JPS58210354A - 自動車用燃料供給装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、自動車用燃料供給装置に係り、特に低圧燃料
供給、多種燃料供給に対応できる自動車用燃料供給装置
に関する。

従来、自動車用燃料供給装置は大別して、気化器及び燃
料噴射装置の二種類があり、前者は連続燃料計量、後者
は間欠燃料計量方式が採用され多気筒エンジンに装着さ
れて来た。しかしながらこれらの燃料供給系では、生成
される燃料液滴径が均一かつ微細化せず多気筒への均等
分配が達成できなくなり、燃料供給後に起こる燃焼が不
安定となり、燃焼効率の低下に伴う燃料消費の増大、有
害排気レベルの増大等の不具合が生ずる。また燃料多様
化、低質化に際しても、これら両方式の燃料供給系では
対処できず、新規な微粒化手段を有する燃料供給系が嘱
望されている。

本発明の目的は、均一かつ微細液滴群を多量に生成でき
る燃料微粒化可能な自動車用燃料供給装置を提供するこ
とにある。

本発明の要旨は次の如くである。すなわち、超音波振動
微粒化技術はすでに多くの研究者が検討を加えておシ、
最大の欠点である液処理量の限定を解除する工夫として
、リング振動が開示されている。しかしながら、当リン
グ振動部に燃料を供給した場合、燃料の一部は微粒化せ
ず、合体し堆積して、滴下する現象が存在し、自動車用
燃料系に使用するネックとなっていた。本発明はかかる
燃料の滴下を防止するため、リング振動の振動周波数を
電気的制御することによシ目的を達したものである。

以下、本発明の実施例について説明する。

第１図には、本発明の一実施例の適用されているエンジ
ン系統の全体構成図が示されている。

図において、エンジン１の吸気弁２の開閉によって吸気
管６より空気、燃料を吸引し、点火プラグ３によって着
火、燃焼を行ない出力を車輪（図示していない）に伝達
する。点火プラグ３の点火時期はクランク角センサ５の
信号をコンピュータ２０に伝送し、必要な時期に点火コ
イル４に信号を送り点火せしめている。吸気管６には混
合筒８を装着し、空気量の制御は絞シ弁９の開度で行な
い、その時の絞シ弁開度の状況は絞り弁開度センサ１０
によシ検索し、コンピュータ２ｏにて演算記憶しておく
。混合筒８は絞υ弁９の上流側で若干ふくらみ部を有し
、そのふくらんだ部分に超音波振動子１１が外かく部よ
り装着、固定されている。超音波振動子１１の他端には
リング振動部１２が固着され、当該リング振動部１２の
中心と混合筒８の中心軸は適合されるように構成されて
いる。また混合筒８は上部でＬ字に屈曲し、屈曲した部
位には噴射弁１３（間欠又は連続両方とも可）が外かく
より挿入、固定されている。噴射弁１３の軸と、混合筒
８の軸は一致している。噴射弁１３と燃料圧力レギュレ
ータ１４は一体化され、燃料タンク１７よυ吸引された
燃料はポンプ１８、フィルタ１９を介して、当該レギュ
レータ１４に導かれ、所定の圧力に制御され、余った燃
料は燃料タンク１７に戻される。混合筒８の上流には空
気量を計量する空気量センサ（可動ベーン凰、熱線式、
カルマン渦式いずれでも可）が装備され、出力はコンピ
ュータ２０に伝送される。一方燃焼して生じた排ガスは
排気管７を通って酸素センサ１６で感知され、触媒（図
示していない）、消音器（図示していない）を介して大
気に放出される。

酸素センサ１６は排気中の余剰酸素濃度によって変化す
る特性を持ち、この特性を利用して、エンジン１に吸引
された混合気濃度を推定し、噴射弁１１の開弁時間幅を
制御し、燃費、排気浄化性を確保している。

こ＼で、超音波振動子１１を混合筒８に固着する場合の
詳細について第２図で説明する。

混合筒８の車側面部に超音波振動子１１をビス３３で固
定する。ビス３３は同時にカバー３２を友しめする。カ
バー３２は金属性のものを使用し発生ノイズの低減を助
長する。また、超音波振動子１１の固着に際し、混合筒
８にはオーリング３０及びゴム製パッド３１をあらかじ
め挿入した上で固着せしめる。オーリング３０は空気の
もれ防止、ゴム製バンド３１は燃料の巻き込みを防止す
る。

次に超音波振動子１１の構造について第３図で説明する
。第３図（ａ）は振動子の側断面図で、ホーン部４６、
圧電素子４２，４３、固定板４４及び圧電素子圧着用ね
じ４８で構成され、圧着された２枚の圧電素子４２，４
３の間に印加電圧端子４１を設け、印加電圧端子４１と
アース（例えば７ランク部４５の間に３００〜５００ｖ
のパルス電圧を印加すれば圧電素子４２．４３が伸縮し
、その振動がフランジ４５の先端に形成したホーン部４
６に伝わり先端のリング振動部１２に伝わる。

第３図（ｂ）は、超音波振動子１１の平面図を示す。

第４図（ａ）は第４図（ｂ）に示されている超音波振動
子１１をホーン部４６より見た図で、フランジ４５の形
状がはっきり示されている。すなわち、ホーン部４６の
先端に第３図（ｂ）の如くリング振動子１２を固定する
ためねじ４８を設けておるが、リング振動子１２の軸と
前述の混合筒８の軸を一致させる必要から、フランジ４
５を回転させ、軸が一致するところで前述のビス３３を
固定すれば良く、フランジ４５には固定用のギャップ４
９が設けである。

次にリング振動部１２の構造について説明する。

第５図はリング振動部の一例で、第５図（ａ）は平面図
でリング部にアーム５１、固定用ねじ部５２で構成され
アーム５１及びリング部１２は溶接または一体鋳物成形
で造られ、固定用ねじ部５２は前記リング振動子固定ね
じ４７に合致する。アーム５１の取付は第５図（ｂ）の
如くで、リング横断部の中央にくる。この時の燃料微粒
化の状況は第５図（Ｃ）に示したごとく、矢印より燃料
を薄膜に拡げてリング振動子１２に供給した場合点線で
示しだ挙動を示す。すなわち、供給燃料が上方より下方
に向っているのにも拘らず、微細化燃料は、上下流混合
したものとなる。

次に、他のリング振動子１２の形状の場合について説明
する。第６図（ａ）はその時の平面図でリング振動子１
２とアーム５１の間に縦リム５３を挿入して固着せしめ
る。この場合は、第６図（ｂ）に示したごとく、縦リム
５３によって、リング振動子１２の振動モードが変わり
、第６図（Ｃ）のごとく燃料は下方のみに飛散霧化する
。次にリング振動子１２のリング部に第７図（ａ）、　
（ｂ）に示すごとく横リムを入れた場合について説明す
る。この場合は振動モードが円周方向よシ、リングの上
下方向の振動が多くなシ、燃料をはね上る様になる。第
７図（Ｃ）参照。

次に１つのリングで多数の振動を助長させる方式として
、第８図、第９図が考えられる。

すなわち第８図でば、リング振動部１２に第８図（ｂ）
に示したようなテーパ一部５５を設け、下端に向うほど
振動振幅を増大し、微粒化を促進することを狙ったもの
でおる。

第９図は振動するリング部を二重にしてリング振動子１
２及び中リング５６を第９図（ｂ）に示すごとくアーム
５３一本で固定し、第９図（Ｃ）に示したごとく、リン
グ振動子１２及び５６の円環スキマ部に薄膜燃料を供給
し、微粒化を促進することを狙ったもの。

次にリング振動子の振動モードについて述べる。

第１０図囚、■、■、■は第５図に示したリング振動子
形状の場合の振動モードで、リングの外内径、肉厚によ
って、その振動モードは異なる。す７−／の径が大きい
ほど、かつリングの肉厚が薄いほど、振動の節が多くな
り、燃料の微細化が促進する。第１０図囚は、振動次数
ｎ＝：２−１振動周波数ｆ＝２３ｋＨｚ、外径１９φ（
簡）、内径１５φ（ｍ）、高さ２０（＋＋ｏ＋＋）のリ
ング振動子、第１０図（６）は振動次数ｎ＝３、振動周
波数ｆ＝２５ｋＨ２，外径１７φ（ｍｍ）、内径１５φ
（ｆｉ）、高さ２０（ｗ）のリング振動子、第１０図（
Ｑは、振動次数ｎ＝４、振動周波数ｆ＝２７ｋＨｚ。

２９　ｋ　Ｈｚ　、外径２２φ（震）、内径２０φ（閣
）、高さ１５（ｗ＋）のリング振動子、第１０図■は振
動次数ｎ＝７、振動周波数ｆ＝２９ｋＨｚ、外径４２φ
（ＷＲ）、内径４０φ（１１０１１）、高さ２０　（ｍ
＋　）のリング振動子である。第１０図中１２は振動零
の位置、６０は振動時の振幅を示す。すなわち、振幅が
最も大きい個所に来た燃料ははじき飛ばされ、霧化が促
進し、振幅零の位置の燃料は霧化しない。観察結果によ
れば振幅零の位置の燃料は順次、振幅最大位置方向へ移
行し、霧化が達成できることがわかったので、燃料の投
下方法はなるべくリング振動子の上方に、薄膜で円周方
向に均一に付着させるように噴射すれば良く、従って、
第１図に示した噴射弁１３の燃料噴射後の噴霧はできる
だけ薄膜になるよう燃料を旋回して吐出する工夫が付加
されていると良い。第５図に示したリング振動子は第１
０図に示した振動（円周方向）の他に第１１図に示した
ごとくリング振動子の軸方向の振動が加わり、リング上
下端が腹になるような振動をする。従って、第５図（Ｃ
）に示したように、微細化した燃料はリング振動子１２
の軸方向上、下に飛散する。このように、リング振動子
の形状を適尚に選定すれば、微細化燃料の放散方向をあ
らかじめ設定した燃料供給系に随時適合せしめることが
できる。

次にリング振動子の径、励振周波数、リング肉厚、液処
理量、疲労限度等について調べて見る。

第１２図は振動周波数と平均液滴径の関係で、リングの
径をパラメタとして示した。第１２図かられかるように
、振動周波数が大きいほど、かつリング径が大きいほど
燃料の平均径は小さくなる傾向を有す。第１３図はリン
グの径と液処理量の関係でリング肉厚をパラメタにして
示した。図かられかるように、リング径を大きく、かつ
リング肉厚を薄くするほど、液処理量が大むくなる。

第１４図はリング肉厚と耐久時間の関係で、第１５図参
照人が第５図に、第１４図図示Ｂが第６図にそれぞれ示
したアーム取付は方法の違いが出ている。また、リング
肉厚を１ｍ＋以上とすれば耐に年は５年以上は確保でき
ている。

第１５図は他の実施例について示したものである。本実
施例は第１図の実施例が間欠噴射方式に対し、連続噴射
方式の燃料供給系に関しておシ、エアクリーナ８１を介
して吸入された空気は、カンチレバータイプの空気量計
量弁８２の動きに比例して、燃料計量用ピストン８３が
上下し、シリンダ部に切ったスリット８４との間げき量
で燃料を計量し、噴射弁１３（連続流）に燃料を送って
いる。噴射弁１３は吸気管６の空気通路途上におき、噴
射弁１３のノズルの後流部に超音波振動子１１、リング
振動子１２を設置して、燃料の霧化促進を図る。これら
の制御は全て、コンピュータ２０で行ない、各センサ、
エンジン水温センサ８６等の信号に基づき、噴射弁の開
弁時間幅、点火時期の制御、ＥＧＦＬパルプ８５の開弁
時間幅、また超音波振動子１１の印加時間及びその印加
周期を決定する。

次に、前述した超音波振動子１１の駆動方法に関して、
その回路構成、動作について説明する。

前記した如く、超音波振動子１１を一定周波数で励振し
た場合、燃料噴射弁より噴射された噴霧はリング振動子
１２に衝突し、瞬時に霧化してエンジンに吸引されるが
、微視的に考察するとリング振動子１２に燃料が付着し
た瞬間はリング振動子の重量が変化するわけで、重量変
化分だけ、リング振動子１２の共振点がずれることにな
る。このように共振点がずれると、霧化のだめの振動振
幅は確保できなくなり、霧化が遅れ、液膜の堆積が助長
され、悪循環ができる。この現象を打開するには、リン
グ振動子１２を励振する超音波振動子１１の振動周波数
を微小液膜量分だけほんのわずか変化させれば良い。こ
の周波数変化によって堆積液膜は瞬時に霧化し、液膜の
形成は皆無となる。

したがって、第１６図（→に示したごとく、定常の印加
電圧波形では前述のごとく不具合が生ずるので、第１６
図（ｂ）に示したごとく、ある周期（０，ｌ　ｍ　ｓ〜
ｌＱｍｓ）の間隔で印加電圧周期を変化させると、連続
的に供給される燃料供給系（第１５図参照）において、
均一かつ微細液滴群を得ることができる。

また、第１７図に示したごとく間欠燃料供給（第１図参
照）の場合についても、上記と同様なことが言える。す
なわち、第１７図（ａ）は噴射弁１３の駆動パルス波形
である。したがってこのパル１０１時間内に燃料が噴射
弁１３より噴射される。従来の超音波振動の場合は、第
１７図（ｂ）に示したごとく、噴射弁１３が開弁してい
る時間だけ、超音波振動子１１を励振せしめ、燃料噴霧
を微細化せしめていたが、上述したように、ある一定の
周波数で励振したのでは、液膜形成の悪現象が生ずる。

間欠噴射の場合は単位時間に噴射される燃料量はいつも
最大流量に匹敵しているので、連続噴射（第１５図参照
）に比べて、液膜の形成が生じやすい欠点がある。した
がって、第１７図（Ｃ）に示したごとく、超音波振動子
１１を噴射弁開弁時間幅だけ励振する周波数を前記同様
わずか変化させると、液膜の形成はなくなり、均一かつ
微細化液滴群が得られる。

次に具体的な駆動回路の構成について開示する。

まず連続的に燃料を供給する場合（第１５図参照）、超
音波振動子１１の印加電圧の周波数をある周期的に変化
させる場合の回路構成を第１８図に示した。本回路のす
べてはコンピュータ２０に内蔵される。クロック回路１
０１に例えば１２ＭＨ２の水晶振動子１０１によっであ
る一定の周波数で信号を発するものである。このクロッ
ク回路１０１は第１図に開示したコンピュータ２０のク
ロック回路として併用している。クロック回路１０１の
信号を３個の分周回路１０４，１０５，１０６によって
、例えば２１．５ｋＨ２，２０，５ｋＨ！。

２ｋＨ２の周波数の信号に変換される。ここで２１．５
ｋＨ！、２０．５ｋＨｚの周波数は超音波振動子１１を
励振する周波数、２ｋＨｚの周波数は前記２１．５　ｋ
Ｈ２，２０，５ｋＨｚ（７）励振周波数を切換えるため
の信号である。したがって、連続的に超音波振動子を励
振する場合は０．５　ｍ　ｓごとに励振周波数を切シ換
えていることになる。２１．５ｋＨ２を発生する分周回
路１０４と２０．５　ｋ　Ｈｚを発生する分周回路１０
５が第１６図（ｂ）に示す２種類の周波数の信号をそれ
ぞれ別々に発生し、２ｋ）ｌｚを発生する分局回路１０
６よりの信号が両者を切換える。アンド回路１０７とア
ンド回路１０８及びオア回路１１０が前記した２種類の
分周回路１０４，１０５　（例えば２１．５ｋｌ（ｚを
発生する分周回路１０４と２０．５　ｋ　ＨＺを発生す
る分周回路１０５）の信号を切換えて合成する。アンド
回路１０７はマイクロコンピュータ１０２に接続されて
いるエンジン制御用ｌ１０Ｌ８１１０３のオンオフ信号
によって前記した如く合成したオア回路１１０よシの信
号を断続する。２個のノくワトランジスタ１１３，１１
４は２個のノット回路１１１．１１２によって増幅され
たオンオフ信号により、高電圧発生用コイル１１５の１
次側へ加える１次側電流を断続する。高電圧発生用コイ
ル１１５の２次側は超音波振動子１１に接続し、交番す
る高周波の発生電圧を加える。

まだ第１７図（ｂ）、（Ｃ）に示す様な超音波振動の停
止を含む動作には例えば第１９図に示す様な構成の回路
を用いる。クロック回路１０６、マイクロコンピュータ
１０２、エンジン制御１用Ｉ　１０　ＬＳ　１１０３は
第１９図に示す回路と同様であり説明を省く。クロック
回路１０１エリの信号は３個の分周回路１１７，１１８
，１１９により例えば２１．５ｋＨ２，２０，５ｋＩ（
Ｚ、２ｋＨ２の周波数の信号に変換される。２１．５ｋ
Ｈｚ、２０．５ｋ）Ｉｚの信号を発生する分周回路１１
７．１１’８よシの信号はアンド回路１２１、アンド回
路１２２、オア回路１２３により２種類の周波数の信号
が交互に現れる信号に変換し、更にアンド回路１２４に
より、断続して発生停止を繰り返す。信号の発生、停止
の調節はマイクロコンピュータ１０２からの信号により
行ない、インジェクタ駆動回路へのエンジン制御用ｌ１
０ＬＳＩよりの制御信号もしくは振動子駆動回路用に設
けられたオンオフ出力により行なう。２個のパワトラン
ジスタ１２３，１２４は２個のノット回路によって増幅
されたオンオフ信号により、高電圧発生コイル１１５の
１次側へ加える１次側電流を断続する。高電圧発生用コ
イル１１５の２次側は超音波振動子１１に接続され、第
１７図（Ｃ）図に示したごとく周波数が変化する高電圧
が印加されることになる。

前記のごとく、超音波振動子１１に印加する方法として
前記の燃料供給系、すなわち連続流１間欠流に対して、
第１６図（ｂ）、第１７図（Ｃ）の如く印加電圧制御法
を開示した。こ＼で、燃料供給系が連続噴射の場合（気
化器方式でも適用できる）に超音波振動子１１を間欠的
に高電圧を印加する方法が考えられるが、この方式では
、連続的に供給される燃料を間欠的に励振するので、第
２０図Ａに示すように燃料噴霧は、噴霧の塊υとなって
吸気管内を飛翔する。したがって、超音波振動子１１を
励振する時期をエンジンの吸気時に同期せしめると、点
火プラグ近傍に噴霧の塊シが集合するので、層状給気が
超音波振動子１１の制御だけで達成できる。また、噴射
弁の開弁時間周期に対して、超音波振動子１１の励振時
間周期を若干ずらすことによって吸気の任意のタイミン
グで噴霧を形成しエンジンに吸引せしめることができる
。

この時のリング振動子形状は第２１図に示す如くのもの
が適している。すなわち、リング振動子１２に段差をつ
け、燃料滞留部９１を設け、超音波振動子１１を励振す
る時間で燃料霧化を行ない、前記の層状給気が達成でき
る。またリング振動子１２の軸方向の長さ及び径を変え
ることによっても燃料を一時、リング振動子の壁面に滞
留させることができる。

次に間欠噴射で、超音波振動子を連続的に励振する場合
が考えられる。この場合は、エンジン始動時、過渡運転
時等、燃料増量がある場合に有効である。

第２２図には、本発明の他の実施例が示されておシ、リ
ング振動子１２に代えて角筒状振動子９５を用いたもの
である。これによっても燃料の微細化は充分に達成する
ことができ、また、作製上も容易である。

以上説明したように、本発明によれば、均一かつ微細液
滴群を多量に組成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第１５図は本発明による実施例、第２図は超
音波振動子の装着例、第３図及び第４図は超音波振動子
の構造を示す。第５図、第６図。 第７図、第８図、第９図、第２１図、第２２図はそれぞ
れリング振動子の構造等を示す。第１０図。 第１１図はリング振動子の振動モードを示す。第１２図
、第１３図及び第１４図はリング振動子の特性を示す。 第１６図、第１７図は超音波振動子の印加パルス説明図
、第１８図、第１９図は超音波振動子の駆動回路説明図
、第２０図は噴霧の輸送状況の説明図である。 ３０・・・オーリング、３１・・・ゴム製パッド、３２
・・・カバー、４１・・・印加電圧端子、４２．４３・
・・圧電素子、４４・・・固定板、４５・・・７ランジ
、４６・・・ホーン部、４７・・・リング振動子固定ね
じ、４８・・・圧電素子圧着用ねじ、４９・・・固定用
ギャップ、５１・・・アーム、５２・・・固定用ねじ、
５３・・・縦リム、５４・・・横リム、５５・・・テー
パー、５６・・・中リング、６０・・・振動モード、８
１・・・エアクリーナ、８２・・・空気量計量弁、８３
・・・燃料計量用ピストン、８４・・・スリット、８５
・・・ＥＧＲ制御弁、８６・・・冷却水温センサ、９１
・・・燃料滞留部、１０１・・・クロック回路、１０２
・・・マイクロコンピュータ、１０３・・・エンジン制
御用ｌ１０ＬＳＩ、１０４，１０５゜１０６．１１７，
１１８，１１９・・・分局回路、１０７．１０８，１０
９，１２１，１２２，１２４・・・アンド回路、１１０
，１２３・・・オア回路、１１１゜１１２・・・ノット
回路、１１３，１１４．・・パワトランジスタ、１１５
・・・高電圧発生用コイル、１１１第２　口 ８１（； 一〆 ＄４　目 （幻 （ｂ）４５ ＄　ζ口 第４図 茅５　目 （Ｃ） ψ 茅７　目 （＾） ０ ｙ′１　口 ′＄１０口 茅ｌｌ　　口　　　　　　　　　　成 （ＰＫ） ≦Ｏ 液 ４０ 理 里　　２θ （へ） θ 茅１２　　図 ２０　　２２　　　２４　　　２６　　　２δ撤勧胴υ
数＜ＫＨｚ） 第１３　目 ｔＳ　　　　Ｚθ　　　ＺＳ　　　　Ｓθ　　　３５　
　４θリ　　ニ、　　２°゛　　ヲ’ｊ、、（／ｒＰＬ
ｔｎｓ、ジ茅　！６　　口 （久） Ｃｂ） 茅　７７　目 （＾） Ｃｂ） （Ｃ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、吸気管上流に燃料を計量して供給する噴射弁と、空
   気量を計量する空気量センサと、エンジンの運転状態を
   確定する絞シ弁とを有し前記噴射弁の開弁によって吸気
   管内に噴霧することによって燃料を供給する自動車用燃
   料供給装置において、上記噴射弁の下流に超音波振動子
   に支持される筒状振動子を設け、前記超音波振動子の励
   振周波数を所定の周期で変化させることによって燃料を
   微細化するようにしたことを特徴とする自動車用燃料供
   給装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載の発明において、上記筒
   状振動子は、円筒状に形成されていることを特徴とする
   自動車用燃料供給装置。 ３、特許請求の範囲第１項記載の発明において、上記筒
   状振動子は、角筒状に形成されていることを特徴とする
   自動車用燃料供給装置。 ４、特許請求の範囲第１項記載の発明において、上記筒
   状振動子は、円筒に形成され、かつ、円筒内がテーパ状
   に形成されていることを特徴とする自動車用燃料供給装
   置。 ５、特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれか１項
   記載の発明において、上記超音波振動子と筒状振動子と
   の間にリムを設けたことを特徴とする自動車用燃料供給
   装置。 ６、特許請求の範囲第１項ないし第５項のいずれか１項
   記載の発明において、上記超音波振動子の励振周波数の
   合成は、内燃機関の制御用コンピュータより発信するク
   ロック周波数を分周して行なうことを特徴とする自動車
   用燃料供給装置。