JP2005098157A

JP2005098157A - 燃料気化促進装置とその製造方法

Info

Publication number: JP2005098157A
Application number: JP2003330895A
Authority: JP
Inventors: Keiji Kawahara; 敬二河原; Kenji Watanabe; 研二渡邉; Atsushi Koshizaka; 敦越坂
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-09-24
Filing date: 2003-09-24
Publication date: 2005-04-14

Abstract

【課題】
本発明は、燃料を効果的に気化し、ＨＣカーボンを抑えることにある。
【解決手段】
燃料供給装置は上流燃料噴射弁と、該噴射弁の噴射した燃料を気化するヒータと、該ヒータの熱を伝熱して内部を通過する燃料を気化するヒータチューブと、噴射された燃料に空気を供給する空気通路とを備えた燃料噴射気化促進装置であり、前記ヒータチューブのヒータ取付面はプレス加工にて形成されていることを特徴とした燃料気化促進装置。
【効果】
暖機運転時にＨＣカーボンが発生を最小限にとどめることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、燃料気化促進装置とその製造方法にかかり、特に自動車に搭載して、エンジン始動時の排気ガスを低減するに好適な燃料気化促進装置とその製造方法に関する。

内燃機関の始動時の暖機運転時に排出されるハイドロカーボンを低減するための吸気制御装置は例えば特開２００２−１９５１３６に示されている。

特開２００２−１９５１３６号公報

しかしながら、上記の技術では、始動時に用いられる上流燃料噴射弁から噴射した燃料が完全に気化できないため、気化できなかった燃料が吸気集合管内に付着してしまうという問題があった。そのため、付着した燃料分だけ、暖機運転時にＨＣカーボンが発生してしまうことが懸念されている。

本発明の目的の一つは、始動時に用いられる上流燃料噴射弁から噴射した燃料を効果的に気化させ、暖機運転時に発生するＨＣカーボンを抑えることにある。

本発明の目的の一つは、始動時に用いられる上流燃料噴射弁から噴射した燃料を効果的に気化させ、暖機運転時に発生するＨＣカーボンを抑えることのできる装置を容易に製造するにある。

上記課題を解決するために、本発明では、燃料供給装置は燃料気化促進装置を有し、該燃料気化促進装置は、上流燃料噴射弁と、上流燃料噴射弁の噴射した燃料を気化するヒータと、ヒータの熱を伝熱して内部を通過する燃料を気化するヒータチューブと、噴射された燃料に空気を供給する空気通路とを有し、ヒータチューブのヒータ取付面をプレス加工で形成したことにある。

本発明によれば、始動時に用いられる上流燃料噴射弁から噴射した燃料を効果的に気化させ、暖機運転時に発生するＨＣカーボンを抑えることができる。

本発明の製造方法によれば、始動時に用いられる上流燃料噴射弁から噴射した燃料を効果的に気化させ、暖機運転時に発生するＨＣカーボンを抑えることのできる装置を容易に製造することができる。

本発明は、吸気管下流の各気筒に配置した下流燃料噴射弁を備えた内燃機関の燃料供給装置であって、該燃料供給装置は上流燃料噴射弁と、該噴射弁の噴射した燃料を気化するヒータと、該ヒータの熱を伝熱して内部を通過する燃料を気化するヒータチューブと、噴射された燃料に空気を供給する空気通路とを備えた燃料噴射気化促進装置であり、前記ヒータチューブのヒータ取付面はプレス加工にて形成されていることにより達成される。

本発明の好ましくは、前記ヒータチューブのヒータ取付面の形状を多角形とし、内側を円形にしたことにより達成される。

本発明の好ましくは、前記ヒータチューブの材質をアルミニウムおよびその合金としたことにより達成される。

本発明は、吸気管下流の各気筒に配置した下流燃料噴射弁を備えた内燃機関の燃料供給装置であって、該燃料供給装置は上流燃料噴射弁と、該噴射弁の噴射した燃料を気化するヒータと、該ヒータの熱を伝熱して内部を通過する燃料を気化するヒータチューブと、噴射された燃料に空気を供給する空気通路とを備えた燃料噴射気化促進装置であり、前記ヒータチューブの成形は筒状ブランクの内側の寸法より１部又は全ての寸法が大きく、ヒータ取付面の形状と同じ多角形の成形のマンドレルを使用して拡管成形され、次にヒータ取付面の形状と同じ多角形の成形雌型でヒータ取付面を成形することにより達成される。

本発明の好ましくは、前記ヒータチューブのヒータ取付面をプレス加工において成形し、その面の表面粗さがＲａ０.２μｍ以下であるヒータチューブとしたことにより達成される。

図１は本発明の全体の構成図である。

内燃機関１はガソリンを燃料とする周知の点火式内燃機関である。ここでは、１つの気筒のみに着目し図示している。

内燃機関１は、燃焼室２に点火プラグ３を配置し、空気と混合空気を取り入れる吸気弁４と燃焼後の排気を行う排気弁５を備えている。内燃機関１は、燃焼室２の側部にエンジン冷却水６の温度を検知する水温センサ７とエンジンの回転数を検知する回転センサ（図示省略）を備え、運転状態を検知している。

燃焼室２に吸気を行う吸気系は、エアクリーナ（図示省略）を通過して吸入される吸入空気２６の計測をするエアフローセンサ８と、運転者のアクセルペダル操作もしくは、内燃機関の運転状態に連動して回動する回転軸に取り付けられて開閉する吸気量を電気的に制御する電子制御スロットルバルブ１０及びスロットルポジショニングセンサ２８と、吸気集合管１１と、吸気集合管１１から内燃機関１の各気筒に分岐する吸気マニホールド
３１と、吸気弁４を備えた吸気ポート１４等を備える。

エアフローセンサ８およびスロットルポジショニングセンサ２８で計測した吸入空気
２６の流量およびスロットルバルブ１０のバルブ部２９の開度情報は、コントローラ３４に入力され、内燃機関１の運転状態の検出や種々の制御に使用される。

燃料噴射装置は、下流の燃料噴射弁１２と上流の燃料噴射弁１３とで構成されている。下流の燃料噴射弁１２は、吸気集合管１１の下流で各気筒の吸気弁４に向けて噴射するように吸気ポート１４に取り付けられている。

上流の燃料噴射弁１３は、燃料気化促進装置２７に取り付けられ、電子制御スロットルバルブ１０の下流側に開口した分岐通路１５より吸気集合管１１に導入されるように構成されている。

燃料系は、燃料２４を貯える燃料タンク１６と、燃料タンク１６から燃料２４を圧送する燃料ポンプ１７と、燃料フィルタ１８と、圧送された燃料２４の圧力を所定の圧力に調整するプレッシャレギュレータ１９と、各気筒（＃１，＃２…）の吸気ポート１４に燃料を噴射する下流の燃料噴射弁１２と、スロットルバルブ部２９の下流に燃料を供給する上流の燃料噴射弁１３を備え、これらは、燃料配管３５で接続されている。

排気系は、各気筒の排気弁５を備える排気ポート３６と、排気マニホールド３７と、排気中の酸素濃度を計測する酸素濃度センサ２０と、排気を浄化するための三元触媒コンバータ２１と、消音マフラー（図示省略）等を備える。酸素濃度センサ２０で計測した酸素濃度情報は、コントローラ３４に入力して内燃機関１の運転状態の検出や種々の制御に使用される。

三元触媒コンバータ２１は、理論空燃比付近で運転される内燃機関１から排気される
ＮＯｘ，ＣＯ，ＨＣを同時に高い浄化率で浄化するものである。

燃料気化促進装置２７は、電子制御スロットルバルブ１０の下流に、開口した分岐通路１５に接続され、エアフローセンサ８で計量された空気を、燃料気化促進装置２７へ導入するために、電子制御スロットルバルブ１０の上流から下流へバイパスするように、吸気管９から分岐されたバイパス通路２２，２３が形成されている。バイパス通路２２は、上流燃料噴射弁１３から噴射された燃料２４を搬送するための空気通路であり、バイパス通路２２の途中に設けられた流量調整弁２５により、バイパス通路２２を流れる空気量を調整している。バイパス通路２３は、上流の燃料噴射弁１３から噴霧される燃料２４の微粒化のために使用するエアアシスト用の空気通路である。

上記構成において、燃焼室２では、上流の燃料噴射弁１２，下流の燃料噴射弁１３により噴射された燃料２４と吸入空気２６の混合気が吸入される。吸入された混合気は、圧縮され、点火プラグ３で着火され、燃焼が行われる。内燃機関１から排出される排気１２１は排気系から大気中に放出される。

図２は本発明の燃料気化促進装置２７の断面図である。

燃料気化促進装置２７は、ボディ３９，ヒータボディ４０により構成され、ボディ３９には、主に上流の燃料噴射弁１３と、搬送空気導入パイプ４７が配設されている。搬送空気導入パイプ４７には図示されていないバイパス通路２２が連通しており、搬送空気２２ａが流入する。

そして、燃料噴射弁１３は、燃料パイプ３７と燃料パイプオサエ３６によりボディ３９に固定され、燃料タンク１６より燃料ポンプ１７にて圧送された燃料２４を、燃料配管
３５を介して供給される。Ｏリング３８は、燃料噴射弁１３とボディ３９との間でシールをしている。

また、ヒータボディ４０には後述するヒータが内蔵されており、ヒータの熱がヒータを取り付けるヒータチューブ５５に伝わり内部を通過する燃料２４を気化する。

燃料２４がより良く気化される１つの手段としては、燃料２４が長くヒータチューブ
５５に接すれば良く、矢印１２０のように内部を通過する際、旋回させると効果的である。このため、ヒータチューブ５５の内径は円形が好ましい。

燃料２４は白矢印の気化燃料３０として、燃料気化促進装置２７外へと流れ出る。

図３に本発明のヒータチューブの構成図を示す。

ＰＴＣヒータ５３を、ヒータチューブ５５の外周に配置するために、ヒータチューブ
５５のヒータ取付面５５ａを多角（５角形及び６角形以上が望ましい）形状で軸方向に平面を有する形状とし、ヒータチューブ５５の外周に絶縁部材で、ＰＴＣヒータ５３をガイドするようにスリット形状をしたヒータガイド５４を配置している。

ヒータチューブ５５の外周に配置する板状のヒータ（セラミックヒータ）は上下の平面部が電極（上がプラス極、下がマイナス極）となり、上下の電極に電流を印加することにより発熱する。

さらに、この実施例のヒータは、温度が所定値以上になると、電気抵抗が急増して、電流が低下し、温度を一定に保持する特性を有するＰＴＣ（Positive Temperature
Coefficient Thermistor）ヒータ５３を用いている。

このヒータチューブ５５のヒータ取付面５５ａはＰＴＣヒータ５３の熱を伝熱するため、表面状態は滑らかにしなければならない。滑らかでないと凸凹の隙間に空気が入り断熱してしまうため、熱の伝達が悪くなる。

本発明はプレス加工により、成形した滑らかな面(本発明では表面粗さＲａ０.２μｍ以下）をヒータ取付面５５ａに採用し、ヒータの伝熱効果を高める。これにより、上流の燃料噴射弁１３から噴射した燃料２４をすばやく、さらにほとんど気化させるため、内燃機関１で燃焼してできた排気４２中のＨＣカーボンは少なくすることができる。また、吸気された燃料の温度が高いため、排気ガスも高温になり、三元触媒コンバータ２１の昇温を早めるため、暖機運転時にＨＣカーボンの発生を最小限にとどめることができる。さらに、加熱，気化を短時間に行うことができるので、ＰＴＣヒータ５３の消費電力を小さくでき、電源となるバッテリーの負荷を低減させることができる。

ヒータ取付面５５ａはＰＴＣヒータ５３が平板であるため、多角形としているが、ＰＴＣヒータ５３が円弧上に製作できれば、円弧上でも構わない。

ここで、ＰＴＣヒータ５３が筒状になった場合でも、ヒータチューブ５５は不必要にならない。ＰＴＣヒータ５３は脆性である。つまり、エンジンの振動などにより、破壊される可能性があり、破壊した場合、気化した燃料が噴出し火災となる恐れがあるため、同じように筒状のＰＴＣヒータ５３をヒータチューブに取り付けた構造となる。

また、プレス加工でヒータ取付面５５ａ成形するため、バリの発生がない。そのため、バリ取りによる品質のバラツキが無いため、性能を安定して確保できる。

ヒータチューブ５５の材質は熱伝導性及び腐食性，高温強度（２００℃付近），プレス加工性に優れているアルミニウムとした。本発明では、Ａ３００４を採用している。さらに２材以上のクラッド材を使用すれば更なる効果が得られる。

その場合、ＰＴＣヒータ５３側に熱伝導性が高い材料を使い、燃料が通過する内側には腐食に強い金属を採用することにより、高性能を安定して確保できる。

図４に本発明品と従来品の昇温と時間の関係を示す。

ヒータチューブ５５のヒータ取付面５５ａをプレス加工した本発明品と機械加工をした従来品では、ヒータチューブ５５の内径面の温度において、本発明品の方が、早く昇温している。これは、プレス加工により、ヒータ取付面５５ａが滑らかな面（本発明では表面粗さＲａ０.２μｍ以下）となるため空気が入り込む量が少なくなり、ヒータの伝熱効果を高めるためである。

これにより、従来品に対して、上流燃料噴射弁から噴射した燃料をすばやく、さらにほとんど気化させるため、内燃機関で燃焼してできた、排気ガス中のＨＣカーボンは少なく、尚且つ、高温になり、三元触媒コンバータ２１の昇温を早めるため、暖機運転時にＨＣカーボンの発生を最小限にとどめることができること示している。

さらに、短時間に行うことから、ＰＴＣヒータ５３の消費電力を小さくでき、電源となるバッテリーの負荷を低減することができる。

図５は本発明のプレス加工面と機械加工面の表面粗さを比較した図である。

粗さ曲線１３０に示すとおり、本発明のプレス加工面は凹凸ではなく、部分的に凹みである。

これは、成形されるブランクの凹凸表面がプレス成形により凸の部分が平らにされ、この部分の材料が凹みの部分に流れこみ凹みの量が少なくなり、部分的に凹みが残るためである。

粗さ曲線１３１に示すとおり、機械加工面は周期的に凹凸となっている。

このように、本発明のプレス加工面は平らな部分に凹みがある形状のため、ＰＴＣヒータを取り付けた場合、凸の高さが非常に小さいため、取り付けできる隙間は凹み部分のみとなるため空気が入り込む隙間少ない。

一方、機械加工面は周期的に凹凸であるため、ＰＴＣヒータを取り付けた場合、凸部分の先端にＰＴＣヒータの取付面が乗り、同じ表面粗さの場合でも、本発明のプレス加工面に比べ、接触面積小さく、取り付けで発生する隙間が大きくなってしまう。

このため、本発明は空気が入りこむ隙間を少なくする方法として、プレス加工を採用し、この方法で成形したヒータチューブは機械加工の従来品に比べ、伝熱効果が高い。

図６に本発明のヒータチューブ５５のヒータ取付面５５ａである軸方向に平面とした多角形状の成形方法の初工程を示す。

図示されていない絞り加工により板材より成形された、筒状ブランク１０１が内径より大きな外接円を持つ多角形のマンドレル１０２に押しこまれ、拡管される。このとき、丸い筒状ブランクは寸法差分だけ多角形形状に拡管される。

図７に本発明のヒータチューブ５５のヒータ取付面５５ａである軸方向に平面とした多角形状の成形方法の次工程を示す。

内径が多角形に拡管された筒状ブランク１０３がマンドレルから取り出され、次工程マンドレル１０４に挿入される。ここで、マンドレル１０２＞次工程マンドレル１０４の寸法関係にある。

ヒータ取付面５５ａと同じ形状をした成形雌型１０５が下降し、ヒータ取付面５５ａを成形する。

以上により、ヒータ取付面５５の外径形状完成品１０６はヒータ取付面５５ａである軸方向に平面とした多角形状が完成する。内径は次工程の機械加工等で仕上げる。

図８に本発明のヒータ取付面５５ａのヒータ取付面成形荷重と初工程の拡管量の関係を示す。

多角形の外接円＝筒状ブランク，内径多角形の外接円＞筒状ブランク内径＞多角形の内接円，多角形の内接円＝筒状ブランク内径の順で、拡管の量が大きくなると、多角形成形荷重の成形荷重が下がる。

このように、成形荷重を減少させることが可能となり、ヒータ取付面成形荷重を材料の引張り強さより低くすることにより、成形途中で材料が破断することなく成形が完了することができる。

以上本発明の実施例によれば、始動時に用いられる第２燃料噴射弁から噴射した燃料がほとんど気化でき、暖機運転時にＨＣカーボンが発生を最小限にとどめることができる。
さらに、短時間に行うことにより、ヒータの消費電力を小さくすることにある。

本発明の実施形態の燃料噴射装置及びこれを搭載したシステム構成図である。本発明の実施形態における燃料気化促進装置の構成図である。同ヒータ部の図である。同ヒータチューブ内面温度と昇温時間の図である。本発明品と切削加工品の表面粗さ曲線である。（Ｉ）から（II）は拡管工程を示す、(III）から（IV）は成形前後のブランク形状である。（Ｉ）から（II）はヒータ取付面成形工程を示す、(III）から（IV）は成形前後のブランク形状である。ヒータ取付面成形荷重と初工程拡管量の関係を示す。

符号の説明

１…内燃機関、９…吸気管、１２…下流燃料噴射弁、２２，２３…バイパス通路、２４…燃料、２６…吸入空気、２７…燃料気化促進装置、５３…ＰＴＣヒータ、５５…ヒータチューブ、５５ａ…ヒータ取付面、１０１…筒状ブランク、１０２…マンドレル、１０５…成形雌型。

Claims

吸気管下流の各気筒に配置した下流燃料噴射弁を備えた内燃機関の燃料供給装置であって、
前記燃料供給装置は上流燃料噴射弁と、前記上流燃料噴射弁の噴射した燃料を気化するヒータと、前記ヒータの熱を伝熱して内部を通過する燃料を気化するヒータチューブと、前記噴射された燃料に空気を供給する空気通路とを有する燃料噴射気化促進装置とを含み、前記ヒータチューブのヒータ取付面はプレス加工で形成されていることを特徴とした燃料供給装置。
請求項１において、
前記ヒータチューブのヒータ取付面の形状は外側を多角形形状とし、内側を円形形状にしたことを特徴とする燃料供給装置。
請求項１において、前記ヒータチューブは、アルミニウムおよびその合金からなることを特徴とする燃料供給装置。
請求項１において、
前記ヒータチューブのヒータ取付面は筒状ブランクで形成され、前記筒状ブランクの内側の径寸法より前記筒状ブランクの外側の多角形形状の外接円の径の１部又は全ての寸法が大きく、前記筒状ブランクは、前記ヒータ取付面の形状と同じ多角形の成形のマンドレルによって拡管成形され、前記ヒータ取付面は、前記ヒータ取付面の形状と同じ多角形の成形雌型で成形されていることを特徴とする燃料供給装置。
請求項４において、
前記ヒータチューブの前記ヒータ取付面はプレス加工で成形され、前記ヒータ取付面の表面粗さはＲａ０.２μｍ以下であることを特徴とする燃料供給装置。
上流燃料噴射弁と、前記上流燃料噴射弁の噴射した燃料を気化するヒータと、前記ヒータの熱を伝熱して内部を通過する燃料を気化するヒータチューブと、前記噴射された燃料に空気を供給する空気通路とを有する燃料噴射気化促進装置であって、前記ヒータチューブのヒータ取付面はプレス加工で形成されていることを特徴とした燃料噴射気化促進装置。
請求項６において、
前記ヒータチューブのヒータ取付面の形状は外側を多角形形状とし、内側を円形形状にしたことを特徴とする燃料噴射気化促進装置。
請求項６において、前記ヒータチューブは、アルミニウムおよびその合金からなることを特徴とする燃料噴射気化促進装置。
請求項６において、
前記ヒータチューブには筒状ブランクが形成され、前記筒状ブランクの内側の円の径の寸法より前記筒状ブランクの外側の多角形形状の外接円の径の１部又は全ての寸法が大きく、前記筒状ブランクは、前記ヒータ取付面の形状と同じ多角形の成形のマンドレルによって拡管成形され、前記ヒータ取付面は、前記ヒータ取付面の形状と同じ多角形の成形雌型で成形されていることを特徴とする燃料噴射気化促進装置。
請求項９において、
前記ヒータチューブの前記ヒータ取付面はプレス加工で成形され、前記ヒータ取付面の表面粗さはＲａ０.２μｍ以下であることを特徴とする燃料噴射気化促進装置。
燃料噴射気化促進装置の製造方法であって、
前記燃料噴射気化促進装置は、上流燃料噴射弁と、該噴射弁の噴射した燃料を気化するヒータと、該ヒータの熱を伝熱して内部を通過する燃料を気化するヒータチューブと、噴射された燃料に空気を供給する空気通路とを有し、
前記ヒータチューブの成形は筒状ブランクの内側の寸法より１部又は全ての寸法を大きくし、
前記ヒータチューブに前記ヒータを取り付けるヒータ取付面の形状と同じ多角形の成形のマンドレルを使用して拡管成形し、
前記ヒータ取付面の形状と同じ多角形の成形雌型でヒータ取付面を成形することを特徴とする燃料気化促進装置の製造方法。
請求項１１において、
前記ヒータチューブの前記ヒータ取付面をプレス加工で成形し、前記ヒータ取付面の表面粗さをＲａ０.２μｍ以下として前記ヒータチューブを成型することを特徴とする燃料気化促進装置の製造方法。