(57)【要約】複数の異なる燃料および冷却剤を適応的に燃焼室内に噴射するため、および異なる燃料に点火するために構成された噴射器の実施形態が開示される。一実施形態に係る噴射器は、第１の端部および第２の端部を有する本体を含む。噴射器は、本体を通って延在する第１の流路と、第１の流路から独立し且つ第１の流路から電気的に絶縁された、本体を通って延在する第２の流路を備える。第１の流路は第１の燃料を受容するように構成され、第２の流路は、第２の燃料と冷却剤との少なくとも一方を受容するように構成されている。噴射器はさらに、本体に支持されたバルブを備え、このバルブは燃焼室内に第２の燃料と冷却剤の少なくとも一つを導入する開位置と閉位置との間で移動可能である。
2014500932.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
噴射器の本体であって、
第１の燃料および第２の燃料と冷却剤との少なくとも一方を前記本体内に受容するよう構成されたベース部と、
該ベース部に連結され、前記第１の燃料および前記第２の燃料と前記冷却剤との少なくとも一方を燃焼室内に噴射するために、前記燃焼室に近接して配置されるように構成されているノズル部と、
を有する噴射器の本体と、
前記ノズル部またはそれに近接して位置するバルブシールと、
前記ベース部から前記ノズル部へ延在する点火ロッドと、
該点火ロッドの少なくとも一部分にわたって同軸に配置されたバルブであって、シールヘッドを含み、該シールヘッドが前記バルブシールから離隔した開位置と前記シールヘッドが前記バルブシールに少なくとも部分的に接触する閉位置との間で移動するバルブと、
前記点火ロッドの中央部を通って長手方向に延在し、前記ノズル部に前記第１の燃料を供給するように構成された第１の流路と、
該第１の流路とは独立して前記バルブに隣接する本体を通って長手方向に延在し、前記ノズル部に前記第２の燃料と前記冷却剤との少なくとも一方を供給するように構成された第２の流路と、
前記第１の流路に流体結合して前記第１の燃料を前記第１の流路に供給する第１のカップリングと、
前記第２の流路に流体結合して前記第２の燃料と前記冷却剤との少なくとも一方を前記第２の流路に供給する第２のカップリングと、
を含むことを特徴とする噴射器。
【請求項２】
前記ノズル部の部位で前記点火ロッドに近接した点火機構をさらに備え、第２の流路が第２の点火機構を過ぎて前記第２の燃料と前記冷却剤との少なくとも一方を供給することを特徴とする請求項１に記載の噴射器。
【請求項３】
前記第１の燃料に点火する第１の点火エネルギを供給するために前記点火ロッドに結合した第１の点火エネルギ源と、
前記第２の燃料に点火する第２の点火エネルギを供給するために前記点火機構に結合した第２の点火エネルギ源と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項２に記載の噴射器。
【請求項４】
前記ノズル部は前記第１の燃料を第１の噴射パターンにて前記燃焼室に噴射し、前記ノズル部は前記第２の燃料と前記冷却剤との少なくとも一方を第２の噴射パターンにて前記燃焼室に噴射し、前記第１の噴射パターンが前記第２の噴射パターンとは異なっていることを特徴とする請求項１に記載の噴射器。
【請求項５】
力発生器アセンブリをさらに備え、一方の燃料が前記力発生器アセンブリを通って流れ、前記開位置と前記閉位置との間で前記バルブを移動させ、前記第２の流路が前記力発生器アセンブリの少なくとも一部を通って延在していることを特徴とする請求項１に記載の噴射器。
【請求項６】
前記開位置と前記閉位置との間で前記バルブが移動する際に前記バルブが前記噴射器の本体を通って長手方向に移動して、前記第２の燃料と前記冷却剤との少なくとも一方が前記第２の流路から前記燃焼室に供給されることを特徴とする請求項１に記載の噴射器。
【請求項７】
前記第１の流路および前記第２の流路とは流体的に分離された第３の流路をさらに備え、該第３の流路は、第３の燃料と第２の冷却剤との少なくとも一方を前記ノズル部に供給するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の噴射器。
【請求項８】
第１の端部および第２の端部を有する本体と、
該本体を通って延在し、第１の燃料を受容する第１の流路と、
該第１の流路から独立し且つ前記第１の流路から電気的に絶縁されている第２の流路であって、第２の燃料と冷却剤との少なくとも一方を受容する第２の流路と、
前記本体に支持され、前記第２の燃料と前記冷却剤との少なくとも一方を燃焼室に導入する開位置と閉位置との間で移動可能なバルブと、
を備えたことを特徴とする噴射器。
【請求項９】
前記本体の少なくとも一部を通って長手方向に延在する点火導体をさらに備え、前記第１の流路は前記点火導体の中央部を通って長手方向に延在していることを特徴とする請求項８に記載の噴射器。
【請求項１０】
前記第１の燃料流路に作動的に結合した第１の燃料入口と、
前記第２の燃料流路に作動的に結合した第２の燃料入口と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項８に記載の噴射器。
【請求項１１】
前記第１の燃料を収納する加圧燃料源をさらに備え、前記第１の燃料は前記加圧燃料源から前記第１の燃料流路に選択的に導入されて、前記第１の燃料が前記燃焼室に導入されることを特徴とする請求項８に記載の噴射器。
【請求項１２】
前記点火導体は第１の点火導体であり、前記噴射器は前記本体の前記第２の端部に第２の点火導体を備え、前記第１の点火導体が前記第１の燃料に点火し、前記第２の点火導体が前記第２の燃料に点火することを特徴とする請求項８に記載の噴射器。
【請求項１３】
前記第１の点火導体に結合して第１の点火エネルギを供給する第１点火源と、
前記第２の点火導体に結合して第２の点火エネルギを供給する第２点火源と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１２に記載の噴射器。
【請求項１４】
燃料の噴射器を適応的に作動させる方法であって、
前記噴射器の本体の第１の流路に第１の燃料および第１の冷却剤の少なくとも一方を導入することと、
第１の流路から燃焼室内に前記第１の燃料および前記第１の冷却剤の少なくとも一方を第１の分配パターンにて供給することと、
前記第１の流路から流体的に分離した前記本体の第２の流路に第２の燃料および冷却剤の少なくとも一方を導入することと、
前記第２の流路から前記燃焼室内に前記第２の燃料および前記第２の冷却剤の少なくとも一方を前記第１の分配パターンとは異なる第２の分配パターンにて供給することと、
前記第１の燃料および前記第２の燃料の少なくとも一方が供給されたときに、前記噴射器の前記本体に支持された点火機構により、前記第１の燃料または前記第２の燃料に少なくとも部分的に点火することと、
を備えた方法。
【請求項１５】
１以上の燃焼室特性に応じて、前記第１の燃料、前記第２の燃料および前記冷却剤の少なくとも１つを適応的に供給することをさらに備えることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記第１の流路および前記第２の流路から流体的に分離した前記本体の第３の流路に第３の燃料および第３の冷却剤の少なくとも一方を導入することと、
前記第３の流路から前記燃焼室内に前記第３の燃料および前記第３の冷却剤の少なくとも一方を供給することと、
をさらに備えることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記第３の流路から前記燃焼室内に前記第３の燃料および前記第３の冷却剤の少なくとも一方を供給することは、前記第３の燃料および前記第３の冷却剤の少なくとも一方を前記第２の分配パターンにて前記燃焼室内に供給することを含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記第３の流路から前記燃焼室内に前記第３の燃料および前記第３の冷却剤の少なくとも一方を供給することは、前記第３の燃料および前記第３の冷却剤の少なくとも一方を前記第１および第２の分配パターンとは異なる第３の分配パターンにて前記燃焼室内に供給することを含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記噴射器の前記本体に支持された点火機構により、前記第１の燃料または前記第２の燃料に少なくとも部分的に点火することは、第１の点火機構により前記第１の燃料に少なくとも部分的に点火することと、前記第１の点火機構とは異なる第２の点火機構により前記第２の燃料に少なくとも部分的に点火することと、を含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１の燃料に少なくとも部分的に点火することは前記第１の点火機構に第１の点火エネルギを加えることを含み、前記第２の燃料に少なくとも部分的に点火することは前記第２の点火機構に第２の点火エネルギを加えることを含み、前記第２の点火エネルギが前記第１の点火エネルギ超またはそれ未満であ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】
概して、以下の開示は、複数の燃料および／または冷却剤を燃焼室に適応的に噴射するのに適した一体型燃料噴射・点火装置（integrated fuel injectors and igniters）に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料噴射システムは、一般に、エンジンの入口マニホールドまたは燃焼室に燃料スプレーを噴射するために用いられる。燃料噴射システムは、１９８０年代後半以降、ほぼ完全にキャブレタに取って代わって、自動車エンジンにおいて使用される主要な燃料供給システムとなっている。一般に従来の燃料噴射システムは加圧燃料供給部に接続されており、かかる燃料噴射システムに使用される燃料噴射器は、エンジンの動力行程に対する特定時点で、加圧された燃料を燃焼室内に噴射ないしは解放する。多くのエンジンでは、特に大型のエンジンでは、燃焼室に入り込ませるべく燃料噴射器を通過させるボアすなわちポートの寸法は小さい。従って、この小さいポートによって、噴射器を作動ないしはそこから燃料を噴射させるコンポーネントの寸法を制限していた。さらに、かかるエンジンでは吸排気バルブ列機構が錯綜しており、それら燃料噴射システムのコンポーネントのために提供できる空間がさらに制限されていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願第    号明細書
【特許文献２】米国特許出願第１２／８５７，４６１号明細書
【特許文献３】米国仮特許出願第６１／２３７，４６６号明細書
【特許文献４】米国仮特許出願第６１／４０７，４３７号明細書
【特許文献５】米国仮特許出願第６１／３０４，４０３号明細書
【特許文献６】米国仮特許出願第６１／３１２，１００号明細書
【特許文献７】米国仮特許出願第６１／２３７，４２５号明細書
【特許文献８】米国仮特許出願第６１／２３７，４７９号明細書
【特許文献９】米国特許出願第１２／８４１，１７０号明細書
【特許文献１０】米国特許出願第１２／８０４，５１０号明細書
【特許文献１１】米国特許出願第１２／８４１，１４６号明細書
【特許文献１２】米国特許出願第１２／８４１，１４９号明細書
【特許文献１３】米国特許出願第１２／８４１，１３５号明細書
【特許文献１４】米国特許出願第１２／８０４，５０９号明細書
【特許文献１５】米国特許出願第１２／８０４，５０８号明細書
【特許文献１６】米国特許出願第１２／５８１，８２５号明細書
【特許文献１７】米国特許出願第１２／６５３，０８５号明細書
【特許文献１８】米国特許出願第１２／００６，７７４号明細書（米国特許第７，６２８，１３７号明細書）
【特許文献１９】米国特許出願第１２／９１３，７４９号明細書
【特許文献２０】国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ０９／６７０４４号明細書
【図面の簡単な説明】
【０００４】
【図１Ａ】本開示の実施形態に従って構成された一体型噴射・点火装置の側断面図である。
【図１Ｂ】図１Ａの１Ｂ−１Ｂ線にほぼ沿って取った一組の断面の端面の１つを示す図である。
【図１Ｃ】図１Ａの１Ｂ−１Ｂ線にほぼ沿って取った一組の断面の端面の１つを示す図である。
【図１Ｄ】図１Ａの１Ｂ−１Ｂ線にほぼ沿って取った一組の断面の端面の１つを示す図である。
【図２Ａ】本開示の実施形態に従って構成された一組の噴射器のノズル部の側断面図の１つである。
【図２Ｂ】本開示の実施形態に従って構成された一組の噴射器のノズル部の側断面図の１つである。
【図２Ｃ】本開示の実施形態に従って構成された一組の噴射器のノズル部の側断面図の１つである。
【図２Ｄ】本開示の実施形態に従って構成された一組の噴射器のノズル部の側断面図の１つである。
【図３Ａ】バルブ分配サブアセンブリの側断面図である。
【図３Ｂ】分配サブアセンブリの部分的平面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
本願は、２０１０年１２月６日に本願と同時に出願され、「INTEGRATED FUEL INJECTOR IGNITERS HAVING FORCE GENERATING ASSEMBLIES FOR INJECTING AND IGNITING FUEL AND ASSOCIATED METHODS OF USE AND MANUFACTURE」と題された特許文献１の参照によって、その要旨の全体を包含する。
【０００６】
本開示には、内燃機関に用いるための一体型の燃料噴射および点火装置、ならびにこれに関連して組み合わされるシステム、アセンブリ、コンポーネントおよび方法が記載されている。例えば、以下に説明する実施形態のいくつかは、概して、作動中に燃焼室に２以上の燃料、冷却剤、または燃料および冷却剤の組み合わせを注入することができる燃料噴射器／点火器に向けられている。本明細書において、冷却剤という用語には、冷却を生じさせる任意の流体（例えば、気体または液体）を含むことができる。一実施形態では、例えば、冷却剤は非燃焼流体を含むことができる。しかしながら、他の実施形態では、冷却剤は、他の燃料よりも低い温度で着火および／または燃焼する燃料を含むことができる。特定の他の実施形態では、流体（例えば冷却剤）は、空気または燃焼室のコンポーネントなどの物質の冷却を提供する。本開示の様々な実施形態の完全な理解を提供するために、特定の詳細が以下の説明および図１Ａ〜図３Ｄに記載されている。しかしながら、内燃機関、噴射器、点火器および／または燃焼システムの他の形態にしばしば関連付けられる周知の構造およびシステムを説明するためのその他の詳細については、本開示の様々な実施形態の説明を不要に不明瞭にすることを避けるために以下に記載されていない。よって、以下に記載する詳細のいくつかは、開示された実施形態を当業者が作製し、使用することを可能にするのに十分な態様で、以下の実施形態を説明するために提供されることが理解されるであろう。しかしながら、以下に述べる詳細および利点のいくつかは、開示された特定の実施形態を実施するのに必要がものであり得る。
【０００７】
図に示された詳細、寸法、角度、形状およびその他の特徴の多くは、開示された特定の実施形態の単なる例示である。従って、他の実施形態は、本開示の精神または範囲から逸脱することなく、他の詳細、寸法、角度および特徴を有し得る。加えて、当業者であれば、以下に述べる詳細のいくつかがなくても、本開示のさらなる実施形態を実施し得ることを理解するであろう。
【０００８】
本明細書の全体を通して、「１つの実施形態」または「一実施形態」に対する参照は、実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造または特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。よって、本明細書の全体を通して随所に現れる「１つの実施形態において」または「一実施形態では」というフレーズは、すべて同じ実施形態に対して参照されるものであるとは限らない。さらに、特定の実施形態を参照して説明した特定の特徴、構造または特性は、１以上の他の実施形態においても任意の適切な方法で組み合わせることができるものである。また、本明細書で提供される見出しは便宜上のものであり、特許請求範囲の開示または意味を説明するものではない。
【０００９】
図１Ａは、本開示の実施形態に従って構成された一体型噴射／点火装置１００（「噴射器１００」）の側断面図である。噴射器１００は、第１の端部すなわちベース部１０６と第２の端部すなわちノズル部１０８のとの間に延在する中間部分１０４を有する本体１０２を含む。ノズル部１０８は、少なくとも部分的にエンジンヘッド１１０を通って延在し、燃焼室１１２のインターフェース１１１またはその近傍に燃料を噴射して点火するように構成されている。以下に詳細に説明するように、噴射器１００は、特に、２以上の燃料、冷却、または燃料および冷却剤の組合せの適応的かつ迅速な作動を提供するのに適している。
【００１０】
図１Ａに示す実施形態では、噴射器１００は、ベース部１０６からノズル部１０８まで延在するコアアセンブリ１１３を含む。噴射器１００はまた、コアアセンブリ１１３の少なくとも一部分の上に同軸に配置された本体絶縁体１４２を含む。コアアセンブリ１３は、点火導管、ロッドまたは導体１１４と、点火絶縁体１１６と、バルブ１１８とを含む。点火絶縁体１１６は、点火導体１１４の少なくとも一部分の上に同軸に配置され、ベース部１０６からノズル部１０８まで延在している。以下に詳細に説明するように、バルブ１１８が点火絶縁体の少なくとも一部分の上に同軸に配置され、本体１０２を通って長手方向に移動する。例えば、バルブ１１８は、内方に開く（例えば燃焼室から遠ざかる方向に開く）バルブであり、コア絶縁体１４１に対して移動可能であることで、燃焼室１１２にノズル部１０８から燃料を選択的に導入する。より具体的には、バルブ１１８は、噴射器１００の長手方向軸に概ね平行な方向に、コア絶縁体１１６に対し摺動またはその他の態様で相対的に移動するように構成される。バルブ１１８は、バルブ作動器アセンブリ１２５に係合するベース部１０６内に第１の端部を含んでいる。バルブ１１８はまた、第２の点火機構（ignition feature）１５０によって支持されるノズル部１０８内のバルブシール１２１と係合またはその他の態様で接触する第２すなわちシール端部１１９を含む。また、シール端部１１９はバルブシール１２１から半径方向内方に位置づけられる出口開口１０７を含む。以下で詳細に説明するように、出口開口１０７によって、燃料や冷却剤はバルブシール１２１に隣接している第２の流路１３３から通過することができ、シール端部１１９がバルブシール１２１から離隔したときに、燃料または冷却剤はノズル部１０８を出て行くことができる。シール端部１１９および／またはバルブシール１２１は、１つ以上のエラストマー部を含むことができる。以下で詳細に説明するように、バルブ作動器アセンブリ１２５は、（図１Ａに示すような）閉位置と開位置との間で、点火絶縁体１１６に対してバルブ１１８を作動させる。開位置では、バルブ１１８のシール端部１１９はバルブシール１２１から離隔しており、これによって、図１Ａに示すように、燃料や冷却剤はバルブシール１２１を通って流れてノズル部１０８から出て行き、分配パターン１６０を生成することができる。
【００１１】
ある実施形態では、２０１０年８月１６日に出願され、「INTERNALLY REINFORCED STRUCTURAL COMPOSITES AND ASSOCIATED METHODS OF MANUFACTURING」と題された特許文献２（参照によってその全体を本明細書に包含するものとする）に開示されたような強化された構造用複合材料からバルブ１１８を作製することができる。例えば、バルブ１１８は、比較的低密度の離隔した（low density spaced）グラファイトまたはグラフェン構造から作製することができ、これは、イナーシャを低減し、高い強度および剛性を実現し、高い疲労強度を備えるという利点を提供する。より具体的には、１以上の炭素−炭素層によって補強され、軽量ではあるが強力なグラファイト構造のコアからバルブ１８を構成することができる。１以上の炭素−炭素層は、炭素供与体の好適な前駆アプリケーション（例えば、石油ピッチ、またはポリオレフィンまたはＰＡＮなどの熱可塑性物質）から調製することができる。１以上の炭素−炭素層はさらに、無線周波数遮蔽および保護を提供することができる。追加的な保護は、例えば、適切なろう付け合金組成によってバルブ１１８にろう付けすることができるニッケル合金のような適切な合金でバルブの外面１１８をめっきすることによって確立することができる。
【００１２】
点火導体１１４は、着火イベントを生成するように構成された１以上の着火機構を含む燃焼室１１２のインターフェース１１１に近接する端部１１５を含む。点火導体１１４はまた、点火導体１１４の中央部分を通って長手方向に延在する第１の流路すなわちチャンネル１２４を含む。点火導体１１４は、ベース部１０６の第１の端子１２７に作動的に結合される。第１の端子１２７は、点火導体１１４に対し、点火エネルギ（例えば電圧）とともに、第１の燃料または第１の冷却剤を供給するように構成されている。より具体的には、第１の端子１２７は、第１の流路１２４に流体結合された第１の入口通路１２３を含む。第１の端子１２７はまた、第１燃料または冷却剤源に連結されるように構成され、以下に詳細に説明するように、第１の入口流路１２３を介して第１の流路１２４内に第１の燃料または冷却剤を導入する。点火導体１１４は、従って、第１の流路１２４を介して燃焼室１２内に第１の燃料または冷却剤を供給する。第１の端子１２７はまた、第１の点火源導体１２９を介して第１の点火エネルギ源に連結されている。第１の点火源導体１２９は、従って、第１の端子１２７を介して点火導体１１４に第１の点火エネルギを提供する。よって、点火導体１１４は、第１の点火エネルギにより、ノズル部１０８において第１の燃料に点火することができる。１つの実施形態では、例えば、第１の端子１２７は、点火導体１１４に少なくとも約８０ＫＶ（ＤＣまたはＡＣ）を供給することができる。しかしながら、他の実施形態では、第１の端子１２７は、点火導体１１４に対し、それより高いまたは低い電圧を供給することができる。
【００１３】
図示した実施形態の特徴によれば、第１の流路すなわち通路１２４は第２の流路すなわち通路１３３から電気的に隔離すなわち絶縁される。この電気的絶縁によって、これらの通路を通って流れる異なる燃料に対し異なる点火エネルギを適用できるようになる。さらに、そして以下に詳細に説明するように、第２の流路１３３は、複数の個別の、すなわち流体分離したチャネルまたは通路（例えば図１Ｃおよび図１Ｄを参照）を含むことができる。このようにして、第１の流路または通路１２４を通る異なる燃料および／または冷却剤に加えて、異なる燃料および／または冷却剤を第２の流路１３３を通して伝えることができる。より具体的には、１つの実施形態では、第１の燃料または第１の冷却剤が第１の流路１２４を通って流れ、第２の燃料または第２の冷却剤が第２の流路１３３内の第１の個別流路を通って流れ、第３の燃料または第３の冷却液が第２の流路１３３内の第２の個別チャネルを流れるようにすることができる。さらに別の実施形態では、４つ以上の燃料または冷却剤が、種々の流路を通って流れるようにすることができる。
【００１４】
噴射器１００はさらに、中間部１０４またはベース部１０６の部位に、絶縁された第２の端子１５２を含んでいる。第２の端子１５２は、第２の点火導体１５４を介して第２の点火機構１５０に電気的に結合している。例えば、第２の点火導体１５４を、点火絶縁体１１６上に配置された導電層または被覆とすることができる。第２の点火導体１５４は、従って、ノズル部１０８における第２の点火機構１５０に点火エネルギ（例えば電圧）を伝える。図示の実施形態に示すように、第２の点火機構１５０は、点火導体１１４の端部１１５に対し同軸かつ半径方向に離隔している。また、図示の実施形態では、第２の点火機構１５０は、点火導体１１４の端部１１５の周りで周方向に延在し、そこから離隔する針状の複数の突起部またはねじ山を含むことができる。しかしながら、他の実施形態では、第２の端子１５２を省略することができ、ベース部１０６に支持された力発生器アセンブリ（force generator assembly）から点火エネルギを第２の点火機構に供給するようにすることができる。
【００１５】
噴射器１００はさらに、本体１０２によって支持されたコンデンサ１５８などのエネルギ貯蔵設備を含む。図示の実施形態では、コンデンサ１５８は中央部１０４の部位で本体絶縁体１４２内に配置されている。しかしながら、他の実施形態では、コンデンサ１５８を他の位置に配置することができ、これには例えばノズル部１０８またはその近傍が含まれる。コンデンサ１５８は、点火エネルギを提供することで１以上の燃料が着火するように構成される。例えば、コンデンサ１５８は第２の点火導体１５４に結合される。コンデンサは、燃焼室１１２から、または他の適切なソースから取り入れられたエネルギによって充電することができる。例えば、コンデンサは、燃焼室１１２から取り入れる光起電性、熱電性、音響および／または圧力のエネルギから得た点火エネルギによって充電され、これを蓄えることができる。
【００１６】
図示した実施形態の特徴によれば、噴射器１００は、対応する燃料または冷却剤を点火するために必要に応じて異なる量または点火エネルギの値を提供するように構成される。例えば、１つの実施形態では、第１の端子１２９は、点火させるのが比較的難しい燃料の着火を開始させる目的で、第２の端子１５２からの点火エネルギ、力発生器アセンブリ１２８において誘導された点火エネルギおよび／またはコンデンサ１５８に蓄えられた点火エネルギよりも大きな点火エネルギを提供することができる。しかしながら、他の実施形態では、これらの付加的な点火エネルギ源によって、より大きな点火エネルギを提供することができる。さらに、これらの点火エネルギ源のいずれかを点火イベントを持続する目的で使用することができる。
【００１７】
図示の実施形態の追加の特徴によれば、注射器１００は、第２流路またはチャネル１３３を含む。図示の実施形態では、第２の流路１３３は、ベース部１０６から本体１０２を通ってノズル部１０８まで長手方向に延在している。具体的には、第２の流路１３３はバルブ１１８のステム部と同軸に延在し、バルブ１１８のステム部から半径方向に離隔している。以下に詳細に説明するように、第２の燃料や冷却剤は、噴射器１００のベース部１０６から第２の流路１３３に入り、燃焼室１１２に向かって通ることができる。また、以下に詳細に説明するように、第２の流路１３３は、流体的に互いに分離され、対応する個々の燃料入口通路１５１（第１の入口通路１５１ａおよび第２の入口通路１５１ｂとして個別に特定されている）に結合する複数の個別サブチャネルまたは通路を含むことができる。このようにして、複数の異なる第２の燃料および／または第２の冷却剤は第２の流路１３３の対応するサブチャネルを通って移動することができる。
【００１８】
噴射器１００はまた、燃焼室１１２内の特性または状態を検出するように構成された１以上のセンサを含むことができる。例えば、図示の実施形態では、噴射器１００は、ベース部１０６から本体１０２を通ってノズル部１０８まで長手方向に延在する光ファイバケーブル１１７ないしはセンサを含む。光ファイバケーブル１１７は、点火導体１１４に結合させるか、他の態様でまたはこれとともに延在させることができる。また、光ファイバケーブル１１７は、本体１０２に支持される１以上のコントローラまたはプロセッサ１２２に結合することができる。図示の実施形態では、光ファイバケーブル１１７は、点火導体１１４と第２点火機構１５０との間の空間にて、半径方向外方に展開または他の態様で扇形に広がる。光ファイバおよび／または他のセンサケーブル１１７の展開された端部は光ファイバケーブル１１７の領域を拡大し、燃焼室１１２とのインターフェースの部位で情報を収集する。
【００１９】
バルブ作動器アセンブリ１２５に加えて、噴射器１００はまた、ベース部１０６によって支持される力発生器アセンブリ１２８を含む。バルブ作動器アセンブリ１２５はバルブ１１８に作動可能に結合され、力発生器アセンブリ１２８に応答して開位置と閉位置との間でバルブ１１８を移動させるように構成されている。例えば、バルブ作動器アセンブリ１２５は、点火絶縁体１１６に対して、バルブ１１８を噴射器１００内で長手方向に移動させる。バルブ作動器アセンブリ１２５は、バルブ１１８に結合されたアクチュエータすなわちドライバ１２０を少なくとも含んでいる。力発生器アセンブリ１２８には、ドライバ１２０の動きを誘発する力発生器１２６（例えば、電気力、電磁気力、磁力などの発生器）が含まれる。
【００２０】
ある実施形態では、力発生器１２６を、例えば強磁性ドライバ１２０を移動させる磁界を誘導するソレノイドとすることができる。さらに別の実施形態では、力発生器アセンブリ１２８は、ドライバ１２０の動きを誘発して点火エネルギを発生させる目的で、トランスフォーマとして作用する複数のソレノイド巻線を含むことができる。より具体的には、２以上の力発生器１２６を有し、バルブアセンブリのいずれかを開くことによって燃料流量を制御するとともに、バルブ開放機能の完了に応じてイオン化電圧を生成するように力発生器アセンブリ１２８を構成することができる。ある実施形態では、これらの機能の双方を実現するために、力発生器アセンブリ１２８のそれぞれを、例えば第１すなわち一次巻線と二次巻線とを含む巻線ソレノイドすることができる。二次巻線は、第１の巻線よりもターン数を多くすることができる。各巻線はまた、１以上の絶縁体（例えば、ワニスまたは他の適切な絶縁体）の層を含むことができるが、二次巻線は、第１の巻線よりも多い絶縁層を含むことができる。一次巻線と、よりターンの多い二次巻線とを有する変圧器として力発生器１２６を構成することにより、一次巻線は、電圧印加に応じて大電流を流し、引き寄せまたはその他の誘導によってドライバ１２０の動きを生じさせることができる。一次巻線にリレーを開いたときに、駆動部１２０が解放され、非常に高い電圧が二次巻線によって生成される。二次巻線の高電圧は、初期イオン化を提供することによりプラズマ発生点火イベントに適用することができ、その後、比較的低い電圧が、何らかの適切な供給源（光起電発電装置、熱電気発電装置および圧電発電装置によって機燃焼室１１２から取り出したエネルギを含む）で充電されているコンデンサを放電させ、および／または、燃焼室内へのイオン化電流の供給と燃料のスラストと継続させる。適切な力発生器アセンブリ１２８は、２０１０年１２月６日に本願と同時に出願され、「INTEGRATED FUEL INJECTOR IGNITERS HAVING FORCE GENERATING ASSEMBLIES FOR INJECTING AND IGNITING FUEL AND ASSOCIATED METHODS OF USE AND MANUFACTURE」と題された特許文献１（参照によってその全体を包含するものとする）に記載されている。力発電機アセンブリ１２８は、ドライバ１２０の動きを誘発し、第２の点火機構１５０のための点火エネルギを発生するために２以上のソレノイド巻線を含む実施形態では、第２の端子１５２を噴射器１００から省略することができる。
【００２１】
力発生器１２８はまた、プロセッサまたはコントローラ１２２に作動可能に結合させることができ、これを続いて点火導体１１４を通って延在する１以上の光ファイバケーブル１１７に結合させることもできる。このようにすることで、コントローラ１２２は、例えば１以上の燃焼室条件やエンジンパラメータに応じて、力発生器１２６を選択的に活性化しまたは他の態様にて作動させることができる。力発生器１２６がドライバ１２０を作動させると、ドライバ１２０は、バルブ１１８の第１の端部に一体化されまたは他の態様にて取り付けられた１以上の係止部１３０に係合し、開位置と閉位置との間でバルブ１１８を移動させる。バルブ作動器アセンブリ１２５はまた第１のバイアス部材１３２を含むことができる。第１のバイアス部材１３２は、バルブ１１８と接触し、ノズル部１０８に向う方向において、少なくとも部分的にバルブ１１８を閉位置に付勢する。バルブ作動器アセンブリ１２５はさらに第２のバイアス部材１３５を含むことができ、これはノズル部１０８に向けて少なくとも部分的にドライバ１２０を付勢するものである。ある実施形態では、第１バイアス部材１３２を例えばコイルばねなどのばねとし、第２のバイアス部材１３５を磁石または永久磁石とすることができる。しかしながら、他の実施形態では、第１のバイアス部材１３２および第２のバイアス部材１３５は、バルブ１１８およびドライバ１２０に対して付勢力を提供するのに適したその他のコンポーネントを含むことができる。第２のバイアス部材のための磁石または永久磁石を含む実施形態では、コイルばねに関連した潜在的な共振を誘発または回避しながら、比較的迅速な作動を提供することができる。
【００２２】
作動時において、噴射器１００は燃焼室１１２内に２以上の燃料、冷却剤および／または燃料と冷却剤との組み合わせを注入するように構成されている。噴射器１００はまた、燃料がノズル部１０８を出て燃焼室に入るとき、燃料に点火するように構成されている。例えば、第１の燃料や冷却剤を、第１の端子１２７における第１の入口通路１２３を介して、点火導体１１６内の第１の流路１２４に導入することができる。燃料および／または冷却剤の正確な量は、以下に詳細に説明するように、加圧燃料源からバルブアセンブリを通じ計量供給することができる。第１の燃料や冷却剤は、ベース部１０６からノズル部１０８まで噴射器１００を通過する。ノズル部１０８が計量供給された量の第１の加圧燃料を供給する例では、第１の点火源の導体１２９は、ノズル部１０８において点火導体１１６に支持された点火機構に対し、印加またはその他の態様にて点火エネルギ（例えば電圧）を伝達する。このようにして、点火導体１１６は、燃焼室１１２とのインターフェース１１１で第１の燃料に点火することができる。
【００２３】
第２の燃料や冷却剤は、力発生器アセンブリ１２８を介してベース部１０６に導入することができる。例えば、第２の燃料や冷却剤を、第２入口通路１５１ｂを介して力発生器アセンブリ１２８に入れることができる。ベース部流路１３９によって示されるように、第２の燃料や冷却剤は、力発生器１２８を介して第２の入口流路１５１から移送することができる。その後、第２の燃料や冷却剤は、複数の出口チャネル１４０を介して力発生器１２８を出て、次にドライバ１２０内の通路１５７を通過し、バルブ１１８に隣接して長手方向に延在する第２の流路１３３に到達する。上述したように、第２の流路１３３は、ノズル部１０８および中間部分１０４の本体絶縁体１４２の内面とバルブ１１８の外面との間に延在している。本体絶縁体１４２は、参照によりその全体が組み込まれるとした上記特許出願に開示されているように、噴射器１００で発現する高電圧を封じ込めるのに適したセラミックまたはポリマー絶縁体から作製することができる。
【００２４】
バルブ作動器タアセンブリ１２５および力発生アセンブリ１２８は組み合わさって働き、正確および／または適応的に第２の流路１３３へと第２の燃料や冷却剤を計量供給または分配して、バルブ１１８のシールヘッド１１９に通過させる。例えば、力発生器１２６はドライバ１２０の動きを誘発し、バルブ１１８をコア絶縁体１１６に沿って長手方向に移動させて、バルブシール１２１から離れるようバルブ１１８のシール端部１１９に空間をあけさせる。より具体的には、力発生器１２６がドライバ１２０の動きを誘発すると、ドライバ１２０は、バルブ１１８に支持される係止部１１３０と接触する前に、第１の距離Ｄ１だけ移動する。このようにすることで、ドライバ１２０は、バルブ１１８と係合する前に、運動量ないしは運動エネルギを得ることができる。ドライバ１２０が係止部１３０と接触した後、ドライバ１２０は第２すなわち総距離Ｄ２の移動を継続するが、この際バルブ１１８と係合してバルブ１１８に引張力を作用し、バルブ１１８を開位置に移動させる。このようにすることで、バルブ１１８が開位置にある場合、バルブ１１８のシールヘッド１１９は、第２すなわち総距離Ｄ２から第１の距離Ｄ１を減じたものにほぼ等しい開放距離だけバルブシール１２１から離隔している。噴射器１００の長手方向軸と概ね平行な方向において開位置と閉位置との間でバルブ１１８が移動する際、点火導体１１４および絶縁体１１６は本体１０２内に静止したままとなっている。よって絶縁体１１６は、バルブ１１８のための中央ジャーナル軸受として機能し、従ってバルブ１１８と接触する低摩擦外面を持つことができる。さらに、そして以下に詳細に説明するように、第２の点火機構１５０は、第２の燃料が燃焼室１１２に入る前または入るときに第２の燃料に点火するための点火イベントを生成することができる。
【００２５】
第２の燃料が第２の流路１３３を通じて燃焼室１１２に向って流れると、第２の点火導体１５０はＤＣおよび／またはＡＣ電圧を伝え、燃料を十分に加熱および／またはイオン化し、燃焼室に向けて急速に伝搬および推進させる。ある実施形態では、力発生器アセンブリ１２８は、第２の点火導体１５４を介して第２の点火機構１５０に点火エネルギを提供することができる。例えば、力発生器アセンブリ１２８が、一次ソレノイド巻線、またはドライバ１２０の移動を誘発するとともに二次ソレノイド巻線に電圧を誘起する圧電コンポーネントを含んでいる実施形態では、第２ソレノイド巻線が第２の点火機構に点火エネルギを提供することができる。しかしながら、他の実施形態では、第２の端子１５２は、第２の点火導体１５４を介して第２の点火機構１５０に点火エネルギを提供することができる。
【００２６】
点火導体１１４の端部１１５にある第１の点火機構１１５に関しては、第２の点火機構１５０と同様、各点火機構はイオン化された燃料のプラズマ放電爆発（plasma discharge blasts）を発現させて燃焼室１１２内へと急速に加速および注入することができる。点火機構でこのような高電圧を発生することでイオン化が開始され、これは続いて、発現して外方に移動することでインターフェース１１１を通って燃焼室１１２中へと燃料を推進するプラズマ内で、相当程度大集団のイオンとなって余剰空気中に急速に伝播され、多かれ少なかれ断熱成層された室の燃焼の絶縁を提供する。このように、噴射器１００は、参照によってその全体が組み込まれるとした各特許出願に開示されているように、燃料なしにイオン化した空気およびイオン化した燃料および空気の組み合わせでなる層と同様、燃料をイオン化した空気および空気と組み合わさったイオン化燃料に導入する前に、ノズル部１０８内の空気をイオン化することが可能である。
【００２７】
１つの動作モードでは、電極１５０による比較的低い点火エネルギで点火される、水素または水素によって特徴づけられる燃料混合物となどの急速燃焼物（combustant）の供給は、入口ポート１５１を通ってバルブシール１１９を通過することにより行われる。分配パターン１６０によって示されるような急激な燃焼は、第２の入口ポート１２３を通り導管１２４を介して供給することができる液体ディーゼル燃料などの他の燃料を急速に加熱し、急速な蒸発、割れおよび燃焼の完了を強制することで、第２の分配パターン１６２を生成することができる。第２の分布パターン１６２は、第１の分配パターン１６０と異なっていてもよい。この急速燃焼物によって特徴づけられる動作のモードは、比較的着火が困難な特性および／または未燃炭化水素および／または粒子状物質の放出を生じさせる傾向に比例して多く供給される、ディーゼルおよびバンカー燃料を含む他の燃料が、かかる放出物を生じることなく容易に燃焼できるようにするものであり、不十分な圧縮比、燃料圧力、作動温度をもつエンジンへの応用を含め、十分な圧縮着火を提供できるものである。
【００２８】
他の動作モードにおいては、通常好ましくない放出物を生じさせるディーゼルおよびバンカー燃料などの選択された燃料は、第２の入口１２３を介して噴射用の導管１２４に供給されるが、この導管は、電気リード１２９を通じた十分に大きい点火エネルギの供給の結果としての熱および／またはプラズマ形成によるイオン化によって特徴づけられており、急速な蒸発、割れおよび燃焼の完了が強制され、そのような放出物が生じない。そのような点火エネルギの適用は、圧縮着火には不十分なセタン価をもつ燃料をクリーンに利用することと、不十分な圧縮比、燃料圧力または動作温度をもつエンジンへの応用に対して十分な圧縮着火を提供することとを可能にする。
【００２９】
図１Ｂは、図１Ａの１Ｂ−１Ｂ線にほぼ沿って取った第２の噴射器１００ｂの一実施形態の断面の端面を示す図である。具体的には、図１Ａに示した実施形態は、噴射器１００のいくつかのコンポーネンが同心ないしは同軸に配置されている。しかしながら、図１Ｂにおいては、明確化のためにバルブ１１８の管状の断面は示されていない。図示の実施形態において、第２の噴射器１００ｂは、本体絶縁体１４２の上に配置された金属製または鋼製のケースなどのケース１５９を含んでいる。第２の流路１３３は、バルブおよび第２の点火導体１５４から半径方向外方に配置され、点火絶縁体１１６はバルブおよび第２の点火導体１５４から半径方向内方に配置されている。光ファイバケーブル１１７は点火導体に隣接しており、第１の流路１２４は点火導体を通って延在している。図示の実施形態では、第２の流路１３３は概ね円形の断面形状を有している。他の実施形態では、以下に説明するように、第２の流路１３３は、円形以外の形状を含み、および／または、種々異なる燃料および／または冷却剤を流すための複数のサブチャネルまたは個々に分離した副次部分を含んでいる。
【００３０】
図１Ｂは、図１Ａの１Ｂ−１Ｂ線にほぼ沿って取った第３の噴射器１００ｃの断面の端面を示す図である。図１Ｃに示す第３の噴射器１００ｃの実施形態では、いくつかの流れのサブチャネル１３３（１番目からｎ番目のサブチャネル１３３ａ〜１３３ｎとして個々に識別される）が示され、これらは本体絶縁体１４２と第２の点火導体１５４および第２のバルブ１１８の組み合わせとの間にある（明確化のために、バルブ１１８の管状断面は図１Ｃに示されていない）。図示の実施形態では、星形または歯車形パターンを形成する第２の流れのサブチャネル１３３が含まれているが、他の実施形態として、これらの流路は他の構成を有していてもよい。例えば、図１Ｄは、複数の個別のまたは分離した第２の流れのサブチャネル１３３（１番目からｎ番目のサブチャネル１３３ａ〜１３３ｎとして個々に識別される）を有する第４の噴射器の付加的実施形態を示しており、これは概して五角形を成している（明確化のために、バルブ１１８の管状断面は図１Ｄに示されていない）。しかしながら、他の実施形態においては、第２の流れのサブチャネル１３３は他の形状または構成をもって配置することができる。
【００３１】
図２Ａ〜図２Ｄは、本開示の実施形態に従って構成された噴射器のノズル部２１４の一連の側断面図である。図２Ａ〜図２Ｄに示された実施形態は、燃料および／または冷却剤の様々なスプレーパターンまたは分配を提供するように構成されている。例えば、これらの実施形態は、燃焼イベントの温度、圧力、完了などの燃焼室条件を最適化するために使用することができるスプレーまたは分配パターンの例を提供する。図２Ａにおいては、例えば、第１のノズル部２１４ａは、燃焼室への第１の噴射または分配パターン２６０ａを配分または分散する第１の端部２１５ａを備えている。具体的には、第１の端部２１５ａは１以上の開口を有することができ、それにより第１の分配パターン２６０ａを生成する。第１分配パターン２６０ａは、概ね一様な拡大形状（例えば円錐形状）を有することができる。特定の実施形態において、第１の噴射パターン２６０ａは、対称な燃焼室に適している。
【００３２】
図２Ｂでは、第２のノズル部分２１４ｂは、第２の端部２１５ｂの少なくとも一部を覆う半径方向に拡大する第２のスリーブバルブ２６２ｂを備える。第２のスリーブバルブ２６２ｂは、加圧された燃料に応答して、および／または１以上の作動装置に応答して、開放、展開、摺動または他の態様で作動するように構成されている。１つの実施形態では、第２スリーブバルブ２６２ｂは、第２の端部２１５ｂの１以上の第２の出口開口２６６ｂを少なくとも部分的に覆っている。第２のノズル部２１４ｂはまた、第２端の閉鎖部すなわち栓２６４ｂを含み、これは、第２の端部２１５ｂからの燃料または冷却剤の流れを少なくとも部分的に阻止する。このように、第２の出口開口２６６ｂは、燃料または冷却剤が第２の端部２１５ｂから第２の噴射または分配パターン２６０ｂとなって出ることを可能にするように構成されている。従って、第２の分配パターン２６０ｂは、半径方向に拡大する円錐形状に噴射された燃料および／または冷却剤に概ね囲まれた中央空隙を含む。
【００３３】
図２Ｃでは、第３のノズル部２１４ｃは、第３の端部２１５ｃの少なくとも一部を覆う半径方向拡張スリーブバルブ２６２ｃを備える。第３のスリーブバルブ２６２ｃは、加圧された燃料に応答して、および／または１以上の作動装置に応答して、開放、摺動または他の態様で展開すなわち作動するように構成されている。第３のスリーブバルブ２６２ｃは、第３の端部２１５ｃの１以上の第３の出口開口２６６ｃを少なくとも部分的に覆っている。第３のノズル部２１４ｃはまた、第３端の閉鎖部すなわち栓２６４ｃを含み、これは、第３の端部２１５ｃからの燃料または冷却剤の流れを少なくとも部分的に阻止する。しかしながら、図示の実施形態では、第３の栓２６４ｃは概ね円錐形状を有しており、これが第３の端部２１５ｃの拡大領域に挿入されている。このように、第３の出口開口２６６ｃは、燃料または冷却剤が第３の端部２１５ｃから第３の噴射または分配パターン２６０ｃとなって出ることを可能にするように構成されている。従って、第３の分配パターン２６０ｃは、対応して半径方向に拡大する円錐形状に噴射された燃料および／または冷却剤に概ね囲まれた中央空隙を含む。
【００３４】
図２Ｄでは、第４のノズル部２１４ｄは、第４の端部２１５ｄの少なくとも一部を覆う半径方向拡張スリーブバルブ２６２ｄを備える。第４のスリーブバルブ２６２ｄは、加圧された燃料に応答して、および／または１以上の作動装置に応答して、開放、摺動または他の態様で展開すなわち作動するように構成されている。第４のスリーブバルブ２６２ｄは、第４の端部２１５ｄの１以上の第４の出口開口２６６ｄを少なくとも部分的に覆っている。第４のノズル部２１４ｄはまた、第４端の閉鎖部すなわち栓２６４ｄを含み、これは、第４の端部２１５ｄからの燃料または冷却剤の流れを少なくとも部分的に阻止する。しかしながら、図示の実施形態では、第４の栓２６４ｄは概ね円錐形状を有しており、これが第４の端部２１５ｄの拡大領域に挿入されている。このように、第４の出口開口２６６ｄは、燃料または冷却剤が第４の端部２１５ｄから第４の噴射または分配パターン２６０ｄとなって出ることを可能にするように構成されている。従って、第４の分配パターン２６０ｄは、対応して半径方向に拡大する円錐形状に噴射された燃料および／または冷却剤に概ね囲まれた中央空隙を含む。
【００３５】
従って、図２Ａ〜図２Ｄを参照して上述した実施形態は、様々な着火および冷却の必要に適した様々な燃料および／または冷却剤の分配パターン（例えば集束パターン、均等分散パターンなど）を提供することができる。しかし当業者であれば、図２Ａ〜図２Ｄを参照して上述した実施形態は様々な燃料分配パターンのための異なる構成のすべては網羅していないことを理解できるであろう。例えば、対応する第２の端部２１５の出口開口２６６の寸法、形状、向きおよび／または分配によって、所望の分配パターンを提供することができる。特定の実施形態では、単一のノズル部２１４が、異なる寸法、形状および／または向きを有する出口開口部２６６を含むことができる。さらに、これらの個々の出口開口２６６は、対応する個々の流路または通路のための出口を提供することができる。従って、第１の流路および対応する出口開口２６６を通して第１の燃料または第１の冷却剤を供給し、第１の分配すなわちスプレーパターンを燃焼室内に提供することができる。加えて、第２の流路および対応する出口開口２６６を通して第２の燃料または第２の冷却剤を供給し、第１の分配パターンとは異なる第２の分配すなわちスプレーパターンを燃焼室内に提供することができる。付加的な燃料および／または冷却剤は、対応する付加的な流路および出口開口部を通って分配することができる。
【００３６】
図３Ａは、バルブ分配サブアセンブリ３６０（「サブアセンブリ３６０」）の側断面図であり、これは作動可能に第１の端子１２７に結合することで、加圧燃料源から第１の燃料または第１の冷却剤を（図１に示されたような）燃料噴射器１００に供給できるものである。サブアセンブリ３６０は、様々な燃料および／または冷却剤の加圧された供給物の供給の制御を確実に可能にする。本開示の形態では、サブアセンブリ３６０は、本明細書に記載の噴射器と組み合わせて、非常に低いエネルギ密度の燃料を含む様々な燃料を大型エンジンにおいて利用することができるようにする上で特に有益である。サブアセンブリ３６０はまた、そのような燃料や冷却剤が部分的に利用され、各吸気サイクル中に燃焼室に導入される空気の量を増加させることによって変換されたエンジンの体積効率を大きく向上させることを可能とする。サブアセンブリ３６０は、燃料を参照した動作として以下に説明されるが、他のアプリケーションの実施形態ではサブアセンブリ３６０により種々の冷却剤を供給することができる。
【００３７】
作動時において、燃料などの加圧流体は、入口継手３６２を介し、バイアス部材３６４（例えばコイルばね）がバルブ３６６（例えば、ボールバルブ）を図３Ａに示すようにバルブ座３６８上の閉位置に向って付勢しているものとして図示されているバルブ室に供給される。バルブ座は、図３Ａに示すように、高速エンジンへの応用において、または、潤滑燃料類（slush fuels）中の固形分が増大する傾向があるためにばね３６４が好ましくない場合においては、ボールバルブ３６６の迅速な閉鎖を支援するために、バルブ座３６８を永久磁石の磁極として提供することが好ましい。燃焼室への燃料供給が望まれる場合、アクチュエータまたはプッシュロッド３７２がボール弁３６６をバルブ座３６８から強制的に押し上げて、燃料がボールバルブ３６６のまわりを流れ、通路を通って継手３７０に流れ、噴射器１００の第１の端子１２７（図１）を介して燃焼室へ供給できるようにする。特定の実施形態では、プッシュロッド３７２は、ボア３９０内での密接な嵌合によって、またはＯリング３７４などのエラストマーシールによって、シールすることができる。プッシュロッド３７２の作動は、方法の任意の適切な方法またはこれらの組み合わせによって行うことができる。
【００３８】
１つの実施形態では、燃料または冷却剤の流れを適切に制御することは、鋼製キャップ３８６内の環状巻線３８４を介した電流の通過に起因する電磁作用によって提供することができる。ここで、ソレノイドプランジャ３７８は図のようにプッシュロッド３７２と連結して軸方向に移動する。特定の実施形態において、プランジャ３７８は、磁気的に軟質（magnetically soft）である強磁性材料から作製することができる。また、プランジャ３７８は、自己潤滑性ポリマー、またはニトロン合金（Nitronic alloy）等の低摩擦合金、または恒久的に潤滑化された粉末冶金含油軸受（permanently lubricated powder-metallurgy oil-impregnated bearing）とすることができるスリーブ軸受３８８によって直線運動するように案内することができ、ねじ込み、締まり嵌めによる係合、適切な接着剤による所定位置へのロック、かしめ、またはブレージングによって強磁性ポールピース３９０上に恒久的に配置されるようにすることができる。
【００３９】
他の実施形態では、ボールバルブ３６６はまた、アクチュエータピン３７２のボールバルブ３６６への突然の突き当りが生じる前のプランジャ３７８の自由な動きが許容された後、プランジャ３７８がかなり高い開放力を提供するに先立って、プランジャ３７８が相当の運動量を獲得することが許容されるインパルス作用によって開かれてもよい。この実施形態では、プランジャ３７８がボールバルブ３６６に向って加速を開始する中立位置にあるときにボールバルブ３６６およびプッシュロッド３７２の端部の間に十分な「静止した（at rest）」クリアランスを提供することが好ましいものとなり得、これによれば、プッシュロッド３７２がボールバルブ３６６に突然の衝撃を与える前に相当な運動量を発現させることが可能となる。
【００４０】
プッシュロッド３７２の間欠動作のための代替の方法として、ボールバルブ３６６は、ロータリーソレノイドを有することができ、または、１以上の空気入口弁（複数可）および／またはエンジンのパワーストロークを制御するのと同じ周波数で動作するカムの変位によって機械的に駆動されるものとすることができる。このような機械的作動は、ボールバルブ３６６のための変位の唯一の供給源として、または、プッシュプルすなわち回転ソレノイドと連動するものとして利用することができる。作動時において、例えば、クレビス３８０はボール軸受アセンブリ３８２を保持し、転がり軸受アセンブリの外輪またはローラが適切なカムに対して（またはその上で）回転し、ボールバルブ３６６に向うプランジャ３７８およびプッシュロッド３７２の直線運動を生じさせる。必要に応じて、燃料流を発現するためにボールバルブ３６６に突き当たった後、ボールバルブ３６６およびプランジャ３７８は、磁性シート３６４および／またはバイアス部材３７６（例えばコイルばね）によって中立位置に戻される。
【００４１】
ユニットバルブ３６０の適切な操作は、「ホールドオープン」機能をもつカム３８２の変位によるものでもよいし、通路がカム３８２のローブに対した後の期間で燃料または冷却材の流れを継続するようプランジャ３７８に適用されている圧電作動ブレーキ（図示せず）によるものでもよいことは同様に予測される。これにより、３６６などの可動バルブ要素が、ソレノイド、カム作動器およびソレノイドとカム作動器との組み合わせを含む適切な機構により強制されているプランジャ３７２によって可動バルブが変位する流体流のバルブ機能が提供される。ここで、バルブ要素３６６は、そのようなソレノイド、圧電ブレーキおよび／またはソレノイドと圧電機構との組み合わせにより、流体の流れを可能にするための位置に時折保持される。
【００４２】
ユニットバルブ３６０からの燃料および／または冷却剤の流れを、エンジンの吸気バルブポートに供給すること、適切な直接筒内燃料噴射器に供給すること、および／または、本明細書に記載された実施形態の選択された組み合わせを有する噴射器に供給することができる。大きな変位をもつエンジンなどのようないくつかの用途では、３つのエントリポイントのすべてに燃料を供給することが望ましい。加圧された燃料が吸気ポートまたはバルブが開いている時間の間に燃焼室の吸気弁ポートに時限注入によって供給される例においては、燃料運動量を付与して燃焼室内により大きい空気密度を発現するための空気ポンプ作用を生じさせることにより、吸気および体積効率の増進が達成される。
【００４３】
このような場合には、燃料が空気速度をかなり超える速度で供給され、従って燃焼室への空気の加速を誘発する。この利点は、スパーク点火による燃焼を開始または維持するよりも小さくなるよう燃焼室に入る燃料の量を制御することによって増すことができる。しかしながら、このようなリーン燃料−空気混合物は、本明細書に記載の噴射器の実施形態による燃料噴射や点火により容易に着火可能であり、時限ポート燃料噴射によって発現するリーン燃料−空気混合物内への燃料を燃焼させることにより、確実な着火および迅速な浸透（penetration）を提供することができる。
【００４４】
付加的なパワーは、別の直接燃料噴射弁を介した筒内直接噴射によって提供可能であり、図１Ａを参照して上述した噴射器１００などの噴射器によって開始された燃焼に燃料を追加することができる。噴射器によって開始された燃焼への別の１以上の筒内直接噴射器からの直接噴射は、過剰空気内での迅速かつ完全な燃焼を保証し、別の筒内直接燃料噴射およびスパーク点火に一般に伴う熱損失を回避する。これらは、燃料の渦の生成、燃焼室の表面からの跳ね返りおよび／または反発を要し、そしてスパーク点火源のまわりの表面上またはその近傍での燃焼を生じさせる。
【００４５】
より大きなエンジンの用途では、エンジンの高速運転のために、およびソレノイド３８６内の所要電流および発熱を最小限にすることが望まれている場合、プランジャアセンブリ３７８および３７２のソレノイド動作と機械的なカム作動の運動とを組み合わせることが特に望ましい。これにより、プランジャ３７８の主要な動きをシャフトのカムによって提供することが可能となる。ボール３６６の初期のバルブ動作が、エンジンのアイドル運転に十分な燃料を供給するためのカム作用によって確立された後、燃料供給およびパワー生成の増進は、環状ソレノイド巻線３８６内で比較的小さな電流の流れを生じさせる結果としてプランジャの係止部３９０に対する保持を継続し、供給圧力および／または「ホールドオン時間」を増大させることにより提供される。これにより、確実なバルブ操作と増進したパワーの正確な制御とが、カム作用によるボール３６６の速やかな開放に続くソレノイド作用によるプランジャ３７８のホールドオン時間の延長により提供される。
【００４６】
図３Ｂは、本開示の実施形態に従って構成された分配アセンブリ３９１の部分的な平面図である。図３Ｂの模式的な燃料制御回路レイアウトに示すように、本開示の形態によれば、複数の燃焼室を有するエンジンには、アセンブリ３９１に配置されたサブアセンブリ３６０によって正確なタイミングで燃料および／または冷却剤が提供される。この例示的な例では、ハウジング３９４内において６つのサブアセンブリ３６０が等角度間隔で配置されている。ハウジング３９４には、マニホールド３９３を通した各サブアセンブリ入口３９５への加圧燃料供給用の導管が設けられている。回転カムシャフト上のカムは対応するプッシュロッドアセンブリ３９７を断続的に作動させ、これによって入口３９５から出口３９６へ正確な流量の燃料が提供され、続いて燃料や冷却剤が所望の吸気バルブポートおよび／または燃焼室に直接または図１Ａに示した噴射器を介して供給される。特定の実施形態では、ハウジング３９４は、カムに対する角度位置に対して好ましく適応するよう調整され、図示のコントローラ３９２によって提供される適応的最適化アルゴリズムに対する応答性が高いスパークおよび噴射を提供する。
【００４７】
特定の実施形態において、コントローラ３９２は、各燃焼室の燃料供給およびスパーク点火イベントの適応的最適化を行うことで、効率、パワー生成、動作の円滑性、フェイルセーフ対策、およびエンジン部品の長寿命化をさらに改善することができる。さらに、コントローラ３９２は、所望のエンジンの動作結果を最適化するのに必要な調整値を決定するために、カムの角速度を含むセンサ指示値を記録して各シリンダのトルク発現時点間の時間を判定し、適応燃料噴射およびスパーク点火データの関数として正および負のエンジン加速を導出することができる。例えば、最少の燃料消費量で最大トルクを発生することが一般に望まれる。しかしながら、混雑した街などのエリアでは窒素酸化物の放出は好ましくなく、適応的な燃料噴射および点火タイミングは、ピーク燃焼温度が２２００℃（４０００゜Ｆ）に到達させることないような最大トルクを提供する。これは、本明細書で詳細に説明した実施形態の開示によって実現することができる。
【００４８】
本明細書に開示された噴射器に供給される燃料および／または冷却剤は、任意の適切な対応貯蔵容器内に収納することができる。さらに、これらの燃料や冷却剤は、これらの適応的供給を支援するために加圧することができる。１つの実施形態では、これらの燃料または冷却剤は、ポンプを使用せずに、貯蔵容器内で加圧することができる。例えば、１以上の化学反応の制御を行う、またはその他を行うことによって、対応する燃料または冷却剤の加圧を生じさせることができる。より具体的には、特定の実施形態では、貯蔵容器は、水素、プロパンまたはアンモニアなど、ディーゼル燃料を超える加圧物質を保管するように構成することができる。このように、１つの実施形態ではプロパンを膨張流体として使用し、プロパンにエネルギを加えて相変化させるプロパン蒸気を生成し、その結果としてディーゼル燃料貯蔵用容器を加圧することができる。他の実施形態では、液体水素をディーゼル燃料貯蔵容器に添加することができる。従って、液体水素はディーゼル燃料から熱を除去するとともにディーゼル燃料を加圧することができる。また、さらなる実施形態では、アンモニアまたは防虫剤類（mothballs）を燃料または冷却剤に添加し、それに応じた解離により燃料または冷却剤を加圧するようにすることができる。いくつかの例示的な実施形態を上記のように開示したが、当業者であれば、これらは非限定的な実施形態であって、水素または吸着媒体からの制御されたガス放出を含む様々な他のプロセスおよび反応も燃料や冷却剤の加圧に好適に用いることができることを理解するであろう。
【００４９】
本明細書に開示された実施形態のさらなる特徴によれば、上述の特徴を有する噴射器は、比較的低い圧力で燃料を噴射して点火するために使用することができる。例えば、１つの実施形態では、そのような噴射器は、エンジンの最大圧縮圧力を超える約１０から１５気圧（１５０から３００ｐｓｉ）超とならない動作条件に対して使用することができる。しかしながら、他の実施形態では、これらの噴射器は、エンジンの最大圧縮圧力を超える約１５０から３００ｐｓｉ超またはそれ未満の動作条件に対して使用することができる。従って、これらの噴射器は正の点火を提供し、燃料に必要なセタン価を持たない燃料に対して適応的に使用することができる。
【００５０】
上述した実施形態のさらなる付加的な特徴によれば、噴射器は、様々な燃料および／または冷却剤の噴射および点火を適応制御するのに特に適している。例えば、分離し且つ電気的に絶縁された第１および第２の流路によって、異なる燃料の噴射および点火が可能となる。また、これらの通路は、燃焼室に対する燃料または冷却剤の異なる分配すなわちスプレーパターンを生成することができる。さらに、第２流路内の複数の個別チャンネルは、様々な燃料や冷却材の供給、配分および／または点火に対してさらなる適応性やバリエーションを提供することができる。本開示の実施形態に従って構成された噴射器はさらに、噴射される燃料や冷却剤の圧力や温度に加え、少なくともバルブアセンブリ動作、点火エネルギの伝送および／または動作、噴射される燃料や冷却剤の種類に基づいて、燃料／冷却剤供給および／または点火を適応的に調整するように構成することができる。
【００５１】
特定の実施形態において、本開示の実施形態に従って構成された噴射器は、第１の燃料および第２の燃料と冷却剤との少なくとも一方を本体内に受容するよう構成されたベース部と、該ベース部に連結されたノズル部と、を有する噴射器本体を含んでいる。ノズル部は、第１の燃料および第２の燃料と冷却剤との少なくとも一方を燃焼室内に噴射するために、燃焼室に近接して配置されるように構成されている。噴射器はまた、ノズル部またはそれに近接して位置するバルブシールと、ベース部からノズル部へ延在する点火ロッドと、点火ロッドの少なくとも一部分にわたって同軸に配置されたバルブと、を含むことができる。バルブはシールヘッドを含み、シールヘッドがバルブシールから離隔した開位置とシールヘッドがバルブシールに少なくとも部分的に接触する閉位置との間で移動する。噴射器はさらに、点火ロッドの中央部を通って長手方向に延在する第１の流路と、該第１の流路とは独立して、バルブに隣接する本体を通って長手方向に延在する第２の流路と、を含んでいる。第１の流路はノズル部に第１の燃料を供給するように構成されており、第２の流路はノズル部に第２の燃料と冷却剤との少なくとも一方を供給するように構成されている。噴射器はさらに、第１の流路に流体結合して第１の燃料を第１の流路に供給する第１のカップリングと、第２の流路に流体結合して第２の燃料と冷却剤との少なくとも一方を第２の流路に供給する第２のカップリングと、を含む。
【００５２】
この噴射器の特定の実施形態では、第１の点火エネルギは第２の点火エネルギよりも大きく、点火機構は点火ロッドと同心である。噴射器はまた、噴射器本体に作動可能に結合された加圧燃料源を含み、該加圧燃料源は周囲圧力より高い状態で第１の燃料を格納することができる。加圧燃料源は、ポンプを使用せずに少なくとも部分的に第１の燃料を加圧することができ、加圧燃料源は第１の燃料を収納する収納容器を備えることができ、収納容器は、第１の燃料を少なくとも部分的に加圧する化学反応を含んでいる。噴射器はまた、噴射器本体によって支持され、燃焼室から採取されることを特徴とする請求第１の燃料と第２の燃料との少なくとも一方に点火する点火エネルギを貯蔵するように構成されたコンデンサを含むことができ、点火エネルギは燃焼室から取り出される。噴射器はさらに、第３の流路に流体結合して第３の燃料と第２の冷却剤との少なくとも一方を第３の流路に供給する第３のカップリングと、第１の燃料入口を介して点火導体に作動可能に結合された点火導体と、本体に支持された点火エネルギ源と、を含むことができる。特定の実施形態において、第１の点火エネルギは第２の点火エネルギよりも大きい。
【００５３】
本開示の実施形態による燃料噴射器の作動方法は、噴射器本体の第１の流路に第１の燃料を導入することと、第１の流路から燃焼室内に燃料を供給することと、第１の点火機構を活性化して第１の燃料に少なくとも部分的に点火することと、第１の流路から流体的に分離した本体の第２の流路に第２の燃料と冷却剤との少なくとも一方を導入することと、バルブを活性化して第２の流路から第２の燃料と冷却剤との少なくとも一方を燃焼室内に供給することと、を含む。この方法はまた、バルブが第２の燃料を供給した後に、第２の点火機構を活性化して第２の燃料に少なくとも部分的に点火することを含むことができる。第１の流路は第２の流路から電気的に絶縁されたものとすることができ、前記第１の点火機構を活性化することには点火機構に第１の電圧を印加することが含まれ、前記第２の点火機構を活性化することには第２の点火機構に第１の電圧未満の第２の電圧を付与することが含まれる。また、バルブを作動させることは、ソレノイド巻線に通電して閉位置から開位置へのバルブの動きを誘発することを含む。加えて、ソレノイド巻線は第１のソレノイド巻線であり、前記方法はさらに、第１のソレノイド巻線に近接する第２のソレノイド巻線に電圧を誘起することと、その電圧を第２の点火機構に伝えることと、を含むことができる。また、第２の燃料と冷却剤との少なくとも一方を供給するためにバルブを作動させることには、少なくとも１つの動作状態の変化に応じてバルブを作動させることが含まれる。さらに、動作条件には、所要パワーの増大、所要パワーの減少、燃焼室の温度、燃焼室の圧力、燃焼室の光量値（light value）および燃焼室の音響値の少なくとも１つが含まれる。前記方法はまた、第１の燃料の供給と、検出された１以上の燃焼室特性に基づいて第２の燃料と冷却剤との少なくともの一方を供給するためにバルブを作動させることと、の少なくとも一方を適応的に制御することを含むことができる。加えて、バルブを作動させることは燃焼室内の所定の温度に応じて冷却剤を供給するべくバルブを作動させることを含み、第１の流路から燃焼室に第１の燃料を供給することは第１の流路から燃焼室に第１の非セタン価燃料を供給することを含む。
【００５４】
本願は、次の出願、すなわち、２００９年８月２７日に出願され、「MULTIFUEL MULTIBURST」と題された特許文献３、２０１０年１０月２７日に出願され、「FUEL INJECTOR SUITABLE FOR INJECTING A PLURALITY OF DIFFERENT FUELS INTO A COMBUSTION」と題された特許文献４、２０１０年２月１３日に出願され、「FULL SPECTRUM ENERGY AND RESOURCE INDEPENDENCE」と題された特許文献５、２０１０年３月９日に出願され、「SYSTEM AND METHOD FOR PROVIDING HIGH VOLTAGE RF SHIELDING, FOR EXAMPLE, FOR USE WITH A FUEL INJECTOR」と題された特許文献６、２００９年８月２７日に出願され、「OXYGENATED FUEL PRODUCTION」と題された特許文献７、２００９年８月２７日に出願され、「FULL SPECTRUM ENERGY」と題された特許文献８、２０１０年７月２１日に出願され、「INTEGRATED FUEL INJECTORS AND IGNITERS AND ASSOCIATED METHODS OF USE AND MANUFACTURE」と題された特許文献、２０１０年７月２１日に出願され、「FUEL INJECTOR ACTUATOR ASSEMBLIES AND ASSOCIATED METHODS OF USE AND MANUFACTURE」と題された特許文献１０、２０１０年７月２１日に出願され、「INTEGRATED FUEL INJECTOR IGNITERS WITH CONDUCTIVE CABLE ASSEMBLIES」と題された特許文献１１、２０１０年７月２１日に出願され、「SHAPING A FUEL CHARGE IN A COMBUSTION CHAMBER WITH MULTIPLE DRIVERS AND/OR IONIZATION CONTROL」と題された特許文献１２、２０１０年７月２１日に出願され、「CERAMIC INSULATOR AND METHODS OF USE AND MANUFACTURE THEREOF」と題された特許文献１３、２０１０年７月２１日に出願され、「METHOD AND SYSTEM OF THERMOCHEMICAL REGENERATION TO PROVIDE OXYGENATED FUEL, FOR EXAMPLE, WITH FUEL-COOLED FUEL INJECTORS」と題された特許文献１４、２０１０年７月２１日に出願され、「METHODS AND SYSTEMS FOR REDUCING THE FORMATION OF OXIDES OF NITROGEN DURING COMBUSTION IN ENGINES」と題された特許文献１５、２００９年１０月１９日に出願され、「MULTIFUEL STORAGE, METERING AND IGNITION SYSTEM」と題された特許文献１６、２００９年１２月７日に出願され、「INTEGRATED FUEL INJECTORS AND IGNITERS AND ASSOCIATED METHODS OF USE AND MANUFACTURE」と題された特許文献１７、２００８年１月７日に出願され、「MULTIFUEL STORAGE, METERING AND IGNITION SYSTEM」と題された特許文献１８、２０１０年１０月２７日に出願され、「ADAPTIVE CONTROL SYSTEM FOR FUEL INJECTORS AND IGNITERS」と題された特許文献１９、２００９年１２月７日に出願され、「INTEGRATED FUEL INJECTORS AND IGNITERS AND ASSOCIATED METHODS OF USE AND MANUFACTURE」と題された特許文献２０、および２０１０年１２月６日に本願と同時に出願され、「INTEGRATED FUEL INJECTOR IGNITERS HAVING FORCE GENERATING ASSEMBLIES FOR INJECTING AND IGNITING FUEL AND ASSOCIATED METHODS OF USE AND MANUFACTURE」と題された特許文献１の参照によって、それらの要旨の全体を包含するものとする。
【００５５】
以上のことから、本開示の特定の実施形態は例示の目的で本明細書に記載されているが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく種々の変更を行い得ることは理解できるであろう。例えば、本明細書に開示された絶縁体の絶縁耐力は、代替材料および処理手段を含むように変更または変化させることができる。アクチュエータおよびドライバは、燃料および／または対応する噴射器の用途に応じて変更することができる。また、噴射器のコンポーネントは例えば電極、光学素子、アクチュエータ、バルブおよびノズルを含めて変更することができ、あるいは本体は代替的な材料から作られてもよいし、図示して説明したもの以外の代替の構成を含んでいてもよく、本開示の精神内にとどまるものである。
【００５６】
明らかにその他のものを必要とする背景がない限り、詳細な説明および特許請求の範囲を通じて、「備える」、「備えている」またはそれと同様の単語は排他的または網羅的な意味とは対照的に、包括的な意味すなわち「含む」という意味で解釈されるべきであるが、この単語に限定されない。単数または複数の個数を使用した言葉は、それぞれ、複数または単数であることも含む。特許請求の範囲において「または」という語が２以上の事項のリストを参照して使用される場合、その語は、リストにおける事項のいずれか、リストにおける事項のすべて、および、リストにおける事項のあらゆる組み合わせのすべてをカバーする。加えて、上述の様々な実施形態を組み合わせることで、さらなる実施形態を提供することができる。本明細書および／または出願データシートに記載されている米国特許、米国特許出願公開、米国特許出願、外国特許、外国特許出願および非特許刊行物のすべては、その全体が、参照により本明細書に組み込まれる。本開示の形態は、必要であれば、様々な構成をもつ燃料噴射器や点火装置、および、様々な特許、特許出願および刊行物の概念を用いるよう変更し、本開示のさらなる実施形態を提供することができる。
【００５７】
これらのおよび他の変更は、上記の詳細な説明に照らせば開示されたものである。概して、以下の特許請求の範囲において、使用される用語は、明細書および特許請求の範囲に示された特定の実施形態の開示を限定するものと解釈されるべきではなく、特許請求の範囲に従って動作するすべてのシステムおよび方法を含むものとして解釈されるべきである。従って、本発明は、本開示によって限定されるものではなく、その範囲は特許請求の範囲によって広く判定されるべきである。
【図１Ａ】
2014500932.tif 000003
【図１Ｂ】
2014500932.tif 000004
【図１Ｃ】
2014500932.tif 000005
【図１Ｄ】
2014500932.tif 000006
【図２Ａ】
2014500932.tif 000007
【図２Ｂ】
2014500932.tif 000008
【図２Ｃ】
2014500932.tif 000009
【図２Ｄ】
2014500932.tif 000010
【図３Ａ】
2014500932.tif 000011
【図３Ｂ】
2014500932.tif 000012
【国際調査報告】
2014500932.tif 000013
2014500932.tif 000014
2014500932.tif 000015
2014500932.tif 000016