特開 2017-223131 内燃機関

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2017-223131(P2017-223131A)

(43)【公開日】2017年12月21日

(54)【発明の名称】内燃機関

(51)【国際特許分類】

   F02B 23/08 20060101AFI20171124BHJP

   H01T 13/08 20060101ALN20171124BHJP

【ＦＩ】

   F02B23/08 B

   F02B23/08 E

   H01T13/08

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2016-117613(P2016-117613)

(22)【出願日】2016年6月14日

(71)【出願人】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】特許業務法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】山本 征治

(72)【発明者】

【氏名】永岡 真

(72)【発明者】

【氏名】宮川 浩

【テーマコード（参考）】

3G023

5G059

【Ｆターム（参考）】

3G023AA17

3G023AB03

3G023AC01

3G023AD03

5G059AA01

5G059JJ25

(57)【要約】

【課題】内燃機関の燃焼室内における混合気流が変動しても、混合気の着火及び火炎形成を安定して行うことである。
【解決手段】中心電極１３と、プラグギャップＧを介して中心電極１３と対向する接地電極１４とを有する点火プラグ１０を備えた内燃機関１００であって、プラグギャップＧの近傍に開口２１を有し、プラグギャップＧの近傍の混合気を吸入して、プラグギャップＧに所定気流を発生する吸入室２２と、吸入室２２の開口２１を開閉する開閉弁２３と、開閉弁２３の開閉を制御する制御部３０とを備えた。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

中心電極と、プラグギャップを介して中心電極の先端と対向する先端部を含む接地電極とを有する点火プラグを備えた内燃機関であって、
前記プラグギャップの近傍に開口を有し、前記プラグギャップの近傍の混合気を吸入して、前記プラグギャップに所定気流を発生する吸入室と、
前記吸入室の前記開口を開閉する開閉弁と、
前記開閉弁の開閉を制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする内燃機関。

【請求項2】

請求項１に記載の内燃機関であって、
前記制御部は、前記開閉弁を前記点火プラグの点火直前に開弁して点火直後に閉弁することを特徴とする内燃機関。

【請求項3】

請求項１に記載の内燃機関であって、
前記制御部は、前記開閉弁を前記点火プラグの点火と略同時に開弁して点火直後に閉弁することを特徴とする内燃機関。

【請求項4】

請求項２または請求項３のいずれかに記載の内燃機関であって、
前記制御部は、前記開閉弁の閉弁後、次の吸気工程において前記開閉弁を開弁することを特徴とする内燃機関。

【請求項5】

請求項２〜４のいずれか一項に記載の内燃機関であって、
前記吸入室の前記開口が、燃焼室の混合気流において、前記プラグギャップの下流側に配置されていることを特徴とする内燃機関。

【請求項6】

請求項２〜５のいずれか一項に記載の内燃機関であって、
前記点火プラグの前記接地電極が、前記中心電極と前記吸入室の前記開口との間に位置しないように、前記点火プラグが取り付けられていることを特徴とする内燃機関。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、内燃機関に関し、特に、混合気に点火するための点火プラグを備える内燃機関に関する。

【背景技術】

【0002】

内燃機関に用いられる点火プラグには、混合気への高い着火性が求められている。このため、点火プラグのハウジングや接地電極に貫通孔を形成して、貫通孔を介して、中心電極と接地電極との間、いわゆるプラグギャップに混合気の気流を流入させて、混合気の着火性を向上する構成が知られている（例えば、特許文献１−３参照）。

【0003】

また、プラグギャップに発生する火花に筒外からの気体を噴出して、火花を湾曲させることにより火花を混合気に積極的に接触させて、混合気の着火性を向上する構成も知られている（例えば、特許文献４参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１５−０７２７４２号公報

【特許文献2】特開２００６−２８６４０２号公報

【特許文献3】特開２００７−３２３９０３号公報

【特許文献4】特開２０１０−０１５８５６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

内燃機関の燃焼室内では、スワール流やタンブル流等の混合気流が生成されて、混合気流と点火プラグの火花とが接触することにより、混合気が着火して火炎を形成している。しかし、内燃機関の燃焼室内における混合気流は、内燃機関の運転状態や負荷状態に応じて変動し、さらに、同一条件であったとしてもサイクル毎に変動する。特に、内燃機関が低負荷状態では、燃焼室内における混合気流が弱いので、プラグギャップに流入する混合気流も弱くなる。また、排気還流（ＥＧＲ）を行った状態では、混合気の燃焼性が低下するため、それを補うために一般的には気流を強く流入させるなどの対策を行う。その場合、筒内における混合気流が速くなるので、プラグギャップに流入する混合気流も早くなる。

【0006】

このため、特許文献１−３に記載の構成のように、混合気流をプラグギャップに流入させても、サイクル毎に、導入する混合気自体が変化するので、その流入状態も変化し、毎回、混合気が着火するタイミングが異なって、着火後の火炎核の形成やその成長がばらつくことがあり、安定した混合気の着火及び火炎形成を行うことが困難である。

【0007】

また、特許文献５に記載の構成のように、プラグギャップに発生する火花に燃焼室外からの気体を噴出して、火花と混合気とを積極的に接触させることは有効であるが、この場合、内燃機関の燃焼室の圧力よりも高圧の気体を燃焼室外から燃焼室内に噴出する必要がある。気体として、仮に混合気等を使用することが考えられるが、混合気を高圧にすることが必要であり、そのためにエネルギー消費が大きくなり燃費が悪化する、また、内燃機関が複雑になり大型化してしまう。

【0008】

そこで、本発明では、内燃機関の燃焼室内における混合気流が変動しても、混合気の着火及び火炎形成を安定して行うことを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の内燃機関は、中心電極と、プラグギャップを介して中心電極の先端と対向する先端部を含む接地電極とを有する点火プラグを備えた内燃機関であって、前記プラグギャップの近傍に開口を有し、前記プラグギャップの近傍の混合気を吸入して、前記プラグギャップに所定気流を発生する吸入室と、前記吸入室の前記開口を開閉する開閉弁と、前記開閉弁の開閉を制御する制御部と、を備えたことを特徴とする。

【0010】

また、前記制御部は、前記開閉弁を前記点火プラグの点火直前に開弁して点火直後に閉弁することを特徴とする。

【0011】

また、前記制御部は、前記開閉弁を前記点火プラグの点火と略同時に開弁して点火直後に閉弁することを特徴とする。

【0012】

また、前記制御部は、前記開閉弁の閉弁後、次の吸気工程において前記開閉弁を開弁することを特徴とする。

【0013】

また、前記吸入室の前記開口が、燃焼室の混合気流において、前記プラグギャップの下流側に配置されていることを特徴とする。

【0014】

また、前記点火プラグの前記接地電極が、前記中心電極と前記吸入室の前記開口との間に位置しないように、前記点火プラグが取り付けられていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、内燃機関の燃焼室内における混合気流が変動しても、混合気の着火及び火炎形成を安定して行うことができる。この結果、サイクル毎の火炎核の形成および火炎成長のばらつきを抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】第１の実施形態を示す内燃機関の点火プラグ近傍の模式図である。

【図2】開閉弁の開閉動作と点火プラグの点火時期との関係を示す特性図である。

【図3】開閉弁の開閉動作、吸入室圧力、火炎核径、火炎と吸入室との距離の関係と示す特性図である。

【図4】吸入室に混合気を吸入する動作を説明する模式図である。

【図5】吸入室から混合気を吐出する動作を説明する模式図である。

【図6】内燃機関の負荷状況と開閉弁の制御時期との関係を示す特性図である。

【図7】ＥＧＲ量と開閉弁の制御時期との関係を示す特性図である。

【図8】第２の実施形態を示す内燃機関の点火プラグ近傍の模式図である。

【図9】第３の実施形態を示す点火プラグの模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

第１の実施形態における内燃機関１００について説明する。図１は、内燃機関１００の燃焼室上部の模式図を示している。図１に示すように、内燃機関１００の各気筒内には、その内部を往復移動するピストン１が設けられている。気筒内におけるピストン１の頂部には燃焼室２が形成されている。燃焼室２には、図示しない吸気通路及び排気通路が連通している。吸気通路の燃焼室２への連通部には吸気弁が設けられ、排気通路の燃焼室への連通部には排気弁が設けられている。吸気通路を介して空気と燃料との混合気が燃焼室２に流入する。

【0018】

各気筒内には、混合気に点火するための点火プラグ１０が設けられている。また、各気筒内において点火プラグ１０の近傍には、プラグギャップＧの近傍の混合気を吸入して、プラグギャップＧに所定気流を発生する混合気流発生装置２０が設けられている。

【0019】

内燃機関１００は、吸気弁及び排気弁の開閉制御、点火プラグ１０の点火時期、混合気流発生装置２０の作動制御を行う制御部３０を備えている。制御部３０には、内燃機関１００の運転状態を検出するための各種センサが接続されている。また、制御部３０は、上述した各種センサからの検出情報に基づいて、吸気弁及び排気弁の開閉、点火プラグ１０の点火時期、混合気流発生装置２０の作動を制御する。

【0020】

図１において、点火プラグ１０は、一端に電力供給を受ける端子を含む本体部１１と、本体部１１の他端に設けられており、燃焼室２に突出するハウジング１２と、ハウジング１２の先端に設けられた中心電極１３と、中心電極１３の先端に対向する接地電極１４とを備えている。中心電極１３には、端子を介して高電圧が印加される。接地電極１４は、ハウジング１２からＬ字状に突出している。接地電極１４は、プラグギャップＧを介して中心電極１３の先端と対向する先端部１４ａと、先端部１４ａをハウジング１２に支持する基部１４ｂとを備えている。

【0021】

混合気流発生装置２０は、プラグギャップＧの近傍に開口２１を有する吸入室２２と、吸入室２２の開口２１を開閉する開閉弁２３と、開閉弁２３を開閉する可変バルブ機構（ＶＶＴ）２４とを備えている。

【0022】

吸入室２２は、プラグギャップＧの近傍の混合気を吸入することができる容量を備えている。すなわち、プラグギャップＧの近傍の混合気を吸入して、プラグギャップＧの近傍に混合気流を発生することが可能な容量を備えていればよい。

【0023】

開閉弁２３は、例えば、ポペット弁形式やニードル弁形式の弁機構である。ポペット弁形式の弁を可変バルブ機構２４によって駆動する。可変バルブ機構２４は、開閉弁の開閉タイミングやリフト量を可変とする機構であり、制御部３０によって、その開閉タイミングやリフト量を制御される。なお、可変バルブ機構２４に代えて、ピエゾ素子やソレノイドによって開閉弁２３を駆動してもよい。

【0024】

次に、混合気流発生装置２０の制御について図２〜５を参照して説明する。図２は、クランク角度と燃焼室圧力との関係における開閉弁２３の開閉タイミングを示す特性図である、図３は、開閉弁２３の開閉タイミングと、吸入室内圧、火炎核の径、火炎・吸入室間の距離との関係を示す特性図である。図４、５は、開閉弁２３を開弁したときの混合気の流れを示す模式図である。

【0025】

図２に示すように、１回の燃焼サイクルにおいて、開閉弁２３は２回開閉制御される。すなわち、図２において、開閉弁２３は、点火プラグ１０の点火（図中符号Ｎ１）前に、符号Ｖ１のタイミングで開弁して、点火後に符号Ｖ２のタイミングで閉弁する。また、吸気弁が閉弁（図中符号Ｎ２）する前に、符号Ｖ３のタイミングで開弁して、続いて符号Ｖ４のタイミングで閉弁する。

【0026】

まず、点火プラグ１０の点火前後における開閉動作について詳しく説明する。図３に示すように、点火プラグ１０の点火の所定時間前、すなわち、圧縮工程において、開閉弁２３を開弁する。このとき、燃焼室２は、吸気通路からの混合気流がピストン１によって圧縮された高圧の混合気で満たされている。この状態において、開閉弁２３が開弁されるので、燃焼室２の混合気は、燃焼室２の圧力よりも低圧である吸入室２２に吸入される。

【0027】

吸入室２２の開口２１はプラグギャップＧの近傍に設けられているので、図４に示すように、プラグギャップＧの近傍の混合気は燃焼室２の混合気流によらず強制的に吸入室２２に吸入される。すなわち、プラグギャップＧから吸入室２２に向かう所定気流が発生する。そして、この所定気流の発生中に点火プラグ１０を点火する。

【0028】

図３の特性線Ｒに示すように、点火と同時に所定気流の混合気に着火して、火炎核が形成されて、火炎核の成長により火炎核の径が大きくなる。また、図３の特性線Ｄに示すように、火炎核の成長によって、火炎と吸入室２２との距離が短くなる。火炎が開口２１に到達する前に、開閉弁２３を閉弁する。この閉弁によって、吸入室２２は高圧の未燃混合気で満たされて、図３の特性線Ｐに示すように、吸入室２２の内部は高圧になる。

【0029】

その後、燃焼室２では混合気の燃焼が行われて、燃焼ガスが排気通路を介して排気される。続いて、次の吸気工程が開始されて、この吸気工程において、開閉弁２３を再度開弁する。この際、図５に示すように、燃焼室２の混合気よりも吸入室２２の内部の混合気の方が高圧であるため、前の圧縮工程で流入した吸入室２２の内部の未燃混合気は、燃焼室２に吐出される。吸入室２２の内部の混合気の吐出後、開閉弁２３を閉弁する。そして、圧縮工程が行われて、上述した開閉弁２３の制御が繰り返される。

【0030】

図６、７において、内燃機関１００の運転条件と開閉弁２３の制御について説明する。図６は、内燃機関１００と点火プラグ１０及び開閉弁２３との制御時期との関係を示す特性図である。また、図７は、ＥＧＲ量と点火プラグ１０及び開閉弁２３との制御時期との関係を示す特性図である。

【0031】

図６において、例えば、登坂時や加速時等に内燃機関１００の負荷が増加する場合には、特性線Ｌ１に示すように、点火時期を遅角制御している。この場合、特性線Ｌ２，Ｌ３に示すように、吸入室２２の開閉弁２３の開閉時期を、この遅角制御に応じて遅角制御する。また、このとき、燃焼室２の混合気圧力は通常運転よりも高くなるので、開閉弁２３の開閉期間を短くする制御を行う。

【0032】

また、図７において、ＥＧＲを行って希薄条件の混合気において燃焼を行う場合には、特性線Ｌ４に示すように、点火時期を進角制御している。この場合、特性線Ｌ５，Ｌ６に示すように、吸入室２２の開閉弁２３の開閉時期を、この進角制御に応じて進角制御する。また、このとき、燃焼室２の混合気圧力は通常運転よりも低くなるので、開閉弁２３の開閉期間を長くする制御を行う。また、リーンバーン運転時の希薄条件の混合気においても同様の制御を行う。

【0033】

このように、混合気への点火時に、プラグギャップＧの近傍の混合気の気流が乱れていても、この気流に依存せず、毎回、プラグギャップＧの近傍に所定気流を発生させることができるので、混合気に着火するタイミングを毎回一定に維持することができ、着火後の火炎核の形成やその成長のばらつきを抑制することができ、安定した混合気の着火及び火炎形成を行うことが可能になる。すなわち、吸入室２２及び開閉弁２３により発生されるプラグギャップＧの近傍の所定気流は、燃焼室２の内部の混合気流よりも強い気流であり、かつ、安定しているので、混合気に着火するタイミングを一定に維持することができる。

【0034】

また、吸入室２２に吸入した混合気は、次の吸気工程において燃焼室２に戻されるので、混合気を無駄にすることなく、吸入室２２への混合気の吸入、吐出のサイクルを行うことができる。

【0035】

さらに、吸入室２２への混合気の吸入、吐出は、吸入室２２と燃焼室２との圧力差を利用することによって行われるため、混合気の吸入、吐出に外部の駆動力、例えば、高圧ポンプ等は必要なく、装置の小型化を図ることができる。また、省エネルギー化も可能となる。

【0036】

また、ポペット弁形式やニードル弁形式の弁機構を使用することによって、プラグギャップＧの近傍の混合気を直線的に吸入することができる。プラグギャップＧの近傍にピンポイントの所定気流を形成することができる。

【0037】

次に第２の実施形態について説明する。第２の実施形態の構成は、第１の実施形態の構成と略同じであり、混合気を吸入する時期が相違している。点火プラグ１０は、燃焼室２の上壁面を構成する図示しないシリンダヘッドに螺合されている。第２の実施形態では、点火プラグ１０は、図８に示すように、接地電極１４の基部１４ｂが、吸入室２２の開口２１から離れて対向するように、その取付角度が規定されている。すなわち、接地電極１４の基部１４ｂが、中心電極１３に対して吸入室２２の開口２１と反対側に位置するように、点火プラグ１０の取付角度が規定されている。なお、このように点火プラグ１０の取付角度を規定するには、点火プラグ１０の組み付け作業時に点火プラグ１０に位置決め用の目印を付けておき、その目印に基づいて、点火プラグ１０の取付角度を規定して取り付けることによって行う。一般的には、接地電極１４の基部１４ｂが、ギャップ間への気流の流入を阻害するため点火が不安定になるが、この第２の実施形態では強制的な気流が形成されるため問題ない。

【0038】

点火プラグ１０の点火と開閉弁２３の開閉動作について説明する。点火プラグ１０の点火と同時に、開閉弁２３を開弁する。このとき、点火によって形成された火炎核が吸入室２２に向かって吸入される。つまり、火炎核が接地電極１４の基部１４ｂから離れる方向に吸入される。そして、第１の実施形態と同様に、火炎が開口２１に到達する前に、開閉弁２３を閉弁する。この閉弁によって、吸入室２２は高圧の混合気で満たされる。

【0039】

その後、第１の実施形態と同様に、燃焼室２では混合気の燃焼が行われて、燃焼ガスが排気通路を介して排気される。続いて次の吸気工程が開始されて、この吸気工程において、開閉弁２３を再度開閉して、吸入室２２の内部の混合気が燃焼室に吐出される。

【0040】

このように、点火プラグ１０の点火と同時に開閉弁２３を開弁することにより、火炎核が接地電極１４の基部１４ｂから離れる方向に吸入される。この結果、火炎核を接地電極１４から離間させることができ、火炎核の接地電極１４への熱損失を低減することができ、混合気の着火性を向上することができる。これにより、着火後の初期燃焼速度を向上させることができ、希薄燃焼（リーンバーン）の希薄率を向上することができ、内燃機関１００の熱効率を向上することが可能になる。

【0041】

なお、点火プラグ１０の点火と同時に開閉弁２３を開弁していたが、点火プラグ１０の点火の直前に開閉弁２３を開弁しても、同様の効果を得ることができる。この場合、点火直前から混合気の吸入が開始されるので、より確実に、火炎核を接地電極１４の基部１４ｂから離れる方向に吸入することができる。

【0042】

ここで、燃焼室２の内部の混合気流と、吸入室２２の開口２１による混合気の吸入方向との関係について説明する。第１、２の実施形態において、吸入室２２の開口２１が、燃焼室２の内部の混合気流において、中心電極１３の下流側、すなわち、プラグギャップＧの下流側に配置されている。

【0043】

このように、吸入室２２の開口２１を配置することによって、燃焼室２の内部において、例えば、スワール流またはタンブル流の混合気流が発生している場合、その混合気流の流れに沿って、プラグギャップＧの近傍の混合気を吸入室２２に吸入できるので、燃焼室２の内部の混合気流の流れに逆らわず、混合気を吸入することができ、プラグギャップＧの近傍の混合気を効率よく吸入室２２に吸入することができる。

【0044】

次に第３の実施形態について説明する。第３の実施形態は、混合気流発生装置４０を、点火プラグ５０に一体的に組み込んだ構成である。図９に示すように、点火プラグ５０の本体部５１の側部に、混合気流発生装置４０が埋設されている。混合気流発生装置４０は、中心電極５２と接地電極５３との間のプラグギャップＧに向かって開口する開口４１と、この開口４１に連通する吸入室４２と、開口４１を開閉する開閉弁４３と、この開閉弁４３を開閉する駆動部４４とを備えている。開閉弁４３を駆動する制御については、第１、２の実施形態の制御と同様である。

【0045】

このように、混合気流発生装置４０を点火プラグ５０と一体的に構成することによって、混合気流発生装置４０を小型化することができ、吸排気通路や吸排気弁等との干渉を抑制することができる。

【符号の説明】

【0046】

１ ピストン、２ 燃焼室、１０，５０ 点火プラグ、１１，５１ 本体部、１２ ハウジング、１３，５２ 中心電極、１４，５３ 接地電極、１４ａ 先端部、１４ｂ 基部、２０，４０ 混合気流発生装置、２１，４１ 開口、２２，４２ 吸入室、２３，４３ 開閉弁、２４ 可変バルブ機構、３０ 制御部、４４ 駆動部、１００ 内燃機関、Ｇ プラグギャップ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】