(57)【要約】【課題】吸気通路において、エンジンの燃焼室に導入される燃料の気化を促進し、ＨＣやスモークの発生を少なく抑えることができる燃料気化装置を提供することを課題とする。【解決手段】インテークマニホールド１４に設けられた燃料衝突板１６は、インテークマニホールド１４に臨む表面に凹部１７が形成されている。凹部１７の周縁１７ａとインテークマニホールド１４の内周面１４ａとは、インテークマニホールド１４の内周面１４ａの曲率に合わせてなめらかに繋がる曲面１６ａで結ばれている。凹部１７の周縁１７ａの直径φＢは、噴霧滴を捕集しやすいように、燃料噴射弁５から噴射される噴霧滴が衝突する衝突面１７ｂの直径φＡよりも大きくなるように構成されている。燃料噴射弁５は、噴射された燃料が吸気方向に対し反対方向の速度成分を有する向きに配置してもよい。凹部１７の表面をセラミックコーティングしてもよい。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジンの燃焼室に繋がる吸気通路に燃料噴射弁及び加熱された燃料衝突部材を有し、燃料噴射弁から噴射された燃料を燃料衝突部材に衝突させ燃料衝突部材からの熱により燃料の気化を促進する燃料気化装置であって、
前記燃料衝突部材は、前記吸気通路に臨む表面に凹部を有し、この凹部内に向け前記燃料噴射弁より燃料が噴射されることを特徴とする燃料気化装置。
【請求項２】
前記凹部は、前記吸気通路の下方に配置された請求項１に記載の燃料気化装置。
【請求項３】
前記凹部は、椀形状に形成された曲面である請求項１または２に記載の燃料気化装置。
【請求項４】
前記凹部は、前記吸気通路の吸気方向に直交して形成された溝である請求項１または２に記載の燃料気化装置。
【請求項５】
エンジンの燃焼室に繋がる吸気通路に燃料噴射弁及び加熱された燃料衝突部材を有し、燃料噴射弁から噴射された燃料を燃料衝突部材に衝突させ燃料衝突部材からの熱により燃料の気化を促進する燃料気化装置であって、
燃料噴射弁は、噴射された燃料が吸気方向に対し反対方向の速度成分を有する向きに配置された燃料気化装置。
【請求項６】
前記吸気通路は、その一部が下方に突出して形成された弧状部を備え、
前記燃料衝突部材は、前記弧状部の底部に配置された請求項５に記載の燃料気化装置。
【請求項７】
前記燃料衝突部材は、金属よりも熱伝導率の低い材料を含むコーティング層を備えた請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料気化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、エンジンの燃料気化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
エンジンの吸気通路に配置された燃料噴射弁から燃料を噴射して燃料と空気を混合させてから燃焼室に導入するにあたり、ＥＧＲガスやヒータにより加熱された燃料衝突部材を吸気通路に設け、燃料衝突部材に対向して燃料を噴射して衝突させ燃料の気化を促進する構造を有する燃料気化装置が知られている（例えば特許文献１〜３を参照）。特許文献１には、ＥＧＲガスやヒータにより加熱された燃料衝突部材が吸気通路内に突き出て配置された燃料気化装置が開示され、特許文献２には、エキゾーストマニホールドに接触して設けられた加熱された部材に向かって燃料を噴射する燃料気化装置が開示されている。また、特許文献３には、加熱された燃料衝突部材の平坦な表面をセラミックコーティングした燃料気化装置が開示されている。
このような燃料気化装置の従来例を図７に示す。
ガソリンエンジン本体１の燃焼室２には、吸気バルブ３を介して吸気通路４が連通し、この吸気通路４の底部上には図示しないヒータにより加熱される燃料衝突板６が設置されている。また、燃料衝突板６の上方には、吸気通路４に対して垂直に燃料噴射弁５が設けられ、その燃料噴射弁５から噴射される燃料が、吸気方向に垂直な角度で、表面が平坦な燃料衝突板６に衝突するように配置されている。さらに、燃料衝突板６はエンジンのＥＧＲ通路を通る高温のＥＧＲガスによっても加熱されるように構成されている。
燃料噴射弁５から燃料が噴射されると、燃料の噴霧滴は、燃料衝突板６に衝突して付着する。燃料衝突板６に付着した噴霧滴は、加熱されている燃料衝突板６から熱を奪って気化する。気化した燃料は、吸気通路４に吸入された空気と混合し、混合気として、吸気バルブ３が開くと燃焼室２に向かって流れる。
【０００３】
【特許文献１】
実開平０６−７３３６３号公報
【特許文献２】
特開昭５４−１２４１１８号公報
【特許文献３】
特開平０９−８８７４０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料噴射弁５の燃料噴射方向を燃料衝突板６に向けても、噴射された燃料の中には燃料衝突板６まで届かずに滞留してしまう比較的噴射滴径が小さな噴霧滴７ａがあり、あるいは衝突後反射した噴霧滴のうち噴射滴径が小さなものは、やはり燃料衝突板６近辺に滞留してしまう。これらは吸気通路４を燃焼室２に向かって流れる吸入空気の気流に乗ってしまい、十分に気化しないまま燃焼室２に流入してしまうという問題点がある。また、燃料衝突板６に衝突する比較的径の大きい噴霧滴７ｂについても、過熱された燃料衝突板６上で発生するライデンフロスト現象等の理由により、即座に気化されない場合がある。気化に時間がかかった場合、気化しきれなかった噴霧滴７ｂは、吸気通路４中を流れる吸入空気により流され、気化しきれないまま燃焼室２に流入してしまうケースがある。
このように、気化されない噴霧滴が燃焼室２に導入されると、ＨＣ（炭化水素）やスモーク（黒鉛）発生の要因となる。また、燃費の悪化にもつながる。
【０００５】
この発明は、このような課題を解決するためになされたもので、吸気通路において、エンジンの燃焼室に導入される燃料の気化を促進し、ＨＣやスモークの発生を少なく抑えることができる燃料気化装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る燃料気化装置は、エンジンの燃焼室に繋がる吸気通路に燃料噴射弁及び加熱された燃料衝突部材を有し、燃料噴射弁から噴射された燃料を燃料衝突部材に衝突させ燃料衝突部材からの熱により燃料の気化を促進する燃料気化装置であって、前記燃料衝突部材が前記吸気通路に臨む表面に凹部を有し、この凹部内に向け前記燃料噴射弁より燃料が噴射されるものである。燃料衝突部材の吸気通路に臨む表面の凹部に向け燃料が噴射されると、燃料衝突部材において、燃料の噴霧滴が捕集されやすく、また、一旦衝突した噴霧滴が再度燃料衝突部材に接触する機会が増え、気化が促進される。
また、凹部が吸気通路の下方に配置されれば、吸気効率を損なうこともない。
さらに、凹部が椀形状に形成された曲面であれば、放射状に噴射される噴霧滴をさらに捕集しやすい。凹部が吸気通路の吸気方向に直交して形成された溝であれば、加工も容易である。
【０００７】
この発明に係る燃料気化装置は、エンジンの燃焼室に繋がる吸気通路に燃料噴射弁及び加熱された燃料衝突部材を有し、燃料噴射弁から噴射された燃料を燃料衝突部材に衝突させ燃料衝突部材からの熱により燃料の気化を促進する燃料気化装置であって、燃料噴射弁は、噴射された燃料が吸気方向に対し反対方向の成分を有する向きに配置されたものである。燃料が吸入空気の上流側に向かった速度成分を有して噴射され、噴霧滴が吸入空気の気流に流されにくく、噴霧滴が捕集されやすい。燃料衝突板の上流側の吸気通路まで飛んで吸気通路に付着した噴霧滴も、吸入空気により流されて再度燃料衝突部材に接触するので気化が促進される。
吸気通路がその一部が下方に突出して形成された弧状部を備え、燃料衝突部材が弧状部の底部に配置されれば、噴霧滴の自重によっても噴霧滴が燃料衝突部材に集まりやすくなる。
燃料衝突部材が、金属よりも熱伝導率の低い材料を含むコーティング層を備えれば、ライデンフロスト現象を起こしにくくなり、燃料衝突部材からの熱伝達効率が低下せず、噴霧滴の気化が促進される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
図１に、この発明の実施の形態１に係る燃料気化装置の構成を示す。
図に示されるように、エンジン本体１の燃焼室２には、シリンダヘッド内に配置される吸気バルブ及び吸気通路の一部を構成する吸気ポートを介し、吸気通路の一部を構成するインテークマニホールド１４が接続され、吸気バルブ３を開くことにより、インテークマニホールド１４が燃焼室２に連通する。また、燃焼室２は、排気バルブ１２を介してエキゾーストマニホールド１５に連通する。
インテークマニホールド１４には、その内壁の底面と面一に、燃料衝突部材としての燃料衝突板１６が設けられている。この燃料衝突板１６は、金属製、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ材）からなり、図示しないが、ヒータまたはエキゾーストマニホールド１５から供給される高温の燃焼ガスにより加熱されている。
また、燃料衝突板１６の上方には、インテークマニホールド１４の吸気方向に垂直に燃料噴射弁５が設けられている。
【０００９】
燃料衝突板１６の周辺の構造は、図２（ａ）及び（ｂ）に詳細に示される。図２（ａ）は、図１の燃料衝突板１６周辺の拡大図であり、図２（ｂ）は、燃料衝突板１６の周辺を吸気方向から見た、図２（ａ）のＩＩｂ−ＩＩｂ線に沿った断面図である。
燃料衝突板１６は、直方体形状であって、インテークマニホールド１４に臨む表面に凹部１７が形成されている。この凹部１７は、お椀状に、例えば球面状に彫り込まれている。また、その周縁１７ａとインテークマニホールド１４の内周面１４ａとは、インテークマニホールド１４の内周面１４ａの曲率に合わせてなめらかに繋がる曲面１６ａで結ばれている。
【００１０】
また、凹部１７の周縁１７ａは、直径φＢのほぼ円周状に形成されている。一方、燃料噴射弁５から噴射された燃料が燃料衝突板１６に衝突する範囲である衝突面１７ｂは、一般に直径φＡのほぼ円形状に形成される。
ここで、凹部１７の周縁１７ａの直径φＢは、衝突面１７ｂの直径φＡよりも大きくなるように構成され、衝突面１７ｂの外縁には、燃料噴射弁５から噴射された噴霧滴を捕集しやすいように、円周上に形成された帯状で湾曲した噴霧滴捕集用壁面１７ｃが立設している。すなわち、凹部１７は、衝突面１７ｂとその周囲にある噴霧滴捕集用壁面１７ｃとから構成される。
【００１１】
次に、この実施の形態に係る燃料気化装置の動作を図２に基づいて説明する。
燃料噴射弁５から噴射された適度な径を有する噴霧滴は、燃料衝突板１６の衝突面１７ｂに衝突して付着する。衝突面１７ｂに付着した燃料の噴霧滴は、加熱された燃料衝突板１６から熱を奪って気化する。気化した噴霧滴は、燃料衝突板１６の上方の吸入空気の気流に乗って下流に流れ、燃焼室２に流入する。
一方、径の小さな噴霧滴の中には、衝突面１７ｂに到達せず滞留するものもある。凹部１７近辺に滞留する噴霧滴は吸入空気の気流に比較的流されやすく、その一部は噴霧滴捕集用壁面１７ｃにより捕集され気化する。したがって、従来であれば気化しない状態で燃焼室２に流入した燃料も、気化されることになるので、ＨＣやスモークの発生が少なくなる。また、燃費も改善される。
【００１２】
ところで、噴霧滴の気化については、燃料衝突板１６の温度が上昇しても、噴霧滴が完全に気化する迄の時間が短縮されず、ときに長くなる場合がある。以下に詳しく説明する。噴霧滴が燃料衝突板１６に衝突すると、瞬時に燃料衝突板１６より熱が伝達され、燃料衝突板１６に接触した界面の燃料が気化し、蒸気層が形成される。自重により噴霧滴は落下し、燃料衝突板１６と再衝突するが、再び蒸気層が形成される。このように、断続的に界面に蒸気層が形成されると、燃料衝突板１６から噴霧滴に熱が伝達されにくくなり、全体としては気化しにくくなる。このような現象が、ライデンフロスト現象と呼ばれている。また、ライデンフロスト現象が生じていると、噴霧滴は燃料衝突板１６上で半分浮き上がった状態となるため、気流などにより移動しやすい。
【００１３】
しかしながら、衝突面１７ｂの周辺には噴霧滴捕集用壁面１７ｃが立設している。衝突面１７ｂ上に浮き上がっている噴霧滴は比較的自重が大きいので、インテークマニホールド１４内の吸入空気の気流に乗って噴霧滴捕集用壁面１７ｃを越えて上方まで舞い上がりにくく、凹部１７内の空間を運動する。そのため、凹部１７内の空間を運動する噴霧滴が、加熱されている噴霧滴捕集用壁面１７ｃや衝突面１７ｂに再度接触する機会が増え、噴霧滴の気化が促進される。
また、凹部１７は、インテークマニホールド１４の内周面の底部の下方に形成されているので、吸入空気の気流の流れを阻害することもない。さらに、凹部１７の周辺は、インテークマニホールド１４の内周面１４ａとなめらかに繋がる曲面１６ａが形成されているので、吸気効率が向上する。
【００１４】
なお、上述した実施の形態においては、燃料衝突板１６の凹部１７は、球面状であったが、椀形状は球面状のものに限定されるものではなく、噴霧滴を広い範囲で捕集できるように、衝突面１７ｂ周辺の形状が燃料噴射弁５側に突き出て設けられていればよい。また、凹部１７の表面に形成されている曲面は、上述した実施の形態のように凹面に限定されるものではなく、円錐面であっても、凸面であってもよい。このような形状によっても、噴霧滴を捕集しやすく燃料の気化が促進される。
【００１５】
実施の形態２．
図３（ａ）および（ｂ）にこの発明の実施の形態２に係る燃料気化装置の構成を示す。図３（ａ）は、燃料衝突板２６周辺の拡大図であり、図３（ｂ）は、燃料衝突板２６の周辺を吸気方向から見た、図３（ａ）のＩＩＩｂ−ＩＩＩｂ線に沿った断面図である。なお、以下の実施の形態において、図１及び２の参照符号と同一の符号は、同一又は同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
この燃料気化装置は、図２に示した実施の形態１の装置における燃料衝突板１６の代わりに燃料衝突板２６を設けたものであり、矩形の断面を有するインテークマニホールド２４に適用した例を示す。
燃料衝突板２６は、直方体形状の上面に、図３（ａ）に示す半円状の断面を有する溝部２７が形成されている。この溝部２７は、その長手方向がインテークマニホールド２４の吸気方向にほぼ直交している。溝部２７の長手方向の側縁２７ａとインテークマニホールド２４の内周底面２４ａとは、面一になるような平面２６ａで結ばれている。
【００１６】
溝部２７の両側縁２７ａ間の距離である幅Ｃは、衝突面２７ｂの直径φＡより大きくなるように構成され、衝突面２７ｂの周囲には、燃料噴射弁５から噴射された噴霧滴を捕集しやすいように、燃料噴射弁５を挟んで両側に形成され、帯状で湾曲した噴霧滴捕集用壁面２７ｃがそれぞれ立設している。この噴霧滴捕集用壁面２７ｃと衝突面２７ｂとを有する溝部２７が凹部を構成している。
このような溝部２７を設けることによっても、燃料噴射弁５から噴射した噴霧滴の気化が促進され、ＨＣやスモークの発生が少なくなる。
【００１７】
実施の形態３．
図４（ａ）および（ｂ）にこの発明の実施の形態３に係る燃料気化装置の構成を示す。
この燃料気化装置は、図２に示した実施の形態１の装置における燃料衝突板１６の代わりに燃料衝突板３６を設けたものである。
燃料衝突板３６は、燃料衝突板１６と同様に金属材料、例えば鉄系材料から構成され、燃料衝突板１６とほぼ同一の形状をなす。凹部３７の表面には、燃料衝突板３６の母体の材料より熱伝導率が低い材料がコーティングされている。例えば燃料衝突板３６の母体が鉄系材料ならばより熱伝導率が低いセラミックをコーティングしたセラミックコーティング層３８が、凹部３７の窪んだ部分全体にわたって設けられている。
このセラミックコーティング層３８は、ジルコニア（ＺｒＯ２）を溶射法（例えばプラズマ溶射法）により溶射して形成したものである。セラミックコーティング層３８の層厚ｔは１００〜５００μｍの範囲にある。
【００１８】
このようなセラミックコーティング層３８が凹部３７に施されていると、ライデンフロスト現象の起きる温度であるライデンフロスト温度が、図２の燃料衝突板１６に比べて高くなるので、ライデンフロスト現象の発生を抑制できる。その結果、燃料衝突板３６の凹部３７の表面と噴霧滴との界面に蒸気層が発生するのが抑制され、燃料衝突板３６に衝突した燃料の気化がさらに促進される。
なお、実施の形態２における燃料衝突板２６の溝部２７の表面に上述したセラミックコーティング層を設けてもよい。
【００１９】
実施の形態４．
図５にこの発明の実施の形態４に係る燃料気化装置の構成を示す。この燃料気化装置は、図１に示した実施の形態１の装置に対して、燃料衝突板１６と燃料噴射弁５との位置関係を変更したものである。
図５に示されるように、燃料噴射弁５は、インテークマニホールド１４の燃焼室２側、すなわち吸気方向の下流側に設けられている。また、燃料噴射弁５は、噴射された燃料が吸気方向に対し反対方向の速度成分を有する向きに配置されている。すなわち、燃料衝突板１６上における吸気方向と、燃料噴射弁５の燃料噴射域４６の中心線の方向である燃料噴射方向４５とがなす角度αは、９０°＜α≦１８０°の範囲にある。
【００２０】
燃料噴射弁５を燃料衝突板１６に対してこのように配置することにより、燃料噴射弁５から噴射される燃料の全て又は大半に、吸気方向と反対方向の速度成分を与えることができる。このため、燃料衝突板１６に届かない径の小さな噴霧滴についても、空気との混合時間が長くなること、及び、吸入空気との摩擦により気化が促進され、気化されないまま燃焼室２に流入する噴霧滴を減少させることができる。
【００２１】
実施の形態５．
図６にこの発明の実施の形態５に係る燃料気化装置の構成を示す。この燃料気化装置は、図５に示した実施の形態４の装置と同様に、燃料噴射弁５の燃料噴射方向が吸気方向に対して反対方向を向くように配置されている一方、図５のインテークマニホールド１４に対して形状を変更するとともに、インテークマニホールド５４とエキゾーストマニホールド５７とのレイアウトを工夫したものである。
【００２２】
インテークマニホールド５４は、渦巻き状に１回転巻かれてから燃焼室２に連通するように配置され、渦巻き状になった底部５４ａには、燃料衝突板５６が設けられている。この底部５４ａは、エキゾーストマニホールド５７に接して配置され、エキゾーストマニホールド５７を通る燃焼ガスの熱が燃料衝突板５６に伝達して、燃料衝突板５６が加熱されるように構成されている。インテークマニホールド５４内では、矢印で示す吸気方向に、吸入空気が燃焼室２に向かって流れている。
燃料噴射弁５が渦巻き状の側部５４ｂに設けられ、燃料衝突板５６に向かって燃料が噴射される。この燃料の噴射方向５５は、燃料衝突板５６上での吸気方向に対して、反対方向を向くように配置されている。
ここで、インテークマニホールド５４のうち、燃料衝突板５６の両側の側部５４ｂ及び燃料衝突板５６が配置された底部５４ａは、吸気通路の一部が下方に突出して形成された弧状部を構成する。
【００２３】
以上のように構成されているので、燃料噴射弁５から噴射された噴霧滴に吸気方向と反対方向の速度成分を与えやすく、径の小さい噴霧滴が、燃料衝突板５６に衝突せずに、吸入空気の気流に乗って燃料衝突板５６の下流に流されにくくなる。
また、燃料衝突板５６よりも上流側に飛びすぎて側部５４ｂに付着した噴霧滴や、燃料衝突板５６に衝突しても気化しきれず上流側に跳ねて側部５４ｂに付着した噴霧滴が、吸入空気の気流および噴霧滴の自重によって燃料衝突板５６に再度接触して加熱され気化されるので、燃料の気化が促進される。
燃料衝突板５６を取付けた、インテークマニホールド５４の底部５４ａが、エキゾーストマニホールド５７内の高温の燃焼ガスに直接接触するように配置したので、エネルギーの有効利用を行うことができる。
【００２４】
以上の実施の形態においては、燃料衝突板をインテークマニホールド内に配置した構成を説明してきたが、燃料衝突板の配置はこれに限定されるものではない。例えば、特許文献１に記載されているように、吸気ポート内に配置することも可能であるし、インテークマニホールドよりも更に上流に配置することも可能である。吸気通路上に配置されれば、特に、位置が限定されるものではない。
【００２５】
【発明の効果】
以上に説明したように、この発明によれば、燃料衝突部材は、吸気通路に臨む表面に凹部を有し、この凹部内に向け燃料噴射弁より燃料が噴射されるので、燃料噴射弁から噴射された燃料の噴霧滴を広い範囲で捕集でき、燃料の気化が促進され、ＨＣやスモークの発生を少なく抑えることができる。
また、この発明によれば、燃料噴射弁は、燃料噴射方向が吸気方向に対して、反対方向を向くように配置されているので、吸入空気の気流に流されて気化しないまま燃焼室に流入する噴霧滴が少なくなり、燃料の気化が促進され、ＨＣやスモークの発生を少なく抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係る燃料気化装置の構成を示す断面図である。
【図２】実施の形態１に係る燃料気化装置の部分拡大図であり、（ａ）は燃料衝突板周辺の断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＩＩｂ−ＩＩｂ線に沿った断面図である。
【図３】実施の形態２に係る燃料気化装置の部分拡大図であり、（ａ）は燃料衝突板周辺の断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＩＩＩｂ−ＩＩＩｂ線に沿った断面図である。
【図４】実施の形態３に係る燃料気化装置の部分拡大図であり、（ａ）は燃料衝突板周辺の断面図であり、（ｂ）は（ａ）のＩＶｂ−ＩＶｂ線に沿った断面図である。
【図５】この発明の実施の形態４に係る燃料気化装置の構成を示す断面図である。
【図６】実施の形態５に係る燃料気化装置の構成を示すであり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は側面図である。
【図７】従来の燃料気化装置の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
２…燃焼室、５…燃料噴射弁、１４，２４，５４…インテークマニホールド、１６，２６，３６，５６…燃料衝突板（燃料衝突部材）、１７，３７…凹部、２７…溝部（凹部）、３８…セラミックコーティング層、４５，５５…燃料噴射方向、５４ａ…底部（弧状部）、５４ｂ…側部（弧状部）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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