JP2007510857A - 気化燃料エンジン - Google Patents

Abstract

エンジンに給油し燃料効率を高めるのに気化燃料の使用を可能にする燃料供給装置が提供される。この燃料供給装置は気化タンクと、加熱源と、温度制御と、排気ガスの所望の炭化水素レベルに保持するために外気と気化ガソリンとの相互混合を制御するように設定された監視制御装置と、を有し得る。
【選択図】 図１

Description

本発明は、エンジンを稼動させるのに気化した燃料を使用することに関し、より詳細には、燃料効率を高める種々の改良に関する。

いくつかの条件下ではガソリン駆動車両に液体燃料に対して気化燃料を使用すると、燃料効率を高めると共に大気に送られる炭化水素の排出を減少させることが可能であることは知られている。長く解決していない問題は、このような車両が典型的に駆動される種々の変化する条件に亘ってそれらの利点をどのように獲得し保持するかということである。

共通に所有された米国特許出願番号１０／００２，３５１にて公知であり記載されているように、（ここで参照することにより導入される）、燃料効率は、ある量のガソリンを加熱して気化させ、蒸気を外気の流れに導き、所望の空気対燃料混合物を達成し、該混合物をエンジンの吸気マニフォールドに導くことにより、改良され得る。

上記出願において明らかにされたシステムはかなりの改良結果を得たが、所望の動作の一貫性を達成していない。
維持される必要のある最適の燃料対空気混合物があることが知られている。１対２０の燃料対空気混合物は濃すぎるようでその結果燃料内に受け入れられない割合の炭化水素が出来、適切に燃焼せず 燃料効率が減少する。１対４０の混合は今日の触媒式排気ガス浄化装置（ＣＡＴｓ）には稀薄すぎてＥＰＡ（環境保護庁）排出ガス基準で禁止されている窒素酸化物の排出を引き起こす。約１対３０の燃料対空気混合物は車両で使用されている現行のガソリン・エンジンにとってほぼ最適であり、本発明の一つの目的は実質的に例えば１対３０の範囲内に燃料対空気混合比を維持するために燃料対空気混合物を制御することである。

上記の目的と一致して、前記混合物は監視されエンジンの全動作中調整される。これは、気化燃料がエンジンの吸気マニフォールドに入る前に、混合される気化燃料及び／又は外気の流れを制御する諸バルブを使い自動的に達成される。該バルブは制御機器に連結され、該制御機器は車両の排気ガス内の酸素ガス(O2 )放出を検知する車両の酸素ガス(O2 )センサー（最新の車両の標準特性）に連結されている。酸素ガス(O2 )放出は説明したように燃料対空気混合の反映である炭化水素放出に直接関連していることが知られている。

好適な実施例において、酸素ガス(O2 )センサーからの電気出力は前述の制御機器へ伝達される。制御機器により測定されるセンサーの電圧出力の所望の読みは例えば３ボルトであることが知られている。始動時、その読みは通常例えば４ボルトとなり、それは濃すぎる混合を示すがエンジンの始動と暖機には好ましい。暖機を受け入れる時間遅延の後、例えば３より上又は下の読みはすべて、外気流と気化燃料流（より正確には空気と燃料との濃縮混合）とを制御するバルブの開閉のための制御を起動させる。例えば、３．２の読みは外気バルブの開き及び／又は気化燃料流の閉じを引き起こす。２．８の読みはその逆を引き起こす。

燃料対空気混合物の確立された固定設定はエンジンの全動作中安定した混合物を生み出すと推定され想定されてきたが、そのようなものは事実と違うことが判った。制御され調節するのに必要な変動要因が数多くある。液体燃料温度は炭化水素放出と燃料効率に最大の影響力を有することは公知であり、その温度は環境の諸変化すなわち気温、高度、湿度等に起因して、小さいが極めて有効な程度の温度だけ変化する。従って、好適な実施例では、このような環境による変動要因の影響を実質的に除くために気化されるべき燃料の量は厳密に温度制御される。

しかしながら、前記液体燃料温度を単に保持するだけでは制御されない重大な変化がまだ残っている。従ってその残りの変動要因は、酸素ガス(O2 )センサーをモニターすることにより調節される。前記燃料混合物が酸素ガス(O2 )モニターの所望の読みより逸れる分だけ、該混合物は補正される、すなわち一つの又は複数のバルブの設定を変化させることにより補正される。

上記の諸改良が好適な実施例の主要な特徴と考えられるが、下記のものも追加利点を提供するものと考えられる。
再び好適な実施例において、或る量の液体燃料例えば１ガロン（３．８ｌ）の燃料が気化タンクに注入される。該燃料は例えばタンクの下半分を占め、加熱要素と温度センサーが同タンクの燃料収容部分に備えられる。温度が設定され、例えば７４度に保持されるとその温度は燃料の気化を引き起こし、その蒸気は液体面からタンクの上半分に上昇する。このタンク内には、上半分には外気入口と気化燃料出口とがある。一連の調整板が空気を前記入口から前記液体の表面を横切って外側の第一導管に接続されている出口に案内する。外気温度は液体上を移動することにより安定化し、その過程において上昇する燃料蒸気と混合する。出口を通り第一導管の中に吐き出されるとき、それはこれまで暗示されて来たそしてこれはおそらくより正確に濃縮燃料空気混合物と認められる気化燃料となる。外気の二次源は第二導管を通って運ばれ、第一導管の気化燃料と合流する。空気と気化燃料との合流に先立ち、第一及び第二導管の夫々か選択したどちらかに制御バルブが備えられ、該制御バルブは第三導管又は連続導管（混合室とも言われる）内で混合され続いて該混合がエンジンの吸入マニフォールドに運ばれる外気と気化燃料の量を変えるために各導管からの流量を制御する。

解決を導き出す必要があった更なる問題は、記載した工程が、商業的に入手可能な通常のガソリンを蒸発させるとき、例えば最適と考えられる温度設定で、容易に蒸発しない液体残量物を発生するという発見であった。一定期間後、この液体残量物はより大きくなりそして気化タンクの液体容積のより大きな部分となる。従ってこの液体残量物をタンクから定期的に取り除くための対策がなされた。

この液体残量物が、従来のエンジン内で受入れ可能に良く燃え、特に好適な実施例のシステムがこのような従来のエンジンの改造部品として適応可能で適用される程度まで燃えることが確認されたが、第一の解決はエンジンの交代稼動であり、それはすなわち上に記載したように気化燃料稼動で、次に、所望されたとき液体残量物がエンジン給油用に使用される従来の液体燃料運転に戻ることである。（a)タンクに例えば1ガロンの液体ガソリンを注入する；（ｂ）その燃料の８０％を気化させてから液体残量物を燃焼し尽くすために従来のエンジン動作に切り換えられる；そして（ｃ）タンクに（液体ガソリンを）再注入し気化燃料に切換復帰する；という再循環操作が、確立され得る。他の解決が確かに考えられる。前記残留物は、単にタンクから周期的に引き出すことが出来、燃料の再注入が必要になるまで蓄えられ、それから処分されるか又は好ましくは従来のエンジンで使用するために移動される。同残留物は又、幾分かであるがしかし受入れ可能な効率損失で同残留物を気化することが出来る周期的な高温度蒸発により除去され得る。

本発明は、以下の詳細な記載とそこで言及する図面とを参照することにより、より十分に認識され理解され得る。

好適な実施例の記載

本発明に基づくシステムの構成部品の概略図である図１を参照されたい。標示を付されたガソリン駆動エンジンはエンジンのスロットル主部に接続された吸気ポート１０を有している。該エンジンは、作動中、吸気ポート１０を通して空気と燃料を引き込む。同エンジンは酸素ガス(O2 )センサー１４を備える排気パイプ１２を有する。同エンジンと吸気ポート１０とO2 検出器１４とは、通常のガソリン駆動車両が備える標準的設備でよく、図示した実施例のその他の構成部品は、本発明の目的を達成するために前記システムの中に組み込まれている。

部品１６は、エンジン作動時に外気を引き込む空気箱を示す。空気箱１６からの空気導管１８と２０とは以下に詳述するように所期の空気の流れを同システムの残部に提供する。

導管２０は、導管２０を通して導かれタンク２６の上端またはカバー２４を経て蒸気生成タンク２６に運ばれる空気量を制御するバルブ２２を有する。
導管１８は混合室３０に進む外気量を制御するバルブ２８を有する。

気化生成タンク２６に戻ると、該タンクは後述する流量制御装置、例えば、調節板を備えるが、本概略図に関しては導管２０からの空気（バルブ２２により制御される）が頂部２４を通ってタンク２６に入り、液体燃料２８が導管３４を通ってガソリンタンク３２から引き出され、入口および出口３６，３８を介して同液体内に液浸した温水式加熱コイルは気体／燃料２８を加熱し蒸気４０を発生することを理解されたい。該蒸気は外気導管２０からの外気流により捕捉され、導管４２に導かれ混合室３０に進むが、バルブ４４により制御される。導管４２の空気蒸気混合物は導管１８からの外気と混合室３０内で相互混合し、同混合物は吸気ポート１０を通して導かれ、そこからエンジンの燃焼タンクに導かれる。

さて、図２も参照すると、そこには図１で言及した外気と蒸気とそして燃料流速のための自動制御工程が示してある。バルブ２２，２８、および４４は所望に応じて（全開と全閉の間の制限の無い位置の間で）、例えばステッピング・モーター２２′、２８′、４４′により、それぞれ開閉される。

燃料効率は乗物の排気から放出される炭化水素により測定され得ることがわかっている。残念ながら、望まれず又許可されない窒素酸化物の放出があるので、今日到達しているガソリン・エンジンからの炭化水素の除去は全てではあり得ない。したがって、まず許可された窒素酸化物のレベルを、そしてその後、窒素酸化物の抑制のための許可された限界内に留まる炭化水素の最低レベルを決定することである。

更に、車両の排気内のO2 レベルを検出する新型車両の排気システムに組み込まれたO2 検出器は、その同じ排気内の炭化水素のレベルに直接関連付けられていることがわかっている。従って、検出器１４のいかなるO2 の読みが最適燃料効率を作り出すかを決定することが可能である。例えば、O2 モニターが３ボルトの読みを生ずるとき、所望の炭化水素レベルが存在すると決定され得る。

図1に戻ると、混合物がエンジン吸気スロットル本体に入っていく混合室３０で得られる燃料対空気混合比を制御することにより燃料効率が達成されるように、なっている。導管４２から混合室３０に導かれる蒸気・空気混合物は、例えば１の燃料に対して１０の空気のように、濃すぎることは知られており、そしてもちろん導管１８からの空気のみであれば燃料部分はゼロである。所望の混合は、例えばバルブ４４を通る空気／蒸気1立方フィート（２８．３２リッター）に対してバルブ２８を通る２立方フィート（５６．６４リッター）の空気である３０対１の比を達成する混合であり得る。

バルブ２８、４４は前記所望の混合をある一定の時間に達成するようセットすることが可能であるが、多くの要因が導管４２を通り流れる蒸気／燃料混合体で達成される比率に影響を与えることが知られている。

特定の炭化水素放出が所望されていると仮定すると、O2 検出器の読みはその読みが排気ガス内の炭化水素も示すから、この所期の混合が達成されていることを証明する。説明したように、固定した設定は、いかなる一定の期間でも最適比率を達成することは簡単ではない。どんな温度変化でも、どんな高度変化でも、そして、どんな燃料組成の相違でもタンク２６から混合室３０に流れる蒸気／燃料混合物に影響を与える。

従って、バルブ２２、２８、および４４はステッピング・モーター２２′、２８′、４４′により操作され（図２のフローチャートおよび図４の分解斜視図に示すように）、このステッピング・モーターはコンピューターＣにより自動的に操作される。コンピューターＣはO2 を、従って排気ガス１２の炭化水素放出をモニターし、もしそれらの読みが高すぎる又は低すぎる炭化水素を示したら、ステッピング・モーターは導管１８および導管４２からの相対流量を変化させるようコンピューターにより起動させられる。もしその読みが高すぎる炭化水素を示したら、導管４２からの蒸気／空気の流れを、例えばバルブ４４を閉めるとか、又は例えばバルブ２８を開けるとか、又は例えばバルブ４４を閉めるのとバルブ２８を開けるのとを両方行うとかで、少なくする必要がある。

この調整はいくつかの段階で、すなわち、バルブ４４を１度（１°）閉め、O2 検出器を再度読み、バルブ４４の部分的な閉じを繰り返すかその代わりバルブ１８を部分的に開けるか、又はその両方を組み合わせることにより行われ得る。バルブ２２は、また導管２０への空気の流れを制限する一つの要因になり得てそれはタンク２６へ、従って導管４２への空気の流れを遅くし、一方では又、バルブ２８を通してより多くの空気の流れを迂回させる。

記載した構造はデザイナーをして、燃料対空気混合物において好ましいと判断されるような所望の結果（例えば１対３０）を理論上提供するが、その後効率に実質的偏差を生じる小さな環境的変化の影響を認識して、排気ガスモニター例えばO2 検出器からのリアルタイム読み出しに敏感に反応する自動調整を提供する、システムをデザインするのを可能にする。

次に、気化タンク２６の構成部品を図解する図３を参照する。タンク２６は約４インチ×８インチ×１２インチ（１０．１６ｃｍ×２０．３２ｃｍ×３０．４８ｃｍ）の大きさの金属箱４８から成る。このタンクの底には、入口５２と出口５４を有し箱４８に組み立てられるとき入口５２´と出口５４´とを経て同箱から延びる温水コイル５０が敷きつめられている。

該箱の底の上で同コイルの上方に位置するのは調節板グリッド５６である。調節板グリッド５６の板は、同グリッドがコイル５０上に着座するのを可能にするスロット５８を有する。調節板グリッド５６は留め具タブ６０を有し、留め具タブ６０に取り付けられるのは離間して在る円形開口６４を有する下方調節板６２である。調節板６２は箱４８の上縁（フランジ８４により画定される）の下に位置し、フランジ８４に取り付けられるのが上部調節板６６である。調節板６６の延長フランジ６８は該箱から横方向に突き出て、箱４８を乗物の本体に取り付ける手段を提供している。上部フランジ６８は長方形の開口７０を有している。

上部調節板６６に取り付けられ、これから説明する空気入口と整合しているのは第二上部調節板７２で、開口７０′の大部分を覆うためにサイズを縮小され上部調節板６６に取り付けられている。この第二調節板に備えられるのは例えば直径約１／４インチ（０．６３５ｃｍ）のサイズの５個の穴７４といった複数の小さな穴である。調節板７２は空気入口７８からの空気流への障害を提供し、タンク２６内で横方向と下方に空気の流れを偏向する。

この組立体を完成するのは変形ピラミッド形として説明され得る複雑な形を有する頂部又はカバー２４である。該ピラミッド形の頂上は空気入口７８が備えられる所である一端部に位置している。蒸気／空気出口８０はそれと同じ端部に備えられるが前記ピラミッド形の側壁に沿って在る。頂部２４の周辺縁部を形成するフランジ８２は、調節板６６のフランジ部分７６内のボルト穴と箱４８の周辺縁部を形成するフランジ８４内のボルト穴とに整合するボルト穴を有している。ボルト（図示せず）は構成部品を一体に締め付けるために整合したボルト穴を通って挿入される。箱４８内に入っている浮き８６は同箱内の液体ガソリンのレベル（液位）を決定する。該液体ガソリンは導管３４を通って前記箱に入リ、リサイクル導管９０が気化タンク２６内の同ガソリンを排出および／又は循環するために準備されている。

作動中液体ガソリンは箱４８の底に約３／４インチ（１．９０５ｃｍ）のレベルすなわち加熱コイル５０の位置より上でかつ調整板グリッド５６の上端より低いレベルまで満たされる。調整板グリッド５６と調整板６２は主に乗物の駆動中ガソリンのスロッシング（跳ね回り）を防ぐ。液体ガソリンが（加熱コイル５０により誘起されて）気化すると、入口７８からの空気は、調整板７２と６８とによって液体表面全体に分散し、それは蒸気４０（図１を見よ）を回収し、その後上述したように出口８０を通り導管４２を経て混合室３０に導かれる。

ガソリンが気化され、液体ガソリンの表面から引き出されると、ガソリンレベルは下落しそれはフロート８６により検出される。本システムにより好ましいと決められたように、ガソリンは入口３４を通して補充される。ある時間経過後、ガソリンは汚染され始める（気化しない）ので、前記タンクを清掃するのが好ましい。それはエンジンをガソリン使用に変え従来のガス注入システムを通してタンク２６の残余ガスを引き出すことにより行われ得る。前記ガソリンは又、単に汚水槽に排出され例えば電気芝刈り機といった他の動力設備に利用され得る。

上記においては好ましい実施例が考察されたが、読者は本発明の意図する範囲から離れることなく多くの修正および変更がなされ得ることを容易に理解するであろう。従って、本発明は上に記載した構造に限定されるものではなく、添付請求項の限定を全面的に包含するものである。

本発明の好適な実施例の概略図である。 図１の実施例のために使用されるシステムの動作線図である。 図１の蒸発タンクの分解図である。 図１と図２のシステムの制御バルブを詳細に図示する更なる分解図である。

Claims (8)

1. 燃料を燃焼させる燃焼室と燃焼された燃料の排気装置とを含むガソリン給油エンジン用の燃料供給装置であって、
   該装置は、ある量の液体ガソリン燃料を収容された気化タンクと、同燃料を加熱する加熱源と、同タンク内に収容された液体ガソリン燃料の温度を制御するための温度制御装置とを備え；
   前記温度制御装置は該液体表面から上る同燃料の気化を引き起こすために液体ガソリン燃料の温度を維持し、導管配列が同タンクから気化ガソリン燃料を運び、外気の一次源が前記導管配列により運ばれた該気化ガソリン燃料と混合し、前記導管配列は相互混合した外気と気化燃料とを燃焼用にエンジンに運び；かつ、
   排気ガスを所望の炭化水素レベルに維持するためにエンジン排気ガスを監視し前記外気と気化ガソリン燃料との相互混合を制御する自動制御装置を備える、燃料供給装置。
2. 請求項１に画定された燃料供給装置であって、外気の二次源は前記タンク内に導かれそこを通って濃縮した気化空気燃料混合物を前記導管に集めて運び、その後外気の一次源と一体化する、燃料供給装置。
3. 請求項２に画定された燃料供給装置であって、外気の一次源と、濃縮した気化ガソリン燃料と空気の混合物との一方又は両方にバルブが備えられ、この一方又は両方のバルブは前記一次外気と、気化ガソリン燃料と空気の混合物との相互混合を制御する、燃料供給装置。
4. 請求項３に画定された燃料供給装置であって、前記制御装置は、前記排気ガス内の炭化水素の存在を決定するため前記エンジンの燃焼排気ガスを検知するセンサーを備え、前記バルブは前記相互混合を修正しそれにより前記排気ガス内に所望の炭化水素の含有量を維持するために前記センサーに応答する、燃料供給装置。
5. 請求項４に画定された燃料供給装置であって、前記センサーは酸素ガス(O2 )放出を検知し、前記制御装置は該酸素ガス(O2 )放出に基づき炭化水素を決定する燃料供給装置。
6. 請求項２に画定された燃料供給装置であって、タンク内の調整板配列は前記空気が気化燃料を集めて運ぶとき前記空気の温度を安定化させるために前記二次源からの空気を液体燃料の表面の上方に導く燃料供給装置。
7. 請求項１に画定された燃料供給装置であって、前記燃料供給装置は前記エンジンへの交替の燃料源として備えられる燃料供給装置。
8. 請求項７に画定された燃料供給装置であって、気化するとき燃料は残留燃料部分を生み出し、制御装置は気化燃料又は液体燃料を燃焼室に選択的に提供し、前記残留燃料は液体燃料として前記燃焼室に運ばれる、燃料供給装置。

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