(57)【要約】燃焼室（１）を画成するシリンダヘッド（３）の底面はほぼ球殻状に形成され、点火点（２１）は、シリンダブロック（３０）の直径の５５〜７０％の同心円上又はその近傍に３つ以上配置され、燃焼室（１）の空気過剰率を１．５以上で燃焼させる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
火花点火エンジンにおいて、
シリンダブロックと、
前記シリンダブロックの内部で摺動するピストンと、
前記シリンダブロックの上部に設けられるシリンダヘッドと、
前記シリンダブロック、前記ピストン及び前記シリンダヘッドによって画成される燃焼室内の混合気に点火する点火点とを備え、
前記燃焼室を画成するシリンダヘッドの底面はほぼ球殻状に形成され、
前記点火点は、シリンダブロックの直径の５５〜７０％の同心円上又はその近傍に３つ以上配置され、
前記燃焼室の空気過剰率を１．５以上で燃焼させることを特徴とする火花点火エンジン。
【請求項２】
請求項１に記載の火花点火エンジンにおいて、
前記点火点は３つ又は４つであることを特徴とする火花点火エンジン。
【請求項３】
請求項１に記載の火花点火エンジンにおいて、
前記燃焼室に吸気を吸入する吸気ポートは、ひねりを有している、又は前記シリンダブロックの軸心からオフセットしていることを特徴とする火花点火エンジン。
【請求項４】
請求項１に記載の火花点火エンジンにおいて、
前記点火点は３つであり、前記燃焼室に吸気を吸入させる吸気ポートは前記シリンダブロックの軸心からオフセットしていることを特徴とする火花点火エンジン。
【請求項５】
請求項１に記載の火花点火エンジンにおいて、
前記ピストンの運動を回転運動に変換するコンロッドと、前記コンロッドに連結されるクランクとを備え、
膨張行程中の前記燃焼室内の圧力が最大となるときの前記クランクの角度が、前記ピストンが上死点となった後９°〜１２°となるように点火時期を設定したことを特徴とする火花点火エンジン。
【請求項６】
請求項１に記載の火花点火エンジンにおいて、
前記シリンダブロックの外周部に設けられ、内部を冷却水が流通するウォータジャケットと、
前記シリンダブロックの外周部に設けられ、前記外周部と外部との熱伝達を抑制する断熱材とを備え、
前記ウォータジャケットは、前記ピストンが下死点に達したときの前記ピストンの上端より上の領域に設けられ、前記領域より下の領域に前記断熱材が設けられることを特徴とする火花点火エンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超希薄燃焼を実現する多点点火エンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、火花点火エンジンにおいては燃焼室の中心で点火することが知られている。またＪＰ５０−９４５４Ａでは、燃焼の急速化をはかるために、２個の点火プラグを離して配設している。
【発明の開示】
【０００３】
しかし、例えば発電用やヒートポンプ用の安価な小型エンジンなどで空気過剰率をきわめて大きく（薄く）し、窒素酸化物（ＮＯｘ）レベルを低減すると同時に高い熱効率を得るためには、従来よりも急速に燃焼速度を向上させる必要があり、超希薄混合気に点火し急速に燃焼させる技術が必須となる。
ここで、混合気が薄くなると火炎の伝播速度が低下し、エンジンの回転が不安定になるリーン限界が存在するが、このリーン限界を従来よりも大きくすることが必要である。
本発明は、燃焼室の形状と点火点の数及び位置関係によって超希薄燃焼を実現することを目的とする。
本発明による多点点火エンジンは、シリンダブロックと、前記シリンダブロックの内部で摺動するピストンと、前記シリンダブロックの上部に設けられるシリンダヘッドと、前記シリンダブロック、前記ピストン及び前記シリンダヘッドによって画成される燃焼室内の混合気に点火する点火点とを備える火花点火エンジンにおいて、前記燃焼室を画成するシリンダヘッドの底面はほぼ球殻状に形成され、前記点火点は、シリンダブロックの直径の５５〜７０％の同心円上又はその近傍に３つ以上配置され、前記燃焼室の空気過剰率を１．５以上で燃焼させる。
本発明によれば、均一に混合されたきわめて薄い予混合気であっても、３箇所以上で同時に点火して安定に燃焼させることができ、また燃焼室の一部を球殻としているので、スワールやスキッシュによるガス流動の効果を高めることができる。従って、空気過剰率を大きくしてＮＯｘを低減するとともに、高い熱効率を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
図１は、本実施形態における多点点火エンジンの構成を示す全体構成図である。
図２は、図１の燃焼室を説明する拡大図である。
図３は、図２を上方から見た透視図である。
図４は、図３の別実施形態である。
図５は、図１をピストンの摺動方向に垂直な方向で切断した断面図である。
図６は、図５のＡ−Ａ断面である。
図７は、図５の別実施形態である。
図８は、従来の２点点火の場合の図５、図７に対応する図である。
図９は、点火時期θ一定の場合の空気過剰率、熱効率及び点火点の数の関係を示したマップである。
図１０は、ＮＯｘレベル一定の場合のｄ／Ｄと熱効率との関係を示すマップである。
図１１は、空気過剰率一定の場合の点火時期と、ＮＯｘレベル及び熱効率との関係を示すマップである。
図１２は、クランク角とシリンダ内圧力との関係を示すマップである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
以下、図面などを参照しながら本実施形態の詳細について説明する。
図１は本実施形態における多点点火エンジンの構成を示す全体構成図である。ピストン１６はシリンダ内で上下に摺動可能に設けられ、コンロッドを介してクランクに連結されている。図１はピストン１６が上死点にある場合を示しており、この状態でピストン頂面とシリンダヘッド３の内壁とによって燃焼室１が画成され、この燃焼室１を画成するシリンダヘッド３の底面は、半径Ｒの薄い球殻状である。吸気バルブ６及び排気バルブ８は燃焼室１に対向するように設けられ、互いに挟角３０°以内となるように狭く設定されている。
燃焼室１の容積は、ピストン１６が下死点にあるときの燃焼室１の容積を、上死点にあるときの燃焼室１の容積で除した値である圧縮比が高くなるように決定されており、例えば、燃料が天然ガスの場合の圧縮比は１３．２以上である。
燃焼室１には吸気バルブ６を介して吸気ポート４が接続され、排気バルブ８を介して排気ポート９が接続される。エアクリーナ１１で濾過された空気は、インジェクタ１０で燃料が供給され、混合気として吸気バルブ６の開閉に応じて燃焼室１に吸入される。この混合気は吸気ポート内で燃焼室１に入るまでに均一にミキシングされることが望ましい。また燃焼後の排ガスは排気バルブ８の開閉に応じて排気ポート９へと排出される。
シリンダブロック３０の外周部及びシリンダヘッド３の吸排気ポート４、９以外の部分には、それぞれウォータジャケット７、１２が設けられ、冷却水はシリンダブロック３０のウォータジャケット１２へ冷却水入口１３から流入し、シリンダヘッド３のウォータジャケット７を経て、冷却水出口５から外部へと流出する。ウォータジャケット１２は、シリンダブロック３０の外周部であって、ピストン１６が下死点のときにおけるピストン１６の上端より上の領域に設けられる。
また、シリンダブロック３０の外面であって、前述のウォータジャケット１２より下の領域には、シリンダブロック３０と外部との熱交換を抑制するための断熱材１４が設けられる。同様にシリンダブロック３０の上部であってウォータジャケット１２の外周部にも断熱材１５が設けられる。
冷却水で奪ったエンジンの熱は、給湯や暖房に利用することでシステム全体としての熱効率を向上させることができるとともに、断熱材１４、１５によってエンジンの表面から直接大気中へ輻射や対流により放出する熱を少なくすることによって、有効に廃熱を利用することができる。
図２は、図１におけるピストン１６が上死点にあるときの燃焼室１の拡大図である。図３は図２のスキッシュ域２を上から見た図である。燃焼室１の外周部にはスキッシュ域２が形成され、厚さはヘッドガスケット程度である。このスキッシュ域２では、ピストン１６が上死点に達する直前にピストン１６頂面とシリンダヘッド３の底面との間隔が小さくなるので、ここで圧力が上昇した混合気が燃焼室１の中央部に向かって押し出される。
スキッシュ域２の幅が大きすぎると、スキッシュ域２まで火炎が行き届かなくなり、冷却されて消炎し未燃焼の炭化水素が残留することとなる。また、この未燃焼の炭化水素により冷却損失が大きくなるので、熱効率が悪化してしまう。そのためスキッシュ域２の幅Ｓは２．５ｍｍ程度かそれ以下とする。
また、スキッシュ域２の形状は図３のように円環状とする代わりに、図４に示すように新月状としてもよい。
図５は図１の燃焼室１をピストン１６の摺動方向に垂直な方向で切断した断面図である。図５に示すように吸気ポート４にはひねりが与えられており、混合気に旋回流、すなわちスワールを与えることができる。また、図７に示すように吸気ポート４の軸心をシリンダ中心、すなわち燃焼室１の中心からａだけオフセットさせてもよい。
なお、スキッシュやスワールは混合を促進するのが目的であり、火炎の動きをガス流動に乗せて速くするためではない。
本実施形態では混合気の燃焼時間を短縮するために、点火プラグ２０を３個以上設けている。図５及び図７では、点火プラグ２０の代わりに、点火プラグ２０の取り付けネジの燃焼室壁面２２の端部１９、すなわちプラグ穴１９を示す。点火プラグ２０の点火ギャップ中心２１はこのプラグ穴１９のほぼ中心にある。
図５では点火点２１が４つ設けられ、直径ｄの円周上に対称もしくはこれに準ずる位置に設けられる。この点火点２１が配置される円の直径ｄはｄ＝（０．５５〜０．７）Ｄとなるように設定される。ここで、Ｄはシリンダの直径である。
図６は図５のＡ−Ａ断面図である。点火プラグ２０の点火ギャップ中心２１が、燃焼室壁面２２に沿う基円Ｒの円周上にくるように、シリンダヘッド３には円錐台状のくぼみ２３が設けられる。
図７では点火点２１が３つ設けられ、吸気バルブ６及び吸気ポート４をシリンダ中心からａだけオフセットさせて、３つの点火点２１は互いの距離が等しくなるように配置される。すなわち、任意の１つの点火点２１とシリンダ中心を結ぶ直線に対して、残る２つの点火点２１が線対称となる位置にある。この場合も点火点２１が４つの場合と同様に、ｄ＝（０．５５〜０．７）Ｄに設定される。
図８は従来の２点点火エンジンの場合の図５、図７に対応する図である。２点の点火ギャップ間の距離ＬはＬ＝０．５Ｄとするのが最適とされる。これは火炎が同心円状に進行すると仮定して、火炎が干渉し出す前の初期の燃焼質量割合が大きくなるようにするためである。しかし、点火点２１から最も遠い位置までの距離はＴとなり、この位置では燃焼の終了間際に点火点２１付近との間に大きな圧力差が生じるので、混合気の希薄化には限界があるという問題があった。
次に図９〜図１１を参照しながら本実施形態における多点点火エンジンの点火点２１の数、配置、空気過剰率及び点火時期を決定する方法を説明する。
図９は点火時期θが一定の場合の空気過剰率、熱効率及び点火点の数の関係を示したマップである。図の破線部は希薄になり過ぎて、燃焼が不安定となって熱効率が低下することを意味する。横軸の空気過剰率は、空燃比を理論空燃比で除した値であり、空燃比が理論空燃比のとき空気過剰率は１となる。
目標ＮＯｘレベルを達成できるときの点火時期θにおける熱効率ηは、空気過剰率が大きくなると改善される。しかし、２点点火の場合は空気過剰率は１．４程度が限度である。これに対して３点点火の場合は空気過剰率が１．７程度まで、４点点火の場合は空気過剰率が２．０程度まで安定して運転することができる。従って、点火点の数は３つ以上で、空気過剰率は１．５以上で燃焼させることが好ましい。
図１０はＮＯｘレベル一定の場合のｄ／Ｄと熱効率との関係を示すマップである。横軸の０は燃焼室１の中心で１点点火の状態、同じく横軸の１は４個の点火点を全周に配置している状態である。点火点２１の間隔の増大とともに、熱効率は改善されピークを迎えた後に徐々に低下する。しかし、中心１点点火より全周での多点点火の方が、熱効率は高くなっているのが特徴的である。このようにｄ／Ｄは０．５５〜０．７が最適となる。
図１１は空気過剰率一定の場合の点火時期と、ＮＯｘレベル及び熱効率との関係を示すマップである。図１１において、空気過剰率を一定にして点火時期を遅らせて行くと、最初はＮＯｘレベルは急激に低下するが徐々に勾配は小さくなる。一方、熱効率はだんだん勾配が大きくなって行く。すなわち、熱効率を高くしすぎると目標のＮＯｘレベルを達成できなくなる。
そこで、点火時期を遅らせていき、目標のＮＯｘレベルを達成できるときの点火時期θと熱効率を求め、図９や図１０の特性を求めるときのパラメータとする。このようにして例えば、３点点火の場合で空気過剰率を１．７として、目標のＮＯｘレベル７０ｐｐｍを満たす熱効率を求めることができる。
図１２は、クランク角とシリンダ内圧力との関係を示すマップであり、破線は燃焼をさせずに、空気のみを圧縮して膨張させたときのモータリング時のガス圧力特性である。
点火後圧力は急激に立ち上がり、ピークに達した後は膨張により低下して行く。このピーク点をＰｍａｘで表す。従来の均一に混合された混合気を用いた火花点火エンジンでは、このＰｍａｘとなる点火時期は上死点後１５°であった。
しかし、本実施形態における多点点火エンジンでは、空気過剰率が１．７という極端に薄い混合気を安定して燃焼させているので、Ｐｍａｘとなる点火時期は９〜１２°となる。表面積の小さいコンパクトな燃焼室１で薄い混合気を急速に燃焼させるのでノッキングが発生しにくく、また圧縮比が高くてもＰｍａｘを与えるθを進めることができる。
Ｐｍａｘの時にガス温度が最高になるが、この時の温度が２０７０Ｋ（ケルビン、０ケルビンは２７３℃）以下ならばＮＯｘレベル７０ｐｐｍを達成することができる。そのためにリーン化と点火時期のリタードの組み合わせが必要になるが、リタードは必ず熱効率にトレードオフを伴う。一方、リーン化はＮＯｘレベルの低減と熱効率の改善を両立させることができるが、リーン時の安定した燃焼確保が必須となる。
また、幾何学的に対称な燃焼室１で均一な混合気の分布状態であれば、複数の点火プラグの間で位相差を設けずに同時に点火する。これにより制御系を簡素化することができる。
なお、本実施形態の多点点火エンジンはガソリン、都市ガス、ＬＰＧ、天然ガス、バイオ燃料など、火花点火により燃焼を開始させる燃料であればすべてに適用することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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