JP5321431B2 - In-cylinder internal combustion engine - Google Patents
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Description
本発明は、筒内噴射式内燃機関に関するもので、特に極希薄な混合気の着火性向上に好適なものである。 The present invention relates to a direct injection internal combustion engine, and is particularly suitable for improving the ignitability of an extremely lean air-fuel mixture.
近年、燃焼室内の点火プラグ近傍に直接燃料を噴射して、成層燃焼を行うことにより排ガス特性と燃焼安定性との両立を図ろうとする、いわゆるスプレーガイド式の内燃機関について種々提案されている。 In recent years, various types of so-called spray guide type internal combustion engines have been proposed in which fuel is directly injected into the vicinity of an ignition plug in a combustion chamber and stratified combustion is performed to achieve both exhaust gas characteristics and combustion stability.
例えば、特許文献1には、3つの吸気弁と2つの排気弁を備えた5弁構造の燃焼室城壁の中央部に、インジェクタの噴射口と点火プラグの電極部とを、電極部が噴射口よりも燃焼室内方かつ燃料噴霧稜線の中に位置するように配置した筒内噴射型火花点火式内燃機関が開示されている。
For example,
特許文献2には、成層燃焼法を行う場合であっても、確実に混合気を着火させるべく、中心電極と中心電極との間に所定の着火領域を形成する接地電極とを備え、燃料噴射弁から直接噴射された燃料を含む混合気を着火する点火プラグが、着火領域より混合気の着火直前における混合気の気流の上流側であって、少なくとも対抗する2面の壁面に挟まれて形成されるガス流速減衰流路を備えることによって、混合気の流速を減速して混合気の着火を行う筒内噴射式内燃機関が開示されている。 Patent Document 2 includes a ground electrode that forms a predetermined ignition region between the center electrode and the center electrode in order to reliably ignite the air-fuel mixture even when the stratified combustion method is performed. A spark plug for igniting an air-fuel mixture containing fuel directly injected from a valve is formed on the upstream side of the air-flow of the air-fuel mixture immediately before the air-fuel mixture is ignited and sandwiched between at least two opposing wall surfaces An in-cylinder injection internal combustion engine is disclosed that includes a gas flow rate attenuation flow path that reduces the flow rate of the air-fuel mixture and ignites the air-fuel mixture.
ところが、特許文献1にあるような従来の燃焼制御装置では、点火プラグの電極部が燃料噴霧の稜線の中に位置するように配置してあるため、燃料噴霧の流速が極めて速い場合には、中心電極と接地電極と間に発生した放電火花が吹き飛ばされて、着火できなくなる虞がある。
また、噴射された燃料を含む混合気の空燃比が可燃領域よりも低い層が直接的に点火プラグの着火領域に達する場合には、着火が困難となったり、電極に未燃燃料が堆積したりする虞もある。
However, in the conventional combustion control device as disclosed in
In addition, when a layer whose air-fuel ratio of the air-fuel mixture including the injected fuel is lower than the combustible region directly reaches the ignition region of the spark plug, ignition becomes difficult or unburned fuel accumulates on the electrode. There is also a risk that.
筒内噴射式内燃機関では、燃料噴射弁から噴射された燃料が速い流速で燃料点火プラグ近傍を通過するため、放電アークが引き延ばされたり、吹き飛ばされたりすることがある。放電アークが引き延ばされた場合には、放電アークの表面積が増加し、可燃性の混合気に接触する確率が高くなり、着火性が改善される場合もある。
しかし、従来の筒内噴射式内燃機関においては、放電アークの引き延ばし形状や引き延ばし方向が安定せず、出力変動の要因となり、放電アークが吹き飛ばされた場合には、失火の虞もある。
In a direct injection internal combustion engine, the fuel injected from the fuel injection valve passes through the vicinity of the fuel spark plug at a high flow rate, so that the discharge arc may be extended or blown away. When the discharge arc is extended, the surface area of the discharge arc is increased, the probability of contact with the combustible air-fuel mixture is increased, and the ignitability may be improved.
However, in the conventional direct injection internal combustion engine, the extension shape and the extension direction of the discharge arc are not stable, which causes output fluctuations, and there is a risk of misfire if the discharge arc is blown away.
一般に、燃料噴射弁から燃焼室内に噴射された燃料噴霧は、中心部の燃料濃度が最も高く、外周方向に向かって、燃焼室内の空気との混合が進み、燃料濃度が徐々に低くなる。混合気中の燃料濃度が一定範囲を超え過剰に高濃度である場合や、過剰に希薄な場合には着火が不安定となる。
また、燃料噴霧の流速は、中心部が最も速く、外周方向に向かって徐々に遅くなる。混合気の流速が速すぎると、放電アークが吹き消され、混合気の流速が遅すぎると、放電アークの引き延ばしによる着火性向上効果は生まれない。
このため、点火プラグの近傍には、着火に適した混合比及び流速の混合気を配設する必要がある。
しかし、燃料噴射弁から噴射される燃料の流速や噴射方向は、内燃機関の運転状況によって変動し、着火に適した混合気の配置も燃焼サイクル間で変動するため、従来の筒内噴射式内燃機関では、着火が不安定となる虞がある。
In general, the fuel spray injected from the fuel injection valve into the combustion chamber has the highest fuel concentration in the center, and the mixing with the air in the combustion chamber proceeds toward the outer periphery, and the fuel concentration gradually decreases. When the fuel concentration in the air-fuel mixture exceeds a certain range and is excessively high or excessively lean, ignition becomes unstable.
Further, the flow rate of the fuel spray is fastest at the center and gradually slows toward the outer periphery. When the flow rate of the air-fuel mixture is too high, the discharge arc is blown out, and when the flow rate of the air-fuel mixture is too slow, the effect of improving the ignitability by extending the discharge arc is not produced.
For this reason, it is necessary to arrange an air-fuel mixture with a mixing ratio and flow rate suitable for ignition near the spark plug.
However, the flow rate and direction of fuel injected from the fuel injection valve vary depending on the operating conditions of the internal combustion engine, and the arrangement of the air-fuel mixture suitable for ignition also varies between combustion cycles. In an engine, ignition may become unstable.
また、従来の筒内噴射式内燃機関では、限界空燃比A/Fは30程度が限界とされ、より一層の希薄化が望まれている。 Further, in the conventional cylinder injection internal combustion engine, the limit air-fuel ratio A / F is limited to about 30, and further dilution is desired.
そこで、本発明はかかる実情に鑑み、燃焼室内に直接燃料が噴射される筒内噴射式内燃機関において、着火性に優れ信頼性の高い筒内噴射式内燃機関を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide an in-cylinder injection internal combustion engine having excellent ignitability and high reliability in a direct injection internal combustion engine in which fuel is directly injected into a combustion chamber.
第1の発明では、燃焼室に燃料を直接噴射する燃料噴射弁と点火プラグとを備えた筒内噴射式内燃機関において、上記点火プラグが、少なくとも、プラグの中心に設けた中心電極と、絶縁碍子を介して所定の放電ギャップを設けて上記中心電極の先端に対向する接地電極と、上記中心電極に導通し上記中心電極の中心軸に対して上記燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧に近づく側に延設した偏心電極と、上記接地電極の先端を上記偏心電極の上記燃料噴霧側に近い端縁に対向するように伸ばした接地電極延設部とを具備し、上記燃料噴射弁から燃料が噴射されたときに発生する引込み気流を上記放電ギャップに作用させる筒内噴射式内燃機関であって、上記中心電極の先端面とこれに対向する上記接地電極の上面までの最短距離を第1の放電ギャップとし、上記偏心電極の先端面とこれに対向する上記接地電極延設部の上面までの最短距離を第2の放電ギャップとしたとき、上記第1の放電ギャップを、上記第2の放電ギャップよりも短く設定すると共に、上記第2の放電ギャップを上記中心電極の先端から上記接地電極延設部の端縁までの距離よりも短く設定する(請求項1)。 In a first invention, in a direct injection internal combustion engine including a fuel injection valve for directly injecting fuel into a combustion chamber and an ignition plug, the ignition plug is insulated from at least a center electrode provided at the center of the plug. A grounding electrode facing the tip of the center electrode by providing a predetermined discharge gap via an insulator, and conducting to the center electrode and approaching the fuel spray injected from the fuel injection valve with respect to the center axis of the center electrode An eccentric electrode extending to the side, and a ground electrode extending portion that extends the tip of the ground electrode so as to face the edge of the eccentric electrode close to the fuel spraying side. In a cylinder injection internal combustion engine that causes a drawn air flow generated when a gas is injected to act on the discharge gap, the shortest distance between the front end surface of the center electrode and the upper surface of the ground electrode facing the first surface is a first distance. Discharge When the shortest distance between the tip surface of the eccentric electrode and the upper surface of the extended portion of the ground electrode facing this is the second discharge gap, the first discharge gap is the second discharge gap. And the second discharge gap is set to be shorter than the distance from the tip of the center electrode to the edge of the ground electrode extension (claim 1).
第1の発明によれば、上記中心電極の先端とその対向する位置における上記接地電極の端縁との間に発生した放電アークは、上記燃料噴射時に発生する引込み気流によって吹き消されることなく、該放電アークの一端が上記中心電極から上記偏心電極に移動し、より噴霧に近い位置に移動しながら放電アークが維持される。
このとき、中心電極と接地電極との最短距離で放電が開始されるため、一定の条件で放電が開始され、機関の運転状況によって変化する引込み気流の流速に応じて、放電アークが上記偏心電極と上記接地電極延設部との間に移動する。
放電アークを引き延ばす引込み気流の流速が遅い場合には、上記第1の放電ギャップにおいて放電が維持され、要求される放電電圧が低く、それだけ長く放電を維持でき、着火性の向上を図ることができる。
一方、放電アークを引き延ばす引込み気流の流速が速い場合には、放電アークが吹き飛ばされることなく、上記第1の放電ギャップから上記第2の放電ギャップへ放電アークが移動し、より燃料噴霧に近い位置で放電アークが形成されるので、着火性の向上を図ることができる。
さらに、上記中心電極の先端と上記接地電極延設部の端縁との間の絶縁耐圧よりも上記第2の放電ギャップの絶縁耐圧の方が低いので、中心電極と接地電極との間に形成された放電アークに引込み気流が作用したときに、上記中心電極の先端と上記接地電極延設部先端との間で放電アークを形成するのではなく、速やかに上記偏心電極の先端と接地電極延設部の先端との間へ移動し、燃料噴霧の着火性の良い可燃層に近づく。
したがって、所定の放電エネルギに対して放電時間を実質的に長くすることができるので、着火性が向上し、成層燃焼における更なる希薄化が可能となり、より安定した着火が実現できる。
According to the first invention, the discharge arc generated between the tip of the center electrode and the edge of the ground electrode at the opposite position is not blown out by the drawn air flow generated during the fuel injection, One end of the discharge arc moves from the center electrode to the eccentric electrode, and the discharge arc is maintained while moving to a position closer to spraying.
At this time, since the discharge is started at the shortest distance between the center electrode and the ground electrode, the discharge is started under a certain condition, and the discharge arc is changed to the eccentric electrode according to the flow velocity of the drawn airflow that changes depending on the engine operating condition. And the ground electrode extending portion.
When the flow velocity of the drawn-in air flow that extends the discharge arc is slow, the discharge is maintained in the first discharge gap, the required discharge voltage is low, the discharge can be maintained for that long, and the ignitability can be improved. .
On the other hand, when the flow velocity of the entrained air flow that extends the discharge arc is high, the discharge arc moves from the first discharge gap to the second discharge gap without being blown away, and is closer to the fuel spray. Since a discharge arc is formed, ignitability can be improved.
Further, since the withstand voltage of the second discharge gap is lower than the withstand voltage between the tip of the center electrode and the edge of the extended portion of the ground electrode, it is formed between the center electrode and the ground electrode. Instead of forming a discharge arc between the tip of the center electrode and the tip of the ground electrode extension portion when a drawn air current acts on the discharged arc, the tip of the eccentric electrode and the extension of the ground electrode are quickly formed. It moves to the tip of the installation part and approaches a combustible layer with good ignitability of fuel spray.
Accordingly, since the discharge time can be substantially increased with respect to the predetermined discharge energy, the ignitability is improved, further dilution in the stratified combustion is possible, and more stable ignition can be realized.
第2の発明では、上記点火プラグの放電ギャップを上記燃焼室内の所定位置に固定すべく上記接地電極に延設して設けたハウジングの先端と上記偏心電極の先端との最短距離を第3の放電ギャップとしたとき、該第3の放電ギャップを上記第2の放電ギャップよりも長く設定する(請求項2)。 In the second invention, the shortest distance between the tip of the housing and the tip of the eccentric electrode provided to extend to the ground electrode to fix the discharge gap of the spark plug at a predetermined position in the combustion chamber is the third distance. when the discharge gap, the discharge gap of the third set longer than the second discharge gap (claim 2).
第2の発明によれば、上記偏心電極と上記ハウジングの先端との間で放電するいわゆる横飛び現象を抑制し、確実に第2の放電ギャップに放電アークを発生させることができるので、着火が不安定となる虞がない。 According to the second invention, since a so-called side jump phenomenon that discharges between the eccentric electrode and the tip of the housing can be suppressed and a discharge arc can be generated in the second discharge gap with certainty, ignition can be prevented. There is no risk of instability.
第3の発明では、上記点火プラグを上記接地電極延設部の先端が上記燃料噴射弁の位置する側に向かうように配設しつつ、上記点火プラグの中心軸と上記燃料噴射弁の中心軸とを結ぶ直線を含む平面に対する、上記接地電極及び上記接地電極延設部のなす角度をプラグ搭載角としたとき、該プラグ搭載角を0°より大きく90°より小さい範囲に設定する(請求項3)。 In a third aspect of the invention, the spark plug is disposed such that the tip of the ground electrode extending portion faces the side where the fuel injection valve is located, and the center axis of the ignition plug and the center axis of the fuel injection valve When the angle formed by the ground electrode and the ground electrode extension portion with respect to a plane including a straight line connecting the two is defined as a plug mounting angle, the plug mounting angle is set in a range larger than 0 ° and smaller than 90 °. 3 ).
第3の発明によれば、上記燃料噴射弁から燃焼室内に燃料が噴射されたときに周囲の空気の持ち去りによって発生する燃料の噴射方向とは略逆向きの引込み気流が上記点火プラグに発生する放電アークに作用すると、該放電アークが上記中心電極から上記偏心電極の先端に向かって移動しつつ、上記燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧に近づき、安定した着火を実現できる。なお、本発明者等の鋭意試験により、本発明の範囲を外れ、上記プラグ搭載角度を90°以上に設定した場合、即ち、上記接地電極延設部の先端を上記燃料噴射弁の載置位置から離れる方向に向けた場合、上記放電アークは燃料の噴射方向に対して下流側に伸び、着火が不安定となり、数%程度の確率で失火の虞があることが判明した。 According to the third invention, when the fuel is injected from the fuel injection valve into the combustion chamber, a drawn air flow is generated in the spark plug in a direction substantially opposite to the fuel injection direction generated by the removal of surrounding air. When acting on the discharge arc, the discharge arc moves toward the tip of the eccentric electrode from the center electrode, approaches the fuel spray injected from the fuel injection valve, and realizes stable ignition. It should be noted that when the plug mounting angle is set to 90 ° or more by the inventors' diligent test and the plug mounting angle is set to 90 ° or more, that is, the tip of the ground electrode extending portion is placed at the mounting position of the fuel injection valve. When the discharge arc is directed away from the fuel, it has been found that the discharge arc extends downstream with respect to the fuel injection direction, the ignition becomes unstable, and there is a possibility of misfire with a probability of several percent.
図1から図3を参照して、本発明の第1の実施形態における筒内噴射式内燃機関1及び本実施形態に用いられる点火プラグ10について説明する。
図1(a)から(c)に示すように、点火プラグ10には、少なくとも、プラグの中心に設けた中心電極11と、略筒状の絶縁碍子12を介して所定の放電ギャップを設けて中心電極放電部110の先端面に対向する接地電極130と、中心電極11に導通し中心電極11の中心軸に対してプラグの外径方向に伸びるように延設した偏心電極20と、接地電極130の先端を偏心電極20の端縁に対向するように、プラグの外径方向に伸ばした接地電極延設部21とが設けられている。
また、中心電極放電部110の先端面とこれに対向する接地電極130の上面までの最短距離を第1の放電ギャップAG1とし、偏心電極20の先端面とこれに対向する接地電極延設部21の上面までの最短距離を第2の放電ギャップAG2としたとき、第1の放電ギャップAG1は、第2の放電ギャップAG2よりも短く設定されている。
接地電極130に延設して設けられたハウジング13の先端のシュラウド132と偏心電極20の先端との最短距離を第3の放電ギャップAG3としたとき、ハウジング13の外径φDに応じて、第3の放電ギャップAG3が第2の放電ギャップAG2よりも長くなるように絶縁碍子先端部120がシュラウド132から露出する部分の長さを適宜設定する。
中心電極放電部110の先端縁と接地電極延設部21の外周方向先端縁までの対角距離AG4は、第2の放電ギャップAG2よりも長くなっている。
放電部110の先端縁と接地電極130の側端縁との対角方向の距離AG5は、第2の放電ギャップAG2と等しいかそれ以下とするのが望ましい。
偏心電極20の幅Eは、中心電極放電部110の外径φdと同等か、又は、接地電極延設部21の幅Fと同等となるように設定されている。
With reference to FIGS. 1 to 3, a direct injection
As shown in FIGS. 1A to 1C, the
Further, the shortest distance to the upper surface of the distal end surface and the
When the shortest distance a third discharge gap AG 3 with the
Diagonal distance AG 4 to the outer peripheral direction leading edge of the leading edge of the center
Distance AG 5 diagonal direction between the side edges of the leading edge and the
The width E of the
図2に示すように、筒内噴射式内燃機関1は、エンジン40と、複数の噴孔31から燃焼室400内に燃料FLを直接噴射する燃料噴射弁30と、燃料噴射弁30の直下で、点火プラグ10の放電ギャップの中心点PAGと燃料噴射弁30の先端PZNLまでのプラグ−噴孔間距離が所定の範囲となるように配設された点火プラグ10と、筒内噴射式内燃機関40を制御する電子制御装置(ECU)50とによって構成されている。
筒内噴射式内燃機関40は、エンジンヘッド41と略筒状のシリンダ42とシリンダ42内に可動に収納されたピストン43とによって構成され、エンジンヘッド41の内壁とシリンダ42の内周壁とピストン43の頂面とによって燃焼室400が区画されている。
エンジンヘッド41には吸気バルブ411によって開閉される吸気筒410と、排気バルブ421によって開閉される排気筒420とが形成されている。
As shown in FIG. 2, the in-cylinder injection
The in-cylinder injection
The
燃料噴射弁30から燃焼室400内に、高圧の燃料FLが噴射されると、その周囲の空気を持ち去り(エアエントレインメント)、低圧部が形成されるので、燃料FLの噴射方向とは略逆向きの引込み気流ARENTが発生する。
点火プラグ10は、内燃機関40のエンジンヘッド41に先端部を燃焼室400内に露出した状態で固定されており、点火プラグ10には、点火プラグ10の放電領域に発生する引込み気流ARENTによって放電アークARCが吹き飛ばされるのを防ぐと共に、実質的な放電時間を延ばすべく、放電アークARCが燃焼室400内に噴射された燃料噴霧FLの可燃層LSTに近づくよう偏心電極20及び接地電極延設部21が設けられている。
When the high-pressure fuel FL is injected from the
The
本発明の筒内噴射式内燃機関1では、燃料噴射弁30に対して点火プラグ10を特定の距離に配設し、燃料噴射弁30から燃料FLが噴射されたときに燃料の噴射方向とは逆方向の引込み気流ARENTを発生するエアエントレインメントを点火プラグ10の第1の放電ギャップAG1の中心点PAG近傍に作用させるようにしている。
ECU50では、機関の運転状況に応じて燃料噴射弁の開弁開始時期及び開弁時間t3を決定する燃料噴射信号INJを発信し、燃料噴射弁30への通電を開始し、燃料噴射弁30の開弁の立ち上がりから所定の点火開始時間t1経過後に、燃料噴射弁30からの燃料噴射が継続中に、点火プラグ10への2次電圧V2の印加が開始され、所定の点火エネルギ供給時間t2の間、2次電流I2の放電を維持され、所定の燃料噴射時間t3経過によって燃料噴射弁30が閉弁される。
燃料噴射弁30から燃料噴射が継続中に点火プラグ10への高電圧の印加し、発生する初期放電アークARCINTをエアエントレインメントを利用して燃料噴霧FLの可燃層LSTに近い位置に移動させつつ、引延ばされた放電アークARCENLを、噴射された燃料噴霧と周囲の空気とが適度な空燃比に混合された可燃層LSTにさらに近づけると共に延長放電アークARCENLの表面積の増加に伴う着火性の向上を利用することによって極めて希薄な混合気の点火を可能としたことを特徴としている。
In the in-cylinder
In
High voltage is applied for to the
図3を参照して本実施形態における点火プラグ10のより具体的な構成について詳述する。点火プラグ10は、略筒状に形成された絶縁碍子12と、絶縁碍子12に設けた軸孔に挿入固定された略長軸状の中心電極11と、絶縁碍子12をその内部に収納しつつ内燃機関40のシリンダヘッド41に固定するハウジング13と、ハウジング13の先端に延設して設けられた接地電極130と、本発明の要部であり、中心電極11に導通し中心電極11の中心軸に対して燃料噴射弁30から噴射される燃料噴霧FL近づく側に延設した偏心電極20と、中心電極11の先端部110に所定の放電ギャップAG1を隔てて対向する接地電極130の先端を偏心電極20の燃料噴霧側に近い端縁に対向するように伸ばした接地電極延設部21とによって構成されている。
A more specific configuration of the
中心電極11は、例えば内材としてCu等の熱伝導性に優れた金属材料が用いられ、外材としてNi基合金等の耐熱性及び耐食性に優れた金属材料が用いられて長軸状に形成されている。
中心電極11は、中心電極放電部110を絶縁碍子先端部120から燃焼室400内に露出するように設けられている。
偏心電極20は、中心電極放電部110に導通し、点火プラグ10の外径方向に伸びるように、略平板状に形成されている。
中心電極放電部110及び偏心電極20は、耐熱性の高いイリジウム合金や特殊なNi合金によって形成されている。
中心電極11の基端側には、絶縁碍子12の軸孔内部において、中心電極中軸部111と導電性のガラスシール112を介して電気的に接続された長軸状のステム113が設けられている。さらにその基端側には、碍子頭部122から露出し、外部の図略の点火装置に接続される中心電極端子部114が形成されている。
The
The
The
The center
On the proximal end side of the
絶縁碍子12は、高純度アルミナ等の耐熱性、絶縁性に優れたセラミックス材料を用いて略筒状に形成されている。絶縁碍子12の軸孔には略長軸状に形成された中心電極11が挿入・固定されている。
絶縁碍子12の中腹には径大となる係止部121が形成されており、ハウジング13の内側に設けられたハウジング係止部135に係止されると共に、封止部材を介してハウジング加締め部137によって加締め固定されている。
絶縁碍子12の碍子先端部120は燃焼室400に露出しつつ、ハウジング13の先端に設けられた略環状のシュラウド132によってその外側が取り囲まれている。
絶縁碍子12の基端側は、ハウジング13の加締め部137から露出する碍子頭部122が設けられている。碍子頭部122は、コルゲート状に形成され中心電極端子部112とハウジング13との表面距離を長くして沿面リークを防止している。
The
A locking
The
On the base end side of the
ハウジング13は、例えば、導電性の低炭素鋼等の高耐熱性金属材料を用いて略筒状に形成されている。ハウジング13の先端側は中心電極11の側面に絶縁碍子12を介して対向する側面電極134を形成している。側面電極134の外周面には、燃焼室400内の所定位置に点火プラグ10の先端を固定すべくエンジンヘッド41に設けられたねじ穴に固定するためのネジ部133が設けられている。ネジ部133の先端側には略環状のシュラウド部132が設けられている。
ハウジング13の中腹内周は先端側に向かって径小となる係止部135が形成され、内側に絶縁碍子12の係止部121が係止され、基端側には加締め部137が形成され、封止部材を介して絶縁碍子12の係止部121を覆うように加締め固定している。
ハウジング13の基端側外周にはネジ部134を締めつけるためのナット部136が形成されている。ネジ部134は、エンジンヘッド41に設けられたネジ穴にガスケットを介して螺結される。
The
A locking
A
ハウジング13のシュラウド部131に延設して、接地電極脚部131を介して略L字状に伸びる接地電極130が形成され、接地電極130は、所定の放電ギャップAG1を設けて中心電極放電部110に対向している。
接地電極130の先端側に延設して、偏心電極20に所定の放電ギャップAG2を設けて対向する接地電極延設部21が接地電極130と一体的に形成されている。
接地電極130及び接地電極延設部21は、例えばNiを主成分とするNi基合金等を用いて断面略角柱形状に形成されている。
And extended to the
And extending the front end side of the
The
図4、図5を参照し、本発明の第1の実施形態における筒内噴射式内燃機関1の効果について説明する。
燃料噴射弁30の複数の噴孔31から燃料が噴射され、そのうち2つの燃料噴流FL1、FL2との間に挟まれるように点火プラグ10が配設されている。
ECU50からの燃料噴射信号INJにしたがって、燃料噴射弁30から極めて高い圧力の燃料が噴射されると、燃料噴流FL1、FL2によって周囲の空気が持ち去られ、圧力の低い部分が形成され、燃焼室400内の圧力の高い部分から低い部分に向かうように、燃料噴流FL1、FLの噴射方向とは略逆向きの引込み気流ARENTが発生する。
ECU50からの点火信号に従って、点火プラグ10に高電圧が印加されると、中心電極放電部110の先端縁とこれに対向する接地電極130の側縁の最短距離、即ち第1の放電ギャップAG1の近傍で、初期放電アークARCINTが発生する。
このとき、燃料噴射に伴うエアエントレインメントにより発生する引込み気流ARENTによって、初期放電アークARCINTが燃料噴射弁30の方向に引き寄せられる。
すると、中心電極放電部110と接地電極130との間で発生した初期放電アークは、偏心電極20と接地電極130との間で放電するように移動し、さらに、偏心電極20と接地電極延設部21との間で放電するように移動し、偏心電極20の先端縁と接地電極延設部21の先端縁との間の放電に変わる。
さらに、両電極間の最短距離である第2の放電ギャップAG2で放電が維持されるのに加え、偏心電極20及び接地電極延設部21の角部は電界集中により放電しやすくなっているので、要求電圧が低くなり、放電時間を長く継続できるようになる。
したがって、偏心電極20の先端縁と接地電極延設部21の先端縁との間に形成された放電アークは、燃料噴射弁30の方向に向かう引込み気流ARENTによって長く引き延ばされた延長放電アークARCENLとなる。
このとき、2つの燃料噴流FL1、FL2のうち、延長放電アークARCENLにより近い方の燃料噴流FL2の燃料と空気との混合比が安定して着火できる割合となった可燃層LSTに近づくため安定した着火が実現できる。
The effects of the direct injection
The fuel is injected from the plurality of nozzle holes 31 of the
When extremely high pressure fuel is injected from the
Accordance ignition signal from
At this time, the initial discharge arc ARC INT is drawn toward the
Then, the initial discharge arc generated between the center
Furthermore, in addition to the discharge being maintained at the second discharge gap AG2, which is the shortest distance between the two electrodes, the corners of the
Therefore, the discharge arc formed between the front end edge of the
At this time, the combustible layer L ST in which the mixing ratio of the fuel and air of the fuel jet FL 2 closer to the extended discharge arc ARC ENL among the two fuel jets FL 1 and FL 2 can be stably ignited. Stable ignition can be realized because it approaches.
図5に模式的に示すように、初期放電アークARCINTに比べて延長放電アークARCENLは、長く引き延ばされ、かつ、燃料噴流FL2の可燃層LSTに近い位置に発生するので、極めて着火安定性に優れている。
従来のスパーク点火では、点火プラグの中心で放電アークが発生するため、消炎効果によって火炎核の成長速度が遅くなったり、燃料噴流の可燃層を点火プラグに近づける必要があるので、燃料が直接点火プラグに付着してデポジットを形成したりする虞がある。
一方、本発明によれば、延長放電アークARCENLが、点火プラグ10の中心からはずれて偏心電極20と接地電極延設部21との間で形成されるため、消炎効果も小さくなり、火炎核の成長速度が速くなる。
加えて燃料噴流FLを点火プラグ10に近づけるのではなく、長く引き延ばされた延長放電アークARCENLが燃料噴流FLの可燃層LSTに近づくのでデポジットも形成され難くなる。
As shown schematically in FIG. 5, the extension discharge arc ARC ENL in comparison to the initial discharge arc ARC INT is extended long and, therefore generated in a position close to the combustible layer L ST of the fuel jet FL 2, Excellent ignition stability.
In the conventional spark ignition, a discharge arc is generated at the center of the spark plug, so that the flame extinguishing effect slows the growth rate of the flame kernel, or the fuel jet combustible layer needs to be close to the spark plug, so the fuel is directly ignited. There is a risk of depositing on the plug.
On the other hand, according to the present invention, the extended discharge arc ARC ENL deviates from the center of the
In addition, instead of closer to the fuel jet FL to the
ここで、図6を参照して、燃料噴射弁30から噴射された燃料噴流FLの中心と点火プラグの放電ギャップの中心点PAGとの距離に対する、当量比分布の変化と、流速分布の変化について説明する。
図6(a)に示すように、燃料噴流の中心近傍では、当量比が1.5以上で、空気に対する燃料比率が高すぎて着火できない不燃層LTRを形成し、燃料噴流の外側に向かって徐々に燃料の混合比が低下し、安定して着火可能な当量比0.5〜1.5の可燃層LSTが形成され、さらにその外側には、燃料比率が低すぎて着火できない不燃層LTLが形成されている。
また、図6(b)に示すように、燃料噴流の中心部分は流速VARが極めて速く、外側に向かって徐々に流速が低下している。
流速VARが20m/sより速いと、放電アークARCが吹き飛ばされてしまい着火が不安定となり、流速VARが20m/s以下であること、放電アークARCが安定して形成される。
本実施形態においては、燃料噴流FLの中心から点火プラグ10のギャップ中心PAGまでのプラグ−噴霧中心間距離dを1.1mm以上5.2mm以下の範囲となるように、点火プラグ10と燃料噴射弁30とを配設するのが望ましいことが判明した。
また、本実施形態における筒内噴射式内燃機関1の実機試験によって、限界空燃比A/Fを40程度まで向上させることができることが判明した。
Referring now to FIG. 6, with respect to the distance between the center point P AG discharge gap center and the ignition plug of the fuel jet FL injected from the
As shown in FIG. 6 (a), in the vicinity of the center of the fuel jet, in an equivalent ratio of 1.5 or more, to form a combustible layer L TR that can not be ignited fuel ratio is too high for the air, towards the outside of the fuel jet gradually decreases mixing ratio of the fuel, stably combustible layer L ST of ignitable equivalent ratio from 0.5 to 1.5 is formed, further the outside, non-combustible fuel ratio can not be ignited too low Te A layer LTL is formed.
Further, as shown in FIG. 6 (b), the flow velocity VAR is extremely high in the center portion of the fuel jet, and the flow velocity gradually decreases toward the outside.
When the flow velocity VAR is higher than 20 m / s, the discharge arc ARC is blown off, and the ignition becomes unstable, the flow velocity VAR is 20 m / s or less, and the discharge arc ARC is stably formed.
In the present embodiment, the plug from the center of the fuel jet FL to gap center P AG of the spark plug 10 - the spray center distance d such that 5.2mm or less in the range above 1.1 mm, the
Further, it has been found that the limit air-fuel ratio A / F can be improved to about 40 by an actual machine test of the direct injection
図7を参照して、本発明の第2の実施形態における筒内噴射式内燃機関1aについて説明する。なお、上記実施形態と同様の構成については同じ符号を付したので説明を省略し、相違点についてのみ説明する(以下の実施形態において同様である。)。
本実施形態においては、上記実施形態と同様の構成を基本とし、点火プラグ10aとして、接地電極延設部21の先端が燃料噴射弁30の位置する側に向かうように配設しつつ、点火プラグ10aの中心軸と燃料噴射弁30の中心軸とを結ぶ直線(ギャップ中心点PAGとノズル中心点PNZLとを結ぶ直線)を含む平面に対する、接地電極130及び接地電極延設部21のなす角度をプラグ搭載角θPLGとしたとき、プラグ搭載角θPLGを0°より大きく90°より小さい範囲に設定した点が相違する。
このような角度で、点火プラグ10aを装着すると、燃料噴射弁30から燃焼室400内に燃料が噴射されたときに周囲の空気の持ち去りによって発生する燃料の噴射方向とは略逆向きの引込み気流ARENTが点火プラグ10aに発生する初期放電アークARCINTに作用すると、初期放電アークARCINTが中心電極110から偏心電極20の先端に向かって移動しつつ、燃料噴射弁30から噴射された燃料噴霧FL2の可燃層LSTに近づき、安定した着火を実現できる。
なお、本発明者等の鋭意試験により、本発明の範囲を外れ、プラグ搭載角度θPLGを90°以上に設定した場合、即ち、接地電極延設部21の先端を燃料噴射弁の載置位置から離れる方向に向けた場合、初期放電アークARCINTは燃料の噴射方向に対して下流側に伸び、着火が不安定となり、数%程度の確率で失火の虞があることが判明した。エアエントレインメントによる引込み気流ARENTが燃料噴射弁30に近づく方向に向かって発生するのに対し、接地電極延設部を燃料噴射弁30から離れる方向に向けることにより、放電アークは、燃料噴射弁30から離れる方向に引き寄せられるので、相反する力が作用し、放電が不安定となるためと推察される。
With reference to FIG. 7, the direct injection
In the present embodiment, the
When the
It should be noted that when the plug mounting angle θ PLG is set to 90 ° or more by an intensive test by the present inventors, the tip of the ground
図8を参照して、本発明の第3の実施形態における筒内噴射式内燃機関に用いられる点火プラグ10bについて説明する。
本実施形態においては、上記実施形態と同様の構成を基本とし、接地電極延設部をさらに延設し、シュラウド132に繋ぐように、接地電極130bを略コ字形に形成し、偏心電極20bを中心電極放電部110の両側に張り出すように形成した点が相違する。
本実施形態においては、燃料噴射弁30から噴射される燃料噴流FL1、FL2に対して、均等の距離に偏心電極20bの両側の端が位置するように点火プラグ10bが配設した場合、燃料噴流FL1、FL2のいずれか一方に近い位置で延長放電アークARCENLが形成される。
また、初期放電アークARCINTにより強い引込み気流ARENTが作用した場合に、上記実施形態のように接地電極を略L字形に形成したときには、延長放電アークARCENLをより長く引き伸ばすように作用するのに対して、本実施形態のようにコ字形に形成した場合には、放電経路がL字形の場合には放電アークが形成されない中心電極放電部110と接地電極脚部131bとの間の短い距離へ延長放電アークARCENLが移動するため、筒内流動が強く、放電アークの引き伸ばし長さが長くなる条件でも、放電維持に要するエネルギを低減することが可能となる。
なお、本実施形態において、シュラウド132と接地電極130bとを繋ぐ接地電極脚部131bが、偏心電極20bの両端に近い位置に配置されるので、点火プラグ10bの外径φDによっては、偏心電極20bと接地電極脚部131bとの間の距離を接地電極130の中心部までの最短距離以上に離すことができず、この間で初期放電ARCINTが起こる虞がある。
このような場合には、接地電極脚部131bの表面の一部を絶縁性耐熱部材でコーティングしたり、接地電極脚部131bを断面円形に形成して、電界集中し難くしたりする等によって、意図しない位置での初期放電ARCINTの発生を防止することも可能である。
With reference to FIG. 8, the
In the present embodiment, the
In the present embodiment, when the
In addition, when a strong entrainment air flow AR ENT is acted on by the initial discharge arc ARC INT , when the ground electrode is formed in a substantially L shape as in the above embodiment, the extended discharge arc ARC ENL acts to extend longer. On the other hand, when it is formed in a U-shape as in this embodiment, when the discharge path is L-shaped, a short distance between the center
In the present embodiment, the
In such a case, a part of the surface of the
図9を参照して、本発明の第3の実施形態における筒内噴射式内燃機関1bにおける点火プラグ10bの搭載角θPLGを変化させた場合の効果について説明する。
図9(a)に示すように、搭載角θPLGを0°に設定した場合、中心電極放電部110の両側に偏心電極20bが伸びているので、放電アークARCが燃料噴射の状況に応じて任意の位置に移動できる。
図9(b)に示すように、搭載角θPLGを0°より大きく90°より小さく設定した場合、上記第2の実施形態と同様の効果が期待できる。
図9(c)に示すように、搭載角θPLGを90°に設定した場合、燃料噴射弁30の位置する側の接地電極脚部131bによって、引込み気流ARENTに乱れが生じ、火炎核の燃焼速度を向上させる効果が期待できる。
従って、本発明の第1の実施形態のように接地電極延設部21を含む接地電極130を略L字形に形成した場合に比べて、本実施形態のように接地電極130bを略コ字形にすることによって点火プラグ10bの搭載角θPLGの自由度が増す。
With reference to FIG. 9, the effect when the mounting angle θ PLG of the
As shown in FIG. 9A, when the mounting angle θ PLG is set to 0 °, since the
As shown in FIG. 9B, when the mounting angle θ PLG is set larger than 0 ° and smaller than 90 °, the same effect as in the second embodiment can be expected.
As shown in FIG. 9 (c), when the mounting angle θ PLG is set to 90 °, the
Therefore, compared to the case where the
図10を参照して、本発明の第4の実施形態における筒内噴射式内燃機関1cについて説明する。上記実施形態においては、エンジン40の中心に燃料噴射弁30を載置し、その直下に位置するように点火プラグ10を配設した例を示したが、本発明は上記実施形態に限定するものではなく、燃料噴射弁と点火プラグとを特定の距離で配置し、放電ギャップ中心から燃料噴射弁から噴射される2つの燃料噴流までの距離を所定の範囲に設定し、燃料噴射継続中に点火を行うことによって、燃料噴射時に発生するエアエントレインメントによる引込み気流を放電アークに作用させたときに、放電アークが偏心電極20と接地電極延設部21との間に移動し、噴射された燃料噴流の可燃層に近い位置で引き延ばされた放電アークを発生させて着火性向上させることができるものであれば、図10に示すように、点火プラグ10cを燃焼室400cの中央に載置し、燃料噴射弁30cを点火プラグ10cの直下となる位置に載置しても良い。
With reference to FIG. 10, a direct injection internal combustion engine 1c according to a fourth embodiment of the present invention will be described. In the said embodiment, although the
1 筒内噴射式内燃機関
10 点火プラグ
11 中心電極
110 中心電極放電部
12 絶縁碍子
120 絶縁碍子先端部
13 ハウジング
130 接地電極
131 接地電極脚部
20 偏心電極
21 接地電極延設部
30 燃料噴射弁
400 燃焼室
ARENT エアエントレインメントによる引込み気流
ARCINT 初期放電アーク
ARCENL 延長放電アーク
AG1 第1の放電ギャップ
AG2 第2の放電ギャップ
FL 燃料噴流
DESCRIPTION OF
Claims (3)
上記点火プラグが、少なくとも、プラグの中心に設けた中心電極と、絶縁碍子を介して所定の放電ギャップを設けて上記中心電極の先端に対向する接地電極と、上記中心電極に導通し上記中心電極の中心軸に対して上記燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧に近づく側に延設した偏心電極と、上記接地電極の先端を上記偏心電極の上記燃料噴霧側に近い端縁に対向するように伸ばした接地電極延設部とを具備し、
上記燃料噴射弁から燃料が噴射されたときに発生する引込み気流を上記放電ギャップに作用させる筒内噴射式内燃機関であって、
上記中心電極の先端面とこれに対向する上記接地電極の上面までの最短距離を第1の放電ギャップとし、上記偏心電極の先端面とこれに対向する上記接地電極延設部の上面までの最短距離を第2の放電ギャップとしたとき、上記第1の放電ギャップを、上記第2の放電ギャップよりも短く設定すると共に、
上記第2の放電ギャップを上記中心電極の先端から上記接地電極延設部の端縁までの距離よりも短く設定したことを特徴とする筒内噴射式内燃機関 In a cylinder injection internal combustion engine including a fuel injection valve that directly injects fuel into a combustion chamber and an ignition plug,
The spark plug includes at least a center electrode provided at the center of the plug, a ground electrode facing a tip of the center electrode with a predetermined discharge gap provided through an insulator, and the center electrode connected to the center electrode. An eccentric electrode extending toward the fuel spray injected from the fuel injection valve with respect to the central axis of the central electrode, and a tip of the ground electrode facing an edge of the eccentric electrode near the fuel spray side. An extended ground electrode extending portion,
A direct injection internal combustion engine that causes a drawn airflow generated when fuel is injected from the fuel injection valve to act on the discharge gap ,
The shortest distance between the front end surface of the center electrode and the upper surface of the ground electrode facing the first discharge gap is the first discharge gap, and the shortest distance between the front end surface of the eccentric electrode and the upper surface of the ground electrode extending portion facing the first discharge gap. When the distance is the second discharge gap, the first discharge gap is set shorter than the second discharge gap,
The in-cylinder injection internal combustion engine, wherein the second discharge gap is set to be shorter than the distance from the tip of the center electrode to the edge of the ground electrode extension portion.
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