(57)【要約】【課題】燃料にガソリンを使用した圧縮着火式内燃機関において、適切な点火タイミングを実現する。【解決手段】  シリンダヘッド２に、衝撃波発生手段としてスパークブラグ６を取り付けている。圧縮行程終期において、ピストン３が距離がＥ１の時点で第１回スパークが行われ、更にピストン３が上死点に近い距離Ｅ２まで上昇すると第２回スパークが行われる。第１スパークによって発生した第１衝撃波１２が燃焼室の内面に衝突して反射することで第１反射波１３が発生し、第２スパークで発生した第２衝撃波１４が第１反射波１３に衝突する。第２衝撃波１４と第１反射波１３とが衝突した境界面１５は部分的に高圧となり、境界面１５の箇所に位置した燃料粒子１６は燃焼しやすい状態になるため、ピストン３が上死点に到ると燃焼し、これがトリガーになって混合気の全体が爆発燃焼する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室に吸引された混合気をピストンで圧縮して着火させる方式であり、
前記燃焼室に吸引された混合気の少なくとも一部を加圧又は昇温させる衝撃波発生手段が設けられている、
圧縮着火式内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃焼安定性に優れた圧縮着火式内燃機関に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧縮着火式の内燃機関は、軽油や重油を燃料とするディーゼル機関として広く実用化されている。圧縮着火式の内燃機関は圧縮比が高いため高出力を得ることができる利点があり、そこで、ガソリンを燃料にした内燃機関においても圧縮着火式（自着火方式）とすることが研究され、或いは、一部で実用化されている。その例として例えば特許文献１には、火花点火と圧縮着火とを切り替えできる内燃機関が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−７５０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
さて、火花点火方式の場合は、点火プラグへの通電タイミングを制御することで着火タイミングは比較的容易に制御できるが、圧縮着火式の場合は、着火タイミングが機関温度や空燃比等の様々な影響で左右されるため、点火時期を制御しにくいという問題がある。そして、早期着火にしても着火遅れにしても出力低下等の問題を招来する。
【０００５】
本願発明はこのように現状に鑑み成されたものであり、着火タイミングを制御できる圧縮着火式内燃機関を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記目的を達成すべく本願発明では、燃焼室に吸引された混合気をピストンで圧縮して着火させる方式の内燃機関において、前記燃焼室に吸引された混合気の少なくとも一部を加圧又は昇温させる衝撃波発生手段が設けられている。ここに、衝撃波発生手段としては、例えばスパークブラグ、超音波加振器、高周波加振器などを使用できる。
【発明の効果】
【０００７】
本願発明によると、燃焼室に吸引された混合気の燃料粒子が衝撃波によって加圧又は（／及び）昇温することで、燃料の少なくとも一部を極めて燃焼しやすい状態にすることができるため、燃焼しやすくなって燃料に予備着火して、これをトリガーとして混合気の全体を爆発させることができる。そして、衝撃波の発生タイミングは電気的に制御できるため、燃料の予備着火タイミングも制御できる。従って、圧縮着火式でありながら最適のタイミングで燃料を燃焼させることができる。これにより、高出力を得ることができると共に、完全燃焼によって排気ガスの有害成分濃度も低下させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態の要部中央断面図で、（Ａ）は１回目のスパークが行われた状態の図、（Ｂ）は２回目のスパークが行われた状態の図である。
【図２】（Ａ）は燃料粒子がエネルギを受けている状態を示す模式図、（Ｂ）は燃焼状態での要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
(1).構造
次に、本願発明の実施形態を図面に基づいて説明する。まず、構造を説明する。本実施形態の内燃機関は４サイクル方式であり、従来と同様に、シリンダブロック１とこれに重なったシリンダヘッド２とを有している。シリンダブロック１にはピストン３が摺動するシリンダボア４が形成され、シリンダヘッド２には、シリンダボア４に対応した燃焼用凹所５が形成されている。燃焼用凹所５は屋根型の構造になっており、中央部にはスパークブラグ６が臨んでいる。
【００１０】
また、シリンダヘッド２には、吸気バルブ７で開閉される吸気ポート８と、排気バルブ９で開閉される排気ポート１０とが、シリンダボア４の軸心を挟んだ両側に振り分けた状態で形成されている。吸気ポート８には燃料噴射ノズル１１を臨ませている。
【００１１】
なお、本実施形態では、吸気ポート８と排気ポート１０とは紙面と直交した方向に２つずつ配置されている。従って、スパークブラグ６を表示した中央部の断面図では、本来は吸気ポート８及び排気ポート１０は断面として表れないが、便宜的にスパークブラグ６と吸排気ポート８，１０を一緒に表示している。
【００１２】
(2).制御態様
本実施形態で、スパークブラグ６が請求項に記載した衝撃波発生手段を構成しており、スパークブラグ６は、制御手段としてのエンジンコントロールユニット（ＥＣＵ：図示せず）で、次のように制御される。
【００１３】
すなわち、図１に（Ａ）に示すように、圧縮工程の終期でピストン３が上死点まで距離Ｅ１になると、まず、スパークブラグ６に１回目の通電を行う。すると、スパークによって空気が破裂等することで、スパーク箇所を中心にして第１衝撃波１２が発生し、第１衝撃波１２は放射方向に伝播するが、この第１衝撃波１２はシリンダボア４やシリンダヘッド２など燃焼室を構成する部材の内面に衝突して、第１反射波１３が燃焼室の内部に向けて放射される。
【００１４】
そこで次に、図（Ｂ）に示すように、ピストン３が更に上死点に近づいて上死点までＥ２の距離になった時点で、スパークブラグ６に第２回の通電を行う。すると、第２回目のスパークによって燃焼室には第２衝撃波１４が発生し、この第２衝撃波１４と第１反射波１３とが衝突することで、図２（Ａ）に示すように、第２衝撃波１４と第１反射波１３との境界面１５の箇所に高い圧力域が発生し、これにより、境界面１５に位置した燃料粒子１５は高圧に加圧される。
【００１５】
そして、第２衝撃波１４と第１反射波１３との境界面１５の箇所に位置した燃料粒子１６の群は、高圧に加圧されることで極めて燃焼しやすい状態になっているため、更にピストン３が上死点まで移行すると圧縮着火して予備燃焼し、この予備燃焼の火炎が燃焼室の全体に一気に伝播することで、混合気の全体が一気に燃焼（爆発）するのである。なお、爆発的燃焼はピストン３が僅かに上死点を超えた時点で起きるのが好ましい。従って、衝撃波によって加圧された燃料の燃焼は、ピストン３が上死点に位置した当たりで発生するのが好ましいと言える。
【００１６】
第１衝撃波１２及び第２衝撃１４はスパーク箇所を中心にして放射方向に広がる一方、第１反射波１３は燃焼室の全域から帰ってくるため、第１衝撃波１４と第１反射波１３とが衝突する境界面１５は面的な広がりを持っていると推測される。このため、衝撃波によって予備加圧された燃料が燃焼する予備燃焼も面的な広がりを持っていると推測され、このため、燃焼室に充満した混合気を短時間で一気に燃焼させることができる。
【００１７】
なお、第１衝撃波１４と第１反射波１３とが衝突する境界面１５は層状に複数発生することも予想されるが、この場合は、トリガーになる予備燃焼が層状に発生するため、圧縮着火による爆発的燃焼はより一層確実になるといえる。
【００１８】
燃焼室での混合気の燃焼性は、燃料の種類や機関温度、混合気の温度、回転速度、混合気の濃度、ＥＧＲガスの有無（又は濃度）等の様々な要因で相違する。従って、これらの諸要素を変数として、第１回目スパークと第２回目スパークとのタイミングを調節することで、最適な燃焼状態を実現することができる。例えば機関温度に関連させる場合は、機関温度が高くなると燃焼しやすくなるので、第１スパークと第２回スパークとのタイミングを遅くするのが好ましいといえる。
【００１９】
スパークブラグ６を使用した制御の場合、スパークしている状態ではピストン３は圧縮行程にあるので、１回目のスパークによっては着火させないことが重要である。２回目のスパークを上死点付近で行って、圧縮着火とスパークによる着火とを同時に行うことは可能である。燃焼室を衝撃波が反射しやすい形態として、１回の衝撃波によって反射波を互いに衝突させることで、燃料粒子を加圧することも可能である。
【００２０】
(3).バリエーション
本実施形態のようにスパークブラグ６を使用する場合、スパークブラグ６に通電する高電圧発生装置を可変式とすることで、スパークの強さ（換言すると衝撃波の強さ）を変えることも可能である。１回目のスパークと２回目のスパークとで電圧を変えることで、第１衝撃波１２の強さと第２衝撃波１４の強さを変えることも可能である（反射波１３は減衰するので、第１衝撃波１２を第２衝撃波１４より強くしておくと、第１反射波１３と第２衝撃波１４との衝突境界面１５を強い加圧することができる。
【００２１】
また、定常状態で安定した燃焼が実現している場合はスパークブラグ６を使用した制御を行わず、燃焼が不安定化したらスパークブラグ６を使用した制御を行うというように、スパークブラグ６を使用した運転と使用しない運転とを切り替えることも可能である。また、スパークブラグ６を使用する場合、３回以上通電して、混合気を段階的に加圧することも可能である。
【００２２】
１つの燃焼室に複数のスパークブラグ６を配置することも可能である。この場合は、複数のスパークブラグ６に同時に複数回通電することも可能であるし、複数のスパークブラグ６に順番に通電することも可能であり、更に、複数のスパークブラグ６を、同時発生した衝撃波が互いに衝突するように離れた位置に配置して、同時に通電することも可能である。
【００２３】
衝撃波発生手段としては、超音波発生装置や高周波発生装置、或いはマグネトロンのような加振手器を使用することも可能である。超音波発生装置を使用する場合、複数の部位から超音波を照射して衝突させ、衝突した境界面に位置した燃料粒子に運動エネルギを与えて高温・高圧化したり、上死点の僅か手前に位置したピストン３の頂面に超音波を照射することで、ピストン３の頂面に接している燃料粒子をピストン３の頂面に擦りつけて高温・高圧化するといったことも可能である。
【００２４】
衝撃波発生手段の配置位置はシリンダヘッドに限らず、シリンダブロックやピストンに設けることも可能である。ピストンに設ける場合は、高周波を利用したワイヤレス給電で電力を給電したらよい。また、シリンダブロックとシリンダヘッド２との間に挟み配置されているガスケットを衝撃波の加振部として利用して、ガスケットの内周に沿った面に混合気の加圧・加熱領域を形成することも可能である。敢えて述べるまでもないが、本願発明は軽油や重油を燃料にしたディーゼル機関にも適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明は、圧縮着火式ガソリン機関等の内燃機関に具体化できる。従って、産業上利用できる。
【符号の説明】
【００２６】
１  シリンダブロック
２  シリンダヘッド
３  ピストン
４  シリンダボア
６  衝撃波発生手段の一例としてのスパークブラグ
７  吸気バルブ
９  排気バルブ
１２  第１衝撃波
１３  第１反射波
１４  第２衝撃波
１５  第１反射波と第２衝撃波とが衝突した境界面
１６  燃料粒子
【図１】
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【図２】
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