JP2009275543A - 触媒燃焼式燃料・吸気加熱システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料を加熱する熱源として、触媒燃焼式燃料加熱装置を用いることにより、燃料加熱のエネルギー変換効率を高めるとともに、温度のコントロールが容易で安全性の高い触媒燃焼式燃料加熱システムを提供する。
【解決手段】燃料を各インジェクタ１６に分配するフューエルインジェクションレール１４に、燃料の一部を触媒燃焼により燃焼させる触媒燃焼式燃料加熱装置２０を燃料加熱用の熱源として併設する。
【選択図】図１

Description

本発明は、触媒燃焼式燃料・吸気加熱システムに係り、特に、寒冷地での自動車エンジンの始動性を高めるための触媒燃焼式燃料・吸気加熱システムに関する。

冬季には、自動車のエンジンが始動し易いように、エンジン本体あるいは燃料をあらかじめ予熱しておくことが行われている。特に、寒冷地では、何らかの手段によりエンジンや燃料を予熱しておくことは必要不可欠である。

従来、ディーゼルエンジンでは、グローブラグを用いてエンジンの副燃焼室内の圧縮空気を直接燃焼するものなどが知られている。また、特許文献１には、始動時間を短縮するために、副燃焼室の周囲のヘッドジャケットにグロープラグとともに水温検出器を設け、水温が一定以下になると、グロープラグによりヘッドジャケット内の冷却水を予熱し、この冷却水により副燃焼室を暖めることが提案されている。
特開平５−１０２２６号公報

しかしながら、従来の燃料加熱方式は、熱源に電気ヒータを用いているため、エネルギー変換効率が悪いという問題がある。すなわち、電気ヒータの電源は、バッテリからとることになるが、バッテリの充電は、もともと燃料の熱エネルギーを電気エネルギーに変換したものである。そして、電気を熱エネルギーに再度変えるというように、変換経路が長いため、燃料を出発点とすれば最終的な変換効率は低くなる。

また、電気ヒータによる加熱方式では、大電流を使用するので、バッテリがあがってしまう虞がある。

さらに、既存のシステムでは、燃料気化を促進させるために燃料を過剰に噴射しているので、エネルギー効率が悪いという問題がある。

そこで、本発明の目的は、前記従来技術の有する問題点を解消し、燃料や空気を加熱する熱源として、触媒燃焼式燃料加熱装置を用いることにより、燃料加熱のエネルギー変換効率を高めるとともに、燃費改善効果が得られ、さらに低温での燃焼が可能なため安全性の高い触媒燃焼式燃料加熱システムを提供することにある。

前記の目的を達成するために、本発明は、燃料を各インジェクタに分配するフューエルインジェクションレールまたは空気をエンジンの燃焼室に供給する吸気マニホールドに、前記燃料の一部を触媒燃焼により燃焼させる触媒燃焼式燃料加熱装置を燃料または空気の加熱用の熱源として併設したことを特徴とする。

また、本発明は、燃料を各インジェクタに分配するフューエルインジェクションレールと、前記燃料の一部を触媒燃焼により燃焼させて燃料を加熱するための熱源となる触媒燃焼式燃料加熱装置と、前記フューエルインジェクションレールに燃料を供給する燃料供給配管と、前記燃料供給配管から分岐し、燃料の一部を前記触媒燃焼式燃料加熱装置に供給する燃料分岐配管と、エンジンの吸気系から取り込んだ空気を前記触媒燃焼式燃料加熱装置に供給する空気供給配管と、前記触媒燃焼式燃料加熱装置の一部を加熱し、触媒を活性化させるための加熱活性化部と、を具備することを特徴とするものである。

また、本発明は、空気をエンジンの燃焼室に供給する吸気マニホールドと、前記燃料の一部を触媒燃焼により燃焼させて、前記吸気マニホールドを加熱するための熱源となる触媒燃焼式加熱装置と、エンジンに燃料を供給する燃料供給配管から分岐し、燃料の一部を前記触媒燃焼式加熱装置に供給する燃料分岐配管と、エンジンの吸気系から取り込んだ空気を前記触媒燃焼式加熱装置に供給する空気供給配管と、前記触媒燃焼式加熱装置の一部を加熱し、触媒を活性化させるための加熱活性化部と、を具備することを特徴とするものである。

本発明によれば、燃料または空気を加熱する熱源として、触媒燃焼式燃料加熱装置を用いることにより、燃料加熱のエネルギー変換効率を格段に高めるとともに、温度のコントロールが容易で安全性の高い燃料・吸気加熱システムとすることができる。また、低温時に燃料や吸気を加熱することにより、燃料の気化が促進されるので燃費改善効果が得られる。

以下、本発明による触媒燃焼式燃料・吸気加熱システムの一実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
第１実施形態
図１は、本発明の第１実施形態による触媒燃焼式燃料加熱システムの構成を示す図である。図１において、参照番号１０は、自動車のエンジンを示し、参照番号１１は、吸気マニホールドなどを含むエンジンの吸気系を示す。参照番号１２は、燃料タンクである。参照番号１４は、フューエルインジェクションレールである。

燃料タンク１２の燃料は、図示しない燃料ポンプによって圧力を高められて、燃料供給配管１５を通じてフューエルインジェクションレール１４に供給される。このフューエルインジェクションレール１４は、細長い容器からなる本体部を有している。この本体部には、複数のインジェクタ１６が配列されている。フューエルインジェクションレール１４に送られた燃料は、各インジェクタ１６に分配されて、インジェクタ１６が開くとエンジン１０の各気筒に噴射される。

本実施形態による触媒燃焼式燃料加熱システムでは、次のような触媒燃焼式燃料加熱装置２０をフューエルインジェクションレール１４に設け、この触媒燃焼式燃料加熱装置２０が燃料を加熱する熱源として利用されている。

図１において、触媒燃焼式燃料加熱装置２０には、燃料供給配管１５から分岐する燃料分岐配管２２が接続されており、この燃料分岐配管２２からフューエルインジェクションレール１４に送る燃料の一部が供給される。なお、燃料分岐管２２には、触媒燃焼式燃料加熱装置２０に供給される燃料の流量を調整する流量制御弁２３および脱硫フィルタ２４が設けられている。

他方、自動車の吸気系１１から取り込んだ空気は、吸気系１１から分岐した空気供給配管２５を通じて触媒燃焼式燃料加熱装置２０に供給される。この空気供給配管２５には、触媒燃焼式燃料加熱装置２０の供給する空気流量を調整する流量制御弁２６が設けられている。余剰の空気は、戻り管２１を通して吸気系１１に戻される。

図２に示されるように、本実施形態による触媒燃焼式燃料加熱装置２０は、フューエルインジェクションレール１４の本体部に直接接触するように抱き合わせで取り付けられている。

触媒燃焼式燃料加熱装置２０のケース２６の内部には、触媒燃焼室を形成する触媒燃焼部２８が区画されている。この触媒燃焼室には、触媒燃焼の進行に必要な触媒、この実施形態では、白金系の触媒を坦持させ充填している。そして、触媒燃焼部２８には、触媒を活性化させる手段として、電気ヒータ２９が取り付けられている。触媒燃焼部２８には、燃料分岐管２２の端末が接続されるとともに、空気供給配管２５の端末が接続されている。また、触媒燃焼部２８には、触媒温度や燃焼温度を検出する温度センサ３１が設けられている。

なお、図１において、参照番号３０は、触媒燃焼式燃料加熱装置２０を制御するコントローラを示している。このコントローラ３０は、電気ヒータ２９のオン・オフ操作、温度センサ３１による触媒温度、燃焼温度の検出値の表示、また、流量制御弁２３、２６の開度を調整し、燃料流量、空気流量を統合的に制御する。
本実施形態による触媒燃焼式燃料加熱システムは、以上のように構成されるものであり、次に、その作用並びに効果について説明する。
触媒燃焼式燃料加熱装置２０では、電気ヒータ２９で加熱することで、触媒燃焼室２７にある触媒を活性化させる。触媒温度が活性化する温度（白金系触媒の場合は約１３０℃、非白金系触媒の場合は約２００℃以上）まで上昇したら、燃料、空気のそれぞれの流量を調整することで、燃料の触媒燃焼を進行させる。このとき、触媒燃焼によって発生した熱は、触媒燃料加熱装置２０のケース２６とフューエルインジェクションレール１４の本体部との直接接触を通じて熱伝導し、フューエルインジェクションレール１４内の燃料との間で熱交換が行われる。

こうしてフューエルインジェクションレール１４は触媒燃料加熱装置２０によって直接加熱され、燃料の温度は上昇する。そして、加温された燃料が、インジェクタ１６が開いたときにエンジンの気筒に噴射されるので、気温の低い条件下でもエンジンを始動し易くすることできる。

このように、本実施形態によれば、燃料の一部を触媒燃焼により燃焼させる触媒燃焼式燃料加熱装置２０を燃料加熱用の熱源として使用してフューエルインジェクションレール１４を加熱しているので、燃料加熱にあたってのエネルギー変換効率に優れ、省エネルギー効果が高い。すなわち、従来のように、バッテリを電源にして、電気ヒータで加熱するのに較べると、エネルギー変換による損失がなく、燃料を直接熱エネルギーに変換するので、エネルギー変換効率が高い。しかも、バッテリを電源とするのは、触媒を活性化させるときだけなので、バッテリの消費電力も少なくてすむ。

また、燃料を直接燃焼させるかわりに、触媒燃焼式燃料加熱装置２０で燃料を穏やかに触媒燃焼させているので、燃料の引火の危険がなく、安全性に優れる。さらに、燃料流量、空気流量を制御することで、触媒燃焼の制御も容易である。なお、本実施形態のように、燃料分岐管２２に脱流フィルタ２４を設けることにより、触媒の長寿命化を図ることが可能である。

さらに、近年のように、燃料としてガソリンだけでなく、エタノール、ガソリンとエタノールの混合燃料が普及している状況では、エタノールや混合燃料に適するように改質した触媒を用いることで、これらのアルコールを含む混合燃料を燃料とする、いわゆるＦＦＶ（Flex Fuel Vehicle）への燃料加熱システムの適用が容易である。

第２実施形態
次に、本発明の第２実施形態による触媒燃焼式燃料加熱システムについて、図３並びに図４を参照して説明する。

この第２実施形態では、第１実施形態とは以下の点で相違がある。すなわち、第１実施形態では、触媒燃焼式燃料加熱装置２０をフューエルインジェクションレール１４に併設しているのに対して、この第２実施形態では、触媒燃焼式燃料加熱装置２０をフューエルインジェクションレール２０の本体部内に組み込んでいる。そのなお、図３において、第１実施形態と同一の構成要素には、同一の参照番号を付して、その詳細な説明は省略する。
図４は、フューエルインジェクションレール１４の本体部内に組み込まれた触媒燃焼式燃料加熱装置２０の構成を示す。
図４において、フューエルインジェクションレール１４の本体部の内部には、燃料流路の一部を構成し、触媒の充填されている触媒燃焼部４２、４３が区画されている。この第２実施形態では、フューエルインジェクションレール１４の長手方向に上段の触媒燃焼部４２と下段の触媒燃焼部４３が延びており、このうち、下段の触媒燃焼部４３は、インジェクタ１６の手前直前の位置で燃料を局所的に加熱するように配置される触媒燃焼部を構成している。

フューエルインジェクションレール１４の内部には、触媒燃焼部４２、４３と連続するように、燃料流路４４、４５、４６が区画されている。これら燃料流路４４、４５、４６と、触媒燃焼部４２、４３とは、バイパス４７、４８を介して相互に連通されている。

上段の触媒燃焼部４２には、燃料分岐管２２から燃料が供給される。また、最上段の燃料流路４４には、燃料供給配管１５から燃料が供給される。触媒燃焼部４２と上段の燃料流路４４は下流でバイパス４７を介して合流し、それぞれ中段の燃料流路４５と下段の触媒燃焼部４３に導入される。中段の燃料流路４５はバイパス４８を介して下段の燃料流路４６と接続されている。なお、触媒燃焼に必要な空気は、空気供給配管２５から供給される。この場合、触媒燃焼部４２、４３と空気供給配管２５とは交差している。

以上のように構成される第２実施形態によれば、燃料の一部を触媒燃焼により燃焼させる触媒燃焼式燃料加熱装置２０をフューエルインジェクションレール１４の内部に組み込んでいるので、触媒燃焼方式により効率的に燃料を加熱することができる。すなわち、フューエルインジェクションレール１４の内部に流路を区画し、その一部として触媒燃焼部４２、４３を構成しているので、局所的な加熱でありながら、燃料が流路を流れる間に効率よく加熱することができる。したがって、従来のように、バッテリを電源にして、電気ヒータで加熱するのに較べると、エネルギー変換による損失がなく、燃料を直接熱エネルギーに変換するので、はるかにエネルギー変換効率が高い。また、インジェクタ１６に供給される直前の燃料を局所的に加熱することもできる。ちなみに、フューエルインジェクションレール１４の内部に触媒燃焼式燃料加熱装置２０を組み込む場合、加熱出力の一例として以下の値があげられる。例えば、空気流量７．５リットル／分、燃料流量０．１８ｃｃ／分で１００Ｗ程度の加熱出力を得られる。これは、目的の加熱出力に応じたサイズ変更が必要である
また、熱源として燃料を火炎燃焼させるかわりに、触媒燃焼式燃料加熱装置２０で燃料を穏やかに触媒燃焼させているので、安全性に優れる。さらに、燃料流量、空気流量を制御することで、触媒燃焼の制御も容易である点、ＦＦＶ（Flex Fuel Vehicle）への燃料加熱システムの適用が容易である点は、第１実施形態と同様である。

以上、本発明をフューエルインジェクションレールに適用して燃料を加熱する実施形態について説明したが、本発明は、触媒燃焼式燃料加熱装置と同等の加熱システムを吸気マニフォールドに適用し、空気を加熱するシステムに拡張することが可能である。

そこで、図５には、本発明をエンジン１０の始動性を高めるため、空気を加熱するシステムに適用した実施の形態を示す。

図５において、本実施形態による加熱装置４０は、ケース４１を含む。このケース４１の中には、触媒燃焼部２８が形成されている。加熱装置４０は、吸気マニホールド４２のエンジン燃焼室手前部分を加熱する位置に取り付けられている。加熱装置４０の触媒燃焼部２８には、燃料分岐配管２２から燃料が供給されること、および空気供給配管２５から流量制御弁２６を介して空気が供給されることは、第１実施形態と同様である。

このような吸気を加熱するシステムにおいて、触媒燃焼方式により効率的に空気を加熱し、エンジンの始動性を高めることができる。

本発明の第１実施形態による触媒燃焼式燃料加熱システムの構成を示すブロック図である。 第１実施形態の触媒燃焼式燃料加熱システムにおける触媒燃焼式燃料加熱装置の説明図である。 本発明の第２実施形態による触媒燃焼式燃料加熱システムの構成を示すブロック図である。 第２実施形態の触媒燃焼式燃料加熱システムにおける触媒燃焼式燃料加熱装置の説明図である。 本発明を触媒燃焼式吸気加熱システムに適用した実施形態の説明図である。

符号の説明

１０ エンジン
１１ 吸気系
１２ 燃料タンク
１４ フューエルインジェクションレール
１５ 燃料供給配管
１６ インジェクタ
２０ 触媒燃焼式燃料加熱装置
２２ 燃料分岐管
２３ 流量制御弁
２４ 脱硫フィルタ
２５ 空気供給配管
２８ 触媒燃焼部
２９ 電気ヒータ
３０ コントローラ
３１ 温度センサ
４２ 触媒燃焼部
４３ 触媒燃焼部
４７ バイパス
４８ バイパス

Claims (10)

1. 燃料を各インジェクタに分配するフューエルインジェクションレールまたは空気をエンジンの燃焼室に供給する吸気マニホールドに、前記燃料の一部を触媒燃焼により燃焼させる触媒燃焼式燃料加熱装置を燃料または空気の加熱用の熱源として併設したことを特徴とする触媒燃焼式燃料・吸気加熱システム。
2. 燃料を各インジェクタに分配するフューエルインジェクションレールと、
   前記燃料の一部を触媒燃焼により燃焼させて燃料を加熱するための熱源となる触媒燃焼式燃料加熱装置と、
   前記フューエルインジェクションレールに燃料を供給する燃料供給配管と、
   前記燃料供給配管から分岐し、燃料の一部を前記触媒燃焼式燃料加熱装置に供給する燃料分岐配管と、
   エンジンの吸気系から取り込んだ空気を前記触媒燃焼式燃料加熱装置に供給する空気供給配管と、
   前記触媒燃焼式燃料加熱装置の一部を加熱し、触媒を活性化させるための加熱活性化部と、
   を具備することを特徴とする触媒燃焼式燃料加熱システム。
3. 前記触媒燃料加熱装置は、前記フューエルインジェクションレールの本体部に直接接触するケースと、
   触媒燃焼に必要な触媒が充填され、前記ケース内で触媒燃焼室を形成する触媒燃焼部と、
   を有することを特徴とする請求項２に記載の触媒燃焼式燃料加熱システム。
4. 前記ケースは、フューエルインジェクションレール内の燃料と熱交換を行う熱交換部を兼ねることを特徴とする請求項３に記載の触媒燃焼式燃料加熱システム。
5. 前記触媒燃料加熱装置は、前記フューエルインジェクションレールの本体部内部に、燃料経路の一部に触媒燃焼に必要な触媒が充填された触媒燃焼部を形成してなることを特徴とする請求項２に記載の触媒燃焼式燃料加熱システム。
6. 前記触媒燃焼部は、インジェクタに供給される直前の燃料を局所的に加熱できるように配置されていることを特徴とする請求項５に記載の触媒燃焼式燃料加熱システム。
7. 前記燃料分岐管には、脱硫装置が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の触媒燃焼式燃料加熱システム。
8. 空気流量と、燃料流量を統合的に調整することにより、触媒燃焼温度を調整する温度調整手段をさらに有することを特徴とする請求項２に記載の触媒燃焼式燃料加熱システム。
9. 前記燃料には、ガソリン、エタノール、若しくはこれらの混合燃料が用いられることを特徴とする請求項２乃至８のいずれかの項に記載の触媒燃焼式燃料加熱システム。
10. 空気をエンジンの燃焼室に供給する吸気マニホールドと、
    前記燃料の一部を触媒燃焼により燃焼させて、前記吸気マニホールドを加熱するための熱源となる触媒燃焼式加熱装置と、
    エンジンに燃料を供給する燃料供給配管から分岐し、燃料の一部を前記触媒燃焼式加熱装置に供給する燃料分岐配管と、
    エンジンの吸気系から取り込んだ空気を前記触媒燃焼式加熱装置に供給する空気供給配管と、
    前記触媒燃焼式加熱装置の一部を加熱し、触媒を活性化させるための加熱活性化部と、
    を具備することを特徴とする触媒燃焼式吸気加熱システム。

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