JP7302462B2 - 内燃機関のシリンダヘッド構造 - Google Patents

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Description

本発明は、内燃機関のシリンダヘッド構造に関する。
特許文献1には、内燃機関の点火プラグに関する技術が開示されている。この技術の点火プラグは、筒状の接地電極と、接地電極から先端側に突出した筒状の絶縁碍子と、絶縁碍子からさらに先端側に突出した中心電極と、を備えている。中心電極に高周波電圧を印加すると接地電極と中心電極との間に放電が生じる。この技術では、接地電極の形状に工夫を加えることによって放電を絶縁碍子から引き離し、安定した着火性を確保することとしている。
特開2016-58196号公報
内燃機関の燃焼室には気流が発生する。気流によって放電経路が長く引き伸ばされると、広い範囲の混合気が加熱されて着火性に対して好影響がある。しかしながら、その反面、放電経路の揺らぎなどによって放電経路が途中でショートしてしまい短くなってしまうことがある。このため、上記の従来の技術には、着火の安定性や燃焼ばらつきの低減の面で、改善の余地が残されている。
本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、着火安定性を高めて燃焼ばらつきを低減することのできる内燃機関のシリンダヘッド構造を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するため、第1の発明は、シリンダヘッドの内壁面へと貫通する貫通孔に点火プラグが取り付けられた内燃機関のシリンダヘッド構造に適用される。点火プラグは、筒状の接地電極と、接地電極の内側に保持されるとともに、接地電極の先端よりも先端側へ突出した絶縁碍子と、絶縁碍子の内側に保持されるとともに、絶縁碍子の先端よりも先端側へ突出した中心電極と、を備えている。点火プラグは、接地電極に放電起点を形成する点火プラグである。点火プラグは、シリンダヘッドの内壁面の側に露出する接地電極の表面のうち、中心電極と接地電極との間を流れる気流方向の最下流となる位置を第一位置とし、シリンダヘッドの内壁面のうち、気流方向における中心電極の下流側において中心電極に最も近い位置を第二位置とした場合、第一位置と第二位置とが同一気流線上に配置されているか、または第一位置が第二位置よりも内壁面から後退する側にへこんだ位置に配置されている。そして、シリンダヘッドは、気流方向における中心電極の下流側において、周囲の内壁面から突出した段差部を有している。
第2の発明は、第1の発明において、さらに以下の特徴を有する。
接地電極は、筒状の側面部と、側面部の先端を覆う先端面と、を含んでいる。第一位置は、先端面の外縁に位置している。そして、第二位置は、シリンダヘッドの内壁面における貫通孔の外縁に位置している。
第3の発明は、第1又は第2の発明において、さらに以下の特徴を有する。
気流方向は、点火プラグのプラグ中心軸を通り内燃機関のクランク軸の軸方向に垂直な面において、内壁面に沿ってシリンダヘッドの吸気側から排気側へと向かう方向である。
の発明は、第1から第3の何れか1項に記載の発明において、さらに以下の特徴を有する。
段差部は、気流方向の下流側に向かうにつれて周囲の内壁面からの突出量が大きくなるように構成されている。
の発明は、シリンダヘッドの内壁面へと貫通する貫通孔に点火プラグが取り付けられた内燃機関のシリンダヘッド構造に適用される。点火プラグは、筒状の接地電極と、接地電極の内側に保持されるとともに、接地電極の先端よりも先端側へ突出した絶縁碍子と、絶縁碍子の内側に保持されるとともに、絶縁碍子の先端よりも先端側へ突出した中心電極と、を備えている。点火プラグは、接地電極に放電起点を形成する点火プラグである。シリンダヘッドは、中心電極と接地電極との間を流れる気流方向における中心電極の下流側において、周囲の内壁面から突出した段差部を有している。
の発明は、第の発明において、さらに以下の特徴を有する。
段差部は、気流方向の下流側に向かうにつれて周囲の内壁面からの突出量が大きくなるように構成されている。
の発明は、第又は第の発明において、さらに以下の特徴を有する。
気流方向は、点火プラグのプラグ中心軸を通り内燃機関のクランク軸の軸方向に垂直な面において、内壁面に沿ってシリンダヘッドの吸気側から排気側へと向かう方向である。
第1の発明に係る内燃機関のシリンダヘッドによれば、放電経路の接地電極側の起点は、中心電極と接地電極との間を流れる気流に流されて移動し、接地電極からシリンダヘッドの内壁面へとスムーズに移動し易くなる。これにより、放電によって広い範囲の混合気を加熱しつつ放電経路の起点間隔が広く保たれるので、放電経路が揺らいでも短絡し難くなる。これにより、着火安定性を高めて燃焼ばらつきを抑えることが可能となる。
また、第1又は第5の発明に係る内燃機関のシリンダヘッドによれば、段差部の構成によって放電起点の移動範囲を、当該段差部を超えない範囲に制限することができる。これにより、放電起点が燃焼室のシリンダ壁面の側に無条件に移動することを制限することができるので、混合気の着火が生じにくい範囲まで放電起点が移動することを防ぐことができる。
実施の形態1に係る内燃機関の構成を模式的に示す図である。 シリンダヘッドの内壁面を燃焼室の側から見た図である。 プラグ中心軸を含みクランク軸の軸方向に直行する断面において、シリンダヘッドに取り付けられた点火プラグの先端部を拡大した図である。 平面上の接地電極における放電起点の移動動作について説明するための図である。 気流の風下方向に接地電極からプラグ中心軸のプラグ先端側に向かって上がる段差がある場合の放電起点の移動動作について説明するための図である。 気流の風下方向に接地電極からプラグ中心軸の志位リンダヘッド側に向かって下がる段差がある場合の放電起点の移動動作について説明するための図である。 プラグ中心軸を含みクランク軸の軸方向に直行する断面において、放電起点が移動する様子を段階的に示した図である。 接地電極の先端面の第一位置P1と貫通孔の第二位置P2との位置関係を説明するための図である。 接地電極の先端面の形状および貫通孔の端面部の形状の変形例を説明するための図である。 接地電極の先端面の形状および貫通孔の端面部の形状の変形例を説明するための図である。 接地電極の先端面の形状および貫通孔の端面部の形状の変形例を説明するための図である。 接地電極の先端面の形状および貫通孔の端面部の形状の変形例を説明するための図である。 接地電極の先端面の形状および貫通孔の端面部の形状の変形例を説明するための図である。 接地電極の先端面の形状および貫通孔の端面部の形状の変形例を説明するための図である。 段差部の構造の変形例を示す図である。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
実施の形態1.
実施の形態1について図を参照して説明する。
1.実施の形態1の構成
1-1.内燃機関のシリンダヘッド構造
図1は、実施の形態1に係る内燃機関の構成を模式的に示す図である。図1には、内燃機関(エンジン)100を構成する要素がクランク軸の軸方向に垂直な1つの平面上に投影して描かれている。図1には1つの気筒(シリンダ)4のみが描かれているが、内燃機関100は複数の気筒4を備える。内燃機関100は、気筒4が形成されたシリンダブロック3と、シリンダブロック3上に配置されるシリンダヘッド2とを有している。気筒4内にはその軸方向に往復動するピストン8が配置されている。シリンダヘッド2のシリンダブロック3との合わせ面22には、気筒4の上部空間であるペントルーフ形状の内壁面24によって燃焼室6が形成されている。
図2は、シリンダヘッドの内壁面を燃焼室の側から見た図である。以下、図2も参照して、内燃機関のシリンダヘッド構造について説明する。燃焼室6の内壁面24の略中心部には、内壁面24の側へと貫通する貫通孔26が設けられている。貫通孔26には点火プラグ40が取り付けられている。以下の説明では、点火プラグ40の中心軸を「プラグ中心軸L1」と表記する。また、プラグ中心軸L1を含みクランク軸の軸方向に平行な面を「基準面S1」と表記する。点火プラグ40の構成については詳細を後述する。
内壁面24において、基準面S1の一方の側には吸気ポート10につながる2つの吸気口28が形成されている。また、内壁面24において、基準面S1の他方の側には排気ポート16につながる2つの排気口30が形成されている。吸気口28には吸気バルブ18が設けられ、排気口30には排気バルブ20が設けられている。なお、以下の説明では、基準面S1に対して吸気口28が形成されている側を「吸気側」と表記し、基準面S1に対して排気口30が形成されている側を「排気側」を表記する。
さらに、内壁面24の吸気側には、筒内直噴インジェクタ32が配置されている。実施の形態1に係る内燃機関100は、筒内直噴インジェクタ32による筒内噴射による成層燃焼を実施可能に構成されている。このため、吸気ポート10は、その入口から燃焼室6に向けてほぼ真っ直ぐに延び、燃焼室6との接続部分であるスロート12において流路断面積が絞られている。吸気ポート10のこのような形状は、燃焼室6に吸入された吸気にタンブル流を生じさせる。ここでのタンブル流は、吸気口28から燃焼室6内へ吸入された空気が排気口30の側からピストン8の冠面へ向かう方向へ旋回する気流である。図1及び図2では、タンブル流を「T」と表記している。燃焼室6の底部を形成するピストン8には、タンブル流を保持するためのへこみが形成されている。なお、タンブル流を生成するための構造は特に限定されず、種々の公知の構造を適用することができる。
1-2.点火プラグの特徴的構造
図3は、プラグ中心軸を含みクランク軸の軸方向に直行する断面において、シリンダヘッドに取り付けられた点火プラグの先端部を拡大した図である。この図に示すように、点火プラグ40は先端部が燃焼室6側に露出するように貫通孔26に固定されている。点火プラグ40の先端部は、プラグ中心軸上となる位置に、接地電極42と、絶縁碍子44と、中心電極46と、が形成されている。接地電極42は筒状の電極であり、筒状の側面部の先端を覆う先端面はドーム型の形状を有している。接地電極42とシリンダヘッド2はともに金属であり、点火プラグ40のねじ部が貫通孔26に接触することにより、接地電極42とシリンダヘッド2とは同じ電位レベルになっている。
絶縁碍子44は、接地電極42の内側に保持されるとともに接地電極42の先端面からプラグ中心軸方向の先端側に突出した筒状の絶縁体である。絶縁碍子44の筒径は接地電極42の筒径よりも小さい。中心電極46は、絶縁碍子44の内側に保持されるとともに絶縁碍子44の先端面からプラグ中心軸方向の先端側にさらに突出した筒状の電極である。中心電極46は、接地電極42の先端面から2mm以上突出している構造が好ましい。点火プラグ40は、中心電極46に高周波電圧を印加することによって、接地電極42と中心電極46との間に放電を生じさせるように構成されている。なお、放電時には、150mA以上の電流値が一定時間維持される。
1-3.シリンダヘッドの内壁面の特徴的構造
図2及び図3に示すように、シリンダヘッド2の内壁面24の排気側には段差部50が形成されている。段差部50は、ペントルーフ形状を構成する周囲の内壁面24から凸状に突出した形状を有している。具体的には、段差部50は、内壁面24の排気側において、中心電極46と接地電極42との間を流れるタンブル流Tの気流方向に進むにつれて、つまり基準面S1から排気側へ離れるにつれて周囲の内壁面24からの突出量が大きくなるように構成された隆起面502と、隆起面502の外縁から周囲の内壁面24への段差を形成するライザー面504と、により構成されている。隆起面502は、例えばプラグ中心軸L1を含みクランク軸の軸方向に直行する断面において、内壁面24の接線方向から円弧上に突出する面や、内壁面24から直線状に突出する面として構成することができる。また、ライザー面504は、例えば隆起面502に対して鋭角となる面として構成することができる。段差部50の幅は、例えば点火プラグ40の接地電極42の幅から気流方向に進むにつれて徐々に小さくなるように構成することができる。隆起面502には、ライザー面504と交わる部位にエッジ部506が形成される。エッジ部506における段差の大きさは、例えば1mmから2mmの間となるように形成されている。
1-4.点火プラグの取り付け構造
本実施の形態の点火プラグ40は、シリンダヘッド2への取り付け構造に特徴を有している。図3に示すように、接地電極42の先端面のうち気流方向の最下流となる位置(つまり接地電極42の先端面の外縁)を第一位置P1とし、当該気流方向における中心電極46の下流側において、内壁面24のうち当該中心電極46に最も近い位置(つまり貫通孔26の外縁)を第二位置P2とした場合、点火プラグ40は、第一位置P1が第二位置P2と同一気流線上に配置されているか、または第一位置P1が第二位置P2よりも内壁面24から後退する側に凹んだ位置となるように取り付けられている。
2.点火プラグの放電起点移動動作
本実施の形態の内燃機関100は、点火プラグ40の放電起点を燃焼室6内に発生する気流を利用して移動させる構造に特徴を有している。放電起点の移動形態は、接地電極の表面形状によって以下の3種に分類される。
図4は、平面状の接地電極における放電起点の移動動作について説明するための図である。この図に示すように、放電経路が気流によって流されると、その一部が接地電極の表面に接近する。そして、放電経路が接地電極の風下側において短絡すると、接地電極おける放電起点が当該短絡位置に移動する。このような動作が繰り返されることにとより、放電起点は平面状の接地電極の表面を気流の下流方向へと徐々に移動する。
図5は、気流の風下方向に接地電極からプラグ中心軸のプラグ先端側に向かって上がる段差がある場合の放電起点の移動動作について説明するための図である。この図に示すように、放電経路が気流によって流されると、その経路の途中が接地電極の段差に接触して短絡する。これにより、放電起点が接地電極42の段差の上側に移動する。
図6は、気流の風下方向に接地電極からプラグ中心軸のシリンダヘッド側に向かって下がる段差がある場合の放電起点の移動動作について説明するための図である。この図に示すように、下がる段差の段差部には気流方向とは逆方向の気流が発生する。このため、気流によって流された放電経路は、下がる段差に沿って段差表面を移動することができず、放電起点移動は当該下がる段差で止まってしまう。
本実施の形態の内燃機関100では、上記の図4から図6に示す形態を組み合わせて点火プラグ40の放電起点を接地電極42からシリンダヘッド2の内壁面24の側へと移動させることとしている。図7は、プラグ中心軸を含みクランク軸の軸方向に直行する断面において、放電起点が移動する様子を段階的に示した図である。この図に示すように、放電経路は、先ず放電起点距離が最短となる接地電極42の先端面上の放電起点aと中心電極46に形成される。
ここで、中心電極46と接地電極42との間には、吸気側から排気側に向かって流れる気流(タンブル流T)が発生している。接地電極42側の放電起点は、気流の影響によって放電起点aから放電起点b、そして放電起点cへと順に移動する。
上述したとおり、点火プラグ40は、接地電極42の先端面の第一位置P1が、気流方向の最下流部において、シリンダヘッド2の貫通孔26の外縁上の第二位置P2よりもプラグ中心軸L1の軸方向に後退或いは一致した位置となるように取り付けられている。つまり、接地電極42の先端面の第一位置P1からシリンダヘッド2の貫通孔26の第二位置P2への移動経路は、図5のような上がる段差或いはプラグ中心軸方向に一致した位置になっている。このため、接地電極42側の放電起点は、気流の影響によって放電起点cからシリンダヘッド2側の放電起点dへと移動する。そして、シリンダヘッド2側へと移動した放電起点は、気流の影響によって段差部50の隆起面502上を放電起点dから放電起点e、そして放電起点fへと順に移動する。
段差部50の隆起面502の気流方向下流側の端部は、図6のような下がる段差になっている。このため、隆起面502の気流方向下流側の端部に到達した放電起点fは、これ以上気流方向に移動することができずに段差部50のエッジ部506で停止する。
このような放電起点の移動動作によれば、以下のような作用効果を奏する。
放電起点間隔を拡大することができるので、放電の短絡を抑制することができる。これにより、広範囲の混合気を加熱することができるので、着火性の改善、燃焼ばらつきの軽減、EGR限界の拡大、リーン限界の拡大、ノッキングの抑制等の効果を奏することができる。
点火プラグ40は、接地電極42の先端面の第一位置P1が貫通孔26の第二位置P2よりもプラグ中心軸L1の軸方向に後退或いは一致した位置となるように取り付けられているので、放電起点をシリンダヘッド2側に安定的に移動させることができる。
段差部50のエッジ部506によって放電起点の移動が制限されるので、燃焼室6の気筒壁側の着火し難い混合気の方まで放電起点が移動することを防ぐことができる。これにより、燃焼室6の中央付近の着火し易い混合気を効率的に加熱することができるので、着火の安定化を図ることができる。また、排気バルブ20等の部品に放電起点が移動することを防ぐことができるので、部品の不具合発生を防ぐことができる。
3.変形例
本実施の形態の内燃機関100は、以下のように変形したシリンダヘッド構造を採用してもよい。
図8は、接地電極の先端面の第一位置P1と貫通孔の第二位置P2との位置関係を説明するための図である。この図に示すように、接地電極42の第一位置P1と貫通孔26の第二位置P2との間のプラグ中心軸L1方向の距離(つまり第一位置P1の後退量)をAmm、プラグ径方向の距離をBmmとした場合、A≧0mmとなっていれば、他の寸法に限定はない。ただし、距離Bは、例えばB≦1mmとなることが好ましく、A=B=0に設定されることが最良であるが、設計上は例えばA=0mm,B=0.95mmに設定される。また、例えば、A>-0.5Bの関係を満たすようなA及びBの設定を採用することもできる。
接地電極42の先端面の形状および貫通孔の形状に限定はない。図9から図14は、接地電極の先端面の形状および貫通孔の端面部の形状の変形例を説明するための図である。これらの図に示すように、接地電極42及び貫通孔26が特殊な形状を有する場合には、例えば図に示すように接地電極42の第一位置P1及び貫通孔26の第二位置P2を定義してもよい。具体的には、図9、図10、図12、図13及び図14は、貫通孔26の端部に面取加工或いは角R加工が施されている場合に、加工前の端部の位置を第二位置P2としている。また、図11は、貫通孔26の端部に角R加工が施されている場合であって、貫通孔26の端部が鋭角である場合、プラグ中心軸L1の先端方向に最も突出した位置を第二位置P2としている。さらに、図13及び図14は、接地電極42の外縁に面取加工或いは角R加工が施されている場合に、加工前の端部の位置を第一位置P1としている。
段差部50の形状には種々の変形した構造を適用することができる。図15の変形例(A)から(D)は、段差部の構造の変形例を示す図である。図15の変形例(A)は、接地電極42が露出している貫通孔26よりも気流下流側に隆起面502が形成されている。図15の変形例(B)及び(C)は、貫通孔26の半周を覆う位置から気流下流側に向かって隆起面502が形成されている。図15の変形例(D)は、貫通孔26の全周を覆う位置から気流下流側に向かって隆起面502が形成されている。また、図15の変形例(A)、(B)及び(D)は、隆起面502が気流下流側に向かって直線状に徐々に突出するように構成されている。図15の変形例(C)は、隆起面502が周囲の内壁面24から平行に突出した面として構成されている。さらに、図15の変形例(A)、(B)、(C)及び(D)では、隆起面502が円弧形状、三角形状、四角形状等、種々の形状を採用することができる。
段差部50は、基本的に必須の構成ではない。すなわち、内燃機関100のシリンダヘッド構造は、段差部50を備えていなくても、点火プラグ40が、第一位置P1が第二位置P2よりもプラグ中心軸L1の軸方向に後退或いは一致した位置となるように取り付けられている限り、少なくとも放電経路の起点を接地電極42からシリンダヘッド2の内壁面24へとスムーズに移動し易くする効果が得られる。ただし、放電経路の起点は、第一位置P1と第二位置P2の位置関係に関わらず、接地電極42からシリンダヘッド2の内壁面24へと移動し得る。そのため、点火プラグ40が、第一位置P1が第二位置P2よりもプラグ中心軸L1の軸方向に後退或いは一致した位置となるように取り付けられていない場合には、内燃機関100のシリンダヘッド構造は、少なくとも段差部50を必須の構成として備えることが好ましい。これにより、放電起点がシリンダヘッド2の内壁面24へと移動したとしても、段差部50の構成によって混合気の着火が生じにくい範囲まで放電起点が移動することを防ぐ効果が得られる。
2 シリンダヘッド
3 シリンダブロック
4 気筒
6 燃焼室
8 ピストン
10 吸気ポート
12 スロート
16 排気ポート
18 吸気バルブ
20 排気バルブ
22 合わせ面
24 内壁面
26 貫通孔
28 吸気口
30 排気口
32 筒内直噴インジェクタ
40 点火プラグ
42 接地電極
44 絶縁碍子
46 中心電極
50 段差部
100 内燃機関
502 隆起面
504 ライザー面
506 エッジ部

Claims (7)

  1. シリンダヘッドの内壁面へと貫通する貫通孔に点火プラグが取り付けられた内燃機関のシリンダヘッド構造において、
    前記点火プラグは、
    筒状の接地電極と、
    前記接地電極の内側に保持されるとともに、前記接地電極の先端よりも先端側へ突出した絶縁碍子と、
    前記絶縁碍子の内側に保持されるとともに、前記絶縁碍子の先端よりも先端側へ突出した中心電極と、を備え、
    前記点火プラグは、前記接地電極に放電起点を形成する点火プラグであり、
    前記シリンダヘッドの前記内壁面の側に露出する前記接地電極の表面のうち、前記中心電極と前記接地電極との間を流れる気流方向の最下流となる位置を第一位置とし、前記シリンダヘッドの前記内壁面のうち、前記気流方向における前記中心電極の下流側において前記中心電極に最も近い位置を第二位置とした場合、点火プラグは、前記第一位置と前記第二位置とが同一気流線上となる位置に配置されているか、または前記第一位置が前記第二位置よりも前記内壁面から後退する側にへこむ位置に配置され
    前記シリンダヘッドは、前記気流方向における前記中心電極の下流側において、周囲の内壁面から突出した段差部を有すること
    を特徴とする内燃機関のシリンダヘッド構造。
  2. 前記接地電極は、筒状の側面部と、前記側面部の先端を覆う先端面と、を含み、
    前記第一位置は、前記先端面の外縁に位置し、
    前記第二位置は、前記シリンダヘッドの前記内壁面における前記貫通孔の外縁に位置することを特徴とする請求項1の内燃機関のシリンダヘッド構造。
  3. 前記気流方向は、前記点火プラグのプラグ中心軸を通り前記内燃機関のクランク軸の軸方向に垂直な面において、前記内壁面に沿って前記シリンダヘッドの吸気側から排気側へと向かう方向であることを特徴とする請求項1又は2に記載の内燃機関のシリンダヘッド構造。
  4. 前記段差部は、前記気流方向の下流側に向かうにつれて前記周囲の内壁面からの突出量が大きくなるように構成されていることを特徴とする請求項1から請求項3の何れか1項に記載の内燃機関のシリンダヘッド構造。
  5. シリンダヘッドの内壁面へと貫通する貫通孔に点火プラグが取り付けられた内燃機関のシリンダヘッド構造において、
    前記点火プラグは、
    筒状の接地電極と、
    前記接地電極の内側に保持されるとともに、前記接地電極の先端よりも先端側へ突出した絶縁碍子と、
    前記絶縁碍子の内側に保持されるとともに、前記絶縁碍子の先端よりも先端側へ突出した中心電極と、を備え、
    前記点火プラグは、前記接地電極に放電起点を形成する点火プラグであり、
    前記シリンダヘッドは、前記中心電極と前記接地電極との間を流れる気流方向における前記中心電極の下流側において、周囲の内壁面から突出した段差部を有すること
    を特徴とする内燃機関のシリンダヘッド構造。
  6. 前記段差部は、前記気流方向の下流側に向かうにつれて前記周囲の内壁面からの突出量が大きくなるように構成されていることを特徴とする請求項に記載の内燃機関のシリンダヘッド構造。
  7. 前記気流方向は、前記点火プラグのプラグ中心軸を通り前記内燃機関のクランク軸の軸方向に垂直な面において、前記内壁面に沿って前記シリンダヘッドの吸気側から排気側へと向かう方向であることを特徴とする請求項又はに記載の内燃機関のシリンダヘッド構造。
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