JP2011074780A - 燃料加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料加熱装置の空焚きを防止するとともに、燃料の効率的な加熱を図る。
【解決手段】燃料加熱装置３を、加熱室６を画定する円筒状のヒータハウジング７と、加熱室６に設けられる発熱部９ｈを有するヒータ部材９とを備えるように構成し、ヒータハウジング７には、燃料供給管２から燃料を流入させる２つの流入口７ａｕ、７ａｌおよび燃料噴射弁４に向けて燃料を流出させる流出口７ｂを形成する。そして、ヒータハウジング７を、発熱部９ｈの上方に水平面に対して傾斜する上壁７ｕを有するように構成し、上側流入口７ａｕを上壁７ｕの上端近傍に、下側流入口７ａｌを上壁７ｕの下端近傍に形成し、その高さ位置を異ならせて配置する。これにより、分配部２ａ内の冷たい燃料が下側流入口７ａｌを介して加熱室６に流入して反時計回りの対流が発生するため、加熱室６内での気泡の発生が抑制される。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料供給管と燃料噴射弁との間に設けられ、当該燃料供給管から当該燃料噴射弁に供給される燃料を加熱する燃料加熱装置に係り、燃料加熱装置の空焚きを防止するとともに燃料の加熱を効率的に行う技術に関する。

燃料噴射弁を用いて燃料を噴射する内燃機関では、低温時にも円滑な始動を可能とするために、燃料噴射弁に供給される燃料を暖める必要がある。そこで、燃料供給管にヒータを設け、ヒータで加熱した燃料を燃料噴射弁に供給するようにした燃料加熱装置が知られている。ところが、かかる燃料加熱装置では、燃料供給管内で燃料が加熱されても、燃料噴射弁に供給される燃料全体を均等に加熱することは困難であるため、暖められていない燃料が燃料噴射弁に供給されることがある。このような場合、内燃機関の始動が不安定となる問題があった。この問題を解決すべく、燃料供給管における燃料噴射弁の上流側近傍に燃料を加熱するための領域を設け、この領域内でヒータによる燃料の加熱を行い、暖められた燃料のみが燃料供給管に供給されるようにした発明が提案されている（特許文献１参照）。

特開平５−２６１３０号公報

しかしながら、特許文献１に記載の発明では、ヒータの加熱により燃料が気化して気泡となり、この気泡が加熱領域に充満すると、燃料加熱装置が空焚きの状態となる。そのため、燃料の加熱が効率的に行われなくなるだけでなく、燃料圧力の上昇が阻害されて燃料の供給が不安定となったり、ヒータの電熱線が断線したりする虞があった。

本発明は、このような従来技術に課せられた問題点を解消するべく案出されたものであり、その主な目的は、燃料加熱装置の空焚きを防止するとともに、燃料の効率的な加熱を図ることにある。

このような課題を解決するために、第１の発明は、燃料供給管（２）と燃料噴射弁（４）との間に設けられ、燃料供給管（２）から燃料噴射弁（４）に供給される燃料を加熱する燃料加熱装置（３）であって、加熱室（６）を画定するとともに、燃料供給管（２）から燃料を流入させる複数の流入口（７ａ）および燃料噴射弁（４）に向けて燃料を流出させる流出口（７ｂ）を有するヒータハウジング（７）と、加熱室（６）に設けられ、発熱して燃料を加熱する発熱部（９ｈ）を有するヒータ（８）とを有し、ヒータハウジング（７）は、発熱部（９ｈ）の上方に位置して水平面に対して傾斜する上壁（７ｕ）を有し、複数の流入口（７ａ）が上壁（７ｕ）に形成されるとともにその高さ位置を相違させて配置されたことを特徴とする。

ヒータの加熱により燃料が過熱すると発熱部周辺で気泡が発生し、発生した気泡は加熱室内を上方へ移動する。この発明によれば、ヒータハウジングが発熱部の上方に位置して水平面に対して傾斜する上壁を有し、複数の流入口が上壁に形成されたことにより、上壁に沿って上方へ移動した気泡は高い側に配置された流入口から燃料供給管へ流出する。気泡が燃料供給管に流入すると、燃料供給管内にある燃料が、低い側に配置された流入口から加熱室に流入する。これにより、燃料は、加熱室内の暖かいものが高い側に配置された流入口を介して燃料供給管に流入し、燃料供給管内の冷たいものが低い側に配置された流入口を介して加熱室に流入する対流が発生する。そのため、加熱室内の燃料の温度が低くなって気泡の発生が抑制され、加熱室内に気泡が溜まらなくなるので、燃料加熱装置の空焚きを防止できる。また、加熱室および燃料供給管内の燃料を効率良く均等に加熱することが可能となる。さらに、燃料供給管内に入った気泡は、燃料供給管内の燃料によって冷却されて液体に戻るため、燃料を有効に利用することが可能となる。

また、第２の発明は、第１の発明に係る燃料加熱装置（３）において、複数の流入口（７ａ）は２つであり、その一方（７ａｕ）が上壁（７ｕ）の上端部近傍に配置され、その他方が上壁（７ｕｌ）の下端部近傍に配置されたことを特徴とする。

この発明によれば、２つの流出口が上壁の上下端近傍に配置されることで、両流出口が互いに離間して対流が大きくなり、加熱室および燃料供給管内の燃料が全体的に入れ替わるので、より効果的に加熱室および燃料供給管内の燃料を均等に加熱することが可能となる。また、高い側の流入口が上壁の上端近傍に配置されることで、気泡が燃料供給管により入り易くなり、気泡が加熱室内に残留することを抑制できる。また、低い側の流入口が上壁の下端近傍に配置されることで、燃料供給管内のより冷たい燃料を加熱室内に流入させることができ、加熱室および燃料供給管内の燃料を全体的に加熱することができる。

また、第３の発明は、第１または第２の発明に係る燃料加熱装置（３）において、より高い位置に配置された流入口（７ａｕ）の開口面積が、より低い位置に配置された流入口（７ｕｌ）の開口面積よりも大きいことを特徴とする。

暖められた燃料は上昇して加熱室内の高い位置に貯まる。そのため、例えば、ヒータで燃料を加熱していない場合、高い側の流入口の開口面積と低い側の流入口の開口面積が同一だと、燃料供給管にある冷たい燃料が先に加熱室に流入してしまう。この発明によれば、高い側の流入口の開口面積を低い側の流入口の開口面積よりも大きくすることで、燃料が高い側の流入口から加熱室へ入るようになる。即ち、燃料供給管内の高い側にある暖かい燃料が先に加熱室に入るようになり、燃料加熱効率を高めることができる。

また、第４の発明は、第１〜第３の発明に係る燃料加熱装置（３）において、ヒータハウジング（７）は、円筒状を呈するとともに、その軸線（Ａ）が水平面に対して傾斜する状態で設置され、ヒータ（９）は、棒状を呈するとともに、その先端（９ａ）が下側となるようにヒータハウジング（７）の軸線（Ａ）に略沿って設けられ、発熱部（９ｈ）が先端（９ａ）側に配置されたことを特徴とする。

発熱部により加熱された燃料は加熱室内で上昇し、流入口から流入した冷たい燃料は加熱室内で下降する。この発明によれば、棒状のヒータが先端を下にして水平面に対して傾斜する状態で配置され、発熱部が先端側に配置されたことにより、加熱室内にはヒータハウジングの傾き方向に還流する対流が発生し、発生した気泡が対流に乗って上昇し易くなるため、気泡を上壁に確実に集めることができる。そして、ヒータハウジングが円筒状を呈することにより、上壁に沿って上昇する気泡は、湾曲した上壁の稜線（中心線）に集められ、この中心線に沿って斜めに上昇するため、気泡をより確実に流入口に集めることができる。これにより、気泡が燃料供給管に戻り易くなり、加熱室内に気泡が残留することを防止できる。

このように本発明によれば、燃料加熱装置の空焚きを防止し、空焚きによるヒータの断線を防止するとともに、燃料を効率的に加熱することができる。

実施形態に係る燃料加熱ユニットの斜視図である。 実施形態に係る燃料加熱装置の断面図である。 実施形態に係る燃料加熱装置による作用効果の説明図である。

以下、添付の図面に示された一実施形態を参照して本発明に係る燃料加熱装置３について詳細に説明する。なお、各部材や各部位について方向を示す場合、水平な平坦路に停止した自動車のエンジンに燃料加熱ユニット１が設置された状態において、鉛直方向を基準に上下を定め、水平方向を基準に前後およびこれに直交する左右を定めるものとする。

図１に示すように、エタノールを主燃料とする直列４気筒の自動車用アルコールエンジン（以下、エンジンと略称する）には燃料加熱ユニット１が設けられており、この燃料加熱ユニット１は、燃料供給管２によって供給された燃料を加熱するための燃料加熱装置３と、エンジンの吸気通路に望んで設けられ、燃料加熱装置３によって加熱された燃料を噴射してエンジンの燃料室に供給する軸状の燃料噴射弁４とを各気筒に対してそれぞれ１つずつ備えている。

燃料供給管２は、断面積が大きくされた扁平状の分配部２ａをその下流端に有しており、均等な圧力で燃料を各燃料加熱装置３に分配できるようになっている。なお、図示は省略するが、燃料供給管２は、その上流端が燃料供給手段としての燃料ポンプに接続されており、イグニッションスイッチがＯＮにされると、燃料ポンプが駆動され、所定の圧力をもった燃料を送給する。

燃料加熱装置３は、分配部２ａにおける燃料流出口が形成された下面、即ち燃料供給管２の下流端に取り付けられている。そして、燃料加熱装置３は、発熱体として電熱線を内蔵しており、バッテリから電熱線への通電がＥＣＵ（Electric Control Unit）によってエンジン冷却水の温度等に応じてデューティー制御されることにより、加熱室６内の燃料を適宜に加熱する。なお、燃料加熱装置３は、図示しないエンジンスタート釦によって最初のスタート操作が行われると作動を開始し、燃料のプレヒーティング（始動用加熱）を行い、２回目のスタート操作によってエンジンが始動する（燃料噴射弁４による燃料噴射が開始される）と、始動後用加熱に切り換えて燃料の加熱を継続する。

燃料噴射弁４は、燃料加熱装置３に対し、燃料の流れ方向における下流側に接続されている。燃料噴射弁４は、ＥＣＵにより駆動制御される電磁弁を内蔵し、電磁弁の開閉によって所定時期に所定量の燃料をエンジンの燃焼室に向けて噴射する。なお、燃料加熱装置３と燃料噴射弁４とは、燃料加熱ユニット１として各部材を一体化するためのベース板１０を介して接続されており、全ての燃料加熱装置３および燃料噴射弁４が１枚のベース板１０に取り付けられてユニット化されることにより、エンジンへの組み付けが容易にされるとともに、エンジンに対する燃料噴射弁４の組み付け精度を高められるようになっている。

図２に示すように、燃料加熱装置３は、燃料供給管２と燃料噴射弁４との間に設けられ、加熱室６を画定するヒータハウジング７と、ヒータハウジング７に取り付けられたヒータ８とを備えている。

ヒータハウジング７は、その軸線Ａが水平方向に対して傾斜した略円筒状を呈している。より詳しくは、ヒータハウジング７は、軸方向長さが直径よりも長い長筒状を呈しており、軸線Ａが水平面に対して約４５度傾斜した状態でエンジンに取り付けられる。そして、ヒータハウジング７の上側の軸端部には、ヒータ８を挿着するための開口７ｏが形成されている。

ヒータ８は、発熱して燃料を加熱する発熱部９ｈを有する棒状のヒータ部材９をその先端側に備えている。ヒータ８は、ヒータ部材９が開口７ｏから加熱室６に挿入される態様でヒータハウジング７に取り付けられる。ヒータ部材９は、その先端９ａを下側にし、且つその先端９ａとヒータハウジング７との間に所定の空隙を形成するようにヒータハウジング７の軸線Ａに沿って同軸に延在し、ヒータハウジング７に収容される。そして、ヒータ部材９の先端９ａ側に発熱部９ｈが設けられている。なお、発熱部９ｈは、抵抗が大きく通電により発熱する電熱線を内蔵し、電熱線の熱を伝達することで比較的大きな熱量を保持して発熱状態となる部位であり、本実施形態では、ヒータ部材９の先端側の７割〜８割程度に設定されている。

したがって、発熱部９ｈの上方に位置するヒータハウジング７の上壁７ｕは、円筒の一部をなす湾曲状の壁が傾斜した状態で発熱部９ｈの上方を覆っている。そして、ヒータハウジング７の上壁７ｕには、軸線Ａに直交する各断面におけるヒータハウジング７の最も高い点を結んだ稜線７ｒ、即ち上壁７ｕの中心線上に、燃料供給管２から加熱室６に燃料を流入させる円形の２つの流入口７ａｕ，７ａｌが形成されている。上側に配置された流入口（以下、上側流入口と記す）７ａｕは、上壁７ｕの最上部近傍に配置され、下側に配置された流入口（以下、下側流入口と記す）７ａｌは、上壁７ｕの最下部近傍に配置されている。つまり、２つの流入口７ａｕ，７ａｌはその高さ方向の位置を相違させて配置され、上側流入口７ａｕは発熱部９ｈよりも高い位置に配置され、下側流入口７ａｌは発熱部９ｈと同等の高さ位置に配置されている。そして、上側流入口７ａｕの開口面積は、下側流入口７ａｌの開口面積よりも大きくされている。

一方、発熱部９ｈの下方に位置するヒータハウジング７の下壁７ｌは、傾斜した円筒の一部をなす湾曲状の筒壁部７ｌｔと、傾斜した円筒の下側軸端部を閉塞する円形状の底壁部７ｌｂとによって構成されている。そして、ヒータハウジング７の下壁７ｌには、軸線Ａに直交する各断面におけるヒータハウジング７の最も低い点を結んだ谷線７ｖ、即ち筒壁部７ｌｔの中心線上の最下部近傍に、加熱室６から燃料噴射弁４に向けて燃料を流出させる流出口７ｂが形成されている。したがって、流出口７ｂは、発熱部９ｈよりも低い位置に配置されるとともに、発熱部９ｈを挟んで流入口７ａと相反する側に配置されている。

ベース板１０には、ヒータハウジング７の流出口７ｂに整合する位置に貫通孔１０ａが形成されている。そして、燃料噴射弁４は、その基端側の軸端部に燃料流入口４ａが設けられており、この燃料流入口４ａが貫通孔１０ａと整合するように、且つその軸線Ｂがヒータハウジング７の軸線Ａと直交する向きとなるように、ベース板１０に取り付けられている。したがって、燃料噴射弁４の軸線Ｂは、水平面に対して約４５度傾斜し、ヒータハウジング７の下壁７ｌの筒壁部７ｌｔに直交している。各部材がこのような配置とされることで、ヒータハウジング７の下側流入口７ａｌが燃料噴射便４の軸線Ｂ上に位置し、ヒータハウジング７の上側流入口７ａｕが燃料噴射弁４の軸線Ｂに対して上側にオフセットしている。換言すれば、ヒータハウジング７の流入口７ａｕ，７ａｌおよび流出口７ｂは、それぞれ円筒状の壁部に直交するように形成され、その軸線（燃料流れ方向）が平行（下側流入口７ａｌと流出口７ｂとは同一直線上）に延在している。

次に、図３を参照して実施形態に係る燃料加熱装置３による作用効果について説明する。（Ａ）に示すように、このように構成された燃料加熱装置３では、エア抜き手段が設けられていないため、最初の燃料送給時に排出されなかった空気が内部に残留している。そして、燃料を加熱する前、即ちイグニッションスイッチがＡＣＣポジションからＩＧポジションに切り換えられ、燃料ポンプによって所定の圧力をもった燃料が供給された状態においては、加熱室６および燃料供給管２の分配部２ａ内には、その上部、より詳しくは上側流入口７ａｕよりも高い部分に圧縮空気が混在している。

この状態で、最初のスタート操作によって発熱部９ｈが発熱すると、（Ｂ）に示すように、発熱部９ｈ周辺の燃料が加熱され、暖められた燃料は加熱室６内で上方へ移動する。暖かい燃料はヒータハウジング７の上壁７ｕに沿って斜めに上昇し、冷たい燃料はヒータハウジング７の下壁７ｌに沿って下方へ移動するため、ヒータハウジング７内には図中の時計回りに還流する対流が発生し、燃料が均等に加熱されることとなる。なお、ヒータハウジング７の流出口７ｂは、流出する燃料が対流を阻害しないような配置となっている。そして、ヒータハウジング７内の燃料が発熱部９ｈによって過熱状態になると、発熱部９ｈ周辺の燃料が気化して気泡となり、気泡は比重差と対流とにより略鉛直に上昇する。そして、ヒータハウジング７が発熱部９ｈの上方に水平面に対して傾斜する上壁７ｕを有することにより、略鉛直に上昇してヒータハウジング７の上壁７ｕに突き当たった気泡は、上壁７ｕに沿って斜めに上昇する。この際、気泡は、上壁７ｕにおける稜線７ｒ以外の部位に突き当たったとしても、稜線７ｒに集められるように上昇する。

そして、稜線７ｒに沿って上昇した気泡は、加熱室６に溜まることなく、稜線７ｒ上の最上部近傍に形成された上側流入口７ａｕを通って燃料供給管２の分配部２ａへ流出する。気泡が分配部２ａに流入すると、分配部２ａ内にある燃料が下側流入口７ａｌから加熱室６に流入する。これにより、加熱室６内の暖かい燃料が上側流入口７ａｕを介して分配部２ａに流入し、分配部２ａ内の冷たい燃料が下側流入口７ａｌを介して加熱室６に流入し、分配部２ａと加熱室６とに跨って図中の反時計回りに還流する対流が発生する。そのため、加熱室６内の燃料温度が低くなって気泡の発生が抑制され、加熱室６内に気泡が溜まらなくなるので、燃料加熱装置３の空焚きが防止される。また、加熱室６の燃料を加熱した後に、加熱室６および分配部２ａ内の燃料が効率良く均等に加熱されることになる。なお、分配部２ａ内に入った気泡は、分配部２ａ内の冷たい燃料によって冷却されて液体に戻るため、燃料が有効に利用される。そのため、分配部２ａに気泡が大量に残留して燃料圧力の上昇を阻害することもない。

そして、上側流出口７ａｕが上壁７ｕの上端近傍に配置され、下側流出口７ａｌが上壁７ｕの下端近傍に配置されたことで、反時計回りに還流する対流が大きくなり、加熱室６および分配部２ａ内の燃料が全体的に入れ替わるので、より効果的に加熱室６および分配部２ａ内の燃料が均等に加熱される。また、上側流入口７ａｕが上壁７ｕの上端近傍に配置されたことで、加熱室６に残留する空気を少なくするだけでなく、気泡が上側流入口７ａｕから分配部２ａにより入り易くなり、気泡が加熱室６内に残留することを少なくできる。また、下側流入口７ａｌが上壁７ｕの下端近傍に配置されたことで、分配部２ａ内のより冷たい燃料が加熱室６内に流入することとなり、加熱室６および分配部２ａ内の燃料が全体的に加熱されるとともに、加熱室６内の燃料温度を効率的に低下させることができる。

その後、２回目のスタート操作によってエンジンが始動すると、ヒータハウジング７内の燃料が燃料噴射弁４によって噴射され、燃料供給管２の分配部から加熱室６へ順次燃料が供給される。そして、上側流入口７ａｕの開口面積が下側流入口７ａｌの開口面積よりも大きく形成されたことで、分配部２ａ内の燃料は上側流入口７ａｕから加熱室６へ入るようになる。即ち、ヒータ部材９による加熱によって暖かくなった分配部２ａ内上部にある燃料が先に加熱室６に流入するようになり、燃料加熱効率が高まっている。

そして、ヒータハウジング７の流出口７ｂが発熱部９ｈを挟んで流入口７ａの反対側に設けられているため、流入口７ａから加熱室６に流入した燃料は、流出口７ｂに向かう途中で発熱部９ｈによって確実に加熱される。そして、流出口７ｂが発熱部９ｈよりも低い位置に設けられているため、加熱室６内で発生した気泡が流出口７ｂから流出し難くなり、気泡が燃料噴射弁４に供給されることが防止される。

以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。例えば、上記実施形態では、本発明に係る燃料加熱装置３を、エタノールを主燃料とするアルコールエンジンに適用したが、軽油やガソリン等、他の成分を燃料とするエンジンにも適用可能であり、直列４気筒以外のエンジンにも当然に適用可能である。また、上記実施形態では、ヒータハウジング７は、長円筒状を呈し、その上壁７ｕが湾曲しているが、これらの形状はこれに限定されるものではなく、例えば、ヒータハウジングが立方体、直方体、多角柱（筒）形状、球形等であってもよく、上壁が水平面に対して傾斜した単一の平面や平面の複合、或いは２方向に湾曲した球面等であってもよい。これら変更の他、各部材の具体的構成や配置など、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更可能である。

１ 燃料加熱ユニット
２ 燃料供給管
２ａ 分配部
３ 燃料加熱装置
４ 燃料噴射弁
６ 加熱室
７ ヒータハウジング
７ａ 流入口
７ｂ 流出口
７ｕ 上壁
７ｌ 下壁
８ ヒータ
９ ヒータ部材
９ｈ 発熱部

Claims (4)

1. 燃料供給管と燃料噴射弁との間に設けられ、当該燃料供給管から当該燃料噴射弁に供給される燃料を加熱する燃料加熱装置であって、
   加熱室を画定するとともに、前記燃料供給管から燃料を流入させる複数の流入口および前記燃料噴射弁に向けて燃料を流出させる流出口を有するヒータハウジングと、
   前記加熱室に設けられ、発熱して燃料を加熱する発熱部を有するヒータとを有し、
   前記ヒータハウジングは、前記発熱部の上方に位置して水平面に対して傾斜する上壁を有し、前記複数の流入口が当該上壁に形成されるとともにその高さ位置を相違させて配置されたことを特徴とする燃料加熱装置。
2. 前記複数の流入口は２つであり、その一方が前記上壁の上端部近傍に配置され、その他方が前記上壁の下端部近傍に配置されたことを特徴とする、請求項１に記載の燃料加熱装置。
3. より高い位置に配置された前記流入口の開口面積が、より低い位置に配置された前記流入口の開口面積よりも大きいことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の燃料加熱装置。
4. 前記ヒータハウジングは、円筒状を呈するとともに、その軸線が水平面に対して傾斜する状態で設置され、
   前記ヒータは、棒状を呈するとともに、その先端が下側となるように前記ヒータハウジングの軸線に略沿って設けられ、前記発熱部が前記先端側に配置されたことを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の燃料加熱装置。

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