JP2013245584A - 流体噴射方向の変更方法、流体噴射方向変更機構、燃料噴射装置及び内燃機関 - Google Patents

Abstract

【課題】流体の状態に左右されること無く、正確に、流体噴射方向を連続的及び／又は段階的に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、流体噴射方向の変更方法、流体噴射方向変更機構及び燃料噴射装置を提供する。
【解決手段】流体通路１１ａを経由して流体Ｆを噴射する流体噴射装置における流体Ｆの噴射方向を変更する流体噴射方向の変更方法であって、流体通路１１ａを構成する通路部材１１の流体流出側で通路部材１１を角度変更可能に支持すると共に、通路部材１１の流体供給側を変位伝達体１５で直接又は間接に支持すると共に、アクチュエータ１４の駆動により変位伝達体１５に変位を与えて通路部材１１の流体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、流体Ｆの噴射方向を変更する。
【選択図】図１

Description

本発明は、アクチュエータを利用して容易に流体噴射方向を制御することができる、流体噴射方向の変更方法、流体噴射方向変更機構、燃料噴射装置及び内燃機関に関する。

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。

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。

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。

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小さくし、その後、噴射量を大き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）。

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。

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。

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、流体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。

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。

例えば、図１２と図１３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１２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１３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１２と図１４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。

つまり、ディーゼルエンジンの筒内（シリンダ内）において、同じ燃焼室４３で回転数、噴射量を変えて運転した場合に、燃焼室４３内において、噴射した噴霧の重なりや、噴霧が燃焼室４３の壁面に衝突した後に、燃料過濃領域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。

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。

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１５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１６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。

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。

特開２０００−３２９０２５号公報 特開２００３−８３１１９号公報

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、流体の状態に左右されること無く、正確に、連続的又は段階的に流体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、流体噴射方向の変更方法及び流体噴射方向変更機構を提供することにある。

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。

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。

上記のような目的を達成するための本発明の流体噴射方向の変更方法は、流体通路を経由して流体を噴射する流体噴射装置における流体の噴射方向を変更する流体噴射方向の変更方法であって、前記流体通路を構成する通路部材の流体流出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、前記通路部材の流体供給側を変位伝達体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変位伝達体に変位を与えて前記通路部材の流体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、流体の噴射方向を変更することを特徴とする方法である。

この変位伝達体は、この変位伝達体の一部に変位が与えられた場合に、単数又は複数の通路部材の流体供給側の位置を変位させることができるものであればよい。また、与えられた変位より、通路部材の流体供給側の位置の変位を大きくすることができるように構成するのが好ましい。

この方法によれば、流体の状態に左右されることなく、連続的及び／又は段階的に流体の噴射方向を変化させることができる。

また、上記の流体噴射方向の変更方法において、前記変位伝達体をばね構造体で形成し、前記流体流出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する。

つまり、流体が通過する流体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、ばね構造体を介して、通路部材の流体供給側の位置を変化させ、流体が通過する流体通路の噴射方向を連続的又は段階的に変化させるようにする。

この方法によれば、圧電素子を用いて流体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、流体の噴射方向の細かい制御が可能となる。

そして、上記のような目的を達成するための本発明の流体噴射方向変更機構は、流体通路を経由して噴射される流体の方向を変更する流体噴射方向変更機構において、前記流体通路を構成する通路部材の流体流出側を角度変更可能に支持する支持部材で支持し、前記通路部材の流体供給側を変位伝達体で直接又は間接に支持すると共に、該変位伝達体に変位を与えるアクチュエータを設け、該アクチュエータの駆動により前記変位伝達体に変位を与えることにより前記通路部材の前記流体供給側の位置を移動させて前記通路部材の方向を変化させるように構成される。

この構成によれば、流体の状態に左右されることなく、流体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る。

また、上記の流体噴射方向変更機構において、前記変位伝達体をばね構造体で形成し、前記通路部材を角度変更可能に支持する前記支持部材を弾性変形可能な部材で前記通路部材の流体流出側を支持するように形成すると共に、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、この構成では、圧電素子を用いて流体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、流体の噴射方向の細かい制御が可能となる。また、この流体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。

また、上記の流体噴射方向変更機構において、複数の通路部材をまとめて一つの変位伝達体で支持すると、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変位伝達体で支持する場合でも、このそれぞれの変位伝達体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、流体噴射方向変更機構の構造も制御も単純化する。

更に、上記の流体噴射方向変更機構において、前記支持部材の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、通路部材の流体流出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流体流出側を気密構造にすることができる。

そして、上記の目的を達成するための本発明の燃料噴射装置は、上記の流体噴射方向変更機構を備えて構成される。つまり、上記の流体噴射方向変更機構を、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ることで、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。

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、燃料の噴霧の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。

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。

本発明に係る流体噴射方向の変更方法及び流体噴射方向変更機構によれば、流体通路の外部に設けたアクチュエータの駆動により変位伝達体に変位を与えることで、容易に流体噴射方向を流体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、流体の噴射方向を変更及び制御することができる。その上、流体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。

そして、本発明に係る燃料噴射装置及び内燃機関によれば、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る。

また、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、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。

本発明の実施の形態の流体噴射方向変更機構の構成を示す側断面図である。 ノズルの構成を示す側断面図である。 図２のノズルの構成を示す斜視図である。 図１の流体噴射方向変更機構で、圧電素子が変形していない状態における流体噴射方向を示す側断面図である。 図１の流体噴射方向変更機構で、圧電素子が変形した状態における流体噴射方向を示す側断面図である。 図１の流体噴射方向変更機構のノズルを備えた燃料噴射装置の燃料噴射口部分を示す部分側断面図である。 図６の流体噴射方向変更機構で、圧電素子が変形していない状態における流体噴射方向を示す部分側断面図である。 図６の流体噴射方向変更機構で、圧電素子が変形した状態における流体噴射方向を示す部分側断面図である。 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。 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。 内燃機関の燃焼室における多層の層状の燃料の噴霧状況を示す模式的な部分側断面図である。 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。 従来技術における、図１２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。 従来技術における、図１２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。 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１５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。

以下、本発明に係る実施の形態の流体噴射方向の変更方法、流体噴射方向変更機構、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。

最初に、流体噴射方向の変更方法及び流体噴射方向変更機構について説明する。図１に示すように、この実施の形態における流体噴射方向変更機構１は、通路部材１１の流体通路１１ａを経由して噴射される流体Ｆの方向を変更する機構であり、ノズル１０とアクチュエータ１４とばね構造体（変位伝達体）１５を備えて構成されている。

図１〜図３に示すように、ノズル１０は、流体通路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。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。

この支持部材１２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、これ以外のバネ支持やゴムなどの弾性体で支持してもよい。但し、内燃機関の燃料噴射装置に使用する場合は、耐熱性を考慮する必要があり、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（流体供給側）に回り込まないようにする必要があるため、図１〜図３に示すような波打ち構造の金属板で構成するのが好ましい。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、流体通路１１ａを構成する通路部材１１の流体流出側を角度変更可能に支持する支持部材１２で支持する。

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様々な電圧を印加して、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。なお、図示しないが圧電素子制御用配線も設けられる。この制御装置によりアクチュエータ１４の圧電素子を駆動することにより、ばね構造体１５に変位を与え、このばね構造体１５を介して通路部材１１の流体供給側の位置を移動させて通路部材１１の方向を変化させる。なお、圧電素子には保護部材を設けてばね構造体１５を押圧する部分を保護することが好ましい。

ばね構造体１５は、この実施の形態では、図１に示すように、円筒状の側壁面１５ａと平面に近い円錐台形状のテーパー部１５ｂと逆Ｕ字形状部材１５ｃを有して構成される。この側壁面１５ａには、通路部材１１が挿通する逆Ｕ字形状の穴１５ａａが設けられている。また、テーパー部１５ｂの中央部はアクチュエータに接し、外周部に側壁面１５ａの端部が接続されている。また逆Ｕ字形状部材１５ｃは、逆Ｕ字形状の穴１５ａａに挿入されると共に、そのＵ字の底に対応する部分に、通路部材１１に当接する突起部１５ｃａが形成されている。

そして、アクチュエータ１４の圧電素子に電圧を印加して、電気エネルギーを供給すると、図５に示すように、圧電素子が膨張変形して、このばね構造体１５のテーパー部１５ｂの中央部に上から押圧（Ｐ）して変位を与え、この押圧（Ｐ）により、テーパー部１５ｂが、図４から図５に示すように、下に移動する変位が与えられて変形し、逆Ｕ字形状部材１５ｃの中央側（テーパー部１５ｂの中央部がある側）を下に移動させると共に、逆Ｕ字形状部材１５ｃの突起部１５ｃａで効率的に通路部材１１の流体供給側を押し下げる。即ち、押圧（Ｐ）による変位を通路部材１１の流体供給側に伝達する。通路部材１１の噴射口１１ｂ側（流体流出側）は、弾性変形部１２ｂとスカート部１２ａを介して、図示しない装置躯体に固定されているので、通路部材１１は図５に示すように傾斜角αだけ噴射口１１ｂ側が上側に傾斜する。

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が押さえているばね構造体１５の変位及び変形の有無が決まり、ばね構造体１５の弾性変形によって、ノズル１０の流体通路１１ａの方向が変わってくる仕組みとなっている。なお、ばね構造体１５は、必ずしも図１、図４及び図５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変位を、複数の通路部材１１の流体供給側の位置に同時に伝達して、その部位を変位させることができる構成であればよい。なお、アクチュエータ１４の変形量による変位を拡大して伝達して通路部材１１を大きく変位させることが好ましい。

上記の構成により、流体通路１１ａを構成する通路部材１１の流体流出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の流体供給側をばね構造体１５で直接又は間接に（この実施例では直接に）支持すると共に、このばね構造体１５を変形させるアクチュエータ１４を設け、このアクチュエータ１４の駆動によりばね構造体１５を変形させることにより通路部材１１の流体供給側の位置を移動させて通路部材１１の方向を変化させる構成となる。

更に、通路部材１１を角度変更可能に支持する支持部材１２を弾性変形可能な部材で通路部材１１の流体流出側を支持するように形成すると共に、アクチュエータ１４を圧電素子を含んで形成し、制御装置を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構成となる。また、支持部材１２の弾性変形可能な部材である弾性変形部１２ｂを凹凸面を有する波打ち構造で構成することになる。

なお、上記の流体噴射方向変更機構１において、複数の通路部材１１をまとめて一つのばね構造体（変位伝達体）１５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ばね構造体１５で支持する場合でも、このそれぞれのばね構造体１５に一つのアクチュエータ１４で変位を与え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、流体噴射方向変更機構１の構造も制御も単純化する。

次に、上記の流体噴射方向変更機構１における流体噴射方向の変更方法について説明する。この方法では、アクチュエータ１４の駆動を制御する制御装置で、図４から図５に示すように、アクチュエータ１４を駆動することにより、ばね構造体１５の中央部の位置を下側に移動させることで、支持部材１２の弾性変形部１２ｂで、流体通路１１ａを構成する通路部材１１の流体流出側で通路部材１１を角度変更可能に支持すると共に、通路部材１１の流体供給側をばね構造体１５で直接（又は間接）に支持すると共に、アクチュエータ１４の駆動によりばね構造体１５を変形させて通路部材１１の流体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、流体Ｆの噴射方向を変更する。アクチュエータ１４の変形量は、圧電素子に印加する電圧の大きさによるので、この電圧の大きさを制御することで、図５に示す通路部材１１の傾斜角αの大きさをきめ細かく制御できる。また、圧電素子に印加する電圧の大きさを連続的又は段階的に制御することで、傾斜角αの大きさを連続的又は段階的に変化させることができる。

上記の構成の流体噴射方向変更機構１及び流体噴射方向の変更方法によれば、流体通路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、流体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、流体Ｆの噴射方向を変化及び制御することができる。更に、圧電素子を用いて流体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、流体Ｆの噴射方向の細かい制御が可能となる。これにより、噴射された流体による空間分布を、自在な空間分布に作り出す制御が可能となる。

その上、流体噴射方向変更機構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。

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の流体流出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。

次に、本発明に係る実施の形態の燃料噴射装置と内燃機関について説明する。図６に例示するように、この燃料噴射装置（インジェクタ）２０は、上記の流体噴射方向変更機構１を備えて構成される。また、本発明に係る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。

燃料噴射装置２０は、上記の流体噴射方向変更機構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ることで、燃料の噴射方向を変化させて噴射孔の中心軸の傾斜を広く変化させて燃料の噴霧の分布の広がりを制御することができるようになる。

例えば、図６に示すように、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６の最上部に示してある。燃料噴射装置２０は、装置の最小構成単位を形成するため、ノズル１０、圧電素子を有して形成されるアクチュエータ１４、ばね構造体１５、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。アクチュエータ１４はノズル拘束部材２５によって押えられ、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。これ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。

次に、図６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（流体）Ｆは、燃料流路構成ブロック２２内を通過し、ノズル１０に設けた燃料流路（流体通路）１１ａから、噴射口（噴射孔）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、図７に示すように、ノズル１０の燃料流路１１ａが元の状態にある。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、図８に示すように、アクチュエータ１４の圧電素子の変形によって、ノズル１０の燃料流路１１ａの向きが変わり、それにより、ノズル１０の燃料噴射の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ばね構造体１５を介して通路部材１１及び燃料流路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。

上記のように、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９に示すようなエンジンの負荷状態が軽負荷の場合や、図１０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。

更に、図１１に示すように、燃料噴射期間中に噴射広がり角度を噴射期間（例えば、角度Ａ：１．８ｍｓ、角度Ｂ：１．５ｍｓ、角度Ｃ：１．０ｍｓ等）に応じて変更すると、燃料濃度分布を層Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３で形成されるような層状にすることが可能となる。これは、燃料噴射期間中に、噴射方向の角度毎に噴射期間を定めることで、燃料濃度の濃い領域から薄い領域を燃料室内に層状に作ることが可能となるからである。これにより、火炎の伝播を制御できるようになる。

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。

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。

上記の燃料噴射装置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。

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。

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。

本発明の流体噴射方向の変更方法及び流体噴射方向変更機構によれば、流体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、流体の状態に左右されること無く、正確に、流体の噴射方向を連続的及び／又は段階的に変化及び制御することができ、その上、流体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、多くの流体噴射装置の流体噴射方向の変更方法及び流体噴射方向変更機構に利用できる。

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。

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。

１ 流体噴射方向変更機構
１０ ノズル
１１ 通路部材
１１ａ 流体通路
１１ｂ 噴射口
１２ 支持部材
１２ａ スカート部
１２ｂ 弾性変形部
１４ アクチュエータ
１５ ばね構造体（変位伝達体）
１５ａ 側壁面
１５ａａ 逆Ｕ字形状の穴
１５ｂ テーパー部
１５ｃ 逆Ｕ字形状部材
１５ｃａ 突起部
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 流体
Ｐ 押圧
α 傾斜角

Claims (7)

1. 流体通路を経由して流体を噴射する流体噴射装置における流体の噴射方向を変更する流体噴射方向の変更方法であって、前記流体通路を構成する通路部材の流体流出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、前記通路部材の流体供給側を変位伝達体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変位伝達体に変位を与えて前記通路部材の流体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、流体の噴射方向を変更することを特徴とする流体噴射方向の変更方法。
2. 前記変位伝達体をばね構造体で形成し、前記流体流出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することを特徴とする請求項１に記載の流体噴射方向の変更方法。
3. 流体通路を経由して噴射される流体の方向を変更する流体噴射方向変更機構において、前記流体通路を構成する通路部材の流体流出側を角度変更可能に支持する支持部材で支持し、前記通路部材の流体供給側を変位伝達体で直接又は間接に支持すると共に、該変位伝達体に変位を与えるアクチュエータを設け、該アクチュエータの駆動により前記変位伝達体に変位を与えることにより前記通路部材の前記流体供給側の位置を移動させて前記通路部材の方向を変化させることを特徴とする流体噴射方向変更機構。
4. 前記変位伝達体をばね構造体で形成し、前記通路部材を角度変更可能に支持する前記支持部材を弾性変形可能な部材で前記通路部材の流体流出側を支持するように形成すると共に、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ことを特徴とする請求項３に記載の流体噴射方向変更機構。
5. 前記支持部材の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４に記載の流体噴射方向変更機構。
6. 請求項３〜５のいずれか１項に記載の流体噴射方向変更機構を備えたことを特徴とする燃料噴射装置。
7. 請求項６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。

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