以重油为燃料的发动机中的燃料加热装置 本发明涉及借助燃料喷射泵的动作、将重油等粘性大的燃料(以下总称为重油)喷射到燃料室中进行点火燃烧的发动机中的燃料加热装置，该加热装置将燃料加热，使其粘度降低。
通常，在柴油发动机中，以轻油作为燃料在燃烧室内燃烧。轻油十六烷值高，粘性也不太大，能使微粒化燃料在燃烧室内均匀分散。近年来的柴油发动机中，为了使排放气体中的微粒、NOx成分减至极少，将空气在燃烧室压缩成高压，以超高压向其中喷射燃料，实现燃烧室内的喷雾微粒化。通常，发动机使用的燃料有汽油、轻油、重油。这些燃料的粘性分别是：汽油为0.1cSt，轻油为1.8～2.7cSt，A重油为20cSt、B重油为50cSt、C重油为50～400cSt。燃料的十六烷值分别是：轻油为40以上，重油约为25左右。关于燃料的价格，设汽油为100时，则轻油约为70，重油约为15。
已往，由废热发电系统构成的发电装置，多数是把发电机安装在发动机上的系统。但是，用柴油发动机发电时，由于柴油发动机是以轻油作为燃料，所以燃料成本高，在成本上不具备优越性。
船舶用的低速柴油发动机，由于其旋转数在200rpm以下，燃料与空气地混合时间长，能生成混合气，所以能使用重油。但是，高速柴油发动机，其旋转数在1000rpm以上，混合气的生成时间短，难以将重油作为燃料。采用柴油发动机的发电装置中，使用高速柴油发动机，在该高速柴油发动机中，如果能以低流动性的重油作为燃料点火燃烧，则可以降低燃料成本，从而可大幅度地降低电力成本。但是，象重油这样大粘度的燃料，采用高速柴油发动机中的对燃料进行高压缩的燃料喷射泵将重油微粒化地喷射是困难的。特别是当大气温度低时，重油的流动性差，不能使用燃料喷射泵，不能把重油燃料喷射到高速柴油发动机的燃烧室内。尤其在备有大型燃料箱的发电装置中，当大气温度低时，重油的粘性问题更为突出。
如上所述，在采用柴油发动机的供电装置中，如果能用重油作为燃料，可大幅度降低燃料成本，所以，为了将重油高压喷射到燃料室内，考虑采用加热重油，使重油具有流动性的方法。
本申请人开发出以重油为燃料的柴油发动机，例如已在日本专利公报特开平9-217624号、特愿平8-151910号、特愿平8-151911号中揭示。在这种柴油发动机中，通过使重油具有流动性，能良好地将重油燃料喷雾到燃烧室内，所以，希望重油能具有流动性。因此，着眼于采用加热重油的方法得到良好的流动性。但是如何有效而低成本地将从燃料箱供来的重油加热、使其具有流动性，是一个待解决的课题。
以重油为燃料的发动机中，重油在冬季等气温低的季节时，其粘度增大，成为糖稀状，在船舶用发动机中，目前采用的办法是用燃烧器等加热燃料，改善其流动性。采用加热重油的燃烧器等，要消耗燃料，提高了运转成本。另外，采用冷却柴油发动机作为废热发电系统时，发动机的排气成分中碳化氢等的含量较多，而且排气保持着约500℃的温度，所以，随着废热发电系统的普及，会产生都市中或大街上因排气温度而气温上升的问题。
因此，为了加热重油、减小其粘性，并增大燃料喷射泵的喷射压力，使喷雾微粒化，如果能采用利用柴油发动机排气的热交换器进行加热，则可以大幅度地降低燃料成本，并且，由于热交换器能吸收排气中的热能，所以能降低排气的温度，因排气引起气温上升的问题也能得到解决。另一方面，由于热交换器吸收排气中的热能，所以，必须解决如何有效地回收的问题以及排气对热交换器的氧化、腐蚀的问题。
本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种以重油为燃料的发动机中的燃料加热装置。为了采用粘性大且气化性小的重油作为燃料，该燃料加热装置中，采用利用燃烧室排气热能的热交换器来加热重油，使重油的粘度减小，改善流动性，使得能从燃料喷咀中高压喷射出重油，而且，使排气温度降低，可防止对周围环境的不良影响。另外，为了提高加热重油的热交换器的效率、增大排气的接触面积、并且在燃料通路中也增大接触面积，用陶瓷制多孔体或纤维等多孔质部件制作排气的接触部件，提高耐氧化性和耐腐蚀性。
本发明提供的、以重油为燃料的发动机中的燃料加热装置，由容纳重油的燃料箱、将重油从燃料箱通过燃料通路供给的燃料喷射泵、借助燃料喷射泵的动作把重油喷射到燃烧室内的喷咀、将重油在燃烧室内点火燃烧产生的排气排出的排气通路、第1加热装置和第2加热装置构成，第1加热装置设在与燃料通路连接的燃料箱的燃料出口区域，利用排气加热重油，第2加热装置设在与燃料喷射泵连接的燃料通路上，利用排气加热重油。
上述第1加热装置和第2加热装置，分别由热交换器构成，这些热交换器利用燃烧室排放出的排气中的热能加热重油，使重油的粘度变小。
第1加热装置由陶瓷制多孔质部件、排气管、燃料管和第1加热器构成；陶瓷制多孔质部件供配置在燃料箱底部，供重油通过；排气管配置在陶瓷制多孔质部件内部，构成排气和重油的隔壁，该排气管的一端连接排气通路，另一端朝外气开放；燃料管备有通孔，该通孔使通过了由上述陶瓷制多孔质部件构成的多孔通路后的重油向燃料通路流出；第1加热器设在上述燃料管上。
在第1加热装置的排气管内，配置着陶瓷制格栅或陶瓷制多孔质部件，由排气管构成的排气通路的排气接触面积，比通过由陶瓷制多孔质部件构成的多孔通路的重油的接触面积大3倍以上。
第2加热装置由供排气通过的箱体、贯通箱体并供重油通过的陶瓷制管子、复盖该陶瓷制管子地配置在箱体内的陶瓷制多孔质部件以及设在陶瓷制管子上的第2加热器构成。
在第2加热装置的陶瓷制管子内，配置着陶瓷制格栅或陶瓷制多孔质部件；流经陶瓷制多孔质部件的多孔通路的排气的接触面积，比通过陶瓷制管子的重油的接触面积大3倍以上。
构成第1加热装置和第2加热装置的陶瓷，是用热传导率良好的Si3N4、SiC或AIN制作的。
在排气通路内设有由排气作动的涡轮式充电器和能量回收涡轮，该能量回收涡轮设在涡轮式充电器的下流侧，由排气作动。
第1加热装置中设有第1加热器，第2加热装置中设有第2加热器，当外气温度或排气温度低于预先设定的预定温度时，第1加热器和第2加热器被通电加热，当外气温度或排气温度高于预先设定的预定温度时，该第1加热器和第2加热器不通电。
该燃料加热装置备有第1加热器、第1排气控制阀、第2加热器、第2排气控制阀和控制器；第1加热器设在第1加热装置中，用于加热重油；第1排气控制阀设在排气通路中，用于调节供往第1加热装置的排气的流量；第2加热器设在第2加热装置中，用于加热重油；第2排气控制阀设在排气通路内，用于调节供往第1加热装置和第2加热装置的排气的流量；控制器用于控制第1加热器、第2加热器、第1排气控制阀、第2排气控制阀的动作。
该燃料加热装置中，当外气温度低时或发动机起动时，控制器进行向第1加热器和第2加热器通电、加热重油的控制。
该燃料加热装置，由于具有上述构造，在燃料箱的燃料出口区域及通往燃料喷射泵的燃料通路途中，设置由热交换器构成的各加热装置，能利用排气中的热能加热重油燃料，提高重油的流动性。另外，当排气温度低时，使电流流过设在热交换器上的加热器，加热重油。在发动机正常运转时并且排气温度上升的阶段，切断加热器电流，仅用排气中的能量加热燃料，最大限度地减少电力消耗。
另外，加热装置由热传递面积大的热交换器构成，该热交换器中采用的热交换材料，是以隔壁遮断排气流过的陶瓷制通路和燃料流过的通路、并独立地配置的陶瓷制多孔体或纤维等的陶瓷制多孔质部件，所以能良好地进行从排气到燃料的热传递，有效地加热重油。
如上所述，该燃料加热装置中，由加热装置加热重油，使其具有良好的流动性，所以，可以由柴油发动机的燃料喷射泵和燃料喷咀向燃料室喷射，可以在高速柴油发动机中使用重油。另外，由于加热装置可以利用排气中的能量作为加热重油的能量，并且当排气温度低时，使电流通过加热器来加热重油。这些控制由接受发动机动作状态信息的控制器控制，可以最大限度地减少电力消耗。
供给加热器的电力，是采用在正常运转时或高负荷运转时，由设在柴油发动机上的涡轮式充电器及能量回收涡轮的动作而蓄积在电池内的电力。所以能充分地利用资源。另外，柴油发动机排放出的排气中的热能，被涡轮式充电器或能量回收涡轮及重油加热装置回收，所以，不提高外气温度，即使在都市中使用柴油发动机，也不会影响周围环境。
因此，本发明的燃料加热装置，适用于使用大型燃料箱的定置式废热发电系统的供电装置，可有效地利用重油作为燃料，大幅度降低燃料成本，减少电力成本，并且，不受季节限制，可以常年使用。
图1是本发明以重油为燃料的发动机中的燃料加热装置一实施例的局部剖面图。
图2是表示图1中A部分的第2加热装置一实施例的剖面图。
图3是表示图1中第2加热装置另一实施例的剖面图。
图4是表示图1中第2加热装置又一实施例的剖面图。
图5是表示图1中第1加热装置的水平方向剖面图。
图6是图5中第1加热装置的铅直方向剖面图。
下面，参照附图说明本发明的实施例。
以重油为燃料的发动机中的燃料加热装置，适用于采用上述特许公报所揭示柴油发动机的、备有大型燃料箱的供电用废热发电系统。柴油发动机的动作例如是依次反复进行吸入冲程、压缩冲程、膨胀冲程和排气冲程这样4个冲程。其构造例如具有隔热主室、隔热副室和活塞。隔热主室形成在气缸侧。隔热副室形成在通过连通孔与主室连通的气缸盖上。活塞在气缸内往复运动。
该燃料加热装置，适用于以高粘度重油F作为燃料的柴油发动机1，该柴油发动机1备有容纳重油F的燃料箱2、通过燃料通路8与燃料箱连通的燃料喷射泵3、借助于燃料喷射泵的动作将燃料F通过燃料供给路19喷射到燃烧室内的燃料喷咀4，其特征在于，在燃料箱2内设有作为加热装置的热交换器6，在燃料通路8上设有作为加热装置的热交换器5。
在燃料箱2上，上部形成有用于补给燃料F的供给口16，在其底部的燃料F的出口区域20设有作为加热装置的热交换器6。燃料喷射泵3例如可由电磁供油泵构成，燃料喷射时间可由控制器30的指令控制。根据情况也可以在燃料喷射泵3或燃料喷咀4上设置由加热器构成的加热装置，以加热重油。
柴油发动机1上，设有收集燃烧室排气G的排气支管17、与排气支管17连通的排气通路7的排气管18、与排气管18连通并被排气能量作动的涡轮式充电器10以及配置在涡轮式充电器10下流侧的能量回收涡轮11。热能被能量回收涡轮11回收了的排气G，通过排气通路7被送入热交换器6和热交换器5。热交换器6作为设在燃料箱2内的加热装置，热交换器5作为设在燃料通路上的加热装置。在排气通路7中设有带阀13的排气放出管42，阀13由根据控制器30的指令而动作的促动器12控制开闭。阀13调节进入热交换器5、6的排气G的流量。向热交换器6延伸的排气通路7上设有阀15，该阀15由根据控制器30的指令而动作的促动器14控制开闭。阀15控制流向热交换器6的排气G的流量。
该燃料加热装置中，备有负荷传感器37、旋转传感器38、重油量传感器32、温度传感器34和温度传感器33。负荷传感器37用于检测由燃料供给量等造成的发动机负荷。旋转传感器38用于检测发动机转数。重油量传感器32用于检测重油量。温度传感器34用于检测排气温度。温度传感器33用于检测大气温度。
控制器30输入上述各种传感器的检测信号，使对应于发动机动作状态的适当重油量喷射到燃烧室内，同时应答检测信号，控制燃料喷咀4的燃料喷射时间，以提高燃料使用率。燃料喷咀4例如由电磁力控制开闭，在起动时或正常运转时由控制器30决定喷射期间，或者根据排气温度、大气温度、发动机负荷及发动机转数决定喷射期间。
该以重油为燃料的发动机中的燃料加热装置，主要由燃料箱2、燃料喷射泵3、燃料喷咀4、排气通路7、作为第1加热装置的热交换器6和作为第2加热装置的热交换器5构成。燃料箱2容纳作为燃料的重油F。燃料喷射泵3使燃料箱2内的重油通过燃料通路8供给。燃料喷咀4借助于燃料喷射泵3的动作将重油F喷射到发动机1的燃烧室内。排气通路7用于排出重油F在燃烧室内点火燃烧产生的排气。作为第1加热装置的热交换器6设在通向燃料通路8的燃料箱2出口区域20，用于加热重油F。第2加热装置的热交换器5设在燃料通路8中，用于加热重油F，使其粘度降低。
第1加热装置和第2加热装置分别由热交换器5、6构成。该热交换器5、6利用从柴油发动机1的燃烧室排放出的排气G中的热能加热重油F，使其粘度降低而具有流动性。
作为第1加热装置的热交换器6和作为第2加热装置的热交换器5，独立地配置着由供排气G流过的陶瓷等构成的排气管(箱体21、排气管27)和由供重油流过的气孔通路(开口细孔)构成的多孔通路(陶瓷管子22、多孔质陶瓷的陶瓷制多孔质部件26)。形成为利用陶瓷制多孔质部件(陶瓷制多孔体)增大热传递面积的构造，能改善从排气G向燃料的热传递率，有效地加热重油F。为了使重油F有效地被排气G加热，例如，最好在热交换器5中的陶瓷管子22内配置陶瓷制格栅25(图2、图4)或陶瓷制纤维构成的陶瓷制多孔质部件39(图3)，或者由箱体21内的陶瓷制多孔质部件23的多孔通路形成排气通路。另外，最好由热交换器6中的陶瓷制多孔质部件26的多孔通路形成燃料通路，或者，在排气管27内配置陶瓷制格栅43(见图2、图4中的标号25)或由陶瓷制纤维构成的陶瓷制多孔质部件43(见图3中的标号39)。
热交换器6中，在排气管27内配置陶瓷制格栅或陶瓷制多孔质部件43。热交换器6中，由排气管27构成的排气通路的排气G的接触面积，比通过陶瓷制多孔质部件26构成的多孔通路的重油F的燃料接触面积大3倍以上。
热交换器5、5A、5B中，在陶瓷制的管子22内，配置着陶瓷制格栅25或陶瓷制多孔质部件39。流过陶瓷制多孔质部件23或陶瓷制纤维等构成的多孔质部件40的排气通路的排气G的接触面积，比通过陶瓷制管子22内的重油G的燃料接触面积大3倍以上。
如图2所示，设在燃料通路8上的热交换器5，主要由供排气G通过的箱体21、贯通箱体21并供重油F通过的陶瓷制管子22、复盖陶瓷制管子22并配置在箱体21内的陶瓷制多孔质部件23和埋在陶瓷制管子22中的加热器24构成。在热交换器5的陶瓷制管子22内，配置着陶瓷制格栅25，使热传递面积增大。从燃料喷射泵3到燃料喷咀4的燃料供给路19上，设置着由上述热交换器5构成的加热装置，用于加热重油。
设在燃料通路8中的热交换器，除了图2所示的热交换器5外，也可以采用图3所示的热交换器5A或图4所示的热交换器5B。热交换器5A如图3所示，由贯通箱体21的陶瓷制管子22构成，在重油F流过的陶瓷制管子22内，配置着由陶瓷制纤维等构成的多孔质部件39。在排气G流过的箱体21内，配置着由陶瓷制纤维等构成的多孔质部件40。或者，如图4所示，热交换器5B由贯通箱体21的陶瓷制管子22构成，在重油F流过的陶瓷制管子22内，配置着陶瓷制格栅25。在排气G流过的箱体21内，配置着由陶瓷制纤维等构成的陶瓷制多孔质部件40。
如图5和图6所示，设在燃料箱2内的热交换器6，备有陶瓷制多孔质部件26、排气管27、陶瓷制管子29和加热器31。陶瓷制多孔质部件26配置在燃料箱2底部的出口区域20，供重油通过。排气管27配置在陶瓷制多孔质部件26内，供排气通过。陶瓷制管子29埋设在形成气孔通路的陶瓷制多孔质部件26内，用于把通过了陶瓷制多孔质部件26的气孔通路的重油F供给燃料通路8。加热器31埋入在陶瓷制燃料管的出口管41内，该陶瓷制燃料管的出口管41构成与陶瓷制管子29成一体的出口部。配置在陶瓷制多孔质26内的陶瓷制管子29的部分上，形成多个与陶瓷制多孔质部件26的气孔通路连通的通孔28。陶瓷制出口管41的露出于陶瓷制多孔质部件26的部分，埋设着加热器31。贯通燃料箱2的排气管27的端部，朝大气开放。
因此，燃料箱2内的重油F，受到热交换器6中的排气管27的加热，而被促进流动化，通过陶瓷制多孔质26的多孔通路，从通孔28进入陶瓷管子29，再从陶瓷制出口管41被送入燃料通路8。另外，在陶瓷制排气管27贯通的燃料箱2的壁面及出口管41贯通的燃料箱2的壁面上，配置着密封部件35，由该密封部件35防止重油F泄漏到燃料箱2外面。燃料箱2的燃料出口部中的燃料通路8，由隔热材44复盖，该隔热材44由充填在出口管子9内的陶瓷纤维构成。
作为加热装置的热交换器5、6，例如可按下述的方法制作。
先把陶瓷制格栅或陶瓷制纤维等充填到由煅烧体或烧结体构成的致密质陶瓷制管子内，配置在成型模内。同时，在管子的外周配置聚氨脂泡沫塑料等的加热焚烧的充填部件。使陶瓷浆侵入聚氨脂泡沫塑料中，制作成形体。接着，通过烧结该成形体，将聚氨脂泡沫加热烧焚，在该部分形成多孔的开口细孔，形成燃料能通过的陶瓷制多孔质部件的多孔通路，由此制成上述的热交换器5、6。
该燃料加热装置中，埋入在热交换器5中的陶瓷制管子22中的加热器24和设在热交换器6的出口管41处的加热器31，由控制器30根据排气通路7的排气温度而控制电流的通断。例如，在柴油发动机1起动时或低负荷运转时的排气G温度低的情况下，接通电流。在正常运转时或高负荷运转时的排气G温度高的情况下，切断电流。另外，控制器30接受大气温度或排气温度的检测信号，控制加热器24、31的电流通断。