JPH1037836A - 点火装置 - Google Patents

点火装置

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JPH1037836A
JPH1037836A JP9084689A JP8468997A JPH1037836A JP H1037836 A JPH1037836 A JP H1037836A JP 9084689 A JP9084689 A JP 9084689A JP 8468997 A JP8468997 A JP 8468997A JP H1037836 A JPH1037836 A JP H1037836A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 スパークプラグの火花間隙の廻りに、着火不
良を発生させることのない状態で濃い混合気を供するこ
とを可能にする、液体燃料で駆動される超希薄燃焼機関
（ultra-lean-burn engine）用の点火装置を提供す
る。 【解決手段】 主インジェクタ（１４）は、エンジンの
吸気ポ−ト内に燃料を噴射してスパークプラグ（１６）
を通過する超希薄燃料空気混合気の回転流（２４）を形
成する。該スパークプラグ（１６）は、火花間隙（３
５）に直接燃料を噴射して該火花間隙の混合気を濃くす
るノズル（４０）を有するパイロットインジェクタ（１
５）と合体して設けられる。スパークプラグの電極の一
部あるいは別の板部材（８５）でなる障害物（３４）が
火花間隙（３５）を通過する超希薄混合気の流れに乱流
（８０）を形成する。パイロットノズル（４０）は該乱
流（８０）中に直接燃料を噴射して該火花間隙（３５）
内の混合気を濃くする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、将来の超希薄燃
焼機関（ultra-lean-burn engine）に使用される点火
装置および現在生産されている希薄燃焼火花点火機関(l
ean-burn sparkignition engine)における燃料の希薄
限度を拡大するための点火装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】内燃機関は、広い範囲の速度域および負
荷状態域において効率的に燃料を燃焼させて作動する必
要がある。これは、通常、出力サイクルにおいて一様に
燃焼する化学量論的混合気を使用することによってなさ
れる。化学量論的に濃い混合を使用する場合には高性能
特性の機関、即ちエンジンとすることができるが、燃料
を浪費し、エンジンからの気体汚染物質の排出レベルを
増大させる。
【０００３】ますます高い空燃比で駆動される希薄燃焼
機関、即ちリーンバーンエンジンが世界中で提案されて
いる。この種のリーンバーンエンジンの空燃比は２５程
度であるが、最近では、４０もの空燃比で作動される直
噴型のエンジンが開発されている。このような超希薄な
燃焼を達成するためには層状混合気を必要とする。即
ち、点火時には、他の部分は希薄であっても、スパーク
プラグ近辺には濃い混合比のものの存在を必要とする。
スパークプラグはこの濃い混合比の部分に着火し、発生
する火炎が未燃のガスに向けて拡がり全体の希薄混合気
を効果的に燃焼させる。
【０００４】以下の三種の従来技術は、エンジンそれ自
体に大きな変更を加えることなしに、リーンバーン火花
点火エンジンの空燃比の希薄限度を拡大する有望なスパ
ークプラグと燃料噴射装置の組合せを提案している。
【０００５】英国特許第１５１９５１４号明細書には、
濃い混合気域での液体燃料（ガソリン）の蒸発を高める
システムが提案されている。この英国特許明細書に記載
のスパークプラグは中心部に燃料噴射装置を有してお
り、この噴射装置が、スパークプラグの長手方向に形成
された蒸発管を通して、プラグ間隙近傍の部分に燃料を
噴射する。燃料は蒸発管を通して流れるときにスパーク
プラグからの熱によって蒸発する。このスパークプラグ
は燃焼室に向けて設けられているのでスパークプラグは
高温になる。しかしながら、エンジンを長時間運転する
と、蒸発管に燃料からの堆積物が付着してしまい、燃料
蒸発システムの耐久性に問題が生じる。
【０００６】英国特許第１５６１０１７号明細書には、
燃料噴射装置の噴霧孔をスパークプラグの火花間隙の近
くに設けたシステムが提案されている。この噴霧孔は３
６０°方向に開口しており幅広い混合域を形成するの
で、点火の層状化能には限界がある。このシステムはキ
ャブレタによる希薄混合に基づくものであり、スパーク
プラグ近傍に局部的に存在する混合気とその流れとの相
互作用を考慮してはいない。
【０００７】英国特許第４５４６７４０号明細書には、
気相燃料噴射装置の孔が火花間隙に対向する位置に設け
られていて、十分な点火および火炎開始をさせるに要す
る二次室内に噴射するシステムが提案されている。も
し、このシステムが液体燃料で使用されると、その噴射
装置は、該チャンバーを満たし且つ火花間隙に燃料を供
給するために、多量の液体燃料を噴射する。その結果、
火花間隙の廻りには多量の燃料が存在することになり、
着火不良や希薄燃料でのエンジンの性能低下の原因とな
る。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】この発明の目的は、着
火不良を発生させる確率が極めて小さい状態で火花間隙
の廻りに濃い混合気を供給することができる、液体燃料
で駆動される超希薄燃焼機関(ultra-lean-burn engin
e)用の点火装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、エンジンの吸
気ポート内に燃料を噴射して該エンジンの燃焼室内にス
パークプラグを通過する超希薄な燃料−空気混合気の回
転流を形成する主インジェクタと、該超希薄燃料−空気
混合の流路にあって、該流路に乱流を形成する障害物
と、および該スパークプラグに組み込まれており該火花
間隙の近くに噴射ノズルを有し、該火花間隙に向け且つ
該乱流内に燃料を噴射するパイロットインジェクタとを
備えており、該燃焼室内での超希薄な燃料−空気混合気
の回転流の流れの方向に関して、該障害物が火花間隙の
直ぐ上流に位置し且つ該火花間隙が該パイロットインジ
ェクタの噴射ノズルの直ぐ上流に位置している点火装置
を提供する。
【００１０】
【発明の実施の形態】添付の図１から図７を参照して本
発明を説明する。図１を参照して、本発明の点火装置
は、燃焼室１１、吸気ポート１２、排気ポート１３、主
インジェクタ１４、パイロットインジェクタ１５、およ
びスパークプラグ１６を備えている。パイロットインジ
ェクタ１５およびスパークプラグ１６は、図２に示すよ
うに、ハウジング１７をなして組付けられている。
【００１１】エンジンのシリンダブロック２１およびシ
リンダヘッド２２は燃焼室１１を形成している。吸気ポ
ート１２は燃焼室１１に連通している。主インジェクタ
１４は吸気ポート１２内に燃料を噴射し、吸気ポート１
２内で混合気が形成される。この混合気は超希薄であ
り、吸気バルブ２３が開いているときに燃焼室１１内に
導入される。主インジェクタ１４により噴射される燃料
の量は、従来のポート／マニホルド・インジェクタによ
り噴射される燃料の量に比べて極めて少ない量である。
本発明においては、超希薄混合気の”空燃比”は最大５
０にまで高められる。これは、パイロットインジェクタ
１５が、シリンダ内部が高度に乱雑な状態にあり且つ燃
焼室１１内の超希薄混合気が高レベルの主流と乱流を発
生させるものとして知られている回転流２４の形態にあ
るときに、燃焼室の超希薄混合気の全てを燃焼させるこ
とができる火炎の核の発生を可能にすることにより可能
とさせる。図１に示すように、超希薄混合気はポートの
配置によって定まる一定の方向に回転する。パイロット
インジェクタ１５およびスパークプラグ１６の近傍で
は、該超希薄混合気の回転流２４は、図２に示すよう
に、ほぼ平行方向に流れる。
【００１２】排気ポート１３も燃焼室１１に連通してい
て、燃焼ガスの燃焼室１１からの排出を可能にする。燃
焼室１１と排気ポート１３との間には排気バルブ２５が
設けられている。
【００１３】図３を参照して、スパークプラグ・インジ
ェクタ３０を説明する。この組合せスパークプラグ・イ
ンジェクタ３０のハウジング１７は、パイロットインジ
ェクタ１５およびスパークプラグ１６の双方を収容して
いる。スパークプラグ１６の偏心（第一）電極３１は、
該ハウジング１７から長手方向に延びている。スパーク
プラグ１６の側面（第二）電極３２は、長手方向部分３
４および横方向部分３３を有している。この横方向部分
３３は偏心第一電極３１との間に火花間隙３５を形成し
ている。長手方向部分３４はハウジング１７に固定され
ており、回転流２４の上流に位置して該回転流に対する
障害物として作用する。
【００１４】パイロットインジェクタ１５は、回転流２
４の方向において、火花間隙３５の下流の該火花間隙３
５の直ぐ近くに位置した孔４０を有している。即ち、該
孔４０から噴射される燃料は火花間隙域３５内に導かれ
る。燃焼室１１内の回転流２４の流れ方向に関して、側
面電極３２の長手方向部分３４は火花間隙３５の上流に
位置し、該火花間隙３５はパイロットインジェクタ１５
の孔４０の上流に位置している。これら火花間隙３５、
パイロットインジェクタ１５の孔４０、および障害物と
して作用する側面電極３２の長手方向部分３４は、ハウ
ジング１７の径内に旨く収まっている。更に、図４に示
すように、側面電極３２の横方向部分３３に反射端面４
１を設け、パイロットインジェクタ１５の孔４０が厳格
に火花間隙３５に対向していなくとも、この反射端面４
１により孔４０から噴射される燃料を火花間隙３５方向
に向けることができるようにすることができる。
【００１５】図３を参照する。燃料部屋４２は管を介し
て孔４０と流体的に連通可能にしてある。ニードル弁４
３が部屋４２内に設けられていて、部屋４２内の燃料の
圧力がスプリング４４の付勢力よりも大きいときに該部
屋４２と孔４０との間での燃料の流通を可能にする。こ
こで、この付勢力は予負荷設定ネジ４５により制御され
ている。このニードル弁４３は、摺動自在であり、ニー
ドルガイド４６に支持されている。部屋４２内の燃料の
圧力は、図５に示す機械的圧力増幅器５０により増幅さ
れる。増幅器５０は、燃料タンク５１から燃料ポンプ５
２を介して供給される燃料圧力を増幅し、増幅された燃
料圧力を部屋４２に供給する。
【００１６】燃焼室１１内の圧力は、狭い通路５３を介
して増幅器５０の入口部分５４に常時供給されている。
通路５３の他端部は、図３に示すように、環状室５５を
介してスパークプラグ１６の廻りに開口している。増幅
器５０の第一駆動ピストン５６は大きい方のシリンダ５
７内で往復動する。第二被動ピストン５８は、小さい方
のシリンダ５９内を摺動する。第一および第二ピストン
は細い棒材６０で連結され一緒に動くようにしてある。
小さい方のシリンダ５９の端部の圧縮室６２には復帰バ
ネ６１が設けられていて、ピストン５６、５８を復帰方
向に動かす。このとき調整ストッパー６３がピストン５
６、５８の復帰運動の範囲を制限する。このストッパー
６３はバネ６１の強さの調整にも使用される。空間６４
がピストン５６、５８間に形成され、流通孔６５を介し
て外気に連通している。燃料の入口６６が増幅器５０の
本体７０に固定されていて、逆止弁６７を介して燃料タ
ンク５１と圧縮室６２との間を流通させる。この逆止弁
６７はスプリング６８を備えており、これにより圧縮室
６２から燃料タンク５１への燃料の逆流が防止される。
本体７０には燃料の出口６９が設けられていて、圧縮室
６２とパイロットインジェクタ１５の燃料部屋４２との
間の液体の流通を可能にしている。
【００１７】点火装置の機能について以下に述べる。エ
ンジンが始動すると、主インジェクタ１４が吸気ポート
１２にガソリン等の液体燃料を噴射する。吸気弁２３が
開いているときには、燃料および空気が超希薄混合気と
して燃焼室に引き入れられる。この空燃比は５０にも高
められる。
【００１８】エンジンが回転すると、燃焼室１１内の加
圧空気が燃料圧増幅器５０の入口部分５４に導入され
る。図８は４サイクルエンジンのインジケータ線図（圧
力−体積）である。圧縮行程においては、入口部分５４
の圧力はスプリング６１の付勢力に逆らって第一および
第二ピストン５６、５８を駆動しながら増大する。ピス
トン５６、５８の径の差により、入口部分５４の圧力が
増幅され、ピストン５６、５８を介して圧縮室６２内の
燃料を加圧する。この時、逆止弁６７は閉じており、パ
イロットインジェクタのニードル弁４３も閉じている。
パイロットインジェクタ１５の燃料部屋４２の圧力は、
圧縮室６２の圧力に等しいので、パイロットインジェク
タ１５のスプリング４４の力よりも低い。圧縮行程が進
行すると、圧縮室６２の燃料圧力および燃料部屋４２の
燃料圧力がパイロットインジェクタ１５のスプリング４
４の付勢力よりも高くなり、ニードル弁４３はスプリン
グ４４の付勢力に逆らって下流方向に動き、高圧にされ
た小量の燃料が孔４０を通して火花間隙に向けて噴射さ
れる。その時の圧力は、ＴＤＣ（上死点）前の燃焼室圧
力の約３から４倍である。パイロットインジェクタから
噴射される燃料の量は、主インジェクタ１４から噴射さ
れる燃料の量の５〜１０％に制御される。パイロットイ
ンジェクタ１５からの液体燃料噴射のための追加制御は
必要としない。スプリング４４の設定負荷がパイロット
インジェクタ１５の噴射タイミングを決定する。
【００１９】図６を参照して、超希薄混合気の回転流２
４が、スパークプラグハウジング１７の長手方向に延び
る第二電極３２の部分３４を廻って流れるので、火花間
隙３５の部分に回転流２４の乱流８０が形成される。他
方、孔４０から噴射される燃料の方向はこの回転流２４
に対向しており、パイロットインジェクタからの噴射燃
料は該乱流８０の低圧域と相互に影響し合い、その結
果、パイロットインジェクタ１５から噴射された燃料は
極めて急速に気化される。これにより局所的に濃い混合
気の部分８１が火花間隙３５の廻りではなく火花間隙内
に形成される。スパークプラグ１６が起動されると、火
花間隙８１内に存在する濃い混合気に点火し、火炎核を
形成させる。この火炎核は発達し、回転流２４および乱
流に助長されて超希薄混合気の域８２に向かって拡がっ
ていく。
【００２０】排気行程が進むに連れて燃焼室１１内の圧
力が低くなる。したがって、増幅器５０の入口部分５４
内の圧力も低下し、第一および第二ピストン５６、５８
がバネ６１の力を受けて後方に動く。この時、圧縮室６
２の圧力も低下し、次に噴射される燃料が逆止弁６７を
介して供給される状態となる。
【００２１】側面電極３２の長手方向部分３４の代わり
に、幅の狭い板状体８５を障害部材として役立てること
ができる。該板状体８５は、図７に示すように、回転流
２４の乱流を発生させる。この場合、燃焼室１１内の回
転流２４に関して、板状体８５は火花間隙３５の上流
に、火花間隙３５はパイロットインジェクタ１５の孔４
０の上流に位置させる。
【００２２】以上、詳述したとおりで、本発明の点火装
置は、スパークプラグの火花間隙の部分に、着火不良を
発生させることのない状態で濃い混合気を局所的にタイ
ミングよく供給することを可能にし、燃料消費を低減さ
せ且つ気体汚染物質の排出を低減させることを可能にす
る超希薄燃焼機関(ultra-lean-burn engine)に適する
点火装置である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の点火装置を備えた機関の概要を示す図
である。
【図２】図１に示すプラグ−インジェクタを示す拡大断
面図である。
【図３】図２の部分拡大図である。
【図４】図２の部分拡大図であり、第二電極の他の構造
を示す図である。
【図５】本発明に使用され得る圧力増幅器を示す断面図
である。
【図６】図３と同様な図であり、点火装置が作動してお
り燃料が火花間隙に向けて噴射されている状態を示す図
である。
【図７】図２に対する底面図であり、プラグ−インジェ
クタの他の構成を示す図である。
【図８】４サイクルエンジンのインジケータ線図であ
る。
【符号の説明】
１１ 燃焼室 １２ 吸気ポート １３ 排気ポート １４ 主インジェクタ １５ パイロットインジェクタ １６ スパークプラグ ２１ シリンダブロック ２２ シリンダヘッド ２３ 吸気バルブ ２４ 混合気の回転流 ２５ 排気バルブ ３０ スパークプラグ・インジェクタ ３１ 偏心（第一）電極 ３２ 側面（第二）電極 ３５ 火花間隙 ４０ 孔（ノズル） ５０ 圧力増幅器 ５６ 第一駆動ピストン ５８ 第二被動ピストン ６２ 圧縮室 ６７ 逆止弁 ６９ 燃料の出口 ８０ 乱流
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 河野 慎司 愛知県刈谷市朝日町２丁目１番地 アイシ ン精機株式会社内 (72)発明者 コンスタンチン アルコマーニ イギリス国 エスダブリュ11 ４アールア ール ロンドン ケンブリッジ ロード 16

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 内燃機関の吸気ポート内に燃料を噴射し
    て該内燃機関の燃焼室内にスパークプラグを通過する超
    希薄な燃料−空気混合気の回転流を形成する主インジェ
    クタと、該超希薄な燃料−空気混合気の流路にあって、
    該流路に乱流を形成する障害物と、および該スパークプ
    ラグに組み込まれており、その該火花間隙の近くに噴射
    ノズルを有し、該火花間隙に向け且つ該乱流内に燃料を
    噴射するパイロットインジェクタを備えており、該障害
    物が、該燃焼室内での超希薄な燃料−空気混合気の回転
    流の流れの方向に関して、火花間隙の直ぐ上流に位置し
    且つ該火花間隙が該パイロットインジェクタの噴射ノズ
    ルの直ぐ上流に位置している火花点火式内燃機関の点火
    装置。
  2. 【請求項２】 前記スパークプラグが、該スパークプラ
    グ本体から長手方向に延びる第一の電極と、該スパーク
    プラグ本体から長手方向に延びる第一部分と該第一部分
    から横方向に延び且つ該第一の電極の上方に延びること
    により火花間隙を形成する第二部分とからなる第二の電
    極を有していて、前記障害物が、該第二の電極の該第一
    部分で構成されている請求項１に記載の点火装置。
  3. 【請求項３】 前記障害物が、スパークプラグ間隙の直
    ぐ上流のスパークプラグ本体から延びている幅の狭い板
    状体である請求項１に記載の点火装置。
  4. 【請求項４】 スパークプラグの一つの電極が、パイロ
    ットインジェクタの噴射ノズルから噴射される燃料をス
    パークプラグ間隙に向わせる形状をなしている前記請求
    項１〜３のいずれか一つに記載の点火装置。
  5. 【請求項５】 前記スパークプラグの電極、パイロット
    インジェクタおよび障害物の全てが該スパークプラグ本
    体の径内に収納されている前記請求項１〜４のいずれか
    一つに記載の点火装置。
  6. 【請求項６】 爆発工程における燃焼室内の圧力増大に
    より駆動される圧力増幅器を更に備えており、パイロッ
    トインジェクタに供給される燃料の圧力を増加させてパ
    イロットインジェクタによる燃料噴射の時期を制御可能
    にした前記請求項１〜５のいずれか一つに記載の点火装
    置。
JP08468997A 1996-03-19 1997-03-19 点火装置 Expired - Lifetime JP3900210B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
GB9605789A GB2311327B (en) 1996-03-19 1996-03-19 Ignition apparatus
GB9605789.8 1996-03-19

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH1037836A true JPH1037836A (ja) 1998-02-13
JP3900210B2 JP3900210B2 (ja) 2007-04-04

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JP08468997A Expired - Lifetime JP3900210B2 (ja) 1996-03-19 1997-03-19 点火装置

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