JP6206270B2 - 火花点火式内燃機関 - Google Patents

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Description

この発明は、火花点火式内燃機関に関する。
従来、例えば特許文献1には、火花点火式の内燃機関が開示されている。この従来の内燃機関は、シリンダヘッドに取り付けられるプラグ本体と、プラグ本体に設けられる中心電極と、放電ギャップを介して中心電極にプラグ本体の軸方向から対向する対向部と当該対向部をプラグ本体のハウジングに接続する接続部とを有する接地電極と、を備える点火プラグを備えている。プラグ本体は、プラグ本体の軸方向から見て、点火プラグ周囲の気流の方向に対して、中心電極から見た接続部の方向が直交するようにシリンダヘッドに取り付けられている。
特開2013−098042号公報 特開2013−171632号公報 特開平10−317972号公報
ところで、互いに対向するように傾斜した一対のルーフを有するペントルーフ型の燃焼室を備え、一対のルーフの一方に吸気弁が配置され、一対のルーフの他方に排気弁が配置され、かつ、一対のルーフが交わる燃焼室の頂部に点火プラグが取り付けられた内燃機関では、点火プラグによる混合気の着火性に関して次のような課題を有している。すなわち、上記内燃機関において、点火時に放電ギャップを通過する気流として一方のルーフ側から他方のルーフ側に向かう気流、もしくは他方のルーフ側から一方のルーフ側に向かう気流が生成されている場合には、放電ギャップに形成される放電火花が気流に乗ってルーフの一方もしくは他方側の燃焼室の天井面(ルーフの壁面)に向かって伸びることがある。この際、伸びた放電火花が燃焼室の天井面に近づくことで、放電火花から発生した初期火炎が天井面に触れてしまい、初期火炎の熱が天井面に奪われて消炎することがある。その結果、着火性が低下してしまう。
初期火炎の消炎による着火性の悪化を防ぐためには、初期火炎が燃焼室の天井面に触れることを抑える必要がある。しかし、上記の特許文献に開示されている構成も含め、従来実用或いは提案されている内燃機関の点火プラグ周りの構成は、初期火炎が燃焼室の天井面に触れることを抑えるようには工夫されていない。
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、点火プラグの放電火花から発生する初期火炎が燃焼室の天井面に触れることを抑制することのできる火花点火式内燃機関を提供することを目的とする。
第1の発明は、火花点火式内燃機関であって、
互いに対向するように傾斜した一対のルーフを有するペントルーフ型の燃焼室と、
前記一対のルーフの一方に少なくとも1つ配置された吸気弁と、
前記一対のルーフの他方に少なくとも1つ配置された排気弁と、
前記一対のルーフが交わる前記燃焼室の頂部においてシリンダヘッドに取り付けられるプラグ本体と、前記プラグ本体に設けられる中心電極と、放電ギャップを介して前記中心電極に前記プラグ本体の軸方向から対向する対向部と前記対向部を前記プラグ本体のハウジングに接続する接続部とを有する接地電極と、を有する点火プラグと、
を備え、
点火時に前記放電ギャップを通過する気流として、前記一方のルーフ側から前記他方のルーフ側に向かう気流、もしくは前記他方のルーフ側から前記一方のルーフ側に向かう気流が生成される内燃機関であって、
前記一対のルーフの少なくとも一方の壁面もしくは前記ハウジングに設けられ、点火時に前記放電ギャップを通過する気流の方向を、前記燃焼室を気筒中心軸線方向から見て前記一対のルーフの壁面の交線と直交する基準方向に対して傾斜した方向に曲げる気流案内部材をさらに備え、
前記気流案内部材により曲げられた気流の方向から前記接続部の位置が外れた位置となるように、かつ、前記接続部が前記中心電極を通る前記基準方向の線上に位置しないように、前記シリンダヘッドに前記プラグ本体が取り付けられており、
前記気流案内部材は、前記気筒中心軸線方向から見て、点火時に前記放電ギャップを通過する気流を、前記中心電極を通る前記基準方向の線を挟んで前記接地電極の前記接続部と反対側に向かうように案内することを特徴とする。
また、第の発明は、第の発明において、
前記点火プラグは、前記一対のルーフの壁面の交線および気筒中心軸線の双方と直交する方向における前記放電ギャップから前記他方のルーフの璧面までの距離よりも長く放電火花が伸びる構造を有していることを特徴とする。
第1の発明によれば、放電ギャップを通過する気流によって下流側に流されていく放電火花および初期火炎とそれらの下流側の燃焼室の天井面との距離を大きく確保できるようになる。このため、放電火花から発生した初期火炎が燃焼室の天井面に触れることを抑制することができる。また、本発明によれば、接地電極への放電火花および初期火炎の接触をより確実に避けられるようになる。このため、初期火炎の生成をより効果的に促進させられるようになる。
また、本発明は、燃焼室の天井面への接触による放電火花の消炎が発生し易い仕様の点火プラグを有する第の発明に係る火花点火式内燃機関において特に高い意義を有している。
本発明の実施の形態1に係る火花点火式の内燃機関の燃焼室構造を説明するための縦断面図である。 図1に示す点火プラグの構成を示す図である。 点火プラグをピストン側から見た気筒中心軸線方向の図である。 比較のために参照する従来の構成に関する図である。 本発明の実施の形態1に係る構成に関する図である。 本発明に係る気流案内部材の他の構成例を示す図である。 気流案内部材の配置場所の他の例を示す図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。実施の形態では、本発明を点火プラグを有する自動車用の火花点火式内燃機関、より詳しくは、均質希薄燃焼による運転が可能な希薄燃焼内燃機関に適用する。希薄燃焼内燃機関には、希薄燃焼限界の拡大のために着火性の向上が求められている。このため、希薄燃焼内燃機関に本発明を適用することには意義がある。ただし、理論空燃比による運転を行う内燃機関に本発明を適用することは勿論可能であり、そのような内燃機関においても着火性の向上という共通の効果を得ることができる。
以下に示す実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、構成部品の構造、配置等を下記のものに限定する意図はない。本発明は以下に示す実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る火花点火式の内燃機関10の燃焼室構造を説明するための縦断面図である。図1に示す内燃機関10は、互いに対向するように傾斜した一対のルーフ12a、12bを有するペントルーフ型の燃焼室12を備えている。燃焼室12は、筒内を往復移動するピストン14の頂面と一対のルーフ12a、12bとによって囲まれた空間である。一対のルーフ12a、12bは、シリンダヘッド16(後述の図2参照)に形成されており、ルーフ12a、12bの壁面が燃焼室12の天井面として機能する。
一方のルーフ12aには、2つの吸気弁18が並んで配置されており、他方のルーフ12bには、2つの排気弁20が並んで配置されている(後述の図5(A)も参照)。また、一対のルーフ12a、12bが交わる燃焼室12の頂部には、混合気に点火するための点火プラグ22が取り付けられている。
ところで、燃焼室12内に形成される気流には様々な形態がある。図1に示す例では、吸気弁18側から燃焼室12の天井面に沿って排気弁20側に流れる時計回りのタンブル流が発生している。この例での点火時の点火プラグ22の周囲の気流の方向は、一方のルーフ12a側(吸気側)から他方のルーフ12b側(排気側)に向かう方向A(燃焼室12を気筒中心軸線方向から見た場合には後述の「基準方向」と同じ)となる。以下、本実施形態では、一例として、点火時の点火プラグ22の周囲の気流の方向は、図1中に示す気流の方向Aであることを前提とした構成について説明する。
図2は、図1に示す点火プラグ22の構成を示す図である。本実施形態に係る点火プラグ22は、シリンダヘッド16に取り付けられた筒状の金具ハウジング22aと、金具ハウジング22aの内側に保持されたセラミック碍子22bとを備える。金具ハウジング22aとセラミック碍子22bとにより、点火プラグ22のプラグ本体が構成される。
セラミック碍子22bの先端は、燃焼室12の天井面から燃焼室12内に突き出している。その突き出したセラミック碍子22bの先端に中心電極22cが設けられている。さらに、中心電極22cの先端には、プラグ本体の軸、すなわち、セラミック碍子22bの軸CLと同心に、中心電極チップ22c1が配置されている。
金具ハウジング22aからは接地電極22dが燃焼室12内に延びている。接地電極22dは、軸CLの方向から中心電極22cに対向する対向部22d1と、対向部22d1を金具ハウジング22aに接続する接続部22d2とによって構成されている。対向部22d1の中心電極22cに対向する側には、セラミック碍子22bの軸CLと同心に、接地電極チップ22d3が配置されている。接地電極チップ22d3と中心電極チップ22c1との間に形成された隙間が、火花放電が生じる放電ギャップとなる。
次に、図2とともに図3を新たに参照して、内燃機関10の特徴的な構成について説明する。図3は、点火プラグ22をピストン14側から見た気筒中心軸線方向の図である。
本実施形態の内燃機関10は、点火プラグ22の近傍に、点火時に放電ギャップを通過する気流の方向を曲げる気流案内部材24を備え、かつ、気流案内部材24により曲げられた気流の方向との関係を考慮して点火プラグ22のプラグ本体がシリンダヘッド16に取り付けられているという点に特徴を有している。
具体的には、気流案内部材24は、点火プラグ22の近傍の天井面(図3に示す例では、吸気側のルーフ12aの壁面)に設けられている。気流案内部材24は、図3に示すように、点火時に放電ギャップを通過する気流の方向を、燃焼室12を気筒中心軸線方向から見て「基準方向」に対して傾斜した方向Bに曲げるものである。ここでいう基準方向とは、気筒中心軸線方向から見た場合に一対のルーフ12a、12bの交線L1と直交する方向のことである。一対のルーフの壁面が交わる部位が鋭角形状ではなく丸みを帯びた形状とされている場合には、一対のルーフの壁面を仮想的に延長した際に交わって得られる仮想的な交線が上記交線L1に相当する。また、本実施形態の内燃機関10は、気筒中心軸線方向から内燃機関10を見た場合に燃焼室12を吸気側と排気側とに分けるようにクランク軸26(図1参照)が延在している。このような吸排気弁の配置とクランク軸の配置との関係を有する場合には、上記「基準方向」は、気筒中心軸線方向から見た場合にクランク軸26と直交する方向と同一となる。なお、気流案内部材24によって曲げられていない場合に放電ギャップを通過する気流の方向Aは、上記基準方向と同じである。また、図3に示す構成例では、気筒中心軸線方向から見た場合に交線L1は点火プラグ22の中心を通っている。
さらに付け加えると、気流案内部材24は、板状であってピストン14側に向けて延びるように形成されている。気流案内部材24は、上記のように放電ギャップを通過する気流の方向を変化させるものであるため、図2に示すように点火プラグ22と同等の高さでピストン14側に突き出すように形成されている。また、気流案内部材24は、中心電極22cに対して上記基準方向における気流の上流側の部位に配置されている。
点火プラグ22は、以下のような配慮がなされたうえでシリンダヘッド16に対して取り付けられる。具体的には、接地電極22dの接続部22d2の位置が気流案内部材24により曲げられた気流の方向Bから外れた位置となるように、シリンダヘッド16に点火プラグ22のプラグ本体が取り付けられている。気流の方向Bから外れた位置とは、接続部22d2が設けられる金具ハウジング22aの円周状の先端面から図3中に示す除外対象位置Cを除いた部位である。接続部22d2が除外対象位置Cに設けられていると、気流案内部材24によって気流の方向Bに曲げられた気流が放電ギャップを通過して流れていくことを、接続部22d2が邪魔をしてしまうためである。
図3に示す例では、気筒中心軸線方向から見て、接地電極22dの接続部22d2が吸気弁18と排気弁20との隙間の方向に向くように、シリンダヘッド16にプラグ本体が取り付けられている。ここで、気流の方向Bは、気流案内部材24の位置および形状に応じて変化し、気流の方向Bの変化に応じて上記の除外対象位置Cが変化する。したがって、点火プラグ22の取り付け角度は、気流案内部材24による気流の方向Bの設定に応じて、接地電極22dの接続部22d2を除外対象位置C以外の部位に設けるという条件を満たす範囲で任意に設定可能である。金具ハウジング22aには、点火プラグ22の取り付け角度が狙いの角度になるようにシリンダヘッド16に取り付けるための螺子が形成されている。
また、本実施形態では、気流案内部材24は、図3に示すように、点火時に放電ギャップを通過する気流を、中心電極22cを通る基準方向の線Dを挟んで接地電極22dの接続部22d2と反対側に向かって案内するように構成されている。
さらに、本実施形態の点火プラグ22は、次のような放電火花を発生させられる仕様のものである。すなわち、点火プラグ22は、後述の図4に示すケースがそうであるように、放電ギャップを通過する気流によって放電火花が基準方向に沿って気流の方向Aの下流側に真っすぐに流されていくことを想定した場合に、当該基準方向における中心電極22cから燃焼室12の天井面(排気弁側のルーフの壁面)までの距離X(図4(B)参照)よりも放電火花が長く伸びる構造を有している。このような構造は、接地電極チップ22d3の小径化等によって実現可能である。
次に、図4および図5を参照して、上述のように構成された気流案内部材24の作用と効果について、気流案内部材24を備えていない従来の構成との比較に基づいて説明する。図4は、比較のために参照する従来の構成に関する図であり、図5は、本発明の実施の形態1に係る構成に関する図である。図4および図5は、点火プラグにより生成される放電火花および初期火炎の状態を示している。より具体的には、図4(A)および図5(A)は、燃焼室12をピストン14側から見た気筒中心軸線方向の図である。図4(B)および図5(B)は、一対のルーフ12a、12bの壁面の交線L1および気筒中心軸線L2の双方と直交する方向から燃焼室12を見た図である。なお、上記「基準方向」は、交線L1だけではなく、図4(B)および図5(B)に示すように気筒中心軸線方向に対しても直交する方向である。
従来の構成では、中心電極チップと接地電極チップとの間で形成される放電火花E1は、放電ギャップを通過する気流によってタンブル流の基本の流れ方向である方向Aの下流へと流される。すなわち、気流の方向が変更されないため、放電火花E1は、そのまま気流の方向Aの下流へと伸びることになる。その結果、筒内の気流が強いと、放電火花E1から発生した初期火炎F1が燃焼室の天井面(排気側のルーフの壁面(閉弁中の排気弁の表面も含む))に触れてしまう。温度の低い燃焼室の天井面に初期火炎F1が触れることで、初期火炎F1の消炎による着火不良が起きるおそれがある。このような着火性の低下は、特に、希薄燃焼運転時において顕著となる。
本発明に係る発明者による放電直後の放電火花と初期火炎の挙動の観察結果によれば、天井面との接触による初期火炎の消炎が生じている場合には、放電火花自体が天井面に接触するほどに伸びていることが分かった。したがって、本実施形態の点火プラグ22のように、上記距離Xよりも放電火花が長く伸びる仕様の点火プラグを有している場合には、筒内の気流が強いと、放電火花自体が天井面に接触するようになり、それに伴い、初期火炎の消炎が生じ易くなる。
一方、気流案内部材24を備える本実施形態の内燃機関10の場合には、点火プラグ22により生成される放電火花および初期火炎の状態は図5に示す通りとなる。すなわち、気流案内部材24によって気流の方向が曲げられることで、点火時に放電ギャップを通過する気流の方向がタンブル流の基本の流れ方向である方向Aから方向Bに変化する。より具体的には、気流案内部材24を設けても、タンブル流全体の流れ方向としては大きくは変化しない。しかし、図5(A)に示すように点火プラグ22の周囲の気流の流れ方向が変更されることで、放電火花E2の伸びる方向がその影響を受けて、その結果、放電火花E2は方向Bに沿って伸びていく。これにより、ペントルーフ型の燃焼室構造を有する内燃機関10では、放電ギャップの下流側に放電火花E2が伸びた際に、図4に示すように基準方向に真っすぐに伸びていく場合と比べて、放電火花E2および初期火炎F2とそれらの下流側の燃焼室12の天井面との距離を大きく確保できるようになる。このため、放電火花E2から発生した初期火炎F2が燃焼室12の天井面に触れることが回避されるか、少なくとも抑えられる。初期火炎F2の天井面への接触が回避或いは抑制されることにより、初期火炎F2の生成が促進されて着火性が向上する。よって、本実施形態に係る内燃機関10によれば、希薄燃焼運転時に希薄燃焼限界を拡大させることができ、より希薄な空燃比による運転を達成することができる。また、本実施形態の構成は、特に、強いタンブル流を生成させる内燃機関において高い効果が期待されるものである。
また、本実施形態では、気流案内部材24は、図3に示すように、点火時に放電ギャップを通過する気流を、中心電極22cを通る基準方向の線Dを挟んで接地電極22dの接続部22d2と反対側に向かって案内するように構成されている。これにより、気流案内部材24により曲げられた後の気流の方向Bに沿って伸びていく初期火炎F2に対して、接地電極22dの接続部22d2が気流の上流側に位置する構成が得られることになる。その結果、接地電極22dへの放電火花E2および初期火炎F2の接触をより確実に避けられるようになる。このため、初期火炎F2の生成をより効果的に促進させられるようになる。
更に付け加えると、燃焼室12の天井面への接触によって初期火炎が消炎してしまうという問題は、既述したように、図4中に示す距離Xよりも放電火花が長く伸びる仕様の点火プラグを有している場合において顕著に発生するものである。したがって、気流案内部材24を利用する本実施形態の構成を備えることは、点火プラグ22を備える内燃機関10がそうであるように上記仕様の点火プラグを有する内燃機関において特に高い意義を有するものである。
ところで、上述した実施の形態1においては、燃焼室12の天井面に気流案内部材24を備えた例について説明を行った。しかしながら、本発明における気流案内部材の配置場所は、上記の部位に限らず、以下に図6を参照して示す部位であってもよい。図6は、本発明に係る気流案内部材の他の構成例を示す図である。この構成では、点火プラグ28の金具ハウジング22aに、気流案内部材24と同様の機能を有する気流案内部材30が設けられている。なお、点火プラグ28を備える内燃機関の構成は、気流案内部材24に代えて気流案内部材30を備えている点を除いて同じであるものとする。
また、図7は、気流案内部材24の配置場所の他の例を示す図である。上述した実施の形態1においては、点火時の点火プラグ22の周囲の気流の方向が一方のルーフ12a側(吸気側)から他方のルーフ12b側(排気側)に向かう方向Aとなるようにタンブル流が生成される内燃機関10を例に挙げて説明を行った。しかし、内燃機関の仕様によっては、このような例とは逆に、吸気弁18側から燃焼室12の底面(ピストン14の頂面)を回って一対の排気弁20側に流れる反時計回りのタンブル流が生成される場合がある。このようにタンブル流が生成される場合には、点火時の点火プラグ22の周囲の気流の基本の流れ方向は、図7に示すように方向Gとなる。この場合には、気流案内部材24は、基準方向において中心電極22cよりも上流側(この例では、排気側)に配置されることになる。以上のことは、点火プラグ28に気流案内部材30を設ける場合も同様である。
なお、内燃機関の構造から生じる効果として、或いは、燃焼室12内の気流を制御するデバイスの作用により、燃焼室12内に形成される気流の方向や形状が運転領域によって変化する内燃機関がある。より具体的には、点火時の点火プラグ周囲の気流の方向が運転領域によって上記の方向Aと方向Gとの間で変化する内燃機関がある。このような内燃機関に点火プラグ22および気流案内部材24、もしくは気流案内部材30を備える点火プラグ28を取り付ける場合には、ある特定の運転領域を対象にして気流案内部材24もしくは30の配置場所および点火プラグ22もしくは28の取り付け角度を決定すればよい。対象とする運転領域は、特に高い着火性が求められる運転領域であることが好ましい。したがって、理論空燃比による運転と希薄燃焼による運転とが運転領域により切り換えられる希薄燃焼内燃機関の場合は、希薄燃焼運転が行われる運転領域での気流の方向Aもしくは方向Gに合わせて気流案内部材24もしくは30の配置場所および点火プラグ22もしくは28の取り付け角度を決定すればよい。また、このような対策以外に、筒内の気流に悪影響を与えないようであれば、必要に応じて、方向Aおよび方向Gのそれぞれに対応した一対の気流案内部材を備えるようにしてもよい。
また、上述した実施の形態1においては、一方のルーフ12aに2つの吸気弁18が並んで配置され、他方のルーフ12bに2つの排気弁20が並んで配置された構成を例に挙げて説明を行った。しかしながら、本発明の対象となる内燃機関の一対のルーフに配置される吸気弁および排気弁の数は、上記に限定されるものではない。すなわち、一対のルーフが交わる燃焼室の頂部に点火プラグを取り付け可能なレイアウトを実現でき、かつ、上記方向Aもしくは方向Gとなる気流が生成されるようになっていれば、吸気弁および排気弁の数は、それぞれのルーフに配置可能な数であればよい。
10 内燃機関
12 燃焼室
12a、12b ルーフ
14 ピストン
16 シリンダヘッド
18 吸気弁
20 排気弁
22、28 点火プラグ
22a 金具ハウジング
22b セラミック碍子
22c 中心電極
22c1 中心電極チップ
22d 接地電極
22d1 対向部
22d2 接続部
22d3 接地電極チップ
24、30 気流案内部材
26 クランク軸

Claims (2)

  1. 互いに対向するように傾斜した一対のルーフを有するペントルーフ型の燃焼室と、
    前記一対のルーフの一方に少なくとも1つ配置された吸気弁と、
    前記一対のルーフの他方に少なくとも1つ配置された排気弁と、
    前記一対のルーフが交わる前記燃焼室の頂部においてシリンダヘッドに取り付けられるプラグ本体と、前記プラグ本体に設けられる中心電極と、放電ギャップを介して前記中心電極に前記プラグ本体の軸方向から対向する対向部と前記対向部を前記プラグ本体のハウジングに接続する接続部とを有する接地電極と、を有する点火プラグと、
    を備え、
    点火時に前記放電ギャップを通過する気流として、前記一方のルーフ側から前記他方のルーフ側に向かう気流、もしくは前記他方のルーフ側から前記一方のルーフ側に向かう気流が生成される内燃機関であって、
    前記一対のルーフの少なくとも一方の壁面もしくは前記ハウジングに設けられ、点火時に前記放電ギャップを通過する気流の方向を、前記燃焼室を気筒中心軸線方向から見て前記一対のルーフの壁面の交線と直交する基準方向に対して傾斜した方向に曲げる気流案内部材をさらに備え、
    前記気流案内部材により曲げられた気流の方向から前記接続部の位置が外れた位置となるように、かつ、前記接続部が前記中心電極を通る前記基準方向の線上に位置しないように、前記シリンダヘッドに前記プラグ本体が取り付けられており、
    前記気流案内部材は、前記気筒中心軸線方向から見て、点火時に前記放電ギャップを通過する気流を、前記中心電極を通る前記基準方向の線を挟んで前記接地電極の前記接続部と反対側に向かうように案内することを特徴とする火花点火式内燃機関。
  2. 前記点火プラグは、前記一対のルーフの壁面の交線および気筒中心軸線の双方と直交する方向における前記放電ギャップから前記他方のルーフの璧面までの距離よりも長く放電火花が伸びる構造を有していることを特徴とする請求項に記載の火花点火式内燃機関。
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