JPH03501991A - 燃料噴射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 燃料噴射装置 〔技術分野〕 本発明は液化ガス燃料を内燃機関に直に噴射することに関し、さらに詳しくはそ のような燃料を内燃機関に直に噴射するための装置及び方法に関する。

本発明は特に潤滑流体と予混合された液化ガス燃料を使用するツーストローク電 気点火内燃機関に関して利用性が高いけれども、ツーストローク及びフォースト ローク、ディーゼル及びガスタービン内燃機関に等しく応用可能である。

本発明はさらに潤滑流体と予混合されることなく液化ガス燃料を使用する内燃機 関に応用可能である。ここでの、液化ガス燃料の定義は燃料を使用する内燃機関 に利用可能な可燃性の流体であり、この流体は内燃機関が作動する周囲温度及び 圧力における自然条件又は平衡条件において気体（蒸気）であり、すなわち沸点 の上にあることである。この燃料の範囲はプロパン、ブタン、及び液化石油ガス （ＬＰＧ）と呼ばれるこれらのあらゆる割合の混合物、メタン、及びその他の物 質を含む。

〔背景技術〕

ツーストローク又はフォーストローク内燃機関は公知であり、従来、内燃機関が 作動する周囲温度及び圧力における自然条件又は平衡条件において液体であり、 すなわち沸点の下にある燃料、すなわち液体燃料を使用している。ベアリングや バルブや燃焼室壁の摩擦の減少と熱の移送のために、クランクケースには潤滑が 要求される。潤滑流体は代表的には石油を基にしたオイルであり、潤滑流体の供 給は過去においては主として潤滑流体を液体燃料に加えることによってなされ、 この割合は内燃機関毎に代わるものであるが、代表的には潤滑油１対液体燃料５ ０の割合で加えていた。最近では、潤滑流体と液体燃料の混合は、標準的な液体 燃料の使用を許容し且つ機関の速度に従って潤滑流体と液体燃料の比を変えるの を許容するように内燃機関に組み込まれた特別な装置に受け継がれている。さら に使用される他の技術は潤滑油を吸気流又はクランクケースに直に噴射すること である。

ツーストローク内燃機関にＬＰＧ等の液化ガス燃料を供給するのを許容する開発 も行われている。この場合には、燃料供給方法は、最初に液化ガス燃料を蒸発さ せ、それを十分に気体状態にして内燃機関の吸気流に向けることに基づくもので ある。この技術は潤滑油と燃料との予混合を許容せず、よって潤滑油は別に吸気 流に向けられなければならない。これを達成する公知の技術はキャブレタシステ ムを修正し、そして粘度の高い安定化した潤滑流体（例えば液体燃料と潤滑油と の等分混合）を使用することである。もう１つの技術は潤滑油噴射システムを使 用することである。

ＬＰＧを使用するツーストローク内燃機関の作動は、同じ内燃機関を液体燃料で 使用するとの作動と比べると最大出力が低下するけれども、かなり効率的で有益 であることが示されている。この出力の低下は主として吸気の低下とＬＰＧの低 い熱伝導に関連するものである。

内燃機関に液体燃料を噴射する応用は公知である。この技術は燃焼サイクルの効 率を改善する液体燃料の微小な霧化を許容し、さらに燃焼サイクルの最適化を助 ける供給燃料量の正確なコンピュータ制御を許容するものである。

液化ガス燃料の噴射は、燃料ポンプの作動と燃料噴射装置のフリージングに関す る問題があるために成功裏に発展していない。

連続的な潤滑油の供給を必要とするツーストローク内燃機関に関しては、完全に 気体の状態で液化ガス燃料を吸気システムに供給するものであるときには、液体 状態において液化ガス燃料を噴射することができないことが、潤滑流体を吸気シ ステム又はクランクケースに供給するために別のシステムを使用することを要求 する。

液体燃料の噴射に関しては、燃料の微小な霧化及び燃料噴射装置の繰り返し作動 を達成するために特別のデザインの考慮が必要である。これはしばしば、霧化さ れた液体燃料の蒸発を助けるために吸気を加熱することをともなう。この状況は 吸気システムの温度を上昇させ、これは吸気システムを通る圧力低下を抑制して 空気を内燃機関に吸引する能力を低下させる。

〔発明の開示〕

本発明の目的は、従来の技術と比べて内燃機関への吸気量を増加するように（よ って最大出力を増加するように）、及び／又は予混合された液化ガス燃料と潤滑 油との使用を容易にするように、ＬＰＧ等の液化ガス燃料を内燃機関に噴射する ことを容易にする内燃機関のための改善された燃料噴射装置を提供することであ る。

本発明のさらなる目的は、従来の技術と比べて内燃機関への吸気量を増加するよ うに（よって最大出力を増加するように）、及び／又は予混合された液化ガス燃 料と潤滑油との使用を容易にするように、ＬＰＧ等の液化ガス燃料を内燃機関に 噴射することを容易にする内燃機関のための改善された燃料噴射方法を提供する ことである。

このようにして、本発明の１形体は、燃料を内燃機関に噴射するための燃料噴射 装置であって、燃料が液化ガス燃料からなるか液化ガス燃料を含み、該燃料噴射 装置が該燃料噴射装置のノズルを介して内燃機関の吸気流への希望の量の燃料を 連続的に計量する計量装置を設けたボディ部分を含み、該ノズルが断熱性の高い 材料で形成され且つ該計量装置が該計量装置と該ボディ部分との間の断熱性の高 い材料によって該ボディ部分から断熱され、それによって該液化ガス燃料がガス の沸点より下まで冷却されて該ノズルを通過する前で該空気流に入るときに液体 状態にされ、よって該ノズルから該空気流に延びる膨張領域で該空気流を冷却す るようにしたことを特徴とする燃料噴射装置を提供するものである。

本発明のもう１つの形体は、内燃機関に燃料を噴射する方法であって、燃料が液 化ガス燃料からなるが液化ガス燃料を含み、該方法が、予噴射領域における流入 燃料がら吸気通路の膨張領域に熱を伝達するステップによって、内燃機関の吸気 流へ噴射する前に燃料を沸点の下まで冷却せしめることを含む燃料噴射方法を提 供するものである。

〔図面の簡単な説明〕

以下、本発明のよりよい理解のために、図面を参照して実施例を説明する。図面 において、 第１図は本発明による燃料噴射装置及び関連する装置の断面図、 第２図は第１図の燃料噴射装置のノズル部分の拡大断面図、第３図、第４図、及 び第５図は第１図及び第２図の燃料噴射装置を内燃機関の吸気流に対して種々の 配置で取りつけた例を示す図である。

〔発明の最良の形体〕

実施例において、燃料噴射装置はＬＰＧを燃料とし、潤滑流体を連続的に入れる ことを要求されるツーストローク内燃機関に適用される。ＬＰＧは内燃機関内で は気体状態であるけれども、液体燃料で生じるものと比べて付着した潤滑油の落 ちが劇的に減少し、よってＬＰＧを使用するときの潤滑の要求が同じ内燃機関を 液体燃料で作動するときに通常必要な要求よりも低減される。

この実施例においては、ＬＰＧは圧力貯蔵タンク２３から直接に燃料噴射装置に 送られる。燃料噴射装置の主な機能は圧力貯蔵タンク２３から内燃機関の吸気流 へのＬＰＧの流れを制御することである。これを達成するために、燃料噴射装置 は該装置の制御された絞り（ノズル）に入るＬＰＧの温度を沸点の下まで低下さ せ、ＬＰＧを完全に液体状態にし、ノズルの制御がコンピュータ等の制御装置に よって予知できるようにすることである。制御装置はＬＰＧの状態を単一の状態 、すなわちこの場合には液体状態にあると見做さなければならない。さらに燃料 噴射装置はその可動部分の過度に低い温度を防止しなければならず、そのような 可動部分の過度に低い温度は沸騰するＬＰＧにさらされるようなときに生じ、そ のプロパン成分は約マイナス４２°Ｃで沸騰する。

第１図及び第２図を参照すると、図示の燃料噴射装置は入口ボート２１を有する ボディ１１を備え、入口ボート２１は（簡略に示された）シールされたチューブ 又はライン２２を介してシールされた圧力貯蔵タンク２３に接続される。ライン ２２の入口１３は圧力貯蔵タンク２３に貯蔵されるＬＰＧの通常の液体レベル２ ４よりも下にある。ライン２２及び入口ボート２１に取りつけるために使用され る取りつけ具（図示せず）は、通過するＬＰＧへの熱の伝達を最低にするような 構造にする。

このＬＰＧは圧力貯蔵タンク２３内が沸点になる以外は主として液体であるが、 ライン２２を通過することに関連する圧力低下の後で、所定の圧力で沸点になり 、よって蒸気成分が存在するようになる。言い換えれば、入口ボート２１へ流入 するＬＰＧの流れは液体と蒸気の混合相である。

燃料噴射装置のボディ１１はロアボディ部分２６を備え、このロアボディ部分２ ６は強度及び熱伝導の両面から金属で作られている。このロアボディ部分２６は 内燃機関への結合を容易にするためにねじ付きのノーズ２７を有する。このロア ボディ部分２６には管状スリーブ２８がしまり嵌めで組みつけられる。スリーブ ２８は断熱性の高強度セラミック材料で作られ、これはサーマルショックに高い 抵抗を有する０部分的に安定化されたジルコニア（ＰＳＺ）、又は他の先進技術 の（ａｄｖａｎｃｅｄ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　）セラミックがスリーブ２８ を形成するのに適した材料である。スリーブ２８の端部はノーズ２７から突出し 、ノズル１４及びロアボディ部分２６の先端を越えて突出する外方突出包囲２７ を保有している。スプール３０がその中で摺動可能なようにスリーブ２８に組み つけられる。スプール３０は入口ポート２１からのＬＰＧをその上端部３１に向 けるために入口ボート２１に開口する内部ギヤラリ−３５を有し、この上端部３ １は磁気誘導材料のものであってソレノイド３２が励磁されたときにスプール３ ０がコイル３２の中に動くことができるようになっている。従って、ＬＰＧはス プール３０の運動のためにできた空間内に充填されることができ、よってスプー ル３０が下向きの位置ニするときにスプール３０に圧力を与えてスプールのシー ル面３３をスリーブ２８の補完的なシート３４に対して保持せしめる。ボディ１ のアッパボディ部分３９はスプール３０の移動が調節され得るように調節を提供 するシールねしによってロアボディ部分に結合される。アッパボディ部分３９の 上端はスプール３０の上方運動を拘束し、ソレノイド３２が励磁されたときに磁 気回路を完成する磁気誘導コアを保有する。

ソＬ／ノイド３２が十分な電流で励磁されたときにスプールの端部３１は十分な 力で引かれてそこに作用するＬＰＧの圧力に打ち勝ち、スプール３０はシール面 ３３がスリーブ２８のシート３４から離れるように動く。このときに、ＬＰＧは 入口ポート２１からスプール３０の内部のギヤラリ−３５を通って流れることが でき、それでスプール３０のシール面３３とスリーブ２８のシート３４との間で 計量される。ＬＰＧはそれからスプール３０の突起３６を覆って吹き出され、そ の間に、ＬＰＧが今や大気圧近くになり、プロパンの沸点である約マイナス４２ °Ｃになる。突起３６は包囲２９を越えて内燃機関の吸気流の中に延びる。突起 ３６を取り囲む低い温度は突起３６の温度を低下させ、すなわち、突起３６から 熱が奪われ、通過する冷たいＬＰＧに伝達される。この効果は、スプール３０の 本体部分からスプールの突起３６への熱の伝導を生じせしめ、そして低い温度の スプール３０はスプール３０の内部のギヤラリ−３５を通過するＬＰＧの流れか らの熱を伝導する。従って、スプールの計量領域３７、すなわちシール面３３と スリーブ２８のシート３４の領域に入るＬＰＧは、それが燃料噴射装置の入口ボ ート２１に入ったときよりも低い温度になっている。この温度低下は、燃料噴射 装置の全ての部品の適切な仕上げによって、計量領域３７に入るＬＰＧがその沸 点よりも下にあって完全に液体の状態になるような大きさの程度となるように構 成される。なお、半径方向のポート１５が内部のギヤラリ−３５から計量領域３ ７へＬＰＧが流れるのを許容する。

ＬＰＧが完全に液体の状態で内燃機関に入るようにすると、コンピュータコント ローラ３８等の制御装置は別のポート４１、又は他の便利な位置からの入力読み 値４０を受けるように構成されることができる。特定の時間において内燃機関か ら要求される動力の出力に関する接続部４２の入力コマンド′が、コントローラ ３８をして、所定量の燃料を内燃機関に噴射させるために燃料噴射装置のソレノ イド３２に要求される瞬間的な電流信号を接続部４３に生じせしめる。コントロ ーラ３８はさらに正確なＬＰＧの計量を通して内燃機関の最適な作動をするため に内燃機関性能、計算された空燃比、及び排気ガス浄化分析等に関するフィード バック信号等を接続部４４に受けることができる。

スリーブ２８とスプール３００間の摺動面に潤滑油を提供して燃料噴射装置の作 動を改善するために、ＬＰＧと潤滑油との予混合物の使用をすることができる。

第３図においては、燃料噴射装置１はツーストローク内燃機関２のキャブレタア ッセンブリ３に取りつけられる。ＬＰＧは吸気流の中に噴射され、デュアルフェ ニルサプライシステムの場合に液体燃料で内燃機関を作動させるキャブレタシス テム４は、このときには機能を発揮しない。噴射されたＬＰＧの流れと接触する 吸気ダクトの壁５のような包囲成分は、断熱性のサーマルショックに抵抗する材 料（図示せず）、例えば部分的に安定化されたジルコニア（ＰＳＺ）やその他の 先進技術のセラミックの等熱絶縁性のサーマルショック材料で作られ、あるいは 覆われる。従って、蒸発を達成するためのＬＰＧへの熱伝達は吸気流から来る。

これは燃料噴射装置の近くの吸気流の領域の圧力を低下させ、従って吸気システ ムへの入口と燃料噴射装置の間の圧力低下を増大させ、これはさらに吸気流の流 量を増大させる。潤滑油がＬＰＧに予混合されているので、別のオイル噴射は必 要ではない。この潤滑油は微小なミストとして残され、内燃機関中を吸気流によ って運ばれる。第３図に示されるこの形体は、液体燃料で作動する現存のツース トローク内燃機関をＬＰＧで作動させる変換に適したものである。。

燃料噴射装置のもう１つの配置が第４図に示されており、燃料噴射装置ｌは液体 ＬＰＧを内燃機関２のクランクケース６に直に向けるようになっている。この配 置においてもそれは温度及び圧力の低下を達成し、従って吸気システムを横切る 圧力低下を増大するが、それはさらに発生した潤滑油の流れの方向を改善し、且 つピストン７等の特定の部品のある冷却を達成する。この配置はさらにより簡単 な吸気システムを許容し、且つ液体燃料からＬＰＧ作動へのより簡単な変換を許 容する。

燃料噴射装置のもう１つの配置が第５図に示されており、燃料噴射装置１は液体 形体のＬＰＧをクランクケースからトランスファーボート８に入れ、シリンダイ ンレットボート９に向けるようにしたものである。この構成は噴射されたＬＰＧ の流れの制御された脈動を許容し、シリンダインレットボート９からシリンダア ウトレットボー）１０への空気及び燃料の直接の排出に関する内燃機関の効率の 損失が、シリンダへの初期の流入をＬＰＧの部分において低くすることによって 低下せしめられることにある。

以上の説明から、本発明は液化ガス燃料を内燃機関に噴射するための改善された 方法と装置を提供するものであることが明らかであろう。燃料を蒸発させ、又は 燃料を液体状態に加圧するためにポンプを使用する従来的なアプローチとは反対 に、本発明は計量プロセスの前及びその間に燃料の温度を低下させ、それによっ て燃料を液体状態に維持し、燃料圧力の正確な計測と流量の計算を容易に行うこ とができるようにしたものである。この独特の処理は燃料ポンプに関する問題を 解決し、そして燃料が液体状態にあるので潤滑油と液化ガス燃料との予混合を可 能にする。しかし、主な利点は多分吸気流を冷却することであり、それは燃料噴 射装置の近くの吸気の圧力を低下させ、よって吸気流への入口（図示せず）と燃 料噴射装置との間の圧力低下を増大し、吸気流の流量を増加させる。流量の増加 は各吸気行程の吸気量の増大及び機関出力の増大をもたらす。

液体状態の液化ガス燃料は燃料噴射装置のノズルから吸気流に入り、第１図に明 らかなように吸気流を横切って延びる膨張領域１６の雲状ブルームを形成する。

留意すべきは、燃料噴射装置のボディ１１は内燃機関との結合点から、断熱スリ ーブ２８の外でソレノイド３２へ延びる。言い換えれば、機関の熱をソレノイド 装置へ伝導する熱伝導路があり、それによってソレノイド装置及び関連する装置 のフリージングを避けることができる。これは上記説明した実施例の独特の構成 のさらなる利点を提供する。

国際調査報告 Ａｔ＋　６５１２８／８６　ＢＥ　９０５７４２　ｒ！、３６３８６９２　ＦＲ ２５９１６６８ＧＢ　２１８２９７ｆｌ　コ　６２１６８９６１

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．燃料を内燃機関に噴射するための燃料噴射装置（１）であって、燃料が液化 ガス燃料からなるか液化ガス燃料を含み、該燃料噴射装置が該燃料噴射装置のノ ズル（１４）を介して内燃機関の吸気流への希望の量の燃料を連続的に計量する 計量装置（３３、３４、３７）を設けたボディ部分（１１）を含み、該ノズルが 断熱性の高い材料で形成され且つ該計量装置が該計量装置と該ボディ部分との間 の断熱性の高い材料（２８）によって該ボディ部分から断熱され、それによって 該液化ガス燃料がガスの沸点より下まて冷却されて該ノズルを通過する前で該空 気流に入るときに液体状態にされ、よって該ノズルから該空気流に延びる膨張領 域で該空気流を冷却するようにしたことを特徴とする燃料噴射装置。 ２．該計量装置が該ノズルを通過して該膨張領域に延びる部分（３６）を有して 該ノズルの上流から該膨張領域（１６）への熱の伝達を生じさせ、よって該燃料 が該ノズルを通過する前に沸点より下になりよって液体状態になるようにしたこ とを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射装置。 ３．該ノズルがバルブシート（３４）を含み且つ該計量装置が該ノズルを通る燃 料の流れを制御するために該バルブシートと協働するニードルバルブメンバ（３ ０）又はポペットバルブメンバ（３０）を含み、該ニードルバルブメンバ又はポ ペットバルブメンバが該ノズルを貫通して延び且つ該計量装置の該膨張領域に延 びる部分を構成することを特徴とする請求項２に記載の燃料噴射装置。 ４．該ニードルバルブメンバ又はポペットバルブメンバが管状断熱スリーブ（２ ８）内で往復可動に取りつけられ、該スリーブが該計量装置と該ボディ部分との 間の断熱材料となり、該スリーブの一端がさらに該ノズル（１４）と該ハルブシ ート（３４）を形成することを特徴とする請求項３に記載の燃料噴射装置。 ５．該断熱スリーブが先進技術のセラミックで形成されることを特徴とする請求 項４に記載の燃料噴射装置。 ６．該断熱スリーブが部分的に安定化されたジルコニア（ＰＳＺ）で形成される ことを特徴とする請求項４に記載の燃料噴射装置。 ７．該ボディ部分（１１）が該計量装置へ接近するためのポートを含み、該ポー ト（４工）が該ノズルの上流側の燃料圧力に関する電子制御ユニット（３８）に 入力を提供する圧力センサを備え、それによって該電子制御ユニットが該ノズル を通る燃料流量を決定することができ且つ他の入力データに従って該バルブの作 動を制御することができるようにしたことを特徴とする請求項６に記載の燃料噴 射装置。 ８．該ハルブメンバの往復運動を制御するために該ボディ部分にソレノイド（３ ２）が取りつけられ、該ソレノイドが該ノズルから速い側にあり且つ該ボディ部 分が該内燃機関と該ソレノイドとの間で熱導体を提供し、該ノズルにおいて及び 該ノズルの上流での該燃料の該冷却による該ソレノイドのブリージングを防止す るようにしたことを特徴とする請求項７に記載の燃料噴射装置。 ９．該燃料が該ボディ部分の該管状断熱スリーブの穴と一致するさらなるポート （２１）を介して該計量装置に入るようにしたことを特徴とする請求項８に記載 の燃料噴射装置。 １０．該燃料が潤滑油と液体石油ガス（ＬＰＣ）との混合物であり、核燃料噴射 装置がツーストローク点火内燃機関で使用されることを特徴とする請求項９に記 載の燃料噴射装置。 １１．内燃機関に燃料を噴射する方法であって、燃料が液化ガス燃料からなるか 液化ガス燃料を含み、該方法が、予噴射領域における流入燃料から吸気通路の膨 張領域に熱を伝達するステップによって、内燃機関の吸気流へ噴射する前に燃料 を沸点の下まで冷却せしめることを含む燃料噴射方法。 １２．燃料が吸気流へ噴射されたときに液体状態にあることを特徴とする請求項 １１に記載の燃料噴射方法。 １３．燃料を噴射ノズル（１４）を介して及び該ノズルを越えて吸気流に突出す る計量スプール（３０）の突起（３６）を越えて膨張させ、該計量スプールが該 突起によって流入燃料の熱を予噴射領域から吸気流の膨張領域に伝達することを 特徴とする請求項１２に記載の燃料噴射方法。