JP4567687B2 - Multi-capillary fuel injector for internal combustion engines - Google Patents

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Abstract

A fuel injector for vaporizing a liquid fuel for use in an internal combustion engine. The fuel injector includes a plurality of capillary flow passages, each of the plurality of capillary flow passages having an inlet end and an outlet end; a heat source arranged along each of the plurality of capillary flow passages, the heat source operable to heat the liquid fuel in each of the plurality of capillary flow passages to a level sufficient to change at least a portion thereof from the liquid state to a vapor state and deliver a stream of substantially vaporized fuel from each outlet end of the plurality of capillary flow passages; and a valve for metering substantially vaporized fuel to the internal combustion engine, the valve located downstream of each outlet end of the plurality of capillary flow passages. The fuel injector is effective in reducing cold-start and warm-up emissions of an internal combustion engine.

Description

本発明は、内燃機関への燃料送給に関する。   The present invention relates to fuel delivery to an internal combustion engine.

1970年代以来、ポート燃料噴射エンジンは、NOx、CO、及び未燃炭化水素排出物を最小限に抑えるために、三元触媒と閉ループエンジン制御とを利用してきた。この方策は、エンジンと排気部品が十分な温度に達している通常運転中では、特に有効であることが判明している。しかし、NOx、CO、及び未燃炭化水素の望ましい変換効率を達成するために、三元触媒は、その固有の触媒活性温度よりも高くなければならない。 Since the 1970s, port fuel injection engines have utilized three-way catalysts and closed-loop engine control to minimize NO x , CO, and unburned hydrocarbon emissions. This measure has been found to be particularly effective during normal operation when the engine and exhaust components have reached a sufficient temperature. However, in order to achieve the desired conversion efficiency of NO x , CO, and unburned hydrocarbons, the three-way catalyst must be higher than its inherent catalytic activation temperature.

加えて、エンジンは、液体燃料がポート壁及び/又は弁の背面のような吸気部品と衝突するとき、その液体燃料の蒸発を可能にするのに十分な温度でなければならない。このエンジンが十分な温度になるプロセスの有効性は、そのプロセスが、燃料/空気混合物の化学量論的組成に対して適切な程度の制御をもたらし、これによって、アイドル特性と三元触媒の性能に関連付けられる点において、及びそのプロセスが、エンジンに供給される燃料が燃焼行程中に燃焼され、これによって、十分に蒸発せず及び/又は吸気部品に溜まる液体燃料を補う過剰な燃料供給の必要性をなくすことを確実にする点において、重要である。   In addition, the engine must be at a temperature sufficient to allow the liquid fuel to evaporate when it collides with intake components such as the port wall and / or the back of the valve. The effectiveness of the process at which the engine is at a sufficient temperature is such that the process provides an appropriate degree of control over the stoichiometric composition of the fuel / air mixture, thereby allowing idle performance and three-way catalyst performance. And the process requires that the fuel supplied to the engine be burned during the combustion stroke, thereby not requiring sufficient fuel supply to compensate for liquid fuel that does not evaporate sufficiently and / or accumulates in the intake components. It is important in ensuring that it loses gender.

化学的に完全な燃焼を行なうために、燃料/空気混合物は、化学量論的な気相の混合物が得られるように蒸発されねばならない。化学量論的に燃焼可能な混合物は、完全な燃焼に必要とされる正確な量の空気(酸素)と燃料とを含んでいる。ガソリンの場合、この空気/燃料比は、重量比で、約14.7:1である。完全に蒸発されない及び/又は化学量論的な量を超える燃料を含む燃料/空気混合物は、不完全な燃焼と熱効率の低下をもたらすことになる。理想的な燃焼過程の生成物は、水(H2O)と二酸化炭素(CO2)である。もし燃焼が不完全な場合、一部の炭素は、十分に酸化されず、一酸化炭素(CO)と未燃炭化水素(HC)を生じることになる。 In order to perform chemical complete combustion, the fuel / air mixture must be evaporated to obtain a stoichiometric gas phase mixture. A stoichiometric combustible mixture contains the exact amount of air (oxygen) and fuel required for complete combustion. In the case of gasoline, this air / fuel ratio is about 14.7: 1 by weight. A fuel / air mixture that is not fully evaporated and / or contains fuel in excess of the stoichiometric amount will result in incomplete combustion and reduced thermal efficiency. The products of an ideal combustion process are water (H 2 O) and carbon dioxide (CO 2 ). If combustion is incomplete, some carbon will not be fully oxidized, resulting in carbon monoxide (CO) and unburned hydrocarbons (HC).

冷始動及び暖気状態下では、排気物質を低減し、高品質の燃料蒸気を送給するのに用いられるプロセスは、温度が比較的低いことによって、正常に機能しない。特に、三元触媒の有効性は、略250℃未満では十分に発揮されず、その結果、未燃炭化水素の大部分が変換されずに環境に放出されることになる。これらの状態下では、炭化水素排出物の増大が、冷始動と暖気中に必要とされる過剰の燃料供給によって、激化されることになる。すなわち、燃料は、低温の吸気マニフォールド部品との衝突によっては速やかに蒸発されないので、エンジン始動と許容範囲内のアイドル特性用の燃焼可能な混合物を生成するのに、過剰な燃料供給が必要となる。   Under cold start and warm conditions, the processes used to reduce exhaust emissions and deliver high quality fuel vapors do not function properly due to the relatively low temperature. In particular, the effectiveness of the three-way catalyst is not fully exhibited below about 250 ° C., and as a result, most of the unburned hydrocarbons are released into the environment without being converted. Under these conditions, the increase in hydrocarbon emissions will be exacerbated by the excessive fuel supply required during cold start and warm up. That is, fuel does not evaporate quickly upon collision with cold intake manifold components, so excessive fuel supply is required to produce a combustible mixture for engine start and acceptable idle characteristics. .

世界中に広まっている大気汚染を低減させる義務付けの結果として、燃料システムとエンジンの多様な改造によって、燃焼の非効率性を補う試みがなされてきた。燃料の前処理と送給システムに関する先行技術によって明らかなように、多くの努力が、液体燃料の液滴寸法を低減させること、系の乱流を向上させこと、及びより完全な燃焼を可能にするために燃料を蒸発するのに十分な熱を加えることに、向けられてきた。   As a result of mandates to reduce air pollution around the world, attempts have been made to compensate for combustion inefficiencies through various modifications to fuel systems and engines. As evidenced by prior art on fuel pre-treatment and delivery systems, many efforts have been made to reduce liquid fuel droplet size, improve system turbulence, and allow more complete combustion It has been directed to apply enough heat to evaporate the fuel.

しかし、低エンジン温度での非効率な燃料前処理は、より高い排出物をもたらし、後処理と複雑な制御手法を必要とするという問題を残すことになる。このような制御手法として、排ガス再循環、可変弁タイミング、遅延点火タイミング、圧縮比の低減、触媒コンバーの使用、及び未燃炭化水素を酸化させ、触媒コンバータの活性化に有利な発熱反応を生成するための空気噴射が、挙げられる。   However, inefficient fuel pretreatment at low engine temperatures results in higher emissions, leaving the problem of requiring aftertreatment and complex control techniques. Such control methods include exhaust gas recirculation, variable valve timing, delayed ignition timing, compression ratio reduction, use of catalytic converters, and oxidation of unburned hydrocarbons to generate an exothermic reaction that is advantageous for the activation of catalytic converters. An air injection for doing this is mentioned.

前述したように、従来のエンジンにおいて、冷始動と暖気中のエンジンへの過剰な燃料供給は、未燃炭化水素排出物の著しい源をなしている。典型的な最新のポート燃料噴射(PFI)ガソリンエンジン乗用車によって生じる全炭化水素排出物の80%もが、過剰な燃料がエンジンに供給され、かつ触媒コンバータが本質的に作動していない冷始動及び暖気期間に生じる、と推定されている。   As noted above, in conventional engines, excessive fuel supply to the cold start and warm engine is a significant source of unburned hydrocarbon emissions. As much as 80% of the total hydrocarbon emissions generated by a typical modern port fuel injection (PFI) gasoline engine passenger car are supplied with excess fuel to the engine and a cold start and no catalytic converter is essentially operating It is estimated to occur during the warm-up period.

未燃炭化水素の比較的大部分が始動中に放出されるので、乗用車エンジンの運転のこの面が、著しい技術開発の努力の焦点になってきた。さらに、ますます厳しい排出物の規格が法制化され、ユーザは依然としてコストと性能に敏感なので、これらの開発努力は、引き続き、最優先課題とされるだろう。従来のエンジンにおいて始動時の排出物を低減させるこのような努力は、一般的に、2つの範疇、すなわち、1)三元触媒システムの活性化時間の低減と、2)燃料を蒸発させるための技術の改良とに分類される。三元触媒の活性化時間を低減させる今までになされた努力として、排気温度を上昇させるために点火タイミングを遅らせること、排気弁を早めに開くこと、触媒を電気的に加熱すること、触媒をバーナ又は炎によって加熱すること、及び触媒を触媒作用によって加熱することが、挙げられる。全体的に、これらの努力は、高価であり、冷始動中及びその直後におけるHC排出物に対処していない。   This aspect of passenger car engine operation has become the focus of significant technological development efforts as a relatively large portion of unburned hydrocarbons is released during start-up. Furthermore, these development efforts will continue to be a top priority, as increasingly stringent emission standards are legislated and users are still cost and performance sensitive. Such efforts to reduce starting emissions in conventional engines are generally in two categories: 1) reducing the activation time of the three-way catalyst system and 2) evaporating the fuel. Classified as technology improvements. Efforts made so far to reduce the activation time of the three-way catalyst include delaying the ignition timing to raise the exhaust temperature, opening the exhaust valve early, electrically heating the catalyst, Heating with a burner or flame and heating the catalyst by catalysis are mentioned. Overall, these efforts are expensive and do not address HC emissions during and immediately after cold start.

燃料蒸発の課題に対処する種々の技術が提案されている。燃料蒸発の技術を提案する米国特許として、ハドソン・ジュニア(Hudson, Jr)らに発行された米国特許第5,195,477号、クラーク(Clarke)に発行された米国特許第5,331、937号、アズムス(Asmus)に発行された米国特許第4,886、032号、ルイス(Lewis)らに発行された米国特許第4,955,351号、オザ(Oza)に発行された米国特許第4,458,655号、クック(Cooke)に発行された米国特許第6,189,518号、ハント(Hunt)に発行された米国特許第5,482,023号、ハント(Hunt)に発行された米国特許第6,109,247号、アワーザマニ(Awarzamani)らに発行された米国特許第6,067,970号、クローン(Krohn)らに発行された米国特許第5,947,091号、ナインズ(Nines)に発行された米国特許第5,758,826号、シュリング(Thring)に発行された米国特許第5,836,289号、及びチカネック・ジュニア(Cikanek, Jr)らに発行された米国特許第5,813,388号が挙げられる。   Various techniques have been proposed to address the problem of fuel evaporation. U.S. Pat. Nos. 5,195,477 issued to Hudson, Jr et al., U.S. Pat. No. 5,331,937 issued to Clarke as U.S. patents proposing fuel evaporation techniques. No. 4, U.S. Pat. No. 4,886,032 issued to Asmus, U.S. Pat. No. 4,955,351 issued to Lewis et al., U.S. Pat. No. issued to Oza No. 4,458,655, US Pat. No. 6,189,518 issued to Cooke, US Pat. No. 5,482,023 issued to Hunt, issued to Hunt US Pat. No. 6,109,247, US Pat. No. 6,067,970 issued to Awarzamani et al., US Pat. No. 5,947,091 issued to Krohn et al., Nines (Nines) Issued US Pat. No. 5,758,826, US Pat. No. 5,836,289 issued to Thring, and US Pat. No. 5 issued to Cikanek, Jr et al. , 813,388.

提案された他の燃料送給装置として、燃料電池システムに用いられる燃料絞り装置を開示する米国特許第3,716,416号が挙げられる。この燃料電池システムは、自己調整し、所定レベルの電力を生成することを目的としている。提案された燃料絞りシステムは、毛細管流量制御装置を備えているが、この毛細管流量制御装置は、後続の燃焼用の燃料前処理を改良するためではなく、燃料電池の電力出力に応じて燃料流れを絞るための装置である。むしろ、燃料は、H2への変換のために、燃料リフォーマに送給され、次いで、燃料電池に送給されるようになっている。好ましい実施形態において、毛細管チューブは、金属から作製され、毛細管自体が、燃料電池の電力出力部と電気的に接触する抵抗体として、用いられている。蒸気の流れ抵抗は、液体の流れ抵抗よりも大きいので、蒸気の流れは、電力出力が増大するにつれて絞られることになる。使用されることが推奨される燃料として、熱を加えることによって容易に液相から蒸気相に変換され、毛細管内を自在に流れる任意の流体が、挙げられている。蒸発は、ベーパロックが自動車エンジン内において生じるような形態で、なされると思われる。 Another proposed fuel delivery device is US Pat. No. 3,716,416 which discloses a fuel throttle device for use in a fuel cell system. This fuel cell system is intended to self-adjust and generate a predetermined level of power. The proposed fuel throttling system includes a capillary flow control device that does not improve fuel pretreatment for subsequent combustion, but fuel flow in response to the fuel cell power output. It is a device for narrowing down. Rather, the fuel, for conversion to H 2, is fed to the fuel reformer and then is adapted to be fed to the fuel cell. In a preferred embodiment, the capillary tube is made of metal and the capillary itself is used as a resistor that makes electrical contact with the power output of the fuel cell. Since the vapor flow resistance is greater than the liquid flow resistance, the vapor flow will be throttled as the power output increases. Fuels that are recommended to be used include any fluid that is easily converted from a liquid phase to a vapor phase by the application of heat and flows freely within the capillary. Evaporation appears to be done in such a way that vapor lock occurs in the car engine.

米国特許第6,276,347号は、超臨界又は近超臨界噴霧器と、液体の噴霧又は蒸発を達成させるための方法とを提案している。米国特許第6,276,347号の超臨界噴霧器は、典型的にはガソリンを燃焼させる小型、軽量、かつ低圧縮比の火花点火ピストンエンジンを点火させるのに、重燃料を使用することができる、と述べられている。この噴霧器は、液体又は液体状の燃料をそれらの超臨界温度に向けて移動させ、燃料と関連する相平衡図における気体安定区域の低圧領域に燃料を放出し、燃料を微細に噴霧又は蒸発させることによって、それらの燃料から微細な液滴の噴霧を生成することを目的としている。燃焼エンジン、科学機器、化学処理、廃棄物処理制御、清浄化、エッチング、昆虫制御、表面改良、加湿、及び蒸発のような用途への有用性が開示されている。   US Pat. No. 6,276,347 proposes a supercritical or near supercritical atomizer and a method for achieving liquid atomization or evaporation. The supercritical atomizer of US Pat. No. 6,276,347 can use heavy fuel to ignite a small, lightweight, low compression ratio spark ignition piston engine that typically burns gasoline. It is stated. This atomizer moves liquid or liquid fuels towards their supercritical temperature, releases the fuel into the low pressure region of the gas stable zone in the phase equilibrium diagram associated with the fuel, and finely sprays or evaporates the fuel The aim is to produce fine droplet sprays from these fuels. Utility for applications such as combustion engines, scientific equipment, chemical processing, waste treatment control, cleaning, etching, insect control, surface modification, humidification, and evaporation are disclosed.

燃料の変質を最小限に抑えるために、米国特許第6,276,347号は、噴霧用の絞り弁の遠位端を通過するまで、燃料を超臨界温度よりも低い温度に維持することを、提案している。用途によっては、化学反応物又は沈殿が生じる可能性を最小限に抑えるために、絞り弁の先端だけを加熱することが望まれている。これは、溶液から離脱されてラインやフィルターを閉塞させる傾向にある燃料流れ内の不純物、反応物、又は材料に関連する問題を低減するためであると、述べられている。超臨界又は近超臨界圧での作動は、燃料供給システムが21kg/cm2(300psi)から56kg/cm2(800psi)の範囲内で作動されることを、示唆している。超臨界圧と超臨界温度の使用は、噴霧器の閉塞を低減させるかもしれないが、これらの高圧での作動を可能にする比較的高価な燃料ポンプ、並びに燃料ラインや接続具などを使用する必要があると思われる。 In order to minimize fuel alteration, US Pat. No. 6,276,347 maintains the fuel at a temperature below the supercritical temperature until it passes through the distal end of the atomizing throttle valve. ,is suggesting. In some applications, it is desirable to heat only the throttle valve tip to minimize the possibility of chemical reactants or precipitation. This is stated to reduce problems associated with impurities, reactants, or materials in the fuel stream that tend to become detached from the solution and plug lines and filters. Operation at supercritical or near supercritical pressures suggests that the fuel delivery system is operated within the range of 21 kg / cm 2 (300 psi) to 56 kg / cm 2 (800 psi). The use of supercritical pressure and supercritical temperature may reduce atomizer blockage but requires the use of relatively expensive fuel pumps and fuel lines and fittings that allow operation at these high pressures. There seems to be.

当技術分野におけるこれら及び他の進展にもかかわらず、噴射器の両端での許容範囲内の圧力降下、100%デューティサイクルでの許容範囲内の蒸発燃料の流量、100%デューティサイクルでの許容範囲内の液体燃料の流量のような臨界設計要件を満たし、最小の昇温時間をもたらし、最小の電力要件を満たし、デューティサイクルと蒸発された燃料流れとの間の直線関係を示し、デューティサイクルと液体燃料流れとの間の直線関係を示すと共に、改良された蒸発をもたらすことができる噴射器の設計が、必要とされている。   Despite these and other developments in the art, pressure drop within acceptable range across the injector, evaporative fuel flow rate within acceptable range at 100% duty cycle, acceptable range at 100% duty cycle Meet critical design requirements such as the flow rate of liquid fuel within, result in minimum heating time, meet minimum power requirements, and show a linear relationship between duty cycle and evaporated fuel flow, There is a need for an injector design that exhibits a linear relationship with the liquid fuel flow and that can provide improved evaporation.

一態様において、内燃機関に用いられる液体燃料を蒸発させるための燃料噴射器が提供されている。この燃料噴射器は、
(a)複数の毛細管流路であって、各々が入口端と出口端とを有する複数の毛細管流路と、
(b)前記複数の毛細管流路の各々に沿って配置される熱源であって、前記複数の毛細管流路の各々における液体燃料を、少なくともその一部を液体状態から蒸気状態に変化させ、実質的に蒸発された燃料の流れを前記複数の毛細管流路の前記出口端の各々から送給するのに十分なレベルに加熱するように作動可能な熱源と、
(c)実質的に蒸発された燃料を内燃機関に計量送給するための弁であって、前記複数の毛細管流路の前記出口端の各々の下流側に配置される弁と
を備えている。
In one aspect, a fuel injector for evaporating liquid fuel used in an internal combustion engine is provided. This fuel injector
(A) a plurality of capillary channels, each of which has an inlet end and an outlet end;
(B) a heat source disposed along each of the plurality of capillary channels, wherein at least part of the liquid fuel in each of the plurality of capillary channels is changed from a liquid state to a vapor state, A heat source operable to heat the vaporized fuel stream to a level sufficient to be delivered from each of the outlet ends of the plurality of capillary channels;
(C) a valve for metering and delivering substantially evaporated fuel to the internal combustion engine, the valve being disposed downstream of each of the outlet ends of the plurality of capillary channels. .

他の態様において、蒸発された燃料を内燃機関に送給する方法が提供されている。この方法は、
(a)液体燃料を燃料噴射器の複数の毛細管流路に供給する段階と、
(b)燃料噴射器の複数の毛細管流路内の液体燃料を加熱し、蒸発された燃料を複数の毛細管流路の各出口を通過させる段階と、
(c)蒸発された燃料を、複数の毛細管流路の各出口の下流側に配置される弁を通して、内燃機関の燃焼室に計量送給する段階と
を含んでいる。
In another aspect, a method for delivering evaporated fuel to an internal combustion engine is provided. This method
(A) supplying liquid fuel to a plurality of capillary channels of a fuel injector;
(B) heating the liquid fuel in the plurality of capillary channels of the fuel injector and passing the evaporated fuel through the outlets of the plurality of capillary channels;
(C) metering the evaporated fuel into a combustion chamber of the internal combustion engine through a valve disposed downstream of each outlet of the plurality of capillary channels.

提供される燃料噴射器は、内燃機関の冷始動と暖機の排出物を低減するのに、有益である。効率的な燃焼が、実質的に蒸発された燃料が空気中で凝縮するとき、微細な液滴寸法のエアロゾルを形成することによって、促進されることになる。実質的に蒸発された燃料が、エンジンの冷始動と暖機中又はエンジン運転中の他の期間に、内燃機関の燃焼室に直接的又は間接的に供給され、この改良された混合気の調整能力によって、冷始動、暖機、及び遷移作動中における排出物の低減が達成されることになる。   The provided fuel injector is beneficial for reducing cold start and warm-up emissions of internal combustion engines. Efficient combustion will be facilitated by forming a fine droplet size aerosol when the substantially evaporated fuel condenses in the air. Substantially evaporated fuel is supplied directly or indirectly to the combustion chamber of the internal combustion engine during cold engine start-up and warm-up or other periods of engine operation, and this improved mixture adjustment Capacities will achieve emissions reduction during cold start, warm-up, and transition operations.

毛細管流路は、毛細管チューブ内に形成させることができる。熱源としては、抵抗加熱要素、又は電流を流すことによって加熱されるチューブの一部が、挙げられる。燃料の供給源は、加圧された又は加圧されていない液体燃料を流路に送給するように、配置させることができる。この燃料噴射器は、蒸発された燃料をもたらすことができ、この蒸発された燃料は、空気と混合し、25μm以下の平均液滴寸法を有するエアロゾルを形成することになる。   The capillary channel can be formed in a capillary tube. A heat source includes a resistive heating element or a portion of a tube that is heated by passing an electric current. The fuel source can be arranged to deliver pressurized or non-pressurized liquid fuel to the flow path. The fuel injector can provide vaporized fuel that will mix with the air and form an aerosol having an average droplet size of 25 μm or less.

以下、単なる例示にすぎないが、本発明の好ましい形態に基づき、及び添付の図面を参照して、本発明をさらに詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on preferred embodiments of the present invention and with reference to the accompanying drawings.

図1は、好ましい形態による、ソレノイドによって作動される燃料絞り弁の上流側に配置される電子的に加熱される毛細管束を有する多重毛細管燃料噴射器を、部分断面図で示している。   FIG. 1 illustrates, in partial cross-section, a multi-capillary fuel injector having an electronically heated capillary bundle disposed upstream of a solenoid operated fuel throttle valve, according to a preferred embodiment.

図2は、図1の実施形態の毛細管束の拡大図を示している。   FIG. 2 shows an enlarged view of the capillary bundle of the embodiment of FIG.

図3Aは、絞り板40の好ましい形態の平面図を示している。   FIG. 3A shows a plan view of a preferred form of the diaphragm plate 40.

図3Bは、図3Aの線3B−3Bに沿った断面図を示している。   FIG. 3B shows a cross-sectional view along line 3B-3B of FIG. 3A.

図4Aは、オリフィス板の好ましい形態の平面図を示している。   FIG. 4A shows a plan view of a preferred form of orifice plate.

図4Bは、図4Aの線4B−4Bに沿った断面図を示している。   FIG. 4B shows a cross-sectional view along line 4B-4B of FIG. 4A.

図5Aは、燃料の流れ経路を形成するように開位置に配置されたときの図3Bの絞り板と図4Bのオリフィス板の協働作用の状態を示している。   FIG. 5A shows the cooperating state of the throttle plate of FIG. 3B and the orifice plate of FIG. 4B when placed in the open position to form a fuel flow path.

図5Bは、燃料の流れ経路を遮断するように閉位置に配置されたときの図3Bの絞り板と図4Bのオリフィス板の協働作用の状態を示している。   FIG. 5B shows the cooperating state of the throttle plate of FIG. 3B and the orifice plate of FIG. 4B when placed in the closed position so as to block the fuel flow path.

図6は、噴射器の他の好ましい形態による、ソレノイドによって作動される燃料絞り弁の上流側に配置される電子的に加熱される毛細管束を有する他の多重毛細管燃料噴射器の等角投影図を示している。   FIG. 6 is an isometric view of another multi-capillary fuel injector having an electronically heated capillary bundle located upstream of a solenoid operated fuel throttle valve, according to another preferred form of injector. Is shown.

図7は、図6の多重毛細管燃料噴射器の部分側断面図である。   FIG. 7 is a partial cross-sectional side view of the multi-capillary fuel injector of FIG.

図8は、異なる加熱質量ごとに、噴射器に供給される電力の最小化と噴射器に関連する立ち上がり時間の最小化との間のトレードオフ(両立性)を示すチャートである。   FIG. 8 is a chart showing the trade-off (compatibility) between minimizing the power supplied to the injector and minimizing the rise time associated with the injector for different heating masses.

図9は、エンジンサイクルの吸気弁が開いている期間中にのみ蒸気を噴射することによって、排出物が最大限に低減されることを示すチャートである。   FIG. 9 is a chart showing that emissions are maximally reduced by injecting steam only during the period when the intake valve of the engine cycle is open.

図10は、好ましい形態による燃料送給及び制御システムの概略図である。   FIG. 10 is a schematic diagram of a fuel delivery and control system according to a preferred embodiment.

図11は、単一の3.8cm(1.5インチ)毛細管を通る燃料の液体質量流量と蒸気質量流量を毛細管の圧力降下の関数として示している。   FIG. 11 shows the liquid mass flow rate and the vapor mass flow rate of fuel through a single 3.8 cm (1.5 inch) capillary as a function of capillary pressure drop.

図12は、3.8cm(1.5インチ)薄壁毛細管における燃料の液滴寸法(SMD、μm)を抵抗設定点の関数として示している。   FIG. 12 shows the fuel droplet size (SMD, μm) in a 3.8 cm (1.5 inch) thin wall capillary as a function of resistance set point.

以下、図1〜12に示される実施形態について説明する。全体にわたって、同様の番号は同様の部品を示すものとする。   The embodiment shown in FIGS. 1 to 12 will be described below. Like numbers refer to like parts throughout.

ここに提供されるのは、内燃機関の冷始動、暖機、及び通常運転に有用である絞り弁を有する多重毛細管燃料噴射器及びそれを用いる燃料システムである。この燃料システムは、複数の毛細管流路を有する燃料噴射器を備え、各毛細管流路は、実質的に蒸発された燃料が所望時に供給されるように、液体燃料を加熱することができる。実質的に蒸発された燃料は、従来の燃料噴射器システムと比較して、排出物を低減させて、燃焼され得ることになる。本発明の燃料送給システムは、他の蒸発技術よりも、少ない電力しか必要とせず、立ち上がり時間を短縮するようになっている。   Provided herein are a multi-capillary fuel injector having a throttle valve that is useful for cold start, warm-up, and normal operation of an internal combustion engine and a fuel system using the same. The fuel system includes a fuel injector having a plurality of capillary channels, each capillary channel capable of heating a liquid fuel such that substantially evaporated fuel is supplied when desired. Substantially evaporated fuel can be combusted with reduced emissions compared to conventional fuel injector systems. The fuel delivery system of the present invention requires less power and shortens the rise time than other evaporation techniques.

ここに提供される噴射器の設計は、特に、噴射器の本体の両端での許容範囲内の圧力降下、100%デューティサイクルでの許容範囲内の蒸発された燃料の流量、100%デューティサイクルでの許容範囲内の液体燃料の流量、最小昇温時間、最小の電力要件、デューティサイクルと蒸発された燃料流れとの間の直線関係、及びデューティサイクルと液体燃料流れとの間の直線関係を含むいくつかの自動車用燃料噴射器の設計要件を満たすことを、目的としている。   The injector design provided herein includes an acceptable pressure drop across the injector body, an evaporated fuel flow rate within 100% duty cycle, and a 100% duty cycle. Liquid fuel flow rate, minimum heating time, minimum power requirement, linear relationship between duty cycle and evaporated fuel flow, and linear relationship between duty cycle and liquid fuel flow It is aimed at meeting the design requirements of several automotive fuel injectors.

よく知られているように、ガソリンは、低温では容易に蒸発しない。自動車用エンジンの冷始動及び暖気期間では、液体燃料は、比較的少量しか蒸発しない。従って、燃焼する空気/燃料混合物を得るために、過剰の液体燃料をエンジンの各シリンダーに供給する必要がある。過剰の液体燃料から生じる燃料蒸気を点火すると、シリンダーから放出される燃焼ガスは、未燃燃料と望ましくないガス状排出物を含むことになる。しかし、通常の運転温度に達すると、液体燃料は容易に蒸発し、その結果、容易に燃焼する空気/燃料混合物を得るのに、少ない燃料しか必要としない。有利には、通常の運転温度に達したとき、空気/燃料混合物は、化学量論比又はその近傍で制御されるとよく、これによって、未燃炭化水素と一酸化炭素の排出物を低減することになる。加えて、燃料の供給が化学量論比又はその近傍で制御されると、三元触媒(TWC)システムにおいて、未燃炭化水素及び一酸化炭素の酸化と酸化窒素の還元とを同時に行なうのにちょうど十分な空気が、排気流れから得られることになる。   As is well known, gasoline does not evaporate easily at low temperatures. During cold start-up and warm-up periods of automotive engines, liquid fuel evaporates only in relatively small amounts. It is therefore necessary to supply excess liquid fuel to each cylinder of the engine in order to obtain a burning air / fuel mixture. When igniting the fuel vapor resulting from excess liquid fuel, the combustion gases released from the cylinder will contain unburned fuel and undesirable gaseous emissions. However, once the normal operating temperature is reached, the liquid fuel evaporates easily, so that less fuel is required to obtain an easily combusted air / fuel mixture. Advantageously, when the normal operating temperature is reached, the air / fuel mixture may be controlled at or near the stoichiometric ratio, thereby reducing unburned hydrocarbon and carbon monoxide emissions. It will be. In addition, when the fuel supply is controlled at or near the stoichiometric ratio, a three-way catalyst (TWC) system can simultaneously oxidize unburned hydrocarbons and carbon monoxide and reduce nitrogen oxides. Just enough air will be obtained from the exhaust stream.

ここに開示される燃料噴射器及び燃料システムは、実質的に蒸発された燃料を吸気流路内に噴射するか又はエンジンシリンダー内に直接噴射し、これによって、エンジンの始動及び暖気期間中に過剰の燃料を供給する必要性をなくすようになっている。燃料は、好ましくは、空気又は空気及び希釈剤と共に、化学量論比の混合物又は燃料リーンな混合物の形態で、エンジンに送給され、その結果、実質的に全ての燃料が、冷始動及び暖気期間中に燃焼されることになる。   The fuel injectors and fuel systems disclosed herein inject substantially vaporized fuel into the intake passage or directly into the engine cylinder, thereby causing excess during engine start-up and warm-up periods. The need to supply more fuel is eliminated. The fuel is preferably delivered to the engine in the form of a stoichiometric or fuel-lean mixture with air or air and diluent so that substantially all of the fuel is cold-started and warm-up. It will be burned during the period.

従来のポート燃料噴射の場合、強力かつ迅速なエンジン始動を確実にするために、過剰な燃料供給が必要とされている。燃料リッチな状態では、三元触媒に達する排気流れは、触媒が活性化したときに過剰な燃料と未燃炭化水素を酸化するのに十分な酸素を含んでいない。この問題に対処する1つの手法は、空気ポンプを利用して、追加的な空気を触媒コンバータの上流側の排気流れに供給することである。この目的は、触媒がその活性化温度に達した時点で、触媒表面と反応し得る化学量論的又はわずかに燃料がリーンな排気流れを生成させることにある。対照的に、本発明のシステム及び方法によれば、エンジンは、冷始動及び暖気期間中に、化学量論的又はごくわずかに燃料がリーンな状態で運転することができ、過剰な燃料供給の必要性と追加的な排気空気ポンプの必要性の両方を排除し、排気の後処理システムのコストと複雑さを低減させることができる。   In the case of conventional port fuel injection, an excessive fuel supply is required to ensure a powerful and rapid engine start. In a fuel-rich state, the exhaust stream reaching the three-way catalyst does not contain enough oxygen to oxidize excess fuel and unburned hydrocarbons when the catalyst is activated. One approach to addressing this problem is to utilize an air pump to supply additional air to the exhaust stream upstream of the catalytic converter. The purpose is to produce a stoichiometric or slightly fuel lean exhaust stream that can react with the catalyst surface when the catalyst reaches its activation temperature. In contrast, according to the system and method of the present invention, the engine can be operated stoichiometrically or with very little fuel lean during cold start and warm-up periods, resulting in excessive fuel supply. Both the need and the need for an additional exhaust air pump can be eliminated, reducing the cost and complexity of the exhaust aftertreatment system.

前述したように、冷始動及び暖気期間中に、三元触媒は、最初、温度が低く、その触媒を通る未燃炭化水素の大部分を還元することができない。三元触媒の活性化時間を短縮し、冷始動及び暖気期間中に放出される未燃炭化水素の大部分を変換させることに、多くの努力が払われてきた。このような構想の1つとして、冷始動及び暖気期間中に、エンジンを燃料が極めてリッチな状態で意図的に運転させる方法が、挙げられる。この燃料リッチな排気流れ内に空気を供給する排気空気ポンプを用いることによって、自動点火によって又は触媒コンバータの上流又は触媒コンバータ内の点火源によって燃焼される燃焼可能な混合物が生成されることになる。この酸化プロセスによって生じた発熱が、排ガスを著しく加熱し、この熱は、排ガスが触媒内を通るとき、触媒コンバータに殆ど伝達されることになる。本発明のシステムと方法を用いることによって、エンジンは、複数のシリンダーを交互に燃料リッチ状態と燃料リーン状態とで作動するように制御され、これによって、空気ポンプを必要とすることなく、同じ効果を達成することができる。例えば、4シリンダーエンジンの場合、2つのシリンダーは、冷始動及び暖気期間中、排気に未燃炭化水素を生じさせる燃料リッチな状態で作動されることになる。残りの2つのシリンダーは、冷始動及び暖気期間中、排気流れ内に酸素をもたらす燃料リーンな状態で作動されることになる。   As previously mentioned, during the cold start and warm-up periods, the three way catalyst is initially at a low temperature and is unable to reduce most of the unburned hydrocarbons passing through the catalyst. Much effort has been devoted to reducing the activation time of the three-way catalyst and converting most of the unburned hydrocarbons released during cold start and warm-up periods. One such concept is a method of intentionally operating the engine with very rich fuel during cold start and warm-up periods. By using an exhaust air pump that supplies air into this fuel-rich exhaust stream, a combustible mixture is produced that is combusted by auto-ignition or by an ignition source upstream of or in the catalytic converter. . The heat generated by this oxidation process heats the exhaust gas significantly, and this heat is mostly transferred to the catalytic converter as it passes through the catalyst. By using the system and method of the present invention, the engine is controlled to operate multiple cylinders alternately in fuel rich and fuel lean conditions, thereby achieving the same effect without the need for an air pump. Can be achieved. For example, in the case of a 4-cylinder engine, the two cylinders will be operated in a fuel rich state that produces unburned hydrocarbons in the exhaust during cold start and warm up periods. The remaining two cylinders will be operated in a fuel lean condition that provides oxygen in the exhaust stream during cold start and warm up periods.

本発明のシステム及び方法は、ガソリン直接噴射エンジン(GDI)と共に利用されてもよい。GDIエンジンでは、燃料は、微細な噴霧流として、シリンダー内に直接噴射され、この噴霧流は、蒸発して空気と混合し、点火の前に、空気と蒸発された燃料との予混合分を形成するようになっている。現在のGDIエンジンは、燃料流れを噴霧するのに高燃料圧を必要としている。GDIエンジンは、従来の間接噴射エンジンに固有のポンプ損失を低減させるために、部分負荷による成層給気を行なうように、作動されるようになっている。成層給気による火花点火エンジンは、リーン混合気を燃焼させることによって、燃料の経済性を改善し、排出物を低減させる可能性を有している。好ましくは、リーン混合気の全体が燃焼室内に形成され、点火時に、火花プラグの近傍において化学量論比又はわずかに燃料リッチになるように制御されている。従って、化学量論的な部分が容易に点火され、これによって、残りのリーン混合気が点火されることになる。ポンプ損失は、低減されることになるが、現在のところ、成層給気が達成可能な作動範囲は、低エンジン速度と比較的低エンジン負荷に制限されている。制限因子として、高エンジン速度において蒸発と混合に必要な時間が不十分であること、及び高負荷において混合が不十分であるか又は空気の利用率が劣ることが、挙げられる。蒸発された燃料を供給することによって、本発明のシステム及び方法は、成層給気運転用の作動範囲を広げ、蒸発と混合に必要な時間が不十分であることに関連する問題を解消することができる。有利には、従来のGDI燃料システムと異なり、本発明の実施に用いられる燃料圧力は、低下させることができるので、燃料システムの全体的なコストと複雑さを低減させることになる。   The system and method of the present invention may be utilized with a gasoline direct injection engine (GDI). In a GDI engine, fuel is injected directly into the cylinder as a fine spray stream that evaporates and mixes with air, and prior to ignition, premixes the air with the evaporated fuel. It comes to form. Current GDI engines require high fuel pressure to spray the fuel stream. GDI engines are designed to perform stratified charge with partial loads to reduce the pump loss inherent in conventional indirect injection engines. A spark ignition engine with stratified charge has the potential to improve fuel economy and reduce emissions by burning a lean mixture. Preferably, the entire lean mixture is formed in the combustion chamber and is controlled to be stoichiometric or slightly fuel rich in the vicinity of the spark plug upon ignition. Thus, the stoichiometric part is easily ignited, which will ignite the remaining lean mixture. Although pump losses will be reduced, at present, the operating range that can be achieved by stratified charge is limited to low engine speeds and relatively low engine loads. Limiting factors include insufficient time for evaporation and mixing at high engine speeds and poor mixing or poor air utilization at high loads. By supplying evaporated fuel, the system and method of the present invention extends the operating range for stratified charge operation and eliminates problems associated with insufficient time required for evaporation and mixing. Can do. Advantageously, unlike conventional GDI fuel systems, the fuel pressure used in the practice of the present invention can be reduced, thereby reducing the overall cost and complexity of the fuel system.

本発明は、内燃機関用の燃料送給装置であって、加圧下の液体燃料を供給する加圧液体燃料源と、液体燃料源に接続される複数の毛細管流路と、複数の毛細管流路に沿って配置される熱源とを備える燃料送給装置を提供している。熱源は、少なくとも1つの毛細管流路における液体燃料を、実質的に蒸発された燃料の流れを送給するのに十分に加熱するように、作動可能である。燃料送給装置は、好ましくは、内燃機関の始動、暖気、及び他の運転状態中に、蒸発された燃料の流れを内燃機関の1つ以上の燃焼室に送給するように、作動されるようになっている。必要に応じて、複数の毛細管流路を用いて、通常運転の状態下で、液体燃料をエンジンに送給することができる。   The present invention relates to a fuel delivery device for an internal combustion engine, a pressurized liquid fuel source for supplying liquid fuel under pressure, a plurality of capillary channels connected to the liquid fuel source, and a plurality of capillary channels And a heat supply device arranged along the line. The heat source is operable to heat the liquid fuel in the at least one capillary channel sufficiently to deliver a substantially evaporated fuel flow. The fuel delivery device is preferably operated to deliver the vaporized fuel flow to one or more combustion chambers of the internal combustion engine during startup, warm-up, and other operating conditions of the internal combustion engine. It is like that. If necessary, liquid fuel can be delivered to the engine under normal operating conditions using a plurality of capillary channels.

また、本発明は、燃料を内燃機関に送給する方法であって、加圧された液体燃料を複数の毛細管流路に供給する段階と、複数の毛細管流路における加圧された液体燃料を、内燃機関の始動、暖気、及び他の運転状態中に、蒸発された燃料の流れが内燃機関の少なくとも1つの燃焼室に送給されるのに十分に加熱する段階とを含む方法を提供している。   The present invention is also a method for supplying fuel to an internal combustion engine, the step of supplying pressurized liquid fuel to a plurality of capillary channels, and the pressurized liquid fuel in the plurality of capillary channels. Heating the vaporized fuel stream sufficiently to be delivered to at least one combustion chamber of the internal combustion engine during startup, warm-up, and other operating conditions of the internal combustion engine. ing.

本発明による燃料送給システムは、加圧された燃料が燃焼のためにエンジン内に噴射される前に通る複数の毛細管寸法の流路を備えている。毛細管寸法の流路は、好ましくは、2mm未満、さらに好ましくは、1mm未満、最も好ましくは、0.75mm未満の水力直径を備えることができる。水力直径は、流体輸送要素を通る流体流れを計算するのに用いられる。水力半径は、流体輸送要素の流れの面積を(一般的に、潤辺と呼ばれる)流体と接触する固体境界の周辺によって割った値として、定義されている。円断面の流体輸送要素の場合、その要素が流れで満たされているとき、水力半径は、(πD2/4)/πD=D/4である。非円形の流体輸送要素内の流体流れの場合、水力直径が用いられる。水力半径の定義から、円断面を有する流体輸送要素の直径は、その水力半径の4倍である。従って、水力直径は、水力半径の4倍として定義される。 The fuel delivery system according to the present invention includes a plurality of capillary sized flow paths through which pressurized fuel passes before being injected into the engine for combustion. The capillary sized flow path may preferably comprise a hydraulic diameter of less than 2 mm, more preferably less than 1 mm, and most preferably less than 0.75 mm. The hydraulic diameter is used to calculate the fluid flow through the fluid transport element. The hydraulic radius is defined as the flow area of the fluid transport element divided by the perimeter of the solid boundary in contact with the fluid (commonly referred to as the wet edge). If fluid transport elements of circular cross-section, when the element is filled with the flow, hydraulic radius is (πD 2/4) / πD = D / 4. For fluid flow in non-circular fluid transport elements, hydraulic diameter is used. From the definition of hydraulic radius, the diameter of a fluid transport element having a circular cross section is four times its hydraulic radius. Accordingly, the hydraulic diameter is defined as four times the hydraulic radius.

熱が毛細管通路に沿って加えられると、流路に入る液体燃料の少なくとも一部は、通路に沿って進行しながら、蒸気に変換されることになる。燃料は、蒸気として、毛細管流路から流出し、この蒸気は、任意選択的に、蒸発されていないわずかな比率の加熱された液体燃料を含んでいる。「実質的に蒸発される」という用語は、液体燃料の容積の少なくとも50%、さらに好ましくは、少なくとも70%、最も好ましくは、少なくとも80%が、熱源によって蒸発されることを、意味している。複雑な物理的影響によって、100%の蒸発を達成するのは困難かもしれないが、にもかかわらず、完全な蒸発が望ましい。これらの複雑な物理的影響として、燃料の沸点の変動が挙げられる。何故なら、沸点は、圧力に依存し、圧力は、毛細管流路において変化することがあるからである。従って、燃料の大部分は、毛細管流路内における加熱中に沸点に達すると考えられるが、液体燃料の一部は、完全に蒸発されるのに十分な程度には加熱されないことがあり、その結果、液体燃料の一部は、蒸発された流体と共に、毛細管流路の出口を通過することになる。   As heat is applied along the capillary passage, at least a portion of the liquid fuel entering the flow passage will be converted to vapor as it travels along the passage. The fuel exits the capillary channel as a vapor, which optionally contains a small proportion of heated liquid fuel that has not been evaporated. The term “substantially evaporated” means that at least 50%, more preferably at least 70%, and most preferably at least 80% of the volume of liquid fuel is evaporated by a heat source. . Although 100% evaporation may be difficult to achieve due to complex physical effects, nevertheless complete evaporation is desirable. These complex physical effects include fluctuations in the boiling point of the fuel. This is because the boiling point depends on the pressure, which can change in the capillary channel. Thus, most of the fuel will reach the boiling point during heating in the capillary channel, but some of the liquid fuel may not be heated enough to evaporate completely, As a result, a part of the liquid fuel passes through the outlet of the capillary channel together with the evaporated fluid.

各毛細管寸法の流路は、好ましくは、単層又は多層金属、セラミック、又はガラス体のような毛細管体内に形成されている。各流路は、入口及び出口に開口している閉鎖された容積部を有し、入口と出口のいずれか又は両方は、毛細管体の外部に開口されてもよいし、あるいは同一又は他の毛細管体内の他の通路又は接続具に接続されてもよい。ヒータは、毛細管体の一部、例えば、ステンレス鋼チューブ又はインコネルチューブの一部を用いて形成することができ、又は毛細管体内又は毛細管体上に組み込まれた抵抗加熱材料の分離した層又はワイヤとして構成することもできる。各流路は、入口と出口に開口し、流体が通過し得る閉鎖された容積部を備えるどのような形状であってもよい。各流路は、いかなる所望の断面でもよく、好ましくは、均一な直径を有する円断面であるとよい。他の毛細管流路の断面として、三角形、正方形、矩形、楕円、又は他の形状のような非円形状が挙げられ、流路の断面は均一である必要はない。毛細管流路が金属毛細管チューブによって画成される場合、各チューブは、0.01から3mm、好ましくは、0.1から1mm、最も好ましくは、0.3から0.75mmの内径を有することができる。代替的に、毛細管流路は、その流路の横断面積によっても画成することができ、この流路の横断面積は、8×10-5から7×10-52、好ましくは、8×10-3から8×10-1mm2、さらに好ましくは、7×10-2から4.5×10-1mm2である。多重毛細管、種々の圧力、種々の毛細管長さ、毛細管に加えられる熱量、及び異なる断面積の多くの組み合わせが、所定の用途に適合するように行なわれるようになっている。 Each capillary size channel is preferably formed in a capillary body, such as a single or multi-layer metal, ceramic, or glass body. Each flow path has a closed volume that opens to the inlet and outlet, either or both of the inlet and outlet may be open to the exterior of the capillary body, or the same or other capillaries. It may be connected to other passages or connectors in the body. The heater can be formed using a portion of a capillary body, for example, a stainless steel tube or a portion of an Inconel tube, or as a separate layer or wire of resistive heating material incorporated in or on the capillary body. It can also be configured. Each channel may be of any shape with a closed volume that opens to the inlet and outlet and allows fluid to pass through. Each flow path may have any desired cross section, and preferably a circular cross section having a uniform diameter. Other capillary channel cross sections include non-circular shapes such as triangles, squares, rectangles, ellipses, or other shapes, and the cross sections of the channels need not be uniform. When the capillary channel is defined by a metal capillary tube, each tube may have an inner diameter of 0.01 to 3 mm, preferably 0.1 to 1 mm, most preferably 0.3 to 0.75 mm. it can. Alternatively, the capillary channel can also be defined by the cross-sectional area of the channel, which has a cross-sectional area of 8 × 10 −5 to 7 × 10 −5 m 2 , preferably 8 × 10 −3 to 8 × 10 −1 mm 2 , more preferably 7 × 10 −2 to 4.5 × 10 −1 mm 2 . Many combinations of multiple capillaries, different pressures, different capillary lengths, the amount of heat applied to the capillaries, and different cross-sectional areas are designed to suit a given application.

液体燃料は、少なくとも0.7kg/cm2(10psi)、好ましくは、少なくとも1.4kg/cm2(20psi)の圧力下で、毛細管流路に供給することができる。各毛細管流路が、略0.051cm(0.020インチ)から0.076cm(0.030インチ)の内径と略2.54cm(1インチ)から7.62cm(3インチ)の長さを有するステンレス鋼チューブ又はインコネルチューブの内部によって画成されている場合、典型的な大きさの自動車用エンジンシリンダーの化学量論的な始動に必要な質量流量(約100〜200mg/秒)を達成するために、燃料は、好ましくは、7kg/cm2(100psi)未満の圧力で毛細管通路に供給されることになる。ここに記載される形式の2〜4本の毛細管通路の場合、燃料と空気の化学量論的又は近化学量論的混合物を確実に得るのに十分な実質的に蒸発された燃料の流れを供給することができる。各毛細管チューブが低熱慣性を有することによって特徴付けられ、これによって、各毛細管通路が、極めて迅速に、好ましくは、2.0秒内、さらに好ましくは、0.5秒内、最も好ましくは、0.1秒内に、燃料を蒸発させる所望の温度に上昇され得ることが、重要である。これは、エンジンの冷始動を含む用途において有益である。また、低熱慣性は、エンジンの通常運転中に、例えば、エンジン出力要求の急激な変化に対する燃料送給の応答性を改良するという利点をもたらすことができる。 The liquid fuel can be supplied to the capillary channel under a pressure of at least 0.7 kg / cm 2 (10 psi), preferably at least 1.4 kg / cm 2 (20 psi). Each capillary channel has an inner diameter of approximately 0.051 cm (0.020 inch) to 0.076 cm (0.030 inch) and a length of approximately 2.54 cm (1 inch) to 7.62 cm (3 inches). To achieve the mass flow (approximately 100-200 mg / sec) required for stoichiometric start-up of typical sized automotive engine cylinders when defined by the interior of a stainless steel tube or Inconel tube the fuel will preferably be fed to the capillary channel at a pressure of less than 7kg / cm 2 (100psi). In the case of two to four capillary passages of the type described herein, a substantially vaporized fuel flow sufficient to ensure a stoichiometric or near stoichiometric mixture of fuel and air is obtained. Can be supplied. Each capillary tube is characterized by having a low thermal inertia, whereby each capillary passage is very quickly, preferably within 2.0 seconds, more preferably within 0.5 seconds, most preferably 0. It is important that it can be raised to the desired temperature to evaporate the fuel within 1 second. This is beneficial in applications involving cold start of the engine. Low thermal inertia can also provide the advantage of improving fuel delivery responsiveness to, for example, sudden changes in engine power requirements during normal engine operation.

ここに記載される低熱慣性の毛細管流路を通る燃料を計量送給するために、燃料噴射器の遠位端からの蒸気の流れを調整するのに有効な弁装置が必要である。ここで意図されている毛細管流路の熱質量は小さいので、蒸気の流れを調整するのに用いられる弁装置は、立ち上り時間と有効性が劣化されないように、最小限の熱質量しか加熱されたシステムに加えないように、設計されねばならない。同様に、燃料によって湿潤する表面積は、蒸発された燃料が接触によって再凝縮して性能を劣化させないように、可能な限り小さくされねばならない。   In order to meter fuel through the low thermal inertia capillary channel described herein, an effective valve device is needed to regulate the flow of vapor from the distal end of the fuel injector. The thermal mass of the capillary channel intended here is small, so the valve device used to regulate the steam flow was heated to a minimum thermal mass so that the rise time and effectiveness were not degraded. It must be designed not to add to the system. Similarly, the surface area wetted by the fuel must be as small as possible so that the evaporated fuel does not recondense upon contact and degrade performance.

以下に述べる好ましい形態は、各々、燃料蒸気のパルス送給を可能にし、液体燃料噴射に切換える能力を有している。ここに記載される形態の各々において、毛細管流路内の蒸気の流れ経路は、弁と接触するとき、作動流体が蒸気相にあるように、積極的に加熱されるようになっている。弁自体は、積極的に加熱されないことが好ましい。   Each of the preferred forms described below has the ability to enable fuel vapor pulsing and switch to liquid fuel injection. In each of the forms described herein, the vapor flow path in the capillary channel is actively heated so that the working fluid is in the vapor phase when in contact with the valve. The valve itself is preferably not actively heated.

図1は、液体燃料源Fから引き出される液体燃料を蒸発させるための燃料噴射器10の一実施形態を示している。複数の毛細管流路12を有する毛細管束15が示され、これらの毛細管流路12は、各々、入口端14と出口端16とを有し、入口端14は、実質的に液体状態にある液体燃料を毛細管流路12に導くために、液体燃料源Fに流体連通している。   FIG. 1 shows one embodiment of a fuel injector 10 for evaporating liquid fuel drawn from a liquid fuel source F. FIG. A capillary bundle 15 is shown having a plurality of capillary channels 12, each having an inlet end 14 and an outlet end 16, the inlet end 14 being a liquid in a substantially liquid state. A fluid fuel source F is in fluid communication for directing fuel to the capillary channel 12.

好ましくは、低質量板弁組立体18が、ソレノイド28によって作動されるようになっている。ソレノイド28は、電気コネクタ(図示せず)に接続されたコイル巻線32を有している。コイル巻線32が励磁されると、磁場が絞り板40内に導かれ、これによって、その絞り板40を持上げるようになっている。コイル巻線32への電気が遮断されると、バネ(図示せず)が絞り板40を元の位置に戻すことになる。   Preferably, the low mass plate valve assembly 18 is actuated by a solenoid 28. The solenoid 28 has a coil winding 32 connected to an electrical connector (not shown). When the coil winding 32 is excited, a magnetic field is guided into the diaphragm plate 40, thereby lifting the diaphragm plate 40. When electricity to the coil winding 32 is cut off, a spring (not shown) returns the diaphragm plate 40 to its original position.

代替的実施形態では、ソレノイド要素(図示せず)が、コイル巻線32の中心に引込まれ、そのソレノイド要素に接続された絞り板40を持上げるようになっている。電気をコイル巻線32に印加することによって生じるソレノイド要素の移動が、絞り板40をオリフィス板42から離れる方向に引き出し、燃料が流出することを可能にしている(図5Aを参照)。ここでも、コイル巻線32への電気が遮断されると、バネ(図示せず)が絞り板40をその元の位置に戻すことになる。   In an alternative embodiment, a solenoid element (not shown) is drawn into the center of the coil winding 32 to lift the diaphragm plate 40 connected to the solenoid element. The movement of the solenoid element caused by applying electricity to the coil winding 32 pulls the throttle plate 40 away from the orifice plate 42, allowing fuel to flow out (see FIG. 5A). Again, when electricity to the coil winding 32 is interrupted, a spring (not shown) will return the diaphragm plate 40 to its original position.

熱源20が、各毛細管流路12に沿って配置されている。最も好ましくは、各熱源20は、毛細管流路12を電気抵抗性材料のチューブから形成し、電流の源が電流を送給するためにチューブに接続されたとき、各毛細管流路12の一部がヒータ要素を形成することによって、得られるようになっている。その結果、各熱源20は、理解され得るように、各毛細管流路12内の液体燃料を、少なくともその一部を液体状態から蒸気状態に変化させ、実質的に蒸発された燃料の流れを各毛細管流路12の出口端16から送給するのに十分なレベルに加熱するように、作動可能になっている。理解され得るように、噴射器の本体内に蒸気を送給するこの方法は、蒸発された燃料と接触する材料の体積を最小限に抑え、従って、蒸気の早期の凝縮を阻止するために加熱されねばならない熱質量も最小限に抑えることになる。   A heat source 20 is disposed along each capillary channel 12. Most preferably, each heat source 20 forms a capillary channel 12 from a tube of electrically resistive material, and a portion of each capillary channel 12 when a current source is connected to the tube to deliver current. Is obtained by forming a heater element. As a result, each heat source 20, as can be seen, changes the liquid fuel in each capillary channel 12 from at least a portion from a liquid state to a vapor state, and a substantially evaporated fuel flow to each It is operable to heat to a level sufficient to feed from the outlet end 16 of the capillary channel 12. As can be appreciated, this method of delivering steam into the body of the injector minimizes the volume of material in contact with the vaporized fuel and thus heats to prevent premature condensation of the steam. The thermal mass that must be done is also kept to a minimum.

好ましくは、毛細管束15は、0.081cm(0.032インチ)の外径(OD)と0.071〜0.074cm(0.028〜0.029インチ)の内径(ID)とを有する2〜4本の薄壁の毛細管流路12からなるとよい。毛細管流路12は、各々、約3.18cm(1.25インチ)から約6.25cm(2.50インチ)の加熱長さ20を有するステンレス鋼又は焼鈍されたインコネル600製のチューブから構成されるとよい。電流が毛細管束15に供給されると、各毛細管流路12の加熱源20は、熱くなり、次いで、燃料が毛細管流路12内を流れるにつれて、その燃料を蒸発させることになる。   Preferably, the capillary bundle 15 has an outer diameter (OD) of 0.081 inches and an inner diameter (ID) of 0.028 to 0.029 inches. It is good to consist of ˜4 thin-walled capillary channels 12. The capillary channels 12 are each composed of a stainless steel or annealed Inconel 600 tube having a heated length 20 of about 1.25 inches to about 2.50 inches. Good. When current is supplied to the capillary bundle 15, the heating source 20 of each capillary channel 12 becomes hot and then vaporizes the fuel as it flows through the capillary channel 12.

毛細管流路12の出口端16を出ると、燃料流れは、燃料噴射器10の絞り部50に導かれることになる。前述したように、絞り部50は、従来の燃料噴射器と同様、ソレノイドによって作動される絞り弁からなるが、この実施形態では、オリフィス板42内の流路を開閉する移動部材としての絞り板40を有する平板式である。絞り板40を開位置と閉位置との間で移動させるソレノイド28の作動は、噴射器10を出る燃料の流量を計量調整する働きをするようになっている。   Upon exiting the outlet end 16 of the capillary channel 12, the fuel flow is directed to the throttle 50 of the fuel injector 10. As described above, the throttle unit 50 is composed of a throttle valve that is actuated by a solenoid as in the conventional fuel injector. In this embodiment, the throttle plate as a moving member that opens and closes the flow path in the orifice plate 42. 40 is a flat plate type. The operation of the solenoid 28 that moves the throttle plate 40 between the open position and the closed position serves to meter and adjust the flow rate of the fuel exiting the injector 10.

絞り板40を出ると、燃料は、オリフィス板42内を流れることになる。液体燃料の噴射の場合、オリフィス板42は、所望の噴霧の微粒化と噴霧の角度付けをもたらすように機能するようになっている。図1に示されるように、流出する燃料流れをさらに導くために、また、噴射器10が従来のポート燃料噴射器の全長の要求事項を満たすことを可能にするために、煙突状部60が設けられている。   Upon exiting the restrictor plate 40, fuel will flow through the orifice plate. In the case of liquid fuel injection, the orifice plate 42 functions to provide the desired atomization and atomization of the spray. As shown in FIG. 1, a chimney 60 is provided to further direct the outgoing fuel flow and to allow the injector 10 to meet the full length requirements of a conventional port fuel injector. Is provided.

電気的接続は、4つのスペード形接続部をボビン30内に鋳込むことによって、なされている。接続部の2つは、ソレノイド28に電力を供給するように機能している。他の1つの接続部は、毛細管束15の上部に取り付けられている。最後の接続部は、ボビン内に埋設され、毛細管束15の遠位端との接続が得られるように、ボビン30の底に終端している。   The electrical connection is made by casting four spade-type connections into the bobbin 30. Two of the connecting parts function to supply power to the solenoid 28. The other connection is attached to the upper part of the capillary bundle 15. The last connection is embedded in the bobbin and terminates at the bottom of the bobbin 30 so that a connection with the distal end of the capillary bundle 15 is obtained.

図2は、図1の実施形態の毛細管束15の拡大図である。図示されるように、毛細管流路12は、スピンドル片26によって適所に保持されている。スピンドル片26は、追加的な熱慣性を毛細管流路12にもたらすことなく、毛細管流路12を構造的に支持する限り、いくつかの幾何学的形状のいずれを有していてもよい。このスピンドル片26も、電力を毛細管流路12の加熱長さ20によって形成されたヒータに供給するのに用いられる電気経路の一部として機能するようにしてもよい。図示されるように、スピンドル片26は、毛細管束15の毛細管流路12の出口端16と係合するように配置されたスピンドル端38を備えている。   FIG. 2 is an enlarged view of the capillary bundle 15 of the embodiment of FIG. As shown, the capillary channel 12 is held in place by a spindle piece 26. The spindle piece 26 may have any of several geometric shapes as long as it structurally supports the capillary channel 12 without providing additional thermal inertia to the capillary channel 12. This spindle piece 26 may also function as part of an electrical path used to supply power to the heater formed by the heating length 20 of the capillary channel 12. As shown, the spindle piece 26 includes a spindle end 38 that is positioned to engage the outlet end 16 of the capillary channel 12 of the capillary bundle 15.

毛細管束15を絞り部50の領域に取り付ける種々の方法が考えられる。1つの方法は、レーザ溶接を用いて、行なわれる。具体的に、毛細管流路12は、固定ディスクに、そのディスクの厚みを貫通して、レーザ溶接されている。次いで、この固定ディスクが、噴射器10の中心線に沿って下方に延在する通路の内径に溶接されることになる。理解され得るように、毛細管流路12は、この溶接プロセスによって、適所に固定されるようになっている。この取付け方法は、毛細管を噴射器10の金属部分から熱的に隔離はしないが、流れ経路が比較的小さい(すなわち、固定ディスクと中心線通路との接続点が小さい)ので、生じる熱質量の増加は、大きな影響を与えるとは考えられない。しかし、固定ディスクを適所に保持するのに、熱絶縁材料を用いることもできることが、理解されるべきである。   Various methods of attaching the capillary bundle 15 to the area of the throttle unit 50 are conceivable. One method is performed using laser welding. Specifically, the capillary channel 12 is laser welded to the fixed disk through the thickness of the disk. This fixed disk will then be welded to the inner diameter of a passage extending downwardly along the centerline of the injector 10. As can be appreciated, the capillary channel 12 is secured in place by this welding process. This attachment method does not thermally isolate the capillary from the metal portion of the injector 10, but the flow path is relatively small (ie, the connection point between the stationary disk and the centerline passage is small), so that the thermal mass produced The increase is not expected to have a significant impact. However, it should be understood that a thermally insulating material may be used to hold the stationary disk in place.

毛細管束15を絞り部50の領域に取り付ける他の方法は、ろう付け技術を用いて、行なわれる。この技術によると、カップ/ディスク器具を用いて、毛細管流路12の出口端16を適所に固定するようになっている。この組立体のカップ部は、金属の短円筒片からなり、その内に、毛細管流路12の出口端16が嵌合されるようになっている。次いで、毛細管通路の端が、カップの内径にろう付けされることになる。絞り部50に最も近いカップの端は、円筒の軸と直交するように、外方に拡げられている。次いで、このカップ部が、別体のディスクの内径にろう付けされることになる。ディスクと燃料噴射器のハウジングとの間に流体の経路が存在しないことを確実にするために、それらを分離する方法が用いられる。このような方法のいくつかの例として、軟溶着部又はOリングを用いて、ディスクと燃料噴射器のハウジングとの間に物理的な接続を設ける方法が、挙げられる。ろう付けの非磁気的性質、カップとディスクの磁気的性質、及びこの組立体における各片の配置と厚みが、燃料噴射器10の磁気回路の一部として作用するように設計されていることに、留意すべきである。   Another method of attaching the capillary bundle 15 to the area of the throttle 50 is performed using a brazing technique. According to this technique, the outlet end 16 of the capillary channel 12 is secured in place using a cup / disk device. The cup portion of the assembly is made of a metal short cylindrical piece, and the outlet end 16 of the capillary channel 12 is fitted therein. The end of the capillary passage will then be brazed to the inner diameter of the cup. The end of the cup closest to the throttle unit 50 is extended outward so as to be orthogonal to the axis of the cylinder. This cup portion is then brazed to the inner diameter of a separate disk. In order to ensure that there is no fluid path between the disk and the fuel injector housing, a method of separating them is used. Some examples of such methods include providing a physical connection between the disk and the fuel injector housing using soft welds or O-rings. The non-magnetic nature of brazing, the magnetic nature of the cup and disk, and the placement and thickness of each piece in this assembly are designed to act as part of the magnetic circuit of the fuel injector 10 Should be noted.

図3Aは、絞り板40の好ましい実施形態の平面図である。図示されるように、絞り板40は、燃料の流れが毛細管束15の毛細管流路12の出口端16から通過することを可能にする複数の絞り開口44を備えている。図3Bは、図3Aの線3B−3Bに沿った断面図である。図示されるように、絞り板40は、以下に述べるように、オリフィス板42を通る燃料の流れ経路を開閉する移動部材として機能するようになっている。   FIG. 3A is a plan view of a preferred embodiment of the diaphragm plate 40. As shown, the throttle plate 40 includes a plurality of throttle openings 44 that allow fuel flow to pass from the outlet end 16 of the capillary channel 12 of the capillary bundle 15. 3B is a cross-sectional view taken along line 3B-3B of FIG. 3A. As shown in the drawing, the throttle plate 40 functions as a moving member that opens and closes a fuel flow path through the orifice plate 42 as described below.

図4Aは、オリフィス板42の好ましい実施形態の平面図である。図示されるように、オリフィス板42は、そのオリフィス板42が絞り板40とシール係合の状態にあるときに、毛細管束15の毛細管流路12の出口端16からの燃料の流れを阻止するために、内側シールリング46と外側着地リング48とを備えている。図示されるように、オリフィス板42は、そのオリフィス板42内の流路を開閉する移動部材として機能する絞り板40と協働作用する固定部材として機能するようになっている。図4Bは、図4Aの線4B−4Bに沿った断面図である。   FIG. 4A is a plan view of a preferred embodiment of the orifice plate 42. As shown, the orifice plate 42 prevents fuel flow from the outlet end 16 of the capillary channel 12 of the capillary bundle 15 when the orifice plate 42 is in sealing engagement with the restrictor plate 40. For this purpose, an inner seal ring 46 and an outer landing ring 48 are provided. As shown in the figure, the orifice plate 42 functions as a fixed member that cooperates with the diaphragm plate 40 that functions as a moving member that opens and closes the flow path in the orifice plate 42. 4B is a cross-sectional view taken along line 4B-4B of FIG. 4A.

図5Aは、毛細管束15内を流れる燃料用の流路を形成するように開位置に配置されたときの絞り板40とオリフィス板42との協働作用の状態を示している。図5Bは、毛細管束15からの燃料の流れを遮断するように閉位置に配置されたときの絞り板40とオリオフィス板42との協働作用の状態を示している。   FIG. 5A shows the state of the cooperative action of the throttle plate 40 and the orifice plate 42 when arranged in the open position so as to form a flow path for fuel flowing in the capillary bundle 15. FIG. 5B shows the cooperating state of the throttle plate 40 and the orientation plate 42 when they are arranged in the closed position so as to block the flow of fuel from the capillary bundle 15.

図6及び図7を参照すると、液体を蒸発するための燃料噴射器100の他の実施形態が示されている。燃料噴射器100は、入口190と出口192とを有し、これらの入口190と出口192は、有利には、従来のポート燃料噴射器と実質的に相互交換が可能であるように、従来のポート燃料噴射器におけるのと同様に設計されるとよい。特に好ましくは、この実施形態は、ボール・イン・円錐弁組立体144を有するようになっている。図2に示される形式と同じように、毛細管束115が、中心穴170内に配置可能になっている。   6 and 7, another embodiment of a fuel injector 100 for evaporating liquid is shown. The fuel injector 100 has an inlet 190 and an outlet 192, which are advantageously conventional interchangeable so that they are substantially interchangeable with conventional port fuel injectors. It may be designed in the same way as in a port fuel injector. Particularly preferably, this embodiment has a ball-in-cone valve assembly 144. Similar to the format shown in FIG. 2, the capillary bundle 115 can be placed in the central hole 170.

複数の毛細管流路112を有する毛細管束115が示され、これらの毛細管流路112の各々は、入口端114と出口端116とを有し、入口端114は、液体燃料源Fと流体連通している。熱源120が、各毛細管流路112に沿って配置されている。最も好ましくは、各熱源120は、毛細管流路112を電気抵抗性材料のチューブから形成し、電流の源が電流を送給するためにチューブの電気接続部122と124とに接続されたときに、各毛細管流路112の一部がヒータ要素を形成することによって、得られるようになっている。その結果、各ヒータ源120は、理解され得るように、各毛細管流路112における液体燃料を、少なくともその一部を液体状態から蒸気状態を変化させ、実質的に蒸発された燃料の流れを各毛細管流路112の出口端116から送給するのに十分なレベルに加熱するように、作動可能である。ここでも、噴射器の本体に蒸気を送給するこの方法は、蒸発された燃料と接触する材料の表面積を最小限に抑え、従って、蒸気の早期の凝縮を阻止するように加熱されねばならない熱質量も最小限に抑えることになる。   A capillary bundle 115 is shown having a plurality of capillary channels 112, each of which has an inlet end 114 and an outlet end 116, which is in fluid communication with the liquid fuel source F. ing. A heat source 120 is disposed along each capillary channel 112. Most preferably, each heat source 120 forms the capillary channel 112 from a tube of electrically resistive material and when the current source is connected to the tube electrical connections 122 and 124 to deliver the current. A portion of each capillary channel 112 is obtained by forming a heater element. As a result, each heater source 120, as can be seen, changes the liquid fuel in each capillary channel 112 from at least a portion of the liquid state to the vapor state and causes the vaporized fuel flow to vary substantially. It is operable to heat to a level sufficient to deliver from the outlet end 116 of the capillary channel 112. Again, this method of delivering steam to the body of the injector minimizes the surface area of the material in contact with the evaporated fuel, and thus heat that must be heated to prevent premature condensation of the steam. The mass will also be kept to a minimum.

図1の実施形態におけるのと同じように、毛細管束115は、0.081cm(0.032インチ)の外径(OD)と0.071〜0.074cm(0.028〜0.029インチ)の内径(ID)とを有する2〜4本の薄壁の毛細管流路112からなるとよい。毛細管流路112は、各々、約3.18cm(1.25インチ)から約6.25cm(2.50インチ)の加熱長さ20を有するステンレス鋼又は焼鈍されたインコネル600製のチューブから構成されるとよい。電流が毛細管流路115に供給されると、各毛細管流路112の熱源120が熱くなり、次いで、燃料が毛細管通路112内を流れるにつれて、その燃料を蒸発させることになる。   As in the embodiment of FIG. 1, the capillary bundle 115 has an outer diameter (OD) of 0.081 cm (0.032 inches) and a 0.071 to 0.074 cm (0.028 to 0.029 inch). 2 to 4 thin-walled capillary channels 112 having the same inner diameter (ID). The capillary channels 112 are each composed of a stainless steel or annealed Inconel 600 tube having a heated length 20 of about 1.25 inches to about 2.50 inches. Good. When current is supplied to the capillary channel 115, the heat source 120 of each capillary channel 112 heats up and then evaporates as the fuel flows through the capillary channel 112.

毛細管束115をボール・イン・円錐弁組立体144の領域に取り付けるのに有用性を有する1つの方法は、レーザ溶接を用いて、行なわれる。具体的には、毛細管流路112は、固定ディスクに、そのディスクの厚みを貫通して、レーザ溶接されている。次いで、この固定ディスクが、噴射器100の中心線に沿って下方に延在する中心穴170の内径に溶接されることになる。理解され得るように、毛細管流路112は、この溶接プロセスによって、適所に固定されるようになっている。ここでも、この取付け方法は、毛細管を噴射器100の金属部分から熱的に隔離はしないが、流れ経路が比較的小さい(すなわち、固定ディスクと中心線通路との間の接続点が小さい)ので、生じる熱質量の増加は、大きな影響を与えるとは考えられない。しかし、固定ディスクを適所に保持するのに、熱絶縁性材料を用いることもできることが、理解されるべきである。   One method that has utility for attaching the capillary bundle 115 to the area of the ball-in-cone valve assembly 144 is performed using laser welding. Specifically, the capillary channel 112 is laser welded to a fixed disk through the thickness of the disk. This fixed disk is then welded to the inner diameter of a center hole 170 that extends downward along the centerline of the injector 100. As can be appreciated, the capillary channel 112 is secured in place by this welding process. Again, this attachment method does not thermally isolate the capillaries from the metal portion of the injector 100, but because the flow path is relatively small (ie, the connection point between the fixed disk and the centerline passage is small). The resulting increase in thermal mass is not considered to have a significant effect. However, it should be understood that a thermally insulating material may be used to hold the stationary disk in place.

図1〜5の実施形態と同様に、毛細管束115をボール・イン・円錐弁組立体144の領域に取り付けるのに、ろう付け技術が用いられてもよい。この技術によると、カップ/ディスク器具を用いて、毛細管流路112の出口端116を適所に固定するようになっている。この組立体のカップ部は、金属の短円筒片からなり、その内に、毛細管流路112の出口端116が嵌合されるようになっている。次いで、毛細管流路の端が、カップの内径にろう付けされることになる。ボール・イン・円錐弁組立体144に最も近いカップの端は、円筒の軸と直交するように、外方に拡げられている。次いで、このカップ部が、別体のディスクの内径にろう付けされることになる。ディスクと燃料噴射器のハウジング180との間に流体の経路が存在しないことを確実にするために、それらを分離する方法が、用いられる。このような方法のいくつかの例として、軟質溶着部又はOリングを用いて、ディスクと燃料噴射器のハウジング180との間に物理的な接続を設ける方法が、挙げられる。ろう付けの非磁性性質、カップとディスクの磁気的性質、及びこの組立体における各片の配置と厚みが、燃料噴射器100の磁気回路の一部として作用するように設計されていることに、留意すべきである。   Similar to the embodiment of FIGS. 1-5, brazing techniques may be used to attach the capillary bundle 115 to the area of the ball-in-cone valve assembly 144. According to this technique, a cup / disk device is used to secure the outlet end 116 of the capillary channel 112 in place. The cup portion of this assembly is made of a metal short cylindrical piece into which the outlet end 116 of the capillary channel 112 is fitted. The end of the capillary channel will then be brazed to the inner diameter of the cup. The end of the cup closest to the ball-in-cone valve assembly 144 is extended outward so as to be orthogonal to the axis of the cylinder. This cup portion is then brazed to the inner diameter of a separate disk. In order to ensure that there is no fluid path between the disk and the fuel injector housing 180, a method of separating them is used. Some examples of such methods include providing a physical connection between the disk and the fuel injector housing 180 using soft welds or O-rings. The non-magnetic nature of brazing, the magnetic nature of the cup and disk, and the placement and thickness of each piece in this assembly are designed to act as part of the magnetic circuit of the fuel injector 100, It should be noted.

図7を参照すると、低質量ボール弁組立体144が、ソレノイド128によって作動されるようになっている。ソレノイド128は、電気コネクタ176に接続されたコイル巻線132を有している。コイル巻線132が励磁されると、磁場がボール140に接続された板146内に導かれ、これによって、ボール140を円錐シール面142から持上げ、オリフィス152を露出させ、燃料が流れるのを可能にしている。コイル巻線132からの電気が遮断されると、バネ(図示せず)が板146とそこに取り付けられたボール140をそれらの元の位置に戻すことになる。   Referring to FIG. 7, the low mass ball valve assembly 144 is actuated by a solenoid 128. Solenoid 128 has a coil winding 132 connected to an electrical connector 176. When the coil winding 132 is energized, a magnetic field is directed into the plate 146 connected to the ball 140, thereby lifting the ball 140 from the conical seal surface 142, exposing the orifice 152, and allowing fuel to flow. I have to. When electricity from the coil winding 132 is interrupted, a spring (not shown) will return the plate 146 and the ball 140 attached thereto to their original position.

代替的実施形態では、ソレノイド要素(図示せず)が、コイル巻線132の中心に引込まれ、ソレノイド要素に接続されたボール140を持上げるようになっている。電気をコイル巻線132に印加することによって生じるソレノイド要素の移動が、ボール140を円錐シール面142から引き離し、オリフィス152を露出させ、燃料が流れることを可能にしている。ここでも、コイル巻線132への電気が遮断されると、バネ(図示せず)がボール140をその元の位置に戻すことになる。   In an alternative embodiment, a solenoid element (not shown) is drawn into the center of the coil winding 132 to lift the ball 140 connected to the solenoid element. The movement of the solenoid element caused by the application of electricity to the coil winding 132 pulls the ball 140 away from the conical seal surface 142, exposing the orifice 152 and allowing fuel to flow. Again, when electricity to the coil winding 132 is interrupted, a spring (not shown) will return the ball 140 to its original position.

バネは、ボールを噴射器の出口の円錐部に押し付けるバネの力が、噴射器内の加圧された液体燃料の流れを遮蔽するのに十分であるように、寸法が決められている。   The spring is dimensioned so that the spring force pressing the ball against the cone at the outlet of the injector is sufficient to block the flow of pressurized liquid fuel in the injector.

図7をさらに参照すると、毛細管流路112の出口端116を出ると、燃料流れは、燃料噴射器100のボール・イン・弁組立体144に導かれることになる。絞り部150は、従来の燃料噴射器と同様、ソレノイドによって作動されるボール・イン・円錐絞り弁組立体144からなる。板146とボール140の組立体を開位置と閉位置との間で移動させるソレノイド128の作動が、噴射器100を出る燃料の流量を計量調整する働きをするようになっている。オリフィス152を出ると、燃料は、円錐状の煙突状部160内を流れ、所望の噴霧の粒状化と噴霧の角度付けをもたらすようになっている。円錐の角度は、ボールが円錐面とのシールを形成する限り、広範囲な値に及ぶことができる。また、煙突状部160は、噴射器100が従来のポート燃料噴射器の全長の要件を満たすのを可能にするのに役立つようになっている。理解され得るように、噴射器100の適切な作動は、煙突状部160が設けられなくても、可能である。   Still referring to FIG. 7, upon exiting the outlet end 116 of the capillary channel 112, the fuel flow will be directed to the ball-in-valve assembly 144 of the fuel injector 100. The throttle 150 is composed of a ball-in-conical throttle valve assembly 144 operated by a solenoid, like a conventional fuel injector. Actuation of a solenoid 128 that moves the plate 146 and ball 140 assembly between an open position and a closed position serves to meter the fuel flow rate out of the injector 100. Upon exiting the orifice 152, the fuel flows through the conical chimney 160 to provide the desired spray granulation and spray angulation. The cone angle can range over a wide range as long as the ball forms a seal with the conical surface. The chimney 160 also serves to allow the injector 100 to meet the overall length requirements of a conventional port fuel injector. As can be appreciated, proper operation of the injector 100 is possible without the chimney 160 being provided.

理解され得るように、ボール・イン・円錐弁組立体140は、蒸発された燃料流れが低熱慣性と最小湿潤面積を有する絞り部150によって計量送給されることを可能にしている。これらの特徴は、蒸発された燃料の送給が、最初の電源入力後の時間的遅れが最小になるようにして、達成されることを確実にするのに、有用である。又、これらの特徴は、燃料蒸気が噴射器100を出るとき、その燃料蒸気の早期の再凝縮を緩和することが、分かっている。これは、燃料蒸発モードで作動されるときの噴射器100の安定状態作動中に、最小の液滴寸法が得られることを確実にする。にもかかわらず、図6に示されるボール・イン・円錐弁組立体140は、本発明の噴射器の設計に用いられ得るいくつかの弁設計の1つであることが、容易に理解されるべきである。燃料蒸気を計量送給するのに用いられる適切な弁設計の重要な特徴は、低熱慣性と最小湿潤面積との組合せである。これらの重要な特徴を有する他の適切な弁設計が、2003年1月15日に出願された米国特許出願第10/342,267号に開示されている。この開示内容は、その全てが、参照することによって、ここに含まれるものとする。   As can be appreciated, the ball-in-cone valve assembly 140 allows the vaporized fuel flow to be metered by a restriction 150 having low thermal inertia and minimal wet area. These features are useful to ensure that vaporized fuel delivery is achieved with minimal time delay after initial power input. These features have also been found to mitigate pre-condensation of fuel vapor as it exits injector 100. This ensures that a minimum droplet size is obtained during steady state operation of the injector 100 when operated in fuel evaporation mode. Nevertheless, it is readily understood that the ball-in-cone valve assembly 140 shown in FIG. 6 is one of several valve designs that can be used in the injector design of the present invention. Should. An important feature of a suitable valve design used to meter fuel vapor is a combination of low thermal inertia and minimum wet area. Other suitable valve designs having these important features are disclosed in US patent application Ser. No. 10 / 342,267, filed Jan. 15, 2003. This disclosure is hereby incorporated by reference in its entirety.

図7をさらに参照すると、熱を毛細管流路112に供給するのに用いられる電気回路は、電源(図示せず)及び制御装置2050(図10を参照)と、毛細管束115と、毛細管流路112の加熱部120の抵抗加熱を可能にするために毛細管束115に取り付けられたスペード形接続部174からなる。好ましい実施形態において、毛細管束115は、その毛細管束115の全体が単一の導体ユニットを形成するように、毛細管流路112の入口端114に近接するバスと、毛細管流路112の出口端116に近接するもう1つのバスとを用いている。電気的接続は、4つのスペード形接続部174と176をボビン130内に鋳込むことによって、なされている。ボビン130の送給端における2つの接続部は、ソレノイド128に電力を供給するように機能している。ボビン130の入口端における他の接続部は、毛細管束115の入口端に取り付けられている。第4の電気接続部は、ボビン130内に埋設され、毛細管束115の出口端116との電気接続がなされるように、ボビン130の遠位端に終端している。   With further reference to FIG. 7, the electrical circuit used to supply heat to the capillary channel 112 includes a power source (not shown) and controller 2050 (see FIG. 10), a capillary bundle 115, and a capillary channel. It consists of a spade connection 174 attached to the capillary bundle 115 to allow resistance heating of 112 heating sections 120. In a preferred embodiment, the capillary bundle 115 includes a bus adjacent to the inlet end 114 of the capillary channel 112 and an outlet end 116 of the capillary channel 112 such that the entire capillary bundle 115 forms a single conductor unit. And another bus in the vicinity. The electrical connection is made by casting four spade shaped connections 174 and 176 into the bobbin 130. Two connections at the feed end of the bobbin 130 function to supply power to the solenoid 128. The other connection at the inlet end of the bobbin 130 is attached to the inlet end of the capillary bundle 115. The fourth electrical connection is embedded in the bobbin 130 and terminates at the distal end of the bobbin 130 for electrical connection with the outlet end 116 of the capillary bundle 115.

冷エンジン環境において蒸発を達成するには、噴射器に供給される加熱用の電力の最小化と関連する立ち上り時間の最小化との間に、図8に示されるようなトレード・オフ(両立性)が存在している。容易に理解され得るように、噴射器を加熱するために使用される電力は、使用されるバッテリ電力によって制限され、噴射器の立ち上がり時間は、ユーザの性能に関する要求によって制限されている。   To achieve evaporation in a cold engine environment, there is a trade-off (compatibility) as shown in FIG. 8 between minimizing the heating power supplied to the injector and the associated rise time. ) Exists. As can be readily appreciated, the power used to heat the injector is limited by the battery power used, and the injector rise time is limited by user performance requirements.

前述した設計と性能の要求事項に加えて、排気の後処理の手順及び/又は始動制御手法によって必要とされる燃料/空気比に対するある程度の制御を行なう必要もある。少なくとも、燃料噴射器は、クランキングからアイドルに至る状態から他のエンジン運転状態にわたって、必要な最大/最小流量比に適合する能力を有していなければならない。しかし、一部の形態では、エンジンサイクルの吸気弁が開いている期間にのみ蒸気を噴射することによって、排出物が最大限に低減されることがある。このような噴射プロフィールが、4行程サイクルの各部分に関連する概略的な時間と共に、図9に示されている。図示されるように、1500rpmにおいて、開弁噴射は、20ms間の噴射の後、蒸気が殆ど又は全くエンジンに送給されない60msの期間が続くように、蒸気の流量を制御することによって、達成されることになる。   In addition to the design and performance requirements described above, there is also a need to provide some control over the fuel / air ratio required by the exhaust aftertreatment procedure and / or the start control technique. At a minimum, the fuel injector must have the ability to meet the required maximum / minimum flow ratio, from cranking to idle to other engine operating conditions. However, in some configurations, emissions may be maximally reduced by injecting steam only during periods when the engine cycle intake valve is open. Such an injection profile is shown in FIG. 9 along with the approximate time associated with each part of the four stroke cycle. As shown, at 1500 rpm, valve opening injection is achieved by controlling the steam flow rate so that a 20 ms injection period is followed by a 60 ms period in which little or no steam is delivered to the engine. Will be.

蒸気燃料噴射器の流量を調整するのに用いられる従来の弁設計は、液体を蒸発させるのに十分な温度を達成するために加熱されねばならない質量である熱質量の不都合な増大を生じることが知られている。この熱質量の増大は、噴射器の立ち上がり時間を増大させ(図8を参照)、これによって、始動及び/又は過渡的運転中に噴射器によって生成される蒸気の品質を悪化させるので、望ましくない。   Conventional valve designs used to regulate steam fuel injector flow rates can result in an adverse increase in thermal mass, which is the mass that must be heated to achieve a temperature sufficient to evaporate the liquid. Are known. This increase in thermal mass is undesirable because it increases the rise time of the injector (see FIG. 8), thereby degrading the quality of the steam produced by the injector during startup and / or transient operation. .

図10を参照すると、制御システム2000の典型的な概略図が示されている。制御システム2000は、内燃機関2110を運転させるのに用いられ、液体燃料供給源2010と液体燃料噴射経路2260に流体連通している液体燃料供給弁2220と、液体燃料供給源2010と毛細管流路2080に流体連通している蒸発燃料供給弁2210と、酸化ガス供給源2070と毛細管流路2080に流体連通している酸化ガス供給弁2020とを含んでいる。制御システムは、制御装置2050を備え、この制御装置2050は、典型的には、エンジン速度センサ2060、吸気マニフォールド空気熱電対及び吸気圧センサ2062、冷媒温度センサ2064、排気空燃比センサ2150、燃料供給圧センサ2012などのような種々のエンジンセンサから複数の入力信号を受信するようになっている。作動において、制御装置2050は、1つ以上の入力信号に基づいて、制御アルゴリズムを実行し、続いて、本発明による閉塞された毛細管通路を清浄化するための酸化剤供給弁2020への出力信号2024を生成し、液体燃料供給弁2220への出力信号2014を生成し、燃料供給弁2210への出力信号2034を生成し、及び毛細管2080を加熱する電力を送給する電力供給源への加熱電力指令2044を生成するようになっている。   Referring to FIG. 10, an exemplary schematic diagram of a control system 2000 is shown. The control system 2000 is used to operate the internal combustion engine 2110, the liquid fuel supply valve 2220 in fluid communication with the liquid fuel supply source 2010 and the liquid fuel injection path 2260, the liquid fuel supply source 2010, and the capillary channel 2080. And an oxidant gas supply valve 2020 in fluid communication with an oxidant gas supply source 2070 and a capillary channel 2080. The control system includes a controller 2050, which typically includes an engine speed sensor 2060, an intake manifold air thermocouple and intake pressure sensor 2062, a refrigerant temperature sensor 2064, an exhaust air / fuel ratio sensor 2150, a fuel supply. A plurality of input signals are received from various engine sensors such as the pressure sensor 2012. In operation, the controller 2050 executes a control algorithm based on one or more input signals, followed by an output signal to the oxidant supply valve 2020 for cleaning the blocked capillary passage according to the present invention. Heating power to a power supply that generates 2024, generates an output signal 2014 to the liquid fuel supply valve 2220, generates an output signal 2034 to the fuel supply valve 2210, and delivers power to heat the capillary 2080 A command 2044 is generated.

作動において、ここに提案されるシステムは、排ガス再循環加熱の使用によって、燃焼中に生成された熱をフィードバックし、これによって、液体燃料が毛細管流路2080を通過するときに、その液体燃料を実質的に蒸発させるのに十分に加熱し、電気的又は他の方法で毛細管流路2080を加熱する必要性を低減、排除、又は補足するように、構成することもできる。   In operation, the system proposed here feeds back the heat generated during combustion by using exhaust gas recirculation heating, thereby allowing the liquid fuel to pass through the capillary flow path 2080. It can also be configured to heat sufficiently to substantially evaporate, reducing, eliminating or supplementing the need to heat capillary channel 2080 electrically or otherwise.

理解され得るように、図1〜図7に示された燃料噴射器の好ましい形態は、本発明の他の実施形態と関連して用いられてもよい。図1を再び参照すると、噴射器10は、噴射器10の作動中に形成される堆積物を清浄化するための手段を備えていてもよい。想定されるように、堆積物を清浄化させるための手段は、各毛細管流路12を溶媒と流体連通させる段階と、溶媒が各毛細管流路12内に導かれたときに、各毛細管流路12のその場の清浄化を可能にする段階とを含んでいる。多種多様な溶媒が用いられ得るが、ここでの溶媒は、液体燃料源からの液体燃料からなるとよい。作動において、毛細管流路12の清浄化の最中、熱源は長期的に停止、すなわち、スイッチが切られるべきである。当業者には理解されるように、図6及び図7に示される噴射器の設計は、その場の溶媒による清浄化を行なうのに容易に適合されるようになっている。   As can be appreciated, the preferred form of fuel injector shown in FIGS. 1-7 may be used in connection with other embodiments of the present invention. Referring back to FIG. 1, the injector 10 may include means for cleaning deposits that form during operation of the injector 10. As envisioned, the means for cleaning the deposits includes fluidly communicating each capillary channel 12 with a solvent, and each capillary channel when the solvent is directed into each capillary channel 12. Twelve in-situ cleaning steps. A wide variety of solvents can be used, but the solvent here may consist of liquid fuel from a liquid fuel source. In operation, during the cleaning of the capillary channel 12, the heat source should be shut down for a long time, i.e. switched off. As will be appreciated by those skilled in the art, the injector design shown in FIGS. 6 and 7 is readily adapted to perform in-situ solvent cleaning.

図1を再び参照すると、燃料噴射器10の加熱された毛細管流路12は、蒸発された燃料流れを生成し、この燃料流れは、空気中で凝縮し、エアロゾルと一般的に呼ばれる蒸発された燃料、燃料液滴、及び空気の混合物を形成することができる。同様に、図7を再び参照すると、燃料噴射器100の加熱された毛細管流路112は、蒸発された燃料流れを生成し、この燃料流れは、空気中で凝縮し、エアロゾルを形成することができる。150から200μmのザウター平均径(SMD)の範囲内の液滴からなる燃料噴霧を送給する従来の自動車用ポート燃料噴射器と比較して、このエアロゾルは、25μm未満のSMD、好ましくは、15μm未満のSMDの平均液滴径を有している。従って、本発明による加熱された毛細管噴射器によって生成される燃料液滴の大部分は、流路とは無関係に、空気流れによって、燃焼室内に運ばれることになる。   Referring again to FIG. 1, the heated capillary channel 12 of the fuel injector 10 produces an evaporated fuel stream that condenses in the air and is evaporated, commonly referred to as an aerosol. A mixture of fuel, fuel droplets, and air can be formed. Similarly, referring again to FIG. 7, the heated capillary channel 112 of the fuel injector 100 produces an evaporated fuel flow that can condense in air to form an aerosol. it can. Compared to conventional automotive port fuel injectors that deliver fuel sprays consisting of droplets in the range of 150 to 200 μm Sauter mean diameter (SMD), this aerosol has an SMD of less than 25 μm, preferably 15 μm Having an average droplet size of less than SMD. Thus, most of the fuel droplets produced by the heated capillary injector according to the present invention will be carried into the combustion chamber by the air flow, regardless of the flow path.

従来の噴射器とここに開示された噴射器における液滴寸法分布の違いは、冷始動と暖気状態において、特に重要である。具体的には、従来のポート燃料噴射器を用いる場合、吸気部品と衝突する十分な量の大きな燃料液滴を蒸発させ、点火可能な燃料/空気混合物を生成させるために、比較的低温の吸気マニフォールド部品に過剰な燃料を供給する必要がある。逆に、ここに開示された燃料噴射器によって生成される蒸発された燃料と微細な液滴は、本質的に、始動時におけるエンジン部品の温度によって影響されず、従って、エンジン始動状態における過剰な燃料供給の必要性を排除している。ここに開示された燃料噴射器の使用によって与えられるエンジンに対する燃料/空気比のより正確な制御と組合わされる過剰な燃料供給の排除によって、従来の燃料噴射器システムを用いるエンジンによって生成されるのと比較して、冷始動時の排出物が、著しく低減されることになる。過剰な燃料供給の低減に加えて、ここに開示された加熱型毛細管噴射器は、冷始動及び暖気中に燃料リーン運転をさらに可能にし、その結果、触媒コンバータを活性化させると共に、排気管の排出物を著しく低減させることにも、留意すべきである。   The difference in droplet size distribution between the conventional injector and the injector disclosed herein is particularly important in cold start and warm air conditions. Specifically, when using a conventional port fuel injector, a relatively cold intake air is used to evaporate a sufficiently large amount of fuel droplets that collide with the intake components to produce an ignitable fuel / air mixture. Excess fuel must be supplied to the manifold parts. Conversely, the vaporized fuel and fine droplets produced by the fuel injectors disclosed herein are essentially unaffected by the temperature of the engine components at start-up and are therefore excessive in engine start-up conditions. Eliminates the need for fuel supply. The elimination of excess fuel supply combined with more precise control of the fuel / air ratio for the engine given by the use of the fuel injector disclosed herein can be produced by an engine using a conventional fuel injector system. Compared with the above, the emission at the cold start is remarkably reduced. In addition to reducing excess fuel supply, the heated capillary injector disclosed herein further allows fuel lean operation during cold start and warm air, resulting in activation of the catalytic converter and exhaust pipe. It should also be noted that the emissions are significantly reduced.

燃料は、7kg/cm2(100psg)未満、好ましくは、4.9kg/cm2(70psg)未満、さらに好ましくは、4.2kg/cm2(60psg)未満、さらに好ましくは、3.2kg/cm2(45psg)未満の圧力で、ここに開示された噴射器に供給され得るようになっている。この実施形態は、蒸発燃料が大気温度の空中で凝縮されたときに、殆どが2〜30μmSMDの寸法範囲内にあり、平均液滴寸法が約5〜15μmSMDであるエアロゾル液滴の分布を形成する蒸発燃料を生成することが、分かっている。冷始動温度において迅速、かつほぼ完全な蒸発を達成する燃料液滴の好ましい寸法は、約25μm未満である。この結果は、蒸発燃料のエネルギー量の2〜3%に相当する略10.2〜40.8kg/秒(100〜400W)、例えば、20.4kg/秒(200W)の電力を毛細管束に印加することによって、達成されることになる。チューブをその長さに沿って加熱する代替案として、流路の周囲に配置される電気コイルによる誘導加熱、又は伝導、対流、又は輻射による熱伝達の1つ又はその組合せによって、流路長さを加熱するように流路に対して相対的に配置される他の熱源による加熱が、挙げられる。冷始動及び暖機の後、毛細管束を加熱する必要はなく、未加熱の毛細管を用いて、通常温度で運転しているエンジンに十分な量の液体燃料を供給することができる。エンジンを始動させてから略20秒(又は好ましくは、20秒未満)後に、通常のエンジン運転を行なうために、毛細管を加熱するのに用いられた電力が遮断され、液体噴射が開始されることになる。当業者であれば、容易に理解され得るように、通常のエンジン運転は、連続噴射又はパルス噴射の形態による液体燃料噴射によって、行なわれることになる。 Fuel is less than 7kg / cm 2 (100psg), preferably less than 4.9kg / cm 2 (70psg), more preferably, less than 4.2kg / cm 2 (60psg), more preferably, 3.2 kg / cm 2 (45 psg) can be delivered to the injector disclosed herein. This embodiment forms an aerosol droplet distribution that is mostly in the 2-30 μm SMD size range and the average droplet size is about 5-15 μm SMD when the evaporated fuel is condensed in the air at ambient temperature. It is known to produce evaporative fuel. The preferred size of the fuel droplets to achieve rapid and near complete evaporation at the cold start temperature is less than about 25 μm. This result shows that approximately 10.2 to 40.8 kg / sec (100 to 400 W), for example, 20.4 kg / sec (200 W), corresponding to 2 to 3% of the energy amount of the evaporated fuel, is applied to the capillary bundle. To achieve this. As an alternative to heating the tube along its length, the length of the flow path can be by one or a combination of induction heating by an electrical coil placed around the flow path, or heat transfer by conduction, convection, or radiation. Heating with other heat sources arranged relative to the flow path so as to heat. After a cold start and warm-up, the capillary bundle need not be heated, and an unheated capillary tube can be used to supply a sufficient amount of liquid fuel to an engine operating at normal temperature. Approximately 20 seconds (or preferably less than 20 seconds) after starting the engine, the power used to heat the capillaries is shut off and liquid injection is started for normal engine operation. become. As one skilled in the art can readily appreciate, normal engine operation will be performed by liquid fuel injection in the form of continuous injection or pulse injection.

ここに開示された燃料噴射器は、エンジン吸気マニフォールドにおける既存のポート燃料噴射器と同じ個所又は吸気マニフォールドに沿った他の個所に、配置させることができる。ここに開示された燃料噴射器は、エンジンを始動させながら、閉鎖された吸気弁の裏側に噴射されねばならない大きな液滴の燃料を生成するシステムを上回る利点をもたらしている。好ましくは、毛細管チューブの出口は、従来の燃料噴射器の出口の配置と同様、吸気マニフォールド壁と同一の面に配置されている。   The fuel injectors disclosed herein can be located at the same location as existing port fuel injectors in the engine intake manifold or elsewhere along the intake manifold. The fuel injectors disclosed herein provide advantages over systems that produce large droplets of fuel that must be injected behind a closed intake valve while starting the engine. Preferably, the outlet of the capillary tube is arranged on the same plane as the intake manifold wall, similar to the arrangement of the outlet of a conventional fuel injector.

極小隔膜ポンプシステムによって、ガソリンを一定圧で以下に記載する毛細管に供給することによって、実験室的なベンチテストを行なった。液滴のピーク寸法と液滴の寸法分布は、マルバーン(Malvern)によって製造されているスプレーテック(Spray-Tech)レーザ回折システムを用いて、測定した。液滴寸法は、ザウター平均径(SMD)で表している。SMDは、その表面/体積比が完全な噴霧の表面/体積比と等しい液滴の直径であり、噴霧の質量移動特性に関連している。   A laboratory bench test was performed by supplying gasoline at a constant pressure to the capillaries described below with a microdiaphragm pump system. Droplet peak size and drop size distribution were measured using a Spray-Tech laser diffraction system manufactured by Malvern. Droplet dimensions are expressed in Sauter mean diameter (SMD). SMD is the diameter of a droplet whose surface / volume ratio is equal to the surface / volume ratio of a complete spray and is related to the mass transfer characteristics of the spray.

図11は、単一の1.5インチ毛細管を通る燃料の液体質量流量と蒸気質量流量をその毛細管の圧力降下の関数として示している。図11において、0.081cm(0.032インチ)のODと0.051cm(0.020インチ)のIDを有する「通常壁」毛細管を通る流れを、0.081cm(0.032インチ)のODと0.071〜0.074cm(0.028〜0.029インチ)のIDを有する「薄壁」毛細管を通る流れと比較した。図11に示される結果の場合、各毛細管は、304ステンレス鋼から構成したが、同様の結果が、インコネル600による各毛細管を用いても達成可能であることが、容易に理解されるべきである。この用途におけるステンレス鋼304とインコネル600との間の重要な使用上の違いは、各材料の電気抵抗率にある。具体的には、インコネル600は、ステンレス鋼304よりも高い抵抗率を有しているので、より高い抵抗率が熱を毛細管に供給するのに用いられる電気回路との適合性を得るには重要であるこの用途では、より適している。   FIG. 11 shows the liquid mass flow rate and the vapor mass flow rate of fuel through a single 1.5 inch capillary as a function of the capillary pressure drop. In FIG. 11, the flow through a “normal wall” capillary having an OD of 0.081 cm (0.032 inch) and an ID of 0.051 cm (0.020 inch) is applied to an OD of 0.081 cm (0.032 inch). And flow through a “thin wall” capillary having an ID of 0.028-0.029 inches. In the case of the results shown in FIG. 11, each capillary was constructed from 304 stainless steel, but it should be readily understood that similar results can be achieved using each capillary with Inconel 600. . An important usage difference between stainless steel 304 and Inconel 600 in this application is in the electrical resistivity of each material. Specifically, because Inconel 600 has a higher resistivity than stainless steel 304, a higher resistivity is important to obtain compatibility with the electrical circuit used to supply heat to the capillary. It is more suitable for this application.

図11に示されるように、「薄壁」毛細管は、その流れ面積が大きいので、「通常壁」毛細管と比較して、液体及び蒸気質量流量が、両方とも著しく増大している。グラフの実線で描かれた垂直線は、3.5kg/cm2(50psi)の全燃料噴射器圧力と10%未満の毛細管の圧力降下の要件に基づく設計点を表している。この設計点において、図11の結果は、殆どの自動車用ポート燃料噴射用途に対する液体及び蒸気の流量の要件が2〜4本の薄壁の3.8cm(1.5インチ)毛細管によって満たされることを、示している。 As shown in FIG. 11, the “thin wall” capillary has a large flow area, so both the liquid and vapor mass flow rates are significantly increased compared to the “normal wall” capillary. The vertical line drawn with a solid line in the graph represents a design point based on a total fuel injector pressure of 3.5 kg / cm 2 (50 psi) and a capillary pressure drop requirement of less than 10%. At this design point, the results of FIG. 11 show that the liquid and vapor flow requirements for most automotive port fuel injection applications are met by 2 to 4 thin-walled 3.8 cm (1.5 inch) capillaries. Is shown.

図12は、3.8cm(1.5インチ)薄壁毛細管における燃料液滴寸法(SMD、μm)を抵抗設定値の関数として示している。この結果は、液滴の寸法が、冷間時の毛細管抵抗(Ro)に対する加熱された毛細管抵抗(R)の比率として表される毛細管の温度設定値と共に著しく変化することを示している。しかし、ステンレス鋼毛細管の温度設定点の好ましい範囲は、R/Ro表示で約1.12〜1.2である。ステンレス鋼の場合、この範囲は、約140〜220℃のバルク毛細管温度に対応している。   FIG. 12 shows the fuel droplet size (SMD, μm) in a 3.8 cm (1.5 inch) thin wall capillary as a function of the resistance setting. This result shows that the droplet size varies significantly with the capillary temperature setting expressed as the ratio of the heated capillary resistance (R) to the capillary resistance (Ro) when cold. However, the preferred range of temperature set points for stainless steel capillaries is about 1.12 to 1.2 in R / Ro designation. For stainless steel, this range corresponds to a bulk capillary temperature of about 140-220 ° C.

好ましい形態による、ソレノイドによって作動される燃料絞り弁の上流側に配置される電子的に加熱される毛細管束を有する多重毛細管燃料噴射器の部分断面図である。FIG. 3 is a partial cross-sectional view of a multi-capillary fuel injector having an electronically heated capillary bundle disposed upstream of a solenoid operated fuel throttle valve, according to a preferred configuration. 図1の実施形態の毛細管束の拡大図である。It is an enlarged view of the capillary bundle of the embodiment of FIG. 絞り板40の好ましい形態の平面図である。3 is a plan view of a preferred form of a diaphragm plate 40. FIG. 図3Aの線3B−3Bに沿った断面図である。3B is a cross-sectional view taken along line 3B-3B of FIG. 3A. オリフィス板の好ましい形態の平面図である。It is a top view of the preferable form of an orifice plate. 図4Aの線4B−4Bに沿った断面図である。FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line 4B-4B of FIG. 4A. 燃料の流れ経路を形成するように開位置に配置されたときの図3Bの絞り板と図4Bのオリフィス板の協働作用の状態を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a cooperative action state of the throttle plate of FIG. 3B and the orifice plate of FIG. 4B when arranged in an open position so as to form a fuel flow path. 燃料の流れ経路を遮断するように閉位置に配置されたときの図3Bの絞り板と図4Bのオリフィス板の協働作用の状態を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a state of cooperative action of the throttle plate of FIG. 3B and the orifice plate of FIG. 4B when arranged in a closed position so as to block a fuel flow path. 噴射器の他の好ましい形態による、ソレノイドによって作動される燃料絞り弁の上流側に配置される電子的に加熱される毛細管束を有する他の多重毛細管燃料噴射器の等角投影図である。FIG. 6 is an isometric view of another multi-capillary fuel injector having an electronically heated capillary bundle disposed upstream of a solenoid operated fuel throttle according to another preferred form of injector. 図6の多重毛細管燃料噴射器の部分側断面図である。FIG. 7 is a partial cross-sectional side view of the multiple capillary fuel injector of FIG. 6. 異なる加熱質量ごとに、噴射器に供給される電力の最小化と噴射器に関連する立ち上り時間の最小化との間のトレードオフ(両立性)を示すチャートである。FIG. 6 is a chart showing the trade-off (compatibility) between minimizing the power supplied to the injector and minimizing the rise time associated with the injector for different heating masses. エンジンサイクルの吸気弁が開いている期間にのみ蒸気を噴射することによって、排出物が最大限に低減されることを示すチャートである。It is a chart which shows that an emission is reduced to the maximum by injecting steam only in the period when the intake valve of an engine cycle is open. 好ましい形態による燃料送給及び制御システムの概略図である。1 is a schematic diagram of a fuel delivery and control system according to a preferred embodiment. 単一の3.8cm(1.5インチ)毛細管を通る燃料の液体質量流量と蒸気質量流量を毛細管の圧力降下の関数として示す図である。FIG. 4 shows the liquid mass flow rate and the vapor mass flow rate of fuel through a single 3.8 cm (1.5 inch) capillary as a function of capillary pressure drop. 3.8cm(1.5インチ)薄壁毛細管における燃料の液滴寸法(SMD、μm)を抵抗設定点の関数として示す図である。FIG. 4 shows fuel droplet size (SMD, μm) in a 3.8 cm (1.5 inch) thin wall capillary as a function of resistance set point.

Claims (20)

液体燃料を蒸発させ、内燃機関に計量送給するための、中心穴を備えた燃料噴射器において、
(a)前記燃料噴射器の前記中心穴内に配置される毛細管束であって(i)複数の毛細管流路であって、各々が入口端と出口端とを有する複数の薄壁の毛細管流路と、(ii)前記毛細管流路を構造的に支持するスピンドル片であって、前記毛細管束の前記複数の毛細管流路の前記出口端の各々に係合するように配置されたスピンドル端を有するスピンドル片と、(iii)前記毛細管束を前記複数の毛細管流路の各出口端に隣接して取り付けるための固定ディスクであって、前記複数の毛細管流路の各々が前記固定ディスクの厚みを貫通して延び、前記燃料噴射器の前記中心穴に取り付けられる固定ディスクとを、備えた毛細管束と
(b)前記複数の毛細管流路の各々に沿って配置される熱源であって、前記複数の毛細管流路の各々における液体燃料を、少なくともその一部を液体状態から蒸気状態に変化させ、実質的に蒸発された燃料の流れを前記複数の毛細管流路の前記出口端の各々から送給するのに十分なレベルに加熱するように作動可能な熱源と、
(c)実質的に蒸発された燃料を前記内燃機関に計量送給するための弁であって、前記複数の毛細管流路の前記出口端の各々の下流側に配置される弁と
を備え、
前記スピンドル片は前記熱源に電力を供給するために用いられる電気経路の一部として機能することを特徴とする燃料噴射器。
In a fuel injector with a central hole for evaporating liquid fuel and metering it to an internal combustion engine,
(A) a capillary bundle disposed in the central hole of the fuel injector ; (i) a plurality of capillary channels, each having a plurality of thin-walled capillary flows each having an inlet end and an outlet end; And (ii) a spindle piece that structurally supports the capillary channel, the spindle end being arranged to engage each of the outlet ends of the plurality of capillary channels of the capillary bundle. And (iii) a fixed disk for attaching the capillary bundle adjacent to each outlet end of the plurality of capillary channels, each of the plurality of capillary channels having a thickness of the fixed disk. A capillary bundle comprising a stationary disk extending therethrough and attached to the central hole of the fuel injector ;
(B) a heat source disposed along each of the plurality of capillary channels, wherein at least part of the liquid fuel in each of the plurality of capillary channels is changed from a liquid state to a vapor state, A heat source operable to heat a vaporized fuel stream to a level sufficient to be delivered from each of the outlet ends of the plurality of capillary channels;
(C) a valve for metering and delivering substantially evaporated fuel to the internal combustion engine, the valve disposed on the downstream side of each of the outlet ends of the plurality of capillary channels;
The fuel injector according to claim 1, wherein the spindle piece functions as a part of an electric path used to supply electric power to the heat source .
燃料を前記内燃機関に計量送給するための前記弁は、ソレノイドによって作動される低湿潤面積を有する低質量板弁組立体を含み、前記低質量板弁組立体は、絞り板とオリフィス板とを備えることを特徴とする請求項1に記載の燃料噴射器。  The valve for metering fuel to the internal combustion engine includes a low mass plate valve assembly having a low wet area actuated by a solenoid, the low mass plate valve assembly comprising a throttle plate, an orifice plate, The fuel injector according to claim 1, further comprising: 前記絞り板は、燃料が前記複数の毛細管流路の前記出口端の各々から通過することを可能にする複数の絞り開口を備えることを特徴とする請求項2に記載の燃料噴射器。  The fuel injector of claim 2, wherein the throttle plate comprises a plurality of throttle openings that allow fuel to pass from each of the outlet ends of the plurality of capillary channels. 前記オリフィス板は、前記オリフィス板が前記絞り板とシール係合の状態にあるとき、前記複数の毛細管流路の前記出口端の各々からの燃料流れを阻止するために、内側シールリングと外側着地リングとを備えることを特徴とする請求項2または3に記載の燃料噴射器。  The orifice plate includes an inner seal ring and an outer landing to prevent fuel flow from each of the outlet ends of the plurality of capillary channels when the orifice plate is in sealing engagement with the restrictor plate. The fuel injector according to claim 2, further comprising a ring. 燃料を前記内燃機関に計量送給するための前記弁は、ソレノイドによって作動される低質量ボール弁組立体であることを特徴とする請求項1に記載の燃料噴射器。  The fuel injector of claim 1, wherein the valve for metering fuel into the internal combustion engine is a low mass ball valve assembly actuated by a solenoid. 前記低質量ボール弁組立体は、前記ソレノイドに接続されるボールと、円錐シール面と、前記ボールを前記円錐部に押し付け、前記噴射器からの流体流れを阻止するように作用可能なバネ力をもたらすような寸法を有するバネとを備えることを特徴とする請求項5に記載の燃料噴射器。  The low-mass ball valve assembly includes a ball connected to the solenoid, a conical seal surface, and a spring force operable to press the ball against the cone and prevent fluid flow from the injector. 6. The fuel injector according to claim 5, further comprising a spring having a dimension that provides the same. 出口オリフィスをさらに備え、電気を前記ソレノイドに印加することによって生じる前記ソレノイドの移動が、前記ボールを前記円錐シール面から引き離し、燃料が前記出口オリフィス内を流れることを可能にすることを特徴とする請求項6に記載の燃料噴射器。  An outlet orifice is further provided, wherein movement of the solenoid caused by applying electricity to the solenoid pulls the ball away from the conical sealing surface and allows fuel to flow through the outlet orifice. The fuel injector according to claim 6. 前記複数の毛細管流路の各々は、ステンレス鋼及びインコネルからなる群から選択されるチューブ内に形成され、約0.051cmから0.076cmの内径と約2.54cmから7.62cmの長さとを有することを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の燃料噴射器。Each of the plurality of capillary channels is formed in a tube selected from the group consisting of stainless steel and Inconel and has an inner diameter of about 0.051 cm to 0.076 cm and a length of about 2.54 cm to 7.62 cm. It has, The fuel injector of any one of Claims 1-7 characterized by the above-mentioned. (d)噴射器の作動中に形成される沈殿物を清浄化するための手段をさらに備え、
沈殿物を清浄化するための前記手段は、液体燃料源からの液体燃料を含む溶媒を用い、前記熱源は、前記毛細管通路の清浄中、停止されることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の燃料噴射器。
(D) further comprising means for cleaning the precipitate formed during operation of the injector;
9. The method of claim 1 wherein the means for cleaning the precipitate uses a solvent containing liquid fuel from a liquid fuel source and the heat source is turned off during cleaning of the capillary passage. The fuel injector according to any one of claims.
前記熱源が抵抗ヒータを含むことを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の燃料噴射器。  The fuel injector according to claim 1, wherein the heat source includes a resistance heater. 蒸発された燃料を内燃機関に送給する方法において、
(a)液体燃料を燃料噴射器の中心穴内に配置された毛細管束に供給する段階であって、前記毛細管束は、(i)燃料噴射器の複数の薄壁の毛細管流路と、(ii)前記毛細管流路を構造的に支持するスピンドル片であって、前記毛細管束の前記複数の毛細管流路の前記出口端の各々に係合するように配置されたスピンドル端を有するスピンドル片と、(iii)前記毛細管束を前記複数の毛細管流路の各出口端に隣接して取り付けるための固定ディスクであって、前記複数の毛細管流路の各々が前記固定ディスクの厚みを貫通して延び、前記燃料噴射器の前記中心穴に取り付けられる固定ディスクとを備えた、段階と、
(b)前記燃料噴射器の前記複数の毛細管流路内の前記液体燃料を加熱し、蒸発された燃料を前記複数の毛細管流路の各出口内を通過させる段階と、
(c)前記蒸発された燃料を、前記複数の毛細管流路の各出口の下流側に配置された弁を通して、前記内燃機関の燃焼室に計量送給する段階と
を含むことを特徴とする方法。
In a method for delivering evaporated fuel to an internal combustion engine,
(A) a step for supplying the liquid fuel to the capillary bundle disposed within the central bore of the fuel injector, the capillary tube bundle, and the capillary channel of the plurality of thin-walled (i) a fuel injector, (ii A spindle piece that structurally supports the capillary channel, the spindle piece having a spindle end disposed to engage each of the outlet ends of the plurality of capillary channels of the capillary bundle; (Iii) a fixed disk for attaching the capillary bundle adjacent to each outlet end of the plurality of capillary channels, each of the plurality of capillary channels extending through the thickness of the fixed disk; A stage comprising a fixed disk attached to the central hole of the fuel injector;
(B) heating the liquid fuel in the plurality of capillary channels of the fuel injector and passing the evaporated fuel through outlets of the plurality of capillary channels;
And (c) metering the evaporated fuel into a combustion chamber of the internal combustion engine through a valve disposed downstream of each outlet of the plurality of capillary channels. .
蒸発された燃料を前記内燃機関の前記燃焼室に計量送給する前記段階は、前記内燃機関の始動及び暖気に制限されることを特徴とする請求項11に記載の方法。  12. The method of claim 11, wherein the step of metering evaporated fuel into the combustion chamber of the internal combustion engine is limited to starting and warming up the internal combustion engine. 前記内燃機関が十分に暖められた状態にあるとき、液体燃料を前記内燃機関の前記燃焼室を送給する段階をさらに含むことを特徴とする請求項12に記載の方法。  The method of claim 12, further comprising delivering liquid fuel to the combustion chamber of the internal combustion engine when the internal combustion engine is in a sufficiently warmed state. 前記複数の毛細管流路を周期的に清浄化する段階をさらに含み、前記周期的に清浄化する段階は、(i)前記複数の毛細管流路の前記加熱を停止し、(ii)溶媒を前記複数の毛細管流路に供給し、前記複数の毛細管流路内に形成された沈殿物を実質的に除去する段階を含み、
前記溶媒は、液体燃料源からの液体燃料を含む
ことを特徴とする請求項11〜13のいずれか1項に記載の方法。
Periodically cleaning the plurality of capillary channels, wherein the step of periodically cleaning comprises (i) stopping the heating of the plurality of capillary channels, and (ii) removing the solvent from the Supplying a plurality of capillary channels, and substantially removing precipitates formed in the plurality of capillary channels;
14. A method according to any one of claims 11 to 13, wherein the solvent comprises liquid fuel from a liquid fuel source.
前記段階(c)において、燃料を前記内燃機関に計量送給するための前記弁は、ソレノイドによって作動される低湿潤面積を有する低質量板弁組立体であり、前記低質量板弁組立体は、絞り板とオリフィス板とを備えることを特徴とする請求項11〜14のいずれか1項に記載の方法。  In step (c), the valve for metering fuel into the internal combustion engine is a low mass plate valve assembly having a low wet area actuated by a solenoid, the low mass plate valve assembly comprising: The method according to claim 11, comprising a diaphragm plate and an orifice plate. 前記絞り板は、燃料が前記複数の毛細管流路の各出口から通過することを可能にする複数の絞り開口を備えることを特徴とする請求項15に記載の方法。  16. The method of claim 15, wherein the throttle plate comprises a plurality of throttle openings that allow fuel to pass from each outlet of the plurality of capillary channels. 前記オリフィス板は、前記オリフィス板が前記絞り板とシール係合の状態にあるとき、前記複数の毛細管流路の各出口からの燃料流れを阻止するために、内側シールリングと外側着地リングとを備えることを特徴とする請求項16に記載の方法。  The orifice plate includes an inner seal ring and an outer landing ring to prevent fuel flow from each outlet of the plurality of capillary channels when the orifice plate is in sealing engagement with the throttle plate. The method according to claim 16, comprising: 前記段階(c)において、燃料を前記内燃機関に計量送給するための前記弁は、ソレノイドによって作動される低質量ボール弁組立体であることを特徴とする請求項11〜14のいずれか1項に記載される方法。  15. In step (c), the valve for metering fuel to the internal combustion engine is a low mass ball valve assembly operated by a solenoid. The method described in the paragraph. 前記低質量ボール弁組立体は、前記ソレノイドに接続されるボールと、円錐シール面と、前記ボールを前記円錐部に押し付け、前記噴射器からの流体流れを阻止するように作用可能なバネ力をもたらすような寸法を有するバネとを備えることを特徴とする請求項18に記載の方法。  The low mass ball valve assembly includes a ball connected to the solenoid, a conical seal surface, and a spring force operable to press the ball against the conical portion and prevent fluid flow from the injector. 19. A method according to claim 18, comprising a spring having a dimension to provide. 電気を前記ソレノイドに印加することによって生じる前記ソレノイドの移動が、前記ボールを前記円錐シール面から引き離し、燃料が出口オリフィス内を流れることを可能にすることを特徴とする請求項19に記載の方法。  20. The method of claim 19, wherein the movement of the solenoid caused by applying electricity to the solenoid pulls the ball away from the conical sealing surface and allows fuel to flow through the exit orifice. .
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