JPH0423592B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、一般には液体物質を微粒化するため
の超音波噴射技術に関するものであり、特にデイ
ーゼルエンジン及びガソリンエンジンのような内
燃機関又はバーナ等の外燃機関の燃料噴射弁、更
には粉末薬品を製造するための乾燥用噴射装置等
に好適に使用し、液体物質を間欠的に又は連続的
に微粒化する超音波噴射ノズルに用いられる振動
子に関するものである。

本発明は、このように種々の用途において液体
物質（本明細書では「液体物質」とは、液体燃料
の如き液体は勿論のこと、薬品製造用液体のよう
な溶液をも包含する意味で用いる。）を微粒化し、
噴射する噴射ノズル又は噴射装置の振動子として
使用し得るが、以後本発明は特にデイーゼルエン
ジン及びガソリンエンジンのような内燃機関のた
めの燃料噴射ノズル用振動子に関連して説明す
る。

従来の技術及び問題点 従来、デイーゼルエンジン及びガソリンエンジ
ンのような内燃機関においてスートの減少及び燃
費の向上を図るために燃焼室又は予備燃焼室に液
体燃料を微粒化して供給する試みが種々なされて
いる。最も一般的なものは、噴射ノズルの噴射口
から高圧で液体燃料を噴射する方法であるが、こ
のとき液体燃料に超音波振動を付与することによ
つて液体燃料の微粒化が促進されることが知られ
ている。

超音波による液体の微粒化機構は従来、１キヤ
ビテーシヨン機構、及び２波機構、の二つの微粒
化機構が考えられている、キヤビテーシヨン機構
は、微粒化の程度を制御することが困難なために
噴射弁への応用は適当ではない。又、波機構には
毛細管方式と液薄膜方式とがあり、毛細管方式に
よれば、超音波振動子に細孔を形成し、該細孔入
口から液体燃料を供給し、同時に超音波振動子が
振動される。これにより液体燃料は細孔出口から
振動子の下面に膜状に拡がり、次いで霧状となつ
て噴射される。一方、液薄膜方式によると、超音
波振動子の先端は、例えばポペツト弁状に拡開し
た表面部を有するように形成され、該表面部へと
液体燃料が供給される。液体燃料は超音波振動子
の表面部に薄膜状に拡がり、次いで霧状となつて
噴射される。

上記説明にて理解されるように、従来超音波振
動による液体の微粒化のメカニズムは、キヤビテ
ーシヨン又は液体が薄膜となつた後の波動による
ものと考えられ、特に大量の微粒化は薄膜波動に
よるものが必須とされ、上述の如き構成が提案さ
れた。

しかしながら、従来提案された噴射ノズルは噴
霧量が極めて小さく、大容量の微粒化燃料を必要
とするデイーゼルエンジン、ガソリンエンジン等
のような内燃機関の噴射ノズルとして使用するこ
とはできないのが現状であつた。

本発明者等は、大容量の液体燃料の微粒化を達
成するべく、超音波による液体微粒化メカニズム
及び超音波振動子の形状の研究及び実験を数多く
行なつた結果、上述したような微粒化メカニズム
とは異なる微粒化機構によつて液体燃料の微粒化
が達成されることを見出した。つまり、本発明者
等は、超音波振動子の端部にエツジ部を形成し、
該エツジ部に液体燃料を薄膜状で供給することに
よつて、該エツジ部より液体燃料が大量に微粒化
されることを見出した。

本発明は斯る新規な超音波噴射方法及び装置を
実現するための超音波振動子の形状に関するもの
である。

発明の目的 本発明の主たる目的は、液体物質を大容量にて
間欠的に又は連続的に微粒化することのできる超
音波噴射ノズル用振動子を提供することである。

本発明の他の目的は、液体燃料を始め種々の液
体物質の微粒化を達成し、且つ液体物質の性状に
関係なく安定した微粒化を可能とする超音波噴射
ノズル用振動子を提供することである。

本発明の更に他の目的は、液体燃料を均一で且
つ大量に微粒化し、短時間での完全燃料を達成
し、従つてスートのない且つ燃費が向上したデイ
ーゼルエンジン、ガソリンエンジン等の内燃機関
用の、又は外燃機関用超音波噴射ノズルのための
振動子を提供することである。

本発明の他の目的は、大容量微粒化と同時に、
従来微粒化が困難とされた低流量時の微粒化も可
能とした、燃料効率の良い内燃機関用超音波噴射
ノズルのための振動子を提供することである。

本発明の更に他の目的は、スートの減少及び燃
費を向上せしめることができ、実用性が極めて良
く且つ長時間の連続使用を可能とした内燃機関用
超音波噴射ノズルのための振動子を提供すること
である。

本発明の更に他の目的は、時間遅れのない燃料
噴射を行なうことのできる超音波噴射ノズルのた
めの振動子を提供することである。

本発明の更に他の目的は、薬品の粉末のように
薬品製造用溶液を噴射し含有物質の乾燥を行なう
のに適した超音波噴射ノズル用振動子を提供する
ことである。

本発明の更に他の目的は、コンパクトな構造と
することのできる超音波噴射ノズルを実現する超
音波振動子を提供することである。

問題点を解決するための手段 上記諸目的は本発明に係る超音波噴射ノズル用
振動子にて達成される。要約すれば本発明は、外
周部に少なくとも２段の多段状のエツジ部を形成
し、該エツジ部に液体物質を供給し該液体物質を
微粒化するための超音波噴射ノズル用振動子であ
る。好ましくは、多段状のエツジ部は漸次径が小
さくなるように形成される。

実施例 次に、本発明に係る振動子を使用し得る超音波
噴射ノズルの一例を図示し、本発明の振動子につ
いて更に詳しく説明する。

本発明に係る超音波噴射ノズル用振動子は上述
のように種々の用途の噴射ノズルに好適に使用し
得るが、本実施例では内燃機関用液体燃料噴射ノ
ズルに関連して本発明を説明する。

第１図を参照すると、超音波噴射ノズル１は、
中心に中心孔２を有した細長の概略円筒形状のハ
ウジング４を具備する。ハウジング４の上方外周
螺子部６には、振動子ホルダ８の下方取付部１０
が螺合される。振動子ホルダ８の中心部には貫通
孔１２が形成される。該貫通孔１２は前記ハウジ
ング４の中心孔２とは長手方向に整列して即ち同
軸にて形成される。

振動子ホルダ８の貫通孔１２及びハウジング４
の中心孔２を貫通して、本発明に従つて形成され
た振動子１４が配置される。振動子１４は、上部
の本体部１６、該本体部１６より小径の細長円柱
状の振動子軸部１８、及び本体部１６と軸部１８
とを連結する遷移部２０から成る。本体部１６
は、より大径とされた鍔２２を有し、該鍔２２
が、振動子ホルダ８の上端内周部に形成された環
状肩２４と、振動子ホルダ８の上端面にボルト２
８によつて取付けられた環状の振動子押さえ３０
とによつて振動子ホルダ８に取付けられる。

振動子１４の軸部１８はハウジング４より下方
に、つまり外方へと更に突出している。振動子１
４の先端、つまり軸部１８の先端は、後で詳しく
説明するエツジ部３２が形成される。振動子１４
の、ハウジング４より突出した部分に中空針弁３
４が摺動自在に嵌装される。

中空針弁３４は、概略円筒形状とされ、上端の
縮径部３６、中央の大径部３８、該大径部３８よ
り傾斜して形成された傾斜部４０、該傾斜部４０
に連接した小径部４２、及び該小径部４２より傾
斜して形成された傾斜先端部４４から構成され
る。傾斜先端部４４の最先端部は、振動子１４の
前記エツジ部３２に近接して位置するように形成
される。一方、中空針弁３４の上端縮径部３６
は、ハウジグ４の下端部に内方へと突出して形成
された環状肩４６より更に上方へと突出して延在
す。

中空針弁３４は中空針弁ホルダ５０内に収納さ
れ、該中空針弁ホルダ５０は該ホルダ５０の外周
囲に取付けられたホルダーカバー５２によつて取
外し自在にハウジング４に固着される。中空針弁
ホルダ５０の内周形状は、中空針弁３４の中央大
径部３８が摺動するようにした大径穴部５４、中
空針弁３４の傾斜部４０と相補形状をした傾斜部
５６、大径穴部５８、及び傾斜先端部６０から成
る。前記小径穴部５８及び傾斜先端部６０は、中
空針弁３４の小径部４２及び傾斜先端部４４と協
働して液体燃料供給通路６２を形成する。

中空針弁ホルダ５０の傾斜部５６には内方に開
口した環状の燃料溜め６４が形成される。該燃料
溜め６４は、中空針弁ホルダ５０内に穿設された
燃料供給通路６６に連通する。又該燃料供給通路
６６は、ハウジング４内に穿設された燃料導入路
６８に連通する。燃料導入路６８はハウジング４
の燃料入口ポート７０に連結されている。

一方、中空針弁ホルダ５０の大径穴部５４の上
方部には、内方に開口した環状の燃料戻り溜め７
２が形成される。該燃料戻り溜め７２も又、中空
針弁ホルダ５０及びハウジング４に穿設した燃料
戻り通路７４及び燃料排出路７６を介して燃料出
口ポート７８に連結される。

ハウジング４の中心孔２と振動子軸部１８とに
よつて形成される環状空間部には圧縮ばね８０が
配置される。圧縮ばね８０の下端は環状ばね受け
８２を介して中空針弁３４の上端縮径部３６の上
端面に当接し、又上端は噴射圧力調整部材８４の
下端面に当接する。噴射圧力調整部材８４は、ハ
ウジング４の中心孔２と振動子軸部１８とによつ
て形成された空間に配設された円筒状部材であつ
て、ハウジング４の上端内周部に螺合される。従
つて、噴射圧力調整部材８４をハウジング４に対
して回転せしめることによつて、中空針弁３４へ
の押圧力を調整することができる。

次に、上記構成の超音波噴射ノズル１の作動に
ついて説明する。

作動に当たり、液体燃料は燃料入口ポート７０
より導入される。液体燃料は、燃料導入路６８及
び燃料供給通路６６を通つて燃料溜め６４に供給
される。燃料溜め６４は、ばね８０によつて下方
向に押下されている中空針弁３４の傾斜部４０に
よつて閉鎖されている。従つて、燃料溜め６４内
の圧力は、液体燃料の連続した供給によつて増大
する。燃料溜め６４内の圧力が或る大きさになる
と、ばね８０の力に抗して中空針弁３４を上方向
に運動せしめる。

中空針弁３４が上方向に運動することによつて
燃料溜め６４は液体燃料通路６２に解放され、該
通路６２に液体燃料が供給される。液体燃料通路
６２を通つた燃料は振動子１４の先端部に形成さ
れたエツジ部３２へと供給される。

振動子１４のエツジ部３２は好ましくは、第１
図に図示されるように、漸次径が小さくされた３
段から成る同心の階段状とすることもできるし、
第２図及び第３図に図示されるように２段又は５
段の階段状とすることも可能である。いずれの形
状であろうと、エツジが外周囲に形成されること
が重要である。第１図〜第３図に示すエツジ部３
２は、漸次径が小さくされた階段状とされるが、
漸次径が増大したり、又は漸次径が小さくなり次
いで大きくなるような形状とすることも可能であ
る。

又、第４図に図示されるようにエツジの幅Ｗ及
び高さｈは、液体燃料の薄膜化が行なえるような
且つ又液体の流れを堰止めるような寸法形状とさ
れる。

振動子１４は、本体部１６に作動的に接続され
た超音波振動発生手段１００により連続的に振動
されている。従つて、液体燃料が振動子１４のエ
ツジ部３２に供給されると、液体燃料は微粒化さ
れ外方へと噴射される。更に説明すると、エツジ
部に液体燃料が供給されると、振動子１４に加え
られている縦振動により各エツジ部で燃料の流れ
が切られるような状態となり供給燃料の微粒化が
行なわれる。燃料は先ず第１段目のエツジでその
一部が微粒化され、第１段目のエツジで処理しき
れない過剰な燃料は第２段目のエツジ、第３段目
のエツジへと送られ、それぞれのエツジで処理さ
れる。そのため、燃料流量の多い場合は、微粒化
に必要な有効面積が大きくなり、多段のエツジが
必要になるが、流量の少ない場合は、多段数を使
用せずに微粒化が終了される。従つて、本発明に
係る振動子１４では流量が変化すると微粒化に必
要な段数が変化し、微粒化が行なわれる位置にお
ける液膜厚さなどの条件は各段において大略同一
になるため、微粒化された液滴粒径は均一にな
る。本振動子によると、通常微粒化に要求される
流量が全てカバー出来るため、間欠微粒化、連続
微粒化にかかわらず、さまざまな性状を有した液
体物質の微粒化が達成される。

本実施例においては上述の如き液体微粒化噴射
時に、噴射の片寄りをなくし噴射ノズルのまわり
に均一に噴射することが重要であるが、第５図に
図示するように、中空針弁３４の小径部に傾斜し
た溝４３を複数個、例えば直径方向に対向して２
本形成することによつて燃料供給通路内にタービ
ユレンスを発生させ、噴射される燃料にスワール
を与えそれにより噴射の片寄りをなくし得ること
が分つた。又、斯る構造によつて噴射のきれ及び
微粒化をも向上せしめることができる。

以上説明した超音波噴射ノズルの一つの具体的
条件及び諸寸法を示すと次の通りである。

●超音波振動発生手段の出力：10w ●振動子の振幅 ：30μm 振動数 ：38KHz ●振動子の形状寸法 １段 ：直径７mm ２段 ：直径６mm ３段 ：直径５mm 各段の高さ(h)：1.5mm ●燃料の油種 ：軽油 流量 ：0.06cm³／噴射 噴射圧力 ：70Kg／cm³ 温度 ：常温 ●振動子の材料 ：チタン（又は鉄） （注） 振動子の振幅は出来る限る大きい方が良い。

振動子の振動数は20KHzより大きくされる。

燃料噴射圧力はエンジン室内圧力に近づけ
る。

燃料溜め６４に供給された液体燃料の一部（余
剰部）は、中空針弁３４と中空針弁ホルダ５０と
の間の微小空隙部（μmオーダ）を通つて燃料戻
り溜め７２に溜められ、燃料戻り通路７４及び７
６を通つて燃料出口７８へと戻される。燃料出口
７８は適当な導管（図示せず）にてタンクに連通
しており、従つて余剰燃料はタンクへと還流され
る。

燃料溜め６４内の圧力が低下すると、ばね８０
の力によつて中空針弁３４は下方向に動き、燃料
溜め６４を閉鎖し、振動子１４のエツジ部３２へ
の燃料供給が中断される。従つて、噴射ノズル１
からの燃料噴射は停止する。

上記構成の噴射ノズルにおいては、振動子１４
は燃料供給に関係なく常時作動状態にしておくこ
とができるために、振動開始のずれによる燃料噴
射タイミングのずれが回避される。

又、本発明に係る振動子を使用した噴射ノズル
は、前述のように内燃機関の噴射ノズルとして実
用可能な0.06cm²／噴射といつた大容量を実現する
ことができ、これは従来の報告された超音波噴射
ノズルの流量の500〜1000倍である。更に、本発
明の振動子は連続燃焼用のバーナの振動子として
も使用することができ、このときの流量は100
／hr程度とされる。又、本発明は薬品の粉末化
のための乾燥用噴射装置にも使用することができ
る。

発明の効果 以上説明したように、本発明に係る振動子は、
大容量の液体微粒化を連続的に且つ間欠的に可能
とし、更に、大容量又は小容量の如何にかかわら
ず液体の微粒化分布が概略一様で平均粒径が10〜
30μm程度のものを実現し、特に液体物質の性状
に関係なく安定した微粒化を達成することができ
る。特に、本発明に係る振動子を使用すると、液
体燃料を均一で且つ大量に微粒化し、短時間での
完全燃料を達成し、従つてスートのない且つ燃費
が向上したデイーゼルエンジン、ガソリンエンジ
ン等の内燃機関用の、又はバーナ等の外燃機関用
超音波噴射ノズルを極めて好適に実現し得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る振動子を使用した超音
波噴射ノズルの一実施例の部分断面図である。第
２図及び第３図は、本発明に係る振動子の先端エ
ツジ部の他の態様を示す部分正面図である。第４
図は、エツジ部の部分拡大作動図である。第５図
は、中空針弁の正面図である。 １：噴射弁、４：弁箱、８：振動子ホルダ、１
４：振動子、３２：エツジ部、３４：中空針弁、
５０：中空針弁ホルダ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 液体物質を受容して該液体物質を微粒化する
   べく外周部に少なくとも２段の多段状のエツジ部
   を具備し、超音波振動発生手段により超音波振動
   される超音波噴射ノズル用振動子。 ２ 多段状のエツジ部は漸次径が小さくなるよう
   に形成されて成る特許請求の範囲第１項記載の超
   音波噴射ノズル用振動子。