JP5478671B2 - 流体噴射弁による噴霧生成方法、流体噴射弁及び噴霧生成装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えば内燃機関（以下エンジンと呼ぶ）用燃料噴射弁に好適な噴霧生成方法、流体噴射弁及び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ものが知られている（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ものが知られている（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いくらか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/噴霧パターン/貫徹力/噴射量分布の設計自由度向上を両立させた、流体噴射弁による噴霧生成方法、流体噴射弁及び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による噴霧生成方法は、各噴孔から液膜流が噴射されて形成される、流体噴射弁による噴霧生成方法において、
前記各噴孔からの各前記液膜流が破断、分裂を経て噴霧流にブレークされたブレーク部位よりも下流側の噴霧が、複数の前記噴霧間に作用するコアンダ効果で集合して集合噴霧となる前の各噴霧の貫徹力を、噴霧の周囲の空気の下流方向に沿って誘起された空気流を減衰させる貫徹力とすることで、前記複数の噴霧の集合化を抑制し、複数の噴霧全体の貫徹力を抑制するようにしたものである。

この発明の流体噴射弁による噴霧生成方法によれば、例えば排気行程噴射では噴霧のほとんどが一旦は吸気弁に衝突するという状況を避けて、噴霧のほとんどを吸気ポート内に浮遊させることが可能になるので、吸気ポート内の空気から熱を奪って噴霧粒子を気化させることが可能となり、吸気冷却効果による充填効率向上を実現できる。
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追随して噴霧が筒内へ流入することになり、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。

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。 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の燃料噴射弁による噴霧生成方法での噴霧の挙動を示す説明図である。 干渉距離とブレーク長さとの関係を示す図である。 液膜流の縦横比と長軸方向の伸長率との関係を示す図である。 実施の形態２の燃料噴射弁の噴霧が集合する形態を示す説明図である。 実施の形態２の燃料噴射弁の他の例の噴霧が集合する形態を示す説明図である。 実施の形態２の燃料噴射弁のさらに他の例の噴霧が集合する形態を示す説明図である。 実施の形態３の燃料噴射弁の噴霧が集合する形態を示す説明図である。 実施の形態３の燃料噴射弁の他の例の噴霧が集合する形態を示す説明図である。 実施の形態３の燃料噴射弁のさらに他の例の噴霧が集合する形態を示す説明図である。

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噴孔１２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１０個の噴孔１２が周方向に等間隔をおいて配置されている。
噴孔１２は、この中心軸線、即ち噴流方向が内燃機関の吸気弁を指向し、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。

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噴孔１２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、噴孔１２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噴孔１２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軸側の噴孔１２の壁面に強く押し付けられる。
なお、図４において、Ｌは噴孔１２の長さ、Ｄは噴孔１２の径を示している。

この後、噴孔１２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、噴孔１２の出口から噴孔１２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、噴孔１２内を進行するに伴い、壁面に押し付けられ、液膜の方向は、噴孔１２の壁面の円周方向に広がりつつ噴孔１２の壁面に沿う方向に変化していく。
隙間通路Ａの高さｈに対して噴孔１２の長さＬが適切であると、噴孔１２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。

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。

本願発明者らは、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た複数噴霧による全体噴霧の噴霧形状、噴霧パターン、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、噴霧を広角化しなくても、あるいは、噴霧に大きな巻き上がり(渦環)を形成しなくても貫徹力を抑制することができる手法を見出した。

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。

ここで、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、全体噴霧が広がった結果、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、微粒化噴霧に大きな巻き上がり(渦環)を生じさせ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、全体噴霧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下流すぐのところ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、全体噴霧の広がりを抑制しようとした場合には、垂直線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１」（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、噴孔が複数の複数噴霧が重なって集合噴霧になった場合の挙動の差に注目し、複数噴霧全体の挙動の特徴を捉えて、複数噴霧全体、特に貫徹力をコントロールするような各噴孔(液膜流)配置と噴孔諸元(液膜流断面形状)を検討した。

図６は噴霧の挙動を示す図である。
図６（ａ）において、隣り合う噴孔１２,１２からの液膜流３０,３１は、ブレークが生じたときの液膜流断面形状は、断面Ｅ-Ｅに示す形状である。
このときの噴孔１２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、液膜流３０,３１は、ばらけて噴霧３０Ａ，３１Ａとなり、噴孔１２,１２から距離ｂの位置で二つの噴霧３０Ａ，３１Ａは、その外形が接し始める（断面Ｆ-Ｆ）。ここで、噴孔１２,１２からの距離ｂを干渉距離と呼ぶ。
噴霧３０Ａ，３１Ａの噴孔１２，１２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、略等分布か、あるいはカルデラ状であり、中心部よりも外周部に分布が偏っている。
同時に、断面Ｆ-Ｆから、圧力分布に起因して二つの噴霧間に働くコアンダ効果によって噴霧は接近して断面Ｇ-Ｇのように集合化が進んでいき、噴霧の周囲空気の巻き込みと、それによる噴霧内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、集合した噴霧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２」（日本機械学会論文集(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、このまま二つの噴霧の集合化が進み、断面Ｈ-Ｈのように実質的にほぼ一つの中実噴霧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５０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５０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。

つまり、「学術文献１」やこの発明者による先願「特願２０１１-２２９５０３号明細書」にもあるように、各噴霧の貫徹力が減衰しない状態で各噴霧の集合化が進むと、実質的にほぼ一つの中実噴霧とみなせるようになって、更に集合噴霧の中心部の貫徹力が減衰しにくくなってしまう。つまり、貫徹力をコントロールできなくなるわけである。

そこで、本願発明者は種々の検討を重ねた結果、各噴孔１２からの各液膜流３０，３１がブレークされたブレーク部位（断面Ｅ-Ｅ）よりも下流側において噴霧となった後、複数の噴霧３０Ａ，３１Ａ間に作用するコアンダ効果で各噴霧３０Ａ，３１Ａが集合して集合噴霧となる前（各噴霧３０Ａ，３１Ａを識別可能（（図６（ａ）の断面Ｇ-Ｇ）な期間）の各噴霧３０Ａ，３１Ａの貫徹力を、噴霧３０Ａ，３１Ａの周囲の空気の下流方向に沿って誘起された空気流を減衰させる貫徹力として、複数の噴霧３０Ａ，３１Ａのそれ以後の集合化を抑制し、複数の噴霧３０Ａ，３１Ａ全体の貫徹力を急激に抑制するようにした。

図７（ａ）は、この実施の形態の燃料噴射弁１による噴霧の挙動を示す図であり、各噴霧３０Ａ，３１Ａの貫徹力を、空気流を減衰させる貫徹力にしたことで形成される複数噴霧全体の形態を示している。
つまり、図６（ａ）の断面Ｇ-Ｇ、Ｈ-Ｈと比較して分かるように、図７（ａ）の断面Ｇ-Ｇの噴霧の形態から下流ではさらなる集合化が抑制され、それに伴って、集合化する過程の複数噴霧３０Ａ，３１Ａの少なくとも一部が、断面Ｊ-Ｊではその複数噴霧３０Ａ，３１Ａ全体の外周側包絡線１００からはみ出している。
図７（ｂ）は、図６(ｂ)に対応した図であり、断面Ｊ-Ｊでは周囲空気の半径方向外側等への巻き上がりが形成される。

本願発明者が検討した結果では、各噴孔１２を基準に、ブレーク長さaの位置からおよそブレーク長さの２倍までの干渉距離ｂの範囲で、即ちｂ≦２aで各噴霧外形が干渉し始めるようにするのが噴霧の近接化あるいは集合化に適していることが分かった。

図８は、本願発明者が実験により噴霧の近接化、集合化に適した条件を見出したときの図である。
干渉距離ｂがブレーク長さａよりも小さいと、衝突した液膜が広範囲に散らばってしまい、各噴霧の近接化あるいは集合化に不利である。
逆に、干渉距離ｂが大きすぎると、各噴霧が拡がり過ぎてしまい、近接化あるいは集合化させることが困難になってくると考察される。

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による噴霧生成方法によれば、各噴孔１２からの各液膜流３０，３１がブレークされたブレーク部位（断面Ｅ-Ｅ）よりも下流側において噴霧３０Ａ，３１Ａとなった後、複数の噴霧３０Ａ，３１Ａ間に作用するコアンダ効果で各噴霧３０Ａ，３１Ａが集合して集合噴霧となる前の各噴霧３０Ａ，３１Ａの貫徹力を、噴霧３０Ａ，３１Ａの周囲の空気の下流方向に沿って誘起された空気流を減衰させる貫徹力とすることで、複数の噴霧３０Ａ，３１Ａのそれ以後の集合化を抑制し、複数の噴霧全体の貫徹力を急激に抑制するようにした。
従って、各噴霧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。

なお、燃料の噴射量分布は必ずしも略等分布かカルデラ状でなくてもよく、また噴霧角は必ずしも最小でなくても、燃料の微粒化が促進されるのは、明らかである。
また、噴孔体である噴孔プレート１１は弁座１０とが一体的に構成されたものでもよい。
また、噴孔体として噴孔プレート１１の代りにノズルであってもよい。

この実施の形態では、図７（ａ）の断面Ｅ−Ｅに示すように、各噴孔１２の直下での液膜流３０，３１の断面形状である長円状のその短軸（横方向）の長さに対して長軸（縦方向）の長さが１.５倍以上である、即ち縦横比（ｅe１/ｅe２）が１.５以上になっている。
これによって、液膜流３０，３１の断面形状やその配置、方向に関してある程度の範囲でコアンダ効果を確実に生じさせることができることがわかった。

図９は、本願発明者が単独の長円状液膜流が表面張力に打ち勝ってより扁平になる条件をガソリンポート噴射用噴霧について実験により求めた図であり、長円の縦横比（ｅe１/ｅe２）が１.５以上である場合に、その傾向にあることが分かった。
なお、図９において、縦軸の縦方向への伸長率において、１．０の値は、液膜流３０，３１の長軸方向の長さに伸長が見られないことを意味する。
従って、単独の長円状液膜流３０，３１にこの特性を与えることで、各液膜流３０，３１の方向が噴霧間のバラツキに影響されずにコアンダ効果による近接化を実現することができる。

これらの各噴霧の貫徹力を所定のレベルに設定することは、「学術文献３」（(社)自動車技術会 １９９９年秋季大会 学術講演会前刷集 No.６９-９９ ＪＳＡＥ９９３９６０４）において単噴霧に関して可能であることが示されている。
そして、所望の貫徹力を得るには、例えば、ノズル先端部流路での圧力損失のレベルを調整することによる、噴霧の運動量、つまり微粒化レベルを変更して得ることができる。
このことに関しては、「学術文献４」（(社)自動車技術会 ２０００年春季大会 学術講演会前刷集 Ｎｏ.２１-００ ＪＳＡＥ２０００５２）において記載されている。

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について図１０で説明する。
図１０に示された燃料噴射弁１は、図の左右で互いに交差しない２方向に向かう噴孔群に分かれている。
図１０（ａ）はこの２スプレー方式の燃料噴射弁１のＺ軸方向の上流側から見た場合の各噴孔１２ｂ〜１２ｇの配置例を示す平面図である。
各噴孔１２ｂ〜１２ｆ、１２gは、２スプレーの片側スプレーに対応し、それぞれの諸元は異なっていても構わない。

図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の各噴孔１２ｂ〜１２ｇの配置例における噴孔１２ｂ〜１２ｇ直下の液膜流１２ｂ１〜１２ｇ１（図６あるいは図７の断面Ｅ−Ｅに相当）の配置及び形状を示すもので、隣り合う液膜流１２ｂ１〜１２ｆ１は互いに近接している状態にある。

図１０（ｃ）はブレーク長さより下流での各噴霧１２ｂ２〜１２ｇ２（図６あるいは図７の断面Ｆ−Ｆに相当）の配置と形状例を示すもので、各噴霧１２ｂ２〜１２ｆ２は、円周方向に連なり、燃料噴射弁１のＺ軸を含まない片側に囲い込むように集まって外側噴霧体を形成している。
また、噴孔１２gは、液膜流１２g１、外側噴霧体の内側に形成された内側噴霧１２g２に対応しており、この噴霧１２g２は、コアンダ効果による、各噴霧１２ｂ２〜１２ｆ２の近接化が不十分な場合に設けると効果的である。

ここで、各噴霧の貫徹力が減衰しない状態で各噴霧の集合化が進むと、実質的にほぼ一つの中実噴霧とみなせるようになって、更に集合噴霧の中心部の貫徹力が減衰しにくくなってしまう。つまり、貫徹力をコントロールできなくなるわけである。
そこで、複数の噴霧１２ｂ２〜１２ｆ２間に作用するコアンダ効果で各噴霧１２ｂ２〜１２ｆ２が集合して集合噴霧となる前（各噴霧１２ｂ２〜１２ｆ２を識別可能な期間）の各噴霧１２ｂ２〜１２ｆ２の貫徹力を、噴霧１２ｂ２〜１２ｆ２の周囲の空気の下流方向に沿って誘起された空気流を減衰させる貫徹力として、複数の噴霧１２ｂ２〜１２ｆ２のそれ以後の集合化を抑制し、複数の噴霧１２ｂ２〜１２ｆ２全体の貫徹力を急激に抑制するようにした。

図１０（ｄ）（図７断面Ｇ−Ｇに相当）、（e）（図７断面Ｊ−Ｊに相当）は、この実施の形態の燃料噴射弁１による噴霧の挙動を示す図であり、各噴霧１２ｂ〜１２ｆの貫徹力を、空気流を減衰させる貫徹力にしたことで形成される複数噴霧の形態を示している。
つまり、図１０（ｄ）の噴霧の形態から下流ではさらなる集合化が抑制され、それに伴って、図１０（e）のように集合化する過程の複数噴霧１２ｂ４〜１２ｆ４全体の外周側包絡線１００−１２ｂ〜ｆからはみ出して、周囲空気の半径方向外側等への巻き上がりが形成される。
なお、隣り合う噴孔１２ｂ〜１２ｆからの液膜流１２ｂ１〜１２ｆ１、噴霧１２ｂ２〜１２ｆ２の挙動や、周囲空気の巻き込みレベルなどは図７のものと同様である。
また、２スプレーはＸ軸あるいはＹ軸に関して、必ずしも対称である必要はない。

次に、この発明の実施の形態２の燃料噴射弁１の他の例を図１１で説明する。
図１１（ａ）は、２スプレー方式の燃料噴射弁１において、燃料噴射弁１のＺ軸方向の上流側から見た場合の噴孔１２ｈ〜１２ｌの配置例を示す平面図である。
各噴孔１２ｈ〜１２ｌは、２スプレーの片側スプレーに対応し、それぞれの諸元は異なっていても構わない。

図１１（ｂ）は、図１１（ａ）の噴孔１２ｈ〜１２ｌの配置例における噴孔１２ｈ〜１２ｌ直下の液膜流１２ｈ１〜１２ｌ１（図６あるいは図７の断面Ｅ−Ｅに相当）の配置及び形状例を示すもので、各噴孔１２ｈ〜１２ｌ直下の液膜流１２ｈ１〜１２ｌ１の断面形状における縦横比が１.５より大きくなっている。
図１１（ｃ）はブレーク長さより下流での各噴霧１２ｈ２〜１２ｌ２（図６あるいは図７の断面Ｆ−Ｆに相当）の配置と形状例を示すものである。
この例では、各噴孔１２ｈ〜１２ｌ直下の液膜流１２ｈ１〜１２ｌ１の縦横比をより大きくして近接させたので、コアンダ効果が強く作用するようになって近接化あるいは集合化を確実に生じさせることができる。
ここで、各噴霧の貫徹力が減衰しない状態で各噴霧の集合化が進むと、実質的にほぼ一つの中実噴霧とみなせるようになって、更に集合噴霧の中心部の貫徹力が減衰しにくくなってしまう。つまり、貫徹力をコントロールできなくなるわけである。

そこで、複数の噴霧１２ｈ２〜１２ｌ２間に作用するコアンダ効果で各噴霧１２ｈ２〜１２ｌ２が集合して集合噴霧となる前（各噴霧１２ｈ２〜１２ｌ２を識別可能な期間）の各噴霧１２ｈ２〜１２ｌ２の貫徹力を、噴霧１２ｈ２〜１２ｌ２の周囲の空気の下流方向に沿って誘起された空気流を減衰させる貫徹力として、複数の噴霧１２ｈ２〜１２ｌ２のそれ以後の集合化を抑制し、複数の噴霧１２ｈ２〜１２ｌ２全体の貫徹力を急激に抑制するようにした。

図１１（ｄ）（図７断面Ｇ−Ｇに相当）、（e）（図７断面Ｊ−Ｊに相当）は、この実施の形態の燃料噴射弁１による噴霧の挙動を示す図であり、各噴霧１２ｈ〜１２ｌの貫徹力を、空気流を減衰させる貫徹力にしたことで形成される複数噴霧の形態を示している。
つまり、図１１（ｄ）の噴霧の形態から下流ではさらなる集合化が抑制され、それに伴って、図１１（e）のように集合化する過程の複数噴霧１２ｈ４〜１２ｌ４全体の外周側包絡線１００−１２ｈ〜ｌからはみ出して、周囲空気の半径方向外側等への巻き上がりが形成される。

なお、隣り合う噴孔１２ｈ〜１２ｌからの液膜流１２ｈ１〜１２ｌ１、噴霧の挙動や、周囲空気の巻き込みレベル等は図７のものと同様である。
また、２スプレー方式はＸ軸あるいはＹ軸に関して、必ずしも対称である必要はない。

次に、この発明の実施の形態の燃料噴射弁１のさらに他の例を図１２で説明する。
図１２（ａ）は、１スプレー方式において、燃料噴射弁１のＺ軸方向の上流側から見た場合の噴孔１２ｍの配置例を示す平面図である。

図１２（ｂ）は、図１２（ａ）の噴孔１２ｍの配置例における噴孔１２ｍ直下の液膜流１２ｍ１の配置及び形状を示すもので、隣り合う液膜流１２ｍ１は互いに近接している状態にある。

図１２（ｃ）、図１２（ｄ）は、ブレーク長さａより下流でのそれぞれの噴霧１２ｍ２、１２ｍ３の配置と形状を示すもので、各噴霧１２ｍ２（図６あるいは図７の断面Ｆ−Ｆに相当）、１２ｍ３（図７断面Ｇ−Ｇに相当）は円周方向に沿って連なっているために、同時に燃料噴射弁１のＺ軸にも近接していく状態を示している。
また、1スプレーであることから、複数噴孔は比較的コンパクトに連なっており、その影響で、図１２（ｂ）-図１２（ｄ）では、外部圧力ｐ０に対して内部圧力ｐ１は低くなっている。

この実施の形態２では、各噴孔１２ｍは放射状に設定されており、各噴孔１２ｍ直下での液膜流１２ｍ１は、長円状の断面形状を有し、その長軸方向成分が略円周方向に略等間隔に配置されるように形成されている。
ここで、各噴霧の貫徹力が減衰しない状態で各噴霧の集合化が進むと、実質的にほぼ一つの中実噴霧とみなせるようになって、更に集合噴霧の中心部の貫徹力が減衰しにくくなってしまう。つまり、貫徹力をコントロールできなくなるわけである。

そこで、複数の噴霧１２ｍ２間に作用するコアンダ効果で各噴霧１２ｍ２が集合して集合噴霧となる前（各噴霧１２ｍ２を識別可能な期間）の各噴霧１２ｍ２の貫徹力を、噴霧１２ｍ２の周囲の空気の下流方向に沿って誘起された空気流を減衰させる貫徹力として、複数の噴霧１２ｍ２のそれ以後の集合化を抑制し、複数の噴霧１２ｍ２全体の貫徹力を急激に抑制するようにした。

図１２（ｄ）（図７断面Ｇ−Ｇに相当）、（e）（図７断面Ｊ−Ｊに相当）は、この実施の形態の燃料噴射弁１による噴霧の挙動を示す図であり、各噴霧１２ｍの貫徹力を、空気流を減衰させる貫徹力にしたことで形成される複数噴霧の形態を示している。
つまり、図１２（ｄ）の噴霧の形態から下流ではさらなる集合化が抑制され、それに伴って、図１２（e）のように集合化する過程の複数噴霧１２ｍ４全体の外周側包絡線１００−１２ｍからはみ出して、周囲空気の半径方向外側等への巻き上がりが形成される。

なお、隣り合う噴孔１２ｍからの液膜流１２ｍ１、噴霧１２ｍ２，１２ｍ３の挙動や、周囲空気の巻き込みレベルなどは図７のものと同様である。
また、液膜流１２ｍ１の配置はＸ軸あるいはＹ軸に関して、必ずしも対称である必要はない。この場合は、図１２（e）の断面形状を非円形とすることが可能である。
また、複数の噴孔１２ｍの諸元（噴孔径や噴孔加工方向など）を同じとしないことにより、図１２（e）の面内における噴射量に濃淡を与えることが可能である。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３の燃料噴射弁１について図１３（ａ）〜図１３（ｃ）で説明する。
燃料噴射弁１の多数の噴孔から噴射された液膜流３９ａ〜３９ｃは、噴霧４０ａ〜４０ｃとなり、最後は貫徹力が抑制された噴霧群４１ａ〜４１ｃが生成される。
燃料噴射弁１により生成される集合噴霧群４１ａ〜４１ｃは、エンジンの吸気ポート内においては、実質的にほぼ一体化した集合噴霧と見なされ、実施の形態１や２で示したところの所定の長さに合わせた噴霧貫徹力仕様となるコンパクトな微粒化噴霧を実現することができる。

また、エンジンの吸気ポート内においては、集合噴霧群４１ａ〜４１ｃは、吸気流動に抗して挙動するエネルギーがなくなっているので、複数噴霧全体の貫徹力が抑制された時点では、吸気流動に追随することが可能となるコンパクトな微粒化噴霧を実現することができる。つまり、排気行程噴射においては、吸気ポート内に滞留した空気（流動）に追随することが可能となる。
言い方を変えれば、噴射タイミングに係わらず、吸気弁直前において、吸気ポート壁面や吸気弁への噴霧付着を最小限に抑制することができる。特に、吸気行程噴射をさせる場合は、吸気ポート内の吸気流動に追随する微粒化噴霧を吸気ポート形状に応じて実現することが可能となり、筒内での噴霧気化による吸気冷却効果に伴う充填効率向上を実現できる。

従って、これらの目的や吸気ポート形状、吸気流動などに応じて、図１３（ａ），（ｂ），（ｃ）のように貫徹力が急に抑制された後の噴霧挙動をマッチングさせれば、最適なエンジン性能を実現することが可能となる。
なお、図１３（a）、（ｂ）、（ｃ）のような噴霧挙動の変更は、図１０、１１、１２における噴孔諸元（あるいは液膜特性つまり噴霧特性）を変更することにより、また、これら噴孔諸元（あるいは液膜特性つまり噴霧特性）をＸ軸あるいはＹ軸に対して非対称とすることなどにより実現可能である。

次に、この発明の実施の形態の燃料噴射弁１の例を図１４で説明する。
多気筒エンジンの１気筒だけを示している。
この燃料噴射弁１から噴射された液膜流３９は、噴霧４０となり、最後は集合噴霧群４１が生成される。
この例の燃料噴射弁１では、ポート噴射システムの場合の、噴射ポイントから指向部位である吸気弁２２までの長さに合わせて、あるいは噴射ポイントから集合噴霧群４１が対向する吸気ポート壁面までの長さにあわせて、貫徹力が調整されている。
これにより、実際のエンジンでの吸気ポート噴射システムにおいて、各吸気ポート形状寸法に応じて吸気ポート壁面や吸気弁への噴霧付着を抑制し、且つ吸気流動に追随し易い噴霧仕様となるコンパクトな微粒化した集合噴霧群４１を実現することができる。

図１５はこの発明の実施の形態の他の例を示すものである。
多気筒エンジンの１気筒だけを示しており、この燃料噴射弁１は、スロットルボディ２４のスロットル弁２４aの下流側の位置に搭載されている。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から噴射された液膜流３９は、噴霧４０となり、最後は集合噴霧群４１が生成される。
この例の燃料噴射弁１では、微粒化された噴霧４０の貫徹力はスロットルボディ２４の指向部位である、壁面やスロットル弁２４ａ直前で急に抑制されるようになっている。

従って、一旦上流に噴射して混合気が形成される時間的空間的余裕を持たせることができる。この結果、極端に吸気ポートが短い場合などで下流方向に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、吸気ポートへの噴霧付着割合が増えたりして、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状態を改善することが可能である。

更に、この発明の噴霧の特性を生かして、吸気管集合部に燃料噴射弁１を一本だけ配置して、各気筒の吸気弁付近までの吸気ポートへの噴霧付着を抑制しつつ、吸気弁付近で貫徹力を抑制し広角な噴霧を行うことが可能である。
所謂、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、このような多気筒エンジンで燃料噴射弁を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。
なお、燃料噴射弁１は、スロットルボディ２４とは別に取り付けた場合でも前記の効果を得ることが可能である。

以上の各実施の形態において、噴霧パターンについては、２スプレー、１スプレーについて説明したが、３スプレーなどのマルチスプレー、異なる断面形状噴霧の組み合わせ、非対称噴霧、異なる貫徹力噴霧の組み合わせ、異なる微粒化噴霧の組み合わせなど、コンパクトな微粒化噴霧であれば、いろいろな仕様を実現可能である。

また、電磁式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、機械式、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。

さらに、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）、１２ｂ１〜１２ｇ１，１２ｈ１〜１２ｌ１，１２ｍ１，３０，３１，３９，３９ａ〜３９ｃ、液膜流、１２，１２ｂ〜１２ｇ，１２ｈ〜１２ｌ，１２ｍ、噴孔、１２ｂ２〜１２ｆ２，１２ｍ２，３０Ａ，３１Ａ，４０ａ〜４０ｃ、４０ 噴霧、１２ｂ，１２ｂ，１２ｈ，１２ｍ 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、２２ 吸気弁（指向部位）、２４ スロットルボディ、２４a スロットル弁（指向部位）、３２ 集合噴霧、４１ａ〜４１ｃ，４１ 集合噴霧群、１００ 外周側包絡線、ｐ０ 外部圧力、ｐ１ 内部圧力、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。

Claims (10)

1. 各噴孔から液膜流が噴射されて形成される、流体噴射弁による噴霧生成方法において、
   前記各噴孔からの各前記液膜流が破断、分裂を経て噴霧流にブレークされたブレーク部位よりも下流側の噴霧が、複数の前記噴霧間に作用するコアンダ効果で集合して集合噴霧となる前の各噴霧の貫徹力を、噴霧の周囲の空気の下流方向に沿って誘起された空気流を減衰させる貫徹力とすることで、前記複数の噴霧の集合化を抑制し、複数の噴霧全体の貫徹力を抑制するようにしたことを特徴とする流体噴射弁による噴霧生成方法。
2. 各前記噴霧は、前記噴孔と前記ブレーク部位との間のブレーク長さの２倍の範囲で互いに幾何学的に干渉されることを特徴とする請求項１記載の流体噴射弁による噴霧生成方法。
3. 前記液膜流は、前記噴孔の中心軸線に対して垂直な断面形状が長円状であって、
   その短軸の長さに対して長軸の長さが１.５倍以上であることを特徴とする請求項１または２記載の流体噴射弁による噴霧生成方法。
4. 前記ブレーク部位より下流側において、周方向に隣接した複数の前記噴霧により外側噴霧体が形成され、またこの外側噴霧体の内側に内側噴霧が形成されることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の流体噴射弁による噴霧生成方法。
5. 前記外側噴霧体は、全体形状が長円状の各前記噴霧のそれぞれの長軸の延長線を繋いだときの形状が多角形状であることを特徴とする請求項４記載の流体噴射弁による噴霧生成方法。
6. 前記噴孔からの流体の噴射量分布は、前記噴孔の中心軸線に対して垂直な平面において略等分布か、あるいはカルデラ状であり、中心部よりも外周部に分布が偏っていることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の流体噴射弁による噴霧生成方法。
7. 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、
   各前記噴孔から噴孔の中心軸線に対して垂直な断面形状が長円状の液膜流が噴射される流体噴射弁において、
   前記各噴孔からの各前記液膜流が破断、分裂を経て噴霧流にブレークされたブレーク部位よりも下流側の噴霧が、複数の前記噴霧間に作用するコアンダ効果で集合して集合噴霧となる前の各噴霧の貫徹力を、噴霧の周囲の空気の下流方向に沿って誘起された空気流を減衰させる貫徹力とすることで、前記複数の噴霧の集合化を抑制し、複数の噴霧全体の貫徹力を抑制するようになっていることを特徴とする流体噴射弁。
8. 指向して液体が噴射される指向部位の手前で、複数の前記噴霧全体の前記貫徹力が抑制されることを特徴とする請求項７に記載の流体噴射弁。
9. 前記指向部位は、スロットル弁であって、スロットル弁の吸気流の下流側でスロットルボディに取付けられることを特徴とする請求項８に記載の流体噴射弁。
10. 請求項７〜９の何れか１項に記載の流体噴射弁を含むことを特徴とする噴霧生成装置。

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