(57)【要約】【課題】噴射する流体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、多孔質体１４の空孔によって形成されて、第１流路１３よりも流路径が小さい第２流路１５とによって構成したので、金属電極１２ａ、１２ｂ間に電圧を印加することによって金属基板１１が発熱し、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１５を通過することとなる。したがって、マイクロノズル１０から噴射された流体としての燃料油は、流路径の小さな第２流路１５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る。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流量を調節するバルブの下流側に設置されて、基板の表裏面を貫通する貫通孔を備え、前記貫通孔を通過する流体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、流体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流体が昇温される第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多孔質体の空孔によって形成された少なくとも１つ以上の第２流路と、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、
液状の流体に対して、前記第２流路の圧力損失が流体に印加される圧力以上であり、かつ、流体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流路を通過する流体を超臨界状態となる温度近傍まで加熱し、
前記第２流路は、ガス状に変化した流体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】
前記第２流路は、１つの前記第１流路に対して２本以上接続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、たとえば燃料噴射弁の先端に設けられて通過する燃料油などの流体を昇温させるマイクロノズルに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、噴射装置の先端に設けられて通過する流体を霧状にするマイクロノズルがある。
この噴射装置を内燃機関の燃焼室内に燃料油を噴射する燃料噴射装置として用い、霧状の燃料油を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。
このような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加熱され、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、噴射する流体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、流体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流体が流れる貫通孔の上流側を、ヒータ部によって通過する流体が昇温される第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多孔質体の空孔によって形成された少なくとも１つ以上の第２流路によって構成するものとした。
【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、多孔質体の空孔によって形成されて、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流路を通過する流体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流体のみが第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流体は、流路径の小さな第２流路を通過していること、流体の表面張力が小さいことにより液滴が小さいものとなり、流体として燃料油を適用して内燃機関の燃焼室内に噴射した場合に、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、マイクロノズルを取り付けた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、セラミッ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部断面を示す図である。
なおマイクロノズル１０は、図２の（ａ）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、ステンレス、ニクロムなどの高温に耐え得る金属基板１１を主要構成要素としている。
なお図２の（ａ）、（ｂ）では、金属基板１１として四角形に切り出した板を示しているが、他の多角形や円形でも構わない。
図２の（ａ）に示されるように、金属基板１１の一表面において、対向する辺の外周縁近傍には、それぞれ金属電極１２ａ、１２ｂが備えられている。
この金属電極１２ａ、１２ｂ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】
金属基板１１の上側面から下側面にかけて複数の第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、通過させる燃料油の流速を勘案して金属基板１１からの熱伝達によって十分に燃料油を加熱、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、たとえば流路径２０μｍφ×長さ５００μｍ程度である。
また、第１流路１３は１以上の本数であって、必要とする燃料油の噴射量に応じて適宜本数を増減することができる。
【００１２】
第１流路１３の下流側には、金属によって構成された多孔質体１４が金属基板１１に接合されている。
なお本実施例において用いられる多孔質体は、第１流路１３の直径よりも多孔質体１４内の空孔の直径が小さいものとなっている。
多孔質体１４内の空孔同士が接続し、多孔質体１４の上流側と下流側とをつなぐことによって第２流路１５が形成される。
なお図３中において、第２流路１５を直線で示してあるが、実際の流路形状としては直線の他、複数の空孔が接続されて複雑に折れ曲がった流路から構成されていてもよい。
特に、金属基板１１と多孔質体１４との接合部において、１本の第１流路１３に対して少なくとも１つ以上の第２流路１５が接続しているものとする。
【００１３】
第２流路１５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。
ここで、式（１）に示す摩擦損失ＰＭを算出する式から、第２流路１５の一本あたりの径（ｄｅ）について検討する。
【数１】
2007154725.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。
【００１４】
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】
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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】
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【００１５】
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、仮に第２流路１５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。
【００１６】
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、金属基板１１に形成する第２流路１５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１５を通過させて燃焼室内に噴射することができる。
【００１７】
上記計算は、第２流路１５を円形断面の直管として単純化して概略計算したものである。したがって、本実施例において用いる第２流路１５としてたとえば焼結して形成した多孔質体を用いた場合には、複数の空孔が接続されて屈曲した複雑な形状となるので圧力損失は大きくなり、上記計算によって算出される多孔質体の厚みよりも薄くできる。
また、必要とする燃料油の噴射量に応じて多孔質体１４の空孔の密度を調整することにより、第２流路１５の本数を増減させることができる。
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周囲の金属基板１１に図２の（ｂ）中の左右方向に電流が流れ、金属基板１１全体が発熱する。
これにより、第１流路１３を流れる燃料油を昇温することができる。
なお、多孔質体１４として導電性材料を用いた場合には、引き出し電極７ａ、７ｂ間に電圧を印加すると多孔質体１４にも電流が流れ、金属基板１１と同様に多孔質体１４も発熱し、第２流路１５を通過する燃料油を昇温させることができる。
【００１８】
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。
多孔質の空孔を連結することによって形成された第２流路１５は第１流路１３よりも細い流路であるので、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１５を通過することができる。
また第２流路１５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。
【００１９】
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）、（ｂ）は、マイクロノズル１０の製造工程を示す断面図である。
図４の（ａ）に示すように、ステンレスなどの高温に耐え得る材料で構成された金属基板１１の所定位置に、燃料油を通過および加熱昇温させるための貫通孔を放電、レーザー、ドリルなどの機械加工技術によって１以上形成し、第１流路１３とする。
図４の（ａ）、（ｂ）に示すように、金属基板１１における燃料油の流れの下流側の面に、所謂拡散接合や熱圧着などの方法により多孔質体１４を強固に接合させる。
多孔質体１４は、金属微粒子の焼結、あるいは、金属細線を織って形成したシートを複数枚積層させることなどによって形成され、焼結やシートを積層させることなどによって形成された空孔の径が概ね１μｍ以下となるように形成されている。
また多孔質体１４は、少なくともすべての第１流路１３の開口部を覆う大きさに形成される。
【００２０】
金属基板１１と多孔質体１４との接合に用いる拡散接合や熱圧着などの接合方法は、接合体間に接着層を挟むことなく強固な接合をすることが可能であり、特に拡散接合では原子レベルにおいてミクロな界面での拡散現象によりほぼバルク材と同程度の機械的強度を得ることが可能であるので、特に高温に晒される部位にあっては好適な方法である。
なお本実施例において、金属基板１１が本発明におけるヒータ部を構成する。
【００２１】
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、多孔質体１４の空孔によって形成されて、第１流路１３よりも流路径が小さい第２流路１５とによって構成したので、金属電極１２ａ、１２ｂ間に電圧を印加することによって金属基板１１が発熱し、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１５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１５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。
【００２２】
また、第１流路１３において、燃料油を超臨界状態まで加圧、昇温すれば燃料油は気体分子並みの運動エネルギーを有するので、きわめて容易に多孔質体の空孔を通じて噴射することができ、より一層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。
【００２３】
次に、マイクロノズルの変形例について説明する。
図５にマイクロノズル１０Ａの断面を示す。
本変形例におけるマイクロノズル１０Ａは、金属基板１１Ａの下流側の面に形成された窪み部２０に多孔質体１４Ａが嵌め込まれ、接続板２１を金属基板１１Ａに接合することによって、接合板２１によって多孔質体１４Ａが金属基板１１Ａから脱落しないように保持するものである。
なお、多孔質体１４Ａは、実施例における多孔質体１４と同じ方法によって形成されたものである。
他の構成は実施例と同じであり、同一番号を付して説明を省略する。
【００２４】
次に、マイクロノズル１０Ａの製造方法について説明する。
図６の（ａ）〜（ｃ）は、マイクロノズル１０Ａの製造工程を示す断面図である。
図６の（ａ）に示すように、マイクロノズル１０Ａの主要構成要素となる金属基板１１Ａにおいて、燃料油を通過させるときに下流側となる面に、後の工程で接合する多孔質体１４Ａの大きさと同等の窪み２０を切削加工などによって形成する。
金属基板１１Ａに形成した窪み２０の範囲内の所定位置に、金属基板１１Ａの表裏面を貫通する複数の貫通孔を放電、レーザー、ドリルなどの機械加工技術によって１以上形成し、燃料油を通過および加熱昇温させるための第１流路１３Ａとする。
【００２５】
次に、図６の（ｂ）に示すように、空孔が連結することによって第２流路１５Ａが形成された多孔質体１４Ａを、金属基板１１Ａに形成された窪み２０に挿入する。
その後、図６の（ｃ）に示すように、中央部に貫通孔２２が形成された四角枠形状の接続板２１を、金属基板１１Ａの多孔質体１４Ａが挿入された側の面を覆うように、金属基板１１Ａに接合する。
この接続板２１と金属基板１１Ａとの接合は、接触部分の少なくとも一部を拡散接合、熱圧着接合、あるいはろう付け、溶接などの方法によって機械的に強固に固定する。
なお接続板２１に形成された貫通孔２２は、多孔質体１４Ａの大きさよりも少し小さく、貫通孔２２の近傍によって多孔質体１４Ａの外周部分を保持する。
また、接続板２１は多孔質体１４Ａが金属基板１１Ａの窪み２０から脱落することを防止するだけでなく、双方を密着させるように保持している。
【００２６】
本変形例においても、実施例と同様に、金属基板１１Ａに形成した第１流路１３Ａを燃料油が通過することによって、燃料油を急速に昇温させることができ、また、第１流路１３Ａ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１５Ａを通過することとなる。したがって、マイクロノズル１０Ａから噴射される燃料油の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】
なお実施例および変形例において、第１流路１３、１３Ａを形成する金属基板１１、１１Ａの材料として、金属を用いるものとしたが、これ以外にも、シリコンなどの半導体素子を用いることができる。この場合には、放電加工などの機械加工だけでなく、フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術によって第１流路１３、１３Ａとしての貫通孔を形成することもできる。
また、多孔質体１４、１４Ａの材料として金属を用いるものとしたが、これ以外にも、金属基板１１、１１Ａを構成する金属や半導体素子との接合が可能な、アルミナや窒化アルミ、窒化珪素、炭化珪素などのセラミックスや、シリコンなどの半導体素子を用いることもできる。
なお、実施例および変形例において用いた多孔質体１４、１４Ａは、メッシュ状の板を複数枚積層することによって、内部に連結された空孔が形成された構造物を含むものとする。
また実施例および変形例において、マイクロノズルに燃料油を通過させるものとしたが、これ以外の流体を通過させることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】マイクロノズルを取り付け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断面図である。
【図５】変形例におけるマイクロノズルを示す図である。
【図６】変形例におけるマイクロノズルの製造工程を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２９】
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、１０Ａ    マイクロノズル
１１、１１Ａ    金属基板
１２ａ、１２ｂ    金属電極
１３、１３Ａ    第１流路
１４、１４Ａ    多孔質体
１５、１５Ａ    第２流路
２０    窪み
２１    接続板
２２    貫通孔
【図１】
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【図２】
2007154725.tif 000007
【図３】
2007154725.tif 000008
【図４】
2007154725.tif 000009
【図５】
2007154725.tif 000010
【図６】
2007154725.tif 000011