JP4122105B2

JP4122105B2 - 噴射用ノズル

Info

Publication number: JP4122105B2
Application number: JP09921899A
Authority: JP
Inventors: 精鎮絹田
Original assignee: Optnics Precision Co Ltd
Current assignee: Optnics Precision Co Ltd
Priority date: 1999-03-01
Filing date: 1999-03-01
Publication date: 2008-07-23
Anticipated expiration: 2019-03-01
Also published as: JP2000249026A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガソリンなどを燃やして動力を作り出す内燃機関における燃料噴射用ノズルに関し、特にこれに使われるフィルタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車用のガソリンエンジンには高出力で燃費がよく、二酸化炭素（ＣＯ２）、未燃炭化水素（Ｈｃ）および窒化酸化物（Ｎｏｘ）等の排気ガスの低減が要求されている。従来のガソリンエンジンでは燃料と空気をあらかじめ混合させてこれを燃焼室のシリンダに吸入して燃焼させていたが、上記課題を改良する目的で燃焼室のシリンダへ直接燃料を噴射する、いわゆる直接噴射方式が開発され、これが低燃費化とＣＯ２低減に有効であるため注目されている。直接噴射方式では燃焼室のシリンダ内で空気流動を発生させ燃料噴射用ノズルから燃料を直接噴射することによって燃料と空気を層状化して希薄混合気をつくりこれを安定に燃焼する過程がとられている。この噴射用ノズルの先端には多数の小径の貫通孔（貫通孔群、以下の説明では気孔群という。）からなるフィルタがあり、高圧燃料ポンプによって加圧供給された燃料はこれを通してシリンダ内に霧状に噴射される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の噴射用ノズルのフィルタはプレスによって金属板に小径の気孔群を開けて製作されていた。プレス法では金属材料が限定され、所定の金属板の厚さに対してあまり小さな径の貫通孔の加工ができず、またこの気孔群を密集して形成することができない欠点があった。また、貫通孔の断面形状は垂直形しか作れず、加工精度はプレスの治具の使用頻度に影響される欠点があった。このため、噴射用ノズルから噴射される燃料は霧状ができにくく、燃料の分布も高精度に制御されておらず、また気孔群の密度が小さいので燃料通過率が低く噴射のために高圧を必要とする等の課題が残されていた。電鋳によって形成したフィルタは均一で、均質な金属層が得られ、この貫通孔は高精度である。しかしながら、燃料噴射用ノズルに用いた場合は、燃料がストレートにすじ状に噴射される傾向があり、燃料室全体に霧状の燃料を噴射したい目的に適さない問題があった。
【０００４】
本発明の第一の目的は、噴射用ノズルのフィルタを強度の強い構造にして、貫通孔を通った燃料が乱流になりやすくして、霧状の噴射ができる構造を提供し、任意の断面形状をもつ貫通孔の配列の気孔群によって全方位の噴射ができる構造を提供することである。また、本発明の第二の目的は、上記構造の噴射用ノズルのフィルタを高精度に歩留りよく、安価に製造する製造方法を提供することにある。また、本発明の第三の目的は、本発明のフィルタを噴射用ノズルに用いて高精度な噴射用ノズルを安価に提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明は、噴射用ノズルのフィルタを通して液体を噴射するノズルにおいて、該フィルタは、合金の枠のほぼ中央部分に多数の微細な貫通孔からなる貫通孔群によって構成された少なくとも２枚以上の薄層板フィルタを積層し、前記貫通孔の重なりが前記フィルタの中心で一致して周辺にゆくほどずれ量が大きく、同心円毎に同じずれ量となり、噴霧の方向性が決められ、孔の壁面にある鋭いエッジによって燃料の霧状化が達成されるような貫通孔の構造を有することを特徴とした噴射用ノズルである。
また、請求項２記載の発明は、上記噴射用ノズルは、燃料を燃焼室に供給して燃焼させる装置に使われることを特徴とした請求項１記載の噴射用ノズルである。
また、請求項３記載の発明は、上記フィルタの貫通孔の内部側壁には突起物が少なくとも一部分に構成された構造を有することを特徴とした請求項１又は２記載の噴射用ノズルである。
薄層板のフィルタをプレス法やエッチング法で形成しても、従来の単板ものに比べ著しく加工精度が向上し、微細なものができる。例えば、同じ種類の薄層板を少しずらして重ねると、貫通孔がずれて、この内部側壁には突起物が形成されたと同じ構造になる。この突起物の存在が燃料の噴射における乱流形成の起点となり、霧状噴射ができるようになる。設計された多種類の薄層板を積層してフィルタを構成すると例えば、フィルタの周辺部で中心から同心円状に外向きに、あるいは渦巻状に燃料を噴霧させる構造が形成でき、これによって燃料室に好ましい燃料の放出を行い、燃焼効率を高めることができる。本発明に係る薄層板のフィルタを電鋳で形成するとホトリソグラフィと電解鍍金を繰り返すことで、本発明の特徴とする形状の貫通孔と気孔群を高精度に形成することができる。従来、高アスペクト比の貫通孔が形成できなかったがこの製造方法によると可能になり、圧力に強い枠をもった微小孔のフィルタを形成できる。電鋳の製造工程では、薄層板を積層しているので、完成品は一体化したものになる。電鋳法では各薄板の材質を任意に選定でき、これによって機械的強度を高め、熱ストレスを緩和することができる。また、貫通孔の形状は丸形、楕円形、方形、多角形の少なくともいずれか一つを含む任意の形状を形成することができる自由度がある。
【０００６】
本発明のフィルタは（１）薄層板を積層構造することによって厚膜化でき、従来の単板のものに比べ機械的強度が高い、（２）貫通孔の内部側壁に突起物を形成することができ、燃料噴射を霧状にすることができる、（３）薄層板により加工精度が著しく向上でき、均質な部品を歩留りよく安価に供給できる、等の長所がある。
【０００７】
【発明の実施の形態】
実施例１
第一の実施例を図１、図２により詳細に説明する。図２は噴射用ノズル２３の基本構成側面図で、これは直接噴射方式によるガソリンエンジン室に取り付けて用いられる。フィルタ１１が噴射用ノズル２３本体にレーザ溶接によって密封接着され、止め具２２で固定されている。図１は噴射用ノズル２３に用いるフィルタ１１の構造の上面図と側断面図である。Ｎｉ合金の材質からなるフィルタ１１は電鋳で製作され、合金の枠１４のほぼ中央部分は多数の貫通孔１３からなる気孔群１２によって構成されている。フィルタ１１の厚さは約３００μｍ、外径は約６ｍｍ、気孔群は直径２ｍｍ以内に直径１００μｍの孔がずれて重なって形成した貫通孔が数拾個、点在している。この気孔群１２は燃料が全方位に均等に噴霧されるように同心円にある貫通孔の噴霧方向はそれぞれ外側に向いている。これは同図（ｂ）に示す貫通孔の断面形状によって達成できる。この構造のフィルタは２枚のホトマスクと２回の電鋳によって形成される。第１と第２の電鋳層はそれぞれ約１５０μｍの厚さである。２枚のホトマスクの貫通孔は中心で一致して周辺にゆくほどずれ量が大きく、同心円毎に同じずれ量に設計されている。周辺にある貫通孔は図のような断面形状になるため、噴霧の方向性が決められ、孔の壁面にある鋭いエッジ（突起物）によって燃料の霧状化が達成される。２回に分けて電鋳で製作されたフィルタは、異物による欠陥が分散され、厚膜化できるので強度が強い特徴がある。また、高精度の形状のものを大量に歩留りよく得られるのでこのフィルタは低コストで供給できるようになる。材質はＮｉ合金に限定されるものでなくＮｉやＦｅなどでもよい。
【０００８】
実施例２
次に、第二の実施例を図３、図８により説明する。図３は噴射用ノズルに用いるフィルタの周辺にある貫通孔３３の別の構造の側断面図である。また、図８はこのフィルタをホトリソグラフィと電鋳の繰り返し法によって製作した主要製造工程の貫通孔部分の側断面図である。貫通孔３３はｎ重（図ではｎ＝４）の電鋳層の枠３４で構成され、貫通孔の角度３９は各電鋳層のずれ量によって決まり、これが噴霧方向となる。この製作方法を図８に従って述べる。導電性の支持基板１０１に第１のホトレジスト層を約１００μｍの厚さに塗布し、第一のマスクにより露光、現像して第１のホトレジストパターン１０２ａを形成し、電解鍍金によりＮｉ合金の第１の電鋳層１０３ａを約１００の厚さに形成する（ａ）。続いて、この表面に同様の方法で第２のホトレジストパターン１０２ｂを形成し、第２の電鋳層１０３ｂを約１００の厚さに形成する（ｂ）。続いて、この表面に同様の方法で第３のホトレジストパターン１０２ｃを形成し、第３の電鋳層１０３ｃを約１００の厚さに形成する（ｃ）。続いて、この表面に同様の方法で第４のホトレジストパターン１０２ｄを形成し、第４の電鋳層１０３ｄを約１００の厚さに形成する（ｄ）。最後に枠８４を支持基板１０１からはずし、ホトレジストを除去して、貫通孔８３をもつフィルタを得る。薄層の回数を多くしてフィルタを構成すると（１）貫通孔の形状が高精度に形成できる、（２）強度が強くなる、（３）気孔群の噴射方向性を任意に設計できる、等の長所がえられる。
【０００９】
実施例３
次に、第三の実施例を図４により詳細に説明する。図４は噴射用ノズルに用いるフィルタの周辺にある貫通孔４３の別の構造の側断面図である。貫通孔４３はｎ重（図ではｎ＝４）の薄層のフィルタを積層し、密着した枠４４内に形成され、貫通孔の角度４９は各薄層のずれ量によって決まり、これが噴霧方向となる。各薄層は膜厚１００μｍのＮｉ板を化学エッチングにより形成したもので、加工孔の形状はテーパがついている。これらを位置合わせして表裏を互い違いに積層した後、加熱、加圧により密着する。貫通孔４３の断面形状が鋭く、これによって霧状の噴射が容易になる。このほかに薄層のフィルタは膜厚１００μｍのステンレス板を金型による打抜きによって形成し、位置合わせして積層した後、加熱、加圧により密着して形成してもよい。
【００１０】
参考例
参考例を図５により詳細に説明する。図５は噴射用ノズルに用いるフィルタの周辺にある貫通孔５３の構造の側断面図である。貫通孔５３はｎ重（図ではｎ＝４）の薄層のフィルタを積層し、密着した枠５４内に形成される。各薄層は膜厚１００・ｍのＮｉ板を化学エッチングにより形成した同一のもので、加工孔の形状はテーパがついている。これらをずれのないように積層した後、加熱、加圧により密着する（ａ）。この後、フィルタ５１の気孔群の部分を球状の金型を使ってプレスして湾曲形状に加工する。各貫通孔５３の噴霧方向５７は放射状になるよう整形され、各貫通孔５３の断面形状には鋭い突起が形成された構造になっている（ｂ）。このフィルタ構造の特徴は同一の薄層パターンの積層で形成できるのでコストが安価にできることである。なお、化学エッチングでテーパを形成した加工例を述べたが、テーパをつけたホトレジストパターンと電鋳によっても同じ形状が形成でき、この場合の特徴は一枚のホトマスクでよいことである。
【００１１】
実施例４
第四の実施例を図６、図７により詳細に説明する。図６は噴射用ノズルに用いるフィルタ６１の全体図で燃料が噴射される面からみた上面図である。貫通孔６３は２重に薄層のフィルタを積層した構成で形成されている。同心円にある貫通孔の形状は噴霧領域６８の噴霧方向６７が外向きに直線的になるよう形成され、これによってこのフィルタから霧状に噴射される燃料は均等に広がるようになる。図７は噴射用ノズルに用いるフィルタ７１の全体図で燃料が噴射される面からみた上面図である。貫通孔７３は３重に薄層のフィルタを積層した構成で形成されている。同心円にある貫通孔の形状は霧状の燃料が噴霧方向７７が外向きに渦巻状になるよう形成され、これによってこのフィルタから霧状に噴射される燃料は均等に広がるようになる。
【００１２】
【発明の効果】
（１）薄板のフィルタを積層した構成によって、耐熱性、耐久性、圧力に強い、厚いフィルタを形成できるようになる。
（２）薄板のフィルタを積層した構成によって、貫通孔の形状を任意に形成でき、噴霧の方向性を高め、霧状の燃料を噴射できるようになる。
（３）薄板のフィルタを積層した構成によって、微細加工ができるようになり、高性能なフィルタを安価に提供できるようになる。
（４）本発明のフィルタを噴射用ノズルに用いて高精度で、高性能の噴射用ノズルを安価に提供できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の噴射用ノズルに用いるフィルタの構造の上面図と側断面図。
【図２】本発明の実施例１の噴射用ノズルの基本構成側面図。
【図３】本発明の実施例２の噴射用ノズルに用いるフィルタの周辺にある貫通孔の構造の側断面図。
【図４】本発明の実施例３の噴射用ノズルに用いるフィルタの周辺にある貫通孔４３の側断面図。
【図５】参考例の噴射用ノズルに用いるフィルタの周辺にある貫通孔５３の側断面図。
【図６】本発明の実施例４の噴射用ノズルに用いるフィルタの全体図で燃料が噴射される面からみた上面図。
【図７】本発明の実施例４の噴射用ノズルに用いるフィルタの他の全体図で燃料が噴射される面からみた上面図。
【図８】本発明の実施例２のフィルタをホトリソグラフィと電鋳の繰り返し法によって製作した主要製造工程の貫通孔部分の側断面図。
【符号の説明】
１１、６１、７１…フィルタ
１２…気孔群
１３、３３、４３、５３、６３、７３、８３…貫通孔
１４、３４、４４、５４、８４…枠
２２…止め具
２３…噴射用ノズル
２４…燃料供給管
３９、４９…貫通孔の角度
５７、６７、７７…噴霧方向
６８…噴霧領域
１０１…導電性の支持基板
１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄ…ホトレジストパターン
１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｄ…電鋳層

Claims

噴射用ノズルのフィルタを通して液体を噴射するノズルにおいて、該フィルタは、合金の枠のほぼ中央部分に多数の微細な貫通孔からなる貫通孔群によって構成された少なくとも２枚以上の薄層板フィルタを積層し、前記貫通孔の重なりが前記フィルタの中心で一致して周辺にゆくほどずれ量が大きく、同心円毎に同じずれ量となり、噴霧の方向性が決められ、孔の壁面にある鋭いエッジによって燃料の霧状化が達成されるような貫通孔の構造を有することを特徴とした噴射用ノズル。
上記噴射用ノズルは、燃料を燃焼室に供給して燃焼させる装置に使われることを特徴とした請求項１記載の噴射用ノズル。
上記フィルタの貫通孔の内部側壁には突起物が少なくとも一部分に構成された構造を有することを特徴とした請求項１又は２記載の噴射用ノズル。