JP4566473B2

JP4566473B2 - 内燃機関における燃料冷却方法

Info

Publication number: JP4566473B2
Application number: JP2001222934A
Authority: JP
Inventors: 正一郎臼井
Original assignee: Usui Co Ltd
Current assignee: Usui Co Ltd
Priority date: 2001-07-24
Filing date: 2001-07-24
Publication date: 2010-10-20
Anticipated expiration: 2021-07-24
Also published as: JP2003035219A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は夏場、あるいは気候の暑い国などに顕著な高温高熱時や極熱時におけるガソリンエンジンやディーゼルエンジンの燃料沸騰による気泡の発生を防止するための内燃機関用液体燃料の冷却方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関におけるエンジンの燃料噴射装置への燃料供給は、より確実に燃料を供給するため燃料ポンプが使用され、機関の高出力化や燃料噴射装置の発展に伴い、種々のポンプ方式が採用されているが、特に夏場、あるいは気候の暑い国などに顕著な高温高熱時や極熱時には、燃料タンクから燃料噴射装置へ送給される過程で機関や排気系部品からの伝熱などにより液体燃料が高温となり、燃料温度が沸点を超えると燃料液中に気泡（ベーパ）が発生し始めることとなる。燃料液中に気泡が発生すると、燃料噴射装置によりシリンダー内に噴射される燃料液中にこの気泡が混入して噴射時間当りの燃料の噴射量が減少し、所定の出力が得られないという問題があった。また、エンジンで燃焼されなかった余剰燃料は、リターン配管を経由してタンクへ戻されるが、いったんエンジンの高温部付近を通過するため加温されて高温の戻り燃料となり、やがてタンク内すべての燃料の温度を上昇させ、タンクからベーパとなって放出され、大気汚染や、キャビンの燃料臭となって問題を起こす可能性もあった。また、ディーゼルエンジン、特にコモンレールを使用した蓄圧式燃料噴射システムにおいては、圧力が極めて高圧であるため戻り燃料の高温化が問題となる。
【０００３】
ガソリンエンジンにおける対策として、従来は燃料タンクと燃料噴射装置間の燃料供給配管を自動車の空調装置（エアコン）の配管で冷却して燃料温度を沸点未満に下げる方法がとられている。また、コモンレールを使用した蓄圧式燃料噴射システム採用のディーゼルエンジンの場合にあっては、燃料は全く冷却されていないのが現状であった。
しかしながら、エアコンを利用して燃料温度を下げる方法は、エアコンのコンプレッサーやコンデンサーの大型化や燃費の悪化を招き、かつ燃料温度を下げることができるのはエアコンが駆動されている時に限られ、エアコンが停止している時には燃料温度を下げることができないという不都合があった。また、ディーゼルエンジンの場合は、コモンレールを使用した蓄圧式燃料噴射システムの配管にあっては、燃料は全く冷却されないため耐熱樹脂製のタンク部品（ホース等）の熱劣化も余儀なくされるという問題もある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記した従来の問題を解決するためになされたもので、エアコンや熱交換器の駆動、非駆動に関係なく、走行時であれば燃費を悪化させることなく必要に応じて燃料温度を沸点未満に下げることができ、またコモンレールを使用した蓄圧式燃料噴射システムにおいても、比較的簡易な手段で効率よく冷却できる燃料冷却方法を提案することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、内燃機関の液体燃料の温度上昇に起因する燃料沸騰気泡の発生を防止するための燃料冷却手段として、第１発明は燃料配管の途中に燃料温度を沸騰気泡発生温度未満に下げる熱交換器を配設し、該熱交換器は密閉容器と、該密閉容器内を貫通して配管されかつ容器内配管表面に毛細管構造を有するウィック材が張付けられた燃料配管と、前記密閉容器内に封入された熱媒体流体および冷却部とから構成され、前記密閉容器内の熱媒体流体が前記ウィック材の毛細管内を表面張力によって上昇する間に、前記密閉容器内を貫通する燃料配管内の高温の燃料の熱エネルギーによって蒸発し、その時の気化潜熱により燃料の温度が沸騰気泡発生温度未満に下げられ、前記熱媒体流体の蒸発流は冷却部で凝縮されて元の熱媒体流体に戻る仕組みとなしたことを特徴とし、第２発明は燃料配管の途中に燃料温度を沸騰気泡発生温度未満に下げる熱交換器を配設し、該熱交換器は密閉容器と、該密閉容器内を貫通して配管されかつ容器内配管表面に毛細管構造を有するウィック材が張付けられた燃料配管と、前記密閉容器内に封入された熱媒体流体の蒸発流の外部への吸引部とから構成され、前記密閉容器内の熱媒体流体が前記ウィック材の毛細管内を表面張力によって上昇する間に、前記密閉容器内を貫通する燃料配管内の高温の燃料の熱エネルギーによって蒸発し、その時の気化潜熱により燃料の温度が沸騰気泡発生温度未満に下げられ、前記熱媒体流体の蒸発流は前記吸引部より外部へ吸引される仕組みとなしたことを特徴とし、かつ前記外部への吸引部は、インテークマニホールドであることを特徴とするものである。また、前記熱媒体流体としては、ガソリン、軽油、水、水とアルコールの混合液体、水とエーテルの混合液体、フロン、代替フロンのいずれかを用いることができる。
【０００６】
すなわち、本発明における熱交換器は、熱媒体流体の気化潜熱を利用したもので、密閉容器内の熱媒体流体が前記ウィック材の毛細管内を表面張力によって上昇する間に高温の燃料の熱エネルギーにより加熱されて蒸発し、そのとき加熱部空間の蒸発圧が冷却部や吸引部による作用によって低下することにより、その蒸発は促進されて気化潜熱を奪って燃料配管を冷却し、前記熱媒体流体の蒸発流は圧力の低い冷却部へと流れて冷却されて凝縮し、元の液体に戻るか、もしくは外部に吸引される仕組みとなっている。したがってこの熱交換器によれば、エアコンの駆動、非駆動に関係なく、必要に応じて燃料の温度を沸騰気泡発生温度未満に下げることが可能であり、ガソリンエンジンやディーゼルエンジンの液体燃料の温度上昇に起因する燃料沸騰気泡の発生を防止することができることにより、燃料噴射装置によりシリンダー内に噴射される燃料内に気泡が混入することがなくなり、噴射時間当りの燃料の噴射量を常に適正に保つことが可能となる。
なお、本発明において上記のような熱交換器を用いたのは、エアコンのコンプレッサーやコンデンサーの大型化と燃費の上昇を抑制するためと、コモンレールを使用した蓄圧式燃料噴射システムにあっても同様の問題を解決するためである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明方法を実施するための第１の実施例装置を示す概略図、図２は同じく第２の実施例装置を示す概略図、図３は同じく第３の実施例装置を示す概略図であり、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃは燃料配管、２、１２は熱交換器、３、１３は燃料タンク、４、１４はウィック材、５、１５は燃料、６は熱媒体流体（液体）、７、１７は熱媒体流体配管、８、１８は燃料ポンプ、９、２９は燃料噴射装置、１０は蒸発流配管、２０はインテークマニホールド、２１はシリンダーヘッド、２２はインテークバルブ、２３はバルブステム、２４はピストン、２５は燃焼室、２６はシリンダーブロック、３０は高圧ポンプ、３２はコモンレール、Ｖ１〜Ｖ４は開閉弁である。
【０００８】
図１において、熱交換器２は燃料タンク３と燃料噴射装置９間の燃料配管１Ａに分岐接続した燃料配管１Ｂの途中に配設されており、その構造は密閉容器２−１と該容器の頂部と底部間を連通する配管２−２および該配管の一部をフィンチューブ２−３とした冷却部２−４と、密閉容器２−１に封入された熱媒体流体６と、密閉容器２−１を貫通して配管されかつ容器内配管表面に毛細管構造を有するウィック材４が張付けられた燃料配管１Ｂとから構成され、密閉容器２−１の底部に接続された熱媒体流体配管７より開閉弁Ｖ１を介して熱媒体流体６が該密閉容器２−１内に注入されるようになっている。また、フィンチューブ２−３で構成された冷却部２−４には、矢印で示すごとく外方から冷却用空気が当てられて、フィンチューブ２−３内の蒸発流が凝縮されて元の液体にもどる仕組みとなっている。前記密閉容器２−１を貫通した燃料配管１Ｂの他端は、開閉弁Ｖ２を介して燃料配管１Ａに接続され、熱交換器２にて冷却された燃料が燃料噴射装置９に供給されるように配管されている。燃料噴射装置９はデリバリパイプ９−１とインジェクター９−２を備えている。なお、燃料を冷却する必要のない場合を考慮して、燃料配管１Ａに開閉弁Ｖ３を設けている。
【０００９】
上記の装置構成において、燃料タンク３内の燃料（ガソリン）５は燃料ポンプ８にて燃料配管１Ａまたは１Ｂを介して燃料噴射装置９へ供給される。この場合において、外気温が高く燃料噴射装置９へ供給される燃料の温度が沸点以上に上昇し沸騰を起こすおそれが生じた場合には、燃料配管１Ａ側の開閉弁Ｖ３を閉じ、燃料配管１Ｂ側の開閉弁Ｖ２を開いて、燃料タンク３内の燃料５を熱交換器２の中を通流させる。この時、熱媒体流体配管７より開閉弁Ｖ１を介して供給されて密閉容器２−１内に封入されている熱媒体流体６が、前記ウィック材４の毛細管内を熱媒体流体６の表面張力によって上昇し、前記燃料配管１Ｂ内の高温の燃料の熱エネルギーによって温められて蒸発するとともに、その蒸発流は密閉容器２−１の頂部より配管２−２を通りフィンチューブ２−３で構成された冷却部２−４で凝縮されて元の熱媒体流体６にもどり密閉容器２−１へ循環流入する。一方燃料配管１Ｂ内を流れる燃料は、前記熱交換器２内の熱媒体流体６の蒸発により熱を奪われて気泡発生温度未満となって燃料噴射装置９へ供給される。したがって、燃料噴射装置９によりシリンダー内に噴射される燃料内に気泡が混入するようなことはなくなり、噴射時間当りの燃料の噴射量を常に適正に保つことが可能となる。
【００１０】
一方、外気温が低く燃料噴射装置９へ供給される燃料の温度が気泡発生温度未満の場合には、燃料温度を下げる必要がないため、燃料配管１Ｂ側の開閉弁Ｖ２を閉じ、燃料配管１Ａ側の開閉弁Ｖ３を開いて燃料配管１Ａより燃料を燃料噴射装置９へ直接供給する。
【００１１】
次に、図２は熱媒体流体として燃料１５を用い、この燃料を蒸発流としてインテークマニホールド２０へ吸引する方式を例示したもので、熱交換器１２はエンジンからの高温のリターン燃料を燃料タンク１３へ供給する燃料配管１１Ａの途中に配設されており、その構造は密閉容器１２−１と、該密閉容器１２−１に封入された燃料１５と、密閉容器１２−１を貫通して配管されかつ容器内配管表面に毛細管構造を有するウィック材１４が張付けられた燃料配管１１Ａ−１とから構成され、燃料タンク１３内の燃料１５をエンジンへ供給する燃料配管１１Ｂの途中に分岐配管した燃料配管１１Ｃより開閉弁Ｖ４を介して燃料１５が前記密閉容器２−１内に注入されるようになっている。密閉容器１２−１の頂部に接続した蒸発流配管１０の他端は、インテークマニホールド２０へ接続され、蒸発流がインテークマニホールド２０へ吸引される仕組みとなっている。
なお、燃料以外の例えば水を熱媒体流体として用いる場合は、密閉容器１２−１に熱媒体流体配管１７を接続し、燃料配管１１Ｃの開閉弁Ｖ４を閉じた状態もしくは燃料配管１１Ｃと開閉弁Ｖ４を廃止して、熱媒体流体配管１７より密閉容器１２−１内に水を供給する構成とすることも可能である。
【００１２】
上記図２に示す装置において、燃料タンク１３内の燃料（ガソリン）１５は燃料ポンプ１８にて燃料配管１１Ｂを介してエンジンへ供給される。この時、燃料配管１１Ｃの開閉弁Ｖ４は閉じた状態にあって、密閉容器１２−１内に一定量の燃料１５が貯溜されている。エンジンへ供給された燃料１５のうち、エンジンからの高温のリターン燃料は、燃料配管１１Ａより熱交換器１２の中を通流して再び燃料タンク１３へ戻り循環使用されるが、熱交換器１２の密閉容器１２−１内を通過する際に、当該密閉容器１２−１内に封入されている燃料１５が、前記ウィック材１４の毛細管内を燃料１５の表面張力によって上昇し、密閉容器１２−１内の燃料配管１１Ａ−１内の高温の燃料の熱エネルギーによって温められて蒸発するとともに、その蒸発流は、密閉容器１２−１の頂部より蒸発流配管１０を介してインテークマニホールド２０へ吸引される。一方、燃料配管１１Ａ−１内を流れる燃料は、密閉容器１２−１内の燃料１５の蒸発により熱を奪われて沸騰温度未満となって燃料タンク１３へ供給される。
【００１３】
さらに、図３は前記図１に示す装置構成を、コモンレールを使用した蓄圧式燃料噴射システム（ディーゼルエンジン）に適用した例であり、燃料噴射装置９以外は前記図１に示す装置構成と同じである。
すなわち、図３は燃料噴射装置９に替えて、高圧ポンプ３０、高圧燃料配管３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、コモンレール３２、燃料噴射装置（インジェクター）２９等からなる蓄圧式燃料噴射システムを配管接続したもので、この場合も、外気温が高く燃料噴射装置２９へ供給される燃料（軽油）の温度が沸点以上に上昇し沸騰を起こすおそれが生じた場合には、燃料配管１Ａ側の開閉弁Ｖ３を閉じ、燃料配管１Ｂ側の開閉弁Ｖ２を開いて、燃料タンク３内の燃料５を熱交換器２の中を通流させる。この時、熱媒体流体配管７より開閉弁Ｖ１を介して供給されて密閉容器２−１内に封入されている熱媒体流体６が、前記ウィック材４の毛細管内を熱媒体流体６の表面張力によって上昇し、前記燃料配管１Ｂ内の高温の燃料の熱エネルギーによって温められて蒸発するとともに、その蒸発流は密閉容器２−１の頂部より配管２−２を通りフィンチューブ２−３で構成された冷却部２−４で凝縮されて元の熱媒体流体６にもどり密閉容器２−１へ循環流入する。一方、燃料配管１Ｂ内を流れる燃料は、前記熱交換器２内の熱媒体流体６の蒸発により熱を奪われて気泡発生温度未満となって蓄圧式燃料噴射システム側へ供給され、高圧ポンプ３０にて所定の圧力に高められてコモンレール３２へ供給され、燃料配管３１Ｃ（噴射管）よりインジェクター２９へ供給され、各気筒へ噴射される。したがって、インジェクター２９によりシリンダー内に噴射される燃料内に気泡が混入するようなことはなくなり、噴射時間当りの燃料の噴射量を常に適正に保つことが可能となる。
【００１４】
なお、本発明では前記図１に示す装置と図２に示す装置を組合わせて、エンジン作動中であって、車両が停止している時は図２に示す吸引方式によって燃料を冷却し、車両走行中は図１に示す熱交換器２で冷却することも可能である。また、熱交換器２の密閉容器２−１内に封入する熱媒体流体６としては、前記したごとくガソリン、軽油、水、水とアルコールの混合液体、水とエーテルの混合液体、フロン、代替フロンのいずれかを用いることができる。
【００１５】
【発明の効果】
以上説明したごとく、本発明方法によれば、燃料配管を流れる液体燃料の熱エネルギーを利用して燃料温度を下げる方式の熱交換器を用いたことにより、自動車の走行やエアコンの駆動、非駆動に関係なく、必要に応じて燃料温度を沸騰気泡発生温度未満まで下げることができるので、内燃機関の液燃料（ガソリン、軽油等）の温度上昇に起因する燃料沸騰気泡の発生を防止することができ、燃料噴射装置によりシリンダー内に噴射される燃料内に気泡が混入することがなくなる結果、噴射時間当りの燃料の噴射量を常に適正に保つことが可能となる。また、コモンレールを使用した蓄圧式燃料噴射システムを採用したディーゼルエンジンの場合は、タンク廻り部品（樹脂製部品、コムホース、樹脂タンク等）の寿命延長もはかられる。したがって、本発明は特に夏場、あるいは気候の暑い国などにおける高温高熱地仕様車に極めて有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明方法を実施するための第１の実施例装置を示す概略図である。
【図２】本発明方法を実施するための第２の実施例装置を示す概略図である。
【図３】本発明方法を実施するための第３の実施例装置を示す概略図である。
【符号の説明】
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ、３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ燃料配管
２、１２熱交換器
３、１３燃料タンク
４、１４ウィック材
５、１５燃料
６熱媒体流体
７、１７熱媒体流体配管
８、１８燃料ポンプ
９燃料噴射装置
１０蒸発流配管
２０インテークマニホールド
２１シリンダーヘッド
２２インテークバルブ
２３バルブステム
２４ピストン
２５燃焼室
２６シリンダーブロック
２９インジェクター
３０高圧ポンプ
３２コモンレール
Ｖ１〜Ｖ４開閉弁

Claims

内燃機関の燃料の温度上昇に起因する燃料沸騰気泡の発生を防止するための燃料冷却方法であって、燃料配管の途中に燃料温度を沸騰気泡発生温度未満に下げる熱交換器を配設し、該熱交換器は密閉容器と、該密閉容器内を貫通して配管されかつ容器内配管表面に毛細管構造を有するウィック材が張付けられた燃料配管と、前記密閉容器内に封入された熱媒体流体および冷却部とから構成され、前記密閉容器内の熱媒体流体が前記ウィック材の毛細管内を表面張力によって上昇する間に、前記密閉容器内を貫通する燃料配管内の高温の燃料の熱エネルギーによって蒸発し、その時の気化潜熱により燃料の温度が沸騰気泡発生温度未満に下げられ、前記熱媒体流体の蒸発流は冷却部で凝縮されて元の熱媒体流体に戻る仕組みとなしたことを特徴とする内燃機関における燃料冷却方法。
内燃機関の燃料の温度上昇に起因する燃料沸騰気泡の発生を防止するための燃料冷却方法であって、燃料配管の途中に燃料温度を沸騰気泡発生温度未満に下げる熱交換器を配設し、該熱交換器は密閉容器と、該密閉容器内を貫通して配管されかつ容器内配管表面に毛細管構造を有するウィック材が張付けられた燃料配管と、前記密閉容器内に封入された熱媒体流体の蒸発流の外部への吸引部とから構成され、前記密閉容器内の熱媒体流体が前記ウィック材の毛細管内を表面張力によって上昇する間に、前記密閉容器内を貫通する燃料配管内の高温の燃料の熱エネルギーによって蒸発し、その時の気化潜熱により燃料の温度が沸騰気泡発生温度未満に下げられ、前記熱媒体流体の蒸発流は前記吸引部より外部へ吸引される仕組みとなしたことを特徴とする内燃機関における燃料冷却方法。
前記外部への吸引部は、インテークマニホールドであることを特徴とする請求項２記載の内燃機関における燃料冷却方法。
前記熱媒体流体として、ガソリン、軽油、水、水とアルコールの混合液体、水とエーテルの混合液体、フロン、代替フロンのいずれかを用いることを特徴とする請求項１乃至請求項３のうちいずれか１項記載の内燃機関における燃料冷却方法。