JP6114159B2 - 液体加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体通路内の液体を加熱する液体加熱装置に関する発明である。

近年、ＣＯ₂ 排出量削減、石油代替燃料の活用等の社会的要請から、燃料として、ガソリン、アルコール（エタノールやメタノール等）、ガソリンにアルコールを混合したアルコール混合燃料をいずれも使用可能な内燃機関を搭載した自動車の需要が増加してきている。しかし、アルコールは、ガソリンに比べて、気化潜熱が大きく、低温時に気化し難くなるため、アルコール燃料（アルコール１００％又はアルコールを含む混合燃料）を使用した場合に、内燃機関の始動性が悪化するという問題がある。

この対策として、内燃機関の低温時に燃料噴射弁に供給する燃料をヒータで加熱することで噴射燃料の気化を促進させるようにしたものがある。また、燃料を効率良く加熱する技術として、例えば、特許文献１（特開２０１１−８０３７９号公報）に記載されているように、燃料を収容するケース内に配置したヒータの表面に粗面加工を施すことで、燃料を加熱する際にヒータの表面に生じる気泡をヒータの表面から離脱し易くするようにしたものがある。

特開２０１１−８０３７９号公報

上記特許文献１の技術では、ヒータの表面に粗面加工を施すことで、燃料を加熱する際にヒータの表面に生じる気泡をヒータの表面から離脱し易くするようにしているが、長期間の燃料の接触によりヒータの表面に付着物が生成されると、ヒータの表面状態を適正な粗面に維持することができず、燃料を効率良く加熱できなくなる可能性がある。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、より確実に液体を効率良く加熱することができる液体加熱装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、液体通路（１３）内の液体を加熱する加熱部（１６）を該液体通路（１３）内に配置した液体加熱装置において、液体通路（１３）内で加熱部（１６）から所定距離を隔てて該加熱部（１６）の全周を囲むように配置されたガイド部（１７，２４）を備え、前記ガイド部のうち前記液体通路の排出側の面の中央部には、大径の円形状の第１貫通孔（２０）が形成され、前記中央部以外の部分には、前記第１貫通孔よりも開放面積が小さい楕円形状の第２貫通孔（２１）が形成され、前記ガイド部のうち前記液体通路の流入側の面には、前記第１貫通孔及び前記第２貫通孔よりも開放面積が小さい小径の円形状の第３貫通孔（２２）が形成され、前記第３貫通孔の数は、前記第１貫通孔及び前記第２貫通孔の総数よりも少ない、ようにしたものである。

図２に示すように、液体が沸騰する際には、まず、加熱部の表面に比較的小さい気泡が発生する核沸騰状態となり、その後、遷移沸騰状態を経て、比較的大きい気泡（加熱部の表面を覆うような気泡）が生成される膜沸騰状態に遷移する。核沸騰状態では、加熱部から液体への熱伝達率が上昇し、その後、核沸騰状態から膜沸騰状態に遷移する過程で、熱伝達率が低下する。従って、液体を効率良く加熱するには、液体を速やかに核沸騰状態に遷移させると共に核沸騰状態（又は核沸騰状態の後期から遷移沸騰状態の前期）に長く維持することが好ましい。

この点に着目して、本発明は、加熱部から所定距離を隔てて加熱部を囲むようにガイド部を配置しているため、加熱部による液体の加熱を開始すると、まず、加熱部とガイド部との間の比較的狭い領域の液体を加熱することができる。これにより、加熱部の周辺の液体の温度を速やかに上昇させて液体を速やかに核沸騰状態に遷移させることができる。

また、ガイド部に貫通孔を形成しているため、核沸騰により生成された気泡は、貫通孔を通ってガイド部の外側へ排出されることで冷却されて消滅する。核沸騰状態では、このような気泡の発生と消滅により加熱部の周辺に液体の乱れ（流れ）が発生し、加熱部から液体への熱伝達率が向上する。

更に、核沸騰により生成された気泡が貫通孔を通ってガイド部の外側へ排出されることで、加熱部の周辺で気泡が寄り集まって大きな気泡となることを抑制して、膜沸騰状態へ遷移することを抑制することができ、核沸騰状態（又は核沸騰状態の後期から遷移沸騰状態の前期）に長く維持することができる。

このようにして、液体を速やかに核沸騰状態に遷移させることができると共に、核沸騰状態（又は核沸騰状態の後期から遷移沸騰状態の前期）に長く維持することが可能となり、より確実に液体を効率良く加熱することができる。

図１は本発明の実施例１における燃料供給システムの概略構成を示す図である。 図２は核沸騰状態と遷移沸騰状態と膜沸騰状態を説明する図である。 図３は核沸騰状態時の燃料加熱装置の一部破断側面図である。 図４は実施例１の効果を説明する図である。 図５は実施例２の燃料加熱装置の一部破断側面図である。 図６は実施例２の燃料加熱装置の平面図である。 図７は実施例３の燃料加熱装置の一部破断側面図である。 図８は実施例４の燃料加熱装置の一部破断側面図である。 図９は実施例５の燃料加熱レールの外観斜視図である。 図１０は実施例５の燃料加熱レールの正面断面図である。 図１１は実施例５の燃料加熱レールの側面断面図である。

以下、本発明を実施するための形態を具体化した幾つかの実施例を説明する。

本発明の実施例１を図１乃至図４に基づいて説明する。
まず、図１に基づいてエンジンの燃料供給システムの概略構成を説明する。

内燃機関であるエンジン（図示せず）は、燃料（液体）として、ガソリン、アルコール（エタノールやメタノール等）、ガソリンにアルコールを混合したアルコール混合燃料をいずれも使用可能である。これらのガソリン、アルコール、アルコール混合燃料のいずれかを燃料タンク１１に給油してエンジンに供給するようになっている。燃料を貯溜する燃料タンク１１には、燃料を汲み上げる燃料ポンプ１２が設置されている。この燃料ポンプ１２から吐出（圧送）される燃料は、燃料通路１３（液体通路）を通して燃料噴射弁１４に供給される。

燃料噴射弁１４と燃料ポンプ１２との間に接続された燃料通路１３の途中には、燃料加熱装置１５（液体加熱装置）が設けられている。この燃料加熱装置１５には、燃料通路１３内の燃料を加熱する円柱状の加熱部１６（例えば電気式ヒータ）と、この加熱部１６の周囲に配置された円筒状のガイド部１７とが設けられている。

加熱部１６は、燃料通路１３内でほぼ水平方向に延びるように配置され、ガイド部１７は、加熱部１６から所定距離を隔てて加熱部１６の全周を囲むように配置されている。このガイド部１７の少なくとも上面側及び下面側には、それぞれ複数の円形状の貫通孔１８が形成されている。加熱部１６で加熱された燃料や沸騰により発生した気泡は、ガイド部１６の上面側の貫通孔１８を通ってガイド部１７の外側に排出され、ガイド部１６の下面側の貫通孔１８からガイド部１７内に燃料が流入するようになっている。

ＥＣＵ１９（制御手段）は、マイクロコンピュータを主体として構成され、内蔵されたＲＯＭ（記憶媒体）に記憶された各種のエンジン制御用のプログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じて燃料噴射量や点火時期等を制御する。また、ＥＣＵ１９は、加熱部１６で燃料を加熱する場合に、加熱部１６の表面温度を燃料の沸点よりも高い温度になるように加熱部１６を制御する。

尚、ＥＣＵ１９は、エンジン（燃料噴射量や点火時期等）、燃料ポンプ１１、加熱部１６等を総合的に制御する１つの制御回路で構成しても良いし、エンジンを制御する制御回路と、燃料ポンプ１１を制御する制御回路と、加熱部１６を制御する制御回路等を別々に設けた構成としても良い。

図２に示すように、燃料が沸騰する際には、まず、加熱部１６の表面に比較的小さい気泡が発生する核沸騰状態となり、その後、遷移沸騰状態を経て、比較的大きい気泡（加熱部１６の表面を覆うような気泡）が生成される膜沸騰状態に遷移する。核沸騰状態では、加熱部１６から燃料への熱伝達率が上昇し、その後、核沸騰状態から膜沸騰状態に遷移する過程で、熱伝達率が低下する。従って、燃料を効率良く加熱するには、燃料を速やかに核沸騰状態に遷移させると共に核沸騰状態（又は核沸騰状態の後期から遷移沸騰状態の前期）に長く維持することが好ましい。

この点に着目して、本実施例では、加熱部１６から所定距離を隔てて加熱部１６を囲むようにガイド部１７を配置しているため、加熱部１６による燃料の加熱を開始すると、まず、加熱部１６とガイド部１７との間の比較的狭い領域の燃料を加熱することができる。これにより、加熱部１６の周辺の燃料の温度を速やかに上昇させて燃料を速やかに核沸騰状態に遷移させることができる。

また、ガイド部１７に貫通孔１８を形成しているため、核沸騰により生成された気泡は、貫通孔１８を通ってガイド部１７の外側へ排出されることで冷却されて消滅する。図３に示すように、核沸騰状態では、このような気泡の発生と消滅により加熱部１６の周辺に燃料の乱れ（流れ）が発生し、加熱部１６から燃料への熱伝達率が向上する。

更に、核沸騰により生成された気泡が貫通孔１８を通ってガイド部１７の外側へ排出されることで、加熱部１６の周辺で気泡が寄り集まって大きな気泡となることを抑制して、膜沸騰状態へ遷移することを抑制することができ、核沸騰状態（又は核沸騰状態の後期から遷移沸騰状態の前期）に長く維持することができる。

以上説明した本実施例１では、加熱部１６から所定距離を隔てて加熱部１６を囲むようにガイド部１７を配置すると共に、このガイド部１７に気泡を排出するための貫通孔１８を形成するようにしたので、加熱部１６で燃料を加熱する際に、燃料を速やかに核沸騰状態に遷移させることができると共に、核沸騰状態（又は核沸騰状態の後期から遷移沸騰状態の前期）に長く維持することが可能となり、より確実に燃料を効率良く加熱することができる。しかも、本実施例１では、加熱部１６の表面温度を燃料の沸点よりも高い温度に制御するようにしたので、加熱部１６の周辺の燃料を速やかに沸点よりも高い温度まで加熱して核沸騰状態にすることができる。

その結果、図４に示すように、本実施例１の燃料加熱装置１５では、従来の燃料加熱装置（ガイド部を備えていない燃料加熱装置）に比べて、燃料を効率良く加熱することができ、燃料の温度を速やかに上昇させることができる。

以下、本発明の実施例２〜５を図５乃至図１１に基づいて説明する。但し、前記実施例１と実質的に同一部分には同一符号を付して説明を省略又は簡略化し、主として前記実施例１と異なる部分について説明する。

図５及び図６に示すように、本実施例２では、ガイド部１７に、複数種類の貫通孔２０〜２２が形成されている。具体的には、ガイド部１７の上面側の中央部（加熱部１６の中央部に相当する部分）には、大径の円形状の貫通孔２０が形成され、ガイド部１７の上面側の中央部以外の部分（加熱部１６の先端側及び根元側に相当する部分）には、中央部の貫通孔２０よりも開放面積が小さい楕円形状の貫通孔２１が形成されている。加熱部１６の中央部の発熱量が多い場合には、加熱部１６の上面側の中央部付近に多くの気泡が発生するため、ガイド部１７の上面側の中央部の貫通孔２０を大きくすることで、加熱部１６の上面側の中央部付近で発生した気泡を、ガイド部１７の上面側の中央部の大きい貫通孔２０から容易に排出できるようになっている。

一方、ガイド部１７の下面側には、上面側の貫通孔２０，２１よりも開放面積が小さい小径の円形状の貫通孔２２が形成されていると共に、下面側の貫通孔２２の数を上面側の貫通孔２０，２１の数よりも少なくしている。これにより、ガイド部１７の下面側の貫通孔２２から加熱されていない燃料が多量に加熱部１６の周囲に流入することを抑制して、加熱部１６の周囲の燃料の温度が低下することを抑制することで、気泡の排出の容易性を増すようにしている。

図７に示すように、本実施例３では、ガイド部１７の上面側の貫通孔１８の下側（加熱部１６側）の開口周縁部に面取り２３が形成されている。これにより、ガイド部１７の上面側の貫通孔１８から燃料や気泡が排出され易くなるようにしている。更に、ガイド部１７の下面側の貫通孔１８の下側（加熱部１６と反対側）の開口周縁部に面取り２３が形成されている。これにより、ガイド部１７の下面側の貫通孔１８から燃料が流入し易くなるようにしている。

尚、上記各実施例１〜３では、円筒状のガイド部１７を用いるようにしたが、ガイド部の形状は、円筒状に限定されず、適宜変更しても良く、例えば、四角形や六角形等の多角形の筒状のガイド部を用いるようにしても良い。

図８に示すように、本実施例４では、加熱部１６の上面側を囲むように半円筒状のガイド部２４が配置されている。加熱部１６で加熱された燃料は、自然対流により上方へ向かうため、半円筒状のガイド部２４で加熱部１６の上面側のみを囲むようにしても、前記実施例１とほぼ同様の効果を得ることができる（燃料を速やかに核沸騰状態に遷移させることができると共に、核沸騰状態（又は核沸騰状態の後期から遷移沸騰状態の前期）に長く維持することが可能となる）。

尚、上記実施例４では、半円筒状のガイド部２４を用いるようにしたが、ガイド部の形状は、半円筒状に限定されず、適宜変更しても良く、例えば、断面「く」字状のガイド部や断面「コ」字状のガイド部で加熱部１６の上面側を囲むようにしても良い。

次に、図９乃至図１１を用いて本発明の実施例５を説明する。
図９に示すように、燃料ポンプ１２（図１参照）から吐出される燃料は、燃料配管２５を通して燃料加熱レール２６（液体加熱装置）に送られ、この燃料加熱レール２６からエンジンの各気筒に取り付けられた燃料噴射弁１４に燃料が供給される。燃料加熱レール２６には、燃料配管２５に接続された燃料レール２７（液体レール）と、この燃料レール２７のうちの各気筒の燃料噴射弁１４に対応する位置に取り付けられた複数の燃料加熱室２８（液体加熱室）とが設けられている。燃料レール２７と燃料加熱室２８は、燃料通路（液体通路）として機能し、燃料配管２５を通して燃料レール２７内に送られた燃料は、各燃料加熱室２８を通して各気筒の燃料噴射弁１４に供給される。

図１０及び図１１に示すように、燃料レール２７は、下蓋２９に上蓋３０を取り付けて一体化したものであり、下蓋２９と上蓋３０との間に燃料の通路が形成されている。この燃料レール２７の上蓋３０に、箱状の燃料加熱室２８が取り付けられている。

図１０に示すように、燃料加熱室２８には、該燃料加熱室２８に加熱部１６を取り付けるための略円筒状の取付部３１が横方向（燃料レール２７の上面とほぼ平行な方向）に延びるように取り付けられ、この取付部３１の先端側にガイド部１７が接続されている。本実施例５では、取付部３１とガイド部１７とが一体部品で形成されている。尚、ガイド部１７は、上記実施例１で説明したガイド部に限定されず、上記実施例２乃至４のいずれかで説明したガイド部としても良い。

また、加熱部１６の根元側には、加熱部１６よりも大径の支持固定部３２が一体的に設けられている。加熱部１６を燃料加熱室２８の側方から取付部３１の内側を通してガイド部１７の内側まで挿入して支持固定部３２を取付部３１に組み付け固定することで、燃料加熱室２８に加熱部１６が燃料加熱室２８の側方から挿入されて横方向に延びる状態で取り付けられている。

燃料加熱室２８のうちの加熱部１６の先端側には、燃料レール２７内の燃料を燃料加熱室２８内に導入するための流入管３３が設けられ、この流入管３３の先端に、燃料の流入口３４が設けられている。一方、燃料加熱室２８のうちの加熱部１６の根元側には、燃料加熱室２８内の燃料を排出する（燃料噴射弁１４側に供給する）ための排出管３５が設けられ、この排出管３５の先端に、燃料の排出口３６が設けられている。つまり、燃料加熱室２８のうちの加熱部１６の先端側に燃料の流入口３４が配置され、燃料加熱室２８のうちの加熱部１６の根元側に燃料の排出口３６が配置されている。

図１１に示すように、燃料の流入口３４と排出口３６は、加熱部１６よりも後方（図１１では左方）に配置され、流入口３４と排出口３６との間に、仕切壁３７が配置されている。この仕切壁３７は、加熱部１６よりも後方で流入口３４側と排出口３６側とを仕切るように設けられている。これにより、流入口３４から燃料加熱室２８内に流入した燃料は、加熱部１６の先端側から根元側に向かって概ね加熱部１６の長手方向に沿った方向に流れた後、排出口３６から燃料加熱室２８外に排出されるようになっている。

以上説明した本実施例５では、燃料レール２７の上蓋３０に燃料加熱室２８を取り付けて燃料加熱レール２６を構成するようにしたので、燃料加熱レール２６の上方投影面積をほとんど拡大させずに燃料加熱室２８を取り付けることができる（燃料レール２７の上方投影面積の範囲内に燃料加熱室２８を収めることができる）。更に、燃料加熱室２８には、加熱部１６を燃料加熱室２８の側方から挿入して横方向に延びる状態で取り付けるようにしたので、加熱部１６による燃料の加熱性能を確保しながら、燃料加熱室２８の高さ寸法を低く抑えて燃料加熱レール２６全体の高さ寸法を低く抑えることができる。これにより、燃料加熱レール２６の車両への搭載性を向上させることができる。

また、本実施例５では、取付部３１とガイド部１７とを一体部品で形成するようにしたので、取付部３１とガイド部１７とを別部品にする場合に比べて、燃料加熱レール２６の部品点数を削減することができると共に組立性（生産性）を向上させることができ、燃料加熱レール２６を低コスト化することができる。

更に、本実施例５では、燃料加熱室２８のうちの加熱部１６の先端側に燃料の流入口３４を配置して、燃料加熱室２８のうちの加熱部１６の根元側に燃料の排出口３６を配置するようにしたので、燃料加熱室２８内の燃料を加熱部１６の先端側から根元側に向かって流すことができる。これにより、燃料加熱室２８内の燃料を概ね加熱部１６の長手方向に沿った方向に流すことができ、燃料加熱室２８内の燃料を加熱部１６で効率良く加熱することができる。

尚、上記実施例５では、燃料加熱室２８のうちの加熱部１６の先端側に燃料の流入口３４を配置して、燃料加熱室２８のうちの加熱部１６の根元側に燃料の排出口３６を配置するようにしたが、これに限定されず、燃料加熱室２８のうちの加熱部１６の根元側に燃料の流入口３４を配置して、燃料加熱室２８のうちの加熱部１６の先端側に燃料の排出口３６を配置するようにしても良い。

また、上記実施例５では、取付部３１とガイド部１７とを一体部品で形成するようにしたが、これに限定されず、取付部３１とガイド部１７とを別部品で形成するようにしても良い。

また、上記各実施例１〜５では、円柱状の加熱部１６を用いるようにしたが、加熱部のの形状は、円柱状に限定されず、適宜変更しても良く、例えば、四角柱や六角柱等の角柱状の加熱部や平板状の加熱部を用いるようにしても良い。更に、複数の加熱部を互いにガイド部の役割を果たすように又は一方が他方のガイド部の役割を果たすように配置するようにしても良い。

また、上記各実施例１〜５では、ガイド部に円形状（又は楕円形状）の貫通孔を形成するようにしたが、貫通孔の形状は、これに限定されず、適宜変更しても良く、例えば、四角形等の多角形状の貫通孔や楕円形状の貫通孔やメッシュ状の貫通孔を形成するようにしても良い。また、ガイド部を複数の部材を組み合わせて構成し、これらの複数の部材間に形成された隙間を貫通孔として利用するようにしても良い。

更に、ガイドに形成する貫通孔の数や位置を適宜変更しても良い。また、上記各実施例１〜５では、ガイド部に複数の貫通孔を形成するようにしたが、ガイド部に一つの貫通孔を形成するようにしても良い。

その他、本発明は、内燃機関の燃料を加熱する燃料加熱装置に限定されず、内燃機関の冷却水や潤滑油等の他の液体を加熱する液体加熱装置に本発明を適用しても良い。また、内燃機関に限定されず、温水洗浄便座用や食品加熱殺菌用の液体加熱装置等、内燃機関以外の分野の液体加熱装置に本発明を適用しても良い。

１２…燃料ポンプ、１３…燃料通路（液体通路）、１４…燃料噴射弁、１５…燃料加熱装置（液体加熱装置）、１６…加熱部、１７…ガイド部、１８…貫通孔、１９…ＥＣＵ（制御手段）、２０〜２２…貫通孔、２４…ガイド部、２７…燃料レール（液体レール）、２８…燃料加熱室（液体加熱室）

Claims (6)

1. 液体通路（１３，２８）内の液体を加熱する加熱部（１６）を該液体通路（１３，２８）内に配置した液体加熱装置において、
   前記液体通路（１３，２８）内で前記加熱部（１６）から所定距離を隔てて該加熱部（１６）の全周を囲むように配置されたガイド部（１７，２４）を備え、
   前記ガイド部のうち前記液体通路の排出側の面の中央部には、大径の円形状の第１貫通孔（２０）が形成され、前記中央部以外の部分には、前記第１貫通孔よりも開放面積が小さい楕円形状の第２貫通孔（２１）が形成され、
   前記ガイド部のうち前記液体通路の流入側の面には、前記第１貫通孔及び前記第２貫通孔よりも開放面積が小さい小径の円形状の第３貫通孔（２２）が形成され、
   前記第３貫通孔の数は、前記第１貫通孔及び前記第２貫通孔の総数よりも少ない、
   ことを特徴とする液体加熱装置。
2. 前記液体は、内燃機関の燃料であり、
   前記液体通路は、前記内燃機関の燃料噴射弁（１４）と該燃料噴射弁（１４）へ前記燃料を圧送する燃料ポンプ（１２）との間に接続された燃料通路（１３，２８）であることを特徴とする請求項１に記載の液体加熱装置。
3. 前記加熱部（１６）の表面温度を前記液体の沸点よりも高い温度に制御する制御手段（１９）を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の液体加熱装置。
4. 前記液体通路として、下蓋（２９）と上蓋（３０）を有する液体レール（２７）と、該液体レール（２７）の上蓋（３０）に取り付けられた液体加熱室（２８）とを備え、
   前記液体加熱室（２８）には、前記加熱部（１６）が前記液体加熱室（２８）の側方から挿入されて横方向に延びる状態で取り付けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の液体加熱装置。
5. 前記液体加熱室（２８）に前記加熱部（１６）を取り付けるための取付部（３１）と前記ガイド部（１７）とが一体部品で形成されていることを特徴とする請求項４に記載の液体加熱装置。
6. 前記液体加熱室（２８）のうちの前記加熱部（１６）の先端側と根元側の一方に前記液体の流入口（３４）が配置されて他方に前記液体の排出口（３６）が配置されていることを特徴とする請求項４又は５に記載の液体加熱装置。

Images