(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料入口を有するハウジングと、
この燃料入口に配置されているとともに、燃料の流れを複数の燃料ドロップレットに分散させるように構成された少なくとも１つの第１のオリフィスと、
燃料衝突面であって、前記複数の燃料ドロップレットをより小さい複数の第２の燃料ドロップレットに分断させるとともにこれら第２の燃料ドロップレットの薄膜を前記燃料衝突面上に生ぜしめるために前記複数の燃料ドロップレットが前記燃料衝突面に接触するとともに、前記ハウジングの長手軸線に垂直な平面に対し、０°を超え約６０°未満の角度に配置された当該燃料衝突面と、
前記ハウジングの前記長手軸線に対し約３０°から約６０°の範囲で放射方向に向き且つ接線方向に向く角度に配置されるとともに空気流を前記第２の燃料ドロップレットに接触させるように送給するように構成された少なくとも１つの圧縮空気路であって、前記空気流は前記ハウジング内で渦巻状の流れを形成し、また前記空気流は前記第２の燃料ドロップレットの寸法を減少させるために前記燃料衝突面の外周エッジで前記第２の燃料ドロップレットの薄膜を分断させる当該少なくとも１つの圧縮空気路と、
複数の第２のオリフィスであって、前記第２の燃料ドロップレットがこれら第２のオリフィスを通って前記ハウジングを出るようになっているとともに、前記複数の第２の燃料ドロップレットが前記複数の第２のオリフィスを通過すると、これら複数の第２の燃料ドロップレットの寸法が減少するようにした当該複数の第２のオリフィスと
を具えている燃料噴霧装置。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料噴霧装置において、前記燃料入口に配置された前記少なくとも１つの第１のオリフィスは前記燃料衝突面と同心的に配置されている燃料噴霧装置。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料噴霧装置において、前記複数の第２の燃料ドロップレットは、前記複数の第２のオリフィスを通過すると音速まで加速されるようになっている燃料噴霧装置。
【請求項４】
請求項１に記載の燃料噴霧装置において、前記ハウジングはマニホールドである燃料噴霧装置。
【請求項５】
請求項１に記載の燃料噴霧装置において、前記ハウジングはシリンダヘッドである燃料噴霧装置。
【請求項６】
請求項１に記載の燃料噴霧装置において、前記ハウジングはシリンダヘッド内へのインテークポートである燃料噴霧装置。
【請求項７】
請求項１に記載の燃料噴霧装置において、前記燃料衝突面は前記ハウジングの長手軸線に対して９０度〜１３５度の範囲内の角度に配置されている燃料噴霧装置。
【請求項８】
請求項１に記載の燃料噴霧装置において、前記複数の第２のオリフィスは前記ハウジングの長手軸線に対して約０度と約９０度との間の角度に配置されている燃料噴霧装置。
【請求項９】
請求項１に記載の燃料噴霧装置において、この燃料噴霧装置は更に、前記第１のオリフィスを規定する燃料計量部材を具えている燃料噴霧装置。
【請求項１０】
少なくとも１つの第１の入口オリフィスと、衝突面と、混合室と、複数の第２のオリフィスとを有する噴霧装置を準備するステップであって、前記衝突面は、ハウジングの長手軸線に垂直な平面に対し、０°を超え約６０°未満の角度に配置された当該ステップと、
燃料の流れを前記少なくとも１つの第１の入口オリフィスに通し、複数の第１の燃料ドロップレットを形成するステップと、
前記複数の第１の燃料ドロップレットを前記衝突面に接触させ、前記複数の第１の燃料ドロップレットをより小さい寸法の複数の第２の燃料ドロップレットに分断するとともにこれら第２の燃料ドロップレットの薄膜を前記衝突面上に形成するステップと、
前記衝突面の外周エッジから前記第２の燃料ドロップレットの薄膜をより小さい寸法の複数の第２の燃料ドロップレットに分断するステップと、
前記複数の第２の燃料ドロップレットを前記混合室内の空気流の渦と混合させ、燃料／空気の混合体を形成するステップであって、前記噴霧装置の前記長手軸線に対し約３０°から約６０°の範囲で放射方向に向き且つ接線方向に向く角度に配置された複数の空気路を通じて空気を前記混合室に送給することにより、前記空気流の渦を形成する当該ステップと、
前記燃料／空気の混合体を前記複数の第２のオリフィスに通し、前記複数の第２の燃料ドロップレットをより小さい寸法の複数の第３の燃料ドロップレットにせん断するステップと、
前記複数の第３の燃料ドロップレットを前記噴霧装置から分散させるステップと
を具える燃料噴霧方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の燃料噴霧方法において、噴霧装置を準備する前記ステップが、前記少なくとも１つの第１の入口オリフィスと、前記衝突面と、前記複数の第２のオリフィスとを同心的に配置するステップを有している燃料噴霧方法。
【請求項１２】
請求項１０に記載の燃料噴霧方法において、前記複数の第２の燃料ドロップレットを空気流と混合させる前記ステップが、空気流を少なくとも部分的に放射方向に送出するステップを有している燃料噴霧方法。
【請求項１３】
請求項１０に記載の燃料噴霧方法において、前記燃料／空気の混合体を前記複数の第２のオリフィスに通す前記ステップが、前記燃料／空気の混合体を音速に急速加速するステップを有している燃料噴霧方法。
【請求項１４】
請求項１０に記載の燃料噴霧方法において、前記噴霧装置が更に、前記少なくとも１つの第１の入口オリフィスを規定する燃料計量装置を有するようにし、燃料の流れを前記少なくとも１つの第１の入口オリフィスに通す前記ステップが、前記燃料計量装置を用いて計量された燃料の流れを前記少なくとも１つの第１の入口オリフィスに送給するステップを有している燃料噴霧方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料システムに関するものであり、特に、燃料の蒸発を向上させるために複数の段階を用いる燃料供給システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
液体をエアロゾル又は微粒子に変換し、これを気相に容易に変換されるようにする目的の多くの種類の装置が何年にも亘って開発されてきている。例えば、燃料を内燃エンジン（内燃機関）に用いるように処理するこのような多くの装置が開発されてきている。エンジンの燃焼室内での燃料酸化を最適にするためには、燃料を気化させ、空気と均質化させ、化学量論的な気相混合体が得られるようにする必要がある。理想的な霧化や気化によれば、一層完全な燃焼を可能とし、従って、エンジン出力汚染を低くする。
【０００３】
特に、内燃エンジンに関しては、化学量論とは、所定量の燃料を完全に燃焼させるのに必要とする酸素量を均一混合体内に供給し、酸化が不完全又は不備となることにより生じる残留物のない最も的確な燃焼が得られるようにする状態が達成されるようにすることである。理想的には、酸化を適切にするために、燃料を完全に気化させ、空気と混合させるとともに点火前に均質化させる必要がある。気化されていない燃料液滴は、従来の内燃エンジン及び外燃エンジンでは完全に点火又は燃焼せず、これにより燃料効率を低下させるとともにエンジン出力汚染を高める。
【０００４】
温度及び圧力を調整することにより、排出副生成物を低減させるか又は制御する試みは代表的に、ＮＯx 副生成物に影響がある。排出基準を満足させるためには、これらの残留物を処理する必要があり、代表的に触媒コンバータ又はスクラバ（洗浄装置）内で後処理を行う必要がある。これらの残留物のこのような処理には、触媒コンバータ又はスクラバを動作させるための追加の燃費を要し、追加の部品コストやパッケージング及び質量への影響を必要とする。従って、不完全な燃焼により生じるエンジン出力残留物を少しでも低減させることは経済的にも環境的にも有益なことである。
【０００５】
上述した問題の他に、化学量論的な空気／燃料混合体に完全に気化されていない燃料は内燃エンジンを最大よりも小さい効率で機能させるという問題がある。燃料が完全に燃焼されないと、燃料の化学エネルギーのうちの僅かな部分しか機械エネルギーに変換されない。従って、燃料エネルギーが無駄になり、不要な汚染が生じる。従って、燃料‐空気混合体を更に分解し且つより完全に気化させることにより、燃料効率をより良好にすることができる。
【０００６】
燃料気化や不完全な燃料燃焼に対する上述した問題を緩和させるために多くの試みが行われている。例えば、自動車のエンジンでは、燃料供給用の気化に代わってインレットポート又は直接燃料噴射が殆ど一般的に採用されている。燃料インジェクタは燃料をエンジンのインレットポート又はシリンダ内に直接噴射させるとともに、燃料インジェクタは電子的に制御される。燃料インジェクタは、各シリンダに独立的に供給される燃料の量の計量及び制御を気化に比べてより正確とするのを容易に達成しうる。これにより、チャージトランスポート時間を低減又は無くして最適な過渡運転を容易にする。それにもかかわらず、燃料インジェクタが噴射する燃料液滴の寸法は最適でなく、点火前に燃料を空気と混合するのに僅かな時間を必要とする。
【０００７】
更に、燃料インジェクタの噴射は燃料噴射中に衝撃波により達成されることが最近確かめられた。衝撃波は、燃料が空気と完全に混合するのを阻止するおそれがある。衝撃波は、燃料質量をピストンのある領域に限定し、従って空気に対する燃料液滴のアクセスを制限するものと思われる。
【０００８】
燃料の気化や不完全な燃料燃焼に関連する問題を改善する試みで、加熱式インジェクタや加熱燃料レールのような他の従来のシステムも開発された。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許出願公開第2007/0169760号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ここに開示する本発明の原理によれば、上述した欠点の幾つかを及びその他の欠点を対処するものである。ここに開示する本発明の原理の幾つかは、液体プロセッサ装置及び方法に関連するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の１つの態様によれば、燃料入口を有するハウジングと、少なくとも１つの第１の燃料出口オリフィスと、燃料衝突面と、少なくとも１つの、空気又は酸素入口又は送給路と、複数の第２の噴霧装置出口オリフィスとを具える燃料噴霧装置を提供する。燃料入口には少なくとも１つの第１のオリフィスが配置されており、この第１のオリフィスは燃料の流れを複数の燃料ドロップレットに分散させる。燃料衝突面は、複数の燃料ドロップレットが接触して、これら複数の燃料ドロップレットがより小さい寸法の複数の第２のドロップレットに分割されるとともにこれら第２のドロップレットの薄膜を燃料衝突面上に形成するように構成配置されている。空気流をこれら第２のドロップレットに接触するように送給するために、少なくとも１つの圧縮空気路が構成されている。複数の第２のオリフィスは、第２のドロップレットが通過してハウジングから出るように配置されている。複数の第２のドロップレットの寸法は、これら第２のドロップレットがこれら複数の第２のオリフィスを通過すると減少される。
【００１２】
燃料入口に配置した少なくとも１つの第１のオリフィスは燃料衝突面と同心的に配置しうる。複数の第２のドロップレットは、複数の第２のオリフィスを通過すると高速度に加速されるようにしうる。ハウジングは、マニホールドと、シリンダと、ヘッド燃焼室と、シリンダヘッド内へのインテークポートとのうちの１つとすることができる。燃料衝突面は、ハウジングの長手軸線に対し約９０度〜約１３５度の範囲内の角度（しかしこれらの角度に限定されない）に配置することができる。複数の第２のオリフィスは、ハウジングの長手軸線に対し約０度及び約９０度間の角度に配置することができる。燃料噴霧装置は更に、第１の燃料入口オリフィスを規定する燃料計量部材を具えることができる。
【００１３】
本発明の他の態様は、少なくとも１つの第１のオリフィスと、衝突面と、混合室と、複数の第２のオリフィスとを有する噴霧装置を準備するステップと、燃料の流れを前記少なくとも１つの第１のオリフィスに通し、複数の第１の燃料ドロップレットを形成するステップと、前記複数の第１の燃料ドロップレットを前記衝突面に接触させ、前記複数の第１の燃料ドロップレットをより小さい寸法の複数の第２のドロップレットに分断するとともにこれら第２のドロップレットの薄膜を前記衝突面上に形成するステップとを具える燃料噴霧方法に関するものである。この方法は、前記複数の第２のドロップレットを空気流と混合させ、燃料／空気の混合体を形成するステップと、前記燃料／空気の混合体を前記複数の第２のオリフィスに通し、前記複数の第２のドロップレットをより小さい寸法の複数の第３のドロップレットにせん断するステップと、前記複数の第３のドロップレットを前記噴霧装置から分散させるステップとをも具える。
【００１４】
噴霧装置を準備する前記ステップは、少なくとも１つの第１の燃料オリフィスと、衝突面と、複数の第２のオリフィスとを同心的に配置するステップを有するようにしうる。前記複数の第２のドロップレットを空気流と混合させるステップは、空気流を少なくとも部分的に放射方向に送出するステップを有するようにしうる。前記燃料／空気の混合体を前記複数の第２のオリフィスに通すステップは、前記燃料／空気の混合体を高速度に急速加速するステップを有するようにしうる。前記噴霧装置は更に、少なくとも１つの第１のオリフィスを規定する燃料計量装置を有するようにし、燃料の流れを前記少なくとも１つの第１のオリフィスに通すステップが、前記燃料計量装置を用いるようにすることができる。
【００１５】
本発明の更に他の態様は、ハウジングと、バルブと、第１のノズル部材と、衝突面と、混合室と、複数の空気路と、複数の第２のオリフィスと、分散ノズルとを具える予燃焼燃料混合装置に関するものである。バルブはハウジングにより囲まれているとともに、燃料の流れを送給するように配置されている。第１のノズル部材は複数の第１のオリフィスを有し、前記燃料の流れをこれら複数の第１のオリフィスに通すことにより複数の第１の燃料ドロップレットを生ぜしめるようになっている。衝突面は、前記複数の第１の燃料ドロップレットの流路内に配置されており、これら複数の第１の燃料ドロップレットをこの衝突面に接触させることにより、これら複数の第１の燃料ドロップレットをより小さい寸法の複数の第２のドロップレットに分断させるようになっている。角度を付した複数の空気路は混合室内に通じており、圧縮空気の流れが空気路を通って送給されて前記複数の第２のドロップレットと混合され、燃料／空気混合体を生ぜしめるようになっている。複数の第２のオリフィスは、前記燃料／空気混合体が通過するように配置されており、前記複数の第２のドロップレットがこれら複数の第２のオリフィスを通過すると高速度（音速）に加速されて、これら複数の第２のドロップレットの寸法をより小さい寸法の複数の第３のドロップレットが得られるように減少させる。分散ノズルは前記複数の第３のドロップレットを離間させて、これら複数の第３のドロップレットの気化速度を速めるようにする。
【００１６】
前記衝突面の少なくとも一部分は装置の長手軸線に対しある角度で配置することができる。前記分散ノズルは前記ハウジングに取り外し自在に装着するか、又は単一構成素子として完全に一体化することができる。複数の角度を付した空気路は、装置の長手軸線に対しある角度で配置することができる。又、これら複数の角度を付した空気路は、衝突面に対し二次元の角度を有し、これにより圧縮空気流に対するらせん状の回転を含む複合角を形成するようにしうる。前記複数の第２のオリフィスは、装置の長手軸線に対しある角度で配置することができる。
【００１７】
本発明の更に他の態様は、燃料計量装置と、衝突面と、複数の出口オリフィスとを有する燃料噴霧装置を準備するステップと、圧縮空気流を制御して、空気をハウジングに通して前記複数の出口オリフィスから出して空気流を生ぜしめるように送給するようにするステップと、燃料の送給を制御して燃料の流れを前記燃料計量装置から前記衝突面上に送給するようにするステップであって、この燃料の流れは複数の第１の燃料ドロップレットを有し、これら複数の第１の燃料ドロップレットは前記衝突面に接触した際により小さい寸法の第２の燃料ドロップレットに分断されるようにする当該ステップと、を具える燃料気化方法に関するものである。この方法は更に、前記第２の燃料ドロップレットを前記空気流と混合させるステップと、前記第２の燃料ドロップレットを、前記複数の出口オリフィスを通るように移動させ、これら第２の燃料ドロップレットがこれら複数の出口オリフィスを出る際により小さい寸法の第３の燃料ドロップレットに分割されるようにするステップと、前記第３の燃料ドロップレットが前記複数の出口オリフィスから分散する際に、これら第３の燃料ドロップレットの急速気化を向上させ、加速させ又は促進させるステップとをも具える。この方法は更に、空気流の送給が保たれている際に、燃料の流れを遮断状態にするように燃料源を制御するステップと、圧縮空気源を制御して空気流を遮断状態にするステップとを具える。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、本発明による燃料システムの一例を示す斜視図である。
【図２】図２は、図１の燃料システムの分解斜視図である。
【図３】図３は、図１の燃料システムの側面図である。
【図４】図４は、図１の燃料システムの頂面図である。
【図５】図５は、図１の燃料システムの正面図である。
【図６】図６は、図４の燃料システムをその４‐４線に沿って断面として示す側面図である。
【図７】図７は、図３の燃料システムをその７‐７線に沿って断面として示す頂面図である。
【図８】図８は、図７の燃料システムの一部を示す詳細図である。
【図９】図９は、本発明による燃料システムの他の例を示す頂面図である。
【図１０】図１０は、図９の燃料システムをその１０‐１０線に沿って断面として示す側面図である。
【図１１】図１１は、図１０の燃料システムの一部を示す詳細図である。
【図１２】図１２は、本発明による燃料システムの更に他の例を示す側面図である。
【図１３】図１３は、図１３の燃料システムの底面図である。
【図１４】図１４は、図１２の燃料システムをその１４‐１４線に沿って断面として示す側面図である。
【図１５】図１５は、図１４の燃料システムの一部を示す詳細図である。
【図１６】図１６は、図１の燃料システムの噴霧装置（アトマイザ）を示す側面図である。
【図１７】図１７は、図１６の噴霧装置の裏面図である。
【図１８】図１８は、図１６の噴霧装置の正面図である。
【図１９】図１９は、図１６の噴霧装置をその１９‐１９線に沿って断面として示す断面図である。
【図２０】図２０は、図１９の噴霧装置をその２０‐２０線に沿って断面として示す断面図である。
【図２１】図２１は、図１の燃料システムの動作の加圧段階を示す説明図である。
【図２２】図２２は、図２１の加圧段階の更なる進行状況を示す説明図である。
【図２３】図２３は、図１の燃料システムの動作の第１のオリフィス分散段階を示す説明図である。
【図２４】図２４は、図１の燃料システムの動作の衝突分散段階を示す説明図である。
【図２５】図２５は、図１の燃料システムの動作の薄膜分散段階を示す説明図である。
【図２６】図２６は、図１の燃料システムの動作の音速分散段階を示す説明図である。
【図２７】図２７は、図１の燃料システムの動作の燃料パージ段階を示す説明図である。
【図２８】図２８は、図１の燃料システムの動作の空気排気段階を示す説明図である。
【図２９】図２９は、図１の燃料システムの動作のアイドル（待機）段階を示す説明図である。
【図３０】図３０は、本発明による燃料システムの空気及び燃料シーケンスを示すグラフ線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
添付図面は、以下に説明する幾つかの実施例を示すものであり、本明細書の一部を成すものである。
【００２０】
これらの図面全体に亘って、同じ参照符号及び名称は同様な素子を示すが、必ずしも同じ素子ではない。
【００２１】
以下に本発明の実施例及び態様を説明する。勿論、これらの如何なる実施例の開発に当っては、開発者の特定の目的を達成するために、ある実施から他の実施に代わると変化するシステム関連及びビジネス関連の制約を順守するような実装時固有の種々の決定を行う必要があること明らかである。更に、このような開発努力は複雑で時間を要するものであるが、それにもかかわらず、本発明の開示の利益を得た当業者にとっては通常の作業となるものであること明らかである。
【００２２】
明細書及び特許請求の範囲全体に亘って用いられている用語“ドロップレット”は、液体の小さな液滴を意味するものである。この液滴は任意の形状及び容積とすることができる。ドロップレットには、単一の液滴又は場合によっては一連の配列にして互いに組み合わせた複数の液滴を含めることができる。又、明細書及び特許請求の範囲で用いる用語“含む”や“有する”は用語“具える”と同じ意味を有するものである。
【００２３】
本発明の開示は、燃料調製システム及び方法に向けたものである。しかし、小粒子技術は、高地又は低地の分野や、水中の分野のような多くの分野において役立つものである。本発明の１つの態様は、液相状態の燃料を、気相状態に容易に変換しうる微粒子混合体に変換するマルチフィジックス現象の使用に関するものである。液体から気体への変換は、それぞれ異なる物理現象を用いる複数のステップで達成することができる。例えば、第１のステップには、液体燃料の流れを、液体エネルギーを用いて単一のオリフィス（穴）又は複数の穴に通すことにより、液体燃料の連続的な流れを複数の第１のドロップレットに又は連結した第１のドロップレットの複数の連続体に分散する処理を含めることができる。このステップでは、液体の流れを、例えば、制御式計量装置の小さな穴に圧力下で強制的に通し、第１のドロップレットの最初の形成を行うことができる。計量した単一の又は複数の流れを用いて、第１のドロップレットの最初の形成を向上させ、これらのドロップレットを次の段階に進める。
【００２４】
第２のステップでは、液体エネルギーを用いる機械的な衝突を介して第１のドロップレットを分散させる。この第２のステップでは、第１のドロップレット又はこれら第１のドロップレットの連続体を、衝突面のような障害物に衝突させる。この衝突の結果、ドロップレットが急減速するとともに大きく変形することにより、第１のドロップレットをより小さな寸法の第２のドロップレットに分散させる。衝突面は代表的に、第１のドロップレットをより小さな第２のドロップレットに分散させるのに最適な、計量装置からの距離範囲内に配置する。
【００２５】
第３のステップでは、衝突機構を離れた薄膜又はドロップレットが、これらを周囲の空気流に入れる際に高せん断されるようにする。この高せん断はドロップレットを更に歪曲させるとともに更に分散させる。
【００２６】
第４のステップでは、気体エネルギーを用いて第３のドロップレットを複数のオリフィスに通すことによりこれらのドロップレットをせん断させる。これらの第３のドロップレットを混合室内の空気流内に導入し、空気と燃料のドロップレットとの２相混合体を形成する。この２相混合体を第２の複数のオリフィスに強制的に通し、これらのオリフィス内で第３のドロップレットを急速に高速度（音速）に加速させる。この急速加速は第３のドロップレットをより小さい第４のドロップレットにせん断及び分散させる。音速は代表的に、室温で約７６８ｍｐｈ（マイル／時間；１マイルは約１．６キロメートル）又は２０℃で３３０ｍ／ｓ（メートル／秒）の範囲内にある。
【００２７】
本発明のシステムは代表的に、音速までの気体速度を用いてドロップレットを分散させる。音速は、流体特性及び条件の関数である。標準の海面の温度、圧力及び湿度の条件での空気の場合、音速は約３４１ｍ／ｓである。４bar (１bar ＝１０5 Pa)及び３５０Ｋでの圧縮空気の場合、音速は代表的に約３７５ｍ／ｓである。このシステムは、音速を変化させる流体、温度及び圧力の範囲を用いて動作しうる。しかし、（マッハ数として知られた）音速に対する、達成された実際の速度の比は比較的一定に保つ必要があり、１．０までとすることができる。
【００２８】
第５のステップでは、第４のドロップレットを、これらの第４のドロップレットが互いに分離されている噴霧パターンに分散させる。第４のドロップレット間の分離を拡大させることにより、蒸気濃度の勾配を局部的に急峻として隣接ドロップレットの蒸気雲間の妨害を少なくする為に、高速気化を容易にする。第４のドロップレットがシステムから排出される際に存在する圧力差によっても第４のドロップレットの気化速度を速めるようにしうる。
【００２９】
図面、特に図１〜８及び図１６〜２０を参照するに、これらの図面には燃料システム１０の一実施例が示されている。この燃料システム１０は、例えば、基部１２と、燃料計量装置１４と、噴霧装置１６とを具えることができる。この燃料システム１０によれば、例えば、内燃エンジンのような装置に対する燃料と酸化体との予混合供給体を生ぜしめることができる。図１はマニホールド分野における燃料システム１０を示しており、この場合、基部１２が燃焼エンジンに用いるためのマニホールドを少なくとも部分的に規定している。
【００３０】
基部１２は一般的に剛性な構造をしており、これは金属、セラミック、複合材料、プラスチック又はその他の材料から形成しうる。基部１２には多数の内部コンポーネントを収容しうる。又、基部１２には、種々のコンポーネントを装着する多数の空洞又は座部機構を設けることができる。基部１２には、例えば、燃料計量装置１４及び噴霧装置１６の少なくとも一部分が装着される噴霧装置空洞２０を設けることができる。又、基部１２には、噴霧装置１６が２相の空気／燃料噴霧を排出する排出空洞２２をも設けることができる。又、基部１２にはエアーインテーク（空気吸入）アセンブリ２４をも設け、このエアーインテークアセンブリにより空気を噴霧装置１６に供給するようにしうる。基部１２は如何なる寸法又は形状にもすることができる。又、基部１２は以下に詳細に説明するように、他の実施例で、例えば、インテークポート１１２（図９〜１１参照）の基部又はシリンダヘッド２１２（図１２〜１５参照）の基部の形態に構成することができる。
【００３１】
図２及び８を参照するに、燃料計量装置１４はバルブアセンブリ３０と、遠位端部３４に配置されている出口３２とを有する。燃料計量装置１４は、制御した燃料の流れを噴霧装置１６に供給するように構成しうる。この燃料計量装置１４には、燃料の流れを複数のドロップレットに又は燃料のドロップレットの複数の連続体に分散する少なくとも１つのオリフィスを設けることができる。ある例では、燃料計量装置１４が複数のオリフィスを有するようにする。燃料を圧力下で燃料計量装置から送給するとともに比較器小さな（１つ又は複数の）オリフィスに強制的に通し、ドロップレットの最初の形成を行う。燃料が燃料計量装置１４の出口から出ると、計量されたドロップレットの複数の流れを形成しうる。これらのドロップレットの流れは、以下に更に詳細に説明するように衝突面のような噴霧装置の他の部分に向けて送給しうる。
【００３２】
ある実施例では、燃料計量装置１４の機構に噴霧装置１６を含めることができる。例えば、燃料計量装置１４により制御される燃料の送給からドロップレットを生ぜしめるのに用いる１つ以上のオリフィスを噴霧装置１６内に一体化することができる。他の構成配置では、噴霧装置１６の機構を燃料計量装置１４内に一体化することができる。ある例では、燃料計量装置１４と噴霧装置１６とを単一装置として一体に形成するか又は組み立てることができる。
【００３３】
燃料計量装置１４は既製の燃料計量装置、燃料噴射装置又はその他の容易に入手可能な燃料計量或いは制御装置とすることができる。少なくとも１つの例では、燃料計量装置１４は、燃料の制御流を噴霧装置１６に送給するとともにこの燃料の制御流を衝突面のような噴霧装置の表面に指向させる如何なる装置にもすることができる。一例では、燃料計量装置１４は、燃料のドロップレットの単一の流れ又はこれらドロップレットの連続体を送給するボアホール噴射装置とすることができる。他の例では、燃料計量装置１４が、ドロップレットの２つ以上の流れ、燃料の部分的に分散された流れ又は燃料の連続的な流れを送給するようにする。
【００３４】
図２、８及び１６〜２０を参照するに、噴霧装置１６はハウジング４０と、燃料計量装置空洞４２と、燃料入口４４とを有する。ハウジング４０は基部１２の噴霧装置空洞２０内に装着されている。このハウジング４０は燃料計量装置空洞４２を規定しており、この燃料計量装置空洞は、燃料計量装置１４の少なくとも一部を収容する寸法となっている。第１の圧縮空気密封部材５６及び第２の圧縮空気密封部材５８は、ハウジング４０と噴霧装置空洞２０との間に配置することができる。又、ハウジング４０内で燃料計量装置１４と燃料計量装置空洞４２との間に第３の密封部材６０を配置することができる。第１の圧縮空気密封部材５６と第２の圧縮空気密封部材５８とは、空気入口、例えば、エアーインテークアセンブリ２４の両側で噴霧装置１６内に配置することができる。第３の密封部材６０は、ハウジング４０と噴霧装置１６との間を液密密封させることができる。
【００３５】
噴霧装置１６は、燃料入口４４と、衝突面４６と、複数の空気路４８と、混合室５０と、出口５４内の複数の第２の出口オリフィス５２とをも有している。出口５４の面はハウジング４０の長手軸線に対し垂直に配置するか、又はハウジング４０の長手軸線に対し垂直以外の角度に配置して、第２の出口オリフィス５２に対して準垂直出口面を提供する円錐形の出口面を形成するようにすることができる。燃料入口４４は燃料計量装置１４の出口３２と整列させて配置することができる。この燃料入口４４は単一の入口オリフィス又は複数の入口オリフィスを規定し、燃料の加圧流が噴霧装置１６内に移動する際に、燃料計量装置１４により達成される燃料の送給がオリフィスを通ってドロップレットの分散を生ぜしめるようにしうる。
【００３６】
衝突面４６は、燃料計量装置１４の出口３２及び噴霧装置１６の燃料入口４４と整列させて配置することができる。ある構成配置では、衝突面４６を出口３２と同心的に配置する。この衝突面４６は一般的に円錐形状にすることができ、この円錐形状は更に平坦（プレーナ）面を表すように低減させることができる。少なくとも１つの例では、衝突面４６が噴霧装置１６の長手軸線７２に対して角度７４（図１９参照）で配置された部分を有するようにする。角度７４は代表的に、約０度〜約６０度の範囲内にし、より好ましくは約０度〜約３０度の範囲内にする。代表的には、角度７４を小さくすればするほど、ドロップレットを分散させるためにこれらドロップレットを衝突面４６に接触させる際に与えられる衝撃力の量が多くなる。衝突面４６に接触するドロップレットの幾つかはこの衝突面４６から混合室５０内に跳ね返る。角度７４が大きくなればなるほど、ドロップレットが衝突面４６から偏向するおそれが大きくなり、ドロップレットの分散が生じる機会が少なくなる。
【００３７】
衝突面４６としては、線形表面を有するほぼ円錐形状となっているものを示してある。他の構成配置では、衝突面４６を起伏形状とするか、又はその一部分が起伏となっているようにしうる。ある構成配置では、衝突面４６が僅かに凹面となるようにしうる。
【００３８】
衝突面は、複数の突起部、溝、くぼみ又はその他の種類の凹凸のような少なくとも１つの表面構造を有するようにしうる。このような表面構造を設けることにより、燃料のドロップレットが衝突面４６に接触した際にこれらのドロップレットの分散を高めることができる。衝突面は、結果としてもたらされる連続的な衝突による如何なる表面輪郭の変化をも制限されるように処理した又は異なる材料で構成した表面とすることができる。
【００３９】
衝突面４６は、張り出した、又は鋸歯状の、又はその他の特徴上の機構を有する、伸長された又は改良されたエッジ７６を有するようにしうる。衝突面４６に接触する燃料ドロップレット又はこれらの燃料ドロップレットの一部は衝突面４６に沿ってエッジ７６に移動し、これらドロップレットが混合室５０内に移動する際にこれらドロップレットがこのエッジ７６で更に分散されるようにしうる。ある構成配置では、燃料のドロップレットの薄膜を衝突面４６に沿って集合させ且つ放射方向でエッジ７６に向けて外方に移動させ、このエッジでドロップレットを更に小さい寸法のドロップレットに分散させるようにすることができる。燃料の薄膜は、ドロップレットを衝突面４６に衝突させるとともに衝突面４６に接触させた後に種々の寸法のドロップレットを跳ね返す際のこれらドロップレットの分散と同時に形成することができる。
【００４０】
衝突面４６は如何なる寸法又は形状の構成にすることもできる。衝突面４６の如何なる部分も、燃料計量装置１４及び噴霧装置１６の長手軸線７２に対して如何なる所望の向きにすることもできる。
【００４１】
噴霧装置１６の圧縮空気路４８は衝突面４６を囲んで放射方向で互いに離間させ、混合室５０に且つ衝突面４６を囲む領域に空気流を送給するようにしうる。空気路４８は噴霧装置１６の外周まで延在させ、この外周に、例えば、エアーインテークアセンブリ２４（図６参照）を介して圧縮空気が送給されるようにしうる。この空気路４８は長手軸線７２に対して角度７８に配置することができる（図１９参照）。この空気路４８は最大寸法（すなわち、最大直径）Ｄ1を有しうる。混合室５０に送給される空気量は、空気路４８の個数と最大寸法Ｄ1 とによって少なくとも部分的に決定しうる。角度７８は代表的に、約３０度〜約９０度の範囲内とし、より好ましくは約３０度〜約６０度の範囲内とする。最大寸法Ｄ1 は代表的に、約０．５mm〜約５mmの範囲内とし、より好ましくは約１mm〜約２mmの範囲内とする。
【００４２】
空気路４８は、長手軸線７２に対し角度７８に配置することに加え、噴霧装置１６の外面における接線に対しある角度に配置することもできる。すなわち、空気路４８は接線から０度よりも大きく９０度よりも小さい角度を有することができ、この場合９０度は放射方向又は中心方向に整列される。空気路４８のこの追加の角度関係によれば、空気路４８に対し複合角を提供でき、流出する空気にらせん状の回転を与え、これにより混合室５０内で旋回すなわち渦巻効果が生じるようにすることができる。衝突面付近のこの渦巻効果によれば、分散処理を向上させるとともに、燃料パージ中の残存粒子の排出を向上させるようにすることができ、一方、アニュラス領域における渦巻効果によれば、第２の出口オリフィスからの２相の空気／燃料混合体の分配の均一化を向上させることができる。燃料混合室内に渦巻室を実装する装置の例は、米国特許出願公開第2007/0169760号に開示されている。この米国特許出願公開は完全に参考のために導入するものである。
【００４３】
混合室５０は少なくとも部分的に衝突面４６を囲みこの衝突面４６から放射方向で外方に向くように規定することができる。この混合室５０には、噴霧装置１６内で衝突面４６と燃料入口４４との間に規定された領域を含めることもできる。この混合室５０は連続室とすることができ、衝突面４６から放射方向で離れて出口５４に向かって延在させることができる。この混合室５０は、空気と燃料のドロップレットとの混合体が出口５４における第２のオリフィス５２に向かって移動するようにする流路を規定するようにしうる。この混合室５０は、代表的には、空気路４８を通って送給される空気流が燃料のドロップレット（すなわち、少なくとも、衝突面４６と接触した際に分散されたこれらの燃料のドロップレット）と混合し、空気／燃料の混合体を形成するためのスペースを得るような寸法及び配置とすることができる。
【００４４】
衝突面４６は混合室５０内に延在又は突出する構造体として規定しうる。或いはまた、混合室５０を、衝突面を囲む円筒状空所すなわちアニュラスのようなスペースとして、又は衝突面４６を規定するとともに支持する構造体として規定しうる。アニュラスの底部は平坦とするか、又は燃料パージの向上を支援する形状とすることができる。
【００４５】
第２のオリフィス５２は、噴霧装置１６の出口５４に配置しうる。これらの第２のオリフィス５２は、放射方向及び円周方向で互いに離間させて配置することができる。これらの第２のオリフィス５２の各々は、それぞれ最大寸法Ｄ2 （例えば、最大直径）を有するとともに角度８０に配置することができる（図１９参照）。第２のオリフィス５２により規定される合計の断面積は代表的に、混合室５０の断面積（例えば、混合室５０と第２のオリフィス５２との間の界面における断面積）よりも小さくする。従って、混合室５０内に位置する圧力下の流体は、第２のオリフィス５２内に移動してこれらの第２のオリフィス５２を通過すると加速される傾向にある。少なくとも幾つかの例では、混合室５０内に存在する２相の空気／燃料混合体は、第２のオリフィス５２を通過すると高速度（例えば、音速）に加速される。この急速な加速によれば、燃料／空気の混合体における燃料のドロップレットを分散させて、複数のより小さい燃料のドロップレットを形成する傾向がある。燃料のドロップレットが、寸法をより小さくした第２のオリフィス５２内への入口及びこれら第２のオリフィスの側壁に接触することにより、燃料／空気の混合体のドロップレットの少なくとも幾つかを物理的に分散させることができる。
【００４６】
最大寸法Ｄ2 は代表的に、約０．２mm〜約３mmの範囲、より好ましくは約０．５mm〜約１．５mmの範囲内とする。角度８０は代表的に、長手軸線７２に対し約０度〜約４５度の範囲、より好ましくは約０度〜約２０度の範囲内とする。第２のオリフィス５２の角度配置は、燃料混合体が出口５４から出る際にこの燃料混合体を分散させて燃料のドロップレットを分断させる傾向を有する。燃料のドロップレットをこのように分散させることによりドロップレット間の追加の分離を達成し、これにより局部的に急峻な蒸気濃度勾配が得られる為に気化を加速させることができる。その理由は、ドロップレットの各々を囲む蒸気雲がドロップレットの互いの衝突を少なくする為である。
【００４７】
噴霧装置１６の出口５４は、個別のステップでハウジング４０に装着される個別の部品として構成しうる。図２及び１９は、この出口５４を個別の部品として構成していることを示している。他の構成配置では、出口５４をハウジング４０と一体に形成しうる。代表的には、この出口５４により第２のオリフィス５２の少なくとも一部分を規定するようにする。ある構成配置では、ハウジング４０とは個別の部品として形成した場合の出口５４は、寸法及び角度が異なる第２のオリフィス５２を有する出口と交換するようにしうる。寸法及び角度が異なる第２のオリフィス５２は、燃料システム１０により扱われる所定の燃料にとってより有効となるものにしうる。第２のオリフィス５２の個数は代表的に、約２個〜約２０個の範囲、より好ましくは約６個〜約１２個の範囲内にする。第２のオリフィス５２の個数及び相対位置は、燃料のドロップレットを分散させるのにある利点を達成しうるものとしうる。
【００４８】
次に図９〜１１を参照するに、他の例の燃料システム１００を示している。この燃料システム１００は、エンジンのシリンダヘッドに対するインテークポートとして構成された基部１１２を有する。この基部１１２は、噴霧装置空洞１２０と、排出空洞１２２と、シリンダ１２６とを有する。バルブ１２８及び点火部材１２９はシリンダ１２６内に露出されている。噴霧装置１６からの排出燃料は排出空洞１２２から送出され、その後シリンダ１２６内に入り、このシリンダ内で燃料が点火部材１２９によりピストン圧縮後に点火される。
【００４９】
次に図１２〜１５を参照するに、他の例の燃料システム２００を示している。この燃料システム２００は、シリンダヘッドとして構成された基部２１２がシリンダ２２６に装着された直接噴射システムとして構成されている。この基部２１２は噴霧装置空洞２２０と、排出空洞２２２とを有している。シリンダ２２６内には点火部材２２９が露出されている。噴霧装置１６からシリンダ２２６内に直接排出された燃料は、点火部材１２９によりピストン圧縮後に点火される。
【００５０】
他の種類の燃料システムは、ここに述べる燃料計量装置及び噴霧装置を用いることから恩恵を受けるようにすることができる。ここに述べる燃料システムは、例えば、ガソリン、ディーゼル燃料及び液体プロパンのような多くの異なる種類の燃料に適合しうる。液体及び気体エネルギー、オリフィス、物理的な衝突、圧力差、気化、急速な加速、超音速及びその他の条件に関連する基本的な物理現象を達成する噴霧装置の比較的簡単な構成によれば、例えば、直接噴射式の燃料噴射装置のような他のシステムに比べて、低圧力での燃料の気化の改善、所定の粒子寸法に対する燃料の流速の高速化、設計及び製造の複雑性の低減化を行ってコストを低くし、許容誤差を厳しくしないようにするといったある種の利点を伸ばすことができる。
【００５１】
燃料を順次に小さい寸法のドロップレットに分断させる複数の物理機構を用いることは、ドロップレットを順次により小さい寸法にして噴霧装置からの排出後の気化速度を速める作用を有しうる。燃料のドロップレットの気化速度は、ドロップレットの直径が減少するにつれ指数関数的に増大する。ドロップレットから、液体コアと燃料のドロップレットを囲む蒸気との間の液体気体界面への拡散率は次式１により表すことができる。
【数１】
0005990510.tif 000002
Ｙliquid,m＝表面から離れた蒸気の質量分率
Ｙliquid,i＝液体／蒸気界面における蒸気の質量分率
ｍliquid＝液体の質量移動速度
Ｄliquid-vapor＝質量拡散率
ρ＝液体の密度
ｒi＝ドロップレットの半径
π＝3.141593
【００５２】
次に図２１〜２９を参照するに、燃料システムを有する燃料排出方法の一例を示しており、これにつき説明する。燃料システム１０は図２１〜２９の全体に亘り言及している。燃料システム１００及び２００のような他の燃料システムの実施例も同様に動作させることができる。
【００５３】
この方法は、図２１及び２２に示すように、燃料の送給を遮断状態（オフ状態）に保って空気の送給を行う（オン状態にする）ことにより、噴射装置１６内に空気圧を生ぜしめることにより開始する。このステップは、噴射装置１６を加圧する際にも適用しうる。噴射装置１６内に充分な空気圧が得られた後に、過大な空気流が第２のオリフィス５２を通って出口５４から出る。空気流９０は複数の矢印９０として示している。
【００５４】
次の動作ステップでは、空気流の送給をオン状態に維持したまま、燃料の送給をオン状態に変えて、燃料計量装置１４を介して噴射装置１６内に燃料を送給する。この燃料の送給は、燃料の複数のドロップレットの少なくとも１つの流れ又は燃料の複数のドロップレットの１つの連続体の形態で行い、これらドロップレットを図２３に示すように衝突面４６の方向に指向させる。燃料の第１のドロップレット９１は、衝突面に接触すると図２４に示すようにより小さい第２のドロップレット９２に分断される。
【００５５】
第２のドロップレットの薄膜は図２５に示すように衝突面４６上に集合することができる。第１のドロップレット９１及び第２のドロップレット９２の追加の分割は、この薄膜が衝突面４６のエッジ７６を越えて移動する際に生じることができる。第２のドロップレット９２は空気流９０と混合して、混合室５０内で空気と第２のドロップレットとの２要素混合体を生ぜしめる。燃料／空気の混合体は圧力下で第２のオリフィス５２に向けて移動し、これらの第２のオリフィス内で第２のドロップレットの速度を速める急速加速を生ぜしめる。第２のドロップレットは超音速に到達させることができる。第２のドロップレット９２が第２のオリフィス５２を通過する際、これら第２のドロップレット９２は更に小さい寸法の第３のドロップレット９４に分断され、これら第３のドロップレットが図２６に示すように出口５４で排出される。第３のドロップレット９４が噴霧装置１６から排出される際、これら第３のドロップレットを互いに分離させることができる。これら第３のドロップレットに対する気化速度は、これら第３のドロップレット９４の寸法が減少し続けるにつれて増大しうる。
【００５６】
更なる動作ステップでは、図２７に示すように、空気流の送給がオン状態に保たれている間に燃料の送給をオフ状態に戻す。このステップは、空気流が噴霧装置１６内の如何なる残存燃料をも出口５４を経て運び出す燃料パージとして適用しうる。
【００５７】
更なる動作ステップでは、図２８に示すように燃料の送給をオフ状態に保ったまま、空気流の送給をオフ状態に戻すことにより噴霧装置１６から空気が空となるようにする。最終の動作ステップでは、空気流及び燃料の送給がオフ状態に保たれ、燃料システムがアイドル状態に維持される。
【００５８】
図３０は、エンジンのシリンダ内での点火（上死点前（ＢＴＤＣ））に対し空気流及び燃料の供給をオン及びオフ状態にする順序を示している。代表的には、マニホールド又はインテークポートを導入するために、空気の送給を約３６０度及び約１８０度ＢＴＤＣ間でオン状態に保つともに、この空気流の送給がオン状態に保たれている期間長よりも短くしかも空気の送給がオン状態に保たれている際のこの３６０度〜１８０度ＢＴＤＣの範囲内である約３６０度及び約１８０度ＢＴＤＣ間の時間枠の間、燃料の送給をオン状態に保つ。
【００５９】
上述した説明は、特許請求の範囲に記載した原理の幾つかの態様及び実施例を示すとともに説明するためにのみ行ったものである。これらの原理は、開示した如何なる詳細な形態にも限定されるものではない。上述した開示を考慮することで多くの変更及び変形が可能であるものである。このような変更は特許請求の範囲内で発明者により考慮されるものである。上述した原理の範囲は特許請求の範囲により規定される。
【図１】
0005990510.tif 000003
【図２】
0005990510.tif 000004
【図３】
0005990510.tif 000005
【図４】
0005990510.tif 000006
【図５】
0005990510.tif 000007
【図６】
0005990510.tif 000008
【図７】
0005990510.tif 000009
【図８】
0005990510.tif 000010
【図９】
0005990510.tif 000011
【図１０】
0005990510.tif 000012
【図１１】
0005990510.tif 000013
【図１２】
0005990510.tif 000014
【図１３】
0005990510.tif 000015
【図１４】
0005990510.tif 000016
【図１５】
0005990510.tif 000017
【図１６】
0005990510.tif 000018
【図１７】
0005990510.tif 000019
【図１８】
0005990510.tif 000020
【図１９】
0005990510.tif 000021
【図２０】
0005990510.tif 000022
【図２１】
0005990510.tif 000023
【図２２】
0005990510.tif 000024
【図２３】
0005990510.tif 000025
【図２４】
0005990510.tif 000026
【図２５】
0005990510.tif 000027
【図２６】
0005990510.tif 000028
【図２７】
0005990510.tif 000029
【図２８】
0005990510.tif 000030
【図２９】
0005990510.tif 000031
【図３０】
0005990510.tif 000032