(57)【要約】【課題】燃料通路を流通する燃料の加熱応答性が良好で、しかも、燃料通路の周方向における燃料の熱分離性が良く、機関運転状態に応じて要求される燃料噴霧形状および濃度に任意に制御できる燃料噴射装置の提供を図る。【解決手段】ヒーター１４は筐体１１の内周面に沿って環状に配設され、円周方向に複数個に分割されて、各ヒーター１４が機関運転状態に応じて独立して温度調整される。燃料通路１５内の燃料は直近にあるヒーター１４により加熱されて燃料温度が変わることにより、噴射口１２から噴射される噴霧広がり角，到達距離が変化し、各ヒーター１４の個々が独立して調温されることで機関運転状態に最も適切な燃料噴霧形状を形成することができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端部に噴射口を有する円筒状の筐体と、
前記筐体内に可動的に配設されて前記噴射口を開閉する針弁と、
前記筐体の内周面に沿って環状に配設されて前記針弁との間に環状の燃料通路を形成するヒーターと、を備え、
前記ヒーターは、前記筐体の内周方向に複数個に分割され、機関の運転状態に応じて各ヒーターがそれぞれ独立して任意の温度に調整可能とされていることを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項２】
前記噴射口は、その外縁側が末広がりとなる円錐状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射装置。
【請求項３】
前記針弁と前記ヒーターとの間に形成される燃料通路の幅ａが、該燃料通路の円周方向の長さｌに対して小さく（ａ＜＜ｌ）設定されていて、該燃料通路内の燃料が前記ヒーターにより噴射直前に加熱されることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料噴射装置。
【請求項４】
前記噴射口から、燃料がある一定の燃料圧力の下で前記ヒーターにより２種類以上の異なる温度に制御されて同時に噴射可能とされていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１つに記載の燃料噴射装置。
【請求項５】
前記噴射口から噴射される燃料は、臨界圧力以上に加圧されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１つに記載の燃料噴射装置。
【請求項６】
前記噴射口から噴射される燃料は、円周方向で超臨界点未満に加熱された領域の燃料と、全く加熱しない領域の燃料とが同時に噴射されることを特徴とする請求項１〜５の何れか１つに記載の燃料噴射装置。
【請求項７】
前記噴射口から噴射される燃料は、円周方向で超臨界点以上に加熱された領域の燃料と、全く加熱しない領域の燃料とが同時に噴射されることを特徴とする請求項１〜５の何れか１つに記載の燃料噴射装置。
【請求項８】
前記噴射口から噴射される燃料は、円周方向で超臨界点未満に加熱された領域の燃料と、超臨界点未満に加熱された領域の燃料とが同時に噴射されることを特徴とする請求項１〜５の何れか１つに記載の燃料噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関、とりわけ、筒内噴射式内燃機関に用いて好適な燃料噴射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、筒内噴射式内燃機関に用いられる燃料噴射装置として、例えば特許文献１に示されているように、ニードル弁とハウジングとの間に形成される燃料通路を、金属製のセパレータにより周方向に複数の燃料通路に分割し、各分割した燃料通路に加熱素子を配設して、これら複数の燃料通路のうちから選択された燃料通路を流れる燃料に前記加熱素子により熱を加えることによって、燃料噴射弁から噴射される燃料全体の噴霧形状を変更するようにした燃料噴射弁が知られている。
【特許文献１】特開２０００−２３０４６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
前記従来の燃料噴射弁にあっては、前述のように燃料通路を周方向に複数に分割するために、該燃料通路に金属製のセパレータが配設されており、このセパレータは熱容量が大きいため加熱素子による燃料の加熱の応答性が悪く、機関運転状態に即応した燃料噴霧形状の変更が適切に行われなくなってしまうことは否めない。
【０００４】
しかも、選択された燃料通路で加熱された燃料は、セパレータに形成された連通路を経由して、その下流側でニードル弁周囲に環状に形成された各燃料通路の合流部において他の燃料通路を流通する燃料と合流されるため、燃料の熱分離が不完全となって燃料噴霧形状が不安定となってしまう可能性がある。
【０００５】
また、金属製のセパレータによって燃料通路を周方向に複数に分割するため、各燃料通路面積を均一に構成することは難しく、コスト的に不利となってしまうばかりでなく、各燃料通路面積が不均一な場合には、燃料噴霧形状の不安定化は免れなくなってしまう。
【０００６】
そこで、本発明は燃料通路を流通する燃料の加熱応答性が良好で、しかも、該燃料通路の周方向における燃料の熱分離も良好に行うことができて、機関運転状態に応じて要求される燃料噴霧形状および濃度に任意に制御することができる燃料噴射装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の燃料噴射装置にあっては、先端部に噴射口を有する円筒状の筐体と、前記筐体内に可動的に配設されて前記噴射口を開閉する針弁と、前記筐体の内周面に沿って環状に配設されて前記針弁との間に環状の燃料通路を形成するヒーターと、を備え、前記ヒーターは、前記筐体の円周方向に複数個に分割され、機関の運転状態に応じて各ヒーターがそれぞれ独立して任意の温度に調整可能とされていることを主要な特徴としている。
【０００８】
前記燃料通路内の燃料は、直近にあるヒーターにより加熱されて燃料温度が変わることによって、噴射口から噴射される燃料の噴霧広がり角および到達距離（ペネトレーション）を調整することが可能となる。前記ヒーターは、筐体の内周面に沿って円周方向に複数個に分割されていて、燃料の温度を円周方向において部分的に変化させることが可能となり、この結果、噴射口から噴射される燃料の広がり角および到達距離で代表される燃料噴霧形状を任意に制御することが可能となる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ヒーターは筐体の内周面に沿って環状に配設され、かつ、円周方向に複数個に分割されていて、各ヒーターが機関の運転状態に応じてそれぞれ独立して任意の温度に調整可能とされているため、任意の燃料噴霧形状に制御することができる。この結果、機関運転状態に最も適切な燃料噴霧形状を現出させて、より効果的な燃焼を行わせることができる。
【００１０】
そして、前記従来の構造と異なり、燃料通路内に熱容量の大きな金属製のセパレータが存在しないため、ヒーターによる燃料の加熱の応答性が良好で、機関の運転状態から要求される燃料噴霧形状を応答性良く変化させることができると共に、燃料噴霧形状を安定化することができる。しかも、円周方向に分割された複数個のヒーターのうち、選択されたヒーターによりその直近で加熱された燃料は、他の部分の燃料と合流することなく直ちに噴射口により噴射されるため、燃料の熱分離が良好に行われ、この結果、燃料噴霧形状をより一層安定化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を図面と共に詳述する。
【００１２】
図１は本発明に係る燃料噴射装置を備えた内燃機関の断面図、図２は本発明に係る燃料噴射装置の縦断面図、図３は本発明に係る燃料噴射装置の横断面図、図４は本発明に係る燃料噴射装置による燃料噴射形態を、全非加熱の常温噴射時（Ａ）と、沸点付近の全加熱噴射時（Ｂ）と、超臨界の全加熱噴射時（Ｃ）と、で示す説明図、図５は本発明に係る燃料噴射装置による燃料噴射形態を、燃料の非加熱と沸点以上加熱の領域別温度制御を行った部分的噴き分け時（Ａ）と、燃料の非加熱と超臨界点以上加熱の領域別温度制御を行った部分噴き分け時（Ｂ）と、燃料の沸点以上加熱と超臨界点以上加熱の領域別温度制御を行った部分噴き分け時（Ｃ）と、で示す説明図、図６は燃料の噴射圧力と温度との関係を説明するＰ−Ｔ線図、図７はヒーターの分割変形例を、（Ａ），（Ｂ）で加熱割合を変えて示す図３と同様の横断面図である。
【００１３】
図１に示す内燃機関は、一般的な筒内噴射式のガソリンエンジンとして構成されている。シリンダブロック１とシリンダヘッド２とピストン３とで形成された燃焼室４の上側には、略中心部に点火プラグ５が配設され、その両側部分に吸気バルブ６と排気バルブ７とが存在する。
【００１４】
そして、前記吸気バルブ６の近傍位置に燃料噴射装置１０が配設され、前記燃焼室４内に前記ピストン３の冠面に向けて燃料を噴射するように構成されている。
【００１５】
前記燃料噴射装置１０は、図２，図３に示すように先端部に噴射口１２を有する円筒状の筐体１１と、該筐体１１内に可動的に配設されて前記噴射口１２を開閉する針弁１３とを備えている。
【００１６】
前記筐体１１の先端部の噴射口１２は、その外縁側が末広がりとなる円錐状に形成されている。
【００１７】
また、前記筐体１１には、その内周面に沿って断熱材１６を介してヒーター１４が環状に配設され、該ヒーター１４と前記針弁１３との間に燃料通路１５が形成されている。
【００１８】
前記ヒーター１４は、前記筐体１１の円周方向に複数個に分割、例えば、本実施形態にあっては４等分に分割され、機関の運転状態に応じて各ヒーター１４がそれぞれ独立して
任意の温度に調整可能とされている。
【００１９】
このヒーター１４はプラチナ（Ｐｔ）やニッケル（Ｎｉ）等の金属、もしくは通電加熱できる材料をもって薄膜状に形成して、電気抵抗値が配線抵抗よりも大きく通電時における配線からの発熱を低減でき、かつ、熱容量を可及的に小さくして燃料の加熱の応答性が良好となるようにされている。
【００２０】
また、前記ヒーター１４は、前記断熱材１６の表面に前記分割状態にメッキ処理を施して形成するか、もしくは、予め前記材料をもって薄膜状態で円弧状の分割ピースとして形成して、これを前記断熱材１６の表面に接合して形成され、何れの場合でも分割された各隣接するヒーター１４，１４間に前記断熱材１６の一部が介在するように配設されている。
【００２１】
一方、前記針弁１３とヒーター１４との間に形成された燃料通路１５の幅ａ（針弁１３とヒーター１４との間の間隙）は、該燃料通路１５の円周方向の長さｌよりも十分に小さく（ａ＜＜ｌ）設定される。
【００２２】
以上のように、前記燃料通路１５内の燃料は筐体１１の円周方向に４分割されて個々に独立して温度調整されるヒーター１４によって加熱されるが、このヒーター１４による燃料の加熱のタイミングは、燃料が噴射口１２から噴射される直前で数ミリセカンドレベルで過渡的に加熱するもので、このとき、前記燃料通路１５内は燃料の過度加熱による沸騰を避けるために、超臨界圧以上の一定の燃料圧力に制御される。
【００２３】
また、前記ヒーター１４の通電加熱による燃料の加熱は、２種類以上の異なる温度、本実施形態では燃料の沸点以上（超臨界未満）と、超臨界点以上の２つの異なる加熱温度に切替え制御される。
【００２４】
図４は本実施形態の燃料噴射装置１０における燃料の温度と噴霧形状の関係を示しており、同図の（Ａ）は前記４つのヒーター１４の全てを非加熱とした常温噴射時を、（Ｂ）は４つのヒーター１４の全てが燃料の沸点（ここでの沸点は筒内圧力時の沸点とする）付近に加熱された全加熱噴射時を、（Ｃ）は４つのヒーター１４の全てが燃料の超臨界点に加熱された全加熱噴射時を示している。
【００２５】
図４（Ａ）に示すように、燃料を図６のＡ領域で示す常温で噴射した場合、噴射口１２の円錐形状の案内効果により、燃料の噴射角は広角になる。このとき、燃料は液滴状態であるため強い貫通力を持つ噴射となり、円錐形状で中は中空状態の噴霧Ｆａとなる。つまり、噴霧Ｆａの外周部のみ濃度が高い液滴状態で噴霧される。
【００２６】
図４（Ｂ）に示すように、燃料を図６のＢ領域で示す沸点以上（超臨界未満）まで加熱すると、前述の常温時に見られた噴射口１２の案内効果が薄れて、燃料の噴霧広がり角が狭まり、Ｆｂのような噴霧形状になる。このとき、燃料温度の上昇に伴って貫通力が低下するため、噴霧Ｆｂのペネトレーションも短くなり、また、噴霧Ｆｂは中実噴霧となっている。
【００２７】
図４（Ｃ）に示すように、燃料を図６のＣ領域で示す超臨界状態にまで加熱すると、今度は前記（Ｂ）図の例とは逆に燃料の噴霧広がり角が広がり、Ｆｃのような噴霧形状になる。このとき、燃料は高密度な超臨界状態で噴射されるが、噴射口１２を出た瞬間に気化される。つまり、液滴が全くなく、瞬間的には高密度の均一なガスになっていると考えられる。
【００２８】
そこで、これら３つのパターンの噴霧形態を任意に組み合わせることで、機関の運転状態に応じて図５に示すように任意の噴霧形状を形成することができる。
【００２９】
図５（Ａ）は、図３に示す燃料噴射装置１０の断面状態において、４つのヒーター１４のうち、右側２つのヒーター１４ａのみを燃料の噴射直前に過渡的に燃料の沸点以上（超臨界未満）まで加熱し、左側２つのヒーター１４ｂについては一切加熱しない場合である。
【００３０】
このように、燃料の噴射直前でヒーター１４ａを数ミリセカンドレベルの過渡加熱を行うことで、該ヒーター１４ａの直近の燃料は加熱されても非加熱のヒーター１４ｂ側の燃料への熱拡散が追いつかないうちに燃料噴射が行われるため、この非加熱のヒーター１４ｂ側の燃料は常温状態で噴射されることになる。
【００３１】
特に、本実施形態では前記燃料通路１５の幅ａを円周方向の長さｌよりも十分に小さく設定してあるため、ヒーター１４ａの直近の燃料は数ミリセカンドの短時間で前記沸点以上の温度にまで加熱できると共に、円周方向の熱拡散は無視できる程で熱分離がより一層良好に行われる。
【００３２】
この結果、噴射口１２から１回の噴射で形成される燃料噴霧Ｆ１は、片側の非加熱領域では常温状態で噴霧広がり角が広く、かつ、貫通力の強い円錐形状の中空噴霧形状Ｆａとなる一方、反対側の加熱領域では噴霧広がり角が狭く、かつ、貫通力の弱い中実噴霧形状Ｆｂとなって、これらＦａとＦｂとが合成された非円錐の異形の噴霧形状Ｆ１が形成される。
【００３３】
図５（Ｂ）は、前記右側２つのヒーター１４ａのみを燃料の噴射直前に過渡的に燃料の超臨界点以上まで加熱し、左側２つのヒーター１４ｂについては一切加熱しない場合である。
【００３４】
この場合も前述の理由により、ヒーター１４ａの直近の燃料は数ミリセカンドの短時間で超臨界点以上の温度にまで加熱される一方、非加熱のヒーター１４ｂ側の燃料への熱拡散が抑制されて熱分離が良好に行われた状態で噴射口１２より燃料が噴射される。
【００３５】
この結果、噴射口１２から１回の噴射で形成される燃料噴霧Ｆ２は、片側の非加熱領域では常温状態で噴霧広がり角が広く、かつ、貫通力の強い円錐形状の中空噴霧形状Ｆａとなる一方、反対側の加熱領域では液滴が全くなく、瞬間的には高密度の均一なガス状態となった噴霧広がり角の広い中実噴霧形状Ｆｃとなって、これらＦａとＦｃとが合成された非円錐の異形の噴霧形状Ｆ２が形成される。
【００３６】
この燃料噴霧形状を適用した例を図１に示しており、燃料噴射装置１０の噴射口１２から噴射される燃料噴霧Ｆ２の上側が超臨界点以上に加熱されていて、点火プラグ５の周辺にはリッチな高密度の超臨界状態の噴霧Ｆｃを集められ、それらは噴射後ガス化する。一方、前記燃料噴霧Ｆ２の下側は常温状態で噴霧広がり角が広く、液滴状で貫通力の強い中空噴霧Ｆａとなってピストン３の冠面に向けて噴きつけることができる。
【００３７】
この結果、燃焼室４内にはスワラーによるスワール流を作ることなしに、燃料噴射装置１０から燃料を噴射した瞬間に濃度勾配がついた成層状態の燃料噴霧Ｆ２を形成することができ、前記点火プラグ５の周りに濃度の高い高密度ガスが集まることで、失火を防ぐことができて安定した成層燃焼を行わせることができる。
【００３８】
図５（Ｃ）は、前記右側２つのヒーター１４ａを燃料の噴射直前に過渡的に燃料の超臨
界点以上まで加熱し、同時に左側２つのヒーター１４ｂを超臨界未満の沸点以上に加熱した場合である。
【００３９】
この場合も、各ヒーター１４ａ，１４ｂの直近の燃料は数ミリセカンドの短時間で各ヒーター１４ａ，１４ｂに対応した所定の温度に加熱され、相互の熱拡散が抑制されて熱分離が良好に行われた状態で噴射口１２より燃料が噴射される。
【００４０】
この結果、噴射口１２から１回の噴射で形成される燃料噴霧Ｆ３は、ヒーター１４ｂに対応した片側の加熱領域では常温時に較べて燃料の噴霧広がり角が狭く、かつ、ペネトレーションが短い中実噴霧形状Ｆｂとなる一方、ヒーター１４ａに対応した反対側の加熱領域では液滴が全くなく、瞬間的には高密度の均一なガス状態となった噴霧広がり角の広い中実噴霧形状Ｆｃとなって、これらＦｂとＦｃが合成された非円錐の異形の噴霧形状Ｆ３が得られる。
【００４１】
前記実施形態では、ヒーター１４を４等分に分割して、片側半分の領域でこれらヒーター１４ａ，１４ｂをそれぞれ独立して温度調整するようにしているが、機関の運転状態に応じてこの領域分配率を変えることもできる。
【００４２】
図７は前記ヒーター１４を８等分に細分割して配設した変形例を示しており、（Ａ）は加熱領域と非加熱領域もしくは異なる温度の加熱領域の分配率を変えた例を示し、（Ｂ）は加熱領域と非加熱領域もしくは異なる温度の加熱領域を交互に設定した例を示している。このように、ヒーター１４の分割配置を細かくすることによって、より精巧な成層状態の燃料噴霧形状の形成が可能となる。
【００４３】
以上の構成からなる本実施形態の燃料噴射装置１０によれば、ヒーター１４は筐体１１の内周面に沿って環状に配設され、かつ、円周方向に複数個に分割されていて、各ヒーター１４が機関の運転状態に応じてそれぞれ独立して任意の温度に調整可能とされているため、機関の運転状態に最も適切な燃料噴霧形状を現出させて、より効果的な燃焼を行わせることができる。
【００４４】
そして、燃料通路１５内には前記従来のような熱容量の大きな金属製のセパレータが存在しないため、ヒーター１４による燃料の加熱の応答性が良好で、機関の運転状態から要求される燃料噴霧形状を応答性良く変化させることができると共に、燃料噴霧形状の安定化を図ることができる。
【００４５】
しかも、円周方向に分割された複数個のヒーター１４によりその直近で加熱された燃料は、他の部分の燃料と合流することなく直ちに噴射口１２より噴射されるため、燃料の熱分離が良好に行われて燃料噴霧形状をより一層安定化することができる。
【００４６】
ここで、前記噴射口１２は、その外縁側が末広がりの円錐形状とされているため、燃料の非加熱時には噴霧角が広がり、加熱時には噴霧角が狭まるという現象を利用することができて、任意の噴霧広がり角度が作れるようになり、前記燃料噴霧形状の変化を際立たせることができる。
【００４７】
そして、前記燃料通路１５の幅ａを円周方向の長さｌよりも十分に小さく設定してあるので、燃料を数ミリセカンドの短時間で所定の温度にまで加熱できると共に、円周方向の熱拡散は無視できる程小さく抑制してセパレータを用いることなく熱分離が良好に行われ、しかも、ヒーター１４による加熱は燃料の噴射直前に行われるため、前記熱分離が維持された状態で燃料を噴射できて前記燃料噴霧形状の安定化をより一層向上することができる。また、このように、燃料を噴射の直前に短時間で加熱することによって、前記熱拡散
の防止の他、余分な消費エネルギーが避けられ、更に、筐体１１や針弁１３等に蓄熱することも避けられるので、これら筐体１１等の温度上昇を回避して機械的な信頼性を向上できる。
【００４８】
そして、燃料をある一定の燃料圧力の下で前記ヒーター１４により２種類以上の異なる温度で噴射口１２より同時に噴射することで、２種類以上の噴霧角度を持った異形の燃料噴霧形状が得られて、機関の運転特性に最も適切な燃料噴霧形態が得られる。
【００４９】
また、この燃料圧力を臨界圧力以上に一定に加圧しておくことにより、燃料の加熱による沸騰が回避され、沸騰が起こらないため、ヒーター１４と燃料との間の限界熱流束を気にせずに該ヒーター１４を所定温度にまで加熱することができ、設計通りに所望の燃料噴霧形状を形成することができる。
【００５０】
そして、前記噴射口１２から、円周方向で超臨界点未満に加熱された領域の燃料と、非加熱の領域の燃料とを同時に噴射することで、噴霧広がり角が狭く、かつ、ペネトレーションの短い中実噴霧Ｆｂと、噴霧広がり角が広く液滴状態で貫通力の強い中空噴霧Ｆａとが合成された非円錐で部分的に濃度が異なる異形の噴霧形状Ｆ１が形成される。また、円周方向で超臨界点以上に加熱された領域の燃料と、非加熱の燃料とを同時に噴射することで、噴霧広がり角が広く高密度の中実噴霧Ｆｃと、噴霧広がり角が広く液滴状態で貫通力の強い中空噴霧Ｆａとが合成された非円錐で部分的に濃度が異なる異形の噴霧形状Ｆ２が形成される。更に、円周方向で超臨界点未満に加熱された領域の燃料と、超臨界点以上に加熱された燃料とを同時に噴射することで、噴霧広がり角が狭くペネトレーションの短い中実噴霧Ｆｂと、噴霧広がり角が広く高密度の中実噴霧Ｆｃとが合成され、沸点以上の加熱で噴射後直ちに気化される非円錐で部分的に濃度が異なる異形の噴霧形状Ｆ３が形成される。これらのことから、機関の運転条件から要求される所定の噴霧形状Ｆ１〜Ｆ３の成層状態の燃料噴射を選択的に行わせることが可能となり、機関運転状態に応じて１噴射毎に応答性よく噴射形状を変えることができて、安定した燃焼を行わせることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明に係る燃料噴射装置を備えた内燃機関の断面図。
【図２】本発明に係る燃料噴射装置の縦断面図。
【図３】本発明に係る燃料噴射装置の横断面図。
【図４】本発明に係る燃料噴射装置による燃料噴射形態を、全非加熱の常温噴射時（Ａ）と、沸点付近の全加熱噴射時（Ｂ）と、超臨界の全加熱噴射時（Ｃ）と、で示す断面図。
【図５】本発明に係る燃料噴射装置による燃料噴射形態を、燃料の非加熱と沸点以上加熱の領域別温度制御を行った部分的噴き分け時（Ａ）と、燃料の沸点以上加熱と超臨界点以上加熱の領域別温度制御を行った部分噴き分け時（Ｂ）と、燃料の沸点以上加熱と超臨界点以上加熱の領域別温度制御を行った部分噴き分け時（Ｃ）と、で示す説明図。
【図６】燃料の噴射圧力と温度との関係を説明するＰ−Ｔ線図。
【図７】ヒーターの分割変形例を、（Ａ），（Ｂ）で加熱割合を変えて示す図３と同様の断面図。
【符号の説明】
【００５２】
１０…燃料噴射装置
１１…筐体
１２…噴射口
１３…針弁
１４…ヒーター
１５…燃料通路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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