JP2006241243A - 内燃機関用燃料改質装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小さな投入エネルギーで排出ガスがクリーン化できる内燃機関用燃料改質装置の提供。
【解決手段】ガソリン及び水を内部に貯留する改質槽１０と、改質槽１０内に微小気泡を導入し、水及びガソリンの混合物をエマルジョン化する微小気泡導入手段２０とを有することを特徴とする内燃機関用燃料改質装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関においてＮＯｘなどの発生を低減できる内燃機関用燃料改質装置に関する。

近年、内燃機関、特にディーゼルエンジンやガソリンエンジンより排出される排出ガス中に含まれる有害物質（ＮＯｘ・ＨＣ・スモーク等）の低減と、内燃機関を理想的な性能（例えば低燃費・高出力）で運転するという要求とを両立させる目的で、内燃機関の運転条件に応じて燃料性状の面から改良することが要求されている。

例えば、ディーゼルエンジンでは、エンジン筒内での燃焼時に、高温状態で空気及び酸素が共存することによってＮＯｘが発生する。ＮＯｘの発生を低減させる方法としては、短時間で燃焼を完了させることが挙げられるが、そうすると、ＰＭ（粒子状物質）の発生が増加することになる。これらを回避するために、短時間での燃焼を避けながらＮＯｘ発生の原因となる筒内温度の上昇を抑制する手段として、油中水滴(W/O)型のエマルジョン燃料を用いることが検討されている。

エマルジョン燃料を採用することで、(a)水の気化潜熱によって着火遅れ期間の増大、(b)水の気化潜熱による燃焼時の筒内温度上昇抑制（=ＮＯｘ抑制）、更には、(c)水のミクロ爆発による燃料微粒化の補助などが期待できる。

エマルジョン燃料を製造する従来技術としては、界面活性剤を用いる方法が開示されている（特許文献１）。また、磁歪材料や圧電素子、または超磁歪材料からなる振動子によって発生させた高周波振動を照射し、燃料と水の混合液にキャビテーションを発生させて、燃料に水が拡散・混合して超微粒化された高混合密度のエマルジョン燃料を生成する技術が開示されている（特許文献２）。
特開２００４−６７９１３３号公報 特開２００４−７６６０８号公報 特開２００３−３３４５４８号公報 特開２００４−１２１９６２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、エマルジョン燃料の生成に界面活性剤が必要であり、余分なコストが必要になる。また、特許文献２に記載の技術では、エマルジョン燃料を生成する際に超音波のエネルギーが多く必要であり、場合によっては燃費にも悪影響を及ぼすおそれがある。

本発明は上記実情に鑑みなされたものであり、排出ガス中の有害物質の低減と理想的な性能発揮を目的として内燃機関用燃料を改質する装置を提供することを解決すべき課題とする。

ところで、本発明者らは直径がナノオーダーの気泡（本明細書内では、適宜、「微小気泡」と称する）を用いた燃料改質について検討を行っている。

微小気泡は、その大きさから、気−液界面の面積増加、高圧の発生、静電分極の実現、表面活性の増大、浮力の減少などの特性を有している（特許文献３及び４）。これら特性の発現により、燃焼特性の改善が期待できるが、本発明では特に微小気泡が有する電気的特性に着目し検討を行った。

上記課題を解決する目的で本発明者らが鋭意検討を行った結果、直径がナノオーダーの気泡（本明細書内では、適宜、「微小気泡」と称する）を内燃機関用燃料及び水の混合物中に添加することでエマルジョン燃料を効率的に生成できることに想到した。

すなわち、上記課題を解決する本発明の内燃機関用燃料改質装置は、内燃機関用燃料及び水を内部に貯留する改質槽と、
該改質槽内に微小気泡を導入し、該水及び該内燃機関用燃料の混合物をエマルジョン化する微小気泡導入手段と、
を有することを特徴とする。

微小気泡を導入することでエマルジョンが安定化する機構としては明確ではないが、以下の機構が推測される。すなわち、微小気泡は、その静電分極によって、界面活性剤様の作用を発揮して微細化した水滴を内燃機関用燃料中で安定化しているものと推測される。微小気泡は比較的低エネルギーにて生成できるのでエネルギー効率的にも有利である。

本発明の内燃機関用燃料改質装置は上記構成を有するので、適用する内燃機関の燃焼条件を容易に適正化することができる。また、先に述べたように、微小気泡は低エネルギーにて生成できるので系全体として考えた場合にエネルギー効率が向上できる。

本発明の内燃機関用燃料改質装置は内燃機関用燃料に微小気泡を導入して改質する装置であり、エンジン筒内に導入するまでの間、液体である内燃機関用燃料を採用した内燃機関であればどのような内燃機関にでも適用できる。例えば、ディーゼルエンジン、ガソリンエンジンなどに適用できる。本発明の内燃機関用燃料改質装置は改質槽と微小気泡導入手段とを有する。

改質槽は内燃機関用燃料及び水を内部に貯留する手段である。改質槽内の水は専用（又は共用）の容器などを設け、ポンプなどによりその容器から必要に応じて導入する方法や、燃料タンク内の内燃機関用燃料中に予め導入しておくことなどができる。

改質槽内における内燃機関用燃料と水との混合比は内燃機関の運転状況によって制御することが望ましく、その場合には何らかの制御手段により制御する。制御手段としてはＥＣＵなどを共用したり、独立した手段を設けることなどができる。

改質されて生成されたエマルジョン燃料はそのままエンジン筒内に噴射される場合の他、エマルジョン化されていない内燃機関用燃料に混合した後にエンジン筒内に添加することもできる。改質槽内で生成するエマルジョン燃料（又は内燃機関中に噴射されるエマルジョン燃料）中に含まれる水の量は内燃機関の運転状況に応じて制御手段などにより制御されることが望ましい。エマルジョン化されていない内燃機関用燃料に混合する手段を採用する場合は、改質槽内での内燃機関用燃料と水との混合比を制御しなくてもエンジン筒内に噴射するエマルジョン燃料中に混合する水の混合比を容易に制御できる。

改質槽は、燃料タンクと共用することも可能であるが、燃料タンクよりも少ない容量の内燃機関用燃料を燃料タンクから独立して貯留できる手段を採用するほうが、内燃機関用燃料中に含有させる水の量を運転状況に応じて容易に制御できる上、同じ量の水をエマルジョン化する場合でも微小気泡導入手段の大きさを小さくできるので好ましい。

微小気泡導入手段は微小気泡を改質槽内に導入する手段である。導入された微小気泡によって改質槽内に貯留された水及び内燃機関用燃料の混合物をエマルジョン化する。ここで、微小気泡とはナノメーターオーダーからマイクロメーターオーダーの直径を持つ気泡であり、ナノバブル、マイクロバブルなどと称される大きさのもである。

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、内燃機関用燃料内にて、気−液界面の面積増加、高圧の発生、静電分極の実現、表面活性の増大、浮力の減少などの特性を効果的に発揮することができる。その結果、内燃機関用燃料と水との間の界面張力を低下させて安定なエマルジョンを形成する。また、内燃機関用燃料がエンジン筒内に噴射される直前には、一般的に高圧状態となっているので、噴射された後に一気に低圧状態になることで、微小気泡自身の高圧により、噴射された燃料の粒が一気に微細化される効果も期待できる。

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及びそれらの組み合わせなどがある。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、空気などの気体を導入しながら超音波を照射することで、微小気泡を発生させる方法である。気体を導入しながら超音波を照射すると、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。また、流体学的方法によって微小気泡を生成する手段は、後述する内燃機関用燃料及び水を効果的に混合する混合促進手段を兼ねることが可能であり、装置を全体として簡略化できる。

流体学的方法により微小気泡を発生する微小気泡導入手段は、頂部近傍に設けられた開口部である微小気泡導出口をもつ円錐（台）状の空間を形成する本体部と内燃機関用燃料及び水の混合物を圧送する圧送手段とを有する。本体部は、円錐状の内部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圧送手段より内燃機関用燃料及び水の混合物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及び水の混合物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及び水の混合物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及び水の混合物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及び４に一部開示されている。

本内燃機関用燃料改質装置は、内燃機関用燃料及び水の混合を促進する混合促進手段を有することができる。微小気泡導入手段として先述の流体学的方法を採用することで混合促進手段としての効果が得られる。

（構成）
本実施例の内燃機関用燃料改質装置は内燃機関としてのガソリンエンジンが搭載された車両に用いる装置である。図１に本改質装置を組み込んだ車両のエンジン及び燃料供給装置近傍の概略を示す。本改質装置は、図１に示す装置のうち、改質槽１０、微小気泡導入手段２０及び酸素濃度制御手段３０から構成される。

改質槽１０は内部に内燃機関用燃料としてのガソリン及び水を貯留する。改質槽１０にはポンプ３１及び３２によってガソリン及び水が供給される。ポンプ３１及び３２は制御手段としてのＥＣＵ７１によって吐出量が制御され、その結果、改質槽１０内における水の混合比、ひいてはエマルジョン燃料中の水の混合比が制御できる。ガソリンは燃料タンク（図略）、水は水タンク（素略）に貯留されている。改質槽１０内には微小気泡導入手段２０及び燃料ポンプ４５が配設される。燃料ポンプ４５はインジェクター４１にガソリンを供給する。

微小気泡導入手段２０は、図２に示すように、内部空間２０１ｃをもつ本体部２０１と、内部空間２０１ｃに一端部が開口する導出口２０４、燃料供給路２０２及び気体供給路２０３と、燃料供給路２０２の他端部からガソリン及び水の混合物を供給するポンプ（図略）とを有する。気体供給路２０３の他端部は酸素濃度制御手段３０を介して空気中に開口する。酸素濃度制御手段３０は酸素ボンベ（図略）や酸素富化膜（図略）により酸素濃度が向上された気体と空気との混合比を制御することで供給する気体中の酸素濃度を制御する手段である。

本体部２０１の内部空間２０１ｃは円錐状の空間を形成する。燃料供給路２０２は内部空間２０１ｃが形成する円錐を形成する円の接線方向に一端部が開口し、燃料供給路２０２から導入されるガソリン及び水の混合物により空間２０１ｃ内に旋回流を発生する。円錐状の内部空間２０１ｃの底面側中央には気体供給路２０３の一端部が開口し、円錐状の内部空間２１０ｃの頂部側中央には導出口２０４が開口する。

（作用効果）
微小気泡導入手段２０は、円錐状空間２０１ｃ内をガソリン及び水の混合物で満たした状態で、燃料供給路２０２よりガソリン及び水の混合物を流入させることで、円錐状空間２０１ｃ内で旋回流が発生する。その結果、円錐状空間２０１ｃの底部近傍に負圧が発生し、気体供給路２０３の一端部から酸素濃度が制御された空気が流入する。ここで、微小気泡導入手段２０は混合促進手段の作用も発揮する。

流入してきた空気は円錐状空間２０１ｃ内をガソリン及び水の混合物とともに旋回していき、その後、円錐状空間２０１ｃ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て、微小気泡が形成されて円錐状空間２０１ｃの頂部に設けられた導出口２０４からガソリン及び水の混合物とともに改質槽１０内に導出されていく。その結果、改質槽１０内には微小気泡が分散される。

つまり、燃料供給路２０２からガソリン及び水の混合物を導入することで、気体供給路２０３から気体を吸入して、微小気泡を含むガソリン及び水の混合物が導出口２０４から改質槽１０内に吐出され、改質槽１０内には微小気泡が分散される。発生する微小気泡の大きさは直径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下に制御されている。ガソリン及び水の混合物は導出口２０４から導出される際に更に混合が進行し、微小気泡の作用とも相俟ってエマルジョン化が進行する。なお、一度、エマルジョン燃料が生成した後は、微小気泡導入手段２０を停止することで更なる投入エネルギーの低下を実現する。

エマルジョン燃料（ガソリン中に水滴及び微小気泡が分散されている）は燃料ポンプ４５によりインジェクター４１に供給される。流路４６内ではガソリンに高圧が加わり、微小気泡の径が改質槽１０内よりも小さくなる。流路４６内からインジェクター４１にエマルジョン燃料が供給されると、急激な圧の低下により、含有する微小気泡の径が大きくなってエンジン筒内でのエマルジョン燃料の微細化を引き起こす。その結果、ガソリンと周囲の空気との接触面積が増加して完全燃焼しやすくなる（酸素濃度を変化させることで、より良い燃焼条件に改善できる）。また、微細化されたエマルジョン燃料の液滴中には水滴を含有しているので、エンジン筒内でガソリンが燃焼する際に、(a)水の気化潜熱によって着火遅れ期間の増大、(b)水の気化潜熱による燃焼時の筒内温度上昇抑制（=ＮＯｘ抑制）、更には、(c)水のミクロ爆発による燃料微粒化の補助などの作用を発揮して、好ましい燃焼特性を得ることができる。

ここで、ＥＣＵ７１は、スロットル４３からのスロットル開度、吸気圧センサ４４からの吸気圧、クランク角センサ５２からのクランク角、並びに、空燃比センサ４２からの空燃比の各データに基づきポンプ３１及び３２を制御して、水の混合比を制御する。

具体的には、ＥＣＵ７１に入力された各データに基づき、エンジン筒内での燃焼温度などを予測し、その値によって制御する。その場合に、予めＮＯｘなどが発生する条件をデータとして有しており、ＮＯｘが発生する条件では水分量を高く制御する。更に、ＥＣＵ７１は微小気泡導入手段２０の作動も制御する。

（変形例）
流路４６に燃料タンクからガソリンを供給する流路を接続し、ＥＣＵ７１により、改質槽１０内の水の混合比を制御することに代えて、燃料ポンプ４５及び流路４６にガソリンを供給するポンプの吐出量を内燃機関の運転状況に基づき制御することで、応答性よく水の混合比を制御することができる。

実施例の内燃機関用燃料改質装置を組み込んだ車両の燃料噴射装置及び燃料タンク近傍の概略を示す図である。 実施例において採用した微小気泡発生手段の断面図である。

符号の説明

１０…燃料タンク
２０…微小気泡導入手段
２０１…本体部 ２０１ｃ…内部空間 ２０４…導出口 ２０２…燃料供給路 ２０３…気体供給路
３１、３２…ポンプ

Claims (5)

1. 内燃機関用燃料及び水を内部に貯留する改質槽と、
   該改質槽内に微小気泡を導入し、該水及び該内燃機関用燃料の混合物をエマルジョン化する微小気泡導入手段と、
   を有することを特徴とする内燃機関用燃料改質装置。
2. 前記内燃機関用燃料及び前記水の混合を促進する混合促進手段を有する請求項１に記載の内燃機関用燃料改質装置。
3. 前記内燃機関用燃料及び前記水の混合比を内燃機関の運転条件に応じて制御する制御手段を有する請求項１又は２に記載の内燃機関用燃料改質装置。
4. 前記微小気泡は直径が１０ｎｍ以上、２０μｍ以下である請求項１〜３のいずれかに記載の内燃機関用燃料改質装置。
5. 前記微小気泡導入手段は、円錐乃至円錐台形状の空間を内部にもち且つ該空間の底面部に設けられた気体導入口及び頂部近傍に設けられた微小気泡導出口を備える本体部と、該空間の接線方向に前記内燃機関用燃料及び前記水を圧送することで軸に沿って旋回流を生成する圧送部と、をもつ請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関用燃料改質装置。
   

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