JPH0423591B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、一般には液体物質を微粒化するため
の超音波噴射技術に関するものであり、特にデイ
ーゼルエンジン及びガソリンエンジンのような内
燃機関の燃料噴射弁に又は種々の用途に使用され
る噴射装置として好適に採用し得る超音波噴射ノ
ズルに関するものである。本発明は、このように
種々の用途において液体物質（本明細書では「液
体物質」とは、液体燃料の如き液体は勿論のこ
と、薬品製造用液体のような溶液をも包含する意
味で用いる。）を微粒化し、噴射する噴射ノズル
又は噴射装置として使用し得るが、以後本発明は
特にデイーゼルエンジン及びガソリンエンジンの
ような内燃機関のための燃料噴射ノズルに関連し
て説明する。

従来の技術及び問題点 従来、デイーゼルエンジン及びガソリンエンジ
ンのような内燃機関においてスートの減少及び燃
費の向上を図るために燃焼室又は予備燃焼室に液
体燃料を微粒化して供給する試みが種々なされて
いる。最も一般的なものは、噴射ノズルの噴射口
から高圧で液体燃料を噴射する方法であるが、こ
のとき液体燃料に超音波振動を付与することによ
つて液体燃料の微粒化が促進されることが知られ
ている。

超音波による液体の微粒化機構は従来、１キヤ
ビテーシヨン機構、及び２波機構、の二つの微粒
化機構が考えられている。キヤビテーシヨン機構
は、微粒化の程度を制御することが困難なために
噴射弁への応用は適当ではない。又、波機構には
毛細管方式と液薄膜方式とがあり、毛細管方式に
よれば、超音波振動子に細孔を形成し、該細孔入
口から液体燃料を供給し、同時に超音波振動子が
振動される。これにより液体燃料は細孔出口から
振動子の下面に膜状に拡がり、次いで霧状となつ
て噴射される。一方、液薄膜方式によると、超音
波振動子の先端は、例えばポペツト弁状に拡開し
た表面部を有するように形成され、該表面部へと
液体燃料が供給される。液体燃料は超音波振動子
の表面部に薄膜状に拡がり、次いで霧状となつて
噴射される。

上記説明にて理解されるように、従来超音波振
動による液体の微粒化のメカニズムは、キヤビテ
ーシヨン又は液体が薄膜となつた後の波動による
ものと考えられ、特に大量の微粒化は薄膜波動に
よるものが必須とされ、上述の如き構成が提案さ
れた。

しかしながら、従来堤案された噴射ノズルは噴
霧量が極めて小さく、大容量の微粒化燃料を必要
とするデイーゼルエンジン、ガソリンエンジン等
のような内燃機関の噴射ノズルとして使用するこ
とはできないのが現状であつた。

本発明者等は、大容量の液体燃料の微粒化を達
成するべく、超音波による液体微粒化メカニズム
及び超音波振動子の形状の研究及び実験を数多く
行なつた結果、上述したような微粒化メカニズム
とは異なる微粒化機構によつて液体燃料の微粒化
が達成されることを見出した。つまり、本発明者
等は、超音波振動子の端部にエツジ部を形成し、
該エンジ部に液体燃料を薄膜状で供給することに
よつて、該エツジ部より液体燃料が大量に微粒化
されることを見出した。本発明は斯る新規な知見
に基づきなされたものである。

発明の目的 本発明の主たる目的は、液体物質を大容量にて
間欠的に微粒化することができ、種々の用途に使
用し得る超音波噴射ノズルを提供することであ
る。

本発明の他の目的は、特に液体燃料を均一で且
つ大量に微粒化し、短時間での完全燃焼を達成
し、従つてスートのない且つ燃費が向上したデイ
ーゼルエンジン、ガソリンエンジン等の内燃機関
用の超音波噴射ノズルを提供することである。

本発明の他の目的は、大容量微粒化と同時に、
従来微粒化が困難とされた低流量時の微粒化も可
能とした、燃料効果の良い内燃機関用超音波噴射
ノズルを提供することである。

本発明の更に他の目的は、スートの減少及び燃
費を向上せしめることができ、実用性が極めて良
く且つ長時間の連続使用を可能とした内燃機関用
超音波噴射ノズルを提供することである。

本発明の更に他の目的は、時間遅れのない燃料
噴射を行なうことのできる超音波噴射ノズルを提
供することである。

本発明の更に他の目的は、コンパクトな構造と
することのできる超音波噴射ノズルを堤供するこ
とである。

問題点を解決するための手段 上記諸目的は本発明に係る超音波噴射ノズルに
て達成される。要約すれば本発明は、超音波振動
発生手段と、該超音波振動発生手段に一端が連結
されそして他端にはエツジ部を有した細長の振動
子と、該振動子のエツジ部を有した側の端部に近
接して該振動子に摺動自在に嵌装された中空針弁
と、該中空針弁を摺動自在に保持し且つ該中空針
弁と協働して、前記振動子のエツジ部に液体物質
の供給通路を形成する中空針弁ホルダと、前記中
空針弁を通常は前記中空針弁ホルダの方へと押圧
し、前記液体物質通路を閉鎖するようにしたばね
手段とを具備することを特徴とする超音波噴射ノ
ズルである。又本発明の好ましい実施態様による
と振動子のエツジ部は階段状の形状とされる。

実施例 次に、本発明に係る超音波噴射ノズルを図面に
則して詳しく説明する。

第１図を参照すると、本発明に係る超音波噴射
ノズル１は、中心に中心孔２を有した細長の概略
円筒形状のハウジング４を具備する。ハウジング
４の上方外周螺子部６には、振動子ホルダ８の下
方取付部１０が螺合される。振動子ホルダ８の中
心部には貫通孔１２が形成される。該貫通孔１２
は前記ハウジング４の中心孔２とは長手方向に整
列して即ち同軸にて形成される。

振動子ホルダ８の貫通孔１２及びハウジング４
の中心孔２を貫通して振動子１４が配置される。
振動子１４は、上部の本体部１６、該本体部１６
より小径の細長円柱状の振動子軸部１８、及び本
体部１６と軸部１８とを連結する遷移部２０から
成る。本体部１６は、より大径とされた鍔２２を
有し、該鍔２２が、振動子ホルダ８の上端内周部
に形成された環状肩２４と、振動子ホルダ８の上
端面にボルト２８によつて取付けられた環状の振
動子押さえ３０とによつて振動子ホルダ８に取付
けられる。

振動子１４の軸部１８はハウジング４より下方
に、つまり外方へと更に突出している。振動子１
４の先端、つまり軸部１８の先端は、後で詳しく
説明するエツジ部３２が形成される。振動子１４
の、ハウジング４より突出した部分に中空針弁３
４が摺動自在に嵌装される。

中空針弁３４は、概略円筒形状とされ、上端の
縮径部３６、中央の大径部３８、該大径部３８よ
り傾斜して形成された傾斜部４０、該傾斜部４０
に連接した小径部４２、及び該小径部４２より傾
斜して形成された傾斜先端部４４から構成され
る。傾斜先端部４４の最先端部は、振動子１４の
前記エツジ部３２に近接して位置するように形成
される。一方、中空針弁３４の上端縮径部３６
は、ハウジング４の下端部に内方へと突出して形
成された環状肩４６より更に上方へと突出して延
在する。

中空針弁３４は中空針弁ホルダ５０内に収納さ
れ、該中空針弁ホルダ５０は該ホルダ５０の外周
囲に取付けられたホルダーカバー５２によつて取
外し自在にハウジング４に固着される。中空針弁
ホルダ５０の内周形状は、中空針弁３４の中央大
径部３８が摺動するようにした大径穴部５４、中
空針弁３４の傾斜部４０と相補形状をした傾斜部
５６、小径穴部５８、及び傾斜先端部６０から成
る。前記小径穴部５８及び傾斜先端部６０は、中
空針弁３４の小径部４２及び傾斜先端部４４と協
働して液体燃料供給通路６２を形成する。

中空針弁ホルダ５０の傾斜部５６には内方に開
口した環状の燃料溜め６４が形成される。該燃料
溜め６４は、中空針弁ホルダ５０内に穿設された
燃料供給通路６６に連通する。又該燃料供給通路
６６は、ハウジング４内に突設された燃料導入路
６８に連通する。燃料導入路６８はハウジング４
の燃料入口ポート７０に連結されている。

一方、中空針弁ホルダ５０の大径穴部５４の上
方部には、内方に開口した環状の燃料戻り溜め７
２が形成される。該燃料戻り溜め７２も又、中空
針弁ホルダ５０及びハウジング４に穿設した燃料
戻り通路７４及び燃料排出路７６を介して燃料出
口ポート７８に連結される。

ハウジング４の中心孔２と振動子軸部１８とに
よつて形成される環状空間部には圧縮ばね８０が
配置される。圧縮ばね８０の下端は環状ばね受け
８２を介して中空針弁３４の上端縮径部３６の上
端面に当接し、又上端は噴射圧力調整部材８４の
下端面に当接する。噴射圧力調整部材８４は、ハ
ウジング４の中心孔２と振動子軸部１８とによつ
て形成された空間に配設された円筒状部材であつ
て、ハウジング４の上端内周部に螺合される。従
つて、噴射圧力調整部材８４をハウジング４に対
して回転せしめることによつて、中空針弁３４へ
の押圧力を調整することができる。

次に、本発明に係る超音波噴射ノズル１の作動
について説明する。

作動に当たり、液体燃料は燃料入口ポート７０
より導入される。液体燃料は、燃料導入路６８及
び燃料供給通路６６を通つて燃料溜め６４に供給
される。燃料溜め６４は、ばね８０によつて下方
向に押下されている中空針弁３４の傾斜部４０に
よつて閉鎖されている。従つて、燃料溜め６４内
の圧力は、液体燃料の連続した供給によつて増大
する。燃料溜め６４内の圧力が或る大きさになる
と、ばね８０の力に抗して中空針弁３４を上方向
に運動せしめる。

中空針弁３４が上方向に運動することによつて
燃料溜め６４は液体燃料通路６２に解放され、該
通路６２に液体燃料が供給される。液体燃料通路
６２を通つた燃料は振動子１４の先端部に形成さ
れたエツジ部３２へと共給される。

振動子１４のエツジ部３２は、第１図に図示さ
れるように、漸次縮径された３段から成る同心の
階段状とすることもできるし、第２図及び第３図
に図示されるように２段又は５段の階段状とする
ことも可能である。いずれの形状であろうと、エ
ツジが外周囲に形成されることが重要である。第
１図〜第３図に示すエツジ部３２は、漸次径が小
さくされた階段状とされるが、漸次径が増大した
り、又は漸次径が小さくなり次いで大きくなるよ
うな形状とすることも可能であろう。又、第４図
に図示されるようにエツジの幅ｗ及び高さｈは、
液体燃料の薄膜化が行なえるような且つ又液体の
流れを堰止めるような寸法形状とされる。

振動子１４は、本体部１６に作動的に接続され
た超音波振動発生手段１００により連続的に振動
される。従つて、液体燃料が振動子１４のエツジ
部３２に供給されると、液体燃料は微粒化され外
方へと噴射される。このとき、噴射の片寄りをな
くし噴射弁のまわりに均一に噴射することが重要
であるが、第５図に図示するように、中空針弁３
４の小径部に傾斜した溝４３を複数個、例えば直
径方向に対向して２本形成することによつて燃料
供給通路内にタービユレンスを発生させ、噴射さ
れる燃料にスワールを与えそれにより噴射の片寄
りをなくし得ることが分つた。又、斯る構造によ
つて噴霧のきれ及び微粒化をも向上せしめること
ができる。

以上説明した本発明に係る超音波噴射ノズルの
一つの具体的条件及び諸寸法を示すと次の通りで
ある。

・超音波振動発生手段の出力：10w ・振動子の振幅 ：30μm 振動数 ：38KHz ・振動子の形状寸法 １段 ：直径７mm ２段 ：直径６mm ３段 ：直径５mm 各段の高さ(h) ：1.5mm ・燃料の油種 ：軽油 流量 ：0.06cm³／噴射 噴射圧力 ：70Kg／cm² 温度 ：常温 ・振動子の材料 ：チタン（又は鉄） （注） 振動子の振幅は出来る限り大きい方が良い。

振動子の振動数は20KHzより大きくされる。

燃料噴射圧力はエンジン室内圧力に近づけ
る。

燃料溜め６４に供給された液体燃料の一部（余
剰部）は、中空針弁３４と中空針弁ホルダ５０と
の間の微小空隙部（μmオーダ）を通つて燃料戻
り溜め７２に溜められ、燃料戻り通路７４及び７
６を通つて燃料出口７８へと戻される。燃料出口
７８は適当な導管（図示せず）にてタンクに連通
しており、従つて余剰燃料はタンクへと還流され
る。

燃料溜め６４内の圧力が低下すると、ばね８０
の力によつて中空針弁３４は下方向に動き、燃料
溜め６４を閉鎖し、振動子１４のエツジ部３２へ
の燃料供給が中断される。従つて、噴射ノズル１
からの燃料噴射は停止する。

本発明においては、振動子１４は燃料供給に関
係なく常時作動状態にしておくことができるため
に、振動開始のずれによる燃料噴射タイミングの
ずれが回避される。

又、本発明の噴射ノズルは、前述のように内燃
機関の噴射ノズルとして実用可能な0.06cm³／噴射
といつた大容量を実現することができ、これは従
来の報告された超音波噴射ノズルの流量の500〜
1000倍である。

発明の効果 以上説明したように、本発明に従うと大容量の
液体微粒化を可能とし、更に本発明によると、大
容量又は小容量の如何にかかわらず、液体の微粒
化分布が概略一様で平均粒径が10〜30μm程度の
ものを実現することができ、種々の用途に極めて
好適に使用し得るという特徴を有する。従つて、
本発明の噴射ノズルは、特に短時間での完全燃焼
を達成し、従つてスートのない且つ燃費が向上し
たデイーゼルエンジン、ガソリンエンジン等の内
燃機関用の超音波噴射ノズルを実現し得るという
利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る超音波噴射ノズルの部
分断面図である。第２図及び第３図は、振動子の
先端エツジ部の他の態様を示す部分正面図であ
る。第４図は、エツジ部の部分拡大作動図であ
る。第５図は、中空針弁の正面図である。 １：噴射弁、４：弁箱、８：振動子ホルダ、１
４：振動子、３２：エツジ部、３４：中空針弁、
５０：中空針弁ホルダ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 超音波振動発生手段と、該超音波振動発生手
   段に一端が連結されそして他端にはエツジ部を有
   した細長の振動子と、該振動子のエツジ部を有し
   た側の端部に近接して該振動子に摺動自在に嵌装
   された中空針弁と、該中空針弁を摺動自在に保持
   し且つ該中空針弁と協働して、前記振動子のエツ
   ジ部に液体物質の供給通路を形成する中空針弁ホ
   ルダと、前記中空針弁を通常は前記中空針弁ホル
   ダの方へと押圧し、前記液体物質通路を閉鎖する
   ようにしたばね手段とを具備することを特徴とす
   る超音波噴射ノズル。 ２ エツジ部は階段状の形状とされて成る特許請
   求の範囲第１項記載の超音波噴射ノズル。 ３ 中空針弁に傾斜した溝を複数個形成し、該中
   空針弁と中空針弁ホルダにて画成される液体物質
   供給通路を流れる液体物質にスワールを生ぜしめ
   るようにした特許請求の範囲第１項又は第２項記
   載の超音波噴射ノズル。