JP2013245587A - Fuel injection direction changing method, fuel injection device and internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アクチュエータを利用して容易に燃料噴射方向を制御することができる、燃料噴射方向の変更方法、燃料噴射装置及び内燃機関に関する。 The present invention relates to a fuel injection direction changing method, a fuel injection device, and an internal combustion engine that can easily control the fuel injection direction using an actuator.
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。 In recent years, automobile diesel engines are more popular in Europe and the like from the viewpoint of preventing global warming because they have better thermal efficiency than gasoline engines. However, this diesel engine contains harmful components that may be harmful to health, such as black smoke and nitrogen oxide (NOx), in exhaust gas, so it is not popular in Japan except for commercial vehicle engines. Absent.
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。 As one of countermeasures against this, a common rail device has come to be used for fuel injection of diesel engines, and it has become common. By using this common rail device, it is possible to inject ultra-high pressure fuel, so that atomization of fuel can be performed, mixing of fuel and air is promoted, and the amount of black smoke and particulate matter (PM) generated is reduced. can do. In addition, since the control of the fuel injection amount is easy, the combustion temperature can be lowered by finely changing the fuel injection amount and timing, thereby reducing the amount of nitrogen oxide (NOx) emissions. Can do.
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。 However, in order to achieve more strict regulation values than the current exhaust gas regulations by suppressing the emission of components such as black smoke, particulate matter (PM) and nitrogen oxides (NOx) contained in the exhaust gas In addition to the fuel injection system using the common rail device, a more precise fuel control method is required.
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少なくし、その後、噴射量を多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)。 In this connection, since gentle initial combustion helps reduce nitrogen oxides and noise, by providing a mechanism that delays the pulling up of the needle that controls the fuel injection amount, the initial fuel injection amount is reduced, Then, as a fuel injection device that can increase the injection amount, prepare a plurality of needles, provide a throttle part in the hydraulic flow path for driving one needle, There has been proposed an injection device that realizes a “variable injection hole” by temporally manipulating the fuel injection amount so as to delay the operation start time between them (see, for example, Patent Document 1).
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。 However, since this fuel injection device has a structure in which fuel injected from a flow path opened by a plurality of needles collides, fuel sprays collide with each other and a fuel rich region appears. It is estimated that harmful components such as black smoke, unburned hydrocarbons, and carbon monoxide are generated in the gas. As a result, there is a trade-off relationship between the effects of nitrogen oxide reduction and noise reduction, and there is a problem that it does not lead to the development of a diesel engine that meets future exhaust gas regulations.
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。 In addition, it is conceivable that the cost for processing and production of the throttle part of the injection device also increases when mass production is considered. Also, since the timing of the injection delay is determined depending on the shape of the throttle, depending on the work accuracy of the throttle and its quality control, there is a high possibility that the timing of the injection delay will vary from injection unit to injection unit. Unless the fluid and the spring constant are controlled, there is a problem that it is difficult to control the engine by the fuel injection amount. In addition, there may be a flow loss due to the presence of the throttle portion, and there is also a problem that the mechanism is disadvantageous from the viewpoint of energy consumption, in which the energy required to increase the injection pressure is lost at the throttle portion.
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、燃料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。 Further, the “variable injection hole” of this injection device cannot change the direction and angle of fuel injection, and is limited to the function of “variable injection amount”. However, in order to reduce harmful components in engine exhaust gas, the nozzle mechanism that changes the nozzle hole diameter, the number of injection holes, the injection direction, etc., that is, the state of the holes themselves can be made variable, There is a need for a nozzle mechanism that can control and deliver fuel. On the other hand, recently, a piezo-type injection device using a piezoelectric element (piezo element) has been realized, and it is possible to control fuel injection like the above-described injection device without preparing a plurality of needles. It is becoming.
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。 Further, in a cylinder (in a cylinder) of an internal combustion engine such as a diesel engine, when the engine is operated in the same combustion chamber, depending on the load related to the fuel injection amount and the engine speed related to the in-cylinder air flow, It is predicted that the amount of harmful components of the fuel will be different, and that the spread distribution of the fuel spray that is optimal for the increase in thermal efficiency will be different. This is because the over-concentrated and lean regions of fuel produced by fuel injection differ depending on the in-cylinder environment such as in-cylinder density, pressure, temperature, and flow, which is greatly affected by the load and engine speed. This is because the fuel distribution after fuel injection varies depending on the engine speed.
例えば、図14と図15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15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15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14と図16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。
For example, as shown in FIGS. 14 and 15, the
つまり、ディーゼルエンジンの筒内(シリンダ内)において、図17に示すように、シリンダ41内でピストン42の頂部に形成された燃焼室43に向かって燃料Fを噴射した場合に、燃焼室43内において、図18に示すように、噴射した噴霧の重なりF2や、図19に示すように、噴霧が燃焼室43の壁面に衝突した後に、燃料過濃領域F2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F1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F2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。
That is, in the cylinder of the diesel engine (inside the cylinder), as shown in FIG. 17, when the fuel F is injected toward the
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。 Therefore, if fuel can be injected while changing the spray angle of spray, harmful components in the exhaust gas can be reduced regardless of the in-cylinder environment, and high efficiency can be realized. Therefore, it has been desired to realize a fuel supply device that can set an optimal spray spread distribution according to the environment in the cylinder.
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20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21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。 As shown in the injection device that realizes the above-mentioned “variable injection hole”, if processing is performed by changing the angle of the fuel injection hole between the needles, as shown in FIG. As shown in FIG. 21, by spraying from the narrow-angle injection hole of the needle and then from the wide-angle injection hole of the other needle, the spray having the widening angle is widened from the spray having the widening angle. Can be changed to injection. However, there is a problem that the spread distribution in the wide-angle spray becomes constant due to the hole processing.
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。 In this connection, in order to realize low NOx and low smoke diesel combustion, two types of “premixed compression injection mode” and “normal injection mode” are selected according to the engine operation state of light load and high load. Various types of injection methods have been proposed (see, for example, Patent Document 2), indicating that there is a high demand for injection devices that can change the injection angle. However, this is a proposal for a combustion method and a combustion control technique, and no mention is made of an injection device itself that can change the injection angle for realizing the method.
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、燃料の状態に左右されること無く、正確に、かつ、連続的又は段階的に燃料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、燃料噴射方向の変更方法及び燃料噴射装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and its object is to change and control the fuel injection direction accurately and continuously or stepwise without being influenced by the state of the fuel. Therefore, it is an object of the present invention to provide a fuel injection direction changing method and a fuel injection device that can be easily processed and manufactured by combining a combination of simple shaped parts so that the machining accuracy can be easily managed.
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。 Further, the fuel injection direction can be finely controlled, and the optimum fuel injection direction with respect to the combustion chamber formed at the top of the piston according to the state of the cylinder (inside the cylinder) of the internal combustion engine. The fuel can be injected with precise setting, enabling the control to freely create the desired spatial distribution of the fuel, and is an extremely effective means for the fuel control technique for reducing harmful components of the exhaust gas. It is to provide a fuel injection device.
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。 A further object is to set an optimal fuel spray spread distribution according to the load of the internal combustion engine and the engine speed, to reduce harmful components in the exhaust gas, and to reduce the fuel consumption. The present invention provides an internal combustion engine capable of changing the angle of fuel injection during the fuel injection period while injecting fuel so as to be optimal.
上記のような目的を達成するための本発明の燃料噴射方向の変更方法は、燃料噴射装置における燃料の噴射方向を変更する燃料噴射方向の変更方法であって、燃料通路を構成する通路部材の燃料噴射側で該通路部材を角度変更可能に支持すると共に、前記通路部材の燃料供給側を旋回部材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旋回部材を回動させて前記通路部材の燃料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、燃料の噴射方向を変更することを特徴とする方法である。 A fuel injection direction changing method of the present invention for achieving the above object is a fuel injection direction changing method for changing a fuel injection direction in a fuel injection device, comprising: The passage member is supported on the fuel injection side so that the angle can be changed, and the fuel supply side of the passage member is directly or indirectly supported by a turning member, and the turning member is rotated by driving of an actuator, thereby the passage member. In this method, the fuel injection direction is changed by moving the position of the fuel supply side to change the direction of the passage member.
この方法によれば、燃料の状態に左右されることなく、連続的及び/又は段階的に燃料の噴射方向を傾斜させることができる。 According to this method, the fuel injection direction can be inclined continuously and / or stepwise without being influenced by the state of the fuel.
また、上記の燃料噴射方向の変更方法において、前記燃料噴射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し、前記アクチュエータの直線方向の移動を、旋回発生機構により前記旋回部材の回転方向の移動に変換すると、この構成では、燃料が通過する燃料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、旋回発生機構と旋回部材を介して、通路部材の燃料供給側の位置を変化させ、燃料が通過する燃料通路の噴射方向を連続的又は段階的に変化させるので、圧電素子を用いて燃料の噴射方向を制御することで、圧電素子に加える電気信号に応じた、燃料の噴射方向の細かい制御が可能となる。 In the fuel injection direction changing method, the angle change on the fuel injection side is supported by providing a corrugated structure having an uneven surface between the passage member and the support member, and the actuator is piezoelectric. When the linear movement of the actuator is converted into movement in the rotational direction of the swivel member by the swirl generation mechanism, the piezoelectric element of the actuator outside the fuel passage through which the fuel passes is formed. The piezoelectric element is deformed by applying a voltage to (piezo element) and applying electric energy, thereby changing the position of the fuel supply side of the passage member via the swirl generation mechanism and the swirl member, and the fuel passes. Since the injection direction of the fuel passage is changed continuously or stepwise, it is added to the piezoelectric element by controlling the fuel injection direction using the piezoelectric element. That corresponding to the electrical signal, it is possible to fine control of the injection direction of the fuel.
そして、上記のような目的を達成するための本発明の燃料噴射装置は、燃料通路を経由して噴射される燃料の方向を変更する燃料噴射装置において、前記燃料通路を構成する通路部材の燃料噴射側を角度変更可能に支持する支持部材で支持し、前記通路部材の燃料供給側を直接又は間接に支持する旋回部材と、該旋回部材を回動させるアクチュエータとを備え、該アクチュエータの駆動により前記旋回部材を回動させて、前記通路部材の燃料供給側を移動させることで、前記通路部材の方向を変化させて、燃料の噴射方向を変更するように構成される。 In order to achieve the above object, the fuel injection device of the present invention is a fuel injection device that changes the direction of fuel injected through the fuel passage, and the fuel of the passage member that constitutes the fuel passage. A rotation member that supports the injection side with a support member that can change the angle, and that directly or indirectly supports the fuel supply side of the passage member; and an actuator that rotates the rotation member. By rotating the swivel member and moving the fuel supply side of the passage member, the direction of the passage member is changed to change the fuel injection direction.
この構成によれば、燃料の状態に左右されることなく、燃料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、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。 According to this configuration, the fuel injection direction can be changed continuously and / or stepwise without being influenced by the state of the fuel, and the fuel injection direction can be changed to tilt the central axis of the injection hole. It is possible to control the spread of the fuel spray distribution by widely changing. Thereby, the variable injection spread distribution in the fuel injection can be realized.
また、上記の燃料噴射装置において、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共に、前記アクチュエータの直線方向の移動を前記旋回部材の回転方向の移動に変換する旋回発生機構を設けて構成すると、この構成では、圧電素子を用いて燃料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、燃料の噴射方向の細かい制御が可能となる。また、この燃料噴射装置の燃料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。 In the fuel injection device, the actuator may be formed including a piezoelectric element, the actuator control device may be formed by a voltage control device that applies a voltage to the piezoelectric element, and the actuator may be arranged in a linear direction. When a swirl generation mechanism that converts movement into movement in the rotation direction of the swivel member is provided and configured, in this configuration, the fuel injection direction is controlled using the piezoelectric element, so that according to the electrical signal applied to the piezoelectric element, Fine control of the fuel injection direction is possible. In addition to the fact that the fuel injection direction changing mechanism of this fuel injection device is configured by a combination of components, the components to be configured have a simple shape, which makes it easy to manage the machining accuracy. Is significantly improved, and inspection and management are facilitated.
また、上記の燃料噴射装置において、複数の通路部材をまとめて一つの旋回部材で支持すると、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旋回部材で支持する場合でも、このそれぞれの旋回部材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、燃料噴射方向変更機構の構造も制御も単純化する。 Further, in the fuel injection device described above, when the plurality of passage members are collectively supported by one swivel member, the plurality of passage members can be inclined by the control of one actuator. Also, even when a plurality of passage members are supported by the corresponding turning members, if the displacement is applied to each of the turning members by one actuator, the number of actuators can be reduced to one, and the fuel injection direction Simplify the structure and control of the change mechanism.
また、上記の燃料噴射装置において、前記支持部材を弾性変形可能な部材で前記通路部材の燃料噴射側を支持するように形成すると共に、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、通路部材の燃料噴射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燃料噴射側を気密構造にすることができる。 Further, in the above fuel injection device, the support member is formed so as to support the fuel injection side of the passage member with an elastically deformable member, and the elastically deformable member has a corrugated structure having an uneven surface. Then, by using a corrugated structure having a concavo-convex surface having a relatively simple shape, the workability can be improved and the light support member can be obtained, and the corrugated structure is provided around the fuel injection side of the passage member. By providing the wall surface, the fuel injection side can be easily made into an airtight structure.
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。 In order to achieve the above object, an internal combustion engine of the present invention includes this fuel injection device. With this configuration, the fuel injection direction can be changed continuously and / or stepwise, and control for changing the fuel injection direction can be performed without being influenced by the state of the fuel. As a result, the fuel spray spread distribution can be set for each injection of one cycle of the piston stroke of the internal combustion engine, or the fuel injection direction can be changed even during fuel injection within one cycle. Fuel injection with a higher degree of freedom can be performed. In particular, when the fuel injection direction is controlled using a piezoelectric element, fine and accurate control is possible according to an electric signal applied to the piezoelectric element.
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 Therefore, in accordance with the state of the cylinder (inside the cylinder) of the internal combustion engine, it becomes possible to precisely set the optimum fuel injection direction for the combustion chamber formed at the top of the piston and inject the fuel. It is possible to control to create a desired fuel spatial distribution freely in the combustion chamber. Therefore, since the fuel supply in the internal combustion engine can be further optimized, the internal combustion engine is provided with extremely effective means for the fuel control method for reducing harmful components of the exhaust gas.
本発明に係る燃料噴射方向の変更方法によれば、燃料通路の外部に設けたアクチュエータの駆動により旋回部材を回動させることで、燃料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、燃料噴射方向を変更及び制御することができる。その上、燃料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。 According to the fuel injection direction changing method according to the present invention, the swivel member is rotated by driving an actuator provided outside the fuel passage, so that the fuel injection direction can be accurately and continuously controlled regardless of the fuel state. The fuel injection direction can be changed and controlled manually and / or stepwise. In addition, the structure of the fuel injection direction changing mechanism is a combination of parts, and the constituent parts have a simple shape. Therefore, it is easy to manage the machining accuracy, and machining and production can be easily performed.
そして、本発明に係る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あるので、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。 According to the fuel injection device of the present invention, fine control is possible with respect to the direction of fuel injection, so that the combustion chamber formed at the top of the piston in accordance with the state in the cylinder (inside the cylinder) of the internal combustion engine Therefore, it is possible to precisely set the optimal fuel injection direction and inject fuel, and control to freely create a desired fuel spatial distribution is possible.
また、本発明に係る内燃機関は、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。 Further, the internal combustion engine according to the present invention can set an optimal fuel spray spread distribution according to the load and the engine speed, can further reduce harmful components in the exhaust gas, and has low fuel consumption. The fuel injection direction can be changed while injecting fuel during the fuel injection period to be optimal for combustion. Therefore, this internal combustion engine is an internal combustion engine provided with means extremely effective for a fuel control method for reducing harmful components of exhaust gas.
以下、本発明に係る実施の形態の燃料噴射方向の変更方法、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。 Hereinafter, a fuel injection direction changing method, a fuel injection device, and an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
最初に、燃料噴射装置と燃料噴射方向の変更方法について説明する。図1に示すように、この実施の形態における燃料噴射装置(インジェクタ)20は、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1の最上部に示してある。燃料供給装置20は、装置の最小構成単位を形成するため、燃料噴射方向変更機構1、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。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。
First, a fuel injection device and a method for changing the fuel injection direction will be described. As shown in FIG. 1, in the fuel injection device (injector) 20 in this embodiment, a
そして、燃料噴射方向変更機構1は、図1に示すように、ノズル10、旋回部材13、圧電素子を有して形成されるアクチュエータ14、旋回発生機構15等で構成され、ノズル10は、図2及び図3に示すように、燃料通路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。
As shown in FIG. 1, the fuel injection direction changing mechanism 1 includes a
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、特に、耐熱性を考慮する必要があるため、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(燃料供給側)に回り込まないようにする必要があるため、図2及び図3に示すような波打ち構造の金属板で構成する。さらに、波打ち構造によって変形ができるようにしている。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、燃料通路11aを構成する通路部材11の燃料噴出側を角度変更可能に支持する支持部材12で支持する。
The
旋回部材13は、図4に示すように、円盤部13aと円盤部13aの中心に設けられた燃料通路13bとノズル10の通路部材11が挿入される凹部13cと燃料通路13bと通路部材11の燃料通路11aとに連通する分岐燃料通路13dを有して構成される。
As shown in FIG. 4, the
ノズル10のスカート部12aが噴射装置躯体23に固定して、燃料通路11aを構成する通路部材11の燃料噴射側を角度変更可能に支持する支持部材12で支持する。一方、通路部材11の燃料供給側を旋回部材13の凹部13cに挿入して、この旋回部材13で通路部材11を支持する。
The
この旋回部材13を旋回発生機構15により回動させるアクチュエータ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。このアクチュエータ14は、図1に示すように、ノズル拘束部材25によって押えられている。
The
また、旋回発生機構15は、図5に示すように、固定円板15aと弾性部材15bとから構成され、この弾性部材15bは、図面の下側が固定円板15aの上面側に同心円状に固定され、かつ、図面の上側が旋回部材13の円盤部13aの下面側に固定された、太めの曲り部分を有する針金や金属棒等で形成され、図面の上から押されると円盤部13aの円周方向に倒れ込み、この倒れ込みにより、旋回部材13を回動させ、また、図面の上から押される力が解除されると、弾性部材15bはその付勢力(弾性復元力)により、円盤部13aを押し上げると共に円盤部13aの円周方向の倒れ込みから元に戻り、この倒れ込みからの復帰により、旋回部材13を逆方向に回動させるように構成される。
Further, as shown in FIG. 5, the turning
なお、この構成では、旋回部材13の円盤部13aの上面とアクチュエータ14の下面14aとが接触しながら旋回部材13が回動するので、このアクチュエータ14の下面14aをテフロン(登録商標)加工などにより滑りやすい面に形成しておくことが好ましい。
In this configuration, since the turning
この旋回発生機構15は、必ずしも図5〜図7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直線方向の変位を、旋回方向に変換できればよい。また、複数の通路部材11をまとめて一つの旋回部材13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旋回部材13で支持する場合でも、このそれぞれの旋回部材13を一つのアクチュエータ14で回動させ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、燃料噴射方向変更機構1の構造も制御も単純化する。
The turning
上記の燃料噴射方向変更機構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て、この実施の形態の燃料噴射装置20とする。この燃料噴射方向変更機構1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。
The fuel injection direction changing mechanism 1 described above is attached as a component to each injection hole provided in a conventional fuel injection device to form the
上記の構成により、燃料通路11aを経由して噴射される燃料Fの方向を変更する燃料噴射装置20が、燃料通路11aを構成する通路部材11の燃料噴射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の燃料供給側を直接(又は間接)に支持する旋回部材13と、この旋回部材13を回動させるアクチュエータ14とを備え、このアクチュエータ14の駆動により旋回部材13を回動させて、通路部材11の燃料供給側を移動させることで、通路部材11の方向を変化させて、燃料Fの噴射方向を変更するように構成される。
With the above configuration, the
次に、上記の燃料噴射装置20における燃料噴射方向の変更方法について説明する。制御装置によりアクチュエータ14の圧電素子に電圧が印加され、アクチュエータ14が駆動されると、図6及び図7の各右側の図に示すように、アクチュエータ14が膨張して、旋回部材13を介して、旋回発生機構15の弾性部材15bを押す。この弾性部材15bは、図面の下側が固定円板15aに固定された太めの針金等で形成され、図面の上から押されると円盤部13aの円周方向に倒れ込み、この倒れ込みにより、旋回部材13を回動させる。
Next, a method for changing the fuel injection direction in the
また、制御装置によりアクチュエータ14の圧電素子への電圧の印加が停止され、アクチュエータ14の駆動が停止されると、図6及び図7の各左側の図に示すように、アクチュエータ14が収縮して、旋回部材13を介して旋回発生機構15の弾性部材15bを押す力が解除される。この押圧力の解除により、弾性部材15bはその付勢力(弾性復元力)により、円盤部13aを押し上げると共に円盤部13aの円周方向の倒れ込みから元に戻り、この倒れ込みからの復帰により、旋回部材13を逆方向に回動させる。
Further, when the application of the voltage to the piezoelectric element of the
これらの旋回部材13の回動により、図4に示すように、旋回部材13の凹部13cに挿入された通路部材11の燃料供給側の位置が旋回方向に移動し、通路部材11の角度が傾斜し、燃料の噴射方向が変更される。つまり、アクチュエータ14の直線方向の移動を、旋回発生機構15により旋回部材13の回転方向の移動に変換して、アクチュエータ14の駆動により旋回部材13を回動させて通路部材11の燃料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、燃料の噴射方向を変更する。
As the swiveling
次に、図1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に設けた燃料通路11aから、噴射口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、ノズル10の燃料通路11aは元の状態にある。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、アクチュエータ14の圧電素子の変形によって、ノズル10の燃料通路11aの向きが変わり、それにより、ノズル10の旋回方向の燃料噴射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旋回部材13を介して旋回発生機構15を押圧することにより、旋回部材13が回動するので、通路部材11及び燃料通路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。
Next, the operation of the
上記の構成の燃料噴射装置20及び燃料噴射方向の変更方法によれば、燃料通路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、燃料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、燃料Fの噴射方向を変化及び制御することができる。更に、圧電素子を用いて燃料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、燃料Fの噴射方向の細かい制御が可能となる。これにより、噴射された燃料F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。
According to the
その上、燃料噴射方向変更機構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。 In addition, the structure of the fuel injection direction changing mechanism 1 is a combination of parts, and the constituent parts have a simple shape, so that the machining accuracy is easy to manage and the machining and production can be easily performed. become.
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の燃料噴射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。
Further, if the
次に、本発明に係る実施の形態の内燃機関について説明する。この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。
Next, an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention will be described. The internal combustion engine of this embodiment includes the
この内燃機関では、図8から図10に示すように、燃料Fの噴射方向を燃料噴射の継続中に連続的に変化させることにより、図11に示すような燃料Fの噴霧状態を作り出すことができるようになる。つまり、燃料噴射中にノズル10の噴射方向が変わると、燃料噴霧の重なりが小さくなるため、燃焼室43内での燃料噴霧の重なりが少なくなり、燃焼室43内での噴霧衝突によって燃料過濃領域が形成されないような、燃料の空間的配置を目指すことができるようになる。
In this internal combustion engine, as shown in FIGS. 8 to 10, the fuel F spray state as shown in FIG. 11 can be created by continuously changing the injection direction of the fuel F during the continuation of the fuel injection. become able to. That is, if the injection direction of the
また、この内燃機関では、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12に示すようなエンジンの負荷状態が軽負荷の場合や、図13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。
Further, in this internal combustion engine, by operating the
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。
Further, the internal combustion engine provided with the
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。
Therefore, in accordance with the state in the cylinder (inside the cylinder) of the internal combustion engine, the fuel can be injected by precisely setting the optimum fuel injection direction for the
そして、上記の燃料噴射方向の変更方法及び燃料噴射装置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。
According to the fuel injection direction changing method and the
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。
In addition, since the control of the spread of the jet distribution that changes the inclination of the central axis of the
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。
According to the above internal combustion engine, it is possible to control the fuel distribution in the cylinder (inside the cylinder) of the internal combustion engine by changing the injection spread distribution of the fuel spray. As a result, it is possible to realize premixed combustion aiming at simultaneous reduction of NOx and soot, which has been proposed in the past, creating a fuel distribution with a small overconcentration region in the
本発明の燃料噴射方向の変更方法によれば、燃料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、燃料の状態に左右されること無く、正確に、かつ、連続的及び/又は段階的に燃料の噴射方向を変化及び制御することができ、その上、燃料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、多くの燃料噴射装置の燃料噴射方向の変更方法に利用できる。 According to the fuel injection direction changing method of the present invention, it is possible to easily and accurately and continuously and / or stepwise by driving an actuator provided outside the fuel passage, without being influenced by the state of the fuel. The fuel injection direction can be changed and controlled. In addition, the structure of the fuel injection direction changing mechanism is a combination of parts, and the constituent parts have a simple shape. Since it is easy to manage and can be easily processed and produced, it can be used for a method of changing the fuel injection direction of many fuel injection devices.
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。 Further, according to the fuel injection device of the present invention, it is possible to finely control the direction of fuel injection, and with respect to the combustion chamber formed at the top of the piston in accordance with the state of the cylinder (inside the cylinder) of the internal combustion engine. It is possible to precisely set the optimal fuel injection direction and inject fuel, and control to freely create the desired fuel spatial distribution, which is extremely useful for fuel control techniques to reduce harmful components of exhaust gas Since it becomes an effective means, it can utilize for the fuel-injection apparatus of an internal combustion engine.
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。 Furthermore, according to the internal combustion engine of the present invention, an optimal fuel spray spread distribution can be set according to the load of the internal combustion engine and the engine speed, and harmful components in the exhaust gas can be reduced. Since the angle of fuel injection can be changed during the fuel injection period while injecting fuel so as to be optimal for combustion with a small amount, it can be used as an internal combustion engine or the like mounted on an automobile.
1 燃料噴射方向変更機構
10 ノズル
11 通路部材
11a 燃料通路
11b 噴射口
12 支持部材
12a スカート部
12b 弾性変形部
13 旋回部材
13a 円盤部
13b 燃料通路
13c 凹部
13d 分岐燃料通路
14 アクチュエータ
15 旋回発生機構
15a 固定円板
15b 弾性部材
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 燃料
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel injection
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