(57)【要約】【課題】内燃機関の燃焼室内への燃料噴射の制御性を向上させる。【解決手段】インジェクタ１５の噴孔１６ｅ内に、ピエゾ素子１９で形成された流路可変手段を設けた。このピエゾ素子１９に電圧を印加し、ピエゾ素子１９を変形することにより、噴孔１６ｅの燃料噴射流路の断面積または燃料の噴射方向の少なくとも一方を変える。これにより、燃料噴射量、燃料噴霧形状（分布）および燃料噴射位置をより精細に制御することができるので、運転状態に適した燃焼状態を形成することができる。したがって、排気ガスおよび燃料消費率を低減できる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
装置本体を構成する筐体の中空室内に供給された燃料を、前記中空室と外部とを連通するように前記筐体に形成された噴孔から内燃機関の燃焼室に噴射する燃料噴射装置であって、前記噴孔内に、噴孔の燃料噴射流路の断面積または燃料噴射方向の少なくとも一方を変えることが可能な流路可変手段を設け、該流路可変手段を圧電素子によって構成した燃料噴射装置。
【請求項２】
前記中空室内に軸方向に移動可能な状態で収容され、軸方向の移動により前記噴孔への燃料の供給を制御する燃料制御部材と、前記燃料制御部材の軸方向への移動を制御する制御部とを備える請求項１記載の燃料噴射装置。
【請求項３】
前記流路可変手段は、前記燃料噴射流路の断面積が燃料の流れる方向に沿って連続的または断続的に変わるように形成された圧電素子により構成されている請求項１または２記載の燃料噴射装置。
【請求項４】
前記流路可変手段は、ラバルノズルの形状を構成する圧電素子により形成されている請求項３記載の燃料噴射装置。
【請求項５】
前記流路可変手段は、前記燃料噴射流路の断面積が燃料の流れる方向に沿って断続的に変わるように燃料の流れる方向に沿って配置された厚さの異なる複数の圧電素子により形成されている請求項３記載の燃料噴射装置。
【請求項６】
前記複数の圧電素子の各々に印加する電圧を個別に調整することが可能な構成とされている請求項５記載の燃料噴射装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の燃料噴射装置を備える内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料噴射装置およびそれを備える内燃機関に関し、更に詳しくは、内燃機関の燃焼室内への燃料噴射の制御性を向上させることが可能な燃料噴射装置およびそれを備える内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンは、ガソリンエンジンに比べて、熱効率が良く、二酸化炭素（ＣＯ２）の排出量が少ないので、地球温暖化や石油枯渇問題の観点から有利である。また、近年、コモンレール式の燃料噴射装置の採用により、燃料を微粒化でき、燃料を燃焼期間中に完全に燃焼させることができるので、黒煙や未燃炭化水素等の排出量の低減も実現されている。
【０００３】
また、黒煙、未燃炭化水素および窒素酸化物（ＮＯｘ）のような排気ガスや燃料消費率の低減を達成するための燃焼最適化の観点から、燃料の噴霧形状（分布）や噴射量等を負荷に応じて変化させることが重要視されており、種々の技術が提案されている。
【０００４】
例えば燃料噴射装置内に軸を同一にして２つのニードルを配置し、この２つのニードルの軸方向の移動に応じて複数の噴孔を順に開放することで、燃料噴射率を変えることが開示されている（例えば特許文献１〜３参照）。
【０００５】
また、排気ガスや燃料消費率の低減手法として、燃料噴射の超高圧化や噴孔の微細化による燃料微粒化などの種々の技術が提案されている。例えば燃料の微粒化が燃焼効率の上昇をもたらし、ＮＯｘの低減をもたらすとして、燃料噴射ノズルの噴孔を微細に形成する方法が開示されている（例えば特許文献４参照）。また、例えば超高圧の燃料噴射装置などによって微粒化した噴霧をよく乱すことで、ノッキングを抑えつつ、より大きな出力を得ようとしている内燃機関が開示されている（例えば特許文献５参照）。
【０００６】
また、例えば噴孔内に弾性変形する部分を設け、噴孔内を通過する燃料の噴射圧力により弾性変形部分を変形させることで噴孔の断面積を変える構成が開示されている（例えば特許文献６参照）。
【０００７】
しかしながら、上記した特許文献１〜６においては、燃料の噴射量、噴霧形状（分布）または噴射位置等のような燃料噴射の制御性の面で充分とは言えず、燃料噴射装置においては燃料噴射の制御性を如何にして向上させるかが重要な課題となっている。
【０００８】
例えば特許文献１〜３では、噴孔やニードルを３つ以上に増やすのは困難であり、燃料噴射形状や燃料噴射量をさらに精細に制御することができない。また、燃料噴射流路の一部が閉塞すると流量が一定になってしまう問題もある。
【０００９】
また、例えば特許文献４，５では、燃料の微粒化についての考慮はあるが、燃料の噴射位置や噴孔径は固定であり、燃料噴射の制御性をさらに向上させることはできない。
【００１０】
また、例えば特許文献６では、噴孔の断面積が燃料の噴射圧力により自動的に変わる構成になっているが、噴射圧力以外の理由で噴孔の断面積を変えることはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００６−１０５０６７号公報
【特許文献２】特開２００７−２２４８９６号公報
【特許文献３】特開２００８−３８７６１号公報
【特許文献４】特開２００１−１３２５８７号公報
【特許文献５】特開２００５−３０２９３号公報
【特許文献６】特開２００３−２１４２９８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、内燃機関の燃焼室内への燃料噴射の制御性を向上させることができる燃料噴射装置およびそれを備える内燃機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の目的を達成するための本発明の燃料噴射装置は、装置本体を構成する筐体の中空室内に供給された燃料を、前記中空室と外部とを連通するように前記筐体に形成された噴孔から内燃機関の燃焼室に噴射する燃料噴射装置であって、前記噴孔内に、噴孔の燃料噴射流路の断面積または燃料噴射方向の少なくとも一方を変える流路変更手段を設け、該流路変更手段を圧電素子により構成したものである。
【００１４】
また、上記の燃料噴射装置において、前記中空室内に軸方向に移動可能な状態で収容され、前記噴孔への燃料の供給を制御する燃料制御部材と、前記燃料制御部材の軸方向への移動を制御する制御部とを備えるものである。
【００１５】
また、上記の燃料噴射装置において、前記流路可変手段は、前記燃料噴射流路の断面積が燃料の流れる方向に沿って連続的または断続的に変わるように形成された圧電素子により構成されている。
【００１６】
また、上記の燃料噴射装置において、ラバルノズルの形状を構成する圧電素子により形成されている。
【００１７】
また、上記の燃料噴射装置において、前記流路可変手段は、前記燃料噴射流路の断面積が燃料の流れる方向に沿って断続的に変わるように燃料の流れる方向に沿って配置された厚さの異なる複数の圧電素子により形成されている。
【００１８】
また、上記の燃料噴射装置において、前記複数の圧電素子の各々に印加する電圧を個別に調整することが可能な構成とされている。
【００１９】
上記の目的を達成するための本発明の内燃機関は、前記燃料噴射装置を備えるものである。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の燃料噴射装置およびそれを備える内燃機関によれば、燃料噴射装置の噴孔内に、噴孔の燃料流路の断面積または燃料噴射方向の少なくとも一方を変える圧電素子で形成された流路可変手段を設けたことにより、内燃機関の燃焼室内への燃料噴射の制御性を向上させることができる。また、燃料を超高速で噴射することができ、燃料の微粒化に寄与することができる。また、噴孔の燃料噴射流路の断面積を変えることができるので、燃焼室内の噴霧の分布を制御することができる。これらにより、排気ガスを低減することができ、また、燃料消費率を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態の内燃機関の要部断面図である。
【図２】図１の内燃機関の燃料噴射装置の断面図である。
【図３】図２の燃料噴射装置の燃料噴射部の断面図である。
【図４】図３の燃料噴射装置の燃料噴射部のノズル先端部の拡大断面図である。
【図５】図３の燃料噴射装置の燃料噴射部のノズル先端部の他の例の要部拡大断面図である。
【図６】図３の燃料噴射装置の圧電素子の一例の斜視図である。
【図７】非電圧印加時における図６のピエゾ素子で形成される燃料噴射流路の断面図である。
【図８】電圧印加時における図６のピエゾ素子で形成される燃料噴射流路の断面図である。
【図９】図３の燃料噴射装置の他の圧電素子の例の斜視図である。
【図１０】非電圧印加時における図９のピエゾ素子で形成される燃料噴射流路の断面図である。
【図１１】電圧印加時における図９のピエゾ素子で形成される燃料噴射流路の断面図である。
【図１２】図３の燃料噴射装置の圧電素子に対して電圧を印加している時の燃料の噴射状態を示す燃料噴射装置の要部断面図である。
【図１３】図３の燃料噴射装置の圧電素子に対して電圧を印加していない時の燃料の噴射状態を示す燃料噴射装置の要部断面図である。
【図１４】図３の燃料噴射装置を用いて均質燃焼状態を形成する場合の燃料噴射時の燃料の状態を模式的に示した内燃機関の構成図である。
【図１５】図３の燃料噴射装置を用いて均質燃焼状態を形成する場合の燃料噴射後の燃料の状態を模式的に示した内燃機関の構成図である。
【図１６】図３の燃料噴射装置を用いて成層燃焼状態を形成する場合の燃料噴射時の燃料の状態を模式的に示した内燃機関の構成図である。
【図１７】図３の燃料噴射装置を用いて成層燃焼状態を形成する場合の燃料噴射後の燃料の状態を模式的に示した内燃機関の構成図である。
【図１８】図３の燃料噴射装置を用いた燃料噴射時の燃料噴射量と時間との関係を示すグラフ図である。
【図１９】図１８の燃料噴射時の燃焼室内の噴射燃料の状態を模式的に示した内燃機関の要部断面図である。
【図２０】図１の内燃機関の第２の実施の形態の燃料噴射装置の圧電素子に電圧を印加していない時の燃料噴射装置の要部断面図である。
【図２１】図２０の燃料噴射装置の圧電素子とその周辺の拡大断面図である。
【図２２】図２０の燃料噴射装置の圧電素子の拡大斜視図である。
【図２３】図２０の燃料噴射装置の圧電素子に電圧を印加している時の燃料噴射装置の要部断面図である。
【図２４】図２３の燃料噴射装置の圧電素子の拡大斜視図である。
【図２５】図２０の燃料噴射装置を用いた場合の内燃機関の構成図である。
【図２６】図３の燃料噴射装置の課題を説明するための燃料噴射装置の要部断面図である。
【図２７】図３の燃料噴射装置の課題を説明するための燃料噴射装置の要部断面図である。
【図２８】図１の内燃機関の第３の実施の形態の燃料噴射装置の圧電素子に電圧を印加していない時の燃料噴射装置の要部断面図である。
【図２９】図２８の燃料噴射装置の圧電素子に電圧を印加している時の燃料噴射装置の要部断面図である。
【図３０】図１の内燃機関の第５の実施の形態の燃料噴射装置の圧電素子の非電圧印加時の状態を模式的に示す構成図である。
【図３１】図３０の燃料噴射装置の圧電素子の電圧印加時の状態を模式的に示す構成図である。
【図３２】図３１の燃料噴射装置の圧電素子の電圧印加時の状態を模式的に示す要部斜視図である。
【図３３】図３０〜図３２の圧電素子の一例の斜視図である。
【図３４】図３０〜図３２の圧電素子の他の一例の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態の内燃機関について添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２３】
図１に本発明の実施の形態の内燃機関の要部断面図を示す。本実施の形態の内燃機関は、例えば、トラックのような自動車に搭載される直列４気筒のコモンレール式のディーゼルエンジン１として構成される。なお、本発明はディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジン等に適用することもできる。
【００２４】
このディーゼルエンジン（以下、エンジンという）１は、シリンダ（気筒）２内のピストン３の頂面に凹設されたキャビティ（燃焼室）４内において圧縮されて高温になった空気に燃料を供給して自己着火させ、この時の自己着火による燃焼で生じる膨張ガスによってピストン３を駆動させる構成を有している。
【００２５】
シリンダ２は、ピストン３の往復運動を誘導するとともに燃料ガスを収める円筒状の部品である。シリンダ２の内周面には図示しないライナが形成されている。シリンダ２においてライナの外側の肉厚部にはシリンダ冷却用の冷却媒体が流れる冷却通路２ａが形成されている。
【００２６】
シリンダ２の内部には、ピストン３がシリンダ２の内周面のライナに沿って往復運動が可能な状態で設置されている。このピストン３の下部は、コネクティングロッド（図示せず）を介してクランクシャフト（図示せず）に接続されている。このクランクシャフトにより、ピストン３の往復運動が回転運動に変換される。なお、図１はピストン３が上死点にある時を示している。
【００２７】
このシリンダ２の上部のシリンダヘッド５には、吸気ポート（吸気口）７および排気ポート（排気口）８が設置されている。吸気ポート７は吸気管９に接続され、排気ポート８は排気管１０に接続されている。
【００２８】
また、吸気ポート７側には吸気用のバルブ１１ａ（１１）が設置され、排気ポート８側には排気用のバルブ１１ｂ（１１）が設置されている。吸気用のバルブ１１ａは吸気ポート７を開閉し、排気用のバルブ１１ｂは排気ポート８を開閉する。
【００２９】
吸排気用のバルブ１１（１１ａ，１１ｂ）が図１の下方向に移動した時は開弁方向であり、図１の上方向に移動した時は閉弁方向である。これらの吸排気用のバルブ１１（１１ａ，１１ｂ）は、それぞれを駆動する可変動弁機構部（駆動装置）１２（１２ａ，１２ｂ）に機械的に接続されている。
【００３０】
また、シリンダヘッド５の吸気ポート７と排気ポート８との間であって、ピストン３の頂面中央に対向する位置には、燃料をキャビティ４内に直接噴射するためのインジェクタ（燃料噴射装置）１５が設置されている。
【００３１】
このインジェクタ１５には、コモンレール（図示せず）に貯留された高圧燃料が常時供給される。インジェクタ１５においてシリンダ２内に突出されているノズル部には、複数の微細な噴孔が形成されており、その複数の微細な噴孔から燃料が放射状に同時に噴射される。このノズル部先端の各噴孔から噴射される燃料の噴射軸Ｊは、上記した軸心Ｃに対してそれぞれ所定の噴射角度θだけ傾けられている。この噴射角度θは、燃料が燃料噴射期間の全期間に亘ってシリンダ２内のキャビティ４内に収まる角度に設定されている。
【００３２】
このようなエンジン１は、下記の第１〜第６の実施の形態のいずれかのインジェクタ１５を備えて構成される。
【００３３】
まず、インジェクタ１５の基本的な構成について図２を参照しながら説明する。図２は、インジェクタ１５の一例の全体断面図を示している。
【００３４】
インジェクタ１５の外形を形成する筐体１６には、燃料噴射部１５ａと、ニードル制御部（第２制御部）１５ｂと、燃料流入管Ｔ１、燃料流通管Ｔ２，Ｔ３および燃料流出管Ｔ４の各配管とが設置されている。
【００３５】
燃料噴射部１５ａは、筐体１６の胴体部１６ａの下部からノズル部１６ｂに亘って配置されている。燃料噴射部１５ｂには、中空室１６ｃが形成されている。中空室１６ｃは、燃料流通管Ｔ２を通じて燃料流入管Ｔ１に接続されているとともに、噴孔１６ｅを通じて燃焼室と接続されている。また、この中空室１６ｃには、ニードル（針弁、燃料制御部材）１７が軸方向に移動可能な状態で設置されている。
【００３６】
ニードル１７の動作は、ニードル制御部１５ｂによって制御される。このニードル制御部１５ｂは、ニードル１７の軸方向移動（リフト量）を制御する制御部である。このニードル制御部１５ｂは、例えばソレノイドＳやピエゾアクチュエータ（圧電素子）により形成されている。ここではソレノイドＳを用いた場合を例示している。
【００３７】
ニードル制御部１５ｂのソレノイドＳは、筐体１６の上部の第１制御室ＦＣＲ１に設置されており、コイル部Ｓ１と、バルブ部Ｓ２と、バネＳ３とを有している。
【００３８】
第１制御室ＦＣＲ１は、燃料流出管Ｔ４に接続されているとともに、燃料流通管Ｔ３を通じて第２制御室ＦＣＲ２に接続されている。この第２制御室ＦＣＲ２には、ピストン部ＰＳおよびバネＳＲが設置されている。ピストン部ＰＳは、ニードル１７と一体的に接続されている。
【００３９】
また、第１制御室ＦＣＲ１は、オリフィスＯＲの流通路を通じてコマンド室ＣＭＲに接続されている。コマンド室ＣＭＲは、燃料流入管Ｔ１に接続されている。このコマンド室ＣＭＲには、ピストン部ＰＳの上面が、オリフィスＯＲに対向した状態で面している。
【００４０】
このようなニードル制御部１５ｂは、図示しない電子制御ユニット（ＥＣＵ：Engine Control Unit）に電気的に接続されており、その動作がＥＣＵにより制御される。
【００４１】
次に、図３および図４に第１の実施の形態のインジェクタ１５の燃料噴射部１５ａを示す。図３はインジェクタ１５の燃料噴射部１５ａの断面図、図４は図３のインジェクタ１５の要部拡大断面図を示している。
【００４２】
中空室１６ｃは、大径室１６ｃ１と、小径室１６ｃ２と、それらの間のシール部１６ｃ３とを有している。大径室１６ｃ１と小径室１６ｃ２とはシール部１６ｃ３を通じて互いに連通している。大径室１６ｃ１は、その直径が小径室１６ｃ２の直径よりも大きくなるように形成されている。シール部１６ｃ３は、大径室１６ｃ１から小径室１６ｃ２に向かって連続的に小径になるようにテーパ状に形成されている。
【００４３】
この大径室１６ｃ１内には、ニードル１７が、その軸を筐体１６の軸と一致させた状態で、かつ、ニードル１７の軸方向（矢印Ｐ１）に移動可能な状態で収容されている。このニードル１７は、軸方向の移動（リフト）により小径室１６ｃ２内（すなわち、噴孔１６ｅ）への燃料の供給を制御する部材である。ニードル１７は、例えば円柱状の金属に形成されており、その直径は、大径室１６ｃ１よりは小さいが、小径室１６ｃ２よりは大きい。
【００４４】
ニードル１７においてシール部１６ｃ３に対向する先端部には、シール部１６ｃ３の傾斜に合うようにテーパが形成されている。このニードル１７の先端部が、シール部１６ｃ３に接している状態が閉弁状態であり、シール部１６ｃ３から離れている状態が開弁状態である。
【００４５】
筐体１６の先端（下部）のノズル部１６ｂは、胴体部１６ａと一体的に形成されている。ノズル部１６ｂには、中空室１６ｃ（小径室１６ｃ２）と外部とを連通する複数の微細な噴孔１６ｅが形成されている。燃料流入管Ｔ１および燃料流通管Ｔ２を通じて中空室１６ｃ内に供給された燃料は、大径室１６ｃ１から小径室１６ｃ２に流れ、噴孔１６ｅを通じてキャビティ４（図１参照）に噴射される。
【００４６】
この噴孔１６ｅは、例えば筐体１６の軸回りに沿って予め設定された間隔毎に配置されている。なお、噴孔１６ｅを、軸方向に沿って２段以上配置し、その段毎に筐体１６の軸回りに沿って予め設定された間隔毎に配置しても良い。また、１または複数の噴孔１６ｅをノズル部１６ｂの先端部（底）に配置しても良い。
【００４７】
また、第１の実施の形態のインジェクタ１５においては、各噴孔１６ｅ内に、噴孔１６ｅの燃料噴射流路の断面積（直径）または燃料噴射方向の少なくとも一方を変える流路可変手段が設置されており、その流路可変手段がピエゾ素子（圧電素子）１９により構成されている。
【００４８】
なお、この明細書において、噴孔１６ｅの燃料噴射流路とは、小径室１６ｃ２の出口から噴孔１６ｅの出口までの間の燃料流路を言う。また、噴孔１６ｅの燃料噴射流路の断面積とは、噴孔１６ｅ内の燃料噴射流路において燃料の流れる方向に対して垂直な面の面積のことを言う。
【００４９】
ここでは、ニードル１７を上昇させて開弁させた状態（またはニードル１７を下降させて閉弁させた状態）で、燃料が小径室１６ｃ２を通過する際に、図３に示す電圧入力部Ｖからピエゾ素子１９に対して制御電圧を印加し、ピエゾ素子１９を変形させる。すなわち、噴孔１６ｅ内のピエゾ素子１９自体を変形させて、噴孔１６ｅの燃料噴射流路の断面積を増減させることにより、燃料Ｆの噴射量、噴射位置および噴霧形状（分布）を制御する。
【００５０】
これにより、燃料の噴射量、噴射形状および噴射位置を精細に設定することができるので、キャビティ４内への燃料噴射の制御性を向上させることができる。また、燃料Ｆを噴射することが可能な範囲で噴孔１６ｅの燃料噴射流路の断面積を小さくすることで燃料を超高速で噴射することができるので、燃料の微粒化に寄与することができる。また、噴孔１６ｅの燃料噴射流路の断面積を拡大するように変えることができるので、燃焼室内の噴霧の分布を制御することができる。これらにより、排気ガスを低減することができ、また、燃料消費率を低減することができる。
【００５１】
また、従来は、ニードル１７のリフト制御により、燃料噴射（燃料供給）量や燃料噴射期間等を制御していたため、正確なニードル１７の操作が必要となっていた。これに対して、第１の実施の形態のインジェクタ１５を用いた場合、燃料噴射量はピエゾ素子１９により制御し、燃料噴射期間はニードル１７により制御するというように役割を分担することができるので、燃料噴射のより精細な制御を行うことができる。例えば超々高圧下での弁の開閉操作は強靱な金属等で形成されたニードル１７で行い、噴射燃料の流路の可変はピエゾ素子１９で行うことができる。
【００５２】
また、図５に示すように、ピエゾ素子１９の燃料噴射流路側の表面に、例えばタングステン合金のような超硬合金等、ピエゾ素子１９とは異種の材料により構成された異種材料層２０を形成しても良い。これにより、ピエゾ素子の壊食を防ぐことができる。
【００５３】
次に、図６〜図８にピエゾ素子１９の形状の一例を示す。図６はピエゾ素子の斜視図、図７は非電圧印加時（電圧オフ時）における図６のピエゾ素子１９で形成される燃料噴射流路において燃料Ｆが流れる方向に対して垂直な面の断面図、図８は電圧印加時（電圧オン時）における図６のピエゾ素子１９で形成される燃料噴射流路において燃料Ｆが流れる方向に対して垂直な面の断面図を示している。
【００５４】
図６〜図８のピエゾ素子１９では、その形状が、例えば円筒形状に形成されており、ピエゾ素子１９に対する印加電圧のオンオフにより噴孔１６ｅの燃料噴射流路の直径を増減させることができる。この場合、噴孔１６ｅの燃料噴射流路の直径をほぼ均等に縮小および拡大することができるので、燃料Ｆの噴射量や噴射形状の精度を向上させることができる。これにより、少量燃料の微粒化と多量燃料噴射とが簡単に選択することができる。
【００５５】
ただし、このピエゾ素子１９は燃料噴射流路の断面積を変えることができればよく、その形状は、円筒形状に限定されるものではなく種々変更可能である。図９〜図１１にピエゾ素子１９の他の形状例を示す。
【００５６】
図９は他のピエゾ素子の斜視図、図１０は非電圧印加時（電圧オフ時）における図９のピエゾ素子１９で形成される燃料噴射流路において燃料Ｆが流れる方向に対して垂直な面の断面図、図１１は電圧印加時（電圧オン時）における図９のピエゾ素子１９で形成される燃料噴射流路において燃料Ｆが流れる方向に対して垂直な面の断面図を示している。
【００５７】
この図９〜図１１では、例えば２つの直方体形状のピエゾ素子１９が向かい合って配置され、その間に長方形状（スリット状、帯状）の開口（噴孔１６ｅの燃料噴射流路）が形成されており、ピエゾ素子１９に対する印加電圧のオンオフにより噴孔１６ｅの燃料噴射流路の断面積を増減させることができる。この場合、ピエゾ素子１９の構造が最も簡単であり、製造および導入が最も容易である。また、燃料が液膜状に噴射され燃料の微粒化を促すものと期待できる。
【００５８】
次に、ピエゾ素子１９の制御例を図１２および図１３を参照しながら説明する。図１２はピエゾ素子１９に電圧を印加している時（電圧オン時）の燃料Ｆの噴射状態、図１３はピエゾ素子１９に電圧を印加していない時（電圧オフ時）の燃料Ｆの噴射状態を示している。
【００５９】
図１２に示すように、電圧オン時には、ピエゾ素子１９が変形し、噴孔１６ｅ内の燃料噴射流路が狭くなる。これにより、噴射（供給）される燃料Ｆの粒径および形状（分布）を小さくすることができる。一方、図１３に示すように、電圧オフ時には、ピエゾ素子１９の変形が無くなり、噴孔１６ｅ内の燃料噴射流路は広くなる。これにより、電圧オン時に比べて噴射（供給）される燃料Ｆの粒径および形状を大きくすることができ、燃料Ｆを大量に噴射することができる。
【００６０】
ここではピエゾ素子１９のオンオフ制御について説明したが、ピエゾ素子１９に印加する電圧値を種々変えることにより、ピエゾ素子１９の変形量を種々に変えることもできる。これにより、噴孔１６ｅの燃料噴射流路の断面積も種々変えることができるので、燃料Ｆの噴射量や噴霧形状の制御性を向上させることができる。
【００６１】
このように、第１の実施の形態のインジェクタ１５によれば、ピエゾ素子１９に制御電圧を印加することによりピエゾ素子１９を変形し、噴孔１６ｅ内の燃料噴射流路の断面積を変えることにより、燃料Ｆの噴射量や噴霧形状(分布)を変えることができる。
【００６２】
また、複数の噴孔１６ｅのうち、所望の噴孔１６ｅの燃料噴射流路の直径（断面積）は相対的に大きくし、他の噴孔１６ｅの燃料噴射流路の直径（断面積）は相対的に径を小さくするというように、複数の噴孔１６ｅの燃料噴射流路の直径（断面積）を選択的に変えることにより、キャビティ４の平面内および深さ方向における燃料Ｆの噴射位置を変えることができる。
【００６３】
このため、従来は燃料混合気の形成に際して、シリンダ２内の噴霧と空気流動の混合を調整することで燃料の過濃領域および希薄領域を流動に任せることで受動的に生成していたのに対して、第１の実施の形態のインジェクタ１５では、燃料Ｆの噴射量、噴霧形状(分布)および噴射位置を所望の状態に能動的に変えることができ、キャビティ４への燃料噴射の制御性を向上させることができる。このため、キャビティ４内において、運転状態に適した燃焼状態を形成することができる。したがって、排気ガスおよび燃料消費率を低減することができる。
【００６４】
また、上記のように燃料Ｆを噴射することが可能な範囲で噴孔１６ｅの燃料噴射流路の断面積を小さくすることで燃料を超高速で噴射することができる。これにより、排気ガスを低減することができ、また、燃料消費率を低減することができる。
【００６５】
また、図１４および図１５は第１の実施の形態のインジェクタ１５を用いて均質燃焼状態を形成する場合の燃料Ｆの状態を模式的に示している。図１４は燃料噴射時、図１５は燃料噴射後の燃料Ｆの状態である。
【００６６】
均質燃焼時には燃料Ｆの噴霧が比較的広い範囲に亘ってキャビティ４内に分布している。均質燃焼は、高負荷燃焼時や予混合圧縮着火（Homogeneous Charge Compression Ignition:以下、ＨＣＣＩという）燃焼時に有効である。
【００６７】
ＨＣＣＩ燃焼は、燃料と空気とを予め混合させた均一で希薄な混合気を圧縮し、自着火させる燃焼方法である。ＨＣＣＩ燃焼の場合、均一な混合気を燃焼させることから黒煙の発生を低減できる。また、希薄な混合気であることから燃焼温度を低くすることができ窒素酸化物（ＮＯｘ）の発生を低減できる。さらに、圧縮比を高くできるので、高い効率を得ることができる。
【００６８】
しかし、ＨＣＣＩ燃焼の場合、燃料が希薄なため失火の恐れがあり、また、運転領域が狭いという問題がある。これに対して、第１の実施の形態のインジェクタ１５を用いた場合、噴孔１６ｅの燃料噴射流路の断面積を選択的に変えて、キャビティ４内に燃料過濃度領域と燃料希薄領域とを形成することにより、燃料を確実に着火することができ、かつ、キャビティ４内全体では希薄混合気になるような燃料濃度分布を生成することができる。これにより、失火の問題を回避でき、また、運転領域を拡大することができる。すなわち、着火領域の燃料噴霧の状態を条件毎に精細に設定することができるので、ＨＣＣＩ燃焼による低ＮＯｘで、かつ、低ＰＭ（Particulate Matter）での燃焼を実現することができる。
【００６９】
また、図１６および図１７は第１の実施の形態のインジェクタ１５を用いて成層燃焼状態を形成する場合の燃料Ｆの状態を模式的に示している。図１６は燃料噴射時、図１７は燃料噴射後の燃料Ｆの状態である。成層燃焼時には、燃料Ｆの噴霧がキャビティ４の上層部に分布している。成層燃焼は、軽負荷時に有効である。この場合も、第１の実施の形態のインジェクタ１５を用いることにより、成層燃焼に適した燃料の噴射量および噴霧形状を形成することができる。
【００７０】
また、図１８は第１の実施の形態のインジェクタ１５を用いた場合の時間と燃料噴射量との関係を一般的な概念として示し、図１９は図１８の燃料噴射時のシリンダ２内の噴射燃料の状態を模式的に示している。符号ｔ１は噴射初期、符号ｔ２は噴射中期、符号ｔ３は噴射後期、符号Ｆ１は噴射初期ｔ１の燃料噴霧をそれぞれ示している。
【００７１】
第１の実施の形態のインジェクタ１５を用いた場合、ピエゾ素子１９による噴孔１６ｅの燃料噴射流路の断面積の拡大縮小と、ニードル１７のリフト量による燃料流量制御とにより、図１８に示すように、燃料噴射量の立ち上がりを急峻にすることができる。
【００７２】
例えば噴射初期ｔ１において超高圧噴射での噴霧量を少なくして、シリンダ２の内壁面への燃料の衝突を避けた上で、シリンダ２の内壁面の手前に到達した噴射初期ｔ１の燃料噴霧Ｆ１により「壁」を形成する。その状態で噴射中期ｔ１において急激に燃料噴射量を増やす。これにより、中期以降に噴射された燃料Ｆの移動が燃料噴霧Ｆ１の壁によって遮られ、中期以降に噴射された燃料Ｆがシリンダ２の内壁面に衝突しないようにすることができる。その結果、中期以降に噴射された燃料Ｆをキャビティ４内で着火させることができるので、未燃炭化水素（ＴＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）等のような排気ガスを低減することができる。
【００７３】
さらに、燃料流量の立ち上がりを急峻にすることにより、より短い噴射期間を設定することができるので、着火までの混合時間を増加させることができる。このため、排気ガスの少ないＨＣＣＩ燃焼を実現することができる。
【００７４】
第２の実施の形態のインジェクタ
図２０〜図２５に第２の実施の形態のインジェクタ１５を示す。図２０は第２の実施の形態のインジェクタ１５のピエゾ素子１９に対する非電圧印加時（電圧オフ時）の燃料噴射部の要部断面図、図２１は図２０のピエゾ素子１９およびその周辺の拡大断面図、図２２は図２０のピエゾ素子１９の拡大斜視図、図２３は第２の実施の形態のインジェクタ１５のピエゾ素子１９に対する電圧印加時（電圧オン時）の燃料噴射部の要部断面図、図２４は図２３のピエゾ素子１９およびその周辺の拡大断面図、図２５は第２の実施の形態のインジェクタ１５による燃料噴射状態を模式的に示した図である。
【００７５】
第２の実施の形態のインジェクタ１５では、ピエゾ素子１９として、大小２つのピエゾ素子１９ａ，１９ｂを備えている。すなわち、１つの噴孔１６ｅに配置された２つの大きなピエゾ素子１９ａ，１９ａの互いに斜め方向に位置する角部には、それぞれ小さなピエゾ素子１９ｂ，１９ｂが設置されている。
【００７６】
また、ノズル部１６ｂの表面には、カバー層２２が形成されている。カバー層２２は、その上部のフランジ部が筐体１６とシリンダヘッド５とに挟まれることで固定されている。このカバー層２２を設けることにより、小さなピエゾ素子１９ｂの脱落を防止することができる。
【００７７】
従来のインジェクタでは可変噴孔といっても、噴孔自体の径は固定で、ニードルの制御により流れる方向を変えていた。これに対して、図２０および図２３に示すように、第２の実施の形態のインジェクタ１５においては、第１の実施の形態で説明したようにピエゾ素子１９が変形することを利用し、複数のピエゾ素子１９（１９ａ，１９ｂ）の組み合わせ（配置の仕方）により、燃料噴射方向（燃料噴射位置）自体を燃料ＦＡ，ＦＢのように変えることができる。この図２０および図２３には、筺体１６の軸に対する噴孔１６ｅの燃料噴射流路の傾斜角度が変化した場合が例示されている。ここでは、図２３および図２４に示すように、例えば小さなピエゾ素子１９ｂだけに電圧を印加し、そのピエゾ素子１９ｂを変形させることにより、小さなピエゾ素子１９ｂに隣接する大きなピエゾ素子１９ａを変形させて燃料の噴射の向きを変えている。この時、大きなピエゾ素子１９ａに電圧を印加することで大きなピエゾ素子１９ａも小さなピエゾ素子１９ａと同時に変形させても良い。これ以外の構成は、前記第１の実施の形態と同じである。
【００７８】
第２の実施の形態のインジェクタ１５は、噴孔の断面積の変化と噴出方向の変化との両方を実現する例であり、第２の実施の形態のインジェクタ１５を用いた場合、ピエゾ素子１９（１９ａ，１９ｂ）への印加電圧のオンオフによりピエゾ素子１９（１９ａ，１９ｂ）を変形することで、噴孔１６ｅの断面積と燃料噴射方向とを変えることができる。これにより、図１４〜図１７で説明した均質燃焼と成層燃焼とを１つのインジェクタ１５で実現することもできる。
【００７９】
また、第２の実施の形態のインジェクタ１５においては、燃料噴霧を自在に配置することができ、燃料の燃焼時期および噴射位置を自在に制御することができるので、例えば図２５に示す破線で囲まれた領域で着火させたいといった要求に対しても柔軟に対応できる。すなわち、第２の実施の形態のインジェクタ１５においては、燃料の噴射量や噴霧形状に加え、噴射位置をも精細に制御することができるので、燃料噴射の制御性をさらに向上させることができる。したがって、エンジン１の燃料噴射開始時期を決定することにより、ＴＨＣ、ＣＯおよび窒素酸化物（ＮＯｘ）等のような排気ガスを同時に低減することができる。これ以外の効果は、前記第１の実施の形態と同じである。
【００８０】
第３の実施の形態のインジェクタ
図２６および図２７に示す前記第１、第２の実施の形態のインジェクタ１５においては、図２７に示すようにピエゾ素子１９に電圧を印加すると燃料噴射流路が急激に縮小することになり、特に超高圧の燃料供給の下では破線Ｊで示す音速を超えたところで燃料の流れが閉塞してしまう場合がある。この閉塞現象は燃料噴射流路が急拡大する場合も発生する場合がある。
【００８１】
そこで、図２８および図２９に示すように、第３の実施の形態のインジェクタ１５においては、噴孔１６ｅのピエゾ素子１９で形成される燃料噴射流路を、例えばラバルノズルのようなノズルの構成とした。すなわち、噴孔１６ｅの燃料噴射流路を、その断面積（直径）が、燃料Ｆが流れる方向に向かって連続的に小さくなり、途中からまた連続的に大きくなるように形成した。ここでは、噴孔１６ｅの燃料噴射流路においてピエゾ素子１９のあるところと無いところの段差が、前記第１、第２の実施の形態に比べて小さくなるように形成されている。
【００８２】
この場合、図２９に示すようにピエゾ素子１９に電圧を印加すると燃料噴射流路の断面積が小さくなるが、ラバルノズルの原則により燃料噴射流路は閉塞せず、超音速での燃料噴射（供給）を実現することができる。したがって、より微細な燃料の噴霧形成が可能となる。これ以外の構成および効果は、前記第１、第２の実施の形態と同じである。
【００８３】
第４の実施の形態のインジェクタ
図３０に第４の実施の形態のインジェクタ１５のピエゾ素子１９の断面図を示す。
【００８４】
第４の実施の形態のインジェクタ１５においては、噴孔１６ｅの燃料噴射流路に沿って複数のピエゾ素子１９ｃ，１９ｄが隣接配置されている。各ピエゾ素子１９ｃ，１９ｄは、例えば直方体形状に形成されており、その厚さ（大きさ）が異なる。ここでは、厚いピエゾ素子１９ｄが薄いピエゾ素子１９ｃに挟まれた状態で配置されている場合が例示されている。これにより、燃料噴射流路の断面積が、燃料の流れる方向に沿って断続的に変化している。これ以外の構成は、前記第１〜第３の実施の形態と同じである。
【００８５】
このような第４の実施の形態のインジェクタ１５においては、例えば、ピエゾ素子母材の加工により燃料噴射流路の曲面を形成することができないような場合でも、ノズル構成に近似した燃料噴射流路を持つピエゾ素子１９を作成することができる。これ以外の効果は、前記第１〜３の実施の形態と同じである。
【００８６】
第５の実施の形態のインジェクタ
図３１および図３２に第５の実施の形態におけるインジェクタ１５のピエゾ素子１９を模式的に示す。図３１はピエゾ素子１９に対する印加電圧がオフ時、図３２はピエゾ素子１９に対する印加電圧がオン時をそれぞれ示している。
【００８７】
第５の実施の形態のインジェクタ１５においては、第４の実施の形態のピエゾ素子１９（１９ｃ，１９ｄ）に電圧入力部Ｖ１〜Ｖ３の各々から電圧を印加することが可能な構成とされている。
【００８８】
これは、ピエゾ素子１９の歪み量が印加電圧の値によって異なることを利用したもので、上記ピエゾ素子１９ｃ，１９ｄ毎の印加電圧を調整することにより、ノズル構成に近似した燃料噴射流路を持つピエゾ素子１９を形成することができる。これ以外の構成および効果は、前記第１〜４の実施の形態と同じである。
【００８９】
一例として、図３０〜図３２で示したピエゾ素子１９の斜視図を図３３および図３４に示す。図３３では、ピエゾ素子１９が円環状に形成されている。また、図３４では、２つの凸状のピエゾ素子１９が向き合うように配置されている。
【００９０】
なお、本願発明の燃料噴射装置の構成は、あらゆる燃料噴射装置に適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本発明の燃料噴射装置およびそれを備える内燃機関は、燃料噴射装置の噴孔内に、噴孔の燃料噴射流路の断面積、燃料噴射方向またはその両方を変える圧電素子で形成された流路変更手段を設けたことにより、内燃機関の燃焼室内への燃料噴射の制御性を向上させることができるので、自動車等の燃料噴射装置およびそれを備える内燃機関に利用できる。
【符号の説明】
【００９２】
１  ディーゼルエンジン（内燃機関）
２  シリンダ（気筒）
３  ピストン
４  キャビティ（燃焼室）
７  吸気ポート（吸気口）
８  排気ポート（排気口）
１５  インジェクタ（燃料噴射装置）
１５ａ  燃料噴射部
１５ｂ  ニードル制御部（制御部）
１６  筐体
１６ａ  胴体部
１６ｂ  ノズル部
１６ｃ  中空室
１６ｃ１  大径室
１６ｃ２  小径室
１６ｃ３  シール部
１６ｅ  噴孔
１７  ニードル（燃料制御部材）
１９，１９ａ〜１９ｄ  ピエゾ素子（流路変更手段、圧電素子）
２０  異種材料層
２２  カバー層
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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