JPH04107485U - 筒内直噴式エンジンの点火装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 点火プラグ７の中心電極７ａの濡れを防止
し、かつインジェクタ６からの燃料噴霧Ｆに乱流を生じ
させることで筒内直噴式エンジンの燃焼を安定化する。 【構成】 インジェクタ６の燃料噴射方向前方にプラグ
ギャップ７ｃを臨ませて筒内直噴式エンジンに設置され
る点火プラグ７は、接地電極７ｂが中心電極７ａよりイ
ンジェクタ６側に位置している。そこでインジェクタ６
から噴射された燃料噴霧Ｆは、高温の接地電極７ｂに衝
突して蒸発が促進されると共に乱流となり、中心電極７
ａを濡らすことなく良好に着火される。また乱流となる
ことで火炎伝播性も向上する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、インジェクタにより気筒内に直接燃料を噴射する形式の筒内直噴式 エンジンに関し、詳しくは、その成層（層状）燃焼を安定化できるようにした点 火装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】

オットーサイクルのガソリンエンジンにおいて、インジェクタにより気筒内に 直接燃料を噴射する方式では、燃料噴射時期と点火時期との関係を適切に設定す ることで、インジェクタから噴射された濃混合気状態の燃料噴霧を点火プラグ付 近に維持し、これに直接着火して火炎伝播により燃焼を進行させる成層（層状） 燃焼を行わせることができる。

【０００３】 このような成層燃焼は、残留ガスの多い状態でも安定して行われるので、２サ イクルエンジンの低・中負荷領域の運転に好適であるが、４サイクルエンジンに おいても燃料噴射量による負荷制御が可能となり、吸気絞り損失が少なく、空燃 比を大幅にリーン化して熱効率、燃費を向上し得る。

【０００４】 ここで、火花点火により成層燃焼を行おうとする場合、点火プラグの形状やそ の配置、点火位置などは着火性に大きく影響し、成層燃焼を安定して確実に行う 上で重要な要素となる。そこで従来、成層燃焼方式を採用する筒内直噴式エンジ ンでは、種々の点火装置が提案されている。

【０００５】 このような点火装置の従来例として、例えば特開昭６２−１２９５１７号公報 では、燃焼室に形成したコーナ部に燃料噴射ノズル（インジェクタ）の副噴孔を 臨ませると共に、上記コーナ部にスパークプラグ（点火プラグ）を配設し、スパ ークプラグ近傍の混合気を濃くして燃焼性能を向上するようにしている。また特 開平１−２７３８２４号公報では、燃焼室の軸芯上に位置させた点火プラグの点 火位置（プラグギャップ）に燃料噴射ノズルから霧化燃料を供給して安定した着 火と火炎伝播とを図るようにしている。

【０００６】 また、成層燃焼に好適な点火プラグ自体の従来例として、実開昭６２−１４９ １８５号公報には、燃料噴射ノズルからの燃料噴霧を捕集する捕集部材を設けた ものが紹介され、実開昭６３−１１２７８９号公報には、燃料噴射ノズルからの 燃料噴霧が直接放電場（プラグギャップ）に至るのを防止する第１のシュラウド と、燃料噴霧を衝突させて放電場に導く第２のシュラウドとを設けたものが紹介 されている。

【０００７】

【考案が解決しようとする課題】

ところで、前記公報に記載のような捕集部材あるいは第１、第２のシュラウド は、形状およびマスが比較的に大きいため、点火プラグによる着火後に消炎を起 こし、あるいは火炎伝播を妨げるという不都合がある。

【０００８】 また、一般的に、筒内直噴式エンジンにおいて成層燃焼が行われる場合には、 インジェクタから噴射された濃混合気状態の燃料噴霧が点火プラグのプラグギャ ップを通過するので、点火プラグの中心電極が燃料濡れを起こして失火すること がある。

【０００９】 そこで本考案は、点火プラグの失火を防止すると共に、燃料噴霧の蒸発の促進 および乱流の生成を可能とし、安定した着火および火炎伝播により筒内直噴式エ ンジンの成層燃焼を安定化することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】

この目的のため本考案は、インジェクタの燃料噴射方向前方にプラグギャップ を臨ませて点火プラグが設置される筒内直噴式エンジンの点火装置において、上 記点火プラグは、インジェクタからの燃料噴霧が中心電極に直接衝突するのを防 止するように接地電極を中心電極よりインジェクタ側に位置させたことを特徴と している。

【００１１】

【作用】

このような手段では、インジェクタから噴射された燃料噴霧は点火プラグの接 地電極に衝突して乱流となり、接地電極と中心電極との間のプラグキャップに到 達して着火される。

【００１２】 ここで燃料噴霧は、高温の接地電極に衝突するので蒸発が促進され、乱流とな ることで火炎伝播性が向上する。また燃料噴霧は中心電極に直接衝突しないので 中心電極を濡らすことがなく、点火プラグの失火を伴わずに良好に着火される。 従って、筒内直噴式エンジンの成層燃焼は安定して行われる。

【００１３】

【実施例】

以下、本考案の一実施例を添付の図面に基づいて具体的に説明する。 筒内直噴式エンジンの燃料噴射系および点火系の一例を示す図１において、符 号１はシリンダブロックであり、そのシリンダボア２にはピストン３が往復摺動 自在に嵌挿されている。また、シリンダブロック１に接続したシリンダヘッド４ には、燃焼室５内に燃料を噴射するインジェクタ６と、噴射された燃料に着火す る点火プラグ７とが固定されている。

【００１４】 前記燃焼室５は、中心から縦スワール上流側にオフセットして設けられる円弧 状のキャビティ５ａを有し、このキャビティ５ａがテーパ部５ｂを介してスキッ シュエリア５ｃに連続する形状をなしている。そして前記インジェクタ６は、上 記キャビティ５ａの中心線上の頂部から燃焼室５内に燃料を噴射するようにシリ ンダヘッド４に固定されている。

【００１５】 また、前記点火プラグ７はその中心電極７ａと接地電極７ｂとを前記テーパ部 ５ｂから燃焼室５内に臨ませるように斜めの姿勢でシリンダヘッド４に固定され ている。そして中心電極７ａと接地電極７ｂとの間に形成されるプラグギャップ ７ｃは、スワール流の影響を受けにくい燃焼室５の中央部に位置してインジェク タ６の燃料噴射方向前方に臨んでいる。

【００１６】 前記インジェクタ６は高圧１流体電磁式のシングルホール形ノズルを有するも ので、噴射角度φは約４０〜８０度の範囲が好ましい。また、燃料噴射圧力に対 する燃料噴霧の粒径および貫通力の特性は図２の（ａ）に示すとおりである。す なわち、３０〜１００ｋｇ／（ｃｍ・ｃｍ）程度の噴射圧の適正使用範囲ａにお いて貫通力は一定化し、噴射エネルギが微粒化に費やされて粒径が小さく、粒径 の平均値は略１０μｍである。

【００１７】 また、インジェクタ６による燃料噴霧Ｆの形状は図２の（ｂ）に示すようにコ ーン型であり、外側Ｆａは粒径が大きくて燃料密度も大きいが、空気との剪断力 により空気を取込んである距離を進むと微粒化が進み、着火燃焼に適するように なる。また、内側Ｆｂは噴霧が中空状になりやすく小粒径で燃料微粒子密度が小 さくなるので、着火燃焼に適している。この場合の燃料噴射率（時間当りの燃料 噴射量）は、常に所定の一定値に設定されている。

【００１８】 前記インジェクタ６と点火プラグ７のプラグギャップ７ｃとの距離は、短いと 燃料噴霧Ｆの噴射速度が高いため空気の巻込み、すなわち、噴霧と空気の混合が 不十分となって着火し難くなる。また逆に長いと燃料噴霧Ｆが過剰に拡散して混 合気のリーン化により着火不良が生じたり、ガス流動等の外乱を受け易く、サイ クル変動も生じる。従って、燃料噴霧Ｆの速度が噴霧初速より低下した所定速度 となる第１の距離（例えば１５ｍｍ）と、燃料噴霧Ｆがあまり拡散しない状態の 第２の距離（例えば３０ｍｍ）との間の所定距離Ｌにプラグギャップ７ｃが位置 するように点火プラグ７が配設されている。

【００１９】 ここで、前記点火プラグ７は、ガスケット７ｄの厚さを適宜選択することで接 地電極７ｂが中心電極７ａよりインジェクタ６側に位置するように固定されてお り、インジェクタ６から噴射された燃料噴霧Ｆが接地電極７ｂに衝突し、中心電 極７ａには直接衝突しないようになっている。

【００２０】 なお、前記点火プラグ７は、シリンダヘッド４に対して周方向に位置調節可能 な図示省略したアダプタに一旦取り付け、このアダプタを別部材によりシリンダ ヘッド４に固定して接地電極７ｂが中心電極７ａよりインジェクタ６側に位置す るようにセットしてもよい。

【００２１】 一方、前記インジェクタ６には、燃料供給装置１０の燃料タンク１１から燃料 ポンプ１２、フィルタ１３、レギュレータ１４を介して延びる燃料通路１５が連 通し、レギュレータ１４で燃圧制御された燃料が供給されるようになっている。 また、このインジェクタ６および前記点火プラグ７には、制御ユニット２０から の燃料噴射信号および点火信号が入力するようになっている。

【００２２】 制御ユニット２０は、アクセル開度センサ３０およびクランク角センサ３１か ら信号入力し、駆動部３２，３３を介してインジェクタ６および点火プラグ７に それぞれ信号出力するもので、アクセル開度センサ３０の検出信号はエンジン負 荷検出部２１に入力してエンジン負荷Ｑが検出され、クランク角センサ３１の検 出信号はエンジン回転数検出部２２およびクランク角度検出部２３に入力してそ れぞれエンジン回転数Ｎ、クランク角度θが検出されるようになっている。

【００２３】 前記エンジン負荷Ｑ、エンジン回転数Ｎ、クランク角度θの各信号は点火時期 決定部２４に入力し、点火時期設定部２５のマップ検索によりエンジン負荷Ｑ、 エンジン回転数Ｎに応じた各運転条件に適する点火時期Ｉｇが決定される。そし てこの点火時期Ｉｇの点火信号が駆動部３２を介して点火プラグ７に出力される ようになっている。

【００２４】 一方、燃料噴射系について述べると、エンジン負荷Ｑ、エンジン回転数Ｎの各 信号が入力する燃料噴射パルス幅設定部２６を有する。この燃料噴射パルス幅設 定部２６は、エンジン負荷Ｑ、エンジン回転数Ｎに応じた各運転条件に適する基 本燃料噴射量を演算し、これに種々の補正を加えて燃料噴射量を算出するもので 、算出した燃料噴射量に応じた燃料噴射パルス幅Ｔｉを定める。

【００２５】 また、前記エンジン回転数Ｎ、クランク角度θ、点火時期Ｉｇ、燃料噴射パル ス幅Ｔｉの各信号を入力して燃料噴射開始時期Ｉｓと燃料噴射終了時期Ｉｅとを 算出する噴射時期決定部２７を有する。そしてこの噴射時期決定部２７からの燃 料噴射時期信号は前記駆動部３３を介してインジェクタ６に入力されるようにな っている。

【００２６】 このように構成された一実施例の筒内直噴式エンジンでは、エンジンの運転中 において、アクセル開度センサ３０、クランク角センサ３１の検出信号が制御ユ ニット２０に常時入力している。そこで制御ユニット２０は、エンジン回転数Ｎ 、エンジン負荷Ｑの信号を燃料噴射パルス幅設定部２６に入力することで、各運 転条件に応じた燃料噴射パルス幅Ｔｉを設定する。また、エンジン負荷Ｑ、エン ジン回転数Ｎ、クランク角度θの各信号を点火時期決定部２４に入力することで 、ノッキングが生じないような各運転条件に適する点火時期Ｉｇを決定する。さ らにこの点火時期Ｉｇ、燃料噴射パルス幅Ｔｉ、エンジン回転数Ｎ、クランク角 度θの各信号を噴射時期決定部２７に入力することで、図３のフローチャートに 示す制御を実行し、燃料噴射パルス幅Ｔｉのクランク角換算値θｉおよび燃料噴 霧がプラグギャップ７ｃに到達する時間のクランク角換算値θｓを算出して燃料 噴射開始時期Ｉｓと燃料噴射終了時期Ｉｅとを決定する。

【００２７】 制御ユニット２０の噴射時期決定部２７で決定された燃料噴射時期信号Ｉｓ， Ｉｅは前記駆動部３３を介してインジェクタ６に出力され、点火時期決定部２４ で決定された点火時期Ｉｇの点火信号は駆動部３２を介して点火プラグ７に出力 される。そこで、インジェクタ６は燃料噴射時期信号Ｉｓ，Ｉｅに応じて所定の タイミングで燃料を燃焼室５内に噴射し、この燃料噴霧に対して点火プラグ７が 点火時期Ｉｇの点火信号に応じた所定のタイミングで着火することによりエンジ ンの運転が継続される。

【００２８】 なお、このようなエンジンの運転中において、掃気行程でシリンダボア２内に 吸気され新気は、圧縮行程で燃焼室５内に縦スワール流を生じるが、この縦スワ ール流は燃焼室５のキャビティ５ａ、テーパ部５ｂ、スキッシュエリア５ｃの壁 面に沿って流れるので、点火プラグ７のプラグギャプ７ｃにはあまり影響を与え ない。

【００２９】 図４の（ａ）〜（ｄ）はエンジンの低・中負荷時における圧縮行程を示してお り、同図（ａ）のようにインジェクタ６から噴射された燃料は、同図（ｂ）のよ うにコーン型の燃料噴霧Ｆとなって点火プラグ７のプラグギャプ７ｃ側へ進行す る。

【００３０】 ここで、点火プラグ７の接地電極７ｂは中心電極７ａよりインジェクタ６側に 位置しているため、インジェクタ６から噴射された燃料噴霧Ｆは接地電極７ｂに 直接衝突してスケールの小さい乱流となり、プラグギャップ７ｃの後方に広がる 。このように燃料噴霧Ｆは中心電極７ａに直接衝突しないので中心電極７ａを濡 らすことがない。そして高温の接地電極７ｂに衝突することで燃料の蒸発も促進 される。

【００３１】 図４の（ｃ）のように燃料噴霧Ｆの後半部分が点火プラグ７のプラグギャップ ７ｃに到達すると、中心電極７ａから接地電極７ｂに火花が飛んで燃料噴霧Ｆが 着火される。このとき中心電極７ａは燃料噴霧Ｆにより濡らされていないので、 着火は良好に行われ、点火プラグ７の失火が防止される。

【００３２】 着火された燃料噴霧Ｆは図４の（ｄ）のように火炎伝播して成層燃焼するので あり、このとき燃料噴霧Ｆは乱流となっているので、火炎伝播も良好に行われ、 エンジンは安定して成層燃焼する。

【００３３】 なお、エンジンの高負荷運転時においては、低・中負荷時より早めの点火時期 に多量の燃料がインジェクタ６から噴射されるため、燃料噴霧Ｆはピストン３の 上昇により拡散混合して均一の混合気となり、空気利用率の高い均一燃焼が行わ れる。そしてこの均一燃焼の場合においても、インジェクタ６から噴射される燃 料噴霧Ｆは中心電極７ａに直接衝突してこれを濡らすことがないので、プラグギ ャップ７ｃによる着火は良好に行われ、点火プラグ７の失火が防止される。

【００３４】

【考案の効果】

以上説明したとおり本考案によれば、インジェクタから噴射された燃料噴霧は 点火プラグの接地電極に衝突して乱流となり、接地電極と中心電極との間のプラ グキャップに到達して着火される。

【００３５】 ここで燃料噴霧は、高温の接地電極に衝突するので蒸発が促進され、乱流とな ることで火炎伝播性が向上する。また燃料噴霧は中心電極に直接衝突しないので 中心電極を濡らすことがなく、点火プラグの失火を伴わずに良好に着火される。 従って、筒内直噴式エンジンの成層燃焼を安定して行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の一実施例が適用される筒内直噴式エン
ジンの燃料噴射系および点火系の構成図である。

【図２】（ａ）は一実施例における燃料噴霧の噴射圧力
と粒径、貫通力との関係を示す線図であり、（ｂ）は燃
料噴霧の状態を示す斜視図である。

【図３】一実施例における燃料噴射時期算出の手順を示
すフローチャートである。

【図４】一実施例における成層燃焼の状態を示すエンジ
ンの部分断面図である。

【符号の説明】

１ シリンダブロック ２ シリンダボア ３ ピストン ４ シリンダヘッド ５ 燃焼室 ５ａ キャビティ ５ｂ テーパ部 ５ｃ スキッシュエリア ６ インジェクタ ７ 点火プラグ７ ７ａ 中心電極 ７ｂ 接地電極 ７ｃ プラグギャップ ７ｄ ガスケット １０ 燃料供給装置 １１ 燃料タンク １２ 燃料ポンプ １３ フィルタ １４ レギュレータ １５ 燃料通路 ２０ 制御ユニット ２１ エンジン負荷検出部 ２２ エンジン回転数検出部 ２３ クランク角度検出部 ２４ 点火時期決定部 ２５ 点火時期マップ設定部 ２６ 燃料噴射パルス幅設定部 ２７ 噴射時期決定部 ３０ アクセル開度センサ ３１ クランク角センサ ３２ 駆動部 ３３ 駆動部

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 インジェクタの燃料噴射方向前方にプラ
   グギャップを臨ませて点火プラグが設置される筒内直噴
   式エンジンの点火装置において、上記点火プラグは、イ
   ンジェクタからの燃料噴霧が中心電極に直接衝突するの
   を防止するように接地電極を中心電極よりインジェクタ
   側に位置させたことを特徴とする筒内直噴式エンジンの
   点火装置。