JPH07101018B2 - 火花点火エンジンのスタティックミキサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、空気と燃料をミキサ内
で混合し、この混合気にミキサをバイパスさせた空気ま
たはガス状の燃料を合流させて空燃比制御をし、シリン
ダに供給する火花点火エンジンのスタティックミキサに
関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、空気バイパス方式のミキサは、例
えば図４に示すような火花点火ガスエンジンに用いられ
ている。このエンジン１９は、排気ガス中のＣＯ,ＨＣ,
ＮＯxを除去すべく、排気管２０に三元触媒装置２３を
介設し、排気ガス中の酸化性成分(ＣＯ₂,Ｈ₂Ｏ)と還元
性成分(ＣＯ,ＨＣ,Ｈ₂)を化学量論的に当量の状態に保
って上記３成分を同時に処理するため、空燃比を理論空
燃比近傍の非常に狭い範囲に制御するものである。その
ため、エンジン１９の給気系に、空気と燃料ガスを所定
割合で混合して混合気を作るミキサ１３と、ミキサ１３
の上流側の空気管１１と下流側の混合気管１５を接続し
て給気の一部をバイパスさせるバイパス管１４と、この
バイパス管１４に介設され,アクチュエータ１７で開度
が調整される流量調整弁１６と、混合気管１５に介設さ
れ,負荷に応じて混合気の流量を調整する電子ガバナ１
８を設ける一方、排気管２０には、三元触媒装置２３の
上流側に酸素濃度センサ２１と温度センサ２２を設け、
これらのセンサの検出信号に基づいてマイクロコントロ
ーラ２４によって、上記アクチュエータ１７を操作して
バイパス空気量を調整することにより空燃比が上記理論
空燃比になるようにフィードバック制御している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記従来の
ガスエンジンにおいては、空燃比を理論空燃比近傍の非
常に狭い範囲に制御する必要があるため、バイパス空気
が合流した後の混合気は、可能な限り濃淡のない上記理
論空燃比に略等しい均一な濃度にしなければならない
が、従来構造では、均一濃度の混合気を得ることが難し
く、均一濃度を得るべく、混合に時間をかけ,広範囲な
長さ規模で乱れを作ろうとすると、エンジンスペースか
ら設計上の要請が満たされなくなる。図５の詳細図に示
すように、ミキサ１３及びバイパス空気の合流部Ｊは、
ミキサ１３の出口側のスロットルバルブ２５の直前にバ
イパス管１４が合流しており、ミキサ１３の入口側で空
気管１１からの空気Ａと燃料管１２からの燃料ガスＧが
混合されて混合気Ｍになり、この混合気Ｍに側方からバ
イパス空気Ａ'が合流して、理論空燃比の混合気Ｍ'にな
ってスロットルバルブ２５を経て混合気管１５に流出す
るようになっている。つまり、図５の混合気Ｍ'は、混
合気Ｍの側方からバイパス空気Ａ'が単に合流するだけ
のものであるため、バイパス空気が層流状態で流れてし
まって安定的な混合が行なわれず、理論空燃比に略等し
い均一な濃度の混合気を得ることが難しい。

【０００４】このように、上記従来の火花点火エンジン
のバイパス方式では、均一な濃度の混合気を得ることが
難しいため、各シリンダの燃焼室に供給される混合気の
濃度が不均一になり、各シリンダの排気温度がばらつ
き、燃焼効率が悪化するという問題がある。また、空燃
比が理論空燃比から外れるため、三元触媒装置２３の機
能が十分発揮できず、排気ガスの処理が不完全になると
いう問題がある。

【０００５】そこで、本発明の目的は、空気と燃料の混
合気に、バイパスさせた空気またはガス状の燃料を可能
な限り均一濃度になるように合流させることによって、
排気温度のばらつきをなくして燃焼効率を改善できると
ともに、空燃比を濃淡なく略理論空燃比に維持でき、三
元触媒装置による排気ガスの完全処理を可能にする火花
点火エンジンのスタティックミキサを提供することにあ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の火花点火エンジンのスタティックミキサ
は、空気と燃料をミキサ内で混合し、この混合気に上記
ミキサをバイパスさせた空気またはガス状の上記燃料を
合流させて空燃比制御をし、シリンダに供給するもので
あって、上記混合気が流れる混合気通路を横切るように
配置され、先端が閉ざされ、基端に上記バイパスされる
空気またはガス状の燃料が流れ込むバイパス流導入パイ
プと、このバイパス流導入パイプの混合気流に対向する
側面に貫設された複数の吹出穴と、上記バイパス流導入
パイプの外周に、混合気流に対して傾けて固定された渦
発生羽根を備えたことを特徴とする。また、上記バイパ
ス流導入パイプを、複数の吹出穴をもつ円筒で構成して
上記混合気通路に直交して配置する一方、複数の貫通穴
を設けた上記渦発生羽根を、上記バイパス流導入パイプ
の上下にこのパイプの中点を通る横断面に関して対称を
なすように一対固定することもできる。

【０００７】

【作用】請求項１に記載のスタティックミキサは、混合
気通路を横切るように設けられた先端が閉ざされたバイ
パス流導入パイプと、このパイプの混合気流に対向する
側面に貫設された複数の吹出穴と、上記パイプの外周に
混合気流に対して傾けて固定された渦発生羽根からな
る。従って、ミキサ内で混合された空気と燃料からなる
混合気は、混合気通路を流れる際、混合気通路に横設さ
れたバイパス流導入パイプの複数の吹出穴から対向して
流れ出るバイパス空気またはバイパス燃料ガスと広い幅
で混じり合う。混じ合って希釈化または濃化された混合
気は、続いてパイプ外周に斜めに固定された渦発生羽根
に沿って流れ下るに際、渦状の旋回流となり、混合によ
る濃度の均一化がさらに促進され、濃淡のない均一濃度
の混合気となってエンジンのシリンダに供給される。

【０００８】請求項２に記載のスタティックミキサで
は、バイパス流導入パイプが、複数の吹出穴をもつ円筒
で構成されて混合気通路に直交して配置されているの
で、上記パイプの複数の吹出穴から細かく流出するバイ
パス空気またはバイパス燃料ガスは、空気と燃料の混合
気と真っ向からぶつかり合って混合がより促進される。
また、複数の貫通穴を設けた上記渦発生羽根が、バイパ
ス流導入パイプの上下にこのパイプの中点を通る横断面
に関して対称をなすように一対固定されているので、上
下一対の渦発生羽根により、パイプの中点を通りパイプ
の中心軸に直交する軸を中心とする滑らかな混合気の旋
回流が生じるとともに、混合気が羽根の複数の貫通穴を
通る際に撹拌されて、混合気の濃度の均一化が一層促進
され、かつ多数の貫通穴によりエンジンのポンピング損
失が低減する。

【０００９】

【実施例】以下、本発明を図示の実施例により詳細に説
明する。図１は、本発明のスタティックミキサを備えた
ミキサの一実施例を示す概略平面図であり、このスタテ
ィックミキサ１は、空気管１１と燃料管１２をもつ図５
で述べたと同じミキサ１３のスロットルバルブ２５の直
前の混合気通路２６内に設けられ、この位置は、図４の
火花点火ガスエンジンにおける混合気管１５とバイパス
管１４の合流部Ｊに対応している。上記スタティックミ
キサ１は、図２（Ａ),(Ｂ)の詳細側面図,平面図に示す
ように、ミキサ１３の混合気通路２６に直交して配置さ
れ、先端が盲蓋３で閉ざされ、基端に空気のバイパス管
１４の先端が接続された円筒状のバイパス流導入パイプ
２と、このパイプ２の混合気流Ｍに対向する片側面に貫
設された多数の吹出穴４(一部図示省略)と、上記パイプ
２の外周に、混合気流Ｍに対して傾けて固定された一対
の渦発生羽根５からなる。

【００１０】上記渦発生羽根５は、図３(Ａ)(図２(Ｂ)
のa-a線矢視図)にも示すように、バイパス流導入パイプ
２の上下に、このパイプの中点を通る横断面Ｆ(図２
(Ｂ)参照)に関して面対称をなすように一対固定される
とともに、図３(Ｂ)(図２(Ｂ)のb-b線矢視図)に示すよ
うに、全体に多数の貫通穴６(一部図示省略)を有し、下
辺にパイプ２に嵌合する楕円状の切欠き７を有する。一
方、上記バイパス流導入パイプ２は、図３(Ｃ)(図２
(Ｂ)のc-c線矢視図)に示すように、片側面のみに吹出穴
４が設けられていて、基端側が、混合気通路２６の一側
壁を貫いて通路内に僅に突出するバイパス管１４の先端
にフランジ８を介して接続され、先端側の盲蓋３が、混
合気通路の他側壁に外側からねじ９で固定されている。
なお、多数の貫通穴をもつバイパス流導入パイプ２や渦
発生羽根５は、パンチングメタルを加工して作ることが
できると共に、スタティックミキサを合流部Ｊと一体構
造とすることも可能である。

【００１１】上記構成の火花点火エンジンのスタティッ
クミキサは、次のように作用する。図１のミキサ１３内
の入口側で混合された空気Ａと燃料ガスＧからなる混合
気Ｍは、図２（Ｂ)の矢印Ｍの如く混合気通路２６を流
れる際、この通路に直交して設けられたスタティックミ
キサ１のバイパス流導入パイプ２の多数の吹出穴４から
矢印の如く対向して流れ出るバイパス空気Ａ'と広い幅
で混じり合う。つまり、上記パイプ２が円筒状で通路２
６に直交して配置され、その片面全体に小径で多数の吹
出穴４が設けられているので、混合気Ｍとバイパス空気
Ａ'は、真っ向からぶつかり合って良好に混じり合い、
濃度の均一化が促進される。

【００１２】空気と混じり合って希釈化された混合気
は、続いてパイプ２の外周に斜めに固定された渦発生羽
根５,５に沿って流れ下る際、渦状の旋回流となるの
で、混合気Ｍとバイパス空気Ａ'が更に混じり合って、
濃度の均一化がさらに促進され、濃淡のない均一濃度の
理想的混合気Ｍ'となって、矢印の如く混合気管１５に
流出し、エンジン１９(図４参照)のシリンダに供給され
る。つまり、小径で多数の貫通穴６を設けた渦発生羽根
５が、円筒状のバイパス流導入パイプ２の上下にこのパ
イプの中点を通る横断面Ｆ(図２(Ｂ)参照)に関して対称
をなすように一対固定されているので、上下一対の渦発
生羽根５により、パイプ２の２分割水平面と上記横断面
の交線を中心とする滑らかな混合気の旋回流が生じると
ともに、混合気が羽根５の多数の貫通穴６を通る際に細
かく撹拌されて、混合気Ｍとバイパス空気Ａ'が一層混
じり合って、濃度の均一化が一層促進されるのである。
また、羽根５の多数の貫通穴６は、混合気通路２６の通
風抵抗を低減するので、エンジンのポンピング損失の低
減に寄与する。

【００１３】このように、実施例のスタティックミキサ
によれば、空気と燃料の混合気とバイパス空気とを十分
に混じり合わせて、濃淡のない均一な濃度の理想的混合
気をエンジンの各シリンダに供給することができるの
で、各シリンダの排気温度がばらつかず、燃焼効率が改
善される。また、各シリンダに供給される混合気の空燃
比を、理論空燃比近傍の狭い範囲内に正確に制御できる
ので、排気系に設けられる三元触媒装置の機能を十分発
揮させることができ、排気ガスの完全処理が可能にな
る。上記実施例では、バイパス流導入パイプ２を、多数
の吹出穴をもつ円筒にして混合気通路に直交して配置
し、多数の貫通穴をもつ渦発生羽根を、上記パイプ２の
上下にパイプ横断面に関して対称をなすように傾けて一
対固定しているので、混合気Ｍとバイパス空気Ａ'の混
合促進による濃度の一層の均一化を図り、また、エンジ
ンのポンピング損失を低減できるという利点がある。

【００１４】なお、上記実施例と異なり、バイパス流導
入パイプを例えば角パイプとして混合気通路に横切って
配置したり、貫通穴のない渦発生羽根を、対称でなく単
に混合気流に対して傾けて上記パイプ外周に固定しても
よく、この場合でも、パイプの複数の吹出穴からのバイ
パス空気の対向吹出しと、渦状の旋回流によって混合気
とバイパス空気の良好な混合が行なわれ、混合気の濃度
の均一化による上述と同様の効果を得ることができる。
また、上記実施例では、空気バイパス方式のミキサにつ
いて述べたが、空気に代えて燃料ガスをバイパスさせる
方式にも本発明のスタティックミキサが適用できること
はいうまでもない。

【００１５】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
火花点火エンジンのスタティックミキサは、空気と燃料
をミキサ内で混合し、この混合気に上記ミキサをバイパ
スさせた空気またはガス状の上記燃料を合流させて空燃
比制御をし、シリンダに供給するものであって、上記混
合気が流れる混合気通路を横切るように配置され、先端
が閉ざされ、基端に上記バイパスされる空気またはガス
状の燃料が流れ込むバイパス流導入パイプと、このバイ
パス流導入パイプの混合気流に対向する側面に貫設され
た複数の吹出穴と、上記バイパス流導入パイプの外周
に、混合気流に対して傾けて固定された渦発生羽根を備
えているので、空気と燃料の混合気と,バイパス空気ま
たはガス状の燃料とを十分に混じり合わせて、濃淡のな
い均一な濃度の理想的混合気をエンジンの各シリンダに
供給することができ、各シリンダの排気温度がばらつか
ず、燃焼効率が改善される。また、各シリンダに供給さ
れる混合気の空燃比を、理論空燃比近傍の狭い範囲内に
正確に制御できるので、排気系に設けられる三元触媒装
置の機能を十分発揮させることができ、また、希薄燃焼
方式の空燃比制御においても理想的混合気を提供するこ
とができ、排気ガスの完全処理が可能になる。

【００１６】また、上記バイパス流導入パイプを、複数
の吹出穴をもつ円筒として上記混合気通路に直交して配
置する一方、複数の貫通穴を設けた上記渦発生羽根を、
上記バイパス流導入パイプの上下にこのパイプの中点を
通る横断面に関して対称をなすように一対固定すれば、
上記パイプの中点を通ってこれに直交する軸を中心とす
る滑らかな混合気の旋回流が生じ、かつ混合気は羽根の
貫通穴を通る際に撹拌されて、混合気の濃度の均一化が
一層促進されるとともに、エンジンのポンピング損失を
低減することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のスタティックミキサを備えたミキサ
の一実施例を示す概略平面図である。

【図２】 上記スタティックミキサの詳細側面図及び詳
細平面図である。

【図３】 図２(Ｂ)の夫々a-a線,b-b線,c-c線矢視図で
ある。

【図４】 従来のミキサを備えた空気バイパス方式の火
花点火ガスエンジン給排気系統を示す図である。

【図５】 上記従来のミキサを示す平面図である。

【符号の説明】

１…スタティックミキサ、２…バイパス流導入パイプ、
３…盲蓋、４…吹出穴、５…渦発生羽根、６…貫通穴、
１１…空気管、１２…燃料管、１３…ミキサ、１４…バ
イパス管、１５…混合気管、２５…スロットルバルブ、
２６…混合気通路、Ａ…空気、Ｇ…燃料ガス、Ｍ…混合
気、Ａ'…バイパス空気、Ｍ'…混合気、Ｆ…対称面、Ｊ
…合流部。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空気と燃料をミキサ内で混合し、この混
   合気に上記ミキサをバイパスさせた空気またはガス状の
   上記燃料を合流させて空燃比制御をし、シリンダに供給
   する火花点火エンジンのスタティックミキサであって、 上記混合気が流れる混合気通路を横切るように配置さ
   れ、先端が閉ざされ、基端に上記バイパスされる空気ま
   たはガス状の燃料が流れ込むバイパス流導入パイプと、 このバイパス流導入パイプの混合気流に対向する側面に
   貫設された複数の吹出穴と、 上記バイパス流導入パイプの外周に、混合気流に対して
   傾けて固定された渦発生羽根を備えたことを特徴とする
   火花点火エンジンのスタティックミキサ。
2. 【請求項２】 上記バイパス流導入パイプは、複数の吹
   出穴をもつ円筒からなって上記混合気通路に直交して配
   置される一方、上記渦発生羽根は、上記バイパス流導入
   パイプの上下にこのパイプの中点を通る横断面に関して
   対称をなすように一対固定されるとともに、複数の貫通
   穴を有する請求項１に記載の火花点火エンジンのスタテ
   ィックミキサ。