JP2016501333A - 衝突ジェットを有する液体噴射噴霧装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃エンジン内へ複数の液体を噴射するための液体噴射装置を提供する。【解決手段】噴射装置は、複数のジェットを有し、これらのジェットは、共通の衝突点に向けられており、そこで少なくとも２つのジェット流が衝突し、その液体流どうしの衝撃によって散逸される運動エネルギーにより微細に噴霧された液体を生成する。ジェットどうしの成す角度、印加圧力、ジェットどうしが衝突する距離は、前方運動量の損失が、５ミクロンより小さい粒子を生成するのに必要なエネルギーよりも大きくなるようにする。噴射される複数の液体は、ガソリン、ディーゼルタイプ燃料、または水を含むことができる。この噴射装置は、ポート噴射または直接噴射に使用することができる。【選択図】図１Ａ

Description

（関連出願の相互参照）
本発明は、２０１２年１１月２０日に出願された米国仮特許出願第６１／７２８,５２５号、２０１３年６月２４日に出願された米国仮特許出願第６１／８３８,６７５号、および２０１３年１０月１５日に出願された米国仮特許出願番号第６１／８９１,１１８号から優先権を主張する。上記米国仮特許出願は、参照により本明細書に組み込まれる。

本発明は、霧状の液体を生成するための装置および方法に関する。より詳しくは、本発明は、内燃エンジン用の噴霧液体噴射装置に関する。

往復または回転式内燃エンジン内へ噴射する液体を有効噴霧することは、火花点火、圧縮点火（ディーゼル）または連続燃焼エンジンの設計及び動作上重要である。従来技術の方法は、超高圧の使用、極小オリフィスの使用、および液体流を分裂させる衝突板または小円筒形障害物の使用を含む。

往復または回転式内燃エンジンの冷却用液体を有効噴霧すること、ノックを低減すること、ＮＯｘを減らすことは、設計及び動作上重要であり、燃費を増加させ、排ガスを減少させるという顕著な効果がある。

通常、液体燃料と水の両方をエンジン内へ噴射する。燃料として、ディーゼルタイプ燃料、ガソリン（石油）、アルコール類、およびそれらの混合物を挙げることができる。ディーゼルタイプ燃料は、ＪＰ-８、ジェット燃料、および灯油を含む。アルコール類は、一般に、ガソリンとブレンドされるエタノールおよびメタノールを含む。また、水は、内部冷却効果を有し、ノックを低減し、ＮＯｘを減らすため、そして燃焼時に液体の水が蒸気に変換することによって大きい膨張係数をもつため、しばしば、特に、外部冷却と排気によって失われる熱が減少する場合に、エンジンに噴射される。

現代のエンジンは、通常、エンジンに燃料を導入するために燃料噴射を使用する。このような燃料噴射は、ポート噴射または直接噴射によって行われ得る。ポート噴射では、燃料噴射装置は、気筒前の吸気トレインあるいは吸気マニホルド内のどこかに配置されている。直接噴射では、噴射装置は、各気筒内にある。

気筒内に噴射される燃料や他の液体を噴霧することは重要である。任意の噴射された液体は、噴射された液体流をエンジンの任意の内部表面に接触させる前に噴霧されることが最適である。液体が気筒表面に接触してしまうと、潤滑剤やプールが洗い流されてしまい、不完全燃焼を生じる。燃焼時、プール燃料は、炭素堆積物を発生し、排ガスを増加し、エンジン出力を低下させる。あるいは、水が噴射されるときは、非潤滑内面、例えば、気筒ヘッドやピストン面との衝突によるいくつかの効果がある。

従来の燃料噴射装置あるいは噴霧装置のスプレー構成は、通常、円錐形、しばしば渦巻き（スワール）を有する円錐形であるが、この構成は限られており、液体が直接噴射システム内のピストンと気筒壁へ衝撃を与え得る。特に、高圧縮エンジンでは、ヘッドスペースが非常に限られており、液体流がエンジン内部表面上に接触せずにこのようなエンジン内で噴霧することはより難しくなる。

有効な噴霧方法として、高圧液体噴射と小オリフィスを使用するものがあるが、高圧システムは高価であり不具合が発生しやすく、小オリフィスは目詰まりを起こしやすい。

また、別の有効な噴霧方法は、液体と空気せん断を使用するものである。噴霧するために、高圧高速で移動する空気を使用して液体流を剪断する。この方法は、液滴を分裂させるという点で独自の限界を有する。また、この方法の直接噴射構成における適用は、高圧力で空気又はガスを供給することで機構が複雑になるため、不可能ではないにしても、困難である。

また、衝突ジェット（ジェット）も、燃料と酸化剤を混合する手段として、液体燃料ロケットエンジンにおいてよく知られている。内燃エンジン用の噴射装置は、従来のロケットエンジンのノズルが「スタートホールドストップ」型計量装置ではないのに対し、内燃エンジン用の噴射装置は、指令で所定量の液体を供給するように作られている点で従来のロケットエンジンノズルとは異なる。このため、流量を、注意深く時間をかけて制御する必要がある。この流量制御は、従来ソレノイドを介して行われるが、油圧パイロット操作、油圧増幅、圧電スタック、空気圧手段、または他の方法を介して行うこともできる。また、ロケットエンジンにおける衝突ジェットは、純粋に流体を液滴または噴霧状スプレーに分裂させる機構としてではなく、２つの別々の流体（通常、燃料及び酸化剤）を噴射して相互作用させ反応させる混合方法として第一に意図されている。

従来の噴霧装置および噴射装置では、高圧を使用して液体を小オリフィスに通す。したがって、圧力を加えることによって得られる運動エネルギーは、ほぼ完全に流体の加速のために使用され、流体が空気せん断、抵抗あるいは抗力により分裂または噴霧される。分裂が開始される前にジェットがかなりの距離を移動することが理論だけでなく観察からも明らかである。限られた燃焼室寸法（ほとんどの乗用車で約１０ｃｍ）を有する内燃エンジンでは、分裂の前の「液体長」またはジェット長は、燃焼室内の噴射装置先端から最も離れた点よりも高い。これは、ジェットが、分裂の前に、ピストンまたは気筒壁のいずれかまたは両方に衝突することを意味する。より優れた分裂を実現するために新規な機構を必要とする。

本発明の一実施の形態は、噴射装置ハウジングと、外部の液体源に結合されるように構成された液体入口と、液体入口と流体連通するピントル弁であって、外部の液体源からの液体の流量を調節可能に計測するように構成されているピントル弁と、ピントル弁と流体連通すると共に噴射装置ハウジングのスプレー先端の外面に形成されたそれぞれの傾斜したオリフィスで終端する複数の液体通路であって、傾斜オリフィスが形成された平面から離れた所定の位置に配置された共通の衝突点へそれぞれの液体ジェットを向けるように寸法決めされると共に傾斜された複数の液体通路とを含む。所定の位置は、噴霧噴射装置の外面への後方噴霧液体の衝撃を最小化または回避するように決定された外面からの距離で、噴霧噴射装置の中心軸に沿って配置されている。所定の位置は、次のいずれかの方程式を満足する液体長距離の最低未満である。
方程式Ｌ ＝ ｄ×ｍ×ＳＭ
ここで、ｄは傾斜オリフィス直径［ｍ］であり、ｍは定数であり、ＳＭは（ν／σ）×（２ΔＰ×ρ）^１／２で定義された無次元係数であり、νは動粘度［ｍ^２／ｓ］であり、σは表面張力［Ｎ／ｍ］であり、ΔＰは傾斜したオリフィスの圧力降下［Ｎ／ｍ^２］であり、ρは流体の密度［ｋｇ／ｍ^３］である。
あるいは、
方程式Ｌ ＝（Ａ_０×ΔＰ）／［σ+Ｃ×ｄ_０×ΔＰ／ρ_Ｌ］、Ｃ ＝（ρ_ａπＣ_ｄｃ／３）
ここで、ｄ_０は傾斜オリフィス直径［ｍ］であり、Ａ_０＝πｄ_０ ^２／４はオリフィス面積［ｍ^２］であり、ΔＰは傾斜したオリフィスの圧力降下［Ｎ／ｍ^２］であり、σは表面張力［Ｎ／ｍ］であり、ρ_Ｌは流体の密度［ｋｇ／ｍ^３］であり、ρ_ａは空気の密度［ｋｇ／ｍ^３］であり、Ｃ_ｄｃは軸流における気筒の表皮摩擦抵抗係数である。

本発明の一実施の形態は、噴射装置本体内に形成された空洞内に配置されたピントル弁座に噴射装置本体の外面から延びる第一の液体通路を掘削し、それぞれの第一の液体通路の非端領域における第一の液体通路と交差するように噴射装置本体のスプレー先端の外面から延びる第二液体通路であって噴射装置本体のスプレー先端外面に形成され噴射装置本体の外部の所定の点で衝突するオリフィスを出るジェットを向けるように構成される角度で傾斜したオリフィスで終端する第二の液体通路を掘削し、噴射装置本体の外面と第一および第二の通路の交差部との間で第一の液体通路を封止することによって製造される。

一実施の形態では、液体噴射装置は、内燃エンジンに液体を噴射する。一実施の形態では、液体噴射装置は、往復または回転式内燃エンジンの燃焼室に液体を噴射する。一実施の形態では、液体噴射装置は、往復式内燃エンジンの吸気ポート、吸気マニホルド、または排気通路内に液体を噴射する。

一実施の形態では、ノズルの外側のオリフィスは、ノズルの中心軸から同一の半径距離に配列され、かつ等角度間隔を置いて配置されている。

一実施の形態では、オリフィスは、ノズルの中心軸から同一の半径距離に配列され、等角度間隔を置いて配置されなくてよい。一実施の形態では、ノズルは、外側端部に凹部を形成することができ、ジェットオリフィスは凹部内にある。

一実施の形態では、オリフィス〜ノズルの外側端部での中心軸点〜隣接するオリフィス間の直線によって定められた角度は、任意の平面上のすべてのオリフィスに対して等しい。

一実施の形態では、追加のオリフィスがノズルの中央部に設けられている。

一実施の形態では、オリフィスの数は２つ以上であり、５０個のオリフィスまでの範囲であってよい。流体力学は、２つのオリフィスからの液体ジェットは衝突後扁平扇形の拡散雲を与えるが、３つ以上のオリフィスは三次元の円形雲を提供することを示す。オリフィスの数が多いほど液体の出力が大きくなる（他のすべての要素は等しい）。エンジン用途では、例えば、自動車エンジン用の噴射装置本体は、約８ｍｍの直径を有し、２〜６つのオリフィスを有していてよい。固定重ディーゼルエンジン用噴射装置は、直径が約５ｃｍである噴射装置本体を有しており、３〜３０個以上のオリフィスを有してよい。

一実施の形態では、噴射装置は、内燃エンジンの燃料噴射装置または水噴射装置である。一実施の形態では、噴射装置内の液体は、水溶液、水、及び液体炭化水素燃料から選択される。一実施の形態では、噴射装置は、燃料噴射装置であり、液体がディーゼル燃料、ＪＰ８、アルコール、ガソリン又はそれらの混合物から選択される。

一実施の形態では、計量手段は、ソレノイド制御ピントルまたは圧電制御ピントルである。

一実施の形態では、ジェットは、全て等しい入口圧力またはオリフィス直径および衝突速度または衝突力を有するとは限らない。

一実施の形態では、オリフィス直径は、必要な流量に応じて、約５０μｍ〜約５０００μｍ、またはそれ以上の範囲であってよい。一実施の形態では、オリフィス直径は、約２００μｍから約４００μｍの範囲であり、液体が炭化水素燃料である。一実施の形態では、オリフィス直径は約３００μｍから約７００μｍの範囲であり、液体は水または水溶液である。

一実施の形態では、液体の圧力は、約１バールから約５,０００バールの範囲である。

一実施の形態では、各ジェットを定義するオリフィスでの液体の速度は、１０ｍ／ｓ以上であり、別の実施の形態では、約２０から約５００ｍ／ｓ程度の範囲である。

一実施の形態では、オリフィスと衝突点間の距離は、互いに最も遠い２つのオリフィスの間の距離の３倍よりも小さい。

一実施の形態では、オリフィスと衝突点間の距離は、液体ジェットの「液体長さ」よりも短い。

一実施の形態では、任意の２つのジェットによって定まる角度は約２０°〜約１８０°の範囲である。

一実施の形態では、本発明の噴射装置は、各焦点で合流する少なくとも２つのジェットがある２つ以上の焦点を有することができる。このように、一実施の形態では、噴射装置の本体へ供給される加圧液体源を有する噴霧液体を生成する液体噴射装置を提供し、本体は、液体入口と、本体内部または外部の液体計量手段と、ノズルを備える液体出口とを有する。前記ノズルは、液体の加圧された液体ジェットが生じる２つ以上のジェットオリフィスを含み、各ジェットは噴射装置の外部の焦点に向けられており、焦点での加圧された液体ジェットの衝突が液体の霧状の形態を生成し、２つ以上の別々の焦点があり、前記計量手段は、正確な開始および停止時間に正確な液体流量を供給する。

本発明のこれら及びその他の特徴、態様、及び効果は、より良い、以下の説明、添付の特許請求の範囲、および添付の図面を参照して理解されるであろう。

図１Ａは、本発明の概略的な一実施の形態を示す。 図１Ｂは、開位置にピントルを有する図１Ａの概略を示す。 図２は、図１Ａのボトムアップから見た本発明の噴射装置を示す。 図３Ａ〜図３Ｆは、様々なオリフィスパターンを示す。 図４は、分裂までの液体ジェットの幾何学的な概略を示す。 図５Ａ〜図５Ｃは、ジェット分裂の条件を満たす力平衡に基づいた分裂までのジェット長の式が導出されたモデルからの結果の一例である。 図６Ａ〜図６Ｃは、本発明の一実施の形態の製造工程を示す。 図６Ｄ〜図６Ｅは、本発明の一実施の形態の製造工程を示す。 図７Ａおよび図７Ｂは、実際の従来の噴射装置からのスプレーパターン（図７Ａ）と、本発明の噴射装置（図７Ｂ）を示す。 図８Ａおよび図８Ｂは、本発明の噴射装置は、同一のエンジン負荷に対して従来の噴射装置より低い燃料の流量を持っていることを示す、ディーゼルエンジン用燃料流量エンジン負荷のプロットである。

本発明は、流体、特に往復または回転式内燃エンジンに噴射するための液体を噴射するためのノズルを提供する。このような液体は、ガソリンやディーゼル、水、または水溶液のような燃料とすることができる。本発明では、圧力下の、流体の少なくとも２つ以上のジェットを、衝突点に向ける。衝突点（複数可）でのジェットの衝突は、効率的に液体を噴霧する。噴霧液体は、内部エンジン表面と液体の実質的な接触を最小限にし、より効率的な燃焼（または他の効果）のために大きな表面積を提供する噴煙（プルーム）を生成する。

２つの衝突ジェットは、扇状、二次元の噴霧スプレーを生成する。少なくとも第三の衝突ジェットは、完全に三次元の雲を実現するために必要とされる。中心に１つのジェットを含みながら様々な角度のジェットを構成することにより、液体の霧状の雲を成形することができる。

本発明の一実施の形態では、噴射装置の本体へ供給された加圧液体源を有する噴霧液体を生成する液体噴射装置を提供し、前記本体は、液体入口と、液体計量手段と、ノズルを備える液体出口とを有する。前記ノズルは、液体の加圧された液体ジェットが生じる２つ以上のジェットオリフィスを含み、各ジェットは噴射装置の外部の共通焦点に向けられており、焦点での加圧された液体ジェットの衝突が液体の霧状の形態を生成し、前記ジェットの夾角が３０°と１８０°の間であり、前記計量手段は、正確で制御可能な開始および停止時間に正確な液体流量を供給する。

別の実施の形態では、噴射装置の本体へ供給された加圧液体源を有する噴霧液体を生成する液体噴射装置を提供し、前記本体は、液体入口と、本体内液体計量手段と、ノズルを備える液体出口とを有する。前記本体は、中心軸を有するほぼ円形の断面を有する。ノズルは、中心軸と、内側端部と、外側端部とを含む。２つ以上の通路が内側端部から発生され、各通路はオリフィスを有する外側端部で終端し、加圧された液体は、２つ以上の通路を通って各通路を終端させるオリフィスへ通される。各オリフィスは、加圧された液体のジェットをある方向に向かわせる。オリフィスは、各ジェットが噴射装置の外部の共通の焦点に向けられるように構成され、前記焦点での加圧された液体ジェットの衝突は、液体の霧状の形態を生成し、前記ジェットの夾角が３０°と１８０°の間であり、前記計量手段は、正確で制御可能な開始および停止時間に正確な液体流量を供給する。

本発明の一実施の形態では、液体噴射装置は、液体入口と、液体流量を供給するための液体計量手段と、ノズルを有する液体出口とを含む。ノズルは、中心軸と、内側端部と、外側端部またはスプレー先端部と、内側端部から発生した２つ以上の通路とを含む。各通路はオリフィスを有する外側端部で終端する。オリフィスは、少なくとも２つのジェットが噴射装置の外部の共通の焦点に向けられるように構成されている。

計量手段は、ソレノイド制御ピントルとすることができる。また、計量手段は、圧電制御ピントルとすることができる。

本実施の形態のノズルは、外側端部に凹面または凹状円錐部を形成している。ジェットオリフィスは凹状部内にある。オリフィスは、ノズルの中心軸から同じ半径方向距離に配列され、等角度に離間されてよい。代替的に、オリフィスは、ノズルの中心軸から同一の半径距離に配列することができ、等角度に離間されていなくてよい。ジェットオリフィスは、ノズルの中心軸に対して、単一の平面上に配列されてよい。あるいは、ジェットオリフィスの中心はノズルの中心軸に対して２つ以上の平面上に配列されている。

本実施の形態では、液体噴射装置は、往復式内燃エンジンの燃焼室または回転式内燃エンジンの燃焼室に液体を噴射する。

本実施の形態では、加圧された液体は、少なくとも２つ以上の通路を通って各通路を終端させるオリフィスへ通される。各オリフィスは、加圧された液体のジェットを向ける。焦点での加圧された液体ジェットの衝突が液体の霧状の形態を生成する。

図１Ａ及び図１Ｂは、平面で見られる２つの液体通路を有する本発明のノズルの一実施の形態の概略図である。ノズルは、流体が密閉燃焼室または管を出る（又は密閉燃焼室または管に入る）ときの流体の流量の方向または特性を制御する（特に速度を増加させる）ように設計された装置である。ノズルは、中心軸３をもつ本体１を有する。ノズルの入口端５は、ピントル軸４０とピントルボール４２の終端を示す。オリフィスにノズルの加圧された液体を送る液体通路は、ピントルボール座エリアの点３６から発生する。

ノズル１の出口端部６（また、本明細書では「スプレー先端部」と呼ばれる）は、図１に凹面（すなわちまっすぐな壁を有する縁ではなく曲線形または円錐形状外形を持つ）として示されている凹部７を有している。ジェットオリフィス１０は凹部７内に位置している。ジェットの夾角（２θ）は、ジェット経路長、すなわち、１０から焦点２への直線４に沿った距離、また、比較的短い、Ｒと表記される距離を維持しながら、９０°より大きくすることができる。より短いジェット経路は、噴霧プロセスのより良好な制御および衝突点２に送られるより多くのエネルギーを提供する。したがって、より短いジェット経路は、より望ましく、バック衝撃、すなわち、噴射装置本体へ反射し噴射装置スプレー先端に衝撃を与える液滴を回避しやすい。

図１Ａ及び図１Ｂに示す実施の形態の各液体通路は、液体通路３０と２０の組み合わせから形成される。図１Ａ及び図１Ｂに示す一実施の形態では、サブ通路３０は、点３２の面取り縁６４からピントル弁座４６の点３６までノズル本体１に穴を掘削することによって形成される。次に、部分３４を塞ぐ。サブ通路２０は、交差点２２においてサブ通路３０と交差する点１０から凹部７に穴を掘削することによって形成される。

オリフィス１０は、サブ通路２０の内径よりも小径に開口を狭くするインサート（挿入物）１１を有してもよい。これは、オリフィスのサイズが、液体の粘度、圧力、本発明のノズルの噴霧の形状及び他の特性に影響を与える速度（例えばエンジンの毎分の回転数）等の様々な要因に応じて調整されるので、特に望ましい。オリフィスのサイズはさまざまな目的に合わせて調整することができるが、ノズルブランクに穴を掘削するには実用的な限界がある。５００ミクロンよりも小さい穴を掘削することは、非常に高価になり大量生産品として望ましくない。したがって、製造が安価であり、より大きな直径の通路を作ることができるが、オリフィスをノズルの所定の用途に応じて極小径とすることができる（通路全体がその径をもつ場合、非常に高価になる大幅に小さい径であってよい）。

ピントルは、噴射装置のスリーブの往復軸である。ノズルにおけるピントルバルブ４２の端部は、丸みを帯びた球状部分であり、ピントルボールと呼ばれる。既定位置では、ピントルボールが弁座４６に押し付けられる。ピントルボールが弁座４６に押し付けられると、液体は外向き通路３０に流入することができず、液体はノズルから流出しない。ピントルボール４２がソレノイドまたは圧電機構によって開放位置（図１Ｂ）に移動すると、加圧された液体は、図１Ａの４８として定められた空間を通って外向き通路３０に流入しジェットオリフィス１１のノズルから流出する。

弁座４６とピントルボール４２は、外向き通路３０の適切な流入条件に従って可能な限り小さくなければならない「ＳＡＣ」体積１０８を定める。外向き通路３０の各々は、第一の端部で「ＳＡＣ」体積１０８と液体連通し、第二の端部の各オリフィスの出口で終端する。外向き通路２１は、噴射装置の中心軸（直線３）に沿って向けられた単一の中央ジェットを形成し、外向き通路２０は、衝突夾角２θをもつ傾斜ジェットを形成する。角度２θは、約３０°と１８０°の間の角度で固定することができる。通路２０および中央通路２１の端部におけるオリフィスから出る複数のジェットが、単焦点（すなわち、衝突点）２で衝突するように向けられる。

図２は、噴射装置のスプレー先端に面する図１Ａの端面図である。外側噴射装置本体壁６２、面取り縁６４、底面６６、および（凹面として図に示す）凹部７を定めるリング８が示される。中央オリフィス２１と三径方向オリフィス２０が示される。オリフィス２０の中心の平面内にある各オリフィスの間の角度は、Ψである。図２の例によって示すように、半径方向のオリフィス２０は、等角度１２０°で間隔を置いて配置されている。寸法ｒは、オリフィス２０の中心の平面内で中心軸までの半径方向オリフィスの距離である。ここに示されているように、中心軸に沿うオリフィスがあるが、中央オリフィスは、本発明においてオプションである。

図１Ａおよび図１Ｂを参照する。距離Ｒを変化させることにより、角度θをＲ ＝ｒ／ｓｉｎθとして変化させることができる。Ｒが与えられたＲに対して短く中心軸に近い場合には、θが小さくなる。あるいは、与えられたｒに対して、より大きなＲはより小さいθを生じ、その逆も然りである。最小夾角２θは約３０°である。ｒを長くし、凹部７の面にできるだけ垂直なように通路２０を掘削することによって、夾角２θが１８０°に近づくことができる。一実施の形態では、夾角２θは１８０°である。

代替実施の形態（図示せず）では、各外向き通路２０は、異なる焦点位置で衝突して２つの別々の衝突点を生成するように傾斜してもよい。

別の実施の形態では、径方向オリフィス２０の２つ（またはそれ以上）のリングを設けてもよい。第一のセットのオリフィスは、所定のｒ寸法を有し、第二のセットのオリフィスは、異なるｒ寸法を有する。オリフィスの全部は、単一衝突点に向けられる。図３は、本発明で使用することができるオリフィスの様々な非限定的なパターンを示す。

本発明の噴射装置は、炭化水素燃料、水、水溶液、またはそれらの混合物を直接エンジンの燃焼室、または吸気トレイン（吸気マニホルド、また、ポート噴射とも呼ばれる）、またはエンジンの排気トレイン（排気マニホルド）内へ噴射するために使用することができる。

本発明の噴射装置の液体に印加される圧力は、エンジン内の噴射装置の位置及び液体の種類によって異なる。ポート噴射用途の場合、噴射装置が吸気マニホルド内に流体を噴射するように位置した状態で、圧力は４〜５バールであってよいが、一実施の形態では、非常に高い圧力を２５０バールまで、本発明の噴射装置を有するポート噴射に使用することができる。直接噴射用途の場合、噴射装置が気筒の燃焼室内に直接噴射するように各気筒上に位置した状態で、ガソリンエンジンのための圧力は、約１００バール〜約２５０バールである。圧縮点火（ディーゼル）エンジンと共に使用されるディーゼルタイプ燃料の場合、圧力は超高圧力エンジンで約２５０バール〜約２５００バールである。いくつかの実施の形態では、従来の燃料噴射装置に典型的な圧力より低い圧力を、有効噴霧を実現するために使用することができる。

液体の噴霧形態を生成するために、本発明の噴射装置は、例えば、オリフィス直径、衝突速度、液圧力、衝突角度、衝突長さを含むいくつかのパラメータを制御するように構成されている。制御パラメータの値は、液体を噴霧し部分的に気化させる衝突点で十分なエネルギーを生成するために噴射される特定の液体に基づいて選択される。以下の説明及び参照図は、本発明を構築するために必要な様々なパラメータの値の選択に関する詳細を提供する。

例えば、空気、ガス、水または液体燃料などの圧縮された流体は、比ポテンシャルエネルギー、またはＳＰＥを有する。ここで、ＳＰＥ ＝ΔＰ／ρ（ΔＰは燃料ノズルの圧力降下［ｋＮ／ ｍ^２］であり、ρは流体密度［ｋｇ／ｍ^３］である）。したがって、ＳＰＥ ＝ΔＰ／ρ＝ ｋＪ／ ｋｇである。したがって、３００バールの圧力差と１０００ ｋｇ／ｍ^３の密度の水の場合、ＳＰＥ ＝ΔＰ／ρ＝３０ ｋＪ／ ｋｇである。理想的に膨張すると、これは、ｖ ＝（２ΔＰ／ρ）^１／２ ＝（６００００）^１／２ ＝ ２４５ｍ／ｓのジェット速度になる。

２つ以上のそのようなジェットが衝突すると、小さな高圧停滞復元（５０％の復元率、約１５０バール）領域が生成され、僅かなエネルギーにより、ジェットの液体の小部分が気化され、せん断および乱流による崩壊機構に加えて、非常に強力な追加の崩壊機構を生成する。最大の潜熱を有する水と比較して、例えば、ガソリン又はディーゼルのような他の液体燃料は、著しく低い圧力及び大きいオリフィス直径で著しく改善された噴霧状態を示すであろう。

従来の噴射装置、特に直接噴射装置を出る液体ジェットの速度は、ピストンの速度よりも大きい大きさがあることに留意することが重要である。これは、噴射が下死点（ＢＤＣ）で起こる場合でも、液体ジェットは、ピストン面、または、角度を付けた場合には、気筒壁と衝突することを意味する。このようなジェットの「液体長さ」は、通常、気筒壁及び／又はピストン面と液体の衝突があることをほぼ確実にするピストンのストロークの長さよりも大きいことに留意することも重要である。このような衝突は望ましくなく、効率の低下につながる。

本発明の目的は、固有の焦点で衝突する２つ以上のジェットを有することにより、そして、これまで考えられていない変数、例えばジェットの角度、ジェットの液滴の直径、ジェットに加えられる圧力の量、液体ジェットの衝突の前の液体長さ等を考慮することにより液体ジェットの蒸発を最大にすることである。これらの様々な方法を、以下に述べる。

液体長さ（「Ｌ」）は、液滴に分解し始める前の液体ジェットの移動距離として定義される。これは、図４に示されている。図４は、オリフィスを出る加圧された液体のジェット流が別のジェットまたは表面に衝突することなく、空気せん断および他の力から分解するときの当該ジェット流を一般的に示す。図４では、入口２０１を通ってノズルオリフィス２０２へ入る加圧された液体は、ジェットオリフィスで直径ｄ_０のジェットストリーム２０３を生成する。直径Ｄ_Ｊの液体ジェット２０３は、部分２０４を通って、ジェットが必然的に崩壊しスプレー噴煙２０６が形成された点２０５まで徐々に細くなる。寸法Ｌは、２０２から２０５までの距離である。長さＬ_Ｊは、オリフィス出口からスプレー円錐直径（Ｄ_{ｓｐｒａｙ}）２０７がｄ_０の約３〜５倍になる点２０７まで延びる。

液体が衝突前に移動しなければならない距離が短いほど、噴霧は大きい。これは、より多くの運動エネルギーがより強い衝突のために有効であるからである。このように、噴射装置設計プロセスは、全体的な噴射装置のレイアウトに関連して衝突点までのジェットの最適な長さを組み入れた幾何学的側面を考慮しなければいけない。

液体長さは、数学的に次式Ｌ／ｄ／ＳＭ ＝ ｍ（定数）で定義することができる。ここで、ＳＭ ＝（ν／σ）×（２ΔＰ×ρ）^１／２、ｄはオリフィス直径である。新しい無次元数ＳＭは係数である。あるいは、液体長さＬは、Ｌ ＝ ｍ×ＳＭ×ｄと表すことができる。実際には、より一般的な式Ｌ／ｄ ＝（Ｌ／ｄ）_０ ＋ ｍ×ＳＭを、対象とされる特定の圧力範囲に使用することができる。ここで、（Ｌ／ｄ）_０は、実験的に決定される定数である。

定数ｍの値が、従来の実験データで利用できるような１／０.０９１５７＝ １０.９２１に等しいと仮定すると、Ｌ／ｄは、表１の最後の欄に示されるように、ＳＭによる任意の圧力ΔＰに対して推定することができる。しかし、実験では、この分析は、ジェット速度又は圧力差ΔＰの非常に小さい値に対してのみ有効であり得ることを示唆する。さらに、ｍ ＝ １０.９２１で予測される値はΔＰ＝ １バールに対してあまりにも低く、一定のｍは必要な制御実験により、各液体ごとに決定されなければいけない。

表１：Ｌ／ｄ ＝ ｍ×ＳＭモデルによる（Ｌ／ｄ）の推定：ｍ ＝ １０.９２１及び(Ｌ／ｄ)_０ ＝ ０
ｄ_０＝ ０.３ ｍｍ、ΔＰ ＝ １.０ ｂａｒ、ボンド数Ｂ_０＝(ρｇｄ_ｊ ^２)／σ＝ ０.０１２２ ＜＜ １^*

＊は、重力の影響が無視できることを示す。

第一原理に基づいた「ジェット長運動量モデル」と呼ばれる理論は、分裂前の液体ジェット長の予測の問題を解決することができる。分裂前の長さの推定は「液体ジェットの分裂の条件」が概念的に定式化されることを必要とする。図４を参照する。ここで、ｄ_０はオリフィス直径、Ａ_０はオリフィス面積＝πｄ_０ ^２、ρ_Ｌは液体の密度、ρ_ａは空気の密度、ΔＰはオリフィスの圧力降下、Ｖ_ｊはオリフィス出口でのジェット速度＝（２ΔＰ／ρ_Ｌ）^１／２、σは液体の表面張力、Ｌは分裂までのジェット長、Ｃ_ｄｃは軸流における気筒の表皮摩擦抗力係数である。

オリフィス出口平面からの距離ｘにおける長さｄｘのジェットの要素を考慮する。この要素の質量は、ｄｘを横切る速度ｄＶが変化するごとにｍ_ｅ＝Ａ_０×ρ_Ｌ×ｄｘ。要素（ｍ_ｅ×ｄＶ／ｄｔ）の運動量の変化率は、表面張力の力（σ×ｄｘ）と空力の摩擦力（１／２ρ_ａπｄ_０×ｄｘ×Ｃ_ｄｃ×Ｖ^２）によって対抗される流量方向の力である。分裂は、積分対抗力が、単に駆動運動量力を超えたときに、ジェット長で発生することが想定される。加速度（ｄＶ／ｄｔ）を（Ｖ×ｄＶ／ｄｘ）に置換し、ジェット速度Ｖは、オリフィス出口（ｘ＝ ０）でのＶＪから分裂点（ｘ＝ Ｌ）での０またはＶ＝ Ｖ_ｊ（１-ｘ／Ｌ）へ直線的に変化することが想定される。力平衡式［ｍ_ｅ×ｄＶ／ｄｔ＝（σ×ｄｘ）+（１／２ρ_ａπｄ_０×ｄｘ×Ｃ_ｄｃ×Ｖ^２）］は、Ａ_０ρ_ＬＶｄＶ＝σ×ｄｘ+（１／２ρ_ａπｄ_０×Ｃ_ｄｃ×Ｖ_Ｊ ^２）（１-ｘ／Ｌ）ｄｘの形を取る。Ａ_０ρ_ＬＶｄＶ＝σ×ｄｘ+（１／２ρ_ａπｄ_０×Ｃ_ｄｃ×Ｖ_ｊ ^２）（１-ｘ／Ｌ）ｄｘは、境界条件ｘ ＝ ０でのＶ ＝ Ｖ_ｊと分裂時のｘ ＝ ＬでのＶ ＝ ０との間で積分すると、Ａ_０×ΔＰ＝σＬ+ρ_ａπｄ_０×Ｃ_ｄｃ×（ΔＰ／ρ_Ｌ）×Ｌ／３となる。

分裂までのジェット長の最終的な式は次のとおりである。Ｌ ＝（Ａ_０×ΔＰ）／［σ+Ｃ×ｄ_０×ΔＰ／ρ_Ｌ］、ここで、Ｃ ＝（ρ_ａπＣ_ｄｃ／３）である。Ｃ_ｄｃ〜０.０の場合は、上記の式は、Ｌ ＝Ａ_０×ΔＰ／σと簡単になる。

等しい直径ｄ_０のオリフィスで動作している水とディーゼルのような２つの液体に対して、分裂までのジェット長が等しくなるとき、共通の噴射圧力ΔＰ_Ｃがある点は興味深い。ここで、ΔＰ_Ｃ＝（σ_Ｗ-σ_Ｄ）（σ_Ｗ×σ_Ｄ）／［Ｃ×ｄ_０×（ρ_Ｗ-ρ_Ｄ）］。

経験的／実験データに基づいた入力である表皮摩擦抗力係数Ｃ_ｄｃは、
Ｃ_ｄｃ＝ ３×（σ_Ｗ-σ_Ｄ）（σ_Ｗ×σ_Ｄ）／［ρ_Ａπ×ｄ_０×ΔＰ_Ｃ×（ρ_Ｗ-ρ_Ｄ）］に基づいて独立して照合または推定することができる。

上記のモデルに基づいて計算が水とディーゼルに対してｄ_０＝ ０.３ｍｍと圧力ΔＰのサンプル範囲のからのＣ_ｄｃ想定値に対してなされる。ΔＰ＝ １〜１００バールおよびＣ_ｄｃ＝ ０.０、０.０５および０.１に対する例の結果を図５Ａ〜図５Ｃに示す。

衝突ジェットが、大幅にまたは完全に液体ジェットの前方侵入を減少させ、これにより、液体あるいはスプレー噴煙の長さがストローク長またはピストン面と噴射装置のノズルとの間の距離のいずれかよりも常に短くなることは、本発明の一態様である。ジェットの分裂が、圧力の印加により液体に与えられる運動エネルギーの十分な量を液体ジェットの噴霧に向けた状態で、噴射装置の近くで起こることも、本発明の一態様である。

液体を噴霧するのに必要なエネルギーは、液体の表面張力によって支配される。液体の移動の方向から離れる方向の表面張力よりも大きい力が噴霧を達成するために印加されなければいけない。噴霧のために必要なエネルギー、または仕事（Ｗ）は、Ｗ ＝σ×ΔＡで与えられる。ここで、σは表面張力であり、ΔＡは、噴霧により生成した領域である。ジェットの比エネルギーは、ＴＡＳＥ＝ΔＰ／ρで表される総有効比エネルギー（ＴＡＳＥ）で与えられる。ジェットの移動方向から離れた分裂のための噴霧に使用されるエネルギーは、ＥＯＢＵ ＝（ΔＰ／ρ）ｓｉｎ^２θで与えられる。ここで、θは、ジェットと、衝突点および噴煙または噴射装置本体の移動方向によって形成された軸とのなす角である。より小さい角度θの場合、ジェットは、より大きな角度の場合よりもより遠い距離で合流し、従って、より高いエネルギーまたは圧力が噴霧を達成するために必要とされるであろう。

エネルギーはまた、ジェットの速度を使用して表現することができる。伝播の方向の速度は、Ｖ ＝（２ΔＰ／ρ）^１／２で与えられる。ここで、ρは液体の密度である。初期のジェットの理論上の速度は、上記の式を用いて計算することができ、衝突後のジェットの速度は、運動量の保存に基づいて計算することができる。衝突後の更なる噴霧は、乱流せん断と抗力に関する方程式を用いて計算することができる。

本発明の一態様は、直径５ミクロンより小さい液滴を、別の実施の形態では、直径１ミクロンより小さい液滴を生成することである。固体ジェットからの噴霧液滴の面積、及び単位質量または体積あたりの液滴の個数は、そのような噴霧を生成するために必要なエネルギーのみならず、上記の式を用いて、計算することができる。

従って、本発明は、ジェットの方向から離れた有効理論的エネルギーまたはＥＯＢＵが、５ミクロンより小さい液滴を生成するのに必要な分裂エネルギーよりも高く、液体に印加される圧力および衝突点を有するジェットと軸とによって形成される角度が、式ＥＯＢＵ＝（ΔＰ／ρ）ｓｉｎ^２θ＝σ×ΔＡに基づいて計算されたエネルギーの量よりも大きいエネルギーを生成する点で衝突する少なくとも２つのジェットを使用して噴霧を生成する。別の実施の形態において、本発明は、ジェットの方向から離れた有効理論的エネルギーまたはＥＯＢＵが、５ミクロンより小さい液滴を生成するのに必要な分裂エネルギーよりも高く、液体に印加される圧力および衝突点を有するジェットと軸とによって形成される角度が、式ＥＯＢＵ＝（ΔＰ／ρ）ｓｉｎ^２θ＝σ×ΔＡに基づいて計算されたエネルギーの量よりも大きいエネルギーを生成する点で衝突する少なくとも３つのジェットを使用して噴霧を生成する。さらに別の実施の形態において、本発明は、ジェットの方向から離れた有効理論的エネルギーまたはＥＯＢＵが、１ミクロンより小さい液滴を生成するのに必要な分裂エネルギーよりも高く、液体に印加される圧力および衝突点を有するジェットと軸とによって形成される角度が、式ＥＯＢＵ＝（ΔＰ／ρ）ｓｉｎ^２θ＝σ×ΔＡに基づいて計算されたエネルギーの量よりも大きいエネルギーを生成する点で衝突する少なくとも２つのジェットを使用して噴霧を生成する。別の実施の形態において、本発明は、ジェットの方向から離れた有効理論的エネルギーまたはＥＯＢＵが、１ミクロンより小さい液滴を生成するのに必要な分裂エネルギーよりも高く、液体に印加される圧力および衝突点を有するジェットと軸とによって形成される角度が、式ＥＯＢＵ＝（ΔＰ／ρ）ｓｉｎ^２θ＝σ×ΔＡに基づいて計算されたエネルギーの量よりも大きいエネルギーを生成する点で衝突する少なくとも３つのジェットを使用して噴霧を生成する。図１０は等高線図である。

液１ｍＬを噴霧して直径Ｄ（μｍ）の液滴を生成する場合、噴霧により生成された面積ΔＡ＝ ６／Ｄ［ｍ^２］。表面張力σ［Ｎ／ｍ］に打ち勝つために必要なエネルギーは、６σ／Ｄ［Ｊ］となる。ガソリン、ディーゼル、アルコールまたは水などの様々な液体１ｍＬに必要なＥＯＢＵエネルギーを推定し、以下の表３に示す。

表２に、これらの液体の性質を示し、表３に、噴霧が直径Ｄミクロンの液滴を生成するときの、液体１ｍＬあたりのＥＯＢＵを示す。完全に１グラムの液体を蒸発させるために必要なエネルギーＥＯＥＶも表３に示す。これらの液体の０.４〜４０００バールの様々な噴射圧力での総有効比エネルギーを表４に示す。表５（Ａ）及び表５（Ｂ）はそれぞれ、分裂（すなわち、噴霧）および蒸発するための十分なエネルギーを得るために必要な、３０〜９０度の様々な衝突角度での噴射圧力を示す。

表２：液体の性質：νは動粘度である。 σは表面張力である。 ρは流体の密度である。

表３：選択された液体の分裂および蒸発の比エネルギー


表４：色々な圧力での総有効比エネルギーＴＡＳＥ（Ｊ／ｇｍ）

表５（Ａ）：色々な衝突角θでの表面張力に打ち勝つために必要な差圧（ΔＰ ［ｂａｒｓ］）


表５（Ｂ）：色々な衝突角θでの１グラムを蒸発させるために必要な差圧（ΔＰ ［ｂａｒｓ］）

特定の液体に対して、ジェット数、噴射圧力ΔＰおよび衝突角度θの選択は、噴霧、噴煙形状、大きさ及び向きの要件を満たすように行う必要があることは、上記の表のデータから明らかである。

上記の表に示されるように、ノズルから出てくる液体ジェットの理論速度を圧力を介して正確に推定することが重要である。

本発明では、衝突点は、可能な限りオリフィス出口面に近いが、バック衝撃を避ける必要がある。また、衝突ジェット長は、ノズルから出てくるジェットの液体長（Ｌ）よりも短い。オリフィスの中心を含む平面内の円の直径が、Ｄ_ｏｃであり、ジェット軸と噴射装置本体軸との間の角度がθであるとすると、衝突長Ｌ_ｃは、Ｌ_ｃ＝Ｄ_ｏｃ／２ｓｉｎθとして決定される。衝突点は、オリフィスの出口点から３Ｄ_ｏｃより遠くない位置にあることができる。別の実施の形態では、距離は２Ｄ_ｏｃ未満ある。別の言い方をすれば、衝突点は、オリフィスと交差する円の直径よりも小さいオリフィスからの距離または遠く離れている２つのオリフィスの間の距離にある。

衝突の前に液体の移動しなければいけない距離が短いほど、より多くの運動エネルギーが強い衝突のために有効であるため、噴霧はより有効になる。

図５Ａ、５Ｂ及び５Ｃは、１から１００バールの圧力低下変動に対して、それぞれ水とディーゼルの液体ジェット長の計算を例としてのみ示す。任意のオリフィス直径（５０〜１０００μｍ）に対する液体ジェット長は、関係

から計算することができる。

本発明は、エンジンの燃料や水噴射において従来の方法よりも優れた噴霧を提供する。具体的には、本発明のノズル内液体通路構成により提供されるジェットの鋭内向角は、噴射装置本体に近接して非常に効率的な噴霧を提供し、液体流がエンジンの内部の固体表面に衝撃を与えオイルを洗い流し非効率的な燃焼を引き起こすことを防止する点において、従来技術に比べて大幅に改善している。このことは、上死点（ＴＤＣ）に近い噴射タイミングが重要であり、ＴＤＣでのヘッドスペースが非常に小さくてよい場合、現代の高圧縮エンジンにおいて特に重要である。

一実施の形態では、噴霧は、完全燃焼内燃エンジン内で、可能な限りＴＤＣまたは回転式エンジンの内死点（ＩＤＣ）に近くで、空気中に液体の微細で均一な浮遊（噴射された水または燃料の実質的な蒸発）を形成し完全燃焼する。十分な圧力が印加されると、水または燃料またはそれらの混合物のいずれかに固形物を溶かした溶液を含む液体、燃料または水またはそれらの任意の混合物のかなりの量が、ほとんど瞬時に蒸発する。

回転式並びに往復式内燃エンジンに有用な本発明の液体噴射装置は、往復式エンジンまたは回転式エンジン用連続流制御システム内への流体（例えば、液体燃料）の量および／またはタイミングを制御するためのピントル弁のような計量機構を有している。

本発明は、内燃エンジンの燃料や水を噴射するための従来の方法よりも優れた噴霧を提供する。具体的には、ノズル内の液体通路の構成によって提供されるジェットの鋭内向角（２θ≧９０°）は、従来技術よりも大幅に改善しており、噴射装置本体に近接して非常に効率的な噴霧を提供し、液体流がエンジンの内部の固体表面に衝撃を与えオイルを洗い流し非効率的な燃焼を引き起こすことを防止する。このように、噴射装置設計プロセスは、全体的な噴射装置のレイアウトに関連して衝突点までのジェットの最適な長さを組み入れた幾何学的側面を考慮しなければいけない。

スプレー噴煙形状は適宜より良好な混合のためにガス空間形状に合わせてもよい。スプレー噴煙は、液体燃料のための内部金属壁に衝撃を与えないように構成されているが、水噴射用途の場合には、未潤滑高温面に衝撃を与えるようにしてもよい。

図６Ａないし図６Ｅは、本発明の実施の形態の製造段階を示す。具体的には、製造プロセスは、中に形成されたピントル弁４０４を有する噴射装置本体から始まる。図６Ａで、複数の第一の液体通路４０６、４０８が、外部表面４１０から噴射装置本体４０２に穿孔または掘削されピントル弁４０４で終端するように傾斜される。第一の液体通路４０８は、噴射装置本体の中心軸に沿って位置されており、第一の液体通路４０６は、噴射装置本体の外周に沿って位置されている。

図６Ｃに示すように、第二セットの液体通路４１２は、第一の液体通路４０６のいずれかの端から離れた交点４１４で第一の液体通路４０６と交差する角度で噴射装置本体の外面４１０を貫通するように穿孔される。

図６Ｃに示すように、外面４１０と交点４１４との間の第一の液体通路４０６の一部４１５が、封止される。本発明の最終的な噴射装置は、第二の液体通路４１２の先端に形成されたオリフィス４１６とピントル弁４０４との間に形成された流体経路を有している。

図６Ｄに示すように、本発明の実施の形態は、噴射装置本体４０２とは別個に形成された弁４０４のための弁座４０３を用いて製造することができる。本実施の形態の弁座４０３は、弁座４０３が噴射装置本体４０２内に挿入される前に貫通するように掘削された通路４０６を有する。貫通通路４１２も弁座４０３を噴射装置本体４０２内に挿入する前に噴射装置本体４０２に形成される。弁座４０３と噴射装置本体４０２が接合されるとき、図６Ｄに示すように、貫通通路４０６を、貫通通路４１２と位置合わせする。

図６Ｃに示す交点４１４の詳細を図６Ｅ（Ａ）および図６Ｅ（Ｂ）に示す。図６Ｅ（Ａ）に見られるように、通路４０６は、直径ｄ_ｉを有し、通路４１２は、直径ｄ_０を有し、栓Ｐを挿入することによって、塞がれた通路部分は、直径ｄ_ｃまで拡大し、長さｌ_ｃの沈降室ＳＣを形成する。これは、オリフィス通路４１２の生産能力を増加させるのを助ける。直径ｄ_ｃは、ｄ_ｉの約５倍で、ｌ_ｃ≒ｄ_ｃである。図６Ｅ（Ｂ）に見られるように。栓Ｐ'は、生産能力を増大させるために、別の実施の形態では約４５°で面取りすることができる。液体速度は、沈降室ＳＣで約５倍減少し、圧力は２乗に比例して上昇する。これはオリフィス通路４１２を通る液体の流量を著しく改善する。

本発明の一実施の形態では、オリフィスはサブ通路（図１、番号１１）の内径よりも小径にジェット開口を狭くするインサート（挿入物）を有していてもよい。これは、オリフィスのサイズが、液体の粘度、圧力、本発明のノズルの噴霧の形状及び他の特性に影響を与える速度（例えばエンジンの毎分の回転数）等の様々な要因に応じて調整されるので、特に望ましい。オリフィスのサイズはさまざまな目的に合わせて調整することができるが、ノズルブランクに穴を掘削するには実用的な限界がある。５００ミクロンよりも小さい穴（例えば通路２０と３０）を掘削することは、非常に高価になり大量生産品として望ましくない。したがって、製造が安価であり、より大きな直径の通路を作ることができるが、オリフィスをノズルの所定の用途に応じて極小径とすることができる（通路全体がその径をもつ場合、非常に高価になる大幅に小さい径であってよい）。一実施の形態では、ノズルは、単一の固体金属で構成されている。

本発明において、用語「単一の固体金属」は、前項で説明したノズルは、単一の金属片から製造することができることを意味する。例えば、ノズルは、エンジンの燃焼室の温度及び圧力に耐えるのに十分な材料であるステンレス鋼の単一ブロックから製造されてもよい。

以下は、例えば、図に示すような、本発明の実施例のノズルのパラメータである。

以下のパラメータは、内燃エンジンの気筒内にガソリンを噴射するための、本発明の実施の形態による、本発明のノズルの３つのジェットの実施の形態を示す。

この噴射装置のスプレーパターンは、図７Ｂに示す。図７Ａに示した同様の従来の噴射装置（Ｂｏｓｃｈ ＨＤＥＶ５ ６穴噴射装置）と比較する。両方の噴射装置は、４ミリ秒間１００バールで、液体として水を使用した。従来の燃料噴射装置（図７Ａ）は、図７Ｂの本発明の噴射装置より、噴射装置から大幅に大きな距離の液体のコヒーレントスプレーを示す。液体の噴霧の程度は、図７Ｂの方がはるかに大きい。液体流が、従来の噴射装置よりもはるかに短い距離で分裂することは明らかである。

本発明の噴射装置は、図８Ａ及び図８Ｂに示すように、エンジンの効率を改善することが実証されている。図８Ａに、１.６Ｌ、４気筒ディーゼルエンジンの燃料流量‐エンジン負荷のプロットを示す。「ＧＤＩ」とマークされたデータは、従来の直接噴射装置である。「Ｉｍｐ噴射装置」とマークされたデータは、本発明の３穴衝突ジェット噴射装置である。色々なエンジン負荷で、本発明の噴射装置は、従来の燃料噴射装置よりも１６〜２０パーセント低い燃料流量を示している。

改善した性能の説明を、図８Ｂに示す。図８Ｂは、図８Ａに示すように同じエンジン負荷データ点の上死点（ｄＢＴＤＣ）前の点火の開始ＳＯＩ（度）を示している。図８Ｂは、（「Ｉｍｐ噴射装置」とマークされた）本発明の燃料噴射装置による点火の開始が、従来のＧＤＩ噴射装置による点火の開始よりもサイクルが著しく早く起こること（ベースラインデータ点で、例えば、３１°対６０°）を示している。また、正規化平均有効圧力（ＮＭＥＰ）として測定されたエンジン出力は、各データ点において、従来の噴射装置による対応するデータ点においてよりも、大きい（例えば、ベースラインデータ点で２５５Ｋｐａ対２１５Ｋｐａ）。より早い点火は、燃料のより完全な燃焼を示唆し、改善した効率を説明することができる。

このデータはまた、従来の噴射装置に比べて、本発明の噴射装置によって生じる改善した噴霧の結果として点火直前に気筒内の燃料の表面積がはるかに大きくエンジンの内面への燃料の衝撃が少ない（または無い）ため、（少なくともディーゼルエンジン内の）燃料点火がサイクルにおいて早くに発生することができるので、本発明の衝突ジェット式噴射装置により噴射タイミングを調節することが重要であり得ることを示唆している。

Claims (76)

1. 霧状の液体を生成する液体噴射装置であって、
   液体入口と、液体計量手段と、ノズルを含む液体出口とを有する本体と、
   前記噴射装置の前記本体に供給される液体の加圧源と、を備え、
   前記ノズルは、２つ以上の液体通路を含み、各液体通路は、前記液体の加圧された液体ジェットが出る前記ノズルの外面のジェットオリフィスと流体連通し、各ジェットは、前記噴射装置の外部の共通の焦点に向けられ、前記焦点における前記加圧された液体ジェットの衝突により、前記液体の噴霧された形態を生成し、
   前記ジェット間の夾角が３０°と１８０°の間であり、
   前記計量手段は、正確かつ制御可能な開始および停止時間で正確な液体流量を提供することを特徴とする液体噴射装置。
2. 霧状の液体を生成する液体噴射装置であって、
   液体入口と、液体計量手段と、ノズルを含む液体出口とを有する本体であって、中心軸を有する断面が略円形の前記本体と、
   前記噴射装置の前記本体に供給される液体の加圧源と、を備え、
   前記ノズルは、前記中心軸と、内側端部と、外側端部と、２つ以上の液体通路と、を含み、各液体通路は、前記液体の加圧された液体ジェットが出る前記ノズルの外面のジェットオリフィスと流体連通し、各ジェットは、前記噴射装置の外部の共通の焦点に向けられ、前記焦点における前記加圧された液体ジェットの衝突により、前記液体の噴霧された形態を生成し、
   前記ジェット間の夾角が３０°と１８０°の間であり、
   前記計量手段は、正確かつ制御可能な開始および停止時間で正確な液体流量を提供することを特徴とする液体噴射装置。
3. さらに、三つ以上のオリフィスを含む、請求項１又は２に記載の噴射装置。
4. さらに、前記噴射装置の中心軸に沿ってジェットを定める少なくとも一つのオリフィスを含む、請求項３に記載の噴射装置。
5. 前記各液体通路は、前記外側端部に向かって所定の角度で前記中心軸から外側に前記内側端部から延びる第一の通路部と、前記第一の通路部と交差し前記ノズルの前記中心軸と前記外側端部に向かって所定の角度で延びる第二の通路部と、を含み、前記各液体通路は、オリフィスを有する前記外側端部で終端する請求項１または２に記載の噴射装置。
6. 前記ジェットの方向から離れた理論上の有効エネルギー、あるいはＥＯＢＵが、５ミクロンよりも小さい液滴を生成するのに必要な分裂エネルギーよりも高く、前記ノズルの圧力降下をΔＰ［ｋＮ／ｍ^２］、流体密度をρ［ｋｇ／ｍ^３］、前記液体の表面張力をσ、噴霧により生成された面積をΔＡとするとき、前記液体に印加される圧力および衝突点を有するジェットと中心軸とによって形成される角度（θ）が、式ＥＯＢＵ＝（ΔＰ／ρ）ｓｉｎ^２θ＝σ×ΔＡに基づいて計算されたエネルギーの量よりも大きいエネルギーを生成する請求項１または２に記載の噴射装置。
7. 任意のオリフィスと衝突点との間の距離が、前記２つの最も遠いオリフィス間の距離の３倍未満である請求項１または２に記載の噴射装置。
8. 任意のオリフィスと衝突点との間の距離は、そのオリフィスから放出される前記ジェットの液体長さ未満である請求項１または２に記載の噴射装置。
9. 前記液体噴射装置は、内燃エンジン内に液体を噴射する請求項１または２に記載の噴射装置。
10. 前記液体噴射装置は、往復式内燃エンジンの燃焼室内に液体を噴射する請求項１または２に記載の噴射装置。
11. 前記液体噴射装置は、回転式内燃エンジンの燃焼室内に液体を噴射する請求項１または２に記載の噴射装置。
12. 前記ノズルでの前記液体の速度が、約２０〜約５００メートル／秒の範囲である請求項１または２に記載の噴射装置。
13. 前記液体に印加される圧力が、約１バールから約３０００バールの範囲である請求項１または２に記載の噴射装置。
14. 前記液体に加えられる圧力が、約１００バール〜２５０バールであり、前記液体は、往復式または回転式内燃エンジンの燃焼室内に噴射されるガソリンである請求項１または２に記載の噴射装置。
15. 前記液体に加えられる圧力が、約２００バール〜２５００バールであり、前記液体は、往復式圧縮点火内燃エンジンの燃焼室内に噴射されるディーゼルタイプ燃料である請求項１または２に記載の噴射装置。
16. 前記液体噴射装置は、内燃エンジンの吸気マニホルド内に液体を噴射する請求項１または２に記載の噴射装置。
17. 前記液体に加えられる圧力が、約４バール〜約２５０バールであり、前記液体は、内燃エンジンの吸気マニホルド内にポート噴射される請求項１または２に記載の噴射装置。
18. 前記液体に加えられる圧力が、約４バール〜約５バールであり、前記液体は、内燃エンジンの吸気マニホルド内にポート噴射される請求項１または２に記載の噴射装置。
19. 前記液体噴射装置は、内燃エンジンの排気マニホルド内に液体を噴射する請求項１または２に記載の噴射装置。
20. 前記ノズルは、前記外側端部に形成された凹面または凹状円錐部を含み、前記ジェットオリフィスは、前記凹面または凹状円錐部内にある請求項１または２の噴射装置。
21. 前記ジェットオリフィスは、前記ノズルの中心軸から同じ半径方向距離に配列され、かつ、等角度に離間されている請求項１または２に記載の噴射装置。
22. 前記ジェットオリフィスは、前記ノズルの中心軸から同じ半径方向距離に配列され、かつ、等角度に離間されていない請求項１または２に記載の噴射装置。
23. 前記ノズルは、前記外側端部に形成された凹面部を含み、前記ジェットオリフィスは、前記凹面部内にあり、前記ジェットオリフィスの中心が、前記ノズルの中心軸に垂直な単一平面上に配列されている請求項１または２の噴射装置。
24. 前記ジェットオリフィスの中心が、前記ノズルの中心軸に対して垂直な２つ以上の平面上に配列されている請求項１または２に記載の噴射装置。
25. 前記ジェットオリフィスの軸〜前記ノズルの前記外側端部にある中心軸点〜隣接オリフィス間の線によって定まる角度が、任意の平面上のすべてのオリフィスに対して等しい請求項１または２に記載の噴射装置。
26. 前記ジェットオリフィスの軸〜前記ノズルの前記外側端部にある中心軸点〜隣接オリフィス間の線によって定まる角度が、任意の平面上のすべてのオリフィスに対して等しくない請求項１または２の噴射装置。
27. オリフィスが、前記ノズルの中央部に設けられている請求項１または２に記載の噴射装置。
28. ２から３０個のオリフィスを含む請求項１または２に記載の噴射装置。
29. 前記噴射装置は、水噴射装置であり、前記液体は、水溶液又は水である請求項１又は２の噴射装置。
30. 前記噴射装置は、燃料噴射装置であり、前記液体は、炭化水素燃料である請求項１または２に記載の噴射装置。
31. 前記計量手段は、ソレノイド制御ピントルである請求項１または２に記載の噴射装置。
32. 前記計量手段は、圧電制御ピントルである請求項１または２の噴射装置。
33. 入口ジェットが、等しくない入口圧力、またはオリフィス直径、及び衝突速度または衝突力を有する請求項１または２に記載の噴射装置。
34. オリフィス直径が、約５０ミクロン〜約３０００ミクロンの範囲である請求項１または２に記載の噴射装置。
35. オリフィス直径が、約２００ミクロン〜約４００ミクロンの範囲であり、前記液体は、炭化水素燃料である請求項１または２に記載の噴射装置。
36. オリフィス直径が、約３００μｍ〜約７００μｍの範囲であり、前記液体は、水又は水溶液である請求項１または２に記載の噴射装置。
37. 液体圧力が、約５０バール〜約３０００バールの範囲である請求項１または２に記載の噴射装置。
38. 少なくとも一つのジェット、前記焦点、及び第二のジェットによって定まる角度が、３０°より大きい請求項１または２に記載の噴射装置。
39. 少なくとも一つのジェット、前記焦点、及び第二のジェットによって定まる角度が、９０°より大きい請求項１または２に記載の噴射装置。
40. 少なくとも一つのジェット、前記焦点、及び第二のジェットによって定まる角度が、１２０°より大きい請求項１または２に記載の噴射装置。
41. 少なくとも一つのジェット、前記焦点、及び第二のジェットによって定まる角度が、約３０°〜約１８０°の範囲である請求項１または２に記載の噴射装置。
42. 請求項１〜４１のいずれかに記載の噴射装置を用いて内燃エンジン内へ噴射するための液体を噴霧する方法。
43. 中心軸、内側端部、外側端部、および２つ以上の液体通路を有する円筒形の外形を有し、前記各液体通路は、液体の加圧された液体ジェットが出るノズルの外面のジェットオリフィスと流体連通し、各ジェットは、噴射装置の外部の共通の焦点に向けられ、前記焦点における前記加圧された液体ジェットの衝突により、前記液体の噴霧された形態を生成し、
    前記ジェット間の夾角が３０°と１８０°の間であることを特徴とする液体噴射装置用ノズル。
44. 上に位置する少なくとも２つの入口オリフィスを有するピントルボール用座と、
    上に位置する少なくとも２つの出口オリフィスを有する外面と、
    前記入口オリフィスから前記出口オリフィスへ液体を送るための少なくとも２つの通路であって、前記各通路は、外面の縁部から前記入口オリフィスへ延びる第一の線状通路と、前記出口オリフィスから交点へ前記第一の線状通路に沿って延びる第二の線状通路と、前記外面の前記縁で前記第一の線状通路に挿入された栓とを含む、前記少なくとも２つの通路と、を備え、
    前記少なくとも２つの通路と、前記少なくとも２つの出口オリフィスの各々は、各通路を通る加圧液体が加圧液体のジェット流を形成するように向いており、各ジェットが、噴射装置の外部の共通の焦点に向けられ、前記焦点における加圧液体ジェットの衝突により、前記液体の噴霧された形態を生成し、
    前記ジェット間の夾角が、３０°と１８０°の間であることを特徴とする液体噴射装置用ノズル。
45. 前記各ジェットを定める前記出口オリフィスは、前記第二の線状通路の内径とは異なる直径を有する請求項４３または４４に記載のノズル。
46. 前記各ジェットを定める前記出口オリフィスは、前記第二の線状通路の内径よりも小さい直径を有する請求項４３または４４に記載のノズル。
47. 前記各ジェットを定める前記出口オリフィスは、前記第二の線状通路の内径よりも小さい直径を定めるインサートを含む請求項４２または４４に記載のノズル。
48. 前記液体噴射装置は、内燃エンジン内に液体を噴射する請求項４２または４４に記載のノズル。
49. 前記液体噴射装置は、往復式内燃エンジンの燃焼室内に液体を噴射する請求項４２または４４に記載のノズル。
50. 前記液体噴射装置は、回転式内燃エンジンの燃焼室内に液体を噴射する請求項４２または４４に記載のノズル。
51. 前記ノズルは、前記外面に形成された凹面または凹状円錐部を含み、前記少なくとも２つの出口オリフィスは、前記凹面または凹状円錐部内にある請求項４２または４４に記載のノズル。
52. 前記少なくとも２つの出口オリフィスは、前記ノズルの中心軸から同じ半径方向距離に配列され、かつ、等角度間隔を置いて配置される請求項４２または４４に記載のノズル。
53. 前記少なくとも２つの出口オリフィスは、前記ノズルの中心軸から同じ半径方向距離に配列され、かつ、等角度に離間されていない請求項４２または４４に記載のノズル。
54. 前記ノズルは、前記外面に形成された凹面または凹状円錐部を含み、前記少なくとも２つの出口オリフィスは、前記凹面または凹状円錐部内にあり、各出口オリフィスの中心が、前記ノズルの中心軸に垂直な単一平面上に配列されている請求項４２または４４に記載のノズル。
55. 前記少なくとも２つの出口オリフィスの中心が、前記ノズルの中心軸に対して垂直な２つ以上の平面上に配列されている請求項４２または４４に記載のノズル。
56. 第一の出口オリフィスのオリフィス軸と隣接する出口オリフィスのオリフィス軸とのなす角度が、任意の平面上のすべてのオリフィスに対して等しい請求項４２または４４に記載のノズル。
57. 第一の出口オリフィスのオリフィス軸と隣接する出口オリフィスのオリフィス軸とのなす角度が、任意の平面上のすべてのオリフィスに対して等しくない請求項４２または４４に記載のノズル。
58. 中央出口オリフィスが、前記ノズルの中心軸に設けられている請求項４２または４４に記載のノズル。
59. ２から３０個の出口オリフィスを含む請求項４２または４４に記載のノズル。
60. 前記噴射装置は、水噴射装置であり、前記液体は、水溶液または水である請求項４２または４４に記載のノズル。
61. 前記噴射装置は、燃料噴射装置であり、前記液体は、炭化水素燃料である請求項４２または４４に記載のノズル。
62. 前記少なくとも２つの出口オリフィスは、約５０μｍ〜約３０００μｍの範囲の直径を有する請求項４２または４４に記載のノズル。
63. オリフィス直径が、約２００ミクロン〜約４００ミクロンの範囲であり、前記液体は、炭化水素燃料である請求項４２または４４に記載のノズル。
64. オリフィス直径が、約３００μｍ〜約７００μｍの範囲であり、前記液体は、水又は水溶液である請求項４２または４４に記載のノズル。
65. 前記液体は、約５０バールから約３０００バールの範囲の圧力を有する請求項４２または４４に記載のノズル。
66. 前記液体の少なくとも一つのジェット、前記焦点、及び前記液体の第二のジェットによって定まる角度が、約３０°〜約１８０°の角度の範囲から選択される請求項４２または４４に記載のノズル。
67. 霧状の液体を生成する液体噴射装置であって、
    液体入口と、液体計量手段と、ノズルを含む液体出口を有する本体と、
    前記噴射装置の前記本体に供給される液体の加圧源と、を備え、
    前記ノズルは、前記液体の加圧された液体ジェットが出る４つ以上のジェットオリフィスを含み、２つ以上のジェットが、前記噴射装置の外部の共通の焦点に向けられ、２つ以上の共通の焦点があり、前記焦点における前記加圧された液体ジェットの衝突により、前記液体の噴霧された形態を生成し、
    同じ焦点に向けられた任意の２つのジェット間の夾角が、３０°と１８０°の間であり、
    前記計量手段は、正確かつ制御可能な開始および停止時間で正確な液体流量を提供することを特徴とする液体噴射装置。
68. 霧状の液体を生成する液体噴射装置であって、
    噴射装置ハウジングと、
    外部の液体源に結合されるように構成された液体入口と、
    前記液体入口と流体連通するピントル弁であって、前記外部の液体源からの液体流量を調節可能に計測するように構成された前記ピントル弁と、
    前記ピントル弁と流体連通し前記噴射装置ハウジングの外面に形成されたそれぞれの傾斜オリフィスで終端する複数の液体通路であって、前記傾斜オリフィスが形成された平面から離れた所定の位置に配置された共通の衝突点へそれぞれの液体ジェットを向けるように寸法決めされると共に傾斜された前記複数の液体通路と、を備え、
    前記所定の位置は、前記外面への噴霧液体の衝撃を最小にするように決定された前記外面からの距離に前記液体噴射装置の中心軸に沿って配置され、前記所定の位置は、ｄを傾斜オリフィス直径、Ｃを定数、ＳＭを（ν／σ）×（２ΔＰ×ρ）^１／２で定義した係数、νを動粘度、σを表面張力、ΔＰを傾斜オリフィスの圧力降下、ρを流体密度、Ａ_０をオリフィス面積、ρ_Ｌを流体密度、ρ_ａを空気密度、Ｃ_ｄｃを軸流における気筒の表皮摩擦抵抗係数とするとき、Ｌ ＝ ｄ×Ｃ×ＳＭおよびＬ ＝（Ａ_０×ΔＰ）／［σ+Ｋ×ｄ×ΔＰ／ρ_Ｌ］、Ｋ ＝（ρ_ａπＣ_ｄｃ／３）を満足する液体長距離の最低未満であることを特徴とする液体噴射装置。
69. 前記液体は、炭化水素であり、それぞれの傾斜オリフィスは、約２００μｍから約４００μｍの範囲の直径を有し、衝突点は、前記オリフィスが形成され前記中心軸と直列している平面から離れた２つと３つの傾斜オリフィス直径間に配置される請求項６８の液体噴射装置。
70. 前記複数の液体通路は、それぞれ、前記中心軸に対して約２０°〜約１６０°の範囲の角度で傾斜している請求項６８に記載の霧状の液体を生成する液体噴射装置。
71. 前記ピントル弁と流体連通し前記噴射装置ハウジングの前記外面に形成された中央オリフィスで終端する中央液体通路をさらに含み、前記中央オリフィスは、前記中心軸と一致する液体ジェットを前記衝突点に向けるように構成される請求項６８に記載の霧状の液体を生成する液体噴射装置。
72. 噴射装置本体の外面から前記噴射装置本体内に形成された空洞内に配置されたピントル弁座に延びる２つ以上の第一の液体通路を穿孔し、
    前記噴射装置本体の前記外面からその非端部領域で前記第一の液体通路と交差するように延びる第二の液体通路であって、前記噴射装置本体の前記外面に形成されたオリフィスを出るジェットを前記噴射装置本体の外部の所定点へ向けてそこで衝突させるように構成された傾いた前記オリフィスで終端する前記第二の液体通路を穿孔し、
    前記噴射装置本体の前記外面と前記第二の液体通路との交点との間で前記第一の液体通路を封止することを特徴とする噴霧化噴射装置を製造する方法。
73. 前記第一の液体通路と前記第二の液体通路の各交点に沈降室を形成することをさらに含む請求項７２に記載の方法。
74. 前記第一の液体通路を封止することは、栓を利用し、前記栓の端面が前記沈降室の表面を形成するように、前記噴射装置本体の前記外面から前記沈降室の領域まで前記第一の液体通路を封止することを含む請求項７３に記載の方法。
75. 前記栓は、前記沈降室に挿入される面取り端部を有する請求項７２に記載の方法。
76. 噴射装置本体の外面から前記噴射装置本体内に形成された空洞内に配置されたピントル弁座に延びる２つ以上の第一の液体通路を穿孔し、
    前記噴射装置本体の前記外面からその非端部領域で前記第一の液体通路と交差するように延びる第二の液体通路であって、前記噴射装置本体の前記外面に形成されたオリフィスを出るジェットを前記噴射装置本体の外部の所定点へ向けてそこで衝突させるように構成された角度で傾いた前記オリフィスで終端する前記第二の液体通路を穿孔し、
    前記弁座を前記空洞内に挿入し、
    前記第一の液体通路のそれぞれの開口を前記第二の液体通路のそれぞれの開口と整列させ、
    前記弁座を前記噴射装置本体に取り付けることを特徴とする噴霧化噴射装置を製造する方法。