JP5204488B2 - 高周波蒸発燃料噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関への燃料送給に関する。

今後数年間のうちに実施されるように計画されているかってないほど厳しい排ガス規制、例えば、カリフォルニア低排ガス車ＩＩ（ＬＥＶＩＩ）、米国連邦環境保護局（ＥＰＡ）段階２、および欧州連合ＥＵ−ＩＶ、ＥＵ−Ｖを含む排ガス規制に照らして、特に冷始動および暖機中に前触媒エンジンから排出される炭化水素（ＨＣ）排出物に対して、研究と開発の多大な努力が集中されている。これは、主に、連邦試験手順（ＦＴＰ）中に典型的な軽車両によって生じる炭化水素排出物の全体の８０％に及ぶ部分が、その試験の最初の１２０秒の間に生じ得るという事実によるものである。

これらの高レベルの排出物は、主に、エンジンおよび排気部品の温度が低いことに起因している。具体的には、エンジン部品の温度が低いと、過濃燃料の運転が必要とされるが、この過濃燃料の運転では、吸気システムと燃焼室の壁に付着した燃料分を補うために、過剰の燃料が用いられ、その結果、容易に燃焼されないことになる。加えて、温度の低い三元触媒は、冷始動中にエンジン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。その結果、高濃度の未燃炭化水素が、排気管から放出されることになる。冷始動中の過剰な炭化水素の排出物と関連する過剰な燃料供給は、液体ガソリンよりはむしろガソリン蒸気を用いることによって、著しく低減されることが、当技術分野において知られている。

微細な液体燃料の液滴と空気とを内燃機関に供給する種々のシステムが考案されているが、これらのシステムは、エンジン暖機の後では、比較的良好に機能している。これらのシステムは、燃料を燃焼室に直接供給する（直接噴射）か、あるいは気化器または燃料噴射装置を用いて、混合気として吸気マニフォールドを介して燃焼室に供給する（間接噴射）か、のいずれかである。現在採用されている燃料噴射システムでは、混合気は、液体燃料を噴霧化し、それを微細な液滴として空気流に供給することによって、生成されている。

ポート燃料噴射を採用する従来の火花点火エンジンでは、噴射された燃料は、その液体燃料の液滴を吸気口または吸気マニフォールドの高温の部品に導くことによって、蒸発されている。通常の運転条件では、液体燃料は、高温の部品の表面に膜を形成し、次いで、蒸発される。この後、蒸発した燃料と吸入空気の混合物は、吸気弁が開いてピストンが下死点に向けて移動するときに生じる差圧によって、シリンダー内に引込まれる。最新のエンジンに適合する制御レベルを確実に得るために、この蒸発技術は、通常、噴霧された液体燃料が、シリンダーごとに、エンジンの１サイクルにつき１回噴射され、燃料がそのシリンダーのエンジン吸気弁が閉じているとき（開いていないとき）に噴射されるように、噴射タイミングを制御することによって、最適化されている。この燃料噴射点火手法、すなわち、エンジンと同期化され、閉弁時になされる、順次的な、単一点火式燃料噴射は、自動車用途では、好ましい実施技法になっている。にもかかわらず、自動車工業協会の車両推奨実施技法ＳＡＥ−Ｊ１８３２（２００１年２月改定）「低圧ガソリン燃料噴射装置」に紹介されているように、いくつかの他の噴射点火手法が、この数年来、開発されている。これらの代替的な燃料噴射点火手法には、同時二重点火、交互二重点火、同時単一点火、順次単一点火、および補給燃料供給が含まれている。

しかし、順次単一点火は、極めて的確な理由から、好ましい手法とされてきている。第１に、タイミングがシリンダーごとに選択されるので、噴射がそのシリンダーのエンジン吸気弁が閉じられたときにのみ行なわれ、その結果、液体燃料の噴射がシリンダーに入る危険をなくすことが可能となる。第２に、エンジンの１サイクル当りの噴射の数が、１回に制限されている。もし噴射がエンジンの１サイクルにつき数回繰り返される噴射に分割された場合、エンジンの１サイクルにつき１回の噴射を行なうのと同じ燃料流れを保つために、噴射装置は、より短いパルス幅（すなわち、各噴射のより短い期間）で繰り返し作動されなければならない。これは、エンジンアイドリングのような低エンジン負荷では、必要とされる燃料が比較的少ないので、特に問題になる。液体燃料を調量送給するとき、もし噴射がエンジンの１サイクルにつき数回なされる場合、噴射装置は、極めて短いパルス幅で繰り返し作動されなければならない。動力学的な見地から、噴射装置を極めて短いパルス幅、例えば、約１ｍｓ未満のパルス幅で操作しない方が好ましい。何故なら、全ての噴射装置において、極めて短いパルスが用いられると、非線形になる傾向があるからである（すなわち、送給される燃料の量が、極めて短いパルス幅の期間において、パルス幅に対して直線関係にならないからである）。非線形領域における燃料噴射装置の運転は、燃料制御を不正確なものとし、かつより困難にする傾向がある。

前述した種々の噴射点火手法に加えて、特に、混合気の生成が最も困難な臨界冷始動段階において、燃料を制御すると共に混合気を作成する課題に対処する種々の技術が、提案されている。

燃料噴射、調量、および点火の技術を提案する米国特許として、グンダ（Gunda）に付与された米国特許第４，０９１，７７３号およびスイート（Sweet）に付与された米国特許第４，０９６，８３３号が挙げられる。これらの特許は、エンジンの燃料吸入管の上流側において多数のシリンダーに対して燃料が単一点で噴射される単点燃料噴射システムに用いられる、エンジン速度とは非同期でパルス幅変調され、エンジンの１サイクルにつき数回点火される形式の燃料調量送給技術を開示している。燃料の層化に関する時間的（エンジンのサイクル間）および空間的（エンジンのシリンダー間）変動は、単点燃料噴射システムに対する周知の課題であるが、これらの課題は、取り上げられていない。また、これらの特許は、冷始動における過剰な炭化水素の生成を低減させる課題にも対処していない。

藤代に付与された米国特許第４，２６９，１５７号も、単点燃料噴射システム用のエンジン速度とは非同期の多重点火式燃料調量送給技術を提案している。燃料質量流れを調量送給するために、パルス幅変調とは異なる周波数変調を用いることが、さらに提案されている。好ましくない単点噴射手法を用いているのに加えて、この特許は、冷始動時における過剰な炭化水素の生成を低減させる課題に対処していない。

菅野らに付与された米国特許第４，７２４，８１６号は、多点燃料噴射システム用のエンジン速度と同期化されるパルス幅変調手法を開示している。このシステムは、必要とされる燃料の量に依存して、単一噴射点火と多重噴射点火との間で移行するようになっている。極めて低温の周囲状態において液体燃料でエンジンを始動させるのに必要とされる燃料の量を送給するために、燃料噴射装置は、通常の運転状態におけるよりも１３倍も長く開いておかねばならない（エンジン重負荷におけるエンジンの１サイクル当り１５ｍｓの噴射と比べて、極めて低い温度での冷始動の場合、エンジンの１サイクル当り２００ｍｓの噴射）と、述べられている。この特許は、冷始動時に充分な燃料をもたらすために、充分な数の短い（１５ｍｓ未満）の噴射パルスを用いることを提案している。主な目的は、電子機器のコストを節約することにあると思われる。

ローズナウ（Rosenau）らに付与された米国特許第５，０７６，２３８号も通常の運転状態における単一噴射と極めて低い温度での冷始動中の多重点火との間で移行する多点燃料噴射システム用のパルス幅変調手法を提案している。極めて低い温度での冷始動に必要とされる多量の燃料をエンジンの１サイクル当り数回の均等な燃料投与分に分割することによって、極めて低い温度において、液体燃料によって始動する能力が改良され得ることが、クレームに記載されている。

西村らに付与された米国特許第６，０８５，７１８号は、冷始動中、希薄な混合気をもたらす特定のパターンで、燃料噴射を行なうことを記載している。この方法は、吸気行程中、前半と後半に分割された２段階の噴射によって、燃料を送給するようになっている。

嶋らに付与された米国特許第６，３６７，４５２号は、送給ポンプに加えて、燃料噴射ポンプを用いるシステムを記載している。ソレノイドに供給される電流の量によって開口面積を変化させる燃料調量弁が用いられている。この燃料調量弁は、燃料噴射ポンプから送給される高圧燃料の圧力を制御するものである。このプロセスは、エンジンと同期化している。

最後の４つの特許は、いくつかの改良をもたらしているが、冷始動に対して液体燃料を用いているので、過剰な炭化水素の問題に完全に対処していない。

排気管から排出される炭化水素排出物を低減させて冷内燃機関を始動することに関連する従来技術における問題および他の問題を解消するために、液体燃料を蒸発させ、蒸気を自動車の内燃機関に調量供給する燃料噴射システムが提供されている。このシステムは、
（ａ）少なくとも１つの毛細管流路を有する少なくとも１つの燃料噴射装置であって、前記少なくとも１つの毛細管流路が、燃料レールから液体燃料を受け入れる入口端と、出口端とを有する、少なくとも１つの燃料噴射装置と、
（ｂ）前記少なくとも１つの毛細管流路に沿って配置された熱源であって、前記少なくとも１つの毛細管流路内の液体燃料を、液体状態から蒸気状態に変化させ、蒸発した燃料を前記少なくとも１つの毛細管流路の前記出口端から送給するのに充分なレベルに、加熱するように操作可能である熱源と、
（ｃ）蒸発した燃料を内燃機関に調量送給するソレノイド作動弁であって、前記少なくとも１つの毛細管流路の前記出口端に近接して配置された作動弁と、
（ｄ）前記調量弁を操作し、蒸発した燃料を少なくとも１５Ｈｚ、さらに好ましくは、少なくとも６０Ｈｚの開閉周波数で送給するシステムと、
を備えていることを特徴とする。

好ましい形態では、低質量ボール弁組立体が調量弁として用いられ、毛細管が約０．０２０インチから０．０３０インチ（０．０５ｃｍから０．０７５ｃｍ）の内径と約１インチから３インチ（２．５ｃｍから７．５ｃｍ）の加熱長さを有するようにステンレス鋼またはニッケル−クロム合金から構成され、セラミックチューブによって電気的かつ熱的に絶縁されている。有利には、熱源は、電流を毛細管の壁に通過させることによって、得られる。本発明は、ポート燃料噴射装置として用いられてもよいし、直接燃料噴射装置として用いられてもよい。

本発明は、始動時に蒸発した燃料を供給することに制限されず、特定のエンジン運転状態（例えば、パーキングからの車両の移動）を検出し、その後、燃料が、液状であるが、調量弁を出て、マニフォールド内に入るときに、フラッシュ蒸発するのに充分な程度に暖められる点まで熱源を低減させ、次いで、調量弁周波数をエンジン回転数と同期するように低下させるシステムに、接続されてもよい。例えば、６００ｒｐｍのような遅いアイドリングでは、調量弁は、わずかに５Ｈｚで作動されることになる。

電気エネルギーを節約するために、エンジン暖機または時間の経過のような他の運転状態が生じたとき、噴射装置の熱源をオフ操作し、従来の燃料噴射装置として作動させることが可能である。

燃料を内燃機関に送給する方法は、
（ａ）液体燃料を燃料噴射装置の少なくとも１つの毛細管流路に供給するステップと、
（ｂ）少なくとも１つの毛細管流路内の液体燃料を加熱することによって、蒸発した燃料を少なくとも１つの毛細管流路の出口を通過させるステップと、
（ｃ）少なくとも１５Ｈｚ、さらに好ましくは、少なくとも６０Ｈｚの周波数での周期的な弁開閉を用いて、蒸発した燃料を、少なくとも１つの毛細管流路の前記出口に近接して配置された弁を通して、内燃機関に調量送給するステップと、
を含んでいる。

通常、蒸発した燃料の供給は、質量流れ要求が高くない始動時および他の状況に制限されている。その結果、自動車の変速装置がパーキング位置からシフトしたことが検出されると、噴射装置は、操作をフラッシュ蒸発モードに切換えることが可能となる。このモードでは、燃料は蒸発されないが、調量弁を出るときにフラッシュ蒸発するのに充分な程度に加熱される点まで、加熱が弱くされる。このモードにおいて、調量弁周波数は、従来の噴射装置と同じように、エンジンと同期化されることになる。

これらの方法は、低熱質量と低湿潤面積を有する低質量ボール弁組立体を用いることによって、一層改善されることになる。電流を毛細管の壁を通過させることによって、流路を加熱することは、多くの利点を有している。

勿論、本発明は、種々の形式の乗用車およびトラック車両に用いることが可能である。本発明は、通常の運転中に、始動と停止が多数回繰り返されるハイブリッド電気車両に有用である。従って、提供されるのは、
（ａ）本体内に配置された内燃機関と、
（ｂ）前記内燃機関に燃料を供給する燃料システムと、
を備える自動車において、前記燃料システムが、
（ｉ）複数の燃料噴射装置であって、各々が、入口と出口とを有すると共に、（１）燃料噴射装置ハウジングと、（２）蒸発した燃料を内燃機関に調量送給するシステムであって、少なくとも１５Ｈｚ、さらに好ましくは、少なくとも６０Ｈｚの周波数での周期的な弁開閉を用いて、蒸発した燃料を、少なくとも１つの毛細管流路の前記出口に近接して配置された弁を通して、内燃機関に調量送給するように操作可能であるシステムと、（３）液体燃料の噴霧流を内燃機関に送給するシステムであって、前記燃料噴射装置ハウジング内に配置されるシステムと、を有する複数の燃料噴射装置と、
（ｉｉ）前記複数の燃料噴射装置と流体連通する液体燃料供給システムと、
（ｉｉｉ）複数の燃料噴射装置と電子的に連通し、前記複数の燃料噴射装置からの蒸発した燃料または液体燃料の送給を選択するように構成された制御装置と、
を備えていることを特徴とする自動車である。

以下、単なる例示にすぎないが、添付の図面を参照し、本発明の好ましい形態に基づいて、本発明をさらに詳細に説明する。

以下、図１〜図１４に示される実施形態について、説明する。なお、全体を通して、同様の番号は、同様の部品を示すのに用いられている。

図１〜図４は、本発明の機構に関する図である。図１は、本発明の好ましい形態による液体燃料Ｆの源から吸入される液体燃料を蒸発させる毛細管燃料噴射装置１００を示している。この毛細管燃料噴射装置１００は、燃料噴射装置ハウジング１８０と、燃料Ｆが流入する入口１９０と、出口１９２とを備えている。内部には（図示せず）、蒸発した燃料を調量送給するシステム５０と、蒸発した燃料を調量送給するシステム５０の下流に配置された、液体燃料の噴霧流れを送給するシステム７０とが含まれている。

燃料噴射装置１００は、蒸発した燃料の調量送給から液体燃料の噴霧流の送給に移行するように操作可能である。形態および適合性に関して、この燃料噴射装置は、従来のポート燃料噴射装置と実質的に交換可能であるように、それらのポート燃料噴射装置と同様に設計されてもよい。

図１は、電力を新しい内部毛細管ヒータに供給する付加的なＵ字形端子１７８と共に、従来の内部ソレノイド用の一般的なＵ字形端子コネクタの終端部としてのワイヤ１７６も示している。燃料調量弁を操作するソレノイドの機能を無効にすることなく、プラグを抜くことによって、毛細管ヒータを物理的に遮断するために、別々のコネクタ体が用いられている。

図２および図３に詳細に示されるように、蒸発した燃料を調量送給するシステム５０の１つの形態は、ボール・イン・コーン式弁組立体１５０を有している。この弁組立体１５０は、以下の図４に拡大して示されている。蒸発した燃料を調量送給するシステム５０は、複数の毛細管流路１１２を有する毛細管束１１５も備えている。毛細管流路１１２は、各々、入口端１１４と出口端１１６とを有し、入口端１１４は、液体状態の液体燃料を毛細管流路１１２に導くために、液体燃料源Ｆと流体連通している。毛細管束１１５は、金属製の噴射装置ハウジング１８０と金属製の中間噴射装置ハウジング１３０の中心孔内に配置されている。

図示の毛細管束１１５は、複数の毛細管流路１１２を有し、これらの毛細管流路１１２は、各々、Ｏリングの入口リテーナ１１３によって位置決めされた入口端１１４と、ディスク１１７で終端し、中間噴射装置ハウジング１３０によってその場に保持された出口端１１６とを有している。金属製入口リテーナ１１３は、入口端１１４と流体連通している燃料源Ｆからの燃料流れをシールするゴム製Ｏリング１１１によって、その場に保持されている。プラスチック連結具１７０が、入口部１９０と毛細管束１１５の入口とを中間噴射装置ハウジング１３０に取り付けている。好ましい１つの実施形態では、毛細管束１１５は、セラミックスリーブ１３１によって包囲されている。ここで述べる形式の燃料噴射装置が高容量を有するように作製される場合、ゴム製Ｏリング１１１は、レーザ溶接などによって取り付けられる適切な柔軟性金属リングと置き換えられてもよいことが意図されている。理解され得るように、このようなリングは、毛細管束１１５が加熱中に膨張するという事実を考慮して、柔軟性を有している必要がある。

蒸発した燃料を調量送給するシステム５０は、各毛細管流路１１２に沿って配置された熱源１２０も備えている。好ましくは、各熱源１２０は、毛細管流路１１２を電気抵抗材料のチューブから形成することによって設けられ、各毛細管流路１１２の一部は、以下に述べるように、電流の源がチューブに接続されると、ヒータ要素をなしている。

燃料噴射装置１００は、有利には、３つの異なるモード、すなわち、全蒸発モード、フラッシュ蒸発モード、および噴霧液体モードで機能するようになっている。全蒸発モードでは、各熱源１２０は、各毛細管流路１１２内の液体燃料を液体状態から蒸気状態に変化させ、蒸発し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、操作可能である。理解され得るように、噴射装置の本体内で蒸気を送給するこの方法は、蒸発した燃料と接触する材料の量を最小限に抑え、従って、蒸気の時期尚早な凝縮を防ぐために加熱されねばならない熱量を最小限に抑えることになる。毛細管流路１１２の内部からエンジン吸気マニフォールドに充分な圧力降下が存在する状態では、有利には、各熱源１２０は、各毛細管流路１１２における液体燃料を、オリフィス１５２を出るときにフラッシュ蒸発が生じ、その結果、エンジン吸気マニフォールド内に多量の蒸発した燃料の流れをもたらすのに充分なレベルに、加熱することが可能になる。

繰り返して述べると、フラッシュ蒸発の運転モードでは、燃料は毛細管流路１１２内において充分に蒸発した状態にまで加熱されない。以下にさらに詳細に説明するが、ボール・イン・コーン式弁組立体１５０を横切る周囲圧力の降下が、液体燃料を毛細管流路１１２内で蒸発させるのに必要とされる温度まで加熱されていない燃料を蒸発させるのに、利用される。当業者には理解され得るように、部分負荷またはアイドル状態では、マニフォールド真空は、比較的高く、これによって、フラッシュ蒸発を生じさせるのに充分な圧力降下が生じることになる。

現在、毛細管束１１５の好ましい態様は、公称０．０２８インチ（０．０７ｃｍ）ＩＤ、０．０３２インチ（０．０８ｃｍ）ＯＤ、および２．００インチ（５．１ｃｍ）の加熱長さを有する焼鈍された１８／８ステンレス鋼（ＡＩＳＩ Ｔｙｐｅ３０４）の４本のチューブから構成されている。セラミックチューブ１３１は、毛細管束１１５を包み込む０．０８５インチ（０．２２ｃｍ）のＩＤおよび０．１０４インチ（０．２６ｃｍ）のＯＤを有する９４％アルミナから作製されている。セラミックチューブは、毛細管チューブに電気絶縁と熱絶縁の両方をもたらすものである。

毛細管についてさらに一般的に述べると、各毛細管寸法の流路は、好ましくは、単層または多層の金属、セラミック、また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、入口および出口に開口する閉鎖空間部を有し、これらの入口と出口のいずれかまたは両方は、毛細管体の外部に開口してもよいし、あるいは同一または他の毛細管体内の他の通路または接続具に接続されていてもよい。ヒータは、毛細管体の一部、例えば、前述のステンレス鋼チューブまたはニッケル−クロム合金チューブの一部を用いて、形成することが可能である。適切な合金は、インターナショナル・ニッケル・コーポレーションからインコネル（Inconel）^?（登録商標）の名称で市販されている。代替的に、ヒータは、毛細管体の内部または外部に組み込まれる抵抗加熱材料の別の層または別のワイヤとして、構成することもできる。各流路は、入口と出口に開口して流体を流通させる閉鎖空間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を有してもよく、好ましい断面は、均一な直径を有する円である。他の毛細管流路の断面の例として、三角形、正方形、矩形、楕円のような非円形状、あるいは他の形状が挙げられ、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、０．０１〜３ｍｍ、好ましくは、０．１〜１ｍｍ、さらに好ましくは、０．３〜０．７５ｍｍの内径を有している。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されてもよく、この流路の横断面積は、８×１０^-5〜７×１０^-5ｍｍ²、好ましくは、８×１０^-3〜８×１０^-1ｍｍ²、さらに好ましくは、７×１０^-2〜４．５×１０^-1ｍｍ²とすることが可能である。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、および異なる断面積の多くの組合せが、所定の用途に適するように、選択されることになる。

以下の例では、液体燃料を毛細管流路に供給する最適な燃料レール圧は、多くの最新の自動車に用いられる圧力に近い約４５ｐｓｉ（３００ｋＰａ）であると考えられている。圧力が低すぎると、必要とされる流量を得るのに充分な毛細管を通る質量流れが、生じないことになる。圧力が高すぎると、高温の毛細管壁から充分な熱を吸収して毛細管を出る前に蒸発するのに充分な時間を、燃料に与えることができなくなる。しかし、毛細管の長さおよび直径が、最適な燃料圧に影響を及ぼすことになるが、これらは、種々の設計によって異なる可能性がある。１つの選択肢は、より多くの毛細管を用いることであるが、この場合、４本の毛細管が、典型的な自動車の燃料圧と燃料流れの要件に対して、良好な妥協をもたらすと考えられる。

各毛細管チューブは、低熱慣性、すなわち、低熱質量を有するものとして特徴付けられることが、重要である。これによって、各毛細管流路は、燃料を所定のヒータ電力量に対して可能な限り迅速に蒸発させる所望の温度まで、上昇することが可能となる。以下に述べる理由から、０．４秒（または０．４秒未満）に近いと、極めて望ましい。しかし、さらに長い時間、例えば、１秒または２秒であっても、許容される。

また、低熱慣性は、低熱または非加熱運転モードに切換えられるとき、毛細管を迅速に冷却する点において、有利である。冷却は、高温の毛細管から比較的低温の噴射装置の本体およびその周辺への熱伝導の関数でもある。より迅速に冷却するために、熱経路を長くしてもよいが、このような毛細管を高温に維持するのに、追加の電力が必要とされることになる。

図２、図３およびさらに拡大して示される図４を参照すると、低質量ボール組立体１５０は、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、コイル巻線１３２を有している。コイル巻線１３２は、どのような従来の方法によって、電気コネクタに接続されてもよい。コイル巻線１３２が励磁されると、磁場がプレート１４６内を通過し、プレート１４６が、ボール１４０に接続される。その結果、ボール１４０が、プレート１４４に埋設された円錐シール面１４２から持上げられ、オリフィス１５２を露出させ、燃料を流通させることになる。コイル巻線１３２への電気が遮断されると、バネ１６２が、プレート１４６とそのプレートに取り付けられたボール１４０を、元の位置に戻すことになる。バネ１６２は、ボール１４０を円錐シール面１４２に押し付けるバネ１６２の力が、噴射装置１００内の加圧された燃料の流れを遮断するのに充分であるように、寸法決めされている。

代替的な実施形態では、ソレノイド要素（図示せず）が、コイル巻線１３２の中心内に引込まれ、これによって、ソレノイド要素に取り付けられたボール１４０を持上げるようにすることも可能である。コイル巻線１３２に電気を印加することによって生じるソレノイド要素の運動が、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、燃料を流通させている。ここでも、コイル巻線１３２への電気が遮断されると、バネ１６２が、ボール１４０を元の位置に戻すことになる。

毛細管通路１１２の出口端１１６を出ると、燃料流れは、ボール弁組立体１５０の方に導かれることになる。多くの従来の燃料噴射装置と同様に、ボール・イン・コーン調量弁組立体１５０は、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を作動させることによって、プレート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、これによって、噴射装置１００を出る燃料の流れを調量するようになっている。

オリフィス１５２を出ると、燃料は、液体燃料の噴霧流れを送給するシステム７０内に流れることになる。液体燃料の噴霧流れを送給するシステム７０は、噴霧プレート１６４を備えている。噴霧プレート１６４は、複数の噴霧オリフィス１６６と、所望の噴霧化および実質的に液体燃料噴射の場合には噴射の角度付けをもたらす円錐状の煙突部１６０とを有している。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、広い範囲の値に及ぶことが可能である。また、煙突部１６０は、噴射装置１００が従来のポート燃料噴射装置の全長の要件を満たすことができるようになっている。しかし、煙突部１６０を含まなくても、噴射装置１００を適切に操作することが可能である。

理解され得るように、毛細管を加熱するには、毛細管束１１５への良好な電気接続を行なうことが重要である。図２を参照すると、ワイヤ１７２が、金属コア１３０に接続されている。毛細管束１１５は、セラミックチューブ１３１によって、コア１３０から絶縁されている。しかし、位置１１７において、毛細管チューブ１１２は、コア１３０にレーザ溶接され、コア１３０に電気的に接触している。他のワイヤ１７４が、プラスチック連結具１７０によってコア１３０から絶縁されている金属リテーナ１１３に接続されている。しかし、リテーナ１１３は、毛細管通路１１２の入口端１１４と電気的に接触している。従って、毛細管の加熱長さは、リテーナ１１３の遠位端から点１１７における出口までの距離である。実際には、ワイヤ１７２は、シャシの接地電位であってもよく、場合によっては、噴射装置の本体をシャシ接地への電気接続部として用いることも可能である。しかし、自動車用のポート燃料噴射装置の一般的な方法では、浮動接地を用いるので（すなわち、噴射装置の本体が、シャシ接地への電気接続部として用いられないので）、ワイヤ１７２を用いる可能性が高くなる。

良好な電気接続を得る他の方法では、絶縁されたワイヤが毛細管束１１５の一部として含まれている。この方法では、電気接続は、毛細管束１１５を噴射装置１００内に挿入する前になされている。前述したように、毛細管束１１５は、絶縁材料（例えば、セラミックチューブ１３１）によって包囲されている。この絶縁材料は、毛細管束１１５の出口端１１６にあるディスク１１７と接続する導電チューブによって、包囲されている。この構成では、毛細管通路１１２の入口端１１４になされた電気接続によって、電気が毛細管束１１５の出口端１１６に供給されることになる。電気機械技術に習熟した者であれば、ここに開示した主題の範囲内に含まれる多くの他の方法を考えることができるだろう。

ボール弁組立体１５０は、より小さい熱慣性とより小さい湿潤面積を有しているので、本発明者らによって用いられた先行するピントル弁の設計を上回る改良が得られると、考えられる。これは、２つの特性の組合せによって、燃料が、過剰に冷却されず、かつオリフィス１６６を出る前に再凝縮する可能もないこと、を意味している。にもかかわらず、図２〜図４に示されるボール弁組立体１４４は、本発明の噴射装置の設計に用いられ得るいくつかの弁設計の１つを代表しているにすぎないことが、速やかに理解されるべきである。燃料蒸気を調量送給するのに用いられる適切な弁設計の望ましい特徴は、低熱慣性と最小湿潤面積の組合せである。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。この特許出願の内容は、参照することによって、その開示された全てが、ここに含まれるものとする。さらに、例示された調量弁組立体は、実験室的な試作品に対して満足な結果が得られているが、このような技術に習熟した者であれば、特に製造の立場から、この組立体を改良することができると、考えられる。

図２および図３を参照すると、熱を毛細管通路１１２に供給するのに用いられる電気回路は、電源（図示せず）と、（図１１に関して以下にさらに詳細に述べる）制御装置と、毛細管束１１５と、毛細管通路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に取り付けられたワイヤ１７２，１７４とから構成されている。

冷エンジン環境において蒸発を達成するには、噴射装置に供給される加熱用の電力の最小化と、関連する昇温時間の最小化との間に、図５に示されるようなトレード・オフ（両立性）が存在している。この図は、０．６ｇの質量を有する典型的なステンレス鋼製毛細管に対して、加熱時間を電力の関数として示している。最大電力は、利用可能なバッテリ電力によって制限され、噴射装置の昇温時間は、エンジンを可能な限り迅速に始動する要求によって制限されている。以下、詳細な例について、説明する。

微小隔膜ポンプシステムによって一定圧で供給されるガソリンを用いて、実験室的なベンチ試験を行なった。図６Ａは、従来のポート噴射装置の出射側に形成されたエアロゾルを示す写真である。図６Ｂは、充分に蒸発されたガソリンを１バールの大気に噴射した場合の加熱された毛細管噴射装置の出射を示す写真である。出現する蒸気は、最初、透明であるが、空気と相互に作用して、エアロゾル（極めて微細な液滴）を生成することが、分かるだろう。しかし、液滴の寸法は、明らかに、従来の液体燃料噴射装置の場合よりも劇的に小さいことが分かる。

この以前の態様では、６インチ長さの毛細管が用いられていた。しかし、これらの毛細管は、従来の噴射装置の外形と適合させるには、長すぎる。より短い２インチ長さの毛細管であれば、適合するが、この長さは、充分な加熱を可能にするには短すぎることが見出された。努力の末、ソレノイドをエンジン速度と比べて比較的高い比率でパルス作動させることによって、より短い毛細管であっても、良好な蒸気品質が得られることが、見出された。

マルバーン（Malvern）で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、液滴のピーク寸法と液滴の寸法分布を測定した。液滴寸法は、ザウター平均径（ＳＭＤ）で表される。ＳＭＤは、完全な噴射液滴の表面／体積比と等しい表面／体積比を有する液滴の直径であり、噴射液滴の質量の移動特性に関連している。図７Ａは、従来のポート燃料噴射装置の場合の液滴の分布を示している。この場合、噴射装置における燃料圧は、４５ｐｓｉｇ（３００ｋＰａ）であり、安定した流れを生成させるために、ソレノイド調量弁は、１００％開弁した。ＳＭＤは、約１２０μｍであった。

図７Ｂは、本発明の出力の結果を示している。この燃料圧は、ここでも、４５ｐｓｉｇ（３００ｋＰａ）とした。しかし、本発明の毛細管は、調量弁ソレノイドを３５％のデューティサイクルかつ６０Ｈｚで作動させ、蒸気を生成させるために十分に加熱した。液滴のＳＭＤは、１８μｍまで劇的に縮小した。

図８に示されるように、前述した形式の４本の２インチ（５ｃｍ）長さの毛細管の束を有する毛細管噴射装置は、良好であることが判明している従来のパルス幅変調技術を用いて、液体燃料および蒸発した燃料の両方を調量送給するようになっている。現在のところ、図８の結果は、２〜４本の薄肉の２インチ（５ｃｍ）毛細管であれば、殆どの自動車のポート燃料噴射用途に対する液体および蒸気の流量の要件を満足することができることを示している。加えて、どのような所定のデューティサイクルであっても、蒸気の質量流れは、液体燃料流れの約１４％である。高負荷では、これは、欠点になるだろう。しかし、冷始動およびアイドリングの場合、これは、利点になる。何故なら、６０Ｈｚの作動周波数での調量弁のデューティサイクルは、制御可能だからである。デジタル電子機器に基づく従来の自動車の制御システムは、典型的には、質量流れおよびソレノイドのデューティサイクルの対応する入力データを有する参照テーブルを用いることに、留意されたい。蒸発した燃料を噴射するときも、異なる流量を考慮するこの手法に対して、別の参照テーブルを容易に用いることが可能である。

毛細管ヒータの電力に関して、２００２年１０月３１日に出願された米国特許出願第１０／２８４，１８０号で、２００５年７月７日に刊行された米国特許第６，９１３，００４号に開示されているように、毛細管流路自体の電気抵抗が、温度センサとして用いられている。この特許出願の内容は、参照することによって、その全体が含まれるものとする。周知のように、殆どの金属の電気抵抗は、予測可能な態様で、温度と共に上昇している。これは、温度制御装置へのフィードバックとして利用することが可能である。いくつかの温度制御装置のいずれか、またはデジタル電子制御ユニット（ＥＣＵ）の場合には温度制御アルゴリズムを用いることができる。以下に述べる実施例では、標準的な比例−積分−微分（ＰＩＤ）のデジタル形態を、実験室のコンピュータに導入した。絶対抵抗を制御するよりも、比率Ｒ／Ｒ₀を制御することによって、良好な制御が得られる。ここで、Ｒ₀は、冷間時におけるワイヤ１７２、毛細管束１１５、およびワイヤ１７４の抵抗であり、Ｒは、温間時におけるこれらの抵抗の値である。

毛細管に供給された電力を調節するために、パルス幅変調を用いるオン／オフ制御によって、ヒータへの全バッテリ電圧をパルス変動させると、都合がよい。バッテリからの電圧は、公称１２ボルトに制限されるので、抵抗Ｒ（通常、これは、容易に計算または測定され得る）は、必要とされる電力を印加するのに充分な程度まで低くされなければならない。ここに述べた例では、Ｒは、常に充分に低い。ここで留意すべきは、本発明者らが、平均的な抵抗が所望のものであっても、過大な電力は、毛細管を不均一に加熱し、加熱の最中に温点を生じさせることを見出したことである。前述の図５は、短い加熱時間を達成するのに、２００ワットを超える電力を印加する必要がないことを示している。当業者であれば理解し得るように、毛細管に印加される電力は、０％デューティサイクルにおける０％から１００％デューティサイクルにおける（Ｖ_bat）²／Ｒ_cap（Ｖ_bat：バッテリ電圧、Ｒ_cap：毛細管の一括抵抗）によって与えられる最大電力に至る範囲内のパルス幅変調によって、調整することが可能である。

全蒸発の場合、ステンレス鋼毛細管の温度設定値の好ましい範囲は、約１．１２〜１．３のＲ／Ｒ₀値である。ステンレス鋼の場合、この範囲は、約１４０℃〜２２０℃のバルク毛細管の温度範囲に対応している。目的は、最小量の電力を用いて、１つのモードにおいて燃料を完全に蒸発させ、または他のモードにおいて燃料をフラッシュ蒸発させるのに充分な程度まで、毛細管の温度を上昇させることにある。自動車の分野では周知の実験室機器によって、これらのＲ／Ｒ₀値を容易に決定することができる。

にもかかわらず、先に引用した米国特許第６，９１３，００４号に記載されているように、初期の設計目的では、必要とされる温度に対して、該当する燃料に対する蒸留（または蒸気）曲線の知識を対応させる考えが、有益である。図９は、０．４バール、１バール、および４バール（１バール＝１^*Ｅ（＋５）Ｐａ．）の絶対圧において、温度の関数として、市販ガソリンの蒸発曲線を示している。大気状態（１バール）では、蒸発は、通常、約２０℃における最小比率を示す最初の沸点（ＩＢＰ）から約２００℃における最大比率を示す最終沸点（ＦＢＰ）の範囲内にある。燃料の５０％が蒸発する温度（Ｔ₅₀）は、典型的には、８０℃〜１２０℃の範囲内に低下している。この蒸気曲線は、亜大気状態（例えば、運転中のエンジンの吸気マニフォールドにおける０．４バール）では低温側に移行し、高圧状態（例えば、燃料システムおよび燃料噴射装置における４バール）では、高温側に移行している。

典型的な市販ガソリンの場合、５０％が蒸発する温度は、燃料噴射装置内では１６０℃に近いが、アイドリング中の吸気マニフォールドでは、８０℃まで低くなる。もし噴射装置内の燃料が１００℃に維持される場合、極めてわずかな比率（<５％）の燃料しか蒸発しないことになる。しかし、アイドリング状態（０．４バール）において、この燃料が、噴射ノズルを出て、吸気マニフォールドに入ると、燃料の殆どが、フラッシュ蒸発することになる。何故なら、周囲圧力は、７５％蒸気圧よりも低いからである。

クランキング中、吸気マニフォールド圧は大気圧であり、従って、燃料噴射装置内の燃料圧は、吸気マニフォールド圧よりもわずかに４倍高いだけである。従って、燃料温度は、４バールでＦＢＰを充分に超えるレベルにまで、意図的に制御されることになる。これは、始動時に、毛細管を迅速に加熱し、高品質の蒸発した燃料をエンジンに供給することを確実にするために、なされている。冷始動／アイドリング中、吸気マニフォールド圧力は、亜大気圧（０．４バール）であり、従って、燃料噴射装置内の燃料圧は、吸気マニフォールド圧力よりも約１０倍高い。この場合、燃料温度を４バールでＩＢＰ未満にまで下げ、噴射装置内の燃料をその液状を保って加熱するモードで作動することが可能である。その結果、噴射装置内の全ての燃料は液相にあり、噴射装置の燃料質量流れの容量は、全負荷になるまで、全エンジン運転範囲に対応することが可能となる。

しかし、燃料が、噴射装置を出て、吸気マニフォールドの亜大気圧状態に入ると、燃料の一部（アイドリングで約５０％以下）がフラッシュ蒸発されることになる。マニフォールドにおけるこの燃料蒸発によって、より希薄な空燃比の使用および炭化水素排出物の低減が達成されることになる。

また、毛細管流路におけるわずかに高い温度は、沈殿物の体積を阻止するのに有益である。何故なら、エンジン部品への沈殿物の付着をなくすように意図されているある種の燃料添加物は、温度に敏感に反応し、低温では機能しないからである。十分に暖機された運転では、毛細管は加熱されず、燃料噴射装置は従来のポート燃料噴射装置と全く同様に機能している。

前述したように、蒸気燃料と液体燃料の調量送給は、ソレノイド１３２の励磁と脱励磁によって、達成されることになる。液体燃料を調量送給するとき、励磁パルス率は、エンジンと同期化され、エンジンの１サイクルにつき（すなわち、エンジンの１回転おきに）１回の噴射パルスであり、６００ｒｐｍの遅いアイドリング時の５Ｈｚから６０００ｒｐｍの最大回転数における５０Ｈｚの範囲内にある。しかし、蒸発した燃料を調量送給する場合、２．５Ｈｚに対応する３００ｒｐｍのクランク速度であっても、本発明は、少なくとも１５Ｈｚ、さらに好ましくは、少なくとも６０Ｈｚのソレノイドパルス率を用いている。蒸気の流量は、噴射期間またはデューティサイクルを制御することによって、制御されている。この目的は、最小の液滴寸法のエアロゾルを生成すると共に、エンジンが消耗する空気の量に依存して、正確な燃料の量を調量送給し、エンジンを化学量論比よりもわずかに希薄になるように運転することにある。

明らかに、毛細管は、蒸気の充分な質量流れを生成するように、設計されなければならない。さらに、本発明者らは、（特に、噴射装置の昇温後の最初の数秒間に）、エアロゾル内に小径のＳＭＤ液滴を生じさせるには、従来のエンジンの１サイクルにつき１回の点火噴射パルスをエンジンの１サイクルにつき数回の短噴射パルスに分割すると好ましい、ことを見出した。（エンジンの１サイクルにつき１回だけ調量送給される一塊の燃料と異なり）、調量送給される燃料の数回の小噴射への分割は、エンジンサイクルの全体にわたって広げられ、これによって、ヒータ制御装置は、毛細管を目標値に近い均一な温度に維持することが容易になる。

図１０は、２つの異なる調量弁運転周波数１５Ｈｚ、６０Ｈｚに対して、ヒータ始動後の３秒間における２つの異なるヒータ制御ループサイクル時間（連続的な毛細管ヒータの電力パルス間の時間）１ｍｓ，８ｍｓをパラメータとする液滴寸法分布を示すグラフである。この実験の目的は、完全に蒸発した燃料を生成する能力を試験することにある。（前述したＳＭＤ機器を用いると、ソフトウエア面の問題が生じるので、これらの測定には、別の測定システムを用いた。この機器による測定では、液滴寸法は、ＳＭＤ機器よりも、典型的には、５〜１０μｍ大きくなるが、例示されているのは、相対的な性能である）。

図５に示されるように、電力は、１０．２ｋｇ−ｍ／秒（１００Ｗ）を超えているので、ヒータ電力をデジタル制御する方が、アナログ手法よりも効率的である。図示される例では、ヒータは、８ｍｓの曲線の場合、１２５Ｈｚでオン・オフ操作し、１ｍｓ曲線の場合、１ｋＨｚでオン／オフ操作した。しかし、噴射装置の調量弁のデューティサイクルは、略５０％で一定である。２つの結果は、顕著に異なっている。明らかに、６０Ｈｚの調量弁周波数は、１５Ｈｚの調量弁周波数の場合よりも小さい液滴寸法を生じさせている。また、６０Ｈｚの調量弁周波数で最適な性能を得るのに、８ｍｓ（１２５Ｈｚ）のヒータ制御ループサイクルは、長すぎる。これは、調量弁とヒータ制御ループの２つの周波数の関連する位相間に、相互的な影響が存在するからである。ヒータ電力とソレノイド周波数は、いずれも、始動時には、位相が固定されず、本質的に非同期である。おそらく、有利な位相関係、さらに、最適な相対的ヒータ電力周波数が存在するだろう。１ｍｓ（１ｋＨｚ）のヒータ電力周波数は、６０Ｈｚのソレノイド周波数との位相関係がおそらく問題にならないほど、十分に早い。

ここに開示される燃料噴射装置は、エンジン吸気マニフォールドの既存のポート燃料噴射装置におけるのと同じ箇所、または吸気マニフォールドに沿った他の箇所に配置されてもよい。ここに開示される燃料噴射装置は、エンジンの始動中、閉じられた吸気弁の裏面に対して噴射されねばならない燃料の大きな液滴を生成するシステムを上回る利点をもたらしている。しかし、好ましくは、この燃料噴射装置の出口端は、従来のポート燃料噴射装置の出口の配置と同様に、吸気マニフォールドの壁と同一の平面になるように、配置されている。

図１１は、燃料噴射装置の調量弁の開操作に対して、種々の生じ得る時間窓を示している。図示されているのは、エンジンの２回転分の完全な４ストロークサイクルに対する周知のタイミング図である。（ＴＤＦ＝上死点、ＢＤＣ＝下死点）。例えば、１５００ｒｐｍにおいて、各ストロークは、２０ｍｓの時間を必要とする。液体燃料を噴射する従来のポート燃料噴射装置の場合、液体燃料が吸気ストローク中に噴射されないことが、強く望まれている。この場合、むしろ、液体燃料は、「従来」と付記されている窓において、吸気弁が閉じている間に、その吸気弁の高温の背面に噴射され、マニフォールド内で蒸発され、次の吸気ストロークでシリンダーに導入される。しかし、噴射装置が蒸気を放出する場合、噴射は、吸気弁が開いている間でも、すなわち、「蒸発」と付記されている窓によって示されるサイクルの全体において、行なうことが可能である。本発明者らは、エンジン試験によって確認していないが、蒸発した燃料が、吸気弁が閉じている間のある時点で、マニフォールド内において再凝縮する可能性がある。この場合、「吸気」と付記されている窓において、吸気弁が開いている間でのみ、（または、吸気弁が開く直前においてのみ）、噴射がなされるのが望ましい。

図１２を参照すると、例示的な制御システム２０００の概略図が示されている。（先に引用した特許の図５〜図８は、さらに詳細な制御システムを示している。この課題に対処する多くの特許があり、製造の形態は、さらに複雑である。しかし、制御システムを有する本発明の装置の設置は、自動車分野における当業者には周知のはずであり、基本的な説明しか必要とされないだろう）。

制御システム２０００は、燃料入力部２１７０、空気入力部２１８０、および排気部２１９０を有する内燃機関（ＩＣＥ）２１１０を運転するのに、用いられるものである。燃料供給弁２２１０が、毛細管流路２０８０を介して、液体燃料供給源２０１０と流体連通している。この制御システムは、制御装置（ＥＣＵ）２０５０を備えている。制御装置（ＥＣＵ）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温度熱電対および／または吸気圧センサ２０６２、冷媒温度センサ２０６４、排気空燃比センサ２１５０、燃料供給圧２０１２などの種々のエンジンセンサから、複数の入力信号を受信する。運転中、制御装置２０５０は、１つまたは複数の入力信号に基づいて制御アルゴリズムを実行し、次いで、燃料供給弁２２１０への出力信号２０３４、および電源（図示せず）への加熱電力指令２０４４を生成する。加熱電力指令２０４４によって、毛細管流路２０８０を加熱するための電力が送給される。

電力指令２０４４は、オン／オフ信号である。前述したように、ヒータ電圧のアナログ変動を用いるよりも、むしろデューティサイクルを制御することによって、ヒータ電力を制御すると、より好都合である。

本発明は、多数の異なる方法で、用いられる。以下の例示的な手順は、単なる例示であって、制限するものではない。多くの明らかな変更が、当業者によって、なされることになるだろう。冷エンジンに対してイグニッションキーがオン操作されることによって、以下のステップが、３つの段階中、すなわち、最初の始動、暖機、および通常の走行中に、行なわれる。

キーがオン操作されると、ＥＣＵが、毛細管束の冷抵抗を測定する。次いで、燃料蒸発を確実にするＲ／Ｒ₀の設定値が、参照テーブルから入力される。毛細管束へのヒータ電力が、スイッチオンされる。電力が毛細管に供給されるたびに、抵抗Ｒが測定され、Ｒ₀によって除算され、設定値と比較される。Ｒ／Ｒ₀の値が設定値に達すると、デューティサイクルは低減され、設定値に近い比率を保つ値に維持される。

図１３は、室温でのキーのオン操作を始端とする典型的な電力および温度の曲線を示している。３５０ｍｓで設定値に到達させるには、１つの噴射装置につき１６．３ｋｇ−ｍ／秒（１６０Ｗ）で十分である。この例では、電力指令は、２．０ｋｇ−ｍ／秒未満に低下する。何故なら、燃料が流れないからである。平均１．０〜２．０ｋｇ−ｍ／秒（１０〜２０Ｗ）の電力レベルは、毛細管から噴射装置の本体への熱損失によるもので、このような電力レベルは、良好と見なされる。勿論、燃料が毛細管内を流れると、毛細管から失われる熱を補うために、さらに多くの電力が必要とされるだろう。

従来のポート燃料噴射装置の運転における典型的なエンジン始動と比較して、３５０ｍｓは、過剰に長い時間間隔ではない。この時間は、従来の燃料噴射装置を始動させるために、ＥＣＵがカムからの同期信号を得るのに掛かる時間の長さに対応している。

蒸発温度に達するとすぐ、噴射装置の調量弁が、選択された一定の調量送給周波数で開閉され、噴射される蒸気の量が、調量弁のパルス幅変調操作によって調量される。これは蒸気なので、従来技術によれば、調量弁を単純に開弁し、蒸気をマニフォールド内に常時噴射することが、示唆されている。代替的に、従来技術によれば、典型的な３００ｒｐｍのクランク速度に対応する２．５Ｈｚでエンジンと同期して開閉することが、示唆されている。しかし、前述したように、本発明は、少なくとも１５Ｈｚ、好ましくは、６０Ｈｚの周波数を用いる。明らかなことではあるが、この範囲内のある値を選択することもできる。また、かなり高い周波数の場合、主に、ソレノイドの応答時間およびヒータ制御周波数によって、制限される。毛細管、ヒータ制御装置、およびソレノイド設計の組合せによって、最適なソレノイド周波数を決定するのは、困難なことではない。

調量された燃料は、本質的に蒸発するので、エンジンと同期化させて調量することは、重要ではない。同期調量も可能であるが、始動時においてエンジンと同期させる必要がないことは、より好都合である。

エンジンが始動すると、エンジン速度は、一時的に約１５００ｒｐｍまで一気に上昇してから、アイドル速度に戻る。エンジン始動後の予め選択されたある時点で、（例えば、パーキングからギアシフトがなされたとき）、Ｒ／Ｒ₀設定値は、燃料を蒸発させないが、フラッシュ蒸発を生じさせるには十分な値にまで低下される。このフラッシュ蒸発への移行によって、十分な量の燃料を通常の車両運転に対応させて調量することが、確実になされる。低熱質量なので、わずかな噴射によって、この状態に達する。同時に、この燃料噴射点火手法は、同期単一点火順次燃料噴射に切換えられ、（すなわち、燃料調量周波数が、エンジン速度と同期化され、エンジンの１サイクルおよび１つのシリンダーにつき、１回の噴射に減らされ）、吸気口が開いたときに、調量弁が閉じるのを維持するようにタイミングが調整される。この点では、従来のポート燃料噴射装置と同じである。

一般的に、フラッシュ蒸発モードは、エンジンのデューティサイクルの均衡を保つために用いられる。しかし、殆どの場合、必要とされなくなった時点で、燃料の電気的な加熱と関連する電力の消耗を避けることが望ましい。このモードは、一定時間、例えば、６０秒後、またはエンジン冷媒温度があるレベルに達するかまたは他の事象が生じたときに、終了させることが可能である。

通常の走行中、毛細管ヒータはオフにされ、噴射装置は、従来のポート燃料噴射装置と同じように作動される。

図１４は、キー操作および始動の後、最初の２０秒間にガソリンエンジンから排出される炭化水素の３つの曲線を示している。曲線＃１は、最初の冷媒および潤滑剤の温度を７５°Ｆ（２４℃）とした条件下における、量産市販されているポート燃料噴射装置を用いたＶ−８エンジンが搭載された２００４年モデル乗用車の排気管から排出されるＨＣを示している。これは、第３者によって得られている。曲線＃２は、最初の冷媒温度を３３°Ｆ（０．５℃）とし、点火タイミングを１０°ＢＴＤＣ（上死点前）とした条件下における、本発明の噴射装置を用いて、本発明者らによってベンチ試験された同様のエンジンの結果を示している。曲線＃３は、点火タイミングをＴＤＣとした条件下における、曲線＃２と同様の曲線を示している。

量産市販されている自動車エンジンからの排出物は、冷温度においても、この数年に著しく改良されているが、本発明は、特に点火タイミングが通常の設定から遅れているときに、著しい改良をもたらすことが、分かるだろう。下側の曲線における総量は、量産市販されている噴射装置における場合の量の１／３倍未満であると、評価される。

当業者であれば理解され得るように、未燃炭化水素の排出物を低減させ、かつ触媒の早期の活性化をもたらして排気温度を上昇させるために、冷始動中、点火タイミングを可能な限り大きく遅らせる（例えば、ＢＴＤＣからＴＤＣ側に１０°遅らせる）ことが、一般的に実施されている。用いられ得る点火遅れの量は、エンジンの燃焼安定性によって制限される。換言すれば、もし点火タイミングがエンジンの安定性の制限を越えて遅れた場合、アイドリングの円滑さが損なわれ、実質的に、過剰の炭化水素が生じてしまう。従って、（本発明によってもたらされる蒸発した燃料によって可能とされるような）改良された混合気の生成は、冷始動中の燃焼安定性を改良し、従って、より積極的な点火の遅れを可能とするのに、効果的である。

２００４年５月７日に出願された米国特許出願第１０／８４１，７１８号も、参照することによって、その全体がここに含まれるものとする。

本発明の好ましい形態による多重毛細管燃料噴射装置の本体の等尺外観斜視図である。 図１の多重毛細管燃料噴射装置の部分側断面図である。 図１の多重毛細管燃料噴射装置の等尺部分断面図である。 図２および図３の多重毛細管燃料噴射装置の弁組立体を詳細に示す拡大部分断面図である。 噴射装置に供給される電力の最小化と、噴射装置と関連する昇温時間の最小化との間の両立化（トレードオフ）を示す図表である。 従来の燃料噴射装置の出射の写真である。 本発明の燃料噴射装置の出射の写真である。 従来のポート燃料噴射装置の液滴寸法分布の測定値を示すグラフである。 本発明の燃料噴射装置の液滴寸法分布の測定値を示すグラフである。 ４本の２インチ（５ｃｍ）長さの毛細管の束に対して、液体燃料と蒸発した燃料の質量流れの測定値を噴射装置のデューティサイクルの関数として示す図である。 ３つの環境圧において、温度の関数としてのガソリン蒸発曲線を示す図である。 １５Ｈｚの調量弁周波数において、制御ループサイクル時間による本発明によって生じた液滴寸法の測定値を示す図である。 ６０Ｈｚの調量弁周波数において、制御ループサイクル時間による本発明によって生じた液滴寸法の測定値を示す図である。 燃料を噴射する種々の生じ得る時間窓を示す図表である。 本発明の好ましい実施形態による、燃料送給と制御システムの概略図である。 毛細管ヒータのオン操作を始端とする典型的な電力および温度の曲線を示す図である。 ２つの異なる点火タイミングで量産市販されている燃料噴射装置を本発明と比較する、Ｖ−８エンジンが搭載された２００４年モデル自動車のエンジンから排出された炭化水素の測定値を示す図である。

Claims (19)

1. 液体燃料を蒸発させ、内燃機関に調量供給する燃料噴射システムにおいて、
   （ａ）少なくとも１つの毛細管流路を有する少なくとも１つの燃料噴射装置であって、前記少なくとも１つの毛細管流路が、燃料レールから液体燃料を受け入れる入口端と、出口端とを有し、１インチから３インチ（２．５ｃｍから７．５ｃｍ）の加熱長さを有するチューブ内に形成されている、少なくとも１つの燃料噴射装置と、
   （ｂ）前記少なくとも１つの毛細管流路に沿って配置された熱源であって、前記少なくとも１つの毛細管流路内の液体燃料を、液体状態から蒸気状態に変化させ、蒸発した燃料を前記少なくとも１つの毛細管流路の前記出口端から送給するのに十分なレベルに、加熱するように操作可能である熱源と、
   （ｃ）蒸発した燃料を前記内燃機関に調量送給するソレノイド作動弁の燃料噴射弁であって、前記少なくとも１つの毛細管流路の前記出口に近接して配置された燃料噴射弁と、
   （ｄ）前記燃料噴射弁を操作し、蒸発した燃料を、Ｈｚで表わされるエンジン速度よりも大きく且つ少なくとも６０Ｈｚの燃料噴射弁開閉周波数で送給するシステムと、
   を備え、
   前記蒸発した燃料は、燃焼前に、２５μｍ未満の平均粒子径分布を有するエアロゾルを形成していることを特徴とする、燃料噴射システム。
2. 燃料を前記内燃機関に調量送給する前記燃料噴射弁は、ソレノイドによって作動されるボール弁組立体であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料噴射装置。
3. 前記チューブは、ステンレス鋼およびニッケル−クロム合金からなる群から選択され、０．０２０インチから０．０３０インチ（０．０５ｃｍから０．０７５ｃｍ）の内径を有し、セラミックチューブによって電気的かつ熱的に絶縁されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の燃料噴射装置。
4. 前記熱源は、電流を前記毛細管の壁に通過させることによって得られることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
5. 前記噴射装置は、ポート燃料噴射式であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
6. 前記噴射装置は、直接燃料噴射式であることを特徴とする、請求項１，２，３あるいは４のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
7. エンジン運転状態を検出し、燃料が実質的に液状であるが、前記燃料噴射弁を出るときにフラッシュ蒸発するのに充分な程度に暖められるように、前記熱源の熱出力を低減させ、前記燃料噴射弁の周波数をＨｚで表わされるエンジン速度と同期するように低下させるシステムにさらに接続されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料噴射装置。
8. 前記内燃機関は、少なくともバックギア、フォワードギアおよびパーキング位置を有する変速装置を有する自動車内に設置され、前記運転状態は、前記変速装置をパーキングから移動させることを含んでいることを特徴とする、請求項７に記載の燃料噴射装置。
9. エンジン運転状態を検出し、燃料が前記燃料噴射弁を出るときに加熱されていない液状であるように、前記熱源の前記熱出力を切換え、前記燃料噴射弁周波数を前記Ｈｚで表わされるエンジン速度と同期するように維持するシステムにさらに接続されていることを特徴とする、請求項７に記載の燃料噴射装置。
10. 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装置の少なくとも１つの毛細管流路に供給するステップであって、前記少なくとも１つの毛細管流路は、１インチから３インチ（２．５ｃｍから７．５ｃｍ）の加熱長さを有するチューブ内に形成されている、ステップと、
    （ｂ）前記少なくとも１つの毛細管流路内の前記液体燃料を加熱することによって、蒸発した燃料を前記少なくとも１つの毛細管流路の出口を通過させるステップと、
    （ｃ）Ｈｚで表わされるエンジン速度よりも大きく且つ少なくとも６０Ｈｚの周波数での周期的な燃料噴射弁開閉を用いて、前記蒸発した燃料を、前記少なくとも１つの毛細管流路の前記出口に近接して配置された燃料噴射弁を通して、前記内燃機関に調量送給するステップと、
    を含み、
    前記蒸発した燃料は、燃焼前に、２５μｍ未満の平均粒子径分布を有するエアロゾルを形成していることを特徴とする、方法。
11. 蒸発した燃料を前記少なくとも１つの毛細管流路の出口を通過させる前記ステップおよび蒸発した燃料を前記内燃機関に調量送給する前記ステップは、前記内燃機関の始動時に制限されることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
12. 選択された自動車の運転状態または始動後の一定時間に、蒸発した燃料が前記出口を通過するのを中断させ、前記出口を出るときにフラッシュ蒸発するのに十分に加熱された燃料を送給し、前記周波数を前記Ｈｚで表わされるエンジン速度と一致するように変更するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. 前記内燃機関は、少なくともバックギア、フォワードギアおよびパーキング位置を有する変速装置を有する自動車内に設置され、前記選択された自動車の運転状態は、前記変速装置をパーキングから移動させることを含むことを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
14. 前記蒸発した燃料は、燃焼前に、空気を混合し、２５μｍ未満の平均粒子径分布を有するエアロゾルを形成していることを特徴とする、請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記ステップ（ｃ）において、燃料を前記内燃機関に調量送給する前記燃料噴射弁は、ソレノイドによって作動されるボール弁組立体であることを特徴とする、請求項１０〜１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記加熱は、電流を前記毛細管の壁に通過させることによって得られることを特徴とする、請求項１０〜１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 前記噴射装置は、ポート燃料噴射式であることを特徴とする、請求項１０〜１６のいずれか一項に記載の方法。
18. （ａ）本体内に配置された内燃機関と、
    （ｂ）前記内燃機関に燃料を供給する燃料システムと、
    を備える自動車において、前記燃料システムは、
    （ｉ）複数の燃料噴射装置であって、各々が、入口と出口とを有している、１インチから３インチ（２．５ｃｍから７．５ｃｍ）の加熱長さを有するチューブ内に形成されている少なくとも１つの毛細管流路を有すると共に、（１）燃料噴射装置ハウジングと、（２）蒸発した燃料を前記内燃機関に調量送給するシステムであって、Ｈｚで表わされるエンジン速度よりも大きく且つ少なくとも６０Ｈｚの周波数での周期的な燃料噴射弁開閉を用いて、蒸発した燃料を、前記少なくとも１つの毛細管流路の前記出口に近接して配置された弁を通して、前記内燃機関に調量送給するように操作可能であるシステムと、（３）液体燃料の噴霧流を内燃機関に送給するシステムであって、前記燃料噴射装置ハウジング内に配置されるシステムと、を有する複数の燃料噴射装置と、
    （ｉｉ）前記複数の燃料噴射装置と流体連通する液体燃料供給システムと、
    （ｉｉｉ）前記複数の燃料噴射装置と電子的に連通し、前記複数の燃料噴射装置からの蒸発した燃料または液体燃料の送給を選択するように構成された制御装置と、
    を備え、前記蒸発した燃料は、燃焼前に、２５μｍ未満の平均粒子径分布を有するエアロゾルを形成していることを特徴とする、自動車。
19. 前記自動車は、ハイブリッド電気車両であることを特徴とする、請求項１８に記載の自動車。

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