JP4268885B2 - 燃料噴射弁−点火プラグ−組合せ - Google Patents

Description

本発明は、請求項１記載の、組み込まれた点火プラグを備えた燃料噴射弁（燃料噴射弁−点火プラグ−組合せ）に関する。

欧州特許第０６６１４４６号明細書につき、組み込まれた点火プラグを備えた燃料噴射弁が公知である。組み込まれた点火プラグを備えたこの燃料噴射弁は、内燃機関の燃焼室に燃料を直接に噴射し、燃焼室に噴射された前記燃料に点火するために用いられる。燃料噴射弁と点火プラグとのコンパクトな統合により、内燃機関のシリンダヘッドの構成スペースが節約できる。組み込まれた点火プラグを備えた公知の燃料噴射弁は弁体を有しており、この弁体は、弁ニードルにより操作可能な弁閉鎖体と協働してシール座を形成している。このシール座には、弁体の、燃焼室に向いた端面で開口する噴射開口が接続している。前記弁体は、セラミックの絶縁体により、内燃機関のシリンダヘッドにねじ込み可能なケーシング体から耐高圧性に絶縁されている。ケーシング体には、アース電極が位置しており、これにより、高圧を負荷された弁体に対して対応電位が形成される。弁体に十分な高圧が負荷された場合には、弁体と、ケーシング体に接続されたアース電極との間に火花放電が得られる。

しかしながら、組み込まれた点火プラグを備えた公知の燃料噴射弁では次のことが不利である。すなわち、火花放電の位置が、噴射開口から噴射された燃料噴射流に関して規定されていない。なぜならば、火花放電は、弁体の突出部の側方領域のほぼ任意の箇所で行われ得るからである。噴射開口から噴射された燃料噴射流のいわゆる「噴射流根」の、不可欠な安全性を伴った確実な点火は、公知のこの構成形式では不可能である。しかしながら、燃料噴射流の時間的に正確に規定された確実な点火は、有害物質低減のためには絶対的に必要である。さらに、燃料噴射流の流出開口には、噴射された噴射流形状に影響を及ぼす煤形成はカーボン付着が常に生じる。とりわけ、燃料噴射弁のセラミック被覆が比較的コスト高であることは不利である。

さらに、点火火花を形成するために必要とされる作動電圧が、一般に２５ｋＶまでであり、これにより、電圧形成若しくは電圧変換のために必要とされるコンポーネントが、一方ではコスト高であり、かつ所要スペースが大きく、他方では、高い電圧に基づいて強度に負荷され、それ故、わずかな耐用寿命しか有していないことは不利である。

本発明の利点
請求項１の特徴部に記載の、本発明による燃料噴射弁−点火プラグ−組合せは、これに対して次のような利点を有している。すなわち、点火プラグの火花ギャップが非常に短いので、点火火花を形成するためにはわずかな電圧があれば十分である。

この場合、火花ギャップの幅は５０〜３００μｍまでであり、噴射開口の前に３〜１５ｍｍの軸線方向間隔を置いて設けられている。

従属請求項に記載の手段により、請求項１に記載の燃料噴射弁−点火プラグ−組合せの有利な発展形及び改良形が可能である。

特に、電極はほぼ任意に形成されていてよく、これにより、あらゆる組込み状況及び噴射状況を考慮することができることは有利である。この場合、電極は半径方向にも軸線方向にも、直角又は部分円状に湾曲されていてよい。

さらに本発明は、燃料噴射弁の任意の構成形式のために、特に内方に開放された燃料噴射弁のためにも外方に開放された燃料噴射弁のためにも適しているので有利である。

有利には、電極の端部は斜めに切断されているか、又は円錐状に尖鋭化されており、これにより、火花放電が簡易化される。

実施例の説明
本発明の実施例を図面に概略的に示し、以下の説明に詳しく説明する。

図１には、混合気圧縮火花点火式内燃機関の燃焼室に燃料を直接に噴射し、燃焼室に噴射された前記燃料に点火するための、組み込まれた点火プラグ２を備えた燃料噴射弁の噴射側端部の概略的な長手方向部分横断面図が示されている。

この場合、この燃料噴射弁１はノズル体３と弁座体４とを有している。弁座体４には、複数の、本実施例では例えば５つの噴射開口５が配置されている。燃料噴射弁１は、ノズル体３内に配置された弁ニードル６を有している。この弁ニードル６は、噴射側の端部に弁閉鎖体７を有している。この弁閉鎖体７は、弁座体４に形成された弁座面８と共にシール座を形成している。本発明の第１実施例は、内方へ向かって開放された燃料噴射弁１である。

この場合、燃料噴射弁１は、電磁的に操作可能な燃料噴射弁１の形で形成されているか、又は圧電式又は磁気ひずみ性のアクチュエータを介して操作できるようになっていてもよい。

点火プラグ２は、有利にはセラミック材料からなるプラグ碍子９並びにこのプラグ碍子９内に配置された第１の電極１０とから成っている。この第１の電極１０は、点火装置（図示しない）により電気的に接触可能である。点火プラグ２と燃料噴射弁１とは、共通のケーシング１１内に配置されている。少なくとも１つの第２の電極１２が、前記共通のケーシング１１に次のように位置決めされている、すなわち、電極１０と電極１２との間に火花ギャップ１３が形成されているように位置決めされている。点火プラグ２と燃料噴射弁１とを共通のケーシング１１内に組み込むことにより、さもなければ別個に配置された点火プラグ２のために手間をかけて設けなければならない組込みスペースは省略することができる。

この場合、火花ギャップ１３は、本発明によれば極わずかな幅しか有していない。この幅は、５０〜３００μｍまでであり、燃料噴射弁１の噴射開口５から３〜１５ｍｍまで離隔されている。火花ギャップ１３のわずかな幅は、電極１０と電極１２との間に点火火花を形成するために必要とされる点火電圧が従来の点火プラグの場合よりも著しく低い場合には有利である。従来の点火プラグにおける必要点火電圧が約２５ｋＶなのに対して、この場合の点火電圧は、５〜８ｋＶまでで変化する。

このことは、点火電圧を提供する構成部材が、よりわずかな電圧強度で設計されればよく、これにより、製造がより安価になるという利点を有している。とりわけ、電気的なコンポーネントの負荷がわずかになり、このことは、より長い耐用寿命をもたらす。

容量放電による電極腐食が著しく低減され得るので、電極１０及び電極１２は同様に良好に保護される。なぜならば、電極腐食は電圧と２乗の関係にあるからである。

図２Ａ及び図２Ｂは、本発明により形成された、組み込まれた点火プラグ２を備えた燃料噴射弁１の、図１に示した実施例による電極１０及び電極１２の対応した配置のための２つの実施例を示している。この場合、視線方向は、それぞれ燃料の噴射方向に抗して燃料噴射弁１の弁座体４に向けられている。

図２Ａには、電極１０及び電極１２が線状に形成されており、互いに直径上に配置されている。このことは、特に簡単な製造可能性の利点を有している。なぜならば、電極は、図１に示したように単に直角に折り曲げられるだけでよく、その他にさらに作業する必要がないからである。

図２Ｂに示した電極１０及び電極１２は湾曲されて構成されているが、図２Ａに示したように第２の電極１２が第１の電極１０に直径上に向かい合っているのではなく、むしろ第１の電極１０と共に少なくとも部分的に円を形成している。このことは、燃料噴射弁１１及び点火プラグ２の共通のケーシング１を、著しくより細く形成することができ、結果的にシリンダヘッド内の必要な構成スペースを減じることができるという利点を有する。

既に図１、図２Ａ及び図２Ｂから判るように、電極１０及び電極１２は次のように、すなわち、火花ギャップ１３が、噴射開口５を介して噴射された混合気雲の内部に常に配置されているように、配置されている。このことは、混合気雲が、常に存在する混合気流及びこれにより生じる火花変位によって、確実に点火され得るという利点を有する。この場合、図３Ａに示したように、火花ギャップ１３は燃料噴射弁１の長手方向軸線１６に軸線方向に、燃料噴射弁１の噴射開口５の同心的なリング上にセンタリングされて配置されていてよい。これにより、混合気雲は中央で点火される。次いで、混合気雲は非常に迅速に燃焼することができる。なぜならば、混合気雲の外側領域への引火距離は、点火プラグ２が縁部に配置されており、この点火プラグ２が混合気雲をまず縁範囲で点火する場合のほぼ半分だからである。

図３Ｂは、火花ギャップ１３の、噴射開口５に対して相対的な配置の別の可能性を示している。火花ギャップ１３の適宜な配置により、例えば、電極１０と電極１２とが強度に直接に噴射され、このことが電極１０及び電極１２のカーボン付着、ひいては機能不良及び結果的な失火が強まることを阻止することができる。しかしまた、火花ギャップ１３のできるだけ中央の配置を維持し、これにより、短い引火距離を活用することができる。

図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃは、電極１０及び電極１２の可能な形状を示している。これらの電極１０及び電極１２は、有利には本発明により形成された、組み込まれた点火プラグ２を備えた燃料噴射弁１に挿入可能である。

この場合、図４Ａは、互いに直角に向けられた電極１０及び電極１２を示している。この場合、電極１０，１２の端部１４は斜めに切断されているか、又は円錐状にさえも形成されており、これにより、火花放電が促進される。この場合、直角に折り曲げられた電極はケーシング１１の端面１７に対して平行に延びている。

図４Ｂに示した実施例では、電極１０，１２の端部１４がもう一度直角に折り曲げられており、これにより、電極１０，１２は再び互いに平行に位置している。このことは、火花ギャップ１３が、混合気流に対して所定の遮蔽を被り、これにより、カーボン付着及びこれに続く失火の危険が減じされるという利点を有する。

図４Ｃでは、電極１０及び電極１２は角状にではなく互い方へ向けられており、これにより、配置は特に簡単に形成可能である。この場合にも、電極１０，１２の端部１４が、少なくとも斜めに切断されているか、又は円錐状に形成されており、これにより、火花放電が促進されるようになっていることが重要である。

図５Ａ及び図５Ｂは、本発明により形成された、組み込まれた点火プラグ２を備えた燃料噴射弁１の第２実施例を示している。この場合、燃料噴射弁１は、図１〜図３に示した燃料噴射弁１とは反対に、外方へ開放された燃料噴射弁１の形で構成されている。

この場合、図５Ａは燃料噴射弁１及び組み込まれた点火プラグ２の噴射側の端部の著しく概略的な側面図を示している。この燃料噴射弁１は、前記実施例のようにノズル体３を有しており、このノズル体３内を、弁ニードル６が案内されている。この弁ニードル６は噴射側の端部に弁閉鎖体７を有しており、この弁閉鎖体７は、弁閉鎖体７に形成された弁座面８と共にシール座を形成している。この燃料噴射弁１は、弁閉鎖体７の円錐状の構成に基づいて、円錐側面状の混合気雲１５を噴射する。

図５Ａから判るように、電極１０，１２の軸線方向の長さはこの場合、次のように寸法取りされている、すなわち、混合気雲１５が、電極１０，１２若しくは電極１０，１２の間に位置する火花ギャップ１３を完全に取り囲まずに、むしろ接線状に接触するように寸法取りされている。このことは、図５Ｂに明確化されている。図５Ｂは、燃料噴射弁１及び点火プラグ２の噴射側の端部を噴射方向に向かって見た平面図を示している。この場合、燃料の流出範囲上の軸線方向の高さはほぼ５ｍｍである。円錐側面状の混合気雲１５の開度が、ちょうど火花ギャップ１３が、直接に噴射されることなしに、化学量論的な混合気の範囲に位置している程度の幅を有していることが判る。このことは、点火プラグ２の耐用寿命のために有利である。なぜならば、熱衝撃負荷がそれほど強くなく、電極１０，１２はよりわずかに電極腐食しやすいからである。

図５Ａ及び図５Ｂに示した、組み込まれた点火プラグ２を備えた燃料噴射弁１の第２実施例のためには、特に図４Ａ、図Ｂ及び図Ｃに示した電極１０，１２の構成をも使用可能である。

構造的な特徴を明確化するために、図６Ａ，図６Ｂ，図６Ｃ及び図６Ｄに示した、内燃機関の種々異なった負荷状態における噴射及び点火経過の図表が役立つ。

この場合、図６Ａは概略的に、内燃機関の回転数ｎに関係した負荷Ｍの経過を簡易化した図である。水平に平行した面の内部の運転状態は、成層給気運転又は部分負荷運転と呼ばれ、かつ垂直に平行した面の内部の運転状態は、均質運転、均質リーン運転、又は全負荷運転と呼ばれる。この場合、図６Ｂ及び図６Ｄは、成層給気運転の範囲からの運転状態を示しており、かつ図６Ｃは均質運転の範囲からの運転状態を示している。

図６Ｂは、時間ｔ_ｉにわたったクランクシャフト角度範囲°ＫＷにわたる噴射段階を示す、可能な噴射及び点火経過を示している。点火は、噴射の開始直後、又は上死点の前に行われる。

択一的に、図６Ｄに示した噴射及び点火経過も可能である。この場合には本来の噴射ののちに少量噴射が点火のために行われる。

このことは、図６Ｃに示したように、主噴射と少量噴射との間により大きいカムシャフト角度範囲が位置するという条件下では均質運転のためにも可能である。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく、燃料噴射弁１及び点火プラグ２の任意の構成形式のためにも使用可能である。

本発明による燃料噴射弁−点火プラグ−組合せの噴射側の端部の概略的な横断面図である。

点火プラグの電極の可能配置を噴射方向に向かって見た概略的な平面図である。

点火プラグの電極の可能配置を噴射方向に向かって見た概略的な平面図である。

火花ギャップの可能配置を噴射方向に向かって見た概略的な平面図である。

火花ギャップの可能配置を噴射方向に向かって見た概略的な平面図である。

電極の異なった形状を示す概略図である。

電極の異なった形状を示す概略図である。

電極の異なった形状を示す概略図である。

本発明により形成された燃料噴射弁−点火プラグ−組合せの第２実施例の噴射側の端部の側面図である。

本発明により形成された燃料噴射弁−点火プラグ−組合せの第２実施例の噴射側の端部の平面図である。

本発明により形成された燃料噴射弁−点火プラグ−組合せにより形成された内燃機関の異なった運転状況における噴射及び点火経過を示す図表である。

本発明により形成された燃料噴射弁−点火プラグ−組合せにより形成された内燃機関の異なった運転状況における噴射及び点火経過を示す図表である。

本発明により形成された燃料噴射弁−点火プラグ−組合せにより形成された内燃機関の異なった運転状況における噴射及び点火経過を示す図表である。

本発明により形成された燃料噴射弁−点火プラグ−組合せにより形成された内燃機関の異なった運転状況における噴射及び点火経過を示す図表である。

Claims (20)

1. 燃料噴射弁−点火プラグ−組合せであって、内燃機関の燃焼室に、少なくとも１つの噴射開口（５）を介して、燃料を直接に噴射するための燃料噴射弁（１）が設けられており、第１の電極（１０）を有するプラグ碍子（９）によって、燃焼室内に噴射された前記燃料に点火するための点火プラグ（２）が設けられており、かつ第２の電極（１２）が設けられており、該第２の電極（１２）が、火花ギャップ（１３）により第１の電極（１０）から離隔されており、燃料噴射弁（１）と、点火プラグ（２）のプラグ碍子（９）とが、共通のケーシング（１１）内に配置されており、火花ギャップ（１３）が、５０〜３００μｍまでの幅を有しており、３〜１５ｍｍまでの間隔をおいて噴射開口（５）の前に配置されている形式のものにおいて、
   電極（１０；１２）が、ケーシングの端面に対して平行な平面内で部分円状に湾曲されていることを特徴とする、燃料噴射弁−点火プラグ−組合せ。
2. 第２の電極（１２）が、共通のケーシング（１１）に位置決めされている、請求項１記載の燃料噴射弁−点火プラグ−組合せ。
3. 電極（１０；１２）の、互いの方へ向けられた端部（１４）が、斜めに切断されているか、又は円錐状に尖鋭化されている、請求項１または２記載の燃料噴射弁−点火プラグ−組合せ。
4. 電極（１０；１２）が、ケーシング（１１）内に設けられた燃料噴射弁（１）の長手方向軸線と、点火プラグ（２）とに対して平行に配置されており、火花ギャップ（１３）を形成するために直角に折り曲げられている、請求項１から３までのいずれか１項記載の燃料噴射弁−点火プラグ−組合せ。
5. 電極（１０；１２）が、火花ギャップ（１３）を形成するために互いに弓状に湾曲されている、請求項１から４までのいずれか１項記載の燃料噴射弁−点火プラグ−組合せ。
6. 電極（１０；１２）の端部（１４）が、直角に折り曲げられており、これにより、互いに平行になっている、請求項１から５までのいずれか１項記載の燃料噴射弁−点火プラグ−組合せ。
7. 燃料噴射弁（１）が、複数の噴射開口を備えた、内方へ開放された燃料噴射弁（１）の形で形成されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の燃料噴射弁−点火プラグ−組合せ。
8. ケーシング（１１）の端面（１７）に対して平行に延びる、電極（１０；１２）の部分が、等しい長さを有している、請求項７記載の燃料噴射弁−点火プラグ−組合せ。
9. 火花ギャップ（１３）が、燃料噴射弁（１）の長手方向軸線（１６）の軸線方向の延長線上に配置されている、請求項８記載の燃料噴射弁−点火プラグ−組合せ。
10. ケーシング（１１）の端面（１７）に対して平行に延びる、電極（１０；１２）の部分が、種々異なった長さを有している、請求項７記載の燃料噴射弁−点火プラグ−組合せ。
11. 燃料噴射弁（１）が、外方へ開放された燃料噴射弁（１）の形で形成されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の燃料噴射弁−点火プラグ−組合せ。
12. 火花ギャップ（１３）が、電極（１０；１２）の間に次のように配置されている、すなわち、燃料噴射弁（１）により噴射された円錐周面状の混合気雲（１５）が、火花ギャップ（１３）に接線状に接触するように配置されている、請求項１１記載の燃料噴射弁−点火プラグ−組合せ。
13. 燃料噴射弁−点火プラグ−組合せであって、内燃機関の燃焼室に、少なくとも１つの噴射開口（５）を介して、燃料を直接に噴射するための燃料噴射弁（１）が設けられており、第１の電極（１０）を有するプラグ碍子（９）によって、燃焼室内に噴射された前記燃料に点火するための点火プラグ（２）が設けられており、かつ第２の電極（１２）が設けられており、該第２の電極（１２）が、火花ギャップ（１３）により第１の電極（１０）から離隔されており、燃料噴射弁（１）と、点火プラグ（２）のプラグ碍子（９）とが、共通のケーシング（１１）内に配置されており、火花ギャップ（１３）が、５０〜３００μｍまでの幅を有しており、３〜１５ｍｍまでの間隔をおいて噴射開口（５）の前に配置されている形式のものにおいて、
    燃料噴射弁（１）が、外方へ開放された燃料噴射弁（１）の形で形成されており、かつ
    火花ギャップ（１３）が、電極（１０；１２）の間に次のように配置されている、すなわち、燃料噴射弁（１）により噴射された円錐周面状の混合気雲（１５）が、火花ギャップ（１３）に接線状に接触するように配置されていることを特徴とする、燃料噴射弁−点火プラグ−組合せ。
14. 第２の電極（１２）が、共通のケーシング（１１）に位置決めされている、請求項１３記載の燃料噴射弁−点火プラグ−組合せ。
15. 電極（１０；１２）が、直線状に形成されている、請求項１３又は１４記載の燃料噴射弁−点火プラグ−組合せ。
16. 電極（１０；１２）が、部分円状に湾曲されている、請求項１３又は１４記載の燃料噴射弁−点火プラグ−組合せ。
17. 電極（１０；１２）の、互いの方へ向けられた端部（１４）が、斜めに切断されているか、又は円錐状に尖鋭化されている、請求項１３から１６までのいずれか１項記載の燃料噴射弁−点火プラグ−組合せ。
18. 電極（１０；１２）が、ケーシング（１１）内に設けられた燃料噴射弁（１）の長手方向軸線と、点火プラグ（２）とに対して平行に配置されており、火花ギャップ（１３）を形成するために直角に折り曲げられている、請求項１３から１７までのいずれか１項記載の燃料噴射弁−点火プラグ−組合せ。
19. 電極（１０；１２）が、火花ギャップ（１３）を形成するために互いに弓状に湾曲されている、請求項１３から１８までのいずれか１項記載の燃料噴射弁−点火プラグ−組合せ。
20. 電極（１０；１２）の端部（１４）が、直角に折り曲げられており、これにより、互いに平行になっている、請求項１３から１９までのいずれか１項記載の燃料噴射弁−点火プラグ−組合せ。

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