JP2004511717A

JP2004511717A - 燃料噴射構成体

Info

Publication number: JP2004511717A
Application number: JP2002536202A
Authority: JP
Inventors: ダイ、アンソニー、オズボーン; スコフィールド、マーク; ハーカー、レイチェル、ペイシェンス、グローヴス; モールサー、ハロルド
Original assignee: シオン　スプレイズ　リミテッド
Priority date: 2000-10-19
Filing date: 2001-10-18
Publication date: 2004-04-15
Also published as: US20040149256A1; WO2002033245A1; DE60131871D1; EP1327067A1; EP1327067B1; ATE380935T1; GB0025668D0; US7198208B2; AU2001294069A1

Abstract

【課題】燃焼室の最適配置において、内燃機関の運転に必要な種々の要素の好適配置を許す燃料噴射構成体を提供すること。
【解決手段】燃料噴射構成体は、内燃機関に装着する主構造体（１０１）からなる。主構造体は、燃料を内燃機関の燃焼室に直接に噴射する１またはそれを超えるオリフィス（１１５）を有する。主構造体はまた燃料粒子を帯電させて噴霧を改善するように燃料の流れを通過する電界を発生するために定置された荷電電極（１０５、１１８）を装着している。主構造体は、内燃機関に燃料点火火花を発生させるのに適した火花電極（１０４）を装着している。燃料噴射構成体の主構造体は、従来の点火プラグを受けるのに常態で適した内燃機関のネジ穴と協同するネジ部分（１０２）を着脱自在に装着している。
【選択図】図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料噴射構成体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、ＵＳ−Ａ−５，２３４，１７０号に開示されているように、噴射器から内燃機関のシリンダに燃料の微細分割噴霧を達成する手段（荷電噴射過程として知られている）を設けることが知られている。その手段は、燃料噴射器の送出オリフィスのいずれかの側に設けられた１対の電極からなる。これらの電極は、燃料の流れがオリフィスを通過するさいに、燃料の流れに高電圧低電流電荷を供給する。これは、静電電荷が存在しないときの挙動と比較したとき、燃料の流れがオリフィスを去るさいに燃料の流れに相当の変化をもたらす。静電電荷が存在しないとき、集中燃料流れが、副流および最終的には小滴に破壊し始めるまでに、噴射器からある距離をつくる。静電電荷は燃料流れをオリフィス付近で破壊させ、小滴を形成し、その小滴が帯電され、互いに反発して急速に拡散し、シリンダの限られた容積内に広く延びるミストまたはエアゾールを形成することがわかった。また、燃料流れの非常に向上されたこの過程は、直接噴射燃料噴射器に従来使用されていたものと比較したとき、非常に低下された送出圧で有効に起こることがわかった。
【０００３】
ＤＥ−Ａ−１９６２９１７１号においては、内燃機関のシリンダ・ヘッドにおいて燃料噴霧装置と点火プラグの公知の併設を開示している。点火装置は、燃焼室における燃料雲を発生するシステムと、燃焼室に突出する点火プラグとを有している。燃料雲発生装置は、燃料雲の荷電のためのイオン化電極を含む。点火プラグは、アース電極を有していない。燃料雲発生装置は、噴射弁を有するか、または気化器であってもよい。燃料雲を帯電する装置は、レーザを有していてもよい。点火プラグおよび荷電装置は、内燃機関のシリンダ・ヘッドにおいて別々に装着される。
【０００４】
近年、新種の火花点火ガソリン燃料内燃機関（ガソリン直接噴射（ＧＤＩ）エンジンとして知られている）が開発されてきた。これらのエンジンは、ガソリン燃料を、噴射器をかいしてシリンダに直接噴射させることによって特徴付けられている。噴射器の送出オリフィスは、燃焼室に配置される。このようなエンジンにおいては、吸気および圧縮ストロークの期間中、または２ストロークＧＤＩバージョンの場合、圧縮位相のみの期間中、燃料は１パルスにつきまたは多数パルスにつきすべて送出される。すべての場合、空気／燃料混合物がシリンダから外部に準備される従来型の火花点火ガソリン・エンジンにおける状況におけるよりも燃料の完全噴霧が起こる時間が少ない。したがって、噴霧器を最も好適位置に配置すること、ならびに、燃料をシリンダに直接送出するように要求されている制約内での可能な燃料の最速気化を達成するように最も有効に噴霧パターンを使うことが、ＧＤＩエンジンの特徴である。このことは、噴射器ノズルのための最適配置が燃焼室内中央であることを意味する。これは、また点火プラグの最適配置でもある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、燃焼室の最適配置において、内燃機関の運転に必要な種々の要素の好適配置を許す燃料噴射構成体を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、燃料噴射構成体は内燃機関に装着する主構造体からなる。主構造体は、燃料を内燃機関の燃焼室に直接に噴射する一連のオリフィスを有する。主構造体はまた燃料粒子を帯電させて噴霧を改善するように燃料の流れを通過する電界を発生するために定置された荷電電極を装着している。主構造体は内燃機関用燃料点火火花を発生する火花電極を装着している。
【０００７】
好ましくは、主構造体は内燃機関の燃焼室に突出するように内燃機関に着脱自在に装着される。都合のよいことには、主構造体は、従来の点火プラグを受けるのに適した内燃機関のネジ穴と協同するネジ部分を有している。また都合のよいことには、主構造体は、絶縁材料からなる内側部分と、内燃機関の主ケーシングに固定されるのに適した導電材料からなる外側部分とを有している。
【０００８】
常態では、本発明の実施例において、主構造体は、それが内燃機関に装着されたとき、燃焼室の内部と連通する状態で定置される内部領域と、主構造体が内燃機関に装着されたとき、燃焼室に至るまで外部にある外部領域とを有している。都合のよいことには、燃料噴射構成体は、主構造体を通り、主構造体の外部領域に定置された燃料供給口から主構造体の内部領域に定置された燃料噴射オリフィスまで延びる燃料供給通路を含む。
【０００９】
前記電極が内部領域において主構造体から露出され、かつ、主構造体の外部領域において主構造体をかいして電気コネクタに接続されていることが都合よく構成されている。都合のよいことには、火花電極が内部領域において主構造体から露出され、かつ、火花電極が主構造体を通りその外部領域において電気コネクタ手段まで延び、高電圧導線に接続されるようになっている。
【００１０】
特に好適な一形態においては、火花電極が荷電電極の第１のものに電気的に接続されている。好ましくは、火花電極が主構造体内に定置された接続部によって第１荷電電極に接続されている。本発明による特に好ましい一形態においては、燃料噴射構成体が火花電極および第２荷電電極に対して可変電位差を供給するように構成された電圧供給ユニットを含む。その電圧供給ユニットは、第１荷電電極と第２荷電電極との間の電位差を燃料噴霧のために第１の一定値に維持し、かつ、点火火花の発生を避けるのに十分に小さい第１予定値と点火火花を発生させるのに十分に大きい第２予定値との間で変化する火花電極における電位差を発生するように内燃機関の点火サイクル期間中供給電位差を変えるように構成されている。
【００１１】
本発明による好適構成においては、火花電極は一次火花電極である。内燃機関に対して燃料点火火花を発生するように一次火花電極から離間された少なくとも１つの二次火花電極が主構造体に設けられる。荷電電極は、燃料噴射構成体の燃料流路を横切って離間された少なくとも１つの一次荷電電極と、少なくとも１つの二次荷電電極とからなる。１またはそれを超える火花電極が設けられてもよいが、単独の火花電極でも十分であることは、理解されるであろう。
【００１２】
好ましくは、一次荷電電極と、関連した二次荷電電極との間隔が、２５ミクロンから５００ミクロンまで、最も好ましくは、１２５ミクロンから２００ミクロンまでの範囲にある距離である。一好適形態においては、その間隔は１５０ミクロンである。
【００１３】
都合のよいことには、一次火花電極は、主構造体に装着された点火源コネクタに電気的に接続され、かつ、内燃機関に対して燃料点火火花を発生させるように点火電位差源に接続されるのに適している。都合のよいことには、点火源コネクタは、従来の火花プラグに見られるように従来の高電圧端子からなる。また、都合のよいことには、少なくとも１つの二次火花電極が内燃機関のケーシングに接地されるのに適した主構造体のアース部分に接続されている。
【００１４】
本発明の一形態においては、少なくとも１つの二次荷電電極が内燃機関のケーシングに接地されるのに適した主構造体のアース部分に接続される。少なくとも１つの一次荷電電極が主構造体に装着された荷電源コネクタに接続されかつ燃料噴霧を発生する電位差源に接続されるのに適するように構成される。しかし、この形態は、好ましくない。本発明にもとづく好適形態においては、少なくとも１つの一次荷電電極が一次火花電極に電気的に接続さる。少なくとも１つの二次荷電電極が主構造体に装着された荷電源コネクタに接続され、かつ、燃料噴霧を発生する電位差源に接続されるのに適している。好ましくは、少なくとも１つの一次荷電電極が、主構造体内に定置された接続部によって、一次火花電極に接続される。
【００１５】
一次火花電極は、内燃機関に対して燃料点火火花を発生するように点火電位差源に電気的に接続され、また、少なくとも１つの二次荷電電極が内燃機関のケーシングに接地されるのに適した主構造体のアース部分に接続されることが都合よく構成されている。本発明にもとづく特に好適な形態においては、燃料噴射構成体が一次火花電極および二次荷電電極に対して可変電位差を供給するように構成された電圧供給ユニットを含む。その電圧供給ユニットは、一次荷電電極と二次荷電電極との間の電位差を燃料噴霧のために第１の一定値に維持しかつ点火火花の発生を避けるのに十分に小さい第１予定値と点火火花を発生させるのに十分に大きい第２予定値との間で変化する火花電極における電位差を発生するように内燃機関の点火サイクル期間中供給電位差を変えるように構成されている。
【００１６】
好ましくは、第１予定値が２―１４ｋＶの範囲内にあり、最も好ましくは５―８ｋＶの範囲内にある。好ましくは、第２予定値が１０―５０ｋＶの範囲内にあり、最も好ましくは３５―４５ｋＶの範囲内にある。
【００１７】
特に好ましい形態においては、主構造体はその中心軸のまわりに定置された環状分配周回通路を含む。環状分配周回通路に対向する環状縁を設けた少なくとも１つの一次荷電電極および少なくとも１つの二次荷電電極が壁の面上にある前記環状分配周回通路のまわりに環状形状状態で定置されている。好ましくは、噴射オリフィスが環状分配周囲通路から外方に向けられている。
【００１８】
一次火花電極が主構造体の中心縦軸にそって配置されていることが好ましい。都合のよいことには、一次火花電極は、主縦軸のまわりに配分された複数の二次火花電極と協同して内燃機関の点火火花を発生する。
【００１９】
火花電極と荷電電極に接続する導体との間で燃料噴射構成体の主構造体において漏電し難くなることもある。これを避けるために、主構造体は、火花電極と荷電電極に接続する導電体との間に延びる静電遮蔽部材を主構造体の内部に有することが好ましい。
【００２０】
本発明にもとづく特徴が内燃機関についてここでは述べられてきたが、これらの特徴は内燃機関に燃料を噴射しかつ点火する方法およびその逆の方法にもとづいて設けられてもよいことを理解されたい。特に、本発明にもとづいて、内燃機関に燃料を噴射しかつ点火する方法が提供される。その方法は、燃料を内燃機関に装着された燃料噴射構成体の主構造体に定置された一連のオリフィスをかいして内燃機関の燃焼室に直接噴射すること、燃料粒子を帯電させて噴霧を改善するために燃料の流れを通過する電界を発生させるように主構造体に装着定置された荷電電極間に電位差を供給すること、内燃機関に対して燃料点火火花を発生するように同じ主構造体に装着された火花電極にパルス化電位差を供給することからなる。
【００２１】
本発明にもとづく方法の好適形態においては、火花電極が荷電電極の第１のものに電気的に接続されている。その方法は、火花電極および荷電電極の第２のものに可変電位差を供給すること、第１荷電電極と第２荷電電極との間の電位差を燃料噴霧のために第１の一定値に維持するように、かつ、点火火花の発生を避けるのに十分に小さい第１予定値と点火火花を発生するのに十分に大きい第２予定値との間で変化する火花電極における電位差を発生するように内燃機関の点火サイクル期間中に供給される電位差を変えることからなる。
【００２２】
本発明の実施例は、従来の点火プラグとしても作用する単独のユニット内にカプセル化された荷電噴射過程の向上された噴霧および気化能力の適用をも提供することもできる。このようにして、噴霧を伴う燃料送出および火花点火の２つの機能が、これら機能に対して最も好適である燃焼室内に配置された標準点火プラグ・オリフィスにねじ込まれることができる単独のユニットから実行されうる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１に断面で示す第１実施例は、主構造体１Ａによって構成された火花点火および燃料噴霧装置からなる。内側絶縁部分６は、標準点火プラグ・ネジ２および六角形周囲３が燃焼室（図示せず）に設けられた点火プラグ穴にねじ込まれるようにする金属外側ケーシング１に収容される。一次火花電極からなる火花電極４および一次荷電電極からなる円筒形静電放電電極５が、外側ケーシング１に収容された大部分の空間を満たす主セラミック絶縁体６内に同心状に支持される。
【００２４】
火花電極４は、約４０ｋＶの容量をもつ従来のＨＴ（高電圧）点火導線に外部から接続される。装置の内側先端において、火花電極４は装置の着脱自在二重機能キャップ８を形成するセラミック絶縁材料によって保護される。小さい数（好ましくは、３以下）のアース電極延長部９は、装置の内端のまわりに均等に離間され、二次火花電極を構成する。各火花ギャップ１０は最初に等しい長さに設定される。これは、火花電極に装置の寿命中ほぼ一定に留まろうとする長さを与える。なぜならば、火花がアース電極延長部９の１つのみをかいして恒久的に生じる傾向が、その火花ギャップの増加をもたらす電極の腐食を生じるからである。これは、抵抗が与えかつその他のアース電極延長部９によって与えられる別のアース路の一方または他方を選ぶアース路に対する抵抗の結果的増加をもたらす。
【００２５】
ガソリン燃料供給源１１は、製造のファイアリング段階前にセラミック絶縁体６を通して形成された心穴１３につながる金属ニップル１２をかいして装置に接続される。心穴１３は、二重機能キャップ８の環状配分周回通路１４に燃料を導入する。多数のオリフィス１５は、環状配分周回通路１４の外壁１６に穴をあけたものである。オリフィス１５の位置は、それらが送給期間中に上昇させる燃料流れが、アース電極延長部９間を通過するように決められる。一次荷電電極５の環状活性縁１７に関連したオリフィス１５の配置が、図１のａに詳細に示されている。オリフィス１５は、燃料がシリンダ内の広い領域を通り下方にピストンに向かって分配されるように、円弧状に配置される。環状配分周回通路１４の内外面は、厳密に制限された公差内で一次荷電電極５の活性縁１７と同心である。環状配分周回通路１４は、分子結合をかいしてセラミック表面に恒久的に取り付けられた導電性金属被膜１８で被覆される。この金属被膜１８は、外側ケーシング１のネジ部の端まで延び、静電電荷のためのアース帰還を与える。金属被膜１８は、一次荷電電極５と共に、燃料の噴霧を発生する静電放電を発生する二次荷電電極を構成する。
【００２６】
静電放電は、導体１９を通り、セラミック絶縁体６をかいして発信器（図示せず）から荷電電極５に送出される１０ｋＶ程度の導線２０にそって電気パルス励振によって荷電電極５の活性縁１７からなされる。導線２０は、従来の電気端子の形体の電気コネクタ２０Ａにおいて導体１９に接続される。一般に、荷電電極５、１８の構成および動作は、ＵＳ−Ａ−５，２３４，１７０号に記載されている。荷電電極５は、セラミック絶縁体６内に配置された約２５ミクロン厚の銅のストリップからなる静電遮蔽部材２１によって、セラミック絶縁体を通る漏れの結果として生じることがある不用意な励振から保護される。静電遮蔽部材２１は、荷電電極５の頂部付近の位置から、ＨＴ点火電圧漏れのそれ以上の危険を与えないように火花電極４から導体１９が隔てられているセラミック絶縁体６の上部のある点まで延びている。静電遮蔽部材２１の上端は、アース導線２２および外部コネクタ２２Ａをかいして都合よくアース点まで接続されている。
【００２７】
装置の動作中、燃料は送出装置（図示せず）から供給される。送出装置は、標準形式の計量制御器（図示せず）をかいして２−１０バールの範囲内の圧力で燃料供給標準手段を組み込んでいる。計量制御器は、機器が装着される格別の機関によって要求される燃料規定にもとづく動作可変期間を与える制御の電子手段をもつソレノイド制御弁によって典型的に動作される。荷電電極５からの荷電送出の開始または終了をするために励振パルスのスイッチングは、好ましくは圧力変換器（図示せず）からのセンサ信号をかいして電子的に制御されうる。圧力変換器は、機器を通る燃料流れを生じるように燃料送出供給源１１に十分な圧力の存在を検出することができる。このようにして、静電電荷送出は、燃料の流れがオリフィス１５をかいして設立されたときにのみ起こる。他のすべての時間においては、荷電電極５からの放電のファイアリングは、静電遮蔽部材２１によって保護される。このようにして、ＨＴ活性の結果としての燃焼の開始をする任意の不用意な火花が有効に防止される。
【００２８】
図２は、静電遮蔽部材２１が導体１９のまわりの螺旋状アース遮蔽として形成された本発明のさらに好適実施例を示す。これは、ＨＴ活性源からの漏れの危険性が存在する導体長さの相当な部分にわたって延びている。螺旋静電遮蔽部材２１は、荷電電極５および導体１９からの十分な絶縁距離を維持しながら、ＨＴ漏れからの保護を与えるように螺旋静電遮蔽部材２１が連続する、導体１９の下端付近の点まで延びている。
【００２９】
図３、図４のａ、図４のｂは、図１に示す実施例の変更例を組み入れた本発明にもとづく好適実施例をさらに示す。図３に示す構成要素が図１に示す構成要素にほぼ対応する場合、同様な参照番号で表示されるが、１００番台を基本にして表示される。図３は寸法通りに描かれてはいないことに特に注意されたい。円筒形要素の直径は、燃料噴射構成体の軸方向要素に比べて、約２．５倍に誇張されている。
【００３０】
まず、図３を参照すれば、本発明を実施する燃料噴射構成体は、上方構造体１０１Ｂと下方キャップ１０８とからなる主構造体１０１Ａを有している。２つの要素はネジ結合１２３において使用のさいに一体に結合される。上方構造体１０１Ｂは、標準点火プラグ・ネジ１０２および六角形周囲１０３を有する金属製外側ケーシング１０１に収容された内側絶縁部分１０６を有する。六角形周囲１０３は、内燃機関のシリンダ・ヘッド壁１２４に設けられた点火プラグ穴に装置をねじ込まれるようにする。
【００３１】
主構造体１０１Ａは、燃料を燃焼室に直接に噴射するように下方キャップ１０８に設けた一連のオリフィス１１５を有する。主構造体１０１Ａは、噴霧を改善するようにオリフィス１１５を通過する燃料粒子を帯電させるために燃料の流れを通る電界を与えるように配置された一次荷電電極１０５および二次荷電電極１１８を装着している。主構造体１０１Ａは、内燃機関に対して燃料点火火花を与えるのに適した一次火花電極１０４および二次火花電極１０９を有する。
【００３２】
一次火花電極１０４は、従来の点火プラグに用いられる種類の従来の電気端子でもよい点火源コネクタ１０７Ａに主構造体１０１Ａをかいして内部から接続される。一次荷電電極１０５は、主構造体１０１Ａ内で一次火花電極１０４に内部から接続される。導体被膜からなる二次荷電電極１１８は、導体１１９によって主構造体１０１Ａをかいして従来の電気端子でもよい荷電源コネクタ１２０Ａに接続される。
【００３３】
二次火花電極１０９は、金属製ケーシング１０１に直接接続され、また、ネジ１２３によってシリンダ・ヘッド・ブロック１２４にケーシング１０１の接続部をかいしてアースに接続される。一次火花電極１０４と二次火花電極１０９との間の火花ギャップは、１１０で示される。一次火花電極１０４と導体１１９との間の漏れを防止するために、静電遮蔽部材１２１が設けられる。静電遮蔽部材１２１は、ピッグテール１２２として知られている電気接続部によってアースに接続される。
【００３４】
ガソリン燃料供給源は、製造のファイアリング段階前にセラミック絶縁体１０６を貫通して形成された心穴１１３を通る燃料送給ライン１１１にそって送給される。燃料供給穴１１３は、オリフィス１１５が環状配分周回通路１１４の外壁１１６を通り、外部に導く環状配分周回通路１１４に連通する。一次火花電極１０４および二次荷電電極１１８に対して要求された電位差は、端子１０７Ａに接続するＨＴ導線１０７にそいかつ端子１２０Ａに接続する導線１２０にそってそれぞれ設けられる。導線１０７および１２０は、後に詳述するように、電圧供給構成体１２５の出力端子１０７Ｂおよび１２０Ｂに接続される。
【００３５】
上方支持構造体１０１Ｂの要素とおよびキャップ１０８との間の要求された電気的接続は、キャップ１０８が上方構造体１０１Ｂにねじ込まれたとき、電気的接触をつくるスプリング金属ストリップによってなされる。一次火花電極１０４は、その上方端においてＵ字形スプリング・ストリップ１２６を有する。Ｕ字形スプリング・ストリップ１２６は、ＨＴ導体棒１０４Ｂとの良好な電気的接触をつくるように直接に上方に開くように偏倚される。ＨＴ導体棒１０４Ｂは、上方構造体１０１Ｂの内側絶縁部分１０６を貫通し、端子１０７Ａに接続する。同様に、スプリング・ストリップ１２７は、二次荷電電極を構成する金属層１１８の上方領域に固定される。上方構造体１０１Ｂおよびキャップ１０８が一体にねじ込まれたとき導体１１９を支持するように、スプリング・ストリップ１２７は、同様に上方に開いて偏倚されたＵ字形スプリング・ストリップである。環状配分周回通路１１４の漏れを防ぐシールを与えるように、シール・リング１２８が金属ケーシング１０１と環状配分周回通路１１４の壁の上端との間に設けられる。
【００３６】
２つの分離した部品から構成体を製造するさいに、相当の利点がある。上方支持構造体１０１Ｂは、高電圧電力を電極に運ぶ中央導体要素１０４Ｂからなる。中央導体要素１０４Ｂは、外側円筒壁１０１内に収容されたセラミック絶縁材料１０６によって包囲される。この壁は、別個のキャップ構成体１０８として形成された下方部分の取付けを可能にするように下端１２３において外部からねじ込まれる。燃料／空気混合物を燃焼室に送出する前に、燃焼室において燃料／空気混合物の火花点火および燃料の静電荷電のための電極を収容する。キャップは、電極１０５、１０４を正しい位置に支持するセラミック材料１１６、１０８Ａにつくられる。セラミック部分は、キャップの要素が上方構造体１０１Ｂに設けられたサービス（引込み線）に連通する位置にセラミック部分をねじ止めする内ネジ円筒形金属支持体１２９に取り付けられる。
【００３７】
図４のａは、噴射器／噴霧器の下方キャップ部１０８を燃焼室からみた底面図である。図４のａは、オリフィス１１５の２つのリングによって穴を開けられ、かつ、内ネジ金属円筒形外側部分１２９によって支持されたカップ状セラミック部分１０８Ａを示す。１８個のオリフィス１１５は、噴射された燃料ジェットが点火火花装置のためのアース電極１０９と干渉しないように均等に円周方向に離間して示されている。
【００３８】
図４のｂは、噴射器／噴霧器の上方主構造体を通るＢ―Ｂ線からみた断面図である。図４のｂは、セラミック絶縁材料１０６を示す。セラミック絶縁材料１０６は、外側金属円筒形壁１０１によって画定された大部分の容積を満たしかつ以下の要素を定位置に支持する。その要素は、特定の高電圧電力導体１０４Ｂ、静電遮蔽管１２１、分極電圧導体１１９、燃料送給ライン１１１である。
【００３９】
特定の高電圧電力導体１０４Ｂおよび静電遮蔽管１２１の位置は、軸対称であるが、分極電圧導体１１９および燃料送給穴１１３は正確に決定される必要はない。このようにして、燃料噴射構成体を製造する圧縮およびファイアリング位相期間中、後者の２つの要素は全体の燃料噴射構成体の効率を損なうことなく、わずかに動いてもよい。
【００４０】
上方主構造体１０１Ｂは、外壁１０１に設けられた第２外ネジ１０２をもつ。これは、下方キャップ部分１２９の外側の半径よりも大きくなければならない。このようにして、全構成体１０１Ａは、点火プラグに対して火花点火エンジンのシリンダ・ヘッドに広く設けられたネジ切りオリフィスにねじ込まれてもよい。
【００４１】
二次荷電電極１１８について検討してみると、上方構造体１０１Ｂの分極電圧導体１１９に接続する下方セラミック・キャップ１０８上の金属被覆導体１１８が、セラミック・キャップの内面のみに接続される。そこでは、セラミック・キャップは静電イオン化装置のための二次電極を形成する。イオン化電力供給電極１０５と二次電極１１８との間のギャップは、一次電極の先端１１７とセラミック壁１１６の内面１１８との間のギャップとして、明らかに見みられる。このギャップは、すべてのオリフィスとほぼ等しくなければならない。
【００４２】
図１と比べて、図３に示す主な変更は、燃料噴霧要素および点火火花発生要素が共通の電極を担っていることである。追加の二次電極１１８は燃料噴霧要素として設けられ、他方、火花点火のための二次電極１０９は燃料噴射構成体の外側ケーシング１０１からの突出部１０９の形体で図１に示されているようにそのまま残っている。このようにして、それはアース電極を与える。
【００４３】
典型的な火花点火エンジンのエンジン・サイクルにおける特定点において、ピストンがまさにＴＤＣ（上死点）に達したとき、点火プラグが作動されることは広く理解されている。約±４０ｋＶ（個々の装置で決まる１０ｋＶから５０ｋＶまでの範囲）の電位差が、点火プラグとそのアース・ケーシングとの間に付加される。これは、エンジン・シリンダにおいて可視電弧または火花の形体で燃料の点火を生じる燃料空気混合物に電気的絶縁破壊を起こす。このようにして、エンジン・サイクルにわたって、従来の点火プラグ電極は０（ゼロ）Ｖに維持され次いで点火点において約±４０ｋＶまでパルス化され、そして火花荷電後０Ｖに戻る。二次電極は、点火プラグのアース・ケーシングからなり、それは常に０Ｖに維持されている。
【００４４】
図３に示す装置においては、単独共通装置１０４および１０５は、エンジン・サイクルの大部分にわたって−７ｋＶに維持され、点火点において−４０ｋＶにパルス化され、火花荷電が起きた後に−７ｋＶまで戻る。金属外側ケーシング１０１に接続された火花点火用二次電極１０９は、サイクル中アースに維持される。火花電極１０４、１０９にまたがる７ｋＶ電位の印加は点火プラグの性能を損なわず、火花を十分に発生させる。
【００４５】
また、提案された装置においては、約７ｋＶ（２ｋＶから１４ｋＶの範囲において）の電位差は、共有電極装置１０４、１０５と二次噴霧電極１１８との間に常に維持される。共有電極装置１０４、１０５は二次噴霧電極１１８に関して負または正電位に維持されるが、好ましくは負電位に維持される。７ｋＶ電位は、二次噴霧電極１１８間を通過する燃料を帯電させる電極１０５の鋭い縁１１７からコロナ放電を発生させる。
【００４６】
共有電極装置１０４、１０５は、エンジン・サイクル中の特定点にもとづいて−７ｋＶと−４０ｋＶとの間で変化する。噴霧電極１０５、１１８間で７ｋＶの電位差を維持するために、二次噴霧電極１１８の電圧は変化され、０ｋＶと−３３ｋＶとの間で変化して共有電極装置１０４、１０５と同期される。燃料の効果的燃焼を達成するように要求された調時をされて−４０ｋＶパルスを発生する電子制御ユニットが１２５で示されている。ユニット１２５は、二次回路に多数の巻線を有するコイルを用いて電流火花点火に広く用いられたものに本質的に共通している。−７ｋＶの電位差を常に発生するための手段が、図６に示される。図６は、２つの高電圧電位源間、すなわち点火火花用エネルギ供給源１３０と噴霧エネルギ供給源１３１との間にある連鎖ブリッジ１３９を示す。連鎖ブリッジ１３９は一次電極１０５と二次噴霧電極１１８との間に常に−７ｋＶの電位差を維持する。このようにして、点火導体１０４の電圧が−４０ｋＶまで上昇した時点で、噴射器導体１１９は同時に−３３ｋＶまで上昇する。
【００４７】
図６を参照すれば、一次火花電極１０４のための点火電位源は１３０で示される。これは、鉄心１３５からなる従来の点火コイル、一次コイル１３６、二次コイル１３７からなる。ＨＴ導線１０７は端子１０７Ａに接続されている。別の導線１３８は、点火電圧源１３０を、４つの接続点１４１、１４２、１４３、１４４を設けて配列された４つのダイオードからなる連鎖ブリッジ１３９に接続する。導線１３８は接続点１４２に接続され、また、荷電電圧導線１２０は接続点１４４に接続される。コンデンサ１４５は接続点１４２、１４４にまたがって接続される。
【００４８】
噴霧を発生させるための分極または荷電電圧源１３１は、入力端子１４７において高速スイッチ１４６に供給されるＤＣ電力によって駆動される。タイミング・パルスが高速スイッチ１４６の別の端子１４８に供給され、点火コイル１３０をトリガするように従来のタイミング回路と同期して駆動される。高速スイッチ１４６の出力は、発振器１４９に送られる。発振器１４９の出力は、分極変成器１５１の一次コイル１５０を通して送られる。分極変成器１５１の二次コイル１５２は、ブリッジ１３９の接続点１４１、１４３にまたがって接続される。
【００４９】
図５、図５のａ、図５のｂを参照すれば、それらは図３に示す本発明を実施する燃料噴射構成体の特定のパラメータを決定するために用いられる設計リグの軸方向断面を示す。図５は単独のオリフィス燃料噴霧リグ２６０を示す。リグ２６０においては、電力供給（高電圧）電極２０５とアース電極２１８との間の距離は、変えられうる。噴霧リグのエンド・キャップ２０８は、オリフィス２１５が電極２０５の先端２１７に関して占有できる可変位置を示すために、オリフィス２１５の装着を詳細に示す。
【００５０】
オリフィス２１５は、軸にそって貫通孔２１５をもつ鋼管（アース電極を形成する）によって画定されることがわかる。貫通孔２１５の径は、８０ミクロン（０．０８０ｍｍ）である。このオリフィス管２１８は、同じ軸長さ（２．８２ｍｍ）の鋼プローブ・キャリヤ２６０である。オリフィス管２１８は、燃料が噴射器を通過するとき、燃料の圧力によって外れないように受け金２６０に十分にきつく嵌合する。鋼プローブ・キャリヤ２６０は、噴霧器キャップ２０８のセラミック端にしっかりと固定された黄銅ブッシュ２６１内に嵌合する。黄銅ブッシュ２６１は、アースへの導電路を与える。黄銅ブッシュ２６１内に鋼プローブ２６０を正確に嵌合することは、流動燃料の圧力のために不用意な移動を防止するようになっているが、鋼プローブ２６０は、マイクロメータ（図示せず）によってその移動が制御されうる電力供給電極２０５に向かって滑り移動できる。鋼プローブ２６０は、外端において短い外ネジを有する。鋼プローブ２６０は外ネジによって電力供給電極２０５から離れて引き出される。
【００５１】
図３の実施例について、電極間隔を決定するように用いられるとき、図５のリグは、明らかに観測されうる燃料のジェットを発生するように下方に向けられたオリフィス２１５内に垂直に装着される。標準の燃料が５バールの圧力で噴霧器に供給され、ジェットが小滴に分解されずに受け栓内に下に流れる明確な針状流れとして見られる。負の電圧の漸次増加が電極２０５に供給されたとき、ジェットの形体の変化が見られる。電圧が約３ｋＶに達したとき、ジェットの形体は受け栓に至る前に、すなわちオリフィスから約５００ｍｍの距離で分解し始めるように見える。この効果は、ジェット流れの粉砕がオリフィスから約１０ｍｍの距離から明白になるとき、電圧が５−８ｋＶに達するまで、次第により極端になる。印加電圧のさらなる増加は、電極の外端子における絶縁の限度が約１１ｋＶに達するまで、約８ｋＶ以上では大きな効果を発生しない。
【００５２】
一連の試験が電極の先端とオリフィスの内端との間の臨界距離を変えることによって噴霧性能の変化を決定するために、この装置について実施された。図５に示す臨界距離は１５０ミクロン（０．１５０ｍｍ）である。この変化を調査する目的は、電力供給電極２０５の先端２１７と、オリフィス管２１８の内端によって形成される最近接アース点との間の領域に電界の強さの変化を観察するためである。
【００５３】
ある噴霧効果が電力供給電極２０５に印加される電圧の結果として観測された最大臨界距離は、約５００ミクロン（０．５００ｍｍ）であった。しかし、噴霧における観測できる改善は、臨界距離がこの値から減少されるに従って、明らかになった。最良噴霧性能は約１５０ミクロンにおいて明らかになった。噴霧が２５ミクロンほどの小さい臨界距離においてもいぜんとして明らかになるけれども、１００ミクロン以下の臨界距離についての性能は円滑な安定というよりはむしろ間欠的になる。
【００５４】
この実験から、臨界距離の好適範囲は２５ミクロンから５００ミクロンであると結論される。この範囲内において、高度に好適な範囲は、１２５−２００ミクロンである。燃料の流量は、一連の試験を通じて用いられた５バールの供給圧において測定された。それは毎分２６．１ｍｌで見い出された。印加電圧の変動による顕著な効果は、観測された臨界距離の範囲にわたって、すなわち約５−８ｋＶの範囲内に残る最適効果は見られなかった。
【００５５】
図３および図６の検討に戻って、設計の目的は、燃料／空気混合物を点火するための急速な電圧変化が燃料小滴に与えられる電荷に深刻な影響を及ぼすことから防止することである。様々な電気回路は、電磁互換の原理に固執することによって相互妨害に対して高度な免疫性を有するように設計されなければならない。燃料荷電は噴射圧のパルス化されたタイミングによって燃焼領域に噴射され、強い電位勾配を課することによって粒子分極を伴って荷電される。その目的は、帯電小滴が、ノズル孔から発せられた後に、互いに反発するようにさせることである。
【００５６】
点火プラグ電圧―時間波は、点火コイルの一次側をかいして２アンペアの流れを中断する接触の結果として発生される。崩壊磁界のエネルギはコンデンサに開放されて、約３ｋＨｚに見積もられた減衰振動を生じる。代表的には、二次巻線は４０ｋＶピークまでの出力を確立し、これは１０バールの圧力において０．０３０インチ（０．７５ｍｍ）のギャップを飛び越えるのに十分である。異体（電子点火のような）は、昇圧変成器として用いられる類似コイルの一次側に２５０Ｖまで充電されたコンデンサに蓄積されたエネルギを送出できる。合成振動波形は、類似している。
【００５７】
エンジン回転は、すべての場合のタイミングを制御するように用いられる。歯車および磁気変成器は、約０．１度の精度でもって２度ごとに１８０枚に小分けする。代案として、水晶時計および適当な分割器がその機能を遂行する。
【００５８】
使用される電圧は重要である。イオン化電位差は、１０％以内に安定して維持される必要がある。３−７ｋＶにおける供給は、良好な変動率を伴って全波整流器に送給する。イオン化ＡＣ電圧は変成器コアのコイルに送給された４要素スイッチング・トランジスタ・ブリッジによって発生される。変成器コアは、巻線にまたがって飛び越える火花に抵抗するように二次側から十分に離れたポリエチレン・ディスクによって物理的に分離されている。エネルギ容量（ジュールで表現される）および空気／燃料比が点火成功を決定する。
【００５９】
噴射器室１１４は、上方構造体１０１Ｂを備えたユニットの端を閉鎖する前に銅リングシール１２８が噴霧器構成体１０８を整列させる状態で、鉢状構成体としてつくられる。ノズル穴１１５は１１８で金属被覆され、薄い棒１１９をかいして電圧源に接続される。イオン化コロネット形状電極が最終組立前に点火プラグ・コア１０４に電子ビーム溶接される。電極１０５から１１８までにまたがる電気的電位勾配は、イオン化電極１０５と金属被膜穴電極配列１１８との間に接続された低インピーダンスのコンデンサによって実質的に一定に維持される。
【００６０】
別の構成は原理的に実現されうる。それは、点火電極１０４と同じ金属構造の部品を形成するので、４０ｋＶの負の揺れによって分極の電極装置１０５を電位に関して上下に運ぶように構成されうる。電気的に互いに独立して分極回路１０５および点火器回路１０４、１０９を維持するように、それはできるだけ構成されうる。これは、電圧変化の高率で低インピーダンスを有するユニットとして作用するように分極回路を要求する。分極クラウン電極１０５から穴あき電極１１８までの電気的通路が好ましくは容量性でなければならない。ピグテール接続１２２は遮蔽管１２１をハウジング１０１に接地するように要求される。分極のための簡単な静電遮蔽部材１２１は、点火器パルス棒１０４Ｂから下降導線１１９までの容量を減少する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の第１実施例を構成する燃料噴射構成体を通る縦軸にそった断面図である。図１のａは荷電電極の活性先端に関連した燃料送出オリフィスの正確な配置が示された領域の断面拡大図である。
【図２】本発明の第２実施例の断面図である。
【図３】図３は図１の燃料噴射構成体からの変更例を示しかつ本発明の好適実施例である別の燃料噴射構成体を通る縦軸にそった断面図である。
【図４】図４のａは図３に示す燃料噴射構成体の底面図である。図４のｂは図３のＢ−Ｂ線からみた断面図である。
【図５】図５は図３の実施例に示す種々の電極の間隔を決定するさいに用いられる試験リグを通る縦軸にそった断面図である。図５のａは図５に示す電極の先端の側面図を示す。図５のｂは電極先端の端面図を示す。
【図６】本発明を実施する図３の燃料噴射構成体にもとづいて用いられてもよい燃料噴射構成体の一形態の概略回路構成図である。
【符号の説明】
１、１０１　　主構造体
１、１１１　　外側部分
１０５　　第１荷電電極
１１８　　第２荷電電極
１２、１１２　　燃料供給口
１２４　　ケーシング
１２５　　電源構成体
１３０　　点火電位差源
１４、１１４　　環状分配周回通路
１５、１１５　　オリフィス
１６、１１６　　壁
１７、１１７　　環状縁
１８、１１８　　二次荷電電極
１Ａ、１０１Ａ　　主構造体
２、１０２　　ネジ部分
２０Ａ、７Ａ；１２０Ａ、１０７Ａ　　電気コネクタ
２１、１２１　　静電遮蔽部材
３、１１３　　燃料供給通路
４、１０４　　一次火花電極
５、１０５　　一次荷電電極
６、１０６　　内側部分
７Ａ、１０７Ａ　　点火源コネクタ
９、１０９　　二次火花電極

Claims

内燃機関に装着する主構造体（１Ａ、１０１Ａ）からなり、該主構造体は、燃料を内燃機関の燃焼室に直接に噴射する一連のオリフィス（１５、１１５）を有し、前記主構造体（１Ａ、１０１Ａ）はまた燃料粒子を帯電させて噴霧を改善するように燃料の流れを通過する電界を発生するために定置された荷電電極（５、１８；１０５、１１８）を装着し、前記主構造体（１Ａ、１０１Ａ）は内燃機関用燃料点火火花を発生する火花電極（４、１０４）を装着していることを特徴とした燃料噴射構成体。
前記主構造体（１Ａ、１０１Ａ）は内燃機関の燃焼室に突出するように内燃機関に着脱自在に装着される、請求項１に記載の燃料噴射構成体。
前記主構造体は、従来の点火プラグを受けるのに適した内燃機関のネジ穴と協同するネジ部分（２、１０２）を有している、請求項２に記載の燃料噴射構成体。
前記主構造体は、絶縁材料からなる内側部分（６、１０６）と、内燃機関の主ケーシングに固定されるのに適した導電材料からなる外側部分（１、１１１）とを有している、前記請求項のうち任意の一項に記載の燃料噴射構成体。
前記主構造体（１Ａ、１０１Ａ）は、該主構造体が内燃機関に装着されたとき、燃焼室の内部と連通する状態で定置される内部領域と、前記主構造体が内燃機関に装着されたとき、前記燃焼室まで外部にある外部領域とを有している、前記請求項のうち任意の一項に記載の燃料噴射構成体。
前記主構造体を通り、該主構造体の前記外部領域に定置された燃料供給口（１２、１１２）から該主構造体の前記内部領域に定置された前記燃料噴射オリフィス（１５、１１５）まで延びる燃料供給通路（３、１１３）を含む、請求項５に記載の燃料噴射構成体。
前記電極が前記内部領域において前記主構造体から露出され、かつ、前記主構造体の前記外部領域において前記主構造体をかいして電気コネクタ（２０Ａ、７Ａ；１２０Ａ、１０７Ａ）に接続されている、請求項５または６に記載の燃料噴射構成体。
前記火花電極（１０４）が前記荷電電極（１０５、１１８）の第１のもの（１０５）に電気的に接続されている、前記請求項のうち任意の一項に記載の燃料噴射構成体。
前記火花電極（１０４）が前記主構造体（１０１Ａ）内に定置された接続部によって前記第１荷電電極（１０５）に接続されている、請求項８に記載の燃料噴射構成体。
前記火花電極（４、１０４）は一次火花電極（４、１０４）であり、内燃機関に対して燃料点火火花を発生するように前記一次火花電極（４、１０４）から離間された少なくとも１つの二次火花電極（９、１０９）が前記主構造体（１Ａ、１０１Ａ）に設けられ、前記荷電電極が燃料噴射構成体の燃料流路を横切って離間された少なくとも１つの一次荷電電極（５、１０５）と少なくとも１つの二次荷電電極（１８、１１８）とからなる、請求項１から７までの任意の一項に記載の燃料噴射構成体。
一次荷電電極（５、１０５）と、関連した二次荷電電極（１８、１１８）との間隔が、２５ミクロンから５００ミクロンまでの範囲にある距離である、請求項８に記載の燃料噴射構成体。
前記範囲は１２５ミクロンから２００ミクロンまでである、請求項１１に記載の燃料噴射構成体。
前記一次火花電極（４、１０４）は、前記主構造体（１Ａ、１０１Ａ）に装着された点火源コネクタ（７Ａ、１０７Ａ）に電気的に接続されかつ内燃機関に対して燃料点火火花を発生させるように点火電位差源に接続されるのに適している、請求項１０から１２までの任意の一項に記載の燃料噴射構成体。
前記少なくとも１つの二次火花電極（９、１０９）が内燃機関のケーシング（１２４）に接地されるのに適した主構造体のアース部分（１、１０１）に接続されている、請求項１３に記載の燃料噴射構成体。
前記少なくとも１つの二次荷電電極（１８）が内燃機関のケーシングに接地されるのに適した主構造体（１Ａ）のアース部分（１）に接続され、前記少なくとも１つの一次荷電電極（５）が前記主構造体（１Ａ）に装着された荷電源コネクタ（２０Ａ）に接続されかつ前記燃料噴霧を発生する電位差源に接続されるのに適した、請求項１０から１４までの任意の一項に記載の燃料噴射構成体。
前記少なくとも１つの一次荷電電極（１０５）が前記一次火花電極（１０４）に電気的に接続され、前記少なくとも１つの二次荷電電極（１１８）が主構造体（１０１Ａ）に装着された荷電源コネクタ（１２０Ａ）に接続されかつ前記燃料噴霧を発生する電位差源に接続されるのに適した、請求項１０から１４までの任意の一項に記載の燃料噴射構成体。
前記少なくとも１つの一次荷電電極（１０５）が前記主構造体（１０１Ａ）内に定置された接続部によって前記一次火花電極（１０４）に接続されている、請求項１５に記載の燃料噴射構成体。
一次火花電極（４、１０４）は、内燃機関に対して燃料点火火花を発生するように点火電位差源（１３０）に電気的に接続されている、請求項１０から１２までの任意の一項に記載の燃料噴射構成体。
前記少なくとも１つの二次荷電電極（９、１０９）が内燃機関のケーシング（１２４）に接地されるのに適した主構造体のアース部分（１、１０１）に接続されている、請求項１８に記載の燃料噴射構成体。
可変電位差を前記火花電極（１０４）および前記荷電電極（１０５、１１８）の第２のもの（１１８）に供給するように構成された電源構成体（１２５）を含み、該電源構成体は前記第１荷電電極（１０５）と前記第２荷電電極（１１８）との間の電位差を燃料噴霧のために第１の一定値に維持し、かつ、点火火花の発生を避けるのに十分に小さい第１予定値と点火火花を発生させるのに十分に大きい第２予定値との間で変化する前記火花電極（１０４）における電位差を発生するように内燃機関の点火サイクル期間中供給電位差を変えるように構成されている、請求項８または９に記載の燃料噴射構成体。
可変電位差を前記一次火花電極（１０４）および前記二次荷電電極（１１８）に供給するように構成された電源構成体（１２５）を含み、該電源構成体は前記一次荷電電極（１０５）と前記二次荷電電極（１１８）との間の電位差を燃料噴霧のために第１の一定値に維持し、かつ、点火火花の発生を避けるのに十分に小さい第１予定値と点火火花を発生させるのに十分に大きい第２予定値との間で変化する前記少なくとも１つの二次火花電極（１０９）と前記一次火花電極（１０４）との間に電位差を発生するように内燃機関の点火サイクル期間中供給電位差を変えるように構成された、請求項１５または１６に記載の燃料噴射構成体。
前記第１予定値が２―１４ｋＶの範囲内にある、請求項２０または２１に記載の燃料噴射構成体。
前記第１予定値が５―８ｋＶの範囲内にある、請求項２２に記載の燃料噴射構成体。
前記第２予定値が１０―５０ｋＶの範囲内にある、請求項２１から２３までの任意の一項に記載の燃料噴射構成体。
前記第２予定値が３５―４５ｋＶの範囲内にある、請求項２４に記載の燃料噴射構成体。
前記主構造体はその中心軸のまわりに定置された環状分配周回通路（１４、１１４）を含み、前記環状分配周回通路に対向する環状縁（１７、１１７）を設けた前記少なくとも１つの一次荷電電極（５、１０５）および前記少なくとも１つの二次荷電電極（１８、１１８）が壁（１６、１１６）の面上にある前記環状分配周回通路のまわりに環状形状状態で定置されている、請求項１０から２５までの任意の一項に記載の燃料噴射構成体。
前記噴射オリフィス（１５、１１５）が前記環状分配周囲通路（１４、１１４）から外方に向けられている、請求項２６に記載の燃料噴射構成体。
前記一次火花電極（４、１０４）が前記主構造体（１４、１１４）の中心縦軸にそって配置された、請求項１０から２７までの任意の一項に記載の燃料噴射構成体。
前記主構造体（１Ａ、１０１Ａ）は前記火花電極（４、１０４）と前記荷電電極（５、１０５）に接続する導電体との間で延びる静電遮蔽部材（２１、１２１）を前記主構造体の内部に有する、前記請求項のうち任意の一項に記載の燃料噴射構成体。
前記請求項のうち任意の一項に記載の燃料噴射構成体を装着した内燃機関。
前記燃料噴射構成体が燃焼室内で往復するピストンの軸にそって整列された前記燃焼室の軸上で中央に配置されている、請求項３０に記載の内燃機関。
内燃機関に燃料を噴射しかつ点火する方法であって、燃料を前記内燃機関に装着された燃料噴射構成体の主構造体（１、１０１）に定置された一連のオリフィス（１５、１１５）をかいして内燃機関の燃焼室に直接噴射すること、燃料粒子を帯電させて噴霧を改善するために燃料の流れを通過する電界を発生させるように前記主構造体（１、１０１）に装着定置された荷電電極（５、１８：１０５、１１８）間に電位差を供給すること、内燃機関に対して燃料点火火花を発生するように同じ主構造体（１、１０１）に装着された火花電極（４、１０４）にパルス化電位差を供給することからなる方法。
前記火花電極（１０４）が前記荷電電極の第１のもの（１０５）に電気的に接続されていて、前記火花電極（１０４）および前記荷電電極の第２のもの（１１８）に可変電位差を供給すること、前記第１荷電電極（１０５）と前記第２荷電電極（１１８）との間の電位差を燃料噴霧のために第１の一定値に維持するように、かつ、点火火花の発生を避けるのに十分に小さい第１予定値と点火火花を発生するのに十分に大きい第２予定値との間で変化する火花電極（１１４）における電位差を発生するように内燃機関の点火サイクル期間中に供給される電位差を変えることからなる、請求項３２に記載の方法。