(57)【要約】【課題】  通過する燃料油を効率よく昇温させるための所望の直径の噴射孔を備えた燃料噴射ノズルを提供する。【解決手段】  基孔５が形成されたプレート材１５に、電解メッキを施し、プレート材１５の表裏面および基孔５の内周面に金属膜１２を形成する。これにより、基孔５の開口縁には金属膜肉厚部１２Ｂが形成され、該金属膜肉厚部１２Ｂによって基孔５の開口縁角部の直径を所望の大きさ（たとえば数μｍ）にまで小さくした噴射孔１１を得ることができる。このように噴射孔１１の直径を小さいものとすることにより、噴射孔１１を通過する燃料油を効率よく昇温することができる。【選択図】              図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の燃焼室に燃料油を供給する燃料噴射装置の先端に取り付けられ、プレート材に形成された噴射孔を燃料油が通過する燃料噴射ノズルにおいて、
前記噴射孔は、前記プレート材に形成された基孔の内周面に電解メッキによる金属膜を形成して構成され、
前記金属膜は前記基孔の少なくともいずれか一方の開口縁角部において、前記基孔の開口縁角部以外の内周面に形成された金属膜よりも肉厚に形成され、前記噴射孔は、前記肉厚に形成された金属膜によって当該噴射孔の直径が狭められていることを特徴とする燃料噴射ノズル。
【請求項２】
前記金属膜は、前記基孔の両端側の開口縁角部において肉厚に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射ノズル。
【請求項３】
前記基孔は、燃料噴射側に対して反対側の開口縁が、燃料噴射側の開口縁よりも拡径され、
前記噴射孔は、当該噴射孔の燃料噴射側の開口縁の直径が前記肉厚に形成された金属膜によって狭められていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料噴射ノズル。
【請求項４】
前記プレート材は、絶縁材または半導体より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に記載の燃料噴射ノズル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の燃焼室に燃料油を供給する燃料噴射装置の先端に取り付けられた燃料噴射ノズルに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、内燃機関（以下、エンジンとも呼ぶ）に供給する燃料油の昇温を行い、燃料油の気化を促進させる装置として、たとえば特開昭５７−１２４０６５号公報に記載のものがある。
これは、内燃機関の気化器（以下、キャブレターと呼ぶ）において、燃料通路の下流側の構造材の表面に金属膜をメッキまたは蒸着により形成し、該金属膜に電力を供給することができる構造となっている。
この金属膜に電気を流すと金属膜自体が昇温するので、そこに付着した燃料油も昇温され気化が促進される。
【０００３】
また近年、内燃機関への燃料供給装置は、キャブレターに替わってインジェクタと呼ばれる電気駆動方式の電磁弁方式が多く用いられている。
エンジン始動時のように燃焼室内およびその周辺部品の温度が低い場合は、燃料油が気化する速度が遅いため、混合気の燃料濃度が所望の値にならない。そのため、インジェクタから噴射する燃料油を通常時と比べて多くしている。
大量に噴射された燃料油は、燃焼室内における燃焼では完全に燃え切らないため、その燃え残りはエキゾーストマニホールドの下流に設置された排気ガス触媒によって、規定値以下に浄化された後に、大気に放出される。
【０００４】
そのため、燃料油の燃え残りが多ければ多いほど排気ガス触媒の量を増加させる必要がある。排気ガス触媒はプラチナやパラジウム、ロジウムなどの高価な貴金属およびそれらの合金を主原料としているため、排気ガス触媒の増加は自動車製造コストの大幅な上昇になりかねない。
したがって、インジェクタから噴射する燃料油も昇温することが望ましく、インジェクタの先端に取り付けられている燃料噴射ノズルを加熱し、該燃料噴射ノズルに形成された噴射孔を通過する燃料油を昇温させることが考えられる。
【０００５】
燃料油の気化を促進するには、燃料油に熱を加えて温度を高くすれば良いが、固体から液体への熱の移動は熱伝達率が大きいほど効率よく熱が伝わることが知られている。また、液体が円筒形の流路を通る場合、その流れが層流であり、かつ円筒形の直径が十分に小さい場合は、熱伝達率は円筒形の直径に反比例する。そのため、直径が小さければ小さいほど熱伝達率は大きくなる。また、液体の流れが層流でなく乱流であっても円筒形の直径が小さいほど熱伝達率が大きくなる傾向は同じである。
よって、より燃料油を昇温させて気化を促進するため、インジェクタ先端に取り付けられる燃料噴射ノズルに形成する噴射孔の直径を小さくする必要がある。
【特許文献１】特開昭５７−１２４０６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、このような従来の燃料噴射ノズルにおいては、金属等のプレートに噴射孔を形成する場合に、放電加工と呼ばれる機械加工を用いていたが、約２０μｍ程度の直径の孔までしか空けることができず、この孔の直径では所望の温度まで燃料油を昇温させることができない。
また、半導体を製造する際に使われている、フォトリソグラフとエッチングの技術を用いれば、シリコンや化合物半導体をプレート材にした燃料噴射ノズルに、より小さい直径の噴射孔を形成することが可能である。
しかし、この方法で形成できる噴射孔は、アスペクト比と呼ばれる噴射孔の直径と長さの比に限界があり、直径が１０μｍ程度の場合はアスペクト比は５０程度が限界であり、長さが０．５ｍｍ程度の噴射孔しか形成できない。
【０００７】
しかも、直径が小さくなるほどアスペクト比も小さくなる傾向があり、直径数μｍ程度の噴射孔を空ける場合には、孔の長さはその１０倍程度が限界である。
噴射孔の長さは、噴射孔を空ける燃料噴射ノズルの厚さと同じなので、この方法によって噴射孔を形成しようとする場合には、燃料噴射ノズルの厚みが薄くなってしまう。燃料噴射ノズルが薄いと、燃料噴射時に燃料噴射ノズルに加わる応力で、燃料噴射ノズル自体が割れるなどの不具合が発生する可能性があり、このような薄い燃料噴射ノズルをインジェクタ先端部に使用するには信頼性に問題がある。
【０００８】
そこで本発明はこのような問題点に鑑み、通過する燃料油を効率よく昇温させるための所望の直径の噴射孔を備えた燃料噴射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】
【０００９】
本発明は、内燃機関の燃焼室に燃料油を供給する燃料噴射装置の先端に取り付けられた燃料噴射ノズルにおいて、プレート材に形成された基孔の内周面に電解メッキによる金属膜を形成することによって燃料油が通過する噴射孔が構成され、金属膜は基孔の少なくともいずれか一方の開口縁角部において、肉厚に形成された金属膜によって噴射孔の直径が狭められているものとした。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、基孔の両端側の開口縁角部において、電解メッキによって金属膜を肉厚に形成して噴射孔の直径を狭めることにより、噴射孔の開口縁角部の直径を金属膜によって所望の大きさ（たとえば数μｍ）にまで小さくでき、金属膜に電流を流して発熱させたときに、噴射孔を通過する燃料油を効率よく昇温させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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、燃料噴射ノズルを燃焼室内に燃料油を噴射するインジェクタに適用した場合のインジェクタ先端部断面を示す。
図示しない燃料ポンプによって加圧された燃料油が、インジェクタ１に供給される。
インジェクタ１は、特に燃料噴射部分においてインジェクタケーシング２によって外周が囲まれている。
インジェクタケーシング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、インジェクタケーシング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。
【００１２】
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。
インジェクタケーシング２の燃料噴射側には、流量調節孔９を覆うようにしてプレート保持部材４が取り付けられる。
【００１３】
プレート保持部材４は、流量調節孔９の開口と対向する位置に燃料噴射ノズル１０を保持している。
また燃料噴射ノズル１０にそれぞれ一端が接続された２本の引き出し電極７ａ、７ｂは、その他端がプレート保持部材４の内部を通って外部まで伸びている。
引き出し電極７ａ、７ｂに電圧を印加すると、燃料噴射ノズル１０が発熱する。
燃料噴射ノズル１０は、自身に設けられた噴射孔を通過する燃料油を昇温しながら燃焼室内（図１中におけるインジェクタ１の下方側）に燃料油を噴射するものである。
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燃料噴射ノズル１０によって昇温されて燃焼室内に噴射される。
【００１４】
次に図２に、燃料噴射ノズル１０の断面を示す。
燃料噴射ノズル１０の母材となるプレート材１５に、直径が数十μｍ程度の基孔５を複数形成する。
プレート材１５としては、シリコンや炭化シリコンなどの半導体、またはセラミックなどの絶縁物質を用いるとよい。
プレート材１５に半導体を用いた場合には、フォトリソグラフとエッチングを用いてアスペクト比が大きい基孔５を形成する。また半導体を削るエッチングと半導体を保護する化合物膜を表面に形成するデポジッションを交互に繰り返すボッシュプロセスと呼ばれる方式を用いると、多数の基孔５を一度の工程で形成することができる。
一方、プレート材１５に絶縁物質を用いた場合には、放電加工または強度の高いレーザを用いて貫通孔を形成することができる。
【００１５】
複数の基孔５が形成された燃料噴射ノズル１０に、無電解メッキなどでプレートの表面をメッキをつけやすい状態にした後、電解メッキによって、燃料噴射ノズル１０の表裏面と基孔５の内周面とを覆う金属膜１２を形成する。
メッキする金属については高温の燃料油によって腐食されないニッケルや金などを用いることができる。
引き出し配線７ａ、７ｂの他端は、それぞれプレート材１５の表面および裏面上の金属膜１２に接続され、引き出し配線７ａ、７ｂを通じて金属膜１２に電圧が印加される。
【００１６】
次に、金属膜１２の詳細な形状について説明する。
一般に、電解メッキを微細加工したものに施すと、角部は平坦な部分よりも金属膜が厚く形成される。
したがって図２に示すように、基孔５の角部、すなわち孔の開口縁には、燃料噴射ノズル１０の表裏面に形成された金属膜（以下、金属膜表面部１２Ａと呼ぶ）、および基孔５の内周面に形成された金属膜（以下、金属膜内周部１２Ｃと呼ぶ）よりも肉厚の金属膜肉厚部１２Ｂが形成される。
これは電解メッキ時に、角部の電流密度が高くなるためである。
【００１７】
また電解メッキによって形成される金属膜の厚さは、メッキ液中に存在する金属イオンに比例するため、燃料噴射ノズル１０の主面に形成される金属膜表面部１２Ａは、基孔５の内周面に形成される金属膜内周部１２Ｃよりも厚くなる。
これは、金属膜１２を形成するために金属イオンが金属膜表面で消費されると、対流、拡散または電気泳動によって、金属イオンが豊富な領域から金属イオンが疎な領域へと補充されるが、基孔５の内部では基孔５の外部に比べて、金属イオンの補充が少ないためである。
また金属膜肉厚部１２Ｂは、基孔５の開口縁の直径が数μｍになるように形成する。
したがって図２に示すように、基孔５の孔の両端側の開口縁の直径が金属膜肉厚部１２Ｂによって数μｍに狭められた噴射孔１１が形成される。
【００１８】
ここで、流体解析ソフトＳＴＡＲ―ＣＤを用いて、燃料噴射ノズル１０に電圧を印加した場合に室温の燃料油をどの程度急速に加熱できるかをシミュレーションしてみたところ、噴射孔１１の直径が２０μｍでは燃料油はほとんど昇温されないが、直径を１０μｍ程度あるいはそれよりも小さい数μｍまで小さくすると、熱伝達率が数万を超えるほどの大きさになり、燃料油は所望する３００℃近く、あるいはそれ以上の温度まで上昇させられることが分かった。
【００１９】
また、噴射孔１１全体が１０μｍ以下である必要はなく、図２のように噴射孔１１の出口付近（図２中の、下方側の開口縁）だけ直径を小さくすれば、噴射孔が１０μｍの直管の場合と同様に燃料油を所望する３００℃近くまで昇温できることもわかった。
したがって図２に示すように、燃料噴射ノズル１０に電解メッキを施し、基孔５の開口部に金属膜肉厚部１２Ｂを形成して噴射孔１１の直径を一部小さくすることにより、燃料油を所望の温度まで昇温させることができる。
【００２０】
金属膜１２の厚さは前述の通り、金属イオンの濃度も含めて、メッキ液の対流の速度やメッキに使用する電圧、メッキ液の溶媒の濃度など様々な要因で決まるが、基孔５の開口縁や燃料噴射ノズル１０の主面に形成される金属膜表面部１２Ａや金属膜肉厚部１２Ｂが、厚くなりすぎる場合は、平坦化を促進する添加剤をメッキ液に混ぜるとよい。
また、基孔５の直径を金属膜肉厚部１２Ｂによって小さくしたことにより燃料噴射ノズル１０を通過する燃料油の量が減少する場合（燃料噴射量が減少する場合）には、基孔５の数を増やすことによって、燃料油の噴射量を確保する。
【００２１】
次に、エンジンへのインジェクタ１の配置について説明する。
図３に、インジェクタ１を直噴エンジンに適用した場合を示す。
インジェクタ１は、インジェクタ１の燃料噴射ノズル１０がエンジンの燃焼室３０内に臨み、燃焼室３０内に燃料油を直接噴射可能なようになっている。
インジェクタ１より噴射される燃料油は、ピストン３２の上面に形成されたキャビティ３１に向けられている。
エンジンの始動時など燃料油が気化する速度が遅い場合に、引き出し配線７ａ、７ｂ（図１参照）から燃料噴射ノズル１０の金属膜１２に燃料油の噴射に同期して電圧を印加して燃料噴射ノズル１０を昇温させることにより、燃料噴射ノズル１０に形成された噴射孔１１を通過する燃料油が昇温され、気化しやすい所望の温度の燃料油を燃焼室３０内に噴射することができる。
したがって点火プラグ３３を点火したときに燃焼室３０内の燃焼効率を向上させることができる。
【００２２】
本実施例は以上のように構成され、基孔５が形成された燃料噴射ノズル１０に、電解メッキを施し、プレート材１５の表裏面および基孔５の内周面に金属膜１２を形成することにより、金属膜１２によって基孔５の開口縁角部の直径を所望の大きさ（本実施例においては数μｍ）にまで小さくした噴射孔１１を形成することができる。このように噴射孔１１の直径を小さいものとすることにより、金属膜１２に電流を流して発熱させたときに、噴射孔１１を通過する燃料油を効率よく昇温することができる。
また、噴射孔１１を形成するプレート材１５の材料として、熱抵抗の高い絶縁材や半導体を用いることにより、燃料噴射ノズル１０の金属膜１２の加熱時においても燃料噴射ノズル１０を保持するプレート保持部材４へ熱が逃げにくくなり、金属膜１２で発生した熱を燃料油の昇温に集中させることができ、インジェクタ１の先端部において効率よく燃料油を昇温させることができる。
【００２３】
なお本実施例において、インジェクタ１を図３に示すように直噴エンジンに用いられるインジェクタに適用した例を示したが、これに限定されず、たとえばＳＰＩ（シングル・ポイント・インジェクション）方式あるいはＭＰＩ（マルチ・ポイント・インジェクション）方式に用いられるインジェクタに適用することもできる。
これは図４に示すように、エンジンの燃焼室３０Ａ内に空気を送るインテイクマニホールド３５内にインジェクタ１の燃料噴射ノズル１０が臨むようにインジェクタ１を配置し、吸気バルブ３４に向けてインジェクタ１から燃料油を噴射するものである。
この場合にも、エンジンの始動時など燃料油が気化しにくい場合に、インジェクタ１の燃料噴射ノズル１０を加熱して、温度が高く気化しやすい燃料油を燃焼室３０Ａ内に噴射することができる。
【００２４】
次に変形例について説明する。
本変形例は、実施例における燃料噴射ノズル１０の噴射孔１１の形状を変更したものである。
実施例においては、図２に示すように基孔５の燃料油の入口側（図２中、上側の開口縁）と出口側（図２中、下側の開口縁）の両方の直径を金属膜肉厚部１２Ｂによって狭くしたが、入口側の直径が狭まっているとその部分で大きな圧力損失が生じて、燃料油を噴霧した際に十分な貫通力を得られない場合がある。
そこで本変形例においては、噴射孔の入り口側の直径を狭めないものとした。
【００２５】
図５に、本変形例における燃料噴射ノズル１０Ａの拡大断面を示す。
燃料噴射ノズル１０Ａのプレート材１５Ａに、直径が数十μｍ程度の基孔５Ａを複数形成する。
この基孔５Ａは、図５中の上側の開口縁（燃料油の入り口側）の角部が削りとられて傾斜部１６が形成されている。
この傾斜部１６の形成には、燃料噴射ノズル１０のプレート材１５がセラミックなどの絶縁物の場合は、放電加工または強度の高いレーザを用いることができる。また、燃料噴射ノズル１０Ａのプレート材１５Ａが半導体の場合は、基孔５Ａの開口縁付近の表面をマスク材で覆ってから等方性のエッチング液を用いて削ればよい。
【００２６】
また、基孔５Ａの開口角度等方性のエッチング液では噴射孔の開口角度を細かく設定できない場合には、上述のボッシュプロセスと呼ばれるデポジッションとエッチングを交互に繰り返す方法を用いれば、６０°程度までなら開口角度をつけて基孔５Ａを形成することができる。
なお基孔５Ａの入口付近をどの程度削るかについては、基孔５Ａの入り口側の開口縁の半径が、基孔５Ａの中間部の半径と比べて、少なくとも傾斜部１６に形成する後述の金属膜傾斜肉厚部１３Ｄの厚さ分以上大きくなるようにすればよい。
【００２７】
基孔５Ａに傾斜部１６を形成した後、上述のように電解メッキによって燃料噴射ノズル１０Ａの表裏面および基孔５Ａの内周面を覆うように、金属膜１３を形成する。
これにより上述のように、燃料噴射ノズル１０Ａの表裏面に金属膜表面部１３Ａ、基孔５Ａの内周面に金属膜表面部１３Ａよりも薄い金属膜内周部１３Ｃ、基孔５Ａの図５中の下方側の開口縁に肉厚の金属膜肉厚部１３Ｂが形成された噴射孔１１Ａを得ることができる。
また傾斜部１６には、金属膜表面部１３Ａよりも肉厚で金属膜肉厚部１３Ｂよりも薄い金属膜傾斜肉厚部１３Ｄが形成される。
【００２８】
このように、基孔５Ａの入り口側の開口部を削り傾斜部１６を形成した後、燃料噴射ノズル１０Ａに金属膜１３を形成することにより、金属膜１３によって基孔５Ａの入り口側の開口縁の直径が狭められず、基孔５Ａの出口側の開口縁のみが狭められた噴射孔１１Ａを形成することができる。
したがって、噴射孔１１Ａの入り口側の開口縁が狭まっていないので、大きな圧力損失が発生せず、燃料油を噴霧した際にも、十分な貫通力を持った燃料油を噴射することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】インジェクタ先端部断面を示す図である。
【図２】燃料噴射ノズルの断面を示す図である。
【図３】インジェクタを直噴エンジンに適用した場合を示す図である。
【図４】ＳＰＩ方式またはＭＰＩ方式を示す図である。
【図５】燃料噴射ノズルの変形例における拡大断面を示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
１    インジェクタ
２    インジェクタケーシング
３    針弁
４    プレート保持部材
５、５Ａ    基孔
７ａ、７ｂ    引き出し配線
８    油圧室
９    流量調節孔
１０、１０Ａ    燃料噴射ノズル
１１、１１Ａ    噴射孔
１２、１３    金属膜
１２Ａ、１３Ａ    金属膜表面部
１２Ｂ、１３Ｂ    金属膜肉厚部
１２Ｃ、１３Ｃ    金属膜内周部
１３Ｄ    金属膜傾斜肉厚部
１５、１５Ａ    プレート材
１６    傾斜部
３０、３０Ａ    燃焼室
３１    キャビティ
３２    ピストン
３３    点火プラグ
３４    吸気バルブ
３５    インテイクマニホールド
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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