JP6390636B2

JP6390636B2 - 内燃機関

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Publication number: JP6390636B2
Application number: JP2016027249A
Authority: JP
Inventors: 糧増田; 冬頭　孝之; 孝之冬頭; 真永岡
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2016-02-16
Filing date: 2016-02-16
Publication date: 2018-09-19
Anticipated expiration: 2036-02-16
Also published as: US20170234287A1; JP2017147087A; US10557450B2

Description

本発明は、燃焼室内に突出した点火プラグを備え、点火プラグは、中心電極及び接地電極を含み、放電により中心電極及び接地電極の間で火花が発生するように構成される内燃機関に関する。

従来から点火プラグの形状に工夫をした内燃機関が提案されている。例えば、特許文献１に記載された構成では、点火プラグの接地電極の延出部が燃焼室内に延びて、延伸部の先端部が中心電極の先端部に向くように屈曲した形状となっている。この構成では、接地電極の基端付近のハウジング先端部の壁面に、中心電極の先端部と接地電極の先端部との隙間に向けて開口する貫通孔が形成され、その貫通孔は、点火プラグの中心軸方向に対して電極間の隙間に向かって傾斜している。これにより、点火プラグの放電により形成されたスパークが燃焼室の上壁面に接触するのを抑制できると記載されている。

特許文献２には、点火プラグのセラミック碍子の先端に中心電極が設けられ、ハウジングから燃焼室内に接地電極が延びた構成が記載されている。そして、点火プラグの点火時に中心電極及び接地電極の周りに生じる気流の方向Ａと、中心電極から見て接地電極のハウジングに対する接続部の方向Ｂとが交わっている。接地電極の先端部において、中心電極と反対側には、気流の方向Ａの下流側に向かって燃焼室の天井面とは反対側に傾斜した傾斜面が形成されている。これにより、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が抑制されると記載されている。

特許文献３には、点火プラグが、筒状のハウジングの端部から燃焼室内に延出し、中心電極との間に放電ギャップを形成する接地電極を含む構成が記載されている。そして、燃焼室内において、ハウジングの端部には貫通孔が形成される。これにより、燃焼室内の気流が貫通孔を通じてハウジングの内側に入り込み、放電ギャップ近傍から燃焼室内側に向かうので、放電ギャップと異なる位置で放電が生じることを抑制できると記載されている。

特開２０１５−７６１９３号公報特開２０１５−１２４６７４号公報特開２００７−３２３９０３号公報

特許文献１から特許文献３のいずれにも、点火プラグによって後流渦を生じさせるとともに、その後流渦を着火による火炎の安定的な保持である保炎に利用して、燃焼の促進と安定化とを図れる構成は開示されていない。例えば、特許文献１及び特許文献２に記載された技術は、火花または火炎の燃焼室の上壁面への接触を抑制することを目的としている。特許文献１、特許文献２のいずれに記載された技術も、火花及び火炎は気流によって下流に流されるだけであり、電極の後流渦を保炎に利用する構成とはなっていない。

特許文献３に記載された技術では、放電ギャップ間の火花が気流によって流されることで放電ギャップとは異なる位置で放電が生じることを抑制することを目的としている。この技術では、貫通孔は電極間の気流の向きを中心電極とは反対側にすることに用いられるだけであり、電極の後流渦を保炎に利用する構成ではない。

また、従来の点火プラグでは、気流の高流速、希薄燃焼(リーンＡ／Ｆ、ＥＧＲ希釈)等の難燃条件の下では点火プラグでの保炎がされておらず、また、安定着火のためには高エネルギーが必要である。

本発明の目的は、内燃機関において、難燃条件の下でも、着火の安定化、燃焼の促進、及び燃焼の安定化を、従来技術に対して同等以下のエネルギーで実現できる構造を提供することである。

本発明に係る内燃機関は、燃焼室内に突出した点火プラグを備え、前記点火プラグは、中心電極及び接地電極を含み、放電により前記中心電極及び前記接地電極の間で火花が発生するように構成され、前記中心電極は、前記燃焼室内に突き出した絶縁碍子の先端に設けられ、前記接地電極は、前記燃焼室内に延出される延出部と、前記延出部の先端から屈曲して前記絶縁碍子側に延びる腕部と、前記腕部において前記絶縁碍子に対面する側に形成された突起部とを含み、前記突起部は、前記中心電極の中心軸の延長線とは異なる位置に配置され、前記腕部の前記中心電極とは反対側から前記中心電極側に向かう気流が発生した場合に、前記突起部の先端面において前記中心電極側の端縁が、前記突起部の近傍の気流を剥離させて下流側に第１後流渦を発生させる突起部側渦発生部としての機能を有し、前記中心電極及び前記接地電極は、前記中心電極及び前記接地電極の間を流れる気流によって変形した火花または火炎が前記第１後流渦内に進入するように、または前記第１後流渦の内部に火花が貫通するように配置されている。また、本発明に係る内燃機関は、燃焼室内に突出した点火プラグを備え、前記点火プラグは、中心電極及び接地電極を含み、放電により前記中心電極及び前記接地電極の間で火花が発生するように構成され、前記中心電極は、前記燃焼室内に突き出した絶縁碍子の先端に設けられ、前記接地電極は、前記燃焼室内に延出される延出部と、前記延出部の先端から屈曲して前記絶縁碍子側に延びる腕部と、前記腕部において前記中心電極側に形成された突起部とを含み、前記突起部は、前記中心電極の中心軸の延長線とは異なる位置に配置され、前記腕部の前記中心電極とは反対側から前記中心電極側に向かう気流が発生した場合に、前記腕部の前記中心電極側の面における端縁が、前記腕部の近傍の気流を剥離させて下流側に第１後流渦を発生させる腕部側渦発生部としての機能を有し、前記中心電極及び前記接地電極は、前記第１後流渦の内部に火花が貫通するように配置されている。また、本発明に係る内燃機関は、燃焼室内に突出した点火プラグを備え、前記点火プラグは、中心電極及び接地電極を含み、放電により前記中心電極及び前記接地電極の間で火花が発生するように構成され、前記中心電極は、前記燃焼室内に突き出した絶縁碍子の先端に設けられ、前記点火プラグの前記接地電極は、前記燃焼室内に延出される延出部であって、先端部が前記絶縁碍子の先端と対面する側に屈曲した延出部と、前記延出部の先端に結合された円筒状のリング部とを含み、前記中心電極の先端部は、前記リング部の内側に挿入されており、前記リング部の周方向一部の外側から前記リング部の内周面と前記中心電極の先端部との間に向かう気流が発生した場合において、前記リング部の前記絶縁碍子側の面の内周縁のうち、気流の上流側に位置する一方側半部が、前記リング部の近傍の気流を剥離させて下流側に後流渦を発生させる第１渦発生部としての機能を有し、前記リング部の周方向一部の外側から前記リング部の内周面と前記中心電極の先端部との間に向かう気流が発生した場合において、前記中心電極の先端面の外周縁における気流の下流側である一方側の半部が、前記中心電極の近傍の気流を剥離させて下流側に後流渦を発生させる第２渦発生部としての機能を有する。

本発明に係る内燃機関によれば、難燃条件の下でも、着火の安定化、燃焼の促進、及び燃焼の安定化を、従来技術に対して同等以下のエネルギーで実現できる。

本発明に係る実施形態の内燃機関において、点火プラグを含む燃焼室部分を示す図である。図１を右側から左側に見た図である。図２において、放電開始から火花が後流渦内に進入するまでの時間的変化を示す図である。図２に示す後流渦の後向き長さの範囲を決定するためのベクトルを示す図である。本発明に係る実施形態の内燃機関の別例を示している図２に対応する図である。本発明に係る実施形態の内燃機関の別例を示している図２に対応する図である。実施形態の効果を確認するために行ったシミュレーション結果を示す図である。比較例の内燃機関に対応する模擬的なモデルにおいて、放電後、火炎が燃焼室に広がる場合での時間的変化のシミュレーション結果を示す図である。実施形態の内燃機関に対応する模擬的なモデルにおいて、放電後、火炎が燃焼室に広がる場合での時間的変化のシミュレーション結果を示す図である。本発明に係る実施形態の内燃機関の別例において、図２に対応する図である。図８Ａに示す構成において、接地電極のうち、中心電極と中心軸の方向に面する部分の斜視図である。本発明に係る実施形態の内燃機関の別例において、図２に対応する図である。本発明に係る実施形態の内燃機関の別例において、図２に対応する図である。本発明に係る実施形態の内燃機関の別例において、図１に対応する図である。図１１に示す構成において、接地電極の斜視図である。図１１を右側から左側に見た図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。以下で説明する形状、材料及び取付位置は、説明のための例示であって、内燃機関の仕様に応じて適宜変更することができる。以下において複数の実施形態や、変形例などが含まれる場合、それらを適宜組み合わせて実施することができる。以下ではすべての図面において同等の要素には同一の符号を付して説明する。また、本文中の説明においては、必要に応じてそれ以前に述べた符号を用いるものとする。また、以下では点火プラグがシリンダヘッドの上部に取り付けられる場合を説明するが、点火プラグが向く方向及び取付位置は限定されるものではない。例えばシリンダが斜め上下方向に沿う場合に、点火プラグはそれに応じて斜め上下方向に向いてシリンダヘッドに取り付けられてもよい。

図１は、実施形態の内燃機関１０において、点火プラグ１４を含む燃焼室５０部分を示す図である。図２は、図１を右側から左側に見た図である。

内燃機関１０は、シリンダヘッド１２と、シリンダ部材及びピストン（図示せず）とを備える。シリンダヘッド１２は、シリンダ部材と組み合わされて内部に燃焼室５０を形成する。ピストンは、シリンダ部材に形成されたシリンダ孔の内側において、軸方向に往復移動可能に配置される。

内燃機関１０は、例えばガソリンエンジンである。このような内燃機関１０では、吸気ポート（図示せず）から燃料と空気との混合気が燃焼室に導入され、圧縮され点火されて燃焼した後、排気ポート（図示せず）から燃焼ガスとして排出される。

内燃機関１０は、混合気が燃焼室５０に導入された場合に、燃焼室５０内での混合気による吸気流がタンブル流と呼ばれる縦渦を形成するように構成される。そして、吸気工程の後、圧縮工程を経て点火時期に達した場合でも、燃焼室５０には縦渦の成分が残存する。

一方、シリンダヘッド１２の上部には、点火プラグ１４が取り付けられる。点火プラグ１４は、燃焼室５０内に、シリンダヘッド１２から下側に向いて突出するように配置される。

点火プラグ１４は、外側の筒状に形成された金具ハウジング（図示せず）と、金具ハウジングの内側に保持された絶縁碍子１５とを含み、絶縁碍子１５の先端が、燃焼室５０内に突き出している。そしてその突き出した絶縁碍子１５の先端には中心電極１６が設けられる。中心電極１６の中心軸ＣＬは、絶縁碍子１５の中心軸と一致する。

点火プラグ１４は、金具ハウジングの外周面に形成されたおねじ部（図示せず）によって、シリンダヘッド１２にねじ結合で取り付けられる。

点火プラグ１４は、金具ハウジングの下端部から燃焼室５０内に延びた接地電極１８を含む。点火プラグ１４は、放電により中心電極１６及び接地電極１８の間で火花を発生させるように構成され、混合気に点火するために用いられる。以下では、点火プラグ１４が、燃焼室５０の上壁面５１の中央部付近に配置される場合を説明する。

接地電極１８は、金具ハウジングから燃焼室５０内に延出される延出部１９と、延出部１９の先端からＬ字形に屈曲して絶縁碍子１５の先端（図１、図２の下端）と対面する側に伸びる腕部２０とを含む。腕部２０の先端部において、絶縁碍子１５の先端と対面する部分には円柱状の突起部２１が形成される。

図２に示すように、接地電極１８は、突起部２１が中心電極１６の先端に対し中心軸ＣＬの方向に対面しないように、中心軸ＣＬとは異なる位置に配置される。接地電極１８の突起部２１と中心電極１６の先端との間に形成された隙間は、放電時に火花が生じる放電ギャップＧである。

上記のように、内燃機関１０では点火時期において燃焼室５０内に縦渦成分が残存するので、点火プラグ１４の電極近傍には、縦渦の中心よりもやや上方に位置し、比較的流速の高い横向きの気流が生じている。内燃機関１０の燃焼サイクルについて、気流のサイクル変動を平均化すると、点火プラグ１４の中心電極１６及び接地電極１８は、吸気ポート側から排気ポート側に向かう気流に曝される。図２では、この気流の流れ方向を矢印αで示している。

そして、接地電極１８の先端部である突起部２１は、中心電極１６の先端部に対して、点火プラグ１４の周囲の気流の上流側（図２の左側）に配置されている。これにより、電極周囲の気流によって、接地電極１８の下流側で接地電極１８近傍には、図２に示すような後流渦６０，６１が形成される。

具体的には、接地電極１８は、腕部側剥離部２２及び突起部側剥離部２３を有する。各剥離部２２，２３は、渦発生部に相当する。より詳しく説明すると、気流方向において、接地電極１８の背後である中心電極１６側には、放電ギャップＧを流れた気流が入り込んで、後流渦６０を形成する。このとき、接地電極１８の腕部２０の上側面において、中心電極１６側の端縁が、腕部側剥離部２２となる。腕部側剥離部２２は、腕部２０の後側、すなわち気流の下流側において腕部２０の近傍の気流を剥離させて、下流側に後流渦６０を発生させる。

一方、接地電極１８の突起部２１の先端面（図２の上端面）の外周縁において、中心電極１６側（図２の右側）の端縁が、突起部側剥離部２３となる。突起部側剥離部２３は、突起部２１の後側、すなわち気流の下流側において突起部２１の近傍の気流を剥離させて、下流側に後流渦６１を発生させる。各後流渦６０，６１は、電極の下流側で電極に沿う流れが剥離するような場合に、電極の下流側に生じる循環流れである。後流渦６０，６１の内部で混合気が着火されると、後述のように、火炎の一部が後流渦６０，６１の循環領域内に取り込まれて、高温の燃焼ガスを電極の下流側近傍に安定的に保持することができる。

そして、中心電極１６及び接地電極１８は、電極１６，１８間を流れる気流によって変形した火花６２または火炎、または火花６２及び火炎が腕部２０の下流側の後流渦６０内に進入するように配置される。具体的には、接地電極１８及び中心電極１６は、電極間、すなわち放電ギャップＧを通過する気流が、図２に矢印βで示すように、燃焼室５０の上壁面５１から離れる側である斜め下方向に曲げられるように配置される。このとき、接地電極１８の突起部２１の先端面（図２の上端面）が、中心電極１６の先端面（図２の下端面）に対し、中心軸ＣＬと平行な方向である上下方向において、ほぼ同じ位置となっている。これにより、気流が電極間を通過しながら斜め下方向に曲げられることにより、その気流が後流渦６０に巻き込まれやすくなっている。

また、中心電極１６及び接地電極１８の間で発生した火花６２の付近に後流渦６０があると、火花６２と、その火花６２の周囲に生じる火炎（図３Ａの破線γ）とが、後流渦６０に巻き込まれて進入する。また、電極間を通過した気流が上記のように斜め下方向に曲げられると、火花６２及び火炎も図２に示すように気流に伴って斜め下方向に中間部が曲げられる。そして、火花６２及び火炎が後流渦６０に多く巻き込まれて進入して保持される。

図３Ａは、図２において、放電開始から火花６２が後流渦６０内に進入するまでの時間的変化を示す図である。図３Ａ（ａ）に示すように、放電開始直後では、火花６２は、中心電極１６の先端面の接地電極１８側端（図３Ａ（ａ）の左端）と、接地電極１８の突起部の先端面における中心電極１６側端（図３Ａ（ａ）の右端）とを最短経路で結ぶ略直線状となることがある。このことは、確率的に多く発生する。

その後、図３Ａ（ｂ）に示すように、火花６２は気流によって下流側に中間部が流されて変形する。そして、気流によって火花６２がさらに変形すると、火花６２の一部が接地電極１８の腕部２０の上面における中心電極１６側端に接近する。このとき、火花６２は、電気抵抗値が小さい経路を選んで形成されるので、火花６２の付け根の位置が接地電極１８の突起部２１の先端から腕部２０の上面の中心電極１６側端に移動する（図３Ａ（ｃ））。

その後、図３Ａ（ｄ）に示すように、気流によって、さらに火花６２の中間部は下流側に曲げられるように変形して、接地電極１８の腕部２０の背後の後流渦６０内に進入して巻き込まれる。このとき、火花６２は、後流渦６０の内部を通過する。

このような放電中において、火花６２は周囲に熱を供給して混合気を着火する。着火して発生した火炎も、火花６２と同様に気流によって流されて変形する。図３Ａ（ｂ）（ｃ）（ｄ）では、火花６２を囲む破線γにより、火炎を示している。また、放電開始直後において、中心電極１６の先端面の中心から接地電極１８側端（図３Ａ（ａ）の左端）と、接地電極１８の腕部２０の上面における中心電極１６側端（図３Ａ（ａ）の右端）とを略直線形状で結ぶ火花が形成されることもある。この場合、上記の図３Ａ（ｃ）に近い状態から始まり、その後に図３Ａ（ｄ）の状態となり、火花または火炎が後流渦６０内に進入して上記の場合と同様に巻き込まれる。

接地電極１８の腕部２０の背後に後流渦６０が発生した場合において、その後流渦６０の内部を通過する火花６２によって生じた火炎は、そのまま後流渦６０の循環流の内部に取り込まれる。これにより、高温の燃焼ガスを、接地電極１８の下流側直近部分に安定的に保持することができる。そして、その保持された燃焼ガスの熱により、気流によって流されてくる未燃ガスも継続的に着火させ、火炎を安定的に保持することができる。このような気流がある場での燃焼ガス及び火炎の安定的な保持は「保炎」と呼ばれる。これにより、火花６２の放電終了後も点火プラグ１４の周囲の未燃ガスを継続的に着火させることが可能になり、燃焼を促進できるとともに、燃焼を安定化することができる。この結果、安定な着火のための必要エネルギも、従来の点火方法に比べて低減できる。

さらに、火炎も火花６２と同様に、気流によって流されるため、電極間を通過して斜め下方向に流れる気流によって、火炎は接地電極１８の腕部２０の背後における後流渦６０に巻き込まれる。これにより、後流渦６０の上流側で着火した火炎の一部によっても保炎を実現することができる。

図３Ｂは、図２に示す後流渦６０の後向き長さの範囲を決定するためのベクトルを示す図である。この範囲を決定するために電極間ベクトルＶ１及び前側気流単位ベクトルＶ２を規定する。電極間ベクトルＶ１は、接地電極１８の突起部２１の先端面における中心電極１６側の端（図３Ｂの右端）から、中心電極１６の先端面における突起部２１側の端（図３Ｂの左端）に向かうベクトルである。また、前側気流単位ベクトルＶ２は、点火プラグ１４の上流側である前方の気流の向き（矢印α方向）の単位ベクトルである。図３Ｂの例では、燃焼室５０の内側において点火プラグ１４の前方では、気流方向が中心電極１６の中心軸ＣＬの方向に対し傾斜している。

そして、電極間ベクトルＶ１と、前側気流単位ベクトルＶ２とのなす角度の範囲が、−３０°〜＋４５°に規制されることが好ましい。このとき、接地電極１８の突起部２１の先端面における中心電極１６側の端（図２の右端）と、中心電極１６の先端面における突起部２１側の端（図２の左端）とを結ぶ直線Ｌ１を規定する。この場合に、直線Ｌ１と、点火プラグ１４の前方の気流の向き（矢印α方向）とのなす角度が、−３０°〜＋４５°に規制される。図２に示す例では、直線Ｌ１と気流の向きαとのなす角度は０°である。後述の図４に示すように、接地電極１８の上端から中心電極１６の下端に向かう方向が、気流の流れ方向αより下向き、すなわち上壁面５１より離れる側（例えば図４の斜め下側）である場合には、直線Ｌ１と気流の向きαとのなす角度が負である。一方、後述の図５に示すように、接地電極１８の上端から中心電極１６の下端に向かう方向が、気流の流れ方向αより上向き、すなわち上壁面５１に近づく側（例えば図５の斜め上側）である場合には、直線Ｌ１と気流の向きαとのなす角度が正である。

さらに、図２に戻って、接地電極１８の腕部２０の背後における後流渦６０の後向き（図２の中心電極１６の中心軸に対し直交する方向であり、図２の右側）に流れる部分の長さを、「後流渦６０の後向き長さ」と規定する。そして、この後流渦６０の後ろ向き長さの最小値は、電極間ベクトルＶ１（図３Ｂ）の始点を起点とする、電極間ベクトルＶ１と前側気流単位ベクトルＶ２（図３Ｂ）との内積とする。図２では、後ろ向き長さが最小である後流渦６３も示している。また、後流渦６０の後ろ向き長さの最大値は、突起部２１の先端面における中心電極１６側の端（図３Ｂの右端）、及び気流により変形した火花６２の最長到達点を結ぶ最長火花ベクトルＶ３（図３Ｂ）の始点を起点とする、最長火花ベクトルＶ３と、前側気流単位ベクトルＶ２（図３Ｂ）との内積とする。

上記の内燃機関１０によれば、気流の高流速、希薄燃焼(リーンＡ／Ｆ、ＥＧＲ希釈)等の難燃条件の下でも、着火の安定化、燃焼の促進、及び燃焼の安定化を、従来技術に対して同等以下のエネルギーで実現できる。

また、接地電極１８の腕部２０の背後における後流渦６０の後向き長さの最小値及び最大値を、上記の範囲に規制したので、火花６２及びその周りの火炎を後流渦６０に取り込んで、燃焼の促進及び燃焼の安定化を図れる構成を容易に実現できる。

図４、図５は、実施形態の内燃機関１０の別例の２例を示している図２に対応する図である。図４の例では、接地電極１８の先端部である突起部２１の上端が、中心電極１６の先端部の下端よりも上方に配置される。また、直線Ｌ１と、直線Ｌ２に沿う点火プラグ１４の前方の気流方向αとのなす角度が、−３０°である。上記の構成では、接地電極１８の突起部２１の先端が絶縁碍子１５の先端（図４の下端）に大きく接近するので、電極間を通過する気流は斜め下側に急激に曲げられる。このような構成では、点火プラグ１４において、燃焼室５０の内側に配置される部分の上下方向長さを小さくできる。

また、図５の例では、接地電極１８の先端部である突起部２１の上端が、中心電極１６の先端部の下端よりも下方に配置される。また、直線Ｌ１と、直線Ｌ２に沿う点火プラグ１４の前方の気流方向αとのなす角度が、＋４５°である。上記の構成では、図５の左側から中心電極１６に衝突するように流れる気流が矢印δで示すように斜め下側に曲げられるので、その下側で電極間を通過する気流も斜め下側に曲げられる。

図６は、実施形態の効果を確認するために行ったシミュレーション結果を示す図である。シミュレーションでは、図１、図２に示した実施形態と同様の構成を用いて行った。シミュレーションでは、株式会社ＣＤ−ａｄａｐｃｏ製の汎用流体解析ソフト「ＳＴＡＲ−ＣＤ」により、火花点火から混合気への着火にかけての現象を計算した。図６に示すシミュレーション結果から理解されるように、気流の流れ方向αについて、接地電極１８の背後（図６の右側）で保炎が行われてその背後から連続して火炎６４が広がっている。これにより、燃焼の安定化を図れることを確認できた。

図７Ａは、比較例の内燃機関１０に対応する模擬的なモデルにおいて、放電後、火炎６４が燃焼室５０ａに広がる場合での時間的変化のシミュレーション結果を示す図である。このモデルでは、燃焼室５０ａが円板状の容器状であり、点火プラグ１４ａが内側に突出している。そして、この燃焼室５０ａの内部に図７Ａ（１）に矢印Ｐで示す方向に循環する気流が発生している。図７Ａに示す比較例では、点火プラグ１４ａは従来から一般的に知られている構造であり、図１、図２に示す実施形態において、中心電極の軸方向に接地電極の突起部が面する。

図７Ａでは、比較例において、火花点火から着火して火炎６４が広がる状態を時間経過で示しており、矢印Ｑ方向、すなわち（１）（２）・・・（１０）の順に時間が経過している。図７Ａのシミュレーション結果から理解されるように、比較例では、火花点火後、矢印Ｐ方向に火炎６４が点火プラグ１４ａから広がって成長しているが、点火プラグ１４ａの下流側近傍で保炎されずに、点火プラグ１４ａから火炎６４が離れて成長している。これにより、比較例では、燃焼の進行が遅くなり、かつ、燃焼が不安定になることが考えられる。

一方、図７Ｂは、実施形態の内燃機関１０に対応する模擬的なモデルにおいて、放電後、火炎が燃焼室５０ａに広がる場合での時間的変化のシミュレーション結果を示す図である。このモデルでも、図７Ａの比較例と同様に点火プラグ１４が円板状の燃焼室５０ａの内側に突出している。図７Ｂの実施形態では、点火プラグ１４は、図１、図２に示した実施形態と同様の構成である。また、図７Ｂで結果を示すシミュレーションでは、図７Ａで結果を示すシミュレーションの場合と、点火プラグ１４の形状以外の条件はすべて同一である。具体的には、燃焼室内部の温度、圧力、流速、混合気濃度、及び点火エネルギは、図７Ａ、図７Ｂで結果を示す両方のシミュレーションで同一である。

図７Ｂの場合も、図７Ａと同様に、火花点火から着火して火炎が広がる状態を時間経過で示しており、矢印Ｑ方向、すなわち（１）（２）・・・（１０）の順に時間が経過している。図７Ｂのシミュレーション結果から理解されるように、実施形態では、（４）から（７）で示すように、点火プラグ１４の下流側近傍から火炎６４が連続して広がっており、点火プラグ１４の下流側近傍で保炎されている。特に、図７Ｂ（６）において、枠Ｒで囲んだ部分によって、狙い通りの保炎が行われていることを確認できた。これにより、実施形態では、高速流等の難燃条件の下でも、着火の安定化、燃焼の促進、及び燃焼の安定化を、従来技術に対して同等以下のエネルギーで実現できることを確認できた。

図８Ａは、実施形態の内燃機関１０の別例において、図２に対応する図である。図８Ｂは、図８Ａに示す構成において、接地電極１８のうち、中心電極１６と中心軸ＣＬの方向に面する部分の斜視図である。

図８Ａに示す別例では、点火プラグ１４の接地電極１８は、図８Ｂに示すように直方体状の腕部２０の上側面において、気流の流れ方向（図８Ａの矢印α方向）における上流側端部に、直方体状の突起部２４が突出形成される。突起部２４は、ほぼ腕部２０の図８Ａの紙面の表裏方向の全長にわたって配置される。これにより、腕部２０の上側面には段差部２５が形成される。そして、突起部２４が、中心電極１６の先端部に対し、点火プラグ１４の周囲の気流の流れ方向αの上流側（図８Ａの左側）に配置される。突起部２４は、接地電極１８の先端部に相当する。図８Ａに矢印βで示すように、電極間を通過する気流は斜め下方向に曲げられる。これにより、突起部２４の先端面（図８Ａの上側面）の下流側端縁が、突起部２４の後側に後流渦６１を発生させる突起部側剥離部２６となる。また、腕部２０の上側面の下流側端縁が、腕部２０の後側に後流渦６０を発生させる腕部側剥離部２７となる。

上記の構成によれば、突起部２４の後流側で突起部２４の近傍において、バックステップ流れによる後流渦６１が発生する。また、突起部２４の先端面（図８Ａ、図８Ｂの上側面）の下流側端縁と中心電極１６との間には火花６２が発生し、その火花６２の中間部が矢印方向αに流れる気流によって、図８Ａの斜め下側に曲げられるように変形する。そして、図８Ａに示すように、火花６２、及び破線γで示す火炎が後流渦６１に巻き込まれて保持される。これにより、着火の安定化、燃焼の促進、及び燃焼の安定化を、従来技術に対して同等以下のエネルギーで実現できる。その他の構成及び作用は、図１から図５に示す構成と同様である。

図９は、実施形態の内燃機関１０の別例において、図２に対応する図である。図９に示す別例の構成では、図８Ａ、図８Ｂに示した構成において、接地電極１８の腕部２０において、気流の流れ方向α上流側の端部（図９の左端部）が、中心電極１６から大きく離れるように上流側に延出されている。そして、腕部２０の上流側端部の上面に直方体状の上流側突起部２８が形成されることにより、段差部２５が形成されている。図９に矢印βで示すように、電極間を通過する気流は斜め下方向に曲げられる。これにより、上流側突起部２８の先端面の下流側端縁が、上流側突起部２８の後側に後流渦６１を発生させる突起部側剥離部２６となる。また、腕部２０の上側面の下流側端縁が、腕部２０の後側に後流渦６０を発生させる腕部側剥離部２７となる。

また、腕部２０の上面には、中心電極１６の先端面と中心軸ＣＬ方向に先端面が対面するように、円柱状の下流側突起部２９が形成される。

このような構成では、接地電極１８の上流側突起部２８によって、上流側突起部２８の背後にはバックステップ流れ状の循環流である後流渦６１が形成される。そして、放電開始時には、中心電極１６の先端面と接地電極１８の下流側突起部２９の先端面との間で火花６２が発生する。この火花６２は、発生した瞬間からバックステップ流れ状の後流渦６１を貫通するように形成される。これにより、接地電極１８及び中心電極１６は、後流渦６１の内部に火花６２が貫通するように配置される。このため、後流渦６１の内部を火花放電で直接着火させて火炎を後流渦６１の内部に取り込むことができる。そして、後流渦６１に取り込んだ火炎によって接地電極１８の近傍で保炎して、周囲の未燃ガスを継続的に着火することができる。その他の構成及び作用は、図１から図５の構成と同様である。

図９の構成の場合も、図１から図５の構成と同様に、接地電極１８の上流側突起部２８の先端面における中心電極１６側の端（図９の右端）と、中心電極１６の先端面における上流側突起部２８側の端（図９の左端）とを結ぶ直線Ｌ１を規定する。そして、この直線Ｌ１と、直線Ｌ２に沿う、点火プラグ１４の前方の気流の向き（矢印α方向）とのなす角度θが、−３０°〜＋４５°に規制されることが好ましい。図９では、角度θが図５の場合と同様に、正の値となる場合を示している。

図１０は、実施形態の内燃機関１０の別例において、図２に対応する図である。図１０に示す別例の構成では、図１から図５の構成において、接地電極１８の腕部２０が、延出部１９の下端部において、気流の流れ方向αの上流側（図１０の左側）にのみ接続されている。そして、腕部２０の上下方向長さが図１から図５の構成よりも大きくなっている。

また、腕部２０において、中心電極１６側（図１０の右側）の側面には円柱状の突起部２１が突出形成される。突起部２１の軸方向は、中心電極１６の中心軸ＣＬの方向に対し直交する。この突起部２１は、中心電極１６との間で放電による火花６２を発生する。

腕部２０は、接地電極１８の先端部に相当する。この腕部２０は、中心電極１６の先端部に対し点火プラグ１４の周囲の気流の流れ方向αの上流側（図１０の左側）に配置される。腕部２０の上側面は、中心電極１６の先端面に対し上下方向においてほぼ同じ位置に位置する。図１０に矢印βで示すように、電極間を通過する気流は斜め下方向に曲げられる。これにより、腕部２０の上側面の下流側端縁が、腕部２０の後側に後流渦６０を発生させる剥離部３０となる。

上記の構成によれば、接地電極１８の腕部２０によって、腕部２０の背後に後流渦６０を形成できる。そして、放電開始時には、中心電極１６の先端面と接地電極１８の突起部の先端面との間で火花６２が発生する。この火花６２は、発生した瞬間から後流渦６０を貫通するように形成される。これにより、接地電極１８及び中心電極１６は、後流渦６０の内部に火花６２が貫通するように配置される。その他の構成及び作用は、図１から図５に示す構成、または図９に示す構成と同様である。

図１０の構成の場合も、図１から図５の構成と同様に、接地電極１８の腕部２０の上端面における中心電極１６側の端（図１０の右端）と、中心電極１６の先端面における腕部２０側の端（図１０の左端）とを結ぶ直線Ｌ１を規定する。そして、この直線Ｌ１と、直線Ｌ２に沿う、点火プラグ１４の前方の気流の向き（矢印α方向）とのなす角度θが、−３０°〜＋４５°に規制されることが好ましい。図１０では、角度θが図４の場合と同様に、負の値となる場合を示している。

図１１は、実施形態の内燃機関１０の別例において、図１に対応する図である。図１２は、図１１に示す構成において、接地電極４０の斜視図である。図１３は、図１１を右側から左側に見た図である。

図１１から図１３に示す別例の構成では、図１から図５の構成において、接地電極４０は、金具ハウジング（図示せず）から燃焼室５０内に延出される２本の延出部４１と、２本の延出部４１に結合された円筒状のリング部４３とを含む。各延出部４１は、先端部が、絶縁碍子１５の先端と対面する側にＬ字形に屈曲している。２本の延出部４１の先端は、リング部４３の直径方向に関して一方側半部の外周面に結合される。

さらに、中心電極１６の先端部は、リング部４３の内側の中心付近に上側から挿入されている。リング部４３は、接地電極１８の先端部に相当する。リング部４３の内周面と中心電極１６の先端部との間で放電による火花６２が発生する。

図１３に示すように、リング部４３の周方向一部（図１３の左端部）は、中心電極１６の先端部に対し点火プラグ１４の周囲の気流の流れ方向αの上流側（図１３の左側）に配置される。リング部４３の上端面は、中心電極１６の先端面に対し上下方向においてほぼ同じ位置に位置する。図１３に矢印βで示すように、電極間を通過する気流は斜め下方向に曲げられる。これにより、リング部４３の上端面の内周縁において、気流の上流側に位置する一方側半部（図１３の左側半部）が、リング部４３の内側に後流渦６５を発生させる接地電極側剥離部４４となる。接地電極側剥離部４４は、接地電極４０の近傍の気流を剥離させて下流側に後流渦６５を発生させる第１渦発生部に相当する。

上記の構成によれば、接地電極４０のリング部４３によって、リング部４３の内側に後流渦６５を形成できる。そして、放電開始時には、中心電極１６の先端面とリング部４３の内周面との間で火花６２が発生する。このとき、リング部４３の内周面のうち、気流の流れ方向上流側部分と中心電極１６との間で火花６２が発生すると、その火花６２は、発生した瞬間から後流渦６５を貫通するように形成される。これにより、接地電極４０及び中心電極１６は、後流渦６５の内部に火花６２が貫通するように配置される。

また、本例の構成では、リング部４３の内側において、中心電極１６の先端面の気流下流側である背後でも後流渦６６が発生する。このとき、中心電極１６の先端面の外周縁において、気流下流側である一方側（図１３の右側）の半部が、後流渦６６を発生させる中心電極側剥離部１７となる。中心電極側剥離部１７は、中心電極１６の近傍の気流を剥離させて下流側に後流渦６６を発生させる第２渦発生部に相当する。

そして、リング部４３の内周面のうち、気流下流側（図１３の右側）部分と、中心電極１６との間で火花が発生した場合でも、その火花を、中心電極１６の後側の後流渦６６を貫通するように形成できる。これにより、後流渦６６の内部で混合気を着火させることができ、安定的に保炎することができる。なお、図１３の例では、リング部４３の外側（図１３の下側）でも後流渦６７が発生している。

さらに、点火プラグ１４の周囲における気流の向きについて、燃焼サイクル毎にばらつきが生じてもリング部４３の周辺で安定的に保炎することができる。例えば、点火プラグ１４の周囲の気流の向きが、図１３の矢印方向αとは逆方向になる場合が考えられる。この場合には、気流が図１３の右側から左側に点火プラグ１４の周囲に流れる。この場合でも、リング部４３の内側において、気流の下流側に位置する部分に後流渦が発生するので、リング部４３と中心電極１６との間で発生する火花をその後流渦に貫通させて、安定的に保炎することができる。その他の構成及び作用は、図１から図５、または図９、または図１０に示す構成と同様である。

図１１から図１３の構成の場合には、接地電極４０の剥離部と、中心電極１６の先端面における接地電極４０の剥離部側の端とを結ぶ直線Ｌ１を規定する。そして、この直線Ｌ１と、直線Ｌ２に沿う、点火プラグ１４の前方の気流の向き（矢印α方向）とのなす角度θが、−３０°〜０°に規制されることが好ましい。図１３では、角度θが図４の場合と同様に、負の値となる場合を示している。

１０内燃機関、１２シリンダヘッド、１４，１４ａ点火プラグ、１５絶縁碍子、１６中心電極、１７中心電極側剥離部、１８接地電極、１９延出部、２０腕部、２１突起部、２２腕部側剥離部、２３突起部側剥離部、２４突起部、２５段差部、２６突起部側剥離部、２７腕部側剥離部、２８上流側突起部、２９下流側突起部、３０剥離部、４０接地電極、４１延出部、４３リング部、４４接地電極側剥離部、５０，５０ａ燃焼室、５１上壁面、６０，６１後流渦、６２火花、６３後流渦、６４火炎、６５，６６後流渦。

Claims

燃焼室内に突出した点火プラグを備え、
前記点火プラグは、中心電極及び接地電極を含み、放電により前記中心電極及び前記接地電極の間で火花が発生するように構成され、
前記中心電極は、前記燃焼室内に突き出した絶縁碍子の先端に設けられ、
前記接地電極は、
前記燃焼室内に延出される延出部と、前記延出部の先端から屈曲して前記絶縁碍子側に延びる腕部と、前記腕部において前記絶縁碍子に対面する側に形成された突起部とを含み、
前記突起部は、前記中心電極の中心軸の延長線とは異なる位置に配置され、
前記腕部の前記中心電極とは反対側から前記中心電極側に向かう気流が発生した場合に、前記突起部の先端面において前記中心電極側の端縁が、前記突起部の近傍の気流を剥離させて下流側に第１後流渦を発生させる突起部側渦発生部としての機能を有し、
前記中心電極及び前記接地電極は、
前記中心電極及び前記接地電極の間を流れる気流によって変形した火花または火炎が前記第１後流渦内に進入するように、または前記第１後流渦の内部に火花が貫通するように配置されている、内燃機関。
請求項１に記載の内燃機関において、
前記腕部の前記中心電極とは反対側から前記中心電極側に向かう気流が発生した場合において、前記腕部の前記絶縁碍子側の面における前記中心電極側、または前記突起部とは反対側の端縁が、前記腕部の近傍の気流を剥離させて下流側に第２後流渦を発生させる腕部側渦発生部としての機能を有し、
前記中心電極及び前記接地電極は、
前記中心電極及び前記接地電極の間を流れる気流によって変形した火花または火炎が前記第２後流渦内に進入するように配置されている、内燃機関。
請求項１に記載の内燃機関において、
前記接地電極の先端部が前記中心電極の先端部に対して前記点火プラグの周囲の気流の上流側に配置され、
前記接地電極の上端面の下流側端部と前記中心電極の下端面の上流側端部とを結ぶ直線と、前記点火プラグ上流側の気流の向きとのなす角度が、前記接地電極の上端から前記中心電極の下端に向かう方向が気流方向より下向きである場合を負とし、上向きである場合を正とした場合に、−３０°〜＋４５°の範囲である、内燃機関。
請求項３に記載の内燃機関において、
前記接地電極の先端部の上端が、前記中心電極の先端部の下端よりも上方に配置される、内燃機関。
燃焼室内に突出した点火プラグを備え、
前記点火プラグは、中心電極及び接地電極を含み、放電により前記中心電極及び前記接地電極の間で火花が発生するように構成され、
前記中心電極は、前記燃焼室内に突き出した絶縁碍子の先端に設けられ、
前記接地電極は、
前記燃焼室内に延出される延出部と、前記延出部の先端から屈曲して前記絶縁碍子側に延びる腕部と、前記腕部において前記中心電極側に形成された突起部とを含み、
前記突起部は、前記中心電極の中心軸の延長線とは異なる位置に配置され、
前記腕部の前記中心電極とは反対側から前記中心電極側に向かう気流が発生した場合に、前記腕部の前記中心電極側の面における端縁が、前記腕部の近傍の気流を剥離させて下流側に第１後流渦を発生させる腕部側渦発生部としての機能を有し、
前記中心電極及び前記接地電極は、
前記第１後流渦の内部に火花が貫通するように配置されている、内燃機関。
燃焼室内に突出した点火プラグを備え、
前記点火プラグは、中心電極及び接地電極を含み、放電により前記中心電極及び前記接地電極の間で火花が発生するように構成され、
前記中心電極は、前記燃焼室内に突き出した絶縁碍子の先端に設けられ、
前記点火プラグの前記接地電極は、
前記燃焼室内に延出される延出部であって、先端部が前記絶縁碍子の先端と対面する側に屈曲した延出部と、前記延出部の先端に結合された円筒状のリング部とを含み、
前記中心電極の先端部は、前記リング部の内側に挿入されており、
前記リング部の周方向一部の外側から前記リング部の内周面と前記中心電極の先端部との間に向かう気流が発生した場合において、前記リング部の前記絶縁碍子側の面の内周縁のうち、気流の上流側に位置する一方側半部が、前記リング部の近傍の気流を剥離させて下流側に後流渦を発生させる第１渦発生部としての機能を有し、
前記リング部の周方向一部の外側から前記リング部の内周面と前記中心電極の先端部との間に向かう気流が発生した場合において、前記中心電極の先端面の外周縁における気流の下流側である一方側の半部が、前記中心電極の近傍の気流を剥離させて下流側に後流渦を発生させる第２渦発生部としての機能を有する、内燃機関。