JP2006177261A

JP2006177261A - 内燃機関用燃料の改質方法及び改質装置並びに燃料改質装置付燃料タンク

Info

Publication number: JP2006177261A
Application number: JP2004372020A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Ishitani; 雅宏石谷; Yurio Nomura; 由利夫野村
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-12-22
Filing date: 2004-12-22
Publication date: 2006-07-06

Abstract

【課題】小さな投入エネルギー且つ簡便な方法でPM発生を抑制できる軽油改質方法の提供。
【解決手段】燃料タンクのタンク本体１０内に貯留された軽油に微小気泡ＭＢを導入する微小気泡導入手段３０を有する。特に導入する微小気泡ＭＢは直径が１０ｎｍ以上、２０μｍ以下であることが望ましい。軽油中に直径がマイクロサイズ、ナノサイズの微小気泡ＭＢを混入させると、微細気泡ＭＢは気体成分の溶解により消滅する際に、瞬間的に数千気圧、数千℃になって、その際に衝撃波が発生する。発生した衝撃によって、軽油分子のクラスター構造を微細化できる。本発明の軽油改質装置及び改質方法は、軽油内に微小気泡ＭＢを導入することで軽油内のクラスターを小さくできる。軽油内への微小気泡ＭＢの導入に要する装置のコスト及び投入エネルギーは格段に小さくできる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関用燃料を改質する燃料改質装置及び方法並びにその改質装置を用いた燃料改質装置付燃料タンクに関する。

自動車など、内燃機関から排出される排気ガス中には、有害物質が多分に含まれている。発生する有害物質の1つにPM（微粒子状物質）があり、本物質を低減することが現在1つの課題となっている。例えばディ−ゼル車においてPMが発生する一因としては、燃焼時に非常に濃い混合気が形成されることが挙げられる。非常に濃い混合気が形成されると、燃料と空気との混合が充分でなくなり、PMの主成分で有る黒煙が生成する原因となる。

黒煙の発生は、空気の導入量を増加させて燃焼室内でできる限り酸化（再燃焼）させることで低減することができる。ただし、酸素の共存下、再燃焼により高温になると、ＮＯｘが発生する。従って、有害物質の発生が少ない適正な燃焼条件の維持が困難な場合もあった。つまり、燃焼条件の最適化によってはPMの低減とＮＯｘの低減とを両立することは困難であった。

ところで、自動車に使用されるガソリンや軽油の燃料中の分子は、クラスター（Cluster）と呼ばれる塊状になっている。クラスターとは原子や分子の集合体のことで、原子や分子が数個から１万個程度の塊となって構成されている。このため、これら燃料分子と空気に含まれる酸素との接触・結合が困難となり、不完全燃焼が生じることがある。もし、不完全燃焼が発生すれば、ＨＣやＮＯｘなどが発生し、エミッション的に問題となってくる。それらを回避するため、燃料中の分子のクラスター構造を分解し、酸素との結合を促進させて燃焼効果を高め、燃費効率UP、エミッション低減を目指す試みがなされている。

従来の燃料内のクラスターを分解、微細化する方法としては、強力な磁場に加え、特にマイナスイオンの作用させる方法がある（特許文献１）。詳細には、マイナスイオンを発生させるマイナスイオン発生セラミック内を通過させることで燃料をイオン化させた後、強力な磁場を作用させた燃料パイプにイオン化した燃料を通過させることで、フレミングの法則によりローレンツ力を発生させ、分子クラスターを分裂、細分化することで、燃焼効果を向上させている。

また、燃料内のクラスターを分解、微細化する方法として、燃料供給管に電磁石を配設し、断続的に磁場を発生させることによる微細化方法を提案している（特許文献２）。
特開２００３−２０６８１６号公報特開２００４−１４４０１２号公報特開２００２−１４３８８５号公報特開２００３−１８１２５９号公報特開２００３−２０５２２８号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、強力な磁場の発生源として、例えばネオジウム磁石と同等な永久磁石を使用するが、現状はまだコスト高であるため、安価な装置を製作できるとは言い難い。また、マイナスイオン発生セラミックを使用するため、これまたコストが上がるとともにシステム的には簡素なものができるとはいい難い。

また、特許文献２の方法では、パルス電圧を印加する方式であるため、トータルで見ると膨大なエネルギーを消費してしまう可能性がある。

本発明は上記実情に鑑みなされたものであり、小さな投入エネルギー且つ簡便な方法で燃料中のクラスターを小さくできる内燃機関用燃料の燃料改質装置及び改質方法並びにその燃料改質装置を用いた燃料改質装置付燃料タンクを提供することを解決すべき課題とする。

上記課題を解決する本発明の燃料改質装置は、燃料タンク内に貯留された内燃機関用燃料に微小気泡を導入する微小気泡導入手段を有することを特徴とする。特に導入する微小気泡は直径が１０ｎｍ以上、２０μｍ以下であることが望ましい。

燃料中に直径がマイクロサイズ、ナノサイズの微小気泡を混入させると、微細気泡は気体成分の溶解により消滅する際に、瞬間的に数千気圧、数千℃になって、その際に衝撃波が発生する。発生した衝撃によって、燃料分子のクラスター構造を微細化できる。

そして、上記課題を解決する本発明の燃料改質装置付燃料タンクは、内部に内燃機関用燃料を貯留するタンク本体と、
該タンク本体内に微小気泡を導入する上述の燃料改質装置と、
該タンク本体の内部に開口する燃料取り入れ口を備え、前記内燃機関用燃料を内燃機関に送出する燃料送出ポンプと、
前記微小気泡導入手段から導入された前記微小気泡が直接該燃料取り入れ口から該燃料ポンプに取り込まれないようにする遮蔽板と、を有することを特徴とする。

更に上記課題を解決する本発明の燃料改質方法は、内燃機関用燃料に微小気泡を導入することで該内燃機関用燃料を構成する分子のクラスターサイズを小さくする微小気泡導入工程を有することを特徴とする。ここで、前記微小気泡は直径が１０ｎｍ以上、２０μｍ以下であることが望ましい。

本発明の燃料改質装置及び改質方法は、燃料内に微小気泡を導入することで燃料内のクラスターを小さくできる。クラスタサイズが小さくできる結果、燃料の燃焼が促進され、PM発生が抑制できる。燃料内への微小気泡の導入に要する装置のコスト及び投入エネルギーは特許文献１及び２に開示されたものより格段に小さくできる。

（燃料改質装置及び燃料タンク）
本実施形態の燃料改質装置は、内燃機関用の燃料に対して適用される（特にPMの抑制が望まれるディーゼルエンジン用燃料である軽油に好適に適用される）。本改質装置は微小気泡導入手段を有する。微小気泡導入手段は燃料タンク内に貯留された内燃機関用燃料に微小気泡を導入する手段である。

微小気泡はマイクロバブル、ナノバブル、マイクロナノバブルなどと称される大きさのものが望ましい。具体的には常圧下で微小気泡の直径が１０ｎｍ以上２０μｍ以下程度が望ましく、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下が更に望ましい。微小気泡の直径をこの程度に制御すると、効果的に衝撃波が発生してクラスターを小さくすることができる。微小気泡を構成する気体は特に限定しないが、空気を用いることが好ましい。

微小気泡の生成法としては特に限定しない。例えば、流体学的方法、水電解法及び超音波生成法などがある。水電解法は内燃機関用燃料中に水を導入しその水を電気分解することで微小気泡を発生させる方法である。超音波生成法は超音波の照射条件を制御することで、微小気泡を発生させる方法である。分画に対してそのまま超音波を照射したり、気体を導入しながら超音波を照射することで微小気泡が生成できる。気体を導入しながら超音波を照射すると、制御及び装置の大きさなどに一部制限が生ずるものの投入エネルギーを小さくできる。

流体学的方法は、以下に説明するように、投入エネルギーを小さくでき、もっとも微小気泡の発生に適した方法である。微小気泡は微小気泡発生装置にて製造する。微小気泡発生装置は、頂点に開口部をもつ円錐状の空間を形成する本体部と、円錐状空間に開口しその円錐状空間を構成する円の接線方向に向けて内燃機関用燃料を流入させる内燃機関用燃料導入口と、円錐状空間の底面の中央付近に開口しその円錐状空間を構成する円錐の軸方向に気体を流入させる気体導入口とを有している。内燃機関用燃料により円錐状空間内を満たした状態で、内燃機関用燃料導入口より内燃機関用燃料を流入させることで、円錐状空間内で旋回流が発生する。その結果、円錐状空間の底部近傍に負圧が発生し、気体導入口から気体が流入する。流入してきた気体は内燃機関用燃料とともに旋回していき、円錐状空間の頂部方向に進んでいく、頂部方向に進むにつれて導入された気体は縮径且つ伸長されることで、微小気泡が形成されて円錐状空間の頂部に設けられた開口部から内燃機関用燃料とともに円筒状空間から導出されていく。円錐状空間の形状（円錐の径、円錐角の大きさ、円錐の長さなど）、内燃機関用燃料の導入速度、内燃機関用燃料導入口及び気体導入口の開口径などを制御することで微小気泡の直径を制御できる。なお、本原理に基づいて微小気泡を発生する方法及び装置については特許文献３〜５に一部開示されている。

燃料タンクに本燃料改質装置を備えることができる（本実施形態の燃料改質装置付燃料タンク）。本燃料改質装置付燃料タンクは前述の燃料改質装置とタンク本体と燃料送出ポンプと遮蔽板とを有する。

タンク本体は内燃機関用燃料を内部に貯留する部材であり、通常の形態のものが利用できる。燃料送出ポンプはタンク本体の内部に開口する燃料取り入れ口をもつ。遮蔽板はタンク本体の内燃機関用燃料を貯留する内部空間を２分するように一部区画している。遮蔽板によるタンク本体内の空間の区画は完全なものではなく、タンク本体の内部空間の下方にて燃料が行き来できるように、内部空間の下方で区画した空間の間を連通するように開口する。こうすることで、微小気泡導入装置により導入された微小気泡が燃料取り入れ口から取り入れられるおそれが少なくできる。つまり、区画した一方の空間に燃料取り入れ口が開口し、他方の空間に燃料改質装置が微小気泡を導入することで、微小気泡は重力の作用により上方に移動していく。その際に、微小気泡は遮蔽板にて遮られるために、燃料取り入れ口が開口する空間内に浸入するおそれが少なくなる。

（燃料改質方法）
本実施形態の燃料改質方法は微小気泡導入工程を有する。微小気泡導入工程は内燃機関用燃料に微小気泡を導入することでその内燃機関用燃料を構成する分子のクラスターサイズを小さくする工程である。ここで、内燃機関用燃料に微小気泡を導入する具体的な方法としては前述の燃料改質装置にて説明したものと同様の手段が採用できるので更なる説明は省略する。

本実施例の内燃機関用燃料改質装置付燃料タンクは内燃機関としてのディーゼルエンジン用の燃料として用いる軽油用の燃料タンクである。本燃料タンクは、図１に示すように、タンク本体１０と燃料送出ポンプ２０と微小気泡導入装置３０と遮蔽板４０を有する。

タンク本体１０は内部に軽油を貯留する中空の部材である。タンク本体１０の内部空間は遮蔽板４０にて２分されている。２分されたタンク本体１０の内部空間は下方で一部連通している。燃料送出ポンプ２０はタンク本体１０の２分された内部空間のうちの一方の空間内に開口する燃料取り入れ口２２１を有する。燃料（軽油）は燃料ポンプ（図略）によって燃料パイプ２２を通りエンジンに送出される。間にコモンレールなどを有することもある。

微小気泡導入装置３０は燃料取り入れ口２２１が配置された空間と異なる内部空間に配置される。微小気泡導入装置３０はポンプ３２にて微小気泡発生装置３３中に導入される。ポンプ３２はパイプ３１を介して燃料取り入れ口２２１が配置された内部空間側から軽油を取り込んでいる。

微小気泡発生装置３３は、図２に示すように、本体部３３１と導出口３３２とを備える。本体部３３１は円錐状の空間３３１ｃを形成する。空間３３１ｃには燃料ポンプ３２からのパイプ３１が接続される。パイプ３１は空間３３１ｃが形成する円錐を形成する円の接線方向に開口し、パイプ３１から導入される軽油により空間３３１ｃ内に旋回流を発生する。円錐状の空間３３１ｃの底面側中央には空気導入パイプ３４の一端部が開口する。空気導入パイプ３４は途中に流量計３５を備え、他端部が大気中にて開口する。

微小気泡発生装置３３は、円錐状空間３３１ｃ内を軽油で満たした状態で、パイプ３１の一端部より燃料を流入させることで、円錐状空間３３１ｃ内で旋回流が発生する。その結果、円錐状空間３３１ｃの底部近傍に負圧が発生し、空気導入パイプ３４の一端部から空気が流入する。流入する空気の量は流量計３５にて測定できる。

流入してきた空気は円錐状空間３３１ｃ内を軽油とともに旋回していき、その後、円錐状空間３３１ｃの頂部方向に進んでいく。頂部方向に進むにつれて導入された空気は縮径且つ伸長されることで、微小気泡ＭＢが形成されて円錐状空間３３１ｃの頂部に設けられた導出口３３２から燃料とともに円筒状空間３３１ｃからタンク本体１０内に導出されていく。その結果、タンク本体の燃料取り入れ口２２１を有しない側の空間内には微小気泡ＭＢが分散される。

発生する微小気泡ＭＢの大きさは直径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下に制御されている。分散された微小気泡ＭＢは消滅する際に衝撃波を発生し、軽油中のクラスターを小さくする。クラスターのサイズが小さくされることで、酸素との接触が促進されるのでより完全な燃焼が期待できる結果、PM発生のおそれが少なくなる。

実施例の燃料改質装置付燃料タンクの全体構成を示した概略図である。実施例において採用した微小気泡発生装置の断面拡大図である。

符号の説明

１０…タンク本体
２０…燃料送出ポンプ２０
２１１…燃料取り入れ口
３０…微小気泡導入装置
３１…パイプ３２…ポンプ３３…微小気泡発生装置３３１…本体部３３１ｃ…円錐状空間３３２…導出口微小気泡発生装置３４…空気導入パイプ３５…流量計
４０…遮蔽板
ＭＢ…微小気泡

Claims

燃料タンク内に貯留された内燃機関用燃料に微小気泡を導入する微小気泡導入手段を有することを特徴とする燃料改質装置。
前記微小気泡は直径が１０ｎｍ以上、２０μｍ以下である請求項１に記載の燃料改質装置。
内部に内燃機関用燃料を貯留するタンク本体と、
該タンク本体内に微小気泡を導入する請求項１又は２に記載の燃料改質装置と、
該タンク本体の内部に開口する燃料取り入れ口を備え、前記内燃機関用燃料を内燃機関に送出する燃料送出ポンプと、
前記微小気泡導入手段から導入された前記微小気泡が直接該燃料取り入れ口から該燃料ポンプに取り込まれないようにする遮蔽板と、を有することを特徴とする燃料改質装置付燃料タンク。
内燃機関用燃料に微小気泡を導入することで該内燃機関用燃料を構成する分子のクラスターサイズを小さくする微小気泡導入工程を有することを特徴とする燃料改質方法。
前記微小気泡は直径が１０ｎｍ以上、２０μｍ以下である請求項４に記載の燃料改質方法。