JPH11507296A - 液体とガスの混合物の吐出用ノズル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ノズル出口（１５）への拡張部（１４）内の不連続部（１７）を含む液体とガスの混合物の吐出用拡張ノズル（１０）であり、拡張部（１４）のこれらの不連続部（１７）はノズル出口（１６）の液体フィルムの付着を改善する機能を果たす。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 液体とガスの混合物の吐出用ノズル 技術分野 本発明は、例えば、内燃機関の吸気マニホルドや燃焼室などへの液体とガスの 混合物の吐出用ノズルに関する。特に、とはいえ独占的にではなく、ノズルは、 インジェクタが混合物を生成して、燃焼室に吸入するに先立って霧状の燃料小滴 を空気流に乗せる、機関用の燃料インジェクタの一部をなす。 内燃機関用の燃料インジェクタに好適に使用した例を説明するが、本発明は、 液体小滴とガスの混合物の吐出される、連続もしくは非連続の吐出システムにお いて、ノズル出口における液体フィルムの付着を改善しようとする環境であれば どのような環境にも適用可能である。 背景技術 液体シートから液体小滴をせん断するガスを用いて、通路を流れるガス流中に 通常、付着性の液体シートを吐出して、液体とガスの混合物を生成することが知 られている。このような液体とガスの混合物では、多くの一般に用いられている 自動車用のインジェクタの作用のように、スプレーを形成するために、圧力下で 制限されたノズルを通して液体を吐出して生成された平均液体小滴サイズより、 明らかに細かい平均液体小滴サイズを有することが見出されている。液体シート から液体小滴をせん断する作用を行う液体とガスの混合物装置は、参考までに本 明細書に含めたオーストラリア特許出願公開第52454／93号に開示されている。 非常に細かい液体小滴サイズのため、ガス流を使用して液体シートから液体小 滴をせん断して生成された液体とガスの混合物は、シートから液体がせん断され る位置を超えて通路に沿って移動しノズルから吐出される。 ノズルがその出口まで単一の連続拡大領域を有している場合は、液体とガスの 混合物を吐出するノズルは、拡大領域の内面に液体を付着させて堆積する傾向に あり、ノズルを流れるガス流に乗った細かい霧よりやや大きい小滴で、液体が通 路から出口まで押し出されることが分かってきた。 このようなノズル出口からの液体小滴の付着、堆積や吐出は排除したり、少な くとも低減することが望ましい。 発明の開示 本発明は、出口までの通路に流れを有する本体と、出口に近い拡大領域と、拡 大領域内部の少なくとも１つの不連続部を含み、該不連続部が出口に密着する液 体フィルムを低減する液体とガスの混合物の吐出用ノズルを提供する。 好ましくは各不連続部を実質上の円周状とする。 好ましくは１つの、もしくは各不連続部は拡大領域から階段状に拡大する。 拡大領域は、好ましくは、複数の階段状の拡大部を有する。 好ましくは、流路も拡大領域から上流に間隔をおいて圧縮部あるいは収縮領域 を有する。この圧縮部もしくは収縮領域は、好ましくは流れの通路のゆるやかな 収縮部であり、圧縮領域と拡大領域との中間にある喉部につながる。 流路は、好ましくは、円錐形の圧縮部並びに拡大領域との断面を通常円形にす る。 拡大領域の１つの、もしくは各階段状拡大部は、好ましくは、第１直径を有す る円箇と、流路の中心軸に対してほぼ垂直な半径方向外向きに延びる面と、第１ 直径より予め決められた量だけ大きくした第２直径を有する軸上に延びた円筒状 表面とを有する円周端部形状であり、次に隣接する階段状拡大部もしくは出口に 通じる。 １つの特定の実施例においては、中間喉部（スロート部）は直径約４ｍｍで、 第１階段状拡大部の軸方向に円筒形状をした表面は直径約５ｍｍであり、第２、 第３階段状拡大部の軸方向に円筒形状をした表面は各々直径約６ｍｍ、７ｍｍで ある。また、好ましくは、圧縮領域は、約１０ｍｍの直径から、軸方向に約５ｍ ｍの距離以上経てから喉部の４ｍｍの直径まで収縮する。さらに、好ましくは、 喉部はおよそ１３ｍｍ延びて、第１、第２階段状拡大部の円筒形状をした表面は 軸方向に約３ｍｍ延びて、第３階段状拡大部の円箇形状をした表面は軸方向に約 ４ｍｍ延びている。 本発明による複数の軸整列ノズルにより特に好ましい実施例が形成されて、１ つのノズル出口が液体とガスの混合物を混合ノズルに吐出するのに用いられ、そ の混合ノズルでは隣接したノズルがガス及び、または液体の吸引領域で分離され るので、吸引したガス及び、または液体は、１つのノズル出口から次に隣接する 軸整列ノズルの入口まで通過しながら液体とガスの混合物を混合するのに用いら れる。 吸引領域により分割されたノズルステージ数は所望により変更可能である。 オーストラリア特許出願公開第５１４５４／９３号の開示による実施例で、内 燃機関における使用環境で所望の小滴サイズに液体燃料を霧化するのに、最小量 の加圧空気量を用いればよいことを発見した。あるプロトタイプでは、１００ｐ ｓｉで１％以下の理論混合空気で確立される。この加圧空気をインジェクタ中に 強制導入して、本発明に係わる実施例による吐出ノズルによって、存在する燃料 と空気の混合物で円錐状の燃料シートから小滴を切り取る。 （インジェクタ本体内で燃料にせん断作用をもたらす第１の空気との組み合わ せの場合）必要最小量の空気の予混合空気を添加することで、良好に燃焼する高 品質予混合の調整が容易になる。噴霧空気を含む予混合空気量は、通常、理論混 合に必要な総量の約５％である。 さらに気化用空気（第３の空気）を添加すると、燃焼を促進するために燃料を 気化しさらに混合させることが可能となる。気化用空気を使用することは、（第 １とと第２の空気とを組み合わせる場合）燃料を気化したり燃焼促進用にさらに 予混合させるために必要な空気の最小量を意味すると理解されている。別の新し いステージ手段や、第２ノズルステージの出口を通過するシュラウドに半径方向 に配置した空気取入れ口を通じて、このような第３の空気を燃料と空気の混合物 に吸引できる。もちろん、上述のごとく、ノズルステージ数は所望のように変更 可能である。 本発明に係わる単一の、あるいは多段のノズル配列は燃料フィルムの付着を改 善するばかりでなく、良好な混合を行ったり、なして速度を減少し、混合物にさ らに空気を追加させて燃料と空気の混合を拡げることを見出した。 第２の空気ノズルを内燃機関の吸気マニホールドに装着できたり、または、別 の燃料や燃料と空気両方を蒸気にして運ぶために使用できる。 オーストラリア特許出願公開第５１４５４／９３号に開示した形態の加圧イン ジェクタの場合に使用する時には、本発明のノズルの効果は、エンジンで発生さ れる負圧に依存せず、いわば空気に補助されるインジェクタとしてのケースにな り得る。 図面の簡単な説明 本発明の好ましい形態を添付図面に関する実施例により説明する。すなわち： 第１図は本発明によるノズルの実施例の概略縦断面図である。 第２図は第１図のノズルと、公知の液体とガスの混合装置部分の概略縦断面図 である。 第３図は第１図のノズル部分の概略詳細図であり、ガスと液体の混合物の流れ と拡大領域の表面に付着した液体上のガスの流れを示す。 第４図は本発明の２段階ノズル配置の実施例に取付けられたインジェクタの実 施例の一般配置の断面図である。 第５図は第４図のインジェクタの部分拡大図である。 第６図は内燃機関の吸気マニホールドへの直接噴射するように構成された第４ 図のインジェクタノズルの配置概略図である。 第７図は吸気マニホールドに取付けられた第４図のインジェクタ並びにノズル の配置断面図である。 さらに 第８図は第７図と同様であるが第７図のものを変更して吸気マニホールドに取 付けられたインジェクタ並びにノズルの配置を示す。 最良の実施例 各図面は流路１１中を中央に延びる長いノズル１０と、入口端１３の圧縮もし くは収縮領域１２と、出口１５に近い拡大領域１４とを示す。 この拡大領域１４は各々が流路１１に沿って周囲を不連続となす一連の３つの 階段状拡大部１６の形状をしている。各階段状拡大部１６は円周状端部１７と、 ノズル１０の中心軸に対してほぼ垂直な半径方向外向き延長面１８と、付随した 端部１７のそれより所定量大きくした直径を有する軸方向に延びる円箇状表面１ ９とを有する。 圧縮領域１２は、圧縮領域１２と拡大領域１３との中間に位置する喉部２１の 直径に縮小する円錐面２０を有する。 第２図には、本願に対し、大部分がオーストラリア特許出願公開番号第５１４ ５４／９３号に開示された液体とガスの混合装置の部分３０に取付けられたノズ ル１０を示す。混合装置は環状の流路３２に半径方向あるいは円錐状外向きに突 出する液体シートを断続的に吐出する液体バルブ３１を含む。混合装置３０は、 少なくとも液体バルブ３１が開かれる直前から少なくとも液体バルブ３１が閉じ られるまさにその時点まで流路３２中にガス流を吐出するガスバルブ（図示省略 ）を有する。流路３２中のガスの流れは、ガスの流れに乗せられた液体小滴の細 かい霧を生成しながら液体シートから液体小滴をせん断する。 液体とガスの混合物は混合装置３０の流路３２中を流れる。流路３２は液体小 滴が液体シートからせん断される位置の下流に配置されたノズル１０の流路１１ と接続している。ノズル１０は、内燃機関の燃焼室（図示省略）に燃料と空気の 混合物である液体とガスの混合物を吐出するための混合装置３０用の出口を定め る。 使用時には、ノズル１０に液体とガスの混合物が入り、中間の喉部２１に流れ る前に圧縮領域１２で圧縮される。これがガス流と液体小滴を加速する役目をな す。流れが拡大領域１３に到着すると、液体とガスの混合物は各端部１７を流れ ながら膨張し、その後出口１５中に吐出される。 流路に付着した液体小滴が第１の端部１７に到着すると、不連続部を通過する ガス流の作用で、堆積した液体が比較的小さい小滴で表面から引っ張られること になり、つまり、このような不連続部のないノズル拡大領域から堆積した液体が 放出を許されてきたものよりかなり細かい小滴サイズとなることが解っている。 さらに特に、半径方向突出面１８のすぐ側に乱流を生成しながら、階段状拡大 部１６で定めた不連続部が、（上に乗った液体小滴とともに）ガス流に、端部１ ７の上とこの周囲で半径方向外向きの流れと膨張を起こす。 通常の燃焼サイクルでは、ほぼ効率よく燃焼できない不要な大粒の液体小滴と して出口１５から吐出される前に、第１図から第３図の実施例によるノズル１０ は拡大領域から付着した液体を取り除くことが認められている。この効果は、混 合装置３０の液体バルブ３１とガスバルブ（図示省略）とが、断続的に開かれた り、閉じられたりして、液体とガスの混合物の断続的な燃焼を行うか、あるいは 開かれつづけて液体とガスの混合物の連続的流れを吐出するかによって達成され る。 第４図の実施例の一般配列図において、２段階ノズル配列４２を固定されたソ レノイドで駆動されるインジェクタ４１からなるインジェクタとノズルの組み合 わせ４０を示す。 インジェクタ４１はソレノイドスラッグ４３とシャトルリテーナ４４を内蔵す るソレノイドカバー４２からなる。 レノイド制御ニードル４５はインジェクタ本体４７内部に設置されたニードル ガイド４６の内部に内臓される。ニードルシート４８は、ニードル４５と空気混 合ノズル５０に液体とガスの混合物を直送する噴霧ノズル４９との間に挟まれて いる。噴霧ノズル４９と空気混合ノズル５０との間には複数の半径方向に延びる 吸気通路５１が配置され、一方シュラウド５２の周囲には空気混合ノズル５０の 出口下流に複数の第３の空気吸気通路５３が配置される。 第４図の実施例において、空気入口５４に結合される１００ｐｓｉの１％の理 論混合空気のオーダーのものは燃料入口５５を流れる円錐状燃料シートから十分 に燃料小滴をせん断することがわかった。 空気流とニードル移動関係の機能を適切にすることが第５図でなされている、 前記第５図は、高圧ガス通路に、シート４８から離れるニードル４５移動上に形 成される液体の円錐状スプレーを超えさせるための、インジェクタ本体４１内部 のニードル４５とボアとの円周状のギャップ５６を示す。円錐シートから液体が せん断された後、通路５６を通過し、さらに噴霧ノズル４９に送り込む複数の環 状配置通路５７から、さらに空気混合ノズル５０に入る前に通路５１で定められ た第２空気吸引領域を通過する。 第６図に関して、吸気マニホールドベンチュリー６０上に取付けられた第４図 のインジェクタとノズル配列を示す。 のほかの潜在的な装置配列が第７図に示され、ここではノズル４９，５０の間 に第２の空気を提供するために、吸気マニホールド空気を送り込む空気ブリード 通路７１を備えた自然に吸い出されて気圧を保たれた空気吸気マニホールド７０ に、第４図の実施例が取付けられている。 第８図は自然に吸い出されて気圧を保たれる空気吸気マニホールド８０の別の 取付け配列を示し、ここではインジェクタ本体４１が、第７図のバイパス配列よ りむしろ、マニホールド空気を直接通路５１に供給するようにマニホールド８０ に取付けられている。 図示した実施例のノズルを混合装置とともに説明したが、関係する設計基準に 沿って、各ノズルは液体とガスの混合物が吐出されようとするどのような応用例 にも単体あるいは多段式で適用可能である。 当業者にとって、広く記載されるところの本発明の精神もしくは範囲を逸脱す ることなく、特定の実施例において示されているような本発明に対して様々な変 形例及び、または変更例がなされうことは認識されるであろう。したがって、本 発明実施例は図示したものにすべて関連すると考えられるが、これに限定される ものではない。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９６年１２月３１日 【補正内容】 補正請求の範囲 １．出口に導く通路中に流れを有する本体と； 出口に近い拡大領域と、 出口に向かって延びる並列配置された円筒状部分に続く、半径方向に延びる 段階的な拡大部として形成された拡大領域内部の少なくとも１つの不連続部とを 含み、 前記不連続部は出口に密着する液体フィルムを低減するに適している液体と ガスの混合物の吐出用ノズル。 ２．前記少なくとも１つの不連続部は実質的に円周状である請求項１に記載の液 体とガスの混合物の吐出用ノズル。 ３．複数の不連続部が存在する請求項１または２に記載の液体とガスの混合物の 吐出用ノズル。 ４．通路を通る流れが拡大領域の上流に圧縮領域を有する前記請求項のいずれか １つに記載の液体とガスの混合物の吐出用ノズル。 ５．圧縮領域は圧縮部と拡大領域との間の喉部に導く流路の滑らかに収縮する部 分である請求項４に記載の液体とガスの混合物の吐出用ノズル。 ６．流路中の流れがほぼ環状断面形状をなす前記請求項のいずれか１つに記載の 液体とガスの混合物の吐出用ノズル。 ７．ノズルは軸状に整列されガス及び、または液体吸引領域により間隔を設けら れている請求項１ないし３のいずれか1つに記載の複数のノズルからなるノズル の配列。 ８．ノズル配列の出口は下流に延びるシュラウドに囲まれ、さらに該シュラウド は出口下流の液体とガス混合物に添加されるガス及び、または液体用の吸引領域 を含む請求項７または請求項１ないし３のいずれか１つに記載のノズル配列。 補正明細書第２頁 発明の開示 本発明は、出口に導く通路中に流れを有する本体と、出口に近い拡大領域と、 出口に向かって延びる並列配置された円箇状部分に続く半径方向に延びる階段状 拡大部として形成された拡大領域内の少なくとも１つの不連続部とを含み、前記 不連続部は出口に密着する液体フィルムを低減するに適している液体とガス混合 物の吐出用ノズルを提供する。 好ましくは各不連続部を実質的に円周状とする。 拡大領域は、好ましくは、複数の不連続部を有する。 好ましくは、流路も拡大領域から上流に間隔をおいて設けられた圧縮部あるい は収縮領域を有する。この圧縮もしくは収縮領域は、好ましくは流路の滑らかに 収縮する部分であり、圧縮領域と拡大領域との中間にある喉部につながる。 流路は、好ましくは、通常各拡大領域のごとくほぼ環状断面形状である。 拡大領域の１つのもしくは各階段状拡大部は、好ましくは、第１直径を有する 円筒と、流路の中心軸に対してほぼ垂直な半径方向外向きに延びる面と、第１直 径より予め大径にした第２直径を有する軸上に延びる円箇状表面とを有する円周 端部形状であり、次に隣接する階段状拡大部又は出口に通じる。 １つの特定の実施例において、中間喉部は直径約４ｍｍを有し、第１階段状拡 大部の軸円筒表面は直径約５ｍｍを有し、第２、第３階段状拡大部の軸方向円筒 表面は各々直径約６ｍｍ、７ｍｍを有する。好ましくは、圧縮領域は約１０ｍｍ の直径から、軸方向に約５ｍｍの距離を経てから喉部の４直径mｍまで縮小する 。さらに、好ましくは、喉部はおよそ１３ｍｍ延びて、第１、第２階段状拡大部 の円筒表面は軸方向に約３ｍｍ延びて、第３階段状拡大部の円筒表面は軸方向に 約４ｍｍ延びる。 本発明による複数の軸並列ノズルにより特に好ましい実施例をなして、１つの ノズル出口を用いて液体とガスの混合物を混合するノズルに吐出し、隣接するノ ズルをガス及び、または液体吸引領域で分割すると、吸引したガス及び、または 液体を応用して、１つのノズル出口から次の隣接して軸並列ノズルの取入れ口ま で通過するよう液体とガスの混合物を混合する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＵＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，Ｉ Ｌ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ， ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．出口に導く通路内に流れを有する本体と、 出口に近い拡大領域と、さらに前記拡大領域内の少なくとも１つの不連続部 とを含み、前記不連続部は出口における液体フィルムの付着を低減するのに適し ている液体とガスの混合物の吐出用ノズル。 ２．前記少なくとも１つの不連続部は実質的に円周状である請求項１に記載の液 体とガスの混合物の吐出用ノズル。 ３．前記少なくとも１つの不連続部は拡大領域の階段状拡大部である請求項１も しくは請求項２に記載の液体とガスの混合物の吐出用ノズル。 ４．複数の不連続部が存在する請求項３に記載の液体とガスの混合物の吐出用ノ ズル。 ５．通路を通る流れは拡大領域上流部に圧縮領域を有する前記請求項のいずれか １つに記載の液体とガスの混合物の吐出用ノズル。 ６．圧縮領域は圧縮並びに拡大領域間の喉部に導く流路の滑らかに収縮する部分 である請求項５に記載の液体とガスの混合物の吐出用ノズル。 ７．通路を通る流れはほぼ環状断面形状である前記請求項のいずれか１つに記載 の液体とガスの混合物の吐出用ノズル。 ８．ノズル（群）は軸状に整列しガス及び、または液体吸引領域により間隔を設 けられている請求項１ないし４のいずれか１つに記載の複数のノズルを含むノズ ル配列。 ９．ノズル配列の出口は下流に延伸するシュラウドにより囲まれ、前記シュラウ ドは出口下流の液体とガスの混合物に追加されるガス及び、または液体用吸引領 域を含む、請求項８または請求項１ないし４のいずれか１つに記載のノズル配列 。