(57)【要約】【課題】  予混合燃焼による着火時期の調整が可能な燃料噴射装置を提供する。【解決手段】  燃焼室１０６に軽油と水との混合流体を噴射供給する燃料噴射装置において、軽油を所定の圧力に加圧する軽油加圧手段Ｐｆ、Ｒｆと、水は熱エネルギーを潜熱等によって蓄熱可能であって、その水を所定の圧力に加圧する水加圧手段Ｐｗ、Ｒｗと、所定圧力の高圧軽油と所定圧力の高圧水とを、所定の比率の混合流体に混合する混合手段５０とを備えている。混合手段５０は、高圧軽油と高圧水との間を隔離および分散させる多孔質体５１を有することが好ましい。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼室に燃料と機能性流体との混合流体を噴射供給する燃料噴射装置において、
前記燃料を所定の圧力に加圧する燃料加圧手段と、
前記機能性流体は熱エネルギーを蓄熱可能な流体であって、前記機能性流体を所定の圧力に加圧する流体加圧手段と、
前記所定圧力の高圧燃料と前記所定圧力の高圧機能性流体とを、所定の比率の混合流体に混合する混合手段とを備えていることを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項２】
前記混合手段は、前記高圧燃料と前記高圧機能性流体との間を隔離および分散させる多孔質体を有し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】
前記多孔質体は、内部に前記高圧燃料が導かれており、外周に前記高圧機能性流体が導かれる構造を有していることを特徴とする請求項２に記載の燃料噴射装置。
【請求項４】
前記多孔質体は、複数の平板状のプレートに形成されており、
隣接する前記プレート同士は、連通孔が重ならないように、互い違いに形成されて積層されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料噴射装置。
【請求項５】
前記多孔質体は、シラス多孔質ガラスからなることを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
【請求項６】
先端に当接部を有するニードルと、
前記ニードルを軸方向に往復摺動可能に嵌合する案内孔、前記当接部との間にて当接および離間する弁座を有するノズルボディとを備え、
前記ノズルボディ内または噴射弁内には、前記混合手段を有していることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
【請求項７】
前記高圧機能性流体の前記混合手段への流通、および遮断をする流体弁を有し、
前記高圧燃料の圧力、前記高圧機能性流体の圧力、および前記流体弁の開弁期間を調整する制御と、
前記ニードルを昇降させて前記当接部と前記弁座とを離座および着座させることで、前記混合流体の噴射、および停止をさせる制御と、を行なう制御手段とを備えることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
【請求項８】
前記機能性流体は、水であって、
前記所定の水圧力は、前記所定の燃料圧力より高いことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項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、燃料噴射装置に関し、例えばディーゼルエンジン等の内燃機関に高圧燃料等を噴射する燃料噴射装置に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料噴射装置は、例えばディーゼル機関用燃料噴射装置として、燃焼室内に燃料を噴射し、その噴射した燃料と空気とを混合したうえで自己着火させるものがある。近年、ディーゼル機関においては、機関から排出する排ガスによる環境問題から、排ガスのＮＯＸ、黒煙等の有害成分の低減が要求されている。ＮＯＸ、黒煙はトレードオフの関係にあり、同時低減は難しい。
【０００３】
特許文献１の開示による技術では、多量ＥＧＲ、スワール、および噴射時期遅延による適合技術を用いて予混合燃焼を実現することで、ＮＯＸと黒煙の同時低減を図っている。
【特許文献１】特開平８−８６２５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来技術では、燃焼がＴＤＣよりかなり遅い時期に発生するため、燃費が悪くなるという問題がある。
【０００５】
燃費向上と排気低減の両立を図るためには、ＴＤＣ付近で予混合燃焼することが必要である。しかしながら、圧縮行程後期には筒内温度が急激に高くなるため、早期に噴射した燃料はＴＤＣに至る前に着火してしまう。従来の噴射系で予混合燃焼を実施しようとした場合、着火時期の制御が難しいという問題がある。
【０００６】
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、予混合燃焼による着火時期の調整が可能な燃料噴射装置を提供することにある。
【０００７】
また、別の目的は、予混合燃焼による着火時期の調整が可能であるとともに、排気低減等が図れる燃料噴射装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の請求項１によると、燃焼室に燃料と機能性流体との混合流体を噴射供給する燃料噴射装置において、燃料を所定の圧力に加圧する燃料加圧手段と、機能性流体は熱エネルギーを蓄熱可能な流体であって、機能性流体を所定の圧力に加圧する流体加圧手段と、所定圧力の高圧燃料と所定圧力の高圧機能性流体とを、所定の比率の混合流体に混合する混合手段とを備えていることを特徴とする。
【０００９】
これによると、燃焼室に燃料と機能性流体との混合流体を噴射供給するため、所定の燃料圧力に加圧する燃料加圧手段と、所定の機能性流体圧力に加圧する流体加圧手段とを有する。機能性流体は燃料よりも低沸点を有する流体等の熱エネルギーを蓄熱可能な流体である。さらにこれら高圧燃料と高圧流体とを混合可能な混合手段を有するので、高圧燃料と高圧流体とを、例えば所定の混合比率で混合させて燃焼室に噴射供給することが可能である。したがって、ＴＤＣ付近で予混合燃焼させるために燃料が早期に噴射されたとしても、例えば水等の流体の潜熱によって、噴射された燃料が着火する筒内温度に達する時期（着火時期）を遅らせることができる。従って着火時期の調整が可能である。
【００１０】
本発明の請求項２によると、混合手段は、高圧燃料と高圧機能性流体との間を隔離および分散させる多孔質体を有していることを特徴とする。
【００１１】
これによると、多孔質体は、両端面間を貫通する比較的細い孔、いわゆる貫通細孔を複数有するため、例えば両端面間にそれぞれ配置された高圧燃料と高圧流体とを隔離したり、例えば所定圧力が高圧燃料に比べて高い高圧機能性流体が、貫通細孔を透過して高圧燃料へ分散することができる。
【００１２】
本発明の請求項３によると、多孔質体は、内部に高圧燃料が導かれており、外周に高圧機能性流体が導かれる構造を有していることを特徴とする。
【００１３】
多孔質体は、一般に金属粒または非金属粒を焼結成形した銅等の金属セラミックスまたはアルミナ系、ガラス系等の非金属セラミックスから形成されるため、圧縮応力に比べて引張応力に比較的弱い。
【００１４】
これに対して、請求項３に記載の燃料噴射装置では、燃料に混合する流体を多孔質体の外周に導く構造のため、例えば所定の機能性流体圧力を変化させて混合比率を変えるとき、多孔質体には圧縮応力が作用することになるので、多孔質体の構造上の強度確保が容易となる。したがって、例えば混合手段つまり燃料噴射装置の小型化が可能である。
【００１５】
本発明の請求項４によると、多孔質体は、複数の平板状のプレートに形成されており、隣接するプレート同士は、連通孔が重ならないように、互い違いに形成されて積層されていることを特徴とする。
【００１６】
多孔質体を用いて機能性流体圧力に応じた混合比率を形成する手段として、貫通細孔の大きさを焼結する材料によって略均一な所定の大きさに形成するものに限らず、複数の平板状のプレートに形成された多孔質体において、隣接するプレート同士に形成される連通孔が互いに重ならないように、互い違いに積層されたものであってもよい。これにより、多孔質体の貫通細孔を形成する材料に左右されることなく、積層したプレートの組合せで機能性流体圧力に応じた混合比率を形成することが可能である。
【００１７】
本発明の請求項５によると、多孔質体は、シラス多孔質ガラスからなることを特徴とする。
【００１８】
これによると、多孔質体はシラス多孔質ガラスからなるので、複数の貫通細孔を精密に形成することができる。また、このシラス多孔質ガラスは、貫通細孔の大きさを比較的幅広い範囲で形成することができる。したがって、要求される噴射特性、例えば１燃焼当りの噴射回数等に応じて、所定の貫通細孔の大きさに形成された多孔質体つまり混合手段を用いることができる。
【００１９】
本発明の請求項６によると、先端に当接部を有するニードルと、ニードルを軸方向に往復摺動可能に嵌合する案内孔、当接部との間にて当接および離間する弁座を有するノズルボディとを備え、ノズルボディ内または噴射弁内には、混合手段を有していることを特徴とする。
【００２０】
従来の燃料と流体とを混合する混合手段がノズルボディや噴射弁内とは別配置されていたものに比べて、噴射毎に異なる混合比率に形成することが容易となる。また、１燃焼中（多段噴射中）において、１噴射ごとの混合比率の変更が可能である。
【００２１】
本発明の請求項７によると、高圧機能性流体の混合手段への流通、および遮断をする流体弁を有し、高圧燃料の圧力、高圧機能性流体の圧力、および流体弁の開弁期間を調整する制御と、ニードルを昇降させて当接部と弁座とを離座および着座させることで、混合流体の噴射、および停止をさせる制御と、を行なう制御手段とを備えることを特徴とする。
【００２２】
これによると、制御手段は、流体加圧手段から混合手段へ高圧機能性流体を流通、遮断する流体弁の開弁期間と、流体加圧手段によって加圧される所定の機能性流体圧力を制御するので、例えば所定の機能性流体圧力を比較的高くすることで短い開弁期間内で素早く混合比率を変える、あるいは開弁期間を比較的長く設定して安定した混合比率を形成する等の混合比率設定に係わる自由度向上が図れる。
【００２３】
本発明の請求項８によると、機能性流体は、水であって、所定の水圧力は、所定の燃料圧力より高いことを特徴とする。
【００２４】
機能性流体として水を用いることで、水蒸気形成によって、燃料および空気の混合気がある反応域の希釈と冷却ができるので、ＮＯＸの低減が図れる。また、水から水蒸気への体積膨張によるいわゆるミクロ爆発によって、燃料噴霧の微粒化が図れるので、ＰＭの低減が図れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明の燃料噴射装置を、具体化した実施形態を図面に従って説明する。
【００２６】
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態の燃料噴射装置の全体構成を示す構成図である。図２は、図１中のインジェクタの構成を示す模式的断面図である。図３は、図２中の燃料噴射ノズルを示す図であって、図３（ａ）は断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）中の多孔質体を示す斜視図である。図４は、図１中のＥＣＵにおいて燃料と水との混合流体を噴射制御するために実行される制御処理を示すフローチャートである。図５は、本実施形態の燃料噴射装置におけるクランク角に対する噴射率、熱発生率、および筒内温度の各特性を示すグラフである。図６は、本実施形態の燃料噴射装置におけるディーゼルエンジンの燃焼パターン図である。
【００２７】
図１に示すように、燃料噴射装置は、燃料としての軽油を加圧して吐出する高圧供給ポンプ（以下、軽油ポンプと呼ぶ）Ｐｆと、軽油ポンプＰｆから吐出された軽油を高圧状態で蓄える蓄圧室（以下、軽油コモンレールと呼ぶ））Ｒｆと、機能性流体としての水を加圧して吐出する高圧供給ポンプ（以下、水ポンプと呼ぶ）Ｐｗと、水ポンプＰｗから吐出された水を高圧状態で蓄える蓄圧室（以下、水コモンレール）Ｒｗと、多気筒（図１では、１気筒のみ図示）ディーゼル機関（以下、エンジンと呼ぶ）１００の各気筒毎に設けられ、軽油コモンレールＲｆ、水コモンレールＲｗにそれぞれ蓄圧された高圧燃料と高圧水との混合流体をその気筒の燃焼室１０６に噴射供給する燃料噴射弁（以下、インジェクタと呼ぶ）Ｉと、これらの燃料噴射系を含むエンジン１００を構成する装置を駆動制御する制御手段（以下、ＥＣＵと呼ぶ）２００とを備えている。なお、インジェクタＩは、シリンダヘッド１０２に取付けられている。詳しくは、燃焼室１０６はシリンダブロック１０１の内周面と、シリンダヘッド１０２の内周面と、ピストン１０４のキャビティを有する上端面とで区画されており、燃焼室１０６に臨んでインジェクタＩが配置され、燃焼室１０６に直接、軽油および水の少なく一方からなる燃料を噴射するものである。また、ＥＣＵ２００は、エンジン１００を制御する制御装置であって、軽油ポンプＰｆ、水ポンプＰｗの制御に限らず、複数のインジェクタＩ等を電子制御する電子式コントロールユニットである。各気筒毎に設けられているインジェクタＩは、各気筒共通の蓄圧室としてのコモンレールＲｆ、Ｒｗに供給配管１８、１９を介してそれぞれ接続している。インジェクタＩからエンジン１００の各燃焼室１０６への混合流体の噴射は、噴射制御用電磁弁ＢｉのＯＮ−ＯＦＦにより制御され、電磁弁Ｂｉが開弁している間、各コモンレールＲｆ、Ｒｗ内の燃料、水が、インジェクタＩによりエンジン１００に噴射される。
【００２８】
なお、以下の説明においては、説明の便宜上、エンジン１００は４気筒として、図１に示す気筒について説明する。
【００２９】
各コモンレールＲｆ、Ｒｗには、供給配管１８、１９を介してそれぞれ軽油ポンプＰｆ、水ポンプＰｗが接続されている。軽油ポンプＰｆ、水ポンプＰｗは、それぞれ、図示しないフィードポンプ、圧送系部材、圧送量調量弁Ｐ２ｆ、Ｐ２ｗを含んで構成されている。軽油ポンプＰｆは、燃料タンク（以下、軽油タンクと呼ぶ）Ｔｆを経て吸入される低圧軽油を高圧に加圧し、軽油コモンレールＲｆ内の軽油を所定の高圧いわゆるコモンレール圧（以下、軽油コモンレール圧）に制御する。水ポンプＰｗは、機能性流体タンク（以下、水タンク）Ｔｗを経て吸入される低圧水を高圧に加圧し、水コモンレールＲｗ内の水を所定のコモンレール圧（以下、水コモンレール圧と呼ぶ）に制御する。
【００３０】
ＥＣＵ２００は、ＣＰＵ等を有する一般的なハード構成のもので、ＥＣＵ２００には各種センサＳ１ｆ、Ｓ１ｗ、Ｓ２、Ｓ３のセンサ信号等が入力されている。これらのセンサ信号等の入力に基いて、ＥＣＵ２００は、インジェクタＩ、軽油ポンプＰｆ、水ポンプＰｗ、および水コモンレールＰｗからインジェクタＩへ水を供給、停止する流体弁（以下、水バルブと呼ぶ）Ｂｗにそれぞれ制御信号を出力して、インジェクタＩ、軽油ポンプＰｆ、水ポンプＰｗ、および水バルブＢｗを制御するようになっている。ＥＣＵ２００には、例えば回転速度検出手段としてのエンジン回転数センサＳ２、気筒判別センサＳ３等により、エンジン１００の運転状態に係わる情報が入力される。また、各コモンレールＲｆ、Ｒｗには、それぞれ軽油コモンレール圧、水コモンレール圧を検出する圧力検出手段としての圧力センサＳ１ｆ、Ｓ１ｗが配設され、これにより、ＥＣＵ２００に軽油コモンレール圧、水コモンレール圧の情報が入力されている。ＥＣＵ２００は、これらの情報に基づき最適の噴射時期、噴射量（噴射期間）を決定して噴射制御用電磁弁Ｂｉに制御信号を出力する。
【００３１】
なお、ＥＣＵ２００は、これらエンジン１００の運転状態に係わる情報からコモンレールＲｆ内に蓄えられるべき目標コモンレール圧、および軽油ポンプＰｆからコモンレールＰｆへ供給する高圧軽油の目標軽油圧送量を算出する。この目標軽油圧送量に基づいてＥＣＵ２００が圧送量調量弁Ｐ２ｆを制御することで、軽油ポンプＰｆの圧送量つまり吸入量を制御する。また、ＥＣＵ２００は、これらエンジン１００の運転状態に係わる情報から、インジェクタＩから噴射する混合流体における軽油と水の目標混合比率、目標コモンレール圧、および水ポンプＰｗからコモンレールＰｗへ供給する高圧水の目標水圧送量を算出する。この目標水圧送量に基づいてＥＣＵ２００が圧送量調量弁Ｐ２ｗを制御することで、水ポンプＰｗの圧送量つまり吸入量を制御する。
【００３２】
次に、インジェクタＩの構成について、図２および図３に従って説明する。図２に示すように、インジェクタＩは、ニードル３１と、ノズルボディ１１と、噴射制御用電磁弁Ｂｉと、混合装置５０とを含んで構成されている。ニードル３１は、図２および図３（ａ）に示すように、ノズルボディ１１の内部に軸方向に往復摺動可能に組み付けられている。なお、噴射制御用電磁弁Ｂｉは、ニードル３１をノズルボディ３１に着座および離座するためにニードルを昇降させる駆動手段であればよく、ニードル３１の両軸端のうち、一方の軸端に加わる作動流体の作動流体圧を制御する流量制御弁に限らず、ニードル３１を直接駆動する電磁駆動装置、あるいは通電により伸縮する圧電素子等を用いたピエゾアクチュエータであってもよい。
【００３３】
なお、以下、本実施形態では、ニードルを昇降させる駆動手段として、ニードル３１の両軸端のうち、一方の軸端に加わる作動流体の作動流体圧を制御する噴射制御用電磁弁Ｂｉで説明する。
【００３４】
ノズルボディ１１は、図３（ａ）に示すように、有底の略中空円筒状体であって、内部に案内孔１２、弁座１３、噴射孔（以下、噴孔と呼ぶ）４１、サック部１５が形成される。案内孔１２は、ノズルボディ１１の内部に軸方向に延びており、一方の端部がノズルボディ１１の開口端（図３（ａ）における上端）に接続し、他方の端部側が弁座１３に接続している。案内孔１２の内壁は、ノズルボディ１１の開口端から有底側の弁座１３の近傍まで略同一内径に形成されている。
【００３５】
弁座１３は、図３（ａ）に示すように、円錐台面を有しており、大径側の一端が案内孔１２に連続し、小径側の他端側がサック部１５に接続している。この弁座１３にニードル３１の当接部３６が当接および離間可能に配置されている。当接部３６は理論的には円の形状である。サック部１５は、ノズルボディ１１の先端側に袋状に小空間の容積をもって形成されるサックホールである。サックホールの開口側は弁座１３の小径側に連続する。なお、ここで、サック部１５は、袋状の所定の空間容積を有するサック室を構成する。
【００３６】
噴孔４１は、図２および図３（ａ）に示すように、ノズルボディ１１のサック部１５にノズルボディ１１の内外を連通する通路として形成される。
【００３７】
燃料溜まり１６は、図８に示すように、ノズルボディ１１の案内孔１２を形成する内壁中途部で、環状の凹部に形成されている。この燃料溜まり１６には、外部から軽油および水が供給される燃料供給孔１７が接続されている。この燃料供給孔１７の流れの上流側には、混合手段（以下、乳化装置と呼ぶ）５０が設けられている。
【００３８】
乳化装置５０は、図３（ａ）に示すように、多孔質体５１を備えている。多孔質体５１は、両端間（図３（ａ）の左右方向）を貫通する比較的細い孔（以下、貫通細孔と呼ぶ）（図示せず）が多数存在している。多孔質体５１は、図３（ｂ）に示すように、略円筒状体であって、内周５１ａには、供給配管１８を経由して、高圧軽油が導かれており、外周５１ｂには、供給配管１９を経由して、高圧水が導かれている。多孔質体５１は、高圧水と高圧軽油を混合可能である。多数存在する貫通細孔は、所定の水圧力に基いて、高圧水を高圧軽油に分散可能である。
【００３９】
なお、ここで、多孔質体５１は、高圧軽油と高圧水と間を隔離および分散可能な混合手段を構成する。
【００４０】
多孔質体５１は、例えば金属粒または非金属粒を焼結成形した銅等の金属セラミックススまたはアルミナ系、ガラス系等の非金属セラミックスから形成されている。なお、以下本実施形態で説明する多孔質体５１は、シラス多孔質ガラスから形成されているものとする。
【００４１】
シラス多孔質ガラスは、その特徴として、大きさが均一な貫通細孔、つまり精密に制御された貫通細孔を多数有している。また、シラス多孔質ガラスは、貫通細孔の大きさを、比較的広い範囲で形成可能なため、貫通孔設計の自由度がある。
【００４２】
供給配管１８に導かれる高圧燃料は、図２に示すように、乳化装置５０へ流入するとともに、圧力制御室４０へ流入する。この圧力制御室４０の下流側にはリーク配管４１が接続されており、リーク配管４１の途中に噴射制御用電磁弁Ｂｉが配置されている。なお、リーク配管４１の下流側は、軽油ポンプＰｆと軽油コモンレールＲｆとの間にある供給配管１８に接続している。
【００４３】
ニードル３１は、基本形が中実円柱状形状で、図３（ａ）に示すように、大径円柱部３２、小径円柱部３４、円錐台部３５および円錐部３７を含んで構成されている。
【００４４】
大径円柱部３２は、外形が略同一径で形成され、所定のクリアランスを介して案内孔１２に遊嵌している。そのため、大径円柱部３２は、軸方向に往復移動することが可能である。小径円柱部３４は、燃料溜まり１６の近傍から弁座１３の近傍まで軸方向に延びている。小径円柱部３４の外径は、案内孔１２の内径よりも小さく形成されている。小径円柱部３４と案内孔１２の内壁との隙間は、軽油と水が流れる燃料通路になる。
【００４５】
円錐台部３５は、一方の端部が小径円柱部３４に連続しており、他方の端部が円状の当接部分３６を介して円錐部３７に連続する。円錐台部３５と円錐部３７との接続部分は円であり、この円の部分が弁閉時の接触部となる。円錐部３７は、弁座１３の傾斜角よりも大きな傾斜角となっている。これは弁閉時の当接部３６と弁座１３との接触を可能にし油密を確保するためである。円錐部３７の先端は、弁閉時、サック部１５に対面する位置となる。なお、ニードル３１とノズルボディ１１は噴射弁を構成する。
【００４６】
次に、上述した構成を有する本実施形態の作動を説明する。軽油ポンプＰｆは、軽油タンクＴｆから軽油を吸上げ、高圧軽油を軽油コモンレールＲｆに圧送する。圧送された高圧軽油は軽油コモンレールＲｆで所定の軽油コモンレール圧に蓄圧される。所定の軽油コモンレール圧の高圧軽油は、供給配管１８を経由してインジェクタＩへ供給される。インジェクタＩ内に供給された高圧軽油は、乳化装置５０の多孔質体５１の内周５１ａに導かれるともに、圧力制御室４１に導かれる。内周５１ａに導かれた高圧軽油は、燃料供給孔１７を経由して燃料溜り１６、案内孔１２に導かれる。このとき、圧力制御室４１と燃料溜り１６には同じ所定の軽油コモンレール圧が加わっているため、ニードル３１は弁座１３に着座して閉弁している。噴射制御用電磁弁Ｂｉを開弁駆動すると、圧力制御室４１の圧力が低下する。圧力制御室４１の圧力が低下して、燃料溜り１６の圧力が圧力制御室４１の圧力より大きくなると、ニードル３１が図３（ａ）の上方に押し上げられて、ニードル３１の当接部３６が弁座１３から離座する。その結果、小径円柱部３４と案内孔１２の隙間に形成された燃料通路を通り、当接部が弁座１３から離間した隙間（リフト量に相当）を通過して高圧燃料がサック部（サック室）１５へ流れ込む。サック室１５に開口する噴孔４１からン燃焼室１０６へ噴射される。一方、噴射制御用電磁弁Ｂｉを閉弁駆動すると、圧力制御室４１の圧力が燃料溜り１６の圧力と同じになる。その結果、ニードル３１が図３（ａ）の下方に押し下げられて、ニードル３１の当接部３６が弁座１３から着座し、噴射停止する。
【００４７】
水ポンプＰｗは、水タンクＴｗから水を吸上げ、高圧水を水コモンレールＲｗに圧送する。圧送された高圧水は水コモンレールＲｗで所定の水コモンレール圧に蓄圧される（所定の水コモンレール圧＞所定の軽油コモンレール圧）。所定の水コモンレール圧の高圧水は、水バルブが開弁駆動されると、供給配管１８を経由してインジェクタＩへ供給され、乳化装置５０の多孔質体５１の外周５１ｂに導かれる。所定のコモンレール圧が高圧軽油より高い高圧水が、多孔質体５１の貫通細孔を透過して高圧軽油へ分散する。その結果、多孔質体５１は、所定の水コモンレール圧の圧力に応じて高圧水を、高圧軽油へ所定の混合比率で混合することが可能である。なお、所定の混合比率は、水バルブＢｗの開弁期間と所定の水コモンレール圧とによって調整することが可能である。
【００４８】
次に、インジェクタＩから噴射する軽油と水との混合流体の混合比率および混合流体の噴射特性に係わる動作について、図４、図５、および図６に従って説明する。図４に示すように、Ｓ４０１（Ｓはステップ）では、ＥＣＵ２００は、エンジン回転数センサＳ２および気筒判別センサＳ３等から出力される各信号を受信し、エンジン１００の運転状態を読み込む。なお、運転状態を示す信号として、圧力センサＳ１ｆ、Ｓ１ｗから出力される水コモンレール圧、軽油コモンレール圧の信号を受信することが好ましい。
【００４９】
Ｓ４０２では、エンジン１００の運転状態から、ＥＣＵ２００の所定のマップ情報に基いて軽油と水との混合比率を演算し、Ｓ４０３へ移行する。なお、図６の負荷とエンジン回転数のグラフに示す予混合燃焼域内で、所定の混合比率に設定される。拡散燃焼域内では軽油１００％、水０％の通常の燃料噴射とする。詳しくは、低、中速の比較的高負荷域では、軽油１００％の燃料が燃焼室１０６へ噴射される。低、中速の比較的低負荷域では、所定の混合比率の混合燃料が燃焼室１０６へ噴射される。
【００５０】
Ｓ４０３では、Ｓ４０２で求めた混合比率から水コモンレール圧を所定の圧力にするための吸入量つまり目標水圧送量を演算し、Ｓ４０４へ移行する。なお、この吸入量は、混合比率と、Ｓ４０１の運転状態から噴射特性（例えば、パイロット噴射等の多段噴射か、通常の噴射か否か）から判断することが好ましい。１燃焼中に複数回噴射する多段噴射では、吸入量を高めて水コモンレール圧を高くすることで、所定の混合比率にするための水バルブの開弁期間を短くできるので、噴射特性の自由度向上が図れる。
【００５１】
Ｓ４０４では、Ｓ４０１で読み込んだ運転状態から決まる噴射特性と、Ｓ４０２で求めた混合比率とに応じて、水バルブＢｗの開弁期間等を演算し、Ｓ４０５に移行する。例えば、図５に示すグラフのように、噴射特性として、パイロット噴射を行い、先出し噴射は水１００％、メイン噴射は軽油１００％の場合、ＥＣＵ２００はマップ情報からメイン噴射前に、水バルブＢｗを閉弁する閉弁期間に設定する。なお、メイン噴射は、軽油１００％に限らず、軽油と水との混合流体いわゆるエマルジョン燃料であってもよい。
【００５２】
Ｓ４０５では、Ｓ４０１で読み込んだ運転状態から要求される目標軽油コモンレール圧を求め、マップ情報から目標軽油コモンレール圧に応じた目標軽油圧送量つまり吸入量を演算し、Ｓ４０６へ移行する。
【００５３】
Ｓ４０６では、運転状態で要求される目標噴射量を演算し、目標噴射量と目標軽油コモンレール圧とに基くマップ情報から、噴射制御用電磁弁Ｂｉの開弁期間を演算し、Ｓ４０７へ移行する。
【００５４】
Ｓ４０７およびＳ４０８では、要求される噴射特性に応じて、軽油と水との混合流体をインジェクタＩから燃焼室１０６へ噴射する。Ｓ４０７では、水ポンプＰｆと水バルブＢｗとを制御することによって、乳化装置５０の多孔質体５１の外周５１ｂに加わる所定の水コモンレール圧とその圧が加わる期間とを制御する。一方、軽油ポンプＰｆを制御することで、多孔質体５１の内周に加わる所定の軽油コモンレール圧を制御する。所定の水コモンレール圧は所定の軽油コモンレール圧より高いため、所定の水コモンレール圧の高圧水は、多孔質体５１に多数形成された貫通細孔を透過して所定の軽油コモンレール圧の高圧軽油に分散して混合される。
【００５５】
なお、貫通細孔は、大きさが均一のため、所定の水コモンレール圧に応じて、所定の混合比率に軽油と水を混合することができる。
【００５６】
さらになお、貫通細孔は比較的細い孔の大きさ（０．２〜２０μｍ程度）のため、高圧水は貫通細孔を透過することで微細な水粒となって高圧軽油に分散される。その結果、乳化装置５０を介して高圧水を高圧軽油に乳化して混合することが可能である。
【００５７】
さらになお、水または軽油中に、界面活性剤を２％程度添加することが好ましい。軽油中に水を粒子状に安定して分散させることができる。
【００５８】
Ｓ４０８は、要求される噴射特性に応じて、噴射制御用電磁弁Ｂｉの開弁期間を制御する。
【００５９】
なお、ここで、軽油ポンプＰｆと軽油コモンレールＲｆは、所定の軽油圧力に加圧する軽油加圧手段を構成する。水ポンプＰｗと水コモンレールＲｗは、所定の水圧力に加圧する水加圧手段を構成する。乳化装置５０は、混合手段を構成する。ニードル３１とノズルボディ１１は噴射ノズルＮを構成する。水は、熱エネルギーを蓄熱可能な機能性流体であって、例えば断熱圧縮により生じる熱エネルギーを、潜熱によって熱吸収する。
【００６０】
次に、本実施形態の作用効果を説明すると、（１）燃焼室１０６に軽油と水との混合流体を噴射供給するために、所定の軽油圧力の高圧軽油に加圧する軽油加圧手段Ｐｆ、Ｒｆと、所定の水圧力の高圧水に加圧する水加圧手段Ｐｗ、Ｒｗとを有する。さらにこれら高圧軽油と高圧水とを、高圧水の所定の圧力に基いて混合可能な混合手段５０を有するので、高圧燃料と高圧流体とを所定の混合比率で混合させて燃焼室１０６に噴射供給することが可能である。したがって、エンジン１００の圧縮行程中のいわゆる断熱圧縮に伴い生じる熱エネルギーを、噴射された水自体の潜熱等の蓄熱機能によって熱吸収することができる。そのため、ＴＤＣ付近で予混合燃焼させるために軽油が早期に噴射されたとしても、水の潜熱によって、噴射された軽油が着火する筒内温度に達する時期（着火時期）を遅らせることができる（図５参照）。従って着火時期の調整が可能である。なお、図５において、破線の従来噴射系は、図８に示すものである。
【００６１】
（２）混合手段としての乳化装置５０は、高圧水と高圧軽油と間を分離および分散可能な多孔質体５１を有している。多孔質体５１は、両端面間を貫通する貫通細孔が多数存在するため、両端面間にそれぞれ配置された高圧軽油と高圧水とを隔離したり、高圧軽油より圧力が高い高圧水が、所定の水コモンレール圧に基いて、貫通細孔を透過して高圧軽油へ分散、つまり混合することができる。
【００６２】
（３）多孔質体は、一般に、金属粒または非金属粒を焼結成形した銅等の金属セラミックススまたはアルミナ系、ガラス系等の非金属セラミックスから形成されるため、圧縮応力に比べて引張応力に比較的弱い。これに対して、本実施形態では、多孔質体５１は、略円筒状体であって、内周５１ａに高圧軽油が導かれており、外周５１ｂに高圧水が導かれるように構成されている。これにより、軽油に水を広い混合比率の範囲で混合するため、所定の水コモンレール圧を変化させて混合比率を変えるとき、多孔質体５１には圧縮応力が作用することになるので、多孔質体５１の構造上の強度確保が容易となる。したがって、例えば乳化装置５０つまり燃料噴射装置の小型化が図れる。
【００６３】
（４）多孔質体５１は、シラス多孔質ガラスからなるので、複数の貫通細孔を精密に形成することができる。また、このシラス多孔質ガラスは、貫通細孔の大きさを比較的幅広い範囲で形成することができる。したがって、要求される噴射特性、例えば１燃焼当りの噴射回数等に応じて、所定の貫通細孔の大きさに形成された多孔質体５１つまり混合手段５０を用いることができる。
【００６４】
（５）混合手段５０をノズルボディ１１内に形成することができるので、従来の混合手段がノズルボディとは別配置されていたものに比べて、混合手段を噴射ノズルＮの弁座１３と当接部３６に近づけることができ、従って噴射毎に異なる混合比率に形成することが容易となる。また、１燃焼中（多段噴射中）において、１噴射ごとの混合比率の変更が可能である（図５参照）。
【００６５】
（６）ＥＣＵ２００は、噴射ノズルＮの噴射、噴射停止を行なうとともに、水バルブＢｗの開弁期間と、所定の水コモンレール圧とを制御するため、例えば所定の水コモンレール圧を比較的高くすることで、水バルブＢｗの短い開弁期間内で素早く混合比率を変える、あるいは水バルブＢｗの開弁期間を比較的長く設定して安定した混合比率を形成する等の混合比率設定に係わる自由度向上が図れる。
【００６６】
（７）軽油と混合する流体として、水を用いて、所定の水コモンレール圧を所定の軽油コモンレール圧より高く形成する。このため、水は、熱エネルギーを蓄熱する機能性流体として有効である。機能性流体として水を用いることで、水蒸気形成によって、軽油および空気の混合気がある反応域の希釈と冷却ができるので、排気ガスの有害成分であるＮＯＸの低減が図れる。また、水から水蒸気への体積膨張によるいわゆるミクロ爆発によって、燃料噴霧の微粒化が図れるので、排気ガスの有害成分であるＰＭの低減が図れる。
【００６７】
（８）負荷とエンジン回転数のグラフにおいて、従来の噴射系の予混合燃焼域（図９参照）に比べて、図６に示すように、予混合燃焼域を高負荷側に拡大することが可能である。これにより、従来の燃焼系では困難であったモード域で、予混合燃焼を行なうことができる。
【００６８】
（第２の実施形態）
以下、本発明を適用した他の実施形態を説明する。なお、以下の実施形態においては、第１の実施形態と同じもしくは均等の構成には同一の符号を付し、説明を繰返さない。
【００６９】
第２の実施形態では、図７に示すように、多孔質体１５１を複数（図７（ａ）では６個）の平板のプレート１５１ａ、１５１ｂに形成するとともに、隣接するプレート１５１ａ、１５１ｂ同士（図７（ｂ）参照）は、連絡孔が重ならないように、互いに違いに形成されて積層されている。図７は、本実施形態に係わる混合装置を示す図であって、図７（ａ）は模式的斜視図、図７（ｂ）は、図７（ａ）中の多孔質体からなる積層されたプレートのうち、隣接するプレート同士を示す展開図である。
【００７０】
図７（ｂ）に示すように、各プレート１５１ａ、１５１ｂには、それぞれ図７上下方向に貫通する連通孔が形成されている。さらに、隣接するプレート１５１ａ、１５１ｂ同士に形成された連通孔が互いに重ならないように互い違いに、各プレート１５１ａ、１５１ｂが積層されている。
【００７１】
次に、本実施形態の作用効果を説明すると、（１）多孔質体を用いて所定の水コモンレール圧に応じた混合比率を形成する手段として、貫通細孔の大きさを焼結する材料によって略均一な所定の大きさに形成するものに限らず、複数の平板状のプレート１５１ａ、１５１ｂに形成された多孔質体１５１において、隣接するプレート１５１ａ、１５１ｂ同士に形成される連通孔が互いに重ならないように、互い違いに積層されたものであってもよい。これにより、多孔質体の貫通細孔を形成する材料に左右されることなく、積層したプレートの組合せで流体圧力に応じた混合比率を形成することが可能である。
【００７２】
（他の実施形態）
以上説明した本実施形態では、軽油と混合する流体として水で説明したが、水に限らず、熱エネルギーを蓄熱可能な機能性流体であれば、いずれの流体であってもよい。
【００７３】
以上説明した本実施形態では、乳化装置５０をノズルボディ１１内に有するものとして説明したが、ノズルボディ１１内に限らず、燃焼室１０６へ混合流体を噴射供給する直前で燃料と機能性流体を混合するものであれば、乳化装置を噴射弁内、あるいはインジェクタＩ内に有するものであってもよい。
【００７４】
以上説明した本実施形態では、多孔質体５１を略円筒状体とし、内周５１ａ、外周５１ｂにそれぞれ高圧燃料、高圧水を導く構成で説明したが、内部、外周にそれぞれ高圧燃料、高圧水を導く構造を有するものであれば、略円筒状体に限らず、略球状体、略円錐状体等いずれの形状であってもよい。
【００７５】
以上説明した本実施形態では、エンジン１００を駆動するために供給する燃料として、軽油で説明したが、灯油、ジメチルエーテル等のディーゼル代替え燃料等の燃料のいずれであってもよい。
【００７６】
なお、燃料および機能性流体の各加圧手段として、高圧供給ポンプとコモンレールをそれぞれ用いる構成で説明したが、所定の高圧状態に吐出することが可能である高圧供給ポンプであれば、高圧供給ポンプからなる加圧手段であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の第１の実施形態の燃料噴射装置の全体構成を示す構成図である。
【図２】図１中のインジェクタの構成を示す模式的断面図である。
【図３】図２中の燃料噴射ノズルを示す図であって、図３（ａ）は断面図、図３（ｂ）は図３（ａ）中の多孔質体を示す斜視図である。
【図４】図１中のＥＣＵにおいて燃料と水との混合流体を噴射制御するために実行される制御処理を示すフローチャートである。
【図５】第１の実施形態の燃料噴射装置におけるクランク角に対する噴射率、熱発生率、および筒内温度の各特性を示すグラフである。
【図６】第１の実施形態の燃料噴射装置におけるディーゼルエンジンの燃焼パターン図である。
【図７】第２の実施形態に係わる混合装置を示す図であって、図７（ａ）は模式的斜視図、図７（ｂ）は、図７（ａ）中の多孔質体からなる積層されたプレートのうち、隣接するプレート同士を示す展開図である。
【図８】従来技術の燃料噴射装置におけるクランク角に対する噴射率、熱発生率、および筒内温度の各特性を示すグラフである。
【図９】従来技術の燃料噴射装置におけるディーゼルエンジンの燃焼パターン図である。
【符号の説明】
【００７８】
Ｐｆ  軽油ポンプ（高圧供給ポンプ）
Ｐｗ  水ポンプ（高圧供給ポンプ）
Ｒｆ  軽油コモンレール（蓄圧室）
Ｒｗ  水コモンレール（蓄圧室）
Ｉ  インジェクタ（燃料噴射弁）
Ｂｉ  噴射制御用電磁弁
Ｎ  噴射ノズル
１１  ノズルボディ
１２  案内孔
１３  弁座
１５  サック部（サック室）
１６  燃料溜り
１７  燃料供給孔
１８、１９  供給配管
３１  ニードル
３６  当接部
４１  噴孔
５０  乳化装置（混合手段）
５１  多孔質体
５１ａ  内周
５１ｂ  外周
【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】
2005127196.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【図９】
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