JP5531096B2 - 電動気化器 - Google Patents

Description

本発明は、ベンチュリを有するガソリンエンジン用の電動気化器に関する。ベンチュリは、当該ベンチュリに至る燃料ラインから燃料を吸引する。燃料ラインは、燃料チャンバと接続して燃料チャンバとベンチュリ内のオリフィスとの間に延びる。本発明の電動気化器は、ベンチュリ内の負圧によって燃料チャンバから吸引することができる燃料の量を調整する燃料噴射部を備える。

このような気化器は、例えば、ＤＥ１０２１６０８４Ａ１により公知である。

従来の気化器は、燃料を吸引して空気と混合することによって混合気を生成する。ベンチュリに供給される燃料の量は、燃料ラインにおける燃料ノズルによって調整される。
水平面に対する角度を絶えず変えるチェーンソー用の内燃機関などの、特に特殊小型エンジンに対する要求の高まりと、動力をフレキシブルに適合させる要望から、ガソリンエンジンにおける混合気の生成について早急に、また柔軟に検討する必要がある。バイク用のエンジンの場合には、気化器をフレキシブルに適合させることによって、例えば汚染物質の生成を低減する目的がある。

ＤＥ１０２１６０８４Ａ１では、可変の流量断面を燃料噴射部に設ける点で、この目的への対処が試みられている。流量断面を変化させるために、圧電アクチュエータが提案されている。しかし、このような圧電アクチュエータの変位が小さいため、変換要素が必要となり、気化器の構造を複雑にする。さらに、変換要素を用いることによって、不正確さが高まり、また感受性が増すことになる。

ＤＥ１０２４２８１６Ａ１には電磁弁が記載されているが、コイルに電流が流れると、電機子プレートによって流路が互いから流体的に分離されてしまう。唯一の可動部品である電機子プレートを用いて、弁を開閉するためにほんのわずかな力が必要となる。

ＤＥ１０２１６０８４Ａ１ ＤＥ１０２４２８１６Ａ１

本発明の課題は、従来技術の上記欠点を克服し、また継続的な長時間回転動作を可能にする簡単で丈夫な構造を有する、特に動力用品のための、ガソリンエンジン用のフレキシブルに適合可能な気化器を作ることである。

この課題は、請求項１に記載の気化器によって解決される。本発明の有利な変更、およびさらなる展開は、従属請求項に記載されている。

本発明は、燃料噴射部と直列に接続された少なくとも２つのテスラダイオード（Ｔｅｓｌａ ｄｉｏｄｅ）が導入され、その少なくとも２つのテスラダイオードの間にポンピング部を有するチャンバ（以下では「ポンプ室」と呼ぶ）が配置されるという技術的教示を含む。

本発明では、以下で「逆方向」と呼ばれる方向における流動抵抗が、以下で「順方向」と呼ばれる、逆方向とは反対の方向における流動抵抗がより高いテスラダイオードの特性が利用される。両方の方向における圧力損失の比は、いわゆる「ダイオード性」で表現され、無次元数である。この非対称性のため、電気工学におけるダイオードに類似したこのような部品は、流体ダイオードとも呼ばれる。

テスラダイオードの流動抵抗の非対称性は、流路のループ状の配置よって生じ、順方向では、テスラダイオードを流れる液体は主に直線チャネルを通って流れ、逆方向では、流れは少なくとも１つの湾曲チャネルを通ることになり、それによって流動抵抗が増加する。これに加えて、湾曲チャネルと直線チャネルが合流する少なくとも１つの部分では、逆方向の流動抵抗を大きくする流動の滞りが生じる。テスラダイオードの厳密な動作は公知であるため、この点についてさらには説明しない。

２つのテスラダイオードの間に配置されたポンプ室の容積がポンピング部によって下げられると、ポンプ室内の圧力が上昇する。ポンプ室から見ると、第１のテスラダイオードは逆方向に接続されており、第２のテスラダイオードは順方向に接続されている。第２のテスラダイオードの流動抵抗が低いため、チャンバからの流体は、全て、または少なくとも大部分が第２のテスラダイオードを通って流れる。

ポンプ動作中のポンピング部が、チャンバ内に負圧が作られるように逆の方向に動くと、燃料ラインから流体が吸引される。ポンプ室への流れに関しては、第１のテスラダイオードだけが順方向であるため、燃料は、全て、または少なくとも大部分が第１のテスラダイオードを通って流れる。

したがって、同じ流動方向に配置されている２つのテスラダイオードの間に配置された、ポンピング部を有するポンプ室の構成によって、簡単に構成されたポンピングデバイスが実現される。このポンピングデバイスは、燃料噴射部からベンチュリのオリフィスまでの燃料ラインにおける燃料の流れを効率的に、また順応して適応させる制御部として働く。このように、本発明によって、動力部品の傾きもしくは旋回などの外的影響、または、排気ガスのラムダ値などの内的影響に対して、同時に、簡単な構成で迅速に反応することができる、フレキシブルに適合可能な気化器が実現される。

テスラダイオードには、機械的に動作可能な部品も電気的な部品もないため、テスラダイオードの感受性は極めて低い。テスラダイオードにはいかなる摩耗部品もないため、継続的に長期間摩耗せずに動作が維持される。テスラダイオードには可動部品がないため、いかなる漏れの問題もない。さらに、簡単に構成されたポンピング部が用いられると、制御部全体、またそれによって本発明による気化器は、一定の長期間動作と共に高レベルのロバスト性と低い感受性を同時に有する。開放の閾値（ｏｐｅｎｉｎｇ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ）がないため、テスラダイオードは、キロヘルツ（ｋＨｚ）の範囲で問題なく動作することもできる。

燃料噴射部からベンチュリに向かう流動方向に見られるテスラダイオードが逆の方向に導入されると、特に有利である。この場合、制御部は、燃料噴射部からベンチュリのオリフィスまでの燃料の流れに対して反対の方向にポンプ動作し、それによってスロットル部の機能を有する。制御部が動作しない場合、制御部の動作中に比べてより多くの燃料が燃料ラインでベンチュリに送出され、すなわち、気化器において生じる混合気がそれによって濃くなる。このため、制御部がない状態で過度に濃い混合気をベンチュリで発生させるように燃料噴射部を調整することは有利である。本発明による気化器の通常動作では、制御部は、所望の混合比に混合気を薄める。制御部の故障時には、混合気は過度に薄くなる代わりに過度に濃くなり、エンジンを傷めることがない。

しかし、制御部によって薄い混合気を濃くすることが有利な場合もある。この場合には、２つのテスラダイオードは順方向に配置され、それによって、動作時に燃料噴射部からオリフィスまでの流れをサポートする。

好ましい実施形態では、ポンピング部はダイアフラム素子である。このダイアフラム素子は、ポンプ室の内壁の部分領域を形成するダイアフラムを有する。ダイアフラムの周期的な運動によって、ポンプ室の容積変化、またそれによるポンプ室の圧力変化が周期的に生じる。ダイアフラムは、例えば電気機械的に、または圧電素子を介して作動する。このようなダイアフラム素子は、感受性が低く寿命が長いロバスト部材（ｒｏｂｕｓｔ ｅｌｅｍｅｎｔ）である。ダイアフラムは極めて軽いため、非常に高い周波数で動作することができる。

あるいは、ポンピングピストンを有するポンピング部を用いることが有利な場合がある。この場合には、ピストンは、ポンプ室の容積を周期的に減少または増加させる目的を負う。

有利には、ポンピング部は電圧変調方式で作動する。これには、デジタル信号を用いることができる利点がある。この変調によって、ポンピング部の無段調整、またそれによって、燃料ラインにおける燃料の流れの無段制御が可能になる。

ポンピング部がパルス幅変調方式で作動すると特に有利である。制御が簡単なポンピング部の無段調整をもたらすこの変調は、扱いが特に容易である。

さらに、排気ガスのラムダプローブからの測定値を評価する制御部分によってポンピング部が調節されることが有利な場合がある。発生した排気ガスの混合物は、センサによって分析され、ベンチュリに供給される燃料の量に対する調整の補正を、その制御部分を通じてもたらす。

しかし、ポンピング部を作動させ、それによってベンチュリに供給される燃料の量を調整する制御部分に、一連の他の測定値を代替的または付加的に有利に供給することもできる。

好ましくは、燃料としてのガソリンを通すテスラダイオードは、１．１と３の間、より好ましくは１．３と２の間のダイオード性を有する。

設計または要求されるテスラダイオードのダイオード性は、製造中のテスラダイオードの幾何学的設計に左右され得る。したがって、テスラダイオードの経路の曲率半径、角度、および断面積は、ダイオード性に影響を及ぼすように適合している。また、テスラダイオードの幾何学的設計は、特に調節デバイスの送出特性を調整するように有利に適合している。送出速度、送出圧力がどのくらいあるかによって、ポンピング部の周波数に対する依存性と、調節デバイスの同様のパラメータとが要望または要求され、それに従ってテスラダイオードが設計されるか、または、制御部に対応するテスラダイオードが用いられる。

テスラダイオードのレイノルズ数が、臨界レイノルズ数である２，３００を明らかに下まわるようにテスラダイオードが設計されると有利である。本明細書において「明らかに」とは、２，０００を下まわるレイノルズ数、より好ましくは１，２００を下まわるレイノルズ数、優先的には５００を下まわるレイノルズ数を意味する。これには、燃料がテスラダイオードを層流の状態で流れる利点がある。このことによって、テスラダイオードの好都合な動作がもたらされるが、ここで「好都合な」とは、流速の関数としてのテスラダイオードの流動抵抗について、いかなる急激な変化も示さない連続的特性を意味する。このことによって、燃料の流れの無段制御がサポートされる。

好ましくは、有利なレイノルズ数は、０．０５ｍｍ^２と１ｍｍ^２の間、好ましくは０．１ｍｍ^２と０．５ｍｍ^２の間の、チャネルの有利な断面積を有する小型サイズのテスラダイオードによって達成することができる。

有利には、チャンバおよび／またはテスラダイオードは、プレートの窪みとして設計される。このプレートは、例えば金属プレートでもよい。これには、チャンバおよび／またはテスラダイオードを、従来の表面加工方法を用いて作ることができる利点がある。これらの方法は、有利には、スパークエロージョン、レーザー処理、エッチング、さらにフライス加工などの方法でもよい。エッチングなどのやや細かい加工方法でも、またフライス加工などのやや粗い加工方法でもよく、主に気化器のサイズに依存する。

マイクロスタンピングの金型によるプレス加工によってテスラダイオードを製造することは、特に有利である。これによって、精密で、さらに対費用効果の高い製造が可能になる。

チャンバおよび／またはテスラダイオードの空洞スペースを上部から閉じる、チャンバおよび／またはテスラダイオードのふた状の端部が、さらなるプレートによって有利に形成される。

２枚のプレートのこの構造には、作ることが簡単な２枚のプレートによって、制御部の実質的な部分が既にできているという利点がある。２枚のプレートは、従来の気化器のハウジングに極めて簡単に組み込むことができる。したがって、本発明には、従来の気化器の既存の製造プロセスがほんのわずかだけ変更されればよく、また既存の気化器に後付けすることもできるという利点もある。

本発明による気化器のさらに有利な設計、およびさらなる展開は、図面に関連した例示的実施形態によって、以下に詳細に説明されている。以下では単に概略図を示す。

本発明による気化器の回路図である。 テスラダイオードの拡大写真である。 本発明による気化器の制御部の斜視分解図である。 組み立てられた状態における、図３の制御部の斜視図である。 図３および図４による制御部が取り付けられた、従来の気化器の斜視概略図である。

図１は、本発明による気化器１の回路図を概略的に示す。この気化器は、燃料チャンバ（図示せず）から燃料噴射部３を介して、オリフィス５の所のベンチュリ４まで通っている燃料ライン２を有する。燃料ライン２では、第１のテスラダイオード６、および第２のテスラダイオード７が導入されている。この例示的実施形態では、図１に回路記号の対応する向きによって示されているテスラダイオード６、７は、両方とも逆方向に配置されている。テスラダイオード６、７の間には、以下で「ポンプ室」と呼ばれるチャンバ８が配置されており、このチャンバ８は、燃料ライン２を介して、テスラダイオード６、７と流体連通している。ポンプ室８には、アクチュエータ素子１１によって作動し得るダイアフラム１０を含む、ポンピング部としてのダイアフラム素子が動作可能に接続されている。図１にばね素子として概略的に示されているアクチュエータ素子１１は、この例示的実施形態では圧電素子である。あるいは、ダイアフラム１０は、電磁的に作動させることもできる。テスラダイオード６、７、ポンプ室８、およびポンピング部９は、共に制御部３０を形成する。

図１に矢印１５で示されている空気がベンチュリ４を流れると、ベンチュリノズルとしてのベンチュリ４の狭窄部１６に負圧ΔＰが形成され、それによって矢印１７で概略的に示されているように、燃料ライン２の燃料がオリフィス５を通ってベンチュリ４の中に吸引される。燃料噴射部３のアクチュエータ１８によって、制御チャンバからオリフィス５までの（図１に矢印３１によって示されている）燃料の流れを調整することができる。ここで、燃料噴射部３は、ベンチュリ４で作られ、エンジン（図示せず）に供給される混合気が、エンジンの通常動作に対して過度に濃くなるように調整される。

ダイアフラム素子９の周期的な作動を通じて、（両方向の矢印１２で示されている）上下運動によって、ポンプ室内に圧力と負圧が周期的に作られる。破線は、負圧状態のダイアフラム１０を形成しており、実線は、正圧状態のダイアフラム１０を形成している。テスラダイオード６、７のダイオード性に関連する周期的な容積変化によって、制御部３０のポンプ動作がもたらされる。このポンプ動作は、燃料ライン２の流れ３１に対抗するものであり、そのため、この例示的実施形態の制御部３０は、スロットル部として働く。この例示的実施形態では、テスラダイオードのダイオード性は両方とも１．５である。

ダイアフラム素子９はパルス幅変調方式で動作するため、デジタル式作動が用いられ、ダイアフラム素子９のポンプ動作は、簡単に、また効果的に変更することができる。最も簡単な例では、ダイアフラム１０の振動周波数は、印加電圧の周波数を変えることによって変更することができる。

図２は、第１のテスラダイオード６の図である。左側には、燃料噴射部（図示せず）から来ている燃料ラインに接続された第１の窪み１９が見られる。反対の方向である右側には、テスラダイオード６の後方に配置されたポンプ室８が見られる。この例示的実施形態では、第１の窪み１９とテスラダイオード６との間の燃料ライン２、および、テスラダイオード６とポンプ室８との間の燃料ライン２は、テスラダイオードの経路２０、２１に直接的に結合している。湾曲経路２０および直線経路２１は、テスラダイオード６における流れが逆方向（図では左から右）になると、幾何学的条件、および、これらの幾何学的条件に起因する流れの状態によって高い流動抵抗がもたらされるように設計されており、互いに通じている。

この例では、スロットル部３０の第１の窪み１９、ポンプ室８、燃料ライン２、および湾曲経路２０、ならびに直線経路２１は、マイクロスタンピングの金型によるプレス加工によって、金属プレートに導入されている。この例では、経路２０、２１の幅は、ほぼ６００μｍになる。

第２の例示的実施形態（図３〜図５）では、制御部３０の第１の窪み１９、ポンプ室８、燃料ライン２、および湾曲経路、ならびに、第１および第２のテスラダイオード６、７は、スパークエロージョンによって第１の金属プレート２２に導入されている。この例では、ポンプ室の直径はほぼ３ｍｍであり、ポンプ室に対する制御部３０の他の素子の寸法は、おおよそ図３に示されているとおりである。第１の金属プレート２２では、第１および第２のテスラダイオード６、７は、互いに実質的に平行に形成されている。それらは、ポンプ室８を介して相互接続されている。このため、Ｕ字形の経路が得られ、それによって制御部３０の省スペース設計がもたらされる。第１のテスラダイオード６の自由端の所で、第１の窪み１９が金属プレートに導入されており、第２のテスラダイオード７の自由端の所で、第１の金属プレート２２を貫通している第２の窪み２３が導入されている。テスラダイオード６、７の経路２０、２１、および燃料ライン２のふたを形成する第２の金属プレート２２は、第１の金属プレート２２にねじ留めすることができる。第２の金属プレート２４には、第１の金属プレート２２の第１の窪み１９への接続部分を形成する孔２５が導入されている。したがって、制御部３０は、外側から燃料ライン２に接続され得る。第２の金属プレート２４は、ポンプ室８を上部に向けて延ばす開口部２６を付加的に含む。開口部２６にはダイアフラム素子９が挿入され、この例示的実施形態におけるダイアフラム素子９は、電気プラグ接続部２７を含み、この電気プラグ接続部２７を介して、ダイアフラム素子９は、例えば対応する結合コネクタを用いて高周波供給源に容易に、また逆接続可能に接続することができる。

第２の窪み２３は、燃料ライン２を介してベンチュリ４のオリフィス５（よって、図１参照）に接続されている。

図５は、第３の例示的実施形態の斜視図を示し、第２の例示的実施形態の制御部３０（図３および図４）が、気化器１の従来ハウジング２８に組み込まれている。第１の金属プレート２２および第２の金属プレート２４による気化器１のわずかな厚さの増加を除いては、この例示的実施形態では、ピストン素子であるポンピング素子９だけが外側から見てわかる。それ以外は、本明細書ではより詳細に説明する必要のない、従来の気化器と同じ供給ラインおよび接続部分が見られる。

上記の説明、特許請求の範囲、および図面において開示される特徴は、様々な構成で本発明を実現するために、それぞれ重要であるだけでなく、任意の組合せにおいても重要であり得る。特に、テスラダイオードの設計および構成は、広範にわたって変更可能である。例えば、制御部の所望の送出特性について特定の効果をもたらすために、複数のテスラダイオードを直列または並列に配置することができる。このためには、テスラダイオードにおける複数の湾曲経路を続けて配置することもできる。また、複数の制御部を設け、そのうちの少なくとも１つの第１の制御部がスロットル機能を実行し、少なくとも１つの第２の制御部が高濃度化部であることも、本発明の範囲において有利であり得る。その場合、スロットル部は、通常動作の際に混合気を薄くすることができ、一方、例えばチョークとしての濃度向上部は、特定の高濃度化を行うことがある。

１ 気化器
２ 燃料ライン
３ 燃料噴射部
４ ベンチュリ
５ オリフィス
６ 第１のテスラダイオード
７ 第２のテスラダイオード
８ ポンプ室
９ ポンピング部
１０ ダイアフラム
１１ アクチュエータ素子
１２ （周期的なダイアフラムの運動を示す）両方向の矢印
１５ （空気の流れを示す）矢印
１６ 狭窄部
１７ 矢印
１８ アクチュエータ
１９ 第１の窪み
２０ 湾曲経路
２１ 直線経路
２２ 第１のプレート
２３ 第２の窪み
２４ 第２のプレート
２５ 貫通孔
２６ 開口部
２７ 電気プラグ接続部
２８ ハウジング
３０ 制御部
３１ 流れの方向

Claims (12)

1. 燃料ライン（２）から燃料を吸引するベンチュリ（４）を有するガソリンエンジン用の電動気化器（１）であって、前記燃料ライン（２）は、前記ベンチュリ（４）に端部を成し、燃料チャンバと接続して前記燃料チャンバと前記ベンチュリ（４）内のオリフィス（５）との間に延び、前記電動気化器（１）は、前記ベンチュリ（４）内の負圧によって前記燃料チャンバから吸引することができる燃料の量を調整する燃料噴射部（３）を備え、前記燃料噴射部（３）と直列に接続された少なくとも２つのテスラダイオード（６、７）が設けられており、前記少なくとも２つのテスラダイオード（６、７）の間にポンピング部（９）を有するポンプ室（８）が配置されている、電動気化器（１）。
2. 前記燃料噴射部（３）から前記ベンチュリ（４）までの経路における前記テスラダイオード（６、７）が逆方向に導入されており、それによって、前記テスラダイオード（６、７）、前記ポンプ室（８）、および前記ポンピング部（９）を有する制御部（３０）がスロットル部の機能を有する、請求項１に記載の気化器。
3. 前記ポンピング部（９）は、ダイアフラム素子である、請求項１または２に記載の気化器。
4. 前記ポンピング部（９）は、ポンピングピストンを有する、請求項１または２に記載の気化器。
5. 前記ポンピング部（９）は、電圧変調方式で作動する、請求項１に記載の気化器。
6. 前記ポンピング部（９）は、パルス幅変調方式で作動する、請求項５に記載の気化器。
7. 前記ポンピング部（９）は、より好ましくは排気ガスのラムダ値などの測定値に基づいて調節される、請求項１に記載の気化器。
8. 燃料としてのガソリンを有する前記テスラダイオード（６、７）は、１．１と３の間、より好ましくは１．３と２の間のダイオード性を有する、請求項１に記載の気化器。
9. 前記テスラダイオード（６、７）のレイノルズ数は、臨界レイノルズ数である２，３００を明らかに下まわる、請求項１に記載の気化器。
10. 前記テスラダイオード（６、７）および前記ポンプ室（８）は、２枚のプレート（２２、２４）の少なくとも一方に導入されており、他方のプレート（２４、２２）は、ふたとして働く、請求項１に記載の気化器。
11. 前記テスラダイオード（６、７）および前記ポンプ室（８）は、例えばスパークエロージョン、レーザー処理、フライス加工、エッチング、より好ましくはマイクロスタンピングの金型を用いるプレス加工などの表面加工によって導入されている、請求項１０に記載の気化器。
12. スロットル部としての少なくとも１つの第１の制御部（３０）と、高濃度化部としての少なくとも１つのさらなる制御部（３０）とを備える、請求項１に記載の気化器。

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