JP2006057604A - Cylinder direct injection internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料噴射弁の噴孔と、点火プラグのプラグギャップとを近接して配置した筒内直噴式内燃機関に関し、特に、良好な点火性能を維持できるようにした技術に関する。 The present invention relates to an in-cylinder direct injection internal combustion engine in which an injection hole of a fuel injection valve and a plug gap of an ignition plug are arranged close to each other, and more particularly to a technique capable of maintaining good ignition performance.
火花点火燃焼に際し、燃料噴射弁から筒内に燃料を直接噴射し、筒内に成層化した混合気を形成することで、大幅に希薄化した燃焼を行う内燃機関は、特に低・中負荷において、燃料消費を大きく低減できることが知られている。
このような筒内直接噴射式火花点火機関において、特許文献1では、燃料噴射弁の噴孔近傍に点火プラグのプラグギャップを配置し、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧に直接火花点火を行い燃焼せしめている。
In such an in-cylinder direct injection type spark ignition engine, in Patent Document 1, a plug gap of an ignition plug is disposed in the vicinity of the injection hole of the fuel injection valve, and direct spark ignition is performed on the fuel spray injected from the fuel injection valve. It is burning.
しかしながら、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧に直接火花点火を行い燃焼せしめる手法において、燃料噴霧と点火プラグのプラグギャップとが近接するように配置すると、着火の安定性は向上するものの、燃料噴霧がプラグギャップを直撃することによる点火プラグのかぶりが問題となる。
一方、点火プラグのかぶりを回避するために、燃料噴霧から点火プラグのプラグギャップを遠ざけると燃焼安定性が悪化する。つまり両者はトレードオフの関係となっている。本燃焼手法に関する先行技術において、上記問題点に関する方策が示されたものは存在しない。
However, in the method in which the fuel spray injected from the fuel injection valve is directly ignited and burned, if the fuel spray and the plug gap of the spark plug are arranged close to each other, the stability of ignition is improved, but the fuel spray is improved. The problem is fogging of the spark plug due to the direct hit of the plug gap.
On the other hand, if the plug gap of the spark plug is moved away from the fuel spray in order to avoid the cover of the spark plug, the combustion stability is deteriorated. In other words, both are in a trade-off relationship. In the prior art related to this combustion technique, there is no one showing a measure for the above problem.
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧に直接火花点火を行い燃焼せしめる手法において、点火プラグのかぶり防止と燃焼安定性との両立を可能とする手段を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a problem, and in a technique of directly igniting and burning a fuel spray injected from a fuel injection valve, it is possible to achieve both prevention of fogging of the spark plug and combustion stability. It aims at providing the means to do.
このため、本発明は、燃料噴射弁の噴孔から噴射される燃料が、前記点火プラグのプラグギャップ近傍を通過するよう燃料噴射方向を設定するとともに、
前記燃料噴射弁の弁体リフト量が低下して着座にいたる噴射期間末期の燃料通過位置を、弁体リフト量が最大となる主噴射期間の燃料通過位置よりも前記プラグギャップの位置に近づける構成とした。
For this reason, the present invention sets the fuel injection direction so that the fuel injected from the injection hole of the fuel injection valve passes through the vicinity of the plug gap of the spark plug,
A configuration in which the fuel passage position at the end of the injection period in which the valve body lift amount of the fuel injection valve is lowered and seated is closer to the plug gap position than the fuel passage position in the main injection period in which the valve body lift amount is maximum. It was.
かかる構成によると、弁体リフト量が最大となる主噴射期間中は燃料噴霧がプラグギャップ位置近傍を指向せず、燃料噴射終了時には該ニードルリフト量の低下に応じて燃料噴霧が該プラグギャップ位置近傍を指向することにより、主噴射期間中に噴射された燃料噴霧はプラグギャップを避けることで点火プラグのかぶりを回避し、燃料噴射終了時の火花点火を行う時期において、燃料噴霧がプラグギャップを指向するために確実に着火を行うことが可能となる。 According to this configuration, during the main injection period in which the valve body lift amount is maximum, the fuel spray is not directed to the vicinity of the plug gap position, and at the end of the fuel injection, the fuel spray is changed to the plug gap position according to the decrease in the needle lift amount. By directing in the vicinity, the fuel spray injected during the main injection period avoids the plug gap to avoid fogging of the spark plug, and at the timing of spark ignition at the end of the fuel injection, the fuel spray passes through the plug gap. It becomes possible to ignite surely to be oriented.
以下、図面に基づき、本発明の実施形態について説明する。
図1において、内燃機関は、シリンダヘッド1、シリンダブロック2及びピストン3により構成される燃焼室4を有し、吸気バルブ5を介して吸気ポート6から新気を導入し、排気バルブ7を介して排気ポート8から排気を排出する。前記シリンダヘッド1の中央部に燃料噴射弁9と点火プラグ10とが装着され、燃料噴射弁9先端部に設けられた噴孔91と、点火プラグ10先端部に設けられたプラグギャップ10aとを近接させて燃焼室4内に臨ませるように配置してある。プラグギャップ10aは、噴射された燃料噴霧に直接点火可能であるが、燃料噴霧直撃によるプラグかぶり等の問題を回避するために噴霧中心軸上からはオフセットさせて配置している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
In FIG. 1, the internal combustion engine has a combustion chamber 4 composed of a cylinder head 1, a
前記吸気バルブ5を駆動するカム軸端には、燃料ポンプ11が配置されている。該燃料ポンプ11により加圧された燃料は、燃料配管12を介して燃料噴射弁9より燃焼室4へ噴射される。
内燃機関は、エンジンコントロールユニット(ECU)13にて統合的に制御される。このためECU13にはクランク角センサ信号、冷却水温、アクセル開度信号が入力され、これらの信号を基に、燃料噴射,点火制御を行う。また、本内燃機関では、燃焼形態として主に、圧縮行程中(特に、圧縮行程後半)に燃料噴射を行うことでリーン運転を実現し燃費を向上させる成層燃焼モードと、吸気行程中(特に吸気行程前半)に燃料噴射を行いストイキ運転(理論空燃比運転)を実現する均質燃焼モードとが設けられており、運転状態に応じて選択されるようになっている。
A
The internal combustion engine is integrally controlled by an engine control unit (ECU) 13. Therefore, the
前記燃料噴射弁9の先端構造を図2に、主噴射期間および噴射終了時期における燃料噴霧特性を図3に示す。
該燃料噴射弁9は、ノズルボデー14内でニードル(弁体)15が、軸方向に往復動することで燃料の噴射を行い、ニードル15が着座時において、燃料噴射弁9の軸方向に対して周方向の点火プラグ10側に、2つの噴孔91a,91bを有している。なお、ニードル15をリフトさせる手段として電磁コイルを用いることにより、比較的安価に燃料噴射弁を作成可能となる。
The tip structure of the
The
前記噴孔91a,91bは、入口側開口部のカーテン面積(噴孔断面形状を、噴孔軸方向へ弁体に衝突するまで延長させた際に形成される形状の側面の面積)91A,91Bが異なり、カーテン面積91Aより、カーテン面積91Bの方が大きく形成されている。なお、点火プラグ10側でない側には燃料噴射弁9の軸方向に対して1個の噴孔91cが設けられる。
The
前記カーテン面積が大きい方の噴孔9bの軸線(噴霧軸線)20は、点火プラグ10のプラグギャップ10a位置近傍を指向しており、カーテン面積が小さい方の噴孔9aの軸線(噴霧軸線)22は、プラグギャップ位置12a近傍を指向していない。また、噴孔軸線20および22は空間に交点を有しており、それぞれの噴孔から噴射された燃料噴霧は衝突し、衝突噴霧軸線21の方向へと進行する。
The axis (spray axis) 20 of the nozzle hole 9b having the larger curtain area is oriented near the position of the
ここで、図3(a)に示すように、ニードル15の最大リフト時において噴霧軸線21はプラグギャップ10a位置近傍を指向しないように設定されている。これにより、ニードル15が最大リフト時の主噴射期間中において、燃料噴霧はプラグギャップ10aを直撃することがなく、点火プラグ10のかぶりも防止できる。
一方、図3(b)に示すように、ニードル15のリフト量が低下すると、前記カーテン面積91A,91Bの相違が大きくなり、カーテン面積91Aが大きく減少する噴孔9aから噴射される燃料流量のカーテン面積91Bが比較的大きく保たれる噴孔9bから噴射される燃料流量に対する割合が相対的に低下するため、噴霧軸線21は噴霧軸線20へと近づいていく。
Here, as shown in FIG. 3A, the
On the other hand, as shown in FIG. 3B, when the lift amount of the
これにより、燃料噴射終了時において燃料噴霧はプラグギャップ位置近傍を指向することとなり、着火の安定性を確保することが可能となる。
尚、図2(a)に示すように、燃料噴射弁9が下端部にサック部(容積部)23を有するタイプのものでは、上側の噴孔9aはサック部23より上側のノズルボディ14壁に設け、下側の噴孔9bを該サック部23に設けることで、前記2つのカーテン面積91A,91Bの相違をより大きくすることができ、容易に燃料噴霧特性が変化可能となる。また、サック部23を設けることにより噴射終了時期における燃料噴射量が多くなり、着火の安定性が向上する。
As a result, the fuel spray is directed near the plug gap position at the end of fuel injection, and it is possible to ensure the stability of ignition.
As shown in FIG. 2A, when the
一方、図2(b)に示すように、サック部を備えないサックレスタイプの燃料噴射弁9であっても、ノズルボデー14壁に設けた2つの噴孔9a,9bのカーテン面積91A,91Bを相違させることができ、カーテン面積91A,91Bが異なっていればこれらに限定するものではない。
また、ニードル着座時において、カーテン面積が大きい方の噴孔9bの断面積を、カーテン面積が小さい方の噴孔9aの断面積より小さく形成すれば、点火プラグのかぶり抑制機能が強化され、逆に、カーテン面積が大きい方の噴孔9bの断面積を、カーテン面積が小さい方の噴孔9aの断面積より大きく形成すれば、着火の安定性機能が強化されるので、燃料噴射特性、点火性能などに応じて両機能を最もバランスよく得られるように設定すればよい。
On the other hand, as shown in FIG. 2B, even in a sacless type
In addition, when the needle is seated, if the cross-sectional area of the nozzle hole 9b with the larger curtain area is made smaller than the cross-sectional area of the nozzle hole 9a with the smaller curtain area, the fogging suppression function of the spark plug will be strengthened. In addition, if the cross-sectional area of the nozzle hole 9b having the larger curtain area is made larger than the cross-sectional area of the nozzle hole 9a having the smaller curtain area, the ignition stability function is enhanced. What is necessary is just to set so that both functions can be obtained with the best balance according to performance etc.
このように、本実施形態によれば、主噴射期間中は少なくとも異なる2つの噴孔から噴射される燃料噴霧を衝突させる構成としたことにより、燃料噴霧の進行方向が弁体リフト量に応じて自動的に制御することができる。
特に、ニードル着座時において、少なくとも2つの噴孔9a,9bの入口側開口部カーテン面積91A,91Bが異なる構成としたことにより、噴射終了時期付近において、カーテン面積の小さい噴孔から噴射される燃料流量が、カーテン面積の大きな噴孔から噴射される燃料流量よりも相対的に小さくなるため、衝突させた燃料噴霧の進行方向を容易に変更できる。
As described above, according to the present embodiment, during the main injection period, the fuel sprays injected from at least two different nozzle holes are caused to collide, so that the traveling direction of the fuel sprays depends on the valve lift amount. Can be controlled automatically.
In particular, when the needle is seated, at least two injection holes 9a and 9b have different entrance side
但し、ニードルが最大リフト時には燃料噴霧はプラグギャップ位置近傍を指向せずに、ニードルリフト量の低下に従ってプラグギャップ位置近傍を指向するものであれば本方式に限定するものではない。
図4は、前記点火プラグ10における電極形状の各種の例を示す。燃料噴射弁9の噴孔9aから点火プラグ10のプラグギャップ10aまでの距離が短く燃料噴霧の混合気形成が十分でないことから、可燃混合気の領域が十分に大きくないため、同図(a)に示されるセミ沿面電極タイプのものが、空間的に広い点火領域を確保できるのでより好ましい。しかし、同図(b)に示されるような平行電極タイプでも良いし、また、同図(c)に示されるような平行電極と沿面電極とを併せ持つハイブリッドタイプでも良く、点火を行うものであればこれらに限定するものではない。
However, the present invention is not limited to this method as long as the fuel spray is not directed to the vicinity of the plug gap position when the needle is at the maximum lift, but is directed to the vicinity of the plug gap position as the needle lift amount decreases.
FIG. 4 shows various examples of electrode shapes in the
また、同図(a)〜(c)のいずれの電極もプラグギャップにおける点火時の飛火方向が、点火プラグ軸線に対して垂直方向であるので、空間的に広範囲に可燃混合気への着火が可能となるため着火の安定性を向上することが可能となる。 In any of the electrodes (a) to (c), the ignition direction in the plug gap at the time of ignition is perpendicular to the spark plug axis, so that the ignition of the combustible mixture is spatially wide. This makes it possible to improve the stability of ignition.
3 ピストン
3a ボウル部
4 燃焼室
9 燃料噴射弁
10 点火プラグ
10a プラグギャップ
13 エンジンコントロールユニット(ECU)
14 ノズルボデー
15 ニードル
20 噴孔軸線(噴霧軸線)
21 衝突噴霧軸線
22 噴孔軸線(噴霧軸線)
91a 噴孔
91b 噴孔
91A 噴孔カーテン面積
91B 噴孔カーテン面積
DESCRIPTION OF
14
21
Claims (15)
前記燃料噴射弁の噴孔から噴射される燃料が、前記点火プラグのプラグギャップ近傍を通過するよう燃料噴射方向を設定するとともに、
前記燃料噴射弁の弁体リフト量が低下して着座にいたる噴射期間末期の燃料通過位置を、弁体リフト量が最大となる主噴射期間の燃料通過位置よりも前記プラグギャップの位置に近づけることを特徴とする筒内直噴式内燃機関。 In the cylinder direct injection internal combustion engine in which the nozzle hole provided at the tip of the fuel injection valve and the plug gap provided at the tip of the spark plug are arranged close to each other,
While setting the fuel injection direction so that the fuel injected from the injection hole of the fuel injection valve passes through the vicinity of the plug gap of the spark plug,
The fuel passage position at the end of the injection period in which the valve body lift amount of the fuel injection valve decreases and becomes seated is made closer to the plug gap position than the fuel passage position in the main injection period where the valve body lift amount is maximum. An in-cylinder direct injection internal combustion engine.
ことを特徴とする請求項2記載の筒内内直噴式内燃機関。 The inlet side opening formation position of the two injection holes is set so that the flow rate ratio of the fuel injected from the two injection holes changes according to the valve lift amount. In-cylinder direct injection internal combustion engine.
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