JP2014114777A - 流体噴射弁及び噴霧生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流体噴霧の微粒化と、噴霧形状、貫徹力、噴射量分布、噴霧方向の設計自由度向上とを両立させた燃料噴射弁を得る。
【解決手段】この発明の燃料噴射弁１は、少なくとも一つの噴孔は、噴射された噴霧が、長円状のスイッチング噴霧３２Ａであって、下流において長軸及び短軸の方向がアクシス-スイッチング現象により変化して変形するスイッチング噴孔１２Ｂであり、このスイッチング噴孔１２Ｂを除く他の複数の噴孔は、単噴霧３０Ａ，３１Ａ間で作用するコアンダ効果で集合した集合噴霧４０を形成する集合噴孔１２Ａであり、集合した各単噴霧３０Ａ，３１Ａの噴射量分布の中心あるいは重心が集合噴霧４０の中心あるいは重心に達する収束する前の集合噴霧４０と、スイッチング噴霧３２Ａとがコアンダ効果により集合して全体噴霧５０が形成されるようになっている。
【選択図】図７

Description

この発明は、複数の各噴孔から各噴流が噴射されて、下流において各噴霧となって、最終的に集合し、中実の全体噴霧が形成される流体噴射弁、及びその流体噴射弁が用いられた噴霧生成装置に関するものである。

近年、自動車などの車両用エンジンにおいては、燃料噴霧の微粒化などによるエンジン冷機時の排出ガス低減や、燃焼性改善などによる燃費向上の研究開発が積極的に進められている。

例えば、衝突により得られる微粒化噴霧と、貫徹力の強いリード噴霧とを形成し、後者が前者を牽引して噴霧の飛散を抑制し、吸気弁中心位置よりも内側方向に燃料噴霧濃度を濃くした燃料噴射弁が知られている（特許文献１参照）。

また、各噴霧の干渉を回避して微粒化を図りつつ、かつ、各噴霧のコアンダ効果により互いに引き合いながら進むので噴霧の進行方向のバラツキを防止できるとした燃料噴射弁が知られている（特許文献２参照）。

特開２００５−２０７２３６号公報 特開２０００−１０４６４７号公報

しかしながら、上記特許文献１のものでは、噴流を衝突させて微粒化させるには、衝突位置は噴流のブレーク長さよりも短い位置にする必要があり、この場合、微粒化するがために噴流（噴霧）は飛散することになり、また、この衝突によって噴流が有していたエネルギーの内の相当量は飛散した噴霧粒子の表面張力に転換されるので、貫徹力が低下することになる。
従って、この衝突によって飛散し、貫徹力が低下した噴霧を同時に噴射された貫徹力の強いリード噴霧が牽引するとしても、これらの噴霧先端部の挙動は時刻的にタイミングが合わず、噴射期間が短い小噴射量の場合は衝突により飛散した噴霧が取り残されてリード噴霧が先に進んでしまうことになる。
また、リード噴霧によって生じる誘引渦は、上記特許文献１の図４に示された以外に、同時にリード噴霧外周と雰囲気とのせん断力のバランスによって決まるある噴射方向下流位置でリード噴霧外周に円環渦を形成するので、飛散した噴霧はこの円環渦に取り込まれてそれより噴射方向下流に進むことができなくなる。
このように、リード噴霧が飛散した微粒化噴霧を牽引して進むには種々の制約条件を必要とするので、過渡運転時の非定常状態の多いガソリンエンジン用の噴射系システムとしては不向きであり、より簡便に噴霧パターンや全体噴霧の形状の設計自由度を向上させる手法が望まれる。

また、上記特許文献２のものでは、各噴霧が広がり過ぎないようにコアンダ効果を作用させ、かつ一方では各噴霧が集まらないようにコアンダ効果を抑制するというような噴霧方向のバランス維持は、静的な雰囲気条件下でも難しく、ましてや吸気ポート内では周囲空気圧力・温度、吸気流動、噴霧体積（重量）流量、噴霧速度などの影響も受けるため、過渡運転時の非定常状態の多いガソリンエンジン用の噴射系システムで実現するのは非常に難しい。
つまり、ここでのコアンダ効果の役割には、コンパクトな集合噴霧を形成するという積極的な意図はなく、全体噴霧の噴霧形状や噴霧パターン、噴射量分布は成り行きとなっていた。

以上、上記引用文献１，２のものでは、噴霧の微粒化向上と、噴霧形状、噴霧パターン、噴霧の貫徹力や噴射量分布の設計自由度向上を両立させる方策が示されておらず、従ってエンジン仕様毎に吸気ポート形状や吸気流動が異なるという実情の中で、より最適な噴霧仕様を決めるための指針とはなっていないという問題点があった。

この発明は、かかる問題点を解決することを課題とするものであって、流体噴霧の微粒化と、噴霧形状、貫徹力、噴射量分布、噴霧方向の設計自由度向上とを両立させた、流体噴射弁、及びその流体噴射弁が用いられた噴霧生成装置を提供することを目的としている。

この発明に係る流体噴射弁は、流体通路の途中に設けられた弁座と、この弁座との当接、離間により前記流体通路の開閉を制御する弁体と、前記弁座の下流に設けられ、複数の噴孔を有する噴孔体と、を備え、
複数の各前記噴孔から各噴流が噴射されて、下流において各噴霧となって、最終的に集合し、中実の全体噴霧が形成される、流体噴射弁であって、
少なくとも一つの前記噴孔は、前記噴流が噴射された後の前記噴霧が、流れ方向に直角な面内の断面形状が長軸と短軸の長さが異なる長円状のスイッチング噴霧であって、下流において前記長軸及び前記短軸の方向がアクシス-スイッチング現象により変化して変形するスイッチング噴孔であり、
このスイッチング噴孔を除く他の複数の前記噴孔は、各噴流が破断、分裂を経て単噴霧にブレークされたブレーク部位よりも下流側の各単噴霧が単噴霧間で作用するコアンダ効果で集合した集合噴霧を形成する集合噴孔であり、
集合した各前記単噴霧の噴射量分布の中心あるいは重心が前記集合噴霧の中心あるいは重心に収束する前の集合噴霧と、前記スイッチング噴霧とがコアンダ効果により集合して前記全体噴霧が形成されるようになっている。

この発明に係る流体噴射弁によれば、集合した各単噴霧の噴射量分布の中心あるいは重心が集合噴霧の中心あるいは重心に収束する前の集合噴霧と、スイッチング噴霧とがコアンダ効果により集合して全体噴霧が形成されるようになっており、流体噴霧の微粒化と、噴霧形状、貫徹力、噴射量分布、噴霧方向の設計自由度向上とを両立させることができる。

この発明の実施の形態１の燃料噴射弁を示す断面図である。 図１の燃料噴射弁の先端部を示す拡大図である。 図２の噴孔プレートを示す平面図である。 図１の燃料噴射弁の先端部を示す拡大図である。 図２の要部を示す拡大図である。 単噴霧の挙動を示す説明図である。 この発明の実施の形態１の燃料噴射弁の単噴霧及びスイッチング噴霧の挙動を示す説明図である。 この発明の実施の形態２の燃料噴射弁の単噴霧及びスイッチング噴霧の挙動を示す説明図である。 この発明の実施の形態３の燃料噴射弁の単噴霧及びスイッチング噴霧の挙動を示す説明図である。 この発明の実施の形態４の燃料噴射弁の使用態様の一例を示す構成図である。 この発明の実施の形態４の燃料噴射弁の使用態様の他の例を示す構成図である。 図１１の平面図である。 この発明の実施の形態４の燃料噴射弁の使用態様のさらに他の例を示す構成図である。 図１３の平面図である。

以下、この発明の各実施の形態について図に基づいて説明するが、各図において同一、または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。
実施の形態１．
図１は燃料噴射弁１を示す断面図、図２は図１の燃料噴射弁１の先端部を示す拡大図である。
この燃料噴射弁１は、内燃機関の吸気管に取り付けられ、先端部が内燃機関の吸気ポート内に臨んでおり、下方に向けて燃料を噴射するようになっている。
燃料噴射弁１は、電磁力を発生するソレノイド装置２と、このソレノイド装置２への通電により作動する弁装置７とを備えている。

ソレノイド装置２は、磁気回路のヨーク部分をなすハウジング３と、このハウジング３の内側に設けられた固定鉄心であるコア４と、このコア４を囲ったコイル５と、このコイル５の内側に設けられ往復移動する可動鉄心であるアマチュア６とを備えている。
弁装置７は、円筒形状であってコア４の先端部の外径部に圧入、溶接された弁本体９と、この弁本体９の内部に設けられた弁座１０と、弁座１０の下流側に設けられた噴孔プレート１１と、弁座１０の内部で噴孔プレート１１の上流に設けられたカバープレート１８と、弁本体９の内側に設けられた弁体８と、弁体８の上流に設けられた圧縮バネ１４とを備えている。

弁体８は、アマチュア６の内面に圧入、溶接された中空のロッド８ａと、このロッド８ａの先端部に溶接で固定されたボール１３とを有している。
ボール１３は、燃料噴射弁１のＺ軸に平行な面取り部１３ａと、カバープレート１８と対向した平面形状の平面部１３ｂと、弁座１０と線接触する曲面部１３ｃとを有している。
噴孔プレート１１は、周縁部が下側に折曲されており、弁座１０の先端面及び弁本体９の内周側面に溶接されている。噴孔プレート１１には板厚方向に貫通する複数の集合噴孔１２Ａ、スイッチング噴孔１２Ｂが形成されている。

図３は図２のＪ矢視による噴孔プレート１１の平面図である。
噴孔プレート１１には、燃料噴射弁１の中心軸であるＺ軸に沿って下流に向けて外側に向かう集合噴孔１２Ａ、スイッチング噴孔１２Ｂが周方向に等間隔をおいて配置されている。
集合噴孔１２Ａ、スイッチング噴孔１２Ｂは、この中心軸線、即ち噴流方向がエンジンの吸気弁を指向し、かつ図３の左右で互いに交差する２方向に向かう噴孔群に分かれている。
断面が長円形状のスイッチング噴孔１２Ｂは、対向しており、このスイッチング噴孔１２Ｂの両側に、それぞれ断面が円形状の複数の集合噴孔１２Ａが配置されている。

次に、上記燃料噴射弁１の動作について説明する。
内燃機関の制御装置（図示せず）より燃料噴射弁１の駆動回路に動作信号が送られると、燃料噴射弁１のコイル５に電流が通電され、アマチュア６は、コア４側へ吸引される。
この結果、アマチュア６と一体構造であるロッド８ａ及びボール１３は、圧縮バネ１４の弾性力に逆らって上方向に移動し、ボール１３の曲面部１３ｃが弁座面１０ａから離間し両者に間隙が形成されて燃料流路が形成され、吸気ポートに指向した燃料噴射が開始する。

一方、内燃機関の制御装置より燃料噴射弁１の駆動回路に動作の停止信号が送られると、コイル５への通電が停止し、アマチュア６がコア４側に吸引される力は消失し、ロッド８ａは、圧縮バネ１４の弾性力によって弁座１０側に押され、曲面部１３ｃと弁座面１０ａとは閉じ状態となり、燃料噴射は、この時点で終了する。

ここで、例えば縮流によって集合噴孔１２Ａ、スイッチング噴孔１２Ｂ内の流れを液膜流とする噴孔プレート１１とカバープレート１８、及び弁座１０、ボール１３の詳細な位置、構造につき、図２、図４及び図５の各詳細断面図を用いて説明する。

燃料は、弁体８の開弁時においてボール１３の面取り部１３ａと弁座１０の内面との間のＺ軸に平行な通路から、曲面部１３ｃと弁座面１０ａとの間を下流へ向かい、シート部Ｒ１に至る。
シート部Ｒ１の上流では燃料がＺ軸に平行に流れるため、燃料は、シート部Ｒ１を通過した後においては慣性により弁座面１０ａに沿う流れが主流となり、弁座面１０ａの下流端の点Ｐ１に達する。点Ｐ１は弁座面１０ａの終端であり、弁座１０は、点Ｐ１から下流側は垂直方向に延びた面を有している。
従って、燃料の主流は、点Ｐ１から剥離する。弁座面１０ａの延長線は、カバープレート１８の周側面と点Ｐ２で交わっており、点Ｐ１から剥離した燃料は、点Ｐ２に向かい環状通路Ｃ（弁座１０の内周壁面とカバープレート１８の大径部の周側面との間）を通過して、径方向に大幅な進路変更を伴わずに径方向通路Ｂ（弁座１０の内周壁面とカバープレート１８の小径部の周側面との間）に流入する。

上記によりシート部Ｒ１を通過する燃料の主流は、環状通路Ｃに流入するため、隙間通路Ａ（ボール１３の底面とカバープレート１８の天面との間）への流入は抑制される。
シート部Ｒ１と噴孔１２の入口の点Ｒ２とを直線で結んだ線は、カバープレート１８の大径部である薄肉部１８ｂで交叉しており、薄肉部１８ｂは、シート部Ｒ１から噴孔１２の入口への燃料の直線的な流入を遮っている。

このため、集合噴孔１２Ａ、スイッチング噴孔１２Ｂに流入する燃料の少なくとも一部は、径方向通路Ｂに沿う流れとなる。カバープレート１８は、この終端面１８ｄが噴孔１２よりも内径側で噴孔１２に近接して配置されている。従って、径方向通路Ｂに沿って内径側に向かう燃料の正面流れイ（図５参照）は、燃料噴射弁１のＺ軸から噴孔１２に流入する戻り流れロ（図５参照）の流路を閉塞させ、戻り流れロの速度を低下させる。
戻り流れロが抑制されることで、シート部Ｒ１側から噴孔１２に流入する正面流れイの速度が相対的に強められる。
正面流れイの少なくとも一部が径方向通路Ｂに沿って進行した後に集合噴孔１２Ａ、スイッチング噴孔１２Ｂ内で大幅な方向変化を強制されること、及び正面流れイが高速であることにより、燃料は、噴孔１２の断面において、燃料噴射弁１のＺ軸側の集合噴孔１２Ａ、スイッチング噴孔１２Ｂの壁面に強く押し付けられる。
なお、図４において、Ｌは集合噴孔１２Ａ、スイッチング噴孔１２Ｂの長さ、Ｄは集合噴孔１２Ａ、スイッチング噴孔１２Ｂの径を示している。

この後、集合噴孔１２Ａ、スイッチング噴孔１２Ｂの入口では、低速な戻り流れロは、噴孔１２の壁面に沿って流れαを形成し、高速な正面流れイは、燃料を壁面に押し付ける燃料流βを形成する。
空気は、集合噴孔１２Ａ、スイッチング噴孔１２Ｂの出口から集合噴孔１２Ａ、スイッチング噴孔１２Ｂの入口付近に導入され、燃料流βに作用して、点Ｑ（噴孔１２の燃料入口の外側の縁部）を起点とした燃料流βの剥離を生じさせる。
燃料流βは、集合噴孔１２Ａ、スイッチング噴孔１２Ｂ内を進行するに伴い、壁面に押し付けられ、液膜の方向は、集合噴孔１２Ａ、スイッチング噴孔１２Ｂの壁面の円周方向に広がりつつ集合噴孔１２Ａ、スイッチング噴孔１２Ｂの壁面に沿う方向に変化していく。
隙間通路Ａの高さｈに対して集合噴孔１２Ａ、スイッチング噴孔１２Ｂの長さＬが適切であると、集合噴孔１２Ａ、スイッチング噴孔１２Ｂ内で薄い液膜流１ａの状態まで押し付けられる。
そして、噴射された燃料の液膜流１ａは、所定の距離を経て分裂を開始し、液糸の状態を経るなどして微粒化された液滴が生成される。

なお、微粒化のプロセスにおいて、液滴を小さくするためにはその分裂の前段階である液糸を細くするのが有効である。そのためには、液糸の分裂の前段階である液膜を薄くしたり液柱を細くしたりするのが有効であり、液膜のほうがより液柱よりも有利であることが従来の知見で分かっている。
そこで、この他に、噴孔に流入する前の燃料流に旋回流を与えて噴孔内に液膜流を形成するなどいろいろな液膜流形成手法が提案されている。

ところで、本願発明者は、これらの液膜流形成手法や微粒化プロセスと、それらをベースとして複数噴霧が集合した集合噴霧の噴霧形状、貫徹力、噴射量分布の出来映えの関係を調査検討した結果、単噴霧が集合した集合噴霧において、次の２点に分けられることを見出した。
即ち、各単噴霧が識別可能であり、かつ各単噴霧の特徴がほぼ識別不可能な集合噴霧(つまり、比較的均質に近い中実構造の集合噴霧)となるか、あるいは各単噴霧の識別さえも不可能となる集合噴霧(噴射量分布が中心ピークの円錐形状となるものを代表例とする集合噴霧)となるか、に分けられることを見出した。
後者は、複数の単噴霧が集合してほぼ元の形態とは異なる新しい一つの集合噴霧に置き換わっており、前者も各単噴霧を識別可能とは言うものの集合噴霧と共通的な特徴を示す噴霧となっている。
これらのどちらの形態になるかは、噴霧挙動がある閾値のどちらにあるかによるところが大きく、単噴霧の集合化が進んだ集合噴霧になるほど噴射量分布は軸対称に近づき、また鋭角な円錐形状となる。
従って、前者であっても、噴霧方向に直角な面内の噴霧形状、噴射量分布がおおよそ軸対称のようになり、その断面形状を所謂異形とすることは難しかった。
このため、ほとんどの通路断面が所謂異形形状である吸気ポートや吸気弁近辺への付着を抑制する噴霧ターゲティング(噴射位置、噴射方向、噴霧仕様)の設定は不十分なものであった。

前述したようないろいろな微粒化手法が燃料噴射弁に適用されつつあるが、もともと微粒化のために小噴孔径にして多噴孔化する技術の流れにあり、隣り合う噴孔からの噴流が干渉して微粒化状態が悪化しないような配慮がなされている。
つまり、噴孔中心軸線あるいは噴流方向が下流になるほど離れていくように、噴孔配置と噴孔諸元（径、傾き、長さ等）、あるいは噴流配置と噴流方向はなされており、微粒化とコンパクトな噴霧という要件を両立させることは難しかった。
また、吸気弁近辺への噴霧衝突軽減や、空気との混合促進などを目的として、噴霧の貫徹力を所定距離のところで急速に減衰させる案も考えられるが、噴霧形態を大きく変えずに実現する手段がなかった。

ポート噴射システムにおいては、吸気ポートへの燃料付着は、なんら良い影響、効果はなく、これを抑制することが最大の課題である。
従って、噴霧が吸気弁や吸気弁近傍の吸気ポートに付着する率を低減するために微粒化を向上させても、噴霧全体が広がった結果、噴霧側面が別の吸気ポート部分に付着するためにポート噴射システムとしてのメリットはなかなか見出せなかった。
つまり、各液膜流の方向を広角に設定して微粒化を促進させても、あるいは、微粒化噴霧外周に大きな巻き上がりを生じさせて噴霧形態を大きく変えて貫徹力を抑制しても、結果的には広角噴霧となって吸気弁や吸気ポートとの干渉を引き起こして燃料が付着することになる。

一方、噴霧全体の広がりを抑制しているものでは、噴孔中心軸線あるいは噴流方向が、噴孔直下で互いに交差するような噴孔配置と噴孔諸元、あるいは噴流配置と噴流方向にするものが知られているものの、液膜流れのブレーク長さ（噴孔出口から液膜流の破断や分裂を経て実質的に噴霧流と見なせるようになる状態の位置までの長さ）との関係など微粒化の要件を考慮したものは知られていない。

また、噴霧全体の広がりを抑制しようとした場合には、垂直線（図１ Ｚ軸）に対する噴孔中心軸線の角度は相対的に小さくなり、薄い液膜流形成には不利であり、従って微粒化プロセスが遅くなって噴流同士の干渉になり易くなり、微粒化レベルを期待値通りに実現できなかった。
更に、この場合、複数噴霧の集合が進んで、所謂「学術文献５」（日本機械学会論文集(第２部) ２５巻１５６号pp８２０-８２６「ディーゼル機関燃料噴霧の到達距離に関する研究」(和栗ら))に記載の噴霧形態に近い噴霧形態となることによって、単噴霧の場合の貫徹力よりも集合噴霧の貫徹力のほうが大きくなっていた。

ここで、本願発明者は、噴孔が一つの単噴霧の挙動と、複数噴孔からの複数の単噴霧が集まって集合噴霧になった場合の挙動の差に注目し、これらの噴霧挙動と、流体工学における知見であるアクシス-スイッチング（axis-switching）現象を巧妙に組み合わせることで全体噴霧の形状、貫徹力、噴射量分布、噴霧方向をコントロールする手法を見出した。

ここで、アクシス-スイッチング現象に関しては、下記の学術文献にその知見が示されている。
[学術文献１]日本機械学会論文集(B編)５５巻５１４号 pp１５４２-１５４５,「非円形噴流中の渦構造に関する研究」(豊田他)
[学術文献２]ILASS-Europe ２０１０,”An experimental investigation of discharge coefficient and cavitation length in the elliptical nozzles”(Sung Ryoul Kim )
[学術文献３]生産研究 ５０巻１号 pp６９-７２,”Numerical Simulation of Complex Turbulent Jets:Origin of Axis-Switching”(Ayodeji O.DEMUREN)
[学術文献４]噴流工学 森北出版 pp４１-４２

このアクシス-スイッチング現象は、噴流の研究分野においては、噴霧の断面形状が長円形状である、この実施の形態の例にとどまらず、少なくとも長円の短軸に対して長軸がほぼ線対称である形状のものであればよく、また液体に限らず気体でも成立する。
長短軸比が大きい断面が長円状の噴霧の場合、長軸方向が分断しない範囲で、長短軸方向が変化して変形するものを選択すればよい。
そのために、この実施の形態では、噴霧の長短軸方向を変化させる角度を略９０度となるようにした。

図１に示された燃料噴射弁１は、本願発明者が全体噴霧の形状、貫徹力、噴射量分布、噴霧方向をコントロールする手法を見出し、実現したものであり、図６は燃料噴射弁１の単噴霧３０Ａ，３１Ａの挙動を示す説明図、図７は燃料噴射弁１の単噴霧３０Ａ，３１Ａ及びスイッチング噴霧３２Ａの挙動を示す説明図である。
この燃料噴射弁１では、複数の集合噴孔１２Ａからの噴流３０，３１、単噴霧３０Ａ，３１Ａが下流で集合した集合噴霧４０と、スイッチング噴孔１２Ｂからの長円状の、噴流３２、下流において長軸と短軸の方向がアクシス-スイッチング現象により変化するスイッチング噴霧３２Ａとがコアンダ効果により全体噴霧５０が形成される。
この集合噴霧４０は、集合した各単噴霧３０Ａ，３１Ａの噴射量分布の中心あるいは重心が集合噴霧４０の中心あるいは重心に収束する。

図６（ａ）において、隣り合う集合噴孔１２Ａ,１２Ａからの噴流３０,３１にブレークが生じたときの噴流断面形状は、断面Ｅ-Ｅに示す形状である。
このときの集合噴孔１２Ａ,１２Ａと断面Ｅ-Ｅとの間の距離をブレーク長さａとする。
引き続き、噴流３０,３１は、ばらけて単噴霧３０Ａ,３１Ａとなり、集合噴孔１２Ａ,１２Ａから距離ｂの位置で二つの単噴霧３０Ａ，３１Ａは、その外形が接し始める（断面Ｆ-Ｆ）。ここで、集合噴孔１２Ａ,１２Ａからの距離ｂを干渉距離と呼ぶ。
単噴霧３０Ａ,３１Ａの集合噴孔１２Ａ,１２Ａの中心軸線に対して垂直な平面での燃料の噴射量分布は、噴流３０,３１の素性に起因する単噴霧３０Ａ,３１Ａの噴射量分布によって、略等分布か、あるいはカルデラ状か、あるいは中心がピークとなる円錐状など任意に設定できる。
同時に、断面Ｆ-Ｆから、圧力分布に起因して二つの単噴霧３０Ａ,３１Ａ間に働くコアンダ効果によって単噴霧３０Ａ,３１Ａは接近して断面Ｇ-Ｇのように集合化が進んでいき、単噴霧３０Ａ,３１Ａの周囲空気の巻き込みと、それによる単噴霧３０Ａ,３１Ａ内の所定部分の下流への流れ方向に沿った空気流の誘起を生じさせるようになる。

なお、周囲空気の巻き込みレベルは、単噴霧３０Ａ,３１Ａを集合した集合噴霧４０の全体の形状を大きく変化させるレベルではなく、「学術文献６」（日本機学会論文集(Ｂ編)６２巻５９９号pp２８６７-２８７３「ディーゼル噴霧構造に与える雰囲気粘性の影響」(段ら)）に記載のＦｉｇ．１２（ａ）レベルあるいは微小噴霧粒子のみが(ｂ)レベルである。
条件が整えば、図６(a)の断面Ｈ-Ｈの集合噴霧４０の状態から、さらに二つの単噴霧３０Ａ，３１Ａの集合化が進み、実質的にほぼ一つの中実の集合噴霧４０とみなせるようになる。

図６(ｂ)において、周囲空気の巻き込み状況を多くの渦状の矢印６０で、分かり易いように誇張して示してある。
従って、ここでは渦状の矢印６０の大きさや個数は、その実態を表すものではない。
また、噴霧内所定部分の下流への流れ方向に沿った空気流Ｖを誘起している。
その結果、Ｆ１-Ｆ１、Ｇ１ａ-Ｇ１ａ、Ｇ１ｂ-Ｇ１ｂ、Ｈ１-Ｈ１における噴射量分布は図６（ｂ）の右側の図のように次第に略中心ピークに近づいていくことになる。

一方、スイッチング噴孔１２Ｂの噴流３２にブレークが生じたときのスイッチング噴霧３２Ａの断面形状は、図７（ａ）の断面Ｅ-Ｅに示す形状である。
この噴流３２は、ばらけてスイッチング噴霧３２Ａとなり、図７（ｂ）から分かるように、この断面形状が長円状のスイッチング噴霧３２Ａは、その長軸に沿って配列された一対の単噴霧３０Ａ，３１Ａと対向して配置されている。
引き続き、このスイッチング噴霧３２Ａは、単噴霧３０Ａ，３１Ａが集合した集合噴霧４０と対向しつつ、その断面形状が若干拡大（長軸及び短軸の両方向）していきながらも、ほぼスイッチング噴孔１２Ｂの直下での流れ方向を維持してそのまま下流に流れる。
そして、単噴霧３０Ａ，３１Ａの集合化が進み、コアンダ効果が弱まったタイミングで、スイッチング噴霧３２Ａは、その長短軸方向が変化する変形が生じ始める(断面Ｊ-Ｊ)。
なお、単噴霧３０Ａ，３１Ａの集合化が進む前であって、単噴霧３０Ａ，３１Ａ間のコアンダ効果が強い時に、スイッチング噴霧３２Ａの長短軸方向が変化する変形が生じた場合には、スイッチング噴霧３２Ａと単噴霧３０Ａ，３１Ａとの距離が接近することで、スイッチング噴霧３２Ａと単噴霧３０Ａ，３１Ａとは急速に一体化してしまう。

断面Ｊ-Ｊから断面Ｋ-Ｋへと下流になるにつれて、スイッチング噴霧３２Ａの長短軸方向が変化する変形が進んで、スイッチング噴霧３２Ａと単噴霧３０Ａ，３１Ａで構成された集合噴霧４０が近接化してくる。
これは、スイッチング噴霧３２Ａの長短軸方向が切り替わることによってスイッチング噴霧３２Ａと集合噴霧４０の隙間が小さくなっていくこと、それに伴ってスイッチング噴霧３２Ａと集合噴霧４０との間でのコアンダ効果が生じることによる。
そして、断面Ｌ-Ｌではスイッチング噴霧３２Ａと集合噴霧４０との向かい合う端部が変形(移動)して干渉し始める。
その結果、断面Ｍ-Ｍのように、燃料噴射後の所定時期、集合噴孔１２Ａ、スイッチング噴孔１２Ｂからの所定距離の位置において、スイッチング噴霧３２Ａと集合噴霧４０との相互影響を全体噴霧５０の仕様に応じた所定レベルに設定することが可能となり、断面Ｍ-Ｍの位置での全体噴霧５０の形状や貫徹力、噴射量分布の設定の自由度が向上する。

また、スイッチング噴霧３２Ａは、その長短軸方向が変化して変形することによって周囲空気との運動量交換が大きく進み、貫徹力が小さくなるので、集合噴霧４０と干渉することで集合噴霧４０の貫徹力も抑制される。
従って、集合噴霧４０が単独の場合には、図７（ａ）の想像線ハに示すように、その先端は延びるのに対して、集合噴霧４０の先端は短縮される。また、集合噴霧４０の貫徹力が抑制されることで、集合噴霧４０内のコアンダ効果はほぼ減衰して作用しなくなる。

さらに、スイッチング噴霧３２Ａは、貫徹力が小さくなって周囲空気との混合が大幅に進むことによって微粒化も向上し、集合噴霧４０の微粒化レベルとの差が小さくなる。
つまり、集合噴孔１２Ａ、スイッチング噴孔１２Ｂからある程度下流の所定位置において、比較的均質に近い構造の非対称形状の全体噴霧５０を形成することができる。

ここで、スイッチング噴霧３２Ａは、その長短軸方向が変化して変形する前に、集合噴霧４０との間でのコアンダ効果が作用することを次の方法を採用することで確実に抑制することができる。
即ち、集合噴孔１２Ａ、スイッチング噴孔１２Ｂから主たる流れ方向に同じ距離の位置において、スイッチング噴霧３２Ａの平均粒径を集合噴霧４０の平均粒径よりも大きくする方法、あるいはスイッチング噴霧３２Ａのブレーク長さを集合噴霧４０を構成する単噴霧３０Ａ，３１Ａのブレーク長さよりも長くする方法、さらにはスイッチング噴霧３２Ａの貫徹力を集合噴霧４０の貫徹力よりも大きく設定する方法で採用すればよい。
これらの方法を実現するにあたって、例えば集合噴孔１２Ａとスイッチング噴孔１２Ｂとの噴孔形状の違いによって、縮流のレベルを異ならせること等を利用すればよい。

さらに、スイッチング噴霧３２Ａ及び集合噴霧４０のそれぞれの噴射量、断面積、噴射方向及び微粒化レベルの各々をそれぞれ調整することで、スイッチング噴霧３２Ａと集合噴霧４０とがコアンダ効果により集合して形成された全体噴霧５０となった時点から下流の噴霧方向をそれまでの方向に対して変化させることが可能となる。
また、全体噴霧５０として一体化して噴霧の運動量が大幅に低下してから以降も、全体噴霧５０に曲率を持たせて変化させることも可能である。
要は、これらの全体噴霧５０の流れ方向、形状変化は、全体噴霧５０における運動量の分布によって決定される。

この実施の形態では、図６のようなコンパクトな集合噴霧４０の特性を維持しつつ、その噴霧形状、貫徹力、噴射量分布、噴霧方向等の特性に自由度を与えるために、集合噴霧４０を構成する単噴霧３０Ａ，３１Ａとは、異なる特性を有した長円状断面形状のスイッチング噴霧３２Ａを利用している。
つまり、集合噴霧４０におけるコアンダ効果が弱くなった以降の下流において、集合噴霧４０から少し離れたところに位置した断面形状が長円状のスイッチング噴霧３２Ａを、アクシス-スイッチング現象によって長短軸方向が変化して変形することで、スイッチング噴霧３２Ａと集合噴霧４０とが影響し合い、所望の特性（噴霧形状、貫徹力、噴射量分布、噴霧方向等）を得る自由度が高い全体噴霧５０を得ることができる。
そして、所望の全体噴霧５０を得るには、スイッチング噴霧３２Ａと集合噴霧４０とが互いに影響し始めるタイミング、即ちスイッチング噴霧３２Ａの長短軸方向が変化するタイミングと、集合噴霧４０におけるコアンダ効果が弱くなるタイミング(図７において断面Ｊ-Ｊ)とを一致させるようにすればよい。
また、集合噴孔１２Ａ、スイッチング噴孔１２Ｂの形状、スイッチング噴霧３２Ａと集合噴霧４０との、距離、貫徹力差、拡がりの差等を調整すればよい。

なお、ポート噴射の場合、ブレーク長さａから下流の噴霧粒子の数密度は、ガソリン筒内噴射用噴霧やディーゼル用噴霧に比べると極めて低く（ガソリン筒内噴射用噴霧の約１/１０、ディーゼル用噴霧の約１/１００以下のレベル）、基本的には同様の方向に同様の速度で移動しているために、粒子同士の衝突合体はほとんどないと考えてよい。
また、ポート噴射の場合の燃圧０.３ＭＰａレベルでは、粒子単独からの分裂も生じていないと考えてよい。

以上のようにこの発明の実施の形態１の燃料噴射弁１によれば、集合した各単噴霧３０Ａ，３１Ａの噴射量分布が集合噴霧４０の中心に達する前の集合噴霧４０と、スイッチング噴孔１２Ｂからのスイッチング噴霧３２Ａとがコアンダ効果により集合して全体噴霧５０が形成されるようになっている。
従って、集合噴霧４０によるコンパクトな多噴孔微粒化噴霧を実現しつつ、通常の多噴孔噴霧の集合噴霧では得られない噴霧形状、貫徹力、噴射量分布、噴霧方向の少なくとも一部を実現することが可能となり、噴霧仕様の設計自由度を大幅に向上させることができる。
これにより、下流での全体噴霧５０の吸気弁や吸気ポート壁面への衝突を従来に比べて大幅に抑制することが可能となる。
なお、全体噴霧５０の形状だけでは吸気弁や吸気ポート壁面への衝突を回避できない場合は、全体噴霧５０における運動量の分布を利用して、全体噴霧５０の方向が途中で変化するようにすることもできる。

さらに、吸気弁が閉じた状態での吸気ポート内の空気流動にマッチさせて均質混合気形成を促進させるような全体噴霧５０の形状、貫徹力、噴射量分布、全体噴霧５０の方向を設定することもできる。
また、例えば吸気行程噴射では吸気弁から筒内へ流入する吸気流動に、更に追随し易くなり、全体噴霧５０が吸気弁やその近傍の吸気ポート壁面に干渉せずに筒内へ流入することが可能になって、筒内での吸気冷却効果による充填効率向上を実現できる。
なお、ここでも全体噴霧５０の形状等だけでは吸気弁やその近傍の吸気ポート壁面への干渉を回避できない場合は、全体噴霧５０の方向が途中で変化するように設定して、吸気流動に追随させることが可能となる。
従って、各単噴霧３０Ａ，３１Ａの広角化を伴わずに貫徹力をコントロールすることにより噴射系システム全体の自由度が高くなり、またエンジン性能が向上する。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２の燃料噴射弁１について説明する。
図８（ａ），（ｂ）は、実施の形態２の燃料噴射弁１における、集合噴霧４０とこの集合噴霧４０と影響し合うスイッチング噴霧３２Ａのそれぞれの挙動を示す図である。
この実施の形態では、集合噴孔１２Ａ、スイッチング噴孔１２Ｂの直下において、図８（ｂ）に示すように、長円形状のスイッチング噴霧３２Ａに対向した単噴霧３０Ａ，３１Ａは、スイッチング噴霧３２Ａの短軸に沿って対向して配列されている。
即ち、集合噴孔１２Ａ，スイッチング噴孔１２Ｂの直下において、単噴霧３０Ａ，３１Ａが長円形状のスイッチング噴霧３２Ａの長軸に沿って対向して配列された、実施の形態１の燃料噴射弁１とその点で異なる。
他の構成は、実施の形態１の燃料噴射弁１と同じであり、また作用、効果も実施の形態１の燃料噴射弁１と同じである。

実施の形態３．
図９は、集合噴霧４０を４個の単噴霧３０Ａ,３０’Ａ,３１Ａ,３１’Ａで構成したものである。
この場合も、基本的には実施の形態１，２と同様の噴霧挙動を実現することができる。 図９のように、単噴霧３０Ａ,３０’Ａ,３１Ａ,３１’Ａを配置すれば、実施の形態１のものと比較して、図９において全体噴霧５０の上下方向の長さを増大させることができる。

このように、集合噴霧４０を構成する各単噴霧３０Ａ,３０’Ａ,３１Ａ,３１’Ａの特性(断面形状、噴射量、粒径レベル、貫徹力等)や配置を種々組み合わせることによって、集合噴霧４０の特性(断面形状、噴射量、粒径レベル、貫徹力等)を種々設定することが可能となる。
そのためには、集合噴霧４０がその集中度を高めて中心にピークがある円錐状噴射量分布となるのを抑制して、集合噴霧４０を構成する各単噴霧３０Ａ,３０’Ａ,３１Ａ,３１’Ａを識別できるようにして、集合噴霧４０の各特性の作り込みをする必要がある。
スイッチング噴霧３２Ａも、アクシス-スイッチング現象によってその面の長短軸方向を所定の条件で変化して変形可能な範囲で断面形状の設定に自由度がある。
これらを組み合わせることで一つの集合噴霧４０となった時の全体噴霧５０の形状や配置など、つまり運動量の分布や方向を設定することが可能となる。

従って、断面Ｍ-Ｍ近辺から全体噴霧５０の噴霧方向を変化させることが可能である。 また、全体噴霧５０となった断面Ｍ-Ｍから下流においても運動量の分布や方向の変化が継続するようにすれば、噴霧方向に曲率を持たせるなど、連続的に噴霧方向を変化させることも可能である。

なお、集合噴霧４０を構成する各単噴霧３０Ａ,３０’Ａ,３１Ａ,３１’Ａの数に制限がないことは言うまでもない。また、長円状断面形状のスイッチング噴霧３２Ａの数や配置にも制限はない。

実施の形態４．
図１０は上記構成の燃料噴射弁１が吸気ポート２０のスロットルボディ２１に取り付けられた例を示す構成図である。
この例では、燃料噴射弁１がスロットル弁２２の下流に設けられている。燃料噴射弁１の先端部は、吸気流の上流に向かって燃料噴射するように指向している。
この燃料噴射弁１から燃料が噴射されて生じた、集合噴霧４０及びスイッチング噴霧３２Ａは、最後は全体噴霧５０となり、この全体噴霧５０の貫徹力はスロットル弁２２及びスロットルボディ２１の壁面の直前で急に抑制される。
従って、一旦上流に燃料を噴射して、燃料と空気とで混合気が生じる空間的余裕、即ち吸気弁２３と全体噴霧５０との間の空間的余裕を持たせることができる。
この結果、極端に吸気ポート２０が短い場合等で吸気流の下流方向に燃料を噴射すると気筒間の噴射量分配がアンバランスになったり、吸気ポート２０の内壁面への噴霧付着割合が増加することで、結果的に混合気形成状態が悪くなり、エンジンの性能が向上しないといった不都合を解消することができる。

図１１は上記燃料噴射弁１が吸気ポート２０の吸気管集合部２５に取り付けられた例を示す構成図、図１２は図１１の平面図である。
この例では、吸気管集合部２５に燃料噴射弁１が取り付けられている。吸気管集合部２５は、下流が分岐部２６と接続されている。各分岐部２６は、それぞれ気筒（図示せず）が接続されている。各分岐部２６にはそれぞれ吸気弁２３が取り付けられている。燃料噴射弁１の先端部は、各吸気弁２３に向かって燃料噴射するように指向している。

この燃料噴射弁１から燃料が噴射されて生じた、集合噴霧４０及びスイッチング噴霧３２Ａは、最後は全体噴霧５０となり、先に説明したように、全体噴霧５０の貫徹力を吸気弁２３及び分岐部２６の内壁面の直前で急に抑制される。
また、集合噴霧４０とスイッチング噴霧３２Ａとの間でのコアンダ効果により噴霧が集合するので、図１２の点線で示すように吸気ポート２０の内壁面に直接噴霧が付着するのを抑制することができる。
また、図１１及び図１２から分かるように、全体噴霧５０は、その形状が分岐部２６の内壁面及び吸気弁２３と直接干渉しないようになっている。

このように、この例では、吸気管集合部２５に燃料噴射弁１を一本だけ配置して、各気筒の吸気弁２３の付近までの吸気ポート２０への噴霧付着を抑制しつつ、吸気弁２３付近で全体噴霧５０の貫徹力を抑制しつつ、かつ広角な噴霧を行うことが可能である。
このような多気筒エンジンで燃料噴射弁１を１本だけ使用するようなシステム（所謂シングルポイントインジェクション）はエンジンのコストパーフォーマンスを向上することになり、非常に有用である。
即ち、汎用エンジン、小型エンジンにおいては、現在のキャブレタから燃料噴射システムへの転換が進んでいるが、大幅なコストアップは難しいため、図１１及び図１２に示した、シングルポイントインジェクションを用いることは非常に有用である。

図１３は上記燃料噴射弁１が吸気ポート２０の吸気管集合部２５に取り付けられた他の例を示す構成図、図１４は図１３の平面図である。
この例でも、燃料噴射弁１が吸気ポート２０に、先端部が吸気弁２３に指向して取り付けられている。

この燃料噴射弁１から燃料が噴射されて生じた、集合噴霧４０及びスイッチング噴霧３２Ａは、最後は全体噴霧５０となり、先に説明したように、この全体噴霧５０は、その指向方向が曲率を有しており、吸気ポート２０の壁面に直接的に衝突するのが回避されるようになっている。
また、集合噴霧４０とスイッチング噴霧３２Ａとの間でのコアンダ効果により噴霧が集合するので、図１４の点線で示すように吸気ポート２０の内壁面に噴霧が直接付着するのを抑制することができる。

このように、通常流体通路の断面が所謂三次元的に異形形状である、吸気弁２３近傍の吸気ポート２０において、燃料噴霧が吸気ポート２０に直接付着するのを抑制することできる。

なお、図１１〜図１４のものは、一気筒に対して一吸気弁２３であって、一つの燃料噴射弁１で二つの気筒を賄う例であるが、一気筒に対して二つの吸気弁２３であって、一つの燃料噴射弁１で一つの気筒を賄う例であっても、この発明は適応できる。

吸気弁２３が２つあるガソリンエンジンの場合、夫々の吸気弁２３に対応する二つの全体噴霧を構成すれば、２スプレーの各噴霧の設定自由度が大幅に向上することになる。
その上で、噴霧の吸気ポート２０の内壁面への付着抑制、噴霧と空気流動とのマッチングによる均質混合気形成、噴霧の吸気流動への追随による筒内直入など、目的に応じて全体噴霧５０の仕様を決めればよい。

なお、上記実施の形態では、噴霧パターンについては、図１０に示した１スプレーのパターン、図１１〜図１４に示した２スプレーのパターンについて説明したが、３スプレー等のマルチスプレー、異なる形状の全体噴霧５０の組み合わせ等、いろいろな仕様が実現可能である。

なお、各実施の形態の燃料噴射弁１は、電磁式の燃料噴射弁について説明したが、駆動源は他の方式でもよく、ピエゾ式、機械式等の他の方式でもよく、また間欠噴射弁ではなく連続噴射弁にも適用できることは明らかである。
また、燃料噴射弁１以外にも塗装・コーティング、農薬散布、洗浄、加湿、スプリンクラー、殺菌用スプレー、冷却などの一般産業用、農業用、設備用、家庭用、個人用としての各種スプレーなど用途・要求機能は多岐に亙る。
従って、駆動源やノズル形態、噴霧流体にかかわらず、これらの噴霧生成装置にもこの発明の流体噴射弁を組み入れて、今までになかった噴霧形態を実現することが可能である。

１ａ 液膜流、１ 燃料噴射弁（流体噴射弁）、２ ソレノイド装置、３ ハウジング、４ コア、５ コイル、６ アマチュア、７ 弁装置、８ａ ロッド、８ 弁体、９ 弁本体、１０ 弁座、１０ａ 弁座面、１１ 噴孔プレート（噴孔体）、１２Ａ 集合噴孔、１２Ｂ スイッチング噴孔、１３ ボール、１３ａ 面取部、１３ｂ 平面部、１３ｃ 曲面部、１４ 圧縮バネ、１８ カバープレート、１８ｄ 終端面、１８ｂ 薄肉部、２０ 吸気ポート、２１ スロットルボディ、２２ スロットル弁、２３ 吸気弁、２４ 吸気ポート、２５ 吸気管集合部、２６ 分岐部、３０，３１，３２ 噴流、３０Ａ，３０’Ａ，３１Ａ，３１’Ａ 単噴霧、３２Ａ スイッチング噴霧、４０ 集合噴霧、５０ 全体噴霧、Ｒ１ シート部、Ｖ 空気流、β 燃料流、Ａ 隙間通路、Ｂ 径方向通路、Ｃ 環状通路Ｃ、イ 正面流れ、ロ 戻り流れ。

この発明に係る流体噴射弁は、流体通路の途中に設けられた弁座と、この弁座との当接、離間により前記流体通路の開閉を制御する弁体と、前記弁座の下流に設けられ、複数の噴孔を有する噴孔体と、を備え、
複数の各前記噴孔から各噴流が噴射されて、下流において各噴霧となって、最終的に集合し、中実の全体噴霧が形成される、流体噴射弁であって、
少なくとも一つの前記噴孔は、前記噴流が噴射された後の前記噴霧が、流れ方向に直角な面内の断面形状が長軸と短軸の長さが異なるスイッチング噴霧であって、下流において前記長軸及び前記短軸の方向がアクシス-スイッチング現象により変化して変形するスイッチング噴孔であり、
このスイッチング噴孔を除く他の複数の前記噴孔は、各噴流が破断、分裂を経て単噴霧にブレークされたブレーク部位よりも下流側の各単噴霧が単噴霧間で作用するコアンダ効果で集合した集合噴霧を形成する集合噴孔であり、
集合した各前記単噴霧の噴射量分布の中心あるいは重心が前記集合噴霧の中心あるいは重心に収束する前の集合噴霧と、前記スイッチング噴霧とがコアンダ効果により集合して前記全体噴霧が形成されるようになっている。

Claims (10)

1. 流体が流れる流体通路の途中に設けられた弁座と、この弁座との当接、離間により前記流体通路の開閉を制御する弁体と、前記弁座の下流に設けられ、複数の噴孔を有する噴孔体と、を備え、
   複数の各前記噴孔から各噴流が噴射されて、下流において各噴霧となって、最終的に集合し、中実の全体噴霧が形成される、流体噴射弁であって、
   少なくとも一つの前記噴孔は、前記噴流が噴射された後の前記噴霧が、流れ方向に直角な面内の断面形状が長軸と短軸の長さが異なる長円状のスイッチング噴霧であって、下流において前記長軸及び前記短軸の方向がアクシス-スイッチング現象により変化して変形するスイッチング噴孔であり、
   このスイッチング噴孔を除く他の複数の前記噴孔は、各前記噴流が破断、分裂を経て単噴霧にブレークされたブレーク部位よりも下流側の各単噴霧が単噴霧間で作用するコアンダ効果で集合した集合噴霧を形成する集合噴孔であり、
   集合した各前記単噴霧の噴射量分布の中心あるいは重心が前記集合噴霧の中心あるいは重心に収束する前の集合噴霧と、前記スイッチング噴霧とがコアンダ効果により集合して前記全体噴霧が形成されるようになっている流体噴射弁。
2. 前記全体噴霧において、その形状、貫徹力、噴射量分布及び噴霧方向の各特性の内、少なくとも一つの特性は、前記スイッチング噴霧が前記長軸及び前記短軸の方向が前記アクシス-スイッチング現象により変化する前記下流において定められる請求項１に記載の流体噴射弁。
3. 前記スイッチング噴孔と前記集合噴孔とは、前記スイッチング噴霧と前記集合噴霧とが、前記アクシス-スイッチング現象が生じる前記下流においてコアンダ効果により集合して前記全体噴霧が形成されるように離れて配置されている請求項１または２に記載の流体噴射弁。
4. 前記スイッチング噴霧は、少なくとも前記短軸に対して前記長軸がほぼ線対称である請求項１から３の何れか１項に記載の流体噴射弁。
5. 前記スイッチング噴霧は、その貫徹力が前記集合噴孔からの前記単噴霧の貫徹力よりも大きい請求項１から４の何れか１項に記載の流体噴射弁。
6. 前記スイッチング噴霧は、その前記長軸が前記単噴霧と対向している請求項１から５の何れか１項に記載の流体噴射弁。
7. 吸気ポートに、スロットル弁の吸気流の下流側であって、かつ先端部がスロットル弁に指向して取り付けられるとともに、前記全体噴霧が前記スロットル弁の手前で前記貫徹力が抑制されるようになっている請求項２〜６の何れか１項に記載の流体噴射弁。
8. 吸気ポートに、先端部が吸気弁に指向して取り付けられるとともに、前記全体噴霧が前記吸気弁の手前で前記貫徹力が抑制されるようになっている請求項２〜６の何れか１項に記載の流体噴射弁。
9. 吸気ポートに、先端部が吸気弁に指向して取り付けられるとともに、前記全体噴霧がその指向方向を曲率を有して吸気ポートの壁面に直接的に衝突するのを回避するようになっている請求項２〜８の何れか１項に記載の流体噴射弁。
10. 請求項１から９の何れか１項に記載の流体噴射弁を含む噴霧生成装置。

Images