(57)【要約】【課題】  噴射する燃料油をより微粒化させることができるマイクロノズルを提供する。【解決手段】  マイクロノズル１０の表裏面を貫通する貫通孔を第１流路１３と、第１流路１３よりも流路径が小さい複数の第２流路１４より構成される第２流路群１４Ａとによって構成したので、第１流路１３を通過する燃料油を急速に昇温することができ、また、第１流路１３によって加熱されて表面張力が小さい燃料油のみが第２流路１４を通過することとなる。したがって、マイクロノズル１０から噴射された燃料油は、流路径の小さな第２流路１４を通過していること、燃料油表面張力が小さいことにより液滴が小さいものとなり、内燃機関の燃焼室内での燃焼効率を高めることができる。【選択図】              図３
2006329137.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の表裏面を貫通する貫通孔を備え、燃料油の流量を調節するバルブの下流側に設置されて前記貫通孔を通過する燃料油の昇温を行うヒータ部を備えるマイクロノズルであって、
前記貫通孔は、燃料油が流れる上流側に配置され、前記ヒータ部によって通過する燃料油が昇温される第１流路と、
前記第１流路よりも流路径が小さく、前記第１流路の下流側端部に接続された少なくとも１つ以上の第２流路からなる第２流路群とによって構成されることを特徴とするマイクロノズル。
【請求項２】
前記第２流路は、
液状の燃料油に対して、前記第２流路の圧力損失が燃料油に印加される圧力以上であり、かつ、燃料油の分子の運動エネルギーがガス状と同等のエネルギーを持つ場合に前記第２流路を通過できる程度の形状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロノズル。
【請求項３】
前記ヒータ部は、前記第１流路を通過する燃料油を超臨界状態となる温度近傍まで加熱し、
前記第２流路群は、ガス状の燃料油を通過させることを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロノズル。
【請求項４】
前記基板は、シリコンによって構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１に記載のマイクロノズル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料噴射弁の先端に設けられて、通過する燃料油を昇温させるマイクロノズルに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料噴射装置から霧状の燃料油を内燃機関の燃焼室内に噴射して、燃料油の燃焼効率の向上を図ることが行われてきた。
また燃料油を霧状にするために、燃料噴射装置の先端に複数の微小な孔が設けられたマイクロノズルを取り付けて、燃料油をマイクロノズルに設けられた貫通孔を通過させていた。
このマイクロノズルとして、たとえば特開２０００−２４９０２６号公報に記載のものがある。
これは、孔の開いた複数枚のプレートを、それぞれの孔の位置を少しずらして重ね合わせることによって、プレートの重ね方向に対してずれた軸芯を有する貫通孔を形成したものである。このプレートに設けた孔のずれ量によって、噴霧の方向を設定している。
また、貫通孔の内周壁には突起が形成され、燃料油の噴射時にこの突起を乱流形成の起点とすることができ、燃料噴射装置から燃料油の霧状噴射を行うことができる。
【特許文献１】特開２０００−２４９０２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
噴射される微粒化された燃料油は、数ミクロン〜数１０ミクロン径の液滴の集合体であり、内燃機関の燃焼室内において着火後の火炎伝播によって液滴は過熱され、気化することにより燃焼する。
また燃料油の液滴が小さいほど全体の表面積が増大するので、燃焼の反応速度は速くなり、不完全燃焼が抑制され、燃焼効率が向上する。
液滴が大きければ気化に至るまでの時間が長くなるので、噴射された燃料全体が燃焼することができず未燃焼分が残り易くなってしまう。
このように、燃料噴射装置から噴射される燃料油を微粒化させるほど内燃機関の燃焼効率の向上を図ることができる。
したがって、内燃機関の燃焼効率の向上を図るため、噴射する燃料油をさらに微粒化させる必要があるといった問題があった。
【０００４】
そこで本発明はこのような問題点に鑑み、噴射する燃料油をより微粒化させることができるマイクロノズルを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、燃料油の流量を調節するバルブの下流側に設置されたマイクロノズルであって、マイクロノズルに形成された燃料油が流れる貫通孔の上流側を、ヒータ部によって通過する燃料油が昇温される第１流路とし、貫通孔の下流側を、第１流路よりも流路径が小さく、第１流路の下流側端部に接続された少なくとも１つ以上の第２流路からなる第２流路群とした。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、マイクロノズルの表裏面を貫通する貫通孔を第１流路と、第１流路よりも流路径が小さい第２流路とによって構成したので、ヒータ部によって第１流路を通過する燃料油を急速に昇温することができ、また、第１流路によって加熱されて表面張力が小さい燃料油のみが第２流路を通過することとなる。したがって、マイクロノズルから噴射された燃料油は、流路径の小さな第２流路を通過していること、燃料油表面張力が小さいことにより液滴が小さいものとなり、内燃機関の燃焼室内での燃焼効率を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
次に本発明の実施の形態を実施例により説明する。
図１に、マイクロノズルを燃料噴射弁に適用した場合の燃料噴射弁先端部断面を示す。
図示しない燃料ポンプによって加圧された燃料油が、燃料噴射弁１に供給される。
燃料噴射弁１は、特に燃料噴射部分において筐体２によって外周が囲まれている。
筐体２の内部には、燃料ポンプによって加圧された燃料油を蓄える油圧室８が形成され、筐体２の底壁（図１中の下方側）には油圧室８と連通する流量調節孔９が形成されている。
【０００８】
油圧室８には図１中の上下方向に移動可能な針弁３が備えられ、上下に移動させることにより針弁３の先端によって流量調節孔９を塞いだり、開口させたりすることができる。
この針弁３を上下に移動させることによって、油圧室８内から流量調節孔９を通って噴出される燃料油の流量を制御することができる。
筐体２の燃料噴射側には、流量調節孔９を覆うようにして保持構造体４が取り付けられる。
【０００９】
保持構造体４は、流量調節孔９の開口と対向する位置にマイクロノズル１０を保持している。
なお保持構造体４は、セラミクスや石英などの熱伝導率の小さい絶縁物６を介してマイクロノズル１０を保持している。
またマイクロノズル１０から伸びる２本の引き出し電極７ａ、７ｂは、保持構造体４および絶縁物６の内部を通って外部まで伸びている。
引き出し電極７ａ、７ｂに電圧を印加することによってマイクロノズル１０が発熱し、マイクロノズル１０に設けられた貫通孔を通過する燃料油を昇温することができる、
このように、油圧室８に供給された燃料油は、針弁３の動作によって流量調節孔９から噴出される流量が制御され、流量調節孔９から噴出された燃料油はマイクロノズル１０によって昇温されて燃焼室内（図１中における燃料噴射弁１の下方側）に噴射される。
【００１０】
図２の（ａ）は、マイクロノズルの上面を示す斜視図であり、図２の（ｂ）はマイクロノズルの上面図である。また図３は、図２の（ｂ）におけるＡ−Ａ部断面図である。
なおマイクロノズル１０は、図２の（ａ）、図２の（ｂ）、図３中の上側面が流量調節孔９と対向し、下側面が内燃機関の燃焼室内側に向いている。
マイクロノズル１０は、シリコン等の半導体基板１１を主要構成要素としている。
なお図２の（ａ）、図２の（ｂ）では、半導体基板１１として四角形に切り出したノズル板を示しているが、他の多角形や円形でも構わない。
半導体基板１１の表裏面には高濃度不純物層１５が設けられている。
また特に図２の（ａ）に示されるように、半導体基板１１の表裏面の外周縁近傍には、四角枠形状の金属電極１２が備えられている。
この半導体基板１１の表裏面に備えられた金属電極１２に、それぞれ引き出し電極７ａ、７ｂが接続（図３参照）されている。
【００１１】
マイクロノズル１０の上側面から所定深さまで複数の第１流路１３が形成されている。
第１流路１３は、燃料油が常温付近で十分通過でき、かつ、半導体基板１１の加熱によって流路内の燃料油を昇温することができる程度の断面積、および長さであるものとする。
第１流路１３の一例としては、流路径２０μｍφ×長さ５００μｍ程度である。
第１流路１３の下流側には、第一流路１３より流路径の小さい複数の第２流路１４からなる第二流路群１４Ａが形成されている。
なお第２流路１４は、少なくとも一本の第一流路１３に対して１つ以上接続されている。
第２流路１４は流路径が小さく、燃料油が常温の状態では燃料油の粘度の関係から容易に通過することができないようになっている。
【００１２】
第２流路１４の一本あたりの径は、式（１）に示す摩擦損失ＰＭ（Ｋｇ／ｃｍ２）から計算すると以下のように設定する。
【数１】
2006329137.tif 000003
ここで、
ζ：滑らかな円管の管摩擦係数、
ｄｅ：等価円直径（ｍ）、
σ：流体の密度（ｋｇ／ｍ３）、
Ｖ：流速（ｍ／ｓ）、
Ｌ：流路長（ｍ）、とする。
【００１３】
また、ζはレイノルズ数Ｒｅを用いて式（２）のように表される（層流の場合）。
【数２】
2006329137.tif 000004
このレイノルズ数Ｒｅは式（３）に示すように、流速Ｖ（ｍ／ｓ）、等価円直径ｄｅ（ｍ）、流体の動粘性率ν（ｍ２／ｓ）で表される。
【数３】
2006329137.tif 000005
【００１４】
ここで、Ｖ＝２（ｍ／ｓ）と設定する。
また、流体としてガソリンを仮定すると、
ν＝６．５４×１０−７（ｍ２／ｓ）、
σ＝７４６（ｋｇ／ｍ３）、となる。
さらに、第二の流路の大きさを、
ｄｅ＝３×１０−７（ｍ）
Ｌ＝５×１０−５（ｍ）
として、式（１）を演算すると、ＰＭ＝１７．３ＭＰａとなる。
【００１５】
ガソリンの超臨界状態は、一般的に温度３００℃、１０ＭＰａの条件下で生成される。
したがって、例えば上記式（１）に従えば、半導体基板１１に形成する第２流路１４を、直径を０．３μｍ以下、流路長を５０μｍ以上とすれば、マイクロノズル１０からガソリンが液相状態で噴射されることはない。
一方、超臨界状態付近では燃料油の粘度は小さくなる。計算によれば燃料の絶対粘度は常温常圧下に比べておよそ１／２０になる。
その結果、圧力損失はおよそ１／２０になるので、超臨界状態付近の燃料油を容易に第２流路１４を通過させて燃焼室内に噴射することができる。
【００１６】
引き出し電極７ａ、７ｂ間に電圧を印加すると、全ての第１流路１３および第２流路１４とほぼ平行に電流が流れ、ジュール熱により半導体基板１１全体が発熱する。
したがって、引き出し電極７ａ、７ｂ間に電圧を印加することによって、第１流路１３および第２流路１４を通過する燃料油を昇温することができる。
【００１７】
流量調節孔９からマイクロノズル１０の上面へ向けて噴射された燃料油は、マイクロノズル１０の第１流路１３を通過することによって瞬時に昇温される。
第２流路１４は第１流路１３より細い流路で構成されているので、燃料油の粘性により圧力損失が大きくなり、液体の状態では容易に流れることができない。
したがって、第１流路１３を通過する燃料油を超臨界状態付近まで加熱することにより、燃料油がガス状となって粘度が小さくなり、容易に第２流路１４を通過することができる。
また第２流路１４を通過し、燃焼室内に噴霧される燃料油は、燃料油の粘度の低下により表面張力が小さいことにより液滴の大きさが小さく、また温度が超臨界状態に近い燃料油を燃焼室内に噴霧することができるので、燃焼効率が向上する。
【００１８】
次にマイクロノズル１０の製造方法について説明する。
図４の（ａ）〜図４の（ｃ）、図５の（ａ）〜図５の（ｃ）にマイクロノズル１０の製造工程を示す。
なお、図４の（ａ）〜図４の（ｃ）、図５の（ａ）〜図５の（ｃ）はマイクロノズル１０の拡大図であり、１つの第１流路１３、およびこの第１流路１３に接続される複数の第２流路１４についてのみ示してある。
また、金属電極１２についても省略する。
【００１９】
図４の（ａ）に示すように、シリコン等の半導体基板１１の表裏面に、それぞれ半導体基板と同一導電型の高濃度不純物層１５を形成する。
この高濃度不純物層１５の形成は、半導体プロセスで一般的な工程を用いればよく、例えばイオン注入と熱処理とを組み合わせて行う。
次に、半導体基板１１の表裏面に、熱酸化やＣＶＤ法によるデポジションによりＳｉＯ２膜２０を成膜する。
なおＳｉＯ２膜２０の材料としては、シリコンの貫通孔エッチングでマスクとなる材料であればＳｉＮなどを用いることができる。
【００２０】
ここで、半導体基板１１の厚さは、半導体基板１１に形成する燃料油の流路の長さによって決定される。
例えば、燃料油の加熱に必要な第１流路１３の流路長を５００μｍとするならば、第１流路１３の下流側に形成する第２流路１４の長さも考慮して５００μｍ以上のものが必要である。
【００２１】
次に図４の（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ／エッチングにより、後に第２流路１４となる部分のＳｉＯ２膜２０の一部を部分的に除去してマスク孔２１を形成する。
この工程では、微細な第２流路１４を形成するために、高解像のフォトリソグラフィ技術を用いることが望ましい。
【００２２】
次に図４の（ｃ）に示すように、シリコン基板の貫通孔エッチングなどで広く用いられているＩＣＰエッチング装置などを用い、アスペクト比の大きいいわゆるＤｅｅｐエッチングを行い、複数の第２流路１４を形成する。
第２流路１４は、例えば開口部径０．３μｍ、深さ５０μｍ程度とする。
なおこのエッチングの方法は、ガスプラズマによるドライエッチングに限らず、ＨＦ溶液中に半導体基板１１を浸漬し光を照射することにより、アスペクト比の大きい微細孔を形成してもよい。
【００２３】
次に図５の（ａ）に示すように、半導体基板１１の上下を反転させ、第２流路１４を形成した側と反対側の面に形成されたＳｉＯ２膜２０の一部をフォトリソグラフィ／エッチングによって開口し、マスク孔２２を形成する。
【００２４】
続いて図５の（ｂ）に示すように、シリコン基板の貫通孔エッチングなどで広く用いられているＩＣＰエッチング装置などを用い、アスペクト比の大きいいわゆるＤｅｅｐエッチングを行い、第１流路１３を形成する。
第１流路１３は、例えば開口部径２０μｍで、深さは少なくとも第２流路１４の底部に到達するまで行う。
なおこのエッチングの方法は、ガスプラズマによるドライエッチングに限らず、ＨＦ溶液中に基板を浸漬し光を照射することにより、アスペクト比の大きい微細孔を形成してもよい。
【００２５】
次に図５の（ｃ）に示すように、エッチングマスクとして用いたＳｉＯ２膜２０をＨＦ溶液中などで選択的に除去する。
半導体基板１１の表裏面に露出した高濃度不純物層１５上の所望の位置に、Ｗ、Ｎｉ、Ｐｔなどの金属電極を蒸着し、パターニングして電力印加のための金属電極１２（不図示）を形成する。
なお、金属電極１２は、高濃度不純物層１５にオーミック接続されている。
本実施例において、半導体基板１１が本発明におけるヒータ部を構成する。
【００２６】
本実施例は以上のように構成され、マイクロノズル１０の表裏面を貫通する貫通孔を第１流路１３と、第１流路１３よりも流路径が小さく複数の第２流路１４より構成される第２流路群１４Ａとによって構成したので、第１流路１３を通過する燃料油を急速に昇温することができ、また、第１流路１３によって加熱されて表面張力が小さい燃料油のみが第２流路１４を通過することとなる。
したがって、マイクロノズル１０から噴射された燃料油は、流路径の小さな第２流路１４を通過していること、燃料油表面張力が小さいことにより液滴が小さいものとなり、内燃機関の燃焼室内での燃焼効率を高めることができる。
【００２７】
また、液状の燃料油に対して第２流路１４の圧力損失が燃料油に印加される圧力以上であり、且つ、燃料油の分子の運動エネルギーがガス状と同等の運動エネルギーを持つ場合に第２流路１４を通過できる程度の形状に第２流路１４を形成したので、燃料油を加熱し所望の温度まで昇温した燃料油のみが燃焼室内に噴射される。特に、超臨界状態となった燃料油の気体分子と同等の運動エネルギーを持つ分子の噴射となるので、燃焼の速度が増し燃焼効率を向上させることができる。
【００２８】
またマイクロノズル１０を、シリコンよりなる半導体基板１１によって構成したので、特に第２流路１４において、フォトリソグラフィ／エッチング技術を用いて１ミクロン以下の流路径を持つ微細な流路群を容易に形成することができる。
【００２９】
なお本実施例では、半導体基板１１全体を加熱するものとしたが、第１流路１３の側壁にのみヒータとなる金属電極を配置し、燃料を加熱昇温することもできる。
また絶縁物６は、マイクロノズル１０の保持構造体４との接触部分を覆うようにシリコン酸化膜を形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】マイクロノズルを適用した燃料噴射弁先端部断面を示す図である。
【図２】マイクロノズルの上面を示す図である。
【図３】マイクロノズルの断面を示す図である。
【図４】マイクロノズルの製造工程を示す図である。
【図５】マイクロノズルの製造工程を示す図である。
【符号の説明】
【００３１】
１    燃料噴射弁
２    筐体
３    針弁
４    保持構造体
６    絶縁物
７ａ、７ｂ    引き出し電極
８    油圧室
９    流量調節孔
１０    マイクロノズル
１１    半導体基板
１２    金属電極
１３    第１流路
１４    第２流路
１４Ａ    第２流路群
１５    高濃度不純物層
２０    ＳｉＯ２膜
２１、２２    マスク孔
【図１】
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【図２】
2006329137.tif 000007
【図３】
2006329137.tif 000008
【図４】
2006329137.tif 000009
【図５】
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