JPH10169526A - 直接筒内噴射式火花点火機関 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 冷機始動時における燃料の噴射特性の劣化を
防止する。 【解決手段】 燃焼室内に直接燃料を噴射すべくシリン
ダヘッド１１に燃料噴射弁１２を取り付けてなる直接筒
内噴射式火花点火機関において、燃料噴射弁１２の先端
部を加熱するヒータ１９を設け、冷機始動時にヒータ１
９を作動させる。ヒータ１９の設置位置は、シリンダヘ
ッド１１の燃料噴射弁１２が取り付けられた部分の近傍
に埋設し、あるいは燃料噴射弁１２に直接内蔵させるこ
とができる。冷機始動時に燃料噴射弁１２の先端部をヒ
ータ１９により加熱して、燃料噴射弁１２の先端部の温
度を上昇させるようにしたから、冷機始動時における燃
料噴射弁１２と燃焼室内との温度差を小さくすることが
でき、燃料噴射弁１２を構成する各部品の熱変形量を小
さくすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃焼室内に直接燃
料を噴射すべくシリンダヘッドに燃料噴射弁を取り付け
てなる直接筒内噴射式火花点火機関に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の直接筒内噴射式火花点火機関とし
ては、例えば、特開平６−２０７５４２号公報に開示さ
れたものが知られている。その概略構成を図８を参照し
て説明する。

【０００３】同図において、３１はシリンダブロックで
あり、シリンダブロック３１の内部にはピストン３２が
摺動自在に嵌挿されている。ピストン３２の冠面（頂
面）の一部には凹部３２ａが形成されている。シリンダ
ブロック３１の上部にはシリンダヘッド３３が取り付け
られている。

【０００４】シリンダヘッド３３には、その概略中央部
に点火プラグ３４が取り付けられ、点火プラグ３４の外
側の位置に、吸気弁３５ａを有する吸気流路３５及び排
気弁３６ａを有する排気流路３６が形成されている。シ
リンダヘッド３３の吸気流路３５のさらに外側には、燃
料噴射弁３７が取り付けられている。燃料噴射弁３７
は、シリンダブロック３１の内面とピストン３２の冠面
とシリンダヘッド３３の内面により画成される燃焼室内
に燃料を直接噴射する。

【０００５】このような構成を採用することにより、低
負荷条件での運転時には圧縮行程末期に燃料噴射弁３７
からピストン３２の冠面の凹部３２ａに向けて燃料を噴
射することで、点火プラグ３４の周辺の限られた領域に
のみ可燃混合気を形成して、希薄燃焼を実現するもので
ある。

【０００６】点火プラグ３４の周辺の限られた領域にの
み適切な可燃混合気を形成させるためには、燃料噴射弁
３７の燃料噴射量や噴霧構造（噴霧形状）の正確さが要
求される。このため、燃料噴射弁３７の先端部（その近
傍を含む。以下同じ。）は加工精度を高くできるよう
に、複数の部品により構成されている。

【０００７】すなわち、燃料噴射弁３７の先端部は、噴
射口を有するとともに該噴射口を開閉するプランジャが
挿入されたノズル部品、該ノズル部品を受容するノズル
受容部品、該ノズル部品の該噴射口の内側に設けられた
噴射燃料を旋回させる燃料旋回素子等の複数の部品から
構成されている。

【０００８】また、シリンダヘッド３３に燃料噴射弁３
７を取り付ける際には、ガスシール機能を有するガスシ
ール部材を燃料噴射弁３７とシリンダヘッド３３との間
に介装し、燃焼室内からシリンダヘッド３２の燃料噴射
弁取付口を通過してガスが漏洩するのを防止するように
している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の直接筒内噴射式火花点火機関にあっては、複数
の部品により構成される燃料噴射弁の先端部の温度管理
を行うことができないため、冷機始動時における燃焼室
内外の温度差が大きい低温条件下（例えば、外気温：−
１０℃〜−２０℃）では、燃料噴射弁の先端部を構成す
る各部品の熱変形量（熱膨張率）が異なった場合に、燃
料の噴射特性にばらつきを生じ、その結果として燃焼安
定性が悪化するという問題点があった。

【００１０】さらに図９に示す具体的データを参照して
詳細に説明する。図９はポート内噴射機関との対比にお
ける直接筒内噴射機関の特性を示すグラフである。ここ
で、横軸は機関温度（℃）であり、縦軸は機関の燃焼安
定度を示す筒内の燃焼圧力変動量（σ_Pi）を示してい
る。

【００１１】同図に示されているように、直接筒内噴射
機関は機関温度が−２０℃より低温になると、燃料噴射
弁の先端部と燃焼室内との温度差が大きくなり、燃料噴
射弁の先端部を構成する各部品の熱変形量が一様でなく
なるため、プランジャ（針弁）と燃料噴射口との相対的
な位置関係がばらつき、燃料噴射量や噴霧構造（噴霧形
状）等の噴射特性のばらつき幅が大きくなってしまうの
で、筒内圧変動が急激に大きくなり燃焼安定度が悪化す
る。

【００１２】燃焼安定度が悪化すると、機関出力が低下
することは勿論のこと、騒音を増加させ、さらに未燃ガ
スが排出されるおそれもある。

【００１３】本発明は、このような点に鑑みてなされた
ものであり、冷機始動時における燃料の噴射特性、燃焼
安定性に優れた直接筒内噴射式火花点火機関を提供する
ことを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
ために、請求項１記載の本発明の直接筒内噴射式火花点
火機関は、燃焼室内に直接燃料を噴射すべくシリンダヘ
ッドに燃料噴射弁を取り付けてなる直接筒内噴射式火花
点火機関において、前記燃料噴射弁を加熱するヒータ手
段を設け、冷機始動時に該ヒータ手段を作動させるよう
にしたことを特徴とする。

【００１５】請求項１記載の本発明の直接筒内噴射式火
花点火機関によると、冷機始動時に燃料噴射弁をヒータ
手段により加熱して、燃料噴射弁の温度を上昇させるよ
うにしたから、冷機始動時における燃料噴射弁と燃焼室
内との温度差を小さくすることができ、燃料噴射弁を構
成する各部品の熱変形量を小さくすることができる。

【００１６】従って、各部品の熱変形に伴う噴射特性の
劣化が防止され、冷機始動時における燃焼安定性を向上
することができる。また、ヒータ手段は、燃料噴射弁自
体のみならず、その内部の燃料をも間接的に加熱するこ
とになるから、冷機始動時における燃料の流動性が良好
となり、噴霧の微粒化が促進されるため、これによる噴
射特性の向上も図ることができる。

【００１７】請求項２記載の本発明の直接筒内噴射式火
花点火機関は、請求項１記載の直接筒内噴射式火花点火
機関において、前記ヒータ手段は、前記シリンダヘッド
に埋設されていることを特徴とする。

【００１８】請求項１記載の直接筒内噴射式火花点火機
関のヒータ手段の設置場所を具体的に特定したものであ
り、この場合は燃料噴射弁はシリンダヘッドに埋設され
たヒータ手段により該シリンダヘッドを介して加熱され
ることになる。

【００１９】請求項３記載の本発明の直接筒内噴射式火
花点火機関は、請求項１記載の直接筒内噴射式火花点火
機関において、前記ヒータ手段は、前記燃料噴射弁に内
蔵されていることを特徴とする。

【００２０】請求項１記載の直接筒内噴射式火花点火機
関のヒータ手段の設置場所を具体的に特定したものであ
り、この場合は燃料噴射弁は該燃料噴射弁に内蔵された
ヒータ手段により直接的に加熱されることになる。

【００２１】請求項４記載の本発明の直接筒内噴射式火
花点火機関によると、請求項１記載の直接筒内噴射式火
花点火機関において、前記ヒータ手段は、前記燃料噴射
弁と前記シリンダヘッドとの間に介装されたガス漏洩防
止用のシール部材に内蔵されていることを特徴とする。

【００２２】請求項１記載の直接筒内噴射式火花点火機
関のヒータ手段の設置場所を具体的に特定したものであ
り、燃料噴射弁は該燃料噴射弁とシリンダヘッドとの間
に介装されたガス漏洩防止用のシール部材に内蔵された
ヒータ手段によりに加熱される。

【００２３】この請求項４記載の本発明の直接筒内噴射
式火花点火機関によると、燃焼安定性の向上に加えて、
従来の直接筒内噴射式火花点火機関に対してシール部材
の交換のみで対応することができ、他の部分に大幅な設
計変更を必要とせず、部品数も増加しないので、コスト
の上昇を最小限に抑えることができる。

【００２４】

【発明の効果】請求項１乃至３に記載の本発明の直接筒
内噴射式火花点火機関によると、燃料噴射弁を構成する
各部品の熱変形に伴う噴射特性の劣化が防止され、冷機
始動時における燃焼安定性を向上することができるとい
う効果がある。また、燃料噴射弁内の燃料をも間接的に
加熱することになるから、これによる噴射特性の向上も
図ることができるという効果がある。従って、機関出力
の低下、騒音の増加、さらに有毒な未燃ガスの大量排出
を防止することができる。

【００２５】また、請求項４記載の本発明の直接筒内噴
射式火花点火機関によると、上記の効果に加えて、コス
トの上昇を最小限に抑えることができるという効果もあ
る。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
参照して詳細に説明する。図１乃至図５は本発明の第１
の実施形態に係る直接筒内噴射式火花点火機関を説明す
るための図である。まず、図１の要部構成を示す断面図
を参照する。

【００２７】図１において、１１はシリンダヘッドであ
り、シリンダヘッド１１は、図示は省略しているが、そ
の冠面（頂面）の一部に凹部が形成されたピストンが嵌
挿されたシリンダブロックの上部に固定されている。

【００２８】また、シリンダヘッド１１には、図示は省
略しているが、その概略中央部に点火プラグが取り付け
られ、点火プラグの外側の位置に、吸気弁を有する吸気
流路及び排気弁を有する排気流路が形成されている。シ
リンダヘッド１１の吸気流路のさらに外側には、シリン
ダブロックの内面とピストンの冠面とシリンダヘッド１
１の内面により画成される燃焼室内に燃料を直接噴射す
る燃料噴射弁１２が配置されている。

【００２９】図１に示されているように、シリンダヘッ
ド１１には、燃料噴射弁１２が取り付けられる貫通する
取付穴１３が形成されており、この取付穴１３は、燃焼
室側（同図中で下側）が細径でこれと反対側（同図中で
上側）が太径に形成されることにより、段差面１３ａが
形成された断面が円形の穴である。

【００３０】燃料噴射弁１２の先端部（その近傍を含
む。以下同じ。）は、ピストンの冠面の凹部との協力に
より点火プラグの周辺の限られた領域にのみ適切な可燃
混合気を形成させるために高精度が要求されるので、複
数の部品により構成されている。すなわち、燃料噴射弁
１２の先端部は、ノズル部品１４、プランジャ（針弁）
１５、ノズル受容部品１６、燃料旋回素子１７、及びガ
スシール部材１８等を備えて構成されている。

【００３１】ノズル部品１４は、概略円筒状に形成され
た部材であり、燃焼室側端部に燃料噴射口１４ａを有す
るとともに、中間部分に外側に張り出したフランジ部を
有している。ノズル部品１４の燃料噴射口１４ａの内側
部分は、テーパ状に形成されている。ノズル部品１４の
燃焼室側端部の内面には燃料噴射口１４ａの周囲に位置
するように、リング状の燃料旋回素子１７が配置されて
いる。燃料旋回素子１７は、図２に示されているよう
に、複数の溝１７ａを有しており、燃料噴射時にこれら
の溝１７ａの作用によって、燃料が旋回されて燃料噴射
口１４ａから噴射される。

【００３２】ノズル部品１４の内側には、プランジャ１
５が配置されている。プランジャ１５は、先端が先細テ
ーパ状に形成された概略円柱状の部材であり、その軸心
に沿う方向にスライドされることにより、燃料噴射口１
４ａを開閉する。なお、プランジャ１５の先端をボール
状に形成したものであってもかまわない。

【００３３】ノズル受容部品１６は、その燃焼室側端部
に貫通穴を有する概略円筒状の部材であり、ノズル受容
部品１６の該貫通穴には内側からノズル部品１４が挿入
・嵌合され、ノズル部品１４の燃焼室側端部及びその近
傍がノズル受容部品１６から突出するとともに、ノズル
受容部品１６の燃焼室側端部の内面とノズル部品１４の
フランジ部が当接した状態で、ノズル部品１４はノズル
受容部品１６に一体的に固定されている。

【００３４】このように構成された燃料噴射弁１２は、
ノズル部品１４の燃焼室側端部及びその近傍がシリンダ
ヘッド１１の取付穴１３の細径部に挿入され、ノズル受
容部品１６がシリンダヘッド１１の取付穴１３の太径部
に挿入された状態で、シリンダヘッド１１に固定されて
いる。

【００３５】ノズル受容部品１６の燃焼室側端面の貫通
穴の周囲と、シリンダヘッド１１の取付穴１３の段差面
１３ａとの間には、燃焼室からのガスの漏洩を防止する
ためのリング状のガスシール部材１８が介装されてい
る。

【００３６】シリンダヘッド１１の取付穴１３の細径部
の近傍には、通電により発熱する電熱線からなるヒータ
１９が埋設されている。このヒータ１９は、図３に示さ
れているようなヒータ制御回路によってそのオン／オフ
（ＯＮ／ＯＦＦ）が選択的に制御される。

【００３７】ヒータ制御回路は、バッテリー２０に接続
されたヒータ配線２１、ヒータ配線２１の途中に介装さ
れたリレー回路２２、リレー回路２２によるヒータ１９
への電源の供給又は遮断を各種のセンサからの信号に応
じて制御するコントロールユニット２３を備えている。

【００３８】コントロールユニット２３は、潤滑油等の
油温を検出するセンサ又はラジエータ等の水温を検出す
るセンサからの信号及び必要に応じて燃料噴射弁１２の
先端部付近の温度を検出するセンサからの信号に基づ
き、リレー回路２２のオン又はオフを制御する。

【００３９】コントロールユニット２３による制御を、
図４に示すフローチャートを参照して説明する。このフ
ローチャートは油温又は水温に基づき、ヒータ１９のオ
ン又はオフを制御する場合の処理を示している。

【００４０】まず、イグニッションスイッチがオン（Ｏ
Ｎ）にされると（ステップ「図ではＳＴと表示」１）、
油温又は水温が０℃以下であるか否かが判断され（ステ
ップ２）、真（Ｔ）である場合、すなわち、油温又は水
温が０℃以下である場合には、リレー回路２２にヒータ
１９への通電を行うことを指示するリレーオン信号を送
り、これによりヒータ１９に通電が開始される（ステッ
プ３）。次いで、予め設定された所定の時間Ｔ（秒）が
経過したか否かが判断され（ステップ４）、偽（Ｆ）の
場合、すなわち所定の時間が経過していない場合にはそ
のままの状態を保つ。

【００４１】ステップ４において、真（Ｔ）の場合、す
なわち所定の時間が経過した場合には、リレー回路２２
にヒータ１９への通電を停止することを指示するリレー
オフ信号を送り、これによりヒータ１９に対する通電が
遮断され、加熱が終了される（ステップ５）。次いで、
クランキング（燃料噴射）が開始される（ステップ
６）。ステップ２において、偽（Ｆ）である場合、すな
わち、油温又は水温が０℃以上である場合には、ただち
にクランキングが開始される（ステップ６）。

【００４２】なお、前記所定の時間Ｔは、燃料噴射弁１
２の先端部付近の温度を十分に上昇（例えば、０℃以
上）させるのに必要な時間が実験等により求められて予
め設定されている。

【００４３】コントロールユニット２３による他の制御
を、図５に示すフローチャートを参照して説明する。こ
のフローチャートは油温又は水温及び燃料噴射弁の先端
部付近の温度に基づき、ヒータのオン又はオフを制御す
る場合の処理を示している。

【００４４】まず、イグニッションスイッチがオン（Ｏ
Ｎ）にされると（ステップ「図ではＳＴと表示」１）、
油温又は水温が０℃以下であるか否かが判断され（ステ
ップ２）、真（Ｔ）である場合、すなわち、油温又は水
温が０℃以下である場合には、リレー回路２２にヒータ
１９への通電を行うことを指示するリレーオン信号を送
り、これによりヒータ１９に通電が開始される（ステッ
プ３）。次いで、燃料噴射弁１２の先端部付近の温度が
０℃以下であるか否かが判断され（ステップ４）、偽
（Ｆ）の場合、すなわち燃料噴射弁１２の先端部付近の
温度が０℃以下である場合にはそのままの状態を保つ。

【００４５】ステップ４において、真（Ｔ）の場合、す
なわち燃料噴射弁１２の先端部付近の温度が０℃以上で
ある場合には、リレー回路２２にヒータ１９への通電を
停止することを指示するリレーオフ信号を送り、これに
よりヒータ１９に対する通電が遮断され、加熱が終了さ
れる（ステップ５）。次いで、クランキング（燃料噴
射）が開始される（ステップ６）。ステップ２におい
て、偽（Ｆ）である場合、すなわち、油温又は水温が０
℃以上である場合には、ただちにクランキングが開始さ
れる（ステップ６）。

【００４６】上述した本発明の第１の実施形態による
と、機関温度が低い場合（油温又は水温が０℃以下の場
合）に、ヒータ１９によって燃料噴射弁１２の先端部を
加熱するようにしたから、燃料噴射弁１２の先端部を構
成する各部品の熱変形量を一様化させ、噴射特性のばら
つき幅の拡大を抑制するため、冷機始動時の燃焼安定性
を向上することができる。

【００４７】すなわち、燃料噴射弁１２の先端部と燃焼
室内との温度差が小さくなり、燃料噴射弁１２の先端部
を構成する各部品の熱変形量が一様化され、例えば、プ
ランジャ（針弁）１５の先端と燃料噴射口１４ａとの相
対的な位置関係が適切に保たれることにより燃料噴射量
や噴霧構造（噴霧形状）等の噴射特性が安定し、図９に
示したような筒内圧変動が低くなり、燃焼安定度が向上
する。従って、機関出力の低下、騒音の増加、さらに有
毒な未燃ガスの大量排出を防止することができる。

【００４８】上述した本発明の第１の実施形態では、燃
料噴射弁１２の先端部を加熱するヒータ１９を、シリン
ダヘッド１１の取付穴１３の細径部の近傍に埋設した
が、本発明はこれに限定されず、燃料噴射弁１２自体
に、例えば、燃料噴射弁１２のノズル部品１４の壁の肉
厚内に埋設することができ、このように構成しても上述
した本発明の第１の実施形態と同様の効果を得ることが
できる。

【００４９】次に、本発明の第２の実施形態について、
図６及び図７を参照して説明する。上述した本発明の第
１の実施形態と実質的に同一の構成部分については同一
の番号を付し、その説明は省略する。

【００５０】この第２の実施形態においては、上述した
第１の実施形態のように、ヒータ１９をシリンダヘッド
１１に埋設するのではなく、ガスシール部材に内蔵させ
ている。すなわち、ノズル受容部品１６の燃焼室側端面
の貫通穴の周囲と、シリンダヘッド１１の取付穴１３の
段差面１３ａとの間には、ヒータが内蔵されたリング状
のヒータ付きガスシール部材２４が介装されている。

【００５１】このヒータ付きガスシール部材２４は、上
述した第１の実施形態におけるガスシール部材１８の機
能、すなわち燃料噴射弁１２とシリンダヘッド１１との
隙間からのガスの漏洩を防止する機能を受け持つシール
部２５と、内部に電熱線２６ａが収容されたヒータ部２
６から構成されている。このヒータ部２６の電熱線２６
ａに、図７に示すヒータ制御回路により通電されること
により、燃料噴射弁１２及びシリンダヘッド１１が加熱
される。

【００５２】その他の構成、ヒータ制御回路による制御
フロー、作用効果は、上述した第１の実施形態と同様で
ある。

【００５３】但し、この第２の実施形態では、燃焼安定
性の向上等の効果に加えて、従来の直接筒内噴射式火花
点火機関に対して、そのシール部材を前記ヒータ付きガ
スシール部材２４に交換するだけで対応することがで
き、シリンダヘッド１１や燃料噴射弁１２自体の設計変
更をする必要が無く、部品数も増加しないので、それほ
どコストを上昇させることなく、噴射特性、燃焼安定性
を向上することができる。

【００５４】また、この第２の実施形態のヒータ付きガ
スシール部材２４を、上述した第１の実施形態に適用し
ても良いことは勿論である。

【００５５】なお、以上説明した実施形態は、本発明の
理解を容易にするために記載されたものであって、本発
明を限定するために記載されたものではない。従って、
上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的
範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態の要部構成を示す断面
図である。

【図２】図１の燃料旋回素子の構成を示す平面図であ
る。

【図３】本発明の第１の実施形態のヒータ制御回路の構
成を示す回路図である。

【図４】本発明の第１の実施形態のヒータ制御回路の処
理を示すフローチャートである。

【図５】本発明の第１の実施形態のヒータ制御回路の他
の処理を示すフローチャートである。

【図６】本発明の第２の実施形態の要部構成を示す断面
図である。

【図７】本発明の第２の実施形態のヒータ制御回路の構
成を示す回路図である。

【図８】従来技術の構成を示す断面図である。

【図９】機関温度と筒内圧変動との関係を示すグラフで
ある。

【符号の説明】

１１…シリンダヘッド １２…燃料噴射弁 １３…取付穴 １４…ノズル部品 １５…プランジャ １６…ノズル受容部品 １７…燃料旋回素子 １８…ガスシール部材 １９…ヒータ ２０…バッテリー ２２…リレー回路 ２３…コントロールユニット ２４…ヒータ付きガスシール部材

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃焼室内に直接燃料を噴射すべくシリン
   ダヘッドに燃料噴射弁を取り付けてなる直接筒内噴射式
   火花点火機関において、 前記燃料噴射弁を加熱するヒータ手段を設け、冷機始動
   時に該ヒータ手段を作動させるようにしたことを特徴と
   する直接筒内噴射式火花点火機関。
2. 【請求項２】 前記ヒータ手段は、前記シリンダヘッド
   に埋設されていることを特徴とする請求項１記載の直接
   筒内噴射式火花点火機関。
3. 【請求項３】 前記ヒータ手段は、前記燃料噴射弁に内
   蔵されていることを特徴とする請求項１記載の直接筒内
   噴射式火花点火機関。
4. 【請求項４】 前記ヒータ手段は、前記燃料噴射弁と前
   記シリンダヘッドとの間に介装されたガス漏洩防止用の
   シール部材に内蔵されていることを特徴とする請求項１
   記載の直接筒内噴射式火花点火機関。