(57)【要約】内燃機関に使用される液体燃料を気化する燃料インジェクタであり、この燃料インジェクタは、少なくとも一つの細管流路を備え、前記少なくとも一つの細管流路は、入口端部と出口端部とを有し、液体燃料源と流体連通して前記少なくとも一つの細管流路の前記入口端部を配置し、実質的に液体状態の液体燃料を導入する流体制御バルブと、前記少なくとも一つの細管流路に沿って配置され、その液体状態から気体状態に少なくともそれらの一部分が変化するのに十分なレベルに前記少なくとも一つの細管流路のその液体燃料を加熱し、前記少なくとも一つの細管流路の前記出口端部から実質的に気化された燃料の流れを噴出するように作動可能である熱源とを備えている。
2005520990.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関に使用される液体燃料を気化する燃料インジェクタであって、
（ａ）入口端部と出口端部とを有する少なくとも一つの細管流路と；
（ｂ）液体燃料源と流体連通して前記少なくとも一つの細管流路の前記入口端部を配置し、実質的に液体状態の前記液体燃料を導入する流体制御バルブと；
（ｃ）前記少なくとも一つの細管流路に沿って配置され、前記液体状態から気体状態に少なくともそれらの一部分が変化するのに十分なレベルに前記少なくとも一つの細管流路の前記液体燃料を加熱し、前記少なくとも一つの細管流路の前記出口端部から実質的に気化された燃料の流れを噴出するように作動可能である熱源と、
を備えている、燃料インジェクタ。
【請求項２】
更に、（ｄ）装置の作動の間に形成される堆積物を清掃する手段を
備えている、請求項１に記載の燃料インジェクタ。
【請求項３】
前記堆積物を清掃する手段は、前記流体制御バルブと、前記熱源と、酸化剤と流体連通して前記少なくとも一つの細管流路を配置する酸化剤制御バルブとを備え、前記熱源は、前記液体燃料の加熱の間に形成される堆積物を酸化するのに十分なレベルに前記少なくとも一つの細管流路における酸化剤を加熱するように作動可能であり、酸化剤と流体連通して前記少なくとも一つの細管を配置する前記酸化剤制御バルブは、前記細管流路への液体燃料の導入と酸化剤の導入との間を変動して、前記酸化剤が前記少なくとも一つの細管流路に導入されるときに前記細管流路の現位置清掃を行うように作動可能である、請求項２に記載の燃料インジェクタ。
【請求項４】
前記少なくとも一つの細管流路は複数の細管流路を備え、前記細管流路のそれぞれは、燃料の供給源および酸化ガスの供給源と流体連通し、前記流体制御バルブおよび前記酸化剤制御バルブは、コントローラによって作動される単一のバルブメカニズムによって構成されている、請求項３に記載の燃料インジェクタ。
【請求項５】
前記酸化剤は、空気、排気ガス、蒸気、およびそれらの混合物を備えている、請求項２、３または４のいずれかに記載の燃料インジェクタ。
【請求項６】
前記堆積物を清掃する手段は、前記装置の作動の間に形成される堆積物を擦り落とす手段を備えている、請求項２、３、４または５のいずれかに記載の燃料インジェクタ。
【請求項７】
前記堆積物を清掃する手段は、前記流体制御バルブと、溶媒と流体連通して前記少なくとも一つの細管流路を配置する溶媒制御バルブとを備え、前記溶媒制御バルブは、前記少なくとも一つの細管流路の一つの端部に配置され、溶媒と流体連通して前記少なくとも一つの流路を配置する前記溶媒制御バルブは、前記細管流路への液体燃料の導入と溶媒の導入との間を変動して、前記溶媒が前記少なくとも一つの細管流路に導入されるときに前記細管流路の現位置清掃を行うように作動可能である、請求項２に記載の燃料インジェクタ。
【請求項８】
前記堆積物を清掃する手段は前記流体制御バルブを備え、前記流体制御バルブは、前記溶媒と流体連通して前記少なくとも一つの細管流路を配置するために作動可能であり、前記溶媒が前記少なくとも一つの細管流路に導入されるときに前記細管流路の現位置清掃を行うように作動可能である、請求項２に記載の燃料インジェクタ。
【請求項９】
前記溶媒は、前記液体燃料源からの液体燃料を備え、前記熱源は、前記細管流路の清掃の間に徐々に減少させられるようになっている、請求項８に記載の燃料インジェクタ。
【請求項１０】
前記液体燃料の一部を霧化するためにノズルを更に備えている、請求項１から９のいずれか１項に記載の燃料インジェクタ。
【請求項１１】
前記液体燃料供給源と流体連通して前記入口端部を配置する前記流体制御バルブを活性化するためにソレノイドを更に備えている、請求項１から１０のいずれか１項に記載の燃料インジェクタ。
【請求項１２】
前記流体制御バルブは、前記少なくとも一つの細管流路の前記出口端部を開閉するために、前記少なくとも一つの細管流路の前記出口端部にバルブ要素を有するソレノイド活性化バルブ棒を備えている、請求項１から１１のいずれか１項に記載の燃料インジェクタ。
【請求項１３】
非細管液体燃料流路を更に備え、前記非細管液体燃料流路は、入口端部と出口端部とを有し、前記入口端部は前記液体燃料供給源と流体連通し、前記非細管液体燃料流路は前記出口端部に燃料インジェクタノズルを有している、請求項１から１２のいずれか１項に記載の燃料インジェクタ。
【請求項１４】
前記液体燃料供給源と流体連通して前記非細管液体燃料流路の前記入口端部を配置する第二の流体制御バルブを更に備え、前記液体燃料供給源と流体連通して前記少なくとも一つの細管流路の前記入口端部を配置する前記流体制御バルブ、および前記液体燃料源と流体連通して前記非細管液体燃料流路の前記入口端部を配置する前記バルブが、燃料を前記少なくとも一つの細管流路および前記液体燃料流路に方向付けるために制御可能なバルブ本体を共有している、請求項１３に記載の燃料インジェクタ。
【請求項１５】
前記熱源は抵抗ヒータを備えている、請求項１から１４のいずれか１項に記載の燃料インジェクタ。
【請求項１６】
内燃機関に使用される燃料システムであって、
（ａ）複数の燃料インジェクタであり、それぞれが、（ｉ）入口端部と出口端部とを有する少なくとも一つの細管流路と；（ｉｉ）液体燃料源と流体連通して前記少なくとも一つの細管流路の前記入口端部を配置し、実質的に液体状態の前記液体燃料を導入する流体制御バルブと；（ｉｉｉ）前記少なくとも一つの細管流路に沿って配置され、前記液体状態から気体状態に少なくともそれらの一部分が変化するのに十分なレベルに前記少なくとも一つの細管流路の前記液体燃料を加熱し、前記少なくとも一つの細管流路の前記出口端部から実質的に気化された燃料の流れを噴出するように作動可能である熱源とを備える燃料インジェクタと；
（ｂ）前記複数の燃料インジェクタと流体連通する液体燃料供給システムと；
（ｃ）前記複数の燃料インジェクタへの燃料の供給を制御するコントローラと、
を備えている、燃料システム。
【請求項１７】
前記装置の作動の間に形成される堆積物を清掃する手段を更に備えている、請求項１６に記載の燃料システム。
【請求項１８】
内燃機関に燃料を噴出させる方法であって、
（ａ）燃料インジェクタの少なくとも一つの細管流路に液体燃料を供給するステップと；
（ｂ）前記少なくとも一つの細管流路の前記液体燃料を加熱することによって、実質的に気化された燃料の流れが前記少なくとも一つの細管流路の出口を通過するステップと；
（ｃ）前記内燃機関の燃焼室に前記気化された燃料を噴出させるステップと、
を含む、方法。
【請求項１９】
前記少なくとも一つの細管流路を周期的に清掃するステップを更に含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
内燃機関に使用される液体燃料を気化する燃料インジェクタであって、
（ａ）入口端部と出口端部とを有する少なくとも一つの細管流路と；
（ｂ）前記少なくとも一つの細管流路の前記出口端部からの流れを制御する流体制御バルブと；
（ｃ）前記少なくとも一つの細管流路に沿って配置され、前記液体状態から気体状態に少なくともそれらの一部分が変化するのに十分なレベルに前記少なくとも一つの細管流路の前記液体燃料を加熱し、前記少なくとも一つの細管流路の前記出口端部から実質的に気化された燃料の流れを噴出するように作動可能である熱源と；
（ｄ）装置の作動の間に形成される堆積物を清掃する手段と、
を備えている、燃料インジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関の燃料噴出に関する。特に、本発明による方法および装置は、内燃機関に供給される燃料を気化するために少なくとも一つの加熱細管移流路を提供するものである。
【背景技術】
【０００２】
様々なシステムが、内燃機関に細かい液体燃料飛沫および空気を供給するために発明されてきた。これらのシステムは、内燃機関に直接燃料を供給する（直接噴射）か、あるいは燃焼室に吸気マニホルドを介して混合気を供給するために、キャブレタ、または、一つもしくは複数の燃料インジェクタを利用する（間接噴射）かのいずれかである。最近使用されたシステムにおいて、燃料空気混合気は、液体燃料を霧化し、それを空気の流れに細かい飛沫として供給することによって生成されている。
【０００３】
ポート燃料噴射を使用する従来のスパーク点火エンジンにおいて、噴射された燃料は、通常の作動状態のもとに、吸気ポートまたはマニホルド内のホットコンポーネントに液体燃料飛沫を方向付けることによって気化される。その液体燃料は、ホットコンポーネントの表面に薄膜を生じ、その後気化される。次に、気化された燃料および吸気の混合気は、吸気バルブが開き、ピストンが下死点に向って移動するときに生成される圧力差によって、シリンダの方へ引き込まれる。最近のエンジンと互換性がある制御の程度を確実とするために、この気化技術は、一般に、一つのエンジンサイクル内に生じるように最適化されている。
【０００４】
大部分のエンジン作動状況では、吸気コンポーネントの温度は、衝突する液体燃料飛沫を迅速に気化するのに十分である。しかしながら、コールドスタートおよびウォームアップなどの状況では、燃料が比較的冷たいエンジンコンポーネントへの衝突により気化されない。その代わり、これらの状況下でのエンジン作動は、過給することによって確実とされ、そのために、十分な留分は、それが冷たい吸気コンポーネントへの衝突の前に空気を通って移動するとき、熱および物質伝達によって気化することになる。このメカニズムによる蒸発割合は、燃料特性、温度、圧力、相対飛沫および空気速度、ならびに飛沫直径の相関である。いうまでもなく、このアプローチは、極度の周囲コールドスタートにおいて分解し、燃料速度は、空気との点火性濃度における気体を生成するのに不十分である。
【０００５】
燃焼が化学的に完全であるために、燃料空気混合気は、化学量論的ガス相混合気に気化される必要がある。化学量論的可燃性混合気は、完全燃焼に必要とされる空気（酸素）および燃料の精密な量を含有している。ガソリンについて、この空気燃料の混合比は、重量比で約１４．７：１である。完全に気化されず、化学的に化学量論的でない燃料空気混合気は、不完全燃焼と熱効率の減少とを生ずる結果となる。理想的な燃焼プロセスの生成物は、水（Ｈ2Ｏ）と炭酸ガス（ＣＯ2）とである。燃焼が不完全である場合、多少の炭素は、完全に酸化されず、一酸化炭素（ＣＯ）および未燃焼炭化水素（ＨＣ）を生じることになる。
【０００６】
大氣汚染を減少するための指図は、種々の燃料システムとエンジン改良を伴う燃焼非能率を補正するための試みを生じる結果となった。燃料前処理および噴出システムに関する先行技術によって明示されるように、多くの努力は、更に優れた完全燃焼を可能にすべく、燃料を気化するために、液体燃料飛沫サイズの縮小、システムの乱流の増大および十分な熱供給とに向けられている。
【０００７】
しかしながら、低いエンジン温度での非能率の燃料前処理は、高い排出物質を生ずる問題を残し、後処理、および複雑な制御方法を必要とすることになる。このような制御方法は、排気ガス再循環、可変バルブ開閉時間、遅延点火時間、減少された圧縮割合、触媒コンバータの使用および空気噴射を含み、未燃焼炭化水素を酸化し、触媒コンバータ着火に役立つ発熱反応を生成している。
【０００８】
コールドスタートおよびウォームアップの間のエンジンへの過給は、従来のエンジンにおける未燃焼炭化水素排出物質の大きな原因である。その問題を悪化させることは、触媒コンバータが作動の間は冷たく、したがって、エンジン排気を通過する未燃焼炭化水素のかなりの量が減少しないという事実である。その結果、未燃焼炭化水素の高いエンジンの外の濃度は、本質的に、触媒コンバータにより反応を起こさないで通過し、排気管から放出されることになる。典型的な最新の乗用車によって生成される総炭化水素排出物質の８０パーセントほどは、コールドスタートおよびウォームアップの間に生じ、そのエンジンは過給され、触媒コンバータは本質的に活動していないということが推定される。
【０００９】
作動開始の間に放出される未燃焼炭化水素の割合が比較的大きいとすれば、乗用車エンジン作動のこの態様は、重要な技術開発努力の焦点であった。更に、徐々に厳しくなる排出物質基準が法律に制定され、消費者が発行条件および性能に対して神経質になるにつれ、これらの開発努力は優先し続けることになる。一般に、従来のエンジンから作動開始排出物質を減少するためのこのような努力は、二つのカテゴリーに分類されている。１）三元触媒システムのためのウォームアップ時間の縮小、および２）燃料気化のための技術の改良に分類されている。三元触媒のためのウォームアップ時間を縮小する努力は、今までのところ、排気温度を高めるために点火時間を遅らせることと；早めに排気バルブを開くことと；触媒を電気的に加熱することと；バーナまたは炎によって触媒を加熱することと；触媒作用により触媒を加熱することとを含んでいる。概して、これらの努力は、費用が掛かり、コールドスタートの間および直後のＨＣ排出物質に取り組んでいない。
【００１０】
様々な技術が、燃料気化の問題に取り組むために提案されてきた。燃料気化技術について提案する米国特許は、Ｈｕｄｓｏｎｎ，Ｊｒ．  ｅｔ．ａｌに発行された米国特許第５，１９５，４７７号、Ｃｌａｒｋｅに発行された米国特許第５，３３１，９３７号、Ａｓｍｕｓに発行された米国特許第４，８８６，０３２号、Ｌｅｗｉｓ  ｅｔ．ａｌに発行された米国特許第４，９５５，３５１号、Ｏｚａに発行された米国特許第４，４５８，６５５号、Ｃｏｏｋｅに発行された米国特許第６，１８９，５１８号、Ｈｕｎｔに発行された米国特許第５，４８２，０２３号、Ｈｕｎｔに発行された米国特許第６，１０９，２４７号、Ａｗａｒｚａｍａｎｉ  ｅｔ．ａｌに発行された米国特許第６，０６７，９７０号、Ｋｒｏｈｎ  ｅｔ．ａｌに発行された米国特許第５，９４７，０９１号、Ｎｉｎｅｓに発行された米国特許第５，７５８，８２６号、Ｔｈｒｉｎｇに発行された米国特許第５，８３６，２８９号およびＣｉｋａｎｅｋ，Ｊｒ．  ｅｔ．ａｌに発行された米国特許第５，８１３，３８８号が含まれている。
【００１１】
提案されている他の燃料噴出装置には、燃料タンクシステムに使用される燃料計量装置を開示する米国特許第３，７１６，４１６号が含まれている。その燃料タンクシステムは、自動制御するように意図され、予め定められたレベルでパワーを生成している。その提案された燃料計量システムは、その後の燃焼のために改善された燃料前処理を提供するのではなく、燃料タンクのパワー出力に応じて、燃料の流れを絞るための細管流動制御装置を含んでいる。その代わり、その燃料は、Ｈ2への変換のために燃料再形成装置に送られ、次に、燃料タンクに送られることが意図されている。好ましい実施形態において、細管チューブはメタルから作られ、その細管自体は、燃料タンクのパワー出力と電気接触するレジスタとして使用されている。気体の流動抵抗が液体のものよりも大きいので、その流動は、パワー出力が増大するときに絞られることになる。使用のために提案される燃料は、熱を加えることによって液体から気相に容易に変換され、細管を通って自由に流れるあらゆる流体を含んでいる。気化は、ベーパーロックが自動車エンジンに生じるように達成されると思われる。
【００１２】
米国特許第６，２７６，３４７号は、超臨界またはほぼ超臨界アトマイザ、および液体の霧化または気化を達成する方法を提案している。米国特許第６，２７６，３４７号の超臨界アトマイザは、一般に、ガソリンを燃焼する炎の小さい、軽量で、低い圧縮比のスパーク点火ピストンエンジンへの重い燃料の使用を可能にするといわれている。アトマイザにより、燃料をそれらの超臨界温度に向って移動し、その燃料を燃料と関連する相図におけるガス安定フィールドの下方圧力の領域へ放出することによって、液体または液体状の流体から細かい飛沫のスプレーを生成し、燃料の霧化または気化を生じることが意図されている。燃焼エンジン、科学設備、化学処理、廃棄物処理制御、清掃、エッチング、昆虫防除、表面変形、加湿および気化などの適用のための有用性が開示されている。
【００１３】
分解を最小にするために、米国特許第６，２７６，３４７号は、霧化のためのリストリクタの末端部を通過するまで超臨界温度以下に燃料を保つことを提案している。特定の適用のために、そのリストリクタの先端だけを加熱することは、化学反応または化学沈殿のためのポテンシャルを最小にするために好ましい。これにより、不純物、反応物質または、そうでない場合、解決から排除されることが多い燃料の流れにおける物質、詰まりパイプおよびフィルタに関連する問題を減少するといわれている。超臨界圧力で、またはほぼ超臨界圧力で作動することにより、燃料供給システムが３００ｐｓｉｇから８００ｐｓｉｇの範囲内で作動することを提案している。超臨界圧力および温度の使用により、アトマイザの詰まりは減少することがあるのに対して、これらの高められた圧力を作動することができる比較的費用のかかる燃料ポンプと、燃料パイプ、嵌合部材などの使用を必要とすることが明白である。
【発明の開示】
【００１４】
一つの態様において、本発明は、
（ａ）入口端部と出口端部とを有する少なくとも一つの細管流路と；
（ｂ）液体燃料源と流体連通して前記少なくとも一つの細管流路の前記入口端部を配置し、実質的に液体状態の前記液体燃料を導入する流体制御バルブと；
（ｃ）前記少なくとも一つの細管流路に沿って配置され、前記液体状態から気体状態に少なくともそれらの一部分が変化するのに十分なレベルに前記少なくとも一つの細管流路の前記液体燃料を加熱し、前記少なくとも一つの細管流路の前記出口端部から実質的に気化された燃料の流れを噴出するように作動可能である熱源と、
を備えている、内燃機関に使用される液体燃料を気化する燃料インジェクタに向けられている。
【００１５】
別の態様において、本発明は、
（ａ）複数の燃料インジェクタであって、それぞれが、（ｉ）入口端部と出口端部とを有する少なくとも一つの細管流路と；（ｉｉ）液体燃料源と流体連通して前記少なくとも一つの細管流路の前記入口端部を配置し、実質的に液体状態の前記液体燃料を導入する流体制御バルブと；（ｉｉｉ）前記少なくとも一つの細管流路に沿って配置され、前記液体状態から気体状態に少なくともそれらの一部分が変化するのに十分なレベルに前記少なくとも一つの細管流路の前記液体燃料を加熱し、前記少なくとも一つの細管流路の前記出口端部から実質的に気化された燃料の流れを噴出するように作動可能である熱源とを備える燃料インジェクタと；
（ｂ）前記複数の燃料インジェクタと流体連通する液体燃料供給システムと；
（ｃ）前記複数の燃料インジェクタへの燃料の供給を制御するコントローラと、
を備えている、内燃機関に使用される燃料システムに向けられている。
【００１６】
更に別の態様において、本発明は、
（ａ）燃料インジェクタの少なくとも一つの細管流路に液体燃料を供給するステップと；
（ｂ）前記少なくとも一つの細管流路の前記液体燃料を加熱することによって、実質的に気化された燃料の流れが前記少なくとも一つの細管流路の出口を通過するステップと；
（ｃ）前記内燃機関の燃焼室に前記気化された燃料を噴出させるステップと、
を含む、内燃機関に燃料を噴出させる方法に向けられている。
【００１７】
更に別の態様において、本発明は、
（ａ）入口端部と出口端部とを有する少なくとも一つの細管流路と；
（ｂ）前記少なくとも一つの細管流路の前記出口端部からの流れを制御する流体制御バルブと；
（ｃ）前記少なくとも一つの細管流路に沿って配置され、前記液体状態から気体状態に少なくともそれらの一部分が変化するのに十分なレベルに前記少なくとも一つの細管流路の前記液体燃料を加熱し、前記少なくとも一つの細管流路の前記出口端部から実質的に気化された燃料の流れを噴出するように作動可能である熱源と；
（ｄ）装置の作動の間に形成される堆積物を清掃する手段と、
を備えている、内燃機関に使用される液体燃料を気化する燃料インジェクタに向けられている。
【００１８】
本発明は、高圧燃料供給システムを必要とすることなく、最小のパワーとウォームアップ時間とを必要とする、気化された燃料を供給することが可能な燃料インジェクタおよび噴出システムを提供し、それは、従来のポート燃料噴射、ハイブリッド電気、ガソリン直接噴射およびアルコール燃料供給エンジンを含む多数の構成に利用されることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１から図２１に例示される実施形態を参照とする。ここでは、同じ符号は、全体を通して同じ部分を示すのに使用されている。
【００２０】
本発明は、内燃機関のコールドスタート、ウォームアップおよび通常の作動に有用な燃料前処理および噴出を提供するものである。燃料システムは、実質的に気化された燃料がエンジンシリンダに供給されるように、液体を加熱することが可能な細管流路を有する燃料インジェクタを備えている。実質的に気化された燃料は、従来の燃料システムに比べると、減少した排出物質で燃焼されることが可能である。更に、本発明の噴出システムは、少量のパワーを必要とするが、他の気化技術よりも短いウォームアップ時間である。
【００２１】
一般に、ガソリンは、低温度で容易に気化しない。コールドスタートおよびウォームアップの間は、液体燃料の比較的少ない気化が行われている。そういうものとして、燃焼する空気／燃料混合気を達成するために、エンジンの各シリンダに過給する必要がある。その過剰の液体燃料から生成される燃料気化の点火時、シリンダから排出される燃焼ガスは、未燃燃料と好ましくないガス排出物質を含んでいる。しかしながら、通常作動温度に達すると、その液体燃料は容易に気化するために、少量の燃料が、容易に燃焼する空気／燃料混合気を達成するのに必要とされる。通常、作動温度に達すると、空気／燃料混合気は、化学量論で、またはほぼ化学量論で、制御することが可能であり、それによって、未燃焼炭化水素および一酸化炭素の排出物質を減少させる利点がある。さらに、燃料供給が化学量論で、ほぼ化学量論で制御されるとき、過不足のない空気は、未燃焼炭化水素と一酸化炭素との同時酸化および三元触媒（ＴＷＣ）による窒素酸化物の減少のために、排気の流れに使用可能となる。
【００２２】
本発明のシステムおよび方法は、吸気流路に実質的に気化された燃料を噴射するか、またはエンジンシリンダに直接燃料を噴射し、それによって、エンジンの作動開始およびウォームアップの間に過剰な燃料の必要性を削減している。燃料は、空気または空気と希釈剤を有する化学量論の混合気または燃料分の少ない混合気でエンジンに噴出されることが好ましいために、実質的に、燃料のすべては、コールドスタートおよびウォームアップ周期の間に燃焼される。
【００２３】
従来のポート燃料噴射の場合、過給が、力強い、迅速なエンジンスタートを確実にするのに必要とされる。多燃料状況で、三元触媒に達する排気の流れは、触媒が温まるとき、過剰燃料と未燃焼炭化水素とを酸化するのに十分な空気を含有していない。この問題に取り組む一つのアプローチは、触媒コンバータの上流の排気の流れに追加の空気を供給するために、空気ポンプを利用することである。その目的は、触媒がその着火温度に達すると、触媒表面全体に反応することが可能な化学量論の、またはわずかに燃料分の少ない排気の流れを生成することである。対照的に、本発明のシステムおよび方法は、エンジンが、コールドスタートおよびウォームアップの間に化学量論の、または一層燃料分の少ない状況で作動することを可能にし、過給の必要性または追加の排気空気ポンプの必要性の両方を削除し、排気後処理システムの費用および複雑さを減少させることが可能となる。
【００２４】
上述のように、コールドスタートおよびウォームアップの間、三元触媒は、最初のうちは、冷たく、かつ触媒を通過する未燃焼炭化水素のかなりの量を減少することができない。多くの努力は、コールドスタートおよびウォームアップの間に放出される未燃焼炭化水素のより多量の留分を変換するように、三元触媒のためのウォームアップ時間を減少することに専念されてきた。一つのこのような概念は、コールドスタートおよびウォームアップの間、エンジンの極度の多燃料をゆっくりと噴出させることである。この多燃料排気の流れに空気を供給するためには、排気空気ポンプを使用すると、触媒コンバータの上流または触媒コンバータ内の自動点火によるか、または他の点火源によるかのいずれかによって、燃焼される可燃混合気を生成することが可能である。この酸化プロセスによって生成される発熱は、排気ガスをかなり加熱し、その加熱は、排気が触媒を通過するときに触媒コンバータに大部分が転送されることになる。本発明のシステムおよび方法を使用すると、エンジンは、多燃料で、かつ燃料分が少なく、変動するシリンダを作動するのに使用することが可能であり、同じ効果を達成するが、空気ポンプの必要性はない。例えば、四つのシリンダエンジンの場合、二つのシリンダは、排気内に未燃焼炭化水素を生成するために、コールドスタートおよびウォームアップの間、多燃料で作動することが可能である。残りの二つのシリンダは、排気の流れに酸素供給するために、コールドスタートおよびウォームアップの間、燃料分が少なく作動されることになる。
【００２５】
また、本発明のシステムおよび方法は、ガソリン直接噴射エンジン（ＧＤＩ）に利用されている。ＧＤＩエンジンにおいて、燃料は、蒸発する細かく霧化されたスプレーとしてシリンダに直接噴射され、点火前に空気および気化された予め混合された給気を形成するために空気と混合している。最新のＧＤＩエンジンは、燃料スプレーを霧化するために高い燃料圧力を必要としている。ＧＤＩエンジンは、従来の直接噴射エンジンに本来備わっているポンプ損失を減少させるために、部分負荷で層状給気により作動するようになっている。層状給気のスパーク点火エンジンは、改善された燃費および減少された排出物質のために、希薄混合気に対するポテンシャルを有している。全体にわたる燃料分の少ない混合気は、燃焼室で形成されるが、点火時にスパークプラグの近くで化学量論またはわずかに燃料分の少ないように制御されることが好ましい。したがって、化学量論の部分は、容易に点火され、続いて、残りの燃料分の少ない混合気を点火することになる。ポンプ損失は減少可能であるが、容易に層状給気を達成できる作動ウインドウは、低いエンジンスピードや比較的低いエンジン負荷に制限されている。制限要因は、気化とより高いエンジンスピードで混合するための不十分な時間、および、より高い負荷での不十分な混合、または不十分な空気利用を含んでいる。気化された燃料を供給することによって、本発明のシステムおよび方法は、層状給気作動のための作動ウインドウを広げ、気化および混合のための不十分な時間に関連する問題を解決することができる。利点としては、従来のＧＤＩ燃料システムと違って、本発明の実施に使用される燃料圧力を低下させることが可能であり、燃料システムの総括的な費用および複雑さを減少させることが可能である。
【００２６】
本発明は、圧力により液体燃料を供給する加圧液体燃料供給源と、その液体燃料供給源に接続される少なくとも一つの細管流路と、その少なくとも一つの細管流路に沿って配置される熱源とを備える液体燃料内燃機関のための燃料噴出装置を提供するものである。その熱源は、実質的に気化された燃料の流れを噴出するために、少なくとも一つの細管流路において液体燃料を十分に加熱するように作動可能となっている。燃料噴出装置は、内燃機関のスタートアップ、ウォームアップ、および他の作動状況の間、内燃機関の一つ以上の燃焼室に気化された燃料の流れを噴出するように作動されることが好ましい。必要な場合、少なくとも一つの細管流路は、通常の作動状況のもとに、エンジンに液体燃料を噴出するのに使用されている。
【００２７】
また、本発明は、少なくとも一つの細管流路に加圧液体燃料を供給するステップと、気化された燃料の流れが、内燃機関のスタートアップ、ウォームアップ、および他の作動状況の間、内燃機関の少なくとも一つの燃焼室に噴出されるように、少なくとも一つの細管流路において加圧液体燃料を十分に加熱するステップとを含む、内燃機関に燃料を噴出する方法を提供するものである。
【００２８】
本発明による燃料噴出システムは、加圧された燃料が燃焼のためにエンジンに噴射される前に、それを通って流れる少なくとも一つの細管サイズの流路を備えている。細管サイズの流路には、好ましくは、２ｍｍ未満、より好ましくは、１ｍｍ未満、最も好ましくは、０．５ｍｍ未満である液圧直径が設けられている。液圧直径は、流体搬送要素を通る流体の流れを計算するのに使用されるものである。液圧直径は、流体と接触する固体境界の周辺によって分割される流体搬送要素の流れのエリア（一般に、「湿った」周辺と呼ばれる）として規定されている。円形断面の流体搬送要素の場合、その要素が流れるときの液圧半径は、（πＤ2／４）／πＤ＝Ｄ／４である。非円形流体搬送要素における流体の流れでは、液圧直径が使用されている。液圧半径の定義から、円形断面を有する流体搬送要素の直径は、その液圧半径の４倍である。したがって、液圧直径は、液圧半径の４倍として規定されている。
【００２９】
熱は、その細管通路に沿って印加され、それがその通路に沿って移動するとき、気体に変換される通路に入る液体燃料の少なくとも一部分が生ずることになる。その燃料は、気体として細管通路に存在し、それは、任意に、気化されなかった加熱液体燃料のマイナー比を含んでいる。実質的に気化されることにより、液体燃料の少なくとも５０％容量が熱源にて気化され、より好ましくは、液体燃料の少なくとも７０％が、最も好ましくは、液体燃料の少なくとも８０％が、気化されることを意味している。行われる複雑な物的効率のために、１００％気化を達成することは難しいが、それでもなお、完全気化が望ましい。これらの複雑な物的効率は、沸点が圧力次第であり、圧力が細管流路において変わることがあるので、燃料の沸点における変動を含んでいる。したがって、燃料の大部分が、細管流路における加熱の間に沸点に達するということが考えられるのに対して、多少の液体燃料は、完全に気化されるのにほぼ十分に加熱することができず、その結果、液体燃料の一部は、気化された流体と一緒に細管流路の出口を通過することになる。
【００３０】
細管サイズの流体通路は、単層メタルまたは多層メタル、セラミック本体またはガラス本体などの細管本体内に形成されていることが好ましい。その通路は、入口および出口への閉鎖容量開口を有し、そのいずれかまたは両方は、細管本体の外側の方へ開くか、あるいは同じ本体または別の本体内の別の通路に、またはフィッティングに接続されている。ヒータは、ステンレススチールチューブのセクションなどの本体の一部によって形成されているか、あるいはヒータは、細管本体内にまたは細管本体上に組み込まれる抵抗加熱材料の離散的層またはワイヤでもよい。流体通路は、入口および出口への閉鎖容量開口を備えるあらゆる形状でよく、それを通って流体が通過することが可能となる。流体通路は、均一の直径の円形である好ましい断面を有するあらゆる所望の断面を有している。他の細管流体通路断面は、三角形、正方形、矩形、楕円形、または他の形状などの非円形の形状を含み、流体通路の断面は、均一である必要はない。流体通路は、直線的に、または非直線的に延在することが可能であり、一つの流路または複数通路の流路でもよい。細管通路がメタル細管チューブによって画定される場合、そのチューブは、０．０１ｍｍから３ｍｍ、好ましくは、０．１ｍｍから１ｍｍ、最も好ましくは、０．１５ｍｍから０．５ｍｍの内径を有している。別の方法として、細管通路は、通路の横断面エリアによって画定されており、８×１０-5ｍｍ2から７ｍｍ2、好ましくは、８×１０-3ｍｍ2から８×１０-1ｍｍ2、より好ましくは、２×１０-3ｍｍ2から２×１０-1ｍｍ2であるとよい。一つまたは複数の細管、様々な圧力、様々な細管の長さ、その細管に印加される熱の量および異なる断面エリアの多数の組み合せが、所定の適用に適合されている。
【００３１】
液体燃料は、少なくとも０．７ｋｇ／ｃｍ2（１０ｐｓｉｇ）、好ましくは、少なくとも１．４ｋｇ／ｃｍ2（２０ｐｓｉｇ）の圧力により、細管流路に供給されることが可能である。細管流路が、ほぼ０．０５１ｃｍ（０．０２０インチ）の内径と、ほぼ１５．２ｃｍ（６インチ）の長さとを有するステンレススチールの内側によって画定される場合、燃料は、典型的なサイズの自動車エンジンシリンダ（ほぼ１００から２００ｍｇ／ｓ）の化学量論的スタートに必要とされる質量流量を達成するために、７ｋｇ／ｃｍ2（１００ｐｓｉｇ）以下の圧力で細管通路に供給されることが好ましい。その少なくとも一つの細管通路は、好ましくない高レベルの未燃焼炭化水素または他の排出物質を生成することなく、エンジンの一つまたは複数のシリンダ内で点火され、燃焼されることが可能である燃料および空気の化学量論またはほぼ化学量論の混合気を確実にするために、実質的に気化された燃料の十分な流れを供給している。また、その細管チューブは、低い熱慣性を有することによって特徴付けられ、したがって、その細管通路は、極めて迅速に、好ましくは、２．０秒内に、より好ましくは、０．５秒内に、最も好ましくは、０．１秒内に、燃料を気化する所望の温度までもたらすことが可能であり、それは、エンジンをコールドスタートすることを含む適用に有益である。また、低い熱慣性は、エンジンパワー需要における急変に対する燃料供給の感応性を改善することによって、エンジンの通常作動の間にも利点をもたらすことが可能となる。
【００３２】
加熱細管通路における液体燃料が気化する間、炭素および／または重い炭化水素の堆積物が細管壁に蓄積され、燃料の流れが厳しく制限されることがあり、結局のところ、細管流路の詰まりへと導くことがある。これらの堆積物が蓄積する速度は、細管壁の温度、燃料の流速および燃料のタイプの関数である。燃料添加物は、このような堆積物を減少するのに有用であると考えられている。しかしながら、詰まりが発生する場合、このような詰まりは、その堆積物を酸化することによって、清掃することが可能である。
【００３３】
図１は、本発明によるものであり、液体燃料源から引き込まれる液体燃料を気化する燃料インジェクタ１０を示している。装置１０は、入口端部１４と出口端部１６とを有する細管流路１２を備えている。流体制御バルブ１８は、液体燃料源Ｆと流体連通して細管流路１２の入口端部１４を配置し、実質的に液体状態の液体燃料を細管流路１２に導入するために設けられている。
【００３４】
好ましいように、流体制御バルブ１８は、ソレノイド２８によって作動可能となっている。ソレノイド２８は、電気コネクタ３０に接続されるコイル巻線３２を有している。コイル巻線３２が励磁されると、ソレノイド要素３６は、コイル巻線３２の中央に引き込まれることになる。電気がそのコイル巻線３２から切り離されるとき、スプリング３８は、その最初の位置にソレノイド要素を戻すようにしている。ピントル４０は、ソレノイド要素３６に接続されている。電気をコイル巻線３２に印加することによって生ずるソレノイド要素３６の動きは、ピントルを穴４２から引き離し、燃料が、その穴４２を通って流れることを可能にしている。
【００３５】
熱源２０は、細管流路１２に沿って配置されている。最も好ましいように、熱源２０は、電気的抵抗材料のチューブから細管流路１２を形成することによってもたらされ、細管流路１２の一部は、電流源がそれを通る電流を供給する接続部２２，２４でチューブに接続されるときにヒータ要素を形成している。そして熱源２０は、理解されるように、その少なくとも一部分が液体状態から気体状態に変更するのに十分なレベルに細管流路１２の液体燃料を加熱し、細管流路１２の出口端部１６から実質的に気化された燃料の流れを噴出するように作動可能となっている。
【００３６】
また、装置１０は、その作動の間に形成される堆積物を清掃する手段を備えている。図１に示される堆積物を清掃する手段は、流体制御バルブ１８と、熱源２０と、酸化剤Ｃの源と流体連通して細管流路１２を配置するための酸化剤制御バルブ２６とを備えている。理解されるように、酸化剤制御バルブは、細管流路１２の端部または近傍のいずれかに配置されるか、あるいは細管流路１２のどちらの端部とも流体連通するように構成されている。その酸化剤制御バルブが細管流路１２の出口端部１６または近くに配置される場合、細管流路１２の出口端部１６と流体連通して酸化剤Ｃの源を配置する役割を果たしている。作動中、熱源２０は、液体燃料Ｆの加熱の間に形成される堆積物を酸化するのに十分なレベルに細管流路１２の酸化剤Ｃを加熱するのに使用されている。一実施形態において、燃料供給モードから清掃モードにスイッチするために、酸化剤制御バルブ２６は、細管流路１２への液体燃料Ｆの導入と酸化剤Ｃの導入との間を変動し、その酸化剤が少なくとも一つの細管流路に導入されるとき、細管流路１２の現位置清掃が行えるように作動可能である。
【００３７】
堆積物を酸化する一つの技術は、細管を通って空気または蒸気を通過させることを含んでいる。その流路は、清掃作動の間加熱されることが好ましいために、その酸化プロセスが開始され、堆積物が消滅されるまで行われる。この清掃作動を促進するために、触媒は、清掃を行うのに必要とされる温度および／または時間を減少させるべく、細管壁へのコーティングとしてか、または構成材としてのいずれかとして採用されることができる。燃料噴出システムの連続作動のために、一つ以上の細管流路は、詰まった状態がセンサの使用によるなどで検知されるとき、燃料の流れが別の細管流路に噴出されることが可能であり、酸化剤の流れは清掃されるべき詰まった細管流路を通り始めることになる。例として、細管本体は、その中に複数の細管流路を有することが可能であり、バルブ装置は、液体燃料または空気を各流路に選択的に供給するように設けられている。
【００３８】
別の方法として、燃料の流れは、細管流路から噴出されることが可能であり、酸化剤の流れは、予めセットされた間隔で始められる。細管流路への燃料噴出は、コントローラによってもたらされてもよい。例えば、このコントローラは、プリセット時間の間燃料噴出を活性化し、プリセット量の時間後、燃料噴出を非活性化することが可能である。また、コントローラは、一つ以上の感度状況に基づき細管流路に供給される液体燃料の圧力および／または熱の量の調整をもたらすことができる。感度状況は、特に、燃料圧力と、細管温度と、空気燃料混合気を含むことができる。そのコントローラは、更に、適用のために取り付けられる複数の燃料噴出装置を制御することが可能である。コントローラは、更に、そこから堆積物または詰まりを清掃するために一つ以上の細管流路を制御することが可能である。例えば、細管流路の清掃は、細管流路に熱を印加し、酸化剤源の流れを細管流路に供給することによって達成されることが可能である。
【００３９】
本発明による加熱細管流路１２は、燃料の気化された流れを生成することが可能であり、通常エアゾールと呼ばれる気化された燃料、燃料飛沫および空気の混合気を形成するために、空気中で圧縮している。１５０μｍから２００μｍＳａｕｔｅｒ  Ｍｅａｎ  Ｄｉａｍｅｔｅｒ（ＳＭＤ）の範囲の飛沫から構成される燃料スプレーを噴出する従来の自動車のポート燃料インジェクタと比べて、エアゾールは、２５μｍＳＭＤ未満、好ましくは１５μｍＳＭＤ未満の平均飛沫サイズを有している。したがって、本発明による加熱細管によって生成される燃料飛沫の大部分は、流路に関係なく、空気の流れによって燃焼室に搬送されることが可能である。
【００４０】
従来のインジェクタおよび本発明における加熱細管流路の飛沫サイズ分配間の差は、コールドスタートとウォームアップ状態の間において、特に重要である。特に、従来のポート燃料インジェクタを使用すると、比較的冷たい吸気マニホルドコンポーネントは、過給を必要とし、そのために、吸気コンポーネントに衝突する大量の燃料飛沫の十分な留分が、点火性の燃料／空気混合気を生成するように気化されることになる。逆に言えば、本発明の燃料インジェクタによって生成される気化された燃料および細かい飛沫は、本質的に、作動開始時エンジンコンポーネントの温度によって影響を及ぼされず、そういうものとして、エンジン作動開始状況の間の過給の必要性を排除するものである。本発明の加熱細管インジェクタの使用により与えられるエンジンへの燃料／空気比による一層精密な制御と組み合される過給の排除は、従来の燃料インジェクタシステムを使用するエンジンによって生成されるものと比べて、コールドスタート排出物質を大いに減少させる結果を生ずることになる。過給の減少に加えて、更に、本発明による加熱細管インジェクタは、コールドスタートおよびウォームアップの間の燃料分の少ない作動を可能にし、それにより、触媒コンバータが暖まる間排気管排出物質のより著しい減少を結果として生ずるということが留意されるべきである。
【００４１】
更に、図１を参照すると、細管流路１２は、ステンレススチール細管チューブなどのメタルチューブと、電流が通過するチューブ２０の全長をにわたるヒータとを備えることが可能である。好ましい実施形態において、細管チューブには、ほぼ０．０５１ｃｍから０．０７６ｃｍ（０．０２０インチから０．０３０インチ）の内径と、ほぼ５．０８ｃｍから２５．４ｃｍ（２インチから１０インチ）の加熱長さが与えられ、燃料は、７．０ｋｇ／ｃｍ2（１００ｐｓｉｇ）未満、好ましくは、４．９ｋｇ／ｃｍ2（７０ｐｓｉｇ）より好ましくは、４．２ｋｇ／ｃｍ2（６０ｐｓｉｇ）、更に一層好ましくは、３．１ｋｇ／ｃｍ2（４５ｐｓｉｇ）未満以下の圧力でチューブ１２に供給されるようになっている。この実施形態は、気化された燃料を生成し、エアゾール飛沫の分配を形成し、気化された燃料が周囲温度の空気中で圧縮されるとき、約５μｍから１５μｍＳＭＤの平均飛沫サイズを有する２μｍから３０μｍＳＭＤのサイズの範囲にあるということが示された。コールドスタート温度において迅速で、ほぼ完全な気化を達成するための燃料飛沫の好ましいサイズは、約２５μｍ未満である。この結果は、ほぼ１０．２ｋｇ／秒から４０．８ｋｇ／秒（１００Ｗから４００Ｗ）、例えば、気化された燃料のエネルギー含有量の２％から３％に相当する電力の２０．４ｋｇ／秒（２００Ｗ）を６インチ（１５．２センチ）のステンレススチールチューブに印加することによって達成可能となる。その電力は、ステンレススチールなどの導電性材料からチューブ全体を形成したり、あるいは、チューブまたはラミネートに抵抗ヒータを形成するために電気抵抗材料をラミネートまたはコーティングしたりすることによってその中に流路を有する非導電性チューブまたはラミネートの少なくとも一部に導体材料をもたらすことによって細管チューブに印加することが可能である。導線は、チューブをその全長に沿って加熱すべく、電流をヒータに供給するために、導電性材料に接続することが可能である。チューブをその全長に沿って加熱するための別の方法は、導電性熱伝達、対流性熱伝達または放射性熱伝達の一つもしくはその組み合せにより、流路の全長を加熱するために、流路まわりに位置決めされる電気コイルまたは流路に対して位置決めされる他の熱源などによる誘導加熱を含んでいる。
【００４２】
好ましい細管チューブは、ほぼ１５．２ｃｍ（６インチ）の加熱全長およびほぼ０．０５１ｃｍ（０．０２０インチ）の内径を有しているが、細管の他の構造も、許容の気体品質を与えている。例えば、その内径は、０．０５ｃｍから０．０８ｃｍ（０．０２インチから０．０３インチ）の範囲にわたることが可能であり、細管チューブの加熱部分は、２．５ｃｍから２５．４ｃｍ（１インチから１０インチ）の範囲にわたることが可能である。コールドスタートおよびウォームアップ後、非加熱細管チューブが、通常温度で作動するエンジンに適切な液体燃料を供給するのに使用可能なように、その細管チューブを加熱する必要はない。
【００４３】
本発明による燃料細管から出る気化された燃料は、既存のポート燃料インジェクタと同じ位置で、または吸気マニホルドに沿う別の位置でエンジン吸気マニホルドに噴射されている。しかしながら、所望の場合、燃料細管は、エンジンの各シリンダに気化された燃料を直接噴出するように配置することが可能である。燃料細管は、エンジンをスタートする間、密閉吸気バルブの裏面に対して噴射される必要がある燃料のより大きい飛沫を生成するシステムによる利点を提供している。燃料細管チューブの出口は、従来の燃料インジェクタの出口の配置に類似する吸気マニホルド壁と同一平面に位置決めされていることが好ましい。
【００４４】
エンジンスタートからほぼ２０秒（または、好ましくは、２０秒未満）後に、細管流路１２への加熱は止められ、液体噴射が通常エンジン作動のために従来の燃料インジェクタを使用して開始されることになる。通常のエンジン作動は、別の方法として、連続噴射または可能な場合、間欠噴射により、非加熱細管流路１２を通る液体燃料噴射によって行われてもよい。
【００４５】
図２を参照すると、本発明の第二の例示的な実施形態が示されている。燃料インジェクタ１００は、細管流路１１２を有している。細管流路１１２は、加熱全長１２０に沿って加熱されるようになっている。細管流路１１２には、図２Ａによって例示されるように、フレア型端部１５０を覆うプレート１５４に複数の穿孔１５２を有するフレア型端部１５０が取り付けられている。燃料インジェクタ１００は、上述した、図１に示されるタイプのソレノイドバルブなどの流体制御バルブを備えることが可能であり、それにより、細管流路１１２への加圧液体燃料の噴出が可能となっている。エンジンが十分に加熱された後、細管流路１１２の加熱は終了され、液体燃料は細管流路１１２を通って供給されることになる。
【００４６】
図３を参照すると、本発明の第三の例示的な実施形態が示されている。燃料インジェクタ２００は、細管流路２１２を有して描かれている。細管流路２１２は、加熱全長２２０に沿って加熱されるようになっている。細管流路２１２には、図３Ａによって例示されるように、平坦な端部２５０を覆うプレート２５４に複数の穿孔２５２を有するフラットな端部２５０が取り付けられている。燃料インジェクタ２００は、上述した、図１に示されるタイプのソレノイドバルブなどの流体制御バルブを備えることが可能であり、それにより、細管流路２１２への加圧液体燃料の噴出が可能となっている。上述のように、複数の燃料インジェクタ２００を利用するエンジンがスタートした後、細管流路２１２の加熱は終了され、液体燃料は細管流路２１２を通って供給されることになる。インジェクタ２００は、上述の酸化技術を使用して清掃可能である利点を有している。
【００４７】
図４を参照すると、本発明の第四の例示的な実施形態が示されている。燃料インジェクタ３００は、細管流路３１２を有して描かれている。細管流路３１２は、加熱全長３２０に沿って加熱されるようになっている。細管流路３１２には、図４Ａで例示されるように、円錐状端部３５０を覆う円錐状プレート３５４に複数の穿孔３５２を有する円錐状端部３５０が取り付けられている。燃料インジェクタ３００は、上述した、図１に示されるタイプのソレノイドバルブなどの流体制御バルブを備えることが可能であり、それにより、細管流路３１２への加圧液体燃料の噴出が可能となっている。上述のように、複数の燃料インジェクタ３００を利用するエンジンがスタートした後、細管流路３１２の加熱は終了され、液体燃料は細管流路２１２を通って供給されることになる。インジェクタ３００は、上述の酸化技術を使用して清掃可能である利点を有している。
【００４８】
図５を参照すると、本発明による二元燃料インジェクタ４００が示されている。図５は、二元機能の燃料インジェクタ４００を例示し、それは、従来のタイプの燃料インジェクタ４６０と加熱細管インジェクタ４１０とから構成されている。この実施形態において、加熱細管流路４１２は、燃料インジェクタ４００に一体化されている。エンジンスタートから約２０秒、好ましくは、２０秒未満後に、細管ンジェクタ４１０は、ソレノイド活性化プランジャ４３６によって不活性化され、従来のインジェクタ４６０は、エンジンの連続作動のための別のソレノイド活性化プランジャ４７０によって活性化されることが可能となっている。
【００４９】
本発明の別の例示的な実施形態が図６に示されている。ここで、示されているように、燃料インジェクタ５００には、加熱細管流路５１２と液体燃料インジェクタノズル５６０とが取り付けられている。燃料の流れは、図６に示されるように、バルブ装置５４０を使用することにより、気化された燃料を供給するために加熱細管流路５１２、または液体燃料を供給するためにノズル５６０に選択的に方向付けられている。エンジンのスタートからほぼ２０秒または好ましくは２０秒未満後に、燃料の流れは、エンジンの通常作動のためにバルブ装置５４０によって、細管流路５１２から液体の流れノズル５６０にスイッチ可能となっている。そのバルブ装置５４０は、コントローラによって作動され、電子エンジン制御システムの部分を形成している。
【００５０】
図７を参照すると、本発明の更に別の例示的な実施形態が示されている。燃料インジェクタ６００は、図７に例示されるように、燃料インジェクタ６００の内部で巻きつけられるらせん形加熱細管流路６１２を有している。この実施形態において、細管流路６１２は、ソレノイドアセンブリ６２８のまわりに巻かれ、電気接続部６２２，６２４によって画定される加熱全長６２０に沿って加熱されるようになっている。この実施形態では、スペースが限定され、線形細管チューブが適さない状態において有用である。さらに、この実施形態は、通常作動状態の間、エンジンに燃料を噴出するための従来の燃料インジェクタ（図８参照）を使用するように構成されていてもよい。
【００５１】
図８を参照すると、エンジン吸気ポート７００には、加熱細管インジェクタ１０（図１を参照として説明されるタイプ）と、従来の液体燃料インジェクタ７５０とが取り付けられている。この実施形態において、燃料は、エンジンのコールドスタートおよびウォームアップの間、その全長２０に沿って加熱される細管流路１２によってエンジンに噴出されることになる。エンジンスタートからほぼ２０秒または好ましくは、２０秒未満後に、加熱細管インジェクタ１０は不活性化され、従来の燃料インジェクタ７５０はエンジンの通常作動のために活性化されることになる。
【００５２】
理解されるように、図１から図４および図７に描かれる燃料を前処理して、噴出する装置およびシステムは、本発明の別の実施形態と関連して使用することが可能である。再度、図１を参照すると、堆積物を清掃する手段は、流体制御バルブ２８と、溶媒と流体連通して細管流路１２を配置する溶媒制御バルブ２６とを備え、溶媒制御バルブ２６は、細管流路１２の一つの端部に配置されている。溶媒清掃を使用する装置の一実施形態において、溶媒制御バルブ２６（上述の酸化清掃技術を使用する好ましい形態の酸化剤制御バルブ）は、細管流路１２への液体燃料の導入と溶媒の導入との間を変動するように作動可能であり、その溶媒が細管流路１２に導入されると、細管流路１２の現位置清掃を行うことが可能になる。多種多様な溶媒が有用性を有すると同時に、その溶媒は、液体燃料源からの液体燃料を含んでいてもよい。事実がそのとおりであるとき、燃料と溶媒との間を変動する必要がないので、溶媒制御バルブは必要とされず、熱源は、細管流路１２の清掃の間、不活性化されるべきである。
【００５３】
本発明の別の実施形態が、図９における部分断面図で示されている。内燃機関に燃料を噴出する加熱細管流路チューブ８１２を有する燃料インジェクタ８００が、図９に示されている。内燃機関に燃料を噴出するチューブの詳細は、図９Ａに例示されている。ここで、示されているように、軸方向可動ロッド８５０は、細管流路８１２の内側に位置決めされている。細管流路８１２の末端部８１６はフレア型であり、軸方向可動ロッド８５０の末端部８５２は先細になっており、そのロッド８５０の軸方向の動きがバルブ８５４を開閉するバルブ８５４を形成している。理解されるように、軸方向可動ロッド８５０の繰返される動きは、本発明の燃料インジェクタの作動の間に形成される堆積物を擦り落とすのに効果的である。
【００５４】
図１０を参照すると、本発明の更に別の実施形態が部分断面図で示されている。内燃機関に燃料を噴出する加熱細管流路９１２を有する燃料インジェクタ９００が、図１０に示されている。内燃機関に燃料を噴出するチューブの詳細は、図１０Ａに例示されている。ここで示されているように、軸方向可動ロッド９５０は、細管流路９１２の内側に配置されている。細管流路９１２の末端部９１６はフレア型であり、軸方向可動ロッド９５０の動きの末端部９５２は先細になっており、そのロッド９５０の軸方向の動きがバルブ９５４を開閉するバルブを形成している。また、細管流路９１２の内側に配置されているのは、その細管流路９１２を清掃するために軸方向可動ロッド９５０に沿って配列される複数のブラシ９６０である。理解されるように、軸方向可動ロッド９５０の繰返される動きは、本発明の燃料インジェクタの作動の間に形成される堆積物を擦り落とすのに効果的である。
【００５５】
図１１を参照すると、本発明の別の例示的な実施形態が部分断面図で示されている。燃料インジェクタ１０００は、内燃機関に燃料を噴出するために並列に配置される複数の細管１０１２を有している。この実施形態において、燃料は、エンジン作動の特定の時期（例えば、コールドスタート、ウォームアップおよび加速状態）の間、それらの全長１０２０に沿って加熱される一つ以上の細管流路１０１２によって、エンジンに噴出されることになる。少量の気化された燃料が未燃焼炭化水素の減少に必要とされるとき、この構成における一つ以上の細管への熱は、不活性化されることが可能である。
【００５６】
図１２は、細管流路１２を有する燃料インジェクタ１０が配置されることが可能な方法を、簡素化した形で示しており、それを通って移動する液体燃料が、再循環排気ガス（ＥＧＲ）の使用により高められた温度に加熱されることが可能であり、燃料気化抵抗ヒータ２０のパワー必要条件を減少させている。ここで示されるように、細管流路１２は、加熱するためにＥＧＲ通路１１００を通過している。最初のエンジン作動開始のために、細管流路１２のセクション、または独立した抵抗ヒータを備える抵抗ヒータ２０は、液体燃料Ｆを最初に気化するために、電池などの電源に接続されている。作動の約２０秒後、細管流路１２は、ＥＧＲの熱によって加熱されることが可能であり、抵抗ヒータ２０による燃料の連続気化に、別の状況では必要とされるパワーを減少させている。したがって、細管流路１２内の燃料は、パワーが一定に保たれることが可能なように、抵抗ヒータ２０を使用することなく、気化されることが可能である。
【００５７】
図１３は、液体燃料供給源２０１０および液体燃料噴射通路２２６０と流体連通する液体燃料供給バルブ２２２０と、液体燃料供給源２０１０および細管流路２０８０と流体連通する気化された燃料供給バルブ２２１０と、酸化ガス供給源２０７０および細管流路２０８０と流体連通する酸化ガス供給バルブ２０２０とを組み込む内燃機関２１１０を作動するのに使用される制御システム２０００の例示的な図式を示している。その制御システムは、エンジンスピードセンサ２０６０、吸気マニホルド空気熱電対２０６２、冷媒温度センサ２０６４、排気空気燃料比センサ２１５０、燃料供給圧力２０１２等などの様々なエンジンセンサから複数の入力信号を一般に受信するコントローラ２０５０を備えている。作動において、コントローラ２０５０は、一つ以上の入力信号に基づく制御アルゴリズムを実行し、その後、本発明による詰まった細管通路を清掃するために酸化剤供給バルブ２０２０への出力信号２０２４と、液体燃料供給バルブ２２２０への出力信号２０１４と、気化された燃料供給バルブ２２１０への出力信号２０３４と、細管２０８０に熱を供給する給電への加熱パワーコマンド２０４４とを生成している。
【００５８】
作動において、本発明によるシステムは、排気ガスリサイクル加熱の使用による燃焼の間に生成される熱をフィードバックするように構成されており、それにより、液体燃料は十分に加熱され、細管流路２０８０を通過するとき、実質的に液体燃料を気化し、電気的に、またはそうでない場合、細管流路２０８０を加熱するための必要性を減少または排除、あるいは補足している。
【００５９】
［実施例１］
ＪＰ８ジェット燃料は、マイクロダイヤフラムポンプシステムを用いてテストが行われ、定圧で加熱細管流路に燃料を供給することによって気化された。これらのテストにおいて、異なる直径および長さの細管チューブが使用された。チューブは、２．５ｃｍから７．６ｃｍ（１インチから３インチ）の長さと、ｃｍ（インチ）を単位とする、以下のとおりの内径（ＩＤ）および外径（ＯＤ）：０．０２５  ＩＤ／０．０４６  ＯＤ（０．０１０  ＩＤ／０．０１８  ＯＤ），０．０３３  ＩＤ／０．０８３  ＯＤ（０．０１３  ＩＤ／０．０３３  ＯＤ）、および０．０４３  ＩＤ／０．０６４  ＯＤ（０．０１７  ＩＤ／０．０２５  ＯＤ）を有する３０４ステンレススチールから構成されている。液体燃料を気化する熱は、メタルチューブの一部を通って電流を通すことによって生成された。飛沫サイズ分配は、Ｍａｌｖｅｎによって製造されるＳｐｒａｙ−Ｔｅｃｈレーザ回折システムを使用して測定された。１．７μｍと４．０μｍとの間のＳａｕｔｅｒ  Ｍｅａｎ  Ｄｉａｍｅｔｅｒ（ＳＭＤ）を有する飛沫が、生成された。ＳＭＤは飛沫の直径であり、その表面対容量の比は、スプレー全体のそれと等しく、スプレーの物質伝達特性に関連している。
【００６０】
［実施例２］
テストは、再度、マイクロダイヤフラムポンプシステムを用いて、定圧で加熱細管流路に燃料を供給することによって気化されたガソリンを使用して行われた。これらのテストにおいて、異なる直径および長さの細管流路が使用された。以下の表は、様々な細管チューブ構成のための実証的事実を示している。
【００６１】
【表１】
2005520990.tif 000003
【００６２】
［実施例３］
Ｆｏｒｄ４．６リットルＶ８エンジンを使用するテストにおいて、４つのシリンダの１つのバンクは、図１に示されるように、本発明の燃料噴出装置を含むように変更された。細管発熱体は、吸気ポート壁と同一平面に位置決めされた細管の先端に取り付けられ、これは、ストック燃料噴射ノズルの位置である。テストは、連続噴射（１００％負荷サイクル）で実行され、したがって、燃料圧力は、燃料気体流量を調整するのに使用された。
【００６３】
図１４を参照すると、エンジンのコールドスタートの最初の２０秒間の細管燃料噴出装置の結果を示すグラフが呈されている。図表ライン１は、時間がｘ−軸に沿って増大するとき、毎分回転数を単位とするエンジンスピードを表わしている。図表ライン２は、時間がｘ−軸に沿って増大するとき、毎秒グラムを単位とする燃料の流れを表わしている。図表ライン３は、時間がｘ−軸に沿って増大するときのラムダ粒子を表わし、単一体のラムダ粒子は、空気対燃料の化学量論比を表わしている。図表ライン４は、時間がｘ−軸に沿って増大するときのエンジンの排気から、１００万当たりのメタン等価部を単位とする総炭化水素排出物質出力を表わしている。
【００６４】
図１４の図表ライン３によって示されるように、ストックエンジンハードウェアと制御方法に必要とされる最初の過給は、本発明の燃料噴出装置の使用により排除された。すなわち、本発明の燃料噴出装置は、エンジンがほぼ化学量論の燃料／空気比でスタートするように、最初の作動開始時期の間の液体燃料を効率よく気化した。図１５は、従来の過給作動開始方法（図表ライン５）と比べて、本発明の燃料噴出装置で達成されるほぼ化学量論のスタートから結果として生ずる排出物質減少（図表ライン６）を示すグラフである。特に、図１５の結果は、本発明の燃料噴出装置が、過給を必要とするストック構成と比べて、コールドスタートの最初の１０秒の間４６％だけ総合炭化水素排出物質を減少したことを実証した。丸円７によって示されるエリアは、エンジンスタートの最初の４秒間の炭化水素排出物質の画期的な減少を示している。
【００６５】
［実施例４］
テストは、高レベルの堆積物組成を生成すると知られている不添加剤で、硫黄のないベースのガソリンを使用して、加熱細管流路への酸化清掃技術の利点を実証するために行われた。これらのテストに使用された細管流路は、０．０５８ｃｍ（０．０２３インチ）の内径を有するステンレススチールから構成される、５．１ｃｍ（２インチ）の長さの加熱細管チューブである。燃料圧力は、０．７ｋｇ／ｃｍ2（１０ｐｓｉｇ）に維持された。パワーは、様々なレベルのＲ／ＲOを達成するために細管に供給された。式中、Ｒは加熱細管抵抗、ＲOは周囲状態における細管抵抗である。
【００６６】
図１６は、燃料流量対時間のグラフである。ここで示されているように、洗浄力のある添加剤を含有しないこのガソリンについて、かなりの詰まりが極めて短時間に被られ、流量において５０％損失が１０分ほどの短い間に観察された。
【００６７】
かなりの詰まりが被られた後、燃料の流れは中断され、０．７ｋｇ／ｃｍ2（１０ｐｓｉｇ）空気が置換された。加熱は、この間に供給され、１分間後ほどの短い間に、かなりの清掃が達成され、流量は前のレベルに戻った。
【００６８】
［実施例５］
この実施形態は、効果的な添加剤パッケージを使用する商用銘柄のガソリンが使用されるとき、詰まりが実施形態４の加熱細管流路におけるひどさよりもだいぶ少ないことを実証する。図１７に示されるように、燃料流量の１０％未満の減少が、ほぼ４時間ほど装置を運転した後、被られた。
【００６９】
［実施例６］
様々なガソリンおよび詰まりへの洗浄力のある添加剤の影響力を比較するために、５つのテスト燃料が、実施形態４の加熱細管流路で運転された。テストされた燃料は、３００ｐｐｍ硫黄を含有する不添加剤のベースのガソリンと、硫黄を含有しない不添加剤のベースのガソリンと、添加される市販のアフターマーケット添加剤（添加剤Ａ）を有する硫黄のないベースのガソリンと、添加される別の市販のアフターマーケット添加剤（添加剤Ｂ）を有する硫黄のないベースのガソリンとを含んでいる。
【００７０】
図１８に示されるように、添加剤のある燃料は同様に作動したが、不添加剤の燃料は作動の１時間未満にひどい詰まりを被った。
【００７１】
［実施例７］
この実施例では、不添加剤のジェット燃料（ＪＰ−８）で作動する細管流路の使用時中の作動を、０．０３６ｃｍ（０．０１４インチ）のＩＤと５．１ｃｍ（２インチ）の長さとを有する細管流路において作動される不添加剤のＮｏ．２ディーゼル燃料で作動する同じ細管流路と比較する。燃料圧力は、１．１ｋｇ／ｃｍ2（１５ｐｓｉｇ）にセットされた。パワーは、１．１９のＲ／ＲOのレベルを達成するために細管に供給された。式中、Ｒは加熱細管抵抗、ＲOは周囲状態における細管抵抗である。
【００７２】
図１９に示されるように、燃料は、作動の最初の１０分にわたり同様に作動し、ディーゼル燃料は、その後ひどい詰まりを被った。
【００７３】
［実施例８］
テストは、高レベルの堆積物組成を生成すると知られている不添加剤のＮＯ．２ディーゼル燃料を使用する加熱細管流路への酸化清掃技術の有効性を評価するために行われた。これらのテストに使用された細管流路は、０．０３６ｃｍ（０．０１４インチ）の内径を有するステンレススチールから構成される、５．１ｃｍ（２インチ）の長さの加熱細管チューブであった。燃料圧力は、１．１ｋｇ／ｃｍ2（１５ｐｓｉｇ）に維持された。パワーは、１．１９のＲ／ＲOのレベルを達成するために細管に供給された。式中、Ｒは再度、加熱細管抵抗、ＲOは周囲状態における細管抵抗である。
【００７４】
図２０は、燃料流量対時間のグラフである。ここで示されているように、洗浄力のある添加剤を含有しないこの燃料について、かなりの詰まりが極めて短時間に被られ、流量において５０％損失が連続作動の約３５分内に観察された。
【００７５】
第二の運転において、作動の５分後、燃料の流れは中断され、０．７ｋｇ／ｃｍ2（１０ｐｓｉｇ）空気が５分間の間に置換された。加熱は、この時期の間に供給された。この手順は、５分毎に繰返された。図２０に示されるように、酸化清掃プロセスは、事実上すべての例において燃料の流量を増大し、使用時間中燃料流量における全体の減少を遅らせることが多い。しかしながら、プロセスの効果は、実施例４に記述されるように、不添加剤のガソリンを使用して達成されるより、多少少なかった。
【００７６】
［実施例９］
テストは、加熱細管流路において使用時間中燃料流量への実施例８のＮｏ．２ディーゼル燃料と混合される商用銘柄の汚れ止め清浄力のある添加剤の効果を評価するために行われた。これらのテストに使用された細管流路は、再度、０．０３６ｃｍ（０．０１４インチ）の内径を有するステンレススチールから構成される、５．１ｃｍ（２インチ）の長さの加熱細管チューブであった。燃料圧力は、１．１ｋｇ／ｃｍ2（１５ｐｓｉｇ）に維持され、パワーは、１．１９のＲ／ＲOのレベルを達成するために細管に供給された。
【００７７】
図２１は、添加剤のあるＮｏ．２ディーゼル燃料および不添加剤のディーゼル燃料についての燃料流量対時間の比較を表わしている。ここで示されているように、洗浄力のある添加剤を含有しない燃料について、かなりの詰まりが極めて短時間に被られ、流量において５０％損失が連続作動の約３５分内に観察され、一方、洗浄剤を含有する同じベースの燃料は長時間にわたり、はるかに少ない詰まりを示した。
【００７８】
発明の内容は例示され、図面および前述の説明において詳細に説明されたが、開示された実施形態は例示であり、特徴において限定されるものでない。本発明の範囲内にあるすべての変更および変形は、保護されことが望まれる。例として、複数の細管通路は、設けられることが可能であり、燃料は、より高い容量の流量が望まれるとき、並列の通路を通過することとなる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】好ましい形態による細管流路を備える、変形された燃料インジェクタを示す部分断面図である。
【図２】別の好ましい形態による燃料インジェクタの実施形態を示す側面図である。
【図２Ａ】図２に例示される実施形態の細管の出口を示す斜視図である。
【図３】別の好ましい形態による燃料インジェクタの別の実施形態を示す側面図である。
【図３Ａ】図３に例示される実施形態の細管の別の出口設計を示す斜視図である。
【図４】好ましい形態による燃料インジェクタの更に別の実施形態を示す側面図である。
【図４Ａ】図４に例示される実施形態の細管の別の出口設計を示す斜視図である。
【図５】好ましい形態による燃料インジェクタの更に別の実施形態を示す概略図である。
【図６】好ましい形態による燃料インジェクタの更に別の実施形態を示す側面図である。
【図７】更に別の好ましい形態による燃料インジェクタの別の実施形態を示す断面図である。
【図８】更に別の好ましい形態による二元インジェクタを使用する別の実施形態を示す側面図である。
【図９】部分断面で示される好ましい形態による燃料インジェクタの別の実施形態を示す側面図である。
【図９Ａ】図９に示される実施形態の関連部分の拡大図である。
【図１０】部分断面で示される好ましい形態による燃料インジェクタの別の実施形態の側面図である。
【図１０Ａ】図１０に示される実施形態の関連部分を示す拡大図である。
【図１１】燃料インジェクタの更に別の好ましい形態を示す側面図である。
【図１１Ａ】図１１に例示される実施形態の細管の別の出口設計を示す斜視図である。
【図１２】再循環された排気ガスで加熱される細管通路を有する燃料インジェクタの別の実施形態を示す側面図である。
【図１３】好ましい形態による燃料噴出および制御システムの図式である。
【図１４】本発明の燃料噴出装置を使用するエンジンにおける開始の最初の２０秒間のエンジンパラメータを例示するグラフである。
【図１５】従来のポート燃料インジェクタと本発明の燃料噴出装置からのエンジン排出物質との比較を例示するグラブである。
【図１６】本発明の酸化清掃方法を使用して達成される作動に対する利点を示す時間の関数としてのガソリンの質量流量のグラフである。
【図１７】商用銘柄のガソリンについての燃料の流速対時間のグラフである。
【図１８】様々なガソリンと比較する、燃料の流速対時間のグラフを表している。
【図１９】ジェット燃料をＮｏ．２ディーゼル燃料と比較する、燃料の流速対時間のグラフである。
【図２０】酸化清掃の効果を示す、不添加剤のディーゼル燃料についての燃料の流速対時間のグラフを表わしている。
【図２１】汚れ止め添加剤を含有するディーゼル燃料と不添加剤ディーゼル燃料を比較する、燃料の流速対時間のグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図２Ａ】
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【図３】
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【図３Ａ】
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【図４】
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【図４Ａ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図９Ａ】
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【図１０】
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【図１０Ａ】
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【図１１】
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【図１１Ａ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【国際調査報告】
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