JP3832584B2 - Fuel injection device for internal combustion engine - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射型火花点火内燃機関(以下、単にエンジンという)の燃料噴射装置に関するものである。
【0002】
【関連する背景技術】
筒内に燃料を直接噴射する筒内噴射型のエンジンでは、筒内での燃焼状態に燃料の噴霧形状が大きく関与することから、適切な燃料噴霧を形成するために種々の提案がなされており、例えば燃料噴射弁として、燃料噴霧を円錐状に拡散させるスワールインジェクタを用いたものがある(例えば、特許文献1,2)。
【0003】
これらの特許文献に記載された技術では、ピストン頂面に深皿キャビティを形成すると共に、吸気ポートを略直立して形成し、圧縮行程において吸気ポートから流入した吸気をキャビティにより上方に反転させ、これにより生起された逆タンブル流を利用してスワールインジェクタからの燃料噴霧を点火プラグ近傍まで移送し、点火プラグの周囲に点火可能な混合気を形成した上で、その周囲を燃料希薄とした成層燃焼を可能としている。
【0004】
しかしながら、吸気流動を利用して燃料噴霧をピストンのキャビティ上で反転させるため、燃料がピストン頂面に付着して溜まり易く、局所的なオーバーリッチ化により熱効率の低下やHC、スート、スモーク等(以下、まとめてエミッションという)の増大を招いてしまう問題があった。又、スワールインジェクタの燃料噴霧は貫徹力が弱いため、筒内圧や筒内温度に応じて噴霧特性が変化する上に、吸気流動を利用した燃料移送は燃焼室内でのカーボン堆積等の影響を受け易いため、安定した燃料移送が阻害され、ひいては確実な成層燃焼を実現し難いという問題もあった。
【0005】
そこで、吸気流動に頼ることなく、燃料の運動量とピストンのキャビティ形状とを利用して燃料移送するようにした技術が提案されている(例えば、特許文献3参照)。当該特許文献3では、燃料噴射弁から2方向に燃料を噴射し、その噴霧をピストンのキャビティ底壁上を進行させた後、対向側壁の両側部により上方に偏向させて点火プラグ近傍に導くように構成されている。
【0006】
【特許文献1】
特許第3087309号明細書
【特許文献2】
特開平10−288039号公報
【特許文献3】
特開2000−282872号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
周知のように、この種の成層燃焼を行う燃料噴射装置では、点火時期において点火プラグの周囲に適切な混合気が形成されていないと正常な点火が望めない。しかしながら、上記した特許文献3の技術では、キャビティの対向側壁により偏向された燃料噴霧が点火プラグ近傍に到達して可燃混合気を形成する期間が非常に短いため、適切なタイミングで可燃混合気を形成するには、燃料噴射時期を緻密に制御する必要があった。
【0008】
本発明の目的は、ピストン頂面への燃料付着に起因する熱効率の低下やエミッションの増大を未然に防止すると共に、筒内圧や筒内温度或いはカーボン堆積等の影響を受けることなく確実に成層燃焼を実現でき、しかも、点火プラグの周囲に長い期間に亘って可燃混合気を形成して、成層燃焼時における制御自由度を拡大することができる内燃機関の燃料噴射装置を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項1の発明は、内燃機関の燃焼室の略中央に点火プラグを配設すると共に、燃焼室の吸気側の一側に、点火プラグの軸線に対して所定角度をもって交差する燃料噴霧を噴射するように燃料噴射弁を配設し、圧縮行程において燃料噴射弁から燃焼室内に直接燃料を噴射して成層燃焼を行う内燃機関の燃料噴射装置において、ピストン頂面の吸気側寄りの平坦部の周囲に形成され、燃料噴霧の両側からそれぞれ点火プラグの下方近傍まで延設されて合流する一対のガイド壁を備え、燃料噴射弁は、点火プラグ側に凸状で、且つピストン側に凹状をなす断面形状の燃料噴霧を形成し、燃料噴霧の凸側を点火プラグ近傍に向け、且つ燃料噴霧の凹側を両ガイド壁近傍に向けて噴射するものである。
【0010】
従って、内燃機関の圧縮行程において、燃料噴射弁からは点火プラグの軸線に対して所定角度をもって交差するように燃料噴霧が噴射され、燃料噴霧の断面形状が点火プラグ側に凸状で、且つピストン側に凹状をなすため、広い面積をもって吸気と接触して良好に混合される。そして、燃料噴霧の凸側が点火プラグ近傍に向け、且つ燃料噴霧の凹側は両ガイド壁近傍に向けて噴射され、燃料噴霧の凹側は、その後、それぞれガイド壁に沿って点火プラグの下方近傍まで移送されて合流し、ピストンの上昇に伴って点火プラグ近傍に押し上げられる。
【0011】
このように燃料噴霧の運動量を利用して燃料を移送することから、吸気流動を用いた燃料移送に比較して、筒内圧や筒内温度或いはカーボン堆積等の影響を受け難い上に、燃料噴霧がピストンの平坦部内に付着し難くなる。
又、燃料噴射時において、点火プラグには燃料噴霧の凸側の微粒子が周辺空気の慣性流に取り込まれて輸送されると共に、燃料噴霧の凸側に対して燃料噴霧の凹側はピストンガイド壁を経由して時間差をもって遅れて移送され、結果的に点火プラグの周囲に長い期間に亘って可燃混合気を形成する。よって、広い範囲のピストン位置(換言すれば、点火時期)において点火プラグの周囲に可燃混合気が存在することになり、燃料噴射時期や点火時期に関する制御自由度が拡大される。
【0012】
請求項2の発明は、請求項1において、燃料噴射弁の噴孔が、逆V字状或いは逆U字状をなすように形成されたものである。
従って、燃料噴射弁の噴孔と対応して逆V字状或いは逆U字状の断面形状をなすように燃料噴霧が噴射され、燃料噴霧の凸側の微粒子が点火プラグに直接輸送されると共に、燃料噴霧の凹側が両ガイド壁近傍に噴射され、燃料噴霧の凸側に対し時間差をもって遅れて移送される。
【0013】
請求項3の発明は、請求項1において、燃料噴霧の主流の上端が点火プラグの下方近傍に向かうように、燃料噴射弁の取付角度または燃料噴霧角が設定されたものである。
従って、燃料噴霧の主流の上端が点火プラグの下方近傍に向かい、点火プラグへの燃料噴霧の衝突が防止されると共に、噴射された噴霧主流の動圧により誘発された周囲の空気流に運動量を喪失した燃料微粒子が取り込まれる燃料噴霧の巻き上がり現象が生じ、主流から巻き上がった燃料噴霧微粒子が点火プラグに移送される。そして、この燃料噴霧による可燃混合気形成から時間差をもって遅れてガイド壁を経た燃料噴霧が点火プラグに移送されて可燃混合気を形成し、長い期間に亘る可燃混合気の形成が実現される。
【0014】
請求項4の発明は、請求項1において、ガイド壁が、平坦部の周囲を隆起することにより構成されると共に、ガイド壁の高さが燃焼室中心側で最も高くなるよう隆起部の高さが設定されたものである。
従って、圧縮行程中に噴射された凹側の燃料はガイド壁にせき止められ、ガイド壁に沿って移送中の燃料噴霧は次第に拡散して体積を増加する上に、合流時には体積が倍増するが、これに合わせて点火プラグが位置する燃焼室中心側でガイド壁の高さが最も高くなるため、平坦部内から燃料噴霧がこぼれる事態が防止されて、ガイド壁による燃料噴霧の移送が確実に行われる。
【0015】
請求項5の発明は、請求項1において、ガイド壁が、燃料噴霧の凹側をガイド壁の燃料噴射弁に対向する側壁面に沿って案内するものである。
従って、凹側の燃料噴霧をガイド壁に沿って案内することによって、燃料噴霧と平坦部との接触面積を小さくして、平坦部への付着燃料を極力少なくすることができる。
【0016】
好ましくは、燃焼室を形成するシリンダヘッドの下面及びピストンの頂面を、吸気側及び排気側に傾斜する傾斜面を有するペントルーフ型としてそれぞれ形成することが望ましい。この場合、隆起部はペントルーフ型の両傾斜面及び上面により構成される。
このように構成すれば、ピストンの上昇に伴ってペントルーフ型をなすシリンダヘッドの下面とピストンの頂面とが接近して、燃焼室中央に向かうスキッシュ流が生起されるため、このスキッシュ流により、点火プラグ近傍から燃料噴霧が拡散する事態が抑制されると共に、ガイド壁に沿って移送された燃料噴霧が排気側に流出する事態が抑制される。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化したエンジンの燃料噴射装置の一実施形態を説明する。本実施形態のエンジンは気筒当たり4弁を備えた直列4気筒ガソリンエンジンとして構成されている。図1は当該エンジンの特定気筒におけるヘッド部分の構成を示す断面図、図2は図1のA矢視から見た側断面図であり、図1中の上段には平断面が、下段には側断面が相互に関連付けて表されている。以下、同図に従って特定気筒のヘッド部分の構成を説明するが、他の気筒も全く同一構成となっている。
【0018】
シリンダブロック1のシリンダ1a内には摺動自在にピストン2が嵌挿され、これらのシリンダ1a内及びピストン2の頂面とシリンダヘッド3の下面との間には燃焼室4が形成されている。
シリンダヘッド3には燃焼室4内の略中央に臨むように点火プラグ5が配設され、この点火プラグ5を中心として、図中の左方には一対の吸気ポート6(一方のみ図示)の一端側が開口し、図中の右方には同じく一対の排気ポート7(一方のみ図示)の一端が開口している。各吸気ポート6には吸気弁6aが、各排気ポート7には排気弁7aがそれぞれ配設され、これらの吸排気弁6a,7aは、図示しないカム軸によりクランク軸の回転に同期して対応するポート6,7を開閉する。
【0019】
吸気ポート6及び排気ポート7は一般的なエンジンと同様の形状をなしており、図示はしないが、吸気ポート6の他端側はシリンダヘッド3の一側面に開口して、スロットル弁等が備えられた吸気通路と連通し、一方、排気ポート7の他端側はシリンダヘッド3の他側面に開口して、触媒や消音器が備えられた排気通路と連通している。吸気通路からの吸気はスロットル弁で流量調整された後に吸気弁6aの開弁に伴って吸気ポート6から燃焼室4内に流入される一方、燃焼室4内で燃焼後の排ガスは排気弁7aの開弁に伴って排気ポート7から排気通路に案内されて、触媒及び消音器を経て外部に排出される。
【0020】
シリンダヘッド3の両吸気ポート6の間には、燃焼室4の外周側に位置するように燃料噴射弁8が設けられ、燃料噴射弁8は水平より若干先端側を下方に傾斜させた姿勢に保持されて、その先端を点火プラグ5に向けて指向させている。その結果、燃料噴射弁8からは、側面視において点火プラグ5の軸線Lに対して所定角度をもって交差し、且つ、平面視においては点火プラグ5の軸線Lに向けて燃料噴霧Fが噴射される。
【0021】
図3は燃料噴射弁8のノズル構造を示す図1の上段に対応する平断面図、図4は同じくノズル構造を示す図3のB矢視図、図5は図3のB矢視から見た燃料噴霧Fの断面形状を示す図である。燃料噴射弁8の先端にはスリット状をなす噴孔8aが形成され(所謂シングルスリットタイプ)、図4に示すように、噴孔8aは逆V字状をなしている。このノズル構造により、両噴孔8aからは噴射方向と直交する方向の断面形状が逆V字状をなす扁平な燃料噴霧Fが噴射される。
【0022】
又、噴射後の燃料噴霧Fは次第に拡散するが、図1の上段に示すように、燃料噴霧Fの拡散角度ψは50〜80°の範囲となるように、図1の下段に示すように、水平(例えば、シリンダヘッド3の下面)を基準とした燃料噴霧Fの下端の稜線角度θ1は30〜45°の範囲となるように、同じく水平を基準とした燃料噴霧Fの上端の稜線角度θ2は20〜−15°(負の場合は燃料噴霧Fが水平より上方に拡散することを意味する)の範囲となるように、燃料噴射弁8の取付角度や噴孔8aの形状等が設定されている。
【0023】
ここで、稜線角度θ1は、ピストン頂面に燃料噴霧Fを供給可能な値として設定されたものであり、所定の燃料噴射時期(換言すれば、ピストン位置)において、燃料噴霧Fの主流(後述する巻き上がり現象により生成された燃料噴霧Faを除く燃料噴霧Fを意味する)が後述するピストン2の平坦部10内に供給されるように設定されている。又、下側の稜線角度θ2は、燃料噴霧Fの上端(断面逆V字状の凸側に相当)が点火プラグ5に到達するように設定されている。
【0024】
又、双方の稜線角度の差(θ1−θ2)が燃料噴霧Fの上下方向の拡散角度θ0となるが(稜線角度θ1,θ2及び拡散角度θ0を燃料噴霧角と総称する)、当該拡散角度θ0は上記した稜線角度θ1,θ2の設定の結果、例えば一般的な筒内噴射型エンジンに用いられるスワールインジェクタ等と比較して狭く設定されている。尚、最適な稜線角度θ1は、燃料噴射弁8の取付角度や燃料噴射時期等に応じて異なり、同じく最適な稜線角度θ2は、燃料噴射弁8と点火プラグ5との位置関係等に応じて異なる。よって、稜線角度θ1,θ2は必ずしも上記範囲内に限ることはなく、エンジンの仕様に応じて任意に設定できる。
【0025】
又、燃料噴射弁8に供給される燃料圧は、上記スワールインジェクタ等に適用される燃料圧(5〜8MPa程度)に比較して高く設定され、例えば12〜14MPaに設定されている。
一方、ピストン2の頂面は、最上部の平坦面2aを挟んで吸気側及び排気側に傾斜する傾斜面2bが形成されたペントルーフ型をなし、このピストン2頂面と対応するように、燃焼室4を構成するシリンダヘッド3の下面もペントルーフ型をなしている。
【0026】
ピストン2頂面の吸気側(吸気ポート)寄りの位置には平坦部10が形成され、平坦部10の周縁は、ピストン2頂面から隆起する平坦面2a及び吸排傾斜面2b(隆起部)によりガイド壁として構成されている。ガイド壁は平坦部10の周縁に沿って連続しているが、後述のように燃料噴射弁8の両側で個別に燃料移送作用を奏することから、説明の便宜上、燃料噴射弁8を挟んで一対のガイド壁11a,11bとして区分する。よって、それぞれのガイド壁11a,11bは燃料噴射弁8の両側から排気側に延設されて、点火プラグ5の下方近傍で合流することになる。
【0027】
そして、平坦部10が水平に形成され、ピストン2頂面がペントルーフ型をなすことから、図1の上段に示すように、平面視において平坦部10は吸気側に開放された略円形状をなし、図1の下段に示すように、側面視においてガイド壁11a,11bの高さは吸気側(燃料噴射弁側)よりも排気側で高く、燃焼室中央側で最も高くなっている。
【0028】
図6はガイド壁11a,11bの断面形状を示す図1のVI−VI線断面図であり、ガイド壁11a,11bの断面は所定半径rで円形状に形成され、その半径rはガイド壁11a,11bの高さHより小さく設定されているため、ガイド壁11a,11bは上方に狭まるリエントラント状の断面形状をなしている。
以上のように構成されたエンジンは図示しないECU(電子制御ユニット)により総合的に制御される。燃料噴射制御については、運転領域(例えば、エンジン回転速度Ne及びエンジン負荷)に応じて燃料噴射を圧縮行程で行う圧縮行程噴射と吸気行程で行う吸気行程噴射とを選択的に実行する。
【0029】
例えば、エンジン回転速度Neやエンジン負荷が比較的低い領域では圧縮行程噴射に切換えて、燃料噴霧Fを点火プラグ近傍に移送する成層燃焼を行う一方、エンジン回転速度Neやエンジン負荷の増加に伴って吸気行程噴射に切換えて、燃料噴霧と吸気とを均一に混合させる均一燃焼を行う。そして、圧縮行程噴射では、燃料噴霧を2つの経路を辿って点火プラグ近傍まで移送しており、以下、圧縮行程噴射での燃料噴霧の移送状況を説明する。
【0030】
図7は噴射中の燃料噴霧Fを示す図、図8は噴射後の燃料噴霧Fを示す図、図9は点火直前の燃料噴霧Fを示す図であり、図1と同じく各図中の上段には平断面が、下段には側断面が表されている。又、図10は図7のC矢視から見た側断面図、図11は図8のD矢視から見た側断面図、図12は図9のE矢視から見た側断面図である。又、図13は燃料噴霧Fの巻き上がりを示す部分拡大図であり、経時的には図7から図8への移行途中に相当する。
【0031】
圧縮行程においてピストン2が上昇すると、図7,10に示すように、所定のクランク角で燃料噴射弁8から燃料が噴射される。噴射された燃料噴霧Fは断面逆V字状をなすため、広い面積をもって吸気と接触して良好に混合され、且つ、稜線角度θ2に基づいて点火プラグ5への衝突が防止される。
ここで、点火プラグ5への衝突が防止されるのは燃料噴霧Fの主流であり、図13に示すように、この燃料噴射の時点では、ピストン5の上昇に伴って噴射された燃料主流の動圧に起因して、主流近傍の空気流が慣性で誘発され、その空気流に運動量を喪失した燃料微粒子が次々に取り込まれる燃料噴霧Fの巻き上がり現象が生じ、主流から巻き上がった燃料噴霧微粒子Faが点火プラグ5に移送される。十分に微粒化できていない燃料噴霧Fの主流が点火プラグ5に直接衝突した場合、燃料過濃となり点火プラグ5に燃料が液相のまま付着して点火プラグ5を燻らせる可能性があるが、このように主に巻き上がった燃料噴霧微粒子Faが点火プラグ5に移送されるため、点火プラグ5の周囲には点火に好適な混合気(可燃混合気)が形成される。
【0032】
一方、図8,11に示すように、稜線角度θ1及び拡散角度ψの設定に基づいて、燃料噴霧Fの主流は下端(断面逆V字状の凹側に相当)から平坦部10内の両ガイド壁11a,11bの近傍に供給され、供給された燃料噴霧Fは、自己の運動量によりそれぞれガイド壁11a,11bに沿って点火プラグ5の下方近傍まで移送されて合流する。この燃料噴霧Fの運動は、燃料圧力を旋回方向成分の運動に変換するスワールインジェクタに比べて進行方向の噴霧運動量が強い点及び高燃圧に設定されていることによって生起される。
【0033】
ガイド壁11a,11bに沿って移送中の燃料噴霧Fは次第に拡散して体積を増加する上に、合流時には体積が倍増するが、この燃料噴霧Fの体積増加に合わせてガイド壁11a,11bの高さが高くなるため、平坦部10内から燃料噴霧Fがこぼれる事態が防止されて、ガイド壁11a,11bによる燃料噴霧Fの移送が確実に行われる。
【0034】
ピストン2が圧縮上死点に接近して点火時期の直前に至ると、図9,12に示すように、上昇するピストン2により燃料噴霧Fは点火プラグ近傍に押し上げられ、点火プラグ5の周囲に可燃混合気を形成する。この時点では、ペントルーフ型をなすシリンダヘッド3の下面とピストン2の頂面とが接近して、矢印で示す燃焼室4の中央に向かうスキッシュ流Sが生起されているため、このスキッシュ流により、点火プラグ近傍から燃料噴霧Fが拡散する事態が抑制される。
【0035】
又、スキッシュ流Sは、上記した合流後の燃料噴霧Fが平坦部10内から排気側に流出する事態を防止する作用も奏する。即ち、合流に伴って燃料噴霧Fの運動量は完全に喪失されるのが望ましいが、実際には噴射方向の運動量が残存して平坦部10内から排気側に流出する場合もあり、流出した燃料噴霧Fは点火プラグ近傍への移送が困難になる。上記のように排気側よりスキッシュ流Sが生起されることで、排気側への燃料噴霧Fの流出が抑制されるため、結果として燃料噴霧Fは点火プラグ近傍により確実に移送される。
【0036】
以上のように移送された燃料噴霧F、巻き上がった燃料噴霧微粒子Faにより点火プラグ5の周囲には可燃混合気が形成された上で、その周囲は燃料希薄に保持される。よって、その後の点火プラグ5の点火により混合気が点火されて、成層燃焼が実現される。
そして、このように本実施形態では燃料噴霧Fの運動量を利用して燃料を移送することから、例えば特許文献1,2の技術のように吸気流動を用いて燃料移送した場合に比較して、筒内圧や筒内温度或いはカーボン堆積等の影響を受け難く、安定した燃料移送により確実に成層燃焼を実現できる。又、燃料圧力を旋回方向成分の運動に変換するスワールインジェクタに比べて進行方向の噴霧運動量を強い点及び高燃圧に設定されているため、運動量をもった燃料噴霧Fはピストン2の平坦部10内に溜まり難い上に、平坦部10内に噴射されるのは燃料噴霧全体の一部であるため、平坦部10内に付着して溜まったとしてもごく僅かとなり、燃料付着による局所的なオーバリッチ化を防止して、熱効率の低下やエミッションの増大を未然に防止することができる。
【0037】
又、上記のように燃料噴霧F、巻き上がった燃料噴霧微粒子Faは2つの経路を辿って点火プラグ近傍まで移送され、まず、主流から巻き上がった燃料噴霧Faが点火プラグ5に直接移送され、その後、ピストン頂面のガイド壁11a,11bを経て、燃料噴霧Fの主流が時間差をもって遅れて点火プラグ5に移送される。しかも、先行して移送される燃料噴霧微粒子Faと同様に、ガイド壁11as,11bを経て遅れて移送される燃料噴霧Fは合流により運動量を喪失しているため、点火プラグ5の周囲に比較的長く留まる。よって、点火プラグ5の周囲には長い期間に亘って可燃混合気が形成され、広い範囲のピストン位置(換言すれば、点火時期)において点火プラグ5の周囲に可燃混合気が存在することになり、燃料噴射時期や点火時期に関する制御自由度を大幅に拡大することができる。
【0038】
一方、本実施形態では、特許文献1,2の技術のように逆タンブル流を生起するための直立吸気ポートを必要としない。特許文献1,2の技術では、直立吸気ポート専用の生産設備、エンジン全高に起因するカーデザインの制約、構造複雑なスワールインジェクタによるコストアップ等の問題を有するが、本実施形態では吸気ポート6のレイアウトを自由に設計できるため、生産設備やカーデザイン上の制約がない上に、噴孔形状を変更しただけのシンプルな燃料噴射弁8を採用することでコスト低減を達成できるという利点もある。
【0039】
以上で実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、4弁式の直列4気筒ガソリンエンジンの燃料噴射装置として具体化したが、エンジンの動弁機構を吸排気2弁に変更したり、或いはエンジンの気筒配列を変更したりしてもよい。
又、上記実施形態では、平坦部10を略円形状に形成し、その周縁をリエントラント状のガイド壁11a,11bとしたが、点火プラグ5の下方近傍に燃料噴霧Fを移送可能であれば、平坦部10やガイド壁11a,11bの形状はこれに限定されることはない。よって、例えば、先端を吸気側に指向させた略ハート型にキャビティを形成して、その周縁をガイド壁として利用したり、図14に示すように、直立した断面形状のガイド壁12を形成してもよい。
【0040】
更に、上記実施形態では、ピストン頂面をペントルーフ型とすることで、ガイド壁11a,11bの高さを吸気側よりも排気側で高く、即ち、燃焼室中心側で最も高くなるように設定したが、これに代えてピストン頂面を平坦に形成し、平坦部10の底面をピストン2の中央側を深くするように傾斜させることで、同様にガイド壁11a,11bの高さを変化させてもよい。
【0041】
又、上記実施形態では、燃料噴霧Fの主流が点火プラグ5に衝突する事態を防止できるように下側の稜線角度θ2を設定したが、点火プラグ5に顕著な燻りが発生しない限り、多少の噴霧衝突が生じても支障はない。よって、燃料噴霧Fの主流の一部が点火プラグ5に直接移送されるように下側の稜線角度θ2を設定してもよい。
【0042】
一方、上記実施形態では、燃料噴射弁8にスリット状をなす逆V字状の噴孔8aを形成し、それと対応する断面形状の燃料噴霧Fを噴射したが、噴孔8aの形状はこれに限ることはなく種々に変更可能である。例えば、図15に示すように逆U字状の噴孔31を形成したり、図16に示すように略ハ字状の噴孔32(所謂マルチスリットタイプ)を形成したりしてもよい。
【0043】
又、図17に示すように逆V字状の噴孔33を併設してもよく、このように構成した場合には、併設した噴孔33から噴射された燃料噴霧Fが衝突しながら合流するため、より扁平な燃料噴霧が形成され、接触面積の増大に伴って吸気との混合を一層促進できる。
又、図18,19に示すように、複数の噴孔34a,35aからなる噴孔群34,35として形成してもよい(所謂マルチホールタイプ)。図16の噴孔群34は、図4のスリット状の噴孔8aと同様の機能を奏し、図17の噴孔群17は、図15のスリット状の噴孔33と同様の機能を奏するが、これらのスリット状の噴孔8a,33に比較して各噴孔34a,35aの径が縮小されるため、燃料噴霧Fを微粒化して吸気との混合を一層促進できる。
【0044】
【発明の効果】
以上説明したように請求項1,2の発明の内燃機関の燃料噴射装置によれば、ピストン頂面への燃料付着に起因する熱効率の低下やエミッションの増大を未然に防止すると共に、筒内圧や筒内温度或いはカーボン堆積等の影響を受けることなく確実に成層燃焼を実現でき、しかも、点火プラグの周囲に長い期間に亘って可燃混合気を形成して、成層燃焼時における制御自由度を拡大することができる。
【0045】
請求項3の発明の内燃機関の燃料噴射装置によれば、請求項1に加えて、燃料噴霧の主流が衝突したときの点火プラグの燻りを未然に防止して、一層確実な成層燃焼を実現することができる。
請求項4の発明の内燃機関の燃料噴射装置によれば、請求項1に加えて、ガイド壁から燃料噴霧がこぼれる事態を防止して、一層確実な成層燃焼を実現することができる。
【0046】
請求項5の発明の内燃機関の燃料噴射装置によれば、請求項1に加えて、平坦部への燃料付着を極力少なくすることで、熱効率の低下を抑制できると共に、排気エミッションを改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施形態のエンジンのヘッド部分の構成を示す断面図である。
【図2】同じくヘッド部分の構成を示す図1のA矢視から見た側断面図である。
【図3】燃料噴射弁のノズル構造を示す図1の上段に対応する平断面図である。
【図4】同じくノズル構造を示す図3のB矢視図である。
【図5】図3のB矢視から見た燃料噴霧の断面形状を示す図である。
【図6】ガイド壁の断面形状を示す図1のVI−VI線断面図である。
【図7】噴射中の燃料噴霧を示す図である。
【図8】噴射後の燃料噴霧を示す図である。
【図9】点火直前の燃料噴霧を示す図である。
【図10】図7のC矢視から見た側断面図である。
【図11】図8のD矢視から見た側断面図である。
【図12】図9のE矢視から見た側断面図である。
【図13】燃料噴霧の巻き上がりを示す部分拡大図である。
【図14】ガイド壁を縦壁として形成した別例を示す断面図である。
【図15】噴孔を逆U字状に形成した別例を示す図である。
【図16】噴孔を略ハ字状に形成した別例を示す図である。
【図17】逆V字状の噴孔を併設した別例を示す図である。
【図18】噴孔を噴孔群として形成した別例を示す図である。
【図19】噴孔を噴孔群として形成した別例を示す図である。
【符号の説明】
2 ピストン
4 燃焼室
5 点火プラグ
8 燃料噴射弁
10 平坦部
11a,11b,12 ガイド壁
F,Fa 燃料噴霧
8a,31〜33,34a,35a 噴孔[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel injection device for an in-cylinder injection spark ignition internal combustion engine (hereinafter simply referred to as an engine) that directly injects fuel into the cylinder.
[0002]
[Related background]
In an in-cylinder injection type engine in which fuel is directly injected into a cylinder, since the fuel spray shape greatly affects the combustion state in the cylinder, various proposals have been made to form an appropriate fuel spray. For example, there is a fuel injection valve that uses a swirl injector that diffuses fuel spray in a conical shape (for example,
[0003]
In the techniques described in these patent documents, a deep dish cavity is formed on the top surface of the piston, and the intake port is formed substantially upright, and the intake air flowing from the intake port in the compression stroke is inverted upward by the cavity, The fuel spray from the swirl injector is transferred to the vicinity of the spark plug using the reverse tumble flow generated by this, and an ignitable air-fuel mixture is formed around the spark plug, and then the stratified fuel is diluted around the periphery. Combustion is possible.
[0004]
However, since the fuel spray is reversed on the piston cavity by using the intake air flow, the fuel tends to adhere to the piston top surface and accumulate, and the local over-riching causes a decrease in thermal efficiency, HC, soot, smoke, etc. In the following, there is a problem of increasing the emission). In addition, since the fuel spray of the swirl injector has a weak penetration force, the spray characteristics change according to the in-cylinder pressure and the in-cylinder temperature, and the fuel transfer using the intake air flow is affected by carbon deposition in the combustion chamber. Therefore, there has been a problem that stable fuel transfer is hindered and it is difficult to realize reliable stratified combustion.
[0005]
Therefore, a technique has been proposed in which fuel is transferred using the momentum of the fuel and the cavity shape of the piston without depending on the intake air flow (see, for example, Patent Document 3). In
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 3087309
[Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 10-288039
[Patent Document 3]
Japanese Patent Laid-Open No. 2000-282872
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
As is well known, in a fuel injection apparatus that performs this type of stratified combustion, normal ignition cannot be expected unless an appropriate air-fuel mixture is formed around the spark plug at the ignition timing. However, in the technique of
[0008]
The purpose of the present invention is to prevent a decrease in thermal efficiency and an increase in emissions due to fuel adhesion to the piston top surface, and to ensure stratified combustion without being affected by in-cylinder pressure, in-cylinder temperature, carbon deposition, etc. In addition, an object of the present invention is to provide a fuel injection device for an internal combustion engine that can form a combustible air-fuel mixture around a spark plug for a long period of time and can increase the degree of freedom of control during stratified combustion.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the invention of
[0010]
Therefore, in the compression stroke of the internal combustion engine, the fuel spray is injected from the fuel injection valve so as to intersect the axis of the spark plug at a predetermined angle, the cross-sectional shape of the fuel spray is convex toward the spark plug, and the piston Since it has a concave shape on the side, it can be mixed well in contact with the intake air with a large area. And the convex side of the fuel spray is directed toward the vicinity of the spark plug, and the concave side of the fuel spray is injected toward the vicinity of both guide walls, and the concave side of the fuel spray is then respectively near the lower part of the spark plug along the guide wall. And is joined to the vicinity of the spark plug as the piston rises.
[0011]
Since the fuel is transferred using the momentum of the fuel spray as described above, the fuel spray is less susceptible to the influence of the cylinder pressure, the cylinder temperature, the carbon deposition, etc. as compared with the fuel transfer using the intake air flow. Becomes difficult to adhere in the flat part of the piston.
During fuel injection, the fine particles on the convex side of the fuel spray are taken into the inertial flow of the surrounding air and transported to the spark plug, and the concave side of the fuel spray is the piston guide wall with respect to the convex side of the fuel spray. As a result, the gas is transferred with a time lag as a result, and as a result, a combustible mixture is formed around the spark plug over a long period of time. Therefore, a combustible air-fuel mixture exists around the spark plug in a wide range of piston positions (in other words, ignition timing), and the degree of freedom of control related to the fuel injection timing and ignition timing is expanded.
[0012]
According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the nozzle hole of the fuel injection valve is formed to have an inverted V shape or an inverted U shape.
Therefore, the fuel spray is injected so as to have an inverted V-shaped or inverted U-shaped cross-section corresponding to the injection hole of the fuel injection valve, and the fine particles on the convex side of the fuel spray are directly transported to the spark plug. The concave side of the fuel spray is injected in the vicinity of both guide walls, and is transferred with a time difference with respect to the convex side of the fuel spray.
[0013]
According to a third aspect of the present invention, in the first aspect, the attachment angle or the fuel spray angle of the fuel injection valve is set so that the upper end of the main flow of the fuel spray is directed to the vicinity below the spark plug.
Therefore, the upper end of the main flow of the fuel spray is directed near the lower portion of the spark plug, so that collision of the fuel spray with the spark plug is prevented and momentum is applied to the surrounding air flow induced by the dynamic pressure of the injected spray main flow. A fuel spray roll-up phenomenon in which the lost fuel fine particles are taken in occurs, and the fuel spray fine particles rolled up from the mainstream are transferred to the spark plug. Then, the fuel spray passing through the guide wall with a time difference from the formation of the combustible mixture by the fuel spray is transferred to the ignition plug to form the combustible mixture, and the formation of the combustible mixture over a long period is realized.
[0014]
According to a fourth aspect of the present invention, in the first aspect, the guide wall is formed by raising the periphery of the flat portion, and the height of the raised portion is such that the height of the guide wall is highest on the combustion chamber center side. Is set.
Therefore, the fuel on the concave side injected during the compression stroke is blocked by the guide wall, and the fuel spray being transferred along the guide wall gradually diffuses to increase the volume. In accordance with this, the height of the guide wall is the highest on the combustion chamber center side where the ignition plug is located, so that a situation where fuel spray spills from the flat portion is prevented, and the fuel spray is reliably transferred by the guide wall. .
[0015]
According to a fifth aspect of the present invention, in the first aspect, the guide wall guides the concave side of the fuel spray along the side wall surface of the guide wall facing the fuel injection valve.
Therefore, by guiding the fuel spray on the concave side along the guide wall, the contact area between the fuel spray and the flat portion can be reduced, and the amount of fuel adhering to the flat portion can be reduced as much as possible.
[0016]
Preferably, the lower surface of the cylinder head and the top surface of the piston forming the combustion chamber are each formed as a pent roof type having inclined surfaces inclined to the intake side and the exhaust side. In this case, the raised portion is composed of both pent roof type inclined surfaces and an upper surface.
With this configuration, the lower surface of the pent roof type cylinder head and the top surface of the piston approach each other as the piston rises, and a squish flow toward the center of the combustion chamber is generated. The situation where the fuel spray diffuses from the vicinity of the spark plug is suppressed, and the situation where the fuel spray transferred along the guide wall flows out to the exhaust side is suppressed.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of an engine fuel injection device embodying the present invention will be described. The engine of this embodiment is configured as an in-line four-cylinder gasoline engine having four valves per cylinder. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of a head portion in a specific cylinder of the engine, and FIG. 2 is a side cross-sectional view as seen from an arrow A in FIG. Side sections are represented in relation to each other. Hereinafter, the configuration of the head portion of the specific cylinder will be described with reference to the same drawing, but the other cylinders have the same configuration.
[0018]
A
[0019]
The
[0020]
Between the two
[0021]
3 is a plan sectional view corresponding to the upper stage of FIG. 1 showing the nozzle structure of the
[0022]
Further, although the fuel spray F after the injection gradually diffuses, as shown in the upper part of FIG. 1, as shown in the lower part of FIG. 1, the diffusion angle ψ of the fuel spray F is in the range of 50 to 80 °. Similarly, the ridge line angle θ1 of the lower end of the fuel spray F with respect to the horizontal (for example, the lower surface of the cylinder head 3) is in the range of 30 to 45 °, and the ridge line angle of the upper end of the fuel spray F with reference to the horizontal. The mounting angle of the
[0023]
Here, the ridge line angle θ1 is set as a value capable of supplying the fuel spray F to the piston top surface, and the main flow (described later) of the fuel spray F at a predetermined fuel injection timing (in other words, the piston position). The fuel spray F excluding the fuel spray Fa generated by the rolling phenomenon) is set to be supplied into the
[0024]
The difference between the ridge line angles (θ1−θ2) is the vertical diffusion angle θ0 of the fuel spray F (the ridge line angles θ1, θ2 and the diffusion angle θ0 are collectively referred to as the fuel spray angle). As a result of setting the ridge line angles θ1, θ2, the width is set narrower than that of, for example, a swirl injector used in a general in-cylinder injection type engine. The optimum ridge line angle θ1 varies depending on the mounting angle of the
[0025]
The fuel pressure supplied to the
On the other hand, the top surface of the
[0026]
A
[0027]
Since the
[0028]
6 is a cross-sectional view taken along the line VI-VI in FIG. 1 showing the cross-sectional shape of the
The engine configured as described above is comprehensively controlled by an ECU (electronic control unit) (not shown). Regarding the fuel injection control, the compression stroke injection in which the fuel injection is performed in the compression stroke and the intake stroke injection in the intake stroke are selectively executed in accordance with the operation region (for example, the engine speed Ne and the engine load).
[0029]
For example, in a region where the engine rotational speed Ne and the engine load are relatively low, switching to compression stroke injection is performed, and stratified combustion is performed in which the fuel spray F is transferred to the vicinity of the spark plug, while the engine rotational speed Ne and the engine load increase. By switching to intake stroke injection, uniform combustion is performed to uniformly mix fuel spray and intake air. In the compression stroke injection, the fuel spray is transferred to the vicinity of the spark plug along two paths. Hereinafter, the fuel spray transfer state in the compression stroke injection will be described.
[0030]
FIG. 7 is a view showing the fuel spray F during injection, FIG. 8 is a view showing the fuel spray F after injection, and FIG. 9 is a view showing the fuel spray F just before ignition. Is a flat cross section and the lower section is a side cross section. 10 is a side sectional view as seen from the arrow C in FIG. 7, FIG. 11 is a side sectional view as seen from the arrow D in FIG. 8, and FIG. 12 is a side sectional view as seen from the arrow E in FIG. is there. FIG. 13 is a partially enlarged view showing the rising of the fuel spray F, which corresponds to the transition from FIG. 7 to FIG. 8 over time.
[0031]
When the
Here, the collision with the
[0032]
On the other hand, as shown in FIGS. 8 and 11, based on the setting of the ridge
[0033]
The fuel spray F being transferred along the
[0034]
When the
[0035]
Further, the squish flow S also has an effect of preventing the situation where the fuel spray F after joining flows out from the
[0036]
A combustible air-fuel mixture is formed around the
And, in this embodiment, since the fuel is transferred using the momentum of the fuel spray F, compared to the case where the fuel is transferred using the intake air flow as in the techniques of
[0037]
Further, as described above, the fuel spray F and the rolled up fuel spray particulates Fa are transferred to the vicinity of the spark plug by following two paths. First, the fuel spray Fa rolled up from the main stream is directly transferred to the
[0038]
On the other hand, this embodiment does not require an upright intake port for generating a reverse tumble flow unlike the techniques of
[0039]
This is the end of the description of the embodiment, but the aspect of the present invention is not limited to this embodiment. For example, in the above embodiment, the fuel injection device of a four-valve in-line four-cylinder gasoline engine is embodied. However, the valve mechanism of the engine is changed to an intake / exhaust two-valve, or the cylinder arrangement of the engine is changed. May be.
Moreover, in the said embodiment, although the
[0040]
Further, in the above embodiment, the top surface of the piston is a pent roof type, so that the height of the
[0041]
In the above embodiment, the lower ridge angle θ2 is set so as to prevent the main flow of the fuel spray F from colliding with the
[0042]
On the other hand, in the above embodiment, the
[0043]
Further, as shown in FIG. 17, an inverted V-shaped
Further, as shown in FIGS. 18 and 19, it may be formed as an
[0044]
【The invention's effect】
As described above, according to the fuel injection device of the internal combustion engine of the first and second aspects of the present invention, it is possible to prevent a decrease in thermal efficiency and an increase in emission due to fuel adhesion to the piston top surface, Stratified combustion can be reliably realized without being affected by in-cylinder temperature or carbon deposition, and a combustible air-fuel mixture is formed around the spark plug for a long period of time, increasing the degree of control freedom during stratified combustion. can do.
[0045]
According to a fuel injection device for an internal combustion engine of a third aspect of the present invention, in addition to the first aspect, the spark plug is prevented from rolling when the main flow of fuel spray collides, thereby realizing more reliable stratified combustion. can do.
According to the fuel injection device for the internal combustion engine of the fourth aspect of the invention, in addition to the first aspect, it is possible to prevent the fuel spray from spilling from the guide wall and realize more reliable stratified combustion.
[0046]
According to the fuel injection device for the internal combustion engine of the fifth aspect of the invention, in addition to the first aspect, by reducing the fuel adhesion to the flat portion as much as possible, it is possible to suppress the decrease in thermal efficiency and improve the exhaust emission. Can do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a head portion of an engine according to a first embodiment.
2 is a side cross-sectional view of the configuration of the head portion as seen from the direction of arrow A in FIG.
3 is a cross-sectional plan view corresponding to the upper stage of FIG. 1 showing the nozzle structure of the fuel injection valve.
4 is a view taken along arrow B in FIG. 3 showing the nozzle structure. FIG.
FIG. 5 is a view showing a cross-sectional shape of fuel spray viewed from the direction of arrow B in FIG. 3;
6 is a cross-sectional view taken along the line VI-VI in FIG. 1 showing a cross-sectional shape of the guide wall.
FIG. 7 is a diagram showing fuel spray during injection.
FIG. 8 is a diagram showing fuel spray after injection.
FIG. 9 is a view showing fuel spray just before ignition.
10 is a side sectional view as seen from the direction of arrow C in FIG.
11 is a side sectional view as seen from the direction of arrow D in FIG. 8. FIG.
12 is a side sectional view as seen from the direction of arrow E in FIG. 9;
FIG. 13 is a partially enlarged view showing the fuel spray rolling up.
FIG. 14 is a cross-sectional view showing another example in which the guide wall is formed as a vertical wall.
FIG. 15 is a view showing another example in which the nozzle hole is formed in an inverted U shape.
FIG. 16 is a view showing another example in which the nozzle holes are formed in a substantially C shape.
FIG. 17 is a view showing another example in which an inverted V-shaped injection hole is provided.
FIG. 18 is a view showing another example in which nozzle holes are formed as nozzle hole groups.
FIG. 19 is a view showing another example in which the nozzle holes are formed as a nozzle hole group.
[Explanation of symbols]
2 piston
4 Combustion chamber
5 Spark plug
8 Fuel injection valve
10 Flat part
11a, 11b, 12 guide walls
F, Fa Fuel spray
8a, 31-33, 34a, 35a nozzle hole
Claims (5)
ピストン頂面の吸気側寄りの平坦部の周囲に形成され、上記燃料噴霧の両側からそれぞれ上記点火プラグの下方近傍まで延設されて合流する一対のガイド壁を備え、
上記燃料噴射弁は、上記点火プラグ側に凸状で、且つ上記ピストン側に凹状をなす断面形状の燃料噴霧を形成し、該燃料噴霧の凸側を上記点火プラグ近傍に向け、且つ該燃料噴霧の凹側を両ガイド壁近傍に向けて噴射することを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置。A fuel injection valve having a spark plug disposed at substantially the center of the combustion chamber of the internal combustion engine and a fuel spray that intersects the axis of the spark plug at a predetermined angle on one side of the intake side of the combustion chamber In a fuel injection device for an internal combustion engine that performs stratified combustion by directly injecting fuel into the combustion chamber from the fuel injection valve in the compression stroke,
A pair of guide walls that are formed around a flat portion near the intake side of the piston top surface, extend from both sides of the fuel spray to the vicinity of the lower part of the spark plug, and merge.
The fuel injection valve forms a fuel spray having a convex shape on the spark plug side and a concave shape on the piston side, with the convex side of the fuel spray directed toward the vicinity of the spark plug, and the fuel spray A fuel injection device for an internal combustion engine, wherein the concave side is injected toward the vicinity of both guide walls.
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