JP5175656B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、着火性に優れた内燃機関に関する。

従来から、内燃機関の点火栓として、図１２に示すごとく、絶縁碍子９２中に設けられた中心電極９１と、接地電極９５と、これら中心電極９１と接地電極９５とが露出するキャビティ９３とを備えたものが知られている。この点火栓９０は、中心電極９１と接地電極９５との間に電圧を印加すると、キャビティ９３に火花放電が発生する。これによりキャビティ９３内の空気が電離して高温・高圧のプラズマが発生し、噴出口９４からこのプラズマ（高温ガス９７）が燃焼室９９に噴出する。燃焼室９９には燃料と空気との混合ガス気流９８が流れており、上記高温ガス９７によって燃焼室９９内の混合ガスに点火する。

しかし、混合ガス気流９８の流速は速いため、高温ガス９７を噴射しても吹き流されてしまい、火炎が成長しにくい場合があった。そのため、混合ガスの着火性が向上しない場合があった。
そこで下記特許文献に開示された点火栓では、図１３に示すごとく、噴出口９４よりも混合ガス気流９８の上流側に突起部９６を設けている。この文献によれば、突起部９６を設けることにより、その下流にて混合ガス気流９８の流速が遅くなり、高温ガス９７が吹き飛ばされなくなるため、着火性が向上する。

特開平９−１６１９４６号公報

しかしながら、高温ガス９７は噴射時の勢いが強いため、突起部９６から飛び出てしまい、混合ガス気流９８によって高温ガス９７が吹き流されてしまう場合があった。この場合、突起部９６の下流に高温ガス９７が滞留できないため、着火性を十分に向上させることができない。

この問題を解決するためには、突起部９６のサイズを大きくすれば良いと考えられる。すなわち、突起部９６を大きくすれば、高温ガス９７が突起部９６から飛び出さなくなるため、高温ガス９７が突起部９６の下流に滞留して着火性が向上すると思われる。しかし、燃焼室９９の限られたスペース内に十分に大きな突起部９６を設けることは困難である。
また、電極９１、９５に供給する電気エネルギーを増やすことにより、高温ガス９７の発生量を多くして、混合ガスの着火性を向上させる方法も考えられる。しかし、電気エネルギーを増やすと、電極９１，９５が磨耗しやすくなるという問題が生じる。

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、供給する電気エネルギーを少なくでき、着火性に優れた内燃機関を提供しようとするものである。

本発明は、燃料と空気との混合ガスが供給され、該混合ガスの気流が内部に発生する燃焼室と、
未燃焼の上記混合ガスよりも温度が高い高温ガスを上記燃焼室へ噴射して上記混合ガスに点火する高温ガス噴射部と、
該高温ガス噴射部のガス噴射口よりも上記混合ガス気流の下流側に設けられ、上記燃焼室内に突出する突起部と、
を備え、上記突起部は、上記燃焼室の内面に取り付けられた取付部から先端部に向かうほど、上記混合ガス気流の上流側に進むように湾曲した形状に形成され、
上記高温ガス噴射部は上記燃焼室に取り付けられた点火栓によって構成され、上記突起部は上記点火栓と一体に形成されており、
上記高温ガス噴射部は、中心電極と接地電極とが露出する放電チャンバを備え、これら上記中心電極と上記接地電極との間に電圧が印加されることにより上記放電チャンバに上記高温ガスとしてのプラズマが発生するとともに、該プラズマを上記燃焼室へ噴射して上記燃焼室内の上記混合ガスに点火するプラズマ点火栓であり、
上記突起部は、筒状に形成された上記接地電極の端面に取り付けられ、該端面が上記燃焼室の上記内面の一部をなしており、
上記突起部は、上記ガス噴射口よりも、上記燃焼室内を周回する上記混合ガス気流のうち上記端面の近傍を通過する上記混合ガス気流の下流側に設けられていることを特徴とする内燃機関にある（請求項１）。

次に、本発明の作用効果につき説明する。
本発明では、ガス噴射口よりも混合ガス気流の下流側に上記突起部を設けたため、着火性を向上させることができる。
すなわち本発明では、上記高温ガス噴射部にて高温ガスが生成され、ガス噴射口から燃焼室へ高温ガスが勢いよく飛び出る。飛び出た高温ガスは火炎成長しながら混合ガス気流に乗って下流側に移動する。そして、ガス噴射口の下流側に設けられた突起部の下流に高温ガスが回り込む。
突起部の下流では混合ガス気流の流速は遅いため、高温ガスは吹き消されず、長時間滞留することができる。これにより火炎が成長しやすくなり、混合ガスの着火性を向上させることが可能となる。

つまり、従来の内燃機関では、図１３に示すごとく、高温ガス９７の飛び出る勢いが強いため、そのほとんどが突起９６を飛び越えてしまい、混合ガス気流９８によって吹き消される場合があった。そのため、突起９６の下流に高温ガス９７が滞留できず、着火性が十分向上しないことがあった。
これに対して本発明では、従来のようにガス噴射口付近にて高温ガスを保持するのではなく、高温ガスをガス噴射口から勢いよく飛び出させ、そのガス噴射口の下流に配置された突起部を高温ガスが飛び越えて、裏側に回り込んで滞留するようにしている。
そのため、高温ガスが噴射後すぐに吹き飛ばされるようなことがなく（図１３参照）、突起部の裏側に高温ガスを長時間にわたって滞留させることができる。これにより火炎が成長しやすくなり、混合ガスの着火性が格段に向上する。

また、本発明では、従来のように突起部を上流に配置した場合と比較して、突起部のサイズを小さくした場合でも、高温ガスが突起部の下流に滞留できるため、十分な着火性能を発揮することができる。

さらに、本発明では、混合ガスの着火性能が高いため、電極に供給する電気エネルギーを少なくすることができ、電極の消耗を軽減することができる。

以上のごとく、本発明によれば、供給する電気エネルギーを少なくでき、着火性に優れた内燃機関を提供することができる。

上述した本発明の好ましい実施の形態につき説明する。
本発明（請求項１）において、上記突起部は、上記燃焼室の内面に取り付けられた取付部から先端部に向かうほど、上記混合ガス気流の上流側に進むように湾曲した形状に形成されている。
したがって、突起部の上流側と下流側とに混合ガスの循環流または乱流が生じるため、この上流側と下流側との双方にて高温ガスを保持でき、混合ガスの着火性をさらに向上させることができる。

また、上記高温ガス噴射部は上記燃焼室に取り付けられた点火栓によって構成され、上記突起部は上記点火栓と一体に形成されている。
したがって、ガス噴射口の近傍に突起部が形成されるため、噴射された高温ガスがすぐに突起部の下流に回り込む。これにより、突起部の下流に高温ガスが滞留しやすくなり、混合ガスの着火性が向上する。

また、上記突起部は、上記燃焼室を構成するシリンダの内壁面に、該シリンダと一体に形成されていてもよい。
この場合には、突起部が点火栓と一体に形成されている場合と比較して、突起部をガス噴射口の下流に配置するために特別な調節をする必要がない。
すなわち、突起部が点火栓と一体に形成されている場合は、その点火栓をシリンダに取付ける際に、突起部が噴射口の下流に配置されるように点火栓の取付方向を調整する必要があるが、シリンダと突起部とが一体形成されている場合は、そのような調整は不要である。
また、ガス噴射口から離れた位置に突起部を設けることができる。つまり、高温ガスを滞留させるのに最適な位置に突起部を形成することができ、これにより、内燃機関の設計自由度を高めることができる。

また、上記突起部は、上記燃焼室内を往復運動するピストンの端面に取り付けられていてもよい。
この場合には、突起部をピストンの端面にも形成することができるので、内燃機関の設計自由度をさらに高めることができる。

また、上記高温ガス噴射部は、中心電極と接地電極とが露出する放電チャンバを備え、これら上記中心電極と上記接地電極との間に電圧が印加されることにより上記放電チャンバに上記高温ガスとしてのプラズマが発生するとともに、該プラズマを上記燃焼室へ噴射して上記燃焼室内の上記混合ガスに点火するプラズマ点火栓である。
プラズマ点火栓は、混合ガスの点火効率が良いが、プラズマの噴射速度が高い問題がある。そのため、本発明によって得られる効果が特に大きい。

また、上記高温ガス噴射部は、上記ガス噴射口を介して上記燃焼室と連通する副室と、該副室に燃料を供給する燃料供給部と、上記副室にて上記燃料に点火する点火栓とを備える副室型高温ガス噴射部であってもよい。

（参考例１）
本発明の参考例にかかる内燃機関につき、図１、図２を用いて説明する。
本例の内燃機関１は、図１に示すごとく、燃料と空気との混合ガス６０が供給され、混合ガス６０の気流６が内部に発生する燃焼室２を備える。また、未燃焼の混合ガス６０よりも温度が高い高温ガス５を燃焼室２へ噴射して混合ガス６０に点火する高温ガス噴射部３を備える。また、高温ガス噴射部３のガス噴射口３２よりも混合ガス気流６の下流側に設けられ、燃焼室２内に突出する突起部４を備える。

また、高温ガス噴射部３は燃焼室２に取り付けられた点火栓によって構成され、突起部４は点火栓と一体に形成されている。
本例では、高温ガス噴射部３はプラズマ点火栓３１から構成される。図１および図２に示すごとく、プラズマ点火栓３１は、中心電極３３と接地電極３４とが露出する放電チャンバ３７を備え、これら中心電極３３と接地電極３４との間に電圧が印加されることにより放電チャンバ３７内に高温ガス５としてのプラズマが発生するとともに、該プラズマを燃焼室２へ噴射して燃焼室２内の混合ガス６０に点火する。

より詳しくは、プラズマ点火栓３１は、図２に示すごとく、棒状の中心電極３３と、絶縁碍子３５と、筒状の接地電極３４とを備え、接地電極３４の端面３８にガス噴射口３２が開口している。また、端面３８の外周縁部に板状の突起部４が取り付けられている。そして図１に示すごとく、燃焼室２を構成するシリンダ２０の内壁面２１と、プラズマ点火栓３１の端面３８とが面一になるように、プラズマ点火栓３１が取り付けられる。

次に、本例の内燃機関１の作用効果について説明する。
本例の内燃機関１は、図１に示すごとく、ガス噴射口３２よりも混合ガス気流６の下流側に突起部４を設けたため、着火性を向上させることができる。
すなわち、高温ガス噴射部３にて高温ガス５が生成され、ガス噴射口３２から燃焼室２へ高温ガス５が勢いよく飛び出る。飛び出た高温ガス５は火炎成長しながら混合ガス気流６に乗って下流側に移動する。そして、ガス噴射口３２の下流側に設けられた突起部４の下流に高温ガス５が回り込む。
突起部４の下流では混合ガス気流６の流速は遅いため、高温ガス５は吹き消されず、長時間滞留することができる。これにより火炎が成長しやすくなり、混合ガス６０の着火性を向上させることが可能となる。

つまり、従来の内燃機関１では、図１３に示すごとく、高温ガス９７の飛び出る勢いが強いため、そのほとんどが突起９６を飛び越えてしまい、混合ガス気流９８によって吹き消される場合があった。そのため、突起９６の下流に高温ガス９７が滞留できず、着火性が十分向上しないことがあった。
これに対して本発明では、従来のようにガス噴射口３２付近にて高温ガス５を保持するのではなく、高温ガス５をガス噴射口３２から勢いよく飛び出させ、そのガス噴射口３２の下流に配置された突起部４を高温ガス５が飛び越えて、裏側に回り込んで滞留するようにしている。
そのため、高温ガス５が噴射後すぐに吹き飛ばされるようなことがなく（図１３参照）、突起部４の裏側に高温ガス５を長時間にわたって滞留させることができる。これにより火炎が成長しやすくなり、混合ガス６０の着火性が格段に向上する。

また、本発明では、従来のように突起部４を上流に配置した場合と比較して、突起部４のサイズを小さくした場合でも、高温ガス５が突起部４の下流に滞留できるため、十分な着火性能を発揮することができる。

さらに、本発明では、混合ガス６０の着火性能が高いため、電極に供給する電気エネルギーを少なくすることができ、電極の消耗を軽減することができる。

また、図１に示すごとく、本例では、突起部４が高温ガス噴射部３３と一体に形成されている。
この場合には、ガス噴射口３２の近傍に突起部４が形成されるため、噴射された高温ガス５がすぐに突起部４の下流に回り込む。これにより、突起部４の下流に高温ガス５が滞留しやすくなり、混合ガス６０の着火性が向上する。

また、本例では、図１、図２に示すごとく、高温ガス噴射部３３がプラズマ点火栓３１から構成される。
プラズマ点火栓３１は、混合ガス６０の点火効率が良いが、プラズマの噴射速度が高い問題がある。そのため、本発明によって得られる効果が特に大きい。

以上のごとく、本発明によれば、供給する電気エネルギーを少なくでき、着火性に優れた内燃機関１を提供することができる。

（実施例１）
本例は、突起部４の形状を変えた例である。図３、図４に示すごとく、本例の突起部４は、燃焼室２の内面に取り付けられた取付部４０から先端部４１に向かうほど、混合ガス気流６の上流側に進むように湾曲した形状に形成されている。
より詳しくは、図４に示すごとく、本例の突起部４は、一端が燃焼室２の内面に取り付けられた半円筒形状の半円筒形部４２と、該半円筒形部４２の半径と同一の半径を有する球殻を１／４に切断した形状に形成されるとともに、半円筒形部４２に連接された球殻部４３とから構成される。そして、これら半円筒形部４２と球殻部４３との内側空間が、混合ガス気流６の上流側に開放したガス淀み空間Ｓとされている。
その他、参考例１と同様の構成を有する。

実施例１の作用効果につき説明する。
本例では、突起部４が、取付部４０から先端部４１に向かうほど、混合ガス気流６の上流側に進むように湾曲した形状とされている。
この場合、突起部４の上流側と下流側とに混合ガス６０の循環流または乱流が生じるため、この上流側と下流側との双方にて高温ガス５を保持でき、混合ガス６０の着火性をさらに向上させることができる。

より詳しくは、本例の突起部４は、半円筒形部４２と、球殻部４３とから構成されている。そのため、ガス淀み空間Ｓにガスの乱流が生じ、高温ガス５を長時間保持することができる。これにより、上流側（ガス淀み空間Ｓ）と下流側との２箇所で高温ガス５を保持することができ、混合ガス６０の着火性を向上させることができる。
その他、参考例１と同様の作用効果を有する。

（参考例２）
本例は、突起部４の形状をさらに変えた例である。まず、図５（Ａ）に示すごとく、突起部４を板状にすることができる。また、図５（Ｂ）に示すごとく半円筒形状にし、その外周面４９が混合ガス気流６の上流側を向くように取り付けることもできる。
さらに、図５（Ｃ）に示すごとく、２枚の板状部材４４ａ，４４ｂを接合し、これら２枚の板状部材４４ａ，４４ｂのなす角度θが混合ガス気流６の下流側にて鋭角となるように取り付けることもできる。
また、図５（Ｄ）に示すごとく、板状に形成され、その主面４５ａが混合ガス気流６に対して垂直となるように取り付けられる板状部４５と、その板状部４５の先端に取り付けられ混合ガス気流６の下流側に延出する板状の延出部４６とから構成することもできる。
さらに、図５（Ｅ）に示すごとく、板状に形成され、その主面４７ａが混合ガス気流６に対して垂直となるように取り付けられる板状部４７と、その板状部４７に連接し、先端４８ａに向かうほど混合ガス気流６の下流側に進む湾曲形状の湾曲部４８とから構成することもできる。
その他、参考例１と同様の構成を有する。

参考例２の作用効果につき説明する。
図５（Ｂ）〜図５（Ｅ）の例では、混合ガス気流６の下流側にて、高温ガス５が特に滞留しやすい形状をしている。そのため、混合ガス６０の着火性が一層向上する。
また、図５（Ａ）の例では、突起部６が簡単な形状をしているため、製造しやすい。
その他、参考例１と同様の作用効果を有する。

（参考例３）
本例は、突起部４の取り付け場所を変えた例である。
図６に示すごとく、本例は、２個のインテークバルブ１７ａ，１７ｂと２個のエキゾーストバルブ１８ａ，１８ｂとが、シリンダ２０に設けられている。燃焼室２には、混合ガス気流６としてタンブル流が形成されるようになっている。そして、突起部４は、燃焼室２を構成するシリンダ２０の内壁面２１に、シリンダ２０と一体に形成されている。
より詳しくは、本例の突起部４は、高温ガス噴射部３のガス噴射口３２よりも混合ガス気流６の下流側であって、２個のエキゾーストバルブ１８ａ，１８ｂに挟まれる位置に設けられている。
さらに、図７に示すごとく、突起部４を、燃焼室２を構成するシリンダ２０の内壁面２１であって、２個のインテークバルブ１７ａ，７１ｂに挟まれる位置に設けることもできる。

また、図８に示すごとく、突起部４を、燃焼室２内を往復運動するピストン２２の端面に取り付けてもよい。

一方、図９の内燃機関１では、シリンダ２０にインテークバルブ１７とエキゾーストバルブ１８が各々１個取り付けられており、燃焼室２に混合ガス気流６としてスワール流が形成される。突起部４は、ガス噴射口３２よりも混合ガス気流６の下流であって、エキゾーストバルブ１８とインテークバルブ１７との中間位置にて、シリンダ２０の内壁面２１に取り付けられている。
その他、参考例１と同様の構成を有する。

参考例３の作用効果につき説明する。図６、図７、図９に示すごとく、本例では、突起部４が、シリンダ２０の内壁面２１に、シリンダ２０と一体に形成されている。
この場合には、突起部４が点火栓と一体に形成されている場合と比較して、突起部４をガス噴射口３２の下流に配置するために特別な調節をする必要がない。
すなわち、突起部４が点火栓と一体に形成されている場合は、その点火栓をシリンダ２０に取付ける際に、突起部４が噴射口３２の下流に配置されるように点火栓の取付方向を調整する必要があるが、シリンダ２０と突起部４とが一体形成されている場合は、そのような調整は不要である。
また、ガス噴射口３２から離れた位置に突起部４を設けることができる。つまり、高温ガス５を滞留させるのに最適な位置に突起部４を形成することができ、これにより、内燃機関１の設計自由度を高めることができる。

また、図８に示すごとく、ピストン２２の端面２３に突起部４を設けることもできる。
この場合には、内燃機関１の設計自由度をさらに高めることができる。
その他、参考例１と同様の作用効果を有する。

（参考例４）
本例は、高温ガス噴射部３の形状を変えた例である。図１０に示すごとく、本例の高温ガス噴射部３は、ガス噴射口３２を介して燃焼室２と連通する副室７と、副室７に燃料を供給する燃料供給部７２と、副室７にて燃料に点火する点火栓７１とを備える副室型高温ガス噴射部３である。そして、ガス噴射口３２よりも混合ガス気流６の下流側に、突起部４が設けられている。

また、図１１のようにすることもできる。本例でも副室型の高温ガス噴射部３を使用している。すなわち、この副室型高温ガス噴射部３は、燃焼室２内に突出するトーチ７３を備え、このトーチ７３にガス噴射口３２が形成されている。そして、副室７１にて形成された高温ガスをトーチ７３のガス噴射口３２から燃焼室２に噴射する。そして、ガス噴射口３２よりも混合ガス気流６の下流側に、突起部４が取り付けられている。
その他、参考例１と同様の構成を備える。

参考例４の作用効果につき説明する。
本例では、高温ガス噴射部３として、副室型の高温ガス噴射部３を用いている。
副室型高温ガス噴射部３は、混合ガス６０の点火効率が良いが、高温ガス５の噴射速度が高い問題がある。そのため、得られる効果が特に大きい。

参考例１における、内燃機関の断面図。 参考例１における、点火栓の斜視図。 実施例１における、内燃機関の断面図。 実施例１における、突起部の（Ａ）縦断面図であって、図４（Ｃ）のｃ−ｃ断面図（Ｂ）図４（Ａ）のａ−ａ矢視図（Ｃ）図４（Ｂ）のｂ−ｂ矢視図。 参考例２における、突起部を（Ａ）板状にした例（Ｂ）半円筒形状にした例（Ｃ）２枚の板状部材を接合した例（Ｄ）板状部と延出部とを接合した例（Ｅ）板状部と湾曲部とを接合した例。 参考例３における、内燃機関の（Ａ）簡略図であって、図６（Ｂ）のｅ−ｅ矢視図（Ｂ）断面図であって、図６（Ａ）のｄ−ｄ矢視断面図。 参考例３における、突起部をインテークバルブ付近に取り付けた例。 参考例３における、突起部をピストンの端面に取り付けた例。 参考例３における、内燃機関の（Ａ）簡略図であって、図９（Ｂ）のｇ−ｇ矢視図（Ｂ）断面図であって、図９（Ａ）のｆ−ｆ矢視断面図。 参考例４における、内燃機関の断面図。 参考例４における、内燃機関の断面図。 従来例における、点火栓の断面図。 従来例における、点火栓の断面図。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 燃焼室
２０ シリンダ
２１ 内壁面
２２ ピストン
２３ （ピストンの）端面
３ 高温ガス噴射部
３１ プラズマ点火栓
３２ ガス噴射口
４ 突起部
５ 高温ガス
６ 混合ガス気流
６０ 混合ガス

Claims (1)

1. 燃料と空気との混合ガスが供給され、該混合ガスの気流が内部に発生する燃焼室と、
   未燃焼の上記混合ガスよりも温度が高い高温ガスを上記燃焼室へ噴射して上記混合ガスに点火する高温ガス噴射部と、
   該高温ガス噴射部のガス噴射口よりも上記混合ガス気流の下流側に設けられ、上記燃焼室内に突出する突起部と、
   を備え、上記突起部は、上記燃焼室の内面に取り付けられた取付部から先端部に向かうほど、上記混合ガス気流の上流側に進むように湾曲した形状に形成され、
   上記高温ガス噴射部は上記燃焼室に取り付けられた点火栓によって構成され、上記突起部は上記点火栓と一体に形成されており、
   上記高温ガス噴射部は、中心電極と接地電極とが露出する放電チャンバを備え、これら上記中心電極と上記接地電極との間に電圧が印加されることにより上記放電チャンバに上記高温ガスとしてのプラズマが発生するとともに、該プラズマを上記燃焼室へ噴射して上記燃焼室内の上記混合ガスに点火するプラズマ点火栓であり、
   上記突起部は、筒状に形成された上記接地電極の端面に取り付けられ、該端面が上記燃焼室の上記内面の一部をなしており、
   上記突起部は、上記ガス噴射口よりも、上記燃焼室内を周回する上記混合ガス気流のうち上記端面の近傍を通過する上記混合ガス気流の下流側に設けられていることを特徴とする内燃機関。

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