特開 2023-161232 供給装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023161232

(43)【公開日】2023-11-07

(54)【発明の名称】供給装置

(51)【国際特許分類】

   F02M 21/04 20060101AFI20231030BHJP

【ＦＩ】

F02M21/04 P

F02M21/04 E

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022071463

(22)【出願日】2022-04-25

(71)【出願人】

【識別番号】000003218

【氏名又は名称】株式会社豊田自動織機

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100124062

【弁理士】

【氏名又は名称】三上 敬史

(74)【代理人】

【識別番号】100148013

【弁理士】

【氏名又は名称】中山 浩光

(72)【発明者】

【氏名】高橋 美由紀

(57)【要約】

【課題】ガス燃料と空気との混合状態の均質性を向上させることができる供給装置を提供する。
【解決手段】供給装置１は、エンジン２に供給される空気が流れる吸気管３と、吸気管３内にガス燃料を供給する燃料供給経路４と、吸気管３内に配設され、燃料供給経路４により供給されたガス燃料と吸気管３内に存在する空気とを混合させる燃料供給ミキサ５と、吸気管３内における燃料供給ミキサ５よりも下流側に空気を供給する空気供給経路６と、吸気管３内における燃料供給ミキサ５よりも下流側に配設され、空気供給経路６により供給された空気と吸気管３内に存在するガス燃料とを混合させる空気供給ミキサ７とを備え、空気供給経路６は、吸気管３の外周部から空気供給ミキサ７に空気を導入する複数の空気導入部１３を有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

エンジンに空気及びガス燃料を供給する供給装置において、
前記エンジンに供給される空気が流れる吸気管と、
前記吸気管内にガス燃料を供給する燃料供給経路と、
前記吸気管内に配設され、前記燃料供給経路により供給されたガス燃料と前記吸気管内に存在する空気とを混合させる第１ミキサと、
前記吸気管内における前記第１ミキサよりも下流側に空気を供給する空気供給経路と、
前記吸気管内における前記第１ミキサよりも下流側に配設され、前記空気供給経路により供給された空気と前記吸気管内に存在するガス燃料とを混合させる第２ミキサとを備え、
前記空気供給経路は、前記吸気管の外周部から前記第２ミキサに空気を導入する複数の空気導入部を有する供給装置。

【請求項2】

前記空気供給経路は、前記吸気管における前記第１ミキサよりも上流側の部分と前記複数の空気導入部とを接続するバイパス管を更に有する請求項１記載の供給装置。

【請求項3】

前記燃料供給経路は、前記吸気管の外周部から前記第１ミキサにガス燃料を導入する複数の燃料導入部を有し、
前記空気導入部は、前記吸気管における前記燃料導入部に対応する位置に配置されている請求項１または２記載の供給装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、供給装置に関する。

【背景技術】

【0002】

汎用エンジンの分野において、液化石油ガス（ＬＰＧ）や液化天然ガス（ＬＮＧ）等のガス燃料を用いたガスエンジンの需要が拡大している。また、カーボンニュートラルに向けて、水素等の新たな燃料のガスエンジンの開発が進んでいる。このような汎用ガスエンジンでは、コスト面や搭載スペース面等の観点から、簡易な構成であることが要求されている。

【0003】

従来においてガスエンジンに使用される供給装置としては、例えば特許文献１に記載されているような技術が知られている。特許文献１に記載の供給装置は、吸気が流れる吸気路と、吸気路内に配置されたミキサーベンチュリー部と、ミキサーベンチュリー部にガス燃料を導入する２次圧燃料導入路とを備えている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００３－９０２６６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、ガス燃料の種類によっては、吸気路内にガス燃料が導入されたときに、ガス燃料が吸気路の内周面側に偏在しやすくなることがある。この場合には、ガス燃料と空気とを均一に混合させることが困難になる。

【0006】

本発明の目的は、ガス燃料と空気との混合状態の均質性を向上させることができる供給装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様は、エンジンに空気及びガス燃料を供給する供給装置において、エンジンに供給される空気が流れる吸気管と、吸気管内にガス燃料を供給する燃料供給経路と、吸気管内に配設され、燃料供給経路により供給されたガス燃料と吸気管内に存在する空気とを混合させる第１ミキサと、吸気管内における第１ミキサよりも下流側に空気を供給する空気供給経路と、吸気管内における第１ミキサよりも下流側に配設され、空気供給経路により供給された空気と吸気管内に存在するガス燃料とを混合させる第２ミキサとを備え、空気供給経路は、吸気管の外周部から第２ミキサに空気を導入する複数の空気導入部を有する。

【0008】

このような供給装置においては、空気が吸気管内をエンジンに向けて流れると共に、燃料供給経路によりガス燃料が吸気管内に供給される。そして、第１ミキサにおいて、ガス燃料が吸気管内の空気と混合する。また、空気供給経路により空気が吸気管内における第１ミキサよりも下流側に供給される。そして、第２ミキサにおいて、空気が吸気管内のガス燃料と混合する。このとき、複数の空気導入部により吸気管の外周部から第２ミキサに空気が導入される。このため、吸気管における第１ミキサよりも下流側において、ガス燃料が吸気管の内周面側に偏在していても、吸気管の外周部から第２ミキサに導入される空気によって、吸気管の内周面側に偏在しているガス燃料が押し込まれる。従って、ガス燃料と空気との混合が促進される。これにより、ガス燃料と空気との混合状態の均質性が向上する。

【0009】

空気供給経路は、吸気管における第１ミキサよりも上流側の部分と複数の空気導入部とを接続するバイパス管を更に有してもよい。このような構成では、吸気管内を流れる空気の一部がバイパス管内を流れて第２ミキサに導入される。従って、空気供給経路の構成を簡素化することができる。

【0010】

燃料供給経路は、吸気管の外周部から第１ミキサにガス燃料を導入する複数の燃料導入部を有し、空気導入部は、吸気管における燃料導入部に対応する位置に配置されていてもよい。このような構成では、吸気管内におけるガス燃料が偏在しやすい複数の領域に空気が導入されることになる。従って、ガス燃料と空気との混合が更に促進されるため、ガス燃料と空気との混合状態の均質性が更に向上する。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、ガス燃料と空気との混合状態の均質性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の一実施形態に係る供給装置を示す概略構成図である。

【図2】供給装置の平面図である。

【図3】燃料供給ミキサを燃料導入部と共に示す断面図である。

【図4】空気供給ミキサを空気導入部と共に示す断面図である。

【図5】吸気管における燃料供給ミキサの下流側近傍の燃料分布を示す図である。

【図6】空気供給ミキサ部の燃料分布を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

【0014】

図１は、本発明の一実施形態に係る供給装置を示す概略構成図である。図２は、図１に示された供給装置の平面図である。図１及び図２において、本実施形態の供給装置１は、車両（図示せず）に搭載されている。供給装置１は、エンジン２に空気及びガス燃料を供給する装置である。ガス燃料としては、水素が使用される。

【0015】

供給装置１は、吸気管３と、燃料供給経路４と、燃料供給ミキサ５と、空気供給経路６と、空気供給ミキサ７とを備えている。

【0016】

吸気管３は、エンジン２と接続されている。吸気管３は、エンジン２に供給される空気が流れる配管である。吸気管３には、エンジン２に供給される空気の流量を制御するスロットルバルブ８が配設されている。吸気管３には、略垂直に曲げられたベンド部３Ａが設けられている。

【0017】

燃料供給経路４は、吸気管３内にガス燃料を供給する経路である。燃料供給経路４は、吸気管３内に向けてガス燃料が流れる燃料供給管９と、この燃料供給管９と接続された複数（ここでは２つ）の燃料導入部１０とを有している。燃料供給管９には、吸気管３内に供給されるガス燃料の流量を制御する流量制御弁１１が配設されている。

【0018】

燃料供給ミキサ５は、吸気管３内に配設されている。燃料供給ミキサ５は、吸気管３内におけるベンド部３Ａよりも上流側に配置されている。燃料供給ミキサ５は、燃料供給経路４により供給されたガス燃料と吸気管３内に存在する空気とを混合させる第１ミキサである。

【0019】

空気供給経路６は、吸気管３内における燃料供給ミキサ５よりも下流側に空気を供給する経路である。空気供給経路６は、吸気管３に分岐接続され、空気が流れるバイパス管１２と、このバイパス管１２と接続された複数（ここでは２つ）の空気導入部１３とを有している。バイパス管１２は、燃料供給ミキサ５を迂回するように吸気管３における燃料供給ミキサ５よりも上流側の部分と複数の空気導入部１３とを接続している。

【0020】

空気供給ミキサ７は、吸気管３内における燃料供給ミキサ５よりも下流側に配設されている。空気供給ミキサ７は、吸気管３内におけるベンド部３Ａよりも下流側に配置されている。空気供給ミキサ７は、空気供給経路６により供給された空気と吸気管３内に存在するガス燃料とを混合させる第２ミキサである。

【0021】

図３は、燃料供給ミキサ５を燃料導入部１０と共に示す断面図である。なお、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＢ３－Ｂ３線断面図である。図３において、燃料供給ミキサ５は、吸気管３内の空気の流れを絞ることで、空気の流速を増加させて低圧部を作り出す円環状のベンチュリ部１４から構成されている。ベンチュリ部１４は、吸気管３の内周面３ａに固定されている。

【0022】

燃料導入部１０は、吸気管３の外周部から燃料供給ミキサ５にガス燃料を導入する管状部材である。２つの燃料導入部１０は、互いに吸気管３の径方向に延びるように対向して配置されている。燃料導入部１０は、燃料供給ミキサ５における内径が最も小さい部分を貫通した状態で、燃料供給ミキサ５に固定されている。燃料導入部１０の先端部には、ガス燃料を吸気管３内に導出する導出口１０ａが設けられている。導出口１０ａの位置は、燃料供給ミキサ５における内径が最も小さい部分の内周面５ａの位置とほぼ一致している。

【0023】

ガス燃料は、燃料供給ミキサ５を構成するベンチュリ部１４のベンチュリ効果により発生する負圧によって、吸気管３の外周部から燃料供給ミキサ５に吸気管３の径方向に導入される。このとき、燃料導入部１０が２つ設けられているため、ガス燃料が燃料供給ミキサ５に２方向から導入される。そして、ガス燃料と吸気管３内を流れる空気とが混合される。

【0024】

図４は、空気供給ミキサ７を空気導入部１３と共に示す断面図である。なお、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＢ４－Ｂ４線断面図である。図４において、空気供給ミキサ７は、吸気管３内の混合気の流れを絞ることで、混合気の流速を増加させて低圧部を作り出す円環状のベンチュリ部１５を有している。混合気は、ガス燃料と空気との混合ガスである。ベンチュリ部１５は、吸気管３の内周面３ａに固定されている。

【0025】

空気導入部１３は、吸気管３の外周部から空気供給ミキサ７に空気を導入する管状部材である。２つの空気導入部１３は、互いに吸気管３の径方向に延びるように対向して配置されている。２つの空気導入部１３は、吸気管３における各燃料導入部１０に対応する位置に配置されている。

【0026】

空気導入部１３は、空気供給ミキサ７における内径が最も小さい部分を貫通した状態で、空気供給ミキサ７に固定されている。空気導入部１３の先端部には、空気を吸気管３内に導出する導出口１３ａが設けられている。導出口１３ａの位置は、空気供給ミキサ７における内径が最も小さい部分の内周面７ａの位置にほぼ一致している。

【0027】

空気は、空気供給ミキサ７を構成するベンチュリ部１５のベンチュリ効果により発生する負圧によって、吸気管３の外周部から空気供給ミキサ７に吸気管３の径方向に導入される。このとき、空気導入部１３が２つ設けられているため、空気が空気供給ミキサ７に２方向から導入される。そして、空気と吸気管３内を流れる混合気中のガス燃料とが混合される。

【0028】

以上のような供給装置１において、吸気管３内をエンジン２に向けて空気が流れると共に、燃料供給経路４の燃料導入部１０によりガス燃料が吸気管３の外周部から燃料供給ミキサ５に導入されることで、ガス燃料と空気とが混合される。

【0029】

ここで、ガス燃料である水素の密度は低いため、燃料供給ミキサ５にガス燃料が導入されると、燃料供給ミキサ５よりも下流側において吸気管３の内周面３ａ側にガス燃料が偏在しやすくなる。例えば図５に示されるように、吸気管３における燃料供給ミキサ５の下流側の近傍では、吸気管３内における燃料導入部１０の位置に対応する両側の領域Ａにガス燃料が偏在しやすい。このため、ガス燃料と空気との混合が促進されにくい。

【0030】

ただし、吸気管３内を流れる空気の一部は、バイパス管１２内を流れる。そして、その空気は、空気導入部１３により吸気管３の外周部から空気供給ミキサ７に導入される。すると、図６に示されるように、導入された空気が、吸気管３内の各領域Ａに偏在しているガス燃料を吸気管３の径方向内側（径方向中心側）に押し込む。これにより、混合気中のガス燃料と空気との混合が促進される。

【0031】

以上のように本実施形態にあっては、空気が吸気管３内をエンジン２に向けて流れると共に、燃料供給経路４によりガス燃料が吸気管３内に供給される。そして、燃料供給ミキサ５において、ガス燃料が吸気管３内の空気と混合する。また、空気供給経路６により空気が吸気管３内における燃料供給ミキサ５よりも下流側に供給される。そして、空気供給ミキサ７において、空気が吸気管３内のガス燃料と混合する。このとき、複数の空気導入部１３により吸気管３の外周部から空気供給ミキサ７に空気が導入される。このため、吸気管３における燃料供給ミキサ５よりも下流側において、ガス燃料が吸気管３の内周面３ａ側に偏在していても、吸気管３の外周部から空気供給ミキサ７に導入される空気によって、吸気管３の内周面３ａ側に偏在しているガス燃料が押し込まれる。従って、ガス燃料と空気との混合が促進される。これにより、ガス燃料と空気との混合状態の均質性が向上する。その結果、適切な混合状態の混合気をエンジン２に供給することができる。

【0032】

また、本実施形態では、吸気管３内を流れる空気の一部がバイパス管１２内を流れて空気供給ミキサ７に導入される。従って、空気供給経路６の構成を簡素化することができる。

【0033】

また、本実施形態では、複数の空気導入部１３は、吸気管３における複数の燃料導入部１０に対応する位置に配置されている。このため、吸気管３内におけるガス燃料が偏在しやすい複数の領域に空気が導入されることになる。従って、ガス燃料と空気との混合が更に促進されるため、ガス燃料と空気との混合状態の均質性が更に向上する。

【0034】

また、本実施形態では、燃料供給ミキサ５はベンチュリ部１４から構成されているため、燃料供給ミキサ５の構造が簡素化されると共に、圧力損失が低減される。また、デポの堆積等が抑制される等、信頼性を確保することができる。

【0035】

また、本実施形態では、空気供給ミキサ７はベンチュリ部１５から構成されているため、空気供給ミキサ７の構造が簡素化されると共に、圧力損失が低減される。また、燃料供給ミキサ５と同様に、信頼性を確保することができる。

【0036】

実際に、ガス燃料として水素を使用して、ＣＦＤ（Computational Fluid Dynamics：数値流体力学）解析を行ったところ、ガス燃料と空気との混合気の均質度が向上することが確認された。混合気の均質度は、ＣＶ（Coefficient of Variation：変動計数）値によって判断した。ＣＶ値は、分散性の指標であり、下記式で表される。
ＣＶ［％］＝（σ／ω_ｍｅａｎ）×１００
σ：標準偏差
ω_ｍｅａｎ：平均値

【0037】

本実施形態のように空気供給経路６及び空気供給ミキサ７を備えた場合には、空気供給経路６及び空気供給ミキサ７を備えない場合に比べて、ＣＶ値が小さくなった。ＣＶ値が小さいほど、混合気の均質度が高くなる。

【0038】

また、空気供給経路６及び空気供給ミキサ７を備えた場合には、空気供給経路６及び空気供給ミキサ７を備えない場合に比べて、圧力損失が低くなった。その理由としては、ガス燃料と空気との混合気が吸気管３内のベンド部３Ａを通過するときに乱流が発生するが、吸気管３内を流れる空気の一部がバイパス管１２内を流れ、その分だけベンド部３Ａを通過する空気量が少なくなるため、ベンド部３Ａでの乱流が低減され、圧力損失が低くなると推測される。

【0039】

なお、本発明は、上記実施形態には限定されない。例えば上記実施形態では、燃料供給ミキサ５が円環状のベンチュリ部１４から構成されているが、特にそのような形態には限られない。例えば、燃料供給ミキサ５は、各燃料導入部１０同士を連結するノズルを有し、そのノズルにガス燃料の出口が設けられていてもよい。また、燃料導入部１０の数としては、特に複数には限られず、１つでもよい。

【0040】

また、上記実施形態では、空気供給経路６は、吸気管３と接続されたバイパス管１２を有し、吸気管３内を流れる空気の一部を空気供給ミキサ７に供給しているが、特にそのような形態には限られない。空気供給経路６は、吸気管３とは別の経路から空気を空気供給ミキサ７に供給してもよい。

【0041】

また、上記実施形態では、燃料供給ミキサ５は、吸気管３内におけるベンド部３Ａよりも上流側に配置され、空気供給ミキサ７は、吸気管３内におけるベンド部３Ａよりも下流側に配置されているが、特にそのような形態には限られない。燃料供給ミキサ５及び空気供給ミキサ７は、何れも吸気管３内におけるベンド部３Ａよりも上流側に配置されていてもよいし、或いは何れも吸気管３内におけるベンド部３Ａよりも下流側に配置されていてもよい。

【0042】

また、上記実施形態では、空気導入部１３は、吸気管３の径方向に延びるように配置されているが、特にそのような形態には限られない。空気導入部１３は、吸気管３の外周部から空気供給ミキサ７に空気を導入するのであれば、吸気管３の径方向に交差して延びるように配置されていてもよい。燃料導入部１０についても同様である。

【0043】

また、上記実施形態では、ガス燃料として水素が使用されているが、使用されるガス燃料としては、特に水素には限られず、ＬＰＧまたはＬＮＧ等であってもよい。

【符号の説明】

【0044】

１…供給装置、２…エンジン、３…吸気管、４…燃料供給経路、５…燃料供給ミキサ（第１ミキサ）、６…空気供給経路、７…空気供給ミキサ（第２ミキサ）、１０…燃料導入部、１２…バイパス管、１３…空気導入部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】