(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料噴射弁から吸入空気の流れる分岐通路に噴射した燃料噴霧を微粒化し、該分岐通路の一部を構成し、微粒化された燃料噴霧を吸気集合管に連通する連通管に向けて偏向する噴霧偏向部を備えた燃料噴射装置において、
前記分岐通路に、第一のヒータ温度を設定したヒータで構成した燃料噴霧気化促進部を設け、前記噴霧偏向部に、第一のヒータ温度よりも高い第二の温度の表面温度を設定した伝熱部と発熱体とで構成した燃料噴霧粒径保持装置を設置し、気化促進された燃料噴霧について粒径保持をするようにしたこと
を特徴とする燃料噴射装置。
【請求項２】
請求項１において、前記伝熱部は、前記燃料噴霧気化促進部で燃料噴霧気化促進された燃料の液滴が衝突する部分に配設されることを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項３】
燃料噴射弁から吸入空気の流れる分岐通路に噴射した燃料噴霧を微粒化し、該分岐通路の一部を構成し、微粒化された燃料噴霧を吸気集合管に連通する連通管に向けて偏向する噴霧偏向部を備えた燃料噴射装置において、
前記分岐通路に、ヒータで構成した燃料噴霧気化促進部を設け、前記噴霧偏向部に、撥水部で構成した燃料噴霧粒径保持装置を設置し、気化促進された燃料噴霧について粒径保持をするようにしたこと
を特徴とする燃料噴射装置。
【請求項４】
請求項３において、前記撥水部は、前記燃料噴霧気化促進部で燃料噴霧気化促進された燃料の液滴が衝突する部分に配設されることを特徴とする燃料噴射装置。
【請求項５】
燃料噴射弁から吸入空気の流れる分岐通路に噴射した燃料噴霧を微粒化し、該微粒化された燃料噴霧を吸気集合管および吸気マニホールドを介して吸気弁に搬送、供給を行う噴霧燃料供給方法において、
前記分岐通路に設けたヒータによって前記微粒化された燃料噴霧を１２０〜１８０℃に加熱して燃料噴霧気化促進し、該気化促進した噴霧について吸気集合管に連通する連通管に向けて燃料噴霧を偏向する噴霧偏向部に設置した発熱体から伝熱される伝熱部の表面温度を１８０℃以上、液体燃料の発火点以下として噴霧燃料と前記噴霧偏向部に設けた該伝熱部に衝突、偏向させ、保持された燃料噴霧粒径の状態で燃焼室弁に搬送、供給を行うこと
を特徴とする噴霧燃料供給方法。
【請求項６】
燃料噴射弁から吸入空気の流れる分岐通路に噴射した燃料噴霧を微粒化し、該微粒化された燃料噴霧を吸気集合管および吸気マニホールドを介して吸気弁に搬送、供給を行う噴霧燃料供給方法において、
前記分岐通路に設けたヒータによって前記微粒化された燃料噴霧を１２０〜１８０℃に加熱して燃料噴霧気化促進し、該気化促進した噴霧について吸気集合管に連通する連通管に向けて燃料噴霧を偏向する噴霧偏向部に設置した撥水部に噴霧燃料を衝突、偏向させ、保持された燃料噴霧粒径の状態で燃焼室弁に搬送、供給を行うこと
を特徴とする噴霧燃料供給方法。
【請求項７】
燃焼室に点火プラグと、混合空気を取り入れる吸気弁と排気を行う排気弁と、吸入空気の流量を制御するスロットルバルブと燃料微粒化装置および噴霧偏向部を有する燃料噴射装置とを連通させる連通管と、混合空気を各気筒に分岐する吸気マニホールドと、および内燃機関の状態を検出する各種センサの信号から燃料信号を演算し、燃料噴射量および燃料噴射時期を制御する燃料噴射制御装置とを備えた内燃機関において、
前記燃料噴射制御装置は、請求項１から４のいずれかに記載した燃料噴射装置を備え、点火時期のリタード制御を行うこと
を特徴とする内燃機関。
【請求項８】
請求項７において、
前記燃料噴射制御装置は、点火時期をリタードして高温の燃焼ガスを排出することによってＨＣを低減する触媒の活性化温度制御を行うことを特徴とする内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車内燃機関の燃料噴射装置およびこれを搭載した内燃機関に関するものであって、内燃機関の始動性の向上を図るとともに、内燃機関より排出される有害物質、特にＨＣの低減を図るのに好適な技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関の始動性向上、燃費向上および排気浄化、特にＨＣ低減の手段として、燃料噴射弁（インジェクタ）から噴射する燃料噴霧を微粒化し、かつ気化することにより、吸気管内壁面への付着を低減することが有効である。さらに、燃料を微粒化し、かつ気化して供給することにより燃焼室内の燃焼の安定が図られる。
【０００３】
内燃機関に微粒化し、かつ気化した燃料噴霧を供給するために、主として内燃機関の始動時などに補助的に使用される燃料噴射弁（インジェクタ）を設けることが知られている。USP5、894、832号公報には、コールドスタートフューエルインジェクタと、ヒータと、アイドルスピードコントロールバルブ（以下ＩＳＣバルブという）とを備えたコールドスタートフューエルコントロールシステムが記載されている。
【０００４】
このシステムでは、内燃機関のＩＳＣバルブ下流に配設した燃料噴射弁より噴射された噴霧とＩＳＣバルブを通過した吸入空気に旋回を加えることで混合促進を図るとともに、混合促進された混合気を燃料噴射弁下流に配設されたヒータに衝突させることにより加熱気化し、燃料の吸気管内壁面付着の低減が図られる。これらにより、自動車用内燃機関の始動性向上、燃費向上および排気浄化の改善が図られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来システムでは、燃料噴霧を燃料噴射弁下流に配設されたヒータに衝突させ、ヒータの発熱により噴霧の気化促進を図っている。よって、燃料が噴射される間、ヒータの内壁面に常に燃料噴霧が接触することになる。また、噴射される全燃料を気化促進するため、燃料噴霧の気化に用いられるヒータの負担は大きくなり、消費される電力も大きくなる。
【０００６】
本発明の目的は、ヒータに使用される電気的エネルギーを小さくすることにある。また、消費される電気的エネルギーを低減することにより、ヒータの信頼性および耐久性の向上を図ることにある。さらに、低温始動時に噴霧の微粒化および気化促進を図り、燃料の吸気管内壁面付着を低減し、自動車用内燃機関の始動性向上、燃費向上および排気浄化促進が実現できるコンパクトで低コストな自動車用内燃機関の燃料噴射装置およびこれを搭載した内燃機関を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、燃料噴射弁下流に配設された噴霧偏向部に発熱体と伝熱部とで構成、あるいは撥水処理した構成になる燃料噴霧粒径保持装置を設けた。更に、本発明は、主として始動時などに補助的に使用される燃料噴射弁下流側に配設された噴霧偏向部の一部もしくは全部を１８０℃以上であり、液体燃料の発火点以下とするとともに、噴霧偏向部の伝熱面表面の形状にて、噴霧粒径を損なわずに噴霧を偏向することを可能とした。これにより、燃料を全量気化する方式を採用することなく、吸気管内壁面への燃料噴霧の付着を抑制でき、効率よく燃焼室内へ燃料を供給でき、ヒータに使用される電気的エネルギーの低減および信頼性と耐久性の向上を図る。さらにリタードして排気浄化促進が実現できる自動車用内燃機関を実現する。
【０００８】
本発明は、燃料噴射弁から吸入空気の流れる分岐通路に燃料噴霧を噴射し、該分岐通路の一部を構成し、噴射された燃料噴霧を吸気集合管に連通する連通管に向けて偏向する噴霧偏向部を備えた燃料噴射装置において、該噴霧偏向部に、燃料噴霧粒径保持装置を設置した燃料噴射装置を提供する。
【０００９】
前記燃料噴霧粒径保持装置は、発熱体および伝熱体で構成、もしくは撥水部で構成することができる。
【００１０】
また、本発明は、燃料噴射弁から吸入空気の流れる分岐通路に燃料噴霧を噴射し、噴射された燃料噴霧を吸気集合管および吸気マニホールドを介して吸気弁に搬送、供給を行う噴霧燃料供給方法において、吸気集合管に連通する連通管に向けて燃料噴霧を偏向する噴霧偏向部に設置した発熱体の表面温度を１８０℃以上、液体燃料の発火点以下として噴霧燃料と前記噴霧偏向部に設けた伝熱部に衝突、偏向させ、保持された燃料噴霧粒径の状態で吸気弁に搬送、供給を行う噴霧燃料供給方法を提供する。
【００１１】
本発明は、燃料噴射弁から吸入空気の流れる分岐通路に燃料噴霧を噴射し、噴射された燃料噴霧を吸気集合管および吸気マニホールドを介して吸気弁に搬送、供給を行う噴霧燃料供給方法において、吸気集合管に連通する連通管に向けて燃料噴霧を偏向する噴霧偏向部に設置した燃料噴霧粒径保持装置に噴霧燃料を衝突、偏向させ、保持された燃料噴霧粒径の状態で吸気弁に搬送、供給を行う噴霧燃料供給方法を提供する。
【００１２】
本発明は、燃焼室に点火プラグと、混合空気を取り入れる吸気弁と排気を行う排気弁と、吸入空気の流量を電気的に制御する電気制御スロットルバルブと燃料微粒化装置および噴霧偏向部を有する燃料噴射装置とを連通させる連通管と、混合空気を各気筒に分岐する吸気マニホールドと、および内燃機関の状態を検出する各種センサの信号から燃料信号を演算し、燃料噴射量および燃料噴射時期を制御する燃料噴射制御装置とを備えた内燃機関において、前記燃料噴射制御装置は、燃料噴霧粒径および噴霧偏向部に設けた発熱部の温度に基づいて、点火時期のリタードを行う内燃機関を提供する。
【００１３】
点火時期をリタードして高温の燃焼ガスを排出することによってＨＣを低減する触媒を暖機することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例について、図１乃至図９を用いて説明する。
【００１５】
図１において、内燃機関１はガソリンを燃料とする周知の点火式内燃機関であるが、１つの気筒のみに着目し図示している。
内燃機関１は、燃焼室２に点火プラグ３を配置し、混合空気６３を取り入れる吸気弁４と燃焼後の排気を行う排気弁５を備えている。燃焼室２の側部には、エンジン冷却水６の温度を検知する水温センサ７とエンジンの回転数を検知する回転センサ（図示省略）を備え、運転状態を検知している。
【００１６】
燃焼室２に吸気を行う吸気系は、エアクリーナ（図示省略）を通過して吸入される吸入空気８の計測をするエアフローセンサ９と、運転者のアクセルペダル操作もしくは、内燃機関１の運転状態に連動して回動する回転軸１７に取り付けられて開閉し、吸入空気３８の流量を電気的に制御する電子制御スロットルバルブ１０及びスロットルポジショニングセンサ１１と、吸気集合管１２と、電子制御スロットルバルブ１０と吸気集合管１２と後述する燃料噴射装置１００とを連通させる連通管３４と、吸気集合管１２から内燃機関１の各気筒に分岐する吸気マニホールド１３と、吸気弁４を備えた吸気ポート１４等を備える。
【００１７】
エアフローセンサ９およびスロットルポジショニングセンサ１１で計測した吸入空気８の流量、およびスロットルバルブ１０のバルブ部１５の開度情報は、コントローラ１６に入力し、内燃機関１の運転状態の検出や種々の制御に使用する。
【００１８】
燃料噴射装置は、第１の燃料噴射弁１８と第２の燃料噴射弁１９と、で構成される。第１の燃料噴射弁１８は、吸気集合管１２の下流で各気筒の吸気弁４に向けて噴射するように吸気ポート１４に取り付けられている。
【００１９】
第２の燃料噴射弁１９は、燃料噴射装置１００に取り付けられている。電子制御スロットルバルブ１０の下流側には、連通管３４（主吸気管）に開口した分岐通路２０（副吸気管）が設けられており、燃料噴射弁１９より噴射された燃料噴霧８３は、分岐通路２０を通過し、吸気集合管１２（図２）に導入される。
【００２０】
燃料系は、燃料２１を貯える燃料タンク２２と、燃料タンク２２から燃料２１を圧送する燃料ポンプ２３と、燃料フィルタ２４と、圧送された燃料２１の圧力を所定の圧力に調整するプレッシャレギュレータ２５と、各気筒の吸気ポート１４に燃料を噴射する第１の燃料噴射弁１８と、スロットルバルブ部１５下流に燃料２１を供給する第２の燃料噴射弁１９を備え、これらは、燃料配管２６で接続されている。
【００２１】
排気系は、各気筒の排気弁５を備える排気ポート２７と、排気マニホールド２８と、排気中の酸素濃度を計測する酸素濃度センサ２９と、排気を浄化するための三元触媒コンバータ３０と、消音マフラー（図示省略）等を備える。酸素濃度センサ２９で計測した酸素濃度情報は、コントローラ１６に入力して内燃機関１の運転状態の検出や種々の制御に使用する。三元触媒コンバータ３０は、理論空燃比付近で運転される内燃機関１から排気されるＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣを同時に高い浄化率で浄化するものである。
【００２２】
燃料噴射装置１００は、電子制御スロットルバルブ１０と吸気集合管１２の間に配設された連通管３４に開口された分岐通路２０に接続されている。また、エアフローセンサ９で計量された吸入空気８を、燃料噴射装置１００へ導入するために、電子制御スロットルバルブ１０の上流から下流へバイパスするように、吸気管３１から分岐されたバイパス通路３２が形成されている。バイパス通路３２は、第２の燃料噴射弁１９から噴射された燃料噴霧を搬送および微粒化促進するため吸入空気８の一部である吸入空気３６を通過させる空気通路である。
【００２３】
上記構成において、燃焼室２では、燃料噴射弁１８、１９により噴射された燃料噴霧と吸入空気８の混合気が吸入される。吸入された混合気は、圧縮され、点火プラグ３で着火され、燃焼が行われる。内燃機関１から排出される排気３３は排気系から大気中に放出される。
【００２４】
吸入空気流れは、内燃機関１の運転に伴い、吸入空気８としてエアフローセンサ９を通過することにより計量される。ここで、吸入空気量は、電子制御スロットルバルブ１０により制御される。前記のごとく、吸入空気８の一部は、バイパス通路３２内を通過する吸入空気３６として供給されたのち、燃料噴射装置１００内を通過し、燃料噴霧８３と吸入空気３６の混合気３７として、スロットルバルブ１０下流の分岐通路２０を介して連通管３４に供給される。また、電子制御スロットルバルブ１０を介して、燃料噴射装置１００に供給される吸入空気３６とは異なる吸入空気３８が電子制御スロットルバルブ１０下流へ供給される。ここで、吸入空気３８と混合気３７は、連通管３４内で合流・混合されながら、混合気６３として吸気集合管１２、所定の吸気マニホールド１３、吸気ポート１４を介して燃焼室２へ供給される。
【００２５】
図２は、図１中の電子制御スロットルバルブ１０、燃料噴射装置１００、吸気マニホールド系５２（吸気集合管１２、吸気マニホールド１３、吸気ポート１４等で構成された）、およびそれらを連通する連通管３４で構成された吸気系部の外観斜視図である。第１の燃料噴射弁取付部３５に第１の燃料噴射弁１８が設置固定される。図中では、燃料噴射弁１８を省略している。
【００２６】
図３は、燃料噴射装置１００の外観斜視図を示す。燃料噴射装置１００の構成は、ボディ４３とヒータボディ５２にて構成され、ボディ４３には、主に第２の燃料噴射弁１９と、吸入空気導入管３２ａが配設されている。吸入空気導入管３２ａには、バイパス通路３２が連通しており、吸入空気３６が流入する。そして、燃料噴射弁１９には、燃料タンク２２より燃料ポンプ２３にて圧送され、燃料配管２６を介して燃料２１が供給される。ヒータボディ５２には、後述するヒータが内蔵されており、そのヒータへ通電するためのプラス電極の電極端子６５が配設され、マイナス電極部６６は、燃料２１と吸入空気３６の混合気３７の出口部に配設されている。ヒータボディ５２内にて微粒化および気化された燃料は、白抜き矢印で示す混合気３７として、燃料噴射装置１００外へと供給される。
【００２７】
図４は、図３に示す燃料噴射装置１００の縦断面図である。なお、分かりやすくするために燃料噴射弁１９は、外観形状を図示している。
図中の燃料噴射装置１００のヒータボディ５２内の副通路７６開口部であるマイナス電極部６６が分流部３４に開口された分岐通路２０に取り付けられている。ヒータボディ５２内部には、副通路７６が形成されている。また、副通路７６は、燃料噴霧気化促進部と燃料噴霧偏向部が形成されている（詳細は後述）。燃料噴霧偏向部である伝熱面５１で燃料噴射弁１９より噴射される燃料噴霧噴射方向Ａ方向（白抜き矢印）をＢ方向（白抜き矢印）に偏向するためにＡ方向に対して、所定の偏向角度を持つように形成されている。
【００２８】
副通路７６の外周には、板状のヒータ４８、５０が配置されている。本ヒータは、上下の平面部が電極となっているセラミックヒータである。このヒータの上下の電極に電流を印加することにより、発熱を行うものである。さらに、発熱体であるヒータ４８、５０は、温度が所定値以上になると、電気抵抗が急増して、電流が低下し、温度を一定に保持することのできるＰＴＣ（Positive Temperature Coefficient Thermistor）ヒータを用いている。
【００２９】
ヒータ４８、５０であるＰＴＣヒータは、マイナス電極となる副通路７６の壁面と、プラス電極板７７に接触するように固定されている。プラス電極板７７は、断熱部材７８に保持され、電極部４７を介し、ヒータボディ５２の外側に配設されたプラス電極端子６５に接続されている。導電性のある副通路７６壁面はマイナス電極部６６と圧入固定されている。よって、プラス電極端子６５とマイナス電極部６６に通電することによりＰＴＣヒータ４８、５０が発熱し副通路７６壁面を加熱する構造である。なお、燃料噴射弁１９の噴射孔７３側に配設されるヒータ４８は、燃料噴霧気化促進部を構成しており、周方向にヒータ列群が配置している。本ヒータ４８の表面には、副通路７６の一部である伝熱部（伝熱面）４９が設けられており、その伝熱部４９の表面温度を１２０〜１８０℃とするためにヒータ４８温度を設定している。また、燃料噴射弁１９より噴射される燃料噴霧８３噴射方向に下流側の位置に配設されている燃料噴霧８３の噴射方向偏向部である伝熱部５１の表面温度が１８０℃以上であり、燃料噴霧８３の発火点以下とするようにヒータ５０温度を設定している。
【００３０】
副通路７６はＯリング９０等により内部通路からシールされている。
【００３１】
ボディ４３には、ヒータボディ５２と同軸上に配置された第２の燃料噴射弁１９を有し、燃料噴射弁１９は、空気導入孔７４を持つケース４２に圧入固定されたエアアトマイザ４４と、Ｏリング４１でボディ３４に内部通路をシールするように位置決めされ、燃料パイプ３９と燃料パイプオサエ３９ａでボディ４３に固定されている。燃料通路９５は燃料パイプ３９と燃料噴射弁１９の間にＯリング４０を配置しシールされている。
【００３２】
このように、燃料噴射装置１００には、前記燃料噴射弁１９より噴射された燃料噴霧の粒径を損なわずに噴霧を偏向する機能をもたせるために噴霧偏向部７１に発熱体であるヒータ５０と伝熱部５１を設けている。発熱体と伝熱部は燃料噴霧粒径保持装置を構成する。
【００３３】
図５は燃料噴霧粒径保持装置１０３の一例を示し、この場合、図４のＣ−Ｃ方向の一部形状を示す。図４および図５において、燃料噴霧粒径保持装置１０３は、分岐通路２０の一部を構成し、吸気集合管１２に連通する連通管３４に向けて噴霧を偏向する噴霧偏向部６０に設けられ、ヒータボディ５２内でヒータ５０である発熱体と伝熱部５１によって構成される。
【００３４】
本実施の形態では、電子制御スロットルバルブ１０のバルブ部１５の上流と下流では圧力差が生じており、このため、電子制御スロットルバルブ１０のバルブ部１５の開度に応じて、電子制御スロットルバルブ１０をバイパスする空気通路３２に空気が流れる。また、バイパス通路３２は、燃料噴射装置１００の吸入空気導入管３２ａに連通している。
【００３５】
燃料噴射装置１００の燃料噴射弁１９から噴射された燃料噴霧８３に、微粒化空気３６ｂを燃料噴射弁１９先端とエアアトマイザ４４で形成された通路により、燃料噴射弁１９より噴射された噴霧に衝突させ、燃料噴霧８３の微粒化および噴霧角度を調整して混合室７９に噴射している。そして、吸入空気導入管３２ａを介して取り入れられた吸入空気３６の一部である搬送空気３６ａを、ボディ４３内周部とケース４２外周部およびエアアトマイザ４４の先端部外周部で形成された通路を通過する搬送空気３６ａとして微粒化空気３６ｂで微粒化を促進させた噴霧８３外周より供給して、加熱された副通路７６内面の伝熱部４９、５１に沿って噴霧８３を搬送する。よって、燃料噴霧８３を微粒化および気化促進するとともに、噴霧８３を搬送することにより、噴霧噴射方向を噴霧粒径を保持しつつ偏向するように設計されている。
【００３６】
図６は、本実施例に用いた燃料噴射弁１９から噴射される噴霧に吸入空気８の一部である微粒化空気３６ｂを衝突させて微粒化を促進した噴霧粒径分布（噴霧Ａ）と、吸入空気８の一部を用いた微粒化を促進しない場合の噴霧粒径分布（噴霧Ｂ）を示す図である。ここで、噴霧ＡとＢのどちらの噴霧も燃料噴射弁１９の噴孔の上流側で燃料に旋回を加えて微粒化を促進する上流旋回式燃料噴射弁から噴射される燃料噴霧をベースとしている。
【００３７】
噴霧Ａに示す吸入空気の一部である微粒化空気３６ｂを用いて燃料噴霧を微粒化する手段を用いることにより、燃料噴霧の粒径を大幅に小さくすることが可能となる。噴霧Ｂは、本実施例を用いた燃料噴射弁１９の噴孔の上流側で燃料に旋回を加えることによりコーン状の噴霧を形成した場合の噴霧粒径分布であり、平均粒径でおよそ６０μｍ程度の噴霧を実現している。しかし、粒径分布より明らかなごとく、２０μｍ以上の粒径で噴霧Ｂは構成されていることがわかる。これに対して、噴霧Ａは、前記噴霧Ｂに吸入空気の一部である微粒化空気３６Ｂを用いることにより微粒化が促進されて、ザウタ平均粒径でおよそ１０μｍ程度の噴霧を実現している。この噴霧の粒径分布をみるとそのほとんどが２０μｍ以下の噴霧粒径で構成されていることがわかる。
【００３８】
ここで、ＳＡＥ９９０１０７９２「An Internally Heated Tip Injector to Reduce HC Emissions During Cold-Start」に記載のごとく噴霧の粒径が２０μｍ程度であれば、吸気管内流動に乗って噴霧が燃焼室へ搬送されると言われている。噴霧Ａでは、粒径分布より明らかなように、そのほとんどが２０μｍ以下であり、燃焼室２へ搬送することが可能であると言える。よって、噴霧Ａは充分に吸気管内壁面に噴霧の付着が生じさせないことが可能となる。吸気管内流動に乗らないごくわずかの粒径２０μｍ以上の噴霧は、副通路７６内を通過させ、または伝熱部４９に衝突させることによりさらなる微粒化および気化促進を図り、吸気管内壁面への燃料噴霧の付着を低減する。
【００３９】
しかし、噴霧粒径が２０μｍ以下の噴霧であっても、噴霧液滴のもつ速度成分が吸入空気のもつ速度成分より大きければ、噴霧液滴は吸入空気流れに乗って噴霧が燃焼室へ搬送されない。すなわち、燃料噴射弁１９より噴射された噴霧に吸入空気の一部である微粒化空気３６ｂを衝突させ噴霧の平均粒径を１０μｍとし、噴霧中の粒径を２０μｍ以下とした前記噴霧Ａを実現したとしても、搬送空気３６ａの流れに乗る流れでない場合、燃料噴霧は吸気管内壁面に衝突し吸気管内壁面状で液流を生じさせる。図４の場合では、吸入空気流れの一部である搬送空気３６ａ流れに沿わない噴霧は、微粒化空気３６ｂにより微粒化された燃料噴霧８３の噴射方向下流側に配設された燃料噴霧噴射方向偏向を行う噴霧偏向部６０を構成する伝熱部５１（図５）に衝突することになる。伝熱部５１に衝突した燃料噴霧は、ライデンフロスト効果（詳細は後述）により、燃料液滴がはじかれるために、噴霧８３の粒径を損なわずに噴霧噴射方向を偏向することが可能となる仕様となっている。偏向された噴霧８３は連通管３４に流れる。
【００４０】
図７は、燃料噴射装置１００内に配設された伝熱部表面温度と気化時間の関係を噴霧の平均粒径で整理した図である。図示のごとく燃料噴霧の平均粒径が小さくなるほど気化時間が短くなることがわかる。また、伝熱部表面温度が１４０℃以上になると気化時間が平均粒径の影響をほとんど受けなくなることがわかる。さらに、伝熱部表面温度がおよそ１４０℃から１８０℃の間をＡ領域と定義する。この領域では、燃料噴霧の一部が伝熱部表面に付着しのち気化するものと、気化せずにそのまま伝熱部表面に衝突後飛散する噴霧が存在する領域である。Ａ領域の範囲では、伝熱部表面温度が高いほど、燃料噴霧の伝熱部表面での噴霧の飛散する割合が増えてくる傾向にある。さらに、温度を上げて伝熱部表面温度が１８０℃以上をＢ領域と定義する。このＢ領域では、燃料噴霧のほとんどが伝熱部表面に付着することなく飛散する。すなわち、伝熱部表面では、燃料噴霧の気化促進が効果的に行われず噴霧が伝熱部表面で粒径を保持したまま飛散する（はじかれる）傾向にある。
【００４１】
この現象は、ライデンフロスト現象とよばれ、燃料液滴の蒸発速度と加熱面温度の関係として特開平９−８８７４０号に触れられている。すなわち、伝熱部表面の温度が比較的低いうちは、燃料噴霧の液滴表面から気化が進行し、温度が上昇して、燃料の飽和温度を超えるとともに液滴中に気泡が発生しはじめ、さらに温度が上昇すると、その気泡の数が多くなりいわゆる核沸騰状態となり蒸発速度が極めて速くなる。そして、燃料の蒸発速度は最大蒸発点と呼ばれる温度で最大に達する。この核沸騰状態より加熱面温度が高くなると、大きくなった気泡により加熱面と液滴の接触面積が減少して、加熱面から液滴に熱が伝達され難くなるため、液滴の蒸発速度が次第に低下する（遷移沸騰領域＝Ａ領域）。そして、その接触面積が著しく小さくなると、ついには、液滴が加熱面から浮き上がる（ライデンフロスト現象）膜沸騰状態（膜沸騰域＝Ｂ領域）となる。
【００４２】
この膜沸騰状態では、加熱面からの液滴への熱の伝熱がされ難くなるために、燃料液滴の蒸発速度は、著しく低下する。ここでは、充分に微粒化された噴霧をはじく（飛散させる）効果が充分にあり、燃料液滴を大きくすることなく（噴霧粒径を損なうことなく）噴霧の噴射方向を偏向させることが実現可能となる。
【００４３】
図８は、内燃機関１の運転条件と排気特性とを示す図である。（ａ）は燃料噴霧の平均粒径と点火時期の関係を示す図であり、（ｂ）は点火時期と触媒の温度の関係を示す図であり、（ｃ）は（ｂ）の触媒温度の上昇時間とＨＣの排出量関係を示す図である。上記した燃料気化促進装置および／または燃料噴霧粒径保持装置１０３を備えた内燃機関を用いることにより、内燃機関より排出されるＨＣを低減することが可能となる。以下、図８を用いて説明する。
【００４４】
図８（ａ）は、燃料噴霧の粒径と燃焼の安定性を維持したまま遅くできる（リタードできる）点火時期の限界との関係を示す図である。本実施の形態で得られる燃料噴霧の粒径はザウタ平均粒径でおよそ１０μｍであり、そのときの粒径分布から噴霧中の粒径のほとんどが２０μｍであるためと、燃料噴霧噴射方向偏向機能を有する伝熱部５１により、吸気管内を流れる吸入空気流れに乗る噴霧が形成でき、燃料噴霧粒径を損なうことなく燃料噴霧を内燃機関１の吸気弁４を介して燃焼室２に供給するために、膨張行程に入るまで点火時期を大きくリタードさせることが可能となる。膨張行程で点火を行うと燃焼室内の燃焼ガスが膨張する割合が減るため、燃焼ガスが膨張仕事によって消費する熱量が少なくなり、高温を保ったままの燃焼ガスを排気マニホールド２８に排出することができる。つまり、図８（ｂ）に示すように、点火時期をリタードして高温の燃焼ガスを排出することによって触媒３０を急速に暖機することが可能になり、内燃機関１の始動後、触媒３０が活性化温度に達するまでの時間が短縮される。すなわち、図８（ｃ）に示すように、触媒３０の浄化作用が早期に開始されるので、内燃機関１の始動後に排出されるＨＣの量を大幅に低減することができる。なお、触媒（三元触媒コンバータ）３０の早期暖機により、ＨＣのみならず、ＮＯｘ、ＣＯの低減も可能である。ＨＣで総称することにする。
【００４５】
図９は、ヒータ４８、５０に電力を供給する際の特性を示す図であり、（ａ）はヒータ４８、５０に加えられる電圧と時間の関係を示す図であり、（ｂ）はヒータ４８、５０に流れる電流と時間の関係を表わす図である。
【００４６】
図９（ａ）に示すように、一定の電圧がヒータ４８、５０にはバッテリ１０６、オルタネータ等からの発電機（図１）から印加される。このときヒータ４８、５０に流れる電圧、電流は、図９に示すごとく時間とともに変化する。すなわち、本実施の形態では、ヒータ４８、５０として、ＰＴＣヒータを用いているので、通電開始直後で、ヒータの温度が低いときには、その抵抗値が小さく、大きな電流がヒータ４８、５０に流れ込む。ヒータ４８、５０の温度が上昇するにともなって、ヒータの抵抗は加速度的に大きくなるので、電流はピークを迎えたのちに減少していき、最終的には、ヒータから奪われる熱量と均衝する熱量を発生する電流値に落ち着く。ここで、本実施例では、燃料噴霧を微粒化促進して、燃料噴霧偏向部６０に設けた伝熱部５１を前述したように所定温度範囲に加熱する方式としているために、燃料噴霧を全量気化する必要が無い。よって、図９（ｂ）中の破線で示す燃料噴霧を全量気化する場合に比べ、本実施例の燃料噴射装置１００では燃料噴霧を全量気化させることなく、必要な電気的エネルギーを格段に少なくできるために、ヒータ枚数の大幅な削減ができ、実線で示すごとくヒータ使用時の電圧降下や、消費電流を大幅に改善できる。よって、燃料噴射装置１００の小型化ができるとともに、消費電流が小さくできるために比較的安価で、信頼性および耐久性の高いシステムの提供が可能となる。
【００４７】
次に本発明の第２の実施例につき、図１０乃至図１２を用いて説明する。第１の実施例と同一の構成には同一の番号を付している。
図１０は、本発明の第２の実施例の燃料噴射装置１０１を搭載した電子制御スロットルバルブ１０、燃料噴射装置１０１、吸気マニホールド系５２（吸気集合管１２、吸気マニホールド１３、吸気ポート１４等で構成）、およびそれらを連通する連通管６１で構成された斜視図である。第１の燃料噴射弁取付部３５に第１の燃料噴射弁１８が設置固定される。図中では、燃料噴射弁を省略している。
【００４８】
図１１は、図１０に示す燃料噴射装置１０１の燃料噴射弁１９噴射方向縦断面図である。なお、分かりやすくするために燃料噴射弁１９は、外観形状を図示している。
【００４９】
図１２は、燃料噴射装置１０１に搭載されている噴霧偏向部（噴霧偏向部材）６２の形状を示す図であり、図１２（ａ）は、本実施例の噴霧偏向部６２を示すものであり、図１２（ｂ）は、噴霧偏向部６２の形状が異なる第３の実施例である噴霧偏向部材８１の形状を示す図である。
【００５０】
第１の実施例との違いは、燃料噴射装置１０１と連通管６１の構成の違いにある。その他の構成は、第１の実施例と同様の構成であるために説明を省略する。燃料噴射装置１０１は、連通管６１に固定されている。連通管６１は、電子制御スロットルバルブ１０と吸気マニホールド系５２の吸気集合管１２との間に直列に配設されている。連通管６１には、ホルダー６９を介して燃料噴射弁１９が固定されている。燃料噴射弁１９とホルダー６９内周面で形成される環状空間である整圧室８４には、ホルダー６９に配設される吸入空気導入管６７より供給される吸入空気３６が流入する構成である。連通管６１には、分岐通路８２が形成されており、分岐通路８２内には、噴霧偏向部６２が配設されている。分岐通路８２と、ホルダー６９に穿かれた噴孔７２は連通している。また、燃料噴射弁１９の先端部とホルダー６９内面底部には、整圧室８４に流入した微粒化空気７０が分岐通路８２へと流入するごとく、エアアトマイザ７１と燃料噴射弁１９先端で形成される通路が形成されている。ここで、整圧室８４に流入した微粒化空気７０が、エアアトマイザ７１と燃料噴射弁１９先端で形成された通路を通過し、燃料噴射弁１９より噴射された噴射直後の噴霧外周より、噴霧に衝突する。この微粒化空気７０の噴霧への衝突により、燃料噴霧の微粒化促進が促進されて、噴霧の平均粒径がおよそ１０μｍとなり、噴霧中の粒径のほとんどが２０μｍ以下の噴霧の生成が可能となる。本実施例では、燃料噴射弁１９の噴孔直下にホルダー６９の噴孔７２が配設され、その下流側に噴霧偏向部６２が配設されている。よって、微粒化促進された燃料噴霧は、噴霧偏向部６２へ衝突することになる。ここで、噴霧偏向部６２には、図１２（ａ）に記載のごとく、燃料噴霧が衝突する側に伝熱部６２ａ、その反対側に発熱体であるＰＴＣヒータ６４が密着固定されて、燃料噴射弁１９より噴射される燃料噴霧噴射方向に対して所定角度をもって噴孔７２下流側に配設されている。
【００５１】
燃料噴射弁１９より噴射された燃料噴霧は微粒化空気７０にてホルダー噴孔７２部で微粒化促進されたのちに連通管６１の分岐通路８２に到達したのち、噴孔７０下流側に配設された噴霧偏向部６２へと衝突することになる。伝熱部６２ａの表面温度は、発熱体であるＰＴＣヒータ６４の発熱により、１８０℃以上であり、燃料噴霧の発火点以下に設定されている。よって、伝熱部６２ａに衝突した微粒化の促進された燃料噴霧は、ライデンフロスト効果により噴霧の粒径を損なうことなく、伝熱部６２ａ表面に沿って、図１１白抜き矢印のごとく混合気３７として、燃料噴射弁１９の燃料噴霧噴射方向が偏向され、白抜き矢印で示す混合気３７方向へ供給されることになる。これにより、電子制御スロットルバルブ１０を介して、吸入された吸入空気３８の流れ方向に乗りやすい混合気３７の流れが形成することができ、吸気管内壁面付着が低減できる。また、噴霧偏向部６２の形状により、噴霧の噴射方向を偏向するほかに噴霧形状も比較的容易に形成することが可能となる。たとえば図１２（ａ）のＬ１を大きくし、Ｌ２を固定した場合には、噴霧は、偏平噴霧が形成できる。同様に角度θ１およびＬ１、２、Ｈの形状の制御により、吸入空気３８流れに乗りやすく、吸気管形状沿った噴霧の形状を形成することが可能である。
【００５２】
図１２（ｂ）は噴霧偏向部６２の伝熱部形状を半径ｒの曲面形状とした噴霧偏向部６２の異なる形状の実施例である。本実施例でもこれも角度θ２、半径ｒの形状を制御することにより、噴霧の形状を図１２（ａ）の噴霧偏向部６２とほぼ同様に制御することが可能な噴霧偏向部材８１となる。
【００５３】
本実施例では、燃料噴霧を積極的に気化させるのではなく、あらかじめ微粒化が促進された燃料噴霧の粒径を損なわずに噴霧の噴射方向を偏向させるために噴霧噴射方向偏向部に発熱体であるＰＴＣヒータ６４を用いているために、ヒータ枚数も少なくできるためにＰＴＣヒータ６４で消費される電気的エネルギーを格段に低減できる。そして、吸入空気３８流れに沿った混合気３７の生成が実現できる効果がある。
【００５４】
上記記載の実施例では、燃料噴射弁１９の微粒化促進の手段として、吸入空気の一部である微粒化空気３６を用いたエアアシスト式燃料噴射弁につき述べてきたが、燃料噴霧の微粒化を促進させる手段は、エアアシスト式に限定するものではない。たとえば、燃料噴射弁１９内の燃料２１を高圧ポンプ等を用いて高圧して微粒化を促進する高圧燃料式燃料噴射弁を用いても良い。また、燃料噴射弁１９先端に超音波振動素子等の何らかの微粒化手段を設けた燃料噴射弁を用いても実現可能である。すなわち、噴霧の粒径が２０μｍ以下の噴霧を発生できる燃料噴射装置を用いることにより、本実施例は実現可能である。
【００５５】
また、燃料噴射弁１９より噴射された微粒化の促進された燃料噴霧の噴射方向偏向部としてＰＴＣヒータにより伝熱部を加熱した実施例を述べてきたが、噴射方向偏向部を撥水性処理を施すこと、すなわち撥水部の使用により、伝熱部を加熱した場合とほぼ同等の効果である噴霧粒径を損なわずに噴霧の噴射方向を偏向することが可能である。
【００５６】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料噴霧を完全気化することなく、燃料噴霧を微粒化促進し、吸入空気流れに沿った燃料噴霧を噴霧偏向部に設けた伝熱部に衝突させるようにしているために、ヒータの温度を所定範囲に抑え、ヒータに使用される電気的エネルギーを格段に低減できる。よって、ヒータの信頼性および耐久性の向上を図ることができる。さらに低温始動時の噴霧の微粒化および気化促進が図れ、吸入空気流れに沿った吸入空気の一部と燃料噴霧の混合気が生成でき燃料の吸気管内壁面付着を低減でき、内燃機関の始動性向上、燃費向上および、リタードに伴う排気浄化促進を実現できる。また、撥水部を使用すれば、電気的エネルギーを更に少なく、場合によってはヒータを設けることを要せず電気的エネルギーを必要としない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料噴射装置を搭載した内燃機関の一実施例を示す構成図である。
【図２】本発明に係る燃料噴射装置周辺の部品を組み立て時の斜視図である。
【図３】本発明に係る図１および図２中に示した燃料噴射装置の斜視図である。
【図４】本発明に係る図１および図２中に示した燃料噴射装置の燃料噴射弁１９噴射方向縦断面図を示す図である。
【図５】図４のＣ−Ｃ方向の一部構成図である。
【図６】本発明に係る燃料噴射装置より供給される噴霧の粒径分布を示す図である。
【図７】本発明に係る燃料噴射装置の伝熱部温度と気化時間および噴霧粒径の関係を示す図である。
【図８】内燃機関１の運転条件と排気特性とを示す図である。（ａ）は燃料噴霧の平均粒径と点火時期の関係を示す図であり、（ｂ）は点火時期と触媒の温度の関係を示す図であり、（ｃ）は（ｂ）の触媒温度の上昇時間とＨＣの排出量関係を示す図である。
【図９】伝熱部を加熱するヒータに電力を供給する際の特性を示す図であり、（ａ）はヒータに加えられる電圧と時間の関係を示す図であり、（ｂ）はヒータに流れる電流と時間の関係を表わす図である。
【図１０】本発明に係る第２の実施例の燃料噴射装置１０１を搭載した電子制御スロットルバルブ１０、燃料噴射装置１０１、吸気マニホールド系５２（吸気集合管１２、吸気マニホールド１３、吸気ポート１４等で構成）、およびそれらを連通する連通管６１で構成された斜視図である。
【図１１】本発明に係る第２の実施例の燃料気化促進装置と電子制御スロットルバルブの断面図である。
【図１２】本発明に係る第２の実施例の燃料噴霧の伝熱部形状を示す図である。
【符号の説明】
１…内燃機関、２…燃焼室、３…点火プラグ、４…吸気弁、５…排気弁、８…吸入空気、９…エアフローセンサ、１０…電子制御スロットルバルブ、１２…吸気集合管、１８…第１の燃料噴射弁、１９第２の燃料噴射弁、３０…三元触媒コンバータ、３１…吸気管、３２…バイパス通路、３６ａ…搬送空気、３６ｂ…微粒化空気、４８、５０、６４…（ＰＴＣ）ヒータ、４９、５１、６２ａ…伝熱部（伝熱面）、６０、６２…噴霧偏向部、１００、１０１…燃料噴射装置、１０３…燃料噴霧粒径保持装置。
【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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