JP2007285276A - 火花点火内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】気筒上部周囲に配置された第一点火プラグと、気筒上部略中心に配置された第二点火プラグとの両方によって、均質混合気を着火させて均質燃焼を実施する火花点火内燃機関において、燃料消費を悪化させることなく、第二点火プラグによるプレイグニッションの発生を抑制する。
【解決手段】気筒上部周囲に配置された第一点火プラグ２ａと、気筒上部略中心に配置された第二点火プラグ２ｂとの両方によって、均質混合気を着火させて均質燃焼を実施する火花点火内燃機関において、第二点火プラグによるプレイグニッションの発生又は発生直前の状況が検出される時には、第一点火プラグだけによって均質混合気を着火させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、火花点火内燃機関に関する。

気筒内に均質混合気を形成し、この均質混合気を圧縮行程末期の点火時期において着火燃焼させる均質燃焼が公知である。気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁を具備する筒内噴射式火花点火内燃機関において、均質燃焼と、点火プラグ近傍だけに可燃混合気を形成する成層燃焼とを切り換えて実施する場合に、気筒上部周囲に配置された均質燃焼用の点火プラグと、気筒上部略中心に配置された成層燃焼用の点火プラグとを別々に設けることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

前述の筒内噴射式火花点火内燃機関では、二つの点火プラグを均質燃焼に使用することを開示していないが、もし、二つの点火プラグにより均質混合気を着火燃焼させれば、燃焼速度を速めて均質燃焼を改善することができる。しかしながら、気筒上部略中心に配置された点火プラグは、高温となってプレイグニッションを発生し易い。プレイグニッションの発生を抑制するために、プレイグニッションの発生又は発生直前の状況が検出された時には、噴射燃料により点火プラグを冷却することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００４−４４４３４ 特開２００３−２０６７９６ 特開２００２−３３９７８０

しかしながら、前述のように、プレイグニッションの発生時又は発生直前において、点火プラグを冷却するためだけに燃料噴射が実施されると、燃料消費を悪化させる。

従って、本発明の目的は、気筒上部周囲に配置された第一点火プラグと、気筒上部略中心に配置された第二点火プラグとの両方によって、均質混合気を着火させて均質燃焼を実施する火花点火内燃機関において、燃料消費を悪化させることなく、第二点火プラグによるプレイグニッションの発生を抑制することである。

本発明による請求項１に記載の火花点火内燃機関は、気筒上部周囲に配置された第一点火プラグと、気筒上部略中心に配置された第二点火プラグとの両方によって、均質混合気を着火させて均質燃焼を実施する火花点火内燃機関において、前記第二点火プラグによるプレイグニッションの発生又は発生直前の状況が検出される時には、前記第一点火プラグだけによって均質混合気を着火させることを特徴とする。

本発明による請求項２に記載の火花点火内燃機関は、請求項１に記載の火花点火内燃機関において、気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁を具備し、前記燃料噴射弁により圧縮行程後半に噴射された燃料により前記第二点火プラグ近傍に可燃混合気を形成し、前記可燃混合気を前記第二点火プラグにより着火させる成層燃焼も実施可能であることを特徴とする。

本発明による請求項３に記載の火花点火内燃機関は、請求項１又は２に記載の火花点火内燃機関において、圧縮行程末期においてシリンダヘッドとピストンとにより形成される気筒内隙間が、第一部分と第二部分とを有し、前記第一部分は狭く、前記第二部分は前記第一部分より広くされ、前記第一点火プラグの点火ギャップが前記第一部分内に位置し、前記第二点火プラグの点火ギャップが前記第一部分と前記第二部分との境界近傍に位置し、均質燃焼時において前記第一点火プラグの点火直後に前記第二点火プラグを点火させ、前記第一点火プラグにより前記第一部分内の混合気を着火させることにより、前記第一部分から前記第二部分へ向けて混合気流が噴出し、前記第二点火プラグの点火ギャップで発生させたアークが前記混合気流により前記第二部分内へ伸ばされて前記第二部分内の混合気を着火させることを特徴とする。

本発明による請求項１に記載の火花点火内燃機関によれば、気筒上部周囲に配置された第一点火プラグと、気筒上部略中心に配置された第二点火プラグとの両方によって、均質混合気を着火させて均質燃焼を実施する火花点火内燃機関において、第二点火プラグによるプレイグニッションの発生又は発生直前の状況が検出される時には、第一点火プラグだけによって均質混合気を着火させるようになっている。それにより、第二点火プラグの温度は、第二点火プラグが均質混合気の着火に使用される場合に比較して低下し、第二点火プラグによるプレイグニッションの発生を抑制することができる。

本発明による請求項２に記載の火花点火内燃機関によれば、請求項１に記載の火花点火内燃機関において、気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁を具備し、燃料噴射弁により圧縮行程後半に噴射された燃料により第二点火プラグ近傍に可燃混合気を形成し、この可燃混合気を第二点火プラグにより着火させる成層燃焼も実施可能である。それにより、第二点火プラグは、均質燃焼だけでなく成層燃焼にも使用されて高温になり易いために、第二点火プラグによるプレイグニッションの発生又は発生直前の状況が検出される時には、第二点火プラグを均質混合気の着火に使用せずに温度低下させ、第二点火プラグによるプレイグニッションの発生を抑制している。

本発明による請求項３に記載の火花点火内燃機関によれば、請求項１又は２に記載の火花点火内燃機関において、圧縮行程末期においてシリンダヘッドとピストンとにより形成される気筒内隙間が、第一部分と第二部分とを有し、第一部分は狭く、第二部分は第一部分より広くされ、第一点火プラグの点火ギャップが第一部分内に位置し、第二点火プラグの点火ギャップが第一部分と第二部分との境界近傍に位置し、均質燃焼時において第一点火プラグの点火直後に第二点火プラグを点火させるようになっている。それにより、第一点火プラグでの着火により第一部分内の混合気を確実に燃焼させることができると共に、第一部分から第二部分へ向けて混合気流が噴出し、第二点火プラグの点火ギャップで発生させたアークがこの混合気流により第二部分内へ伸ばされるために、第二部分内の混合気は伸ばされたアークに接触する比較的広い面積から同時に燃焼を開始する。こうして、燃焼速度はかなり速まり、良好な均質燃焼を実現することができる。

図１から３は本発明による火花点火内燃機関の実施形態を示す概略縦断面図である。図１は圧縮行程末期の均質燃焼の点火時期を示し、図２は吸気行程末期の均質燃焼の燃料噴射時期を示し、図３は圧縮行程後半の成層燃焼の燃料噴射時期を示している。これらの図において、１は気筒上部略中心に配置されて気筒内へ直接的に燃料を噴射するための燃料噴射弁である。図示されていないが、図１から３において、気筒上部の右側には二つの吸気弁が配置されており、左側には二つの排気弁が配置されている。

本実施形態の火花点火内燃機関は、燃料噴射弁１により吸気行程末期に気筒内へ直接的に燃料を噴射することにより、圧縮行程末期の点火時期には気筒内に均質混合気を形成し、この均質混合気を火花点火させて均質燃焼を実施する。このように本実施形態は筒内噴射式であるが、均質燃焼を実施するために、燃料噴射弁は吸気同期又は吸気非同期で吸気ポートへ燃料を噴射し、吸気ポートから吸気と共に燃料を気筒内へ供給して均質混合気を形成するようにしても良い。

本実施形態の火花点火内燃機関は、気筒上部周囲に配置された第一点火プラグ２ａと、気筒上部略中心に配置された第二点火プラグ２ｂとの両方によって、均質混合気を着火させて均質燃焼を実施する。それにより、均質混合気は二点において着火されるために、全て燃焼するまでの時間が短くなって燃焼速度を速めることができる。それにより、均質燃焼を良好なものとすることができる。

気筒上部略中心に配置された第二点火プラグ２ｂは、一般的に、取り付け位置からの制約によって比較的細いものとされることが多い。このような点火プラグは、中心電極部と周囲の接地部との間の半径方向距離が短くなるために、中心電極部を接地部から比較的大きく突出させて、中心電極部と接地部との間の絶縁距離を軸線方向距離によって満足することとなる。このように中心電極部が大きく突出する第二点火プラグ２ｂは、焼け型と称され、中心電極部が冷え難く容易に高温に維持されるために、プレイグニッションの熱源となり易い。

本実施形態は、プレイグニッションの発生又は発生直前の状況を検出する手段として、イオンセンサを使用する。プレイグニッションは、通常の燃焼とは異なる燃焼形態の一種であり、点火プラグによる本来の点火の前に、例えば、高温に維持された点火プラグの中心電極等が熱源となって混合気を点火させる現象である。プレイグニッションの発生時には、イオンが発生し、このイオンが点火プラグの点火ギャップに達すると、点火プラグにはイオン電流が流れることがわかっている。イオンセンサは、このイオン電流を検出して、プレイグニッションの発生を検出する。具体的には、イオンセンサにより検出されるイオン電流が、設定値以上である時に、プレイグニッションの発生又は発生直前の状況であると判断される。

こうしてプレイグニッションの発生又は発生直前の状況であると判断されると、本実施形態では、均質混合気を第一点火プラグ２ａだけによって着火させるようにして均質燃焼を実施し、それにより、第二点火プラグ２ｂの中心電極の温度は、第二点火プラグ２ｂが均質混合気の着火に使用される場合に比較して低下するために、第二点火プラグ２ｂによるプレイグニッションの発生を抑制することができる。

ところで、本実施形態においては、図１に示すように、圧縮行程末期において、シリンダヘッドとピストン３とにより形成される気筒内隙間は、第一部分ｓ１と第二部分ｓ２とを有し、第一部分ｓ１は狭く、第二部分ｓ２は第一部分ｓ１より広くされる。第一点火プラグ２ａの点火ギャップは第一部分ｓ１内に位置し、第二点火プラグ２ｂの点火ギャップは第一部分ｓ１と第二部分ｓ２との境界近傍に位置するようにされている。

プレイグニッションが発生していない場合の圧縮行程末期の均質燃焼の点火時期において、第一点火プラグ２ａの点火直後に第二点火プラグ２ｂを点火させるようになっている。それにより、一般的に、火炎は、第一部分ｓ１のような狭い隙間へ侵入し難く、第一部分ｓ１内の混合気を全て燃焼させることは困難であるが、第一点火プラグ２ａにより第一部分ｓ１内の混合気を直接的に着火させることにより、第一部分ｓ１内の混合気を確実に燃焼させることができる。

また、第一部分ｓ１の混合気を着火させることにより、第一部分ｓ１内の混合気は急激に膨張し、図１に一点鎖線の矢印で示すように、第一部分ｓ１から第二部分ｓ２へ向けて混合気流が噴出する。この時に第二点火プラグ２ｂでは点火が実施されるようになっており、第二点火プラグ２ｂの点火ギャップで発生させたアークＡは、この混合気流により第二部分ｓ２内へ伸ばされ、第二部分ｓ２内の混合気は伸ばされたアークＡに接触する比較的広い面積から同時に燃焼を開始する。こうして、全体的な燃焼速度はかなり速まり、良好な均質燃焼を実現することができる。

本実施形態において、燃焼開始当初の第一部分ｓ１内の混合気の燃焼は、それほど速くなく、第二部分ｓ２内の混合気の燃焼速度だけがかなり速められるために、燃焼開始当初からの燃焼速度が速められる場合に比較して、熱放出が抑制されて高い熱効率を実現することができる。

点火プラグは、一般的には接地側のＬ字形電極と、一般的には高電圧側の中心電極とを有し、Ｌ字形電極と中心電極との間が点火ギャップとなる。前述したように、第二点火プラグ２ｂにおいて混合気流によりアークＡを第二部分ｓ２内へ良好に伸ばすためには、特に、第二点火プラグ２ｂの点火ギャップの混合気流下流側が、Ｌ字形電極２１ｂにより閉鎖されないようにすることが好ましい。例えば、図１から３に示すように、第二点火プラグ２ｂのＬ字形電極２１ｂの幅方向が混合気流に略平行となるようにすることが好ましく、もちろん、図１から３に示す第二点火プラグ２ｂのＬ字形電極配置を、気筒内から見て１８０度回転させた配置としても良く、気筒内から見て時計回りに９０度回転させた配置だけは好ましくない。

本実施形態において、圧縮行程末期の気筒内隙間の第一部分ｓ１は、シリンダヘッド及びピストン３のそれぞれの吸気弁側により形成され、第二部分ｓ２は、シリンダヘッド及びピストン３のそれぞれの排気弁側により形成される。また、第一点火プラグ２ａは、第一部分ｓ１内に点火ギャップを位置させ、気筒上部周囲の吸気弁側に配置されている。第二点火プラグ２ｂは、第一部分ｓ１と第二部分ｓ２との境界近傍に点火ギャップを位置させ、気筒上部略中心に配置されている。前述の効果は、このような構成に限定されることなく、例えば、吸気弁側と排気弁側とを逆とした構成でも良く、また、一方の吸気弁及び排気弁の側に第一部分を形成し、他方の吸気弁及び排気弁の側に第二部分を形成するようにしても良い。

本実施形態において、ピストン３の頂面の排気弁側には、キャビティ３ａが形成されている。図２に示すように、吸気行程においては、吸気により気筒内の排気弁側を下降して吸気弁側を上昇するタンブル流Ｔが形成される。ピストン３の頂面のキャビティ３ａは、二つの吸気弁の間及び二つの排気弁の間を通る縦断面（図１から３の断面）に平行な部分円弧形状断面を有し、圧縮行程となって気筒内空間が狭くなる時にも、タンブル流Ｔをキャビティ３ａに沿わせることによりタンブル流Ｔの減衰を抑制するように機能する。

それにより、圧縮行程末期において第二部分ｓ２としてのキャビティ３ａ内にはタンブル流による乱れを存在させ易く、第二部分ｓ２内の混合気の燃焼速度をさらに速めることができる。また、本実施形態では、燃料噴射弁１によって吸気行程末期に燃料噴射を実施する（例えば、燃料噴射終了クランク角度を吸気下死点近傍とするように燃料噴射量に応じて燃料噴射開始クランク角度を設定するか、又は、燃料噴射量に関係なく吸気行程後半に燃料噴射開始クランク角度を設定する。）。

燃料噴射弁１の燃料噴射方向は、図２に示すように、シリンダボアの排気弁側へ向けられる。燃料噴射弁１から噴射される燃料Ｆの貫徹力は、燃料噴射開始から１ｍｓ後の燃料先端が６０ｍｍ以上に達するようにされる。このように強い貫徹力の燃料Ｆが気筒上部略中心からシリンダボアの排気弁側へ向けて斜め下方向に噴射されると、気筒内に形成されたタンブル流Ｔを燃料の貫徹力により強めることができる。こうして強められたタンブル流Ｔは圧縮行程末期まで確実に持続し、第二部分ｓ２としてのキャビティ３ａ内にはタンブル流による乱れを確実に存在させることができ、第二部分ｓ２内の混合気の燃焼速度はさらに速められる。

本実施形態において、均質燃焼の空燃比は理論空燃比よりリーンとされて（好ましくは、ＮＯ_Xの生成量が抑制されるリーン空燃比とされる）、燃料消費を抑制するようにしているために、燃焼が緩慢となり易く、前述のようにして燃焼速度を速めることは特に有効である。しかしながら、高い機関出力が必要な機関高負荷時には、均質燃焼の空燃比を理論空燃比又はリッチ空燃比としても良く、この場合においても燃焼速度を速めることは有効である。

また、特に低負荷時のように高い機関出力が必要でない時には、均質燃焼ではなく、点火プラグ近傍だけに可燃混合気を形成して、これを着火燃焼させる成層燃焼を実施した方が燃料消費を低減することができる。本実施形態において、第二点火プラグ２ｂは、比較的大きく気筒内へ突出させられ、燃料噴射弁１からシリンダボアの排気弁側へ向けて噴射される燃料の一部が、第二点火プラグ２ｂの点火ギャップを通過するように配置されている。

それにより、図３に示すように、圧縮行程後半に燃料噴射弁１により燃料を噴射すれば、噴射燃料は圧縮行程後半の高圧の吸気との摩擦により容易に気化して可燃混合気となり、この可燃混合気内に第二点火プラグ２ｂの点火ギャップを位置させることができる。こうして、圧縮行程末期の点火時期において、第二点火プラグ２ｂにより可燃混合気を着火させることにより良好な成層燃焼を実現することができる。このような成層燃焼には、ピストン３の頂面のキャビティ３ａは必ずしも必要ではないが、本実施形態のようにキャビティ３ａが形成されていれば、可燃混合気はキャビティ３ａ内に確実に維持されて分散し難いために、成層燃焼をさらに良好なものとすることができる。

本実施形態のように、第二点火プラグ２ｂが成層燃焼にも使用される場合には、第二点火プラグ２ｂは高温に維持され易く、また、成層燃焼のために気筒内へ大きく突出させている場合には、第二点火プラグ２ｂは、成層燃焼及び均質燃焼時の熱によって、さらに高温に維持され易くなる。それにより、第二点火プラグ２ｂによってプレイグニッションが発生し易くなるために、前述のように、プレイグニッションの発生又は発生直前の状況において、第二点火プラグ２ｂによる均質混合気の着火を禁止して、プレイグニッションの発生を抑制することは重要である。

燃料噴射弁１から噴射される燃料噴霧の形状は、任意に設定可能であり、例えば、中実又は中空円錐形状、又は、中実柱形状としても良い。また、スリット状噴孔から噴射される比較的厚さの薄い略扇形状燃料噴霧としても良い。また、円弧状スリット噴孔や複数の直線スリット噴孔の組み合わせにより、比較的厚さの薄い円弧状断面又は折れ線状断面の燃料噴霧としても良い。いずれにしても燃料噴霧が前述したような強い貫徹力を有して、気筒内のタンブル流を加速させるようにすることが好ましい。

本実施形態において、燃料噴射弁１及び第二点火プラグ２ｂは、いずれも気筒上部略中心に配置し、特に、燃料噴射弁１を第二点火プラグ２ｂより吸気弁側としたが、燃料噴射弁１を第二点火プラグ２ｂより排気弁側としても良い。この場合において、成層燃焼を実施するためには、ピストン頂面のキャビティを利用して噴射燃料を第二点火プラグ２ｂの近傍へ導くようにすることが好ましい。

本発明による火花点火内燃機関の実施形態を示す圧縮行程末期の概略縦断面図である。 図１の火花点火内燃機関の吸気行程末期の概略縦断面図である。 図１の火花点火内燃機関の圧縮行程後半の概略縦断面図である。

符号の説明

１ 燃料噴射弁
２ａ 第一点火プラグ
２ｂ 第二点火プラグ
３ ピストン
Ｔ タンブル流
Ｆ 噴射燃料

Claims (3)

1. 気筒上部周囲に配置された第一点火プラグと、気筒上部略中心に配置された第二点火プラグとの両方によって、均質混合気を着火させて均質燃焼を実施する火花点火内燃機関において、前記第二点火プラグによるプレイグニッションの発生又は発生直前の状況が検出される時には、前記第一点火プラグだけによって均質混合気を着火させることを特徴とする火花点火内燃機関。
2. 気筒内へ直接的に燃料を噴射する燃料噴射弁を具備し、前記燃料噴射弁により圧縮行程後半に噴射された燃料により前記第二点火プラグ近傍に可燃混合気を形成し、前記可燃混合気を前記第二点火プラグにより着火させる成層燃焼も実施可能であることを特徴とする請求項１に記載の火花点火内燃機関。
3. 圧縮行程末期においてシリンダヘッドとピストンとにより形成される気筒内隙間が、第一部分と第二部分とを有し、前記第一部分は狭く、前記第二部分は前記第一部分より広くされ、前記第一点火プラグの点火ギャップが前記第一部分内に位置し、前記第二点火プラグの点火ギャップが前記第一部分と前記第二部分との境界近傍に位置し、均質燃焼時において前記第一点火プラグの点火直後に前記第二点火プラグを点火させ、前記第一点火プラグにより前記第一部分内の混合気を着火させることにより、前記第一部分から前記第二部分へ向けて混合気流が噴出し、前記第二点火プラグの点火ギャップで発生させたアークが前記混合気流により前記第二部分内へ伸ばされて前記第二部分内の混合気を着火させることを特徴とする請求項１又は２に記載の火花点火内燃機関。

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