(57)【要約】【課題】燃料の状態に左右されること無く、正確に、かつ、連続的又は段階的に燃料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、燃料噴射方向の変更方法及び燃料噴射装置を提供する。【解決手段】燃料通路１１ａを構成する通路部材１１の燃料噴射側で該通路部材１１を角度変更可能に支持すると共に、前記通路部材１１の燃料供給側を旋回部材１３で直接又は間接に支持すると共に、アクチュエータ１４の駆動により前記旋回部材１３を回動させて前記通路部材１１の燃料供給側の位置を移動させることで、前記通路部材１１の方向を変化させて、燃料Ｆの噴射方向を変更する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料噴射装置における燃料の噴射方向を変更する燃料噴射方向の変更方法であって、燃料通路を構成する通路部材の燃料噴射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、前記通路部材の燃料供給側を旋回部材で直接又は間接に支持すると共に、アクチュエータの駆動により前記旋回部材を回動させて前記通路部材の燃料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、燃料の噴射方向を変更することを特徴とする燃料噴射方向の変更方法。
【請求項２】
前記燃料噴射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、前記アクチュエータを圧電素子を含んで形成し、前記アクチュエータの直線方向の移動を、旋回発生機構により前記旋回部材の回転方向の移動に変換することを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射方向の変更方法。
【請求項３】
燃料通路を経由して噴射される燃料の方向を変更する燃料噴射装置において、前記燃料通路を構成する通路部材の燃料噴射側を角度変更可能に支持する支持部材で支持し、前記通路部材の燃料供給側を直接又は間接に支持する旋回部材と、該旋回部材を回動させるアクチュエータとを備え、該アクチュエータの駆動により前記旋回部材を回動させて、前記通路部材の燃料供給側を移動させることで、前記通路部材の方向を変化させて、燃料の噴射方向を変更することを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項４】
前記アクチュエータを圧電素子を含んで形成し、前記アクチュエータの制御装置を前記圧電素子に対して電圧を印加する電圧制御装置で形成すると共に、前記アクチュエータの直線方向の移動を前記旋回部材の回転方向の移動に変換する旋回発生機構を設けたことを特徴とする請求項３記載の燃料噴射装置。
【請求項５】
前記支持部材を弾性変形可能な部材で前記通路部材の燃料噴射側を支持するように形成すると共に、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３又は４に記載の燃料噴射装置。
【請求項６】
請求項３〜５のいずれか１項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燃料噴射方向を制御することができる、燃料噴射方向の変更方法、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少なくし、その後、噴射量を多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、燃料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１４と図１５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１５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１５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１４と図１６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、図１７に示すように、シリンダ４１内でピストン４２の頂部に形成された燃焼室４３に向かって燃料Ｆを噴射した場合に、燃焼室４３内において、図１８に示すように、噴射した噴霧の重なりＦ２や、図１９に示すように、噴霧が燃焼室４３の壁面に衝突した後に、燃料過濃領域Ｆ２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Ｆ１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Ｆ２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、燃料の状態に左右されること無く、正確に、かつ、連続的又は段階的に燃料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、燃料噴射方向の変更方法及び燃料噴射装置を提供することにある。
【００１７】
また、更なる目的は、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燃料噴射方向の変更方法は、燃料噴射装置における燃料の噴射方向を変更する燃料噴射方向の変更方法であって、燃料通路を構成する通路部材の燃料噴射側で該通路部材を角度変更可能に支持すると共に、前記通路部材の燃料供給側を旋回部材で直接又は間接に支持すると共に、アクチュエータの駆動により前記旋回部材を回動させて前記通路部材の燃料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、燃料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、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傾斜させることができる。
【００２１】
また、上記の燃料噴射方向の変更方法において、前記燃料噴射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、前記アクチュエータを圧電素子を含んで形成し、前記アクチュエータの直線方向の移動を、旋回発生機構により前記旋回部材の回転方向の移動に変換すると、この構成では、燃料が通過する燃料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、旋回発生機構と旋回部材を介して、通路部材の燃料供給側の位置を変化させ、燃料が通過する燃料通路の噴射方向を連続的又は段階的に変化させるので、圧電素子を用いて燃料の噴射方向を制御することで、圧電素子に加える電気信号に応じた、燃料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燃料噴射装置は、燃料通路を経由して噴射される燃料の方向を変更する燃料噴射装置において、前記燃料通路を構成する通路部材の燃料噴射側を角度変更可能に支持する支持部材で支持し、前記通路部材の燃料供給側を直接又は間接に支持する旋回部材と、該旋回部材を回動させるアクチュエータとを備え、該アクチュエータの駆動により前記旋回部材を回動させて、前記通路部材の燃料供給側を移動させることで、前記通路部材の方向を変化させて、燃料の噴射方向を変更するように構成される。
【００２３】
この構成によれば、燃料の状態に左右されることなく、燃料の噴射方向を連続的及び／又は段階的に変化させることができ、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。
【００２４】
また、上記の燃料噴射装置において、前記アクチュエータを圧電素子を含んで形成し、前記アクチュエータの制御装置を前記圧電素子に対して電圧を印加する電圧制御装置で形成すると共に、前記アクチュエータの直線方向の移動を前記旋回部材の回転方向の移動に変換する旋回発生機構を設けて構成すると、この構成では、圧電素子を用いて燃料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、燃料の噴射方向の細かい制御が可能となる。また、この燃料噴射装置の燃料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】
また、上記の燃料噴射装置において、複数の通路部材をまとめて一つの旋回部材で支持すると、一つのアクチュエータの制御で、複数の通路部材を傾斜させることができる。また、複数の通路部材をそれぞれに対応する旋回部材で支持する場合でも、このそれぞれの旋回部材に一つのアクチュエータで変位を与えるように構成すると、アクチュエータの数を一つに減少でき、燃料噴射方向変更機構の構造も制御も単純化する。
【００２６】
また、上記の燃料噴射装置において、前記支持部材を弾性変形可能な部材で前記通路部材の燃料噴射側を支持するように形成すると共に、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、通路部材の燃料噴射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燃料噴射側を気密構造にすることができる。
【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、燃料の噴射方向を連続的及び／又は段階的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、燃料の噴射方向を変化させる制御を行うことができる。これにより、燃料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。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】
本発明に係る燃料噴射方向の変更方法によれば、燃料通路の外部に設けたアクチュエータの駆動により旋回部材を回動させることで、燃料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、燃料噴射方向を変更及び制御することができる。その上、燃料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によれば、燃料噴射の方向に関して細かい制御が可能であるので、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。
【００３１】
また、本発明に係る内燃機関は、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】
【００３２】
【図１】本発明の実施の形態の燃料噴射装置の構成を示す部分側断面図である。
【図２】ノズルの構成を示す側断面図である。
【図３】図２のノズルの構成を示す斜視図である。
【図４】旋回部材とノズルの関係を示す模式的な斜視図である。
【図５】アクチュエータと旋回部材と旋回発生機構の構成を示す模式的な斜視図である。
【図６】アクチュエータの駆動と旋回部材の旋回との関係を示す模式的な斜視図である。
【図７】アクチュエータの駆動と旋回部材の旋回との関係を示す模式的な側面図である。
【図８】燃料噴射方向を連続的に変化させた場合の燃料噴霧の形状の変化を示す模式的な図であり、噴射開始の状態を示す図である。
【図９】燃料噴射方向を連続的に変化させた場合の燃料噴霧の形状の変化を示す模式的な図であり、噴射途中の状態を示す図である。
【図１０】燃料噴射方向を連続的に変化させた場合の燃料噴霧の形状の変化を示す模式的な図であり、噴射終了の状態を示す図である。
【図１１】燃料噴射方向を連続的に変化させた場合の燃焼室内の燃料噴霧の形状を示す模式的な図である。
【図１２】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１３】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１４】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１５】従来技術における、図１４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１６】従来技術における、図１４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１７】シリンダ内における燃料噴射の様子を模式的に示す斜視図である。
【図１８】シリンダ内における燃料噴射で噴射領域が重なる様子を模式的に示す図である。
【図１９】シリンダ内における燃料噴射で噴霧が燃焼室の壁面に衝突した後に発生する燃料過濃領域の様子を模式的に示す斜視図である。
【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】
【００３３】
以下、本発明に係る実施の形態の燃料噴射方向の変更方法、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。
【００３４】
最初に、燃料噴射装置と燃料噴射方向の変更方法について説明する。図１に示すように、この実施の形態における燃料噴射装置（インジェクタ）２０は、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１の最上部に示してある。燃料供給装置２０は、装置の最小構成単位を形成するため、燃料噴射方向変更機構１、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、ノズル拘束部材２５等を有して構成される。また、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。
【００３５】
そして、燃料噴射方向変更機構１は、図１に示すように、ノズル１０、旋回部材１３、圧電素子を有して形成されるアクチュエータ１４、旋回発生機構１５等で構成され、ノズル１０は、図２及び図３に示すように、燃料通路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。
【００３６】
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。この弾性変形部１２ｂは凹凸面を有する波打ち構造で構成するが、特に、耐熱性を考慮する必要があるため、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（燃料供給側）に回り込まないようにする必要があるため、図２及び図３に示すような波打ち構造の金属板で構成する。さらに、波打ち構造によって変形ができるようにしている。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、燃料通路１１ａを構成する通路部材１１の燃料噴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】
旋回部材１３は、図４に示すように、円盤部１３ａと円盤部１３ａの中心に設けられた燃料通路１３ｂとノズル１０の通路部材１１が挿入される凹部１３ｃと燃料通路１３ｂと通路部材１１の燃料通路１１ａとに連通する分岐燃料通路１３ｄを有して構成される。
【００３８】
ノズル１０のスカート部１２ａが噴射装置躯体２３に固定して、燃料通路１１ａを構成する通路部材１１の燃料噴射側を角度変更可能に支持する支持部材１２で支持する。一方、通路部材１１の燃料供給側を旋回部材１３の凹部１３ｃに挿入して、この旋回部材１３で通路部材１１を支持する。
【００３９】
この旋回部材１３を旋回発生機構１５により回動させるアクチュエータ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。このアクチュエータ１４は、図１に示すように、ノズル拘束部材２５によって押えられている。
【００４０】
また、旋回発生機構１５は、図５に示すように、固定円板１５ａと弾性部材１５ｂとから構成され、この弾性部材１５ｂは、図面の下側が固定円板１５ａの上面側に同心円状に固定され、かつ、図面の上側が旋回部材１３の円盤部１３ａの下面側に固定された、太めの曲り部分を有する針金や金属棒等で形成され、図面の上から押されると円盤部１３ａの円周方向に倒れ込み、この倒れ込みにより、旋回部材１３を回動させ、また、図面の上から押される力が解除されると、弾性部材１５ｂはその付勢力(弾性復元力）により、円盤部１３ａを押し上げると共に円盤部１３ａの円周方向の倒れ込みから元に戻り、この倒れ込みからの復帰により、旋回部材１３を逆方向に回動させるように構成される。
【００４１】
なお、この構成では、旋回部材１３の円盤部１３ａの上面とアクチュエータ１４の下面１４ａとが接触しながら旋回部材１３が回動するので、このアクチュエータ１４の下面１４ａをテフロン（登録商標）加工などにより滑りやすい面に形成しておくことが好ましい。
【００４２】
この旋回発生機構１５は、必ずしも図５〜図７に示すような構成である必要はなく、アクチュエータ１４の変形により受けた直線方向の変位を、旋回方向に変換できればよい。また、複数の通路部材１１をまとめて一つの旋回部材１３で支持すると、一つのアクチュエータ１４の制御で、複数の通路部材１１を傾斜させることができる。また、複数の通路部材１１をそれぞれに対応する旋回部材１３で支持する場合でも、このそれぞれの旋回部材１３を一つのアクチュエータ１４で回動させるように構成すると、アクチュエータ１４の数を一つに減少でき、燃料噴射方向変更機構１の構造も制御も単純化する。
【００４３】
上記の燃料噴射方向変更機構１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て、この実施の形態の燃料噴射装置２０とする。この燃料噴射方向変更機構１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。
【００４４】
上記の構成により、燃料通路１１ａを経由して噴射される燃料Ｆの方向を変更する燃料噴射装置２０が、燃料通路１１ａを構成する通路部材１１の燃料噴射側を角度変更可能に支持する支持部材１２で支持し、通路部材１１の燃料供給側を直接（又は間接）に支持する旋回部材１３と、この旋回部材１３を回動させるアクチュエータ１４とを備え、このアクチュエータ１４の駆動により旋回部材１３を回動させて、通路部材１１の燃料供給側を移動させることで、通路部材１１の方向を変化させて、燃料Ｆの噴射方向を変更するように構成される。
【００４５】
次に、上記の燃料噴射装置２０における燃料噴射方向の変更方法について説明する。制御装置によりアクチュエータ１４の圧電素子に電圧が印加され、アクチュエータ１４が駆動されると、図６及び図７の各右側の図に示すように、アクチュエータ１４が膨張して、旋回部材１３を介して、旋回発生機構１５の弾性部材１５ｂを押す。この弾性部材１５ｂは、図面の下側が固定円板１５ａに固定された太めの針金等で形成され、図面の上から押されると円盤部１３ａの円周方向に倒れ込み、この倒れ込みにより、旋回部材１３を回動させる。
【００４６】
また、制御装置によりアクチュエータ１４の圧電素子への電圧の印加が停止され、アクチュエータ１４の駆動が停止されると、図６及び図７の各左側の図に示すように、アクチュエータ１４が収縮して、旋回部材１３を介して旋回発生機構１５の弾性部材１５ｂを押す力が解除される。この押圧力の解除により、弾性部材１５ｂはその付勢力（弾性復元力）により、円盤部１３ａを押し上げると共に円盤部１３ａの円周方向の倒れ込みから元に戻り、この倒れ込みからの復帰により、旋回部材１３を逆方向に回動させる。
【００４７】
これらの旋回部材１３の回動により、図４に示すように、旋回部材１３の凹部１３ｃに挿入された通路部材１１の燃料供給側の位置が旋回方向に移動し、通路部材１１の角度が傾斜し、燃料の噴射方向が変更される。つまり、アクチュエータ１４の直線方向の移動を、旋回発生機構１５により旋回部材１３の回転方向の移動に変換して、アクチュエータ１４の駆動により旋回部材１３を回動させて通路部材１１の燃料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、燃料の噴射方向を変更する。
【００４８】
次に、図１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に設けた燃料通路１１ａから、噴射口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の燃料通路１１ａは元の状態にある。一方、アクチュエータ１４の圧電素子に電圧が印加された状態では、アクチュエータ１４の圧電素子の変形によって、ノズル１０の燃料通路１１ａの向きが変わり、それにより、ノズル１０の旋回方向の燃料噴射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旋回部材１３を介して旋回発生機構１５を押圧することにより、旋回部材１３が回動するので、通路部材１１及び燃料通路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。
【００４９】
上記の構成の燃料噴射装置２０及び燃料噴射方向の変更方法によれば、燃料通路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、燃料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、燃料Ｆの噴射方向を変化及び制御することができる。更に、圧電素子を用いて燃料Ｆ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、燃料Ｆの噴射方向の細かい制御が可能となる。これにより、噴射された燃料Ｆ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。
【００５０】
その上、燃料噴射方向変更機構１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。
【００５１】
また、支持部材１２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の燃料噴射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。
【００５２】
次に、本発明に係る実施の形態の内燃機関について説明する。この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。
【００５３】
この内燃機関では、図８から図１０に示すように、燃料Ｆの噴射方向を燃料噴射の継続中に連続的に変化させることにより、図１１に示すような燃料Ｆの噴霧状態を作り出すことができるようになる。つまり、燃料噴射中にノズル１０の噴射方向が変わると、燃料噴霧の重なりが小さくなるため、燃焼室４３内での燃料噴霧の重なりが少なくなり、燃焼室４３内での噴霧衝突によって燃料過濃領域が形成されないような、燃料の空間的配置を目指すことができるようになる。
【００５４】
また、この内燃機関では、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１２に示すようなエンジンの負荷状態が軽負荷の場合や、図１３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。
【００５５】
また、この燃料噴射装置２０を備えた内燃機関は、燃料Ｆ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。
【００５６】
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。
【００５７】
そして、上記の燃料噴射方向の変更方法及び燃料噴射装置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。
【００５８】
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。
【００５９】
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】
【００６０】
本発明の燃料噴射方向の変更方法によれば、燃料通路の外部に設けたアクチュエータの駆動により容易に、燃料の状態に左右されること無く、正確に、かつ、連続的及び／又は段階的に燃料の噴射方向を変化及び制御することができ、その上、燃料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、多くの燃料噴射装置の燃料噴射方向の変更方法に利用できる。
【００６１】
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。
【００６２】
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】
【００６３】
１  燃料噴射方向変更機構
１０  ノズル
１１  通路部材
１１ａ  燃料通路
１１ｂ  噴射口
１２  支持部材
１２ａ  スカート部
１２ｂ  弾性変形部
１３  旋回部材
１３ａ  円盤部
１３ｂ  燃料通路
１３ｃ  凹部
１３ｄ  分岐燃料通路
１４  アクチュエータ
１５  旋回発生機構
１５ａ  固定円板
１５ｂ  弾性部材
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
２５  ノズル拘束部材
Ｆ  燃料
【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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