JP2004138012A - Fuel vaporization accelerator and internal combustion engine equipped with the same - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車用内燃機関の燃料気化促進装置およびこれを搭載した内燃機関に関するものであって、燃料気化促進装置での燃料気化量の拡大を図るのに好適な技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
内燃機関の始動性向上、排気浄化、特にHC低減の手段として、内燃機関に燃料噴射弁(インジェクタ)で噴射する燃料噴霧を微粒化および気化して供給することが有効である。内燃機関に微粒化および気化した燃料噴霧を供給するために、主として内燃機関の始動時などに補助的に使用される燃料噴射弁(インジェクタ)を設けることが知られている。例えば、コールドスタートフューエルインジェクタと、ヒーターと、アイドルスピードコントロールバルブ(以下ISCバルブという)とを備えたコールドスタートフューエルコントロールシステムが知られている(例えば、特許文献1参照)。
このシステムでは、内燃機関のISCバルブ下流に配設した燃料噴射弁より噴射された噴霧とISCバルブを通過した吸入空気に旋回を加えることで混合促進を図るとともに、混合促進された混合気を燃料噴射弁下流に配設された円筒状ヒータ内に衝突さて燃料を気化させている。そして、円筒状ヒータ内周面で燃料を旋回させることにより、ヒータ部での噴霧の滞留時間を拡大し、燃料気化量の拡大を図っている。
【特許文献1】
USP5,894,832号公報(第5コラム、第2図)。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように上記従来システムでは、吸入空気に旋回を加えることで噴霧と吸入空気の混合促進を図るとともに、燃料噴射弁下流に配設されたヒータに噴霧を旋回衝突させ、滞留する時間の拡大を図り、燃料気化量の拡大を図っている。
【0004】
ここで、大排気量である内燃機関においては、燃料噴射弁からの燃料噴射量が拡大する。よって、ヒータ伝熱面においては、噴射量の拡大に対応した燃料気化能力の向上が必要である。その対策として、ヒータ容量の増大や伝熱部面積の拡大等の手段があげられる。しかし、これらの対策の場合、ヒータ伝熱部の消費電力の増大や装置の大型化を招き、内燃機関への搭載性を別途考慮しなければならなくなる。
【0005】
本発明の目的は、簡単な構造で燃料がヒータ伝熱面に滞留する時間を格段に拡大する手段を設けることにより、ヒータから燃料へ伝達する熱量を拡大し、燃料の気化量を拡大することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、主として始動時などに補助的に使用される燃料噴射弁下流側に配設されたヒータ伝熱部面上、もしくはその下流側に少なくともひとつ以上の絞りを設けた。この絞り内周部には伝熱部軸流方向上下流側の両方もしくは一方に突き出した突起が形成されている。この突起を設けた絞りを伝熱部へ配設することにより、燃料液膜をほぼ均一厚さにし、ヒータ伝熱面と燃料液膜との接触面積を増加させることができるとともに、伝熱部にて燃料が滞留する時間を拡大させることができ、伝熱面から燃料噴霧へ伝達される熱量を増大できるため、燃料の気化量を増加できる。その結果、ヒータ枚数を削減でき、ヒータ部の小型化が実現できる。
【0007】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例について、図1乃至図8を用いて説明する。
【0008】
図1において、内燃機関1はガソリンを燃料とする周知の点火式内燃機関であるが、1つの気筒のみに着目し図示している。
【0009】
内燃機関1は、燃焼室2に点火プラグ3を配置し、空気とガソリンの混合空気を取り入れる吸気弁4と燃焼後の排気を行なう排気弁5を備えている。内燃機関1は、燃焼室2の側部にエンジン冷却水6の温度を検知する水温センサ7とエンジンの回転数を検知する回転センサ(図示省略)を備え、運転状態を検知している。
【0010】
燃焼室2に吸気を行なう吸気系は、エアクリーナ(図示省略)を通過して吸入される吸入空気26量の計測をするエアフローセンサ8と、運転者のアクセルペダル操作もしくは、内燃機関の運転状態に連動して回動する回転軸134に取付けられ開閉するバルブ部131にて吸入空気量を電気的に制御する電子制御スロットルバルブ10と、スロットルポジショニングセンサ130と、吸気集合管11と、吸気集合管11から内燃機関1の各気筒に分岐する吸気マニホールド39と、吸気弁4を備えた吸気ポート14等を備える。
【0011】
エアフローセンサ8にて計測した吸入空気26流量と、スロットルポジショニングセンサ130で計測したスロットルバルブ10のバルブ部131開度情報は、コントローラ35に入力し、内燃機関1の運転状態の検出や種々の制御に使用する。
【0012】
燃料系は、燃料24を貯える燃料タンク16と、燃料タンク16から燃料24を圧送する燃料ポンプ17と、燃料フィルタ18と、圧送された燃料24の圧力を所定の圧力に調整するプレッシャレギュレータ19と、各気筒(#1,#2・・・)の吸気ポート14に燃料を噴射する燃料噴射弁12と、バルブ部131下流に燃料を供給する燃料噴射弁13を備え、これらは、燃料配管38で接続されている。
【0013】
燃料噴射装置は、燃料噴射弁12で構成されている。燃料噴射弁12は、吸気集合管11の下流で各気筒の吸気弁4に向けて噴射するように吸気ポート14に配設されている。
【0014】
燃料気化促進装置100には、燃料噴射弁13が取り付けられている。また、燃料気化促進装置100は、電子制御スロットルバルブ10下流側に開口した分岐通路15に接続され、燃料噴射弁13から噴射される燃料が気化燃料として吸気集合管11に供給されるように構成されている。また、エアフローセンサ8で計量された吸入空気26量を、燃料気化促進装置100へ導入するため電子制御スロットルバルブ10の上流から下流へバイパスするように、吸気管9から分岐されたバイパス通路22,23が形成されている。バイパス通路22は、燃料噴射弁13から噴射された燃料24を搬送するための空気通路である。また、バイパス通路22の途中に設けられた流量調整弁25により、バイパス通路22を流れる空気量を調整している。バイパス通路23は、燃料噴射弁13から噴射される燃料24の微粒化のために活用されるエアアシスト用の空気通路である。
【0015】
排気系は、各気筒の排気弁5を備える排気ポート36と、排気マニホールド37と、排気中の酸素濃度を計測する酸素濃度センサ20と、排気を浄化するための三元触媒コンバータ21と、消音マフラー(図示省略)等で構成されている。酸素濃度センサ20で計測した酸素濃度情報は、コントローラ35に入力して内燃機関1の運転状態の検出や種々の制御に使用する。三元触媒コンバータ21は、理論空燃比付近で運転される内燃機関1から排気されるNOx,CO,HCを同時に高い浄化率で浄化するものである。
【0016】
上記構成の内燃機関1において、燃焼室2には、燃料噴射弁12,13により噴射された燃料噴霧と吸入空気26の混合気40が吸入される。燃焼室2に吸入された混合気40は、圧縮され、点火プラグ3にて着火され燃焼が行われ、排気42として内燃機関1外へ排出される。
【0017】
ここで、図2を用いて、内燃機関1の燃焼室2に供給される燃料噴霧の状態における内燃機関1から排出される有害排出ガスの排出量の関係につき説明する。
【0018】
図2(a)は、燃料噴霧の平均粒径の違いと気化燃料を供給した場合に、燃焼の安定性を維持したまま点火時期をどれだけ遅延(リタード)できるかを示す点火時期の限界の関係を示す図である。図示のごとく、燃料噴霧の粒径を小さく、好ましくは、完全に気化した状態で燃料33を内燃機関1の燃焼室2に供給すれば、燃焼の安定化が促進できるために、内燃機関1の膨張行程に入るまで点火時期を大きくリタードさせることが可能となる。膨張行程で点火を行うと燃焼室内の燃焼ガスが膨張する割合が減るため、燃焼ガスが膨張仕事によって消費する熱量を低減でき、高温を保ったまま燃焼ガスを排気マニホールド39に排出することができる。つまり、図2(b)に示すように、点火時期をリタードして高温の燃焼ガスを排出することによって、触媒21を急速に暖機することが可能になり、内燃機関1の始動後から触媒21が活性化温度に達するまでの時間を短縮できる。すなわち、図2(c)に示すように、触媒21の浄化作用が早期に開始されるため、内燃機関1の始動後に排出されるHC量を大幅に低減することができる。なお、触媒(三元触媒コンバータ)21の早期暖機により、HCのみならず、NOx,COの低減も可能である。以上のように、内燃機関1へ供給する燃料噴霧を気化促進することは、内燃機関1の排気浄化のために有効な手段である。
【0019】
つぎに、燃料気化促進装置100の構成について図3乃至図6を用いて説明する。
【0020】
図3(a)は燃料気化促進装置100の外観斜視図である。燃料気化促進装置100の主な外観構成は、ボディ102とヒータボディ101で構成され、ボディ102には、主に燃料噴射弁13と、搬送空気導入パイプ30と、微粒化空気導入パイプ31が配設されている。搬送空気導入パイプ30には、バイパス通路22が連通しており、吸入空気26の一部である搬送空気22aが流入する。微粒化空気導入パイプ31には、バイパス通路23が連通しており、吸入空気26の一部である微粒化空気23aが流入する。そして、燃料噴射弁13には、燃料タンク16より燃料ポンプ17にて圧送され、燃料配管38を介して燃料24が供給される。
【0021】
また、ヒータボディ101には、後述するヒータが内蔵されており、そのヒータへ通電するためのプラスおよびマイナス電極の電極端子28,29が配設されている。ヒータボディ101内にてヒータにより気化された燃料24は、矢印33で示す気化燃料として、燃料気化促進装置100外へと流出し、分岐通路15を介して吸気集合管11へと供給される。
【0022】
つぎに、燃料気化促進装置100の内部構成につき説明する。図3(a)のAおよびB方向矢視図を図3(b),(c)に示す。図4に図3(C)中D−D断面図を示す。図5に図3(b)中C−C断面図を示す。図6に図5中E部拡大断面図を示す。
【0023】
図4は、図3(c)D−D断面である燃料気化促進装置100のボディ102断面図である。ボディ102には、搬送空気導入パイプ30と微粒化空気導入パイプ31が配設されており、搬送空気導入パイプ30は、ボディ102内部の調圧室50に連通している。調圧室50内には、旋回ノズル51が配設されている。なお、搬送空気導入パイプ30は、調圧室50の図中断面中心軸から距離Lだけオフセットした配置構成としている。よって、搬送空気導入パイプ30内を通過する搬送空気22aは、調圧室50の断面中心軸よりオフセットした位置へ導入する。
【0024】
また、旋回ノズル51は、複数の翼断面形状を持つフィン58が円周状に等間隔に形成されており、各フィン58間で形成される通路断面積が搬送空気22a入口側の通路断面積が広く、出口側通路断面積が狭くなる形状となっている。また、各フィン58間を通過する搬送空気流52の流速が一定となるように、調圧室50の通路断面積は下流に進むに従い、徐々に小さくなるスワール形状とする。スワール形状は、調圧室50の外径を一定とし、燃料噴射軸流方向である奥行きの高さを徐々に小さくしていく形状とすることで、限られたスペースでスワール構造が採用できる構造である。
【0025】
また、図中旋回ノズル51断面内周方向には混合室56が形成されている。そして、混合室56上流側には、エアアトマイザ55が配設されている。エアアトマイザ55にはエアアトマイザ噴孔54が穿かれている。噴孔54の上流側には燃料噴射弁13が配設されている。そして、燃料噴射弁13の噴孔57とエアアトマイザ噴孔54が、ほぼ同心円となるように配設されている。微粒化空気導入パイプ31は、エアアトマイザ噴孔54と連通している。よって、燃料噴射弁13より噴射された燃料噴霧は、微粒化空気導入パイプ31を通過した微粒化空気23aにより微粒化促進されながら、エアアトマイザ噴孔54を通過し混合室56へ供給される。エアアトマイザ55上流側の詳細構成は、図5を用いて後述する。
【0026】
図5は、図3(b)中C−C断面図である。電子制御スロットルバルブ10の下流に開口された分岐通路15に取り付けるヒータボディ101の内部には、副通路75が構成されており、副通路75外周には、板状のヒータ77が配設されている。ヒータ77は、上下の平面部が電極となり、上下面の電極に電流を印加することにより、発熱を行なうものである。さらに、発熱体であるヒータ77は、温度が所定温度以上になると、電気抵抗が急増し電流が低下することにより、温度を一定に保持することのできるセラミックヒータであるPTC(Positive Temperature Coefficient Thermistor)ヒータを用いている。
【0027】
副通路75は、Oリング74とガスケット72によりヒータ77等が内蔵されている空間とを分離している。また、ガスケット72は、ヒータボディ101とボディ102で挟み込むように圧縮シールされている。
【0028】
また、副通路75には、通路軸流方向に沿って所定の間隔Lpにて複数個の上流ツバ付き絞り220bが圧入固定されている。詳細は、図6を用いて後述する。
【0029】
ボディ102には、ヒータボディ101と同軸上に配置された燃料噴射弁13を有し、燃料噴射弁13は空気導入孔を持つケース70に圧入固定されたエアアトマイザ55とOリング84,Oリング90でボディ102に内部通路をシールするように位置決めされ、燃料パイプ34と燃料パイプオサエ83でボディ102に固定されている。微粒化空気導入パイプ21は、ケース70外周とボディ102内周面の一部で形成された微粒化空気整圧室71と連通し、整圧室71は、ケース70に穿かれた空気導入孔を介して、燃料噴射弁13外周面とケース70内周面で形成された空間に連通している。その空間は、エアアトマイザ55に穿かれた噴孔54を介して、混合室56へ連通している。また、燃料通路は、燃料パイプ34と燃料噴射弁13の間にOリング73を配設し、シールされている。燃料噴射弁13噴射方向のエアアトマイザ55の下流側には、旋回ノズル51が配設されている。
【0030】
図6は、図5中E部拡大断面図である。PTCヒータ77の周辺には、ヒータボディ101内周面側に断熱効果を考慮して所定の空間の空気層105を介して内筒200が配設されている。内筒200の内周面には絶縁性の弾性材で形成された弾性部材78が面接触して配設されている。弾性部材78の内側の面にはブラス電極板79が面接触して配設されている。プラス電極板79の内側の面にはPTCヒータ77が面接触している。PTCヒータ77の内側の面は、副通路75を構成する伝熱面76の外周面と面接触している。ここで、伝熱面76とは、PTCヒータ77と接している副通路75を構成する伝熱部材89の内面であり、積極的にPTCヒータ77からの熱を副通路75内へ伝達する面である。
【0031】
また、プラス電極板79は電極部80を介し、ヒータボディ101の外側のプラス電極端子28に接続されている。一方、導電性である伝熱部材89は、電極部82に圧入固定され、ヒータボディ101の外側のマイナス電極端子29に接続している。
【0032】
これらの構造により、図3,5,6に示すごとく、プラス電極端子28から電極部80,プラス電極板79,PTCヒータ77と伝熱部材89,および電極部82とマイナス電極端子29は導通する構成となっている。したがって、先述の電極端子28,29に電流を通電することにより、プラス電極板79からPTCヒータ77を介して伝熱部材89へと電流が通電することにより、PTCヒータ77が発熱され、伝熱部材89および伝熱面76を加熱する構造である。なお、電極部80と電極部82は、絶縁部材81にて絶縁された構成である。
【0033】
また、副通路75に配設された上流ツバ付き絞り220bは、副通路75の通路断面積を変化させる絞り形状である。さらに、絞り220bの内周部に連続的なツバ形状の突起を形成している。この突起は、副通路75の伝熱面76軸流方向の上流側に突き出した上流ツバ付き形状である。この上流ツバ付き絞り220bは、外周径φD,絞り内径φd,突起であるツバ高さHの形状で、副通路75の伝熱面76軸流方向に所定間隔Lpにて複数個配設されている。すなわち本実施例では、後に述べる他の実施例と同様に、ツバ形状の突起の内周面は軸流方向に平行な円筒面を形成している。
【0034】
つぎに、上記構成の燃料気化促進装置100を配設した内燃機関1の吸入空気流れにつき説明する。本実施の形態では、内燃機関1を運転する際に電子制御スロットルバルブ10のバルブ部131の上流と下流では圧力差が生じる。このため電子制御スロットルバルブ10のバルブ部131開度が小さい場合や完全に閉じた場合には、吸入空気は電子制御スロットルバルブ10をバイパスする空気通路22,23に流入する。ここで、燃料気化促進装置100は、このバイパス通路内に構成されている。よって、燃料気化促進装置100に配設された燃料噴射弁13から噴射された燃料噴霧85は、微粒化空気23aがエアアトマイザ55を通過して、旋回衝突されるために微粒化される。そして、微粒化された燃料噴霧は、エアアトマイザ噴孔54より燃料噴霧と微粒化空気23aの混合気である燃料噴霧85として、噴孔54下流側の混合室56へ供給される。
【0035】
また、混合室56には、搬送空気導入パイプ30からバイパス通路22でバイパスされた搬送空気22aが旋回ノズル51に形成された各フィン58間を通過し均一流速にて搬送空気流52として供給される。混合室56に供給された搬送空気流52は、混合室56にて吸入空気の旋回流れ86となる。そして、燃料噴霧85と旋回流れ86が衝突することにより、燃料噴霧85を伝熱面76の軸流方向同一断面の位置にほぼ均等に衝突する。衝突された燃料噴霧85は、伝熱面76に燃料液膜106として、旋回流れ86に沿って混合室56下流の副通路75の伝熱面76を旋回しながら通過する。
【0036】
ここで、副通路75の伝熱面76には、上流ツバ付き絞り220bが配設されており、伝熱面76内径ΦDと絞り220b内径Φdによる段差にて、燃料液膜106を所定量滞留させることが可能となり、燃料気化促進装置100外へ流出するのを防止している。
【0037】
さらに、上流ツバ付き絞り220bを配設した燃料気化促進装置100において、燃料液膜106は、吸入空気旋回流れ86に沿って、副通路75の円筒状の伝熱面76内を旋回しながら、伝熱面76軸流方向下流側へと移動する。吸入空気旋回流れ86と燃料液膜106は、軸流方向(X方向)の速度成分と、旋回方向(Y方向)の速度成分をもっている。ここで、副通路75の伝熱面76に上流ツバ付き絞り220bを配設したことにより、伝熱面76を移動する燃料液膜106の軸流方向成分が、旋回方向成分へ変換される。言い換えると、軸流方向速度成分が小さく、旋回方向速度成分が大きくなるために、吸入空気旋回流れ86および、これに沿って流れる燃料液膜106の旋回々数が増加でき、伝熱面76上に燃料液膜106が滞留する時間を大幅に拡大できる。さらに、上流ツバ付き絞り220bにより、副通路75軸流方向断面積が変化するために流れのよどみ領域が形成できるために燃料液膜106を滞留させることができる。
【0038】
ここで、図7を用いて本発明の効果を説明する。副通路75に配設された絞り形状による伝熱部への燃料液膜106a,b,cの付着の様子を示す断面模式図である。図7(a)は、平板絞り220aを副通路75の伝熱面76上に配設した場合、図7(b)は、上流ツバ付き絞り220bを副通路75の伝熱面76上に配設した場合、図7(c)は下流ツバ絞り220bを副通路75の伝熱面76上に配設した場合を示す。本模式図は、副通路75の伝熱面76に滞留する燃料液膜106a,b,cを可視化するためにヒータボディ101に相当する部分を透明アクリルとして、可視化した結果をもとに描いている。
【0039】
図7(a)平板絞りの場合は、各平板絞りに挟まれた伝熱面の点線で囲まれた領域▲1▼,▲2▼,▲3▼において、領域▲1▼に最も燃料液膜106aが滞留し、次に領域▲3▼に滞留する傾向にある。領域▲2▼への燃料液膜106aの滞留は比較的少ない傾向にある。これらの要因は、平板絞り106aの絞りにより通路断面積が縮小されるために絞り直前の領域▲1▼に燃料液膜106aのよどみ(滞留)領域が形成されたためである。また、領域▲3▼では、絞り220aを経て通路断面積が拡大されたために、領域▲3▼によどみ(滞留)領域が形成されるために燃料液膜106aがよどん(滞留)でいる。
【0040】
一方、図7(b)上流ツバ付き絞り220bの場合は、上流ツバ付き絞り220bとすることでツバ外周部にX方向成分を持った旋回空気流れ106が流入し、領域▲1▼の燃料液膜106bが押し退けられ燃料液膜が分散し、領域▲2▼へと液膜106bが移動する。これにより、平板絞りの場合に比べて伝熱面に接触する燃料液膜が拡大する。よって、伝熱面76上に燃料液膜106が滞留する時間を大幅に拡大できる。したがって、伝熱面76から燃料液膜106へ伝達される熱量を拡大でき、燃料の気化促進を図ることができ、気化量を増大できる。すなわち、領域▲1▼,▲3▼にほぼ同量程度の燃料液膜106bが滞留し、領域▲2▼にも比較的滞留している。また、領域▲2▼において、図中(a)平板絞り220aの領域▲2▼と比較すれば多量に滞留している。燃料液膜106の滞留度合いを図7(a)平板絞り220aと比較してみて、伝熱面76上への燃料液膜106bが集中することなく分散して滞留しているためである。これは、図中(a)の平板絞りに比べ、図中(b)の領域▲1▼への燃料液膜106の滞留量が少ないためである。
【0041】
図7(c)下流ツバ付き絞り220cの場合は、領域▲3▼に最も燃料液膜106cが滞留し、次に領域▲1▼に滞留する傾向にある。領域▲2▼への燃料液膜106cの滞留は少ない傾向にある。これは、下流ツバ絞り220cのツバ外周の領域▲3▼に、絞りを経て通路断面積が拡大されたことによるよどみ領域と、ツバ外周部のよどみ領域が図中(a),(b)に比べて、大きく形成されているために燃料液膜106cが集中したためである。よって、領域▲1▼,▲2▼は、燃料液膜106cが相対的に少なくなっている傾向にある。
【0042】
以上の結果から、図7(a),(b),(c)の各種絞りを比較すれば、伝熱面上への燃料の分散は、上流ツバ付き絞り220bがもっとも好ましいといえる。
【0043】
さらに、伝熱面76上に滞留する燃料液膜106を早期に気化するとともに気化量を拡大するためには、PTCヒータ77から生じる熱を効率よく伝達するとともに伝熱面76上での昇温時間を短縮することが好ましい。そのためには、伝熱面76を構成する伝熱部材89の熱容量を小さくすることが好ましい。したがって、伝熱部材89の伝熱面積を保持しつつ肉厚を極力薄くすることが望ましい。しかし、伝熱部材89の肉厚を薄くすると伝熱部材89の強度が弱くなる。ここで、伝熱部材89で形成される副通路75の伝熱面76に上流ツバ付き絞り220bを配設することにより、伝熱部材89の強度が向上でき、信頼性の高い燃料気化促進装置100が提供できる。
【0044】
以上、副通路75に上流ツバ付き絞り220bを配設することにより、燃料噴射弁13から供給される燃料液膜106の気化促進を図ることができると同時に、燃料気化促進装置100外への燃料液流の発生を抑制できる。言い換えると、燃料液膜106を伝熱面76に滞留させる時間を拡大することにより、燃料気化量を拡大できる。すなわち、滞留時間を拡大できるために同燃料量の燃料を気化するために少ない発熱容量(枚数)のPTCヒータ77で実現できるために、小型の燃料気化促進装置100が実現できる。さらに、伝熱部76を構成する部材の強度を保ちながら、伝熱面76を構成する部材の肉厚を薄くできるために、熱容量を小さくでき、伝熱面76の昇温時間を短縮することができる。
【0045】
図8(a)は、横軸に絞りのツバ高さHをとり、縦軸を燃料液膜106が伝熱部に滞留する滞留時間として整理した結果である。ここで、伝熱部滞留時間は、伝熱面76部を透明アクリル管として、アクリル管内を燃料液膜106が通過する流れを可視化することにより計測した。また、図8(b)は、横軸に絞りのツバ高さHを取り、縦軸を燃料気化率として整理した結果である。本結果は、本実施例に記載した燃料気化促進装置100を用い、所定同一条件における絞りのツバ高さHによる気化率の影響を示している。本結果より、図8(a)において、ツバ高さHを高くすることにより、伝熱部の燃料液膜106の滞留時間が拡大できる。ここで、ツバ高さ「0」とは、平板絞りを表しており、平板絞りに比べ、ツバ高さHを高くすることにより、伝熱部滞留時間を拡大することができる。たとえば、上流ツバ付き絞りの場合では、ツバ高さHを0mmと6.5mmとした場合、滞留時間は、1.4秒,4.0秒となり、ツバ高さHを高くしたことにより、約3倍の滞留時間拡大が図れた。また、下流ツバ付き絞りに比べ、上流ツバ付き絞りの滞留時間が長い傾向にある。
【0046】
次に、図8(b)において、ツバ高さHを大きくすることにより、気化率が拡大する傾向にある。たとえば、上流ツバ付き絞りの場合、ツバ高さHを0mmと6.5mmとした場合、燃料気化率は、約10%向上している。また、(a)の結果と同様の傾向であり下流ツバ付き絞りに比べ、上流ツバ付き絞りの気化率の改善しろが大きい。これは、伝熱面を通過する燃料液膜106の滞留時間が大きく、伝熱面76から燃料液膜106へ伝達された熱量が拡大できたためである。さらに、上述した図7の伝熱面76への燃料液膜106a,b,c分布の形成の違いによるものも挙げられる。
【0047】
よって、ツバ付き絞りを用いることにより、PTCヒータ77の発熱容量(枚数)が同様の場合に燃料気化量を拡大できる。したがって、同流量の燃料液膜106を気化促進する場合、PTCヒータ77の枚数を削減することが可能である。よって、燃料気化促進装置100の小型化が実現できる。
【0048】
上記記述した燃料気化促進装置100を備えた内燃機関1を用いることにより、ヒータから燃料へ伝達する熱量を増大でき、燃料の気化量を増大できる。よって、ヒータ容量およびヒータ伝熱面積を拡大することなく、小型な燃料気化促進装置を提供できる。そして、自動車用内燃機関の始動性向上、燃費向上および排気浄化低減を実現できる自動車用内燃機関の燃料気化促進装置およびこれを搭載した内燃機関を提供できる。
【0049】
図9を用いて本発明の第2の実施例を説明する。
【0050】
第1の実施例の燃料気化促進装置100との主な構成の違いは、副通路75の伝熱面76に配設された絞りのツバの取付け位置に違いにある。すなわち、絞り220cの内周部に連続的なツバ形状の突起形成し、この突起が、副通路75の伝熱面76軸流方向の下流側に突き出した下流ツバ付き絞り220cであることにある。また、本実施例では、燃料噴射弁13から噴射される燃料噴霧85aの微粒化促進用の微粒化空気23aを用いないことにより、バイパス通路23と微粒化空気導入パイプ31を廃止している。その他の構成は、第1の実施例と同様の構成であるために説明を省略する。
【0051】
本実施例では、副通路75の伝熱面76に下流ツバ付き絞り220cを配設したことにより、燃料噴射弁13より噴射された燃料噴霧85aを燃料液膜106として伝熱面76に滞留することが可能となる。伝熱面76への燃料液膜106の分布,滞留時間,気化率は、先述した図7(c)および図8にて説明したが、ツバ高さHを所定の高さとする下流ツバ付き絞りにより、ツバ高さを持たない平板絞り220aと比べ、燃料液膜106bの分布、および滞留時間,気化率が改善できる。よって、伝熱面76から燃料液膜106へ伝達される熱量の拡大ができ、燃料気化量を拡大することができる。
【0052】
図10を用いて本発明の第3の実施例を説明する。
【0053】
第1の実施例の燃料気化促進装置100との主な構成の違いは、副通路75の伝熱面76に配設された絞りのツバの取付け位置に違いにある。
【0054】
すなわち、絞り220dの内周部に連続的なツバ形状の突起形成し、この突起が、副通路75の伝熱面76軸流方向の上下流両方向に突き出した上下流ツバ付き絞り220dであることにある。また、燃料噴射弁13から噴射される燃料噴霧85aの微粒化促進用の微粒化空気23aを用いていないことにある。したがって、バイパス通路23と微粒化空気導入パイプ31を廃止した構成である。さらに、旋回ノズル51を廃止し搬送ノズル53としたことにある。これにより、搬送空気22aは旋回ノズル51を通過することにより、燃料噴霧85を副通路75の伝熱面76に積極的に衝突させながら旋回供給していたものが、搬送ノズル53としたために、搬送空気22aは、燃料噴霧85aを副通路75の伝熱面76で旋回供給しにくくなり、伝熱面76b軸流方向に沿った搬送空気流れ86bが供給される。その他の構成は、第1の実施例と同様の構成であるために説明を省略する。ここで、燃料噴射弁13は、微粒化特性の優れた燃料噴射弁13の噴孔57の上流側に位置する弁座の上流側にて燃料を旋回して噴射するための燃料旋回部材を配設した上流旋回型燃料噴射弁である。よって、噴射される燃料噴霧85aは、ホロコーン状の噴霧形状であり、燃料噴霧中の比較的粒径の粗大な液滴は噴霧外周へ集中し、微粒化促進された比較的粒径の小さい液滴は噴霧内周部分に存在する噴霧である。したがって、噴霧85a中の微粒化促進された噴霧のみが積極的に搬送ノズル53を介して供給される搬送空気流れ86bにのって搬送され、内燃機関1の燃焼室2に搬送供給される。また、噴霧85a中の粗大粒は、搬送空気流れ86bにのりにくく伝熱面76bに付着する。付着した燃料噴霧は、燃料液膜106となり、上下流ツバ付き絞り220d近傍に滞留する。よって、上下流ツバ付き絞り220d近傍には、燃料噴射弁13から噴射された燃料噴霧85aの比較的粒径の粗大な液滴のみが燃料液膜106として滞留されるために、燃料気化促進装置100a外への燃料液流の流出が防止でき、燃料液膜の気化促進が図れる。また、上記実施例1乃至2記載の各絞り220a,b,cと比べ、よどみ(滞留)領域は広いために、より多量の燃料液膜106を伝熱面76に滞留させることが可能である。
【0055】
その他の現象および効果については、第1の実施例と同様であるために説明を省略する。
【0056】
以上、本発明の実施例につき記載したが、燃料噴射弁13から噴射供給される燃料噴霧は、微粒化を促進した噴霧の液滴粒径をできるだけ小さるすることが伝熱面上に均一に液膜を形成するためには好ましい。上記実施例では、主に燃料噴射弁13から噴射された燃料噴霧の微粒化手段として、噴霧に吸入空気の一部を衝突させることにより微粒化を促進するエアアシスト方式につき記載したが、微粒化手段は、それに限定するものではない。たとえば、燃料の供給圧力を高圧化した高圧方式の燃料噴射弁や超音波振動素子に燃料を衝突させる超音波振動方式の微粒化手段を用いた燃料噴射弁を用いることでも本実施例は適用可能である。
【0057】
さらに、本実施例の燃料気化促進装置は、各吸気ポートに燃料噴射弁12を配設した吸気ポート燃料噴射システムにつき記載したが、それに限定するものではなく、燃焼室2内に直接燃料を噴射する筒内燃料噴射システムでも本実施例は適用可能である。
【0058】
【発明の効果】
本発明によれば、ヒータ伝熱面に燃料が滞留する時間を拡大するとともに伝熱面に滞留する燃料液膜を積極的に分散させる手段を設けることにより、燃料液膜をほぼ均一厚さにしヒータ伝熱面と燃料液膜との接触面積を増加させることができるためにヒータから燃料へ伝達する熱量を増大し、燃料の気化量を増大することができ、ヒータ容量およびヒータ伝熱面積を拡大することなく、小型な燃料気化促進装置を提供できる。そして、自動車用内燃機関の始動性向上、燃費向上および排気浄化低減を実現できる自動車用内燃機関の燃料気化促進装置およびこれを搭載した内燃機関を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る燃料気化促進装置を搭載した内燃機関の一実施例を示す構成図である。
【図2】燃料気化と触媒温度,HC排出量の関係を説明する図である。
【図3】本発明に係る図1中に示した燃料気化促進装置の(a)斜視図,(b)正面図,(c)側面図である。
【図4】本発明に係る図3(c)中に示した燃料気化促進装置D−D断面図である。
【図5】本発明に係る図3(b)中に示した燃料気化促進装置C−C断面図である。
【図6】本発明に係る図4中に示した燃料気化促進装置のE部拡大断面図である。
【図7】本発明に係る各絞り形状による伝熱部への燃料液膜の滞留分布を示す断面模式図である。
【図8】本発明に係る燃料気化促進装置の各種絞り形状による(a)伝熱部燃料滞留時間,(b)燃料気化率の関係を示す図である。
【図9】本発明に係る第2の実施例の燃料気化促進装置の断面図である。
【図10】本発明に係る第3の実施例の燃料気化促進装置の断面図である。
【符号の説明】
1…内燃機関、2…燃焼室、9…吸気管、11…吸気集合管、12、13…燃料噴射弁、21…三元触媒コンバータ、22…バイパス通路、22a…搬送空気、23a…微粒化空気、26…吸入空気、33…気化燃料、50…調圧室、51…旋回ノズル、52…旋回空気流、55…エアアトマイザ、56…混合室、75…副通路、76…伝熱面、86…吸入空気の旋回流れ、77…PTCヒータ、100…燃料気化促進装置、 220b…上流ツバ付き絞り、220c…下流ツバ付き絞り、220d…上下流ツバ付き絞り。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel vaporization promotion device for an internal combustion engine for a vehicle and an internal combustion engine equipped with the same, and relates to a technique suitable for increasing the amount of fuel vaporization in the fuel vaporization promotion device.
[0002]
[Prior art]
As means for improving the startability of an internal combustion engine, purifying exhaust gas, and particularly reducing HC, it is effective to atomize and vaporize fuel spray injected by a fuel injection valve (injector) to the internal combustion engine. 2. Description of the Related Art It is known to provide a fuel injection valve (injector) which is used mainly at the time of starting an internal combustion engine or the like in order to supply atomized and vaporized fuel spray to the internal combustion engine. For example, a cold start fuel control system including a cold start fuel injector, a heater, and an idle speed control valve (hereinafter, referred to as an ISC valve) is known (for example, see Patent Document 1).
In this system, mixing is promoted by swirling the spray injected from a fuel injection valve disposed downstream of the ISC valve of the internal combustion engine and the intake air passing through the ISC valve, and the fuel mixture that is promoted is mixed with the fuel. The fuel is vaporized by colliding with a cylindrical heater disposed downstream of the injection valve. By rotating the fuel on the inner peripheral surface of the cylindrical heater, the residence time of the spray in the heater section is extended, and the amount of fuel vaporization is increased.
[Patent Document 1]
U.S. Pat. No. 5,894,832 (5th column, FIG. 2).
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the conventional system described above, the swirling is applied to the intake air to promote the mixing of the spray and the intake air, and the spray is swirled and collided with the heater disposed downstream of the fuel injection valve to increase the residence time. To increase the amount of fuel vaporized.
[0004]
Here, in an internal combustion engine having a large displacement, the fuel injection amount from the fuel injection valve increases. Therefore, on the heat transfer surface of the heater, it is necessary to improve the fuel vaporization ability corresponding to the increase in the injection amount. As a countermeasure, measures such as an increase in the heater capacity and an increase in the area of the heat transfer section can be given. However, in the case of these countermeasures, the power consumption of the heater heat transfer section is increased and the size of the apparatus is increased, so that the mountability to the internal combustion engine must be separately considered.
[0005]
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to increase the amount of heat transferred from a heater to fuel and to increase the amount of fuel vaporized by providing a means for significantly increasing the time that fuel stays on a heater heat transfer surface with a simple structure. It is.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the present invention, at least one throttle is provided on a heater heat transfer surface disposed downstream of a fuel injection valve mainly used at the time of starting or the like, or downstream thereof. Was provided. On the inner peripheral portion of the throttle, a projection is formed that projects to both or one of the upstream and downstream sides in the axial direction of the heat transfer section. By disposing the throttle provided with the protrusions in the heat transfer section, the fuel liquid film can be made to have a substantially uniform thickness, and the contact area between the heater heat transfer surface and the fuel liquid film can be increased. , The amount of heat transferred from the heat transfer surface to the fuel spray can be increased, so that the amount of fuel vaporized can be increased. As a result, the number of heaters can be reduced, and downsizing of the heater section can be realized.
[0007]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.
[0008]
In FIG. 1, an internal combustion engine 1 is a well-known ignition type internal combustion engine using gasoline as a fuel, but only one cylinder is shown.
[0009]
The internal combustion engine 1 has an
[0010]
An intake system that intakes air into the
[0011]
The flow rate of the
[0012]
The fuel system includes a
[0013]
The fuel injection device includes a
[0014]
The fuel
[0015]
The exhaust system includes an
[0016]
In the internal combustion engine 1 having the above configuration, a
[0017]
Here, the relationship between the amount of harmful exhaust gas discharged from the internal combustion engine 1 in the state of fuel spray supplied to the
[0018]
FIG. 2A shows the difference in the average particle diameter of the fuel spray and the limit of the ignition timing that indicates how much the ignition timing can be delayed (retarded) while maintaining the stability of combustion when the vaporized fuel is supplied. It is a figure showing a relation. As shown in the figure, if the
[0019]
Next, the configuration of the fuel
[0020]
FIG. 3A is an external perspective view of the fuel
[0021]
The
[0022]
Next, the internal configuration of the fuel
[0023]
FIG. 4 is a cross-sectional view of the
[0024]
In the
[0025]
A mixing
[0026]
FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line CC in FIG. A sub-passage 75 is formed inside the
[0027]
The sub-passage 75 separates the space in which the
[0028]
A plurality of upstream
[0029]
The
[0030]
FIG. 6 is an enlarged sectional view of a portion E in FIG. In the vicinity of the
[0031]
Further, the
[0032]
Due to these structures, as shown in FIGS. 3, 5 and 6, conduction is established from the
[0033]
Further, the upstream
[0034]
Next, the flow of intake air of the internal combustion engine 1 provided with the fuel
[0035]
Further, the
[0036]
Here, a
[0037]
Further, in the fuel
[0038]
Here, the effect of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing a state in which fuel
[0039]
In the case of the flat plate throttles, in the regions (1), (2), and (3) surrounded by dotted lines on the heat transfer surface sandwiched between the flat plate throttles, the region (1) has the largest fuel liquid film. 106a tends to stay and then stays in the area (3). The retention of the fuel liquid film 106a in the area (2) tends to be relatively small. These factors are due to the fact that the stagnation (residence) area of the fuel liquid film 106a is formed in the area (1) immediately before the narrowing because the passage cross-sectional area is reduced by the narrowing of the flat throttle 106a. Further, in the region (3), the passage liquid cross-sectional area is enlarged via the
[0040]
On the other hand, in the case of the upstream
[0041]
In the case of the
[0042]
From the above results, it can be said that, when comparing the various throttles of FIGS. 7A, 7B, and 7C, the upstream
[0043]
Further, in order to vaporize the
[0044]
As described above, by disposing the upstream
[0045]
FIG. 8A shows the results obtained by plotting the brim height H of the throttle on the horizontal axis and the residence time during which the
[0046]
Next, in FIG. 8B, the vaporization rate tends to increase by increasing the brim height H. For example, in the case of a throttle with an upstream flange, when the flange height H is 0 mm and 6.5 mm, the fuel vaporization rate is improved by about 10%. Further, the tendency is the same as the result of (a), and the improvement in the vaporization rate of the upstream flanged throttle is greater than that of the downstream flanged throttle. This is because the residence time of the
[0047]
Therefore, by using the throttle with a flange, the amount of fuel vaporized can be increased when the heat generation capacity (number of sheets) of the
[0048]
By using the internal combustion engine 1 including the fuel
[0049]
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0050]
The main difference from the fuel
[0051]
In this embodiment, the downstream sprayed
[0052]
A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0053]
The main difference from the fuel
[0054]
That is, a continuous flange-shaped projection is formed on the inner peripheral portion of the throttle 220d, and the projection is the upstream-downstream flanged throttle 220d protruding in both the upstream and downstream directions in the axial direction of the
[0055]
Other phenomena and effects are the same as those in the first embodiment, and thus description thereof is omitted.
[0056]
As described above, according to the embodiment of the present invention, in the fuel spray injected and supplied from the
[0057]
Furthermore, the fuel vaporization promoting device of the present embodiment has been described with respect to the intake port fuel injection system in which the
[0058]
【The invention's effect】
According to the present invention, the fuel liquid film is made to have a substantially uniform thickness by increasing the time for which the fuel stays on the heater heat transfer surface and by providing means for positively dispersing the fuel liquid film staying on the heat transfer surface. Since the contact area between the heater heat transfer surface and the fuel liquid film can be increased, the amount of heat transferred from the heater to the fuel can be increased, the amount of fuel vaporized can be increased, and the heater capacity and heater heat transfer area can be reduced. A small fuel vaporization promoting device can be provided without expansion. Further, it is possible to provide a fuel vaporization accelerating device for an internal combustion engine for an automobile, which can improve the startability of the internal combustion engine for an automobile, improve fuel efficiency and reduce exhaust gas purification, and an internal combustion engine equipped with the same.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of an internal combustion engine equipped with a fuel vaporization accelerating device according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a relationship between fuel vaporization, a catalyst temperature, and an amount of HC emission.
3A is a perspective view, FIG. 3B is a front view, and FIG. 3C is a side view of the fuel vaporization promoting device shown in FIG. 1 according to the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view of the fuel vaporization promoting device DD shown in FIG. 3 (c) according to the present invention.
FIG. 5 is a sectional view of the fuel vaporization accelerating device CC shown in FIG. 3B according to the present invention.
FIG. 6 is an enlarged sectional view of a portion E of the fuel vaporization accelerating device shown in FIG. 4 according to the present invention.
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing a distribution of a stay of a fuel liquid film in a heat transfer portion by each of the throttle shapes according to the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between (a) the fuel residence time of the heat transfer section and (b) the fuel vaporization rate according to various throttle shapes of the fuel vaporization promoting device according to the present invention.
FIG. 9 is a sectional view of a fuel vaporization accelerating device according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a sectional view of a fuel vaporization accelerating device according to a third embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Internal combustion engine, 2 ... Combustion chamber, 9 ... Intake pipe, 11 ... Intake manifold, 12, 13 ... Fuel injection valve, 21 ... Three-way catalytic converter, 22 ... Bypass passage, 22a ... Carrier air, 23a ... Atomization Air, 26 ... intake air, 33 ... vaporized fuel, 50 ... pressure regulating chamber, 51 ... swirling nozzle, 52 ... swirling air flow, 55 ... air atomizer, 56 ... mixing chamber, 75 ... sub-passage, 76 ... heat transfer surface, 86: swirling flow of intake air, 77: PTC heater, 100: fuel vaporization promoting device, 220b: throttle with upstream flange, 220c: throttle with downstream flange, 220d: throttle with upstream and downstream flange.
Claims (6)
前記燃料噴射弁より噴射された燃料が伝熱部で滞留する時間を拡大するとともに伝熱部上に滞留する燃料液膜を積極的に分散させる手段を設けたことを特徴とする燃料気化促進装置。Means for rotating air by applying air to the fuel spray injected from the liquid fuel injection valve, and colliding the fuel spray with a heat transfer section disposed downstream of the fuel injection valve to supply the fuel spray to an intake pipe At
A fuel vaporization accelerating device characterized in that a means for extending the time for which fuel injected from the fuel injection valve stays in the heat transfer section and for actively dispersing the fuel liquid film staying on the heat transfer section is provided. .
前記伝熱部通路または伝熱部下流側に少なくともひとつ以上の絞りを設け、前記絞り内周部に断続的もしくは連続的な突起を形成し、前記突起が伝熱部通路軸流方向の上流側に突き出した形状であることを特徴とする燃料気化促進装置。Means for rotating air by applying air to the fuel spray injected from the liquid fuel injection valve, and colliding the fuel spray with a heat transfer section disposed downstream of the fuel injection valve to supply the fuel spray to an intake pipe At
At least one throttle is provided on the downstream side of the heat transfer section passage or the heat transfer section, and an intermittent or continuous projection is formed on the inner circumference of the throttle. A fuel vaporization accelerating device characterized by having a shape protruding from the fuel vaporization device.
前記伝熱部通路または伝熱部下流側に少なくともひとつ以上の絞りを設け、前記絞り内周部に断続的もしくは連続的な突起を形成し、前記突起が伝熱部通路軸流方向の下流側に突き出した形状であることを特徴とする燃料気化促進装置。Means for rotating air by applying air to the fuel spray injected from the liquid fuel injection valve, and colliding the fuel spray with a heat transfer section disposed downstream of the fuel injection valve to supply the fuel spray to an intake pipe At
At least one throttle is provided on the heat transfer section passage or the heat transfer section downstream side, and an intermittent or continuous projection is formed on the throttle inner peripheral portion, and the projection is on the downstream side in the heat transfer section path axial flow direction. A fuel vaporization accelerating device characterized in that the fuel vaporization protruding shape is provided.
前記伝熱部通路または伝熱部下流側に少なくともひとつ以上の絞りを設け、前記絞り内周部に断続的もしくは連続的な突起を形成し、前記突起が伝熱部通路軸流方向の上流および下流側の両方に突き出した形状であることを特徴とする燃料気化促進装置。Means for rotating air by applying air to the fuel spray injected from the liquid fuel injection valve, and colliding the fuel spray with a heat transfer section disposed downstream of the fuel injection valve to supply the fuel spray to an intake pipe At
At least one or more throttles are provided on the heat transfer section passage or the heat transfer section downstream side, and intermittent or continuous projections are formed on the inner circumference of the throttle. A fuel vaporization promoting device having a shape protruding to both downstream sides.
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JP2009275713A (en) * | 2006-01-07 | 2009-11-26 | Scuderi Group Llc | Split-cycle air hybrid engine |
-
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