(57)【要約】  本発明は、次の装填燃料を加圧室内に分配するための入力燃料調量システムと、装填燃料を加圧室内で圧縮するための加圧ラムを含む加圧ラム・システムであって、装填燃料を加圧室内で触媒の存在下で加熱する加圧ラム・システムと、加熱および触媒作用を受けた装填燃料を内燃機関の燃焼室内に噴射するためのインジェクタ・ノズルとを有する内燃機関用のインジェクタ着火式燃料インジェクタを提供する。
2009532608.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を内燃機関の燃焼室内に分配するためのインジェクタ着火式燃料インジェクタであって、
次の装填燃料を加圧室内に分配するための入力燃料調量システムと、
前記装填燃料を前記加圧室内で圧縮するための加圧ラムを含む加圧ラム・システムであって、前記装填燃料は、触媒の存在下で、前記加圧室内において加熱される加圧ラム・システムと、
前記加熱および触媒作用を受けた装填燃料を前記内燃機関の前記燃焼室内に噴射するためのインジェクタ・ノズルと
を有するインジェクタ着火式燃料インジェクタ。
【請求項２】
前記燃料インジェクタが、実質的に前記内燃機関の動力行程中にのみ前記装填燃料を分配する請求項１に記載の燃料インジェクタ。
【請求項３】
前記触媒が、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・二酸化ケイ素、他の空気極酸素還元触媒、および炭化水素の分解に使用される他の触媒からなる群から選択される請求項１に記載の燃料インジェクタ。
【請求項４】
前記装填燃料が、３１６℃（６００°Ｆ）〜３９９℃（７５０°Ｆ）の間の温度まで加熱される請求項１に記載の燃料インジェクタ。
【請求項５】
前記入力燃料調量システムが、インライン形燃料フィルタ、調量ソレノイド、および液体燃料ニードル弁を有する請求項１に記載の燃料インジェクタ。
【請求項６】
前記液体燃料ニードル弁が、電磁気的または圧電的に作動されるニードル弁であって、前記次の装填燃料を前記加圧室内に分配するニードル弁を有する請求項５に記載の燃料インジェクタ。
【請求項７】
前記インジェクタ・ノズルが、前記加圧室と前記内燃機関の前記燃焼室との間に配設される請求項１に記載の燃料インジェクタ。
【請求項８】
前記装填燃料が、前記入力燃料調量システムによって分配され、前記加圧室内で前記燃料インジェクタの高温区域によって加熱される請求項１に記載の燃料インジェクタ。
【請求項９】
前記触媒が前記燃料の分解を開始し、そして該燃料を１つまたは複数の内部酸素源と反応させる請求項１に記載の燃料インジェクタ。
【請求項１０】
前記１つまたは複数の内部酸素源が、ＭＴＢＥ、エタノール、他のオクタン価およびセタン価向上剤、ならびに他の燃料酸素化剤からなる群から選択される請求項９に記載の燃料インジェクタ。
【請求項１１】
前記１つまたは複数の内部酸素源が、前記機関の排気サイクルの間に、前記インジェクタ・ノズルのピン弁を開くこと、および前記加圧ラムを引っ込めることによって引き入れられる高温の排気ガスを含む請求項９に記載の燃料インジェクタ。
【請求項１２】
前記１つまたは複数の内部酸素源が、前記加圧室と連通した空気取入ピンホールを通して引き入れられる外気を含む請求項９に記載の燃料インジェクタ。
【請求項１３】
前記インジェクタ・ノズルが、インジェクタ・ノズルのピン弁、前記装填燃料をコリメートするためのコリメータ、およびピン弁アクチュエータを有する請求項１に記載の燃料インジェクタ。
【請求項１４】
前記インジェクタ・ノズルのピン弁が、約１８０°のサイクル回転で開き、コリメートされた前記装填燃料を前記燃焼室内に分配する請求項１３に記載の燃料インジェクタ。
【請求項１５】
前記ピン弁アクチュエータがピン弁ソレノイドを有し、該ピン弁ソレノイドは、前記次の装填燃料を前記インジェクタ・ノズルのピン弁を通して前記燃焼室内に噴射するようにピン弁駆動軸を作動させる請求項１３に記載の燃料インジェクタ。
【請求項１６】
前記ピン弁駆動軸は、前記加圧ラムの内側で同軸上を摺動し得るように、前記加圧ラムの孔の中に配設される請求項１５に記載の燃料インジェクタ。
【請求項１７】
前記ピン弁駆動軸が前記加圧ラムに対して所定の角度で配設される請求項１５に記載の燃料インジェクタ。
【請求項１８】
前記ピン弁駆動軸が前記加圧ラムとは独立に動作する請求項１５に記載の燃料インジェクタ。
【請求項１９】
前記加圧ラムおよび前記ピン弁駆動軸が機関の開始動作中に繰り返し動かされ、それによって前記燃料インジェクタをパージおよび清浄化する請求項１５に記載の燃料インジェクタ。
【請求項２０】
前記インジェクタ・ノズルが、該インジェクタ・ノズルに沿って並ぶニクロム加熱要素を用いて電気的に加熱される請求項１に記載の燃料インジェクタ。
【請求項２１】
前記ピン弁アクチュエータが、高速応答の電磁気式駆動装置または圧電式駆動装置を有する請求項１３に記載の燃料インジェクタ。
【請求項２２】
前記加圧ラム・システムが、前記加圧ラムを完全引込み位置と完全排出位置の間で移動させるための加圧ラム駆動装置をさらに有する請求項１に記載の燃料インジェクタ。
【請求項２３】
前記加圧ラムが前記完全引込み位置にあるときに前記次の装填燃料が前記加圧室に入ること、また前記加圧ラムが前記装填燃料を圧縮すると、該装填燃料が液体から気体に変化し、次いで臨界点に達してそれを上回り、きわめて高密度の蒸気になることを特徴とする請求項２２に記載の燃料インジェクタ。
【請求項２４】
前記加圧ラムが、磁気活動部分、絶縁部分、および該加圧ラムが前記完全排出位置にあるときに実質的に前記燃料インジェクタの高温区域内に配置される高温区域適合部分を有する請求項２２に記載の燃料インジェクタ。
【請求項２５】
前記加圧ラムは、完全な引込み位置にあるときに前記燃焼室内に減圧を生成することができ、それによって前記入力燃料調量システムが、前記次の装填燃料を比較的低温の液体として噴射することが可能である請求項２２に記載の燃料インジェクタ。
【請求項２６】
前記加圧ラム駆動装置が、引込みソレノイドおよび加圧ソレノイドを有する複数巻線のソレノイド・コイル・システムを含む請求項１に記載の燃料インジェクタ。
【請求項２７】
前記加圧ラム駆動装置が、前記加圧ラムを駆動するためのリニア・ステッピング・モータを含む請求項１に記載の燃料インジェクタ。
【請求項２８】
前記燃料インジェクタが、前記内燃機関の排気口の中に直接収容される請求項１に記載の燃料インジェクタ。
【請求項２９】
前記燃料インジェクタが、高オクタン価燃料、高セタン価燃料、およびガス機関燃料とディーゼル機関燃料の混合物で動作する請求項１に記載の燃料インジェクタ。
【請求項３０】
前記燃料インジェクタが、ガソリン、ディーゼル燃料、ならびにセタン、ヘプタン、エタノール、植物油、バイオディーゼル、アルコール類および植物抽出物の様々な混合物で動作する請求項１に記載の燃料インジェクタ。
【請求項３１】
燃料を内燃機関の燃焼室内に分配するための高温レール・システムであって、前記燃料インジェクタが、
低圧の燃料を受け入れるため、および該燃料を、１つまたは複数の等しい長さの供給ラインを経由して１つまたは複数の前記燃料インジェクタに高圧で注入するための、機関によって駆動される高圧ポンプを有し、各燃料インジェクタが、
次の装填燃料を加圧室内に分配するための入力燃料調量システムと、
前記装填燃料を前記加圧室内で圧縮するための加圧ラムを含む加圧ラム・システムであって、前記装填燃料は、触媒の存在下で、前記加圧室内において加熱される加圧ラム・システムと、
前記加熱および触媒作用を受けた装填燃料を前記内燃機関の前記燃焼室内に噴射するためのインジェクタ・ノズルと
を有している高温レール・システム。
【請求項３２】
燃料インジェクタごとに電動の予熱器をさらに有する請求項３１に記載の高温レール・システム。
【請求項３３】
各予熱器は、前記燃料が燃料インジェクタに入る前に前記燃料を約２０４℃（４００°Ｆ）まで予熱するように構成される請求項３２に記載の高温レール・システム。
【請求項３４】
等しい長さの４つの供給ラインと４つの予熱器とに関連付けられた４つの燃料インジェクタを有する請求項３１に記載の高温レール・システム。
【請求項３５】
等しい長さの８つの供給ラインと８つの予熱器とに関連付けられた８つの燃料インジェクタを有する請求項３１に記載の高温レール・システム。
【請求項３６】
前記高温レール・システムは、パージ入口を介して前記高圧供給ポンプに導入される不活性ガスまたは不活性液体によってパージされる、請求項３１に記載の高温レール・システム。
【請求項３７】
パージが、停止中、前記システムを環境温度まで冷却する間に実施される請求項３６に記載の高温レール・システム。
【請求項３８】
前記インジェクタ・ノズルが、インジェクタ・ノズルのピン弁、前記装填燃料をコリメートするためのコリメータ、およびピン弁アクチュエータを有する請求項３１に記載の高温レール・システム。
【請求項３９】
前記インジェクタ・ノズルのピン弁は、ほぼ上死点で開いて、コリメートされた前記装填燃料を前記燃焼室内に分配する請求項３８に記載の高温レール・システム。
【請求項４０】
前記ピン弁アクチュエータがピン弁ソレノイドを有し、該ピン弁ソレノイドが、前記インジェクタ・ノズルのピン弁を通して前記次の装填燃料を前記燃焼室内に噴射するようにピン弁駆動軸を作動させる請求項３８に記載の高温レール・システム。
【請求項４１】
前記ピン弁駆動軸は、前記加圧ラムの内側で同軸上を摺動し得るように、前記加圧ラムの孔の中に配設される請求項４０に記載の高温レール・システム。
【請求項４２】
前記ピン弁駆動軸が前記加圧ラムに対して所定の角度で配設される請求項４０に記載の高温レール・システム。
【請求項４３】
前記ピン弁駆動軸が前記加圧ラムとは独立して動作する請求項４０に記載の高温レール・システム。
【請求項４４】
各燃料インジェクタが、高オクタン価燃料と、高セタン価燃料と、ガス機関燃料およびディーゼル機関燃料の混合物とで動作する請求項３１に記載の高温レール・システム。
【請求項４５】
各燃料インジェクタが、ガソリンと、ディーゼル燃料と、セタン、ヘプタン、エタノール、植物油、バイオディーゼル、アルコール類および植物抽出物の様々な混合物とで動作する請求項３１に記載の高温レール・システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広義には燃料噴射システムに関し、より詳細にはインジェクタ着火式機関用の、加熱および触媒作用を受ける（ｈｅａｔｅｄ  ａｎｄ  ｃａｔａｌｙｚｅｄ）燃料インジェクタに関する。
【背景技術】
【０００２】
世界のエネルギー消費の多くは、内燃機関ベースの車両に動力を供給するために使われている。ほとんどのガソリン車およびディーゼル車のエンジン効率は２０〜３０％に過ぎないため、炭化水素燃料の大部分が無駄になり、それによって地球上の資源を枯渇させると同時に、過大な量の汚染物質および温室効果ガスを発生させる。図１（従来技術）に示すように、通常の機関によって使用されるエネルギーの約３分の１は冷却システムでの廃熱となって現れ（冷却負荷４）、別の約３分の１のエネルギーは排気管から出て行き（排気エンタルピー２）、残って実用的な仕事を行うのは３分の１以下である（軸出力６）。内部レベルでは、こうした非効率は、火花点火式ガソリン機関または圧縮点火式のディーゼル機関の内部での従来の燃焼工程がピストンおよびクランクの回転動力（すなわち機関の動力行程）に比べて時間がかかり過ぎることに起因している。
【０００３】
図２（従来技術）は、着火遅れ時間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を含む、効率の高い欧州の直接噴射式ディーゼル機関のサイクルにおける典型的な熱放出プロファイル７を示している。約１８０°のサイクル回転（上死点ＴＤＣ）より前の燃焼は、無駄な熱負荷の増大をもたらし、同時に、後期燃焼段階１４での燃焼によるエネルギーの大部分（約２００°より後）が排熱として無駄になる。換言すれば、ピストンがその行程の最高位置にあるときに始まり、下方に約２０度回転する（１８０°〜２００°）時間の間の熱放出によって与えられる仕事が、実用的な仕事の最も高い割合を占める。上死点より前の熱放出によって、最終的には冷却ジャケットでの廃熱となって現れる、回転に対する押し戻しが生じる。着火を完全に生じさせるには機関の回転タイミングに比べてかなりの時間を要するため、ガス機関およびディーゼル機関では着火を早めに開始させなければならない。後期燃焼段階１４では、燃料は動力行程の実用的な限界を過ぎても燃焼を続け、廃熱を排気システムに放出する。
【発明の開示】
【０００４】
本発明は、主として内燃機関の動力行程中に、または実質的に内燃機関の動力行程中のみに燃料を分配するための、１つまたは複数の加熱および触媒作用を受ける（ｈｅａｔｅｄ  ａｎｄ  ｃａｔａｌｙｚｅｄ）燃料インジェクタの使用を伴う。インジェクタは、超臨界蒸気相において、電気ヒータまたは他の手段により外部から加えられた熱によって、燃料を容易に酸化する。インジェクタは、ガソリン、ディーゼルおよび様々なバイオ燃料を含む広範な液体燃料で動作することができる。さらに、インジェクタは室内圧力で着火し、内燃機関の現実的な圧縮限界まで達することができる。インジェクタは、火花点火であるか圧縮点火であるかに関係なく動作することができるため、本明細書ではその動作を「噴射−着火式」と称する。
【０００５】
本発明によれば、内燃機関用の好ましいインジェクタ着火式燃料インジェクタは、次の装填燃料を加圧室内に分配するための入力燃料調量システムと、装填燃料を加圧室内で圧縮するための加圧ラムを含む加圧ラム・システムであって、装填燃料を加圧室内で触媒の存在下で加熱する加圧ラム・システムと、加熱および触媒作用を受けた装填燃料を内燃機関の燃焼室内に噴射するためのインジェクタ・ノズルとを有している。インジェクタ・ノズルは、加圧室と燃焼室の間に配設される。いくつかの実施例によれば、燃料インジェクタは、実質的に内燃機関の動力行程中にのみ装填燃料を分配する。実施例として、触媒を、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・二酸化ケイ素、他の空気極酸素還元触媒、および炭化水素の分解（ｃｒａｃｋｉｎｇ）に使用される他の触媒からなる群から選択することができる。一実施例では、装填燃料が約３９９℃（７５０°Ｆ）まで加熱される。インジェクタ着火式インジェクタは大気圧で着火可能であるが、本発明の好ましい実施例では、インジェクタは高圧で着火する。
【０００６】
内燃機関は機関制御ユニット（ＥＣＵ）の命令に従って動作し、このＥＣＵは、（ｉ）機関サイクルごとに各シリンダ内に噴射される燃料の量、（ｉｉ）着火タイミング、（ｉｉｉ）可変カム・タイミング（ＶＣＴ）、（ｉｖ）様々な周辺装置、および（ｖ）内燃機関の動作の他の観点といった、機関の動作の様々な観点を制御し得る。ＥＣＵは、ＭＡＰセンサ、スロットル位置のセンサ、空気温度のセンサ、機関冷却水の温度センサおよび他のセンサを含む各センサによって機関をモニターすることにより、燃料の量、着火タイミングおよび他のパラメータを決定する。
【０００７】
本発明のインジェクタ着火式燃料噴射システムは、液体燃料を、その室内圧力における沸点をかなり超えるまで加熱する。しかし、水のように、ほとんどの炭化水素燃料およびアルコール類は高い圧力によって沸点が高まり、したがって液体を加圧下で加熱したときには、その標準の大気点をかなり超えても液体の形のままであり、また低い圧力で蒸発させ、次いで急速に加圧した場合には、再び凝縮して液相になる。しかし、もはや液相を維持することができなくなる、または再び圧縮して液相に戻ることができなくなる圧力および温度の点が存在する。これは一般に臨界点と呼ばれ、臨界温度および臨界圧力を含む。臨界温度および圧力を超えると、もはや液体を生成することができなくなり、したがって、対応する液体の密度を超えて分子が圧縮されたとしても、分子は気相で相互作用する。ＣＲＣ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ  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℃（５１２°Ｆ）、臨界圧力は２．７４ＭＰａ（３９７ｐｓｉ）である。
【０００８】
本発明のインジェクタ着火式システムは、主に気相または超臨界流体相で作用する酸素還元触媒を利用する。触媒は、利用可能な０．１重量％〜５重量％の範囲の酸素を燃料混合物中の１つまたは複数の成分と化合させて、反応性の高い部分的に酸化されたラジカルを形成する。このラジカルは、主燃焼室の酸素が非常に豊富な環境に曝されると、きわめて急速に酸化を続けるようになる。きわめて高速の燃焼（１００マイクロ秒の範囲以下）に必要なそうした活性ラジカルの実際の数は非常に少なく、主燃焼室の反応区域内での分子の平均自由行程、および反応波面の伝播遅延に大きく依存する。例えば大気圧における温度および酸素濃度の適切な条件の下では、燃焼波面はだいたい、基準となる状況で約３０．４８ｃｍ（１フィート）／ミリ秒である音速で移動する。したがって主燃焼室での１０ミリ秒の燃焼遅れを目標にすることは、こうしたフリー・ラジカルを０．２５ｃｍ（０．１インチ）程度の間隔またはそれより密に分散させる必要があることを示しており、立方インチあたりの分子数がきわめて多いことに基づくと、そのためには、そうしたラジカルの濃度を非常に小さくする必要がある。
【０００９】
同様に、燃料インジェクタ内に生成される各ラジカルが、燃料からの化学結合エネルギーを利用し、その結果、主燃焼室内の化学結合エネルギーはその量だけ減少する。したがって、生成されるフリー・ラジカルの数を、きわめて高速の着火を保証するだけ十分に高く、噴射された燃料のエネルギー含量の低下を最小限に抑えるだけ十分に低いレベルに抑えることが、きわめて有利である。さらに、ほとんどの酸素還元触媒は、特に５３８℃（１０００°Ｆ）の範囲以上の高い温度まで加熱されると、熱分解（ｔｈｅｒｍａｌ  ｃｌａｃｋｉｎｇ）の触媒としても働くようになる。インジェクタ内での燃料の熱分解は、初めは触媒の表面を汚染し、継続させた場合には、実際にインジェクタを通る燃料の流れを妨げる炭素の生成をまねくため、きわめて望ましくない。さらに、短鎖に分解された成分は、典型的には、オクタンおよびヘプタンより高い自着火温度および高い気化熱を有しており、一般的に行われる実験条件の下でインジェクタを過度に加熱すると、実際に着火遅れが増して前述の理想的な状態を超え、やはり急速な炭素生成をまねく。
【００１０】
前述のことに照らすと、本明細書に記載されるインジェクタ着火式インジェクタは、ほとんどの燃料成分が超臨界相にあるような温度および圧力において適度な活性を有する、広く分散させた（すなわち低濃度の）酸素還元触媒を、最適な形で利用する。ニッケルはそうした触媒の１つであり、１００バールで３１６〜３９９℃（６００〜７５０°Ｆ）の範囲内で作用することが分かっている。
【００１１】
本発明の原理によれば、燃料の流量および燃料と触媒の接触面積と共に外部の熱源を注意深く制御することによって、燃料に対して必要な熱の入力を最小限に抑え、触媒作用による酸化工程によって反応区域にあまり熱エネルギーを与えることなく、適切な数のラジカルを発生させることができる。そのように付加される熱エネルギーは、急速な熱暴走を生じ、利用可能な酸素をすべて消費し、それによって、結果として生じる燃料のエネルギー含量を著しく低減し、炭素生成を促進する可能性もある。市販の燃料は１％〜１０％の酸素化剤を含む可能性があるため、このことが特に問題となる。
【００１２】
本発明によれば、入力燃料調量システムは、インライン形の燃料フィルタ、調量ソレノイド、および電磁気的または圧電的に作動されるニードル弁であって、次の装填燃料を加圧室内に分配するニードル弁を含む液体燃料ニードル弁を有している。入力燃料調量システムによって分配された装填燃料は、加圧室内で燃料インジェクタの高温区域によって加熱され、触媒が燃料の分解を開始し、燃料を１つまたは複数の内部の酸素源と反応させる。例えば、１つまたは複数の内部の酸素源には、（ｉ）メチルターシャリーブチルエーテル（ＭＴＢＥ）、エタノール、他のオクタン価およびセタン価向上剤、ならびに他の燃料用の酸素化剤などの標準的な燃料用の酸素供給物、（ｉｉ）機関の排気サイクルの間に、インジェクタ・ノズルのピン弁を開き、加圧ラムを引っ込めることによって引き入れられる高温の排気ガス、および／または（ｉｉｉ）加圧室と連通した空気取入ピンホールを通して引き入れられる外気を含んでいてもよい。
【００１３】
燃料インジェクタの好ましい実装形態によれば、インジェクタ・ノズルは、インジェクタ・ノズルのピン弁、装填燃料を平行にするためのコリメータ、およびピン弁アクチュエータを有している。インジェクタ・ノズルのピン弁は、約１８０°のサイクル回転で開き、平行になった（コリメートされた）装填燃料を燃焼室内に分配する。さらに、インジェクタ・ノズルを、インジェクタ・ノズルに沿って並ぶニクロム加熱要素を用いて電気的に加熱することができる。ピン弁アクチュエータは、次の装填燃料をインジェクタ・ノズルのピン弁を通して燃焼室内に噴射するようにピン弁駆動軸を作動させるピン弁ソレノイドを有していてもよい。一体型の燃料インジェクタの構成によれば、ピン弁駆動軸は、加圧ラムの内側で同軸上を摺動することができるように、加圧ラムの孔の中に配設される。一体型インジェクタでは、ピン弁駆動軸は加圧ラムとは独立して動作する。さらに、燃料インジェクタをパージおよび清浄化するために、機関の開始動作の際に、加圧ラムおよびピン弁駆動軸が繰り返し動かされる。リニア燃料インジェクタの構成によれば、ピン弁駆動軸が加圧ラムに対して傾けて配設される。
【００１４】
本発明によれば、加圧ラム・システムはさらに、加圧ラムを完全引込み位置と完全排出位置との間で移動させるための加圧ラム駆動装置を有することができる。具体的には、加圧ラムが完全引込み位置にあるとき、次の装填燃料が加圧室に入り、装填燃料が液体から気体に変化し、次いで臨界点に達してそれを上回り、きわめて高密度の蒸気になると、加圧ラムが装填燃料を圧縮する。加圧ラムは、磁気活動部分、絶縁部分、および加圧ラムが完全排出位置にあるときに実質的に燃料インジェクタの高温区域内に配置される高温区域適合部分を有することができる。加圧ラムは完全引込み位置にあるとき、加圧室内に部分真空または減圧を生成することができ、それによって入力燃料調量システムが、次の装填燃料を比較的低温の液体として噴射することが可能になる。さらに加圧ラム駆動装置は、引込みソレノイドおよび加圧ソレノイドを有する複数巻線のソレノイド・コイル・システムを含むことができる。あるいは、加圧ラム駆動装置は、加圧ラムを駆動するためのリニア・ステッピング・モータを含むことができる。
【００１５】
本発明の他の実施例によれば、内燃機関用の高温レール・システムは、低圧の燃料を受け入れ、その燃料を、１つまたは複数の等しい長さの供給ラインを経由して１つまたは複数の燃料インジェクタに高圧で注入するための、機関によって駆動される高圧ポンプを有し、各燃料インジェクタは、（ｉ）次の装填燃料を加圧室内に分配するための入力燃料調量システムと、（ｉｉ）装填燃料を加圧室内で圧縮するための加圧ラムを含む加圧ラム・システムであって、装填燃料を加圧室内で触媒の存在下で加熱する加圧ラム・システムと、（ｉｉｉ）加熱および触媒作用を受けた装填燃料を内燃機関の燃焼室内に噴射するための、インジェクタ・ピンおよびアクチュエータを有するインジェクタ・ノズルとを有している。高温レール・システムはさらに、燃料インジェクタごとに電動の予熱器を有することができ、各予熱器は、燃料インジェクタに入る前に燃料を約２０４℃（４００°Ｆ）まで予熱するように構成される。
【００１６】
一実施例によれば、高温レール・システムは、等しい長さの４つの供給ラインと４つの予熱器とに関連付けられた４つの燃料インジェクタを有している。他の実施例では、システムは、等しい長さの８つの供給ラインと８つの予熱器とに関連付けられた８つの燃料インジェクタを有している。高温レール・システムは、パージ入口を介して高圧供給ポンプに導入される不活性気体または不活性液体を用いてパージすることができる。パージは停止中、システムを周囲温度まで冷却する間に実施することができる。
【００１７】
本発明の好ましい高温レール・システムでは、各インジェクタ・ノズルは、インジェクタ・ノズルのピン弁、装填燃料を平行にするためのコリメータ、およびピン弁アクチュエータを有し、このインジェクタ・ノズルのピン弁は、約１８０°のサイクル回転で開き、平行になった装填燃料を燃焼室内に分配する。ピン弁アクチュエータは、次の装填燃料をインジェクタ・ノズルのピン弁を通して燃焼室内に噴射するようにピン弁駆動軸を作動させるピン弁ソレノイドを有していてもよい。
【実施例】
【００１８】
以下の段落では、添付図面を参照しながら実施例によって本発明について詳しく説明する。この説明全体を通して示される好ましい実施形態および実施例は、本発明を限定するものではなく例示するものと考えるべきである。本明細書で用いる「本発明」とは、本明細書において説明する発明の実施例の任意のものおよび任意の同等物を指す。さらに、この明細書全体を通して「本発明」の（１つまたは複数の）様々な特徴に言及するが、それは、請求する実施例または方法すべてが、言及された（１つまたは複数の）特徴を含まなければならないことを意味するものではない。
【００１９】
本発明の原理に従って、内燃機関用のインジェクタ着火式燃料インジェクタが提供される。燃料インジェクタは、（ｉ）次の装填燃料を加圧室内に分配するための入力燃料調量システムと、（ｉｉ）装填燃料を加圧室内で圧縮するための加圧ラムを含む加圧ラム・システムであって、装填燃料を加圧室内で触媒の存在下で加熱する加圧ラム・システムと、（ｉｉｉ）加熱および触媒作用を受ける装填燃料を内燃機関の燃焼室内に噴射するための、インジェクタ・ピンおよびアクチュエータを有するインジェクタ・ノズルとを有することができる。
【００２０】
デトネーションは、きわめて高速の燃焼をもたらす別の形の燃焼を含むものであり、一般には、誤って調整された自動車エンジンでよく生じるノッキングとなって現れる。通常の内燃機関は、着火前に燃料の全装填量をシリンダに入れる。デトネーションによって、燃料の全装填量のかなりの部分が数マイクロ秒のうちに着火し、エンジン部分に損傷を与える恐れのある過剰な圧力上昇をもたらす。こうした条件は通常、誤って調整されたエンジンにおいて制御されない形で生じ、動力行程を生じさせるのに適切ではないときに燃料の爆発を引き起こす。さらに、このタイプのデトネーションは、給気を圧縮して燃料を蒸発させる着火遅れに従属している。
【００２１】
図３を参照すると、通常のガス機関での緩慢燃焼と、本発明の原理に従った燃料インジェクタ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違いを説明する概略図が示してある。特に通常のガス機関での着火は、実質的に燃料密度の低い緩慢燃焼区域２０で生じる。それに対して、本明細書に記載の燃料インジェクタを有する内燃機関では、着火は実質的に燃料密度の高い急速燃焼区域２２で生じる。急速燃焼区域２２では、装填燃料の導入面を数マイクロ秒足らずで完全に燃焼させる。
【００２２】
図４を参照すると、本発明の原理に従った燃料インジェクタを有する内燃機関に関する熱放出プロファイル２６を説明する概略図が示してある。特に熱放出プロファイル２６は、着火遅れ時間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を含む、図２に示した欧州の直接噴射式ディーゼル機関のサイクルに関する典型的な熱放出プロファイル７の上に重ねられている。欧州の直接噴射式ディーゼル機関と比べて、本明細書で述べる（熱放出プロファイル２６を有する）燃料インジェクタは、動力行程を最適に生じさせる適切なクランク角度で直ちに着火する燃料を正確に調量する。具体的には、燃料インジェクタは、実質的に動力行程中にのみ、直ちに燃焼する燃料を正確に分配し、それによって機関内部で初期段階（冷却負荷）と最終段階（排気エンタルピー）の両方における熱損失を著しく低減させる。本発明のいくつかの実施例によれば、通常の低オクタン価ガソリン（ｌｏｗ  ｏｃｔａｎｅ  ｐｕｍｐ  ｇａｓｏｌｉｎｅ）を調量して燃料インジェクタに供給し、燃料インジェクタが装填燃料を加熱、蒸発、圧縮および穏やかに酸化し、次いで比較的低圧のガス・カラムとして燃焼室の中心に分配する。
【００２３】
図５を参照すると、通常の自動車用ディーゼル機関の高スワール、高圧縮の燃焼室を含む、内燃機関用の燃焼室２８が示してある。特に燃焼室２８は、実質的にシリンダ・ヘッド３２の中央に取り付けられた、本発明の加熱および触媒作用を受けるインジェクタ着火式燃料インジェクタ３０を含む。高温ガスの燃料カラム３６が燃焼室２８内に噴射されると、その導入面３７が自動爆発し、それによって燃料カラム３６が半径方向に分配され、矢印４０で示した方向のスワール３８のパターンになる。導入面３７はデトネーションの境界面であり、スワール３８は、高速の稀薄燃焼をもたらす分散したガスおよび空気である。そうした燃焼室の構成により、高い温度および圧力の使用によって燃料の０．１％〜５％が燃料インジェクタ３０の中であらかじめ酸化された、適切な通常の稀薄燃焼の環境が与えられる。図５のファンの形をした要素４１は、半径方向に広がる装填燃料の回転運動を示し、それは燃焼室２８の中を旋回する（渦巻く）。装填燃料は対称に広がることができる、あるいはそれぞれが複数のジェット（例えば４つのジェット）を含む、１つまたは複数のオフセットしたジェットの列を含むことができる。当業者には理解されるように、本発明の範囲から逸脱することなく、任意の数のジェットを形成することが可能である。
【００２４】
さらに図５を参照すると、加熱および触媒作用を受ける燃料インジェクタ３０内での前酸化は、インジェクタの室壁上の表面触媒、および標準的な酸素化剤を含む酸素源を必要とすることがある。任意選択で、前酸化はさらに、例えば空気からまたはすぐ前の着火からの再循環排気ガスの形で、少量の追加の酸素を必要とすることがある。このわずかに酸化された燃料は、反応性が高く、部分的に酸化され、初期の燃料から分解された炭化水素鎖であるＲＯ２・およびＲＯＯＨ・の形のラジカルを含む。したがって噴射された燃料は、燃料カラム３６の中で比較的低温での自着火部位を提供し、この燃料カラム３６は、通常の自動車エンジンの構成材料に適合する温度および圧力の範囲内において、表面での自動的なデトネーションの開始、およびそれに続く稀薄燃焼をサポートする。
【００２５】
次に本発明の原理に従って、インジェクタの設計の細部とは関係なく、燃焼室２８内での燃焼工程に関するシリンダ内の力学について説明する。具体的には、燃焼工程は初めに比較的低圧のガス（例えば１００バール）のカラム３６の噴射を伴い、ガスが加熱されて、その自着火温度（例えば３９９℃（７５０°Ｆ））よりかなり高くなる。カラム３６は、反応性が高く、部分的に酸化され、初期の燃料から分解された炭化水素鎖であるＲＯ２・およびＲＯＯＨ・の形の予燃焼用のラジカルを約０．１％〜５％含むことができる。ガス・カラム３６は、自着火温度より高く加熱された給気に曝されると、燃焼室２８内の空気−燃料の境界面で自然に自動爆発する。デトネーションの衝撃面は、継続的なディスペンサの駆動と関連して、残りの入力燃料をかなり広い幾何学的体積にわたって分散させる。
【００２６】
残りの入力燃料を燃焼室２８内のより広い幾何学的体積にわたって分散させると、燃空比が著しく低減されるため、より緩慢に継続的に燃焼させることが容易になる。さらに、これによって（ｉ）初期の燃料の前酸化、および（ｉｉ）初期のデトネーション面の残部によって、エネルギーを与えられた着火源の濃度が高まるため、通常の稀薄燃焼よりかなり高い燃焼率が得られる。そうしたシステムは、大気圧から往復機関の圧縮の現実的な限界まで動作することが可能であり、熱力学的効率を最適にするには２０：１の圧縮比が好ましい。通常の軽量自動車用のディーゼル機関で一般的に実施されている（例えば図５に示すような）高スワール燃焼の形状を組み込むことによって、デトネーションによって引き起こされる燃料の分散を著しく高めることが可能である。本発明の燃料インジェクタと共に使用される燃料システムは、高オクタン価燃料および高セタン価燃料を任意の適切な割合で混合するためのタンクを含んでいてもよい。
【００２７】
本発明によれば、本明細書に記載の技術に基づく加熱および触媒作用を受ける燃料インジェクタ３０を、小型自動車用のディーゼル機関に、通常の直接的なディーゼル機関のインジェクタの代わりに取り付けることができる。交換されたディーゼル機関はガソリンで動作し、１６：１〜２５：１の範囲の高い圧縮比で動作することができる。高い圧縮比を得るためには、機関が通常の火花点火ではなく圧縮加熱を使用することが好ましい。当業者には理解されるように、本発明の範囲から逸脱することなく、本発明の燃料インジェクタを、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、植物抽出物の様々な混合物などの他の燃料、ならびにそれらの組み合わせと共に用いることができる。それでも、ディーゼル燃料に関する多くの用途では、炭化水素の長さがより短いガソリンを用いた動作が好ましく、その理由は、実質的に炭素の粒子状物質を発生させることがないためである。
【００２８】
図６を参照すると、本発明による好ましい加熱および触媒作用を受けるインジェクタ着火式燃料インジェクタ３０は、燃料入力部４４、入力燃料調量システム４６、電気コネクタ４８、ノズルのピン弁駆動装置５０、加圧ラム駆動装置５２、任意選択の空気取入ピンホール５４、取り付けフランジ５６、高温区域５８およびインジェクタ・ノズル６０を含む、加熱および触媒作用を受ける一体型のインジェクタ着火式インジェクタを有している。インジェクタ着火式燃料インジェクタ３０は、実際のメンテナンス・フリーの環境において、燃料の気化、加圧、活性化および分配をサポートする。本発明のインジェクタ着火式燃料インジェクタ３０に特徴的な動作圧力は約１００バールであり、４０バールのピークを生じさせる燃料装填の場合、２０：１の圧縮比の機関（２０バール）の中に分配する。好ましい実装形態では、一体型の燃料インジェクタ３０は、インジェクタ・ノズル６０に近い燃料インジェクタ３０の高温区域５８の中に配置される、内部のニッケル・モリブデン触媒を特徴とする。この触媒は、インジェクタ本体を約３９９℃（７５０°Ｆ）の温度で動作させることによって活性化することができる。もちろん当業者には理解されるように、本発明の範囲から逸脱することなく他の触媒およびインジェクタの動作温度を使用することもできる。
【００２９】
次に図７を参照して、本発明の一体型のインジェクタ着火式燃料インジェクタ３０の入力燃料調量システム４６について説明する。具体的には、入力燃料調量システム４６は、燃料を濾過するためのインライン形燃料フィルタ６６、所定の量の燃料を含むよう次の装填燃料を調量するための調量ソレノイド６８、および次の装填燃料を燃料インジェクタ３０の加圧室７２内に分配するための液体燃料のニードル弁７０を含んでいる。液体燃料のニードル弁７０は、機関制御ユニット（ＥＣＵ）におけるルック・アヘッド型のコンピュータ制御アルゴリズムに応答して次の装填燃料を加圧室７２内に分配する、電磁気的または圧電的に作動されるニードル弁を含むことが好ましい。入力燃料調量システム４６は、標準的なガソリン燃料ポンプまたはコモン・レール分配システムから燃料を受け入れることができる。
【００３０】
さらに図７を参照すると、一体型の燃料インジェクタ３０のインジェクタ・ノズル６０は、車両の加圧室７２と燃焼室２８の間に配設される。入力燃料調量システム４６によって分配された装填燃料は、加圧室７２の中で、加圧室７２を囲む燃料インジェクタ３０の高温区域５８によって加熱される。より詳細には、装填燃料は加圧室７２内で触媒の存在下で圧力を受けて加熱され、触媒が燃料の分解を開始し、燃料を内部の酸素源と反応させる。インジェクタ・ノズル６０は、インジェクタ・ノズルのピン弁７４、コリメータ７５およびピン弁アクチュエータ７１を有している。具体的には、ノズルのピン弁７４は、ほぼ上死点（１８０°のサイクル回転）で開き、それによって高温の加圧されたガスが燃焼室２８に入ることが可能になる。ピン弁アクチュエータ７１は、インジェクタ・ノズルのピン弁７４を通して次の装填燃料を噴射するようにピン弁駆動軸１１８を作動させるピン弁ソレノイドを有していてもよい。
【００３１】
一体型の燃料インジェクタの実施例では、ピン弁駆動軸１１８が加圧ラム９２の内側で同軸上を摺動することができるように、ピン弁駆動軸１１８は加圧ラム９２の孔の中に配置される。しかし、ピン弁駆動軸１１８は加圧ラム９２とは無関係に動作する。加圧ラム９２の上部のＯリング・シール１１９が、これら２つの軸の間の漏れ経路を遮断する。インジェクタ・ノズル６０は、加熱された燃料を平行にし、平行になった比較的低圧の高温ガスの供給をシリンダの中に分配するためのピン弁７４およびコリメータ７５を含むので、インジェクタ・ノズル６０の形状は典型的な液体燃料のインジェクタ・ノズルとはかなり異なる。具体的には、燃料インジェクタ３０のインジェクタ・ノズル６０は、例えばインジェクタ・ノズル６０に沿って並ぶ一般的なニクロム加熱要素１１４を用いて、電気的に加熱される。
【００３２】
インジェクタ・ノズル６０のピン弁アクチュエータ７１は、高速応答の電磁式駆動装置または圧電式駆動装置を有することができる。その最も単純な形では、インジェクタ・ノズルのピン弁７４が１００％開くと、加圧ラム９２が高温ガスのカラム全体を加圧室７２から燃焼室２８へと、インジェクタの容量の全排出量に達するまで押し込む。当業者には理解されるように、本発明の範囲から逸脱することなく、様々なスロットルの状態および負荷の状態の下で、様々な熱放出プロファイルを生じさせるアナログ駆動信号および／またはデジタル・パルス信号を用いて、ピン弁とラムの駆動調節に関する多くの組み合わせを使用することができる。
【００３３】
図８Ａおよび図８Ｂを参照すると、一体型のインジェクタ着火式燃料インジェクタ３０の他の構成要素は、加圧ラム９２、加圧ラム駆動装置５２、および噴射前に加圧室７２内の次の装填燃料を加熱するための燃料インジェクタ３０の高温区域５８を有する加圧ラム・システムを含んでいる。特に図８Ａは、加圧ラム９２が完全排出位置にある加圧ラム・システムの第１の構成を示している。
【００３４】
図８Ｂは、加圧ラム９２が液体燃料の加圧室７２への流入を可能にする完全引込み位置にある、加圧ラム・システムの第２の構成を示している。加圧ラム９２が燃料を圧縮すると、燃料が液体から気体に変化し、次いで臨界点に達してそれを上回り、きわめて高密度の蒸気になる。加圧ラム９２は、実質的に加圧ラム駆動装置５２の中に配置される磁気活動部分９６、絶縁部分９７、および加圧ラム９２が完全排出位置にあるときに実質的に高温区域５８の中に配置される高温区域適合部分９８を有している。加圧ラム９２の停止位置は、図８Ａに示した完全排出位置である。加圧ラム９２はさらに、流体の漏出を防止するための１つまたは複数のＯリング・シール１００を有していてもよい。
【００３５】
引き続き図８Ｂを参照すると、加圧ラム９２を引っ込めたとき、加圧室７２の中に部分真空または減圧を生成することができ、それによって入力燃料調量システム４６が、次の供給を比較的低温の液体として噴射することができる。加圧ラム９２は比較的長い行程を有しており、入力燃料調量システム４６を高温区域５８付近の高温から保護するための遮熱領域を組み込むことができる。加圧ラム駆動装置５２の中に配設される複数巻線のソレノイド・コイル・システム１０６、１０８は、引込みソレノイド１０６および加圧ソレノイド１０８を含む。複数巻線のソレノイド・コイル  システム１０６、１０８を、加圧ラム９２を駆動するために用いられるリニア・ステッピング・モータで置き換えることができる。
【００３６】
本発明の燃料インジェクタ３０は、自着火温度を超える燃料の燃焼をただ１度しか必要としないため、本質的に安全であり、（通常、燃焼が起こる）エンジン・シリンダに直接接続された頑丈な金属ハウジングに収容することができる。このように、燃料インジェクタ３０の高温区域５８は、既存のエンジン燃焼室２８の単なる延長部分と考えることができる。実施例として、燃料インジェクタ３０の高温区域５８を、高温区域５８に沿って並ぶ通常のニクロム加熱要素１１６によって電気的に加熱することができる。
【００３７】
ＥＣＵの電子制御の下で十分な磁場を印加して、装填燃料を、オペレータのスロットル位置によって特定される次の燃焼に見合った所定のレベルまで加圧する。装填燃料は加圧室７２内で（高温区域５８によって）、触媒の存在下で圧力を受けて加熱され、触媒は燃料の分解を開始し、燃料を内部の酸素源と反応させる。そうした内部の酸素源は、ＭＴＢＥ、エタノール、他のオクタン・向上剤およびセタン・向上剤など、包含されるアンチノック剤および冬期用の酸素供給物（ｏｘｙｇｅｎａｔｏｒ）、ならびに他の燃料用の酸素化剤によって通常のポンプ・ガスの中に存在する。ディーゼル燃料も一般に、オクタン価向上剤の形の酸素源を含む。本発明によれば、高温区域の触媒には、制限はないが、（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・二酸化ケイ素、（５）（例えば燃料電池のカソードおよび金属空気電池のカソードに用いられる）他の空気極の酸素還元触媒、ならびに（６）炭化水素の分解に使用される他の触媒を含むことができる。
【００３８】
好ましい実装形態によれば、高温区域５８の動作温度は約３９９℃（７５０°Ｆ）であり、それは３１６ステンレス鋼や油焼き入れした工具鋼などの一般的な構造材の腐食および熱に関連する強度低下を実質的に最小限に抑える温度である。それに対して、典型的な圧縮点火の動作温度は５３８℃（１０００°Ｆ）超である。高温区域５８はさらに、ニクロム電熱線を有することができる。他の実施例によれば、燃料インジェクタ３０の高温区域５８に酸素を注入してもよい。
【００３９】
再び図７を参照すると、インジェクタ着火式燃料インジェクタ３０は、機関の排気サイクル中、インジェクタ・ノズルのピン弁７４を開き、加圧ラム９２を引っ込めることによって、高温の排気ガスを引き込むことができる。通常の状況では、高温の排気ガスは依然として未反応の酸素を有しており、任意選択でその酸素を燃料の内部の酸素化剤と共に用いて、燃料を容易に酸化することができる。さらに燃料インジェクタ３０は、加圧ラム９２が完全引込み位置に配置されたとき、高温区域５８に追加の酸素を外気の形で加えることができるように、加圧室７２と連通する空気取入ピンホール５４を含むように構成することができる。空気取入ピンホール５４は、加圧行程中の燃料蒸気の漏出を防ぐためのボール弁（図示せず）などの逆止弁を備えることができる。さらに、排気ガスなど他の様々な形の空気を使用することができる。
【００４０】
本発明のいくつかの実施例によれば、加熱および触媒作用を受ける燃料インジェクタ３０は、本質的に自己パージおよび自己清浄化型である。具体的には、機関の始動動作の間、加圧ラム９２およびノズルのピン弁駆動軸１１８を繰り返し働かせることが可能であり、それによって、（ｉ）始動時に長期の機関停止による空気および水分をパージすること、および（ｉｉ）比較的大型のインジェクタ・ノズル６０によって炭素の蓄積を押し流すことが可能になる。通常の燃料インジェクタとは異なり、加圧ラム９２は比較的長い行程距離（６．３５ｍｍ（０．２５インチ）以上）を移動し、それが完全に伸びた位置ではノズル領域７４内の空隙容量をなくすことができる。
【００４１】
次に機関制御ユニット（ＥＣＵ）について考えると、本発明の燃料インジェクタ３０は、１回の着火サイクルのルック・アヘッド型アルゴリズムを用いて制御することができる。このアルゴリズムは、ＥＣＵに常駐しているコンピュータ・ソフトウェア・プログラムを用いて実施することが可能であり、ソフトウェア・プログラムは、燃料噴射を制御するための、機械で読み取り可能または解釈可能な命令を含む。そのアルゴリズムによれば、以下のように、すぐ前の機関着火の完了後、直ちに次の機関着火の準備が始まる。すぐ前の着火の最後では、（ｉ）燃料インジェクタ３０には燃料がなく、（ｉｉ）加圧ラム９２は完全排出位置にあり、（ｉｉｉ）インジェクタ・ノズルのピン弁７４は閉じられ、（ｉｖ）高温区域５８は実質的にその動作温度にある。最も単純な形の制御では、ＥＣＵはスロットルの入力を、すぐ前のスロットルの入力、機関の負荷、ＲＰＭ、空気取入温度および他の設定値などの以前の設定値、ならびに電子的な燃料制御手段と比較する。この情報を用いて、ＥＣＵが次の着火に対する燃料負荷および推定時間を決定する。
【００４２】
高温区域５８での燃料の保持時間を最小限に抑え、したがって燃料の過剰な分解を最小限に抑えるために、適切な遅れの後に次の着火サイクルが始まる。次の着火サイクルは初めに、加圧ラム９２を引っ込めることを伴い、それによって入力燃料調量システム４６が液体燃料のエーロゾルを高温区域５８に分配することが可能になる。次いで加圧ラム９２が、（１）燃料が加熱され蒸発する間、入力液体燃料インジェクタ３０を保護すること、および（２）燃料を目標の噴射圧力および温度まで加圧することを含む２ステップのサイクルで燃料を加圧する。第２のステップにおいて、燃料は蒸発して目標の噴射圧力および温度に達するように加熱される。（次の上死点事象から遡って算定された）所定の保持時間の後、インジェクタ・ノズルのピン弁７４が開き、加圧ラム９２が燃料蒸気のカラムを燃焼室２８に押し込み、加圧ラム９２が図８Ａに示したハード・ストップ位置に達する。次いでインジェクタ・ノズルのピン弁７４が閉じると、システムは次の着火命令に対する準備が整う。このサイクルについて、特に特定の熱放出プロファイルに合わせるための加圧ラム９２とインジェクタ・ノズルのピン弁７４の相互動作については、本発明の範囲から逸脱することなく広範な変形形態が可能である。動力行程の主要部分は、７２０°の４行程サイクルのうちの３０°の回転に過ぎないため、実際の噴射は有効な動作時間の約４％しかかからない。
【００４３】
さらに図７を参照すると、インジェクタ・ノズル６０を作動させるために必要なエネルギーは、理論的には駆動燃料のエネルギー含量のわずか２パーセントとすることができるが、高温断熱に対する大きさの制約など現実的な機関の設計を考慮すると、電気系統の動力のみによって駆動される場合、加熱の必要条件が軸出力の数パーセントまで高まる可能性がある。燃料インジェクタ３０は、動作中、１つまたは複数の機関の排気口のすぐ隣にあるため、きわめて効果的な廃熱の供給源を容易に利用することができる。本発明の燃料インジェクタ３０は、排気弁を通る流れを選択的に制御することができる多弁機関の排気口に直接収容することが可能である。さらに、排気区域から熱を取り入れる様々な能動的および／または受動的なヒート・パイプの形状を利用して、ヒータへの電気的入力を減らすことができる。
【００４４】
様々な自動車が、その直接噴射式ガソリン動力装置において、（１）アイドリング用のスロットル・ボディのインジェクタ、（２）低速動作用のコモン・レール給気ポートのインジェクタ、および（３）高速動作用の直接的なインジェクタを含む、３つ以上のタイプのインジェクタを使用することができる。同様に選択的に作動される火花着火源の有無にかかわらず、本明細書に記載の燃料インジェクタ３０を、単独で、またはスロットル・ボディのインジェクタおよびコモン・レールのインジェクタとの広範な組み合わせとして用いることができる。さらに、燃料インジェクタ３０は、純粋蒸気モードで動作すること、または蒸気と液体の混合物を分配することができる。高ＲＰＭおよび高負荷がめったに起こらない用途（例えば典型的な低価格車）では、熱的加熱能力が比較的低い燃料インジェクタを用いて、純粋蒸気の動作を、例えば約３６００ＲＰＭ未満の車両のクルーズ動作に限定することが望ましい場合がある。そうした燃料インジェクタが、所定のスロットル負荷の設定値を超えて徐々により多くの液体を通過させると、動作の効率は徐々に下がるが、純粋蒸気の設計点よりかなり高い出力レベルになる。
【００４５】
図９Ａを参照すると、本発明の別の実施例に従って、前述の一体型の燃料インジェクタの形状が、液体燃料調量システム４６’、引込みソレノイド１０６’、加圧ソレノイド１０８’、加圧ラム９２’、インジェクタ・ノズル６０’、ピン弁駆動ソレノイド７１’、ノズルのピン弁駆動軸１１８’および高温区域５８’を有する、加熱および触媒作用を受けるリニア燃料インジェクタ３０’に展開されている。この燃料インジェクタの構成によって、加圧ラム９２’の内側でのピン弁駆動軸１１８’の同軸配置に関するかなり複雑且つ厳密な要求が単純化される。換言すれば、ピン弁駆動軸１１８’は加圧ラム９２’の内側には配設されず、ピン弁駆動軸１１８’の内側で同軸上を摺動することはない。その代わり図９に示すように、加圧ラム９２’がピン弁駆動軸１１８’に対して傾斜して配設される。しかし、このリニアの構成では、加圧ラム９２’が一方の側へそれるため、一体型の形状による自己パージおよび自己清浄化の効果が低下し、インジェクタ・ノズル６０’のまわりの空隙容量を清浄化およびパージすることができなくなることに留意されたい。この構成は、図７および図８に示した一体型インジェクタと同じＥＣＵタイミングを利用する。動作時には、入力燃料調量システム４６’によって分配された装填燃料が、触媒の存在下で圧力を受けて高温区域５８’によって加熱され、触媒が燃料の分解を開始し、燃料を内部の酸素源と反応させる。ほぼ上死点にあるとき、ピン弁駆動軸１１８’が高温の加圧ガスを、インジェクタ・ノズル６０’を介して燃焼室内に噴射する。
【００４６】
図９Ｂは、本発明の高温レールの変形形態のために変更された、（図９Ａについて説明したような）加熱および触媒作用を受けるリニア燃料インジェクタ３０’を示している。より詳細には、高温レールに適合するリニア燃料インジェクタ３０’は、インジェクタ・ノズル６０’、ピン弁駆動ソレノイド７１’、ノズルのピン弁駆動軸１１８’、高温区域５８’、燃料入口１２５’および任意選択で予熱器１２７’を有している。図９Ａの実施例とは異なり、高温レールに適合するインジェクタは、液体燃料調量システム４６’、引込みソレノイド１０６’、加圧ソレノイド１０８’および加圧ラム９２’を含まない。動作時には、高圧ポンプ（例えば少なくとも１００バール）からの燃料が、燃料入口１２７’を通してインジェクタ３０’の中に分配される。次いで燃料は、触媒の存在下で圧力を受けて高温区域５８’によって加熱され、触媒が燃料の分解を開始し、燃料を内部の酸素源と反応させる。ほぼ上死点にあるとき、ピン弁駆動軸１１８’が高温の加圧ガスを、インジェクタ・ノズル６０’を介して燃焼室内に噴射する。
【００４７】
図１０を参照すると、１つまたは複数の図９の実施例の加熱および触媒作用を受けるリニア燃料インジェクタ３０’を特徴とする、高温のレール・システム１３０が示してある。具体的には、高温のレール・システム１３０は、ポンプ入口１３３を介して低圧の燃料（例えば約１〜５バール）を受け入れ、その燃料を１つまたは複数の等しい長さの供給ライン１３４を経由して１つまたは複数のリニア燃料インジェクタ３０’に注入するための、機関によって駆動されるポンプ１３２を有している。いくつかの実施例では、ポンプ１３２は、燃料を等しい長さの供給ライン１３４を経由して、１つまたは複数の図９Ａのリニア燃料インジェクタ３０’に注入するための中圧ポンプ（例えば３．４５ＭＰａ（５００ＰＳＩ）の範囲内）を含む。そうした実施例では、蒸気の形の燃料を十分低い温度（例えば２０４℃（４００°Ｆ））に維持して炭化水素の分解および劣化（ｄｅｇｒａｄａｔｉｏｎ）を最小限に抑えるために、燃料インジェクタ３０’ごとに電動の予熱器１３６が設けられる。他の実施例によれば、ポンプ１３２は、高圧の燃料（例えば約１００バール〜約１０００バール）を、等しい長さの供給ライン１３４を経由して１つまたは複数の図９Ｂのリニアの燃料インジェクタ３０’に注入するための、機関によって駆動される高圧ポンプを含む。
【００４８】
図示した実施例では、高温レール・システム１３０は、等しい長さの４つの供給ライン１３４および４つの予熱器１３６に関連付けられた、４つのリニア燃料インジェクタ３０’を含んでいる。当業者には理解されるように、本発明の範囲から逸脱することなく、任意の数のインジェクタ、ならびに対応する供給ラインおよび加熱器を使用することが可能である。例えば図１０の４つのインジェクタ・システムは４気筒エンジンでの使用に適しているが、そうしたシステムを２つ連結したものが８気筒エンジンでの使用に適している。動作時には、高圧の供給ポンプ１３２が、適合させた長さの供給管１３４によって個々にまとめられた予熱器１３６に供給を行う。いくつかの実施例では、適合させた長さの供給管１３４を高圧マニホルドで置き換えることができる。
【００４９】
本発明によれば、図１０の高温レール・システム１３０は、レーシング・カーのエンジンなど高いエンジン回転速度の用途に好ましい燃料噴射システムを有していてもよい。こうした用途には、頑丈な耐衝突性の取り付け具および保護ハウジングなど、加熱および加圧される比較的大容量の燃料に対する特別な予防策が求められることがある。いくつかの実施例では、燃料インジェクタ３０’を含む高温レール・システム１３０は、窒素などの不活性気体または水などの不活性液体を用いてパージすることが可能であり、パージ気体／液体は、パージ入口１３８を介して高圧供給ポンプ１３２に導入される。動作の開始段階および停止段階の間、燃料の熱分解による炭素の蓄積を防止するためにインジェクタ３０’がパージされる。パージは、例えば停止中、および／またはシステムを環境温度まで冷却する間に実施することができる。パージを行い、燃料加熱時のばらつきを最小限に抑えるために、高温レール・システム１３０のＥＣＵが、等しい長さの供給ライン１３４を使用することによって、等しい、または適合した燃料およびパージ流体の流量（したがって流動長）を生成できることが好ましい。
【００５０】
一体型の燃料インジェクタ３０でもリニア・インジェクタ３０’でも、液体ベースの入力燃料調量システムを中圧中温の供給システムで置き換えることによって、ＲＰＭを高め、物理的サイズを小さくして作動させることが可能である。機関上のすべてのインジェクタの間で共有可能なこのシステムは、中圧ポンプ（例えば３．４５ＭＰａ（５００ＰＳＩ）の範囲内）、および蒸気の形の燃料を十分低い温度（例えば２０４℃（４００°Ｆ））に維持して炭化水素の分解および劣化を最小限に抑えるための予熱コイルを利用することができる。動作時には、あらかじめ加熱され、あらかじめ気化された装填燃料が、駆動ラムの流入点で前述のインジェクタの構成のいずれかに導入され、それによってラムに要求される排出量、大きさおよび熱入力が低減され、より高速の動作が可能になる。
【００５１】
本発明の他の実施例によれば、前述の中圧ポンプを、逆止弁を通して予熱コイルに供給を行う外部の高圧液体供給ポンプに置き換えることができる。径の小さい導管および取り付け具を用いて、高温区域の容量を小さくすることができる。過剰に分解された燃料による炭素の蓄積を最小限に抑えるために、停止後にシステムをパージすることができる。前述のポンプの実施例の構成要素の様々な組み合わせを併用することができる。例えば機関の大きさ、シリンダの数、燃料復帰システムの形状および他の要素に基づいて、注入の段階数およびポンプの配置を広範に変更することが可能である。
【００５２】
燃焼工程の実施例として、供給量１０ミリグラムの実験グレードのヘプタンを、通常の自動車用コモン・レール燃料インジェクタによって、わずかな割合のニッケルおよびモリブデンで内側を覆った約３９９℃（７５０°Ｆ）の高温チャンバの中に分配することができる。高温チャンバは、燃料の重量の５パーセント未満の残留酸素を有している。燃料が蒸発すると、ラムが徐々に投入燃料を約１００バールまで圧縮し、次いで燃料を、海面での大気圧力に対して開放された直径７．６２ｃｍ（３”）、深さ５．０８ｃｍ（２”）のカップの中心に分配する。コンピュータ制御のヒート・ガンにより、カップの接線方向に１秒あたり約３０回転のスワール・パターンとして約３９９℃（７５０°Ｆ）の空気を与える。噴射後、直径０．２５ｃｍ（０．１０”）のコリメータに通じる直径０．１０ｃｍ（０．０４０”）のノズルによって生成されたガス・カラムが、２．５４ｃｍ（１”）のノズル先端の中で自動爆発して、残りの装填燃料を横方向にスワール内に分散させ、それによって閉じ込めカップ（ｃｏｎｔａｉｎｍｅｎｔ  ｃｕｐ）を稀薄燃焼型の燃焼で満たす。閉じ込めカップは、２リットルの高スワールの４気筒自動車用ディーゼル機関に見られる、典型的な５００ｃｃのシリンダに代表される。
【００５３】
赤外センサおよび可聴周波数の衝撃波による熱放出分析は、同じ圧力および空気温度での通常のヘプタンのエーロゾルの噴射に対する実験用の燃焼用噴射容器のデータよりも、燃焼速度が少なくとも１００倍速いことを示している。１気圧で自着火が起こることは、この燃焼方式を、シリンダの最大圧力が約１気圧に過ぎないアイドリング状態にある通常の空気絞り式（オットー・サイクル）機関に使用できることを示している。標準的な実験用の燃焼噴射容器のデータは、圧縮比を２０：１まで高めると燃焼タイミングが約１００倍速まり、それによってオープン・スロットル式（ディーゼル・サイクル）機関での使用に十分な燃焼速度を生じさせることを示している。これは、前述の燃焼方式を、（１）空気絞り式の可変燃焼圧力（オットー・サイクル）モード、（２）オープン・スロットル式の一定燃焼圧力（ディーゼル・サイクル）モード、および（３）混合サイクル・モードを含む複数のモードによって、往復ピストン内燃機関における着火遅れを最小限に抑えた状態で使用できることを示している。
【００５４】
燃焼工程の他の実施例では、本明細書で述べる原理に従って、市販の１気筒直接噴射式ディーゼル機関（Ｙａｎｍａｒ  Ｌ４８Ｖ）に、電子制御燃料インジェクタを取り付けた。機関の排気量は、約２３：１の最大圧縮時で２２０立方センチメートルであった。インジェクタ・ノズルは、同じ大きさおよび方向の４つの半径方向のジェットを伴うノズルを有する標準のディーゼル機関用燃料インジェクタに適合されており、それによって実験用のインジェクタが、室温のインジェクタの動作で標準のディーゼル機関用燃料インジェクタを再現するようになされた。使用した燃料は、体積で約６０％の実験用セタン、３０％のヘプタンおよび１０％のエタノールで構成した。噴射圧力は約１００バールであり、機関の動作は、光学式の上死点センサであるＤｅｌｐｈｉの自動車用の圧電性ノック・センサ、および熱電対ベースの排気温度センサを用いてモニターした。機関は電気的に１２００ＲＰＭで作動させ、次いで１８００ＲＰＭに達した。４回の試運転を行い（ケースＩ〜ＩＶ）、各例において上死点に対する装填燃料の噴射について、好ましい電子的タイミングを決定した。
【００５５】
ケースＩでは、（本発明の電子制御の燃料インジェクタを含む）市販の１気筒直接噴射式ディーゼル機関を、室温のインジェクタの動作の下（すなわち加熱条件下ではない）で試験した。燃焼着火を開始するためには、電子的タイミングを上死点（１８０°のサイクル回転）より少なくとも４ミリ秒（ｍｓ）早めなければならなかった。さらに、標準のディーゼル機関には特有であるように、機関は不安定に始動し、大量のすすを発生させながらゆっくりと加速した。好ましい電子的タイミングは、約３．５ｍｓ早めるものと決定された。換言すれば、装填燃料の噴射を上死点の約３．５ｍｓ前に行うべきである。
【００５６】
ケースＩＩでは、インジェクタ本体を約３９９℃（７５０°Ｆ）の温度で作動させることによって、燃料インジェクタの内部のニッケル・モリブデン触媒を活性化させた。動作時には、機関はすぐに着火し、広範なタイミング条件で急速に加速した。好ましい電子的タイミングは上死点の約０．７ｍｓ前に決定され、好ましいタイミングは機関の暖機運転の影響を受けにくかった。さらに排気ガスの温度は、ケースＩに見られた温度よりかなり低く、機関効率が高いことを示していた。
【００５７】
ケースＩＩＩおよびＩＶでは、燃料混合物を、体積で約３０％の実験用セタン、６０％のヘプタンおよび１０％のエタノールに変更した。（ケースＩと同様の）ケースＩＩＩでは、本発明の燃料インジェクタを含むディーゼル機関を、室温のインジェクタの動作の下（すなわち加熱条件下ではない）で試験した。室温では、機関はこの燃料混合物によって動作しなかった。
【００５８】
（ケースＩＩと同様の）ケースＩＶでは、インジェクタ本体を約３９９℃（７５０°Ｆ）の温度で作動させることによって、燃料インジェクタの内部のニッケル・モリブデン触媒を活性化させた。機関はすぐに着火し、広範なタイミング条件で急速に加速した。好ましい電子的タイミングは、（ケースＩＩと同様に）上死点の約０．７ｍｓ前に決定され、好ましいタイミングは、やはり機関の暖機運転の影響を受けにくかった。さらに排気ガスの温度は、ケースＩＩに見られた温度よりかなり低く、機関効率が高いことを示していた。
【００５９】
したがって、インジェクタ着火式機関用の加熱および触媒作用を受ける燃料インジェクタが提供されることが理解される。限定ではなく例示の目的で本明細書に記載する様々な実施例および好ましい実施例以外のものによっても、本発明を実施することが可能であり、本発明は添付の特許請求の範囲によってのみ限定されることが当業者には理解されるであろう。本明細書で議論する特定の実施例と同等のものによっても、本発明を実施することが可能であることに留意されたい。
【００６０】
これまで、本発明の様々な実施例について説明してきたが、それらは限定ではなく例示のためにのみ記載されたことを理解すべきである。同様に、様々な図は、本発明に関する例示的な構造上のまたは他の構成を示すことができ、本発明に含まれ得る特徴および機能の理解を助けるものである。本発明は、図示した例示的な構造または構成に限定されず、様々な別の構造および構成を用いて所望の特徴を実現することができる。実際に、本発明の所望の特徴を実現するために、別の機能的、論理的または物理的な分割、および構成をどのように実施することができるかは、当業者には明らかであろう。また、本明細書に示したもの以外の多くの様々な構成要素モジュールの名称を、様々な部分に適用することができる。さらに、流れ図、動作の説明および方法の請求項については、特に指示しない限り、本明細書において各ステップを記載した順序は、列挙された機能を実施するために様々な実施例を同じ順序で実行することを要求するものではない。
【００６１】
これまで本発明を様々な例示的な実施例および実装形態について説明してきたが、１つまたは複数の個々の実施例において説明した様々な特徴、態様および機能は、その適用範囲について、それらの説明に用いた特定の実施例に限定されるわけではなく、そうした実施例が説明されているかどうか、またそうした特徴が説明された実施例の一部として記載されているかどうかにかかわらず、単独でまたは様々な組み合わせとして、本発明の１つまたは複数の他の実施例に適用することができることを理解すべきである。したがって、本発明の広さおよび範囲は、前述の例示的な実施例のいずれによっても限定されるべきではない。
【００６２】
本明細書で使用する用語および句、ならびにその変形形態は、特に明記しない限り、限定的ではなく制限のないものと解釈すべきである。その例としては、「含む」という用語は、「制限なしに含む」などの意味に解釈すべきである；「実施例」という用語は、議論の中で項目を網羅的または限定的に列挙することではなく、その例示的な実例を示すために用いられる；「１つ」という用語は、「少なくとも１つ」、「１つまたは複数」などの意味に解釈すべきである；「通常の」、「伝統的な」、「標準の」、「標準的な」、「既知の」などの形容詞および似た意味の用語は、説明された項目を、所与の期間、または所与の時間において利用可能な項目に限定するものと解釈すべきではなく、現在または将来の任意の時点で利用することができるまたは知ることができるようになる、通常の、伝統的な、標準のまたは標準的な技術を包含するものと解釈すべきである。同様に、本明細書において当業者には明らかまたは周知であろう技術に言及する場合、そうした技術は、現在または将来の任意の時点で当業者に対して明らかになる、または周知になる技術を包含する。
【００６３】
接続詞「および」によって結びつけられる項目の群は、そうした項目のそれぞれおよびすべてがその群の中にあることを要求するものと解釈すべきではなく、特に明記しない限り、「および／または」として解釈すべきである。同様に、接続詞「または」によって結びつけられる項目の群は、その群の間で互いに排他的であることを要求するものと解釈すべきではなく、特に明記しない限り、やはり「および／または」として解釈すべきである。さらに、本発明の項目、要素または構成要素を、単数で記載または請求することがあるが、単数に限定することを明記しない限り、複数もその範囲内であるものとする。
【００６４】
「１つまたは複数の」、「少なくとも」、「限定されないが」などの範囲を広げる語および句、ならびにいくつかの実例における他の同様の句の存在は、そうした範囲を広げる句がない可能性のある実例において、範囲がより狭いケースを意図するまたは要求することを意味すると解釈されるものではない。「モジュール」という用語の使用は、そのモジュールの一部として記載または請求された構成要素または機能が、すべて１つの共通のパッケージとして構成されることを意味するものではない。実際に、制御ロジックであれ他の構成要素であれ、モジュールの様々な構成要素の任意のものまたはすべてを、単一のパッケージとして組み合わせることも、別々に保つことも可能であり、さらに複数の位置に分散させることも可能である。
【００６５】
さらに本明細書で述べる様々な実施例は、例示的なブロック図、流れ図および他の図表によって説明される。本明細書を読んだ後、当業者には明らかになるように、図示した実施例に限定されることなく、図示した実施例およびその様々な代替形態を実施することが可能である。例えば、ブロック図およびそれに付随する説明を、特定の構造または構成を要求するものと解釈すべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】従来技術における、火花点火式ガソリン機関または圧縮点火式ディーゼル機関の内部での通常の燃焼工程における非効率を示す概略図である。
【図２】従来技術における、効率の高い欧州の直接噴射式ディーゼル機関のサイクルでの典型的な熱放出プロファイルを示す概略図である。
【図３】通常のガス機関における着火と、本発明の原理に従った燃料インジェクタを有する内燃機関における着火との違いを示す概略図である。
【図４】本発明の原理に従った燃料インジェクタを有する内燃機関に関する熱放出プロファイルを示す概略図である。
【図５】実質的にシリンダ・ヘッドの中央に取り付けられた、加熱および触媒作用を受ける燃料インジェクタを含む本発明の内燃機関用の燃焼室を示す図である。
【図６】本発明の原理に従って構成された、好ましい加熱および触媒作用を受けるインジェクタ着火式燃料インジェクタを示す図である。
【図７】燃料入口および出口のサブシステムを示す、図６の加熱および触媒作用を受けるインジェクタ着火式燃料インジェクタの断面図である。
【図８Ａ】ラムが完全排出位置にある、図６の燃料インジェクタの断面図である。
【図８Ｂ】ラムが液体燃料の加圧室への流入を可能にする完全引込み位置にある、図６の燃料インジェクタの断面図である。
【図９Ａ】リニア燃料インジェクタを有する本発明の別の燃料インジェクタの断面図である。
【図９Ｂ】高温レールの変形形態のために変更された、図９Ａのリニア燃料インジェクタの断面図である。
【図１０】１つまたは複数の図９の加熱および触媒作用を受けるリニア燃料インジェクタを特徴とする高温レール・システムを示す概略図である。
【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５】
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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９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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