JPH0988740A - 燃料気化装置及び燃料気化用ヒータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 加熱面における燃料液滴の最大蒸発率点を高
温側にシフトさせることを可能とし、これにより加熱面
の設定温度を高くして燃料の気化を促進させ、燃費の向
上及び排気ガスの清浄化を図る。 【解決手段】 ガソリンエンジン１の燃焼室２と吸気バ
ルブ３を介して接続されたインテークマニホールド４内
には、フューエルインジェクタ５の噴射ノズル５ａの噴
射域に燃料気化用のヒータ６が配置されている。ヒータ
６は通電発熱部材により加熱されるとともに、基材とし
ての金属板７の上面にジルコニア（ＺｒＯ ₂ ）を溶射し
てセラミック被覆層９が形成された加熱体１０を備えて
いる。噴射ノズル５ａから噴射されて３００℃に加熱さ
れたセラミック被覆層９の表面に付着した燃料液滴との
界面温度は、セラミック被覆層９が低熱伝導率のジルコ
ニアからなることから、局所的にガソリンがライデンフ
ロスト現象を起こす温度より低い温度に維持されるよう
になっている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、フューエルインジ
ェクタより噴射された燃料液滴を燃焼室へ送られるまで
に加熱してその気化を促進させる燃料気化装置及び燃料
気化用ヒータに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ガソリンエンジンの燃費を向上させ、排
気ガスの清浄化を図るためには、燃焼室でほぼ完全燃焼
が実現されることが好ましい。そのためには燃焼室へ送
る燃料が充分に霧化（微粒化）もしくは気化されている
ことが望ましい。

【０００３】例えば、特開平５−２６１３０号公報に
は、フューエルインジェクタから噴射されるガソリン等
の燃料の霧化を効率良く行えるように、燃料を噴射前に
予め暖めることができるヒータ付きのフューエルインジ
ェクタが開示されている。

【０００４】また、特開昭４９−１２００２３号公報に
は、燃料の気化器の底部を形成する加熱面（金属製）を
排気ガスの余熱を利用して加熱し、気化器内で微粒化し
切れていない燃料を加熱面の熱にて気化させることによ
り燃料の完全気化（霧化を含む）を実現する燃料気化装
置が開示されている。この燃料気化装置では、加熱面温
度を燃料が核沸騰状態となる温度に設定している。核沸
騰とは液滴中に多数の気泡が発生して液滴表面だけでな
く液滴内部からも気化が進行する沸騰状態をいい、核沸
騰状態とすることにより燃料の蒸発速度が大きくなって
短時間で燃料を気化させることができる。さらに特開昭
４９−１２００２３号公報には、この構成に加えて加熱
面に電熱ヒータを備えたものも開示されている。

【０００５】また、インテークマニホールドに噴射ノズ
ルが設けられている場合は、その噴射域に加熱面を配置
するようにヒータを設け、噴霧により十分微粒化（霧
化）し切れなかった燃料液滴を加熱面上に付着させるこ
とにより燃料の気化の促進を図る燃料気化装置もある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図８は加熱面温度と燃
料の蒸発速度との関係を示したグラフである。同図の蒸
発速度曲線Ｌから分かるように、加熱面温度が比較的低
いうちは燃料の液滴表面から気化が進行し（自然対流
域）、温度が上昇して燃料の飽和温度を超えるとともに
液滴中に気泡が発生しだし、さらに温度が上昇するとそ
の気泡の数が多くなりいわゆる核沸騰状態となって蒸発
速度が極めて大きくなる。そして、燃料の蒸発速度は最
大蒸発率点と呼ばれる温度で最大に達する。この核沸騰
域より加熱面温度が高くなると、大きくなった気泡によ
り加熱面と液滴との接触面積が減って加熱面から液滴に
熱が伝達され難くなるため、液滴の蒸発速度が次第に低
下する（遷移沸騰域）。そして、その接触面積が著しく
小さくなると、ついには液滴が加熱面から浮き上がる
（ライデンフロスト現象）膜沸騰状態となる（膜沸騰
域）。

【０００７】気泡が大きくなるにつれて、加熱面から液
滴に熱が伝達され難くなるため蒸発速度が著しく低下す
る。よって、液滴の蒸発速度が最大となる最大蒸発率点
が存在し、加熱面温度を燃料液滴が核沸騰する温度より
高くしても気化率を向上できないことから、ここに気化
率の向上を図るうえでの限界があった。

【０００８】このことは特開昭４９−１２００２３号公
報でも触れられており、ライデンフロスト現象のため、
ヒータ温度を上げ過ぎると返って逆効果であると述べら
れている。つまり、ライデンフロスト現象の発生が、蒸
発速度をそれ以上（核沸騰状態のとき以上）に引き上げ
ることができない大きな原因となっていた。尚、図８に
示すように、加熱面温度を膜沸騰域においてさらに上げ
続けていけば蒸発速度が核沸騰状態のときより大きくな
るところはあるが、そのような高温では混合気の充填率
が著しく低下してしまう。

【０００９】ところで、従来装置では燃料噴射されても
その吸気タイミング時期に気化されきれず加熱面上に燃
料液滴の一部がそのまま残存することがあり、噴射され
た燃料が次の燃焼時期までに全て燃焼室に供給されてい
た訳ではなかった。そして、燃料の必要量が燃焼室に供
給できるように、加熱面上で気化し切れない燃料分を考
慮してフューエルインジェクタからの噴射量を多めに調
節して対処していた。そのため、１回当たりの燃料の噴
射量が多くなり燃費が悪化するという問題があった。

【００１０】また、加熱面温度が経時的にばらついたり
加熱面において温度のむらができると、その温度が遷移
沸騰域の高温側から膜沸騰域に相当する温度となること
も起こり得る。この場合、ライデンフロスト現象のため
加熱面から浮き上がった微粒化され切れていない液滴が
吸入空気とともに燃焼室へ供給されることになる。この
微粒化され切れていない液滴は未燃焼燃料やＨＣ等の原
因となるため、このような液滴が燃焼室に供給されるこ
とにより燃費の向上や排気ガスの清浄化を図ることがで
きなかったという問題があった。

【００１１】本発明は上記問題点を解決するためになさ
れたものであって、その目的は、燃料液滴の最大蒸発率
点を高温側にシフトさせることにより、加熱面温度を一
層高温に設定することを可能として燃料の気化を促進さ
せ、ひいては燃費の向上及び排気ガスの清浄化を図るこ
とができる燃料気化装置及び燃料気化用ヒータを提供す
ることにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
め請求項１に記載の発明では、ガソリンエンジンの燃焼
室に繋がる燃料供給通路内において燃料噴射装置の噴射
ノズルの噴射域に加熱面を配置する加熱体と、前記加熱
面が設定温度となるように前記加熱体を加熱するための
熱供給手段とを備えた燃料気化装置であって、前記加熱
体は、金属もしくは高熱伝導率のセラミックからなる基
材と、該基材の表面に前記加熱面を形成すべく被覆され
た低熱伝導率のセラミックからなるセラミック被覆層と
を備えた。

【００１３】請求項２に記載の発明では、前記セラミッ
ク被覆層はジルコニアからなる。請求項３に記載の発明
では、前記セラミック被覆層の厚みは１００〜５００μ
ｍの範囲である。

【００１４】請求項４に記載の発明では、前記セラミッ
ク被覆層の表面には１０〜５０μｍ径相当の凹凸部が形
成された。請求項５に記載の発明では、前記セラミック
被覆層の表面には１０〜５０μｍ径相当の凹凸部が形成
され、前記加熱面の設定温度は１４０℃〜４４０℃の範
囲内に設定された。

【００１５】請求項６に記載の発明では、前記加熱面の
設定温度は２２０℃〜３７０℃の範囲内に設定された。
請求項７に記載の発明では、前記燃料供給通路は、前記
燃焼室に繋がるインテークマニホールドと該インテーク
マニホールドに繋がるとともに前記噴射ノズルが設けら
れた気化室とを備え、前記加熱体は前記気化室内におい
て前記噴射ノズルの噴射域に前記加熱面を配置するよう
に設けられた。

【００１６】請求項８に記載の発明では、前記請求項１
〜請求項７のいずれか一項に記載の前記加熱体を備えて
燃料気化用ヒータを構成した。従って、請求項１に記載
の発明によれば、ガソリンエンジンの燃焼室に繋がる燃
料供給通路内において加熱体の加熱面は熱供給手段から
の熱により設定温度に加熱される。燃料噴射装置の噴射
ノズルから噴射された燃料のうち霧化（微粒化）され切
れなかった燃料は液滴となって加熱面上に付着する。こ
の設定温度は例えば一般に燃料の金属面上における最大
蒸発率点よりも高く設定される。加熱面に付着した燃料
液滴は、セラミック被覆層の表面から伝達される熱によ
り加熱されて蒸発する。燃料液滴が付着した瞬間、その
液滴との界面温度が急激に低下し、この温度勾配をなく
すように降温したその界面に回りから熱が伝導される。
しかし、セラミック被覆層は低熱伝導率のセラミックか
らなるためその熱の移動速度が比較的遅く、温度勾配が
十分回復し切らないうちにその界面部から液滴に伝達さ
れる熱の移動速度との間で一種の平衡状態に達し、液滴
蒸発中は界面温度がライデンフロスト現象を起こさない
温度に維持される。このため、液滴には付着初期にライ
デンフロスト現象を起こす程度の高い設定温度の加熱面
上であっても速やかに核沸騰を維持しながら蒸発が進行
する。その結果、加熱面上での燃料液滴の蒸発速度が高
められるため、燃料の気化率の向上を図ることが可能と
なる。

【００１７】請求項２に記載の発明によれば、セラミッ
ク被覆層をセラミックの中でも比較的熱伝導率が低いジ
ルコニアで形成することにより、加熱面に付着した液滴
との界面付近に比較的大きな温度勾配を形成することが
可能となり、加熱面の設定温度を液滴が膜沸騰するよう
な事態を招くことなく最大蒸発率点を高温へシフトさせ
ることが可能となる。そして、設定温度を高く設定でき
る分だけ蒸発速度が短縮される。

【００１８】請求項３に記載の発明によれば、セラミッ
ク被覆層の厚みが１００μｍ未満であると、ほぼ設定温
度の基材からの熱の影響を受けて界面付近に適度な温度
勾配ができ難くなり従来の金属加熱面に比較してさほど
設定温度を高く設定できなくなるため液滴の蒸発速度の
短縮を図り難くなる。そのため、液滴の蒸発速度の短縮
を図るべく液滴との界面付近に適度な温度勾配を形成す
るうえでセラミック被覆層の厚みを１００μｍ以上確保
するとよい。また、セラミック被覆層の厚みが５００μ
ｍを超えると液滴気化後に加熱面の設定温度への回復に
時間を要し、次の燃料噴射時期までに加熱面が設定温度
に回復されない事態となる。この場合、燃料液滴が噴射
される度に液滴の付着後の加熱面の界面温度が下がり続
けてしま、蒸発速度が低下してしまう。そのため、液滴
の高い蒸発速度を維持するうえでセラミック被覆層の厚
みを５００μｍ以下にするとよい。

【００１９】請求項４に記載の発明によれば、セラミッ
ク被覆層の表面に形成された１０〜５０μｍ径相当の微
細な凹凸部がその表面に付着した液滴中における気泡の
核となり、液滴中に温度の割りに多数の気泡が発生して
液滴の表面積が事実上増大して蒸発速度が高められる。
また、多数の微細な凹凸部により液滴と加熱面との接触
面積が広く確保されるため加熱面から液滴へ伝達される
単位時間当たりの熱量が増大し、その分蒸発速度が一層
高められる。

【００２０】請求項５に記載の発明によれば、表面に１
０〜５０μｍ径相当の凹凸部が形成されたジルコニアか
らなるセラミック被覆層で被覆された加熱面によると、
請求項２の作用と請求項４の作用とによりその設定温度
を１４０℃〜４４０℃の範囲内で設定することにより液
滴の蒸発速度を金属加熱面による最大蒸発速度よりも高
めることが可能となる。

【００２１】請求項６に記載の発明によれば、表面に１
０〜５０μｍ径相当の凹凸部が形成されたジルコニアか
らなるセラミック被覆層で被覆された加熱面によると、
請求項２の作用と請求項４の作用とによりその設定温度
を２２０℃〜３７０℃の範囲内で設定することにより液
滴の蒸発速度を金属加熱面による最大蒸発速度に対して
約５割高めることが可能となる。

【００２２】請求項７に記載の発明によれば、燃焼室に
繋がるインテークマニホールドに予め気化した燃料のみ
を送るように気化室を備えた構成であっても、気化室に
設けられた加熱体の噴射ノズルの噴射域に配置された加
熱面がセラミック被覆層で被覆されることにより気化が
促進される。そのため、噴射ノズルから噴射された燃料
とほぼ同量の気化燃料がその燃焼サイクルにインテーク
マニホールドを介して燃焼室に供給される。未気化燃料
の発生を考慮して燃料噴射量の多めの調節をする必要が
なくなる。

【００２３】請求項８に記載の発明によれば、請求項１
〜請求項７のいずれか一項に記載の作用を得る。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体化した燃料気
化装置を図１〜図４に基づいて説明する。図１に示すよ
うに、ガソリンエンジン１の燃焼室２には吸気バルブ３
を介して燃料供給通路としてのインテークマニホールド
４が繋がって配置されている。インテークマニホールド
４内には、吸気バルブ３より所定距離だけ上流側に燃料
噴射装置としてのフューエルインジェクタ５がそのノズ
ル５ａをインテークマニホールド４内に突出させた状態
に設けられている。燃料気化装置を構成する燃料気化用
のヒータ６はインテークマニホールド４内にフューエル
インジェクタ５の噴射指向先と対応する位置に配置され
ている。

【００２５】図２に示すように、ヒータ６は、基材とし
てのＳＵＳ（ステンレス鋼）よりなる金属板７の上面に
結合材８を介して低熱伝導率のセラミックとして知られ
るジルコニア（ＺｒＯ₂ ）からなるセラミック被覆層９
を被覆して形成された加熱体１０と、この加熱体１０の
裏面側に配置された熱供給手段を構成する通電発熱部材
１１とを備えている。

【００２６】通電発熱部材１１は温度制御回路１３を介
してバッテリ電源１２と接続されている。温度制御回路
１３には金属板７の側面に接触してその温度を検出する
ための温度センサ１４が接続されており、この温度セン
サ１４からの検出信号に基づき温度制御回路１３により
通電発熱部材１１を流れる電流値が制御されてセラミッ
ク被覆層９の表面が所定温度（本実施の形態では約３０
０℃）に保持されるようになっている。

【００２７】セラミック被覆層９は、ジルコニア（Ｚｒ
Ｏ₂ ）が溶射法（例えばプラズマ溶射法）により溶射さ
れて形成されている。セラミック被覆層９の層厚Ｔz は
１００〜５００μｍの範囲にある。また、ＳＵＳからな
る金属板７の表面へのジルコニア（ＺｒＯ₂ ）の結合力
を高める目的から結合材８を介してセラミック被覆層９
を被覆させている。本実施の形態では結合材８としてニ
ッケルクロム・アルミ・コバルト・イットリア複合体
（第１メテコ株式会社製；４６１ＮＳ又は、３６５−
２）を使用している。また、ジルコニア（ＺｒＯ₂ ）は
比較的粒径の粗いもの（第１メテコ株式会社製；２０１
ＢＮＳ又は２０４）を使用している。

【００２８】セラミック被覆層９は金属板７の表面全体
に形成されており、セラミック被覆層９の表面面積（す
なわち溶射面積）は、噴射ノズル５ａから噴射される燃
料の照射域がその面上に全て収まる広さに設定されてい
る。

【００２９】また、セラミック被覆層９の表面粗度は、
約１０〜５０μｍの範囲にある。これは溶射法によりセ
ラミック被覆層９を形成する場合、その溶射粉末の粒度
に応じた径を有する微小な凹凸部がその表面に形成され
るためで、本実施の形態では比較的粗いジルコニア粉末
を溶射粉末として使用しているため約１０〜５０μｍの
径を有する微小な凹凸部がその表面に形成されたことに
よる。フューエルインジェクタ５の噴射ノズル５ａから
噴射される燃料の液滴径が数百μｍオーダにあることか
ら、その微小な凹凸部は液滴径に比較して十分小さいも
のである。尚、本実施の形態では、低熱伝導性のセラミ
ックとしてジルコニア（ＺｒＯ₂ ）を使用しているが、
低熱伝導性のセラミックとして知られるその他のセラミ
ック材料にて被覆層を形成することもできる。

【００３０】次に、燃料気化装置の作用を説明する。イ
グニションキーがオンされてエンジン１が駆けられる
と、温度制御回路１３により通電発熱部材１１が通電さ
れて加熱体１０が加熱されるとともに、フューエルイン
ジェクタ５の噴射ノズル５ａから燃料の噴射が開始され
る。加熱面温度は３００℃まで速やかに達してその温度
で保持される。通電発熱部材１１の通電は継続されてエ
ンジン１の駆動中は加熱面温度が３００℃に保持され
る。

【００３１】噴射ノズル５ａから噴射された燃料は霧状
に噴霧される。このとき、十分に霧化されなかった液滴
Ｆは噴射の勢いでヒータ６の加熱面Ｓ上に付着する。特
に、噴射域中心部は燃料が霧化され難いため、その多く
が液滴Ｆとして加熱面Ｓ上に付着する。完全燃焼に寄与
し得る臨界液滴径より大きな液滴Ｆは少なくとも全て加
熱面Ｓ上に付着する。

【００３２】この液滴付着前は、セラミック被覆層９の
表面温度は３００℃に保持されている。セラミック被覆
層９はその層厚Ｔz が１００〜５００μｍと非常に薄い
膜であるため、加熱面温度が３００℃の設定温度に達し
ていればその層内は３００℃の均一な温度になってい
る。セラミック被覆層９の表面に付着した燃料の液滴Ｆ
は、その界面から伝達される熱により加熱されて気化す
る。

【００３３】すなわち、図３に示すように、セラミック
被覆層９の表面（以下、加熱面という）Ｓに付着した液
滴Ｆは、その液滴Ｆとセラミック被覆層９との接触界面
Ｐを介してセラミック被覆層９側から伝達された熱によ
り沸騰して気化する。

【００３４】まず液滴Ｆが加熱面Ｓに付着すると、低温
の液滴と接触すること、及びこれに引き続き接触面にお
いて液が局部的に蒸発してセラミック被覆層９から熱が
急激に奪われることにより、液滴Ｆの付着直前までその
表面温度Ｔa が３００℃になっていたセラミック被覆層
９の表面温度が瞬間的に温度Ｔb に低下する。その後、
温度Ｔｂまで降温した低温部にその回りから熱が供給さ
れることにより、その瞬間的にできた大きな温度勾配が
小さくなる。

【００３５】ここで、セラミック被覆層９は、その材質
が低熱伝導率のジルコニア（ＺｒＯ ₂ ）からなることか
ら、低温部に回りから供給される単位時間当たりの熱量
が、金属等のような高熱伝導性の材質のものに比較して
かなり小さい。一方、加熱面側から液滴Ｆ側へその界面
Ｐを介して熱伝達による熱の流出があるため、この熱流
出と、界面付近の低温部への熱伝導による熱の流入との
間で一種の平衡状態に達する。そして、金属等の高熱伝
導率の材質のものに比較して初期にできた大きな温度勾
配が十分回復し切らないうちに、その界面温度が初期温
度Ｔａ（＝３００℃）に比較してかなり低い温度Ｔc で
平衡状態に達し、その平衡状態を保って液滴Ｆの蒸発が
進む。

【００３６】加熱面Ｓを形成する材質が金属等のように
熱伝導率の高い材質であれば、温度勾配はさほどできず
界面温度Ｔｃはほぼ３００℃のままとなる。しかし、セ
ラミック、特にその中でも熱伝導率の比較的小さな材質
であるジルコニア（ＺｒＯ₂）であるため、セラミック
被覆層９中には、図３に示すように接触界面Ｐ近傍の極
く表層領域に、界面温度Ｔｃから温度Ｔａ（＝３００
℃）までの連続的な大きな温度勾配を示す領域Ｒ（二点
鎖線で囲まれた領域）ができる。尚、同図中の斜線部分
が液滴蒸発中における温度Ｔa （＝３００℃）温度領域
となる。

【００３７】つまり、液滴Ｆの付着直前まで３００℃に
加熱されていても、液滴Ｆが付着してその液滴Ｆが蒸発
し続けている間は、その界面Ｐの温度Ｔc が３００℃よ
り十分低く保持される。この温度Ｔc は最大蒸発率点付
近となる。

【００３８】そして、その界面温度Ｔc が金属加熱面で
の最大蒸発率点付近にまで抑えられれば、液滴Ｆは加熱
面Ｓ上で核沸騰して短時間のうちに気化し、従来技術で
述べたように加熱面で液滴Ｆが十分に気化し切れず残っ
たりすることはない。また、加熱面温度が従来金属加熱
面の場合にはライデンフロスト現象が起きると言われて
いるライデンフロスト点ＴL より１００℃近くも高い
が、セラミック被覆層が設けられているとライデンフロ
スト現象が起こらないため臨界液滴径以上の微粒化され
ていない液滴Ｆがそのまま燃焼室２に吸入される事態に
は至らない。こうして燃焼室２には完全燃焼に寄与し得
る霧化もしくは気化した燃料のみが供給されることにな
り完全燃焼が実現される。しかも、噴射された燃料はそ
の燃焼サイクルで全て燃焼室２に供給されるため、未気
化分を考慮して噴射量を多めに調節する必要がなくな
り、燃費の向上を図ることが可能となる。また、臨界液
滴径以上の液滴Ｆが燃焼室２に供給されることが無くな
るので不完全燃焼は回避され排気ガスの清浄化にも寄与
する。

【００３９】ここで、セラミック被覆層９の層厚Ｔz を
１００〜５００μｍとしており、層厚Ｔz が１００μｍ
以上確保されているので、母材の金属（ＳＵＳ）の影響
を受けることなく温度勾配領域Ｒに適度な温度勾配が形
成される。その結果、加熱面温度Ｔa は十分な高温に設
定でき、その分液滴Ｆの蒸発速度を高めることが可能と
なる。また、層厚Ｔz を５００μｍ以下に抑えたので、
液滴気化後の加熱面温度Ｔa を次の燃料噴射時期までに
その設定温度３００℃に確実に回復させることが可能と
なる。そのため、セラミック被覆層９の表面温度が３０
０℃に回復しないうちに次の燃料噴射が行われこれが繰
り返されて界面温度Ｔc が核沸騰域の温度より低くなっ
てしまい蒸発速度の向上が図れなくなる事態を回避する
ことが可能となる。もし、このような事態を回避できな
くなると燃料の一部が加熱面上に残存することになり燃
費の向上を図れなくなる。尚、加熱面温度が３００℃と
従来装置より高くなるが、吸入空気の熱膨張による減少
はさほど起こらず必要な吸入空気量は十分確保される。

【００４０】次に、セラミック被覆層９が最大蒸発率点
の高温側へのシフトに寄与することを示す実験結果を図
４に示す。アルミニウム（Ａｌ），ＳＵＳ（ステンレス
鋼），及びＳＵＳを基材としてその表面に細かいジルコ
ニア（ＺｒＯ₂ ），粗いジルコニア（ＺｒＯ₂ ），細か
いアルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ），粗いアルミナ（Ａｌ
₂ Ｏ ₃ ）を溶射してそれぞれの被覆層を形成したものと
の合計６種類の固体面試料を加熱面として用いた。図４
は、各固体面試料について、初期加熱面温度Ｔａに対す
るその加熱面上に滴下したガソリン液滴の寿命（蒸発時
間）を示した実験結果からのグラフである。

【００４１】熱電対により加熱面温度Ｔa が定常状態に
達した後、マイクロシリンジで針状先端部に付着させた
ガソリン２．８５μｌを振動させて加熱面Ｓ上に滴下し
た。蒸発時間は高速ビデオカメラを用いて測定し、１se
c.以上の測定は目視によりストップウォッチで行った。

【００４２】図４のグラフから分かるように、金属（Ａ
ｌ，ＳＵＳ）の加熱面の最大蒸発率点は２１０℃付近に
あり、これを超える温度では蒸発時間が長くなってい
る。このことからヒータの加熱面を金属とする従来装置
ではその加熱面温度を約２１０℃を超えると返って液滴
寿命が低下することが分かる。

【００４３】一方、セラミックを被覆した加熱面による
と、金属加熱面の最大蒸発率点である約２１０℃を超え
ても寿命（蒸発時間）は短く維持される。特にＺｒＯ₂
は、金属加熱面の最大蒸発率点である約２１０℃を超え
た広い温度範囲で寿命が比較的短く維持される。

【００４４】細かいジルコニア（ＺｒＯ₂ ）では約２１
０℃〜約３９０℃の温度範囲でその寿命（蒸発時間）を
金属の最短寿命（約３００msec. ）よりも僅かながら短
できることが分かる（温度約３１０℃で最短寿命約２４
０msec. ）。また、粗いジルコニア（ＺｒＯ₂ ）では約
１４０℃〜約４６０℃の温度範囲でその寿命（蒸発時
間）を金属の最短寿命（約３００msec. ）よりも短くで
きることが分かる。特に粗いジルコニアでは約２２０℃
〜約３７０℃の温度範囲でその寿命が約２００msec. と
なっており、これはガソリンの液滴寿命を金属加熱面の
最短寿命に対して約２／３にできることを意味する。

【００４５】また、ジルコニアは広い温度範囲で寿命が
短く維持されている。これは加熱面温度が多少ばらつい
て例えば高温側にシフトしてもライデンフロスト現象が
起こらないことを意味している。これに対し金属加熱面
（Ａｌ）では加熱面温度が２１０〜２２０℃の範囲で液
滴寿命が著しく増加しており、加熱面温度を最大蒸発率
点（約２１０℃）に設定しても僅かな温度の上昇により
液滴寿命が長くなって臨界液滴径以上の微粒化されない
液滴燃料が燃焼室２に供給される事態となる。また、ジ
ルコニアの最大蒸発率点は、このグラフからの把握は難
しいが、おおよそ３００℃前後にあるものと推察され
る。尚、粗いジルコニアは本実施の形態のセラミック被
覆層９の溶射原料に使用したものと同じものである。

【００４６】粗いジルコニアが液滴寿命の短縮に効果が
ある原因の一つとして、溶射により形成されたセラミッ
ク被覆層９の表面に約１０〜５０μｍ径の微細な凹凸部
が形成されていることが挙げられる。これは微細な凹凸
部が沸騰時に発生する気泡の核となって低温域から気泡
の発生を促進し、その内部にできた多数の気泡による液
滴表面積の増大が気化を促進させるためである。また、
適度に微細な径を有する凹凸部が加熱面上に多数あるこ
とにより液滴と加熱面との接触面積を広く確保すること
ができ、加熱面から液滴へ伝達される単位時間当たりの
熱量が増大することも挙げられる。これらの要因から粗
いジルコニアでは測定した全ての温度範囲において液滴
寿命が各試料の中で最短となったものと推察される。

【００４７】このように加熱面Ｓをセラミック被覆層９
で被覆して形成することにより、金属加熱面を有する従
来ヒータに比較してガソリン液滴の蒸発速度を約１．５
倍にできれば、加熱面Ｓに付着した燃料の液滴Ｆのほぼ
全てをその吸気タイミング時期中に気化させることが可
能となる。その結果、燃焼室２では臨界液滴径未満に微
粒化された燃料だけが供給されて完全燃焼が実現される
とともに、噴射ノズル５ａからの燃料噴射量も多めに調
節する必要がなくなるため、燃費も向上及び排気ガスも
清浄化を図ることが可能となる。

【００４８】従来技術で述べたように吸気タイミング時
期に加熱面上の液滴が十分気化し切れず必要な供給燃料
量を確保するため噴射ノズルからの噴射量を多めに設定
して燃費が悪くなることが回避される。また、加熱面温
度が経時的にばらついたり加熱面に温度のむらができて
も、図４のグラフから分かるように広い温度範囲におい
て液滴寿命短縮の効果が認められるので、多少温度が高
温側にばらついたとしてもライデンフロスト現象が発生
して蒸発速度が低下することがない。その結果、従来技
術で述べたように、気化される前にライデンフロスト現
象により浮き上がった液滴が吸入空気とともに燃焼室に
供給されてしまうこともないため、従来装置のように燃
焼室に供給されてしまった臨界液滴径以上の大きな液滴
により不完全燃焼がもたらされ燃焼室内でカーボンとし
て残ったりＨＣ等が不完全燃焼ガスの一部として排気さ
れることが防止される。

【００４９】以上詳述したように本実施の形態のヒータ
６によれば、以下に列記する効果が得られる。 （ａ）ヒータ６の加熱面Ｓを低熱伝導性のセラミック被
覆層９で被覆したことにより、燃料液滴Ｆの最大蒸発率
点を、事実上、高温側へシフトすることことができる。
そのため、加熱面温度Ｔa を３００℃としても、燃料液
滴Ｆがライデンフロスト現象を起こすことがなく、吸気
タイミング時期中に加熱面Ｓ上に噴射された燃料液滴Ｆ
のほぼ全てを気化させることができる。その結果、加熱
面Ｓ上に未気化燃料が残ることがないうえ、微粒化され
ていない燃料液滴が燃焼室２に供給されてしまうことも
ないので、燃費の向上及び排気ガスの清浄化を図ること
ができる。

【００５０】（ｂ）セラミック被覆層９の材質をジルコ
ニア（ＺｒＯ₂ ）としたので、最大蒸発率点の高温側へ
のシフト量を大きくして設定温度を十分高温側に設定す
ることができるので、加熱面Ｓ上での燃料液滴Ｆの寿命
（蒸発時間）を短くして気化率を十分高めることができ
る。

【００５１】（ｃ）セラミック被覆層９の層厚Ｔz を１
００〜５００μｍの範囲としたので、界面近傍に適度な
温度勾配領域Ｒを形成して加熱面温度（設定温度）Ｔa
を、十分高めに設定することができるとともに、加熱面
温度の設定温度への迅速な温度回復も実現できる。

【００５２】（ｄ）粗いジルコニアを溶射原料粉末とし
て使用してセラミック被覆層９の表面（加熱面Ｓ）に１
０〜５０μｍ径相当の微細な凹凸部を多数形成したの
で、この微細な凹凸部が気泡の核となって気泡が多数発
生して液滴表面積を増大させることができるうえ、微細
な凹凸部により液滴Ｆと加熱面との接触面積が増加して
加熱面から液滴への単位時間当たりの熱伝達量を増加さ
せることができる。その結果、液滴の蒸発速度を増加さ
せて気化率の向上を図ることができる。また、粗いジル
コニアによる溶射被覆層によれば広い温度範囲で液滴寿
命短縮の効果が認められることから、設定温度（加熱面
温度Ｔa ）が多少高温側にばらついてもライデンフロス
ト現象が起きず臨界液滴径以上の燃料液滴Ｆが燃焼室２
に送られる事態を回避することができる。

【００５３】（ｅ）加熱面温度Ｔa （設定温度）を２２
０〜３７０℃の温度範囲内である３００℃に設定したの
で、ガソリン液滴Ｆの寿命（蒸発時間）を金属加熱面で
の最短寿命の約２／３に短縮することができる。

【００５４】尚、本発明は上記実施の形態に限定される
ものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で例えば次
のように構成することもできる。 （１）図５に示すように、ＳＵＳ（ステンレス鋼）等の
金属からなる通電発熱部材２１の上面に結合材８を介し
てジルコニア（ＺｒＯ₂ ）からなるセラミック被覆層９
を形成し、通電発熱部材が基材を兼ねた構成としてもよ
い。この構成によればヒータ６の構造が簡単で済むう
え、通電発熱部材２１に結合材８のみを介してほぼ直接
的にセラミック被覆層９を結合させているので、加熱面
Ｓの温度応答性を良好とすることができる。

【００５５】（２）図６に示すように、ＰＴＣセラミッ
クからなる通電発熱部材２２の上面にジルコニア（Ｚｒ
Ｏ₂ ）からなるセラミック被覆層９を直接形成した構成
としてもよい。この場合、ＰＴＣセラミック２２のキュ
ーリ温度を１４０℃〜４４０℃の範囲に設定すれば、金
属加熱面よりもガソリン液滴Ｆの寿命を短くすることが
でき、特にキューリ温度を２２０℃〜３７０℃の範囲に
設定すれば金属加熱面での最大寿命に対してガソリン液
滴Ｆの寿命を約２／３とすることができる。よって、キ
ューリ温度を２２０℃〜３７０℃の範囲に設定すること
が特に望ましい。この構成によれば、前記（１）の構成
に加え、温度制御が不要となり温度制御回路１３や温度
センサ１４等を無くすことができる。

【００５６】（３）図７に示すように、燃料をインテー
クマニホールド４を介して燃焼室２に送る前に予め気化
させるための気化室２３を備えた燃料供給装置２４に本
発明を適用してもよい。ガソリンＧを蓄えた燃料タンク
２５に接続されたフューエルインジェクタ５の噴射ノズ
ル５ａは気化室２３に突出しており、この噴射ノズル５
ａが指向する気化室２３内の底面にヒータ６は配置され
ている。ヒータ６はＰＴＣセラミックからなる通電発熱
部材２６にジルコニア（ＺｒＯ₂ ）からなるセラミック
被覆層９が被覆されて形成されている。通電発熱部材２
６はそのキューリ温度が約３００℃に設定されており、
バッテリ電源１２からの電流により発熱するようになっ
ている。気化室２３はパイプ２７を介してインテークマ
ニホールド４と接続されており、パイプ２７に設けられ
た電磁バルブ２８の開閉制御により気化室２３からイン
テークマニホールド４側への気化燃料の供給量がコント
ロールされる。この構成によれば、噴射ノズル５ａから
所定タイミングで加熱面Ｓに噴射された燃料を電磁バル
ブ２８が開くタイミング時期までにそのほぼ全てを気化
させることができ、燃焼室２に必要な気化燃料を確保す
るため噴射ノズル５ａの噴射量を多めに設定する必要が
なくなるため燃焼の消費量を低減することができる。ま
た、いつも噴射量に応じた一定濃度の気化燃料を確保す
ることができる。

【００５７】（４）図２のヒータ６の設定温度は３００
℃に限定されず、２２０℃〜３７０℃の範囲のその他の
温度に設定してもよい。この構成によってもガソリン液
滴の蒸発速度を金属加熱面のときの最大蒸発速度の約
１．５倍とすることができる。また、設定温度を１４０
〜４４０℃の範囲としてもよい。この構成によればガソ
リン液滴の蒸発速度を金属加熱面のときの最大蒸発速度
より良くすることができる。

【００５８】（５）図２のヒータ６において、通電発熱
部材１１に替えてＰＴＣセラミックを用いて金属板７を
加熱する構成とし、温度制御回路１３や温度センサ１４
を無くしてもよい。

【００５９】（６）セラミック被覆層９の材質をジルコ
ニア（ＺｒＯ₂ ）以外の低熱伝導率を有するその他のセ
ラミックとしてもよい。例えばジルコンを用いてもよ
い。また、ジルコニアを部分安定化ジルコニアや安定化
ジルコニアとしてもよい。

【００６０】（７）セラミック被覆層９の形成方法は溶
射法に限定されない。例えば反応性イオンプレーティン
グ法，活性化反応性蒸着法（ＡＲＥ法），ホローカソー
ド放電法（ＨＣＤ法）等によりセラミック被覆層９を形
成してもよい。

【００６１】（８）焼結して得られたジルコニアの薄板
をロー付け等の手法により基材上に結合してセラミック
被覆層９としてもよい。 （９）熱供給手段は、通電発熱部材を熱源とする構成に
限定されない。例えば、排気ガスの余熱を利用して加熱
体１０を加熱する構成としてもよい。特開昭４９−１２
００２３号公報に開示された燃料気化装置の加熱板上に
例えばジルコニアのセラミック被覆層を形成し、燃料の
蒸発速度の向上を図ってもよい。または、排ガスの余熱
を利用して加熱体１０を加熱し、設定温度に満たない場
合は通電発熱部材による熱の補給をする構成としてもよ
い。

【００６２】（１０）基材の材質を金属板７のような金
属に代えて、高熱伝導率を有するセラミックとしてもよ
い。例えばＳｉＣ，Ｓｉ₃ Ｎ₄ 等を用いてもよい。 （１１）燃料はガソリンに限らず、メタノールなどその
他の液体燃料を使用するガソリンエンジンに本発明を適
用してもよい。

【００６３】前記実施の形態から把握され、特許請求の
範囲に記載されていない発明を、その効果とともに以下
に記載する。 （イ）請求項１〜請求項７のいずれか一項において、前
記セラミック被覆層は溶射法により形成された。溶射原
料粉末の粒度を適宜に選定することにより表面に１０〜
５０μｍの微細な凹凸部を有するセラミック被覆層を簡
単に形成することができる。

【００６４】（ロ）請求項１〜請求項７のいずれか一項
において、前記熱供給手段はＰＴＣセラミックからなる
通電発熱部材を備えた。この構成によれば、温度制御を
しなくて済む。

【００６５】（ハ）前記（ロ）において、前記ＰＴＣセ
ラミックのキューリ点は２２０℃〜３７０℃の範囲内に
ある。この構成によれば、加熱面温度を２２０℃〜３７
０℃とすることができ、この広い温度範囲内において液
滴寿命を金属加熱面での最短寿命の約２／３とすること
ができる。

【００６６】

【発明の効果】以上詳述したように請求項１に記載の発
明によれば、加熱体の加熱面を高熱伝導率の基材に低熱
伝導率のセラミックからなるセラミック被覆層で被覆し
て形成し、その設定温度を金属加熱面の最大蒸発率点よ
りも高く設定できるようにしたので、加熱面に噴射され
た燃料の気化率を高めることができる。その結果、噴射
ノズルから噴射された燃料を一層多く気化燃料としてそ
の燃焼サイクルに燃焼室に供給することができ燃費の向
上を図ることができる。また、加熱面を金属加熱面の最
大蒸発率点よりも高く設定しても燃料液滴がライデンフ
ロスト現象を起こすことが抑えられ燃料が液滴のまま燃
焼室に供給されてしまうことがないので、ＨＣ等が発生
し難く排気ガスの清浄化を図ることもできる。さらに冬
期等での低温始動性を向上させることもできる。

【００６７】請求項２に記載の発明によれば、セラミッ
ク被覆層をセラミックの中でも特に低熱伝導性に属する
ジルコニアとしたので加熱面の設定温度を金属加熱面の
最大蒸発率点よりも十分高く設定することでき、また広
い温度範囲で燃料の気化率を一層高めることができる。
請求項３に記載の発明によれば、セラミック被覆層の
厚みを１００〜５００μｍの範囲としたので、設定温度
を金属加熱面の最大蒸発率点より適度に高く設定できる
うえ、加熱面の温度回復も速やかとなるので、燃料の気
化率の効果的な向上を図ることができる。

【００６８】請求項４に記載の発明によれば、セラミッ
ク被覆層の表面を１０〜５０μｍ径相当の微細な凹凸部
を有するように形成し、気泡発生の核となる微細な凹凸
部により気泡発生数を促進させ液滴表面積を増加させる
とともに、微細な凹凸部により液滴と加熱面との接触面
積を増加させ単位時間当たりの熱伝達量を増加させたの
で、燃料液滴の気化率を一層高めることができる。

【００６９】請求項５に記載の発明によれば、ジルコニ
アからなるセラミック被覆層の表面を１０〜５０μｍ径
相当の微細な凹凸部を有するように形成し、その加熱面
の設定温度を１４０℃〜４４０℃の範囲内に設定したの
で、燃料液滴の蒸発速度を金属加熱面を用いたときの最
大蒸発速度よりも高めることができる。

【００７０】請求項６に記載の発明によれば、請求項５
の発明における設定温度を特に２２０℃〜３７０℃の範
囲内に限定したことにより、液滴の蒸発速度を金属加熱
面を用いたときの最大蒸発速度に対して約５割高めるこ
とができる。

【００７１】請求項７に記載の発明によれば、燃焼室に
繋がるインテークマニホールドに予め気化した燃料のみ
を送るように気化室を備えた構成であっても、気化室に
設けられた加熱体の加熱面に噴射された燃料の気化が促
進されて未気化分を考慮して多めに噴射量を設定する分
が不要もしくは少なくて済むので、燃料の消費量を低減
することができる。

【００７２】請求項８に記載の発明によれば、請求項１
〜請求項７のいずれか一項に記載の効果を得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】ヒータを備えるガソリンエンジンの部分側断面
図。

【図２】燃料気化装置の概略側断面図。

【図３】燃料液滴の気化メカニズムを説明するための模
式断面図。

【図４】加熱面温度に対する液滴寿命を示すグラフ。

【図５】別例の燃料気化装置の概略側断面図。

【図６】図６と異なる別例の燃料気化装置の概略側断面
図。

【図７】別例の燃料供給装置の模式側断面図。

【図８】蒸発速度曲線のグラフ。

【符号の説明】

１…ガソリンエンジン、２…燃焼室、４…燃料供給通路
としてのインテークマニホールド、５…燃料噴射装置と
してのフューエルインジェクタ、５ａ…噴射ノズル、６
…燃料気化装置を構成するとともに燃料気化用ヒータと
してのヒータ、７…基材としての金属板、９…セラミッ
ク被覆層、１０…加熱体、１１，２１，２２…熱供給手
段を構成する通電発熱部材、１２…熱供給手段を構成す
るバッテリ電源、１３…同じく温度制御回路、１４…同
じく温度センサ、２３…燃料供給通路としての気化室、
Ｓ…加熱面，Ｔz …層厚。

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガソリンエンジンの燃焼室に繋がる燃料
   供給通路内において燃料噴射装置の噴射ノズルの噴射域
   に加熱面を配置する加熱体と、前記加熱面が設定温度と
   なるように前記加熱体を加熱するための熱供給手段とを
   備えた燃料気化装置であって、 前記加熱体は、金属もしくは高熱伝導率のセラミックか
   らなる基材と、該基材の表面に前記加熱面を形成すべく
   被覆された低熱伝導率のセラミックからなるセラミック
   被覆層とを備えた燃料気化装置。
2. 【請求項２】 前記セラミック被覆層はジルコニアから
   なる請求項１に記載の燃料気化装置。
3. 【請求項３】 前記セラミック被覆層の厚みは１００〜
   ５００μｍの範囲である請求項１又は請求項２に記載の
   燃料気化装置。
4. 【請求項４】 前記セラミック被覆層の表面には１０〜
   ５０μｍ径相当の凹凸部が形成された請求項１〜請求項
   ３のいずれか一項に記載の燃料気化装置。
5. 【請求項５】 前記セラミック被覆層の表面には１０〜
   ５０μｍ径相当の凹凸部が形成され、前記加熱面の設定
   温度は１４０℃〜４４０℃の範囲内に設定された請求項
   ２に記載の燃料気化装置。
6. 【請求項６】 前記加熱面の設定温度は２２０℃〜３７
   ０℃の範囲内に設定された請求項５に記載の燃料気化装
   置。
7. 【請求項７】 前記燃料供給通路は、前記燃焼室に繋が
   るインテークマニホールドと該インテークマニホールド
   に繋がるとともに前記噴射ノズルが設けられた気化室と
   を備え、前記加熱体は前記気化室内において前記噴射ノ
   ズルの噴射域に前記加熱面を配置するように設けられた
   請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の燃料気化装
   置。
8. 【請求項８】 前記請求項１〜請求項７のいずれか一項
   に記載の前記加熱体を備えた燃料気化用ヒータ。