(57)【要約】【課題】噴霧形状が可変であり、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を得る。【解決手段】流体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１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。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される。閾値を有するパラメータは、分割噴射の各噴射における噴射期間、噴射量、噴射圧力等である。【選択図】図１５
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【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、この弁座との当接、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噴孔から都度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により、所望の形態の噴霧を生成する流体噴射弁であって、
前記噴孔は、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含み、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前記長軸と前記短軸の方向を変化させることによる前記断面形状の変形を生じ得るものであり、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１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流体噴射弁。
【請求項２】
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１つを含むことを特徴とする請求項１記載の流体噴射弁。
【請求項３】
前記閾値に基づいて前記断面形状の変形を生じるように場合分けされたスイッチング噴霧を含むように、全体噴霧を構成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の流体噴射弁。
【請求項４】
前記閾値に基づいて前記断面形状の変形を生じないように場合分けされたスイッチング噴霧を含むように、全体噴霧を構成することを特徴とする請求項３記載の流体噴射弁。
【請求項５】
前記断面形状の変形を生じる場合と生じない場合とで、スイッチング噴霧の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、前記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、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あるいは集合化させることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の流体噴射弁。
【請求項６】
前記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、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ことを特徴とする請求項５記載の流体噴射弁。
【請求項７】
前記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、前記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、貫徹力が減少することを特徴とする請求項２から請求項６のいずれか一項に記載の流体噴射弁。
【請求項８】
前記弁体は、前記分割噴射において弁全開に至らずに閉弁する場合があることを特徴とする請求項２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】
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８記載の流体噴射弁。
【請求項１０】
複数の前記噴孔を有し、その中に噴孔径、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１から請求項９のいずれか一項に記載の流体噴射弁。
【請求項１１】
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ることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の流体噴射弁。
【請求項１２】
前記スイッチング噴孔は、スイッチング噴霧にアクシス−スイッチング現象を生じさせることにより前記長軸と前記短軸の方向を変化させることを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の流体噴射弁。
【請求項１３】
複数の前記噴孔により生成された各噴霧が近接化あるいは集合化した全体噴霧が形成され、前記スイッチング噴孔を除く他の複数の前記噴孔は、各噴流が破断、分裂を経て単噴霧にブレークされたブレーク部位よりも下流側の各単噴霧が単噴霧間で作用するコアンダ効果で近接化あるいは集合化した部分全体噴霧を形成することができる集合噴孔であり、近接化あるいは集合化した各単噴霧の噴射量分布の中心あるいは重心が全体噴霧の中心あるいは重心に収束する前の部分全体噴霧と、前記スイッチング噴孔からのスイッチング噴霧とがコアンダ効果により集合した全体噴霧を形成し得るものであり、前記分割噴射の各噴射における噴射条件を前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ことを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の流体噴射弁。
【請求項１４】
前記スイッチング噴孔は、スイッチング噴霧にアクシス−スイッチング現象を生じさせることにより前記長軸と前記短軸の方向を変化させることを特徴とする請求項１３記載の流体噴射弁。
【請求項１５】
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の特性は、スイッチング噴霧がアクシス−スイッチング現象により前記長軸と前記短軸の方向を変化させ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１４記載の流体噴射弁。
【請求項１６】
前記スイッチング噴孔と前記集合噴孔とは、スイッチング噴霧がアクシス−スイッチング現象により前記長軸と前記短軸の方向を変化させる所定位置より下流においてスイッチング噴霧と部分全体噴霧とがコアンダ効果により集合して全体噴霧を形成するように間隔をあけて配置されることを特徴とする請求項１４記載の流体噴射弁。
【請求項１７】
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、その貫徹力が前記集合噴孔からの単噴霧の貫徹力よりも大きいことを特徴とする請求項１４から請求項１６のいずれか一項に記載の流体噴射弁。
【請求項１８】
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、前記長軸が単噴霧と対向していることを特徴とする請求項１４から請求項１７のいずれか一項に記載の流体噴射弁。
【請求項１９】
吸気ポートに、スロットル弁の吸気流の下流側であって、且つ先端部が前記スロットル弁に指向して取り付けられ、全体噴霧の貫徹力が前記スロットル弁の手前で抑制されることを特徴とする請求項１５から請求項１８のいずれか一項に記載の流体噴射弁。
【請求項２０】
吸気ポートに、先端部が吸気弁に指向して取り付けられ、全体噴霧の貫徹力が前記吸気弁の手前で抑制されることを特徴とする請求項１５から請求項１８のいずれか一項に記載の流体噴射弁。
【請求項２１】
吸気ポートに、先端部が吸気弁に指向して取り付けられ、指向方向に曲率を有する全体噴霧を形成し、全体噴霧が前記吸気ポートの壁面に直接的に衝突するのを回避することを特徴とする請求項１５から請求項１８のいずれか一項に記載の流体噴射弁。
【請求項２２】
複数の前記噴孔により生成された各噴霧が前記噴孔から下流の所定位置において中空状の全体噴霧を形成し、前記各噴霧は、スイッチング噴霧が前記長軸と前記短軸の方向を変化させた後にスイッチング噴霧とコアンダ効果により集合化して集合噴霧を形成し、これらの集合噴霧が連鎖して全体噴霧を形成し得るものであり、前記分割噴射の各噴射における噴射条件を前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ことを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の流体噴射弁。
【請求項２３】
前記スイッチング噴孔は、スイッチング噴霧にアクシス−スイッチング現象を生じさせることにより前記長軸と前記短軸の方向を変化させることを特徴とする請求項２２記載の流体噴射弁。
【請求項２４】
複数の前記噴孔は、周方向に間隔をおいて円形状に配設されていることを特徴とする請求項２３記載の流体噴射弁。
【請求項２５】
複数の前記噴孔は、隣接した前記噴孔が互いに等分間隔で配設されていることを特徴とする請求項２４記載の流体噴射弁。
【請求項２６】
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、非スイッチング噴霧と対向していることを特徴とする請求項２３から請求項２５のいずれか一項に記載の流体噴射弁。
【請求項２７】
吸気ポートに、スロットル弁の吸気流の下流側であって、且つ先端部が前記スロットル弁に指向して取り付けられ、全体噴霧の貫徹力が前記スロットル弁の手前で抑制されることを特徴とする請求項２３から請求項２６のいずれか一項に記載の流体噴射弁。
【請求項２８】
吸気ポートに、先端部が吸気弁に指向して取り付けられ、全体噴霧の貫徹力が前記吸気弁の手前で抑制されることを特徴とする請求項２３から請求項２６のいずれか一項に記載の流体噴射弁。
【請求項２９】
吸気ポートに、先端部が吸気弁に指向して取り付けられ、指向方向に曲率を有する全体噴霧を形成し、全体噴霧が前記吸気ポートの壁面に直接衝突するのを回避するようにしたことを特徴とする請求項２３から請求項２６のいずれか一項に記載の流体噴射弁。
【請求項３０】
複数の前記噴孔により生成された各噴霧が前記噴孔から下流の所定位置において全体噴霧を形成し、前記噴孔は前記スイッチング噴孔を少なくとも二つ含み、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少なくとも一つは、前記長軸と前記短軸の方向を変化させる時間的タイミングと前記噴孔からの距離が他のスイッチング噴霧と異なっており、各スイッチング噴霧が前記長軸と前記短軸の方向を変化させて隣接する噴霧とコアンダ効果により集合化して各集合噴霧を形成し、これらの集合噴霧が連鎖して全体噴霧を形成し得るものであり、前記分割噴射の各噴射における噴射条件を前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ことを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の流体噴射弁。
【請求項３１】
前記スイッチング噴孔は、スイッチング噴霧にアクシス−スイッチング現象を生じさせることにより前記長軸と前記短軸の方向を変化させることを特徴とする請求項３０記載の流体噴射弁。
【請求項３２】
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、非スイッチング噴霧と対向していることを特徴とする請求項３１記載の流体噴射弁。
【請求項３３】
吸気ポートに、スロットル弁の吸気流の下流側であって、且つ先端部が前記スロットル弁に指向して取り付けられ、全体噴霧の貫徹力が前記スロットル弁の手前で抑制され、前記スロットル弁への噴霧の付着が抑制されることを特徴とする請求項３１または請求項３２に記載の流体噴射弁。
【請求項３４】
吸気ポートに、先端部が吸気弁の方向に指向して取り付けられ、全体噴霧は、その進行方向に直角な面内で貫徹力の分布が形成され、指向方向が偏向することにより前記吸気ポートの内壁面および前記吸気弁への噴霧の付着が抑制されることを特徴とする請求項３１または請求項３２に記載の流体噴射弁。
【請求項３５】
前記噴孔体に複数の前記噴孔を有し、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所定の距離で前記長軸と前記短軸の方向を変化させ前記断面形状を変形し得るものであり、前記分割噴射の各噴射における噴射条件を前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ことを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の流体噴射弁。
【請求項３６】
前記スイッチング噴孔は、スイッチング噴霧にアクシス−スイッチング現象を生じさせることにより前記長軸と前記短軸の方向を変化させることを特徴とする請求項３５記載の流体噴射弁。
【請求項３７】
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３６記載の流体噴射弁。
【請求項３８】
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間隔で配置されると共に、それらの噴孔径、長さ、および傾きを含む噴孔仕様が設定されることを特徴とする請求項３６または請求項３７に記載の流体噴射弁。
【請求項３９】
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３６から請求項３８のいずれか一項に記載の流体噴射弁。
【請求項４０】
前記噴孔体に配置された複数の噴孔群から流体を噴射し複数の噴霧群を生成し、前記複数の噴孔群の各々は、互いに近接して配置された複数の噴孔を有し、前記複数の噴孔群の少なくとも一つは、前記スイッチング噴孔を少なくとも一つ含み、
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、該スイッチング噴孔から所定の距離で前記長軸と前記短軸の方向を変化させ、該変化を生じた後は、該スイッチング噴孔と同じ前記噴孔群に属する別の前記噴孔により生成される噴霧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得るものであり、前記分割噴射の各噴射における噴射条件を前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ことを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の流体噴射弁。
【請求項４１】
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、該スイッチング噴孔から所定の距離でアクシス−スイッチング現象を生じるように制御され、前記長軸と前記短軸の方向を変化させることを特徴とする請求項４０記載の流体噴射弁。
【請求項４２】
前記噴孔体は、前記弁座と一体的に形成されており、前記スイッチング噴孔は、流体噴射方向に相当する噴孔軸に直角な断面形状が長軸と短軸を有する形状であることを特徴とする請求項４０または請求項４１に記載の流体噴射弁。
【請求項４３】
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軸と短軸を有する形状であることを特徴とする請求項４０から請求項４２のいずれか一項に記載の流体噴射弁。
【請求項４４】
前記スイッチング噴孔を含む前記噴孔群において、該噴孔群に属する前記複数の噴孔は、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間隔で配置されると共に、それらの噴孔径、長さ、および傾きを含む噴孔仕様が設定されることを特徴とする請求項４１記載の流体噴射弁。
【請求項４５】
前記スイッチング噴孔を含む前記噴孔群において、該噴孔群に属する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４１または請求項４４に記載の流体噴射弁。
【請求項４６】
前記スイッチング噴孔を含む前記噴孔群とこの噴孔群に隣接する別の前記噴孔群は、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間隔で配置されると共に、それらの噴孔径、長さ、および傾きを含む噴孔仕様が設定されることを特徴とする請求項４４または請求項４５に記載の流体噴射弁。
【請求項４７】
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、同じ前記噴孔群に属する別の前記噴孔により生成される噴霧との近接化または集合化により、複数の噴霧群からなる全体噴霧の噴霧方向に直角な断面形状、または全体噴霧の貫徹力分布、または全体噴霧の噴霧方向に直角な噴射量分布を制御されることを特徴とする請求項４０から請求項４６のいずれか一項に記載の流体噴射弁。
【請求項４８】
請求項１から請求項４７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。
【請求項４９】
燃焼室に配置される点火プラグと、前記燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射弁として請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の流体噴射弁を備え、前記点火プラグにより火花を発生させ、前記燃焼室内の混合気に着火する火花点火式を採用したエンジンであって、
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、該スイッチング噴孔から所定の距離で前記長軸と前記短軸の方向を変化させ前記断面形状を変形するように制御されると共に、前記分割噴射の各噴射における前記噴射条件を前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ことを特徴とするエンジン。
【請求項５０】
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、アクシス−スイッチング現象により前記点火プラグの近傍を指向する噴霧となるように制御されることを特徴とする請求項４９記載のエンジン。
【請求項５１】
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、前記燃焼室内の圧力または空気流動により、アクシス−スイッチング現象を生じるか否かを制御されることを特徴とする請求項５０記載のエンジン。
【請求項５２】
複数の前記噴孔は、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間隔で配置されると共に、それらの噴孔径、長さ、および傾きを含む噴孔仕様が設定されることを特徴とする請求項５０または請求項５１に記載のエンジン。
【請求項５３】
複数の前記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５０から請求項５２のいずれか一項に記載のエンジン。
【請求項５４】
前記燃焼室において成層燃焼を行う場合、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、前記点火プラグの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て前記点火プラグの近傍を指向すると共に貫徹力が低下し、前記点火プラグの近傍を通過した時点で貫徹力を失い前記点火プラグの近傍で滞留するように制御されることを特徴とする請求項５０から請求項５３のいずれか一項に記載のエンジン。
【請求項５５】
前記燃焼室において均質燃焼を行う場合、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、前記点火プラグの近傍を通過する過程で前記燃焼室の内部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前記燃焼室の全体に拡散するように制御されることを特徴とする請求項５０から請求項５４のいずれか一項に記載のエンジン。
【請求項５６】
燃焼室に燃料を噴射する燃料噴射弁として請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の流体噴射弁を備えたエンジンであって、
前記噴孔体に配置された複数の噴孔群から流体を噴射し複数の噴霧群を生成し、前記複数の噴孔群の各々は、互いに近接して配置された複数の噴孔を有し、前記複数の噴孔群の少なくとも一つは、前記スイッチング噴孔を少なくとも一つ含み、
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、該スイッチング噴孔から所定の距離で前記長軸と前記短軸の方向を変化させ、該変化を生じた後は、該スイッチング噴孔と同じ前記噴孔群に属する別の前記噴孔により生成される噴霧との間でコアンダ効果による近接化または集合化が生じるように制御されると共に、前記分割噴射の前記各噴射における前記噴射条件を前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ことを特徴とするエンジン。
【請求項５７】
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、該スイッチング噴孔から所定の距離でアクシス−スイッチング現象を生じるように制御され、前記長軸と前記短軸の方向を変化させることを特徴とする請求項５６記載のエンジン。
【請求項５８】
前記噴孔体は、前記弁座と一体的に形成されており、前記スイッチング噴孔は、燃料噴射方向に相当する噴孔軸に直角な断面形状が長軸と短軸を有する形状であることを特徴とする請求項５６または請求項５７に記載のエンジン。
【請求項５９】
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軸と短軸を有する形状であることを特徴とする請求項５６から請求項５８のいずれか一項に記載のエンジン。
【請求項６０】
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、前記燃料噴射弁の燃料噴射圧力、または前記燃焼室の内部の圧力、または前記燃焼室の内部の空気流動の少なくとも一つの要因により、アクシス−スイッチング現象を生じるか否かを制御されることを特徴とする請求項５７記載のエンジン。
【請求項６１】
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、同じ前記噴孔群に属する別の前記噴孔により生成される噴霧との近接化または集合化により、複数の噴霧群からなる全体噴霧の噴霧方向に直角な断面形状、または全体噴霧の貫徹力分布、または全体噴霧の噴霧方向に直角な噴射量分布を制御されることを特徴とする請求項５６から請求項６０のいずれか一項に記載のエンジン。
【請求項６２】
着火方式として、前記燃焼室に備えられた点火プラグにより火花を発生させ、前記燃焼室内の混合気に着火する火花点火式を採用したことを特徴とする請求項５７記載のエンジン。
【請求項６３】
前記燃焼室において成層燃焼を行う場合、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、前記点火プラグの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て前記点火プラグの近傍を指向すると共に貫徹力が低下し、前記点火プラグの近傍を通過した時点で貫徹力を失い前記点火プラグの近傍で滞留するように制御されることを特徴とする請求項６２記載のエンジン。
【請求項６４】
前記燃焼室において均質燃焼を行う場合、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、前記点火プラグの近傍を通過する過程で前記燃焼室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前記燃焼室内の全体に拡散するように制御されることを特徴とする請求項６２または請求項６３に記載のエンジン。
【請求項６５】
着火方式として、前記燃焼室内の混合気をピストンで圧縮し自着火を行わせる圧縮着火式を採用したことを特徴とする請求項５７記載のエンジン。
【請求項６６】
前記燃焼室において前記ピストンの上昇時に燃料噴射を行う場合、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、アクシス−スイッチング現象を生じて貫徹力が低下し、圧縮上死点付近の前記燃焼室内においてコンパクトな全体噴霧を形成するように制御されることを特徴とする請求項６５記載のエンジン。
【請求項６７】
前記燃焼室において前記ピストンの下降時に燃料噴射を行う場合、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、前記燃焼室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前記燃焼室内の全体に拡散するように制御されることを特徴とする請求項６５または請求項６６に記載のエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一つあるい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並びにエンジンに関する。
【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。このような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役割をもっている。
【０００３】
燃焼室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の部分と、点火プラグ近傍を指向しない噴霧の部分とに要求される噴霧仕様は異なってくる。つまり、エンジンの低速低負荷で成層燃焼を行う場合と、高速高負荷で均質燃焼を行う場合とでは、要求される噴霧仕様は異なる。また、燃焼室の形状、筒内空気流動や燃料噴射弁取り付け位置や方向が異なれば、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。
【０００４】
一方、噴霧の微粒化のプロセスにおいて、液滴を小さくするためには、その分裂の前段階である液糸を細くすることが有効である。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り、液膜の方がより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が知られている。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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、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。
【０００９】
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。
【００１０】
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、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。
【００１１】
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。
【００１２】
例えば、火花点火式直噴エンジンにおいて噴霧貫徹力の確保と噴霧密度の適度な分散を両立させることを目的とした先行技術として、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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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
らつきを防止することが記載されている。
【００１６】
さらに、特許文献５では、吸気ポートに設けられた燃料噴射弁において、弁体の中心軸と同軸の二重の円上にそれぞれ複数の噴孔が配置され、内側の円上に配列された噴孔から噴射された噴霧から離れる方向に、外側の円上に配列された噴孔から噴霧を噴射するようにしている。この先行例では、噴霧の安定化、微粒化を図ると共に、噴霧が吸気弁のバルブ傘の中央部には到達せず、バルブ傘の外周部のみに到達するようにしている。
【００１７】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１８】
【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】特開平１１−７２０６７号公報
【非特許文献】
【００１９】
【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】
【００２０】
上記のように、従来技術では、マルチホールインジェクタを搭載した火花点火式直噴エンジンにおいて、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せずに全体に拡散する噴霧のそれぞれに要求される噴霧仕様を実現するための設計の自由度が低く、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、特許文献１および特許文献２では、それらの影響を考慮していないため、最適な噴霧仕様を実現することはできない。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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、適用できる吸気ポート形状や吸気弁配置などに制約が生じる。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吸気ポート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。
【００２４】
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、適用できる吸気ポート形状や吸気弁配置等が不明である。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
すなわち、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。
【００２８】
また、特許文献５では、燃料噴射弁の各噴孔（各噴霧）の方向を設定して、吸気弁の位置における噴霧パターンを吸気弁形状に応じた円環状あるいはＣ字状とすることが記載されているが、実際には、隣り合う各噴霧同士のコアンダ効果や、全体噴霧が中空状となることによる内外圧力差に伴うすぼみ効果の影響を考慮しなければ、円環状やＣ字状の噴霧パターンを維持することはできない。
【００２９】
上記のように、引用文献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吸気ポート形状あるいは燃焼室形状、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。
【００３０】
また、従来の流体噴射弁において、上述のアクシス−スイッチング現象を利用して、あるいは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、エンジン仕様毎に異なる吸気ポート形状あるいは燃焼室形状、およびそれぞれの吸気流動に適した可変噴霧を実現したものはなかった。
【００３１】
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、噴霧形状が可変であり、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。
【００３２】
また、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、吸気ポート形状あるいは燃焼室形状、およびそれぞれの吸気流動に適した可変噴霧を実現し、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エンジン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】
【００３３】
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、この弁座との当接、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噴孔から都度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により、所望の形態の噴霧を生成する流体噴射弁であって、噴孔は、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含み、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り、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１つは、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、分割噴射の各噴射における噴射条件が閾値に基づいて設定されるものである。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、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用いた噴霧生成装置並びにエンジンを得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【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いて分割噴射した場合の噴霧挙動を説明する図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る燃料噴射弁の噴霧挙動を説明する図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る燃料噴射弁の噴霧挙動を説明する図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係る燃料噴射弁において分割噴射した場合の噴霧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分割噴射した場合の噴霧挙動を説明する図である。
【図８】本発明の実施の形態１に係る燃料噴射弁において分割噴射した場合の噴霧挙動を説明する図である。
【図９】本発明の実施の形態３に係る燃料噴射弁の噴霧挙動を説明する図である。
【図１０】本発明の実施の形態３に係る燃料噴射弁において分割噴射した場合の噴霧挙動を説明する図である。
【図１１】本発明の実施の形態３に係る燃料噴射弁の噴霧挙動を説明する図である。
【図１２】本発明の実施の形態３に係る燃料噴射弁の噴霧挙動を説明する図である。
【図１３】本発明の実施の形態３に係る燃料噴射弁において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４に係る燃料噴射弁の噴霧挙動を説明する図である。
【図１５】本発明の実施の形態４に係る燃料噴射弁において分割噴射した場合の噴霧挙動を説明する図である。
【図１６】本発明の実施の形態５に係る燃料噴射弁の噴霧挙動を説明する図である。
【図１７】本発明の実施の形態５に係る燃料噴射弁の噴霧挙動を説明する図である。
【図１８】本発明の実施の形態６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１９】本発明の実施の形態６に係る燃料噴射弁の先端部を示す拡大断面図である。
【図２０】本発明の実施の形態６に係る燃料噴射弁の先端部を示す拡大断面図である。
【図２１】本発明の実施の形態６に係る燃料噴射弁の噴霧挙動を説明する図である。
【図２２】本発明の実施の形態６に係る燃料噴射弁において分割噴射した場合の噴霧挙動を説明する図である。
【図２３】本発明の実施の形態７に係るエンジンの吸気ポートを示す図である。
【図２４】本発明の実施の形態７に係るエンジンの吸気ポートを示す図である。
【図２５】本発明の実施の形態７に係るエンジンの吸気ポートを示す図である。
【図２６】本発明の実施の形態８および実施の形態１０に係る燃料噴射弁の噴孔プレートを示す平面図である。
【図２７】本発明の実施の形態８および実施の形態１０に係る燃料噴射弁の噴霧挙動を説明する図である。
【図２８】本発明の実施の形態１０に係る燃料噴射弁の噴霧挙動を説明する図である。
【図２９】本発明の実施の形態１１に係るエンジンの吸気ポートを示す図である。
【図３０】本発明の実施の形態１１に係るエンジンの吸気ポートを示す図である。
【図３１】本発明の実施の形態１２に係る燃料噴射弁の噴孔プレートを示す平面図である。
【図３２】本発明の実施の形態１２に係る燃料噴射弁の噴霧挙動を説明する図である。
【図３３】本発明の実施の形態１２に係る燃料噴射弁の噴霧挙動を説明する図である。
【図３４】本発明の実施の形態１２に係る燃料噴射弁において分割噴射した場合の噴霧挙動を説明する図である。
【図３５】本発明の実施の形態１３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３６】本発明の実施の形態１４に係る燃料噴射弁の噴孔プレートを示す平面図である。
【図３７】本発明の実施の形態１４に係る燃料噴射弁の噴孔プレートの他の例を示す平面図である。
【図３８】本発明の実施の形態１４に係る燃料噴射弁の噴霧挙動を説明する図である。
【図３９】本発明の実施の形態１４に係る燃料噴射弁の噴霧挙動を説明する図である。
【図４０】本発明の実施の形態１４に係る燃料噴射弁において分割噴射した場合の噴霧挙動を説明する図である。
【図４１】本発明の実施の形態１５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４２】本発明の実施の形態１６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】
【００３６】
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は、本実施の形態１に係る燃料噴射弁の先端部を示し、（ａ）は拡大断面図、（ｂ）は（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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。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。
【００４１】
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には、板厚方向に貫通するスイッチング噴孔３９１が形成されている。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噴孔軸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、スイッチング噴孔３９１と非スイッチング噴孔３９２（後述）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。
【００４２】
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ものである。なお、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、その断面形状を変形させることができる。本実施の形態１では、噴孔プレート３３は、１つのスイッチング噴孔３９１を有するものであるが、複数の噴孔３９を有する場合には、その中に少なくとも一つのスイッチング噴孔３９１を含んでいれば良い。
【００４３】
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。
【００４４】
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と弁座面３２ａとは閉状態となり、燃料噴射はこの時点で終了する。
【００４５】
本実施の形態１に係る燃料噴射弁１においては、噴孔プレート３３に配置された噴孔３９から、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が行われる。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形態に応じた噴霧形態を実現する必要がある。
【００４６】
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。
【００４７】
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、流体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１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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
また、本実施の形態１では、噴孔プレート３３は１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。
【００５１】
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、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。本実施の形態１において、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させるスイッチング噴霧を含んで構成される。また、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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
スイッチング噴孔３９１から噴射された燃料の噴流は、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。
【００５５】
図３（ａ）の例では、スイッチング噴孔３９１からの噴流および噴霧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。
【００５６】
図３（ｂ）の例では、スイッチング噴孔３９１からの噴流および噴霧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。
【００５７】
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からの噴流および噴霧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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
また、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）。
【００６２】
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。
【００６３】
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、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、全体噴霧を形成することができる。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。
【００６４】
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。
【００６５】
また、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）。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
以上のことから、本実施の形態１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燃料噴射弁１および噴霧生成装置を得ることが可能である。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
実施の形態３.
上記実施の形態１および実施の形態２では、１つ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の挙動について説明したが、本実施の形態３では、隣接して配置された二つの非スイッチング噴孔３９２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。なお、本実施の形態３に係る燃料噴射弁１の全体構成は上記実施の形態１と同様であるので、図１を流用して説明を省略する。
【００７２】
図９〜図１１は、二つの非スイッチング噴霧４Ａ、４Ｂ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。なお、コアンダ効果とは、雰囲気圧力の低下に伴い、隣接する噴霧との近接化を誘起する効果である。
【００７３】
図９において、（ａ）は二つの非スイッチング噴孔３９２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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
図１０は、図９に示す二つの非スイッチング噴霧４Ａ、４Ｂ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）。
【００７９】
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。
【００８０】
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における各噴霧の噴射量分布は、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。
【００８１】
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４Ａ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。
【００８２】
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）。
【００８３】
図１３は、図１２に示す二つの非スイッチング噴霧４Ａ、４Ｃ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。
【００８４】
本実施の形態３では、二つの非スイッチング噴孔３９２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。
【００８５】
実施の形態４．
本実施の形態４では、噴孔プレート３３に隣接して配置された非スイッチング噴孔３９２とスイッチング噴孔３９１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１４および図１５を用いて説明する。なお、本実施の形態４では、図３６に示す噴孔プレート３３が用いられており、複数の噴孔群３９３を有し、その各々は、互いに近接して配置された複数の噴孔３９を有する。図１４および図１５における符号は図３６を参照する。
【００８６】
図１４は、同じ噴孔群３９３ａに属し互いに隣接する非スイッチング噴孔３９２ａとスイッチング噴孔３９１ａにより生成される非スイッチング噴霧４Ａとスイッチング噴霧５Ａが、コアンダ効果により集合噴霧５０を形成するまでの挙動を示している。図９において、（ａ）は各噴霧の側面図、（ｂ）は（ａ）中、Ｅ−Ｅ、Ｆ−Ｆ、・・、Ｍ−Ｍで示す部分における断面図である。
【００８７】
非スイッチング噴孔３９２ａとスイッチング噴孔３９１ａは、間隔ｘ３で配置されている。断面形状が長円形のスイッチング噴霧５Ａは、アクシス−スイッチング現象が生じる前は、その長軸方向が非スイッチング噴霧４Ａと対向している。スイッチング噴霧５Ａは、非スイッチング噴霧４Ａと対向しつつ、その断面形状が長軸および短軸の両方向に若干拡大しながら、ほぼスイッチング噴孔３９１ａ直下での初期の流れ方向を維持して下流に流れる。
【００８８】
その後、スイッチング噴孔３９１ａ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の長軸と短軸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と非スイッチング噴霧４Ａ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。
【００８９】
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の長軸と短軸の方向が変化する変形が進み、スイッチング噴霧５Ａと非スイッチング噴霧４Ａ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と非スイッチング噴霧４Ａの隙間が小さくなり、それに伴いスイッチング噴霧５Ａと非スイッチング噴霧４Ａとの間にコアンダ効果が作用したことによる。
【００９０】
断面Ｋ−Ｋにおいて、スイッチング噴霧５Ａと非スイッチング噴霧４Ａ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と非スイッチング噴霧４Ａ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、断面Ｍ−Ｍにおいて、燃料噴射後の所定時間経過後に、非スイッチング噴孔３９２ａおよびスイッチング噴孔３９１ａから所定の距離において、スイッチング噴霧５Ａと非スイッチング噴霧４Ａが集合した集合噴霧５０が形成される。
【００９１】
この集合噴霧５０の形状、大きさ、方向、貫徹力、および噴射量分布や、各集合噴霧５０の配置などは、スイッチング噴霧５Ａおよび非スイッチング噴霧４Ａの各特性や各配置を変更することにより、変更することができる。
【００９２】
また、スイッチング噴霧５Ａは、長軸と短軸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、非スイッチング噴霧４Ａと干渉することで、非スイッチング噴霧４Ａ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、非スイッチング噴霧４Ａの貫徹力も抑制される。
【００９３】
図１４（ａ）の一点鎖線ｄは、非スイッチング噴霧４Ａが単独の場合の噴霧形状を示している。このように、非スイッチング噴霧４Ａは、スイッチング噴霧５Ａとの干渉によって貫徹力が低下し、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）。
【００９４】
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、非スイッチング噴霧４Ａの微粒化レベルとの差が小さくなる。すなわち、非スイッチング噴孔３９２ａおよびスイッチング噴孔３９１ａ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を形成することができる。
【００９５】
図１４において、スイッチング噴孔３９１ａを利用しなかった場合、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ともに、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。
【００９６】
このように、同じ噴孔群３９３に属する噴孔３９により生成される噴霧群（非スイッチング噴霧４Ａとスイッチング噴霧５Ａ）は、所定距離においてスイッチング噴霧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、貫徹力を急速に減衰させることが可能である。また、貫徹力が低下することにより周囲空気との混合が進み、微粒化が向上する。さらに、噴射量分布および噴霧方向は、各噴孔仕様によって設定することができる。
【００９７】
図１５（ａ）は、図１４に示すスイッチング噴霧５Ａと非スイッチング噴霧４Ａ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、図１５（ｂ）は、図１５（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１５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、上記実施の形態１で説明したように、分割噴射しない場合に比べて貫徹力を抑制することができる（時刻ｔ１における貫徹力Ｌ１１＜Ｌ１０）。
【００９８】
なお、図１５では、非スイッチング噴霧４Ａとスイッチング噴霧５Ａを各一つ組み合わせで断面が非対象な集合噴霧５０を形成しているが、集合噴霧が形成され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、二つの非スイッチング噴霧４Ａと一つのスイッチング噴霧５Ａとの組み合わせでもよいし、二つのスイッチング噴霧５Ａであってもよい。すなわち、各噴孔群３９３の中に、スイッチング噴孔３９１が少なくとも一つ含まれていればよい。
【００９９】
本実施の形態４によれば、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）の設定方法の組み合わせにより、例えば図１５（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することが可能である。
【０１００】
実施の形態５.
本実施の形態５では、噴孔プレート３３に隣接して配置された非スイッチング噴孔３９２とスイッチング噴孔３９１により生成される各噴霧が、コアンダ効果により集合化しない場合の挙動について、図１６および図１７を用いて説明する。なお、本実施の形態５では、図３６に示す噴孔プレート３３が用いられており、複数の噴孔群３９３を有し、その各々は、互いに近接して配置された複数の噴孔３９を有する。図１６および図１７における符号は図３６１を参照する。
【０１０１】
図１６は、非スイッチング噴孔３９２ｃとスイッチング噴孔３９１ｄにより生成される非スイッチング噴霧４Ａとスイッチング噴霧５Ａの挙動を示している。図１６において、（ａ）は各噴霧の側面図、（ｂ）は（ａ）中、Ｅ−Ｅ、Ｆ−Ｆ、・・、Ｌ−Ｌで示す部分における断面図である。非スイッチング噴孔３９２ｃとスイッチング噴孔３９１ｄは、スイッチング噴孔３９１ｄの長軸が非スイッチング噴孔３９２ｃに対向するように、間隔ｘ４（ｘ４＞ｘ３）で配置されている。
【０１０２】
スイッチング噴霧５Ｂは、アクシス−スイッチング現象が生じる前は、その長軸方向が非スイッチング噴霧４Ａと対向しているが、スイッチング噴孔３９１ｄから所定距離において、断面Ｊ−Ｊに示すようにその長軸と短軸の方向が変化し始める。しかし、非スイッチング噴霧４Ａとスイッチング噴霧５Ａが最も接近する断面Ｌ−Ｌにおいても、それらの隙間ｃ５はコアンダ効果が作用する閾値よりも大きい。このため、両噴霧４Ａ、５Ｂにはコアンダ効果は作用せず、独立したままで、ほぼ初期の進行方向に進んでいく。この時、スイッチング噴霧５Ｂが非スイッチング噴霧４Ａに干渉しないため、非スイッチング噴霧４Ａの貫徹力は抑制されない。
【０１０３】
また、複数のスイッチング噴霧５Ａを含む場合、複数のスイッチング噴霧５Ａにアクシス−スイッチング現象が生じた後も、非スイッチング噴霧４Ａから近接化や変形等の影響を受けないようにすることで、複数のスイッチング噴霧５Ａの変形後の形状を安定に保つことができる。
【０１０４】
図１７は、非スイッチング噴孔３９２ａとスイッチング噴孔３９１ｅにより生成される非スイッチング噴霧４Ａとスイッチング噴霧５Ｃの挙動を示している。図１７において、（ａ）は各噴霧の側面図、（ｂ）は（ａ）中、Ｅ−Ｅ、Ｆ−Ｆ、・・、Ｌ−Ｌで示す部分における断面図である。非スイッチング噴孔３９２ａとスイッチング噴孔３９１ｅは、スイッチング噴孔３９１ｅの短軸が非スイッチング噴孔３９２ａに対向するように、間隔ｘ５で配置されている。
【０１０５】
スイッチング噴霧５Ｃは、アクシス−スイッチング現象が生じる前は、その短軸方向が非スイッチング噴霧４Ａと対向しているが、スイッチング噴孔３９１ｅから所定距離において、断面Ｊ−Ｊに示すようにその長軸と短軸の方向が変化し始める。しかし、非スイッチング噴霧４Ａとスイッチング噴霧５Ｃが最も接近する断面Ｈ−Ｈにおいても、それらの隙間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。
【０１０６】
さらに、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５Ｃの長軸と短軸の方向が変化する変形が進み、スイッチング噴霧５Ｃと非スイッチング噴霧４Ａの隙間はさらに大きくなる。このため、両噴霧４Ａ、５Ｃにはコアンダ効果は作用せず、両噴霧４Ａ、５Ｃは独立したまま、ほぼ初期の進行方向に進んでいく。この時、スイッチング噴霧５Ｃが非スイッチング噴霧４Ａに干渉しないため、非スイッチング噴霧４Ａの貫徹力は抑制されない。
【０１０７】
なお、隣接する非スイッチング噴霧４Ａとスイッチング噴霧５Ａと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、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。
【０１０８】
これらの方法を実現するにあたっては、非スイッチング噴孔３９２とスイッチング噴孔３９１との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することができる。例えば縮流のレベルや方向を異ならせた場合、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ができ、コアンダ効果が作用する隙間の閾値を変更することが可能となる。また、コアンダ効果が作用する隙間の閾値は、各噴霧の流速、微粒化レベル、粒子数密度、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。
【０１０９】
なお、図１６および図１７に示す噴霧を分割噴射する場合は、上記実施の形態１で説明した噴霧挙動（図３〜図８）の組合せにより全体噴霧の挙動が決まるため、ここでは説明を省略する。
【０１１０】
なお、図１６および図１７では、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（５Ｃ）は、アクシス−スイッチング現象により変形した後も、別の噴霧群３９３に属する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との間でコアンダ効果が作用せず、近接化または集合化しない例について説明した。ただし、スイッチング噴霧５Ａ、５Ｃがアクシス−スイッチング現象により変形した後、別の噴霧群３９３に属する噴孔３９により生成される噴霧との間で近接化または集合化することにより、所望の全体噴霧仕様が実現される場合には、コアンダ効果が作用するようにしても良い。
【０１１１】
以上のように、上記実施の形態１〜実施の形態５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）非スイッチング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）、（カ）非スイッチング噴霧と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１６）。
【０１１２】
これらの（ア）〜（カ）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。
【０１１３】
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、上記実施の形態１では、電磁式の燃料噴射弁１について説明したが、駆動源は他の方式でもよく、ピエゾ式、機械式等の他の方式でもよく、また間欠噴射弁ではなく連続噴射弁にも適用できる。
【０１１４】
また、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。
【０１１５】
以下に示す実施の形態６〜実施の形態１６では、上記実施の形態１〜実施の形態５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。
【０１１６】
実施の形態６．
図１８は、本発明の実施の形態６に係る燃料噴射弁１の先端部を示し、（ａ）は拡大断面図、（ｂ）は図１８（ａ）中、矢印ハで示す方向から見た噴孔プレートの平面図である。なお、本実施の形態６に係る燃料噴射弁１の全体構成は、上記実施の形態１と同様であるので、図１を流用し説明を省略する。
【０１１７】
本実施の形態６に係る燃料噴射弁１は、内燃機関の吸気管に取り付けられ、その先端部が内燃機関の吸気ポート内に臨んでおり、下方に向けて燃料を噴射する。また、噴孔プレート３３には、燃料噴射弁１の中心軸であるＺ軸に沿って下流に向けて外側に向かう集合噴孔３９０、スイッチング噴孔３９１が周方向に等間隔をおいて配置されている。
【０１１８】
集合噴孔３９０、スイッチング噴孔３９１は、この中心軸線、すなわち噴流方向がエンジンの吸気弁を指向し、図１８（ｂ）に示すように、左右で互いに交差する２方向に向かう噴孔群に分かれている。断面が長円形状のスイッチング噴孔３９１は対向しており、このスイッチング噴孔３９１の両側に、それぞれ断面が円形状の複数の集合噴孔３９０が配置されている。
【０１１９】
ここで、例えば縮流によって噴孔３９内の流れを液膜流とする噴孔プレート３３とカバープレート３４、および弁座３２、ボール３８の詳細な構造と位置について、図１８〜図２０を用いて説明する。ここで説明する噴孔３９は、非スイッチング噴孔３９２、スイッチング噴孔３９１、また集合噴孔３９０のどれであってもよい。なお、図１９において、Ｘは噴孔３９の径、Ｙは噴孔３９の長さを示している。
【０１２０】
燃料は、弁体３５の開弁時においてボール３８の面取部３８ａと弁座３２の内面との間のＺ軸に平行な通路から、ボール３８の曲面部３８ｃと弁座面３２ａとの間を下流へ向かい、弁座シート部Ｒ１に至る。弁座シート部Ｒ１の上流では燃料がＺ軸に平行に流れるため、燃料は、弁座シート部Ｒ１を通過した後においては慣性により弁座面３２ａに沿う流れが主流となり、弁座面３２ａの下流端の点Ｐ１に達する。
【０１２１】
点Ｐ１は弁座面３２ａの終端であり、弁座３２は、点Ｐ１から下流側は垂直方向に延びた面を有している。従って、燃料の主流は、点Ｐ１から剥離する。弁座面３２ａの延長線は、カバープレート３４の周側面と点Ｐ２で交わっており、点Ｐ１から剥離した燃料は、点Ｐ２に向かい環状通路Ｃ（弁座３２の内周壁面とカバープレート３４の大径部３４ｄの周側面との間）を通過して、径方向に大幅な進路変更を伴わずに径方向通路Ｂ（弁座３２の内周壁面とカバープレート３４の小径部３４ｃの周側面との間）に流入する。
【０１２２】
なお、弁座シート部Ｒ１を通過する燃料の主流は、環状通路Ｃに流入するため、隙間通路Ａ（ボール３８の底面とカバープレート３４の天面３４ａとの間）への流入は抑制される。シート部Ｒ１と噴孔３９の入口の点Ｐ３とを直線で結んだ線は、カバープレート３４の大径部である薄肉部３４ｂで交叉している。すなわち薄肉部３４ｂは、弁座シート部Ｒ１から噴孔３９の入口への燃料の直線的な流入を遮っている。
【０１２３】
このため、噴孔３９に流入する燃料の少なくとも一部は、径方向通路Ｂに沿う流れとなる。カバープレート３４は、その小径部３４ｃが噴孔３９よりも内径側で噴孔３９に近接して配置されている。従って、径方向通路Ｂに沿って内径側に向かう燃料の正面流れＦ１は、燃料噴射弁１のＺ軸から噴孔３９に流入する戻り流れＦ２の流路を閉塞させ、戻り流れＦ２の速度を低下させる。戻り流れＦ２が抑制されることで、弁座シート部Ｒ１側から噴孔３９に流入する正面流れＦ１の速度が相対的に強められる。
【０１２４】
正面流れＦ１の少なくとも一部が、径方向通路Ｂに沿って進行した後に噴孔３９内で大幅な方向変化を強制されること、および正面流れＦ１が高速であることから、燃料は、噴孔３９の断面において、燃料噴射弁１のＺ軸側の噴孔３９の壁面に強く押し付けられる。その後、図２０に示すように、噴孔３９の入口では、低速な戻り流れＦ２は、噴孔３９の壁面に沿って流れＦ３を形成し、高速な正面流れＦ１は、燃料を壁面に押し付ける燃料流Ｆ４を形成する。
【０１２５】
また、噴孔３９の出口から導入される空気の流れＦ５が燃料流Ｆ４に作用し、点Ｐ４（噴孔３９の燃料入口の外側の縁部）を起点とした燃料流Ｆ４の剥離を生じさせる。燃料流Ｆ４は、噴孔３９内を進行するに伴い壁面に押し付けられ、液膜の方向は、噴孔３９の壁面の円周方向に広がりつつ噴孔３９の壁面に沿う方向に変化していく。
【０１２６】
この液膜が薄いほど液糸が細くなり、液滴の微粒化に有効であるため、本実施の形態６では、隙間通路Ａの高さｈ（図１９参照）に対する噴孔３９の長さＹを最適化し、燃料流Ｆ４が噴孔３９内で薄い液膜流３０の状態まで押し付けられるようにしている。これにより、噴射された燃料の液膜流３０は、所定の距離を経て分裂を開始し、液糸の状態を経て微粒化された液滴が生成される。
【０１２７】
図２１は、図１８（ｂ）に示す噴孔プレート３３に配置された断面が円形状の複数の集合噴孔３９０とスイッチング噴孔３９１により生成される各噴霧の干渉、集合化に関する挙動を説明する図である。図２１において、（ａ）は各噴霧の側面図、（ｂ）は（ａ）中、Ｅ−Ｅ、Ｆ−Ｆ、・・、Ｍ−Ｍで示す部分における断面図である。なお、（ａ）の側面図では、紙面方向に２つの非スイッチング噴霧４Ｄが重なっており、手前側の噴霧のみを示している。
【０１２８】
スイッチング噴孔３９１からの噴流５ｄにブレークが生じ、断面Ｆ−Ｆにおける長円状のスイッチング噴霧５Ｄは、その長軸が一対の単噴霧４Ｄ、４Ｄと対向して配置される。その後、断面Ｇ−Ｇにおけるスイッチング噴霧５Ｄは、単噴霧４Ｄ、４Ｄが集合した集合噴霧４０と対向しつつ、その断面形状が若干拡大（長軸及び短軸の両方向）していきながら、ほぼスイッチング噴孔３９１の直下での流れ方向を維持してそのまま下流に流れる。
【０１２９】
断面Ｊ−Ｊにおいて単噴霧４Ｄ、４Ｄの集合化が進み、コアンダ効果が弱まったタイミングで、スイッチング噴霧５Ｄは、その長軸Ｌと短軸Ｓの方向が変化する変形が生じ始める。なお、単噴霧４Ｄ、４Ｄの集合化が進む前であって、単噴霧４Ｄ、４Ｄ間のコアンダ効果が強い時に、スイッチング噴霧５Ｄの長軸Ｌと短軸Ｓの方向が変化する変形が生じた場合には、スイッチング噴霧５Ｄと単噴霧４Ｄ、４Ｄとの距離が接近することで、スイッチング噴霧５Ｄと単噴霧４Ｄ、４Ｄとは急速に一体化してしまう。
【０１３０】
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５Ｄ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５Ｄと単噴霧４Ｄ、４Ｄで構成された集合噴霧４０が近接化する。この現象は、スイッチング噴霧５Ｄの長軸Ｌと短軸Ｓの方向が変化したためにスイッチング噴霧５Ｄと集合噴霧４０の隙間が小さくなっていくこと、それに伴ってスイッチング噴霧５Ｄと集合噴霧４０との間でのコアンダ効果が生じることによる。
【０１３１】
さらに、断面Ｌ−Ｌにおいてスイッチング噴霧５Ｄと集合噴霧４０との向かい合う端部は、変形して干渉し始める。その結果、断面Ｍ−Ｍにおいて、燃料噴射後の所定時期、集合噴孔３９０、スイッチング噴孔３９１から所定距離の位置において、スイッチング噴霧５Ｄと集合噴霧４０とからなる集合噴霧５０が形成される。なお、集合噴霧５０の仕様に応じて、スイッチング噴霧５Ｄと集合噴霧４０との相互影響を所定レベルに設定することが可能となり、断面Ｍ−Ｍにおける集合噴霧５０の形状や貫徹力、噴射量分布の設定の自由度が向上する。
【０１３２】
図２２（ａ）は、図２１に示す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、図２２（ｂ）は、図２２（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２２に示す例では、前段のスイッチング噴霧５Ｄ−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５Ｄ−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。
【０１３３】
時刻ｔ１において後段の２つの非スイッチング噴霧４Ｄ−２、４Ｄ−２は、時刻ｔ２において集合噴霧４０―２となり、時刻ｔ３において前段の集合噴霧４０−１に追い付き、集合噴霧５０を形成する。この場合、上記実施の形態１で説明したように、分割噴射しない場合（図２１）に比べて貫徹力を抑制することができる。なお、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５Ｄは、その貫徹力が集合噴孔３９０からの単噴霧の貫徹力よりも大きいものであってもよい。
【０１３４】
本実施の形態６では、スイッチング噴孔３９１を除く他の複数の集合噴孔３９０は、各噴流が破断、分裂を経て単噴霧にブレークされたブレーク部位よりも下流側の各単噴霧が単噴霧間で作用するコアンダ効果で近接化あるいは集合化した部分全体噴霧である集合噴霧４０を形成することができる。さらに、近接化あるいは集合化した各単噴霧の噴射量分布の中心あるいは重心が集合噴霧５０の中心あるいは重心に収束する前の集合噴霧４０と、スイッチング噴孔からのスイッチング噴霧５Ｄとがコアンダ効果により集合した集合噴霧５０を形成し得るものであり、分割噴射の各噴射における噴射条件を閾値に基づいて調整することにより全体噴霧の仕様を可変とした。
【０１３５】
スイッチング噴孔３９１と集合噴孔３９０とは、スイッチング噴霧５Ｄがアクシス−スイッチング現象により長軸と短軸の方向を変化させる所定位置より下流においてスイッチング噴霧５Ｄと集合噴霧４０とがコアンダ効果により集合して集合噴霧５０を形成するように間隔をあけて配置される。集合噴霧５０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の特性は、スイッチング噴霧５Ｄがアクシス−スイッチング現象により長軸と短軸の方向を変化させる所定位置より下流において定められる。
【０１３６】
本実施の形態６によれば、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）の設定方法の組み合わせにより、例えば図２２（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することが可能である。
【０１３７】
実施の形態７．
本実施の形態７では、上記実施の形態６に係る噴孔プレート３３（図１８（ｂ））を備えた燃料噴射弁１をエンジンの吸気ポートに取り付けた例について、図２３〜図２５を用いて説明する。
【０１３８】
図２３に示す例では、燃料噴射弁１は、吸気ポート８のスロットルボディ１５に設けられ、その先端部はスロットル弁１６に指向して取り付けられている。この燃料噴射弁１から燃料が噴射されて生じた集合噴霧４０およびスイッチング噴霧５Ｄは、最後は集合噴霧５０（ここでは全体噴霧）となり、この全体噴霧の貫徹力はスロットル弁１６およびスロットルボディ１５の壁面の手前で抑制される。従って、一旦上流に燃料を噴射して、燃料と空気とで混合気が生じる空間的余裕、すなわち吸気弁１１と全体噴霧との間の空間的余裕を持たせることができる。
【０１３９】
その結果、吸気ポート８が極端に短い場合等で吸気流の下流方向に燃料を噴射すると気筒間の噴射量分配がアンバランスになったり、吸気ポート８の内壁面への噴霧付着割合が増加したりすることで混合気形成状態が悪くなり、エンジンの性能が向上しないといった不都合を解消することができる。この例において分割噴射した場合、図２２のような挙動の噴霧が形成され、分割噴射しない場合よりもさらに貫徹力を抑制させることができる。また、全体噴霧の形状、構造等についても実現できる自由度が大きく向上する。
【０１４０】
また、図２４は、燃料噴射弁１が吸気ポート８の吸気管集合部１７に取り付けられた例を示し、（ａ）は構成図、（ｂ）は平面図である。吸気管集合部１７は、下流が分岐部１８と接続され、各分岐部１８にはそれぞれ気筒（図示せず）が接続されている。各分岐部１８にはそれぞれ吸気弁１１が取り付けられている。燃料噴射弁１は、その先端部が吸気弁１１に指向して取り付けられており、各吸気弁１１に向かって燃料噴射する。
【０１４１】
この燃料噴射弁１から燃料が噴射されて生じた集合噴霧４０およびスイッチング噴霧５Ｄは、最後は全体噴霧となる。全体噴霧の貫徹力は、吸気弁１１および分岐部１８の内壁面の手前で急に抑制される。また、集合噴霧４０とスイッチング噴霧５Ｄとの間でのコアンダ効果により噴霧が集合するので、図２４（ｂ）の点線で示すように吸気ポート８の内壁面に噴霧が直接付着するのを抑制することができる。また、全体噴霧は、その形状が分岐部１８の内壁面および吸気弁１１と直接干渉しないようになっている。
【０１４２】
この例では、吸気管集合部１７に燃料噴射弁１を一本だけ配置して、各気筒の吸気弁１１の付近までの吸気ポート８への噴霧付着を抑制しつつ、吸気弁１１付近で全体噴霧の貫徹力を抑制し、且つ広角な噴霧を行うことが可能である。この例において分割噴射した場合、さらに貫徹力を抑制することが可能となる。また、全体噴霧の形状、構造等についても実現できる自由度が大きく向上する。
【０１４３】
図２４に示すような多気筒エンジンで燃料噴射弁１を１本だけ使用するようなシステム（シングルポイントインジェクション）は、エンジンのコストパーフォーマンスを向上するものである。すなわち、汎用エンジン、小型エンジンにおいては、現在のキャブレタから燃料噴射システムへの転換が進んでいるが、大幅なコストアップは難しいため、図２４に示すシングルポイントインジェクションを用いることは非常に有用である。
【０１４４】
また、図２５は、燃料噴射弁１が吸気ポート８の吸気管集合部１７に取り付けられた他の例を示し、（ａ）は構成図、（ｂ）は平面図である。この例では、燃料噴射弁１の先端部は、吸気弁１１に指向して取り付けられ、集合噴霧５０（ここでは全体噴霧）がその指向方向に曲率を有し、吸気ポート８の壁面に直接的に衝突するのを回避している。
【０１４５】
この燃料噴射弁１から燃料が噴射されて生じた集合噴霧４０およびスイッチング噴霧５Ｄは、最後は全体噴霧となる。この全体噴霧は、その指向方向に曲率を有しており、吸気ポート８の壁面に直接的に衝突するのを回避することができる。また、集合噴霧４０とスイッチング噴霧５Ｄとの間でのコアンダ効果により噴霧が集合するので、図２５（ｂ）の点線で示すように吸気ポート８の内壁面に噴霧が直接付着するのを抑制することができる。
【０１４６】
また、この噴霧を分割噴射した場合、さらに吸気ポート８の形状に適合する噴霧仕様を実現することができる。特に、通常流体通路の断面が三次元的に異形形状である吸気弁１１近傍の吸気ポート８において、燃料噴霧が吸気ポート８に直接付着するのを抑制することができる。
【０１４７】
なお、図２３〜図２５に示す例では、一気筒に対して一吸気弁１１であって、１つの燃料噴射弁１で２つの気筒を賄う場合を示しているが、一気筒に対して２つの吸気弁１１であって、１つの燃料噴射弁１で１つの気筒を賄う場合であっても、本発明は適用可能である。吸気弁１１が２つあるガソリンエンジンの場合、夫々の吸気弁１１に対応する２つの集合噴霧５０を構成すれば、２スプレーの各噴霧の設定自由度が大幅に向上することになる。その上で、噴霧の吸気ポート８の内壁面への付着抑制、噴霧と空気流動とのマッチングによる均質混合気形成、噴霧の吸気流動への追随による筒内直入など、目的に応じて全体噴霧の仕様を決めればよい。
【０１４８】
実施の形態８．
図２６は、本発明の実施の形態８に係る燃料噴射弁１の噴孔プレート３３を示す平面図である。また、図２７は、本実施の形態８に係る燃料噴射弁１により生成される噴霧の挙動を示している。なお、本実施の形態８に係る燃料噴射弁１の全体構成は、上記実施の形態１と同様であるので、図１を流用し説明を省略する。
【０１４９】
本実施の形態８に係る燃料噴射弁１の噴孔プレート３３は、図２６に示すように、複数の噴孔３９が周方向に沿って等間隔で円形状に配設されている。各噴孔３９は、燃料噴射弁１の中心軸線、即ち噴流方向がエンジンの吸気弁を指向し、且つ図２６中、左右で互いに交差する２方向に向かう噴孔群に分かれている。各噴孔３９は、非スイッチング噴孔３９２と、長円形状のスイッチング噴孔３９１との２種類で構成されている。
【０１５０】
スイッチング噴孔３９１は、長円の長軸が、各非スイッチング噴孔３９２の中心を結ぶピッチ円に対して直交する方向にあり、非スイッチング噴孔３９２及びスイッチング噴孔３９１は、スイッチング噴孔３９１からの噴霧と、非スイッチング噴孔３９２からの噴霧とが、後述するアクシス−スイッチング現象が生じる前にはコアンダ効果により集合しない範囲の距離にそれぞれ設定されている。隣接する非スイッチング噴孔３９２から生成される非スイッチング噴霧４Ａとスイッチング噴孔３９１から生成されるスイッチング噴霧５Ａは、図２６中、矢印ニで示す方向から見ると、上記実施の形態１で説明した図１４に示す噴霧挙動を示す。
【０１５１】
本実施の形態８では、複数の噴孔３９により生成された各噴霧が噴孔３９から下流の所定位置において、中空状の全体噴霧６０を形成する。各噴霧は、スイッチング噴霧が長軸と短軸の方向を変化させた後に、このスイッチング噴霧とコアンダ効果により集合化して各々が集合噴霧を形成し、さらにこれらの集合噴霧がそれぞれ連鎖して全体噴霧６０を形成し得るものである。
【０１５２】
図２７は、図２６に示す噴孔プレート３３の非スイッチング噴孔３９２およびスイッチング噴孔３９１から噴射されて形成された各集合噴霧５０−１〜５０−１０を示すものであり、この燃料噴射弁１では、集合噴霧５０−１〜５０−５が互いに連鎖し、また集合噴霧５０−６〜５０−１０が互いに連鎖することにより、一対の中空円環状の全体噴霧６０が形成される。また、分割噴射の各噴射における噴射条件を閾値に基づいて調整することにより、全体噴霧６０の仕様は可変である。
【０１５３】
各噴孔３９は、周方向に間隔をおいて円形状に配設されていると共に隣接した噴孔３９同士は等分間隔で配設されているので、中空状の全体噴霧６０がより簡単に形成される。また、スイッチング噴霧５Ａは、短軸に対して長軸が線対称である長円形状であるので、アクシス−スイッチング現象が生じた後、隣接する非スイッチング噴霧４Ａとの間の距離が急接近し、コアンダ効果を迅速に生じさせることができる。さらに、スイッチング噴霧５Ａは、非スイッチング噴霧４Ａと対向しているので、コアンダ効果をより迅速に生じさせることができる。なお、スイッチング噴霧５Ａは、長円形状以外の形状、例えば扁平状であってもよい。
【０１５４】
なお、スイッチング噴霧と非スイッチング噴霧の個別仕様の設定と、これらの噴霧の組み合わせや配置によって、略中空状の全体噴霧６０の仕様を、例えばＣ字状、コの字状、馬蹄形状等にすることが可能となる。このように、噴流工学における特徴的な現象を巧妙に利用することにより、従来の円形噴孔をベースとした噴孔径、噴孔テーパ度合い、噴孔長さ／噴孔径の比等の組み合わせでは実現できない噴霧を形成することが可能である。
【０１５５】
また、この噴霧を分割噴射することにより、図２７に示す全体噴霧６０の貫徹力をさらに抑制することが可能となる。さらに、上記実施の形態１で説明した図１０に示すように、分割噴射した噴霧を近接させて存在させる等により、全体噴霧６０の形状、構造の自由度も大幅に向上する。
【０１５６】
実施の形態９．
本実施の形態９では、上記実施の形態８に係る噴孔プレート３３（図２６）を備えた燃料噴射弁１を吸気ポートに取り付けた例について説明する。なお、燃料噴射弁１の吸気ポートへの取り付け方は上記実施の形態７と同様であるので、図２３〜図２５を流用し、図２３〜図２５に示す集合噴霧５０を全体噴霧６０に置き換えて説明する。
【０１５７】
燃料噴射弁１は、図２３に示すように、吸気ポート８のスロットルボディ１５に設けられ、その先端部はスロットル弁１６に指向して取り付けられ、全体噴霧６０の貫徹力がスロットル弁１６の手前で抑制されるように噴射条件が調整される。また、別の例として、図２４および図２５に示すように、吸気ポート８の吸気管集合部１７に、その先端部が吸気弁１１に指向して取り付けられ、全体噴霧６０の貫徹力が吸気弁１１の手前で抑制されるように噴射条件が調整される。または、全体噴霧６０がその指向方向に曲率を有し、吸気ポート８の壁面に直接衝突するのを回避するようにしても良い。
【０１５８】
また、この全体噴霧６０を分割噴射により形成した場合、全体噴霧６０の貫徹力をさらに抑制することができ、下流での全体噴霧６０の吸気弁１１や吸気ポート８壁面への衝突を従来に比べて大幅に抑制することが可能となる。なお、全体噴霧６０の形状だけでは吸気弁１１や吸気ポート８壁面への噴霧の衝突を回避できない場合は、全体噴霧６０における運動量に分布を設けることで、全体噴霧６０の方向を途中で変化させることができる。さらに、吸気弁１１が閉じた状態での吸気ポート８内の空気流動にマッチさせて均質混合気形成を促進させるような全体噴霧６０の形状、貫徹力、噴射量分布、方向を設定することも容易となる。
【０１５９】
また、例えば吸気行程噴射では、吸気弁１１から筒内へ流入する吸気流動に、さらに追随し易くなり、全体噴霧６０が吸気弁１１やその近傍の吸気ポート８壁面に干渉せずに筒内へ流入することが可能となり、筒内での吸気冷却効果による充填効率向上を実現できる。この場合においても、全体噴霧６０の方向が途中で変化するように設定し、吸気流動に追随させることが可能となる。このように、非スイッチング噴孔３９２の広角化を伴わずに貫徹力をコントロールすることにより噴射系システム全体の自由度が高くなり、またエンジン性能が向上する。
【０１６０】
実施の形態１０．
本発明の実施の形態１０に係る燃料噴射弁１は、上記実施の形態８と同様の噴孔プレート３３（図２６参照）を備え、その噴射条件を閾値に基づいて調整することにより、図２７および図２８に示す噴霧を生成するものである。なお、本実施の形態１０に係る燃料噴射弁１の全体構成は、上記実施の形態１と同様であるので、図１を流用し説明を省略する。
【０１６１】
本実施の形態１０では、図２６に示す噴孔プレート３３において、複数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の少なくとも一つは、長軸と短軸の方向を変化させる時間的タイミングと噴孔３９１からの距離が、他のスイッチング噴霧５Ａと異なるように制御される。他のスイッチング噴霧５Ａが長軸と短軸の方向を変化させた後に、隣接する噴霧とコアンダ効果により集合化して各集合噴霧５０−１〜５０−５、および各集合噴霧５０−６〜５０−１０を形成し、これらの集合噴霧が連鎖して図２７に示す一対の全体噴霧６０を形成する。
【０１６２】
また、上記実施の形態８と同様に、各噴孔３９は、周方向に間隔をおいて円形状に配設されていると共に隣接した噴孔３９同士は等分間隔で配設されているので、中空状の全体噴霧６０がより簡単に形成される。スイッチング噴霧５Ａは、短軸に対して長軸が線対称である長円形状であるので、アクシス−スイッチング現象が生じた後、隣接する非スイッチング噴霧４Ａとの間の距離が急接近し、コアンダ効果を迅速に生じさせることができる。さらに、スイッチング噴霧５Ａは、非スイッチング噴霧４Ａと対向しているので、コアンダ効果をより迅速に生じさせることができる。なお、スイッチング噴霧５Ａは、長円形状以外の形状、例えば扁平状であってもよい。
【０１６３】
例えば、図２７の右側に示す全体噴霧６０は、スイッチング噴霧５Ａと非スイッチング噴霧４Ａの組み合わせで形成された各集合噴霧５０−６〜５０−１０が互いに連鎖して形成される。各集合噴霧５０−６〜５０−１０を形成するにあたり、各スイッチング噴霧５Ａおよび非スイッチング噴霧４Ａそれぞれの噴射量、断面積、噴射方向および微粒化レベルを調整することで、各スイッチング噴霧５Ａがアクシス−スイッチング現象を生じて非スイッチング噴霧４Ａとのコアンダ効果により集合するタイミングをずらしている。
【０１６４】
また、スイッチング噴霧５Ａは、その長軸と短軸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、貫徹力が小さくなり、非スイッチング噴霧４Ａと干渉する。また、非スイッチング噴霧４Ａも、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、貫徹力が抑制される。これにより、各集合噴霧５０−６〜５０−１０の貫徹力に分布が生じる。その結果、各集合噴霧５０−６〜５０−１０は、下流に進むに従って漸次あるいは段階的に偏向される。
【０１６５】
これらの集合噴霧５０−６〜５０−１０の流れ方向や形状変化は、それぞれの運動量の分布によって決定される。集合噴霧５０−６〜５０−１０の流れに直角方向の断面において運動量分布に差があれば、断面内において貫徹力に差が生じ、その結果、貫徹力の低下が小さい部位は、集合噴霧を牽引してその方向を変化させ、貫徹力の低下が大きい部位は、貫徹力の低下が小さい部位に引きずられる形で追随する。
【０１６６】
図２８は、集合噴霧５０−６〜５０−１０が全体噴霧６０に至るまでの様子を時系列で示す側面図であり、図２７の噴霧を矢印ホの方向から燃料噴射弁１のＺ軸に対して垂直方向に見たときの前方の集合噴霧５０−８、５０−９、５０−１０だけを示している。図２８（ａ）では、スイッチング噴孔３９１から所定の位置で、最初に左端のスイッチング噴霧５Ａにアクシス−スイッチング現象が生じた後、一番近接している非スイッチング噴霧４Ａとの間にコアンダ効果が作用し、両噴霧５Ａ、４Ａはさらに接近し干渉して集合噴霧５０−１０が形成される。
【０１６７】
続いて、図２８（ｂ）では、別のスイッチング噴霧５Ａにアクシス−スイッチング現象が生じ、一番近接している非スイッチング噴霧４Ａとの間にコアンダ効果が作用して、同様に集合噴霧５０−９が形成される。この間に、運動量のかなりの割合が空気に移動して貫徹力が大きく低下した集合噴霧５０−１０は、運動量を保持して貫徹力があまり低下していない集合噴霧５０−９に引きずられて進み、やがて集合噴霧５０−１０と集合噴霧５０−９とは連結される。なお、紙面厚さ方向において集合噴霧５０−９と重なって見えていない集合噴霧５０−６についても集合噴霧５０−９と同様にして形成される。
【０１６８】
同様に、図２８（ｃ）において集合噴霧５０−８（５０−７）が形成され、最終的には各集合噴霧５０−６〜５０−１０が連鎖して全体噴霧６０を形成する。なお、図２７の左側の集合噴霧５０−１〜５０−５が全体噴霧６０に至るまでの様子もこれと同様である。
【０１６９】
このように、各スイッチング噴霧５Ａを、アクシス−スイッチング現象が生じるタイミングおよびスイッチング噴孔３９１からの距離が異なるように調整することにより、各集合噴霧５０−６〜５０−１０（５０−１〜５０−５）を、時間的ずれを生じさせながら各噴孔３９からの距離および方向が異なるように形成することができる。従って、スイッチング噴霧５Ａおよび非スイッチング噴霧４Ａの個別仕様の設定と、これらの噴霧５Ａ、４Ａの組み合わせや配置によって、種々の略中空状の全体噴霧６０の仕様を実現することが可能となる。
【０１７０】
さらに、この全体噴霧６０を分割噴射により形成した場合、全体噴霧６０の貫徹力をさらに抑制することができる。また、分割噴霧における各噴射の噴射条件を閾値に基づいて調整することにより、全体噴霧６０の仕様を変化させることが可能である。従って、通常の多噴孔噴霧で形成される全体噴霧では得られない噴霧形状、貫徹力、噴射量分布、噴霧方向を実現することが可能となり、噴霧仕様の設計自由度を大幅に向上させることができる。
【０１７１】
なお、本実施の形態１０では、スイッチング噴霧５Ａと非スイッチング噴霧４Ａが一つずつペアになった組み合わせで５つの集合噴霧５０を形成する場合を示したが、両噴霧４Ａ、５Ａの組み合わせとその中の噴霧数、および全体噴霧を形成する集合噴霧の総数は、限定されるものではない。例えば、非スイッチング噴霧４Ａが一つとその両側にスイッチング噴霧５Ａが一つずつ配置された組み合わせで集合噴霧５０を形成するようにしてもよい。また、これらの組み合わせの一つ一つで実現できる集合噴霧５０の特性を所望の通りに設定することにより、各集合噴霧５０の運動量分布すなわち貫徹力分布を形成することができるので、全体噴霧６０を３次元的に偏向させることも可能である。
【０１７２】
本実施の形態１０によれば、中空状の全体噴霧６０に限らず、中実状、Ｃ字状、コの字状等、様々な噴霧パターンを自在に形成することができる。従来の燃料噴射弁においても、各噴霧の方向を設定して、吸気弁の位置における噴霧パターンを吸気弁形状に応じた円環状あるいはＣ字状としたものはあった。しかし実際には、隣り合う各噴霧同士のコアンダ効果や、噴霧内外の圧力差により噴霧が萎む等の形状変化が発生し、円環状やＣ字状の噴霧パターンを維持することは難しかった。これに対し、本実施の形態１０では、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るまでは、隣り合う噴霧にコアンダ効果が作用しない配置としているので、中空状の全体噴霧を形成しても各噴霧の隙間によって内外は連通しており圧力差が生じないため、所望の噴霧パターンを維持することが可能である。
【０１７３】
実施の形態１１．
本実施の形態１１では、上記実施の形態１０に係る噴孔プレート３３（図２６）を備えた燃料噴射弁１を吸気ポートに取り付けた例について、図２９〜図３０を用いて説明する。なお、燃料噴射弁１は、図２７に示す一対の全体噴霧６０を形成するが、図２９および図３０（ａ）では、左側の全体噴霧６０については図示を省略し、右側の全体噴霧６０の前方の集合噴霧５０−８、５０−９、５０−１０だけを示している。
【０１７４】
図２９に示す例では、燃料噴射弁１は、吸気ポート８のスロットルボディ１５に設けられ、その先端部はスロットル弁１６に指向して取り付けられ、吸気流の上流に向かって燃料噴射する。燃料噴射弁１から燃料が噴射されて生じた非スイッチング噴霧４Ａおよび各スイッチング噴霧５Ａは、各集合噴霧５０−１〜５０−１０を経て、一対の全体噴霧６０が形成される。全体噴霧６０の貫徹力は、スロットル弁１６およびスロットルボディ１５の壁面の直前で急に抑制される。このため、一旦上流方向にスロットル弁１６に向けて燃料を噴射させ、吸気弁１１と全体噴霧６０との間で混合気が生じる空間を大きくとることができる。
【０１７５】
その結果、吸気ポート８が極端に短い場合等で吸気流の下流方向に燃料を噴射すると気筒間の噴射量分配がアンバランスになったり、吸気ポート８の内壁面への噴霧付着割合が増加したりすることで混合気形成状態が悪くなり、エンジンの性能が向上しないといった不都合を解消することができる。
【０１７６】
特に、燃料噴射弁１は吸気ポート８の中心軸に対して角度をもって取り付けざるを得ないので、噴孔３９からスロットル弁１６までの距離が不均等である。従って、軸に対称な噴孔３９から燃料が噴出される燃料噴射弁１の場合は、混合気形成に適した噴射方向の設定とスロットル弁１６への噴霧の付着防止とを両立させることが難しかったが、本実施の形態１０に係る燃料噴射弁１によれば両立を図ることができる。
【０１７７】
また、図３０は、燃料噴射弁１が吸気ポート８の吸気管集合部１７に取り付けられた例を示し、（ａ）は構成図、（ｂ）は平面図である。吸気管集合部１７は、下流が分岐部１８と接続され、各分岐部１８はそれぞれ気筒（図示省略）に接続されている。燃料噴射弁１の先端部は、各分岐部１８の各吸気弁１１に指向して取り付けられている。
【０１７８】
燃料噴射弁１から燃料が噴射されて生じた非スイッチング噴霧４Ａおよびスイッチング噴霧５Ａは、最後は全体噴霧６０となり、全体噴霧６０の貫徹力を吸気弁１１および分岐部１８の内壁面の直前で急に抑制される。また、非スイッチング噴霧４Ａとスイッチング噴霧５Ａとの間でのコアンダ効果により噴霧が集合するので、図３０の点線で示すように吸気ポート８の内壁面に噴霧が直接付着するのを抑制している。また、全体噴霧６０が分岐部１８の内壁面および吸気弁１１に直接衝突するのを回避するように、指向方向に曲率を有するようにしても良い。
【０１７９】
この例では、吸気管集合部１７に燃料噴射弁１を一本だけ配置して、各気筒の吸気弁１１の付近までの吸気ポート８への噴霧付着を抑制しつつ、吸気弁１１付近で全体噴霧６０の貫徹力を抑制し、且つ広角な噴霧を行うことが可能である。また、この噴霧を分割噴射した場合、分割噴射しない場合よりもさらに貫徹力を抑制することができると共に、噴霧仕様の設計自由度を大幅に向上させることができ、吸気ポート８の形状に適合する噴霧仕様を実現することができる。
【０１８０】
図３０に示すような多気筒エンジンで燃料噴射弁１を１本だけ使用するようなシステム（シングルポイントインジェクション）は、エンジンのコストパーフォーマンスを向上するものである。すなわち、汎用エンジン、小型エンジンにおいては、現在のキャブレタから燃料噴射システムへの転換が進んでいるが、大幅なコストアップは難しいため、図３０に示すシングルポイントインジェクションを用いることは非常に有用である。
【０１８１】
また、吸気弁１１が閉じた状態での吸気ポート８内の空気流動にマッチさせて均質混合気形成を促進させるに適した全体噴霧６０の形状、貫徹力、噴射量分布、方向を容易に設定することができる。また、例えば吸気行程噴射では吸気弁から筒内へ流入する吸気流動に、さらに追随し易くなり、全体噴霧６０が吸気弁１１やその近傍の吸気ポート８壁面に干渉せずに筒内へ流入することが可能となり、筒内での吸気冷却効果による充填効率向上を実現できる。
【０１８２】
さらに、全体噴霧６０の形状等だけでは吸気弁１１やその近傍の吸気ポート８壁面への干渉を回避できない場合は、全体噴霧６０の方向が途中で変化するように噴射条件を設定し、吸気流動に追随させることが可能である。このように、非スイッチング噴霧４Ａの広角化を伴わずに貫徹力をコントロールすることにより、噴射系システム全体の自由度が高くなり、またエンジン性能が向上する。
【０１８３】
なお、本実施の形態１１では、２方向に向かう噴孔群に分れている、いわゆる２スプレーの噴霧形態について説明したが、この燃料噴射弁１は、四輪自動車用エンジンで多く用いられている二つの吸気弁に対応することができる。また、いわゆる１スプレーの噴霧形態で二つの吸気弁に対応する場合に、各燃料噴射弁１は各吸気ポートに傾斜して取り付けられ、燃料噴射弁１の各噴孔と吸気弁との距離が同一でない場合がある。そのような場合には、それぞれの吸気ポートに最適な噴霧形態を有する燃料噴射弁１を取り付ければよい。また、三つの吸気弁に対応する場合についても同様である。
【０１８４】
実施の形態１２．
図３１は、本発明の実施の形態１２に係る燃料噴射弁１の噴孔プレート３３を示す平面図である。本実施の形態１２に係る燃料噴射弁１の全体構成は、上記実施の形態１と同様であるので、図１を流用し説明を省略する。噴孔プレート３３には、周方向に複数の噴孔３９が配置され、一つのスイッチング噴孔３９１を含んでいる。噴孔プレート３３の板厚方向に直角な断面形状が長円形で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５Ａは、該噴孔３９１から所定の距離でアクシス−スイッチング現象を生じ、噴射方向に垂直な面内の断面形状において長軸と短軸の方向を変化させる。
【０１８５】
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間隔で配置されると共に、それらの噴孔径、長さ、および傾きを含む噴孔仕様が設定される。また、各噴霧４Ａ、５Ａは、少なくともスイッチング噴霧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４Ａ、５Ａ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。
【０１８６】
これにより、全体噴霧６０を形成する各噴霧４Ａ、５Ａのうち、少なくとも一つのスイッチング噴霧５Ａの噴射方向に垂直な面内の断面形状を変化させることができ、所望の方向を指向するように制御することが可能となる。また、スイッチング噴霧５Ａは、変形によって周囲空気との運動量交換が進み、貫徹力が低下することを利用し、所定距離において噴霧の貫徹力を急速に減衰させることが可能であり、貫徹力が低下することにより周囲空気との混合が進み、微粒化が向上する。さらに、噴射量分布および噴霧方向は、各噴孔仕様によって設定することができる。
【０１８７】
図３１に示す噴孔プレート３３を備えた燃料噴射弁１により形成される全体噴霧の形状例について、図３２〜図３４を用いて説明する。図３２において、（ａ）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前、（ｂ）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た後、の噴射方向に垂直な面内の断面形状をそれぞれ示している。図３３は、各噴霧４Ａ、５Ａが全体噴霧６０に至るまでの様子を時系列で示す側面図であり、図３２の噴霧を矢印ヘの方向から燃料噴射弁１のＺ軸に対して垂直方向に見たときの前方の噴霧だけを示している。また、図３４は、この噴霧を分割噴射した場合の噴射方向に垂直な面内の断面形状を示している。
【０１８８】
図３３に示すように、スイッチング噴孔３９１から所定の距離でスイッチング噴霧５Ａにアクシス−スイッチング現象が生じ、噴射方向に垂直な面内の断面形状における長軸と短軸の方向が変化する。この時、スイッチング噴霧５Ａは、運動量のかなりの割合が空気に移動し、貫徹力が大きく低下する。一方、各非スイッチング噴霧４Ａは、隣接する非スイッチング噴霧４Ａまたはスイッチング噴霧５Ａと互いに干渉しないため、その貫徹力は抑制されない。このため、各非スイッチング噴霧４Ａは、独立したまま、変形することなく、ほぼ初期の進行方向に進んでいく。最終的には、図３３（ｄ）に示すように、スイッチング噴霧５Ａよりも長い距離まで到達する。
【０１８９】
また、図３４に示す例では、分割噴射による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は生じないように各噴射の噴射条件が閾値に基づいて調整されており、下流の所定位置において各噴射による噴霧が集合化して、噴射方向に直角な面内の断面形状が略十字状（略菱形）となっている。
【０１９０】
なお、本実施の形態１２では、複数の噴孔３９の中にスイッチング噴孔３９１を一つ含む場合について説明したが、スイッチング噴孔３９１は、二つ以上であってもよい。また、スイッチング噴霧５Ａの長軸と短軸の方向が９０度変化する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、任意の角度に設定することができる。さらに、スイッチング噴霧５Ａの形状は、断面形状がより偏平であってもよい。長軸と短軸の比が大きい噴霧を生成しようとする場合、長軸方向が分断しない範囲で長軸と短軸の方向が変化するように噴孔仕様を設定すればよい。また、全体噴霧６０の形状は、中空円錐形状のみならず、中実円錐形状、三角形状等、種々のバリエーションを実現することが可能である。
【０１９１】
本実施の形態１２によれば、複数の噴孔３９により生成される各噴霧のうち、少なくとも一つをスイッチング噴霧５Ａとすることにより、アクシス−スイッチング現象を利用して噴霧方向を制御することが可能となり、噴霧の微粒化と、噴霧形状、貫徹力、および噴射量分布の設計自由度の向上を両立させることが可能となる。
【０１９２】
また、全体噴霧６０を分割噴射により形成するようにし、各噴射の噴射条件を閾値に基づいて調整することにより、全体噴霧６０の仕様を変化させることが可能である。従って、通常の多噴孔噴霧で形成される全体噴霧では得られない噴霧形状、貫徹力、噴射量分布、噴霧方向を実現することが可能となり、噴霧仕様の設計自由度を大幅に向上させることができる。
【０１９３】
実施の形態１３．
図３５は、本発明の実施の形態１３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１３に係る火花点火式直噴エンジン６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１２に係る燃料噴射弁１を備えたものである。
【０１９４】
火花点火式直噴エンジン６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。
【０１９５】
本実施の形態１３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ように制御される。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。
【０１９６】
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。
【０１９７】
また、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間隔で配置されると共に、それらの噴孔径、長さ、および傾きを含む噴孔仕様が設定される。
【０１９８】
さらに、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。なお、本実施の形態１３では、各噴霧は、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た後も、隣接する噴霧との間でコアンダ効果が作用しないようにしている。
【０１９９】
本発明の実施の形態１３に係る火花点火式直噴エンジン６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３５を用いて説明する。図３５（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、各非スイッチング噴霧４Ａ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。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近傍を指向する。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貫徹力を失い、点火プラグ１３近傍で滞留する。
【０２００】
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。
【０２０１】
また、各非スイッチング噴霧４Ａ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、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。
【０２０２】
また、図３５（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。
【０２０３】
このように、本実施の形態１３に係る火花点火式直噴エンジン６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近傍で成層燃焼に適した混合気を形成することが可能である。また、均質燃焼時においては、点火プラグ１３近傍を通過する過程で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、燃焼室７全体に拡散させることが可能である。
【０２０４】
本実施の形態１３によれば、複数の噴孔３９により生成される各噴霧のうち、少なくとも一つをスイッチング噴霧５Ａとすることにより、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、噴霧の微粒化と、噴霧形状、貫徹力、および噴射量分布の設計自由度の向上を両立させることが可能となる。また、この噴霧を分割噴射することにより、特に成層燃焼時において上記設計自由度をさらに向上させることができる。
【０２０５】
実施の形態１４．
図３６は、本発明の実施の形態１４に係る燃料噴射弁１の噴孔プレート３３を示す平面図である。本実施の形態１４に係る燃料噴射弁１の全体構成は、上記実施の形態１と同様であるので、図１を流用し説明を省略する。噴孔プレート３３には、４つの噴孔群３９３ａ、３９３ｂ、３９３ｃ、３９３ｄ（総称して噴孔群３９３）と、単独で設けられた一つのスイッチング噴孔３９１ｅが配置されている。複数の噴孔群３９３の各々は、互いに近接して配置された複数の噴孔３９を有し、複数の噴孔群３９３の少なくとも一つは、スイッチング噴孔３９１を少なくとも一つ含んでいる。
【０２０６】
図３６に示す例では、噴孔群３９３ａは、非スイッチング噴孔３９２ａとスイッチング噴孔３９１ａを有し、噴孔群３９３ｂは、非スイッチング噴孔３９２ｂとスイッチング噴孔３９１ｂを有している。同様に、噴孔群３９３ｃは、非スイッチング噴孔３９２ｃとスイッチング噴孔３９１ｃを有し、噴孔群３９３ｄは、非スイッチング噴孔３９２ｄとスイッチング噴孔３９１ｄを有している。各噴孔群３９３において、スイッチング噴孔３９１の長軸は、同じ噴孔群３９３に含まれる非スイッチング噴孔３９２に対向するように配置されている。
【０２０７】
非スイッチング噴孔３９２から噴射された燃料の噴流は、所定の距離（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が略円形の非スイッチング噴霧を生成する。また、スイッチング噴孔３９１から噴射された噴流は、所定の距離（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と短軸の長さが異なるスイッチング噴霧を生成する。
【０２０８】
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、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るように制御され、長軸と短軸の方向を変化させる。同じ噴孔群３９３ａに属し互いに隣接する非スイッチング噴孔３９２ａとスイッチング噴孔３９１ａにより生成される非スイッチング噴霧４Ａとスイッチング噴霧５Ａは、コアンダ効果により集合噴霧５０を形成する。
【０２０９】
また、図３７は、本実施の形態１４に係る噴孔プレート３３における噴孔３９および噴孔群３９３の他の配置例を示している。図３７（ａ）に示す例では、噴孔群３９３ｆ（３９３ｇ）は、二つのスイッチング噴孔３９１ｆ（３９１ｇ）を含んでいる。この例のように、二つのスイッチング噴孔３９１を、それらの長軸が略平行に対向するように配置することにより、アクシス−スイッチング現象によって長軸同士が繋がった集合噴霧が形成される。
【０２１０】
また、図３７（ｂ）に示す例では、噴孔群３９３ｈ（３９３ｍ）は、一つの非スイッチング噴孔３９２ｈ（３９２ｍ）と、二つのスイッチング噴孔３９１ｈ（３９１ｍ）を含んでいる。噴孔群３９３ｈは、長軸が略平行に対向する二つのスイッチング噴孔３９１ｈと、それらの間に配置された非スイッチング噴孔３９２ｈからなる。また、噴孔群３９３ｊは、長軸が略平行に対向する二つのスイッチング噴孔３９１１ｊと、それらの間に長軸が直交するように配置されたスイッチング噴孔３９１２ｊからなる。
【０２１１】
噴孔群３９３ｈ、３９３ｊにより形成される集合噴霧は、図３７（ａ）に示す噴孔群３９３ｆにより形成される集合噴霧よりもさらに長手方向に細長く、中央部が膨らんだ断面形状となる。このように、各噴孔群３９３に含まれる噴孔３９の数を増やすことで、より複雑な形状の集合噴霧を形成することができる。
【０２１２】
本実施の形態１４において、別の噴霧群３９３に属し、互いに隣接する非スイッチング噴孔３９２とスイッチング噴孔３９１により生成される非スイッチング噴霧４Ａとスイッチング噴霧５Ａは、図１６および図１７に示すように、互いに干渉せず近接化または集合化しない挙動を示す。
【０２１３】
図３６に示す噴孔プレート３３を備えた燃料噴射弁１により形成される全体噴霧の形状例について、図３８〜図４０を用いて説明する。図３８において、（ａ）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前、（ｂ）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た後、の噴射方向に垂直な面内の断面形状をそれぞれ示している。図３９は、各噴霧４Ａ、５Ａが全体噴霧６０に至るまでの様子を時系列で示す側面図であり、図３８の噴霧を矢印ホの方向から燃料噴射弁１のＺ軸に対して垂直方向に見たときの前方の噴霧だけを示している。また、図４０は、この噴霧を分割噴射した場合の噴射方向に垂直な面内の断面形状を示している。
【０２１４】
図３９に示すように、噴孔プレート３３に設けられた５つのスイッチング噴孔３９１から噴射されたスイッチング噴霧５Ａは、各噴孔３９１から所定の距離でアクシス−スイッチング現象が生じ、噴射方向に直角な面内の断面形状における長軸と短軸の方向が変化する。この時、スイッチング噴霧５Ａは、運動量のかなりの割合が空気に移動し、貫徹力が大きく低下する。
【０２１５】
また、噴孔群３９３に属するスイッチング噴孔３９１ｃ、３９１ｄから噴射されたスイッチング噴霧５Ａは、アクシス−スイッチング現象が生じた後、同じ噴孔群３９３に属する非スイッチング噴孔３９２ｃ、３９２ｄから噴射された非スイッチング噴霧４Ａとの間でコアンダ効果が作用し、それぞれ集合噴霧５０を形成する。すなわち、全体噴霧６０は、単独で設けられたスイッチング噴孔３９１ｅにより生成される一つのスイッチング噴霧５Ａと、非スイッチング噴孔３９２とスイッチング噴孔３９１を各一つ含む４つの噴孔群３９３ａ、３９３ｂ、３９３ｃ、３９３ｄにより生成される４つの集合噴霧５０を含んでいる。
【０２１６】
また、図４０に示す例では、分割噴射による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は生じないように各噴射の噴射条件が閾値に基づいて調整されている。単独で設けられたスイッチング噴孔３９１ｅから噴射された前段のスイッチング噴霧５Ａ−１と後段のスイッチング噴霧５Ａ−２は、下流の所定位置において各噴射による噴霧が集合化して、噴射方向に直角な面内の断面形状が略十字状（略菱形）となっている。
【０２１７】
一方、噴孔群３９３に属するスイッチング噴孔３９１ｃ、３９１ｄから噴射された前段のスイッチング噴霧５Ａ−１は、アクシス−スイッチング現象が生じた後、同じ噴孔群３９３に属する非スイッチング噴孔３９２ｃ、３９２ｄから噴射された前段の非スイッチング噴霧４Ａ−１との間でコアンダ効果が作用し、貫徹力が急速に減衰する。これにより、下流の所定位置において、各噴射による噴霧が集合化して、噴射方向に直角な面内の断面形状が非対象な集合噴霧５０を形成する（図１５参照）。
【０２１８】
なお、本実施の形態１４では、スイッチング噴霧５Ａの長軸と短軸の方向が９０度変化する場合について説明したが、これに限定されるものではなく、任意の角度に設定することができる。さらに、スイッチング噴霧５Ａの形状は、断面形状がより偏平であってもよい。長軸と短軸の比が大きい噴霧を生成しようとする場合、長軸方向が分断しない範囲で長軸と短軸の方向が変化するように噴孔仕様を設定すればよい。また、全体噴霧６０の形状は、集合噴霧５０の配置によって、中空円錐形状のみならず、中実円錐形状、三角形状等、種々のバリエーションを実現することが可能である。
【０２１９】
以上のことから、本実施の形態１４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、複数の噴孔群３９３により生成される各噴霧群の中に、少なくとも一つのスイッチング噴霧５Ａを含むことにより、アクシス−スイッチング現象を利用して噴霧の噴射方向に直角な面内の断面形状を制御することが可能である。
【０２２０】
また、噴孔群３９３に属す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５Ａは、アクシス−スイッチング現象を生じた後、該スイッチング噴孔３９１と同じ噴孔群３９３に属する別の噴孔３９により生成される噴霧との間で、コアンダ効果による近接化または集合化を生じるように制御される。これにより、各噴孔群３９３により生成される各噴霧群の噴霧形状および全体噴霧形状を制御することが可能となり、噴霧の微粒化と、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可能となる。
【０２２１】
また、全体噴霧６０を分割噴射により形成するようにし、各噴射の噴射条件を閾値に基づいて調整することにより、全体噴霧６０の仕様を変化させることが可能である。従って、通常の多噴孔噴霧で形成される全体噴霧では得られない噴霧形状、貫徹力、噴射量分布、噴霧方向を実現することが可能となり、噴霧仕様の設計自由度を大幅に向上させることができる。
【０２２２】
実施の形態１５．
図４１は、本発明の実施の形態１５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１５に係る火花点火式直噴エンジン６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１４に係る燃料噴射弁１を備えたものである。
【０２２３】
火花点火式直噴エンジン６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。
【０２２４】
本実施の形態１５に係る火花点火式直噴エンジン６の燃料噴射弁１の構成は、上記実施の形態１４と同様であるので詳細な説明は省略するが、要約すれば、アクシス−スイッチング現象を生じた後、該スイッチング噴孔３９１と同じ噴孔群３９３に属する別の噴孔３９により生成される噴霧との間で、コアンダ効果による近接化または集合化を生じさせることにより、各噴孔群３９３により生成される各噴霧群および全体噴霧６０の形状を、燃焼室７内での混合気形成または燃焼に適した形状に制御するものである。
【０２２５】
本実施の形態１５に係る火花点火式直噴エンジンには、図３６または図３７に示す噴孔プレート３３を用いることができる。噴孔群３９３に属さず単独で設けられたスイッチング噴孔３９１ｅは、アクシス−スイッチング現象により点火プラグ１３近傍を指向するスイッチング噴霧５Ａを生成する。
【０２２６】
本実施の形態１５に係る火花点火式直噴エンジン６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４１を用いて説明する。図４１（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、非スイッチング噴霧４Ａおよびスイッチング噴霧５Ａを含む各噴霧群の貫徹力は均質燃焼時よりも小さくなる。
【０２２７】
噴霧群３９３に属す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５Ａは、筒内を通過する過程でアクシス−スイッチング現象が生じ、該スイッチング噴孔３９１と同じ噴孔群３９３に属する別の噴孔３９により生成される噴霧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。
【０２２８】
また、単独で設けられたスイッチング噴孔３９１ｅにより生成され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アクシス−スイッチング現象を生じ、点火プラグ１３近傍を指向する。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貫徹力を失い、点火プラグ１３近傍で滞留する。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断面形状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。
【０２２９】
また、各噴霧群は、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、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。
【０２３０】
一方、図４１（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。このため、各噴霧群のスイッチング噴霧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。また、同じ噴孔群３９３に属する噴孔３９により生成された非スイッチング噴霧４Ａとスイッチング噴霧５Ａは、コアンダ効果による近接化または集合化を生じない。
【０２３１】
このように、本実施の形態１５に係る火花点火式直噴エンジン６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近傍で成層燃焼に適した混合気を形成することが可能である。また、均質燃焼時においては、点火プラグ１３近傍を通過する過程で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、燃焼室７全体に拡散させることが可能である。
【０２３２】
本実施の形態１５によれば、複数の噴孔群３９３により生成される噴霧群において、各噴霧群に含まれる噴霧の少なくとも一つをスイッチング噴霧５Ａとすることにより、アクシス−スイッチング現象を利用して噴霧の噴射方向に直角な面内の断面形状を制御することが可能となり、噴霧の微粒化と、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可能な火花点火式直噴エンジン６が得られる。また、この噴霧を分割噴射することにより、特に成層燃焼時において上記設計自由度をさらに向上させることができる。
【０２３３】
実施の形態１６．
図４２は、本発明の実施の形態１６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１６に係る圧縮着火式直噴エンジン６Ａ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１４に係る燃料噴射弁１を備えたものである。
【０２３４】
圧縮着火式直噴エンジン６Ａ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。
【０２３５】
本実施の形態１６に係る圧縮着火式直噴エンジン６Ａの燃料噴射弁１の構成は、上記実施の形態１４と同様であるので詳細な説明は省略するが、アクシス−スイッチング現象を生じた後、該スイッチング噴孔３９１と同じ噴孔群３９３に属する別の噴孔３９により生成される噴霧との間で、コアンダ効果による近接化または集合化を生じさせることにより、各噴孔群３９３により生成される各噴霧群および全体噴霧６０の形状を、燃焼室７内での混合気形成または燃焼に適した形状に制御するものである。
【０２３６】
本実施の形態１６に係る圧縮着火式直噴エンジン６Ａ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４２を用いて説明する。図４２（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、各非スイッチング噴霧４Ａ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。
【０２３７】
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−スイッチング現象が生じ、該スイッチング噴孔３９１と同じ噴孔群３９３に属する別の噴孔３９により生成される噴霧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、各噴霧群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。
【０２３８】
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１６に係る圧縮着火式直噴エンジン６Ａ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。
【０２３９】
また、各噴霧群は、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。
【０２４０】
一方、図４２（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。また、同じ噴孔群３９３に属する噴孔３９により生成された非スイッチング噴霧４Ａとスイッチング噴霧５Ａは、コアンダ効果による近接化または集合化を生じない。
【０２４１】
このように、本実施の形態１６に係る圧縮着火式直噴エンジン６Ａ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、圧縮着火燃焼に適した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、燃焼室７内を通過する過程で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、燃
焼室７全体に拡散させることが可能である。
【０２４２】
本実施の形態１６によれば、複数の噴孔群３９３により生成される噴霧群において、各噴霧群に含まれる噴霧の少なくとも一つをスイッチング噴霧５Ａとすることにより、アクシス−スイッチング現象を利用して噴霧の噴射方向に直角な面内の断面形状を制御することが可能となり、噴霧の微粒化と、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可能な圧縮着火式直噴エンジン６Ａが得られる。また、この噴霧を分割噴射することにより、特にピストン上昇時において上記設計自由度をさらに向上させることができる。
【０２４３】
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。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。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、連続噴射弁どちらであっても良い。
【産業上の利用可能性】
【０２４４】
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並びにエンジンとして利用することができる。
【符号の説明】
【０２４５】
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、
６  火花点火式直噴エンジン、６Ａ  圧縮着火式直噴エンジン、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、１５  スロットルボディ、
１６  スロットル弁、１７  吸気管集合部、１８  分岐部、２１  ハウジング、
２２  コア、２３  コイル、２４  アマチュア、３０  液膜流、３１  弁本体、
３２  弁座、３２ａ  弁座面、３３  噴孔プレート、３４  カバープレート、
３４ａ  天面、３４ｂ  薄肉部、３４ｃ  小径部、３４ｄ  大径部、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、
３９０  集合噴孔、３９１  スイッチング噴孔、３９２  非スイッチング噴孔、
３９３  噴孔群。
【図１８】
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【図１９】
2015209772.tif 000004
【図２０】
2015209772.tif 000005
【図３１】
2015209772.tif 000006
【図１】
2015209772.tif 000007
【図２】
2015209772.tif 000008
【図３】
2015209772.tif 000009
【図４】
2015209772.tif 000010
【図５】
2015209772.tif 000011
【図６】
2015209772.tif 000012
【図７】
2015209772.tif 000013
【図８】
2015209772.tif 000014
【図９】
2015209772.tif 000015
【図１０】
2015209772.tif 000016
【図１１】
2015209772.tif 000017
【図１２】
2015209772.tif 000018
【図１３】
2015209772.tif 000019
【図１４】
2015209772.tif 000020
【図１５】
2015209772.tif 000021
【図１６】
2015209772.tif 000022
【図１７】
2015209772.tif 000023
【図２１】
2015209772.tif 000024
【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
2015209772.tif 000030
【図２８】
2015209772.tif 000031
【図２９】
2015209772.tif 000032
【図３０】
2015209772.tif 000033
【図３２】
2015209772.tif 000034
【図３３】
2015209772.tif 000035
【図３４】
2015209772.tif 000036
【図３５】
2015209772.tif 000037
【図３６】
2015209772.tif 000038
【図３７】
2015209772.tif 000039
【図３８】
2015209772.tif 000040
【図３９】
2015209772.tif 000041
【図４０】
2015209772.tif 000042
【図４１】
2015209772.tif 000043
【図４２】
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