JP4882922B2 - ディーゼルエンジンの予混合装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料を自着火させるために燃料を予混合するディーゼルエンジンの予混合装置に関するものである。

一般に、ディーゼルエンジン等では、燃焼時の酸素が不足する場合や温度が低い場合に、煤等を主成分とするパティキュレート（Particulate Matter：粒子状物質）が生成するため、パティキュレートを抑制する種々の方法が考えられている（例えば、特許文献１〜４参照）。

この中でも、近年、ディーゼルエンジンの気筒内へ軽油等の燃料を投入する際に、燃料を予め予混合化して着火燃焼させ、パティキュレートを抑制するものがある。

具体的な例としては、図８、図９に示す如く、ディーゼルエンジンの吸気マニホールド１に予混合装置２を備えるものがあり、予混合装置２は、軽油等の液体燃料を導入し得る所定空間の燃料気化室３を形成するケース本体４と、燃料の供給元（図示せず）から供給配管５を介して燃料気化室３へ液体燃料を流入させる流入部６と、燃料気化室３の周囲に位置してケース本体４に備えられた複数（図９では６本）のヒータ７と、燃料気化室３から吸気マニホールド１内へ燃料蒸気を供給する供給部８とを備えて構成されている。ここで、図８中、９は吸気管、１０はディーゼルエンジンの吸気ポート、１１はシリンダ、１２はピストン、１３は吸気弁を示している。

予混合装置２により燃料を予混合する際には、ディーゼルエンジンの駆動に伴って吸気マニホールド１から吸気すると同時に、燃料気化室３で液体燃料をヒータ７により加熱して燃料蒸気にし、当該燃料蒸気を吸気マニホールド１内へ供給して予混合し、燃料を自着火可能な状態にしている。

一方、他の具体的な例としては、図１０に示す如く、ディーゼルエンジンの吸気マニホールド１の上流側に位置する吸気管９に、図８、図９と略同様な構成を備えた予混合装置２を備えるものがあり、燃料を予混合する際には、ディーゼルエンジンの駆動に伴って吸気管９から吸気すると同時に、燃料気化室３で燃料をヒータ７によって加熱して燃料蒸気にし、当該燃料蒸気を吸気管９に供給し、更にミキサー１４により燃料蒸気を吸気と予混合し、自着火可能な状態にするようにしている。
特開２００４−３４６８８２号公報 特開平０７−０１１９８３号公報 特開２００２−０３０９３７号公報 特許第３３１０１２２号公報

しかしながら、燃料気化室３で液体燃料を蒸気化する際には、一定時間までは図１１に示す如く液体燃料Ｌ内に小さな気泡ｂを生じ、その後、時間経過や温度等の条件により図１２に示す如く液体燃料Ｌ内の気泡ｂが成長して大きくなるため、液体燃料Ｌの移動に伴って気泡ｂが移動し、液体燃料Ｌの蒸気化前に液体燃料Ｌが液状のまま突沸するという問題があった。又、ヒータ７からの熱が液体燃料Ｌに十分に伝わらず、液体燃料Ｌを安定して蒸気化することができないという問題があった。

本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、液体燃料を蒸気化する際に液体燃料内での気泡の成長を抑制すると共に、液体燃料を安定して蒸気化するディーゼルエンジンの予混合装置を提供することを目的としている。

本発明は、液体燃料を導入する燃料気化室と、該燃料気化室内の液体燃料を加熱して蒸気化するヒータとを備える燃料気化部と、該燃料気化部に接続され且つディーゼルエンジンの吸気流路へ突出するように配置される燃料蒸気輸送部とを設け、前記燃料気化室には、液体燃料を蒸気化する際に発生する気泡に対し、気泡の成長を抑制する充填材を備え、
前記燃料蒸気輸送部は、吸気流路内へ突出するケース部と、該ケース部内に配置されるヒータと、該ヒータにより燃料蒸気を加熱し得る燃料蒸気流路と、燃料蒸気を燃料蒸気流路から吸気流路へ供給する噴出口とを備えたことを特徴とするディーゼルエンジンの予混合装置、に係るものである。

又、本発明において、前記充填材は、液体燃料の流路を多数形成すると共に、０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下の径の大きさにより流路の径を小さくし、液体燃料との接触面積を大きくするように構成されることが好ましい。

更に、本発明において、前記充填材は、多孔性の素材、メッシュの素材、粒状体の素材から少なくとも一つ選択されることが好ましい。

更に又、本発明は、前記燃料気化室の入口又は出口に、充填材の流失を防止する止め部材を配置することが好ましい。

又、本発明は、前記燃料気化室の入口及び出口に、充填材の流失を防止する止め部材を配置することが好ましい。

上記した本発明のディーゼルエンジンの予混合装置によれば、燃料気化室に充填材を備えるので、燃料気化室での気泡の成長を抑制し、結果的に、燃料気化室での液体燃料の移動に伴う気泡の移動を低減し、液体燃料の流出や突沸を防止することができる。又、ヒータ及び燃料気化室からの熱を充填材を介して液体燃料へ効率的に伝えるので、液体燃料を安定して蒸気化することができるという種々の優れた効果を奏し得る。

以下、本発明の実施例を添付図面を参照して説明する。
図１〜図６は本発明のディーゼルエンジンの予混合装置を実施する形態の第１例であり、図８、図９と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。

ディーゼルエンジンでは、吸気（吸入空気）が流通するよう、吸気管９から吸気マニホールド１を介して吸気ポート１０まで形成される吸気流路１５が備えられており、吸気管９の隣接位置には、固定部位（図示せず）に固定される燃料気化部１６と、燃料気化部１６に接続され且つ吸気マニホールド１内へ突出するように配置される燃料蒸気輸送部１７とが備えられている。

燃料気化部１６は、筒状の周囲部１８と、周囲部１８の両側でボルト１９等により固定される蓋部２０，２１とによって所定空間の燃料気化室２２を構成している。燃料気化室２２の一方の蓋部２０には、燃料が燃料気化室２２へ流通し得るよう、供給元（図示せず）から延在する流入管２３が接続されており、燃料気化室２２の他方の蓋部２１には、燃料気化室２２から燃料蒸気輸送部１７へ燃料が流通し得るよう、燃料蒸気輸送部１７に接続する凸状の導出部２４が備えられている。又、燃料気化室２２の周囲部１８には、周囲部１８の軸方向と略平行に延在するロッド状のヒータ２５が備えられている。ここで、ヒータ２５の本数や形状は、特に制限されるものではなく、燃料気化室２２内を均等に加熱し得るならば一本でも良いし、他の形状を備えても良いし、燃料気化室２２の周方向に沿ってロッド状のものを複数本備えても良い。

更に、燃料気化部１６は、燃料気化室２２に、多孔性の素材、メッシュの素材、粒状体の素材等から少なくとも一つ選択される充填材２６を充填しており、充填材２６によって、液体燃料の流路を多数形成すると共に流路の口径（断面流路径）を小さくしている。又、流入管２３から燃料気化室２２へ通じる蓋部２０の入口部分には、入口部分の内径と略同じ大きさの形状を有し且つ焼結金属で構成される蓋状の止め部材２７を配置すると共に、燃料気化室２２から導出部２４に通じる蓋部２１の出口部分には、同様に、出口部分の内径と略同じ大きさの形状を有し且つ焼結金属で構成される蓋状の止め部材２８を配置し、入口部分及び出口部分から充填材２６が流失しないようにしている。

ここで、充填材２６の例は、特に制限されるものではないが、具体的な一例を示すと、充填材２６は、粒状体の素材として、図３、図４に示す如く、０.１ｍｍ以上５ｍｍ以下の径（直径）の鉄球、好ましくは０．５ｍｍの径（直径）の鉄球２６ａがあり、燃料気化室２２に充填された鉄球２６ａは、鉄球２６ａの間に無数の流路を形成すると共に、０.１ｍｍ以上５ｍｍ以下の径（直径）の大きさ（形状）により流路の口径を小さくしている。又、多孔性の素材は、焼結金属、セラミックボール等の材質があり、メッシュの素材は、繊維状金属塊、金属メッシュ等の材質を適用している。更に、充填材２６の流失を防止する焼結金属の止め部材２７，２８は、数十μｍ、好ましくは５〜３０μｍの多孔を備えている。

一方、燃料蒸気輸送部１７は、燃料気化部１６の導出部２４から吸気マニホールド１内へ突出し且つ断熱層を構成するケース部２９を備えている。ケース部２９内には、上方の固定部材３０により固定され且つケース部２９の軸心に沿って導出部２４の上方からケース部２９の下端まで延在するロッド状のヒータ３１が配置されている。ヒータ３１の周囲には、ヒータ３１を内嵌するようヒータ３１の延在方向に沿って形成される筒状の内側流路部材３３が配置されると共に、内側流路部材３３の外径より大きな内径を有して内側流路部材３３の外周で同心状に配置される筒状の外側流路部材３４とが配置されている。内側流路部材３３と外側流路部材３４との間の隙間は、燃料気化部１６の燃料気化室２２から導出部２４を介して連通し且つケース部２９の延在方向に沿って下端まで設けられる燃料蒸気流路３５となっている。内側流路部材３３及び外側流路部材３４の下端には、ヒータ３１の配置空間を密閉するよう、内側流路部材３３の下端開口を閉じる形状を有する板状の下端部３６が配置されており、下端部３６は、更に外側流路部材３４の下端開口を閉じると共に所定位置に斜め方向の開口を形成して燃料蒸気流路３５から下方外部へ流通する噴出口３７を形成している。ここで、外側流路部材３４とケース部２９の間には、熱の伝達を抑制するようケース部２９の延在方向に沿って形成される隙間３８が備えられている。又、ケース部２９の下端には、噴出口３７の噴射方向に影響を与えることがないよう、開口３９を備えて下端部３６を支持する支持部材４０を備えている。

又、燃料蒸気輸送部１７は、ケース部２９の上部中途位置に鍔状の内側取付部４１と鍔状の外側取付部４２とを備えており、内側取付部４１と外側取付部４２は、吸気マニホールド１の吸気流路１５を構成する壁部１５ａを、内方及び外方からワッシャ４３を介して挟み込むことによって、燃料蒸気輸送部１７を最適位置に固定している。更に、ケース部２９の先端は、吸気マニホールド１と吸気ポート１０の境目近傍に配置し、噴出口３７が、吸気ポート１０の吸気流路１５の径方向で中央に位置し且つ吸気ポート１０の流路方向に向かい、燃料を最適な状態で予混合するようになっている。

以下本発明を実施する形態の第１例の作用を説明する。

軽油等の燃料を予混合する際には、ディーゼルエンジンの駆動に伴って吸気流路１５から吸気すると同時に、液体燃料を供給元から燃料気化部１６に供給する。

燃料気化部１６では、燃料気化室２２に供給された液体燃料が、入口の止め部材２７を介して燃料気化室２２内に流入し、充填材２６の間に形成された多数の隙間の流路で、ヒータ２５の加熱により蒸気化し、出口の止め部材２７を介して導出部２４より燃料蒸気輸送部１７へ供給される。この時、充填材２６の内部では、多数の流路と流路の小さい口径により、液体燃料との接触面積が大きくなり、効率的に熱交換される。

次に、燃料蒸気輸送部１７では、燃料蒸気が燃料蒸気流路３５により噴出口３７まで流下し、同時にヒータ３１により燃料蒸気の冷却を防止するように加熱される。ここで、液体燃料が、燃料気化部１６で完全に蒸気化せず、何らかの理由により燃料気化部１６から液体の状態で流出する場合であっても、燃料蒸気輸送部１７では、燃料蒸気流路３５で液体燃料を蒸気化し、吸気流路１５への液体燃料の流出を防止する。

そして、ケース部２９の先端の噴出口３７から吸気流路１５へ噴射される燃料蒸気は、吸気ポート１０の径方向中央に供給されて拡散し、吸気と十分に予混合して流下し、エンジン内で自着火してパティキュレートの発生を抑制する。

而して、このような第１例の構成とすれば、燃料気化室２２に充填材２６を備えるので、燃料気化室２２で気泡が大きくなるような気泡の成長を抑制し、結果的に、燃料気化室２２での液体燃料の移動に伴う気泡の移動を低減し、液体燃料の流出や突沸を防止することができる。又、ヒータ２５及び燃料気化室２２からの熱を充填材２６を介して液体燃料へ効率的に伝えるので、小さな気泡等の有無にかかわらず、液体燃料を安定して蒸気化することができる。更に、充填材２６が０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下の場合には、液体燃料を一層安定して蒸気化することができる。特に、０．５ｍｍの充填材２６の場合には最も安定して液体燃料を蒸気化することができる。一方、０．１ｍｍ未満の充填材２６の場合には、燃料気化部１６を流れる燃料蒸気の圧力損失が大きくなり、又、５ｍｍより大きい充填材２６の場合には、液体燃料が安定して蒸気化できなくなるという欠点がある。

又、第１例の構成において、充填材２６は、液体燃料の流路を多数形成すると共に、充填材２６の径の大きさにより流路の径を小さくし、液体燃料との接触面積を大きくするように構成されると、ヒータ２５及び燃料気化室２２からの熱を液体燃料へ一層効率的に伝えるので、液体燃料を安定して蒸気化することができる。

更に、第１例の構成において、充填材２６は、多孔性の素材、メッシュの素材、粒状体の素材から少なくとも一つ選択されると、充填材２６を燃料気化室２２に適切に満たすので、燃料気化室２２で気泡が大きくなるような気泡の成長を容易に抑制すると共に、液体燃料を安定して好適に蒸気化することができる。ここで、多孔性の素材、メッシュの素材、粒状体の素材の夫々の大きさ（形状）は、液体燃料の流路の径を、鉄球２６ａの場合と略同じにするものが好ましく、この場合には、同様に液体燃料を一層安定して蒸気化することができる。

更に又、第１例の構成において、燃料気化室２２の入口及び／又は出口に、充填材２６の流失を防止する止め部材２７，２８を配置すると、充填材２６を燃料気化室２２に保持して液体燃料を蒸気化するので、燃料気化室２２で気泡が大きくなるような気泡の成長を容易に抑制すると共に、液体燃料を安定して好適に蒸気化することができる。

又、第１例の構成において、燃料気化部１６に接続され且つディーゼルエンジンの吸気流路１５へ突出するように配置される燃料蒸気輸送部１７を備えると、燃料気化部１６から流出した液体燃料を好適に蒸気化して、吸気流路１５への液体燃料の流出や突沸を防止することができる。又、燃料蒸気輸送部１７により燃料蒸気を加熱して吸気流路１５に供給するので、燃料蒸気の冷却を低減して燃料蒸気の液化を防止し、燃料蒸気を吸気と十分に予混合させることができる。更に、吸気マニホールド１の吸気流路１５へ突出して配置される燃料蒸気輸送部１７により、吸気流路１５の壁面から離間した内側の空間に燃料蒸気を供給するので、燃料蒸気が吸気流路１５の壁面へ付着することを抑制し、燃料蒸気を吸気と十分に予混合させることができる。

更に、第１例の構成において、燃料蒸気輸送部１７は、吸気流路１５内へ突出するケース部２９と、ケース部２９内に配置されるヒータ３１と、ヒータ３１により燃料蒸気を加熱し得る燃料蒸気流路３５と、燃料蒸気を燃料蒸気流路３５から吸気流路１５へ供給する噴出口３７とを備えると、ケース部２９、ヒータ３１、燃料蒸気流路３５の構成により、燃料気化部１６から流出した液体燃料を一層好適に蒸気化して、吸気流路１５への液体燃料の流出や突沸を防止することができる。

以下本発明の実施の形態の第２例を図面を参照しつつ説明する。

図７は本発明を実施する形態の第２例を示すものであって、第１例の燃料気化部１６及び燃料蒸気輸送部１７の配置を、ミキサー１４を備える吸気管９に変更したものであり、図中、図１〜図６と同一の符号を付した部分は同一物を表わしている。

第２例は、第１例と略同様な燃料気化部１６と、燃料蒸気輸送部１７とを備えており、燃料気化部１６は、吸気管９の隣接位置に固定部位（図示せず）に固定されると共に、燃料蒸気輸送部１７は、燃料気化部１６に接続され且つ吸気管９内へ突出するように配置されている。

燃料蒸気輸送部１７は、ケース部２９の先端を吸気管９の中央に配置し、噴出口３７が、吸気管９の吸気流路１５の径方向で中央に位置し且つミキサー１４の流入方向に向かうようになっている。

以下本発明を実施する形態の第２例の作用を説明する。

軽油等の燃料を予混合する際には、第１例と同様に、燃料気化部１６により燃料を蒸気化し、燃料蒸気輸送部１７で燃料蒸気を加熱しつつ流下させる。

そして、ケース部２９の先端の噴出口３７から吸気流路１５へ噴射される燃料蒸気は、吸気管９の径方向中央に供給されて拡散し、更にミキサー１４により吸気と一層十分に予混合して流下し、エンジン内で自着火してパティキュレートの発生を抑制する。

而して、このような第２例の構成にすれば、第１例と同様な作用効果を得ることができる。

尚、本発明のディーゼルエンジンの予混合装置は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、ディーゼルエンジン以外の予混合装置にも適用し得ること、燃料は必ずしも軽油に限定するものではないこと、充填材の素材は、記載した例に限定されるものではないこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

本発明を実施する形態の第１例を示す概念図である。 図１のＩＩ−ＩＩ方向の矢視図である。 燃料気化室の出口側の充填材の具体例を示す概念図である。 燃料気化室の入口側の充填材の具体例を示す概念図である。 本発明における燃料蒸気輸送部を示す概略図である。 図５のＶＩ−ＶＩ方向の矢視図である。 本発明を実施する形態の第２例を示す概念図である。 従来例を示す概念図である。 図８のＩＸ−ＩＸ方向の矢視図である。 従来の他例を示す概念図である。 燃料気化室で液体燃料が蒸気化する状態を示す概念図である。 燃料気化室で気泡が成長して液体燃料が突沸する状態を示す概念図である。

符号の説明

１５ 吸気流路
１６ 燃料気化部
１７ 燃料蒸気輸送部
２２ 燃料気化室
２５ ヒータ
２６ 充填材
２７ 止め部材
２８ 止め部材
２９ ケース部
３１ ヒータ
３５ 燃料蒸気流路
３７ 噴出口

Claims (5)

1. 液体燃料を導入する燃料気化室と、該燃料気化室内の液体燃料を加熱して蒸気化するヒータとを備える燃料気化部と、該燃料気化部に接続され且つディーゼルエンジンの吸気流路へ突出するように配置される燃料蒸気輸送部とを設け、前記燃料気化室には、液体燃料を蒸気化する際に発生する気泡に対し、気泡の成長を抑制する充填材を備え、
   前記燃料蒸気輸送部は、吸気流路内へ突出するケース部と、該ケース部内に配置されるヒータと、該ヒータにより燃料蒸気を加熱し得る燃料蒸気流路と、燃料蒸気を燃料蒸気流路から吸気流路へ供給する噴出口とを備えたことを特徴とするディーゼルエンジンの予混合装置。
2. 前記充填材は、液体燃料の流路を多数形成すると共に、０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下の径の大きさにより流路の径を小さくし、液体燃料との接触面積を大きくするように構成されたことを特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジンの予混合装置。
3. 前記充填材は、多孔性の素材、メッシュの素材、粒状体の素材から少なくとも一つ選択されたことを特徴とする請求項２に記載のディーゼルエンジンの予混合装置。
4. 前記燃料気化室の入口又は出口に、充填材の流失を防止する止め部材を配置したことを特徴とする請求項１〜３に記載のディーゼルエンジンの予混合装置。
5. 前記燃料気化室の入口及び出口に、充填材の流失を防止する止め部材を配置したことを特徴とする請求項１〜３に記載のディーゼルエンジンの予混合装置。

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