(57)【要約】【課題】３点点火式内燃機関において、燃焼室内の吸気側と排気側との温度差に起因するノッキングの発生を防止する。【解決手段】燃焼室中央領域に第１の点火栓１１を設けると共に、第１の点火栓１１に関して略対称位置となる吸排気弁両側方の燃焼室周辺領域にそれぞれ第２、第３の点火栓１２、１３を配置した内燃機関１において、各点火栓１１〜１３を通る線に対して吸気弁６が配置された側の燃焼室領域を吸気側領域、排気弁７が配置された側の燃焼室領域を排気側領域と定義したとき、第２の点火栓１２付近では前記吸気側領域から前記排気側領域方向、第３の点火栓１３付近では前記排気側領域から前記吸気側領域方向となるスワール流動を生起させ得るスワール生起手段２３を備え、少なくともスワール流動を生起させる運転状態では、第１、第２の点火栓１１、１２に先立って第３の点火栓１３を点火させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室に吸気弁と排気弁とをそれぞれ複数配置し、前記吸気弁および排気弁に包囲された燃焼室中央領域に第１の点火栓を設けると共に、第１の点火栓に関して略対称位置となる吸排気弁両側方の燃焼室周辺領域にそれぞれ第２、第３の点火栓を配置した内燃機関において、
前記第１から第３の点火栓の点火時期を運転状態に応じて制御する点火時期制御手段と、
前記各点火栓を通る線に対して前記吸気弁が配置された側の燃焼室領域を吸気側領域、前記排気弁が配置された側の燃焼室領域を排気側領域と定義したときに、前記第２の点火栓付近では前記吸気側領域から前記排気側領域方向、前記第３の点火栓付近では前記排気側領域から前記吸気側領域方向となるスワール流動を前記燃焼室内に生起させ得るスワール生起手段と、を備え、
前記点火時期制御手段は、少なくとも前記スワール生起手段によりスワール流動を生起させる運転状態では、前記第１、第２の点火栓に先立って前記第３の点火栓を点火させることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記第３の点火栓の点火後、所定期間が経過してから前記第１、第２の点火栓を点火させることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記所定期間は、少なくとも前記第３の点火栓の点火により生成した火炎が前記第２の点火栓付近まで伝播するのに要する期間よりも長い期間であることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関。
【請求項４】
前記第１、第２の点火栓の点火を略同時期に行うことを特徴とする請求項２または３に記載の内燃機関。
【請求項５】
前記第１、第２の点火栓の点火後、所定期間が経過してから再度前記第１の点火栓を点火させることを特徴とする請求項２から４のいずれか一つに記載の内燃機関。
【請求項６】
スワール生起手段を有する内燃機関の燃焼方法において、
前記内燃機関は、
燃焼室領域の吸気弁が配置された側を吸気側、排気弁が配置された側を排気側と定義したときに、
スワールの流れ方向で見て、前記吸気側の燃焼室領域のスワール流れ上流部分近傍に位置する吸気スワール上流点火栓および、
スワールの流れ方向で見て、前記排気側の燃焼室領域のスワール流れ上流部分近傍に位置する排気スワール上流点火栓もしくは燃焼室中央領域近傍のスワールの流れが実質的に一方向に定まらない領域に位置する中立点火栓の少なくともどちらか一方を有し、
スワール生起手段によりスワールを生起させるときに、吸気スワール上流点火栓を他の点火栓に対して早いタイミングで点火させることを特徴とする内燃機関の燃焼方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、１気筒当り複数の点火装置を備える多点点火式の内燃機関に関し、特に、ノッキング発生の防止に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の燃焼性を向上させるために、１つの気筒に複数の点火栓を設けた多点点火式内燃機関が知られている。この多点点火式内燃機関は、各点火栓から発する火炎の伝播距離を短くすることで完全燃焼に近づけることを目的とするものである。
【０００３】
しかしながら、多点点火式内燃機関では燃焼期間が短縮されて、いわゆる急速燃焼となるため、筒内圧や筒内温度の上昇が１点点火の場合と比べて急峻となり、ノッキングが発生し易くなるという弊害がある。
【０００４】
この問題を解決するための手段として、シリンダボア外周付近に設けた複数の点火栓により着火し、火炎をスワール流動に乗せてシリンダボアの広い空間から狭い空間へと伝播させることによって、燃焼初期から中期にかけての火炎核の拡がりを抑制する構成が特許文献１に記載されている。
【特許文献１】特開２００５−２４８８４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、燃焼室内は排気側領域の方が吸気側領域に比べて高温となる。これは、排気バルブ及びその周辺が高温の既燃ガスが通過することにより温度上昇するのに対して、吸気バルブ及びその周辺は吸気行程において比較的低温の吸入空気に曝されることで冷却されるからである。このため、混合気の燃焼速度は燃焼室内の排気側領域の方が吸気側領域よりも高くなり、排気側領域では燃焼室周縁部まで火炎伝播した後でも、吸気側領域には未だ火炎が伝播していないため未燃のままの混合気が残る。この未燃の混合気が、火炎伝播により燃焼する前に、燃焼室内の圧力上昇によって圧縮自己着火すると、いわゆるノッキングが発生する。
【０００６】
特許文献１に記載の多点点火式内燃機関では、スワール流動を利用しているため火炎の伝播速度が速くなるが、上述したように排気側領域と吸気側領域の燃焼速度が異なる。しかも、複数の点火栓を同時に点火させるので、上述した原因によりノッキングが発生するおそれがある。
【０００７】
そこで、本発明では、多点点火式内燃機関においてノッキングの発生を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の内燃機関は、燃焼室に吸気弁と排気弁とをそれぞれ複数配置し、前記吸気弁および排気弁に包囲された燃焼室中央領域に第１の点火栓を設けると共に、第１の点火栓に関して略対称位置となる吸排気弁両側方の燃焼室周辺領域にそれぞれ第２、第３の点火栓を配置した内燃機関において、前記第１から第３の点火栓の点火時期を運転状態に応じて制御する点火時期制御手段と、前記各点火栓を通る線に対して前記吸気弁が配置された側の燃焼室領域を吸気側領域、前記排気弁が配置された側の燃焼室領域を排気側領域と定義したときに、前記第２の点火栓付近では前記吸気側領域から前記排気側領域方向、前記第３の点火栓付近では前記排気側領域から前記吸気側領域方向となるスワール流動を燃焼室内に生起させ得るスワール生起手段と、を備える。そして、少なくともスワール流動を生起させる運転状態では、前記第１、第２の点火栓に先立って前記第３の点火栓を点火させる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、第３の点火栓により生成した火炎はスワール流動によって吸気側領域に伝播するので、燃焼速度が遅い吸気側領域で早期に燃焼が開始されることとなる。したがって、排気側領域での燃焼を開始した際に、吸気側領域で火炎伝播する前に未燃の混合気が圧縮自己着火してノッキングが発生することを防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明が適用可能な内燃機関の概略構成図を示している。図中の１は複数の気筒を主軸方向に配設した気筒列を有する多気筒内燃機関の本体、２はその吸気通路、３は吸入ポート部、４はスロットル弁、５は排気ポート部、６は吸気弁、７は排気弁、８は燃焼噴射弁、９は燃焼室、１０はピストン、１１〜１３は点火栓である。また、２０はコントロールユニット、２１は吸入空気量センサ、２２はクランク角センサである。２３はシリンダ内にスワール流動を生起させるためのスワール生起手段としてのスワールコントロールバルブ（以下、ＳＣＶという）であり、コントロールユニット２０からの指令に基づき、比較的低負荷の運転条件下で後述するように吸気通路２の流路面積を絞ってシリンダへの吸気流速を高めることにより吸気スワールを生起する構成となっている。
【００１１】
コントロールユニット２０は、ＣＰＵおよびその周辺装置からなるマイクロコンピュータにより構成されており、運転状態検出装置としての前記各センサ２１、２２からの入力に基づいて内燃機関の運転状態を判断し、燃料の噴射時期、噴射量、及び後述するＳＣＶ２３の開度がそれぞれ所定の目標値に一致するように燃料噴射弁８及びＳＣＶ２３の作動を制御する。また、同様に点火時期制御手段として点火栓１１〜１３の作動を制御する。
【００１２】
図２に前記３個の点火栓１１〜１３の配置の詳細を示す。この実施形態の内燃機関は図２に平面視にて示したように気筒当りに吸気弁６（６Ａ、６Ｂ）と排気弁７（７Ａ、７Ｂ）とをそれぞれ２個ずづ配置した４弁形式となっている。３個の点火栓のうち、中央に位置する第１の点火栓１１はメインプラグと称し、前記都合４個の吸気弁６又は排気弁７に包囲された燃焼室９の中央領域に位置する。これに対して、第２、第３の点火栓１２、１３はサブプラグと称し、前記第１の点火栓１１に関し略対称位置となる吸気弁６及び排気弁７の両側方の燃焼室９の周辺領域に位置する。
【００１３】
また、ＳＣＶ２０は一方の吸気ポート６Ｂの流路面積を調節可能なバルブであり、例えば図２に示したようにシャフト２３ａを軸として開閉するバタフライバルブを用いることができる。このＳＣＶ２０を、比較的低負荷での運転時のようにスワール流動を強める場合には弁開度が小さくなるように制御して吸気ポート３Ｂの流路面積を絞り、これにより両吸気ポート３Ａ、３Ｂから燃焼室９に流入する吸入空気量に偏りを生じさせて、図３中に矢印で示すように図中時計回りの吸気スワールを生起させる。そして比較的高負荷での運転時のようにスワール流動を弱める場合には弁開度が大きくなるように制御し、両吸気ポート３Ａ、３Ｂ間の吸入空気量の偏りを低減させる。
【００１４】
なお、シリンダヘッド１ａ側の燃焼室形状は、各点火栓１１〜１３のそれぞれの放電電極部１１ｇ〜１３ｇを通る線の付近を稜線とするいわゆるペントルーフ形である。
【００１５】
次に、比較的低負荷であってスワール流動を生起させる運転状態における各点火栓１１〜１３の点火時期について説明する。
【００１６】
本実施形態では、ピストン１０が圧縮上死点近傍まで上昇したときに、まず第３の点火栓１３による点火を行う。なお、点火時期は一般の点火時期制御と同様に、運転状態に応じて進角・遅角するものとする。
【００１７】
燃焼室９内にはスワール流動が生起されているため、第３の点火栓１３近傍の混合気は吸気弁６側の領域に向う。したがって第３の点火栓１３から発した火炎は、図３中の矢印１４で示したように、スワール流動によって吸気弁６Ｂから吸気弁６Ａ方向に拡がる。すなわち、まず第３の点火栓（スワールの流れ方向から見て、吸気側の上流部近傍に位置する吸気スワール上流点火栓）１３により点火を行うことにより、比較的低温で燃焼速度が比較的遅い吸気弁６側の領域から燃焼が開始される。
【００１８】
続いて、吸気弁６Ａ、６Ｂ付近の比較的低温の混合気が燃焼しきる前、例えば第３の点火栓１３の点火してからクランク角で約１５度程度進んだ時期に、第１の点火栓（スワールの流れが実質的に一方向に定まらずに、スワールの流れ方向で見て上流、下流の関係を有さない領域に位置する中立点火栓）１１、および第２の点火栓（スワールの流れ方向から見て、排気側の上流部近傍に位置する排気スワール上流点火栓）１２による点火を略同時に行う。
【００１９】
これにより、燃焼室９内には第３の点火栓１３の点火により生成した火炎と、第１、第２の点火栓１１、１２の点火により生成した火炎が存在することとなり、各点火栓１１〜１３から発した火炎の伝播距離が一点点火の場合に比べて短くなるので、燃焼期間を短縮して時間損失を低減することができる。
【００２０】
なお、第３の点火栓１３の点火から第１、第２の点火栓１１、１２の点火までのクランク角の最適値は、ボア径やピストン冠面形状、その他吸気ポート６の形状により定まるスワール流動の強さ等によって異なるので、エンジンの仕様に応じて設定する。また、スワール流動の強さや火炎伝播速度は機関運転状態に応じて変動するので、第３の点火栓１３の点火から第１、第２の点火栓１１、１２の点火までのクランク角を機関運転状態に応じて可変に制御するようにしてもよい。
【００２１】
そして、第１、第２の点火栓１１、１２の点火によって吸気弁６Ａ、６Ｂ付近の混合気が燃焼した後に、再度、第１の点火栓１１による点火を行い、スワール流動によって吸気弁６側の領域に向う未燃の混合気を燃焼させる。燃焼室９内の吸気弁６側の領域は、前述したように比較的低温であり、さらに燃焼室９周縁部付近ではシリンダ壁面からの冷却損失もあるため、火炎が伝播途中で消炎しやすく、燃焼期間終了後に燃焼室９周縁部付近（エンドゾーン）に未燃のままの混合気が残留するおそれがある。このようにしてエンドゾーンに残留した未燃の混合気は、次サイクルの膨張行程において、火炎が伝播してくる前に燃焼室内の圧力上昇によって圧縮自己着火し、いわゆるノッキングを引き起こすおそれがある。そこで、上記のように、第１、第２の点火栓１１、１２による点火の後、第１の点火栓１１により再度点火を行うことにより、吸気弁６側の領域に未燃のまま残留する混合気の量を低減し、ノッキングの発生を抑制する。
【００２２】
ここで、上記のような点火時期により第１〜第３の点火栓１１〜１３による点火を行った場合の燃焼圧の挙動について、図７を参照して説明する。図４は燃焼圧とクランク角との関係を示したものであり、図中実線は本実施形態の制御を実行した場合の挙動、破線は３つの点火栓を略同時に点火させる従来の制御（以下、従来の３点点火という）を実行した場合の挙動、鎖線は１つの点火栓による点火の場合をそれぞれ示している。
【００２３】
従来の３点点火の場合は、１点点火の場合と比較して燃焼期間を飛躍的に短くすることができるが、燃焼が早すぎるために図に示すように燃焼圧の上昇が急峻になるので、却ってノッキング限界が低くなってしまう。一方、１点点火の場合は３点点火の場合に比べて火炎伝播に要する時間がかかるため、燃焼圧の上昇は緩慢になる。しかしながら、比較的低温となる吸気弁側の領域への火炎伝播の効率が悪いため、吸気弁側のエンドゾーン付近に未燃混合気が残留し易くなる。そして、この未燃混合気が次サイクルにおいて火炎伝播する前に圧力上昇によって圧縮自己着火するおそれがあるため、ノッキング限界が高いとはいえない。
【００２４】
これらに対して、本実施形態の点火時期制御では、まず第３の点火栓１３によってのみ点火するので、燃焼圧の立ち上がりは１点点火と同様に緩慢になる。しかし、その後第１、第２の点火栓１１、１２による点火を行うことにより、燃焼圧の上昇が１点点火と比較して燃焼期間が短縮される。また、第１の点火栓１１による点火を再度行うことにより、未燃のまま燃焼室内に残留する混合気量を低減することができる。すなわち、燃焼期間を短縮しつつノッキングの発生を抑制することができる。
【００２５】
図５は従来の３点点火及び本実施形態の、ノック強度と点火時期との関係を示すものであり、図中の実線は本実施形態、鎖線は従来の３点点火、破線は許容し得るノック強度（以下、許容ノック強度という）を示している。上述したように本実施形態は従来の３点点火よりも燃焼圧の上昇を緩慢にすることでノッキングの発生を抑制しているため、図５７に示すように、本実施形態によれば従来の３点点火と比較してノック強度が許容ノック強度を超える点火時期が進角側になる。すなわち、より点火時期を進角させることで出力向上を図ることができる。
【００２６】
以上説明したように、本実施形態では、第３の点火栓１３を最初に点火させ、これにより生成した火炎をスワール流動を利用して吸気側領域に伝播させるので、燃焼速度の低い吸気側領域で早期に燃焼が行われ、吸気側領域での圧縮自己着火によるノッキングの発生を防止することができる。
【００２７】
また、第３の点火栓１３による点火の後、所定期間、例えば第３の点火栓により生成した火炎が第１、第２の点火栓１１、１２付近まで伝播する期間よりも長い期間が経過した後に、第１、第２の点火栓１１、１２を略同時に点火させるので、燃焼時間を短縮して時間損失を低減することができる。
【００２８】
さらに、第１、第２の点火栓１１、１２を点火させた後に、再度第１の点火栓１１を点火させるので、燃焼室内に未燃混合気が残ることを防止できる。
【００２９】
また、燃焼開始後の燃焼圧の上昇を緩慢にすることで、燃焼に起因する打音（燃焼音）を抑制することができる。
【００３０】
なお、本発明は上記の実施の形態に限定されるわけではなく、特許請求の範囲に記載の技術的思想の範囲内で様々な変更を成し得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本実施形態を適用する内燃機関の全体構成図である。
【図２】本実施形態の燃焼室構造の概略を示す上面図である。
【図３】燃焼室内のスワール流動を説明するための図である。
【図４】燃焼圧の特性を説明するための図である。
【図５】ノック強度の特性を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３２】
１      内燃機関の本体
２      吸気通路
３      吸入ポート部
４      スロットル弁
５      排気ポート部
６      吸気弁
７      排気弁
８      燃焼噴射弁
９      燃焼室
１０    ピストン
１１    第１の点火栓
１２    第２の点火栓
１３    第３の点火栓
【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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