(57)【要約】  【構成】  燃焼室上面１７よりピストン冠面１８へ向けて突出し、電圧が印加されるプラグ電極２１と、ピストン冠面１８から燃焼室上面１７へ向けて突出する接地電極２２と、を有する。ピストン３が上死点に近づくほどプラグ電極２１と接地電極２２とのギャップ量Ｇｃが小さくなるように、プラグ電極２１と接地電極２２の一方を他方に対して傾斜させる。  【効果】  点火時期でのピストン位置に応じて適切なギャップ量Ｇｃが与えられる。  【選択図】  図１
2006170160.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリンダブロックのシリンダ内を昇降するピストンの冠面とシリンダヘッドの下面に形成される燃焼室上面との間に形成される燃焼室内に火花を発生させる点火装置を備えた火花点火式内燃機関において、
上記点火装置は、上記燃焼室上面よりピストン冠面へ向けて突出し、電圧が印加されるプラグ電極と、上記ピストン冠面から燃焼室上面へ向けて突出する接地電極と、を有し、
ピストン位置に応じてプラグ電極と接地電極とのギャップ量が変化するように、プラグ電極と接地電極の一方が他方に対して傾斜していることを特徴とする火花点火式内燃機関。
【請求項２】
上記ピストンが上死点に近づくほどギャップ量が小さくなることを特徴とする請求項１に記載の火花点火式内燃機関。
【請求項３】
上記燃焼室上面からピストン冠面までの第１の距離が、上記燃焼室上面から火花が発生するギャップ位置までの第２の距離のほぼ２倍に設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の火花点火式内燃機関。
【請求項４】
排気を吸気系へ還流するＥＧＲ装置を備え、
ＥＧＲ量の増加に伴って点火時期を進角することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の火花点火式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼室内に火花を発生させる点火装置を備えた火花点火式内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガソリン内燃機関に代表される火花点火式内燃機関では、周知のように、電圧が印加されるプラグ電極と接地電極とを燃焼室内に設置し、両電極のギャップ間に火花を飛ばして燃焼室内の混合気を着火させる。このような火花点火式内燃機関、特に燃料消費改善及び排出ガス特性改善の一手法として成層希薄燃焼を実現する筒内直接噴射式の内燃機関では、着火性の向上が重要な課題であり、下記の特許文献１〜３のように様々な手法が提案されている。
【０００３】
特許文献１では、燃焼室上面からピストン冠面へ向けてプラグ電極を突出させるとともに、ピストン冠面から燃焼室上面へ向けて接地電極を突出させ、点火時期として利用するクランク角度領域では両電極間のギャップ量を一定に保つようにしている。また、特許文献２では、接地電極を付勢ばねを介して移動可能に支持し、火花放電が困難な高い筒内圧力のときに電極間のギャップ量が短くなるようにしている。特許文献３では、アクチュエータにより一方の電極を駆動することによって、ギャップの位置及び長さを変更している。
【特許文献１】特開平１１−１８２３９８号公報
【特許文献２】特開平８−８３６７２号公報
【特許文献３】特開平９−２１９２７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１のようにギャップ量が一定（不変）の構成では、特定の機関運転条件に応じてギャップ量を設定することになるので、他の機関運転条件ではギャップ量が適切な値から外れることがあり、更なる改良が望まれる。例えば、筒内圧力が高く点火が困難な高負荷条件に対応してギャップ量を決定すると、低負荷側ではギャップ量が適切な値よりも小さすぎることになり、例えばＥＧＲ限界が制限されてしまう。
【０００５】
上記特許文献２では、ギャップ量が筒内圧力に応じて変化するので、例えばＥＧＲ量を増大することによって筒内圧力が増加した場合であってもギャップ量が小さくなり、そのＥＧＲ限界が抑制されることになる。また長期の使用によるばね等の経時劣化によりギャップ量が経時的にばらつくおそれがある。
【０００６】
上記特許文献３では、電極の位置を変更するためのアクチュエータ及びその制御系を追加する必要があり、かつ、最適なギャップ量に設定するためには制御の応答性を十分に高める必要があるので、部品点数の増加や大幅なコストの増加を招くことになってしまう。
【０００７】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、簡素な構造でありながら機関運転状態に応じてギャップ量が安定して適切に変化する新規な火花点火式内燃機関を提供することを主たる目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、シリンダブロックのシリンダ内を昇降するピストンの冠面とシリンダヘッドの下面に形成される燃焼室上面との間に形成される燃焼室内に火花を発生させる点火装置を備えた火花点火式内燃機関に関する。上記点火装置は、上記燃焼室上面よりピストン冠面へ向けて突出し、電圧が印加されるプラグ電極と、上記ピストン冠面から燃焼室上面へ向けて突出する接地電極と、を有する。そして、ピストン位置に応じてプラグ電極と接地電極とのギャップ量が変化するように、プラグ電極と接地電極の一方が他方に対して傾斜している。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、簡素な構造でありながら点火時期でのピストン位置に応じてギャップ量が適切に変化することとなり、着火性や飛火性等の点火性能を有効に向上し、ひいては燃費性能等の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の好ましい実施例を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施例に係る火花点火式内燃機関であるガソリン内燃機関を示す構成図である。シリンダブロック１０のシリンダ１１内には、クランクシャフトに連動してシリンダ１１内を昇降するピストン３が配設されている。このシリンダブロック１０上に固定されるシリンダヘッド１２には、吸気通路１３を開閉する吸気弁１４と、排気通路１５を開閉する排気弁１６と、が設けられている。シリンダヘッド１２の下面にはペントルーフ型の燃焼室上面１７が形成されており、この燃焼室上面１７とピストン冠面１８との間に燃焼室１９が形成されている。この燃焼室１９内には、火花を発生させる点火装置２０が設けられている。
【００１１】
この点火装置２０は、シリンダヘッド１２に固定され、燃焼室上面１７よりピストン冠面１８へ向けて突出する長い棒状のプラグ電極２１と、ピストン３に固定（又は一体形成）され、ピストン冠面１８から燃焼室上面１７へ向けて突出する長い棒状の接地電極２２と、を有している。後述するエンジン制御部３０からの指令信号に応じてプラグ電極２１に電圧が印加されると、両電極２１，２２のギャップ位置（Ｇｃ）で火花（スパーク）が発生し、燃焼室１９内の混合気が着火するように構成されている。
【００１２】
エンジン制御部３０は、各種制御処理を記憶及び実行する機能を有しており、機関運転状態を示す機関回転数や要求負荷（機関負荷）等に基づいて、上記の点火装置２０の他、燃料噴射弁３１、ＥＧＲ（排気還流）装置３２及び吸気通路１３を開閉するスロットル３５等へ指令信号を出力して、その動作を制御し、点火時期、燃料噴射時期、燃料噴射量、ＥＧＲ量（率）及びスロットル開度等を制御する。燃料噴射弁３１は、成層希薄燃焼を可能とする筒内直接噴射式内燃機関の場合には燃焼室１９内へ直接燃料を噴射し、ポート噴射式内燃機関の場合には吸気通路（吸気ポート）１３内へ燃料を噴射するように配置されている。ＥＧＲ装置３２は、周知のように排気の一部を吸気系に戻して混合気に加えるもので、エンジン制御部３０からの指令信号によってＥＧＲ量（率）が機関運転状態に応じて制御される。上記のエンジン回転数は、例えばＰＯＳセンサとＰＨＡＳＥセンサとを組み合わせたクランク角センサ３３により検出され、要求負荷は、例えばアクセル開度を検出するアクセル開度センサ３４からの出力に基づいて設定される。
【００１３】
そして本実施例では、ピストン３の位置に応じてプラグ電極２１と接地電極２２とのギャップ量Ｇｃが変化するように、プラグ電極２１と接地電極２２の一方が他方に対して傾斜している。更にいえば、ピストン３が圧縮上死点へ近づくほど、つまり機関上方（図１の上方）へ向かうほど、ギャップ量Ｇｃが小さくなるように、プラグ電極２１と接地電極２２の一方が他方に対して傾斜している。言い換えると、ピストン３が下死点に近づくほどギャップ量Ｇｃが大きくなるように設定されている。この実施例では、接地電極２２がシリンダ軸線Ｌｃと平行に配置される一方、プラグ電極２１がシリンダ軸線Ｌｃに対して傾斜して配置されている。なお、ギャップ量（ギャップ長、ギャップ距離、あるいは単にギャップとも呼ぶ）Ｇｃは、実際に火花が発生する位置での両電極２１，２２間の距離・長さに相当し、基本的には電極２１，２２間の距離が最も短く位置での両電極２１，２２間の距離である。
【００１４】
好ましくは図２に示すように、シリンダ軸線Ｌｃに対して傾斜するプラグ電極２１の基部２３が、シリンダ軸線Ｌｃに平行な接地電極２２と同軸上に配置されている。上記の基部２３にはシリンダヘッド１２の取付孔に螺合するねじ部が形成されている。この場合、このプラグ電極２１の基部２３をシリンダヘッド１２に締め付けて固定する際に、その回転位置によってギャップ量Ｇｃが所期の設定状態からずれることがないので作業性が良い。
【００１５】
図３は、点火時期（でのピストン位置）に対する、燃焼室上面１７（の上端部）からピストン冠面１８までの燃焼室上下方向寸法に相当する第１の距離Ｇａと、燃焼室上面１７（の上端部）から火花が発生するギャップ位置（Ｇｃ）までの距離である第２の位置Ｇｂの関係を示している。なお、破線Ｇｂ’は一般的な従来の点火装置における燃焼室上面からギャップ位置までの距離に相当する。
【００１６】
同図に示すように、点火時期として常用される範囲ΔＴでは、第１の距離Ｇａが第２の距離Ｇｂのほぼ２倍（Ｇａ＝２Ｇｂ）に設定されている。つまり、第２の距離Ｇｂが第１の距離Ｇａのほぼ半分の寸法に設定されている。このため、機関上下方向について燃焼室１９のほぼ中央にギャップ位置（Ｇｃ）が配置されることになり、燃焼室１９のほぼ中央で点火が行われるので、燃焼室１９全体に均一に火炎伝播が行われるので、火炎伝播の時間損失が抑制される。
【００１７】
図４及び図５において、比較例は、上記の特開平８−８３６７２号公報に記載されているように、筒内圧力の増加に応じてギャップ量が狭くなるものである。図５に示すように、ＥＧＲの付与を停止しているＥＧＲＯＦＦ時には、機関負荷の増加に応じて吸入空気量が増加するようにスロットル開度を調整しているので、スロットル３５下流の吸気圧力（ｂｏｏｓｔ）が正圧（大気圧）へ向けて増加し、これに伴って燃焼室１９内の筒内圧力も増加していく。また、筒内圧力の増加に応じて空気密度が高くなって火炎伝播が速くなるので、機関負荷の増加に応じて点火時期を上死点へ向けて遅角させる。
【００１８】
機関負荷が高くなるほど、筒内圧力が上昇して点火（飛火）が困難になるが、本実施例ではピストン位置が高くなるほどギャップ量Ｇｃが小さくなるので、点火時期が上死点へ向けて遅角するために点火時期でのピストン位置が高くなっていき、ギャップ量が適切に小さくなっていく。このように、機関運転状態に応じて適切にギャップ量が変化するので、着火性・飛火性等の点火性能が向上する。
【００１９】
また、電極２１，２２がシリンダヘッド１２やピストン３に固定又は一体形成されているので、上記特開平８−８３６７２号公報や特開平９−２１９２７５号公報のようにばねやアクチュエータを用いて電極を移動させるものに比して、構造が簡素であるとともに、経時的にギャップ量がばらつくことがほぼないので、信頼性・安定性にも優れている。
【００２０】
ＥＧＲを付与するＥＧＲＯＮ時には、所定の低負荷域３６では、機関負荷の増加に応じてＥＧＲ量をＥＧＲ限界へ向けて増加する。図６にも示すようにＥＧＲ量の増加に応じて吸気圧力が正圧へ向けて増加していくので、図５に示すように、ＥＧＲＯＮ時にはＥＧＲＯＦＦ時に比して吸気圧力（筒内圧力）が高くなり、ポンプ損失等の減少により燃費が向上する。また、このＥＧＲＯＮ時での低負荷域３６のように、機関負荷の増加に伴ってＥＧＲ量を大幅に増加する場合、ＥＧＲ量の増加に伴い点火時期を進角させており、この低負荷域よりも機関負荷が高い領域では、上記ＥＧＲＯＦＦ時と同様に機関負荷の増加に伴って点火時期を遅角させている。
【００２１】
図４は、ＥＧＲ量や吸気圧力（筒内圧力）に対して要求される点火時期及びギャップ量を示している。ＥＧＲ量を増加すると、燃焼が緩慢となる等の理由で点火時期要求は進角要求となり、ギャップ量の要求は増大側となる。また、吸気圧力が正圧へ向けて上昇すると、点火時期要求は遅角要求となり、ギャップ量の要求は減少側となる。
【００２２】
図４及び図５に示すように、筒内圧に応じてギャップ量が変化する比較例では、ＥＧＲ量の増加に応じてギャップ量が要求とは逆に小さくなるのに対し、点火時期でのピストン位置に応じてギャップ量が変化する本実施例では、ＥＧＲ量の増加に応じて点火時期を進角するでのギャップ量は要求通り大きくなる。このため、図７に示すようにギャップ量の増大分３７、燃焼限界ラインがＡ１からＡ２へ拡大し、そのＥＧＲ限界を拡大することができる。
【００２３】
以上の説明より把握し得る本発明の特徴的な技術思想及び作用効果について上記実施例を参照して説明する。但し本発明は参照符号を付した実施例の構成に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形・変更を含むものである。
【００２４】
（１）シリンダブロック１０のシリンダ１１内を昇降するピストン３の冠面１８とシリンダヘッド１２の下面に形成される燃焼室上面１７との間に形成される燃焼室１９内に火花を発生させる点火装置２０を備える。この点火装置２０は、燃焼室上面１７よりピストン冠面１８へ向けて突出し、電圧が印加されるプラグ電極２１と、ピストン冠面１８から燃焼室上面１７へ向けて突出する接地電極２２と、を有する。ピストン位置に応じてプラグ電極２１と接地電極２２とのギャップ量Ｇｃが変化するように、プラグ電極２１と接地電極２２の一方が他方に対して傾斜している。
【００２５】
このように、電極を移動するばねやアクチュエータ等を必要としない簡素な構造でありながら、点火時期でのピストン位置に応じてギャップ量Ｇｃが変化することとなり、機関運転状態に応じて設定される点火時期に応じて適切なギャップ量Ｇｃが安定して与えられ、着火性や飛火性等の点火性能が向上し、ひいては燃費性能等を有効に向上することができる。
【００２６】
（２）好ましくは、ピストン３が上死点に近づくほどギャップ量Ｇｃが小さくなるように、上記の傾斜が設定されている。火花点火式内燃機関では、機関負荷が高くなるほど吸入空気量が増加するので筒内圧力が高くなり、点火し難いので、ギャップ量を小さくする必要がある。また、一般的に、機関負荷が増加するほど筒内圧が高くなって空気密度が高くなり、火炎伝播速度が上がるので点火時期を上死点へ向けて遅角する。本発明によれば、機関負荷が高くなるほど点火時期が遅角するのでギャップ量Ｇｃが小さくなり、機関運転状態に応じた適切なギャップ量Ｇｃが与えられることになる。
【００２７】
（３）更に好ましくは、燃焼室上面１７からピストン冠面１８までの第１の距離Ｇａが、燃焼室上面１７から火花が発生するギャップ位置（Ｇｃ）までの第２の距離Ｇｂのほぼ２倍に設定されている。このため、機関上下方向に関して燃焼室１９のほぼ中央にギャップ位置（Ｇｃ）が配置されることになり、燃焼室１９のほぼ中央で点火が生じることになるので、燃焼室１９全体に均一に火炎伝播が行われ、その時間損失が抑制される。
【００２８】
（４）より好ましくは、排気を吸気系へ還流するＥＧＲ装置を備え、ＥＧＲ量の増加に伴って点火時期を進角する。この場合、ＥＧＲ量の増加に伴ってギャップ量が適切に大きくなっていき、上記比較例のようにＥＧＲ量の増加による筒内圧力の上昇によってギャップ量が要求に反して小さくなるようなことがなく、ＥＧＲ量の変化に応じて適切にギャップ量が変化するので、幅広い機関運転状態で良好な点火性能を得ることができる。
【００２９】
以上のように本発明を具体的な実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変形・変更を含むものである。例えば上記実施例ではプラグ電極２１をシリンダ軸線Ｌｃに対して傾斜させているが、接地電極２２のみ、あるいは双方の電極２１，２２をシリンダ軸線Ｌｃに対して傾斜させるようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施例に係る火花点火式内燃機関を示す構成図。
【図２】本発明に係るプラグ電極と接地電極の一例を示す構成図。
【図３】点火時期に対する燃焼室上面からの距離を示す説明図。
【図４】ＥＧＲ量の増加及び吸気圧力の増加に対する要求値を示す説明図。
【図５】機関負荷に対する吸気圧力、ギャップ量及び点火時期の変化を示す特性図。
【図６】ＥＧＲ量に対する吸気圧力の変化を示す特性図。
【図７】ＥＧＲ量に対する点火時期の変化を示す特性図。
【符号の説明】
【００３１】
３…ピストン
１０…シリンダブロック
１１…シリンダ
１２…シリンダヘッド
１７…燃焼室上面
１８…ピストン冠面
２０…点火装置
２１…プラグ電極
２２…接地電極
３０…エンジン制御部
３２…ＥＧＲ装置
【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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