JP2005240775A - 内燃機関の燃料分留装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 気相燃料の性状を安定化させるとともに気相燃料の収率を向上させることが可能な内燃機関の燃料分留装置を提供する。
【解決手段】 内燃機関１の燃料供給系統１１に接続され、前記内燃機関の排気熱を利用して燃料を分留する分留区間１７ａを経て分岐点１７ｂに至る分留通路１７と、前記分岐点から下方に分岐された液相通路２０と、前記分岐点から前記液相通路よりも上方に分岐された気相通路１９と、を備えた内燃機関の燃料分留装置１５において、前記分岐点は、分留時における燃料の温度が最も高くなる位置に配置される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、内燃機関の排気熱を利用して燃料を分留する内燃機関の燃料分留装置に関する。

燃料を循環させる経路の一部を加熱して燃料を低沸点成分と高沸点成分とに分留し、分留により得られた低沸点成分を触媒の上流から供給する排気浄化装置が知られている（特許文献１参照）。その他、本発明に関連する先行技術文献として特許文献２、３が存在する。
特許第２８５０５４７号公報 特許第３０９３９０５号公報 特開２００１−１９３５２５号公報

従来の装置では、分留時における燃料の温度履歴によって気相燃料（低沸点燃料）の性状が不安定になるおそれがある。例えば、分留時における燃料の温度が、分留した燃料を気相と液相とに分離する分岐点へ至る前に、所望の性状の気相燃料のみが気化する目標温度よりも高くなってしまった場合、この目標温度よりも高い温度のときに気化した燃料も気相燃料として回収されるおそれがある。この場合、所望の性状の燃料成分よりも高沸点の成分まで気化するため、気相燃料の性状が重質化する可能性がある。気相燃料が重質化すると、例えば排気浄化触媒の機能再生のために気相燃料を使用する場合、触媒の機能再生が十分に行われない可能性や、燃料の反応性が低下するため再生時間が長期化するおそれがある。

そこで、本発明は、気相燃料の性状を安定化させるとともに気相燃料の収率を向上させることが可能な内燃機関の燃料分留装置を提供することを目的とする。

本発明の内燃機関の燃料分留装置は、内燃機関の燃料供給系統に接続され、前記内燃機関の排気熱を利用して燃料を分留する分留区間を経て分岐点に至る分留通路と、前記分岐点から下方に分岐された液相通路と、前記分岐点から前記液相通路よりも上方に分岐された気相通路と、を備えた内燃機関の燃料分留装置において、前記分岐点は、分留時における燃料の温度が最も高くなる位置に配置されていることにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

本発明の内燃機関の燃料分留装置によれば、分留区間での燃料の温度が、分岐点での燃料温度よりも高くなることがない。そのため、例えば、分岐点での燃料温度を所望の性状の気相燃料が回収できる温度（目標温度）に調整して、この目標温度で気化する燃料成分よりも高沸点の燃料成分の気化を抑制させることができる。従って、気相燃料の重質化を抑制し、気相燃料の性状を安定化させることができる。

本発明の内燃機関の燃料分留装置は、前記分留通路が前記内燃機関の排気通路を貫くように配置され、前記分岐点は、前記分留通路が前記排気通路から出る出際に設けられていてもよい（請求項２）。分留時の燃料は、分留通路が排気通路から出る出際まで加熱され続ける。そのため、この出際において、燃料の温度は最も高くなる。そこで、この位置に分岐点を設ける。また、この場合、気相通路及び液相通路を分岐点から直ぐに排気通路外へ導き出せるので、気相燃料及び液相燃料の過熱が抑制できる。そのため、燃料の劣化が抑制できる。また、分岐点を排気通路内に設けたので、分岐点が外気に晒されることがない。従って、外気による分岐点の冷却が抑制でき、分岐点での気相燃料の液化が抑制できる。そのため、気相燃料の収率を向上させることができる。

本発明の内燃機関の燃料分留装置において、前記分留区間の少なくとも一部と前記分岐点とが前記内燃機関の排気通路内に設けられ、前記液相通路は、前記分留通路となだらかに接続されるとともに、前記分岐点から前記排気通路の外に出るまで前記気相通路の延びる方向と同じ方向に向かって前記気相通路と隣接しつつ延びていてもよい（請求項３）。このように分留通路を液相通路と接続させることで、分岐点における液相燃料の跳ね等を防止して液相燃料をスムーズに液相通路へ導くことができる。そのため、気相通路へ液相燃料が流入することがない。従って、気相燃料の性状をより安定化させることができる。

本発明の内燃機関の燃料分留装置において、前記分留区間の少なくとも一部と分岐点とは、前記内燃機関の排気マニホールドに配置されていてもよい（請求項４）。排気マニホールドには、内燃機関の気筒から排出された高温の排気が流入する。そのため、この高温の排気を利用して迅速に燃料を加熱することができる。

本発明によれば、分岐点を排気通路内に配置したので、分留した気相燃料が分岐点で液化することがない。そのため、気相燃料の収率を向上させることができる。また、分岐点が、分留時の燃料温度が最も高くなる位置に設けられているので、分岐点での燃料温度を目標温度に調整して所望の性状の燃料のみを気化させることができる。そのため、気相燃料の性状を安定化させることができる。

図１に、本発明の一実施形態に係る燃料分留装置が組み込まれた内燃機関を示す。図１の内燃機関１は、複数（図１では４つ）の気筒２を有するディーゼルエンジンとして構成される。周知のように、内燃機関１には吸気通路３及び排気通路４が接続され、吸気通路３には、ターボチャージャ５のコンプレッサ５ａ、吸気を冷却するインタークーラ６、吸気量調整用のスロットルバルブ７が設けられている。排気通路４には、ターボチャージャ５の排気タービン５ｂ、排気浄化触媒８が設けられている。排気浄化触媒８としては、例えば酸化触媒や吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が利用される。排気通路４は、排気の一部を吸気通路３へ戻すためＥＧＲクーラ９を介してＥＧＲ通路１０によって吸気通路３と接続されている。

内燃機関１には、燃料供給装置１１が設けられている。燃料供給装置１１は、各気筒２内へ燃料を噴射する燃料噴射弁１２と、燃料噴射弁１２から噴射する高圧の燃料を蓄えるコモンレール１３と、コモンレール１３へ燃料を供給する燃料ポンプ１４と、を備えている。

また、内燃機関１には、燃料を、低沸点成分を多く含み軽質な気相燃料（以下、軽質燃料と記述することもある。）と、高沸点成分を多く含み重質な液相燃料（以下、重質燃料と記述することもある。）と、に分留する燃料分留装置１５と、分留された軽質燃料を排気浄化触媒８の上流の排気通路４へ添加する燃料添加装置１６とが設けられている。触媒８へ軽質燃料を添加する時期としては、排気浄化触媒８として吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が設けられている場合、触媒８に吸蔵されているＮＯｘを放出させるＮＯｘ還元時と触媒８に堆積した硫黄分（Ｓ）を放出させるＳ再生時とがある。排気浄化触媒８としてパティキュレートフィルタが設けられている場合、フィルタに堆積した粒子状物質（ＰＭ）を燃料させるＰＭ再生時に軽質燃料を添加してフィルタの温度を上昇させてもよい。パティキュレートフィルタには吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が担持されていてもよく、この場合はＮＯｘ還元時、Ｓ再生時及びＰＭ再生時に軽質燃料を添加する。燃料添加装置１６は、これらの時期に軽質燃料を排気通路４へ添加する。

燃料分留装置１５は、分留通路１７と、燃料ポンプ１４から分留通路１７へ供給される燃料の流量を調整する流量調整バルブ１８と、分留通路１７から分岐する気相通路１９及び液相通路２０と、分留時に気相となった軽質燃料を貯留する軽質燃料タンク２１とを備えている。燃料添加装置１６は、軽質燃料を排気通路４へ添加する軽質燃料添加インジェクタ２２と、軽質燃料タンク２１の軽質燃料を軽質燃料添加インジェクタ２２へ送り出す軽質燃料ポンプ２３とを備えている。

分留通路１７は、排気通路４の排気マニホールド４ａ内に配置され、排気熱によって燃料を目標温度（例えば２００〜２５０度）まで昇温させる分留区間１７ａと、分留区間１７ａで分留された気相の軽質燃料を気相通路１９へ、液相の重質燃料を液相通路２０へそれぞれ導く分岐部１７ｂとを備えている。図２に、分岐部１７ｂの構造の一例を示す。図２（ｂ）に示したように気相通路１９は、分岐部１７ｂにおいて分留区間１７ａから水平方向へ延びるように接続されている。一方、液相通路２０は、分岐部１７ｂにおいて鉛直下方へ延びるように分留区間１７ａと接続されている。このように液相通路２０を接続して、液相の重質燃料のみを重力によって液相通路２０へ導く。なお、軽質燃料は気相通路２１によって軽質燃料タンク２１へ導かれ、重質燃料は、液相通路２０によって燃料タンク（不図示）へ導かれる。

図１及び図２（ｂ）に示したように、本発明において分留区間１７ａ及び分岐部１７ｂは、排気マニホールド４ａ内に配置される。そのため、分留区間１７ａへ燃料を導入する通路と分留後の燃料が導かれる気相通路１９及び液相通路２０とは、排気マニホールド４ａの壁を貫いて設けられている。

図２（ａ）は、分留通路１７内における燃料温度の変化の一例を示している。分留区間１７ａの末端にある分岐部１７ｂが排気マニホールド４ａの壁際に配置されているので、燃料は排気マニホールド４ａの出際に設けられた分岐部１７ｂまで加熱される。そのため、分岐部１７ｂでの燃料温度が分留時における燃料の最高温度になる。このように、燃料タンク（不図示）から分留通路１７までの区間において分岐部１７ｂでの燃料温度が分留時の最高温度の場合、分岐部１７ｂでの燃料温度が目標温度になるように燃料の温度を調整することで、所望の性状の軽質燃料のみを気化させることができる。

また、図１及び図２（ｂ）から明らかなように、分留区間１７ａ及び分岐部１７ｂは排気マニホールド４ａ内に配置されているため、軽質燃料及び重質燃料は気相通路１９又は液相通路２０へ導かれて排気マニホールド４ａの外に出るまで外気によって冷却されることがない。従って、分留時に気化した軽質燃料を液化させることなく気相通路１９へ導くことができるので、軽質燃料の収率を向上させることができる。

図３に比較例として、分岐部１７ｂを排気マニホールド４ａの外側に配置した分留通路１７を示す。図３（ａ）は、図３（ｂ）の分留通路１７で燃料を分留した場合の燃料温度の変化の一例を示している。図３（ａ）から明らかなように、分岐部１７ｂの燃料温度を目標温度に調整した場合、排気マニホールド４ａを出てから分岐部１７ｂへ至るまでに燃料が冷却されるため、燃料は排気熱によって目標温度以上に加熱されることになる。この目標温度以上への燃料の加熱は、所望の性状の燃料よりも重質な成分まで気化させ、軽質燃料を重質化させる。また、分岐部１７ｂが外気によって冷却されるので、気相になった燃料の一部が液化して液相通路２０へ導かれてしまう。

図４に、本発明の燃料分留装置１５の他の実施例を示す。本実施例では、図４（ａ）に示したように、液相通路２０が分留通路１７となだらかに接続され、液相通路２０と気相通路１９とが同じ方向へ隣接しつつ延びている。この場合、分岐部１７ｂにおいて液相の重質燃料が跳ねることなく液相通路２０へ導かれるため、気相通路１９に重質燃料が流入し難い。そのため、軽質燃料の性状をより安定化させることができる。また、図４（ａ）のように気相通路１９と液相通路２０とを排気マニホールド４ａの外に出るまで隣接させる場合、図４（ａ）のIVb−IVb線における配管の断面形状を図４（ｂ）に示したような形状にしてもよい。このように配管の中央に仕切り板１７ｃを設けて一方を気相通路１９、他方を液相通路２０として通路１９、２０を一本の配管にまとめることで、排気マニホールド４ａの壁面に加工する孔の数を減らすことができる。

本発明は以上の実施形態に限定されず、本発明の技術的思想の範囲内において、種々の形態で実施してよい。例えば、内燃機関はディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジンに本発明を適用することもできる。軽質燃料の用途は、排気浄化触媒の機能再生に限定されない。例えば、内燃機関の始動時に吸気通路へ供給してもよい。このように軽質燃料を供給することにより、内燃機関の始動性の向上や始動時の排気エミッションの改善が期待できる。

分留区間及び分岐部を配置する場所は、排気マニホールドに限定されない。燃料を排気熱によって目標温度まで加熱できるのであれば、種々の位置へ配置することができる。例えば、内燃機関の各気筒から排出される排気が集合する排気集合部に配置してもよい。また、酸化触媒等の触媒の下流側の排気通路に配置してもよい。この場合、触媒の反応熱で昇温された排気を利用して燃料を加熱することができる。さらに、分留通路は排気通路の外に配置されていてもよい。例えば、分留通路が排気マニホールドの表面に接触するように配置されてもよい。

本発明の一実施形態に係る燃料分留装置が組み込まれた内燃機関を示す図。 図１の分岐部を拡大して示す図。 分岐部が排気マニホールドの外に配置された燃料分留装置を示す図。 本発明の燃料分留装置の他の実施例を示す図。

符号の説明

１ 内燃機関
４ 排気通路
４ａ 排気マニホールド
１１ 燃料供給装置（燃料供給系統）
１５ 燃料分留装置
１７ 分留通路
１７ａ 分留区間
１７ｂ 分岐部（分岐点）
１９ 気相通路
２０ 液相通路

Claims (4)

1. 内燃機関の燃料供給系統に接続され、前記内燃機関の排気熱を利用して燃料を分留する分留区間を経て分岐点に至る分留通路と、前記分岐点から下方に分岐された液相通路と、前記分岐点から前記液相通路よりも上方に分岐された気相通路と、を備えた内燃機関の燃料分留装置において、
   前記分岐点は、分留時における燃料の温度が最も高くなる位置に配置されていることを特徴とする内燃機関の燃料分留装置。
2. 前記分留通路が前記内燃機関の排気通路を貫くように配置され、
   前記分岐点は、前記分留通路が前記排気通路から出る出際に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料分留装置。
3. 前記分留区間の少なくとも一部と前記分岐点とが前記内燃機関の排気通路内に設けられ、
   前記液相通路は、前記分留通路となだらかに接続されるとともに、前記分岐点から前記排気通路の外に出るまで前記気相通路の延びる方向と同じ方向に向かって前記気相通路と隣接しつつ延びていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料分留装置。
4. 前記分留区間の少なくとも一部と前記分岐点とは、前記内燃機関の排気マニホールドに配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気分留装置。
   
   

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