JP6201441B2 - 内燃機関 - Google Patents

Description

この発明は、１気筒あたりに吸気バルブを複数備えた内燃機関に関する。

自動車等に用いられる内燃機関として、１気筒あたりに吸気バルブや排気バルブを複数備えたものが知られている。また、可変バルブ機構を適用して、吸気バルブと排気バルブの双方の開閉タイミングを変更可能とし、各バルブの開閉タイミングの調整により、燃焼室内での吸気や排気の戻りを最適化し、出力の向上や燃費向上等が図られている。

例えば、特許文献１には、１気筒あたりに、排気バルブと吸気バルブをそれぞれ２つ備え、２つの吸気バルブの間、及び、２つの排気バルブの間で開閉タイミングをずらすとともに、一方の組の吸気バルブと排気バルブ、他方の組の吸気バルブと排気バルブの開弁動作をオーバーラップさせる技術が記載されている。

２つの吸気バルブ、排気バルブの開閉タイミングをずらし、吸気バルブと排気バルブの開弁動作をオーバーラップさせることにより、気筒の筒軸回りへの旋回流であるスワール流形成を促進し、燃焼性能の向上を図っている。

特開２０１０−１５０９３９号公報

例えば、図６に示すように、２つの吸気バルブ５ａ,５ｂを同時に開弁する場合、両吸気バルブ５ａ,５ｂからの吸気Ｓ１０は、燃焼室２内の内周面２ａの周方向に沿って互いに逆方向へＳ１１のように旋回し、２つの旋回流Ｓ１１は、吸気バルブ５の対側である排気バルブ側において衝突する。また、その後、吸気バルブ５ａ，５ｂからの別の流れである吸気Ｓ１２とも衝突する。これらの衝突により、燃焼室２内でのスワール流の勢いは減殺されてしまう。

この状態で、点火直前に吸気がピストン１０により圧縮されても、燃焼室２内に生じる乱れの状態、すなわち小さな渦の集合の発生度合いは弱い状態になる。スワール流の勢いが弱いと、圧縮行程における小さな渦の発生は少なくなるからである。このため、混合気の燃焼速度は緩慢であり、熱効率が低くなるという問題がある。

このとき、圧縮時の乱れの分布は、例えば、図７に示すようになる。ここで、比較的弱い乱れを示す符号Ａ部分（以下、「弱乱れ部Ａ」と称する。）、強い乱れを示す符号Ｃ部分（以下、「強乱れ部Ｃ」と称する。）、その中間を示す符号Ｂ部分（以下、「中乱れ部B」と称する。）が、燃焼室２内に存在する。
図のように、弱乱れ部Ａや中乱れ部Ｂには、吸気側と排気側にそれぞれ内径側へ（内周面２ａから離れる側へ）大きく入り込む部分Ｄ，Ｅ（以下、入込み部Ｄ，Ｅと称する）が生じている。この入込み部Ｄ，Ｅでは乱れが特に弱いため、燃焼速度が遅くなる。このため、ノッキングを生じやすく、出力や燃費悪化の原因となり得る。また、強い乱れの符号Ｃ部分が、気筒の軸心に対して排気側に偏って分布していることも、排気側と吸気側とで燃焼速度の差が生じる原因となっている。

それに対し、上記特許文献１のように、２つの吸気バルブのうち一方を開いた後、他方を遅れて開くようにすれば、先に開いた一方の吸気バルブからの吸気により、燃焼室内には安定したスワール流が形成されるので、後に他方の吸気バルブが開いても、スワール流は阻害されにくい。このため、圧縮時における乱れの弱さは幾分解消されるのではないか、と考えられる。

しかしながら、吸気バルブの開弁時期に位相差を設けた場合、圧縮行程において、排気側の入込み部Ｄは解消されるものの、入込み部Ｅ、及び、強乱れ部Ｃの偏りは依然として存在することが、実験により判明している。すなわち、複数の吸気バルブの開弁時期に位相差を設けた内燃機関においても、燃焼室内の燃焼速度は完全には均一化されていない。

そこで、この発明の課題は、燃焼室全体の燃焼速度をできるだけ均一にすることである。

上記の課題を解決するために、この発明は、１つの気筒につき少なくとも１つ設けられた排気バルブと、１つの気筒につき複数設けられた吸気バルブと、前記吸気バルブと前記排気バルブの間に設けられた点火プラグを備え、前記複数の吸気バルブは、前記吸気バルブ同士の開弁時期に位相差を設けて燃焼室内にスワール流を発生させるように制御され、前記点火プラグは、前記気筒の軸心よりも吸気バルブ側或いは排気バルブ側のうち前記燃焼室内に生じる乱れが相対的に小さい側にずれて配置されている内燃機関としたのである。

前記気筒の軸心よりも吸気バルブ側に生じる乱れが排気バルブ側に生じる乱れよりも相対的に小さい場合、前記点火プラグは、前記気筒の軸心よりも前記吸気バルブ寄りに配置されている内燃機関とすることができる。

ここで、気筒毎に備えられる点火プラグは、火花を生じさせる電極として、シェルの軸心に位置する中心電極と、前記中心電極から偏心した位置に立ち上がる側方電極とを備える。シェルは、シリンダのプラグ穴に対応するネジ部を備え、そのネジ部の先端側に前記電極が設けられている。

ここで、前記側方電極は、前記シェルの軸心よりも前記燃焼室内に生じる乱れが相対的に大きい側で立ち上がるように配置されていることが望ましい。

また、前記側方電極は、前記シェルに固定される立ち上がり部と、前記立ち上がり部から前記シェルの軸心側へ突出する先端部とを備え、前記立ち上がり部は、排気側と吸気側とを結ぶ方向に直交する方向に対する前記先端部の幅よりも前記直交する方向への幅が広いことが望ましい。さらに、前記立ち上がり部は、前記燃焼室内に生じる乱れが相対的に大きい側に凸な円弧形状であることが望ましい。

この発明によれば、吸気バルブ同士の開弁時期に位相差を設けてスワール流を発生させ、さらに、点火プラグを気筒の軸心よりも相対的に乱れが小さい側にずらして配置したので、圧縮行程において、相対的に乱れの小さい側の燃焼を早めることができる。これにより、相対的に乱れの強い排気側の燃焼速度と、相対的に乱れの弱い吸気側の燃焼速度とを平準化できる。すなわち、圧縮工程で乱れの弱い部分が吸気側に偏って存在していても、燃焼室内の燃焼速度を均一に近づけ、ノッキングを抑制することができる。

この発明の一実施形態の燃焼室内での吸気の流れを示し、（ａ）は燃焼室内を示す平面図、（ｂ）は正面図である。 圧縮工程における燃焼室内の乱れの強さの分布を示す平面図である。 （ａ）〜（ｄ）は、点火プラグの側方電極の向きの違いによる各種性能の傾向を示すグラフ図である。 （ａ）は点火プラグの正面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視図、（ｃ）は（ｂ）の変形例である。 吸気バルブ、排気バルブの動作の例を示すタイムチャートである。 ２つの吸気バルブが同時に開閉する場合の燃焼室内での吸気の流れを示し、（ａ）は燃焼室内を示す平面図、（ｂ）は正面図である。 ２つの吸気バルブが同時に開閉する場合の圧縮工程における燃焼室内の乱れの強さの分布を示す平面図である。

以下、この発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。この実施形態の内燃機関は自動車用エンジンであり、図１（ａ）（ｂ）に、エンジンが備える１つの気筒における燃焼室２の要部を示す。

シリンダＳには、ピストン１０を収容した気筒毎に、燃料噴射弁の燃料の噴射により生成された混合気を燃焼室２内に送り込む吸気ポート１、排気を燃焼室２外へ送り出す排気ポート７、シリンダヘッド側から気筒（シリンダ）の軸線ｐに沿って下向きに配置された点火プラグ３等が備えられている。吸気ポート１及び排気ポート７は、それぞれ吸気バルブ５、排気バルブ６によって開閉される。なお、図１（ｂ）では、排気ポート７及び排気バルブ６等は図示省略している。

吸気バルブ５及び排気バルブ６は、シリンダヘッド側に設けたカムシャフトにバルブリフタを介して接続されているので、カムシャフトの回転によって、所定のタイミングで吸気ポート１、排気ポート７を開閉する。カムシャフトへの動力の伝達は、カムシャフト側に設けたスプロケットとクランクシャフト側に設けたスプロケットとの間をタイミングチェーン等で連結することにより行われている。

吸気バルブ５は、図１（ａ）に示すように、１つの気筒に２つ設けられる。一方の吸気バルブ５である第一の吸気バルブ５ａと、他方の吸気バルブ５である第二の吸気バルブ５ｂの開閉タイミングは互いに異なるように、カムシャフト、バルブリフタ、その他からなる制御装置が設定されている。

また、排気バルブ６も、図１（ａ）に示すように、１つの気筒に２つ設けられる。一方の排気バルブ６である第一の排気バルブ６ａと、他方の排気バルブ６である第二の排気バルブ６ｂの開閉タイミングは同じになるよう、カムシャフト、バルブリフタ、その他からなる制御装置が設定されている。

吸気バルブ５、排気バルブ６の動作の例を、図５に示す。第一の吸気バルブ５ａの開弁時期は、２つの排気バルブ６ａ，６ｂの閉弁終了時期よりも早く設定されており、両者の開弁時期にオーバーラップ期間が設けられている。第二の吸気バルブ５ｂと２つの排気バルブ６ａ，６ｂとは、開弁期間にオーバーラップが生じない状態に設定されている。なお、第一の吸気バルブ５ａと２つの排気バルブ６ａ，６ｂの開弁期間にオーバーラップが生じないように設定することも可能である。また、２つの吸気バルブ５ａ，５ｂの閉弁時期や、２つの排気バルブ６ａ，６ｂ間に開弁時期、閉弁時期に位相差を設けることも可能である。
上記のような条件で各バルブの開閉時期を設定し、固定のバルブタイミングで車両を運転することも可能であるが、これらの各バルブの開弁時期、閉弁時期は、可変バルブ装置を用いることによって、車両の運転状態に応じて運転中に適宜変更することもできる。

また、上記のように、２つの吸気バルブ５ａ，５ｂのうち，第一の吸気バルブ５ａを開いた後、第二の吸気バルブ５ｂを遅れて開くようにしたので、図１（ａ）に示すように、先に開いた第一の吸気バルブ５ａからの吸気Ｓ０により、燃焼室２内には安定したスワール流Ｓ１が形成され、後に第二の吸気バルブ５ｂが開いてもスワール流Ｓ１は阻害されにくく、図１（ｂ）に示すように、燃焼室２内に大きなスワール流Ｓ３が形成される。

このバルブ動作に基づいた場合、圧縮工程における燃焼室２内の乱れの分布は、図２に示すようになる。ここで、比較的弱い乱れの「弱乱れ部Ａ」、強い乱れの「強乱れ部Ｃ」、その中間を示す「中乱れ部B」は、前述のとおりである。

ここで、第一の吸気バルブ５ａと第二の吸気バルブ５ｂのうち、第一の吸気バルブ５ａを開いた後、第二の吸気バルブ５ｂを遅れて開くようにしたので、圧縮時における排気側の前記入込み部Ｄは解消されている。
しかし、吸気側の前記入込み部Ｅは解消しておらず、弱乱れ部Ａや中乱れ部Ｂは、気筒の軸心ｐに対して、全体的に吸気側に偏って分布している。また、強乱れ部Ｃは、気筒の軸心ｐに対して、全体的に排気側に偏って分布している。

これに対応するため、燃焼室２内において、点火プラグ３のシェル３ａの軸心ｑは、図１（ｂ）に示すように、気筒の軸心ｐよりも距離ｗだけ吸気バルブ５寄りに偏心して配置している。

点火プラグ３を、気筒の軸心ｐよりも吸気バルブ５寄りに配置したので、相対的に乱れの弱い吸気側の燃焼を早めることができる。また、相対的に乱れの強い排気側の燃焼を遅らせることができる。これにより、相対的に乱れの強い排気側の燃焼速度と、相対的に乱れの弱い吸気側の燃焼速度とを平準化できるので、燃焼室内の燃焼速度を均一に近づけることができる。燃焼速度が均一に近づけば、圧縮行程における混合気の自然発火等の問題が解消されるので、ノッキングを抑制することができる。

ノッキングが抑制できれば、高圧縮比化が容易に可能となる。また、低オクタン価燃料の使用時や、低速高負荷時、過給時等においてもノッキングを抑制しやすくなるので、内燃機関の熱効率を高め、出力や燃費を向上することができる。

図４（ａ）は点火プラグ３の全体図を示す。図４（ｂ）は点火プラグ３の電極４を平面的に表したものである。点火プラグ３のシェル３ａの軸心ｑに配置される中心電極４ｃは、カソードとして電子を放出する正極として設計されている。側方電極（側極）４ａは接地電極であり、シェル３ａの先端側に設けられるネジ部（シリンダ側のプラグ穴に対応するネジ部）３ｂの先に溶接により固定されている。側方電極４ａは、点火プラグ３の軸心から偏心した位置に立ち上がる立上がり部４ｄを備え、その立上がり部４ｄの先端がＬ字状に約９０度屈曲して、先端部４ｂが中心電極４ｃに所定のギャップをもって対向している。

この実施形態では、側方電極４ａを、図１（ｂ）に示すように、シェル３ａの軸心ｑよりも排気バルブ６側で立ち上がるように配置したので、電極間の火花と相対的に乱れの強い排気側との間には側方電極４ａが介在し、火花の一部が遮蔽される。これに対し、相対的に乱れの弱い吸気側には火花を遮蔽する部材が介在しないので、電極間に発生する火花が直接吸気側の空間に面するようになる。このため、排気側の燃焼速度と吸気側の燃焼速度とをさらに均一に近づけることができる。

図３（ａ）〜（ｄ）に、点火プラグ３の側方電極４ａの向き（立ち上がり部４ｄの軸心ｑに対する向き）の違いによるエンジンＥの各種運転性能の傾向を示す。側方電極４ａの立上がり位置は、図３（ａ）〜（ｄ）においてそれぞれ左側から順に、吸気側、排気側、前方、後方（トランスミッション側）の値を示す。点火プラグ３の側方電極４ａの燃焼室２に対する向き、及び、エンジンを搭載する車体に対する向きについては、図４（ｂ）に示している。

図３（ａ）は、側方電極４ａの向きの違いによる発生トルク（Ｎｍ）の差異を示している。側方電極４ａの向きを排気側にする場合が、最も高いトルクを示している。図３（ｂ）は、同じく体積効率（％）の差異を示している。側方電極４ａの向きを排気側にする場合が、最も高い体積効率を示している。図３（ｃ）は、同じく主燃焼期間（１０−９０％（°ＣＡ））の差異を示している。側方電極４ａの向きを排気側にする場合が、最も速い燃焼速度を示している。図３（ｄ）は、同じく等容度（％）の差異を示している。側方電極４ａの向きを排気側にする場合、最も熱効率が向上している。

また、図４（ｃ）に点火プラグ３の変形例を示す。この例において、側方電極４ａは、シェル３ａに固定される立ち上がり部４ｄが、シェル３ａの軸心ｑ周りに形成された平面視円弧状の部材となっている。先端部４ｂは、立ち上がり部４ｄの円弧方向中央からシェル３ａの軸心ｑ側へ突出して設けられる。立ち上がり部４ｄを、シェル３ａの軸心ｑ周りに形成された平面視円弧状の部材とすれば、排気側に対して火花を遮蔽する面積が大きくなるので、燃焼速度のさらなる均一化が可能となる。

側方電極４ａの立ち上がり部４ｄを平面視円弧状の部材とする場合、平面視円弧状の部材の軸心ｑ回りの中心角αは、４５°から７５°の範囲であることが望ましい。立ち上がり部４ｄを平面視円弧状にすることで、中心電極４ｃと側方電極４ａとの距離が、立上がり部４ｄの幅方向に亘って一定となり、安定した着火が可能となる。

なお、立ち上がり部４ｄは、排気側と吸気側とを結ぶ方向（図４（ｃ）に示すｒ方向）に直交する方向（図４（ｃ）に示すｔ方向）に対する中心電極４ｃの幅よりも前記直交する方向ｔへの幅が広い部材により形成されることが望ましく、また、先端部４ｂの前記直交する方向ｔへの幅よりも広い部材により形成されることが望ましい。このため、立ち上がり部４ｄは、平面視弧状の部材のみならず、例えば、直線、曲線を問わず、前記直交する方向ｔへ帯状に長い部材としてもよい。

この実施形態では、弱乱れ部Ａや中乱れ部Ｂが気筒の軸心ｐに対して吸気側に偏って分布し、且つ、強乱れ部Ｃが気筒の軸心ｐに対して排気側に偏って分布している場合について説明したが、燃焼室２内における乱れの偏り状態が異なる場合も想定される。
例えば、弱乱れ部Ａや中乱れ部Ｂが気筒の軸心ｐに対して排気側に偏って分布し、強乱れ部Ｃが気筒の軸心ｐに対して吸気側に偏って分布するような内燃機関においては、点火プラグ３は、気筒の軸心ｐよりも排気バルブ６側にずれて配置されていることが望ましい。また、このとき、点火プラグ３の側方電極４ａは、シェル３ａの軸心ｑよりも吸気バルブ５側で立ち上がるように配置されていることが望ましい。
すなわち、点火プラグ３は、気筒の軸心ｐよりも燃焼室２内に生じる乱れが相対的に小さい側（弱い側）にずれて配置することが望ましく、また、点火プラグ３の側方電極４ａは、シェル３ａの軸心ｑよりも燃焼室２内に生じる乱れが相対的に大きい側（強い側）で立ち上がるように配置されていることが望ましい。

なお、以上は、エンジンとして吸排気にそれぞれ２つのバルブを備えた４バルブガソリンエンジンを想定して説明したが、１つの気筒当たりに複数の吸気バルブを備えるものであれば、各気筒毎のバルブ数は自由に設定できる。例えば、バルブの数を、吸気側２および排気側２、吸気側２および排気側１、吸気側３および排気側２等とすることができる。また、気筒数は自由であり、単気筒、二気筒、四気筒などガソリンを燃料とする種々のレシプロエンジンに適用できる。

１ 吸気ポート
２ 燃焼室
２ａ 内周面
３ 点火プラグ
３ａ シェル
３ｂ ネジ部
４ 電極
４ａ 側方電極
４ｂ 先端部
４ｃ 中心電極
４ｄ 立ち上がり部
５ 吸気バルブ
５ａ 第一の吸気バルブ
５ｂ 第二の吸気バルブ
６ 排気バルブ
６ａ 第一の排気バルブ
６ｂ 第二の排気バルブ
７ 排気ポート
１０ ピストン
Ｓ シリンダ

Claims (5)

1. １つの気筒につき少なくとも１つ設けられた排気バルブと、
   １つの気筒につき複数設けられた吸気バルブと、
   前記吸気バルブと前記排気バルブの間に設けられた点火プラグを備え、
   前記複数の吸気バルブは、前記吸気バルブ同士の開弁時期に位相差を設けて燃焼室内にスワール流を発生させるように制御され、
   前記点火プラグは、相対的に乱れの大きい側の燃焼速度と相対的に乱れの小さい側の燃焼速度とを平準化するために、前記気筒の軸心よりも吸気バルブ側或いは排気バルブ側のうち前記燃焼室内に生じる乱れが相対的に小さい側にずれて配置されていることを特徴とする内燃機関。
2. 前記点火プラグは、前記気筒の軸心よりも前記吸気バルブ寄りに配置されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
3. 前記点火プラグは、シェルの軸心に位置する中心電極と、前記中心電極から偏心した位置に立ち上がる側方電極とを備え、
   前記側方電極は、前記シェルの軸心よりも前記燃焼室内に生じる乱れが相対的に大きい側で立ち上がるように配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関。
4. 前記側方電極は、前記シェルに固定される立ち上がり部と、前記立ち上がり部から前記シェルの軸心側へ突出する先端部とを備え、
   前記立ち上がり部は、排気側と吸気側とを結ぶ方向に直交する方向に対する前記先端部の幅よりも前記直交する方向への幅が広いことを特徴とする請求項３に記載の内燃機関。
5. 前記立ち上がり部は、前記燃焼室内に生じる乱れが相対的に大きい側に凸な円弧形状であることを特徴とする請求項３又は４に記載の内燃機関。

Images