(57)【要約】【課題】吸気ポートの形状誤差に起因する気筒間の燃焼ばらつきを抑えることのできる内燃機関を提供する。【解決手段】内燃機関は、成層燃焼運転と均質リーン燃焼運転が可能であり、筒内にタンブル流を生じさせる絞り部をスロートに有する第１吸気ポートを有する第１気筒と、第１吸気ポートよりもシリンダヘッド下面から絞り部までの高さが高い吸気ポートを有する第２気筒と、を有している。第１気筒及び第２気筒のそれぞれの筒内には、電極部を突出させた状態で点火プラグが固定されている。そして、第２気筒の電極部の筒内への突出し量は、第１気筒の突出し量に比べて大きくされている。【選択図】図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒内にタンブル流を生じさせる絞り部をスロートに有する吸気ポートを有する第１気筒と、前記第１気筒の吸気ポートよりもシリンダヘッド下面から前記絞り部までの高さが高い吸気ポートを有する第２気筒と、前記第１気筒及び前記第２気筒のそれぞれの筒内に電極部を突出させた状態で固定された点火プラグとを有し、成層燃焼運転と均質リーン燃焼運転が可能な内燃機関において、
前記第２気筒は、前記第１気筒に比べて前記電極部の筒内への突出し量が大きいことを特徴とする内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関に関し、詳しくは、筒内にタンブル流を生じさせる絞り部をスロートに有する吸気ポートと点火プラグとを各気筒ごとに備える内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば特許文献１には、機関の運転状態に応じて点火プラグの燃焼室内側への突出し量を可変制御する筒内噴射式火花点火機関が開示されている。この火花点火機関では、より詳しくは、燃料噴射量が多い均質燃焼運転時には点火プラグの燃焼室内への突出し量が小さくされて、燃料が点火プラグの電極を直撃することによる燃料被りやくすぶりの発生が回避される。また、燃料噴射量が少なく且つ燃焼室内のガス流動が弱くなる成層燃焼運転時には、点火プラグの燃焼室内への突出し量が大きくされて、点火プラグの周りへ確実に燃料が搬送される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２９４３０７号公報
【特許文献２】特開２０１０−１４４６２４号公報
【特許文献３】特開２０１２−０３６７９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１の技術では、気筒間のタンブルの強さに差がないことを前提にしている。しかしながら、実際の各気筒のタンブルの強さは、製造時の寸法誤差等の要因によってばらつきが生じる。すなわち、吸気ポートが形成されるシリンダヘッドは、一般的には鋳造により製造される。吸気ポートの本体部分は中子によって形成され、吸気ポートと燃焼室とを接続するスロートの部分は鋳造後に機械加工によって形成される。鋳込みの際に中子を完全に固定することは難しく、燃焼室に対して僅かに位置がずれる場合がある。吸気ポートがタンブル生成ポートである場合、その僅かなずれが筒内に生成されるタンブルの強さに大きく影響する。気筒間のタンブルのばらつきは、気筒間に燃焼のばらつきを生じさせる。上記特許文献１の技術では、点火プラグの燃焼室内への突出し量を気筒毎に可変させることについては何ら考察がなされていないため、吸気ポートの形状誤差に起因する気筒間の燃焼のばらつきを解消することはできない。
【０００５】
本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたもので、吸気ポートの形状誤差に起因する気筒間の燃焼ばらつきを抑えることのできる内燃機関を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、筒内にタンブル流を生じさせる絞り部をスロートに有する第１吸気ポートを有する第１気筒と、第１吸気ポートよりもシリンダヘッド下面から絞り部までの高さが高い吸気ポートを有する第２気筒と、第１気筒及び第２気筒のそれぞれの筒内に電極部を突出させた状態で固定された点火プラグとを有し、成層燃焼運転と均質リーン燃焼運転が可能な内燃機関に適用される。そして、この内燃機関では、第２気筒の電極部の筒内への突出し量が第１気筒の突出し量に比べて大きくされている。
【発明の効果】
【０００７】
シリンダヘッド下面から絞り部までの高さが相対的に低い吸気ポートによれば、筒内には相対的に弱いタンブルが生成され、シリンダヘッド下面から絞り部までの高さが相対的に高い吸気ポートによれば、筒内には相対的に強いタンブルが生成される。一方、電極部の筒内への突出し量が相対的に小さい気筒では、点火位置が気筒内のタンブルの強い領域とされ、電極部の筒内への突出し量が相対的に大きい気筒では、点火位置が気筒内のタンブルの弱い領域とされる。
【０００８】
強いタンブルが生成される気筒では、成層燃焼運転において燃料の噴霧に火花が到達し難くなり着火性が低下する傾向がある。また、弱いタンブルが生成される気筒では、均質リーン燃焼において火花が伸び難くなり着火性が低下する傾向がある。本発明に係る内燃機関によれば、強いタンブルが生成される第２気筒では、タンブルの弱い領域で点火が行なわれ、弱いタンブルが生成される第１気筒では、タンブルの強い領域で点火が行なわれる。これにより、各気筒における点火位置でのタンブル強さの相対差を小さくすることができるので、強いタンブルが生成される第２気筒における成層燃焼運転時の燃焼性改善と弱いタンブルが生成される第１気筒における均質リーン燃焼運転時の燃焼性改善との両立を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施の形態１に係る多気筒の内燃機関の構成を模式的に示す図である。
【図２】吸気ポートの中子のずれ量とタンブル比との関係について調べた結果を示す図である。
【図３】吸気ポートの中子ずれによるタンブルのばらつきについて説明するための図である。
【図４】吸気ポートのスロートの高さを計測する方法を説明するための図である。
【図５】ファストアイドル成層燃焼運転における点火時期と燃料噴射期間の関係を示す図である。
【図６】タンブルの強さが燃焼に与える影響を示す図である。
【図７】点火プラグの突出し量が燃焼に与える影響を示す図である。
【図８】ファストアイドル成層燃焼における点火プラグの突出し量と燃焼変動との関係を示す図である。
【図９】均質リーン燃焼における点火プラグの突出し量とリーン限界当量比との関係を示す図である。
【図１０】本発明の内燃機関における点火プラグの突出し量の設定例を示す図である。
【図１１】点火プラグの突出し量の調整を行う方法の他の例を示す図である。
【図１２】点火プラグの突出し量の調整を行う方法の他の例を示す図である。
【図１３】点火プラグの突出し量の調整を行う方法の他の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
【００１１】
実施の形態１．
１．内燃機関の構成
図１は、実施の形態１に係る多気筒の内燃機関の構成を模式的に示す図である。図１には、本内燃機関を構成する要素がクランク軸に垂直な１つの平面上に投影して描かれている。図１には１つの気筒４のみが描かれているが、本エンジンは複数の気筒４を備える。本内燃機関は、気筒４が形成されたシリンダブロック３と、シリンダブロック３上に配置されるシリンダヘッド２とを有している。気筒４内にはその軸方向に往復動するピストン８が配置されている。シリンダヘッド２の下面にあたるシリンダブロック３との合わせ面３０には、気筒４の上部空間であるペントルーフ形状の燃焼室６が形成されている。
【００１２】
シリンダヘッド２には、燃焼室６に連通する吸気ポート１０及び排気ポート１６が形成されている。吸気ポート１０の燃焼室６に連通する開口部には、吸気バルブ１８が設けられ、排気ポート１６の燃焼室６に連通する開口部には、排気バルブ２０が設けられている。シリンダヘッド２の吸気バルブ１８の軸中心と排気バルブ２０の軸中心との間の領域には、燃焼室６の頂部から先端が燃焼室６を臨むように、筒内噴射弁２６が設けられている。また、シリンダヘッド２には、筒内噴射弁２６よりも排気バルブ２０の側の燃焼室６の頂部に点火プラグ２８が設けられている。点火プラグ２８は、中心電極と接地電極から成る電極部２４を先端に備えており、筒内噴射弁２６から噴射される燃料の噴霧外郭線よりも上方になる範囲に当該電極部２４が突出すように配置されている。
【００１３】
本発明に係る内燃機関は、筒内噴射による成層燃焼を実施可能に構成されている。このため、吸気ポート１０は、その入口から燃焼室６に向けてほぼ真っ直ぐに延び、燃焼室６との接続部分であるスロート１２において流路断面積が絞られている。吸気ポート１０のこのような形状は、燃焼室６に吸入された吸気にタンブル流を生じさせる。燃焼室６の底部を形成するピストン８には、タンブル流を保持するための凹みが形成されている。
【００１４】
２．タンブルの強さと吸気ポートの製造誤差との関係
シリンダヘッド２の本体は鋳造によって製造される。その際、燃焼室６は外枠で形成され、吸気ポート１０と排気ポート１６は中子によって形成される。吸気ポート１０に着目すると、吸気ポート１０の形状のうち中子によって形成される部位は燃焼室６の近くまでであり、吸気ポート１０の燃焼室６につながる部分、すなわち、吸気ポート１０のスロート１２は、鋳造後に機械加工によって形成される。
【００１５】
シリンダヘッド２の鋳込みの際、吸気ポート１０の中子は外枠や巾木などによって固定される。しかし、中子を完全に固定することは難しく、燃焼室６を形成する外枠との位置関係に僅かなずれが生じる場合がある。吸気ポート１０はタンブル生成ポートであるので、中子の僅かなずれは燃焼室６内に生成されるタンブルの強さに大きく影響する。
【００１６】
図２は、吸気ポート１０の中子のずれ量とタンブル比との関係について調べた結果を示す図である。なお、タンブル比は、ピストン８が一往復する間に燃焼室６内でタンブル流が回転した回数、と定義される。この図より、中子が基準位置より上方向にずれるとタンブル比が大きく（つまりタンブルが強く）なり、中子が基準位置より下方向にずれるとタンブル比が小さく（つまりタンブルが弱く）なることが分かる。この理由は以下のとおりである。
【００１７】
図３は、吸気ポート１０の中子ずれによるタンブルのばらつきについて説明するための図である。図３中の（ａ）に示すように、吸気ポート１０の中子が基準位置（図中の（ｂ））から上方向にずれた場合、吸気バルブ１８の上方を通って燃焼室６に入り、順方向のタンブル流を生成する吸気流が強くなる一方で、吸気バルブ１８の下方を通って燃焼室６に入り、逆方向のタンブル流を生成する吸気流は弱くなる。この結果、図中（ａ）の燃焼室６には、図中（ｂ）の燃焼室よりも相対的に強いタンブルが生成される。一方、図３中の（ｃ）に示すように、吸気ポート１０の中子が基準位置（図中の（ｂ））から下方向にずれた場合、吸気バルブ１８の上方を通って燃焼室６に入り、順方向のタンブル流を生成する吸気流が弱くなる一方で、吸気バルブ１８の下方を通って燃焼室６に入り、逆方向のタンブル流を生成する吸気流が強くなる。この結果、図中（ｃ）の燃焼室６には、図中（ｂ）の燃焼室６よりも相対的に弱いタンブルが再生される。
【００１８】
このように、吸気ポート１０の中子が上下方向にずれた場合、そのずれは機械加工によってスロート１２を形成したときに、吸気ポート１０のスロート１２の高さのずれとして現れる。以上のことから、強いタンブルが生成される気筒なのか弱いタンブルが生成される気筒なのかは、吸気ポート１０のスロート１２の高さから判断することができる。吸気ポート１０のスロート１２の高さは、例えばレーザ計測器を用いることによって計測することができる。図４は、吸気ポートのスロートの高さを計測する方法を説明するための図である。具体的には、図４に示すように、吸気ポート１０の中子とスロート１２とが交わる部分（つまり、吸気ポートに絞りが形成される絞り部１３）の、合わせ面３０からの距離（高さ）ｈをスロート１２の高さとして計測すればよい。
【００１９】
なお、強いタンブルが生成される気筒なのか弱いタンブルが生成される気筒なのかを判断する方法は上記にに限らず、例えば、公知のタンブルメータを用いて、シリンダヘッド２の吸気ポート１０に発生するタンブルの強さを直接計測して判断してもよい。
【００２０】
３．タンブルの強さと着火性との関係
本発明に係る内燃機関は、ファストアイドル成層燃焼運転と均質リーン燃焼運転とを実施可能に構成されている。ファストアイドル成層燃焼運転は、エンジン回転速度が８００〜２０００ｒｐｍである内燃機関の始動直後のアイドル運転中に実施される運転であり、略ストイキ（理論空燃比）から弱リーンの空燃比による成層燃焼が行われる。図５は、ファストアイドル成層燃焼運転における点火時期と燃料噴射期間の関係を示す図である。この図に示すように、ファストアイドル成層燃焼では、膨張行程において筒内噴射弁２６による燃料の噴射および点火プラグ２８による点火が開始される（図中のＡ又はＢの燃料噴射期間）。これにより、燃料噴霧による誘引の作用によって点火プラグ２８の点火火花の周辺に燃料濃度の濃い混合気の層が形成される。なお、図中のＣの燃料噴射期間は、点火火花が燃料噴霧によって誘引されることがないため適用しない。一方、均質リーン燃焼運転は、混合気を燃焼室６内で均一に混合した後に燃焼させるリーン燃焼運転であり、内燃機関の暖機完了後に行なわれる。均質リーン燃焼運転は、例えば、ガス燃料比Ｇ／Ｆが２５以上、エンジン回転速度が１２００〜２０００ｒｐｍの範囲であり且つ吸気管圧力Ｐｍｅが０．９ＭＰａ以下である運転条件において実施される。
【００２１】
ここで、ファストアイドル成層燃焼運転と均質リーン燃焼運転とでは、タンブルの強さが燃焼に与える影響が異なる。図６は、タンブルの強さが燃焼に与える影響を示す図である。先ず、この図中の図６−１及び図６−２はタンブルの強さが中央の気筒（つまり平均的な高さのスロート１２を有する気筒）における点火時期付近のタンブル及び火花の様子を示している。また、この図中の図６−３及び図６−４はタンブルの強さが中央の気筒よりも強い気筒における点火時期付近のタンブル及び火花の様子を示している。さらに、この図中の図６−５及び図６−６はタンブルの強さが中央の気筒よりも弱い気筒における点火時期付近のタンブル及び火花の様子を示している。また、この図中の図６−１、図６−３及び図６−５は均質リーン燃焼運転における様子を、この図中の図６−２、図６−４及び図６−６はファストアイドル成層燃焼運転における様子を、それぞれ示している。
【００２２】
図６−１に示すように、タンブルが中央の気筒の均質リーン燃焼では、点火プラグ２８の中心電極から接地電極へと放電された点火火花が、燃焼室６内に生成されたタンブルによって伸ばされる。これにより、着火性が向上するので最適な燃焼が得られる。また、図６−２に示すように、タンブルが中央の気筒のファストアイドル成層燃焼では、点火火花がタンブルによって燃料の噴霧から離れる方向へと流される。しかしながら、燃料の噴霧による誘引作用によって点火火花が噴霧に到達するので、最適な燃焼が得られる。
【００２３】
また、図６−３に示すように、タンブルが相対的に強い気筒の均質リーン燃焼では、強いタンブルによって点火火花がさらに伸ばされる。これにより、着火性がさらに向上するので最適な燃焼が得られる。一方、図６−４に示すように、タンブルが相対的に強い気筒のファストアイドル成層燃焼では、強いタンブルによって点火火花が燃料の噴霧からさらに離れる方向へと流される。このため、燃料の噴霧による誘引作用はあるものの、点火火花が噴霧に到達し難くなり、中央の気筒におけるファストアイドル成層燃焼よりも着火性が低下してしまう。
【００２４】
また、図６−６に示すように、タンブルが相対的に弱い気筒のファストアイドル成層燃焼では、点火火花が燃料の噴霧から離れる方向へと大きく流されることがない。このため、燃料の噴霧による誘引作用によって、点火火花が確実に噴霧に到達するので、最適な燃焼が得られる。一方、図６−５に示すように、タンブルが相対的に弱い気筒の均質リーン燃焼では、点火火花が大きく伸ばされないため、中央の気筒における均質リーン燃焼よりも着火性が低下してしまう。
【００２５】
このように、タンブルが相対的に強い気筒はファストアイドル成層燃焼運転時に燃焼が悪化し、また、タンブルが相対的に弱い気筒は均質リーン燃焼運転時に燃焼が悪化してしまう。このため、吸気ポート１０の製造誤差によって気筒ごとのタンブル強さにばらつきを有する内燃機関では、気筒間の燃焼ばらつきが生じてしまう。
【００２６】
４．点火プラグの突出し量の設定
燃焼室６内のタンブルは渦の中心側へ移動するほど流速が遅くなる。このため、点火プラグ２８の燃焼室内への突出し量を変えれば、電極部２４の周囲のタンブルの強さを変化させることができる。
【００２７】
図７は、点火プラグの突出し量が燃焼に与える影響を示す図である。先ず、この図中の図７−１及び図７−２は、タンブルの強さが中央の気筒よりも相対的に強い気筒における点火時期付近のタンブル及び火花の様子であって、点火プラグの突出し量を図６−３及び図６−４における突出し量よりも大きくした場合の様子を示している。さらに、この図中の図７−３及び図７−４はタンブルの強さが中央の気筒よりも相対的に弱い気筒における点火時期付近のタンブル及び火花の様子であって、点火プラグの突出し量を図６−５及び図６−６における突出し量よりも小さくした場合の様子を示している。
【００２８】
図８は、ファストアイドル成層燃焼における点火プラグの突出し量と燃焼変動との関係を示す図である。この図に示すように、ファストアイドル成層燃焼における燃焼変動は、点火プラグの突出し量が大きいほど小さく（つまり燃焼が良好に）なっている。図７−２に示すように、点火プラグ２８の突出し量が大きくされると、点火火花の位置が燃焼室６内において相対的にタンブルの弱い領域に移動する。これにより、点火火花が燃料の噴霧から離れる方向へと大きく流されることが抑制されるので、燃料の噴霧による誘引作用によって点火火花が確実に噴霧に到達されて最適な燃焼が得られる。
【００２９】
一方、図７−１に示すように、点火プラグの突出し量が相対的に大きい気筒の均質リーン燃焼では、燃焼室６内において相対的にタンブルの弱い領域に点火位置が移動する。しかしながら、この図の気筒はタンブルが相対的に強い気筒であるため、点火火花の伸びは中央の気筒と同等を維持することができ、最適な燃焼が得られる。
【００３０】
図９は、均質リーン燃焼における点火プラグの突出し量とリーン限界当量比との関係を示す図である。なお、リーン限界当量比とは、燃焼変動がある値よりも大きくなる当量比として定義される値である。この図に示すように、均質リーン燃焼におけるリーン限界当量比は、点火プラグの突出し量が小さいほど小さく（つまり燃焼が良好に）なっている。図７−３に示すように、点火プラグ２８の突出し量が相対的に小さい気筒の均質リーン燃焼では、燃焼室６内において相対的にタンブルの強い領域に点火位置が移動する。これにより、点火火花の周囲のタンブルを相対的に強めることができるので、点火火花の伸びは中央の気筒と同等を維持することができ、最適な燃焼が得られる。
【００３１】
一方、図７−４に示すように、点火プラグの突出し量が相対的に小さい気筒のファストアイドル成層燃焼では、燃焼室６内において相対的にタンブルの弱い領域に点火位置が移動するため、点火火花が燃料の噴霧から離れる方向へとさらに流され難くなる。このため、燃料の噴霧による誘引作用によって、点火火花が確実に噴霧に到達するので、最適な燃焼が得られる。
【００３２】
このように、各気筒のタンブルの強さに応じて点火プラグ２８の突出し量を適切に設定することとすれば、タンブルの強さに起因する燃焼の悪化を抑制することができる。そこで、本発明の内燃機関では、点火プラグの突出し量が燃焼に与える上記の影響を考慮して、気筒間のタンブルの強さの相対的なばらつきに応じて、点火プラグの突出し量の設定を気筒毎に変えることとしている。図１０は、本発明の内燃機関における点火プラグの突出し量の設定例を示す図である。この図に示す例では、各気筒４Ａ，４Ｂ，４Ｃについて、各気筒のスロート１２の高さを事前に計測することにより、これらの気筒のタンブル強さの相対的なばらつきが明らかになっている。具体的には、気筒４Ａが平均的な高さのスロート１２を有する気筒（タンブル中央気筒）であり、気筒４Ｂが気筒４Ａよりもタンブルが強い気筒であり、気筒４Ｃが気筒４Ａよりもタンブルが弱い気筒として構成されている。このような内燃機関では、この図に示すように、各気筒の点火プラグ２８の突出し量の設定において、気筒４Ａは基準となる規定の突出し量に設定し、気筒４Ｂは気筒４Ａよりも大きな突出し量に設定し、気筒４Ｃは気筒４Ａよりも小さな突出し量に設定すればよい。これにより、各気筒の吸気ポートの形状誤差に起因するタンブルの強さのばらつきがある場合であっても、タンブルが相対的に強い気筒におけるファストアイドル燃焼時の燃焼悪化抑制と、タンブルが相対的に弱い気筒における均質リーン燃焼時の燃焼悪化との両立を図ることができる。
【００３３】
なお、点火プラグ２８の突出し量の調整は、図１０に示すように、シリンダヘッド２に形成された点火プラグ挿入用の穴のザグリ代の寸法によって調整することができる。なお、点火プラグ２８の突出し量の調整は他の方法によっても行うことができる。図１１から図１３は、点火プラグの突出し量の調整を行う方法の他の例を示す図である。図１１に示す例は、点火プラグ２８の脚長を変更することにより突出し量を調整するものである。このように、ベースとなる点火プラグの脚長Ｌ１よりも長い脚長（Ｌ２）のものを使用すれば、点火プラグの突出し量を大きくすることができる。また、図１２に示す例は、点火プラグ２８のネジ部の長さを変更することにより突出し量を調整するものである。このように、ベースとなる点火プラグのネジ部長さＬ３よりも長い（Ｌ４）のものを使用すれば、点火プラグの突出し量を大きくすることができる。さらに、図１３に示す例は、シリンダヘッド２に形成された点火プラグ挿入用の穴に点火プラグ２８を固定する際にシムを挟む構成において、シムの厚さを変更することにより突出し量を調整するものである。このように、このように、ベースとなるシムの厚さよりも薄いものを使用すれば、点火プラグの突出し量を大きくすることができる。
【００３４】
なお、上述した実施の形態１の内燃機関では、気筒４Ａが本発明における第１気筒に相当する場合には、気筒４Ｂが本発明における第２気筒に相当し、気筒４Ｃが本発明における第１気筒に相当する場合には、気筒４Ａ又はＢ気筒４Ｂが本発明における第２気筒に相当している。
【符号の説明】
【００３５】
２  シリンダヘッド
３  シリンダブロック
４  気筒
６  燃焼室
８  ピストン
１０  吸気ポート
１２  スロート
１３  絞り部
１６  排気ポート
１８  吸気バルブ
２０  排気バルブ
２４  電極部
２６  筒内噴射弁
２８  点火プラグ
３０  合わせ面
【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】
2017133406.tif 000011
【図１０】
2017133406.tif 000012
【図１１】
2017133406.tif 000013
【図１２】
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【図１３】
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