JP5035692B2 - 燃料改質装置及びそれを用いた燃料供給システム - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関に液体燃料を供給する燃料配管上に設置され、通過する液体燃料に超音波振動を付与して液体燃料を改質する燃料改質装置及びそれを用いた燃料供給システムに関する。

特許文献１は、内燃機関に供給する燃料を予め気化して完全燃焼させることを目的として、内燃機関用燃料を収容したタンク内において超音波振動を発生させて、燃料を超微粒子に分解した後、内燃機関に供給する前に気化させる装置を提供する。具体的には、気化発生装置は、気化タンクと、これに内蔵された出力振動素子と、空炊き防止スイッチとから構成される。

特許文献２は、燃料ラインに、超音波振動子を取り付け、燃料を微粒化し、その下流に磁石若しくは電磁石を取り付け、微粒化された燃料をさらに活性化してイオン化させる燃料改善装置を提供する。

特許文献３は、液体燃料油の粒子を超微粒子化することによって完全燃焼ができ、エネルギーの有効利用と共に低公害を達成するために、燃料油フィルタブラケットの上部中央に発信器と配線で連結された超音波振動子を設け、燃料油フィルターアッセンブリ内部を流通する液体燃料油の粒子を超微粒子上に分解する燃料油改質装置を提供する。

特許文献４は、燃料容器の底面に、この底面から超音波を発振させる超音波発振手段を配設すると共に、その燃料容器内の燃料の液面高さに応じて超音波発振手段からの超音波の周波数を可変させる超音波周波数可変手段を有する燃料改質装置を提供する。
特開平７−１５１０２３号公報 特開２００１−２６３１８０号公報 特開２００２−３３２９２３号公報 特開２００６−２９１１４３号公報

上記特許文献１〜４に記載されているように、燃料に超音波を印加し、その燃料を改質（微粒子化）する技術はすでに公知である。しかしながら、特許文献1及び特許文献４に開示されるように、燃料タンク内の液体燃料に超音波振動を印加して液体燃料を改質する場合、改質された燃料は空気との混合行程を経て燃焼行程に至るが、タンクから燃焼行程まで距離があるため、改質が劣化する可能性があり、またタンク内に収容された燃料全体を均等に改質することが不可能であるため、燃焼性能にばらつきが生じるという不具合が生じる。

また、特許文献２に記載される燃料改善装置では、通常のパイプ上に超音波発振装置が配設されていることから、通過する液体燃料の微粒子化の効率が悪いという不具合が生じ、特許文献３に記載された燃料油改質装置においても、超音波振動子によって印加される液体燃料は、燃料油流出管に送出される前の燃料油フィルタブラケットを通過する燃料のみであり、燃料の通過速度が速いため十分な改質（微粒子化）ができないという不具合があった。

したがって、本願発明は、内燃機関に送られる液体燃料を十分に改質（微粒子化）することができる燃料改質装置及びそれを用いた燃料供給システムを提供することにある。

よって、この発明は、燃料タンクと配管を介して接続される流入口と、内燃機関の気化装置又は燃焼装置と配管を介して接続される流出口と、前記流入口と前記流出口との間に位置する改質空間と、該改質空間の一方に設けられる振動部と、該振動部を振動させる超音波振動子とを具備する燃料改質装置において、前記流入口から流入する液体燃料を、前記振動部の振動によって前記振動部の振動面に沿って回転し、前記振動面に対して垂直に前記流出口に向かって渦巻き状に移動させるものである。

また、前記改質空間は、前記振動部から上方へ略半球状に突出するドーム形状を成すと共に、振動部は円形の振動面を有し、前記流入口は、振動部の円形振動面近傍に開口し、前記流出口は、前記ドーム形状の頂部近傍に開口することが望ましい。

さらに、前記流出口は、前記振動部の振動面に対して垂直に位置するものであることが望ましいが、前記振動部の振動面に対して平行に位置するものであっても良い。

さらにまた、前記改質空間は、前記振動部から下方へ略半球状に突出するドーム形状を成すと共に、前記流入口は、前記ドーム形状の頂部近傍に開口し、前記流出口は、振動部の振動面に近接する前記ドーム形状の基底部近傍に開口することが望ましい。

また、前記改質空間は、ドーム形状の内面を有するハウジングと、該ハウジングの基底部を遮蔽すると共に円形の振動面を有する振動プレートとによって構成され、前記ハウジングと前記振動プレートとの間は、弾性部材からなるシールによって密閉されることが望ましい。

さらに、前記振動プレートは、所定の角度で扇状に広がると共に周方向に一定の角度で傾斜する傾斜面を有することが望ましい。

さらに、本願発明は、燃料タンクとエンジンの間に、本願発明に係る燃料改質装置を具備すると共に、エンジンを制御するエンジンコントロールユニットからの信号に基づいて前記燃料改質装置を制御する制御手段を具備する燃料供給システムにある。また、この燃料供給システムは、前記燃料改質装置に送られる燃料を冷却する燃料冷却装置を具備し、該燃料冷却手段は前記制御手段によって燃料改質装置と共に制御されることが望ましい。

本願発明の燃料改質装置によれば、内燃機関に送られる液体燃料を半球形のドーム状に形成された改質空間内に導いて超音波振動を印加することによって、液体燃料を改質空間内で、超音波振動の印加方向に渦巻き状に移動させることができるので、液体燃料内にキャビティを発生させることができると共に液体燃料の微粒子化が達成され、効率的に液体燃料を改質することが可能となり、内燃機関における燃焼効率を向上させることができるものである。また、これによって、燃費を向上させることができると共に完全燃焼を達成できることから、環境への悪影響を抑制できるものである。

さらに、本願発明の燃料供給システムによれば、上流側に燃料冷却装置を設けたので、ナノバブルが熱により大きくなることを防止することができ、燃焼効率の低下を抑制することができるものである。

以下、この発明の実施例について図面により説明する。

本願発明に係る燃料改質装置１は、図１に示すように、燃料タンク２と内燃機関３との間を接続する配管４，５上に配されて、燃料供給システムを構成するもので、液体燃料が流れる改質部６と、改質部６に超音波振動を印加する超音波振動子（具体的にはボルト締めランジュバン振動子（ＢＬＴ））７とによって構成される。また、前記ＢＬＴ７は、前記内燃機関３を制御するエンジン制御ユニット（ＥＣＵ）８からの信号に基づき、この信号に対応する信号を出力する振動子制御ユニット（ＶＣＵ）９によって制御される。前記内燃機関３としては、液体燃料をキャブレータによって空気と混合して燃焼室に送出するガソリンエンジン又はディーゼルエンジンであっても、液体燃料を直接燃焼室に噴射する燃料噴射ポンプを備えたガソリンエンジン又はディーゼルエンジンであっても良いものである。

尚、この実施例においては、超音波振動子としてボルト締めランジュバン振動子（ＢＬＴ）を用いたが、同様の効果を奏するものであれば、特に限定されない。

前記改質部６は、図２及び図３で示すように、燃料タンク２と配管４を介して接続される流入口６１を有する流入側パイプ６２と、内燃機関３と配管５を介して接続される流出口６３を有する流出側パイプ６４と、前記流入口６１と前記流出口６３との間に位置する改質空間６５と、この改質空間６５の下方を閉塞し、この改質空間６５の下方に位置する振動プレート６６とによって構成される。

前記改質空間６５は、略半球形形状のドーム形状の内周面６７を有するハウジング６８と、このハウジング６８の基底部に位置する前記振動プレート６６とによって画成される。また前記流入口６１は前記ハウジング６８の基底部であって前記改質空間６５の下方側部に開口し、前記流出口６３はドーム状の改質空間６５の頂部に開口する。また、前記振動プレート６６は、弾性部材からなるシール部材６９を介して前記ハウジング６８に固定される。さらに、前記振動子７に螺合されるねじ部７０を有する。

以上の構成により、内燃機関３が駆動されると、液体燃料が内燃機関３に吸引されることから、液体燃料は燃料タンク２から内燃機関３へ移動し、その途上で配管４から吸入パイプ６２を介して吸入口６１から改質空間６５に流入する。これと同時に、内燃機関３の駆動信号がＥＣＵ８からＶＣＵ９へ伝達され、ＢＬＴ７が起動して超音波振動を前記振動プレート６６に付与する。

流入した液体燃料は、前記振動プレート６６の振動面７１に沿って移動すると共に超音波振動によって渦巻き状の力が印加される。このため、液体燃料は、前記振動プレート６６の振動面７１に沿って回転しつつ、改質空間６５の頂部に位置する流出口６３へ向かって上昇していく。これによって、液体燃料は、超音波振動の印加方向に回転しながら移動することとなるため、効率的に発生されたキャビティを含むこととなり、さらに液体燃料自体の微粒子化も伴って、液体燃料を改質することができ、最終的に内燃機関３の燃焼効率を向上させると共に、完全燃焼を達成できるので、燃費を向上させ、また排気ガスの有害成分を減少させることが可能となるものである。

図４で示す実施例２に係る燃料改質装置１の改質部６Ａは、実施例１の改質部６が、液体燃料の流出方向を超音波振動の印加方向と同一としたことに対して、前記改質空間６５からの液体燃料の流出方向を、改質空間６５の頂部から液体燃料の渦巻きに沿った方向、言い換えると前記超音波振動の印加方向と垂直としたことにある。この実施例２に示される改質部６Ａにおいても、実施例１と同様の効果を得ることができるものである。尚、図４において示される実施例２において、実施例１と同一の箇所又は同一の作用を有する箇所には、同一の符号を付してその説明を省略する。

図５で示す実施例３に係る燃料改質装置１の改質部６Ｂは、実質的に実施例１の改質部６の流入口６３と流出口６４の位置を逆にしたことを特徴とするものであり、必然的に改質空間６５は逆ドーム形状となり、振動プレート６６は、改質空間６５の上方から改質空間６５内の液体射燃料に超音波振動を印加することとなる。この場合、流入口６１’から改質空間６５に流入した液体燃料は、振動面７１に向かって超音波振動に晒されながら振動面に向かって渦巻き状に移動し、振動面７１に沿って流出口６３’から内燃機関３へ移動する。この場合も、上記実施例１又は２の場合と同様の効果を得ることができる。

上記実施例１，２又は３のそれぞれについて、液体燃料の密度、流量、粘度、超音波振動の周波数（振動数）等の条件によって、さらには内燃機関３の種類によって最適なものを選択することが可能である。また、改質空間６５の容積、底面積の大きさ、高さ（深さ）等も最適なものを選択することが可能である。

図６で示すように、実施例４に係る改質部６Ｃは、振動プレート６６の振動面７１に、所定の角度で扇状に広がると共に周方向に一定の角度で傾斜する傾斜面８１からなる乱流形成部８０を具備する。この乱流形成部８０は、例えば図７（ａ）で示されるような４つの傾斜面８１からなるもの、図７（ｂ）で示されるような３つの傾斜面８１からなるもの、図７（ｃ）で示されるような８つの傾斜面８１からなるものが適当であるが、６つの傾斜面を有するもの、５つの傾斜面を有するものであっても良い。それぞれの液体燃料のパラメータ、超音波振動の周波数（振動数）によって適切なものが選択されるものである。

さらに、図８で示すように、本願発明に係る燃料供給システムは、燃料タンク２と燃料改質装置１との間の配管４上に、燃料冷却装置１０を設けるものである。この燃料冷却装置１０は、前記燃料改質装置１の振動子７と共に振動子制御ユニット９によって制御されるものである。これによって、エンジンが始動した場合に、エンジン制御ユニット８からの信号に基づいて振動子制御ユニット９が燃料改質装置１の振動子７及び燃料冷却装置１０の冷却機構を制御するものである。

以上の構成の燃料供給システムおいて、燃料改質装置１に供給される燃料の温度を低下させることができるので、熱によるバブルの巨大化を防止できるため、燃料改質装置１による効果を維持できるものである。

前記燃料冷却装置１０は、例えば図９（ａ），（ｂ）で示すように、燃料が通過する冷却空間１００を画成するケーシング１０１と、このケーシング１０１の側面に配され、前記振動子制御ユニット９からの信号によって制御される冷却手段としてのペルチェ素子１０２と、このペルチェ素子１０２の冷却側から前記冷却空間１００内に延出する複数の吸熱プレート１０４と、前記ペルチェ素子１０２からの放熱を行う放熱部（ヒートシンク）１０３とによって構成され、流入口１０５から流入した燃料を冷却し、流出口１０６から燃料改質装置１の改質空間６５に送出されるものである。この冷却装置１０は、この実施例では、別体としてが、前記燃料改質装置１内に組み込むことも可能である。

この発明は、実質的に内燃機関に供給される液体燃料の改質を目的としたものであるが、所定の空間に流入する流体（気体又は液体）に超音波振動を印加してその流体を改質することを目的とするものには、基本的に利用可能である。具体的には、燃料電池に供給される水素又は水素含有気体の改質、薬剤や化学的合成に使用される水の改質、化学反応を行うために供給される気体の微粒子化等に使用可能である。

燃料改質装置による燃料供給システムの説明図である。 実施例１に係る改質部の断面図である。 実施例１に係る改質部の別方向の断面図である。 実施例２に係る改質部の断面図である。 実施例３に係る改質部の断面図である。 実施例４に係る改質部の断面図である。 （ａ），（ｂ），（ｃ）は、実施例４に係る改質部の振動プレートの変形例を示したものである。 燃料冷却装置と燃料改質装置を備えた燃料供給システムの説明図である。 燃料冷却装置の一例を示したもので、（ａ）はその概略側面断面図、（ｂ）は概略平面断面図である。

符号の説明

１ 燃料改質装置
２ 燃料タンク
３ 内燃機関
４，５ 配管
６，６Ａ，６Ｂ 改質部
７ 超音波振動子
８ エンジン制御ユニット
９ 振動子制御ユニット
１０ 燃料冷却装置
６１ 流入口
６２ 流入パイプ
６３ 流出口
６４ 流出パイプ
６５ 改質空間
６６ 振動プレート
６７ 内周面
６８ ハウジング
６９ シール部材
７０ ねじ部
７１ 振動面
８０ 乱流形成部
８１ 傾斜面

Claims (9)

1. 燃料タンクと配管を介して接続される流入口と、内燃機関の気化装置又は燃焼装置と配管を介して接続される流出口と、前記流入口と前記流出口との間に位置する改質空間と、該改質空間の一方に設けられる振動部と、該振動部を振動させる超音波振動子とを具備する燃料改質装置において、
   前記流入口から流入する液体燃料を、前記振動部の振動によって前記振動部の振動面に沿って回転し、前記振動面に対して垂直に前記流出口に向かって渦巻き状に移動させることを特徴とする燃料改質装置。
2. 前記改質空間は、前記振動部から上方へ略半球状に突出するドーム形状を成すと共に、振動部は円形の振動面を有し、
   前記流入口は、振動部の円形振動面近傍に開口し、
   前記流出口は、前記ドーム形状の頂部近傍に開口することを特徴とする請求項１記載の燃料改質装置。
3. 前記流出口は、前記振動部の振動面に対して垂直に位置することを特徴とする請求項２記載の燃料改質装置。
4. 前記流出口は、前記振動部の振動面に対して平行に位置することを特徴とする請求項２記載の燃料改質装置。
5. 前記改質空間は、前記振動部から下方へ略半球状に突出するドーム形状を成すと共に、
   前記流入口は、前記ドーム形状の頂部近傍に開口し、
   前記流出口は、振動部の振動面に近接する前記ドーム形状の基底部近傍に開口することを特徴とする請求項１記載の燃料改質装置。
6. 前記改質空間は、ドーム形状の内面を有するハウジングと、該ハウジングの基底部を遮蔽すると共に円形の振動面を有する振動プレートとによって構成され、前記ハウジングと前記振動プレートとの間は、弾性部材からなるシールによって密閉されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の燃料改質装置。
7. 前記振動プレートは、所定の角度で扇状に広がると共に周方向に一定の角度で傾斜する傾斜面を有することを特徴とする請求項６記載の燃料改質装置。
8. 燃料タンクとエンジンの間に、請求項１〜７のいずれか1つに記載の燃料改質装置を具備すると共に、エンジンを制御するエンジンコントロールユニットからの信号に基づいて前記燃料改質装置を制御する制御手段を具備することを特徴とする燃料供給システム。
9. 前記燃料改質装置に送られる燃料を冷却する燃料冷却装置を具備し、該燃料冷却手段は前記制御手段によって燃料改質装置と共に制御されることを特徴とする請求項８記載の燃料供給システム。