JP2006526738A

JP2006526738A - 燃料噴射システムの炭化水素排出物の削減方法

Info

Publication number: JP2006526738A
Application number: JP2006515130A
Authority: JP
Inventors: アルヤナク、ゼキ
Original assignee: シーメンスヴィディーオーオートモティヴコーポレイション
Priority date: 2003-06-03
Filing date: 2004-06-02
Publication date: 2006-11-24
Also published as: DE112004000917T5; US20040256500A1; WO2004109096A1; US7303144B2

Abstract

本発明の燃料供給装置（１０）は、燃料圧力の関数としての複数の燃料噴射標的設定角を機関（１２）の燃焼室へ向けて提供し、低温始動又は高温始動中の炭化水素排出物を減少させる。本発明は、燃料供給のための方法および燃料システムにも関する。

Description

本願は、２００３年６月３日に出願された「変動燃料圧力による変動インジェクタ噴射標的設定による低温始動中の炭化水素排出物の削減」（「Reduction in Hydrocarbon Emission During Cold-Start by Means of Varying Injector Spray Targeting by Means of Varying Fuel Pressure」）と題する米国仮特許出願第６０／４７５３９８号の利益を主張する。この仮特許出願の開示内容は、その全体を本明細書に組み込むものとする。

現代の大部分の自動車燃料システムは、燃料インジェクタを使用して、正確に調量した燃料を各々の燃焼室へ導入する。更に、燃料インジェクタは、噴射中に燃料を霧化し、非常に小さな多数の粒子へ燃料を分解し、噴射される燃料の表面積を増加し、典型的には周囲の空気である酸化剤を、燃焼前に十分燃料と混合させる。燃料の調量と霧化は、燃焼排出物を削減し、機関の燃料効率を増加する。こうして、通常燃料の調量と標的設定が正確になり、燃料の霧化が進めば排出物が少なくなり、燃料効率が増大する。

電磁燃料噴射器は、典型的には、ソレノイドアセンブリを利用して、燃料調量アセンブリへ作動力を供給する。燃料調量アセンブリは、通常プランジャ型ニードル弁である。このニードル弁は、燃料が調量オリフィスを経て燃焼室へ脱出しないよう、ニードルが弁座についている閉鎖位置と、燃料が調量オリフィスから排出して燃焼室へ導入されるようにニードルが弁座から上げられている開放位置との間を往復する。

燃料噴射器は、通常吸気マニホルド内の吸気弁の上流又はシリンダヘッドに隣接して取り付けられる。燃料噴射器の入口は燃料供給器へ結合され、燃料噴射器の出口は、非直接噴射の応用（例えば低圧間接噴射）で吸気マニホルドへ結合されるか、直接噴射の応用（例えば高圧直接噴射）でシリンダヘッドへ結合される。燃料は、加圧下で燃料噴射器の入口へ供給される。吸気弁がシリンダの吸気ポートで開くに伴い、燃料噴射器の内側に配置された弁が作動し、燃料が出口から出て吸気ポートの方へ噴射される。ある状況では吸気弁のヘッド又は心棒を燃料噴射の標的とすること、他の状況では吸気弁の代わりに吸気ポートを燃料噴射の標的とすることが望ましい。双方の状況で、燃料噴射の標的設定は、噴射又は円錐パターンにより影響される。円錐パターンが大きな発散円錐形を有する場合、噴射された燃料は、意図した標的へ向かうのではなく、吸気ポートの表面に衝突し得る。逆に円錐パターンが狭い発散を有する場合、燃料は霧化せず、液体の流れへ再結合する。いずれの場合も、不完全燃焼が生じ、望ましくない排気排出物を増加させる。

標的設定と噴射パターンの要件を複雑にするのは、各機関の設計に特有なシリンダヘッドの構成、吸気ジオメトリおよび吸気ポートである。その結果特定の円錐パターンおよび燃料噴射標的設定のために設計された燃料噴射器は、１つの型の機関構成では非常に良好に働くが、異なる型の機関構成へ設置されると、排出物と操縦性の問題を起し得る。更に様々な機関構成、例えばインライン４、インライン６、Ｖ−６、Ｖ−８、Ｖ−１２、Ｗ−８等）を用いて自動車が生産される故に、排気ガス基準が厳しくなり、各機関構成に関して、燃料噴射器の調量、噴射標的設定および噴射又は円錐パターン要件が厳しくなる。

噴射パターンと正確な標的設定を変化させ、機関構成の１つの型から他の型迄特定の燃料標的設定および円錐パターンに対応できる燃料噴射器を開発することが望ましい。

本発明は、燃料噴射器からの燃料標的設定および燃料噴射分散を提供し、炭化水素排出物を制御することを目的とする。

１つの態様では、機関の燃焼室へ向けて多数の燃料噴射標的角を与える燃料供給装置を提供する。該装置は、複数圧力の燃料フローと燃料噴射器を含む。燃料噴射器は、入口、出口、入口から出口への長手方向軸に沿って延びる通路、弁座アセンブリおよびチャネルを含む。入口は燃料フローを受け取る。弁座アセンブリは通路内に配置され、弁座、弁座面、オリフィス、第１のフロー面、シール面および調量円板を含む。該円板は、第１のフロー面と連通する第２のフロー面を含み、かつ長手方向軸と略平行に延びる複数の調量オリフィスを持つ。調量オリフィスは、調量円板へのシール面の投影により定まる第２の円より大きい長手方向軸の周りの第１の円内に位置する。チャネルは、第１と第２のフロー面の間に形成された第１の部分を有する。この部分は、チャネルが弁座オリフィスから複数の調量オリフィスを取り囲む位置迄外側へ延びるに伴い断面積が変化し、第１の燃料圧力でチャネルを通る燃料フローは、長手方向軸に対し傾斜した第１の噴射角をなし、第２の燃料圧力の燃料フローは、長手方向軸に対し傾斜した第２の噴射角をなす。

更に他の態様は、内燃機関へ燃料を供給する燃料システムを提供する。該システムは、燃料供給器、少なくとも１つの燃料噴射器および制御装置を含む。燃料供給器は加圧下に燃料を供給する。少なくとも１つの燃料噴射器は、燃料供給器と流体的に連通し、入口、出口およびそれらを経て長手方向軸に沿って延びる通路を持つ。出口は弁座アセンブリを有し、該アセンブリは、弁座と調量円板の対向する面の間に形成されたチャネルを含む。該チャネルは第１の部分を有する。上記第１の部分は、チャネルが弁座オリフィスから複数の調量オリフィスを取り囲む位置迄外側へ延びるに伴い断面積を変化させる。制御装置は、少なくとも１つの燃料噴射器の入口へ供給される燃料圧力を変化させ、弁座チャネルおよび複数の調量オリフィスを経て出口を通る燃料フローは、燃料圧力の関数として変化する噴射角を形成する。

更なる態様は、少なくとも１つの燃料噴射器を通る燃料の噴射標的設定を制御する方法を提供する。上記少なくとも１つの燃料噴射器は、入口、出口およびそれらを経て長手方向軸に沿って延びる通路を含む。出口は通路の中に配置された弁座アセンブリを含む。該アセンブリは、弁座アセンブリを通る燃料フローへ径方向速度成分を与える。この方法は燃料を燃料噴射器の通路へ流し、入口に隣接した燃料の圧力を変化させ、燃料噴射器の出口から出る燃料の流路により、長手方向軸に対し傾斜した様々な噴射角を形成するようにすることで達成される。

ここに組み込まれて本明細書の一部分を構成する添付の図面は、本発明の実施形態を示し、上記の概説と後記の詳細な説明と共に本発明の特徴を明らかにするのに役立つ。

図１、図２Ａ〜２Ｃおよび図３は、好適な実施形態を示す。図１を参照すると、内燃機関１２に燃料を供給し、機関１２の動作特性に依存して炭化水素排出物を減らすために使用できる燃料システム１０は、例えば吸気マニホルド１６へ結合された取り入れ口１４、排気マニホルド１８、排気触媒１８ａおよびラジエータの冷媒システム１９を含む。燃料システム１０は燃料供給装置２０を含み、該装置２０はインタンク燃料ポンプＰ、燃料レール２４と流体的に連通する燃料ライン２２を含む。燃料レール２４は、各燃料噴射器１００のために燃料レールカップ２５を設けられてよい。燃料噴射器１００は、各燃料噴射ポート２６、例えば機関１２へ接続された吸気マニホルド１６へ結合される。取り入れ口１４と吸気マニホルド１６を経て供給される空気は、燃料噴射器１００から供給される燃料と結合する。機関１２内で燃焼した空気と燃料は、排気マニホルド１８を経て排気触媒１８ａへ導かれ、その後で周囲環境へ導かれる。燃料システム１０は、電子制御モジュール（「ＥＣＭ」）によって、変動フローレートおよび圧力を提供するように制御される。ＥＣＭは、機関又は排出物制御ユニットと一体化されるか、これら電子管理ユニットから分離されたものでよい。機関管理システムと一体化される分離制御ユニットの例として、燃料ポンプＰは、市販の制御装置、例えばAeromotive（登録商標）ビレット燃料ポンプ制御装置により制御され、１つ又は複数の感知されたパラメータ（例えば回転数）の関数として燃料ポンプ電圧を調整する。燃料システム１０がリターンレス燃料システムとして構成される場合、通常の燃料管理ユニット、例えばAeromotive（登録商標）ビレットディジタルＦＭＵをＥＣＭとして使用し、１つ又は複数の感知されたパラメータ（例えば吸気マニホルド圧力の大きさ）の関数として燃料圧力を調整する。ＥＣＭは、その制御ストラテジの一部分として多様な信号を受信および送信するように構成できる。例として、ＥＣＭは、排気ガス温度センサ１又は高温計を経て排気温度を感知し、冷媒センサ２を経て冷媒温度を感知し、燃料圧力又はフローレート３を感知し、センサ４を経てポンプ出力を感知し、触媒温度センサ５を経て排気触媒１８ａの温度を感知する。更にＥＣＭは、出力信号７で燃料圧力調整器２８を制御し、出力信号６で圧力制御装置を制御し、又は出力信号８でポンプＰを制御することで、燃料ポンプＰの圧力又はフローレートを制御する。

燃料噴射器１００の詳細は、特に重要である。燃料噴射器１００をＥＣＭと一緒に使用し、機関１２の動作特性に応じて機関１２のために様々な噴射標的構成を提供できる。どのようにして様々な噴射標的構成を達成できるかを説明すべく、燃料噴射器１００の好ましい実施形態を説明する。

図２Ａの燃料噴射器１００は、入口１０４、出口１０６、燃料入口管１１０、調整管１１２、フィルタアセンブリ１１４、コイルアセンブリ１１８、コイルバネ１１６、電機子１２４、閉鎖部材１２６、非磁気シェル１１０ａ、第１のオーバーモールド１１８、弁胴１３２、弁胴シェル１３２Ｂ、第２のオーバーモールド１１９、コイルアセンブリハウジング１２１、閉鎖部材１２６の案内部材１２７、弁座１３４および調量円板１０２を含む。

案内部材１２７、弁座１３４および調量円板１０２はスタックを形成し、該スタックは適切な結合手法、例えばクリンプ、溶接、接着、リベットにて燃料噴射器１００の出口端に結合される。電機子１２４および閉鎖部材１２６は一緒に結合されて、電機子／ニードル弁アセンブリを形成する。当業者は単一の構成要素とし、アセンブリを形成可能なことに注意すべきである。コイルアセンブリ１２０はプラスチックボビンを含み、その上に電磁コイル１２２が巻かれる。

コイル１２２の各端部は、各端子１２２Ｂおよび１２２Ｃへ接続される。端子１２２Ｂと１２２Ｃは成形されており、オーバーモールド１１８の一体的部分として形成された包囲部１１８ａと共に、燃料噴射器を作動させる電子制御回路（図示せず）へ燃料噴射器を接続する電気コネクタを形成する。

燃料入口管１１０は強磁性であり、露出した上端に燃料入口開口を含む。フィルタアセンブリ１１４は、調整管１１２の開放上端に隣接して取り付けられ、燃料が調整管１１２へ入る前に、入口開口を経て流入する燃料から、或る寸法より大きい粒子状物質を除く。

較正された燃料噴射器で、調整管１１２は、燃料入口管１１０内の或る軸方向位置へ軸方向で配置されている。燃料入口管１１０は、予圧スプリング１１６を所望のバイアス力迄圧縮する。この力は、電機子／ニードル弁を駆動して、閉鎖部材１２６の円形先端が弁座１３４上に座り、弁座を通る中央孔を閉鎖するようにする。管１１０と１１２を一緒にクリンプし、調整較正の実行後、それら管の相対的軸方向位置を維持するとよい。

調整管１１２の通過後、燃料は、入口管１１０と電機子１２４の対面する端部により定められた、予圧スプリング１１６を含む体積へ入る。電機子１２４は、体積１２５を弁胴１３０内の通路１１３と連通させる通路１２８を含み、案内部材１２７は燃料通路孔１２７ａと１２７ｂを含む。この結果、燃料は体積１２５から通路１１３と１２８を経て弁座１３４へ流れる。

非強磁性シェル１１０ａは、例えば密閉レーザ溶接により、入口管１１０の下端へ伸縮自在に結合できる。シェル１１０ａは管状ネックを有し、該ネックは、燃料入口管１１０の下端で管状ネック上へ重なって入れ子を形成する。シェル１１０ａは、更にネックから径方向を外側へ延びる肩を有する。弁胴シェル１３２Ｂは強磁性であるとよく、好ましくは同じく密閉レーザ溶接により、耐流体式に非強磁性シェル１１０ａへ結合される。

弁胴１３０の上端は、弁胴シェル１３２Ｂの下端の内部に密接に嵌め込まれ、該２つの部品は、好ましくはレーザ溶接で、耐流体式に結合される。電機子１２４は弁胴１３０の内壁で案内され、軸方向に往復運動できる。閉鎖部材１２６が通過する部材１２７内の中央案内孔により、電気子／ニードル弁アセンブリの更なる軸方向案内を提供できる。

燃料噴射器１００の出口端１０６に隣接した弁座アセンブリの構成要素の説明の前に、燃料噴射器１００の弁座と調量円板の好適な実施形態で、角度付きオリフィス（長手方向軸Ａ−Ａに対し傾斜方位の壁を有するオリフィス）によらずに、燃料噴射パターン１０１の標的設定（即ち、燃料噴射の分離）の選択が可能な点に注意されたい。更に好ましい実施形態では、ストレート（即ち長手方向軸と平行な）オリフィスの好ましい空間方位に基づく円錐パターン、即ち狭く又は広く発散する円錐噴射パターンの選択が可能になる。

図２Ｂの、燃料噴射器の弁座アセンブリの拡大図を参照すると、該アセンブリは、閉鎖部材１２６、弁座１３４および調量円板１０２を有する。閉鎖部材１２６は、電機子から遠い一端に配置された球面成形部材１２６ａを含む。球部材１２６ａは、弁座面１３４ａ上で弁座１３４と係合し、２つの部材間で略線接触のシールを形成する。弁座面１３４ａは、弁座オリフィス１３５へ向かって内側へ下がるに伴い径方向でテーパとなり、表面１３４ａは長手方向軸Ａ−Ａに対し傾斜する。「内側」と「外側」の用語は、各々長手方向軸Ａ−Ａへ近づくか離れる方向を意味する。シールとは、図２Ｂで示す如く、弁座面１３４ａと球部材１２６ａとの連続係合により形成された密封円１４０として定義できる。弁座１３４は弁座オリフィス１３５を含む。弁座オリフィス１３５は、ハウジング２０の長手方向軸Ａ−Ａに略沿って延び、略円筒形の壁１３４ｂで形成される。好適には、弁座オリフィス１３５の中心１３５ａは、略長手方向軸Ａ−Ａ上に位置する。

円形壁１３４ｂの下流で、弁座１３４は、調量円板面１３４ｅへ向かう部分１３４ｃに沿うテーパとなる。部分１３４ｃのテーパは、長手方向軸Ａ−Ａに関し線形又は曲線、例えば内部ドーム（図２Ｃ）を形成する曲線テーパであるとよい。１つの好ましい実施形態では、部分１３４ｃのテーパは、テーパ角βで外側へ下がり、調量オリフィス１４２を径方向で通過する点迄弁座オリフィス１３５から離れ、線形テーパとなる（図２Ｂ）。上記の通過点で、弁座１３４は、長手方向軸に沿って延び、平行となり、円筒壁面１３４ｄを形成するとよい。壁面１３４ｄは、下方へ延び、続いて略径方向に延びて底面１３４ｅを形成する。底面１３４ｅは、好適には長手方向軸Ａ−Ａに垂直である。他の好ましい実施形態では、部分１３４ｃは、弁座１３４の表面１３４ｅ迄延びる。テーパ角βは長手方向軸Ａ−Ａを横切る平面に対して約１０度であると望ましい。

調量円板１０２の外方周囲部に隣接した調量円板１０２の内面１４４は、略環状の接触区域に沿って底面１３４ｅと係合する。弁座オリフィス１３５は、好適には周囲部、即ち各々の調量オリフィス１４２の中心を接続する想像線により定義される「射出円」１５０の中へ全体を置かれる。即ち弁座１３５の表面の仮想的延長は仮想オリフィス円１５１を生成し、仮想オリフィス円１５１は、好ましくは射出円１５０内に配置される。

弁座面１３４ｂのテーパの断面仮想延長は、調量円板上に収束し、仮想円１５２を生成する（図２Ｃ）。更に仮想延長は、調量円板１０２の断面内に位置する頂点へ収束する。１つの好適な実施形態では、弁座面１３４ｂの仮想円１５２は、調量オリフィスの射出円１５０内に位置する。換言すれば、射出円１５０が仮想円１５２の全く外側にあるとよい。調量オリフィス１４２は、仮想円１５２と隣接し得るが、調量オリフィス１４２の全ても仮想円１５２の外側にあると好ましい。

図２Ｂに示すように、弁座１３４の弁座オリフィス１３５と調量円板１０２の内面１４４との間に、略環状の速度制御チャネル１４６を形成する。具体的には、チャネル１４６を、最初、円筒面１３４ｂと線形テーパ面１３４ｃとの交点の間に形成するとよい。上記チャネルは、円筒面１３４ｄと底面１３４ｅとの交点で終端する。換言すれば、チャネルは、弁座のオリフィスから外側の複数の調量オリフィスへ延びるに伴い断面積が変化し、燃料フローＦに、オリフィスと複数の調量オフィスとの間で径方向速度を与える。速度制御チャネル１４６を流れる流体へチャネル１４６が一定の速度を提供できるようにする特定関係の物理表現が発見された。この関係で、チャネル１４６は、調量オリフィス１４２へ向かい、対応する径方向距離Ｄ₁を有する弁座オリフィス１３５の大きい高さｈ₁から、対応する径方向距離Ｄ₁を有する小さな高さｈ₂迄、外側へテーパとなる。線形又は曲線であるテーパにより形成された、高さｈ₁、距離Ｄ₁およびπの積は、高さｈ₂、距離Ｄ₂およびπの積と略等しい（即ちＤ₁×ｈ₁×π＝Ｄ₂×ｈ₂×π又はＤ₁×ｈ₁＝Ｄ₂×ｈ₂）。高さｈ₂が大きくなればなる程、大きなテーパ角βが必要となり、高さｈ₂が小さくなればなる程、小さなテーパ角βが必要となる点で、距離ｈ₂はテーパに関係すると考えられる。好適には線形である壁面１３４ｄと調量円板１０２の内面との間に、長さＤ₂を有する円筒形の環状空間１４８を形成するとよい。即ち図２Ｂに示すように、弁座オリフィス１３５の下流にある速度制御チャネル１４６により形成される台形は、環状空間１４８によって形成される好ましくは直角円筒と隣接する。

速度制御チャネル１４６を流れる燃料フローＦの速度を一定にすると、噴射標的を設定し噴射を分散する際の弁座オリフィス１３５に対する調量オリフィス１４２の位置の感度が最小なる。即ち製造公差のため弁座オリフィス１３５に対し調量オリフィス１４２を配列する際の同心度の許容レベルは、達成が困難である。従って、好適な実施形態では、射出円１５０上の調量オリフィス１４２の配列と弁座オリフィス１３５との同心度変動に対し、従来よりも影響を受け難い燃料噴射器調量円板を提供する。更に注目すべきは、特定の関係から、速度制御チャネル１４６のＤ₁、ｈ₁、Ｄ₂又はｈ₂を変化させることを含むチャネル構成、例えばＤ₁とｈ₁の積をＤ₂とｈ₂の積より小さくするか大きくすることで、チャネル１４６の長さの全体にわたる任意の点で速度を減少、増加、又は増加および減少できる。

他の好適な実施形態では、環状空間１４８の円筒は使用せず、代わりに速度制御チャネル１４６の一部分を形成する台形のみを形成する。即ち図２Ｂと２Ｃに破線で示す如く、チャネル面１３４ｃは、調量円板１０２と隣接した表面１３４ｅ迄全面的に延びる。この実施形態で、長手方向軸Ａ−Ａからそれを横切る所望の点迄距離Ｄ₂を延ばし、調量円板１０２と距離Ｄ₂の所望の点の間の高さｈ₂を測定することで、高さｈ₂を参照できる。

弁座オリフィス１３５を流れる燃料フローＦへ異なった径方向速度を与えることで、調量オリフィス１４２を出る燃料噴射の噴射分離角を、径方向速度の略一次関数として変化させ得ることが解った。例えば図２Ｃで示す好適な実施形態で（オリフィス１３５から速度制御チャネル１４６を経て調量オリフィス１４２へ）流れる燃料の径方向速度を約８ｍ／秒から約１３ｍ／秒へ変化させることで、噴射分離角は、約１３度から約２６度へ変化する。好ましくは、弁座アセンブリ１２３の構成（速度制御チャネル１４６のＤ₁、ｈ₁、Ｄ₂又はｈ₂を含む）を変化させるか、燃料噴射器のフローレートを変化させるか、又はこれら双方を組み合わせて、径方向速度を変化させ得る。

更に、各々の調量オリフィスの貫通長さ（又はオリフィス長）「ｔ」と各オリフィスの直径「Ｄ」との比を変化させることで、噴射分離標的設定を調整できることが解った。具体的には、噴射分離角は、比ｔ／Ｄと線形および反比例の関係を有する。比が約０．３から約０．７へ変化するに伴い、噴射分離角θは、一般的に、約２２度から約８度へ線形に反比例して変化する。従って大きな噴射分離角を有する小さな円錐寸法が望まれる場合、噴射分離は速度チャネル１４６と空間１４８を構成することで達成され、円錐寸法は調量円板１０２のｔ／Ｄ比を調整することで達成される。注意すべきは、比ｔ／Ｄは噴射分離角に影響を与えるばかりか、線形および反比例の関係で、調量オリフィスから発する噴射円錐の寸法に影響を与えることである。比が約０．３から約０．７へ変化するに伴い、夾角として測定された円錐寸法は、比ｔ／Ｄに対し、略線形および逆の関係で変化する。図２Ｃで、貫通長さ「ｔ」（即ち長手方向軸Ａ−Ａに沿った調量オリフィスの長さ）を、調量円板１０２の厚さと略同じに示すが、注意すべきは、調量円板の厚さが、調量オリフィス１４２の貫通長さｔと異なってよいことである。

調量円板１０２は複数の調量オリフィス１４２を有し、各調量オリフィス１４２は、図２Ｃと３に示す想像的「射出円」１５０上に置かれた中心を有する。明瞭化のため、各調量オリフィスに、符号１４２Ｂ、１４２Ｃ、１４２ｃ、１４２ｄ・・を付している。調量オリフィス１４２は、好ましくは円形開口であるが、他のオリフィス構成、例えば正方形、矩形、アーチ形又はスロットも使用できる。調量オリフィス１４２は、円形構成として配列するとよい。この構成は、好ましい実施形態では、仮想円１５２と略同心である。弁座オリフィスの仮想円１５１は、調量円板上へのオリフィス１３５の仮想投影で形成され、弁座オリフィスの仮想円１５１は仮想円１５２の外側にあり、好適には第１および第２の仮想円１５０の双方と略同心である。２つの垂直線１６０ａと１６０ｂが、長手方向軸Ａ−Ａから延び、射出円１５０に関し、射出円を４つの隣接四分円Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄへ分割する。好適な実施形態では、各四分円上の調量オリフィスは、遠位四分円上の対応する調量オリフィスに関し直径上に配置される。調量オリフィス１４２とチャネルの好ましい構成で、弁座オリフィス１３５から径方向に延びる燃料の流路「Ｆ」は、長手方向軸を離れて調量円板へ向かう任意の１つの径方向で１つの調量オリフィス又はオリフィスに向かって通過する。

速度制御チャネルと比ｔ／Ｄによる径方向速度の調整と円錐寸法の決定を使用して噴射標的を設定することの他に、射出円１５０に沿う調量オリフィス１４２の間のアーチ距離「Ｌ」を変化させることで、非角度オリフィス開口１４２の空間方位を使用して燃料噴射パターンを成形できる。この好ましい手法の詳細は、２００２年６月６日に出願され「燃料噴射調量円板における非角度オリフィスを使用する噴射パターン制御」（”SPRAY PATTERN CONTROL WITH NON-ANGLED ORIFICES IN FUEL INJECTION METERING DISC”）と題する米国特許出願第１０／１６２７５９号（２００３年１月２３日に公開第２００３／００１５５９５号として公開）で図示および説明されている。この米国特許出願の開示内容は、その全体を本出願へ組み込むものとする。

更に、非角度調量オリフィス（即ち長手方向軸Ａ−Ａと略平行な軸方位の壁を有する調量開口）を使用しつつ、前述したプロセスと組み合わせてアーチ距離の調整を使用し、燃料噴射器の噴射ジオメトリ（大きい噴射角を有する狭い噴射パターンから小さい噴射角の広い噴射パターン迄）を特定の機関設計に適合させ得る。好ましい実施形態と手法の追加の詳細は、係属中の米国特許出願第１０／１６２７５９号明細書を参照されたい。この米国特許出願の開示内容も、その全体を本出願へ組み込むものとする。

動作時、燃料噴射器１００は、最初、図２Ａに示す非噴射位置にある。この位置では、燃料入口管１１０の環状端面１１０ｂと、電機子１２４の対向環状端面１２４ａの間に、作業ギャップが存在する。コイルハウジング１２１と管１２は７４で接触し、コイルアセンブリ１８に関連するステータ構造を構成する。非強磁性シェル１１０ａは、電磁コイル１２２の付勢時、電機子１２４を含む通路を磁束が通ることを保証する。密閉レーザ溶接により弁胴シェル１３２Ｂと結合したハウジング３４の下方軸端から出発して、磁気回路は、弁胴シェル１３２Ｂ、弁胴１３０および電機子１２４へのアイレットを通り、電機子１２４から作業ギャップ７２を横切って入口管１１０へ延び、ハウジング１２１へ戻る。

電磁コイル１２２が付勢されるとき、電機子１２４上のスプリング力が克服され、電機子は入口管１１０の方へ引きつけられ、作業ギャップ７２が縮小する。これは弁座１３４から閉鎖部材１２６を上げて燃料噴射器を開き、弁胴１３２内の加圧された燃料が、弁座オリフィスおよび調量円板１０２上に形成されたオリフィスを経て流れる。ここで注意すべきは、アクチュエータを取り付けて、アクチュエータの一部分を燃料噴射器の中に配置し、一部分を燃料噴射器の外側に配置できることである。コイルの付勢が中止されると、予圧スプリング１１６は電機子／ニードル弁を押して弁座１３４上で閉鎖する。

図１を参照すると、機関の動作特性に依存して燃料の噴射標的設定を変更することで、炭化水素排出物を減少すべく燃料噴射器１００を使用できる。燃料噴射器１００へ供給する燃料圧力を変化させ、燃料噴射器の弁座アセンブリ１２３を通る燃料の径方向速度を変化させることで、他の特徴の中でも、炭化水素を減少させ得る。燃料噴射器１００の入口１０４へ供給する燃料圧力の増加に伴い、径方向速度が増加し、従って噴射分離角θが増加する。こうして、燃料圧力の様々な設定は、燃料供給装置３０の長手方向軸Ａ−Ａに対し傾斜した様々な噴射角を形成する。燃料供給装置３０は、少なくとも１つの燃料噴射器１００と、少なくとも燃料ライン２２により形成される燃料流を含む。燃料噴射器１００へ流れる燃料の圧力が増加するに伴い、噴射角θが増加する。それは、弁座アセンブリ１２３のジオメトリにより、燃料流Ｆへ径方向速度を与え、調量オリフィスを出る流れが長手方向軸Ａ−Ａから発散するよう、流れエネルギー（燃料の圧力に略比例する）の変換が増加するためである。

機関の始動と基準動作状態の間、燃料噴射器の入口で、対応する燃料圧力を確立するように温度パラメータを感知できる。低温始動では、機関温度は、基準動作温度範囲の下にある。基準動作状態は、機関１２が稼動していて、その動作温度範囲、例えばラジエータ１９の入口への水ポンプの出口で、約９１℃の基準冷媒温度が到達された後に生ずる。機関１２の動作特性を決定するため温度パラメータは、機関、排気システム、又は冷却システム内の複数の位置で測定できる。例えばシリンダヘッド、排気、触媒、又はラジエータの温度が感知され、温度情報がＥＣＭへ提供される。

機関１２の温度が基準動作範囲下にある機関低温始動状態の間、吸気弁１２ａと吸気マニホルド１６の双方は比較的に冷たく、吸気マニホルド１６の真空度は、低温始動された機関の構成要素内のクリアランスに起因して適切な値迄上昇していない。マニホルドの真空度が低い場合、燃料混合物の霧化が貧弱で、大きな液滴がたまり、燃焼室内へ落下して、燃焼を弱くし炭化水素排出物を増やす。従って、この状態を軽減すべく、吸気マニホルド１６の内側の燃料噴射を制御し、基準動作状態（例えば指定された持続時間における所定の冷媒温度での機関動作状態）の噴射パターンよりも広い噴射パターンを生成できる。広い噴射パターンの霧化された大きな液滴は、吸気マニホルド１６の表面に付着して冷たい燃焼室へ引き込まれず、霧化された小さな液滴のみが燃焼室へ引き込まれる。霧化された大きな液滴は、液滴を引き込むか気化させる十分なマニホルド真空度および／又は熱が存在するようになる迄、吸気マニホルド１６の表面に残る。これは、大きな燃料液滴の、可能性としての部分燃焼を減少させる。従って、ここで説明した好ましい手法は、炭化水素排出物の減少を生じる。

逆に、基準動作状態又は高温始動時は、機関１２の吸気弁１２ａは、吸気マニホルド１６より速く熱くなる。何故なら、吸気弁が、通常燃焼ガスと直接接触するからである。各吸気弁１２ａの背面に狭い燃料噴射パターン１０１を提供し、空気／燃料混合物が燃焼室へ入る前に、吸気弁へ向けられた燃料を気化することで、良好な空気／燃料混合物を作り出せる。その結果、長手方向軸に対する噴射角を小さくすれば、それだけ燃焼が良好となり、炭化水素排出物が減少する。

機関始動状態に必要な広い噴射パターンは、燃料噴射器１００の入口へ供給する燃料圧力を介し噴射角を制御することで作り出せる。前述の如く、燃料噴射器の入口で燃料圧力を増加することで（例えば、燃料レールにおけるゲージ圧で５６２４０ｋｇ／ｍ²以上の燃料圧力）、大きい噴射角θを確立できる。こうして、長手方向軸に対し傾斜した噴射角を有する広い噴射パターンを、始動状態のために確立できる。逆に、燃料噴射器の燃料圧力が減少する際（例えばゲージ圧で２６７１４ｋｇ／ｍ²の基準燃料圧力へ減少する）、長手方向軸に対し傾斜した噴射角は減少し、噴射パターンは狭くなる。従って感知した温度に応じ、燃料圧力の或る範囲にわたり連続的に、又は燃料圧力の範囲にわたり離散的ステップで、燃料圧力を適切に変化させ得る。

特に、燃料圧力を変化させる方法は、部分的には燃料噴射器１００の入口１０４へ供給される燃料圧力を制御することで達成される。適切な手法、例えば燃料レール２４の上流又は下流で燃料レール２４内の燃料圧力調整器２８（ＥＣＭを有するか有しない）を制御するか、燃料ポンプの出力を制御するか、又は燃料レール２４から燃料タンクへ戻される燃料の量を制御することで、燃料圧力を制御できる。

ＥＣＭ又は燃料圧力調整器又は制御装置２８又は２８’は、好適には感知された温度パラメータ又は他の感知された状態、例えば回転数、低温始動後の動作持続時間、周囲の大気圧又は温度に応じ、燃料噴射器の入口へ供給する燃料圧力を変化させ得る。ＥＣＭ又は圧力制御装置は、少なくとも１つの所定の入力を感知でき、機関１２の動作特性、例えば低温始動又は高温始動に応じて、燃料噴射器へ供給する燃料圧力を変化させる。パラメータは、直接感知するか、ＥＣＭ内のルックアップパラメータテーブルで感知できる。

前述したように、炭化水素の排出を減少させるため、噴射標的設定角を制御し、分散又は燃料圧力を制御する手法を含む好ましい実施形態は、ここで説明された好ましい燃料噴射器に限定されず、他の燃料噴射器、例えば２００４年１月１３日にDallmeyerらへ付与された米国特許第６６７６０４４号で図示および説明したモジュラ燃料噴射器と一緒に使用できる。この米国特許明細書の開示内容も、本出願に組み込むものとする。

本発明は、特定の実施形態を参照して開示したが、特許請求の範囲で定められた本発明の分野および範囲から逸脱することなく、説明した実施形態に対する多数の修正、代替および変更が可能である。従って本発明は、説明した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の言語とその均等物により定められる全範囲を含むものである。

燃料システムの好ましい実施形態を示す図である。図１の燃料システムの燃料噴射器の１つを示す図である。図２Ａの燃料噴射器の出口端の拡大断面図である。弁座アセンブリの好ましい実施形態の更なる拡大図である。図１の燃料噴射器の調量円板の平面図である。

符号の説明

１排気ガス温度センサ、２冷媒センサ、３フローレート、４センサ、５触媒温度センサ、６出力信号、１０燃料システム、１２内燃機関、１４取り入れ口、１６吸気マニホルド、１８排気マニホルド、１８ａ排気触媒、１９冷媒システム、２０、２１、３０燃料供給装置、２２燃料ライン、２４燃料レール、２５燃料レールカップ、２６燃料噴射ポート、２８燃料圧力調整器、７２作業ギャップ、１００燃料噴射器、１０１燃料噴射パターン、１０２調量円板、１０４入口、１０６出口、１１０燃料入口管、１１０ａ非磁気シェル、１１２調整管、１１３、１２８ａ通路、１１４フィルタアセンブリ、１１６コイルバネ、１１８、１１９オーバーモールド、１２０、１２１コイルアセンブリハウジング、１２２電磁コイル、１２２Ｂ、１２２Ｃ端子、１２３弁座アセンブリ、１２４電機子、１２５体積、１２６閉鎖部材、１２６ａ球面成形部材、１２７案内部材、１２７ａ、１２７ｂ燃料通路孔、１３０、１３２弁胴、１３２Ｂ弁胴シェル、１３４弁座、１３４ａ弁座面、１３４ｂ壁、１３４ｃ線形テーパ面、１３４ｄ壁面、１３４ｅ調量円板面、１３５弁座オリフィス、１４２調量オリフィス、１４６速度制御チャネル、１４８環状空間、１５０射出円、Ｆ燃料フロー、Ｐ燃料ポンプ

Claims

複数の燃料噴射標的設定角を機関の燃焼室へ向けて提供する燃料供給装置であって、
複数の圧力の燃料フローと燃料噴射器とを具備し、
前記燃料噴射器が、
燃料フローを受け取る入口、出口、および入口から出口迄長手方向軸に沿って延びる通路と、
通路の中に配置され、弁座、弁座面、オリフィス、第１のフロー面、シール面および調量円板を含む弁座アセンブリと、
前記第１および第２のフロー面間に形成され、第１の部分を有するチャネルとを備え、
前記調量円板が、前記第１のフロー面と連通する前記第２のフロー面を含み、かつ前記調量円板が複数の調量オリフィスを有し、
前記調量オリフィスが前記長手方向軸と平行に延び、かつ調量オリフィスが前記長手方向軸の周りの第１の円の中に位置し、前記第１の円が、前記調量円板へのシール面の投影によって定められる第２の円よりも大きいことと、
前記チャネルが前記弁座の前記オリフィスから前記複数の調量オリフィスを取り囲む位置迄外側へ延びるにつれて、前記第１の部分の断面積が変化し、第１の燃料圧力でチャネルを通る燃料フローが、前記長手方向軸に対して傾斜した第１の噴射角を形成し、第２の燃料圧力における燃料フローが、前記長手方向軸に対して傾斜した第２の噴射角を形成することと
を特徴とする燃料供給装置。
前記第１の噴射角が、前記第２の噴射角より小さい請求項１記載の装置。
前記第１の燃料圧力が、前記第２の燃料圧力より小さい燃料圧力を含む請求項２記載の装置。
前記燃料圧力が、感知されたパラメータに対し線形である請求項３記載の装置。
前記燃料圧力が、感知されたパラメータに対し非線形に関係する請求項３記載の装置。
前記燃料圧力が、感知されたパラメータに対し離散ステップで関係する請求項３記載の装置。
内燃機関へ燃料を供給する燃料システムであって、
圧力下の燃料を供給する燃料供給器と、
燃料供給器と流体連通する少なくとも１つの燃料噴射器と、
前記少なくとも１つの燃料噴射器が、入口、出口、およびそれらを通って長手方向軸に沿って延びる通路を有することと、
前記出口が弁座アセンブリを有することと、
前記弁座アセンブリが、弁座および調量円板の対向する面の間に形成されたチャネルを含むことと、
前記チャネルが第１の部分を有することと、
前記チャネルが弁座のオリフィスから複数の調量オリフィスを取り囲む位置迄外側へ延びるにつれて前記第１の部分が断面積を変化させることと、
前記少なくとも１つの燃料噴射器の入口へ供給される燃料圧力を変化させる制御器であって、前記弁座チャネルおよび前記複数の調量オリフィスを経て出口を流れる燃料が、前記燃料圧力の関数として変化する噴射角を長手方向軸に関して形成するようにする制御器を含むことと
を特徴とする燃料システム。
少なくとも１つの燃料噴射器を受け取る内燃機関を更に含む請求項７記載のシステム。
前記制御器が機関制御器と通信する温度感知装置を含み、該感知装置が、機関動作温度、空気温度、水冷温度、排気温度および排気触媒の動作温度を含む温度グループから選択した少なくとも１つの温度を感知するように構成された請求項８記載のシステム。
前記温度感知装置が温度センサを含む請求項９記載のシステム。
前記制御器が、前記排気触媒の温度を感知し、前記少なくとも１つの燃料噴射器へ供給する前記燃料圧力を調整する請求項９記載のシステム。
前記圧力制御器が、制御信号に応答して開閉する燃料圧力調整器弁を含み、前記燃料噴射器の前記入口への前記燃料圧力が、前記機関の低温始動又は高温始動状態に依存して変化する請求項１１記載のシステム。
前記制御信号が、機関の吸気により生じた真空の情報を含む請求項１１記載のシステム。
前記圧力調整器弁が電子制御器を含み、前記制御信号が制御器からの電気信号を含む請求項１３記載のシステム。
入口、出口およびこれらを通って長手方向軸に沿って延びる通路を有し、前記出口が通路の中に配置された弁座アセンブリを有し、前記弁座アセンブリを通る燃料フローへ径方向速度成分を与える前記少なくとも１つの燃料噴射器を経て燃料の噴射標的設定を制御する方法であって、
前記燃料噴射器の通路を介し前記出口へ向かって燃料を流し、
前記入口に隣接した前記燃料の圧力を変化させ、前記燃料噴射器の前記出口から出る燃料の流路が、前記長手方向軸に対して傾斜した様々な噴射角を形成する
ことを含む方法。
前記の変化が、低温又は高温始動の１つを示すパラメータの変化を含む請求項１５記載の方法。
前記の感知が、燃焼機関の冷媒温度、前記燃焼機関の排気ガス温度および触媒動作温度を含む温度の群から選択した温度の感知を含むことを含む請求項１６記載の方法。
前記の変化が、低温始動状態のために前記燃料圧力を増加させることで前記噴射角を増加させて炭化水素排出物を減少させ、高温始動状態のために前記燃料圧力を減少させることで前記噴射角を減少させて炭化水素排出物を減少させることを含む請求項１５記載の方法。
前記の変化が、前記燃料圧力調整器を経て燃料噴射器への燃料圧力を制御することを含む請求項１５記載の方法。
前記の変化が、前記少なくとも１つの燃料噴射器と流体連通する燃料ポンプの圧力出力の制御を含むことを含む請求項１５記載の方法。