JP2005090338A - 内燃機関の燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コロナ放電により燃料を帯電し、霧化するために必要な消費電力を低減できる技術を提供する。
【解決手段】燃料噴射弁から噴射された燃料を帯電させるための燃料帯電ピンにおいて、荷電粒子を照射する部分を円錐部２１ｂとし、その錐面に凸部２１ｃを設け、さらに円錐部２１ｂをＡｕ層２１ｄでクラッドする。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関の燃料噴射装置に関し、特に燃料噴射弁から噴射された燃料を帯電させ、燃料の霧化を促進する内燃機関における燃料噴射装置に関する。

従来の内燃機関においては、内燃機関の燃焼効率を向上させるため、燃料噴射弁から噴射された燃料の霧化を促進する種々の技術が提案されている。例えば、燃料噴射弁の先端部分にコロナ放電電極を設置し、該コロナ放電電極により噴射燃料を帯電させて霧化を促進する技術などを挙げることができる。（例えば、特許文献１参照。）。

また、燃料噴射弁から噴射された燃料を帯電させて霧化し、一方で、帯電された燃料（以下、「帯電燃料」という）の通過経路を、帯電燃料と同極に帯電させることにより、帯電燃料がその通過経路に付着するのを防止する技術なども提案されている。（例えば、特許文献２参照。）。

しかし、上記の従来技術においては、コロナ放電により燃料を帯電させ、十分に霧化させるためには、高電圧を印加する必要があるため、低消費電力化の妨げになっていた。
特開平５−６００３６号公報 特開昭５５−９６３５６号公報 特開昭５７−１９３７６３号公報 特開平５−８７０２６号公報 実開昭５９−１３５３７０号公報 特開昭６４−３６９１６号公報

本発明の目的とするところは、コロナ放電により燃料を帯電させ、霧化するために必要な消費電力を低減できる技術を提供することである。

本発明は、燃料噴射弁から噴射された燃料を帯電させるための帯電電極において、前記燃料に供給する荷電粒子を照射する部分に、電気抵抗を増大させた電気抵抗増大部を設けることにより、荷電粒子を効率的に照射させることを可能としたものである。

より詳しくは、燃料を噴射する燃料噴射弁と、
前記燃料噴射弁によって噴射された燃料に、荷電粒子を供給することにより、該燃料を帯電させる荷電電極と、を備え、
前記荷電電極において荷電粒子を照射する部分には、電気抵抗を増大させた電気抵抗増大部が設けられたことを特徴とする。

本発明は、電気抵抗が大きい程、同じ電圧を印加した場合の帯電量が増加するという事実に基づいている。すなわち、特に荷電電極において荷電粒子を照射する部分の電気抵抗を大きくすることにより、荷電粒子を照射する部分の帯電量を増大させ、効率よくコロナ放電を発生させるようにした。

ここで、上記電気抵抗増大部の電気抵抗は、荷電電極の材質を変更することによって増大させてもよいし、荷電電極の形状を変更することによって増大させてもよい。すなわち
、荷電電極の荷電粒子を照射する部分を、特に体積抵抗率の高い材質によって形成してもよいし、材質は荷電電極の他の部分と同じでも、例えば、荷電電極の断面積を小さくすることにより、電気抵抗を大きくしてもよい。

なお、上記の電気抵抗増大部は、前記燃料の方向に向かう先端を有し、前記電気抵抗増大部の断面積は、前記先端に向かう程小さくなることが望ましい。

このようにすれば、電気抵抗増大部の先端に向かう程、荷電電極の電気抵抗を大きくすることができる。そして、その抵抗の変化によって、荷電電極の表面から外へ放出される荷電子を増加させることができ、電気抵抗増大部におけるコロナ放電をより効率的に発生させることができる。その結果、燃料噴射弁から噴射された燃料を帯電させるために必要な消費電力を低減することができる。

ここで、本発明における電気抵抗増大部としては、荷電電極において燃料に供給する荷電粒子を照射する部分に設けられた突起部を例示することができる。荷電電極に設けられた突起部においては、その断面積が小さいために電気抵抗は大きい。従って、前記突起部から荷電粒子が効率的に放出され、効率よく燃料に供給することができる。結果として、燃料噴射弁から噴射された燃料を帯電させるために必要な消費電力を低減することができる。

上記突起部の具体例としては、荷電電極が、燃料噴射弁を囲む略円筒形状をしている場合に、その円筒形状の荷電電極の端面に複数個設けられた突起部であって、その突起部を該円筒の内側、すなわち、燃料噴射弁から噴射された燃料に向かう方向に傾斜させた構成などを挙げることができる。

なお、上記突起部は、前述のように、その先端に向かう程、断面積が小さくなる形状を有するようにしてもよい。そのことにより、各突起部において、より効率よく荷電粒子を燃料に照射することができる。

また、本発明においては、電気抵抗増大部の表面に、さらに凹凸が設けられた領域を有するようにするとよい。

すなわち、電気抵抗増大部の表面に凹凸を設けることにより、電気抵抗増大部の表面から荷電粒子が放出される際に、その凹凸部分における抵抗の変化を大きくし、効率良く荷電粒子を照射することができる。

また、本発明においては、 燃料を噴射する燃料噴射弁と、
前記燃料噴射弁によって噴射された燃料に、荷電粒子を供給することにより、該燃料を帯電させる荷電電極と、を備え、
前記荷電電極において前記燃料に供給する荷電粒子を照射する部分の表面には、前記荷電電極よりも体積抵抗率が低い材料で形成された高電気伝導部が設けられるようにしてもよい。

こうすれば、荷電電極から放出される荷電粒子を、前記高電気伝導部から集中的に放出することができる。すなわち荷電粒子を照射する部分の表面における荷電密度を高めることができ、効率よく、高密度の荷電粒子を照射することができる。

なお、上記で説明した課題を解決するための手段は、可能な限り組み合わせて用いることができる。従って、例えば前記電気抵抗増大部の表面に、前記高電気伝導部を設けるようにしてもよい。

本発明にあっては、コロナ放電により燃料を帯電し、霧化するために必要な消費電力を低減することができる。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を例示的に詳しく説明する。

図１は、本発明に係る燃料噴射装置が適用される内燃機関の気筒内の概略構成を示す図である。図１に示す燃料噴射弁１は、図１には示さないシリンダヘッドに固定され、気筒内に直接燃料を噴射するように配置されている。

この燃料噴射弁１の外郭には、絶縁層３によって絶縁された燃料帯電ピン２０が固定されている。この燃料帯電ピン２０の接続部２２は、第１の燃料噴射同期スイッチ４を介して第１の高圧電源５と接続されている。この第１の高圧電源５の電圧は、例えば１６ＫＶ程度に設定されている。また、本実施例における燃料帯電ピン２０は概略円柱形状をしており、その先端部２１を除いて絶縁層３に埋設されている。その先端部２１は、燃料噴射弁１から噴射される燃料１６の方向に向けられており、燃料噴射弁１の先端方向から見ると、燃料噴射弁１の周囲に略９０度毎に４本配置されている。ここで、燃料噴射弁１による燃料１６の噴射と同期して、第１の燃料噴射同期スイッチはＯＮされ、燃料帯電ピン２０には、第１の高圧電源５の電圧が印加される。そして、そのことにより、本実施例においては、燃料帯電ピン２０の先端部２１からは、プラス電荷を有する荷電粒子６が放出される。

また、本実施例における気筒には、照射ピン１２が備えられている。この照射ピン１２は、第２の燃料噴射同期スイッチ１１を介して、第２の高圧電源１０と電気的に接続されており、第２の燃料噴射同期スイッチ１１が、燃料噴射弁１による燃料噴射と同期してＯＮしたときには、後述するピストン８に対して、プラス電荷を有する荷電粒子１３を照射する。

また、図１において、燃料噴射弁１と対向する位置には、ピストン８が配置されている。このピストン８の頂面には、誘電体層９が形成されており、照射ピン１２から、ピストン８に照射された荷電粒子１３が、この誘電体層９上に分布し、誘電体層９を帯電させる構成となっている。

なお、本実施例において、燃料帯電ピン２は、荷電電極として機能する。

次に、図２を用いて、上記の燃料噴射弁１によって燃料１６が噴射されてからの作用について説明する。図２は、本実施例において燃料噴射弁１から噴射された燃料１６の挙動について説明した図である。

本実施例において、燃料噴射弁１から燃料１６が噴射されると、その燃料噴射と同期して、第１の燃料噴射同期スイッチ４がＯＮする。そして、第１の高圧電源５の電圧が燃料帯電ピン２０に印加されることにより、先端部２１からプラス電荷を有する荷電粒子６が放出される。そして、その荷電粒子６は噴射された燃料１６に供給され、噴射された燃料１６は図２（ａ）に示すようにプラスに帯電する。ここで、ガソリン及び、軽油などの燃料は、１×１０１３Ω・ｃｍ程度の高い体積抵抗率を有するので、容易に帯電される。

帯電した燃料（以下、「帯電燃料７」とする）は、上記のようにプラスに帯電しているため、帯電燃料７同士の間に静電斥力が作用し、図２（ｂ）に示すように、直近の帯電燃料７同士が衝突し合う。そして、このことにより帯電燃料７の微粒子化が促進される。

一方、燃料噴射弁１からの燃料噴射に同期して、第２の燃料噴射同期スイッチ１１もＯＮし、照射ピン１２に第２の高圧電源１０の電圧が印加される。その結果、燃料噴射弁１からの燃料噴射に同期して、照射ピン１２から、プラスの電荷を持つ荷電粒子１３が発生し、ピストン８の頂面に照射される。ピストン８の頂面には、前述のように誘電体層９が設けられているので、照射ピン１２から照射された荷電粒子１３は、誘電体層９の上に分布して滞在する。結果として、ピストン８の頂面はプラスに帯電する。

この状態で、燃料噴射弁１によって噴射され、燃料帯電ピン２からの荷電粒子６の供給を受けてプラスに帯電した帯電燃料７が、同様にプラスに帯電したピストン８の頂面に接近すると、ここでも静電斥力が発生する。そのため、図２（ｃ）に示すように、帯電燃料７の、ピストン８の頂面への付着が防止されるとともに、帯電燃料７は、ピストン８の頂面から離れるように移動する。その結果、帯電燃料７は、気筒内でピストン９の頂面から離れた領域に適宜集合して分布するようになり、成層化が促進される。

以上、説明したように、本実施例においては、燃料噴射弁１から噴射された燃料１６に、燃料帯電ピン２から荷電粒子６を供給して燃料１６を帯電させることにより、帯電燃料７同士に発生する静電斥力を利用して燃料の微粒化を促進する。

また、ピストン８の頂面に、帯電燃料７と同極の荷電粒子１３を分布させることにより、ピストン８の頂面と帯電燃料７との間に静電斥力を発生させ、帯電燃料７のピストン８の頂面への付着を防止するとともに、ピストン８の頂面から離れた場所に帯電燃料７を適宜集合して分布させ、成層化を促進する。

なお、本実施例においては、燃料帯電ピン２０に第１の高圧電源５の電圧を印加する場合には、図示しない発信回路によって所定周波数の高周波を重畳させた電圧を印加している。こうすることにより、燃料帯電ピン２０に電流が流れる際に、その電流を高周波の交流とし、表皮効果をより効果的に利用することができる。すなわち、燃料帯電ピン２０の表面近傍における電流密度をより高くすることにより、先端部２１においてコロナ放電を発生させ易くし、低消費電力で高密度の荷電粒子６を発生させることを可能としている。

次に、本実施例における燃料帯電ピン２０の詳細について説明する。図３（ａ）は、本実施例における燃料帯電ピン２０の先端部２１について示した図である。

この燃料帯電ピン２０の先端部２１は、図３（ａ）に示すように接続部２２側から延びる円柱部２１ａ及び、そのさらに先端側に設けられた円錐部２１ｂからなる。そして、円錐部２１ｂの錐面には、さらに、略円錐形状をした凸部２１ｃが設けられ凹凸が形成されている。さらに、本実施例では、円錐部２１ｂ全体をＡｕ層２１ｄでクラッドしている。

ここで、燃料帯電ピン２０は、Ｆｅ-Ｃｒ-Ａｌ系の材質を基材としている。この材質は体積抵抗率が大きく、さらに高温強度、耐酸化性に優れており、本発明における燃料帯電ピン２０には、適当な材料である。また、本実施例においては、先端部２１に電気抵抗増大部としての円錐部２１ｂを設けているため、円錐部２１ｂの先端に行くに従って、燃料帯電ピン２０の電気抵抗が増え、その抵抗の変化によって荷電粒子が円錐部２１ｂの外部に放出され易くなる。結果として、効率よく荷電粒子を照射することができる。

また、本実施例における燃料帯電ピン２０の円錐部２１ｂの錐面には、凸部２１ｃが設
けられているが、円錐部２１ｂ内の表面から放出される荷電粒子は、凸部２１ｃの先端に向かう途中の抵抗変化により、さらに放出され易くなる。結果として、より高効率に荷電粒子を照射することが可能となる。

また、本実施例においては、円錐部２１ｂは、高電気伝導部としてのＡｕ層２１ｄでクラッドされているが、このＡｕ層２１ｄは、燃料帯電ピン２０の基材と比較して体積抵抗率が大幅に小さい。従って、燃料帯電ピン２０から放出される荷電粒子を、このＡｕ層２１ｄに収集し、荷電密度を上げることができる。すなわち、荷電粒子をＡｕ層２１ｄでクラッドされた円錐部２１ｂから集中的に放出することができるので、効率よく燃料を帯電させることができる。

なお、上記のように、円錐部２１ｂに高電気伝導部を設ける場合、図３（ａ）に示したように、円錐部２１ｂ全体をクラッドする方法の外に、図３（ｂ）に示すように円錐部２１ｂの錐面に所定の間隔をあけてリング状にＡｕ形成部２１ｅを設けてもよい。

このことにより、円錐部２１ｂから放電された荷電粒子をＡｕ形成部２１ｅに収集し、Ａｕ形成部２１ｅにおける荷電密度を高めることができる。従って、この部分におけるコロナ放電の効率を高めることができる。さらに、このＡｕ形成層２１ｅの幅及び、Ａｕ形成層２１ｅ同士の間隔を変更することにより、円錐部２１ｂからの荷電粒子の照射範囲を変更することができる。

また、本実施例において高電気伝導部を形成する材質として、Ａｕを用いたが、これは、Ａｕが、体積抵抗率の小さく、耐酸化、耐オゾン性などを考慮して好適であるからである。ここで、高電気伝導部を形成する材質は、体積抵抗率が小さい材質であればよく、Ａｕ以外の材質、例えばＡｇなどを用いてもよい。

また、本実施例における燃料帯電ピン２０においては、その先端部２１に円錐部２１ｂを設けたが、先端部２１のさらに先端に向かうに従って燃料帯電ピン２０の断面積が小さくなるような形状を有していればよく、特に円錐形状に限られない。また、円錐部２１ｂを設けることによる荷電電極２０の電気抵抗の変化と同様な抵抗変化をするように、燃料帯電ピン２０の基材の材質を、その先端に向かうに従って変更するようにしてもよい。

また、本実施例において円錐部２１ｂの錐面に設けられた凸部２１ｃは、略円錐形に形成されたが、これも、特に円錐形状に限るものではない。要は、荷電粒子が円錐部２１ｂの錐面から放出されるときに、錐面の表面近傍における抵抗の変化を大きくすることができればよい。

さらに、本実施例における燃料噴射装置においては、前述したように、荷電電極としての燃料帯電ピン２０は、略円柱形状をしており、燃料噴射弁１の周囲に約９０度間隔で設けたが、必ずしもこの構成である必要はない。例えば、図４に示すように、荷電電極は、燃料噴射弁を囲む略円筒形状をした燃料帯電筒３０であり、円筒部３１及び、その端部に設けられた突起部３２を有する構成でもよい。そして、突起部３２は、円筒部３１の端部において、約９０度間隔で複数個配置するようにしてもよい。

この場合は、突起部３２は燃料帯電筒３０の円筒部３１に比較して断面積が小さいので、その電気抵抗が高くなり、荷電粒子を突起部３２から効率的に放出することができる。従って、ここでは、突起部３２が電気抵抗増大部として機能する。なお、突起部３２の表面に凹凸を形成してもよいし、Ａｕなどの体積抵抗率の小さい材質をクラッドしてもよいことはもちろんである。

以上、説明したように本実施例においては、荷電電極である燃料帯電ピン２０または燃料帯電筒３０から効率よく荷電粒子を燃料に供給することができるので、燃料を帯電し、霧化するために必要な消費電力を低減できる。

本発明の実施例における燃料噴射装置が適用される内燃機関の気筒内の概略構成について示す図である。 本発明の実施例において燃料噴射弁から噴射された燃料の挙動につて説明した図である。 本発明の実施例における燃料帯電ピンの先端部の詳細を示す図である。 本発明の実施例における燃料帯電筒の詳細を示す図である。

符号の説明

１・・・燃料噴射弁
３・・・絶縁層
４・・・第１の燃料噴射同期スイッチ
５・・・第１の高圧電源
６・・・荷電粒子
７・・・帯電燃料
８・・・ピストン
９・・・誘電体層
１０・・・第２の高圧電源
１１・・・第２の燃料噴射同期スイッチ
１２・・・照射ピン
１３・・・荷電粒子
１６・・・燃料
２０・・・燃料帯電ピン
２１・・・先端部
２２・・・接続部
２１ａ・・・円柱部
２１ｂ・・・円錐部
２１ｃ・・・凸部
２１ｄ・・・Ａｕ層
２１ｅ・・・Ａｕ形成部
３０・・・燃料帯電筒
３１・・・円筒部
３２・・・突起部

Claims (6)

1. 燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   前記燃料噴射弁によって噴射された燃料に、荷電粒子を供給することにより、該燃料を帯電させる荷電電極と、を備え、
   前記荷電電極において荷電粒子を照射する部分には、電気抵抗を増大させた電気抵抗増大部が設けられたことを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置。
2. 前記電気抵抗増大部は、前記燃料噴射弁により噴射された燃料に向かう先端を有し、前記電気抵抗増大部の断面積は、該先端に向かう程小さくな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装置。
3. 前記電気抵抗増大部は、前記荷電電極において前記燃料に供給する荷電粒子を照射する部分に設けられた突起部であることを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の燃料噴射装置。
4. 前記電気抵抗増大部の表面に、さらに凹凸が設けられた領域を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の内燃機関の燃料噴射装置。
5. 前記電気抵抗増大部の表面に、前記荷電電極よりも体積抵抗率が低い材料で形成された高電気伝導部が設けられたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の内燃機関の燃料噴射装置。
6. 燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   前記燃料噴射弁によって噴射された燃料に、荷電粒子を供給することにより、該燃料を帯電させる荷電電極と、を備え、
   前記荷電電極において前記燃料に供給する荷電粒子を照射する部分の表面には、前記荷電電極よりも体積抵抗率が低い材料で形成された高電気伝導部が設けられたことを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置。

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