JP2021507175A - 渦流室を有する流体噴射器ノズル - Google Patents
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Abstract
入口側の入口面(12)と、出口側の出口面(12)と、入口面と出口面との間の厚さと、その厚さ内に位置する渦流室(20)であって、底面(22)と、出口面に渦流室の出口開口部(24)の外周部を形成するように底面から出口側に向かって延びる外側側壁(28)とを含む渦流室と、少なくとも1つのフィーダ貫通孔(30)であって、入口面の入口開口部(32)と、渦流室内に開口する出口開口部とを有し、少なくとも1つのフィーダ貫通孔を通って流れる流体を、外側側壁に沿ってかつ渦流室内で、渦流室の中心軸線(11)の周りを回って流れるように方向付けるフィーダ貫通孔と、を含む、ノズル(100)。
Description
本発明は、流体(例えば、液体又は気体燃料)噴射器であって、具体的には流体(例えば、液体又は気体燃料)噴射器ノズルを備える、より具体的には、渦流室と、渦流室内への流体連通をもたらす少なくとも1つのフィーダ貫通孔とを含む流体噴射供給口を有する流体噴射器ノズル構造体又は構成要素(例えば、ノズルプレート、モノリシックノズルプレートとバルブガイド、又は組立済みのノズルプレートとバルブガイド)を備える、流体噴射器、その作製方法、及びその使用方法に関する。
本明細書で提供される背景技術の記載は、全体的に本開示の背景状況を示すことを目的とする。この背景技術セクションに記載される範囲で名前を挙げた発明者の仕事、並びに申請時点で従来技術として的確でない記載の態様は、本開示に対する従来技術とは、明確にも含意的にも認められない。
燃料噴射は、内燃(IC)機関の燃焼室内での燃料送達の好ましい方法となっており、したがって、キャブレター式システムに対する需要又は必要性を最小限に抑えるものである。燃料噴射システムでは、燃料噴射器ノズルは、最適なエンジン性能及びエンジン寿命のために、燃焼プロセスにおいて適切な空気/燃料混合物を提供する噴霧パターン又は液滴のプルームの形態で燃焼室に燃料を送達するように意図されている。しかしながら、従来の燃料噴射器ノズル設計は、このような燃料噴霧パターン又はプルームをもたらすための汎用性を示さないことがある。例えば、燃料を、燃焼室の範囲内で、ノズルから最適な距離で、最適な液滴サイズ及び分布パターン又はプルームに分解することができない場合がある。加えて、ノズルは、全ての噴射事象中に、最適な液滴サイズ及び分布パターン又はプルームを安定的に生成しないことがある。不十分に形成された燃料噴霧パターン若しくはプルーム、又はそのむらのある形成は、不完全な燃焼につながる可能性があり、これは、排出量が増加すること、燃費が低下すること、及びエンジンの燃焼室内に燃焼副産物が蓄積すること(コークス生成)につながる。
円錐形状の燃料噴霧プルーム又はパターンを生成することができる燃料噴射器(例えば、圧電作動型燃料噴射器)が存在する(例えば、米国特許第6,420,817号)。このような燃料噴霧形状が望ましい場合があるが、このようなプルームを作製するために使用される噴射器は、非常に複雑で高価であり得る。そのような燃料噴射器は、それらのノズルが全燃焼サイクルの間、開いたままとなる(すなわち、閉じない)ような故障をすることもある。本発明の望ましい目的は、以下の属性のうちの1つ又は任意の組み合わせを呈することができる燃料噴射器ノズル設計を提供することであり、それらの属性とは、円錐形状の燃料プルームを生成するコストを低減すること、同一の円錐形状燃料プルームを安定的に生成すること、開位置で故障しないこと、及び多種多様な円錐形状の燃料噴霧プルームを生成するように変更可能であることである。
本発明は、少なくとも1つの流体噴射供給口又は貫通孔を有する新しい流体供給又は噴射ノズル構造体(例えば、モノリシックノズルプレート、モノリシックノズルプレートとバルブガイド、又は組立済みのノズルプレートとバルブガイド、の形態)を提供する。流体噴射供給口は、ノズル構造体の出口側の出口面に少なくとも1つの出口開口部を有する渦流室と、ノズル構造体の入口側の入口面から渦流室内への流体連通をもたらす1つ以上のフィーダ貫通孔とを含む。
1つ以上の実施形態において、渦流室内に開口した各フィーダ貫通孔は、フィーダ貫通孔を通って流れる流体を、渦を巻くように、そうでなければ渦流室の外側側壁に沿って流れるように方向付けるように構成されており、外側側壁は、渦流室の軸線(例えば、法線軸であり得る中心軸線)の周りに位置している。フィーダ貫通孔の出口開口部は渦流室内に開口しており、少なくとも流体が渦流室内にある間、フィーダ貫通孔を通って渦流室の出口開口部から流出する流体が、渦流室軸線の周りを回って流れるように方向付けられる。
1つ以上の実施形態において、渦流室を出る流体(例えば、液体燃料)は、渦流室の出口開口部から所望の距離で安定的に液滴に分裂され得、液滴は、所望の平均液滴サイズ、液滴分布、及び液滴パターン又はプルームへと分裂され得る。本発明の1つ以上の実施形態によって提供される噴霧パターン及び分裂距離は、燃焼機関の燃料噴射システムで使用される場合、送達される燃料の燃焼特性を改善することができ、これは、排出量の低下、燃費改善、及び内燃(「IC」)機関内の副産物蓄積の低減、のうちの1つ又は任意の組み合わせにつながり得る。
特定の最適な液滴サイズ及び分布を、1つの噴射事象から次の噴射事象まで維持することに加えて、反復可能な噴霧パターン又はプルームを有することが有利であり得る。内燃機関では、例えば、液滴サイズを小さくすることによって、液滴表面積全体を増加させることができるため、液滴を小さくすることが望ましい場合があり、これにより、燃料の燃焼を急冷するために利用可能な燃料が減少し、内燃機関の燃焼室内で、液滴をより速く蒸発させ、より完全に燃焼させることができる。より完全な燃焼により、エンジンを、より低い当量比又はリーンで運転することが可能になり、これは、各燃料噴射及び燃焼事象又はサイクルに必要とされる燃料が少なくて済むことを意味するため、IC機関の燃料効率が向上する。
液滴サイズはまた、所与の燃焼サイクル又は事象について、ノズルから燃焼室内への燃料の侵入深さ、又はノズル出口面若しくは表面からの燃料の侵入距離に影響を及ぼし得る。燃料液滴サイズは、供給される燃料の圧力とは無関係に、貫通孔空洞の形状によって影響され得る。侵入距離は、ノズル貫通孔を出るときの燃料の流量によって影響され得る。流出する燃料の流量は、供給される燃料の圧力とは無関係に、貫通孔空洞の形状によって影響され得る。各燃料流の侵入距離、各燃料流における燃料液滴のサイズ、又はその両方を調整するように貫通孔の空洞形状を調整することを利用して、燃料噴射器ノズルを出る個々の貫通孔燃料流によって形成される全体的な燃料パターンの形状(例えば、広がり)を変えることができる。この技術により、燃料と、新鮮な空気の充填(すなわち、燃焼事象ごとに燃焼室内に供給される新鮮な空気の量)とのより効率的な混合を可能にすることができる。
理論に束縛されることは望まないが、本明細書に記載されるように、渦流室及び1つ以上のフィーダ貫通孔を有する1つ以上の燃料噴射供給口を組み込んだ例示的なノズル構造体は、既存の噴射システムによって費用効果的な方法では提供されない液滴サイズ分布及び噴霧パターンの両方において特定の利点をもたらすことができる。例えば、本明細書に記載されるように、このノズル構造体の渦流室とフィーダ貫通孔との組み合わせによって流体(すなわち、液体又は気体燃料)にもたらされる角運動量が、流体が渦流室から出る際に、流体が選択された円錐形状噴霧パターンを形成するようにできることが理論化されている。加えて、流体における横方向剪断力は、流体が渦流室を出た後に、液滴を都合の良いサイズ分布に形成することができる。
本明細書に記載されるようなノズル構造体の渦流室の出口におけるカウンタボア(counterbore)の追加は、1つ以上の実施形態において、本明細書に記載されるようなノズル構造体内の渦流室及び/又はフィーダ貫通孔の高さの更なる制御をもたらし得、したがって、流体(例えば、燃料)液滴サイズ分布及び噴霧パターンの更なる制御をもたらし得る。
本発明のこれらの及び他の態様、特徴、及び/又は利点は、本明細書において図面及び詳細な説明で更に示されかつ説明され得、同様の参照番号は類似の部品を表わすために用いられる。ただし、図面及び説明は例示のみを目的としたものであって、本発明の範囲を不要に限定するものとして読まれるべきものではない点は理解されたい。
上記の本発明の概要は、本発明について開示される各実施形態又は全ての実施の記載を意図したものではない。以下の説明は、例示的な実施形態をより具体的に例示する。本出願にわたるいくつかの箇所では、例を列挙することによって指針が示されるが、それらの例は様々な組み合わせにおいて使用することができる。いずれの場合にも、記載された列挙項目は、代表的な群としての役割のみを果たすものであり、排他的な列挙として解釈されるべきではない。
添付の図面において、
本明細書に記載される渦流室及び1つ以上のフィーダ貫通孔を有するノズルプレートを含むノズルの、模式的円錐形状の噴霧プルーム又はパターンを有する1つの例示的実施形態の断面図である。
本明細書に記載される渦流室及び1つ以上のフィーダ貫通孔を含む供給口を有するノズルプレートを含む、異なるバルブ及びバルブガイドと共に使用するように設計された、ノズルの別の例示的実施形態の断面図である。
本明細書に記載される渦流室20及びフィーダ貫通孔30を含む供給口を含むノズルプレート10の一部の拡大断面図である。
図1Cの線1D−1Dに沿って取られたノズルプレート10の一部の拡大断面図である。
任意のノズル構造体で使用することができ、渦流室内につながる複数のフィーダ貫通孔を含む渦流室を含む例示的な供給口のネガティブ像の斜視図である。
任意のノズル構造体についてのフィーダ貫通孔30から渦流室20内への流れ方向の間の例示的な関係を説明するために示された軸線31を有する、軸線11に沿って取られた平面図である。
中心軸線11及び貫通孔軸線31のうちの1つに関してフィーダ貫通孔30から渦流室20内への流れの方向の間の例示的な関係を説明するために提供される概略図である。
本明細書に記載される渦流室の1つの例示的実施形態の内側側壁及び外側側壁の両方に方向付けられた貫通孔軸線の1つの例示的実施形態を示す概略図である。
本明細書に記載される渦流室の1つの例示的実施形態の外側側壁に方向付けられた貫通孔軸線の1つの例示的実施形態を示す概略図である。
本明細書に記載される任意のノズル構造体内に設けられ得る渦流室の例示的な代替的実施形態を含む、出口面の平面図である。
本明細書に記載される任意のノズル構造体内に設けられ得る渦流室の例示的な代替的実施形態を含む、出口面の平面図である。
本明細書に記載される任意のノズル構造体内に設けられ得る渦流室の例示的な代替的実施形態を含む、出口面の平面図である。
本明細書に記載される任意のノズル構造体内に設けられ得る渦流室の例示的な代替的実施形態を含む、出口面の平面図である。
単一のノズルプレートに複数の渦流室を含む出口面の平面図である。
図5Aの線5B−5Bに沿って取られた、図5Aのノズルプレートの断面図である。
本明細書に記載される、その出口にカウンタボアを有する渦流室を含むノズルプレートの別の例示的実施形態の拡大断面図である。
本明細書に記載される任意のノズル構造体に使用され得る複数のフィーダ貫通孔を含む渦流室を含む供給口の例示的実施形態のネガティブ像の斜視図である。
本明細書に記載される任意のノズル構造体に使用され得る複数のフィーダ貫通孔を含む渦流室を含む供給口の例示的実施形態のネガティブ像の斜視図である。
本明細書に記載される任意のノズル構造体に使用され得る複数のフィーダ貫通孔を含む渦流室を含む供給口の例示的実施形態のネガティブ像の斜視図である。
本明細書に記載される任意のノズル構造体に使用され得る複数のフィーダ貫通孔を含む渦流室を含む供給口の例示的実施形態のネガティブ像の斜視図である。
本明細書に記載される任意のノズル構造体に使用され得る複数のフィーダ貫通孔を含む渦流室を含む供給口の例示的実施形態のネガティブ像の斜視図である。
本明細書に記載される任意のノズル構造体に使用され得る複数のフィーダ貫通孔を含む渦流室を含む供給口の例示的実施形態のネガティブ像の斜視図である。
本明細書に記載される任意のノズル構造体に使用され得る複数のフィーダ貫通孔を含む渦流室を含む供給口の例示的実施形態のネガティブ像の斜視図である。
本明細書に記載される任意のノズル構造体に使用され得る複数のフィーダ貫通孔を含む渦流室を含む供給口の例示的実施形態のネガティブ像の斜視図である。
本明細書に記載される任意のノズル構造体に使用され得る複数のフィーダ貫通孔を含む渦流室を含む供給口の例示的実施形態のネガティブ像の斜視図である。
本明細書に記載される任意のノズル構造体に使用され得る複数のフィーダ貫通孔を含む渦流室を含む供給口の例示的実施形態のネガティブ像の斜視図である。
本明細書に記載される任意のノズル構造体に使用され得る複数のフィーダ貫通孔を含む渦流室を含む供給口の例示的実施形態のネガティブ像の斜視図である。
本明細書に記載される任意のノズル構造体に使用され得る複数のフィーダ貫通孔を含む渦流室を含む供給口の例示的実施形態のネガティブ像の斜視図である。
本明細書に記載されるノズル構造体内の渦流室を使用して形成され得る漏斗形状のプルームの1つの例示的実施形態の模式的表現の斜視図である。
プルームの向かい合う側同士又は縁同士の間の角度θを示す、図19の漏斗形状のプルームの側面図である。
本明細書に記載される渦流室及び少なくとも1つのフィーダ貫通孔を含む供給口を有するノズルプレートの1つの代替的な例示的実施形態の上面図、底面図、側面図、及び断面図を示す。
本明細書に記載される渦流室及び少なくとも1つのフィーダ貫通孔を含む供給口を有するノズルプレートの1つの代替的な例示的実施形態の上面図、底面図、側面図、及び断面図を示す。
本明細書に記載される渦流室及び少なくとも1つのフィーダ貫通孔を含む供給口を有するノズルプレートの1つの代替的な例示的実施形態の上面図、底面図、側面図、及び断面図を示す。
本明細書に記載される渦流室及び少なくとも1つのフィーダ貫通孔を含む供給口を有するノズルプレートの1つの代替的な例示的実施形態の上面図、底面図、側面図、及び断面図を示す。
本明細書に記載されるノズルプレート内に設けられ得る渦流室の代替的な例示的実施形態の断面図である。
本明細書に記載されるノズルプレート内に設けられ得る渦流室の代替的な例示的実施形態の断面図である。
本明細書に記載されるノズルプレート内に設けられ得る渦流室の代替的な例示的実施形態の断面図である。
本明細書に記載されるノズルプレート内に設けられ得る渦流室の代替的な例示的実施形態の断面図である。
本明細書に記載されるノズルプレート内に設けられ得る渦流室の他の代替的な例示的実施形態の断面図である。
本明細書に記載されるノズルプレート内に設けられ得る渦流室の他の代替的な例示的実施形態の断面図である。
本明細書に記載されるノズルプレートの別の代替的実施形態の平面図である。
図31の線32−32に沿って取られた、図31のノズルプレートの一部の断面図である。
図31の線33−33に沿って取られた、図31のノズルプレートの一部の断面図である。
それぞれ、渦流室及び複数のフィーダ貫通孔を有する、本発明の一実施形態によるネガティブ像供給口の側面図、上面図、及び底面図である。
それぞれ、渦流室及び複数のフィーダ貫通孔を有する、本発明の一実施形態によるネガティブ像供給口の側面図、上面図、及び底面図である。
それぞれ、渦流室及び複数のフィーダ貫通孔を有する、本発明の一実施形態によるネガティブ像供給口の側面図、上面図、及び底面図である。
図34A〜図34Cの供給口の渦流室のみの拡大断面図である。
図34A〜図34Cに示されるフィーダ貫通孔のうちの1つの拡大側面図である。
それぞれ、渦流室及び複数のフィーダ貫通孔を有する、本発明の別の実施形態によるネガティブ像供給口の側面図、上面図、及び底面図である。
それぞれ、渦流室及び複数のフィーダ貫通孔を有する、本発明の別の実施形態によるネガティブ像供給口の側面図、上面図、及び底面図である。
それぞれ、渦流室及び複数のフィーダ貫通孔を有する、本発明の別の実施形態によるネガティブ像供給口の側面図、上面図、及び底面図である。
図35A〜図35Cに示されるフィーダ貫通孔のうちの1つの拡大側面図である。
それぞれ、本発明の異なる実施形態によるネガティブ像供給口の側面図、上面図、及び底面図である。
それぞれ、本発明の異なる実施形態によるネガティブ像供給口の側面図、上面図、及び底面図である。
それぞれ、本発明の異なる実施形態によるネガティブ像供給口の側面図、上面図、及び底面図である。
それぞれ、本発明の別の実施形態によるネガティブ像供給口の側面図、上面図、及び底面図である。
それぞれ、本発明の別の実施形態によるネガティブ像供給口の側面図、上面図、及び底面図である。
それぞれ、本発明の別の実施形態によるネガティブ像供給口の側面図、上面図、及び底面図である。
それぞれ、本発明の異なる実施形態によるネガティブ像供給口の側面図、上面図、及び底面図である。
それぞれ、本発明の異なる実施形態によるネガティブ像供給口の側面図、上面図、及び底面図である。
それぞれ、本発明の異なる実施形態によるネガティブ像供給口の側面図、上面図、及び底面図である。
図38A〜図38Cの供給口の渦流室のみの拡大断面図である。
それぞれ、本発明の別の実施形態によるネガティブ像供給口の側面図、上面図、及び底面図である。
それぞれ、本発明の別の実施形態によるネガティブ像供給口の側面図、上面図、及び底面図である。
それぞれ、本発明の別の実施形態によるネガティブ像供給口の側面図、上面図、及び底面図である。
図39A〜図39Cの供給口の渦流室のみの拡大断面図である。
それぞれ、本発明の一実施形態によるネガティブ像供給口の側面図、上面図、及び底面図である。
それぞれ、本発明の一実施形態によるネガティブ像供給口の側面図、上面図、及び底面図である。
それぞれ、本発明の一実施形態によるネガティブ像供給口の側面図、上面図、及び底面図である。
図40A〜図40Cの供給口の渦流室のみの拡大断面図である。
それぞれ、本発明の別の実施形態によるネガティブ像供給口の側面図、上面図、及び底面図である。
それぞれ、本発明の別の実施形態によるネガティブ像供給口の側面図、上面図、及び底面図である。
それぞれ、本発明の別の実施形態によるネガティブ像供給口の側面図、上面図、及び底面図である。
本発明の例示的実施形態を説明する際に、明確にするために特定の用語が使用される。しかしながら、本発明は、そのように選択された特定の用語に限定されることを意図するものではなく、そのように選択された各用語は、同様に動作する全ての技術的等価物を含む。
別途断りがない限り、本明細書及び特許請求の範囲で用いる加工寸法(feature size)、量、及び物理的特性を表す全ての数は、全ての場合において、用語「約」によって修飾されていると理解するものとする。したがって、特に反対の指示がない限り、上記明細書及び添付の特許請求の範囲に記載されている数値パラメータは、本明細書で開示される教示を利用して当業者が得ようとする所望の特性に応じて変動し得る近似値である。
用語「含む(comprises)」及びその変化形は、これらの用語が本明細書及び特許請求の範囲に現れる場合、限定的な意味を有するものではない。
「好ましい(preferred)」及び「好ましくは(preferably)」という語は、ある特定の状況下である特定の利益をもたらし得る本発明の実施形態を指す。ただし、他の実施形態もまた、同じ又は他の状況において好ましい場合がある。更にまた、1つ以上の好ましい実施形態の記載は、他の実施形態が有用でないことを含意するものではなく、他の実施形態を本発明の範囲から排除することを意図するものでもない。
本明細書で用いる場合、「a」、「an」、「the」、「少なくとも1つの(at least one)」、及び「1つ以上の(one or more)」は、互換的に用いられる。したがって、例えば、「1つの」貫通孔を含むノズル構造体は、「1つ以上の」貫通孔を含むノズル構造体と解釈され得る。
用語「及び/又は(and/or)」は、列挙された要素のうちの1つ若しくは全て、又は列挙された要素のうちの任意の2つ以上の組み合わせを意味する。
本明細書で用いる場合、用語「又は」は、内容において別途明示されていない限り、概して「及び/又は」を含む意味で用いられている。
また、本明細書において、端点による数値範囲の列挙は、特に明記しない限り、0.001の増分で(例えば、1〜5の範囲には、1.000、1.001、1.002など、1.100、1.101、1.102など、2.000、2.001、2.002など、2.100、2.101、2.102など、3.000、3.001、3.002など、3.100、3.101、3.102など、4.000、4.001、4.002など、4.100、4.101、4.102など、5.000、5.001、5.002など)その範囲内に包含される全ての数及びその範囲内の任意の範囲を含む。
本明細書に記載されるノズル構造体及びノズル構造体を組み込んだノズルは、1つ以上の実施形態において、任意の適した積層造形技術(すなわち、プロセス及び機器)を使用して作製することができる。このような積層造形技術としては、例えば、単一光子、多光子、又は他のネットシェイプ技術の使用が挙げられ得る。使用することができるこのような積層造形技術としては、例えば、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、米国特許第9,333,598(B2)号及び米国特許出願公開第2013/0313339号(両方とも名称「Nozzleand Method of Making Same」)に記載される多光子(例えば、2光子)技術、機器、及び材料が挙げられる。本明細書に記載されるノズル構造体及びノズル構造体を組み込んだノズルの製造方法は、以下の同時係属出願、すなわち、参照によりその全体が本明細書にそれぞれ組み込まれる、2016年12月23日に出願された米国仮特許出願第62/438,567号に基づく国際出願PCT/IB2017/058299号「METHOD OF ELECTROFORMING MICROSTRUCTURED ARTICLES」、2016年12月23日に出願された米国仮特許出願第62/438,558号に基づく国際出願PCT/IB2017/058168号「NOZZLE STRUCTURES WITH THIN WELDING RINGS AND FUEL INJECTORS USING THE SAME」、及び2016年12月23日に提出された米国仮特許出願第62/438,561号に基づく国際出願PCT/IB2017/058315号「MAKING NOZZLE STRUCTURES ON A STRUCTURED SURFACE」にも記載され得る。
一実施形態では、多光子積層造形プロセス、機器、及び他の技術を使用して、様々な微細構造化特徴部を作製することができ、この特徴部は、例えば燃料噴射器で使用されるものなど、ノズルの少なくとも一部を形成するために組み込まれた1つ以上のノズル構造体で使用され得る1つ以上の孔形成特徴部を含むことができる。このような特徴部を使用してノズル構造体(又は他の物品)自体を形成することができ、特徴部を使用してノズル構造体(又は他の物品)を作製するのに有用な中間成形型を形成することができ、又は特徴部を使用してそれらの両方を形成することができる。他の適した積層造形プロセス(例えば、電気めっき、金属粒子焼結、及び他の金属積層造形プロセス)を微細構造化特徴部と共に使用して、ノズル構造体(又は他の物品)及び中間成形型を形成することができる。本明細書に記載されるノズル構造体(例えば、ノズルプレート)及び本発明による任意の他のノズル構造体(例えば、ノズルプレート、ノズルプレートと一体的に形成されたバルブガイドなど)は、1つ以上の金属、金属合金、セラミックスなど、ノズル用途(例えば、燃料噴射器用ノズル)で使用するのに適した任意の材料で構築され得る。具体的には、電気めっき可能な金属及び金属合金(例えば、ニッケル、ニッケル−コバルト、ニッケル−マンガン、又は他のニッケル系合金)が望ましい場合がある。
図1A、図1B、及び図1Cは、本明細書に記載されるノズル構造体であるプレート10の1つの例示的実施形態を組み込んだノズル100の1つの例示的実施形態を示す。ノズル100は、ノズルプレートと一体的に形成されたバルブガイド内に配置されたバルブ102を含む(両者とも図1Aにおいて参照番号10で特定される)。あるいは、図1Bに示すように、ノズルプレート及びバルブガイドは、互いに対して(例えば、溶接により)固定された2つの別個の構成要素(それぞれ参照番号10及び103)とすることができる。ノズルプレート10の入口表面又は面12に向かう及びそこから離れる、バルブガイドによって形成された空洞内でのバルブ102の移動が、ノズルプレート10のフィーダ貫通孔30及び渦流室20を通過する液体又は気体流体(例えば、ガソリン、ディーゼル燃料、燃料油、アルコール、メタン、ブタン、天然ガスなどの燃料)の送達をもたらす。
フィーダ貫通孔30を通過して渦流室20に入る流体は、流体流の所望の噴霧パターンで渦流室20を出て、流体プルームを形成する。その1つの例示的な例が、図1Aにおいて噴霧パターン又はプルーム150として示されている。噴霧パターン又はプルーム150は、好ましくは、中心軸線11の周りに形成される。1つ以上の実施形態では、噴霧パターン又はプルームは中心軸線を画定してもよく、この中心軸線は、1つ以上の実施形態では、本明細書に記載されるノズルプレート内の渦流室を出る複数の流体流によって形成される噴霧パターン又はプルームの中心内に形成されるものとして説明され得る。噴霧パターン又はプルームの中心は、流体が移動する方向に噴霧パターン又はプルームを形成する液滴が占める体積の中心によって画定され得る。中心軸線11が渦流室の中心を通り、かつ外側側壁、内側側壁(ある場合)、又は内側及び外側側壁の両方(両方ある場合)に平行に延びるように渦流室が形成されることが望ましい場合がある。
ノズルプレート10は、バルブ102に面する入口側の入口表面又は面12と、ノズルプレートの入口面12とは反対側にあるノズルプレート10の出口側の出口表面又は面14とを有している。ノズルプレート10は、渦流室20及びフィーダ貫通孔30によって占有される領域において入口面12と出口面14との間の厚さを画定する。例えば、図1Cを参照すると、渦流室20が、その厚さ内に位置しており、縁部を有する底面22と、底面22の縁部に沿って位置し、底面22から出口面14に向かって延びる外側側壁28とによって少なくとも部分的に画定される。その結果、外側側壁28は、出口面14に渦流室20の出口開口部24の外周部を形成する。渦流室20から出る流体は、出口面14の渦流室20の出口開口部24を通過する。
渦流室20の図示された例示的実施形態では、渦流室は円環状溝の形態で設けられており、したがって、外側側壁28に面する内側側壁26を含む。内側側壁26は、渦流室20の底面22から出口面14に向かって延びており、また、出口面14で渦流室20の出口開口部24の内周部を形成している。渦流室20の内側側壁26を少なくとも部分的に画定するノズル構造体の部分を、中央ランド部又は島部29と呼ぶことがある。この中央ランド部又は島部29は、図5、図6、及び図25〜図28にそれぞれ示される渦流室320、420、及び1920などの止まり穴渦流室を部分的に充填するものとして見ることができる。
図1A及び図1Cに示されるノズルプレート10の例示的実施形態はまた、渦流室20に流体を供給するために使用される複数のフィーダ貫通孔30も含む。図1Dは、図1Cの線1D−1Dに沿って取られたものであり、底面22から出口面14まで延びる渦流室20の外側側壁28を示しており、出口面14は、示された図において、渦流室20の出口開口部24も形成している。複数のフィーダ貫通孔30の複数の出口開口部34が、それぞれの貫通孔軸線31と共に外側側壁28内に見られる。
図2Aは、図1A及び図1C〜図1D又は任意の他のノズル構造体のノズルプレート10内に形成され得る渦流室20及びフィーダ貫通孔30の一実施形態のネガティブ像の斜視図である。換言すれば、図2Aに固体として示される特徴部は、実際には、ノズル構造体(例えば、プレート10)内に形成された空隙に相当し、流体(液体又はガス)が噴射事象中にそこを通って流れる。図2Aに見られるネガティブ像の使用は、本発明のノズル構造体(例えば、プレート10)内に形成されたフィーダ貫通孔及び渦流室を可視化するのに役立つ。
具体的には、フィーダ貫通孔30のそれぞれは、ノズル構造体(例えば、プレート10)の入口面12の入口開口部32と、渦流室20内に開口する出口開口部34とを含む。結果として、フィーダ貫通孔30のそれぞれは、フィーダ貫通孔32を通って流れる流体を、渦を巻くように、そうでなければ渦流室20の周りを回って流れるように方向付けするために使用される。具体的には、フィーダ貫通孔30は、渦流室20の外側側壁28に沿うように流体を方向付けるように配置することができる。1つ以上の実施形態では、フィーダ貫通孔30から渦流室20に流入する流体の方向は、流体が渦流室20内にある間、中心軸線11の周りを回って流れるものとして説明され得る。中心軸線11が渦流室20の中心を通り、かつ側壁26及び28に平行に延びるように任意の渦流室20を形成することが望ましい場合がある。内側側壁26は、中央ランド部又は島部29の最外周を画定する。
フィーダ貫通孔30のそれぞれは、フィーダ貫通孔の出口開口部34を通って延びており、渦流室20内に流入する流体が沿って流れる方向である貫通孔軸線31を画定することを特徴とし得る。1つ以上の実施形態では、中心軸線11と、フィーダ貫通孔30によって画定される貫通孔軸線31との間の関係は、接線方向として説明することができる。換言すれば、貫通孔軸線31は、中心軸線11に対して接線方向に向けられたものとして説明することができる。
この配置は、図2Bを参照してより簡便に説明することができ、この図では、渦流室20の外側側壁28内のフィーダ貫通孔30によって形成された出口開口部34が点線として示されており、フィーダ貫通孔30のそれぞれの貫通孔軸線31が、出口開口部34のそれぞれに通じるように描かれている。図2Bに示されるように、貫通孔軸線31は中心軸線11と交差せず、むしろ、渦流室20によって画定される中心軸線11に対して接線方向に向けられることを特徴とし得る。
図2Bに示される図は中心軸線11に沿って取られているが、図2Cは、中心軸線11に直交して取られた図を示しており、1つ以上の実施形態では、貫通孔軸線31が、軸方向成分を含む傾斜方向として説明することができる方向において、渦流室20内に流体を方向付けるように配置され又は向けられ得ることを示しており、軸方向成分とは、すなわち、流体が、中心軸線11に対して接線方向に方向付けられることに加えて、ノズル構造体(例えば、プレート10)の出口面14及び渦流室20の開口部24にも向かって方向付けられるように、中心軸線11と一直線になった成分である。図2Cに見られるように、中心軸線11上への貫通孔軸線31の投影は、90°未満の夾角α(アルファ)を形成する。結果として、出口開口部24渦流室20からの流体の流出を促進するために、傾斜した貫通孔軸線31に沿って渦流室20内に流入する流体は、中心軸線11を中心とした接線方向及び出口面14に向かう軸方向の両方に方向付けられる。
図3Aは、貫通孔軸線131を画定するフィーダ貫通孔130の1つの例示的実施形態を示す概略図であり、貫通孔軸線131は、中心軸線111を有する渦流室120の1つの例示的実施形態の内側側壁126及び外側側壁128の両方に方向付けられる。渦流室120は、図示された例示的実施形態では、ノズル構造体110の出口面114に開口する。渦流室120に入る流体は、渦流室120内で中心軸線111の周りを通過する前に内側側壁126及び外側側壁128の両方に当たる。中心軸線111が渦流室120の中心を通り、かつ側壁126及び128に平行に延びるように、任意の渦流室120を形成することが望ましい場合がある。内側側壁126は、中央ランド部又は島部129の最外周を画定する。
図3Bは、中心軸線111’を有する渦流室120’の外側側壁128’のみに方向付けられた貫通孔軸線131’を画定するフィーダ貫通孔130’の別の例示的実施形態を示す概略図である。渦流室120’は、図示された例示的実施形態では、ノズル構造体110’の出口面114’に開口する。渦流室120’に入る流体は、渦流室120’内で中心軸線111’の周りを通過する前に外側側壁128’に当たる。
図4A〜図4Dは、本明細書に記載されるノズル構造体に設けられ得る渦流室の更なる例示的実施形態を含むノズル構造体214の出口面の平面図である。例えば、図4Aは、中心軸線211を中心として配置された円環状溝の形態の、外側側壁228、内側側壁226、及び底面222を有する渦流室220を示す。中心軸線211が渦流室220の中心を通り、かつ側壁226及び228に平行に延びるように、任意の渦流室220を形成することが望ましい場合がある。内側側壁226は、中央ランド部又は島部229の最外周を画定する。しかしながら、本明細書に記載されるノズル構造体内の渦流室は、必ずしも形状が円形である必要はない。例えば、図4Bは、中心軸線211’を中心として配置された六角形環状溝の形態の、外側側壁228’、内側側壁226’、及び底面222’を有する渦流室220’を示す。内側側壁226’は、中央ランド部又は島部229’の最外周を画定する。
本明細書に記載されるノズル構造体に設けられる渦流室の別の変形例が図4Cに示されており、渦流室220”が示され、渦流室220”は、中心軸線211”を中心として配置された、外側側壁228”、内側側壁226”、及び底面222”を含む。内側側壁226”は、中央ランド部又は島部229”の最外周を画定する。しかしながら、図4Aの渦流室220の連続した円形環状溝とは対照的に、渦流室220”は、渦流室220”を4つの別個の弓状溝又は副渦流室に分離する障壁223”を含む。任意の渦流室の副渦流室は、直線状(真っ直ぐ)であってもよい(例えば、図4Dを参照)、又は(図4Cに示すような)弓状ではなく任意の他の形状を有してもよいことが理解される。
本明細書に記載されるノズル構造体に設けられる渦流室の更に別の変形例が図4Dに示されており、渦流室220’’’は、複数の副渦流室を有する不連続な溝又は連続した溝(副渦流室同士を接続している仮想線で示される)のいずれかとして示される。連続溝渦流室220’’’又は副渦流室のそれぞれは、中心軸線211’’’を中心として距離を空けて配置された、外側側壁228’’’、内側側壁226’’’、及び底面222’’’を含む。内側側壁226’’’は、中央ランド部又は島部229’’’の最外周を画定する。不連続溝である場合、渦流室220’’’は、渦流室220’’’を複数の副渦流室に分離する複数の障壁223’’’を含む。複数の副渦流室が使用される場合、任意の渦流室の実施形態について、少なくとも1つのフィーダ貫通孔が流体を副渦流室のそれぞれに方向付ける。この実施形態では、各副渦流室は直線溝である。
渦流室220’’’の代替的実施形態では、図示された仮想線は、障壁223’’’をノズル構造体の出口表面214’’’に近接しているものとして示すことができるが、渦流室220’’’の副渦流室のそれぞれは、開口しており、底面222’’’に近接して互いに流体連通している状態である(すなわち、渦流室220’’’の底面222’’’と側壁226’’’及び228’’’の下部とは連続している)。結果として、このような渦流室220’’’内に導入された流体は、底面222’’’に近接して中心軸線211’’’を中心に循環することができるが、その循環は、流体が出口面214’’’に向かって移動するときに、障壁223’’’によって遮られる。
図5Aは、本明細書に記載されるノズル構造体の更に別の変形例を示すために提供される。具体的には、ノズル構造体(例えば、プレート310)は、単一のノズル構造体(例えば、プレート310)の出口面314に開口する2つの異なる渦流室320及び320’を含む出口面314を含むことができる。代替的実施形態では、本明細書に記載されるノズル構造体の1つ以上の実施形態において、任意の数の渦流室が単一のノズル構造体に設けられてもよく、更に、複数の渦流室が同じノズル構造体に設けられる場合、それらは同一であっても異なっていてもよいことが理解されるであろう。図5Bは、図5Aの線5B−5Bに沿って取られた、ノズルプレート310の断面図である。ノズルプレート310は、入口面312及び出口面314を含む。渦流室320は、底面322と、底面322の最外周からノズルプレート310の出口面314の出口開口部324まで延びる外側側壁328とを含む。
渦流室320の例示的実施形態は、渦流室320の中心を通り、かつ側壁328に平行に延びる中心軸線311を画定する。図1A、図1B、及び図1Cに示される渦流室20の中心軸線11は、ノズルプレート10の出口面14に対して垂直である。その結果、円形渦流室20の出口開口部24から出る流体のプルームは、ノズルプレート10の出口面14に対して垂直になる。対照的に、渦流室320の中心軸線311は、ノズルプレート310の出口面314に対して垂直ではない角度で傾斜する。その結果、円形渦流室320の出口開口部324から出る流体の任意のプルームもまた、ノズルプレート310の出口面314に対して垂直ではない角度で傾斜することになる。
同様に、ノズルプレート310内に位置する渦流室320’の例示的実施形態もまた、底面322’と、底面322’の最外周からノズルプレート310の出口面314上の出口開口部324’まで延びる外側側壁328’とを含む。渦流室320’はまた、これもノズルプレート310の出口面314に、底面322’から出口開口部324’まで延びる内側側壁326’を含む。内側側壁326’は、中央ランド部又は島部329’の最外周を画定する。
結果的に得られた渦流室320’は、渦流室320’の中心を通り、かつ側壁326’及び328’に平行に延びる中心軸線311’を有する円環状溝又はチャネルの形態である。渦流室320’の中心軸線311’は、ノズルプレート310の出口面314に対して垂直でない角度で傾斜するため、円形渦流室320’の出口開口部324’から出る流体の任意のプルームもまた、ノズルプレート310の出口面314に対して垂直ではない角度で傾斜することになる。
図5A〜図5Bに示されるノズルプレート310は、ノズル構造体内に設けられた渦流室の中心軸線に対して平行ではない法線軸(すなわち、出口面314に対して垂直な軸線)を画定する出口面314を有するノズルプレート310の1つの例示的実施形態である。本明細書に記載されるノズル構造体で使用され得る渦流室の別の例示的実施形態が、図6の断面図に示されている。図示されたノズルプレート410は、入口面412及び出口面414を含む。渦流室420は、ノズルプレート410内で中心軸線411の周りに形成され、外側側壁428及び底面422を含む。外側側壁428は、底面422から出口面414に向かって延びる。中心軸線411が渦流室420の中心を通り、かつ側壁428に平行に延びるように渦流室420を形成することが望ましい場合がある。1つ以上の実施形態において、渦流室420などの渦流室は、「止まり穴」として特徴付けられ得、これは、この渦流室が、底面422及び外側側壁428によってのみ画定され、本明細書に記載される渦流室の他の例示的実施形態に見られるような溝又はチャネルを形成する内側側壁がないためである。
示された渦流室420は、渦流室420の側壁428が出口面414より下で終端するようにノズル構造体(例えば、ノズルプレート410)の出口面414に形成されたカウンタボア440を含むことができる。結果として、渦流室420は、ノズルプレート410の出口面414からインセットされた出口開口部424を有し、出口開口部424がカウンタボア440の底縁部と一致した状態であるとして説明することができる。カウンタボア440は、出口面414において、中心軸線411から外へ(例えば、半径方向に)出口開口部424よりも広く延びる外縁部444を有するとして更に説明され得る。
本明細書に記載されるノズル構造体の渦流室へのカウンタボアの追加は、1つ以上の実施形態において、ノズル構造体内の渦流室の高さの更なる制御をもたらし得る。具体的には、上述したように渦流室の出口開口部と一致するカウンタボアの底縁部が、内部に渦流室が配置されるノズル構造体の、入口面と出口面との間の任意の所望の中間位置に位置し得る。渦流室の高さ(すなわち、渦流室の底面とカウンタボアの底縁部との間の距離)は、本明細書に記載されているものなどのネットシェイプ積層造形プロセスのうちの1つ以上を使用して(例えば、単一光子又は多光子プロセスによって作製された微細構造体を使用して)制御することができる。これに対して、本明細書に記載されるノズル構造体は、多くの場合、電気めっき又は他の積層造形技術を用いて構築され、この技術は、形成後研削、放電加工(EDM)、若しくは他の材料除去処理を必要とすることがあり、その結果、ノズル構造体の入口面と出口面との間の厚さに多少のばらつきをもたらす。しかしながら、これらの形成後研削又は他の材料除去プロセスは、渦流室のカウンタボアの底縁部又は出口開口部の位置に影響を与えない。それは、それらの特徴部がノズル構造体の出口面からインセットされているためである。このように、カウンタボアの使用により、ノズル構造体の入口面と出口面との間の距離が渦流室の底部とノズル構造体の入口面との間の距離よりも大きいことに配慮せずに、所望に応じて、渦流室の高さ及びフィーダ貫通孔の長さを選択することが可能になる。
1つ以上の実施形態において、本明細書に記載されるノズル構造体の渦流室に関連して設けられるカウンタボアは、渦流室の出口開口部を出る流体が、カウンタボアの底面及び側壁面の任意の部分、大部分、又は有意の部分に接触しないような大きさとすることができる。流出する流体流の物理的特性が著しく影響を受ける場合(例えば、流体流の所望の形状及び分裂が得られない場合)、又は噴射サイクル後にカウンタボアの表面上に十分な流体が残っている場合、カウンタボアの表面は、貫通孔出口開口部を流出する流体と有意に接触していると考えられ、結果的に、カウンタボア面にコークスが蓄積し、燃焼事象の性能に悪影響を与える(例えば、過剰な量又はサイズの炭素系粒子が燃焼室から排出され、コークスの蓄積が貫通孔から出る燃料噴霧によって直接影響を受けることになる、又はコークスの蓄積が貫通孔などから出る燃料噴霧の形状に間接的に影響を与えることになる、又はそれらの任意の組み合わせをもたらす)。結果として、1つ以上の実施形態では、カウンタボアは、ノズル構造体の厚さを薄くする必要なく、又は渦流室の底面をノズル構造体の出口面のより近くに移動させる必要なく、渦流室の高さを低くすることを可能にすることを特徴とする。渦流室の底面を出口面に向かって上方に移動させると、フィーダ貫通孔の長さを長くする必要があることもある。ノズル構造体を全体的に薄くする必要なく、渦流室の高さをこのように低くすることを達成することは、1つ以上の実施形態において、カウンタボアが存在しない場合に薄い全体厚を有するノズル構造体と比較して、ノズル構造体の構造的完全性を維持するのに有益であり得る。
更に、流体が渦流室を出る前に移動する必要がある距離を低減するために(すなわち、流体が渦流室に留まる時間を短縮するために)、渦流室が比較的浅い深さ(すなわち、短い高さ)を有することが望ましい場合がある。流体が渦流室内で移動しなければならない距離を低減することにより、フィーダ貫通孔を出て渦流室を去る間に流体によって失われる運動エネルギーの量を最小限に抑えることができる。流体が保持する運動エネルギーを最大化又は最適化することで、フィーダ貫通孔を出る流体が、渦流室から離れて所望の距離を移動するのに十分な運動エネルギーを確実に有するようにするのに役立ち得る。ノズルが燃料噴射器ノズルである場合、燃料噴射器供給バルブが閉じた後に、閉じたバルブの反対側でノズル構造体内(例えば、ノズルプレートのフィーダ貫通孔及び渦流室に)に残っている後続量(trailing amount)の燃料が、燃焼室での燃焼に間に合うように(すなわち、燃焼事象に加わるために)渦流室から出てノズルから分離するのに十分な運動エネルギーを確実に有することが特に重要であり得る。ノズルから分離しない(すなわち、依然として接触している)いかなる残存燃料も、コークス堆積物の形成に寄与する可能性があり、潜在的には、フィーダ貫通孔、渦流室、又はその両方を通る燃料の流れを妨げる点まで蓄積されることになる可能性がある。したがって、そのような残留燃料の後続量をノズルからそのように分離するのに十分な運動エネルギーを維持するのを促進することが、コークス生成の問題を回避するのにも役立つ。
本明細書に記載されるノズル構造体内の渦流室によって画定される中心軸線に沿ったカウンタボアの高さ(例えば、図6のhcを参照)は、好ましくは、渦流室の高さ(例えば、図6のhsを参照)に対して制限され得、ここで、渦流室の高さは、その底面からその出口開口部までが測定される。例えば、1つ以上の実施形態では、渦流室の中心軸線に沿ったカウンタボアの高さhcが、渦流室の底面からカウンタボアの底部の渦流室出口開口部までを測定した渦流室の高さhs以下であることが望ましい場合がある。1つ以上の代替的実施形態では、渦流室の中心軸線に沿ったカウンタボアの高さhcは、渦流室の高さhsの2分の1以下であってもよい。更に他の代替的実施形態では、渦流室の中心軸線に沿ったカウンタボアの高さhcは、渦流室の高さhsの最大で約2倍又は3倍まで高くてもよい。また、渦流室の高さは、フィーダ貫通孔出口開口部の主要寸法又は幅よりも大きく、フィーダ貫通孔出口開口部の主要寸法の約2倍、3倍、又は4倍以下の範囲であることが望ましい場合がある。
図7は、中心軸線511を有し、本明細書に記載されるノズル構造体に形成され得るフィーダ貫通孔530と共にカウンタボア540を含む渦流室520の別の例示的実施形態のネガティブ像の斜視図である。フィーダ貫通孔530のそれぞれは、渦流室520を含むノズル構造体の入口面に開口することになる入口開口部532と、渦流室520内に開口する出口開口部534とを含む。結果として、フィーダ貫通孔530のそれぞれは、フィーダ貫通孔530を通って流れる流体を、渦を巻くように、そうでなければ渦流室520の周りを回って流れるように方向付けするために使用される。具体的には、フィーダ貫通孔530は、他の例示的実施形態に関連して本明細書に記載されるように、渦流室520を形成している外側側壁に沿って流体を方向付けるように配置することができる。
図6に見られるカウンタボア440の変形例において、図7に示されるカウンタボア540が、(渦流室420に関連して示されるカウンタボア440の丸みを帯びた形状と比較して)比較的鋭い下部周縁部542を含み、カウンタボア540の外縁部544へ上向きに延びる真っ直ぐな側壁を有する。残留燃料の後続量が、ノズル構造体から分離するのに十分な運動エネルギーを維持するのを助けるために、カウンタボア540のこのような鋭い下部周縁部542を取り除き、カウンタボア(例えば、図6のカウンタボア440を参照)の底面と外側側壁との間で、急な(例えば、直角の)遷移部ではなく、漸進的(例えば、丸みを帯びている)遷移部を設けることが望ましいことが分かった。一実施形態では、この漸進的遷移部は、燃料が減速し、停滞して堰き止められる可能性がある、カウンタボア内の低圧体積(すなわち、低流体速度体積)の形成を防止又は大幅に低減するのに十分な大きさの半径によって画定される。この漸進的遷移部は、約50μm〜約200μm以下の範囲の(又は約200μmを超える)半径を有することが望ましい場合がある。この半径は、カウンタボア外側壁の最上縁部及びカウンタボア底面(例えば、図6を参照)の最内縁部(すなわち、貫通孔出口開口部に隣接している)と接するように選択することができる。
図8は、中心軸線611を有し、本明細書に記載されるノズル構造体に形成され得るフィーダ貫通孔630と共にカウンタボア640を含む渦流室620の別の例示的実施形態のネガティブ像の斜視図である。フィーダ貫通孔630のそれぞれは、渦流室620を含むノズル構造体の入口面に開口することになる入口開口部632と、渦流室620内に開口する出口開口部634とを含む。結果として、フィーダ貫通孔630のそれぞれは、フィーダ貫通孔630を通って流れる流体を、渦を巻くように、そうでなければ渦流室620の周りを回って流れるように方向付けするために使用される。具体的には、フィーダ貫通孔630は、他の例示的実施形態に関連して本明細書に記載されるように、渦流室620を形成している外側側壁に沿って流体を方向付けるように配置することができる。図7に見られるカウンタボア540の変形例において、図8に示されるカウンタボア640が、図6に示されるカウンタボア440と同様の丸みを帯びた下縁部642を含む。
図9は、中心軸線711を有し、本明細書に記載されるノズル構造体に形成され得るフィーダ貫通孔730と共に、カウンタボアの代わりに膨張室740を含む渦流室720の別の例示的実施形態のネガティブ像の斜視図である。フィーダ貫通孔730のそれぞれは、フィーダ貫通孔730を通って流れる流体を、渦を巻くように、そうでなければ渦流室720の周りを回って流れるように方向付けするために使用される。具体的には、フィーダ貫通孔730は、他の例示的実施形態に関連して本明細書に記載されるように、渦流室720を形成している外側側壁に沿って流体を方向付けるように配置することができる。上述の実施形態の変形例において、図9に示される膨張室740が、傾斜外面の形態であり、この外面は、軸線711に沿って軸方向上向きに、かつ軸線711から半径方向外向きに離れるように膨張室740の上縁部744まで延びる。カウンタボアとは異なり、渦流室720から流れる流体は、膨張室740の外側壁に接触し、この外側壁によってガイドされることが意図される。このようにして、渦流室720を出る噴霧プルーム又はパターンによって形成される角度θ(例えば、図19及び図20参照)は、膨張室外面の傾斜を変化させることによって、少なくとも部分的に制御することができる。
図10は、中心軸線811を有し、本明細書に記載されるノズル構造体に形成され得るフィーダ貫通孔830と共にカウンタボア840を含む渦流室820の別の例示的実施形態のネガティブ像の斜視図である。フィーダ貫通孔830のそれぞれは、フィーダ貫通孔830を通って流れる流体を、渦を巻くように、そうでなければ渦流室820の周りを回って流れるように方向付けするために使用される。具体的には、フィーダ貫通孔830は、他の例示的実施形態に関連して本明細書に記載されるように、渦流室820を形成している外側側壁に沿って流体を方向付けるように配置することができる。上記のカウンタボアの変形例において、図10に示されるカウンタボア840が、傾斜外側壁又は外面を含み、この傾斜外側壁又は外面は、下縁部842から軸線811に沿って軸方向上向きに、かつ膨張室740と同様に、軸線811から半径方向外向きに離れるようにカウンタボア840の上縁部844まで延びる。カウンタボア840と膨張室740との1つの違いは、図9に見られるように、膨張室740の下縁部742は渦流室720の上縁部と一致している一方、カウンタボア840の下縁部842は、渦流室820の上縁部から外向きに間隔が空いていることである。このように外向きに間隔が空いた下縁部842を有することにより、流体噴霧プルーム又はパターンがカウンタボア840の外側壁と接触することを制限又は排除することができる。上記のように、下縁部842が丸みを帯びていることが望ましい場合がある。
図11は、中心軸線911を有し、本明細書に記載されるノズル構造体に形成され得るフィーダ貫通孔930と共にカウンタボア940を含む渦流室920の別の例示的実施形態のネガティブ像の斜視図である。フィーダ貫通孔930のそれぞれは、フィーダ貫通孔930を通って流れる流体を、渦を巻くように、そうでなければ渦流室920の周りを回って流れるように方向付けするために使用される。具体的には、フィーダ貫通孔930は、他の例示的実施形態に関連して本明細書に記載されるように、渦流室920を形成している外側側壁に沿って流体を方向付けるように配置することができる。上記のカウンタボアの変形例において、図12に示されるカウンタボア940が、中心軸線911に沿って上方にいくとカウンタボア940によって形成された開口部が狭くなるように内側に傾斜した上縁部944を含む。カウンタボア出口のこのような狭まりは、噴射プルーム又はパターンとカウンタボア940の外側壁との間に位置する空気に影響を及ぼすことによって、流出する流体噴霧プルーム又はパターンの外面に影響を及ぼすことができる。例えば、このような狭まりは、この空間内での空気圧の増加を引き起こし、噴霧プルーム又はパターンがカウンタボア940の外側壁に実際に接触することなく、プルーム角度θを低下させることができる。
図12は、共通の中心軸線1011を中心として配置された一対の渦流室の別の例示的実施形態のネガティブ像の斜視図である。渦流室1020及び1020’のそれぞれは、本明細書に記載されるノズル構造体に形成され得るフィーダ貫通孔1030と流体連通している。フィーダ貫通孔1030のそれぞれは、フィーダ貫通孔1030を通って流れる流体を、渦を巻くように、そうでなければ渦流室1020及び1020’の周りを回って流れるように方向付けするために使用される。具体的には、フィーダ貫通孔1030は、他の例示的実施形態に関連して本明細書に記載されるように、渦流室1020及び1020’を形成している外側側壁に沿って流体を方向付けるように配置することができる。
図13は、一対の中心軸線1111及び1111’を中心として配置された一対の渦流室の別の例示的実施形態のネガティブ像の斜視図である。渦流室1120及び1120’のそれぞれは、本明細書に記載されるノズル構造体に形成され得るフィーダ貫通孔1130と流体連通している。フィーダ貫通孔1130のそれぞれは、フィーダ貫通孔1130を通って流れる流体を、渦を巻くように、そうでなければ渦流室1120及び1120’の周りを回って流れるように方向付けするために使用される。具体的には、フィーダ貫通孔1130は、他の例示的実施形態に関連して本明細書に記載されるように、渦流室1120及び1120’を形成している外側側壁に沿って流体を方向付けるように配置することができる。図13に示される渦流室1120及び1120’と図12に示される渦流室1020及び1020’との1つの違いは、図12の渦流室1020及び1020’が共通の中心軸線1011を中心として配置されている一方、渦流室1120及び1120’が互いにオフセットされた一対の中心軸線1111及び1111’を中心として配置されることである。
図14は、共通の中心軸線1211を中心として配置された一対の渦流室の別の例示的実施形態のネガティブ像の斜視図である。渦流室1220及び1220’のそれぞれは、本明細書に記載されるノズル構造体に形成され得るフィーダ貫通孔1230と流体連通している。フィーダ貫通孔1230のそれぞれは、フィーダ貫通孔1230を通って流れる流体を、渦を巻くように、そうでなければ渦流室1220及び1220’の周りを回って流れるように方向付けするために使用される。具体的には、フィーダ貫通孔1230は、他の例示的実施形態に関連して本明細書に記載されるように、渦流室1220及び1220’を形成している外側側壁に沿って流体を方向付けるように配置することができる。渦流室1220と1220’と渦流室1020と1020’との1つの違いは、渦流室1220’が傾斜端面1225’を含む一方で、渦流室1220が傾斜端面1225を含むことである。傾斜端面1225及び1225’は、図12に示される渦流室1020及び1020’の端部の形状と比較して、渦流室1220及び1220’から出る流体の流れを促進することができる。
上述の渦流室の形状及び/又は構成における変形例及び代替例は渦流室に焦点を当てているが、図15〜図18は、本明細書に記載されるノズル構造体内の渦流室に流体を供給するために使用されるフィーダ貫通孔に見出され得る変形例を示す。
図15は、本明細書に記載されるノズル構造体に形成され得る渦流室1320及びフィーダ貫通孔1330の別の例示的実施形態のネガティブ像の斜視図である。フィーダ貫通孔1330のそれぞれは、フィーダ貫通孔1330を通って流れる流体を、渦を巻くように、そうでなければ渦流室1320の周りを回って流れるように方向付けするために使用される。具体的には、フィーダ貫通孔1330は、他の例示的実施形態に関連して本明細書に記載されるように、渦流室1320を形成している外側側壁に沿って流体を方向付けるように配置することができる。フィーダ貫通孔1330は、他の例示的実施形態に関連して本明細書に記載されるように、内部に渦流室1320が配置されるノズル構造体の入口面に開口する入口開口部1332と、渦流室1320内に開口する出口開口部1334とを含む。しかしながら、図15に示されるフィーダ貫通孔1330における1つの違いは、フィーダ貫通孔1330の断面積が入口開口部1332と出口開口部1334との間で変化することである。具体的には、図15のフィーダ貫通孔1330の示された例示的実施形態は、出口開口部1334よりも大きい入口開口部1332を含んでいるため、入口開口部1332から出口開口部1334へいくときにフィーダ貫通孔1330の断面積が減少する。このようなフィーダ貫通孔構成は、流体がフィーダ貫通孔を通って出るときに流体の速度を増加させることができる。このような速度の増加は、フィーダ貫通孔を出る流体が渦流室から出て移動するのに十分な運動エネルギーを確実に得るのに役立ち得る。このことは、ノズルが燃料噴射器ノズルである場合に、燃料噴射器供給バルブが閉じた後に、後続量の燃料が、燃焼室での燃焼に間に合うように(すなわち、燃焼事象に加わるために)渦流室から出るのに十分な運動エネルギーを確実に有するために、特に重要であり得る。他の代替的実施形態では、逆の配置が生じることが可能であり得る。すなわち、フィーダ貫通孔の断面積は、それぞれの入口開口部から対応するそれぞれの出口開口部へといくときに増加してもよい。
図16は、本明細書に記載されるノズル構造体に形成され得る渦流室1420及びフィーダ貫通孔1430の別の例示的実施形態のネガティブ像の斜視図である。フィーダ貫通孔1430のそれぞれは、フィーダ貫通孔1430を通って流れる流体を、渦を巻くように、そうでなければ渦流室1420の周りを回って流れるように方向付けするために使用される。具体的には、フィーダ貫通孔1430は、他の例示的実施形態に関連して本明細書に記載されるように、渦流室1420を形成している外側側壁に沿って流体を方向付けるように配置することができる。フィーダ貫通孔1430は、他の例示的実施形態に関連して本明細書に記載されるように、内部に渦流室1420が配置されるノズル構造体の入口面に開口する入口開口部1432と、渦流室1420内に開口する出口開口部1434とを含む。しかしながら、図16に示されるフィーダ貫通孔1430における1つの違いは、本明細書に記載されるフィーダ貫通孔の他の例示的実施形態に関連して見られるフィーダ貫通孔1430の(貫通孔の長さに対して横断する面で取られた)断面形状が円形でも楕円形でもないことである。むしろ、図16に示されるフィーダ貫通孔1430は、概ね三角形の断面形状を有する。
他の代替的実施形態では、更に他の断面形状を有するフィーダ貫通孔も可能である。本明細書に記載される渦流室で使用されるフィーダ貫通孔の代替的な形状の数は本質的に無限であるが、本明細書に記載されるように流体を渦流室に送達するために使用され得るフィーダ貫通孔の代替的な断面形状の他の例としては、楕円形、卵形、星形、五角形、六角形などが挙げられる。
図17は、本明細書に記載されるノズル構造体に形成され得る渦流室1520及びフィーダ貫通孔1530及び1530’の別の例示的実施形態のネガティブ像の斜視図である。フィーダ貫通孔1530及び1530’のそれぞれは、フィーダ貫通孔1530及び1530’を通って流れる流体を、渦を巻くように、そうでなければ中心軸線1511の周りを回って流れ、渦流室1520から出るように方向付けするために使用される。具体的には、フィーダ貫通孔1530及び1530’は、他の例示的実施形態に関連して本明細書に記載されるように、渦流室1520を形成している外側側壁に沿って流体を方向付けるように配置することができる。フィーダ貫通孔1530及び1530’は、他の例示的実施形態に関連して本明細書に記載されるように、内部に渦流室1520が配置されるノズル構造体の入口面に開口する入口開口部1532及び1532’(それぞれ)と、渦流室1520内に開口する出口開口部1534及び1534’(それぞれ)とを含む。図17に示される変形例の中に、渦流室1520を形成する内側側壁1526の形状がある。図示されるように、内側側壁1526は、渦流室1520の外側壁1528に向かっては外側壁1528から離れる、波状又はひだ付き表面の形態である。図17に示す別の変形例として、フィーダ貫通孔1530及び1530’の出口開口部1534及び1534’の位置がある。図示されるように、フィーダ貫通孔1530の出口開口部1534は、渦流室1520の底面1522よりも渦流室1520の出口開口部1524の近くで渦流室1520に入っている。反対に、フィーダ貫通孔1530’の出口開口部1534’は、渦流室1520の底面1522よりも渦流室1520の出口開口部1524からより遠くで、渦流室1520に入る。渦流室の高さに沿って別々の位置に配設されたフィーダ貫通孔の出口開口部を有するこの特徴は、本発明の任意の実施形態に用いることができる。本明細書に記載される渦流室に関連して使用されるフィーダ貫通孔の出口開口部の配置における多くの他の変形例が可能であり得、例えば、中心軸線1511と鋭角を形成する線に沿って整列した3つ以上のこのような出口開口部の1つ以上の組を有することを含む。図17に示す更に別の変形例として、同じ渦流室1520が、異なる断面形状を有するフィーダ貫通孔1530及び1530’によって供給が行われることがある。換言すれば、本明細書に記載されるノズル構造体の渦流室は、様々に異なる形状、渦流室内への異なる入口位置、及び本明細書に記載される他の変形例を有するフィーダ貫通孔によって供給が行われてもよい。
図18は、本明細書に記載されるノズル構造体に形成され得る渦流室1620及びフィーダ貫通孔1630の別の例示的実施形態のネガティブ像の斜視図である。フィーダ貫通孔1630のそれぞれは、フィーダ貫通孔1630を通って流れる流体を、渦を巻くように、そうでなければ渦流室1620の周りを回って流れるように方向付けするために使用される。具体的には、フィーダ貫通孔1630は、それらの入口開口部同士が渦流室の外周部の範囲内で互いにごく近接して配置されてよく、各フィーダ貫通孔は最初に外向きに湾曲し、次いで内側に戻るように湾曲して、流体を渦流室1620の周りに入るように方向付ける。このようなフィーダ貫通孔構成は、フィーダ貫通孔の全てに供給を行う1つの入口開口部を有することを可能にする、又は少なくとも容易にすることができる。このようなフィーダ貫通孔構成はまた、貫通孔入口開口部32が配置される入口表面又は入口面の面積(例えば、図34Cの参照AIOを参照)が、渦流室の外周部によって画定されることを可能にすることもできる。入口開口部面積AIOを低減することにより、例えば、ノズルプレートを作製するために使用される材料の強度及び/又は厚さを低減するなどの利益をもたらすことができる。渦流室1620は、内側側壁1626及び外側側壁1628を含み、外側側壁1628は、渦流室1620を含むノズル構造体の出口面に開口し、出口開口部1624を形成するように、軸線1611に沿って軸方向上向きに、かつ軸線1611から半径方向外向きに離れるように渦流室1620の上縁部まで延びる傾斜表面を形成している。外側側壁1626がそのように傾斜するため、渦流室1620は膨張室(例えば、図9の膨張室740など)のように機能し、渦流室1620を通って流れる流体が外側側壁1626に接触してガイドされるので、渦流室1620を出る噴霧プルーム又はパターンによって形成される角度θ(例えば、図19及び図20を参照)は、外側側壁1626の傾斜を変更することによって少なくとも部分的に制御することができる。
1つ以上の実施形態では、本明細書に記載される渦流室及び関連するフィーダ貫通孔を有するノズル構造体は、例えば内燃機関の燃焼室内に燃料を送達するのに有用であり得る漏斗形状の流体プルームを形成することができる。本明細書で使用する場合、「漏斗形状の流体プルーム」という用語は、流体が渦流室内にある間及び流体が渦流室を出た後の流体の形状を指す。流体は、渦流室内にある間は、管形状を有するものとして説明することができ、渦流室の外側にある間は、円錐形状を有するものとして見ることが可能である。合わせて、2つの形状は、概して漏斗形状を形成するものとして見ることができる。連続した環状溝の渦流室の実施形態の内部にある間、プルームの管状部分は概ね中空である。渦流室の内部にある間、その管状部分は、プルームの管形状部分の左右を横切る流体液滴分布を有する、より中実の管状形状を有することもある。プルームの管状部分は、概ね中空であってもよい。この流体液滴分布は、プルームの管形状部分の中心よりも外周部の周りで液滴の濃度が高いと考えられる。
漏斗形状のプルームは、中空であってもよく、又は流体液滴及び/又は流体流で満たされていてもよい。漏斗形状の流体プルームの中心長手方向軸線を通過する、ノズル構造体の出口面に概ね垂直な平面に沿って、断面で見ると、漏斗形状の向かい合う側同士の間に少なくとも約25°〜約135°以下の範囲の幅を有する角度θを形成することが望ましい場合がある。プルームの円錐形状部分は、概ね中空である(すなわち、円錐形状部分の壁内の空間の25%未満が流体を含有している)、又は円錐形状部分の壁内の空間は、少なくとも25%〜50%未満、50%以上、又は少なくとも75%の流体含有量を有し得る。同様に、管形状部分は、円錐形状部分と同程度に概ね中空であり得る。図19〜図20は、ノズル構造体1710の出口面1714に開口する渦流室1720を有するノズル構造体1710を使用して形成され得る、その向かい合う側同士又は縁同士の間に角度θを形成する1つの例示的な漏斗形状の噴霧パターン又はプルーム1750を示し、図示した漏斗形状のプルーム1750は、中心軸線1711の周りに配置されている。
漏斗形状が中空の漏斗形状の壁である場合、壁が連続又は不連続であることが望ましい場合がある。任意の流体液滴又は流体流の全て又は大部分(すなわち、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、又は95%超)が少なくとも1つの他の流体液滴又は流体流と接触する、又はごく近接しているとき、漏斗形状の壁は連続的であると考えられる。所与の液滴又は流れは、別の流体液滴又は流体流との間の間隙が所与の液滴又は流れの直径よりも小さい場合、別の流体液滴又は流体流にごく近接している。任意の流体液滴又は流体流の全て、大部分(すなわち、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、又は95%超、かつ100%未満)、又は相当な量(すなわち、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、又は45%超、かつ50%以下)が別の液滴又は流れにごく近接していないとき、漏斗形状の壁は不連続であると考えられる。流体が内燃機関用の燃料である場合、「漏斗形状のプルーム」という用語は、燃料が渦流室内にある間の、渦流室から出た後の、及びエンジンの燃焼室で燃焼される前の、燃料の形状を指す。漏斗形状のプルームは、渦流室内に、少なくとも部分的に、大部分が、又は完全に位置している初期円筒形状部分と、渦流室の外側に位置し初期円筒形状部分から延びる円錐形状部分とを有する。内燃機関は、例えば、ガソリン直接噴射(GDI)エンジン又は別のタイプの直接噴射(DI)エンジンであることが望ましい場合がある。
本明細書に記載されるノズル構造体は、平坦プレート、湾曲プレート、複合湾曲プレートとすることができ、そうでなければ入口面の表面と出口面の表面とが異なる三次元構造を有することができる。ノズル構造体の出口面は、平坦、半球形、湾曲、そうでなければ立体形状を有することが望ましい場合がある。また、ノズル構造体の入口面及び出口面の表面積のうちの全て、大部分(すなわち、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、又は95%超)、又は実質的に皆無(すなわち、0%〜50%、45%、40%、35%、30%、25%、20%、15%、10%、又は5%未満の範囲)が、互いに厳密に平行(すなわち、従来の製造公差内)、又は概ね平行(すなわち、平行から最大で約1度以内)であることが望ましい場合がある。
平坦な入口面及び出口面を有するノズルプレートの様々な例示的実施形態を、上述し、図示した。図21〜図24は、立体形状を有する入口面及び出口面を有するノズルプレートの1つの代替的な例示的実施形態の上面図、底面図、側面図、及び断面図を示す。具体的には、ノズルプレート1810は、入口面1812及び出口面1814を含む。ノズルプレート1810はまた、中央ランド部又は島部1829によって部分的に画定された渦流室1820と、フィーダ貫通孔1830と、フィーダ貫通孔1830の入口開口部1832とを含む。フィーダ貫通孔1830は、渦流室1820内に通じており、中心軸線1811に対して接線方向成分及び軸方向成分の両方を有する方向に沿って渦流室に流体を送達する。図24に見られるように、入口面1812の一部分及び出口面1814の一部が、三次元湾曲を有する。入口面1812及び出口面1814の図示された三次元湾曲は一致しているが、他の代替的実施形態は、互いに一致しない三次元湾曲を有する入口面及び/又は出口面を含んでもよい。
図25〜図28は、本明細書に記載されるノズルプレート内に設けられ得る渦流室の代替的な例示的実施形態の断面図である。具体的には、図25〜図28は、ノズルプレート1910の例示的実施形態を示し、これらのノズルプレート1910のそれぞれは、入口面1912と、内部に渦流室1920が形成された出口面1914とを含む。渦流室1920のそれぞれは、底面1922及び外側側壁1928を含み、これらは共に中心軸線1911を画定する。図25及び図26はまた、渦流室1920内の出口開口部1934に通じているフィーダ貫通孔1930を示す。
図25〜図28に示される渦流室のそれぞれは、軸線1911と底面1922との交点と一致する中心点を有する底面1922を有する止まり穴の形態であると説明することができ、底面1922は縁部を有し、この縁部から外側側壁1928が延びる。1つ以上の実施形態において、底面1922の縁部は、例えば、図25及び図28に見られるように、渦流室1920の内表面の方向の変化によってかなり明確に画定され得る。
他の実施形態では、底面1922の縁部は、例えば、図26〜図27に見られるように、あまり明確に画定されないこともある。渦流室の底面の縁部が特に明確に画定されないそれらの実施形態では、底面の縁部は、底面の中心点から最も遠い位置として説明されてもよく、底面に対して垂直に延びる軸線が、この中心点を通って、渦流室の反対側の外側側壁と交差している。
本明細書に記載されるノズル構造体に見られる渦流室の1つ以上の実施形態では、渦流室の底面の中心点を、底面の中心点が底面の縁部又は最外周よりも出口面に近くなるように、高くしてもよい。このような配置の例は、図25及び図28に示される渦流室1920に見出すことができる。本明細書に記載されるノズル構造体に見られる渦流室の1つ以上の代替的実施形態では、渦流室の底面の中心点は、底面の縁部又は最外周よりもノズル構造体の出口面から遠くに位置してもよい。このような配置の例は、図26及び図27に示される渦流室1920に見出すことができる。このような実施形態では、渦流室の底面は、底面の中心点からその縁部又は最外周に向かっていくときに、ノズル構造体の出口面に向かって上向きに傾斜する底面、又はノズル構造体の出口面から離れるように下向きに傾斜する底面を有するものとして説明され得る。
図29及び図30は、本明細書に記載される渦流室の側壁の形状又は向きの変形例を説明するために使用され得る、本明細書に記載されるノズル構造体内に設けられ得る渦流室の他の代替的な例示的実施形態の断面図である。図29及び図30の両方において、ノズルプレート2010は、入口面2012及び出口面2014を含むように図示されている。渦流室2020は、図29及び図30に示される両方のノズルプレート2010内に見られ、底面2022、内側側壁2026、及び外側側壁2028を含む。内側側壁2026は、中央ランド部又は島部2029の最外周を画定する。渦流室2020はまた、入口面2012及び出口面2014を通って延びる中心軸線2011を画定する。
図29及び図30に示される渦流室2020はいずれも、中心軸線2011から半径方向に測定される可変幅を有する渦流室を画定する側壁を含む。図29では、内側側壁2026及び外側側壁2028が、底面2022から出口面2014に向かっていくときに幅が狭くなる渦流室2020を形成している。図30では、内側側壁2026及び外側側壁2028が、底面2022から出口面2014に向かって幅が広くなる渦流室2020を形成している。1つ以上の実施形態において、各渦流室2020の内側側壁2026及び外側側壁2028のそれぞれは、少なくとも約30°〜約150°、又は少なくとも約45°〜約135°の範囲の角度を出口面との間に形成し得る。側壁2026及び側壁2028によって形成される角度は、同一であっても異なっていてもよく、側壁2026及び側壁2028は両方が同一方向に、別々の方向に、若しくは反対の方向に傾斜していてもよく、又は一方のみが傾斜していてもよい。
本明細書に記載されるノズル構造体に見られる渦流室の代替的な例示的実施形態は、任意の選択された様式で変化する幅を含んでもよく、例えば、渦流室は、両方とも、渦流室内で底面から出口面に向かっていくときに幅が広くなってから狭くなってもよく、又は逆もまた同様である。
図31〜図33は、本明細書に記載されるノズル構造体の別の代替的な例示的実施形態を示す。図示されたノズルプレート2110は、入口面2112と、出口面2114と、ノズルプレートの内部に形成され、中央ランド部又は島部2129によって部分的に画定された渦流室2120とを含む。単一のフィーダ貫通孔2130が、流体を渦流室2120に供給するために使用され、かつノズルプレート2110の入口面2112上に入口開口部2132と、渦流室2120内に開口した出口開口部2134とを含む。出口開口部2134は、図31に示されるように、渦流室2120の底面2122内に少なくとも部分的に開口することができる、又は出口開口部2134は、渦流室2120の対応する端壁(例えば、参照番号2134が位置する端壁)を通って渦流室2120内に開口することができる。渦流室2120に関連して示される1つの任意選択の特徴は、渦流室の深さがその長さに沿って変化することである。具体的には、例えば、渦流室2120の深さは、出口開口部2134から中心軸線2111を中心として渦流室2120の反対側の端部に向かっていくときに低減することができる。底面2122と出口面2114との間の距離によって測定される渦流室2120の深さの変化は、図32及び図33の断面図に見られる。出口面2134により近い図32では、底面2122と出口面2114との間の距離は、図33で見られる底面2122と出口面2114との間の距離よりも大きい。1つ以上の実施形態において、底面と出口面との間で変化する深さを有する渦流室は、1つ以上の実施形態において、本明細書に記載されるノズル構造体の渦流室から出口面に向かって流体が出ることを促進するように、渦流室を通っていく流体を上向きにガイドする又は方向付ける軸方向成分をもたらし得る傾斜底面を有するものとして説明され得る。
本発明は、その趣旨及び範囲から逸脱することなく、様々な修正及び変更を行うことができる。したがって、ノズル構造体の特徴部(例えば、渦流室、貫通孔、カウンタボア、又は他のノズル構造体の設計特徴部)の任意の組み合わせは、本発明の範囲内であることが意図される。以下は、そのような修正及び変更の例である。
図2A及び図7〜図17のノズル設計はそれぞれ、入口開口部と渦流室との間のほぼ中間に鋭い角の屈曲部を有する横から入るフィーダ貫通孔を有する。図34〜図41のノズル設計は、本出願で既に記載されているノズル設計を、恐らく有用であると思われる、もう数個の変形例で補強することを目的としている。図34〜図41のノズル設計を含む、本明細書に開示される任意のノズル設計の特徴部の任意の組み合わせは、本発明の範囲内で想定されるものである。
図34A〜図34Dを参照すると、本発明によるネガティブ像供給口の一実施形態が、渦流室20及び複数のフィーダ貫通孔30を有し、各フィーダ貫通孔30は、概ね円形の断面を有する直線的に屈曲したフィーダ貫通孔(例えば、図7〜図16を参照)とは対照的に、楕円形断面を有し、またその長さに沿って湾曲している。一実施形態では、フィーダ貫通孔の楕円形状の長軸は、ノズル構造体及びバルブ開口部の中心から半径方向に発出する放射状線37に沿っている。別の実施形態では、各楕円形のフィーダ貫通孔30の短軸が、この同じ向きを有するように設計されてもよい。この実施形態(図34Dを参照)では、サック容積を減少させ、無効な下角を除去するために、渦流室20は、平坦(すなわち、長方形断面)ではなく、丸みを帯びた又は湾曲した底面を有する。一般に、フィーダ貫通孔は、ノズル構造体の構造的完全性のために、十分な量のノズル構造体材料がフィーダ貫通孔の間に留まることを可能にするサイズ及び向きで設計されるべきである。「サック容積」とは、封止を形成する燃料噴射器バルブの入口面と、燃料噴射器バルブの先端面との間に形成される比較的小さい容積の空間を指す周知の用語である。内燃機関の対応する燃焼室の各燃焼サイクル中に、燃料が、このサック容積内に残ることがある。サック容積内に残った燃料は、1つ以上の有害な影響を生じることがあり、この影響には、サック内に炭素質堆積物を形成する「コークス生成」又は燃料の熱分解、噴射事象の開始時及び/又は終了時のサック容積の慣性効果による燃料プルームの歪み、サック容積からの放出により生じる液滴の大きさの不十分な画定(典型的には、大きすぎる)、及び燃料流の不十分な侵入が挙げられるが、これらに限定されない。したがって、サック容積を排除するか、又は少なくとも最小化することが望ましい。
図34A〜図34Eに示されるフィーダ貫通孔30は、入口開口部から渦流室20までずっと比較的一定の断面積を維持している。これに対して、図35A〜図35Dに示すフィーダ貫通孔30の断面積は、それらの入口開口部32からそれらの渦流室20まで減少している。この面積減少は、流体の速度を増加させることができ、それによって、流体が渦流室20に入る際に流体の運動エネルギーを増加させることができる。
図36A〜図36Cを参照すると、フィーダ貫通孔が屈曲部又は湾曲部のいずれもなく真っ直ぐであることを除いて、図34A〜図34Cに示したものと同様の供給口が示されている。このような真っ直ぐなフィーダ貫通孔30を使用する場合には、貫通孔入口開口部32が位置する少なくとも入口表面又は面12の領域(例えば、図34Cの参照AIOを参照)でノズルプレート10の厚さを増加させること、又は入口表面若しくは面12のこの入口開口部領域AIOを広げること、又はその両方が望ましい場合がある。入口開口部から出口開口部までの距離が同じである場合、屈曲又は湾曲したフィーダ貫通孔30は、フィーダ貫通孔30が真っ直ぐであるときに使用されるほどのノズルプレート10の厚さを必要とせず、かつ/又はフィーダ貫通孔30が真っ直ぐであるときに使用されるものほどの大きさの入口開口部領域AIOを必要としない。図37A〜図37Cを参照すると、フィーダ貫通孔30が渦流室20の底部に向かって湾曲し、それらの経路に沿ってねじれを有することを除いて、図34A〜図34Eに示されるものと同様の供給口が示されている。このねじれは、楕円形状の出口開口部の長軸を、渦流室20の外側側壁に対して概ね整列する又は平行になるように、垂直方向に整列させることで、渦流室20との交点におけるフィーダ貫通孔の幅を最小化する。このより狭いフィーダ貫通孔プロファイルによって渦流室20の幅もまた狭くすることができ、これにより、より小さいサック容量を可能にすることができる。
図38A〜図38Cを参照すると、サック容積を最小化し、渦流室20内での流体速度を最大化するのを促進するために、底部が丸みを帯びた渦流室20を、湾曲した、テーパ状の、ねじりのあるフィーダ貫通孔と組み合わせた供給口が示されている。この実施形態では、少なくとも入口開口領域AIOでは、ノズルプレート10の厚さを低減して、渦流室20の深さを減少させた。このような深さの減少はまた、渦流室出口開口部上でカウンタボアを使用することによっても達成され得る(例えば、図6〜図11を参照)。図39A〜図39D及び図40A〜図40Dを参照すると、渦流室の外側側壁の形状が傾斜していること(図39A〜図39Dを参照)又は湾曲していること(図40A〜図40D)を除いて、図38A〜図38Dに示された供給口と同様の2つの供給口が示されている。傾斜した又は湾曲した外側側壁を有する渦流室を使用することにより、噴霧プルームの円錐角(例えば、図20を参照)を広げ、流体円錐の壁の幅を広げることができる。渦流室20のこのような拡張されたプロファイルは、コークス生成の影響を最小限に抑えることができると考えられる。理論的には、炭素堆積物は、図38A〜図38Dの渦流室20の平行な内側側壁及び外側側壁内に押し込まれることがあるが、このような炭素堆積物は、これら2つの渦流室の広がった開口部ではより容易に除去することができる(図39A〜図39D及び図40A〜図40D)。渦流室20の内側側壁もまた、同様の輪郭を有することができる。図41A〜図41Cを参照すると、別の供給口設計は、図38A〜図38Dの供給口設計よりプロファイルが低く、かつサック容積が小さいバージョンである。
追加的実施形態
1. 入口側の入口面、出口側の出口面、入口面と出口面との間の厚さ、及び少なくとも1つの流体供給口又は貫通孔を有するノズル構造体を備える流体(例えば、液体又は気体燃料)供給ノズルであって、流体供給口又は貫通孔は、厚さ内に位置し、縁部を有する底面と外側側壁とによって少なくとも部分的に画定された渦流室であって、外側側壁が、底面の縁部に沿って位置し、出口面に渦流室の少なくとも1つの出口開口部の外周部を形成するように底面から出口側に向かって延びる、渦流室と、少なくとも1つ又は複数のフィーダ貫通孔であって、各フィーダ貫通孔が、入口面の入口開口部と、渦流室内に開口する出口開口部とを有し、少なくとも1つのフィーダ貫通孔を通って流れる流体を、外側側壁に沿ってかつ渦流室内で、渦を巻くように、そうでなければ渦流室の法線(例えば、中心又は中心外れ)軸の周りを回って流れるように方向付ける、フィーダ貫通孔と、を備える、流体供給ノズル。すなわち、フィーダ貫通孔の出口開口部は、フィーダ貫通孔を通ってその出口開口部から流出する流体が、流体が渦流室内にある間、中心軸線の周りを回って流れるように方向付けられるように、渦流室内に開口する。ノズルは、以下の特徴のうちの少なくとも1つ又は任意の組み合わせを含むことができる:
(a)渦流室が、底面と、外側側壁と、外側側壁と向かい合う内側側壁とによって画定される少なくとも1つの溝、好ましくは、環状溝であり、内側側壁は、出口面に渦流室の少なくとも1つの出口開口部の内周部を形成するように、底面から出口側に向かって延びる。いくつかの実施形態では、渦流室の内側側壁を少なくとも部分的に画定するノズル構造体の部分を、中央ランド部又は島部と呼ぶことがある。この中央ランド部又は島部は、止まり穴渦流室を部分的に充填するものとして見ることができる。
(b)ノズルは、渦流室を1つだけ有する。
(c)ノズルはモノリシック単一片(single piece)構造体であり、少なくとも1つのフィーダ貫通孔の出口開口部が、渦流室の外側側壁に開口する。
(d)少なくとも1つのフィーダ貫通孔は、少なくとも1つのフィーダ貫通孔内に流入する流体の速度が、少なくとも1つのフィーダ貫通孔から流出して渦流室に流入する流体の速度よりも遅くなるように構成される(例えば、フィーダ貫通孔の断面積はその入口開口部から出口開口部にいくときに減少し得る、入口開口部の断面積は出口開口部の断面積よりも大きくすることができる、など)。
(e)ノズルは、出口面と外側側壁との間に渦流室の出口開口部に沿ったカウンタボアを更に含む。
(f)少なくとも1つのフィーダ貫通孔の入口開口部が、少なくとも1つのフィーダ貫通孔の出口開口部よりも面積が小さい。
(g)少なくとも1つのフィーダ貫通孔の出口開口部が渦流室の外側側壁に開口しており、少なくとも1つのフィーダ貫通孔が貫通孔中心軸線を有し、貫通孔中心軸線は、少なくとも1つのフィーダ貫通孔を流出する流体が、渦流室の出口開口部を出る前に、ノズルの出口面における渦流室の出口開口部に向かう傾斜方向で渦流室内に方向付けられ、かつ渦流室の外側側壁の周りを回って流れるように、向きが付けられている。
(h)少なくとも1つのフィーダ貫通孔の出口開口部は、主要寸法(すなわち、最大幅又は直径)を有し、渦流室が、フィーダ貫通孔出口開口部の主要寸法よりも高く、フィーダ貫通孔出口開口部の主要寸法の約2倍、3倍、又は4倍以下の範囲の高さを有する。
(i)特徴(a)〜(h)の任意の組み合わせ。
ノズル構造体は、例えば、一体型ノズルプレート、1つの一体構造として形成されたか、若しくは別々に形成され(例えば溶接などによって)一緒に接合されたかのいずれかである、ノズルプレートとバルブガイドとの組み合わせ、又は渦流室及び1つ以上のフィーダ貫通孔が内部に形成された任意の他の構造体であってもよい。このようなノズルを使用して、所与のシステム及び/又はプロセスにおける特定の使用のための任意の流体(すなわち、液体又は気体)を供給することができる。例えば、ノズルは、液体又は気体燃料(例えば、ガソリン、アルコール、メタン、ブタン、プロパン、天然ガスなど)を内燃機関の燃焼室内に供給する際に燃料噴射器ノズルとして使用することができる。
1. 入口側の入口面、出口側の出口面、入口面と出口面との間の厚さ、及び少なくとも1つの流体供給口又は貫通孔を有するノズル構造体を備える流体(例えば、液体又は気体燃料)供給ノズルであって、流体供給口又は貫通孔は、厚さ内に位置し、縁部を有する底面と外側側壁とによって少なくとも部分的に画定された渦流室であって、外側側壁が、底面の縁部に沿って位置し、出口面に渦流室の少なくとも1つの出口開口部の外周部を形成するように底面から出口側に向かって延びる、渦流室と、少なくとも1つ又は複数のフィーダ貫通孔であって、各フィーダ貫通孔が、入口面の入口開口部と、渦流室内に開口する出口開口部とを有し、少なくとも1つのフィーダ貫通孔を通って流れる流体を、外側側壁に沿ってかつ渦流室内で、渦を巻くように、そうでなければ渦流室の法線(例えば、中心又は中心外れ)軸の周りを回って流れるように方向付ける、フィーダ貫通孔と、を備える、流体供給ノズル。すなわち、フィーダ貫通孔の出口開口部は、フィーダ貫通孔を通ってその出口開口部から流出する流体が、流体が渦流室内にある間、中心軸線の周りを回って流れるように方向付けられるように、渦流室内に開口する。ノズルは、以下の特徴のうちの少なくとも1つ又は任意の組み合わせを含むことができる:
(a)渦流室が、底面と、外側側壁と、外側側壁と向かい合う内側側壁とによって画定される少なくとも1つの溝、好ましくは、環状溝であり、内側側壁は、出口面に渦流室の少なくとも1つの出口開口部の内周部を形成するように、底面から出口側に向かって延びる。いくつかの実施形態では、渦流室の内側側壁を少なくとも部分的に画定するノズル構造体の部分を、中央ランド部又は島部と呼ぶことがある。この中央ランド部又は島部は、止まり穴渦流室を部分的に充填するものとして見ることができる。
(b)ノズルは、渦流室を1つだけ有する。
(c)ノズルはモノリシック単一片(single piece)構造体であり、少なくとも1つのフィーダ貫通孔の出口開口部が、渦流室の外側側壁に開口する。
(d)少なくとも1つのフィーダ貫通孔は、少なくとも1つのフィーダ貫通孔内に流入する流体の速度が、少なくとも1つのフィーダ貫通孔から流出して渦流室に流入する流体の速度よりも遅くなるように構成される(例えば、フィーダ貫通孔の断面積はその入口開口部から出口開口部にいくときに減少し得る、入口開口部の断面積は出口開口部の断面積よりも大きくすることができる、など)。
(e)ノズルは、出口面と外側側壁との間に渦流室の出口開口部に沿ったカウンタボアを更に含む。
(f)少なくとも1つのフィーダ貫通孔の入口開口部が、少なくとも1つのフィーダ貫通孔の出口開口部よりも面積が小さい。
(g)少なくとも1つのフィーダ貫通孔の出口開口部が渦流室の外側側壁に開口しており、少なくとも1つのフィーダ貫通孔が貫通孔中心軸線を有し、貫通孔中心軸線は、少なくとも1つのフィーダ貫通孔を流出する流体が、渦流室の出口開口部を出る前に、ノズルの出口面における渦流室の出口開口部に向かう傾斜方向で渦流室内に方向付けられ、かつ渦流室の外側側壁の周りを回って流れるように、向きが付けられている。
(h)少なくとも1つのフィーダ貫通孔の出口開口部は、主要寸法(すなわち、最大幅又は直径)を有し、渦流室が、フィーダ貫通孔出口開口部の主要寸法よりも高く、フィーダ貫通孔出口開口部の主要寸法の約2倍、3倍、又は4倍以下の範囲の高さを有する。
(i)特徴(a)〜(h)の任意の組み合わせ。
ノズル構造体は、例えば、一体型ノズルプレート、1つの一体構造として形成されたか、若しくは別々に形成され(例えば溶接などによって)一緒に接合されたかのいずれかである、ノズルプレートとバルブガイドとの組み合わせ、又は渦流室及び1つ以上のフィーダ貫通孔が内部に形成された任意の他の構造体であってもよい。このようなノズルを使用して、所与のシステム及び/又はプロセスにおける特定の使用のための任意の流体(すなわち、液体又は気体)を供給することができる。例えば、ノズルは、液体又は気体燃料(例えば、ガソリン、アルコール、メタン、ブタン、プロパン、天然ガスなど)を内燃機関の燃焼室内に供給する際に燃料噴射器ノズルとして使用することができる。
2. ノズルが燃料噴射器ノズルである、実施形態1に記載のノズル。
3. ノズルが、内燃機関の燃焼室に液体燃料(例えば、ガソリン、ディーゼル、アルコール、燃料油、ジェット燃料、尿素など)を供給するように作動的に適合される(すなわち、寸法設定される、構成される、又は他のやり方で設計される)、実施形態1又は2に記載のノズル。
4. ノズルが、内燃機関の燃焼室に気体燃料(例えば、天然ガス、プロパン、ブタンなど)を供給するように作動的に適合される(すなわち、寸法設定される、構成される、又は他のやり方で設計される)、実施形態1又は2に記載のノズル。
5. ノズルが、入口面及び出口面によって少なくとも部分的に画定された単一片ノズル構造体(例えば、ノズルプレート又はノズルプレートとバルブガイドとの組み合わせ)を含む、実施形態1〜4のいずれか1つに記載のノズル。本明細書に記載されるノズル構造体は、例えば、1つ以上の金属、金属合金、セラミックなど、ノズルでの使用に適した任意の材料で構成され得る。1つ以上の実施形態では、本明細書に記載されるノズル構造体は、例えば、電気めっき金属から作製することができるが、他の従来の金属積層造形プロセス(例えば、金属粒子焼結)もまた使用することができる。
6. ノズルが、バルブガイド(例えば、図1Bの参照番号103を参照)を更に含む、実施形態1〜5のいずれか1つに記載のノズル。バルブガイドは、例えば、多光子積層造形プロセスを使用することによる、ノズルの一体的に形成された部分であってもよい。あるいは、ノズルがノズルプレートを含む場合、バルブガイド及びノズルプレートは、例えば、一緒に溶接することによって接合することができる。
7. 入口面及び出口面は、少なくともそれらの縁部(例えば、そこで溶接され得る)の周りで、プラス又はマイナス約0.5度又は1度以内で互いに平行である、実施形態1〜6のいずれか1つに記載のノズル。
8. 入口面及び出口面は、それらの縁部(例えば、そこで溶接され得る)の周りで、プラス又はマイナス約0.5度又は1度以内で互いに平行である、実施形態1〜6のいずれか1つに記載のノズル。
9. 入口面及び出口面の少なくとも一方又は両方が三次元湾曲(図25〜図28参照)を有する、実施形態1〜8のいずれか1つに記載のノズル。
10. 少なくとも1つのフィーダ貫通孔が、複数のフィーダ貫通孔である、実施形態1〜9のいずれか1つに記載のノズル。例えば、8、9、10、11、12、13、14、15、16まで、又は場合によってはより多くのこのようなフィーダ貫通孔が望ましい場合がある。
11. 少なくとも1つのフィーダ貫通孔の出口開口部が、渦流室内に開口して、少なくとも1つのフィーダ貫通孔を通って流れる流体を貫通孔軸線に沿うように方向付け、貫通孔軸線は、貫通孔軸線が外側側壁と交差する、中心軸線に対する接線方向であり、中心軸線上への貫通孔軸線の投影が、底面が傾斜する場合(例えば、図31〜図33参照)には中心軸線と貫通孔軸線との間に0度〜、又は渦流室に流入する流体が流体をノズル構造体の出口面に向かって方向付ける軸方向成分を有するように、0度超90度未満(例えば、図2C参照)の範囲の角度アルファを形成する、実施形態1〜10のいずれか1つに記載のノズル。
12. 渦流室が底面及び外側側壁によってのみ画定された止まり穴であり、出口開口部が、渦流室内に開口して、少なくとも1つのフィーダ貫通孔を通って流れる流体を貫通孔軸線に沿うように方向付け、貫通孔軸線は、貫通孔軸線が外側側壁と交差する、中心軸線に対する接線方向であり、中心軸線上への貫通孔軸線の投影が、底面が傾斜する場合(例えば、図31〜図33参照)には中心軸線と貫通孔軸線との間に0度〜、又は渦流室に流入する流体が流体をノズル構造体の出口面に向かって方向付ける軸方向成分を有するように、0度超90度未満(例えば、図2C参照)の範囲の角度アルファを形成する、実施形態1〜11のいずれか1つに記載のノズル。
13. 外側側壁が、止まり穴の中心軸線(つまり、底面の中心に位置し、底面から概ね又は厳密に垂直に、出口面を超えて延びる軸線)の周りで完全に湾曲しているため、出口開口部が、円形、楕円形、そうでなければ環状の形状を有する、実施形態12に記載のノズル。
14. 外側側壁が、止まり穴の中心軸線の周りで側縁部と側縁部とが接続された一連の平坦な平面壁セグメントを含む、又は一連の平坦な平面であるため、出口開口部が、少なくとも4辺、好ましくは8辺以上の多角形形状を有する外周部を有する、実施形態12に記載のノズル。
15. 止まり穴の底面が、中心点と、外側側壁に隣接する縁部と、を有し、中心点が縁部よりも高い(すなわち、底面の中心点は、その縁部よりも出口面に近い)、実施形態12〜14のいずれか1つに記載のノズル。底面の中心点は、その縁部よりも低い(すなわち、その中心点は、出口面からより遠い)ことが望ましい場合がある。
16. 中心点が縁部よりも高い又は中心点が縁部よりも低いことに応じて、底面が、縁部から中心点へと、出口面に向かって上向きに又は出口面から離れるように下向きに傾斜する、実施形態15に記載のノズル。
17. 渦流室が、厚さ内に位置し、底面と、外側側壁と、外側側壁と向かい合う内側側壁とによって少なくとも部分的に画定された、少なくとも1つの連続した環状溝、又は複数の不連続な弓状若しくは直線状の溝又はトレンチであり、内側側壁が、出口面に渦流室の少なくとも1つの弓状出口開口部の内周部を形成するように、底面から出口側に向かって延び、各フィーダ貫通孔の出口開口部が、溝内に開口し、フィーダ貫通孔を通って流れる流体を、内側側壁及び外側側壁のうちの少なくとも一方又は両方に対して交差する第1のベクトルと、底面との間に、底面が傾斜する場合には0度〜、又は0度超90度未満の範囲の角度を形成する第2のベクトルと、を有する軸線に沿うように方向付ける、実施形態1〜11のいずれか1つに記載のノズル。
本明細書で使用するとき、「環状」という用語は、ノズルの出口側を見たときに、円形状、楕円形状、他の曲線形状、又は別の様相で大部分が湾曲した形状(すなわち、その長さの50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、又は95%超が湾曲している)として定義される。
本明細書で使用するとき、「環状」という用語は、ノズルの出口側を見たときに、円形状、楕円形状、他の曲線形状、又は別の様相で大部分が湾曲した形状(すなわち、その長さの50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%、85%、90%、又は95%超が湾曲している)として定義される。
18. 内側側壁及び外側側壁の少なくとも一方又は両方が、(a)少なくとも1つの溝の中心軸線(すなわち、渦流室の幾何学的中心に位置し、出口面から概ね又は厳密に垂直に延びる軸線)の周りで完全に湾曲しているため、内側側壁、外側側壁、又はその両方によって形成された出口開口部の部分が、円形、楕円形、そうでなければ環状形状を有する、(b)少なくとも1つの溝の中心軸線の周りで側縁部と側縁部とが接続された一連の平坦な平面壁セグメントで構成される又は形成されるため、内側側壁、外側側壁、又はその両方によって形成された出口開口部の部分が、少なくとも4辺、好ましくは8辺以上の多角形形状を有する外周部を有する、又は(c)(a)と(b)との組み合わせである、実施形態17のノズル。
19. 少なくとも1つの溝又はトレンチが、連続した環状溝又はトレンチである、実施形態17又は18に記載のノズル。
20. 環状溝又はトレンチが、連続した円形状又は楕円形状を有する、実施形態19に記載のノズル。
21. 少なくとも1つの溝又はトレンチが、連続した多角形形状を有する、実施形態17又は18に記載のノズル。
22. 少なくとも1つの溝又はトレンチが、間隔を空けて概ね横方向に配置された複数の不連続な弓状又は直線状の溝又はトレンチである、実施形態17又は18に記載のノズル。
23. 少なくとも1つのフィーダ貫通孔の出口開口部は、少なくとも1つのフィーダ貫通孔を通って流れる流体が、渦を巻くように、そうでなければ不連続な溝又はトレンチの中心軸線の周りを外側側壁に沿って流れるように、溝又はトレンチのそれぞれに開口する、実施形態22に記載のノズル。
24. 不連続な溝又はトレンチが、環状の溝又はトレンチ構造体を少なくとも概して形成するように、概ね、大体、又は厳密に、互いに横方向に間隔を空けて配置された、不連続な弓状の又は湾曲した溝又はトレンチを含む、実施形態22又は23に記載のノズル。
25. 底面が、燃料が渦流室内を流れる方向において、出口面に向かって上向きに、又は出口面から離れるように下向きに傾斜する、実施形態17〜24のいずれか1つに記載のノズル。
26. 各溝又はトレンチの内側側壁及び外側側壁の両方が、少なくとも約30°〜約150°、又は少なくとも約45°〜約135°の範囲の角度を出口面との間に形成する、実施形態17〜25のいずれか1つに記載のノズル。
27. 各溝又はトレンチの内側側壁及び外側側壁の両方が、中心軸線から離れるように又は中心軸線に向かうように傾斜する、実施形態17〜26のいずれか1つに記載のノズル。
28. 溝又はトレンチのうちの少なくとも1つの内側側壁及び外側側壁のうちの一方が、中心軸線から離れるように傾斜し、内側側壁及び外側側壁のうちの他方が、中心軸線に向かうように傾斜する、実施形態17〜26のいずれか1つに記載のノズル。
29. 外側側壁が、中心軸線から離れるように傾斜する、実施形態1〜28のいずれか1つに記載のノズル。
30. 少なくとも1つの溝又はトレンチの幅(すなわち、内側側壁と外側側壁との間の距離)が、少なくとも約50、60、70、80、90、又は100マイクロメートルから約110、120、130、140、150マイクロメートル(又は150マイクロメートルを超える)以下の範囲である、実施形態17〜29のいずれか1つに記載のノズル。
31. 少なくとも1つの溝又はトレンチの幅が、底面から出口面まで同じままである、実施形態17〜30のいずれか1つに記載のノズル。
32. 少なくとも1つの溝又はトレンチの幅が、底面から出口面までで変化する(例えば、底面から出口面へと幅が広くなる若しくは狭くなる、又は溝に沿って幅が交互に広くなったり狭くなったりする)、実施形態17〜30のいずれか1つに記載のノズル。
33. 各フィーダ貫通孔が、その貫通孔を通って流れ、その出口開口部から出る流体を、少なくとも1つの側壁に沿って流れるように方向付けるように作動的に適合される(すなわち、寸法設定される、向けられる、又は他のやり方で構成される)、実施形態1〜32のいずれか1つに記載のノズル。
34. 少なくとも1つ又は複数のフィーダ貫通孔の出口開口部が、内側側壁に開口する、実施形態17〜26のいずれか1つに記載のノズル。
35. 少なくとも1つ又は複数のフィーダ貫通孔の出口開口部が、外側側壁に開口する、実施形態1〜34のいずれか1つに記載のノズル。
36. 少なくとも1つ又は複数のフィーダ貫通孔の出口開口部が、底面に開口する、実施形態1〜35のいずれか1つに記載のノズル。
37. 少なくとも1つのフィーダ貫通孔が、複数のフィーダ貫通孔である、実施形態1〜36のいずれか1つに記載のノズル。
38. フィーダ貫通孔の出口開口部同士が、渦流室の周りに間隔を空けた位置で(例えば、止まり穴又は環状溝の周囲に沿って)開口する、実施形態37に記載のノズル。
39. 複数のフィーダ貫通孔の出口開口部が、渦流室内に異なる深さで開口する、実施形態37又は38に記載のノズル。
40. フィーダ貫通孔の出口開口部同士が、渦流室内の等しく間隔を空けた位置で開口する、実施形態37〜39のいずれか1つに記載のノズル。
41. 出口面と外側側壁との間に渦流室の出口開口部に沿ったカウンタボアを更に含む、実施形態1〜40のいずれか1つに記載のノズル。
42. 出口面と内側側壁との間に少なくとも1つの溝又はトレンチの出口開口部に沿ったカウンタボアを更に含む、実施形態17〜32及び34のいずれか1つに記載のノズル。
43. 出口面と外側側壁との間に少なくとも1つの溝又はトレンチの出口開口部に沿ったカウンタボアを更に含む、実施形態42に記載のノズル。
44. 少なくとも1つのフィーダ貫通孔から渦流室に流入する流体が、渦流室内に、完全に、大部分が、又は少なくとも部分的に位置する初期管形状そうでなければ円筒形状の部分と、渦流室の外側に位置し、初期管形状そうでなければ円筒形状の部分から延びる円錐形状部分と、を有する漏斗形状の流体プルームの形態で渦流室を出る、実施形態1〜43のいずれか1つに記載のノズル。
45. 複数の渦流室を含む、実施形態1〜44のいずれか1つに記載のノズル。
46. ノズルが、各渦流室の中心軸線に平行ではない法線軸を有する、実施形態1〜45のいずれか1つに記載のノズル。
47. 渦流室が、底面と、外側側壁と、外側側壁と向かい合う内側側壁とによって画定される少なくとも1つの溝であって、内側側壁が、出口面に渦流室の少なくとも1つの出口開口部の内周部を形成するように、底面から出口側に向かって延びる、溝であり、少なくとも1つのフィーダ貫通孔の出口開口部は主要寸法(すなわち、最大幅又は直径)を有し、内側側壁と外側側壁との間の距離が、少なくとも1つのフィーダ貫通孔の出口開口部の主要寸法よりも小さい、実施形態1〜46のいずれか1つに記載のノズル。
48. 初期管形状そうでなければ円筒形状の部分と、初期管形状そうでなければ円筒形状の部分から延びる円錐形状部分と、を含む漏斗形状を有する、燃料噴射器噴霧パターン。
49. 漏斗形状の燃料噴射器噴霧パターンを作製する方法であって、実施形態1〜47のいずれか1つに記載の燃料噴射器ノズルを使用して、漏斗形状の燃料噴射器噴霧パターンを形成することを含み、漏斗形状の燃料噴射器噴霧パターンが、初期管形状そうでなければ円筒形状の部分と、初期管形状そうでなければ円筒形状の部分から延びる円錐形状部分と、を含む、方法。
50. 実施形態1〜47のいずれか1つに記載のノズルを含む、燃料噴射器。
51. 実施形態50に記載の燃料噴射器を含む、燃料システム。
52. 実施形態50に記載の燃料システムを含む、内燃機関。
53. ガソリン直接噴射エンジンである、実施形態52に記載の内燃機関。
本発明は、上記実施形態には限定されず、以下の特許請求の範囲及びその均等物のいずれかに示される限定によって制限されるべきものである。本発明は、本明細書に具体的に開示されていないいずれの要素を欠いても、好適に実施され得る。様々な供給口(例えば、渦流室及びフィーダ貫通孔)構造的特徴が実施形態の間で交換可能であることも本発明の教示及び範囲内である。例えば、同じ供給口設計において異なる種類のフィーダ貫通孔を使用することができる。
背景技術のセクションにあるものを含む、上記で引用された全ての特許及び特許出願は、参照により全体としてこの文書に組み込まれる。
Claims (20)
- 入口側の入口面、出口側の出口面、前記入口面と前記出口面との間の厚さ、及び少なくとも1つの流体供給口を備える燃料噴射器ノズル構造体であって、前記流体供給口が、
前記厚さ内に位置する渦流室であって、底面と、前記出口面に前記渦流室の出口開口部の外周部を形成するように前記底面から前記出口側に向かって延びる外側側壁と、を備える、渦流室と、
少なくとも1つのフィーダ貫通孔であって、前記入口面の入口開口部と、前記渦流室内に開口する出口開口部と、を有し、前記少なくとも1つのフィーダ貫通孔を通って流れる流体を、前記外側側壁に沿ってかつ前記渦流室内で、前記渦流室の中心軸線の周りを回って流れるように方向付ける、フィーダ貫通孔と、を備え、
(a)前記渦流室が、前記底面と、前記外側側壁と、前記外側側壁と向かい合う内側側壁とによって画定される少なくとも1つの溝であり、前記内側側壁が、前記出口面に前記渦流室の少なくとも1つの前記出口開口部の内周部を形成するように、前記底面から前記出口側に向かって延びる、
(b)前記少なくとも1つのフィーダ貫通孔が貫通孔中心軸線を有し、前記貫通孔中心軸線は、前記少なくとも1つのフィーダ貫通孔を流出する流体が、前記渦流室の前記出口開口部を出る前に、前記渦流室の前記出口開口部に向かう傾斜方向で前記渦流室内に方向付けられ、かつ前記渦流室の前記外側側壁の周りを回って流れるように、向きが付けられている、又は、
(c)(a)及び(b)の両方である、のいずれかである、ノズル構造体。 - 前記ノズル構造体が、前記渦流室を1つだけ有する、請求項1に記載のノズル構造体。
- 前記ノズル構造体がモノリシック単一片構造体であり、前記少なくとも1つのフィーダ貫通孔の前記出口開口部が、前記渦流室の前記外側側壁に開口する、請求項1又は2に記載のノズル構造体。
- 前記少なくとも1つのフィーダ貫通孔が、前記少なくとも1つのフィーダ貫通孔に流入する前記流体の速度が、前記少なくとも1つのフィーダ貫通孔から流出して前記渦流室に流入する前記流体の速度よりも遅くなるように構成される、請求項1〜3のいずれか一項に記載のノズル構造体。
- 前記少なくとも1つのフィーダ貫通孔の前記入口開口部が、前記少なくとも1つのフィーダ貫通孔の前記出口開口部よりも面積が小さい、請求項1〜3のいずれか一項に記載のノズル構造体。
- 前記少なくとも1つのフィーダ貫通孔の前記出口開口部が主要寸法を有し、
前記渦流室が、前記フィーダ貫通孔出口開口部の前記主要寸法よりも高く、前記フィーダ貫通孔出口開口部の前記主要寸法の約3倍以下の範囲の高さを有する、請求項1〜5のいずれか一項に記載のノズル構造体。 - 前記渦流室が、前記底面及び前記外側側壁によって画定された止まり穴であり、
前記少なくとも1つのフィーダ貫通孔が貫通孔中心軸線を有し、前記貫通孔中心軸線は、前記少なくとも1つのフィーダ貫通孔を流出する流体が、前記渦流室の前記出口開口部を出る前に、前記渦流室の前記出口開口部に向かって傾斜方向で前記渦流室内に方向付けられ、かつ前記渦流室の前記外側側壁の周りを回って流れるように、向きが付けられている、請求項1〜6のいずれか一項に記載のノズル構造体。 - 前記止まり穴の前記底面が、中心点と、前記外側側壁に隣接する縁部と、を有し、前記底面が、前記縁部から前記中心点へと、前記出口面に向かって上向きに又は前記出口面から離れるように下向きに傾斜する、請求項7に記載のノズル構造体。
- 前記渦流室が、前記厚さ内に位置し、前記底面と、前記外側側壁と、前記外側側壁と向かい合う内側側壁とによって画定される少なくとも1つの溝であり、前記内側側壁は、前記出口面に前記渦流室の前記少なくとも1つの出口開口部の内周部を形成するように、前記底面から前記出口側に向かって延びる、請求項1〜8のいずれか一項に記載のノズル構造体。
- 前記少なくとも1つの溝が、連続した環状溝である、請求項9に記載のノズル構造体。
- 前記少なくとも1つの溝の幅が前記底面から前記出口面までで変化する、請求項9又は10に記載のノズル構造体。
- 前記出口面と前記外側側壁との間に前記渦流室の前記出口開口部に沿ったカウンタボアを更に備える、請求項1〜11のいずれか一項に記載のノズル構造体。
- 前記出口面と、前記内側側壁及び前記外側側壁のうちの少なくとも1つとの間に前記少なくとも1つの溝の前記出口開口部に沿ったカウンタボアを更に備える、請求項9〜11のいずれか一項に記載のノズル構造体。
- 前記少なくとも1つのフィーダ貫通孔から前記渦流室に流入する流体が、前記渦流室内に少なくとも部分的に位置する初期円筒形状部分と、前記渦流室の外側に位置し、前記初期円筒形状部分から延びる円錐形状部分と、を有する漏斗形状の流体プルームの形態で前記渦流室を出る、請求項1〜13のいずれか一項に記載のノズル構造体。
- 前記ノズルの前記出口面が、各前記渦流室の前記中心軸線に平行ではない法線軸を有する、請求項1〜14のいずれか一項に記載のノズル構造体。
- 初期管形状そうでなければ円筒形状の部分と、前記初期管形状そうでなければ円筒形状の部分から延びる円錐形状部分と、を含む漏斗形状を有する、燃料噴射器噴霧パターン。
- 漏斗形状の燃料噴射器噴霧パターンを作製する方法であって、
請求項1〜14のいずれか一項に記載の燃料噴射器ノズルを使用して、前記漏斗形状の燃料噴射器噴霧パターンを形成することを含み、
前記漏斗形状の燃料噴射器噴霧パターンが、初期管形状そうでなければ円筒形状の部分と、前記初期管形状そうでなければ円筒形状の部分から延びる円錐形状部分と、を含む、方法。 - 請求項1〜14のいずれか一項に記載のノズル構造体を備える、燃料噴射器。
- 請求項18に記載の燃料噴射器を備える、燃料システム。
- 請求項19に記載の燃料システムを備える、内燃機関。
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