JP3105235B2 - エンジン - Google Patents

エンジン

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JP3105235B2
JP3105235B2 JP02277128A JP27712890A JP3105235B2 JP 3105235 B2 JP3105235 B2 JP 3105235B2 JP 02277128 A JP02277128 A JP 02277128A JP 27712890 A JP27712890 A JP 27712890A JP 3105235 B2 JP3105235 B2 JP 3105235B2
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Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は燃費の向上と排気ガス中の有害成分特にHC、
NOxを低減し得るようにしたエンジンに関するものであ
る。
（従来技術） ガソリンエンジンで代表される火花点火式エンジンに
あっては、点火プラグの点火ギャップすなわち点火源
を、燃焼室中心に位置させることが理想的とされてき
た。すなわち、点火源から燃焼室周辺に至るまでの火炎
伝幡距離をシリンダ周方向において均一にするという観
点から、上述のような点火源の配置が行なわれていた。
ところで、最近特に、燃費の大幅な向上が要求されつ
つある。このような観点から、混合気の空燃比を理論空
燃比よりも十分リーンとしたいわゆる希薄燃焼を行なわ
せることが考えられているが、希薄燃焼を行なった場合
は、着火性が悪くなると共に燃焼速度が遅くなって燃焼
不安定となり易い。
このような観点から、希薄燃焼を行なう場合は、特開
昭57−148021号公報に示すように、１つの燃焼室に対し
て点火源を複数設けたいわゆる多点点火を行なって、急
速燃焼を行なわせることが提案されている。勿論、複数
の点火源は、急速燃焼を行なわせるという観点から、各
点火源同士の距離が極力小さくかつ均一なるように、す
なわち燃焼室の任意の位置からもっとも近い点火源への
距離というものが極力均一となるように設定されるもの
である。
しかしながら、急速燃焼を行なわせると、熱発生率の
ピーク値（単位時間当りの発熱量のピーク値）が極めて
大きくなり、このため空燃比のリーン化によって本来NO
xが低減されるという利点とは逆にNOxが増大してしま
う、という問題を生じる。また、増大したNOxを低減す
るためには、よりリーン側での運転を強いられることに
なり、HCが大幅に増大してしまうという問題をも生じ
る。そして、このようなNOxの増大のため、希薄運転可
能な負荷領域というものが事実上極めて限定されてしま
うことになり、希薄燃焼実用化への大きな制約となって
いる。
（発明の目的） 本発明は以上のような問題を勘案してなされたもの
で、NOxとHCとを低減させつつ希薄燃焼を可能としたエ
ンジンを提供することを目的とする。
（発明の構成、作用） 上記目的を達成するため、本発明は基本的には、次の
ような構成としてある。すなわち、特許請求の範囲にお
ける請求項１に記載のように、 シリンダ周方向において、火炎伝幡速度が互いに異な
る領域を有するエンジンであって、 点火源が、それぞれ燃焼室の周縁部において、シリン
ダの周方向に間隔をあけて複数配置され、 燃焼室周縁部において火炎伝幡速度の早い領域では遅
い領域に比して前記点火源のシリンダ周方向間隔が大き
く設定されて、各点火源で発生した燃焼火炎同士の合致
がシリンダ中心方向に比してシリン周方向で早くなるよ
うにされている、ような構成としてある。上記構成を前
提とした好ましい態様は、特許請求の範囲における請求
項２以下に記載のとおりである。
本発明にあっては、燃焼期間が急速燃焼の場合に比し
てかなりゆっくりしたものとなり、また熱発生率も燃焼
期間中にかなり平均したものとなる。より具体的には、
燃焼初期の燃焼速度は早いものの、その後燃焼速度がゆ
っくりとしたものとなり、熱発生率のピーク値は小さい
ものとなる（発生熱の燃焼期間中の均一化）。この熱発
生率のピーク値が小さいことにより、NOxの増加が抑制
される。また、燃焼室周縁部から燃焼が開始されること
により、リングクレビス部（ピストンのトップ部とシリ
ンダとの間の隙間）の燃焼に関与しない未燃混合気量を
減じることができるので、HCが大幅に低減されることに
もなる。勿論、本発明では、多点点火の利点である着火
性向上を得ることもできる。
このようにして、NOxとHCとを抑制しつつ、希薄運転
可能な領域を拡大して、燃費向上に大幅に寄与すること
が可能となる。
シリンダ周方向に複数の点火源を配置する場合、前述
のような燃焼態様が得られるように、各点火源間でのシ
リンダ周方向間隔や、点火源の数、さらには燃焼室壁面
からの突出量を設定すればよい。
基本的に、火炎伝幡速度というものを十分考慮して、
点火源の配置が決定されることになる。この火炎伝幡速
度に影響を与える種々の因子、例えば、混合気の燃焼室
内での偏在、吸気のスワールの強さ、燃焼室形状、燃焼
室壁面温度、残留燃焼ガスの燃焼室内での偏在等を考慮
して、上述のような点火源間での間隔、点火源の数、燃
焼室壁面からの点火源の突出量を決定すればよい。この
ことは、ある１つのエンジンを考えた場合に当てはまる
だけでなく、異なるエンジン間でどのように上述のよう
な点火源の配置を異ならせるかということにもつなが
る。勿論、このような配慮は、点火源の数を極力少なく
するという観点からも望まれることになる。
具体的には、火炎伝幡速度の早い領域（エンジン）は
遅い領域（エンジン）に比して、点火源のシリンダ周方
向間隔を大きくし、点火源の数を少なくし、燃焼室壁面
からの突出量を小さくするようにすればよい。ただし、
吸気のスワールについては、通常はスワールが強いほど
火炎伝幡速度が早くなるが、あまり強過ぎる場合は失火
するおそれがあるので、この点を加味して突出量を決定
する必要がある。逆に、スワールが弱すぎる場合は、燃
焼室壁面からの冷却作用を受けて着火性や失火という面
で問題を生じるので、この点からも突出量を決定する必
要がある。なお、良好な燃焼を得るという観点から、シ
リンダ周方向においてもっともリッチとなる部分に少な
くとも点火源を配置することが好ましい。
火炎伝幡速度は勿論のこと、着火性の点をも考慮し
て、点火源同士のシリンダ周方向間隔、点火源の数、点
火源の燃焼室壁面からの突出量を設定するのが望まし
く、特に、燃焼室壁面温度やこの壁面温度に大きな影響
を与える燃焼室形状と、混合気の空燃比（燃焼室全体の
空燃比）とは、この着火性に大きな影響を与えるのでこ
の点を十分考慮しておくことが望ましい。
具体的には、燃焼室壁面からの冷却という観点を考慮
すれば、壁面温度が低い場合は高い場合に比して、点火
源のシリンダ周方向間隔を小さくし、点火源の数を多く
し、点火源の燃焼室壁面からの突出量を大きくするのが
好ましい。
本発明のその他の好ましい態様およびその利点は以下
の実施例の説明から明らかとなる。
（発明の効果） 特許請求の範囲における各請求項に対応した効果をま
とめて説明すると、次のとおりである。
請求項１によれば、NOxとHCとの低減を図りつつ、希
薄燃焼つまり燃費向上が可能となる。また、燃焼室周縁
部に配置される点火源のシリンダ周方向間隔を、燃焼室
周縁部での火炎伝播速度の相違に応じて適切に設定する
ことにより、この火炎伝播速度の相違に対応して上記効
果を確実に得ることができる。
請求項２によれば、混合気がシリンダ周方向において
不均一に存在することによってシリンダ周方向において
火炎伝播速度が相違する場合において、請求項１に対応
した効果を得ることができる。
請求項３によれば、混合気がシリンダ周方向において
不均一に存在することを勘案して各点火源の燃焼室壁面
からの突出量をも調整することによって、請求項１に対
応した効果をより確実に得ることができる。
請求項４によれば、残留燃焼ガスがシリンダ周方向に
おいて不均一に存在することによってシリンダ周方向に
おいて火炎伝播速度が相違する場合において、請求項１
に対応した効果を得ることができる。
請求項５によれば、残留燃焼ガスがシリンダ周方向に
おいて不均一に存在することを勘案して各点火源の燃焼
室壁面からの突出量をも調整することによって、請求項
１に対応した効果をより確実に得ることができる。
請求項６によれば、火炎伝播速度の相違を勘案して各
点火源の点火時間をも調整することによって、請求項１
に対応した効果をより確実に得ることができる。
請求項７によれば、火炎伝播速度の相違を勘案して各
点火源の燃焼室壁面からの燃焼室中心方向への突出量を
も調整することによって、請求項１に対応した効果をよ
り確実に得ることができる。
請求項８によれば、燃焼室周縁部で各点火源から発生
された火炎が燃焼室中心へ向かうのをリング状の突起部
によって抑制して、シリンダ周方向での火炎の合致をシ
リンダ中心方向での火炎合致よりも確実に早いものとし
て、請求項１に対応した効果をより確実に得ることがで
きる。
請求項９によれば、燃焼室周縁部に設ける点火源を少
なくとも３個として、請求項１に対応した効果を確実に
得る上で好ましいものとなる。
請求項10によれば、エンジンの低負荷運転領域でのNO
x、HC低減および燃費向上と、エンジンの高負荷運転領
域での高出力確保とを共に満足させることができる。
（実施例） 以下本発明の実施例を添付して図面に基づいて説明す
る。
第１図〜第８図 第１図において、１はシリンダヘッドで、その内壁に
形成される燃焼室２がペントルーフ型とされている。シ
リンダヘッド１には、第２図に示すように、それぞれ燃
焼室２に開口する第１、第２の２つの吸気ポート3A、3B
と、第１第２の２つの排気ポート4A、4Bとが形成されて
いる。そして、第１吸気ポート3Aが第１吸気弁5Aによ
り、第２吸気ポート3Bが第２吸気弁5Bにより、第１排気
ポート4Aが第１排気弁6Aにより、第２排気ポート4Bが第
２排気弁6Bにより、図示を略すクランク軸の回転に同期
して所定のタイミングで開閉される。そして、燃料は、
燃料噴射弁６より、両吸気ポート3A、3Bに向けて所定の
広がりをもって噴射される。
シリンダヘッド１には、合計４本の点火プラグ７、
８、９、10が取付けられており、各点火プラグはそれぞ
れシリンダヘッド１の上方から取付け、取外し可能とさ
れている。この４本の点火プラグ７〜10のうち、プラグ
７が中心プラグとされて、その点火源としての点火ギャ
ップ7aが燃焼室２の中心に位置されている。そして、中
心プラグ７は、上方に向かうにつれて排気ポート3A、3B
側へ傾くように、シリンダ軸線に対して若干傾斜されて
いる。
３本の点火プラグ８〜10は、第１〜第３の周辺点火プ
ラグを構成している。すなわち、各プラグ８〜10シリン
ダの周方向に互いにほぼ等間隔となるように配置され
て、その点火源としての各点火ギャップ8a〜10aがシリ
ンダ周縁部に位置されている。各周辺プラグ８〜10（点
火ギャップ8a〜10a）の配置の詳細は、次の通りであ
る。
先ず第１周辺点火プラグ８の点火ギャップ8aは、２つ
の吸気弁5Aと5Bとの間に位置され、このため第１周辺プ
ラグ８は、２つの吸気ポート3Aと3Bとを画成する隔壁1a
を貫通するように配設されている。そして、第１点火プ
ラグ８は、上方に向かうにつれて、排気弁6A、6B側に傾
くように傾斜されている。
第２点火プラグ９の点火ギャップ9aは、第１吸気弁5A
と、該第１吸気弁5Aに対してシリンダの周方向一側（第
２図中時計方向側）に位置する第１排気弁6Aとの間のう
ち、当該第１排気弁6Aに近い側に配置されている。そし
て、第２周辺プラグ９は、ほぼシリンダの軸線方向に伸
びている。
第３周辺点火プラグ10の点火ギャップ10aは、第２吸
気弁5Bと、該第２吸気弁5Bに対してシリンダ周方向反対
側（第２図中反時計方向側）にある第２排気弁6Bとの間
のうち、当該第２排気弁6Bに近い側に配置されている。
そして、第３周辺プラグ10は、上方に向かうにつれて吸
気弁5A、5B側に傾むくように傾斜されている。
勿論、上述した周辺点火プラグ８〜10の配置位置は、
当該周辺点火プラグのみによる点火を行なった際に、各
周辺点火プラグ８〜10から成長される燃焼火炎が先ずシ
リンダ周方向で合致した後、燃焼室中心で合致するよう
に設定されている。
上記中心点火プラグ７と周辺点火プラグ８〜10とは、
エンジンの運転状態に応じてその作動（点火）が切換え
られ、この切換えのための領域設定の一例を第７図に示
してある。この第７図中、領域Ｉが周辺プラグ８〜10に
よる周辺点火のみが行なわれ、領域IIが中心プラグ７に
よる中心点火のみが行なわれ、領域IIIが全ての点火プ
ラグ７〜10による点火すなわち中心点火と周辺点火の両
方が行なわれる。第８図は上記領域設定の他の例を示す
もので、第７図中領域IIで示された部分のうち高速クル
ージング領域となる領域IVを別途設定して、この領域IV
では周辺点火のみを行なうようにしてある。
第１図中11A〜11D等は冷却水通路であるが、前述した
中心点火プラグ７と第１周辺点火プラグ８との傾斜方向
の設定により、両プラグ７、８間に形成される冷却水通
路11Aの通路面積が十分に確保される。また、第２と第
３の各周辺点火プラグ８、９の相互の間での傾斜設定に
より、第４図に示すように、隣合うシリンダ間において
十分な開口面積を有する冷却水通路12が形成される。な
お、第４図中矢印は冷却水の流れる方向を示している。
ここで、シリンダブロック17内に嵌挿されたピストン
13の頂面には、リング状の突起部14が形成されている。
この突起部14の上面は、ペントルーフ型燃焼室の形状
（シリンダヘッド１内壁形状）に合せた形状とされてい
る。このような突起部14を設けたことにより、周辺プラ
グ８〜10にて着火されることにより生じた火炎面が燃焼
室２の中心に向かうことが抑制される（火炎面の燃焼室
２の中心方向への広がり防止の助長）。そして、突起部
14がリング状とされている関係上、燃焼室２の中心付近
にも少なからず混合気が存在することとなって、火炎面
の面積がもっとも大きくなるピーク時よりも後に燃焼さ
れる混合気が十分確保され、混合気の大部分が早い時期
に燃焼されてしまうのが防止される（緩慢燃焼の助
長）。
ペントルーフ型の燃焼室２に対応して上述の突起部14
を形成した場合、第１〜第３の各周辺プラグ８〜10にお
ける点火ギャップ8a〜10aの高さ位置を、次のように設
定するのが好ましい。すなわち、第５図、第６図に示す
ように、突起部14の上面に対する高さ位置関係が、第１
周辺プラグ８における点火ギャップ8aと第２、第３周辺
プラグ９、10における点火ギャップ9a、10aとで互いに
等しくなるようにするのが好ましい（火炎面が燃焼室２
の中心側へ向かうのを抑制する程度が等しくなるように
する）。このため、実施例では、第１周辺プラグ８の取
付高さ位置を勘案して、第２、第３周辺プラグ９、10の
取付け高さ位置を工夫して、その点火ギャップ9a、10a
が排気弁6A、6Bのシリンダヘッド１に対する着座位置よ
りも低くなるようにしてある（第６図中1bが排気弁6A、
6Bの着座面の高さ位置を示す）。
ここで、第２図では、周辺点火プラグ８〜10（におけ
る点火ギャップ8a、9a、10a）のシリンダ周方向間隔
は、燃焼室周縁部での火炎伝播速度の相違を特に考慮し
ない場合を示してある。ただし、実際には、周辺点火プ
ラグ８〜10で着火された火炎のシリンダ周方向での火炎
合致がシリンダ中心方向での火炎合致よりも早く行われ
るように、燃焼室周縁部において火炎伝播速度の速い領
域（例えば点火プラグ９、10が配置される領域）では遅
い領域（例えば点火プラグ８が配置される領域）に比し
て、周辺点火プラグのシリンダ周方向間隔が大きくなる
ように（例えば点火プラグ９と10との間隔ａが、点火プ
ラグ８と９との間隔ｃや、点火プラグ８と10との間隔ｂ
よりも大きくなるように）設定される（この点について
は後述する第15図の説明を参照）。なお、第２図におい
て、シリンダヘッド１に形成された凹所15と周辺点火プ
ラグ９、10とのシリンダ周方向間隔をシリンダ周方向で
相違させた場合、間隔を大きくした（大きい間隔を符号
Ｘで示す）方向への火炎伝播速度は間隔を小さくした
（小さい間隔を符号Ｙで示す）方向への火炎伝播速度よ
りも大きくすることが可能となる。
なお、周辺点火プラグのシリンダ周方向の間隔変更
は、後述するように周辺点火プラグ数の変更によって行
うこともできる（周辺点火プラグ数を増加するほど、周
辺点火プラグのシリンダ周方向間隔が小さくなる）。ま
た、シリンダ周方向における火炎伝播速度の相違に応じ
て、点火時期調整や放電時間調整、点火エネルギ調整等
を合わせて行うことも可能である。
以上の説明は、本発明の基本を説明するものであり、
以下に本発明の他の実施例あるいは補足説明について、
順次説明する。
第９図、第10図 第９図、第10図は、本発明の他の実施例を示すもので
ある。本実施例では、シリンダヘッド１の内壁すなわち
燃焼室２の上壁が、平担面として形成されている。ま
た、ピストン13上面に形成されたリング状の突起部14B
が、シリンダの軸心を中心とする円筒状として形成され
ている。
第11図 第11図は本発明のさらに他の実施例を示すもので、リ
ング状突起部14Cの形状そのものは第９図、第10図に示
す突起部14Bと同一とされているが、全体的に吸気弁3
A、3B側（第１周辺点火プラグ８側）にオフセットされ
ている。これは、吸気弁3A、3B側の混合気の濃さが排気
弁4A、4B側の混合気の濃さよりも濃い傾向となる点、す
なわち火炎伝幡速度が吸気弁側の方が排気弁側よりも早
くなる点を勘案して、突起部14Cによる燃焼室中心へ向
けての火炎伝幡抑制作用を吸気弁側について相対的に強
めるためである。
第12図 第12図は、本発明の効果を、質量燃焼割合と燃焼室２
内における全火炎面積との関係で示したものである。こ
の第12図において、本発明として示すものは第９図、第
10図のような構成とした場合であり、周辺点火プラグ８
〜10のみよる点火を行なった。また、比較例１として示
すものは、第９図、第10図のものにおいて突起部14Bを
円柱状（中実）としたものであり、周辺点火プラグ８〜
10のみによる点火を行なった場合である。さらに、比較
例２は、第９図、第10図のものにおいて突起部14Bを有
せず、しかも中心点火プラグ７のみによる点火を行なっ
た場合である。この第12図から理解されるように、本発
明では、火炎面積が最大となるピーク値を過ぎてから燃
焼される燃料の割合が極めて多くなる（早期に燃焼され
てしまう燃料割合が少ない）。
第13図、第14図 第13図、第14図は、吸気側の周辺点火プラグ８の点火
時期よりも、排気側の周辺点火プラグ９、10の点火時期
を早く設定する場合の一例を示すものである。
第13図において、Ｕは、点火時期と第７図あるいは第
８図にしたがう点火方式切換えとを制御するための制御
ユニットで、この制御ユニットＵには、センサ21からの
エンジン回転数信号と、センサ22からのエンジン負荷信
号（例えば吸入空気量信号）が入力される。また、制御
ユニットＵからは、各イグナイタ31、32、33に対して所
定の点火時期信号が出力される。イグナイタ31は、中心
点火プラグ７用の点火コイル41に作用するものである。
イグナイタ32は、吸気側の周辺点火プラグ８用の点火コ
イル42に作用するものである。イグナイタ33は、排気側
の２つの周辺点火プラグ９、10用の点火コイル43に作用
するものである。
制御ユニットＵからイグナイタ33に対して出力される
点火時期信号は、イグナイタ32に対して出力される点火
時期信号よりも、クランク角で所定分だけ早いものとな
る。すなわち、第６図に示すように、排気側点火プラグ
用となる点火コイル43の一次電流遮断時期（点火開始時
期）が、クランク角α分だけ、吸気側点火プラグ用とな
る点火コイル42の一次電流遮断時期よりも早くされる。
なお、第13図、第14図に示す点火時期を相違させる例
は、第２図に示すように排気側の周辺点火ギャップ数が
吸気側の周辺点火ギャップ数よりも多い場合についてで
あるが、吸気側と排気側とで周辺点火ギャップ数が同じ
場合にも同様に適用し得る。
第15図〜第22図 第15図〜第22図は、燃焼室２内で混合気が偏在すると
き等の周辺点火プラグの配置の仕方を説明するためのも
ので、第15図は基本的には第２図のものと対応した図と
なっている。
混合気がシリンダ周方向にほぼ均一に存在する場合、
あるいは残留燃焼ガス濃度がシリンダ周方向にほぼ均一
である場合は、それぞれ、各周辺点火プラグ８〜９（の
点火ギャップ）間のシリンダ周方向間隔Sa、Sb、Scは互
いにほぼ等しくされ、また当該各点火ギャップの燃焼室
壁面からの突出量la、lb、lcも互いにほぼ等しくされ
る。
混合気の空燃比がシリンダ周方向においてリッチな部
分とリーンな部分とが存在する場合、例えば第15図では
２つの吸気ポート3A、3B間の領域がもっともリッチとさ
れ、２つの排気ポート4A、4B付近のがリーンとなってい
る。この場合は、Sa＜Sb、Scとされるが、これに加え
て、1a＜1b、1cとするか、第15図に示すようにリッチな
部分Ａよりもリーンな部分Ｂ、Ｃの点火プラグ数を多く
するか、の少なくとも１つを選択することができる。な
お、空燃比と燃焼速度の関係を第20図に示してあり、こ
の第20図から理解されるように、理論空燃比付近のとき
に燃焼速度がもっとも早くなる。
残留燃焼ガス濃度がシリンダ周方向において相違する
場合、例えば第15図では２つの排気ポート4A、4B付近が
他の部分よりも残留燃焼ガス濃度が高くなっている。こ
の場合はSa＜Sb、Scとされるが、これに加えて、1a＜1
b、1cとするか、第15図に示すように濃度小の部分Ａよ
りも濃度大の部分Ｂ、Ｃの点火プラグ数を多くするか、
の少なくとも１つを選択することができる。
吸気のスワールの強さがシリンダ周方向において相違
する場合、例えば第15図では吸気ポート3A、3B付近のス
ワールが強く、排気ポート4A、4B付近のスワールが弱く
なっている。この場合は、Sa＜Sb、Scとされるが、これ
に加えて、1a＜1b、1cとするか、スワールの強い部分Ａ
よりもスワール弱い部分Ｂ、Ｃの方の点火プラグ数を多
くするか、の少なくともいずれか１つを選択することが
できる。
燃焼室壁面温度がシリンダ周方向で相違する場合、例
えば第15図ではＡ部分の方がＢ、Ｃ部分よりも壁面温度
が低くなっている。この場合は、Sa＞Sb、Scとされる
が、これに加えて、1a＞1b、1cとするか、低い部分Ａ側
の点火プラグ数を多くするか（第21図に示すように周辺
点火プラグ51、52の追加）、の少なくともいずれか１つ
を選択することができる。
混合気がシリンダ径方向に偏在する場合で、燃焼室２
の中心付近の空燃比がほぼ理論空燃比とされる場合、す
なわち燃焼室２の周辺が理論空燃比よりもリッチあるい
はリーンとされる場合は、第18図に示すように、周辺点
火プラグ数を多くするか（第18図では、周辺点火プラグ
を51〜54の合計４本としてある）、各周辺点火プラグ間
のシリンダ周方向間隔を小さくするか、燃焼室壁面から
の突出量を大きくするか、の少なくともいずれか１つが
選択される。逆に、燃焼室２の周辺の空燃比がほぼ理論
空燃比される場合、すなわち燃焼室２の中心付近が理論
空燃比よりもリッチあるいはリーンの場合は、第18図の
場合とは逆に、第19図に示すように、周辺点火プラグ数
を少なくするか、各周辺点火プラグ間のシリンダ周方向
間隔を大きくするか、周辺点火プラグ８〜10の壁面から
の突出量を小さくするかの少なくともいずれか１つが選
択される。
残留燃焼ガスの濃度がシリンダ径方向において相違す
る場合、例えば燃焼室中心付近の残留燃焼ガス濃度が燃
焼室周辺の残留燃焼ガス濃度よりも高い場合は、前述の
第19図のようにすればよく、逆に燃焼室周辺の残留燃焼
ガス濃度が燃焼室中心の残留燃焼ガス濃度よりも高い場
合は前述の第18図のようにすればよい。
前述の混合気の偏在、残留燃焼ガスの偏在、スワール
強さの相違発生は、例えば、第17図に示すように、２つ
の吸気ポート3Aと3Bとの径が異なりしかもその指向方向
が相違する場合に生じ易くなる。とりわけ、スワールの
強さは、第16図に示すように、ピストン頂面と燃焼室上
壁との間の間隙がl1、l2で示すように相違すると（l1＜
l2）、間隙が小さいl1部分の方が増速されてスワールが
強くなり、かつ壁面温度も間隔の小さいl1側の方が低温
となり易い。この間隙1l、l2すなわち燃焼室周辺から燃
焼室中心に向かう火炎伝幡経路の間隙が小さいほど、燃
焼室壁面による冷却作用を受けて火炎伝幡が遅くなり易
いので、間隙の小さい部分の方が間隙の大きい部分に比
して、周辺点火プラグ間のシリンダ周方向間隔を小さく
するか、周辺点火プラグ数を多くするか、燃焼室壁面か
らの突出量を大きくするか、の少なくともいずれか１つ
を選択する。
ここで、燃焼室に供給される混合気の空燃比すなわち
燃焼室全体で見た場合の空燃比は、特に着火性に大きく
影響を与える。この場合、混合気の空燃比がリッチ（特
に理論空燃比）の場合は、リーンな場合（特に希薄空燃
比）に比して、周辺点火プラグ数を少なくするか、各周
辺点火プラグ間のシリンダ周方向間隔を大きくするか、
周辺点火プラグの燃焼室壁面からの突出量を小さくする
か、の少なくともいずれか１つが選択される。この混合
気の空燃比がリッチな場合が例えば第２図に対応するも
のとした場合、混合気の空燃比がリーンな場合を第22図
に示してある（周辺点火プラグを51〜54で示す）。
第23図 第23図は、各周辺点火プラグ間での火炎伝幡速度の相
違や着火性の相違を、点火エネルギ、放電時間によって
補償する場合の例を示す。すなわち、第２図あるいは第
15図の例において、火炎伝幡速度が遅いあるいは着火性
が悪くなる排気ポート4A、4B付近の周辺点火プラグ９、
10の方が、火炎伝幡速度が早く着火性の良好な周辺点火
プラグ８に対するよりも、放電エネルギを大きくあるい
は放電時間を長くするようにしてある。このためには、
例えば、第13図に示すように、周辺点火プラグ９、10用
の点火点火回路43と、周辺点火プラグ８用の点火点火回
路42との特性を変更すればよい。この各点火回路41〜43
の一般的な構成例を第23図に示してあるが、既知のよう
に一次側抵抗R1を変更することによって一次電流ｉを変
更して、放電エネルギを相違させることができる。ま
た、インダクタンスL1、L2、両コイル間の相互インダク
タンスＭの設定を変更することによって放電時間を変更
することができる。
第24図〜第29図 第24図〜第29図は、例えば第２図に示す吸気ポート3
A、3B側の燃焼速度が排気ポート4A、4B側の燃焼速度よ
りも早くなるような条件下において、各周辺点火プラグ
８〜10で発生した燃焼火炎が均一に伝幡するようにする
ための例を示してある。このように、火炎伝幡を均一に
することは、熱発生率のピーク値（最大値）を小さくし
て、NOx低減をより促進させる上で重要とある。
先ず、第24図は、排気ポート4A、4B側の周辺点火プラ
グ９、10の燃焼室壁面からの突出量を、周辺点火プラグ
８（および中心点火プラグ７）の突出量よりも大きくし
た例である。
第25図は、周辺点火プラグ９、10の点火ギャップを、
周辺点火プラグ（および中心点火プラグ７）の点火ギャ
ップよりも広げた例である。
第26図は、第３図に示すようなリング状の突起部14と
燃焼室上壁との間隙のうち、排気ポート4A、4B側につい
ての間隙Teを吸気ポート3A、3B側の間隙Tiよりも大きく
した例である。
第27図は、第３図に示すようなリング状の突起部14の
うち、排気ポート4A、4B側の幅Leを、吸気ポート3A、3B
側の幅Liよりも小さくした例である。
第28図は、第３図に示すようなリング状の突起部14の
うち、排気ポート4A、4B側については当該突起部分を無
くすようにしたものである。
なお、排気ポート4A、4B側の周辺点火プラグ９、10
を、周辺点火プラグ８よりも燃焼室中心側に位置させる
ことによっても、火炎伝幡の均一化を図ることができ
る。
第29図は、ピストン13頂面に形成したリング状の突起
部14の外側に、燃焼室上壁面の形状に沿わせる突起部55
を形成することにより当該突起部14の外側体積を減じ
て、燃焼火炎衝突時までに燃焼される混合気量を減少さ
せて、熱発生率のピーク値を減少させるようにしたもの
である。この第29図の場合は、燃焼火炎の伝幡を均一に
するということとは異なるが、熱発生率のピーク値を小
さくするという点では同様である。
第30図〜第38図 第30図〜第38図は、好ましい態様例を示すものであ
る。
先ず、第30図は、吸気ポート3Aあるいは3Bの直下に周
辺点火プラグ８（の点火ギャップ8a）を位置させると共
に、燃料噴射弁16からの噴射燃料が当該周辺点火プラグ
８直近に位置する吸気ポート3A（3B）の底面に指向され
るようにして、燃料の気化、霧化を助長させるようにし
たものである。
第31図、第32図は、燃焼室２の形状が半球形とされた
場合に、各周辺点火プラグ８〜10の高さを同一とした場
合を示す。
第33図、第34図は、燃焼室２の形状がコーン形とされ
た場合に、各周辺点火プラグ８〜10の高さを同一とした
場合を示す。
第35図は、周辺点火プラグ８〜10の外側電極57と内側
電極58とのそれぞれについて、個々独立して接続可能な
ように接続端子57aあるいは58aを設けた場合を示す。こ
のように接続端子57a、58aを設けることにより、複数の
周辺点火プラグ８〜10を互いに直列接続可能として、点
火コイル数を減少させることができる。
第36図は、熱的にもっとも厳しい条件とされる中心点
火プラグ７のサイズと熱価とを共に、周辺点火プラグ８
〜10のサイズと熱価よりも大きくした場合を示す。
第37図は、２つの吸気ポート3A、3Bを有すると共に１
つの排気ポート４を有するいわゆる３バルブエンジンに
対する点火プラグの配置例を示すものである。
第38図は、周辺点火プラグ８〜10をより最適位置へと
レイアウトし易くすべく、２つの吸気ポート4A、4Bとを
第２図に示す場合よりもオフセットした例である。
第39図〜第58図 第39図〜第58図は、周辺点火プラグの点火時期に位相
差をもたせる等により火炎伝幡の均一化を図る場合の例
と、エンジンが低負荷から高負荷へと移行したときに生
じる空燃比のリーンな状態からリッチ（理論空燃比）の
状態へと移行したときの点火制御とを示すでものある。
先ず、第39図、第40図は、本例に用いられるエンジン
の燃焼室付近の構成を示しており、２つの吸気ポート3
A、3Bと、２つの排気ポート4A、4Bを有する点では第２
図の場合と同じである。ただし、周辺点火プラグ60が合
計６本設けられており、その識別がｉの添字（ｉ＝１〜
６）をもって示される。
また、２つの吸気ポート3Aと3Bとが連なる共通吸気通
路61には、スワール制御弁62が配設されている。そし
て、スワール制御弁62の直上流から分岐された１本の補
助吸気通路63が、スワール制御弁62をバイパスして一方
の吸気ポート3Aに連なっている。このような補助吸気通
路63は、その有効開口面積が小さく設定されると共に、
シリンダの接線方向に指向されて、吸気のスワール生成
用とされている。これにより、スワール制御弁62が開い
たときは吸気のほぼ全量が両吸気ポート3Aと3Bとから供
給されて、スワール比は事実上０となる。そして、制御
弁62の開度が小さくなるにつれて補助吸気通路63を通し
ての吸気供給量が増加されてスワール比が増大されてい
き、制御弁62が全閉のときにスワール比が最大とされ
る。
中心点火プラグ７と周辺点火プラグ60の点火実行をど
のような運転領域でに行なうかを第42図に示してあり、
中心点火プラグ７と周辺点火プラグ60との両方による点
火実行領域は、第８図の場合とは異なり極低負荷側の領
域でも設定されている。このような設定において、周辺
点火のみによる運転領域と、極低負荷域での中心＋周辺
点火による運転領域ではスワールを生成し、高負荷域で
の中心＋周辺点火による運転領域ではスワールを生成し
ないようになっている（スワール制御弁の制御）。
上記スワール制御弁62と燃料噴射弁16とは制御ユニッ
トU2によって制御され、この制御ユニットU2には、各セ
ンサ71〜74からの信号が入力される。センサ71は吸入空
気量を、72はエンジン回転数を、73は冷却水温度を、74
は吸入空気温度を検出するものである。
以上のような前提の下に、第41図に示すフローチャー
トについて説明する。
先ずＰ（ステップ−以下同じ）１において、エンジン
負荷としての吸入空気量Qaと、エンジン回転数rpmと、
冷却水温度Twと、吸入空気温度Taとが読込まれる。次い
で、P2において、吸入空気量Qaとエンジン回転数rpmと
に基づいて得られる基本値に、冷却水温度Twと吸入空気
温度Taとに基づいて設定される補正係数C1を掛け合せ
て、燃料噴射パルス巾τinjが決定される。
P3では、吸入空気量Qaとエンジン回転数rpmとに基づ
いて、スワール制御弁62の開度が決定される。この場
合、エンジン回転数が常用回転数rpm0（第42図参照）以
下であることを前提に、先ず第44図に示すグラフより吸
入空気量Qaに基づいてスワール比を決定し、このスワー
ル比となるように、第43図のグラフに基づいてスワール
制御弁の開度θscvが決定される。
P4では、エンジン回転数rpmと前記燃料噴射パルス巾
τinjとに基づいて決定される基本値に、冷却水温度Tw
と吸入空気温度Taとに基づいて設定される補正係数C2を
掛け合せて、中心点火プラグ７の点火時期θigが決定さ
れる。
P5では、エンジン回転数rpmと前記燃料噴射パルス巾
τinjとに基づいて、燃料噴射開始時期θinjが決定され
る。この場合、第46図に示すグラフから、エンジン回転
数に基づいて燃料噴射の終了時期θiendを決定し、燃料
噴射終了時期がこのθiendとなるように、第45図に示す
ように前記燃料噴射パルス巾τinjに基づいて燃料噴射
開始時期θinjが決定される。
P6では、エンジン回転数rpmが前述の設定回転数rpm0
以下であるか否かが判別される。このP6の判別でNOのと
き、すなわち高回転域のときは、点火時期の位相制御の
計算が遅れるということから、P13に移行して、各周辺
点火プラグ60（ｉ＝１〜６）の点火時期が中心点火プラ
グの点火時期と同じ時期に設定される。この後は、P11
に移行して、燃料噴射と点火の実行とがなされる。
前記P6の判別でYESのときは、P7において、吸入空気
量Qaが、第42図に示す所定値QaH以下であるか否かが判
別される。このP7の判別でNOのときは、P12へ移行し
て、後述するトルクショック防止の制御をも加味した点
火実行プラグ数の制御が行なわれる。
前記P7の判別でYESのときは、P8において、各周辺点
火プラグ60の点火時期θigiが、中心点火プラグ用の点
火時期θigに対して後述する所定の位相差Δθigiを加
算した値として決定される。
P8の後は、P9において、吸入空気量Qaが第42図に示す
所定値QaL以上であるか否かが判別される。このP9の判
別でNOのときは、そのまま前述のP11へ移行する。またP
9の判別でYESのときは、P10において、中心点火プラグ
７の点火時期θigが、排気行程前半となる上死点後180
゜として設定される。このP10の処理は、本来中心点火
プラグ７による点火を行なわない領域であるが、混合気
の着火に影響のない時点で中心点火プラグ７を空打ちし
て、その汚損を防止するためになされる。
次に、前述のP8における周辺点火プラグ60用の点火時
期の位相差Δθigiの決定の仕方について説明するが、
実施例ではこのΔθigiは、次式によって決定するよう
にしてある。
Δθigi＝（Δθ1igi＋Δθ2igi）×Ｇ Δθ1igi:第１位相差成分 Δθ2igi:第２位相差成分 G :補正係数 上記第１位相差成分は次のように決定される。先ず、
第47図に示すように、中心点火プラグ７の点火時期を、
円形の破線で示したときに、その外側に実線の円形を想
定する。この実線の円形は、スワール比が０のときのも
ので、ｉ＝１と４とを結ぶ線をほぼ対称中心線として描
かれ、しかもｉ＝４側の周辺点火プラグ側へオフセット
されたものとして描かれる。そして、スワール比が０の
ときの各周辺点火プラグの第１位相差成分は、この実線
と破線との偏差となり、第47図では、ｉ＝５の周辺点火
プラグ用の第１位相差成分Δθ1ig5が例として示されて
いる。そして、スワール比が０以外のときは、その大き
さに応じて第49図に示すグラフから角度αを求め、この
求められた角度α分だけ第47図の実線の円形が図中時計
方向に回転されて、一点鎖線で示す円形を得る。勿論、
この一点鎖線の円形と破線の円形との偏差が、スワール
比０以外のときの第１位相差成分Δθ1igiとなる。この
角度αは、スワールが強いほど、火炎伝幡が良好となる
濃混合気がスワール旋回方向へ移動する、という観点か
ら設定される。勿論、第47図の実線で示す円の半径は、
各周辺点火プラグ位置での火炎伝幡速度というものを勘
案して設定されるが、スワール比が大きくなるほど燃焼
室内での混合気の混合が良好になって物性値がシリンダ
周方向全体に渡って均一化されてくるので、第１位相差
成分Δθ1igiは、第51図に示すようにスワール比が小さ
くなるほど大きくなるような傾向とされる。
前記第２位相差成分Δθ2igiは、次のようにして決定
される。先ず、前提として、スワール存在下で吸気行程
中での燃料噴射時期が変更されるものとされる（噴射そ
のものは連続噴射）。この場合でも、濃混合気は燃料噴
射開始時期が早いほどスワール旋回方向へ移動し、また
噴射開始時期が早いほど混合が促進されるので、第１位
相差成分Δθ1igiと同じような傾向で第２位相差成分Δ
θ2igiも決定される。このような傾向を示すのが、第48
図および第50図である。
前記補正係数Ｇは、混合気の空燃比と、エンジン負荷
と、エンジン回転数とをパラメータとして、第52図〜第
54図に示すような傾向の下に設定される。
上述の点火時期の位相差制御に代えて、吸気行程中に
燃料を分割噴射することにより、シリンダ周方向での火
炎伝幡の均一化を図るようにしてもよい。この場合は、
第41図のP8において、各周辺点火プラグの点火時期θig
iが、中心点火プラグの点火時期θigと同じ値とされ
る。燃料の分割噴射は、例えば第57図に示すようにして
設定される。すなわち、先ず燃料噴射開始時期Tsと噴射
終了時期Tfとが、第58図に示すようにエンジン回転数を
パラメータとして設定される。そして、噴射回数ｎが次
式によって決定される。
ｎ＝（Ts−Tf）／（τmin＋τα＋τｒ） τmin:燃料噴射弁の最小噴射パルス巾 τα：無効噴射時間 τr :最小休止時間 ただし、ｎ×τmin＜τinjのときは連続噴射とされ、
ｎ×τmin≧τinjのときに上述の分割噴射とされる。な
お、分割噴射のときに、ｎが整数とならないときは、最
終噴射パルス巾で調整すればよい。
エンジン負荷が小さい状態から大きい状態へと移行す
るとき、例えば周辺点火の状態から中心＋周辺点火へと
移行する際は、混合気の空燃比がリーン（例えば空燃比
22）な状態から、リッチ（例えば理論空燃比で14.7）状
態へと変化される。このとき、第55図に示すように、混
合気の空燃比をゆっくりと変更した場合はこの間でのNO
xが増加してしまうことになる。これとは逆に、混合気
の空燃比を急激に変化させたときは、大きくなトルクシ
ョックを生じてしまうことになる。このようなNOxの増
大防止と、トルクショック防止とを両立させるため、本
発明では、混合気の空燃比を素早く変化させて先ずNOx
の増大を防止する一方、点火を行なう点火プラグ数を一
旦１本のみとした後、点火を行なう点火プラグ数を徐々
に増加させて、最終的に全ての点火プラグで点火を行な
うようにして、トルクショックを防止するようにしてい
る。このような混合気の変更と点火プラグ数の徐々なる
増加の様子を第56図に示してあり、t1時点が混合気の空
燃比変更時点であり、t2時点が混合気の空燃比変更に起
因する点火プラグ数制御の完了時点を示す。このような
制御は、第41図のP12の内容に相当し、空燃比変更の過
渡域に点火を行なう必要のない点火プラグは、P18の場
合と同様に空打ちされてその汚損が防止される。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一実施例を示す側面断面図。 第２図は吸・排気弁と点火プラグとの位置関係を示す簡
略平面図。 第３図はピストンの頂面に形成された突起部を示す斜視
図。 第４図は隣合うシリンダ間での第２周辺点火プラグと第
３周辺点火プラグとの傾斜関係を示す平面図。 第５図は第１周辺点火プラグとピストン頂面に形成され
た突起部との位置関係を示す断面図。 第６図は第２、第３周辺点火プラグとピストン頂面に形
成された突起部との位置関係を示す断面図。 第７図、第８図は、それぞれ中心点火プラグと周辺点火
プラグとの作動領域の設定例を示す図。 第９図、第10図は本発明の他の実施例を示すもので、第
９図はピストンをその頂面側から見た平面図、第10図は
第９図に示すピストンが用いられた燃焼室形状を示す簡
略側面断面図。 第11図は本発明のさらに他の実施例を示すもので、第９
図に対応した平面図。 第12図はピストン頂面にリング状突起部を形成した効果
を図式的に示す図。 第13図、第14図は周辺点火プラグの点火時期を変更する
場合の一例を示す図。 第15図〜第22図は燃焼室における混合気の偏在、残留燃
焼ガスの偏在、壁面温度の相違、スワールの強さの相違
等に基づいて周辺点火プラグをどのように配置するかの
説明に用いるための図。 第23図は点火エネルギを相違させるための説明に基いる
点火回路図。 第24図〜第38図はそれぞれ本発明の好ましい態様を示す
図。 第39図〜第54図は周辺点火プラグの点火時期に位相差を
もたせるための説明に用いる図。 第55図、第56図は空燃比変更に起因するNOx増大防止と
トルクショック防止とを行なうための制御例を説明する
ための図。 第57図、第58図は燃料の分割噴射を説明するための図。 1:シリンダヘッド 2:燃焼室 3A:吸気ポート 3B:吸気ポート 4A:排気ポート 4B:排気ポート 7:中心点火プラグ 8:第１周辺点火プラグ 9:第２周辺点火プラグ 10:第３周辺点火プラグ 7a〜10a:点火ギャップ 13:ピストン 14、14B、14C:リング状突起部 51〜54:周辺点火プラグ
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｆ０２Ｐ 15/08 ３０１ Ｆ０２Ｐ 5/15 Ａ (56)参考文献 特開 平１−193080（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−175279（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−148021（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−280626（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−243945（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−182422（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−109007（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−117684（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−210167（ＪＰ，Ａ) 実開 昭60−43128（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭55−158228（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F02B 23/08 F02P 5/15 F02P 13/00 301 F02P 15/02 F02P 15/08 301

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】シリンダ周方向において、火炎伝幡速度が
    互いに異なる領域を有するエンジンであって、 点火源が、それぞれ燃焼室の周縁部において、シリンダ
    の周方向に間隔をあけて複数配置され、 燃焼室周縁部において火炎伝幡速度の早い領域では遅い
    領域に比して前記点火源のシリンダ周方向間隔が大きく
    設定されて、各点火源で発生した燃焼火炎同士の合致が
    シリンダ中心方向に比してシリン周方向で早くなるよう
    にされている、ことを特徴とするエンジン。
  2. 【請求項２】請求項１において、 混合気がシリンダの周方向に不均一に存在するエンジン
    であって、 各点火源同士のシリンダ周方向間隔が、燃焼室周縁部に
    おいて空燃比がリッチな領域では空燃比がリーンな領域
    に比して大きくなるように設定されている、 ことを特徴とするエンジン。
  3. 【請求項３】請求項１において、 混合気がシリンダの周方向に不均一に存在するエンジン
    であって、 燃焼室周縁部において空燃比がリッチな領域では空燃比
    がリーンな領域に比して、燃焼室周縁部での燃焼室壁面
    から前記点火源までの突出量が小さくなるように設定さ
    れている、ことを特徴とするエンジン。
  4. 【請求項４】請求項１において、 残留燃焼ガスがシリンダ周方向に不均一に存在するエン
    ジンであって、 燃焼室周縁部において残留燃焼ガスの濃度が高い領域で
    は該濃度が低い領域に比して、前記点火源のシリンダ周
    方向間隔が小さくなるように設定されている、ことを特
    徴とするエンジン。
  5. 【請求項５】請求項１において、 残留燃焼ガスがシリンダ周方向に不均一に存在するエン
    ジンであって、 燃焼室周縁部において残留燃焼ガスの濃度が高い領域で
    は該濃度が低い領域に比して、燃焼室周縁部での燃焼室
    壁面から前記点火源までの突出量が大きくなるように設
    定されている、 ことを特徴とするエンジン。
  6. 【請求項６】請求項１において、 燃焼室周縁部において火炎伝幡速度の早い領域では遅い
    領域に比して、前記点火源の点火時期が遅くなるように
    設定されている、ことを特徴とするエンジン。
  7. 【請求項７】請求項１において、 燃焼室周縁部において火炎伝幡速度の早い領域では遅い
    領域に比して、前記点火源の燃焼室壁面からの燃焼室中
    心方向への突出量が小さくなるように設定されている、
    ことを特徴とするエンジン。
  8. 【請求項８】請求項１ないし請求項７のいずれか１項に
    おいて、 ピストンの頂面に、燃焼室周辺から中心へ向かう火炎伝
    幡経路上に位置するように、リング状の突起部が形成さ
    れている、ことを特徴とするエンジン。
  9. 【請求項９】請求項１ないし請求項７のいずれか１項に
    おいて、 前記点火源が少なくとも３個以上設けられている、こと
    を特徴とするエンジン。
  10. 【請求項１０】請求項１において、 シリンダ周縁部に設けられた前記点火源を周辺点火源と
    したとき、該周辺点火源とは別に、シリンダ中央部に中
    心点火源としての他の点火源が別途設けられ、 エンジンの低負荷運転領域では前記周辺点火源のみで点
    火が行われ、エンジンの高負荷運転領域では前記中心点
    火源での点火が行われる、 ことを特徴とするエンジン。
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