JPH08502112A - 液体燃料を電子式燃料インジェクタ制御装置により燃料蒸気と微視的液体小滴に変換する装置 - Google Patents
液体燃料を電子式燃料インジェクタ制御装置により燃料蒸気と微視的液体小滴に変換する装置Info
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Abstract
(57)【要約】
可燃性液体燃料を、蒸気の割合が低く、微視的燃料小滴の割合の高い変換燃料に変換し、変換燃料を空気と混合し、変換燃料を更に蒸発させる装置を提供する。真空室は円筒形ハウジングを有し、ハウジングには、少なくとも1つの燃料入口と、この入口からずらされた位置に設けられた燃料出口とを有している。偏心取付けされたロータは、ハウジング壁部内に回転可能に取付けられ、1個以上の半径方向スロットを有し、長方形のベーンが各スロット内に受容されている。出口から出た変換燃料と空気とは、大きい混合室へ流入せしめられることで、空気が減速され、変換燃料との十分な混合が可能となる。電子式燃料管理・制御モジュールが、燃料計量手段に対し出力信号を発し、ポンプ内の燃料流を制御する。電子式燃料インジェクタ制御装置はロータ軸を有し、この軸の角回転位置に応動して第1の周期的信号パルスを発する。センサが、エンジンクランク軸の目標角位置に応動して第2の周期的信号パルスを発する。ロータ軸に接続された電動モータが、作動時、エンジンセンサ電子装置へブロック信号を発し、燃料変換信号装置からの信号パルスをブロックする。この結果、燃料インジェクタはクランク軸のパルスにのみ応動して起動されることになる。
Description
【発明の詳細な説明】
液体燃料を電子式燃料インジェクタ制御装置に
より燃料蒸気と微視的液体小滴に変換する装置
技術分野
本発明は、内燃機関吸気マニホールドへ導入する前に、液体燃料を燃料蒸気と
微視的液体小滴とに変換する装置に関するものである。より詳しく言えば、本発
明は、巨視的液体小滴をロータリベーン形真空室内へ噴射する装置、それも前記
真空室内で前記巨視的小滴の一部が気体状燃料に、残部が微視的小滴に変換され
る形式のものに関している。真空室から放出後、気体状燃料と微視的小滴とは、
空気と混合され、内燃機関の吸気マニホールドへ供給される。電子式制御装置は
、巨視的小滴を燃料インジェクタが真空室内へ、そのサイクルの適当な時期に、
かつまたエンジンクランク軸の位置に応じて噴射するよう制御する。
背景技術
液体燃料の蒸発又は気化の度合が高ければ、それだけ燃料の酸化表面積も大と
なり、燃料率も高くなる。この分野での多くの個別研究により明らかになった点
は、燃料を完全に気体状態に変転できれば、極めて効率的な、有害物質を排出せ
ずに作動するエンジンが得られるという点である。液体炭化水素燃料を完全気化
する試みは、何年も前から行なわれている。しかしながら、それらの試みは、い
ずれも大きな欠点を有している。いくつかの例では、装置が燃料を完全蒸発でき
ず、したがって予定の効率増大は実現できていない。また、他のいくつかの例で
は、装置が複雑であるため、実際に得られる利益が相殺されてしまうか、高い入
力値を必要とするため、燃焼効率が高くなっても、その利益が入力値の増大で打
消されてしまうかする。燃料の、蒸気への完全変換は、別の予想外の問題を引起
した。燃料は迅速かつ完全に燃焼したとしても、気体発生時の燃料の膨張が早く
起りすぎることが判明したのである。そのため、空気との混合時に燃料密度が低
くなり、その結果、エンジン燃焼室へ十分な燃料が送られず、他の従来技術の装
置、たとえば気化器、スロットルボディ噴射装置、ダイレクトボート噴射装置な
ど変らぬ動力しか発生しない。
最も注目される先行技術による装置の1つは、1930年代にチャールズ・ネ
ルソン・ポーグにより開発された装置である。この装置は、“1ガロンで200
マイル(約322km)走れる気化器”という宣伝文句で広く宣伝されたガソリ
ン気化用の気化器である。しかし、この装置は商業的には決して成功しはしなか
った。理由は、ほとんどエンジンと同じ位に大きくて、嵩ばる上に、使用温度が
、ガソリン等の燃料の引火点に近いため、爆発の危険が大きかったことによる。
ディーゼル燃料等の燃料を気化する装置は、たとえば、ベヤノド(Bethenod)
に対し発行された米国特許第1,806,581号明細書“重燃料を使用する可
変負荷用内燃機関の燃料供給装置”に開示されている。ディーゼル燃料は従来式
のガソリン気化器によって供給され、空気は真空ポンプを介し吸気口から吸入さ
れる。この装置は開放装置である。すなわち、大量の空気が、大気中から第1真
空ポンプを介して連続的に吸収される。第2真空ポンプはリザーバ内の燃料空気
混合気を真空にし、燃料を気化し、次いでそれをエンジンのマニホールドに供給
する。エンジンには、更に、付加的な吸気が供給される。リザーバの周囲及び吸
気マニホールドの近くには熱交換手段が備えられ、燃料温度の変動が最小化され
る。この装置は開放装置であるため、多量の空気が吸込まれるため、十分な真空
を生じさせることが極めて難しく、気化器では直接気化されない燃料を実質的に
気化することが困難である。別の言葉で言えば、この種の装置を効果的に操作す
るのは、燃料節約量が無きに等しくなるほどの大型真空ポンプが必要となること
だろう。そうかといって、小型の真空ポンプを用いれば、開放型の装置内では、
絶えず大気が装置内へ吸入されるため、十分な気化は行なわれないだろう。
内燃機関の気化器に気体状燃料を供給する別の装置は、ジョセフ・H、ボール
ドウィンに対し発行された
米国特許第3,630,698号明細書“燃料装置”に開示されている。この装
置の場合、気体状の蒸気が、マニホールドの真空により真空チャンバから引出さ
れる。真空チャンバには、フロート弁を介して補給される液体燃料が供給される
。この種の装置には2つの問題が潜在している。第1は、マニホールドからの真
空では、特定負荷条件下では不十分であり、エンジンへ十分な燃料が供給されな
い可能性があることである。第2は、液体ガソリン中から気体状蒸気を引出すこ
とにより、軽いほうの炭化水素が先ず引出され、“ストリップ・オイル”と呼ば
れる比較的重い液体炭化水素が残されることである。したがって、炭化水素を順
当に働かせるためには、規則的にストリップ・オイルを回収し、新しいガソリン
を補給する手段を備える必要がある。
更に、別のガソリン蒸発装置は、ローズほかに対して発行された米国特許第4
,040,403号“燃料・空気混合装置”である。この装置では、蒸発器に燃
料が供給され、蒸発器内の液体燃料レベルはフロート弁により制御される。エン
ジンからの高熱排気ガスが液状ガソリンを完全に沸とうさせ、その一部が蒸発さ
れ、エンジンへ送られる。この装置には、燃料・空気混合物を調整する複雑なア
ンプリファイアと、蒸発器内で蒸発せしめられた燃料から燃料小滴を取出す分離
器とを備えている。この装置の場合、軽い炭化水素は蒸発
し、重い炭化水素、つまりストリップ・オイルが後に残る。
更に、ションソンに対し発行された米国特許第4,175,525号明細書“
内燃機関用の燃料蒸発装置”には、内燃機関の燃料供給ラインと吸気マニホール
ドとの間に接続され、かつ気化器と並列操作される密封蒸発装置が開示されてい
る。この装置には、液体燃料を蒸発させ気化器へ送るチャンバへの液体燃料流を
制御するフロート弁が備えられている。軽い炭化水素は、重い炭化水素が蒸発す
る前に液体燃料から蒸発し、後にはストリップ・オイルが残される。
燃料蒸発用の別の装置には、ジェームス・E.ギルモアに対し発行された米国
特許第4,483,305号“燃料蒸発装置”と、同じくギルモアに発行された
米国特許第4,483,307号の“内燃機関の燃料蒸発装置”とがある。これ
らの装置は、燃料のすべてを既時に蒸発させるように構成されている。
メイヤほかに発行された米国特許第4,522,183号の“劣化物質を気体
状に変換する方法”は、燃料を加圧し、加熱し、圧力を除去して、劣化燃料を急
激に気体状に変換するというものである。この方法は、意図する結果を得る上で
有効である一方、内燃機関へ十分な燃料が供給されず、したがって特に荷重下で
は、エンジンの満足がゆく作動は不可能と思われる。
究極の気化装置とは、低い比率の燃料が蒸発され、
残りの燃料が、内燃機関の吸気マニホールドへ導入される前に、微視的液体燃料
小滴に変換されるような装置である。マニホールド内で空気と混合されるさい、
蒸発燃料と微視的燃料小滴とが、いくらか付加的に蒸発しながら分散する。
便宜上、気体状の燃料は“燃料蒸気”又は“蒸発燃料”と呼び、通常の照明条
件下で肉眼では見えない寸法の液体燃料小滴は“微視的”小滴又は微粒子と呼び
、肉眼で見ることのできる寸法の液体燃料小滴を“巨視的”小滴と呼ぶことにす
る。理想は、適当な燃料源、たとえば1つ以上の燃料インジェクタから噴射され
る巨視的液体燃料小滴を、低い比率の燃料蒸気と、高い比率の微視的燃料小滴と
に変換するようにすることである。この混合物は“変換燃料”と呼ぶ。
発明の開示
本発明によれば、燃焼可能な液体燃料を低い比率の燃料蒸気と高い比率の微視
的燃料小滴とを有する変換燃料に変換し、この変換燃料をマニホールド内で空気
と混合することにより、更に蒸気に変換し、この変換燃料・空気混合物を燃焼室
へ送る装置が得られる。この装置は、縦軸線を有する円筒形ハウジング壁として
形成された真空室を有している。ハウジング壁には、少なくとも1つの燃料入口
と、この入口からずらされた位置に設けられた燃料出口とが設けられている。ハ
ウジング壁内には偏心支承されたロータが配置され、
両端壁内に配置された軸受に支えられ、縦軸線を中心として回転する。このロー
タには1つ以上の半径方向スロットが設けられ、各スロット内には滑動可能に概
して長方形のベーンが備えられている。各ベーンは、ロータ回転時には、ハウジ
ング壁へ向って外方へ強制的に滑動せしめられる。
ハウジング壁内面は、潤滑のため、滑らかな材料で被覆されている。この被覆
は、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)・マトリックス、たとえばテフロ
用いてもよい。前記ベーンは前記被覆又はスリーブから成るライニングの硬度又
はジュロメータ硬度以下のそれら硬度を有するポリアミド製である。所望とあれ
ば、ハウジング壁方向外方へベーンを強制するために、ばね装置を用いてもよい
。これらベーンは逆の関係に構成されており、前記ばね装置は、ベーンをハウジ
ング壁方向へ強制する双方のばねの間にピンを有するようにすることができる。
詳しく言えば、ロータは、ロータ軸線と共通の平面内に位置する近接線に沿っ
て円筒形壁と、たとえば約0.05mm(2/1000インチ)以内の近接触をする表
面を有し、これによりロータと円筒形壁との間に真空室が形成される。燃料イン
ジェクタ形式の液体燃料入口は、端壁の双方又は一方を貫通して設けられている
。
単一のインジェクタ又は対をなすインジェクタは、真空室内に角間隔をおいて前
記平面の上流側に、かつまた、インジェクタによる燃料の導入が可能な程度、前
記近接線に近いところに位置するようにされている。あるいは又、インジェクタ
は、等しい角度関係でハウジングの円筒形壁に配置してもよい。変換燃料出口は
、真空室円筒形壁を貫通して延び、近接線の直ぐ上流の燃料・空気混合室と連通
している。
燃料インジェクタは、液体燃料の巨視的小滴を入口から真空室内へ噴射する。
真空室内で、これら小滴が微視的小滴と蒸発燃料とに変換される。この変換は、
真空と、膨張する吸収気体と、巨視的燃料小滴内の水蒸気と、真空ポンプの動作
による機械・熱エネルギーとの組合せによって実現される。
エア・プレナムは、真空ポンプ出口ポートに接続された燃料・空気混合室を有
しており、この混合室に変換燃料が受容され、プレナムの空気入口から導入され
る空気と混合される。この混合室の一端のところで、吸入通路が空気入口に接続
され、直空室からの変換燃料出口に対して事実上直角に位置している。燃料・空
気混合気放出通路は、吸入通路と反対の側に設けられ、マニホールド及びエンジ
ンへ空気・変換燃料混合物を供給する。前記混合室は、吸入通路より面積が大で
あるため、混合室を通過する空気は減速され、タンブリング効果が生じ、変換燃
料と空気との完全な混合が達
せられる。加えて、任意のダイバータが混合室中央に配置され、空気の乱流を生
じさせ、完全な混合が保証される。
更に、電子式燃料インジェクタ制御装置が備えられ、この装置により、燃料変
換装置真空室内への巨視的液体燃料小滴導入用燃料インジェクタが選択的に起動
される。この制御装置は、真空室内のロータに連絡可能な、回転可能に取付けら
れたロータ軸と、燃料変換装置信号手段とを有している。この信号手段は、ロー
タ軸の角回転位置に応じて第1の周期的信号パルスを発する。また、エンジンセ
ンサ電子装置が、エンジン状態を示す、エンジンセンサからの入力信号と、変換
装置信号手段からの出力信号パルスとに応動する。信号パルスは、燃料インジェ
クタをベーンが擦過する度に発せられる。更に、エンジンクランク軸の目標角位
置に応動して、第2の周期的信号パルスを発するセンサが備えられている。また
、ロータ軸に結合された電気モータが、作動時に、エンジンセンサ電子装置に対
しブロック信号を送り、燃料変換装置信号手段からの第1信号パルスをブロック
し、それにより燃料インジェクタがクランク軸パルスに応動してだけ起動するよ
うにされている。燃料変換装置信号手段用の信号装置は、光学式の検出器でよい
。その場合、検出器には、ロータ軸上で回転するように取付けられたディスクを
備えておき、このディスクには、周縁部近くに180゜の
間隔をおいて1対の窓を設けておく。更に、この検出器においては、光線が、デ
ィスク周縁に向けられ、窓を通過し、真空室内のベーンの正しい位置に応動して
光スイッチを起動する。
上記のことから、すでに本発明の利点は明らかであろう。すなわち、この極め
て簡単な、したがって経済的な装置により、巨視的液体小滴を、適正比率の蒸発
燃料と微視的燃料小滴とを有する変換燃料に変換することができる。真空と、膨
張する吸収気体と、機械的・熱的エネルギーとを利用することにより、変換燃料
が生成される。この変換燃料は、新規な混合室内で空気と混合される。この混合
室内では、いくらかの追加蒸発と小滴の分散とにより十分な混合が実現される。
このため、エンジン内での燃料の燃焼効率が高まり、不燃炭化水素量が最小化さ
れ、燃料の節約が最大化される。滑らかな材料の使用により、燃料に富む真空室
環境内での部材潤滑の問題がほとんど解消される。また、燃料インジェクタの起
動は、燃料変換装置のサイクルの最も有利な時点で実施することができる。
このほかの利点は、以下で行なう添付図面についての説明から明らかになろう
。
図面の簡単な説明
図1は本発明の燃料変換装置が組込まれた自動車の部分斜視図、
図2は内燃機関の吸気マニホールドに接続された
本発明の燃料変換装置の拡大側面図、
図3は 図2の3−3線に沿った拡大水平断面図で、本発明の燃料変換装置と
、その駆動機構とを示した図、
図4は 図3の4−4線に沿った水平断面図で、一方伝動クラッチと変換装置
軸受部との詳細図、
図5は 図4の5−5線に沿った拡大水平断面図で、燃料・空気混合室とロー
タとの詳細図、
図6は 図5の6−6線に沿った水平断面図で、混合室とロータとの詳細図、
図7は 図5の7−7線に沿った垂直断面で、混合室の別の詳細図、
図8は ロータの分解斜視図で、ベーンと関連部品とを示した図、
図9は 内燃機関に接続された本発明の燃料変換装置のブロック図で、変換装
置を制御する典型的な電子式検出装置を示した図、
図10は 図5と似た拡大垂直部分断面図で、燃料噴射時のベーン目標位置を
示した図、
図11は 変換装置の斜視図と電子式燃料インジェクタ制御装置のブロック図
、
図12は 図11の12−12線に沿った拡大部分断面図で、光学式センサの
詳細図、
図13は 図10と似た拡大垂直部分断面図で、単一のベーンを用いた場合を
示した図。
発明を実施するに当っての最善の態様
図1に示したように、本発明の燃料変換装置10はエンジン14に隣接して自
動車12内に取付けられている。変換装置は、概して円筒形のハウジング16を
有し、ハウジング16は、縦軸線Aを有し、更に両側がそれぞれ前端板18と後
端板20とで閉じられ、図4に見られるように、真空室22が形成されている。
真空室内を適切に潤滑することは一つの問題である。液体潤滑剤、すなわちオイ
ルやグリースの類は、分解したり、燃料により除去されたりし、特に燃料がガソ
リンの場合には高温になるため、蒸発し易くなるので、不適当である。このため
、ハウジングには、ポリアミド等の滑らかな材料製のライニング17が付加され
て
PTFE被覆を利用してもよい。燃料は、燃料ライン26を介して燃料ボンプ2
4により燃料霧化装置、たとえば燃料インジェクタ28へ供給される。燃料圧調
整器30は、戻り燃料用の戻り燃料ライン32内に配置されている。この戻り燃
料は燃料インジェクタによって使用されず、燃料タンク(図示せず)に戻される
。
ロータ34(図4)は、前端板18に組付けられた前部軸受36と、後端板2
0に組付けられた後部軸受38とに軸受けされている。ロータ34は、また、ハ
ウジング軸線Bから横方向に間隔をおいて位置する縦軸線を中心として回転する
ように組付けられている。
この様子は図4及び図5から最もよく伺うことができる。ロータは、また、線C
に沿ってハウジング壁16と近接せしめられる。本発明の一形式の場合、この線
Cに沿った双方の間隔は約0.025mm(1/1000インチ)である。燃料変換装
置10の操作中にこれら軸受により発せられる熱が、前後の端板及び燃料インジ
ェクタ10を加熱し、燃料が真空室へ入る前に予熱される。また、加熱コイル4
0を各インジェクタ28の周囲に配置し、周囲温度が極端に低い場合、冷間始動
時に燃料を予熱するようにすることもできる。あるいは又、加熱コイル(図示せ
ず)を真空室の壁部又は端板に配置し、燃料の予熱を行うこともできる。インジ
ェクタ28は、軸線Aと線Cとにより形成される平面Dの上流側に、それも出来
るだけ線Cの近くに位置し、燃料を噴射するようにする。この理由は、燃料が出
来るだけ長く真空室内に留まるようにし、変換燃料の生成を一層容易にするため
である。
ロータ34は、カップリング42を介し従動軸44と連結されている。従動軸
44の前端は一方スリップクラッチ46を介して駆動軸48と連結されている。
この駆動軸は円筒形ハウジング52の前端内の軸受50に軸受けされている。ハ
ウジング52の他端には、真空室前部端板に付加されたフランジ54が備えられ
ている。フランジ54は、端板周縁部に間隔ををおいてボルト56をねじ込むこ
とで固定されている。駆動
軸48はベルト車58により駆動される。ベルト車58は、エンジン14のベル
ト車軸64に取付けられたベルト車62により駆動されるベルト60によって駆
動される。この様子は図2から最もよく着取される。
気候が寒冷の間、自動車のスタータモータは、エンジン及び燃料変換装置10
を十分に回転させないため、十分な真空を作り出す速度が得られず、その結果、
エンジン始動に要する十分な割合の燃料変換が行なわれない。このため、所望と
あれば、電動モータ66を変換装置10の後方に配置し、このモータ66を、バ
ッテリ(図示せず)とは別に直接に操作して、ロータに結合された軸頚68を介
してより高速でロータを駆動し、始動に必要な十分な燃料を変換し、供給するこ
とができる。これが可能なのは、一方クラッチ46により、縦動軸44とロータ
34とが駆動軸48より高速で回転可能だからである。たとえば、電動モータ6
6は750rpm以上でロータ34を回転させるが、始動時のエンジン回転数は
150rpmである。始動後、電動モータ66は停止され、エンジンとロータと
は等速回転する。
変換後、燃料は真空室22からプレナム70内へ流入し、プレナム内で導管7
2から供給される空気と混合される。空気流は、導管から変換空気に対し直角方
向に供給されるので、最大限の混合が生ぜしめられる。これについては、更に後
述する。有利には、空気は、
導管72の他端に接続されたフィルタ74を介して流出せしめられる。
図5〜図9について見ると、ロータ34は複数のベーン、たとえば2つの対向
的なベーン76を有している。これらのベーンは、ベーンの凹所80内に受容さ
れた1対の板ばね78等により強制的に離間せしめられている。これら板ばね7
8にピン82の両端が支えられている。ピン82は双方のベーン76間にロータ
を貫通して延びる貫通路84内を往復動する。ベーンには、ハウジングのライニ
ングと等しい滑らかな材料で被覆されているが、この被覆の硬度又はジュロメー
タ硬度は、ハウジングのライニングのそれより低い。こうすることにより、発生
する摩耗の大部分が、交換の容易なベーンのエッジに沿って生じることになる。
図に見られるように、ハウジング16に対して電気式に回転するように取付けら
れたロータ34により、ベーンはハウジング内壁方向へ強制変位せしめられるが
、ロータの回転につれて前進と後退を反復せしめられる。2つのベーンの間隔は
実質的に一定であるから、ばねのたわみは僅かであり、したがって長期にわたっ
て使用しても、ばねの損傷の可能性は極めて少ない。実際、ポンプの作業中、遠
心力がベーンを外方へ向って保持する。しかし、始動目的の場合には、ばねは、
ベーンを突出状態に維持する位置に在ることが望ましい。始動モータ66を利用
することにより、大ていの用途の
場合に、ばね78とピン82は不要となる。なぜなら、モータ66の作動時はベ
ーンに加わる遠心力が十分に大きいからである。巨視的液体燃料小滴として真空
室22内へ噴射される燃料は、蒸気と微視的燃料小滴に変換され、これが、ベー
ンにより真空室内壁に沿って移動せしめられ、平面Dの下流に位置する1対の出
口86から放出される。
現時点での最も妥当な理解によれば、燃料インジェクタにより噴射される巨視
的液体小滴には、いくつかの力が作用すると考えられる。すなわち、次の力であ
る:
1. 真空。この真空は装置の真空環境の直接の結果であり、巨視的小滴表面
から燃料を急速蒸発させ、それによって、すべての前記小滴の寸法を小さくさせ
る。
2. 吸収気体の膨張力。これも、装置の真空環境の直接的な結果であり、吸
収された気体、たとえば窒素、酸素、水蒸気、その他の大気が巨視的小滴内で膨
張し、小滴を分散させ微視的小滴に変え、それにより小滴表面積を一層露出させ
、微視的小滴から更に液体燃料を蒸発させる。気化(evaporization)だけでは
、十分な蒸発と小滴寸法の減少は、特に、アルコールやアルコール混合物などの
低揮発性燃料については不十分である。蒸発(vaporization)は自己制限的な過
程である。気化過程は小滴から熱を吸収し、小滴はその
温度を急速に減じ、気化率は急速に低下し、僅かなレベルになる。吸収された大
気と燃料中の大部分の揮発性物質は膨張し、小滴の爆発的な沸とうを生じさせ、
小滴を破砕し、はるかに小さい小滴に変える。
3. ベーン、ロータ、ハウジングからの機械的エネルギー。このエネルギー
により、巨視的液体小滴は歪められ、引伸され、小滴の表面張力が破られ、更に
吸収気体が放出される。
4. ベーン、ロータ、ハウジングとの接触による熱エネルギー。このエネル
ギーにより液体小滴の温度が上昇し、蒸発と膨張が促進され、吸収気体の放出が
助長される。
以上の説明は、現在のところ前記の力が燃料小滴に作用すると理解されるかぎ
りにおいて正確なものと思われる。しかし、小滴に作用する付加的な力が存在す
ること、及び又は前述の力の作用の大きさが、現在、理解されているより大きい
かもしれないし、小さいかもしれないことも、理解せねばなるまい。
図7に移ろう。導管72を流れる空気流はバタフライ弁88を通過する。バタ
フライ弁88は、アクセレータ(図示せず)に接続されたバタフライ・リンケー
ジ90を介して制御される。この吸気はプレナム70のスロート92を通り、よ
り大きい混合室94内に入る。混合室94は、真空室22からの出口86と、中
央の隔壁96とを有している。隔壁96は出口86と
出口86と向い合った湾曲壁との間に位置している。したがって、空気がスロー
ト92から混合室94内へ入ると、空気流は減速される。隔壁96と湾曲壁97
とは空気流に乱流を生じさせるこの結果、混合室94を通過する空気流に対し、
或る角度、たとえば直角をなす出口86から混合室94へ流入する気体状燃料及
び微視的燃料小滴が、空気流と十分に混合される。燃料と混合される比較的高温
の空気は、微視的小滴を加熱し、付加的な気化を生じさせ、小滴の寸法を減少さ
せる。変換燃料を直角方向に空気流内へ噴射することにより、空気と燃料との良
好な混合が保証され、それによってエンジンのシリンダ内での燃料の燃焼が改善
される。したがって、極めて効率的かつ清浄な燃焼が可能となる。
図9から最もよく分かるように、電子式の燃料管理(EFM)制御モジュール
104が備えられている。このモジュールは、エンジン14に取付けられたRP
Mセンサ106からの種々の信号を導線108を介して受信する。エンジン14
上の温度センサ110は、導線112を介してモジュール104へ信号を送る。
制御モジュール104は、これらの信号を処理し、導線114を介して信号を燃
料インジェクタ28へ送る。インジェクタ28は、制御モジュール104により
検知されたパラメータに応じて、変換装置へ燃料を噴射する。したがって、もし
バタフライ弁88が開いて、
エンジンにより多くの空気が送られると、マニホールド圧力センサ116が信号
を制御モジュール104へ送り、この信号により、制御モジュールが導線114
を介して信号を燃料インジェクタ28へ送り、インジェクタ28を開き、変換装
置10へ更に多くの燃料を噴射させる。アクセレータを放すことにより、バタフ
ライ弁88が閉じられると、以上の経過の逆が行なわれる。温度センサ110は
冷間始動用に備えられている。温度センサ110は、更に、制御モジュールに信
号を送り、エンジンの始動開始時の燃料噴射を調整させる。エンジン管理システ
ムとして適当な一システムは、ミシガン州48331、ファーミントン・ヒルズ
に在るディジタル・フューエル・インジェクション社製のエンジン管理システム
である。このシステムは、種々の燃料の場合に、全範囲にわたって燃料の割合を
調節する外部プログラム能力を有している。また、極めて独創的な機材自動車(
equipment auto mobile)製造会社の管理システムを、本発明の燃料変換装置の
管理用に変更することができる。
加えて、マニホールド圧力センサ116は導線118を介して制御モジュール
104に接続され、エンジンのテールパイプ122上に酸素センサ120は導線
124を介して制御モジュール104に接続されている。更に、他のエンジン状
態又は電子式燃料管理の機能を測定するために、多くの他のセンサ(図示せず)
が備えられている。
本出願の日付現在で、本出願人の燃料変換装置のみが、海抜約1524m(5
000フィート)の高さで操作された経験を有している。したがって、以下に記
載されるパラメータは、前記高さのものであり、より高い所又はより低い所では
、周知の物理法則に従って変化することは言うまでもない。変換装置の真空室2
2が内部に設けられているハウジング16は内径が66.04mm、長さが76
.2mmであり、ロータ34は直径が63.5mmである。ロータが700〜7
50rpmのアイドル速度で回転すると、変換装置は、燃料導入前に、周囲温度
26.6℃のさいに最低約254mm水銀柱を引上げる。1700〜2000r
pmの操作速度時には、燃料を十分に導入し、エンジンを前記速度にて作動させ
た後には、変換装置は、最低約304.8mm水銀柱を引上げたところで安定す
る。前記速度で、周囲温度7.2℃〜26.6℃では、変換装置が、出口のとこ
ろに生成する変換燃料は、蒸気の割合が小さく、微視的小滴の割合が大きいもの
である。この微視的小滴が、真空室、混合室、マニホールド通過するにつれて、
既述のように微視的燃料小滴が付加的に蒸発する。
たとえば、前記寸法の真空室22は混合室94に接続されている。混合室94
のスロート92は38.1mmの直径を有している。混合室出口は48.26m
mのマニホールドに開いている。真空室を混合室と連通させている出口86は、
それぞれ26.98mm幅で、34.9mmの高さである。隔壁96は長さ49
.2mm、幅12.7mmである。
以上、本発明を単一の真空ポンプを用いたエンジンについて説明した。しかし
、いくつかの用途のためのエンジンの各シリンダに燃料供給する極めて小型の真
空ポンプを用いることもできる。
燃料変換装置10の操作を最大限効率的にするには、ロータ32及びそのベー
ン76の回転中の適当な時点に燃料インジェクタ28が起動されることが大切で
ある。この適当な時点とは、ベーン56の1つの後縁が、燃料インジェクタ28
のところ、たとえば図10に示した位置を通過した直後である。ロータ34のこ
の回転時点で、燃料は、変換燃料が放出区域102から放出される直前に、吸入
区域100内へ導入される。放出区域は、同じベーンの前縁と、反対側のベーン
の後縁とにより境界づけられた区域である。前記時点に燃料を噴射することによ
り、燃料が変換装置10内に留まる物理的時間が最大化され、その結果、出来る
だけ多くの燃料が、巨視的小滴から微視的小滴及び燃料蒸気に変換される。この
ことは、エンジン及び燃料変換装置の速度が増すにつれて、ますます重要になっ
てくる。なぜなら、変換装置10のrpmが増せば、それだけ各回転の間に変換
される燃料が変換装置10内に
留る時間が短くなるからである。
図11に示されているように、電動モータ66は、ロータ軸104を介してロ
ータに接続されている。ロータ軸104の両端部の中間には1対の窓107,1
08を有するディスク106が配置されている。これらの窓は、ディスクの周縁
部に180゜の間隔をおいて設けられている。ディスク106は、ロータ軸10
4に固定され、窓107,108が変換装置10内でのベーン76の位置と整列
されるように、方位づけられている。ディスクの縁部の一部を取囲む形式で光学
式スイッチ装置110が配置され、窓107,108とスイッチ装置が整列する
と、スイッチ装置により、光109によって光束が窓を通過するように発せられ
、それによって電気的な出力パルスが発せられる。光学式スイッチ装置110の
一形式を図示したが、この装置110はディスク上に180゜間隔をおいて磁気
部材を配置することによっても構成できる。磁気部材は、ディスクに隣接する磁
気検知器により検知される。また、ホール効果を利用した装置や機械式の装置も
使用できるが、このことは検出技術分野の当業者には明らかなことである。
エンジンのクランク軸112は磁気コーディング又はその他の印114を有し
ている。このコーディングその他の印により、各回転ごとにセンサ116に信号
が与えられる。センサ116は、クランク軸が正しい
回転位置に来るごとに、クランク軸出力パルス信号を発する。これにより、エン
ジンのシリンダは、燃料を受け取るのに適する位置におかれる。有利には、セン
サ116は多くのエンジンセンサ120の1つであり、これらエンジンセンサは
信号入力をエンジン電子装置120に送り、この電子装置はインジェクタ28に
適当な出力を送る。
ガソリン等の従来の燃料の場合には、電動モータ66は不要である。しかし、
別の燃料、たとえばエンタノールやメタノールの場合に冷間始動する場合には、
高いRPMのモータ66により燃料変換装置10を回転させることが必要である
。その場合のRPMは、たとえば3500rpmであり、これに対してエンジン
始動モータ(図示せず)により得られる回転数は300〜500rpmである。
この処置は、冷間始動時の初期点火に十分な燃料を得るために必要である。その
場合、エンジンのスタータボタン(図示せず)を押せば、始動モータと電動モー
タ66とが同時に起動される。電動モータ66の作動中、定常信号がANDゲー
ト122とインバータ124へ送られる。したがって、センサ116からのクラ
ンク軸出力パルス信号が得られる度に、ANDゲート122は起動され、ダイオ
ード126へ信号を送る。ダイオードはアンプリファイア128を介してエンジ
ン電子装置120へ発信する。センサ116からのパルスが送られる度に、電子
装置
120は点火又はインジェクタ28を起動する。インバータ124からANDゲ
ート130への信号が無くなると、光学式スイッチ110からの出力パルス信号
がANDゲート130により抑止される。
エンジンが始動すると、電動モータ66は停止され、そこからの出力信号が止
まる。これによりANDゲート122が抑止されるが、今やインバータ124が
ANDゲート130へ信号を送る。ANDゲート130は光学式スイッチ110
からのパルスが送られる度に、出力信号を発する。この出力信号はダイオード1
32を起動し、ダイオード132は、アムプリファイア128を介してエンジン
電子装置120に信号を送る。こうして、インジェクタ28を起動するための、
エンジン電子装置120からの出力は、ロータ34と関連ベーン76が図10に
示した位置に来たことを示す信号が、光学式スイッチ110から発せられる度に
、生ぜしめられる。正常な作動条件下では、燃料は、変換装置へ、そのサイクル
の出来るだけ早い時期に噴射され、それによって、燃料が出口86から放出され
るまで、変換のための時間が最大化されるようにする。
図13には、単一のベーン76を有する別の実施例が示してある。ベーン76
が単個であるほかは、すべて既述の実施例と同じである。ベーン76には、特定
の用途で必要であれば、ばねを備えることもでき、必要でなければ、除去しても
よい。この実施例の利点は
近接線Cが1つのベーンの機能を果たし、単一のベーン76が燃料用のより大き
い区域102′を生じさせる点にある。言いかえると、区域102′は、近接点
Cから図13に示したベーン位置の下流まで延びている。ベーン76が、この位
置に来たとき、区域102′は、変換燃料が出口86から放出される直前に最大
体積に達する。もちろん、1つ以上の燃料インジェクタ28による噴射は、調時
されて、ベーン76が図13の位置から移動して、インジェクタ28を通過する
まで、行なわれないようにする。
以上の説明から本発明の利点は直ちに明らかであろう。燃料変換装置が真空ポ
ンプの形式で得られ、この真空ポンプの真空室内へ測定量の巨視的液体燃料小滴
の形態で噴射される。真空室の内部部品は、滑らかな材料で被覆するか、その種
の材料で造るかしておく。燃料の一部は蒸発して気体状燃料となり、残りは微視
的液体小滴となる。この燃料が入口から出口へベーンにより一掃される。出口を
通過した後、燃料はプレナム内で空気と混合される。その場合、燃料は、燃料の
方向とは事実上直角のプレナムに入り、それにより十分な混合が可能である。プ
レナムは、狭いスロートを経て、より大きな混合室へ開いている。混合室には隔
壁が設けられている。これにより燃料と空気とはマニホールド及びエンジンへ導
入される前に十分に混合される。真空、膨張する吸収気体、機械的エネルギー、
熱エネルギーの利用により、変換燃料が生成される。変換燃料は、新規な混合室
により空気と混合され、それにより付加的な燃料小滴の蒸発と膨張が生ぜしめら
れる。装置全体が電子式燃料管理・制御モジュールにより操作される。このモジ
ュールは、数多くの信号を受信して、制御モジュールに内蔵されている情報を発
信し、かつ燃料計測装置へ出力信号を与えることにより、ポンプへ導入される燃
料量を制御する。
以上、本発明を特定の実施例について詳説したが、本発明の精神と範囲を逸脱
することなしに、種々の変更態様が可能であると理解されたい。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(31)優先権主張番号 08/055,294
(32)優先日 1993年5月3日
(33)優先権主張国 米国(US)
(81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE,
DK,ES,FR,GB,GR,IE,IT,LU,M
C,NL,PT,SE),BR,CA,JP,KP,K
R,US
【要約の続き】
ルスをブロックする。この結果、燃料インジェクタはク
ランク軸のパルスにのみ応動して起動されることにな
る。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1. 可燃性液体燃料を巨視的小滴から微視的液体小滴及び蒸発燃料の形態の変 換燃料に変換し、変換燃料を燃焼室へ供給する装置において、 円筒形ハウジングと、第1の縦軸線と、前記ハウジングの壁部に設けられた入 口と、この入口からずらされて前記壁部に設けられた出口とを有する真空室と、 前記ハウジング壁内に偏心的に取付けられ、前記第1縦軸線からずらされて位 置する第2縦軸線を中心として回転するロータと、 前記ロータに設けられた少なくとも1つの半径方向スロットと、 前記スロット内に滑動可能に受容された概して長方形のベーンとが備えられて おり、前記ベーンが前記ロータの回転時に前記ハウジング壁へ向って外方へ強制 的に滑動せしめられることを特徴とする、可燃性液体燃料を変換する装置。 2. 前記ハウジングの内壁と前記ベーンとが滑らかな材料製であることを特徴 とする、請求項1記載の変換装置。 3. 前記ハウジング内壁と前記ベーンとが、ポリアミド又はポリテトラフルオ ロエチレンにより被覆されていることを特徴とする、請求項1記載の変換装置。 4. 前記ベーンを前記ハウジング壁部へ向って外方 へ強制移動させるばね装置を備えていることを特徴とする、請求項1記載の変換 装置。 5. 前記ロータが、互いに反対側に設けられた1対のスロットを有し、かつ1 対のベーンが前記スロットが互いに逆の関係に配置されており、更に、 少なくとも1個のばねが前記ベーン対の間に配置され、前記各ベーンを前記ハ ウジング壁部の方向へ強制移動させることを特徴とする、請求項4記載の変換装 置。 6. 液体燃料を巨視的小滴から微視的液体小滴と蒸発燃料との混合物の形態の 変換燃料に変換する内燃機関用燃料分散装置において、 第1縦軸線と円筒形内壁とを有する円筒形の室が備えられ、更に 前記第1縦軸線から横方向に間隔をおいて位置する第2縦軸線を中心として前 記室内で回転するように取付けられた円筒形ロータが備えられ、このロータが、 前記偏心縦軸線と共通の平面内に位置する近接線に沿って前記円筒形壁部と近接 する面を有し、これにより前記ロータと前記円筒形壁部との間に真空室が形成さ れ、更に 前記ロータに少なくとも1つの縦スロットが設けられ、前記縦スロットが前記 ロータ軸線を通る平面内に位置しており、更に 前記スロット内に取付けられたベーンが前記ロータ 軸線に対し接近と離間の滑動運動を行なうようにされ、更に 前記ロータと前記ベーンとを前記ハウジング内で所定回転方向に回転させる手 段が備えられ、この回転により前記ハウジング内に真空が発生せしめられ、巨視 的液体燃料小滴が、燃料蒸気と微視的燃料小滴とから成る変換燃料に変換され、 更に 液体燃料入口が前記円筒形室を介して延び前記真空室と連通し、これにより巨 視的液体燃料小滴が真空室内へ噴射でき、更に前記入口が前記接線と反対側の前 記平面上流側に角間隔をおいて位置しており、更にまた、 前記円筒形壁部を貫通して延びる燃料出口が前記真空室と連通し、前記出口が 前記接線に隣接する前記平面の下流側に対し角間隔をおいて位置していることを 特徴とする、燃料分散装置。 7. 前記入口から前記真空室内へ巨視的液体燃料小滴を噴射する燃料計量装置 が備えられ、 プレナムが前記分散装置の出口に接続され、変換燃量を受容するようにされ、 前記プレナムの吸気口が、前記出口と或る角度をなしており、そうすることに より前記プレナム内へ空気が噴射され、空気と微視的燃料小滴が混合され、更に 前記プレナムを吸気マニホールドと接続する手段が備えられ、それにより空気 と変換燃料との混合物がエ ンジンへ供給されることを特徴とする、請求項6記載の分散装置。 8. 燃料計量装置により噴射燃料を制御する電子式燃料管理・制御モジュール を備えていることを特徴とする、請求項7記載の分散装置。 9. 前記プレナムが前記吸気口を形成するスロートを有しており、前記分散装 置の前記出口に隣接する室が、前記スロートと連通し、前記スロートより大きい 容積を有しており、それにより空気と燃料が混合されるようにされていることを 特徴とする、請求項7記載の分散装置。 10. 前記室内に隔壁が設けられ、それにより前記スロートから流入し、プレ ナムを通過する空気流が分割され、前記出口が前記隔壁により事実上2分され、 それによって前記室を通過する空気の乱流が生じ、空気と変換燃料との混合が促 進されることを特徴とする、請求項9記載の分散装置。 11. 前記混合室が、更に、前記出口と向い合う湾曲壁部を有しており、これ により更に空気と変換燃料との混合が助成されることを特徴とする、請求項10 記載の分散装置。 12. エンジンに可燃性燃料を供給する方法において、次の処置、すなわち 円筒形ハウジング内に偏心取付けされたロータを有し、ハウジングに設けられ た燃料入口と、この入口と ずらされた位置に設けられた燃料出口とを有する真空ボンプを備える処理と、 前記入口に巨視的液体燃料小滴を導入する処置と、 前記巨視的小滴を燃料蒸気と微視的小滴とに真空室内で変換する処置と、 空気を燃料蒸気及び微視的小滴に混合し、この混合気の形成が、前記蒸気及び 小滴が出口を出る前かつエンジンに入る前に行なわれるようにする処置とを有す ることを特徴とする、燃料を供給する方法。 13. 変換燃料に対して事実上直角方向に空気が導入され、そうすることによ り変換燃料と空気との事実上完全な混合が、エンジンへの供給前に行なわれるこ とを特徴とする、請求項12記載の方法。 14. 微視的小滴及び蒸発燃料の形態の変換燃料をエンジンの吸気マニホール ドへ供給する方法において、次の処置、すなわち、 巨視的小滴を周囲温度の閉鎖真空室内へ導入する処置と、 巨視的小滴を気体状燃料と微視的小滴とに真空室内で変換し、変換燃料を真空 室から放出する処置と、 変換燃料を空気と混合し、燃料・空気混合気を生成する処置と、 前記混合気をエンジンの燃焼室へ導入する処置とを有することを特徴とする、 変換燃料を吸気マニホールドへ供給する方法。 15. 混合処理中に空気流を利用することにより、燃焼室内への混合気の確実 な流れ生じさせる処置を有することを特徴とする、請求項14記載の方法。 16. 真空室を加熱する処置を有することを特徴とする請求項14記載の方法 。 17. 前記加熱処置が真空室内の可動部品の摩擦抵抗により達せられることを 特徴とする、請求項16記載の方法。 18. アルコールその他始動しにくい燃料を用いるエンジンを冷間始動させる 方法において、この方法が次の処置、すなわち 巨視的液体燃料小滴を、周囲温度の、完全密閉式真空装置内へ噴射する処置と 、 前記巨視的小滴を気体状燃料と微視的小滴とに、真空装置内で変換し、変換燃 料を生成する処置と、 前記変換燃料を真空装置から放出する処置と、 前記変換燃料を空気と混合し、燃焼に好適な比率の燃料・空気混合気を生成す る処置と、 前記混合気をエンジン燃焼室へ導入する処置とを有することを特徴とする、冷 間始動させる方法。 19. 前記変換処置が、次の処置、すなわち、真空を利用して液体燃料小滴の 気化率を高め、燃料のいくらかを蒸発させる処置と、 巨視的小滴から、膨張する吸収気体を解放し、前記小滴を吹きとばすことによ り微視的小滴を生じさせる 処置と、 機械的エネルギーを利用して巨視的小滴の表面張力を破り、付加的吸収気体を 解放する処置と、 熱エネルギーを利用して、燃料小滴の温度を高め、蒸発と膨張とを促進させ、 吸収気体を解放する処置とを有することを特徴とする、請求項18記載の方法。 20. 燃料変換装置の真空室の円筒形ハウジング内へ燃料インジェクタを介し て巨視的液体燃料小滴を導入する燃料インジェクタ装置を選択的に起動させる電 子式燃料インジェクタ制御装置であって、前記変換装置により前記巨視的小滴が 微視的小滴と蒸発燃料との混合物の形態の変換燃料に変換され、この変換燃料が 真空室からエンジンシリンダ内へ放出され、更に前記真空室がロータを有し、前 記燃料インジェクタ装置が、真空室内での燃料インジェクタ位置に対するロータ のベーンの回転位置に応じて制御される形式のものにおいて、 円筒形ハウジング内でロータを回転させるため、ロータに接続可能の、回転可 能に取付けられたロータ軸と、 前記ロータ軸の角回転位置に応じて第1の周期的信号パルスを発する、前記回 転軸に設けられた信号可能化手段と、 エンジン状態を示すエンジンセンサからの入力信号に応動するエンジンセンサ 電子装置とが備えられてお り、この電子装置が、更に、前記信号可能化手段からの各第1出力信号パルスに 応動し、燃料インジェクタを起動する出力信号を発し、それにより真空室への巨 視的小滴の量が計量されることを特徴とする、電子式燃料インジェクタ制御装置 。 21. 前記信号可能化手段が、ベーンが燃料インジェクタを通り過ぎる度に前 記第1信号パルスを発することを特徴とする、請求項21記載の制御装置。 22. エンジンのクランク軸の所望角位置に応動するセンサが備えられ、この センサにより、燃料供給に最適の位置にエンジンシリンダが在ることが示され、 第2の周期的信号パルスが発せられ、前記センサが複数のエンジンセンサの1つ であり、 エンジン始動時に任意使用される前記ロータ軸に接続された電動モータが備え られ、このモータは、作動時に、前記エンジンセンサ電子装置にブロック信号を 発して前記第1信号パルスをブロックし、その結果、燃料インジェクタが前記第 2の周期的信号パルスにのみ応動し、起動されることを特徴とする、請求項20 記載の制御装置。 23. 前記信号可能化装置が、前記ロータ軸と共に回転するように取付けられ たディスクを有し、このディスクが、周縁部近くに互いに180゜の角間隔をお いて設けられた1対の信号促進手段を有しており、 前記ディスクの前記周縁部近くに取付けられた検知 手段が備えられておりこの手段により前記信号促進手段が前記検知手段のところ を通過する度に前記第1の周期的信号パルスが発せられることを特徴とする請求 項20記載の制御装置。 24. 前記信号可能化装置が、光学式検知手段を有することを特徴とする、請 求項20記載の制御装置。 25. 前記光学式検知手段が、前記ロータと共に回転するように取付けられた ディスクを有し、このディスクには、その周縁部近くに互いに180゜の角間隔 をおいて1対の窓が設けられており、 前記ディスクの前記周縁部の一方の側近くに光束発生装置が配置され、前記窓 が前記光束発生装置と整列する度に、前記窓を光束が通過するようにされ、更に 前記ディスクの前記周縁部の他方の側に光スイッチが配置され、前記窓を光束 が通過する度に前記第1の周期的信号パルスが発せられることを特徴とする、請 求項24記載の制御装置。 26. 巨視的燃料小滴を微視的燃料小滴及び蒸発燃料の形態の変換燃料に変換 する燃料変換装置の円筒形真空室の燃料インジェクタを起動する方法であって、 前記変換燃料がエンジンに供給され、前記起動が、真空室内のロータのベーン回 転位置とエンジンクランク軸の回転位置との調時関係において行なわれる形式の ものにおいて、前記方法が次の処置、すなわち、 ベーン回転位置を検知する処置と、 クランク軸の回転位置を検知する処置と、 ベーンとクランク軸との双方が目標位置を占めた時に燃料インジェクタを起動 することを特徴とする、真空室内の燃料インジェクタを起動する方法。 27. 巨視的燃料小滴を微視的燃料小滴及び蒸発燃料の形態の変換燃料に変換 する燃料変換装置の円筒形真空室の燃料インジェクタを起動する方法であって、 前記変換燃料がエンジンに供給され、前記起動が円筒形真空室内のロータのベー ン回転位置とエンジンクランク軸の回転位置との調時された関係において行なわ れる形式のものにおいて、前記方法が次の処置、すなわち、 ベーン回転位置を検知する処置、 クランク軸回転位置を検知する処置、 電動モータの起動に応動してブロック信号を発し、ベーン回転位置の検知を抑 止し、クランク軸の回転位置にのみ応動して燃料インジェクタを起動することを 特徴とする、真空室の燃料インジェクタを起動する方法。
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