JP2004285987A

JP2004285987A - Ｌｐｇの熱交換器

Info

Publication number: JP2004285987A
Application number: JP2003082285A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Harada; 真一原田
Original assignee: Nikki Co Ltd
Current assignee: Nikki Co Ltd
Priority date: 2003-03-25
Filing date: 2003-03-25
Publication date: 2004-10-14
Anticipated expiration: 2023-03-25
Also published as: JP4284591B2

Abstract

【課題】液体ＬＰＧを加熱気化するＬＰＧの熱交換器についてエンジン冷却水ではＬＰＧの気化が不可能または不十分となりやすい場合に対応して、少ない電力消費量でＬＰＧを確実に気化して送出できるようにする。
【解決手段】エンジン冷却水により加熱気化する主熱交換器２１を経由するＬＰＧ流路とＰＴＣヒータ２４ｃ，２４ｄにより加熱気化する副熱交換器２２を経由するＬＰＧ流路とを並列に配置するとともに、副熱交換器２２を主熱交換器２１内に収装させ、両熱交換器２１，２２に流入するＬＰＧ流路をその流入側に設けた切換器６によりエンジン冷却水が低温のとき副熱交換器２２経由となるように切り換え可能とし、且つ、副熱交換器２２のＬＰＧ流入口２２ａに流入量制限手段であるオリフィス２２ｈを設けて副熱交換器２２の加熱気化能力を超えるＬＰＧを流入させないようにした。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体のＬＰＧ（液化石油ガス）を加熱気化するとともに所定圧力に調整して吸気管路に送出することによりエンジンに供給するＬＰＧ供給装置に用いられるＬＰＧの熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＰＧを火花点火エンジンの燃料に使用することは広く知られており、ベーパライザ（レギュレータ）とミキサとを使用して大気圧程度に減圧した気化ガスを吸気管路に吸引させてエンジンに供給する、という方式が従前から行われている。一方、この周知の方式に代えて、実開昭５９−４３６５９号公報などに記載されているように、液体のまま吸気管路に噴射させる方式も提案されているが、液体のＬＰＧは温度の影響を受けやすく容易に気化して噴射量が不安定になるという問題があり、実用化が極めて困難である。
【０００３】
これに対し、特開平６−１７７０９号公報などに記載されているようにＬＰＧを所定正圧の気化ガスに調整して吸気管路に噴射させる方式は、噴射量を不安定にしないという利点をもっているため実用化に有利である。そして、液体のＬＰＧを加熱気化させる手段として、エンジン冷却水を利用した熱交換器をレギュレータに内蔵させるか或いはその入口側に配置し、エンジン冷却水によりＬＰＧを加熱気化させることが慣用されている。
【０００４】
しかし、このようなエンジン冷却水を使用する加熱気化手段は、冷機時において冷却水が低温であるために液体ＬＰＧを充分に気化できない、という不都合がある。
そこで、例えば特開平５−２２３０１４号公報や特開平１１−３２４８１３号公報に記載されているように、ＬＰＧを気化して大気圧程度に減圧するベーパライザについて、エンジン冷却水の熱を利用することに加えて、ＬＰＧ経路中に電気ヒータ（ＰＴＣヒータ）を配置し、冷却水が低温の場合においてもＬＰＧを気化できるようにすることが提案されている。
【０００５】
ところが、自動車エンジンの場合、蓄電池や発電機で得られる電力を利用する電気ヒータの加熱能力は冷却水の加熱能力に比べて著しく低い。従って、エンジン冷却水で加熱気化されるＬＰＧの同一経路中に電気ヒータを設置した前記手段では、低温始動直後のエンジン運転状態によっては、電気ヒータの気化能力を超えた流量のＬＰＧが液体のまま吸気管路に送出される場合がある。即ち、エンジン冷却水が低温の場合に、電気ヒータの気化能力を超えるＬＰＧ流量になると、液体のＬＰＧが吸気管路に送出されて混合気過剰となり、エンジンが停止して再始動が不能になるという問題を生じる。その対策として、電気ヒータの大型化或いは多数化が考えられるが、レギュレータや熱交換器の高価格化、さらには、これに伴う電力消費量の大幅な増加を招いたり、或いは電源から得られる電力によっては加熱能力不足が解消されない、という不都合を伴う。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような問題点を解決しようとするものであり、液体のＬＰＧを加熱気化するとともに所定圧力に調整して吸気管路に供給するＬＰＧ供給装置に用いられるエンジン冷却水と電気ヒータとを併用したＬＰＧの熱交換器について、低温時などのＬＰＧの気化が不可能または不十分となりやすい場合に、少ない電力消費量で確実に気化させて吸気管路に送出し、低温始動性を高めることを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は、液体ＬＰＧを加熱気化するとともに所定圧力に調整してエンジンの吸気管路に送出するＬＰＧ供給装置における圧力調整器の入口側に配置されるＬＰＧの熱交換器であって、並列に配置されて液体ＬＰＧをエンジン冷却水により加熱気化する主熱交換器および電気ヒータにより加熱気化する副熱交換器と、ボンベから送出された液体ＬＰＧを前記二つの熱交換器に選択的に流入させる流路切換手段と、前記副熱交換器の流入側に設けた流入量制限手段とを具え、前記流路切換手段はエンジン冷却水温度が所定温度よりも高いとき液体ＬＰＧを前記主熱交換器に流入させ、所定温度よりも低いとき液体ＬＰＧを前記副熱交換器に流入させるように作動し、前記流入量制限手段は液体ＬＰＧの流入量を前記副熱交換器の気化能力内に制限するものとした。
【０００８】
これにより、主熱交換器に流入するエンジン冷却水の温度が低くＬＰＧの気化に不十分な場合でも、流路切換手段を用いて液体ＬＰＧを副熱交換器に流入させることにより電気ヒータを用いて気化可能な温度にまで加熱することができる。また、始動時のエンジン要求燃料流量は比較的少量であるので、副熱交換器のＬＰＧ流入側に流入量制限手段を設けて、気化能力を超えるＬＰＧを流入させないようにしたことにより、小形或いは少数の電気ヒータで、しかも少ない消費電力量で完全に気化させ、良好に始動させることができる。
【０００９】
また、前述の熱交換器において、副熱交換器を主熱交換器内に収装すれば、熱交換器全体がコンパクトなものとなり、加えて副熱交換器の余熱を主熱交換器における加熱に利用することができるため、エネルギ効率が高いものとなる。
【００１０】
さらに、前述の熱交換器において、副熱交換器をその全外周に主熱交換室を形成する空間を有して主熱交換器のハウジングに収装されるようにして、電気ヒータをその全外周に副熱交換室を形成する空間を有して副熱交換器のハウジングに収装されるようにすれば、電気ヒータの全外周から副熱交換室のＬＰＧに伝熱されるとともに、副熱交換器のハウジングの全外周から主熱交換室のＬＰＧに伝熱されるようになって発生した熱の大気中への放散を少なくして最大限に利用することができるため、さらにエネルギ効率を高めることができる。
【００１１】
さらに、前述の熱交換器における流路切換手段を、ボンベから延びる液体ＬＰＧ流路が分岐して主熱交換器に液体ＬＰＧを流入させる主流入路に設けた主開閉弁、および副熱交換器に液体ＬＰＧを流入させる副流入路に設けた副開閉弁を具えたものとして、前記二つの開閉弁は一方が開弁しているときもう一方が閉弁していることに加えて、ともに開弁することができるものとした。
【００１２】
このことにより、例えばエンジン始動後に副熱交換器による加熱から主熱交換器による加熱に切り換える際に、双方を並列的に同時に経由させるオーバラップ時間を設けることが可能となり、流路切換時に発生する燃料供給の途切れを防止することができる。また、高負荷運転時に主熱交換器だけでは燃料供給量が不足するような場合を生じても、副熱交換器を併用させることにより容易に対応できるようになる。
【００１３】
さらにまた、ＬＰＧはその組成によって気化温度が異なるが、このＬＰＧ組成はＬＰＧの温度および圧力をもとに所定の計算方法を用いて推定することができる。そこで、前述の流路切換手段について、ボンベの温度および圧力に基づいてＬＰＧの組成を推定し前記推定結果に基づいて算出したＬＰＧを気化可能なエンジン冷却水温度を基準に、主熱交換器および副熱交換器のいずれかに液体ＬＰＧを流入させるように作動するものとした。このことにより、ＬＰＧの組成に応じて加熱気化に使用する熱交換器を選択して切り換えることが可能となるため、より確実なＬＰＧの気化を実現することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、以下に図面を用いながら詳細に説明すると、図１に概略の配置を示した燃料供給装置において、本実施の形態では、流路切換手段を切換器６、流入量制限手段をオリフィス２２ｈとしている。そして、ボンベ５に貯留されたＬＰＧは液体ＬＰＧ流路９Ａ，気体ＬＰＧ流路９Ｂを通ってエンジン４の吸気管路４ｂに設置した燃料噴射弁７に供給され、その経路中に切換器６、熱交換器２、圧力調整器３が配置されている。
【００１５】
ボンベ５に液体の状態で貯留されているＬＰＧは、液体ＬＰＧ流路９Ａを通って切換器６に送られる。ボンベ５には、温度センサ１１ａと圧力センサ１２とが配置され、これが検出したボンベ５内の液体ＬＰＧの温度と圧力とは電子式制御装置１０に入力されるようになっている。
【００１６】
切換器６は、液体ＬＰＧ流路９Ａが２つに分岐されてなる主流入路９ａおよび副流入路９ｂにそれぞれ電磁駆動式の主開閉弁６ａと副開閉弁６ｂとを設けたものであり、主流入路９ａは後述する熱交換器２の主熱交換器２１の底部に設けた流入口２１ａに接続され、副流入路９ｂは後述する熱交換器２の副熱交換器２２の底部に設けた流入口２２ａに接続されている。また、これらの開閉弁６ａ，６ｂは電子式制御装置１０により開閉制御されるようになっている。
【００１７】
熱交換器２は主熱交換器２１と副熱交換器２２とからなり、主熱交換器２１の内部に副熱交換器２２を収装した二重構造とされている。主熱交換器２１はその周囲を囲んでジャケット状に配置されエンジン冷却水が通過する冷却水室２３を具えているとともに、液体ＬＰＧの流入口２１ａと内部で気化した気体ＬＰＧを圧力調整器３に送出する流出口２１ｂとを対角線上の反対端部に備えている。
【００１８】
エンジン４に設けられた冷却水ジャケット４ａ内のエンジン冷却水は、冷却水送出路８ａを経由して前述の熱交換器２の冷却水室２３に送出されるようになっている。そして、熱交換器２における主熱交換器２１を加熱したエンジン冷却水は、冷却水戻し路８ｂを経由して冷却水ジャケット４ａに戻され循環するようになっている。
【００１９】
図２，図３を参照して、主熱交換器２１は方形のハウジング２１Ｂを有し、副熱交換器２２は主熱交換器２１のハウジング２１Ｂとほぼ相似形状の方形のハウジング２２Ｂを有し、副熱交換器２２がその全外周に空間を有して主熱交換器２１に収装されて、この空間が主熱交換室２１Ａを形成している。主熱交換器２１内に収装された副熱交換器２２は、主熱交換器２１の流入口２１ａにほぼ隣接させて設けた流入口２２ａと、主熱交換器２１の流出口２１ｂ内に開口させた流出口２２ｂとを具え、二つの熱交換器２１，２２で生成した気体ＬＰＧは一つの出口から圧力調整器３の流入口３ａに送られるようになっている。
【００２０】
また、流入口２２ａにはＬＰＧ流入量制限手段であるオリフィス２２ｈが配置され、副熱交換器２２の気化能力を超える液体ＬＰＧが流入しないようになっている。そして、副熱交換器２２の内部には電気ヒータである２枚のＰＴＣヒータ２４ｃ，２４ｄがそれぞれ前後面を伝熱壁２４ｅ，２４ｆの各内壁面に密着して具えられた気・液密構造の電熱器２４が収装されている。伝熱壁２４ｅ，２４ｄは電極を兼ねておりＰＴＣヒータ２４ｃ，２４ｄに通電するものである。電熱器２４はその全外周に空間を有して収装されており、この空間が副熱交換室２２Ｂを形成する。
【００２１】
熱交換器２は以上のようなコンパクトで簡易な構成であり、流入口２１ａ，２２ａと流出口２１ｂ，２２ｂとがそれぞれ対角線上に配置されているため、ＬＰＧが長い経路を流れてその間に充分な熱交換を行って完全に気化することができる。殊に、副熱交換器２２においては電熱器２４の伝熱壁２４ｅ，２４ｆおよび周壁２４ｇの全表面で熱交換を行うため高効率であり、このため、ＰＴＣヒータ２４ｃ，２４ｄは小形或いは少数で済むことから、消費電力量が少ないという利点がある。尚、流入口２１ａ，２２ａが各熱交換器２１，２２の底部に配置され、流出口２１ｂ，２２ｂが頂部に配置されていることにより、比重の重い液体ＬＰＧが液体のまま流出口２１ｂ，２２ｂから送出されにくくなっている。
【００２２】
そして、熱交換器２の出口に接続して配置されている圧力調整器３は、ダイヤフラム３ｅにより区画された調圧室３ｃおよび背室３ｄを有し、調圧室３ｃの圧力が設定圧力よりも低くなるとダイヤフラム３ｅが入口弁３ｆを開いて流出口２１ｂ，２２ｂを接続した流入口３ａから熱交換器２で生成した気体ＬＰＧを調圧室３ｃに流入させ、設定圧力よりも高くなると入口弁３ｆを閉じて調圧室３ｃへの流入を停止させることにより、調圧室３ｃに一定の正圧に減圧された気体ＬＰＧを保有させる、という従来のものと同様の装置である。圧力調整器３の流出口３ｂから送出された気体ＬＰＧは気体ＬＰＧ流路９Ｂを経て、吸気管路４ｂに設置した燃料噴射弁７から噴射されるようになっている。
【００２３】
次に、本実施の形態ではボンベ５内の液体ＬＰＧの温度および圧力を温度センサ１１ａ，圧力センサ１２により検出して、これらの値を基に電子式制御装置１０が所定の計算方法でＬＰＧの組成を算出できるようになっている。即ち、ＬＰＧを構成するプロパンとブタンはそれぞれ気化温度が異なることから、ＬＰＧ性状（プロパンとブタンの比率）によってその気化温度が変化するため、所定の方法で燃料性状を推定することにより流路切り換えのためのエンジン冷却水の基準温度を算出できるようにした。
【００２４】
例えば、エンジン始動時において、１００％プロパンの場合はエンジン冷却水温度が−１０℃でも主熱交換器２１を用いてこれを気化することが可能である。一方、２０％プロパンの場合は、エンジン冷却水温度が−１０℃のときに主熱交換器２１では気化できないため電気ヒータで加熱する必要があり、この場合は副熱交換器２２を使用して始動させ、その後エンジン冷却水温度が１０〜３０℃に上昇したときから主熱交換器２１を使用するように切り換える。
【００２５】
本実施の形態においては、電気式制御装置１０でボンベ５内の液体ＬＰＧの温度と圧力を基にして所定温度・圧力におけるプロパンとブタンの比率を求め、その比率を基に基準温度を決定するようにしている。即ち、電子式制御装置１０は、ボンベ５に設けた温度センサ１１ａと圧力センサ１２により検出されたＬＰＧの温度および圧力から切り換え基準温度を算出し、冷却水ジャケット４ａに設けた温度センサ１１ｂで検出したエンジン冷却水温度と比較して、切り換えの要否を判断する。
【００２６】
そして、エンジン冷却水がＬＰＧの気化に不可能または不十分な温度の場合、液体ＬＰＧを副熱交換器２２に流入させＰＴＣヒータ２４ｃ，２４ｄで加熱気化して、圧力調整器３に向けてＬＰＧを送出させる。このとき、副熱交換器２２の流入口２２ａには、流入量制限手段としてのオリフィス２２ｈが設けられているため、副熱交換器２２の気化能力を超える量のＬＰＧは流入しない。従って、エンジンの低温始動直後に通常高負荷運転を行うことはできないが、熱交換器２への必要以上のＬＰＧの流入を制限して吸気管路４ｂに液状のＬＰＧが送出されて混合気過濃を招くという不都合を防止することができる。
【００２７】
そして、冷却水ジャケット４ａの温度センサ１１ｂで検出したエンジン冷却水の温度が気化に適した温度に達したら、電子式制御装置１０の指令により副開閉弁６ｂを閉弁し主開閉弁６ａを開弁させる。その際、副開閉弁６ｂを閉弁する前に主開閉弁６ａを開弁して、液体ＬＰＧが両熱交換器を同時に経由するオーバラップ時間が設けられるようになっている。
【００２８】
即ち、切換器６は１個の方向切換弁による完全切り換え方式でも本発明の目的を達成することができるが、主熱交換器２１および副熱交換器２２の流入口側に主開閉弁６ａ，副開閉弁６ｂをそれぞれ具えたものとした本実施の形態によると、切り換え時にオーバラップ時間を設けることにより、燃料の供給途切れを防止できるという利点がある。さらに、高負荷運転時に主熱交換器２１による熱交換では燃料供給が不足する事態を生じた場合、主熱交換器２１に加えて副熱交換器２２による熱交換を行って要求燃料流量を確保することも可能となる。
【００２９】
そして、エンジン始動後にエンジン冷却水が所定温度まで上昇したとき、ＬＰＧ流路は主熱交換器２１経由に切り換えられるが、副熱交換器２２の余熱が大気中に放出されずに主熱交換器２１内部を加熱するので、エンジン冷却水が所定温度に達しているが比較的低温度の段階であっても完全に気化させることができ、エンジン運転を不調にすることなくエンジン冷却水温度が充分に上昇して安定した気化をおこなわせる状態に移行することができる。尚、主熱交換器２１の外部に副熱交換器２２を並列設置してもよいが、本実施の形態のように収装させた場合は、ＬＰＧ流路を主熱交換器２１におけるＬＰＧの気化を完全なものとすることができる点で有利である。
【００３０】
尚、本発明の熱交換器は気体ＬＰＧを所定正圧に調整して燃料噴射弁に送るシステムにおけるレギュレータの入口側に配置されるものに限らず、大気圧程度に調整してミキサに送り吸気管路に吸引させるシステムについても、レギュレータの設定圧力を変更することによりそのまま適用することができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によると、液体ＬＰＧを加熱気化するとともに所定圧力に調整して吸気管路に供給するＬＰＧ供給装置に用いられるエンジン冷却水と電気ヒータとを併用したＬＰＧの熱交換器において、低温時などのＬＰＧの気化が不可能または不十分となりやすい場合に少ない電力消費量で確実に気化させて吸気管路に送出し低温始動性を高めたものとすることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態のＬＰＧの熱交換器が配置された燃料供給装置の配置図。
【図２】図１におけるＬＰＧの熱交換器の拡大縦断面図。
【図３】図２のＸ−Ｘ線に沿う断面図
【符号の説明】
２熱交換器、３圧力調整器、３ａ，２１ａ，２２ａ流入口、３ｂ，２１ｂ，２２ｂ流出口、３ｃ調圧室、３ｄ背室、３ｅダイヤフラム、３ｆ入口弁、４エンジン、４ａ冷却水ジャケット、４ｂ吸気管路、５ボンベ、６切換器、６ａ主開閉弁、６ｂ副開閉弁、７燃料噴射弁、８ａ冷却水送出路、８ｂ冷却水戻し路、９Ａ液体ＬＰＧ流路、９Ｂ気体ＬＰＧ流路、９ａ主流入路、９ｂ副流入路、１０電子式制御装置、１１ａ，１１ｂ温度センサ、１２圧力センサ、２１主熱交換器、２１Ａ主熱交換室、２１Ｂ，２２Ｂハウジング、２２副熱交換器、２２Ａ副熱交換室、２２ｈオリフィス、２３冷却水室、２４電熱器、２４ｃ，２４ｄＰＴＣヒータ、２４ｅ，２４ｆ伝熱壁、２４ｇ周壁

Claims

液体ＬＰＧを加熱気化するとともに所定圧力に調整してエンジンの吸気管路に送出するＬＰＧ供給装置における圧力調整器の入口側に配置されるＬＰＧの熱交換器であって、
並列に配置されて液体ＬＰＧをエンジン冷却水により加熱気化する主熱交換器および電気ヒータにより加熱気化する副熱交換器と、ボンベから送出された液体ＬＰＧを前記二つの熱交換器に選択的に流入させる流路切換手段と、前記副熱交換器の流入側に設けた流入量制限手段とを具え、
前記流路切換手段はエンジン冷却水温度が所定温度よりも高いとき液体ＬＰＧを前記主熱交換器に流入させ、所定温度よりも低いとき液体ＬＰＧを前記副熱交換器に流入させるように作動し、前記流入量制限手段は液体ＬＰＧの流入量を前記副熱交換器の気化能力内に制限するものとされている、
ことを特徴とするＬＰＧの熱交換器。
前記副熱交換器は前記主熱交換器内に収装されている請求項１に記載したＬＰＧの熱交換器。
前記副熱交換器はその全外周に主熱交換室を形成する空間を有して前記主熱交換器のハウジングに収装され、前記電気ヒータはその全外周に副熱交換室を形成する空間を有して前記副熱交換器のハウジングに収装されている請求項２に記載したＬＰＧの熱交換器。
前記副熱交換器の電気ヒータはＰＴＣヒータである、請求項１，２または３に記載したＬＰＧの熱交換器。
前記流路切換手段は前記ボンベから延びる液体ＬＰＧ流路が分岐して前記主熱交換器に液体ＬＰＧを流入させる主流入路に設けた主開閉弁、および前記副熱交換器に液体ＬＰＧを流入させる副流入路に設けた副開閉弁を具えたものであり、前記二つの開閉弁は一方が開弁しているときもう一方が閉弁していることに加えて、ともに開弁することができるものとされている請求項１，２，３または４に記載したＬＰＧの熱交換器。
前記流路切換手段は前記ボンベの温度および圧力に基づいてＬＰＧの組成を推定し、前記推定結果に基づいて算出したＬＰＧを気化可能なエンジン冷却水温度を基準に前記主熱交換器および副熱交換器のいずれかに液体ＬＰＧを流入させるように作動するものとされている、請求項５に記載したＬＰＧの熱交換器。