JP2013057266A - Spark ignition type direct injection engine - Google Patents

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PROBLEM TO BE SOLVED: To control a fuel concentration to be uniform as much as possible in an air-fuel mixture layer when penetration of fuel spray injected into a cylinder by an outward opening valve type injector is decreased to form a gas layer in an outer peripheral portion in the cylinder as well as to form the air-fuel mixture layer in a center portion.SOLUTION: A fuel is injected from a nozzle port of an injector into the cylinder of an engine in a compression stroke so that a gas layer containing fresh air is formed in an outer peripheral portion in the cylinder and an air-fuel mixture layer is formed in a center portion. When injecting the fuel, a lift amount of an outward opening valve in initial and end stages is controlled to be larger than that between the stages.

Description

本発明は、外開弁式のインジェクタを備えた火花点火式直噴エンジンに関する技術分野に属する。   The present invention belongs to a technical field related to a spark ignition direct injection engine provided with an outer valve-open injector.

例えば特許文献1には、火花点火式ガソリンエンジンの理論熱効率を高めるべく、シリンダヘッド下面に凹陥したキャビティと、ピストン冠面に凸設した突起部と、によって、燃焼室内を中央燃焼室と主燃焼室とに区画しつつ、燃焼室全体として、圧縮比を16程度の高圧縮比に設定すると共に、中央燃焼室内では混合気を相対的にリッチに、主燃焼室内では混合気を相対的にリーンにすることで、燃焼室全体として、混合気をリーンにしたエンジンが記載されている。   For example, in Patent Document 1, in order to increase the theoretical thermal efficiency of a spark-ignition gasoline engine, a cavity recessed in the lower surface of the cylinder head and a protrusion projecting from the piston crown surface divide the combustion chamber into the central combustion chamber and the main combustion chamber. The combustion chamber as a whole is set to a compression ratio as high as about 16, and the air-fuel mixture is relatively rich in the central combustion chamber, and the air-fuel mixture is relatively lean in the main combustion chamber. Thus, an engine having a lean air-fuel mixture is described for the entire combustion chamber.

また、例えば特許文献2には、冷却損失を低減させて熱効率を向上させる観点から、エンジンの燃焼室を区画形成する面を、多数の気泡を含んだ断熱材によって構成する技術が開示されている。この特許文献2のエンジンの圧縮比は16とされている。   Further, for example, Patent Document 2 discloses a technique in which a surface that forms a combustion chamber of an engine is formed of a heat insulating material including a large number of bubbles from the viewpoint of reducing cooling loss and improving thermal efficiency. . The compression ratio of the engine of this Patent Document 2 is 16.

特開平9−217627号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-217627 特開2009−243355号公報JP 2009-243355 A

ところで、火花点火式エンジンの理論サイクルであるオットーサイクルにおいては、エンジンの圧縮比を高めれば高めるほど、また、ガスの比熱比を高めれば高めるほど、理論熱効率が高くなる。このため、特許文献1に記載されているような高圧縮比化と混合気のリーン化との組み合わせは、熱効率(図示熱効率)の向上に、ある程度は有利になる。しかし、この場合、圧縮比15程度で図示熱効率が最大になり、それ以上に圧縮比を高めても、図示熱効率は高くならない(逆に、圧縮比を高めれば高めるほど、図示熱効率が低くなる)。これは、混合気がリーンであるため比較的大量の空気がシリンダ内に導入される一方で、そのシリンダ内の大量の空気が、高圧縮比化に伴い大きく圧縮されて燃焼圧力及び燃焼温度が大幅に高くなってしまうためである。つまり、高い燃焼圧力及び燃焼温度によってシリンダの壁面等を通じた熱の放出量が増え、冷却損失が大幅に増大する結果、図示熱効率が低くなってしまうのである。   By the way, in the Otto cycle, which is the theoretical cycle of a spark ignition engine, the theoretical thermal efficiency increases as the compression ratio of the engine increases and as the specific heat ratio of the gas increases. For this reason, the combination of a high compression ratio and lean air-fuel mixture as described in Patent Document 1 is advantageous to some extent for improving thermal efficiency (illustration thermal efficiency). However, in this case, the illustrated thermal efficiency is maximized at a compression ratio of about 15, and even if the compression ratio is increased further, the illustrated thermal efficiency does not increase (inversely, the higher the compression ratio is, the lower the illustrated thermal efficiency is). . This is because, since the air-fuel mixture is lean, a relatively large amount of air is introduced into the cylinder. On the other hand, a large amount of air in the cylinder is greatly compressed as the compression ratio increases, and the combustion pressure and temperature are reduced. This is because it becomes significantly higher. That is, the amount of heat released through the cylinder wall and the like is increased by a high combustion pressure and combustion temperature, and the cooling loss is greatly increased. As a result, the illustrated thermal efficiency is lowered.

この点に関して、特許文献2に記載されているように、シリンダ壁面を断熱材によって構成することで燃焼室の断熱化を行うようにすれば、冷却損失を低減することができる。   In this regard, as described in Patent Document 2, if the cylinder wall surface is made of a heat insulating material to insulate the combustion chamber, the cooling loss can be reduced.

ところが、特許文献2のように断熱材を用いた燃焼室の断熱化による冷却損失の低減には限界があり、幾何学的圧縮比を、例えば30程度に高めようとした場合には、冷却損失を大幅に低減することは困難であり、また、たとえ冷却損失の大幅な低減を実現できたとしても、コストが大幅にアップしてしまう。   However, as in Patent Document 2, there is a limit to the reduction of the cooling loss due to the heat insulation of the combustion chamber using the heat insulating material, and when trying to increase the geometric compression ratio to about 30 for example, the cooling loss It is difficult to drastically reduce the cost, and even if a significant reduction in cooling loss can be realized, the cost is greatly increased.

そこで、エンジンの気筒内の外周部に新気を含むガス層(新気と既燃ガスとを含んでいても良い)を形成しかつ中心部に混合気層を形成して、この混合気層を燃焼させるようにすれば、混合気層とシリンダ壁面との間の上記ガス層により、混合気層の火炎がシリンダ壁面に接触することがなく、上記ガス層が断熱層となって、シリンダ壁面からの熱の放出を抑えることができるようになる。このようなガス層及び混合気層は、圧縮行程においてインジェクタにより気筒内に燃料を噴射させかつその燃料噴霧のペネトレーションを、燃料噴霧が気筒内の外周部まで届かないような大きさ(長さ)に抑えるようにすれば、形成することが可能である。   Therefore, a gas layer containing fresh air (which may contain fresh air and burned gas) is formed at the outer peripheral portion in the cylinder of the engine, and an air-fuel mixture layer is formed at the central portion. If the gas is burned, the gas layer between the gas mixture layer and the cylinder wall surface prevents the flame of the gas mixture layer from coming into contact with the cylinder wall surface, and the gas layer serves as a heat insulating layer. The release of heat from can be suppressed. The gas layer and the gas mixture layer have such a size (length) that the fuel is injected into the cylinder by the injector during the compression stroke, and the penetration of the fuel spray does not reach the outer periphery of the cylinder. If it suppresses to, it can be formed.

上記インジェクタとしては、ペネトレーションが基本的に小さくかつペネトレーションを自在に変更することが可能な外開弁式のインジェクタが好ましい。この外開弁式のインジェクタでは、ノズル口を開閉する外開弁の、該ノズル口を閉じた状態からのリフト量が大きいほど、ノズル口から気筒内に噴射される燃料噴霧のペネトレーションが大きくなる。   As the injector, an outer valve-opening type injector that has a basically small penetration and can freely change the penetration is preferable. In this outer valve type injector, the penetration of fuel spray injected from the nozzle port into the cylinder increases as the lift amount of the outer valve that opens and closes the nozzle port from the closed state increases. .

しかし、気筒内圧力が高くなった状態で上記インジェクタにより気筒内に燃料を噴射した場合、当該燃料噴射時において上記リフト量が一定であるとすると、上記混合気層において燃料濃度が不均一になる傾向が生じる。すなわち、燃料噴射時の初期に噴射された燃料噴霧は、ペネトレーションが小さくかつ気筒内圧力の抵抗を受けるために、燃料噴射方向の前側に進み難く、その後に続く燃料噴霧が、その初期の燃料噴霧に追い着いて初期の燃料噴霧を前側へ押すとともに、後側に尾を引いてかすれたようになり、このことが燃料噴射時の末期の燃料噴霧まで続く。この結果、燃料噴射方向において前側及び後側部分にリーン領域が生じ、中央部分にリッチ領域が生じることになる。このように混合気層で燃料濃度の不均一が生じると、混合気の着火性が悪化する。   However, when fuel is injected into the cylinder by the injector while the cylinder pressure is high, if the lift amount is constant at the time of the fuel injection, the fuel concentration becomes non-uniform in the air-fuel mixture layer. A trend arises. That is, the fuel spray injected at the initial stage of fuel injection has a small penetration and is resistant to the pressure in the cylinder, so it is difficult to proceed forward in the fuel injection direction, and the subsequent fuel spray is the initial fuel spray. At the same time, the initial fuel spray is pushed forward, and the tail is pulled to the rear, which continues until the final fuel spray at the time of fuel injection. As a result, a lean region is generated in the front and rear portions in the fuel injection direction, and a rich region is generated in the central portion. Thus, when the fuel concentration is uneven in the air-fuel mixture layer, the ignitability of the air-fuel mixture deteriorates.

本発明は、斯かる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、外開弁式のインジェクタにより気筒内に噴射される燃料噴霧のペネトレーションを小さくして、気筒内の外周部にガス層を形成しかつ中心部に混合気層を形成する場合に、その混合気層での燃料濃度を出来る限り均一にしようとすることにある。   The present invention has been made in view of such a point, and an object of the present invention is to reduce the penetration of fuel spray injected into a cylinder by an externally opened injector, thereby reducing the outer peripheral portion in the cylinder. When the gas layer is formed at the center and the air-fuel mixture layer is formed at the center, the fuel concentration in the air-fuel layer is to be made as uniform as possible.

上記の目的を達成するために、本発明では、気筒内に燃料を噴射するノズル口を開閉する外開弁と、該外開弁を該ノズル口を閉じた状態からリフトさせてノズル口を開放することで、ノズル口から気筒内に燃料を噴射させる外開弁駆動手段とを有し、上記外開弁の、上記ノズル口を閉じた状態からのリフト量が大きいほど、上記ノズル口から気筒内に噴射される燃料噴霧のペネトレーションが大きくなるよう構成されたインジェクタを備えた火花点火式直噴エンジンを対象として、上記エンジンの幾何学的圧縮比が18以上40以下であり、上記外開弁駆動手段の作動を制御する噴射制御手段を更に備え、上記噴射制御手段は、上記エンジンの気筒内の外周部に新気を含むガス層が形成されかつ中心部に混合気層が形成されるように、圧縮行程において上記ノズル口から気筒内に燃料を噴射させるとともに、当該燃料噴射時において、初期及び末期における上記リフト量を、その間における上記リフト量よりも大きくするよう構成されている、という構成とした。   In order to achieve the above object, according to the present invention, an open valve that opens and closes a nozzle port for injecting fuel into a cylinder, and the nozzle port is opened by lifting the open valve from a state in which the nozzle port is closed. The valve opening drive means for injecting fuel into the cylinder from the nozzle port, and the larger the lift amount of the outer valve from the closed state of the nozzle port, the larger the lift amount from the nozzle port to the cylinder. For a spark ignition type direct injection engine having an injector configured to increase the penetration of fuel spray injected into the engine, the geometric compression ratio of the engine is 18 or more and 40 or less, and the outer valve is opened. The injection control means further includes an injection control means for controlling the operation of the drive means, wherein the injection control means is such that a gas layer containing fresh air is formed at the outer peripheral portion in the cylinder of the engine and an air-fuel mixture layer is formed at the central portion. The compressed line In conjunction to inject fuel into the cylinder from the nozzle orifice, at the time of the fuel injection, the lift amount in the initial and end, has a configuration that is configured to be larger than the lift amount in between.

上記の構成により、混合気層の周囲に位置するガス層により、混合気層の火炎がシリンダ壁面に接触することがなく、そのガス層が断熱層となって、シリンダ壁面からの熱の放出を抑えることができる。これにより、幾何学的圧縮比が高くなっても、冷却損失を大幅に低減することができる。そして、燃料噴射時において、初期及び末期における外開弁のリフト量を、その間におけるリフト量よりも大きくするので、燃料噴射時の初期及び末期に噴射された燃料噴霧のペネトレーションが大きくなる(長くなる)とともに、初期及び末期に噴射された燃料量が多くなる。これにより、初期の燃料噴霧は前側に進み易くなり、燃料量の増大と相俟って、リフト量が一定である場合に燃料噴射方向において前側部分に生じるリーン領域の燃料濃度を濃くすることができる。また、末期に噴射された燃料量が多くなることで、リフト量が一定である場合に燃料噴射方向において後側部分に生じるリーン領域の燃料濃度を濃くすることができる。さらに、初期と末期との間におけるリフト量を小さくして、リフト量が一定である場合に燃料噴射方向において中央部分に生じるリッチ領域の燃料濃度を薄くすることができる。したがって、混合気層全体で燃料濃度を均一にすることができる。よって、混合気の着火性を向上させることができる。   With the above configuration, the gas layer located around the gas mixture layer prevents the flame of the gas mixture layer from coming into contact with the cylinder wall surface, and the gas layer serves as a heat insulating layer to release heat from the cylinder wall surface. Can be suppressed. Thereby, even if a geometric compression ratio becomes high, a cooling loss can be reduced significantly. Further, since the lift amount of the outer valve at the initial stage and the end stage is made larger than the lift quantity between them at the time of fuel injection, the penetration of the fuel spray injected at the initial stage and the end stage at the time of fuel injection becomes larger (longer). ) And the amount of fuel injected in the initial and final stages increases. As a result, the initial fuel spray tends to advance forward, and coupled with the increase in the fuel amount, when the lift amount is constant, the fuel concentration in the lean region generated in the front portion in the fuel injection direction can be increased. it can. Further, since the amount of fuel injected at the end stage increases, the fuel concentration in the lean region generated in the rear portion in the fuel injection direction when the lift amount is constant can be increased. Furthermore, the lift amount between the initial stage and the end stage can be reduced, and when the lift amount is constant, the fuel concentration in the rich region generated in the central portion in the fuel injection direction can be reduced. Therefore, the fuel concentration can be made uniform throughout the air-fuel mixture layer. Therefore, the ignitability of the air-fuel mixture can be improved.

上記火花点火式直噴エンジンにおいて、上記噴射制御手段は、上記燃料噴射時の末期における上記リフト量を、当該燃料噴射時の初期における上記リフト量以上にするよう構成されている、ことが好ましい。   In the spark ignition direct injection engine, it is preferable that the injection control means is configured such that the lift amount at the end of the fuel injection is greater than or equal to the lift amount at the initial time of the fuel injection.

すなわち、リフト量が一定である場合、初期の燃料噴霧は、後続の燃料噴霧によって前側に押される一方、末期の燃料噴霧は後側に尾を引いてかすれたようになるので、燃料噴射方向において後側部分の燃料濃度が前側部分の燃料濃度以下になる傾向にある。そこで、燃料噴射時の末期におけるリフト量を、当該燃料噴射時の初期におけるリフト量以上にすることで、燃料噴射方向において前側部分と後側部分との濃度差を小さくすることができる。よって、混合気層全体で燃料濃度をより一層均一にすることができる。   That is, when the lift amount is constant, the initial fuel spray is pushed forward by the subsequent fuel spray, while the final fuel spray appears to have been crushed toward the rear, so in the fuel injection direction The fuel concentration in the rear part tends to be lower than the fuel concentration in the front part. Therefore, by making the lift amount at the end of fuel injection equal to or greater than the lift amount at the initial stage of fuel injection, the difference in concentration between the front portion and the rear portion in the fuel injection direction can be reduced. Therefore, the fuel concentration can be made more uniform throughout the air-fuel mixture layer.

上記火花点火式直噴エンジンにおいて、上記噴射制御手段は、圧縮行程後期において上記ノズル口から気筒内に燃料を噴射させるよう構成されている、ことが好ましい。   In the spark ignition direct injection engine, it is preferable that the injection control means is configured to inject fuel into the cylinder from the nozzle opening in the latter half of the compression stroke.

すなわち、圧縮行程後期においては、気筒内圧力が非常に高くて燃料濃度の不均一がより生じ易くなるが、燃料噴射時において、初期及び末期における外開弁のリフト量を、その間におけるリフト量よりも大きくすることで、燃料濃度の不均一を解消することができる。また、圧縮行程後期の燃料噴射により、点火までの時間が短くなって、混合気層の燃料がその外周部のガス層と混じり難くなり、燃焼時においてガス層を確保することができる。   That is, in the latter half of the compression stroke, the pressure in the cylinder is very high and the fuel concentration is more likely to be non-uniform.However, at the time of fuel injection, the lift amount of the open valve at the initial stage and the end stage is more than the lift amount between them. By increasing the value, it is possible to eliminate the uneven fuel concentration. Further, the fuel injection in the latter half of the compression stroke shortens the time until ignition, making it difficult for the fuel in the air-fuel mixture to mix with the gas layer in the outer peripheral portion, thereby ensuring the gas layer during combustion.

或いは、上記噴射制御手段は、エンジン負荷が所定値よりも高い高負荷領域にあるときにおいて、燃料の燃焼開始が圧縮上死点以降となるように、圧縮上死点付近で上記ノズル口から気筒内に燃料を噴射させるよう構成されていてもよい。   Alternatively, when the engine load is in a high load region where the engine load is higher than a predetermined value, the injection control means is arranged so that the start of fuel combustion is performed after the compression top dead center and from the nozzle opening to the cylinder near the compression top dead center. You may be comprised so that a fuel may be injected in.

このことにより、圧力上昇率が負の最大値となるクランク角期間乃至その近傍で燃焼させるようにすることができ、この結果、エンジン負荷が高くても、振動騒音(所謂NVH)レベルを低減することができる。また、燃料濃度が均一になることで、膨張行程での燃焼期間が短縮され、これにより、ガス層が断熱層となることと相俟って、図示熱効率をより一層高めることができる。さらに、高負荷では噴射される全燃料量が多くなるため、極端にリッチとなる領域が生じ易くなるが、本発明では、燃料濃度を均一にすることができ、これにより、極端にリッチとなる領域がなくなって、煤の発生を抑制することができる。   Thus, combustion can be performed in the crank angle period in which the pressure increase rate is a negative maximum value or in the vicinity thereof, and as a result, even if the engine load is high, the vibration noise (so-called NVH) level is reduced. be able to. In addition, since the fuel concentration is uniform, the combustion period in the expansion stroke is shortened, and the illustrated thermal efficiency can be further enhanced in combination with the gas layer becoming a heat insulating layer. Furthermore, since the total amount of fuel to be injected increases at a high load, an extremely rich region is likely to occur. However, in the present invention, the fuel concentration can be made uniform, which makes the region extremely rich. The area disappears and the generation of wrinkles can be suppressed.

以上説明したように、本発明の火花点火式直噴エンジンによると、エンジンの気筒内の外周部に新気を含むガス層が形成されかつ中心部に混合気層が形成されるように、圧縮行程においてインジェクタのノズル口から気筒内に燃料を噴射させるとともに、当該燃料噴射時において、初期及び末期における外開弁のリフト量を、その間におけるリフト量よりも大きくするようにしたことにより、混合気層全体で燃料濃度を均一にすることができ、この結果、混合気の着火性を向上させることができる。   As described above, according to the spark ignition direct injection engine of the present invention, compression is performed so that a gas layer containing fresh air is formed at the outer peripheral portion in the cylinder of the engine and an air-fuel mixture layer is formed at the center. In the stroke, fuel is injected into the cylinder from the nozzle port of the injector, and at the time of fuel injection, the lift amount of the outer open valve at the initial stage and the end stage is made larger than the lift amount in the meantime. The fuel concentration can be made uniform throughout the layer, and as a result, the ignitability of the air-fuel mixture can be improved.

本発明の実施形態に係る火花点火式直噴エンジンを示す概略図である。1 is a schematic view showing a spark ignition direct injection engine according to an embodiment of the present invention. インジェクタの内部構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the internal structure of an injector. クランク角(又は時間)に対する噴射信号の電圧の変化及び外開弁のリフト量の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the voltage of the injection signal with respect to a crank angle (or time), and the change of the lift amount of an outer valve opening. 燃料噴射方向における燃料濃度の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the fuel concentration in a fuel injection direction.

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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、本発明の実施形態に係る火花点火式直噴エンジン1(以下、単にエンジン1という)を概略的に示す。本実施形態では、エンジン1は、エンジン本体に付随する様々なアクチュエータ、様々なセンサ、及び、該センサからの信号に基づきアクチュエータを制御するエンジン制御器100を含む。   FIG. 1 schematically shows a spark ignition direct injection engine 1 (hereinafter simply referred to as an engine 1) according to an embodiment of the present invention. In the present embodiment, the engine 1 includes various actuators attached to the engine body, various sensors, and an engine controller 100 that controls the actuators based on signals from the sensors.

エンジン1は、自動車等の車両に搭載され、その出力軸は、図示しないが、変速機を介して駆動輪に連結されている。エンジン1の出力が駆動輪に伝達されることによって、車両が推進する。エンジン1のエンジン本体は、シリンダブロック12と、その上に載置されるシリンダヘッド13とを備えており、シリンダブロック12の内部に複数のシリンダ11(気筒)が形成されている(図1では、1つのみ示す)。シリンダブロック12及びシリンダヘッド13の内部には、図示は省略するが冷却水が流れるウォータージャケットが形成されている。   The engine 1 is mounted on a vehicle such as an automobile, and its output shaft is connected to drive wheels via a transmission, although not shown. The vehicle is propelled by the output of the engine 1 being transmitted to the drive wheels. The engine body of the engine 1 includes a cylinder block 12 and a cylinder head 13 mounted thereon, and a plurality of cylinders 11 (cylinders) are formed inside the cylinder block 12 (in FIG. 1). Only one is shown). Although not shown, a water jacket through which cooling water flows is formed inside the cylinder block 12 and the cylinder head 13.

各シリンダ11内には、ピストン15が摺動自在にそれぞれ嵌挿されており、ピストン15は、シリンダ11及びシリンダヘッド13と共に燃焼室17を区画している。本実施形態では、燃焼室17は所謂ペントルーフ型であり、その天井面(シリンダヘッド13の下面)は吸気側及び排気側の2つの傾斜面からなる三角屋根状をなしている。ピストン15の冠面は、上記天井面に対応した凸形状をなしていて、冠面の中心部には、凹状のキャビティ15aが形成されている。尚、上記天井面及びピストン1の冠面の形状は、後述の高い幾何学的圧縮比が可能であれば、どのような形状であってもよく、例えば、天井面及びピストン1の冠面(キャビティ15aを除く部分)の両方が、シリンダ11の中心軸に対して垂直な面で構成されていてもよく、天井面が上記のように三角屋根状をなす一方、ピストン1の冠面(キャビティ15aを除く部分)がシリンダ11の中心軸に対して垂直な面で構成されていてもよい。   A piston 15 is slidably inserted into each cylinder 11, and the piston 15 defines a combustion chamber 17 together with the cylinder 11 and the cylinder head 13. In this embodiment, the combustion chamber 17 is a so-called pent roof type, and the ceiling surface (the lower surface of the cylinder head 13) has a triangular roof shape composed of two inclined surfaces on the intake side and the exhaust side. The crown surface of the piston 15 has a convex shape corresponding to the ceiling surface, and a concave cavity 15a is formed at the center of the crown surface. The shape of the ceiling surface and the crown surface of the piston 1 may be any shape as long as a high geometric compression ratio described later is possible. For example, the ceiling surface and the crown surface of the piston 1 ( Both of the portions excluding the cavity 15a may be configured by a surface perpendicular to the central axis of the cylinder 11, and the ceiling surface forms a triangular roof as described above, while the crown surface (cavity) of the piston 1 The portion excluding 15a) may be constituted by a plane perpendicular to the central axis of the cylinder 11.

図1には1つのみ示すが、シリンダ11毎に2つの吸気ポート18がシリンダヘッド13に形成され、それぞれがシリンダヘッド13の下面(燃焼室17の天井面における吸気側の傾斜面)に開口することで燃焼室17に連通している。同様に、シリンダ11毎に2つの排気ポート19がシリンダヘッド13に形成され、それぞれがシリンダヘッド13の下面(燃焼室17の天井面の排気側の傾斜面)に開口することで燃焼室17に連通している。吸気ポート18は、シリンダ11内に導入される新気が流れる吸気通路(図示省略)に接続されている。吸気通路には、吸気流量を調整するスロットル弁20が介設しており、エンジン制御器100からの制御信号を受けて、スロットル弁20の開度が調整される。一方、排気ポート19は、各シリンダ11からの既燃ガス(排気ガス)が流れる排気通路(図示省略)に接続されている。排気通路には、図示は省略するが、1つ以上の触媒コンバータを有する排気ガス浄化システムが配置される。   Although only one is shown in FIG. 1, two intake ports 18 are formed in the cylinder head 13 for each cylinder 11, and each opens on the lower surface of the cylinder head 13 (the inclined surface on the intake side on the ceiling surface of the combustion chamber 17). By doing so, it communicates with the combustion chamber 17. Similarly, two exhaust ports 19 are formed in the cylinder head 13 for each cylinder 11, and each opens to the lower surface of the cylinder head 13 (the inclined surface on the exhaust side of the ceiling surface of the combustion chamber 17). Communicate. The intake port 18 is connected to an intake passage (not shown) through which fresh air introduced into the cylinder 11 flows. A throttle valve 20 for adjusting the intake flow rate is interposed in the intake passage, and the opening degree of the throttle valve 20 is adjusted in response to a control signal from the engine controller 100. On the other hand, the exhaust port 19 is connected to an exhaust passage (not shown) through which burned gas (exhaust gas) from each cylinder 11 flows. Although not shown, an exhaust gas purification system having one or more catalytic converters is disposed in the exhaust passage.

シリンダヘッド13には、吸気弁21及び排気弁22が、それぞれ吸気ポート18及び排気ポート19を燃焼室17から遮断(閉)することができるように配設されている。吸気弁21は吸気弁駆動機構により、排気弁22は排気弁駆動機構により、それぞれ駆動される。吸気弁21及び排気弁22は所定のタイミングで往復動して、それぞれ吸気ポート18及び排気ポート19を開閉し、シリンダ11内のガス交換を行う。吸気弁駆動機構及び排気弁駆動機構は、図示は省略するが、それぞれ、クランクシャフトに駆動連結された吸気カムシャフト及び排気カムシャフトを有し、これらのカムシャフトはクランクシャフトの回転と同期して回転する。また、少なくとも吸気弁駆動機構は、吸気カムシャフトの位相を所定の角度範囲内で連続的に変更可能な、液圧式又は機械式の位相可変機構(Variable Valve Timing:VVT)23を含んで構成されている。尚、VVT23と共に、弁リフト量を連続的に変更可能なリフト可変機構(CVVL(Continuous Variable Valve Lift))を備えるようにしてもよい。   The cylinder head 13 is provided with an intake valve 21 and an exhaust valve 22 so that the intake port 18 and the exhaust port 19 can be shut off (closed) from the combustion chamber 17, respectively. The intake valve 21 is driven by an intake valve drive mechanism, and the exhaust valve 22 is driven by an exhaust valve drive mechanism. The intake valve 21 and the exhaust valve 22 reciprocate at a predetermined timing to open and close the intake port 18 and the exhaust port 19, respectively, and perform gas exchange in the cylinder 11. Although not shown, the intake valve drive mechanism and the exhaust valve drive mechanism each have an intake camshaft and an exhaust camshaft that are drivingly connected to the crankshaft. These camshafts are synchronized with the rotation of the crankshaft. Rotate. Further, at least the intake valve drive mechanism includes a hydraulic or mechanical phase variable mechanism (Variable Valve Timing: VVT) 23 that can continuously change the phase of the intake camshaft within a predetermined angle range. ing. In addition, you may make it provide the variable lift mechanism (CVVL (Continuous Variable Valve Lift)) which can change a valve lift amount continuously with VVT23.

また、シリンダヘッド13には、点火プラグ31が配設されている。この点火プラグ31は、例えばねじ等の周知の構造によって、シリンダヘッド13に取付固定されている。点火プラグ31は、本実施形態では、シリンダ11の中心軸に対し、排気側に傾斜した状態で取付固定されており、その先端部(電極)は燃焼室17の天井部に臨んでいる。この点火プラグ31の先端部は、後述のインジェクタ33のノズル口41の近傍に位置する。尚、点火プラグ31の配置はこれに限定されるものではない。そして、点火プラグ31は、点火システム32によって火花を発生する。点火システム32は、エンジン制御器100からの制御信号を受けて、点火プラグ31が所望の点火タイミングで火花を発生するよう、それに通電する。一例として、点火システム32はプラズマ発生回路を備え、点火プラグはプラズマ点火式のプラグとしてもよい。着火エネルギの高いプラズマ点火式のプラグの採用は、着火安定性を向上する上で有利になる。   A spark plug 31 is disposed on the cylinder head 13. The ignition plug 31 is attached and fixed to the cylinder head 13 by a known structure such as a screw. In the present embodiment, the spark plug 31 is attached and fixed in a state inclined to the exhaust side with respect to the central axis of the cylinder 11, and the tip (electrode) thereof faces the ceiling of the combustion chamber 17. The tip of the spark plug 31 is located in the vicinity of a nozzle port 41 of an injector 33 described later. The arrangement of the spark plug 31 is not limited to this. The spark plug 31 generates a spark by the ignition system 32. The ignition system 32 receives a control signal from the engine controller 100 and energizes the spark plug 31 to generate a spark at a desired ignition timing. As an example, the ignition system 32 may include a plasma generation circuit, and the ignition plug may be a plasma ignition type plug. The use of a plasma ignition type plug with high ignition energy is advantageous in improving the ignition stability.

シリンダヘッド13におけるシリンダ11の中心軸上には、気筒内(燃焼室17内)に燃料を直接噴射するインジェクタ33が配設されている。このインジェクタ33は、例えばブラケットを使用する等の周知の構造でシリンダヘッド13に取付固定されている。インジェクタ33の先端は、燃焼室17の天井部の中心に臨んでいる。   An injector 33 that directly injects fuel into the cylinder (inside the combustion chamber 17) is disposed on the central axis of the cylinder 11 in the cylinder head 13. The injector 33 is fixedly attached to the cylinder head 13 with a known structure such as using a bracket. The tip of the injector 33 faces the center of the ceiling of the combustion chamber 17.

図2に示すように、インジェクタ33は、気筒内に燃料を噴射するノズル口41を開閉する外開弁42を有する、外開弁式のインジェクタである。ノズル口41は、シリンダ11の中心軸に沿って延びる燃料管43の先端部において、先端側ほど径が大きくなるテーパ状に形成されている。燃料管43の基端側の端部は、内部に外開弁駆動手段としてのピエゾ素子44が配設されたケース45に接続されている。外開弁42は、弁本体42aと、弁本体42aから燃料管43内を通ってピエゾ素子44に接続された連結部42bとを有している。弁本体42aの連結部42b側の部分が、ノズル口41と略同じ形状を有しており、該部分がノズル口41に当接(着座)しているときには、ノズル口41が閉状態となる。このとき、弁本体42aの先端側の部分は、燃料管43の外側に突出した状態となっている。   As shown in FIG. 2, the injector 33 is an outer valve-opening type injector having an outer valve 42 that opens and closes a nozzle port 41 that injects fuel into the cylinder. The nozzle port 41 is formed in a tapered shape whose diameter increases toward the distal end side at the distal end portion of the fuel pipe 43 extending along the central axis of the cylinder 11. The end of the fuel pipe 43 on the base end side is connected to a case 45 in which a piezo element 44 serving as an external valve opening drive means is disposed. The outer opening valve 42 includes a valve main body 42 a and a connecting portion 42 b that is connected from the valve main body 42 a through the fuel pipe 43 to the piezo element 44. A portion of the valve body 42a on the side of the connecting portion 42b has substantially the same shape as the nozzle port 41, and when the portion is in contact (sitting) with the nozzle port 41, the nozzle port 41 is closed. . At this time, the tip side portion of the valve main body 42 a is in a state of protruding to the outside of the fuel pipe 43.

ピエゾ素子44は、電圧の印加による変形により、外開弁42をシリンダ11の中心軸方向の燃焼室17側に押圧することで、その外開弁42を、ノズル口41を閉じた状態からリフトさせてノズル口41を開放する。このとき、ノズル口41から気筒内に燃料が、シリンダ11の中心軸を中心とするコーン状(詳しくはホローコーン状)に噴射される。そのコーンのテーパ角は、本実施形態では、90°〜100°である(内側の中空部のテーパ角は70°程度である)。そして、ピエゾ素子44への電圧の印加が停止すると、ピエゾ素子44が元の状態に復帰することで、外開弁42がノズル口41を再び閉状態とする。このとき、ケース45内における連結部42bの周囲に配設された圧縮コイルバネ46がピエゾ素子44の復帰を助長する。   The piezo element 44 lifts the outer open valve 42 from the state in which the nozzle opening 41 is closed by pressing the outer open valve 42 toward the combustion chamber 17 in the central axis direction of the cylinder 11 by deformation due to application of voltage. Then, the nozzle port 41 is opened. At this time, fuel is injected from the nozzle port 41 into the cylinder in a cone shape (specifically, a hollow cone shape) centered on the central axis of the cylinder 11. The taper angle of the cone is 90 ° to 100 ° in this embodiment (the taper angle of the inner hollow portion is about 70 °). When the application of voltage to the piezo element 44 is stopped, the piezo element 44 returns to the original state, and the outer opening valve 42 closes the nozzle port 41 again. At this time, the compression coil spring 46 disposed around the connecting portion 42 b in the case 45 facilitates the return of the piezo element 44.

ピエゾ素子44に印加する電圧が大きいほど、外開弁42の、ノズル口41を閉じた状態からのリフト量(以下、単にリフト量という)が大きくなる。このリフト量が大きいほど、ノズル口41の開度が大きくなってノズル口41から気筒内に噴射される燃料噴霧のペネトレーションが大きくなる(長くなる)とともに、単位時間当たりに噴射される燃料量が多くなりかつ燃料噴霧の粒径が大きくなる。ピエゾ素子44の応答は速く、燃料噴射中にリフト量を変更することが可能であり、軽負荷では、燃料噴射時間が例えば2ms程度であるが、その噴射時間内でもリフト量を変更することが可能である。   As the voltage applied to the piezo element 44 increases, the lift amount (hereinafter simply referred to as lift amount) of the outer open valve 42 from the state in which the nozzle port 41 is closed increases. The larger the lift amount, the larger the opening of the nozzle port 41, the greater the penetration of fuel spray injected from the nozzle port 41 into the cylinder, and the longer the amount of fuel injected per unit time. The particle size of the fuel spray increases and increases. The response of the piezo element 44 is fast, and the lift amount can be changed during fuel injection. The fuel injection time is, for example, about 2 ms at a light load, but the lift amount can be changed even during the injection time. Is possible.

燃料供給システム34は、外開弁42(ピエゾ素子44)を駆動するための電気回路と、インジェクタ33に燃料を供給する燃料供給系とを備えている。エンジン制御器100は、所定のタイミングで、リフト量に応じた電圧を有する噴射信号を上記電気回路に出力することで、該電気回路を介してピエゾ素子44及び外開弁42を作動させて、所望量の燃料を、気筒内に噴射させる。上記噴射信号の非出力時(噴射信号の電圧が0であるとき)には、外開弁42によりノズル口41が閉じられた状態となる。このようにピエゾ素子44は、エンジン制御器100からの噴射信号によって、その作動が制御される。したがって、エンジン制御器100は、ピエゾ素子44の作動を制御する噴射制御手段を構成することになる。こうしてエンジン制御器100は、ピエゾ素子44の作動を制御して、インジェクタのノズル口41からの燃料噴射及び該燃料噴射時におけるリフト量を制御する。   The fuel supply system 34 includes an electric circuit for driving the outer opening valve 42 (piezo element 44) and a fuel supply system for supplying fuel to the injector 33. The engine controller 100 outputs an injection signal having a voltage corresponding to the lift amount to the electric circuit at a predetermined timing, thereby operating the piezo element 44 and the outer valve 42 via the electric circuit, A desired amount of fuel is injected into the cylinder. When the injection signal is not output (when the voltage of the injection signal is 0), the nozzle port 41 is closed by the outer opening valve 42. Thus, the operation of the piezo element 44 is controlled by the injection signal from the engine controller 100. Therefore, the engine controller 100 constitutes an injection control means for controlling the operation of the piezo element 44. Thus, the engine controller 100 controls the operation of the piezo element 44 to control the fuel injection from the nozzle port 41 of the injector and the lift amount during the fuel injection.

上記燃料供給系には、図示省略の高圧燃料ポンプやコモンレールが設けられており、その高圧燃料ポンプは、低圧燃料ポンプを介して燃料タンクより供給されてきた燃料をコモンレールに圧送し、コモンレールは、その圧送された燃料を、所定の燃料圧力で蓄える。そして、インジェクタ33が作動する(外開弁42がリフトされる)ことによって、上記コモンレールに蓄えられている燃料がノズル口41から噴射される。   The fuel supply system is provided with a high-pressure fuel pump (not shown) and a common rail, and the high-pressure fuel pump pumps the fuel supplied from the fuel tank via the low-pressure fuel pump to the common rail. The pumped fuel is stored at a predetermined fuel pressure. The fuel stored in the common rail is injected from the nozzle port 41 by the operation of the injector 33 (the open valve 42 is lifted).

ここで、エンジン1の燃料は、本実施形態ではガソリンであるが、バイオエタノール等を含むガソリンであってもよく、少なくともガソリンを含む燃料(液体燃料)であれば、どのような燃料であってもよい。   Here, the fuel of the engine 1 is gasoline in the present embodiment, but may be gasoline containing bioethanol or the like, and any fuel as long as it is a fuel (liquid fuel) containing at least gasoline. Also good.

エンジン制御器100は、周知のマイクロコンピュータをベースとするコントローラであって、プログラムを実行する中央演算処理装置(CPU)と、例えばRAMやROMにより構成されてプログラム及びデータを格納するメモリと、電気信号の入出力をする入出力(I/O)バスと、を備えている。   The engine controller 100 is a controller based on a well-known microcomputer, and includes a central processing unit (CPU) that executes a program, a memory that is configured by, for example, RAM and ROM, and stores a program and data, And an input / output (I / O) bus for inputting and outputting signals.

エンジン制御器100は、少なくとも、エアフローセンサ71からの吸気流量に関する信号、クランク角センサ72からのクランク角パルス信号、アクセル・ペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ73からのアクセル開度信号、及び、車速センサ74からの車速信号をそれぞれ受ける。エンジン制御器100は、これらの入力信号に基づいて、例えば、所望のスロットル開度信号、燃料噴射パルス、点火信号、バルブ位相角信号等といった、エンジン1の制御パラメーターを計算する。そして、エンジン制御器100は、それらの信号を、スロットル弁20(スロットル弁20を動かすスロットルアクチュエータ)、燃料供給システム34(上記電気回路)、点火システム32、VVT23等に出力する。   The engine controller 100 includes at least a signal related to the intake air flow from the air flow sensor 71, a crank angle pulse signal from the crank angle sensor 72, an accelerator opening signal from the accelerator opening sensor 73 that detects the amount of depression of the accelerator pedal, And the vehicle speed signal from the vehicle speed sensor 74 is received, respectively. Based on these input signals, the engine controller 100 calculates control parameters of the engine 1 such as a desired throttle opening signal, a fuel injection pulse, an ignition signal, a valve phase angle signal, and the like. The engine controller 100 then outputs these signals to the throttle valve 20 (throttle actuator that moves the throttle valve 20), the fuel supply system 34 (the above electric circuit), the ignition system 32, the VVT 23, and the like.

このエンジン1の幾何学的圧縮比εは、18以上40以下とされている。この幾何学的圧縮比εは、特に25以上35以下が好ましい。本実施形態では、エンジン1は圧縮比=膨張比となる構成から、高圧縮比と同時に、比較的高い膨張比を有するエンジン1でもある。尚、圧縮比≦膨張比となる構成(例えばアトキンソンサイクルや、ミラーサイクル)を採用してもよい。   The geometric compression ratio ε of the engine 1 is 18 or more and 40 or less. The geometric compression ratio ε is particularly preferably 25 or more and 35 or less. In the present embodiment, the engine 1 is also an engine 1 having a relatively high expansion ratio as well as a high compression ratio because of the configuration where the compression ratio = expansion ratio. In addition, you may employ | adopt the structure (for example, Atkinson cycle and a mirror cycle) used as compression ratio <= expansion ratio.

燃焼室17は、図1に示すように、シリンダ11の壁面と、ピストン15の冠面と、シリンダヘッド13の下面(天井面)と、吸気弁21及び排気弁22それぞれのバルブヘッドの面と、によって区画形成されている。そして、冷却損失を低減するべく、これらの各面に、断熱層61,62,63,64,65が設けられることによって、燃焼室17が断熱化されている。尚、以下において、これらの断熱層61〜65を総称する場合は、断熱層に符号「6」を付す場合がある。断熱層6は、これらの区画面の全てに設けてもよいし、これらの区画面の一部に設けてもよい。また、図例では、シリンダ壁面の断熱層61は、ピストン15が上死点に位置した状態で、そのピストンリング14よりも上側の位置に設けられており、これにより断熱層61上をピストンリング14が摺動しない構成としている。但し、シリンダ壁面の断熱層61はこの構成に限らず、断熱層61を下向きに延長することによって、ピストン15のストロークの全域、又は、その一部に断熱層61を設けてもよい。また、燃焼室17を直接区画する壁面ではないが、吸気ポート18や排気ポート19における、燃焼室17の天井面側の開口近傍のポート壁面に断熱層を設けてもよい。尚、図1に図示する各断熱層61〜65の厚みは実際の厚みを示すものではなく単なる例示であると共に、各面における断熱層の厚みの大小関係を示すものでもない。   As shown in FIG. 1, the combustion chamber 17 includes a wall surface of the cylinder 11, a crown surface of the piston 15, a lower surface (ceiling surface) of the cylinder head 13, and a valve head surface of each of the intake valve 21 and the exhaust valve 22. , Are partitioned. And in order to reduce a cooling loss, the combustion chamber 17 is thermally insulated by providing the heat insulation layers 61, 62, 63, 64, and 65 on each of these surfaces. In addition, below, when these heat insulation layers 61-65 are named generically, a code | symbol "6" may be attached | subjected to a heat insulation layer. The heat insulation layer 6 may be provided on all of these section screens, or may be provided on a part of these section screens. Further, in the illustrated example, the heat insulating layer 61 on the cylinder wall surface is provided at a position above the piston ring 14 in a state where the piston 15 is located at the top dead center. 14 is configured not to slide. However, the heat insulating layer 61 on the cylinder wall surface is not limited to this configuration, and the heat insulating layer 61 may be provided over the entire stroke or a part of the stroke of the piston 15 by extending the heat insulating layer 61 downward. Further, a heat insulating layer may be provided on the port wall surface near the opening on the ceiling surface side of the combustion chamber 17 in the intake port 18 and the exhaust port 19, although it is not the wall surface that directly partitions the combustion chamber 17. In addition, the thickness of each heat insulation layer 61-65 illustrated in FIG. 1 does not show actual thickness, but is only an illustration, and does not show the magnitude relationship of the thickness of the heat insulation layer in each surface.

燃焼室17の断熱構造について、さらに詳細に説明する。燃焼室17の断熱構造は、上述の如く、燃焼室17を区画する各区画面に設けた断熱層61〜65によって構成されるが、これらの断熱層61〜65は、燃焼室17内の燃焼ガスの熱が、区画面を通じて放出されることを抑制するため、燃焼室17を構成する金属製の母材よりも熱伝導率が低く設定される。ここで、シリンダ11の壁面に設けた断熱層61については、シリンダブロック12が母材であり、ピストン15の冠面に設けた断熱層62についてはピストン15が母材であり、シリンダヘッド13の天井面に設けた断熱層63については、シリンダヘッド13が母材であり、吸気弁21及び排気弁22それぞれのバルブヘッド面に設けた断熱層64,65については、吸気弁21及び排気弁22がそれぞれ母材である。したがって、母材の材質は、シリンダブロック12、シリンダヘッド13及びピストン15については、アルミニウム合金や鋳鉄となり、吸気弁21及び排気弁22については、耐熱鋼や鋳鉄等となる。   The heat insulation structure of the combustion chamber 17 will be described in more detail. As described above, the heat insulating structure of the combustion chamber 17 is constituted by the heat insulating layers 61 to 65 provided on the respective screens that define the combustion chamber 17, and these heat insulating layers 61 to 65 are the combustion gas in the combustion chamber 17. Therefore, the heat conductivity is set to be lower than that of the metal base material constituting the combustion chamber 17. Here, for the heat insulating layer 61 provided on the wall surface of the cylinder 11, the cylinder block 12 is the base material, and for the heat insulating layer 62 provided on the crown surface of the piston 15, the piston 15 is the base material. For the heat insulating layer 63 provided on the ceiling surface, the cylinder head 13 is a base material, and for the heat insulating layers 64 and 65 provided on the valve head surfaces of the intake valve 21 and the exhaust valve 22, respectively, the intake valve 21 and the exhaust valve 22 are provided. Are the base materials. Accordingly, the base material is aluminum alloy or cast iron for the cylinder block 12, cylinder head 13 and piston 15, and heat-resistant steel or cast iron for the intake valve 21 and exhaust valve 22.

また、断熱層6は、冷却損失を低減する上で、母材よりも容積比熱が小さいことが好ましい。つまり、燃焼室17内のガス温度は燃焼サイクルの進行によって変動するが、燃焼室17の断熱構造を有しない従来のエンジンは、シリンダヘッドやシリンダブロック内に形成したウォータージャケット内を冷却水が流れることにより、燃焼室17を区画する面の温度は、燃焼サイクルの進行にかかわらず、概略一定に維持される。   In addition, the heat insulating layer 6 preferably has a volumetric specific heat smaller than that of the base material in order to reduce cooling loss. That is, the gas temperature in the combustion chamber 17 varies with the progress of the combustion cycle, but in a conventional engine that does not have the heat insulation structure of the combustion chamber 17, the cooling water flows in a water jacket formed in the cylinder head or cylinder block. Thus, the temperature of the surface defining the combustion chamber 17 is maintained substantially constant regardless of the progress of the combustion cycle.

一方で、冷却損失は、冷却損失=熱伝達率×伝熱面積×(ガス温度−区画面の温度)によって決定されることから、ガス温度と壁面の温度との差温が大きくなればなるほど冷却損失は大きくなってしまう。冷却損失を抑制するためには、ガス温度と区画面の温度との差温は小さくすることが望ましいが、冷却水によって燃焼室17の区画面の温度を概略一定に維持した場合、ガス温度の変動に伴い差温が大きくなることは避けられない。そこで、断熱層6の熱容量を小さくして、燃焼室17の区画面の温度が、燃焼室17内のガス温度の変動に追従して変化するようにすることが好ましい。   On the other hand, since the cooling loss is determined by cooling loss = heat transfer coefficient × heat transfer area × (gas temperature−temperature of the section screen), the cooling temperature increases as the temperature difference between the gas temperature and the wall surface temperature increases. The loss will increase. In order to suppress the cooling loss, it is desirable to reduce the difference between the gas temperature and the temperature of the section screen. However, when the temperature of the section screen of the combustion chamber 17 is maintained substantially constant by cooling water, It is unavoidable that the temperature difference increases with fluctuation. Therefore, it is preferable to reduce the heat capacity of the heat insulating layer 6 so that the temperature of the section screen of the combustion chamber 17 changes following the fluctuation of the gas temperature in the combustion chamber 17.

上記断熱層6は、例えば、母材上にZrO等のセラミック材料をプラズマ溶射によってコーティングして形成すればよい。このセラミック材料の中には、多数の気孔を含んでいてもよい。このようにすれば、断熱層6の熱伝導率及び容積比熱をより低くすることができる。 The heat insulating layer 6 may be formed, for example, by coating a ceramic material such as ZrO 2 on the base material by plasma spraying. The ceramic material may contain a number of pores. If it does in this way, the thermal conductivity and volume specific heat of the heat insulation layer 6 can be made lower.

また、本実施形態では、図1に示すように、熱伝導率が非常に低くて断熱性に優れかつ耐熱性にも優れたチタン酸アルミニウム製のポートライナ181を、シリンダヘッド13に一体的に鋳ぐるむことによって、吸気ポート18に断熱層を設けている。この構成は、新気が吸気ポート18を通過するときに、シリンダヘッド13から受熱して温度が上がることを抑制乃至回避し得る。これによってシリンダ11内に導入する新気の温度(初期のガス温度)が低くなるため、燃焼時のガス温度が低下し、ガス温度と燃焼室17の区画面との差温を小さくする上で有利になる。燃焼時のガス温度を低下させることは熱伝達率を低くし得るから、そのことによる冷却損失の低減にも有利になる。尚、吸気ポート18に設ける断熱層の構成は、ポートライナ181の鋳ぐるみに限定されない。   Further, in the present embodiment, as shown in FIG. 1, a port liner 181 made of aluminum titanate having an extremely low thermal conductivity, excellent heat insulation, and excellent heat resistance is integrated with the cylinder head 13. A heat insulating layer is provided in the intake port 18 by casting. With this configuration, when fresh air passes through the intake port 18, it is possible to suppress or avoid an increase in temperature due to heat received from the cylinder head 13. As a result, the temperature of the fresh air introduced into the cylinder 11 (initial gas temperature) is lowered, so that the gas temperature at the time of combustion is lowered and the temperature difference between the gas temperature and the section screen of the combustion chamber 17 is reduced. Become advantageous. Lowering the gas temperature at the time of combustion can lower the heat transfer rate, which is advantageous for reducing the cooling loss. In addition, the structure of the heat insulation layer provided in the intake port 18 is not limited to the casting of the port liner 181.

本実施形態では、上記の燃焼室17及び吸気ポート18の断熱構造に加えて、気筒内(燃焼室17内)においてガス層による断熱層を形成することで、冷却損失を大幅に低減するようにしている。   In the present embodiment, in addition to the heat insulation structure of the combustion chamber 17 and the intake port 18 described above, a heat insulation layer is formed by a gas layer in the cylinder (inside the combustion chamber 17), thereby greatly reducing the cooling loss. ing.

具体的には、エンジン制御器100は、エンジン1の気筒内(燃焼室17内)の外周部に新気を含むガス層が形成されかつ中心部に混合気層が形成されるように、圧縮行程においてインジェクタ11のノズル口41から気筒内に燃料を噴射させるべく、燃料供給システム34の電気回路に噴射信号を出力する。すなわち、圧縮行程においてインジェクタ33により気筒内に燃料を噴射させかつその燃料噴霧のペネトレーションを、燃料噴霧が気筒内の外周部まで届かないような大きさ(長さ)に抑えることで、気筒内の中心部に混合気層が形成されかつその周囲に新気を含むガス層が形成されるという、成層化が実現する。このガス層は、新気のみであってもよく、新気に加えて、既燃ガス(EGRガス)を含んでいてもよい。尚、ガス層に少量の燃料が混じっても問題はなく、ガス層が断熱層の役割を果たせるように混合気層よりも燃料リーンであればよい。   Specifically, the engine controller 100 performs compression so that a gas layer containing fresh air is formed at the outer peripheral portion of the cylinder (in the combustion chamber 17) of the engine 1 and an air-fuel mixture layer is formed at the center. In the stroke, an injection signal is output to the electric circuit of the fuel supply system 34 in order to inject fuel into the cylinder from the nozzle port 41 of the injector 11. That is, in the compression stroke, the fuel is injected into the cylinder by the injector 33 and the penetration of the fuel spray is suppressed to a size (length) so that the fuel spray does not reach the outer periphery of the cylinder. Stratification is realized in which an air-fuel mixture layer is formed at the center and a gas layer containing fresh air is formed around the air-fuel mixture layer. This gas layer may be only fresh air, and may contain burned gas (EGR gas) in addition to fresh air. It should be noted that there is no problem even if a small amount of fuel is mixed in the gas layer, and the fuel layer may be leaner than the gas mixture layer so that the gas layer can serve as a heat insulating layer.

インジェクタ33による燃料噴射時期は、圧縮行程の中でも、後期(特に、圧縮行程を、前期、中期及び後期と約3等分した場合の後期)が好ましい。これにより、点火までの時間が短くなって、混合気層の燃料がその外周部のガス層と混じり難くなり、燃焼時においてガス層を確保することができる。   The fuel injection timing by the injector 33 is preferably in the latter part of the compression stroke (particularly, the latter half when the compression stroke is divided into about three equal parts from the previous period, the middle period, and the latter period). This shortens the time until ignition, makes it difficult for the fuel in the air-fuel mixture to mix with the gas layer on the outer periphery thereof, and ensures the gas layer during combustion.

特に、エンジン負荷が所定値よりも高い高負荷領域にあるときにおいては、燃料の燃焼開始が圧縮上死点以降となるように、圧縮上死点付近でノズル口41から気筒内に燃料を噴射させるようにすることが好ましい。これにより、圧力上昇率が負の最大値となるクランク角期間乃至その近傍で燃焼させるようにすることができ、この結果、エンジン負荷が高くても、振動騒音(NVH)レベルを低減することができる。   In particular, when the engine load is in a high load region higher than a predetermined value, fuel is injected into the cylinder from the nozzle port 41 near the compression top dead center so that the start of fuel combustion is after the compression top dead center. It is preferable to do so. As a result, combustion can be performed in the crank angle period in which the pressure increase rate is a negative maximum value or in the vicinity thereof. As a result, even if the engine load is high, the vibration noise (NVH) level can be reduced. it can.

上記のようにガス層と混合気層とが形成された状態で点火プラグ31による点火を行えば、混合気層とシリンダ11の壁面との間のガス層により、混合気層の火炎がシリンダ11の壁面に接触することがなく、そのガス層が断熱層となって、シリンダ11の壁面からの熱の放出を抑えることができるようになる。この結果、冷却損失を大幅に低減することができる。   When ignition is performed by the spark plug 31 in a state where the gas layer and the air-fuel mixture layer are formed as described above, the gas mixture between the air-fuel mixture layer and the wall surface of the cylinder 11 causes the flame of the air-fuel mixture layer to be in the cylinder 11. The gas layer becomes a heat insulating layer without coming into contact with the wall surface of the cylinder 11, and the release of heat from the wall surface of the cylinder 11 can be suppressed. As a result, the cooling loss can be greatly reduced.

尚、冷却損失を低減させるだけでは、その冷却損失の低減分が排気損失に転換されて図示熱効率の向上にはあまり寄与しないところ、このエンジン1では、高圧縮比化に伴う高膨張比化によって、冷却損失の低減分に相当する燃焼ガスのエネルギを、機械仕事に効率よく変換している。すなわち、エンジン1は、冷却損失及び排気損失を共に低減させる構成を採用することによって、図示熱効率を大幅に向上させているということができる。   It should be noted that if the cooling loss is simply reduced, the reduced cooling loss is converted into exhaust loss and does not contribute much to the improvement in the illustrated thermal efficiency. The energy of the combustion gas corresponding to the reduced cooling loss is efficiently converted into mechanical work. That is, it can be said that the illustrated thermal efficiency is greatly improved in the engine 1 by adopting a configuration that reduces both the cooling loss and the exhaust loss.

ここで、エンジン負荷が上記所定値以下である低負荷領域では、気筒内(燃焼室17内)全体の空気過剰率λが2以上、又は、気筒内におけるガスの燃料に対する重量比G/Fが30以上に設定される。これにより、低負荷領域において、断熱層による断熱化を図って図示熱効率を向上させながら、RawNOxを低減することができる。RawNOx低減の観点からは、上記空気過剰率λ≧2.5がより一層好ましい。また、上記空気過剰率λ=8で図示熱効率がピークになることから、上記空気過剰率λの範囲としては、2≦λ≦8(より好ましくは2.5≦λ≦8)が好ましい。尚、混合気のリーン化は、スロットル弁20を開き側に設定することになるから、ガス交換損失(ポンピングロス)の低減による図示熱効率の向上にも寄与し得る。   Here, in the low load region where the engine load is equal to or less than the predetermined value, the excess air ratio λ in the entire cylinder (inside the combustion chamber 17) is 2 or more, or the weight ratio G / F of gas to fuel in the cylinder is It is set to 30 or more. Thereby, in the low load region, RawNOx can be reduced while achieving thermal insulation by the heat insulation layer and improving the illustrated thermal efficiency. From the viewpoint of reducing RawNOx, the excess air ratio λ ≧ 2.5 is more preferable. In addition, since the illustrated thermal efficiency reaches a peak when the excess air ratio λ = 8, the range of the excess air ratio λ is preferably 2 ≦ λ ≦ 8 (more preferably 2.5 ≦ λ ≦ 8). Note that the lean air-fuel mixture sets the throttle valve 20 on the open side, which can contribute to the improvement of the indicated thermal efficiency by reducing the gas exchange loss (pumping loss).

一方、上記高負荷領域では、トルク優先により、気筒内全体の空気過剰率λ=1に設定される(混合気層では、空気過剰率λ<1となる)。尚、上記所定値は、エンジン回転数が大きくなるに連れて大きくなってもよく、エンジン回転数に関係なく一定の値であってもよい。   On the other hand, in the high load region, the excess air ratio λ = 1 in the entire cylinder is set to give priority to torque (in the air-fuel mixture layer, the excess air ratio λ <1). The predetermined value may increase as the engine speed increases, and may be a constant value regardless of the engine speed.

上記インジェクタ33による燃料噴射時において、噴射開始から終了まで外開弁42のリフト量が一定(噴射信号の電圧が一定)であったとすると(図3の二点鎖線参照)、上記混合気層において燃料濃度が不均一になる傾向が生じる。すなわち、燃料噴射時の初期に噴射された燃料噴霧は、ペネトレーションが小さくかつ気筒内圧力の抵抗を受けるために、燃料噴射方向の前側に進み難く、その後に続く燃料噴霧が、その初期の燃料噴霧に追い着いて初期の燃料噴霧を前側へ押すとともに、後側に尾を引いてかすれたようになり、このことが燃料噴射時の末期の燃料噴霧まで続く。この結果、燃料噴射方向において前側及び後側部分にリーン領域が生じ、中央部分にリッチ領域が生じることになる(図4の二点鎖線参照)。また、初期の燃料噴霧は、後続の燃料噴霧によって前側に押される一方、末期の燃料噴霧は後側に尾を引いてかすれたようになるので、燃料噴射方向において後側部分の燃料濃度が前側部分の燃料濃度以下になる傾向にある(図4の二点鎖線参照)。このように混合気層で燃料濃度の不均一が生じると、混合気の着火性が悪化する。   If the lift amount of the outer opening valve 42 is constant (the voltage of the injection signal is constant) from the start to the end of injection during the fuel injection by the injector 33 (see the two-dot chain line in FIG. 3), There is a tendency for the fuel concentration to become non-uniform. That is, the fuel spray injected at the initial stage of fuel injection has a small penetration and is resistant to the pressure in the cylinder, so it is difficult to proceed forward in the fuel injection direction, and the subsequent fuel spray is the initial fuel spray. At the same time, the initial fuel spray is pushed forward, and the tail is pulled to the rear, which continues until the final fuel spray at the time of fuel injection. As a result, a lean region is generated in the front and rear portions in the fuel injection direction, and a rich region is generated in the central portion (see the two-dot chain line in FIG. 4). In addition, the initial fuel spray is pushed forward by the subsequent fuel spray, while the final fuel spray appears to be blurred by the rear side, so that the fuel concentration in the rear part in the fuel injection direction is The fuel concentration tends to be lower than the partial fuel concentration (see the two-dot chain line in FIG. 4). Thus, when the fuel concentration is uneven in the air-fuel mixture layer, the ignitability of the air-fuel mixture deteriorates.

そこで、本実施形態では、エンジン制御器100は、上記低負荷領域及び高負荷領域のいずれにおいても、燃料噴射時(燃料噴射中)に噴射信号の電圧を変更して、外開弁42のリフト量を変更する。   Therefore, in the present embodiment, the engine controller 100 changes the voltage of the injection signal during fuel injection (during fuel injection) in both the low load region and the high load region, and lifts the open valve 42. Change the amount.

具体的には、図3に実線で示すように、燃料噴射時において、初期及び末期における電圧(リフト量)を、その間における電圧(リフト量)よりも大きくする。また、燃料噴射時の末期における電圧(リフト量)を、当該燃料噴射時の初期における電圧(リフト量)以上にする。   Specifically, as shown by a solid line in FIG. 3, during fuel injection, the voltage (lift amount) at the initial stage and the end stage is made larger than the voltage (lift amount) between them. Further, the voltage (lift amount) at the end of fuel injection is set to be equal to or higher than the voltage (lift amount) at the initial stage of fuel injection.

これにより、燃料噴射時の初期及び末期に噴射された燃料噴霧のペネトレーションが大きくなる(長くなる)とともに、初期及び末期に噴射された燃料量が多くなる。この結果、初期の燃料噴霧は前側に進み易くなり、燃料量の増大と相俟って、リフト量が一定である場合に燃料噴射方向において前側部分に生じるリーン領域の燃料濃度を濃くすることができる。また、末期に噴射された燃料量が多くなることで、リフト量が一定である場合に燃料噴射方向において後側部分に生じるリーン領域の燃料濃度を濃くすることができる。   Thereby, the penetration of the fuel spray injected at the initial stage and the final stage at the time of fuel injection increases (becomes longer), and the amount of fuel injected at the initial stage and the final stage increases. As a result, the initial fuel spray tends to advance forward, and coupled with the increase in the fuel amount, when the lift amount is constant, the fuel concentration in the lean region generated in the front portion in the fuel injection direction can be increased. it can. Further, since the amount of fuel injected at the end stage increases, the fuel concentration in the lean region generated in the rear portion in the fuel injection direction when the lift amount is constant can be increased.

さらに、リフト量が一定である場合、燃料噴射方向において後側部分の燃料濃度が前側部分の燃料濃度以下になるが、燃料噴射時の末期における電圧(リフト量)を、当該燃料噴射時の初期における電圧(リフト量)以上にすることで、燃料噴射方向において前側部分と後側部分との濃度差を小さくすることができる。尚、通常は、後側部分の低濃度領域の燃料噴射方向の長さが、前側部分の低濃度領域の燃料噴射方向の長さよりも長くなるので、燃料噴射時の末期における電圧(リフト量)を、当該燃料噴射時の初期における電圧(リフト量)よりも大きくするようにしてもよい。   Further, when the lift amount is constant, the fuel concentration in the rear portion in the fuel injection direction is equal to or lower than the fuel concentration in the front portion, but the voltage at the end of fuel injection (lift amount) is set to the initial value at the time of fuel injection. By making the voltage (lift amount) or more at, the difference in concentration between the front portion and the rear portion in the fuel injection direction can be reduced. Normally, the length in the fuel injection direction of the low concentration region in the rear portion is longer than the length in the fuel injection direction in the low concentration region of the front portion, so the voltage (lift amount) at the end of fuel injection May be made larger than the initial voltage (lift amount) at the time of fuel injection.

また、初期と末期との間におけるリフト量を小さくして、リフト量が一定である場合に燃料噴射方向において中央部分に生じるリッチ領域の燃料濃度を薄くすることができる。   Further, the lift amount between the initial stage and the end stage can be reduced, and when the lift amount is constant, the fuel concentration in the rich region generated in the central portion in the fuel injection direction can be reduced.

尚、燃料噴射時の初期、末期及びその間の各リフト量は、エンジンの運転状態(特に燃料噴射時の気筒内圧力)に応じて変化し、エンジンの運転状態に応じて、燃料噴霧のペネトレーションが、燃料噴霧が気筒内の外周部まで届かないような所定の大きさ(長さ)に調整される。   It should be noted that the initial and final stages of fuel injection and each lift amount during that time change according to the engine operating condition (especially the cylinder pressure during fuel injection), and the fuel spray penetration varies depending on the engine operating condition. The fuel spray is adjusted to a predetermined size (length) so as not to reach the outer periphery of the cylinder.

したがって、上記のように外開弁42のリフト量を変更することで、図4に実線で示すように、燃料噴射方向において燃料濃度が均一になり、混合気層全体で燃料濃度を均一にすることができる。よって、混合気の着火性を向上させることができる。   Therefore, by changing the lift amount of the outer valve 42 as described above, the fuel concentration becomes uniform in the fuel injection direction as shown by the solid line in FIG. be able to. Therefore, the ignitability of the air-fuel mixture can be improved.

本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、請求の範囲の主旨を逸脱しない範囲で代用が可能である。   The present invention is not limited to the embodiment described above, and can be substituted without departing from the spirit of the claims.

例えば、上記実施形態では、燃焼室17及び吸気ポート18の断熱構造に加えて、気筒内(燃焼室17内)にガス層による断熱層を形成するようにしたが、燃焼室17及び吸気ポート18の断熱構造を採用しないエンジンにも本発明を適用することができる。   For example, in the above embodiment, in addition to the heat insulating structure of the combustion chamber 17 and the intake port 18, a heat insulating layer is formed by a gas layer in the cylinder (inside the combustion chamber 17). The present invention can also be applied to an engine that does not employ this heat insulating structure.

また、上記実施形態では、インジェクタ33が、外開弁42をピエゾ素子44により駆動するピエゾ型の外開弁式インジェクタであるとしたが、ノズル口41から気筒内に燃料を噴射させる外開弁駆動手段としては、ピエゾ素子44には限られない。但し、応答性が良好な点でピエゾ素子44が好ましい。   In the above-described embodiment, the injector 33 is a piezo-type outer valve-opening injector that drives the outer valve 42 by the piezo element 44. However, the outer valve that injects fuel from the nozzle port 41 into the cylinder. The driving means is not limited to the piezo element 44. However, the piezo element 44 is preferable in terms of good response.

上述の実施形態は単なる例示に過ぎず、本発明の範囲を限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は請求の範囲によって定義され、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。   The above-described embodiments are merely examples, and the scope of the present invention should not be interpreted in a limited manner. The scope of the present invention is defined by the scope of the claims, and all modifications and changes belonging to the equivalent scope of the claims are within the scope of the present invention.

本発明は、外開弁式のインジェクタを備えた火花点火式直噴エンジンに有用であり、特に幾何学的圧縮比を高くしつつ冷却損失を低減する場合に有用である。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is useful for a spark ignition direct injection engine having an outer valve-opening injector, and particularly useful for reducing a cooling loss while increasing a geometric compression ratio.

1 火花点火式直噴エンジン
11 シリンダ(気筒)
33 インジェクタ
41 ノズル口
42 外開弁
44 ピエゾ素子(外開弁駆動手段)
100 エンジン制御器(噴射制御手段)
1 Spark ignition direct injection engine 11 Cylinder
33 Injector 41 Nozzle port 42 Open valve 44 Piezo element (External valve drive means)
100 Engine controller (injection control means)

Claims (4)

気筒内に燃料を噴射するノズル口を開閉する外開弁と、該外開弁を該ノズル口を閉じた状態からリフトさせてノズル口を開放することで、ノズル口から気筒内に燃料を噴射させる外開弁駆動手段とを有し、上記外開弁の、上記ノズル口を閉じた状態からのリフト量が大きいほど、上記ノズル口から気筒内に噴射される燃料噴霧のペネトレーションが大きくなるよう構成されたインジェクタを備えた火花点火式直噴エンジンであって、
上記エンジンの幾何学的圧縮比が18以上40以下であり、
上記外開弁駆動手段の作動を制御する噴射制御手段を更に備え、
上記噴射制御手段は、上記エンジンの気筒内の外周部に新気を含むガス層が形成されかつ中心部に混合気層が形成されるように、圧縮行程において上記ノズル口から気筒内に燃料を噴射させるとともに、当該燃料噴射時において、初期及び末期における上記リフト量を、その間における上記リフト量よりも大きくするよう構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。
An external opening valve that opens and closes a nozzle port that injects fuel into the cylinder, and the external opening valve is lifted from a state in which the nozzle port is closed to open the nozzle port, thereby injecting fuel from the nozzle port into the cylinder. The outer valve opening drive means, and the greater the lift amount of the outer valve from the state in which the nozzle port is closed, the greater the penetration of fuel spray injected from the nozzle port into the cylinder. A spark ignition direct injection engine having a configured injector,
The geometric compression ratio of the engine is 18 or more and 40 or less,
Further comprising injection control means for controlling the operation of the outer valve drive means,
The injection control means supplies fuel from the nozzle port into the cylinder during the compression stroke so that a gas layer containing fresh air is formed at the outer peripheral portion of the engine in the cylinder and an air-fuel mixture layer is formed at the center. A spark ignition direct injection engine characterized by being configured to inject, and at the time of the fuel injection, the lift amount in the initial stage and the end stage is made larger than the lift amount in the meantime.
請求項1記載の火花点火式直噴エンジンにおいて、
上記噴射制御手段は、上記燃料噴射時の末期における上記リフト量を、当該燃料噴射時の初期における上記リフト量以上にするよう構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 claim 1,
The spark ignition direct injection engine, wherein the injection control means is configured such that the lift amount at the end of the fuel injection is greater than or equal to the lift amount at the initial stage of the fuel injection.
請求項1又は2記載の火花点火式直噴エンジンにおいて、
上記噴射制御手段は、圧縮行程後期において上記ノズル口から気筒内に燃料を噴射させるよう構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 claim 1 or 2,
The spark ignition type direct injection engine, wherein the injection control means is configured to inject fuel into the cylinder from the nozzle opening in the latter half of the compression stroke.
請求項1又は2記載の火花点火式直噴エンジンにおいて、
上記噴射制御手段は、エンジン負荷が所定値よりも高い高負荷領域にあるときにおいて、燃料の燃焼開始が圧縮上死点以降となるように、圧縮上死点付近で上記ノズル口から気筒内に燃料を噴射させるよう構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 claim 1 or 2,
When the engine load is in a high load region where the engine load is higher than a predetermined value, the injection control means is arranged so that the start of fuel combustion is at or after the compression top dead center from the nozzle opening into the cylinder. A spark ignition direct injection engine configured to inject fuel.
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