(57)【要約】【課題】ガソリンエンジン等内燃機関の燃料噴霧の平均粒径が約３０ミクロン程度で、最大粒径が約１５０ミクロン程度となる燃料噴射装置を提供し、内燃機関の燃焼効率の向上を図り、これによって燃費向上を可能にする。【解決手段】燃料噴射装置は気液同軸平行流を構成する同軸噴射口２を有する燃料インジェクタ１と燃料微粒化用高温空気系３からなる。燃料インジェクタは微粒化用高温空気４ａを燃料噴流５ａを取り囲むように配置した微粒化用高温空気噴射口４と、燃料噴射口５からなる同軸噴射口２から高速で噴射して、燃料と高温空気流の界面に生じるせん断力によって燃料の微粒化を行う。高温空気系はエンジン吸入空気６ａの一部を分岐して、絞りオリィフィス７で分岐する空気流量を設定した後、燃焼ガス排気管内又は外に設けた熱交換器８によって所定の温度まで加熱して、エンジンの吸気行程によって高温空気を燃料インジェクタへ供給する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料インジェクタによりインテークマニホールド内に燃料を噴射して内燃機関に燃料噴霧を供給する燃料噴射装置において、燃料インジェクタが微粒化用高温空気を燃料噴射口の周囲を取り囲むように配置した気液同軸平行流を構成する同軸噴射口から高速で噴射して、燃料と高温空気の界面に生じるせん断力によって、燃料の微粒化を行わせることを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置。
【請求項２】
エンジン吸入空気の一部をスロットルバルブの上流又は下流から分岐し、燃焼ガス排気管内又は外に設けた熱交換器によって所定の温度まで加熱して、エンジンの吸気行程によって燃料インジェクタへ微粒化用高温空気を供給する微粒化用高温空気系を有する請求項１記載の内燃機関の燃料噴射装置。
【請求項３】
微粒化用高温空気を燃料インジェクタの微粒化用高温空気噴射口から、所定の空気流量及び所定の速度で供給するための空気温度に設定するため、微粒化用高温空気系に設けた絞りオリィフィスの寸法及び熱交換器の熱交換部の長さによって調整する請求項１記載の内燃機関の燃料噴射装置。
【請求項４】
エンジンの吸気行程によって、約３０℃〜約８０℃程度の微粒化用高温空気を燃料インジェクタへ供給する微粒化用高温空気系と、微粒化用高温空気の噴射に同期して燃料噴射をおこなう燃料噴射弁駆動機構によって構成されている請求項１記載の内燃機関の燃料噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、燃料の平均粒径が約３０ミクロン程度で、最大粒径が約１５０ミクロン程度の噴霧を容易に得る内燃機関用燃料噴射装置に関するもので、同軸噴射口を有する燃料インジェクタおよび微粒化用高温空気系から成るものである。
【背景技術】
【０００２】  内燃機関の燃料噴射装置の燃料インジェクタは、燃料の微粒化にエンジン吸入空気の流れエネルギを利用するベンチュリ効果方式、エンジン吸入空気の一部の流れエネルギを利用するアシスト空気方式のほかに、燃料を高速で噴射する多孔ノズル方式があり実用に供されている。燃料噴霧の細かさは代表粒径によって表すが、現行の燃料インジェクタで達成される平均粒径の最良値は、５０ミクロン程度であることが非特許文献１に示されている。【０００３】  しかし、燃料噴霧を構成する液滴群は分布を有し、平均粒径を中心に大小側に分布する液滴群によって構成されている。現行の最良平均粒径５０ミクロンの噴霧の場合、最小粒径は数ミクロンで最大粒径は約３００ミクロンである。【０００４】  内燃機関のエンジンシリンダ内での燃料の燃焼は、平均粒径の小さい噴霧ほど高い燃焼効率を示すが、噴霧を構成する大きい液滴群は燃焼に要する時間が長いため、燃料噴霧はエンジンシリンダ内に滞留できる時間内で完全燃焼ができない場合が生ずる。燃料噴霧のエンジンシリンダ内での滞留時間はエンジンの回転数とともに短くなるので、特に加速時や坂道登坂時、高速走行時等のエンジン回転数が増す場合には、燃焼効率が低下するのが一般的である。【０００５】  従って、最良の燃料噴霧は平均粒径が十分に小さく、最大粒径の液滴群がエンジンの高回転数の場合でも、エンジンシリンダ内の滞留時間内で十分に燃焼が完結できる大きさで、かつ平均粒径からの粒径分散の範囲が狭い液滴群で構成される場合である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平５−２０２８３０号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】松尾哲治、沢田行雄、富板幸生著、「ガソリンエンジン用インジェクタの微粒化開発」、デンソーテクニカルレビュー、第６７〜７３頁、２００６年
【非特許文献２】古浜庄一他著、「エンジンの事典」、第４７１頁、朝倉書店、１９９４年
【非特許文献３】Ｙａｔｓｕｙａｎａｇｉ，Ｎ．，Ｓｔｕｄｙ  ｏｎ  Ｂｒｅａｋｕｐ  Ｌｅｎｇｔｈ  ｏｆ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｊｅｔ  ｂｙ  Ｌｉｑｕｉｄ−Ｇａｓ  Ｃｏａｘｉａｌ  Ｉｎｊｅｃｔｏｒ，  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｊａｐａｎ  Ｓｏｃｉａｔｙ  ｆｏｒ  Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｓｐａｃｅ  Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｖｏｌ．４９，Ｎｏ．１６５，ｐｐ．１６２−１６８，２００６．
【非特許文献４】棚沢泰他著、ディーゼル機関、第９７頁、山海堂、昭和３８年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】  特許文献１による技術は、微粒化用アシスト空気として、加熱した空気を燃料噴射口の側近に独立して配置した噴射口から燃料噴流に直接衝突噴射して、微粒化を促進させものであり、空気の加熱はアシスト空気流路に内蔵されたヒータによっておこなうものである。【０００９】  従来技術で得られる燃料噴霧の最良平均粒径は５０ミクロン程度であり、最大粒径が３００ミクロン程度の粒径分布を有する噴霧である。【００１０】  解決しようとする問題点は、燃料噴霧の平均粒径が約３０ミクロン程度で、最大粒径が約１５０ミクロン以下の粒径分布を有する噴霧を、外部熱源の付加なしに達成することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】  本発明は燃料噴射装置として、燃料インジェクタおよび微粒化用高温空気系からなるもので、燃料インジェクタが微粒化用高温空気を燃料噴流の周囲を取り囲むように配置した気液同軸平行流を構成する同軸噴射口から高速で噴射して、燃料と高温で高速の空気流の界面に生じるせん断力によって、燃料の微粒化を行わせる基本構造を有することを主要な特徴とする。【００１２】  微粒化用高温空気系はエンジン吸入空気の一部をスロットルバルブの上流又は下流から分岐し、燃焼ガス排気管内又は外側に設けた熱交換器によって所定の温度まで加熱し、エンジンの吸気行程によって、該高温空気を燃料インジェクタへ供給する微粒化用高温空気系によって構成されることを特徴とする。【００１３】  微粒化用高温空気を燃料インジェクタの高温空気噴射口から、所定の空気流量及び所定の速度で供給するための空気温度に設定するため、微粒化用高温空気系に設けた絞りオリィフィスの寸法及び熱交換器の熱交換部の長さによって調整することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】  従来技術の欠点であった、アシスト空気の変動による微粒化特性の変動なしに、平均粒径が約３０ミクロン程度で、最大粒径が約１５０ミクロン以下の粒度分布を有する燃料噴霧を、外部熱源の付加なしに得られる。これによって特に加速時や坂道登坂時、高速走行時等での燃費の低下が避けられるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の燃料インジェクタの断面図。（実施例１）
【図２】本発明の燃料インジェクタの同軸噴射口部詳細図。（実施例１）
【図３】本発明の燃料インジエクタの同軸噴射口ノズル部詳細図。（実施例１）
【図４】本発明の排気熱利用燃料噴射装置主要系統図。（実施例１）
【図５】本発明による、燃料噴霧の微細化を示すグラフ。（実施例２）
【図６】本発明による、微粒化空気温度による燃料噴霧の平均粒径への効果を示すグラフ。（実施例２）
【図７】本発明による、エンジン回転数を変えた場合の燃焼効率への効果を示すグラフ。（実施例２）
【図８】本発明による、燃料噴射量増加率の燃焼効率への効果を示すグラフ。（実施例２）
【発明を実施するための形態】
【００１６】  燃料噴霧の平均粒径が約３０ミクロン程度で、最大粒径が約１５０ミクロン以下の粒径分布を有する噴霧を得るという目的を、従来の燃料噴射装置に最少の部品点数追加によって、かつ外部熱源の付加なしに実現した。
【実施例１】
【００１７】  図１は、本発明の燃料インジェクタの断面図を示す。本発明の同軸噴射口に関わる構成以外の燃料弁駆動機構は、例えば非特許文献２に記載されている従来例に同様である。図中２，３，４，４ａ，５，５ａは、図２と同様である。以下、図１、図２、図３に基づいて本発明の同軸噴射口について詳細に説明する。燃料インジエクタ１を構成する燃料噴射口５と微粒化用空気噴射口４は、中心軸が一致する同軸であって、微粒化用高温空気流のための環状流路を燃料噴射口５と微粒化用空気噴射口４の間隙に構成する。図２及び図３に示す燃料噴射口直径ｄｆ、微粒化用空気噴射口内径ｄａｉ、微粒化用空気噴射口外径ｄａｏの寸法は所定の燃料流量、燃料噴射速度および所定の微粒化用高温空気流量、高温空気噴射速度を得る寸法である。図３に示す燃料噴射口５の出口と微粒化用空気噴射口４の出口間の距離Ｌは燃料噴射口直径の０〜約１０倍の範囲である。燃料噴射口の開口角度θｆは０〜数度の範囲である。微粒化用空気噴射口４の開口角度θａは０〜１０度の範囲である。【００１８】  図４は、本発明の燃料噴射装置の主要系統図であって、１、３は、図１と同様である。また６はエンジン空気吸入口、７は分岐する微粒化用空気量設定用絞りオリィフィス、８は熱交換器である。以下、図面に基づいて詳細に説明する。微粒化用空気をスロットルバルブ１０の上流又は下流から分岐して、絞りオリィフィス７、熱交換器８を経て燃料インジェクタ１へ供給する。絞りオリィフィス７の寸法はエンジン吸入空気流量の約１５分の１程度の微粒化用空気流量が得られる寸法である。微粒化用空気はエンジン排気管１１の内部または外部に設けた熱交換器８によって、所定の温度まで加熱する。熱交換器の熱交換部の長さは微粒化用空気温度を所定温度まで加熱できる長さである。所定の微粒化用空気温度は約３０℃〜約８０℃程度である。熱交換器８の出口から、燃料インジェクタ１までの配管は、必要に応じて断熱配管である。
【実施例２】
【００１９】  燃費の向上を図るという目的を、本発明の燃料インジェクタおよび燃料微粒化用高温空気系の採用によって可能であることを、非特許文献３及び４に従って理論計算によって示した。【００２０】  噴霧の平均粒径は、下記の数式１によって求まることが非特許文献４で分っている。下記の表に、燃料噴霧の平均粒径が３０〜４０ミクロンとなる場合の設定条件例（エンジン回転数１８００ｒｐｍの場合）と物性値を示す。【００２１】
【数１】
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【００２２】
【表１】
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【００２３】  上記の数式において、Ｄ３２は燃料噴霧の平均粒径、Ｕａは微粒化空気噴射速度、Ｕｆは燃料噴射速度、σは燃料の表面張力、γは燃料の比重量である。【００２４】燃料噴霧の平均粒径の定義は数式２である。
【数２】
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【００２５】  上記の数式において、ｄｉ，Δｎｉは噴霧を構成する各液滴の直径と個数である。【００２６】  このような燃料インジェクタにおいては、微粒化用空気噴射速度と燃料噴射速度間の相対速度、Ｕａ−Ｕｆ、を大きくとるこが、Ｄ３２を小さくする上で効果的である。従って微粒化用空気温度を上げて、これによって該空気密度を下げ、該空気噴射速度を高めることが基本的に有効である。【００２７】  図５は、本発明による、燃料噴霧の微粒化特性を示す非特許文献３に基づく理論計算値（エンジン回転数１８００ｒｐｍの場合）であって、市販燃料インジェクタの最良値、すなわち平均粒径５０ミクロンの場合、に比べて燃料噴霧の微粒化が優れていることを表している。【００２８】  図６は、微粒化用空気温度による燃料噴霧の平均粒径への効果の非特許文献４に基づく理論計算値（エンジン回転数１８００ｒｐｍの場合）であって、微粒化用空気温度が０℃以上で市販燃料インジェクタの最良値、すなわち平均粒径５０ミクロン、に比べて微粒化が優れていることを表している。【００２９】  図７は、エンジン回転数を変えた場合の燃焼効率への効果の非特許文献３に基づく理論計算値であって、市販燃料インジェクタの最良値、すなわち平均粒径５０ミクロンの場合、に比べて、高いエンジン回数まで燃焼効率が優れていることを表している。【００３０】  図８は、燃料噴射量増加率の燃焼効率への効果の非特許文献３に基づく理論計算値（エンジン回転数１８００ｒｐｍの場合）であって、燃料噴射量増加率が１５０％程度まで増えても、燃焼効率が１００％であることを表している。
【産業上の利用可能性】
【００３１】  本発明の燃料噴射装置は従来の燃料噴射装置に最少の部品点数追加で構成されること、および燃料インジェクタの噴射口が、従来は数百ミクロンの精密加工による複数個の燃料噴射口から成っているのに比べて、単一噴射口であること、又、燃料噴射速度が低速であるため燃料ポンプの吐出圧力が数気圧程度であり、従来に比べ低圧で済むこと、さらにエンジン排気熱を利用するため外部熱源が不要なことから、低製造コストで燃費向上を図る省エネルギおよびクリーンな環境を守る技術として利用される可能性は大である。
【符号の説明】
【００３２】  １    燃料インジェクタ
２    同軸噴射口
３    燃料微粒化用高温空気系
４    微粒化用高温空気噴射口
４ａ  微粒化用高温空気
５    燃料噴射口
５ａ  燃料噴流
６    エンジン吸入空気口
６ａ  エンジン吸入空気
７    絞りオリィフィス
８    熱交換器
９    インテークマニホールド
１０    スロットルバルブ
１１    エンジン排気管
１２    燃料タンク
１３    燃料ポンプ
１４    燃料フィルター
１５    ニードル
１６    リターン  スプリング
１７    電磁コイル
１８    フィルター
ｄｆ    燃料噴射口直径
ｄａｉ  微粒化用空気噴射口内径
ｄａｏ  微粒化用空気噴射口外径
Ｌ      燃料噴射口出口と微粒化用空気噴射口出口間の距離
θａ    微粒化用空気噴射口の開口角度
θｆ    燃料噴射口の開口角度
【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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【図８】
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