WO2011125154A1

WO2011125154A1 - 燃料噴射弁及び燃料噴射装置

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Publication number: WO2011125154A1
Application number: PCT/JP2010/056091
Authority: WO
Inventors: 小林辰夫
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-04-02
Filing date: 2010-04-02
Publication date: 2011-10-13
Anticipated expiration: 2012-10-02

Abstract

　燃料噴射弁２１は、燃料噴射弁シート部２１７を備えたノズルボディ２１１と、このノズルボディ２１１内に摺動自在に配置され、シート部２１７に着座することによって、燃料の噴射を停止するニードル２１４を備える。また、燃料噴射弁２１は、シート部２１７の上流側において、ノズルボディ２１１とニードル２１４との間に筒状に配置されてニードル２１４の外周壁との間に燃料流路２１３の一部を形成するとともに、燃料流路２１３の流路面積Ｓを拡大及び／又は縮小するように伸縮する超音波振動子２１８を備えている。

Description

燃料噴射弁及び燃料噴射装置

　本発明は燃料噴射弁及び燃料噴射装置に関する。

　内燃機関の燃費や排気エミッションを改善するために、噴射燃料の噴霧粒径を微細化して燃焼性を向上させることが要求されている。噴霧粒径を微細化する手段の一つとして、従来、噴射前の燃料に所定の超音波振動を付与する手法が知られている。

　近年では、超音波振動の付与による噴霧粒径の微細化の新たな手法も提案されている。例えば、高周波の超音波振動によって燃料中にキャビテーションによる微細気泡を発生させ、噴射後に微細気泡が圧壊するときのエネルギーによって噴霧粒径を微細化する提案がされている。この提案によれば、燃料に付与する超音波振動の周波数が高いほどより微細な気泡が多量に発生し、より大きな気泡の圧壊エネルギーを得られることから、従来手法よりも噴霧粒径を微細化することが可能である。

　このような提案を具現化するものとして、例えば、特許文献１が開示されている。特許文献１には、ニードルの先端部における開閉面部に囲まれた平面部に、円板状の超音波振動子を一体的に固着して配置し、これに対向するように設けられた反射部材を備えた燃料噴射弁が開示されている。このような燃料噴射弁は、超音波振動子の表面と反射部材の平面との間で超音波によりキャビテーションの気泡を容易に発生させる。

特開２００８－２５４８５号公報

　しかしながら、前記のような燃料噴射弁は、超音波振動子によって燃料に付与される振動の方向は燃料の流れ方向と同一方向となる。このため、微細気泡が含まれる時期と微細気泡が含まれない時期とが存在し、微細気泡を均一に分布させることができないおそれがある。また、超音波振動子が、ニードルの先端部における開閉面部に囲まれた平面部に配置されているため、噴孔から噴射される燃料の全量に微細気泡を混入させることは非常に困難である。

　そこで本発明は、噴射される燃料に均一に微細気泡を混入させることを課題とする。

　上記課題を解決するために本明細書開示の燃料噴射弁は、シート部を備えたノズルボディと、前記ノズルボディ内に摺動自在に配置され、前記シート部に着座することによって、燃料の噴射を停止するニードルと、前記シート部の上流側において、前記ノズルボディと前記ニードルとの間に筒状に配置されて前記ニードルの外周壁との間に燃料流路の一部を形成するとともに、前記燃料流路の流路面積を変化させるように伸縮する超音波振動子と、を備えたことを特徴する。ここで、前記超音波振動子は、前記流路面積を拡大及び／又は縮小するように伸縮することができる。

　シート部よりも上流側に超音波振動子を備えることによって、シート部よりも下流に設けられる噴孔から噴射される燃料に微細気泡を混入した状態としておくことができる。また、超音波振動子の伸縮により燃料流路の流路面積を変化させることにより、噴射される燃料の全量に対して超音波振動を付与することができる。これにより噴射される燃料に均一に微細気泡を混入させることができる。均一に微細気泡が混入した燃料は、順次燃料噴射孔から噴射される。

　燃料噴射弁内で維持された微細気泡が、噴射後に圧壊することによって燃料の微粒化が図られる。

　この結果、着火遅れ期間の短縮、燃焼速度の増加、燃料によるオイル希釈の抑制、デポジット堆積の抑制、ノッキング発生の抑制を高い次元でバランスよく実現することができる。

　前記超音波振動子のニードル軸線に対する長さと、流路面積とで規定される前記燃料流路の環状容積は、前記ニードルが前記シート部から離座し、その後、再びシート部に着座するまでの一回の噴射によって噴射される燃料量の最大量以上に設定されていることが望ましい。ここで、前記環状容積は、前記超音波振動子への駆動信号が入力されておらず、前記超音波振動子が静止した状態において、前記のように規定される。環状容積をこのように設定しておくことにより、一回に噴射される燃料量がどのような場合であっても均一に微細気泡が混入した燃料を噴射することができる。

　前記のような燃料噴射弁は、前記超音波振動子よりも上流側に、前記超音波振動子が配置された領域に流れ込む燃料流れに旋回流を付与する旋回流付与手段を備えることができる。旋回流付与手段を備えることにより、超音波振動子が配置された領域に流れ込む燃料流れが旋回整流される。これにより、燃料噴射弁内での微細気泡の圧壊を抑制することができる。

　このような旋回流付与手段は、例えば、前記ニードルの外周壁及び／又は前記ノズルボディの内周壁に設けられた斜流溝とすることができる。また、前記ニードルに一体に設けられ、前記ノズルボディの内周面に摺接する偏心抑制部の外周面に設けられた斜流溝とすることができる。

　前記のような燃料噴射弁において、前記超音波振動子の内側表面と前記ニードルの外周面との距離は、ｎを自然数とし、λを前記超音波振動子が発する超音波の波長としたときに、（ｎ±１／４）×λに設定することができる。このような波長とすることにより、超音波振動子から発振された振動がニードルの外周面において反射され、この反射波が振動を増幅させる。この結果、効率よく微細気泡を発生させることができる。

　本明細書開示の燃料噴射装置は、シート部を備えたノズルボディと、前記ノズルボディ内に摺動自在に配置され、前記シート部に着座することによって、燃料の噴射を停止するニードルと、前記シート部の上流側において、前記ノズルボディと前記ニードルとの間に筒状に配置されて前記ニードルの外周壁との間に燃料流路を形成するとともに、前記燃料流路の流路面積を変化させるように伸縮する超音波振動子と、前記ニードルの開弁とともに前記超音波振動子を駆動する制御部と、を備えたことを特徴する。

　前記制御部は、前記超音波振動子の駆動開始時に前記燃料流路の流路面積を拡大する方向に前記超音波振動子を駆動することができる。燃料流路の流路面積が拡大され、超音波振動子で囲まれた領域の容積が拡大するとその領域の圧力が低下し、キャビテーションによる微細気泡が発生する。駆動開始時に即座に流路面積を拡大することによって、迅速に微細気泡を発生させ、燃料噴射に備えることができる。

　また、前記制御部は、前記超音波振動子が前記燃料流路の流路面積を拡大する方向に振動するように半波整流した電圧を前記超音波振動子に印加することができる。微細気泡は、超音波振動子で囲まれた領域の容積が拡大するとその領域の圧力が低下することによって発生する。このため、半波整流した電圧によって超音波振動子を駆動することによって連続的に微細気泡を発生させることができる。

　本明細書に開示された燃料噴射弁及び燃料噴射装置によれば、噴射される燃料に均一に微細気泡を混入させることができる。

図１は実施例のエンジンシステムの一構成例を示した図である。図２は実施例の燃料噴射弁の一構成例を示した図である。図３は実施例の燃料噴射弁の図２におけるＡ－Ａ線断面図である。図４は燃料噴射弁内の環状容積の説明図である。図５（Ａ）はニードルに斜流溝を設けた例を示す説明図である。図５（Ｂ）はノズルボディに斜流溝を設けた例を示す説明図である。図６は偏心抑制部の他の形状を示す説明図である。図７は気泡の発生周波数と気泡径との相関を示している。図８は気泡の発生周波数と気泡の相対強度との相関を示している。図９は気泡径と気泡圧壊時間との相関を示している。図１０は水溶液の気泡の破壊観察を示している。

　以下、本発明を実施するための形態を図面と共に詳細に説明する。

　本発明の実施例について図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の燃料噴射制御装置を搭載したエンジンシステム１の一構成例を示した図である。なお、図１にはエンジンの一部の構成のみを示している。

　図１に示すエンジンシステム１は、動力源であるエンジン１００を備えており、エンジン１００の運転動作を総括的に制御するエンジンＥＣＵ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　Ｕｎｉｔ）１０を備えている。また、エンジンシステム１は、エンジン１００の燃焼室１１内へ燃料を噴射する燃料噴射弁２１と、燃料噴射弁２１内の超音波振動子２１８を駆動させる超音波駆動装置２２とを備えている。エンジンＥＣＵ１０は、制御部の機能を備える。エンジンＥＣＵ１０、超音波振動子２１８を備えた燃料噴射弁２１及び超音波駆動装置２２は、燃料噴射装置に含まれる。エンジンＥＣＵ１０は、演算処理を行うＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）と、プログラム等を記憶するＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）と、データ等を記憶するＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）やＮＶＲＡＭ（Ｎｏｎ　Ｖｏｌａｔｉｌｅ　ＲＡＭ）と、を備えるコンピュータである。

　エンジン１００は、車両に搭載されるエンジンであって、燃焼室１１を構成するピストン１２を備えている。ピストン１２は、エンジン１００のシリンダに摺動自在に嵌合されている。そして、ピストン１２は、コネクティングロッドを介して出力軸部材であるクランクシャフトに連結されている。

　吸気ポート１３から燃焼室１１内へ流入した吸入空気は、ピストン１２の上昇運動により燃焼室１１内で圧縮される。エンジンＥＣＵ１０は、クランク角センサからのピストン１２の位置、および吸気カム角センサからのカム軸回転位相の情報に基づき、燃料噴射タイミングを決定し燃料噴射弁２１に信号を送る。燃料噴射弁２１は、エンジンＥＣＵ１０の信号に従って、指示された噴射タイミングで燃料を噴射する。燃料噴射弁２１より噴射された燃料は、霧化して圧縮された吸入空気と混合される。そして、吸入空気と混合された燃料は、点火プラグ１８によって点火されることで燃焼し、燃焼室１１内を膨張させてピストン１２を下降させる。この下降運動がコネクティングロッドを介してクランクシャフトの軸回転に変更されることにより、エンジン１００は動力を得る。

　燃焼室１１には、それぞれ燃焼室１１と連通する吸気ポート１３と、吸気ポート１３に連結し、吸入空気を吸気ポート１３から燃焼室１１へと導く吸気通路１４とが接続されている。更に、各気筒の燃焼室１１には、それぞれ燃焼室１１と連通する排気ポート１５と、燃焼室で発生した排気ガスをエンジン１００の外部へと導く排気通路１６が接続されている。

　吸気通路１４には、エアフロメータ、スロットルバルブ１７およびスロットルポジションセンサが設置されている。エアフロメータおよびスロットルポジションセンサは、それぞれ吸気通路１４を通過する吸入空気量、スロットルバルブ１７の開度を検出し、検出結果をエンジンＥＣＵ１０に送信する。エンジンＥＣＵ１０は、送信された検出結果に基づいて吸気ポート１３および燃焼室１１へ導入される吸入空気量を認識し、スロットルバルブ１７の開度を調整することで吸入空気量を調節する。

　スロットルバルブ１７は、ステップモータを用いたスロットルバイワイヤ方式を適用することが好ましいが、例えばステップモータの代わりにワイヤなどを介してアクセルペダル（図示しない）と連動し、スロットルバルブ１７の開度が変更されるような機械式スロットル機構を適用することもできる。

　排気通路１６には、ターボチャージャ１９が設置されている。ターボチャージャ１９は、排気通路１６を流通する排気ガスの運動エネルギーを利用してタービンを回転させ、エアクリーナーを通過した吸入空気を圧縮してインタークーラーへと送り込む。圧縮された吸入空気は、インタークーラーで冷却された後に吸気通路１４へと導入される。この場合、エンジン１００は、ターボチャージャ１９を備える過給機付エンジンに限られず、自然吸気（Ｎａｔｕｒａｌ　Ａｓｐｉｒａｔｉｏｎ）エンジンであってもよい。

　ピストン１２は、その頂面にキャビティを有する。キャビティは、燃料噴射弁２１の方向から点火プラグ１８の方向へと連続するなだらかな曲面によってその壁面が形成されており、燃料噴射弁２１から噴射された燃料を壁面形状に沿って点火プラグ１８近傍へと導く。この場合、ピストン１２は、その頂面の中央部分に円環状にキャビティが形成されるリエントラント型燃焼室等、エンジン１００の仕様に応じて任意の位置・形状でキャビティを形成することができる。

　燃料噴射弁２１は、吸気ポート１３下部の燃焼室１１に斜め方向に装着されている。燃料噴射弁２１は、エンジンＥＣＵ１０の指示に基づいて、フューエルポンプから燃料流路を通じて高圧供給された燃料をノズルボディ２１１先端部の円周方向に等間隔で設けられた燃料噴射孔２１２より燃焼室１１内へ直接噴射する。噴射された燃料は、燃焼室１１内で霧化し吸入空気と混合されつつキャビティの形状に沿って点火プラグ１８近傍へと導かれる。燃料噴射弁２１のリーク燃料は、リリーフ弁からリリーフ配管を通じて燃料タンクへと戻される。

　この場合、燃料噴射弁２１は、吸気ポート１３下部に限られず燃焼室１１の任意の位置に設置することができる。更に、燃料噴射弁２１は、燃焼室１１に限られず吸気ポート１３に設けてもよいし、燃焼室１１と吸気ポート１３との両方に設けてもよい。

　なお、エンジン１００は、ガソリンを燃料とするガソリンエンジンに限られず、軽油を燃料とするディーゼルエンジン、ガソリンとアルコールとを任意の割合で混合した燃料を使用するフレキシブルフューエルエンジンのいずれでもよい。また、エンジンシステム１は、エンジン１００と複数の電動モータとを組み合わせたハイブリッドシステムであってもよい。

　つづいて、本発明の燃料噴射手段の一構成例である燃料噴射弁２１の内部構成について詳細に説明する。図２は、実施例の燃料噴射弁２１の概略構成を示した構成図である。図３は、図２におけるＡ－Ａ線断面図である。なお、図２には燃料噴射弁２１の先端部分の構成のみを示している。

　燃料噴射弁２１は、ノズルボディ２１１と、このノズルボディ２１１内に摺動自在に配置されたニードル２１４を備えている。燃料噴射弁２１は、ニードル２１４がノズルボディ２１１の外側に向かって移動することによって開弁状態となる外開弁である。ノズルボディ２１１は、先端部に燃料噴射孔２１２を備えている。この燃料噴射孔２１２の内周面にシート部２１７が位置している。ニードル２１４の先端部には、笠状部２１４ａが設けられている。ニードル２１４は、この笠状部２１４ａがシート部２１７に着座することによって燃料の噴射を停止する。なお、ニードル２１４は、笠状部２１４ａを備えた外開弁に限られず、その先端部が鋭角な針形状の内開弁であってもよい。

　ノズルボディ２１１は、エンジン１００の燃焼室１１内に突出している。フューエルポンプより圧送されて、ノズルボディ２１１内部の燃料流路２１３に蓄積された高圧燃料は、エンジンＥＣＵ１０の指示に従い、燃料噴射孔２１２よりエンジン気筒内に噴射される。

　また、燃料噴射弁２１は、シート部２１７の上流側に超音波振動子２１８を備えている。超音波振動子２１８は、図２、図３に示すようにノズルボディ２１１とニードル２１４との間に筒状に配置されている。これにより、超音波振動子２１８は、ニードル２１４の外周壁との間に燃料流路２１３の一部を形成している。超音波振動子２１８は、筒状に配置され、流路面積Ｓを変化させるように伸縮する。より具体的には、超音波振動子２１８は、燃料流路２１３の流路面積Ｓを拡大及び縮小するように伸縮する。ここで、燃料流路２１３の流路面積Ｓは、図３に示すように、超音波振動子２１８が配置された直径Ｄｐｚである筒状の断面積と外径Ｄｎであるニードル２１４の断面積との差となる。

　ここで、超音波振動子２１８のニードル軸線に対する長さＬｐｚと、流路面積Ｓとで規定される図４に示すような燃料流路２１３の環状容積Ｖは、図３で示した流路面積Ｓに超音波振動子２１８の長さＬｐｚを掛け合わせることによって算出される。超音波振動子２１８が縮小すると燃料流路２１３の流路面積Ｓが拡大し、環状容積Ｖが膨張することによって燃料の圧力が下がる。この結果、キャビテーションによる微細気泡が発生する。このような環状容積Ｖは、超音波振動子２１８への駆動信号が入力されておらず、超音波振動子２１８が静止している状態において、燃料噴射弁２１の一回の噴射によって噴射される燃料量の最大量Ｑｆ以上に設定されている。ここで、一回の噴射とは、ニードル２１４がシート部２１７から離座し、その後、再びシート部２１７に着座するまでの期間に行われる燃料噴射である。環状容積Ｖをこのように設定しておくことにより、一回に噴射される燃料量がどのような場合であっても均一に微細気泡が混入した燃料を噴射することができる。

　具体的な、超音波振動子２１８の長さＬｐｚは、Ｖ＝Ｑｆとして、以下の（１）～（２）式で求めることができる。
［超音波振動子の高さ寸法］
Ｌｐｚ＝Ｑｆ／（（Ｄｐｚ^２－Ｄｎ^２）×π／４）　・・・（１）
微細気泡発生領域の厚み＝（ｕ／Ｆｐ）×Ｎ　・・・（２）
　（Ｌｐｚ：超音波振動子の長さ寸法，Ｑｆ：最大噴射量，Ｄｐｚ：超音波振動子の内径，Ｄｎ：ニードル外径，ｕ：燃料の音速，Ｆｐ：超音波振動の周波数，Ｎ：距離係数）
　上記（１）（２）式より、１度の超音波振動の付与による微細気泡の発生領域、すなわち、環状容積Ｖを求めることができる。これより、燃料噴射弁２１が一度に噴射できる燃料の最大量にキャビテーションによる微細気泡を発生させるための超音波振動子２１８の適切な長さ寸法を決定することができる。

　つぎに、超音波振動子２１８の厚み寸法について説明する。噴射前の燃料は、燃料流路２１３内に高圧（例えば１ＭＰａ）で蓄積されている。この高圧の燃料中にキャビテーションによる微細気泡を適切に発生させるためには、超音波振動子２１８の変形によって燃料流路２１３の容積が増大した際に、燃料流路２１３内の圧力が燃料の蒸気圧以下とする。そのため、超音波振動子２１８は、燃料流路２１３内の圧力を燃料の蒸気圧以下にするための適切な体積変化量が得られるように充分な厚み寸法を有することが求められる。超音波振動子２１８の適切な厚み寸法は以下の（３）～（５）式で求めることができる。
［超音波振動子の厚み寸法］
σｖ＝ｋ×Ｐｆ×１０００×Ｑｃ　・・・（３）
σｐｚ＝（（Ｄｐｚ^２＋４×σｖ／（Ｌｐｚ×π））^０．５－Ｄｐｚ）／２×１０００　・・・（４）
Ｔｐｚ＝σｐｚ／１０００／Ｋｐｚ／Ｎｅｇ　・・・（５）
　（σｖ：超音波振動子の体積変化量，ｋ：燃料の圧縮率，Ｐｆ：燃料圧力，Ｑｃ：燃料流路容積，σｐｚ：超音波振動子の変位量，Ｄｐｚ：超音波振動子の内径，Ｌｐｚ：超音波振動子の高さ寸法，Ｔｐｚ：超音波振動子の厚み，Ｋｐｚ：超音波振動子の変位率，Ｎｅｇ：逆極性変位割合）
　上記（３）～（５）式より、高圧燃料中にキャビテーションによる微細気泡を適切に発生させるための超音波振動子２１８の適切な厚み寸法を決定することができる。

　ニードル２１４には、ニードル２１４の軸と直交する偏心抑制部２１５が設けられている。偏心抑制部２１５は、ニードル２１４と一体に設けられている。この偏心抑制部２１５は、ノズルボディ２１１の内周面に摺接し、ニードル２１４のガイドとなってニードル２１４の偏芯を抑制する。偏心抑制部２１５の外周面には、斜流溝２１５ａが設けられている。偏心抑制部２１５は、超音波振動子２１８よりも上流側に位置しており、超音波振動子２１８が配置された領域に流れ込む燃料流れに旋回流を付与する。ここで、超音波振動子２１８が配置された領域は、環状容積Ｖである。斜流溝２１５ａは、超音波振動子２１８が配置された領域に流れ込む燃料流れに旋回流を付与することにより燃料噴射弁内での微細気泡の圧壊を抑制することができる。

　偏心抑制部２１５および斜流溝２１５ａは、１つに限られず複数設けてもよい。また、斜流溝２１５ａに代えて、また、斜流溝２１５ａとともに、図５（Ａ）に示すようなニードル２１４の外周壁に設けられた斜流溝２１４ｂや、図５（Ｂ）に示すようなノズルボディ２１１の内周壁に設けられた斜流溝２１１ａを採用することもできる。このように斜流溝２１４ｂや斜流溝２１１ａを設ける場合、又は、斜流溝自体を設けない場合は、図６に示すような偏心抑制部２１６を採用することもできる。偏心抑制部２１６は、数か所にノズルボディ２１１の内周面に摺接する摺接部２１６ａを備える。そして、摺接部２１６ａ間に燃料を流通させることができる。

　斜流溝２１５ａは、ニードル２１４軸に対して所定の角度θで傾斜している。これにより、燃料流路２１３内をニードル２１４が動くときに、燃料が斜流溝２１５ａを流通することで、燃料流路２１３内の燃料に微細気泡が圧壊しない程度の適切な旋回流を生じさせることができる。よって、超音波振動の付与により発生した微細気泡を、適切な旋回流によって燃料中に均質化させて安定化することができる。

　斜流溝２１５ａの傾斜角度θについて説明する。斜流溝２１５ａの傾斜角度θと燃料の旋回周波数との関係は以下の式で表すことができる。
［燃料の旋回周波数］
旋回周波数＝（噴射率×斜流溝面積比／斜流溝面積×ＣＯＳ（θ／１８０π））／Ｄｐｚ／２π　・・・（６）
　（θ：斜流溝の角度，Ｄｐｚ：超音波振動子の内径）
　燃料中の微細気泡が圧壊しない程度の適切な旋回流としては、微細気泡の粒径にもよるが、燃料の旋回周波数を例えば１００Ｈｚ以下とすることが好ましい。この場合、上記（６）式より、燃料の旋回周波数を１００Ｈｚ以下とするための適切な斜流溝２１５ａの傾斜角度θを決定することができる。

　つぎに、超音波振動子２１８の内側表面とニードル２１４の外周面との距離について説明する。超音波振動子２１８が付与する超音波振動は、燃料流路２１３内の燃料を伝達してニードル２１４に到達し、その一部は反射波となり超音波振動子２１８の方向へ進む。この場合、超音波振動子２１８とニードル２１４とを同軸とすると、それらの距離を超音波波長λに対し（ｎ±１／４）λ（ｎは自然数）とすることで、超音波振動子２１８が付与する振動波とニードル２１４で反射した反射波との疎密ピークが重なり合う。そのため、燃料に付与された超音波振動が増幅されることから、キャビテーションによる燃料中への微細気泡の発生をより効果的に実行することができる。この場合、以下の（７）式より、超音波振動が増幅されるための適切な超音波振動子の内径とニードル外径との関係を求めることができる。
［超音波振動子の内径とニードル外径との関係］
Ｄｎ＝Ｄｐｚ－（ｕ／Ｆｐ）×Ｎ×２　・・・（７）
　（Ｄｎ：ニードル外径，Ｄｐｚ：超音波振動子の内径，ｕ：燃料の音速，Ｆｐ：超音波振動の周波数，Ｎ：距離係数）

　つぎに、以上のような燃料噴射装置における超音波振動子２１８の作用について説明する。超音波振動子２１８は、燃料噴射孔２１２近傍の燃料流路２１３壁面に、円筒状に設けられている。超音波振動子２１８は、超音波駆動装置２２からの通電による電圧の印加によって、その体積が膨張または収縮する圧電素子である。超音波振動子２１８は、正電圧を印加された際に体積が膨張し、燃料流路２１３の容量（環状容積Ｖ）を減少させて、正電圧の印加が終了するとその体積が元に戻り、環状容積Ｖを元に戻す。また、超音波振動子２１８は、負電圧を印加された際に体積が収縮し、燃料流路２１３の容量（環状容積Ｖ）を増大させて、負電圧の印加が終了するとその体積が元に戻り、燃料流路２１３の容量を元に戻す。このように、超音波振動子２１８は、電圧を連続で印加されることで体積の膨張、収縮を繰り返し、交流電圧の周波数に同期して燃料流路２１３の容積を増大、減少させる。そして、環状容積Ｖが収縮すると、環状容積Ｖ内の燃料の圧力が低下してキャビテーションによる微細気泡が発生する。なお、超音波振動子２１８は、負電圧を印加された際に体積が膨張し、正電圧を印加された際に体積が収縮するようにしてもよい。このような超音波振動子２１８は、本発明の超音波振動付与手段の一構成例である。

　図１に戻り、超音波駆動装置２２は、燃料噴射弁２１内部の超音波振動子２１８を通電する駆動ユニットである。超音波駆動装置２２は、エンジンＥＣＵ１０からの指示に基づき交流電圧を超音波振動子２１８に印加することで、超音波振動子２１８の体積を膨張、収縮させる。

　超音波振動子２１８の駆動は、燃料噴射が開始されたときに行う。換言すれば、閉弁時に超音波振動子２１８の駆動は行わない。閉弁時に燃料噴射弁２１内で微細気泡が発生し、その微細気泡が燃料噴射弁２１内部で圧壊すると、エロージョンによる燃料噴射弁２１内の破損のおそれがある。これを回避するために超音波振動子２１８は、燃料噴射弁２１が開弁状態にあるときに行われる。

　このため、本実施例では、燃料噴射が開始されたときに超音波振動子２１８の駆動が開始される。このとき、本実施例では、超音波振動子２１８の駆動開始時に燃料流路２１３の流路面積を拡大する方向に超音波振動子２１８を駆動する。すなわち、まずは燃料流路２１３の流路面積を拡大し、超音波振動子２１８で囲まれた領域の環状容積Ｖを拡大する。これによりその領域の圧力が低下し、キャビテーションによる微細気泡が発生する。駆動開始時に即座に流路面積を拡大することによって、迅速に微細気泡を発生させ、燃料噴射に備えることができる。本実施例における「駆動開始時」とは、燃料噴射弁２１による燃料噴射の開始と同時刻のみならず、その前後の微小時間も含むものである。よって、エンジンＥＣＵ１０は、燃料噴射弁２１による燃料噴射の開始と同時に限られずに、その前後の微小時間内に第１の超音波振動の付与を開始させてもよい。

　また、エンジンＥＣＵ１０は、超音波振動子２１８が燃料流路２１３の流路面積Ｓを拡大する方向に振動するように半波整流した電圧を超音波振動子２１８に印加する。微細気泡は、超音波振動子が周囲に配置された領域の容積（環状容積Ｖ）が拡大するとその領域の圧力が低下することによって発生する。このため、半波整流した電圧によって超音波振動子を駆動することによって連続的に微細気泡を発生させることができる。

　ここで、超音波振動の付与による燃料中への微細気泡の成長メカニズムについて詳説する。液体に超音波を付与すると液中に存在する気泡が超音波のエネルギーを吸収して運動するが、特に、気泡径が超音波の波長の共振する大きさの場合に、超音波から気泡へのエネルギーの移動が最も効率よく行われる。そして、ＭＨｚ帯の超音波に共振する気泡の直径は数μｍである。しかしながら、一般的に、液体中にはこのような数μｍの気泡は存在しないが、液体中にはより微細な気泡片が安定的に存在し、この気泡片がキャビテーションの気泡を生じるための核として働く。ここで、この気泡片の大きさは超音波の共振径と大きく異なるので、気泡片には僅かな膨張、収縮しか生じない。しかし、次の２つの効果によるＲｅｃｔｉｆｉｅｄ　Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎによって、超音波を連続的に付与することで気泡片は徐々に成長する。

［面積効果］
　気泡が液中に圧平衡状態で存在している場合、圧力が加わり気泡が収縮すると、気泡内のガス濃度が上昇するために、ガスは気泡周囲の液体中に拡散する。そして、圧力が低下すると気泡が膨張してガス濃度が低下するために、液中に拡散していたガスが気泡内に侵入する。このとき、拡散により移動するガス量は気泡の表面積に比例することから、気泡の膨張時に気泡内に侵入するガス量は拡散したガス量よりも多くなる。よって、ガスの拡散および侵入が繰り返されることで、気泡径が徐々に大きくなる。

［シェル効果］
　気泡周囲に体積一定の液体シェルを考えると、気泡が収縮するとシェルは厚くなるために液体中の気体の濃度勾配は小さくなり、気泡が膨張するとシェルが薄くなるために気体の濃度勾配は大きくなる。液体中の気体の拡散速度は、気体の濃度勾配に比例するので、気泡の膨張時に侵入するガス量が気泡の収縮時に拡散するガス量を上回る。よって、気泡の膨張，収縮が繰り返されることで、気泡径が徐々に大きくなる。

　このように、上記２つの効果のＲｅｃｔｉｆｉｅｄ　Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎにより液中の微細な気泡片が徐々に成長するが、その成長は超音波の１周期で極僅かである。そのため、超音波の付与をある程度持続することで、キャビテーションによる気泡を超音波の共振径まで成長させることができる。

　また、液体中への微細気泡の発生は、液体圧力が液体の蒸気圧以下となることで促進される。そのため、エンジンＥＣＵ１０は、第１の超音波振動の付与の際に、超音波振動子２１８を燃料流路２１３の容積が増大する方向に振動させることで、燃料流路２１３内の燃料圧力を燃料の蒸気圧以下にして効率よく微細気泡を発生させることができる。
　この場合、エンジンＥＣＵ１０は、第１の超音波振動の付与の際に、超音波振動子２１８に交流電圧を印加させて、燃料流路２１３の容積が増大および減少する方向に振動させることもできる。また、エンジンＥＣＵ１０は、第１の超音波振動の付与の際に、超音波振動子２１８に正電圧に半波整流された電圧を印加させて、燃料流路２１３の容積が減少する方向に振動させることもできる。しかしながら、いずれの制御も燃料流路２１３内の燃料圧力が上昇するために、上記の制御ほどの高い微細気泡の発生効率を得ることは望めない。

　次に、図７～９により、超音波振動の付与条件について説明する。液体への超音波振動の付与によって発生する気泡径は、その周波数が高いほど微細になり（図７参照）、微細な気泡ほど相対強度が低下するために（図８参照）より短時間で圧壊する（図９参照）。そのため、燃料中の微細気泡の圧壊によって噴霧粒径の微細化を促進するためには、微細気泡の発生から圧壊までの時間を考慮することが求められる。

　この場合、燃料流路２１３内の燃料が噴射されるまでの時間を考慮すると、微細気泡はその発生後にｍｓオーダーで圧壊することが求められる。そのため、液中の気泡径を１０μｍ以下、より好ましくは７μｍ以下とすることが望まれる（図６，８参照）。よって、第１の超音波振動の付与は、その周波数を５０ｋＨｚ以上とすることが好ましく、例えば、周波数を１ＭＨｚとすることができる。

　また、超音波振動の付与を長時間継続すると、超音波振動が微細気泡の共振径に達することで発生した微細気泡が圧壊してしまうおそれがある。よって、超音波振動を付与する所定の期間は、超音波振動が微細気泡の共振径に達しないような適切な期間に設定することが好ましく、例えば、燃料噴射の開始から数周期（４～１０周期）のパルス波とすることができる。

　つぎに、燃料中の微細気泡の圧壊エネルギーによる噴霧粒径の微細化メカニズムについて説明する。図１０は、水溶液の気泡の破裂観察を示している。水溶液の気泡は、時間と共に表面張力による自己加圧効果で気泡内圧および気液界面における電荷量の上昇と気泡径の収縮が進み、やがて圧壊して消滅する。この時、気泡内圧および気液界面における電荷量が一気に解き放たれるエネルギーによって気泡の液膜が粉砕され、液滴が超微細化される（図１０下段参照）。この場合、外部からの刺激（トリガ）によって強制的に気泡を圧壊させたときも、同様のメカニズムにより液滴が超微細化される。

　このように、液中の微細気泡の圧壊エネルギーによって液滴が超微細化される。よって、燃料中の微細気泡の圧壊エネルギーを活用することで、内燃機関の噴射燃料の微粒化を促進することができる。

　このような制御を実行することにより、噴射前の燃料中に多量の微細気泡を発生させ、燃料噴射後にそれら多量の微細気泡を速やかに圧壊させることができる。よって、燃料中の微細気泡の圧壊エネルギーを活用して、内燃機関の噴射燃料の微粒化を促進することができる。微細気泡の圧壊は噴射後に行われるので、エロージョンを回避することができる。また、燃料噴霧の微粒化によって、着火遅れ期間の短縮、燃焼速度の増加、燃料によるオイル希釈の抑制、デポジット堆積の抑制、ノッキング発生の抑制を高い次元でバランスよく実現することができる。

　上記実施例は本発明を実施するための一例にすぎない。よって本発明はこれらに限定されるものではなく、請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。

　１　エンジンシステム
　１０　エンジンＥＣＵ（制御部）
　１１　燃焼室
　１２　ピストン
　２１　燃料噴射弁
　２２　超音波駆動装置
　１００　エンジン
　２１１　ノズルボディ
　２１２　燃料噴射孔
　２１３　燃料流路
　２１４　ニードル
　２１４ａ　笠状部
　２１５　偏心抑制部
　２１５ａ　斜流溝
　２１８　超音波振動子

Claims

　シート部を備えたノズルボディと、
　前記ノズルボディ内に摺動自在に配置され、前記シート部に着座することによって、燃料の噴射を停止するニードルと、
　前記シート部の上流側において、前記ノズルボディと前記ニードルとの間に筒状に配置されて前記ニードルの外周壁との間に燃料流路の一部を形成するとともに、前記燃料流路の流路面積を変化させるように伸縮する超音波振動子と、を備えたことを特徴する燃料噴射弁。
　前記超音波振動子は、前記流路面積を拡大及び／又は縮小するように伸縮することを特徴とする請求項１記載の燃料噴射弁。
　前記超音波振動子への駆動信号が入力されておらず、前記超音波振動子が静止した状態において、前記超音波振動子のニードル軸線に対する長さと、流路面積とで規定される前記燃料流路の環状容積は、前記ニードルが前記シート部から離座し、その後、再びシート部に着座するまでの一回の噴射によって噴射される燃料量の最大量以上に設定されていることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料噴射弁。
　前記超音波振動子よりも上流側に、前記超音波振動子が配置された領域に流れ込む燃料流れに旋回流を付与する旋回流付与手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項記載の燃料噴射弁。
　前記旋回流付与手段は、前記ニードルの外周壁及び／又は前記ノズルボディの内周壁に設けられた斜流溝であることを特徴する請求項４記載の燃料噴射弁。
　前記旋回流付与手段は、前記ニードルに一体に設けられ、前記ノズルボディの内周面に摺接する偏心抑制部の外周面に設けられた斜流溝であることを特徴とした請求項４記載の燃料噴射弁。
　ｎを自然数とし、λを前記超音波振動子が発する超音波の波長としたときに、前記超音波振動子の内側表面と前記ニードルの外周面との距離が（ｎ±１／４）×λに設定されたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項記載の燃料噴射弁。
　シート部を備えたノズルボディと、
　前記ノズルボディ内に摺動自在に配置され、前記シート部に着座することによって、燃料の噴射を停止するニードルと、
　前記シート部の上流側において、前記ノズルボディと前記ニードルとの間に筒状に配置されて前記ニードルの外周壁との間に燃料流路を形成するとともに、前記燃料流路の流路面積を変化させるように伸縮する超音波振動子と、
　前記ニードルの開弁とともに前記超音波振動子を駆動する制御部と、
を備えたことを特徴する燃料噴射装置。
　前記制御部は、前記超音波振動子の駆動開始時に前記燃料流路の流路面積を拡大する方向に前記超音波振動子を駆動することを特徴とした請求項８記載の燃料噴射装置。
　前記制御部は、前記超音波振動子が前記燃料流路の流路面積を拡大する方向に振動するように半波整流した交流電圧を前記超音波振動子に印加することを特徴とした請求項８又は９記載の燃料噴射装置。