JP5091224B2 - 可変な誘導加熱されるインジェクタ - Google Patents

Description

本願は、２００６年３月１７日に提出された米国仮出願第６０／７８３２１９号の早期の提出日の権利を請求するものであり、この内容はすべて、参照によって本願の開示内容に含まれるものとする。

本発明の背景
本発明は自動車燃料噴射に関し、より詳細には、燃料インジェクタにおける誘導加熱に関する。

本発明の背景
連邦政府および州政府はここ数年にわたって、自動車が大気中に排出する炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）および窒素酸化物（ＮＯｘ）の汚染物質のレベルに適用される規制をますます厳しくしている。

これらの汚染物質の排出量を低減する１つのアプローチに、触媒コンバータを使用することを含むアプローチがある。触媒コンバータは、エンジンの排出マニホールドと車両のマフラとの間の排ガス流中に配置される。

触媒コンバータが動作温度までウォーミングアップされる時間の間、車両のコールドスタート時の全体的なＨＣ排出量のパーセンテージは高い。

コールドスタート排出量を低減するため、幾つかの試行がなされている。たとえば、触媒コンバータをエンジンの可能な限り近くに移動させること。コンバータ全体をエンジンに十分近くに移動できなかった場合、第２のアンダーフロア式のコンバータの前に、より小さいウォームアップコンバータを使用することが多い。付加的に、たとえば改善された触媒等の触媒コンバータの改善形態と、次のような高セル密度のセラミック基板、すなわち、動作温度に達するのに必要な熱エネルギーが比較的小さい非常に薄い壁を有するセラミック基板とを使用して、コールドスタート排出量を低減する。

上記のアプローチはいずれも、燃料インジェクタを改善しない。したがって、迅速な触媒ウォームアップを促進するように、コールドスタート中に点火および燃焼の特性をより効率的に制御して、燃料インジェクタを改善する必要がある。

本発明の概要
本発明の課題は、上記で言及された必要な要件を満たすことである。本発明の基本的原理にしたがって上記課題は、内燃機関用の燃料インジェクタを提供することによって解決される。この燃料インジェクタは、バルブシートが配属されたバルブボディを有する。このバルブシートは、燃料が流れる吐出開口を画定する。可動子がバルブボディに配属されており、該バルブボディに関して、第１の位置と第２の位置との間で可動である。この可動子は閉鎖部材に配属されており、該閉鎖部材は第１の位置にある場合、吐出開口に近接してバルブシートに接触し、第２の位置にある場合には該バルブシートから離隔される。前記吐出開口を通る液体燃料の流れを制御するために前記可動子を第１の位置と第２の位置との間で移動させる磁束を供給するために、電磁コイルにエネルギー供給されるように構成されている。熱を供給して、液体燃料が吐出開口を出るときに該液体燃料が蒸発するように、加熱コイルにエネルギー供給されるように構成されている。

本発明の別の側面では、内燃機関の燃料インジェクタを出る時に燃料の蒸発させる方法が、液体燃料を加熱するために構成および配置された加熱構造体を有する燃料インジェクタを提供する。液体燃料はこの加熱構造体によって加熱されることにより、該液体燃料が燃料インジェクタを出るときに蒸発する。

本願明細書の一部を構成する添付図面を参照して、下記の詳細な説明と特許請求の範囲とを考慮すれば、本発明の別の対象、構成および特性と、このような構造の重要な要素を動作させる方法および該要素の機能と、部品の組み合わせと、製造の経済的な側面とを、より詳細に理解できる。

図面の簡単な説明
添付図面も併せて、本発明の有利な実施形態の以下の詳細な説明から、本発明をより良好に理解できる。この図面では、同様の参照番号は同様の部品を示す。

図１ 本発明の実施形態による、加熱コイルを有する燃料インジェクタの断面図である。
図２ 図１のインジェクタを駆動するための回路の概略図である。
図３ 図１の燃料インジェクタの加熱コイルがオンである場合の電圧波形を示す。
図４ 図１の燃料インジェクタの加熱コイルがオフである場合の電圧波形を示す。
図５ 図１のインジェクタの加熱コイルが作動化されている場合の特定の時点での燃料の温度を示すグラフである。
図６ 燃料加熱容量が増大されたインジェクタの別の実施形態を示す。

実施例の詳細な説明
図１を参照すると、ソレノイド駆動型の燃料インジェクタが燃料を内燃機関（図示されていない）に供給する。この燃料インジェクタは全体的に１０で示されており、いわゆるトップフィード型とすることができる。燃料インジェクタ１０は、長手軸Ａに沿って延在するバルブボディ１４を有する。バルブボディ１４は、載置面２２を画定するバルブシート１８を有し、これは円錐台形または凹形の形状を有し、バルブボディ１４の内側を向く。載置面２２は、軸Ａで中心決めされた燃料吐出開口２４を有している。この燃料吐出開口２４は、与圧された燃料をバルブボディ１４内へ載置面２２の方向に案内するための入口管２６に連通されている。入口管２６はインジェクタ１０の入口端部１５を定義し、公知のように、燃料インジェクタ１０を燃料レール（図示されていない）に取り付けるためのリテーナ３０を有する。入口端部１５を燃料レールに封止するために、Ｏリング３２が使用される。

たとえば球形のバルブボールである、インジェクタ１０内部の閉鎖部材は、第１の載置位置すなわち閉鎖位置と第２の開弁位置との間で可動である。閉鎖位置では、ボール３４は載置面２２の方向に推進され、吐出開口２４を閉鎖して燃料流を阻止する。開弁位置では、ボール３４は載置面２２から離隔されることにより、燃料流が吐出開口２４を通るのが可能になる。

可動子３８はバルブボディ１４の管部分３９において軸Ａに沿って軸方向に可動であり、載置面２２に近接する端部にバルブボール捕捉手段４０を含む。バルブボール捕捉手段４０は載置面２２に隣接するバルブボール３４の外表面に掛合され、バルブボール３４の閉弁位置では、バルブボール３４は載置面２２に定置される。ばね３６が可動子３８にバイアスを与えることにより、バルブボール３４は閉鎖位置に移動される。入口管２６内で調整管３７を軸方向に位置決めして、ばね３６を所望のバイアス力にプリロードすることにより、燃料インジェクタ１０を較正することができる。燃料を濾過するために、管３７内にフィルタ５１が設けられる。米国特許第６６８５１１２Ｂ１に開示されているように、バルブボディ１４と可動子３８とバルブシート１８とバルブボール３４とがバルブグループアセンブリを定義する。この公報の内容は、参照によって本願の開示内容に含まれるものとする。

電磁コイル４４は、強磁性材料から成る磁極片またはステータ４７を包囲する。電磁コイル４４は従来のように、可動子３８を載置面２２から引き離すように磁束を生成するために動作することにより、バルブボール３４は開弁位置に移動し、燃料が燃料吐出開口２４を通ることが可能になる。電磁コイル４４の非作動化によって、ばね３６はバルブボール３４を閉鎖位置に、載置面２２に向かって戻し、該ばね３６は閉鎖位置に整合されることにより、吐出開口２４は閉鎖されて燃料の通過を阻止する。前記電磁コイルはＤＣ動作式である。

ボビンおよびステータ４７を有するコイル４４は有利には、たとえば米国特許第６６８５１１２Ｂ１号に開示されているように、電力サブアセンブリまたはコイルサブアセンブリを定義するようにオーバーモールドされる。

非磁性のスリーブ４６が入口管２６の一方の端部に圧着されており、該スリーブ４６および入口管２６は一緒に溶接されて、該スリーブ４６と入口管２６との間に第１の気密接合部を形成する。その後、スリーブ４６および入口管２６はバルブボディ１４内に押入され、スリーブ４６およびバルブボディ１４は一緒に溶接され、該スリーブ４６とバルブボディ１４との間に第２の気密接合部を形成する。

燃料通過部４１はバルブボディ１４内部に次のように画定される。すなわち、バルブボール２４が開弁位置にある場合に、入口端部１５に導入された燃料が該バルブボール３４を介して吐出開口２４を通過するように画定される。

図１に示されているように、加熱コイル５０はバルブボディ１４の管部分３９の周部に配置され、エネルギー供給されることによって熱を供給し、液体燃料が蒸発するように設けられている。このようにして、液体燃料がコールドスタートフェーズ中に使用されるために吐出開口２４を出るときに、加熱コイル５０は、インジェクタ１０において誘導加熱を使用して燃料を霧化し、液体燃料は蒸発される。蒸発した燃料は簡単に、流入した空気と混合し、ＨＣ排出量が格段に低減されたコールドスタートを実現する。このことは、コールドスタート中に点火および燃焼の特性をより効率的に制御して、迅速な触媒のウォームアップを促進すると同時にオペレータの操作性を維持することによって実現される。利点は、過渡時の燃料供給の問題が低減された、開弁時のインレットバルブの噴射ストラテジーを実現できることである。

インジェクタ１０を駆動するための回路と加熱コイル５０とが図２に示されている。ここで図示されているように、コンデンサ５２が電磁コイル４４と加熱コイル５０との間に電気的に接続されることにより、該コイル４４をコイル５０から分離する。図１に戻ると、電磁コイル４４と加熱コイル５０との間に、コンデンサ５２（図１には示されていない）を収容するためにスペース５４が設けられている。加熱コイル５０は交流電流（ＡＣ）で動作する。図２を参照すると、インジェクタ１０をエンジンコントロールユニット（インジェクタ駆動回路５５を含む）とヒータ駆動回路５７とに接続するのに必要とされるワイヤは２つだけである。それゆえ、２線式の電気的コネクタ４８がインジェクタ１０に給電するために使用される。ヒータ駆動回路の周波数は有利には４０ｋＨｚである。

燃料インジェクタ１０の加熱コイル５０がオンである場合の電圧波形５６が図３に示されており、加熱コイル５０がオフである場合の電圧波形５６が図４に示されている。電磁コイル４４は従来のパルス幅ＤＣ変調を使用して、インジェクタ１０を開閉する。同一の回路上の加熱コイル５０はＡＣ電流を使用して、可動子３８の一部を誘導加熱する。有利には加熱コイル５０は、２２ゲージスクエアワイヤおよび５０巻きの２層の巻線である。加熱コイル５０へ供給されるＡＣは、蒸気がいつ必要とされるかに基づいてオンまたはオフされる。

図１に示されているように、加熱コイル５０および電磁コイル４４は有利には、組み立てを簡略化するために１つのユニットとして設けられる。加熱コイルはバルブボディ１４を包囲する。有利には、加熱コイル５０とバルブボディ１４との間に空隙が設けられることにより、加熱コイルのボビンが溶融しないようにされる。バルブボディの壁は、コイル５０によって加熱されるように十分に薄く形成される。燃料通過部４１はバルブボディ１４の管部分３９の内側と可動子３８の外側周辺との間に設けられることにより、燃料が迅速に加熱されるようにされる。可動子３０は中空管形であり、燃料をこの管の外側の周りに方向づけするように構成および配置される。可動子３８は中空管なので軽量であり、熱質量が低減されるので、加熱を迅速に行うこともできる。

図５は、ヒータ駆動回路５７のテストのグラフである。これは、加熱コイル５０がオンされた場合に蒸発が迅速に（たとえば０．７秒で）発生することを示す。

加熱コイル５０を使用して燃料を加熱する間の粒子サイズは、３２ミクロンの噴霧粒径（ＳＭＤ）であることが測定された。この測定は、インジェクタの先端から従来の１００ｍｍで行われたのではなく、５０ｍｍで行われた。インジェクタ１０はアルコールおよびガソリンの用途に使用することができ、また、フレックスフューエルアプリケーションでも使用することができる。

インジェクタ１０の幾つかの特徴は以下の通りである。加熱コイル５０を有するインジェクタ１０は、コールドスタート時のＨＣ排出量を低減することができる。定常燃焼が行われるリーン運転は、低温のウォームアップフェーズ中に達成される。インジェクタ１０は、より迅速な触媒の着火のために熱源として、遅角されたスパークタイミングで動作することができる。インジェクタ１０は、カスタマのエンジンに僅かな変更が加えられたシステムを提供する。このようなインジェクタ１０により、低い要求条件で蒸気で動作することに起因して、システムＬＲの増大が実現される。

図６を参照すると、インジェクタの別の実施形態１０′が示されている。インジェクタ１０′の燃料加熱容量Ｖが増大している点以外は、インジェクタ１０′は実質的に図１のインジェクタ１０と同様である。加熱容量は、０．１ｃｃ（図１）から０．９ｃｃ（図６）に増大している。

インジェクタ１０′はフレックスフューエル始動アプリケーションに使用することができ、Ｅ１００およびＥ８５が使用される燃料である場合には、排出量を低減することができる。インジェクタ１０′によって、フラッシュ沸騰が中断された場合でも、Ｅ１００による車両始動を２００Ｗの加熱電力で最低−５℃の温度まで効率的に行うことができる。従来のＥ１００のアプリケーションでは、車両は２０℃では始動せず、このようなアプリケーションでは、付加的なガソリンタンクを始動システムとして必要としていた。

インジェクタ１０，１０′をＥ８５アプリケーションで使用することにより、オイル希釈度は２．５倍低減され、始動放出量は格段に低減され、ガソリンアプリケーションの放出量に等しくなる。インジェクタ１０′によって、Ｅ８５では最低−３０℃の温度まで効率的な車両始動を行うことができる。

上記の有利な実施形態は、本発明の基本的構造および基本的動作を詳解し、該有利な実施形態を使用する方法を詳解するために図示および記載されたものであり、このような基本的思想から逸脱せずに変更することができる。したがって本発明は、特許請求の範囲に含まれるすべての変更も含む。

本発明の実施形態による、加熱コイルを有する燃料インジェクタの断面図である。 図１のインジェクタを駆動するための回路の概略図である。 図１の燃料インジェクタの加熱コイルがオンである場合の電圧波形を示す。 図１の燃料インジェクタの加熱コイルがオフである場合の電圧波形を示す。 図１のインジェクタの加熱コイルが作動化されている場合の特定の時点での燃料の温度を示すグラフである。 燃料加熱容量が増大されたインジェクタの別の実施形態を示す。

Claims (10)

1. 内燃機関用の燃料インジェクタにおいて、
   バルブボディと、
   該バルブボディに配属されており、燃料が流れる吐出開口を画定するバルブシートと、
   該バルブボディに配属されており、該バルブボディに対して第１の位置と第２の位置との間で可動である可動子と、
   該可動子を該第１の位置と第２の位置との間で移動させ、該吐出開口を通る液体燃料の流れを制御する磁束を供給するためにエネルギー供給される電磁コイルと、
   熱を供給することにより、該液体燃料が該吐出開口を出るときに蒸発するようにエネルギー供給される、前記電磁コイルと同一の回路上に設けられた加熱コイルと、
   前記電磁コイルと前記加熱コイルとの間の前記回路上に設けられ、前記電磁コイルと前記加熱コイルとに電気的に接続されているコンデンサと
   を有し、
   該可動子は、該吐出開口に近接する閉鎖部材に配属されており、
   該閉鎖部材は、該第１の位置では該吐出開口に近接し、該バルブシートに接触し、該第２の位置では該バルブシートから離隔され、
   該バルブボディは管部分を有し、
   該可動子は該管部分内に配置されており、
   該可動子の外側周辺と該管部分の内側との間に燃料通過部が画定されており、
   該加熱コイルは、該燃料通過部内の燃料を加熱するように該管部分の周辺に配置され、
   前記電磁コイルは、パルス幅直流変調を受け取るように構成および配置され、
   前記加熱コイルは、交流電流を受け取るように構成および配置されている、
   ことを特徴とする、燃料インジェクタ。
2. 前記燃料インジェクタに給電するために２つのワイヤのみが設けられている、請求項１記載の燃料インジェクタ。
3. 前記加熱コイルを駆動するためのヒータ駆動回路と、前記電磁コイルを駆動するためのインジェクタ駆動回路とが設けられている、請求項２記載の燃料インジェクタ。
4. 前記ヒータ駆動回路は４０ｋＨｚの周波数で動作する、請求項３記載の燃料インジェクタ。
5. 前記電磁コイルおよび加熱コイルは１つのユニットを形成する、請求項１記載の燃料インジェクタ。
6. 前記加熱コイルは、２２ゲージスクエアワイヤおよび５０巻きを有する２層の巻線である、請求項１記載の燃料インジェクタ。
7. 前記可動子は、封止された中空管であり、
   該可動子の周辺は、該可動子の周辺に燃料を向けるように構成および配置されている、請求項１記載の燃料インジェクタ。
8. 前記加熱コイルと前記バルブボディの管部分との間に空隙が設けられている、請求項１記載の燃料インジェクタ。
9. Ｅ８５が前記燃料である、請求項１記載の燃料インジェクタ。
10. Ｅ１００が前記燃料である、請求項１記載の燃料インジェクタ。

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