JP2013245587A - Fuel injection direction changing method, fuel injection device and internal combustion engine - Google Patents

Fuel injection direction changing method, fuel injection device and internal combustion engine Download PDF

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宗篤 柿木
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel injection direction changing method and a fuel injection device capable of accurately changing and controlling a fuel injection direction continuously and/or stepwise, without being affected by a state of fluid, and enabling the device to easily manage work accuracy, and to easily perform processing and production, by a combination of simple-shaped parts.SOLUTION: A passage member 11 is supported on the fuel injection side of the passage member 11 for constituting a fuel passage 11a so that an angle can be changed, and the fuel supply side of the passage member 11 is directly or indirectly supported by a turning member 13, and a fuel supply side position of the passage member 11 is moved by rotating the turning member 13 by driving of an actuator 14, so that the injection direction of fuel F is changed by changing the direction of the passage member 11.

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 combustion chamber 43 at the top of the piston 42 inserted into the cylinder 41 has the same shape, and the injection state of the fuel F injected from the fuel injection device (injector) 20 Even if the load is the same, if the load and the engine speed are different, as shown in FIG. 15, a good spray state is obtained, or if the load is increased, the portion indicated by the arrow A as shown in FIG. Thus, it is predicted that the fuel spray collides with the lower surface of the cylinder head 41a and the heat loss increases. Further, as shown in FIGS. 14 and 16, when the shape of the combustion chamber 43 is different, the optimum spraying situation also differs. Therefore, the injection direction of the fuel F is set in accordance with the shape of the fuel chamber 43. It will be necessary to make it different.

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 combustion chamber 43 formed at the top of the piston 42 in the cylinder 41, 18, the overlap F2 of the injected sprays, and as shown in FIG. 19, after the sprays collide with the wall surface of the combustion chamber 43, the fuel rich region F <b> 2 is formed, thereby exhaust gas. It is expected to lead to an increase in harmful components such as Soot and HC. On the other hand, a fuel lean region F1 is also generated, and fuel that is discharged without completing combustion is also expected, so that fuel consumption is also expected to deteriorate. That is, it is desired to realize a fuel spray distribution that does not form the fuel-rich region F2 as much as possible and also reduces the unburned region.

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.

特開2000−329025号公報JP 2000-329025 A 特開2003−83119号公報JP 2003-83119 A

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.

本発明の実施の形態の燃料噴射装置の構成を示す部分側断面図である。It is a fragmentary sectional side view which shows the structure of the fuel-injection apparatus of embodiment of this invention. ノズルの構成を示す側断面図である。It is a sectional side view which shows the structure of a nozzle. 図2のノズルの構成を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the nozzle of FIG. 旋回部材とノズルの関係を示す模式的な斜視図である。It is a typical perspective view which shows the relationship between a turning member and a nozzle. アクチュエータと旋回部材と旋回発生機構の構成を示す模式的な斜視図である。It is a typical perspective view which shows the structure of an actuator, a turning member, and a turning generation mechanism. アクチュエータの駆動と旋回部材の旋回との関係を示す模式的な斜視図である。It is a typical perspective view which shows the relationship between the drive of an actuator, and turning of a turning member. アクチュエータの駆動と旋回部材の旋回との関係を示す模式的な側面図である。It is a typical side view which shows the relationship between the drive of an actuator, and turning of a turning member. 燃料噴射方向を連続的に変化させた場合の燃料噴霧の形状の変化を示す模式的な図であり、噴射開始の状態を示す図である。It is a figure which shows the change of the shape of fuel spray at the time of changing a fuel injection direction continuously, and is a figure which shows the state of an injection start. 燃料噴射方向を連続的に変化させた場合の燃料噴霧の形状の変化を示す模式的な図であり、噴射途中の状態を示す図である。It is a figure which shows the change of the shape of fuel spray at the time of changing a fuel injection direction continuously, and is a figure which shows the state in the middle of injection. 燃料噴射方向を連続的に変化させた場合の燃料噴霧の形状の変化を示す模式的な図であり、噴射終了の状態を示す図である。It is a figure which shows the change of the shape of the fuel spray at the time of changing a fuel injection direction continuously, and is a figure which shows the state of the completion | finish of injection. 燃料噴射方向を連続的に変化させた場合の燃焼室内の燃料噴霧の形状を示す模式的な図である。It is a schematic diagram which shows the shape of the fuel spray in a combustion chamber at the time of changing a fuel injection direction continuously. 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。It is a typical fragmentary sectional side view which shows the spray condition of the fuel in the combustion chamber of an internal combustion engine. 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。It is a typical fragmentary sectional side view which shows the spray condition of another fuel in the combustion chamber of an internal combustion engine. 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。It is a typical fragmentary sectional side view which shows the spray condition of the fuel in the combustion chamber of the internal combustion engine in a prior art. 従来技術における、図14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。It is a typical fragmentary sectional side view which shows the spray condition of another fuel in the combustion chamber of an internal combustion engine in the same combustion chamber shape as FIG. 14 in a prior art. 従来技術における、図14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。FIG. 15 is a schematic partial cross-sectional side view showing a state of fuel spraying in a combustion chamber of an internal combustion engine in a combustion chamber shape different from that in FIG. 14 in the prior art. シリンダ内における燃料噴射の様子を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the mode of the fuel injection in a cylinder. シリンダ内における燃料噴射で噴射領域が重なる様子を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically a mode that an injection area | region overlaps by the fuel injection in a cylinder. シリンダ内における燃料噴射で噴霧が燃焼室の壁面に衝突した後に発生する燃料過濃領域の様子を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows typically the mode of the fuel rich area which arises after spray collides with the wall surface of a combustion chamber by the fuel injection in a cylinder. 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。It is typical partial sectional drawing which shows the injection in a narrow angle in the injection device which has a some injection hole in a prior art. 図20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。It is a typical fragmentary sectional side view which shows the injection in a wide angle in the injection device which has a some injection hole of FIG.

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 needle 21 that is also in a conventional fuel injection device is shown at the top of the fuel injection device 20 in FIG. 1. The fuel supply device 20 includes a fuel injection direction changing mechanism 1, a fuel flow path configuration block 22, an injector housing 23, a piezoelectric element control wiring 24, a nozzle restraining member 25, and the like in order to form the minimum structural unit of the device. Composed. Further, the needle 21 of the fuel injection device 20 hits the valve seat of the fuel flow path constituting block 22.

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 nozzle 10, a turning member 13, an actuator 14 having a piezoelectric element, a turning generating mechanism 15, and the like. As shown in FIG. 2 and FIG. 3, the passage member 11 having the fuel passage 11a and the injection port 11b and the support member 12 are provided.

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 support member 12 includes a skirt portion 12 a and an elastic deformation portion 12 b provided between the skirt portion 12 a and the injection port 11 b of the passage member 11. The elastically deforming portion 12b is constituted by a corrugated structure having an uneven surface. In particular, since heat resistance needs to be taken into consideration, the combustion gas in the combustion chamber of the internal combustion engine is behind the injection port 11b of the passage member 11. Since it is necessary not to wrap around the fuel supply side, the metal plate having a corrugated structure as shown in FIGS. 2 and 3 is used. Furthermore, it can be deformed by a corrugated structure. With the support structure of the passage member 11 on the injection port 11b side of the nozzle 10, the fuel ejection side of the passage member 11 constituting the fuel passage 11a is supported by a support member 12 that supports the angle changeable.

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 swivel member 13 includes a disk portion 13a, a fuel passage 13b provided at the center of the disk portion 13a, a recess 13c into which the passage member 11 of the nozzle 10 is inserted, a fuel passage 13b, and the passage member 11. A branch fuel passage 13d communicating with the fuel passage 11a is provided.

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 skirt portion 12a of the nozzle 10 is fixed to the injector housing 23 and supported by the support member 12 that supports the fuel injection side of the passage member 11 constituting the fuel passage 11a so that the angle can be changed. On the other hand, the fuel supply side of the passage member 11 is inserted into the recess 13 c of the turning member 13, and the passage member 11 is supported by the turning member 13.

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 actuator 14 for turning the turning member 13 by the turning generating mechanism 15 is formed to include a piezoelectric element, and includes a control device (not shown) for controlling the driving of the actuator 14. It is formed by a voltage control device (not shown) configured to be able to supply electric energy by applying a voltage to the 14 piezoelectric elements. As shown in FIG. 1, the actuator 14 is pressed by a nozzle restraining member 25.

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 generation mechanism 15 is composed of a fixed disk 15a and an elastic member 15b, and the lower side of the elastic member 15b is concentrically fixed to the upper surface side of the fixed disk 15a. Further, the upper side of the drawing is formed of a wire or a metal rod having a thick curved portion fixed to the lower surface side of the disc portion 13a of the turning member 13, and when pressed from above the drawing, the circle of the disc portion 13a When the tilting member 13 is tilted in the circumferential direction and the tilting member 13 is turned, and the force pushed from the top of the drawing is released, the elastic member 15b causes the disk portion 13a to move by the biasing force (elastic restoring force). While pushing up, it returns to the original from the fall of the disk part 13a in the circumferential direction, and it is comprised so that the turning member 13 may be rotated in a reverse direction by the return from this fall.

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 member 13 rotates while the upper surface of the disk portion 13a of the turning member 13 and the lower surface 14a of the actuator 14 are in contact with each other, the lower surface 14a of the actuator 14 is processed by Teflon (registered trademark) processing or the like. It is preferable to form on a slippery surface.

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 generation mechanism 15 is not necessarily configured as shown in FIG. 5 to FIG. 7, as long as the linear displacement received by the deformation of the actuator 14 can be converted into the turning direction. Further, when the plurality of passage members 11 are collectively supported by one swivel member 13, the plurality of passage members 11 can be inclined by the control of one actuator 14. Even when the plurality of passage members 11 are supported by the corresponding turning members 13, if each of the turning members 13 is rotated by one actuator 14, the number of actuators 14 is reduced to one. The structure and control of the fuel injection direction changing mechanism 1 can be simplified.

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 fuel injection device 20 of this embodiment. The structure of the fuel injection device 20 above the fuel injection direction changing mechanism 1 is the same as the structure of the conventional fuel injection device.

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 fuel injection device 20 that changes the direction of the fuel F injected via the fuel passage 11a supports the fuel injection side of the passage member 11 that constitutes the fuel passage 11a so that the angle can be changed. 12, a revolving member 13 that directly (or indirectly) supports the fuel supply side of the passage member 11, and an actuator 14 that rotates the revolving member 13. The revolving member 13 is driven by the actuator 14. By rotating and moving the fuel supply side of the passage member 11, the direction of the passage member 11 is changed to change the injection direction of the fuel F.

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 fuel injection device 20 will be described. When a voltage is applied to the piezoelectric element of the actuator 14 by the control device and the actuator 14 is driven, the actuator 14 expands through the turning member 13 as shown in the diagrams on the right side of FIGS. Then, the elastic member 15b of the turning generation mechanism 15 is pushed. The elastic member 15b is formed of a thick wire or the like that is fixed to the fixed disk 15a on the lower side of the drawing. When the elastic member 15b is pushed from above the drawing, the elastic member 15b falls in the circumferential direction of the disk portion 13a. Rotate.

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 actuator 14 is stopped by the control device and the driving of the actuator 14 is stopped, the actuator 14 contracts as shown in the left diagrams of FIGS. 6 and 7. The force pushing the elastic member 15b of the turning generation mechanism 15 through the turning member 13 is released. By releasing the pressing force, the elastic member 15b pushes up the disk portion 13a by its urging force (elastic restoring force) and returns to the original state from the fall of the disk portion 13a in the circumferential direction. 13 is rotated in the reverse direction.

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 member 13 rotates, as shown in FIG. 4, the fuel supply side position of the passage member 11 inserted into the recess 13c of the swiveling member 13 moves in the swirling direction, and the angle of the passage member 11 is inclined. Then, the fuel injection direction is changed. That is, the movement of the actuator 14 in the linear direction is converted into the movement of the turning member 13 in the rotating direction by the turning generation mechanism 15, and the turning member 13 is turned by driving the actuator 14 to move the turning member 13 on the fuel supply side of the passage member 11. By moving the position, the direction of the passage member 11 is changed to change the fuel injection direction.

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 fuel injection device 20 will be described with reference to FIG. Normally, the fuel F that has flowed out from the gap between the needles 21 passes through the fuel flow path constituting block 22, flows from the fuel passage 11a provided in the nozzle 10 to the injection port 11b, and the fuel F exits from the injection port 11b. When no voltage is applied to the piezoelectric element of the actuator 14, the fuel passage 11a of the nozzle 10 is in its original state. On the other hand, in a state where a voltage is applied to the piezoelectric element of the actuator 14, the direction of the fuel passage 11 a of the nozzle 10 changes due to the deformation of the piezoelectric element of the actuator 14, thereby causing a fuel injection spread distribution in the swirling direction of the nozzle 10. Be changed. That is, since the turning member 13 is rotated by pressing the turning generation mechanism 15 through the turning member 13 that is in contact with the piezoelectric element of the actuator 14 with or without deformation of the piezoelectric element of the actuator 14, the passage member 11 and the direction of the fuel passage 11a change, the direction of the injection port 11b changes accordingly, and the injection direction of the fuel F changes.

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 fuel injection device 20 and the method for changing the fuel injection direction configured as described above, the actuator 14 provided outside the fuel passage 11a is easily driven without being influenced by the state of the fuel F, and accurately. The injection direction of the fuel F can be changed and controlled continuously and / or stepwise. Furthermore, since the injection direction of the fuel F is controlled using the piezoelectric element, fine control of the injection direction of the fuel F according to the electric signal applied to the piezoelectric element becomes possible. As a result, it is possible to control the spatial distribution of the injected fuel F into a free spatial distribution.

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 elastic deformation portion 12b of the support member 12 has a corrugated structure having an uneven surface, the workability is good and the light support member 12 can be obtained, and the corrugation around the fuel injection side of the passage member 11 is provided. An airtight structure can be easily obtained by providing a wall surface having a structure.

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 fuel injection device 20 described above.

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 nozzle 10 is changed during fuel injection, the overlap of fuel sprays is reduced, so that the overlap of fuel sprays in the combustion chamber 43 is reduced, and fuel overconcentration is caused by the spray collision in the combustion chamber 43. It becomes possible to aim at the spatial arrangement of the fuel so that the region is not formed.

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 fuel injection device 20 according to the engine load and the rotational speed, the engine load state as shown in FIG. 12 is light or the engine as shown in FIG. It is possible to set the fuel F injection direction and the spray spread distribution in accordance with the high load state. In addition, the premixed compression injection mode and the normal injection mode can be realized.

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 fuel injection device 20 can perform control by changing the injection direction of the fuel F without being influenced by the state of the fuel F. Thereby, it is possible to control to create a desired fuel spatial distribution in the combustion chamber 43. In particular, when the ejection direction is controlled using the control of the piezoelectric element, fine and accurate control according to the electric signal applied to the piezoelectric element becomes possible.

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 combustion chamber 43 formed at the top of the piston 42. Therefore, it is possible to control to create a desired fuel spatial distribution in the combustion chamber 43 freely. Therefore, this internal combustion engine is equipped with a very effective means for a fuel control technique for reducing harmful components of exhaust gas. This spray spread distribution can be set for each injection in one cycle of the piston stroke of the internal combustion engine, and the fuel injection direction can be changed even during the fuel injection in one cycle. Since high fuel injection can be performed, the fuel supply in the internal combustion engine can be further optimized.

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 fuel injection device 20 described above, fine control is possible with respect to the direction of fuel injection, and the top of the piston 42 is matched to the in-cylinder (in-cylinder) state of the internal combustion engine. It is possible to precisely set the optimal fuel injection direction for the formed combustion chamber 43 and to inject fuel, and to control to create a desired fuel spatial distribution freely, thereby reducing harmful components of exhaust gas. Therefore, it can be used for a fuel injection device of an internal combustion engine.

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 jet port 11b is performed by combining the actuator 14 formed including the piezoelectric element and the nozzle 10 supported by the elastically deforming portion 12b, it is fine. It is possible to control the combustion state by controlling the fuel injection direction.

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 combustion chamber 43, and complete combustion In addition, the fuel spray can be controlled to achieve a fuel distribution that reduces NOx.

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 direction change mechanism 10 Nozzle 11 Passage member 11a Fuel passage 11b Injection port 12 Support member 12a Skirt part 12b Elastic deformation part 13 Turning member 13a Disk part 13b Fuel path 13c Recessed part 13d Branch fuel path 14 Actuator 15 Turning generation mechanism 15a Fixed Disk 15b Elastic member 20 Fuel injection device 21 Needle 22 Fuel flow path building block 23 Injection device housing 24 Piezoelectric element control wiring 25 Nozzle restraining member F Fuel

Claims (6)

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な支持部材で支持すると共に、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燃料噴射方向の変更方法。   A fuel injection direction changing method for changing a fuel injection direction in a fuel injection device, wherein the passage member is supported on a fuel injection side of a passage member constituting the fuel passage by a support member capable of changing an angle, and the passage The fuel supply side of the member is directly or indirectly supported by the turning member, and the turning member is rotated by driving an actuator to move the position of the passage member on the fuel supply side, thereby changing the direction of the passage member. Changing the fuel injection direction by changing the fuel injection direction. 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ことを特徴とする請求項1に記載の燃料噴射方向の変更方法。   The angle changeable support on the fuel injection side is performed by providing a corrugated structure having an uneven surface between the passage member and the support member, and the actuator is formed including a piezoelectric element, and the linear direction of the actuator 2. The fuel injection direction changing method according to claim 1, wherein the movement is converted into movement in a rotation direction of the swivel member by a swirl generation mechanism. 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ことを特徴とする燃料噴射装置。   In the fuel injection device for changing the direction of the fuel injected through the fuel passage, the fuel injection side of the passage member constituting the fuel passage is supported by a support member that supports the angle change, and the fuel of the passage member A revolving member that directly or indirectly supports the supply side; and an actuator that rotates the revolving member. The revolving member is rotated by driving the actuator to move the fuel supply side of the passage member. The fuel injection device is characterized in that the direction of the passage member is changed to change the fuel injection direction. 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たことを特徴とする請求項3記載の燃料噴射装置。   The actuator is formed including a piezoelectric element, and the actuator control device is formed by a voltage control device that applies a voltage to the piezoelectric element, and the linear movement of the actuator is performed in the rotational direction of the turning member. The fuel injection device according to claim 3, further comprising a turning generation mechanism that converts the movement into a movement. 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ことを特徴とする請求項3又は4に記載の燃料噴射装置。   4. The support member is formed so as to support a fuel injection side of the passage member with an elastically deformable member, and the elastically deformable member is configured with a corrugated structure having an uneven surface. Or the fuel-injection apparatus of 4. 請求項3〜5のいずれか1項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。   An internal combustion engine comprising the fuel injection device according to any one of claims 3 to 5.
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