JP6337877B2

JP6337877B2 - 内燃機関の燃焼室構造

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Publication number: JP6337877B2
Application number: JP2015240745A
Authority: JP
Inventors: 光則早田; 山本　剛; 剛山本; 康志中原; 養祖　隆; 隆養祖; 博聴阿部; 高皓長野; 井上　淳; 淳井上; 和弘長津; 隆史神長; 藤川　竜也; 竜也藤川
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Priority date: 2015-12-10
Filing date: 2015-12-10
Publication date: 2018-06-06
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Description

ここに開示する技術は、内燃機関の燃焼室構造に関する。

特許文献１には、燃焼室内に強いタンブル流を発生させることによって、燃費向上を図るよう構成されたエンジンが記載されている。つまり、このエンジンは、吸気ポートから
シリンダ内に流入する吸気によって燃焼室内に強いタンブル流を発生させることで、吸気ポートに噴射した燃料の均質化を図ると共に、燃焼を促進するようにしている。

このエンジンでは、シリンダヘッドの天井面におけるシリンダの軸心上に点火プラグを配置しており、強いタンブル流によって、点火プラグの火花が消炎しないように、点火プラグの側方電極の向きを、タンブル流に対して直交する方向に伸びる向きにしている。こうすることで、点火プラグによって発生した火花が、タンブル流に流されたときに、側方電極に衝突することが防止される。

実開平７−４２４３３号公報

特許文献１に記載されたエンジンは、吸気ポートからシリンダ内に流入する吸気流れを利用することによって、燃焼室内に強いタンブル流を発生させるようにしている。燃焼室内の流動はタンブル流に限らない。例えば特許文献１とは異なり、燃焼室内に燃料を直接噴射するように構成すると共に、その燃料の噴射によって、燃焼室内に所定の流動を発生させることも考えられる。燃焼室内に発生させる流動状態に応じて、点火プラグの配置等を工夫することにより、混合気の着火性を最適化させる必要がある。

ここに開示する技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、点火プラグの配置を工夫することによって、混合気の着火性を向上させることにある。

ここに開示する技術は、シリンダの周壁と、前記シリンダに内挿されたピストンの頂面と、シリンダヘッドの天井面とによって区画される燃焼室内に、燃料を直接噴射するよう構成されたインジェクタと、燃焼室内の混合気に点火を行うよう中心電極と側方電極とを有して構成された点火プラグと、を備えた内燃機関の燃焼室構造に係る。

前記ピストンは、その頂面に、前記シリンダの軸心に対し略対称な形状のキャビティを有し、前記インジェクタは、前記天井面における前記シリンダの軸心上に配置されかつ、前記ピストンが圧縮上死点付近に位置するときに、前記キャビティの面に沿って燃料と空気との混合気が流れるように前記燃料を噴射するよう構成され、前記インジェクタが燃料を噴射することによって前記燃焼室内には、前記キャビティの面に沿って、前記シリンダの軸心から径方向の外方に放射状に拡がった後、前記シリンダヘッドの前記天井面に沿って、前記径方向の外方から前記シリンダの軸心に向かう流れが形成される。

そして、前記点火プラグは、前記中心電極と前記側方電極とのギャップが、前記天井面に沿って前記径方向の外方から前記シリンダの軸心に向かう流れ内に位置するように、前記ギャップが、前記天井面における、前記シリンダの軸心から前記径方向の外方に所定距離だけ離れた位置でかつ、前記キャビティの開口縁に相対する位置よりも径方向の内方に位置し、前記側方電極が、前記天井面に沿って径方向の外方から前記シリンダの軸心に向かう流れに直交する方向に伸びる向きとされ、前記キャビティは、前記混合気が前記天井面の前記ギャップよりも径方向外方に指向するよう、前記キャビティの中心から前記開口縁まで内径が次第に拡大して形成されており、前記ギャップの中心位置が、前記天井面よりも前記燃焼室の内方でかつ、当該天井面の近傍に位置している。

この構成によると、シリンダヘッドの天井面における、シリンダの軸心上に配置されたインジェクタから、ピストンの頂面に設けたキャビティに向かって燃料が噴射される。この燃料噴射によって、燃焼室内には、キャビティの面に沿って、シリンダの軸心から径方向の外方に放射状に拡がった後、天井面に沿って、径方向の外方からシリンダの軸心に向かう流れが形成される。このガス流動によって、噴射した燃料の均質化と、燃焼の促進が図られる。

点火プラグは、中心電極と側方電極とのギャップが、シリンダヘッドの天井面に沿って径方向の外方からシリンダの軸心に向かう流れ内に位置するように配置されている。具体的に点火プラグは、天井面における、シリンダの軸心から径方向の外方に所定距離だけ離れた位置でかつ、キャビティの開口縁に相対する位置よりも径方向の内方に位置している。キャビティの面に沿って、シリンダの軸心から径方向の外方に放射状に拡がった後、天井面に沿って、径方向の外方からシリンダの軸心に向かう流れに沿って移動する燃料が、点火プラグ付近に到達するまでの間に、燃料は十分に気化すると共に、空気と十分に混合する。これにより、サイクル毎又は気筒間での混合気の濃度ばらつきを防止することが可能になる。所定の位置に配置された点火プラグによって、均質な混合気に着火が行われる。

また、点火プラグの側方電極は、その向きが、天井面に沿って径方向の外方からシリンダ軸心に向かう流れに直交する方向に伸びる向きとされる。これにより、側方電極がガス流動を阻害することが防止される。尚、側方電極の向きは、Ｌ字状の側方電極において、中心電極に向かい合う部分が伸びる方向によって定義される。側方電極の向きは、「天井面に沿って径方向の外方からシリンダ軸心に向かう流れに直交する方向に伸びる向き」を基準として、±３０°の範囲とすることが好ましい。

さらに、点火プラグのギャップが、天井面よりも燃焼室の内方でかつ、天井面の近傍に位置している。これにより、天井面に沿って流れる混合気に対して効果的に点火エネルギを付与して、混合気の着火性を高めることが可能になる。ここで、「点火プラグのギャップが、天井面の近傍に位置している」とは、ピストンが圧縮上死点に位置している状態で、点火プラグのギャップ中心が、ピストンの頂面のキャビティの面よりも、シリンダヘッドの天井面に近い位置に位置していると定義してもよい。

これらの結果、前記の構成では混合気に対し、安定的な着火が実現すると共に、前述した燃焼室内のガス流動によって燃焼が促進する。

前記インジェクタは、前記ピストンが圧縮上死点近傍にある時に燃料を噴射する。

圧縮上死点近傍で燃料を噴射することで、ピストンのキャビティ形状に沿った混合気流れを作ることができ、燃料を点火プラグのギャップ付近に確実に導くことができる。

前記内燃機関の燃焼室構造は、前記シリンダの軸心を挟んだ第１の前記点火プラグの逆側に配設されかつ、中心電極と側方電極とを有して構成された第２の点火プラグを備え、前記第２の点火プラグは、前記中心電極と前記側方電極とのギャップが、前記天井面に沿って径方向の外方から前記シリンダの軸心に向かう流れ内に位置するように、前記ギャップが、前記天井面における、前記シリンダの軸心から径方向の外方に前記所定距離だけ離れた位置でかつ、前記キャビティの開口縁に相対する位置よりも径方向の内方に位置し、前記側方電極が、前記天井面に沿って径方向の外方から前記シリンダの軸心に向かう流れに直交する方向に伸びる向きとされ、前記ギャップの中心位置が、前記天井面よりも前記燃焼室の内方でかつ、当該天井面の近傍に位置している、としてもよい。

第１の点火プラグ及び第２の点火プラグは、シリンダの軸心を挟んだ一側と他側とに配設されている。また、第１の点火プラグも、第２の点火プラグも、インジェクタから径方向の外方に、同じ所定距離だけ離れた位置に位置している。さらに好ましくは、前記第２の点火プラグは、シリンダ軸心方向視した時のギャップの中心位置が前記第１の点火プラグのギャップの中心位置とシリンダ中心軸とを結ぶ直線の延長線上に配置される。第１の点火プラグの付近に到達する混合気が、前述の通り、均質混合気となるのと同様に、第２の点火プラグの付近に到達する混合気も、燃料がここに到達する間に、十分に気化すると共に、空気と十分に混合する。こうして、サイクル毎又は気筒間での混合気の濃度ばらつきを防止することが可能になる。

また、第２の点火プラグも、第１の点火プラグと同様に、側方電極の向きが、天井面に沿って径方向の外方からシリンダ軸心に向かう流れに直交する方向に伸びる向きとされるため、第２の点火プラグの側方電極が、ガス流動を阻害することが防止される。また、第２の点火プラグのギャップも、天井面よりも燃焼室の内方でかつ、天井面の近傍に位置しているため、混合気に対して効果的に点火エネルギを付与して、混合気の着火性を高めることが可能になる。

こうして、第１及び第２の点火プラグのそれぞれについて、安定的な着火が実現すると共に、シリンダの軸心を挟んだ一側及び他側に配置された、２つの点火プラグのそれぞれで着火を行うことにより、急速燃焼が実現する。これによって、内燃機関の熱効率が高まる。

前記シリンダヘッドには、２つの吸気ポートと、２つの排気ポートとが形成され、前記第１の点火プラグ及び前記第２の点火プラグの一方は、前記２つの吸気ポートの間に配設され、前記第１の点火プラグ及び前記第２の点火プラグの他方は、前記２つの排気ポートの間に配設されている、としてもよい。

シリンダの軸心上にインジェクタを配置すると共に、２つの点火プラグを、シリンダの軸心に対し対称となるように、吸気側と排気側とのそれぞれに配置することにより、シリンダヘッドにおける、インジェクタ及び２つの点火プラグのレイアウト性が良好になる。

前記第１の点火プラグの前記側方電極の向きと、前記第２の点火プラグの前記側方電極の向きとは、互いに反対向きである、としてもよい。

シリンダの軸心上に配置されたインジェクタから噴射される燃料によって形成される燃焼室内の流動は、キャビティの壁に沿ってシリンダの軸心を中心とした３６０°の全周にわたって、放射状に拡がると共に、シリンダヘッドの天井面に沿ってシリンダの軸心を中心とした３６０°の全周から、シリンダの軸心に向かって集中するように流れる。シリンダヘッドの天井面に配置した２つの点火プラグの側方電極の向きを、互いに反対向きとすることによって、燃焼室内の全周的なガス流れに対応することが可能になり、混合気の着火性がさらに安定化すると共に、燃焼の安定化にも有利になる。

前記点火プラグは、前記インジェクタから前記シリンダの内周面までの間の、中央に位置している、としてもよい。

こうすることで、前述したように、燃料が点火プラグ付近に到達するまでの間に、混合気の均質化が図られ、混合気の着火の安定化に有利になる。また、点火プラグとシリンダの内周面との距離も離れるため、点火プラグによって着火された火炎が、点火プラグを中心として燃え広がり易くなる。これは、燃焼の安定化に有利になる。特に、第１及び第２の点火プラグを備えた構成においては、急速燃焼に有利になる。

前記キャビティは、前記シリンダの軸心上で上向きに凸となった凸部と、前記凸部の周囲で凹陥すると共に、前記キャビティの底部から開口に向かって拡径するように、周側面が前記シリンダの軸心に対して傾斜した凹陥部とを有している、としてもよい。

こうすることで、シリンダの軸心上に配置されたインジェクタから噴射された燃料は、キャビティの凸部に沿うように流れ、凸部の周囲で凹陥する凹陥部に到る。そして、燃料は、キャビティの面に沿って、シリンダの軸心から径方向の外方に向かって放射状に拡がる。前記の構成は、燃焼室内に、キャビティの面に沿って、シリンダの軸心から径方向の外方に放射状に拡がるガス流れを形成する上で有利であり、ひいては、シリンダヘッドの天井面に沿って、径方向の外方からシリンダの軸心に向かう流れを形成する上で有利である。

前記天井面は、吸気側及び排気側のそれぞれから、前記シリンダの軸心に向かって上り勾配となったペントルーフ形状である、としてもよい。

こうすることで、キャビティの面に沿って、シリンダの軸心から径方向の外方に放射状に拡がった後の、シリンダヘッドの天井面に沿って、径方向の外方からシリンダの軸心に向かう流れを形成する上で有利になる。上り勾配となった天井面の途中に、点火プラグを配置することによって、混合気の着火性が安定化すると共に、燃焼の安定化も図られる。

前記ギャップの中心位置と、前記天井面との間隔は、０ｍｍ以上２ｍｍ以下に設定されている、としてもよい。

点火プラグの電極を、天井面から突出させすぎると、電極が高温に曝されて熱を持つようになり、点火プラグの電極がホットスポットとなって熱源プリイグニッションが発生してしまう。一方、点火プラグの電極の突出量が小さすぎると（つまり、ギャップの中心位置と天井面との間隔が０ｍｍ未満であると）、混合気が電極間を通過しなくなり、着火ができない、又は、着火し難くなる。

点火プラグの電極のギャップの中心位置と、天井面との間隔を０ｍｍ以上２ｍｍ以下に設定することによって、点火プラグの電極の突き出し量が適正化する。
尚、点火プラグのギャップは、０．７ｍｍ以上１．５ｍｍ以下に設定することが好ましい。点火プラグのギャップが大き過ぎると、放電に大電流が必要になる。点火プラグのギャップが小さ過ぎると、電極が火炎の熱を吸収して火炎が消えてしまう消炎作用が生じ、着火し難くなる。

ここに開示する内燃機関の燃焼室構造は、シリンダの周壁と、前記シリンダに内挿されたピストンの頂面と、シリンダヘッドの天井面とによって区画される燃焼室内に、燃料を直接噴射するよう構成されたインジェクタと、燃焼室内の混合気に点火を行うよう中心電極と側方電極とを有して構成された点火プラグと、を備えた内燃機関の燃焼室構造であって、前記ピストンは、その頂面に、前記シリンダの軸心に対し対称でかつ、前記シリンダの軸線上に円錐状に形成されて前記シリンダヘッドの方に凸となった凸部を備えるキャビティを有し、前記インジェクタは、前記天井面における前記シリンダの軸心上に配置されかつ、前記ピストンが圧縮上死点付近に位置するときに、混合気が前記凸部の表面に沿う方向に前記キャビティ内に向かって前記燃料を噴射するよう構成され、前記インジェクタが燃料を噴射することによって前記燃焼室内には、前記キャビティの面に沿って、前記シリンダの軸心から径方向の外方に放射状に拡がった後、前記シリンダヘッドの前記天井面に沿って、径方向の外方から前記シリンダの軸心に向かう流れが形成され、前記点火プラグは、前記中心電極と前記側方電極とのギャップが、前記天井面に沿って径方向の外方から前記シリンダの軸心に向かう流れ内に位置するように、前記ギャップが、前記天井面における、前記シリンダの軸心から径方向の外方に所定距離だけ離れた位置でかつ、前記キャビティの開口縁に相対する位置よりも径方向の内方に位置し、前記側方電極が、前記天井面に沿って径方向の外方から前記シリンダの軸心に向かう流れに直交する方向に伸びる向きとされ、前記キャビティは、前記混合気が前記天井面の前記ギャップよりも径方向外方に指向するよう、前記キャビティの中心から前記開口縁まで内径が次第に拡大して形成されており、前記ギャップの中心位置が、前記天井面よりも前記燃焼室の内方でかつ、当該天井面の近傍に位置している。

以上説明したように、前記の内燃機関の燃焼室構造によると、燃料噴射によって燃焼室内に形成されるガス流れに対し、点火プラグを所定の配置にすることで、着火の安定化を図ることができる。

図１は、内燃機関の燃焼室の構成を示す断面図である。図２の上図は、シリンダヘッドの天井面を示す図、下図は、燃焼室部分を拡大して示す断面図である。図３は、ピストンの頂面に設けたキャビティの形状と、燃焼室内の流動を説明する斜視説明図である。図４は、点火プラグの電極の配置を説明する拡大図である。図５は、図２とは異なる点火プラグの配置を示す燃焼室部分の拡大断面図である。

以下、ここに開示する内燃機関の燃焼室構造について、図面を参照しながら説明をする。尚、以下の説明は、例示である。図１は、内燃機関の燃焼室の構造を示している。火花点火式の内燃機関として構成されているエンジン１は、図示は省略するが、自動車等の車両における前部のエンジンルーム内で、例えば横置きに搭載される。エンジン１の出力軸であるクランクシャフトは、図示を省略する変速機を介して駆動輪に連結されている。エンジン１の出力を駆動輪に伝達することによって車両が走行する。尚、エンジン１は縦置きであってもよい。

エンジン１は、シリンダブロック２１と、シリンダブロック２１の上に載置されるシリンダヘッド２２と、を備えている。シリンダブロック２１の内部には、複数のシリンダ２３が設けられている。この例では、エンジン１は、４つのシリンダ２３を有する。４つのシリンダ２３は、図１における紙面に垂直な方向であるクランクシャフト方向に並んで配置されている。尚、エンジン１のシリンダ数、及び、シリンダの配列は、特定の数及び配列に限定されない。

各シリンダ２３内には、図外のクランクシャフトに対しコネクティングロッド２６を介して連結されるピストン２４が内挿されている。ピストン２４は、シリンダ２３内で往復動可能に構成される。ピストン２４の頂面２４１と、シリンダヘッド２２の天井面２２１と、シリンダ２３の周面とは、燃焼室２５を区画形成する。

ピストン２４の頂面２４１には、頂面２４１から凹陥するキャビティ２４２が形成されている。キャビティ２４２は、図１、図２の下図、及び図３に示すように、シリンダ２３の軸心Ｘに対して、対称な形状を有している。

キャビティ２４２は、凸部２４２１を有している。凸部２４２１は、シリンダ２３の軸心Ｘ上に設けられている。凸部２４２１は、略円錐状である。凸部２４２１は、キャビティ２４２の底部から、シリンダ２３の軸心Ｘに沿って上向きに（言い換えるとシリンダヘッド２２の天井面２２１に向かって）伸びている。凸部２４２１の上端は、図１及び図２の下図に示すように、キャビティ２４２の頂面２４１とほぼ同じ高さとなるように構成されている。

キャビティ２４２はまた、凸部２４２１の周囲に設けられた凹陥部２４２２を有している。凹陥部２４２２は、凸部２４２１の全周囲を囲むように構成されている。凹陥部２４２２は、キャビティ２４２の底部から、ピストン２４の頂面２４１におけるキャビティ２４２の開口に向かって、キャビティ２４２の内径が次第に拡大するように、周側面がシリンダ２３の軸心Ｘに対して傾いている。

ピストン２４は、キャビティ２４２の周囲に平らな頂面２４１を有している。頂面２４１には、図３に示すように、その一部に、後述する吸気バルブ３１及び排気バルブ３２のためのバルブリセス２４３、２４３が設けられている。

図１及び図２において仮想的に示すように、シリンダヘッド２２には、シリンダ２３毎に、２つの吸気ポート２３１、２３１が形成されている。各吸気ポート２３１は、燃焼室２５に連通する。図２に示すように、吸気ポート２３１には、燃焼室２５と吸気ポート２３１との間を遮断可能な吸気バルブ３１が配設されている。２つの吸気バルブ３１は、エンジン１のクランクシャフト方向に並んで配置される。吸気バルブ３１は、図示を省略する吸気動弁機構によって駆動され、所定のタイミングで吸気ポート２３１を開閉する。

シリンダヘッド２２にはまた、図１及び図２において仮想的に示すように、シリンダ２３毎に、２つの排気ポート２３２、２３２が形成されている。各排気ポート２３２は、燃焼室２５に連通する。排気ポート２３２には、燃焼室２５と排気ポート２３２との間を遮断可能な排気バルブ３２が配設されている。２つの排気バルブ３２は、エンジン１のクランクシャフト方向に並んで配置される。排気バルブ３２は、図示を省略する排気動弁機構によって駆動され、所定のタイミングで排気ポート２３２を開閉する。

シリンダヘッド２２の天井面２２１は、図２に示すように、吸気側からシリンダ２３の軸心Ｘに向かって上り勾配となった傾斜面２２１１と、排気側からシリンダの軸心Ｘに向かって上り勾配となった傾斜面２２１２とを含んでいる。シリンダヘッド２２の天井面２２１は、いわゆるペントルーフ形状である。シリンダヘッド２２の天井面２２１はまた、吸気側の傾斜面２２１１の外側、及び、排気側の傾斜面２２１２の外側のそれぞれに、ピストン２４の頂面２４１に向かい合う平坦面２２１３を含んでいる。

ここで、このエンジン１は、熱効率の向上を目的として、幾何学的圧縮比εが高くなるように構成されている（例えばε≧１５）。図１に示すように、ピストン２４が上死点
に到達したときの燃焼室２５の容積は小さい。但し、ここに開示する技術は、幾何学的圧縮が低いエンジンに対しても適用可能である。エンジン１の幾何学的圧縮比εは、１０以上とすればよい。

シリンダヘッド２２には、シリンダ２３毎にインジェクタ４３が取り付けられている。インジェクタ４３は、シリンダ２３の軸心Ｘ上に配設されている。インジェクタ４３の噴射口は、シリンダヘッド２２の天井面２２１における、吸気側の傾斜面２２１１と排気側の傾斜面２２１２とが交わる箇所に位置している。インジェクタ４３は、シリンダ２３内に直接、燃料（ここでは、ガソリン、又は、ガソリンを含む燃料）を噴射するように構成されている。インジェクタ４３の構成は、どのようなものであってもよいが、例えば多噴口型のインジェクタとしてもよい。インジェクタ４３は、図示を省略するエンジン制御部からの燃料噴射パルスに従って、所定の量の燃料を、所定のタイミングで、シリンダ２３内に噴射する。エンジン１の運転状態によっては、インジェクタ４３は、圧縮上死点付近のタイミングで、燃焼室２５内に燃料を噴射する。これにより、インジェクタ４３は、図２の下図及び図３に矢印で示すように、圧縮上死点付近に位置するピストン２４のキャビティ２４２に向かって、燃料を下向きに噴射することになる。インジェクタ４３が燃料を噴射することに伴い、燃焼室２５内にはガスの流動が生じる。このガスの流れは、図２の下図及び図３に矢印で示すように、キャビティ２４２における、シリンダ２３の軸心Ｘ上の凸部２４２１に沿って下向きに流れると共に、キャビティ２４２の凹陥部２４２２におけるキャビティ面に沿って、シリンダ２３の軸心Ｘから、径方向の外方に放射状に拡がって流れる。その後、キャビティ２４２の開口に至り、ペントルーフ形状である、シリンダヘッド２２の天井面２２１、つまり、吸気側の傾斜面２２１１、及び、排気側の傾斜面２２１２に沿って、径方向の外方から、シリンダ２３の軸心Ｘに向かって流れるようになる。

シリンダヘッド２２にはまた、シリンダ２３毎に、点火プラグ４１、４２が取り付けられている。このエンジン１では、１つのシリンダ２３につき、第１及び第２の２つの点火プラグ４１、４２が設けられる。第１及び第２の点火プラグ４１、４２の熱価は、互いに同じとなっている。但し、熱価が異なる２つの点火プラグを用いるようにしてもよい。第１の点火プラグ４１は、シリンダ２３の軸心Ｘを挟んだ、排気側に配設され、第２の点火プラグ４２は、シリンダ２３の軸心Ｘを挟んだ吸気側に配設されている。第１及び第２の点火プラグ４１、４２はそれぞれ、エンジン制御部からの点火信号に従って、所定のタイミングで、例えば同時に、混合気に着火する。

第１の点火プラグ４１は、図２の上図に示すように、２つの排気ポート２３２、２３２の間に位置している。第１の点火プラグ４１は、図１に示すように、上方から下方に向かって、シリンダ２３の軸心Ｘに近づく方向に傾いて、シリンダヘッド２２に取り付けられている。第１の点火プラグ４１の、中心電極４１１及び側方電極４１２の間のギャップは、シリンダ２３の軸心Ｘから径方向の外方に所定距離だけ離れた位置でかつ、図２の上図において一点鎖線で示すキャビティ２４２の開口縁に相対する位置よりも径方向の内方の位置に配設されている。より詳細に第１の点火プラグ４１のギャップは、シリンダ２３の軸心Ｘからシリンダ２３の内周面までの間における中央に位置している。シリンダ２３の内径をｄとしたときに、シリンダ２３の軸心Ｘからｄ／４だけ離れた位置に、第１の点火プラグ４１のギャップは位置している。

第１の点火プラグ４１のギャップはまた、シリンダヘッド２２の天井面２２１よりも燃焼室２５の内方において、天井面２２１の近傍に位置している。つまり、第１の点火プラグ４１のギャップ中心は、ピストン２４が圧縮上死点に位置している状態で、ピストン２４の頂面のキャビティ２４２の面よりも、シリンダヘッド２２の天井面２２１に近い位置に位置している。より詳細には、図４に拡大して示すように、第１の点火プラグ４１のギャップの中心位置Ｃと、シリンダヘッド２２の天井面（ここでは、排気側の傾斜面２２１２）との距離Ｌが、所定距離となるように、第１の点火プラグ４１は、シリンダヘッド２２に取り付けられている。ギャップの中心位置Ｃと、シリンダヘッド２２の天井面（つまり、傾斜面２２１２）との距離Ｌは、１±１ｍｍに設定される。尚、点火プラグ４１のギャップの大きさＧは、０．７〜１．５ｍｍに設定される。ギャップが大き過ぎると、放電に大電流が必要になる。ギャップが小さ過ぎると、電極が火炎の熱を吸収して火炎が消えてしまう消炎作用が生じ、着火し難くなる。

第１の点火プラグ４１はさらに、Ｌ字状の側方電極４１２の向き（尚、側方電極４１２の向きは、側方電極４１２において中心電極４１１に向かい合う部分が伸びる方向によって定義される）が、図２の上図に示すように、天井面２２１に沿って径方向の外方からシリンダ２３の軸心Ｘに向かうガス流れに対して直交する方向に伸びる向きとなるように、シリンダヘッド２２に取り付けられている。つまり、図２の上図において、第１の点火プラグ４１の電極付近におけるガス流れは、図２の紙面における左から右に向かう方向となるが、このガス流れに対し、側方電極４１２において、中心電極４１１に相対する部分の向きが、図２の上図において紙面における下から上に向かう向きとなるように、第１の点火プラグ４１の側方電極４１２の向きが設定されている。尚、第１の点火プラグ４１は、側方電極４１２の向きが、前述した「天井面２２１に沿って径方向の外方からシリンダ２３の軸心Ｘに向かうガス流れに対して直交する方向に伸びる向き」を基準として、±３０°の範囲に収まるように、シリンダヘッド２２に取り付けられる。

第２の点火プラグ４２は、図２の上図に示すように、２つの吸気ポート２３１、２３１の間に位置している。第２の点火プラグ４２は、図１に示すように、上方から下方に向かって、シリンダ２３の軸心Ｘに近づく方向に傾いて、シリンダヘッド２２に取り付けられている。第２の点火プラグ４２の電極ギャップは、第１の点火プラグ４１と同様に、シリンダ２３の軸心Ｘから径方向の外方に所定距離だけ離れた位置でかつ、図２において一点鎖線で示すキャビティ２４２の開口縁に相対する位置よりも径方向の内方の位置に配設されている。より詳細に第２の点火プラグ４２のギャップは、シリンダ２３の軸心Ｘからシリンダ２３の内周面までの間における中央に位置しており、シリンダ２３の軸心Ｘからｄ／４だけ離れた位置に、第２の点火プラグ４２のギャップは位置している。従って、第１の点火プラグ４１と第２の点火プラグ４２とは、インジェクタ４３に対して等距離だけ離れており、第１の点火プラグ４１のギャップと第２の点火プラグ４２のギャップとは、シリンダ２３の軸心Ｘを中心とした同一の円周上に位置している。

第２の点火プラグ４２のギャップも、第１の点火プラグ４１のギャップと同様に、シリンダヘッド２２の天井面２２１よりも燃焼室２５の内方において、天井面２２１の近傍に位置している。詳細な図示は省略するが、第２の点火プラグ４２のギャップの中心位置と、シリンダヘッド２２の天井面（つまり、吸気側の傾斜面２２１１）との距離が、所定距離となるように、第２の点火プラグ４２は、シリンダヘッド２２に取り付けられている。第２の点火プラグ４２においても、ギャップの中心位置と、シリンダヘッド２２の天井面２２１との距離は、１±１ｍｍに設定される。

第２の点火プラグ４２はさらに、Ｌ字状の側方電極４２２の向きが、図２に示すように、天井面２２１に沿って径方向の外方からシリンダ２３の軸心Ｘに向かうガス流れに対して直交する方向に伸びる向きとなるように、シリンダヘッド２２に取り付けられている。つまり、図２の上図において、第２の点火プラグ４２の電極付近におけるガス流れは、図２の紙面における右から左に向かう方向となるが、このガス流れに対し、側方電極４２２において、中心電極４２１に相対する部分の向きが、図２の上図において紙面における上から下に向かう向きとなるように、第２の点火プラグ４２の側方電極４２２の向きが設定されている。これにより、第１の点火プラグ４１の側方電極４１２の向きと、第２の点火プラグ４２の側方電極４２２の向きとは、互いに逆向きとなっている（つまり、向きが１８０°異なる）。尚、第２の点火プラグ４２も、側方電極４２２の向きが、前述した「天井面２２１に沿って径方向の外方からシリンダ２３の軸心Ｘに向かうガス流れに対して直交する方向に伸びる向き」を基準として、±３０°の範囲に収まるように、シリンダヘッド２２に取り付けられる。

このエンジン１においては、シリンダヘッド２２の天井面２２１における、シリンダ２３の軸心Ｘ上に配置されたインジェクタ４３から、ピストン２４の頂面２４１に設けたキャビティ２４２に向かって燃料が噴射される。特に、ピストン２４が圧縮上死点付近にあるときに、インジェクタ４３から燃料が噴射されると、図２及び図３に矢印で示すように、燃焼室２５内には、キャビティ２４２の面に沿って、シリンダ２３の軸心Ｘから径方向の外方に放射状に拡がった後、シリンダヘッド２２の天井面２２１に沿って、径方向の外方からシリンダ２３の軸心Ｘに向かう流れが形成される。

ここで、キャビティ２４２は、シリンダ２３の軸心Ｘ上で上向きに凸となった凸部２４２１と、凸部２４２１の周囲で凹陥すると共に、キャビティ２４２の底部から開口に向かって拡径するように、周側面がシリンダ２３の軸心Ｘに対して傾斜した凹陥部２４２２とを有している。一方、シリンダヘッド２２の天井面２２１は、吸気側及び排気側のそれぞれから、シリンダ２３の軸心Ｘに向かって上り勾配となったペントルーフ形状である。このような燃焼室形状は、燃料噴射によって、前述したガス流れを発生し易くする。

第１及び第２の２つの点火プラグ４１、４２はそれぞれ、中心電極４１１，４２１と側方電極４１２、４２２とのギャップが、シリンダヘッド２２の天井面２２１に沿って径方向の外方からシリンダ２３の軸心Ｘに向かう流れ内に位置するように、配置されている。これによって、安定した着火が実現する。

つまり、第１及び第２の点火プラグ４１、４２のギャップは、天井面２２１における、シリンダ２３の軸心Ｘから径方向の外方に所定距離だけ離れた位置でかつ、キャビティ２４２の開口縁に相対する位置よりも径方向の内方に位置している。詳細には、第１及び第２の点火プラグ４１、４２のギャップは、シリンダ２３の軸心Ｘから、ｄ／４だけ離れた位置に位置する。キャビティ２４２の面に沿って、シリンダ２３の軸心Ｘから径方向の外方に放射状に拡がった後、天井面２２１に沿って、径方向の外方からシリンダ２３の軸心Ｘに向かう流れに沿って移動する燃料が、点火プラグ４１、４２付近に到達するまでの間に、燃料は十分に気化すると共に、空気と十分に混合する。これにより、サイクル毎の混合気の濃度ばらつきを防止することが可能になる。第１及び第２の点火プラグ４１、４２によって、可燃混合気に、安定的に着火が行われる。

また、第１及び第２の点火プラグ４１、４２のギャップを、シリンダ２３の軸心Ｘから、ｄ／４だけ離れた位置に位置させることで、当該ギャップはシリンダ２３の内周面からもｄ／４だけ離れるようになる。これにより、点火プラグ４１、４２によって着火された火炎が、点火プラグ４１、４２を中心として燃え広がり易くなり、燃焼の安定化に有利になる。第１及び第２の点火プラグ４１、４２による複数の安定的な着火及び燃焼と、前述した燃焼室２５内のガス流動とによって、急速燃焼を実現することができる。急速燃焼は、エンジン１の熱効率を高める。

また、第１及び第２の点火プラグ４１、４２の側方電極４１２，４２２は、その向きが、天井面２２１に沿って径方向の外方からシリンダ２３の軸心Ｘに向かう流れに直交する方向に伸びる向きとされる。これにより、第１及び第２の点火プラグ４１、４２の、Ｌ字状の側方電極４１２、４２２の根元部分が、図２の上図に示すように、中心電極４１１、４２１に対し、流れ方向に直交する方向に並ぶようになるから、側方電極４１２、４２２がガス流動を阻害することが防止される。

また、燃焼室２５内のガス流動は、図３に示すように、シリンダ２３の軸心Ｘを中心とした３６０°の全周にわたるが、第１の点火プラグ４１の側方電極４１２の向きと、第２の点火プラグ４２の側方電極４２２の向きとを互いに反対にすることで、シリンダ２３の軸心Ｘを中心とした３６０°の全周にわたるガス流れに対応することが可能になり、混合気の着火性がさらに安定化すると共に、燃焼の安定化にも有利になる。

さらに、第１及び第２の点火プラグ４１、４２のギャップが、天井面２２１よりも燃焼室２５の内方でかつ、天井面２２１の近傍に位置していることで、天井面２２１に沿って流れる混合気に対して効果的に点火エネルギを付与して、混合気の着火性を高めることが可能になる。

ここで、点火プラグ４１、４２の電極を、天井面２２１から突出させすぎると、電極が高温に曝されて熱を持つようになり、点火プラグ４１、４２の電極がホットスポットとなって熱源プリイグニッションが発生してしまう。一方、点火プラグ４１、４２の電極の突出量が小さすぎると、混合気が電極間を通過しなくなり、着火ができない、又は、着火し難くなる。

点火プラグ４１、４２のギャップの中心位置と、天井面２２１との間隔を、０ｍｍ以上２ｍｍ以下に設定することによって、点火プラグ４１、４２の電極の突き出し量を適正化することができる。尚、エンジン１の圧縮比が高くなればなるほど、点火プラグ４１、４２の突き出し量が大きいときの熱源プリイグニッションの発生が顕著になることが、本願発明者等の検討によって判明した。従って、幾何学的圧縮比が高いエンジン１においては、点火プラグ４１、４２の突き出し量の管理は、より一層、重要になる。

また、インジェクタ４３をシリンダ２３の軸心Ｘ上に配置すると共に、第１の点火プラグ４１を、２つの排気ポート２３２、２３２の間に配置しかつ、第２の点火プラグ４２を、２つの吸気ポート２３１、２３１の間に配置することで、シリンダヘッド２２における、インジェクタ４３及び２つの点火プラグ４１、４２のレイアウト性が良好になる。

尚、第１及び第２の点火プラグ４１、４２の取り付けに関し、例えば図５に示すように、第１の点火プラグ４１の側方電極４１２の向きと、第２の点火プラグ４２の側方電極４２２の向きとを、同じ向きとなるように構成してもよい。

また、前記の構成では、第１の点火プラグ４１をシリンダ２３の軸心Ｘに対して排気側に、第２の点火プラグ４２をシリンダ２３の軸心Ｘに対して吸気側に配設しているが、第１の点火プラグ４１及び第２の点火プラグ４２を、シリンダ２３の軸心Ｘを挟んで、クランクシャフトの伸びる方向（図２の上図における紙面上下方向）の両側に、それぞれ配設するようにしてもよい。

加えて、１つのシリンダ２３に対して２つの点火プラグ４１、４２を取り付ける構成に限らず、１つのシリンダ２３に対して、１つの点火プラグを取り付けるようにしてもよい。１つの点火プラグは、シリンダ２３の軸心Ｘを挟んだ吸気側に取り付けてもよいし、排気側に取り付けてもよい。また、１つの点火プラグは、シリンダ２３の軸心Ｘを挟んだクランクシャフト方向の一側に取り付けてもよいし、他側に取り付けてもよい。

１エンジン（内燃機関）
２２シリンダヘッド
２２１天井面
２３シリンダ
２３１吸気ポート
２３２排気ポート
２４ピストン
２４２キャビティ
２４２１凸部
２４２２凹陥部
２５燃焼室
４１第１の点火プラグ
４１１中心電極
４１２側方電極
４２第２の点火プラグ
４２１中心電極
４２２側方電極
４３インジェクタ
Ｘ軸心

Claims

シリンダの周壁と、前記シリンダに内挿されたピストンの頂面と、シリンダヘッドの天井面とによって区画される燃焼室内に、燃料を直接噴射するよう構成されたインジェクタと、燃焼室内の混合気に点火を行うよう中心電極と側方電極とを有して構成された点火プラグと、を備えた内燃機関の燃焼室構造であって、
前記ピストンは、その頂面に、前記シリンダの軸心に対し対称な形状のキャビティを有し、
前記インジェクタは、前記天井面における前記シリンダの軸心上に配置されかつ、前記ピストンが圧縮上死点付近に位置するときに、前記キャビティの面に沿って燃料と空気との混合気が流れるように前記燃料を噴射するよう構成され、
前記インジェクタが燃料を噴射することによって前記燃焼室内には、前記キャビティの面に沿って、前記シリンダの軸心から径方向の外方に放射状に拡がった後、前記シリンダヘッドの前記天井面に沿って、径方向の外方から前記シリンダの軸心に向かう流れが形成され、
前記点火プラグは、前記中心電極と前記側方電極とのギャップが、前記天井面に沿って径方向の外方から前記シリンダの軸心に向かう流れ内に位置するように、
前記ギャップが、前記天井面における、前記シリンダの軸心から径方向の外方に所定距離だけ離れた位置でかつ、前記キャビティの開口縁に相対する位置よりも径方向の内方に位置し、
前記側方電極が、前記天井面に沿って径方向の外方から前記シリンダの軸心に向かう流れに直交する方向に伸びる向きとされ、
前記キャビティは、前記混合気が前記天井面の前記ギャップよりも径方向外方に指向するよう、前記キャビティの中心から前記開口縁まで内径が次第に拡大して形成されており、
前記ギャップの中心位置が、前記天井面よりも前記燃焼室の内方でかつ、当該天井面の近傍に位置している内燃機関の燃焼室構造。
請求項１に記載の内燃機関の燃焼室構造において、
前記シリンダの軸心を挟んだ第１の前記点火プラグの逆側に配設されかつ、中心電極と側方電極とを有して構成された第２の点火プラグを備え、
前記第２の点火プラグは、前記中心電極と前記側方電極とのギャップが、前記天井面に沿って径方向の外方から前記シリンダの軸心に向かう流れ内に位置するように、
前記ギャップが、前記天井面における、前記シリンダの軸心から径方向の外方に前記所定距離だけ離れた位置でかつ、前記キャビティの開口縁に相対する位置よりも径方向の内方に位置し、
前記側方電極が、前記天井面に沿って径方向の外方から前記シリンダの軸心に向かう流れに直交する方向に伸びる向きとされ、
前記ギャップの中心位置が、前記天井面よりも前記燃焼室の内方でかつ、当該天井面の近傍に位置している内燃機関の燃焼室構造。
請求項２に記載の内燃機関の燃焼室構造において、
前記シリンダヘッドには、２つの吸気ポートと、２つの排気ポートとが形成され、
前記第１の点火プラグ及び前記第２の点火プラグの一方は、前記２つの吸気ポートの間に配設され、前記第１の点火プラグ及び前記第２の点火プラグの他方は、前記２つの排気ポートの間に配設されている内燃機関の燃焼室構造。
請求項２又は３に記載の内燃機関の燃焼室構造において、
前記第１の点火プラグの前記側方電極の向きと、前記第２の点火プラグの前記側方電極の向きとは、互いに反対向きである内燃機関の燃焼室構造。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関の燃焼室構造において、
前記点火プラグは、前記インジェクタから前記シリンダの内周面までの間の、中央に位置している内燃機関の燃焼室構造。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の内燃機関の燃焼室構造において、
前記キャビティは、前記シリンダの軸心上で前記天井面に向かって凸となった凸部と、前記凸部の周囲で凹陥すると共に、前記キャビティの底部から開口に向かって拡径するように、周側面が前記シリンダの軸心に対して傾斜した凹陥部とを有している内燃機関の燃焼室構造。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の内燃機関の燃焼室構造において、
前記天井面は、吸気側及び排気側のそれぞれから、前記シリンダの軸心に向かって上り勾配となったペントルーフ形状である内燃機関の燃焼室構造。
請求項１〜７のいずれか１項に記載の内燃機関の燃焼室構造において、
前記ギャップの中心位置と、前記天井面との間隔は、０ｍｍ以上２ｍｍ以下に設定されている内燃機関の燃焼室構造。
シリンダの周壁と、前記シリンダに内挿されたピストンの頂面と、シリンダヘッドの天井面とによって区画される燃焼室内に、燃料を直接噴射するよう構成されたインジェクタと、燃焼室内の混合気に点火を行うよう中心電極と側方電極とを有して構成された点火プラグと、を備えた内燃機関の燃焼室構造であって、
前記ピストンは、その頂面に、前記シリンダの軸心に対し対称でかつ、前記シリンダの軸線上に円錐状に形成されて前記シリンダヘッドの方に凸となった凸部を備えるキャビティを有し、
前記インジェクタは、前記天井面における前記シリンダの軸心上に配置されかつ、前記ピストンが圧縮上死点付近に位置するときに、混合気が前記凸部の表面に沿う方向に前記キャビティ内に向かって前記燃料を噴射するよう構成され、
前記インジェクタが燃料を噴射することによって前記燃焼室内には、前記キャビティの面に沿って、前記シリンダの軸心から径方向の外方に放射状に拡がった後、前記シリンダヘッドの前記天井面に沿って、径方向の外方から前記シリンダの軸心に向かう流れが形成され、
前記点火プラグは、前記中心電極と前記側方電極とのギャップが、前記天井面に沿って径方向の外方から前記シリンダの軸心に向かう流れ内に位置するように、
前記ギャップが、前記天井面における、前記シリンダの軸心から径方向の外方に所定距離だけ離れた位置でかつ、前記キャビティの開口縁に相対する位置よりも径方向の内方に位置し、
前記側方電極が、前記天井面に沿って径方向の外方から前記シリンダの軸心に向かう流れに直交する方向に伸びる向きとされ、
前記キャビティは、前記混合気が前記天井面の前記ギャップよりも径方向外方に指向するよう、前記キャビティの中心から前記開口縁まで内径が次第に拡大して形成されており、
前記ギャップの中心位置が、前記天井面よりも前記燃焼室の内方でかつ、当該天井面の近傍に位置している内燃機関の燃焼室構造。