(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が流れる通路の途中に設けられた弁座と、前記弁座との当接、離間により前記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た噴孔体とを備え、前記噴孔体に配置された複数の噴孔から流体を噴射し所望の形態の噴霧を生成する流体噴射弁であって、
前記複数の噴孔は、扇状に広がった偏平噴霧を生成するスリット噴孔と、流体の噴射方向に直角な面内の断面形状において長軸と短軸の長さが異なるスイッチング噴霧を生成するスイッチング噴孔を少なくとも一つずつ含み、
前記スリット噴孔は、アクシス−スイッチング現象を生じない偏平噴霧を生成するものであり、
前記スイッチング噴孔は、前記短軸に対して前記長軸が線対称なスイッチング噴霧を生成するように、その噴孔径、長さ、および傾きを含む噴孔仕様が設定され、前記スイッチング噴孔により生成されるスイッチング噴霧は、前記スイッチング噴孔から下流の所定位置においてアクシス−スイッチング現象を生じて前記長軸と前記短軸の方向を変化させ前記断面形状の変形を生じ得るものであり、この変形を生じた後の前記スイッチング噴霧は、前記スリット噴孔により生成された偏平噴霧との間にコアンダ効果が生じて前記偏平噴霧と近接化または集合化することを特徴とする流体噴射弁。
【請求項２】
要求される流体噴射量を複数回に分けて噴射する分割噴射を行い所望の形態の噴霧を生成する流体噴射弁であって、流体の噴射条件として設定されるパラメータの少なくとも一つは、前記スイッチング噴孔により生成されるスイッチング噴霧の前記断面形状の変形が生じる場合と生じない場合とを場合分けすることが可能な閾値を有し、前記分割噴射の各噴射における噴射条件が前記閾値に基づいて設定されることを特徴とする請求項１記載の流体噴射弁。
【請求項３】
前記閾値を有する前記パラメータは、前記分割噴射の各噴射における噴射期間、噴射量、および噴射圧力の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項２記載の流体噴射弁。
【請求項４】
前記分割噴射の休止時間間隔は、前記噴孔から下流の所定位置において前記分割噴射の各噴射による噴霧を近接化または集合化させるように設定されることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の流体噴射弁。
【請求項５】
前記弁体が弁全開に至らずに閉弁する場合における前記パラメータの前記閾値を求め、前記弁体が弁全開に至らずに閉弁する噴射における噴射条件を前記閾値に基づいて設定することを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の流体噴射弁。
【請求項６】
前記複数の噴孔が、噴孔径、長さ、および傾きを含む噴孔仕様が同等の前記スイッチング噴孔を複数含む場合、それらの前記閾値は同等であることを特徴とする請求項２から請求項５のいずれか一項に記載の流体噴射弁。
【請求項７】
前記スイッチング噴孔は、前記噴孔体の板厚方向に直角な断面形状が長円形であることを特徴とする請求項１記載の流体噴射弁。
【請求項８】
前記スイッチング噴孔と前記スリット噴孔は、前記スイッチング噴孔により生成されるスイッチング噴霧が前記断面形状の変形を生じる前の前記長軸の方向が、前記スリット噴孔により生成される偏平噴霧の長手方向と同じ方向になるように配置されることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の流体噴射弁。
【請求項９】
全体噴霧の噴霧形状、貫徹力、噴射量分布および噴霧方向の各特性のうち少なくとも一つは、前記スイッチング噴霧がアクシス−スイッチング現象を生じる所定位置より下流において定められることを特徴とする請求項１記載の流体噴射弁。
【請求項１０】
前記スイッチング噴孔と前記スリット噴孔は、前記スイッチング噴孔により生成されるスイッチング噴霧がアクシス−スイッチング現象を生じる所定位置より下流において、前記スリット噴孔により生成される偏平噴霧とコアンダ効果により集合した集合噴霧を形成するように配置されることを特徴とする請求項８または請求項９に記載の流体噴射弁。
【請求項１１】
前記複数の噴孔は、少なくとも前記スイッチング噴孔により生成されるスイッチング噴霧がアクシス−スイッチング現象を生じるまでは、隣接する噴霧との近接化を誘起するコアンダ効果が互いに作用しないように、それらの噴孔径、長さ、および傾きを含む噴孔仕様およびそれらの間隔が設定されることを特徴とする請求項１記載の流体噴射弁。
【請求項１２】
前記複数の噴孔により生成される各噴霧は、少なくとも前記スイッチング噴孔により生成されるスイッチング噴霧がアクシス−スイッチング現象を生じるまでは、隣接する噴霧との近接化を誘起するコアンダ効果が互いに作用しない流速、粒径、および粒子数密度に設定されることを特徴とする請求項１１記載の流体噴射弁。
【請求項１３】
請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載の流体噴射弁と、前記流体噴射弁に流体を供給する流体供給手段と、前記流体噴射弁の動作を制御する制御手段とを備えたことを特徴とする噴霧生成装置。 
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の噴孔から流体を噴射し噴霧を生成する流体噴射弁およびこれを備えた噴霧生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、車両用エンジンにおいては、燃料噴霧の微粒化によるエンジン冷機時の排出ガス低減や、燃焼性改善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、燃焼室内に燃料を直接噴射する燃料噴射弁を搭載した火花点火式直噴エンジンにおける成層燃焼コンセプトの研究開発が知られている。
【０００３】
火花点火式直噴エンジンにおける燃料噴霧は、点火プラグ近傍を指向する噴霧と、点火プラグ近傍を指向しない噴霧とで構成されており、前者は特に点火プラグ付近での成層燃焼を実現し、後者は成層燃焼や均質燃焼での燃焼室内全体の混合気形成を実現する。燃焼室の中心部に点火プラグが装着され、吸気弁を跨いだ位置に燃料噴射弁が装着される場合、点火プラグと燃料噴射弁は対向していない。このため、点火プラグ近傍を指向する噴霧と、点火プラグ近傍を指向しない噴霧とでは、要求される噴霧仕様が異なる。
【０００４】
また、圧縮着火式直噴エンジンの燃焼室内においても、ピストン上昇時とピストン下降時に求められる全体噴霧の噴霧仕様は異なる。ピストン上昇時に圧縮着火燃焼を成立させるのに好都合なのは、所望の断面形状の濃い混合気であり、貫徹力が抑制されたコンパクトな噴霧である。ピストン下降時においては、燃焼室全体に拡散する噴霧が求められる。このように、燃焼室の形状や筒内空気流動、さらに燃料噴射弁取り付け位置や方向等により、燃料噴射弁の噴霧数を含めた噴霧形態への要求仕様は異なるものとなる。
【０００５】
一方、噴霧の微粒化については、液滴の分裂の前段階である液糸を細くすることが有効であり、液糸を細くする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ことが有効である。さらに、液膜の方が液柱よりも有利であることが分かっている。また、液膜流形成手法として、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方法や、噴孔を細長いスリット形状として、そのスリット形状に応じた扇形の薄膜流を形成する方法等が知られている。
【０００６】
本願発明者は、これらの液膜流形成手法や微粒化プロセス、さらに、それらをベースとして複数の単噴霧が集合した集合噴霧の噴霧形状、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、単噴霧が集合した集合噴霧において、次の二つの形態に分けられることを見出している。
【０００７】
一つは、各単噴霧が識別可能であり、かつ各単噴霧の特徴がほぼ識別不可能な集合噴霧になる場合である。これは、比較的均質に近い中実構造の集合噴霧であり、各単噴霧を識別可能ではあるが、集合噴霧と共通的な特徴を示す噴霧となっており、中途半端でコントロールし難い噴霧である。もう一つは、各単噴霧の識別さえも不可能となる集合噴霧になる場合である。これは、噴射量分布が中心ピークの円錐形状となるものを代表例とする集合噴霧であり、複数の単噴霧が集合してほぼ元の形態とは異なる新しい一つの集合噴霧に置き換わっており、非常に特徴的で安定した現象である。
【０００８】
これらのどちらの形態になるかは、噴霧挙動がある閾値のどちらにあるかによるところが大きい。単噴霧の集合化が進んだ集合噴霧になるほど噴射量分布は軸対称に近づき、また鋭角な円錐形状となり、全体噴霧としての貫徹力が増大する。上記二つの形態のどちらの場合であっても、複数の単噴霧が集合し、噴霧方向に直角な面内の噴霧形状と噴射量分布がほぼ軸対称になった集合噴霧において、その断面形状を非対象な異形としたり、噴射量分布を非対称にしたり、噴霧の少なくとも一部分を所望の方向に指向させることは難しい。
【０００９】
また、前述したような微粒化手法が燃料噴射弁に適用されつつあるが、所謂ホールノズルの微粒化の技術の主流は小噴孔径と多噴孔化であり、隣り合う噴孔からの噴流が互いに干渉して微粒化状態が悪化しないように設計されている。すなわち、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、噴孔配置と噴孔径、傾き、および長さ等の噴孔仕様が設定されており、噴霧の微粒化とコンパクトな噴霧は両立しにくい。
【００１０】
噴霧全体の広がりを抑制する手法としては、噴孔中心軸線あるいは噴流方向が噴孔直下で互いに交差するような噴孔配置と噴孔仕様にすることが知られている。しかし、この手法では、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位置までの長さ（液膜流のブレーク長さ）との関係や微粒化の要件が考慮されていなかった。つまり、噴霧の広がりを抑制するために、ブレーク長さまでの位置で複数の噴流を交差させることによって、微粒化を犠牲にせざるを得なかった。
【００１１】
一方、噴霧全体の広がりを抑制するために、流体噴射弁の動作中心軸線に直角な面に対する噴孔中心軸線の角度を相対的に小さくすると、噴孔入口での流れの剥離や縮流による薄い液膜流を形成するのに不利である。つまり、微粒化プロセスが遅くなり噴流同士が干渉し易く、微粒化レベルを期待値通りに実現できない。また、前述のように、噴流同士の干渉により複数の単噴霧の集合噴霧が生じた場合、単噴霧の時より貫徹力が大きくなる。
【００１２】
さらに、シリンダライナーへの噴霧衝突軽減や空気との混合促進のために、噴霧の貫徹力を所定距離のところで急速に減衰させる手法が望まれるが、噴霧形態を大きく変えずに実現する手法がなかった。このため、各噴霧が貫徹力を急速に減衰するためには、噴孔出口からの噴流を極端な偏平にする等の方法で噴霧の運動量の減衰を早める必要があるが、その場合、各噴霧出口での噴流の干渉を避けるために、各噴流方向をさらに離す必要があった。
【００１３】
以上のような従来技術に関連する先行特許として、特許文献１では、主噴孔と、噴射中心が主噴孔の噴射中心と異なる方向を指向する副噴孔とを備え、主噴孔の入口と出口の断面積が異なるように設定することで、噴射量を一定にしたままで噴霧角を広げ、噴霧の燃料密度を分散させたマルチホールインジェクタが提示されている。
【００１４】
また、特許文献２では、噴孔内の燃料の流れる方向に縮小する第１テーパ部においてキャビテーション気泡を発生させ、発生したキャビテーション気泡が崩壊することにより燃料を微粒化させると共に、微粒化された燃料を流れ方向に拡大する第２テーパ部により拡散して貫徹力を低下させるようにした燃料噴射弁が提示されている。
【００１５】
また、特許文献３では、複数の噴霧流の少なくとも一つのグループにおいて、噴孔部材の噴霧軸に直交し噴孔部材から噴射方向に所定距離に位置する仮想平面と噴孔の流路軸を燃料噴射方向に延長した仮想直線との交点が、外側に凸状の多角形上または円上に位置する外側交点だけでなく、その内側に少なくとも一つの内側交点が位置するように噴孔から燃料を噴射する燃料噴射弁が提示されている。この先行例では、各噴孔からの噴霧が干渉しないように配置の工夫を行い、微粒化を促進すると共に噴射量分布の偏りを低減することを目的としている。
【００１６】
また、特許文献４では、複数の噴孔の流路軸が噴射方向に向かうにしたがい噴射軸から離れ、且つ燃料噴射方向に向かうにしたがい互いに離れている燃料噴射ノズルが提示されている。この先行例では、各噴孔から噴射される燃料が衝突せず各噴霧が均一に微粒化されること、各噴霧がコアンダ効果により互いに引き合いながら進み、噴霧流の進行方向のばらつきを防止するようにしている。
【００１７】
また、特許文献５では、スリット状に形成された噴孔を二つのスリット部に分断し、燃料温度によって各スリット部からの燃料噴霧の広がり角が変化することを利用して、燃料温度が低温時には二つの偏平噴霧を干渉させて一つの偏平な噴霧とし、燃料温度が高温時には二つの独立した偏平噴霧として噴霧形状の自由度を向上させている。
【００１８】
一方、流体工学において、噴孔から噴射された断面形状が長円形状のスイッチング噴霧の長軸と短軸との方向が、下流において変化するアクシス−スイッチング（ａｘｉｓ−ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）現象が知られている（非特許文献１−６）。このアクシス−スイッチング現象は、噴霧の断面形状が長円形状でなくてもよく、少なくとも短軸に対して長軸がほぼ線対称である形状のものであれば成立する。
【００１９】
すなわち、アクシス−スイッチング現象を生じるためには、噴孔の噴孔径、長さ、および傾きを含む噴孔仕様が、短軸に対して長軸が線対称なスイッチング噴霧を生成する仕様となっている必要がある。また、スイッチング噴霧がアクシス−スイッチング現象を生じるか否かは、噴射圧や噴霧量等の噴射条件や雰囲気圧力等の外的要因によって制御することが可能である。
【００２０】
例えば非特許文献１には、噴孔仕様の違いにより様々な非円形渦構造が形成されること、非円形ノズルから発生した非円形渦構造が、非一様曲率による自己誘起速度の影響により変形すること等が記載されている。また、非特許文献２には、アクシス−スイッチングの程度がノズル噴孔のアスペクト比（縦横比）に大きく依存することが記載されている。
【００２１】
本願発明者による特許文献６では、アクシス−スイッチング現象により変形するスイッチング噴霧を生成するスイッチング噴孔と、各単噴霧がコアンダ効果で集合した集合噴霧を形成する集合噴孔とを備えた流体噴射弁を提示している。この例では、スイッチング噴霧と集合噴霧がコアンダ効果により集合して全体噴霧が形成されることを利用して、エンジン仕様毎に異なる燃焼室形状およびそれぞれの吸気流動に適した可変噴霧を実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】特開２００７−３１５２７６号公報
【特許文献２】特開２０１２−１４５０４８号公報
【特許文献３】特開２００８−１６９７６６号公報
【特許文献４】特開２０００−１０４６４７号公報
【特許文献５】特開２０１０−１５１１０９号公報
【特許文献６】特許第５４９１６１２号公報
【非特許文献】
【００２３】
【非特許文献１】日本機械学会論文集（Ｂ編）５５巻５１４号、ｐｐ１５４２−１５４５、「非円形噴流中の渦構造に関する研究」（豊田他）
【非特許文献２】ILASS−Europe２０１０、”An experimental investigation of discharge coefficient and cavitation length in the elliptical nozzles”(Sung RyoulKim)
【非特許文献３】生産研究５０巻１号、ｐｐ６９−７２、”Numerical Simulation of Complex Turbulent Jets:Origin of Axis-Switching”(Ayodeji O.DEMUREN)
【非特許文献４】噴流工学、森北出版、ｐｐ４１−４２
【非特許文献５】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）
【非特許文献６】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）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
従来の流体噴射弁においては、噴霧の微粒化向上と、噴霧形状、噴霧方向、貫徹力、および噴射量分布等の設計自由度向上とを両立させることが難しく、要求される噴霧仕様を十分に実現することができていなかった。特に、噴霧の微粒化、噴霧形状、および貫徹力は互いに相関を持つ特性であるが、それらを考慮して最適な噴霧仕様を実現することができていなかった。
【００２５】
特許文献１のようなノズルでは、実際には噴孔上流のサック（キャビティ）内部の流れ方によって各噴孔への燃料の流入の仕方が変わることが知られている。すなわち、噴孔入口と出口の断面積を異ならせた場合に、必ずしも噴射量を一定にしたままで噴霧角を広げられるとは限らない。特に、複数の噴孔がインジェクタ中心軸を対称にして配置されていない場合は、各噴孔内の流れパターンは同じとならないことが多いが、特許文献１ではこれらのことが考慮されていない。
【００２６】
特許文献２では、燃料圧力や剥離状況等によるキャビテーションへの影響が示されていないため、微粒化のレベルが不明である。微粒化のレベルが異なれば噴霧全体が保有する運動量も異なり貫徹力にも影響する。特に点火プラグ近傍を指向する噴霧としては、噴霧形状や貫徹力等の設計自由度をより確実に向上させる手法が望まれる。
【００２７】
また、特許文献３に記載の燃料噴射弁は、噴霧が干渉するのを避けているに過ぎず、複数の噴霧から形成される噴霧パターンや全体噴霧の形状は、幾何学的に考えれば必然的に拡がり気味となってその設計自由度は小さいものとなり、適用できる燃焼室形状や吸気弁配置に制約が生じる。また、微粒化して混合気形成を促進させたり、噴霧貫徹力を小さくして燃焼室内での噴霧付着を抑制したりするためには、各噴霧を拡げて微粒化させる必要があり、全体噴霧はさらに拡がる。
【００２８】
また、この先行例では、噴孔を内側にも配置して噴射量分布の偏りを低減しているが、内側に噴孔が配置されていない場合に比べて相対的に低減されているだけであり、各々の噴孔からの独立した液柱噴流が干渉を避けながら微粒化して、偏りが低減した噴射量分布になる方策についての説明がないので、適用できる燃焼室形状や吸気弁配置等が不明である。
【００２９】
すなわち、噴孔を内側にも配置して各噴霧を近接させ、噴射量分布の偏りを低減しようとすると、各噴霧間には自動的にコアンダ効果が作用して各噴霧の集合化が始まり、下流での噴射方向の横断面の噴射量分布は略中心がピークの円錐状となる一つの集合噴霧となってしまい、この全体噴霧としての噴霧角は比較的小さなものになることは、市場で使用されている燃料噴射弁の特性や公知文献から明らかである。逆に、コアンダ効果による各噴霧の集合化を抑制するためには、隣り合う噴霧間に一定の距離（噴射条件や雰囲気条件によって変化する）を確保する必要があり、前述したように拡がった全体噴霧となる。
【００３０】
また、特許文献４に記載の燃料噴射ノズルのように、各噴霧が拡がり過ぎないようにコアンダ効果を作用させ、且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ことは、静的な雰囲気条件下であっても噴霧方向のバランス維持が難しい。まして吸気ポート内では、周囲空気圧力、温度、吸気流動、噴霧体積（重量）流量、噴霧速度等の影響を受けるため、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。
【００３１】
コアンダ効果の作用が強くなれば各噴霧は集合してコンパクトになり、噴射方向の横断面の噴射量分布は略中心がピークの円錐状となるし、逆にコアンダ効果の抑制が働けば、各噴霧は下流になるにつれて離れてしまい、全体として非常に広角な噴霧流となるのが通常である。その結果、全体噴霧の噴霧形状や噴霧パターン、噴射量分布は、各噴孔の主たる軸の方向あるいは各噴流の主たる噴射方向の設定に応じて成り行きとなっていた。
【００３２】
また、特許文献５に記載の燃料噴射装置は、燃料温度の変化を利用して噴霧形状を変化させているので、燃料温度調整手段としてのヒーターおよびヒーター制御回路の設置が必要となり、さらに、燃料噴射弁の本体内部にヒーターを埋め込む手段や信頼性確保等も必要であることから、大幅なコスト上昇に繋がると考えられる。
【００３３】
このように、上記の特許文献１−５では、噴霧の微粒化向上と、噴霧形状、噴霧方向、貫徹力、および噴射量分布等の設計自由度向上とを両立させることが可能な方策は示されていない。従って、これらの先行例は、エンジン仕様毎に異なる燃焼室形状およびそれぞれの吸気流動において最適な噴霧仕様を決めるための指針とはなっていない。とりわけ、特許文献５に示されるようなスリット状の噴孔により生成される扇状に広がった偏平噴霧に関する上記指針はほとんど示されていない。
【００３４】
スリット状の噴孔は、その形状に応じた扇状の薄膜流を形成することができ、この扇状の薄膜流から生成される偏平噴霧は、燃焼室内全体に拡散して均質な混合気を形成するのに好適である。この偏平噴霧をさらに所望の噴霧形態となるように変形させることが望まれるが、そのような先行技術は見当たらない。引用文献６のスイッチング噴霧を利用して全体噴霧の設計を行う技術においても、扇状に広がった偏平噴霧を含む全体噴霧には言及しておらず、設計自由度向上の余地がある。
【００３５】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、スイッチング噴孔により生成されるスイッチング噴霧を利用して、扇状に広がった偏平噴霧の形状を変形させることを可能とし、噴霧の微粒化と、噴霧形状、噴霧方向、貫徹力、および噴射量分布の設計自由度の向上とを両立させた流体噴射弁およびこの流体噴射弁を備えた噴霧生成装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３６】
本発明に係る流体噴射弁は、流体が流れる通路の途中に設けられた弁座と、弁座との当接、離間により通路の開閉を制御する弁体と、弁座の下流に設けられた噴孔体とを備え、噴孔体に配置された複数の噴孔から流体を噴射し所望の形態の噴霧を生成する流体噴射弁であって、複数の噴孔は、扇状に広がった偏平噴霧を生成するスリット噴孔と、流体の噴射方向に直角な面内の断面形状において長軸と短軸の長さが異なるスイッチング噴霧を生成するスイッチング噴孔を少なくとも一つずつ含み、スリット噴孔は、アクシス−スイッチング現象を生じない偏平噴霧を生成するものであり、スイッチング噴孔は、短軸に対して長軸が線対称なスイッチング噴霧を生成するように、その噴孔径、長さ、および傾きを含む噴孔仕様が設定され、スイッチング噴孔により生成されるスイッチング噴霧は、スイッチング噴孔から下流の所定位置においてアクシス−スイッチング現象を生じて長軸と短軸の方向を変化させ断面形状の変形を生じ得るものであり、この変形を生じた後のスイッチング噴霧は、スリット噴孔により生成された偏平噴霧との間にコアンダ効果が生じて偏平噴霧と近接化または集合化するものである。
【００３７】
また、本発明に係る噴霧生成装置は、上記流体噴射弁と、流体噴射弁に流体を供給する流体供給手段と、流体噴射弁の動作を制御する制御手段とを備えたものである。
【発明の効果】
【００３８】
本発明に係る流体噴射弁およびこれを備えた噴霧生成装置によれば、スイッチング噴孔により生成されるスイッチング噴霧がスイッチング噴孔から下流の所定位置において長軸と短軸の方向を変化させることによる断面形状の変形を利用して、スリット噴孔により生成される偏平噴霧の形状を三次元的に変形させることが可能となったので、噴霧形状、噴霧方向、貫徹力および噴射量分布の設計自由度が向上する。また、変形後のスイッチング噴霧と偏平噴霧がコアンダ効果により近接化または集合化することにより、貫徹力を急速に減衰させることが可能であると共に、変形によって噴霧の実効的な表面積が増大し微粒化がすすむことから、噴霧の微粒化と、噴霧形状、噴霧方向、貫徹力および噴射量分布の設計自由度の向上とを両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施の形態１に係る燃料噴射弁の全体構成を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る燃料噴射弁の先端部を示す拡大断面図および平面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る燃料噴射弁におけるスイッチング噴霧の挙動を説明する側面図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る燃料噴射弁におけるスイッチング噴霧の挙動を説明する断面図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る燃料噴射弁におけるスイッチング噴霧の挙動を説明する側面図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係る燃料噴射弁において二分割噴射した場合のスイッチング噴霧の挙動を説明する図である。
【図７】本発明の実施の形態１に係る燃料噴射弁において二分割噴射した場合のスイッチング噴霧の挙動を説明する側面図である。
【図８】本発明の実施の形態１に係る燃料噴射弁において三分割噴射した場合のスイッチング噴霧の挙動を説明する側面図である。
【図９】本発明に係る基本の噴霧パターンの噴霧挙動を説明する図である。
【図１０】本発明に係る基本の噴霧パターンを分割噴射した場合の噴霧挙動を説明する図である。
【図１１】本発明に係る基本の噴霧パターンにおける周囲空気の巻き込み状況を説明する図である。
【図１２】本発明に係る基本の噴霧パターンの噴霧挙動を説明する図である。
【図１３】本発明に係る基本の噴霧パターンを分割噴射した場合の噴霧挙動を説明する図である。
【図１４】本発明の実施の形態１に係る燃料噴射弁におけるスイッチング噴霧と偏平噴霧の挙動を説明する側面図および正面図である。
【図１５】本発明の実施の形態１に係る燃料噴射弁におけるスイッチング噴霧と偏平噴霧の挙動を説明する断面図である。
【図１６】本発明の実施の形態１に係る燃料噴射弁の噴孔プレートにおける噴孔の配置例を示す平面図である。
【図１７】本発明の実施の形態１に係る燃料噴射弁における偏平噴霧の挙動を説明する正面図である。
【図１８】本発明の実施の形態１に係る燃料噴射弁におけるスイッチング噴霧と偏平噴霧の挙動を説明する断面図である。
【図１９】本発明の実施の形態１に係る燃料噴射弁において分割噴射した場合のスイッチング噴霧と偏平噴霧の挙動を説明する図である。
【図２０】本発明の実施の形態３に係る火花点火式直噴エンジンを模式的に示す図である。
【図２１】本発明の実施の形態４に係る圧縮着火式直噴エンジンを模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
実施の形態１．
以下に、本発明の実施の形態１に係る流体噴射弁について、図面に基づいて説明する。図１は、本実施の形態１に係る燃料噴射弁を示す断面図、図２（ａ）は、本実施の形態１に係る燃料噴射弁の先端部を示す拡大断面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）中、矢印イで示す方向から見た噴孔プレートの平面図である。なお、各図において、図中、同一、相当部分には同一符号を付している。
【００４１】
本実施の形態１に係る噴霧生成装置は、流体噴射弁である燃料噴射弁１と、燃料噴射弁１に燃料を供給する燃料供給手段（図示省略）、および燃料噴射弁１の動作を制御する制御手段である制御装置（図示省略）とを備えている。以下の説明では、エンジンに取り付けられ燃料を噴射する燃料噴射弁１を例に挙げて説明する。
【００４２】
燃料噴射弁１は、電磁力を発生するソレノイド装置２と、ソレノイド装置２への通電により作動する弁装置３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２１と、このハウジング２１の内側に設けられた固定鉄心であるコア２２と、コア２２を囲うように設けられたコイル２３と、コイル２３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２４を備えている。
【００４３】
弁装置３は、円筒形状であってコア２２の先端部の外径部に圧入、溶接された弁本体３１と、弁本体３１の内部の燃料が流れる通路の途中に設けられた弁座３２を備えている。弁座３２の下流には、燃料を噴射する噴孔３９を有する噴孔体である噴孔プレート３３と、弁本体３１の内側に設けられ、弁座３２との当接、離間により通路の開閉を制御する弁体３５と、弁体３５の上流に設けられた圧縮バネ３６を備えている。
【００４４】
弁体３５は、アマチュア２４の内面に圧入、溶接された中空のロッド３７と、ロッド３７の先端部に溶接で固定されたボール３８を有している。図２（ａ）に示すように、ボール３８は、燃料噴射弁１のＺ軸（図１中、矢印で示す）に平行な面取部３８ａと、噴孔プレート３３と対向する平面部３８ｂと、弁座３２と線接触する曲面部３８ｃとを有している。
【００４５】
なお、噴孔プレート３３は、弁座３２と一体的に形成されていても良い。また、弁体３５は、ロッド３７とボール３８が一体的に形成されていても良い。さらに、ボール３８は、弁座３２に対してシートして流体をシールできるような形状であれば良く、例えばテーパで形成されたエッジ状のシート部でも良い。これらで形成されるデッドボリューム３４の形状も、図示した形状に限定されるものではなく、後述の偏平噴霧６Ａやスイッチング噴霧５Ａに適した形状を選定すればよい。ロッド３７も中空である必要はない。
【００４６】
噴孔プレート３３は、周縁部が下側に折曲されており、弁座３２の先端面および弁本体３１の内周側面に溶接されている。噴孔プレート３３は、板厚方向に貫通するスリット噴孔３９０とスイッチング噴孔３９１を、少なくとも一つずつ有している。スイッチング噴孔３９１は、噴孔プレート３３の板厚方向（すなわちＺ軸方向）に直角な断面形状が長軸と短軸を有する例えば長円形の噴孔である。なお、以下の説明において、噴孔３９とは、スリット噴孔３９０やスイッチング噴孔３９１を含む全ての噴孔の総称であり、それらを特に区別する必要のない場合に用いるものである。
【００４７】
スリット噴孔３９０は、その形状に応じた扇状の薄膜流を形成し、この扇状の薄膜流から生成される偏平噴霧は、均質な混合気を形成するのに好適であると共に、微粒化にも適している。偏平噴霧は、基本的には、その偏平度合（燃料流の膜厚と膜の広がり角）と噴射速度（噴射燃圧）によって、微粒化レベル、噴霧形状、噴霧方向、貫徹力や噴射量分布が決まる。なお、偏平噴霧は、スイッチング噴霧と同様に流体噴射方向に直角な面内の断面形状において長軸と短軸を有するとみなすこともできるが、スイッチング噴霧とはその挙動を全く異にしており、そのまま液糸に分裂していくような薄膜が扇状に広がっていくものである。従って、その長軸と短軸を変形させるようなアクシス-スイッチング現象は生じない。
【００４８】
スイッチング噴孔３９１は、流体噴射方向に直角な面内の断面形状において長軸と短軸の長さが異なるスイッチング噴霧を生成する。なお、スイッチング噴孔３９１は、短軸に対して長軸がほぼ線対称なスイッチング噴霧を生成するように、その噴孔径、長さ、および傾きを含む噴孔仕様が設定されている。スイッチング噴霧は、スイッチング噴孔３９１から下流の所定位置において長軸と短軸の方向を変化させることにより、その断面形状の変形を生じ得るものである。図２（ｂ）に示す噴孔プレート３３は、一つのスイッチング噴孔３９１を有しているが、複数有していても良い。
【００４９】
燃料噴射弁１の動作について説明する。エンジンの制御装置より燃料噴射弁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２３に電流が通電され、アマチュア２４はコア２２側へ吸引される。この結果、アマチュア２４と一体構造であるロッド３７およびボール３８は、圧縮バネ３６の弾性力に逆らって上方向に移動し、ボール３８の曲面部３８ｃが弁座面３２ａから離間し、両者に間隙が形成されて通路が形成され、燃料噴射が開始される。
【００５０】
一方、エンジン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２３への通電が停止し、アマチュア２４がコア２２側に吸引される力は消失し、ロッド３７は、圧縮バネ３６の弾性力によって弁座３２側に押され、ボール３８の曲面部３８ｃは弁座面３２ａに当接して閉状態となり、燃料噴射はこの時点で終了する。
【００５１】
本実施の形態１に係る燃料噴射弁１は、都度要求される燃料（流体）噴射量を複数回に分けて噴射する分割噴射を行うが、分割噴射を行わない場合にも適用可能である。分割噴射では、分割しない場合の本来の所定噴射期間よりも短い噴射期間で各噴射が行われる。要求される噴射量は、エンジンの回転数や負荷に応じて決まり、その時の運転条件と噴射量において要求される混合気形成に応じた噴霧形態を実現する必要がある。
【００５２】
なお、分割噴射は、噴射率形状を変化させたり、噴霧形態の自由度を向上させたりすることができるため、ディーゼルエンジンにおいては以前から行われている。分割噴射を行うことにより、混合気形成の状況を改善してＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｍａｔｔａｒ）やＮＯｘ発生を抑制する可能性や、均質燃焼や成層燃焼に適した噴霧形態の形成を実現できる可能性がある。
【００５３】
前述のように、スイッチング噴孔３９１により生成されるスイッチング噴霧は、スイッチング噴孔３９１から下流の所定位置において長軸と短軸の方向を変化させることによる断面形状の変形を生じ得るものである。さらに、燃料の噴射条件として設定される複数のパラメータの少なくとも一つは、スイッチング噴孔３９１により生成されるスイッチング噴霧の断面形状の変形が生じる場合と生じない場合とを場合分けすることが可能な閾値を有するものであり、この閾値に基づいて分割噴射の各噴射における噴射条件が設定あるいは調整される。すなわち、分割噴射の各噴射における噴射条件を記閾値に基づいて調整することにより、全体噴霧の仕様が可変である。
【００５４】
このような閾値を有するパラメータとしては、分割噴射の各噴射における噴射期間、噴射量、噴射圧力等がある。複数のパラメータを設定した場合、実現することができる噴霧形態の種類は、分割噴射回数とパラメータの組み合わせの積となる。
【００５５】
例えば上記３つのパラメータを設定する場合、パラメータの組み合わせは（１）噴射期間、（２）噴射量、（３）噴射圧力、（４）噴射期間と噴射量、（５）噴射期間と噴射圧力、（６）噴射量と噴射圧力、（７）噴射期間と噴射量と噴射圧力、の７通りが考えられる。分割噴射回数が２回の場合、設定可能な噴射条件は１４種類となり、それぞれの噴射条件による噴霧形態を実現することができる。実際には、噴射期間、噴射量、噴射圧力ともに、その数値を含めた組合せがあるので、さらに多くの噴霧形態を実現可能である。
【００５６】
また、図２（ｂ）に示す噴孔プレート３３は、一つのスイッチング噴孔３９１を有しているが、複数のスイッチング噴孔３９１を有する場合、噴孔径、長さ、および傾きを含む噴孔仕様（諸元）が同等のスイッチング噴孔３９１の閾値はほぼ同等である。言い換えると、異なる噴孔仕様の場合、同じ噴射の機会においてある一つの閾値に対し異なる結果が得られる。例えば、あるスイッチング噴孔３９１により生成されるスイッチング噴霧は変形を生じ、別のスイッチング噴孔３９１により生成されるスイッチング噴霧は変形を生じないようにすることができる。このような場合、それぞれのスイッチング噴孔３９１に関して、予め噴射期間、噴射量、噴射圧力等のパラメータの影響を調査し、三次元マップのデータを作成しておくとよい。
【００５７】
本実施の形態１に係る燃料噴射弁１において、アクシス−スイッチング現象および分割噴射を利用し、スリット噴孔３９０により生成される偏平噴霧とスイッチング噴孔３９１により生成されるスイッチング噴霧で形成される全体噴霧の仕様（噴霧形状、濃度分布等の噴霧構造、貫徹力、噴射量分布および噴霧方向）を制御する手法について説明する。
【００５８】
全体噴霧は、閾値に基づいて設定された噴射条件により長軸と短軸の方向を変化させ断面形状の変形を生じ得るスイッチング噴霧を含んで構成される。すなわち、閾値に基づいて設定された噴射条件により長軸と短軸の方向を変化させない噴霧を含んで構成することもできる。
【００５９】
図３および図４は、本実施の形態１に係る燃料噴射弁１の噴孔プレート３３におけるスイッチング噴孔３９１からの噴流および噴霧の挙動を説明する図であり、図３は、図２（ｂ）中、矢印ロで示す方向から見たスイッチング噴霧を示す側面図である。また、図４は、図３中、Ｅ−Ｅ、Ｆ−Ｆ、・・・、Ｌ−Ｌで示す部分における断面図である。なお、図３中、ΔＬ１、ΔＬ２は、貫徹力の差を示し、図４中、矢印Ｌは長軸の方向、矢印Ｓは短軸の方向を示している。
【００６０】
図３および図４において、（ａ）は、噴射条件がアクシス−スイッチング現象を生じる閾値に達していないスイッチング噴霧５Ａの場合、（ｂ）は、噴射条件がアクシス−スイッチング現象を生じる閾値に達しているスイッチング噴霧５Ａの場合、（ｃ）は、二分割噴射において前段のスイッチング噴霧５Ａ−１の噴射条件がアクシス−スイッチング現象を生じる閾値に達している場合の挙動をそれぞれ示している。なお、（ｃ）に示す二分割噴射では、（ａ）、（ｂ）に示す本来の所定噴射期間よりも短い噴射期間で各噴射がなされている。
【００６１】
スイッチング噴孔３９１から噴射された燃料の噴流５ａは、所定の距離ａ（ブレーク長さ）下流に進むと、噴射方向に直角な面内の断面形状において長軸Ｌと短軸Ｓの長さが異なるスイッチング噴霧５Ａを生成する。スイッチング噴孔３９１より生成されるスイッチング噴霧５Ａは、該スイッチング噴孔３９１から所定の距離でアクシス−スイッチング現象を生じて長軸Ｌと短軸Ｓの方向を変化させて変形するように制御することが可能である。
【００６２】
図３（ａ）の例では、スイッチング噴孔３９１からの噴流５ａおよびスイッチング噴霧５Ａの諸条件がアクシス−スイッチング現象を生じる閾値に到達せず、アクシス−スイッチング現象を生じないままとなっている。この場合、図４（ａ）に示すように、長軸Ｌと短軸Ｓが逆転するような変化はしない。
【００６３】
図３（ｂ）の例では、スイッチング噴孔３９１からの噴流５ａおよびスイッチング噴霧５Ａの諸条件がアクシス−スイッチング現象を生じる閾値に到達し、アクシス−スイッチング現象を生じている。この場合、図４（ｂ）に示すように、長軸Ｌと短軸Ｓの方向が変化して逆転し、断面形状が変形している。また、この際、長軸Ｌと短軸Ｓの変化や変形は非対称性に伴う周囲空気との大きな運動量交換に起因していることから、噴霧が持つ運動量が大幅に周囲空気に移動し、スイッチング噴霧５Ａの貫徹力は途中から急速に低下し、図３（ａ）よりも貫徹力が小さくなる。
【００６４】
さらに、図３（ｃ）の例では、前段のスイッチング噴霧５Ａ−１は、スイッチング噴孔３９１からの噴流５ａおよびスイッチング噴霧５Ａ−１の諸条件がアクシス−スイッチング現象を生じる閾値に到達している。ただし、後段のスイッチング噴霧５Ａ−２は、アクシス−スイッチング現象を生じるようにしても、生じないようにしても、どちらでも構わない。
【００６５】
前段のスイッチング噴霧５Ａ−１は、アクシス−スイッチング現象を生じて大きな運動量を失った上に、噴射期間が短いために分断された噴霧となっている。このような場合は、後続流からの運動量の補充がなくなるため、噴霧が持つ運動量に比べて周囲空気と干渉して移動する運動量の比率が大きくなり、噴霧の断面形状が変化して変形することによる運動量移動に加え、噴霧が持つ運動量が低下する。この結果、図３（ｂ）よりもさらに貫徹力が小さくなる。
【００６６】
図５（ａ）は、図３（ａ）に示す噴霧の時間経過に伴う全体噴霧の変化の様子を示し、図５（ｂ）は、図３（ｂ）に示す噴霧の時間経過に伴う全体噴霧の変化の様子を示している。図５（ａ）に示すように、アクシス−スイッチング現象を生じないスイッチング噴霧５Ａの場合、時刻ｔ１に対し、時刻ｔ５における全体噴霧（貫徹力Ｌ１）は、基本的な形態を維持したままで、周囲空気との混合（運動量移動）による若干の拡がりを持って下流に移動している。この様子は、従来の噴霧に関する通常の知見から容易に推測できるものである。
【００６７】
また、図５（ｂ）に示すように、アクシス−スイッチング現象を生じたスイッチング噴霧５Ａの場合、図５（ａ）に比べて時刻ｔ１における噴霧形態が拡がり気味であり、さらに時刻ｔ５においては全体噴霧（貫徹力Ｌ２）の拡がり率が大きくなる傾向がある。ただし、図５（ａ）と同様に基本的な形態を維持しており、やはり従来の噴霧に関する通常の知見から容易に推測できるものである。
【００６８】
図６（ａ）は、図３（ｃ）に示す二分割噴射における各噴霧の時間経過に伴う全体噴霧の変化の様子を示し、図６（ｂ）は、図６（ａ）中、時刻ｔ５において矢印イで示す方向から見た全体噴霧を示している。図６（ａ）に示すように、前段のスイッチング噴霧５Ａ−１は、貫徹力が極めて低下しているので、噴射方向への拡がりが抑制され、噴射方向に直角な方向への拡がりが大きくなっている。一方、後段のスイッチング噴霧５Ａ−２は、アクシス−スイッチング現象を生じさせない場合、貫徹力の大きな低下はなく、次第に前段の噴霧に接近して近接化、集合化させることが可能である（貫徹力Ｌ３＜Ｌ２＜Ｌ１）。
【００６９】
この場合、例えば噴射方向に直角なある断面の形状、あるいは噴射方向に直角な面内の投影形状や噴射量分布（積分値）を、図６（ｂ）に示すような略十字形とすることが可能である。条件的には、例えば前段のスイッチング噴霧５Ａ−１は所定燃圧での少し長めの噴射期間の分割噴射として噴霧が保有する運動量を確保し、後段のスイッチング噴霧５Ａ−２は前段噴霧５Ａ−１による噴射燃圧低下が回復しきらないうちに少し短めの噴射期間の分割噴射とする。これにより、各スイッチング噴霧５Ａ−１、５Ａ−２が保有する運動量に差をつけることができ、前述の挙動が実現可能となる。
【００７０】
図６（ａ）に示すように、長軸と短軸の方向を変化させて変形するスイッチング噴霧５Ａ−１と、長軸と短軸の方向を変化させないスイッチング噴霧５Ａ−２とは、分割噴射の各噴射後の所定時刻における貫徹力が異なることを利用して、分割噴射の休止時間間隔を所定値に設定することにより、下流の所定位置において各噴射による噴霧を近接化あるいは集合化させた全体噴霧を形成することができる。分割噴射の各噴射による噴霧を近接化または集合化させた全体噴霧は、分割噴射による合計噴射量を１回の噴射で行った時の全体噴霧に比べて拡がりが抑制され、貫徹力が減少する。また、この全体噴霧は、流体噴射方向に直角な面内の断面形状あるいは投影形状が、略十字状または略菱形または略四角形となる時刻が存在する。
【００７１】
また、図７は、二分割噴射において、図６とは異なるアクシス−スイッチング現象を設定した場合の各噴霧の時間経過に伴う全体噴霧の変化の様子を示している。図７の例では、偏平な形状のスイッチング噴霧５Ａ−１、５Ａ−２を縦に積み重ねたような全体噴霧を形成する（貫徹力Ｌ４＜Ｌ２＜Ｌ１）。また、分割噴射の条件や噴霧同士の干渉レベルを考慮することにより、積み重なり方、すなわち近接化あるいは集合化のレベルを変更することができる。
【００７２】
図８は、三分割噴射における各噴霧の時間経過に伴う全体噴霧の変化の様子を示している。この例では、各段のスイッチング噴霧５Ａ−１、５Ａ−２、５Ａ−３において、アクシス−スイッチング現象による長軸と短軸の変化による変形を小さくし、分割噴射数を増やしている。このように、分割噴射の各噴射による噴霧が近接化あるいは集合化した全体噴霧は、分割噴射による合計噴射量を１回の噴射で行った時の全体噴霧に比べて拡がりが抑制され、貫徹力が減少する（貫徹力Ｌ５＜Ｌ２＜Ｌ１）。
【００７３】
このように、アクシス−スイッチング現象の利用有無、利用有無の順序、分割回数、分割休止時間、閾値（噴射期間、噴射量、噴射圧力等）の組み合わせにより、図６（ｂ）に示すような三次元的な全体噴霧形状および噴霧濃度分布等の構造の種類や、全体噴霧の貫徹力のレベル等を自在に実現し、また、変更することが可能となる。
【００７４】
なお、噴霧の長軸と短軸の方向を変化させ断面形状を変形させる方法としては、アクシス−スイッチング現象の利用以外に、燃料粒子に電荷を帯びさせて、下流の所定位置でその電荷を利用して燃料粒子の飛翔方向をコントロールする方法がある。例えば、図３（ａ）に示すスイッチング噴霧５Ａの粒子に電荷を帯びさせ、紙面の右側あるいは左側から電荷を帯びた燃料粒子を誘引あるいは反発させることにより、図３（ｂ）のように長軸と短軸の方向を変化させて断面形状を変形させることができる。
【００７５】
次に、基本の噴霧パターンとして、隣接して配置された二つの非スイッチング噴孔により生成される各噴霧の干渉、集合化に関する基本的な挙動について、図９〜図１３を用いて説明する。図９〜図１１は、二つの非スイッチング噴霧にコアンダ効果が作用し集合噴霧を形成するまでの挙動を示している。コアンダ効果とは、隣接する噴霧との近接化を誘起する効果である。
【００７６】
図９において、（ａ）は二つの非スイッチング噴孔から１回の噴射で生成された非スイッチング噴霧の時刻ｔ１における側面図、（ｂ）は（ａ）中、Ｅ−Ｅ、Ｆ−Ｆ、Ｇ−Ｇ、Ｈ−Ｈで示す部分における断面図である。図９（ａ）に示すように、間隔ｘ１で配置された二つの非スイッチング噴孔３９２から噴射された噴流４ａ、４ｂは、それぞれ非スイッチング噴霧４Ａ、４Ｂとなる。噴流４ａ、４ｂは、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ブレークが生じたとき、断面Ｅ−Ｅに示す噴流断面形状である。
【００７７】
この時の非スイッチング噴孔３９２と断面Ｅ−Ｅとの距離をブレーク長さａとする。このブレーク長さａの位置ではすでに、両噴流４ａ、４ｂの隙間ｃ１はコアンダ効果が作用する閾値よりも小さくなっている。続いて、断面Ｆ−Ｆでは、噴流４ａ、４ｂは、分散して単一の非スイッチング噴霧４Ａ、４Ｂとなり、非スイッチング噴孔３９２から距離ｂの位置で、二つの非スイッチング噴霧４Ａ、４Ｂは、その外径が接し始める。
【００７８】
さらに、断面Ｆ−Ｆから、圧力分布に起因して二つの単一の非スイッチング噴霧４Ａ、４Ｂの間にコアンダ効果が作用し、単一の非スイッチング噴霧４Ａ、４Ｂは接近して断面Ｇ−Ｇのように集合化が進む。それと同時に、非スイッチング噴霧４Ａ、４Ｂの周囲空気の巻き込みと、それによる非スイッチング噴霧４Ａ、４Ｂ内の略中心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。
【００７９】
なお、仮に噴流４ａと噴流４ｂ、あるいは非スイッチング噴霧４Ａと非スイッチング噴霧４Ｂとが、各々アクシス−スイッチング現象を生じる素性を保有していた場合でも、アクシス−スイッチング現象が生じる前に、断面Ｅ−Ｅの位置において両噴流４ａ、４ｂの隙間ｃ１はコアンダ効果が作用する閾値よりも小さくなっているため、コアンダ効果が作用して接近し始める。
【００８０】
ここで、周囲空気の巻き込みレベルは、単一の非スイッチング噴霧４Ａ、４Ｂを集合した集合噴霧４０全体の形状を大きく変化させるレベルではない。さらに、条件が整えば、断面Ｇ−Ｇの集合噴霧４０の状態からさらに集合化が進み、断面Ｈ−Ｈのように実質的にほぼ一つの中実の集合噴霧４０とみなされるようになる。図９（ａ）において、時刻ｔ１における集合噴霧４０の貫徹力をＬ６とする。
【００８１】
図１０は、図９に示す二つの非スイッチング噴霧を分割噴射した場合の時間経過に伴う全体噴霧の変化の様子を示している。図１０に示すように、分割噴射を行った場合も、両者の間隔はコアンダ効果が作用する閾値よりも小さいため、基本的には各噴射のたびに両噴霧が近接して集合化する傾向となる。また、分割噴射の休止時間が短い場合には、前段噴霧が周囲空気を巻き込んで進むために生じる噴射方向への空気の流れが残った状態で後段噴霧を行うので、相対的に後段噴霧の方が貫徹力の低下が抑制され、後段噴霧が前段噴霧に追いつく傾向が生じる（時刻ｔ１における貫徹力はＬ７＜Ｌ６）。
【００８２】
図１１は、二つの非スイッチング噴霧がコアンダ効果により集合噴霧を形成するまでの挙動を、周囲空気の巻き込み状況を示す矢印で説明した図であり、（ａ）は二つの非スイッチング噴孔から噴射された非スイッチング噴霧を示す側面図、（ｂ）は（ａ）中、Ｆ−Ｆ、Ｇ１−Ｇ１、Ｇ２−Ｇ２、Ｈ−Ｈで示す部分における断面図である。
【００８３】
図１１（ａ）に示すように、周囲空気の巻き込みにより、噴霧内に下流への流れ方向に沿った空気流Ｖが誘起されている。その結果、図１１（ｂ）に示すように、Ｆ−Ｆ、Ｇ１−Ｇ１、Ｇ２−Ｇ２、Ｈ−Ｈにおける非スイッチング噴霧４Ａ、４Ｂの噴射量分布は、集合噴霧４０の略中心にピークができる。このように、複数の非スイッチング噴霧４Ａ、４Ｂがコアンダ効果の作用により集合噴霧４０を形成した場合、周囲空気の巻き込みによって噴霧内に下流への流れ方向に沿った空気流が誘起され、貫徹力の抑制が困難となり、噴霧の微粒化や噴霧形状に関しても設計自由度は低くなる。
【００８４】
また、図１２は、１回の噴射で生成された二つの非スイッチング噴霧にコアンダ効果が作用せず、独立した噴霧を形成するまでの挙動を説明する図である。図１２において、（ａ）は二つの非スイッチング噴孔から噴射された非スイッチング噴霧の時刻ｔ１における側面図、（ｂ）は（ａ）中、Ｅ−Ｅ、Ｆ−Ｆ、Ｇ−Ｇで示す部分における断面図である。図１２（ａ）に示すように、間隔ｘ２（ｘ２＞ｘ１）で配置された二つの非スイッチング噴孔３９２から噴射された噴流４ａ、４ｃは、それぞれ非スイッチング噴霧４Ａ、４Ｃとなる。
【００８５】
この例では、断面Ｅ−Ｅにおけるブレーク長さａの位置では、両噴流４ａ、４ｃの隙間はコアンダ効果が作用する閾値よりも大きい。さらに、断面Ｇ−Ｇにおける両噴霧４Ａ、４Ｃの隙間ｃ２も、コアンダ効果が作用する閾値より大きく、両噴霧４Ａ、４Ｃにはコアンダ効果は作用しない。その結果、両噴霧４Ａ、４Ｃは独立したままでほぼ初期の進行方向に進んでいく（時刻ｔ１における貫徹力をＬ８とする）。
【００８６】
図１３は、図１２に示す二つの非スイッチング噴霧を分割噴射した場合の時間経過に伴う全体噴霧の変化の様子を示している。この場合は、両噴霧の間にコアンダ効果は作用していないので、単純に分割された短い噴霧の塊が間隔をあけて並ぶ傾向となる。また、分割噴射の休止時間が短い場合には、前述と同様の傾向となる。時刻ｔ１における貫徹力はＬ９＜Ｌ８である。
【００８７】
なお、図９〜図１３には、基本の噴霧パターンとして二つの非スイッチング噴孔３９２により生成される非スイッチング噴霧４Ａ、４Ｂ、４Ｃを例に挙げて説明したが、非スイッチング噴孔３９２とスイッチング噴孔３９１の組み合わせであっても、両噴霧の間にコアンダ効果が作用せず、それぞれが独立した噴霧を形成するように設計することは可能である。
【００８８】
次に、本実施の形態１に係る燃料噴射弁１において、図２（ｂ）に示す噴孔プレート３３を用いた場合、すなわちスイッチング噴孔３９１とスリット噴孔３９０が一つずつ設けられている場合の各噴孔からの噴霧の干渉、集合化に関する基本的な挙動について説明する。スイッチング噴孔３９１とスリット噴孔３９０は、スイッチング噴孔３９１により生成されるスイッチング噴霧５Ａが断面形状の変形を生じる前の長軸Ｌの方向が、スリット噴孔３９０により生成される偏平噴霧６Ａの長手方向と同じ方向になるように配置されている。
【００８９】
また、スイッチング噴孔３９１とスリット噴孔３９０は、スイッチング噴孔３９１により生成されるスイッチング噴霧５Ａがアクシス−スイッチング現象により長軸Ｌと短軸Ｓの方向を変化させる所定位置より下流において、スリット噴孔３９０により生成される偏平噴霧６Ａとコアンダ効果により集合して集合噴霧５０（ここでは全体噴霧に相当）を形成するように配置されている。すなわち、全体噴霧の噴霧形状、貫徹力、噴射量分布および噴霧方向の各特性のうち少なくとも一つは、スイッチング噴霧５Ａがアクシス−スイッチング現象を生じる所定位置より下流において定められる。
【００９０】
図１４および図１５は、互いに隣接するスリット噴孔とスイッチング噴孔により生成される偏平噴霧とスイッチング噴霧が、コアンダ効果により集合噴霧を形成するまでの挙動を示している。図１４において、（ａ）は、図２（ｂ）の矢印ロで示す方向から見た各噴霧の側面図（一部は断面図）、（ｂ）は、図２（ｂ）の矢印ハで示す方向から見た噴霧の正面図である。また、図１５は、図１４（ａ）中、Ｇ−Ｇ、Ｊ−Ｊ、Ｋ−Ｋ、Ｌ−Ｌで示す部分における断面図であり、図中、矢印Ｌは長軸の方向、矢印Ｓは短軸の方向を示している。
【００９１】
図１４（ａ）および図１５に示すように、間隔ｘ３で配置されたスリット噴孔３９０とスイッチング噴孔３９１は、スイッチング噴孔３９１により生成されるスイッチング噴霧５Ａが断面形状の変形を生じる前の長軸Ｌの方向が、スリット噴孔３９０により生成される偏平噴霧６Ａの長手方向と同じ方向になるように配置される。スイッチング噴霧５Ａは、偏平噴霧６Ａと対向しつつ、その断面形状が長軸Ｌおよび短軸Ｓの両方向に若干拡大しながら、ほぼスイッチング噴孔３９１直下での初期の流れ方向を維持して下流に流れる。
【００９２】
その後、スイッチング噴孔３９１から所定の距離においてアクシス−スイッチング現象が生じ、断面Ｊ−Ｊに示すように、スイッチング噴霧５Ａの長軸Ｌと短軸Ｓの方向が変化し始める。なお、この位置では、スイッチング噴霧５Ａと偏平噴霧６Ａとの隙間ｃ３は、コアンダ効果が作用する閾値よりも大きく、コアンダ効果は生じていない。
【００９３】
断面Ｊ−Ｊから断面Ｋ−Ｋへと下流になるにつれて、スイッチング噴霧５Ａの長軸Ｌと短軸Ｓの方向が変化する変形が進み、スイッチング噴霧５Ａと偏平噴霧６Ａが近接してくる。これは、スイッチング噴霧５Ａにアクシス−スイッチング現象が生じたことにより、スイッチング噴霧５Ａと偏平噴霧６Ａの隙間が小さくなり、それに伴いスイッチング噴霧５Ａと偏平噴霧６Ａとの間にコアンダ効果が作用したことによる。
【００９４】
断面Ｋ−Ｋにおいて、スイッチング噴霧５Ａと偏平噴霧６Ａの隙間ｃ４は、コアンダ効果が作用する閾値よりも小さくなっている。断面Ｌ−Ｌでは、スイッチング噴霧５Ａと偏平噴霧６Ａの向かい合う端部が変形、移動して干渉し始める。その結果、燃料噴射後の所定時間経過後に、スリット噴孔３９０およびスイッチング噴孔３９１から所定の距離において、スイッチング噴霧５Ａと偏平噴霧６Ａが一体化した集合噴霧５０が形成される。この集合噴霧５０の形状、大きさ、方向、貫徹力、および噴射量分布は、スイッチング噴霧５Ａおよび偏平噴霧６Ａの各特性や配置を変更することにより変更することができる。
【００９５】
また、スイッチング噴霧５Ａは、長軸Ｌと短軸Ｓの方向が変化して変形することによって周囲空気との運動量交換が大きく進み、貫徹力が小さくなる。そのため、偏平噴霧６Ａと干渉することで、偏平噴霧６Ａの各粒子や各粒子に引きずられている空気流の動きに抑制がかかり、偏平噴霧６Ａの貫徹力も抑制される。
【００９６】
図１４に示す偏平噴霧６Ａの端部ｄ１は、コアンダ効果が作用していない部分である。また、偏平噴霧６Ａの端部の屈曲部ｄ２はコアンダ効果が作用している部分である。このように、偏平噴霧６Ａは、スイッチング噴霧５Ａとの干渉によって変形して貫徹力が低下し、その先端の伸びが単独の場合よりも短縮される（時刻ｔ１における貫徹力をＬ１０とする）。
【００９７】
また、変形によって偏平噴霧６Ａの実効的な表面積が増大するので、微粒化がさらに進むと共に、周囲空気と混合し易くなって均質混合気を早期に形成することができる。変形により、偏平噴霧６Ａの先端部の幅Ｗ１が広がり過ぎるのを抑制することもできる。周囲空気との混合には、全体噴霧形状が大きく影響するので、燃焼室形状、筒内空気流動に応じて最適な集合噴霧５０の形状となるよう偏平噴霧６Ａとスイッチング噴霧５Ａの仕様を決定すればよい。
【００９８】
なお、図１４および図１５に示す例では、偏平噴霧６Ａとスイッチング噴霧５Ａを各一つ組み合わせて断面が非対象な集合噴霧５０を形成しているが、集合噴霧５０を形成するのはこの組み合わせに限定されるものではなく、噴霧の数および配置も限定されるものではない。例えば一つの偏平噴霧６Ａと複数のスイッチング噴霧５Ａや、二つの偏平噴霧６Ａと一つあるいは複数のスイッチング噴霧５Ａであってもよい。
【００９９】
本実施の形態１に係る燃料噴射弁１の噴孔プレートにおける噴孔の別の配置例を図１６に示す。図１６（ａ）に示す噴孔プレート３３Ａは、一つのスリット噴孔３９０と二つのスイッチング噴孔３９１を組み合わせている。図１６(ｂ)に示す噴孔プレート３３Ｂは、一つのスリット噴孔３９０と三つのスイッチング噴孔３９１を組み合わせている。
【０１００】
また、図１７は、図１６の矢印ハで示す方向から見た偏平噴霧の挙動を示す正面図、図１８は、図１７中、Ｌ−Ｌで示す部分における集合噴霧の断面図である。図１６（ａ）に示す噴孔プレート３３Ａの噴孔配置の場合には、図１７（ａ）に示すような偏平噴霧６Ａの変形が生じ、図１８（ａ）に示すような集合噴霧５０となる。また、図１６（ｂ）に示す噴孔プレート３３Ｂの噴孔配置の場合には、図１７（ｂ）に示すような偏平噴霧６Ａの変形が生じ、図１８（ｂ）に示すような集合噴霧５０となる。ここで、集合噴霧５０の貫徹力は、（Ｌ１０−３）＜（Ｌ１０−２）＜（Ｌ１０−１）、矢印ハの方向から見た時の集合噴霧５０の幅は、Ｗ３＜Ｗ２＜Ｗ１となる。
【０１０１】
このように、偏平噴霧６Ａとスイッチング噴霧５Ａは、スイッチング噴霧５Ａの変形によりコアンダ効果が作用し近接化または集合化することにより貫徹力が急速に減衰する。さらに、スイッチング噴霧５Ａは、貫徹力が低下し周囲空気との混合が大幅に進むことにより微粒化が向上し、偏平噴霧６Ａの微粒化レベルとの差が小さくなる。すなわち、スリット噴孔３９０およびスイッチング噴孔３９１から下流の所定距離において微粒化され、断面が非対称な非円形形状の集合噴霧５０を形成する。
【０１０２】
なお、仮に、スリット噴孔３９０に隣接してスイッチング噴孔３９１を配置せず、スイッチング噴霧５Ａを利用しなかった場合には、隣り合う噴霧の近接化はさらに下流にならないと始まらず、場合によっては集合化には至らない。従って、各噴霧は拡がり続けると共に、貫徹力は低下しない。その結果、噴霧が保有する運動量は空気流に移動しにくく微粒化も不十分となる。
【０１０３】
また、図２（ｂ）に示す噴孔プレート３３を用いて分割噴射した場合について、図１９を用いて説明する。図１９（ａ）は、二分割噴射における各噴霧の時間経過に伴う全体噴霧の変化の様子を示し、図１９（ｂ）は、図１９（ａ）中、時刻ｔ３において矢印イで示す方向から見た全体噴霧を示している。なお、図１９に示す例では、前段のスイッチング噴霧５Ａ−１はアクシス−スイッチング現象を生じ、後段のスイッチング噴霧５Ａ−２はアクシス−スイッチング現象を生じないように、閾値に基づいて噴射条件を設定している。この場合、分割噴射しない場合に比べて貫徹力をさらに抑制することができる（時刻ｔ１における貫徹力Ｌ１１＜（Ｌ１０−１））。
【０１０４】
以上、本実施の形態１に係る燃料噴射弁１におけるスリット噴孔３９０とスイッチング噴孔３９１の配置例として、図２（ｂ）および図１６に３つの例を示した。いずれの配置例においても、噴孔プレート３３に設けられる複数の噴孔３９は、少なくともスイッチング噴孔３９１により生成されるスイッチング噴霧５Ａがアクシス−スイッチング現象を生じるまでは、隣接する噴霧との近接化を誘起するコアンダ効果が互いに作用しないように、それらの噴孔径、長さ、および傾きを含む噴孔仕様およびそれらの間隔が設定される。
【０１０５】
また、複数の噴孔３９により生成される各噴霧は、少なくともスイッチング噴孔３９１により生成されるスイッチング噴霧５Ａがアクシス−スイッチング現象を生じるまでは、隣接する噴霧との近接化を誘起するコアンダ効果が互いに作用しない流速、粒径、および粒子数密度に設定される。
【０１０６】
隣接する噴霧の間でコアンダ効果が作用することを抑制する方法として、例えばスイッチング噴霧５Ａと非スイッチング噴霧４Ａの特性に差を設けて、コアンダ効果が生じるタイミングを遅らせる方法がある。具体的には、非スイッチング噴孔３９２およびスイッチング噴孔３９１から同じ距離におけるスイッチング噴霧５Ａの平均粒径を非スイッチング噴霧４Ａの平均粒径よりも大きくする方法、あるいはスイッチング噴霧５Ａのブレーク長さを非スイッチング噴霧４Ａのブレーク長さよりも長くする方法、さらにはスイッチング噴霧５Ａの貫徹力を非スイッチング噴霧４Ａの貫徹力よりも大きく設定する方法等がある。
【０１０７】
これらの方法を実現するには、噴孔形状の違いによって縮流のレベルや方向が変わることを利用し、噴孔３９内での圧力損失（噴流速度）、噴流の断面積、断面形状、配置、および方向等を異ならせることにより、コアンダ効果が作用する隙間の閾値を変更することができる。また、この閾値は、各噴霧の流速、微粒化レベル、粒子数密度、および雰囲気圧力等によっても変わるため、これらを調整することにより所望の閾値に設定することができる。
【０１０８】
以上のように、本実施の形態１に係る燃料噴射弁１およびこれを備えた噴霧生成装置によれば、スイッチング噴孔３９１により生成されるスイッチング噴霧５Ａがスイッチング噴孔３９１から下流の所定位置において長軸と短軸の方向を変化させることによる断面形状の変形を利用して、スリット噴孔３９０により生成される偏平噴霧６Ａの形状を三次元的に変形させることが可能となったので、噴霧形状、噴霧方向、貫徹力および噴射量分布の設計自由度が向上する。
【０１０９】
また、変形後のスイッチング噴霧５Ａと偏平噴霧６Ａがコアンダ効果により近接化または集合化することにより、貫徹力を急速に減衰させることが可能であると共に、変形によって噴霧の実効的な表面積が増大し微粒化がすすむことから、噴霧の微粒化と、噴霧形状、噴霧方向、貫徹力および噴射量分布の設計自由度の向上とを両立させることができる。
【０１１０】
また、本実施の形態１に係る燃料噴射弁１において分割噴射する場合は、スイッチング噴霧５Ａの断面形状の変形が生じる場合と生じない場合とを場合分けすることが可能な閾値に基づいて、分割噴射の各噴射における噴射条件を設定することにより噴霧形状が可変であり、噴霧形状、噴霧方向、貫徹力および噴射量分布の設計自由度がさらに向上する。
【０１１１】
実施の形態２.
上記実施の形態１と同様の燃料噴射弁１において、分割噴射により微少噴射量を噴射して、巧妙な混合気形成や燃焼に寄与するためには、微少噴射期間の噴射動作を安定して実現することが必要である。噴射期間を小さくしていくと、弁体３５が全閉状態から全開状態までのフルリフトをしない領域になる。本実施の形態２では、分割噴射において弁全開に至らずに閉弁する場合において、上記実施の形態１と同様に、スイッチング噴霧の断面形状の変形が生じる場合と生じない場合の場合分けが可能な閾値を見出し、分割噴射の各噴射における噴射条件をこの閾値に基づいて設定する。
【０１１２】
具体的な方策としては、フルリフトをしない領域についても弁体動作を検出することにより、噴射量を推測することが可能である。この領域の噴射を組み合わせることで、より巧妙な噴射制御が可能となる。さらに、フルリフトしない領域の噴射条件を絞り込むことによって、アクシス−スイッチング現象による長軸と短軸の方向の変化による変形を生じさせることが可能である。例えば、噴射時間が短く噴射量が少なくなると噴霧が持つ運動量が小さくなる。これを補うためには、噴射期間をさらに短縮して噴射圧力を上げることにより噴射速度を増大させればよい。
【０１１３】
以上のように、上記実施の形態１〜実施の形態２では、本発明に係る基本の噴霧パターンとして、以下の（ア）〜（カ）の噴霧について説明した。（ア）噴射条件がアクシス−スイッチング現象を生じる閾値に達していないスイッチング噴霧（図３（ａ））、（イ）噴射条件がアクシス−スイッチング現象を生じる閾値に達しているスイッチング噴霧（図３（ｂ））、（ウ）二つの非スイッチング噴霧にコアンダ効果が作用し集合した噴霧（図９）、（エ）二つの非スイッチング噴霧にコアンダ効果が作用せず独立したままの噴霧（図１２）、（オ）偏平噴霧とスイッチング噴霧にコアンダ効果が作用し集合した噴霧（図１４）。
【０１１４】
これらの（ア）〜（オ）の基本の噴霧パターンにおいて、噴霧の数、種類、および配置を任意に組み合わせて配列し、さらに、分割噴射における分割数、噴射期間、噴射休止時間、噴射量、噴射圧力等の仕様を任意に組み合わせることにより、従来は実現できなかった任意の三次元的な全体噴霧形状や噴霧濃度分布等の構造、噴霧貫徹力（分割噴射毎の貫徹力設定を含む）、噴射量分布等を時間経過による変化設定も含めて実現することが可能となる。
【０１１５】
なお、噴霧パターンについては、１スプレーのみならず、２スプレーや、３スプレー等のマルチスプレーにおいて、全体噴霧の形状がそれぞれ異なる仕様の燃料噴射弁を提供することができる。また、燃料噴射弁１の駆動源は、電磁式以外の方式でもよく、ピエゾ式、機械式等であっても良い。また、間欠噴射弁、連続噴射弁のどちらにも適用することができる。
【０１１６】
さらに、本発明に係る流体噴射弁は、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、冷却等の各種スプレーとして、一般産業用、農業用、設備用、家庭用、個人用等の用途があり、それぞれに要求される噴霧形態を実現することができる。本発明に係る流体噴射弁を組み入れることにより、駆動源やノズル形態、噴霧流体に関わらず、従来にない噴霧形態を実現することが可能な噴霧生成装置が得られる。
【０１１７】
以下に示す実施の形態３及び実施の形態４では、筒内直噴エンジンにおいて、上記実施の形態１及び実施の形態２で説明した基本の噴霧パターンを応用し、様々な噴霧形態を実現した例について説明する。
【０１１８】
実施の形態３．
図２０は、本発明の実施の形態３に係る火花点火式直噴エンジンを模式的に示す図であり、（ａ）は成層燃焼時（ピストン上昇中）、（ｂ）は均質燃焼時（ピストン下降中）の状態を示している。本実施の形態３に係る火花点火式直噴エンジン１００は、燃焼室７に燃料を噴射する燃料噴射弁として、上記実施の形態１または上記実施の形態２に係る燃料噴射弁１を備え、図２（ｂ）に示す噴孔プレート３３を有している。
【０１１９】
火花点火式直噴エンジン１００の燃焼室７には、吸気ポート８と排気ポート９が連通しており、各々の燃焼室７側の開口部には、ピストン１０と連動して開閉する吸気弁１１と排気弁１２が設けられている。また、燃焼室７の天井の略中央部には燃料噴射弁１が配置され、その側方には点火プラグ１３が配置される。なお、燃料噴射弁１および点火プラグ１３の配置は、これに限定されるものではない。
【０１２０】
本実施の形態３及び後述の実施の形態４において、アクシス−スイッチング現象を生じさせようとしている筒内状態は、市場にある各社ガソリン筒内直噴エンジンにおいて通常用いられている条件で、吸気行程の「大気圧より少し低い圧力で常温の筒内状態」、及び圧縮行程の比較的前半の「大気圧より少し高い圧力で温度が少し高い筒内状態」を想定している。
【０１２１】
なお、圧縮行程の筒内圧力は徐々に上昇していくが、噴射する時は０.３ＭＰａ〜０.５ＭＰａ程度で筒内空気流動の影響もわずかであり、貫徹力が普通あるいは大きい噴霧の場合、その貫徹力はほとんど低下しない。このため、常温常圧雰囲気下と同様にアクシス-スイッチング現象を生じさせることが可能である。
【０１２２】
本実施の形態３では、燃料噴射弁１のスイッチング噴孔３９１により生成されるスイッチング噴霧５Ａは、アクシス−スイッチング現象により点火プラグ１３近傍を指向する噴霧となる。また、スイッチング噴霧５Ａがアクシス−スイッチング現象を生じるか否かは、燃焼室７内の圧力または空気流動により制御される。
【０１２３】
また、スイッチング噴孔３９１は、短軸に対して長軸が線対称なスイッチング噴霧５Ａを生成するように、その噴孔径、長さ、および傾きを含む噴孔仕様が設定される。これにより、アクシス−スイッチング現象を生じた後も線対称な形状となり、点火プラグ１３近傍に安定して噴霧を停滞させるのに好都合である。
【０１２４】
本発明の実施の形態３に係る火花点火式直噴エンジン１００における成層燃焼時と均質燃焼時の全体噴霧の状態について、図２０を用いて説明する。図２０（ａ）に示す成層燃焼時においては、ピストン１０の上昇により燃焼室７の空気が圧縮され、燃焼室７内の圧力が上昇する。このため、偏平噴霧６Ａおよびスイッチング噴霧５Ａの貫徹力は均質燃焼時よりも小さくなる。
【０１２５】
スイッチング噴霧５Ａは、点火プラグ１３近傍を通過する過程でアクシス−スイッチング現象を生じ、点火プラグ１３を指向する。同時に貫徹力が大幅に低下し、点火プラグ１３近傍を通過した時点でスリット噴孔３９０により生成された偏平噴霧６Ａとの近接化または集合化により貫徹力を失い、点火プラグ１３近傍で滞留する。
【０１２６】
すなわち、噴射位置から点火プラグ１３近傍までの所望の距離で、スイッチング噴霧５Ａの貫徹力を急減衰させ、点火プラグ１３近傍において所望の濃い混合気を形成することができる。このことは、成層燃焼を成立させるのに好都合である。
【０１２７】
また、偏平噴霧６Ａは、成層燃焼に適した混合燃焼状態となるように指向させると共に、シリンダライナー１４やピストン１０表面への衝突が抑制されるように貫徹力を設定される。これにより、スイッチング噴霧５Ａと偏平噴霧６Ａが近接化または集合化した全体噴霧６０は、シリンダライナー１４やピストン１０表面への衝突を抑制され、且つ、点火プラグ１３近傍に成層燃焼に適した濃い混合気を形成する。
【０１２８】
一方、図２０（ｂ）に示す均質燃焼時においては、ピストン１０の下降と共に吸気弁１１が開となるため、タンブル流等の強い空気流動が燃焼室７内に生じる。スイッチング噴霧５Ａは、点火プラグ１３近傍を通過する過程で燃焼室７内の空気流動に追随し、アクシス−スイッチング現象を生じず、燃焼室７内全体に拡散する。この時、スイッチング噴霧５Ａは、スリット噴孔３９０により生成される偏平噴霧６Ａと、コアンダ効果による集合化を生じない。偏平噴霧６Ａは、燃焼室７内全体に拡散して均質な混合気を形成する。
【０１２９】
このように、本実施の形態３に係る火花点火式直噴エンジン１００は、成層燃焼時において、点火プラグ１３近傍を指向する噴霧と指向しない噴霧との間に大きな特性差を設けることができる。点火プラグ１３近傍を指向する噴霧としてスイッチング噴霧５Ａを適用することにより、点火プラグ１３との衝突を避けつつ、点火プラグ１３近傍で偏平噴霧６Ａと集合化することにより成層燃焼に適した混合気を形成することができる。均質燃焼時においては、スイッチング噴霧５Ａを空気流動に追随させ、アクシス−スイッチング現象を生じず偏平噴霧６Ａと共に燃焼室７全体に拡散させることができる。
【０１３０】
本実施の形態３によれば、少なくとも一つのスイッチング噴霧５Ａにより、アクシス−スイッチング現象を利用して点火プラグ１３近傍を指向する噴霧を生成することが可能となり、燃焼室７内に拡散して均質な混合気を形成し易い偏平噴霧６Ａと一体化させた集合噴霧を形成することにより、火花点火式直噴エンジン１００における成層燃焼時と均質燃焼時に求められる燃焼性能ひいてはエンジン性能を両立させることが可能となる。また、これらの噴霧を分割噴射することにより、特に成層燃焼時における噴霧の設計自由度がさらに向上する。
【０１３１】
実施の形態４．
図２１は、本発明の実施の形態４に係る圧縮着火式直噴エンジンを模式的に示す図であり、（ａ）はピストン上昇時、（ｂ）はピストン下降時の状態を示している。本実施の形態４に係る圧縮着火式直噴エンジン１０１は、燃焼室７に燃料を噴射する燃料噴射弁として、上記実施の形態１または上記実施の形態２に係る燃料噴射弁１を備え、図２（ｂ）に示す噴孔プレート３３を有している。
【０１３２】
圧縮着火式直噴エンジン１０１の燃焼室７には、吸気ポート８と排気ポート９が連通しており、各々の燃焼室７側の開口部には、ピストン１０と連動して開閉する吸気弁１１と排気弁１２が設けられている。また、燃焼室７の天井の略中央部には燃料噴射弁１が配置される。なお、燃料噴射弁１の配置は、これに限定されるものではない。
【０１３３】
本実施の形態４では、燃料噴射弁１のスイッチング噴孔３９１により生成されるスイッチング噴霧５Ａは、アクシス−スイッチング現象を生じた後、スリット噴孔３９０により生成される偏平噴霧６Ａとコアンダ効果による近接化または集合化を生じることにより、全体噴霧６０を燃焼室７内での混合気形成または燃焼に適した形状とするものである。スイッチング噴霧５Ａがアクシス−スイッチング現象を生じるか否かは、燃焼室７内の圧力または空気流動により制御される。
【０１３４】
本実施の形態４に係る圧縮着火式直噴エンジン１０１におけるピストン上昇時とピストン下降時の全体噴霧の状態について、図２１を用いて説明する。図２１（ａ）に示すピストン上昇時において燃料噴射を行う場合、ピストン１０の上昇により燃焼室７の空気が圧縮され、燃焼室７内の圧力が上昇する。このため、偏平噴霧６Ａおよびスイッチング噴霧５Ａの貫徹力は大気圧下よりも小さくなる。
【０１３５】
スイッチング噴孔３９１により生成されるスイッチング噴霧５Ａは、筒内を通過する過程でアクシス−スイッチング現象を生じて変形し、該スイッチング噴霧５Ａとスリット噴孔３９０により生成される偏平噴霧６Ａとの間でコアンダ効果による近接化または集合化を生じる。これにより、各噴霧の貫徹力は大幅に低下し、圧縮上死点付近の燃焼室７内において、コンパクトな全体噴霧６０を形成する。
【０１３６】
なお、圧縮着火式直噴エンジンは、圧縮上死点付近における圧縮温度及び圧力が非常に高くなり、この状態で燃料が噴射された場合、適切な混合気が形成される前に着火し、局所的で不均一な燃焼が起こることがある。これに対し、本実施の形態４に係る圧縮着火式直噴エンジン１０１は、噴射位置からシリンダ内面までの所望の距離でスイッチング噴霧５Ａの貫徹力を急減衰させ、所望の断面形状の濃い混合気を形成することができ、筒内に噴霧を拡げて圧縮着火燃焼を成立させるのに好都合である。
【０１３７】
また、各噴霧は、圧縮着火燃焼に適した混合状態となるように指向されると共に、シリンダライナー１４やピストン１０表面への衝突が抑制されるように貫徹力を設定される。これにより、全体噴霧６０は、シリンダライナー１４やピストン１０表面への衝突を抑制され、且つ、圧縮着火燃焼に適した混合気を形成する。
【０１３８】
一方、図２１（ｂ）に示すピストン下降時においては、ピストン１０の下降と共に吸気弁１１が開となるため、タンブル流等の強い空気流動が燃焼室７内に生じる。スイッチング噴霧５Ａは、燃焼室７内を通過する過程で空気流動に追随し、アクシス−スイッチング現象を生じず、燃焼室７内全体に拡散する。この時、スイッチング噴霧５Ａは、スリット噴孔３９０により生成される偏平噴霧６Ａと、コアンダ効果による集合化を生じない。偏平噴霧６Ａは、燃焼室７内全体に拡散して均質な混合気を形成する。
【０１３９】
このように、本実施の形態４に係る圧縮着火式直噴エンジン１０１は、ピストン上昇時においてはスイッチング噴霧５Ａのアクシス−スイッチング現象を利用して偏平噴霧６Ａと集合化させ、圧縮着火燃焼に適した濃い混合気を形成することが可能である。また、ピストン下降時においては、スイッチング噴霧５Ａを空気流動に追随させ、アクシス−スイッチング現象を生じず偏平噴霧６Ａと共に燃焼室７全体に拡散させることが可能である。
【０１４０】
なお、本発明に係る燃料噴射弁１が適用されるエンジンは、ガソリンエンジン、ディーゼルエンジン、ガスエンジン、複合燃料エンジン等を問わず、また点火（着火）方式も問わない。本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１４１】
本発明は、流体噴射弁、特にエンジンに搭載される燃料噴射弁、およびこれを備えた噴霧生成装置として利用することができる。
【符号の説明】
【０１４２】
１  燃料噴射弁、２  ソレノイド装置、３  弁装置、
４ａ、４ｂ、４ｃ、５ａ、５ｂ、５ｃ  噴流、４Ａ、４Ｂ、４Ｃ  非スイッチング噴霧、
５Ａ、５Ｂ、５Ｃ  スイッチング噴霧、６Ａ  偏平噴霧、７  燃焼室、８  吸気ポート、
９  排気ポート、１０  ピストン、１１  吸気弁、１２  排気弁、１３  点火プラグ、
１４  シリンダライナー、２１  ハウジング、２２  コア、２３  コイル、
２４  アマチュア、３１  弁本体、３２  弁座、３２ａ  弁座面、
３３、３３Ａ、３３Ｂ  噴孔プレート、３４  デッドボリューム、３５  弁体、
３６  圧縮バネ、３７  ロッド、３８  ボール、３８ａ  面取部、３８ｂ  平面部、
３８ｃ  曲面部、３９  噴孔、４０、５０  集合噴霧、６０全体噴霧、
１００  火花点火式直噴エンジン、１０１  圧縮着火式直噴エンジン、
３９０  スリット噴孔、３９１  スイッチング噴孔、３９２  非スイッチング噴孔。
【図１】
0006012693.tif 000002
【図２】
0006012693.tif 000003
【図３】
0006012693.tif 000004
【図４】
0006012693.tif 000005
【図５】
0006012693.tif 000006
【図６】
0006012693.tif 000007
【図７】
0006012693.tif 000008
【図８】
0006012693.tif 000009
【図９】
0006012693.tif 000010
【図１０】
0006012693.tif 000011
【図１１】
0006012693.tif 000012
【図１２】
0006012693.tif 000013
【図１３】
0006012693.tif 000014
【図１４】
0006012693.tif 000015
【図１５】
0006012693.tif 000016
【図１６】
0006012693.tif 000017
【図１７】
0006012693.tif 000018
【図１８】
0006012693.tif 000019
【図１９】
0006012693.tif 000020
【図２０】
0006012693.tif 000021
【図２１】
0006012693.tif 000022