(57)【要約】【課題】広い運転領域において内燃機関の噴射燃料の微粒化を促進することができる燃料噴射制御装置および燃料噴射弁を提供する。【解決手段】エンジンシステム１は、インジェクタ２１内部の燃料の圧力振幅に基づいて燃料の固有振動数を認識し、認識した固有振動数に応じて適切な周波数で燃料に超音波振動を付与する制御を実行することで、広い運転領域で燃料中へ超音波キャビテーションによる微細な粒径の気泡を多量に、かつ略均一に発生させることができる。よって、広い運転領域において内燃機関の噴射燃料の微粒化を促進することができる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関に設置され、ノズルボディの先端部近傍に設けられた燃料噴射孔から燃料を噴射可能な燃料噴射弁を有する燃料噴射制御装置であって、
前記燃料噴射弁に供給される燃料を前記燃料噴射孔へと導くための燃料通路の少なくとも一部に設けられ、前記燃料通路内の燃料に任意の周波数で超音波振動を付与可能な超音波振動付与手段と、
前記燃料通路内の燃料の固有振動数を認識する固有振動数認識手段と、
前記燃料噴射弁の噴射時期および前記固有振動数認識手段の認識結果に基づいて、前記超音波振動付与手段に前記燃料通路内の燃料の振動を増幅させる周波数で超音波振動の付与を実行させる超音波振動制御手段と、
を備えることを特徴とする燃料噴射制御装置。
【請求項２】
前記燃料通路内の燃料の圧力を検出する燃圧検出手段を備え、
前記固有振動数認識手段は、前記燃圧検出手段が検出する燃料の圧力振幅に基づいて前記固有振動数を認識することを特徴とする請求項１記載の燃料噴射制御装置。
【請求項３】
前記固有振動数認識手段は、前記超音波振動付与手段が燃料に超音波振動を付与する間に前記燃圧検出手段が検出する燃料の圧力振幅に基づいて、前記固有振動数を認識することを特徴とする請求項２記載の燃料噴射制御装置。
【請求項４】
前記超音波振動制御手段は、前記燃料噴射弁による１回の燃料噴射の前期に一定の周波数で燃料に超音波振動を付与させる第１超音波振動付与と、前記燃料噴射弁による１回の燃料噴射の後期に連続的に周波数を変化させて燃料に超音波振動を付与させる第２超音波振動付与と、を前記超音波振動付与手段に実行させて、
更に、前記固有振動数認識手段は、前記超音波振動付与手段が前記第２超音波振動付与を実行する間に前記燃圧検出手段が検出する燃料の圧力振幅に基づいて、前記固有振動数を認識することを特徴とする請求項２または３記載の燃料噴射制御装置。
【請求項５】
前記固有振動数認識手段は、前記超音波振動付与手段が燃料への超音波振動の付与を停止した後に前記燃圧検出手段が検出する燃料の圧力振幅に基づいて、前記固有振動数を認識することを特徴とする請求項２記載の燃料噴射制御装置。
【請求項６】
前記超音波振動付与手段と前記燃圧検出手段とは１の圧電素子であって、
前記１の圧電素子の状態を、前記超音波振動付与手段と前記燃圧検出手段との間で切替える切替え手段を有することを特徴とする請求項２から５のいずれか１項記載の燃料噴射制御装置。
【請求項７】
ノズルボディの先端部近傍に設けられた燃料噴射孔から燃料を噴射可能な燃料噴射弁であって、
前記燃料噴射弁に供給される燃料を前記燃料噴射孔へと導くための燃料通路の少なくとも一部に設けられ、正電圧および負電圧からなる任意の周波数の交流電圧を外部から印加されることで、印加された前記交流電圧の周波数と同期して前記燃料通路の容量を増減させる方向に振動する超音波振動子と、
前記超音波振動子の振動によって生じる前記燃料通路内の燃料の圧力変化を検出し、検出結果を電気信号に変換して外部へ送信する圧力センサと、
を備えることを特徴とする燃料噴射弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料噴射制御装置および燃料噴射弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の燃費や排気エミッションを改善するために、噴射燃料の噴霧粒径を微細化して燃焼性を向上させることが要求されている。噴霧粒径を微細化する手段の一つとして、従来、噴射前の燃料に所定の超音波振動を付与する手法が知られている。
【０００３】
超音波振動の付与による噴射燃料の微粒化手法としては、高周波の超音波振動を付与し燃料中にキャビテーションによる微細気泡を発生させ、噴射後に微細気泡が崩壊するときのエネルギーによって噴霧粒径を微細化する手法が提案されている。この手法によれば、燃料に付与する超音波振動の周波数が高いほどより微細な気泡が多量に発生し、より大きな気泡の崩壊エネルギーを得られることから、噴射燃料の微粒化効果をより高めることが可能である。
【０００４】
このような手法としては、インジェクタ噴孔を開閉するニードルの先端に超音波振動子を設け、比較的低周波で駆動する第１の振動状態と、第１の振動状態より高い周波数である第２の振動状態とを切り替えることにより、第１の振動状態によって燃料中にキャビテーションによる気泡を発生させて噴霧粒径を微細化しつつ、第２の振動状態によってニードルの先端にデポジットが付着することを抑制する技術が特許文献１に開示されている。
【０００５】
また、機関の吸気マニホルドもしくは吸気孔に装着され、超音波振動子で供給燃料を微細化する燃料供給装置において、振動子に与える超振周波数を周期的に変化させる技術が特許文献２に開示されている。
【０００６】
そして、その他本発明と関連性があると考えられる技術が特許文献３および４に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−０２５４８５号公報
【特許文献２】実開平０１−１５９１６７号公報
【特許文献３】特開昭６４−０８０７５１号公報
【特許文献４】特表２００２−５１９５６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
超音波キャビテーションによって燃料中にマイクロオーダーからナノオーダーの微細気泡が発生するが、それら微細気泡のそれぞれ１つの崩壊エネルギーは微小である。そのため、燃料中の気泡の崩壊エネルギーによって噴射燃料を充分に微粒化させるためには、燃料中に微細な粒径の気泡を多量に、かつ略均一に発生させることが要求される。超音波キャビテーションによって燃料中へ発生させる気泡をより多量化・均一化するためには、燃料噴射弁内の燃料の固有振動数と同等の周波数、又は固有振動数の整数倍の周波数にて燃料に超音波振動を付与することが有効である。
【０００９】
ところで、燃料の固有振動数は、燃料の圧力・温度等によって変化するものであるために、燃料噴射弁内の燃料の固有振動数は、内燃機関の運転状況等に応じて刻々と変化する。しかしながら、特許文献１，２の技術では、内燃機関の運転状況等に応じて変化する燃料の固有振動数に対応した適切な超音波振動を燃料に付与することができない。そのため、内燃機関の運転領域によっては超音波キャビテーションによって燃料中に微細気泡を多量に、かつ略均一に発生させることが困難になる場合がある。よって、広い運転領域において内燃機関の噴射燃料の微粒化を促進することができない、といった問題点がある。
【００１０】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、広い運転領域において内燃機関の噴射燃料の微粒化を促進することができる燃料噴射制御装置および燃料噴射弁を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の燃料噴射制御装置は、内燃機関に設置され、ノズルボディの先端部近傍に設けられた燃料噴射孔から燃料を噴射可能な燃料噴射弁を有する燃料噴射制御装置であって、前記燃料噴射弁に供給される燃料を前記燃料噴射孔へと導くための燃料通路の少なくとも一部に設けられ、前記燃料通路内の燃料に任意の周波数で超音波振動を付与可能な超音波振動付与手段と、前記燃料通路内の燃料の固有振動数を認識する固有振動数認識手段と、前記燃料噴射弁の噴射時期および前記固有振動数認識手段の認識結果に基づいて、前記超音波振動付与手段に前記燃料通路内の燃料の振動を増幅させる周波数で超音波振動の付与を実行させる超音波振動制御手段と、を備えることを特徴とする。
上記の構成により、内燃機関の運転状況等に応じて変化する燃料の固有振動数に基づいて適切な周波数で燃料に超音波振動を付与することができることから、広い運転領域で燃料中へ超音波キャビテーションによる微細な粒径の気泡を多量に、かつ略均一に発生させることができる。よって、広い運転領域において内燃機関の噴射燃料の微粒化を促進することができる。
【００１２】
特に、本発明の燃料噴射制御装置は、前記燃料通路内の燃料の圧力を検出する燃圧検出手段を備え、前記固有振動数認識手段が、前記燃圧検出手段が検出する燃料の圧力振幅に基づいて前記固有振動数を認識する構成とすることができる。
上記の構成により、燃料の圧力振幅に基づいて認識した燃料の固有振動数に応じて、適切な周波数で燃料に超音波振動を付与することができることから、広い運転領域で燃料中へ超音波キャビテーションによる微細な粒径の気泡を多量に、かつ略均一に発生させることができる。よって、広い運転領域において内燃機関の噴射燃料の微粒化を促進することができる。
【００１３】
また、本発明の燃料噴射制御装置は、前記固有振動数認識手段が、前記超音波振動付与手段が燃料に超音波振動を付与する間に前記燃圧検出手段が検出する燃料の圧力振幅に基づいて、前記固有振動数を認識する構成とすることができる。
上記の構成により、超音波振動が付与される間の燃料の圧力振幅からより正確に燃料の固有振動数を認識することができ、認識した燃料の固有振動数に応じて、適切な周波数で燃料に超音波振動を付与することができる。よって、広い運転領域で燃料中へ超音波キャビテーションによる微細な粒径の気泡を多量に、かつ略均一に発生させることができることから、広い運転領域において内燃機関の噴射燃料の微粒化を促進することができる。
【００１４】
そして、本発明の燃料噴射制御装置は、前記超音波振動制御手段が、前記燃料噴射弁による１回の燃料噴射の前期に一定の周波数で燃料に超音波振動を付与させる第１超音波振動付与と、前記燃料噴射弁による１回の燃料噴射の後期に連続的に周波数を変化させて燃料に超音波振動を付与させる第２超音波振動付与と、を前記超音波振動付与手段に実行させて、更に、前記固有振動数認識手段が、前記超音波振動付与手段が前記第２超音波振動付与を実行する間に前記燃圧検出手段が検出する燃料の圧力振幅に基づいて、前記固有振動数を認識する構成とすることができる。
上記の構成により、連続的に周波数を変化させて超音波振動を付与する第２超音波振動付与が実行される間の燃料の圧力振幅からより正確に燃料の固有振動数を認識することができ、認識した燃料の固有振動数に応じて、適切な周波数で燃料に超音波振動を付与することができる。よって、広い運転領域で燃料中へ超音波キャビテーションによる微細な粒径の気泡を多量に、かつ略均一に発生させることができることから、広い運転領域において内燃機関の噴射燃料の微粒化を促進することができる。
【００１５】
更に、本発明の燃料噴射制御装置は、前記固有振動数認識手段が、前記超音波振動付与手段が燃料への超音波振動の付与を停止した後に前記燃圧検出手段が検出する燃料の圧力振幅に基づいて、前記固有振動数を認識する構成とすることができる。
上記の構成により、燃料への超音波振動の付与を停止した後の燃料の圧力振幅から燃料の固有振動数を認識することができ、認識した燃料の固有振動数に応じて、適切な周波数で燃料に超音波振動を付与することができる。よって、広い運転領域で燃料中へ超音波キャビテーションによる微細な粒径の気泡を多量に、かつ略均一に発生させることができることから、広い運転領域において内燃機関の噴射燃料の微粒化を促進することができる。
【００１６】
また、本発明の燃料噴射制御装置は、前記超音波振動付与手段と前記燃圧検出手段とは１の圧電素子であって、前記１の圧電素子の状態を、前記超音波振動付与手段と前記燃圧検出手段との間で切替える切替え手段を有する構成とすることができる。
上記の構成により、超音波振動の付与と燃圧の検出とを１の圧電素子で実行することができることから、燃料噴射弁の構成の簡素化、およびシステムの低コスト化を図ることができる。
【００１７】
そして、本発明の燃料噴射弁は、ノズルボディの先端部近傍に設けられた燃料噴射孔から燃料を噴射可能な燃料噴射弁であって、前記燃料噴射弁に供給される燃料を前記燃料噴射孔へと導くための燃料通路の少なくとも一部に設けられ、正電圧および負電圧からなる任意の周波数の交流電圧を外部から印加されることで、印加された前記交流電圧の周波数と同期して前記燃料通路の容量を増減させる方向に振動する超音波振動子と、前記超音波振動子の振動によって生じる前記燃料通路内の燃料の圧力変化を検出し、検出結果を電気信号に変換して外部へ送信する圧力センサと、を備えることを特徴とする。
上記の構成により、広い運転領域において内燃機関の噴射燃料の微粒化を促進することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の燃料噴射制御装置および燃料噴射弁によれば、内燃機関の運転状況等に応じて変化する燃料の固有振動数に基づいて適切な周波数で燃料に超音波振動を付与することができることから、広い運転領域で燃料中へ超音波キャビテーションによる微細な粒径の気泡を多量に、かつ略均一に発生させることができる。よって、広い運転領域において内燃機関の噴射燃料の微粒化を促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施例のエンジンシステムの一構成例を示した図である。
【図２】実施例のインジェクタの一構成例を示した図である。
【図３】エンジンＥＣＵが実行する制御の一例を示している。
【図４】水溶液の気泡の破裂観察を示している。
【図５】実施例のエンジンシステムの一構成例を示した図である。
【図６】実施例のインジェクタの一構成例を示した図である。
【図７】エンジンＥＣＵが実行する制御の一例を示している。
【図８】エンジンＥＣＵが実行する制御の一例を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。
【実施例１】
【００２１】
本発明の実施例１について図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の燃料噴射制御装置を搭載したエンジンシステム１の一構成例を示した図である。なお、図１にはエンジンの一部の構成のみを示している。
【００２２】
図１に示すエンジンシステム１は、動力源であるエンジン１００を備えており、エンジン１００の運転動作を総括的に制御するエンジンＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）１０を備えている。また、エンジンシステム１は、エンジン１００の燃焼室１１内へ燃料を噴射するインジェクタ２１と、インジェクタ２１内の超音波振動子２１８を駆動させる超音波駆動装置２２と、エンジンＥＣＵ１０および圧力センサ２１９と連結する変換機２３、ハイパスフィルタ２４と、を備えている。
【００２３】
エンジン１００は、車両に搭載される多気筒エンジンであって、各気筒は燃焼室１１を構成するピストン１２を備えている。各燃焼室のピストン１２は、エンジン１００のシリンダに摺動自在に嵌合されており、それぞれコネクティングロッドを介して出力軸部材であるクランクシャフトに連結されている。
吸気ポート１３から燃焼室１１内へ流入した吸入空気は、ピストン１２の上昇運動により燃焼室１１内で圧縮される。エンジンＥＣＵ１０は、クランク角センサからのピストン１２の位置、および吸気カム角センサからのカム軸回転位相の情報に基づき、燃料噴射タイミングを決定しインジェクタ２１に信号を送る。インジェクタ２１は、エンジンＥＣＵ１０の信号に従って、指示された噴射タイミングで燃料を噴射する。インジェクタ２１より噴射された燃料は、霧化して圧縮された吸入空気と混合し、点火プラグ１８によって点火されることで燃焼し、燃焼室内を膨張させてピストン１２を下降させる。この下降運動がコネクティングロッドを介してクランクシャフトの軸回転に変更されることにより、エンジン１００は動力を得る。
この場合、エンジン１００は、ガソリンを燃料とするガソリンエンジンに限られず、軽油を燃料とするディーゼルエンジン、ガソリンとアルコールとを任意の割合で混合した燃料を使用するフレキシブルフューエルエンジンのいずれでもよい。また、エンジンシステム１は、エンジン１００と複数の電動モータとを組み合わせたハイブリッドシステムであってもよい。
【００２４】
各気筒の燃焼室１１には、それぞれ燃焼室１１と連通する吸気ポート１３と、吸気ポート１３に連結し、吸入空気を吸気ポート１３から燃焼室１１へと導く吸気通路１４とが接続されている。更に、各気筒の燃焼室１１には、それぞれ燃焼室１１と連通する排気ポート１５と、燃焼室で発生した排気ガスをエンジン１００の外部へと導く排気通路１６が接続されている。
【００２５】
吸気通路１４には、エアフロメータ、スロットルバルブ１７およびスロットルポジションセンサが設置されている。エアフロメータおよびスロットルポジションセンサは、それぞれ吸気通路１４を通過する吸入空気量、スロットルバルブ１７の開度を検出し、検出結果をエンジンＥＣＵ１０に送信する。エンジンＥＣＵ１０は、送信された検出結果に基づいて吸気ポート１３および燃焼室１１へ導入される吸入空気量を認識し、スロットルバルブ１７の開度を調整することで吸入空気量を調節する。
スロットルバルブ１７は、ステップモータを用いたスロットルバイワイヤ方式を適用することが好ましいが、例えばステップモータの代わりにワイヤなどを介してアクセルペダル（図示しない）と連動し、スロットルバルブ１７の開度が変更されるような機械式スロットル機構を適用することもできる。
【００２６】
排気通路１６には、ターボチャージャ１９が設置されている。ターボチャージャ１９は、排気通路１６を流通する排気ガスの運動エネルギーを利用してタービンを回転させ、エアクリーナーを通過した吸入空気を圧縮してインタークーラーへと送り込む。圧縮された吸入空気は、インタークーラーで冷却された後に吸気通路１４へと導入される。この場合、エンジン１００は、ターボチャージャ１９を備える過給機付エンジンに限られず、自然吸気（Ｎａｔｕｒａｌ  Ａｓｐｉｒａｔｉｏｎ）エンジンであってもよい。
【００２７】
ピストン１２は、その頂面にキャビティを有する。キャビティは、インジェクタ２１の方向から点火プラグ１８の方向へと連続するなだらかな曲面によってその壁面が形成されており、インジェクタ２１から噴射された燃料を壁面形状に沿って点火プラグ１８近傍へと導く。この場合、ピストン１２は、その頂面の中央部分に円環状にキャビティが形成されるリエントラント型燃焼室など、エンジン１００の仕様に応じて任意の位置・形状でキャビティを形成することができる。
【００２８】
インジェクタ２１は、吸気ポート１３下部の燃焼室１１に斜め方向に装着されている。インジェクタ２１は、エンジンＥＣＵ１０の指示に基づいて、フューエルポンプから燃料流路を通じて高圧供給された燃料をノズルボディ２１１先端部の円周方向に等間隔で設けられた燃料噴射孔２１２より燃焼室１１内へ直接噴射する。噴射された燃料は、燃焼室１１内で霧化し吸入空気と混合されつつキャビティの形状に沿って点火プラグ１８近傍へと導かれる。インジェクタ２１のリーク燃料は、リリーフ弁からリリーフ配管を通じて燃料タンクへと戻される。
この場合、インジェクタ２１は、吸気ポート１３下部に限られず燃焼室１１の任意の位置に設置することができる。更に、インジェクタ２１は、燃焼室１１に限られず吸気ポート１３に設けてもよいし、燃焼室１１と吸気ポート１３との両方に設けてもよい。
なお、インジェクタ２１は、本発明の燃料噴射弁の一構成例である。
【００２９】
つづいて、インジェクタ２１の内部構成について詳細に説明する。図２は、実施例のインジェクタ２１の概略構成を示した構成図である。なお、図２にはインジェクタ２１の先端部分の構成のみを示している。
インジェクタ２１は、内部に燃料通路２１３を備えたノズルボディ２１１、ノズルボディ２１１の先端部に形成された燃料噴射孔２１２、燃料通路２１３内に摺動自在に配置されるニードル２１４、ニードル２１４の軸偏芯を抑制するガイド２１５、ニードル２１４を燃料噴射孔２１２が閉鎖する側へ付勢するスプリング２１６、ニードル２１４の先端部が着座する弁座２１７、燃料通路２１３内に円筒状に配置される超音波振動子２１８、および燃料通路２１３内の燃圧を検出する圧力センサ２１９を備えた構成となっている。
【００３０】
ノズルボディ２１１は、インジェクタ２１の先端部に設けられており、エンジン１００の燃焼室１１内に突出している。フューエルポンプより圧送されて、ノズルボディ２１１内部の燃料通路２１３に蓄積された高圧燃料は、エンジンＥＣＵ１０の指示に従い、燃料噴射孔２１２よりエンジン気筒内に噴射される。
【００３１】
ニードル２１４は、燃料通路２１３内部にニードル軸方向に摺動自在（移動可能）に設けられている。ニードル２１４は、その先端部が鋭角な針形状の内開弁であり、燃料通路２１３内に設けられた図示しない制御室内の燃料圧力の変化やスプリング２１６の付勢力によって、燃料噴射孔２１２の開弁方向または閉弁方向に移動する。
【００３２】
ノズルボディ２１１の先端部には、ニードル２１４の先端部（着座部）と嵌合する弁座２１７が設けられている。この弁座２１７にニードル２１４の着座部が着座することで燃料噴射孔２１２と燃料通路２１３との連通が遮断され、それにより燃料噴射孔２１２からの燃料の噴射が停止する。また、弁座２１７からニードル２１４の着座部が離座することで燃料噴射孔２１２と燃料通路２１３とが連通し、それにより燃料噴射孔２１２から燃料が噴射される。
【００３３】
燃料噴射孔２１２は、ノズルボディ２１１先端部の円周方向に４５°間隔で設けられた８孔の連通孔であり、燃料通路２１３とノズルボディ２１１の外部とを連通させている。燃料噴射孔２１２は、燃料通路２１３とノズルボディ２１１の外部とを連通し、フューエルポンプから供給される燃料の圧力によって燃料通路２１３内の燃料を外部へと噴射可能に構成されている。これによって、微細気泡を含む燃料を燃焼室１１に適切に噴射することができる。
この場合、燃料噴射孔２１２の数は８孔に限られず、任意の孔数を等間隔で設けてもよい。また、燃料噴射孔２１２より噴射される燃料は、すべて一定の噴射角度に設定されるが、各々の噴射角度を変えてもよい。更に、燃料噴射孔２１２は、燃料通路２１３からノズルボディ２１１の外部までの間の角度、孔径が一定であってもよいし、途中で変化させてもよい。
【００３４】
ニードル２１４には、ニードル２１４軸と直交する水平軸方向への偏芯を抑制するガイド２１５が設けられている。ガイド２１５は、その外周部に、燃料通路２１３内の燃料がニードル２１４軸方向に流通可能に形成された斜流溝２１５ａを備えている。斜流溝２１５ａは、ニードル２１４軸を中心として対向する位置の２ヶ所に設けられており、ニードル２１４軸に対して所定の角度θで傾斜している。この構成により、燃料通路２１３内の燃料が斜流溝２１５ａを流通して燃料噴射孔２１２に到達するまでの間に回転成分が付与されて、それによって燃料通路２１３内の燃料に微細気泡が崩壊しない程度の適切な旋回流を生じさせることができる。よって、超音波振動の付与により燃料中に生成した微細気泡を、燃料通路２１３内の適切な旋回流によって燃料中に略均一化、安定化することができる。
この場合、斜流溝２１５ａの傾斜角度θは、燃料中の微細気泡が圧壊しない旋回流（例えば、旋回周波数が１００Ｈｚ以下）が生じるよう、予め台上試験等にて求めた適切な傾斜角度に設定することができる。また、ガイド２１５および斜流溝２１５ａは、１つに限られず複数設けてもよい。また、斜流溝２１５ａは、ガイド２１５の外周部に限られずニードル２１４の他の部分に個別に設けてもよい。
【００３５】
超音波振動子２１８は、燃料噴射孔２１２近傍の燃料通路２１３壁面に、燃料と直接接触するように円筒状に設けられている。超音波振動子２１８は、後述する超音波駆動装置２２からの通電による電圧の印加によって、その体積が膨張または収縮する圧電素子である。超音波振動子２１８は、正電圧を印加された際にその体積が膨張し、燃料通路２１３の容量を減少させて、正電圧の印加が終了するとその体積が元に戻り、燃料通路２１３の容量を元に戻す。また、超音波振動子２１８は、負電圧を印加された際にその体積が収縮し、燃料通路２１３の容量を増大させて、負電圧の印加が終了するとその体積が元に戻り、燃料通路２１３の容量を元に戻す。このように、超音波振動子２１８は、電圧を連続で印加されることで体積の膨張、収縮を繰り返し、交流電圧の周波数に同期して燃料通路２１３の容積を増大、減少させて燃料に超音波振動を付与する。超音波振動を付与された燃料は、その超音波エネルギーによってキャビテーションが生じ、内部に微細気泡が発生する。
この場合、超音波振動子２１８は、円筒状に限られず、燃料噴射孔２１２近傍の燃料通路２１３壁面の所定の部分に任意の形状で設けることができる。また、超音波振動子２１８は、負電圧を印加された際に体積が膨張し、正電圧を印加された際に体積が収縮するようにしてもよい。
なお、超音波振動子２１８は、本発明の超音波振動付与手段の一構成例である。
【００３６】
超音波振動子２１８の高さ寸法は、１度の超音波振動付与の実行によって、インジェクタ２１が１回に噴射できる燃料の最大量にキャビテーションによる微細気泡を発生させることができるよう、予め台上試験等にて求めた適切な高さ寸法に設定することができる。また、超音波振動子２１８の厚み寸法は、燃料通路２１３内の燃圧を燃料の蒸気圧以下にして微細気泡を発生させるための体積変化量が得られるよう、予め台上試験等にて求めた適切な厚み寸法に設定することができる。
更に、超音波振動子２１８とニードル２１４との距離は、超音波振動子２１８が付与する超音波振動と、ニードル２１４で反射した反射波との疎密ピークが重なり合う距離（例えば、超音波波長λに対し（ｎ±１／４）λ（ｎは自然数））に設定することができる。これによって、燃料に付与された超音波振動が増幅されることから、キャビテーションによる燃料中への微細気泡の発生をより効果的に実行することができる。
【００３７】
圧力センサ２１９は、超音波振動子２１８の直上近傍の燃料通路２１３壁面に、燃料と直接接触するように円筒状に設けられた圧電素子である。圧力センサ２１９は、燃料通路２１３内の燃圧を電気信号に変換して検出し、検出結果を変換機２３およびハイパスフィルタ２４（例えば、ｆｃが１ｋＨｚ）を介してエンジンＥＣＵ１０へと送信する（図１参照）。エンジンＥＣＵ１０は、圧力センサ２１９の検出結果に基づいて、超音波振動子２１８が膨張方向・収縮方向に振動することで生じる燃料通路２１３内の燃料の圧力振幅を認識する。
この場合、圧力センサ２１９は、円筒状に限られず、燃料噴射孔２１２近傍の燃料通路２１３壁面の所定の部分に任意の形状で設けることができる。また、圧力センサ２１９は、圧電素子に限られず、燃料の圧力を検出し得る他の構成であってもよい。
なお、圧力センサ２１９は、本発明の燃圧検出手段の一構成例である。
【００３８】
図１に戻り、超音波駆動装置２２は、インジェクタ２１内部の超音波振動子２１８を通電する駆動ユニットである。超音波駆動装置２２は、エンジンＥＣＵ１０からの指示に基づき交流電圧を超音波振動子２１８に印加することで、超音波振動子２１８の体積を膨張、収縮させて燃料に超音波振動を付与する。
この場合、超音波駆動装置２２は、エンジンＥＣＵ１０の指示に応じて交流電圧を正電圧または負電圧のいずれか一方に半波整流し、超音波振動子２１８に印加することもできる。また、超音波駆動装置２２は、変換機２３、ハイパスフィルタ２４と共にエンジンＥＣＵ１０のケース内に内蔵される構成であってもよい。
なお、超音波駆動装置２２は、本発明の超音波振動制御手段の一構成例である。
【００３９】
エンジンＥＣＵ１０は、演算処理を行うＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）と、プログラム等を記憶するＲＯＭ（Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）と、データ等を記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）やＮＶＲＡＭ（Ｎｏｎ  Ｖｏｌａｔｉｌｅ  ＲＡＭ）と、を備えるコンピュータである。エンジンＥＣＵ１０は、クランク角センサ、吸気カム角センサ、アクセル開度センサ、エアフロメータ、スロットルポジションセンサ、排気温センサ、水温センサ等の検出結果を読み込み、スロットルバルブ１７の動作、吸気弁、排気弁の動作、インジェクタ２１の動作など、エンジン１００の運転動作を統合的に制御する。
【００４０】
更に、エンジンＥＣＵ１０は、インジェクタ２１の燃料噴射タイミングおよび圧力センサ２１９の検出結果に基づいて、超音波振動子２１８に任意の周波数で燃料通路２１３内の燃料に超音波振動を付与させる制御を実行する。以下、エンジンＥＣＵ１０が実行する制御について説明する。
【００４１】
図３は、エンジンＥＣＵ１０が実行する制御の一例を示している。エンジンＥＣＵ１０の制御は、エンジン１００の運転開始要求に応じて開始する。まず、エンジンＥＣＵ１０は、クランク角センサ、水温センサ、アクセル開度センサ等の情報に基づき、エンジン１００の運転状態を認識する。つづいて、エンジンＥＣＵ１０は、認識したエンジン１００の運転状態に適した燃料噴射タイミングを決定し、インジェクタ２１に噴射信号を送る。インジェクタ２１は、エンジンＥＣＵ１０の噴射信号に従って、指示された燃料噴射タイミングにて燃焼室１１へ燃料を高圧噴射する。燃料噴射タイミングの制御としては、従来の内燃機関の噴射タイミング制御方法と同等の技術を適用することができる。
【００４２】
エンジンＥＣＵ１０は、インジェクタ２１へ燃料噴射を指示すると共に、所定の一定周波数で超音波振動子２１８に交流電圧の印加を開始するように超音波駆動装置２２に指示する。超音波振動子２１８は、超音波駆動装置２２からの交流電圧の印加が開始されると、燃料通路２１３の容積を増大および減少させる方向へ振動を開始し、燃料通路２１３内の燃料に所定の一定周波数で超音波振動を付与する第１超音波振動付与を実行する。燃料通路２１３内の燃料は、超音波振動子２１８からの第１超音波振動付与によって、その内部に徐々にキャビテーションによる数μｍ程度の微細気泡が発生する。ここで、所定の一定周波数とは、燃料中へのキャビテーションの気泡発生に有効な超音波振動の周波数であって、予め台上試験等にて求めた任意の周波数に設定することができる。
この場合、エンジンＥＣＵ１０による超音波駆動装置２２への電圧印加の指示、すなわち第１超音波振動付与の実行指示は、インジェクタ２１への燃料噴射の指示と同時刻に限られず、その前後の微小時間内に行ってもよい。なお、本実施例における「微小時間」とは、インジェクタ２１による燃料噴射の開始時刻と第１超音波振動付与の開始時刻との差分時間であって、噴射される燃料中に第１超音波振動付与によって微細気泡を充分に発生させることが可能な差分時間のことをいうものとする。
【００４３】
ここで、超音波振動の付与による燃料中への微細気泡の発生メカニズムについて説明する。液体に超音波を付与すると液中に存在する気泡が超音波のエネルギーを吸収して運動するが、特に、気泡径が超音波の波長の共振する大きさの場合に、超音波から気泡へのエネルギーの移動が最も効率よく行われる。そして、ＭＨｚ帯の超音波に共振する気泡の直径は数μｍである。しかしながら、一般的に、液体中にはこのような数μｍの気泡は存在しないが、液体中にはより微細な気泡片が安定的に存在し、この気泡片がキャビテーションの気泡を生じるための核として働く。ここで、この気泡片の大きさは超音波の共振径と大きく異なるので、気泡片には僅かな膨張、収縮しか生じない。しかし、次の２つの効果によるＲｅｃｔｉｆｉｅｄ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎによって、超音波を連続的に付与することで気泡片は徐々に成長する。
［面積効果］
気泡が液中に圧平衡状態で存在している場合、圧力が加わり気泡が収縮すると、気泡内のガス濃度が上昇するために、ガスは気泡周囲の液体中に拡散する。そして、圧力が低下すると気泡が膨張してガス濃度が低下するために、液中に拡散していたガスが気泡内に侵入する。このとき、拡散により移動するガス量は気泡の表面積に比例することから、気泡の膨張時に気泡内に侵入するガス量は拡散したガス量よりも多くなる。よって、ガスの拡散および侵入が繰り返されることで、気泡径が徐々に大きくなる。
［シェル効果］
気泡周囲に体積一定の液体シェルを考えると、気泡が収縮するとシェルは厚くなるために液体中の気体の濃度勾配は小さくなり、気泡が膨張するとシェルが薄くなるために気体の濃度勾配は大きくなる。液体中の気体の拡散速度は、気体の濃度勾配に比例するので、気泡の膨張時に侵入するガス量が気泡の収縮時に拡散するガス量を上回る。よって、気泡の膨張，収縮が繰り返されることで、気泡径が徐々に大きくなる。
このように、上記２つの効果のＲｅｃｔｉｆｉｅｄ  Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎにより液中の微細な気泡片が徐々に成長するが、その成長は超音波振動の１周期で極僅かである。そのため、超音波振動の付与をある程度持続することで、キャビテーションによる気泡を超音波振動の共振径まで成長させることができる。
【００４４】
また、液体中への微細気泡の発生は、液体圧力が液体の蒸気圧以下となることで促進される。そのため、エンジンＥＣＵ１０は、第１超音波振動付与の実行の際に、超音波振動子２１８に負電圧に半波整流された電圧を印加させて、超音波振動子２１８を燃料通路２１３の容積が増大する方向に振動させることで、燃料通路２１３内の燃料圧力を燃料の蒸気圧以下にしてより効率よく微細気泡を発生させることもできる。
【００４５】
図３に戻り、エンジンＥＣＵ１０は、第１超音波振動付与の実行開始から所定期間が経過すると、超音波駆動装置２２に指示し、超音波振動子２１８に第１超音波振動付与の実行を停止させる。ここで、所定時間とは、インジェクタ２１が１回に噴射できる燃料の最大量にキャビテーションによる微細気泡が発生したと判断できる充分な第１超音波振動付与の実行時間のことをいう。
【００４６】
つづいて、エンジンＥＣＵ１０は、第１超音波振動付与の実行停止後であってインジェクタ２１による燃料噴射の後期に、超音波振動子２１８に印加させる交流電圧の周波数を比較的低い周波数から高周波数側へと連続的に増加させるように超音波駆動装置２２に指示する。超音波振動子２１８は、超音波駆動装置２２からの交流電圧の印加によって、燃料に付与する超音波振動の周波数を連続的に増加方向に変化させる第２超音波振動付与を実行する。エンジンＥＣＵ１０は、インジェクタ２１による燃料噴射の終了と共に、超音波振動子２１８に第２超音波振動付与の実行を停止させるよう超音波駆動装置２２に指示する。
この場合、第２超音波振動付与の実行時に超音波振動子２１８に印加する交流電圧の周波数は、例えば第１超音波振動付与の周波数よりも低い周波数から第１超音波振動付与の周波数よりも高い周波数へとスイープさせることができる。また、第２超音波振動付与の実行時に印加する交流電圧の周波数は、比較的高い周波数から開始して徐々に低周波数側へと連続的に減少させてもよい。そして、超音波振動子２１８に印加させる交流電圧は、インジェクタ２１の仕様に応じて任意の電圧に設定できるが、例えば±１ｋＶとすることができる。
【００４７】
エンジンＥＣＵ１０は、超音波振動子２１８が燃料に第２超音波振動付与を実行する間に圧力センサ２１９が送信する燃圧の検出結果に基づいて、第２超音波振動付与が実行される間の燃料の圧力振幅を認識する。そして、エンジンＥＣＵ１０は、燃料の圧力振幅が最も大きい時の第２超音波振動付与の周波数を燃料の固有振動数と認識する。
【００４８】
エンジンＥＣＵ１０は、次回の燃料噴射タイミングにおける第１超音波振動付与の際に、認識した燃料の固有振動数と同じ周波数の交流電圧を超音波振動子２１８に印加させるように超音波駆動装置２２に指示する。超音波振動子２１８は、エンジンＥＣＵ１０が認識した燃料の固有振動数と同じ周波数の交流電圧を超音波駆動装置２２から印加されることで、燃料通路２１３内の燃料にエンジンＥＣＵ１０が認識した固有振動数と同じ周波数で第１超音波振動付与を実行する。エンジンＥＣＵ１０は、エンジン１００の運転停止要求があるまで上記の制御を繰り返す。
この制御を実行することで、インジェクタ２１の燃料噴射毎に燃料通路２１３内の燃料の固有振動数を認識することができ、認識した固有振動数と同じ周波数で燃料に超音波振動を付与することが可能となる。
なお、エンジンＥＣＵ１０は、本発明の固有振動数認識手段および燃料噴射制御手段の一構成例である。
【００４９】
ここで、固有振動数について説明する。固有振動とは、物体を自由に振動させた際に検出される特定の振動のことである。燃料の固有振動数、または固有振動数の整数倍に近い刺激（超音波振動）を外部から燃料に与えると、共振によって燃料の振動が増幅し、キャビテーションによる微細気泡の発生が促進する。そのため、燃料通路２１３内の燃料の固有振動数と同じ周波数の超音波振動を付与することで、燃料中に多量の微細気泡を略均一に発生させることができる。
【００５０】
超音波振動を付与されることで多量の微細気泡が発生した燃料は、エンジンＥＣＵ１０からの噴射信号に従って燃料噴射孔２１２から燃焼室１１へ噴射される。噴射された燃料は、燃焼室１１内部を飛散する間に空気とのせん断力により細分化し、微細気泡を含んだ液滴となる。更に、燃料の液滴は、液滴中の微細気泡が崩壊することで、その際のエネルギーによって超微細化する。このように、本実施例のエンジンシステム１は、燃料中に多量の微細気泡を生成し、生成した微細気泡の崩壊エネルギーによって噴射燃料の微粒化を促進することができる。よって、燃焼室内での噴射燃料と吸入空気との混合が促進され、エンジン１００の燃焼性を向上させることができる。
【００５１】
ここで、燃料中の微細気泡の崩壊エネルギーによる噴射燃料の微粒化メカニズムについて説明する。図４は、水溶液の気泡の破裂観察を示している。水溶液の気泡は、時間と共に表面張力による自己加圧効果で気泡内圧および気液界面における電荷量の上昇と気泡径の収縮が進み、やがて圧壊（崩壊）して消滅する。この時、気泡内圧および気液界面における電荷量が一気に解き放たれるエネルギーによってラジカルの発生を伴う小爆発が起こり、気泡の液膜が粉砕されて液滴が超微細化される（図４下段参照）。この場合、外部からの刺激（トリガ）によって強制的に気泡を崩壊させたときも、同様のメカニズムにより液滴が超微細化される。
このように、液中の微細気泡の崩壊エネルギーによって液滴が超微細化される。よって、燃料中の微細気泡の崩壊エネルギーを活用することで、内燃機関の噴射燃料の微粒化を促進することができる。
【００５２】
また、インジェクタ２１による燃料噴射の後期に第２超音波振動付与を実行することで、燃料通路２１３内の燃料中の微細気泡が崩壊し、その崩壊の衝撃波が噴射後の燃料に伝達して微細気泡を崩壊させるトリガとなることから、噴射後の燃料の微粒化が促進される。この場合、エンジンＥＣＵ１０は、第２超音波振動付与の際に、交流電圧を正電圧に半波整流して超音波振動子２１８に印加させて、燃料通路２１３の容積が減少する方向に振動させることで、より微細気泡の崩壊を促進することもできる。
【００５３】
以上のように、本実施例のエンジンシステムは、インジェクタ内部の燃料の圧力振幅に基づいて燃料の固有振動数を認識し、認識した固有振動数に応じて適切な周波数で燃料に超音波振動を付与する制御を実行することで、広い運転領域で燃料中へ超音波キャビテーションによる微細な粒径の気泡を多量に、かつ略均一に発生させることができる。よって、広い運転領域において内燃機関の噴射燃料の微粒化を促進することができる。
【実施例２】
【００５４】
つづいて、本発明の実施例２について説明する。本実施例のエンジンシステム２は、超音波振動子２１８および圧力センサ２１９に代えて、圧電素子２２０を備え、更に、スイッチング回路２５を備える点でエンジンシステム１と相違している。
【００５５】
本実施例のエンジンシステム２は、実施例１と同様に、エンジンＥＣＵ１０、超音波駆動装置２２、変換機２３およびハイパスフィルタ２４を備えている。また、エンジンシステム２は、ノズルボディ２１１、燃料噴射孔２１２、燃料通路２１３、ニードル２１４、ガイド２１５、斜流溝２１５ａ、スプリング２１６、弁座２１７を有するインジェクタ３１を備えている。これにより、フューエルポンプから供給される燃料をエンジンＥＣＵ１０からの噴射信号に従って燃焼室１１へ噴射供給することができる。
更に、エンジンシステム２は、燃料噴射孔２１２近傍の燃料通路２１３壁面に円筒状の圧電素子２２０を備えており、圧電素子２２０が信号を送受信する対象を超音波駆動装置２２と、変換機２３およびハイパスフィルタ２４と、の間で切替え可能なスイッチング回路２５を備えている。
【００５６】
エンジンシステム２について詳細に説明する。図５はエンジンシステム２の概略構成を示した構成図であり、図６は実施例のインジェクタ３１の概略構成を示した構成図である。なお、実施例１と同様の構成要素については、図面中、同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００５７】
図５に示すエンジンシステム２は、エンジンＥＣＵ１０、超音波駆動装置２２、変換機２３、ハイパスフィルタ２４およびインジェクタ３１内部の圧電素子２２０と連結するスイッチング回路２５を備えている。スイッチング回路２５は、エンジンＥＣＵ１０の指示に従って、圧電素子２２０が信号を送受信する対象を、超音波駆動装置２２と、変換機２３およびハイパスフィルタ２４と、の間で切替える。例えば、スイッチング回路２５が圧電素子２２０の信号を送受信する対象を超音波駆動装置２２に切替える場合、超音波駆動装置２２から印加される交流電圧によって圧電素子２２０が膨張・収縮方向へ振動する。一方、スイッチング回路２５が圧電素子２２０の信号を送受信する対象を変換機２３およびハイパスフィルタ２４に切替える場合、圧電素子２２０が燃料通路２１３内の燃圧を電気信号に変換して変換機２３およびハイパスフィルタ２４に送信する。このように、スイッチング回路２５によって圧電素子２２０の信号を送受信する対象を切替えることで、圧電素子２２０を超音波振動子、または圧力センサとして機能させることができる。
なお、スイッチング回路２５は、本発明の切替え手段の一構成例である。
【００５８】
図６に示すインジェクタ３１は、燃料噴射孔２１２近傍の燃料通路２１３壁面に、燃料と直接接触するように円筒状に設けられた圧電素子２２０を備えている。圧電素子２２０は、実施例１の超音波振動子２１８と同様に、超音波駆動装置２２からの通電による電圧の印加によって、その体積が膨張または収縮するものであり、更に、実施例１の圧力センサ２１９と同様に、燃料通路２１３内の燃圧を電気信号に変換して検出するものである。この場合、圧電素子２２０は、円筒状に限られず、燃料噴射孔２１２近傍の燃料通路２１３壁面の所定の部分に任意の形状で設けることができる。
【００５９】
圧電素子２２０は、スイッチング回路２５が信号を送受信する対象を超音波駆動装置２２に切替える場合、実施例１の超音波振動子２１８と同様に、超音波振動子として機能する。圧電素子２２０は、超音波駆動装置２２から正電圧を印加された際にその体積が膨張し、燃料通路２１３の容量を減少させて、正電圧の印加が終了するとその体積が元に戻り、燃料通路２１３の容量を元に戻す。また、圧電素子２２０は、超音波駆動装置２２から負電圧を印加された際にその体積が収縮し、燃料通路２１３の容量を増大させて、負電圧の印加が終了するとその体積が元に戻り、燃料通路２１３の容量を元に戻す。このように、圧電素子２２０は、電圧を連続で印加されることで体積の膨張、収縮を繰り返し、交流電圧の周波数に同期して燃料通路２１３の容積を増大、減少させて燃料に超音波振動を付与する。超音波振動を付与された燃料は、その超音波エネルギーによってキャビテーションが生じ、内部に微細気泡が発生する。この場合、圧電素子２２０は、負電圧を印加された際に体積が膨張し、正電圧を印加された際に体積が収縮するようにしてもよい。
【００６０】
また、圧電素子２２０は、スイッチング回路２５が信号を送受信する対象を変換機２３およびハイパスフィルタ２４に切替える場合、実施例１の圧力センサ２１９と同様に、圧力センサとして機能する。圧電素子２２０は、燃料通路２１３内の燃圧を電気信号に変換して検出し、検出結果を変換機２３およびハイパスフィルタ２４（例えば、ｆｃが１ｋＨｚ）を介してエンジンＥＣＵ１０へと送信する（図５参照）。エンジンＥＣＵ１０は、圧電素子２２０の検出結果に基づいて、圧電素子２２０が膨張方向・収縮方向に振動することで生じる燃料通路２１３内の燃料の圧力振幅を認識する。
なお、圧電素子２２０は、本発明の超音波振動付与手段および燃圧検出手段の一構成例である。
【００６１】
以下、エンジンＥＣＵ１０が実行する制御について説明する。図７は、エンジンＥＣＵ１０が実行する制御の一例を示している。なお、実施例１と同様の制御についてはその説明を省略する。
【００６２】
エンジンＥＣＵ１０は、燃料噴射タイミングにおいて、インジェクタ２１へ燃料噴射を指示すると共に、圧電素子２２０の信号を送受信する対象を超音波駆動装置２２に切替えるようスイッチング回路２５に指示し、圧電素子２２０を超音波振動子として機能させる。つづいて、エンジンＥＣＵ１０は、所定の一定周波数で圧電素子２２０に交流電圧の印加を開始するように超音波駆動装置２２に指示する。ここで、所定の一定周波数については前述したために、その詳細な説明は省略する。圧電素子２２０は、超音波駆動装置２２からの交流電圧の印加が開始されると、燃料通路２１３の容積を増大および減少させる方向へ振動を開始し、燃料通路２１３内の燃料に所定の一定周波数で超音波振動を付与する第１超音波振動付与を実行する。燃料通路２１３内の燃料は、圧電素子２２０からの第１超音波振動付与によって、その内部に徐々にキャビテーションによる数μｍ程度の微細気泡が発生する。
【００６３】
エンジンＥＣＵ１０は、第１超音波振動付与の実行開始から所定期間が経過すると、超音波駆動装置２２に指示し、圧電素子２２０に第１超音波振動付与の実行を停止させる。ここで、所定時間については前述したために、その詳細な説明は省略する。
更に、エンジンＥＣＵ１０は、第１超音波振動付与の実行停止を指示すると共に、圧電素子２２０の信号を送受信する対象を変換機２３およびハイパスフィルタ２４に切替えるようスイッチング回路２５に指示し、圧電素子２２０を圧力センサとして機能させる。
【００６４】
エンジンＥＣＵ１０は、第１超音波振動付与の実行が停止した後に圧電素子２２０が送信する燃圧の検出結果に基づいて、第１超音波振動付与の実行が停止した後の燃料に残留する圧力振幅を認識する。そして、エンジンＥＣＵ１０は、燃料に残留する圧力振幅を解析して燃料の固有振動数を認識する。
この場合、エンジンＥＣＵ１０は、予め台上試験等で求めてエンジンＥＣＵ１０のＲＯＭに記憶した燃料に残留する圧力振幅と固有振動数との相関マップに基づいて燃料の固有振動数を認識することができる。
【００６５】
エンジンＥＣＵ１０は、第１超音波振動付与の実行停止後であってインジェクタ２１による燃料噴射の後期に、圧電素子２２０の信号を送受信する対象を超音波駆動装置２２に切替えるようスイッチング回路２５に指示し、圧電素子２２０を超音波振動子として機能させる。つづいて、エンジンＥＣＵ１０は、圧電素子２２０に第２超音波振動付与を実行させるよう超音波駆動装置２２に指示する。エンジンＥＣＵ１０は、インジェクタ２１による燃料噴射の終了と共に、超音波振動子２１８に第２超音波振動付与の実行を停止させるよう超音波駆動装置２２に指示する。
この場合、第２超音波振動付与は、超音波振動の周波数を変化させずに、噴射燃料中の微細気泡の崩壊促進に有効な一定の周波数で実行することができる。
【００６６】
そして、エンジンＥＣＵ１０は、次回の燃料噴射タイミングにおける第１超音波振動付与の際に、認識した燃料の固有振動数と同じ周波数の交流電圧を圧電素子２２０に印加させるように超音波駆動装置２２に指示する。圧電素子２２０は、エンジンＥＣＵ１０が認識した燃料の固有振動数と同じ周波数の交流電圧を超音波駆動装置２２から印加されることで、燃料通路２１３内の燃料にエンジンＥＣＵ１０が認識した固有振動数と同じ周波数で第１超音波振動付与を実行する。エンジンＥＣＵ１０は、エンジン１００の運転停止要求があるまで上記の制御を繰り返す。
【００６７】
このように、超音波振動子および圧力センサとして機能する圧電素子２２０と、圧電素子２２０が信号を送受信する対象を切替えるスイッチング回路２５とを備えることで、広い運転領域で燃料中へ超音波キャビテーションによる微細な粒径の気泡を多量に、かつ略均一に発生させることができる。更に、インジェクタ３１の構成を簡素化することができるために、システムを低コスト化することができる。
この場合、第２超音波振動付与の実行停止後の燃料に残留する圧力振幅を認識し、その認識結果に基づいて燃料の固有振動数を認識し、次回の第１超音波振動付与の周波数を設定してもよい。
【実施例３】
【００６８】
つづいて、本発明の実施例３について説明する。本実施例のエンジンシステム３は、インジェクタ２１が燃料を噴射しないタイミングで燃料の圧力振幅を認識し、認識した圧力振幅に基づいて燃料通路２１３内の燃料の固有振動数を認識する制御を実行する点でエンジンシステム２と相違している。
【００６９】
本実施例のエンジンシステム３は、実施例２と同様に、エンジンＥＣＵ１０、超音波駆動装置２２、変換機２３、ハイパスフィルタ２４およびスイッチング回路２５を備えている。また、エンジンシステム２は、ノズルボディ２１１、燃料噴射孔２１２、燃料通路２１３、ニードル２１４、ガイド２１５、斜流溝２１５ａ、スプリング２１６、弁座２１７、圧電素子２２０を有するインジェクタ３１を備えている。これにより、燃料通路２１３内の燃圧を検出し、かつ燃料通路２１３内の燃料に任意の周波数で超音波振動を付与することができる。
更に、エンジンシステム３は、燃料噴射タイミング以外のタイミングで、燃料通路２１３内の燃料の固有振動数を認識する制御を実行する。
【００７０】
エンジンシステム３においてエンジンＥＣＵ１０が実行する制御について説明する。図８は、エンジンＥＣＵ１０が実行する制御の一例を示している。なお、実施例２と同様の制御についてはその説明を省略する。
【００７１】
エンジンＥＣＵ１０は、燃料噴射タイミング以外のタイミングにおいて、圧電素子２２０の信号を送受信する対象を超音波駆動装置２２に切替えるようスイッチング回路２５に指示し、圧電素子２２０を超音波振動子として機能させる。つづいて、エンジンＥＣＵ１０は、所定の一定周波数で圧電素子２２０に交流電圧の印加を開始するように超音波駆動装置２２に指示する。ここで、所定の一定周波数については前述したために、その詳細な説明は省略する。圧電素子２２０は、超音波駆動装置２２からの交流電圧の印加が開始されると、燃料通路２１３の容積を増大および減少させる方向へ振動を開始し、燃料通路２１３内の燃料に所定の一定周波数で超音波振動を付与する（プレ超音波振動付与）。燃料通路２１３内の燃料は、圧電素子２２０からのプレ超音波振動付与によって所定の燃圧振幅が生じる。
【００７２】
エンジンＥＣＵ１０は、プレ超音波振動付与の実行開始から所定期間が経過すると、超音波駆動装置２２に指示し、圧電素子２２０にプレ超音波振動付与の実行を停止させる。ここで、所定時間とは、燃料通路２１３内の燃料に圧力振幅が生じるのに充分な超音波振動の付与時間を採用することができ、例えば超音波振動の一周期以上の時間に設定することができる。
更に、エンジンＥＣＵ１０は、プレ超音波振動付与の実行停止を指示すると共に、圧電素子２２０の信号を送受信する対象を変換機２３およびハイパスフィルタ２４に切替えるようスイッチング回路２５に指示し、圧電素子２２０を圧力センサとして機能させる。
【００７３】
エンジンＥＣＵ１０は、プレ超音波振動付与の実行が停止した後に圧電素子２２０が送信する燃圧の検出結果に基づいて、プレ超音波振動付与の実行が停止した後の燃料に残留する圧力振幅を認識する。そして、エンジンＥＣＵ１０は、燃料に残留する圧力振幅を解析して燃料の固有振動数を認識する。
この場合、エンジンＥＣＵ１０は、予め台上試験等で求めてエンジンＥＣＵ１０のＲＯＭに記憶した燃料に残留する圧力振幅と固有振動数との相関マップに基づいて燃料の固有振動数を認識することができる。
【００７４】
そして、エンジンＥＣＵ１０は、次回の燃料噴射タイミングにおいて、インジェクタ２１へ燃料噴射を指示すると共に、圧電素子２２０の信号を送受信する対象を超音波駆動装置２２に切替えるようスイッチング回路２５に指示し、圧電素子２２０を超音波振動子として機能させる。つづいて、エンジンＥＣＵ１０は、認識した燃料の固有振動数と同じ周波数の交流電圧を圧電素子２２０に印加させるように超音波駆動装置２２に指示する。圧電素子２２０は、エンジンＥＣＵ１０が認識した燃料の固有振動数と同じ周波数の交流電圧を超音波駆動装置２２から印加されることで、燃料通路２１３内の燃料にエンジンＥＣＵ１０が認識した固有振動数と同じ周波数で第１超音波振動付与を実行する。エンジンＥＣＵ１０は、第２超音波振動付与の実行まで圧電素子２２０を超音波振動子として機能させる。
【００７５】
エンジンＥＣＵ１０は、第１超音波振動付与の実行停止後であってインジェクタ２１による燃料噴射の後期に、圧電素子２２０に第２超音波振動付与を実行させるよう超音波駆動装置２２に指示する。エンジンＥＣＵ１０は、インジェクタ２１による燃料噴射の終了と共に、超音波振動子２１８に第２超音波振動付与の実行を停止させるよう超音波駆動装置２２に指示する。
この場合、第２超音波振動付与は、超音波振動の周波数を変化させずに、噴射燃料中の微細気泡の崩壊促進に有効な一定の周波数で実行することができる。
【００７６】
エンジンＥＣＵ１０は、第２超音波振動付与の実行停止を指示すると共に、圧電素子２２０の信号を送受信する対象を変換機２３およびハイパスフィルタ２４に切替えるようスイッチング回路２５に指示し、圧電素子２２０を圧力センサとして機能させる。
エンジンＥＣＵ１０は、エンジン１００の運転停止要求があるまで上記の制御を繰り返す。
【００７７】
このように、インジェクタ２１が燃料を噴射しないタイミングでプレ超音波振動付与を実行して燃料の圧力振幅を認識し、認識した圧力振幅に基づいて燃料通路２１３内の燃料の固有振動数を認識する制御を実行することで、広い運転領域で燃料中へ超音波キャビテーションによる微細な粒径の気泡を多量に、かつ略均一に発生させることができる。更に、燃料に残留する圧力振幅から燃料の固有振動数を認識するために要求される解析速度、およびスイッチング回路２５に要求されるスイッチ切替え速度が低減するために、システムの高スペック化が抑制できるために低コスト化が可能になる。
【００７８】
上記実施例は本発明を実施するための一例にすぎない。よって本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００７９】
例えば、燃料通路２１３内の燃料の固有振動数は、燃料の圧力振幅に限られず、燃料の温度等、他のパラメータに基づいて認識してもよい。
【００８０】
また、燃料への超音波振動付与の周波数は、認識した燃料通路２１３内の燃料の固有振動数と同じ周波数に限られず、認識した固有振動数の近傍の周波数であってもよいし、認識した固有振動数の整数倍の周波数であってもよい。
【００８１】
そして、インジェクタによる１回の燃料噴射の間に付与する超音波振動は２度に限られず、１度の超音波振動付与（第１超音波振動付与）のみを実行してもよいし、３度以上の超音波振動付与を実行してもよい。
【符号の説明】
【００８２】
１，２，３  エンジンシステム
１０  エンジンＥＣＵ（固有振動数認識手段，超音波振動制御手段）
１１  燃焼室
２１，３１  インジェクタ（燃料噴射弁）
２２  超音波駆動装置（超音波振動制御手段）
２３  変換機
２４  ハイパスフィルタ
２５  スイッチング回路（切替え手段）
１００  エンジン
２１１  ノズルボディ
２１２  燃料噴射孔
２１３  燃料通路
２１４  ニードル
２１５  ガイド
２１５ａ  斜流溝
２１８  超音波振動子（超音波振動付与手段）
２１９  圧力センサ（燃圧検出手段）
２２０  圧電素子（超音波振動付与手段，燃圧検出手段）
【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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