JP4983493B2 - 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７、図８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８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９に如く、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７、図８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。

又、燃料気化室３には、図１０に示す如く、種々の充填材を充填して液体燃料との接触面積を増やし、効率的に熱交換することが考えられている。
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、液体燃料を燃料気化室３で単純に蒸気化する場合には、液体燃料の不均一な流れや、大きな気泡の発生により、図１１に示す如く、燃料気化室３の径方向断面で局所的に高温若しくは低温になる温度分布を生じるため、蒸気化の部分的な不発生や、大きな気泡の発生による液体燃料の流出や突沸を生じ、液体燃料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。又、燃料気化室３に充填材を充填して液体燃料を蒸気化する場合には、図１２に示す如く、燃料気化室３の径方向断面で中央部が低温になると共に壁面側が高温になる温度分布を生じるため、同様に液体燃料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、円柱状の気化部本体と、液体燃料を導入するように前記気化部本体内に形成される燃料気化流路と、該燃料気化流路内の液体燃料を加熱して蒸気化するように前記気化部本体内に配置されるヒータとを備える燃料気化部を設け、
前記ヒータは、気化部本体の中央で気化部本体の延在方向に沿って配置される第一ヒータと、第一ヒータより気化部本体の径方向外側に位置して第一ヒータと平行に延在し且つ気化部本体の周方向で所定の間隔を介して配置される複数の第二ヒータとを備え、
前記燃料気化流路は、複数で構成され、且つ流路内の断面で温度分布を均一に近づける大きさを備え、更に気化部本体の径方向で第一ヒータと第二ヒータの間に配置され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、本発明は、前記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を備えることが好ましい。

更に、本発明において、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の輸送流路と、燃料蒸気を輸送流路から吸気流路へ供給する噴出口とを備えることが好ましい。

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、燃料気化流路は、複数で構成され、且つ流路内の断面で温度分布を略均一に近づける大きさを備えるので、局所的な温度分布を抑制し、蒸気化の部分的な不発生や、大きな気泡の発生による液体燃料の流出や突沸を防止し、液体燃料を安定して蒸気化することができる。又、燃料気化流路の径の大きさにより液体燃料への熱流入量を増し、液体燃料を安定的且つ効率的に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５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７、図８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、円柱状の気化部本体１８と、気化部本体１８の両側でボルト１９等により固定される蓋部２０，２１とを備え、一方の蓋部２０は、外側に供給元（図示せず）から延在する流入管２２を接続すると共に、内側に流入管２２から液体燃料が流入し得る凹状の空間２３を形成し、他方の蓋部２１は、内側に燃料蒸気輸送部１７へ燃料が流通し得る内部流路２４を備えると共に、外側に燃料蒸気輸送部１７へ接続される凸状の導出部２５を備えている。

又、燃料気化部１６は、気化部本体１８と蓋部２０の間に配置される第一支持プレート２６と、気化部本体１８と蓋部２１の間に配置される第二支持プレート２７と、一方の蓋部２０の凹状の空間２３から他方の蓋部２１の内部流路２４まで流通するよう気化部本体１８の内部に形成される燃料気化流路２８と、燃料気化流路２８の液体燃料を加熱し得るヒータ２９とを備えている。

ヒータ２９は、一方の蓋部２０及び第一支持プレート２６を貫通するよう気化部本体１８の中心で気化部本体１８の延在方向（軸方向）に沿って配置される１本のロッド状の第一ヒータ３０と、第一ヒータ３０と略平行に延在し且つ気化部本体１８の外周寄りで周方向に沿って一定間隔を介して配置される複数本の第二ヒータ３１（図３では６本）とを備えている。ここで、第一ヒータ３０は、流入管２２から蓋部２０及び第一支持プレート２６を貫通し且つ気化部本体１８の中途位置まで延在する後方スリーブ３２に内嵌されると共に、図２に示す如く蓋部２１内の連結部材２１ａを介して、蓋部２１の内部流路２４から第二支持プレート２７まで延在する前方スリーブ３３に内嵌されている。

燃料気化流路２８は、図２、図３に示す如く、第一ヒータ３０及び第二ヒータ３１と略平行に延在し且つ気化部本体１８の径方向で第一ヒータ３０と第二ヒータ３１の間に配置されるよう、第一支持プレート２６，２７で両端が支持された複数の燃料気化チューブ３４により複数の流路で構成されている。又、燃料気化流路２８は、複数の流路を、夫々流路内の径方向断面で温度分布を略均一に近づける大きさにしており、具体的には、燃料気化流路２８の夫々の口径を直径３〜２０ｍｍ、好ましくは６ｍｍにしている。

更に、燃料気化流路２８には、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３５を充填しており、充填材３５によって、液体燃料の流路隙間を多数形成すると共に流路隙間の口径（断面径）を小さくしている。又、燃料気化流路２８の入口部分には、第一支持プレート２６に係止されるスリーブ３６を介して焼結金属の蓋状の止め部材３７を配置すると共に、燃料気化流路２８の出口部分には、同様に、第二支持プレート２７に係止されるスリーブ３８を介して焼結金属の蓋状の止め部材３９を配置し、入口部分及び出口部分から充填材３５が流失しないようにしている。ここで、充填材３５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３５は、粒状体の素材として、０.１〜５ｍｍの径の鉄球、好ましくは０．５ｍｍの径の鉄球があり、燃料気化流路２８に充填された鉄球は、鉄球の間に無数の流路隙間を形成すると共に流路隙間の口径を小さくしている。又、充填材３５の流失を防止する焼結金属の止め部材３７，３９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、図４、図５に示す如く、燃料気化部１６の導出部２５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４０を備えている。ケース部４０内には、上方の固定部材４１により固定され且つケース部４０の軸心に沿って導出部２５の上方からケース部４０の下端まで延在するロッド状のヒータ４２が配置されている。ヒータ４２の周囲には、ヒータ４２を内嵌するようヒータ４２の延在方向に沿って形成される筒状の内側流路部材４４が配置されると共に、内側流路部材４４の外径より大きな内径を有して内側流路部材４４の外周で同心状に配置される筒状の外側流路部材４５とが配置されている。内側流路部材４４と外側流路部材４５との間の隙間は、燃料気化部１６の燃料気化流路２８から内部流路２４を介して連通し且つケース部４０の延在方向に沿って下端まで設けられる輸送流路４６となっている。内側流路部材４４及び外側流路部材４５の下端には、ヒータ４２の配置空間を密閉するよう、内側流路部材４４の下端開口を閉じる形状を有する板状の下端部４７が配置されており、下端部４７は、更に外側流路部材４５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輸送流路４６から下方外部へ流通する噴出口４８を形成している。ここで、外側流路部材４５とケース部４０の間には、熱の伝達を抑制するようケース部４０の延在方向に沿って形成される隙間４９が備えられている。又、ケース部４０の下端には、噴出口４８の噴射方向に影響を与えることがないよう、開口５０を備えて下端部４７を支持する支持部材５１を備えている。

又、燃料蒸気輸送部１７は、ケース部４０の上部中途位置に鍔状の内側取付部５２と鍔状の外側取付部５３とを備えており、内側取付部５２と外側取付部５３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５４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４０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４８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、図１〜５に示す如く、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、凹状の空間２３に流入した液体燃料が第一支持プレート２６の孔により分岐して複数の燃料気化流路２８に流入し、充填材３５の間に形成された多数の流路隙間でヒータ２９の加熱により蒸気化し、第二支持プレート２７を介して他方の蓋部２１の内部流路２４へ燃料蒸気として流出し、導出部２５より燃料蒸気輸送部１７へ供給される。

この時、燃料気化流路２８内では、流路の口径の大きさにより、複数の流路を夫々流路内の径方向断面で温度分布を略均一に近づける温度条件にし、液体燃料をムラなく略均一に燃料蒸気にすると共に、熱流入量を増やして効率的に蒸気化している。ここで、温度差に対して流路の口径を小さくすればするほど、温度分布を均一すると共に熱流入量を増やすことができるが、液体燃料の流量が減って処理量が低下するという問題がある。

次に、燃料蒸気輸送部１７では、燃料蒸気が輸送流路４６により噴出口４８まで流下し、同時にヒータ４２により燃料蒸気の冷却を防止するように加熱される。

そして、ケース部４０の先端の噴出口４８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、燃料気化流路２８は、複数で構成され、且つ流路内の径方向断面で温度分布を略均一に近づける大きさを備えるので、局所的な温度分布を抑制し、蒸気化の部分的な不発生や、大きな気泡の発生による液体燃料の流出や突沸を防止し、液体燃料を安定して蒸気化することができる。又、燃料気化流路２８の径の大きさ（口径）により液体燃料への熱流入量を増し、液体燃料を効率的に蒸気化することができる。更に、燃料気化流路２８は、夫々の流路の口径を直径３〜２０ｍｍにし、特に直径６ｍｍにした場合に、液体燃料を一層安定的且つ効率的に蒸気化することができる。ここで、流路の口径を２０ｍｍより大きくした場合には、径方向断面で局所的に高温若しくは低温領域を生じて温度分布を略均一に近づけることができないと共に、熱流入量が減って安定的に蒸気化しないという問題がある。又、流路の口径を３ｍｍより小さくした場合には、液体燃料の流量が減って処理量が低下し、液体燃料の蒸気化に適用できないという問題がある。

又、燃料気化流路２８に充填材３５を備え、液体燃料の流路隙間を多数形成すると共に流路隙間の径を小さくし、液体燃料との接触面積を大きくすると、燃料気化流路２８で気泡が大きくなるような気泡の成長を抑制するので、燃料気化流路２８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。

第１例において、ヒータ２９は、燃料気化部１６の中央に配置される第一ヒータ３０と、燃料気化流路２８より外側に配置される第二ヒータ３１とを備えると、燃料気化流路２８の周囲に第一ヒータ３０及び第二ヒータ３１を配置するので、燃料気化流路２８の複数の流路は、夫々径方向断面で温度分布を略均一に近づけるものになり、局所的な温度分布を一層抑制し、液体燃料を安定して蒸気化することができる。

更に、第１例において、ヒータ２９は、燃料気化部１６の中央で燃料気化部１６の延在方向に沿って配置される第一ヒータ３０と、第一ヒータ３０と略平行に延在し且つ燃料気化部１６の周方向で所定の間隔を介して配置される複数の第二ヒータ３１とを備え、第一ヒータ３０と第二ヒータ３１の間に燃料気化流路２８を配置すると、燃料気化流路２８の周囲に第一ヒータ３０及び第二ヒータ３１を均等に配置するので、燃料気化流路２８の複数の流路は、夫々径方向断面で温度分布を一層均一に近づけるものになり、局所的な温度分布を十分に抑制し、液体燃料を極めて安定して蒸気化することができる。

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で蒸気化した液体燃料を安定的に吸気流路１５へ供給することができる。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４０と、ケース部４０内に配置されるヒータ４２と、ヒータ４２により燃料蒸気を加熱し得る輸送流路４６と、燃料蒸気を輸送流路４６から吸気流路１５へ供給する噴出口４８とを備えると、ケース部４０、ヒータ４２、輸送流路４６の構成により、燃料気化部１６で蒸気化した液体燃料を一層安定的に吸気流路１５へ供給することができる。

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６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５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４０の先端を吸気管９の中央に配置し、噴出口４８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４０の先端の噴出口４８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、燃料気化流路の径方向断面で温度分布を略均一に近づけるならば、燃料気化流路及びヒータは実施例に限定されるものでなく、他の構成でも良いこと、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。 本発明の燃料気化部を拡大して示す断面図である。 図２のＩＩＩ−ＩＩＩ方向の矢視図である。 本発明における燃料蒸気輸送部を示す概略図である。 図４のＶ−Ｖ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。 従来の一例を示す概念図である。 図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ方向の矢視図である。 従来の他例を示す概念図である。 従来の一例に充填材を充填した状態を示す拡大概念図である。 従来の一例における燃料気化室の径方向断面での温度分布を示すグラフである。 従来の他例における燃料気化室の径方向断面での温度分布を示すグラフである。

符号の説明

１５ 吸気流路
１６ 燃料気化部
１７ 燃料蒸気輸送部
１８ 気化部本体
２８ 燃料気化流路
２９ ヒータ
３０ 第一ヒータ
３１ 第二ヒータ
４０ ケース部
４２ ヒータ
４６ 輸送流路
４８ 噴出口

Claims (3)

1. 円柱状の気化部本体と、液体燃料を導入するように前記気化部本体内に形成される燃料気化流路と、該燃料気化流路内の液体燃料を加熱して蒸気化するように前記気化部本体内に配置されるヒータとを備える燃料気化部を設け、
   前記ヒータは、気化部本体の中央で気化部本体の延在方向に沿って配置される第一ヒータと、第一ヒータより気化部本体の径方向外側に位置して第一ヒータと平行に延在し且つ気化部本体の周方向で所定の間隔を介して配置される複数の第二ヒータとを備え、
   前記燃料気化流路は、複数で構成され、且つ流路内の断面で温度分布を均一に近づける大きさを備え、更に気化部本体の径方向で第一ヒータと第二ヒータの間に配置され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を備え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の輸送流路と、燃料蒸気を輸送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請求項２に記載のディーゼルエンジンの予混合装置。

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