(57)【要約】  内燃機関に用いられる液体燃料を蒸発させるための燃料噴射器である。この燃料噴射器は、複数の毛細管流路であって、各々が入口端と出口端とを有する複数の毛細管流路と、  複数の毛細管流路の各々に沿って配置される熱源であって、複数の毛細管流路の各々における液体燃料を、少なくともその一部を液体状態から蒸気状態に変化させ、実質的に蒸発された燃料の流れを複数の毛細管流路の各出口端から送給するのに十分なレベルに加熱するように作動可能な熱源と、実質的に蒸発された燃料を内燃機関に計量送給するための弁であって、複数の毛細管流路の各出口端の下流側に配置される弁とを備えている。この燃料噴射器は、内燃機関の冷始動と暖機における排出物を低減するのに効果的である。
2007510095.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料を蒸発させ、内燃機関に計量送給するための燃料噴射器において、
（ａ）複数の毛細管流路であって、各々が入口端と出口端とを有する複数の毛細管流路と、
（ｂ）前記複数の毛細管流路の各々に沿って配置される熱源であって、前記複数の毛細管流路の各々における液体燃料を、少なくともその一部を液体状態から蒸気状態に変化させ、実質的に蒸発された燃料の流れを前記複数の毛細管流路の前記出口端の各々から送給するのに十分なレベルに加熱するように作動可能な熱源と、
（ｃ）実質的に蒸発された燃料を前記内燃機関に計量送給するための弁であって、前記複数の毛細管流路の前記出口端の各々の下流側に配置される弁と
を備えることを特徴とする燃料噴射器。
【請求項２】
燃料を前記内燃機関に計量送給するための前記弁は、ソレノイドによって作動される低湿潤面積を有する低質量板弁組立体を含み、前記低質量板弁組立体は、絞り板とオリフィス板とを備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射器。
【請求項３】
前記絞り板は、燃料が前記複数の毛細管流路の前記出口端の各々から通過することを可能にする複数の絞り開口を備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料噴射器。
【請求項４】
前記オリフィス板は、前記オリフィス板が前記絞り板とシール係合の状態にあるとき、前記複数の毛細管流路の前記出口端の各々からの燃料流れを阻止するために、内側シールリングと外側着地リングとを備えることを特徴とする請求項２または３に記載の燃料噴射器。
【請求項５】
燃料を前記内燃機関に計量送給するための前記弁は、ソレノイドによって作動される低質量ボール弁組立体であることを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射器。
【請求項６】
前記低質量ボール弁組立体は、前記ソレノイドに接続されるボールと、円錐シール面と、前記ボールを前記円錐部に押し付け、前記噴射器からの流体流れを阻止するように作用可能なバネ力をもたらすような寸法を有するバネとを備えることを特徴とする請求項５に記載の燃料噴射器。
【請求項７】
出口オリフィスをさらに備え、電気を前記ソレノイドに印加することによって生じる前記ソレノイドの移動が、前記ボールを前記円錐シール面から引き離し、燃料が前記出口オリフィス内を流れることを可能にすることを特徴とする請求項６に記載の燃料噴射器。
【請求項８】
前記複数の毛細管流路の各々は、ステンレス鋼及びインコネルからなる群から選択されるチューブ内に形成され、約０．０２０インチから０．０３０インチの内径と約１インチから３インチの長さとを有することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の燃料噴射器。
【請求項９】
（ｄ）噴射器の作動中に形成される沈殿物を清浄化するための手段
をさらに備え、
沈殿物を清浄化するための前記手段は、液体燃料源からの液体燃料を含む溶媒を用い、前記熱源は、前記毛細管通路の清浄中、停止される
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の燃料噴射器。
【請求項１０】
前記熱源が抵抗ヒータを含むことを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の燃料噴射器。
【請求項１１】
蒸発された燃料を内燃機関に送給する方法において、
（ａ）液体燃料を燃料噴射器の複数の毛細管流路に供給する段階と、
（ｂ）前記燃料噴射器の前記複数の毛細管流路内の前記液体燃料を加熱し、蒸発された燃料を前記複数の毛細管流路の各出口内を通過させる段階と、
（ｃ）前記蒸発された燃料を、前記複数の毛細管流路の各出口の下流側に配置された弁を通して、前記内燃機関の燃焼室に計量送給する段階と
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１２】
蒸発された燃料を前記内燃機関の前記燃焼室に計量送給する前記段階は、前記内燃機関の始動及び暖気に制限されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記内燃機関が十分に暖められた状態にあるとき、液体燃料を前記内燃機関の前記燃焼室を送給する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記複数の毛細管流路を周期的に清浄化する段階をさらに含み、前記周期的に清浄化する段階は、（ｉ）前記複数の毛細管流路の前記加熱を停止し、（ｉｉ）溶媒を前記複数の毛細管流路に供給し、前記複数の毛細管流路内に形成された沈殿物を実質的に除去する段階を含み、
前記溶媒は、液体燃料源からの液体燃料を含む
ことを特徴とする請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
前記段階（ｃ）において、燃料を前記内燃機関に計量送給するための前記弁は、ソレノイドによって作動される低湿潤面積を有する低質量板弁組立体であり、前記低質量板弁組立体は、絞り板とオリフィス板とを備えることを特徴とする請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
前記絞り板は、燃料が前記複数の毛細管流路の各出口から通過することを可能にする複数の絞り開口を備えることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記オリフィス板は、前記オリフィス板が前記絞り板とシール係合の状態にあるとき、前記複数の毛細管流路の各出口からの燃料流れを阻止するために、内側シールリングと外側着地リングとを備えることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記段階（ｃ）において、燃料を前記内燃機関に計量送給するための前記弁は、ソレノイドによって作動される低質量ボール弁組立体であることを特徴とする請求項１１〜１４のいずれか１項に記載される方法。
【請求項１９】
前記低質量ボール弁組立体は、前記ソレノイドに接続されるボールと、円錐シール面と、前記ボールを前記円錐部に押し付け、前記噴射器からの流体流れを阻止するように作用可能なバネ力をもたらすような寸法を有するバネとを備えることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
電気を前記ソレノイドに印加することによって生じる前記ソレノイドの移動が、前記ボールを前記円錐シール面から引き離し、燃料が出口オリフィス内を流れることを可能にすることを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関への燃料送給に関する。
【背景技術】
【０００２】
１９７０年代以来、ポート燃料噴射エンジンは、ＮＯx、ＣＯ、及び未燃炭化水素排出物を最小限に抑えるために、三元触媒と閉ループエンジン制御とを利用してきた。この方策は、エンジンと排気部品が十分な温度に達している通常運転中では、特に有効であることが判明している。しかし、ＮＯx、ＣＯ、及び未燃炭化水素の望ましい変換効率を達成するために、三元触媒は、その固有の触媒活性温度よりも高くなければならない。
【０００３】
加えて、エンジンは、液体燃料がポート壁及び／又は弁の背面のような吸気部品と衝突するとき、その液体燃料の蒸発を可能にするのに十分な温度でなければならない。このエンジンが十分な温度になるプロセスの有効性は、そのプロセスが、燃料／空気混合物の化学量論的組成に対して適切な程度の制御をもたらし、これによって、アイドル特性と三元触媒の性能に関連付けられる点において、及びそのプロセスが、エンジンに供給される燃料が燃焼行程中に燃焼され、これによって、十分に蒸発せず及び／又は吸気部品に溜まる液体燃料を補う過剰な燃料供給の必要性をなくすことを確実にする点において、重要である。
【０００４】
化学的に完全な燃焼を行なうために、燃料／空気混合物は、化学量論的な気相の混合物が得られるように蒸発されねばならない。化学量論的に燃焼可能な混合物は、完全な燃焼に必要とされる正確な量の空気（酸素）と燃料とを含んでいる。ガソリンの場合、この空気／燃料比は、重量比で、約１４．７：１である。完全に蒸発されない及び／又は化学量論的な量を超える燃料を含む燃料／空気混合物は、不完全な燃焼と熱効率の低下をもたらすことになる。理想的な燃焼過程の生成物は、水（Ｈ2Ｏ）と二酸化炭素（ＣＯ2）である。もし燃焼が不完全な場合、一部の炭素は、十分に酸化されず、一酸化炭素（ＣＯ）と未燃炭化水素（ＨＣ）を生じることになる。
【０００５】
冷始動及び暖気状態下では、排気物質を低減し、高品質の燃料蒸気を送給するのに用いられるプロセスは、温度が比較的低いことによって、正常に機能しない。特に、三元触媒の有効性は、略２５０℃未満では十分に発揮されず、その結果、未燃炭化水素の大部分が変換されずに環境に放出されることになる。これらの状態下では、炭化水素排出物の増大が、冷始動と暖気中に必要とされる過剰の燃料供給によって、激化されることになる。すなわち、燃料は、低温の吸気マニフォールド部品との衝突によっては速やかに蒸発されないので、エンジン始動と許容範囲内のアイドル特性用の燃焼可能な混合物を生成するのに、過剰な燃料供給が必要となる。
【０００６】
世界中に広まっている大気汚染を低減させる義務付けの結果として、燃料システムとエンジンの多様な改造によって、燃焼の非効率性を補う試みがなされてきた。燃料の前処理と送給システムに関する先行技術によって明らかなように、多くの努力が、液体燃料の液滴寸法を低減させること、系の乱流を向上させこと、及びより完全な燃焼を可能にするために燃料を蒸発するのに十分な熱を加えることに、向けられてきた。
【０００７】
しかし、低エンジン温度での非効率な燃料前処理は、より高い排出物をもたらし、後処理と複雑な制御手法を必要とするという問題を残すことになる。このような制御手法として、排ガス再循環、可変弁タイミング、遅延点火タイミング、圧縮比の低減、触媒コンバーの使用、及び未燃炭化水素を酸化させ、触媒コンバータの活性化に有利な発熱反応を生成するための空気噴射が、挙げられる。
【０００８】
前述したように、従来のエンジンにおいて、冷始動と暖気中のエンジンへの過剰な燃料供給は、未燃炭化水素排出物の著しい源をなしている。典型的な最新のポート燃料噴射（ＰＦＩ）ガソリンエンジン乗用車によって生じる全炭化水素排出物の８０％もが、過剰な燃料がエンジンに供給され、かつ触媒コンバータが本質的に作動していない冷始動及び暖気期間に生じる、と推定されている。
【０００９】
未燃炭化水素の比較的大部分が始動中に放出されるので、乗用車エンジンの運転のこの面が、著しい技術開発の努力の焦点になってきた。さらに、ますます厳しい排出物の規格が法制化され、ユーザは依然としてコストと性能に敏感なので、これらの開発努力は、引き続き、最優先課題とされるだろう。従来のエンジンにおいて始動時の排出物を低減させるこのような努力は、一般的に、２つの範疇、すなわち、１）三元触媒システムの活性化時間の低減と、２）燃料を蒸発させるための技術の改良とに分類される。三元触媒の活性化時間を低減させる今までになされた努力として、排気温度を上昇させるために点火タイミングを遅らせること、排気弁を早めに開くこと、触媒を電気的に加熱すること、触媒をバーナ又は炎によって加熱すること、及び触媒を触媒作用によって加熱することが、挙げられる。全体的に、これらの努力は、高価であり、冷始動中及びその直後におけるＨＣ排出物に対処していない。
【００１０】
燃料蒸発の課題に対処する種々の技術が提案されている。燃料蒸発の技術を提案する米国特許として、ハドソン・ジュニア（Hudson, Jr）らに発行された米国特許第５，１９５，４７７号、クラーク（Clarke）に発行された米国特許第５，３３１、９３７号、アズムス（Asmus）に発行された米国特許第４，８８６、０３２号、ルイス（Lewis）らに発行された米国特許第４，９５５，３５１号、オザ（Oza）に発行された米国特許第４，４５８，６５５号、クック（Cooke）に発行された米国特許第６，１８９，５１８号、ハント（Hunt）に発行された米国特許第５，４８２，０２３号、ハント（Hunt）に発行された米国特許第６，１０９，２４７号、アワーザマニ（Awarzamani）らに発行された米国特許第６，０６７，９７０号、クローン（Krohn）らに発行された米国特許第５，９４７，０９１号、ナインズ（Nines）に発行された米国特許第５，７５８，８２６号、シュリング（Thring）に発行された米国特許第５，８３６，２８９号、及びチカネック・ジュニア（Cikanek, Jr）らに発行された米国特許第５，８１３，３８８号が挙げられる。
【００１１】
提案された他の燃料送給装置として、燃料電池システムに用いられる燃料絞り装置を開示する米国特許第３，７１６，４１６号が挙げられる。この燃料電池システムは、自己調整し、所定レベルの電力を生成することを目的としている。提案された燃料絞りシステムは、毛細管流量制御装置を備えているが、この毛細管流量制御装置は、後続の燃焼用の燃料前処理を改良するためではなく、燃料電池の電力出力に応じて燃料流れを絞るための装置である。むしろ、燃料は、Ｈ2への変換のために、燃料リフォーマに送給され、次いで、燃料電池に送給されるようになっている。好ましい実施形態において、毛細管チューブは、金属から作製され、毛細管自体が、燃料電池の電力出力部と電気的に接触する抵抗体として、用いられている。蒸気の流れ抵抗は、液体の流れ抵抗よりも大きいので、蒸気の流れは、電力出力が増大するにつれて絞られることになる。使用されることが推奨される燃料として、熱を加えることによって容易に液相から蒸気相に変換され、毛細管内を自在に流れる任意の流体が、挙げられている。蒸発は、ベーパロックが自動車エンジン内において生じるような形態で、なされると思われる。
【００１２】
米国特許第６，２７６，３４７号は、超臨界又は近超臨界噴霧器と、液体の噴霧又は蒸発を達成させるための方法とを提案している。米国特許第６，２７６，３４７号の超臨界噴霧器は、典型的にはガソリンを燃焼させる小型、軽量、かつ低圧縮比の火花点火ピストンエンジンを点火させるのに、重燃料を使用することができる、と述べられている。この噴霧器は、液体又は液体状の燃料をそれらの超臨界温度に向けて移動させ、燃料と関連する相平衡図における気体安定区域の低圧領域に燃料を放出し、燃料を微細に噴霧又は蒸発させることによって、それらの燃料から微細な液滴の噴霧を生成することを目的としている。燃焼エンジン、科学機器、化学処理、廃棄物処理制御、清浄化、エッチング、昆虫制御、表面改良、加湿、及び蒸発のような用途への有用性が開示されている。
【００１３】
燃料の変質を最小限に抑えるために、米国特許第６，２７６，３４７号は、噴霧用の絞り弁の遠位端を通過するまで、燃料を超臨界温度よりも低い温度に維持することを、提案している。用途によっては、化学反応物又は沈殿が生じる可能性を最小限に抑えるために、絞り弁の先端だけを加熱することが望まれている。これは、溶液から離脱されてラインやフィルターを閉塞させる傾向にある燃料流れ内の不純物、反応物、又は材料に関連する問題を低減するためであると、述べられている。超臨界又は近超臨界圧での作動は、燃料供給システムが２１ｋｇ／ｃｍ2（３００ｐｓｉ）から５６ｋｇ／ｃｍ2（８００ｐｓｉ）の範囲内で作動されることを、示唆している。超臨界圧と超臨界温度の使用は、噴霧器の閉塞を低減させるかもしれないが、これらの高圧での作動を可能にする比較的高価な燃料ポンプ、並びに燃料ラインや接続具などを使用する必要があると思われる。
【００１４】
当技術分野におけるこれら及び他の進展にもかかわらず、噴射器の両端での許容範囲内の圧力降下、１００％デューティサイクルでの許容範囲内の蒸発燃料の流量、１００％デューティサイクルでの許容範囲内の液体燃料の流量のような臨界設計要件を満たし、最小の昇温時間をもたらし、最小の電力要件を満たし、デューティサイクルと蒸発された燃料流れとの間の直線関係を示し、デューティサイクルと液体燃料流れとの間の直線関係を示すと共に、改良された蒸発をもたらすことができる噴射器の設計が、必要とされている。
【発明の開示】
【００１５】
一態様において、内燃機関に用いられる液体燃料を蒸発させるための燃料噴射器が提供されている。この燃料噴射器は、
（ａ）複数の毛細管流路であって、各々が入口端と出口端とを有する複数の毛細管流路と、
（ｂ）前記複数の毛細管流路の各々に沿って配置される熱源であって、前記複数の毛細管流路の各々における液体燃料を、少なくともその一部を液体状態から蒸気状態に変化させ、実質的に蒸発された燃料の流れを前記複数の毛細管流路の前記出口端の各々から送給するのに十分なレベルに加熱するように作動可能な熱源と、
（ｃ）実質的に蒸発された燃料を内燃機関に計量送給するための弁であって、前記複数の毛細管流路の前記出口端の各々の下流側に配置される弁と
を備えている。
【００１６】
他の態様において、蒸発された燃料を内燃機関に送給する方法が提供されている。この方法は、
（ａ）液体燃料を燃料噴射器の複数の毛細管流路に供給する段階と、
（ｂ）燃料噴射器の複数の毛細管流路内の液体燃料を加熱し、蒸発された燃料を複数の毛細管流路の各出口を通過させる段階と、
（ｃ）蒸発された燃料を、複数の毛細管流路の各出口の下流側に配置される弁を通して、内燃機関の燃焼室に計量送給する段階と
を含んでいる。
【００１７】
提供される燃料噴射器は、内燃機関の冷始動と暖機の排出物を低減するのに、有益である。効率的な燃焼が、実質的に蒸発された燃料が空気中で凝縮するとき、微細な液滴寸法のエアロゾルを形成することによって、促進されることになる。実質的に蒸発された燃料が、エンジンの冷始動と暖機中又はエンジン運転中の他の期間に、内燃機関の燃焼室に直接的又は間接的に供給され、この改良された混合気の調整能力によって、冷始動、暖機、及び遷移作動中における排出物の低減が達成されることになる。
【００１８】
毛細管流路は、毛細管チューブ内に形成させることができる。熱源としては、抵抗加熱要素、又は電流を流すことによって加熱されるチューブの一部が、挙げられる。燃料の供給源は、加圧された又は加圧されていない液体燃料を流路に送給するように、配置させることができる。この燃料噴射器は、蒸発された燃料をもたらすことができ、この蒸発された燃料は、空気と混合し、２５μｍ以下の平均液滴寸法を有するエアロゾルを形成することになる。
【００１９】
以下、単なる例示にすぎないが、本発明の好ましい形態に基づき、及び添付の図面を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。
【００２０】
図１は、好ましい形態による、ソレノイドによって作動される燃料絞り弁の上流側に配置される電子的に加熱される毛細管束を有する多重毛細管燃料噴射器を、部分断面図で示している。
【００２１】
図２は、図１の実施形態の毛細管束の拡大図を示している。
【００２２】
図３Ａは、絞り板４０の好ましい形態の平面図を示している。
【００２３】
図３Ｂは、図３Ａの線３Ｂ−３Ｂに沿った断面図を示している。
【００２４】
図４Aは、オリフィス板の好ましい形態の平面図を示している。
【００２５】
図４Ｂは、図４Ａの線４Ｂ−４Ｂに沿った断面図を示している。
【００２６】
図５Ａは、燃料の流れ経路を形成するように開位置に配置されたときの図３Ｂの絞り板と図４Ｂのオリフィス板の協働作用の状態を示している。
【００２７】
図５Ｂは、燃料の流れ経路を遮断するように閉位置に配置されたときの図３Ｂの絞り板と図４Ｂのオリフィス板の協働作用の状態を示している。
【００２８】
図６は、噴射器の他の好ましい形態による、ソレノイドによって作動される燃料絞り弁の上流側に配置される電子的に加熱される毛細管束を有する他の多重毛細管燃料噴射器の等角投影図を示している。
【００２９】
図７は、図６の多重毛細管燃料噴射器の部分側断面図である。
【００３０】
図８は、異なる加熱質量ごとに、噴射器に供給される電力の最小化と噴射器に関連する立ち上がり時間の最小化との間のトレードオフ（両立性）を示すチャートである。
【００３１】
図９は、エンジンサイクルの吸気弁が開いている期間中にのみ蒸気を噴射することによって、排出物が最大限に低減されることを示すチャートである。
【００３２】
図１０は、好ましい形態による燃料送給及び制御システムの概略図である。
【００３３】
図１１は、単一の３．８ｃｍ（１．５インチ）毛細管を通る燃料の液体質量流量と蒸気質量流量を毛細管の圧力降下の関数として示している。
【００３４】
図１２は、３．８ｃｍ（１．５インチ）薄壁毛細管における燃料の液滴寸法（ＳＭＤ、μｍ）を抵抗設定点の関数として示している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、図１〜１２に示される実施形態について説明する。全体にわたって、同様の番号は同様の部品を示すものとする。
【００３６】
ここに提供されるのは、内燃機関の冷始動、暖機、及び通常運転に有用である絞り弁を有する多重毛細管燃料噴射器及びそれを用いる燃料システムである。この燃料システムは、複数の毛細管流路を有する燃料噴射器を備え、各毛細管流路は、実質的に蒸発された燃料が所望時に供給されるように、液体燃料を加熱することができる。実質的に蒸発された燃料は、従来の燃料噴射器システムと比較して、排出物を低減させて、燃焼され得ることになる。本発明の燃料送給システムは、他の蒸発技術よりも、少ない電力しか必要とせず、立ち上がり時間を短縮するようになっている。
【００３７】
ここに提供される噴射器の設計は、特に、噴射器の本体の両端での許容範囲内の圧力降下、１００％デューティサイクルでの許容範囲内の蒸発された燃料の流量、１００％デューティサイクルでの許容範囲内の液体燃料の流量、最小昇温時間、最小の電力要件、デューティサイクルと蒸発された燃料流れとの間の直線関係、及びデューティサイクルと液体燃料流れとの間の直線関係を含むいくつかの自動車用燃料噴射器の設計要件を満たすことを、目的としている。
【００３８】
よく知られているように、ガソリンは、低温では容易に蒸発しない。自動車用エンジンの冷始動及び暖気期間では、液体燃料は、比較的少量しか蒸発しない。従って、燃焼する空気／燃料混合物を得るために、過剰の液体燃料をエンジンの各シリンダーに供給する必要がある。過剰の液体燃料から生じる燃料蒸気を点火すると、シリンダーから放出される燃焼ガスは、未燃燃料と望ましくないガス状排出物を含むことになる。しかし、通常の運転温度に達すると、液体燃料は容易に蒸発し、その結果、容易に燃焼する空気／燃料混合物を得るのに、少ない燃料しか必要としない。有利には、通常の運転温度に達したとき、空気／燃料混合物は、化学量論比又はその近傍で制御されるとよく、これによって、未燃炭化水素と一酸化炭素の排出物を低減することになる。加えて、燃料の供給が化学量論比又はその近傍で制御されると、三元触媒（ＴＷＣ）システムにおいて、未燃炭化水素及び一酸化炭素の酸化と酸化窒素の還元とを同時に行なうのにちょうど十分な空気が、排気流れから得られることになる。
【００３９】
ここに開示される燃料噴射器及び燃料システムは、実質的に蒸発された燃料を吸気流路内に噴射するか又はエンジンシリンダー内に直接噴射し、これによって、エンジンの始動及び暖気期間中に過剰の燃料を供給する必要性をなくすようになっている。燃料は、好ましくは、空気又は空気及び希釈剤と共に、化学量論比の混合物又は燃料リーンな混合物の形態で、エンジンに送給され、その結果、実質的に全ての燃料が、冷始動及び暖気期間中に燃焼されることになる。
【００４０】
従来のポート燃料噴射の場合、強力かつ迅速なエンジン始動を確実にするために、過剰な燃料供給が必要とされている。燃料リッチな状態では、三元触媒に達する排気流れは、触媒が活性化したときに過剰な燃料と未燃炭化水素を酸化するのに十分な酸素を含んでいない。この問題に対処する１つの手法は、空気ポンプを利用して、追加的な空気を触媒コンバータの上流側の排気流れに供給することである。この目的は、触媒がその活性化温度に達した時点で、触媒表面と反応し得る化学量論的又はわずかに燃料がリーンな排気流れを生成させることにある。対照的に、本発明のシステム及び方法によれば、エンジンは、冷始動及び暖気期間中に、化学量論的又はごくわずかに燃料がリーンな状態で運転することができ、過剰な燃料供給の必要性と追加的な排気空気ポンプの必要性の両方を排除し、排気の後処理システムのコストと複雑さを低減させることができる。
【００４１】
前述したように、冷始動及び暖気期間中に、三元触媒は、最初、温度が低く、その触媒を通る未燃炭化水素の大部分を還元することができない。三元触媒の活性化時間を短縮し、冷始動及び暖気期間中に放出される未燃炭化水素の大部分を変換させることに、多くの努力が払われてきた。このような構想の１つとして、冷始動及び暖気期間中に、エンジンを燃料が極めてリッチな状態で意図的に運転させる方法が、挙げられる。この燃料リッチな排気流れ内に空気を供給する排気空気ポンプを用いることによって、自動点火によって又は触媒コンバータの上流又は触媒コンバータ内の点火源によって燃焼される燃焼可能な混合物が生成されることになる。この酸化プロセスによって生じた発熱が、排ガスを著しく加熱し、この熱は、排ガスが触媒内を通るとき、触媒コンバータに殆ど伝達されることになる。本発明のシステムと方法を用いることによって、エンジンは、複数のシリンダーを交互に燃料リッチ状態と燃料リーン状態とで作動するように制御され、これによって、空気ポンプを必要とすることなく、同じ効果を達成することができる。例えば、４シリンダーエンジンの場合、２つのシリンダーは、冷始動及び暖気期間中、排気に未燃炭化水素を生じさせる燃料リッチな状態で作動されることになる。残りの２つのシリンダーは、冷始動及び暖気期間中、排気流れ内に酸素をもたらす燃料リーンな状態で作動されることになる。
【００４２】
本発明のシステム及び方法は、ガソリン直接噴射エンジン（ＧＤＩ）と共に利用されてもよい。ＧＤＩエンジンでは、燃料は、微細な噴霧流として、シリンダー内に直接噴射され、この噴霧流は、蒸発して空気と混合し、点火の前に、空気と蒸発された燃料との予混合分を形成するようになっている。現在のＧＤＩエンジンは、燃料流れを噴霧するのに高燃料圧を必要としている。ＧＤＩエンジンは、従来の間接噴射エンジンに固有のポンプ損失を低減させるために、部分負荷による成層給気を行なうように、作動されるようになっている。成層給気による火花点火エンジンは、リーン混合気を燃焼させることによって、燃料の経済性を改善し、排出物を低減させる可能性を有している。好ましくは、リーン混合気の全体が燃焼室内に形成され、点火時に、火花プラグの近傍において化学量論比又はわずかに燃料リッチになるように制御されている。従って、化学量論的な部分が容易に点火され、これによって、残りのリーン混合気が点火されることになる。ポンプ損失は、低減されることになるが、現在のところ、成層給気が達成可能な作動範囲は、低エンジン速度と比較的低エンジン負荷に制限されている。制限因子として、高エンジン速度において蒸発と混合に必要な時間が不十分であること、及び高負荷において混合が不十分であるか又は空気の利用率が劣ることが、挙げられる。蒸発された燃料を供給することによって、本発明のシステム及び方法は、成層給気運転用の作動範囲を広げ、蒸発と混合に必要な時間が不十分であることに関連する問題を解消することができる。有利には、従来のＧＤＩ燃料システムと異なり、本発明の実施に用いられる燃料圧力は、低下させることができるので、燃料システムの全体的なコストと複雑さを低減させることになる。
【００４３】
本発明は、内燃機関用の燃料送給装置であって、加圧下の液体燃料を供給する加圧液体燃料源と、液体燃料源に接続される複数の毛細管流路と、複数の毛細管流路に沿って配置される熱源とを備える燃料送給装置を提供している。熱源は、少なくとも１つの毛細管流路における液体燃料を、実質的に蒸発された燃料の流れを送給するのに十分に加熱するように、作動可能である。燃料送給装置は、好ましくは、内燃機関の始動、暖気、及び他の運転状態中に、蒸発された燃料の流れを内燃機関の１つ以上の燃焼室に送給するように、作動されるようになっている。必要に応じて、複数の毛細管流路を用いて、通常運転の状態下で、液体燃料をエンジンに送給することができる。
【００４４】
また、本発明は、燃料を内燃機関に送給する方法であって、加圧された液体燃料を複数の毛細管流路に供給する段階と、複数の毛細管流路における加圧された液体燃料を、内燃機関の始動、暖気、及び他の運転状態中に、蒸発された燃料の流れが内燃機関の少なくとも１つの燃焼室に送給されるのに十分に加熱する段階とを含む方法を提供している。
【００４５】
本発明による燃料送給システムは、加圧された燃料が燃焼のためにエンジン内に噴射される前に通る複数の毛細管寸法の流路を備えている。毛細管寸法の流路は、好ましくは、２ｍｍ未満、さらに好ましくは、１ｍｍ未満、最も好ましくは、０．７５ｍｍ未満の水力直径を備えることができる。水力直径は、流体輸送要素を通る流体流れを計算するのに用いられる。水力半径は、流体輸送要素の流れの面積を（一般的に、潤辺と呼ばれる）流体と接触する固体境界の周辺によって割った値として、定義されている。円断面の流体輸送要素の場合、その要素が流れで満たされているとき、水力半径は、（πＤ2／４）／πＤ＝Ｄ／４である。非円形の流体輸送要素内の流体流れの場合、水力直径が用いられる。水力半径の定義から、円断面を有する流体輸送要素の直径は、その水力半径の４倍である。従って、水力直径は、水力半径の４倍として定義される。
【００４６】
熱が毛細管通路に沿って加えられると、流路に入る液体燃料の少なくとも一部は、通路に沿って進行しながら、蒸気に変換されることになる。燃料は、蒸気として、毛細管流路から流出し、この蒸気は、任意選択的に、蒸発されていないわずかな比率の加熱された液体燃料を含んでいる。「実質的に蒸発される」という用語は、液体燃料の容積の少なくとも５０％、さらに好ましくは、少なくとも７０％、最も好ましくは、少なくとも８０％が、熱源によって蒸発されることを、意味している。複雑な物理的影響によって、１００％の蒸発を達成するのは困難かもしれないが、にもかかわらず、完全な蒸発が望ましい。これらの複雑な物理的影響として、燃料の沸点の変動が挙げられる。何故なら、沸点は、圧力に依存し、圧力は、毛細管流路において変化することがあるからである。従って、燃料の大部分は、毛細管流路内における加熱中に沸点に達すると考えられるが、液体燃料の一部は、完全に蒸発されるのに十分な程度には加熱されないことがあり、その結果、液体燃料の一部は、蒸発された流体と共に、毛細管流路の出口を通過することになる。
【００４７】
各毛細管寸法の流路は、好ましくは、単層又は多層金属、セラミック、又はガラス体のような毛細管体内に形成されている。各流路は、入口及び出口に開口している閉鎖された容積部を有し、入口と出口のいずれか又は両方は、毛細管体の外部に開口されてもよいし、あるいは同一又は他の毛細管体内の他の通路又は接続具に接続されてもよい。ヒータは、毛細管体の一部、例えば、ステンレス鋼チューブ又はインコネルチューブの一部を用いて形成することができ、又は毛細管体内又は毛細管体上に組み込まれた抵抗加熱材料の分離した層又はワイヤとして構成することもできる。各流路は、入口と出口に開口し、流体が通過し得る閉鎖された容積部を備えるどのような形状であってもよい。各流路は、いかなる所望の断面でもよく、好ましくは、均一な直径を有する円断面であるとよい。他の毛細管流路の断面として、三角形、正方形、矩形、楕円、又は他の形状のような非円形状が挙げられ、流路の断面は均一である必要はない。毛細管流路が金属毛細管チューブによって画成される場合、各チューブは、０．０１から３ｍｍ、好ましくは、０．１から１ｍｍ、最も好ましくは、０．３から０．７５ｍｍの内径を有することができる。代替的に、毛細管流路は、その流路の横断面積によっても画成することができ、この流路の横断面積は、８×１０-5から７×１０-5ｍ2、好ましくは、８×１０-3から８×１０-1ｍｍ2、さらに好ましくは、７×１０-2から４．５×１０-1ｍｍ2である。多重毛細管、種々の圧力、種々の毛細管長さ、毛細管に加えられる熱量、及び異なる断面積の多くの組み合わせが、所定の用途に適合するように行なわれるようになっている。
【００４８】
液体燃料は、少なくとも０．７ｋｇ／ｃｍ2（１０ｐｓｉ）、好ましくは、少なくとも１．４ｋｇ／ｃｍ2（２０ｐｓｉ）の圧力下で、毛細管流路に供給することができる。各毛細管流路が、略０．０５１ｃｍ（０．０２０インチ）から０．０７６ｃｍ（０．０３０インチ）の内径と略２．５４ｃｍ（１インチ）から７．６２ｃｍ（３インチ）の長さを有するステンレス鋼チューブ又はインコネルチューブの内部によって画成されている場合、典型的な大きさの自動車用エンジンシリンダーの化学量論的な始動に必要な質量流量（約１００〜２００ｍｇ／秒）を達成するために、燃料は、好ましくは、７ｋｇ／ｃｍ2（１００ｐｓｉ）未満の圧力で毛細管通路に供給されることになる。ここに記載される形式の２〜４本の毛細管通路の場合、燃料と空気の化学量論的又は近化学量論的混合物を確実に得るのに十分な実質的に蒸発された燃料の流れを供給することができる。各毛細管チューブが低熱慣性を有することによって特徴付けられ、これによって、各毛細管通路が、極めて迅速に、好ましくは、２．０秒内、さらに好ましくは、０．５秒内、最も好ましくは、０．１秒内に、燃料を蒸発させる所望の温度に上昇され得ることが、重要である。これは、エンジンの冷始動を含む用途において有益である。また、低熱慣性は、エンジンの通常運転中に、例えば、エンジン出力要求の急激な変化に対する燃料送給の応答性を改良するという利点をもたらすことができる。
【００４９】
ここに記載される低熱慣性の毛細管流路を通る燃料を計量送給するために、燃料噴射器の遠位端からの蒸気の流れを調整するのに有効な弁装置が必要である。ここで意図されている毛細管流路の熱質量は小さいので、蒸気の流れを調整するのに用いられる弁装置は、立ち上り時間と有効性が劣化されないように、最小限の熱質量しか加熱されたシステムに加えないように、設計されねばならない。同様に、燃料によって湿潤する表面積は、蒸発された燃料が接触によって再凝縮して性能を劣化させないように、可能な限り小さくされねばならない。
【００５０】
以下に述べる好ましい形態は、各々、燃料蒸気のパルス送給を可能にし、液体燃料噴射に切換える能力を有している。ここに記載される形態の各々において、毛細管流路内の蒸気の流れ経路は、弁と接触するとき、作動流体が蒸気相にあるように、積極的に加熱されるようになっている。弁自体は、積極的に加熱されないことが好ましい。
【００５１】
図１は、液体燃料源Ｆから引き出される液体燃料を蒸発させるための燃料噴射器１０の一実施形態を示している。複数の毛細管流路１２を有する毛細管束１５が示され、これらの毛細管流路１２は、各々、入口端１４と出口端１６とを有し、入口端１４は、実質的に液体状態にある液体燃料を毛細管流路１２に導くために、液体燃料源Ｆに流体連通している。
【００５２】
好ましくは、低質量板弁組立体１８が、ソレノイド２８によって作動されるようになっている。ソレノイド２８は、電気コネクタ（図示せず）に接続されたコイル巻線３２を有している。コイル巻線３２が励磁されると、磁場が絞り板４０内に導かれ、これによって、その絞り板４０を持上げるようになっている。コイル巻線３２への電気が遮断されると、バネ（図示せず）が絞り板４０を元の位置に戻すことになる。
【００５３】
代替的実施形態では、ソレノイド要素（図示せず）が、コイル巻線３２の中心に引込まれ、そのソレノイド要素に接続された絞り板４０を持上げるようになっている。電気をコイル巻線３２に印加することによって生じるソレノイド要素の移動が、絞り板４０をオリフィス板４２から離れる方向に引き出し、燃料が流出することを可能にしている（図５Ａを参照）。ここでも、コイル巻線３２への電気が遮断されると、バネ（図示せず）が絞り板４０をその元の位置に戻すことになる。
【００５４】
熱源２０が、各毛細管流路１２に沿って配置されている。最も好ましくは、各熱源２０は、毛細管流路１２を電気抵抗性材料のチューブから形成し、電流の源が電流を送給するためにチューブに接続されたとき、各毛細管流路１２の一部がヒータ要素を形成することによって、得られるようになっている。その結果、各熱源２０は、理解され得るように、各毛細管流路１２内の液体燃料を、少なくともその一部を液体状態から蒸気状態に変化させ、実質的に蒸発された燃料の流れを各毛細管流路１２の出口端１６から送給するのに十分なレベルに加熱するように、作動可能になっている。理解され得るように、噴射器の本体内に蒸気を送給するこの方法は、蒸発された燃料と接触する材料の体積を最小限に抑え、従って、蒸気の早期の凝縮を阻止するために加熱されねばならない熱質量も最小限に抑えることになる。
【００５５】
好ましくは、毛細管束１５は、０．０８１ｃｍ（０．０３２インチ）の外径（ＯＤ）と０．０７１〜０．０７４ｃｍ（０．０２８〜０．０２９インチ）の内径（ＩＤ）とを有する２〜４本の薄壁の毛細管流路１２からなるとよい。毛細管流路１２は、各々、約３．１８ｃｍ（１．２５インチ）から約６．２５ｃｍ（２．５０インチ）の加熱長さ２０を有するステンレス鋼又は焼鈍されたインコネル６００製のチューブから構成されるとよい。電流が毛細管束１５に供給されると、各毛細管流路１２の加熱源２０は、熱くなり、次いで、燃料が毛細管流路１２内を流れるにつれて、その燃料を蒸発させることになる。
【００５６】
毛細管流路１２の出口端１６を出ると、燃料流れは、燃料噴射器１０の絞り部５０に導かれることになる。前述したように、絞り部５０は、従来の燃料噴射器と同様、ソレノイドによって作動される絞り弁からなるが、この実施形態では、オリフィス板４２内の流路を開閉する移動部材としての絞り板４０を有する平板式である。絞り板４０を開位置と閉位置との間で移動させるソレノイド２８の作動は、噴射器１０を出る燃料の流量を計量調整する働きをするようになっている。
【００５７】
絞り板４０を出ると、燃料は、オリフィス板４２内を流れることになる。液体燃料の噴射の場合、オリフィス板４２は、所望の噴霧の微粒化と噴霧の角度付けをもたらすように機能するようになっている。図１に示されるように、流出する燃料流れをさらに導くために、また、噴射器１０が従来のポート燃料噴射器の全長の要求事項を満たすことを可能にするために、煙突状部６０が設けられている。
【００５８】
電気的接続は、４つのスペード形接続部をボビン３０内に鋳込むことによって、なされている。接続部の２つは、ソレノイド２８に電力を供給するように機能している。他の１つの接続部は、毛細管束１５の上部に取り付けられている。最後の接続部は、ボビン内に埋設され、毛細管束１５の遠位端との接続が得られるように、ボビン３０の底に終端している。
【００５９】
図２は、図１の実施形態の毛細管束１５の拡大図である。図示されるように、毛細管流路１２は、スピンドル片２６によって適所に保持されている。スピンドル片２６は、追加的な熱慣性を毛細管流路１２にもたらすことなく、毛細管流路１２を構造的に支持する限り、いくつかの幾何学的形状のいずれを有していてもよい。このスピンドル片２６も、電力を毛細管流路１２の加熱長さ２０によって形成されたヒータに供給するのに用いられる電気経路の一部として機能するようにしてもよい。図示されるように、スピンドル片２６は、毛細管束１５の毛細管流路１２の出口端１６と係合するように配置されたスピンドル端３８を備えている。
【００６０】
毛細管束１５を絞り部５０の領域に取り付ける種々の方法が考えられる。１つの方法は、レーザ溶接を用いて、行なわれる。具体的に、毛細管流路１２は、固定ディスクに、そのディスクの厚みを貫通して、レーザ溶接されている。次いで、この固定ディスクが、噴射器１０の中心線に沿って下方に延在する通路の内径に溶接されることになる。理解され得るように、毛細管流路１２は、この溶接プロセスによって、適所に固定されるようになっている。この取付け方法は、毛細管を噴射器１０の金属部分から熱的に隔離はしないが、流れ経路が比較的小さい（すなわち、固定ディスクと中心線通路との接続点が小さい）ので、生じる熱質量の増加は、大きな影響を与えるとは考えられない。しかし、固定ディスクを適所に保持するのに、熱絶縁材料を用いることもできることが、理解されるべきである。
【００６１】
毛細管束１５を絞り部５０の領域に取り付ける他の方法は、ろう付け技術を用いて、行なわれる。この技術によると、カップ／ディスク器具を用いて、毛細管流路１２の出口端１６を適所に固定するようになっている。この組立体のカップ部は、金属の短円筒片からなり、その内に、毛細管流路１２の出口端１６が嵌合されるようになっている。次いで、毛細管通路の端が、カップの内径にろう付けされることになる。絞り部５０に最も近いカップの端は、円筒の軸と直交するように、外方に拡げられている。次いで、このカップ部が、別体のディスクの内径にろう付けされることになる。ディスクと燃料噴射器のハウジングとの間に流体の経路が存在しないことを確実にするために、それらを分離する方法が用いられる。このような方法のいくつかの例として、軟溶着部又はＯリングを用いて、ディスクと燃料噴射器のハウジングとの間に物理的な接続を設ける方法が、挙げられる。ろう付けの非磁気的性質、カップとディスクの磁気的性質、及びこの組立体における各片の配置と厚みが、燃料噴射器１０の磁気回路の一部として作用するように設計されていることに、留意すべきである。
【００６２】
図３Ａは、絞り板４０の好ましい実施形態の平面図である。図示されるように、絞り板４０は、燃料の流れが毛細管束１５の毛細管流路１２の出口端１６から通過することを可能にする複数の絞り開口４４を備えている。図３Ｂは、図３Ａの線３Ｂ−３Ｂに沿った断面図である。図示されるように、絞り板４０は、以下に述べるように、オリフィス板４２を通る燃料の流れ経路を開閉する移動部材として機能するようになっている。
【００６３】
図４Ａは、オリフィス板４２の好ましい実施形態の平面図である。図示されるように、オリフィス板４２は、そのオリフィス板４２が絞り板４０とシール係合の状態にあるときに、毛細管束１５の毛細管流路１２の出口端１６からの燃料の流れを阻止するために、内側シールリング４６と外側着地リング４８とを備えている。図示されるように、オリフィス板４２は、そのオリフィス板４２内の流路を開閉する移動部材として機能する絞り板４０と協働作用する固定部材として機能するようになっている。図４Ｂは、図４Ａの線４Ｂ−４Ｂに沿った断面図である。
【００６４】
図５Ａは、毛細管束１５内を流れる燃料用の流路を形成するように開位置に配置されたときの絞り板４０とオリフィス板４２との協働作用の状態を示している。図５Ｂは、毛細管束１５からの燃料の流れを遮断するように閉位置に配置されたときの絞り板４０とオリオフィス板４２との協働作用の状態を示している。
【００６５】
図６及び図７を参照すると、液体を蒸発するための燃料噴射器１００の他の実施形態が示されている。燃料噴射器１００は、入口１９０と出口１９２とを有し、これらの入口１９０と出口１９２は、有利には、従来のポート燃料噴射器と実質的に相互交換が可能であるように、従来のポート燃料噴射器におけるのと同様に設計されるとよい。特に好ましくは、この実施形態は、ボール・イン・円錐弁組立体１４４を有するようになっている。図２に示される形式と同じように、毛細管束１１５が、中心穴１７０内に配置可能になっている。
【００６６】
複数の毛細管流路１１２を有する毛細管束１１５が示され、これらの毛細管流路１１２の各々は、入口端１１４と出口端１１６とを有し、入口端１１４は、液体燃料源Ｆと流体連通している。熱源１２０が、各毛細管流路１１２に沿って配置されている。最も好ましくは、各熱源１２０は、毛細管流路１１２を電気抵抗性材料のチューブから形成し、電流の源が電流を送給するためにチューブの電気接続部１２２と１２４とに接続されたときに、各毛細管流路１１２の一部がヒータ要素を形成することによって、得られるようになっている。その結果、各ヒータ源１２０は、理解され得るように、各毛細管流路１１２における液体燃料を、少なくともその一部を液体状態から蒸気状態を変化させ、実質的に蒸発された燃料の流れを各毛細管流路１１２の出口端１１６から送給するのに十分なレベルに加熱するように、作動可能である。ここでも、噴射器の本体に蒸気を送給するこの方法は、蒸発された燃料と接触する材料の表面積を最小限に抑え、従って、蒸気の早期の凝縮を阻止するように加熱されねばならない熱質量も最小限に抑えることになる。
【００６７】
図１の実施形態におけるのと同じように、毛細管束１１５は、０．０８１ｃｍ（０．０３２インチ）の外径（ＯＤ）と０．０７１〜０．０７４ｃｍ（０．０２８〜０．０２９インチ）の内径（ＩＤ）とを有する２〜４本の薄壁の毛細管流路１１２からなるとよい。毛細管流路１１２は、各々、約３．１８ｃｍ（１．２５インチ）から約６．２５ｃｍ（２．５０インチ）の加熱長さ２０を有するステンレス鋼又は焼鈍されたインコネル６００製のチューブから構成されるとよい。電流が毛細管流路１１５に供給されると、各毛細管流路１１２の熱源１２０が熱くなり、次いで、燃料が毛細管通路１１２内を流れるにつれて、その燃料を蒸発させることになる。
【００６８】
毛細管束１１５をボール・イン・円錐弁組立体１４４の領域に取り付けるのに有用性を有する１つの方法は、レーザ溶接を用いて、行なわれる。具体的には、毛細管流路１１２は、固定ディスクに、そのディスクの厚みを貫通して、レーザ溶接されている。次いで、この固定ディスクが、噴射器１００の中心線に沿って下方に延在する中心穴１７０の内径に溶接されることになる。理解され得るように、毛細管流路１１２は、この溶接プロセスによって、適所に固定されるようになっている。ここでも、この取付け方法は、毛細管を噴射器１００の金属部分から熱的に隔離はしないが、流れ経路が比較的小さい（すなわち、固定ディスクと中心線通路との間の接続点が小さい）ので、生じる熱質量の増加は、大きな影響を与えるとは考えられない。しかし、固定ディスクを適所に保持するのに、熱絶縁性材料を用いることもできることが、理解されるべきである。
【００６９】
図１〜５の実施形態と同様に、毛細管束１１５をボール・イン・円錐弁組立体１４４の領域に取り付けるのに、ろう付け技術が用いられてもよい。この技術によると、カップ／ディスク器具を用いて、毛細管流路１１２の出口端１１６を適所に固定するようになっている。この組立体のカップ部は、金属の短円筒片からなり、その内に、毛細管流路１１２の出口端１１６が嵌合されるようになっている。次いで、毛細管流路の端が、カップの内径にろう付けされることになる。ボール・イン・円錐弁組立体１４４に最も近いカップの端は、円筒の軸と直交するように、外方に拡げられている。次いで、このカップ部が、別体のディスクの内径にろう付けされることになる。ディスクと燃料噴射器のハウジング１８０との間に流体の経路が存在しないことを確実にするために、それらを分離する方法が、用いられる。このような方法のいくつかの例として、軟質溶着部又はＯリングを用いて、ディスクと燃料噴射器のハウジング１８０との間に物理的な接続を設ける方法が、挙げられる。ろう付けの非磁性性質、カップとディスクの磁気的性質、及びこの組立体における各片の配置と厚みが、燃料噴射器１００の磁気回路の一部として作用するように設計されていることに、留意すべきである。
【００７０】
図７を参照すると、低質量ボール弁組立体１４４が、ソレノイド１２８によって作動されるようになっている。ソレノイド１２８は、電気コネクタ１７６に接続されたコイル巻線１３２を有している。コイル巻線１３２が励磁されると、磁場がボール１４０に接続された板１４６内に導かれ、これによって、ボール１４０を円錐シール面１４２から持上げ、オリフィス１５２を露出させ、燃料が流れるのを可能にしている。コイル巻線１３２からの電気が遮断されると、バネ（図示せず）が板１４６とそこに取り付けられたボール１４０をそれらの元の位置に戻すことになる。
【００７１】
代替的実施形態では、ソレノイド要素（図示せず）が、コイル巻線１３２の中心に引込まれ、ソレノイド要素に接続されたボール１４０を持上げるようになっている。電気をコイル巻線１３２に印加することによって生じるソレノイド要素の移動が、ボール１４０を円錐シール面１４２から引き離し、オリフィス１５２を露出させ、燃料が流れることを可能にしている。ここでも、コイル巻線１３２への電気が遮断されると、バネ（図示せず）がボール１４０をその元の位置に戻すことになる。
【００７２】
バネは、ボールを噴射器の出口の円錐部に押し付けるバネの力が、噴射器内の加圧された液体燃料の流れを遮蔽するのに十分であるように、寸法が決められている。
【００７３】
図７をさらに参照すると、毛細管流路１１２の出口端１１６を出ると、燃料流れは、燃料噴射器１００のボール・イン・弁組立体１４４に導かれることになる。絞り部１５０は、従来の燃料噴射器と同様、ソレノイドによって作動されるボール・イン・円錐絞り弁組立体１４４からなる。板１４６とボール１４０の組立体を開位置と閉位置との間で移動させるソレノイド１２８の作動が、噴射器１００を出る燃料の流量を計量調整する働きをするようになっている。オリフィス１５２を出ると、燃料は、円錐状の煙突状部１６０内を流れ、所望の噴霧の粒状化と噴霧の角度付けをもたらすようになっている。円錐の角度は、ボールが円錐面とのシールを形成する限り、広範囲な値に及ぶことができる。また、煙突状部１６０は、噴射器１００が従来のポート燃料噴射器の全長の要件を満たすのを可能にするのに役立つようになっている。理解され得るように、噴射器１００の適切な作動は、煙突状部１６０が設けられなくても、可能である。
【００７４】
理解され得るように、ボール・イン・円錐弁組立体１４０は、蒸発された燃料流れが低熱慣性と最小湿潤面積を有する絞り部１５０によって計量送給されることを可能にしている。これらの特徴は、蒸発された燃料の送給が、最初の電源入力後の時間的遅れが最小になるようにして、達成されることを確実にするのに、有用である。又、これらの特徴は、燃料蒸気が噴射器１００を出るとき、その燃料蒸気の早期の再凝縮を緩和することが、分かっている。これは、燃料蒸発モードで作動されるときの噴射器１００の安定状態作動中に、最小の液滴寸法が得られることを確実にする。にもかかわらず、図６に示されるボール・イン・円錐弁組立体１４０は、本発明の噴射器の設計に用いられ得るいくつかの弁設計の１つであることが、容易に理解されるべきである。燃料蒸気を計量送給するのに用いられる適切な弁設計の重要な特徴は、低熱慣性と最小湿潤面積との組合せである。これらの重要な特徴を有する他の適切な弁設計が、２００３年１月１５日に出願された米国特許出願第１０／３４２，２６７号に開示されている。この開示内容は、その全てが、参照することによって、ここに含まれるものとする。
【００７５】
図７をさらに参照すると、熱を毛細管流路１１２に供給するのに用いられる電気回路は、電源（図示せず）及び制御装置２０５０（図１０を参照）と、毛細管束１１５と、毛細管流路１１２の加熱部１２０の抵抗加熱を可能にするために毛細管束１１５に取り付けられたスペード形接続部１７４からなる。好ましい実施形態において、毛細管束１１５は、その毛細管束１１５の全体が単一の導体ユニットを形成するように、毛細管流路１１２の入口端１１４に近接するバスと、毛細管流路１１２の出口端１１６に近接するもう１つのバスとを用いている。電気的接続は、４つのスペード形接続部１７４と１７６をボビン１３０内に鋳込むことによって、なされている。ボビン１３０の送給端における２つの接続部は、ソレノイド１２８に電力を供給するように機能している。ボビン１３０の入口端における他の接続部は、毛細管束１１５の入口端に取り付けられている。第４の電気接続部は、ボビン１３０内に埋設され、毛細管束１１５の出口端１１６との電気接続がなされるように、ボビン１３０の遠位端に終端している。
【００７６】
冷エンジン環境において蒸発を達成するには、噴射器に供給される加熱用の電力の最小化と関連する立ち上り時間の最小化との間に、図８に示されるようなトレード・オフ（両立性）が存在している。容易に理解され得るように、噴射器を加熱するために使用される電力は、使用されるバッテリ電力によって制限され、噴射器の立ち上がり時間は、ユーザの性能に関する要求によって制限されている。
【００７７】
前述した設計と性能の要求事項に加えて、排気の後処理の手順及び／又は始動制御手法によって必要とされる燃料／空気比に対するある程度の制御を行なう必要もある。少なくとも、燃料噴射器は、クランキングからアイドルに至る状態から他のエンジン運転状態にわたって、必要な最大／最小流量比に適合する能力を有していなければならない。しかし、一部の形態では、エンジンサイクルの吸気弁が開いている期間にのみ蒸気を噴射することによって、排出物が最大限に低減されることがある。このような噴射プロフィールが、４行程サイクルの各部分に関連する概略的な時間と共に、図９に示されている。図示されるように、１５００ｒｐｍにおいて、開弁噴射は、２０ｍｓ間の噴射の後、蒸気が殆ど又は全くエンジンに送給されない６０ｍｓの期間が続くように、蒸気の流量を制御することによって、達成されることになる。
【００７８】
蒸気燃料噴射器の流量を調整するのに用いられる従来の弁設計は、液体を蒸発させるのに十分な温度を達成するために加熱されねばならない質量である熱質量の不都合な増大を生じることが知られている。この熱質量の増大は、噴射器の立ち上がり時間を増大させ（図８を参照）、これによって、始動及び／又は過渡的運転中に噴射器によって生成される蒸気の品質を悪化させるので、望ましくない。
【００７９】
図１０を参照すると、制御システム２０００の典型的な概略図が示されている。制御システム２０００は、内燃機関２１１０を運転させるのに用いられ、液体燃料供給源２０１０と液体燃料噴射経路２２６０に流体連通している液体燃料供給弁２２２０と、液体燃料供給源２０１０と毛細管流路２０８０に流体連通している蒸発燃料供給弁２２１０と、酸化ガス供給源２０７０と毛細管流路２０８０に流体連通している酸化ガス供給弁２０２０とを含んでいる。制御システムは、制御装置２０５０を備え、この制御装置２０５０は、典型的には、エンジン速度センサ２０６０、吸気マニフォールド空気熱電対及び吸気圧センサ２０６２、冷媒温度センサ２０６４、排気空燃比センサ２１５０、燃料供給圧センサ２０１２などのような種々のエンジンセンサから複数の入力信号を受信するようになっている。作動において、制御装置２０５０は、１つ以上の入力信号に基づいて、制御アルゴリズムを実行し、続いて、本発明による閉塞された毛細管通路を清浄化するための酸化剤供給弁２０２０への出力信号２０２４を生成し、液体燃料供給弁２２２０への出力信号２０１４を生成し、燃料供給弁２２１０への出力信号２０３４を生成し、及び毛細管２０８０を加熱する電力を送給する電力供給源への加熱電力指令２０４４を生成するようになっている。
【００８０】
作動において、ここに提案されるシステムは、排ガス再循環加熱の使用によって、燃焼中に生成された熱をフィードバックし、これによって、液体燃料が毛細管流路２０８０を通過するときに、その液体燃料を実質的に蒸発させるのに十分に加熱し、電気的又は他の方法で毛細管流路２０８０を加熱する必要性を低減、排除、又は補足するように、構成することもできる。
【００８１】
理解され得るように、図１〜図７に示された燃料噴射器の好ましい形態は、本発明の他の実施形態と関連して用いられてもよい。図１を再び参照すると、噴射器１０は、噴射器１０の作動中に形成される堆積物を清浄化するための手段を備えていてもよい。想定されるように、堆積物を清浄化させるための手段は、各毛細管流路１２を溶媒と流体連通させる段階と、溶媒が各毛細管流路１２内に導かれたときに、各毛細管流路１２のその場の清浄化を可能にする段階とを含んでいる。多種多様な溶媒が用いられ得るが、ここでの溶媒は、液体燃料源からの液体燃料からなるとよい。作動において、毛細管流路１２の清浄化の最中、熱源は長期的に停止、すなわち、スイッチが切られるべきである。当業者には理解されるように、図６及び図７に示される噴射器の設計は、その場の溶媒による清浄化を行なうのに容易に適合されるようになっている。
【００８２】
図１を再び参照すると、燃料噴射器１０の加熱された毛細管流路１２は、蒸発された燃料流れを生成し、この燃料流れは、空気中で凝縮し、エアロゾルと一般的に呼ばれる蒸発された燃料、燃料液滴、及び空気の混合物を形成することができる。同様に、図７を再び参照すると、燃料噴射器１００の加熱された毛細管流路１１２は、蒸発された燃料流れを生成し、この燃料流れは、空気中で凝縮し、エアロゾルを形成することができる。１５０から２００μｍのザウター平均径（ＳＭＤ）の範囲内の液滴からなる燃料噴霧を送給する従来の自動車用ポート燃料噴射器と比較して、このエアロゾルは、２５μｍ未満のＳＭＤ、好ましくは、１５μｍ未満のＳＭＤの平均液滴径を有している。従って、本発明による加熱された毛細管噴射器によって生成される燃料液滴の大部分は、流路とは無関係に、空気流れによって、燃焼室内に運ばれることになる。
【００８３】
従来の噴射器とここに開示された噴射器における液滴寸法分布の違いは、冷始動と暖気状態において、特に重要である。具体的には、従来のポート燃料噴射器を用いる場合、吸気部品と衝突する十分な量の大きな燃料液滴を蒸発させ、点火可能な燃料／空気混合物を生成させるために、比較的低温の吸気マニフォールド部品に過剰な燃料を供給する必要がある。逆に、ここに開示された燃料噴射器によって生成される蒸発された燃料と微細な液滴は、本質的に、始動時におけるエンジン部品の温度によって影響されず、従って、エンジン始動状態における過剰な燃料供給の必要性を排除している。ここに開示された燃料噴射器の使用によって与えられるエンジンに対する燃料／空気比のより正確な制御と組合わされる過剰な燃料供給の排除によって、従来の燃料噴射器システムを用いるエンジンによって生成されるのと比較して、冷始動時の排出物が、著しく低減されることになる。過剰な燃料供給の低減に加えて、ここに開示された加熱型毛細管噴射器は、冷始動及び暖気中に燃料リーン運転をさらに可能にし、その結果、触媒コンバータを活性化させると共に、排気管の排出物を著しく低減させることにも、留意すべきである。
【００８４】
燃料は、７ｋｇ／ｃｍ2（１００ｐｓｇ）未満、好ましくは、４．９ｋｇ／ｃｍ2（７０ｐｓｇ）未満、さらに好ましくは、４．２ｋｇ／ｃｍ2（６０ｐｓｇ）未満、さらに好ましくは、３．２ｋｇ／ｃｍ2（４５ｐｓｇ）未満の圧力で、ここに開示された噴射器に供給され得るようになっている。この実施形態は、蒸発燃料が大気温度の空中で凝縮されたときに、殆どが２〜３０μｍＳＭＤの寸法範囲内にあり、平均液滴寸法が約５〜１５μｍＳＭＤであるエアロゾル液滴の分布を形成する蒸発燃料を生成することが、分かっている。冷始動温度において迅速、かつほぼ完全な蒸発を達成する燃料液滴の好ましい寸法は、約２５μｍ未満である。この結果は、蒸発燃料のエネルギー量の２〜３％に相当する略１０．２〜４０．８ｋｇ／秒（１００〜４００Ｗ）、例えば、２０．４ｋｇ／秒（２００W）の電力を毛細管束に印加することによって、達成されることになる。チューブをその長さに沿って加熱する代替案として、流路の周囲に配置される電気コイルによる誘導加熱、又は伝導、対流、又は輻射による熱伝達の１つ又はその組合せによって、流路長さを加熱するように流路に対して相対的に配置される他の熱源による加熱が、挙げられる。冷始動及び暖機の後、毛細管束を加熱する必要はなく、未加熱の毛細管を用いて、通常温度で運転しているエンジンに十分な量の液体燃料を供給することができる。エンジンを始動させてから略２０秒（又は好ましくは、２０秒未満）後に、通常のエンジン運転を行なうために、毛細管を加熱するのに用いられた電力が遮断され、液体噴射が開始されることになる。当業者であれば、容易に理解され得るように、通常のエンジン運転は、連続噴射又はパルス噴射の形態による液体燃料噴射によって、行なわれることになる。
【００８５】
ここに開示された燃料噴射器は、エンジン吸気マニフォールドにおける既存のポート燃料噴射器と同じ個所又は吸気マニフォールドに沿った他の個所に、配置させることができる。ここに開示された燃料噴射器は、エンジンを始動させながら、閉鎖された吸気弁の裏側に噴射されねばならない大きな液滴の燃料を生成するシステムを上回る利点をもたらしている。好ましくは、毛細管チューブの出口は、従来の燃料噴射器の出口の配置と同様、吸気マニフォールド壁と同一の面に配置されている。
【実施例】
【００８６】
極小隔膜ポンプシステムによって、ガソリンを一定圧で以下に記載する毛細管に供給することによって、実験室的なベンチテストを行なった。液滴のピーク寸法と液滴の寸法分布は、マルバーン（Malvern）によって製造されているスプレーテック（Spray-Tech）レーザ回折システムを用いて、測定した。液滴寸法は、ザウター平均径（ＳＭＤ）で表している。ＳＭＤは、その表面／体積比が完全な噴霧の表面／体積比と等しい液滴の直径であり、噴霧の質量移動特性に関連している。
【００８７】
図１１は、単一の１．５インチ毛細管を通る燃料の液体質量流量と蒸気質量流量をその毛細管の圧力降下の関数として示している。図１１において、０．０８１ｃｍ（０．０３２インチ）のＯＤと０．０５１ｃｍ（０．０２０インチ）のＩＤを有する「通常壁」毛細管を通る流れを、０．０８１ｃｍ（０．０３２インチ）のＯＤと０．０７１〜０．０７４ｃｍ（０．０２８〜０．０２９インチ）のＩＤを有する「薄壁」毛細管を通る流れと比較した。図１１に示される結果の場合、各毛細管は、３０４ステンレス鋼から構成したが、同様の結果が、インコネル６００による各毛細管を用いても達成可能であることが、容易に理解されるべきである。この用途におけるステンレス鋼３０４とインコネル６００との間の重要な使用上の違いは、各材料の電気抵抗率にある。具体的には、インコネル６００は、ステンレス鋼３０４よりも高い抵抗率を有しているので、より高い抵抗率が熱を毛細管に供給するのに用いられる電気回路との適合性を得るには重要であるこの用途では、より適している。
【００８８】
図１１に示されるように、「薄壁」毛細管は、その流れ面積が大きいので、「通常壁」毛細管と比較して、液体及び蒸気質量流量が、両方とも著しく増大している。グラフの実線で描かれた垂直線は、３．５ｋｇ／ｃｍ2（５０ｐｓｉ）の全燃料噴射器圧力と１０％未満の毛細管の圧力降下の要件に基づく設計点を表している。この設計点において、図１１の結果は、殆どの自動車用ポート燃料噴射用途に対する液体及び蒸気の流量の要件が２〜４本の薄壁の３．８ｃｍ（１．５インチ）毛細管によって満たされることを、示している。
【００８９】
図１２は、３．８ｃｍ（１．５インチ）薄壁毛細管における燃料液滴寸法（ＳＭＤ、μｍ）を抵抗設定値の関数として示している。この結果は、液滴の寸法が、冷間時の毛細管抵抗（Ｒｏ）に対する加熱された毛細管抵抗（Ｒ）の比率として表される毛細管の温度設定値と共に著しく変化することを示している。しかし、ステンレス鋼毛細管の温度設定点の好ましい範囲は、Ｒ／Ｒｏ表示で約１．１２〜１．２である。ステンレス鋼の場合、この範囲は、約１４０〜２２０℃のバルク毛細管温度に対応している。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】好ましい形態による、ソレノイドによって作動される燃料絞り弁の上流側に配置される電子的に加熱される毛細管束を有する多重毛細管燃料噴射器の部分断面図である。
【図２】図１の実施形態の毛細管束の拡大図である。
【図３Ａ】絞り板４０の好ましい形態の平面図である。
【図３Ｂ】図３Ａの線３Ｂ−３Ｂに沿った断面図である。
【図４Ａ】オリフィス板の好ましい形態の平面図である。
【図４Ｂ】図４Ａの線４Ｂ−４Ｂに沿った断面図である。
【図５Ａ】燃料の流れ経路を形成するように開位置に配置されたときの図３Ｂの絞り板と図４Ｂのオリフィス板の協働作用の状態を示す図である。
【図５Ｂ】燃料の流れ経路を遮断するように閉位置に配置されたときの図３Ｂの絞り板と図４Ｂのオリフィス板の協働作用の状態を示す図である。
【図６】噴射器の他の好ましい形態による、ソレノイドによって作動される燃料絞り弁の上流側に配置される電子的に加熱される毛細管束を有する他の多重毛細管燃料噴射器の等角投影図である。
【図７】図６の多重毛細管燃料噴射器の部分側断面図である。
【図８】異なる加熱質量ごとに、噴射器に供給される電力の最小化と噴射器に関連する立ち上り時間の最小化との間のトレードオフ（両立性）を示すチャートである。
【図９】エンジンサイクルの吸気弁が開いている期間にのみ蒸気を噴射することによって、排出物が最大限に低減されることを示すチャートである。
【図１０】好ましい形態による燃料送給及び制御システムの概略図である。
【図１１】単一の３．８ｃｍ（１．５インチ）毛細管を通る燃料の液体質量流量と蒸気質量流量を毛細管の圧力降下の関数として示す図である。
【図１２】３．８ｃｍ（１．５インチ）薄壁毛細管における燃料の液滴寸法（ＳＭＤ、μｍ）を抵抗設定点の関数として示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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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１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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