JP4453571B2 - 内燃機関用燃料改質装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関用燃料の微細化を促進することで燃焼性を向上させ、内燃機関の始動性改良、高効率化、高出力化、低エミッション化などを同時成立を目指した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、内燃機関用燃料を微細化した状態でエンジン筒内に供給することで燃焼性を向上させることが行われている。例えば、噴射弁構造を改良することで、噴射弁内の燃料流れ及び燃料が噴出する特性を制御して微細化を促進する手法が開示されている（特許文献１）。
特開２００３−３１４４１１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に開示された方法では部品点数の増加、構造の複雑化、特殊な噴射弁構造を実現するための微細加工及びその精度向上が必要になるなどの問題点がある。

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。

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）を内燃機関用燃料中に添加することで燃焼特性を改善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、内燃機関用燃料を内部に貯留する燃料タンクと、
該燃料タンク内の該内燃機関用燃料をインジェクターに供給する燃料ポンプの上流側に微小気泡を導入する微小気泡導入手段と、
を有し、
前記燃料ポンプは前記微小気泡を含む前記内燃機関用燃料を加圧して前記インジェクターへ供給することを特徴とする。

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２及び３）。これら特性の発現により、燃焼特性の改善が期待できる。

特に、エンジン筒内に噴射される内燃機関用燃料の微細化の効果が期待される。すなわち、内燃機関用燃料は、微小気泡が添加された状態でエンジン筒内に噴射されるが、噴射時に加えられる圧力がエンジン筒内で一気に解放されることで、微小気泡が膨張して噴射された内燃機関用燃料を更に微細化することが期待できる。

微小気泡内の気体の圧力を考えると、微小気泡の内圧（Ｐｉｎ）は燃料の圧力（Ｐｆ）と燃料の表面張力による圧力（Ｐｓ）とを加えた値で表される。燃料の圧力（Ｐｆ）はエンジン筒内に噴射される直前で一番高い値になった後、噴射後に低下する。例えば、噴射後の圧力は、ポート噴射の内燃機関では大気圧程度、直噴の内燃機関では噴射時の筒内圧力である。燃料の圧力が一気に低下することにより、Ｐｉｎ＞Ｐｆ＋Ｐｓとなって、微小気泡は膨張して液滴内部から破砕化することになる。

ここで、微小気泡は一般的な燃料噴射手段によって生成する燃料の噴射液滴（通常μｍオーダー）一つに対して数個から十数個導入することができるので、噴射する殆どの液滴について微細化の効果を発揮することも容易である。

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、エンジン筒内に噴射する内燃機関用燃料液滴の微細化や前述したような微小気泡による表面活性の増加などの効果により、燃焼特性が向上できる。エンジン筒内に噴射する噴射弁の構造などを改良する方法と比較して、比較的簡便な装置を採用することができる。

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燃料タンクと微小気泡導入手段とを有する。

燃料タンクは内燃機関用燃料を内部に貯留する部材である以外、特に限定するものではない。

微小気泡導入手段は微小気泡形成ガスからなる微小気泡を内燃機関用燃料内に導入する手段である。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。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が期待できる。ここで、微小気泡は空気などを用いることもできるほか、酸素濃度など組成を調整した気体をボンベ中などに用意することもできる。

微小気泡は燃料タンク内に導入する。

微小気泡の生成法としては特に限定しない。例えば、流体力学的方法、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。槽内に保持した内燃機関用燃料に対してそのまま超音波を照射したり、何らかのガス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。ガス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。

流体力学的方法は、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。流体力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微小気泡形成ガスを流入させる微小気泡形成ガス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、微小気泡形成ガス導入口から微小気泡形成ガスが流入する。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微小気泡形成ガス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微小気泡形成ガス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２及び３に一部開示されている。

（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、燃料タンク１０及び微小気泡導入手段２０から構成される。

燃料タンク１０は内部に内燃機関用燃料としてのガソリンを貯留する。燃料タンク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及びガス供給路２０３と、燃料供給路２０２の他端部からガソリンを供給するポンプ（図略）とを有する。ガス供給路２０３の他端部には空気を送出するポンプ３０が接続され、外部から空気が供給される。

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の底面側中央にはガス供給路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内をガソリンで満たした状態で、燃料供給路２０２より燃料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、ガス供給路２０３の一端部から空気が流入する。流入する空気の量はポンプ３０の運転状態にて制御される。

流入してきた空気は円錐状空間２０１ｃ内をガソリン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からガソリンとともに燃料タンク１０内に導出されていく。その結果、燃料タンク１０内には微小気泡が分散される。つまり、燃料供給路２０２からガソリンを導入することで、ガス供給路２０３から空気を吸入して、微小気泡を含むガソリンが導出口２０４から燃料タンク１０内に吐出され、Ａに示すように、燃料タンク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。

ガソリン中の微小気泡は燃料ポンプ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、Ｂに示すように、微小気泡の径が燃料タンク１０内よりも小さくなる。流路４６内からインジェクター４１にガソリンが供給されると、急激な圧の低下により、Ｃに示すように、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ガソリン液滴を内部から破砕して微細化を引き起こす。その結果、ガソリン液滴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。

（参考例）
微小気泡導入手段２０を燃料タンク１０からインジェクター４１に至るまでの経路に設けることができる。例えば、微小気泡導入手段２０を流路４６内に設ける構造や、燃料タンク１０からガソリンを一旦、容量の少ないサブタンクに一部移し、サブタンク内からインジェクター４１にガソリンを供給する構成を採用し、サブタンク内に微小気泡導入手段２０を配設する構造などが挙げられる。少ない容量のガソリンに微小気泡を導入することで、微小気泡導入手段２０を小型化できる。

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…ガス供給路
３０…ポンプ

Claims (3)

1. 内燃機関用燃料を内部に貯留する燃料タンクと、
   該燃料タンク内の該内燃機関用燃料をインジェクターに供給する燃料ポンプの上流側に微小気泡を導入する微小気泡導入手段と、
   を有し、
   前記燃料ポンプは前記微小気泡を含む前記内燃機関用燃料を加圧して前記インジェクターへ供給することを特徴とする内燃機関用燃料改質装置。
2. 内燃機関用燃料を内部に貯留する燃料タンクと、
   該燃料タンク内の該内燃機関用燃料をインジェクターに供給する燃料ポンプの上流側に微小気泡を導入する微小気泡導入手段と、
   を有し、
   前記微小気泡導入手段は、生成した微小気泡を導出する開口部を頂点に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前記内燃機関用燃料を流入させる内燃機関用燃料導入口と、前記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微小気泡を形成するガスを流入させる微小気泡形成ガス導入口とを備え、
   前記微小気泡は直径が１０ｎｍ以上、１００ｎｍ以下である内燃機関用燃料改質装置。
3. 前記微小気泡導入手段は、前記燃料タンクから前記内燃機関に至るまでの間で前記微小気泡を導入する請求項１又は２に記載の内燃機関用燃料改質装置。

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