(57)【要約】【課題】流体の状態に左右されること無く、正確に、流体噴射方向を変化及び制御することができ、装置が、単純な形状の部品による組み合わせで、工作精度が管理し易く、容易に加工及び制作ができる、流体噴射方向の変更方法、流体噴射方向変更機構及び燃料噴射装置を提供する。【解決手段】流体通路１１ａを経由して流体Ｆを噴射する流体噴射装置における流体Ｆの噴射方向を変更する流体噴射方向の変更方法であって、流体通路１１ａを構成する通路部材１１の流体流出側で通路部材１１を角度変更可能に支持すると共に、通路部材１１の流体供給側を単数又は複数のアクチュエータ１４で直接又は間接に支持して、アクチュエータ１４を選択的に駆動することにより通路部材１１の流体供給側の位置を移動させることで、通路部材１１の方向を変化させて、流体Ｆの噴射方向を変更する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体通路を経由して流体を噴射する流体噴射装置における流体の噴射方向を変更する流体噴射方向の変更方法であって、前記流体通路を構成する通路部材の流体流出側で該通路部材を角度変更可能な支持部材で支持すると共に、前記通路部材の流体供給側を単数又は複数のアクチュエータで直接又は間接に支持して、前記アクチュエータを選択的に駆動することにより前記通路部材の流体供給側の位置を移動させることで、前記通路部材の方向を変化させて、流体の噴射方向を変更することを特徴とする流体噴射方向の変更方法。
【請求項２】
前記流体流出側の角度変更可能な支持を前記通路部材と前記支持部材との間に凹凸面を有する波打ち構造を設けて行うと共に、前記通路部材の流体供給側の前記アクチュエータを圧電素子を含んで形成することを特徴とする請求項１に記載の流体噴射方向の変更方法。
【請求項３】
流体通路を経由して噴射される流体の方向を変更する流体噴射方向変更機構において、前記流体通路を構成する通路部材の流体流出側を角度変更可能に支持する支持部材で支持し、前記通路部材の流体供給側を単数又は複数のアクチュエータで直接又は間接に支持して構成すると共に、前記アクチュエータの駆動を制御する制御装置を備え、該制御装置により前記アクチュエータを選択的に駆動することにより前記通路部材の前記流体供給側の位置を移動させて前記通路部材の方向を変化させることを特徴とする流体噴射方向変更機構。
【請求項４】
前記通路部材を角度変更可能に支持する前記支持部材を弾性変形可能な部材で前記通路部材の流体流出側を支持するように形成すると共に、前記アクチュエータを圧電素子を含んで形成し、前記制御装置を前記圧電素子に対して選択的に電圧を印加する電圧制御装置で形成することを特徴とする請求項３に記載の流体噴射方向変更機構。
【請求項５】
前記支持部材の前記弾性変形可能な部材を凹凸面を有する波打ち構造で構成することを特徴とする請求項４に記載の流体噴射方向変更機構。
【請求項６】
請求項３〜５のいずれか１項に記載の流体噴射方向変更機構を備えたことを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料噴射装置を備えたことを特徴とする内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクチュエータを利用して容易に流体噴射方向を制御することができる、流体噴射方向の変更方法、流体噴射方向変更機構、燃料噴射装置及び内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車用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いため、地球温暖化防止の観点から、ヨーロッパなどで普及している。しかしながら、このディーゼルエンジンは、黒煙や窒素酸化物（ＮＯｘ）などの健康への影響が危惧される有害成分を排気ガス中に含んでいるため、日本国内では、商用車用エンジン以外では普及していない。
【０００３】
これに対する対策の一つとして、ディーゼルエンジンの燃料噴射にコモンレール装置が用いられるようになり、一般的になっている。このコモンレール装置を使用すると、超高圧の燃料を噴射できることから、燃料の微粒化を行うことができ、燃料と空気の混合を促進して、黒煙や微粒子状物質（ＰＭ）の発生量を低減することができる。また、燃料噴射量の制御が容易であることから、燃料の噴射量や時期をきめ細かく変化させることにより、燃焼温度を低下させることができるので、窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量を低減することができる。
【０００４】
しかしながら、排気ガス中に含まれる黒煙や微粒子状物質（ＰＭ）や窒素酸化物（ＮＯｘ）等の成分の排出を抑制して、現在の排ガス規制よりも更に厳しい規制値を達成するためには、このコモンレール装置による燃料噴射方式に加えて、より精密な燃料制御方法が必要となってきている。
【０００５】
これに関連して、穏やかな初期燃焼が窒素酸化物の低減と騒音の低減に役立つため、燃料噴射量を制御するニードルの引き上げを遅らせる仕組みを設けることで、初期の燃料噴射量を小さくし、その後、噴射量を大きくできる燃料噴射装置として、ニードルを複数本用意し、一方のニードルを駆動するための油圧流路に絞り部を設け、絞り部の無い他方のニードルに対して、ニードル同士の間で作動開始時間に遅れが出るようにして、燃料噴射量を時間的に操作し、これにより「可変噴孔」を実現する噴射装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
しかしながら、この噴射装置では、複数本のニードルによって開口された流路から噴射される燃料が衝突する構造となっているため、燃料噴霧同士が衝突して、燃料過濃領域が出現するので、排気ガス中に黒煙や未燃炭化水素、一酸化炭素といった有害成分が生成すると推定される。その結果、窒素酸化物低減と騒音低減の効果とトレードオフの関係になってしまうので、将来の排ガス規制に対応したディーゼルエンジンの開発に結びつかないという問題がある。
【０００７】
また、この噴射装置の絞り部についても、量産化を考えた場合に、加工及び制作にかかるコストが増大することが考えられる。また、絞り部の形状次第で、噴射遅れのタイミングが決定されてしまうので、絞り部の工作精度とその品質管理によっては、噴射装置ごとに噴射遅れのタイミングにばらつきが生じる可能性が高く、作動流体やバネ定数を制御しない限り、燃料噴射量によって行うエンジンの制御が難しくなるという問題がある。その上、絞り部の存在による流れの損失も考えられ、噴射圧を高めるために要したエネルギーを絞り部で失うという、エネルギー消費の観点からは不利な機構になっているという問題もある。
【０００８】
また、この噴射装置の「可変噴孔」は、燃料噴射の方向や角度を変えることができず、「可変噴射量」の機能に限られている。しかし、エンジンの排気ガス中の有害成分を低減するためには、ノズルの孔径、噴孔数、噴射方向などを変化させるノズルの機構、即ち、孔そのものの状態を可変とすることができて、流体を制御して送出することができるノズルの機構が必要となっている。また、一方で、最近では、圧電素子（ピエゾ素子）を用いたピエゾ方式の噴射装置が実現し、複数本のニードルを用意するまでも無く、上記の噴射装置のような燃料噴射を制御できるようになってきている。
【０００９】
また、ディーゼルエンジン等の内燃機関の筒内（シリンダ内）において、同じ燃焼室で運転した場合において、燃料噴射量に関係する負荷と、筒内空気流動に関係するエンジン回転数によって、排気ガス中の有害成分の量が異なり、また、熱効率の上昇に対して最適となる燃料噴霧の広がり分布も異なると予測される。これは、負荷やエンジン回転数の影響を大きく受ける、筒内の密度、圧力、温度、流動等の筒内環境によって、燃料噴射によって生じる燃料の過濃領域と希薄領域が異なってくるため、負荷やエンジン回転数によって燃料噴射後の燃料の分布が異なってくるからである。
【００１０】
例えば、図１７と図１８に示すように、シリンダ４１内に挿入されたピストン４２の頂部の燃焼室４３が同じ形状で、かつ、燃料噴射装置（インジェクタ）２０から噴射される燃料Ｆの噴射状態が同じで有っても、負荷とエンジン回転数が異なると、図１７に示すように良好な噴霧状態となる場合と、負荷が大きくなると、図１８に示すように、矢印Ａで示す部分等で、燃料噴霧がシリンダヘッド４１ａの下面に衝突して、熱損失が大きくなる場合が予測される。また、図１７と図１９に示すように、燃焼室４３の形状が異なっている場合には、最適な噴霧状況も異なってくるため、燃料室４３の形状に合わせて、燃料Ｆの噴射方向を異ならせる必要が生じることになる。
【００１１】
つまり、ディーゼルエンジンの筒内（シリンダ内）において、同じ燃焼室４３で回転数、噴射量を変えて運転した場合に、燃焼室４３内において、噴射した噴霧の重なりや、噴霧が燃焼室４３の壁面に衝突した後に、燃料過濃領域が形成されることによって、排気ガス中のＳｏｏｔやＨＣ等の有害成分の増加につながることが予測される。また、一方で、燃料希薄領域も発生し、燃焼が完結しないまま排出される燃料も出ることで、燃費の悪化も予測される。つまり、燃料過濃領域をできるだけ形成しないで、かつ、未燃領域も小さくなるような燃料噴霧分布の実現が望まれる。
【００１２】
そこで、噴霧の噴射角度を変えて燃料を噴射することができれば、筒内環境に因らずに、排気ガス中の有害成分を低減でき、高効率を実現することが可能となる。そのため、筒内の環境によって最適の噴霧広がり分布を設定することができる燃料供給装置の実現が要望されるようになってきた。
【００１３】
なお、上記の「可変噴孔」を実現する噴射装置で示されているように、ニードル間で燃料噴射孔の角度を変えて加工すれば、噴射直後は、図２０に示すように、一方のニードルの狭角の噴射孔から噴射し、次に、図２１に示すように、他方のニードルの広角の噴射孔から噴射することで、広がり角が狭角の噴霧から、広がり角が広角の噴霧噴射に変化させることができる。しかしながら、孔加工によって、広角の噴霧における広がり分布は一定となってしまうという問題がある。
【００１４】
また、これに関連して、低ＮＯｘ、低スモークのディーゼル燃焼を実現するために、軽負荷、高負荷のエンジン運転状態に応じて、「予混合圧縮噴射モード」と「通常噴射モード」の２種類の噴射方法が提案され（例えば、特許文献２参照）、噴射角度を変更することができる噴射装置の需要が高いことを示している。しかし、これは、燃焼方法、燃焼制御の手法についての提案であり、その方法を実現するための、噴射角度を変更することができる噴射装置自体については触れられていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２０００−３２９０２５号公報
【特許文献２】特開２００３−８３１１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、流体の状態に左右されること無く、正確に、流体噴射方向を連続的又は段階的に変化及び制御することができ、装置が、単純な形状の部品による組み合わせで、工作精度が管理し易く、容易に加工及び制作ができる、流体噴射方向の変更方法及び流体噴射方向変更機構を提供することにある。
【００１７】
また、更なる目的は、自由度の少ない一方向の方向制御だけでなく、自由度の多い多方向で流体噴射方向の変更が可能で、燃料噴射の方向に関して細かい制御が可能であり、内燃機関の筒内（シリンダ内）の状態に合わせて、ピストンの頂部に形成された燃焼室に対して最適な燃料噴射方向を精密に設定して燃料噴射することができ、所望の燃料の空間分布を自在に作り出す制御が可能となり、排出ガスの有害成分を低減するための燃料制御手法のための極めて有効な手段となる燃料噴射装置を提供することにある。
【００１８】
また、更なる目的は、内燃機関の負荷及びエンジン回転数に応じて、最適となる燃料噴霧の広がり分布を設定できて、排気ガス中の有害成分の低減が可能で、燃料消費量の少ない燃焼にとって最適になるように、燃料を噴射しながら、燃料噴射期間中に燃料の噴射の角度を変更することが可能な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】
【００１９】
上記のような目的を達成するための本発明の流体噴射方向の変更方法は、流体通路を経由して流体を噴射する流体噴射装置における流体の噴射方向を変更する流体噴射方向の変更方法であって、前記流体通路を構成する通路部材の流体流出側で該通路部材を角度変更可能な支持部材で支持すると共に、前記通路部材の流体供給側を単数又は複数のアクチュエータで直接又は間接に支持して、前記アクチュエータを選択的に駆動することにより前記通路部材の流体供給側の位置を移動させることで、前記通路部材の方向を変化させて、流体の噴射方向を変更することを特徴とする方法である。
【００２０】
この方法によれば、流体の状態に左右されることなく、連続的及び／又は段階的に流体の噴射方向を変化させることができる。しかも、複数のアクチュエータを用いる場合には、一方向だけでなく多方向で流体の噴射方向を変更することができる。
【００２１】
また、上記の流体噴射方向の変更方法において、前記流体流出側の角度変更可能な支持を前記通路部材と前記支持部材との間に凹凸面を有する波打ち構造を設けて行うと共に、前記通路部材の流体供給側の前記アクチュエータを圧電素子を含んで形成する。つまり、流体が通過する流体通路の外部にあるアクチュエータの圧電素子（ピエゾ素子）に電圧を加えて電気エネルギーを与えることによって圧電素子を変形させ、それによって、通路部材の流体供給側の位置を変化させ、流体が通過する流体通路の噴射方向を連続的又は段階的に変化させるようにする。この方法によれば、圧電素子を用いて流体の噴射方向を制御するので、圧電素子に加える電気信号に応じた、流体の噴射方向の細かい制御が可能となる。
【００２２】
そして、上記のような目的を達成するための本発明の流体噴射方向変更機構は、流体通路を経由して噴射される流体の方向を変更する流体噴射方向変更機構において、前記流体通路を構成する通路部材の流体流出側を角度変更可能に支持する支持部材で支持し、前記通路部材の流体供給側を単数又は複数のアクチュエータで直接又は間接に支持して構成すると共に、前記アクチュエータの駆動を制御する制御装置を備え、該制御装置により前記アクチュエータを選択的に駆動することにより前記通路部材の前記流体供給側の位置を移動させて前記通路部材の方向を変化させるように構成される。
【００２３】
この構成によれば、流体の状態に左右されることなく、連続的及び／又は段階的に流体の噴射方向を変化させることができる。しかも、複数のアクチュエータを用いる場合には、一方向だけでなく多方向で流体の噴射方向を変更することができる。
【００２４】
また、上記の流体噴射方向変更機構において、前記通路部材を角度変更可能に支持する前記支持部材を弾性変形可能な部材で前記通路部材の流体流出側を支持するように形成すると共に、前記アクチュエータを圧電素子を含んで形成し、前記制御装置を前記圧電素子に対して選択的に電圧を印加する電圧制御装置で形成すると、圧電素子を用いて流体の噴射方向を制御するので、圧電素子に加える電気信号に応じた、流体の噴射方向の細かい制御が可能となる。また、この流体噴射方向変更機構が部品の組み合わせによる構成となることに加えて、構成する部品が単純な形状となることから、工作精度を管理し易い部品となるので、工作性が著しく向上し、検査や管理も容易となる。
【００２５】
更に、上記の流体噴射方向変更機構において、前記支持部材の前記弾性変形可能な部材を凹凸面を有する波打ち構造で構成すると、比較的簡単な形状である凹凸面を有する波打ち構造を用いることにより、工作性がよく、軽量な支持部材とすることができ、しかも、通路部材の流体流出側の周囲に波打ち構造を有する壁面を設けることで容易に流体流出側を気密構造にすることができる。
【００２６】
そして、上記の目的を達成するための本発明の燃料噴射装置は、上記の流体噴射方向変更機構を備えて構成される。つまり、上記の流体噴射方向変更機構を、従来技術の燃料噴射装置に備わる各噴射孔に部品として取り付けることで、燃料の噴射方向を変化して噴射孔の中心軸の傾斜を広く変化させて燃料噴霧の分布の広がりを制御できるようになる。これにより、燃料噴射における可変噴射広がり分布を実現できるようになる。
【００２７】
また、上記の目的を達成するための本発明の内燃機関は、この燃料噴射装置を備えて構成される。この構成により、燃料の状態に左右されることなく、連続的及び／又は段階的に燃料の噴射方向を変化させる制御を行うことができる。また、複数のアクチュエータを用いる場合には、一方向だけでなく多方向で連続的及び／又は段階的に燃料の噴射方向を変更することができ、また、これにより、燃料の噴霧の広がり分布を内燃機関のピストン行程の１サイクルの噴射毎に設定したり、１サイクル内での燃料噴射中においても燃料の噴射方向を変更したりできるようになることで、より自由度の高い燃料噴射を行えるようになる。特に、圧電素子を用いて燃料の噴射方向を制御すると、圧電素子に加える電気信号に応じて細かくかつ正確な制御が可能となる。
【００２８】
従って、内燃機関の筒内（シリンダ内）の状態に合わせて、ピストンの頂部に形成された燃焼室に対して最適な燃料噴射方向を精密に設定して燃料噴射することができるようになり、所望の燃料の空間分布を燃焼室内に自在に作り出す制御が可能となる。そのため、より内燃機関における燃料供給の最適化を図ることができるので、この内燃機関は排出ガスの有害成分を低減するための燃料制御手法のための極めて有効な手段を備えていることになる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明に係る流体噴射方向の変更方法及び流体噴射方向変更機構によれば、流体通路の外部に設けた単数又は複数のアクチュエータの選択的駆動により、流体の状態に左右されること無く、正確に、かつ、連続的及び／又は段階的に、流体の噴射方向を変更及び制御することができる。また、複数のアクチュエータを用いることで、自由度の少ない一方向の方向制御だけでなく自由度の多い多方向で流体噴射方向を容易に制御できる。その上、流体噴射方向変更機構の構成が、部品の組み合わせによる構成となる上に、構成する部品が単純な形状になることから、工作精度が管理し易くなり、容易に加工及び制作ができる。
【００３０】
そして、本発明に係る燃料噴射装置および内燃機関によれば、燃料噴射の方向に関して細かい制御が可能で、内燃機関の筒内（シリンダ内）の状態に合わせて、ピストンの頂部に形成された燃焼室に対して最適な燃料噴射方向を精密に設定して燃料噴射することができ、所望の燃料の空間分布を自在に作り出す制御が可能となる。また、内燃機関の負荷及びエンジン回転数に応じて、最適となる燃料噴霧の広がり分布を設定でき、更に、排気ガス中の有害成分を低減でき、かつ、燃料消費量の少ない燃焼にとって最適になるように、燃料噴射期間中に燃料を噴射しながら、燃料の噴射方向を変更することができる。従って、この内燃機関は、排出ガスの有害成分を低減するための燃料制御手法に極めて有効な手段を備えた内燃機関となる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の第１の実施の形態の流体噴射方向変更機構の構成を示す側断面図である。
【図２】図１の流体噴射方向変更機構のノズルの構成を示す斜視図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態の流体噴射方向変更機構の構成を示す側断面図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態の流体噴射方向変更機構の構成を示す側断面図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態の流体噴射方向変更機構の構成を示す側断面図である。
【図６】図５の流体噴射方向変更機構のノズルの構成を示す斜視図である。
【図７】圧電素子の変形を例示する側断面図である。
【図８】図４の流体噴射方向変更機構で、圧電素子が変形していない状態における流体噴射方向を示す側断面図である。
【図９】図４の流体噴射方向変更機構で、圧電素子が変形した状態における流体噴射方向を示す側断面図である。
【図１０】図１の流体噴射方向変更機構のノズルで、圧電素子が変形しない状態における流体噴射方向を示す側断面図である。
【図１１】図１の流体噴射方向変更機構のノズルで、圧電素子が変形した状態における流体噴射方向の変化を示す側断面図である。
【図１２】図１の流体噴射方向変更機構のノズルで、圧電素子が図１１と逆方向に変形した状態における流体噴射方向の変化を示す側断面図である。
【図１３】図１の流体噴射方向変更機構のノズルを備えた燃料噴射装置の燃料噴射口部分を示す部分側断面図である。
【図１４】内燃機関の燃焼室における燃料の噴霧状況を示す模式的な部分側断面図である。
【図１５】内燃機関の燃焼室における別の燃料の噴霧状況を示す模式的な部分側断面図である。
【図１６】内燃機関の燃焼室における多層の層状の燃料の噴霧状況を示す模式的な部分側断面図である。
【図１７】従来技術における内燃機関の燃焼室における燃料の噴霧状況を示す模式的な部分側断面図である。
【図１８】従来技術における、図１７と同じ燃焼室形状での、内燃機関の燃焼室における別の燃料の噴霧状況を示す模式的な部分側断面図である。
【図１９】従来技術における、図１７と異なる燃焼室形状での、内燃機関の燃焼室における燃料の噴霧状況を示す模式的な部分側断面図である。
【図２０】従来技術における、複数の噴射孔を有する噴射装置における狭角での噴射を示す模式的な部分側断面図である。
【図２１】図２０の複数の噴射孔を有する噴射装置における広角での噴射を示す模式的な部分側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明に係る実施の形態の流体噴射方向の変更方法、流体噴射方向変更機構、燃料噴射装置及び内燃機関について、図面を参照しながら説明する。
【００３３】
最初に、流体噴射方向の変更方法及び流体噴射方向変更機構について説明する。図１及び図２に示すように、第１の実施の形態における流体噴射方向変更機構１は、通路部材１１の流体通路１１ａを経由して噴射される流体Ｆの方向を変更する機構であり、装置躯体２とノズル１０とアクチュエータ１４とノズル拘束部材３と固定用部材４を備えて構成されている。
【００３４】
図１に示すように、装置躯体２は、下部に円錐台形状にくり抜かれた台座部２ａが設けられ、この台座部２ａに隣接して円筒形状にくり抜かれた円筒部２ｂとこの円筒部分に隣接する雌ネジ部２ｃとが設けられている。なお、この流体噴射方向変更機構１を燃料噴射装置等に組み付ける場合には、この装置躯体２は燃料噴射装置の噴射孔取り付け部分で代用されることになる。
【００３５】
また、図２に示すように、ノズル１０は、流体通路１１ａと噴射口１１ｂを有する通路部材１１と支持部材１２を有して構成される。この支持部材１２は、スカート部１２ａと、このスカート部１２ａと通路部材１１の噴射口１１ｂとの間に設けられた弾性変形部１２ｂとから構成される。
【００３６】
この支持部材１２の弾性変形部１２ｂは凹凸面を有する波打ち構造で構成するが、これ以外のバネ支持やゴムなどの弾性体で支持してもよい。但し、内燃機関の燃料噴射装置に使用する場合は、耐熱性を考慮する必要があり、また、内燃機関の燃焼室内の燃焼ガスが通路部材１１の噴射口１１ｂの後側（流体供給側）に回り込まないようにする必要があるため、図１及び図２に示すような波打ち構造の金属板で構成するのが好ましい。このノズル１０の噴射口１１ｂ側の通路部材１１の支持構造により、流体通路１１ａを構成する通路部材１１の流体流出側を角度変更可能に支持する支持部材１２で支持する。
【００３７】
図１に示すように、この流体噴射方向変更機構１は、装置躯体２の台座部２ａにノズル１０のスカート部１２ａを嵌合し、そのスカート部１２ａの噴射口１１ｂとは反対側部分、即ち、装置躯体２の円筒部２ｂに、アクチュエータ１４とノズル拘束部材３とを嵌合し、更に、雄ネジ部を有する固定用部材４をねじ込むことにより組み立てられる。なお、このノズル拘束部材３と固定用部材４は、ノズル１０とアクチュエータ１４を燃料噴射装置等の流体噴射方向変更機構１を組み入れる側の装置の部品で拘束する場合は不要となる。
【００３８】
この構成により、通路部材１１の流体供給側を複数のアクチュエータ１４で直接又は間接（図１及び図２では直接）に支持する。このアクチュエータ１４は、圧電素子を含んで形成され、アクチュエータ１４の駆動を制御する制御装置（図示しない）を備えると共に、更に、この制御装置を、アクチュエータ１４の圧電素子に対して選択的に電圧を印加して、電気エネルギーを供給できるように構成された電圧制御装置（図示しない）で形成する。なお、図示しないが圧電素子制御用配線も設けられる。この制御装置によりアクチュエータ１４の圧電素子を選択的に駆動することにより、通路部材１１の流体供給側の位置を移動させて通路部材１１の方向を変化させる。
【００３９】
なお、通路部材１１を変化させる方向が一方向のみでよい場合には、アクチュエータ１４は２個又は一個(単数）でよく、１個の場合には、この１個のアクチュエータ１４の駆動により通路部材１１の角度を変化させ、アクチュエータ１４の駆動停止により、支持部材１２の弾性変形部１２ｂの弾性変形の復元力により通路部材１１の角度を元に戻す。
【００４０】
次に、図３に示す第２の実施の形態における流体噴射方向変更機構１Ａについて説明する。この流体噴射方向変更機構１Ａは、ノズル１０Ａが、支持部材１２Ａのスカート部１２ａの噴射口１１ｂとは反対側にフランジ１２ｃを有して構成される。この流体噴射方向変更機構１Ａでは、支持部材１２のフランジ１２ｃにより、支持部材１２Ａが装置躯体２やノズル拘束部材３に接触する面積が広くなり、ノズル１０Ａをより強固に装置躯体２に固定することができる。この構成以外は、第１の実施の形態の流体噴射方向変更機構１と同じである。
【００４１】
次に、図４に示す第３の実施の形態における流体噴射方向変更機構１Ｂについて説明する。この流体噴射方向変更機構１Ｂは、装置躯体２Ｂが下部部材２ｄと上部部材２ｅに分割できるように構成され、また、ノズル１０Ｂが、支持部材１２Ｂのスカート部１２ａの噴射口１１ｂとは反対側に円筒部１２ｄを有して構成される。この流体噴射方向変更機構１Ｂでは、装置躯体２Ｂの下部部材２ｄと上部部材２ｅの接続により、この下部部材２ｄと上部部材２ｅの間に、支持部材１２Ｂのスカート部１２ａと円筒部１２ｄを挟み込んでノズル１０Ｂを固定する。この構成では、図１及び図３に示すようなノズル拘束部材３と固定用部材４が不要になる。この構成以外は、第１の実施の形態の流体噴射方向変更機構１と同じである。
【００４２】
次に、図５及び図６に示す第４の実施の形態における流体噴射方向変更機構１Ｃについて説明する。この流体噴射方向変更機構１Ｃでは、ノズル１０Ｃの支持部材１２Ｃのスカート部１２ｅが噴射口１１ｂ側に対してその反対側に広がるように、即ち、図１に示すスカート部１２ａと拡径の方向が逆になるように形成される。
【００４３】
そして、図５に示すように、この流体噴射方向変更機構１Ｃの組み立ては、装置躯体２Ｃの孔に対して、アクチュエータ１４が挿入された後、この装置躯体２Ｃに、内部が円錐台形状にくり抜かれ、かつ、外部が円筒形状に形成されたノズル拘束部材３Ｃが当接され、この円錐台形状のくり抜き部分にノズル１０Ｃが挿入される。その後、ノズル拘束部材３Ｃにノズル押さえリング１３が当接され、更に、底面４ａに燃料噴射口４ｂが開口され、内部が円筒状にくり抜かれた円筒部４ｃを有する固定用部材４Ｃが、その円筒部４ｃにノズル押さえリング１３とノズル１０Ｃとノズル拘束部材３Ｃが入るように配置される。この構成では、ノズル１０Ｃの先端部が広がっており、固定用部材４Ｃを装置躯体２に組み付け後に初めて、固定用部材４Ｃの中にノズル１０Ｃが固定されることになる。
【００４４】
この構成にすると、装置躯体２Ｃに対して、すべての部品を図５の下側から組み付けることができるため、組み立て時に装置躯体２Ｃの移動が不要となり、製造時の手間が省けるようになる。また、この構成によれば、ノズル１０Ｃの大きさ、特に、支持部材１２Ｃの流体供給側を小さくすることができる。この構成以外は、第１の実施の形態の流体噴射方向変更機構１と同じである。
【００４５】
上記の構成の流体噴射方向変更機構１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃによれば、流体通路１１ａを経由して噴射される流体の方向を変更する流体噴射方向変更機構１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃにおいて、流体通路１１ａを構成する通路部材１１の流体流出側を角度変更可能に支持部材１２、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃで支持し、通路部材１１の流体供給側を複数のアクチュエータ１４で直接（又は間接）に支持して構成される。また、更に、角度変更可能に支持する支持部材１２、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃを弾性変形可能な部分である、凹凸面を有する波打ち構造で構成する弾性変形部１２ｂで、通路部材１１の噴射口１１ｂ側を保持するように形成される。それと共に、アクチュエータ１４は圧電素子を含んで形成される。
【００４６】
次に、上記の流体噴射方向変更機構１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃにおける流体噴射方向の変更方法について説明する。この方法では、アクチュエータ１４の駆動を制御する制御装置で、アクチュエータ１４を選択的に駆動することにより通路部材１１の流体供給側の位置を移動させることで、通路部材１１の方向を変化させて、流体Ｆの噴射方向を変更する。
【００４７】
つまり、図７に示すように、アクチュエータ１４の第１圧電素子１４ａと第２圧電素子１４ｂに対して、図７の左側の図のように第１圧電素子１４ａにプラスの電圧を加えて膨張させると共に第２圧電素子１４ｂにマイナスの電圧を加えて収縮させると、通路部材１１が図７の下側に動く。また、図７の右側の図のように第２圧電素子１４ｂにプラスの電圧を加えて膨張させると共に第１圧電素子１４ａにマイナスの電圧を加えて収縮させると、通路部材１１が図７の上側に動く。なお、第１圧電素子１４ａと第２圧電素子１４ｂには、それぞれ保護部材１４ａａ、１４ｂａを設けて通路部材１１を押圧する部分を保護することが好ましい。
【００４８】
図８及び図９に、この第１圧電素子１４ａと第２圧電素子１４ｂの動きと、通路部材１１及び流体通路１１ａの噴射方向の変更との関係を、第３の実施の形態の流体噴射方向変更機構１Ｂで示す。図８では、第１圧電素子１４ａと第２圧電素子１４ｂの両方とも電圧が印加されず、通路部材１１はノズル１０Ｂの中心線方向を向いている。図９では、第１圧電素子１４ａはマイナスの電圧が印加されて第２圧電素子１４ｂにはプラスの電圧が印加される。その結果、通路部材１１はノズル１０Ｂの中心線方向から角度αだけ傾斜する。この傾斜角αは、第１圧電素子１４ａと第２圧電素子１４ｂに印加する電圧の大きさによるので、この電圧の大きさを制御することできめ細かく傾斜角αの大きさを制御できる。
【００４９】
言い換えると、通常、装置躯体２Ｂに拘束されたノズル１０Ｂからの流体Ｆは、ノズル１０Ｂの一部である流体流路１１ａを通過して、噴射口（ノズル孔）１１ｂから流出する。そして、圧電素子（ピエゾ素子）１４ａ、１４ｂ等に電圧が印加されないときは、図８に示すように、ノズル１０Ｂを制作した時の流体通路１１ａが指す方向に流体Ｆが流れ出る。
【００５０】
次に圧電素子１４ａ、１４ｂ等のいずれかに、選択的に電圧（プラスの場合もマイナスの場合もある）が印加されることで、圧電素子１４ａ、１４ｂが変形し、膨張変形した圧電素子１４ｂがノズル１０Ｂの通路部材１１の流体供給側の端部を押圧することで、通路部材１１の端部に力が加わり、この端部の位置が変化する。通路部材１１の端部が動くと図９に示すよう通路部材１１及び流体通路１１ａの方向を変え、流体Ｆの流れ出し方向が変わることになる。
【００５１】
次に、通路部材１１の傾斜と第１の実施の形態のノズル１０との関係を、図１０〜図１２に示す。アクチュエータ１４を構成する圧電素子への選択的な電圧の印加、即ち、アクチュエータの選択的駆動により、通路部材１１の燃料供給側の位置を変化させることができ、これにより、通路部材１１を図１０〜図１２に示すように傾斜させることができる。また、アクチュエータ１４の制御量により、図１１に示す傾斜角αや図１２に示す傾斜角βの大きさを制御することができる。
【００５２】
なお、図２に示すようにアクチュエータ１４を通路部材１１の間に隙間を設けて配置し、一つのアクチュエータ１４の圧電素子に電圧を加えることで、その圧電素子のみで通路部材１１を押圧するようにしてもよく、図８及び図９に示すように、通路部材１１を２つの圧電素子の間に挟み込んで構成し、両方の圧電素子にプラスの電圧とマイナスの電圧をそれぞれ印加して通路部材１１を押圧するようにしてもよい。
【００５３】
上記の構成の流体噴射方向変更機構１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ及び流体噴射方向の変更方法によれば、例えば、図２、図６に示すようなアクチュエータ１４の四方の配置により流体の噴射方向を一方向だけでなく二方向で変更することができ、しかも、流体Ｆの状態に左右されることなく、流体Ｆの噴射方向を正確に連続的及び／又は段階的に流体噴射方向を変化させる制御を行うことができる。
【００５４】
また、アクチュエータ１４の配置をより多く、きめ細かく配置することにより、容易に通路部材１１の傾斜方向を増加することができるので、これにより、噴射された流体による空間分布を、自在な空間分布に作り出す制御が可能となる。
【００５５】
つまり、流体通路１１ａの外部に設けたアクチュエータ１４の駆動により容易に、流体Ｆの状態に左右されること無く、正確に、かつ、連続的及び／又は段階的に、流体Ｆの噴射方向を変化及び制御することができる。また、複数のアクチュエータ１４の選択的駆動により容易に流体噴射方向を、自由度の少ない一方向の方向制御だけでなく、自由度の多い多方向で方向制御できる。その上、流体噴射方向変更機構１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃの構成が、部品の組み合わせによる構成となる上に、構成する部品が単純な形状になることから、工作精度が管理し易く、容易に加工及び制作ができるようになる。
【００５６】
更に、圧電素子１４ａ、１４ｂを用いて流体Ｆの噴射方向を制御するので、圧電素子１４ａ、１４ｂに加える電気信号に応じた、流体Ｆの噴射方向の細かい制御が可能となる。
【００５７】
また、支持部材１２、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃの弾性変形部１２ｂを凹凸面を有する波打ち構造で構成すると、工作性がよく、軽量な支持部材１２とすることができ、しかも、通路部材１１の流体流出側の周囲に波打ち構造を有する壁面を設けることで容易に気密構造にすることができる。
【００５８】
次に、本発明に係る実施の形態の燃料噴射装置と内燃機関について説明する。図１３に例示するように、この燃料噴射装置（インジェクタ）２０は、上記の流体噴射方向変更機構１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃを備えて構成される。また、本発明に係る実施の形態の内燃機関は、上記の燃料噴射装置２０を備えて構成される。
【００５９】
燃料噴射装置２０は、上記の流体噴射方向変更機構１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃを、従来技術の燃料噴射装置に備わる各噴射孔に、部品として取り付けることで、燃料の噴射方向を変化させて噴射孔の中心軸の傾斜を広く変化させて燃料の噴霧の分布の広がりを制御することができるようになる。
【００６０】
例えば、図１３に示すように、従来の燃料噴射装置にもあるニードル２１が燃料噴射装置２０の図１３の最上部に示してある。燃料噴射装置２０は、装置の最小構成単位を形成するため、ノズル１０、圧電素子を有して形成されるアクチュエータ１４、燃料流路構成ブロック２２、噴射装置躯体２３、圧電素子制御配線２４等を有して構成される。燃料流路構成ブロック２２の弁座には、燃料噴射装置２０のニードル２１が当たるようになっている。これより上の燃料噴射装置２０の構造は、従来技術の燃料噴射装置の構造と同じである。
【００６１】
次に、図１３を参照しながら、燃料噴射装置２０の作動を説明する。通常、ニードル２１の隙間から流れ出した燃料（流体）Ｆは、燃料流路構成ブロック２２内を通過し、ノズル１０に設けた燃料流路（流体通路）１１ａから、噴射口（噴射孔）１１ｂへと流れ、燃料Ｆが噴射口１１ｂから出る。アクチュエータ１４の圧電素子に電圧が印加されないときは、ノズル１０の燃料流路１１ａが元の状態にある。一方、アクチュエータ１４の圧電素子に選択的に電圧が印加された状態では、選択されたアクチュエータ１４の圧電素子の変形によって、ノズル１０の燃料流路１１ａの向きが変わり、それにより、ノズル１０の燃料噴射の広がり分布が変更される。つまり、アクチュエータ１４の圧電素子の変形の有無で、アクチュエータ１４の圧電素子に当接している通路部材１１及び燃料流路１１ａの方向が変化し、それに伴って噴射口１１ｂの方向が変わり、燃料Ｆの噴射方向が変化する。
【００６２】
上記のように、エンジン負荷や回転数に応じて、燃料噴射装置２０を作動させることで、図１４に示すようなエンジンの負荷状態が軽負荷の場合や、図１５に示すようなエンジンの負荷状態が高負荷の場合に合わせて、燃料Ｆの噴射方向や噴霧の広がり分布を設定することが可能となる。また、予混合圧縮噴射モードと通常噴射モードを実現することが可能となる。
【００６３】
更に、図１６に示すように、燃料噴射期間中に噴射広がり角度を噴射期間（例えば、角度Ａ：１．８ｍｓ、角度Ｂ：１．５ｍｓ、角度Ｃ：１．０ｍｓ等）に応じて変更すると、燃料濃度分布を層Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３で形成されるような層状にすることが可能となる。これは、燃料噴射期間中に、噴射方向の角度毎に噴射期間を定めることで、燃料濃度の濃い領域から薄い領域を燃料室内に層状に作ることが可能となるからである。これにより、火炎の伝播を制御できるようになる。
【００６４】
また、この燃料噴射装置２０を備えた内燃機関は、燃料Ｆの噴射方向を一方向だけでなく多方向に変更することができ、また、燃料の状態に左右されることなく、燃料Ｆの噴射方向を変化させ、制御を行うことができる。これにより、燃焼室４３内に所望の燃料の空間分布を作り出す制御ができるようになる。特に、圧電素子の制御を用いて噴射方向を制御すると、圧電素子に加える電気信号に応じた細かくかつ正確な制御が可能となる。
【００６５】
従って、内燃機関の筒内（シリンダ内）の状態に合わせて、ピストン４２の頂部に形成された燃焼室４３に対して最適な燃料噴射方向を精密に設定して燃料噴射することができるようになり、所望の燃料の空間分布を燃焼室４３内に自在に作り出す制御が可能となる。そのため、この内燃機関は排出ガスの有害成分を低減するための燃料制御手法のための極めて有効な手段を備えていることになる。この噴霧広がり分布を内燃機関のピストン行程の１サイクルの噴射毎に設定したり、１サイクル内での燃料噴射中においても燃料の噴射方向を変更したりできるようになることで、より自由度の高い燃料噴射を行えるようになるので、より内燃機関における燃料供給の最適化を図ることができる。
【００６６】
上記の燃料噴射装置２０によれば、燃料噴射の方向に関して細かい制御が可能で、内燃機関の筒内（シリンダ内）の状態に合わせて、ピストン４２の頂部に形成された燃焼室４３に対して最適な燃料噴射方向を精密に設定して燃料噴射することができ、所望の燃料の空間分布を自在に作り出す制御が可能となり、排出ガスの有害成分を低減するための燃料制御手法のための極めて有効な手段となるので、内燃機関の燃料噴射装置に利用できる。
【００６７】
また、噴射口１１ｂの中心軸の傾斜を変化させる噴射の分布の広がりの制御は、圧電素子を含んで形成されるアクチュエータ１４と弾性変形部１２ｂによる支持のノズル１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃを組み合わせることによって行うため、細かい制御が可能であり、燃料噴射方向の制御による燃焼状態制御を容易に行うことができる。
【００６８】
上記の内燃機関によれば、燃料噴霧の噴射広がり分布を変化させ、内燃機関の筒内（シリンダ内）の燃料分布の制御を行うことができる。これにより、従来から提案されている、ＮＯｘ、Ｓｏｏｔの同時低減を目指した予混合的な燃焼を実現することができ、燃焼室４３内に過濃領域の少ない燃料分布を作り出し、完全燃焼しながら、かつ、ＮＯｘを低減するような燃料分布になるように燃料噴霧を制御することができるようになる。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明の流体噴射方向の変更方法及び流体噴射方向変更機構によれば、流体通路の外部に設けた複数のアクチュエータの選択的駆動により容易に、流体の状態に左右されること無く、正確に、流体の噴射方向を連続的及び／又は段階的に変化及び制御することができ、また、複数のアクチュエータを用いる場合には、自由度の少ない一方向の方向制御だけでなく、自由度の多い多方向で方向制御でき、その上、流体噴射方向変更機構の構成が、部品の組み合わせによる構成となる上に、構成する部品が単純な形状になることから、工作精度が管理し易く、容易に加工及び制作ができるので、多くの流体噴射装置の流体噴射方向の変更方法及び流体噴射方向変更機構に利用できる。
【００７０】
また、本発明の燃料噴射装置によれば、燃料噴射の方向に関して細かい制御が可能で、内燃機関の筒内（シリンダ内）の状態に合わせて、ピストンの頂部に形成された燃焼室に対して最適な燃料噴射方向を精密に設定して燃料噴射することができ、所望の燃料の空間分布を自在に作り出す制御が可能となり、排出ガスの有害成分を低減するための燃料制御手法のための極めて有効な手段となるので、内燃機関の燃料噴射装置に利用できる。
【００７１】
更に、本発明の内燃機関によれば、内燃機関の負荷及びエンジン回転数に応じて、最適となる燃料噴霧の広がり分布を設定できて、排気ガス中の有害成分の低減が可能で、燃料消費量の少ない燃焼にとって最適になるように、燃料を噴射しながら、燃料噴射期間中に燃料の噴射の角度を変更することができるので、自動車に搭載される内燃機関等として利用できる。
【符号の説明】
【００７２】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ  流体噴射方向変更機構
２  装置躯体
２ａ  台座部
２ｂ  円筒部
２ｃ  雌ネジ部
２ｄ  下部部材
２ｅ  上部部材
３、３Ｃ  ノズル拘束部材
４、４Ｃ  固定用部材
４ａ  固定用部材の底面
４ｂ  燃料噴射口
４ｃ  固定用部材の円筒部
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ  ノズル
１１  通路部材
１１ａ  流体通路
１１ｂ  噴射口
１２、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ  支持部材
１２ａ  スカート部（拡径形状）
１２ｂ  弾性変形部
１２ｃ  フランジ
１２ｄ  円筒部
１２ｅ  スカート部（縮径形状）
１３  ノズル押さえリング
１４  アクチュエータ
１４ａ、１４ｂ  圧電素子
１４ａａ、１４ｂａ  保護部材
２０  燃料噴射装置
２１  ニードル
２２  燃料流路構成ブロック
２３  噴射装置躯体
２４  圧電素子制御配線
Ｆ  流体
α、β  傾斜角
【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】
2013241866.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
2013241866.tif 000021
【図２０】
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【図２１】
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