(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
均一な燃料濃度の希薄な混合気を吸気する吸気マニホルドと、吸気マニホルドからの混合気が吸入される燃焼室と、燃焼室からの排気を行う排気マニホルドと、を有するエンジンにおいて、
前記燃焼室内に、互いに直列に接続されている複数の点火ギャップを有する点火システムを備え、該点火システムは、シリンダーのシリンダーヘッドに横方向に挿入される棒状の絶縁体を有し、棒状の絶縁体の一部はシリンダーの内面の半径方向に沿った長手方向に露出され、この露出部には、シリンダーの半径方向に沿って前記複数の点火ギャップを介して一列に複数の導電性の層が形成されており、前記複数の層のうちの一方端の層が絶縁体の中心に配設された導電体の第１心線に接続され、他方端の層が絶縁体内に配設された導電体の第２心線を介してシリンダーにアースされ、前記第１心線に点火コイルからの高電圧の二次電流が供給されるようになっており、該点火システムの各点火ギャップは同時に放電し、吸気マニホルドから燃焼室内に供給される均一な燃料濃度の希薄な混合気を多点で同時に着火することを特徴とする低燃費火花点火エンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は低燃費火花点火エンジン、さらに詳細にはエンジンの全運転領域で、均一で、燃料濃度の希薄な混合気を安定且つ急速に燃焼させることのできる自動車用低燃費火花点火エンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガソリンエンジンはジーゼルエンジンに比べて軽量で出力性能、排気特性、騒音振動特性で優れているが、燃費性能においてはジーゼルエンジンより劣っている。たとえば、ガソリンエンジンにおいては空気中の酸素と燃料が過不足なく反応する理論空燃比、すなわち吸入した空気の重量と燃料の重量の比が１４．７よりはるかに薄い均一な混合気を燃焼させるのは困難で、点火エネルギーを強化しても空燃比２２程度が安定して燃焼出来る限界であった。そこで一部分を極端に濃くした成層状態で濃い部分から燃焼させるようにしていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
このため、全体的に平均すれば燃料の薄い混合気であるにも拘わらず、大量の煤が発生し、点火プラグ、燃焼室等を付着カーボンにより汚染し、ノッキングを起こしたり、エンジンオイルを汚したりする。また全運転領域を燃料の薄い混合気で運転すると、希薄燃焼（リーンバーン）による無力感を生ずる。
【０００４】
このため図１０示のような成層機関（積層機関）が開発された。これは排気が問題となる市街地走行においてはシリンダー１内の混合気２の燃料濃度を均一に形成させず、そのシリンダー１上部の燃焼室の一部２ａのみを濃くして初期の燃焼を容易とすると共にその周りを空気もしくは燃料の薄い混合気２ｂで包囲して全体として希薄燃焼させ、また高速時や高負荷時には混合気２を濃くして出力を確保するものである。
【０００５】
これによって吸入した混合気の全体としての燃料濃度は薄く、空燃比は大きくなっているが、局部的に燃料の濃い部分が存在し、点火し易くなるが、そこで煤が発生し、また濃い部分と薄い部分との中間に窒素酸化物が発生し易い空燃比の部分ができる欠点がある。尚図１０中３はピストンである。
【０００６】
若しガソリンエンジンがジーゼルエンジン並の空燃比で運転できれば、燃費は大幅に改善されるので、燃料の薄い混合気で燃焼させるリーンバーンエンジンが研究され、一部は既に実用化されている。この燃費の改善はそのまま地球温暖化の原因の一つとなっている二酸化炭素（炭酸ガス）の排出低減につながる。
【０００７】
もしガソリンエンジンが前記理論空燃比１４．７より遙に燃料の薄い空燃比で安定して運転できれば一酸化炭素、未燃焼の炭化水素ＨＣ、窒素酸化物ＮＯX 、二酸化炭素の排出は大幅に低減する。
【０００８】
本発明はかかる目的を達成するもので、エンジンの全運転領域で、均一で、理論空燃比１４．７より遙に空燃比の大きい（燃料の薄い）例えば空燃比３０の混合気を安定且つ急速に燃焼させることのできる低燃費火花点火エンジンを提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１は均一な燃料濃度の希薄な混合気を吸気する吸気マニホルドと、吸気マニホルドからの混合気が吸入される燃焼室と、燃焼室からの排気を行う排気マニホルドと、を有するエンジンにおいて、
前記燃焼室内に、互いに直列に接続されている複数の点火ギャップを有する点火システムを備え、該点火システムは、シリンダーのシリンダーヘッドに横方向に挿入される棒状の絶縁体を有し、棒状の絶縁体の一部はシリンダーの内面の半径方向に沿った長手方向に露出され、この露出部には、シリンダーの半径方向に沿って前記複数の点火ギャップを介して一列に複数の導電性の層が形成されており、前記複数の層のうちの一方端の層が絶縁体の中心に配設された導電体の第１心線に接続され、他方端の層が絶縁体内に配設された導電体の第２心線を介してシリンダーにアースされ、前記第１心線に点火コイルからの高電圧の二次電流が供給されるようになっており、該点火システムの各点火ギャップは同時に放電し、吸気マニホルドから燃焼室内に供給される均一な燃料濃度の希薄な混合気を多点で同時に着火することを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施の形態のエンジンのシリンダーヘッド１０に形成されている燃焼室１１およびそれに取付られている多点点火の点火システム８の関係を示す説明図である。均一な燃料濃度の希薄な混合気は吸気バルブ５が開いている吸入行程で、燃焼室１１とピストン３の頂面とで区画される空間に吸入される。従って吸入および圧縮行程ではこの空間は均一な混合気２ｃで満たされている。尚、図中７は排気バルブ、６は排気マニホルドで排気の後処理装置の一つであるリーン専用三元触媒９が装着されている。
【００１１】
図２はそのシリンダーヘッド１０に装着された点火部の詳細図で、点火システム８をシリンダーヘッド１０に装着する方法の一例を示す。本発明の希薄燃焼エンジンでは従来の火花点火エンジンの点火プラグの代わりに図３示のような多点点火装置を用いる。図３はその多くの点火ギャップ１３を有する点火システム８の構造の一例、図４は図３のＡ−Ａ線断面とその外側の取付部の構造を示す断面図で点火システム８をシリンダーヘッド１０に装着する際の位置決めの一例で、点火システム８の端部にはクッション性のあるシール材８ｂを介して金具８ａをカシメつけ、この金具８ａのスリットとそれを密嵌するシリンダーヘッド１０のキー孔内には位置決めピン１４を挿入して、点火ギャップ１３は下向きになるように固定されている。図５は図３のＢ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線断面図で、電極１２とその点火ギャップ１３が燃焼室１１内に露出している状態を示すが、Ｂ−Ｂ線断面に示すようにその一部は扇形状にして燃焼室１１の壁面に向かっては火花が飛ばない（放電しない）ようにする。この金具８ａはグランドナット８ｃでシリンダーヘッド１０に締結する。
【００１２】
図２示のようにこの点火システム８に於いてはセラミック等の棒状の絶縁体８ｅの中心孔に導電体の心線８ｄが入っており、この棒状の絶縁体８ｅをシリンダーヘッド１０に挿入し、その一部をシリンダー１の内面の半径方向に沿った長手方向に露出させると共にこの露出部にはその半径方向に沿って白金の細長い層１２，１２，．．．を複数個の点火ギャップ１３，１３，．．．（この実施の形態のものは点火ギャップ１３は１１個あるが、図２では５個のみ示す）を介して一列に塗布し、その左端の層１２は心線８ｄに接続し、その右端の層１２はシリンダー１にアースする。これによって１１個の点火ギャップ１３，１３，．．．が直列に形成される。この導体の心線８ｄには点火コイルからの高電圧の二次電流を供給する。
【００１３】
次に、この装置の動作を説明する。吸気行程で吸気バルブ５が開いたとき、吸気マニホルド４からシリンダー１のシリンダーヘッド１０に混合気が供給される。吸気行程が終わり、圧縮行程で混合気２ｃはピストン３が上昇した上死点に達する少し前（クランク角で１０乃至３３°上死点前）で点火システム８の点火ギャップ１３，１３，．．．から同時に火花が飛び一気に点火され、急速に燃焼する。混合気２ｃが希薄であっても多点から着火されると火が吹き消えず、急速に火炎が伝搬し、完全に燃焼する。
【００１４】
図７（イ）は実験に用いた点火ギャップ１３、即ち点火点の位置を示す平面図、（ロ）はその火花が飛んだ瞬間の写真である。この図では点火ギャップ１３は１１個あるが、図１では５個の例で示している。この点火の状態は図７（イ）のように、複数個のギャップ１３，１３，．．．を１１個設けた実験装置による放電写真で分かるように同時に各ギャップ１３，１３，．．．で放電する。
【００１５】
このように同時多点火することにより、混合気２ｃは確実に燃焼する。点火ギャップ１３，１３，．．．は直列になっているため、印加された高電圧により同時に放電が行われる。また大きな点火エネルギーを短時間に供給するので、各点火点における混合気の着火のタイミングが揃い、初期の火炎核の形成が確実に行われる。燃焼室１１内の混合気２ｃは各部から燃焼を開始するため、火種が多くなり、火炎が吹き消えることなく、希薄な混合気２ｃを確実に燃焼させることが出来るものである。したがってこれまでの常識を越えて均一な燃料濃度の希薄な混合気２ｃを確実に燃焼させることが出来るものである。
【００１６】
図８は空燃比３０の燃料濃度の希薄な混合気２ｃを燃焼させたときのクランク角度とシリンダー圧との関係を示す実験データのグラフである。ここで、１８０°はピストンの上死点を示す。その直後に急速にシリンダー内の圧力が立ち上がっており、希薄な混合気２ｃでありながら急速な燃焼が得られていることがわかる。高速時や高負荷時には過給機により加圧して密度の高い空気をエンジンに供給し、全領域を薄い燃料濃度の混合気２ｃで運転しても、出力が確保でき燃費の向上と排気の清浄化を計ることが出来る。一方、従来のリーンバーン（希薄燃焼）では特有の無力感を避けるために、高速時や高負荷時に混合気を濃くしていたので、その結果燃費と排気の悪化を伴っていた。また、図１０に示す従来の層状の混合気２を燃焼させる場合、その濃い部分で大量の煤が発生して点火プラグの汚染や燃焼室壁面にカーボンの付着、エンジンオイルの汚損が起こるが、本発明のエンジンではこのようなことは全く発生せず、薄い混合気２ｃでも出力を確保でき、燃料消費が著しく低減し、燃費を改善出来、大量の煤も発生せず、点火プラグ、燃焼室等が付着カーボンにより汚染されたり、それによる点火ミスや、ノッキングを防止し、エンジンオイルを汚したりすることはない。また、従来の層状の混合気２の燃焼による点火プラグのカーボン付着汚損によりエンジンにとって致命的なミスファイヤを発生させるが、本発明のエンジンではこのようなことは全くなく、アイドリング時や低速回転時のエンジンの安定度が改善され、振動による不快感も軽減する。
【００１７】
本発明の同時多点点火により、燃焼した排気には燃料濃度が希薄な混合気２ｃの燃焼であっても、レベルは低いもののまだ一酸化炭素、未燃焼の炭化水素や窒素酸化物などの規制物質は残っているので、その後、排気バルブ７が開いた時、排気はシリンダー１から排気マニホルド６を通して排出され、そこでリーン専用三元触媒９で低減されるものである。
【００１８】
図９は上記装置における混合気の濃度と排気のＨＣ、ＣＯ、ＮＯXの濃度との関係を示すグラフで、横軸は理論空燃比１４．７を中心とする空燃比、縦軸は排気の有害物質の濃度を示す。曲線ａ１は一酸化炭素ＣＯ、曲線ａ２は窒素酸化物ＮＯX 、曲線ａ３は未燃焼の炭化水素ＨＣの排出濃度を夫々示し、従来はａ４で示すところでミスファイヤにより未燃焼の炭化水素ＨＣが増加するが、本発明ではもっと薄い点線ａ５で示すようにミスファイヤにより未燃焼の炭化水素ＨＣが増加し、ミスファイヤの領域は薄い方へと移動する。従来の均一な混合気による運転限界は空燃比２０であったが、本発明は空燃比３０程度の薄い混合気２ｃで運転出来る。
【００１９】
このグラフから明らかなように、本発明ではエンジンの排気マニホルド６における規制物質の濃度のレベルは十分に低下しているので、三元触媒９の転換の負担が軽減され、三元触媒９を小型にすることが可能となる。例えば有害排気成分が５０％低減すれば、三元触媒９も１／２の大きさで済むので、ウオームアップ時間が短縮すると共に触媒コストも低減するものである。
【００２０】
以上のように本発明では多点で点火することで均一の空燃比が３０以上の燃料濃度の希薄な混合気でも安定に燃焼させることが出来ると共に運転全領域にわたって燃費および排気のＨＣ、ＣＯ、ＮＯXのレベル、特に窒素酸化物ＮＯX を大幅に改善することが出来るものである。
【００２１】
【発明の効果】
以上のように本発明の請求項１によれば、同時多点点火により均一な燃料濃度の希薄な混合気２ｃを確実に燃焼させることが出来、またエンジン運転全領域にわたって燃費および排気中の有害物質の濃度を著しく改善することが出来るものである。また高速時や高負荷時には過給機により、薄い混合気２ｃでも出力を確保出来るものである。また、簡単な構造で同時に多点で点火出来るものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施の形態のエンジンの火花点火部の説明図である。
【図２】  そのシリンダーヘッドに装着された点火システムの詳細図である。
【図３】  点火システムの構造と取付部の構造を示す一部を断面とした側面図である。
【図４】  図３のＡ−Ａ線断面とその外側の取付部の構造を示す断面図である。
【図５】  図３のＢ−Ｂ線、Ｃ−Ｃ線断面図である。
【図６】  燃焼室の上部をピストン側から見た吸排気バルブと点火システムの配置図である。
【図７】  （イ）はその点火システムの平面図、（ロ）はその写真である。
【図８】  そのクランク角度とシリンダー圧との関係を示すグラフである。
【図９】  その混合気の濃度と排気の不純物の濃度との関係を示すグラフである。
【図１０】  従来の希薄な混合気を成層で燃焼させるシリンダー上部における火花点火部の説明図である。
【符号の説明】
２ｃ．．．．．．混合気
４．．．．．．．吸気マニホルド
６．．．．．．．排気マニホルド
８．．．．．．．点火システム
９．．．．．．．リーン専用三元触媒
１３，１３，．．．点火ギャップ
【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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