JPH11210609A

JPH11210609A - 内燃機関

Info

Publication number: JPH11210609A
Application number: JP2673998A
Authority: JP
Inventors: Shingo Morishima; 信悟森島; Nobuo Imatake; 信夫今竹; Kimitaka Saito; 公孝斎藤; Tatsuo Kobayashi; 辰夫小林
Original assignee: Nippon Soken Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Soken Inc
Priority date: 1998-01-22
Filing date: 1998-01-22
Publication date: 1999-08-03

Abstract

(57)【要約】【課題】エンジンの大幅な設計変更を伴うことなく良
好な着火性能を得る。【解決手段】燃焼室２の室壁に設けられた点火プラグ
６で放電せしめるとともに、高電圧発生手段７からの通
電により電極９１，９２間で放電せしめて燃焼室２内の
混合気に点火する点火手段９を、燃焼室２への吸排気を
行う吸気弁３ａまたは排気弁４ｂ（図例では吸気弁３
ａ）と一体に設け、吸気弁３ａまたは排気弁４ａを実質
的に第２の点火プラグとすることで、エンジンの大幅な
設計変更を伴うことなく、燃焼室内の混合気に多点点火
ができるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は内燃機関における混
合気の着火性向上に関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の燃料噴射の方式には、吸気管
に燃料噴射を行うポート噴射式や、燃料を燃焼室内に直
接噴射する筒内直噴式がある。混合気に点火プラグで着
火するガソリンエンジンにおいては、従来ポート噴射式
が広く用いられてきたが、筒内直噴式が実用化されてき
た。筒内直噴式のエンジン（筒内直噴エンジン）では、
燃料のシリンダ内への噴射を、空気がシリンダ内に吸入
された後の圧縮行程において行うことで、燃焼の形態を
点火プラグ近傍で混合気濃度の高い成層燃焼とし、実質
的に超希薄燃焼を実現している。

【０００３】ところで、ポート噴射式のエンジン（ポー
ト噴射エンジン）ではシリンダ内に空気と同時に燃料が
吸入されるため、混合気の濃度がシリンダ内で均一とな
り、混合気の着火性は十分であるが、筒内直噴エンジン
では、混合気濃度が不均一な成層燃焼のため着火性が必
ずしも十分ではなく、排気ガス中の未燃炭化水素（Ｈ
Ｃ）がポート噴射エンジンに比べ多いという問題があ
る。

【０００４】着火性を高める技術として、点火プラグ
を、エンジンヘッドの一対の吸気弁および一対の排気弁
で囲まれた中央部に設けて点火プラグによる着火が燃焼
室の中央位置で行われるようにしたものが、例えば特開
平２−２５２９０８号公報等に記載されている。また、
高濃度の混合気を燃焼させる副燃焼室を設けて副燃焼室
で形成された火炎が低濃度の混合気で満たされた主燃焼
室に広がるようにし、主燃焼室内の混合気を確実に着火
せしめるようにしたものが、例えば特開平６−５８１５
１号公報等に記載されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記特開
平２−２５２９０８号公報記載の技術では、ある程度、
着火性が向上して未燃ＨＣを抑制する効果があるもの
の、十分とは言えない。また、特開平６−５８１５１号
公報記載のように副燃焼室を設けるものでは、構造が複
雑化し、エンジン全体について新たに設計し直す必要が
ある。

【０００６】本発明は上記実情に鑑みなされたもので、
エンジンの大幅な設計変更を伴うことなく良好な着火性
能が得られる内燃機関を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明で
は、燃焼室の室壁に設けられた点火プラグとともに、高
電圧発生手段からの通電で放電し燃焼室にスパークを発
生して混合気に点火する点火手段を、燃焼室への吸気を
行う吸気弁または燃焼室からの排気を行う排気弁と一体
に設ける。

【０００８】混合気の点火が、点火プラグと、これとは
別の点火手段との両方で行われることにより、多点点火
が可能となり、良好な着火性能が得られ、未燃ＨＣの低
減等の優れた効果を奏する。しかも点火手段が吸気弁ま
たは排気弁と一体に設けられ、内燃機関の全体について
新たな検討は不要であり、大幅な設計変更を伴うことな
く実施できる。

【０００９】請求項２記載の発明では、上記点火手段が
設けられる吸気弁または排気弁を、電気絶縁性のセラミ
ック材料で構成し、点火手段を、上記吸気弁または排気
弁の燃焼室側の面から突出する突出部を有する一対の電
極で構成する。上記吸気弁または排気弁により電極の電
気絶縁性を高く保持した状態で、上記高電圧発生手段か
ら両電極間に高電圧を印加して両突出部で挟まれた空間
にスパークを発生せしめる。

【００１０】点火手段と一体化した吸気弁または排気弁
を点火プラグと実質的に同等の構成とすることで、良好
な放電性能を得ることができる。

【００１１】請求項３記載の発明では、上記点火手段が
設けられる吸気弁または排気弁を、電気絶縁性のセラミ
ック材料で構成し、点火手段を、上記吸気弁または排気
弁の燃焼室側の面から突出し閉弁時に上記燃焼室の室壁
面と近接する突出部を有する電極で構成し、上記高電圧
発生手段から電極と燃焼室の室壁間に高電圧を印加して
突出部と室壁で挟まれた空間にスパークを発生せしめ
る。

【００１２】放電電圧が電極と燃焼室の室壁間に印加さ
れる構成とすることで、吸気弁または排気弁に形成する
電極を１本で済ませることができ、構造が簡略化でき
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】（第１実施形態）図１、図２に本
発明の内燃機関（以下、エンジン）を示す。図１はエン
ジンの要部断面とともに点火系の構成を示し、図２はエ
ンジンの燃焼室からみたシリンダヘッドである。本エン
ジンは、吸気弁３ａに点火手段９を設けた点を特徴とす
るものである。特徴部分の説明に先立ち、図に示した全
体の構成について説明する。エンジンは、シリンダブロ
ック１１の上方にシリンダヘッド１２が覆着され、シリ
ンダブロック１１に形成された図略のシリンダ内に摺動
自在に保持されるピストンの上方にシリンダブロック１
１、シリンダヘッド１２、上記ピストンを室壁とする燃
焼室２が形成されている。シリンダヘッド１２には吸気
マニホールドと連通する吸気路たる吸気ポート１３が形
成され、その終端は燃焼室２内に面して２か所で開口
し、空気の入口２１ａ，２１ｂとしてある。またシリン
ダヘッド１２には排気マニホールドと連通する排気路た
る排気ポート１４が形成され、その終端は燃焼室２内に
面して２か所で開口し、燃焼ガスの出口２２ａ，２２ｂ
としてある。

【００１４】入口２１ａを開閉する吸気弁３ａおよび入
口２１ｂを開閉する吸気弁３ｂと、出口２２ａを開閉す
る排気弁４ａおよび出口２２ｂを開閉する排気弁４ｂと
が設けてあり、いわゆる吸排気４弁配置としてある。吸
気弁３ａ，３ｂは、傘状のヘッド３１と軸状のステム３
２とを有し、ステム３２は、シリンダヘッド１２の吸気
ポート１３上壁部を貫通して設けられた筒状のガイド１
５により挿通保持されている。また排気弁４ａ，４ｂ
は、吸気弁３ａ，３ｂと実質的に同一のヘッド４１とス
テム４２とを有し、ステム４２はシリンダヘッド１２の
排気ポート１４上壁部を貫通して設けられた筒状のガイ
ド１６により挿通保持されている。吸気弁３ａ，３ｂお
よび排気弁４ａ，４ｂは図略の動弁機構により開閉して
燃焼室２の吸排気を行うようになっている。

【００１５】燃料噴射ノズル５が設けられ、その噴射孔
が形成された先端部５１が、燃焼室２の入口２１ａ，２
１ｂよりもやや下方で両入口２１ａ，２１ｂに挟まれた
位置で燃焼室２内に突出しており、燃焼室２内に直接、
液体燃料Ｆを噴射するようになっている。

【００１６】シリンダヘッド１２の、吸気弁３ａ，３ｂ
および排気弁４ａ，４ｂで囲まれた中央部には、シリン
ダヘッド１２を貫通して点火プラグ６が螺設してあり、
燃焼室２内に面して中心電極６１と接地電極６２とが近
接して対向している。両電極６１，６２間には高電圧発
生手段たる高電圧発生回路７から高電圧が印加され、両
電極６１，６２で挟まれた空間（ギャップ）Ｇ１にスパ
ークを発生して燃焼室２の入口２１ａ，２１ｂから吸入
された空気と燃料噴射ノズル５から噴射された燃料との
混合気に着火するようになっている。

【００１７】高電圧発生回路７は点火コイル７１を有
し、その一次側巻線７１ａには、一次側巻線７１ａに給
電する車載電源７２と、一次電流をオンオフするパワー
トランジスタ７３とが直列接続されている。点火コイル
７１の二次側巻線７１ｂは、一端が点火プラグ６の中心
電極６１と導通接続され、他端が接地されている。また
パワートランジスタ７３のベースには電子制御ユニット
（ＥＣＵ）８から点火信号が入力するようになってい
る。

【００１８】次に本発明の特徴部分について説明する。
図３に点火手段９を一体に設けた吸気弁３ａを示す。吸
気弁３ａはヘッド３１およびステム３２が窒化珪素系の
セラミック材料を成形してなるもので、高い電気絶縁性
と強靱性とを有しており、上記のごとく他の吸気弁４
ｂ、排気弁５ａ，５ｂと基本的に同じものである。一
方、吸気弁３ａは、ヘッド３１の燃焼室２側の面３０１
に、軸芯位置に円錐台形の突起部３３が形成してあり、
また吸気弁３ａには点火手段９が一体に設けてある。

【００１９】点火手段９はニッケル合金等製の線状の電
極９１，９２で構成してある。第１の電極９１は大部分
が吸気弁３ａの内部に軸芯に沿って埋設されて吸気弁３
ａに固定されており、ヘッド３１側の突出部たる端部９
１１がヘッド３１の突起部３３の頂面から少し突出し、
ステム３２側の端部９１２がステム３２の側面において
露出している。この電極９１の端部９１２の形成位置
は、吸気弁３ａ，３ｂの閉弁時に、ガイド１５の、吸気
ポート１３側の端面位置で露出するように設定される。

【００２０】第２の電極９２は、ヘッド３１の面３０１
に径方向に形成された直線状の直線部９２１と、直線部
９２１端からヘッド３１の突起部３３の円錐面に沿って
立ち上がる立ち上がり部９２２とからなる。電極９２は
立ち上がり部９２２の突出部たる先端部９２３を残し半
ばヘッド３１内部に没しており、吸気弁３ａに固定され
ている。この突出部９２３は鍵状に屈曲し、突起部３３
の頂面から突出する第１の電極９１の突出部９１１と近
接し対向している。第２の電極９２の直線部９２１の端
部９２４はヘッド３１の周縁に形成された弁面３０２に
おいて露出しており、吸気弁３ａ，３ｂの閉弁時（図示
の状態）に、端部９２４が燃焼室２の入口２１ａの周縁
の座面と接触し、燃焼室２の室壁である接地されたシリ
ンダヘッド１２と導通するようになっている。

【００２１】また、シリンダヘッド１２には、高電圧発
生回路７の点火コイル７１の二次側巻線７１ｂと導通接
続された通電ケーブル１７が吸気ポート１３の上壁部を
挿通し、通電ケーブル１７の先端側の部分がガイド１５
の側面および吸気ポート１３側の端面に沿って配線して
ある。通電ケーブル１７の先端部１７１は金属製の芯線
が露出しており、吸気弁３ａ，３ｂの閉弁時に、第１の
電極９１の端部９１２と接触し導通するようになってい
る。

【００２２】本エンジンの作動を説明する。空気吸入
後、吸気弁３ａ，３ｂが閉じ圧縮行程に移行する。吸気
弁３ａが閉じることで、第１の電極９１の端部９１２が
通電ケーブル１７の先端部１７１と接触して導通し、電
極９１が点火コイル７１の二次側巻線７１ｂの一端と接
続される。また第２の電極９２の端部９２４がシリンダ
ヘッド１２と接触して導通し、電極９２が接地される。

【００２３】そして所定のタイミングで燃料噴射ノズル
５から燃料が噴射され、噴射された燃料により点火プラ
グ６の近傍に高い混合気濃度の層が形成される。次いで
ＥＣＵ８から所定幅のパルスの点火信号がパワートラン
ジスタ７３に出力される。パワートランジスタ７３がオ
ンからオフに切り替わると、オン中に点火コイルに蓄積
されたエネルギーにより、点火プラグ６の電極６１，６
２間および吸気弁３ａに形成した電極９１，９２間に負
極性の放電電圧が発生し、両電極６１，６２で挟まれた
ギャップＧ１および両電極９１，９２で挟まれたギャッ
プＧ２に放電が生じる。すなわち多点点火が実現し、単
一の点火プラグしか有しない従来のエンジンに比して混
合気の良好な着火性能を発揮する。その結果、燃費、エ
ンジン出力の向上および未燃ＨＣの低減が可能となる。

【００２４】このように本発明では多点点火が可能であ
るが、点火手段と一体の吸気弁が実質的に第２の点火プ
ラグとして機能し、点火プラグを新たに設けるためのレ
イアウト設計等、新たな検討が殆ど不要であり、しかも
簡単に吸気弁および排気弁の数だけ増設が可能である。
また副燃焼室を設ける場合のような大幅な設計変更は必
要がない。

【００２５】（第２実施形態）図４、図５に本発明の第
２実施形態を示す。図４はエンジンの要部断面とともに
点火系の構成を示し、図５は点火手段を一体に設けた吸
気弁である。本実施形態になるエンジンは、吸気弁およ
び吸気弁に形成される点火手段を、構造を簡略化した別
の構成に代えたもので、図中、図１と同じ番号を付した
部分については実質的に同じ作動をするので、第１実施
形態との相違点を中心に説明する。

【００２６】吸気弁３ｃは、他の吸気弁３ｂや排気弁４
ａ，４ｂのごとくヘッド３１に突起部のない形状として
あり、点火手段は、１本の電極９３で構成してある。電
極９３は図１の電極９１と同様に、大部分が吸気弁の内
部に埋設され、ステム３２側の端部９３２がステム３２
の側面に露出し、吸気弁４ｃの閉弁時に通電ケーブル１
７の先端部１７１と接触して導通するようになってい
る。電極９３のヘッド３１側の突出部たる端部９３１
は、ヘッド３１の燃焼室２側の面３０１の、周縁より僅
かに中央側の位置から突出し、吸気弁３ｃ，３ｂの閉弁
時に、燃焼室２の入口２１ａの周縁と近接するようにな
っている。

【００２７】かかる構成では、電極９３の突出部９３１
と燃焼室２の室壁であるシリンダヘッド２間に放電電圧
が印加され、突出部９３１と接地されたシリンダヘッド
１２とで挟まれたギャップＧ３に放電が生じ、多点着火
が実現する。しかも点火手段が１本の電極のみで済むた
め、製造が容易である。

【００２８】なお電極９３の突出部９３１を、吸気弁３
ａの燃焼室２側の面３０１のシリンダヘッド１２非近接
位置に設け、突出部９３１と、燃焼室２の室壁である上
記ピストンの頂面とで挟まれたギャップに放電が生じる
ようにしてもよい。

【００２９】なお上記各実施形態では、高電圧発生回路
は点火プラグと点火手段とに共通の回路としたが、点火
プラグと点火手段とに専用の高電圧発生回路を設けても
よい。また、点火手段は２つの吸気弁の両方に設けても
よい。また吸気弁ではなく排気弁でもよいし、あるいは
吸気弁と排気弁の両方に設けてもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の内燃機関の要部を示す図である。

【図２】図１に示す本発明の内燃機関の燃焼室から見た
シリンダヘッドを示す図である。

【図３】図１に示す本発明の内燃機関の吸気弁の拡大図
である。

【図４】本発明の別の内燃機関の要部を示す図である。

【図５】図４に示す本発明の別の内燃機関の吸気弁の拡
大図である。

【符号の説明】

２燃焼室２１ａ，２１ｂ入口３ａ，３ｂ，３ｃ吸気弁３０１面３０２弁面４ａ，４ｂ排気弁６点火プラグ７高電圧発生回路（高電圧発生手段）９点火手段９１第１の電極９１１突出部９２第２の電極９２３突出部９３点火手段、電極９３１突出部Ｇ２，Ｇ３ギャップ（空間）

フロントページの続き (72)発明者斎藤公孝愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地株式会社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者小林辰夫愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高電圧を発生せしめる高電圧発生手段
と、燃焼室の室壁に設けられ、高電圧発生手段からの通
電で放電し燃焼室内の混合気に点火する点火プラグとを
有する内燃機関において、上記点火プラグとともに、燃
焼室にスパークを発生して混合気に点火する点火手段
を、燃焼室への吸気を行う吸気弁または燃焼室からの排
気を行う排気弁と一体に設けたことを特徴とする内燃機
関。
【請求項２】請求項１記載の内燃機関において、上記
点火手段が設けられる吸気弁または排気弁を、電気絶縁
性のセラミック材料で構成し、点火手段を、上記吸気弁
または排気弁の燃焼室側の面から突出する突出部を有す
る一対の電極で構成し、上記高電圧発生手段から両電極
間に高電圧を印加して両突出部で挟まれた空間にスパー
クを発生せしめるようになした内燃機関。
【請求項３】請求項１記載の内燃機関において、上記
点火手段が設けられる吸気弁または排気弁を、電気絶縁
性のセラミック材料で構成し、点火手段を、上記吸気弁
または排気弁の燃焼室側の面から突出し閉弁時に上記燃
焼室の室壁面と近接する突出部を有する電極で構成し、
上記高電圧発生手段から電極と燃焼室の室壁間に高電圧
を印加して突出部と室壁で挟まれた空間にスパークを発
生せしめるようになした内燃機関。