが困難となるおそれがある。
以下、点火室8におけるガス流動についてのシミュレーション結果を、図4、図5に基づいて説明する。
〔実施例〕
図4(a)は、本願の実施例に係る点火室8内の混合気Mの燃料Gの濃度分布を示す縦断面図(図3における点火室8内の濃度分布に相当する。)、図4(b)は、図4(a)における点火室8の濃度分布を示す平断面図、図5(a)は、比較例に係る点火室8内の混合気Mの燃料Gの濃度分布を示す縦断面図、図5(b)は、図5(a)における点火室8の濃度分布を示す平断面図である。
なお、図上、混合気Mにおいて燃料Gの濃度が濃い部分を黒く、薄い部分を白く示しており、黒い領域ほど酸素濃度が低い未燃焼残留ガスが多く存在することを示している。
したがって、本実施例では、点火点P付近において燃料Gの濃度が比較的濃い領域(空気Aの濃度が比較的薄い領域)が形成されてしまうことを防止して、点火プラグ7の点火点Pにおける失火を防止することができる。
なお、当該点火プラグ7においては、噴孔10の流入方向が、0.5≦D1/D2≦2の条件を満たすように、上記D1/D2を1、角度(α)10度、噴孔10の数を4と設定してシミュレーションを行った。
一方、上記実施例と基本的には同様の条件で、比較例として複数の噴孔20の流入方向を、ある噴孔20の点火室側端部Lから、同一回転方向で隣接する他の噴孔20の点火室側端部Lに向かう概略接線方向とした点火プラグを用いた場合には、図5(a)に示すように、図5(a)の下方である燃焼室1から噴孔を介して混合気Mが流入し、中心軸Xを回転中心とする回転流を形成するものの、実際には、点火室8内の最外周付近にしか混合気Mが流通しておらず、中心軸X付近では回転流のガス流動はほとんど存在していないことがわかる。すなわち、中心軸X付近には点火室8の上下にわたって燃料Gの濃度が比較的濃い領域(図5(a)上、燃料Gの濃度が比較的濃いこと、すなわち空気Aの濃度が比較的薄いことを示す黒い領域)が形成され、未燃焼残留ガスが中心軸X付近、特に点火点P付近に大量に存在していることが確認できる(図5(b)参照)。
なお、比較例の点火プラグにおいては、噴孔20の流入方向を、0.5≦D1/D2≦2の条件を満たさないように点火室8の内壁に沿う方向とし、噴孔20の数を4と設定してシミュレーションを行った。
(1)上記実施形態では、各噴孔10において燃焼室1から点火室8に流入する各混合気Mの流入方向が、中心軸Xに直交する断面視で、噴孔10の点火室側端部Lと中心軸Xとが結ばれる直線に対して、点火室側端部Lを軸としてそれぞれ同一回転方向に同一の角度αずれて形成され、かつ、各噴孔10の直径をD1とし、対向する位置に配置され対となる噴孔10の中心軸Y間の距離をD2とした場合に、0.5≦D1/D2≦2の条件を満たすように形成した。しかしながら、点火室8の中心軸X付近に新しい混合気Mを流入でき、かつ点火室8内における中心軸X付近のガス流動を不安定としない構成であれば上記構成に限定されず、上記角度αを5度以上20度以下に設定するだけでもよい(例えば、図3において、角度αを設定するだけの構成とする)。このように構成しても、基本的には、上記実施例で示したようなシミュレーション結果を得ることができる(図4参照)。
なお、上記角度αは、角度を小さくし過ぎると、対向して流入する各混合気Mが衝突して、点火室8の中心軸X付近において不安定なガス流動が生じるおそれがあり、角度を大きくし過ぎると、各混合気Mを点火室8の中心軸X付近に流入させることが困難となり(中心軸X付近には渦流Sのガス流動がほとんど生じず)、当該中心軸X付近に未燃焼残留ガスが滞留してしまうおそれがある。
2: ピストン
2a: 凹部
3: シリンダ
6: シリンダヘッド
7: 点火プラグ
7a: プラグ本体
7b: プラグカバー
8: 点火室
10: 噴孔
100:エンジン
G: 燃料
A: 空気
M: 混合気
X: 点火室の中心軸
Y: 噴孔の中心軸
L: 噴孔の点火室側端部
P: 点火点
S: 渦流
H: 天面
α: 角度
D1: 噴孔の直径
D2: 対向する位置に配置され対となる噴孔の中心軸間の距離
Claims (6)
- 点火点を覆うプラグカバー内に点火室が形成された点火プラグがシリンダヘッドに装着され、前記点火室とピストンに面する燃焼室とを連通する複数の噴孔が前記プラグカバーに備えられているエンジンであって、
前記複数の噴孔のそれぞれは、前記点火室の中心軸に直交する断面視で、前記燃焼室から前記噴孔を介して前記点火室に流入する各混合気の流入方向が、前記噴孔の点火室側端部と前記中心軸とが結ばれる直線に対して前記点火室側端部を軸としてそれぞれ同一回転方向に同一角度ずれて設定され、かつ、前記各噴孔の直径をD1とし、対向する位置に配置され対となる噴孔の中心軸間の距離をD2とした場合に、0.5≦D1/D2≦2の条件を満たすように設定されているエンジン。 - 点火点を覆うプラグカバー内に点火室が形成された点火プラグがシリンダヘッドに装着され、前記点火室とピストンに面する燃焼室とを連通する複数の噴孔が前記プラグカバーに備えられているエンジンであって、
前記複数の噴孔のそれぞれは、前記燃焼室から前記噴孔を介して前記点火室に流入する各混合気の流入方向が、前記点火室の中心軸に直交する断面視で、前記噴孔の点火室側端部と前記中心軸とが結ばれる直線に対して、前記点火室側端部を軸としてそれぞれ同一回転方向に5度以上20度以下の角度ずれて設定されているエンジン。 - 前記シリンダヘッドと対向する前記ピストンの天面に凹部が形成されるとともに、前記ピストンが上死点に位置する状態で少なくとも前記プラグカバーが前記凹部に侵入して配置されて、前記点火点が前記天面よりも前記凹部に侵入する側に配置された請求項1又は2に記載のエンジン。
- 点火点を有するプラグ本体と、前記点火点を覆うように前記プラグ本体に設けられたプラグカバーとを備え、
エンジンのシリンダヘッドに装着された状態において、ピストンに面する燃焼室と前記プラグカバー内に形成された点火室とを連通する複数の噴孔が、前記プラグカバーに形成されているエンジン用点火プラグであって、
前記複数の噴孔のそれぞれは、前記点火室の中心軸に直交する断面視で、前記燃焼室から前記噴孔を介して前記点火室に流入する各混合気の流入方向が、前記噴孔の点火室側端部と前記中心軸とが結ばれる直線に対して前記点火室側端部を軸としてそれぞれ同一回転方向に同一角度ずれて設定され、かつ、前記各噴孔の直径をD1とし、対向する位置に配置され対となる噴孔の中心軸間の距離をD2とした場合に、0.5≦D1/D2≦2の条件を満たすように設定されているエンジン用点火プラグ。 - 点火点を有するプラグ本体と、前記点火点を覆うように前記プラグ本体に設けられたプラグカバーとを備え、
エンジンのシリンダヘッドに装着された状態において、ピストンに面する燃焼室と前記プラグカバー内に形成された点火室とを連通する複数の噴孔が、前記プラグカバーに形成されているエンジン用点火プラグであって、
前記複数の噴孔のそれぞれは、前記燃焼室から前記噴孔を介して前記点火室に流入する各混合気の流入方向が、前記点火室の中心軸に直交する断面視で、前記噴孔の点火室側端部と前記中心軸とが結ばれる直線に対して、前記点火室側端部を軸としてそれぞれ同一回転方向に5度以上20度以下の角度ずれて設定されているエンジン用点火プラグ。 - 前記プラグカバーが、前記プラグ本体に一体的に形成されてなる請求項4又は5に記載のエンジン用点火プラグ。
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