JP5210296B2 - 燃料インジェクタアセンブリ、及び、燃料を加熱する方法 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本願は、２００６年３月２７日に提出された米国仮出願第６０／７８６３３５号に係る優先権を主張する。

発明の背景
本発明は一般的に、燃焼機関用の燃料インジェクタに関する。より詳細には本発明は、燃焼プロセスを支援するために燃料を加熱する燃料インジェクタに関する。

燃焼機関の製造者は常に、排出および燃焼性能を改善する努力をしている。排出および燃焼性能の双方を改善する１つの手法に、燃焼室内に噴射される前に燃料を加熱または蒸発することを含む手法がある。燃料の加熱によって高温のエンジンの運転が再現され、燃焼性能が改善される。さらに、エタノール等の代替燃料の性能は低温条件では低いので、燃料の予熱によって改善される。

燃料を燃料インジェクタにおいて加熱する種々の手法が試行されている。このような手法には、セラミックヒータを使用する手法、または燃料が通過するキャピラリ管が抵抗加熱される手法が含まれる。これらの手法には電力が必要とされるので、圧力バリアと壁とを貫通して延在する導線が必要である。ワイヤと圧力バリアとの間で必要とされるシールは、燃料漏れの原因となる可能性があるので望ましくない。さらに、このような熱を生成する装置は、燃料インジェクタの他のコンポーネントから絶縁しなければならないので、このような装置を燃料インジェクタ内に実装して支持するのは困難である。

したがって、付加的な燃料漏れ経路を形成したり絶縁構造体を形成したりすることなく、かつ、燃料の加熱および蒸発を行うための燃料加熱方法を開発するのが望ましい。

本発明の概要
燃料インジェクタアセンブリの一例は、該燃料インジェクタを流れる燃料を誘導加熱および抵抗加熱するのに使用される第２のコイルに電流を誘導する第１のコイルを含む。

この例の燃料インジェクタは、第１の信号をドライバから受け取って第１の磁界を生成する１次コイルを有し、該第１の磁界は可動子を開弁位置と閉弁位置との間で移動する。燃料流と熱的にコンタクトするコンポーネントを加熱するために２次コイルが使用され、該コンポーネントは、燃料インジェクタを出る前の燃料を加熱する。加熱されて燃料インジェクタアセンブリを出るこの燃料は、燃焼性能を改善するほど高いレベルの霧化を実現するように液体燃料を実質的に蒸発する温度まで加熱される。

この２次コイルは第２の磁界を生成し、この第２の磁界は、前記第１のコイルによって２次コイルに誘導された電流によって生成される。この誘導電流は、第１の信号の他に付加的に第１のコイルへ送信される第２の信号によって生成される。第２の信号は交流電流信号であり、この交流電流信号は時変性の第２の磁界を生成する。第２の磁界を生成するこの交流電流の周波数は、可動子の移動が引き起こされないように選択される。このような交流電流の周波数により、時間的に変化および反転する第２の磁界が形成される。このような時変性の第２の磁界は材料の表面に、方向を交番して熱を発生する磁束流を生成する。

この例の第２のコイルは、燃料の流れと熱コンタクトされるコンポーネントとの電気的接続部も有する。この電気的接続部は電流を導電性のコンポーネントへ伝送し、該導電性のコンポーネントは抵抗加熱を誘導し、この抵抗加熱は、誘導加熱されるコンポーネントと組み合わされて、燃料インジェクタ内の燃料を加熱および蒸発する。

所望の時変性の第２の磁界を誘導するためにハードリードは必要ないので、封止された区画内に第２のコイルを配置して、なおかつ所望の誘導加熱性能を実現することができる。

以下の説明および図面から、本発明の上記構成と別の構成を良好に理解できる。

図面の簡単な説明
図１ 燃料インジェクタの構成体例の断面図である。

図２Ａ 直流電流に重畳された交流電流を含む駆動信号の一例を表す概略図である。

図２Ｂ 直流電流のみを含む駆動信号の一例を表す別の概略図である。

図３ 別の例の燃料インジェクタアセンブリを概略的に示す図である。

図４ 別の例の燃料インジェクタアセンブリの一部分の断面図である。

有利な実施形態の詳細な説明
図１を参照すると、一例の燃料インジェクタ１０は、可動子２６とバルブボディ２０との間に画定された環状の燃料流路２４を含む。可動子２６はバルブボディ２０内部で開弁位置と閉弁位置との間で移動することにより、前記環状の流路２４を流れる燃料流１８を調整する。１次コイル１４が第１の信号をドライバ１２から受け取って第１の磁界を生成し、該第１の磁界は可動子２６を開弁位置と閉弁位置との間で移動する。２次コイル１６は軸方向に第１のコイル１４に隣接しており、燃料流１８と熱コンタクトされたコンポーネントを加熱するのに使用され、該コンポーネントは、吐出口３４を通って燃料インジェクタを出る前の燃料を加熱する。３６で示された吐出口３４を出るこの加熱された燃料は、燃焼性能を改善するほど高いレベルの霧化を実現するように液体燃料を実質的に蒸発する温度まで引き上げられる。

この実施例では燃料流１８と熱コンタクトされるコンポーネントはバルブボディ２０である。バルブボディ２０は、２次コイル１６との電気的接続部４２を有する。２次コイル１６に誘導された電流は、バルブボディ２０を抵抗加熱するのに使用される。この例のバルブボディ２０は、２次コイル１６からの電流に対して所望の抵抗を成す導電性の材料から製造される。バルブボディ２０の方は、生成および印加される電流の量に応答して熱を生成する。

さらに、この実施例では燃料流１８と熱コンタクトされる別のコンポーネントは、可動子２６の一部分である。可動子２６は、燃料流１８内に配置された可動子管２２を有する。可動子管２２は、磁界に対して応答する磁気的にアクティブな材料から製造される。２次コイル１６は、可動子管２２を包囲して該可動子管２２と相互作用する第２の磁界を生成する。この第２の磁界は、第１のコイル１４によって第２のコイル１６に誘導された電流によって生成される。この誘導電流は、第１の信号の他に付加的に第１のコイル１４へ送信される第２の信号によって生成される。第２の信号は交流電流信号であり、この交流電流信号は２次コイル１６に、時変性の第２の磁界を生成する。

第２の磁界を生成するこの交流電流の周波数は、可動子２６の移動が引き起こされないように選択される。可動子２６の移動が生じないのは、交流電流の周波数によって、時間的に変化および反転する第２の磁界が得られるからである。可動子管２２内部の熱は、この時変性の第２の磁界によって誘導されるヒステリシス損と渦電流損失とによって生成される。

可動子管２２の温度は上昇するが、２次コイル１６は比較的低温に維持されるので、特別な熱絶縁順応は何も必要ない。生成される熱の量は、可動子管２２の材料の比抵抗と第２の磁界の振幅とによって決定される。このような時変性の第２の磁界は材料の表面に、方向を交番して熱を発生する磁束流を生成する。材料の抵抗が高いほど、第２の磁界に応答する熱の生成は良好になる。可動子管２２に使用される特別な材料は、燃料インジェクタアセンブリ１０内の燃料を上昇および蒸発するために必要な熱エネルギーを、所望のように生成するように選択される。

したがって、燃料流１８の温度を上昇するために必要な所望の熱を供給するために、２つの熱生成方式が同時に行われる。２次コイル１６は外部の電源に電気的に接続されない。その代わり、電流は１次コイルによって誘導される。このようにして２次コイル１６は、可動子管２２の誘導加熱とバルブボディ２０の抵抗加熱とによって熱を供給する。

さらに、ここに開示された実施例は誘導加熱のために可動子管２２を使用し、抵抗加熱のためにバルブボディ２０を使用するが、燃料流１８と熱コンタクトする別のコンポーネントを使用してそれぞれ異なる加熱方式を行うこともできる。

図２Ａおよび２Ｂを参照すると、この実施例の燃料インジェクタアセンブリ１０に対して所望の第１の磁界と第２の磁界とを生成するのに必要とされるのは、正導線３８と負導線４０のみである。可動子の移動には一般的に実施されて知られているように、第１のコイル１４において直流電流３０によって生成された第１の磁界によってエネルギー供給される。第２の交流電流３２が直流電流信号３０に加えられる。第２の交流電流３２は、可動子２６の所望の開弁および閉弁に影響しない周波数である。さらに第２の交流信号３２は、燃料の加熱が望ましくない条件ではオフすることもできる。

第１のコイル１４に供給される第２の交流電流３２は、第２のコイル１６において第２の磁界を誘導するのに使用される。第１のコイル１４と第２のコイル１６との間で所望の巻数比を設けることにより、時変性の第２の磁界の所望の振幅を形成するのが有利である。さらに、第１の直流電流信号３０に重畳された交流電流信号３２は、所望の交番的な時変性の磁界を生成し、該磁界は、燃料流１８内で可動子管２２の誘導加熱を発生させる。

図３を参照すると、別の実施例の燃料インジェクタアセンブリ４２は、第１のコイル１４内に組み込まれた第２のコイル１６を有する。この組み込まれたコイル構成では、第１のコイル１４および第２のコイル１６は同軸に配置されている。この実施例の第１のコイル１４は第１の直流電流信号３０を受け取って第１の磁界を生成し、該第１の磁界は可動子２６を移動する。第１の直流電流信号３０に重畳された第２の交流電流信号３２が、第２のコイル１６内に第２の磁界の発生を引き起こす。この交流電流は、時間的に変化および反転する磁界を生成し、該磁界は可動子管２２に熱を誘導する。可動子管２２の温度は、周辺の液体燃料の実質的なフラッシュ沸騰および蒸発を引き起こすレベルまで上昇される。

さらに、バルブボディ２０と２次コイル１６との間の電気的接続部４２によって、燃料流１８の第２次の加熱方式が行われる。２次コイル１６に誘導される電流は、バルブボディ２０を通って供給される。このバルブボディ２０の電気的抵抗は熱を生成し、この熱も燃料流１８の加熱に使用される。

図４を参照すると、別の実施例の燃料インジェクタアセンブリ４４は、バルブボディ２０内に配置された第２のコイル１６を有する。このバルブボディ２０は、燃料が流れる封止されたキャビティを成す。誘導加熱の場合のように、可能性のある漏れ経路はすべて最小にするのが望ましい。第１のコイル１４による第２の磁界の誘導は第２のコイル１６の位置では、封止されたバルブボディ２０内と、場合によっては燃料流１８自体とで、付加的に可能性のある漏れ経路を全く形成することなく行われる。第２のコイル１６を可動子管２２にさらに近接させることによって効率が上昇し、熱生成がより迅速かつより大きくなる。

さらに、バルブボディ２０と２次コイル１６との間の電気的接続部４２は、封止された空間内にあるが、なお抵抗加熱を行う。抵抗加熱に使用される電流は１次コイル１４によって誘導され、ハードワイヤ接続によって形成されないので、抵抗加熱機能および電気的接続部４２を封止された室内に配置し、これらはなお、誘導加熱および抵抗加熱の所望の２重の加熱方式を行うことができる。

所望の時変性の第２の磁界を誘導するためにハードリードは必要ないので、封止された区画内に第２のコイルを配置して、所望の誘導加熱性能を実現することができる。さらに２次コイル１６の配置は、所望のレベルの蒸発燃料を得るための所望の誘導加熱を生成するために、所望の強度の時変性の第２の磁界を生成できることで制限されるだけである。

本発明の有利な実施形態を開示したが、当業者であれば、幾つかの特定の変更が本発明の範囲に該当することを認識することができる。そのため、本発明の本来の範囲および内容を特定するためには、特許請求の範囲を精査すべきである。

燃料インジェクタの構成体例の断面図である。 直流電流に重畳された交流電流を含む駆動信号の一例を表す概略図である。 直流電流のみを含む駆動信号の一例を表す別の概略図である。 別の例の燃料インジェクタアセンブリを概略的に示す図である。 別の例の燃料インジェクタアセンブリの一部分の断面図である。

Claims (15)

1. 燃料インジェクタアセンブリにおいて、
   第１の信号に応答して第１の磁界を生成するための第１のコイルと、
   該第１のコイルによって電流が誘導される第２のコイルと、
   該第２のコイルと、燃料流に熱コンタクトされるコンポーネントとの間の電気的接続部とを有し、
   該コンポーネントは該電気的接続部を介して熱を生成することにより、該燃料流の少なくとも一部が加熱され、
   前記第２のコイルは、前記第１のコイルへ送信された第２の信号に応答して第２の磁界を生成し、前記燃料流と熱コンタクトされる少なくとも１つのコンポーネントが、該第２のコイルによって生成された第２の磁界に応答して誘導加熱されることを特徴とする、燃料インジェクタアセンブリ。
2. 前記第２の磁界は、前記少なくとも１つのコンポーネントにおいてヒステリシス損および渦電流損失を誘導する時変性の磁界を含む、請求項１記載の燃料インジェクタアセンブリ。
3. 前記第１の信号は直流電流を含み、
   前記第２の信号は、直流電流である該第１の信号に重畳される交流電流を含む、請求項１記載の燃料インジェクタアセンブリ。
4. 前記第１の信号および第２の信号は相互に独立して機能する、請求項１記載の燃料インジェクタアセンブリ。
5. 前記第１の磁界に応答して燃料の流れを制御するために可動である可動子が設けられており、
   該可動子の一部は前記第２の磁界によって誘導加熱される、請求項１記載の燃料インジェクタアセンブリ。
6. 環状の燃料流路を画定する管内で可動な可動子が設けられており、
   該環状の燃料流路は、該可動子と該管との間に存在する、請求項１記載の燃料インジェクタアセンブリ。
7. 前記第２のコイルは前記燃料流内に配置されている、請求項１記載の燃料インジェクタアセンブリ。
8. 前記第２のコイルは前記第１のコイル内に組み込まれている、請求項１記載の燃料インジェクタアセンブリ。
9. 前記第１のコイルは前記第２のコイルに隣接して配置されている、請求項１記載の燃料インジェクタアセンブリ。
10. 燃料を加熱する方法において、
    ａ）第１の信号に応答して第１のコイルに第１の磁界を生成するステップと、
    ｂ）該第１のコイルによって第２のコイルに電流を誘導するステップと、
    ｃ）燃料流と熱コンタクトされている少なくとも１つのコンポーネントと、該第２のコイルとを電気的に接続するステップと、
    ｄ）前記第１のコイルに送信された第２の信号に応答して、前記第２のコイルに第２の磁界を誘導するステップと、
    ｅ）該少なくとも１つのコンポーネントを、該第２のコイルに誘導された第２の磁界によって、該電気的接続部を介して誘導加熱するステップと、
    を有することを特徴とする方法。
11. 前記第２の磁界によって前記少なくとも１つのコンポーネントを加熱するか、または別のコンポーネントを加熱するステップを含む、請求項１０記載の方法。
12. 前記ステップｂは、交流電流信号によって時変性の磁界を生成することによって、前記少なくとも１つのコンポーネントにおいてヒステリシス損および渦電流損失を誘導することにより、熱が発生されるステップを含む、請求項１１記載の方法。
13. 前記第２のコイルは前記燃料流内に配置されている、請求項１０記載の方法。
14. 前記第１の信号は直流電流信号であり、
    前記第２の信号は、該直流電流信号に重畳される交流電流を含む、請求項１０記載の方法。
15. 前記第１の磁界の生成に応答して可動子を移動させるステップを含む、請求項１０記載の方法。

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