(57)【要約】  本発明は、内燃機関用噴射器点火燃料噴射システムであって、次のフュエル・チャージを加熱しおよび触媒作用を及すための加熱型触媒燃料噴射器を制御するエンジンＥＣＵで、燃料噴射を制御するために１回点火サイクル先読みアルゴリズムを使うＥＣＵを含むシステム提供する。このＥＣＵは、更に、この発明が使える軽量小型長高圧縮エンジンで上死点の近くで起る急速回転減速を補償するためのルックアップテーブル、自動調整機能およびヒューリスティックスを組込んでもよい。このＥＣＵは、更に、エンジン加速要求に応じてこの噴射器への熱入力を増減してもよくおよび、その様な状況下で、その先読みを４点火サイクルまで延してもよい。
2009532607.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を内燃機関の燃焼室に分配するための噴射器点火燃料噴射システムであって：
次のフュエル・チャージを加熱しおよび触媒作用を及すための加熱型触媒燃料噴射器を制御するエンジンＥＣＵで、燃料噴射を制御するために１回点火サイクル先読みアルゴリズムを使うＥＣＵを含むシステム。
【請求項２】
請求項１の燃料噴射システムに於いて、上記先読みアルゴリズムが上記ＥＣＵにあるコンピュータソフトウエア・プログラムを含み、このソフトウエア・プログラムが燃料噴射を制御するための機械読取り可能または解釈可能命令を含むシステム。
【請求項３】
請求項１の燃料噴射システムに於いて、上記アルゴリズムが現在のスロットル入力を先のエンジンデータと比較し、燃料負荷および次の点火までの予測時間を決めるシステム。
【請求項４】
請求項３の燃料噴射システムに於いて、上記先のエンジンデータが最後のスロットル入力、エンジン負荷、ＲＰＭ値、および空気入口温度を含むシステム。
【請求項５】
請求項１の燃料噴射システムに於いて、上記次のフュエル・チャージが容積で約６５％のヘプタン、２５％のセタン、および１０％のエタノールを含むシステム。
【請求項６】
請求項１の燃料噴射システムに於いて、上記フュエル・チャージを加熱しおよび一つ以上の酸素源のあるところで触媒作用を及すシステム。
【請求項７】
請求項１の燃料噴射システムに於いて、上記アルゴリズムが上記燃料噴射器の加圧室内の予備酸化保持時間を制御するシステム。
【請求項８】
請求項７の燃料噴射システムに於いて、上記アルゴリズムが、使用中の所定の燃料混合物に基づいて、ＥＣＵデータベースの中の適当な予備酸化剤保持時間設定値を特定するシステム。
【請求項９】
請求項８の燃料噴射システムに於いて、上記ＥＣＵデータベースが出合うであろう燃料オクタン価および酸素付加添加剤の範囲に及ぶプリロードしたテーブルを含むシステム。
【請求項１０】
請求項９の燃料噴射システムに於いて、上記酸素付加添加剤をＭＴＢＥ、エタノール、その他のオクタンおよびセタン・ブースター、並びにその他の燃料酸素付加剤から成るグループから選択したシステム。
【請求項１１】
請求項９の燃料噴射システムに於いて、上記ＥＣＵが点火遅れを感知することによって燃料オクタン価の範囲に亘ってその有効性を絶えず調整するシステム。
【請求項１２】
請求項１の燃料噴射システムに於いて、上記フュエル・チャージにニッケル、ニッケル・モリブデン、アルファ・アルミナ、アルミニウム・二酸化珪素、その他の空気電極酸素還元触媒、および炭化水素分解に使うその他の触媒から成るグループから選択した触媒を使って触媒作用を及すシステム。
【請求項１３】
請求項１の燃料噴射システムに於いて、上記フュエル・チャージに約５％のモリブデンと共にニッケルを含む触媒を使って触媒作用を及すシステム。
【請求項１４】
請求項１の燃料噴射システムに於いて、上記触媒加熱温度が３１６°Ｃと３９９°Ｃの間であるシステム。
【請求項１５】
請求項１の燃料噴射システムに於いて、噴射器圧力は、上記フュエル・チャージが選択した温度設定で超臨界流体として機能するに十分高いシステム。
【請求項１６】
請求項１の燃料噴射システムに於いて、上記燃料噴射器が高オクタン価燃料、高セタン価燃料、およびガスエンジン燃料とディーゼルエンジン燃料の混合物で作動するシステム。
【請求項１７】
請求項１の燃料噴射システムに於いて、上記アルゴリズムが上記内燃機関の爆発行程中に上記フュエル・チャージを実質的に排他的に分配するために上記燃料噴射器を制御するシステム。
【請求項１８】
請求項１の燃料噴射システムに於いて、次のエンジン点火の準備は、最後のエンジン点火が完了すると直ぐに始り、このとき上記燃料噴射器は実質的に燃料がないシステム。
【請求項１９】
請求項１の燃料噴射システムに於いて、上記アルゴリズムが、高スロットル設定では低スロットル設定より速く上記燃料を選択した温度に加熱するように上記燃料噴射器へのエネルギー入力も調整するシステム。
【請求項２０】
請求項１９の燃料噴射システムに於いて、上記アルゴリズムが急速加速中の燃料加熱曝露時間を増すために４点火サイクルまでの燃料を上記高温部に蓄積させるシステム。
【請求項２１】
請求項１の燃料噴射システムに於いて、上記ＥＣＵがある範囲の燃料および燃料混合物に対応するために燃料混合情報を受けるための補足入力を含むシステム。
【請求項２２】
請求項２１の燃料噴射システムに於いて、上記燃料混合情報を給油での直接入力機構を使って、または積込んだ燃料をサンプリングしてエンジン運転パラメータを上記ＥＣＵに連絡する車載解析器を使って用意するシステム。
【請求項２３】
請求項１の燃料噴射システムに於いて、急速燃焼点火を実質的に上死点で始めることによって廃熱を最少化するシステム。
【請求項２４】
請求項１の燃料噴射システムに於いて、上記ＥＣＵが、高圧縮エンジンで上死点の直ぐ前で起る急速回転減速を補償するために、噴射器点火信号を調整するシステム。
【請求項２５】
請求項２４の燃料噴射システムに於いて、上記ＥＣＵが、ＲＰＭ、エンジン負荷、およびエンジン負荷傾向を含む所定の運転マップに優先してエンジン減速を補正するエンジン・ルックアップテーブルを含むシステム。
【請求項２６】
請求項２５の燃料噴射システムに於いて、上記エンジン・ルックアップテーブルが、特定の種類のエンジン構造用の予測上死点対実際の上死点の誤差を測定するための学習アルゴリズムと共にプリロードしてあるシステム。
【請求項２７】
請求項２５の燃料噴射システムに於いて、上記エンジン・ルックアップテーブを、噴射ピン位置指示計と絶対上死点指示計の間の差を計算することによってこのテーブルの記載事項を絶えず調整する学習アルゴリズムを使うことによって作動中に動的に調整するシステム。
【請求項２８】
請求項２７の燃料噴射システムに於いて、上記調整を、ノックセンサ入力を使って、または絶対点火位置対上死点を検出するシリンダ内圧力センサを使って改善するシステム。
【請求項２９】
請求項１の燃料噴射システムに於いて、上記調整が圧縮ブレーキによる点火遅れドリフトを微調整するためにパターン認識ヒューリスティックスを利用するシステム。
【請求項３０】
請求項２９の燃料噴射システムに於いて、上記パターン認識ヒューリスティックスが定常状態スロットルおよび負荷状態の識別をもたらすシステム。
【請求項３１】
燃料を内燃機関の燃焼室に分配するための噴射器点火燃料噴射システムであって：
次のフュエル・チャージを加熱しおよび触媒作用を及すための加熱型触媒燃料噴射器を制御するエンジンＥＣＵで、燃料噴射を制御するために１回点火サイクル先読みアルゴリズムを使うＥＣＵを含み；
この加熱型触媒燃料噴射器が：
次のフュエル・チャージを加圧室に分配するための入力燃料計量システム；
このフュエル・チャージをこの加圧室内で圧縮するための加圧ラムを含み、このフュエル・チャージをこの加圧室で触媒のあるところで加熱する加圧ラムシステム；および
この加熱し、触媒作用したフュエル・チャージをこの内燃機関の燃焼室に噴射するための噴射器ノズル含むシステム。
【請求項３２】
請求項３１の燃料噴射システムに於いて、次のエンジン点火の準備は、最後のエンジン点火が完了すると直ぐに始るシステム。
【請求項３３】
請求項３２の燃料噴射システムに於いて、上記最後のエンジン点火が完了すると、上記燃料噴射器は実質的に燃料がなく、上記加圧ラムは完全に変位した位置にあり、および上記噴射器ノズルは閉じているシステム。
【請求項３４】
請求項３１の燃料噴射システムに於いて、次の点火サイクルが上記加圧ラムを引込めることを伴い、それが入力燃料計量システムに液体燃料のエーロゾルを上記加圧室に分配させるシステム。
【請求項３５】
請求項３４の燃料噴射システムに於いて、上記加圧ラムシステムが次に、上記燃料を加熱および気化しながら上記燃料噴射器を保護する工程、および上記燃料を目標噴射圧力および温度に加圧する工程を含む二段階サイクルで加圧するシステム。
【請求項３６】
請求項３５の燃料噴射システムに於いて、上記燃料を気化して目標噴射圧力および温度に達するシステム。
【請求項３７】
請求項３１の燃料噴射システムに於いて、上記噴射器ノズルが所定の保持時間後に開き、上記加圧ラムが完全変位位置に達するように、上記フュエル・チャージを上記燃焼室に押込むシステム。
【請求項３８】
請求項３７の燃料噴射システムに於いて、上記所定の保持時間を次の上死点事象から遡って予測するシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、大まかには燃料噴射システムに関し、更に詳しくは噴射器点火動作用のアルゴリズム制御先読みタイミングを有する内燃機関用噴射器点火燃料噴射器に関する。
【背景技術】
【０００２】
世界のエネルギー消費の多くは、専ら内燃機関に基づく車輌を動かすことによる。大抵のガソリンおよびディーゼル車輌エンジンは、炭化水素燃料の大部分を浪費するので効率が２０〜３０％に過ぎず、それによって過大な量の汚染物質および温室効果ガスを発生すると同時にグローバル資源を枯渇させる。図１（先行技術）に示すように、従来のエンジンが使用するエネルギーの約三分の一は、冷却システムに廃熱として現れ（冷却液負荷４）、一方このエネルギーの他の約三分の一は排気管から出て行き（排気エンタルピー２）、三分の一以下を残して有益な仕事（軸出力６）を提供する。この内部レベルで、これらの効率の悪さは、火花点火式ガソリンエンジンまたは圧縮点火式ディーゼルエンジン内部の従来の燃焼プロセスがピストンおよびクランクの回転力学（即ち、このエンジンの爆発行程）に比べてはるかに長く掛り過ぎると言う事実による。
【０００３】
図２（従来技術）は、高効率直噴ユーロ基準のディーゼルエンジンの典型的な放熱曲線７を描き、点火遅れ期８、予混合燃焼段階１０、混合制御燃焼段階１２および後期燃焼段階１４がある。周期回転の約１８０°（上死点）前の燃焼は、熱負荷の浪費になり、一方後期燃焼段階１４（約２００°後）での燃焼からのエネルギーの大部分は排熱として無駄になる。言換えれば、ピストンがその行程の上端にあるときに始って下へ約２０°（１８０°から２００°まで）回転する期間の放熱が有益な仕事の最高の割合をもたらす。上死点前の放熱は、回転に対する押返しを生じ、それは結局冷却ジャケットに廃熱として現れる。点火は、エンジンの回転タイミングに比べて、完全に展開するためにかなりの時間を要するので、ガスおよびディーゼルエンジンで早めに始めなければならない。この後期燃焼段階１４では、燃料が爆発行程の有用限界を超えて燃え続け、それで排気システムに廃熱を放出する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、内燃機関の爆発行程中に、燃料を優勢的に、または実質的に排他的に分配するための一つ以上の加熱型触媒燃料噴射器を使用することを伴う。この噴射器は、電気ヒータまたはその他の手段から外的に加える熱によって超臨界気相で燃料を軽く酸化する。この噴射器は、ガソリン、ディーゼル、および種々のバイオ燃料を含む広範囲の液体燃料で作動させてもよい。その上、この噴射器は、室圧で、および内燃機関の実用的圧縮限界まで点火するかも知れない。この噴射器は火花点火または圧縮点火と独立に作動するので、その作用をここでは“噴射点火”と称する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明によれば、内燃機関用の推奨する噴射器点火燃料噴射システムが次のフュエル・チャージを加熱しおよび触媒作用を及すための加熱型触媒燃料噴射器を制御するエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）を含み、このＥＣＵが燃料噴射を制御するために１回点火サイクル先読みアルゴリズムを使う。この先読みアルゴリズムは、このＥＣＵにあるコンピュータソフトウエア・プログラムを含んでもよく、このソフトウエア・プログラムは、燃料噴射を制御するための機械読取り可能または解釈可能命令を含む。作動中、このアルゴリズムは、現在のスロットル入力を先のエンジンデータと比較し、燃料負荷および次の点火までの予測時間を決める。例として、先のエンジンデータは、最後のスロットル入力、エンジン負荷、ＲＰＭ値、および空気入口温度を含んでもよい。実施例によっては、次のフュエル・チャージが容積で約６５％のヘプタン、２５％のセタン、および１０％のエタノールを含む。この噴射器点火噴射器は、大気圧で点火できるが；しかし、この発明の推奨する実施例では、この噴射器が高圧で点火する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
この発明によれば、このＥＣＵは、（ｉ）エンジンサイクル毎に各シリンダに噴射する燃料の量、（ｉｉ）点火タイミング、（ｉｉｉ）可変カムタイミング（ＶＴＣ）、および（ｖ）内燃機関運転のその他の態様のような、エンジン運転の種々な態様を制御してもよい。このＥＣＵは、ＭＡＰセンサ、スロットル位置センサ、空気温度センサ、エンジン冷却剤センサおよびその他のセンサを含むセンサによってこのエンジンをモニタすることによって燃料の量、点火タイミングおよびその他のパラメータを決める。
【０００７】
このフュエル・チャージを加熱しおよび一つ以上の酸素源のあるところで触媒作用を及すのが好ましく、そこでこのアルゴリズムがこの燃料噴射器の加圧室内の予備酸化保持時間を制御する。ある実施例では、このアルゴリズムが、使用中の所定の燃料混合物に基づいて、ＥＣＵデータベースの中の適当な予備酸化剤保持時間設定値を特定する。このＥＣＵデータベースは、出合うであろう燃料オクタン価および酸素付加添加剤の範囲に及ぶプリロードしたテーブルを含み、この酸素付加添加剤は、メチル第３ブチルエーテル（ＭＴＢＥ）、エタノール、その他のオクタンおよびセタン・ブースター、並びにその他の燃料酸素付加剤からなるグループから選択してもよい。このアルゴリズムは、点火遅れを感知することによって燃料オクタン価の範囲に亘ってその有効性を絶えず調整する。
【０００８】
ここの示す噴射器点火燃料噴射システムは、液体燃料をそれらの室圧沸点を十分超えて加熱する。しかし、水のように、大抵の炭化水素燃料およびアルコールは、液体を加圧して加熱すると、その大気圧沸点の十分上で液体形のままであり、そしてそれを低圧で気化して次に加圧すると、液相に再凝縮するように、高圧では沸点が上がり易い。しかし、もう液相を維持するか液相へ再圧縮することができない圧力および温度の点がある。これを普通臨界点と呼び、臨界温度および臨界圧力がある。臨界温度および圧力より上では、液体を作ることがもう不可能であり、それで分子が対応する液体の密度を超えて圧縮されてもガス相で相互作用する。ＣＲＣハンドブック第８７版によれば、ヘプタン（ガソリンの主要成分）の臨界温度は２６７°Ｃおよび臨界圧力は２．７３３ＭＰａである。
【０００９】
この発明の噴射器点火システムは、蒸気または超臨界流体相で優勢に作用する酸素還元触媒を利用する。この触媒は、重量で１％ないし５％の範囲の利用できる酸素をこの燃料混合物内の一つ以上の成分と結合して非常によく反応する、一部酸化したラジカルを作り、それが一旦主燃焼室の遙かに濃い酸素環境に曝されると非常に急速に酸化を続ける。非常に速い（１９９μｓ以下の範囲）燃焼に必要なその様な活発なラジカルの実際の数は、非常に小さく、主としてこれらの分子の平均自由行程およびこの主燃焼室反応領域内の反応波面伝搬遅延に依存する。例えば、大気圧で、温度および酸素濃度の適当な条件下で、この燃焼波面は、ほぼ音速で動き、それは、典型的環境で、約３０ｃｍ／ｍｓである。従って、目標とする主室燃焼遅延１０μｓは、これらのフリー・ラジカルが２．５４ｍｍ離れているか近いかのオーダで散らばっている必要があることを示し、それは、１６．３８７ｃｍ３当りの分子数が非常に大きいことに基づいて、その様なラジカルの濃度が非常に小さいことを要求する。
【００１０】
同様に、この燃料噴射器に作られた各ラジカルは、この主燃焼室内の化学結合エネルギーをその量だけ減少するようにこの化学結合エネルギーを利用する。従って、非常な高速点火を保証するに十分高いが、噴射した燃料のエネルギー容量の低下を最小にするに十分低いレベルに作ったフリー・ラジカルの数を最小にすることは非常に有利である。その上、大抵の酸素還元触媒は、特に５３９°Ｃの範囲以上の温度に加熱したとき、熱分解触媒としても作用する。この噴射器の中での燃料の熱分解は、炭素形成に繋がり、それは最初は触媒の表面を汚すが、続けさせておくと、この噴射器を通る燃料の流れを実際に妨害するので、非常に望ましくない。その上、短鎖分解成分は、典型的に自動点火温度が高く且つオクタンおよびヘプタンより気化熱が高く、それで普通に起る実験室条件下では、この噴射器を過度に加熱すると、上に説明したように理想的状態を超えて実際に点火遅れを増し、これも急速な炭素形成に繋がる。
【００１１】
上記を考慮して、ここで説明した噴射器点火噴射器は、大抵の燃料成分が超臨界相にある温度および圧力で適度の活性を有する、高度に分散した（即ち、低濃度の）酸素還元触媒を最適に利用する。ニッケルがその様な触媒の一つであることが分り、１００ｂａｒで３１６°Ｃないし３９９°Ｃの範囲で機能する。
【００１２】
この発明の原理によれば、燃料への必要な熱入力は、触媒作用を受けた酸化プロセスに反応領域への熱エネルギーへそれほど貢献させずに、適当な数のラジカルを作るために、燃料流量および燃料触媒接触表面積に関連して外部加熱源を注意深く制御することによって最少にしてもよい。その様な追加の熱エネルギーは、急速に熱的暴走に繋がりおよび潜在的に全ての利用できる酸素を消費し、それによって合成燃料のエネルギー容量をかなり減らし且つ炭素形成を促進する。これは、市販の燃料が１％ないし１０％の酸素付加剤を含むかも知れないので特別関心事である。
【００１３】
この発明によれば、フュエル・チャージにニッケル、ニッケル・モリブデン、アルファ・アルミナ、アルミニウム・二酸化珪素、その他の空気電極酸素還元触媒、および炭化水素分解に使うその他の触媒から成るグループから選択した触媒を使って触媒作用を及してもよい。この発明の一実施例では、このフュエル・チャージに約５％のモリブデンと共にニッケルを含む触媒を使って触媒作用を及す。ある実施例によれば、この触媒加熱温度は、３１６°Ｃと３９９°Ｃの間であるのが好ましく、最も好ましくは約３８２°Ｃである。その上、噴射器圧力は、このフュエル・チャージが選択した温度設定で超臨界流体として機能するに十分高いのが好ましい。このアルゴリズムは、この内燃機関の爆発行程中にこのフュエル・チャージを実質的に排他的に分配するためにこの燃料噴射器を制御する。
【００１４】
一実施例によれば、この燃料噴射器が高オクタン価燃料、高セタン価燃料、およびガスエンジン燃料とディーゼルエンジン燃料の混合物で作動する。このＥＣＵは、ある範囲の燃料および燃料混合物に対応するために燃料混合情報を受けるための補足入力を含んでもよい。この燃料混合情報は、給油での直接入力機構を使って、または積込んだ燃料をサンプリングしてエンジン運転パラメータをこのＥＣＵに連絡する車載解析器を使って用意する。
【００１５】
この発明の原理によれば、次のエンジン点火の準備は、最後のエンジン点火が完了すると直ぐに始り、このときこの燃料噴射器は実質的に燃料がない。このアルゴリズムは、高スロットル設定では低スロットル設定より速くこの燃料を選択した温度に加熱するように燃料噴射器へのエネルギー入力も調整してよい。その上、このアルゴリズムは、急速加速中の燃料加熱曝露時間を増すために４点火サイクルまでの燃料を高温部に蓄積させる。廃熱は、急速燃焼点火を実質的に上死点で始めることによって最少化する。
【００１６】
この発明の更なる実施例によれば、このＥＣＵは、圧縮ブレーキのためにエンジンが急速に減速しているとき、機械的遅れを補償するために、上死点前約１ないし３ｍｓに噴射器点火信号を提供する。その上、このＥＣＵは、ＲＰＭ、エンジン負荷、およびエンジン負荷傾向を含む所定の運転マップに優先してエンジン減速を補正するエンジン・ルックアップテーブルを含んでもよい。このエンジン・ルックアップテーブルを、この特定の種類のエンジン構造用の予測上死点対実際の上死点の誤差を測定するための学習アルゴリズムと共にプリロードしてもよい。その上、このエンジン・テーブルは、噴射ピン位置指示計と絶対上死点指示計の間の差を計算することによってテーブル記載事項を絶えず調整する学習アルゴリズムを使うことによって作動中に動的に調整してもよい。この調整は、更に、ノックセンサ入力を使って、または絶対点火位置対上死点を検出するシリンダ内圧力センサを使って改善してもよい。追加の実施例によれば、このＥＣＵは、圧縮ブレーキによる点火遅れドリフトを微調整するためにパターン認識ヒューリスティックスを利用し、そのパターン認識ヒューリスティックスは、点火タイミングドリフトを他の変数パラメータから分離できるように、定常状態スロットルおよび負荷状態の識別を賄う。
【００１７】
この発明の他の実施例は、燃料を内燃機関の燃焼室に分配するための噴射器点火燃料噴射システムを備え、それは、次のフュエル・チャージを加熱しおよび触媒作用を及すための加熱型触媒燃料噴射器を制御するエンジンＥＣＵで、燃料噴射を制御するために１回点火サイクル先読みアルゴリズムを使うＥＣＵを含み、この加熱型触媒燃料噴射器は、次のフュエル・チャージを加圧室に分配するための入力燃料計量システム、このフュエル・チャージをこの加圧室内で圧縮するための加圧ラムを含んでこのフュエル・チャージをこの加圧室で触媒のあるところで加熱する加圧ラムシステム、およびこの加熱し、触媒作用したフュエル・チャージをこの内燃機関の燃焼室に噴射するための噴射器ノズルを含む。
【００１８】
上に説明したシステムで、次のエンジン点火の準備は、最後のエンジン点火が完了すると直ぐに始る。この最後のエンジン点火が完了すると、この燃料噴射器は実質的に燃料がなく、この加圧ラムは完全に変位した位置にあり、およびこの噴射器ノズルは閉じている。次の点火サイクルは、この加圧ラムを引込めることを伴い、それが入力燃料計量システムに液体燃料のエーロゾルをこの加圧室に分配させる。この加圧ラムシステムは、次に燃料を加熱および気化しながらこの燃料噴射器保護する工程、および燃料を目標噴射圧力および温度に加圧する工程を含む二段階サイクルで加圧する。この燃料は、気化して目標噴射圧力および温度に達する。作動中、この噴射器ノズルは、所定の保持時間後に開き、この加圧ラムは、完全変位位置に達するように、このフュエル・チャージを燃焼室に押込む。ある実施例では、この所定の保持時間を次の上死点事象から遡って予測する。
【実施例】
【００１９】
以下の段落では、例として添付の図面を参照して本発明を詳細に説明する。この説明全体を通じて、推奨する実施例および図示する例は、本発明の制限ではなく、例として考えるべきである。ここで使う、“本発明”は、ここで説明するこの発明の何れか一つ、およびあらゆる等価物を指す。更に、この文書全体を通じて“本発明”の種々の特徴の参照は、全ての請求する実施例または方法が参照した特徴を含まなければならないことは意味しない。
【００２０】
本発明の原理によれば、内燃機関用噴射器点火燃料噴射システムが提供され、このシステムが次のフュエル・チャージを加熱しおよび触媒作用を及すための加熱型触媒燃料噴射器を制御するエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）を含み、このＥＣＵが燃料噴射を制御するために１回点火サイクル先読みアルゴリズムを使う。
【００２１】
デトネーションは、極端に急速な燃焼をもたらし且つ一般的に誤調整した車輌エンジンによく知られるノッキングとして現れる、燃焼の代替形態を構成する。従来の内燃機関は、その全燃料負荷を点火前のシリンダ内に置く。デトネーションは、この全燃料負荷のかなりの部分を二三ミリセコンドで点火させ、それで過度の圧力上昇を生じ、それがエンジン部品を損傷することがある。これらの条件は、典型的に、誤調整したエンジンに制御不能の様式で起り、燃料を爆発行程発生に適する以外のある時期にデトネーションさせる。その上、この種のデトネーションは、吸気を圧縮し且つ燃料を気化するための点火遅れに依存する。
【００２２】
図３を参照すると、従来のガスエンジンでの緩慢燃焼とこの発明の原理による燃料噴射器を有する内燃機関でのデトネーションを含む急速燃焼との間の差を示す概略線図が用意してある。特に、従来のガスエンジンでの点火は、実質的に低燃料密度の緩慢燃焼領域２０で起る。対照的に、ここで説明したような燃料噴射器を有する内燃機関では、点火が実質的に高燃料密度の急速燃焼領域２２で起る。急速燃焼領域２２では、フュエル・チャージの前面が約数マイクロセコンド内に完全に燃焼する。
【００２３】
図４を参照すると、この発明の原理による燃料噴射器を有する内燃機関のための放熱曲線２６を示す概略線図が用意してある。特に、この放熱曲線２６は、図２に描いた直噴ユーロ基準のディーゼルエンジン・サイクルの典型的な放熱曲線７の上に重ねてあり、この放熱曲線７には、点火遅れ期８、予混合燃焼段階１０、混合制御燃焼段階１２および後期燃焼段階１４がある。この直噴ユーロ基準のディーゼルエンジンと対照的に、ここに示す（放熱曲線２６を有する）燃料噴射器は、最適爆発行程発生に適するクランク角で瞬間的に点火する燃料を正確に計量する。特に、この燃料噴射器は、瞬間的に点火する燃料を爆発行程中に実質的に排他的に正確な方法で分配し、それによってこのエンジン内の前端（冷却負荷）と後端（排気エンタルピー）の両方の熱損失を大幅の減少する。この発明のある実施例によれば、従来の低オクタン・ポンプ・ガソリンをこの燃料噴射器に計量・供給し、そこでこの燃料噴射器がこのフュエル・チャージを加熱、気化、圧縮および軽酸化し、次にそれを比較的低圧のガスカラムとして燃焼室の中央に分配する。
【００２４】
図５Ａを参照すると、従来の自動車ディーゼル強渦流高圧縮燃焼室を含む、内燃機関用燃焼室２８が示してある。特に、この燃焼室２８は、シリンダヘッド３２の実質的に中央に取付けた、この発明の加熱型触媒噴射器点火燃料噴射器３０を含む。高温ガスの燃料カラム３６を燃焼室２８に噴射すると、その前面３７が自動的にデトネーションして、それがこの燃料カラム３６を矢印４０で示す方向に渦３８パターンの中へ放射状に分配する。この前面３７は、デトネーション境界面を表し、一方渦３８は、分散したガスおよび空気が生じる急速希薄燃焼を表す。その様な燃焼室構成は、全く普通の希薄燃焼環境をもたらし、そこでは高い温度および圧力を使うことによって燃料の０．１％ないし５％が燃料噴射器３０の中で予備酸化されている。図５Ａのファン形要素４１は、それが燃焼室２８内で旋回させる、放射状に広がるフュエル・チャージの回転運動を描く。このフュエル・チャージは、対称的に広がってもよく、またはジェットの一つ以上のオフセット列から成り、各列が複数のジェット（例えば、四つのジェット）を含んでもよい。当業者には分るように、この発明の範囲から逸脱することなく幾つのジェットを作ってもよい。
【００２５】
更に図５Ａを参照して、この加熱型触媒燃料噴射器３０内の予備酸化は、噴射器室壁上の表面触媒および標準酸素処理剤を含む酸素源を伴ってもよい。随意に、予備酸化は、更に、例えば、空気または再循環排気ガスの形の最後の燃料からの、少量の酸化加を伴ってもよい。この僅かに酸化した燃料は、最初の燃料からの非常に反応性で、部分的に酸化された、分解炭化水素鎖である、ＲＯ２−およびＲＯＯＨ−の形のラジカルを含む。それで、噴射した燃料は、分配した燃料カラム３６内に、従来の自動車エンジン構成材料と両立する温度および圧力範囲内で表面自動デトネーションの開始およびその後の希薄燃焼を支援する、比較的低温の自動点火域をもたらす。
【００２６】
図５Ｂを参照すると、燃料噴射およびその他のエンジン動作を制御するための典型的ＥＣＵ４５が示してある。特に、このＥＣＵ４５は、噴射器が点火する時を決める噴射器タイミングルーチン４７、噴射器サブシステムの機械的動作を順番に並べる噴射点火ルーチン４９、噴射器加熱駆動装置を制御するための温度制御装置５１、並びにその他のエンジンおよび車輌出力を制御するその他のＥＣＵルーチン５３を含む。作動中、この噴射タイミングルーチン４７は、クランク位置およびＲＰＭセンサ、噴射器ピン位置センサ、並びにエンジンノック・センサから入力を受ける。この噴射タイミングルーチン４７は、このタイミングルーチンを噴射点火ルーチン４９へ出力し、それが噴射器燃料入口（シリンダ毎に一つ）、噴射器高圧ポンプ駆動装置（ある構成ではシリンダ毎に一つ）、および噴射器ピン駆動装置（シリンダ毎に一つ）を制御する。この噴射点火ルーチン４９は、更にＥＣＵエンジンスロットル・ルーチン並びに温度、圧力、湿度、エンジン負荷、燃料品質、エンジン摩耗、およびその他の変量の変化を調整するために典型的に現代のガソリンおよびディーゼルエンジンに見られるような、種々のその他のエンジンセンサ・ルーチンから入力を受けてもよい。ＥＣＵ４５の温度制御装置５１は、噴射器温度センサから入力を受け、今度は、噴射器加熱駆動装置を制御する。種々のその他のＥＣＵルーチン５３は、種々のその他のエンジンおよび車輌センサから入力を受け、種々の付加的エンジンおよび車輌出力を制御する。
【００２７】
図５Ｃを参照すると、この発明の更なる実施例が先進的可変サイクルエンジンおよび従来のガソリンスタンドの給油ポンプ５７と無線シリアル通信リンク５９、６１によって通信するＥＣＵ（例えば、図５ＢのＥＣＵ４５）を有する多種燃料車輌用のスマートな給油システム５５を備え、これらのリンクは、それぞれ、このＥＣＵ４５および燃料ポンプ５７と同じ場所にあってもよい。このシステム５５は、顧客に彼らの多種燃料車輌に給油するための一つ以上の燃料混合物を提供するために使う。この情報は、このガソリンスタンドのポンプ５７の販売ディスプレイ８３には勿論、ＥＣＵ４５と通信しているダッシュボード内ディスプレイ６３に表示してもよい。このユーザは、ディスプレイ８３上のボタン、タッチセンサ領域またはその他の従来の入力手段に基づいておよび、随意に、ダッシュボード内ディスプレイ６３に基づいて燃料を選択してもよい。このＥＣＵ４５と給油ポンプ５７の間のデータ交換は、磁気誘導、光通信、または低出力無線周波のような、従来の無線通信技術の何れかによって行ってもよい。作動中、このＥＣＵ４５は、給油ポンプ５７に正確な燃料混合物および燃料タンクセンサ６５によって決るこの車輌のタンク８１中の燃料の量を連絡する。それに応えて、給油ポンプ制御装置６７が残りの燃料およびこの車輌の運転上の可能性と両立する適当な給油混合物を計算し、この顧客に販売用の種々の燃料６９（またはその混合物）に基づいて一つ以上の給油オプションを提示する。購入すると、この適当な燃料または燃料混合物をポンプ弁７７を通して（燃料ポンプ７３で）汲上げて給油ポンプノズル７９からタンク８１に注入する。
【００２８】
更に図５Ｃを参照して、この給油オプションは、コストおよび性能を含む選択可能パラメータに基づいてもよく、そこでこのガソリンスタンドの給油ポンプ５７がこの顧客の選択に基づいて燃料を混合し且つ分配する。図示する実施例では、ガソリンスタンドの給油ポンプ５７がＰＯＳディスプレイ８３およびユーザ入力用関連手段を含む。このＥＣＵ４５が負荷が掛っているエンジン性能（エンジンＲＰＭ）、負荷センサおよびノックセンサを使って燃焼中の実際の燃料性能を決める。その上、このＥＣＵ４５は、燃料の正確な混合比およびタンクに注入した量、燃料消費量、実測性能、並びに温度、気圧、高度および湿度のような日付順の気候条件を含む全ての燃料装荷の経過記録を維持するように構成してもよい。
【００２９】
この先進的可変サイクルエンジンは、従来のガソリン、ディーゼル、エタノール、メタノール、その他のアルコール類、バイオディーゼル、および随意に混合した水分を含む植物抽出物を含むがそれに限定されない広範囲の燃料で作動するようになっていてもよい。この車輌は、単一の燃料タンク、または互換性のない燃料混合物を収容するための複数の燃料タンクを備えてもよい。このポンプでの購入決定は、利用できる最もコスト効果のよい燃料供給、燃料タンクに残る燃料混合物、並びに天気および高度を含む予想される走行条件のような複数の要因に基づいてもよい。この車輌は、このＥＣＵの制御の下で種々の燃料混合物に動的に適応できる。
【００３０】
この発明の更なる実施例によれば、この加熱型触媒燃料噴射器３０をバイオ再生可能な柔軟な燃料で動く噴射器エンジンに利用してもよい。例として、この柔軟な燃料は、少量のガソリンおよび／またはエタノールと混合した植物抽出油（例えば、大豆油、カノラ油、藻類およびプランクトン抽出物）を含んでもよい。この結果の混合物は、加熱型触媒直接噴射器を備える超高圧縮エンジンに使うのに適した正味炭素ゼロのバイオ再生可能な柔軟な燃料を含んでもよい。その様な正味炭素ゼロの燃料は、植物性材料の存在する炭素が通常の光合成プロセスの一部として地球大気圏中の捕捉した二酸化炭素から来ているので、燃焼したとき地球生物圏に正味炭素を生じない。この発明によれば、生植物油を少量の従来のガソリン（またはＣ５ないしＣ１０の範囲内の線状炭化水素のその他の混合物と共にエタノールと混合する。例として、この混合物は、２５％（重量で）のガソリンおよび１０％のエタノールと混合した６５％の植物油を含んでもよい。この混合物は安定で、通常の取扱い条件ではその種々の構成成分に分離しない。更に、この混合物は凍結点が−１７．８°Ｃで、生物攻撃に耐性がある。
【００３１】
上に説明した燃料混合物は、低圧縮火花点火エンジンでよく機能するが、圧縮点火エンジンでは典型的によく機能しない、比較的高オクタンの炭化水素（ヘプタン）およびエタノールは勿論、ディーゼルエンジンの高圧縮の下でよく点火する、高セタン植物油から成る。例えば、加熱してあると共に酸素還元触媒を含む噴射器を備える高圧縮エンジン（例えば、２０対１）は、上に特定する混合物で非常に効果的に作動する。更に、この加熱は、植物油の高粘性を直接受入れ、寒冷環境での始動を容易にもする。その上、加熱と酸素還元触媒のこの組合わせは、エタノールの中の酸素結合を攻撃して、この燃料混合物がその成分のオクタンとセタンの比率に関係なく燃焼室内で非常に迅速に燃焼するようにそれを軽く酸化する。
【００３２】
上に説明したバイオ再生可能な柔軟な燃料は、ガス相または超臨界相だけ（液相と対立するものとして）で触媒作用を及すのが好ましい。更に、この接触いぶし燃料は、これらの燃焼室または低圧吸気マニホルドポート弁間の比較的遅く且つ非効率的ガス拡散に依存する、従来の予燃焼室システムと対照的に、１００ｂａｒ以上で高圧ノズル分散システムを使って噴射するのが好ましい。
【００３３】
この発明によれば、この加熱型触媒燃料噴射器３０は、従来の直接ディーゼル噴射器の代りに小型自動車ディーゼルエンジンに取付けてもよい。この転換したディーゼルエンジンは、ガソリンで動き且つ１６：１ないし２５：１の範囲内の高圧縮比で作動するかも知れない。この高圧縮比を達成するために、このエンジンは、従来の火花点火ではなく圧縮加熱を使うのが好ましい。当業者には分るように、この発明の燃料噴射器は、この発明の範囲から逸脱することなく、ディーゼル燃料およびセタン、ヘプタン、エタノール、植物油、バイオディーゼル、アルコール類、植物抽出物の種々の混合物ようなその他の燃料、並びにその組合わせで使ってもよい。それにも拘らず、炭化水素長さが遙かに短いガソリンを使う運転が、実質的に炭素粒子状物質を生じないので、多くの用途でディーゼル燃料より好ましい。
【００３４】
図６を参照すると、この発明の推奨する熱触媒噴射器点火燃料噴射器３０が、燃料入力４４、入力燃料計量システム４６、電気コネクタ４８、ノズルピン弁駆動装置５０、加圧ラム駆動装置５２、随意の空気入口ピンホール５４、取付けフランジ５６、高温部５８および噴射器ノズル６０を含む加熱型触媒オールインワン噴射器点火噴射器を含む。この噴射器点火燃料噴射器３０は、実世界メンテナンスフリー環境で燃料の気化、加圧、活性化および分配の機能を有する。この発明の噴射器点火燃料噴射器３０に特有の動作圧力は、２０：１の圧縮比のエンジン（２０ｂａｒ）に４０ｂａｒのピークを生じる燃料負荷で分配する約１００ｂａｒである。推奨する実現方式で、この燃料噴射器３０は、その高温部５８内の噴射器ノズル６０の近くに配置した内部ニッケル・モリブデン触媒を備える。この触媒は、この噴射器本体を約３９９°Ｃの温度で稼働することによって活性化してもよい。勿論、当業者には分るように、この発明の範囲から逸脱することなく、その他の触媒および稼働温度を使ってもよい。
【００３５】
図７を参照して、今度はこの発明の噴射器点火燃料噴射器３０の入力燃料計量システム４６を説明する。特に、この入力燃料計量システム４６は、燃料を濾過するための直列燃料フィルタ６６、所定量の燃料を含む次のフュエル・チャージを計量するための計量ソレノイド６８、および次のフュエル・チャージをこの燃料噴射器３０の加圧室７２に分配するための液体燃料ニードル弁７０を含む。この液体燃料ニードル弁７０は、この内燃機関のＥＣＵの先読みコンピュータ制御アルゴリズムに応じて次のフュエル・チャージをこの燃料噴射器３０の加圧室７２に分配する電磁的にまたは圧電式に作動する液体燃料ニードル弁を含むのが好ましい。この入力燃料計量システム４６は、標準的ガソリン燃料ポンプまたは共通配管分配システムから燃料を受けてもよい。
【００３６】
更に図７を参照すると、この燃料噴射器３０の噴射器ノズル６０は、この車輌の加圧室７２と燃焼室２８の間に配置してある。入力燃料計量システム４６が分配するフュエル・チャージは、燃料加圧室７２を囲むこの燃料噴射器３０の高温部５８を経てこの室７２で暖められる。更に詳しくは、このフュエル・チャージを加圧室７２で触媒があるところで圧力を掛けて加熱し、それがこの燃料を熱分解し始めてそれを内部酸素源と反応させる。この噴射器ノズル６０は、噴射器ノズルピン弁７４、コリメータ７５、およびピン弁アクチュエータ７１を含む。特に、このノズルピン弁７４は、ほぼ上死点（サイクル回転の１８０°）で開いて、この高温加圧ガスを燃焼室２８に入れる。このピン弁アクチュエータ７１は、噴射器ノズルピン弁７４を通して次のフュエル・チャージを噴射するためにピン弁駆動軸１１８を操作するピン弁ソレノイドを含んでもよい。
【００３７】
このオールインワン燃料噴射器実施例で、ピン弁駆動軸１１８は、それが加圧ラム９２内を同軸に摺動できるようにこの加圧ラム９２の内腔内部にある。しかし、このピン弁駆動軸１１８は、加圧ラム９２と無関係に作動する。加圧ラム９２の上端のＯリングシール１１９がこれら二つの軸間の漏洩路を遮断する。噴射器ノズル６０の構造は、それがピン弁７４および加熱した燃料を平行にして、平行にした高温ガスの比較的低圧のチャージをシリンダに分配するためのコリメータ７５を含むので、典型的な液体燃料噴射器ノズルと実質的に違う。特に、この燃料噴射器３０の噴射器ノズル６０は、例えばこの噴射器ノズル６０を覆う従来のニクロム加熱素子１１４を使って電気的に加熱される。
【００３８】
この噴射器ノズル６０のピン弁アクチュエータ７１は、高速応答性電磁駆動装置または圧電駆動装置を含んでもよい。最も単純な形では、加圧ラム９２が高温ガスの全カラムを加圧室７２から燃焼室２８の中へこの噴射器容積を完全に変位するまで押すとき、噴射器ノズルピン弁７４が１００％に開く。当業者には分るように、本発明の範囲から逸脱することなく、異なるスロットルおよび負荷状況の下で種々の放熱曲線を発生するためにピン弁とラム駆動装置の変形の多くの組合わせをアナログ駆動信号および／またはディジタルパルス信号と共に使ってもよい。
【００３９】
図８Ａおよび８Ｂを参照すると、噴射器点火燃料噴射器３０の別の部品が、加圧ラム９２、加圧ラム駆動装置５２および加圧室７２内の次のフュエル・チャージを噴射前に加熱するための燃料噴射器３０の高温部５８を含む加圧ラムシステムを含む。特に、図８Ａは、この加圧ラムシステムの第１構成を描き、そこでは加圧ラム９２が完全変位位置にある。
【００４０】
図８Ｂは、この加圧ラムシステムの第２構成を描き、そこでは加圧ラム９２が液体燃料を加圧室７２に入れるために完全に引込んだ位置にある。この加圧ラム９２は、燃料が液体から気体へ、およびそれからその臨界点の先へ移行するように圧縮し、そこではそれが非常に濃い蒸気になる。この加圧ラム９２は、実質的に加圧ラム駆動装置５２内に配置した磁気的活性部８６、絶縁部９７、および加圧ラム９２が完全変位位置にあるとき実質的に高温部５８内に配置される高温部適合部９８を含む。加圧ラム９２の休止位置は、図８Ａに示すような完全変位位置である。この加圧ラム９２は、更に流体漏れを防ぐための一つ以上のＯリングシール１００を含んでもよい。
【００４１】
図８Ｂを続けて参照して、加圧ラム９２を引込めると、それは加圧室７２に部分真空を作り、それで入力燃料計量システム４６に次のチャージを比較的冷たい液体として噴射させる。この加圧ラム９２は、ストロークが比較的長く、入力燃料計量システム４６を高温部５８近くの高温から保護するために熱遮蔽領域を組込んでもよい。加圧ラム駆動装置５２内に配置した並列巻ソレノイド形コイルシステム１０６、１０８が吸戻しソレノイド１０６と加圧ソレノイド１０８を含む。この並列巻ソレノイド形コイルシステム１０６、１０８は、この加圧ラム９２を駆動するために使うリニアステップモータによって置換えてもよい。
【００４２】
この発明の燃料噴射器３０は、自己点火温度を超える燃料の１回の点火しか必要なく、それがエンジンシリンダ（燃焼が普通に起るところ）に直接結合した頑丈な金属ハウジングに入っていてもよいので、本質的に安全である。この様にして、この燃料噴射器３０の高温部５８は、既存のエンジン燃焼室２８の単なる延長と考えることができる。例として、この燃料噴射器３０の高温部５８は、この高温部５８を覆う従来のニクロム加熱素子１１６によって電気的に加熱してもよい。
【００４３】
このＥＣＵの電子制御の下で、この燃料負荷を、運転者のスロットル位置が指定するように、次の点火に対応する所定のレベルに加圧するために十分な磁界を掛ける。このフュエル・チャージを加圧室７２で触媒があるところで圧力を掛けて熱し、それがこの燃料を熱分解し始めてそれを内部酸素源と反応させる。その様な内部酸素源は、包含アンチノック剤およびおよび／またはエタノールのような冬の酸素付加装置の媒介で従来のポンプガスにある。この発明によれば、高温部触媒は、制限なく：（１）ニッケル；（２）ニッケル・モリブデン；（３）アルファ・アルミナ；（４）アルミニウム・二酸化珪素；（５）その他の空気電極酸素還元触媒（例えば、燃料電池の陰極および金属空気天地の陰極に使うような）；（６）炭化水素分解に使うその他の触媒を含んでもよい。
【００４４】
推奨する実現方式によれば、この高温部５８の動作温度は約３９９°Ｃで、それが３１６ステンレス鋼および油焼入工具鋼のような普通の構造用材料の腐食および熱関連強度損失を実質的に最小化する。それに反して、典型的な圧縮点火動作温度は、約５３８°Ｃを超える。この高温部５８は、更にニクロム電熱線を含んでもよい。追加の実施例によれば、酸素をこの燃料噴射器３０の高温部５８に注入してもよい。
【００４５】
再び図７を参照して、この噴射器点火燃料噴射器３０は、この噴射器ノズルピン弁７４を開き且つ加圧ラム９２を引込めることによって、このエンジンの排気サイクル中に高温排気ガスを引込んでもよい。通常の状況の下では、この高温排気ガスがまだ反応しない酸素を有し、それをこの燃料を軽く酸化するためにこの燃料の内部酸素処理剤と関連して随意に使うことができる。その上、この燃料噴射器３０は、この加圧ラム９２が完全に引込んだ位置に配置されるとき、新鮮な空気の形の追加の酸素を高温部５８に加えられるように、加圧室７２に通じる空気入口ピンホール５４を含むように構成してもよい。この空気入口ピンホール５４は、加圧行程中に燃料蒸気の漏れを防ぐためにボール弁（図示せず）のような一方向弁を備えてもよい。その上、排気ガスのような、種々の他の形の空気を使ってもよい。
【００４６】
この発明のある実施例によれば、加熱型触媒燃料噴射器３０は、本質的に自己清浄化式且つ自己パージ式である。特に、この加圧ラム９２およびノズルピン弁駆動軸１１８は、エンジン始動運転中に繰返し実践でき、それによって（ｉ）長期エンジン停止による空気および湿気を始動の直後にパージさせ、および（ｉｉ）比較的大きい噴射器ノズル６０によってあらゆる炭素蓄積をフラッシュさせる。従来の燃料噴射器と違って、この加圧ラム９２は、比較的長行程の距離（６．３５ｍｍ以上）を動き、およびそれが完全に伸びた位置でこのノズル領域７４内のあらゆる空隙部分を除去できる。
【００４７】
この発明の推奨する実施例で、このＥＣＵは、噴射器点火作用のための１回点火先読みアルゴリズムを使って一つ以上のこの発明の加熱型触媒噴射器点火燃料噴射器３０を制御してもよい。噴射器点火タイミングを制御するための先読みアルゴリズムは、このＥＣＵにあるソフトウェア・プログラムを使って実施してもよく、このソフトウエア・プログラムは、燃料噴射を制御するための機械読取り可能または解釈可能命令を含む。この先読みアルゴリズムによれば、次のエンジン点火の準備は、最後のエンジン点火が完了すると直ぐに始る。このとき、この燃料噴射器３０は実質的に燃料がなく、加圧ラム９２は完全に変位した位置にあり、噴射器ノズルピン弁７４は閉じ、および高温部５８は実質的にその動作温度にある。制御の最も単純な形で、このＥＣＵは、このスロットル入力を、最後のスロットル入力、エンジン負荷、ＲＰＭ、空気入口温度、並びにその他の設定値および電子燃料制御装置のような、先の設定値と比較する。この情報を使って、ＥＣＵが燃料負荷および次の点火までの予測時間を決める。
【００４８】
次の点火サイクルは、高温部５８での燃料保持時間を最少化するための適当な遅延後に始り、それで燃料の過剰な分解を最少化する。最初に、この次の点火サイクルは、加圧ラム９２を引込めることを伴い、それは入力燃料計量システム４６に液体燃料のエーロゾルを高温部５８に分配させる。この加圧ラム９２は、次にこの燃料を、（ｉ）この入力液体燃料を加熱および気化しながらこの燃料噴射器３０を保護する工程、および（ｉｉ）この燃料を目標噴射圧力および温度に加圧する工程を含む、二段階サイクルで加圧する。この第２段階で、この燃料は、気化して目標噴射圧力および温度に達する。
【００４９】
所定の保持時間後、この噴射器ノズルピン弁７４が開き、加圧ラム９２は、それが図８Ａに示す完全変位位置に達するように、この燃料蒸気カラムを燃焼室２８に押込む。ある実施例では、この所定の保持時間を次の上死点事象から遡って予測してもよい。この噴射器ノズルピン弁７４は、次に閉じて、この加熱型触媒噴射器３０が今度は次の点火命令の準備ができている。この燃料噴射器サイクルに関する広範囲に変形（例えば、特定の放熱曲線に合わせるための加圧ラム９２と噴射器ノズルピン弁７４の対話型運転）がこの発明の範囲から逸脱することなく可能である。この爆発行程の主要部は、７２０°四行程サイクルの３０°の回転に過ぎないので、実際の噴射は、利用できる作動時間の約４％しかかからない。
【００５０】
作動中、加圧室７２内の利用できる酸素源（溶解空気またはエタノールのような酸素付加装置）があるところでの加熱した触媒への燃料の曝露時間は、このＥＣＵが正確に制御する。この曝露時間は、ここでは“予備酸化保持時間”と呼んでもよく、燃料噴射器３０の適正な運転に重大である。例えば、もしこの予備酸化保持時間が長過ぎるかおよび／または温度が高過ぎると、この燃料は、短鎖分子と残留炭素に分解し始めるだろう。その様な黒堆積物の形の遊離炭素残留物は、この噴射システムを汚染することがある。他方、もしこの予備酸化保持時間が短過ぎるかおよび／または温度が低過ぎると、この燃料の予備酸化が不十分になるか、または全く予備酸化しないかも知れない。
【００５１】
極寒で、この発明の燃料噴射器３０は、点火遅れが比較的長い（例えば、１８００ＲＰＭおよび２０：１の圧縮で５〜１０ｍｓの範囲内）、従来のディーゼル圧縮点火燃料噴射器のように機能する。低温の噴射状況では、燃焼を始めるために、噴射点が上死点のかなり前に起らなければならないので、効率を低下する結果になり、それで押返しおよびシリンダの中に廃熱を発生し、更に、ヘプタン、オクタン、およびエタノールのような低セタン価燃料が全く点火しないも知れずまたはそのような低温の噴射状況下では、従来のディーゼルエンジンで使ったときのそれらの典型的挙動であるように、不規則に点火をするだろう。
【００５２】
以下の例は、実験室エンジンで最適予備酸化保持時間条件を決める方法を示す。特に、排気量２２０ｃｍ３および２３：１圧縮の実験室試験エンジンに、ここに開示したような加熱型触媒噴射器３０を装備し、体積でヘプタン６５、セタン２５およびエタノール１０の割合の燃料混合物を利用した。試験中、このエンジンを１８００ＲＰＭ、総出力約７４６Ｗで運転した。更に、高温部５８の内側を内張する触媒は、約５％のモリブデンと共にニッケルで構成した。推奨する触媒加熱温度は、約３８２°Ｃであると決め、それは排気ガス温度を最低にし、噴射器本体内の残留炭素生成を最少限にした。
【００５３】
この燃料噴射器３０の点火遅れは、レーザベースの噴射器ピン位置指示計を標準的な市販のデルファイ・ノックセンサと比べることによって決めた。特に、１００μｓ以下（即ち、クランク角１°以下）の点火遅れを１８００ＲＰＭで見付けた。触媒加熱温度を約４２７°Ｃに上げると、急速に炭素蓄積を増し、それが直ちに燃料流れを妨害し、ところが触媒加熱温度を約３８２°Ｃ以下に下げると、噴射点を上死点のかなり前へ進める必要があるために、点火遅れ時間を延し、エンジン出力を減らした。室温で、この燃料混合物（即ち、ヘプタン６５％、セタン２５％およびエタノール１０％）は、この試験システムの電子装置で可能な点火進角の限界（約８ｍｓ）内でこの試験エンジンでは全く点火しなかった。試験中の燃料流れは、毎分３ｃｍ３ないし５ｃｍ３の範囲内にあり、一方この噴射器先端の高温部は、断面積０．０４３ｃｍ２で長さ約２ｃｍであった。噴射器圧力は、この燃料混合物が最適温度設定（ヘプタンの臨界温度は約２６７°Ｃ、および臨界圧力は約２．７３３ＭＰａ）で超臨界流体として機能しているように８．２７３ＭＰａであった。
【００５４】
エンジンの燃料流れに影響する従来のパラメータに加えて、この発明の燃料噴射システムは、この燃料を炭素蓄積に基づく燃料分解に敏感にする、予備酸化加熱触媒段階と共にこの燃料を超臨界流体として使用するので、燃料組成に特別な感度を有する。更に、この燃料噴射器３０は、ガスエンジン燃料とディーゼルエンジン燃料の混合物は勿論、高オクタン価と高セタン価の両方の燃料で作動するかも知れないので、この燃料分配システムは、従来のガソリン（火花点火）またはディーゼル（圧縮点火）エンジンより遙かに広い範囲の作動パラメータに曝される。例えば、種々の燃料が広範囲の沸点、臨界圧力、臨界温度、および熱分解の受け易さを含むかも知れない。更に、この燃料密度は、ペンタン／ヘキサン／ヘプタン混合物に対する０．６から幾つかのバイオディーゼル配合物に対する０．９の遙か上に及ぶかも知れない。従って、使用可能な燃料混合物は、広範囲の燃料密度および種々のその他の触媒感度に亘るかも知れない。
【００５５】
種々の燃料混合物を考慮して、このＥＣＵは、エンジンＲＰＭおよび燃料流量を調整するための負荷のような従来の運転要因を利用する。その上、このＥＣＵは、選択した燃料混合物に対する最適予備酸化保持時間を決めるために先読み計算を行う。この最小限の予備酸化保持時間は、この燃料噴射システムの機械的応答時間によって制限され、それは典型的に２〜３ｍｓの範囲にある。この最大予備酸化保持時間（１８００ＲＰＭでの四行程エンジンのための１サイクル先読みに対する）は、約６６．６ｍｓ（即ち、点火間の概略持続時間）である。触媒高温部への燃料噴射の制御に加えて、このＥＣＵは、高スロットル設定では低スロットル設定より速く燃料を指定する温度に加熱するように、この高温部へのエネルギー入力も調整してよい。しかし、その様な燃料噴射システムに対する熱時定数は、典型的に１秒の十分の幾つか以上（即ち、数個の点火サイクル）の範囲内にある。更に、ヒータへの電気入力を減らすために（例えば、排気領域から能動的／受動的ヒートパイプを使用して）廃熱を利用するならば、この熱時定数が長くさえなるだろう。
【００５６】
全ての実用的エンジンは、一つのＲＰＭ設定から他へ変えるときに克服するために一般的に１秒の十分の幾つかないし数秒要する、かなりの回転慣性を有する。この発明のある実施例によれば、あるスロットル変更の下で、更なるエネルギー入力を受入れるために追加の先読み遅延を利用してもよい。また、この熱入力は、新しい燃料流量を受入れるために電気的に増減してもよい。例として、従来の自動車で加速中、この予備酸化保持時間は、過剰燃料を（例えば、燃料をこの燃料噴射器ピン放出速度より速く汲出すことによって）この高温部に蓄積することによって、最大の１サイクルから２、３または４サイクルにさえ増してもよい。これらの条件下で、熱エネルギー入力を増減してこのシステムを１サイクルルックアップ遅延に戻すことができる。この制御シナリオは、燃料保持時間を１８００ＲＰＭで少なくとも３０：１の比（即ち、６６ｍｓ対２ｍｓ）だけ低下できるので、減速に関してはより簡単である。
【００５７】
この発明の燃料噴射器３０を使うエンジンの応答性は、用途によって広く変る。例えば、高性能スポーツカーまたはレースカーは、スロットル反応が非常に速いことが期待される。その様な用途の噴射器点火システムは、この噴射器高温部内の炭素生成のリスクが最小限で急速なスロットル変化に対応するために付加的機能を組込んでもよい。他方の極端では、固定出力（例えば、約１８００ＲＰＭ）で６０Ｈｚ  ＡＣを正確に維持する大型定置発電機は、スロットル入力の変化が非常に遅くてもよく、従ってこの発明の加熱型触媒燃料噴射システムの簡易型を利用できるかも知れない。
【００５８】
内燃機関のこのＥＣＵは、使用中の燃料混合物を適正に識別して、その上その運転用にＥＣＵのデータベースの中の適当な予備酸化剤保持時間設定値を特定することができる。従来のポンプ・ガソリンに限定される燃料噴射システムでは、この車輌の指定する地方販売戦略地区（即ち、米国仕様対カナダ仕様対ヨーロッパ仕様）内で出合うであろう燃料オクタン価および酸素付加添加剤（例えば、ＭＴＢＥ、エタノール、その他のオクタンおよびセタン・ブースター、並びにその他の燃料酸素付加剤）の範囲に及ぶこのＥＣＵのデータベースにテーブルをプリロードすることによって、これを容易に達成できる。このＥＣＵは、点火遅れを感知することによってこの燃料範囲に亘ってその有効性を絶えず調整してもよい。これは、典型的に、現代のディーゼルエンジンでは今日位置センサによる実際の噴射器開放位置を市販のエンジンノックセンサとまたは、ある特別の場合には、シリンダ内絶対圧力センサと比較することによって行う。
【００５９】
このＥＣＵへの補足入力は、柔軟な燃料噴射器点火性能を特徴とするシステム用に広範囲の燃料及び混合物に対応するために必要かも知れない。例えば、高い割合のエタノールを含む燃料および高セタン価を含む燃料（例えば、従来のディーゼル、バイオディーゼルまたはベジタブル・オイル）は、特に燃料送出ポンプでまたはエンジン燃料タンク内で従来のガソリンと混合するとき、燃料混合情報を必要とするかも知れない。この発明のある実施例によれば、この情報を、上で説明したように、給油での直接入力機構を使って用意する。他の実施例は、積込んだ燃料をサンプリングしてエンジン運転パラメータをこのＥＣＵに連絡する車載解析器を利用する。
【００６０】
ここに開示した加熱型触媒燃料噴射システムは、点火タイミングに非常に敏感でもよい。動作中、廃熱は、非常に急速な燃焼点火を実質的に上死点で始め且つこの燃焼を所定の時間に完了して廃熱損失（排気弁から出る）を減らし、爆発行程を増し、および燃料燃焼騒音を減らすことによって最少化する。この様にして最適化した噴射器点火システムは、超高圧縮（例えば、２０：１ないし４０：１の範囲内）で作動するかも知れない。用途によってはこの発明の燃料噴射器３０を軽量エンジンに最小限のフライホイールで、従って最小限の回転慣性で使うことが望ましいかも知れない。
【００６１】
噴射器点火装備の１、２、３または４シリンダエンジンでは、圧縮ブレーキ（ピストンが上死点に近づくと起る）がエンジンタイミングで重要な要因である。従来のＥＣＵタイミング・アルゴリズムは、この種のエンジンでは上死点近くで起る急速な減速に適合しないので、この用途では非常に早く点火しがちである。その上、現実世界のどの燃料噴射器も電気点火信号を与えたときからシリンダに燃料を噴射するときまでに機械的遅れがある。その様な機械的遅れは、典型的に１ないし３ｍｓの範囲内にある。この機械的遅れを補償するために、この発明のＥＣＵは、この圧縮ブレーキのためにエンジンが急速に減速しているとき、噴射器点火信号のタイミングを調整する。更に、ＲＰＭ、エンジン負荷、およびエンジン負荷傾向、即ち、減速または加速率を含む所定の運転マップに優先してエンジン減速を補正するルックアップテーブルをこのＥＣＵデータベースに加えてもよい。このエンジンテーブルを、この種のエンジン構造用の予測上死点対実際の上死点の誤差を測定するための学習アルゴリズムと共にプリロードしてもよい。このテーブルは、噴射ピン位置指示計と絶対上死点指示計の間の差を計算することによってこのテーブルの記載事項を絶えず調整する学習アルゴリズムを使うことによって作動中に動的に調整してもよい。この調整は、ノックセンサ入力を使って、または絶対点火位置対上死点を検出するシリンダ内圧力センサを使って改善してもよい。
【００６２】
当業者には、圧縮ブレーキを補正するためのタイミング調整が予備酸化剤保持時間要件に関連して異なる等級の燃料に要求されるタイミング調整と容易に干渉することがあることが明白であるべきである。この発明のＥＣＵは、圧縮ブレーキによる点火遅れドリフトを微調整するための定常状態スロットルおよび負荷状態の識別のような、パターン認識ヒューリスティックスを利用してもよい。その様な微調整は、典型的に燃料混合物の変動に関して要求される従来の調整と異なり、全く別である。
【００６３】
更に図７を参照して、噴射器ノズル６０を操作するために必要なエネルギーは、理論的にこの駆動燃料のエネルギー容量の２パーセント位にしかならないかも知れないが；高温絶縁に関するサイズ制限のような実際のエンジン設計の考慮事項が、電気系の力だけで駆動されるなら、所要熱量を軸出力の数パーセントに上げることがある。この燃料噴射器３０が一つ以上の動作中のエンジン排気口の直ぐ隣にあるので、非常に有効な廃熱源を容易に利用できる。この発明の燃料噴射器３０を多重弁エンジンの排気口内に直接収容してもよく、この排気弁を通る流れを選択的に制御してもよい。更に、排気領域から熱を持込む種々の能動的および／または受動的ヒートパイプ構造を利用してヒータへの電気入力を減らしてもよい。
【００６４】
種々の自動車がその直噴ガソリン動力装置に：（１）アイドリング用スロットル本体噴射器；（２）低速運転用共通配管吸気口噴射器；および（３）高速運転用直接噴射器を含む三種以上の噴射器を使ってもよい。同様に、ここで説明した燃料噴射器３０は、単独にまたは、選択的に作動する火花点火源有りまたは無しで、スロットル本体および共通配管噴射器との広範囲の組合わせで使ってもよい。その上、この燃料噴射器３０は、純粋蒸気モードで運転してもよく、または蒸気と液体の混合物を分配してもよい。高ＲＰＭおよび高負荷が希な用途（例えば、典型的エコノミーカー用）では、純粋蒸気運転が車輌巡航運転、例えば、約３６００ＲＰＭ以下に限られるように、熱的加熱性能が比較的低い燃料噴射器を使うことが望ましいかも知れない。その様な燃料噴射器は、次第に所定のスロットル負荷設定より多くの液体を送り、次第に低効率運転であるが純粋蒸気設計点より遙かに高い出力レベルになる。
【００６５】
この発明の代替実施例による、図９を参照すると、上に説明したオールインワン燃料噴射器構造が液体燃料計量システム４６’、吸戻しソレノイド１０６’、加圧ソレノイド１０８’、加圧ラム９２’、噴射器ノズル６０’、ピン弁駆動ソレノイド７１’、ノズルピン弁駆動軸１１８’および高温部５８’を含む加熱型触媒線形燃料噴射器３０’に展開してある。この燃料噴射器構成は、この加圧ラム９２’内部にピン弁駆動軸１１８’を同軸に配置するというかなり複雑且つ厳密な要件を単純化する。言換えれば、このピン弁駆動軸１１８’は、加圧ラム９２’内に配置されず且つこのピン弁駆動軸１１８’内を同軸に摺動しない。そうではなく、この加圧ラム９２’は、図９に描くように、ピン弁駆動軸１１８’に関して斜めに配置してある。しかし、この線形構成は、加圧ラム９２’が今度は片側に離れていて、もう噴射器ノズル６０’周辺の空隙容積を清浄化およびパージできないので、このオールインワン構成の自己パージおよび自己清浄化の有効性を低下することに言及する。この構成は、図７および８に描くオールインワン噴射器と同じＥＣＵタイミングを利用する。作動中、入力燃料計量システム４６’が分配したフュエル・チャージを高温部５８’によって触媒があるところで圧力を掛けて熱し、それがこの燃料を熱分解し始めてそれを内部酸素源と反応させる。ほぼ上死点で、このピン弁駆動軸１１８’がこの高温加圧ガスを噴射器ノズル６０’から燃焼室の中へ噴射する。
【００６６】
このオールインワン噴射器３０と線形噴射器３０’の両方が、この液体ベースの入力燃料計量システムを中圧、中温度供給システムで置換えることによって高ＲＰＭでひと回り小さい物理的サイズで作動できる。このシステムは、エンジンに付いている全ての噴射器に仲間入りしてもよく、中圧ポンプ（例えば、３．４４７ＭＰａの範囲内の）並びに炭化水素分解および劣化を最少化するために燃料を十分な低温（例えば、２０４°Ｃ）で蒸気の形で維持するための予熱コイルを利用してもよい。作動中、この予熱し、予気化したフュエル・チャージを上記の噴射器構成のどれかに駆動ラムの入口点に導入し、それによってこのラムに必要な変位、サイズ、および熱入力を減らし、それで高速運転を可能にする。
【００６７】
この発明の追加の実施例によれば、上に説明した中圧ポンプは、一方向弁を通してこの予熱コイルを送る、外部高圧液体供給ポンプで置換えてもよい。小口径毛細管類および取付部品を使ってこの高温部内の容積を減らしてもよい。このシステムは、炭素の蓄積を最少化するために停止して過度に分解した燃料をパージしてもよい。例えば、ポンピング段数およびポンプの配置は、エンジンサイズ、シリンダ数、燃料回収システムの構造およびその他の要因に基づいて広範囲に変動することがある。
【００６８】
この様に、内燃機関用の噴射器点火燃料噴射器が提供されることが分る。当業者は、この明細書に限定目的ではなく例示目的で提示する、種々の実施例および推奨する実施例以外によって実施できること、および本発明は、以下の請求項によってのみ限定されることが分るだろう。この明細書で議論した特定の実施例の同等物がこの発明を同様に実施するかも知れないことに言及する。
【００６９】
本発明の種々の実施例を上に説明したが、それらは例として提示したに過ぎず、限定ではないことを理解すべきである。同様に、種々の略図は、この発明の実例構造またはその他の構成を描くかも知れず、それはこの発明に含まれる特徴および機能性の理解を助けるために行う。この発明は、図示する実例構造または構成に限定されないが、種々の代替構造および構成を使って所望の特徴を実現してもよい。実際、当業者には、本発明の所望の特徴を実現するために、代替する機能的、論理的または物理的区分け並びに構成を実行できる方法が明白だろう。また、ここに描く以外の、多数の異なる構成モジュール名を種々の分割部分に適用してもよい。更に、流れ図、機能説明および方法請求項に関して、ここに提示した工程の順序は、文脈が他に指定するのでなければ、種々の実施態様が列挙する機能を同じ順序で行って実施すべきことを要求しないものとする。
【００７０】
この発明を上に種々の実施例および実現方式に関して説明したが、一つ以上のここの実施例で説明した種々の特徴、態様および機能性は、それらの適用可能性を、それらを説明した特定の実施例に限定されず、そうではなくて、この発明の一つ以上の他の実施例に、その様な実施例が説明してあろうがなかろうが、またはその様な特徴が説明した実施例の一部であるとして提示してあろうがなかろうが、単独にまたは種々の組合わせで適用してもよい。この様に本発明の幅および範囲は、上に説明した実施例のどれによっても制限すべきでない。
【００７１】
この文書で使用した語および句、並びにその変形は、他に明言してなければ、制限するのとは全く違って、制限がないと解釈すべきである。上記の例として：“含む”と言う語は、“制限なく含む”等と解すべきであり、“例”と言う語は、議論している項目の、網羅的または限定的リストではなく、代表的事例を提供するために使い、“一つ”と言う語は、“少なくとも一つ”、“一つ以上”等を意味すると解すべきであり；並びに“従来の”、“伝統的”、“通常の”、“標準的”、“既知の”のような形容詞および類似の意味の語は、説明した品目を与えられた期間にまたは与えられた時点に入手できる品目に限定すると解釈すべきでなく、その代りに現在または将来の何時でも利用できるまたは知られる、従来の、伝統的、通常の、または標準的を包含すると解釈すべきである。同様に、この文書が当業者に明白なまたは知られる技術に言及する場合、その様な技術は、現在または将来の何時でも当業者に明白なまたは知られるものを包含する。
【００７２】
接続詞“および”、“並びに”で連結した品目のグループは、これらの品目の各々および全部をこの分類に示す必要があると解釈すべきでなく、他に明言してなければ、“および／または”と解すべきである。接続詞“若しくは”、“または”で連結した品目のグループは、そのグループ内の相互排他性が必要であると解釈すべきでなく、他に明言してなければ、やはり“および／または”と解すべきである。更に、この発明の品目、要素または部品は、単数形で説明または請求してあるかも知れないが、単数形への限定が明言してあるのでなければ、複数形がその範囲内にあることを意図する。
【００７３】
“一つ以上”、“少なくとも一つ”、“…に限定されない”またはある場合の他の類似の句のような、拡張語および句の存在は、その様な拡張句がないかも知れない場合に狭義の場合を意図しまたは必要であることを意味すると解釈すべきでない。“モジュール”と言う語を使用することは、このモジュールの一部として説明または請求する部品または機能性が全て普通のパッケージに設定してあることを意味しない。実際、モジュールの種々の部品のどれかまたは全ては、制御論理であろうが、他の部品であろうが、単一パッケージに組合わされるかも知れずまたは別々に保持されるかも知れず、および更に複数の場所に亘って分配されるかも知れない。
【００７４】
その上、ここに示す種々の実施例は、例示ブロック線図、流れ図およびその他の説明図に関して説明した。この文書を読めば当業者には明らかになるように、これらの実施例およびそれらの種々の代案は、これらの実施例への制限なしに実施できるかも知れない。例えば、ブロック線図およびそれに付随する説明は、特定の構造または構成を要求すると解釈すべきでない。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】（先行技術）火花点火ガソリンエンジンまたは圧縮点火ディーゼルエンジン内部の従来の燃焼プロセスの効率の悪さを示す概略線図である。
【図２】（先行技術）高効率直噴ユーロ基準のディーゼルエンジン・サイクル内の典型的な放熱曲線を示す概略線図である。
【図３】従来のガスエンジンでの点火とこの発明の原理による燃料噴射器を有する内燃機関での点火との間の差を示す概略線図である。
【図４】この発明の原理による燃料噴射器を有する内燃機関のための放熱曲線を示す概略線図である。
【図５Ａ】シリンダヘッドの実質的に中央に取付けた燃料噴射器を含む、この発明の内燃機関用燃焼室を描く。
【図５Ｂ】この発明の原理により燃料噴射を制御するための例示ＥＣＵを示す概略線図である。
【図５Ｃ】図５ＢのＥＣＵと従来のガソリンポンプ・燃料ノズルの間の無線通信を示す概略線図である。
【図６】本発明の原理によって構成した、推奨する加熱型触媒噴射器点火燃料噴射器を描く。
【図７】図６の加熱型触媒噴射器点火燃料噴射器の燃料入口および出口サブシステムを示す断面図である。
【図８Ａ】ラムが完全変位位置にある、図６燃料噴射器の断面図である。
【図８Ｂ】ラムが液体燃料を加圧室に入れるために完全に引込んだ位置にある、図６燃料噴射器の断面図である。
【図９】線形燃料噴射器を含む、この発明の代替燃料噴射器の断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【国際調査報告】
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