JP4978580B2

JP4978580B2 - 燃料供給装置及び燃料供給方法

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Publication number: JP4978580B2
Application number: JP2008198992A
Authority: JP
Inventors: 匡彦増渕
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-07-31
Filing date: 2008-07-31
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2028-07-31
Also published as: JP2010037966A

Description

本発明は、燃料を燃焼室に噴射する燃料供給装置及び燃料供給方法に関するものである。

内燃機関において、吸気経路あるいは燃焼室に、ガソリンあるいは軽油などの液体燃料（以下単に「燃料」という。）を供給する装置としては、燃料噴射弁により液体燃料を吸気経路あるいは燃焼室に噴射して供給する燃料供給装置がある。このような燃料供給装置では、噴射した燃料を燃焼室に均一に分散させ、燃料の燃焼状態を改善するために、燃料を微粒化させる装置が提案されている。

例えば、特許文献１には、燃料を噴射する噴射孔の途中に、噴射孔の外周面と連通したドーナツ状の通路と、ドーナツ状の通路を介して噴射孔と連通したドーナツ状の圧力室を設けた装置が記載されている。また、特許文献１に記載の装置は、通路と連通している圧力室の開口の円周方向全周の面積が、圧力室の内周面側の面積よりも小さい形状である。また、特許文献１には、上記構成とすることで、噴流が圧力室の入口部を通過する際に圧力室が負圧となり、噴流内に流入する気泡や圧力室のレゾネータ効果による乱れエネルギで噴霧の微粒化を促進することができると記載されている。

また、積極的に燃料に気泡を混入させる装置としては、特許文献２に、弁装置及び燃料噴射孔の少なくとも一方からなる噴射量計量機構の上流側に気体供給通路を設け、気体が混合された燃料を燃料噴射孔に供給する装置が記載されている。特許文献２に記載の装置では、気体供給通路により、燃料中に気体を混合させた後、燃料を噴射する。気泡が混入された燃料は、噴射先で気泡が破裂し、吹き飛ばされて、微粒化される。

また、特許文献３には、気泡としてマイクロバブルを供給するために、マイクロバブル発生装置を有する装置が記載されている。特許文献３に記載の装置は、気泡としてマイクロバブルを生成することで、気泡同士が合体したり、気泡が他の気泡に吸収されたりすることを抑制することができる。また、微細な気泡を生成することで、燃料噴出時に、燃料をより微粒化することができる。

特開２００４−３６０４７７号公報特開平６−３１７２３１号公報特開２００７−２４０１２号公報

特許文献１〜３に示すように、燃料に気泡を混入させることで、燃料をより微粒化することができる。特に、特許文献３に記載されている装置のように、マイクロバブル発生装置により、気泡としてマイクロバブルを混入させることで、より微粒化することが可能となる。

しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載の装置では、生成される気泡量が制限されるため、微粒化できる大きさに限界があるという問題がある。
また、特許文献３に記載の装置は、マイクロバブル、つまり微細気泡を発生させても、気泡を長時間維持することが出来ないという問題もある。そのため、マイクロバブル発生装置で燃料に微細気泡を添加しても、燃料を対象領域に噴射する際には、微細気泡が消滅していることがあり、燃料を適切に微粒化することができないことがある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、燃料中の微細気泡を長時間維持することができ、噴射した燃料を微粒化することができる燃料供給装置及び燃料供給方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の燃料供給装置は、極性分子が添加された燃料を溜める燃料タンクと、前記燃料に微細気泡を混入する微細気泡混入手段と、前記微細気泡混入手段により、微細気泡が混入された前記燃料を噴射する燃料噴射弁とを有することを特徴とする。

ここで、前記微細気泡混入手段は、前記燃料タンクの内部に配置されていることが好ましい。また、前記微細気泡混入手段は、前記燃料タンクに微細気泡が混入された燃料を供給することが好ましい。前記燃料噴射弁は、燃料通路を有するとともに先端部に当該燃料通路と連通する燃料噴射孔を有するバルブボディと、前記バルブボディに移動自在に支持され、先端部に設けられたシール部で前記燃料通路を封鎖または開放することによって前記燃料通路と前記燃料噴射孔とを遮断または連通するニードルとを有し、前記燃料噴射孔は、前記燃料が通過する際に、前記燃料の飽和蒸気圧以下の領域が形成される構造であることが好ましい。また、前記燃料噴射孔は、その内周面のうち前記ニードルの中心軸に対面する部分と、前記燃料通路と連通している開口部分とのなす角が８０度以上であることが好ましい。

また、さらに、前記燃料タンクに貯留された燃料内の極性分子の割合を検出する検出手段と、前記検出手段の検出結果に基づいて、前記微細気泡混入手段の動作を制御する制御手段とを有することが好ましい。また、前記制御手段は、前記極性分子の割合が閾値以上であると判定したら、前記微細気泡混入手段を作動させることが好ましい。また、前記制御手段は、前記極性分子の割合に応じて、前記微細気泡混入手段の作動期間を調整することが好ましい。また、前記制御手段は、前記極性分子の割合が前記閾値よりも大きくなるに従って、前記作動期間を短くすることが好ましい。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、極性分子が添加された燃料に微細気泡を混入する微細気泡混入工程と、微細気泡を混入した前記燃料を噴射する燃料噴射工程とを有することを特徴とする燃料供給方法を提供する。

本発明にかかる燃料供給装置は、燃料として極性分子が添加された燃料を用い、微細気泡混入手段により燃料に微細気泡を混入させることで、燃料に混入させた微細気泡を長時間保持することができ、微細気泡が混入された燃料を噴射させることができ、噴射する燃料をより微粒化させることができるという効果を奏する。

以下に、本発明にかかる燃料供給装置の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、以下の実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

図１は、燃料供給装置を有する内燃機関の一実施例の概略構成を示す模式図である。また、図２は、図１に示す内燃機関の燃料供給装置の概略構成を示す模式図である。
図１に示すように、内燃機関１は、燃料供給装置２と、気筒３０を備えた内燃機関本体３と、内燃機関本体３に接続される吸気経路５と、この内燃機関本体３に接続される排気経路６とを備える。内燃機関１の運転は、制御装置である機関ＥＣＵ（Electronic Control Unit）７によって制御される。図２に示すように、内燃機関１は、複数の気筒３０_１〜３０_４を備えており、複数の気筒３０_１〜３０_４は、例えば、直列に４個配置される。なお、本実施例において、内燃機関１の気筒の数や配置は、直列４気筒に限定されるものではない。ここで、本実施例において、複数の気筒を区別しない場合には、単に気筒３０という。

この内燃機関１は、燃料供給装置２により燃料タンク２２内に貯留されている燃料Ｆが気筒３０に供給される。なお、本実施例の燃料Ｆは、ガソリン等の無極性分子燃料に、エタノール、アンモニア（ＮＨ_３）等の極性分子燃料が添加された液体燃料である。つまり、無極性分子燃料と極性分子燃料とが混合された燃料である。なお、極性分子燃料とは、自然の状態で電気双極子を持つ分子（有極性分子ともいう。）で構成された燃料であり、無極性分子燃料とは、自然状態では電気双極子を持たない分子で構成された燃料である。この燃料供給装置２は、燃料噴射弁２１と、燃料タンク２２と、低圧燃料ポンプ２３と、高圧燃料ポンプ２４と、燃料分配管（いわゆる燃料デリバリパイプ）２５と、燃料供給配管２６、２８と、燃料リリーフ通路２７と、微細気泡混入手段９１とを含んでいる。この燃料供給装置２を構成する燃料噴射弁２１は、内燃機関本体３のシリンダヘッド３２に取り付けられるとともに、燃料噴射口が気筒内燃焼部Ｂ内に開口する。これによって、気筒内燃焼部Ｂ内に開口した燃料噴射弁２１の燃料噴射口から内燃機関１の気筒内燃焼部Ｂ内へ直接燃料Ｆが噴射され、気筒内燃焼部Ｂ内に燃料噴霧Ｆｍが形成される。このように、本実施例に係る内燃機関１は、いわゆる直噴方式によって燃料Ｆが供給される。燃料噴射弁２１の燃料噴射量（内燃機関１に供給する燃料Ｆの燃料供給量）や噴射タイミング等に関する燃料噴射制御は、制御装置である機関ＥＣＵ７が実行する。

図２に示すように、本実施例の内燃機関１は、それぞれの気筒３０_１〜３０_４にそれぞれ燃料噴射弁２１_１〜２１_４が備えられる。それぞれの燃料噴射弁２１_１〜２１_４は、燃料分配管２５に取り付けられている。そして、燃料分配管２５からそれぞれの燃料噴射弁２１_１〜２１_４へ燃料Ｆが供給される。ここで、本実施例において、それぞれの燃料噴射弁を区別しない場合には、単に燃料噴射弁２１という。

燃料タンク２２中の燃料Ｆは、低圧燃料ポンプ２３によって燃料圧送手段である高圧燃料ポンプ２４へ送られ、高圧燃料ポンプ２４から燃料分配管２５へ圧送される。燃料分配管２５内における燃料Ｆの圧力は、例えば十数ＭＰａに設定される。燃料分配管２５内における燃料Ｆの圧力は、燃料圧力センサ２９によって検出され、機関ＥＣＵ７に取り込まれて、燃料噴射弁２１の燃料噴射制御に用いられる。また、燃料供給配管２６の、低圧燃料ポンプ２３と高圧燃料ポンプ２４との間の部分には、スピル弁９３が設けられている。スピル弁９３は、低圧燃料ポンプ２３から供給された燃料を高圧燃料ポンプ側に排出するタイミングを調整し、高圧燃料ポンプ２４から燃料分配管２５に供給される燃料の量及び圧力を調整する。

微細気泡混入手段９１は、燃料タンク２２の燃料が貯留されている領域に配置されており、燃料タンク２２に貯留されている燃料に微細気泡を混入させる。ここで、微細気泡混入手段９１としては、種々のマイクロバブル発生装置を用いることができ、例えば、液体燃料に激しい流れを発生させ、その流れの中に空気を吹き込むことで、燃料の中で発生したせん断力により空気を粉砕し、燃料に微細気泡を混入させる装置を用いることができる。また、燃料を加圧状態にして、より多くの空気を燃料に溶解させた状態から、液体燃料を攪拌する等でキャビテーションを発生させて、燃料に微細気泡を混入させる装置も用いることができる。さらに、燃料に超音波振動を与え、燃料内の気泡を分裂させることで、燃料に微細気泡を混入させる装置も用いることができる。また、本実施例において、微細気泡とは、気泡同士が合体したり、気泡が他の気泡に吸収されたりすることを抑制することができる微細な気泡であり、具体的には、粒径数十μｍ以下のマイクロバブルや、数ｎｍ以上数百ｎｍ以下のナノバブルである。

燃料分配管２５には、燃料濃度センサ９２が挿入されており、燃料分配管２５内を流れる燃料中の極性分子燃料濃度を検出する。燃料濃度センサ９２は、検出した極性分子燃料濃度を機関ＥＣＵ７に送る。ここで、燃料濃度検出センサ９２としては、燃料の光学特性から燃料中の極性分子燃料濃度を検出するセンサや、燃料の電気的特性から燃料中の極性分子燃料濃度を検出するセンサを用いることができる。なお、燃料濃度センサ９２は、微細気泡混入手段９１を制御しない場合は、必ずしも設けなくてもよい。

内燃機関１の内燃機関本体３は、シリンダブロック３１と、このシリンダブロック３１に締結して一体化したシリンダヘッド３２と、気筒３０に設けられるピストン３３及びコネクティングロッド３４と、クランク軸３５と、気筒３０に設けられる点火プラグ３６と、弁装置４とを備える。

内燃機関本体３が備える気筒３０には、ピストン３３と、シリンダブロック３１と、シリンダヘッド３２とにより囲まれた気筒内燃焼部Ｂが形成される。気筒３０の気筒内燃焼部Ｂには、吸気経路５に接続する吸気ポート３７と、排気経路６に接続する排気ポート３８とが形成される。なお、吸気ポート３７と排気ポート３８とは、シリンダヘッド３２に形成される。

ピストン３３は、コネクティングロッド３４に回転自在に取り付けられ、また、コネクティングロッド３４は、クランク軸３５に回転自在に取り付けられる。これによって、ピストン３３は、コネクティングロッド３４を介してクランク軸３５と連結される。内燃機関本体３においては、気筒３０の気筒内燃焼部Ｂ内で空気Ａと燃料Ｆとの混合気を燃焼させることによりピストン３３をシリンダブロック３１内で往復運動させ、この往復運動をクランク軸３５によって回転運動に変換して出力する。

内燃機関本体３は、機関回転数検出手段として機能するクランク角度センサ３９を備える。クランク角度センサ３９は、クランク軸３５の角度であるクランク角度（ＣＡ）を検出して機関ＥＣＵ７に出力する。なお、機関ＥＣＵ７は、このクランク角度センサ３９により検出されたクランク角度から内燃機関１の回転数（単位時間あたりの回転数、であり機関回転数ともいう）を算出したり、気筒３０_１〜３０_４を判別したり、それぞれの気筒３０_１〜３０_４における行程（吸気行程であるか、圧縮行程であるか、膨張行程であるか、排気行程であるか）を判別したりする。

内燃機関本体３のシリンダヘッド３２には、点火プラグ３６が取り付けられている。点火プラグ３６の電極３６Ｓは、気筒３０の気筒内燃焼部Ｂへ突き出している。また、点火プラグ３６には、ダイレクトイグニッション３６ＤＩが取り付けられている。ダイレクトイグニッション３６ＤＩは、点火時期調整手段として機能する機関ＥＣＵ７からの点火信号によって点火プラグ３６を放電させ、気筒３０の気筒内燃焼部Ｂ内の混合気に着火する。これによって、混合気は燃焼して高温、高圧の燃焼ガスとなり、ピストン３３を駆動する。ここで、点火プラグ３６の放電タイミング等に関する点火動作は、制御装置である機関ＥＣＵ７が制御する。

内燃機関本体３は、吸気弁４１と排気弁４２とを開閉させるための弁装置４を備える。弁装置４は、気筒３０に設けられる吸気弁４１及び排気弁４２と、吸気カムシャフト４３と、排気カムシャフト４４と、吸気弁タイミング変更機構４５と、排気弁タイミング変更機構４７とを含んで構成される。弁装置４を構成する吸気弁４１は、吸気ポート３７と気筒内燃焼部Ｂとの間の開口部分に配置され、吸気カムシャフト４３が回転することにより開閉する。また、弁装置４を構成する排気弁４２は、排気ポート３８と気筒内燃焼部Ｂとの間の開口部分に配置され、排気カムシャフト４４が回転することにより開閉する。

弁装置４の吸気カムシャフト４３及び排気カムシャフト４４は、タイミングチェーンやタイミングベルトを介して、クランク軸３５の回転に連動して回転する。弁装置４の吸気弁タイミング変更機構４５は、吸気カムシャフト４３とクランク軸３５との間に配置されている。吸気弁タイミング変更機構４５及び排気弁タイミング変更機構４７は、可変動弁機構であり、吸気弁タイミング変更機構４５が吸気カムシャフト４３の位相を連続的に変化させ、排気弁タイミング変更機構４７が排気カムシャフト４４の位相を連続的に変化させる。これによって、吸気弁タイミング変更機構４５及び排気弁タイミング変更機構４７は、吸気弁４１の開閉時期と排気弁４２の開閉時期とを連続的に変化させることができるので、内燃機関１の運転状態に応じて吸気弁４１の開閉時期と排気弁４２の開閉時期とを最適なタイミングに制御することができる。

弁装置４は、吸気カムシャフト４３の回転位置を検出して機関ＥＣＵ７に出力するための吸気カムポジションセンサ４６、及び排気カムシャフト４４の回転位置を検出して機関ＥＣＵ７に出力するための排気カムポジションセンサ４８を備える。吸気カムポジションセンサ４６及び排気カムポジションセンサ４８の出力は、機関ＥＣＵ７に取り込まれ、点火プラグ３６の点火時期の制御や吸気弁タイミング変更機構４５及び排気弁タイミング変更機構４７の制御に用いられる。

吸気カムシャフト４３には吸気カム４３Ｃが取り付けられており、排気カムシャフト４４には排気カム４４Ｃが取り付けられている。吸気カム４３Ｃは、吸気側ロッカーアーム１１に接しており、また、排気カム４４Ｃは、排気側ロッカーアーム１３に接している。吸気カムシャフト４３及び排気カムシャフト４４が回転することにより、吸気カム４３Ｃ及び排気カム４４Ｃが回転する。これによって、吸気カム４３Ｃは、吸気側ロッカーアーム１１を介して吸気弁４１を開閉し、排気カム４４Ｃは、排気側ロッカーアーム１３を介して排気弁４２を開閉する。

吸気側ロッカーアーム１１の吸気弁４１とは反対側の支点には、吸気側ラッシュアジャスタ１２が配置されており、排気側ロッカーアーム１３の排気弁４２とは反対側の支点には、排気側ラッシュアジャスタ１４が配置されている。吸気側ラッシュアジャスタ１２及び排気側ラッシュアジャスタ１４は、吸気カム４３Ｃと吸気側ロッカーアーム１１との間の隙間、及び排気カム４４Ｃと排気側ロッカーアーム１３との間の隙間を常に０にするものであり、内燃機関１の摺動部を潤滑するための潤滑油によって動作する。

内燃機関本体３の吸気経路５は、大気中の空気Ａを吸気し、この吸入された空気Ａを内燃機関本体３の気筒３０の気筒内燃焼部Ｂに導入する。吸気経路５は、エアクリーナ５１と、スロットル弁５３と、エアクリーナ５１から気筒３０の吸気ポート３７までを連通する吸気通路５４とを有する。吸気経路５は、エアクリーナ５１によってごみや塵等が除去された空気Ａを、吸気通路５４及び吸気ポート３７を介して、それぞれの気筒３０の気筒内燃焼部Ｂに導入する。

吸気経路５には、気筒内燃焼部Ｂに供給する吸入空気量を調整制御する吸入空気量調整手段として機能するスロットル弁５３が設けられる。スロットル弁５３は、気筒３０の気筒内燃焼部Ｂに導入する吸入空気量を調整する。スロットル弁５３は、ステッピングモータ等のアクチュエータ５３ａにより開閉される。吸入空気量調整手段として機能するスロットル弁５３のバルブ開度、すなわちスロットル弁の開度は、機関ＥＣＵ７がアクチュエータ５３ａによってスロットル弁５３の開度を調整することにより制御される。

内燃機関本体３に接続される排気経路６には、気筒３０の気筒内燃焼部Ｂで燃焼してピストン３３を駆動した後の燃焼ガスが、排ガスとして排出される。排気経路６は、排ガス通路６２と、排ガス通路６２に設けられる排ガス浄化触媒６１とを含んで構成される。排気経路６に設けられる排ガス浄化触媒６１は、排ガス通路６２から送られる排ガスＥｘに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）、一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）を浄化するものである。以下、排ガス浄化触媒６１を単に浄化触媒６１という。浄化触媒６１で浄化された後の排ガスは、消音装置を通って大気中に排気される。

上述したように、機関ＥＣＵ７には、内燃機関１を制御して運転するために車両の各所に取り付けられたセンサから、各種入力信号が入力される。機関ＥＣＵ７に入力される入力信号には、例えば、クランク軸３５に取り付けられたクランク角度センサ３９によって検出されたクランク角度、燃料圧力センサ２９によって検出された圧力値、燃料濃度センサ９２により検出された極性分子の濃度等がある。

機関ＥＣＵ７は、内燃機関１の運転制御のため、上述した入力信号及び記憶部７３に格納されている燃料噴射量が記述されたマップや点火時期が記述されたマップ等の各種マップに基づいて、制御対象である燃料噴射弁２１やダイレクトイグニッション３６ＤＩ等に対して、制御信号を出力する。機関ＥＣＵ７が内燃機関１の運転制御を実行するために出力する制御信号には、例えば、燃料噴射弁２１の燃料噴射を制御する燃料噴射信号、点火プラグ３６の点火を制御する点火信号、スロットル弁５３の弁開度を制御する弁開度信号等がある。

機関ＥＣＵ７は、上述した入力信号や出力信号の入出力を行う入出力部（Ｉ／Ｏ）７１と、処理部７２と、燃料噴射量マップなどの各種マップなどを格納する記憶部７３とを有する。処理部７２は、例えば、メモリ及びＣＰＵ（Central Processing Unit：中央演算装置）により構成されている。処理部７２は、微細気泡混入手段９１の動作を制御する微細気泡混入制御部７４を含んでいる。なお、微細気泡混入手段９１が、流入される燃料に自動的に微細気泡を混入させる手段である場合等、電気的、機械的に制御しない場合は、微細気泡混入制御部７４は、設けなくてもよい。

また、記憶部７３は、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリ、ＲＯＭ（Read Only Memory）のような読み出しのみが可能なメモリ、あるいはＲＡＭ（Random Access Memory）のような読み書きが可能なメモリ、あるいはこれらの組み合わせにより構成することができる。

この燃料供給装置２が燃料を供給する内燃機関１は、４気筒の内燃機関であるが、本実施例の適用対象はこれに限られず、６気筒、８気筒、あるいは単気筒の内燃機関でもよい。燃料タンク２２の燃料は、低圧燃料ポンプ２３によって燃料供給配管２６を介して燃料圧送手段である高圧燃料ポンプ２４に送られる。燃料は、低圧燃料ポンプ２３と高圧燃料ポンプ２４との間の燃料供給配管２６の通過時にスピル弁９３で一定圧力に調整される。そのため、高圧燃料ポンプ２４には、一定圧力の燃料が送られる。高圧燃料ポンプ２４は、内燃機関１の吸気カムシャフト４３又は排気カムシャフト４４のいずれかによって駆動されるプランジャポンプであり、燃料を燃料噴射弁２１_１〜２１_４から噴射させるために必要な圧力まで昇圧させる。高圧燃料ポンプ２４から送り出された燃料は、燃料分配管２５の入口２５ｉから燃料分配管２５内へ供給される。燃料分配管２５内の燃料Ｆは、各気筒３０_１〜３０_４内へ燃料を噴射するそれぞれの燃料噴射弁２１_１〜２１_４へ分配される。

燃料分配管２５の出口２５ｏには、リリーフ弁８４が取り付けられている。リリーフ弁８４は、燃料分配管２５内の燃料圧力が設定圧力を超えた場合に開弁して、燃料分配管２５内の燃料が設定した圧力を超えないようにするものである。リリーフ弁８４は、スプリング８４ｓにより弁体８４ｖをリリーフ弁入口８４ｉへ押し付けるように構成される。そして、燃料分配管２５内の燃料の圧力が上昇してスプリング８４ｓの押し付け力を上回ると、弁体８４ｖが押し上げられて、燃料分配管２５内の燃料Ｆは、燃料リリーフ通路２７を通して燃料タンク２２へ戻される。

本実施例に係る内燃機関１は、以上のような構成である。内燃機関１の燃料供給装置２は、微細気泡混入手段９１を駆動させることで燃料タンク２２内に貯留されている燃料に微細気泡を混入させることができる。ここで、上述したように、炭化水素燃料は、微細気泡を混入させても、微細気泡が短時間で消滅してしまうため、燃料噴射弁２１から噴射する際に微細気泡が少なくなり、燃料を十分に微粒化することができなかった。これに対して、燃料タンク２２内に貯留されている燃料を極性分子が混入された燃料とすることで、生成された微細気泡を同一の極性に帯電させることができ、微細気泡同士を接触しにくくさせ、微細気泡同士が接触して消滅することを抑制することができる。したがって、燃料供給装置２は、混入させた微細気泡を、燃料内で長時間維持させることができ、燃料噴射弁２１から、燃料をより多くの微細気泡が混入した状態で噴射させることができる。微細気泡が混入された燃料は、燃料噴射弁２１から噴射される際に、高圧燃料ポンプ２４により高圧が負荷されている状態から大気圧状態となるため、急激に減圧される。燃料は、急激に減圧されると内部の微細気泡の体積が増加し、最終的に気泡が破裂する。内部の気泡が破裂した燃料は、細かく分散され、微粒化される。燃料供給装置２は、多くの微細気泡が混入された燃料を燃料噴射弁２１から噴射できるため、燃料を好適に微粒化することができる。このように、燃料を微粒化できることで、燃料の燃焼状態を向上させることができる。具体的には、燃焼に必要な炭化水素の量を減らすことができ、燃費効率を高くすることができる。これにより、燃費を向上させることができる。

また、燃料を微粒化できるので、噴射された燃料をより確実に燃焼させることができ、燃焼室や吸気通路に燃料が残留し、付着することも抑制することができる。さらに、噴射された燃料をより確実に燃焼できるため、内燃機関１の始動時、特に極低温始動時や冷間始動時でも、気筒内燃焼部や吸気通路に付着する燃料の量を大幅に低減させることができ、未燃炭化水素（つまり、未燃ＨＣ）の排出量を低減し、極低温始動時に黒煙が発生することを抑制することができる。また、燃焼室や吸気通路に付着する燃料の量を低減できることで、始動時に噴射する燃料の量を大幅に低減することができる。また、本実施例のような、高圧筒内噴射システムでは、始動時に使用する燃料が少なくなることで、始動時の燃料圧力の上昇速度を速くすることができる。また、極低温時に必要とされる燃料の噴射量により決定する高圧燃料ポンプの要求吐出量を低減することができるため、高圧燃料ポンプを小型化することができる。また、燃料に混入させた微細気泡を破裂させることで、燃料を改質することができ、燃料自体の燃焼性を向上させることもできる。また、噴射時に、微細気泡が混入された燃料が減圧されながら、乱流となりながら、微細気泡を崩壊させながら、噴射孔等を通過することで、通過する領域の壁面に付着したデポジットを除去し、洗浄することができる。また、微細気泡を混入させることで、燃料としてＥ８５（エタノールの割合が８５％のガソリンとエタノールの混合燃料）、Ｅ１００等の低温時に微粒化しにくい燃料の場合も、低温時に微粒化することができる。これにより、低温時でも高い始動性を得ることができる。

ここで、内燃機関１では、燃料噴射弁の形状について特に説明しなかったが、燃料噴射弁は、燃料を噴射する噴射孔の形状を燃料噴射時に負圧が発生する形状とすることが好ましい。

図３−１は、燃料噴射弁の一例の先端部分を示す断面図であり、図３−２は、図３−１に示す燃料噴射弁の先端部分を図３−１の切断面に直交する面で切断して示す断面図であり、図３−３は、図３−１に示す燃料噴射弁の一部を拡大して示す拡大断面図であり、図３−４は、図３−１に示す燃料噴射弁のIII−III線断面図である。
以下、図３−１〜図３−４を用いて、燃料噴射弁の好適な一例について説明する。

図３−１に示すように、燃料噴射弁２１ａは、燃料分配管２５と連通しているバルブボディ９５ａとバルブボディ９５ａの内部に移動可能な状態で配置されたニードル９６ａとを備えている。
バブルボディ９５ａは、中空円筒形状をなし、先端部にほぼ半球状をなす燃料溜まりとしてのサック部９７ａが形成されているとともに、サック部９７ａと外部とを連通する噴射孔９８ａが形成されている。噴射孔９８ａについては、後ほど説明する。

このバルブボディ９５ａ内には、ニードル９６ａが軸方向（図３−１にて上下方向）に移動自在に支持されている。ニードル９６ａの先端部には、円錐形状をなすシール部９９ａが形成されている。また、バルブボディ９５ａの内周面とニードル９６ａとの間が、燃料通路１２０となる。

バルブボディ９５ａとニードル９６ａとは、ニードル９６ａが所定位置に移動すると、シール部９９ａがバルブボディ９５ａ内周面にはまり、燃料通路１２０を塞ぎ、ニードル９６ａが該所定位置から移動すると、シール部９９ａと燃料通路１２０との間には、一定の空間がある状態となる。このように、バルブボディ９５ａとニードル９６ａとは、ニードル９６ａの移動に伴い、燃料通路１２０がサック部９７ａおよび噴射孔９８ａと遮断または連通されるように構成されている。

なお、ニードル９６ａは、バルブボディ９５ａ内に設けられたスプリングにより燃料通路を遮断する方向に付勢されている。また、バルブボディ９５ａ内に設けられたソレノイドへ通電することで吸引力が発生し、上記スプリングの付勢力に抗してニードル９６ａを上方に移動し、燃料通路とサック部９７ａとを連通することができる。このようにニードル９６ａを移動制御することにより、燃料通路にある燃料を、サック部９７ａを介して噴射孔９８ａから気筒内燃焼部Ｂ（図１参照）に噴射することができる。

噴射孔９８ａは、図３−１に示すように、ニードル９６ａの中心軸Ｚｎに対して所定角度傾斜した方向に貫通し、その断面が細長い長方形であり、かつ、図３−２に示すように、該傾斜している方向を軸として９０度回転させた方向の断面が、所定角度の広がりをもった扇形形状である。また、噴射孔９８ａは、図３−４に示すように、ニードル９６ａの中心軸に直交する方向に切断した断面が、細長い形状つまりアスペクト比が高い形状となる。また、本実施例の噴射孔９８ａは、その内周面のうちニードル９６ａの中心軸Ｚｎと対面する部分１２２、１２４、１２６と、噴射孔９８ａの、サック部９７ａと連通している側の開口１２８の接線とのなす角θ_１が８０度以上となっている。噴射孔９８ａをこのような形状とすることで、燃料が噴射されると、図３−２及び図３−３に示すように、噴射孔９８ａの、ニードル９６ａの中心軸Ｚｎと対面している表面近傍の領域Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３に、燃料の流れによる剥離領域が生成され、噴射されている燃料に負荷される圧力が負圧となる領域が生成される。燃料の噴射時に噴射孔９８ａの一部に負圧領域が生成されることで、燃料の飽和蒸気圧力以下の圧力となる領域が増え、燃料が蒸発しやすくなり、気泡も膨張しやすくなる。また、噴射孔内の流れも乱流となるため、気泡も破裂しやすくなり、燃料が分裂しやすくなる。これにより、噴射する燃料をより微粒化させることができる。

なお、噴射孔は、燃料の噴射時に負圧となる領域を形成できる形状であれば、特に限定はなく、種々の形状とすることができる。図４−１は、燃料噴射弁の他の一例の先端部分の断面を拡大して示す拡大断面図であり、図４−２は、図４−１に示す燃料噴射弁を、図４−１に切断面に直交する面で切断し、拡大して示す拡大断面図である。図４−１及び図４−２に示す燃料噴射弁２１ｂは、噴射孔の形状以外の基本構成を図３−１〜図３−４に示す燃料噴射弁２１ａと同様の構成である。以下、燃料噴射弁２１ｂに特有の点について説明する。燃料噴射弁２１ｂは、バブルボディ９５ｂの、ニードルの中心軸に対して所定角度傾斜した方向を貫通しており、その断面が略細長い長方形であり、かつ、図４−２に示すように、該傾斜している方向を軸として９０度回転させた方向の断面が、所定角度の広がりをもった扇形形状である。また、噴射孔９８ｂは、サック部９７ｂ側の端部付近で、開口径が急激に狭くなる形状となっている。具体的には、噴射孔９８ｂは、内周面のうちニードルの中心軸に対面する面１３２、１３４、１３６の傾斜角が、サック部９７ｂ側の端部付近で変化し、サック部９７ｂ側の一部で中心軸Ｚｎに直交する断面の面積が急激に小さくなる形状である。つまり、噴射孔９８ｂは、内周面が、サック部９７ｂ側の開口１３８と接する端部から燃料が噴射される出口側に所定距離離れた位置１３２ａ、１３４ａ、１３６ａで、サック部９７ｂ側の開口１３８の接線とのなす角が大きくなるように傾斜角が変化する形状である。このように、噴射孔９８ｂの内周面をサック部９７ｂ側で中心軸Ｚｎに直交する断面の面積が急激に小さくなる形状とすることで、燃料の噴射時に、噴射孔９８ｂのうちで傾斜角が変化する領域Ａ_４、Ａ_５、Ａ_６で、燃料の流れに剥離渦が形成されやすくなり、負圧領域を形成しやすくすることができる。

図５−１は、燃料噴射弁の他の一例の先端部分を示す断面図であり、図５−２は、図５−１に示す燃料噴射弁の一部を拡大して示す拡大断面図である。図５−１及び図５−２に示す燃料噴射弁２１ｃは、バブルボディ９５ｃとニードル９６ｂとで構成されている。バブルボディ９５ｃは、中空円筒形状をなし、先端部に燃料溜まりとしてのサック部９７ｃが形成されているとともに、サック部９７ｃと外部とを連通する噴射孔９８ｃが形成されている。噴射孔９８ｃは、ニードル９６ｂの中心軸を中心とする円周上に複数形成されている。噴射孔９８ｃは、サック部９７ｃと連通している側の開口１４４が円または正方形となる形状である。また、噴射孔９８ｃは、その内周面のうちニードル９６ｂの中心軸Ｚｎに対面する部分１４２と、噴射孔９８ｃのサック部９７ｃと連通している側の開口１４４の接線とのなす角θ_２が１１０度以上となっている。ニードル９６ｂは、バブルボディ９５ｃ内に、軸方向に移動自在に支持されている。また、ニードル９６ｂは、先端部に円柱形状をなすシール部９９ｂが形成されている。

燃料噴射弁２１ｃのように、噴射孔９８ｃを、サック部９７ｃと連通している側の開口１４４が円または正方形となる形状とした場合も、燃料の噴射時に負圧となる領域が生成される形状とすることで、噴射する燃料をより微粒化することができる。また、燃料噴射弁２１ｃのように、開口を、円、正方形等、縦横比が略同じとなる形状とする場合は、噴射孔の内周面のうちニードル９６ｂの中心軸Ｚｎに対面する部分と、噴射孔９８ｃのサック部９７ｃと連通している側の開口１４４の接線とのなす角θ_２を１１０度以上とすることで、負圧領域をより確実に形成することができる。

図６−１は、燃料噴射弁の他の一例の先端部分を示す断面図であり、図６−２は、図６−１に示す燃料噴射弁の一部を拡大して示す拡大断面図である。図６−１及び図６−２に示す燃料噴射弁２１ｄも、バブルボディ９５ｄに、ニードル９６ｃの中心軸を中心とする円周上に複数の噴射孔９８ｄが形成されている。噴射孔９８ｄは、その内周面のうちニードル９６ｃの中心軸に対面する部分１５２が、サック部９７ｄ側の開口１５４と接する端部から燃料が噴射される出口側に所定距離離れた位置１５２ａで、サック部９７ｄ側の開口１５４とのなす角が大きくなるように傾斜角が変化する形状である。つまり、噴射孔９８ｄは、開口１５４側の端部で中心軸Ｚｎに直交する断面の面積が小さくなる形状である。このように、噴射孔９８ｄを、開口１５４側の端部で中心軸Ｚｎに直交する断面の面積が小さくなる形状とすることで、燃料の噴射時に、噴射孔９８ｄのうち位置１５２ａ周辺部で燃料の流れに剥離渦が形成されやすくなり、負圧領域を形成しやすくすることができる。また、噴射孔９８ｄの傾斜角が変化する場合はその内周面のうちニードル９６ｂの中心軸Ｚｎに対面する部分１５２のサック部９７ｄと接する側の端部と、サック部９７ｄ側の開口１５４とのなす角θ_３を１１０度以上とすることで、負圧領域をより確実に生成することが可能となる。

また、燃料供給装置２では、微細気泡混入手段９１を燃料タンク２２の内部に低圧燃料ポンプ２３とは別部材として設置したが、微細気泡混入手段の設置位置はこれに限定されず、燃料タンク２２に燃料を供給する供給装置から燃料噴射弁２１までの間の燃料供給経路の種々の位置に設置することができる。図７−１〜図７−７は、それぞれ燃料供給装置の他の一例の概略構成を示す模式図である。なお、図７−１〜図７−７に示す燃料供給装置は、微細気泡混入手段の配置位置を除いて、他の構成は基本的に図１及び図２に示す燃料供給装置２と同様の構成であるので、同一の部分には、同様の符号を付して、その詳細な説明は省略し、以下、各燃料供給装置に特有の点について説明する。

図７−１に示す燃料供給装置２ａは、微細気泡混入手段９１ａが、燃料に空気を吹き込み、燃料内に微細気泡を混入させるエゼクタ部１０１ａと、エゼクタ部１０１ａに空気を供給する空気取込管１０２ａとで構成されている。エゼグタ部１０１ａは、外部から吸引した空気を燃料内に混入させる装置であり、低圧燃料ポンプ２３の燃料吸引口に取り付けられている。空気取込管１０２ａは、一方の端部が燃料タンク２２内の空間部に開放されており、他方の端部がエゼクタ部１０１ａに連結されている。
燃料供給装置２ａは、以上のような構成であり、燃料タンク２２に貯留された燃料は、低圧燃料ポンプ２３により低圧燃料ポンプ２３側に吸引されると、微細気泡混入手段９１ａで、微細気泡を混入させられた後、低圧燃料ポンプ２３内に吸引される。低圧燃料ポンプ２３に吸引された燃料は、その後、燃料供給配管２６、高圧燃料ポンプ２４、燃料分配管２５を通過して、燃料噴射弁２１に供給され、燃料噴射弁２１から噴射される。このように、微細気泡混入手段９１ａを低圧燃料ポンプ２３の燃料吸引口に取り付けることでも燃料に微細気泡を好適に混入させることができる。

図７−２に示す燃料供給装置２ｂは、微細気泡混入手段９１ｂが、エゼクタ部１０１ｂと、燃料吸引管１０３と、燃料排出管１０４と、エゼクタ部１０１ｂに付設されたポンプ部とで構成されている。微細気泡混入手段９１ｂは、エゼクタ部１０１ｂが燃料タンク２２の外側に設置され、燃料吸引管１０３及び燃料排出管１０４が燃料タンク２２内に挿入されている。エゼクタ部１０１ｂは、燃料タンク２２の上面に設置されている。燃料吸引管１０３は、一方の端部が燃料タンク２２の中の下面近傍に配置され、他方の端部がエゼクタ部１０１ｂに接続されている。燃料排出管１０４は、一方の端部がエゼクタ部１０１ｂに接続され、他方の端部が燃料タンク２２の中の下面、かつ、燃料吸引管１０３よりも低圧燃料ポンプ２３に近い位置に配置されている。

燃料供給装置２ｂは、以上のような構成であり、燃料タンク２２に貯留されている燃料は、微細気泡混入手段９１ｂのポンプ部により燃料吸引管１０３から吸引されエゼクタ部１０１ｂまで送られる。エゼクタ部１０１ｂに送られた燃料は、微細気泡が吸引される。その後、微細気泡を混入された燃料は、燃料排出管１０４から燃料タンク２２内に排出される。ここで、燃料供給装置２ｂは、燃料排出管１０４が、燃料吸引管１０３よりも低圧燃料ポンプ２３の近傍に配置されているため、燃料タンク２２内の低圧燃料ポンプ２３の近傍は、微細気泡が混入された燃料が支配的となる。そのため、低圧燃料ポンプ２３に吸引される燃料は、基本的に微細気泡混入手段９１ｂにより微細気泡が混入された燃料となる。このように、微細気泡混入手段を燃料タンクと別体として設け、かつ、エゼクタ部を燃料タンクの外側に設けても、燃料に微細気泡を好適に混入させることができる。

図７−３に示す燃料供給装置２ｃは、微細気泡混入手段９１ｃが、エゼクタ部１０１ｃと空気取込管１０２ｂとで構成されている。エゼクタ部１０１ｃは、低圧燃料ポンプ２３ａの内部に設置されている。また、空気取込管１０２ｂは、一方の端部が燃料タンク２２内の空間部に開放されており、他方の端部がエゼクタ部１０１ｃに連結されている。

燃料供給装置２ｃは、以上のような構成であり、低圧燃料ポンプ２３ａに吸引された燃料は、エゼクタ部１０１ｃで微細気泡が混入された後、低圧燃料ポンプ２３ａから燃料供給配管２６に供給される。このように、微細気泡混入手段を低圧燃料タンクの内部に設け、微細気泡供給手段と低圧燃料タンクとを一体として設けても、燃料に好適に微細気泡を混入させることができる。

図７−４に示す燃料供給装置２ｄは、微細気泡混入手段９１ｄが、エゼクタ部１０１ｄと空気取込管１０２ｃとで構成されている。エゼクタ部１０１ｄは、低圧燃料ポンプ２３の燃料排出口に取り付けられている。つまり、エゼクタ部１０１ｄは、低圧燃料ポンプ２３と燃料供給配管２６との間に配置されている。空気取込管１０２ｃは、一方の端部が燃料タンク２２内の空間部に開放されており、他方の端部がエゼクタ部１０１ｄに連結されている。

燃料供給装置２ｄは、以上のような構成であり、燃料タンク２２から低圧燃料ポンプ２３に吸引され、排出された燃料は、エゼクタ部１０１ｄで微細気泡が混入された後、燃料供給配管２６に供給される。このように、微細気泡混入手段を低圧燃料ポンプ２３の燃料排出口に取り付けることでも、燃料に好適に微細気泡を混入させることができる。

図７−５に示す燃料供給装置２ｅは、微細気泡混入手段９１ｅが、エゼクタ部１０１ｅと空気取込管１０２ｄとで構成されている。エゼクタ部１０１ｅは、燃料供給配管２６の、低圧燃料ポンプ２３とスピル弁９３との間に配置されている。つまり、エゼクタ部１０１ｅは、燃料の供給流路において、低圧燃料ポンプ２３の下流側かつスピル弁９３の上流側に配置されている。空気取込管１０２ｄは、一方の端部が大気に開放されており、他方の端部がエゼクタ部１０１ｅに連結されている。

燃料供給装置２ｅは、以上のような構成であり、燃料タンク２２から低圧燃料ポンプ２３に吸引された燃料は、燃料供給配管２６に排出される。燃料供給配管２６を流れる燃料は、エゼクタ部１０１ｅの通過時に微細気泡が混入される。微細気泡が混入された燃料は、その後、燃料供給配管２６を流れ、スピル弁９３に供給される。このように、微細気泡混入手段を低圧燃料ポンプ２３の下流側に取り付けることでも、燃料に好適に微細気泡を混入させることができる。

図７−６に示す燃料供給装置２ｆは、微細気泡混入手段９１ｆが、エゼクタ部１０１ｆと空気取込管１０２ｅとで構成されている。エゼクタ部１０１ｆは、燃料供給配管２６の、高圧燃料ポンプ２４と燃料分配管２５との間に配置されている。つまり、エゼクタ部１０１ｆは、燃料の供給流路において、高圧燃料ポンプ２４の下流側かつ燃料分配管２５の上流側に配置されている。空気取込管１０２ｅは、一方の端部が大気に開放されており、他方の端部がエゼクタ部１０１ｆに連結されている。

燃料供給装置２ｆは、以上のような構成であり、燃料タンク２２から低圧燃料ポンプ２３に吸引され、燃料供給配管２６に排出され、スピル弁９３を通過し、高圧燃料ポンプ２４で加圧された燃料は、エゼクタ部１０１ｆの通過時に微細気泡が混入される。微細気泡が混入された燃料は、その後、燃料供給配管２６を流れ、燃料分配管２５に供給される。このように、微細気泡混入手段を高圧燃料ポンプ２４の下流側に取り付けることでも、燃料に好適に微細気泡を混入させることができる。

図７−７に示す燃料供給装置２ｇは、上述した燃料供給装置２の構成に加え、さらに、燃料タンク２２に燃料を供給する供給手段１０５を有する。また、燃料タンク２２は、供給手段１０５と接続する給油口１０６を有する。微細気泡混入手段９１ｇは、供給手段１０５の内部に設けられている。供給手段１０５は、給油口１０６と着脱可能な構成であり、内部に極性分子を含む燃料を溜めている。供給手段１０５は、燃料タンク２２の給油口１０６と接続し、極性分子を含む燃料を燃料タンク２２に供給する。微細気泡混入手段９１ｇは、供給手段１０５に貯留されている燃料に微細気泡を混入させる。

燃料供給装置２ｇは、以上のような構成であり、供給手段１０５に溜められた極性分子を含む燃料は、微細気泡混入手段９１ｇにより微細気泡が混入される。その後、必要に応じて、供給手段１０５は、給油口１０６と接続され、供給手段１０５から燃料タンク２２に微細気泡が混入され、かつ、極性分子を含む燃料を供給させる。燃料タンク２２に供給された燃料は、低圧燃料ポンプ２３により吸引され、上述と同様にして各部を通り、燃料噴射弁２１から噴射される。このように、微細気泡混入手段を燃料タンクから燃料分配管までの間に設けることに限定されず、燃料タンクに燃料を供給する供給手段に微細気泡混入手段を設けることでも、燃料に好適に微細気泡を混入させることができる。また、極性分子を含む燃料であるため、微細気泡を長時間維持することができ、燃料噴射弁から噴射される燃料を微細気泡が混入した燃料とすることができる。

また、燃料供給装置２ｇでは、１つの供給手段１０５で１つの燃料タンク２２に燃料を供給する構成としたが、供給手段１０５と接続する燃料タンクを切り替えることで、１つの供給手段１０５で順次、複数の燃料タンク２２に燃料を供給するようにしてもよい。つまり、必要に応じて、複数の中から選択した燃料タンク２２の給油口１０６と供給手段１０５とを接続させ、接続した燃料タンク２２に燃料を供給するようにしてもよい。

また、上記実施例では、燃料として予め無極性分子燃料に極性分子燃料が添加された燃料を燃料タンクに貯留させたが、燃料タンクに、極性分子燃料を供給する供給部と無極性分子燃料を供給する供給部とを設け、極性分子燃料の割合が一定の割合になるように各供給部からそれぞれの燃料を供給するようにしてもよい。

次に、燃料供給装置２の好適な制御方法について説明する。図８は、燃料供給装置の制御方法の一例を示すフロー図である。なお、以下で説明する制御方法は、微細気泡混入手段として、燃料に微細気泡を混入させるか否かを切り替えられる手段を用いる必要がある。

まず、微細気泡混入制御部７４は、ステップＳＴ１０１として、燃料濃度センサ９２により燃料内の極性分子の割合、つまり、無極性分子燃料に混合された極性分子燃料の混合割合を検出する。次に、微細気泡混入制御部７４は、ステップＳＴ１０２として、検出した極性分子燃料の混合割合が閾値以上であるか否かを判定する。ここで、閾値とは、微細気泡混入手段を一定期間作動させて燃料中に微細気泡を混入させた場合に、混入させた微細気泡の寿命が要求寿命となる極性分子燃料の混合割合である。微細気泡の要求寿命とは、微細気泡混入手段により燃料に微細気泡を混入させてから、燃料に混入させた微細気泡が本実施例の効果を発現できる限界まで減少する時間である。微細気泡混入制御部７４は、ステップＳＴ１０２にて、検出した混合割合が閾値以上、つまり、燃料中の極性分子燃料の濃度が閾値と同じか、閾値よりも高い場合は、ステップＳＴ１０３として微細気泡混入手段を一定期間作動させ、その後、処理を終了する。他方、微細気泡混入制御部７４は、ステップＳＴ１０２にて、検出した混合割合が閾値よりも低い場合は、微細気泡混入手段を作動させずに処理を終了する。

図９は、極性分子燃料混合割合と、気泡寿命及び作動期間（正確には、微細気泡混入手段を作動させる時間）との関係を示すグラフである。図９では、横軸を極性分子燃料混合割合とし、上段のグラフの縦軸を微細気泡混入手段一定時間作動時の気泡寿命とし、下段のグラフの縦軸を作動期間とした。図９の上段のグラフに示すように、極性分子燃料を含有する燃料は、微細気泡混入手段を一定時間作動させ、燃料に微細気泡を混入させる場合、極性分子燃料割合が高くなるほど混入された微細気泡の寿命は長くなるという特性がある。そこで、図８のフローチャートに示す制御により、図９の下段のグラフに示すように、極性分子燃料濃度、つまり極性分子の混合割合が閾値以上の場合は、微細気泡混入手段を一定時間作動させ、極性分子混合割合が閾値未満の場合は、微細気泡混入手段を作動させないようにすることで、気泡寿命が短い場合は、微細気泡混入手段を作動させないようにすることができる。

このように、燃料の微細気泡の寿命に応じて、微細気泡混入手段を作動させるか否かを切り替えることで、極性分子燃料の濃度が所望の濃度以上で、微細気泡を混入させる効果が高い場合のみ、微細気泡混入手段を作動させることができる。その結果、不要なエネルギ消費を少なくすることができ、エネルギの利用効率を高くすることができる。
また、燃料に微細気泡が混入させているか否かで、内燃機関の制御を切り替えることができるため、微細気泡を混入させても効果が小さい燃料の場合には、微細気泡を混入させていない燃料として、燃料の噴射等の制御を行うことができ、燃料に応じて適切な制御を行うことができる。

次に、燃料供給装置２の制御方法の他の一例について説明する。図１０は、燃料供給装置の制御方法の他の一例を示すフロー図である。まず、微細気泡混入制御部７４は、ステップＳＴ１１１として、燃料濃度センサ９２により、無極性分子燃料に混合された極性分子燃料の混合割合を検出する。次に、微細気泡混入制御部７４は、ステップＳＴ１１２として、検出した極性分子燃料の混合割合が閾値以上であるか否かを判定する。微細気泡混入制御部７４は、ステップＳＴ１１２にて、検出した混合割合が閾値以上、つまり、燃料中の極性分子燃料の濃度が閾値と同じか、閾値よりも高い場合は、ステップＳＴ１１３として、記憶部７３から後述する微細気泡混入手段作動期間マップＡ（以下単に「作動期間マップＡ」という。）を読み込み、さらに、作動期間マップＡから、検出した濃度に対応する作動期間を読み込む。ここで、作動期間マップＡは、燃料中の極性分子燃料の混合割合と微細気泡混入手段の作動期間との対応関係を示すマップである。その後、微細気泡混入制御部７４は、ステップＳＴ１１４として、微細気泡混入手段を読み込んだ作動期間、作動させ、処理を終了する。他方、微細気泡混入制御部７４は、ステップＳＴ１１２にて、検出した混合割合が閾値よりも低い場合は、微細気泡混入手段を作動させずに処理を終了する。

図１１は、極性分子燃料混合割合と、気泡寿命、作動期間及び制御後の気泡寿命との関係を示すグラフである。図１１では、横軸を極性分子燃料混合割合とし、上段のグラフの縦軸を微細気泡混入手段一定時間作動時の気泡寿命とし、中段のグラフの縦軸を作動期間とし、下段のグラフの縦軸を作動期間マップＡに応じて微細気泡混入手段を作動させた場合の気泡寿命とした。図１１の中段に示すグラフは、上述した作動期間マップＡである。この作動期間マップＡは、予め実験、測定等を行うことで作成することができる。具体的には、それぞれの混合割合の場合について、種々の作動期間で気泡寿命を検出し、検出した気泡寿命から気泡寿命が要求寿命となる作動期間を割り出すことで作成することができる。また、図１１の上段のグラフに示すように、作動期間を一定期間とした場合でも要求寿命とならない混合割合、つまり閾値以下の混合割合の場合は、閾値未満の混合割合として微細気泡混入手段を作動させないため、作動期間を割り出さない。これにより、図１１の中段のグラフに示すように、閾値以下の混合割合の場合は、作動期間が０となる。また、作動期間マップＡは、混合割合が閾値よりも大きくなるに従って、作動時間が短くなる対応関係となっている。

このように、図１０のフロー図に示す制御方法では、図１１の中段のグラフに示す作動期間マップＡに基づいて、混合割合に応じて微細気泡混入手段の作動期間を制御することで、具体的には、混入割合が閾値よりも大きくなるに従って、作動時間を短くすることで、図１１の下段のグラフに示すように、閾値以上の混合割合の燃料の場合は、燃料に同一寿命の気泡を混入させることができる。燃料内の気泡寿命を一定にできることで、極性分子燃料の混合割合によらず、一定の気泡が混入された燃料を燃料室等に供給することが可能となり、噴射した燃料を適切に微粒化させることができる。

次に、燃料供給装置２の制御方法の他の一例について説明する。図１２は、燃料供給装置の制御方法の他の一例を示すフロー図である。まず、微細気泡混入制御部７４は、ステップＳＴ１３１として、燃料濃度センサ９２により、無極性分子燃料に混合された極性分子燃料の混合割合を検出する。次に、微細気泡混入制御部７４は、ステップＳＴ１３２として、検出した極性分子燃料の混合割合が閾値以上であるか否かを判定する。微細気泡混入制御部７４は、ステップＳＴ１３２にて、検出した混合割合が閾値以上、つまり、燃料中の極性分子燃料の濃度が閾値と同じか、閾値よりも高い場合は、ステップＳＴ１３３として、後述する微細気泡混入手段作動期間マップＢ（以下単に「作動期間マップＢ」という。）を読み込み、さらに、作動期間マップＢから、検出した濃度に対応する作動期間を読み込む。ここで、作動期間マップＢも、燃料中の極性分子燃料の混合割合と微細気泡混入手段の作動期間との対応関係を示すマップである。その後、微細気泡混入制御部７４は、ステップＳＴ１３４として、微細気泡混入手段を読み込んだ作動期間、作動させ、処理を終了する。他方、微細気泡混入制御部７４は、ステップＳＴ１３２にて、検出した混合割合が閾値よりも低い場合は、微細気泡混入手段を作動させずに処理を終了する。

図１３は、極性分子燃料混合割合と、気泡寿命、作動期間及び制御後の気泡割合との関係を示すグラフである。図１３では、横軸を極性分子燃料混合割合とし、上段のグラフの縦軸を微細気泡混入手段一定時間作動時の気泡寿命とし、中段のグラフの縦軸を作動期間とし、下段のグラフの縦軸を作動期間マップＢに応じて微細気泡混入手段を作動させた場合の燃料中に混入される気泡の割合（以下単に「気泡割合」ともいう。）とした。ここで、図１３の中段に示すグラフは、上述した作動期間マップＢである。まず、作動期間マップＢは、他の制御方法と同様に、図１３の上段のグラフに示すように、作動期間を一定期間とした時に気泡寿命が要求寿命を超えない混合割合の燃料の場合には、作動期間を０としている。また、本実施例の作動期間マップＢは、極性分子燃料混合割合が閾値よりも高くなる（大きく）にしたがって作動期間が長くなる。このように、混合割合が高くなるに従って作動期間を長くすることで、図１３の下段のグラフに示すように、混合割合が高くなるに従って燃料内に混入させる気泡の割合を高くすることができる。

図１４は、極性分子燃料の混合割合とリード蒸気圧（Reid Vapor Pressure）との関係の一例を示すグラフである。なお、図１４では、極性分子燃料としてエタノールを用いている。図１４に示すように、燃料は、極性分子燃料の混合割合が大きくなるにつれてリード蒸気圧が低くなり、蒸発特性が悪化するため、噴射された燃料が燃焼しにくくなり、始動性が悪化する。これに対して、本実施例では、混合割合が高くなるに従って燃料内に混入させる気泡の割合を高くすることで、リード蒸気圧の低い燃料ほど燃料の噴射時により微粒化することができる。これにより、燃料中の極性分子燃料の混合割合が高く、リード蒸気圧が低くなる場合も、燃料の燃焼効率を高くすることができ、始動性を高くすることができる。なお、本実施例の制御は、内燃機関の始動時のみに行ってもよい。

また、燃料供給装置の制御方法は上記方法に限定されず、極性分子の混合割合に応じて、作動期間つまり作動時間、作動間隔、作動タイミング等を適宜設定すればよい。また、極性分子の混合割合に加え、燃料の温度に応じて、作動期間、作動間隔、作動タイミングを設定してもよい。

以上のように、本発明に係る燃料供給装置および燃料供給方法は、気筒内へ直接燃料を噴射する内燃機関に有用であり、特に、噴射する燃料を微粒化させることに適している。

燃料供給装置を有する内燃機関の一実施例の概略構成を示す模式図である。図１に示す内燃機関の燃料供給装置の概略構成を示す模式図である。燃料噴射弁の一例の先端部分を示す断面図である。図３−１に示す燃料噴射弁の先端部分を図３−１の切断面に直交する面で切断して示す断面図である。図３−１に示す燃料噴射弁の一部を拡大して示す拡大断面図である。図３−１に示す燃料噴射弁のIII−III線断面図である。燃料噴射弁の他の一例の先端部分を側面に平行な方向で切断し、拡大して示す断面図である。図４−１に示す燃料噴射弁の正面に平行な方向で切断し、拡大して示す断面図である。燃料噴射弁の他の一例の先端部分を示す断面図である。図５−１に示す燃料噴射弁の一部を拡大して示す拡大断面図である。燃料噴射弁の他の一例の先端部分を示す断面図である。図６−１に示す燃料噴射弁の一部を拡大して示す拡大断面図である。燃料供給装置の他の一例の概略構成を示す模式図である。燃料供給装置の他の一例の概略構成を示す模式図である。燃料供給装置の他の一例の概略構成を示す模式図である。燃料供給装置の他の一例の概略構成を示す模式図である。燃料供給装置の他の一例の概略構成を示す模式図である。燃料供給装置の他の一例の概略構成を示す模式図である。燃料供給装置の他の一例の概略構成を示す模式図である。燃料供給装置の制御方法の一例を示すフロー図である。極性分子燃料混合割合と、気泡寿命及び作動期間との関係を示すグラフである。燃料供給装置の制御方法の他の一例を示すフロー図である。極性分子燃料混合割合と、気泡寿命、作動期間及び制御後の気泡寿命との関係を示すグラフである。燃料供給装置の制御方法の他の一例を示すフロー図である。極性分子燃料混合割合と、気泡寿命、作動期間及び制御後の気泡割合との関係を示すグラフである。極性分子燃料の混合割合とリード蒸気圧との関係の一例を示すグラフである。

符号の説明

１内燃機関
２燃料供給装置
３内燃機関本体
４弁装置
５吸気経路
６排気経路
７機関ＥＣＵ
２１、２１ａ燃料噴射弁
２２燃料タンク
２３低圧燃料ポンプ
２４高圧燃料ポンプ
２５燃料分配管
２６燃料供給配管
２９燃料圧力センサ
３０気筒
３１シリンダブロック
３２シリンダヘッド
３３ピストン
３４コネクティングロッド
３５クランク軸
３６点火プラグ
３７吸気ポート
３８排気ポート
３９クランク角度センサ
４１吸気弁
４２排気弁
４３吸気カムシャフト
４４排気カムシャフト
４５吸気弁タイミング変更機構
４６吸気カムポジションセンサ
４８排気カムポジションセンサ
５１エアクリーナ
５３スロットル弁
５４吸気通路
６１浄化触媒（排ガス浄化触媒）
６２排ガス通路
７２処理部
７３記憶部
７４微細気泡混入制御部
８４リリーフ弁
９１微細気泡混入手段
９２燃料濃度センサ
９３スピル弁
９５ａバルブボディ
９６ａニードル
９７ａサック部
９８ａ噴出孔
９９ａシール部
１０１エゼクタ部
１０２空気取込管
１０３燃料吸引管
１０４燃料排出管
１０５供給手段
１０６給油口
１２０燃料通路
１２２、１２４、１２６、１３２、１３４、１３６、１４２、１５２面
１３２ａ、１３４ａ、１３６ａ、１５２ａ位置
１２８、１３８、１４４、１５４開口

Claims

極性分子が添加された燃料を溜める燃料タンクと、
前記燃料に微細気泡を混入する微細気泡混入手段と、
前記微細気泡混入手段により、微細気泡が混入された前記燃料を噴射する燃料噴射弁と、
前記燃料タンクに貯留された燃料内の極性分子の割合を検出する検出手段と、
前記検出手段の検出結果に基づいて、前記微細気泡混入手段の動作を制御する制御手段と、を有することを特徴とする燃料供給装置。
前記微細気泡混入手段は、前記燃料タンクの内部に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料供給装置。
前記微細気泡混入手段は、微細気泡が混入された燃料を前記燃料タンクに供給する燃料供給部を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料供給装置。
前記燃料噴射弁は、燃料通路を有するとともに先端部に当該燃料通路と連通する燃料噴射孔を有するバルブボディと、
前記バルブボディに移動自在に支持され、先端部に設けられたシール部で前記燃料通路を封鎖または開放することによって前記燃料通路と前記燃料噴射孔とを遮断または連通するニードルとを有し、
前記燃料噴射孔は、前記燃料が通過する際に、前記燃料の飽和蒸気圧以下の領域が形成される構造であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料供給装置。
前記燃料噴射孔は、その内周面のうち前記ニードルの中心軸に対面する部分と、前記燃料通路と連通している開口部分とのなす角が８０度以上であることを特徴とする請求項４に記載の燃料供給装置。
前記制御手段は、前記極性分子の割合が閾値以上であると判定したら、前記微細気泡混入手段を作動させることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料供給装置。
前記制御手段は、前記極性分子の割合に応じて、前記微細気泡混入手段の作動期間を調整することを特徴とする請求項６に記載の燃料供給装置。
前記制御手段は、前記極性分子の割合が前記閾値よりも大きくなるに従って、前記作動期間を短くすることを特徴とする請求項７に記載の燃料供給装置。
前記燃料タンクに貯留された燃料内の極性分子の割合を検出する検出工程と、
前記検出工程の検出結果に基づいて、極性分子が添加された燃料に微細気泡を混入する微細気泡混入工程と、
微細気泡を混入した前記燃料を噴射する燃料噴射工程と、を有することを特徴とする燃料供給方法。