JP5085419B2 - エンジン及びエンジン用点火プラグ - Google Patents

Description

本発明は、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、及び、エンジンのシリンダヘッドに装着されるエンジン用点火プラグに関する。

上記のようなエンジンでは、燃焼室に吸気された希薄混合気等の混合気をピストンの上昇により圧縮し、その圧縮された混合気を噴孔を通して点火室に流入させている。点火室に流入された混合気は、点火プラグにより火花点火されて燃焼され、その燃焼により形成された火炎が噴孔を通して燃焼室に噴出される。このように、従来のエンジンでは、燃焼室から点火室への混合気の流入及び点火室から燃焼室への火炎の噴出を複数の噴孔により行うことにより、燃焼室に吸気された混合気を燃焼させるようにしている（例えば、特許文献１、２参照。）。この特許文献１、２に記載のエンジンでは、複数の噴孔の夫々が、各別の火炎ジェットを燃焼室に噴出するように構成されている。

特開２００７−４０１７４号公報 特開２００７−７７９０２号公報

上記特許文献１、２に記載のエンジンでは、燃焼室に対して複数の噴孔の夫々から各別に火炎ジェットが噴出されるので、燃焼室において、噴孔に対向する領域は火炎が届き易く、噴孔同士の間に対向する領域は火炎が届き難くなり、燃焼室において火炎の届き易い領域と火炎の届き難い領域が存在することになる。その結果、火炎の届き難い領域に比べて、火炎の届き易い領域の方が火炎の伝播が進むことになり、燃焼室の混合気を均一に燃焼させ難くなる。

本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、その目的は、燃焼室に対して極力均一に火炎を伝播させて、燃焼室の混合気を極力均一に燃焼させることができるエンジン及びエンジン用点火プラグを提供する点にある。

この目的を達成するために、本発明に係るエンジンの特徴構成は、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、前記プラグカバーが、その先端側を底部とする有底筒状に形成され、前記プラグカバーの底部は、前記燃焼室の軸心を含む断面において、円弧状になるように形成され、前記点火プラグは、前記燃焼室の軸心方向において、前記シリンダヘッド側から前記燃焼室に前記プラグカバーを突出させるように配置され、前記複数の噴孔は、前記燃焼室に突出する前記プラグカバーの突出表面において互いに間隔を隔てた分散状態で前記突出表面の面積に対する前記複数の噴孔の総面積の面積比が０．０５〜０．２となるように同じ孔径に構成され、さらに、前記複数の噴孔は、前記燃焼室の中心軸に直交する断面視において、前記突出表面の中央を中心として半径の異なる円周上に設けられるとともに、前記複数の円周同士は、径方向に一定間隔を隔てるように定められ、さらに、前記円周の夫々に設けられる全ての噴孔が、当該円周方向で等間隔に設けられるとともに、前記円周方向における噴孔間の間隔が、異なる円周上に設けられる全ての噴孔について同一とされ、前記燃焼室に突出する前記プラグカバーの突出表面の外形形状に対応する形状の火炎を形成し、前記複数の円周上に位置する前記複数の噴孔の夫々は、前記燃焼室の中心軸に直交する断面視において、前記プラグカバーの突出表面の中央を中心とする円周方向の位置が同一半径上とならないように互いに異なる位置になるように設けられた点にある。

本特徴構成によれば、燃焼室に突出するプラグカバーの突出表面には、互いに間隔を隔てた分散状態で複数の噴孔が設けられているので、各噴孔から火炎が噴出される。このとき、突出表面の面積に対する複数の噴孔の総面積の面積比が大きくなりすぎると、プラグカバーの耐久性に問題が生じる虞がある。そこで、突出表面の面積に対する複数の噴孔の
総面積の面積比を小さくすることが考えられるが、その面積比が小さくなるに伴って、各噴孔から噴出される火炎の夫々が単独で噴出される傾向となり、例えば、各噴孔から各別の火炎ジェットが噴出されることになる。そこで、本特徴構成では、突出表面の面積に対する複数の噴孔の総面積の面積比を０．０５〜０．２とすることにより、各噴孔から噴出される火炎同士を混合させる状態で噴出させるようにして、プラグカバーの突出表面の外形形状に対応する形状の火炎を形成することができる。これにより、燃焼室においてプラグカバーの突出表面の外形形状に対応して火炎が伝播させることができる。よって、燃焼室に対して極力均一に火炎を伝播させて、燃焼室の混合気を極力均一に燃焼させることができるエンジンを実現できるに至った。
さらに、上記特徴構成によれば、回転方向において各噴孔から分散された状態で火炎を噴出させることができ、プラグカバーの突出表面の外形形状に対応する形状の火炎を的確に形成できる。

更には、上記特徴構成において、複数の噴孔の夫々において流入方向が点火点を向くように構成すると好適である。

更には、上記特徴構成において、前記複数の円周として、径方向内側から順に、第１の円周、第２の円周、第３の円周を備え、前記複数の噴孔を、前記第１の円周に３個、前記第２の円周に５個、前記第３の円周に１２個備えていると好適である。

本発明に係るエンジン用点火プラグの特徴構成は、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前記プラグ本体及び前記プラグカバーを装着させた状態において、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、前記プラグカバーが、その先端側を底部とする有底筒状に形成され、前記プラグカバーの底部は、前記燃焼室の軸心を含む断面において、円弧状になるように形成され、前記燃焼室の軸心方向において、前記シリンダヘッド側から前記燃焼室に前記プラグカバーを突出させた状態において、前記複数の噴孔は、前記突出表面において互いに間隔を隔てた分散状態で前記突出表面の面積に対する前記複数の噴孔の総面積の面積比が０．０５〜０．２となるように同じ孔径に構成され、さらに、前記複数の噴孔は、前記燃焼室の中心軸に直交する断面視において、前記燃焼室に突出する前記プラグカバーの突出表面の中央を中心として半径の異なる円周上に設けられるとともに、前記複数の円周同士は、径方向に一定間隔を隔てるように定められ、さらに、前記円周の夫々に設けられる全ての噴孔が、当該円周方向で等間隔に設けられるとともに、前記円周方向における噴孔間の間隔が、異なる円周上に設けられる全ての噴孔について同一とされ、前記燃焼室に突出する前記プラグカバーの突出表面の外形形状に対応する形状の火炎を形成し、前記複数の円周上に位置する前記複数の噴孔の夫々は、前記燃焼室の中心軸に直交する断面視において、前記プラグカバーの突出表面の中央を中心とする円周方向の位置が同一半径上とならないように互いに異なる位置になるように設けられた点にある。

本特徴構成によれば、上記本発明に係るエンジンの特徴構成にて述べた如く、複数の噴孔の夫々から噴出される火炎同士を混合させる状態で噴出させるようにして、プラグカバーの突出表面の外形形状に対応する形状の火炎を形成することができる。これにより、燃焼室に対して極力均一に火炎を伝播させて、燃焼室の混合気を極力均一に燃焼させることができるエンジン用点火プラグを実現できるに至った。

本発明に係るエンジン用点火プラグの更なる特徴構成は、前記プラグカバーは、前記プラグ本体に一体的に形成されている点にある。

本特徴構成によれば、点火室、点火点、及び、噴孔の夫々の位置を予め定めてプラグカバーをプラグ本体に一体形成することにより、点火プラグを形成することができる。これにより、単に、点火プラグをシリンダヘッドに装着するだけで、点火室、点火点、及び、噴孔の夫々の位置を適切な位置に配置させることができる。よって、エンジンに対する点火プラグの装着を容易に行うことができる。

〔エンジンの全体構成〕
エンジン１は、図１に示すように、ピストン２と、ピストン２を収容してピストン２の天面２ａとともに燃焼室３を形成するシリンダ４と、シリンダヘッド６に装着された点火プラグ１０（本発明に係るエンジン用点火プラグに相当する）とを備えている。ピストン２をシリンダ４内で往復運動させるとともに、吸気バルブ５及び排気バルブ（図示を省略）を開閉動作させることにより、燃焼室３において、吸気行程、圧縮行程、燃焼・膨張行程、排気行程の各行程を順次行う。これにより、図示は省略するが、ピストン２の往復動を連結棒によってクランク軸の回転運動として出力するように構成されている。このような構成は、通常の４ストローク内燃機関と同様の構成である。

エンジン１は、気体燃料である都市ガス（１３Ａ）を燃料とするものであり、吸気行程では、吸気バルブ５を開状態として、吸気ポート８から燃焼室３に空気と燃料との混合気（例えば、希薄混合気）Ｍを吸気するように構成されている。圧縮行程及び燃焼・膨張行程では、燃焼室３に吸気した混合気Ｍを圧縮して燃料を燃焼・膨張させるように構成されている。排気行程では、排気バルブを開状態として、燃焼室３から図外の排気ポートに排ガスを排出するように構成されている。

ピストン２のシリンダヘッド６と対向する天面２ａには、凹部７が形成されている。これにより、燃焼室３は、ピストン２の天面２ａとシリンダ４の内面との間の空間に加え、凹部７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３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７の周囲から凹部７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。

シリンダヘッド６に設けられた吸気ポート８には、吸気される空気Ａに対して燃料Ｇを噴射する燃料供給部９が設けられ、空気Ａと燃料Ｇとの混合気Ｍ（例えば、希薄混合気）を生成するように構成されている。吸気バルブ５を開動作することにより、空気Ａと燃料Ｇとの混合気Ｍ（例えば、希薄混合気）を燃焼室３に吸気するように構成されている。ここで、燃料供給部９からの燃料噴出量は変更自在であり、エンジン１の運転状況に応じて空気Ａと燃料Ｇとの混合割合を変更自在に構成されている。

シリンダヘッド６に装着された点火プラグ１０は、その中心軸が燃焼室３の中心軸Ｗと同軸上となるように設けられている。点火プラグ１０は、先端部に点火点１１を有するプラグ本体１２と、点火点１１を覆うように設けられたプラグカバー１３とから構成されている。点火プラグ１０は、点火タイミング（例えば、ピストン２の位置が上死点直前）においてピストン２に形成された凹部７にプラグカバー１３を挿入させるように装着されている。プラグカバー１３は、その先端側を底部１３ａとする有底筒状に形成され、プラグ本体１２に一体的に形成されている。ちなみに、プラグカバー１３の底部１３ａは、燃焼室の中心軸Ｗに沿った当該軸心を含む断面で、円弧状になるように形成されている（図１及び図２（ａ）参照）。プラグカバー１３内には、点火点１１を備えた点火室１４が形成されている。点火プラグ１０は、燃焼室３の軸心方向（図１中上下方向）において、シリンダヘッド６の下端部６ａよりも燃焼室３側に点火点１１を位置させるように構成されている。
ここで、燃焼室３の軸心方向は、燃焼室３の中心軸Ｗに沿った方向であり、例えば、ピストン２の上下動方向と同一方向である。以下、この燃焼室３の軸心方向を「軸心方向」と呼称し、燃焼室３の軸心方向に直交する方向を「直交方向」と呼称する。

プラグカバー１３には、燃焼室３と点火室１４とを連通する複数の噴孔１５が形成されている。点火プラグ１０は、燃焼室３から噴孔１５を通して点火室１４に流入する混合気Ｍに火花点火して燃焼し、その燃焼により形成された火炎を噴孔１５を通して燃焼室３に噴出させるように構成されている。このようにして、燃焼室３から点火室１４への混合気Ｍの流入及び点火室１４から燃焼室３への火炎の噴出を複数の噴孔１５により行うことにより、燃焼室３に吸気された混合気Ｍを燃焼させるようにしている。これにより、点火室１４に流入する混合気Ｍは、燃焼室３から噴孔１５を通して流入される混合気Ｍが全てであり、点火室１４に対して燃焼室３以外から燃料や混合気が供給されることはない。

〔エンジンの動作〕
エンジン１は、吸気バルブ５を開動作させた状態でピストン２が上死点から下降することにより、燃焼室３に混合気Ｍを吸気する吸気行程が行われる。次に、吸気バルブ５を閉動作させた状態でピストン２が上昇することにより、燃焼室３の混合気Ｍを圧縮する圧縮行程が行われる。この圧縮行程では、ピストン２の上昇により燃焼室３の容積が減少されるので、燃焼室３の混合気Ｍが噴孔１５を通して点火室１４に流入する。
エンジン１は、点火タイミング（例えば、上死点直前）に、点火プラグ１０を作動させて、点火点１１にて火花点火して点火室１４の混合気Ｍに点火させる。すると、点火室１４での燃焼が進み、火炎が噴孔１５を通して燃焼室３に噴出する。これにより、燃焼室３の混合気Ｍが燃焼されて燃焼・膨張行程が行われる。次に、排気バルブを開動作させた状態でピストン２が上昇することにより、燃焼室３の排ガスを排気ポートに排出する排出行程が行われる。
このようにして、エンジン１は、吸気行程、圧縮行程、燃焼・膨張行程、排気行程の順に各行程を行う一連の動作を繰り返し行うように構成されている。

〔噴孔の構成〕
図２に基づいて、プラグカバー１３に備えられた噴孔１５の構成について説明する。
噴孔１５は、燃焼室３に突出するプラグカバー１３の突出表面１３ａにおいて互いに間隔を隔てた分散状態で複数設けられている。プラグカバー１３の突出表面１３ａは、燃焼室３の中心軸Ｗに沿った当該軸心を含む断面視において、円弧状に形成されている。プラグカバー１３の突出表面１３ａの表面積Ｓ１に対する複数の噴孔１５の総面積Ｓ２の面積比（Ｓ２／Ｓ１）が０．０５〜０．２となるように構成されている。

プラグカバー１３の突出表面１３ａの表面積Ｓ１に対する複数の噴孔１５の総面積Ｓ２の面積比（Ｓ２／Ｓ１）が大きくなりすぎると、プラグカバー１３の耐久性に問題が生じる虞がある。そこで、面積比（Ｓ２／Ｓ１）を小さくすることが考えられるが、その面積比が小さくなるに伴って、各噴孔１５から噴出される火炎の夫々が単独で噴出される傾向となり、例えば、各噴孔１５から各別の火炎ジェットが噴出されることになる。そこで、本発明では、面積比（Ｓ２／Ｓ１）を０．０５〜０．２としている。
以下、プラグカバー１３の突出表面１３ａの表面積Ｓ１を同じ表面積とし且つ噴孔１５の孔径も同じ孔径として、噴孔数を変更することにより、面積比（Ｓ２／Ｓ１）を０．０５〜０．２の範囲内とした場合（図３（ａ））と面積比（Ｓ２／Ｓ１）を０．０５〜０．２の範囲よりも小さくした場合（図３（ｂ））との夫々において、燃焼室３における火炎の形成状態について説明する。

図３（ａ）は、例えば、面積比（Ｓ２／Ｓ１）を０．０５〜０．２の範囲内の０．０８とした場合に、燃焼室３の中心軸Ｗに直交する断面視において、燃焼室３にて火炎の形成状態がどのようになっているかを実験した結果を示している。このときの噴孔１５は、燃焼室３の中心軸Ｗに直交する断面視において、プラグカバー１３の突出表面１３ａの中央に１つ配置し、プラグカバー１３の突出表面１３ａの中央を中心とする半径の異なる２つの円周上の夫々でその周方向に一定間隔を隔てて４つずつ配置して、合計９個の噴孔１５を設けている。半径の異なる２つの円周は、径方向に一定間隔を隔てて設けている。
この場合には、火炎（図中白い部分）がプラグカバー１３の突出表面１３ａの中央を中心として周方向に一様に広がった略円形状となっている。これにより、燃焼室３に対して均一に火炎を伝播させることができ、燃焼室３の混合気を極力均一に燃焼させることができる。

それに対して、図３（ｂ）は、例えば、面積比（Ｓ２／Ｓ１）を０．０５〜０．２の範囲よりも小さい０．０４４とした場合に、燃焼室３の中心軸Ｗに直交する断面視において、燃焼室３にて火炎の形成状態がどのようになっているかを実験した結果を示している。このときの噴孔１５は、燃焼室３の中心軸Ｗに直交する断面視において、プラグカバー１３の突出表面１３ａの中央に１つ配置し、プラグカバー１３の突出表面１３ａの中央を中心とする円周上でその周方向に一定間隔を隔てて４つ配置して、合計５個の噴孔１５を設けている。４つの噴孔１５を配置した円周の半径は、燃焼室３の中心軸Ｗに直交する断面視において、プラグカバー１３の突出表面１３ａの半径の１／２としている。
この場合には、プラグカバー１３の突出表面１３ａの中央を中心として、火炎が形成されている部分（図中白い部分）と火炎が形成されていない部分（図中黒い部分）とが周方向に断続して存在する形状となっている。そのために、燃焼室３に対して均一に火炎を伝播させることができない。

複数の噴孔１５は、図２（ｂ）に示すように、燃焼室３の中心軸Ｗに直交する断面視において、プラグカバー１３の突出表面１３ａの中央を中心とする半径の異なる複数の円周Ｑ１〜Ｑ３上の夫々で一定間隔Ｄを隔てて設けられている。複数の円周Ｑ１〜Ｑ３は、径方向に一定間隔Ｒを隔てて設けられている。つまり、径方向の内側から、第１の円周Ｑ１の半径をＲとし、第２の円周Ｑ２の半径を２Ｒとし、第３の円周Ｑ３の半径を３Ｒとしている。このように、複数の噴孔１５の配置位置を定めることにより、隣接する噴孔１５同士が接近し過ぎる又は離れ過ぎることを抑制できる。これにより、複数の噴孔１５を適正な位置に配置することができ、プラグカバー１３の突出表面１３ａの外形形状に対応する形状の火炎を的確に形成できる。

また、各円周Ｑ１〜Ｑ３上に位置する噴孔１５の夫々は、燃焼室３の中心軸Ｗに直交する断面視において、プラグカバー１３の突出表面１３の中央を中心とする回転方向において互いに異なる位置になるように設けられている。これにより、前記回転方向において各噴孔１５から分散された状態で火炎を噴出させることができ、プラグカバー１３の突出表面１３ａの外形形状に対応する形状の火炎を的確に形成できる。

ちなみに、複数の噴孔１５において、点火室１４に対して混合気Ｍを流入する流入方向、燃焼室３に対して火炎を噴出する噴出方向については、適宜変更することが可能である。例えば、流入方向について、複数の噴孔１５の夫々において流入方向が点火点１１を向くように構成することができる。

本発明は、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、燃焼室に対して極力均一に火炎を伝播させて、燃焼室の混合気を極力均一に燃焼させることができる各種のエンジン及びエンジン用点火プラグに適応可能である。

エンジンの燃焼室の中心軸に沿う方向での断面図 点火プラグの要部について、燃焼室の中心軸に沿う方向での図及び燃焼室の中心軸に直交する方向での図 火炎の形成状態を示す実験結果

符号の説明

２ ピストン
３ 燃焼室
６ シリンダヘッド
７ 凹部
１０ 点火プラグ（エンジン用点火プラグ）
１１ 点火点
１３ プラグカバー
１４ 点火室
１５ 噴孔

Claims (5)

1. 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、
   前記プラグカバーが、その先端側を底部とする有底筒状に形成され、前記プラグカバーの底部は、前記燃焼室の軸心を含む断面において、円弧状になるように形成され、
   前記点火プラグは、前記燃焼室の軸心方向において、前記シリンダヘッド側から前記燃焼室に前記プラグカバーを突出させるように配置され、
   前記複数の噴孔は、前記燃焼室に突出する前記プラグカバーの突出表面において互いに間隔を隔てた分散状態で前記突出表面の面積に対する前記複数の噴孔の総面積の面積比が０．０５〜０．２となるように同じ孔径に構成され、
   さらに、前記複数の噴孔は、前記燃焼室の中心軸に直交する断面視において、前記突出表面の中央を中心として半径の異なる円周上に設けられるとともに、前記複数の円周同士は、径方向に一定間隔を隔てるように定められ、
   さらに、前記円周の夫々に設けられる全ての噴孔が、当該円周方向で等間隔に設けられるとともに、前記円周方向における噴孔間の間隔が、異なる円周上に設けられる全ての噴孔について同一とされ、
   前記燃焼室に突出する前記プラグカバーの突出表面の外形形状に対応する形状の火炎を形成し、
   前記複数の円周上に位置する前記複数の噴孔の夫々は、前記燃焼室の中心軸に直交する断面視において、前記プラグカバーの突出表面の中央を中心とする円周方向の位置が同一半径上とならないように互いに異なる位置になるように設けられたエンジン。
2. 前記複数の噴孔の夫々において流入方向が点火点を向くように構成する請求項１に記載のエンジン。
3. 前記複数の円周として、径方向内側から順に、第１の円周、第２の円周、第３の円周を備え、
   前記複数の噴孔を、前記第１の円周に３個、前記第２の円周に５個、前記第３の円周に１２個備えている請求項１又は２に記載のエンジン。
4. 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前記プラグ本体及び前記プラグカバーを装着させた状態において、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、
   前記プラグカバーが、その先端側を底部とする有底筒状に形成され、前記プラグカバーの底部は、前記燃焼室の軸心を含む断面において、円弧状になるように形成され、
   前記燃焼室の軸心方向において、前記シリンダヘッド側から前記燃焼室に前記プラグカバーを突出させた状態において、
   前記複数の噴孔は、前記燃焼室に突出する前記プラグカバーの突出表面において互いに間隔を隔てた分散状態で前記突出表面の面積に対する前記複数の噴孔の総面積の面積比が０．０５〜０．２となるように同じ孔径に構成され、
   さらに、前記複数の噴孔は、前記燃焼室の中心軸に直交する断面視において、前記突出表面の中央を中心として半径の異なる円周上に設けられるとともに、前記複数の円周同士は、径方向に一定間隔を隔てるように定められ、
   さらに、前記円周の夫々に設けられる全ての噴孔が、当該円周方向で等間隔に設けられるとともに、前記円周方向における噴孔間の間隔が、異なる円周上に設けられる全ての噴孔について同一とされ、
   前記燃焼室に突出する前記プラグカバーの突出表面の外形形状に対応する形状の火炎を形成し、
   前記複数の円周上に位置する前記複数の噴孔の夫々は、前記燃焼室の中心軸に直交する断面視において、前記プラグカバーの突出表面の中央を中心とする円周方向の位置が同一半径上とならないように互いに異なる位置になるように設けられたエンジン用点火プラグ。
5. 前記プラグカバーは、前記プラグ本体に一体的に形成されている請求項４に記載のエンジン用点火プラグ。