JP5351696B2

JP5351696B2 - 燃料加熱装置

Info

Publication number: JP5351696B2
Application number: JP2009231415A
Authority: JP
Inventors: 貴史七田; 哲也加藤
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2009-10-05
Filing date: 2009-10-05
Publication date: 2013-11-27
Anticipated expiration: 2029-10-05
Also published as: JP2011080378A

Description

本発明は、内燃機関へ供給される燃料を加熱するための燃料加熱装置に関する。

自動車等に用いられる内燃機関においては、従来から用いられているガソリン、軽油の他、アルコール又はアルコールとガソリンの混合燃料等が使用されるようになってきている。特に、バイオエタノールを燃料として使用した場合、二酸化炭素の排出量を削減して地球環境の保護を図れる可能性があり、バイオエタノールの燃料としての使用が注目されている。

上記のように、内燃機関の燃料としてアルコールを使用した場合、特にコールドスタート時の始動性が悪くなる。このため、ガソリンを収容したサブタンクを用意し、始動時にはガソリンを燃料として使用することが行われている。また、コールドスタート時の始動性を向上させる技術としては、内燃機関に供給する燃料を加熱するための燃料加熱装置を設ける技術が知られている。この技術では、垂直又は水平に配置された円筒状の管内（燃料収容部）に棒状のヒータを設け、このヒータによって円筒状の管内の燃料を加熱するようになっている。また、このような燃料加熱装置では、管内への燃料の導入口と管内からの燃料の排出口は、重力による燃料の流れを考慮して、導入口が排出口より重力方向の上部に位置するように配置されている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。

特開平５−２６１３０号公報特開平５−１８３２８号公報

上記したように、従来の燃料加熱装置では、垂直又は水平に配置された円筒状の管内に棒状のヒータを設けた構成となっており、管内への燃料の導入口と管内からの燃料の排出口は、重力による燃料の流れを考慮して、導入口が排出口より重力方向の上部に位置するように配置されている。

しかしながら、本発明者等が詳査したところ、上記構成の従来の燃料加熱装置では、ヒータにより加熱されて高温となった燃料が、管内の上方に上昇するとともに、比較的低温の燃料が管内の底部に下降するように対流が生じる。このため、下部に設けられた排出口から、比較的低温の燃料が排出され、燃料加熱装置における燃料の出口温度が低くなるという課題があった。また、このような課題は、燃料加熱装置において燃料を沸騰させるように加熱した場合、沸騰によって発生した気泡の影響によって、特に顕著になる傾向がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものである。本発明は、燃料加熱装置における燃料の出口温度を高くすることのできる燃料加熱装置を提供することを目的とする。

本発明の燃料加熱装置は、内部に燃料を収容可能とされた燃料収容部と、前記燃料収容部へ燃料を導入するための導入口と、前記燃料収容部から前記燃料を排出するための排出口とを具備したケースに対して、ヒータが挿入・固定され、当該ヒータによって前記燃料収容部内の前記燃料が加熱される燃料加熱装置であって、前記ヒータの最高発熱部中心を通り、重力方向に垂直な仮想平面より上側の領域である加熱上側領域に前記排出口が配置され、前記排出口より重力方向下側に前記導入口が配置されており、前記重力方向に垂直な方向でみたときに、前記最高発熱部と前記導入口とが重なっており、前記ヒータによる前記燃料の加熱において、前記最高発熱部の発熱温度は前記燃料の沸点以上であることを特徴とする。

上記構成の本発明の燃料加熱装置では、ヒータが挿入、固定された燃料収容部の排出口が、ヒータの最高発熱部中心を通り、重力方向に垂直な仮想平面より上側の領域である加熱上側領域に排出口が配置され、排出口より重力方向下側に導入口が配置されている。このような構成を採用することによって、ヒータの発熱部で加熱された燃料が、上昇する流れを形成して燃料収容部内の加熱上側領域から排出口を経て燃料噴射装置へ導出されるようにすることができる。これによって、重力による燃料の流れを考慮して燃料収容部の下部に排出口が設けられた従来の燃料加熱装置に比べて、燃料の出口温度を高くすることができる。また、ヒータによって加熱された燃料が沸点に達することにより最高発熱部の近傍において気泡が生じる。この気泡によって対流の駆動力を得ることができ、対流をより活発にしてより効果的に燃料を加熱することができる。

上記構成の燃料加熱装置では、ヒータが、重力方向に対して傾いて配置されている場合、排出口はケースのうちヒータの軸線より上側の領域に配置されている構成とすることが好ましい。このように、排出口をヒータの軸線より上側の領域に配置することにより、当該ヒータで加熱されて高温となった燃料を、速やかに排出口から排出することができ、燃料の出口温度を高くすることができる。

また、上記構成の燃料加熱装置では、導入口は、仮想平面より下側の領域である加熱下側領域に配置されている構成とすることが好ましい。このように、導入口を加熱下側領域に配置することにより、上記したヒータの発熱部で加熱された燃料の上昇する流れを阻害することなく、低温の燃料が下側からヒータの発熱部へ供給される燃料の流れを形成することができる。これによって、燃料の加熱を効率良く行うことが可能となり、燃料の出口温度を高くすることができる。

上記構成の燃料加熱装置では、前記ケースが、燃料供給共通配管と燃料噴射装置とを接続する配管の内径よりも大きい内径を有するように構成することができる。換言すれば、この構成は燃料収容部を燃料供給共通配管と燃料噴射装置との間を接続する配管とは異なる別個の「部屋」とすることとも言える。すなわち、燃料収容部で加熱された燃料は配管の取り回しによっては燃料供給共通配管の内部へも移動することにもなり得るのであるが、この構成により、その部屋（燃料収容部）の内部で燃料が対流しやすくなり、燃料噴射装置の直前に滞留する燃料が効率的に加熱されることとなるのである。

本発明によれば、燃料加熱装置における燃料の出口温度を高くすることのできる燃料加熱装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料加熱装置の縦断面概略構成を示す図。導入口と排出口の位置関係を説明するための図１を模式的に示す図。図１の燃料加熱装置及び比較例における通電時間と出口温度の上昇の関係を測定した結果を示すグラフ。実施形態の変形例の縦断面概略構成を示す図。実施形態の変形例の縦断面概略構成を示す図。実施形態、及び変形例について軸線方向から見た構成を示す図。比較例に係る燃料加熱装置の縦断面概略構成を示す図。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、図１，２，４，５及び比較例を示す図７では、紙面の上下方向が重力方向（図中一点鎖線Ｖで示す。）となっている。図１は、本発明の実施形態に係る燃料加熱装置１００の概略縦断面構成を示している。同図に示す燃料加熱装置１００は、内部形状が略円柱状に形成されたケース１０を具備している。このケース１０の内部は、燃料を収容することができる燃料収容部１１として構成されている。また、ケース１０の下側端部には、燃料収容部１１へ燃料を導入するための導入口１２が形成されており、ケース１０の上側端部近傍には、燃料収容部１１から燃料を排出するための排出口１３が形成されている。さらに、ケース１０の上側端部には、燃料収容部１１へヒータ２０を挿入するための挿入口１４が形成されている。

上記ケース１０は、燃料収容部１１の主部をなし内径が大なる大径部１１ｂと、当該大径部１１ｂよりも内径の小さい排出口１３と、同様に前記大径部１１ｂよりも内径の小さい導入口１２を有している。挿入口１４は円形をなし、その中心は燃料収容部１１の軸線ＣＡ上となるように形成される。そして、当該挿入口１４へヒータ２０が挿入・固定されるため、ケース１０の内周面とヒータ２０の外周面との間隙は、径方向に略一定となる。なお、ヒータ２０のケース１０への固定は後述するヒータ２０の蓋体３０によりなされる。

本実施形態において、ヒータ２０は、一端（図１中先端側）が閉じた金属製のシース内の先端部に発熱抵抗体を配置したシースヒータとして構成されている。後端側はシースを封止したり、シースを保持するための部品（蓋体３０）で構成される。また、その後端部は図示外の外部電源が接続され、発熱抵抗体へ電力を供給可能に形成されている。このヒータ２０は先端部に発熱抵抗体が配置され、シースの先端部が最高発熱部２１となるよう構成されている。以上により、ヒータ２０が発熱する際には、先端側が最高温度となる。なお、最高発熱部２１以外のヒータ２０の表面温度も、最高発熱部２１の温度以下に加熱された状態となる。

燃料収容部１１に対する導入口１２と排出口１３の位置関係につき、図１を模式的に示した図２を用いて説明する。燃料収容部１１のうち上記したヒータ２０の最高発熱部中心２２を通り、重力方向（図中一点鎖線Ｖで示す。）に垂直な仮想平面（図中一点鎖線Ｈで示す。）より上側の領域を加熱上側領域、下側の領域を加熱下側領域とした際に、加熱上側領域に排出口１３が配置され、排出口１３より重力方向下側に導入口１２が配置されている。なお、本実施形態では、導入口１２は加熱下側領域に配置されている。

ケース１０の上側開口１４は、上記蓋体３０によって閉塞され、ヒータ２０は、この蓋体３０によって支持されている。また、ヒータ２０は、自身の軸線ＨＡが重力方向Ｖに一致し、また、燃料収容部１１の軸線ＣＡとも一致するように配置されている。なお、図１中に示す一点鎖線ＨＡは、ヒータ２０の軸線を示している。

上記構成の燃料加熱装置１００の導入口１２には、燃料供給共通配管１１０から分岐した燃料供給個別配管１１１が接続されている。また、燃料加熱装置１００の排出口１３には、燃料噴射装置１２０が接続されている。

上記構成の燃料加熱装置１００では、内燃機関の始動時において、内燃機関のピストンがセルモータ等によって始動を開始する（クランキングする）以前に、燃料供給共通配管１１０及び燃料供給個別配管１１１を通ってケース１０の燃料収容部１１へ供給されたアルコール等の燃料を、ヒータ２０に通電することによって予め加熱（予備加熱）する。この予備加熱の時間は、数秒から十数秒程度である。この後、内燃機関のピストンがクランキングされ、燃料収容部１１から燃料噴射装置１２０への燃料の供給が開始される。このクランキングの際には、燃料収容部１１からの燃料の排出と燃料収容部１１内への燃料の流入により燃料収容部１１内で燃料の流れが生じるが、この時もヒータ２０への通電は継続され、燃料の加熱が継続される。

上記の燃料加熱装置１００による燃料の予備加熱の際、ヒータ２０に通電すると、ヒータ２０の発熱部２１近傍で加熱された燃料は、ケース１０の内壁とヒータ２０との間を通って、ケース１０の上方へ流れる。一方、温度の低い燃料は、上記の燃料の流れに押されて、ケース１０の内壁とヒータ２０との間を通って、下方からヒータ２０の発熱部２１に向かう流れを形成する。このような流れによって、ケース１０内には、対流が発生する。このような燃料の対流は、燃料が沸騰し、燃料中に気泡が発生した状態においてはより効果的なものとなる。

図３のグラフは、縦軸を温度上昇（変化分）、横軸を時間として、燃料加熱装置１００により、燃料に代えて水を加熱した際の燃料加熱装置１００の排出口１３の部分における出口温度変化を測定した結果を示している。同図において、四角のマークでプロットした曲線Ｂは、本実施形態の燃料加熱装置１００の場合を示し、ひし形のマークでプロットした曲線Ｃは、比較例の場合を示している。測定は、約８．５秒間、水の流出がない状態で約１００Ｗでヒータ２０を加熱し、その後、排出口１３から４０ｃｃ／ｍｉｎで加熱した水を流出させた時の排出口１３の部分の流出水の温度上昇を測定して行った。それぞれの測温点は図２に示す点Ｂ及び図７に示す点Ｃの箇所である。

上記の比較例の測定は、図７に示すように、ケース１０´の上部に導入口１２が設けられ、ケース１０´の下部に排出口１３が設けられた構成の燃料加熱装置１００´を用いて行った。すなわち、この燃料加熱装置１００´では、図中一点鎖線Ｈで示されるヒータ２０の発熱中心点２２を通り、重力方向に垂直な仮想平面より下側の加熱下側領域に排出口１３が配置され、排出口１３より重力方向上側に導入口１２が配置されている。なお、図７において、図１の燃料加熱装置１００と対応する部分には、同一の符合が付してある。

図３のグラフに示されるように、本実施形態の燃料加熱装置１００では、比較例の燃料加熱装置１００´の場合に比べて、排出口１３の部分の出口温度を高くすることができた。なお、燃料加熱装置１００及び燃料加熱装置１００´の上部より０．２７ｍの高さから水を落差により流して、燃料加熱装置１００及び燃料加熱装置１００´の水の流れを比較したところ、いずれも排出口１３からの水の流量は約４０ｃｃ／ｍｉｎとなり、有意差はなかった。したがって、燃料加熱装置１００のように、排出口１３を導入口１２より上部に配置しても、それによって燃料の流れが阻害されることはない。なお、この実験では、排出口１３内の測温点への対流の影響が殆どなく、通電開始から８．５秒間この測温点における温度上昇はなかった。しかしながら、この間において排出口１３内の温度上昇が生じるような構成であってもよい。

なお、本発明における燃料の導入口と排出口とは、ケース外側に設けられた開口部ではなく、ヒータにより燃料が加熱される燃料収容部へ直接連通している開口部を言う。例えば、図４に示すように、ケース１０Ｂ内に仕切り板１５が配置されているような燃料加熱装置１０２では、ケース１０Ｂの上部外側に設けられた開口１６は、燃料収容部１１へ直接連通するものではなく、導入口には該当しない。この場合、仕切り板１５の下側端部とケース１０Ｂとの間に形成された開口部が、燃料収容部１１へ直接連通する部分であり、この部分が実質的に導入口１２となる。したがって、図４に示す構成の場合、導入口１２については、実質的に図１に示した実施形態と同じ構成ということができる。なお、上記の説明は、導入口１２に関するものであるが、排出口１３についても同様である。

また、図５は、図１に示した実施形態の変形例である燃料加熱装置１０３を示すもので、この図５に示すように、ヒータ２０Ｃをケース１０Ｃの下側から挿入、固定した構成としてもよい。この場合、図１に示した場合よりヒータ２０の長さを短くして、最高発熱部中心２２がケース１０の下方側（底部側）となるように構成することが好ましい。

図６は図１に記載した実施形態のケース１０を、ケース１０の軸線方向から見てその変形例について説明するものである。この図６に示すようにケース１０に導入口１２と排出口１３を設ける場合、図１の様態では軸線を挟んで対向した位置（１８０°対称の位置）に導入口１２と排出口１３とが配置されていたが、必ずしもこの位置関係を有する必要はない。即ち、導入口１２と排出口１３との位置関係が直角の位置関係（図６の導入口１２ａと排出口１３の関係）となってもよく、導入口１２ｂと排出口１３の関係のように直線や直角でない位置関係でもよい。また、導入口及び排出口はケース１０の外周面に設けることにも限られず、いずれか一方をケース１０の底面や上面に設ける構成としてもよい。なお、図６においては、導入口１２と排出口１３の位置関係を示すものであり、その他の構成は省略している。また、図６ではヒータ２０の位置として挿入口１４を図示しているが、挿入口１４の位置及びヒータ２０の挿入向きについても、本発明の主旨を逸脱しない程度に変更することも許容される。

以上において、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態等に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることは言うまでもない。また、上記実施形態では、燃料収容部が部屋を構成するにあたり、周りの配管よりも内径を大きくしたケースによって実現しているが、燃料供給共通配管から燃料噴射装置までの間の配管において、加熱された燃料が対流しやすくなるように取り回すことで、上記実施形態と同様の効果が得られるようにしてもよい。この場合は、その配管の取り回し部分を本発明におけるケースとみなすことができる。

１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０´……ケース、１１……燃料収容部、１２……導入口、１３……排出口、２０……ヒータ、２１……最高発熱部、２２……最高発熱部中心、１００，１０１，１０２，１０３，１００´……燃料加熱装置、１１０……燃料供給共通配管、１１１……燃料供給個別配管、１２０……燃料噴射装置、Ｖ……重力方向、Ｈ……発熱中心点を通る仮想平面。

Claims

内部に燃料を収容可能とされた燃料収容部と、前記燃料収容部へ燃料を導入するための導入口と、前記燃料収容部から前記燃料を排出するための排出口とを具備したケースに対して、ヒータが挿入・固定され、当該ヒータによって前記燃料収容部内の前記燃料が加熱される燃料加熱装置であって、
前記ヒータの最高発熱部中心を通り、重力方向に垂直な仮想平面より上側の領域である加熱上側領域に前記排出口が配置され、前記排出口より重力方向下側に前記導入口が配置されており、
前記重力方向に垂直な方向でみたときに、前記最高発熱部と前記導入口とが重なっており、
前記ヒータによる前記燃料の加熱において、前記最高発熱部の発熱温度は前記燃料の沸点以上であることを特徴とする燃料加熱装置。
請求項１記載の燃料加熱装置であって、
前記導入口は、前記仮想平面より下側の領域である加熱下側領域に配置されていることを特徴とする燃料加熱装置。
請求項１又は２記載の燃料加熱装置であって、
前記ケースは、燃料供給共通配管と燃料噴射装置とを接続する配管の内径よりも大きい内径を有することを特徴とする燃料加熱装置。