(57)【要約】  流体のためのスプレ装置が、ノズルと、ノズル出口を通る流体流を調整するための作動部材とを有している。さらに、ノズル内に存在する流体に衝撃波もしくはＨＩＦＵ波を発生させるための衝撃波アクチュエータまたはＨＩＦＵアクチュエータが設けられている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズル（２）と、ノズル出口（８）を通る流体流を調整するための作動部材（７）とを備えた、流体のためのスプレ装置（１）において、該スプレ装置（１）が、ノズル（２）内に存在する流体に衝撃波（１３，１４）もしくはＨＩＦＵ波を発生させるための衝撃波アクチュエータ（１０，１１）またはＨＩＦＵアクチュエータを有していることを特徴とする、流体のためのスプレ装置。
【請求項２】
衝撃波アクチュエータ（１０，１１）またはＨＩＦＵアクチュエータが、ノズルハウジング（９）に組み込まれている、請求項１記載のスプレ装置。
【請求項３】
衝撃波アクチュエータ（１０，１１）またはＨＩＦＵアクチュエータが、ノズルハウジング（９）に設けられた、凹面状に成形された壁区分を形成している、請求項２記載のスプレ装置。
【請求項４】
衝撃波アクチュエータ（１０，１１）またはＨＩＦＵアクチュエータが、圧電素子もしくは圧電コンポジット素子として形成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載のスプレ装置。
【請求項５】
衝撃波アクチュエータ（１０，１１）またはＨＩＦＵアクチュエータが、エレクトロハイドロリック式のアクチュエータとして形成されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のスプレ装置。
【請求項６】
衝撃波アクチュエータ（１０，１１）またはＨＩＦＵアクチュエータが、エレクトロメカニカル式のアクチュエータとして形成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載のスプレ装置。
【請求項７】
衝撃波アクチュエータ（１０，１１）またはＨＩＦＵアクチュエータにより発生された衝撃波（１３，１４）またはＨＩＦＵ波が、ノズル出口（８）に収束されている、請求項１から６までのいずれか１項記載のスプレ装置。
【請求項８】
衝撃波アクチュエータ（１０，１１）またはＨＩＦＵアクチュエータにより発生された衝撃波（１３，１４）またはＨＩＦＵ波が、ノズル（２）のハウジング壁（１５，１６）で反射されて、ノズル出口（８）へ向けられるようになっている、請求項１から７までのいずれか１項記載のスプレ装置。
【請求項９】
少なくとも２つの衝撃波アクチュエータ（１０，１１）またはＨＩＦＵアクチュエータが設けられており、該衝撃波アクチュエータ（１０，１１）またはＨＩＦＵアクチュエータの衝撃波（１３，１４）またはＨＩＦＵ波が、１つの共通の焦点で互いに交差するようになっている、請求項１から８までのいずれか１項記載のスプレ装置。
【請求項１０】
圧力発生ユニット（４）が設けられており、該圧力発生ユニット（４）を介して流体が圧力で負荷されるようになっている、請求項１から９までのいずれか１項記載のスプレ装置。
【請求項１１】
ノズル出口（８）を通る流体流を調量するために、連続する複数の衝撃波パルスもしくはＨＩＦＵ波区分が発生させられる、請求項１から１０までのいずれか１項記載のスプレ装置。
【請求項１２】
当該スプレ装置が、特に内燃機関における液体燃料のための噴射システムとして形成されている、請求項１から１１までのいずれか１項記載のスプレ装置。
【請求項１３】
流体からスプレ霧状体を発生させるための方法、特に請求項１から１２までのいずれか１項記載のスプレ装置を作動させるための方法において、規定された１つの焦点で流体に衝撃波（１３，１４）またはＨＩＦＵ波を向けることを特徴とする、流体からスプレ霧状体を発生させるための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
背景技術
本発明は、請求項１の上位概念部に記載の形式の、流体のためのスプレ装置、すなわちノズルと、ノズル出口を通る流体流を調整するための作動部材とを備えた、流体のためのスプレ装置に関する。
【０００２】
ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９８０７２４０号明細書には、液体燃料、特にオイルバーナに用いられる液体燃料のための噴射システムが記載されている。この噴射システムはフィ―ドポンプと、流体リザーバと、噴射ノズルと、圧力制限弁とを有している。フィードポンプは流体リザーバから液体燃料を取り出して、この液体燃料を噴射ノズルへ圧送する。この場合、圧力制限弁は、システム圧（系圧）の許容し得ない程高い増大を阻止する。噴射量を制御するためには、噴射時間が変えられる。このためには、補助的なハイドロリックコンポーネントが設けられており、これらのハイドロリックコンポーネントは脈動運転を可能にする。高速開閉式の電磁弁を用いて、圧力脈動が発生させられる。この圧力脈動の周波数および脈動時間は、噴射され得る燃料量を決定する。噴射ノズルのノズル出口孔からの燃料の流出時には、小さな燃料滴と空気とから成るスプレ霧状体が発生する。このことは「エーロゾル」とも呼ばれる。このスプレ霧状体の利点は、燃焼室内での良好な分配である。この場合、滴サイズは均一な拡散に影響を与える。小さな燃料滴を発生させるためには、高い噴射圧が必要となるが、この高い噴射圧は大きな技術的手間をかけて形成されなければならない。
【０００３】
発明の開示
本発明の根底を成す課題は、単純な構造的手段を用いて、低減されたエネルギ投入量が得られると同時に小さな滴サイズが達成されることによりすぐれている、流体のためのスプレ装置を提供することである。
【０００４】
この課題は、請求項１の特徴部に記載の特徴、つまり該スプレ装置が、ノズル内に存在する流体に衝撃波もしくはＨＩＦＵ波を発生させるための衝撃波アクチュエータ（またはＨＩＦＵアクチュエータを有していることにより解決される。請求項２以下には、本発明の有利な改良形が記載されている。
【０００５】
流体のための本発明によるスプレ装置は、衝撃波アクチュエータを備えている。この衝撃波アクチュエータを介してスプレ装置内には衝撃波が発生させられる。この衝撃波はノズル内に存在する流体へ案内される。衝撃波の物理的な現象は、たとえば液体のような弾性媒質中を超音速で伝播する強力な圧力波である。この場合、衝撃波の衝撃フロントには高い機械的な応力（Spannung）および圧力が生ぜしめられる。衝撃波は圧力パルスを成しており、この圧力パルスでは数分の一秒内で圧力が急激に増大し、そして引き続き再び急激に減衰する。圧力波により発生された極端な圧力変化は、本発明によるスプレ装置においてスプレ霧状体発生のために利用される。この場合、衝撃波エネルギは１つの焦点へ向けられ、この焦点において滴形成が行われる。このような方法の利点は次の点にある。すなわち、流体中のシステム平均圧を比較的低く保持することができるようになり、それにもかかわらず極めて小さな滴サイズを有する霧状体を発生させることができる。なぜならば、滴形成のために必要となるエネルギは衝撃波から出たものであって、システム圧から出たものではないからである。これにより、公知先行技術による構成に比べて全体的には、特に従来汎用の高圧システムの代わりに低圧システムを使用することにより得られるエネルギ節約ならびに構造的な単純化が達成される。衝撃波は１つの特定の焦点に的確に向けられ得る。焦点は通常、ノズル出口、つまり流出するスプレ霧状体が発生させられる部位に位置している。流体は焦点において超音速にまで加速されるので、有利に小さな滴を有する滴サイズ分布のために最適の境界条件が提供される。
【０００６】
別の利点は次の点にある。すなわち、衝撃波は焦点に対して間隔を置いて、スプレ装置内での構造的な観点で見て好都合となる位置、特にノズル出口に対して間隔を有するノズルのハウジングで発生され得る。たとえば衝撃波アクチュエータとしては、ノズルハウジングに設けられた凹面状に成形された壁区分が挙げられる。この場合、凹面状の形状は焦点を目標としてこの焦点へ向かう衝撃波の的確な伝播を助成する。ノズルハウジング内の衝撃波アクチュエータの位置から焦点までの伝播は、ノズル内に存在する波キャリヤとして働く流体を介して行われる。
【０００７】
衝撃波の発生は、圧電素子または圧電コンポジット素子を用いて行われると有利である。圧電素子または圧電コンポジット素子は、たとえばノズルのハウジング壁の１壁区分を形成する。少なくとも２つの衝撃波アクチュエータが設けられていると有利である。これらの衝撃波アクチュエータの衝撃波は所望の焦点で交差し合う。圧電素子に対して択一的に、エレクトロハイドロリック原理（火花放電区間）により動作するか、または電気／機械的な力変換原理により動作する衝撃波アクチュエータも使用され得る。
【０００８】
衝撃波原理に対して択一的に、ＨＩＦＵ原理（High Intensity Focused Ultrasound；高密度焦点式超音波）により動作する圧電素子または圧電コンポジット素子またはその他の高速アクチュエータも使用され得る。その場合、衝撃波は高周波数の超音波源によって代えられる。
【０００９】
ノズル出口への焦点合わせもしくは収束は、直接に行うことも、間接的に行うこともできる。直接的な焦点合わせもしくは収束の場合、衝撃波伝播は衝撃波アクチュエータと焦点との間で直接に行なわれ、間接的な伝播の場合、衝撃波はまず少なくとも１つの反射面で反射され、次いで引き続き焦点の方向に向けられる。間接的な伝播の利点は、衝撃波アクチュエータを配置するための構造的な設計可能性の拡大にあるので、たとえば極めて小幅な構造を有するスプレ装置を実現することができる。
【００１０】
噴射過程毎に所望の噴射量を発生させるためには、特に高周波数で発生される、短い連続的な複数の衝撃波を発生させることが有利になり得る。噴射過程毎の質量調量は、連続する衝撃波パルスの数により決定される。
【００１１】
上記スプレ装置は種々様々な製品において使用され得る。あらゆる種類の噴射システム、特にディーゼル車両またはガソリン車両のような内燃機関における噴射システムが挙げられる。さらに、たとえば排ガス後処理としての、内燃機関の排ガス経路への溶液の供給も考えられる（アンモニア供給）。さらに、このようなスプレ装置を使用することのできる新規の気化器コンセプトも考えられる。
【００１２】
さらに別の利点および有利な構成は請求項２以下、図面の説明および図面から明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】衝撃波を発生させるための圧電素子として形成された凹面状の壁を有するノズルを備えたスプレ装置において、衝撃波が、スプレ霧状体を発生させるためのノズル出口へ向けられている状態を示す断面図である。
【図２】衝撃波がまず、ノズル内室を画定する反射面で反射され、引き続きノズル出口に位置する焦点へ向けられる、本発明の択一的な別の実施例によるスプレ装置を示す断面図である。
【００１４】
発明の実施形態
図１に示したスプレ装置１は、たとえば内燃機関に用いられる燃料噴射システムである。スプレ装置１はノズル２を有しており、このノズル２は流入装置５を介して流体リザーバ３に接続されており、この場合、流入装置５には複数の流入孔６が設けられている。流体リザーバ３内の流体は、たとえばポンプＰとして形成されている圧力発生ユニット４を介して圧力下にもたらされる。この圧力は特に低圧であるに過ぎない。ノズルハウジング９は本実施例ではホッパ状に形成されており、このノズルハウジング９の先端部には、ノズル出口８が設けられている。このノズル出口８は弁ニードル７として形成された作動部材もしくはアクチュエータによって開閉され得る。弁ニードル７は軸方向移動可能に案内されていて、流入装置５内に支承されている。システムの目下の状態量および作動量に関連して、弁ニードル７はその開放位置と閉鎖位置との間で調節される。弁ニードル７の作動運動は弁ニードル長手方向軸線１２に沿って行なわれ、適当なアクチュエータによって生ぜしめられる。
【００１５】
燃料は流体リザーバ３から流入装置５に設けられた流入孔６を介して、ノズルハウジング９に設けられたノズル内室へ導入される。ノズル出口８に燃料スプレ霧状体を発生させるためには、ノズル２に衝撃波が発生される。この衝撃波はノズル出口８に収束して、ノズル出口に存在する燃料に衝撃波エネルギを伝達する。これにより、微細な燃料滴が発生し、この燃料滴はノズル出口８を介してノズルハウジング９から流入して、燃料霧状体を形成する。ショック波もしくは衝撃波は衝撃波アクチュエータ１０，１１によって発生させられる。これらの衝撃波アクチュエータ１０，１１はノズルハウジング９の、ノズル出口８とは反対の側の壁の一部を形成している。衝撃波アクチュエータ１０，１１は、たとえば圧電素子である。この圧電素子は電圧が印加されるとその形状を変化させ、この場合、形状変化過程は極めて短い時間内で行われる。この形状変化はノズルハウジング９の内室に存在する流体に直接に伝達され、これにより、ノズル出口８へ押し寄せる所望の衝撃波が発生する。この作用を高めるためには、両衝撃波アクチュエータ１０，１１により形成された衝撃波が、ノズル出口８に位置する１つの共通の焦点に向かって収束するように進行する。収束作用を助成するために、両衝撃波アクチュエータ１０，１１は、焦点がノズル出口８に位置するように一種の凹面鏡の形で凹面状に成形されている。
【００１６】
圧電効果に基づいた衝撃波アクチュエータ１０，１１に対して択一的に、エレクトロハイドロリック原理または別の電気／機械的な力変換原理またはＨＩＦＵ（高密度焦点式超音波）原理により動作するアクチュエータを使用することもできる。
【００１７】
図１に示した実施例では、衝撃波が直接にその発生部位から、つまり衝撃波アクチュエータ１０，１１から、変向もしくは反射なしにノズル出口８に位置する焦点へ向かって進行する。図２には、択一的な別の実施例が図示されている。図２に示した実施例では、最大放射角度範囲を表す、破線により示した衝撃波１３，１４が直接にではなく、衝撃波アクチュエータ１０におけるその発生部位から複数回の反射を経てノズル出口８に位置する焦点へ向けられる。衝撃波アクチュエータ１０はノズル出口８に直接に向かい合って位置しているのではなく、ノズルハウジング９における側方に設置された壁に、ノズル出口８への直接の接続なしの位置に位置している。このような配置形式には、小幅の構造が得られるという利点がある。衝撃波１３，１４をノズル出口８に位置する焦点に向けるためには、衝撃波１３，１４が反射面１５，１６で変向される。反射面１５，１６は、ノズルハウジング９の、ノズル内室を画定する内壁である。本実施例では、２つの反射面１５，１６が設けられている。衝撃波アクチュエータ１０により発せられた衝撃波１３，１４は、これらの反射面１５，１６で反射され、この場合、衝撃波アクチュエータ１０により形成された放射角度範囲にわたって、同じ衝撃波アクチュエータ１０の衝撃波が種々異なる反射面に衝突する。衝撃波が複数回変向されることに基づき、基本的に、衝撃波アクチュエータの位置決めに関する設計自由度の増大ならびに全体的にはスプレ装置１の構造的デザインにおける設計自由度の増大が得られる。
【００１８】
放射角度に応じて衝撃波が直接にも間接的にも焦点へ向けられる、つまり衝撃波が直接に焦点へ向けられると共に、間接的にも反射面における１回または複数回の変向を介して焦点へ向けられるような衝撃波アクチュエータを設けることも考えられる。
【００１９】
ノズル出口８において有利に小さな滴を発生させるために必要となるエネルギを衝撃波によって発生させるために、衝撃波は噴射過程毎に繰り返し発生されると有利あり、特に高周波数で発生されると有利である。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
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