JP2010150970A - Spark ignition direct injection engine - Google Patents

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Masanao Yamakawa
正尚 山川
Hiroaki Abe
博聴 阿部
Toshiro Nishimoto
敏朗 西本
Yoshitaka Wada
好隆 和田
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Mazda Motor Corp
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    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a spark ignition direct injection engine having excellent ignition stability and combustion stability even if ignition is performed on and after a compression top dead center, immediately raising temperature of an engine and temperature of a catalyst, and having excellent exhaust emission control performance, during the specific operation of the engine. <P>SOLUTION: This spark ignition direct injection engine 1 includes a multi-hole injector 7, an ignition plug 6, and the like. The top surface 14 of a piston 4 is formed into a pent roof shape. Control is performed such that during the specific operation of the engine 1, fuel is injected twice in a suction stroke and in the latter half of a compression stroke, and ignition is performed on and after the compression top dead center. Spray F2 of fuel injected from a second nozzle hole 28b in the latter half of the compression stroke collides with the first inclined surface (slant surface) 42 of the top surface 14, and is subsequently transferred around the electrode 6a of the ignition plug 6. A weir-shaped portion 50 is formed in a portion between two exhaust valves 20, 20 on the ceiling 13 of a combustion chamber 15 in order to stay the spray F2 around the electrode 6a. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、燃焼室の周縁部に配設されたインジェクタと、燃焼室の略中央上部に配設された点火プラグとを備え、圧縮工程後半に終了するタイミングで燃料が噴射される火花点火式直噴エンジンに関する。   The present invention includes a spark ignition type in which an injector disposed at a peripheral portion of a combustion chamber and a spark plug disposed substantially at the center upper portion of the combustion chamber, and fuel is injected at a timing that ends in the latter half of the compression process. It relates to a direct injection engine.

本発明に関し、良好な成層燃焼を実現するために、噴射された燃料が安定して電極周りに供給されるように、ピストンの頂面の形状に工夫を凝らすことが検討されている。   In order to achieve good stratified combustion in the present invention, it has been studied to devise a shape of the top surface of the piston so that the injected fuel is stably supplied around the electrode.

例えば、特許文献1では、中央部に球面状のボウルが凹設されたピストンの頂面において、吸気弁側からピストンの略中央に至る範囲に、ボウルよりも更に深く凹んだ凹部を形成し、この凹部によって圧縮上死点付近で噴射される燃料を電極側へ案内するようにしている。
特開2000−130171号公報
For example, in Patent Document 1, a concave portion deeper than the bowl is formed in the range from the intake valve side to the approximate center of the piston on the top surface of the piston having a spherical bowl recessed at the center, By this recess, the fuel injected near the compression top dead center is guided to the electrode side.
JP 2000-130171 A

ところで、近年では環境問題に対する関心の高まりなどから自動車の排ガス規制が厳しくなっており、自動車の開発において、排気ガスの浄化性能の向上は燃費の向上等とともに重要な関心事となっている。   By the way, in recent years, exhaust gas regulations for automobiles have become strict due to increasing interest in environmental problems, and in the development of automobiles, improvement in exhaust gas purification performance has become an important concern along with improvement in fuel consumption.

通常、自動車の排気経路には排気ガスを浄化するために触媒が配設されていて、排気ガス中に含まれるHCやCOなどの成分がこの触媒の酸化還元作用によって浄化されるようになっている。   Normally, a catalyst is disposed in the exhaust path of an automobile to purify exhaust gas, and components such as HC and CO contained in the exhaust gas are purified by the oxidation-reduction action of the catalyst. Yes.

しかしながら、この触媒を活性化させて適正な酸化還元作用が発揮されるようにするには、例えば200℃以上の温度が必要なため、エンジンの冷間始動直後や、エンジンの温間時であっても減速燃料カットが長く続いた時など、温度が低くて触媒が活性化していない場合には、その温度をいかにして速やかに高めるかが課題となっており、その対策の一つとして、点火時期をできるだけ遅らして高い熱量をもった排気ガスを排出させ、その熱によって触媒の温度を高めることが検討されている。   However, in order to activate this catalyst so that an appropriate oxidation-reduction action can be exerted, for example, a temperature of 200 ° C. or higher is necessary, so that it is immediately after the engine is cold started or when the engine is warm. However, if the temperature is low and the catalyst is not activated, such as when the deceleration fuel cut continues for a long time, how to quickly increase the temperature is an issue. It has been studied to delay the ignition timing as much as possible to discharge exhaust gas having a high amount of heat and raise the temperature of the catalyst by the heat.

ところが、点火時期を遅らして、混合気が断熱膨張する圧縮上死点以降の膨張行程で点火するような状態になると、点火時期が遅れれば遅れるほど燃焼室内の温度や圧力が低下していくため、着火が難しくなって着火安定性の確保が困難になる。さらに、着火できても火炎が伝播し難くなるため、燃焼安定性の確保もまた困難になるという問題がある。   However, when the ignition timing is delayed and the mixture is ignited in the expansion stroke after the compression top dead center where the air-fuel mixture expands adiabatically, the temperature and pressure in the combustion chamber decrease as the ignition timing is delayed. Therefore, it becomes difficult to ignite, and it becomes difficult to ensure ignition stability. Furthermore, there is a problem that it is difficult to ensure combustion stability because the flame is difficult to propagate even if ignition is possible.

更に、エンジン始動直後のエンジン冷間時には気筒内も温まっておらず温度も低いため、噴射された燃料が気筒の内壁等に付着すると、燃焼不良やエンジンオイルへの混入などの弊害を招くおそれがある。   Further, when the engine is cold immediately after the engine is cold, the inside of the cylinder is not warmed and the temperature is low. If the injected fuel adheres to the inner wall or the like of the cylinder, there is a risk of causing bad effects such as poor combustion or mixing into the engine oil. is there.

この点、先の特許文献1のようにピストンの頂面の形状を工夫すれば、電極周りに燃料の噴霧を安定して移送させることができるため、着火安定性や燃焼安定性の問題をある程度解決することができる。   In this regard, if the shape of the top surface of the piston is devised as in the above-mentioned Patent Document 1, the spray of fuel can be stably transferred around the electrode, so that the problems of ignition stability and combustion stability are to some extent. Can be solved.

しかし、電極周りに燃料の噴霧を安定して移送させることができても、そこから分散してしまい、電極周りに混合気をまとめて分布させるのは難しいという問題がある。   However, even if the fuel spray can be stably transferred around the electrode, it is dispersed from the electrode, and it is difficult to distribute the air-fuel mixture around the electrode.

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、比較的リッチな混合気の塊を点火プラグの電極周りに安定して形成させることができ、着火安定性、燃焼安定性に優れた火花点火式直噴エンジンを提供することにある。また、本発明の目的は、圧縮上死点以降に点火しても着火安定性、燃焼安定性に優れ、エンジンの温度や触媒の温度を速やかに高めることができ、排気ガスの浄化性能に優れた火花点火式直噴エンジンを提供することにある。   The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to stably form a relatively rich air-fuel mixture mass around the electrode of the spark plug, and to achieve stable ignition and stable combustion. The object is to provide a spark-ignition direct injection engine excellent in performance. In addition, the object of the present invention is to provide excellent ignition stability and combustion stability even when ignited after compression top dead center, can quickly increase the temperature of the engine and the catalyst, and is excellent in exhaust gas purification performance. Another object is to provide a spark ignition direct injection engine.

上記目的を達成するために、本発明では、ピストンの頂面に衝突して点火プラグの電極周りに移送される噴霧が、その電極周りに留まるように、燃焼室の天井部に堰状部を設けた。   In order to achieve the above object, according to the present invention, a weir-like portion is formed on the ceiling of the combustion chamber so that the spray that collides with the top surface of the piston and moves around the electrode of the spark plug stays around the electrode. Provided.

具体的には、本発明は、ペントルーフ形状の燃焼室の天井部に各々並列に配設される2つの吸気弁及び2つの排気弁と、上記燃焼室の周縁部に配設され、上記2つの吸気弁の間から燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタと、上記燃焼室の略中央上部に配設され、電極が燃焼室内に突出する点火プラグと、上記燃焼室の下部を区画するピストンとを備える火花点火式直噴エンジンであって、圧縮工程後半に終了するタイミングで噴射される燃料の噴霧が、平面視においては上記燃焼室の略中央部を指向し、且つ、上記吸気弁及び排気弁を左右に見る正面視においては上記ピストンの頂面に対して斜めに衝突するように上記インジェクタの噴口の向きが設定され、上記燃焼室の天井部における上記2つの排気弁の間の部分に、上記電極の下方位置まで突出する堰状部が設けられていることを特徴とするものである。   Specifically, the present invention provides two intake valves and two exhaust valves respectively disposed in parallel on the ceiling portion of a pent roof-shaped combustion chamber, and is disposed on a peripheral portion of the combustion chamber. An injector that injects fuel into the combustion chamber from between the intake valves, an ignition plug that is disposed substantially at the center upper portion of the combustion chamber and has an electrode protruding into the combustion chamber, and a piston that defines a lower portion of the combustion chamber. A spark-ignition direct injection engine, in which the fuel spray injected at the end of the second half of the compression process is directed to a substantially central portion of the combustion chamber in plan view, and the intake valve and the exhaust valve are In the front view seen from the left and right, the direction of the injection port of the injector is set so as to collide obliquely with the top surface of the piston, and the portion between the two exhaust valves in the ceiling portion of the combustion chamber Bottom orientation of electrode It is characterized in that the barrier portion is provided projecting up.

すなわち本発明では、まず、圧縮工程後半に終了するタイミングで噴射される燃料の噴霧が、平面視においては上記燃焼室の略中央部を指向し、且つ、上記吸気弁及び排気弁を左右に見る正面視においては上記ピストンの頂面に対して斜めに衝突するようにインジェクタの噴口の向きが設定されている。   That is, in the present invention, first, the fuel spray injected at the end of the second half of the compression process is directed to the substantially central portion of the combustion chamber in a plan view, and the intake valve and the exhaust valve are viewed to the left and right. In the front view, the direction of the injection nozzle of the injector is set so as to collide obliquely with the top surface of the piston.

具体的には、比較的容積が小さくなった燃焼室で、インジェクタからピストンの頂面の略中央部手前へ向かうように斜め下方に燃料が噴射され、その噴霧はピストンの頂面に斜めに衝突してその勢いを弱めながらも、燃焼室の略中央部上方に位置する点火プラグの電極側に流れていく。   Specifically, in a combustion chamber with a relatively small volume, fuel is injected obliquely downward from the injector toward the front of the approximate center of the top surface of the piston, and the spray collides diagonally with the top surface of the piston. Then, while weakening the momentum, it flows toward the electrode side of the spark plug located substantially above the center of the combustion chamber.

噴霧が流れていく方向の電極の先には、電極の下方位置まで突出する堰状部が設けられているので、噴霧の流れはその堰状部によって遮られ、噴霧が分散することなく電極周りに高い確率で留まるようになる。   Since the tip of the electrode in the direction in which the spray flows is provided with a weir-like portion that protrudes to a position below the electrode, the flow of the spray is blocked by the weir-like portion, and the spray does not disperse around the electrode Will stay at a high probability.

特に、上記圧縮工程後半とは、圧縮工程の3/4の期間が経過した後であり、エンジンの特定運転時に、このタイミングで燃料が噴射され、圧縮上死点以降に点火が行われるように制御するのが効果的である。   In particular, the latter half of the compression process is after a period of 3/4 of the compression process has elapsed. During specific operation of the engine, fuel is injected at this timing, and ignition is performed after the compression top dead center. It is effective to control.

このように圧縮工程後半の上記タイミングで燃料を噴射して圧縮上死点以降に点火、つまり、膨張行程で点火する場合には、着火や燃焼が難しくなるが、上述の通り、電極周りに比較的リッチな混合気の塊を安定して形成することができるため、着火不良や燃焼不良を効果的に抑制することができる。従って、例えば、触媒の温度が低くて排気ガスの浄化がうまくできない状態にあるエンジンの冷間始動時に、高い熱量をもった排気ガスを排出させて触媒の温度を速やかに上昇させることができるようになり、排気ガスの浄化性能を向上させることができる。   In this way, when fuel is injected at the above-mentioned timing in the latter half of the compression process and ignition is performed after the compression top dead center, that is, ignition is performed in the expansion stroke, ignition and combustion become difficult. Therefore, it is possible to stably form an air-rich mixture of air-fuel mixtures, and effectively suppress poor ignition and poor combustion. Therefore, for example, at the time of cold start of an engine in which exhaust gas purification is not successful because the temperature of the catalyst is low, the exhaust gas having a high calorific value can be discharged and the temperature of the catalyst can be quickly raised. Thus, the exhaust gas purification performance can be improved.

具体的には、上記ピストンの頂面は、上記燃焼室の天井部に沿うようにして上記インジェクタ側に臨む斜面に形成して、この斜面に噴霧が衝突するようにするとよい。   Specifically, the top surface of the piston may be formed on a slope facing the injector side along the ceiling of the combustion chamber so that the spray collides with the slope.

そうすれば、頂面をペントルーフ形状にした分、燃焼室の容積が相対的に小さくなって圧縮率を高めることができる。そして、噴射した燃料をその一方の斜面に衝突させることで、衝突した噴霧が斜面に沿って流れて電極周りに円滑に移送されるようになり、より安定して電極周りに混合気の塊を形成させることができる。   If it does so, the volume of a combustion chamber will become relatively small by the part which made the top surface the pent roof shape, and it can raise a compression rate. Then, by causing the injected fuel to collide with one of the slopes, the collided spray flows along the slope and is smoothly transferred around the electrode, and the mixture mass is more stably around the electrode. Can be formed.

より具体的には、上記噴霧が上記電極周りに到達するタイミングにおいて、上記斜面をその上端縁から延長させた仮想延長面が上記堰状部と交わるように設定するとよい。   More specifically, at the timing when the spray reaches the periphery of the electrode, it is preferable to set so that a virtual extended surface obtained by extending the inclined surface from the upper edge thereof intersects the weir-shaped portion.

すなわち、ピストンの頂面は、燃料が噴射された後も上昇しているため、頂面に衝突した噴霧は上昇過程にある頂面によってその流れる方向がある程度規制される。そして、その噴霧が電極周り到達したタイミングにおいて、その斜面の上端縁から延長させた仮想延長面が堰状部と交わる、つまり、堰状部の下端がその仮想延長面よりも下側に位置するようになっていると、噴霧のほとんどが堰状部に堰き止められて電極周りに留まることとなり、噴霧の拡散を効果的に抑制することができる。   In other words, since the top surface of the piston is raised even after the fuel is injected, the direction of flow of the spray that collides with the top surface is restricted to some extent by the top surface in the ascending process. And, at the timing when the spray reaches around the electrode, the virtual extension surface extended from the upper edge of the slope intersects the weir-like portion, that is, the lower end of the weir-like portion is located below the virtual extension surface. If so, most of the spray is blocked by the weir-like portion and stays around the electrode, so that the diffusion of the spray can be effectively suppressed.

特に、上記堰状部における上記燃焼室の中央側の端部の幅は、外周側の端部の幅よりも大きく形成しておけば、噴霧が突き当たる方の端部の幅が相対的に大きくなって噴霧を効果的に堰き止めることができる一方で、噴霧の当たらない方の端部の幅が相対的に小さくなって、その両側に位置する排気弁との間に比較的大きなスペースが確保できるので、排気時に堰状部が邪魔になって、大きな排気抵抗が生じるのを効果的に防止することができる。   In particular, if the width of the end portion on the center side of the combustion chamber in the weir-like portion is formed larger than the width of the end portion on the outer peripheral side, the width of the end portion on which the spray strikes is relatively large. The spray can be effectively blocked and the width of the end of the non-sprayed end is relatively small, ensuring a relatively large space between the exhaust valves located on both sides Therefore, it is possible to effectively prevent the weir-like portion from interfering with the exhaust and causing a large exhaust resistance.

また、上記インジェクタには複数の噴口が設けられ、これら複数の噴口の内、少なくともいずれか一つの噴口が上記向きに設定されていて、エンジンの特定運転時において、吸気工程と圧縮工程後半とで燃料の噴射が複数回に分けて行われるようにしておくこともできる。   Further, the injector is provided with a plurality of nozzle holes, and at least one of the nozzle holes is set in the above-described direction, and the intake process and the latter half of the compression process are performed during the specific operation of the engine. It is also possible to perform fuel injection in a plurality of times.

そうすれば、複数の噴口から燃料を分散させて噴射させることができ、燃料の気化霧化を促進させることができる。そして、例えば、各工程で1回ずつ燃料を噴射するとすれば、吸気工程で噴射される燃料は、相対的に容積の大きな燃焼室内に長く滞留して気化霧化が促進されるため、燃焼室内に比較的均一な混合気を形成させることができる。一方、圧縮工程後半では、燃焼室は相対的に小さな容積となって内圧が上昇しているため、噴射される燃料はその貫徹力が弱まって大きく分散することなく容易に移送させることができ、点火プラグ周りに比較的リッチな混合気の塊を形成させることができる。   If it does so, a fuel can be disperse | distributed and injected from a some nozzle, and vaporization atomization of a fuel can be accelerated | stimulated. For example, if the fuel is injected once in each process, the fuel injected in the intake process stays long in the combustion chamber having a relatively large volume and promotes vaporization and atomization. A relatively uniform air-fuel mixture can be formed. On the other hand, in the latter half of the compression process, the combustion chamber has a relatively small volume and the internal pressure is rising, so that the injected fuel can be easily transferred without being greatly dispersed because its penetration force is weakened, A relatively rich air-fuel mixture mass can be formed around the spark plug.

また更に、上記燃焼室内にスワール流を生成するスワール流生成手段を備え、上記堰状部は、上記天井部の径方向において、上記燃焼室の中央部分と外周部分とを除いた範囲に形成してもよい。   Still further, swirl flow generating means for generating a swirl flow in the combustion chamber is provided, and the weir-like portion is formed in a range excluding the central portion and the outer peripheral portion of the combustion chamber in the radial direction of the ceiling portion. May be.

そうすれば、エンジンの冷間始動時を含め、燃焼室内にスワール流を生成させることができ、燃焼室内での燃料の気化霧化を促進させることができる。特に燃焼室の周辺部のスワール流は比較的勢いの強いものとなるが、堰状部は外周部分を除いた範囲に形成されているので、堰状部がそのスワール流の勢いを弱めずに済む。従って、燃焼室周辺部において燃料の気化霧化を促進させることができるので、燃焼が不安定な膨張行程においても火炎伝播が安定するようになり、燃焼安定性を高めることができる。また、燃料の液滴が気筒内壁に付着するのを効果的に防ぐこともできる。   By doing so, it is possible to generate a swirl flow in the combustion chamber including when the engine is cold started, and to promote vaporization of fuel in the combustion chamber. In particular, the swirl flow around the combustion chamber is relatively strong, but the weir-like part is formed in the range excluding the outer peripheral part, so that the weir-like part does not weaken the momentum of the swirl flow. That's it. Accordingly, since the vaporization and atomization of the fuel can be promoted in the periphery of the combustion chamber, the flame propagation becomes stable even in the expansion stroke where the combustion is unstable, and the combustion stability can be improved. It is also possible to effectively prevent fuel droplets from adhering to the cylinder inner wall.

なお、上記エンジンの特定運転時とは、点火時期を圧縮上死点以降に設定したいエンジンの運転時であって、エンジンが比較的温まっている状態であっても触媒が未活性状態の時のエンジン運転時や、エンジン冷間時のエンジン運転時である。   Note that the above specific operation time of the engine means that the ignition timing is to be set after the compression top dead center, and the catalyst is inactive even when the engine is relatively warm. It is during engine operation or when the engine is cold.

このようなエンジン運転時においては、圧縮上死点以降の点火であっても、着火安定性、燃焼安定性が確保されるため、圧縮上死点以降の点火によって、排気ガス温度の速やかな上昇、ないし、エンジン本体の燃焼熱の受熱容量が高められ、燃焼性、触媒の浄化性能が高められて、排気ガスの浄化性能を向上させることができる。   During such engine operation, ignition stability and combustion stability are ensured even when ignition is performed after compression top dead center. Therefore, exhaust gas temperature can be quickly increased by ignition after compression top dead center. In addition, the heat receiving capacity of the combustion heat of the engine body can be increased, the combustibility and the catalyst purification performance can be improved, and the exhaust gas purification performance can be improved.

以上説明したように、本発明によれば、安定して電極周りに比較的リッチな混合気の塊を形成させることができるので、点火時期を遅らして圧縮上死点以降に点火するような場合であっても着火安定性、燃焼安定性に優れ、エンジンの特定運転時には触媒の温度やエンジンの温度を速やかに高めて排気ガスの浄化性能を向上させることができるようになる。   As described above, according to the present invention, it is possible to stably form a relatively rich mixture of air-fuel mixture around the electrode, so that the ignition timing is delayed to ignite after compression top dead center. Even in this case, the ignition stability and the combustion stability are excellent, and the exhaust gas purification performance can be improved by quickly increasing the catalyst temperature and the engine temperature during specific engine operation.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. It should be noted that the following description of the preferred embodiment is merely illustrative in nature, and is not intended to limit the present invention, its application, or its use.

(全体構成)
図1は、本実施形態における火花点火式直噴エンジン1(単にエンジン1ともいう)の全体構成を示している。このエンジン1は、車両に搭載される多気筒のガソリンエンジンである。尚、各気筒の主な構成は同様であるため、同図では一つの気筒について表してある。
(overall structure)
FIG. 1 shows an overall configuration of a spark ignition direct injection engine 1 (also simply referred to as an engine 1) in the present embodiment. The engine 1 is a multi-cylinder gasoline engine mounted on a vehicle. In addition, since the main structures of each cylinder are the same, in the same figure, it represents about one cylinder.

このエンジン1には、シリンダブロック2やシリンダヘッド3、ピストン4、クランク軸5、点火プラグ6、インジェクタ7、吸気システム8、排気システム9、エンジンコントロールユニット10(ECU10ともいう)などが備えられていて、例えば圧縮比14程度の比較的高圧縮比の下で燃焼が行われるように構成されている。そして、通常の運転状態では、低負荷運転領域から高負荷運転領域にわたって混合気を均一化して燃焼が行われ(均一燃焼)、エンジンおよび触媒が温まっていないエンジンの始動直後の冷間時(以下、冷間始動時という)には、混合気を弱成層化して燃焼が行われるように設定されている(弱成層燃焼)。   The engine 1 includes a cylinder block 2, a cylinder head 3, a piston 4, a crankshaft 5, a spark plug 6, an injector 7, an intake system 8, an exhaust system 9, an engine control unit 10 (also referred to as an ECU 10), and the like. Thus, for example, the combustion is performed under a relatively high compression ratio of about 14 compression ratio. In the normal operation state, the air-fuel mixture is made uniform from the low load operation region to the high load operation region, and combustion is performed (uniform combustion). In the cold start), the air-fuel mixture is set to be weakly stratified and burned (weakly stratified combustion).

まず、シリンダブロック2について説明すると、その内部には複数の気筒11,11,・・・が設けられていて、シリンダブロック2の上部に配設されるシリンダヘッド3によって各気筒11の上部が塞がれている。各気筒11内には、図2に詳しく示すように、その軸Zに沿って往復動するようにピストン4が収容されている。各ピストン4は、コネクティングロッドを介してクランク軸5に連結されていて、これらの往復動によってクランク軸5が回転駆動されるようになっている。クランク軸5の一端には、クランク角度を検出するためのクランク角センサ12が配設されている。そして、これら各気筒11の上部に、シリンダヘッド3の底面に形成された天井部13と各ピストン4の頂面とで上下が区画されることによって燃焼室15が形成されている。   First, the cylinder block 2 will be described. A plurality of cylinders 11, 11,... Are provided inside the cylinder block 2, and the upper part of each cylinder 11 is closed by the cylinder head 3 disposed on the upper part of the cylinder block 2. It is peeling. In each cylinder 11, as shown in detail in FIG. 2, a piston 4 is accommodated so as to reciprocate along its axis Z. Each piston 4 is connected to a crankshaft 5 via a connecting rod, and the crankshaft 5 is rotationally driven by these reciprocating motions. A crank angle sensor 12 for detecting the crank angle is disposed at one end of the crankshaft 5. And the combustion chamber 15 is formed in the upper part of each cylinder 11 by dividing up and down by the ceiling part 13 formed in the bottom face of the cylinder head 3, and the top face of each piston 4. As shown in FIG.

燃焼室15は、天井部13が三角屋根形状をしたペントルーフ型をしており、天井部13の一対の斜面は、それぞれ吸気システム8が設けられた吸気側と排気システム9が設けられた排気側とに臨んでいる。そして、この天井部13に対応するように(沿うように)、ピストン4の頂面14はペントルーフ形状に形成されていて、その略中央部分には、キャビティ16が形成されている。尚、燃焼室15の天井部13、及びピストン4の頂面14については別途後述する。   The combustion chamber 15 has a pent roof shape in which the ceiling portion 13 has a triangular roof shape, and a pair of inclined surfaces of the ceiling portion 13 are an intake side where the intake system 8 is provided and an exhaust side where the exhaust system 9 is provided. It faces. The top surface 14 of the piston 4 is formed in a pent roof shape so as to correspond to (belong to) the ceiling portion 13, and a cavity 16 is formed at a substantially central portion thereof. The ceiling portion 13 of the combustion chamber 15 and the top surface 14 of the piston 4 will be described later separately.

天井部13の吸気側の斜面には、図3に示すように、各々吸気弁18で開閉される2つの開口部19a,19bが並列して開口しており、これら開口部19a,19bに2つの吸気ポート19,19の一端がそれぞれ接続されている。各吸気ポート19は燃焼室15から斜め上方に延びて、シリンダヘッド3の一側面に形成された開口部に接続されている。   As shown in FIG. 3, two openings 19 a and 19 b each opened and closed by the intake valve 18 are opened in parallel on the slope on the intake side of the ceiling portion 13, and two openings 19 a and 19 b are opened in parallel. One end of each of the two intake ports 19, 19 is connected. Each intake port 19 extends obliquely upward from the combustion chamber 15 and is connected to an opening formed on one side surface of the cylinder head 3.

一方、天井部13の排気側の斜面には、各々排気弁20で開閉される2つの開口部21a,21aが並列して開口しており、これら開口部21a,21aに2つの排気ポート21,21の一端がそれぞれ接続されている。各排気ポート21は途中で一つに合流して燃焼室15から略水平に延びてシリンダヘッド3の他側面に形成された開口部に接続されている。   On the other hand, two openings 21a and 21a that are opened and closed by the exhaust valve 20 are opened in parallel on the slope on the exhaust side of the ceiling portion 13, and two exhaust ports 21 and 21a are opened in parallel with these openings 21a and 21a. One end of each 21 is connected. The exhaust ports 21 merge together in the middle, extend substantially horizontally from the combustion chamber 15, and are connected to an opening formed on the other side surface of the cylinder head 3.

吸気弁18及び排気弁20は、それぞれクランク軸5によって回転駆動される吸気カム軸22及び排気カム軸23により、各気筒11ごとに所定のタイミングで開口部19a,19b,21aを開閉するようになっている。吸気カム軸22には、クランク軸5に対する回転位相を所定の角度範囲で連続的に変化させることのできる可変動弁機構25が付設されていて、この可変動弁機構25の作動によって吸気弁18の開閉時期は変更制御可能となっている。   The intake valve 18 and the exhaust valve 20 respectively open and close the openings 19a, 19b, and 21a at predetermined timings for each cylinder 11 by the intake cam shaft 22 and the exhaust cam shaft 23 that are rotationally driven by the crankshaft 5, respectively. It has become. The intake camshaft 22 is provided with a variable valve mechanism 25 capable of continuously changing the rotation phase with respect to the crankshaft 5 within a predetermined angle range. The intake valve 18 is activated by the operation of the variable valve mechanism 25. The opening and closing timing of the can be changed.

点火プラグ6は、燃焼室15の上部の略中央に位置するようにシリンダヘッド3に配設されていて、その先端部に設けられた電極6aが、吸排気弁18,20で囲まれた天井部13の略中央部分から燃焼室15内に突出している。一方、点火プラグ6の基端部には、点火回路26が接続されていて、各気筒11ごとに所定の点火タイミングで点火プラグ6に通電が行われる。   The spark plug 6 is disposed in the cylinder head 3 so as to be positioned substantially at the center of the upper portion of the combustion chamber 15, and the electrode 6 a provided at the tip thereof is surrounded by the intake and exhaust valves 18 and 20. Projecting into the combustion chamber 15 from a substantially central portion of the portion 13. On the other hand, an ignition circuit 26 is connected to the base end portion of the spark plug 6, and electricity is supplied to the spark plug 6 at a predetermined ignition timing for each cylinder 11.

インジェクタ7は、燃焼室15の周縁部における2つの吸気ポート19,19の間の下方の部位に配設されていて、燃焼室15内に燃料を直接噴射できるように、噴口28の設けられたその先端部が2つの吸気弁18,18の間から燃焼室15内に臨んでいる。このインジェクタ7は、複数の噴口28を有する多噴口型のインジェクタ7であり、本実施形態では、6つの噴口28a,28b,28c,・・・(単に噴口28ともいう)が設けられている。尚、これら噴口28a,28b,28c,・・・の向きについては別途後述する。   The injector 7 is disposed in a lower portion between the two intake ports 19, 19 at the peripheral edge of the combustion chamber 15, and is provided with an injection hole 28 so that fuel can be directly injected into the combustion chamber 15. The leading end faces the combustion chamber 15 from between the two intake valves 18 and 18. The injector 7 is a multi-hole type injector 7 having a plurality of nozzle holes 28, and in this embodiment, six nozzle holes 28a, 28b, 28c,... (Also simply referred to as nozzle holes 28) are provided. The directions of the nozzle holes 28a, 28b, 28c,... Will be described later separately.

各インジェクタ7には、各気筒11共通の燃料分配管30が接続されていて、所定のタイミングで燃料供給システム31から所定の圧力に調整された燃料が分配供給されるようになっている。   A fuel distribution pipe 30 common to each cylinder 11 is connected to each injector 7, and fuel adjusted to a predetermined pressure is distributed and supplied from a fuel supply system 31 at a predetermined timing.

吸気システム8は、吸気通路32やサージタンク33、エアクリーナなどで構成されている。吸気通路32は吸気ポート19とサージタンク33との間に設けられていて、エアクリーナ(図示せず)でろ過された空気がサージタンク33、吸気通路32、吸気ポート19を順に経て各気筒11の燃焼室15に送給されるようになっている。   The intake system 8 includes an intake passage 32, a surge tank 33, an air cleaner, and the like. The intake passage 32 is provided between the intake port 19 and the surge tank 33, and the air filtered by an air cleaner (not shown) passes through the surge tank 33, the intake passage 32, and the intake port 19 in this order, so that each cylinder 11 It is fed to the combustion chamber 15.

吸気通路32には、図3に示すように、途中で二股に分岐した一対の分岐通路32a,32bが設けられていて、これら分岐通路32a,32bが各々の吸気ポート19,19に接続されている。そして、一方の分岐通路32aには、燃焼室15内にスワール流を形成させるために、送給される空気の流量を変化させる流量制御弁35が配設されている。   As shown in FIG. 3, the intake passage 32 is provided with a pair of branch passages 32 a and 32 b that are bifurcated in the middle, and these branch passages 32 a and 32 b are connected to the respective intake ports 19 and 19. Yes. In one branch passage 32a, a flow rate control valve 35 for changing the flow rate of the supplied air is provided in order to form a swirl flow in the combustion chamber 15.

この流量制御弁35は、分岐通路32aの流路を塞ぐ弁体を有し、その弁体が分岐通路32a内に傾動可能に支持されていて、閉じ方向に傾動制御されると流路が絞られ、2つの吸気ポート19,19から燃焼室15内に導入される吸気は相対的に勢いが強まって片寄るようになる。そうなると、図3の矢印線で示すように、燃焼室15内には、その周方向に渦巻くスワール流が形成される。本実施形態のように、気筒軸Z方向をその上方から見て、時計回りの進行側に位置する開口部19bから勢いのある吸気が導入される場合には、時計回りに渦巻くスワール流が形成されることになる。   The flow control valve 35 has a valve body that closes the flow path of the branch passage 32a. The valve body is supported in the branch passage 32a so as to be tiltable. When the tilt control is performed in the closing direction, the flow path is narrowed. Thus, the intake air introduced into the combustion chamber 15 from the two intake ports 19 and 19 is relatively strong and tends to be offset. Then, as shown by the arrow line in FIG. 3, a swirl flow swirling in the circumferential direction is formed in the combustion chamber 15. As in the present embodiment, when the intake air with vigor is introduced from the opening 19b located on the traveling side in the clockwise direction when the cylinder axis Z direction is viewed from above, a swirl flow swirling in the clockwise direction is formed. Will be.

排気システム9は、排気マニホールド36や触媒コンバータ37、排気管38、マフラーなどで構成されている。排気マニホールド36は、各気筒11の排気ポート21に接続されていて、その下流側に、触媒コンバータ37、排気管38、マフラー(図示せず)がそれぞれ順に接続されている。   The exhaust system 9 includes an exhaust manifold 36, a catalytic converter 37, an exhaust pipe 38, a muffler, and the like. The exhaust manifold 36 is connected to the exhaust port 21 of each cylinder 11, and a catalytic converter 37, an exhaust pipe 38, and a muffler (not shown) are sequentially connected to the downstream side thereof.

触媒コンバータ37には、HCやCOなどの排気ガス中の成分を酸化還元作用により浄化する触媒が設けられている。ただし、この触媒は、温度の低い不活性状態ではその浄化機能が発揮されないため、例えば200℃以上の所定温度にして活性化させることが必要となる。   The catalytic converter 37 is provided with a catalyst for purifying components in exhaust gas such as HC and CO by oxidation-reduction action. However, since the purification function of this catalyst is not exhibited in an inactive state at a low temperature, it is necessary to activate the catalyst at a predetermined temperature of, for example, 200 ° C. or higher.

ECU10には、エンジン1を運転制御するために、CPUやROM、RAMなどのハードウエアと、各種制御プログラムなどのソフトウエアとが備えられている。   The ECU 10 includes hardware such as a CPU, ROM, and RAM and software such as various control programs in order to control the operation of the engine 1.

具体的には、ECU10には、点火プラグ6の点火時期を制御する点火制御部10aやインジェクタ7の燃料噴射時期を制御する燃料噴射制御部10b、流量制御弁35の傾動量を制御する吸気流量制御部10cなどの制御プログラムが備えられていて、ECU10は、エンジン1の各所に取り付けられたクランク角センサ12やアクセルセンサ、ブレーキセンサ、温度センサなどの各種装置から入力される信号に基づいてエンジン1の運転状態を判定し、可変動弁機構25や点火回路26、インジェクタ7、流量制御弁35などを制御する。例えば、燃焼室15内のスワール流は、流量制御弁35が吸気流量制御部10cに制御されることによって生成されることとなる(スワール流生成手段)。   Specifically, the ECU 10 includes an ignition control unit 10 a that controls the ignition timing of the spark plug 6, a fuel injection control unit 10 b that controls the fuel injection timing of the injector 7, and an intake air flow rate that controls the amount of tilt of the flow control valve 35. A control program such as the control unit 10c is provided, and the ECU 10 determines whether the engine 10 is based on signals input from various devices such as a crank angle sensor 12, an accelerator sensor, a brake sensor, and a temperature sensor attached to various parts of the engine 1. 1 is determined, and the variable valve mechanism 25, the ignition circuit 26, the injector 7, the flow control valve 35, and the like are controlled. For example, the swirl flow in the combustion chamber 15 is generated by the flow rate control valve 35 being controlled by the intake flow rate control unit 10c (swirl flow generating means).

次に、このECU10が主体となって行われる本エンジン1の制御について説明する。   Next, the control of the engine 1 performed mainly by the ECU 10 will be described.

このエンジン1では、排気システム9中の触媒コンバータ37が適正に機能している通常の運転時には、その運転状態にかかわらず、吸気工程、特にその前半部分でインジェクタ7を作動させて、燃焼室15全体の空燃比が所定の値になるように混合気の均一化が行われ、吸気工程の後半に点火して燃焼が行われる。この場合、吸気ポート19の流量制御弁35は、エンジン1の負荷状態に応じて傾動制御され、燃焼室15内にはタンブル流やスワール流などが形成されるようになっており、これら吸気の流動を利用して燃料の気化霧化が促進されるようにしている。   In the engine 1, during a normal operation in which the catalytic converter 37 in the exhaust system 9 is functioning properly, the injector 7 is operated in the intake process, particularly in the first half, regardless of the operation state, and the combustion chamber 15. The air-fuel mixture is made uniform so that the entire air-fuel ratio becomes a predetermined value, and ignition is performed in the latter half of the intake process to perform combustion. In this case, the flow rate control valve 35 of the intake port 19 is tilt-controlled according to the load state of the engine 1 so that a tumble flow or a swirl flow is formed in the combustion chamber 15. The fuel atomization is promoted by using the flow.

一方、温度が低くて触媒が不活性状態にある冷間始動時には、排出される排気ガスの熱量を高めて触媒を速やかに活性化させるために、燃焼室15内に弱成層化した混合気を形成させ、圧縮上死点以降(例えば−15°BTDC)に点火して燃焼が行われる。   On the other hand, at the time of cold start when the temperature is low and the catalyst is in an inactive state, a weakly stratified mixture is generated in the combustion chamber 15 in order to quickly activate the catalyst by increasing the amount of exhaust gas exhausted. Combustion is performed by igniting after compression top dead center (for example, −15 ° BTDC).

すなわち、図4に示すように、吸気工程と圧縮工程の後半とにおいて燃料の噴射が複数回に分けて行われる。尚、本実施形態では燃料の噴射は2回行われ、図中、斜線領域がその燃料噴射タイミングを示している。   That is, as shown in FIG. 4, fuel injection is performed in a plurality of times in the intake process and the latter half of the compression process. In the present embodiment, fuel injection is performed twice, and the hatched area in the figure indicates the fuel injection timing.

1回目の燃焼噴射(第1噴射)では、燃料の気化霧化を促進させるために吸気工程の前半において燃料を噴射し、比較的均一な混合気を形成させる。そして、2回目の燃料噴射(第2噴射)では、噴射された燃料をできるだけそのまま点火プラグ6の電極6aの周り(単に電極6a周りともいう)に移送させるために、圧縮工程の3/4の期間が経過した後に噴射が終了するタイミング(例えば35°BTDC)で燃料を噴射し、電極6a周りに比較的リッチな混合気の塊を形成させる。   In the first combustion injection (first injection), fuel is injected in the first half of the intake process in order to promote vaporization and atomization of the fuel, thereby forming a relatively uniform air-fuel mixture. In the second fuel injection (second injection), in order to transfer the injected fuel as much as possible around the electrode 6a of the spark plug 6 (also simply referred to as around the electrode 6a), 3/4 of the compression process. The fuel is injected at a timing (for example, 35 ° BTDC) at which the injection ends after the period has elapsed, and a relatively rich air-fuel mixture lump is formed around the electrode 6a.

この場合、吸気ポート19の流量制御弁35は、ECU10の吸気流量制御部10cによって流路を完全に塞ぐなど閉じ方向に大きく傾動制御されて、燃焼室15内には比較的勢いの強いスワール流が形成されるようになっており、スワール流が強化されることにより、第1噴射の燃料の気化霧化が促進され、また、第2噴射の燃料の気筒内壁への付着が効果的に防止できるようになっている。   In this case, the flow rate control valve 35 of the intake port 19 is largely tilt-controlled in the closing direction such as completely closing the flow path by the intake flow rate control unit 10 c of the ECU 10, and a swirl flow with a relatively strong momentum is generated in the combustion chamber 15. As the swirl flow is strengthened, vaporization and atomization of the fuel of the first injection is promoted, and the adhesion of the fuel of the second injection to the cylinder inner wall is effectively prevented. It can be done.

このように圧縮上死点以降の膨張行程で点火する場合には、燃焼室15の容積が増加して混合気の温度や圧力が低下するため、着火や燃焼が不安定になるが、電極6a周りに比較的リッチな混合気の塊を形成することで、着火安定性に優れ、また、その周りに比較的均一な混合気を形成することで、火炎伝播し易くなって燃焼安定性にも優れることとなる。   When ignition is performed in the expansion stroke after the compression top dead center in this way, the volume of the combustion chamber 15 increases and the temperature and pressure of the air-fuel mixture decrease, so that ignition and combustion become unstable, but the electrode 6a By forming a relatively rich mixture of air-fuel mixture around it, it has excellent ignition stability, and by forming a relatively uniform air-fuel mixture around it, it is easy to propagate the flame and also improves combustion stability. It will be excellent.

そうして、所定時間の経過や、温度センサで計測される触媒の温度が所定温度に達するなど、所定の条件が満たされると、ECU10の制御によって先の通常の運転時の設定に切り替わるように構成されている。   Then, when a predetermined condition is satisfied, for example, when a predetermined time elapses or the temperature of the catalyst measured by the temperature sensor reaches a predetermined temperature, the setting is switched to the previous normal operation setting by the control of the ECU 10. It is configured.

ところで、インジェクタ7の噴口28の向きであるが、上述の通りこのエンジン1では、通常の運転時には均一燃焼が行われ、そして冷間始動時には弱成層燃焼が行われるため、これらの燃焼形態にバランスよく対応するように設定されている。   By the way, the direction of the nozzle hole 28 of the injector 7 is as described above. In the engine 1, uniform combustion is performed during normal operation, and weak stratified combustion is performed during cold start. It is set to respond well.

例えば図5は、燃料を噴射しているインジェクタ7の先端部を前方から見た図を模式的に示したものであるが、同図に示すように、各噴口28は、インジェクタ7の先端部の左右方向の略中心を通って上下方向に延びる縦基準線Hに対して線対称状に形成されていて、最も上側には、縦基準線H上に位置する一つの第1噴口28aが設けられ、第1噴口28aの直ぐ下側には、縦基準線Hから左右両側に離れて線対称状に位置する2つの第2噴口28b,28bが設けられ、これら第2噴口28b,28bの直ぐ下側には、縦基準線Hから両側に第2噴口28bよりも大きく縦基準線Hから両側に離れて線対称状に位置する2つの第3噴口28c,28cが設けられ、これら第3噴口28c,28cの直ぐ下側には、縦基準線H上に位置する一つの第4噴口28dが設けられている。尚、図中の矢印線は上下等の方向を表している。   For example, FIG. 5 schematically shows a view of the front end portion of the injector 7 that is injecting fuel as seen from the front. As shown in FIG. 5, each injection hole 28 has a front end portion of the injector 7. Are formed symmetrically with respect to the vertical reference line H extending in the vertical direction through the approximate center in the left-right direction, and a first nozzle hole 28a located on the vertical reference line H is provided on the uppermost side. Two second nozzle holes 28b and 28b are provided directly below the first nozzle hole 28a so as to be separated from the vertical reference line H on both the left and right sides. On the lower side, two third nozzle holes 28c and 28c are provided on both sides from the vertical reference line H, and are positioned in line symmetry with a distance larger than the second nozzle hole 28b and away from both sides of the vertical reference line H. 28c, located just below the vertical reference line H just below 28c One fourth injection port 28d is provided for. In addition, the arrow line in a figure represents directions, such as up and down.

各噴口28からは、10°〜20°程度の広がりをもった円錐形状の噴霧が形成されるようになっていて、通常の運転時や冷間始動時の第1噴射時には、ピストン4が下降していて相対的に容積の大きい燃焼室15に燃料が噴射されるため、噴射される燃料が気筒11内全体に広く分散するように、各噴霧が互いに重複することなく放射状に拡がるように各噴口28の向きが設定されている。   A conical spray having a spread of about 10 ° to 20 ° is formed from each nozzle 28, and the piston 4 is lowered during the normal operation or the first injection at the cold start. Since the fuel is injected into the combustion chamber 15 having a relatively large volume, each spray is spread radially without overlapping each other so that the injected fuel is widely dispersed throughout the cylinder 11. The direction of the nozzle 28 is set.

そして、冷間始動時の第2噴射時には、図2に示すように、ピストン4が上昇していて相対的に容積の小さい燃焼室15に燃料が噴射されるため、ピストン4の頂面14をうまく活用して電極6a周りに燃料が移送されるようにしている。   At the time of the second injection at the cold start, as shown in FIG. 2, the fuel is injected into the combustion chamber 15 in which the piston 4 is lifted and has a relatively small volume. By making good use of the fuel, the fuel is transferred around the electrode 6a.

詳しくは、第1噴口28aは、図6に示すように、平面視においては燃焼室15の略中央部を指向し、図2に示すように、吸気弁18及び排気弁20を左右に見る正面視においては、そこから噴射される燃料F1がキャビティ16の内壁面に衝突するように向きが設定されている。同様に、第2噴口28b,28bは、平面視においては僅かに左右にずれながらも燃焼室15の略中央部を指向し、正面視においてはそこから噴射される燃料F2がピストン4の吸気側(インジェクタ7側)に臨む斜面(後述する第1斜面42)に斜めに衝突するように向きが設定されている。第3噴口28c,28cは、そこから噴射される燃料F3が第2噴口28bよりも更に左右にずれて第1斜面42を含む頂面14に斜めに衝突するように向きが設定され、第4噴口28dはこれら噴口28a,28b,・・よりも更に下方を指向するように向きに設定されている。   Specifically, as shown in FIG. 6, the first nozzle hole 28 a is directed toward the substantially central portion of the combustion chamber 15 in a plan view, and as shown in FIG. 2, the front face when the intake valve 18 and the exhaust valve 20 are viewed from side to side. In view, the direction of the fuel F <b> 1 injected therefrom collides with the inner wall surface of the cavity 16. Similarly, the second injection holes 28b, 28b are directed to the substantially central portion of the combustion chamber 15 while being slightly shifted left and right in the plan view, and the fuel F2 injected therefrom is the intake side of the piston 4 in the front view. The direction is set so as to obliquely collide with a slope (first slope 42 described later) facing the (injector 7 side). The third nozzle holes 28c, 28c are oriented such that the fuel F3 injected therefrom is shifted further left and right than the second nozzle holes 28b and obliquely collides with the top surface 14 including the first inclined surface 42. The nozzle hole 28d is set to face the lower side than these nozzle holes 28a, 28b,.

例えば図7の(a)〜(d)は、第2噴口28bから噴射される燃料の液滴の変位を示したものであるが、第2噴射時には圧縮されて燃焼室15の内圧が高まっていることから、その噴霧の貫徹力は相対的に弱くなっており、(a)のように噴射された燃料は、(b)のように第1斜面42に衝突すると、噴射時の勢いが減少して大きく跳ね返ることなく(c)や(d)のように、その表面近傍を沿うようにして流れていき、ピストン4の頂面14の中央付近、つまりは電極6a周りに移送されるようになる。   For example, FIGS. 7A to 7D show the displacement of the fuel droplets injected from the second injection port 28b, but are compressed during the second injection and the internal pressure of the combustion chamber 15 increases. Therefore, the penetration force of the spray is relatively weak, and when the fuel injected as shown in (a) collides with the first slope 42 as shown in (b), the momentum during injection decreases. As shown in (c) and (d), it flows along the vicinity of the surface thereof, and is transferred around the center of the top surface 14 of the piston 4, that is, around the electrode 6a. Become.

そうすると、電極6a周りに比較的リッチな混合気が形成されるようになるが、電極6a周りに到達した後、一部が更にその先に流れたり拡散したりするため、電極6a周りに、より濃度の高い混合気を分布させて着火安定性を高めるには限界があった。   As a result, a relatively rich air-fuel mixture is formed around the electrode 6a, but after reaching around the electrode 6a, a part further flows or diffuses further to the electrode 6a. There was a limit to improve ignition stability by distributing high-concentration air-fuel mixture.

そこで、燃焼室15の天井部13に堰状部50を設け、電極6a周りに燃料の噴霧を安定して留めることができるようにした。   Therefore, a dam-like portion 50 is provided on the ceiling portion 13 of the combustion chamber 15 so that the fuel spray can be stably kept around the electrode 6a.

(要部構成)
次にその本発明の特徴部分について詳しく説明する。
(Main part configuration)
Next, the features of the present invention will be described in detail.

図8はピストン4を示したものであるが、円筒状のピストン4の頂面14は、燃焼室15の天井部13に対応するようにペントルーフ形状に形成されていて、筒軸(気筒軸Z)に直交する平坦なベース面41と、このベース面41からそれぞれ斜め上向きに拡がる第1斜面42及び第2斜面43と、これら第1斜面42及び第2斜面43の上端縁に連なる尾根面44とを備えている。   FIG. 8 shows the piston 4. The top surface 14 of the cylindrical piston 4 is formed in a pent roof shape so as to correspond to the ceiling portion 13 of the combustion chamber 15, and has a cylindrical axis (cylinder axis Z ), A flat base surface 41 orthogonal to the first surface 42, a first slope 42 and a second slope 43 extending obliquely upward from the base surface 41, and a ridge surface 44 connected to the upper edge of the first slope 42 and the second slope 43, respectively. And.

ピストン4の頂面14の外周部分には、スワール流が円滑に流れるようにベース面41が環状に拡がっている(フランジ部41bともいう)。このフランジ部41bによって、気筒内壁に沿って形成されるスワール流は大きく減衰することなく保持されるので、通常の運転時や冷間始動時の第1噴射時に噴射された燃料は気化霧化が促進され、より均一な混合気を形成することができ、気筒内壁への燃料の付着を軽減することができる。   On the outer peripheral portion of the top surface 14 of the piston 4, a base surface 41 extends in an annular shape (also referred to as a flange portion 41b) so that a swirl flow can smoothly flow. Since the swirl flow formed along the cylinder inner wall is held without significant attenuation by the flange portion 41b, the fuel injected at the time of the first injection during normal operation or cold start is vaporized and atomized. It is promoted and a more uniform air-fuel mixture can be formed, and the adhesion of fuel to the cylinder inner wall can be reduced.

特に、第2噴射時に噴射された燃料の場合、気筒内壁の温度が高まっていないため、燃料が付着すると燃焼不良やエンジンオイルへの混入を招くおそれが強いが、このようにしておくことで気筒内壁への燃料を付着を効果的に軽減することができる。   In particular, in the case of the fuel injected at the time of the second injection, the temperature of the inner wall of the cylinder is not increased, and if the fuel adheres, there is a strong risk of causing a combustion failure or mixing into the engine oil. It is possible to effectively reduce the adhesion of fuel to the inner wall.

頂面14の略中央部分には、開口縁が略楕円形状をしたキャビティ16が凹み形成されている。キャビティ16の内壁面には、べース面41と面一状に形成され、開口縁よりも小径の略円盤形状をした底面16aと、この底面16aの周縁と開口縁とに連なって外方に滑らかに湾曲する曲側面16bとが設けられている。   A cavity 16 having a substantially elliptical opening edge is formed in a concave portion at a substantially central portion of the top surface 14. The inner wall surface of the cavity 16 is flush with the base surface 41 and has a substantially disk-shaped bottom surface 16a having a smaller diameter than the opening edge, and the outer edge of the bottom surface 16a is connected to the periphery and the opening edge. And a curved side surface 16b that is smoothly curved.

本エンジン1では、圧縮比14程度の比較的高圧縮比の下で燃焼が行われるため、点火が行われる上死点の近傍では天井部13とピストン4の頂面14との間の空間は従来に比べて相当小さくなるが、点火プラグ6の下方にキャビティ16を位置させてその電極6a周りに空間を確保することで、着火安定性、燃焼安定性を向上させている。   In the engine 1, combustion is performed under a relatively high compression ratio of about 14 compression ratio, so that the space between the ceiling portion 13 and the top surface 14 of the piston 4 is near the top dead center where ignition is performed. Although considerably smaller than the conventional one, the ignition stability and the combustion stability are improved by positioning the cavity 16 below the spark plug 6 and securing a space around the electrode 6a.

このピストン4は、第1斜面42がインジェクタ7の設けられた吸気側に、第2斜面43が排気側にそれぞれ臨むように気筒11内に配設される。   The piston 4 is disposed in the cylinder 11 so that the first inclined surface 42 faces the intake side where the injector 7 is provided and the second inclined surface 43 faces the exhaust side.

一方、図9は燃焼室15の天井部13を示したものであるが、2つの排気弁20,20の間、具体的には、天井部13の2つの排気ポート21,21が接続された開口部21a,21aの間の部分から下方に突出するように堰状部50が形成されている。   On the other hand, FIG. 9 shows the ceiling portion 13 of the combustion chamber 15, and specifically, two exhaust ports 21, 21 of the ceiling portion 13 are connected between the two exhaust valves 20, 20. A dam-like portion 50 is formed so as to protrude downward from a portion between the openings 21a and 21a.

この堰状部50は、天井部13の径方向において燃焼室15の中央部分と外周部分とを除いた範囲、換言すれば2つの開口部21a,21aの間の点火プラグ6寄りの部位に形成されている。外周部分を除いた範囲に形成されているので、堰状部50でスワール流の勢いを弱めずに済む。   The weir-like portion 50 is formed in a range excluding the central portion and the outer peripheral portion of the combustion chamber 15 in the radial direction of the ceiling portion 13, in other words, at a portion near the spark plug 6 between the two openings 21a and 21a. Has been. Since it is formed in a range excluding the outer peripheral portion, it is not necessary to weaken the force of the swirl flow at the weir-like portion 50.

そして、堰状部50は、両開口部21a,21aに連なって天井部13から気筒軸Zに沿って広がるように点火プラグ6側に臨む縦壁面50aと、この縦壁面50aの下端縁に連なって天井部13に向かって大きく傾斜するテーパ面50bとを有しており、燃焼室15の中央側の端部、つまり縦壁面50aの幅は、燃焼室の外周側の端部、つまりテーパ面50bが天井部13と連なる部位の幅よりも大きくなっている。また、縦壁面50aの下端は電極6aの下端よりも下方に突出している。   And the dam-like part 50 continues to both opening parts 21a and 21a, and is connected to the vertical wall surface 50a which faces the spark plug 6 side so that it may spread along the cylinder axis Z from the ceiling part 13, and the lower end edge of this vertical wall surface 50a. And the end of the combustion chamber 15 on the center side, that is, the width of the vertical wall surface 50a is the end of the combustion chamber on the outer peripheral side, that is, the tapered surface. 50b is larger than the width of the part connected to the ceiling portion 13. Moreover, the lower end of the vertical wall surface 50a protrudes below the lower end of the electrode 6a.

傾斜が大きいテーパ面50bを形成して、噴霧が当たらない方の端部の幅を相対的に小さくしたのは、その両側に配設されている排気弁20,20及び開口部21a,21aとの間に比較的大きなスペースを確保して、排気時に堰状部50によって大きな排気抵抗が生じるのを防ぐためである。   The reason why the tapered surface 50b having a large inclination is formed and the width of the end portion on which the spray does not hit is relatively small is that the exhaust valves 20 and 20 and the openings 21a and 21a disposed on both sides thereof. This is because a relatively large space is ensured between them to prevent a large exhaust resistance from being generated by the dam-like portion 50 during exhaust.

この堰状部50は、特に第2噴口28bから噴射される燃料の噴霧を電極6a周りに留めるために機能する。   This dam-like portion 50 functions in particular to keep the fuel spray injected from the second injection port 28b around the electrode 6a.

すなわち、図10は、上記第2噴射時において、第2噴口28b,28bからの噴霧の変化を示したものであり、(a)は第2噴口28bからの燃料の噴射が終了したタイミング(例えば35°BTDC)を、(b)はその噴霧が電極6a周りに到達したタイミング(例えば15°BTDC)を表している。なお、噴霧が電極6a周りに到達するタイミングとは、エンジン1の状態にもよるが、例えば、燃料の噴射が終了したタイミングからクランク角度が15°以上進んだタイミングということができる。   That is, FIG. 10 shows changes in the spray from the second nozzle holes 28b and 28b during the second injection, and FIG. 10A shows the timing at which the fuel injection from the second nozzle 28b ends (for example, (35 ° BTDC), (b) shows the timing (for example, 15 ° BTDC) when the spray reaches around the electrode 6a. The timing at which the spray reaches the periphery of the electrode 6a depends on the state of the engine 1, but can be, for example, a timing at which the crank angle has advanced by 15 ° or more from the timing at which fuel injection is completed.

(a)のように、燃料の噴射が終了したタイミングでは、まだ、ピストン4は比較的下方に位置しており、噴射された燃料の噴霧はその上昇過程で第1斜面42に衝突する。そうすると、噴射の勢いは弱まって、燃料の噴霧は上昇する第1斜面42に沿うようにして電極6a側に移送されていく。   As shown in (a), at the timing when the fuel injection is completed, the piston 4 is still positioned relatively below, and the spray of injected fuel collides with the first slope 42 in the upward process. Then, the momentum of the injection is weakened, and the fuel spray is transferred to the electrode 6a side along the rising first slope 42.

そして、(b)のように、噴霧が電極6a周りに到達するタイミングにおいては、第1斜面42をその上端縁から天井部13側に向かって延長させた仮想の延長面M(仮想延長面M)が、堰状部50と交わるように設定されているため、噴霧は、その下方を第1斜面42あるいはキャビティ16に規制され、また、その進行方向前方は堰状部50の縦壁面50aに遮られるため、噴霧の多くがそこに留まることとなって電極6a周りに比較的リッチな混合気が塊状に分布するようになる。このとき、堰状部50の縦壁面50aの幅は相対的に大きく形成されているため、噴霧を効果的に堰き止められるようになっている。   Then, as shown in (b), at the timing when the spray reaches around the electrode 6a, a virtual extension surface M (virtual extension surface M) in which the first slope 42 is extended from the upper end edge toward the ceiling portion 13 side. ) Is set so as to intersect with the weir-like portion 50, so that the spray is regulated by the first inclined surface 42 or the cavity 16 in the lower part, and the front in the traveling direction is on the vertical wall surface 50 a of the weir-like portion 50. Since it is blocked, most of the spray stays there and a relatively rich air-fuel mixture is distributed around the electrode 6a in a lump. At this time, since the width of the vertical wall surface 50a of the weir-like portion 50 is formed to be relatively large, spraying can be effectively blocked.

またこのとき、図11に示すように、第1噴口28aから噴射される燃料の噴霧(図中、矢印線F1で示す)は、第2噴口28b,28bの噴霧(図中、矢印線F2で示す)よりも速くキャビティ16内に達するため、後者の噴霧は前者の噴霧に引っ張られ、第2噴口28bの噴霧は電極6a周りに移送され易くなっている。   At this time, as shown in FIG. 11, the spray of fuel injected from the first nozzle hole 28a (indicated by the arrow line F1 in the figure) is sprayed from the second nozzle holes 28b and 28b (in the figure, indicated by the arrow line F2). The latter spray is pulled by the former spray, and the spray from the second nozzle hole 28b is easily transferred around the electrode 6a.

以上、説明したように、本発明によれば、燃料の噴霧を堰状部50で受け止めることにより、電極6a周りに比較的リッチな混合気の塊を安定して形成させることができるので、点火時期を遅らして圧縮上死点以降に点火するような場合であっても着火安定性、燃焼安定性に優れ、エンジンの特定運転時には触媒の温度やエンジン1の温度を速やかに高めて排気ガスの浄化性能を向上させることができるようになる。   As described above, according to the present invention, since the fuel spray is received by the weir-like portion 50, a relatively rich mixture mass can be stably formed around the electrode 6a. Even when the timing is delayed and ignition occurs after compression top dead center, it has excellent ignition stability and combustion stability. During specific operation of the engine, the temperature of the catalyst and the temperature of the engine 1 are quickly increased to exhaust gas. It becomes possible to improve the purification performance.

なお、本発明にかかる火花点火式直噴エンジン1は、前記の実施の形態に限定されず、それ以外の種々の構成をも包含する。   The spark ignition direct injection engine 1 according to the present invention is not limited to the above-described embodiment, and includes various other configurations.

例えば、上記実施形態では、ピストン4の頂面14にキャビティ16が形成されている場合を例示したが、キャビティ16は無くてもよい。   For example, although the case where the cavity 16 is formed in the top surface 14 of the piston 4 is illustrated in the above embodiment, the cavity 16 may be omitted.

また、インジェクタ7の噴口数や配置は上記実施形態には限られない。例えば、図12のように5噴口とし、一つの第2噴口28bを縦基準線H上に形成してもよい。   Further, the number and arrangement of the injection holes of the injector 7 are not limited to the above embodiment. For example, as shown in FIG. 12, five nozzle holes may be formed, and one second nozzle hole 28 b may be formed on the vertical reference line H.

噴霧回数も少なくとも1回以上あればよい。スワール流生成手段として上記実施形態では流量制御弁35を例示したが、それに限らず、例えば吸気弁18のバルブリフト量の制御や吸気弁18の停止制御などで構成することもできる。   The number of sprays may be at least once. In the above embodiment, the flow rate control valve 35 is exemplified as the swirl flow generating means. However, the present invention is not limited to this.

実施形態におけるエンジンの全体構成を示す概略図である。It is a schematic diagram showing the whole composition of the engine in an embodiment. 実施形態におけるエンジンの要部を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the principal part of the engine in embodiment. 実施形態におけるエンジンの要部を示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows the principal part of the engine in embodiment. 燃料の噴射タイミングを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the injection timing of a fuel. インジェクタの噴口の向きを説明するための概略斜視図である。It is a schematic perspective view for demonstrating the direction of the nozzle hole of an injector. インジェクタの噴口の向きを説明するための平面図である。It is a top view for demonstrating the direction of the nozzle hole of an injector. 噴射された燃料の液滴の経時的な状態変化をCFDにより求めた図である。(a)は噴射終了時を、(b)から(d)はその後の状態を表している。It is the figure which calculated | required the time-dependent state change of the droplet of the injected fuel by CFD. (A) represents the end of injection, and (b) to (d) represent the subsequent state. (a)はピストンの平面図、(b)はピストンの正面図、(c)はピストンの側面図である。(A) is a plan view of the piston, (b) is a front view of the piston, and (c) is a side view of the piston. (a)は燃焼室の天井部を燃焼室側から見た図であり、(b)は(a)のX−X線断面図である。(A) is the figure which looked at the ceiling part of the combustion chamber from the combustion chamber side, (b) is XX sectional drawing of (a). 第2噴射時において、第2噴口からの噴霧の流れを説明するための図である。(a)は噴射終了時を、(b)は噴霧が電極周りに到達したタイミングを表している。It is a figure for demonstrating the flow of the spray from a 2nd nozzle at the time of 2nd injection. (A) represents the end of injection, and (b) represents the timing at which the spray reaches the periphery of the electrode. 第2噴射時の噴霧の流れを説明するための概略平面図である。It is a schematic plan view for demonstrating the flow of the spray at the time of 2nd injection. インジェクタの噴口の別実施例を示す平面図である。It is a top view which shows another Example of the nozzle hole of an injector.

符号の説明Explanation of symbols

1 エンジン
4 ピストン
6 点火プラグ
6a 電極
7 インジェクタ
8 吸気システム
9 排気システム
10 ECU
10a 点火制御部
10b 燃料噴射制御部
10c 吸気流量制御部
11 気筒
13 天井部
14 頂面
15 燃焼室
16 キャビティ
18 吸気弁
19 吸気ポート
20 排気弁
21 排気ポート
28 噴口
32 吸気通路
32a、32b 分岐通路
35 流量制御弁
37 触媒コンバータ
41 ベース面
42 第1斜面(斜面)
43 第2斜面
44 尾根面
45 吸気弁リセス
50 堰状部
H 縦基準線
M 仮想延長面
Z 気筒軸
1 Engine 4 Piston 6 Spark plug 6a Electrode 7 Injector 8 Intake system 9 Exhaust system 10 ECU
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10a Ignition control part 10b Fuel injection control part 10c Intake flow volume control part 11 Cylinder 13 Ceiling part 14 Top surface 15 Combustion chamber 16 Cavity 18 Intake valve 19 Intake port 20 Exhaust valve 21 Exhaust port 28 Inlet 32 Intake passage 32a, 32b Branch passage 35 Flow control valve 37 Catalytic converter 41 Base surface 42 First slope (slope)
43 Second slope 44 Ridge surface 45 Intake valve recess 50 Weir-shaped portion H Vertical reference line M Virtual extension surface Z Cylinder axis

Claims (9)

ペントルーフ形状の燃焼室の天井部に各々並列に配設される2つの吸気弁及び2つの排気弁と、上記燃焼室の周縁部に配設され、上記2つの吸気弁の間から燃焼室内に燃料を噴射するインジェクタと、上記燃焼室の略中央上部に配設され、電極が燃焼室内に突出する点火プラグと、上記燃焼室の下部を区画するピストンとを備える火花点火式直噴エンジンであって、
圧縮工程後半に終了するタイミングで噴射される燃料の噴霧が、平面視においては上記燃焼室の略中央部を指向し、且つ、上記吸気弁及び排気弁を左右に見る正面視においては上記ピストンの頂面に対して斜めに衝突するように上記インジェクタの噴口の向きが設定され、
上記燃焼室の天井部における上記2つの排気弁の間の部分に、上記電極の下方位置まで突出する堰状部が設けられていることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
Two intake valves and two exhaust valves respectively disposed in parallel on the ceiling of the pent roof-shaped combustion chamber, and disposed at the peripheral portion of the combustion chamber, and fuel is introduced into the combustion chamber from between the two intake valves. A spark ignition type direct injection engine comprising: an injector for injecting fuel; an ignition plug disposed substantially at the center of the combustion chamber; and an electrode having an electrode protruding into the combustion chamber; and a piston defining a lower portion of the combustion chamber. ,
The spray of fuel injected at the end of the latter half of the compression process is directed toward the substantially central portion of the combustion chamber in a plan view, and in the front view when the intake valve and the exhaust valve are viewed from side to side, The direction of the injector nozzle is set to collide diagonally with the top surface,
A spark ignition direct injection engine characterized in that a weir-like portion protruding to a position below the electrode is provided in a portion between the two exhaust valves in a ceiling portion of the combustion chamber.
請求項1に記載の火花点火式直噴エンジンであって、
上記圧縮工程後半とは、圧縮工程の3/4の期間が経過した後であり、
エンジンの特定運転時に、このタイミングで燃料が噴射され、圧縮上死点以降に点火が行われるように制御されていることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
The spark ignition direct injection engine according to claim 1,
The latter half of the compression process is after a period of 3/4 of the compression process has elapsed,
A spark-ignition direct injection engine characterized in that fuel is injected at this timing during specific operation of the engine and ignition is performed after compression top dead center.
請求項2に記載の火花点火式直噴エンジンであって、
上記ピストンの頂面は、上記燃焼室の天井部に沿うようにして上記インジェクタ側に臨む斜面が形成されていて、この斜面に噴霧が衝突するようになっていることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
The spark ignition direct injection engine according to claim 2,
A spark ignition type characterized in that the top surface of the piston is formed with an inclined surface facing the injector side along the ceiling portion of the combustion chamber, and the spray collides with the inclined surface. Direct injection engine.
請求項3に記載の火花点火式直噴エンジンであって、
上記噴霧が上記電極周りに到達するタイミングにおいて、上記斜面をその上端縁から延長させた仮想延長面が上記堰状部と交わるように設定されていることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
The spark ignition direct injection engine according to claim 3,
A spark ignition direct injection engine characterized in that, at the timing when the spray reaches the periphery of the electrode, a virtual extended surface obtained by extending the slope from its upper edge is set to intersect the weir-like portion.
請求項1〜請求項4のいずれか一つに記載の火花点火式直噴エンジンであって、
上記堰状部における上記燃焼室の中央側の端部の幅は、外周側の端部の幅よりも大きく形成されていることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
The spark ignition direct injection engine according to any one of claims 1 to 4,
The spark ignition type direct injection engine, wherein a width of an end portion on the center side of the combustion chamber in the dam-like portion is formed larger than a width of an end portion on the outer peripheral side.
請求項2〜請求項5のいずれか一つに記載の火花点火式直噴エンジンであって、
上記インジェクタには複数の噴口が設けられ、これら複数の噴口の内、少なくともいずれか一つの噴口が上記向きに設定されていて、
エンジンの特定運転時において、吸気工程と圧縮工程後半とで燃料の噴射が複数回に分けて行われることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
The spark ignition direct injection engine according to any one of claims 2 to 5,
The injector is provided with a plurality of nozzle holes, and at least one of the nozzle holes is set in the direction,
A spark-ignition direct injection engine characterized in that fuel injection is performed in a plurality of times in an intake process and a latter half of a compression process during specific operation of the engine.
請求項1〜請求項5のいずれか一つに記載の火花点火式直噴エンジンであって、
更に、上記燃焼室内にスワール流を生成するスワール流生成手段を備え、
上記堰状部は、上記天井部の径方向において、上記燃焼室の中央部分と外周部分とを除いた範囲に形成されていることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
The spark ignition direct injection engine according to any one of claims 1 to 5,
Furthermore, a swirl flow generating means for generating a swirl flow in the combustion chamber is provided,
The spark ignited direct injection engine, wherein the weir-like portion is formed in a range excluding a central portion and an outer peripheral portion of the combustion chamber in a radial direction of the ceiling portion.
請求項1〜請求項7のいずれか一つに記載の火花点火式直噴エンジンであって、
上記特定運転時とは、エンジンの排気経路に備えられた触媒が未活性状態の時の運転時であることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
The spark ignition direct injection engine according to any one of claims 1 to 7,
The spark-operated direct injection engine characterized in that the specific operation time is an operation time when a catalyst provided in an exhaust path of the engine is in an inactive state.
請求項1〜請求項7のいずれか一つに記載の火花点火式直噴エンジンであって、
上記特定運転時とは、エンジンの始動直後の冷間時の運転時であることを特徴とする火花点火式直噴エンジン。
The spark ignition direct injection engine according to any one of claims 1 to 7,
The spark-operated direct injection engine characterized in that the specific operation time is a cold operation time immediately after the engine is started.
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