JP2018105253A - 火花点火式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】点火プラグへの通電によって形成された火炎核の熱が点火プラグの電極に奪われて火炎核の成長が阻害されることを、特段の問題を伴うことなく防止する。
【解決手段】点火プラグ１５は、上下動する電気式火花装置１２に組み込まれている。電気式火花装置１２は、下ピエゾアクチュェータ２３と上ピエゾアクチュェータ２５とで挟まれており、上下のピエゾアクチュェータ２３，２５のＯＮ・ＯＦＦを逆に行うことにより、電気式火花装置１２を上下動させることができる。点火プラグ１５への通電時には電気式火花装置１２は下降しており、火炎核２８が出来たら電気式火花装置１２を上昇（後退）させる。これにより、火炎核２８から電極１６ａ，１６ｂへの放熱が抑制されて、火炎核２８を成長させることができる。
【選択図】図３

Description

本願発明は、電気式火花装置で発生した火花で燃料に着火させる（点火する）内燃機関に関するものである。

電気式の点火プラグを使用した内燃機関では、電極間の放電によって火花が発生すると、まず、電極の近くの燃料に着火して火炎核が形成されて、この火炎核が成長して火炎が伝播することにより、燃料全体に着火しているが、例えばＥＧＲガスが多くて燃料がリーン気味の場合など、火炎核が成長する前に熱が電極に逃げてしまって火炎核の成長が阻害され、結果として失火や不完全燃焼に至ることが有り得る。

このように、熱が電極に逃げることによる失火や不完全燃焼を防止するための手段として、特許文献１には、接地電極及び中心電極の先端部に細いチップを装着して、中心電極と接地電極との間の距離を大きくして、火炎核の熱が接地電極に逃げることを防止することが開示されている。

特開２００５−１００８９８号公報

特許文献１は、放電するエリアを接地電極から遠ざけることによって火炎核の成長を確保しようとするものであり、合理性はあるが、電極に微細なチップを設けるものであるため、チップの磨耗が激しくて耐久性が低下するおそれがある。また、熱や電気的な衝撃によってチップが電極から離脱してしまうおそれがないとも云えず、仮にチップが離脱すると、ピストンと気筒との間に挟まって重大な事故を引き起こすおそれがある。

本願発明は、このような現状を改善すべく成されたものである。

本願発明の内燃機関は、電極を燃焼室に露出させた電気式火花装置を備えており、少なくとも前記電極を、放電により発生した火炎核から遠ざけ得る移動式に構成している。

本願発明において、電気式火花装置全体を燃焼室に向けて（気筒の軸心方向に）前進・後退する移動式に構成してもよいし、電極のみを移動式に構成してもよい。或いは、火花装置全体又は点火プラグをシリンダヘッドに回転自在に取り付けて、回転によって電極を移動させることも可能である（この場合は、火花装置の軸心から偏心した部位で放電するように構成する必要がある。）。

本願発明では、放電によって火炎核が形成されると、電極が火炎核から遠ざかる（逃げる）ため、火炎核の熱が電極に吸収されることを防止又は著しく抑制し、火炎核の成長を促進できる。従って、ＥＧＲガスの還流量が多くて燃料がリーン気味であったり、外気温が低くて燃料への着火性が低くなっている場合でも、燃料全体に火炎を的確に伝播させることができる。その結果、エンジンストールのような不具合を防止できる。

そして、特許文献１のようなチップは不要であるため、電極の磨耗によって火花の形成が不完全になったり、チップが離脱して運転に支障をきたしたりすることはない。

電極等の移動手段としては、例えばカム軸や電磁ソレノイドなどを利用した機械的な移動手段も採用できるが、実施形態のようなピエゾアクチュェータを使用すると、制御の応答性に優れると共に、耐久性にも優れたものとすることができて好適である。

第１実施形態の断面図である。 第１実施形態において、放電状態を示す図である。 第１実施形態において、点火プラグを後退させた状態を示す図である。 （Ａ）は第２実施形態を示す図、（Ｂ）は第３実施形態を示す図、（Ｃ）は第４実施形態の底面図である。

(1).第１実施形態
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、図１〜３の第１実施形態を説明する。本実施形態の内燃機関は、基本的には従来から知られた構造であり、複数の気筒（シリンダボア）１が形成されたシリンダブロック２と、その上面に固定されたシリンダヘッド３とを備えている。当然ながら、各気筒１にはピストン４が摺動自在に嵌まっている。

シリンダヘッド３には、各気筒１に対応して一対ずつの吸気通路５と排気通路６とが形成されており、吸気通路５は吸気バルブ７で開閉されて、排気通路６は排気バルブ８で開閉される。敢えて述べるまでもないが、両バルブ７，８はカム軸９で駆動される。シリンダヘッド３には、各気筒１と同心の状態で台錘状の凹所１０が形成されており、吸気通路５と排気通路６は凹所１０の傾斜面に開口している。

そして、シリンダヘッド３に、凹所１０及び気筒１と同心の状態で電気式火花装置１２が配置されている。電気式火花装置１２は、下端に底板１３を設けた円筒状のケース１４と、ケース１４に内蔵した点火プラグ１５とを有している。点火プラグ１５は、絶縁体製の本体の下端から中心電極１６ａと接地電極１６ｂとを露出させた構造であり、ケース１４の底板１３にねじ込みによって固定している。従って、電極１６ａ，１６ｂは凹所（燃焼室）１０に露出している。本実施形態では、中心電極１６ａが、接地電極１６ｂの先端の真上に位置している。従って、放電は上下方向に行われる。

点火プラグ１５には、高電圧を通電するための通電キャップ１７を上から嵌め込んでおり、通電キャップ１７には通電ケーブル１８が接続されている。通電ケーブル１８は、例えばヘッドカバー等に設けた高電圧発生装置（イグニッション装置）１９に接続されている。ケース１４には、通電キャップ１７を横から出し入れできる穴２０が空いている。

ケース１４の下端は、シリンダヘッド３に形成した丸穴２１に、Ｏリング２２を介して上下動可能に嵌まっており、ケース１４の下端は、ドーナツ状の下ピエゾアクチュェータ２３を介して丸穴２１の底面で支持されている。他方、ケース１４の上端に天蓋２４を装着しており、天蓋２４は、円盤状の上ピエゾアクチュェータ２５を介してブラケット（規制板）２６で支持されている。ブラケット２６は、シリンダヘッド３に固定した複数本（４本）のロッド２７に固定されている。

内燃機関は、制御装置としてのＥＣＵ（エンジン・コントロール・ユニット）を備えており、高電圧発生装置１９やピエゾアクチュェータ２３，２５は、ＥＣＵに電気的に接続されている。

ピエゾアクチュェータ２３，２５は、電圧を印加することによって圧縮変形し得るものであり、圧縮変形量は電圧に応じて変化する。従って、上下のピエゾアクチュェータ２３，２５への通電のＯＮ・ＯＦＦを制御することにより、電気式火花装置１２をある程度の距離だけ上下動させることができる。

すなわち、図２のように，上ピエゾアクチュェータ２５をＯＦＦにして下ピエゾアクチュェータ２３をＯＮにすると、電気式火花装置１２は下降している（図１も同じ状態である。）。爆発行程の初期では電気式火花装置１２は下降しており、この状態で点火プラグ１５に通電して２つの電極１６ａ，１６ｂの間で放電させると、まず、火炎核２８が形成される。

そして、点火プラグ１５への通電から僅かのタイミングをずらして、図３のとおり、上ピエゾアクチュェータ２５をＯＮで下ピエゾアクチュェータ２３をＯＦＦに切り替える。すると、電気式火花装置１２は若干の寸法だけ上昇して、電極１６ａ，１６ｂが火炎核２８から離反する。従って、火炎核１６の熱が電極１６ａ，１６ｂに奪われることを防止又は著しく抑制して、燃料（混合気）の全体に火炎を伝播させることができる。従って、ＥＧＲガスを大量に取り込んだような状態であっても、安定した燃焼を実現することができる。

(2).他の実施形態
図４に（Ａ）に示す第２実施形態では、電極１６ａ，１６ｂが左右方向（電気式火花装置１２の軸心と直交した方向）に並んでおり、放電は横方向に行われる。この実施形態では、火炎核２８が接地電極１６ｂの横にずれて形成されるため、電気式火花装置１２の後退動によって１６ａ，１６ｂが逃げるに際して、電極１６ａ，１６ｂが火炎核２８を横切ることがない。このため、火炎核２８を安定した状態に保持したままで電極１６ａ，１６ｂが後退する。従って、燃料全体への火炎の伝播を一層確実化できる。

図４（Ｂ）に示す第３実施形態では、ケース１４の上端は、弾性体の一例としてのばね３０で支持されており、ケース１４の下端が下ピエゾアクチュェータ２３で支持されている。この実施形態では、下ピエゾアクチュェータ２３をＯＮにした状態では、電気式火花装置１２は下降しており、点火プラグ１５への通電はこの状態で行われる。

他方、下ピエゾアクチュェータ２３をＯＦＦにすると、下ピエゾアクチュェータ２３は厚さが大きくなるが、下ピエゾアクチュェータ２３をＯＦＦにしたときの変形の復元力は、ばね３０のばね力よりも大きくなるように設定している。

従って、点火プラグ１５に通電して火炎核２８が形成されてから、下ピエゾアクチュェータ２３をＯＦＦにすると、電気式火花装置１２は上昇してブラケット２６で支持され、燃料の爆発によって電気式火花装置１２に作用した荷重はブラケット２６で支持される。内燃機関の運転を停止している状態では、下ピエゾアクチュェータ２３はＯＦＦにしておいたらよい。

図４（Ｃ）に示す第４実施形態では、電極１６ａ，１６ｂを点火プラグ１５の軸心からずらして配置している。そして、電気式火花装置１２（点火プラグ１５）を、例えば１８０度程度回転させ得るようにしてシリンダヘッド３に取り付けている。この実施形態でも、火炎核２８から電極１６ａ，１６ｂを逃がして、火炎核２８の成長（火炎の伝播）を促進できる。電気式火花装置１２の回転操作は、電磁ソレノイドや電動モータなどを使用できるし、一対のピエゾアクチュェータを使用することも可能である。カム軸９の回転を利用することも可能である。

以上、本願発明の実施形態を何点か説明したが、本願発明は、他にも様々に具体化できる。例えば、電気式火花装置の全体を移動させずに、少なくとも電極のみを移動させる構成を採用できる。電極は、中心電極と接地電極とが２対ずつあるタイプも使用可能である。

本願発明は、実際に内燃機関に具体化できる。従って、産業上利用できる。

１ 気筒
２ シリンダブロック
３ シリンダヘッド
４ ピストン
１０ シリンダヘッドの凹所
１２ 電気式火花装置
１４ ケース
１５ 点火プラグ
１６ａ，１６ｂ 電極
１７ 通電キャップ
２３ 移動手段を構成する下ピエゾアクチュェータ
２４ 天蓋
２５ 移動手段を構成する上ピエゾアクチュェータ
２５ ブラケット

Claims (1)

1. 電極を燃焼室に露出させた電気式火花装置を備えており、少なくとも前記電極を、放電により発生した火炎核から遠ざけ得る移動式に構成している、
   火花点火式内燃機関。

Images