JP2009052537A - 燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料噴射孔から噴射する燃料を瞬時に効率よく加熱できるようにして、内燃機関の始動直後であっても高温の燃料を噴射でき、且つ、加熱した燃料の噴射と加熱しない燃料の噴射との切替えを瞬時に行うことができる燃料噴射装置を提供する。
【解決手段】ノズルボディ内に形成された燃料流路に接するように、この燃料流路に沿って複数の発熱要素を並べたヒータを配置する。ヒータを構成する各発熱要素は、発熱／非発熱を個別に制御可能とされており、内燃機関の運転状態に応じて、燃料流路内の燃料をオリフィスに近い下流側から、次回に噴射される燃料噴射量に相当する体積分だけ加熱する。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関に燃料を噴射する燃料噴射装置に関する。

従来、燃料を高温高圧の状態で内燃機関に噴射することで、燃料の微粒化および気化を促進し、燃焼を効率よく行えるようにした燃料噴射装置が提案されている。例えば、特許文献１には、油圧室が設けられた燃料油ケーシングをノズルボディの内部に収納し、この燃料油ケーシング内の油圧室に供給された高圧の燃料を、油圧室を取り囲むように配置されたヒータにより加熱して、高温の超臨界状態としてノズルボディ先端の燃料噴射孔から噴射する燃料噴射装置が開示されている。
特開平１０−１４１１７０号公報

しかしながら、特許文献１にて開示される燃料噴射装置は、毎回の噴射に必要な量の燃料だけでなく、油圧室内に供給された燃料の全てを一律に加熱する構成となっている。このため、例えば加速時などでは、噴射する燃料を所望の温度にまで瞬時に加熱することができないので、加熱した燃料と加熱しない燃料とを瞬時に切替えながら噴射することが望まれる場合に対応できないといった問題がある。

本発明は、以上のような従来技術の有する問題点を解消すべく創案されたものであって、内燃機関の運転状態に応じて、必要量だけ燃料を加熱し噴射できる燃料噴射装置を提供することを目的としている。

本発明に係る燃料噴射装置は、内燃機関に燃料を噴射するものであり、先端に燃料噴射孔を有するノズルと、燃料噴射孔と繋がるようにノズル内部に形成された燃料流路と、燃料流路に近接して配置され、内燃機関の運転状態に応じて動作制御されて燃料流路内の燃料を加熱するヒータとを備える。そして、燃料流路の上流側から下流側に亘る位置に応じて燃料流路内の燃料が温度分布を持つように、当該燃料を加熱可能に構成されている。

本発明に係る燃料噴射装置によれば、内燃機関の運転状態に応じて、必要量だけ燃料を加熱し噴射できるので、加熱した燃料の噴射と加熱しない燃料の噴射とを、内燃機関の運転状態に応じて瞬時に切替えながら行うことができる。

以下、本発明を適用した燃料噴射装置の具体例について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下で説明する燃料噴射装置は、自動車等における内燃機関の燃焼室に燃料を噴射するものであり、特に、油圧室内に供給された燃料を必要な分だけ効率よく加熱する機能を持たせたものである。

［第１の実施形態］
図１は、本発明を適用した燃料噴射装置の一例（第１の実施形態）を示す断面図である。この図１に示す燃料噴射装置は、先端にオリフィス（燃料噴射孔）２を有する円筒状のノズルボディ３と、このノズルボディ３の基端側に連結されたヨーク４と、ノズルボディ３の内部に移動可能に挿通されたプランジャロッド５と、プランジャロッド５の基端側に位置してヨーク４内に固着された円筒状のコア６とを備える。

コア６の外周側には、コイルボビン７に保持された状態で、開弁コイル８及び保持コイル９が巻装されている。また、コア６の内周側にはスプリング１０が配設されており、このスプリング１０がプランジャロッド５のアンカ５ａに当接してプランジャロッド５をノズルボディ３の先端側へと付勢している。このスプリング１０による付勢力は、スプリングアジャスタ１１によって調整されている。

この燃料噴射装置は、コア６の基端側（図１中の上方）の端部が図示しない燃料供給配管に接続される。そして、図示しない燃料ポンプによって加圧された燃料がこの燃料供給配管を通して燃料噴射装置に供給される。

燃料噴射装置に供給された燃料は、コア６内部の空間やこれに連通するノズルボディ３内部の空間を経由して、ノズルボディ３先端のオリフィス２へと導かれる。つまり、燃料噴射装置では、これらコア６内部やノズルボディ３内部の空間が、加圧された燃料が流れる燃料流路１２とされている。そして、特に本実施形態の燃料噴射装置では、ノズルボディ３内部に形成された燃料流路１２に接するようにして、当該燃料流路１２内の燃料を加熱するヒータ１３が、ノズルボディ３の内周面に設置されている。

このような構成の燃料噴射装置は、非噴射時においては、プランジャロッド５がスプリング１０によりノズルボディ３の先端側に付勢され、図２（ａ）に示すように、このプランジャロッド５の先端部がノズルボディ３の先端内周面に当接することで、ノズルボディ３の先端に設けられたオリフィス２を閉塞している。したがって、燃料流路１２内の加圧された燃料は、これらプランジャロッド５とノズルボディ３の接触部分で遮断され、オリフィス２から燃料噴射装置の外部に噴射されることはない。なお、図２（ａ）は図１におけるＡ部を拡大して示した図である。

ここで、開弁コイル８に通電が行われると、電磁力の作用によりプランジャロッド５がスプリング１０の付勢力に抗してコア６側へと移動し、フランジ５ｂがストッパ１４に当接するまでプランジャロッド５が引き上げられる。これにより、図２（ｂ）に示すように、プランジャロッド５の先端部がノズルボディ３の先端内周面から離間してオリフィス２が開放された状態となり、燃料流路１２内の加圧された燃料がオリフィス２を通って燃料噴射装置の外部に噴射される。また、プランジャロッド５が引き上げられた状態で保持コイル９に通電すると、その後、開弁コイル８への通電を停止しても、プランジャロッド５は引き上げられた状態を維持する。このため、オリフィス２が開放されたままとなり、オリフィス２からの燃料の噴射が継続される。

保持コイル９への通電を停止すると、プランジャロッド５はスプリング１０の付勢力によりノズルボディ３の先端側へと押し戻される。そして、プランジャロッド５の先端部がノズルボディ３の先端内周面に当接してオリフィス２を閉塞することで、燃料の噴射が停止される。

以上のように、燃料噴射装置では、開弁コイル８及び保持コイル９への通電制御によって、燃料の噴射・非噴射が制御される。また、保持コイル９への通電時間を変えることにより、噴射時間を制御することが可能である。噴射時間はほぼ噴射量に比例するため、保持コイル９への通電時間を制御することで燃料噴射装置からの１回あたりの噴射量が制御される。例えば、自動車の加速時などは内燃機関へ大量の燃料を噴射する必要があるので、その場合は保持コイル９への通電時間を長くする。また、自動車が停止状態（アイドリング時）のときは、内燃機関へは少量の燃料が供給されるため、その場合は保持コイル９への通電時間を短くしている。

内燃機関へ供給される燃料の量は、図示しないＥＣＵ（Engine Control Unit）によって判断される。ＥＣＵは内燃機関の内外に取り付けてある各種のセンサからの情報をもとに内燃機関の運転状態を判断し、その状態に応じて内燃機関が必要とする燃料の量を判断し、それによって燃料噴射装置の保持コイル９への通電時間を決定している。また、特に本実施形態の燃料噴射装置では、ノズルボディ３の内周面に設置されたヒータ１３で燃料流路１２内の燃料を加熱する構成とされており、このヒータ１３の動作が、燃料噴射量の制御（つまり保持コイル９への通電制御）と合わせて、内燃機関の運転状態に応じてＥＣＵにより制御されることによって、噴射する燃料を必要な分だけ効率よく加熱できるようにしている。以下、本実施形態の燃料噴射装置において特徴的な部分であるヒータ１３の構成及び動作の詳細について、具体例を挙げながらさらに詳しく説明する。

ヒータ１３は、上述したように、ノズルボディ３内部の燃料流路１２に接するようにノズルボディ３の内周面に設置され、当該燃料流路１２の上流側から下流側に亘る位置にかけて、当該燃料流路１２内の燃料が温度分布を持つように、当該燃料流路１２内の燃料を加熱できるように構成されている。具体的には、ヒータ１３は、発熱状態を個別に切替え可能な複数の発熱要素が、ノズルボディ３内部の燃料流路１２の上流側から下流側に亘って並ぶように配置された構成とされている。ヒータ１３の各発熱要素は、個別の配線によって電力供給源と接続され、各配線中にそれぞれスイッチが設けられる。そして、内燃機関の運転状態に応じて各スイッチのオン／オフがＥＣＵによって制御されることで、ヒータ１３を構成する複数の発熱要素の加熱／非加熱を個別に切り替えることが可能とされており、これにより、燃料流路１２内の燃料を上流側と下流側との間の位置に応じて温度分布を持つように加熱できるようにしている。

ヒータ１３の各発熱要素は、例えばＮｉやＣｕなどの金属のメッキ等により形成され、それぞれ図示しない配線によって電力供給源に接続される。ここで、ヒータ１３の各発熱要素は配線よりも高い抵抗値を持つ必要があるが、各発熱要素を金属メッキで形成する場合はメッキの膜厚を薄くすることで抵抗値が高くなるので、これを利用すればよい。

また、ヒータ１３の各発熱要素及び配線以外の部分に電気が漏電することを防ぐため、これらの周囲には絶縁構造が必要である。本実施形態の燃料噴射装置のようにノズルボディ３内周面にヒータ１３を設置する場合は、例えば、セラミックなどを用いた絶縁膜１５をノズルボディ３内周面に形成し、その上に、前述の金属メッキによりヒータ１３の各発熱要素を形成するようにすればよい。これにより、ヒータ１３の各発熱要素とノズルボディ３はセラミックの絶縁膜１５により電気的に絶縁される。しかも、一般にセラミックは熱伝導度が低いため、セラミックの絶縁膜１５を介装することでヒータ１３の発熱要素からノズルボディ３に熱が伝わり難くなるので、断熱構造も併せて実現できる。また、セラミックの絶縁膜１５に凹部を形成してこの凹部内にヒータ１３の各発熱要素を埋め込み形成するようにすれば、隣接する発熱要素間の電気的絶縁性及び断熱性も確保される。さらに、ヒータ１３の発熱要素が直接燃料に触れて、燃料への漏電が問題になる場合には、各発熱要素の表面を酸化させる、あるいは各発熱要素の表面に薄い絶縁膜を形成するなどの対策を行うことで、燃料への漏電を防ぐことが可能である。なお、ヒータ１３を構成する各発熱要素の１つ１つの形状は、円筒状のノズルボディ３の内周面を全て覆うようなリング形状とされていることが望ましい。

以上のような複数の発熱要素を並べた構成のヒータ１３は、上述したプランジャロッド５の先端部とノズルボディ３の先端内周面との接触位置、すなわちノズルボディ３の先端に設けられたオリフィス２の近傍の位置までをカバーするように配置されていることが望ましい。燃料噴射装置では、上述したように開弁コイル８への通電によりプランジャロッド５がコア６側に引き上げられるとオリフィス２が開放され、ノズルボディ３内部の燃料流路１２内の燃料のうちでオリフィス２近傍に位置するものから噴射されることになるので、ヒータ１３をオリフィス２近傍位置までカバーするように配置して、オリフィス２近傍の燃料を加熱できる構造（つまり、次回に絶対に噴射される燃料を加熱できる構造）としておけば、燃料噴射装置が次回に噴射する燃料を確実に加熱することが可能であり、燃料流路１２の上流側（図１中の上方向）の燃料を加熱しなくとも、次回に噴射するだけの燃料を加熱することが可能である。

また、例えば自動車の加速時など、内燃機関に多量の燃料を噴射することが求められる場合は、噴射する燃料の体積に合わせて発熱させる発熱要素の数を増やすことで、次回に噴射する燃料が増加してもこれに対応可能である。逆に、内燃機関に噴射する燃料が少量の場合には、最下流部の発熱要素のみを発熱させるようにすればよい。このように、本実施形態の燃料噴射装置では、個別に発熱状態を切替可能な複数の発熱要素でヒータ１３を構成することにより、次回噴射する燃料の体積に合わせて加熱する燃料の体積を可変にし、燃料流路１２内の燃料を効率よく加熱することを可能にしている。

ところで、燃料噴射装置の１回あたりの燃料噴射量の最小値と最大値（最小噴射量と最大噴射量）は、内燃機関の性能によって予め定められている。燃料噴射装置の最小噴射量は、内燃機関を回し続けるのに最低限供給される燃料の量のことである。自動車のアイドリング状態がこの状態に当たる。また、燃料噴射装置の最大噴射量は、この量以上の燃料を噴射しても内燃機関の出力が上がらない、或いは、出力が上がったとしても燃焼が不適正な状態となる、或いは、内燃機関がこれ以上の出力になると損傷を受ける可能性が高くなるなどの理由で決まっている。自動車の最大加速時つまりフルスロットル（または、ＷＯＴ＝ワイドオープンスロットル）状態がこの状態に当たる。

本実施形態の燃料噴射装置では、ヒータ１３により加熱する燃料の体積が、内燃機関の性能に応じて定められる最小噴射量と最大噴射量との間の任意の体積に可変とされている。具体的には、ヒータ１３を構成する全ての発熱要素を発熱させたときに加熱される燃料の体積が燃料噴射装置の最大噴射量と同程度とされ、燃料流路１２の最下流に位置する（オリフィス２に最も近い）発熱要素のみを発熱させたときに加熱される燃料の体積が最小噴射量と同程度とされている。そして、ヒータ１３を構成する複数の発熱要素のうち、発熱させる発熱要素の数（燃料流路１２の最下流から何番目までの発熱要素を発熱させるか）を切り替えることによって、燃料噴射装置の最小噴射量と最大噴射量との間の任意の体積の燃料を、ヒータ１３によって加熱できる構成とされている。これにより、内燃機関の運転状態に応じてどの量の燃料を噴射するにしても、噴射する燃料をヒータ１３で効率よく且つ確実に加熱することが可能になる。

本実施形態の燃料噴射装置において、ヒータ１３が燃料を加熱するタイミングは、噴射直前、すなわち開弁コイル８が通電されてプランジャロッド５が引き上げられる直前とすることが望ましい。熱は高温部から低温部に拡散していくため、加熱のやり方によっては、燃料以外の部品を加熱してしまい燃料噴射装置の信頼性低下を招く要因となることも考えられる。ここで、ヒータ１３による燃料の加熱を噴射直前に行うようにすれば、加熱によって高温になった燃料は噴射によって燃料噴射装置の外部に出され、しかもそれと同時に燃料流路１２の上流側から加熱されていない（ほぼ室温の）燃料が加熱部（つまりヒータ１３の近傍位置）に供給されて加熱部を冷却してくれる。これにより、燃料加熱に起因した燃料噴射装置の信頼性低下の問題を未然に回避することが可能となる。

また、本実施形態の燃料噴射装置において、ヒータ１３により加熱される燃料流路１２内の燃料は、臨界圧力以上に加圧されていることが望ましい。ヒータ１３の加熱により燃料の温度は急激に上昇するため、燃料の圧力によっては加熱時に沸騰することも予想される。燃料の沸騰が起きると、燃料の密度や熱伝導度、比熱などが急激に変化するため、場合によってはヒータ１３の熱が燃料に所望の速度で伝わることがなくなり、ヒータ１３が過度に高温になってしまうこともあり得る。これはヒータ１３の耐久性にとって好ましいことではない。また、沸騰によって密度が急激に変化するとそれが圧力波となって、燃料流路１２内の部品（例えばヒータ１３など）に物理的なダメージを与えることがある。また、沸騰が同じ場所で何度も繰り返し起こる場合は、燃料中に溶けていた成分がその場所に析出してしまい、場合によっては燃料流路１２が詰まってしまうことも予想される。そのため、加熱中の沸騰は出来る限り避けた方が望ましい。ヒータ１３により加熱される燃料流路１２内の燃料を臨界圧力以上に加圧しておけば、燃料は沸騰することがなくなるので上述の問題を有効に回避することが可能となる。

本実施形態の燃料噴射装置では、上述したように、次回に噴射される量だけの燃料を、必要に応じて（つまり内燃機関の運転状態に応じて）ヒータ１３により加熱して噴射するが、噴射された燃料は、温度が沸点を超えていれば液相から気相へと相変化する。その結果、気相の燃料は膨張することによって温度が低下する。そして、温度が低下すると、燃料が完全に気相にならない（気液が混在する）状態で空気と混合することになる。内燃機関の運転状態によっては、完全に気化した状態で空気と混合することが望ましいこともあり得る。例えば、なるべく早く空気と混合したい場合は、液相の燃料が残っていると液相の燃料が蒸発して気相になる時間の分だけ、空気と混合する時間が遅くなる。このような観点から、本実施形態の燃料噴射装置では、ヒータ１３により燃料流路１２内の燃料を臨界温度以上にまで加熱して、たとえ気相の燃料が膨張したとしても、十分な温度が保てるようにすることも有効である。ここで言う十分な温度とは、噴射した燃料が全て気相になるような温度のことであり、燃料を燃料噴射装置内で臨界温度以上に加熱することで実現される。

以上、具体的な例を挙げながら詳細に説明したように、本実施形態の燃料噴射装置によれば、ノズルボディ３内に形成された燃料流路１２に接するように、この燃料流路１２に沿って複数の発熱要素を並べたヒータ１３を配置しているので、燃料流路１２内の必要な燃料分だけが加熱されるようにヒータ１３から与えられる熱量を制御するので、ヒータ１３の発熱量を必要最小限とすることができ、加熱した燃料の噴射と加熱しない燃料の噴射とを、内燃機関の運転状態に応じて瞬時に切替えながら行うことができる。

また、本実施形態の燃料噴射装置では、ノズルボディ３内に形成された燃料流路１２内の燃料を必要な分だけ、つまり次回噴射する燃料のみをヒータ１３により加熱するので、燃料を急速に昇温することが可能であり、内燃機関の始動直後などにおいても所望の温度に加熱した燃料を噴射することができ、また、余分な燃料を加熱することなく、加熱によって消費される電力を低減することが可能である。さらに、内燃機関の運転状態に応じて、加熱した燃料の噴射と加熱しない燃料の噴射とを瞬時に切替えながら行うことも可能である。

また、本実施形態の燃料噴射装置によれば、次回に噴射する燃料を噴射直前にヒータ１３によって加熱する構成としているので、加熱によって生じた熱が燃料以外の部品に拡散していくことを防止でき（熱は時間の経過とともに高温部から低温部へ拡散して行く。この現象は、不可逆変化であり一度拡散した熱を元の場所に集中させることは不可能である。つまり、熱は必要な瞬間に必要な量だけ供給することが望ましい。）、拡散した熱によって部品が熱膨張を起こして燃料漏れを起こすなどの問題を有効に回避して信頼性低下を防ぐことが可能になる。

また、本実施形態の燃料噴射装置によれば、ヒータ１３を構成する各発熱要素とノズルボディ３内周面との間にセラミックなどの絶縁膜１５を設け、このセラミックなどの絶縁膜１５により電気的絶縁性とともに断熱性も確保しているので、ヒータ１３の発熱要素が発熱した際にノズルボディ３への熱の拡散を低減することが可能になり、オリフィス２近傍のシール性の低下による燃料漏れなどの問題を有効に回避して、信頼性低下を防ぐことが可能である。また、ヒータ１３の発熱要素からの熱がノズルボディ３へ逃げないということは、燃料へ伝わる熱が増加することになるので、加熱により消費される電力の削減にもつながる。

また、本実施形態の燃料噴射装置では、燃料流路１２内の燃料を臨界圧力以上に加圧しておくことにより、ヒータ１３の加熱による燃料の沸騰を防ぐことが可能になり、安定した加熱が可能になる。さらに、本実施形態の燃料噴射装置では、燃料を燃料噴射装置内で臨界温度以上に加熱することによって、噴射後の気相から液相への相変化を防ぐことが可能となり、安定した燃料噴射を実現することが可能となる。

［第２の実施形態］
図３は、本発明を適用した燃料噴射装置の他の例（第２の実施形態）を示す断面図である。この図３に示す第２の実施形態の燃料噴射装置は、燃料を加熱するヒータの設置位置が上述した第１の実施形態（図１参照）と異なるものである。それ以外の構成及び動作は第１の実施形態と同様であるので、以下、第１の実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略し、本実施形態に特徴的な部分についてのみ説明する。

上述した第１の実施形態では、ノズルボディ３の内周面に発熱状態を個別に切替え可能な複数の発熱要素を並べて燃料流路１２内の燃料を加熱するヒータ１３として構成したが、本実施形態では、プランジャロッド５の外周面に発熱状態を個別に切替え可能な複数の発熱要素を並べて、燃料流路１２内の燃料を加熱するヒータ２１としている。ヒータ２１の構成は、プランジャロッド５の外周面に配置されている以外は、上述した第１の実施形態と同様である。すなわち、例えばＮｉやＣｕなどの金属のメッキ等により形成された複数の発熱要素が、ノズルボディ３内部の燃料流路１２の上流側から下流側に亘って並ぶように配置され、各発熱要素が個別の配線によって電力供給源と接続され、各配線中にそれぞれスイッチが設けられる。そして、内燃機関の運転状態に応じて各スイッチのオン／オフがＥＣＵによって制御されることで、ヒータ２１を構成する複数の発熱要素の加熱／非加熱を個別に切り替えることが可能とされており、これにより、燃料流路１２内の燃料を上流側と下流側との間の位置に応じて温度分布を持つように加熱できるようにしている。

また、ヒータ２１の各発熱要素及び配線以外の部分に電気が漏電することを防ぐため、プランジャロッド３の外周面上には、図４（ａ），（ｂ）に示すように、第１の実施形態と同様にセラミックなどの絶縁膜２２が形成され、その上に、前述の金属メッキによりヒータ２１の各発熱要素が形成されている。これにより、ヒータ２１の各発熱要素とプランジャロッド３は絶縁膜２２により電気的に絶縁される。しかも、一般にセラミックは熱伝導度が低いため、セラミックの絶縁膜２２を介装することでヒータ２１の発熱要素からプランジャロッド５に熱が伝わり難くなるので、断熱構造も併せて実現できる。また、セラミックの絶縁膜２２に凹部を形成してこの凹部内にヒータ２１の各発熱要素を埋め込み形成するようにすれば、隣接する発熱要素間の電気的絶縁性及び断熱性も確保される。さらに、ヒータ２１の発熱要素が直接燃料に触れて、燃料への漏電が問題になる場合には、第１の実施形態と同様に、各発熱要素の表面を酸化させる、あるいは各発熱要素の表面に薄い絶縁膜を形成するなどの対策を行うことで、燃料への漏電を防ぐことが可能である。なお、ヒータ２１を構成する各発熱要素の１つ１つの形状は、プランジャロッド５の外周面を全て覆うようなリング形状とされていることが望ましい。

本実施形態の燃料噴射装置は、以上のように、燃料流路１２内の燃料を温度分布を持つように加熱可能なヒータ２１を備えているので、上述した第１の実施形態と同様に、内燃機関の運転状態に応じて、燃料流路１２内の燃料を必要な分だけ効率よく加熱することができ、第１の実施形態と同様の効果が得られる。

また、特に本実施形態の燃料噴射装置は、プランジャロッド５の外周面にヒータ２１を配置するようにしているので、第１の実施形態に比べて製造が容易となるといった利点を有する。すなわち、第１の実施形態のようにノズルボディ３側にヒータ１３を配置するには、円筒状のノズルボディ３の内周面に発熱要素を形成する必要があるため、製造上の難しさが存在する。これに対して、本実施形態のようにプランジャロッド５側にヒータ２１を配置する構成とすれば、円柱状のプランジャロッド５の外周面に発熱要素を形成すればよく、ノズルボディ３内周面に発熱要素を形成する場合に比べて、製造上の難しさは大幅に低減される。ただし、プランジャロッド５は上述したように開弁コイル８や保持コイル９の通電、非通電の切替えによって高速に移動する可動部材であるため、信頼性の観点からは、第１の実施形態のように、固定部材であるノズルボディ３側にヒータ１３を設置する構成の方が有利である。プランジャロッド５側とノズルボディ３側とのどちらにヒータ２１（１３）を設置するかは、要求される信頼性と製造上の制約条件などを考慮しながら総合的に判断して決定すればよい。

また、図５に示すように、ノズルボディ３の内周面とプランジャロッド５の外周面との双方にヒータ１３，２１を設置することも可能である。この場合には、ノズルボディ３とプランジャロッド５との間に形成される円筒状の燃料流路１２を両面から（円筒の外側と内側の両面から）加熱することになり、燃料を加熱する時間を短縮することが可能になる。

［第３の実施形態］
図６は、本発明を適用した燃料噴射装置のさらに他の例（第３の実施形態）を示す図であり、ノズルボディ３とプランジャロッド５との間の燃料流路１２近傍を拡大して示す断面図である。第３の実施形態の燃料噴射装置は、ヒータ１３の近傍に触媒層３１が形成されている以外は上述した第１の実施形態と同様であるので、以下、第１の実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略し、本実施形態に特徴的な部分についてのみ説明する。

本実施形態の燃料噴射装置では、図６に示すように、ヒータ１３を構成する発熱要素の表面や発熱要素以外の燃料流路１２表面（絶縁膜１５の一部など）に、燃料流路１２内の燃料の化学反応を促進するための触媒層３１が形成されている。この触媒層３１の触媒としては、例えば、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈなどの貴金属、あるいはＣｕなどの金属が挙げられる。これらの触媒は通常はセラミックを母材とする材料によって担持されるので、触媒とそれを担持するセラミックを薄膜状にして、ヒータ１３を構成する発熱要素の表面や発熱要素以外の燃料流路１２の表面に塗布して触媒層３１とすればよい。

本実施形態の燃料噴射装置は、以上のように、ヒータ１３の近傍に触媒層３１が形成されているので、上述した第１の実施形態や第２の実施形態と同様の効果に加え、局所的な燃料の化学反応を促進することが可能となるといった効果が得られる。すなわち、触媒は高温で機能するものが多いので、触媒層３１をヒータ１３近傍に形成することにより、触媒を効率的に活性化させて、この触媒と接する燃料の化学反応を促進することが可能となる。

なお、図６に示した例では、第１の実施形態のようにノズルボディ３側にヒータ１３を配置した構成としているが、第２の実施形態のようにプランジャロッド５側にヒータ２１を配置した場合や、ノズルボディ３側とプランジャロッド５側の双方にヒータ１３，２１を配置した場合にも、ヒータ１３，２１の近傍に触媒層３１を塗布することで、効率的に触媒を活性化させて燃料の局所的な化学反応を促進することが可能となる。

［第４の実施形態］
図７は、本発明を適用した燃料噴射装置のさらに他の例（第４の実施形態）を示す断面図である。この図７に示す第４の実施形態の燃料噴射装置は、燃料を加熱するヒータの構成が上述した第１の実施形態（図１参照）と異なるものである。それ以外の構成及び動作は第１の実施形態と同様であるので、以下、第１の実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略し、本実施形態に特徴的な部分についてのみ説明する。

上述した第１の実施形態では、発熱状態を個別に切替え可能な複数の発熱要素を燃料流路１２に沿って並べ、燃料流路１２内の燃料が温度分布を持つように当該燃料流路１２内の燃料を加熱できるヒータ１３としたが、本実施形態では、図７に示すように、ノズルボディ３の内周面に、燃料流路１２の上流側から下流側に亘って厚みが異なる一体の発熱要素を形成して、燃料流路１２内の燃料が温度分布を持つように当該燃料流路１２内の燃料を加熱できるヒータ４１としている。

このヒータ４１を構成する発熱要素は、負の温度特性（ＮＴＣ（Negative Temperature Coefficient）特性）を有する材質を用いて形成することが望ましい。ＮＴＣ特性を有する材質としては、例えばＭｎ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅなどを含んだ焼結金属が挙げられる。このようなＮＴＣ特性を有する材質を、例えば燃料流路１２の上流側から下流側にかけて次第に厚みが薄くなるように成形し、第１の実施形態と同様にセラミックなどの絶縁膜４２（断熱構造を兼ねる絶縁膜）を介してノズルボディ３の内周面に配置することで、燃料流路１２内の燃料が温度分布を持つように当該燃料流路１２内の燃料を加熱可能なヒータ４１とすることができる。

ヒータ４１が燃料流路１２内の燃料を温度分布を持つように加熱できる原理を、図８及び図９を用いて説明する。図８のようにＮＴＣ特性を持ち、かつ形状の異なる材質に比較的小さな一定電流（図９中のＩ１）を通電した場合、電流が集中する場所、すなわち図８の下方向部分が最も発熱密度が高くなる。その結果、下方部分は高温（図９中のＴ２１）となり、発熱密度の小さい上方部分は比較的低温（図９中のＴ１１）となる。さらに、大きな電流（図９中のＩ２）を流すと、下方部分は高温のためＮＴＣ特性から電気抵抗が下がっているので、小さな電流（図９中のＩ１）を流したときと比べて、それほど温度は高くならない（図９中のＴ２２）。一方で、上方部分は下方部分と比べて比較的低温のため電気抵抗の下がり方が下方部分と比べて小さく、小さな電流を流したときと比べて大きな電流を流した場合の温度上昇が大きくなる（図９中のＴ１２）。その結果、電流Ｉ１を流したときよりも、電流Ｉ２を流したときの方が下方部分と上方部分の温度差が小さくなる。この性質を利用すれば、流す電流の量を制御することで、ヒータ４１の温度分布、すなわちヒータ４１の加熱による燃料流路１２内の燃料の温度分布を制御することが可能である。

ＮＴＣ特性を持つ焼結金属のうち、材料の種類によってはある温度で急激に電気抵抗が低下するものが存在するので、そのような焼結金属をヒータ４１に用いるようにしてもよい。図１０を用いて、このような材料をヒータ４１に用いた場合の特性を説明する。図１０中のＴａは前述の抵抗が急激に低下し始める温度を表わしている。ヒータ４１に通電する電流量を増加させていくと、ヒータ４１がある温度（図１０中のＴａ）に達したとき電気抵抗が急激に下がるため、それ以上電流を大きくしても殆ど温度が上昇しなくなる。つまり、ヒータ４１の温度変化に関して、しきい電流が存在することになる。ヒータ４１の下方部分にとってのしきい電流は図１０中のＩａになり、上方部分にとってのしきい電流は図１０中のＩｂになる。ＩｂがＩａよりも大きな理由は、前述の電流密度の関係から明らかである。ここで、図７に示したように燃料流路１２の下流側に向かうに従ってヒータ４１の厚みが薄くなっている場合は、電流密度を考えれば下流側いくほどしきい電流が低く、上流側に近いほどしきい電流は大きくなる。十分に大きな電流を流せば、ヒータ４１全面の温度分布、つまりヒータ４１の加熱による燃料流路１２内の燃料の温度差がなくなるし、小さな電流を流した場合は、燃料流路１２の上流側と下流側とで燃料の温度差が大きくなる。

本実施形態の燃料噴射装置では、図７に示したように、ＮＴＣ特性を有する焼結金属を材質とした発熱要素を、燃料流路１２の下流側に向かうに従って厚みが薄くなるように形成してヒータ４１としている。したがって、内燃機関の運転状態に応じて、例えば、次回の噴射量が少ない場合は、ヒータ４１に比較的小さな電流を流して、ヒータ４１のうちで燃料流路１２の下流側に位置する部分のみを高温にすることで、次回噴射される燃料のみを効率よく加熱することができる。また、逆に、次回の噴射量が多い場合は、ヒータ４１に比較的大きな電流を流して、ヒータ４１全体が高温になるようにすればよい。これにより、次回に噴射される燃料と同等の体積の燃料をヒータ４１で加熱することが可能となる。

本実施形態の燃料噴射装置は、以上のように、燃料流路１２内の燃料を温度分布を持つように加熱可能なヒータ４１を備えているので、上述した第１の実施形態と同様に、内燃機関の運転状態に応じて、燃料流路１２内の燃料を必要な分だけ効率よく加熱することができ、第１の実施形態と同様の効果が得られる。また、ヒータ４１は単一の発熱要素よりなるので、配線数を大幅に削減することができ、構造の簡素化を図ることができる。

なお、図７に示した例では、第１の実施形態のようにノズルボディ３側にヒータ４１を配置しているが、第２の実施形態のようにプランジャロッド５側にヒータ４１を配置するようにしてもよいし、ノズルボディ３側とプランジャロッド５側の双方にヒータ４１を配置するようにしてもよい。

［第５の実施形態］
次に、本発明を適用した燃料噴射装置の第５の実施形態について説明する。本実施形態の燃料噴射装置は、燃料流路１２内の燃料の沸騰（或いは沸騰に近い現象）を防止する手法が、上述した第１の実施形態と異なるものである。それ以外の構成及び動作は第１の実施形態と同様であるので、以下、第１の実施形態と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略し、本実施形態に特徴的な部分についてのみ説明する。

上述した第１の実施形態では、ヒータ１３による燃料加熱時の沸騰を防止するために、燃料流路１２内の燃料を臨界圧力以上に加圧しておくことが有効であることを説明した。ヒータ１３による燃料の加熱が比較的緩やかであれば、上述した第１の実施形態で説明したように、ヒータ１３により加熱される燃料流路１２内の燃料を臨界圧力以上に加圧しておくことで、上述の沸騰による問題を回避することが可能である。しかしながら、燃料の加熱が急激である、言い換えればヒータ１３の温度上昇速度が早い場合は、燃料が臨界圧以上に加圧されている場合でも沸騰に近い現象が起こりうる。

ここで、沸騰に近い現象とは、臨界圧以下の場合のような気相から液相への相変化は伴わないが、沸騰と同様に急激な圧力波を発生させるような現象を言う。このような現象は、燃料流路１２内の燃料がヒータ１３による急激な加熱によって、比較的密度の高い準安定状態から、密度の低い安定状態へと急激に変化するために生じるものと考えられる。

ヒータ１３による燃料加熱時に以上のような沸騰に近い現象が発生することを防止するには、燃料流路１２内の燃料を臨界圧力以上に加圧しておくだけでは不十分であり、燃料流路１２内の燃料の温度を、ある圧力に対して存在する飽和温度、または擬臨界温度よりも低い温度に保っておく必要がある。なお、擬臨界温度とは、図１１に示すように、臨界圧力Ｐｃ以上のある圧力での燃料の定圧比熱（Ｃｐ）が極大になる温度であり、臨界圧力Ｐｃ未満の場合における飽和温度に相当するものである。臨界圧力Ｐｃ以上に加圧され、且つ、臨界温度Ｔｃ以上に加熱された超臨界状態の流体は、この擬臨界温度よりも低い温度では密度の高い状態で安定であり、擬臨界温度よりも高い温度では密度の高い準安定状態である。

以上の観点から、本実施形態の燃料噴射装置では、燃料流路１２内の燃料の圧力が臨界圧力未満であればヒータ１３の最高温度を燃料の飽和温度以下に制限し、燃料流路１２内の燃料の圧力が臨界圧力以上であればヒータ１３の最高温度を燃料の擬臨界温度以下に制限することで、上述した沸騰に近い現象も含めて、ヒータ１３による燃料加熱時の急激な圧力波の発生を確実に防止できるようにしている。

具体的には、例えば図１２に示すように、燃料流路１２内の燃料の圧力を検知する圧力検知手段５１を設ける。具体的には、例えば燃料流路１２の上流側となるコア６内部の圧力を検知可能な圧力センサを設置し、これを圧力検知手段５１とする。また、ヒータ１３の温度を例えば熱電対のような温度検知手段５２でモニタリングできるようにしておく。そして、圧力検知手段５１で検知される圧力が燃料の臨界圧力未満の場合には、温度検知手段５２の検出値をモニタリングしながら、ヒータ１３の温度が燃料の飽和温度を超えないように、ヒータ１３の動作を制御する。また、圧力検知手段５１で検知される圧力が燃料の臨界圧力以上の場合には、温度検知手段５２の検出値をモニタリングしながら、ヒータ１３の温度が燃料の擬臨界温度を超えないように、ヒータ１３の動作を制御する。

以上のように、燃料流路１２内の燃料の圧力に応じて、ヒータ１３の最高温度を燃料の飽和温度または擬臨界温度以下に制限すれば、ヒータ１３により加熱される燃料は原理的にヒータ１３よりも高温にはなりえないので、燃料流路１２内の燃料の温度を飽和温度または擬臨界温度よりも低い温度に保つことができ、上述した沸騰に近い現象も含めて、ヒータ１３による燃料加熱時の急激な圧力波の発生を確実に防止することができる。なお、ヒータ１３は基本的に噴射孔２に近い側の方が温度が高く、噴射孔２から遠ざかるにつれて温度が下がるため、ヒータ１３の最高温度を燃料の飽和温度または擬臨界温度以下に制限するには、噴射孔２に最も近い側のヒータ１３の温度を温度検知手段５２でモニタリングしながら、この温度が燃料の飽和温度または擬臨界温度を超えないようにヒータ１３の動作を制御すればよい。なお、ヒータ１３の温度を判断する手法としては、ヒータ１３に熱電対のような温度検知手段５２を設ける手法以外にも、例えば、ヒータ１３自体で温度を検知できるようにしてもよい。また、ヒータ１３に供給する電力量とヒータ１３の温度との関係を予め求めておいて、この関係をもとにヒータ１３の温度を推定し、この温度が燃料の飽和温度または擬臨界温度を超えないようにヒータ１３の動作を制御するようにしてもよい。

ところで、一般に自動車などに使用される燃料はガソリンや軽油等の混合物であり、混合物に含まれる内容物によって飽和温度や擬臨界温度は変化してしまうため、予め燃料の飽和温度や擬臨界温度を知ることが難しい場合も多い。

そこで、燃料の飽和温度や擬臨界温度を予め知ることができない場合には、圧力検知手段５１により検知される燃料流路１２内の燃料の圧力変動から燃料の沸騰或いは沸騰に近い現象が生じていると判断されたときに、次回以降の燃料噴射時における燃料加熱の条件や燃料圧力を調整することで、沸騰或いは沸騰に近い現象が継続しないようにすることも有効である。

具体的には、例えば、圧力検知手段５１により所定値以上の圧力変動が検知された場合に、次回以降の燃料噴射時におけるヒータ１３の最高温度が、今回の燃料噴射時におけるヒータ１３の最高温度よりも低くなるように、ヒータ１３の動作を制御する。ヒータ１３の最高温度を低い方向に変更しても未だ所定値以上の圧力変動が検知される場合は、ヒータ１３の最高温度をさらに低く制限するように、ヒータ１３の動作を制御する。

なお、制御の閾値となる所定値は、燃料の沸騰或いは沸騰に近い現象による圧力変動であるか否かを判定するものであり、予め実験などを行って最適な値を定めておく。燃料流路１２内の燃料の圧力は、例えばプランジャロッド５の移動などに伴って多少なりとも変動するので、このような沸騰或いは沸騰に近い現象以外の要因による圧力変動よりも十分に大きな値を所定値として設定し、沸騰或いは沸騰に近い現象が生じたときにのみ、ヒータ１３の最高温度が低い方向に変更されるようにする。

また、例えば、圧力検知手段５１により所定値以上の圧力変動が検知された場合に、次回以降の燃料噴射時における燃料の温度上昇速度が、今回の燃料噴射時における燃料の温度上昇速度よりも低くなるように、ヒータ１３の動作を制御するようにしてもよい。ヒータ１３の温度上昇速度を低下させると、過熱度が低くなるため沸騰或いは沸騰に近い現象が発生しにくくなるからである。なお、このような過熱度に依存する現象は、飽和温度の場合だけでなく、擬臨界温度の場合も同様に生じ得るものである。

また、例えば、圧力検知手段５１により所定値以上の圧力変動が検知された場合に、次回以降の燃料噴射時に噴射される燃料が、今回の燃料噴射時に噴射された燃料よりも高い圧力となるように、燃料の加圧状態を変化させるようにしてもよい。燃料圧力を上昇させると、その分、燃料の飽和温度または擬臨界温度が高くなり、それまでの燃料噴射時と同じ条件でヒータ１３の動作を制御して燃料を加熱した場合、燃料の過熱度が低くなるために、沸騰或いは沸騰に近い現象が発生しにくくなるからである。

本実施形態の燃料噴射装置は、以上のように、ヒータ１３の温度が燃料の飽和温度または擬臨界温度を超えないようにヒータ１３の動作を制御することで燃料の沸騰或いは沸騰に近い現象が発生することを防止し、または、燃料の沸騰或いは沸騰に近い現象が生じていると判断されたときに、次回以降の燃料噴射時における燃料加熱の条件や燃料圧力を調整することで、燃料の沸騰或いは沸騰に近い現象が継続しないようにしているので、上述した第１乃至第４の実施形態で得られる効果に加えて、燃料の沸騰或いは沸騰に近い現象に起因する上述した種々の問題を有効に回避して、より安定した燃料の加熱および噴射が可能になるといった効果が得られる。

以上、本発明を適用した燃料噴射装置の具体例として第１乃至第５の実施形態を例示したが、以上の各実施形態は本発明の一適用例を示したものであり、本発明の技術的範囲が以上の各実施形態で説明した内容に限定されることを意図するものではない。つまり、本発明の技術的範囲は、以上の各実施形態で開示した具体的構成に限らず、この開示から容易に導きうる様々な変形、変更、代替技術なども含むものである。

第１の実施形態の燃料噴射装置を示す縦断面図である。 図１におけるＡ部を拡大して示す図であり、（ａ）は非噴射時のオリフィス近傍の様子を示す拡大断面図、（ｂ）は燃料噴射時のオリフィス近傍の様子を示す拡大断面図である。 第２の実施形態の燃料噴射装置を示す縦断面図である。 図３の燃料噴射装置におけるプランジャロッドを拡大して示す図であり、（ａ）は水平方向における断面図、（ｂ）はＢ−Ｂ’線に沿って拡大して示した図である。 第２の実施形態の燃料噴射装置の変形例を示す縦断面図である。 第３の実施形態の燃料噴射装置における燃料流路近傍をＣ−Ｃ’線に沿って拡大して示す縦断面図である。 第４の実施形態の燃料噴射装置を示す縦断面図である。 ＮＴＣ特性を持つ材質で形成したヒータの特徴を説明する図であり、当該ヒータを模式的に示した図である。 ＮＴＣ特性を持つ材質で形成したヒータの特徴を説明する図であり、ヒータに通電する電流の大きさとヒータの温度分布との関係を示す図である。 ある温度で急激に電気抵抗が低下するＮＴＣ特性を持つ材質を用いて形成したヒータの特徴を説明する図であり、ヒータに通電する電流の大きさとヒータの温度分布、すなわちヒータにより加熱される燃料流路内の燃料の温度分布との関係を示す図である。 流体（燃料）の状態と温度および圧力との関係を示す図であり、擬臨界温度を説明する図である。 第５の実施形態の燃料噴射装置を示す縦断面図である。

符号の説明

２ オリフィス（燃料噴射孔）
３ ノズルボディ
４ ヨーク
５ プランジャロッド
６ コア
８ 開弁コイル
９ 保持コイル
１０ スプリング
１２ 燃料流路
１３ ヒータ
１５ 絶縁膜
２１ ヒータ
２２ 絶縁膜
３１ 触媒層
４１ ヒータ
４２ 絶縁膜
５１ 圧力検知手段
５２ 温度検知手段

Claims (17)

1. 内燃機関に燃料を噴射する燃料噴射装置において、
   先端に燃料噴射孔を有するノズルと、
   前記燃料噴射孔と繋がるように前記ノズル内部に形成された燃料流路と、
   前記燃料流路に近接して配置され、前記内燃機関の運転状態に応じて動作制御されて前記燃料流路内の燃料を加熱するヒータとを備え、
   前記燃料流路の上流側から下流側に亘る位置に応じて、前記燃料流路内の前記燃料が温度分布を持つように、前記ヒータの動作が制御されることを特徴とする燃料噴射装置。
2. 前記ヒータは、発熱状態を個別に切替え可能な複数の発熱要素が前記燃料流路の上流側から下流側に亘って並ぶように配置されてなることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射装置。
3. 前記ヒータにより加熱する燃料の体積が、前記内燃機関の性能に応じて定められる１回あたりの燃料噴射量の最小値から最大値までの間の任意の体積に合わせて可変とされていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料噴射装置。
4. 前記ヒータは、次回の燃料噴射時に噴射される燃料を加熱することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料噴射装置。
5. 前記ヒータは、次回の燃料噴射時に噴射される燃料を噴射直前に加熱することを特徴とする請求項４に記載の燃料噴射装置。
6. 前記燃料流路内の燃料の圧力を検知する圧力検知手段を有し、
   前記圧力検知手段で検知される圧力が前記燃料の臨界圧力未満の場合には、前記ヒータの温度の最大値が前記燃料の飽和温度以下となるように前記ヒータの動作が制御されるとともに、前記圧力検知手段で検知される圧力が前記燃料の臨界圧力以上の場合には、前記ヒータの温度の最大値が前記燃料の擬臨界温度以下となるように前記ヒータの動作が制御されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料噴射装置。
7. 前記燃料流路内の燃料の圧力を検知する圧力検知手段を有し、
   前記圧力検知手段により前記燃料の所定値以上の圧力変動が検知された場合に、次回以降の燃料噴射時における前記ヒータの温度の最大値が、今回の燃料噴射時における前記ヒータの温度の最大値よりも低くなるように、前記ヒータの動作が制御されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料噴射装置。
8. 前記燃料流路内の燃料の圧力を検知する圧力検知手段を有し、
   前記圧力検知手段により前記燃料の所定値以上の圧力変動が検知された場合に、次回以降の燃料噴射時における前記燃料の温度上昇速度が、今回の燃料噴射時における前記燃料の温度上昇速度よりも低くなるように、前記ヒータの動作が制御されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料噴射装置。
9. 前記燃料流路内の燃料の圧力を検知する圧力検知手段を有し、
   前記圧力検知手段により前記燃料の所定値以上の圧力変動が検知された場合に、次回以降の燃料噴射時に噴射される燃料が、今回の燃料噴射時に噴射された燃料よりも高い圧力となるように加圧されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料噴射装置。
10. 前記ヒータは、前記燃料流路内の燃料を臨界温度以上に加熱することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の燃料噴射装置。
11. 前記燃料流路内の燃料が臨界圧力以上に加圧されていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の燃料噴射装置。
12. 前記ヒータは、前記ノズルの前記燃料流路と接する内周面に設置されていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の燃料噴射装置。
13. 前記ヒータと前記ノズル内周面との間に電気的絶縁性を有する断熱部材が配置されていることを特徴とする請求項１２に記載の燃料噴射装置。
14. 前記ノズル内部に前記燃料噴射孔を開閉するプランジャーロッドが設けられて、当該プランジャーロッドの外周面と前記ノズルの内周面との間に前記燃料流路が形成されており、
    前記ヒータは、前記プランジャーロッドの前記燃料流路と接する外周面に設置されていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の燃料噴射装置。
15. 前記ヒータと前記プランジャーロッド外周面との間に電気的絶縁性を有する断熱部材が配置されていることを特徴とする請求項１４に記載の燃料噴射装置。
16. 前記燃料流路と前記ヒータとの間に、前記燃料流路内の燃料の化学反応を促進する触媒が配置されていることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の燃料噴射装置。
17. 前記ヒータは、負の温度特性を有する材質からなる発熱要素が前記燃料流路の上流側から下流側に亘って異なる厚みで形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射装置。

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