JP4457999B2 - 筒内噴射式内燃機関 - Google Patents

Description

本発明は、燃料噴射弁から噴射された燃料の噴霧に対して直接点火を行うスプレーガイド式の燃焼法による筒内噴射式内燃機関に関するものである。

燃料噴射弁から噴射された燃料の噴霧に対して直接点火を行うスプレーガイド式の燃焼法は、燃費向上技術として知られている。このスプレーガイド式の燃焼法は、具体的には、燃料噴射弁から噴射された燃料をピストンなどの燃焼室壁に衝突させることなく、点火プラグ近傍に理想的な混合気を配置する成層燃焼法である（特許文献１、２参照）。
特表２００２−５３９３６５号公報 特開２００５−１０５８７７号公報

ところで、スプレーガイド式の燃焼法において、混合気の適切な点火を行う重要な要因として、点火プラグの放電ギャップ（中心電極と接地電極との対向空間）における燃料の噴霧の当量比がある。すなわち、放電ギャップにおける当量比が適切な点火を行う当量比でない場合には、点火しないか、もしくは一時的に点火したとしても失火するおそれがある。

また、燃料噴射弁から噴射される燃料の噴霧は、ほぼ一定の位置・形状の噴霧であるが、僅かながらばらつきを生じる。そして、スプレーガイド式の燃焼法にとって、この僅かな燃料の噴霧のばらつきが、点火に大きな影響を与える。つまり、燃料の噴霧のばらつきにより、放電ギャップにおける当量比が適切な点火を行う当量比でない状態になるおそれがある。

ここで、燃料の噴霧形状が略円錐状の場合を例に挙げると、燃料の噴霧にばらつきが生じる場合とは、燃料噴射弁から噴射される燃料の噴霧の角度が僅かにずれる場合や、燃料の噴霧の略円錐状の半径方向の広がりが僅かに異なる場合などである。このように燃料の噴霧にばらつきが生じる場合、ある時点においては放電ギャップにおける当量比が確実に点火可能な当量比であったとしても、別のある時点においては放電ギャップにおける当量比が確実に点火可能な当量比でなくなっている場合がある。

本発明は、このような事情に鑑みて為されたものであり、燃料の噴霧にばらつきが生じる場合であっても、確実に点火することができるスプレーガイド式の燃焼法を用いた筒内噴射式内燃機関を提供することを目的とする。

本発明の筒内噴射式内燃機関は、燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、中心電極と、中心電極の第１面との間に放電ギャップを隔てて対向する第２面を有する接地電極と、を含む点火プラグとを備える。そして、燃料噴射弁から直接噴射される燃料噴霧の当量比が大小変化する方向を当量比ばらつき方向と規定したときに、第１面と第２面との間に形成される放電ギャップは、当量比ばらつき方向と略直交方向に、放電ギャップの領域における当量比のばらつき出現想定に対応し点火が成されるよう、狭いギャップから広いギャップを混在させて形成することを特徴とする。

ここで、燃料噴射弁から燃焼室に直接噴射される燃料噴霧の形状は、例えば、略円錐状からなる。そして、この略円錐状の燃料の噴霧は、中心軸付近の当量比が最も大きく、中心軸付近から遠ざかるにつれて当量比が小さくなっていく。従って、この場合の当量比ばらつき方向とは、例えば、燃料の噴霧の略円錐状の中心軸に交差する方向や、略円錐状の中心軸に対してねじれの方向などであればよい。

また、放電ギャップは、当量比のばらつき方向と略直交方向に、狭いギャップから広いギャップを混在させて形成している。つまり、中心電極の第１面と接地電極の第２面とは、当量比のばらつき方向と略直交方向に対向している。

また、放電ギャップと放電し易さとの関係については、放電ギャップの狭い方が放電ギャップの広い方に比べて放電しやすいという関係を有する。さらに、燃料噴霧の当量比と放電可否との関係については、燃料噴霧の当量比が大きすぎると放電しないという関係を有する。なお、放電ギャップにて放電した場合に、放電した位置の燃料噴霧を含む混合気が点火する。

そして、本発明の筒内噴射式内燃機関によれば、放電ギャップが、放電ギャップの領域における当量比のばらつき出現想定に対応し点火が成されるよう、狭いギャップから広いギャップを混在させて形成されている。このように、狭いギャップから広いギャップを混在させることで、燃料噴霧にばらつきが生じることなどにより点火可能な当量比の位置にばらつきが生じる場合であっても、確実に混合気を点火することができる。

また、中心電極の第１面と接地電極の第２面との間である放電ギャップは、燃料の噴霧の当量比が小さくなるにつれて拡大するように設けるとよい。

ここで、放電ギャップと放電し易さとの関係は、上述したように、放電ギャップの狭い方が放電ギャップの広い方に比べて放電し易い。つまり、燃料の噴霧の当量比が小さくなるにつれて放電ギャップが拡大するということは、燃料の噴霧の当量比が比較的大きい位置の側で、放電し易くさせるということになる。一方、当量比と放電の可否との関係については、当量比が大きい領域では放電しない。つまり、燃料の噴霧の当量比が大きすぎると放電しない。従って、燃料の噴霧の当量比が小さくなるにつれて放電ギャップを拡大させることにより、放電可能な当量比以下の領域のうち、できるだけ当量比が大きな位置で、放電を行わせることができる。ここで、当量比と放電の可否との関係については、放電させるための投下エネルギーなどを調整することにより、予め、確実に点火可能な当量比にて放電が可能となるようにしておく。つまり、放電可能な当量比以下の領域のうち、できるだけ当量比が大きな位置とは、確実に点火可能な当量比の位置となる。例えば、確実に点火可能な当量比が０．８〜１．２、放電可能な当量比が１．１以下の領域の場合、当量比１．１の付近にて放電され、且つ、点火されることなる。このように、投下エネルギーを適宜調整しておき、燃料の噴霧の当量比が小さくなるにつれて放電ギャップを拡大することで、より確実に点火させることができる。

さらに、燃料の噴霧の当量比が小さくなるにつれて放電ギャップを拡大させることで、火炎の広がりを早くすることができる。この理由について以下に説明する。例えば、燃料の噴霧形状が略円錐状の場合には、略円錐状の中心軸付近の当量比が最大となり、中心軸から遠ざかるほど当量比が小さくなる。そして、上述したように、燃料の噴霧の当量比が小さくなるにつれて放電ギャップを拡大させることにより、放電可能な当量比の領域のうち、当量比ができるだけ大きな位置で点火することになる。ここで、当量比ができるだけ大きな位置とは、燃料の噴霧の略円錐状の中心軸側となる。つまり、最初に燃料が点火する位置は、放電ギャップのうち、燃料の噴霧の略円錐状の中心軸側に位置することになる。ところで、最初に燃料が点火して発生した火炎は、最初に点火した位置から燃料の噴霧のうち最も遠い位置までの距離が短いほど、燃料の噴霧全体に広がる早さが早くなる。そして、燃料の噴霧の略円錐状の中心軸側に近い位置にて最初に点火させることで、点火位置から燃料の噴霧のうち最も遠い位置までの距離をできるだけ短くすることができる。つまり、火炎の広がりをできるだけ早くすることができる。この結果、燃焼期間を短縮することができ、熱効率を向上させることができる。

また、本発明の筒内噴射式内燃機関において、中心電極は、プラグ軸方向且つ当量比ばらつき方向に延在する棒状からなり、放電ギャップは、中心電極の自由端側から支持端側へ向かって拡大するように設けてもよい。

つまり、点火プラグのプラグ軸方向が当量比ばらつき方向であって、中心電極をこのプラグ軸方向に延在するように設けている。そして、中心電極の第１面と接地電極の第２面とが、プラグ軸の略直交方向に対向させている。ここで、例えば、燃料噴射弁から噴射される燃料の噴霧形状が略円錐状の場合、燃料噴射弁の噴射口から放射線状の方向とプラグ軸方向とが一致しなければよい。つまり、燃料噴射弁と点火プラグとの位置関係の制約がほとんどない状態となる。これにより、燃料噴射弁と点火プラグとの配置の設計が容易となる。

また、燃料の噴霧の当量比が小さくなるにつれて放電ギャップを拡大させる場合として、例えば、接地電極の第２面を中心電極の第１面に対して傾斜するように設けてもよい。これにより、確実に且つ容易に、燃料の噴霧の当量比が小さくなるにつれて放電ギャップを拡大させることができる。さらに、中心電極の第１面と接地電極の第２面とを相互に傾斜させることで、連続的に放電ギャップを変化させることができる。その結果、より確実に点火可能な当量比の位置にて、放電させ、且つ、点火させることができる。

この場合、例えば、接地電極の第２面を中心電極の第１面に対して複数段傾斜するように設けてもよい。つまり、中心電極の第１面と接地電極の第２面との傾斜角度を途中で変更するということである。これにより、適切な放電ギャップを形成することができる。

また、燃料の噴霧の当量比が小さくなるにつれて放電ギャップを拡大させる場合の他の例として、中心電極の第１面及び接地電極の第２面の少なくとも何れか一方は、階段状に形成されるように設けてもよい。上述したように、中心電極の第１面と接地電極の第２面とは、傾斜させてもよいが、階段状に形成してもよい。これらは、加工の容易性や加工コストなどを考慮して適宜選択することができる。ただし、階段状に形成した場合には、傾斜させた場合のように放電ギャップの連続性は有しない。さらに、階段状の形成面を傾斜させるようにしてもよい。

また、本発明の筒内噴射式内燃機関は、燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、中心電極と、中心電極の第１面との間に放電ギャップを隔てて対向する第２面を有する接地電極と、を含む点火プラグとを備える。そして、燃料噴射弁から直接噴射される燃料噴霧の当量比が大小変化する方向を当量比ばらつき方向と規定したときに、中心電極の第１面と接地電極の第２面とが対向する方向は、当量比ばらつき方向と略直交方向であり、中心電極の第１面と接地電極の第２面との当量比ばらつき方向の対向する長さは、放電ギャップの領域における当量比のばらつき出現想定に対応し点火が成される所定長さ範囲に含まれることを特徴とする。

ここで、中心電極の第１面と接地電極の第２面とにより形成される放電ギャップは、狭いギャップから広いギャップを混在させて形成されるようにしてもよいし、略一定のギャップが形成されるようにしてもよい。放電ギャップが略一定のギャップとなる場合には、中心電極の第１面と接地電極の第２面とが略平行に対向していることになる。

そして、本発明の筒内噴射式内燃機関の点火プラグは、中心電極の第１面と接地電極の第２面との当量比ばらつき方向の対向する長さが前記所定長さ範囲に含まれるようにされている。ここで、所定長さ範囲とは、放電ギャップの領域における当量比のばらつき出現想定に対応し点火が成される範囲であるので、当量比のばらつき出現想定分を十分に吸収できる範囲としている。つまり、燃料の噴霧にばらつきが生じたとしても、中心電極の第１面と接地電極の第２面との対向する放電ギャップの何処かにて、必ず点火可能な当量比の位置が存在するようにできる。従って、燃料の噴霧にばらつきが生じた場合であっても、確実に点火可能な当量比の位置で点火を行わせることができる。その結果、点火しない状態や一時的に点火したとしても失火する状態を防止することができる。

この場合、所定長さ範囲は、１．５ｍｍ〜３．０ｍｍであるとよい。これにより、当量比のばらつき出現想定分を確実に吸収することができる。

本発明の筒内噴射式内燃機関によれば、燃料の噴霧にばらつきが生じる場合であっても、中心電極の第１面と接地電極の第２面との間に形成される放電ギャップにて確実に点火することができる。

次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。

（１）筒内噴射式内燃機関の全体構成
本発明のスプレーガイド式の燃焼法を用いた筒内噴射式内燃機関について説明する。本実施形態における筒内噴射式内燃機関（以下、「エンジン」という）１０については、図１を参照して説明する。図１は、本実施形態のエンジン１０の構成などを示す図である。

まず、スプレーガイド式の燃焼法について、簡単に説明する。スプレーガイド式の燃焼法は、燃料噴射弁６から噴射された燃料をピストン２などの燃焼室２０を形成する壁に衝突させることなく、点火プラグ７近傍に理想的な混合気を配置する成層燃焼法である。すなわち、燃料噴射弁６から燃焼室２０内に直接噴射された燃料の噴霧に対して、点火プラグ７により直接点火させる燃焼法である。

このようなスプレーガイド式の燃焼法に用いるエンジン１０は、図１に示すように、シリンダブロック１と、ピストン２と、シリンダヘッド３と、吸気弁４と、排気弁５と、燃料噴射弁６と、点火プラグ７とから構成される。なお、シリンダブロック１の内周壁、ピストン２の頂面、およびシリンダヘッド３の天井内壁により、エンジンの燃焼室２０を区画している。

シリンダブロック１は、シリンダを形成している。ピストン２は、シリンダ内を図１の上下方向に往復移動する。シリンダヘッド３は、シリンダブロック１のシリンダを閉塞するように配置されている。このシリンダヘッド３には、燃焼室２０と連通し燃焼室２０へ吸入空気を導く通路である吸気ポート３ａと、燃焼室２０に連通し燃焼室２０内の燃焼ガス等を排出する通路である排気ポート３ｂとが形成されている。

吸気弁４は、吸気ポート３ａと燃焼室２０とを開閉可能に、シリンダヘッド３に配置されている。すなわち、この吸気弁４は、吸気管から吸気ポート３ａに導かれた吸入空気の燃焼室２０への流れを遮断および許容する。排気弁５は、燃焼室２０と排気ポート３ｂとを開閉可能に、シリンダヘッド３に配置されている。すなわち、この排気弁５は、燃焼室２０内に生成された燃焼ガス等の排気ポート３ｂへ流れを遮断および許容する。

燃料噴射弁６は、シリンダヘッド３に配置され、燃料を燃焼室２０内に直接噴射する。具体的には、燃料噴射弁６は、燃焼室２０内のうちピストン２の頂面に形成されるキャビティに向けて燃料を噴射供給する。さらに、燃料噴射弁６から噴射される燃料の噴霧の一部は、点火プラグ７の中心電極７１と接地電極７２との対向空間に形成される放電ギャップ７３へ供給される。そして、燃料噴射弁６が噴射する燃料の噴霧形状は、例えば、略円錐状をなしている。なお、燃料噴射弁６が噴射する燃料の噴霧の詳細については、後述する。

点火プラグ７は、燃料噴射弁６に対して傾斜するようにして、シリンダヘッド３に配置されている。すなわち、燃料噴射弁６から噴射される燃料の噴霧の中心軸と点火プラグ７のプラグ軸とが傾斜している。この点火プラグ７は、非常に大きなエネルギーが投下される中心電極７１と、中心電極７１との間に放電ギャップ７３を隔てて配置され、且つ、中心電極７１に対向して配置された接地電極７２とを備えている。つまり、点火プラグ７は、燃料噴射弁６から燃料が噴射された時に、中心電極７１にエネルギーが投下されることにより、放電ギャップ７３にて放電して燃料の噴霧を点火することができる。なお、点火プラグ７の先端部分、すなわち、中心電極７１、接地電極７２及び放電ギャップ７３の詳細については、以下に説明する。

（２）点火プラグ７の先端部分の詳細構成
次に、点火プラグ７の先端部分の詳細構成について、図２を参照して説明する。図２は、点火プラグ７の先端部分の拡大図を示す。図２に示すように、中心電極７１は、略同径からなる棒状をなしており、点火プラグ７の先端側（図２の下方側）にプラグ軸方向（図２の上下方向）へ延在している。さらに詳細には、中心電極７１は、点火プラグ７のほぼプラグ軸心上に延在している。そして、中心電極７１の図２の上端側が点火プラグ７のハウジングに絶縁碍子を介して支持され、中心電極７１の図２の下端側が自由端をなしている。

接地電極７２は、略Ｌ字型をなしており、一端（図２の上方側）が点火プラグ７のハウジングに支持され、他端（図２の下方側）が自由端をなしている。この接地電極７２の自由端と中心電極７１の自由端は、ほぼ同一高さに位置している。

この接地電極７２は、詳細には、基部７２ａと、端部７２ｂとから構成される。基部７２ａの上端側が、点火プラグ７のハウジングのうちプラグ軸中心から偏心した位置であって、プラグ軸方向に延在するように支持されている。

端部７２ｂは、基部７２ａの図２の下端に一体的に固定され、中心電極７１側に向かって延在している。すなわち、端部７２ｂは、プラグ軸直交方向（図２の左右方向）に延在している。つまり、端部７２ｂのうちの中心電極７１側の端面（本発明における第２面）７２ｃは、中心電極７１の外周面（本発明における第１面）に対向している。すなわち、端部７２ｂの端面７２ｃと中心電極７１の外周面とは、プラグ軸直交方向に対向していることになる。そして、この端部７２ｂの端面７２ｃと中心電極７１との間には、中心電極７１にエネルギーが投下された場合に放電可能な放電ギャップ７３を形成している。

さらに、端部７２ｂの端面７２ｃは、プラグ軸方向に対して僅かに傾斜した形状をなしている。具体的には、端部７２ｂの端面７２ｃは、端部７２ｂの図２の下端側ほど中心電極７１に近く、端部７２ｂの図２の上端側ほど中心電極７１から遠ざかるように傾斜している。すなわち、放電ギャップ７３は、中心電極７１及び接地電極７２の自由端側ほど狭く、中心電極７１及び接地電極７２の支持端側ほど広く形成されている。例えば、端部７２ｂの端面７２ｃのうち自由端側と支持端側とのプラグ軸直交方向の傾斜距離Ｌ１は、約０．４ｍｍ程度としている。このように放電ギャップ７３の異ならしめている理由は、燃料噴射弁６から噴射される燃料の噴霧の放電ギャップ７３付近における当量比に起因する。具体的には、放電ギャップ７３付近における燃料の噴霧の当量比が小さくなるにつれて、放電ギャップ７３が拡大するようにしている。

さらに、端部７２ｂの端面７２ｃのプラグ軸方向の長さＬ２、すなわち中心電極７１の外周面（第１面）と端部７２ｂの端面（第２面）７２ｃとのプラグ軸方向の対向する長さＬ２は、燃料噴射弁６から噴射される燃料の噴霧の当量比の放電ギャップ７３の領域におけるばらつき出現想定Ｌ３（図４及び図５に示す）以上を確保している。当該ばらつき出現想定Ｌ３が例えば２ｍｍの場合には、中心電極７１の外周面と端部７２ｂの端面７２ｃとのプラグ軸方向の対向する長さＬ２は、２ｍｍ以上、例えば４ｍｍ程度とする。ここで、中心電極７１の外周面と端部７２ｂの端面７２ｃとのプラグ軸方向の対向する長さＬ２は、例えば、１．５ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲とすればよい。これにより、当該長さＬ２を確実に放電ギャップ７３の領域における当量比のばらつき出現想定に対応させ、確実に点火が成されるようにすることができる。なお、燃料噴射弁６から噴射される燃料の噴霧の当量比の放電ギャップ７３付近におけるばらつき出現想定Ｌ３については、後述する。

ここで、点火プラグ７のシリンダヘッド３への取付角度について、図１及び図２を参照して説明する。接地電極７２の端部７２ｂの端面７２ｃのほぼ中間位置を通過するプラグ軸直交方向の直線が、燃料噴射弁６の噴射口を通過するように、点火プラグ７は配置されている。

（３）燃料噴射弁６が噴射する燃料の噴霧の位置と当量比の関係
次に、燃料噴射弁６が噴射する燃料の噴霧の位置と当量比ついて、図３を参照して説明する。図３は、燃料噴射弁６が噴射する燃料の噴霧の中心軸からの距離に対する当量比の関係を示す図である。

燃料の噴霧形状は略円錐状をなしているので、燃料噴射弁６の噴射口から放射線状の方向では、当量比はほぼ一定である。そして、図３に示すように、燃料の噴霧の中心軸からの距離が大きくなるほど、当量比は線形的に小さくなっている。つまり、燃料噴射弁６の噴射口から放射線状の方向以外の方向であって、燃料の噴霧の中心軸から遠ざかる方向であれば、当量比が小さくなっている。すなわち、当量比が大小変化する方向（当量比ばらつき方向）は、燃料の噴霧の中心軸に交差する方向や、当該中心軸に対してねじれの方向などである。

つまり、点火プラグ７のプラグ軸方向が、燃料噴射弁６の噴射口から放射線状の方向以外の方向であって、燃料の噴霧の中心軸から遠ざかる方向とすることで、放電ギャップ７３付近における燃料の噴霧の当量比が小さくなるにつれて、放電ギャップ７３が拡大するようになる。

さらに、点火プラグ７の中心電極７１が、当量比ばらつき方向に延在していることになる。また、中心電極７１の外周面（第１面）と接地電極７２の端部７２ｂの端面（第２面）７２ｃとの間に形成される放電ギャップ７３は、当量比ばらつき方向に対して略直交方向に形成されている。さらに、当該放電ギャップ７３は、当量比ばらつき方向に、狭いギャップから広いギャップが形成されている。また、中心電極７１の外周面（第１面）と接地電極７２の端部７２ｂの端面（第２面）７２ｃとの当量比ばらつき方向の対向する長さが、Ｌ２に相当することになる。

なお、点火プラグ７により燃料の噴霧に確実に点火するための当量比は、例えば０．８〜１．２の範囲である。つまり、図３に示すように、点火プラグ７の放電ギャップ７３が形成される位置は、燃料の噴霧の中心軸から所定距離離れた位置とする必要がある。そこで、図１に示すように、放電ギャップ７３が形成される位置は、燃料の噴霧の中心軸から所定距離離れた位置としている。

また、点火プラグ７により放電可能な当量比の範囲は、例えば１．１以下の範囲に調整されている。ただし、この放電可能な当量比の範囲は、中心電極７１へ投下されるエネルギー及び放電ギャップ７３の距離（中心電極７１の外周面と接地電極７２の端部７２ｂの端面７２ｃとのプラグ軸直交方向の離間距離）に依存する。ここでは、投下エネルギーを例えば１５ｍＪとした場合に、放電ギャップ７３を適宜調整することで、当量比１．１以下の範囲で放電可能となるようにしている。さらに、放電ギャップ７３が最も広い位置（支持端側の位置）であっても放電するようにしている。なお、放電ギャップ７３が狭いほど、放電しやすい。つまり、中心電極７１及び接地電極７２の自由端側ほど放電しやすく、中心電極７１及び接地電極７２の支持端側ほど放電しにくい状態となる。

（４）燃料噴射弁６が噴射する燃料の噴霧のばらつきについて
次に、燃料噴射弁６が噴射する燃料の噴霧について図４及び図５を参照して説明する。図４は、燃料噴射弁６が噴射する燃料の噴霧のばらつきについて説明する図である。図５は、点火プラグ７の先端部分と燃料の噴霧のばらつきの位置関係について説明する図である。

ここで、燃料噴射弁６から噴射される燃料の噴霧は、設計上の決定された領域に同形状となることが理想的な状態である。しかし、燃料の噴霧は、常に一定の領域且つ形状とすることは困難であり、僅かながらばらつきを生じる。例えば、燃料噴射弁６の噴射口から噴射される角度にばらつきが生じたりする。この場合を図４に示す。図４において、角度にずれのない場合、すなわち設計上の角度を実線にて示し、最も右側にずれた場合を短破線にて示し、最も左側にずれた場合を長破線にて示す。

そして、図４及び図５に示すように、放電ギャップ７３の領域において、燃料の噴霧の当量比のばらつき出現想定はＬ３（例えば、２ｍｍ）となる。ここで、端部７２ｂの端面７２ｃのプラグ軸方向の長さ、すなわち中心電極７１の外周面と端部７２ｂの端面７２ｃとのプラグ軸方向の対向する長さＬ２（例えば、４ｍｍ）は、当該当量比ばらつき出現想定Ｌ３よりも長い距離としている。さらに、燃料の噴霧のうち確実に点火可能な当量比ばらつき出現想定Ｌ３の中間位置が、放電ギャップ７３のプラグ軸方向のほぼ中間位置に位置するようにしている。すなわち、燃料の噴霧の当量比ばらつき出現想定Ｌ３の中間位置と、中心電極７１と端部７２ｂの端面７２ｃとのプラグ軸方向の対向する長さＬ２の中間位置とが、プラグ軸直交方向にほぼ一致している。ここで、前記当量比ばらつき出現想定Ｌ３は、予め実験等により算出するとよい。これにより、燃料の噴霧にばらつきが生じた場合であっても、放電ギャップ７３の何れかの場所では、確実に点火可能な当量比とすることができる。

（５）燃料の噴霧にばらつきが生じた場合における放電・点火位置
次に、燃料の噴霧にばらつきが生じた場合における放電・点火位置について、図６を参照して説明する。図６は、燃料の噴霧にばらつきが生じた場合における放電・点火位置について説明する図である。ここで、図６において、実線、短破線、及び長破線は、図５に示す燃料の噴霧のばらつきに対応する。すなわち、図６における実線は角度にずれのない場合を示し、図６における短破線は図５の最も右側にずれた場合を示し、図６における長破線は図５の最も左側にずれた場合を示す。

図６の実線、短破線、長破線にて示すように、放電ギャップ７３と当量比との関係は、中心電極７１及び接地電極７２の支持端側ほど当量比が小さく、中心電極７１及び接地電極７２の自由端側ほど当量比が大きくなっている。そして、図５において燃料の噴霧が右側にずれた場合には、ずれのない場合に比べて、放電ギャップ７３の全領域において当量比が大きくなっている。一方、図５において燃料の噴霧が左側にずれた場合には、ずれのない場合に比べて、放電ギャップ７３の全領域において当量比が小さくなっている。

また、放電可能な当量比は、１．１以下の範囲である。そして、放電ギャップ７３は、自由端側ほど狭く、支持端側ほど広くなっている。従って、自由端側ほど放電しやすい状態となる。つまり、放電位置は、当量比１．１以下の範囲のうち、できるだけ自由端側の位置となる。例えば、図６の実線にて示すずれのない場合においては、中心電極７１及び接地電極７２の自由端側と支持端側とのほぼ中間位置にて、放電することになる。また、図６の短破線にて示す図５の右側にずれた場合においては、中心電極７１及び接地電極７２の自由端側と支持端側との中間位置よりも支持端側にて、放電することになる。さらに、図６の長破線にて示す図５の左側にずれた場合においては、中心電極７１及び接地電極７２の自由端側と支持端側との中間位置よりも自由端側にて、放電することになる。

ここで、上述した放電する位置は、当量比が１．１付近の位置であるので、確実に点火可能な当量比０．８〜１．２の範囲内となっている。つまり、上述した位置にて放電させることにより、確実に点火させることができる。

上述したように、点火する位置は、放電可能な範囲のうち自由端側に位置している。すなわち、点火する位置は、放電可能な範囲のうち燃料の噴霧の中心軸側に位置している。このことにより、火炎の広がりを早くすることができる。ここで、最初に燃料の噴霧が点火して発生した火炎は、最初に点火した位置から燃料の噴霧のうち最も遠い位置までの距離が短いほど、燃料の噴霧全体に広がる早さが早くなる。そして、燃料の噴霧の略円錐状の中心軸側に近い位置にて最初に点火させることで、点火位置から燃料の噴霧のうち最も遠い位置までの距離をできるだけ短くすることができる。つまり、火炎の広がりをできるだけ早くすることができる。この結果、燃焼期間を短縮することができ、熱効率を向上させることができる。

（６）その他
なお、上記実施形態において、放電ギャップ７３の広狭を異なるようにするために、接地電極７２の端部７２ｂの端面７２ｃをプラグ軸方向に対して傾斜させるようにしたが、これに限られるものではない。例えば、中心電極７１をプラグ軸方向に対して傾斜させるようにしてもよい。また、中心電極７１及び接地電極７２の端部７２ｂの何れもをプラグ軸方向に対して傾斜させるようにしてもよい。また、中心電極７１の外周面及び／又は接地電極７２の端部７２ｂの端面７２ｃを階段状にしてもよい。さらに、接地電極７２の端部７２の端面７２ｃの傾斜は、一段の傾斜としたが、例えば図７に示すような複数段の傾斜としてもよい。

また、上記実施形態において、放電ギャップ７３の広狭を異なるようにしたが、例えば図８に示すように一定の放電ギャップ７３としてもよい。つまり、中心電極７１の外周面と接地電極７２の端部７２ｂの端面７２ｃとが略平行に対向するようにしてもよい。そして、この場合、放電ギャップ７３の当量比ばらつき方向の長さＬ２、すなわち中心電極７１の外周面と接地電極７２の端部７２ｂの端面７２ｃとの当量比ばらつき方向の対向する長さＬ２が、当量比ばらつき出現想定Ｌ３以上、例えば１．５ｍｍ〜３．０ｍｍの範囲内を確保すればよい。

また、上記実施形態においては、中心電極７１はプラグ軸方向に延在するようにし、且つ、中心電極７１の外周面と接地電極７２の端部７２ｂの端面７２ｃとがプラグ軸直交方向に対向するようにしたが、これに限られるものではない。中心電極７１と接地電極７２とが対向する方向に直交する方向が燃料の噴霧の当量比が小さくなる方向である限り、中心電極７１及び接地電極７２は、どのような形状・配置などであってもよい。ただし、中心電極７１と接地電極７２の対向距離が、燃料の噴霧の最大ばらつき距離以上を確保する必要がある。

本実施形態のエンジン１０の構成などを示す図である。 点火プラグ７の先端部分の拡大図である。 燃料噴射弁６が噴射する燃料の噴霧の中心軸からの距離に対する当量比の関係を示す図である。 燃料噴射弁６が噴射する燃料の噴霧のばらつきについて説明する図である。 点火プラグ７の先端部分と燃料の噴霧のばらつきの位置関係について説明する図である。 燃料の噴霧にばらつきが生じた場合における放電・点火位置について説明する図である。 点火プラグ７の先端部分の他の例を示す拡大図である。 点火プラグ７の先端部分の他の例を示す拡大図である。

符号の説明

１：シリンダブロック、 ２：ピストン、 ３：シリンダヘッド、
３ａ：吸気ポート、 ３ｂ：排気ポート、 ４：吸気弁、 ５：排気弁、
６：燃料噴射弁、 ７：点火プラグ、 １０：エンジン、 ２０：燃焼室、
７１：中心電極、 ７２：接地電極、 ７２ａ：基部、 ７２ｂ：端部、
７２ｃ：端面、 ７３：放電ギャップ、
Ｌ１：端面のプラグ軸直交方向の傾斜距離、
Ｌ２：端面のプラグ軸方向の距離、
Ｌ３：燃料の噴霧の当量比の放電ギャップ付近における最大ばらつき距離

Claims (6)

1. 燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、
   中心電極と、前記中心電極の第１面との間に放電ギャップを隔てて対向する第２面を有する接地電極と、を含む点火プラグと、
   を備え、
   前記燃料噴射弁から直接噴射される燃料噴霧の当量比が大小変化する方向を当量比ばらつき方向と規定したときに、
   前記第１面と前記第２面との間に形成される前記放電ギャップは、前記当量比ばらつき方向と略直交方向に、前記放電ギャップの領域における前記当量比のばらつき出現想定に対応し点火が成されるよう、狭いギャップから広いギャップを混在させて形成し、且つ、前記燃料の噴霧の当量比が小さくなるにつれて拡大するように設けられることを特徴とする筒内噴射式内燃機関。
2. 前記中心電極は、プラグ軸方向且つ前記当量比ばらつき方向に延在する棒状からなり、
   前記放電ギャップは、前記中心電極の自由端側から支持端側へ向かって拡大するように設けられることを特徴とする請求項１記載の筒内噴射式内燃機関。
3. 前記接地電極の前記第２面は、前記中心電極の前記第１面に対して傾斜するように設けられることを特徴とする請求項１又は２に記載の筒内噴射式内燃機関。
4. 前記接地電極の前記第２面は、前記中心電極の前記第１面に対して複数段傾斜するように設けられることを特徴とする請求項３記載の筒内噴射式内燃機関。
5. 燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と、
   中心電極と、前記中心電極の第１面との間に放電ギャップを隔てて対向する第２面を有する接地電極と、を含む点火プラグと、
   を備え、
   前記燃料噴射弁から直接噴射される燃料噴霧の当量比が大小変化する方向を当量比ばらつき方向と規定したときに、
   前記中心電極の前記第１面と前記接地電極の前記第２面とが対向する方向は、前記当量比ばらつき方向と略直交方向であり、
   前記中心電極の前記第１面と前記接地電極の前記第２面との前記当量比ばらつき方向の対向する長さは、前記放電ギャップの領域における前記当量比のばらつき出現想定に対応し点火が成される所定長さ範囲に含まれることを特徴とする筒内噴射式内燃機関。
6. 前記所定長さ範囲は、１．５ｍｍ〜３．０ｍｍあることを特徴とする請求項５記載の筒内噴射式内燃機関。

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