JP5239720B2 - 火花点火内燃機関 - Google Patents

Description

この発明は、ガソリン機関に代表される火花点火内燃機関に関し、特に、そのノッキング回避技術に関する。

例えばガソリンを燃料とする火花点火内燃機関では、よく知られているように、熱効率を高めるべく圧縮比を高く設定すると、高負荷域においてノッキングが発生しやすくなる。このノッキングの回避は、一般に、点火時期の遅角によってなされるが、点火時期を遅角すると、圧縮比を高く設定したことによる熱効率向上が損なわれ、結果的に燃費の向上を達成することができない。

なお、特許文献１は、タンブル流を利用したリーン燃焼での失火を防止するために燃焼室内に２つの点火プラグを配置し、一方の点火プラグは常時点火させ、他方の点火プラグは、失火しやすい運転条件のときにのみ点火させるようにした２点点火式の火花点火内燃機関を開示している。
実開平４−１２５６２７号公報

特許文献１の技術は、２箇所で同時に点火するため火炎伝播距離が短くなる利点はあるものの、高負荷域で発生するノッキングを確実に回避できるものではない。特に、燃焼室でノッキングが生じる箇所は必ずしも一定ではなく、ノッキング発生箇所が変動するので、ノッキングを十分に抑制することができない。

この発明の火花点火内燃機関は、少なくとも１つの排気弁および一対の吸気弁を備えるとともに、燃焼室のほぼ中心位置に第１の点火プラグを備えており、上記吸気弁から流入する吸気流により燃焼室内に一対のタンブル流が生成されるようになっている。

そして、上記タンブル流によって上記点火プラグによる火花点火後の火炎伝播を歪ませて、燃焼室の吸気弁寄りの周縁部にエンドガス領域を残存させるように構成されているとともに、このエンドガス領域に対応して第２の点火プラグを備えている。この第２の点火プラグは、基本的に上記第１の点火プラグから遅れて点火され、上記エンドガス領域をノッキング前に火花点火する。本発明では、負荷が高いほど上記第１の点火プラグの点火時期と上記第２の点火プラグの点火時期との位相差を大きく与える。

すなわち、この火花点火内燃機関では、燃焼室のほぼ中心に位置する第１の点火プラグによる点火によって燃焼が開始する。点火後、燃焼室のほぼ中心から外周側へと火炎が伝播していくが、一対の吸気弁を介して燃焼室内に生成される一対のタンブル流によって、この火炎伝播が真円形とならずに歪んだ形のものとなる。燃焼室内に生成されたタンブル流は、ピストンの上昇により燃焼室が偏平になるに伴って、燃焼室の平面視において一対の大きな対称の渦となり、この２つの渦の合流点となる吸気弁寄りの燃焼室外周部で火炎伝播が遅れ、ここに未燃のエンドガス領域が残存する。このエンドガス領域の大きさは、タンブル流の強度によって制御可能であり、タンブル流を強くするとエンドガス領域が拡大し、タンブル流を弱くするとエンドガス領域は縮小する。

このように残存した未燃のエンドガス領域は、圧縮自己着火によるノッキングとなる前に、第２の点火プラグの火花によって着火燃焼に至る。これにより、ノッキングが確実に回避されるとともに、燃焼期間が短くなって、熱効率に優れたものとなる。

この発明によれば、タンブル流を用いて燃焼室の特定の部位にエンドガス領域を積極的に残存させ、これがノッキングに至る前に強制的に火花点火することにより、サイクル変動に影響されずに常にノッキングを確実に回避でき、かつ熱効率の向上が図れる。

以下、この発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明に係る火花点火内燃機関の一実施例を示しており、この内燃機関は、シリンダヘッド２とシリンダブロック３とピストン４とによって燃焼室１が形成されているとともに、吸気ポート５を開閉する一対の吸気弁７と、排気ポート６を開閉する一対の排気弁８と、を備えている。そして、これらの４つの弁に囲まれた燃焼室１の中心位置に、第１点火プラグ９が配置されている。

上記吸気ポート５は、燃焼室１内での順タンブル流の生成に適した傾斜角度でもってほぼ直線状に構成されており、さらに、該吸気ポート５内を上下の通路に区画するように断面の中央に沿って整流板１１が設けられているとともに、その下方の通路を上流側で開閉するタンブル制御弁１０を備えている。周知のように、このタンブル制御弁１０を閉じると、吸気は整流板１１上方の通路のみを通して燃焼室１に流入するので、図の矢印Ｔのように上下方向に旋回するタンブル流（順タンブル流）の強度が高くなり、逆にタンブル制御弁１０を開くと、タンブル流の強度が低くなり、タンブル制御弁１０の開度に応じてタンブル流の強度を連続的に可変制御することが可能である。ピストン４の頂面には、タンブル流を阻害しないように、緩く湾曲した凹部４ａが形成されている。

また、燃焼室１の吸気弁７側の周縁部、詳しくは一対の吸気弁７に挟まれた位置でかつ吸気ポート５の下方となる位置に、第２点火プラグ１２が配置されている。

なお、燃料噴射弁は図示していないが、本発明では、吸気ポート５内で燃料を噴射供給してもよく、あるいは、筒内に直接燃料を噴射するようにしてもよい。この燃料としては、通常のガソリン燃料が用いられる。

次に、上記のように構成された本発明の火花点火内燃機関における作用について説明する。

上記タンブル制御弁１０によって可変制御されるタンブル流の強度は、基本的に、図２に示すように、機関の負荷の増加に伴ってタンブル流が強くなるように制御され、特に、ノッキングが問題となる高負荷域では、強いタンブル流が与えられる。

図３は、燃焼室１内で第１点火プラグ９により点火された混合気の火炎伝播の様子を示しており、燃焼室１内の燃料の一定割合、例えば５０パーセントの燃料が火炎伝播燃焼により燃焼した段階での火炎伝播の周縁２１の位置を示している。図３の（ａ）図は、タンブル流の強度が比較的高いときの状態を示しているが、一対の吸気弁７を介して燃焼室１内に生成される一対の順タンブル流によって、この火炎伝播が真円形とならずに歪んだ形のものとなる。つまり燃焼室１内の一対のタンブル流によって、ピストン４の上昇により燃焼室１が偏平になるに伴って、燃焼室１の平面視において矢印Ｔ１，Ｔ２で示すようなシリンダ外周に沿う一対の大きな渦が対称に生じる。火炎は、この渦Ｔ１，Ｔ２に沿って進行しやすいため、この２つの渦Ｔ１，Ｔ２の合流点となる吸気弁７寄りの燃焼室１外周部で相対的に火炎伝播が遅れ、ここに未燃のエンドガス領域２２が残存する。このエンドガス領域２２の大きさは、タンブル流の強度によって制御可能であり、タンブル流を強くすると図３（ａ）図のようにエンドガス領域２２が拡大し、タンブル流を弱くすると（ｂ）図のようにエンドガス領域２２は縮小する。上記のようにタンブル流強度は負荷に応じて制御されるので、従って、図３（ａ）は、ノッキングが問題となる高負荷域に相当する。

図３（ａ）のように特定の部位にまとまって残存した未燃のエンドガス領域２２は、ピストン４の上昇に伴って不正着火つまりノッキングとなる前に、第１点火プラグ９から遅れて点火する第２点火プラグ１２によって強制的に点火され、速やかに着火燃焼する。従って、不正着火によるノッキングが確実に回避され、かつ熱効率が向上する。なお、エンドガス領域２２は、ヒートスポットとなる排気弁８から離れて吸気弁７寄りに形成されるので、自己着火によるノッキングが発生しにくい。

図４は、本発明の１サイクル中の燃焼における熱発生を一般的な火花点火式内燃機関の熱発生（一点鎖線）と比較して示したものであり、図（ａ）は、高負荷域での熱発生を、図（ｂ）は、低負荷域での熱発生を、それぞれ示す。図（ａ）に一点鎖線で示すように、高負荷域では、一般に、エンドガスとして燃焼室の種々の位置に残った未燃燃料が火炎伝播による燃焼の前に急激に自己着火燃焼することによって、ノッキングとなる。本発明では、タンブル流を利用して第２点火プラグ１２が配置された特定の部位にエンドガス領域２２を積極的に形成し、このエンドガス領域２２を火花点火するので、サイクル毎に不安定なノッキングが発生することがなく、確実にノッキング回避が図れる。

一方、ノッキングが問題とならない低負荷域では、第２点火プラグ１２は第１点火プラグ９と実質的に同時に点火される。なお、このとき、タンブル流は弱く、前述した図３（ｂ）のように明確なエンドガス領域２２は形成されない。従って、第１点火プラグ９および第２点火プラグ１２の双方で同時に点火することにより火炎伝播距離が短くなるため、図４（ｂ）のように燃焼期間が短縮される。一般的な火花点火式内燃機関では、低負荷域で特にリーン条件の燃焼を行うと、燃焼が緩慢となり、一点鎖線で示すように燃焼期間が長くなって、未燃ＨＣの増加を招くが、本発明では、上記のように２点点火として燃焼期間を短くすることで、未燃ＨＣが少なくなるとともに、熱発生期間が短縮することによる熱効率向上が得られる。

図５は、第１点火プラグ９の点火時期と第２点火プラグ１２の点火時期との位相差の特性を示したものであり、図（ａ）は、この位相差と負荷との関係を、図（ｂ）は、この位相差とタンブル流強度（タンブル比）との関係を、それぞれ示している。なお、第１点火プラグ９の点火時期は、基本的に一般的なＭＢＴ点に沿うように設定され、第２点火プラグ１２は、これよりも位相差分だけ遅れた点火時期となる。図（ａ）に示すように、点火時期の位相差は、負荷が高いほど大きく与えられ、高負荷域では、前述したエンドガス領域２２がノッキングに至る直前に火花点火されるように十分に大きな位相差となる一方、低負荷域では極小ないし０となり、実質的に２点で同時に点火される。また、タンブル流強度に対しては、図（ｂ）のように、タンブル流強度が高いほど、大きな位相差が与えられる。

図１には図示していないが、本発明では、ノッキングを検出する公知のセンサを設け、ノッキング発生が検出されたときにタンブル流の強度を高めるように制御することができる。このようにタンブル流強度を高めることで、図３（ａ）のようにエンドガス領域２２を一箇所にまとめて確実に火花点火燃焼させることができ、ノッキングを抑制できる。また、同じくノッキング発生が検出されたときには、第１点火プラグ９の点火時期と第２点火プラグ１２の点火時期との位相差を小さくすることで、エンドガス領域２２の不正着火をより確実に回避できる。

また本発明では、供給される燃料のオクタン価（換言すれば自着火性）に応じた補正を行うこともできる。なお、燃料のオクタン価を検出する装置は公知であり、このような装置を用いて燃料のオクタン価を自動的に判別することも可能であり、あるいは、いわゆるハイオクガソリンであるかレギュラーガソリンであるかを運転者が入力するようにしてもよい。図６は、燃料の自着火性に対する補正の例を示したものであり、タンブル流強度は、前述したように基本的に負荷に応じて高くなるが、燃料の自着火性が高いほど、タンブル流強度が高くなるように補正する。これにより、例えば低オクタン価ガソリンを用いた際のノッキングが確実に回避される。

図７は、タンブル流生成手段の異なる実施例を示すもので、前述したタンブル制御弁１０および整流板１１に代えて、タンブル流生成用の副吸気通路３１が吸気ポート５に付加されている。この副吸気通路３１は、先端が一対の吸気弁７の近傍に開口しており、かつ上流側に、タンブル流強度を連続的に変化させるべく副吸気通路３１の流量を連続的に変化させうる流量制御弁３２が設けられている。

なお、図１および図７の例では、タンブル流強度を可変制御しているが、高負荷域でのノッキング回避のためには、タンブル流強度の可変制御は必ずしも必須ではなく、少なくともノッキングが問題となる高負荷域において十分な強度のタンブル流が存在すれば足りる。

また図８は、前述したタンブル流によるシリンダ外周に沿う一対の大きな渦Ｔ１，Ｔ２がより確実に生じるように、ピストン４頂面の凹部４ａの形状を変更した例を示している。図示するように、ピストン４の凹部４ａは、２つの対称の渦Ｔ１，Ｔ２を円滑に案内するように２つの楕円をつなぎ合わせたような平面形状を有し、２つの渦Ｔ１，Ｔ２を分岐および合流させるための頂点部５１，５２が、一対の吸気弁７の間および一対の排気弁８の間に設けられている。

本発明に係る火花点火内燃機関の一実施例を示す断面図。 負荷とタンブル流強度との関係を示す特性図。 （ａ）タンブル流強度が高いとき、および（ｂ）タンブル流強度が低いとき、の燃焼室内の火炎伝播の様子を示す説明図。 サイクル中の熱発生を、（ａ）高負荷および（ｂ）低負荷について示した特性図。 点火時期位相差と（ａ）負荷との関係および（ｂ）タンブル比との関係を示した特性図。 燃料の自着火性と負荷とタンブル流強度との関係を示した特性図。 タンブル流生成用の副吸気通路を設けた実施例を示す断面図。 ピストンの凹部の一例を示す（ａ）平面図および（ｂ）断面図。

符号の説明

１…燃焼室
４…ピストン
５…吸気ポート
７…吸気弁
８…排気弁
９…第１点火プラグ
１０…タンブル制御弁
１２…第２点火プラグ

Claims (5)

1. 少なくとも１つの排気弁および一対の吸気弁を備えるとともに、燃焼室のほぼ中心位置に第１の点火プラグを備え、かつ上記吸気弁から流入する吸気流により燃焼室内に一対のタンブル流が生成される火花点火内燃機関であって、
   上記タンブル流によって上記点火プラグによる火花点火後の火炎伝播を歪ませて、燃焼室の吸気弁寄りの周縁部にエンドガス領域を残存させるようにするとともに、このエンドガス領域に対応して第２の点火プラグを備え、
   この第２の点火プラグを上記第１の点火プラグから遅れて点火し、上記エンドガス領域をノッキング前に火花点火するように構成され、
   負荷が高いほど上記第１の点火プラグの点火時期と上記第２の点火プラグの点火時期との位相差を大きく与える、ことを特徴とする火花点火内燃機関。
2. タンブル流の強度を可変制御する手段を有し、高負荷域では中負荷域に比べて強いタンブル流を与えることを特徴とする請求項１に記載の火花点火内燃機関。
3. タンブル流の強度を可変制御する手段およびノッキング検出手段を有し、ノッキング発生が検出されたときにタンブル流の強度を高めることを特徴とする請求項１に記載の火花点火内燃機関。
4. 低負荷域では、第１の点火プラグと第２の点火プラグとが同時に点火することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の火花点火内燃機関。
5. ノッキング検出手段を有し、ノッキング発生が検出されたときに、上記第１の点火プラグの点火時期と上記第２の点火プラグの点火時期との位相差を小さくすることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の火花点火内燃機関。

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