JPS63259153A - 超音波霧化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ・　　、　　　　　　１ 本発明は、一般に超音波振動を用いて液体物質を霧化す
るための超音波霧化装置に関するものであり、種々の液
体噴霧器あるいは噴霧塗装装置等に用いられ得、さらに
、ガソリンエンジン及びディーゼルエンジンのような内
燃機関、あるいはボイラーおよびファンヒータのような
外燃機関の燃料噴射装置に好適に使用され得る超音波霧
化装置に関する０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、懸濁溶液等の液状物をも含むもの
として用いる。）を霧化するための霧化装置に用いられ
得るが、以下、本明細書においては、ガソリンエンジン
及びディーゼルエンジンのような内燃機関の霧化装置と
なる燃料噴射装置について述べる。

′　　、−びＵ　屯 ガソリンエンジン及びディーゼルエンジンのような内燃
機関、あるいはボイラーおよＪファンヒータのような外
燃機関に用いられる燃料噴射装置においては、好ましい
燃焼あるいは好ましいエンジン性能を得るために、噴射
される液体物質すなわち液体燃料を極めて小さい液滴粒
径に霧化して燃焼室に供給することが好ましい。

従来、このような液体燃料を霧化する装置として、超音
波を利用する超音波霧化装置が知られており、その例示
として、第１４（ａ）図に示す様な縦振動モードを用い
たホーン型超音波霧化装置があった（実開昭５９−９９
１６７号公報参照）。

この第１４（ａ）図に示す超音波霧化装置では、霧化面
３に超音波振動が与えられるが、この霧化面３に対向し
て配Ｗ！された燃料噴射弁５の噴射口６から霧化面３に
向かって液体燃！Ｆ４７が高圧で噴射され、霧化面３で
液体燃料７の霧化が行なわれていた。しかし、図示の如
く、これまで液体燃料を霧化するための霧化面３は、は
とんど平面形状であり、これらの霧化面においては、第
１４（ｂ）図に示す如く、液体燃料の霧化に利用される
範囲が霧化面３の中央部分８（霧化域）である極小面積
しか利用されないため、液体燃料を十分に霧化すること
ができず、例えばザウタ平均粒径が９０ｇｍというよう
に液滴粒径が大きかった。

さらに、霧化面３に対向する噴射口６から噴射される液
体燃料７の噴射角０は小さく、液体燃料７を一定空間内
に噴射する場合、液体燃料７の噴射範囲が狭く、空気と
の混合性に問題があった。

この混合性を良好にするために、燃料噴射口６から噴射
される液体燃料７を一定空間内の広い範囲にわたるよう
に連続的に広角供給して、液体燃料７の噴射角θを拡大
しようとすれば、霧化面３で霧化された霧化液滴と、霧
化面３に対向する噴射口６から噴射される供給液体とが
衝突する領域９（第１５図参照）が生じ、空気との混合
性という観点からも好ましくない。

第１６（ａ）図及び第１６（ｂ）図は、このような従来
の超音波霧化装置Ｕをガソリンエンジンの吸気管Ａに霧
化装置として利用したものであるが、このような霧化装
置では、噴射口６から噴射される液体燃料７の噴射角θ
が小さいので、液体燃料７の霧化面３に広がる霧化面積
は小さく、したがって、一定空間内で液体燃料７の噴射
範囲が広がらず、液体燃料７と空気との混合性が悪い。

さらに、超音波霧化による燃料液滴の運動モーメントは
、小さいと言えども、その飛翔速度が、約０　、５　ｍ
　／　ｓ〜１　、０　ｍ　／　ｓもあり、エンジンの吸
気管のような小径管内でこのような霧化装置が用いられ
た場合には、霧化液滴の壁面付着率が高いという欠点が
あった。

立」ＬＱ」Ｌ拍− したがって、本発明の主な目的は、超音波霧化装置の霧
化面に対向して液体物質を噴射する際、液体物質を霧化
するための霧化面が実質的に大きな霧化面積を有する超
音波霧化装置を提供することである。

本発明の他の目的は、超音波霧化装置の霧化面に噴射さ
れる液体物質を液滴粒径の極めて小さいものに霧化する
ことが出来る超音波霧化装置を提供することである。

本発明の他の目的は、超音波霧化装置の霧化面に、液体
物質噴射口から広い噴射角をもって液体物質を噴射する
ことが出来る超音波霧化装置を提供することである。

本発明の他の目的は、液体物質噴射口から噴射される液
体物質を超音波霧化装置の霧化面で広角方向に霧化、拡
散＋ることが出来る超音波霧化装置を提供することであ
る。

本発明の他の目的は、超音波霧化装置の霧化面で霧化さ
れる霧化液滴と空気との混合性を良好にすることが出来
るＭＵ音波霧化装置を提供することである。

本発明の他の目的は、超音波霧化装置の霧化面で霧化さ
れる霧化液滴の飛翔距離を短くすることが出来、したが
って、ガソリンエンジン等の吸気管のような小径管に用
いた時に霧化液滴、すなわち霧化された液体燃料の管内
壁面付着率を低下させることが出来る超音波霧化９２Ｆ
を提供することである。

［ｊＪ″′占　　　　　ため　　− 上記諸口的は本発明に関わる超音波霧化装置によって達
成される。要約すれば本発明は、超音波発生手段によっ
て振動子を振動させ、該振動子に対向する側に配置され
た液体物質供給手段から、該振動子に形成された霧化面
に供給される液体物質を霧化させる超音波霧化装置であ
って、前記液体物質供給手段に面する前記霧化面の表面
形状が、前記供給される液体物質を広角方向に拡散せし
めるように形成されたことを特徴とする超音波霧化装置
である。

ここで、前記液体物質供給手段に面する前記霧化面の表
面形状は、概略円錐形状で、かつ、この概略円錐形状は
その頂点から底縁部に向って湾曲して良く、さらに、そ
の湾曲は、概略円錐形状のその頂点から底縁部に向って
凹状に湾曲して良く、また、前記液体物質供給手段に面
する前記霧化面の表面形状、は、円錐形状であっても良
い。

１ロし 、以下、本発明をその実施例に基づいて添付図面を参照
しつつ説明する。第１　（ａ）図は、本発明の超音波霧
化装置の一実施例の概略側面図である。

第１（ａ）図を参照すると、本発明に関わる超音波霧化
装置１０は、基部に超音波振動を発するための超音波振
動発生部１１が配設されており、この超音波振動発生部
１１には、ホーン部１２が連結されており、このホーン
部１２の先端部には、液体物質、すなわち液体燃料を霧
化するための円錐状霧化面１３が形成されている。

この円錐状霧化面１３は、これと対向して配置された燃
料を噴射するための燃料噴射弁１５の燃料噴射口１６に
対して、その中央部分１７が突出しているとともに、こ
の中央部分１７から円錐状底縁部にかけて凹状に湾曲し
た曲面１８を有している。７ この曲面形状は、霧化面１３の中央部分１７から円錐状
底縁部に向かうに従がって、霧化面１３に伝えられる液
体物質の霧化に必要な超音波振動の有効振幅Ｃｎ化面に
垂直な方向の振幅）が大きくなるようにされている。す
なわち、第２図で詳細に示すように、この曲面ｌａ上で
頂点付近となる中央付近１７からその円錐状底縁部に向
って、それぞれ、θａ、θｂ、ＯＣ１θｄ、θｅ、θｆ
、Ｏｇの角度を有する位置にそれぞれ順次、仮想の点位
置をａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇとして考える。ここで
は、中央付近１７を始点ａとし、円錐状底縁部を終点ｇ
として考えている。

このようにした霧化面１３上の仮想の各点位置と液体物
質を霧化するのに必要な超音波振動発生部からの超音波
振動の有効振幅との関係を、縦軸に有効振＠（単位ニル
ｍ）、Ｍａ軸に霧化面の位置をとって、０′Ｓ３図に示
す、第３図では点位置ａから点位置ｇまでの間、有効振
幅が次第に大きくなるようにされており、成る一定の振
幅以上で、ここでは、点位１ｄ以降で、液体物質の霧化
が開始されるようにされている。ここで、液体の霧化に
必要な振幅は絶対振幅でなく、霧化面１３に垂直な方向
の振幅成分であり、この有効振幅は、（絶対振＠）Ｘｓ
ｉｎｏで表わされる。

なお、円錐状霧化面１３と燃料噴射弁１５の燃料噴射口
１６とは１例えば、３０〜５０ｍｍの所定の距離をもっ
て配置されるとともに、円錐状霧化面１３の中央部分１
７は、燃料噴射弁１５の燃料噴射口１６の中心線と一直
線上で対応するように配置されている。

以上のような構成になる本発明の超音波霧化装置の作用
を、以下に述べる。

この実施例では、霧化に必要な最小有効振幅が７、ｍ、
ホーン部の絶対振幅が１０ルｍに設定されている。そし
て、点位Ｃｄで霧化に必要な有効振幅７．ｍに設゛定さ
れ、霧化面の点位置ａで有効振幅がＯＡＬｍで、霧化面
の点位２１ｇで有効振幅が最大の１１０７Ｌで、その間
の点位ａｂからｆまでは中央部分１７から離れるに従っ
て無段階に有効振幅が大きくなるように設定されている
。

このような状態で作動している本発明の超音波霧化装置
に対し、所定の液体噴射流量及び流速をもって、例えば
液体噴射流量１〜２ｃｃ／秒、流速２０ｍ／秒で、燃料
噴射弁１５の燃料噴射口１６から噴射された液体物質、
すなわち液体燃料１９が霧化面１３の中央部分１７に供
給され、この液体燃料１９が霧化面１３の点位置ａから
点位置ｇまで至る過程で液体燃料１９の霧化が行われ、
霧化された霧化液滴１４が広角方向に拡散する。

この過程をさらに述べると、供給された液体燃料１９の
点位置ａから点位１ｄまでの間では、液体燃料１９が曲
面１８に沿って広がりながら薄い液膜になり、点位ｆｉ
ｄに向う０点位置ｄでは、有効振幅が７ｇｍであるので
、液体燃料１９の霧化が始まる。さらに、液体燃料１９
が点位置ｄから点位ｎｇまで霧化面１３の曲面１８に沿
って進むに従い、霧化が強まり、概ね、点位置ｆで完結
する（第３図の曲線表示部Ｙ参照）。

したがって、霧化面１３に対向する噴射口１６から噴射
された液体物質１９を霧化面１３上で曲面１８に沿って
その液膜の薄膜化を容易にすると共に液体物質を曲面１
８上に広げたので霧化面積を実質的に増加することがで
きると共に超音波振動によって霧化された霧化液滴１４
の飛び出し方向は、霧化面１３のほぼ垂直方向であるた
めに従来のものにくらべ広角の霧化域形成角Ｏｈが得ら
れる（第１　（ａ）図及び第１　（ｂ）図参照）。

このようにして、液体燃料の供給から霧化までの霧化過
程の変化が漸次的であり、霧化面積を大きく形成できる
構造の超音波霧化装置により霧化された霧化液滴１４の
液滴粒径は、従来の霧化装置によるものよりも大幅に小
さくすることが出来た６本実施例では、ザウタ平均粒径
で約５ｏルｍのものが得られた。

さらに、霧化液滴を広角範囲にわたって拡散させること
が出来るので空気との混合性が良くなり、霧化液滴の飛
翔距離を著しく短くすることが出来た。なお、広角の霧
化域形成角θｈを得るのには、霧化面１３の形状を一層
鋭角にすることにより達成できる。

第４図は、本発明の超音波霧化装置の他の実施例の概略
側面図である。

第４図を参照すると、本発明に関わる超音波霧化装置２
０が、基部に超音波振動発生部２１を備え、これに連結
されるホーン部２２の先端部に霧化面２３が形成され、
燃料噴射弁２５の燃料噴射口２６から霧化面２３の頂点
部分である中央部分２７に向って液体燃料２４が噴射さ
れるのは、第１（ａ）図の実施例と同様である。

この実施例では、霧化面２３の形状は、単純な円錐形状
であり、第１（ａ）図の実施例と同様に、供給される液
体燃料と霧化された霧化液滴との衝突を避け、広角の液
体燃料噴射角θ及び霧化域形成角θｈを得ることができ
るものである。

この実施例では、中央部分２７近傍に供給された液体燃
料は、液膜が厚く、すぐには霧化せず、その後、液体燃
料が円錐状の霧化面２３の表面周囲に広がることにより
薄い液膜となり、霧化が始まる。特に円錐状霧化面２３
の頂角が小さいほど広角の液体燃料噴射角θ及び霧化域
形成角θｈを得ることができ、霧化された液滴粒径も小
さくなるが、しかし、この頂角は概ね６０度が限度であ
り、これ以下の角度では、第１の実施例で示した超音波
振動の条件では霧化が困難である。したがって、頂角は
、概ね、６０度乃至１１０度程度が好ましい。

本発明によるこれらの超音波霧化装置に対し、第５図に
示したような従来の超音波霧化装置では、本発明のよう
に霧化面に点位置をａ−ｇまで設けた場合には、霧化面
３の点位ｉｉｆｆａ−ｇの全域が霧化可能なほぼ同じ振
幅の１０ｇｍであるために（第３図の直線表示部Ｘ参照
）、供給された液体物質は、ただちに霧化され霧化面の
小さな範囲で霧化が完了してしまう、したがって、振幅
が必要以上に大きいと霧化面積が小さく、液膜が厚いま
ま霧化されるので液滴粒径が大きくなってしまう。

第６（ａ）図及び第６（ｂ）図は、本発明の超音波霧化
装置を小径管に用いた場合を示したものである。この場
合、前述したように、本発明の超音波霧化装置によって
液体物質を液滴粒径の極めて小さい霧化液滴にすること
ができると共に広角の霧化範囲、すなわち広角の霧化域
形成角θｈを得ることができ、第１６（ａ）図及び第１
６（ｂ）図に示す従来の霧化装置によるものに比して著
しく液滴の壁面付着を減少することができ。

かつ均一分散を行なうことができた。

第６（ａ）図及び第６（ｂ）図に示すこの具体例をガソ
リンエンジンの吸気管のような小径管に燃料用霧化装置
として適用したものが第７図である。第７図においては
、燃料噴射弁１５は、吸気管３工内に配設されているス
ロットル弁３２のすぐ後段（すなはち、エンジン側に近
い）の管壁の所定位置に配設され、その後段にエンジン
３３を介して排気口３４が配設されている。

そして、燃料噴射弁１５に対向して本発明の超音波霧化
装置１０が吸気管３１の管壁に配設されている。ここで
、吸気管３１の所定位置に燃料噴射弁１５に対向して超
音波霧化袋Ｗ１１０を配設したのは、第８図に示したよ
うに吸気ｖ３１内にスロットル弁３２が設置されたモデ
ルにより空気流を調べ、その結果に基づいて超音波霧化
装置の最適位置を求めて配設したものである。

燃料噴射弁１５がスロットル弁３２のすぐ前段（すなは
ち、エンジン側から遠い）の位置に配設された第９図に
示す従来のシングルポイントフューエルインジェクショ
ン方式と比べると、第７図に示している燃料噴射弁１５
をエンジン側３３に配設した本発明の超音波霧化装置１
０では、スロットル弁３２に霧化液滴が付着せず、吸気
管、吸気弁、シリンダ壁面への霧化液滴の付着が減少し
、エンジンの過渡応答特性が向上した。

又、第９図に示す従来型のシングルポイントフューエル
インジェクション方式では、その噴射特性から燃料噴射
弁１５が吸気管内、すなわち噴射燃料通路内に設置され
ているために燃料噴射弁１５が大きい事と相まって吸気
抵抗が高かったが、本発明の超音波霧化装置を利用した
実施例では、吸気抵抗が小さく、かつ、充填効率が改善
され、出力が向上した。

さらに、本発明の超音波霧化装置をマルチポイントツユ
エルインジェクション方式のエンジンに用いた例が第１
０図に示されているが、従来では、燃料噴射弁１５によ
りエンジンの吸気管に噴射していた燃料を、この実施例
では超音波霧化装置により燃料を微細な液滴としたため
均一な混合気を作ることができ、かつ、稀薄燃焼が可能
となり、燃焼性を向上させることができる。そして、燃
料消費率の向上が図られると共、に高速域での燃焼速度
が早まったことにより平均有効圧力が高まり出力上昇を
得ることができる。

上記したことは、以下の記載から、さらに明らかとなる
であろう、すなわちｊ良好な燃焼特性を得るために、例
えば、エンジンの燃焼室には、極めて小さな粒径を有す
る液滴を噴霧することが望ましいが、その液滴粒径を、
本発明の超音波霧化装置によるものと従来の燃料噴射弁
によるものとの比較をする。第１１（ａ）図及び第１１
（ｂ）図は、循米すマルチポイントフユエルインジエク
ション方式に使用されている２方向型インジエクタと呼
ばれている燃料噴射弁４０を示すもので、この燃料噴射
弁４０は、サイアミーズ型吸気ポート４１、中央隔壁４
２を備えて燃焼室に通じている。

この燃料噴射弁を使用して得られた液滴粒径の図を、縦
軸に平均粒径ＳＭＤ　（単位：　ＩＬｍ）、横軸に雰囲
気圧（単位：ｋＰａ）をとって、第１２図に示す。この
ときのインジェクタ噴射容量は、１８５　ｃ　ｃ／分で
、燃料圧力は、２５０ｋＰａで、噴射パルス巾は、５ｍ
ｓであった。第１３図は、第６図に示す本発明の超音波
霧化装置を使用して得られた液滴粒径の図を、縦軸に平
均粒径ＳＭＤ（単位ニルｍ）、横軸に雰囲気圧（単位二
ｋＰａ）をとって、示している。この第１３図に示す液
滴粒径は、第１２図に示す従来のものにょる液滴粒径に
比らべ、粒径が約１７６〜１／ｌｏと小さい。

さらに、従来の燃料噴射弁は、燃料を加圧し、ノズルか
ら高速で噴射し、空気との接触によるせん断作用で微粒
化を行うために吸気管内の雰囲気圧が減少すると液滴粒
径が大きくなるのに対し本発明の超音波霧化装置では、
吸気管内の雰囲気圧が変化しても液滴粒径にほとんど影
響しない。

Ｌ１立立」 以上、説明してきたように、本発明の超音波霧化装置に
よれば、霧化面に向って噴射される液体物質を霧化する
ための霧化面の霧化面積（霧化域）を実質的に拡大する
ことが出来、液体物質を効果的に霧化し、液滴粒径を極
めて小さくすることが出来る。さらに、液体燃料を広角
で燃料噴射弁から噴射することができると共に前記霧化
面の表面形状により液滴が霧化、拡散される角度は広く
なるので、空気との混合性か良好になる。

なお、液滴粒径を極めて小さくすることが出来、空気と
の混合性が良くなるので、液滴の飛翔距跡が短くなる。

その結果、本発明の８汗波霧化装置を、ガソリンエンジ
ン等の吸気管のような小径管に用いると、霧化された液
体物質、すなわち霧化された液体燃料の管内壁面付着率
を低下させることが出来る。

【図面の簡単な説明】

第１（ａ）図は本発明の超音波霧化装置の一実施例の概
略側面図である。 第１　（ｂ）図は本発明の超音波霧化装置の霧化域を示
す第１　（ａ）図の部分正面図である。 第２図は第１（ａ）図の要部拡大図である。 第３図は霧化面上の各点位置と超音波振動の有効振幅と
の関係を示す図である。 第４図は本発明の超音波霧化装置の他の実施例の概略側
面図である。 第５図は従来のフラット型の超音波霧化装置の霧化状態
を説明するための説明図である。 第６（ａ）図は本発明の超音波霧化装置を小径管に用い
た場合の概略断面側面図である。 第６（ｂ）図は第６（ａ）図の平面図である。 第７図は本発明の超音波霧化装置をガソリンエンジンの
吸気管のような小径管に燃料用霧化装置として適用した
場合の概略断面側面図である。 第８図は空気流を調べるために吸気管内にスロットル弁
を配置した概略断面側面図である。 第９図は従来のシングルポイントフューエルインジェク
ション方式の燃料噴射弁を吸気管に配設したものの概略
断面側面図である。 第１０図は本発明の超音波霧化装置をマルチポイントツ
ユエルインジェクション方式のエンジンに用いた場合の
概略断面側面図である。 第１１（ａ）図及び第１１（ｂ）図は従来のマルチポイ
ントツユエルインジェクション方式に使用されている２
方向型インジエクタを示す図である。 第１２図は第１１（ａ）図及び第１１（ｂ）図に示す２
方向型インジエクタを用いて得られる液滴粒径を示す図
である。 第１３図は本発明の超音波霧化装置を使用して得られた
液滴粒径を示す図である。 第１４（ａ）図は従来の超音波霧化装置を示す概略側面
図である。 ′　第１４（ｂ）図は従来の超音波霧化装置の霧化域を
示す第１４（ａ）図の部分正面図である。 第１５図は第１４（ａ）図の超音波霧化装置を作動させ
たときに生じる衝突域を示す説明図である。 第ｔＳ（ａ）図は従来の超音波霧化装置をエンジンの吸
気管に適用した概略断面側面図である。 第１６（ｂ）図は、第１６（ａ）図の平面図である。 ２０：超音波霧化装置 １１．２１：超音波振動発生部 １２．２２：ホーン部 １３．２３：霧化面 １４．２４　：’Ｒ化液滴 ！５．２５：燃料噴射弁 １６．２６：燃料噴射口 １７．２７：中央部分 １８：曲面 １９：液体物質 Ａ、３１：吸気管 ０：燃料噴射角 Ｏｈ：霧化域形成角 第２図 第３図 霧化面の位置 第６図（ａ） 第６図（ｂ） 第７図 第８図 第９図 第１１図（ａ） 第１４図（ａ） ［」 第１４図（ｂ） 第１５図 ソ　　　　−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）超音波発生手段によつて振動子を振動させ、該振動
   子に対向する側に配置された液体物質供給手段から、該
   振動子に形成された霧化面に供給される液体物質を霧化
   させる超音波霧化装置であつて、前記液体物質供給手段
   に面する前記霧化面の表面形状が、前記供給される液体
   物質を広角方向に拡散せしめるように形成されたことを
   特徴とする超音波霧化装置。 ２）前記液体物質供給手段に面する前記霧化面の表面形
   状が、概略円錐形状を有し、かつ、この概略円錐形状は
   その頂点から底縁部に向つて湾曲していることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項に記載の超音波霧化装置。 ３）前記液体物質供給手段に面する前記霧化面の概略円
   錐形状はその頂点から底縁部に向つて凹状に湾曲してい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第２項に記載の超音
   波霧化装置。 ４）前記液体物質供給手段に面する前記霧化面の表面形
   状が、円錐形状である特許請求の範囲第１項に記載の超
   音波霧化装置。