(57)【要約】火花点火燃料噴射内燃機関の過渡的応答を改善するための装置及び方法が開示されている。これは、１つ以上の新規の毛細管燃料噴射器を用いることによって達成される。これらの装置は、１つ以上の比較的小径の加熱チューブ毛細管を燃料ラインと従来の噴射器との間に挿入することによって変更されたポート燃料噴射器である。燃料が噴射器を出るとき、フラッシュ蒸発が生じるように、十分な加熱がなされ得る。ヒータは、排ガス酸素濃度、エンジンの負荷、及びアクセルペダルの位置に基づく制御アルゴリズムを用いて、スイッチオンされる。
2006516316.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料源から燃料が供給される燃料噴射器を有する火花点火内燃機関であって、各燃料噴射器が入口端と出口端とを有するような内燃機関における、改善された加速／減速過渡状態制御装置において、燃料ヒータを有する燃料調節装置が、前記燃料源と前記燃料噴射器の前記出口端との間に設けられ、前記ヒータが、修正された電子制御ユニットによって、過渡状態を低減させるように制御されていることを特徴とする加速／減速過渡状態制御装置。
【請求項２】
燃料ヒータを有する前記燃料調節装置は、１本以上の毛細管、好ましくは、４本の毛細管を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記毛細管は、好ましくは、ステンレス鋼チューブから作製された毛細管壁に沿って電流を通すことによって加熱され、さらに好ましくは、約０．０８ｃｍの外径を有し、さらに一層好ましくは、約０．０７ｃｍの内径と約５．０ｃｍの長さを有していることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記燃料調節装置は、フラッシュ蒸発を生成するのに十分な熱をもたらすようになっていることを特徴とする、請求項１、２あるいは３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
前記燃料調節装置は、セラミックシースによって包囲されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
前記修正された電子制御ユニットは、出力排気側酸素レベルセンサに接続され、化学量論値からの偏差が閾値を超えた時点を計算し、もし閾値を越えた時点に達した場合、前記燃料ヒータをスイッチオンする論理要素を含んでいることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
前記修正された電子制御ユニットは、エンジン負荷が部分負荷よりも大きい時点を計算し、もし部分負荷よりも大きい時点に達した場合、燃料ヒータを無効にする回路をさらに備えていることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記修正された電子制御ユニットは、アクセルペダルセンサと、好ましくは、ペダル速度が閾値を超えたとき、前記燃料ヒータをスイッチオンする論理要素とに接続されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
燃料ヒータを有する燃料調節装置を通して燃料が供給される燃料噴射器を有する火花点火内燃機関において、改善された加速／減速過渡的応答をもたらす方法であって、
１）エンジンパラメータを検知し、噴射器コイルパルス幅を従来の方法で調整するステップと、
２）もし排ガス酸素センサが、閾値を超えるリーン又はリッチのいずれかの状態を示した場合、
３）前記燃料ヒータをスイッチオンするステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
燃料ヒータを有する前記燃料調節装置は、１本以上の毛細管、好ましくは、４本の毛細管を備えていることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記毛細管は、好ましくは、ステンレス鋼チューブから作製された毛細管壁に沿って電流を通すことによって加熱され、さらに好ましくは、約０．０８ｃｍの外径を有し、さらに一層好ましくは、約０．０７ｃｍの内径と約５．０ｃｍの長さを有していることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記燃料調節装置は、フラッシュ蒸発を生成するのに十分な熱をもたらすようになっていることを特徴とする、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記燃料調節装置は、セラミックシースによって包囲されていることを特徴とする、請求項９〜１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
ステップ２において、リーン酸素閾値とリッチ酸素閾値は、等しくないことを特徴とする、請求項９〜１３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
１）部分負荷との比較において、燃料要求が閾値よりも大きいかどうかを決定するステップと、もし大きいことが決定された場合、
２）前記燃料ヒータのスイッチオンを無効にするステップと、
をさらに追加的に含むことを特徴とする、請求項９〜１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
アクセルペダルによって制御されるスロットルを有し、かつ燃料ヒータを有する燃料調節装置を通して燃料が供給される燃料噴射器を有する火花点火内燃機関において、改善された加速／減速過渡的応答をもたらす方法であって、
１）エンジンパラメータを検知し、噴射器コイルパルス幅を従来の方法で調整するステップと、
２）前記スロットルを開動作する方向におけるペダル位置の変化率が所定値を越えたかどうかを決定するステップと、もし所定値を超えたと決定した場合、
３）前記燃料ヒータをスイッチオンするステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
燃料ヒータを有する前記燃料調節装置は、１本以上の毛細管、好ましくは、４本の毛細管を備えていることを特徴とする、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記毛細管は、好ましくは、ステンレス鋼チューブから作製された毛細管壁に沿って電流を通すことによって加熱され、さらに好ましくは、約０．０８ｃｍの外径を有し、さらに一層好ましくは、約０．０７ｃｍの内径と約５．０ｃｍの長さを有していることを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記燃料調節装置は、フラッシュ蒸発を生成するのに十分な熱をもたらすようになっていることを特徴とする、請求項１６〜１８のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２０】
前記燃料調節装置は、セラミックシースによって包囲されていることを特徴とする、請求項１６〜１９のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
１９７０年代の後半から、自動車の火花点火（ＳＩ）内燃機関は、気化器の使用から移り変わってきた。種々の燃料噴射システムが、さらに一層厳しい公害防止要件を満たすために採用された。現在では、一連の多重ポートを有する燃料噴射（ＰＦＩ）システムが好ましい。
【背景技術】
【０００２】
一連の多重ポートを有する燃料噴射システムにおいて、１つ以上の燃料噴射器が各シリンダーに搭載されている。これらの燃料噴射器は、通常、ノズルに終端するソレノイド操作弁であり、このノズルから、選択されたタイミングで、ガソリンを１つ以上の吸気弁又は吸気ポート壁の背面に噴霧するようになっている。タイミングは、通常、吸気弁が閉鎖されるとき、燃料を（吸気ポート壁又は吸気弁に）噴射するように調整されている。噴射器を出る燃料の量は、噴射器に燃料を供給するラインの圧力、噴射器ノズル設計、及び弁が開動作する時間の長さに依存している。通常、一定圧力の燃料レールによって、エンジン内の噴射器の全てに燃料が供給される。従って、ガソリン出力は、殆ど、弁開動作パルス幅の期間と直線的に関連することになる。
【０００３】
パルス幅は、一般的に、エンジン応答性を最適化し、同時に効率を可能な限り大きくし、公害を可能な限り小さくするように設計された電子制御ユニット（ＥＣＵ）によって制御されている。これらの結果は、いずれも直接には測定されない。その代わり、種々のエンジンパラメータが測定され、これらが最適化されている。通常、所定の運転条件に対して化学量論的な空気／燃料比を生成することを目的とし、これによって、排気中の三元触媒反応体を用いて、残留する未燃燃料生成物（ＨＣとＣＯ）を酸化し、同時に酸化窒素（ＮＯｘ）を還元することができる。この制御アルゴリズムは、簡単ではない。基本的に、アクセルペダルを押すことによって、空気清浄機と吸気マニフォールドとの間に配置された吸気弁又はスロットルを開動作させている。質量空気流量センサ又は他のセンサの組み合わせによって、エンジンのシリンダー内に流入する空気の質量を測定している。これによって、化学量論的運転に必要な燃料の量が決定され、従って、目標パルス幅が決定されることになる。
【０００４】
典型的には、所定の燃料流量を得るための目標パルス幅は、参照テーブル又は工場においてＥＣＵにプログラム化された「燃料マップ」から得られる。異なる補給間の燃料密度と燃料組成の小さな変動、大気密度、粘度、及び湿度の変動、及び名目上同一のハードウエア（例えば、燃料噴射器）における試料間の変動のような通常の使用時の変動を許容するために、排気ラインにおける触媒コンバータ前の酸素センサ（Ｏ2センサ）を用いて、ＥＣＵへのフィードバック信号を生成し、これによって、燃料マップ値を微調整することができる。このようなフィードバックシステムによって、ＥＣＵは、エンジンが老化するにつれて、ハードウエア性能の変化をも補償することができる。現在製造されている自動車における殆どのＯ2センサは、双方向出力しか有していないが、さらに精緻な調整を得る試みにおいて、さらに高価なリニア出力形態が用いられる場合もある。
【０００５】
化学量論的燃料比の場合、理想的には、酸素の全てが燃焼中に使い果たされるべきである。もしそうでない場合、工場で実装された燃料マップは、同一状態下において、より多くの燃料を供給するように、調整されるべきである。一部のＥＣＵは、記憶された燃料マップに対して、一時的な調整を行うことができるのみならず、長時間にわたる平均化、及び永久的な調整を行うことができる。
【０００６】
パルス幅を調整するのに用いられるさらに多くのセンサとアルゴリズムがある。これらの１つは、スロットル位置センサである。これが迅速に開動作されると、ＥＣＵは、十分な燃料を供給するために、噴射器のパルス幅を増大させる。その場合でも、迅速なスロットルの開動作によって、一時的に重複するリーン燃料混合気が生じ、その結果、触媒が利用可能な酸素貯蔵能力を十分に有していない限り、触媒の能力を上回る多くのＮＯｘが生成されることになる。その理由は、以下の状況から理解され得る。暖気されたエンジンにおいて、従来のポート燃料噴射器は、比較的高温の吸気弁、弁ステム、弁座、及び周囲の構造の背面にかなり大きい液滴（１００〜３００μｍ）を噴霧している。これらの部品は、（「壁湿潤」として知られるプロセスにおいて）液体ガソリンの膜によって被覆され、この膜は常に蒸発し、シリンダー内に吸引され、その一方、噴射器によって補充される。通常の運転、すなわち、安定状態に近い運転では、噴射器からの液体ガソリンは、シリンダーに入るガソリン蒸気とちょうど釣り合っている。スロットルが開動作されたとき、噴射器の弁は長く開状態で維持され、すなわち、噴射器のデューティサイクルが増大され、従って、湿潤面積が増大し始める。この湿潤面積が増大するにつれて、ある新しい平衡に達するまで、シリンダー内への蒸発と吸気が増大することになる。
【０００７】
壁を湿潤している燃料の蒸発は、エンジン運転条件及び過渡的運転の全体にわたって著しく変化する動的かつ複雑な現象である。具体的には、壁を湿潤している燃料が蒸発するのに必要な時間は、最新のエンジンにおいて直接制御できないいくつかのパラメータの関数である。これらのパラメータとして、吸気部品の温度、吸気部品に堆積される燃料の量、及びエンジンサイクル間に蒸発された燃料の量が挙げられる。
【０００８】
これらのパラメータは、直接的には制御可能ではないので、壁湿潤法は、エンジン加速中及び減速中に、燃焼室内における空気／燃料比を制御する能力に、本質的に限界がある。加速中、壁を湿潤している燃料の蒸発は、燃料要求の急激な増大に対して遅れ、エンジンは、短期間、リーン燃料で運転されることになる。逆に、減速中、壁を湿潤している燃料の蒸発は、燃料要求の急激な減少の観点から過剰であり、エンジンは、短期間、リッチ燃料で運転されることになる。
【０００９】
加速中にスロットルの過渡的な開動作が生じたとき、急速なスロットルの開動作が検知され、燃料噴射器は、急速に燃料膜を堆積するために、過剰な燃料を一時的に噴射し、次いで、新しい安定した要求量に燃料を低減する。この場合、最適の安定状態に落ち着く前に、短いリーン時間が存在し、続いて、リッチ混合気になると考えられる。過渡的応答の詳細に関わらず、問題は、壁湿潤の膜を堆積させるのに、望まれるよりも長い時間が掛かり、望まれるよりも多くのエンジンサイクルが掛かるという点にある。一般に、従来の燃料噴射システムは、余りに遅く、望ましくない空気／燃料比の変動を生じることなく、過渡状態に対処することができない。
【００１０】
他の重要な問題は、排気の後処理用の三元触媒（ＴＷＣ）と共に運転する最新のＳＩエンジンの場合、前述のリッチ及びリーン空気／燃料比の変動が、所定の排出物基準を満足するのに必要とされるＴＷＣの寸法（及びコスト）に直接影響を及ぼすことにある。特に、各ＴＷＣは、空気／燃料比のリッチ変動中に、ＣＯと炭化水素の酸化が生じ、リーン変動中に、ＮＯ変換が生じるのに十分な酸素貯蔵に必要な寸法を有している。従って、所定の排出物基準に対してエンジンを認定するのに必要なＴＷＣの寸法は、エンジン試験サイクル（例えば、多くの国で用いられる米国連邦試験手順７５（ＦＴＰ−７５）サイクル）に現れる過渡状態下において、化学量論値を中心として空気／燃料比を制御する能力の直接的関数である。
【００１１】
少なくとも過渡期に対して有効であり、エンジンシリンダー内に蒸発燃料を供給するために、燃料膜からの蒸発に多く依存しない、より迅速に応答する燃料供給システムを有するエンジンを提供することは、明らかに有益であろう。これによって、時間遅れを減少させ、それによる混合気の変動の大きさを減少させることになる。
【００１２】
冷エンジン始動の問題を解決するために、噴射前のガソリンの加熱が提案されてきているが、今までのところ、過渡的応答の改良には適用されていない。一例として、２００１年１２月２５日にイモエール（Imoehl）に発行された米国特許第６，３３２，４５７号が挙げられる。この特許の図１は、吸気マニフォールドに配置されて吸気弁の一般的方向に向けられた出力側を有する従来のポート燃料噴射器の概略図である。独自のヒータがこの噴射器の先端に含まれている。
【００１３】
高圧側の加熱燃料が低圧側の吸気マニフォールド内に噴射されると、フラッシュ蒸発が生じる。加熱先端噴射器を用いることによって、０．１から０．７ｇ／秒の流量で、低マニフォールド圧側において、燃料の５０％を蒸発させることができる。フラッシュ沸騰の効用は、それが噴射先端において燃料を蒸発させることに関する問題を解消することにある。蒸発燃料の質量流量は、液体燃料の質量流量よりも著しく小さい。もし燃料が先端から噴射されるまで、液体の状態で維持された場合、質量流量は維持され、液体は、それが吸気ポートに導かれるにつれて蒸気に変換されることになる。残念なことに、この特許のヒータ設計は、これらの出力に達するのに５秒を必要とする。これは冷始動の問題を改良するには十分であるが、運転の過渡状態に対しては時間が掛かりすぎている。
【発明の開示】
【００１４】
従って、本発明は、火花点火燃料噴射内燃機関の過渡的応答を改善するための装置及び方法を提供するものである。これは、１つ以上の新規の毛細管燃料噴射器を用いることによって、達成される。これらの装置は、燃料レールと連通する入力部と、噴射器出力ノズルの前の従来の燃料噴射器と連通する出力部とを有する新規の燃料調節装置によって変更されたポート燃料噴射器である。この調節装置の好ましい形態は、並列に接続されてそれらの長さの一部に沿って加熱される１つ以上の比較的小さい内径の毛細管チューブを備えている。使い勝手のよい電気ヒータは、十分に薄肉の抵抗チューブを用いてその長さに沿って実質的な加熱要素を形成することによって、作製されている。１つの形態では、毛細管燃料噴射器は、燃料噴射器内に電気的絶縁をもたらすために、セラミックシースによって包囲されている。
【００１５】
好ましい一形態において、エンジンにおける各従来ポート燃料噴射器は、毛細管燃料噴射器によって置き換えられている。フラッシュ蒸発技術を用いることによって、ある状態下で、毛細管燃料噴射器は、最新のエンジンに従来から用いられている壁湿潤法よりも著しく早くシリンダー内への蒸発燃料の増大をもたらすことが可能である。電気ヒータはアナログ要素であるが、それらをオン／オフ動作によって制御すると、便利である。オン電力レベルは、エンジンごとに、フラッシュ蒸発を生成するのに十分なヒータ電力をもたらすように決定されている。
【００１６】
毛細管燃料噴射器ヒータは、従来のエンジンパラメータが供給される修正されたＥＣＵによって制御されている。必要とされる燃料負荷は、空気流量メータに基づく参照テーブル又はエンジン速度、マニフォールド圧力、及び吸気圧力の入力の組み合わせから、従来の方法によって決定されている。これら及び他の過渡的エンジンパラメータは、過渡的状態に対するエンジンの反応時間を低減させるために、毛細管燃料噴射器ヒータをスイッチオン／オフするための信号として機能している。
【００１７】
リニア出力Ｏ2センサが設置される場合、２つの方法が利用可能である。１つの方法では、燃料流量の要求が、部分負荷状態下におけるエンジンの運転を示す閾値未満で、同時にＯ2センサが閾値を越えるリーン又はリッチ変動を示すとき、毛細管燃料噴射器ヒータがスイッチオンされる。
【００１８】
他の方法では、任意の負荷状態下で、もしＯ2センサが閾値よりも大きいリーン又はリッチ状態を示す場合、毛細管燃料噴射器ヒータがスイッチオンされる。
【００１９】
リニアＯ2センサがエンジンに用いられないときに有用な他の方法は、アクセルペダルを監視し、もしスロットルを開動作する方向の変化率が所定値を超えた場合、毛細管燃料噴射器ヒータがスイッチオンされる。
【００２０】
さらに一般的に、本発明は、過渡的応答が改善された内燃機関であって、ａ）燃料源と燃料噴射器との間に少なくとも１つの燃料移送毛細管を有する少なくとも１つのポート燃料噴射器であって、前記毛細管チューブが燃料ヒータを備えるような少なくとも１つのポート燃料噴射器と、ｂ）選択されたエンジンパラメータを監視し、選択されたパラメータ値に応じて毛細管チューブの燃料ヒータを励磁するヒータ信号を生成するように構成された電子装置とを有する内燃機関を提供するものである。
【００２１】
特に、選択されるエンジンパラメータは、排気マニフォールドの出力側における酸素レベルであり得る。さらに詳細には、選択されるパラメータ値は、選択される酸素閾値よりも大きい化学量論値からの偏差の酸素レベル絶対値であり得る。変形形態として、電子装置は、ヒータ信号を生成するために、前記酸素レベル絶対値パラメータと、燃料要求が部分負荷状態未満であることを決定した結果とを論理的にＡＮＤ処理することができる。他の変形形態として、エンジンパラメータは、エンジンアクセルペダルの位置の変化率であり得る。このパラメータ値は、選択された変化率の閾値と比較される。
一態様において、本発明は、燃料源から燃料が供給される燃料噴射器を有する火花点火内燃機関であって、前記燃料噴射器の各々は入口端と出口端を有するような内燃機関における改善された加速／減速過渡状態制御装置において、燃料ヒータを有する燃料調節装置が燃料源と燃料噴射器の出口端との間に設けられ、ヒータが、修正された電子制御ユニットによって、過渡状態を低減させるように制御されていることを特徴とするものである。
【００２２】
他の態様において、本発明は、燃料ヒータを有する燃料調節装置を通って燃料が供給される燃料噴射器を有する火花点火内燃機関に用いられる方法であって、改善された加速／減速過渡的応答をもたらす方法において、
１）エンジンパラメータを感知し、噴射器コイルパルス幅を従来の方法で調整するステップと、
２）もし排ガス酸素センサが  閾値を超えるリーン又はリッチ状態のいずれかを示した場合、
３）前記燃料ヒータをスイッチオンするステップと、
を含む方法を提供するものである。
【００２３】
さらに他の態様において、本発明は、アクセルペダルによって制御されるスロットルを有し、かつ燃料ヒータを有する燃料調節装置を通って燃料が供給される燃料噴射器を有する火花点火内燃機関に用いられる方法であって、改善された加速／減速過渡的応答をもたらす方法において、
１）エンジンパラメータを検知し、噴射器コイルパルス幅を従来の方法で調整するステップと、
２）前記スロットルを開動作する方向におけるペダル位置の変化率が所定値を超えたかどうかを決定するステップと、もし所定値を超えたと決定された場合、
３）前記燃料ヒータをスイッチオンするステップと、
を含む方法を提供するものである。
【００２４】
以下、添付の図面を参照して、単なる例示に過ぎないが、本発明の好ましい形態に基づいて、本発明をさらに詳細に説明する。
【００２５】
図１Ａは、毛細管燃料噴射器の断面図である。
【００２６】
図１Ｂは、図１Ａの端面図である。
【００２７】
図２は、図１に示される毛細管燃料噴射器を用いるエンジンハードウエア構成を示す図である。
【００２８】
図３は、図２のハードウエア構成における毛細管燃料噴射器を制御するために、酸素センサからの入力を用いるエンジン制御ユニット構成を示す図である。
【００２９】
図４は、図２のハードウエア構成における毛細管燃料噴射器を制御するために、アクセルペダルからの入力を用いるエンジン制御ユニット構成を示す図である。
【００３０】
図５は、毛細管燃料噴射器の第２形態の断面図である。
【００３１】
図６は、図５に示される毛細管燃料噴射器の等尺外観図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、図１〜図６に示される実施形態について、説明する。これらの図の全体を通して、同様の番号は、同様の部品を示すのに用いられている。
【００３３】
燃料の供給と要求との間の遅れを緩和するために、２００２年５月１０日にぺリザリ（Pellizari）らによって出願された「内燃機関用の燃料噴射器及び内燃機関」という表題の米国特許出願第１０／１４３，２５０号、この出願第１０／１４３，２５０号の一部継続出願として、２００２年１０月３１日にリナ（Linna）らによって出願された「内燃機関用の燃料システム及びそれを制御する方法」という表題の米国特許出願第１０／２８４，１８０号、及び出願番号１０／１４３，２５０号の一部継続として、２００３年１月１５日にリナ（Linna）らによって出願された「内燃機関用の絞り弁を有する毛細管燃料噴射器」という表題の米国特許出願第１０／３４２，２６７号に開示されているように、エンジンの過渡的運転中の迅速な蒸発は、従来の燃料噴射器の機能に組み込まれた加熱毛細管を用いることによって、達成され得る。なお、これらの特許出願の発明者は、本発明の発明者と共通であり、これらの特許出願は、各々、本発明の譲渡人に譲渡され、参照することによって、ここに含まれるものとする。
【００３４】
上記の出願は、高表面積／容積比率を有する毛細管流れ経路を、最小の電力量を用いて燃料を迅速に蒸発させるヒータ手段と組み合わせて、用いることを記載している。１つの好ましい実施形態では、ヒータ抵抗要素として、毛細管通路自体を用いている。毛細管入口は燃料源と流体連通し、毛細管出口は燃料絞り弁と流体連通している。
【００３５】
上記の引例出願に開示された主目的は、三元触媒（ＴＷＣ）の作動が開始される前のＰＦＩエンジンの冷始動及び暖気運転中において、未燃炭化水素排出物を低減させることにある。冷始動及び暖気状態において、従来のポート燃料噴射器は、典型的には、燃焼可能な混合気を燃焼室内に形成するのに十分な量が蒸発されるように、化学量論値よりも多い量の燃料を供給しなければならない。このような過剰な燃料供給は、排気中に高レベルの未燃炭化水素をもたらしている。対照的に、燃料を蒸発させるのに毛細管燃料噴射器を用いることによって、初期の過剰な燃料供給の必要性をなくし、これによって、エンジンを化学量論的又は希薄燃料で始動させ、その結果、排気中の未燃炭化水素排出物を低減させることが可能となる。
【００３６】
上記の引例文献で検討された実施形態の内で、エンジンの過渡的応答を改善するのに最も有用な形態は、図１Ａに示されるものであると考えられる。この形態は、過渡的応答を制御する目的に対して有効であるが、以下に検討される他の後で開発された実施形態の方がさらに有用である。毛細管燃料噴射器７００は、入口端７１４と出口端７１６とを有する少なくとも１つの毛細管流路７１２を備えている。入口端７１４は、液体燃料を毛細管流路７１２内に導くために、液体燃料源（例えば、図示されない燃料レール）と流体連通されている。有利には、図１Ｂに示されるように、毛細管燃料噴射器７００は、燃料流量の能力を増大させるために、複数の毛細管７１２を備えているとよい。
【００３７】
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、電気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、運転において、コイル巻線が励磁されるとき、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ようになっている。コイルが脱磁されるとき、ソレノイド要素７３６は、バネ（図示せず）を用いて、その元の位置に戻るようになっている。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。コイル巻線を励磁することによって生じたソレノイド要素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から離れるように引き出され、燃料がオリフィス７４２内を流れるのを可能にしている。図から分かるように、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の相手側円錐シール面７５２と嵌合させることによって、シールが得られることになる。容易に理解されるように、毛細管燃料噴射器７００は、自動車用途用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てもよい。
【００３８】
熱源７２０は、毛細管流路７１２に沿って配置されている。この熱源７２０は、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。電流を供給するために、電流源がチューブの電気接続部７２２と７２４に接続されるとき、毛細管流路７１２の一部がヒータ要素を形成している。熱源７２０は、毛細管流路７１２内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換させ、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から送出させるのに十分なレベルに、加熱するように操作可能となっている。図から理解されるように、蒸発された燃料に接触するプランジャーアセンブリ７４０の材料の量は可能な限り小さいので、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量を小さくすることが可能となる。
【００３９】
毛細管燃料噴射器は、３つの形態で操作可能である。毛細管燃料噴射器ヒータ７２０がオフ状態にあるとき、毛細管７１２は、通常のポート燃料噴射器として用いられる燃料噴射器ハウジング７５０に液体燃料を供給している。液体燃料は、１）質量流量の要件を満たすため、及び２）蒸発する燃料の吸気冷却によってノッキングを制御するために、全負荷運転条件において必要である。
【００４０】
もし毛細管燃料噴射器ヒータ７２０が毛細管流路内において燃料の蒸発点まで加熱された場合、燃料噴射器を通る燃料の質量流量率は、殆どの運転条件に対して、余りにも小さすぎる。最適な電力レベルで、毛細管７１２は、燃料が噴射器の絞りオリフィス７４２の両端で急激な圧力降下を受けるときに、フラッシュ蒸発が生じる温度に燃料を加熱することになる。
【００４１】
最適なフラッシュ蒸発の加熱レベルは、毛細管材料、内径、外径、及び加熱長さ、及び燃料レールにおける燃料温度と圧力とに依存している。図１Ａ及び図１Ｂは、関連出願において、前述したようにＸＶＡ１０００２７と呼ばれる幾何学的構造を示している。
【００４２】
ＸＶＡ１０００２７設計は、１８／８ステンレス鋼から作製された４本の毛細管を用いている。これらの毛細管の各々は、０．０２０インチ（０．０５ｃｍ）の内径、０．０３３インチ（０．０８ｃｍ）の外径、及び６．２５インチ（１５．９ｃｍ）のヒータ接続部７２２と７２４間の長さを有している。ＸＶＡ１０００２７ヒータの場合、３２０ワットの電力レベルと１００ｐｓｉの燃料圧力が、最適な組合せである。ここでは、以下、毛細管燃料噴射ヒータの作動は、前述のフラッシュ蒸発を達成するのに十分であるが、毛細管／噴射器燃料経路内において燃料を蒸発させるほどには高くない電力レベルで、なされるものとする。
【００４３】
このフラッシュ蒸発運転手法は、２００２年１０月３１日にリナ（Linna）らによって出願された「内燃機関用の燃料システム及びそれを制御する方法」という表題の米国特許出願第１０／２８４，１８０号に、さらに詳細に記載されている。この出願に詳述されているように、ＸＶＡ１０００２７は、従来のポート燃料噴射器によって生成された１００〜３００μｍと比較して、約２５μｍ未満のザウター平均径を有することによって特徴付けられた液滴寸法を有する蒸発燃料を生成することができる。しかし、本明細書に記載される実施形態は、エンジンの冷始動及び暖気に関連する制御方法とは別である。
【００４４】
図２は、本発明の一実施形態に関連するハードウエア構成を示している。図２に示されるように、ＳＩエンジンには、シリンダーごとに、一つの毛細管燃料噴射器によって、燃料が供給されるようになっている。各毛細管燃料噴射器は、エンジン制御ユニット（ＥＣＵ）から２つの信号、すなわち、毛細管の加熱用の信号と、噴射器内のソレノイド弁のパルス幅変調用の信号を受信するものである。従来のエンジンの排気後処理の一部として、排ガスは、大気に放出される前に、ＴＷＣ内を通過する。２つの排ガスリニアＯ2センサは、図２に示されるように、エンジンの下流側に配置されている。各排気リニアＯ2センサからの信号は、入力としてＥＣＵに送られている。ＴＷＳの上流側のＯ2センサは、主化学量論値センサである。ＴＷＳの下流側のＯ2センサは、上流側Ｏ2センサの長期の較正用及び緊急予備用として用いられている。アクセル位置も、入力信号として、ＥＣＵに送られている。
【００４５】
蒸発された燃料のより高い物質移動率を得るために、シリンダーごとに１本以上の燃料噴射器を用い得ることが、認識されるべきである。
【００４６】
暖気されたエンジンの場合、図２に示されるハードウエア構成を用いて、３つの異なる毛細管燃料噴射器制御アルゴリズムが行なわれている。
【００４７】
リニア排ガスＯ2センサがエンジンに搭載されている場合、２つのアルゴリズムは、Ｏ2センサの入力に基づいてなされている。１つのモードは、部分負荷状態下でなされ、他のモードは全ての状態下でなされている。
【００４８】
「部分負荷」は、自動車技術者が、正確な定義を行なうことなく、用いている用語である。一般的に、これは、所定のエンジン速度において、エンジンからのピークトルク出力の５０％未満のトルク出力を意味している。典型的な市街の運転は、全負荷の約３０％未満での運転として特徴付けられている。一方、高速道路において直線かつ平坦な面を走行する場合、全負荷の約１０〜１５％しか必要としない。
【００４９】
図３は、Ｏ2センサに基づく制御アルゴリズムを示している。通常通り、スピードデンシティ方式と一般的に呼ばれる方法によって、エンジンの空気流量を計算するために、エンジン速度、マニフォールド圧力、及び吸気温度が用いられている。空気流量メータを直接用いる代替案もある。エンジン空気流量が判明したら、エンジン燃料流量の要求が、参照テーブルから決定される。その後の時間ステップにおいて、この値は、リニア上流側Ｏ2センサを用いて調整される。
【００５０】
図示されるように、直線関係に基づいて、噴射器のコイルパルス信号幅は、燃料流量要求と比例して調整される。
【００５１】
図３において、上流側Ｏ2センサの入力の読み値が、化学量論値に近い値を示す値と比較されている。もし、読み値が極めてリッチ又は極めてリーンな状態のいずれかを示した場合、信号がＡＮＤゲートに送られる。経験則から、Ｏ2濃度が約０．７％（零ではない）であるとき、化学量論値の状態にある。また、ラムダセンサとしても知られる最新の自動車に用いられるリニアＯ2センサは、濃度を測定し、化学量論値の状態で零、リーン（過剰Ｏ2）状態で正、及びリッチ（過剰燃料）状態で負である電気ポンプ電流を生成することも周知の事実である。リニアＯ2センサ特性に関する更なる詳細は、ボッシュ自動車ハンドブック、第５版（２０００）、ロバートボッシュ有限責任会社、２０００、シュトウットガルト、ドイツ、１１７〜１１８ページに見出され得る。この文献は、参照することによって、ここに含まれるものにする。判定括弧は、ポンプ電流又はその相当データの絶対値である？Ｏ2？が、ある閾値である？Ｏ2？ＴＨと比較される。図３は、化学量論値からいずれの側への偏差に対しても、同じ閾値を示しているが、一般的に、このような比較は、非対称であり得る。
【００５２】
計算された燃料流量要求が、部分負荷閾値、例えば、数値を挙げれば、全負荷の５０％と比較される。もしモードスイッチが判定括弧の出力側に接続されている場合、燃料要求が部分負荷未満のときに、論理１がＡＮＤゲートに送られる。従って、Ｏ2センサが化学量論値からの偏差がある閾値を越えることを示したとき、毛細管燃料ヒータオン信号が、部分負荷状態で生成される。その結果、燃料が噴射器ノズル７４２を出るとき、その燃料のフラッシュ蒸発が生じることになる。
【００５３】
部分負荷に対するいくらか任意な５０％基準は、ひとつには、毛細管燃料噴射器の出力能力に基づいている。実施例では、４本の毛細管を有している。しかし、８本又は１０本の毛細管を有する毛細管燃料噴射器を構成することも、極めて容易に理解され得る。この場合、高負荷レベルにおいて、質量流量の要件を満たすことが可能である。もし、冷エンジン及び暖気エンジンにおいて過渡状態を制御することを試みる場合、さらに多くの毛細管が必要とされる。この場合、フラッシュ蒸発は不完全にしか生じないので、毛細管を出る前に蒸発させねばならなく、これによって、著しく、質量流量が低下することになる。毛細管によって加熱された燃料が容易に蒸発するフラッシュ蒸発が期待され得る十分に暖気されたエンジンの場合、エンジンの大きさにも依存するが、わずかな数、例えば、一本の毛細管でも充分である可能性を有している。
【００５４】
ノッキングの制御には、ヒータが用いられず、加熱されない液体燃料がエンジンに供給されることが必要である。これは、よく知られているように、シリンダー内への燃料の充填が高温で十分に蒸発されているとき、自然点火（ノッキング）がより容易に生じるからである。逆に、高温のエンジンの場合、加熱されない液体燃料を燃料噴射器から供給することによって、ノッキングを低減させている。何故なら、液体燃料は、それが従来の手法で蒸発するときに、吸気マニフォールドの吸気から熱を吸収するからである。すなわち、シリンダー内の吸気をわずかに冷却することによって、ノッキングの防止を促進することになる。ノッキングは、高負荷でより頻繁に生じるので、ある閾値を越えるあらゆる負荷において、毛細管ヒータをスイッチオフすることによって、過渡状態よりもむしろノッキングを制御することがより有用であり得る。
【００５５】
上記の閾値は、エンジンに依存することになる。どのような具体的なエンジン設計及び毛細管設計に対しても、適切な値が容易に決定されることが望ましい。ノッキングを検知する手段を有する暖気されたエンジンにおいて、ノッキングの開始がある負荷状態で生じ、次いで、生じなくなるまで、閾値は徐々に大きくされる。エンジン設計と運転状態のある組み合わせにおいて、ノッキングが決して生じないようにすることができる。この極端な場合、Ｏ2センサが化学量論値からの偏差を示すときはいつでも、毛細管ヒータがスイッチオンされるモードで運転されている。この場合、モードスイッチは論理１に設定され、燃料要求は考慮されていない。
【００５６】
図４は、アクセル位置にのみ基づく燃料蒸発の制御のアルゴリズムを示している。このアルゴリズムは、Ｏ2センサを利用しないので、リニアＯ2センサが必要でないという利点がある。リニアＯ2センサは、安価な双方向Ｏ2センサを利用するエンジン制御システムに対して、著しく高価である。
【００５７】
図４に示されるように、全ての状態下において、噴射器コイルパルス幅は、従来の手法によって制御される。
【００５８】
アクセル位置の入力を用いて、そのアクセル位置の変化率ｄｐ／ｄｔを計算する。アルゴリズムにおける各時間ステップにおいて、ｄｐ／ｄｔの値は、前回の時間ステップにおけるアクセル位置に対する現在の時間ステップのアクセル位置を、それらの２つの値の間の差を既知の時間ステップによって除した値がｄｐ／ｄｔであるように、比較することによって決定される。もしｄｐ／ｄｔの値が所定の閾値を超えた場合、毛細管燃料噴射器ヒータオン信号は、ｄｐ／ｄｔが閾値未満に降下するまで、継続される。この閾値は、エンジン設計ごとに、いかに早くスロットルが開動作されるかに基づいて、及び従来のポート燃料噴射システムの応答性や具体的な毛細管燃料噴射器の設計に基づいて、決定されなければならない。
【００５９】
ＥＣＵが、ｄｐ／ｄｔに応答して、噴射器コイルパルス幅を増大させた場合でも、毛細管燃料噴射器を用いて前述したように蒸発された燃料の送達によって、従来の壁湿潤／蒸発燃料供給技術に関連する時間遅れを低減させることになる。従って、ＥＣＵは、ｄｐ／ｄｔの小さい値に対してパルス信号幅を増大することができ、毛細管噴射器ヒータは、ｄｐ／ｄｔの大きい値に対して対処することが可能となる。
【００６０】
図５及び図６は、図１に示されたものよりも後で開発された毛細管燃料噴射器１００を示している。（下位の数字呼称は、必ずしも図１のものに対応していない。両方とも本発明の目的に有効であるが、後者の方が好ましい）。噴射器１００は、燃料Ｆを通す入口１９０と出口１９２を有している。形態及び嵌合に関して、この噴射器１００は、従来のポート燃料噴射器と同様に設計され、実質的にそれらと交換可能であるとよい。ここで、好ましくは、この実施形態は、ボール内蔵円錐弁アセンブリ１４４を有している。図１に示される型式と同様の毛細管束１１５は、噴射器ハウジング１８０と中間噴射器ハウジング１３０の中心穴内に配置されている。
【００６１】
複数の毛細管流路１１２を有する毛細管束１１５が示されている。これらの流路１１２の各々は、入口側Ｏリングリテーナ１１３が配置された入口端１１４と、ディスク１１７に終端して中間噴射器ハウジング１３０によって適切な位置に保持された出口端１１６とを有している。入口リテーナ１１３は、入口端１１４と流体連通する源Ｆから燃料流れをシールするゴム製Ｏリング１１１によって、適切な位置に保持されている。プラスチックカップリング１７０は、入口部１９０及び毛細管束１１５の入口を中間噴射器ハウジング１３０に取り付けている。好ましい一実施形態において、毛細管束１１５は、セラミックスリーブ１３１によって包囲されている。
【００６２】
概略的に示される熱源１２０は、各毛細管流路１１２に沿って配置されている。好ましくは、各熱源１２０は、電気抵抗材料のチューブから毛細管流路１１２を形成することによって設けられている。各毛細管流路１１２の一部は、電流源が以下に述べるようにチューブに接続されるとき、ヒータ要素を形成している。容易に理解され得るように、各熱源１２０は、オリフィス１５２を出るときにフラッシュ蒸発が生じ、その結果、実質的に蒸発された燃料の流れがオリフィス１５２に生じるのに十分なレベルに、各毛細管流路１１２内の液体燃料を加熱するように、操作可能となっている。
【００６３】
図１の実施形態におけるように、毛細管束１１５は、１本以上の薄肉の毛細管流路１１２から構成されているとよい。この実施形態において、それらは、約０．０２８〜０．０２９インチ（０．０７ｃｍ）の内径と、０．０３２インチ（０．０８ｃｍ）の外径を有している。毛細管流路１１２は、ステンレス鋼又は焼鈍されたインコネルTM（インターナショナルニッケル社の商標）６００のチューブから構成されているとよい。これらのチューブは、各々、約１．２５インチ（３．１７ｃｍ）から約２．５０インチ（６．３５ｃｍ）の加熱長さ１２０を有している。電流が毛細管束１１５に供給されると、各毛細管流路１１２の熱源１２０が昇温される。次いで、加熱かつ加圧された燃料は、弁が開動作したとき、オリフィス１５２の両端における急激な圧力降下の結果として、フラッシュ蒸発することになる。
【００６４】
ここで、束１１５の好ましい形態は、０．０２９インチ（０．０７４ｃｍ）の内径、０．０３２インチ（０．０８ｃｍ）の外径、及び２．００インチ（５．１ｃｍ）の加熱長さを有する１８／８ステンレス鋼（ＡＩＳＩ  鋼種３０４）の４本のチューブから構成されている。４本の束に対する最適な電力レベルは、１００〜１５０ｍｇ／秒の平均燃料流量ごとに、９０〜１２０ワットの範囲内にある。セラミックチューブ１３１は、束１１５を包囲する０．０８５インチ（０．２２ｃｍ）の内径と０．１０４インチ（０．２６ｃｍ）の外径を有する９４％アルミナから作製されている。この構成部品は、毛細管チューブに対して電気的かつ熱的な絶縁をもたらすが、主たる目的は、ハウジング１３０からの電気的絶縁をもたらすことにある。
【００６５】
図５を再び参照すると、低質量ボール弁アセンブリ１４４は、ソレノイド１２８によって操作されるようになっている。ソレノイド１２８は、従来の任意の手法で電気コネクターに接続され得るコイル巻線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、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から電気が遮断されると、バネ（図示せず）が板１４６と取付けられたボール１４０をそれらの元の位置に戻している。バネは、ボールを噴射器の出口の円錐部分に対して押し付けるバネ力が噴射器内の加圧された液体燃料の流れを遮るのに十分であるような、寸法を有している。
【００６６】
代替的実施形態において、ソレノイド要素（図示せず）がコイル巻線１３２の中心内に引込まれ、ソレノイド要素に接続され得るボール１４０を持上げるようにすることも可能である。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の移動によって、ボール１４０を円錐シール面１４２から離し、オリフィス１５２を露出させ、燃料が流れるのを可能にする。ここでも、コイル巻線１３２から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している。
【００６７】
毛細管通路１１２の出口端１１６を出るとき、燃料流れは、燃料噴射器１００のボール内蔵弁アセンブリ１４４に向かって導かれる。従来の燃料噴射器と同じように、絞り部分１５０は、ソレノイド操作されるボール内蔵円錐絞り弁アセンブリ１４４から構成されている。板１４６及びボール１４０の組立体を開位置と閉位置との間で移動させるようにソレノイド１２８を作動させることによって、噴射器１００を出る燃料の流れが絞られる。オリフィス１５２を出るとき、燃料は、円錐煙突部分１６０内を流れ、実質的に液体燃料の噴霧の場合、所望の噴霧の微粒化と噴霧の角度をなしている。円錐の角度は、もしボールが円錐の面と協働してシールを形成する場合、広範囲な値に及び得ることになる。また、煙突部分１６０は、噴射器１００が従来のポート燃料噴射器の全体的な長さの要求を満たすのに役立っている。容易に理解され得るように、煙突部分１６０を介在させることなく、噴射器１００の適切な操作が可能である。
【００６８】
ここで、熱源１２０を得るために電気接続部を毛細管束１１５に作製する好ましい方法は、毛細管１１２にろう付けされるか又は電気的に接続される金属製Ｏリングリテーナ１１３と金属製ディスク１１７を用いることである。ディスク１１７に電気接点をもたらすワイヤは中間噴射器ハウジング１３０に取り付けられ、他のワイヤはＯリングリテーナ１１３に取り付けられている。
【００６９】
図６は、毛細管燃料噴射器１００の等尺外観図を示している。ソレノイド１２８に接続されるワイヤ１７６と、図５に示される毛細管束１１５に接続されるワイヤ１７４とは、Ｕ字型端子で終端されている。個別のコネクター体が用いられ、これらのコネクター体は、噴射器ハウジング１８０に略９０°で配置されている。従って、毛細管ヒータは、燃料噴射器のボール弁を操作するソレノイドを無効にすることなく、プラグを切ることによって、物理的に遮断されてもよい。
【００７０】
結論的に、毛細管燃料噴射器は、過渡状態による燃料供給の遅れを低減させるために、多くの方法で、異なるエンジンに用いられ得るものである。広範囲にわたるエンジン寸法及び設計が存在するので、それらの各々に対して、個別に最適化されることになる。しかし、殆ど全ての場合に、エンジン性能の有用な改良をもたらすことが、容易に理解されるべきである。
【００７１】
毛細管燃料噴射器の原理を、具体的な設計を用いて説明したが、燃料を運ぶ抵抗チューブの使用が、唯一可能な形態ではないことが理解されるべきである。加熱された燃料がポート燃料噴射器を出るときにフラッシュ蒸発が生じるように、加圧燃料の供給分を迅速に加熱するどのような方法によっても、同等の結果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１Ａ】毛細管燃料噴射器の断面図である。
【図１Ｂ】図１Ａの端面図である。
【図２】図１に示される毛細管燃料噴射器を用いるエンジンハードウエア構成を示す図である。
【図３】図２のハードウエア構成における毛細管燃料噴射器を制御するために、酸素センサからの入力を用いるエンジン制御ユニット構成を示す図である。
【図４】図２のハードウエア構成における毛細管燃料噴射器を制御するために、アクセルペダルからの入力を用いるエンジン制御ユニット構成を示す図である。
【図５】毛細管燃料噴射器の第２形態の断面図である。
【図６】図５に示される毛細管燃料噴射器の等尺外観図である。
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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2006516316.tif 000010
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