JP2007332804A - 内燃機関の燃料噴射システムおよび内燃機関の燃料噴射方法 - Google Patents

Abstract

【課題】インジェクタに内蔵の加熱ヒータに供給する必要エネルギーを低減させながら、燃料を所定の高温度に昇温させて、効率的な燃料噴射を実現する。
【解決手段】内燃機関１０の燃焼室に向けたインジェクタ１００への燃料配管２０に冷却水と熱交換する熱交換部４０が設けられ、その燃料タンク側に燃料ポンプ２１が配置されている。燃料ポンプ２１は超臨界状態となるに必要な圧力に燃料を加圧し、熱交換部４０は燃料を予熱する。コントローラ３０は予熱された燃料の温度Ｔｖに基づいて、インジェクタ内の加熱ヒータ１１０で超臨界状態となる温度Ｔｃまで燃料を加熱するように、Ｔｃ−Ｔｖの差分だけ昇温させるよう加熱ヒータ１１０を制御する。加熱ヒータ１１０では差分だけ昇温させればよいから、加熱ヒータに負担をかけることなく噴射に同期して高い応答性で燃料を昇温させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料を高温高圧にして内燃機関の燃焼室に噴射する燃料噴射システムに関する。

車両等の燃料噴射システムとして、内燃機関（内燃機関）の燃焼室内に噴射した燃料の微粒化および気化を促進して良好な燃焼を実現するため、燃料を高温高圧状態の液体状態または超臨界状態にして燃焼室に噴射するインジェクタを用いるものが提案されている。
このようなインジェクタとして、たとえば特開平１０−１４１１７０号公報に開示されたものがある。これはインジェクタ内部に加熱ヒータを備え、インジェクタに供給され一時貯留された燃料を加熱ヒータによって加熱し、加熱後の燃料を噴射量の制御を行う可動弁を通過させて適正量に調整した後、燃焼室内に噴射するものである。
特開平１０−１４１１７０号公報

しかしながら、従来の燃料噴射システムは、上述したようなインジェクタだけによって燃料を常温から加熱し、昇温させる構成であるため、燃料を所定温度まで加熱する際の必要エネルギーが大きく、どうしても大電力の供給が必要となり、装置としても大型化せざるを得ない。
しかも、燃料をその超臨界状態にする場合、例えば３００℃付近まで昇温させなければならないが、急加速時など大量の燃料を供給するときには供給燃料の急速昇温が必要であることから、運転状態によっては加熱容量が足りず、サージを引き起こすおそれがある。

そこで本発明はこのような問題点に鑑み、燃料を所定の高温度に昇温させるまでにインジェクタの加熱ヒータに供給すべき必要エネルギーを低減することにより、インジェクタに負担をかけることなく効率的な燃料噴射を実現するようにした燃料噴射システムを提供することを目的とする。

本発明は、インジェクタにより燃料を内燃機関の吸気系または燃焼室に噴射する燃料噴射システムにおいて、燃料を所定の圧力にする加圧手段と、燃料をインジェクタより上流側で加熱する第１の加熱手段と、インジェクタ内に設けられ、噴射する燃料を加熱する第２の加熱手段と、噴射する燃料を所定温度にまで昇温させるように第２の加熱手段を制御する制御手段とを有するものとした。

本発明によれば、内部に第２の加熱手段を設けたインジェクタにより加圧、加熱された燃料を噴射する燃料噴射システムにおいて、さらにインジェクタより上流側に設けた第１の加熱手段により予熱して、燃料の加熱を２段階に分けたので、第２の加熱手段により加熱すべきエネルギーが低減する。これにより、第２の加熱手段に大電力を要せず、負担をかけないで燃料を必要温度まで短時間に昇温することができる。

次に本発明の実施の形態を実施例により説明する。
まず第１の実施例について説明する。
図１は第１の実施例の全体構成を示す概念図である。
内燃機関１０の燃焼室に噴射口を向けてインジェクタ１００が取り付けられ、インジェクタ１００には燃料配管２０を通じて燃料が供給される。
燃料配管２０の途中には、熱交換部４０が設けられ、さらに燃料タンク側には燃料を加圧、圧送する燃料ポンプ２１が配置されている。
燃料配管２０に付した矢印は燃料の流れ方向を示す。以下同様である。
燃料配管２０には熱交換部４０の下流、すなわちインジェクタ１００側に圧力センサ２２と温度センサ２３とが付設され、インジェクタ１００に供給される燃料の圧力、温度を検出する。
圧力センサ２２と温度センサ２３はコントローラ３０に接続され、コントローラ３０は両センサで検出した燃料の温度、圧力に基づいて、後述の加熱ヒータ１１０と燃料ポンプ２１を制御するようになっている。

燃料配管２０のとくに燃料ポンプ２１からインジェクタ１００の間は高耐圧とし、少なくとも熱交換部４０からインジェクタ１００の間は図示しない断熱材を被せるなど断熱構造として燃料温度が周囲からの影響を受けないようにする。
なお、内燃機関１０が複数シリンダを備える場合には、熱交換部４０の下流側で燃料配管２０を各シリンダのインジェクタへ向けて分岐する。圧力センサ２２と温度センサ２３は分岐前の熱交換部４０寄りに設けるのが好ましい。

内燃機関１０においては、燃料の燃焼によるエネルギーがすべて駆動力に変換されるのではなく、一部はシリンダ内での輻射熱や排気熱としてシリンダブロックやシリンダヘッドを加熱して、内燃機関１０の構造体を高温度にするから、これを所定の温度範囲に保持するための冷却系が付設される。
内燃機関１０の冷却系として、内燃機関のシリンダブロックおよびシリンダヘッド内にシリンダや排気通路を取り囲むウォータジャケット１２が形成されている。ウォータジャケット１２に接続された冷却水配管１３には、冷却水の流れ方向にそって順に、ラジエータ１４、サーモスタット１５および内燃機関の駆動力により動作するウォータポンプ１６が配置されている。またラジエータ１４にはこれと並行にパイパス配管１７が設けられている。
冷却水配管１３に付した矢印は冷却水の流れ方向を示す。以下同様である。

これにより通常運転時には、ウォータジャケット１２において内燃機関１０で発生する熱を吸収した冷却水は、ラジエータ１４において放熱し、ウォータポンプ１６により再びウォータジャケット１２へ戻る循環を繰り返す。ラジエータ１４にはとくに図示しないが内燃機関１０の駆動力により回転する冷却ファンが付設されている。
また、内燃機関始動時などで冷却水が例えば８０℃など所定値以下の低温のときは、サーモスタット１５により冷却水をパイパス配管１７に通して、ラジエータ１４での放熱を抑制または禁止して早期に暖機するように動作する。

本実施例では、ウォータジャケット１２とラジエータ１４およびパイパス配管１７との間に熱交換部４０が設けられている。
冷却水の循環途中にある熱交換部４０は、燃料通路４２と、冷却水を通流させる冷却水通路４１とを備えている。
図２はその具体的形態例を示し、直管状の燃料通路４２の外周に冷却水通路４１をコイル状に多数回巻きつけて構成してある。
燃料通路４２は燃料配管２０上の燃料ポンプ２１とインジェクタ１００の間に挿入され、冷却水通路４１は上述のように冷却水配管１３上のウォータジャケット１２とラジエータ１４およびパイパス配管１７との間に挿入される。
熱交換部４０において、冷却水通路４１を通る冷却水が熱源として、燃料ポンプ２１により燃料通路４２を圧送される燃料を加熱する。
なお、燃料と冷却水間の熱交換量はそれらの間の温度差が大きいほど多くなるので、冷却水の沸点を高くするため、冷却系の耐圧も高くするのが好ましい。

つぎに本実施例では、加熱ヒータ１１０としてインジェクタ１００の噴射口に設けたマイクロノズルＭを用いている。
以下、マイクロノズルの構成について説明する。
図３はインジェクタ１００の噴射口周りの構造を示す断面図である。
インジェクタ１００は、そのケーシング１０１の内部に、加圧状態で供給された燃料を蓄える油圧室１０３が形成され、ケーシング１０１の燃料噴射側（図３中の下方側）には油圧室１０３と連通する流量調節孔１０４が形成されている。

油圧室１０３には図３中の上下方向に移動可能な可動弁１０５が備えられ、上下にする可動弁１０５の先端によって流量調節孔１０４が開閉される。この可動弁１０５の上下移動によって、油圧室１０３内から流量調節孔１０４を通って噴出される燃料の流量が制御される。
ケーシング１０１の流量調節孔１０４よりさらに燃料噴射側、すなわち噴射口の最先端には、流量調節孔１０４を覆うようにして保持具１０２が取り付けられる。保持具１０２において、流量調節孔１０４の開口と対向する位置にはマイクロノズルＭが取り付けられている。
また保持具１０２は、マイクロノズルＭから延びる電極１１２を外部に引き出す。

マイクロノズルＭは、自身に設けられた貫通孔を通過する燃料を昇温しながら燃焼室Ｒ内（図３中におけるインジェクタ１００の下方側）に噴射するものである。
すなわち、油圧室１０３に供給された燃料は、可動弁１０５の動作によって流量調節孔１０４から噴出される流量が制御され、流量調節孔１０４から噴出された燃料がマイクロノズルＭによって昇温されて燃焼室Ｒ内に噴射される。

図４は、マイクロノズルの一部破断図である。
マイクロノズルＭは主として円柱形状に形成されたＳｉ等の半導体基板２００によって構成され、半導体基板２００には円柱形状軸方向両端面（以下、表裏面と呼ぶ）をつなぐ複数の貫通孔２０４が設けられている。
この貫通孔２０４は、保持具１０２に保持された状態で流量調節孔１０４側と燃焼室側とを連通させている。

図５は、図４における領域Ａの拡大図であり、図６は、マイクロノズルの上面図である。
なお、図６は貫通孔２０４の配置を示すためのものであり、後述する保護膜２０３や外部取出電極２０１、高濃度不純物層２０５を省略して図示する。
貫通孔２０４が形成された半導体基板２００の表裏面には、高濃度不純物層２０５、２０５が設けられ、さらに高濃度不純物層２０５の上から外部取出電極２０１が形成されている。
この外部取出電極２０１と、保持具１０２に設けられた電極１１２とが接続されている。

また貫通孔２０４の燃料噴射側（図５の下方側）の開口は、内径が絞られて噴出孔２０７が形成されている。
さらに、燃料と接する貫通孔２０４の内周面および半導体基板２００の表裏面は、燃料による腐食を防ぐために保護膜２０３によって覆われている。保護膜２０３としては、たとえばＳｉＯ２等、燃料と化学反応を起こし難い材料を用いる。

可動弁１０５の作動と同期させて、外部取出電極２０１に所定の電力を印加すると、流量調節孔１０４が開いたとき、すべての貫通孔２０４に沿って平行に電流が流れ、ジュール熱により半導体基板２００全体が発熱する。
燃料は図５の上方から圧送されてくるが、貫通孔２０４には内径が絞られた噴出孔２０７が形成されているため、燃料の流速を適度に設定することが可能となり、貫通孔２０４の内周面によって燃料の温度を瞬時に昇温させて、噴出孔２０７から内燃機関の燃焼室Ｒ内へ高温高圧状態の燃料を噴射することができる。

以上のように構成された燃料噴射システムでは、次のように動作する。
コントローラ３０は、圧力センサ２２で検出した燃料の圧力に基づいて、燃料を超臨界状態とするに必要な圧力Ｐｃまで加圧するように燃料ポンプ２１をフィードバック制御する。
燃料ポンプ２１で加圧された燃料は熱交換部４０を通過する。上述のように、燃料は熱交換部４０を通過する間に冷却水の熱で加熱され、すなわち予熱される。
コントローラ３０は、熱交換部４０で予熱された燃料の温度に基づいて、インジェクタ１００の加熱ヒータ１１０（マイクロノズルＭ）で昇温すべき温度を決定する。

すなわち、図７に示すように、超臨界状態として燃焼室へ噴射するための燃料の温度をＴｃとするとき、温度センサ２３で検出した温度がＴｖであったときは、その差（Ｔｃ−Ｔｖ）だけ加熱ヒータ１１０で昇温させるものとする。そして、コントローラ３０は、燃料の温度がＴｃとなるように加熱ヒータ１１０に印加する電力を制御する。
図７中、Ｗは燃料ポンプ２１による加圧分、Ｚ１は熱交換部４０による昇温、そしてＺ２が加熱ヒータ１１０による昇温分になる。

本実施例においては、熱交換部４０が発明における第１の加熱手段に該当し、加熱ヒータ１１０が第２の加熱手段に該当する。また、燃料ポンプ２１が加圧手段に該当している。
そして、熱交換部４０で加熱された燃料の温度に基づいて、加熱ヒータ１１０を制御するコントローラ３０が制御手段を構成している。

本実施例は以上のように構成され、燃料ポンプ２１で加圧された燃料を、インジェクタ１００より上流側の熱交換部４０で予熱するものとし、その後インジェクタ１００内に設けられた加熱ヒータ１１０により、燃焼室に噴射する燃料を加熱するものとして、燃料の加熱を２段階に分けた。この結果、図８の（ｂ）に示す比較例で、常温から必要温度（Ｔｃ）まで昇温させるには大きなエネルギーが必要であるにもかかわらず、高い応答性を得るのは困難であるのに対して、（ａ）に示すように加熱ヒータ１１０では予熱分を差し引いた（Ｔｃ−Ｔｖ）だけ昇温させればよく、加熱ヒータ１１０により加熱すべきエネルギーが低減する。したがって、加熱のための電力が低減するとともに、必要温度までの昇温時間も短縮されるから、例えば車両の急加速時など時間当たりの消費燃料が多い場合でも、加熱ヒータに負担をかけることなく噴射に同期して高い応答性で燃料を昇温させることができる。

また熱交換部４０は、インジェクタ１００への燃料配管２０と内燃機関１０の冷却水配管１３とに挿入され、燃料を通流させる燃料通路４２と内燃機関の冷却水を通流させる冷却水通路４１とを備えて、冷却水と燃料間で熱交換するものとしているから、既存の冷却系の途中に挿入するだけで済み、内燃機関１０から無駄に捨てられていたいわゆる排熱を有効活用することにより、別途電力を要するなどの新たな余熱装置が不要である。
さらに、熱交換部４０で冷却水から燃料へ放熱することにより、冷却ファンの駆動時間を低減することにもつながり、燃費も向上する。
なお、燃料ポンプ２１を熱交換部４０より上流側に配置して燃料を加圧しているので、熱交換部４０での燃料の沸点が上がり、沸騰させることなく高温まで燃料を予熱することができる。

また、加熱ヒータ１１０をとくに可動弁１０５の下流側に設けられたマイクロノズルＭとしているので、外部取出電極２０１に電力を印加すると半導体基板２００が発熱し、半導体基板２００に設けられた貫通孔２０４を通過する燃料に半導体基板２００からの熱が伝わりやすく、それ自体、燃料の昇温時間を短縮することができるとともに、マイクロノズル１１０によって昇温された高温高圧状態の燃料が直接燃焼室内に噴射されるから、燃料の高温状態が維持されて燃焼室に供給される。

そして、とくに燃料の圧力は燃料ポンプ２１により超臨界状態となるに必要な圧力に加圧され、燃料の温度は加熱ヒータ１１０によって最終的に超臨界状態となる温度に昇温されるので、燃料の内部エネルギーが気体に比較して高くなり、噴射した際に気化が大幅に促進され、燃焼室内での燃料が微粒化され、燃焼状態を良好にすることが可能となる。

つぎに第２の実施例について説明する。これは、熱交換部の熱源を冷却水とする代わりに、直接内燃機関の側壁を熱源としたものである。
図９は第２の実施例の全体構成を示す概念図である。
内燃機関１０の図示しない燃焼室に噴射口を臨ませてインジェクタ１００が取り付けられている。インジェクタ１００には燃料配管２０を通じて燃料が供給される。
インジェクタ１００は第１の実施例のものと同一で、その噴射口に燃料を加熱する加熱ヒータ１１０としてマイクロノズルＭを備えている。
燃料配管２０の途中には、内燃機関１０の側壁に形成された熱交換部４０Ａが設けられ、熱交換部４０Ａよりさらに燃料タンク側には燃料を加圧、圧送する燃料ポンプ２１が配置されている。

燃料配管２０には熱交換部４０Ａの下流、すなわちインジェクタ１００側に圧力センサ２２と温度センサ２３が付設され、インジェクタ１００に供給される燃料の圧力、温度を検出する。
圧力センサ２２と温度センサ２３はコントローラ３０に接続され、コントローラ３０は両センサで検出した燃料の温度、圧力に基づいて、加熱ヒータ１１０と燃料ポンプ２１を制御する。
さらに、加熱ヒータ１１０にマイクロノズルＭを用いるほか、熱交換部４０Ａを除いては第１の実施例と同じである。
なお、本実施例では冷却水を燃料加熱の熱源として用いないので、図９には冷却系を図示省略している。

つぎに、熱交換部４０Ａは、内燃機関１０の側壁、とくにシリンダヘッドやシリンダブロックなどの壁部に燃料通路４２Ａを形成して構成され、燃料通路４２Ａが燃料配管２０上に挿入されている。
図１０は熱交換部４０Ａの構成を示す。（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ部の断面図である。とくに（ｂ）に示すように、内燃機関１０の側壁１１に形成された平坦面１１ａに、シールガスケット４３を挟んで流路ブロック４４を取り付けるものとする。なお、（ｂ）には組み付け前の分解した状態を示している。
流路ブロック４４の内燃機関側壁平坦面１１ａとの合わせ面４５に溝４６を形成することにより、（ａ）に示すように、鋳物では困難な蛇行した燃料通路４２Ａを得ることができる。

溝４６の蛇行した経路により燃料通路４２Ａは大きな通路長が得られ、熱交換量を大きくすることができる。
燃料通路４２Ａの両端には、流路ブロック４４の外側面から立ち上がるコネクタ４７、４７が設けられ、それぞれ燃料配管２０の上流側（燃料ポンプ２１側）および下流側（インジェクタ１００側）との接続部となっている。
なお、図１０には、流路ブロック４４を内燃機関側壁１１の平坦面１１ａに固定するためのボルト等は図示省略している。

以上のように構成された燃料噴射システムでは、次のように動作する。
コントローラ３０は、圧力センサ２２で検出した燃料の圧力に基づいて、燃料を超臨界状態とするに必要な圧力Ｐｃまで加圧するように燃料ポンプ２１をフィードバック制御する。
燃料ポンプ２１で加圧された燃料は熱交換部４０Ａを通過する。熱交換部４０Ａの燃料通路４２Ａは内燃機関１０の側壁平坦面１１ａと流路ブロック４４の溝４６とで形成されているから、燃料は熱交換部４０Ａを通過する間に直接内燃機関１０の高温の側壁１１に触れて加熱され、昇温する。

コントローラ３０は、熱交換部４０Ａで昇温した燃料の温度に基づいて、インジェクタ１００の加熱ヒータ１１０（マイクロノズル）で昇温すべき温度を決定する。すなわち、目標の燃料の温度をＴｃとし、温度センサ２３で検出した温度がＴｖであったとき、その差（Ｔｃ−Ｔｖ）だけ加熱ヒータ１１０で昇温させる制御は、第１の実施例と同様である。
本実施例では、熱交換部４０Ａが発明における第１の加熱手段に該当し、加熱ヒータ１１０が第２の加熱手段に該当する。また、燃料ポンプ２１が加圧手段に該当している。

本実施例は以上のように構成され、燃料ポンプ２１で加圧された燃料を、インジェクタ１００より上流側の熱交換部４０Ａとインジェクタ１００内に設けられた加熱ヒータ１１０により２段階に分けて加熱するので、加熱ヒータ１１０により加熱すべきエネルギーが低減する。これにより、加熱のための電力が低減するとともに、急加速時など消費燃料が多い場合でも加熱ヒータ１１０に負担をかけることなく燃料を昇温させることができる。

また、加熱ヒータ１１０を可動弁の下流側に設けられたマイクロノズルＭとしているので、それ自体、燃料の昇温時間を短縮することができるとともに、マイクロノズルによって昇温された高温高圧状態の燃料が直接燃焼室内に噴射されるから、燃料の高温状態が維持されて燃焼室に供給される。
また、燃料の圧力は超臨界状態となるに必要な圧力に加圧され、燃料の温度は最終的に超臨界状態となる温度に昇温されるので、燃焼室内での燃料の微粒化、気化を大幅に促進することができ、燃焼状態を良好にすることが可能となる。

そして、とくに熱交換部４０Ａは、内燃機関１０の側壁１１に接して燃料通路４２Ａを形成し、燃料が側壁１１から直接加熱されるので、内燃機関１０から無駄に捨てられていた熱を有効活用することにより、別途電力を要するなどの新たな余熱装置が不要である。
さらに、熱源として冷却水を用いる第１の実施例の熱交換部に比較して、より高温まで燃料を昇温させることができるとともに、始動時にも速やかに燃料の加熱が開始されるという利点を有する。

つぎに図１１は第３の実施例の全体構成を示す概念図である。これは第１の実施例と同様に熱交換部の熱源を冷却水としたものである。
燃料配管２０の途中には、第１の実施例におけるのと同じ熱交換部４０が設けられ、さらに燃料タンク側には燃料を加圧、圧送する燃料ポンプ２１が配置されている。なお、熱交換部４０のほか、参照番号が同じものは第１の実施例と同じであり、詳細説明は省略する。
燃料配管２０には熱交換部４０の下流、すなわちインジェクタ１００側に圧力センサ２２と温度センサ２３が付設され、インジェクタ１００に供給される燃料の圧力、温度を検出する。
圧力センサ２２と温度センサ２３はコントローラ３０Ａに接続され、コントローラ３０Ａは両センサで検出した燃料の圧力、温度に基づいて、加熱ヒータ１１０と燃料ポンプ２１を制御するようになっている。

内燃機関１０の冷却系として、第１の実施例の冷却系におけるウォータジャケット１２と熱交換部４０の間に、流量調整弁１８が設けられ、流量調整弁１８には熱交換部４０を迂回するバイパス配管１９が設けられている。冷却水配管１３には流量調整弁１８のウォータジャケット１２側に冷却水温度センサ３２が付設されている。
冷却水温度センサ３２と流量調整弁１８はコントローラ３０Ａに接続されている。
加熱ヒータ１１０としてインジェクタ１００の噴射口にマイクロノズルＭを設ける点を含み、その他の構成は、第１の実施例と同じである。

コントローラ３０Ａは、圧力センサ２２で検出した燃料の圧力に基づいて、燃料を超臨界状態とするに必要な圧力Ｐｃまで加圧するように燃料ポンプ２１をフィードバック制御する。
燃料ポンプ２１で加圧された燃料は熱交換部４０を通過する間に冷却水の熱で加熱され、昇温する。
コントローラ３０Ａは、冷却水温度センサ３２の出力により冷却水の温度を監視し、冷却水の温度に応じて流量調整弁１８を制御して、熱交換部４０への当該冷却水の流量を制御する。すなわち、冷却水の温度が高いほど熱交換部４０への流量を絞り、残りはバイパス配管１９へ逃がすものとし、これにより、熱交換部４０で加熱された燃料の温度が沸点に達しない所定温度Ｔ１に保持されるように制御する。

そして、コントローラ３０Ａは、超臨界状態として燃焼室へ噴射するための燃料の温度Ｔｃと、熱交換部４０で昇温した燃料の所定温度Ｔ１との差を、インジェクタの加熱ヒータ１１０（マイクロノズル）で昇温すべき温度として、加熱ヒータ１１０へ電力を印加する。

図１２は上記コントローラ３０Ａによる制御の詳細な流れを示すフローチャートである。
まずステップ２００において、冷却水温度センサ３２からの出力に基づいて、ウォータジャケット１２から熱交換部４０へ入るべき冷却水の温度を検出して、ステップ２０１で冷却水の温度が所定値Ｔ２以上であるかどうかをチェックする。所定値Ｔ２は、燃料との間で十分に熱交換可能な値として予め設定される。
冷却水の温度が所定値Ｔ２より低い間は、ステップ２０６へ進み、流量調整弁１８を完全に閉じて（すなわち全ての冷却水をバイパス配管１９へ逃がして）、ステップ２０７へ進む。これは、熱交換部４０で熱を放出することなく早期に暖機が完了するようにするためである。

冷却水の温度が所定値Ｔ２以上であるときは、ステップ２０２へ進み、温度センサ２３の出力に基づいて熱交換部４０を出た燃料の温度Ｔｖを検出し、次のステップ２０３で、上記燃料の温度がＴ２よりも高い所定値Ｔ１であるかどうかをチェックする。
燃料の温度が所定値Ｔ１であるときは、そのままステップ２０７へ進む。
燃料の温度が所定値Ｔ１より低いときは、ステップ２０４で流量調整弁１８を所定量緩めてから、ステップ２０７へ進む。これにより、冷却水の熱交換部４０への流量が増大する。
一方、燃料の温度が所定値Ｔ１より高いときは、ステップ２０５で流量調整弁１８を所定量締めてから、ステップ２０７へ進む。これにより、冷却水の熱交換部４０への流量が減少する。

ステップ２０７では、インジェクタ１００の可動弁１０５の作動と同期させて、燃料を温度Ｔｖから超臨界状態に対応する温度Ｔｃまで加熱するに必要な電力を印加して加熱ヒータ１１０を作動制御する。
すなわち、（Ｔｃ−Ｔｖ）だけ昇温させるに必要な電力を加熱ヒータ１１０に印加する。
以上のステップを繰り返すことにより、熱交換部４０で加熱された燃料の温度は所定値Ｔ１に収斂するので、燃料は内燃機関始動後、短時間に当該一定の温度Ｔ１に余熱されることになる。
したがって、始動時の短時間経過後は、熱交換部４０で予熱された燃料の温度Ｔｖは一定値Ｔ１となるので、その後は加熱ヒータ１１０では一定の（Ｔｃ−Ｔ１）だけ昇温させればよく、コントローラ３０Ａは上記始動時の短時間を除き、加熱ヒータ１１０への電力を調節する制御は不要となる。

本実施例においては、熱交換部４０が発明における第１の加熱手段に該当し、加熱ヒータ１１０が第２の加熱手段に該当する。また、燃料ポンプ２１が加圧手段に該当している。
そして、熱交換部４０で加熱された燃料の温度に基づいて加熱ヒータ１１０を制御するとともに、冷却水の温度に基づいて流量調整弁１８を制御し、熱交換部４０に通流させる冷却水の流量を調整させて、燃料を一定温度に昇温させるコントローラ３０Ａが制御手段を構成している。

本実施例は以上のように構成され、燃料ポンプ２１で加圧された燃料を、インジェクタ１００より上流側の熱交換部４０とインジェクタ１００内に設けられた加熱ヒータ１１０により２段階に分けて加熱するので、加熱ヒータ１１０により加熱すべきエネルギーが低減する。これにより、加熱のための電力が低減するとともに、急加速時など消費燃料が多い場合でも加熱ヒータ１１０に負担をかけることなく燃料を昇温させることができる。

また、加熱ヒータ１１０を可動弁１０５の下流側に設けられたマイクロノズルＭとしているので、それ自体、燃料の昇温時間を短縮することができるとともに、マイクロノズル１１０によって昇温された高温高圧状態の燃料が直接燃焼室内に噴射されるから、燃料の高温状態が維持されて燃焼室に供給される。
また、燃料の圧力は超臨界状態となるに必要な圧力に加圧され、燃料の温度は最終的に超臨界状態となる温度に昇温されるので、燃焼室内での燃料の微粒化、気化を大幅に促進することができ、燃焼状態を良好にすることが可能となる。

また熱交換部４０は、インジェクタ１００への燃料配管２０と内燃機関１０の冷却水配管１３とに挿入され、燃料を通流させる燃料通路４２と内燃機関１０の冷却水を通流させる冷却水通路４１とを備えて、冷却水と燃料間で熱交換するものとしているから、既存の冷却系の途中に挿入するだけで済み、内燃機関１０から無駄に捨てられていた熱を有効活用することにより、別途電力を要するなどの新たな余熱装置が不要である。
さらには、熱交換部４０で冷却水から燃料へ放熱することにより、冷却ファンの駆動時間を低減することにもつながり、燃費も向上する。

そして、とくに熱交換部４０の冷却水入り口側に流量調整弁１８を設け、コントローラ３０Ａは冷却水の温度に基づいて流量調整弁１８を制御し、熱交換部４０に通流させる冷却水の流量を調整させて、燃料を一定温度に昇温させるようにしたので、燃料を超臨界状態とする温度との差が一定となる。したがって、定常状態では、コントローラ３０Ａから加熱センサ１１０に対する加熱量の制御量を冷却水の温度による熱交換部４０での熱交換量の変動に対処して変化させる制御が不要となる。
さらに、熱交換部４０からインジェクタ１００までの燃料配管２０の耐熱性によっては、上記一定温度の設定によって熱交換部４０による過加熱を防止することもできる。

なお、上述した各実施例ではインジェクタ１００から燃焼室Ｒへ直接噴射するものとして説明したが、本発明はこれに限定されず、内燃機関のインテークマニホルドなど吸気系に噴射するシステムにも適用することができる。
また、加熱ヒータ１１０としてインジェクタ１００の可動弁１０５の下流側に、ジュール熱により燃料を加熱するマイクロノズルＭを設けたが、その他誘導加熱などを含み燃料を急速に昇温可能なものであれば任意の加熱手段を採用することができるし、可動弁１０５の下流側でなく上流側に配置することもできる。

また、各実施例では、圧力センサ２２と温度センサ２３を熱交換部４０、４０Ａの下流、すなわちインジェクタ１００側に設けているが、圧力センサ２２は燃料ポンプ２１より下流側、温度センサ２３は熱交換部周辺を含んでそれから下流側であれば任意の部位に位置させてよい。

さらには、各実施例では、燃料ポンプ２１を熱交換部４０、４０Ａより上流側としたが、熱交換部で昇温させる温度Ｔｖを大気圧における燃料の沸点より低い温度とすることにより、燃料ポンプを熱交換部よりも下流側でインジェクタ直近に配置することもできる。これにより、燃料配管上で燃料を高温および高圧にする領域を大幅に減らし、信頼性を向上させることができる。

第１の実施例の全体構成を示す概念図である。 熱交換部の構造例を示す図である。 インジェクタの噴射口周りの構造を示す断面図である。 マイクロノズルの一部破断図である。 図４における領域Ａの拡大断面図である。 マイクロノズルの上面図である。 燃料の加圧、加熱と状態変化の関係を示す説明図である。 加熱ヒータの動作を示す比較説明図である。 第２の実施例の全体構成を示す概念図である。 第２の実施例における熱交換部の構造例を示す図である。 第３の実施例の全体構成を示す概念図である。 第３の実施例における制御の流れを示すフローチャートである。

符号の説明

１０ 内燃機関
１１ 側壁
１１ａ 平坦面
１２ ウォータジャケット
１３ 冷却水配管
１４ ラジエータ
１５ サーモスタット
１６ ウォータポンプ
１７ パイパス配管
１８ 流量調整弁
１９ バイパス配管
２０ 燃料配管
２１ 燃料ポンプ
２２ 圧力センサ
２３ 温度センサ
３０、３０Ａ コントローラ
３２ 冷却水温度センサ
４０、４０Ａ 熱交換部
４１ 冷却水通路
４２ 燃料通路
４２Ａ 燃料通路
４３ シールガスケット
４４ 流路ブロック
４５ 合わせ面
４６ 溝
４７ コネクタ
１００ インジェクタ
１０１ ケーシング
１０２ 保持具
１０３ 油圧室
１０４ 流量調節孔
１０５ 可動弁
１１０ 加熱ヒータ
１１２ 電極
２００ 半導体基板
２０１ 外部取出電極
２０３ 保護膜
２０４ 貫通孔
２０５ 高濃度不純物層
２０７ 噴出孔
Ｍ マイクロノズル
Ｒ 燃焼室

Claims (10)

1. インジェクタにより燃料を内燃機関の吸気系または燃焼室に噴射する燃料噴射システムにおいて、
   燃料を所定の圧力にする加圧手段と、
   燃料をインジェクタより上流側で加熱する第１の加熱手段と、
   インジェクタ内に設けられ、噴射する燃料を加熱する第２の加熱手段と、
   前記噴射する燃料を所定温度にまで昇温させるように前記第２の加熱手段を制御する制御手段とを有することを特徴とする内燃機関の燃料噴射システム。
2. 前記第１の加熱手段が、燃料を通流させる燃料通路と内燃機関の冷却水を通流させる冷却水通路とを備えて、冷却水と燃料間で熱交換する熱交換部を有することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射システム。
3. 前記熱交換部の冷却水入り口側に流量調整弁を設け、
   前記制御手段は冷却水の温度に基づいて前記流量調整弁を制御し、前記熱交換部に通流させる冷却水の流量を調整させて、燃料を一定温度に昇温させるように構成したことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の燃料噴射システム。
4. 前記第１の加熱手段が、燃料を通流させる燃料通路を備えて内燃機関の側壁に設けられ、該側壁と燃料間で熱交換する熱交換部であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料噴射システム。
5. 前記加圧手段は前記第１の加熱手段より上流側に設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１に記載の内燃機関の燃料噴射システム。
6. インジェクタは、前記加圧手段により加圧された燃料を保持する油圧室と、該油圧室内の燃料を噴出する流量調節孔と、該流量調節孔の開閉を行う可動弁を備え、
   前記第２の加熱手段は、前記可動弁の下流側に設けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１に記載の内燃機関の燃料噴射システム。
7. 前記第２の加熱手段は、少なくとも１つ以上の貫通孔を備えた導電性基板と、該導電性基板の表裏面のそれぞれに設けられた外部取出電極とを有し、
   該外部取出電極に電力を印加することによって、前記導電性基板に電流が流れ、前記流量調節孔から噴出されて前記貫通孔を通過する燃料を加熱するマイクロノズルであることを特徴とする請求項６に記載の内燃機関の燃料噴射システム。
8. 前記制御手段は、インジェクタにおける前記可動弁の動作に同期させて、燃料を前記所定温度にまで昇温させるように前記第２の加熱手段を制御することを特徴とする請求項６または７に記載の内燃機関の燃料噴射システム。
9. 前記加圧手段が加圧する所定の圧力は、燃料を超臨界状態とするに必要な圧力であり、
   前記所定温度は、燃料を超臨界状態とする温度であり、
   前記制御手段は、前記所定温度と前記第１の加熱手段で加熱された後の燃料の温度との差分だけ昇温させるように前記第２の加熱手段を制御することを特徴とする請求項１から８のいずれか１に記載の内燃機関の燃料噴射システム。
10. インジェクタにより燃料を内燃機関の吸気系または燃焼室に噴射する燃料噴射システムにおいて、
    燃料を超臨界状態とするに必要な圧力に加圧した後、インジェクタより上流側で予熱し、
    インジェクタの可動弁の下流側において、該可動弁の動作に同期させて再加熱し、燃料を超臨界状態とする温度まで昇温させて噴射することを特徴とする内燃機関の燃料噴射方法。

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