(57)【要約】噴射器を駆動するためにオーバーヘッドカム（２７）を用いる内燃機関の燃焼室内に加圧された液体燃料を噴射するための超音波燃料噴射器（３１）が、噴射器本体と噴射器ニードルとを含む。噴射器ニードル（３６）は、本体（３３）内に配置され、超音波周波数で変化する磁場を通すセラミックの壁（４０）により定められた該本体の領域に配置された磁気ひずみ部分（３８）を含む。ワイヤ・コイル（４２）が、セラミックの壁の外面の周りに巻かれ、噴射器の作動の所定の間隔の間、超音波周波数で振動するように制御された電源（１６）に接続される。いつオーバーヘッドカム（２７）が噴射器を駆動し、燃料を内燃機関の燃焼室内に噴射するかを知らせるように、センサ（５１）が設けられる。センサ（５１）は、電源（１６）に接続され、オーバーヘッドカム（２７）が噴射器を駆動し、燃料を内燃機関の燃焼室内に噴射するときだけ同じく作動するように構成された制御装置（４７）に接続される。電源（１６）がコイル（４２）の振動磁場を励起させ、ニードルの磁気ひずみ部分（３８）に該振動磁場を印加するとき、超音波エネルギーが加圧された液体に与えられる。方法が、磁気ひずみ部分を有するニードルと、該ニードルの磁気ひずみ部分が超音波振動磁場に曝されるように構成され配置された巻きコイルとを用いて従来の噴射器を改造する段階を含む。
2004515709.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カムフォロアに接触する少なくとも１つのオーバーヘッドカムによって噴射器を駆動する内燃機関内に加圧された液体燃料を噴射するための一体化された超音波燃料噴射器であって、
超音波周波数で変化する磁場を通す壁によって少なくとも部分的に定められ、噴射器ニードルの少なくとも第１の部分を内部に受けるように構成されたキャビティと、
前記キャビティと連通し、加圧された液体燃料と前記噴射器ニードルの少なくとも第２の部分とを受けるように構成された排出プレナムと、
前記排出プレナムと連通し、前記加圧された液体燃料を該排出プレナムに供給するように構成された燃料通路と、
前記排出プレナムと連通し、該排出プレナムから前記加圧された液体燃料を受け取り、該液体燃料を前記弁本体の外に送るように構成された出口オリフィスと、
を定める弁本体と、
前記弁本体によって少なくとも部分的に支持された、前記キャビティに超音波周波数で変化する磁場を印加する手段と、
前記キャビティ内に配置された第１の部分と前記排出プレナム内に配置された第２の部分とを有する噴射器ニードルと、
が設けられ、前記噴射器ニードルの前記第１の部分が、超音波周波数で変化する磁場に応答する磁気ひずみ材料で形成されており、
前記噴射器が加圧された液体燃料を前記内燃機関内に噴射するときを知らせるように構成にされたセンサと、
前記センサと、前記キャビティに超音波周波数で変化する磁場を印加する前記手段とに接続された制御装置と、
がさらに設けられ、前記制御装置が、前記噴射器が燃料を前記内燃機関の前記燃焼室内に噴射することを前記センサが知らせたときに、前記キャビティに超音波周波数で変化する磁場を印加する前記手段を駆動するように構成されたことを特徴とする燃料噴射器。
【請求項２】
前記壁が、セラミック材料を含む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】
前記キャビティに超音波周波数で変化する磁場を印加する前記手段が、前記壁の周りに配置された導電性コイルを含む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】
前記弁本体が、金属部分と非金属部分とから成り、前記非金属部分が前記キャビティの前記壁を含むことを特徴とする請求項２に記載の燃料噴射器。
【請求項５】
前記キャビティの前記壁が、セラミック材料から成る挿入体によって形成されたことを特徴とする請求項４に記載の燃料噴射器。
【請求項６】
前記挿入体が、円筒形の環状部材として構成されたことを特徴とする
【請求項７】
前記キャビティに超音波周波数で変化する磁場を印加する前記手段が、前記セラミックの挿入体の周りに配置された導電性コイルを含む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】
前記弁本体の前記非金属部分が、前記導電性コイルを内部に埋め込むポッティング材料を含むことを特徴とする請求項７に記載の燃料噴射器。
【請求項９】
前記キャビティに超音波周波数で変化する磁場を印加する前記手段が、電源と前記セラミックの挿入体の周りに配置された導電性コイルとを含むことを特徴とする請求項５に記載の燃料噴射器。
【請求項１０】
前記キャビティに超音波周波数で変化する磁場を印加する前記手段が、該キャビティの前記壁の周りに配置された導電性コイルを含み、前記弁本体の前記非金属部分が、前記導電性コイルを内部に埋め込むポッティング材料を含むことを特徴とする請求項４に記載の燃料噴射器。
【請求項１１】
前記キャビティに超音波周波数で変化する磁場を印加する前記手段が、前記弁本体内に少なくとも部分的に配置されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射器。
【請求項１２】
前記センサが、少なくとも１つのカムがカムフォロアと接触することによって生じる圧力の所定の大きさを検知するように配置された圧電変換器を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射器。
【請求項１３】
前記キャビティに超音波周波数で変化する磁場を印加する記手段が、該キャビティの周りに配置された導電性コイルとを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射器。
【請求項１４】
複数の出口オリフィスをさらに備え、各々の前記出口オリフィスが、前記排出プレナムと連通し、該排出プレナムから加圧された液体燃料を受け取り、該液体燃料を前記弁本体の外に送るように構成され配置されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射器。
【請求項１５】
前記超音波周波数が、約１５ｋＨｚから約５００ｋＨｚまでの範囲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１６】
前記超音波周波数が、約１５ｋＨｚから約６０ｋＨｚまでの範囲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１７】
請求項１に記載の燃料噴射器を含むことを特徴とする内燃機関。
【請求項１８】
請求項１７の内燃機関を備えることを特徴とする車両。
【請求項１９】
請求項１７の内燃機関を備えることを特徴とする発電機。
【請求項２０】
オーバーヘッドカムによって噴射器を駆動する内燃機関内に加圧された液体燃料を噴射するための一体化された超音波燃料噴射器であって、
噴射器ニードルの少なくとも第１の部分を内部に受けるように構成されたキャビティと、
前記キャビティと連通し、加圧された液体燃料と前記噴射器ニードルの少なくとも第２の部分とを受けるように構成された排出プレナムと、
前記排出プレナムと連通し、前記加圧された液体燃料を該排出プレナムに供給するように構成された燃料通路と、
前記排出プレナムと連通し、該排出プレナムから前記加圧された液体燃料を受け取り、該液体燃料を前記弁本体の外に送るように構成された出口オリフィスと、
を定める弁本体と、
前記弁本体によって少なくとも部分的に支持された、前記キャビティに超音波周波数で変化する磁場を印加する手段と、
前記キャビティ内に配置された第１の部分と前記排出プレナム内に配置された第２の部分とを有する噴射器ニードルと、
が設けられ、前記噴射器ニードルの前記第１の部分が、超音波周波数で変化する磁場に応答する磁気ひずみ材料で形成されており、
前記噴射器が加圧された液体燃料を前記内燃機関内に噴射するときを知らせるような構成にされたセンサと、
前記センサと、前記キャビティに超音波周波数で変化する磁場を印加する前記手段とに接続された制御装置と、
がさらに設けられ、前記制御装置は、前記噴射器が燃料を前記内燃機関の前記燃焼室内に噴射することを前記センサが知らせたときに、前記キャビティに超音波周波数で変化する磁場を印加する前記手段を駆動するように構成されたことを特徴とする燃料噴射器。
【請求項２１】
オーバーヘッドカムによって噴射器を駆動する内燃機関内に加圧された液体燃料を噴射するための一体化された超音波燃料噴射器がニードル弁を含み、弁座が該ニードル弁の一端に対してシールされ、かつ、該ニードル弁の他端が、燃料噴射器からの供給を受ける燃焼室への噴射器の出口オリフィスを通る燃料供給を制御するために該ニードル弁を開閉させるように働くオーバーヘッドカムに係合している状態のもとで、該ニードル弁を弁の閉位置に付勢することができる構成において、前記燃料噴射器を改造する方法であって、
前記噴射器のニードルを取り外し、磁気ひずみ材料から成る細長い部分を有するニードルと置き換え、
前記改造されたニードルの前記磁気ひずみ部分を囲む前記噴射器本体の一部を中空にし、
超音波周波数で振動する磁場を通す壁を定める環形状の挿入体を設け、前記挿入体が前記改造されたニードルの前記磁気ひずみ部分を囲むように、該挿入体を前記噴射器本体の中空部に配置し、
磁気ひずみ部分が占める領域において磁場を生じさせ、これにより前記磁気ひずみ部分を超音波周波数で振動させることができるコイルによって前記壁の外側を囲み、
少なくとも１つの前記カムが前記噴射器を駆動して燃料を前記内燃機関の前記燃焼室内に噴射する時期を検知するように構成されたセンサを該噴射器上に配置する、
段階を含むことを特徴とする方法。
【請求項２２】
前記センサを超音波電源に電気的に接続する段階と、
前記センサを、前記電源に電気的に接続され、前記カムが前記噴射器を駆動して燃料を前記内燃機関の前記燃焼室内に噴射することを該センサが知らせたときだけ該電源を駆動するように構成された制御装置に電気的に接続する段階と、
をさらに含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
関連出願
本出願は、Ｌ．Ｋ．Ｊａｍｅｓｏｎ他の名義の、「加圧された他成分液体を乳化させる装置及び方法」という名称の、整理番号第１２５３５号、米国特許出願番号第０８／５７６，５４３号と、Ｌ．Ｈ．Ｇｉｐｓｏｎ他の名義の「超音波液体燃料噴射装置及び方法」という名称の、整理番号第１２５３７号、米国特許出願番号第０８／５７６，５２２号とを含む、本出願人に譲渡された特許出願のグループの一つである。これらの出願の各々の主題を引用によりここに組み入れる。
【０００２】
（技術分野）
本発明は、燃料を燃焼室内に噴射するための装置及び方法に関し、特に、噴射器を駆動するためにオーバーヘッドカムを使用する内燃機関のための一体化された燃料噴射器に関する。
【０００３】
（背景技術）
機関車用のディーゼル内燃機関は、オーバーヘッドカムによって駆動される一体化された燃料噴射器を用いる。そのような一つの典型的な従来の一体化された噴射器が、図１Ａに概略的に示され、全体が符号１０で示される。この一体化された噴射器は、噴射器ナット２９内に配置された弁本体１１を含む。弁本体１１は、ニードル弁を収容しており、該ニードル弁は、噴射器が、全体を符号２０で示す内燃機関の燃焼室の一つに燃料を噴射するのを防止する弁の閉鎖位置に付勢することができる。
【０００４】
図１Ａの鋼製弁本体１１の一部の拡大断面図を示す図１Ｂに示されるように、ニードル弁は、該弁本体１１の中空内部に形成された円錐形状の弁座１２を含み、該弁座は、ニードル１４の一端の円錐形先端部１３に嵌合し、これに押し当てることができる。弁本体１１の中空内部は、燃料リザーバ１６及びニードル弁の下流側に配置された排出プレナム１７に連通する燃料通路１５をさらに定める。典型的には、幾つかの出口チャネル１８の各々が、入口オリフィス１９によって排出プレナム１７に接続され、各々の出口チャネル１８の各反対端の出口オリフィス２１によって燃焼室２０に接続される。ニードル弁は、燃料が貯蔵リザーバ１６から排出プレナム１７に入り、出口チャネル１８を通って燃焼室２０に流入することが許容されるかどうかを制御する。
【０００５】
図１Ｂに示されるように、弁本体１１の中空内部に収容されたニードル１４の一端にある円錐形先端部１３が、ばね２２（図１Ａ）によって弁座１２とシール接触するように付勢される。図１Ａに示されるように、ケージ２８が、ニードル１４の反対端に対して付勢力を加えるように配置されたばね２２を収容する。燃料ポンプ２３が、ニードル１４のばね付勢された端部の上方に、該ニードル１４と軸方向に整合するように配置される。別のばね２４が、各々の燃料ポンプ２３及びニードル１４のばね付勢された端部の上方に、これらと軸方向に整合するように配置されたカムフォロア２５を付勢する。カムフォロア２５は、加圧された燃料を噴射器の弁本体１１内に押しやるポンプの汲み上げ動作を生じさせるプランジャー２６に係合する。オーバーヘッドカム２７は、ばね２４の付勢力に打ち勝つようにカムフォロア２５を周期的に駆動し、プランジャー２６を押し下げ、これに応じて燃料ポンプ２３を駆動する。ポンプ２３の駆動によって弁本体１１内に汲み上げられる燃料が、弁座１２との接触から離れるようにニードル１４の円錐形状の先端部１３を油圧で持ち上げ、ニードル弁を開き、該噴射器から供給される一回分の装入量の燃料を噴射器１０の出口オリフィス２１から燃焼室２０内に押し出す。
【０００６】
しかしながら、噴射器の出口オリフィスは、汚れることがあり、そのため燃焼室に流入することができる燃料の量に悪影響を与える。さらに、このような内燃機関により行われる燃焼工程から生じる不要なエミッションを減少させるように、これらの内燃機関の燃料効率を改善することが望ましい。
出力を増加させ、燃焼工程で生じる汚染を減少させ、これにより噴射器の性能が改善される、より効率的な燃焼を達成するという目標は、多くの場合、該噴射器の出口オリフィスの寸法を減少させ、及び／又は該出口オリフィスにもたらされる液体燃料の圧力を増加させることによって達成されるように探求されてきた。これらの種類の解決法の各々は、噴射器のオリフィスを出る燃料の速度を増加させることを目的とするものである。
【０００７】
しかしながら、これらの解決法は、特殊金属を用いる必要性、潤滑性の問題、可動部品に対するマイクロインチ精度の仕上げの必要性、内部燃料通路を形成する必要性、高コスト、及び噴射の方向付けといった独自の問題を発生させることになる。例えば、より小さなオリフィスに依存することは、オリフィスがより容易に汚染されることを意味する。１５００バールから２０００バールまでの範囲の高圧に依存することは、完全に破壊することはないとしても噴射器の特性を変えるといった形での変化を生じさせることがなく、これらの圧力に耐えるのに十分な程強い特殊金属を用いなければならないことを意味する。このような特殊金属は、噴射器のコストを増加させるものである。高圧はまた、潤滑性の問題を生じさせることにもなり、この問題は、噴射器の可動部品潤滑のために燃料内の添加物に依存することによって解決することはできない。可動の金属部品にマイクロインチ精度の仕上げを施すような潤滑性の他の手段は、莫大な費用を必要とする。このような高圧はまた、噴射器の内部通路における磨耗の問題を生じさせることにもなり、この磨耗は、実行に費用がかかる加工を必要とする通路を形成することによって抑えなくはならないものである。これらの磨耗の問題はまた、出口オリフィスを腐食することにもなり、このような腐食は、時間がたつにつれて噴射器の噴射特性を変化させ、性能に影響を及ぼす。さらに、高圧を達成するためには、燃料ポンプを噴射器から離れて配置するのではなく、燃料を方向付けするように噴射器と共に配置しなければならない。
【０００８】
燃焼室内に噴射された燃料の自動化を改善するために超音波エネルギーを用いることは周知であり、この分野における進歩は、本出願人が所有する米国特許第５，８０３，１０６号、第５，８６８、１５３号、及び第６，０５３，４２４号により明らかであり、これらを引用によりここに組み入れる。一般的に、これらは、超音波ホーンの一端を噴射器の出口オリフィスの近くの燃料内に浸漬させながら、該ホーンの反対端を超音波変換器に取り付け、超音波周波数で振動を生じさせることを含む。しかしながら、ニードルと軸方向に整合した状態の燃料ポンプ、カムフォロア、及びオーバーヘッドカムの配置のために、一体化された燃料噴射器にはこのような超音波変換器を設けることはできない。
【０００９】
（発明の開示）
本発明の目的及び利点は、以下の説明において部分的に示され、又はその説明から明らかであり、或いは本発明の実施形態により知ることができる。
本発明の現在のところ好ましい実施形態において、オーバーヘッドカムにより駆動される標準的な一体化された噴射器が、磁気ひずみ材料から成る細長い部分を有するニードルを用いて改造される。改造されたニードルの磁気ひずみ部分を囲む噴射器の本体の一部を中空にし、これに該改造されたニードルの磁気ひずみ部分を囲む壁を定める環形状の挿入体を設けることができる。この壁は、超音波周波数で振動する磁場を通す材料から成り、環状の挿入体を構成するために、セラミック材料を用いることができる。
【００１０】
壁の外側は、磁気ひずみ部分が占める領域において磁場を生じさせるコイルによって囲まれ、これにより該磁気ひずみ部分が超音波周波数で振動させられ。この振動が、排出プレナム及び噴射器の出口オリフィスにつながるチャネルの入口近くの液体燃料内に配置されたニードルの先端部を超音波周波数で振動させ、よって、燃料がこれらの超音波振動に曝されることになる。出口オリフィスを出るときの燃料の超音波刺激により、低圧で作動させ、噴射器を出る燃料の速度を増加させることに向けられた従来の解決法より大きな出口オリフィスを用いながら、噴射器が所望の性能を達成することが可能になる。
【００１１】
本発明によると、超音波振動信号の作動のために、制御装置が設けられる。この制御装置は、オーバーヘッドカムが噴射器を駆動し、燃料が該噴射器を通り、該噴射器の出口オリフィスから燃焼室内に流入できるようになったときにだけ、コイルに与えられる超音波振動信号が作動されるように構成される。したがって、制御装置は、燃料が噴射器を通って該噴射器の出口オリフィスから燃焼室内に流入するときにだけ燃料の超音波振動が生じるように作動する。この制御装置は、カムフォロア上に配置された圧力変換器のようなセンサを含むことができ、カムによる該フォロアの作動を示す圧力変化を検知する圧電変換器を含む。
さらに、噴射器を、改造品としてではなくオリジナル装置として本発明に従って製造することもできる。
【００１２】
（発明を実施するための最良の形態）
本発明の現在の好ましい実施形態について詳細に説明し、そのうちの一つ又はそれ以上の例を添付の図面に示す。各例は、本発明を限定するものではなく、本発明を説明するものとして与えられる。実際には、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく種々の修正及び変形をなし得ることが、当業者には明らかであろう。例えば、１つの実施形態の一部として説明され記載された特徴を、別の実施形態に使用して、さらに別の実施形態を生み出すことができる。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲及びその均等物に含まれる修正及び変形を含むことが意図される。図面及び説明の全体を通して、同じ符号が同じ部品に割り当てられる。
【００１３】
ここで用いられる「液体」という用語は、分子が気体におけるよりずっと高い濃度であるが、固体におけるより低い濃度である、気体と固体との間の中間物質の形態のアモルファス（非結晶形）を指す。液体は、単一の成分を有することができ、或いは多数の成分で作ることもできる。成分は、他の液体、個体、及び／又は気体とすることができる。例えば、液体の特徴は、加えられた力を受けて流動する能力である。力が加えられると即座に流動し、その流速が該加えられた力に正比例する液体は、一般にニュートン流体と呼ばれる。幾つかの液体は、力が加えられた時に異常な流れ応答を有し、非ニュートン流体の特性を示す。
典型的な噴霧には、様々な液滴寸法が含まれる。噴霧内の液滴寸法の分布を特定する困難さにより、様々な直径の表現が用いられるようになった。ここで用いられるザウタ平均粒径（ＳＭＤ）は、噴霧の表面積に対する体積の比（すなわち、表面積対体積比が、噴霧全体のものと同じである液滴の直径）を示す。
【００１４】
本発明によると、必ずしも尺度は正確ではない図２に概略的に示されるように、オーバーヘッドカム２７により駆動される、一体化された燃料噴射器３１（図２には、一つだけが示される）を有する内燃機関３０が、例示的な装置の動力装置を形成し、概略的に符号３２で示される。このような装置３２は、動力装置を必要とするほとんど如何なる装置にしてもよく、これらに限定されるものではないが、現場の発電機、例えば鉄道機関車のような陸上車両、航空機のような航空乗物、又は遠洋航行船のようなディーゼルによって動力供給される海洋船を含む。
【００１５】
本発明の超音波燃料噴射装置が、符号３１により全体を図２に示される。一体化された噴射器３１は、主に弁本体３３及びニードル３６の形状及び構成、さらにセンサ、制御装置及び超音波動力源において、上述の従来の一体化された噴射器１０と異なっており、これらの違いが以下に説明される。本発明の噴射器３１の残りの特徴及び作動は、従来の一体化された噴射器１０のものと同じである。
噴射器３１の弁本体３３の一つの実施形態が、部分的に切り欠いた斜視図の図３、及び断面図の図４に示される。一体化された超音波燃料噴射装置の弁本体３３は、ノズル３４、ハウジング３５、及び噴射器ニードル３６を含む。弁本体３３の外寸法は、従来の噴射器１０についての従来の弁本体１１のものと合致し、同様な形で噴射器ナット２９内に嵌められた。しかしながら、従来の弁本体１１と違って、本発明の弁本体３３は、ノズル３４とハウジング３５とを含む２部品の鋼製シェルを含むことができる。
【００１６】
ノズル３４は、長手方向中心軸の長さの大部分の周りが中空であり、円錐形先端部１３を有する噴射器ニードル３６の一部を内部に受けるように構成される。弁本体の中空部は、従来の弁本体１１におけるものと同じ燃料リザーバ１６を定める。リザーバ１６は、噴射器のニードル３６の一部を貫通する通路を収容することに加えて、加圧された燃料の蓄積を受け取り、保存するように構成される。弁本体３３の中空ノズル部３４は、従来の弁本体１１におけるものと同じ排出プレナム１７をさらに定める。プレナム１７は、燃料リザーバ１６と連通し、加圧された液体燃料を受けるように構成される。中空部の形状は、ほぼ円筒形に対称であり、ニードル３６の外形に適合するが、燃料リザーバ１６及び排出プレナム１７を収容するように、弁本体３３の中心軸に沿った様々な部分においてニードルの形状と異なる。ノズル３４の中心軸に沿って配置された様々な形状の中空部は、全体的に互いに連通し、従来の噴射器１０の従来の弁本体１１におけるものと同じ特徴と同じ方法でニードル３６と相互に作用する。
【００１７】
弁本体３３のノズル３４の中空部はまた、一端が排出プレナム１７の開口部に接続し、反対端が燃料リザーバ１６と連通するように構成された円錐台部として従来の噴射器におけるように形成された弁座１２をも定める。従って、排出プレナム１７は、従来の弁本体１１と同じ方法で弁座１２を介して燃料リザーバに接続される。
弁本体３３において、従来の弁本体１１におけるように、少なくとも１つの、及び望ましくは一つより多いノズル出口オリフィス２１が、噴射器のノズル３４の下端を通るように形成される。各々のノズル出口オリフィス２１は、噴射器の弁本体の下端を通るように形成された出口チャネル１８、及び排出プレナム１７を定める内面を通るように形成された入口オリフィス１９を介して該排出プレナム１７に接続される。各々のチャネル１８及びそのオリフィス１９、２１は、約０．１インチ（２．５４ｍｍ）より小さい直径を有することができる。例えば、チャネル１８及びそのオリフィス１９、２１は、約０．０００１インチから約０．１インチまで（０．００２５４ｍｍから２．５４ｍｍまで）の直径を有することができる。さらに別の例として、チャネル１８及びそのオリフィス１９、２１は、約０．００１インチから約０．０１インチまで（０．０２５４ｍｍから０．２５４ｍｍまで）の直径を有することができる。燃料が噴射器３１の出口オリフィス２１を出る前の燃料の超音波振動による有益な効果は、チャネル１８及びオリフィス１９、２１の寸法、形状、位置及び数に関わらず生じることが見出された。
【００１８】
図４に示されるように、噴射器のノズル３４の本体はまた、該噴射器の弁本体内に軸外に構成され配置された燃料通路１１５も定める。燃料通路１１５は、加圧された液体燃料を燃料リザーバ１６に供給するように構成され、該燃料リザーバ１６に接続され、排出プレナム１７と連通する。
従来の弁本体１１を改造して弁本体３３を形成する際に、標準の噴射器の弁本体１１に加えられた修正には、３つの燃料供給通路１５を再配置することが含まれていた。ノズル材料（ＳＡＥ５１５０１）が、弁本体３３の軸方向ボアの最小の所望の長さに対応して、該弁本体３３のハウジング３５から取り除かれた。この所望の長さは、全長の３分の一であり、これは、燃料圧が最小値に達する、弁本体３３のボアの理論的距離である。燃料供給通路の再配置は、従来の弁本体１１のオリジナルの通路１５を塞いで、中心線から軸方向に離れた距離に新しい通路１１５を加工することを必要とした。電気巻線（以下に説明される）のために弁本体３３のハウジング３５内に十分な容積を見込むように、燃料供給通路１１５の再配置がなされた。
【００１９】
図３に示されるように、ハウジング３５の一端が、ノズル３４に接合されるように構成される。ハウジング３５の反対端が、従来の噴射器１０におけるように、ニードル３６の位置を付勢するばね２２を保持するばねケージ２８（図３に破線で示される）に接合されるように構成される。ハウジング３５についての設計考慮事項は、シールのために適切な表面積と、電気巻線（以下に説明される）のために十分な内容積とを維持することを含んでいた。ハウジング３５のこの設計の目的は、応力集中を最小限にし、接合部品間の高圧燃料の漏れを防止することである。この特定の噴射器において、高圧燃料をシールすることは、噴射器ナット２９により互いに締め付けられる部品間の接合面によって達成される。シール又は接触面は、接触圧力が、含むべきピーク噴射圧より著しく大きくなるような寸法にしなければならない。ノズル３４内の静圧はまた、ノズル３４と接合ハウジング３５との間のシール圧力でもある。シール圧力は、１５０００ｐｓｉの予想ピーク噴射圧について１．６２のシール安全係数を含んでいた。
【００２０】
例えば図３に示されるように、高圧燃料の漏れが回避されなければならない別の重要な場所は、ニードル３６の外面と弁本体３３内に軸方向ボアを定める内面３７との間の環状の領域である。弁本体３３の内部ボア３７と該ボア内に配置されたニードル３６とは、最小の隙間及び漏れを維持するように選択的に嵌合される。０．０００２インチの値が、ニードル３６の外径とノズル３４のリザーバ１６のすぐ上流側に配置されたボア３７の直径との間の典型的な最大隙間である。
本発明の噴射器３１におけるニードル弁の構成及び作動は、上述の従来の噴射器１０におけるものと同じである。図４に示されるように、例えば、噴射器ニードル３６の第２の端部は、噴射器の弁本体３３の中空部に形成された円錐形状の弁座１２の一部と接合し、これをシールするように構成された円錐状面１３が形成された先端部を定める。ニードル３６の反対端は、弁座１２の円錐状面とシール接触するように噴射器ニードル３６の円錐状面１３が位置させられる所定位置に付勢されるように接続され、燃料が、燃料通路１１５を出て、貯蔵リザーバ１６及び排出プレナム１７に入り、出口チャネル１８を通り、ノズル出口オリフィス２１を出て燃焼室２０に流入するのを防止する。図３に概略的に示されるように、従来の噴射器１１におけるように、ばね２２は、弁座の円錐状面１２とシール接触するように噴射器ニードル３６の円錐状面１３を付勢する手段の一例を提供するものである。従って、噴射器ニードル３６が付勢された方向に位置させられた場合には、燃料は、重力だけの力の下では、燃料通路１１５から、ノズル出口オリフィス２１を出て、燃料噴射器３１の下端が配置された燃焼室２０に内に流れることはできない。
【００２１】
従来の通り、そして、例えば図２に概略的に示されるように、カム２７の駆動は、ばね２４の付勢力に打ち勝つようにポンプ２３を通じて作動し、噴射器ニードルの円錐状端部と円錐形状の弁座とが離れるように押し出す。これにより弁が開き、燃料の流れが排出プレナムに入り、燃料噴射器３１のノズル出口オリフィス２１を出て、装置３２の内燃機関３０の燃焼室２０に入ることが可能になる。このことは、上述の従来の一体化された噴射器１０におけるように、すなわち、ポンプ２３を作動させて加圧された燃料によりばね２２の付勢力に抗してニードル３６を油圧で持ち上げることによって達成される。
ここで用いられる用語「磁気ひずみ」は、強磁性体材料サンプルの磁化の方向及び範囲によって、該サンプルの寸法の変化がもたらされる特性を指す。超音波周波数で変化する磁場に応答する磁気ひずみ材料は、このような磁気ひずみ材料サンプルが、超音波周波数でその寸法を変化させ得ることを意味する。
【００２２】
本発明によると、噴射器ニードルは、弁本体３３内に形成された中央の軸方向ボア３７内に配置されるように構成された、第１の部分３８を少なくとも定める。例えば図３及び図４に示されるように、噴射器ニードル３６の第１の部分３８は、点描により示され、超音波周波数で変化する磁場に応答する磁気ひずみ材料で形成される。磁気ひずみ材料から成る第１の部分３８の長さは、ニードル３６の全長のおよそ３分の１とすることができる。しかしながら、所望であれば、ニードル３６全体を磁気ひずみ材料で形成することができる。適切な磁気ひずみ材料が、ＥＴＲＥＭＡ  ＴＥＲＦＥＮＯＬ−Ｄ（登録商標）磁気ひずみ合金により与えられ、これを鋼に結合して、噴射器のニードルを形成することができる。ＥＴＲＥＭＡ  ＴＥＲＦＥＮＯＬ−Ｄ（登録商標）磁気ひずみ合金は、米国アイオワ州５００１０、Ａｍｅｓ所在のＥＴＥＲＭＡ  Ｐｒｏｄｕｃｔｓ社から入手可能である。ニッケル及びパーマロイが、他の適切な２つの磁気ひずみ材料である。
【００２３】
噴射器ニードル３６の長手方向軸線に沿って整合した磁場を印加すると、該噴射器ニードル３６のこの第１の部分の長さは、軸方向にわずかに増加又は減少する。前述の磁場を解除すると、噴射器ニードル３６のこの第１の部分３８の長さは、励磁されていない長さまで回復する。さらに、伸張及び収縮が生じる時間が十分に短いので、噴射器ニードル３６は、超音波周波数、即ち、１５キロヘルツから５００キロヘルツまでに含まれる速度で伸張したり収縮したりすることができる。ニードルが励磁されていない状態におけるニードル３６の全長は、従来のニードル１４の全長と同じである。
【００２４】
さらに本発明によると、噴射器の弁本体３３の軸方向ボア３７が、超音波周波数で変化する磁場を通す材料から成る壁４０により少なくとも部分的に定められる。ここで具体化され、例えば図３及び図４に示されるように、この壁４０を、米国コロラド州、ゴールデン所在のＣｏｏｒｓ  Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能な部分的に安定化させたジルコニアのようなセラミック材料から成る挿入体により定められた非金属部分によって構成することができる。この挿入体４０は、超音波周波数で変化する磁場を通す、軸方向ボア３７の壁の一部を定める。ライナ４０の部分的に安定化させたジルコニアのセラミック材料は、優れた材料特性を有し、巻線（以下に説明される）とニードル３６との間の非導電性材料についての必要条件を満たす。部分的に安定化させたジルコニアは、他の全ての入手可能な実用上セラミックと比べて、比較的高い圧縮強度及び破壊靱性を有する。
【００２５】
挿入体４０は、ハウジング３５の中空部に配置された円筒形の環状部材として形成されたライナとして働く。挿入体４０の内面３９は、噴射器３１の該弁本体３３の軸方向ボア３７内に配置された噴射器ニードル３６の第１の部分３８と一致するように配置される。例えば図４に示されるように、弁本体３３の挿入体４０の中空内部３９は、噴射器ニードル３６の少なくとも第１の部分３８を内部に受けるように構成された円筒形のキャビティを定める。セラミックのライナボア３９の長さは、弁本体３３の金属部分の軸方向ボア３７の大部分からなり、組立体の電位の偏心によるニードル３６の焼き付きを防止するために、該軸方向ボア３７の直径より０．００１インチ大きな寸法にされた直径を有した。
【００２６】
さらに本発明によると、噴射器本体の軸方向ボアのキャビティに、超音波周波数で変化させることができる磁場を印加する手段が提供される。磁場は、オンからオフへ、又は第１の大きさから第２の大きさまで変えることができ、或いは磁場の方向を変えることができる。超音波周波数で変化する磁場を印加する手段は、噴射器の弁本体３３によって少なくとも部分的に支持されることが望ましい。ここに具体化され、例えば図３に示されるように、軸方向ボア３７に超音波周波数で変化する磁場を印加する手段は、電源４６と、セラミックの挿入体すなわちライナ４０の最外面４３の周りに巻かれ、該電源４６に電気的に接続されたワイヤ・コイル４２とを含むことができる。
【００２７】
電気巻線４２は、ライナ４０に直接取り付けられ、コイル巻回部分からノズルハウジング３５への短絡を防ぐように取り付けられた。例えば図３及び図４に示されるように、ワイヤ・コイル４２を、全体を符号４８で示される点描の影により示されたポッティング材料に埋め込むことができる。例えば図３及び図４に示されるように、巻線４２の一端の電気的接地は、銅の座金４９の一面と接触することにより達成された。弁本体３３が金属の噴射器ナット２９に組み立てられ、ノズル３４との優れた電気的接触が保証されるとき、銅以外の別の導電性材料で形成することができる座金４９の反対側は、該ノズル３４に押し当てて圧縮する凹部５２（図４の破線）を備えることが望ましい。
【００２８】
例えば図３、図４及び図５に示されるように、ポッティング材料４８に埋め込まれた接触リング４４が、巻線４２のもう一方の端部に電気的に接続される。巻線４２を超音波電源４６に電気的に接続することは、接触リング４４との電気的接触状態に保持されたばね式電気プローブ５４によって達成された。例えば、図４に（概略図に）及び図５に（拡大され切り欠いた斜視図で）示されるように、プローブ５４の後端は、噴射器ナット２９を通してねじ込まれ、電気絶縁スリーブ５５が、ノズルハウジング３５の孔４１を通って延びるプローブ５４の一部を囲む。例えば図３及び図４に示されるように、組立中、ハウジング３５の孔４１が噴射器ナット２９のねじ込まれた孔と並ぶことを保証するために、中実のステンレス鋼製のアラインメントピン５０が製造され、ノズル３４とハウジング３５の中に挿入された。
【００２９】
例えば図２及び図５に概略的に示されるように、プローブ５４を、制御装置４７によって駆動される電源４６に電気的に接続する電気リード線４５に接続し、超音波周波数で振動させることができる。一つの観点から見ると、磁気ひずみ材料から成るニードル３６とコイル４２の組合せは、該コイル４２に与えられる電気エネルギーを該ニードル３６を伸縮させる機械的エネルギーに変換する磁気ひずみ変換器として働く。このような磁気ひずみ変換器についての制御装置４７の適切な例が、本出願人が所有する米国特許第５，９００，６９０号及び第５，８９２，３１５号に開示され、その全体を引用によりここに組み入れる。特許第５，９００，６９０号及び第５，８９２，３１５号において、特に図５及び説明本文が同じであることに注意されたい。
【００３０】
さらに本発明によると、超音波周波数でのコイル４２の電気的励磁は、制御装置４７によって制御され、燃料が貯蔵リザーバ１６から排出プレナム１７内に流れるように噴射器ニードル３６が配置された場合にのみ、超音波周波数でのコイル４２の電気的励磁が生じる。図２に概略的に示されるように、制御装置４７は、カムフォロア２５上に配置されてカム２７が該フォロア２５に係合する時点を検知する圧力センサ５１から信号を受け取ることができる。カム２７がフォロア２５を押し下げると、ポンプ２３が駆動され、燃料を弁本体３３内に送出し、これにより該弁本体３３内の燃料の圧力が増加されて、油圧によりニードル弁が開き、燃料を噴射器３１の出口オリフィス２１から噴射させる。圧力センサ５１は、圧力を受けたときに電気信号を生成する圧電変換器のような圧力変換器を含むことができる。従って、圧力センサ５１は、電気信号を制御装置４７に送り、該制御装置４７は、該センサ５１から受け取った該電気信号を増幅する増幅器を含むことができる。制御装置４７は、この増幅された電気信号を提供するように構成され、リード線４５を介してコイル４２に動力を供給し、ニードル３６の磁気ひずみ部分３８に所望の振動磁場を生じさせる振動電源４６を駆動させる。制御装置４７はまた、電源４６の制御によって超音波振動の大きさ及び周波数も制御する。他の形態の制御装置を用いて、所望のように、超音波振動の適用の同期化及び噴射器による燃料の噴射を達成することができる。
【００３１】
燃料の噴射中、噴射器ニードル３６の円錐形端部１３は、排出プレナム１７内に突出するように配置される。噴射器ニードル３６の磁気ひずみ部分３８の伸縮によってもたらされる噴射器ニードル３６の長さの伸張及び収縮が、該噴射器ニードル３６の円錐形端部１３を、一種のプランジャとしてそれぞれ排出プレナム１７内に及び該排出プレナム１７から短い距離だけ移動させると考えられる。この出入りする往復運動は、噴射器ニードル３６の磁気ひずみ部分３８における磁場の変化と同じ超音波周波数で、排出プレナム１７内の液体燃料に同量の機械的摂動を発生させると考えられる。ノズル出口オリフィス２１を通って噴射器３１を出る燃料の超音波摂動が、燃焼室２０内に噴射される燃料の改善された霧化をもたらすことになる。このような改善された霧化は、より効率的な燃焼をもたらし、出力を増加させ、燃焼工程からの汚染を減少させる。燃料が噴射器のオリフィスを出る前の燃料の超音波振動により、噴射器３１からの供給を受ける燃焼室２０に入る液体燃料の、均一で円錐形状の噴霧である噴流が生成される。
【００３２】
振動磁場がない場合において、ニードル弁が開いたとき、ニードル３６の先端部１３と入口オリフィス１９又は出口オリフィス２１との間の実際の距離は、従来の弁本体１１におけるものと変わりはなかった。一般に、ニードル３６の先端部１３と、所定の状況において噴射器３１の出口オリフィス２１につながるチャネル１８の入口オリフィス１９との間の最小距離は、必要以上の実験を行わずに当業者が容易に定めることができる。大きな距離を用いることもできるが、実際には、このような距離は、約０．００２インチ（約０．０５ｍｍ）から約１．３インチ（約３３ｍｍ）の範囲である。このような距離により、出口オリフィス１９に入ろうとしているものを除いて、超音波エネルギーを加圧された液体に与える程度が定められる。言い換えれば、距離が大きい程、超音波エネルギーに曝される加圧された液体の量が多くなる。従って、一般に、加圧された液体の劣化、及び液体を超音波エネルギーに曝すことによりもたらされる他の悪影響を最小にするためには、より短い距離が望ましい。
【００３３】
液体燃料が入口オリフィス１９に入る直前に、液体燃料に接触する振動先端部１３が超音波エネルギーを燃料に与える。振動は、高粘性の液体燃料の見かけ粘度及び流量特性を変化させると思われる。振動はまた、燃焼室２０に入る際の燃料流の流速を向上させ、及び／又は該燃料流の霧化を改善すると思われる。超音波エネルギーを与えることによって、液体燃料の液滴の寸法が改善され（例えば、減少され）、液体燃料噴流の液滴寸法の分布が狭められると思われる。さらに、超音波エネルギーを与えることによって、噴射器のオリフィス２１を出て燃焼室２０に入る液体燃料の液滴の速度が増加されると思われる。振動はまた、噴射器の入口オリフィス１９、チャネル１８、及び出口オリフィス２１における目詰まり汚れを破壊し洗い流させる。振動はまた、燃料流内に存在し得る他の成分（例えば、液体成分）又は添加物を含む液体燃料に乳化を引き起こすこともできる。
【００３４】
本発明の噴射器３１を用いて、液体燃料添加物と同様に多成分の液体燃料、及び液体燃料が内燃機関内に案内される場所の汚れを乳化させることができる。例えば、特定の燃料内に含まれる水を超音波振動によって乳化させることができ、燃料／水の混合物を燃焼室２０において用いることができる。例えば、メタノール、水、エタノール、ディーゼル、液体プロパンガス、バイオディーゼルなどのような成分を含む混合燃料及び／又は燃料混合物も、乳化させることができる。本発明は、多種燃料内燃機関において用いることができる異なる燃料の流量特性（例えば、見かけ粘度）に適合させるように用いることができるという点で、該多種燃料内燃機関における利点を有する。或いは、及び／又は、さらに、一つ又はそれ以上の液体燃料に水を付加し、燃焼を制御し、及び／又は排出エミッションを減少させる方法として、燃焼の直前に成分を乳化させることが望ましい。また、一つ又はそれ以上の液体燃料に気体（例えば、空気、Ｎ２Ｏなど）を付加し、燃焼を制御し、及び／又は排出エミッションを減少させる方法として、燃焼の直前に成分を超音波で混合し又は乳化させることも望ましい。
【００３５】
本発明の噴射器３１の一つの利点は、これが自浄式であるということである。燃料が噴射器のオリフィス２１を出る前の燃料の超音波振動のために、この振動は、他の方法でチャネル１８、その入口オリフィス１９及び出口オリフィス２１を詰まらせる如何なる粒子も取り除く。つまり、与えられた圧力、及び燃料がノズル３４を出る直前の加圧された燃料の中の超音波励磁ニードル３６によって生じた力の組合せが、他の方法で出口オリフィス２１を閉塞する可能性のある障害物を取り除くことができる。本発明によると、チャネル１８、その入口オリフィス１９及び出口オリフィス２１は、噴射器ニードル３６が超音波エネルギーにより励磁された場合に（該チャネル１８及び該オリフィス１９及び２１に直接超音波エネルギーを与えることなく）自浄式となり、一方、該出口オリフィス２１は、排出プレナム１７から加圧された液体を受け取り、該液体を噴射器３１の外に送る。
【００３６】
特定の実施形態に関して本明細書を詳細に説明したが、前述の理解に達するとき、当業者であれば、これらの実施形態の代替物、変形物、及び均等物を容易に考え得ることが理解されるであろう。従って、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びそれに対するあらゆる均等物を含むものとして評価すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】
オーバーヘッドカムにより駆動される従来の一体化された燃料噴射器の断面図である。
【図１Ｂ】
図１Ａの従来の一体化された燃料噴射器の、鋼製の弁本体の一部の拡大断面図である。
【図２】
本発明の装置の一つの実施形態の、想像線（破線）で示される部分を有する部分斜視図の線図である。
【図３】
切り欠いた部分、断面で示される部分、想像線（鎖状の破線）で示される周囲構造を有する、本発明の装置の弁本体の、一つの実施形態の部分斜視図である。
【図４】
図３の４−４で示される線に沿って取った断面図である。
【図５】
切り欠いた部分、断面で示される部分、概略的に示される周囲部品を有する、本発明の装置のセラミックの弁本体の、一つの実施形態の一部の拡大斜視図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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