JP2006057604A - 筒内直噴式内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】 点火プラグのかぶりを防止しつつ着火安定性を確保する。
【解決手段】 燃料噴射弁１２の２つの噴孔からの燃料噴霧を衝突させて得られる噴霧軸線が、ニードル（弁体）リフト量に応じて各噴孔からの燃料流量割合が変わることによって変化する構成とし、ニードル最大リフト時（主噴射期間）は、燃料噴霧が隣接する点火プラグ１０のプラグギャップを指向しないことでプラグかぶりを防止でき、ニードルリフト低下時（噴射終了時期）は、燃料噴霧がプラグギャップを指向することで着火安定性を確保できる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、燃料噴射弁の噴孔と、点火プラグのプラグギャップとを近接して配置した筒内直噴式内燃機関に関し、特に、良好な点火性能を維持できるようにした技術に関する。

火花点火燃焼に際し、燃料噴射弁から筒内に燃料を直接噴射し、筒内に成層化した混合気を形成することで、大幅に希薄化した燃焼を行う内燃機関は、特に低・中負荷において、燃料消費を大きく低減できることが知られている。
このような筒内直接噴射式火花点火機関において、特許文献１では、燃料噴射弁の噴孔近傍に点火プラグのプラグギャップを配置し、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧に直接火花点火を行い燃焼せしめている。
特開平６−４２３５２号公報

しかしながら、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧に直接火花点火を行い燃焼せしめる手法において、燃料噴霧と点火プラグのプラグギャップとが近接するように配置すると、着火の安定性は向上するものの、燃料噴霧がプラグギャップを直撃することによる点火プラグのかぶりが問題となる。
一方、点火プラグのかぶりを回避するために、燃料噴霧から点火プラグのプラグギャップを遠ざけると燃焼安定性が悪化する。つまり両者はトレードオフの関係となっている。本燃焼手法に関する先行技術において、上記問題点に関する方策が示されたものは存在しない。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、燃料噴射弁から噴射された燃料噴霧に直接火花点火を行い燃焼せしめる手法において、点火プラグのかぶり防止と燃焼安定性との両立を可能とする手段を提供することを目的とする。

このため、本発明は、燃料噴射弁の噴孔から噴射される燃料が、前記点火プラグのプラグギャップ近傍を通過するよう燃料噴射方向を設定するとともに、
前記燃料噴射弁の弁体リフト量が低下して着座にいたる噴射期間末期の燃料通過位置を、弁体リフト量が最大となる主噴射期間の燃料通過位置よりも前記プラグギャップの位置に近づける構成とした。

かかる構成によると、弁体リフト量が最大となる主噴射期間中は燃料噴霧がプラグギャップ位置近傍を指向せず、燃料噴射終了時には該ニードルリフト量の低下に応じて燃料噴霧が該プラグギャップ位置近傍を指向することにより、主噴射期間中に噴射された燃料噴霧はプラグギャップを避けることで点火プラグのかぶりを回避し、燃料噴射終了時の火花点火を行う時期において、燃料噴霧がプラグギャップを指向するために確実に着火を行うことが可能となる。

以下、図面に基づき、本発明の実施形態について説明する。
図１において、内燃機関は、シリンダヘッド１、シリンダブロック２及びピストン３により構成される燃焼室４を有し、吸気バルブ５を介して吸気ポート６から新気を導入し、排気バルブ７を介して排気ポート８から排気を排出する。前記シリンダヘッド１の中央部に燃料噴射弁９と点火プラグ１０とが装着され、燃料噴射弁９先端部に設けられた噴孔９１と、点火プラグ１０先端部に設けられたプラグギャップ１０ａとを近接させて燃焼室４内に臨ませるように配置してある。プラグギャップ１０ａは、噴射された燃料噴霧に直接点火可能であるが、燃料噴霧直撃によるプラグかぶり等の問題を回避するために噴霧中心軸上からはオフセットさせて配置している。

前記吸気バルブ５を駆動するカム軸端には、燃料ポンプ１１が配置されている。該燃料ポンプ１１により加圧された燃料は、燃料配管１２を介して燃料噴射弁９より燃焼室４へ噴射される。
内燃機関は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）１３にて統合的に制御される。このためＥＣＵ１３にはクランク角センサ信号、冷却水温、アクセル開度信号が入力され、これらの信号を基に、燃料噴射，点火制御を行う。また、本内燃機関では、燃焼形態として主に、圧縮行程中（特に、圧縮行程後半）に燃料噴射を行うことでリーン運転を実現し燃費を向上させる成層燃焼モードと、吸気行程中（特に吸気行程前半）に燃料噴射を行いストイキ運転（理論空燃比運転）を実現する均質燃焼モードとが設けられており、運転状態に応じて選択されるようになっている。

前記燃料噴射弁９の先端構造を図２に、主噴射期間および噴射終了時期における燃料噴霧特性を図３に示す。
該燃料噴射弁９は、ノズルボデー１４内でニードル（弁体）１５が、軸方向に往復動することで燃料の噴射を行い、ニードル１５が着座時において、燃料噴射弁９の軸方向に対して周方向の点火プラグ１０側に、２つの噴孔９１ａ，９１ｂを有している。なお、ニードル１５をリフトさせる手段として電磁コイルを用いることにより、比較的安価に燃料噴射弁を作成可能となる。

前記噴孔９１ａ，９１ｂは、入口側開口部のカーテン面積（噴孔断面形状を、噴孔軸方向へ弁体に衝突するまで延長させた際に形成される形状の側面の面積）９１Ａ，９１Ｂが異なり、カーテン面積９１Ａより、カーテン面積９１Ｂの方が大きく形成されている。なお、点火プラグ１０側でない側には燃料噴射弁９の軸方向に対して１個の噴孔９１ｃが設けられる。

前記カーテン面積が大きい方の噴孔９ｂの軸線（噴霧軸線）２０は、点火プラグ１０のプラグギャップ１０ａ位置近傍を指向しており、カーテン面積が小さい方の噴孔９ａの軸線（噴霧軸線）２２は、プラグギャップ位置１２ａ近傍を指向していない。また、噴孔軸線２０および２２は空間に交点を有しており、それぞれの噴孔から噴射された燃料噴霧は衝突し、衝突噴霧軸線２１の方向へと進行する。

ここで、図３（ａ）に示すように、ニードル１５の最大リフト時において噴霧軸線２１はプラグギャップ１０ａ位置近傍を指向しないように設定されている。これにより、ニードル１５が最大リフト時の主噴射期間中において、燃料噴霧はプラグギャップ１０ａを直撃することがなく、点火プラグ１０のかぶりも防止できる。
一方、図３（ｂ）に示すように、ニードル１５のリフト量が低下すると、前記カーテン面積９１Ａ，９１Ｂの相違が大きくなり、カーテン面積９１Ａが大きく減少する噴孔９ａから噴射される燃料流量のカーテン面積９１Ｂが比較的大きく保たれる噴孔９ｂから噴射される燃料流量に対する割合が相対的に低下するため、噴霧軸線２１は噴霧軸線２０へと近づいていく。

これにより、燃料噴射終了時において燃料噴霧はプラグギャップ位置近傍を指向することとなり、着火の安定性を確保することが可能となる。
尚、図２（ａ）に示すように、燃料噴射弁９が下端部にサック部（容積部）２３を有するタイプのものでは、上側の噴孔９ａはサック部２３より上側のノズルボディ１４壁に設け、下側の噴孔９ｂを該サック部２３に設けることで、前記２つのカーテン面積９１Ａ，９１Ｂの相違をより大きくすることができ、容易に燃料噴霧特性が変化可能となる。また、サック部２３を設けることにより噴射終了時期における燃料噴射量が多くなり、着火の安定性が向上する。

一方、図２（ｂ）に示すように、サック部を備えないサックレスタイプの燃料噴射弁９であっても、ノズルボデー１４壁に設けた２つの噴孔９ａ，９ｂのカーテン面積９１Ａ，９１Ｂを相違させることができ、カーテン面積９１Ａ，９１Ｂが異なっていればこれらに限定するものではない。
また、ニードル着座時において、カーテン面積が大きい方の噴孔９ｂの断面積を、カーテン面積が小さい方の噴孔９ａの断面積より小さく形成すれば、点火プラグのかぶり抑制機能が強化され、逆に、カーテン面積が大きい方の噴孔９ｂの断面積を、カーテン面積が小さい方の噴孔９ａの断面積より大きく形成すれば、着火の安定性機能が強化されるので、燃料噴射特性、点火性能などに応じて両機能を最もバランスよく得られるように設定すればよい。

このように、本実施形態によれば、主噴射期間中は少なくとも異なる２つの噴孔から噴射される燃料噴霧を衝突させる構成としたことにより、燃料噴霧の進行方向が弁体リフト量に応じて自動的に制御することができる。
特に、ニードル着座時において、少なくとも２つの噴孔９ａ，９ｂの入口側開口部カーテン面積９１Ａ，９１Ｂが異なる構成としたことにより、噴射終了時期付近において、カーテン面積の小さい噴孔から噴射される燃料流量が、カーテン面積の大きな噴孔から噴射される燃料流量よりも相対的に小さくなるため、衝突させた燃料噴霧の進行方向を容易に変更できる。

但し、ニードルが最大リフト時には燃料噴霧はプラグギャップ位置近傍を指向せずに、ニードルリフト量の低下に従ってプラグギャップ位置近傍を指向するものであれば本方式に限定するものではない。
図４は、前記点火プラグ１０における電極形状の各種の例を示す。燃料噴射弁９の噴孔９ａから点火プラグ１０のプラグギャップ１０ａまでの距離が短く燃料噴霧の混合気形成が十分でないことから、可燃混合気の領域が十分に大きくないため、同図（ａ）に示されるセミ沿面電極タイプのものが、空間的に広い点火領域を確保できるのでより好ましい。しかし、同図（ｂ）に示されるような平行電極タイプでも良いし、また、同図（ｃ）に示されるような平行電極と沿面電極とを併せ持つハイブリッドタイプでも良く、点火を行うものであればこれらに限定するものではない。

また、同図（ａ）〜（ｃ）のいずれの電極もプラグギャップにおける点火時の飛火方向が、点火プラグ軸線に対して垂直方向であるので、空間的に広範囲に可燃混合気への着火が可能となるため着火の安定性を向上することが可能となる。

実施形態における内燃機関の構成図 同上実施形態に用いる燃料噴射弁の先端部構造を示す断面図 同上燃料噴射弁の主噴射期間および噴射終了時期における燃料噴霧特性 同上実施形態に用いる点火プラグの電極の各種形状を示す図

符号の説明

３ ピストン
３ａ ボウル部
４ 燃焼室
９ 燃料噴射弁
１０ 点火プラグ
１０ａ プラグギャップ
１３ エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）
１４ ノズルボデー
１５ ニードル
２０ 噴孔軸線（噴霧軸線）
２１ 衝突噴霧軸線
２２ 噴孔軸線（噴霧軸線）
９１ａ 噴孔
９１ｂ 噴孔
９１Ａ 噴孔カーテン面積
９１Ｂ 噴孔カーテン面積

Claims (15)

1. 燃料噴射弁の先端部に設けられた噴孔と、点火プラグの先端部に設けられたプラグギャップとを近接して配置した筒内直噴式内燃機関において、
   前記燃料噴射弁の噴孔から噴射される燃料が、前記点火プラグのプラグギャップ近傍を通過するよう燃料噴射方向を設定するとともに、
   前記燃料噴射弁の弁体リフト量が低下して着座にいたる噴射期間末期の燃料通過位置を、弁体リフト量が最大となる主噴射期間の燃料通過位置よりも前記プラグギャップの位置に近づけることを特徴とする筒内直噴式内燃機関。
2. 前記弁体リフト量が低下するほど、燃料通過位置を前記プラグギャップの位置に近づけることを特徴とする請求項１記載の筒内直噴式内燃機関。
3. 前記噴射期間末期に噴射された燃料が、前記プラグギャップ近傍を通過するときに前記火花点火プラグによる点火を実行することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の筒内直噴式内燃機関。
4. ２つの吸気弁と２つの排気弁とで囲まれる燃焼室中央部に、前記燃料噴射弁の噴孔と前記点火プラグのプラグギャップとを近接させて配置することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載の筒内直噴式内燃機関。
5. 前記燃料噴射弁の先端部に少なくとも２つの噴孔を形成し、これら２つ噴孔から噴射される燃料を衝突させることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載記載の筒内直噴式内燃機関。
6. 前記２つの噴孔から噴射される燃料の流量比が、弁体リフト量に応じて変化するように前記２つの噴孔の入口側開口部形成位置を設定する
   ことを特徴とする請求項２記載の筒内内直噴式内燃機関。
7. 弁体着座時において、少なくとも２つの噴孔の入口側開口部カーテン面積（噴孔断面形状を、噴孔軸方向へ弁体に衝突するまで延長させた際に形成される形状の側面の面積）が異なっていることを特徴とする請求項５または請求項６に記載の筒内直噴式内燃機関。
8. 前記カーテン面積が小さい方の噴孔において、噴孔断面積より該カーテン面積が小さいことを特徴とする、請求項７に記載の燃料噴射弁およびそれを用いた筒内直噴式内燃機関。
9. ２つの噴孔の入口側開口部が、弁体着座時における弁体先端円錐面側方のノズルボデーと、弁体先端近傍に設けられた容積部の側壁と、に設けられたことを特徴とする請求項５〜請求項８のいずれか１つに記載の筒内直噴式内燃機関。
10. 前記カーテン面積が大きい方の噴孔の軸線が、プラグギャップ位置近傍を指向することを特徴とする請求項５〜請求項９のいずれか１つに記載の筒内直噴式内燃機関。
11. 前記カーテン面積が小さい方の噴孔の軸線が、プラグギャップ位置近傍を指向しないことを特徴とする請求項５〜請求項１０のいずれか１つに記載の筒内直噴式内燃機関。
12. 前記カーテン面積が大きい方の噴孔の断面積が、該カーテン面積が小さい方の噴孔の断面積より小さいことを特徴とする請求項５〜請求項１１のいずれか１つに記載の筒内直噴式内燃機関。
13. 前記カーテン面積が大きい方の噴孔の断面積が、該カーテン面積が小さい方の噴孔の断面積より大きいことを特徴とする請求項５〜請求項１２のいずれか１つに記載の筒内直噴式内燃機関。
14. 前記弁体をリフトさせる手段として電磁コイルを用いることを特徴とする請求項５〜請求項１３のいずれか１つに記載の筒内直噴式内燃機関。
15. 前記点火プラグのプラグギャップにおける点火時の飛火方向が、点火プラグ軸線に対して垂直方向であることを特徴とする請求項５〜請求項１４のいずれか１つに記載の筒内直噴式内燃機関。

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