JPS6057891B2 - 気体流内に液体を分散させる装置及び方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、気体流の中に液体を分散させる装置及び方法
、特にガソリンの如き燃料を空気流の中に分散させる装
置及び方法に係る。

低い導電率しか持たない炭化水素燃料の如き液体を、従
来の噴霧技術によつて静電気的に分散さ．せることは困
難である。

静電気噴霧方法ては、単極電荷が液体流に作用し、液体
流は微小滴に分散される。比較的高い導電率を持つ液体
では電荷の形成は安定な噴霧を達成すべく十分な速さで
行なわれる。しかし乍ら液体が電気の良導体でない場・
合、安定な噴霧を生起し得る十分な電荷が得られるだけ
長時間液体が高電界領域にとどまることができない。液
体が極めて制限された速度で噴霧される場合には前記の
状態を当てはめることができない。

これらの場合には、たとえば液体が低い導電率しか持た
ないときにも、ノズルで生成される最小量の電荷が液体
によつて捕捉され得るからである。例えば液体が毛細管
を介して供給されるならば、低導電率を持つ液体の安定
なスプレーを得ることが可能であるが、このような技術
は、妥当な速度で液体を噴霧するために実用化すること
ができない。例えば内燃機関キヤブレータの場合のよう
に）必要最大量のスプレーを供給するために恐らく１０
００以上の毛細管が必要となるときにこのような噴霧方
法の使用は全く非実用的であることが確実に理解される
べきであろう。本発明の目的は、先行技術の方法及び装
置の前門記の如き種々の問題を克服するか又は少くとも
軽減することである。

従つて、本発明の第１の目的は、気体流の中に液体を分
散させるために、複数個の末端に持つ少くとも１個の多
孔質部材と前記液体を前記多孔質部材に供給する手段と
、前記部Ｌ材の末端の付近に電界を成立させる手段と、
前記末端付近から分散液体を飛沫同伴して除去すべく前
記末端に気体流を向ける手段とを含む装置を提供するこ
とである。本発明の第２の目的は、気体流の中に液体を
分散させるために、複数個の末端を持つ多孔質部材に前
記液体を供給し、同時に、前記末端で前記液体を静電気
帯電させ且つ前記末端から小滴流として放出し得るよう
な大きさの電界を末端の付近に成立させ、且つ前記小滴
を飛沫同伴している気体流を供給する段階を含む方法を
提供することである。

本明細書に於ける末端なる用語は、比較的高度に彎曲し
た周部を有しており従つて多孔質部材の電界がその周囲
に集中するような多孔質部材の突起又は突出部を意味す
る。

好ましい装置の構成では、一連の多孔質部材が含まれて
おり各多孔質部材が複数個の末端を有しており継続する
部材が気体流の線に沿つて隣り合つて配置されている。

部材は好ましくは、部材を包囲する環状ダクトを通過す
る気体流の内部に向つて放射外側方向に突出すべく構成
された末端を持つ形状を有する。或る場合には、多孔質
部材の中心の開口部により形成されたチャンネルを通過
する気体流の内部に向つて放射内側方向に突出するよう
に多孔質部材が構成されてもよい。この場合、部材は環
状である。しかし乍ら通常はこの構成は、先出の構成よ
り好ましくない。多孔質部材は円形を有するのが便利で
あるが、末端が通過空気流の中に突出するように配置さ
れているいかなる適当な形状でもよい。例えば、流れが
長方形断面を持つダクトに拘束されているときは、部材
は突出末端を持つプレートの形状であり、プレートはダ
クトの内面上に配置されており末端は気体流の中に突出
している。下記の２つの条件に適合しさえすれば別の形
状の多孔質部材も可能であることが容易に理解されるで
あろう。

第１に、好ましくは液体を部材から押出すために極めて
高い圧力を作用させなくても、被噴霧液体が部材から末
端に送られるように部材が十分に多孔質でなければなら
ない。

適当な多孔質材料はセラミック、ゼオライトの如き天然
産物質及びｐ紙又は吸取紙の如き布又は紙材料を含む。
後者は、液体が噴霧に適する流量に到達するために実質
的にいかなる圧力をも必要としない程十分に高い多孔度
を有する。焼結金属も又、十分な多孔度を有することが
証明された。与えられた任意の末端に於いてスプレーに
転換され得る液体の流量は、電界強度が噴霧達成に必要
な最小値より高い値に維持される限り、末端の電界強度
に左右される。

従つて、多孔質部材の設計で考慮しなければならない第
２の要因は、システムの中に印加される電界の性質であ
る。本質的に電界は、１個（又は複数個の）多孔質部材
の末端の付近て液体をスプレーとして分散せしむべく必
要な電界強度を得るために十分な強さ及び形状を有して
いなければならない。

必要な電界強度は最小電界強度より高くなければならな
い。最小電界強度は液体の電気抵抗率に基いており、液
体の電気抵抗率と共に帯電時間の変化の影響を受けるで
あろう。噴霧が生起される最小電界強度は或る種の物質
、例えば水の存在中で低下する。水は液体自体の中に含
まれる場合もあり、液体の噴霧を受ける大気の中に含ま
れる場合もある。従つて本発明装置の変形例では、安定
な噴霧が生起される電界強度の最小値を低下させる物質
を液体又は溶液として被噴霧液体流の中に同時的に導入
する手段が含まれている。噴霧部位に到達する前に液体
と添加物質とを互いに混合しておく必要はない。最も好
ましい場合には噴霧達成に必要な最小電界強度は約１０
０ｋＶＩｍであろう。

しかし乍らガソリンの如き比較的高い抵抗率を持つ液体
では必要な最小電界強度はより典型的には約１ＭＶＩＴ
ｒ１，である。電界強度の上限は、コロナ放電が気体中
に形成されるレベルによつて決定される。例えば空気中
ではコロナ放電は約３ＰＡＶＩｍ，で生じ、本発明方法
に於ける使用電界強度は、コロナ放電を回避するために
必要な限度より低い値に維持されなければならない。前
記の電界強度の限度内ではいかなる値の選択も可能であ
るが、電界強度の上昇に伴なつて、生じるスプレー中の
小滴寸法が小さくなることに注目されたい。

通常は小滴寸法が可能な限り小さいことが好ましい。気
体流ダクトの壁に対する小滴の落下が生じ難いからであ
る。小滴は、小滴の上の静電荷が放電され得るように前
記の壁に吸引される傾向を有する。この傾向は気体の流
量を可能な限り増加させた場合にも低下するであろう。
これは気体流ダクトを可能な限り狭い幅に維持すること
によつて達成されるが、しかしこの場合勿論同時に、噴
霧端がダクト壁に一層接近し従つて高流量の有利さは或
る程度まで相殺される。本発明装置を設計するときは前
記の要因の全部に留意し、噴霧したい液体の抵抗率と噴
霧されるときの質量流量と流体の噴霧を受ける気体流の
流量とを考慮しなければならない。一連の多孔質部材を
使用しこれらの部材に互い違いに陽極性及び陰極性の帯
電を行なうことも可能であり、又は例えばＡＣ供給源を
使用して１個の同じ多孔質部材に反対極性を交互に帯電
させることも可能である。

このことは全体が中性の極性を持つスプレーが得られる
ことを意味しており、この場合、個々の小滴が気体流ダ
クトの壁に吸引される傾向はない。これにより、ダクト
壁での小滴の付着を避ける必要から生じた装置の設計と
動作との制約が減少するか又は回避されるであろ・う。
しかし乍ら、流れの中の対向荷電粒子の圧力は再融着の
可能性を生じる。これは、相当な規模で発生したときは
可成の欠点となるであろう。本発明の装置及び方法に於
いて使用すべき電界強度の決定要因に関する前記の考察
全体より、末端の付近で適切な電界強度を達成すること
のみが必要であることが理解されるであろう。帯電と分
散とが末端で生起され易いからである。末端を持たない
多孔質部材から噴霧を行なうことも可能であるかも知れ
ないが、その場合、空気流との境を成す部材上の全部の
点で必要な電界強度を得るために部材に極めて高い電圧
を印加することが必要であろう。高抵抗率を持つ液体の
場合コロナ放電が生じる可能性が大きく、更に、たとえ
噴霧が生起された場合にも部材の全界面の回りで均等な
噴霧を達成することは不可能ではないにしても極度に困
難である。部材に末端を設けることによつて、液体の帯
電と分散とが優先的に且つ確実に生起される極めて有利
な場所が生成される。前記の記載より、各末端は独立の
噴霧場所の形成を確保すべく十分な間隔を隔てていなけ
ればならないことが理解されよう。

このことは本質的に、各末端が、該末端の付近に局所的
に高い電界強度を生起すべく空間的に十分に独立してい
なければならないことを意味する。２個の末端が互いに
余りにも接近して配置されているときは、電界強度は両
方て平均化され、唯１個の有効端、即ち電界強度の中の
１個のピークに対応する末端が得られるであろう。

実際には、線形に配列された末端の場合、隣り合ういか
なる２個の末端も安定な噴霧を維持し得る可能な末端間
の間隔の最小値は約２ｍである。

２種の寸法の末端配列を使用する場合、より広い間隔、
好ましくは数倍の広さの間隔が必要であることが知見さ
れた。

これは明らかに、周側の例の，末端が中心側の列の末端
を或る程度まで゜“遮蔽する゛からである。その結果、
後者の末端全体の電界強度は幾分か平均化され、必要な
全強度ピークは、理論的単向間隔よりもやや広い間隔を
末端間に設けることによつてのみ達成され得る。中央側
の末端に対する周側の末端の遮蔽効果を補償するために
前記の如く広い間隔を設けることが通常は全く好都合で
あるが、（１個の末端配列の中で）使用可能な別の方法
は、配列の最も内側の末端のほぼ付近、例えば配列が物
理的に分離さ−れた部材の積重体から成る場所で、最も
外側の部材に対して印加する電位よりも高い電位を積重
体の内側部材に対して印加することによつて（又は実際
には、積重体内部の部材の位置に基く一連のより高い電
位を印加することによつて）強い電界強度を供給するこ
とであろう。１個の末端列に亘る電界強度を選択的に変
化させるために前記の如き種々の改良構成を使用し得る
こと、及び、通常は、必要な電界を維持するための最小
所望総エネルギの入力を持つ列の各末端に所望の電界強
度を与えるように電界と列との幾何学形が選択されるこ
とが当業者に容易に理解されるであろう。

前記の如き電界形成の様相は通・常、当業者に公知であ
るから本明細書ではこれ以上の記載は省略する。多孔質
部材は電界の１個の極を形成するのが有利であり、別の
極は装置のサポート又はケーシング又はダクトの１部で
ある。

装置が円筒形を有するときは、多孔質部材が装置の周に
ではなくむしろ装置の軸に近接して配置されているのが
好ましい。これは、軸方向極から離れて電界が減衰する
結果、周に位置する多孔質部材の付近で十分に強い電界
を成立させるために、軸方向極の電界が大気圧の破壊点
より高くなる危険が存在するからである。この場合、コ
ロナ放電が成立し噴霧が生起されないであろう。同様に
して電界の２個の極の間の間隔が減少するときにギャッ
プ間のスパークが成立する傾向が増加し、従つて事実上
の最小値はこの寸法に対して設定されることが明らかで
あろう。

多くの場合に見られる如く極が夫々、多孔質部材と部材
を通る気体流用ダクトとによつて形成される場合、極間
のギャップは実際には、装置内の空気流通に必要なチャ
ンネルの容量により決定され、このような理由から、ス
パークが生じる危険のあるギャップよりもいずれにして
も多少は大きいことが必要であることが知見され得る。

ガソリンの如き炭化水素燃料を空気流の中に分散するた
めの本発明の装置及び方法は、特に、内燃機関キヤブレ
ータ又は内燃機関の燃料が集まり易い領域例えば入ロマ
ニホルドから燃料を分散させる装置の設計に適用され得
る。これらの適用に於いて本発明の装置及び方法は、従
来使用されていた装置よりもより均質で良好な分散を達
成する可能性を有する。

特に、生成される小滴は、エンジンのより広範囲の作動
条件に亘つて従来の装置よりも小さい寸法を有すること
が予期されている。内燃機関用燃料の前記の如き微分散
液が得られることは大きな利点である。これによりより
効率的な作動が達成されて燃料の経済性が増加し、より
完全な燃焼達成の結果、汚染物の放出が相当に減少する
からである。これはそれ自体望ましいだけでなく、内燃
機関車両に極めて高価な汚染制御装置を取付ける必要が
除去されるであろう。静電気分散システムに関する別の
利点は制御が容易てあり且つ特に制御回路内に容易に組
込まれることである。

内燃機関に適用される場合このことは、例えばマイクロ
プロセッサユニットからの命令に従つてキヤブレータの
電界強度を変化させるために、エンジン性能と出力とを
電子フィードバック回路を介してエンジンの要求した仕
事に極めて精確に適合させ得ることを意味する。このよ
うにして、エンジン要求の全条件下で極めて高レベルの
応答を含む最適のエンジン性能が確保されるであろう。
この結果、従来の内燃機関及び制御装置に比較して燃料
の経済性が改良されるであろう。次に、本発明を更に十
分に理解するために、添付図面に基いて本発明のいくつ
かの具体列を説明する。

図中、第１図は全体が符号１で示される内燃機関キヤブ
レータを示す。

装置は従来の型の通風ダクト２の中に収納されており、
（図示しない）スパイダによつて前記ダクト内に同軸的
に支持されている。キヤブレータは、燃料ライン５を取
付けるための取付部材４を含む第１ボディ部材３を含ん
ている。ボディ部材３は軸方向ボア６を有しており、ボ
ア６は燃料ライン５に連通しており且つ燃料ラインの対
向端の近くでボディ部材の壁の中の開口部７で終結して
いる。第１ボディ部材の端部は外面ネジを有しており、
第２ボディ部材８、の１端に形成された内面ネジを持つ
ボア９内に螺合されている。２個のボディ部材３，８は
夫々フランジ１０，１１を有しており、フランジ１０，
１１の間に、一連の多孔質噴霧部材１２とスペーサーリ
ング１３とが交互に締付けられている。

このようにして、スペーサーリング１３とフランジ１０
，１１とが形成する表面とダクト２との間に通路１４が
形成され、通路１４の中に噴霧部材１２が突出している
。第２図で最も明らかな如く、噴霧部材１２はほぼ環状
であり、各個が複数個の末端１７を有する。リング１３
の内表面と第１ボディ部材３との問い環状チャンバ１５
が形成されており、開口部７から出た燃料はチャンバ１
５を通つて種々の多孔質噴霧部材に到達する。ダクト２
の壁は図示の如くアースされており、フランジ１０に高
電圧リード線１６が備えられている。（図示しない）短
いバイパスリード線によつて全部のスペーサーリングが
同じ電位に確保される。使用中の高電圧リード線は励起
され空気と燃料との流れが従来通りの方法で開始される
。

燃料は供給ライン５、ボア６、開口部７及びチャンバ１
５を介して噴霧部材の中に導入され、前記部材に於いて
生じる静電界の増大によつて末端１７で微細スプレーに
転換される。燃料がこのようにして分散させられるとき
に、多孔質部材１２の毛管作用によつて別の燃料が末端
１７に供給される。所望の場合、例えば静水圧によつて
毛管作用を増加し得る。環状ダクト１４から引込まれる
気流がこのスプレーを飛沫同伴し、燃料／空気混合物は
絞り弁を介して従来の方法でエンジンのシリンダに送ら
れる。寸法に関しては、各多孔質部材の先端は典型的に
は約２Ｔｎ！ｎの間隔を隔てて配置されており、多孔質
部材自体は４〜１−の間隔を隔てて配置され得る。

第３図に示された本発明装置の具体例は、キヤブレータ
から出された気流の如き気流から沈殿した燃料の再分散
を行なうように設計されている。

・例えば内燃機関ではしばしば、特に流れが分割される
入ロマニホルドの近くで空気／燃料流入システムの表面
に向つて燃料が空気懸濁液から分離することが知見され
ている。この領域では沈殿した燃料が液体プールの中に
収集され、不利な条件下・では液体燃料の過渡スラグと
してシリンダに流入するかも知れない。前記の如き燃料
は事実上浪費され、更に、過濃縮混合物による結果、好
ましくない不完全燃焼が生じる。従つて、前記の如き沈
殿燃料がエンジンのシリンダ内に流入する直前にｌ該燃
料を空気流の中に連続的に再分散させる或る種の手段が
必要である。このような手段は第３図に示されており、
内部に液体燃料が排出され得る空気／燃料流入ダクト又
はマニホルド２２の中の溜２１を含んでいる。溜２１の
内部に環状多孔質部材２３が配置されており、部材２３
は空気流の中に伸びる末端２４を含む。多孔質部材に向
き合つたダクト又はマニホルドの側面に向つて金属プレ
ート２５が配置されている。金属プレートはアースされ
ており、電気リード線２６を介して多孔質部材に高電位
が印加される。作動中、空気と分散燃料との流れは、ダ
クト又はマニホルド２２の中を第３図に矢印で示す方向
に移動する。

ダクト又はマニホルドの壁に沈着した液体燃料は、ダク
ト又はマニホルドの底部に形成された凹部即ち溜２１に
収集され、毛管作用によつて多孔質噴霧部材２３の先端
２４に引上げられる。多孔質部材と接地プレート２５と
の間に印加された電界の作用により、燃料は先端２４か
ら、進行中の空気／燃料流の中に再分散される。ある場
合には、燃料小滴がダクトの周囲全部に付着し、溜の中
に流入して蓄積されるだけの十分な量になる前に好まし
くない大粒の小滴として再分散し易い。このような場合
には第１図及び第２図で示した装置の変形が有効であろ
う。このような変形では、小滴の付着が予想される領域
でダクト壁と接触して芯構造体が配置される。芯構造体
は、ダクト壁に対して高電位に維持され且つ液体再分散
用の噴霧を行なう末端を持つ符号１２の如き噴霧部材を
１個以上有する噴霧構造体に付着液体を誘導すべく構成
されていなければならないＯ）特に内燃機関の吸気口の
内部への燃料の分散に関して本発明の装置及び方法を説
明してきたが、本発明は記載の特定の用途又はシステム
に全く限定されることなく、液体を気体流の中に噴霧す
ることが望まれるいかなる楊合にも使用され得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は内燃機関のキヤブレータの形状の本発明装置の
断面図、第２図は第１図の２−２線断面図、第３図は入
ロマニホルドの中の液体燃料プールから内燃機関に向つ
て液体燃料を分散させる装置の形状の本発明装置の部分
断面図、第４図は第３図の４−４線部分断面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 複数個の末端を有する少くとも１個の多孔質部材と
   、前記多孔質部材に前記液体を供給する手段と、前記多
   孔質部材の末端に近接して電界を成立させる手段と、前
   記末端の付近から分散液体を飛沫同伴して除去すべく前
   記末端に気体流を送る手段とを含むことを特徴とする気
   体流内に液体を分散させる装置。 ２ 夫々が複数個の末端を有する一連の多孔質部材を含
   んでおり、継続する部材が気体の流線に沿つて隣り合つ
   て配置されていることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項に記載の装置。 ３ 気体がダクト内部を流動すべく拘束されており、各
   多孔質部材の末端はダクト内で放射外側方向に突出して
   いることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の装
   置。 ４ ダクトが実質的に円形の断面を有しており、末端は
   、ダクトと各多孔質部材との間を流れるべく拘束されて
   いる気体の内部に突入すべく放射外側方向に突出してい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第３項の記載の装置
   。 ５ 放射外側方向に向けられた複数個の端子を夫々が有
   するほぼ環状の複数個の多孔質部材と、継続する各対の
   環状多孔質部材の間に１個ずつ配置された複数個のチュ
   ーブ状部材と、内部に流体容器を形成するアセンブリを
   形成するために多孔質部材とチューブ部材とを一緒に保
   持する手段と、前記容器に前記液体を供給する手段と、
   前記多孔質部材の各個の末端の付近で電界を成立させる
   手段と前記の多孔質部材と管状部材とのアセンブリを包
   囲する環状ダクトとを含んでおり、これにより、気体流
   は、多孔質部材とチューブ状部材とのアセンブリとダク
   ト壁との間のスペースを流れるべく拘束されておりこの
   スペースの付近から分散液体を飛沫同伴して除去し得る
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の装置。 ６ 気体の流れをその内部に拘束する壁を有するダクト
   を含んでおり、液体供給手段がダクト壁に付着した液体
   を受容し得る溜を含むことを特徴とする特許請求の範囲
   第１項に記載の装置。７ 多孔質部材が溜の内部に伸び
   ており、溜の内部の液体が毛細管作用によつて末端に引
   寄せられることを特徴とする特許請求の範囲第６項に記
   載の装置。 ８ 末端が少くとも２ｍｍの間隔を隔てていることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項に記載の装置。 ９ 多孔質部材が、セラミック、ゼオライト、布、紙及
   び焼結金属から成るグループから選択された材料である
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の装置。 １０ 複数個の末端を有する多孔質部材に液体を供給し
   、同時に、前記液体を前記末端で静電帯電させ前記末端
   から小滴流として流出させるような大きさの電界を末端
   の付近に成立させ、前記末端を通る前記小滴を飛沫同伴
   する気体流を供給する段階を含む気体流内への液体の分
   散方法。１１ 液体が毛細管作用によつて多孔質部材か
   ら末端に引寄せられることを特徴とする特許請求の範囲
   第１０項に記載の方法。 １２ 電界の大きさが少くとも１００ｋＶ／ｍであるこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１０項に記載の方法。 １３ 電界の大きさが１ＭＶ／ｍのオーダであることを
   特徴とする特許請求の範囲第１２項に記載の方法。１４
   気体が空気であることを特徴とする特許請求の範囲第
   １０項に記載の方法。 １５ 電界の大きさが約３ＭＶ／ｍ未満であることを特
   徴とする特許請求の範囲第１４項に記載の方法。 １６ 電界が同期変化電界であることを特徴とする特許
   請求の範囲第１０項に記載の方法。 １７ 液体が炭化水素燃料であることを特徴とする特許
   請求の範囲第１４項に記載の方法。 １８ 液体がガソリンであることを特徴とする特許請求
   の範囲第１７項に記載の方法。