(57)【要約】【課題】  エンジンへの取付けが容易で、かつ、低ＮＯｘ，低燃費の燃焼が行える火花点火装置と、筒内直接噴射式火花点火機関を実現する。【解決手段】  燃焼室壁面の一部に形成した絶縁部材の表面または表面から突出した形で前記複数の点火電極を円弧状に配置すると共に、前記複数の点火電極が放電ギャップを隔てて電気的に直列となるように形成する。  また、点火プラグをインジェクタに一体に設け、その点火プラグと点火コイルとを一体にして、３者を一体のユニットとして構成し、エンジンへの装着性を向上させる。【選択図】図１
2006140072.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関のシリンダヘッドに取付けられ、点火コイルに接続される点火電極を含む複数の点火電極を備え、空気と燃料供給装置から供給される燃料との混合気にシリンダ内で着火する点火プラグで構成される内燃機関の火花点火装置において、
前記シリンダ内にその先端が臨むようにして装着される前記点火プラグの先端部に、前記複数の点火電極を放電ギャップを隔てて円環状乃至は円弧状若しくは多角形状、に配置すると共に、前記複数の点火電極が放電ギャップを隔てて電気的に直列となるように配列されていることを特徴とする内燃機関の火花点火装置。
【請求項２】
請求項１に記載したものにおいて、
前記複数の電極は少なくとも放電面を除いて、絶縁材製の環状プレート乃至は筒状ブロックに埋め込まれていることを特徴とする内燃機関の火花点火装置。
【請求項３】
請求項１に記載したものにおいて、
前記点火電極のうちの一つは導電体によって点火コイルに接続されており、
これに隣接するもう一つの点火電極は導電体によってアースに接続されており、
他の点火電極は前記２つの電極の間に放電ギャップを隔てて円環状乃至は円弧状あるいは多角形状に配列されていることを特徴とする内燃機関の火花点火装置。
【請求項４】
請求項３に記載したものにおいて、
点火コイルに接続される前記点火電極とアースに接続され前記点火電極との間の放電ギャップは他の点火電極間の放電ギャップより大きく形成されていることを特徴とする内燃機関の火花点火装置。
【請求項５】
請求項１に記載したものにおいて、
前記点火プラグが前記点火コイルと共に機械的に一体化されて点火ユニットを形成していることを特徴とする内燃機関の火花点火装置。
【請求項６】
請求項１に記載したものにおいて、
前記燃料供給装置がシリンダ内に直接ガソリンあるいは可燃ガスを供給するインジェクタであって、
前記点火プラグが前記インジェクタと機械的に一体化されて、シリンダヘッドに装着されるものであることを特徴とする内燃機関の火花点火装置。
【請求項７】
請求項１に記載したものにおいて、
前記燃料供給装置がシリンダ内に直接ガソリンあるいは可燃ガスを供給するインジェクタであって、
前記点火プラグが前記点火コイルと共に機械的に一体化され、且つ前記点火プラグが前記インジェクタと機械的に一体化されて、三者が一体のユニットとして構成され、シリンダヘッドに装着されるものであることを特徴とする内燃機関の火花点火装置。
【請求項８】
シリンダ内に直接燃料を噴射するインジェクタを備えた内燃機関の火花点火装置であって、点火コイルに接続される点火電極を含む複数の点火電極を備えたものにおいて、
前記インジェクタのノズル先端周囲に絶縁部材製の層を設け、前記複数の点火電極は前記絶縁部材製の層から少なくとも放電面が露出され、且つ放電ギャップを挟んで円環状乃至は円弧状若しくは多角形状に前記絶縁部材の層に配置されると共に、前記複数の点火電極が放電ギャップを隔てて電気的に直列となるように配列されていることを特徴とする内燃機関の火花点火装置。
【請求項９】
請求項８に記載したものにおいて、
前記インジェクタの噴射点を中心とした円周上に均等な角度間隔となるように前記放電ギャップを形成することを特徴とする内燃機関の火花点火装置。
【請求項１０】
請求項８に記載したものにおいて、
前記点火コイルと前記点火電極とを接続する導体と前記点火コイルとが同一の絶縁樹脂材で前記インジェクタの周囲に一体にモールド成形されていることを特徴とする内燃機関の火花点火装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載のものにおいて、前記絶縁樹脂部に前記点火コイルと前記点火電極とを接続する導体と前記点火コイルの端子とを電気的に接続するコネクタ部が形成されており、当該コネクタ部において前記インジェクタと点火プラグとのユニットと前記点火コイルとが機械的に一体に保持されることを特徴とする内燃機関の火花点火装置
【請求項１２】
請求項８に記載したものにおいて、
前記インジェクタのノズル先端周囲に前記絶縁部材の層の一部として窒素珪素セラミックもしくは、窒化アルミニウムセラミックの層が設けられている内燃機関の火花点火装置。
【請求項１３】
請求項８に記載したものにおいて、
前記インジェクタから噴射される燃料噴霧が多方向に噴射する複数の噴口を備え、当該噴口が前記放電ギャップに指向していることを特徴とする内燃機関の火花点火装置。
【請求項１４】
ピストンにキャビティを有し、エンジンのシリンダヘッドに請求項１乃至１３に記載した火花点火装置を備え、少なくとも圧縮行程の後期に、シリンダ上部からキャビティに向けて燃料噴射を行う火花点火装置を備えた内燃機関。
【請求項１５】
請求項１４に記載のものにおいて、
前記キャビティの開口部の径が、対向する放電ギャップ間の距離の１〜２倍であることを特徴とする火花点火装置を備えた内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可燃ガスやガソリンなどの燃料と空気の混合気に着火するための放電ギャップを内燃機関の燃焼室内に複数形成した火花点火装置と、その火花点火装置を用いた筒内直接噴射式火花点火型内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
排気ガスの清浄化（ガソリン車では特にＮＯｘ低減）と燃費改善を両立するには燃焼室内における混合気（可燃ガスやガソリンのような燃料と空気の混ざったもの）の燃焼速度を速める必要があることが知られている（この点については発明を実施するための最良の形態の冒頭で詳しく説明する）。
【０００３】
特許文献１にはエンジンの燃焼室（本明細書ではシリンダと同意）上部にシリンダの側壁に沿って環状のセラミック製電極配電部を設け、この環状電極配電部の内周部に所定の間隔で３箇所以上の電極部を設けた火花点火装置が記載されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平７−１２０３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載された従来技術では、シリンダの中心に火花の発生位置が集合していないので、全体として着火の広がり性が不十分で、燃焼速度（火炎伝播速度という見方もある）を期待ほど早くすることができない。
【０００６】
また、火花点火装置が大きくなり、シリンダに特殊な加工が必要になる欠点がある。
【０００７】
本発明の目的は上記課題に鑑みて、混合気の燃焼速度を速めて、排気ガスの清浄化と燃費改善を両立可能な火花点火装置、及びその火花点火装置を備えた内燃機関を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために本発明では、基本的にはシリンダ内の複数箇所で、同時に点火することで、火炎の伝播速度を速めるもので、特に、シリンダの上部中心に電気的に直列に接続される複数の放電ギャップを集合させたものである。
【０００９】
好適には、複数の電極は少なくとも放電面を除いて、絶縁材製の環状プレート乃至は筒状ブロックに埋め込まれるものである。
【００１０】
好適には、点火プラグが前記点火コイルと共に機械的に一体化されて点火ユニットを形成するものである。
【００１１】
好適には点火プラグがインジェクタと機械的に一体化され、且つ点火プラグは点火コイルと共に機械的に一体化されて三者が燃料噴射機能を持った点火ユニットを形成するものである。
【００１２】
具体的発明では、インジェクタのノズル先端周囲に絶縁部材製の層を設け、点火電極はこの層から少なくとも放電面が露出され、且つ放電ギャップを挟んで円環状乃至は円弧状若しくは多角形状に絶縁部材の層に配置されるものである。
【００１３】
好適には、インジェクタの外郭を樹脂成型する樹脂成型体に点火プラグの少なくとも点火コイルと点火電極とを接続する導電部材を一緒に樹脂成型した。
【００１４】
好適には樹脂成型体に点火コイル取付け部を一体に取付けた。
【００１５】
好適には燃料噴射弁と、点火プラグと、点火コイルを一体に形成し、いわゆる燃料噴射型火花点火装置を提供する。
【００１６】
また別の発明になる内燃機関では、火花点火装置を燃焼室上部中央に備え、ピストン表面中央部にキャビティを設けると共に、少なくとも低中負荷時に、圧縮行程の後期において、燃焼室上部中央より前記キャビティ内に燃料噴射し、点火するようにした。
【発明の効果】
【００１７】
このように構成した本発明の基本発明によれば、シリンダ内の着火の広がり性が向上し、結果的に燃焼速度が向上する。
【００１８】
また、具体的発明では火炎伝播速度の短縮化が図れることはもとより、燃料噴射装置と点火プラグをコンパクトに構成できると共に、一つの取付け作業で両者をシリンダに取付けられる。
【００１９】
さらに、別の発明ではＮＯｘが少なく且つ燃費の良い内燃機関が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
この発明の実施例の技術的背景を以下説明する。
【００２１】
ガソリンエンジン（本明細書ではエンジンは内燃機関と同意として扱う）を例にすると、希薄燃焼（例えば空燃比が２０〜５０）によりスロットルによる絞り損失を減らすことで燃費低減を図る技術が知られている。
【００２２】
希薄燃焼では、火炎伝播速度が低下し、燃焼が不安定になることが知られている。
【００２３】
また、希薄燃焼時には、三元触媒でのＮＯｘ浄化効率が低下するため、エンジンから排出されるＮＯｘを減らすことが課題である。
【００２４】
ＮＯｘを減らすために排ガスの一部をシリンダ内に再循環させる技術（ＥＧＲ）が知られている。排ガスをシリンダ内に入れることで、シリンダ内ガスの比熱が大きくなり、燃焼ガスの最高到達温度が下がり、ＮＯｘが低減できる。
【００２５】
しかし、ＥＧＲの量が増えると、燃料と空気が希釈されるため、燃焼が不安定となることが知られている。
【００２６】
ＮＯｘを減らすための、他の手段として、点火時期を遅角化することが知られている。点火時期を遅角すると、シリンダ内のガスの最高燃焼温度が下がるため、サーマルＮＯｘを低減できる。
【００２７】
しかし、点火時期を遅角化すると、燃費が悪化したり、燃焼が不安定になる。これは、火炎伝播が遅れるためである。さらに詳しくは、火炎伝播が適正な時期に行われないと、燃焼エネルギーがエンジンの駆動エネルギーに効率良く変換されないため、エンジンの出力が低下し、回転速度が変動する。
【００２８】
従って、ＮＯｘ低減と燃費改善を両立するには、希薄燃焼、もしくは大量ＥＧＲ時の燃焼速度を速める必要がある。
【００２９】
また、単に実験室の装置としてこのような課題を解決した装置を開発しただけでは、不十分であり、既存の内燃機関に、あまり大幅な変更を加えないで、装着できるようにする必要がある。発明を実施するための最良の形態ではこの点に関しても具体的な提案を与えるものである。
【００３０】
更に、開発された装置が、現に商品として市場に投入できるようにするためには、全体の装置のコストを商業ベースに乗るコストにすることも必要であり、更にはエンジンへの組み付け性にも工夫が必要である。
【００３１】
発明を実施するための最良の形態ではこれらの点についても具体的に提案する。
【実施例１】
【００３２】
以下、本発明の第一の実施形態をガソリンエンジンを例にして図面に基づき説明する。
【００３３】
図１は本発明になる火花点火装置をエンジンのシリンダヘッドに装着した状態を燃焼室側から見た斜視図である。
【００３４】
本実施例における火花点火装置は独立点火型火花点火装置（点火コイルとイグナイタが一体になった点火コイルユニットが各シリンダ毎にシリンダヘッドに装着されたものを指す）部と点火プラグ部と、インジェクタ部とから構成されている。
【００３５】
火花点火装置の点火プラグ部の電極部３は吸気バルブ１と排気バルブ２の間に、形成されており、さらに電極部３の中央にはインジェクタ（燃料供給装置，燃料噴射弁と呼称する場合もある）４のノズル部が配置されている。
【００３６】
次に、火花点火装置の電極部３の詳細について図２，図３，図４を用いて説明する。
【００３７】
図２は電極部３近傍の詳細図を示す。図３及び図４は、電極部３の平面図を示す。
【００３８】
実施例の火花点火装置は絶縁性セラミックからなる円盤状（プレート状あるいは筒状体とも言える）の絶縁部材５と複数の点火電極６，７，８，９，１０からなり、円盤状の絶縁部材５の表面または表面から突出した形で複数の点火電極６，７，８，９，１０が円弧状に配置されている。具体的には、点火電極６は後述の点火コイルに高電圧導体路を形成する導電体を介して接続されており、点火電極１０はアース導体路を形成する導電体を介して車両のボディーに接地されている。点火電極６，７，８，９，１０の間には放電ギャップ１１〜１４が設けられている。これら放電ギャップ１１〜１４が電気的に直列となるように構成することにより、点火コイルから点火電極６に高電圧が印加されると、点火電極６，７，８，９，１０の間に形成されている４つの放電ギャップ１１，１２，１３，
１４でほぼ同時に火花放電する。
【００３９】
放電ギャップ１１，１２，１３，１４は噴射点を中心とした円周上に均等な角度となるように形成する。
【００４０】
また、点火コイルに接続される点火電極６と、アースに接地される点火電極１０間のギャップ２６は、図２に示すように、他の点火電極間の放電ギャップ１１，１２，１３，
１４に比べ大きくなっている。このため点火コイルから点火電極６に高電圧が印加されたときに、点火電極６と点火電極１０間では火花放電しないようになっている。
【００４１】
なお、点火電極６，７，８，９，１０の形状は、円弧形状に限定したものではなく、例えば図４に示すように多角形状でもよい。
【００４２】
点火電極６，７，８，９，１０は耐熱合金である白金（Ｐｔ）系合金またはイリジウム
（Ｉｒ）系合金等を用いる。また図２には４つの放電ギャップを形成した例を示しているが放電ギャップ数は特に制約はない。
【００４３】
なお、燃料噴射装置４のノズル部が、過度に高温になると、ノズル内外にデポジットが生成し、燃料噴射装置４からの燃料漏れや、燃料噴霧の性状悪化などが起こるおそれがある。これを防ぐために、燃料噴射装置４のノズル部の熱が、エンジンのシリンダヘッドへ伝わるように、ノズル先端部の円盤状の絶縁部材５の熱伝導性が高いことが望ましい。
【００４４】
具体的には、円盤状の絶縁部材５の素材として、耐熱性，絶縁性，熱伝導性に優れた、窒素珪素（Ｓｉ3Ｎ4）セラミックや、窒化アルミニウムセラミックなどが望ましい。
【００４５】
この実施例では円盤状の絶縁部材５はシリンダヘッドの内壁部に直接固定される。燃料噴射装置のノズル部はシリンダの上方外部から差し込まれ、円盤状の絶縁部材５の中心の穴にセットされる。
【実施例２】
【００４６】
図５（ａ），図５（ｂ）はインジェクタ４と点火電極部３（点火プラグ部）および火花点火装置（点火コイル部）１５を一体化した所謂、ユニット（モジュールと呼ぶことを妨げない）の構造を示す。
【００４７】
図５（ａ）は後述の点火電圧供給用の点火電極６が見える部分を断面した図で、図５
（ｂ）はアースに接続される点火電極１０が見える部分を断面した拡大図である。
【００４８】
インジェクタ４のノズル４１周囲には絶縁材層６５が形成されており、前記絶縁材層
６５を介してインジェクタ４と火花点火装置１５が機械的に結合される。
【００４９】
また、絶縁材層６５の内部には、火花点火装置１５と燃焼室内に形成される高電圧供給用の点火電極６を接続する導電体６１と、燃焼室内に形成されるアース用の点火電極１０を車体のボディーにボディーアースする接地用の導電体６２が一体にモールド成形されている。
【００５０】
絶縁材層６５は例えば点火用配電器のロータ電極に用いられていた絶縁樹脂を用いることができる。
【００５１】
これら点火電極６，１０と導電路は一体の導電部材で形成することもできるし、電極専用の部材に導電路部材を半田や溶接によって接合することもできる。
【００５２】
絶縁材層６５は点火コイル保持部１６と繋がっている。点火コイル保持部１６には、高電圧供給導電路用の導電体６１の反点火電極６側の端部が突出するコネクタ部１６Ａが、一体に樹脂成形されている。筒状の突起として形成されるコネクタ部１６Ａの内側に高電圧供給導電路の導電体６１の反点火電極６側の端部が突出している。
【００５３】
このコネクタ部の外周に火花点火装置１５のブーツ１５Ｃが挿入されている。その内部では高電圧導電路を構成するコイルばね１５Ａが、高電圧供給導電路の導電体６１の反点火電極６側の端部に、電気的，機械的に接続されている。コイルばね１５Ａの他端は高圧ダイオード１５Ｄの端子に接続され、高圧ダイオードの他端は火花点火装置１５の図示しない二次巻線に接続されている。
【００５４】
かくしてインジェクタ４によって火花点火装置１５がその脇に機械的に保持されることになる。予め両者を固定しておけば、車両への取付けは１回の取付け作業で済む利点がある。
【００５５】
さらに、インジェクタ４の駆動用ソレノイド４６を絶縁材層６５で一体にモールドすることもできる。こうすることによってさらにインジェクタと点火プラグの加工作業の工数を低減できる。
【００５６】
またさらに、点火コイルと、インジェクタのソレノイドと、点火電極部（高電圧導電路，アース導電路も含め）とを樹脂成形により一体に成形すれば、さらに加工作業の作業工数を低減できる。
【００５７】
火花点火装置１５は放電ギャップ数の増加に伴い高エネルギー化が必要になる。要求される点火の２次エネルギーは空気と燃料の混合気形態により異なるが、例えば均一な燃料濃度の希薄な混合気や、着火点周りの燃料濃度が比較的ばらつきやすい成層混合気を対象とする場合は、高いエネルギーが要求される。また本発明は放電ギャップが電気的に直列となるように形成されているため、各放電ギャップの長さによってそれぞれの放電ギャップに発生するエネルギーは異なる。例えば図２の放電ギャップ１１から放電ギャップ１４に向かい電極間長さを段階的に小さくすると放電ギャップ１１から段階的に発生するエネルギーが低下する。本実施例は、このように放電ギャップ１１，１２，１３，１４の長さが異なるように点火電極６，７，８，９，１０を配置してもよい。
【００５８】
なお、インジェクタ４はコネクタ４Ａを介して燃料噴射タイミングに同期した燃料噴射信号を受ける。
【００５９】
火花点火装置１５はコネクタ１５Ｂを介して図示しない電源とエンジン制御用のコントロールユニットと接続され、エンジン制御用のコントロールユニットからの点火タイミング信号によって火花点火装置１５に設けられたイグナイタにより点火コイルへの通電遮断を制御して、点火タイミングに、点火コイルに高電圧を発生し、点火電極へ高電圧を供給する。
【００６０】
図５（ａ），図５（ｂ）に示した実施例の特徴は、以下の通りである。
【００６１】
（１）インジェクタ４の外周をインサートモールドする絶縁材層６５の中に点火コイルと高電圧供給用の点火電極６との間の高電圧導電路が一緒に樹脂モールドされている点である。これによってインジェクタに点火電極をコンパクトに形成できる。
【００６２】
（２）また、インジェクタ４の外周をインサートモールドする絶縁材層６５の中に燃焼室内に形成されるアース用の点火電極１０を車体のボディーにボディーアースする接地用の導電路部材としての導電体６２が一体にモールド成形されている点である。これによってインジェクタに点火電極をコンパクトに形成できる。
【００６３】
（３）さらに、当該絶縁材層６５には複数の点火電極６，７，８，９，１０が特定の間隔で樹脂成型されている。その結果インジェクタ４のノズル４１の周囲に複数の放電ギャップが直列に且つ環状に接続された状態で配置されることになり、１つの着火点による火炎の伝播距離が短くなるため、火炎伝播速度の短縮化が図れる。これにより、シリンダ内の混合気の燃焼が確実になる。
【００６４】
なお、図５（ｂ）の符号４０はインジェクタ４のノズル部全体を示す。４１は燃料噴射口を示し、この実施例ではソレノイド４６が通電されるとプランジャ４５が下方に押し下げられ、ばね４２を押し縮めてオリフィスチップ４４の中心に形成された燃料噴射口４１を開弁する。燃料はスワールチップ４３に形成された半径方向外側から内側に向かう複数の燃料通路（インジェクタの中心軸線に対して接線方向にオフセットされている）を通って燃料噴射口４１の中心に流れ込む。これによって燃料には旋回力が与えられ、この旋回力は燃料噴射口４１から燃料が噴出する際、燃料の微粒化のためのエネルギーとして役立つ。ソレノイドへの通電が遮断されるとばね４２の復元力でプランジャ４５は上方へ付勢され、プランジャ先端の弁体４７で、燃料噴射口４１が塞がれる。
【００６５】
図６には、図５に示した本発明の実施例になる燃料噴射型火花点火装置モジュールのエンジン装着時における概略構成図が示されている。インジェクタ４と点火電極部（図示せず）および火花点火装置１５を一体化することでモジュールをコンパクトにすることができるため小スペースに収めることができる。
【実施例３】
【００６６】
次に、図５に示した本発明の実施例になる燃料噴射型火花点火装置モジュールを用いた、筒内直接噴射式火花点火内燃機関の一実施例について図７〜図１２を用いて説明する。図７は図５に示した本発明の実施例になる燃料噴射型火花点火装置モジュールを用いた、筒内直接噴射式火花点火機関の構成図が示されている。
【００６７】
図８は図７に示した筒内直接噴射式火花点火機関の燃焼室中心の断面が示されている。
【００６８】
本実施例は、均質燃焼運転モードと成層燃焼運転モードを有する筒内直接噴射式火花点火機関の構成例であり、ピストン２１の冠面中央部にキャビティ５０が設けられている。
【００６９】
キャビティ５０は図８に示すように、概略半球形状であり、キャビティ５０の開口部の直径Ｄは、燃料噴射型火花点火装置の対向する点火電極６，…，１０間の距離をＬとしたとき、Ｄ＝１Ｌ〜２Ｌの範囲となるように決められる。
【００７０】
次に本実施例における燃料噴射型火花点火装置から噴射される燃料噴霧の形態について図９，図１０を用いて説明する。
【００７１】
図９は本実施例における燃料噴射型火花点火装置から噴射される燃料噴霧の一形態を示す図であり、雰囲気が常温，大気圧の条件下において、燃料噴射型火花点火装置から噴射された噴霧の形態を示している。
【００７２】
本噴霧は、燃料噴射弁のノズル内部で燃料を旋回させたときに生成される中空噴霧の例を示している。大気中に噴射された燃料噴霧を噴射点から所定の距離（図中Ａ−Ａ断面）で輪切りにした形で断層を確認すると噴霧の中心部には燃料は存在しない。
【００７３】
噴霧は噴射軸に対して軸対称であり、噴霧の密度分布は、周方向に均一な分布である。
【００７４】
燃料噴射弁に供給される燃料の圧力は１０〜３０ＭＰａであり、噴霧のザウタ平均粒径は１０〜２０μｍである。また、大気圧条件下に噴射された噴霧のコーン角は４０°〜
７０°である。
【００７５】
図１０は本実施例における燃料噴射型火花点火装置から噴射された燃料噴霧の別の一形態を示す図である。雰囲気が常温，大気圧の条件下において燃料噴射型火花点火装置から噴射された噴霧の形態を示している。
【００７６】
図１０は４つの放電ギャップを有する点火電極構成の場合に４方向に向けて噴射される噴霧の例を示す。このような多方向への燃料噴射を実現するには、例えばインジェクタ先端の多くの孔を形成することやスリット状の板を何枚か重ね合わせることで実現可能である。多方向に燃料を噴射する場合には、放電ギャップに確実に混合気を存在せしめるために、燃料の噴射方向と放電ギャップを一致させることが望ましい。したがって図１０に示すように放電ギャップ数と等しい数だけ分岐して燃料噴射する燃料噴射弁を用い、かつ燃料の噴射方向と放電ギャップを一致させると、混合気に確実に点火することが可能である。
【００７７】
図１１は、本実施例における燃料噴射時期と点火時期の一例を示す図である。
【００７８】
均質燃焼運転モードでは、燃料は吸気行程に噴射され、上死点前１０〜３０°ＣＡで点火される。
【００７９】
一方、成層燃焼運転モードでは、圧縮行程の後期に燃料が噴射され、上死点前０〜20°ＣＡで点火される。
【００８０】
なお、成層燃焼運転モードで比較的負荷が高い場合や、多くの再循環ガス（ＥＧＲ）を導入する場合などに、燃料噴射を複数に分割してもよい。例えば、吸気行程または圧縮行程初期に第一の燃料噴射を行い、圧縮行程後期に第二の噴射を行っても良い（弱成層燃焼運転）。こうすることにより、混合気の濃度分布を調節し、煤煙の生成を抑制することができる。
【００８１】
次に図１２，図１３を用いて、本実施例における成層燃焼運転時の噴射，点火制御について説明する。
【００８２】
図１２（ａ）は成層燃焼運転時における、燃料噴射直後の筒内噴霧挙動を示している。
【００８３】
図１２（ｂ）は成層燃焼運転時における、点火時期の燃料−空気混合気挙動を示している。
【００８４】
図１２（ｃ）は成層燃焼運転時における、膨張行程の火炎挙動を示している。
【００８５】
成層燃焼時には、圧縮行程の後期に、燃料噴射弁よりピストン冠面に向けて燃料が噴射される。
【００８６】
燃料噴射時期は概ね、２０〜６０°ＢＴＤＣであり、主にエンジン回転数に応じて、この範囲で変化させる。一般にエンジン回転数が高い場合には、燃料の気化時間を確保するために、早い噴射時期に設定され、逆に、エンジン回転数が遅い場合は、燃料の過度の拡散を防止するため、燃料噴射時期は、遅く設定される。
【００８７】
図１２（ａ）に示すように、圧縮行程の後期、２０〜６０°ＢＴＤＣに噴射された燃料噴霧ＳＰは、ピストン２１の冠面に設けたキャビティ５０に衝突し、ピストン２１からの熱を受けて気化する。
【００８８】
また、燃料噴射時期における筒内ガス圧力は、ピストン２１による圧縮の結果、約0.5〜１ＭＰａと高圧になっているため、燃料噴射弁から噴射された燃料ＳＰと高圧雰囲気間に大きなせん断力が作用する。この結果、図１２（ａ）に示すように、筒内には巻き上げ渦ＥＤが生成され、この巻き上げ渦ＥＤによって、キャビティ５０内に向けて噴射され、気化した燃料が、キャビティ５０から燃焼室上部に向かって巻き上げられる。
【００８９】
図１６は、キャビティ５０周りの混合気の挙動を模式的に示した図である。前述したようにキャビティ５０内で気化した燃料は混合気となって、キャビティ５０の縁に沿って、点火電極６，…，１０に向かって巻き上げられる。キャビティ５０の開口部の径Ｄは、対向する点火電極間の距離Ｌの１〜２倍であるため、キャビティ５０の縁に沿って上昇した混合気は、シリンダの半径方向に過度に分散することなく、確実に点火電極６，…，１０の周りに集まる。
【００９０】
なお、巻き上げ渦ＥＤによって、燃料噴射弁のノズル直下で、ノズルの中心に向かう流れが形成されるため、ノズルから筒内に噴射された噴霧の幅（噴霧コーン角）が狭くなる。従って、ノズルから噴射される噴霧のコーン角が、大気圧の雰囲気下では比較的広い噴霧角であっても、圧縮行程後期に噴射された噴霧はキャビティ５０より外のピストン冠面には衝突しにくい。
【００９１】
点火時期における筒内混合気挙動を図１２（ｂ）に示す。
【００９２】
点火時期は概ね、２０°ＢＴＤＣ〜ＴＤＣであり、主にエンジン回転数に応じて、この範囲で設定される。一般にエンジン回転数が高い場合には、火炎伝播時間を確保するために、早い点火時期に設定される。一方、エンジン回転数が遅い場合は、圧縮行程で過度に燃焼が進まないように、点火時期は遅く設定される。
【００９３】
キャビティ５０によって、燃料の横方向への分散が抑制され、また、巻き上げ渦によってキャビティ５０から燃焼室上部へ燃料が巻き上げられるため、点火時期では、図１２
（ｂ）に示すように点火電極周りに混合気ＭＩＸ１が集中した分布となる。
【００９４】
点火時期に、点火電極に電圧が印加され、点火電極周りの成層混合気ＭＩＸ１に点火される。コンパクトな成層混合気の、複数箇所に同時に点火が行われるため、図１２（ｃ）に示すように、着火後の火炎伝播が速やかに行われ、早期に燃焼が完了する。
【００９５】
次に図１３を用いて、均質燃焼運転時の噴射，点火制御について説明する。
【００９６】
図１３（ａ）は均質燃焼運転時における、燃料噴射直後の筒内噴霧挙動を示している。
【００９７】
図１３（ｂ）は均質燃焼運転時における、点火時期の燃料−空気混合気挙動を示している。
【００９８】
均質燃焼時には、吸気行程に、燃料噴射弁よりピストン冠面に向けて燃料が噴射される。
【００９９】
図１３（ａ）に示すように、吸気行程に噴射された燃料ＳＰは、吸気管（吸気ポート）１９から流入する空気の流動ＩＮＦにより、筒内で気化，混合が促進される。また、ピストン２１が下がる過程で、燃料が噴射されるため、噴霧ＳＰのピストン２１への衝突は少ない。
【０１００】
さらに吸気行程では、筒内の圧力は大気圧以下であるため、噴霧ＳＰとシリンダ内の空気との間に働く、せん断力は比較的小さく、噴霧ＳＰは横方向に広く（噴霧コーン角が広く）、噴射される。
【０１０１】
ピストン２１への衝突が少なく、かつ、噴霧ＳＰが広く噴射されることで、筒内での燃料の混合がしやすくなる。この結果、点火時期では、図１３（ｂ）に示すように筒内に均質な混合気ＭＩＸ２が形成される。点火時期に、点火電極６，…，１０に電圧を印加することで、均質混合気ＭＩＸ２が点火され、筒内に噴射された燃料がぼぼ完全に燃焼する。
【０１０２】
図１４に、本発明による火炎伝播状況の解析結果を示す。
【０１０３】
図１４は、コンピュータシミュレーションにより、シリンダ内の火炎伝播状況を解析した結果である。従来技術は、成層混合気をシリンダ上部の一点で点火した場合、本発明は、成層混合気をシリンダ上部の４点で同時点火した場合の、点火後１０degＣＡ におけるシリンダ内の火炎伝播状況のコンピュータシミュレーション結果である。
【０１０４】
また、図１５は、図１４のコンピュータシミュレーションにおいて、シリンダ内の熱発生率を示すグラフである。
【０１０５】
図１４及び図１５のコンピュータシミュレーション結果が示すように、本発明を適用した実施例によれば、シリンダの上部の中心部において多数の点火電極周りに成層化した混合気を、多数の点火電極で同時に点火することにより、従来技術に比べ、高速に燃焼できる。
【０１０６】
また、着火後は中心部からシリンダ壁に向かって放射状に火炎が伝播するので火炎の広がり性が改善される。
【０１０７】
これにより、点火時期をより遅角化することが可能であり、ＮＯｘの低減が実現できる。
【０１０８】
また、高ＥＧＲ率下での着火性能を上げることができるため、ＮＯｘの低減ができる。
【０１０９】
また、成層混合気を高速に燃焼することにより、より大きな空燃比での運転が可能で、燃費を低減できる。
【０１１０】
また、従来から開発されているシリンダ上部中央へ濃い混合気を集める成層化技術とのまま組み合わせられる利点がある。
【０１１１】
また、点火電極と燃料噴射弁を一体化することで、小型化が可能で、エンジン形状の大幅な変更が不要であるため、エンジンへの取付けが容易となる。
【０１１２】
以下実施例の効果を従来技術と比較した結果として以下記載する。
【０１１３】
特開２００２−７０５６１号公報にはエンジンの燃焼室上部の壁面に横穴を貫設し、この孔に複数の電極が直列に配置された棒状の電極部材を差し込んで取付ける火花点火装置が記載されている。
【０１１４】
この構成では、放電ギャップがシリンダ内を横切るように放電ギャップが設けられているためこれらギャップで同時に放電が起こると、着火しやすいギャップと着火し難いギャップとができて全体として着火の広がり性や、火炎伝播の速度は思ったほどは改善できない。
【０１１５】
特表平１１−５１４７１７号公報にはシリンダにねじ込み式で取付けられる点火モジュールに、燃料噴射モジュールをねじ込み式で取付けるものが記載されている。
【０１１６】
特表平１１−５１４７１７号公報に記載された従来技術では、火花点火装置をコンパクトにはできるが、火花点火装置が一対の電極で構成されるため、燃焼速度を速める効果は少ない。また、副室式のため、エンジンへのシリンダヘッド形状を大幅に変更する必要がある。
【０１１７】
従来技術では可燃ガスやガソリンのような燃料をシリンダ内あるいは吸気通路に噴射するいわゆるインジェクタ，火花点火装置（点火プラグ若しくは、点火プラグと点火コイルとを一緒にもの），点火コイルはいずれもシリンダヘッド若しくはその近傍に取付けられるにもかかわらず各々独立乃至は２つのユニットとしてエンジンに装着されている。
【０１１８】
これに対し本実施例では、燃焼伝播速度が改良された火花点火装置をエンジン形状の大幅な変更無しに、容易にエンジンに取付け可能である。
【０１１９】
本実施例では、点火コイルをも含めて装置の小型化，装着性向上を達成できる火花点火装置を得られる。
【０１２０】
なお、火花点火装置（点火コイル部）１５とインジェクタ４の電気的接続端子が設けられたコネクタ１５Ｂ，４Ａが同じ方向に向いて形成されているので、外部制御回路との電気接続作業が片側からできる利点がある。
【０１２１】
本実施例では、筒内噴射型の燃料供給装置（インジェクタ）と気筒毎独立点火型火花点火装置と、点火プラグの３者を一体にすることでより小型化が達成できる。
【０１２２】
また、好適な構成例ではエンジンの形状をあまり変更することなく、容易に火花点火装置と筒内噴射型のインジェクタをエンジンのシリンダ上部に設置できる。
【０１２３】
実施例の内燃機関では、全体として希薄な混合気（例えば空燃比が４０以上）を安定に燃焼でき、燃費の低減が図れ、また、急速燃焼により点火時期を遅角できるため、筒内の最高到達温度が下がり、ＮＯｘの低減が図れる。
【産業上の利用可能性】
【０１２４】
本発明は、可燃ガス（例えばＣＮＧやジメチルアルコール）やガソリンなどの燃料と空気の混合気に着火するための放電ギャップを内燃機関の燃焼室内に複数形成した火花点火装置と、その火花点火装置を用いた筒内直接噴射式火花点火型内燃機関に関し、自動車が典型的な適用例であるが、それにとらわれず定置型発電機用の内燃機関などにも用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１２５】
【図１】本発明の一実施形態におけるエンジンヘッドに装着された火花点火装置の概略図。
【図２】本発明の一実施形態における火花点火装置の電極部近傍の詳細図。
【図３】本発明の一実施形態における火花点火装置の電極部の平面図。
【図４】本発明の一実施形態における火花点火装置の電極部の平面図。
【図５（ａ）】インジェクタと点火電極部および点火コイルを一体化した燃料噴射型火花点火装置モジュールの構造を示す断面図。
【図５（ｂ）】図５（ａ）の部分拡大図。
【図６】本発明の燃料噴射型火花点火装置モジュールのエンジン装着時における概略構成図。
【図７】本発明の一実施形態における筒内直接噴射式火花点火機関の構成図。
【図８】本発明の一実施形態における筒内直接噴射式火花点火機関の断面図。
【図９】本発明の一実施形態における筒内直接噴射式火花点火機関に用いる燃料噴霧の形態を示す図。
【図１０】本発明の一実施形態における筒内直接噴射式火花点火機関に用いる燃料噴霧の形態を示す図。
【図１１】本発明の一実施形態における筒内直接噴射式火花点火機関における燃料噴射時期と点火時期のチャート図。
【図１２】本発明の一実施形態における筒内直接噴射式火花点火機関における成層燃焼運転時のシリンダ内燃料・火炎挙動の模式図。
【図１３】本発明の一実施形態における筒内直接噴射式火花点火機関における均質燃焼運転時のシリンダ内燃料挙動の模式図。
【図１４】本発明によるシリンダ内火炎伝播状況のコンピュータシミュレーション結果。
【図１５】本発明によるシリンダ内熱発生率のコンピュータシミュレーション結果。
【図１６】本発明の一実施形態における筒内直接噴射式火花点火機関の成層燃焼時におけるピストンキャビティ周りの燃料挙動の模式図。
【符号の説明】
【０１２６】
１…吸気バルブ、２…排気バルブ、３…電極部、４…インジェクタ、５…（円盤状の）絶縁部材、６，７，８，９，１０…点火電極、１１，１２，１３，１４…放電ギャップ、１５…火花点火装置、１６…点火コイル保持部、１７…一体化モジュール、１８…燃焼室、１９…吸気管、２０…排気管、２１…ピストン、２２…第１噴射燃料、２３…空気流動、２４…第２噴射燃料、２５…火炎、５０…キャビティ。
【図１】
2006140072.tif 000003
【図２】
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【図３】
2006140072.tif 000005
【図４】
2006140072.tif 000006
【図５（ａ）】
2006140072.tif 000007
【図５（ｂ）】
2006140072.tif 000008
【図６】
2006140072.tif 000009
【図７】
2006140072.tif 000010
【図８】
2006140072.tif 000011
【図９】
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【図１０】
2006140072.tif 000013
【図１１】
2006140072.tif 000014
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2006140072.tif 000017
【図１５】
2006140072.tif 000018
【図１６】
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