(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ほぼ管状で、ほぼ縦方向の軸（Ａ−Ａ）を有する、内燃機関の気体燃料噴射装置の電磁作動可能な燃料噴射器であって、
（ａ）強磁性体のコア（３２）と、
（ｂ）強磁性体のコアの少なくとも一部を取囲む磁気コイル（２８）と、
（ｃ）磁気コイルに磁気結合され、該磁気コイルに応答して移動可能であり、燃料弁の固定弁座（４２）と相互作用をする閉弁要素（１６）を作動し、磁気コイルが作動されると固定弁座から離れる方向に移動可能であり、全体的に細長い形状を有し、隣接する燃料入口コネクタ（１８）から気体燃料を受けて軸方向に通過させるほぼ中央の開口（１１）を有し、燃料入口コネクタ（１８）と共に燃料弁に通じる経路の一部として燃料入口コネクタ（１８）の対向表面との間の作動ギャップ（１５）に亘って縦方向軸（Ａ−Ａ）に対して横方向に気体燃料の第１の流路５６を提供するアーマチャ（１４）と、
（ｄ）燃料弁に通じる経路の一部として気体燃料の第２の流路（６２）を画定する、アーマチャ（１４）の壁部を貫通する少なくとも１つの第１の燃料流路（６０）とより成り、
作動ギャップ（１５）に対向する入口コネクタ（１８）の表面は、複数の半径方向に盛り上がったパッド（１８ｂ）を有し、これらのパッド間には気体燃料が流れるスロットを画定する凹部（１８ａ）が形成されている電磁作動可能な燃料噴射器。
【請求項２】
燃料弁に通じる経路の一部として、気体燃料の第３の流路（６４）を画定する少なくとも１つの第２の開口（５８）がアーマチャ（１４）の壁部に形成されている請求項１の電磁作動可能な燃料噴射器。
【請求項３】
少なくとも１つの第２の開口（５８）は、縦方向軸（Ａ−Ａ）にほぼ鋭角に向いている請求項２の電磁作動可能な燃料噴射器。
【請求項４】
アーマチャ（１４）の下流に位置する弁本体（３４）が、可動の弁ニードル（１６）により選択的に開閉可能な弁オリフィス（４１）の方へ燃料を差し向けるように配置された少なくとも１つの開口（６６）を壁部に備えている請求項１乃至３のいずれか１つの電磁作動可能な燃料噴射器。
【請求項５】
弁ニードル（１６）には、閉弁位置で円錐台状の弁座（４２）と係合する形状のほぼ球形の端部が設けられている請求項４の電磁作動可能な燃料噴射器。
【請求項６】
盛り上がったパッド（１８ｂ）はそれぞれほぼ台形の形状を有する請求項１乃至５のいずれか１つの電磁作動可能な燃料噴射器。
【請求項７】
作動ギャップ（１５）に対向する燃料入口コネクタ（１８）の表面は、その半径方向外方に沿ってほぼ面取りされた形状を有する請求項１乃至６のいずれか１つの電磁作動可能な燃料噴射器。
【請求項８】
燃料入口コネクタ（１８）のほぼ面取りされた部分（５２）は、ほぼ弓状の断面を有する請求項７の電磁作動可能な燃料噴射器。
【請求項９】
アーマチャ（１４）を縦方向軸（Ａ−Ａ）に沿って燃料入口コネクタ（１８）から離れる方向に偏倚させる偏倚手段（３０）を備えた請求項１乃至５のいずれか１つの電磁作動可能な燃料噴射器。
【請求項１０】
偏倚手段は、一端が燃料入口コネクタ（１８）と係合し、他端がアーマチャ（１４）と係合して縦方向軸（Ａ−Ａ）に延びるコイルばねである請求項９の電磁作動可能な燃料噴射器。
【請求項１１】
ほぼ縦方向の軸（Ａ−Ａ）を有し、出口開口を有する燃料入口コネクタ（１８）、及び出口開口に隣接し、燃料入口コネクタ（１８）から燃料を受けるほぼ中央の細長い開口（１１）を有し、出口開口との間に画定された作動ギャップ（１５）内において出口開口の方へまたはそれから離れる方向に移動することにより燃料弁（１６，４０−４２）を選択的に開閉して気体燃料が選択的に供給されるようにするアーマチャ（１４）より成る内燃機関の燃料系統の電磁作動可能な燃料噴射器により気体燃料を差し向ける方法であって、
ａ）気体燃料が燃料入口コネクタ内を軸方向に流れるようにし、
ｂ）燃料入口コネクタ（１８）の出口開口からの気体燃料の一部がアーマチャ（１４）のほぼ中央の細長い開口（１１）を介して燃料弁の方へ軸方向に流れるようにし、
ｃ）アーマチャ（１４）への燃料流の少なくとも一部が軸方向から外れた方向に流れるようにし、
ｄ）燃料入口コネクタ（１８）の出口開口からの気体燃料の少なくとも一部が作動ギャップ（１５）をほぼ横方向に流れて該作動ギャップ（１５）に画定された複数の半径方向スロット（１８ａ）を通過するようにするステップよりなる気体燃料を差し向ける方法。
【請求項１２】
アーマチャ（１４）への燃料流の少なくとも一部が軸方向から外れた方向に流れるようにするステップは、気体燃料をアーマチャ（１４）の壁部に設けた少なくとも１つの第１の開口（６０）を通って流れるように差し向けることにより実施される請求項１１の方法。
【請求項１３】
アーマチャ（１４）の壁部の少なくとも１つの開口（６０）は軸方向（Ａ−Ａ）に対してほぼ横方向に延びる請求項１２の方法。
【請求項１４】
アーマチャ（１４）を流れる気体燃料の少なくとも一部が、少なくとも１つの開口（６０）が形成された壁部の下流においてその壁部を縦方向軸（Ａ−Ａ）に鋭角的に貫通する少なくとも１つの第２の開口（５８）を流れるようにし、かくして少なくとも３つの別個の流路が形成される請求項１２または１３の方法。
【請求項１５】
アーマチャ（１４）の少なくとも１つの第１（６０）及び第２（５８）の開口は、直径が約１乃至約２．０ｍｍである請求項１４の方法。
【請求項１６】
第１（６０）及び第２（５８）の開口が所定数設けられ、それらの直径は所定数の流路と体積流量を与えるように予め決定されている請求項１４または１５の方法。
【請求項１７】
噴射器は磁気コイル（２８）を有する磁気コイル手段を備え、アーマチャ（１４）は磁気コイル手段に磁気結合されてアーマチャを燃料入口コネクタの出口開口の方へまたはそれから離れる方向に移動させる請求項１１乃至１６のいずれか１つの方法。
【請求項１８】
燃料入口コネクタ（１８）の出口開口は複数の盛り上がったパッド（１８ｂ）を有し、それらの盛り上がったパッドは隣接するそれぞれ離隔して間に半径方向スロット（１８ａ）を有し、アーマチャ（１４）が出口開口の方へ移動して燃料弁（１６，４０−４２）を開くと気体燃料が作動ギャップ（１５）を流れるようにする請求項１１乃至１７のいずれか１つの方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
１． 発明の分野
本発明は、気体中の汚染物質を許容する圧縮天然ガス噴射器に関する。
２． 関連技術の説明
圧縮天然ガス（以下、「ＣＮＧ」と呼ぶこともある）は、商業用編成車両及び自家用顧客にとって普通の自動車用燃料となりつつある。これらの車両では、ＣＮＧは、以下、「ＣＮＧ噴射器」と呼ぶ気体燃料噴射器により正確に計量されてエンジンへ送り込まれる。ＣＮＧ噴射器は噴射パルス毎に正確な量の燃料を供給するが、この精度を噴射器の寿命全体に亘り維持する必要がある。ＣＮＧ噴射器のこの性能レベルを維持するためには、燃料内の汚染物質の影響を軽減する手助けとなるある特定の戦略が必要である。
【０００２】
圧縮天然ガスは、この国ではパイプライン系統により配送され、主として商業施設及び住居の暖房に使用される。暖房装置はＣＮＧの可変レベルの品質及びそれに含まれる可変レベルの汚染物質を許容するが、自動車用気体燃料噴射器の許容レベルはそれよりも著しく低い。
【０００３】
暖房用ＣＮＧにおいて多年の間許容されているこれらの汚染物質は、噴射器の性能にそのレベルに応じた影響を与えるため、将来ＣＮＧ噴射器を設計するにあたり、考慮しなければならない。ＣＮＧに見られる一部の汚染物質は、固体の小粒子、水及び圧縮器の油である。噴射器を設計するにあたり、その寿命全体に亘って性能を維持するために、これらの汚染物質にそれぞれ着目する必要がある。パイプラインへ侵入する汚染物質の供給源にはいくつかある。パイプライン系統の修理または保守により、また新たに設置する際に、燃料に多くの異物粒子が送り込まれる。これらの作業の間、少量であるが水、埃、水蒸気及び垢が混入する。パイプラインに見られる多種類の金属酸化物もまた、この系統に入ってくる。さらに、不具合のある圧縮器が気化された圧縮器油の侵入を許し、これが圧縮器の密封部分を漏洩して気体燃料中に含まれるようになる。燃料の補給によっても、燃料補給取付具にある汚染物質が蓄積シリンダ内に混入する。これら汚染物質の多くが重要な燃料系統部品に到達して、車両の寿命に亘ってそれらの性能特性に悪影響を与える可能性が高い。
【０００４】
一般的に、燃料噴射器は、燃料を正確に計量するために、内部の部品の多くに非常に厳格な許容誤差を要求している。ＣＮＧ噴射器の汚染物質に対する許容性を維持するには、アーマチャニードル組立体の案内及び当接表面が或る特定の特異な特性を持つことが必要条件である。本発明者等は、圧縮天然ガスに通常見られる汚染物質を許容し、現在知られている噴射器に対する顕著な改良であるＣＮＧ燃料噴射器を発明した。また、ミスファイアを生じることなく、効率的で確実な点火を促進するように、かかる噴射器により圧縮天然ガス燃料を差し向ける方法を発明した。
【０００５】
【発明の概要】
本発明は、強磁性体のコアと、強磁性体のコアの少なくとも一部を取囲む磁気コイルと、磁気コイルに磁気結合され、該磁気コイルに応答して移動可能であり、燃料弁の固定弁座と相互作用をする閉弁要素を作動し、磁気コイルが作動されると固定弁座から離れる方向に移動可能なアーマチャとより成る、内燃機関の気体燃料噴射装置の電磁作動可能な燃料噴射器に関する。アーマチャは、全体的に細長い形状を有し、隣接する燃料入口コネクタから気体燃料を受けて軸方向に通過させるほぼ中央の開口を有する。燃料入口コネクタとアーマチャとは、燃料弁に通じる経路の一部として磁気コイルとの間に気体燃料の第１の流路を提供するようになっている。少なくとも１つの第１の燃料流路がアーマチャの壁部を貫通して、燃料弁に通じる経路の一部として気体燃料の第２の流路を画定する。
【０００６】
好ましい実施例において、アーマチャは、燃料弁に通じる経路の一部として気体燃料の第３の流路を画定する少なくとも１つの第２の開口を有する。少なくとも１つの第２の開口は、縦方向軸にほぼ鋭角に向いている。さらに、燃料入口コネクタとアーマチャとは互いに離隔してそれらの間に作動ギャップを画定し、作動ギャップ内に気体燃料の第１の流路が提供する。燃料噴射器はさらに、アーマチャの下流に位置し、壁部を貫通してアーマチャ及び燃料入口コネクタから少なくとも２つの流路を介して気体燃料を受ける少なくとも１つの開口を備えた弁本体を有する。
【０００７】
さらに、アーマチャと弁本体の少なくとも一部を取囲む弁本体外殻部は、気体燃料の第１の流路となる半径方向空間をアーマチャとの間に画定する。燃料入口コネクタは、アーマチャの上方に位置し、該アーマチャから離隔して作動ギャップを形成し、燃料入口コネクタは燃料をアーマチャ及び固定弁座の方に差し向ける通路を画定する。
【０００８】
燃料入口コネクタは、燃料源から気体燃料を受ける上端部と、アーマチャの上方表面に向いた下方表面を有し気体燃料を吐出する下端部とを有し、燃料入口コネクタの下方表面は複数の半径方向に盛り上がったパッドを有し、これらのパッド間の凹部が燃料入口コネクタとアーマチャとの間の作動ギャップに亘って燃料が流れるようにする。
【０００９】
アーマチャは、縦方向軸に対して鋭角的に下部を貫通する少なくとも第２の燃料開口を有し、この開口は燃料を固定弁座の方へ差し向けるように位置する。燃料入口コネクタの最下方の表面とアーマチャとは、アーマチャと磁気コイルとの間を作動ギャップを横切って気体燃料が流れることができるように構成され、かくして少なくとも３つの燃料流路が提供される。燃料入口コネクタの下端部は、最下方の表面に沿ってほぼ面取りされている。燃料入口コネクタのほぼ面取りされた部分は、ほぼ弓状の断面を有する。
【００１０】
閉弁要素は、固定弁座と選択的に係合及び離脱する弁ニードルである。燃料フィルタは、燃料入口コネクタの上端部に位置し、該燃料入口コネクタへ流入する前の燃料にフィルタリングを施す。アーマチャに向いた燃料入口コネクタの下方表面は、該下方表面の実効表面積を減少させて、気体燃料が作動ギャップをほぼ横方向に流れるようにし、この横方向の燃料流によって作動ギャップ内に汚染物質が蓄積されないようにする、複数の半径方向に盛り上がったパッドにより画定される複数の半径方向に延びる溝を有する。ほぼ半径方向に盛り上がったパッドはほぼ台形の形状を有するが、所望の環境または結果に応じて種々の形状でよい。さらに、燃料噴射器は、好ましいＣＮＧ系統だけでなくガソリンのような液体燃料系統にも利用できる。
【００１１】
閉弁要素は全体的に細長い弁ニードルであり、この弁ニードルは円錐台状の固定弁座と係合して弁を閉じる球形端部を有し、固定弁座から離れる方向に移動すると、弁を開いて燃料が弁を通過し内燃機関のエンジン吸気マニホルドの方へ通過するのを可能にする。弁ニードルは、クリンピングを施した部分によりアーマチャの下端部に連結されている。偏倚手段は、一端が燃料入口コネクタと係合し、他端がアーマチャと係合するコイルばねであり、該アーマチャを弁座の方へ下方に偏倚させる。アーマチャは、壁部を縦方向軸に対してほぼ横方向に貫通しほぼ中央の細長い開口から燃料を受ける少なくとも２つの第１の開口を有する。アーマチャは、ほぼ中央の細長い開口から燃料を受ける第１の開口を複数個備えるようにしてもよい。アーマチャはまた、それぞれが縦方向軸に鋭角的に延びてほぼ中央の開口から燃料を受ける少なくとも複数の第２の開口を有する。
【００１２】
ほぼ縦方向の軸を有し、燃料入口端部、燃料出口端部、燃料入口端部に位置し燃料入口端部と燃料出口端部とを有する燃料入口コネクタ、及び燃料入口コネクタの燃料出口端部に隣接し、該燃料入口コネクタから燃料を受けるほぼ中央の細長い開口を有し、燃料入口コネクタとの間に画定された作動ギャップ内において燃料入口コネクタの方へまたはそれから離れる方向に移動することにより燃料弁を選択的に開閉して気体燃料が吸気マニホルドへ流入できるようにするアーマチャより成る内燃機関の燃料系統の電磁作動可能な燃料噴射器により気体燃料を差し向ける方法を開示する。この方法は、気体燃料が燃料入口コネクタ内を軸方向に流れるようにし、燃料入口コネクタからの気体燃料がアーマチャのほぼ中央の細長い開口を介して燃料弁の方へ軸方向に流れるようにし、燃料入口コネクタからアーマチャへの燃料流の少なくとも一部が作動ギャップをほぼ横方向に流れるようにし、アーマチャ内を流れる気体燃料の少なくとも一部が軸方向から外れる方向に流れるように分岐させるステップより成る。アーマチャ内を流れる気体燃料の少なくとも一部が軸方向から外れる方向に流れるように分岐させるステップは、気体燃料をアーマチャの壁部に設けた少なくとも１つの第１の開口を通って流れるように差し向けることにより実施される。アーマチャの壁部の開口は、好ましくは、軸方向にほぼ横方向に延びる。アーマチャの上端部に対向する燃料入口コネクタの下端部は、好ましくは、気体燃料が燃料入口コネクタから作動ギャップを横方向に流れるように構成されている。アーマチャを流れる気体燃料の少なくとも一部が、その下方壁部を縦方向軸に鋭角的に貫通する少なくとも１つの第２の開口を流れるようにするのが好ましく、かくして少なくとも３つの別個の流路が形成される。噴射器は磁気コイルを有する磁気コイル手段を備え、アーマチャは磁気コイル手段に磁気結合されてアーマチャを燃料入口コネクタの方へまたはそれから離れる方向に移動させる。少なくとも１つの燃料流路が、アーマチャと磁気コイルとの間に存在する。アーマチャの少なくとも１つの第１及び第２の開口は、直径が約１乃至約２．０ｍｍである。さらに、第１及び第２の開口が所定数設けられ、それらの直径は所定数の流路と体積流量を与えるように予め決定されている。
【特定の従来技術の参照】
ほぼ軸方向の燃料流れ特性を有する管状構造の装置と、ばね偏倚式で電磁作動可能な弁とを有する上記の一般的構成を有する噴射器は、例えば、米国特許４，６６２，５６７号及び５，６０９，３０４号にあるように、よく知られている。  これら両特許では、軸方向長さの短い作動空間がアーマチャと燃料入口コネクタまたは同様な部品の表面間に形成されたガソリン用燃料噴射器が開示されているが、いずれの特許も気体燃料を用いた場合の作動空間における燃料汚染物質に対する許容性に関する問題については記載がない。従って、いずれの特許も、かかる問題に着目せず、従ってそれらの解決に資するところがない。一方、本発明は、上述した特徴を有する手段により、さらに詳細には、気体燃料の流れを作動ギャップに亘って噴射器の軸のほぼ横方向に向けて半径方向スロットを通過させることにより、かかる問題点を解消する。
【００１３】
【好ましい実施例の説明】
最初に参照する図１は、本発明により構成したＣＮＧ噴射器１０を示す。本発明のタイプの噴射器は、本願の一部として引用する、本願の出願人へ譲渡された米国特許第５，４９４，２２４号に記載されている。
【００１４】
この噴射器１０はアーマチャ１４を収容するハウジング１２を備えているが、このアーマチャ１４には、図１２に関連して後述するように、弁ニードル１６がクリンピングにより固着されている。燃料入口コネクタ１８は、図示のように、中央の燃料流路１３と、この上端部にあるＣＮＧフィルタ２０とを有する。燃料入口コネクタ１８はまた、２４において公知のクリンピング法により連結された調整管２２を有する。ハウジング１２は非磁性体の外殻部２６を有し、この外殻部は、図示のように、入口コネクタ１８と、中央の燃料流路１１を有するアーマチャ１４とを取囲んでいる。アーマチャ１４と入口コネクタ１８とは、ハウジング１２と協働してコイル２８の容器を形成するが、このコイルは、選択的に付勢されると、アーマチャ１４及びニードル１６を上方に移動させて弁開口４１を開き、また選択的に脱勢されると、アーマチャ１４及びニードル１６がコイルバネ３０の作用により図示の閉弁位置に戻れるようにする。噴射器への燃料の流れはフィルタ２０で始まり、燃料入口コネクタ１８及びアーマチャ１４を通過して弁座４０の弁開口４１にたどり着き、そこからエンジン（図示せず）の吸気マニホルドへ流入する。
【００１５】
さらに図１を図２と共に参照すると、強磁性材料より成り磁気回路の一部を形成する弁本体の外殻部３２は、図示の如く、弁本体３４を取囲み、上端部に上方案内手段３６を有する。上方案内手段３６とアーマチャ１４との間の空間３６ａは、直径方向に約０．０１０乃至約０．０１５ｍｍあり、アーマチャ１４の案内移動を可能にする。下方のＯリング３８は噴射器１０とエンジン吸気マニホルド（図示せず）との間を密封し、上方のＯリング４０は噴射器１０と燃料流路（図示せず）の間を密封する。弁本体３４は、中央の燃料流路３５を画定する。
【００１６】
図２において、弁本体の外殻部３２は、好ましくは溶接部３２ａにより弁本体３４に固着され、上端部は溶接部２６ａにより非磁性の外殻部２６に固着されている。非磁性の外殻部２６は、２６ｂにおいて燃料入口コネクタに溶接されている。従って、燃料入口コネクタ１８から作動ギャップ１５へ流入する燃料は、アーマチャ１４と、このアーマチャの上下移動を許容するように設けられた弁本体の外殻部３２との間の隙間１４ａを流れなければならない。この隙間１４ａは、直径方向にほぼ０．１０乃至０．３０ｍｍである。
【００１７】
図１及び２を再び参照して、弁座４０は、弁オリフィス４１と、断面が円錐台形の漏斗に似たニードル着座部４２を有する。弁座４０は、バックアップ座金４４により定位置に維持され、Ｏリング４６により弁本体３４に対して燃料が漏洩しないように密封されている。ナイロンのような適当な可塑性材料より成るオーバーモールド４８は、コイル２８内に延びる端子５０を支持するが、この端子は接続部５１を介してコイルに接続され、コイルを選択的に付勢させてアーマチャ１４及び弁ニードル１６をバネ３０の作用に抗して上方移動させる。コイル２８は、図示のように、絶縁性プラスチック材料５３により取囲まれている。
【００１８】
このタイプの噴射器の入口コネクタとアーマチャの界面空間１５（または作動ギャップ１５）は、非常に小さく（即ち、約０．３ｍｍのオーダー）、特に適当な燃料フィルタを通過した後の、水、固体、油などのような汚染物質を比較的含まない従来の燃料で比較的満足に機能する。従って、空間１５を囲む２つの表面が表面間の空気が実際に比較的有意な量、排除されるほど密着接触している場合、これら２つの部材に作用する大気圧がこれら２つの表面を実際に強制的に密着させる。アーマチャと入口コネクタの界面に液状の汚染物質が存在すると、空気が排除されてアーマチャとニードルの組立体がその影響を受け、完全で自由な動作ができなくなる。
【００１９】
比較的クリーンな従来の燃料であれば比較的受入れ可能なレベルで機能する公知の噴射器をＣＮＧに使用したところ、入口コネクタとアーマチャの界面にある油または水のような不純物により約１６．５ニュートンの力が発生し、アーマチャが入口コネクタに保持された。これと比較して、バネ３０により与えられる力は約３ニュートンのオーダーであるため、公知の噴射器が燃料としてＣＮＧを使用する場合アーマチャと弁ニードルの閉弁動作が乱調になることが完全に説明できる。特に、入口コネクタとアーマチャを密着させる１６．５ニュートンの力は、噴射器内の燃料作動圧力が約８バール（即ち、８気圧）であり、この約１６．６ニュートンの力が入口コネクタ１８の下方の表面積（約２１ｍｍ2）に亘り作用することによる。従って、比較的少量の油または他の不純物が公知の噴射器の空間１５内に存在すると、特に８バールの圧力が入口コネクタとアーマチャの残りの表面に作用するため、入口コネクタ及びアーマチャが一時的に互いに固着するようになる。アーマチャが入口コネクタに固着する傾向があるため、閉弁動作が乱調を来たすことになる。
【００２０】
本発明の重要な特徴部分は、とりわけ、上記の閉弁動作の乱調をなくし、噴射器の動作特性を向上させるために設けられている。図３において、入口コネクタ１８の下端部は、図示のように、弓状に面取りされた端部５２を有する。この形状は、作動ギャップ１５を横切る磁界の方向を作動ギャップ内においてアーマチャを移動させるための磁力を最適化するように変えるという利点を生じる。この特徴は、本願の一部として引用する、本出願人へ譲渡された米国特許出願（発明の名称："Compressed Natural Gas Fuel Injector Having Magnetic Pole Face Flux Director"；弁護士事件番号第９９Ｐ７６０９ＵＳ号）に記載されている。さらに別の特徴は、本願の一部として引用する、本出願人へ譲渡された米国特許出願（発明の名称："Compressed Natural Gas Fuel Injector Having Gaseous Dampening for Armature Needle Assembly During Opening"；弁護士事件番号第９９Ｐ７６１０ＵＳ号）に記載されている。
【００２１】
さらに、図４に示すように、入口コネクタの最下方の表面は、アーマチャと入口コネクタの間の実効接触面積を従来型噴射器の全断面積の約３分の１だけ減少させるために窪ませた半径方向スロット１８ａを有する。この構成は、高さ約０．０５ｍｍの圧印加工による６つのパッド１８ｂを形成し、かくしてこれらに対応する６つの矩形半径方向スロット１８ａが形成されて、燃料流路となる。図示のように、入口コネクタ１８の最下方の表面の実効表面積を減少させることにより、入口コネクタ１８とアーマチャ１４の間に誘引力を発生させる傾向が元の値の約３分の１に著しく減少し、それらの間に誘引力を発生させずに界面における燃料汚染物質を許容する能力もまた著しく増加する。好ましくは、これらの矩形半径方向スロット１８ａは浅いため（即ち、深さは０．０５ｍｍ）、入口コネクタ／アーマチャの界面の表面積が減少すると共に気体ＣＮＧの流れにより最終的には除去される固体汚染物質の比較的問題のない捕捉場所が提供されるという利点が得られる。
【００２２】
入口コネクタ１８の最下方の表面に窪んだ部分１４ａがあるためその表面上に盛り上がったパッド１８ａが存在するが、これが燃料汚染物質に対する噴射器の許容性をいくつかの仕組みにより改善する。窪んだ部分１８ａは任意適当な方法により形成できるが、圧印加工が好ましい。最初の仕組みは、アーマチャと入口コネクタの界面の接触面積の減少が、油または水のような液状汚染物質によりこれらの間に発生する任意の誘引力を減少させる。さらに、上述したように、半径方向パッド１８ｂは、燃料流により除去されるまで作動ギャップ１５に悪影響を与えずに汚染物質を捕捉する隠れた領域をこれらのパッド間に提供する。ガソリンの場合の作動ギャップは約０．０８乃至約０．１４ｍｍであり、圧縮天然ガスでは約０．３ｍｍである。上述したように、入口コネクタ上にスロット１８ａの形状の６つの矩形凹部と、各々がほぼ台形状の６つの盛り上がったパッド１８ｂとが存在するため、図５の５６で示すように気体燃料を作動ギャップ１５を横方向に流し、圧力損失の制御によってアーマチャの周りのまたそれを貫通する燃料流を制御することを可能にする特異な燃料流路が入口コネクタとアーマチャの界面に形成される。
【００２３】
また、後述するように、窪んだ表面１８ａ及び盛り上がったパッド１８ｂ並びにアーマチャ及び弁本体における種々の開口５８、６０、６６の大きさとかかる開口の数及び組合わせを調整することにより、少なくとも３つの流路の燃料流量を制御し、圧力損失を調整することができる。例えば、完全開位置におけるアーマチャの両端間の圧力差を小さくすると、弁閉鎖時のブレークアウェイの間バネ３０が支援を受け、弁開放時の衝撃が減衰する。図２に示すように、別の燃料流路は、汚染物質が上方案内手段３６の上方で捕捉される可能性を減少させる。要約すると、燃料入口コネクタ上のスロット及びパッドだけでなく開口の多数の組み合わせ及びそれらのサイズを、気体燃料の流れが燃料の燃焼及びエンジンへの送入にとって最適化されるような任意所望の態様となるように選択することが可能である。
【００２４】
図５及び６を図１−３と共に参照すると、これらの図は、燃料噴射器のＣＮＧによる動作性能を完全にするさらに別の顕著な改良点を示す。比較的汚染物質のない燃料を使用した従来型の噴射器では、燃料はフィルタから燃料コネクタに流入してアーマチャを流れた後、弁開口の直上にあり、アーマチャの最下方部分に比較的近い開口から流れ出ていた。本発明の噴射器構造では、図５に示すように、比較的対角線方向の開口５８が、ＣＮＧの流れを弁開口４１の方へ下方に向けて内燃機関のエンジン吸気マニホルドへ流入させる。
【００２５】
図５に示すように、開口５８は、燃料噴射器１０の縦方向軸Ａ−Ａにほぼ鋭角に交わる。さらに、本発明のアーマチャは縦方向軸Ａ−Ａに対してほぼ横方向に延びる少なくとも１つの側部開口６０を有するため、アーマチャの中央を下方に流れる燃料が側方に方向転換してアーマチャから流れ出た後、図１に示すように弁開口４１の方へ下方に流れる。図１に示す実施例では、開口６０はほぼ水平方向に延びるが、所望に応じて縦方向軸に鋭角に交わるように形成してもよい。開口５８は、図１の断面図には図示しない。開口６０を流れる燃料は流線６２で示し、開口５８を流れる燃料は流線６４で概略的に示す。特定の使用例に求められる燃料流パターンに応じて、アーマチャには、オプションとして、異なる半径方向位置にいくつかの水平方向の開口６０をさらに設けるか、あるいは図示のように、１つの開口を設けてもよい。燃料入口コネクタ１８からの燃料流は、３つの流路、即ち作動ギャップ１５を横方向に展開する第１の流路、開口６０を介する第２の流路、開口５８を介する第３の流路に分割されることがわかる。第１の流路はアーマチャ１４と磁気コイル２８との間を延び、最終的に開口６０を介する第２の流路と合流する。
【００２６】
また、各開口５８、６０の直径は、燃料流を任意所定の方向に差し向けるように変更できることが容易にわかる。例えば、開口５８、６０の大きさを減少すると、作動ギャップ１５の横方向に展開する燃料流の流量が増加する。また、開口５８、６０の直径を増加すると、これらの開口を通過する燃料の体積が大きくなり、作動ギャップの横方向の燃料流が減少する。開口５８、６０の直径及びかかる開口の数及び位置は、弁ニードル１６の開放及び閉鎖時の両方における減衰特性に影響を与えることが判明している。かくして、燃料流の開口５８、６０の直径、かかる開口の数、位置及び方向は、各使用例における所望の体積流量特性及び所望の流れパターンにより異なるが、それらの直径は１乃至２ｍｍの範囲にあるのが好ましいことが判明している。
【００２７】
図６を参照して、弁本体３４には中央の燃料流路３５と、幾つかの対角線方向の燃料流路６６とが設けられている。これらの開口６６は、作動ギャップ１５からの且つアーマチャ１４の側部開口６０からの第１及び第２の流路に沿うＣＮＧ燃料を受けて、この燃料を弁開口４１の方へ下方に差し向けように意図されており、ニードル１６が上方移動すると燃料は開口４１に流入してエンジン吸気マニホルド（いずれも図示せず）に流入する。開口５８を介する第３の流路に沿う燃料は、開口４１へ直接導かれる。入口コネクタの最下方の表面の矩形の半径方向スロット１８ａ及び開口５８、６０の特異な構成により、ＣＮＧが図５の燃料流５６、６２、６４で示す態様で流れる燃料流パターンが発生し、かかる燃料流により、実際に、入口コネクタへのアーマチャの誘引を回避する理想的な圧力状態が得られることが判明している。従って、アーマチャと入口コネクタの間の誘引力は、上述した幾つかの要因、即ち、油と汚染物質がアーマチャと入口コネクタの間の空間１５に捕捉される傾向がなくなること、入口コネクタの表面上の半径方向パッドにより入口コネクタとアーマチャの界面の実効表面積が減少すること及び入口コネクタとアーマチャの間に力の存在しない環境を発生させる特異なＣＮＧ流れパターンが得られること、により最小限に抑えられる。
【００２８】
上述したように、開口６０をアーマチャの幾つかの円周方向位置に設けてもよく、また開口５８をその周りの幾つかの位置に形成することも可能である。また、それらの角度位置は変更可能である。しかしながら、図示のように、各側に１つの開口を設けることで、所望の流路及び力の存在しない環境を十分に発生できることが判明している。また、上述したように、各開口の直径を調整することにより、入口コネクタ、アーマチャ及び弁本体を取囲む領域の燃料圧力及び流れパターンを制御し、それによって噴射器全体に所望の如く所定の燃料流れパターンを発生させることができる点に注意されたい。この特徴は、本願の一部として引用する、本出願人へ譲渡された米国特許出願（発明の名称："Compressed Natural Gas Fuel Injector Having Gaseous Dampening for Armature Needle Assembly During Opening"；弁護士事件番号第９９Ｐ７６１０ＵＳ号）に記載されている。
【００２９】
また、弁本体３４に対角線方向の燃料流路６６が存在するため、破片や汚染物質が上方の弁案内手段３６の領域に捕捉されて上方の案内手段３６とアーマチャ１４との間に摩耗が生じ案内動作が間歇的になるという従来型噴射器の問題点が解消されることに注意されたい。従って、弁本体３４に対角線方向の開口６６を設けると、上方案内手段３６の周りの領域を通過するＣＮＧの流れが促進され、上方案内手段３６の領域に汚染物質が捕捉される傾向がなくなる。
【００３０】
図７及び８を図１乃至３と共に参照すると、これらの図は、入口コネクタ１８の下端部と入口コネクタ１８の最下方の表面の別の例を示す。この実施例の入口コネクタ１８は、前の実施例と同様、最下方の端部上に弓状に面取りした表面５２を有する。図８に示すように、入口コネクタ１８の最下方の表面は同心円７０と７２の間の表面領域６７を有する。入口コネクタとアーマチャの接触領域は、図３及び４の実施例のように、減少していないが、噴射器の動作は従来技術の噴射器と比較すると改善される。従って、図７及び８に示す別の実施例による図示の噴射器は、ＣＮＧを用いる従来技術の噴射器と比べて実質的に改善された動作特性を有する。
【００３１】
図９及び１０を図１乃至３と共に参照すると、これらの図は、ＣＮＧ用の弁組立体と共に用いるアーマチャの別の構成例を示す。図９のアーマチャ組立体７３は、下方部分に対角線方向に向いた比較的大きな燃料流路７４を有するが、図５のアーマチャにある水平方向の燃料開口６０は存在しない。さらに、図１０に示す弁本体７６は中央の燃料流路７５があるが、図６の実施例の対角線方向の燃料流路６６は存在せず、図９及び１０に示すように、燃料流７１は対角線方向の開口７４から出て弁組立体７６内に入る。
【００３２】
図７乃至１０に示す入口コネクタ及びアーマチャの組み合わせにより形成されるＣＮＧ燃料の流路は、従来技術の構造を顕著に改良したものである。しかしながら、図３乃至６に示すアーマチャ及び弁組立体の方が好ましい。図７乃至１０に示す改良型構造は満足な動作を行い、使用される特定に環境に応じて好ましい実施例と考えられる場合があることに注意されたい。例えば、ある特定の噴射器では、寸法及び隙間を考慮することにより、図３−６の実施例でなくて図７−１０の実施例を用いる方が好ましい流れパターンを発生させる。
【００３３】
図１１及び１２を図１−３と共に参照して、これらは、本発明の改良型アーマチャ、本発明の改良型弁本体、及び開示した構造に組み込まれた改良型の弁ニードルの拡大立面図である。特に、アーマチャ１４は側部の燃料開口６０を有し、弁本体３４は対角線方向のＣＮＧ燃料流路を構成する開口６６を有する。アーマチャ１４には、７８において公知のクリンピング法により改良型弁ニードル１６が固着されている。
【００３４】
本発明の燃料噴射器の改良型弁部品は、改良型ニードル１６を組み込むものとして図１、１１及び１２に示す。燃料噴射器の動作時、アーマチャ１４はコイル３０の付勢または脱勢に応じて上方または下方に移動することにより、弁ニードル１６と弁座４０を交互に開閉する。ＣＮＧ燃料が開口４１を通過できるようにニードルが上方移動されると、燃料流がニードル先端部１７を通過して開口４１に流入し、エンジン吸気マニホルドの方へ流れる。
【００３５】
外側表面が連続した円筒状の従来型の細長いニードルを備えた従来型液体燃料噴射装置では、ニードルは幾つかの問題点及び短所を有する。ＣＮＧシステムに使用する場合、従来型ニードルに固有の問題は、特に液体環境でなくて気体環境における変動により増幅される。従って、本発明は、液体燃料及び気体燃料タイプを含む燃料噴射装置の動作特性を改善する新規な弁ニードルを使用する。
【００３６】
従来型弁ニードルが燃料噴射器の弁座に係合すると、従来型ニードルとの衝突による力がエンジンコンパートメント内に音を発生させ、この音が機械的な問題の存在を示すものとしてまたはエンジンからの耳障りで問題のある雑音として一般的に知覚されることが知られている。弁部品の質量に加速度を乗算した値に等しいこの衝撃力は、一般的に、ニードルが閉弁位置の方へ移動して弁座と係合する際ニードルの比較的実質的な速度により発生する。従って、本発明の噴射装置の一部を形成するニードル１６は、従来型ニードルの問題点を解消する構造を有する。このニードルは本発明におけるような気体燃料噴射装置に用いると性能を改善することが判明しているが、液体燃料噴射装置の性能を改善することもわかっている。
【００３７】
図１１に示す改良型ニードルを用いる場合、ニードルの弁端部に十分な半径方向密封部分１９を提供して、弁ニードル１６と弁座４０の間の接触面積を最大限にすることが望ましいことがわかっている。例えば、ニードル先端部の半径が大きければ大きい程、ニードルと弁座４０の間に良好な密封状態が得られる。好ましくは、ニードル１６の球形密封部分１９の半径は約１．７５ｍｍのオーダー、あるいは従来型構造の対応密封表面の半径の約１．５倍である。しかしながら、本願で延べた従来型噴射器において一般的に知られているニードルは上端部から下端部にかけて連続する円筒状の外側表面を有するため、比較的大きな密封表面を得るためには比較的大きな断面積が必要である。図１１に示す本発明のニードル１６は図示のような低質量であるが、比較的大きな球形密封表面を有する。
【００３８】
さらに詳しく説明すると、ニードルの質量は、ニードルのシャフト２１の断面寸法を減少し、図示のように、ニードルのシャフトよりも先端部１７を大きい断面にすれば、実質的に減少する。この形状は、ニードルの質量を事実上減少させると共に先端部１７の球形表面１７ｂに比較的大きな密封直径部分を提供することにより、ニードルの先端又は自由端部に弁座４０と係合する比較的十分な半径を与える。ニードルの比較的小さい質量及び先端部１７の比較的大きな半径は、所与の流量のＣＮＧに対してニードルに十分な球形密封表面１９を与えることが分かっている。半径が十分であるためニードル１６の移動距離が短くなり、それにより弁座に関するニードルの衝撃速度が減少する。所定の流量では、この形状が、ニードル１６と弁座４０の衝撃により生じる雑音を顕著に減少させることが分かっている。さらに、明らかな雑音の減衰は、雑音の振幅がニードル１６の上方移動距離の減少により減少し、先端部１７の衝撃半径が大きいため雑音周波数が人間の耳が知覚する音声スペクトル中、問題の少ない領域の方へ減少する結果生じる。
【００３９】
本発明の改良型ニードルは、雑音を減少させるだけでなく、ニードルの平均直径に対して案内表面が大きいため、図１１に示す下方案内手段８０の案内表面の耐摩耗性が改善される。案内表面の耐摩耗性の改善は、従来型ニードルと共用する従来型弁案内手段の直径と比べて荷重が減少することによる。例えば、典型的な従来型ニードルの実質的に連続する円筒状シャフトは、その直径が図１１に示す改良型ニードルのシャフトの２倍である端部で終端する。一方、図１１に示すニードルの先端部１７は、ニードル１６のシャフト１９の直径よりも最大約５０％大きい直径を持つため、従来型ニードルよりも大きな直径を有し、このため下方案内手段８０の案内表面の直径及び表面積を従来型ニードルよりも大きくすることができる。このため、従来の弁案内手段の直径と比べて荷重が小さいため案内表面の耐摩耗性が改善される。本願において開示したニードルの重要な特徴は、本願の一部として引用する、本出願人へ譲渡された米国特許出願（発明の名称："Compressed Natural Gas Injector Having Improved Low Noise Valve Needle"；弁護士事件番号第９８Ｐ７６７８ＵＳ号）に記載されている。
【００４０】
図１３は、改良型ニードル１６と漏斗状の弁ニードル着座部４２との間の好ましい寸法関係を詳細に示す。図１に関連して説明したように、ニードル１６は、中央シャフト部分と、ニードル着座部４０の円錐台状表面４２と係合する下方の球形表面１７ｂを有する円筒状のニードル先端部１７とを備えている。ニードルは、図１に示すように、アーマチャ１６を案内する上方案内部材３６と、図１３及び１４に示すように、ニードル先端部１７を案内する下方案内部材８０とにより案内される。上方案内部材３６は、案内表面とアーマチャ１４との間に空間３６ａを与えてアーマチャとニードルが上下動できるようにするために本質的に必要である。従って、アーマチャ１４とニードル１６とは、直径方向で約０．１０乃至約０．１５ｍｍ、好ましくは約０．１３ｍｍの空間３６ａ内で上方案内部材３６のところで左右にシフトする傾向がある。
【００４１】
図１３を参照して、円錐台状のニードル着座部４２上にニードル１６を正確に着座させ密封を確実に行なうためには、ニードル先端部１７の球形密封表面１７ｂの中心を、図示のように、下方案内部材８０の最下方の表面の中心に位置決めすると有利であることがわかっている。さらに詳細には、先端部１７の球形密封表面１７ｂの中心１７ｃをこのように位置決めすると、上方案内部材３６内におけるアーマチャ１６の運動により、下方案内部材８０はニードル先端部１７の側方運動に制約を与える傾向があり、ニードル先端部１７が３６０°に亘って回転転できる事実上の節点となる。従って、アーマチャ１４及び上方案内部材３６のレベルで生じるニードルの任意の側方運動は、ニードルを中心点１７ｃを中心として枢動させ、ニードル着座部４０上における密封表面１７ｂの自己密封性を改善させる。この自己密封性の特徴は、上方案内部材３６とニードル１６の間に不整列または製造上公差が増加した場合に役に立つ。
【００４２】
上述したように、本発明のニードル１６はガソリンのような液体燃料を用いる噴射器だけでなく、本願発明のようなＣＮＧを用いる噴射器に利用すると有利である。さらに詳しく説明すると、液体燃料を用いる噴射器では、弁ニードルの運動は、弁の拡張された密封表面に亘り流体が排除されるため、また閉弁時に弁ニードルが弁座から跳ね上がる際弁ニードルにより生じる衝撃力及び制御不能の二次噴射を弁座がさらに減少させるため、減衰される。液体燃料用のかかる噴射器では、弁が跳ね上がると、ニードルが閉鎖動作を開始した後、燃料が低体積／低速度の液滴状になる。弁の跳ね上がりを減衰させると、開口４１へ送入される小体積／小速度の燃料が最小限に抑えられる。従って、ニードルの跳ね上がりを減衰させると、オリフィス、及び液体燃料を用いる場合表面張力により燃料の液滴を広範囲に懸濁させる傾向のある周囲領域へ送られる小体積／低速度の燃料が最小限に抑えられるため、噴射器の動作が改善される。弁の跳ね上がりの減衰は、気体ＣＮＧを用いる本発明の噴射器にとっても有利なことがわかっている。
【００４３】
図１４を図１１を共に参照すると、図示の弁ニードルの下方案内部材８０はディスク状部材であり、その弓状の燃料流路８２は円形パターンに沿う複数の円形開口を用いる従来型弁案内部材と比較すると、気体ＣＮＧをより効率的且つ効果的に差し向けることができる。これらの開口８２は、従来型の円形開口よりも大きく、流れパターンを幾つかの弓状流路にすることにより燃料流の方向付け及び制御をより効率的に行うことができる。
【００４４】
図１２を参照して、図示の改良型アーマチャ１４は、公知のクリンピング法により７８のところでクリンピングした弁ニードル１６を有する。しかしながら、弁本体３４は、アーマチャ１４及びニードル１６の拡大図で明示するために、省略されている。図１２において、ニードル１６は主要シャフト部分２１と拡大先端部１７とを有し、先端部の拡大した球形弁密封表面１７ｂは、図１３に関連して述べたように、弁ニードル着座部４２の着座領域４２と係合したり離脱したりする。
【００４５】
再び図１１を参照して、噴射器１０は燃料を円柱状にする噴射手段８４を有するが、この手段は浅い漏斗状部分８６がほぼ管状の円柱状化部分８８につながったものである。弁開口４１を通過する気体燃料は、漏斗状部分８６を通過した後円柱状になり、円柱状化部分８８において定常状態のガス流となる。この燃料円柱状化手段８８は、混合物の品質を改善し、燃料吐出時間を減少させ、吐出される燃料を１つの方向または多数の方向にするのを可能にし、気体燃料の流れが目標に向けられるようにする。ガス流の吐出角度が狭いため、周りの作動流体（ほとんど空気）を同伴して、有用な乱流エネルギーをポート及び吸気弁を介して燃焼室内に送り込まれる空気／燃料混合物に付与するため、シリンダー内の空気／燃料混合物の勾配を減少することができる。この特徴はエンジンのミスファイヤを減少させ、排気ガスを改善することがわかっており、本願の一部として引用する、本出願人へ譲渡された米国特許出願（発明の名称："Compressed Injector With Columnated Jet Orifice and or Flow Directing Device"；弁護士事件番号第９９Ｐ７６１１ＵＳ号）に記載されている。
【００４６】
本発明の噴射器は、上述したように、ＣＮＧの流れパターンを改善し、弁ニードルの動作及びその運動に対する制御性を改善し、噴射器の一部として組み込まれたニードル弁の密封特性を改善することによって、動作特性を向上させることがわかっている。上述したように、弁開閉時における雑音特性及びニードルの減衰特性が本発明により著しく改善される結果、図示説明した噴射器は圧縮天然ガス（ＣＮＧ）燃料用として顕著な改良が施されていることがわかる。
【００４７】
本発明を特にＣＮＧ燃料用として説明したが、開示した構造には汚染物質に対する許容性があるため、液体または気体燃料、特に汚染度が比較的高い燃料にも使用可能なことが明らかである。
【００４８】
本発明を図示説明した好ましい実施例について詳細に説明したが、頭書の特許請求の範囲に記載される本発明の範囲及び精神から逸脱することなく、種々の変形例及び設計変更が可能であることがわかるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、本発明により構成したＣＮＧ噴射器の好ましい実施例の部分断面立面図である。
【図２】    図２は、図１の噴射器の下方部分の拡大立面断面図であり、本発明の一部を形成する改良型アーマチャとニードルとを示す。
【図３】  図３は、図１に示す噴射器の燃料入口コネクタの下端部の部分立面断面図である。
【図４】  図４は、図１に示す好ましい燃料入口コネクタの底面の平面図である。
【図５】  図５は、図１に示すアーマチャの好ましい実施例の立面断面図であり、この構成により得られる改良型燃料流路を示す。
【図６】  図６は、図１に示す弁本体上部の好ましい実施例の立面断面図である。
【図７】  図７は、図３に示す燃料入口コネクタの下部の別の実施例の部分立面断面図である。
【図８】  図８は、図７に示す燃料入口コネクタの底面の平面図である。
【図９】  図９は、図５に示すアーマチャの別の実施例の立面断面図である。
【図１０】  図１０は、図６に示す弁本体上部の別の実施例の立面断面図である。
【図１１】  図１１は、図５に示すアーマチャの拡大立面図並びに図６に示す弁本
体の断面図であり、改良型弁ニードルと燃料円柱状化噴射装置を示す。
【図１２】  図１２は、図５に示すアーマチャと、図１１に示す改良型弁ニードルの部分断面拡大立面図である。
【図１３】  図１３は、図１及び１１に示す拡大弁座上に位置する弁ニードルの密封先端部の拡大断面図であり、ニードル先端部、拡大弁座及びニードル
下方案内部材の好ましい寸法関係を示す。
【図１４】  図１４は、図１１の線１４−１４に沿う断面図であり、弓状の燃料開口を有する好ましい弁ニードルの下方案内部材を示す。
【図１】
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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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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