JP2005518496A - 可燃性液体用マイクロポンプおよび燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

燃料噴射用のマイクロポンプ（１４）は、ハウジング（２８）と、圧力レギュレータ（３２）と、圧力レギュレータと液通する可燃性液体導入管（４１）と、圧力レギュレータと液通するハウジング上の液滴放出装置（３０）とを含む。液滴放出装置は、当該液滴放出装置から量子の液滴単位で可燃性液体を放出できるノズルを含む。さらに、内燃機関等の可燃性燃料デバイス用の可燃性気体を生成する装置。この装置は、自身から可燃性液体を液滴単位で放出するマイクロポンプ（１４）と、マイクロポンプに接続されて、マイクロポンプによって放出された液滴に気流を通流し、それによって、可燃性燃料デバイス用の可燃性気体（１７）を生成する手段（１５、２４）とを含む。

Description

［背景］
本発明は、包括的には、機関燃料システムに関し、詳細には、内燃機関等、可燃性気体を生成する可燃性燃料デバイスに関する。

従来、可燃性気体は、キャブレターまたは燃料噴射装置のいずれかを使用して、内燃機関のシリンダに送られていた。燃料噴射装置は、連続式かまたはパルス式であった。連続式の燃料噴射装置は、可燃性気体を吸気マニホールドに送り、吸気弁が開くと、気体は、ピストンによってシリンダに引き込まれていた。パルス式の燃料噴射装置は、燃料気体を指令時に各吸気弁の上流側領域に送るか、または、直接燃焼室に送っていた。これらの燃料送出システムの双方は、高度に開発が進んでおり、既知であり、かつ、何十年もの間使用されている。

別の背景として、この文書に開示された機関燃料システムは、包括的には、サーマルインクジェットまたはバブルジェット（登録商標）として知られている印刷／画像技術にも関係している。マークまたはテキストを水性インクでさまざまな媒体に印刷する場合にも、この技術は、同様にして既知であり、高度に開発が進んでいる。

環境規制がより一層厳しくなるにつれて、機関の燃焼室における燃料／空気の化学量をより精確に制御する必要性が増大している。従来の燃料送出技術には依然としていくつかの問題が存在している。例えば、使用される燃料が過度であるか、または、空気が少なすぎる場合、炭化水素の放出量がそれに応じて増加する。また、燃料噴射装置では、オリフィスのサイズが時間と共に変化する。すなわち、オリフィスは、機械的な摩耗が原因で大きくなり、燃料フィルタによって除去されない燃料粒子および小さな粒子の双方の構成成分から生じる目詰まりが原因で小さくなる。さらに、環境規制および燃料節約規制を満たすように、燃料および空気をより精確に測定する必要があることから、キャブレターおよび燃料噴射装置の双方がますます高価になってきている。

また、約２５馬力以下を有する小さな産業エンジン用の安価でシンプルな燃料送出システムも必要とされている。これらは、例えば、芝刈り機、ロータリー耕運機、船外機付きボート、およびスクータに使用されるエンジンである。これらのエンジンは、ますます環境規制の対象になってきているが、従来の燃料送出システムは、その機械の残りの部分と同程度またはそれ以上の費用がかかり、このような燃料送出システムを組み込むことは現実的ではない。

さらに、これらの従来の燃料送出システムの場合、信頼性が、引き続き問題となっている。例えば、従来の燃料噴射システムは、一定の振動および極端な動作温度の変化に耐えなければならない高圧ポンプならびに慎重に設計された燃料路、管、および継ぎ手を必要とする。

十分に開発が進んだ機関燃料送出システムは存在するが、ますます厳しくなる環境規制を満たし、信頼性があって安価であり、かつ、燃焼室の燃料／空気の化学量をより精確に制御する手法が必要であることが、上記から明らかである。

［概要］
短く概括的に言うと、本発明による装置は、ハウジングと、ハウジングに接続された圧力レギュレータと、圧力レギュレータと液通する可燃性液体導入管と、圧力レギュレータと液通するハウジング上の液滴放出装置とを有するマイクロポンプを含む。液滴放出装置は、当該液滴放出装置から液滴単位で可燃性液体を放出できるノズルを含む。

本発明の別の態様は、可燃性気体を生成する装置である。この装置は、自身から可燃性液体を液滴単位で放出するマイクロポンプと、マイクロポンプに接続されて、マイクロポンプによって放出された液滴に気流を通流し、それによって、内燃機関等の可燃性燃料デバイス用の可燃性気体を生成する手段とを含む。

動作中、この装置は、可燃性液体を液滴単位でマイクロポンプから放出し、マイクロポンプによって放出された液滴に気流を通流し、それによって、可燃性気体を生成する。

本発明の他の特徴および利点は、本発明の原理を例として示した添付図面と共に、以下の詳細な説明を取り込むことによって明らかになる。

本発明は、添付図面を参照することによって、より良く理解される。添付図面の要素は、必ずしも互いに一律の縮尺であるとは限らない。代わりに、本発明を明示する部分が強調されている。さらに、同じ参照符号は、いくつかの図を通して対応する同様の部分を指定する。

［詳細な説明］
例示の目的で図面に示すように、本発明は、可燃性液体を送出するマイクロポンプ、内燃機関等の可燃性燃料デバイス用の可燃性気体を生成する装置、その制御および操作の方法、ならびにその制御回路において具体化される。図１２は、本発明の一実施の形態のブロック図である。燃料噴射装置１４は、液滴放出装置（drop ejector）３０および空気流制御弁３４を含む。液滴イジェクタ３０は、ほぼ一定の量子サイズの多数の個々の液滴を生成する。液滴イジェクタ３０は、可燃性燃料を収容した燃料タンク１８に好ましくは低圧下で流体接続される。燃料タンク１８からの燃料は、使用されていない状況において液滴イジェクタ３０からの燃料漏れを防ぐために、圧力レギュレータ３２および任意選択のスタンドパイプ３６を使用して液滴イジェクタに送出されることが好ましい。液滴イジェクタ３０は、一般消費者が取り外し可能であり、かつ、取り替え可能であることが好ましい。制御回路２０は、液滴イジェクタ３０および空気流制御弁３４を制御する。制御回路２０は、ユーザが制御するスロットル２３と、可燃性燃料デバイスの負荷を監視して検知する負荷センサ２７とに接続されることが好ましい。空気流制御弁３４は、液滴イジェクタ３０から放出された燃料と混合される空気の流れを調整して、可燃性燃料デバイスで使用される可燃性気体１７を生成する。

本装置は、内燃機関のシリンダまたは他の可燃性燃料デバイスの燃料／空気の化学量を精確に制御する、安価でシンプルで信頼性のある電気機械燃料送出システムを提供する。他の可燃性燃料デバイスとしては、２〜３例を挙げると、ランプ、ストーブ、発電機、ポータブルヒータ等がある。本装置は、どれだけの量の燃料がシリンダまたはデバイスに送出されているかをナノグラムの範囲の分解能で精確に測定する能力を有する。その理由は、マイクロポンプによって送出される燃料液滴のサイズおよび重さの双方が、液滴単位に個々に精確に制御されるからである。これらの特徴によって、内燃機関またはデバイスは、特に始動の期間において、大気に放出される炭化水素の量を削減することが可能になり、ますます厳しくなる環境規制を満たすことが可能になる。本装置は、変化する液滴サイズを有する燃料噴霧を形成するのではなく、マイクロポンプ内の液滴単位発生器（drop-by-drop generator）が、個々に放出されて空気と混合すると容易に気化する一定サイズの液滴でできた１つまたは複数の燃料量子を生成する点で、従来の燃料噴射装置と異なる。量子サイズ液滴のさまざまな量から構成される一定量の燃料を供給するこの能力によって、機関に燃料を計数的に送出する方法が生み出される。したがって、高度に自動化され、好ましくはコンピュータ化された制御が可能になる。燃料と空気を効率的に混合できることによる１つの利点は、所与の用途の場合、使用する燃料の品質を下げることができ、したがって、さらに燃料が経済性につながる。

さらに、本装置は、例えば１平方インチ当たり約３ポンド未満の低圧の燃料供給システムを含む。この低圧燃料供給システムは、従来の燃料噴射システムに見られる高圧よりもはるかに低圧で動作する。液滴単位発生器（以下、液滴発生器と呼ぶ）は、スタンドパイプ内にマイクロノズルおよび毛管路を含む。これらのマイクロノズルおよび毛管路は、使用される燃料の種類向けにカスタム設計され、カスタムサイズにされる。液滴発生器／スタンドパイプと低圧燃料送出システムとの間に背圧レギュレータを加えることによって、燃料が機関内に漏れることが防止される。本装置は、消費者が液滴発生器を容易に取り替えることができるように設計されることが好ましい。液滴発生器のこの交換可能性により、ノズルが燃料内の不純物によって詰まった場合等に、燃料噴射システムのメンテナンスを容易にすることが可能になる。また、液滴発生器の除去および取り替えを可能にすることによって、さまざまな燃料の種類を所与のデバイスで使用することができ、選択された燃料の種類に適した液滴放出装置に簡単に交換して、それを設置することができる。

燃焼は、消費される燃料の活性表面積に関係するので、通常、ほとんどの燃料噴射装置は、全分布に対する単位体積当たりの表面積によって定まるそれらの等価球径によって特徴付けられる。この等価球径は、サウタ平均粒径（ＳＭＤ（Sauter Mean Diameter））としても知られており、余分な統計的重みを大きな液滴に与えないので、体積平均径ではない噴射装置の液滴サイズを表すこの業界の広く好まれる方法である。その結果、ＳＭＤは、噴霧によって生成される表面積の点から噴霧の微粒度を表現する手法である。したがって、ＳＭＤは、すべての液滴の総表面積に対するすべての液滴の総体積として、同じ体積対表面積比を有する液滴の直径である。実際には、これは、より微細な分布の目標に向かって歪められた数になる。したがって、製造者から引用したＳＭＤ数を調べることによって、特定の燃料噴射装置からの実際の液滴サイズの範囲は決まらない。図１１は、従来の噴射装置の分布９２および本発明の例示の装置の分布９４に対する等価液滴直径の正規分布を表すグラフである。従来の噴射装置の分布９２は、液滴の分布が約２３０μｍの大きな直径Ｃおよび約３０μｍの小さな直径Ｂを有する約１３０μｍの体積平均径Ａを有する。したがって、従来の噴射装置が、たとえ約３０μｍのＳＭＤを有するものとして引用できる場合であっても、それより大きな液滴が、一般に形成され、必ずしも十分に燃焼するとは限らず、その結果、放出量が増加し、燃料経済性は減少することになる。

本明細書で説明する本装置は、そのようにするのではなく、単独または同時に放出できる個々の量子サイズの液滴を生成する方法を有する。説明する例示の装置において、図１１に示すような装置分布９４は、特定の実施の形態の場合、ＥとＦとの間の約２μｍの非常に狭い液滴分布を有する。本発明の装置から放出される液滴の分布が狭い（ほぼ一様である）ことから、数量中位径（ＮＭＤ（Number Median Diameter））が、この出願のエアゾールサイズを表す好ましい方法となる。ＮＭＤは、エアゾール液滴の５０％の物理的直径が、ＮＭＤより小さく、かつ、５０％がＮＭＤより大きいことを示すものである。例えば、図１１では、例示の装置の液滴サイズのＮＭＤは、約１９μｍである。従来の噴射装置の分布９２の場合、ＮＭＤは、図１１では約１３０μｍである。本発明の液滴発生器では、液滴サイズを個々に設計して、どこでも約１ｍｍよりも小さく、好ましくは３０μｍよりも小さい液滴のＮＭＤ直径を提供することができる。本発明の装置の液滴サイズの体積は、さらに１０ピコリットルと少なくすることができ、約７０フェムトリットルにさらに下げることもできる。

調査が示したところによれば、ＳＭＤが１０μｍ未満に小さくされると、特に最初の数分間の動作中に、後部排気管の未燃焼炭化水素の総放出量を削減できる。コールドスタートに続く未燃焼の炭化水素の多量の放出は、主に未燃焼の燃料であり、ＣＯやＮＯ等の部分酸化物ではない。始動の期間中に従来の噴射装置を使用して形成される大きな液滴に伴う１つの問題は、気化されず、空気に混合されない燃料が、シリンダの壁に付着する「ウォールウェッティング（wall-wetting）」である。別の問題は、機関壁が冷えており、燃焼のエネルギーを吸収し、したがって、発火サイクルの間、燃料が十分に燃焼できないということである。ほとんどの燃料制御システムは、機関が冷えていると、負荷変更を十分に制御できないので、コールドスタート中に使用される燃料の量を増加させて、希薄燃料の燃焼による問題を防止する。これらの因子のすべてが、燃料が機関オイル層および他の堆積物に吸収される一因となり、燃料が、通常の燃焼サイクル中に十分に酸化されるのを妨害する。この問題は、ディーゼル油や灯油等、ガソリンよりも重い燃料が使用される場合にさらに悪化する。一般に、燃料液滴が重くなるほど、液滴が液体の状態でシリンダに到達する可能性が高くなる。液滴サイズを小さくする従来の手法は、微細な噴霧噴射装置を使用して検討されてきた。しかしながら、これらの噴射装置の液滴サイズは一様ではなく、その代わり、直径が２５０μｍから３０μｍ等、燃料液滴の直径の分布は広くなる。一般に、これらの微細な噴霧噴射装置は、気流を使用して、噴射装置の燃料流を細かくする。他の手法は、加熱した噴射装置を使用して、部分的または全体的に燃料流を気化している。

図１および図２を参照して、参照符号１４は、内燃機関の可燃性気体を生成する装置を全体的に示している。この装置は、簡潔にするために、以下では「燃料噴射装置」と呼ぶ。燃料噴射装置は、本体１５を有する。この本体１５は、内燃機関の吸気マニホールド１６上または図示しない吸気弁の近くのいずれかに取り付けられる。本体１５およびその部品のすべては、この文書で特に指摘しない限り、ガソリンおよび他の機関燃料に対して耐性を有する注入形成されたポリマーであるナイロン６で構成されることが好ましい。燃料噴射装置は、２サイクルもしくは４サイクルの火花点火機関または２サイクルもしくは４サイクルの圧縮点火機関のいずれにも使用することができる。燃料噴射装置の機能は、可燃性燃料の非常に少量の調量された量子すなわち計数式液滴を生成すること、および、制御された量の空気を液滴の中を通流し、それによって、可燃性気体１７を生成することである。この可燃性気体は、図示しないピストン（または複数のヒストン）の運動、または、スーパーチャージャおよび／もしくはターボチャージャ等の図示しない外部エアポンプのいずれかによって生成される真空によって、機関のシリンダ内に引き込まれる。

図１および図２では、本体１５に燃料タンク１８が接続されている。この燃料タンクは、図示しない燃料ポンプに接続されていてもよいし、接続されていなくてもよいが、燃料を重力供給することが、安価であり、また、最小限の燃料圧しか燃料噴射装置に必要とされないので好ましい。燃料は、ガソリン、ディーゼル燃料、アルコール、燃料オイル、および灯油のいずれの種類であってもよい。すなわち、内燃機関または他の可燃性燃料デバイスに動力を供給するあらゆる可燃性燃料または燃料の組み合わせとすることができる。他の可燃性燃料デバイスとしては、例に過ぎないが、いくつか例を挙げると、光源（例えば、ランタン）、燃焼過熱炉、ストーブ、ヒータ、発電機等がある。

図１および図２では、燃料噴射装置１４は、電気制御モジュール２０に接続されている。このモジュールおよびその機能は、図１０と共に後に説明する。参照符号２２は、スロットルケーブルを示している。このスロットルケーブルは、図示しない手動スロットルまたはフットペダルのいずれかに接続されている。後述するように、スロットルケーブル２２が、本体１５から引き出されると、燃料噴射装置１４は、より多くの量の空気を装置の中に通流し、機関内に流し込む。従来のエアフィルタ２４は、燃料噴射装置１４に入る気流のあらゆる粒子状物質を除去して、空気をろ過する。

図８を参照して、参照符号２６は、好ましくは取り替え可能なスライド体を全体的に示している。このスライド体は、燃料用のマイクロポンプと、このマイクロポンプによって生成された燃料液滴の流れに送り込まれる空気の量を調整する空気制御弁との双方として機能するものである。スライド体２６は、サーマルインクジェット印刷カートリッジと同様に構成され、同カートリッジと実質的に同じように動作する。しかしながら、使用される所望の燃料のさまざまな特性により、従来のサーマルインクジェット印刷カートリッジの設計に変更を行う必要があり、したがって、単にインクを燃料に取り替えるだけとすることを避ける必要がある。使用される所望の燃料のさまざまな特性としては、２〜３例を挙げると表面張力、化学反応性、揮発性等がある。このような変更には、表面張力が低いことを考慮して、背圧レギュレータと液滴発生器との間のスタンドパイプの毛管サイズを小さくすることが含まれる。それ以外の変更には、スライド体および背圧レギュレータの材質として、燃料の溶解性に対して耐性を有する、ナイロン６等の材質を選択することが含まれる。さらに、背圧調整は、燃料の高い揮発性を考慮するように適合させなければならない。この例示の実施の形態では、スライド体２６は、ＴＡＢ回路２９が取り付けられるハウジング２８を含む。他の形態の相互接続は、当業者に知られており、ＴＡＢ回路２９の代わりに使用することができ、その場合も依然として本発明の精神および範囲内に含まれる。ＴＡＢ回路２９は、図１０と共に後述する電子制御モジュール２０に電気接続されている。また、ＴＡＢ回路２９は、ハウジング２８の底部の壁に配置された液滴単位発生器である液滴放出装置３０にも電気的かつ物理的に接続されている。例示の液滴放出装置は、２０００年１２月１９日にChen他に発行された「Direct Imaging Polymer Fluid Jet Orifice」という発明の名称の米国特許第６，１６２，５８９号に記載されている。この米国特許は、参照により本明細書に援用される。液滴放出装置３０は、複数の燃料発射室を収容している。各発射室は、１つまたは複数のノズルと、燃料注入路と、エネルギー消費要素とを有する。エネルギー消費要素としては、電子制御モジュール２０によってパルス状に作動される抵抗器や柔軟張力デバイス（flextentional device）等がある。電子制御モジュール２０は、内燃機関の用途で具体化された場合には、機関の負荷およびスロットルの位置に応答するのが好ましい。液滴放出装置３０は、図３、図８、および図１０に示すように、発射室からオリフィスごとに液滴単位で可燃性液体を垂直下方に放出する（この実施の形態では。ただし、どの向きも可能である）。ガソリンの場合、液滴はそれぞれ、約３０ミクロン未満のＮＭＤおよび約１４ピコリットルの体積を有する。ただし、これは、最大１ｍｍのＮＭＤまでとする等、液滴放出装置の設計に応じて調整することができる。

図８のハウジング２８内には、圧力レギュレータ３２がある。この圧力レギュレータ３２は、図示するような網状発泡体またはスプリングバッグもしくは柔軟性のあるダイヤフラムとすることができる。背圧を制御する他のいくつかの圧力レギュレータが、当業者に知られており、代用することができ、この場合も、本発明の範囲および精神内に含まれる。圧力レギュレータは、ハウジング２８の底部に配置されたスタンドパイプ（図示せず）の１つまたは複数のスロットを通じて液滴放出装置３０と液通する。圧力レギュレータは、液滴放出装置３０の背部をわずかに負圧にし、可燃性液体が、液滴放出器から漏れることも滴ることもないようする。

また、図８のスライド体２６は、スライド体上部３５も含む。ハウジング２８および上部３５は、ガスケット３３で密閉され、可燃性液体が、スライド体から漏れないようにする。ガスケットは、ＥＰＤＭまたはポリウレタンから作製されることが好ましい。スライド体上部３５の上部壁の上には、２つの円柱状の特徴物３７およびアーチ４０がある。２つの円柱状の特徴物３７は、圧縮戻しバネ４６（図３）を所定の位置に保持するものである。スロットルケーブル２２（図１）は、後述するようにアーチ４０に接続される。スロットルケーブルの動作によって、スライド体２６は、燃料噴射装置の本体１５内にあるスロット３８（図６）内を垂直に上下移動し、空気路８５（図６参照）を通って燃料噴射装置に入る空気の量を制御する。

また、スライド体２６（図８参照）の上部壁には、可燃性燃料導入管４１も配置されている。この可燃性燃料導入管４１は、燃料タンク１８（図１）と液通する。スライド体２６が妨害されることなく、燃料噴射装置内を上下移動できるように、本体１５内では、燃料導入管４１は、柔軟で、かつ弾性変形可能である。また、流体導入管４１は、圧力レギュレータ３２（図８）とも液通する。

図７および図９を参照して、参照符号４３は、本体１５の上部壁の後方部分を示している。この壁４３（図７）の底側には、２つの円柱状の特徴物４４が間隔を空けて配置されている。燃料噴射装置の組み立て後、これらの円柱状の特徴物４４は、スライド体上部３５（図８）上の円柱状の特徴物３７と同軸になる。これら４つの特徴物は、共に係合し、２つの戻しバネ４６（図３）を保持する。戻しバネ４６は、圧縮バネであり、ステンレス鋼から製造されることが好ましい。これらの戻しバネは、スライド体２６を下方に向けて本体１５内へ付勢し、燃料噴射装置１４を通じて空気の流れを阻止する位置に付勢する。スライド体２６が、スロットルケーブル２２によって上方に向けて引かれると、戻しバネ４６は圧縮される。また、上部壁４３の裏側には、スロットルケーブル２２、５４のガイド４５も配置されている。このガイド４５の機能は、図３および図９に示すように、スロットルケーブル屈曲部５４を作り出すことである。明確にするために、ガイド４５は、図３および図９には図示されていない。

図５を参照して、参照符号４８は、スロットルホイールを全体的に示している。このスロットルホイールは、軸５１に固定して取り付けられた小スプール４９および大スプール５０を有する。図示しないスロットルに接続されたスロットルケーブル２２（図１）は、本体１５の小孔５３（図６）と通って、大スプール５０に巻きつけられる。小スプール４９に巻きつけられる第２のケーブル５４が存在する。この第２のケーブル５４は、ガイド４５（図７）を通って、スライド体上部３５（図８）上のアーチ４０に接続される。異なる直径の２つのスプール４９、５０の機能は、燃料噴射装置１４の全高を削減することである。また、軸５１には、スロットル位置センサ５２も接続される。このスロットル位置センサ５２は、ポテンショメータであることが好ましい。このセンサは、燃料噴射装置１４内のスライド体２６の垂直位置に対応する、スロットルホイール４８の半径位置を測定する。センサは、後述する制御回路（図１０参照）に位置信号６８を送る。スロットルホイール４８は、図４および図６の４つのフォーク５６に回転するように取り付けられる。フォーク５６のうちの２つは、本体１５の上部壁の前方部分５７の底部に配置される。他の２つのフォーク５６は、本体１５内の内壁５８に配置される。

図１０は、例示の電子制御回路および電子制御モジュール２０（図１）内の信号の流れを示している。この電子制御回路は、マイクロプロセッサを含めて、アナログ電子回路、デジタル電子回路、またはそれらのあらゆる組み合わせの電子回路を使用して設計および構築することができる。この回路は、１２ボルトＤＣ電源６０を含む。この電源６０は、燃料噴射装置１４の電子機器のすべてに電力を供給する。電源は、バッテリまたは機関によって駆動される発電機のいずれにもすることができる。矢印６１および６５を含む矢印６１〜６５は、さまざまな部分回路に分配される１２ボルトＤＣ電力を示している。

図５および図１０に示すスロットルホイール４８は、スロットルケーブル２２、５４の動きに応じて回転し、軸５１の位置は、矢印６７によって示される。スロットルホイール４８の半径位置、換言すると、本体１５内のスライド体２６（図８）の垂直位置は、スロットル位置センサ５２によって測定される。スロットル位置センサ５２は、通常は、位置決めポテンショメータであることが好ましい。矢印６８は、燃料噴射装置のスライド体２６の垂直位置、換言すると、燃料噴射装置の空気路の開口部のサイズに対応する可変電圧である。この可変電圧は、加算結合部７０への入力となっている。

図１０の参照符号７２は、機関負荷センサを示している。この負荷センサは、用途に応じて多くの形態を取ることができる。一用途では、このセンサは、機関の毎分の回転数を測定する回転計である。別の用途では、このセンサは、燃料噴射装置に入る空気の量を測定する風量計である。空冷機関では、このセンサは、ファンによって移動される空気の量を測定する流量計である。機関負荷センサ７２からの出力電圧信号は、矢印７３によって示され、加算結合部７０への第２入力となっている。

図１０の加算結合部７０は、矢印６８によって示すスロットル位置からの入力と、機関の負荷からの入力、すなわち、矢印７３によって示すような機関の毎分の回転数または空気流とを結合する。加算結合部の出力は、矢印７４によって示すような可変ＤＣ電圧である。この可変ＤＣ電圧は、周波数変換器７６へのアナログ電圧またはデジタル電圧のいずかへの入力である。この波数変換器７６は、簡潔にするために、以下ではＶ／Ｆ変換器と呼ぶ。Ｖ／Ｆ変換器の機能は、液滴放出装置３０（図３および図１０参照）から放出される可燃性燃料の量を調節することである。矢印７７によって示すＶ／Ｆ変換器７６からの出力信号は、加算結合部７０の出力に直接関係した周波数を有する信号である。

矢印７７によって示す信号は、単安定マルチバイブレータ７９への入力である。このマルチバイブレータ７９は、周波数変換器７６への電圧によって生成された可変周波数波形を出力８０に変換する。この出力８０は、可変周波数、一定のパルス幅、および一定のパルス高を有する一連のパルスであることが好ましく、この一連のパルスは、量子の液滴を生成し、したがって、個々に放出されるほぼ一様なＮＭＤサイズの液滴で燃料の計数式送出を可能にする。このパルス列は、出力パワートランジスタ８１への、矢印８０に示す入力となる。パワートランジスタは、マルチバイブレータ７９から受け取った同じ構成の一連のパルス、すなわち可変周波数、一定のパルス幅、および一定のハルス高の一連のパルスではあるが、より大きな電圧によって液滴放出装置３０を駆動する。ＤＣ／ＤＣ変換器８３は、パワートランジスタ８１の出力電圧を、電源６０が供給する１２ボルトから、液滴放出装置３０内のエネルギー消費要素によって必要とされる電圧へ引き上げる。パワートランジスタ８１は、周波数駆動制御を使用するＴＡＢ回路２９（図３）によって液滴放出装置３０に直接接続される。液滴放出装置３０は、編成されたまたは無秩序の配列パターンで配列された１組の１つまたは複数のノズルを含むことができる。

燃料噴射装置１４（図２）を通る空気の流路は、エアフィルタ２４から開始する。空気は、図示しないエアポンプまたは機関のピストンの運動によって生成される真空のいずれかによって燃料噴射装置内に引き込まれる。空気は、エアフィルタ２４を通り、本体１５の空気路８５（図６）を下り、スライド体２６上の液滴放出装置３０（図３および図８）の下を通り、本体１５から出て、吸気マニホールド１６（図１）内に流れる。空気流は、図１では、右から左に向かう。

可燃性液体の流路は、燃料タンク１８（図１）から開始する。この液体は、タンクから本体１５への低圧導管（例えば、約３ｐｓｉ未満）内を流れ、次いで、低圧（例えば、この場合も約３ｐｓｉ未満）の弾性変形可能な導管を通って、スライド体２６（図８）の燃料注入部４１に流れる。液体は、圧力レギュレータ３２を通り、ハウジング２８の底部のスタンドパイプ（図示せず）のいくつかのスロットを通り、液滴放出装置３０に流れる。例示の圧力レギュレータは、好ましくは発泡体であり、液滴放出装置の背部に（ゲージに対して）わずかな負圧を維持し（したがって、背圧を生み出す）、可燃性液体が、非使用中に液滴放出装置３０から垂れたり流れたりしないようにする。液体燃料は、液滴発生器内および放出される体積に取って代わるスタンドパイプのスロット内の流体の毛管作用により、発泡体から引き出されて液滴放出装置に引き込まれる。液滴放出装置３０は、スライド体２６の下を流れる高速の空気流の中に液体を垂直下方に液滴ごとに発射する。液滴が気流に到達すると、液滴の飛行路は、この例では、垂直から水平に変化する。液滴は、その個々に放出された量子サイズのため十分小さい。空気流は、空気と量子の燃料液滴との間で混合が行われるように設計されており、可燃性気体１７（図１）が形成される。

図９を参照して、矢印８７によって示すようなスロットルケーブル２２の動作によって、スロットルホイール４８は、矢印８８によって示すように回転し、スライド体２６は、矢印８９によって示すように上下移動する。スライド体２６は、通常は、スロット３８（図６）の底部に着座して空気路８５を遮断し、戻しバネ４６（図３）によって下方に付勢されている。スロットルケーブル２２は、本体１５から引き出されると、スロットルホイール４８を回転させ、したがって、スライド体２６を第２のスロットルケーブル５４と共に上方に引き上げる。第２のスロットルケーブルは、ガイド４５（図７）を通り、その動作方向は、図９に示すように、水平から垂直に変えられる。第２のスロットルケーブルは、スライド体上部壁３５（図８）上のアーチ４０に取り付けられている。スライド体が上方に移動すると、空気路８５のより多くの部分のカバーが除去されて、より多くの空気が、燃料噴射装置１４内に流れ込むことが可能になる。これに加えて、戻しバネ４６は圧縮される。スロットルホイール４８の回転によって、スロットル位置センサ５２も作動し、空気路８５のより多くの部分が開いて、より多くの空気が燃料噴射装置に流れ込んでいることを示す信号６８を電子制御モジュール２０に送る。

図１０に示す回路は、液滴放出装置３０が発射する速度、すなわち、可燃性液体の液滴が、燃料放出装置内の気流に導入される速度を制御するように機能し、したがって、最終的には、燃料噴射装置から送出される燃料の容積を制御するように機能する。

スロットルケーブル２２（図１）が、燃料噴射装置から引き出されると、スロットル位置センサ５２からの出力信号６８が増加し、周波数変換器７６への電圧の電圧レベル７４が増加する。次に、Ｖ／Ｆ変換器７６の出力周波数７７が増加する。パルス高およびパルス幅は、引き続き一定である。パルス周波数の増加によって、単安定マルチバイブレータ７９およびパワートランジスタ８１は、液滴放出装置を高速に発射させ、それによって、可燃性流体の液滴が、より多く気流内に噴射される。ただし、各液滴は、ほぼ同じ量子サイズを維持する。スロットルケーブル２２が緩められると、戻しバネ４６（図９）が、液滴放出装置３０を下方に付勢し、スロットル位置センサ５２からの出力信号６８が減少する。次に、Ｖ／Ｆ変換器７６への電圧レベル７４が減少し、Ｖ／Ｆ変換器７６からの出力パルス周波数が減少し、液滴放出装置３０の発射速度は遅くなる。

機関が、定常状態で動作している時に、機関にかかる負荷が増加すると、機関の速度は遅くなり、燃料噴射装置を通過する空気流も減少する。機関の回転数の減少もしくは空気流の減少のいずれかまたは双方は、機関負荷センサ７２によって検知され、加算結合部７０への出力電圧信号７３が、追加された負荷を補償するように変化する。この変化によって、次に、Ｖ／Ｆ変換器７６への入力電圧７４が増加し、回路は、液滴放出装置３０をより高速に発射させる。可燃性液体がより多く気流内に放出されると、機関は、通常、可燃性混合物が濃くなり過ぎてそれ以上トルクを増大しない一定の地点まで、より大きなトルクを生じる。このプロセスは、すべて、スロットルケーブル２２の動作なしに行われる。あるいは、負荷センサは、スロットル位置に影響を与えることもできる。過剰な出力が生成され続けているので、負荷の増加がなくなると、機関は、通常、速度を上昇させ、回路は、液滴放出装置３０の発射周波数を減少させるように動作する。これは、すぐ上で説明したプロセスと丁度逆のプロセスである。

図１０を参照して、加算結合部７０は、スロットル位置センサ５２からの出力電圧６８と、機関負荷センサからの出力電圧７３とを結合する。結合した信号は、Ｖ／Ｆ変換器７６への入力電圧レベル７４となり、次に、その回路に液滴放出装置３０の発射周波数を増減させる。特に、定常状態では、燃料噴射装置内のスライド体２６（図９）の位置は、機関に入る気流および空気注入の主要な化学量比を決定する。加速および減速中、機関負荷センサ７２は、この化学量比を変更する。

負荷が非常に小さい状況下では、スライド体２６が空気路８５を開くので、より多くの空気が、燃料噴射装置１４に入ることが可能になる。機関に対する負荷がほとんどないので、機関の速度は、非常に素早く応答し、機関の回転数は、非常に簡単に立ち上がって速度を上昇させる。この低負荷の状況では、機関負荷センサ７２からの出力信号７３は、Ｖ／Ｆ変換器７６によって生成されるパルスの周波数にほとんど影響せず、換言すると、液滴放出装置３０の発射周波数にもほとんど影響しない。

負荷が増加した状況下では、機関の負荷は、スロットル位置が変化することなく増加するので、機関負荷センサ７２からの出力電圧信号７３は、加算結合部７０（図１０）の電圧を変化させる。負荷センサによって、加算結合部７０からの出力電圧７４は増加し、次に、Ｖ／Ｃ変換器７６によって生成されたパルスの周波数が増加する。それによって、液滴放出装置３０の発射速度が増加する。可燃性液体の液滴がより多く気流に噴射され、化学量比が、機関によって生成されるトルクを増加させるように変更される。したがって、機関は負荷に反応し、平衡状態が再び確立される。

本発明を、特に、上記の好ましい実施の形態および代替的な実施の形態に関して図示して説明してきたが、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の精神および範囲から逸脱することなく、これらの実施の形態に多くの変形をなし得ることが、当業者には理解されよう。例えば、空気路内に固定して配置された液滴放出装置を使用することもでき、燃料噴射装置内への空気流を、蝶形弁等の空気流制御弁によって制御することもできる。

本発明のこの説明は、本明細書で説明した要素の新規な、かつ、自明でないすべての組み合わせを含むように理解されるべきであり、これらの要素の新規な、かつ自明でないあらゆる組み合わせに対しては、この出願または後の出願において、特許請求の範囲を提示することができる。上記実施の形態は例示であり、どの単一の特徴も要素も、この出願または後の出願で特許を請求し得るすべての可能な組み合わせにとって不可欠なものであるとは限らない。特許請求の範囲は、その等価なものの「第１の」要素等を列挙するが、このような請求項は、１つまたは複数のこのような要素を組み込んだものを含むように理解されるべきであり、２つまたは２つ以上のこのような要素を必要とするものでもなければ、排除するものでもない。本発明は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。

本発明の原理を具体化する内燃機関の可燃性気体を生成する装置の一部図式化した上部側面斜視図である。 図１の装置の一部図式化した底部側面斜視図である。 図１の装置の一部図式化した分解図である。 図１の装置のコンポーネントの一部の斜視図である。 図１の装置のコンポーネントの一部の斜視図である。 図１の装置のコンポーネントの一部の斜視図である。 図１の装置のコンポーネントの一部の斜視図である。 図１の装置のマイクロポンプの分解図である。 図１の装置の一部が切り取られた斜視図である。 図１０の装置の信号および電気制御回路のブロック図である。 従来の燃料噴射装置および図１の装置の一実施の形態の例示の対応する液滴の直径の分布である。 本発明の例示の実施の形態のブロック図である。

Claims (18)

1. 可燃性流体用のマイクロポンプであって、
   導入管を有するハウジングと、
   前記ハウジング内に配置されて、前記導入管と液通する背圧レギュレータと、
   前記背圧レギュレータと液通する、前記ハウジング上の量子液滴放出装置であって、可燃性液体をデジタル方式で個々に放出することができる１組のノズルを含む、量子液滴放出装置と、
   を備えることを特徴とするマイクロポンプ。
2. 前記ノズルによって放出される前記量子の液滴は、約３０μｍ未満の数量平均径を有することを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプ。
3. 前記１組のノズルは、個々に励起されて、可変の発射周波数で液滴を生成する複数のノズルを含むことを特徴とする請求項１に記載のマイクロポンプ。
4. 前記可変の発射周波数は、内燃機関の所要出力に応じて変化することができることを特徴とする請求項３に記載のマイクロポンプ。
5. 可燃性気体を生成する装置であって、
   請求項１に記載のマイクロポンプと、
   前記マイクロポンプに接続され、前記マイクロポンプによって放出された前記液滴に気流を通流して、前記可燃性気体を生成する手段と、
   を備えることを特徴とする装置。
6. 可燃性気体を生成する装置であって、
   １組の個々の量子サイズの可燃性液体の液滴を放出する手段と、
   前記放出する手段に接続され、前記放出する手段によって放出された前記液滴に気流を通流し、それによって、前記可燃性気体を生成する手段と、
   を備えることを特徴とする装置。
7. 前記放出する手段に接続され、前記通流する手段に対して前記放出する手段を位置決めして、前記液滴に通流する空気の量を決定する手段をさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 前記通流する手段は、空気流制御弁をさらに含み、前記放出する手段は、前記通流する手段に対して固定され、前記液滴に通流する空気の前記量は、該空気流制御弁によって決定されることを特徴とする請求項６に記載の装置。
9. 該装置に接続された電気制御回路をさらに含み、該装置からの可燃性気体の出力は、内燃機関の所要出力に応じて制御することができることを特徴とする請求項６に記載の装置。
10. 前記放出する手段は、前記通流する手段から取り外し可能であり、かつ、新たな放出する手段と取り替え可能であることを特徴とする請求項６に記載の装置。
11. 請求項６に記載の装置を含む可燃性燃料デバイス。
12. 前記放出する手段は、
    可燃性液体導入管を有するハウジングと、
    前記ハウジング内に配置されて、前記可燃性液体導入管と液通する背圧レギュレータと、
    前記背圧レギュレータと液通する、前記ハウジング上の量子液滴放出装置であって、可燃性液体を、個々に所定のサイズにされた液滴で放出することができる少なくとも１つのノズルを含む、量子液滴放出装置と、
    を含むことを特徴とする請求項６に記載の装置。
13. 供給される可燃性液体をスロットリングする手段と、可燃性燃料デバイスに対する負荷を検知する手段とをさらに含み、両手段は、該装置に接続され、該装置からの可燃性気体の出力は、前記スロットリングする手段および前記負荷を検知する手段の双方によって決定されることを特徴とする請求項６に記載の装置。
14. 可燃性気体を生成する装置であって、
    １組の個々の量子サイズの可燃性液体の液滴を放出する手段と、
    前記放出する手段に背圧を供給する手段であって、低圧に与圧された可燃性液体に接続される、供給する手段と、
    前記放出する手段に接続され、前記放出された液滴に気流を通流し、それによって、前記放出された液滴を霧状にし、それによって、前記可燃性気体を生成する手段と、
    を備えることを特徴とする装置。
15. 可燃性気体を生成する方法であって、
    マイクロポンプから個々の量子の液滴で可燃性液体を放出するステップと、
    前記マイクロポンプによって放出された前記液滴に気流を通流し、それによって、可燃性気体を生成するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
16. 燃料消費装置からのスロットル位置を検知するステップと、
    前記スロットル位置に応じて、前記マイクロポンプから液滴を放出する速度を変化させるステップと、
    前記スロットル位置に対して、通流する空気の量を変化させるステップと、
    をさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
17. 可燃性燃料デバイスからの負荷信号を検知するステップと、
    前記検知した負荷信号に応じて、前記マイクロポンプから液滴を放出する速度を変化させるステップと、
    をさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
18. スロットル位置を検知するステップと、
    可燃性燃料デバイスからの負荷信号を検知するステップと、
    前記スロットル位置の信号および前記検知した負荷信号から、結合信号を生成するステップと、
    前記結合信号に応じて、前記マイクロポンプから液滴を放出する速度を変化させるステップと、
    をさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。

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