(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料を蒸発させ、内燃機関に流量調整して供給するための燃料噴射器において、
（ａ）金属毛細管チューブによって画成される少なくとも１つの毛細管流路であって、入口端と少なくとも１つの出口端とを有する毛細管流路と、
（ｂ） 前記金属毛細管チューブを備え、前記少なくとも１つの毛細管流路に沿って配置される熱源であって、前記少なくとも１つの毛細管流路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少なくとも１つの毛細管流路の前記出口端から供給するのに十分なレベルに加熱するように、作動可能である熱源と、
（ｃ）燃料を前記内燃機関に流量調整して供給するための弁であって、前記少なくとも１つの毛細管流路の前記出口端に近接して配置され、かつ前記内燃機関への燃料の流れを実質的に閉塞するための金属製の低質量部材を備える弁と、
（ｄ） 前記内燃機関の運転中に形成される堆積物を清浄にするための手段であって、前記堆積物を清浄にするための前記手段は、前記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、前記毛細管流路の清浄化中は停止されている手段と、
を備え、
前記内燃機関への燃料の流れを実質的に閉塞するための前記金属製の低質量部材は、低質量及び／又は低熱伝導係数を有する金属材料から形成されてい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流量調整して供給するための前記弁の前記金属製の低質量部材は、前記少なくとも１つの毛細管流路の前記出口端から燃料の流れを実質的に閉塞するためのプラグ部材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３】
燃料を前記内燃機関に流量調整して供給するための前記弁の前記金属製の低質量プラグ部材は、前記少なくとも１つの毛細管流路の前記出口端と接線方向において一直線上に並んでい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】
燃料を前記内燃機関に流量調整して供給するための前記弁を作動させるソレノイドをさらに備えてい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５】
前記熱源は、抵抗ヒータを備えてい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】
燃料を前記内燃機関に流量調整して供給するための前記弁は、前記少なくとも１つの毛細管流路の前記出口端の下流側に配置されてい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７】
内燃機関に用いられる燃料システムにおいて、
（ａ）複数の燃料噴射器であって、各噴射器が、（ｉ）金属毛細管チューブによって画成される少なくとも１つの毛細管流路であって、入口端と出口端とを有する毛細管流路と、（ｉｉ）前記金属毛細管チューブを備え、前記少なくとも１つの毛細管流路に沿って配置される熱源であって、前記少なくとも１つの毛細管流路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少なくとも１つの毛細管流路の前記出口端から供給するのに十分なレベルに加熱するように、作動可能である熱源と、（ｉｉｉ）燃料を前記内燃機関に流量調整して供給するための弁であって、前記少なくとも１つの毛細管流路の前記出口端に近接して配置され、かつ前記内燃機関への燃料の流れを実質的に閉塞するための金属製の低質量部材を有する弁と、（ｉｖ）前記内燃機関の運転中に形成される堆積物を清浄にするための手段であって、前記堆積物を清浄にするための前記手段は、前記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、前記毛細管流路の清浄化中は停止されている手段とを備え、前記内燃機関への燃料の流れを実質的に閉塞するための前記金属製の低質量部材は、低質量及び／又は低熱伝導係数を有する材料から形成されているような複数の燃料噴射器と、
（ｂ）前記複数の燃料噴射器と流体連通する液体燃料供給システムと、 
（ｃ）前記複数の燃料噴射器への燃料の供給を制御する制御装置と、
を備えていることを特徴とする燃料システム。
【請求項８】
燃料を前記内燃機関に流量調整して供給するための前記弁の前記金属製の低質量部材は、前記少なくとも１つの毛細管流路の前記出口端から燃料の流れを実質的に閉塞するためのプラグ部材であることを特徴とする、請求項７に記載の燃料システム。
【請求項９】
燃料を前記内燃機関に流量調整して供給するための前記弁の前記金属製の低質量プラグ部材は、前記少なくとも１つの毛細管流路の前記出口端と接線方向において一直線上に並んでいることを特徴とする、請求項８に記載の燃料システム。
【請求項１０】
前記熱源は、抵抗ヒータを備えていることを特徴とする、請求項１０に記載の燃料システム。
【請求項１１】
燃料を前記内燃機関に流量調整して供給するための前記弁は、前記少なくとも１つの毛細管流路の前記出口端の下流側に配置されていることを特徴とする、請求項７に記載の燃料システム。
【請求項１２】
燃料を内燃機関に供給する方法において、
（ａ）液体燃料を燃料噴射器の、金属毛細管チューブによって画成される少なくとも１つの毛細管流路に供給するステップと、
（ｂ）実質的に蒸発された燃料の流れを、前記少なくとも１つの毛細管流路内の前記液体燃料を加熱することによって、前記少なくとも１つの毛細管流路の出口内に通させるステップと、 
（ｃ）蒸発された燃料を、前記少なくとも１つの毛細管流路の前記出口端に近接して配置された弁を介して、前記内燃機関の燃焼室に流量調整して供給するステップであって、前記弁は、前記内燃機関への燃料の流れを実質的に閉塞するための金属製の低質量部材を備えるようなステップと、 
前記内燃機関の運転中に形成される堆積物を、前記液体燃料源からの液体燃料を含む溶媒を用いることによって定期的に清浄するステップであって、前記熱源は、前記毛細管流路の清浄化中は停止されている、ステップと、
を含み、
前記内燃機関への燃料の流れを実質的に閉塞するための前記金属製の低質量部材は、低質量及び／又は低熱伝導係数を有する材料から形成されている、
ことを特徴とする方法。
【請求項１３】
前記内燃機関の前記燃焼室への蒸発された燃料の前記供給は、前記内燃機関の始動時と暖気時に制限されることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
燃料を前記内燃機関に流量調整して供給するための前記弁は、前記少なくとも１つの毛細管流路の前記出口端の下流側に配置されていることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、内燃機関における燃料供給に関する。
【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に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させるのに十分な温度になければならない。このエンジンが十分な温度にあるプロセスの有効性は、そのプロセスが燃料／空気の混合物を化学量論的に適切に制御し、従って、アイドル安定性と三元触媒の性能に寄与する点において、及びエンジンに供給される燃料が燃焼行程中に燃焼されるので、十分に蒸発せず及び／又は吸気部品に集まる液体燃料を補償するための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／空気の混合物は、化学量論的な気相の混合物が得られるように蒸発されなければならない。化学量論的に燃焼可能な混合物は、完全な燃焼に必要な正確な量の空気（酸素）と燃料を含んでいる。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／空気の混合物は、不完全な燃焼をもたらし、熱効率を減少させる。理想的な燃焼プロセスの生成物は、水（Ｈ2Ｏ）と二酸化炭素である。もし燃焼が不完全の場合、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において、排気物質を低減させて高品質燃料蒸気を供給させ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せずに環境に放出されることになる。これらの状態下において、炭化水素排出物の増大は、冷始動及び暖気運転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に衝突すること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し得るアイドル安定性に必要な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】
大気汚染を低減させることが世界的規模で義務付けられた結果として、多くの燃料システムとエンジン改造によって燃焼の非効率性を補償する試みがなされてきた。燃料前処理と燃料供給システムに関する先行技術によって明らかなように、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、多くの努力がなされている。
【０００７】
しかし、低エンジン温度における非効率な燃料前処理は、より高い排出物を生じ、後処理と複雑な制御手法を必要とするという問題が残る。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、及び未燃単価水素を酸化させ、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】
知られているように、従来のエンジンにおいて、冷始動及び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成される全炭化水素排出物の８０％もが、エンジンに過剰な燃料が供給されて触媒コンバータが本質的に作動し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態様に対して、著しい技術開発の努力がなされてきた。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ためのこのような努力は、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までに必要な時間の低減と、２）燃料を蒸発させる技術の改良とに分類される。三元触媒の活性化までに必要な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よう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を含んでいる。これらの努力は、全体として、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、アワーズマニ（Awarzmani）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供給装置として、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、電力を自己調整し、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、後続の燃焼のための燃料前処理を行なうためではなく、燃料電池の電力出力に応じて燃料流れを絞るための毛細管流量制御装置を備えている。ここでは、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。使用され得る燃料は、熱を加えることによって容易に液体相から蒸気相に変換され、自在に毛細管内を流れるどのような流体をも含んでいる。蒸発は、自動車エンジン内において燃料のベーパロックが生じるような形態で、生じると思われる。
【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方法を提案している。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、重燃料の使用が可能である、と述べられている。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利用が開示されている。
【００１３】
分解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３００から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を用いることによって、噴霧器の閉塞は低減され得るが、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、燃料ライン、接続具などを使用する必要があると思われる。
【発明の開示】
【００１４】
一態様において、本発明は、液体燃料を蒸発させ、内燃機関に流量調整して供給するための燃料噴射器において、
（ａ）少なくとも１つの毛細管流路であって、入口端と少なくとも１つの出口端とを有する毛細管流路と、
（ｂ）前記少なくとも１つの毛細管流路に沿って配置される熱源であって、前記少なくとも１つの毛細管流路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少なくとも１つの毛細管流路の前記出口端から供給するのに十分なレベルに加熱するように、作動可能である熱源と、
（ｃ）燃料を内燃機関に流量調整して供給するための弁であって、前記少なくとも１つの毛細管流路の前記出口端に近接して配置され、かつ内燃機関への燃料の流れを実質的に閉塞するための低質量部材を備える弁と、
を備え、
内燃機関への燃料の流れを実質的に閉塞するための前記低質量部材は、低質量及び／又は低熱伝導係数を有する材料から形成されている、
ことを特徴とする燃料噴射器に向けられている。
【００１５】
他の態様において、本発明は、内燃機関に用いられる燃料システムにおいて、
（ａ）複数の燃料噴射器であって、各燃料噴射器が、（ｉ）少なくとも１つの毛細管流路であって、入口端と出口端とを有する毛細管流路と、（ｉｉ）少なくとも１つの毛細管流路に沿って配置される熱源であって、前記少なくとも１つの毛細管流路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少なくとも１つの毛細管流路の前記出口端から供給するのに十分なレベルに加熱するように、作動可能である熱源と、（ｉｉｉ）燃料を内燃機関に流量調整して供給するための弁であって、前記少なくとも１つの毛細管流路の前記出口端に近接して配置され、かつ内燃機関への燃料の流れを実質的に閉塞するための低質量部材を備える弁とを備え、内燃機関への燃料の流れを実質的に閉塞するための前記低質量部材は、低質量及び／又は低熱伝導係数を有する材料から形成されるような複数の燃料噴射器と、
（ｂ）複数の燃料噴射器と流体連通する液体燃料供給システムと、
（ｃ）複数の燃料噴射器への燃料の供給を制御する制御装置と、
を備えていることを特徴とする燃料システムに向けられている。
【００１６】
さらに他の態様において、本発明は、燃料を内燃機関に流量調整して供給する方法において、
（ａ）液体燃料を燃料噴射器の少なくとも１つの毛細管流路に供給するステップと、
（ｂ）少なくとも１つの毛細管流路内の液体燃料を加熱することによって、実質的に蒸発された燃料の流れを少なくとも１つの毛細管流路の出口を通過させるステップと、
（ｃ）蒸発された燃料を、少なくとも１つの毛細管流路の出口端に近接して配置された弁を介して、内燃機関の燃焼室へ流量調整して供給するステップであって、弁は内燃機関への燃料の流れを実質的に閉塞するための低質量部材を備えるようなステップと、
を含み、
内燃機関への燃料の流れを実質的に閉塞するための低質量部材は、低質量及び／又は低熱伝導係数を有する材料から形成されている、
ことを特徴とする方法を提供するものである。
【００１７】
本発明は、高圧燃料供給システムを必要とせず、電力及び立上がり時間を最小限に抑えて、蒸発された燃料を供給することができ、従来のポート燃料噴射エンジン、ハイブリッド電気エンジン、ガソリン直接噴射エンジン、及びアルコール燃料エンジンを含む多数の構造に利用され得る燃料噴射器及び燃料供給システムを提供する。
【００１８】
以下、例示するためのみに与えられる本発明の好ましい形態に基づき、添付の図面を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。
【００１９】
図１は、好ましい形態による側方送給毛細管流路を備える毛細管燃料噴射器を、部分断面図で示している
【００２０】
図２Ａは、プランジャーがソレノイドによって完全に引込まれ、蒸気供給に必要な二つの半径方向流路を露出させた状態にある他の好ましい形態の概略図を示している。
【００２１】
図２Ｂは、プランジャーが半分引込まれ、液体燃料の供給用の単一の半径方向流路を露出させた状態にある図２Ａの好ましい形態を示している。
【００２２】
図２Ｃは、プランジャーが完全に押し出され、半径方向流路への燃料の流れを遮断した状態にある図２Ａの好ましい形態をしている。
【００２３】
図３Ａは、スリーブがソレノイドによって完全に引込まれ、蒸気供給に必要な２つの半径方向流路を露出させた状態にある他の好ましい形態の概略図を示している。
【００２４】
図３Ｂは、スリーブが半分引込まれ、液体燃料の供給用の単一の半径方向流路を露出させた状態の図３Ａの好ましい形態を示している。
【００２５】
図３Ｃは、スリーブが完全に押し出され、半径方向流路への燃料の流れを遮断した状態にある図３Ａの好ましい形態を示している。
【００２６】
図４は、好ましい形態による、修正された従来の側方送給ポート燃料噴射器の上流に組み込まれた電気加熱毛細管を有するインライン加熱噴射器を、部分断面図で示している。
【００２７】
図５は、さらに他の好ましい形態による燃料噴射器の他の実施形態の部分断面図である。
【００２８】
図６は、さらに他の好ましい形態による毛細管燃料噴射器の他の実施形態の部分側断面図である。
【００２９】
図７は、部分断面で示す好ましい形態による燃料噴射器の他の実施形態の図である。
【００３０】
図８は、部分断面で示す好ましい形態による燃料噴射器の他の実施形態の側面図である。
【００３１】
図９は、本発明による燃料噴射器のさらに他の好ましい形態の側面図である。
【００３２】
図１０は、部分断面で示す燃料噴射器の他の実施形態の側面図である。
【００３３】
図１１は、噴射器に供給される電力の最小化と、異なる加熱質量に対する噴射器の立ち上り時間の最小化との間の妥協を示すチャートである。
【００３４】
図１２は、吸気弁が開動作されるエンジンサイクルの一部においてのみに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得ることを示すチャートである。
【００３５】
図１３は、好ましい形態による燃料供給及び制御システムの概略図である。
【００３６】
図１４は、本発明の燃料供給装置を用いてエンジンを始動した場合の最初の２０秒間におけるエンジンパラメータを示すチャートである。
【００３７】
図１５は、本発明の燃料供給装置からのエンジン排出物を従来のポート燃料噴射器と比較して示すチャートである。
【００３８】
図１６は、種々のラムダ値で行なわれた冷始動過渡試験の結果を示すチャートである。
【００３９】
図１７は、毛細管噴射器の熱入力の異なるレベルにおけるラムダと全炭化水素排出物との間の関係を示すチャートである。
【００４０】
図１８は、種々の毛細管噴射弁の設計に対する予測温度上昇特性を示すチャートである。
【００４１】
図１９は、湿潤面積と２００ｍ秒におけるノズル出口温度との関係を示すチャートである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４２】
以下、図１〜図１９に示される実施形態について説明する。これらの図の全体にわたって、同様の番号は同様の部品を示すものとする。
【００４３】
本明細書に開示されているのは、内燃機関の冷始動、及び通常の運転に有用な絞り弁を有する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、実質的に蒸発された燃料がエンジンシリンダー内に供給されるように、液体燃料を加熱することができる毛細管流路を有する燃料噴射器を備えている。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ている。さらに、本発明の燃料供給システムは、他の蒸発技術よりも、少ない電力しか必要とせず、立ち上がり時間が短い。
【００４４】
一般的に、ガソリンは、低温では容易に蒸発しない。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、燃焼され得る空気／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の排出物を含んでいる。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、容易に燃焼し得る空気／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、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させることができる。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と一酸化炭素の酸化及び酸化窒素の還元を同時行なうのにちょうど十分な空気が、排気流れ内から得られる。
【００４５】
本明細書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ことができる。燃料は、好ましくは、空気又は空気が希釈剤と共に、化学量論比の混合物又は燃料がリーンな混合物の形態で、エンジンに供給され、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。
【００４６】
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る。燃料がリッチな状態では、三元触媒に達する排気流れは、触媒が活性化したとき、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、追加的な空気を触媒コンバータの上流側において排気流れに供給する空気ポンプを利用することである。この目的は、触媒がその活性化温度に達したあと、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作動することができ、過剰な燃料を供給する必要性と追加的な排気空気ポンプの必要性の両方をなくすことができ、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。
【００４７】
前述したように、冷始動及び暖気期間中、三元触媒は、最初、温度が低く、その触媒を通る大部分の未燃炭化水素を低減させることができない。三元触媒が活性化するまでの立ち上り時間を短縮し、冷始動及び暖気期間中に放出された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、エンジンを極めて燃料がリッチな状態で意図的に作動させる方法が挙げられる。この燃料が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得る。この酸化プロセスによって生成された発熱によって、排ガスは著しく加熱され、排ガスが触媒内を通るとき、この熱の大部分が触媒コンバータに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及び燃料リーンで作動させ、空気ポンプを設けることなく、同一の効果を達成するように制御されることになる。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、排気中に未燃炭化水素を生じさせる燃料リッチで作動され、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で作動されることになる。
【００４８】
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エンジンにおいて、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、空気と蒸発燃料の予混合分を形成する。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、部分負荷において、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、成層給気で作動される。成層給気火花点火エンジンは、燃料の経済性を改善し、排出物を低減させるために、リーン混合気を燃焼することが可能である。リーン混合気の全体が燃焼室内において形成されるのが好ましいが、点火時において、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となるように制御されている。従って、化学量論的な部分は容易に点火され、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得るが、現在のところ、成層給気が達成され得る作動範囲は、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なこと、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、蒸発及び混合に必要な時間が不十分であることに対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、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ができる。
【００４９】
本発明は、内燃機関用の燃料供給装置であって、液体燃料を圧力下で供給する加圧液体燃料源と、液体燃料源に接続される少なくとも１つの毛細管流路と、少なくとも１つの毛細管流路に沿って配置される熱源とを備える燃料供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供給するのに十分な程度に加熱するように、作動可能である。燃料供給装置は、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つ以上の燃焼室に供給すべく、作動されるようになっている。必要に応じて、少なくとも１つの毛細管流路が、通常の運転状態下において、液体燃料をエンジンに供給するのに用いられている。
【００５０】
本発明は、燃料を内燃機関に供給する方法であって、加圧液体燃料を少なくとも１つの毛細管流路に供給するステップと、少なくとも１つの毛細管流路における加圧液体燃料を、内燃機関の始動、暖気、およ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つの燃焼室に供給されるのに十分な程度に加熱するステップとを含む方法をも提供している。
【００５１】
本発明による燃料供給システムは、燃焼のためにエンジン内に噴射される前に加圧燃料が流れる少なくとも１つの毛細管流路を備えている。毛細管の大きさを有する流路は、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、０．５ｍｍ未満の水力直径を備えることが可能である。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、定義される。円断面の流体輸送要素の場合、流れがその要素内を満たしているとき、水力半径は、（πＤ2／４）／πＤ＝Ｄ／４である。非円形の流体輸送要素内を流体が流れる場合には、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。
【００５２】
熱が毛細管通路に沿って加えられ、その結果として、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、蒸発されておらず、わずかな比率の加熱された液体燃料を随意的に含む蒸気として、毛細管通路を出る。「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％が熱源によって蒸発され、さらに好ましくは、液体燃料の少なくとも７０％、最も好ましくは、少なくとも８０％が蒸発されることを意味する。複雑な物理的影響が生じることによって、１００％の蒸発を達成するのは困難であるが、にもかかわらず、完全な蒸発が望ましい。これらの物理的影響として、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し得るからである。従って、毛細管流路内における加熱中に、燃料の大部分は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ず、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。
【００５３】
毛細管の大きさを有する流路は、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。この流路は、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してもよいし、あるいは同一の毛細管体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、ステンレス鋼チューブの一部のような毛細管体の一部によって形成されてもよい。あるいは、ヒータは、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別個の層又はワイヤであってもよい。流体通路は、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。流体通路は、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。流路は、直線的又は非直線的に延在し得る。また、単一流路であっても、多重流路であってもよい。毛細管通路が、金属毛細管チューブによって画成される場合、そのチューブは、０．０１から３ｍｍ、好ましくは、０．１から１ｍｍ、最も好ましくは、０．１５から０．５ｍｍの内径を有している。代替的に、毛細管通路は、その通路の横断面積によっても画成され得る。この通路の横断面積は、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、２×１０-3から２×１０-1ｍｍ2である。単一又は多重毛細管、種々の圧力、種々の毛細管長さ、毛細管に加えられる熱量、および異なる断面積の多くの組み合わせが、所定の用途に適するように選択されている。
【００５４】
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されている。毛細管流路が、略０．０５１ｃｍ（０．０２０インチ）の内径と略１５．２ｃｍ（６インチ）の長さを有するステンレス鋼チューブの内側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）の圧力で毛細管通路に供給される。少なくとも１つの毛細管通路は、エンジンのシリンダー内で、望ましくない高レベルの未燃炭化水素又は他の排出物を生成することなく、点火かつ燃焼され得る燃料と空気の化学量論的又は近化学量論的混合物を得るのに十分な流量の実質的に蒸発された燃料を供給している。毛細管チューブは、低熱慣性を有することによっても特徴付けられる。これによって、毛細管通路は、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ることになる。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、エンジンの通常の運転中に、例えば、エンジン動力要求の急激な変化に対する燃料供給の応答性を改善するという利点をもたらしている。
【００５５】
本明細書に記載される低熱慣性の毛細管流路を通る燃料を流量調整して供給するために、毛細管通路を含む燃料噴射器の遠位端からの蒸気の流量を調整するのに有効ないくつかの弁装置が提案されている。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（<１ｇ）、蒸気の流量を調整するのに用いられる弁装置は、システムの立ち上り時間と有効性が劣化されないように、加熱されたシステムに加えられる熱質量を最小限に抑えるように、設計されなければならない。
【００５６】
以下に述べる好ましい形態は、各々、燃料蒸気のパルス供給が可能であり、場合によっては、毛細管を液体燃料噴射に切り換えることも可能である。ここに述べる好ましい形態の各々において、毛細管流路内の蒸気流れ経路は、作動流体が弁と接触するときに蒸気相であるように、積極的又は消極的に加熱されている。弁自体が積極的に加熱されないことが好ましい。有利には、ここで用いられる絞り弁は、セラミック又はテフロン（登録商標）（Teflon）のような断熱材料から構成されているとよい。容易に理解され得るように、内燃機関用途においてパルス幅変調に必要な流量調整比を達成するために、漏れ防止シールは、決定的に重要ではないが、設けられる方が好ましい。
【００５７】
図１は、好ましい形態による、液体燃料を蒸発させるための燃料噴射器１０を示している。燃料噴射器１０は、入口端１４と出口端１６とを有する毛細管流路１２を備え、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と流体連通している。
【００５８】
好ましくは、低質量ニードル弁アセンブリ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３０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、ソレノイド要素３６が、コイル巻線３２の中心内に引込まれることになる。電気がコイル巻線３２から遮断されるとき、バネ３８が、ソレノイド要素をその元の位置に戻している。ニードル４０は、ソレノイド要素３６に接続されている。コイル巻線３２に電気を印加することによって生じるソレノイド要素３６の移動によって、ニードル４０がオリフィス４２から引き離され、燃料がオリフィス４２内を流れるのを可能にしている。
【００５９】
熱源２０が、毛細管流路１２に沿って配置されている。最も好ましくは、熱源２０は、電気抵抗材料のチューブから毛細管流路１２を形成することによって設けられている。毛細管流路１２の一部は、電流源がチューブの接続部２２と２４にそれらの間に電流を流すために接続されるとき、ヒータ要素を形成している。容易に理解され得るように、熱源２０は、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毛細管流路１２の出口端１６から供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。容易に理解され得るように、噴射器の本体内に蒸気を供給するこの方法は、蒸発された燃料と接触する材料の容積を最小限に抑え、従って、蒸気の早過ぎる凝縮を防ぐ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。
【００６０】
図２Ａ〜図２Ｃは、燃料噴射器１００の他の好ましい形態を示している。この燃料噴射器１００において、プランジャー１４０は、ソレノイド１２８によって、毛細管流路１１２の軸に沿って作動されるようになっている。図２Ｂを参照するに、ソレノイド１２８の作動によって、流体流路の半径方向における開口１４２が露出するように、プランジャー１４０を移動させ、これによって、加熱が加えられないとき、液体燃料の流れを可能にしている。図２Ａを参照すると、軸方向におけるプランジャー１４０のさらなる移動によって、蒸気の供給に必要とされる追加的な開口面積をもたらす他の半径方向流路開口１４４を露出させている。好ましくは、両方の開口１４２と１４４は、蒸発された燃料を供給するのに用いられている。
【００６１】
図２Ａ〜図２Ｃに示されるように、燃料噴射器絞り部１００は、入口端１１４と出口端１１６を有する毛細管流路１１２を備え、入口端１１４は、実質的に液体状態にある液体燃料を毛細管流路１１２内に導くために、液体燃料源Ｆと流体連通している。低質量プランジャーアセンブリ１１８は、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、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、ソレノイド要素１３６が、コイル巻線１３２の中心内に引込まれることになる。図２Ｃを参照すると、電気がコイル巻線から遮断されると、プランジャーアセンブリ１１８は、バネ（図示せず）の使用によって、閉位置に戻されることになる。プランジャー１４０は、ソレノイド要素１３６に接続されている。コイル巻線１３２に電気を印加することによって生じるソレノイド要素１３６の移動によって、プランジャー１４０は、半径方向流路開口１４２と１４４から引き離され、燃料がオリフィス内を流れるのを可能にしている。絞り部１００が自動車用途の燃料噴射器に一般的に用いられる型式の従来のアクチェータ部と組合せられ得ることは、当業者にとって明らかであろう。
【００６２】
熱源１２０は、毛細管流路１１２に沿って配置されている。熱源１２０は、毛細管流路１１２と共に、電気抵抗材料のチューブから形成されている。毛細管流路１１２の一部は、電流源がチューブに接続されたとき、ヒータ要素を形成している。熱源１２０は、毛細管流路１１２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毛細管流路１１２の出口端１１６から供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。蒸気を供給するこの方法は、プランジャー１４０の設計と協働して、蒸発された燃料と接触する材料の容積を最小限に抑え、従って、蒸気の早過ぎる凝縮を防ぐために加熱しなければならない熱質量を最小限に抑えることになる。
【００６３】
図３Ａ〜図３Ｃは、図２Ａ〜図２Ｃの燃料噴射絞り部の変形形態を示している。この変形形態では、図２Ａ〜図２Ｃのプランジャー１４０が、毛細管流路２１２の出口端２１６を覆って滑るスリーブ弁２４０に置き換えられている。図３Ｂを参照すると、ソレノイド２２８の作動によって、蒸気の流路の半径方向における開口２４２が露出するように、スリーブ弁２４０を移動させ、これによって、加熱が加えられないとき、液体燃料の流れを許容している。図３Ａを参照すると、スリーブ弁２４０の軸方向におけるさらなる移動によって、蒸気供給に必要とされる追加的な開口面積をもたらす他の半径方向流路開口２４４を露出させる。開口２４２，２４４の両方共、蒸気燃料を供給するのに用いられている。
【００６４】
図３Ａ〜図３Ｃに示されるように、燃料噴射器絞り部２００は、入口端２１４と出口端２１６とを有する毛細管流路２１２を備え、入口端２１４は、実質的に液体状態にある液体燃料を毛細管流路２１２に導くために、液体燃料源Ｆと流体連通している。低質量スリーブアセンブリ２１８は、コイル巻線２３２を有するソレノイド２２８によって、作動されるようになっている。コイル巻線２３２が励磁されると、ソレノイド要素２３６は、コイル巻線２３２の中心内に引込まれることになる。図３Ｃを参照すると、電気がコイル巻線２３２から遮断される場合、スリーブアセンブリ２１８は、バネ（図示せず）の使用によって、閉位置に戻されることになる。スリーブ弁２４０は、ソレノイド要素２３６に接続されている。コイル巻線２３２に電気を印加することによって生じるソレノイド要素２３６の移動によって、スリーブ弁２４０が半径方向流路開口２４２と２４４から引き離され、燃料がオリフィス内を流れるのを可能にしている。ここでも、絞り部２００が自動車用途の燃料噴射器に一般的に用いられる型式の従来のアクチェータ部と組合せられ得ることは、当業者にとって明らかであろう。
【００６５】
図２Ａ〜図２Ｃの好ましい形態と同じように、熱源２２０は、毛細管流路２１２に沿って配置され、毛細管流路２１２と共に、電気抵抗材料のチューブから形成されている。毛細管流路２１２の一部は、電流源がチューブに接続されたとき、ヒータ要素を形成している。熱源２２０は、毛細管流路２１２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毛細管流路２１２の出口端２１６から供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。蒸気を供給するこの方法は、スリーブ弁２４０の設計と協働して、蒸発された燃料と接触する材料の容積を最小限に抑え、従って、蒸気の早過ぎる凝縮を防ぐために加熱されねばならない熱質量を最小限に抑えることになる。
【００６６】
図４Ａ及び図４Ｂは、他の形態による液体燃料を蒸発させるための燃料噴射器絞り部３００を示している。燃料噴射器絞り部３００は、入口端３１４と出口端３１６を有する少なくとも１つの毛細管流路３１２を備え、入口端３１４は、実質的に液体状態にある液体燃料を毛細管流路３１２に導くために、液体燃料源Ｆと流体連通している。有利には、燃料噴射器絞り部３００は、噴射器が全運転範囲に対応し得るように、２本、３本、又はそれ以上の毛細管を備えているとよい（図４Ｂを参照）。プランジャーアセンブリ３１８は、コイル巻線を有するソレノイド（図示せず）によって作動されるようになっている。図１〜図３の好ましい形態におけるのと同じように、コイル巻線が励磁されると、ソレノイド要素３３６は、コイル巻線の中心内に引込まれることになる。電気が遮断されると、ソレノイド要素３３６は、バネ（図示せず）の使用によって、その元の位置に戻されることになる。プランジャー３４０は、ソレノイド要素３３６に接続されている。コイル巻線に電気を印加することによって生じるソレノイド要素３３６の移動によって、プランジャー３４０は、毛細管流路３１２の出口端３１６から引き離され、燃料がオリフィス３４２内に流れるのを可能にしている。ここでも、絞り部３００が自動車用途の燃料噴射器に一般的に用いられる型式の従来のアクチェータ部と組合せられ得ることは、当業者にとって明らかであろう。
【００６７】
熱源３２０は、毛細管流路３１２に沿って配置され、電気抵抗材料のチューブから毛細管流路３１２を形成することによって設けられている。毛細管流路３１２の一部は、電流源がチューブの接続部３２２と３２４に電流を供給するために接続されるとき、ヒータ要素を形成している。熱源３２０は、毛細管流路３１２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毛細管流路３１２の出口端３１６から供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。前と同じように、蒸発された燃料に接触する材料の容積は最小限に抑えられ、これによって、蒸気の早過ぎる凝縮を防ぐために加熱されねばならない熱質量を最小限に抑えている。
【００６８】
図５は、他の好ましい形態による液体燃料を蒸発させるための燃料噴射器絞り部７００を示している。燃料噴射器絞り部７００は、入口端７１４と出口端７１６を有する少なくとも１つの毛細管流路７１２を備え、入口端７１４は、液体燃料を毛細管流路７１２に導くために、液体燃料源と流体連通されている。有利には、燃料噴射絞り部７００は、噴射器が全運転範囲に対応し得るように、２本、３本、又は４本の毛細管を備えているとよい（図５Ｂを参照）。
【００６９】
プランジャー弁アセンブリ７１８は、ハウジング７５０内に配置され、コイル巻線を有するソレノイド（図示せず）によって作動されるようになっている。好ましくは、作動において、コイル巻線が励磁されると、ソレノイド要素７３６は、コイル巻線（図示せず）の中心内に引込まれることになる。電気が遮断されると、ソレノイド要素７３６は、バネ（図示せず）の使用によって、その元の位置に戻されることになる。プランジャーアセンブリ７４０は、ソレノイド要素７３６に接続されている。コイル巻線に電気を印加することによって生じるソレノイド要素７３６の移動によって、プランジャーアセンブリ７４０は、毛細管流路７１２の出口端７１６から引き離され、燃料がオリフィス７４２内を流れることを可能にしている。図から理解され得るように、プランジャーアセンブリ７４０の切頭円錐部７４４をハウジング７５０の円錐シール面７５２に嵌合させることによって、シールが達成されることになる。容易に理解され得るように、絞り部７００は、自動車用途の燃料噴射器に一般的に用いられる型式の従来のアクチェータ部と組み合わされ得るものである。
【００７０】
熱源７２０は、毛細管流路７１２に沿って配置され、電気抵抗材料のチューブから毛細管流路７１２を形成することによって設けられている。毛細管流路７１２の一部は、電流源がチューブの接続部７２２と７２４に電流を供給するために接続されるとき、ヒータ要素を形成している。熱源７２０は、毛細管流路７１２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毛細管流路７１２の出口端７１６から供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。容易に理解され得るように、蒸発された燃料と接触するプランジャーアセンブリ７４０の材料の容積はごく小さく、これによって、蒸発の早過ぎる凝縮を防ぐために加熱されなければならない熱質量を小さくしている。
【００７１】
図６は、さらに他の好ましい形態による液体燃料を蒸発させるための他の燃料噴射器絞り部８００を示している。燃料噴射器絞り部８００は、入口端８１４と出口端８１６を有する少なくとも１つの毛細管流路８１２を備え、入口端８１４は、液体燃料を毛細管流路８１２内に導くために、液体燃料源と流体連通されている。有利には、燃料噴射器絞り部８００は、噴射器が全運転範囲に対応し得るように、２本、３本、又は４本の毛細管を備えているとよい（図６Ｂを参照）。
【００７２】
熱源８２０は、毛細管流路８１２に沿って配置され、電気抵抗材料のチューブから毛細管流路８１２を形成することによって設けられている。毛細管流路８１２の一部は、電流源がチューブの接続部８２２と８２４に電流を供給するために接続されるとき、ヒータ要素を形成している。熱源８２０は、毛細管流路８１２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毛細管流路８１２の出口端８１６から供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。
【００７３】
別の設計のプランジャー弁アセンブリ８１８が示されている。このプランジャー弁アセンブリ８１８は、ハウジング８５０内に配置され、コイル巻線を有するソレノイド（図示せず）によって作動されるようになっている。作動において、コイル巻線が励磁されると、ソレノイド要素８３６は、コイル巻線（図示せず）の中心内に引込まれることになる。電気が遮断されると、ソレノイド要素８３６は、バネ（図示せず）の使用によって、その元の位置に戻され、燃料の流れを毛細管流路８１２の出口端８１６からシールすることになる。図示されるように、プランジャー８４０が、ソレノイド要素８３６に接続されている。コイル巻線に電気を印加することによって生じるソレノイド要素８３６の移動によって、プランジャーアセンブリ８４０は、毛細管流路８１２の出口端８１６から引き離され、燃料がオリフィス８４２内に流れることを可能にしている。図から理解され得るように、プランジャー弁アセンブリ８１８は、プランジャースリーブ８５４内で移動するようになっている。プランジャースリーブ８５４は、スリーブピン８５６によって、作動中、回転しないように保持されている。プランジャーアセンブリ８４０の切頭円錐部８４４をハウジング８５０の円錐シール面８５２に嵌合させることによって、シールが達成されることになる。この好ましい形態において、プランジャーアセンブリ８４０の材料の容積は、この設計において最小限に抑えられ、これによって、蒸気の早過ぎる凝縮を防ぐために加熱されねばならない熱質量を小さくしている。
【００７４】
ここでも、絞り部８００は、自動車用途の燃料噴射器に一般的に用いられる型式の従来のアクチェータ部と組み合わされ得るものである。
【００７５】
図７を参照すると、他の好ましい形態による液体燃料を蒸発させるための他の燃料噴射器絞り部９００が示されている。燃料噴射器絞り部９００は、入口端９１４と出口端９１６とを有する少なくとも１つの毛細管流路９１２を備え、入口端９１４は、液体燃料を毛細管流路９１２に導くために、液体燃料源と流体連通されている。有利には、燃料噴射器絞り部９００は、噴射器が全運転範囲に対応し得るように、２本、３本、又は４本の毛細管を備えているとよい（図７Ｂを参照）。
【００７６】
プランジャー弁アセンブリ９１８は、ハウジング９５０内に配置され、コイル巻線を有するソレノイド（図示せず）によって作動されるようになっている。好ましくは、作動において、コイル巻線が励磁されると、ソレノイド要素９３６は、コイル巻線（図示せず）の中心内に引込まれることになる。電気が遮断されると、ソレノイド要素９３６は、バネ（図示せず）の使用によって、その元の位置に戻されることになる。プランジャーアセンブリ９４０は、ソレノイド要素９３６に接続されている。コイル巻線に電気を印加することによって生じるソレノイド要素９３６の移動によって、プランジャーアセンブリ９４０は、毛細管流路９１２の出口端９１６から引き離され、燃料がオリフィス９４２内に流れるのを可能にしている。図から理解され得るように、プランジャーアセンブリ９４０の切頭円錐部９４４をハウジング９５０の円錐シール面９５２と嵌合させることによって、シールが達成されることになる。ここでも、絞り部９００が自動車用途の燃料噴射器に一般的に用いられる型式の従来のアクチェータ部と組み合わされ得ることは、当業者にとって明らかであろう。
【００７７】
本明細書に開示された他の好ましい形態と同じように、熱源９２０は、毛細管流路９１２に沿って配置され、電気抵抗材料のチューブから毛細管流路９１２を形成することによって設けられている。毛細管流路９１２の一部は、電流源がチューブの接続部９２２と９２４に電流を供給するために接続されたとき、ヒータ要素を形成している。熱源９２０は、毛細管流路９１２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毛細管流路９１２の出口端９１６から供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。容易に理解され得るように、蒸発された燃料と接触するプランジャーアセンブリ９４０の材料の容積はごく小さく、これによって、蒸気の早過ぎる凝縮を防ぐための加熱されなければならない熱質量を小さくしている。
【００７８】
図８を参照すると、図７の好ましい形態の修正形態が示されている。燃料噴射器絞り弁１０００は、入口端１０１４と出口端１０１６とを有する少なくとも１つの毛細管流路１０１２を備え、入口端１０１４は、液体燃料を毛細管流路１０１２内に導くために、液体燃料に流体連通されている。好ましくは、燃料噴射器絞り部１０００は、噴射器が全運転範囲に対応し得るように、２本、３本又は４本の毛細管を備えているとよい（図８Ｂを参照）。
【００７９】
熱源１０２０は、毛細管流路１０１２に沿って配置され、電気抵抗材料のチューブから毛細管流路１０１２を形成することによって設けられている。毛細管流路１０１２の一部は、電流源がチューブの接続部１０２２と１０２４に電流を供給するために接続されるとき、ヒータ要素を形成している。熱源１０２０は、毛細管流路１０２０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毛細管流路１０１２の出口端１０１６から供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。
【００８０】
プランジャー弁アセンブリ１０１８は、ハウジング１０５０内に配置され、コイル巻線を有するソレノイド（図示せず）によって作動されるようになっている。作動において、コイル巻線が励磁されると、ソレノイド要素１０３６は、コイル巻線（図示せず）の中心内に引込まれることになる。電気が遮断されると、ソレノイド要素１０３６は、バネ（図示せず）の使用によって、その元の位置に戻されることになる。プランジャーアセンブリ１０４０は、ソレノイド要素１０３６に接続されている。コイル巻線に電気を印加することによって生じるソレノイド要素１０３６の移動によって、プランジャー要素１０４０は、毛細管流路１０１２の出口端１０１６から引き離され、燃料がオリフィス１０４２内を流れるのを可能にしている。図から理解され得るように、プランジャーアセンブリ１０４０の切頭円錐部１０４４をハウジング１０５０の円錐シール面１０５６と嵌合させることによって、シールが達成されることになる。図示されるように、図７の形態において設けられたオリフィスよりも小さいオリフィス１０４２内に突出するニードル１０４６を設けることによって、より微細な噴霧が可能になる。絞り部１０００は、自動車用途の燃料噴射器に一般的に用いられる型式の従来のアクチェータ部と組み合わされ得るものである。
【００８１】
図９は、さらに他の好ましい形態による他の燃料噴射器絞り部１１００を示している。燃料噴射器絞り部１１００は、入口端１１１４と出口端１１１６とを有する少なくとも１つの毛細管流路１１１２を備え、入口端１１１４は、液体燃料を毛細管流路１１１２に導くために、液体燃料源と流体連通されている。好ましくは、燃料噴射器絞り部１１００は、噴射器が全運転範囲に対応し得るように、２本、３本又は４本の毛細管を備えているとよい（図９Ｂを参照）。
【００８２】
熱源１１２０は、毛細管流路１１１２に沿って配置され、電気抵抗材料のチューブから毛細管流路１１１２を形成することによって設けられている。毛細管流路１１１２の一部は、電流源がチューブの接続部１１２２と１１２４に電流を供給するために接続されるとき、ヒータ要素を形成している。熱源１１２０は、毛細管流路１１２０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毛細管流路１１１２の出口端１１１６から供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。
【００８３】
別の設計によるプランジャー弁アセンブリ１１１８が示されている。このプランジャー弁アセンブリ１１１８は、ハウジング１１５０内に配置され、コイル巻線を有するソレノイド（図示せず）によって作動されるようになっている。作動において、コイル巻線が励磁されると、ソレノイド要素１１３６は、コイル巻線（図示せず）の中心内に引込まれることになる。電気が遮断されると、ソレノイド要素１１３６は、バネ（図示せず）の使用によって、その元の位置に戻され、毛細管流路１１１２の出口端１１１６からの燃料の流れをシールしている。図示されるように、プランジャー１１４０は、ソレノイド要素１１３６に接続されている。コイル巻線に電気を印加することによって生じるソレノイド要素１１３６の移動によって、プランジャーアセンブリ１１４０は、毛細管流路１１１２の出口端１１１６から引き離され、燃料がオリフィス１１４２内を流れるのを可能にしている。
【００８４】
図から理解され得るように、プランジャー弁アセンブリ１１１８は、プランジャースリーブ１１５４内において移動するようになっている。プランジャースリーブ１１５４は、スリーブピン１１５６によって、作動中、回転しないように保持されている。プランジャーアセンブリ１１４０の切頭円錐部１１４４をハウジング１１５０の円錐シール面１１５２と嵌合させることによって、シールが達成されることになる。図示されるように、オリフィス１１４２内に突出する大きなニードル１１４６を設けることによって、より微細な噴霧が可能になる。絞り部１１００は、自動車用途の燃料噴射器に一般的に用いられる型式の従来のアクチェータと組み合わされ得るものである。
【００８５】
図１０を参照すると、燃料噴射器絞り部１２００は、入口端１２１４と出口端１２１６とを有する少なくとも１つの毛細管流路１２１２を備え、入口端１２１４は、液体燃料を毛細管流路１２１２内に導くために、液体燃料源と流体連通されている。好ましくは、燃料噴射器絞り部１２００は、噴射器が全運転範囲に対応し得るように、２本、３本、又は４本の毛細管を備えているとよい（図１０Ｂを参照）。
【００８６】
熱源１２２０は、毛細管流路１２１２に沿って配置され、電気抵抗材料のチューブから毛細管流路１２１２を形成することによって設けられている。毛細管流路１２１２の一部は、電流源がチューブの接続部１２２２と１２２４に電流を供給するために接続されるとき、ヒータ要素を形成している。熱源１２２０は、毛細管流路１２１２内の液体燃料を加熱するように、作動可能である。
【００８７】
プランジャー弁アセンブリ１２１８が示されている。このプランジャー弁アセンブリ１２１８は、ハウジング１２５０内に配置され、コイル巻線を有するソレノイド（図示せず）によって作動されるようになっている。作動において、コイル巻線が励磁されると、ソレノイド要素１２３６は、コイル巻線（図示せず）の中心内に引込まれることになる。電気が遮断されると、ソレノイド要素１２３６は、バネ（図示せず）の使用によって、その元の位置に戻され、毛細管流路１２１２の出口端１２１６からの燃料流れをシールしている。図示されるように、プランジャーロッド１２４０は、ソレノイド要素１２３６に接続されている。コイル巻線に電気を印加することによって生じたソレノイド要素１２３６の移動によって、プランジャーロッド１２４０は、シール可能なスリーブ１２５４が毛細管流路１２１２の出口端１２１６から引き離され、燃料がオリフィス１２４２内に流れることが可能になる。
【００８８】
プランジャーロッド１２４０は、シール可能なスリーブ１２５４内に圧入されている。シール可能なスリーブ１２５４の切頭円錐部１２４４をハウジング１２５０の円錐シール面１２５２と嵌合させることによって、シールが達成されることになる。図示されるように、オリフィス１２４２内に突出する大きなニードル１２４６を設けることによって、より微細な噴霧が可能になる。絞り部１２００は、自動車用途の燃料噴射器に一般的に用いられる型式の従来のアクチェータと組み合わされ得るものである。
【００８９】
冷エンジン環境において蒸発を達成するために、加熱のために噴射器に供給される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１１に示されるような妥協が存在している。容易に理解され得るように、噴射器を加熱するために利用可能な電力は、利用可能な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必要条件によって制限されている。
【００９０】
前述した設計と性能の要件に加えて、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点を加味して、燃料／空気比に対して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った状態より他のエンジン運転状態にわたって、不可欠な絞り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、吸気弁が開状態にあるエンジンサイクルの一部においてのみ蒸気を噴射することによって、排出物の最大限の低減が達成されることになる。このような噴射プロフィールは、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１２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間噴射を行って、その後、蒸気が殆どエンジンに送給されないか又は全く送給されない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。
【００９１】
蒸気燃料噴射器の流量を調整する弁を有する従来の設計は、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において不都合に増大させ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るので、望ましくなく（図１１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もたらされる蒸気の品質を悪化させることになる。
【００９２】
図１３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を作動させるのに用いられ、液体燃料供給源２０１０及び液体燃料噴射経路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及び毛細管流路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及び毛細管流路２０８０に流体連通している酸化ガス供給弁２０２０とを備えている。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、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を生成している。
【００９３】
作動において、本発明によるシステムは、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、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を加熱する必要を低減、削減、又は補足するように構成されている。
【００９４】
容易に理解され得るように、図１〜図１３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。堆積物を清浄化させるための手段は、熱源２０と、毛細管流路１２を酸化剤源と流体連通させるための酸化剤制御弁（図１３の２０２０を参照）を備えているとよい。容易に理解され得るように、酸化剤制御弁は、毛細管流路１２のいずれかの端又はその近傍に配置されるか、又は毛細管流路１２のいずれかの端と流体連通されるように構成されてもよい。もし酸化剤制御弁が毛細管流路１２の出口端１６又はその近傍に配置されている場合、その酸化剤制御弁は、酸化剤源を毛細管流路１２の出口端１６と流体連通させるように機能している。作動において、熱源２０を用いて、毛細管流路１２内の酸化剤を、液体燃料Ｆの加熱中に形成された堆積物を酸化させるのに十分なレベルに加熱している。一実施形態において、燃料供給モードから清浄化モードに切り換えるために、酸化剤制御弁（図１３の２０２０を参照）は、毛細管流路１２への液体燃料Ｆの導入と毛細管流路１２への酸化剤の導入とを交互に切換え、酸化剤が少なくとも１つの毛細管流路内に導かれたときに、毛細管流路１２のその場での清浄化を可能とするように、作動可能となっている。
【００９５】
堆積物を酸化させる１つの技術として、空気又は蒸気を毛細管内に通す方法が挙げられる。流路は、好ましくは、酸化プロセスが開始され、堆積物が消耗されるまで、助長されるように、清浄化過程中に加熱されることになる。この清浄化過程を強化するために、毛細管壁への被膜又はその構成要素のいずれかとして、触媒物質を用いて、清浄化を達成するための温度及び／又は時間を低減させるとよい。燃料供給システムを連続的に作動するために、２つ以上の毛細管流路を用いて、閉塞された状態が、例えば、センサの使用又は毛細管抵抗の変化によって検出されたとき、燃料流れが他の毛細管流路に分岐され、酸化剤流れが清浄化されるべき閉塞された毛細管流路内に導入されることになる。一例として、毛細管本体は複数の毛細管流路を備え、弁装置は液体燃料又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。
【００９６】
代替的に、所定の間隔で、燃料流れが毛細管流路から分岐され、酸化剤流れが導入されてもよい。図１３に示されるように、毛細管流路への燃料の供給は、制御装置２０５０によって行なわれている。例えば、制御装置２０５０は、所定期間にわたって燃料供給を行ない、所定の時間の後、燃料供給を停止している。制御装置２０５０はまた、液体燃料の圧力及び／又は毛細管流路に供給される熱量を、１つ以上の検知された状態に基づいて、調整するようにしてもよい。検知された状態として、とりわけ、燃料圧力、毛細管温度、及び空気と燃料の混合物が挙げられる。制御装置２０５０は、用いられる対象物に取り付けられた多数の燃料供給装置を制御するようにしてもよい。制御装置２０５０は、１つ以上の毛細管流路を、その毛細管流路の堆積物又は詰まりを清浄化するように、制御するようにしてもよい。例えば、毛細管流路の清浄化は、熱を毛細管流路に加えると共に、酸化剤源の流れを毛細管流路に供給することによって、達成されることになる。
【００９７】
代替的に、図１〜図１３に示される好ましい形態は、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、堆積物を清浄化する手段は、毛細管流路１２を溶媒と流体連通させ、その溶媒が毛細管流路１２内に導かれたとき、毛細管流路１２のその場における清浄を可能にする工程を含んでいる。多種多様の溶媒が用いられるが、溶媒は、液体燃料源からの液体燃料であってもよい。この場合、追加的な弁は必要ではない。何故なら、燃料と溶媒とを交互に切換える必要がないからである。熱源は、毛細管流路１２の清浄化中、停止、すなわち、非作動にされるべきである。
【００９８】
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、蒸発された燃料の流れを生成し、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している。１５０から２００μｍのザウター平均径（ＳＭＤ）の範囲内の液滴から成る燃料噴霧を供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。
【００９９】
従来の噴射器と本明細書に開示された燃料噴射器における液滴寸法分布間の差は、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、本明細書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、始動時におけるエンジン部品の温度によって本質的に影響されず、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。本明細書に開示された加熱毛細管噴射器の使用によって、エンジンに対する燃料／空気比がより正確に制御されると共に、過剰な燃料供給が排除されるので、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冷始動時の排出物と比較して、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、本明細書に開示された加熱毛細管噴射器は、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ながら、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。
【０１００】
図１をさらに参照すると、毛細管流路１２は、ステンレス鋼毛細管チューブのような金属チューブと、チューブ２０の電流が通過する長さ部分から成るヒータを備えていてもよい。好ましい実施形態において、毛細管チューブは、約０．０５１から０．０７６ｃｍ（０．０２０から０．０３０インチ）の内径と、約５．０８から２５．４ｃｍ（２から１０インチ）の加熱長さとを備え、燃料は、７．０ｋｇ／ｃｍ2（１００ｐｓｉ）未満、好ましくは、４．９ｋｇ／ｃｍ2（７０ｐｓｉ）未満、さらに好ましくは、４．２ｋｇ／ｃｍ2（６０ｐｓｉ）未満、さらに一層好ましくは、３．１ｋｇ／ｃｍ2（４５ｐｓｉ）未満の圧力下でチューブ１２に供給されている。この実施形態は、蒸発された燃料が大気温度の空気中で凝縮されたとき、約５から１５μｍＳＭＤの平均液滴径を有し、殆どが２から３０μｍＳＭＤの寸法範囲内に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、明らかになっている。冷始動温度で迅速かつほぼ完全な蒸発を達成するのに好ましい燃料液滴の寸法は、約２５μｍ未満である。これは、蒸発された燃料のエネルギー量の２〜３％に相当する略１０．２から４０．８ｋｇ・ｍ／秒（１００から４００Ｗ）、例えば、２０．４ｋｇ・ｍ／秒（２００Ｗ）の電力を６インチ（１５．２ｃｍ）のステンレス鋼毛細管チューブに印加することによって、達成されることになる。電力は、チューブを全体的にステンレス鋼のような導電材料から形成するか、又は流路を有する非導電性チューブ又はラミネートの少なくとも一部に導電性材料を設けるか、例えば、電気抵抗材料を積層又は被覆するか、チューブ又はラミネートに抵抗ヒータを形成することによって、毛細管チューブに印加させられている。電流をヒータに供給し、チューブをその長さに沿って加熱するために、電気リードが導電性材料に接続されている。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た電気コイルなどによる誘導加熱、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た他の熱源による加熱が挙げられる。
【０１０１】
好ましい毛細管チューブは、約１５．２ｃｍ（６インチ）の加熱長さと約０．０５１ｃｍ（０．０２０インチ）の内径を有しているが、他の構成の毛細管によっても、許容範囲内にある蒸気品質が得られる。例えば、内径は、０．０５から０．０８ｃｍ（０．０２から０．０３インチ）の範囲内にあってもよい。また、毛細管チューブの加熱部は、２．５から２５．４ｃｍ（１から１０インチ）の範囲内にあってもよい。冷始動及び暖気の後、毛細管チューブは加熱する必要がなく、この加熱されない毛細管チューブは、通常の温度で作動するエンジンに十分な液体燃料を供給するのに、用いられている。
【０１０２】
燃料毛細管から出る蒸発された燃料は、ポート燃料噴射器を出るのと同じ箇所、又はエンジン吸気マニフォールドに沿った他の箇所で、エンジン吸気マニフォールド内に噴射されている。しかし、必要に応じて、燃料毛細管は、蒸発された燃料をエンジンの各シリンダー内に直接供給するように配置されている。本明細書に開示された燃料噴射器は、エンジンの始動中に閉鎖された吸気弁の裏側に噴射されなけれ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に、吸気マニフォールド壁と同じ平面に配置されている。
【０１０３】
エンジンを始動してから約２０秒（好ましくは、約２０秒未満）後に、毛細管流路１２を加熱するのに用いた電力は遮断され、通常のエンジン運転を行なうために、液体噴射が開始される。通常のエンジン運転は、当業者に容易に理解され得るように、連続噴射又はパルス噴射による液体燃料噴射によってなされている。
実施例１
【０１０４】
フォード４．６リッターＶ８エンジンを用いる試験において、４シリンダーからなる１つのバンクを、図１に示すような本発明の燃料供給装置を備えるように、改造した。毛細管加熱要素を、毛細管の先端が量産市販の燃料噴射ノズルの位置である吸気ポート壁と同じ平面に位置するように、取り付けた。試験は、連続噴射（１００％デューティサイクル）で実施され、従って、燃料蒸気の流量を調整するのに、燃料圧力が用いられた。
【０１０５】
図１４を参照すると、エンジンの冷始動の最初の２０秒間の毛細管燃料供給装置の結果を表すグラフが示されている。プロットライン１は、ｘ軸に沿った時間経過に対する回転数／分で表されるエンジン速度を示している。プロットライン２は、ｘ軸に沿った時間経過に対するｇ／秒で表される燃料流量を示している。プロットライン３は、ｘ軸に沿った時間経過に対するラムダを示している。単位のラムダは、燃料に対する空気の化学量論的比率を示している。プロットライン４は、ｘ軸に沿った時間経過に対するメタン当量（ｐｐｍ）で表されるエンジンの排気からの全炭化水素排出物を示している。
【０１０６】
図１４のプロットライン３で示されるように、量産市販のエンジンハードウエアに必要な初期の過剰な燃料供給と制御手法は、本発明の燃料供給装置を用いることによって、排除されている。すなわち、本発明の燃料供給装置は、初期の始動期間中、エンジンが近化学量論的燃料／空気比で始動されるように、液体燃料を効率的に蒸発させている。図１５は、従来の過剰な燃料供給による始動方法（プロットライン５）と比較して、本発明の燃料供給装置によって達成される近化学量論的始動（プロットライン６）から得られた排出物の低減を示している。具体的に、図１５の結果は、本発明の燃料供給装置は、冷始動の最初の１０秒間において、過剰な燃料供給を必要とする量販市販の構成と比較して、全炭化水素排出物を４６％低減させることを示している。円７によって示される領域は、エンジン始動の最初の４秒間に、炭化水素排出物が著しく低減されることを示している。
実施例２
【０１０７】
ダイナモメータに取り付けた実施例１のフォード４．６リッターＶ８エンジンを用いて、シミュレーションによる冷始動過渡試験を行なった。ここで、４シリンダーからなる１つのバンクを、図４に示す燃料供給装置を備えるように、改造した。図４の燃料噴射器は量産市販の燃料噴射器ノズルの箇所に取り付けられた。
【０１０８】
火花プラグを標準的な点火進角で点火し、エンジン冷媒温度を所定の２０℃とし、９００ＲＰＭで回転するエンジンの初期状態を監視することによって、冷始動過渡試験を行った。燃料噴射パルス幅は、過渡的な補正を行なわず、目標ラムダ値を達成するように設定し、毛細管ヒータ抵抗値Ｒ／Ｒｏは、１．１７（約１７０℃）に等しくなるように設定して燃料噴射器を作動可能とした。設定値の１０％に等しいラムダ値に達する時間を、全炭化水素の排出物と共に、測定した。各試験を、ラムダ設定値ごとに、三度繰り返した。ラムダ値は、０．９、１．０、１．１、及び１．２（化学量論的空燃比＝１．０）に設定した。シミュレーションによる各冷始動過渡試験を、３０秒間行なった。測定された過渡的な排気空燃比応答特性は、燃料移送現象を定量的に示したものである。
【０１０９】
図１６は、冷始動過渡試験の結果を示している。標準的なポート燃料噴射器（ＰＦＩ）との比較によって、良好な蒸発を示す図４の噴射器の過渡応答時間は、基準ポート燃料噴射器よりも著しく優れていることが実証された。加えて、「冷アイドル」時の未燃炭化水素の排出物の著しい改善が観察され、λ＝１．２において２５％もの利得が得られた。
実施例３
【０１１０】
リーン限界の拡大に及ぼす毛細管ヒータ温度（蒸発の増大）を、図４の毛細管燃料噴射器を用いる実施例１と２のダイナモメータに取り付けたフォード４．６リッターＶ８エンジンを用いて、検討した。毛細管ヒータ抵抗Ｒ／Ｒｏの値を１．１５から１．２６（略１７０から２８０℃）の範囲内において変化させ、炭化水素排出物のレベルを測定した。
【０１１１】
図１７は、これらの試験の結果を示している。図から理解され得るように、標準的な燃料噴射器に対する著しい改善が達成された。加えて、抵抗の設定値（毛細管流路の温度）を増大させると、炭化水素の排出物がさらに増大せずに比較的飽和状態になる閾値に迅速に達することが観察された。図４の毛細管噴射器の場合、最大作動温度よりも十分に低い温度で、閾値に達することが観察された。
実施例４−９
【０１１２】
始動状態をシミュレートするために、微細ダイアフラムポンプシステムによって、ガソリンを一定圧力で２０℃の種々の毛細管噴射器に供給して、実験室的なベンチ試験を行なった。ピーク液滴寸法と液滴寸法分布を、マルヴァーン（Malvern）で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。始動時のピーク値として示される値以外は、液滴寸法は、ザウター平均径（ＳＭＤ）である。ＳＭＤは、表面−容積比が噴霧の全体の表面−容積比と等しくなる液滴の径であり、噴霧の質量移動特性に関する。
【０１１３】
【表１】
0004410686.tif 000002
【０１１４】
前述の結果から理解され得るように、目標液滴寸法は、本明細書に開示された市販の適切な弁設計を用いて、達成されている。さらに、作動の１０秒後に、噴射器の殆どは、３０μｍの閾値よりも十分に小さい液滴寸法を生じることが観察され、熱質量が重要な識別因子であることが判明した。
実施例１０−１７
【０１１５】
本発明の利得をさらに評価するために、計算流体力学（ＣＦＤ）を用いて、以下に述べる構成要素を評価した。ＣＦＤ分析は、基本的な制御方程式を解き、その解の領域内の各点において、流体速度、種別、燃焼反応、圧力、熱伝達、及び温度値をもたらすことができる。フルーエント（Fluent）社（米国、１０キャンディシュ・コート、センテラ・リソース・パーク、レバノン、ニューハンプシャ州、０３７６６−１４４２）から市販されているＦＬＵＥＮＴTMソフトウエアを用いて、分析を行なった。
【０１１６】
本発明の利得を実証するために、本明細書に記載された毛細管噴射器を用いるエンジンの運転を、ＦＬＵＥＮＴソフトウエアパッケージを用いて、シミュレートした。用いた数理的モデル化条件は、以下の通りである。すなわち、ｎオクタンの燃料の入口圧力を３バールゲージとし、入口の燃料は２００℃において蒸気状態にあるとし、作動は蒸気を凝縮させずになされるとし、大気は０バールゲージ圧に設定し、空気温度を２７℃とした。噴射器の材料は、ステンレス鋼とし、温度による熱伝導率の変動をモデル化し、用いた乱流モデルは、噴流の挙動をより正確にモデル化するために、ｋ−ε実現可能モデルとした。中心体への噴射の衝突を良好にモデル化するために、非平衡壁関数を選択した。
【０１１７】
検討した噴射器の構造に対する金属容積、湿潤面積、及びガス容積は、以下の通りである。
【０１１８】
【表２】
0004410686.tif 000003
【０１１９】
構造ＸＶＡ１０００４２は図８に示され、ＸＶＡ１０００５１は図１０に示され、ＸＶＡ１０００３７は図７に示され、ＬＯ１００００７は図４に示され、ＸＶＡ１０００４６は図９に示され、及びＸＶＡ１０００２７は図５に示されている。
【０１２０】
種々の毛細管噴射器の設計に対して、ＦＬＵＥＮＴ計算流体力学ソフトウエアを用いて得られた冷始動の結果は、図１８に示されている。図１９は、種々の設計に対する２００μ秒における湿潤面積とノズル出口温度の関係を示している。これは、毛細管噴射器の性能におけるこの設計因子の重要性を示している。
【０１２１】
図１８及び図１９から理解され得るように、ＣＦＤ結果は、実施例４〜９に示した実験室的ベンチ試験の結果を裏付け、蒸気が噴射器の絞り部の近くに導かれる限り、迅速な始動が達成され得ることを裏付けている。
【０１２２】
本発明を、図面と実施形態の説明によって、例示かつ詳細に説明したが、開示された実施形態は例示であって、特性を制限するものではない。本発明の範囲内にある変更と修正は、保護されることが望まれる。
【図面の簡単な説明】
【０１２３】
【図１】好ましい形態による側方送給毛細管流路を備える毛細管燃料噴射器の部分断面図である。
【図２Ａ】プランジャーがソレノイドによって完全に引込まれ、蒸気供給に必要な二つの半径方向流路を露出させた状態にある他の好ましい形態の概略図である。
【図２Ｂ】プランジャーが半分引込まれ、液体燃料の供給用の単一の半径方向流路を露出させた状態にある図２Ａの好ましい形態を示す図である。
【図２Ｃ】プランジャーが完全に押し出され、半径方向流路への燃料の流れを遮断した状態にある図２Ａの好ましい形態を示す図である。
【図３Ａ】スリーブがソレノイドによって完全に引込まれ、蒸気の供給に必要な２つの半径方向流路を露出させた状態にある他の好ましい形態の概略図である。
【図３Ｂ】スリーブが半分引込まれ、液体燃料の供給用の単一の半径方向の流路を露出させた状態にある図３Ａの好ましい形態を示す図である。
【図３Ｃ】スリーブが完全に押し出され、半径方向流路への燃料の流れを遮断した状態にある図３Ａの好ましい形態を示す図である。
【図４】好ましい形態による、修正された従来の側方送給ポート燃料噴射器の上流に組み込まれた電気加熱毛細管を有するインライン加熱噴射器の部分断面図である。
【図５】さらに他の好ましい形態による燃料噴射器の他の実施形態の部分断面図である。
【図６】さらに他の好ましい形態による毛細管燃料噴射器の部分側断面図である。
【図７】好ましい形態による燃料噴射器の他の実施形態の部分断面図である。
【図８】好ましい形態による燃料噴射器の他の実施形態の部分断面図である。
【図９】本発明による燃料噴射器のさらに他の好ましい形態の側面図である。
【図１０】燃料噴射器の他の実施形態の部分側断面図である。
【図１１】噴射器に供給される電力の最小化と異なる加熱質量に対する噴射器の立ち上り時間の最小化との間の妥協を示すチャートである。
【図１２】吸気弁が開動作されるエンジンサイクルの一部においてのみに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得ることを示すチャートである。
【図１３】好ましい形態による燃料供給及び制御システムの概略図である。
【図１４】本発明の燃料供給装置を用いてエンジンを始動した場合の最初の２０秒間におけるエンジンパラメータを示すチャートである。
【図１５】本発明の燃料供給装置からのエンジン排出物を従来のポート燃料噴射器と比較して示すチャートである。
【図１６】種々のラムダ値で行なわれた冷始動過渡試験の結果を示すチャートである。
【図１７】毛細管噴射器の熱入力の異なるレベルにおけるラムダと全炭化水素排出物との間の関係を示すチャートである。
【図１８】種々の毛細管噴射弁の設計に対する予測温度上昇特性を示すチャートである。
【図１９】湿潤面積と２００μ秒におけるノズル出口温度との関係を示すチャートである。
【図１】
0004410686.tif 000004
【図２Ａ】
0004410686.tif 000005
【図２Ｂ】
0004410686.tif 000006
【図２Ｃ】
0004410686.tif 000007
【図３Ａ】
0004410686.tif 000008
【図３Ｂ】
0004410686.tif 000009
【図３Ｃ】
0004410686.tif 000010
【図４Ａ】
0004410686.tif 000011
【図４Ｂ】
0004410686.tif 000012
【図５Ａ】
0004410686.tif 000013
【図５Ｂ】
0004410686.tif 000014
【図６Ａ】
0004410686.tif 000015
【図６Ｂ】
0004410686.tif 000016
【図７Ａ】
0004410686.tif 000017
【図７Ｂ】
0004410686.tif 000018
【図８Ａ】
0004410686.tif 000019
【図８Ｂ】
0004410686.tif 000020
【図９Ａ】
0004410686.tif 000021
【図９Ｂ】
0004410686.tif 000022
【図１０Ａ】
0004410686.tif 000023
【図１０Ｂ】
0004410686.tif 000024
【図１１】
0004410686.tif 000025
【図１２】
0004410686.tif 000026
【図１３】
0004410686.tif 000027
【図１４】
0004410686.tif 000028
【図１５】
0004410686.tif 000029
【図１６】
0004410686.tif 000030
【図１７】
0004410686.tif 000031
【図１８】
0004410686.tif 000032
【図１９】
0004410686.tif 000033