JP2008510102A - 車上オクタン分離のためにガソリンを加熱するためのヒートパイプ - Google Patents

Abstract

一次燃料を、高オクタン燃料および低オクタン燃料に分離するための膜分離装置を有し、その際一次燃料は、膜分離装置内での分離のために加熱される内燃機関燃料系において、ヒートパイプが、使用条件下の内燃機関からの排気ガスと熱交換関係にあるように配置される蒸発器部、および一次燃料が分離装置に供給される際に、一次燃料と熱交換関係にある熱出力領域を有し、それにより一次燃料が加熱されることを改良点とする。一実施形態においては、ヒートパイプは、最高作動温度約１６０℃以下を有する可変伝導率ヒートパイプである。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、エンジンからの廃熱を用いて、複数の燃料成分をエンジン運転のために提供することによって、エンジン燃料の組成を調整して、エンジンの運転サイクル条件を満足することに関する。より詳しくは、本発明は、内燃機関の燃料供給系に組込まれる分離装置（そこで複数の燃料組成物に分離される）に供給される燃料の温度制御に関する。

ガソリンを、内燃機関中に駆動サイクルの異なる部分で注入するために、高オクタンおよび低オクタンの画分へ車上で分離することは、近年、多数の研究の課題であり、種々の分離装置が提案された。これらの分離に伴う問題の理解を容易にするために、エンジン燃料の供給系において膜分離装置を用いて分離を行なうことが、特に引用される。これらの系は、特許文献１に開示される。これは、本明細書に参照により援用される。

車上オクタン分離においては、ガソリンは、それが、膜モジュールへ供給されて、高オクタンおよび低オクタンの画分に分離される前に、８０〜１６０℃、好ましくは約１４０℃へ加熱される。ガソリンを、自動車排気の廃熱を用いて加熱することは、エネルギー効率のよい提案であり、従来の熱交換器は、これらの加熱を達成するものとして構想された。残念ながら、空間的な制約から、従来の熱交換器を用いることは困難である。また、注意深く設計された制御の方式および装置は、確実に、加熱されたガソリンが１６０℃を超えないことが必要とされる。さもなければ、ガソリン中の反応性成分（ジオレフィンなど）が、反応して、装置をファウリングすることがある。

米国特許第６，６２２，６６３号明細書

従って、本発明の目的は、内燃機関の燃料系に組込まれた分離装置に供給されるガソリンストリームの温度を制御する新規かつ効果的な手段を提供することである。

他の目的は、内燃機関の燃料供給系に組込まれた分離装置に供給されるガソリンストリームを加熱するための手段を提供することである。これは、容易に、系の空間および配置の要件を満足するように配列されることができる。

従って、一次燃料を、高オクタン燃料および低オクタン燃料に分離するための分離装置を有し、その際一次燃料は、分離装置内での分離のために加熱される内燃機関の燃料系において、ヒートパイプが、使用条件下の内燃機関からの排気ガスと熱交換関係にあるように配置される蒸発器部、および一次燃料が分離装置に供給される際に、一次燃料と熱交換関係にある熱出力領域を有し、それにより一次燃料が加熱されることを改良点とする。

一実施形態においては、ヒートパイプは、最高作動温度約１６０℃以下を有する可変伝導率ヒートパイプである。

本発明は、特に、特許文献１（本明細書に参照により援用される）で権利請求の対象とする燃料系と一緒に用いるのに適切である。本明細書の図１から分かるように、これらの系には、燃料タンク１０（一次燃料の供給源として働く）が含まれる。燃料は、燃料タンク１０から膜分離装置１２へ供給される。膜物質（１４で示される）は、ガソリンの比較的高オクタンの成分を選択的に透過するように選択される。膜装置１２によって分離された透過成分は、高オクタン燃料アキュムレーター１５へ供給され、一方残留物は、低オクタン燃料アキュムレーター１６へ供給される。混合制御装置（示されない）は、選択的に、混合バルブ１７を作動して、燃料を、低オクタンアキュムレーター、高オクタンアキュムレーター、またはそれらの両方からエンジン１８へ送出し、そこで燃焼する。

本発明においては、エンジン１８からの高温の排気ガスが、分離装置１２へ供給される一次燃料を加熱するのに用いられる。この加熱は、ヒートパイプにより達成される。知られるように、ヒートパイプは、熱力学的作動流体を含む閉じた真空室を含む。作動中には、作動流体は、その蒸発潜熱をパイプの蒸発部で吸収し、熱を凝縮が起こる熱出力領域へ移動する。凝縮物は、重力によって蒸発部へ戻る。あるいは、ウィックがまた、ヒートパイプが実質的に水平に配向され、重力が凝縮物を蒸発部へ効果的に戻さないであろう場合などには、凝縮物を毛管力によって戻すのに用いられることができる。

従って、本発明においては、ヒートパイプは、蒸発部を排気ガスと連通して有して、熱を作動流体へ伝えるように配置される。これにより、作動流体は、蒸発され、ヒートパイプの凝縮部へ流される。ヒートパイプの凝縮部は、膜分離装置へ供給される一次燃料と伝熱的に連通して配置される。これは、図２に示され、燃料タンク１０からの燃料は、分離装置１２で分離される前に、ヒートパイプ３０の熱出力領域３１と熱交換関係で供給され、かつエンジンの排気ガスストリーム３４は、熱を、ヒートパイプ３０の蒸発器部３２へ供給する。

図３に示される本発明の一実施形態においては、ヒートパイプ３０の蒸発器部３２は、管状の排気ガス導管３５の外周周りに配置される。熱出力領域３１は、供給ライン３６と熱交換関係にあり、そこを通ってタンク１０からの燃料は、流れかつ加熱される。排気ガスストリームからヒートパイプ３０の蒸発器部３２への熱収集を促進するために、複数の熱交換フィン３７が提供される。示されるように、フィン３７は、好ましくは該部３２の全長に対して伸びる。これらのフィン３７は、蒸発器部３２の長さに沿って、排気ガス導管３５上に載置されてもよい。

適切なヒートパイプ形態の一実施形態を、図４の断面図に示す。この実施形態においては、フィン３７は、排気管の管状部３５の内壁上に載置される。フィン３７は、排気ガスと熱的に接触している。フィンの数は、伝熱流体を蒸発するのに必要な熱を提供するのに十分なものである。示されるように、ヒートパイプ３０は、熱出力領域３１から蒸発器部３２への流体凝縮物の流れを促進するウィック物質３８と共に提供される。この実施形態においては、複数の供給導管３６が、ヒートパイプ３０の熱出力部３１を通って送られ、そこを通って供給される流体が加熱される。

理解されるであろうように、ヒートパイプは、好ましくは、ストリームの温度を、閾値未満に加熱するように限定するであろうものである。これらのヒートパイプは、可変伝導率ヒートパイプと呼ばれる。これらの可変伝導率は、例えば、適切な作動流体を選択することによって達成されることができる。本発明を実施するに際しては、水が、ガソリンを１４０℃〜１６０℃の範囲へ加熱するのに好ましい作動流体である。従って、水の完全蒸発が起こる場合には、蒸発器部における熱伝達は、実質的に停止し、燃料は、約１６０℃超に加熱されない。別の方法は、非凝縮性の不活性ガスを作動流体に加えることである。勿論、水−グリコール、および類似の混合物は、特に、作動流体の凝固が問題であるかもしれない場合に用いられてもよい。ウィックの構造自体は、凝固に伴う問題を回避するように用いられてもよい。ウィック内で凝固される水は、小さな結晶で存在し、凝固による機械的応力（凝固された際には、ヒートパイプを破裂させることがある）を生じないであろう。

本発明の利点には、ガソリン原料の温度が、外部制御、バルブ操作などを必要とすることなく自動的に制御されることができることである。熱は、廃熱によって供給され、ヒートパイプを用いることは、車両に搭載した際に、限定された空間に収容されることができる種々の形態を可能とする。

本発明は、膜分離装置を特に引用して記載されたものの、他の分離装置が用いられてもよい。従って、熱は、燃料の分離を蒸留によって行なうように供給されてもよい。他の実施形態においては、吸着タイプの分離装置が、用いられてもよく、熱は、本発明により供給されて、吸着材から脱着されてもよい。

一次燃料を、高オクタン燃料および低オクタン燃料に分離するための膜分離装置を用いる燃料系を示すブロック図である。 図１に示されるものなどの燃料系におけるヒートパイプの使用を示すブロック図である。 図２の系で用いるためのヒートパイプの配置に関する概略図である。 本発明のヒートパイプの一配置に関する概略断面図である。

Claims (13)

1. 燃料供給源を有する内燃機関用の、複数の燃料を供給するための燃料系であって、
   燃料供給源、
   分離手段であって、前記燃料供給源から前記分離手段へ供給される燃料を、少なくとも高オクタン燃料および低オクタン燃料に分離するための分離手段、
   エンジン排気ストリーム導管、および
   前記排気ストリーム導管と熱的に連通する蒸発器部および前記分離手段に供給される燃料と熱的に連通する熱出力部を有するヒートパイプであって、それにより前記燃料は、そこで分離のために加熱されるヒートパイプ
   を含むことを特徴とする燃料系。
2. 前記ヒートパイプは、可変伝導率ヒートパイプであることを特徴とする請求項１に記載の燃料系。
3. 前記分離手段は、膜であることを特徴とする請求項２に記載の燃料系。
4. 前記ヒートパイプは、燃料を温度１４０℃〜１６０℃へ加熱することが可能であることを特徴とする請求項３に記載の燃料系。
5. 前記排気ストリーム導管は、管状であり、前記ヒートパイプの蒸発器部は、前記導管の一部の外周周りに配置されることを特徴とする請求項２または３に記載の燃料系。
6. 複数のフィンを、前記排気導管と、前記ヒートパイプの蒸発器部の間で熱的に接触して含むことを特徴とする請求項５に記載の燃料系。
7. 複数の導管を、前記ヒートパイプの熱出力部と熱的に連通して含み、それを通して燃料が前記膜へ供給されることを特徴とする請求項６に記載の燃料系。
8. 一次燃料を、高オクタン燃料および低オクタン燃料に分離するための分離装置手段を有する内燃機関の燃料系であって、前記一次燃料は、前記分離装置内での分離のために加熱される燃料系における改良であって、
   使用条件下の前記内燃機関からの排気ガスと熱交換関係にあるように配置される蒸発器部を有するヒートパイプ、および前記一次燃料が前記分離装置に供給される際に、前記一次燃料と熱交換関係にある熱出力領域を有することを特徴とする改良。
9. 前記ヒートパイプは、１４０℃〜１６０℃の範囲で作動可能な可変伝導率ヒートパイプであることを特徴とする請求項８に記載の改良。
10. 前記分離装置手段は、膜であることを特徴とする請求項９に記載の改良。
11. 一次燃料を、分離装置手段において少なくとも高オクタン燃料および低オクタン燃料に分離するために加熱する方法であって、
    加熱されたガスストリームを、ヒートパイプの蒸発器部と熱的に連通して送り、それにより前記蒸発器中の液体は、蒸発し、前記ヒートパイプの熱出力部へ移動する工程；および
    前記一次燃料を、前記ヒートパイプの熱出力部と熱的に連通して送り、それにより前記燃料は加熱され、前記ヒートパイプの凝縮装置中の蒸発された液体は、蒸発装置部へ移動する工程
    を含むことを特徴とする加熱方法。
12. 前記ヒートパイプは、最高作動温度１６０℃以下を有する可変伝導率ヒートパイプであることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記分離装置手段は、膜であることを特徴とする請求項１２に記載の方法。

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