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JP2013068148A - Spark ignition type direct injection engine - Google Patents

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JP2013068148A
JP2013068148A JP2011206797A JP2011206797A JP2013068148A JP 2013068148 A JP2013068148 A JP 2013068148A JP 2011206797 A JP2011206797 A JP 2011206797A JP 2011206797 A JP2011206797 A JP 2011206797A JP 2013068148 A JP2013068148 A JP 2013068148A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
engine
fuel
cylinder
cavity
valve
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2011206797A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takeshi Nagasawa
健 永澤
Kazuaki Narahara
和晃 楢原
Koichi Nakano
光一 中野
Yasushi Murakami
康 村上
Hiroyuki Yamashita
洋幸 山下
Tatsuya Tanaka
達也 田中
Keiji Araki
啓二 荒木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mazda Motor Corp
Original Assignee
Mazda Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Mazda Motor Corp filed Critical Mazda Motor Corp
Priority to JP2011206797A priority Critical patent/JP2013068148A/en
Publication of JP2013068148A publication Critical patent/JP2013068148A/en
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/10Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12Improving ICE efficiencies

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  • Combustion Methods Of Internal-Combustion Engines (AREA)
  • Fuel-Injection Apparatus (AREA)
  • Electrical Control Of Air Or Fuel Supplied To Internal-Combustion Engine (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a spark ignition type direct injection engine that can reduce the cooling loss.SOLUTION: A fuel injection valve 33 is arranged at the axis X of a cylinder 11 and injects the atomized fuel in such a way as spreading outward about the radial direction, while a piston 15 has a cavity 15a at its crown face, and the sidewall of the cavity 15a is inclined relative to the axial direction of the cylinder so that the diameter increases from the cavity bottom toward the cavity opening. By a controller 100, a period of injecting the fuel from the fuel injection valve is set within a range from the final stage of the compression stroke to the early stage of the expansion stroke when the operating condition of the engine body (engine 1) is in the high-load region, penetration of atomized fuel is decreased in the first half of the injecting period, and in the later half, the penetration of the atomized fuel is set larger.

Description

ここに開示する技術は、火花点火式直噴エンジンに関する。   The technology disclosed herein relates to a spark ignition direct injection engine.

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、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記載されている。   Further, for example, Patent Document 2 describes a technique in which a surface that defines a combustion chamber is formed of a heat insulating material including a large number of bubbles from the viewpoint of reducing cooling loss and improving thermal efficiency.

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、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、前記特許文献1に記載されているような高圧縮比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ものの、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。そのため、高圧縮比エンジンにおける熱効率の向上には、冷却損失の低減が重要である。   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 increases and the specific heat ratio of the gas increases. For this reason, the combination of the high compression ratio and the leaning of the air-fuel mixture as described in Patent Document 1 is advantageous to some extent for improving the thermal efficiency (the illustrated thermal efficiency), but in this case, the compression ratio of 15 The illustrated thermal efficiency is maximized to some extent, 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. For this reason, it is important to reduce the cooling loss in order to improve the thermal efficiency in the high compression ratio engine.

そこで、本願発明者らは、幾何学的圧縮比を18以上とする高圧縮比を実現するために、ピストンの冠面に比較的小さい容積のキャビティを形成し、それによってスキッシュエリアが拡大したエンジンとした上で、燃料噴霧をそのキャビティ内に噴射して燃焼を行うことを検討した。   Accordingly, the inventors of the present invention have formed a relatively small volume cavity in the crown surface of the piston in order to realize a high compression ratio with a geometric compression ratio of 18 or more, thereby increasing the squish area. After that, we studied to inject fuel spray into the cavity and burn it.

ここで、冷却損失は、燃焼室の区画壁に接触する燃焼ガスの温度と、その区画壁の温度と温度差に比例することから、燃焼ガスが区画壁に接触すること自体を抑制すべく、燃料噴霧のペネトレーションを小さくし、それによって燃料噴霧がキャビティの側壁や底壁に到達しないようにすることを検討した。こうしたキャビティ内の成層化は、燃焼ガスがキャビティの側壁や底壁に接触することを抑制、又は、回避して、冷却損失の低減に有利になる。   Here, the cooling loss is proportional to the temperature of the combustion gas in contact with the partition wall of the combustion chamber and the temperature and temperature difference between the partition walls, so that the combustion gas itself is prevented from contacting the partition wall. We studied to reduce the fuel spray penetration and thereby prevent the fuel spray from reaching the side wall and bottom wall of the cavity. Such stratification in the cavity is advantageous in reducing the cooling loss by suppressing or avoiding the combustion gas from coming into contact with the side wall and the bottom wall of the cavity.

エンジンの運転状態が低負荷領域にあるときには、前述した小ペネトレーションの燃料噴霧によるキャビティ内の成層化によって、冷却損失を有効に低減することが可能である。しかしながら、エンジンの運転状態が高負荷領域にあって高トルクが要求されるときには、キャビティ内で成層化した燃焼では空気が足りずに、所望のトルクが得られないという新たな問題が生じることを、本願発明者らは見出した。   When the operating state of the engine is in a low load region, the cooling loss can be effectively reduced by the stratification in the cavity by the fuel spray of the small penetration described above. However, when the engine operating state is in a high load region and high torque is required, the stratified combustion in the cavity causes a new problem that the desired torque cannot be obtained due to insufficient air. The present inventors have found out.

ここに開示する技術は、か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、高圧縮比の火花点火式直噴エンジンにおいて、冷却損失の低減と、高トルクの発生とを両立させることにある。   The technology disclosed herein has been made in view of such a point, and the object is to achieve both reduction in cooling loss and generation of high torque in a spark-ignition direct injection engine with a high compression ratio. There is to make it.

本願発明者らは、エンジンの運転状態が高負荷領域にあるときには、スキッシュエリアに存在する空気によって空気利用率を高めるべく、燃料噴霧のペネトレーションを大きくして、噴射した燃料噴霧の一部がスキッシュエリアに到達するようにした。   When the engine operating state is in a high load region, the inventors of the present application increase the fuel spray penetration to increase the air utilization rate by the air present in the squish area, and a portion of the injected fuel spray is squished. Made to reach the area.

具体的に、ここに開示する火花点火式直噴エンジンは、幾何学的圧縮比が18以上に設定された気筒を有するエンジン本体と、前記気筒内に嵌挿されかつ、その冠面にキャビティが凹陥して形成されたピストンと、前記エンジン本体の前記気筒と前記ピストンとによって区画される燃焼室内に燃料噴霧を噴射するよう構成された燃料噴射弁と、前記エンジン本体の運転状態に応じて、前記燃料噴射弁を通じた前記燃焼室内への燃料噴射態様を制御するよう構成された制御器と、を備える。   Specifically, the spark ignition type direct injection engine disclosed herein has an engine body having a cylinder in which a geometric compression ratio is set to 18 or more, and is fitted into the cylinder, and a cavity is formed in the crown surface thereof. According to the operating state of the engine body, a piston formed in a recess, a fuel injection valve configured to inject fuel spray into a combustion chamber defined by the cylinder and the piston of the engine body, And a controller configured to control a mode of fuel injection into the combustion chamber through the fuel injection valve.

そして、前記燃料噴射弁は、前記気筒の軸心位置に配置されかつ、そこから径方向の外方に向かって拡がるように燃料噴霧を噴射し、前記キャビティは、キャビティ底部からキャビティ開口に向かって拡径するように、その側壁が、前記気筒の軸線方向に対して傾斜して構成されており、前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が所定負荷よりも高い高負荷領域にあるときには、前記燃料噴射弁により燃料を噴射する期間を、圧縮行程終期から膨張行程初期の範囲内に設定すると共に、当該噴射期間における前半では前記燃料噴霧のペネトレーションを小さくしかつ、前記噴射期間における後半では前記燃料噴霧のペネトレーションを大きく設定する。   The fuel injection valve is disposed at the axial center of the cylinder and injects fuel spray so as to expand radially outward therefrom, and the cavity is directed from the bottom of the cavity toward the cavity opening. The side wall is configured to be inclined with respect to the axial direction of the cylinder so as to expand the diameter, and the controller is in a high load region where the operating state of the engine body is higher than a predetermined load. The period during which fuel is injected by the fuel injection valve is set within the range from the end of the compression stroke to the initial stage of the expansion stroke, the penetration of the fuel spray is reduced in the first half of the injection period, and the second half of the injection period Increase the fuel spray penetration.

この構成によると、燃料噴射弁が気筒の軸心位置に配置されており、燃料噴射弁は、この軸心位置から径方向の外方に向かって燃料噴霧を噴射する。   According to this configuration, the fuel injection valve is disposed at the axial position of the cylinder, and the fuel injection valve injects fuel spray from the axial position toward the outside in the radial direction.

制御器は、エンジン本体の運転状態が所定負荷よりも高い高負荷領域にあるときには、燃料の噴射期間を圧縮行程終期から膨張行程初期の範囲内に設定すると共に、その噴射期間の前半では、燃料噴霧のペネトレーションを小さくする。噴射期間の前半は、ピストンが圧縮上死点付近に位置するから、噴射された燃料噴霧は、ピストンの冠面に凹陥して形成されたキャビティ内に到達するものの、背圧(言い換えると気筒内の雰囲気圧力)が高い状態にありかつ、燃料噴霧のペネトレーションが小さいため、その燃料噴霧がキャビティの側壁等に到達することは回避、又は、抑制される。その結果、噴射期間の前半に噴射された燃料による燃焼ガスは、キャビティの側壁等に接触することが回避され、冷却損失の抑制に有利になる。特に、噴射期間の前半に噴射された燃料は、圧縮上死点付近の気筒内圧力及び温度が高い状態で燃焼するため、燃焼ガスの温度が高くなって冷却損失の増大を招きやすいが、前述の通り、燃焼ガスと、キャビティの側壁等との接触そのものを回避又は抑制しているため、冷却損失の抑制に特に有効である。   The controller sets the fuel injection period within the range from the end of the compression stroke to the initial stage of the expansion stroke when the operating state of the engine body is in a high load region higher than a predetermined load, and in the first half of the injection period, Reduce spray penetration. In the first half of the injection period, the piston is located near the compression top dead center, so that the injected fuel spray reaches the inside of the cavity formed in the crown of the piston, but back pressure (in other words, in the cylinder The atmospheric pressure of the fuel spray is high and the penetration of the fuel spray is small. Therefore, the fuel spray is prevented or suppressed from reaching the side wall of the cavity. As a result, the combustion gas from the fuel injected in the first half of the injection period is prevented from coming into contact with the side wall of the cavity and the like, which is advantageous for suppressing the cooling loss. In particular, since the fuel injected in the first half of the injection period burns in a state where the pressure and temperature in the cylinder near the compression top dead center are high, the temperature of the combustion gas becomes high and the cooling loss tends to increase. As described above, since the contact between the combustion gas and the sidewall of the cavity itself is avoided or suppressed, it is particularly effective for suppressing the cooling loss.

そして、制御器は、噴射期間の後半では、燃料噴霧のペネトレーションを大きくする。
噴射期間の後半は膨張行程に相当し、背圧も低いことから、キャビティ内に噴射された燃料噴霧は、キャビティの側壁等に到達(言い換えると衝突)するようになる。ここで、キャビティの側壁は軸線方向に対し傾斜しているため、側壁に衝突した燃料噴霧の一部は、この側壁に沿って移動をして、キャビティ開口からキャビティの外、具体的にはキャビティ開口の周縁部であるスキッシュエリアに到達する。こうして、噴射期間の後半に噴射された燃料は、スキッシュエリアに存在する空気をも利用して燃焼するようになるから空気利用率が高まり、トルクの向上に有利になる。また、噴射期間の後半に噴射された燃料は、気筒内の温度及び圧力が次第に低下する膨張行程における燃焼となって、燃焼ガスの温度は比較的低くなるから、燃焼ガスがキャビティの側壁等に接触したとしても、冷却損失は抑制される。
The controller increases the fuel spray penetration in the second half of the injection period.
The latter half of the injection period corresponds to the expansion stroke and the back pressure is low, so that the fuel spray injected into the cavity reaches the side wall of the cavity (in other words, collides). Here, since the side wall of the cavity is inclined with respect to the axial direction, a part of the fuel spray that collides with the side wall moves along the side wall, and from the cavity opening to the outside of the cavity, specifically, the cavity. Reach the squish area, which is the periphery of the opening. Thus, the fuel injected in the latter half of the injection period burns using the air present in the squish area, so that the air utilization rate is increased, which is advantageous for improving the torque. In addition, the fuel injected in the latter half of the injection period is combusted in an expansion stroke in which the temperature and pressure in the cylinder gradually decrease, and the temperature of the combustion gas becomes relatively low. Even if it contacts, cooling loss is suppressed.

こうして、高負荷領域において燃料噴射期間の前半と後半とで燃料噴霧のペネトレーションを切り替えることにより、冷却損失の低減と高トルクの確保とが両立する。   In this way, by switching the fuel spray penetration between the first half and the second half of the fuel injection period in the high load region, both reduction of cooling loss and securing of high torque are compatible.

尚、エンジン本体の運転状態が低負荷領域にあるときには、燃料噴射期間の前半と後半とで燃料噴霧のペネトレーションを切り替えるのでなく、燃料噴霧のペネトレーションを小さく設定することが好ましい。こうすることによって、燃焼ガスがキャビティの側壁等と接触しなくなり、冷却損失を効果的に抑制して、燃費の向上に有利になる。   It should be noted that when the operating state of the engine body is in the low load region, it is preferable to set the fuel spray penetration small rather than switching the fuel spray penetration between the first half and the second half of the fuel injection period. By doing so, the combustion gas does not come into contact with the side wall of the cavity and the like, and the cooling loss is effectively suppressed, which is advantageous in improving fuel consumption.

前記燃料噴射弁は、ノズル口を開閉する外開弁を有しかつ、当該外開弁のリフト量が大きいほど、前記ノズル口から前記燃焼室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に構成されており、前記制御器は、前記噴射期間における前半では前記外開弁のリフト量を所定量に設定しかつ、前記噴射期間における後半では前記外開弁のリフト量を前記所定量よりも大きく設定する、としてもよい。   The fuel injection valve has an outer opening valve that opens and closes a nozzle opening, and the greater the lift amount of the outer opening valve, the greater the penetration of fuel spray injected from the nozzle opening into the combustion chamber. The controller sets the lift amount of the outer valve to a predetermined amount in the first half of the injection period, and sets the lift amount of the outer valve to a predetermined amount in the second half of the injection period. It may be set larger.

つまり、外開弁タイプの燃料噴射弁は、外開弁のリフト量と燃料噴霧のペネトレーションが概ね比例するようになるから、制御器を通じて、燃料噴射弁のリフト量の制御を行うことにより、噴射期間の前半における燃料噴霧のペネトレーションと、噴射期間の後半における燃料噴霧のペネトレーションとを切り替えることが、容易に実現する。   In other words, the fuel injection valve of the outer opening type is such that the lift amount of the outer opening valve and the penetration of fuel spray are approximately proportional, and therefore the injection amount is controlled by controlling the lift amount of the fuel injection valve through the controller. Switching between the fuel spray penetration in the first half of the period and the fuel spray penetration in the second half of the injection period is easily realized.

尚、ここで燃料噴射は、噴射期間の前半で行う前段噴射と、噴射期間の後半で行う後段噴射との、少なくとも2回の燃料噴射、つまり分割噴射を行うようにしてもよい。また、分割噴射ではなく、噴射期間中に継続する1回の噴射の途中で、外開弁のリフト量を変更するような連続的な噴射としてもよい。   Here, the fuel injection may be performed at least twice, that is, divided injection, that is, the first stage injection performed in the first half of the injection period and the second stage injection performed in the second half of the injection period. Moreover, it is good also as not continuous injection but continuous injection which changes the lift amount of an outer opening valve in the middle of one injection which continues during an injection period.

前記キャビティは、キャビティ底部が径方向の外方から中央に向かって隆起するように、その底壁が前記気筒の軸線に直交する方向に対して傾斜している、としてもよい。   The cavity may have a bottom wall inclined with respect to a direction orthogonal to the axis of the cylinder so that the bottom of the cavity rises from the outside in the radial direction toward the center.

こうすることで、気筒の軸心から径方向の外方に向かって拡がるように噴射された燃料噴霧の一部は、傾斜した底壁に沿って案内されてキャビティ底部の周縁部に到達すると共に、そこから傾斜した側壁に沿って移動して、キャビティ開口を通じて、キャビティの外に至るようになる。このことにより、噴射された燃料噴霧の一部がスキッシュエリアに確実に到達するようになって、空気利用率の向上、ひいてはトルクの向上が確実に図られる。   In this way, a part of the fuel spray injected so as to expand radially outward from the axial center of the cylinder is guided along the inclined bottom wall and reaches the peripheral edge of the cavity bottom. From there, it moves along the inclined side wall and reaches the outside of the cavity through the cavity opening. As a result, part of the injected fuel spray reaches the squish area with certainty, and the air utilization rate and thus the torque are reliably improved.

前記エンジン本体は、前記気筒の軸心が、クランク軸の回転中心に対し、クランク角の進み側にずれて配置されている、としてもよい。   The engine body may be arranged such that an axis of the cylinder is deviated toward a crank angle advance side with respect to a rotation center of the crankshaft.

このような気筒のオフセット配置は、圧縮上死点後のピストンの下降速度を高めるから、スキッシュエリアが素早く拡大する。このことは、圧縮行程終期から膨張行程初期にかけての噴射期間の後半に噴射した燃料が燃焼するときの空気利用率を向上する上で有利になる。   Such an offset arrangement of the cylinders increases the descending speed of the piston after the compression top dead center, so that the squish area is quickly expanded. This is advantageous in improving the air utilization rate when the fuel injected in the latter half of the injection period from the end of the compression stroke to the beginning of the expansion stroke is combusted.

以上説明したように、前記の火花点火式直噴エンジンは、ピストンの冠面にキャビティが凹陥して形成された高圧縮比エンジンとして、その運転状態が高負荷領域にあるときに、燃料の噴射期間の前半では、燃料噴霧のペネトレーションを小さくして冷却損失の抑制を図る一方、噴射期間の後半では、燃料噴霧のペネトレーションを大きくすることで、空気利用率を高めてトルクを向上させるため、冷却損失の低減とトルク向上との両立を図ることが実現する。   As described above, the spark ignition direct injection engine is a high compression ratio engine in which a cavity is recessed in the crown surface of a piston, and fuel injection is performed when the operating state is in a high load region. In the first half of the period, the fuel spray penetration is reduced to reduce cooling loss, while in the second half of the injection period, the fuel spray penetration is increased to increase air utilization and improve torque. It is possible to achieve both reduction of loss and improvement of torque.

火花点火式直噴エンジンの構成を概略的に示す図である。It is a figure showing roughly composition of a spark ignition type direct injection engine. 燃料噴射弁の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of a fuel injection valve. 燃料噴射弁の燃料噴射特性を例示する図である。It is a figure which illustrates the fuel injection characteristic of a fuel injection valve. 高負荷領域での燃料噴射態様(実線)と、低負荷領域での燃料噴射態様(一点鎖線)とを比較する図である。It is a figure which compares the fuel-injection aspect (solid line) in a high load area | region with the fuel-injection aspect (one-dot chain line) in a low load area | region. 外開弁が低リフト時の燃料噴霧の状態(上図)、及び、外開弁が高リフト時の燃料噴霧の状態(下図)の例示である。It is an illustration of the state (upper figure) of the fuel spray when the outer opening valve is low lift, and the state (lower figure) of the fuel spray when the outer opening valve is high lift. 図4とは異なる燃料噴射態様を例示する図である。It is a figure which illustrates the fuel-injection aspect different from FIG. 図1とは異なる構成のエンジンを示す概略図である。It is the schematic which shows the engine of a structure different from FIG.

以下、火花点火式直噴エンジン(以下、単にエンジンとも言う)の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎない。図1に示すように、エンジン・システムは、エンジン1、エンジン1に付随する様々なアクチュエーター、様々なセンサ、及びセンサからの信号に基づきアクチュエーターを制御するエンジン制御器100を有する。   Hereinafter, an embodiment of a spark ignition direct injection engine (hereinafter also simply referred to as an engine) will be described with reference to the drawings. The following description of the preferred embodiment is merely exemplary in nature. As shown in FIG. 1, the engine system includes an engine 1, various actuators associated with the engine 1, various sensors, and an engine controller 100 that controls the actuators based on signals from the sensors.

エンジン1は、火花点火式内燃機関であって、図例では一つのみ図示するが、複数のシリンダ11を有する。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の内部にシリンダ11が形成されている。   The engine 1 is a spark ignition internal combustion engine, and has only a plurality of cylinders 11 although only one is shown in the figure. 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 1 includes a cylinder block 12 and a cylinder head 13 mounted thereon, and a cylinder 11 is formed inside the cylinder block 12.

図1には概念的に示すが、このエンジンでは、シリンダ11の軸心Xが、クランクシャフトの回転中心Cに対して、図1に矢印で示すクランク角の進み側に、20mm程度オフセットして配置されている。このシリンダ11のオフセット配置によって、このエンジン1では特に、圧縮上死点後におけるピストン15の下降速度を高めるようにしている。   Although conceptually shown in FIG. 1, in this engine, the axis X of the cylinder 11 is offset by about 20 mm from the crankshaft rotation center C to the leading side of the crank angle indicated by the arrow in FIG. 1. Has been placed. With the offset arrangement of the cylinder 11, the lowering speed of the piston 15 after the compression top dead center is particularly increased in the engine 1.

ピストン15は、各シリンダ11内に摺動自在に嵌挿されており、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。この実施形態では、燃焼室17は、シリンダヘッド13の下面(燃焼室17の上面を区画する天井面)及びピストン15の冠面が共に、シリンダ11の軸心Xに対して垂直な面で構成されている。ピストン15の冠面には、比較的容積の小さいキャビティ15aが凹陥して形成されている。キャビティ15aは、この例では、図5に拡大して示すように、その底部が径方向の外方から中央に向かって隆起するように、底壁の一部が、シリンダ11の軸線Xに直交する方向に対して傾斜している。また、キャビティ底部からキャビティ開口に向かって、キャビティ15aが拡径するように、キャビティ15aの側壁が、シリンダ11の軸心Xに対し傾斜している。こうして、このエンジン1では、小さいキャビティ15aと、それに伴い拡大したスキッシュエリア15bとによって、高い幾何学的圧縮比を実現している。   The piston 15 is slidably inserted into each cylinder 11, and defines a combustion chamber 17 together with the cylinder 11 and the cylinder head 13. In this embodiment, the combustion chamber 17 is configured such that the lower surface of the cylinder head 13 (the ceiling surface that defines the upper surface of the combustion chamber 17) and the crown surface of the piston 15 are surfaces that are perpendicular to the axis X of the cylinder 11. Has been. A cavity 15a having a relatively small volume is formed in the crown surface of the piston 15 so as to be recessed. In this example, as shown in an enlarged view in FIG. 5, the cavity 15 a has a part of the bottom wall orthogonal to the axis X of the cylinder 11 so that the bottom of the cavity 15 a protrudes from the outside in the radial direction toward the center. It is inclined with respect to the direction of Further, the side wall of the cavity 15 a is inclined with respect to the axis X of the cylinder 11 so that the diameter of the cavity 15 a increases from the bottom of the cavity toward the cavity opening. In this way, in the engine 1, a high geometric compression ratio is realized by the small cavity 15a and the squish area 15b enlarged accordingly.

図1には一つのみ示すが、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。吸気通路における上流側には、吸気流量を調整するスロットル弁20が介設しており、スロットル弁20は、エンジン制御器100からの制御信号を受けてそ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。排気通路には一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。触媒コンバータは、例えば三元触媒を含む。   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 communicates with the combustion chamber 17 by opening on the lower surface of the cylinder head 13. Similarly, two exhaust ports 19 are formed in the cylinder head 13 for each cylinder 11, and each communicates with the combustion chamber 17 by opening on the lower surface of the cylinder head 13. 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 that adjusts the intake air flow rate is provided upstream of the intake passage, and the throttle valve 20 receives a control signal from the engine controller 100 and its opening degree is adjusted. 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. An exhaust gas purification system having one or more catalytic converters is disposed in the exhaust passage. The catalytic converter includes, for example, a three-way catalyst.

吸気弁21及び排気弁22はそれぞれ、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、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。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 intake valve 21 and the exhaust valve 22 are arranged 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 to exchange gas 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. You may make it provide the lift variable mechanism (CVVL (Continuous Variable Valve Lift)) which can change a valve lift amount continuously with VVT23.

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に取り付けられている。点火プラグ31は、この実施形態では、シリンダ11の軸心Xに対し、排気側に傾斜した状態で取り付けられており、その先端部(電極)は燃焼室17の天井部に臨んでいる。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。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。   The spark plug 31 is attached to the cylinder head 13 by a known structure such as a screw. In this embodiment, the spark plug 31 is attached to the axis X of the cylinder 11 so as to be inclined toward the exhaust side, and its tip (electrode) faces the ceiling of the combustion chamber 17. The arrangement of the spark plug 31 is not limited to this. 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.

燃料噴射弁33は、この実施形態ではシリンダ11の軸心Xに沿って配置され、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に取り付けられている。燃料噴射弁33の先端は、燃焼室17の天井部の中心に臨んでいる。   In this embodiment, the fuel injection valve 33 is disposed along the axis X of the cylinder 11 and is attached to the cylinder head 13 with a known structure such as a bracket. The tip of the fuel injection valve 33 faces the center of the ceiling of the combustion chamber 17.

図2に示すように、燃料噴射弁33は、シリンダ11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の軸心X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 fuel injection valve 33 is an outer valve-opening injector having an outer valve 42 that opens and closes a nozzle port 41 that injects fuel into the cylinder 11. 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 axis X of the cylinder 11. The proximal end of the fuel pipe 43 is connected to a case 45 in which a piezo element 44 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の軸心X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、図5に概念的に示すように、ノズル口41からシリンダ11内に燃料が、シリンダ11の軸心X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 piezoelectric element 44 presses the outer open valve 42 toward the combustion chamber 17 in the direction of the axis X of the cylinder 11 by deformation due to application of voltage, so that the outer open valve 42 is closed from the state in which the nozzle port 41 is closed. The nozzle port 41 is opened by lifting. At this time, as conceptually shown in FIG. 5, the fuel is injected from the nozzle port 41 into the cylinder 11 in a cone shape (specifically, a hollow cone shape) centering on the axis X 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。図3に示すように、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からシリンダ11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. As shown in FIG. 3, 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 11, and the longer the unit time. The amount of fuel injected per hit increases and the particle size of the fuel spray 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.

図3は、外開弁タイプの燃料噴射弁33の燃料噴射特性を例示している。これによると、前述の通り、外開弁のリフト量が大きいほど、ペネトレーションが大きくなる。また、同一リフト量であれば、背圧(燃焼室17内の雰囲気圧力)が高いほど、ペネトレーションは小さくなる。   FIG. 3 exemplifies the fuel injection characteristics of the outer-open type fuel injection valve 33. According to this, as described above, the penetration increases as the lift amount of the outer valve increases. If the lift amount is the same, the penetration decreases as the back pressure (atmospheric pressure in the combustion chamber 17) increases.

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、燃料噴射弁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、シリンダ11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。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。ここで、このエンジン1の燃料は、この実施形態ではガソリンであるが、これに限定されるものではなく、例えばガソリン含有の各種の液化燃料としてもよい。   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 fuel injection valve 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 11. 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. 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. Here, the fuel of the engine 1 is gasoline in this embodiment, but is not limited thereto, and may be various liquefied fuels containing gasoline, for example.

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、図1に示すように、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、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、以下のようなエンジン1の制御パラメーターを計算する。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である。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ー)、燃料供給システム34、点火システム32、及びVVT23等に出力する。   As shown in FIG. 1, the engine controller 100 detects 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, and an accelerator opening sensor 73 that detects the amount of depression of the accelerator pedal. The accelerator opening signal from the vehicle and the vehicle speed signal from the vehicle speed sensor 74 are received. The engine controller 100 calculates the following control parameters of the engine 1 based on these input signals. For example, a desired throttle opening signal, fuel injection pulse, ignition signal, valve phase angle signal, etc. The engine controller 100 outputs these signals to the throttle valve 20 (throttle actuator that moves the throttle valve 20), the fuel supply system 34, the ignition system 32, the VVT 23, and the like.

このエンジン1の特徴的な点は、エンジンの図示熱効率を高めて、燃費性能を従来に比べて大幅に向上させる観点から、エンジン1の幾何学的圧縮比εを18以上40以下の超高圧縮比に設定すると共に、少なくとも部分負荷の運転領域においては空気過剰率λを2以上8以下に設定して、混合気をリーン化することに対し、燃焼室17の断熱構造を、さらに組み合わせる点にある。   The characteristic feature of the engine 1 is that the geometrical compression ratio ε of the engine 1 is 18 or more and 40 or less from the viewpoint of improving the illustrated thermal efficiency of the engine and greatly improving the fuel consumption performance compared to the conventional one. In addition to setting the excess air ratio λ to 2 or more and 8 or less in at least a partial load operation region to make the air-fuel mixture lean, the heat insulating structure of the combustion chamber 17 is further combined is there.

ここで、このエンジン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。   Here, the engine 1 is also an engine 1 having a relatively high expansion ratio at the same time as the high compression ratio because 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.

また、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おり、これらの各面に、後述する構成を有する断熱層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。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 valve heads of the intake valve 21 and the exhaust valve 22. The combustion chamber 17 is thermally insulated by providing heat insulation layers 61, 62, 63, 64, and 65 having a configuration described later 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. 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.

このリーンバーンエンジン1では、前述の通り幾何学的圧縮比εを18≦ε≦40に設定している。理論サイクルであるオットーサイクルにおける理論熱効率ηthは、ηth=1−1/(εκ−1)であり、圧縮比εを高くすればするほど、理論熱効率ηthは高くなる。また、ガスの比熱比κを高めれば高めるほど、言い換えると、空気過剰率λを高めれば高めるほど、理論熱効率ηthは高くなる。 In the lean burn engine 1, the geometric compression ratio ε is set to 18 ≦ ε ≦ 40 as described above. The theoretical thermal efficiency η th in the Otto cycle, which is the theoretical cycle, is η th = 1−1 / (ε κ−1 ), and the theoretical thermal efficiency η th increases as the compression ratio ε increases. Further, the higher the specific heat ratio κ of gas, in other words, the higher the excess air ratio λ, the higher the theoretical thermal efficiency η th .

しかしながら、エンジン(正確には、燃焼室の断熱構造を有しないエンジン)の図示熱効率は、所定の幾何学的圧縮比ε(例えば15程度)でピークになり、幾何学的圧縮比εをそれ以上に高めても図示熱効率は高くならず、逆に、図示熱効率は低下することになる。これは、燃料量及び吸気量を一定のままで幾何学的圧縮比を高くした場合、圧縮比が高くなればなるほど、燃焼圧力及び燃焼温度が高くなることに起因している。つまり、燃焼室17を区画する面を通じて熱が放出することに伴う冷却損失は、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、燃焼ガスの圧力及び温度が高くなるほど熱伝達率は高くなるから、燃焼圧力及び燃焼温度が高くなることは、その分、冷却損失を増大させることになる。その結果、リーンバーンエンジンは、幾何学的圧縮比が高くなればなるほど、図示熱効率が低下してしまうのである。このように、混合気をリーン化しつつ、幾何学的圧縮比を高めることによってエンジンの図示熱効率を高めようとしても、冷却損失が増大することにより、理論熱効率よりも大幅に低い図示熱効率で頭打ちなってしまう。   However, the illustrated thermal efficiency of the engine (more precisely, the engine having no combustion chamber insulation structure) peaks at a predetermined geometric compression ratio ε (for example, about 15), and the geometric compression ratio ε is more than that. However, the illustrated thermal efficiency does not increase, and conversely, the illustrated thermal efficiency decreases. This is because, when the geometric compression ratio is increased while the fuel amount and the intake air amount are kept constant, the higher the compression ratio, the higher the combustion pressure and the combustion temperature. That is, the cooling loss due to heat released through the surface defining the combustion chamber 17 is determined by cooling loss = heat transfer coefficient × heat transfer area × (gas temperature−zone screen temperature), and the combustion gas pressure and The higher the temperature, the higher the heat transfer rate. Therefore, the higher the combustion pressure and the combustion temperature will increase the cooling loss accordingly. As a result, in the lean burn engine, the higher the geometric compression ratio, the lower the illustrated thermal efficiency. In this way, even if it is attempted to increase the indicated thermal efficiency of the engine by increasing the geometric compression ratio while making the air-fuel mixture lean, the increase in cooling loss results in a peak in the indicated thermal efficiency that is significantly lower than the theoretical thermal efficiency. End up.

これに対し、このリーンバーンエンジン1では、高い幾何学的圧縮比εにおいて図示熱効率が高まるように、燃焼室17の断熱構造を組み合わせている。つまり、燃焼室17の断熱化により冷却損失を低減させ、それによって図示熱効率を高める。   On the other hand, in the lean burn engine 1, the heat insulating structure of the combustion chamber 17 is combined so that the illustrated thermal efficiency is increased at a high geometric compression ratio ε. That is, the heat loss of the combustion chamber 17 is reduced to reduce the cooling loss, thereby increasing the indicated thermal efficiency.

一方で、燃焼室17を断熱化して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、このリーンバーンエンジン1では、前述したように、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、このリーンバーンエンジン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。   On the other hand, merely reducing the cooling loss by insulating the combustion chamber 17 converts the reduced cooling loss into the exhaust loss and does not contribute much to the improvement in the illustrated thermal efficiency. As described above, the high expansion ratio accompanying the high compression ratio efficiently converts the combustion gas energy corresponding to the reduced cooling loss into mechanical work. That is, it can be said that the lean burn engine 1 greatly improves the illustrated thermal efficiency by adopting a configuration that reduces both the cooling loss and the exhaust loss.

ここで、空気過剰率λについて検討する。空気過剰率λが2よりも低くなると燃焼室17内の最高燃焼温度が高くなって、燃焼室17からRawNOxが排出され得る。前述したように、このリーンバーンエンジン1は、冷却損失と共に排気損失の低減をも図っているため、排気温度が比較的低く触媒の活性化には不利である。そのため、燃焼室17からのRawNOxの排出を回避乃至抑制することが望ましく、そのためには、空気過剰率λを2以上に設定することが好ましい。より好ましくは、2.5以上である。言い換えると、燃焼室17内の最高燃焼温度が所定温度(例えば、RawNOxが生成し得る温度としての1800K(ケルビン))以下となる範囲で、空気過剰率λを設定することが望ましい。エンジン制御器100は、例えばエンジン1の部分負荷における運転領域内で、負荷の上昇に伴い(言い換えると、燃料噴射量の増量により空気過剰率λが下がることに伴い)、最高燃焼温度が所定温度を超えるようなときには、空気過剰率λを上げてエンジン1を運転することが望ましい。   Here, the excess air ratio λ will be examined. When the excess air ratio λ is lower than 2, the maximum combustion temperature in the combustion chamber 17 becomes high, and RawNOx can be discharged from the combustion chamber 17. As described above, since the lean burn engine 1 aims to reduce exhaust loss as well as cooling loss, the exhaust temperature is relatively low, which is disadvantageous for catalyst activation. Therefore, it is desirable to avoid or suppress the discharge of RawNOx from the combustion chamber 17, and for that purpose, the excess air ratio λ is preferably set to 2 or more. More preferably, it is 2.5 or more. In other words, it is desirable to set the excess air ratio λ in a range where the maximum combustion temperature in the combustion chamber 17 is a predetermined temperature (for example, 1800 K (Kelvin) as a temperature at which RawNOx can be generated) or less. The engine controller 100, for example, within the operation region of the partial load of the engine 1 is accompanied by an increase in the load (in other words, as the excess air ratio λ decreases due to an increase in the fuel injection amount), and the maximum combustion temperature becomes a predetermined temperature. When exceeding the above, it is desirable to operate the engine 1 by increasing the excess air ratio λ.

一方、本願発明者らの検討によると、空気過剰率λ=8で図示熱効率がピークになることから、空気過剰率λの範囲としては、2≦λ≦8が好ましい。尚、エンジン1の全負荷を含む高負荷の運転領域においては、トルク優先により、空気過剰率λをさらに下げて例えばλ=1又はλ≦1としてもよい。前記の空気過剰率λの数値範囲は、エンジン1の、中負荷及び低負荷の運転領域における好ましい範囲である。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。   On the other hand, according to the study by the inventors of the present application, the illustrated thermal efficiency peaks when the excess air ratio λ = 8. Therefore, the range of the excess air ratio λ is preferably 2 ≦ λ ≦ 8. In the high load operation region including the full load of the engine 1, the excess air ratio λ may be further reduced so that, for example, λ = 1 or λ ≦ 1 by torque priority. The numerical range of the excess air ratio λ is a preferable range of the engine 1 in a medium load and low load operation region. 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).

次に、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、前述したように、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。従って、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。但し、前述したように、このリーンバーンエンジン1は排気損失を低減していることから、排気ガス温度が大幅に低下しているため、特に排気弁22については耐熱鋼でなくても、従来は使用することができなかった、又は、使用することが困難であった材料(例えばアルミニウム合金等)を使用することも可能である。   Next, 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 configured 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 in the combustion chamber 17. In order to suppress the release of the heat of the gas through the section screen, the thermal conductivity is set 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. Therefore, the material of the base material is aluminum alloy or cast iron for the cylinder block 12, the cylinder head 13 and the piston 15, and the heat-resisting steel or cast iron for the intake valve 21 and the exhaust valve 22. However, as described above, since the lean burn engine 1 has reduced exhaust loss, the exhaust gas temperature has been greatly reduced. It is also possible to use a material that could not be used or was difficult to use (for example, an aluminum alloy).

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 a heat insulation structure of the combustion chamber, 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、前述の通り、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、前述したように、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。   On the other hand, as described above, the cooling loss is determined by cooling loss = heat transfer coefficient × heat transfer area × (gas temperature−temperature of the section screen), so that the difference between the gas temperature and the wall surface temperature is large. The higher the loss, the greater the cooling loss. In order to suppress the cooling loss, it is desirable to reduce the difference temperature between the gas temperature and the temperature of the section screen. However, as described above, when the temperature of the section screen of the combustion chamber 17 is maintained substantially constant, It is inevitable that the temperature difference will increase as the temperature changes.

そこで、前記の断熱層6は熱容量を小さくし、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ことが好ましい。   Therefore, it is preferable that the heat insulating layer 6 has a small heat capacity, and the temperature of the section screen of the combustion chamber 17 changes following the fluctuation of the gas temperature in the combustion chamber 17.

また、断熱層6の熱容量を小さくすることは、排気損失の低減にも有利になる。つまり、仮に断熱層の熱容量が大きいときは、燃焼室17内の温度が低下したときでも、区画面の温度が下がらない一方で、燃焼室17が断熱構造を有しているため、燃焼室17内の温度を高温のままに維持してしまう。このことは、結果として排気損失を増大させることになり、エンジン1の熱効率の向上を阻害する。   Further, reducing the heat capacity of the heat insulating layer 6 is advantageous for reducing exhaust loss. That is, if the heat capacity of the heat insulating layer is large, the temperature of the section screen does not decrease even when the temperature in the combustion chamber 17 decreases, but the combustion chamber 17 has a heat insulating structure. The temperature inside is kept high. This results in an increase in exhaust loss and hinders improvement in the thermal efficiency of the engine 1.

これに対し、断熱層6の熱容量を小さくすることは、燃焼室17内の温度が低下したときに、それに追従して区画面の温度が低下する。従って、燃焼室17内の温度を高温に維持してしまうことを回避し得るから、前述した、温度追従性に伴う冷却損失の抑制のほか、排気損失の抑制にも有利になり得る。   On the other hand, reducing the heat capacity of the heat insulating layer 6 reduces the temperature of the section screen following that when the temperature in the combustion chamber 17 decreases. Therefore, it is possible to avoid maintaining the temperature in the combustion chamber 17 at a high temperature, which can be advantageous in suppressing exhaust loss in addition to the above-described suppression of cooling loss due to temperature followability.

断熱層6の例示として、この断熱層6は、シリンダ11の壁面、ピストン15の冠面、シリンダヘッド13の天井面、並びに、吸気弁21及び排気弁22それぞれのバルブヘッド面、つまり、燃焼室17を区画する区画面に、例えばプラズマ溶射により形成した、ジルコニア(ZrO)、又は、部分安定化ジルコニア(PSZ)の皮膜によって構成してもよい。ジルコニア又は部分安定化ジルコニアは、熱伝導率が比較的低くかつ、容積比熱も比較的小さいため、母材よりも熱伝導率が低くかつ、容積比熱が母材と同じか、それよりも小さい断熱層6が構成される。 As an example of the heat insulating layer 6, the heat insulating layer 6 includes the wall surface of the cylinder 11, the crown surface of the piston 15, the ceiling surface of the cylinder head 13, and the valve head surfaces of the intake valve 21 and the exhaust valve 22, that is, the combustion chamber. 17 to the partition face defining the, for example, formed by plasma spraying, zirconia (ZrO 2), or may be formed by coating of partially stabilized zirconia (PSZ). Zirconia or partially stabilized zirconia has a relatively low thermal conductivity and a relatively low volumetric specific heat. Layer 6 is constructed.

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する。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するから、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. This configuration suppresses or avoids an increase in temperature due to heat received from the cylinder head 13 when fresh air passes through the intake port 18. 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 lowers the heat transfer coefficient, which is advantageous for reducing 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.

そうして、このエンジン1ではさらに、冷却損失の低減を目的として、燃焼ガスが燃焼室を区画する壁面に接触することを抑制するようにしている。具体的には、エンジン1の運転状態が低負荷領域にあるときには、エンジン制御器100は、図4に一点鎖線で示すように、燃料噴射弁33による燃料の噴射期間を、例えば圧縮上死点からATDC20°CAの範囲に設定すると共に、その外開弁42のリフト量を比較的小さく設定することにより燃料噴霧のペネトレーションを小さくしている。このことによって、例えば図5の上図に示すように、キャビティ15a内に噴射された燃料噴霧が、キャビティ15aの側壁に到達(つまり衝突)しないようにして、キャビティ15a内において、キャビティ15aの側壁や底壁と、燃焼ガスとの間に燃焼に寄与しない層、具体的には空気層又はリーンな層を介在させる。この層の介在によって、燃焼ガスがキャビティ15aの側壁及び底壁に接触してしまうことが抑制されるから、冷却損失の低減に有利になる。   Thus, the engine 1 further suppresses the contact of the combustion gas with the wall surface defining the combustion chamber for the purpose of reducing the cooling loss. Specifically, when the operating state of the engine 1 is in the low load region, the engine controller 100 determines the fuel injection period by the fuel injection valve 33, for example, the compression top dead center, as shown by a one-dot chain line in FIG. To ATDC 20 ° CA, and the lift amount of the outer opening valve 42 is set to be relatively small, thereby reducing the penetration of the fuel spray. Thus, for example, as shown in the upper diagram of FIG. 5, the fuel spray injected into the cavity 15a does not reach (i.e., collides with) the side wall of the cavity 15a, so that the side wall of the cavity 15a is within the cavity 15a. Further, a layer that does not contribute to combustion, specifically, an air layer or a lean layer is interposed between the bottom wall and the combustion gas. By interposing this layer, the combustion gas is prevented from coming into contact with the side wall and the bottom wall of the cavity 15a, which is advantageous in reducing the cooling loss.

一方、エンジン1の運転状態が高負荷領域にあるときには、トルクの向上が要求されるものの、低負荷領域での燃焼のようにキャビティ15a内で成層化してしまうと、空気が不足してしまい、トルク向上には不利になる。そこで、エンジン1の運転状態が高負荷領域にあるときには、エンジン制御器100は、図4に実線で示すように、燃料噴射弁33による燃料の噴射期間を、例えば圧縮上死点からATDC20°CAの範囲に設定すると共に、外開弁42のリフト量を、噴射期間の前半である圧縮上死点からATDC10°CAまでの前段噴射では、相対的に小さく設定する一方、噴射期間の後半であるATDC10°CAからATDC20°CAまでの後段噴射では、相対的に大きく設定する。このことにより、噴射期間の前半に噴射された燃料噴霧は、圧縮上死点付近であって背圧が高い上に、リフト量が小さいことから、ペネトレーションが小さくなり(図3参照)、図5の上図に示すように、キャビティ15aの側壁や底壁への衝突が回避される。このことは、前述したように、冷却損失の低減に有利になる。特に、燃焼期間の前半で噴射された燃料は、圧縮上死点付近の、シリンダ11内の温度及び圧力が比較的高い状態で燃焼することから、燃焼ガスの温度が高くなる。このため、冷却損失の増大に不利になるところ、燃焼ガスとキャビティ15aの側壁や底壁との接触そのものを回避又は抑制することで、冷却損失の増大を効果的に回避することが可能である。   On the other hand, when the operating state of the engine 1 is in the high load region, an improvement in torque is required, but if stratification occurs in the cavity 15a as in combustion in the low load region, the air becomes insufficient. It is disadvantageous for torque improvement. Therefore, when the operating state of the engine 1 is in the high load region, the engine controller 100 sets the fuel injection period by the fuel injection valve 33 from, for example, the compression top dead center to ATDC 20 ° CA as shown by the solid line in FIG. In the first stage injection from the compression top dead center to ATDC 10 ° CA, which is the first half of the injection period, the lift amount of the outer opening valve 42 is set to be relatively small, while in the second half of the injection period. In the latter stage injection from ATDC 10 ° CA to ATDC 20 ° CA, it is set relatively large. As a result, the fuel spray injected in the first half of the injection period is near the compression top dead center, has a high back pressure, and has a small lift amount, resulting in a small penetration (see FIG. 3). As shown in the upper figure, collision with the side wall and bottom wall of the cavity 15a is avoided. This is advantageous for reducing the cooling loss as described above. In particular, the fuel injected in the first half of the combustion period burns at a relatively high temperature and pressure in the cylinder 11 near the compression top dead center, so the temperature of the combustion gas becomes high. For this reason, it is disadvantageous for the increase in the cooling loss, but it is possible to effectively avoid the increase in the cooling loss by avoiding or suppressing the contact between the combustion gas and the side wall or the bottom wall of the cavity 15a itself. .

これに対し、噴射期間の後半に噴射された燃料噴霧は、膨張行程であるため、背圧が低い上に、リフト量が大きいことから、ペネトレーションが大きくなり(図3参照)、図5の下図に示すように、その一部がキャビティ15aの側壁や底壁へ衝突する。その後、燃料噴霧の一部は、側壁や底壁に沿って案内されて、キャビティ開口を通じて、キャビティ15aの外、つまり、スキッシュエリア15bへと到達するようになる(同図の矢印参照)。こうして、噴射期間の後半に噴射された燃料は、スキッシュエリア15bに存在する空気をも利用して燃焼するようになり、空気利用率が高まって、トルクの増大に有利になる。   On the other hand, since the fuel spray injected in the latter half of the injection period is an expansion stroke, the back pressure is low and the lift amount is large, so that the penetration becomes large (see FIG. 3). As shown in FIG. 4, a part of the impact collides with the side wall or bottom wall of the cavity 15a. Thereafter, part of the fuel spray is guided along the side wall and the bottom wall, and reaches the outside of the cavity 15a, that is, the squish area 15b through the cavity opening (see the arrow in the figure). Thus, the fuel injected in the latter half of the injection period is combusted using the air present in the squish area 15b, and the air utilization rate is increased, which is advantageous for increasing torque.

ここで、キャビティ15aの底壁を、シリンダ11の軸心Xに対し直交する方向に傾斜させると共に、側壁をシリンダ11の軸心Xに対し傾斜させることによって、シリンダ11の軸心位置から、径方向の外方に向かって噴射された燃料噴霧の一部を、これら底壁及び側壁をガイドとして、スキッシュエリア15bへと確実に導くことが可能になる。その結果、高負荷領域での高トルクの確保に有利になる。   Here, by inclining the bottom wall of the cavity 15a in a direction orthogonal to the axis X of the cylinder 11 and by inclining the side wall with respect to the axis X of the cylinder 11, the diameter from the axial center position of the cylinder 11 is increased. A part of the fuel spray injected outward in the direction can be reliably guided to the squish area 15b by using the bottom wall and the side wall as a guide. As a result, it is advantageous for securing a high torque in a high load region.

また、シリンダ11をオフセット配置していることで、圧縮上死点以降のピストン15の下降速度が高くなる。このことは、膨張行程においてスキッシュエリア15bを素早く拡大させ、噴射期間の後半に噴射された燃料が燃焼するときの空気利用率を向上させる。   Further, since the cylinder 11 is disposed offset, the descending speed of the piston 15 after the compression top dead center is increased. This quickly expands the squish area 15b in the expansion stroke, and improves the air utilization rate when the fuel injected in the second half of the injection period burns.

一方、噴射期間の後半に噴射した燃料噴霧の一部を、キャビティ15aの底壁や側壁に衝突させるものの、噴射期間の後半は膨張行程に対応し、シリンダ11内の温度及び圧力が次第に低下することから、燃焼ガスの温度は比較的低くなる。その結果、燃焼ガスがキャビティ15aの底壁や側壁と接触したとしても、冷却損失が大幅に増大してしまうことは回避される。   On the other hand, a part of the fuel spray injected in the second half of the injection period collides with the bottom wall and side wall of the cavity 15a, but the second half of the injection period corresponds to the expansion stroke, and the temperature and pressure in the cylinder 11 gradually decrease. As a result, the temperature of the combustion gas is relatively low. As a result, even if the combustion gas comes into contact with the bottom wall or the side wall of the cavity 15a, it is avoided that the cooling loss greatly increases.

こうして、エンジン1の運転状態が高負荷領域にあるときには、冷却損失の低減と高トルクの確保とが両立する。   Thus, when the operating state of the engine 1 is in the high load region, both reduction of cooling loss and securing of high torque are compatible.

ここで、このエンジン1においては、適宜のタイミングで、点火プラグ31により、混合気に対し強制的に着火を行ってもよいし、高圧縮比エンジンであることから自己着火(圧縮着火)を行うようにしてもよい。   Here, in the engine 1, the air-fuel mixture may be forcibly ignited by the spark plug 31 at an appropriate timing, or self-ignition (compression ignition) is performed because it is a high compression ratio engine. You may do it.

尚、図4では、高負荷領域における燃料噴射態様として、相対的に小リフト量の前段噴射と、相対的に大リフト量の後段噴射との2回の噴射を行う分割噴射を行うようにしている。しかしながら、例えば図6に示すように、圧縮上死点からATDC20°CAまでの噴射期間の間中、燃料噴射を継続すると共に、その噴射期間の前半である圧縮上死点からATDC10°CAまでは、相対的に小リフト量とし、噴射期間の後半であるATDC10°CA〜ATDC20°CAまでは、相対的に大リフト量となるように、リフト量を噴射途中で切り替えるようにしてもよい。   In FIG. 4, as a fuel injection mode in the high load region, split injection is performed in which injection is performed twice, that is, upstream injection with a relatively small lift amount and subsequent injection with a relatively large lift amount. Yes. However, as shown in FIG. 6, for example, fuel injection is continued during the injection period from compression top dead center to ATDC 20 ° CA, and from the compression top dead center, which is the first half of the injection period, to ATDC 10 ° CA. Alternatively, the lift amount may be relatively small, and the lift amount may be switched during the injection so that the lift amount is relatively large from ATDC 10 ° CA to ATDC 20 ° CA in the second half of the injection period.

また、燃料噴射期間は、図例では、圧縮上死点からATDC20°CAの範囲に設定されているが、燃料噴射期間は、例えば圧縮行程終期から膨張行程初期の範囲内で、適宜設定すればよい。   In addition, the fuel injection period is set in the range from the compression top dead center to ATDC 20 ° CA in the illustrated example, but the fuel injection period can be appropriately set, for example, within the range from the end of the compression stroke to the initial stage of the expansion stroke. Good.

さらに、燃焼室17の形状は、図1に示す形状に限定されず、例えば図7に示すように、燃焼室17の形状を、いわゆるペントルーフ形状にしてもよい。つまり、図7に示すエンジン10では、シリンダヘッド13の下面を、吸気側及び排気側の2つの傾斜面からなる三角屋根状にしている。また、ピストン15の冠面は、その傾斜した天井面に対応した凸形状をなしていて、冠面の中心部に、凹状のキャビティ15aが形成されている。このようなエンジン10においても、その運転状態が高負荷領域にあるときに、燃料噴射期間の前半と後半とで燃料噴霧のペネトレーションを切り替えることにより、噴射期間の後半に噴射された燃料を、スキッシュエリアに存在する空気を利用して燃焼させることが可能になり、トルクを向上させることが可能になる。   Furthermore, the shape of the combustion chamber 17 is not limited to the shape shown in FIG. 1, and the shape of the combustion chamber 17 may be a so-called pent roof shape, for example, as shown in FIG. That is, in the engine 10 shown in FIG. 7, the lower surface of the cylinder head 13 has a triangular roof shape including 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 inclined ceiling surface, and a concave cavity 15a is formed at the center of the crown surface. Even in such an engine 10, when the operating state is in a high load region, the fuel spray injected in the second half of the injection period is changed by switching the fuel spray penetration between the first half and the second half of the fuel injection period. The air existing in the area can be used for combustion, and the torque can be improved.

また、ここに開示する技術は、前述したような、燃焼室17の断熱構造を有する高圧縮比のリーンバーンエンジン1への適用に限定されるものではなく、例えば燃焼室17の断熱構造を省略してもよい。   Further, the technology disclosed herein is not limited to the application to the high compression ratio lean burn engine 1 having the heat insulation structure of the combustion chamber 17 as described above. For example, the heat insulation structure of the combustion chamber 17 is omitted. May be.

1 エンジン(エンジン本体)
10 エンジン(エンジン本体)
11 シリンダ(気筒)
15 ピストン
15a キャビティ
17 燃焼室
100 エンジン制御器
33 燃料噴射弁
41 ノズル口
42a 外開弁
C クランク軸の回転中心
X シリンダの軸心
1 Engine (Engine body)
10 Engine (Engine body)
11 cylinders
15 Piston 15a Cavity 17 Combustion chamber 100 Engine controller 33 Fuel injection valve 41 Nozzle port 42a Outer valve C Crankshaft rotation center X Cylinder axis

Claims (4)

幾何学的圧縮比が18以上に設定された気筒を有するエンジン本体と、
前記気筒内に嵌挿されかつ、その冠面にキャビティが凹陥して形成されたピストンと、
前記エンジン本体の前記気筒と前記ピストンとによって区画される燃焼室内に燃料噴霧を噴射するよう構成された燃料噴射弁と、
前記エンジン本体の運転状態に応じて、前記燃料噴射弁を通じた前記燃焼室内への燃料噴射態様を制御するよう構成された制御器と、を備え、
前記燃料噴射弁は、前記気筒の軸心位置に配置されかつ、そこから径方向の外方に向かって拡がるように燃料噴霧を噴射し、
前記キャビティは、キャビティ底部からキャビティ開口に向かって拡径するように、その側壁が、前記気筒の軸線方向に対して傾斜して構成されており、
前記制御器は、前記エンジン本体の運転状態が所定負荷よりも高い高負荷領域にあるときには、前記燃料噴射弁により燃料を噴射する期間を、圧縮行程終期から膨張行程初期の範囲内に設定すると共に、当該噴射期間における前半では前記燃料噴霧のペネトレーションを小さくしかつ、前記噴射期間における後半では前記燃料噴霧のペネトレーションを大きく設定する火花点火式直噴エンジン。
An engine body having a cylinder with a geometric compression ratio set to 18 or more;
A piston inserted into the cylinder and formed with a cavity recessed in the crown surface;
A fuel injection valve configured to inject fuel spray into a combustion chamber defined by the cylinder and the piston of the engine body;
A controller configured to control a fuel injection mode into the combustion chamber through the fuel injection valve according to an operating state of the engine body,
The fuel injection valve is disposed at the axial center position of the cylinder, and injects fuel spray so as to expand outward in the radial direction therefrom,
The cavity is configured such that its side wall is inclined with respect to the axial direction of the cylinder so as to expand from the cavity bottom toward the cavity opening,
The controller sets a period during which fuel is injected by the fuel injection valve within a range from the end of the compression stroke to the initial stage of the expansion stroke when the operating state of the engine body is in a high load region higher than a predetermined load. The spark ignition direct injection engine in which the fuel spray penetration is reduced in the first half of the injection period and the fuel spray penetration is set higher in the second half of the injection period.
請求項1に記載の火花点火式直噴エンジンにおいて、
前記燃料噴射弁は、ノズル口を開閉する外開弁を有しかつ、当該外開弁のリフト量が大きいほど、前記ノズル口から前記燃焼室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に構成されており、
前記制御器は、前記噴射期間における前半では前記外開弁のリフト量を所定量に設定しかつ、前記噴射期間における後半では前記外開弁のリフト量を前記所定量よりも大きく設定する火花点火式直噴エンジン。
In the spark ignition direct injection engine according to claim 1,
The fuel injection valve has an outer opening valve that opens and closes a nozzle opening, and the greater the lift amount of the outer opening valve, the greater the penetration of fuel spray injected from the nozzle opening into the combustion chamber. Configured,
The controller sets the lift amount of the outer valve to a predetermined amount in the first half of the injection period, and sets the lift amount of the outer valve to be larger than the predetermined amount in the second half of the injection period. Direct injection engine.
請求項1又は2に記載の火花点火式直噴エンジンにおいて、
前記キャビティは、キャビティ底部が径方向の外方から中央に向かって隆起するように、その底壁が前記気筒の軸線に直交する方向に対して傾斜している火花点火式直噴エンジン。
In the spark ignition direct injection engine according to claim 1 or 2,
The cavity is a spark ignition direct injection engine in which a bottom wall is inclined with respect to a direction orthogonal to the axis of the cylinder so that the bottom of the cavity rises from the outside in the radial direction toward the center.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の火花点火式直噴エンジンにおいて、
前記エンジン本体は、前記気筒の軸心が、クランク軸の回転中心に対し、クランク角の進み側にずれて配置されている火花点火式直噴エンジン。
The spark ignition direct injection engine according to any one of claims 1 to 3,
The engine main body is a spark ignition direct injection engine in which the axis of the cylinder is arranged so as to be shifted toward the crank angle advance side with respect to the rotation center of the crankshaft.
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