JP5119409B2 - 燃料供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料に水と空気とを混合した混合燃料を内燃機関に供給する燃料供給装置に関する。

従来より、特許文献１にあるように、燃料に水と空気とを混合した混合燃料を内燃機関に供給して、燃焼効率の向上を図ったものが知られている。
この装置では、供給される燃料、水、空気をミキサーにより混合して、空気混入の油水エマルジョン燃料を生成し、チャンバにこの空気混入の油水エマルジョン燃料を貯留するようにしている。そして、チャンバから内燃機関に供給配管を介して空気混入の油水エマルジョン燃料を供給し、内燃機関で余った空気混入の油水エマルジョン燃料を戻し配管を介してチャンバに戻すようにしている。
特開昭５９−７７０６７号公報

しかしながら、こうした従来の装置では、燃料と水とが分離しやすく、空気はより分離しやすい。燃料と水との分離を抑制するために乳化剤を添加すると、乳化剤を添加するための機構が必要となり、装置が複雑になると共に、添加する乳化剤を必要とするという問題があった。また、空気混入の油水エマルジョン燃料を、チャンバ、供給配管、内燃機関、戻り配管、チャンバの間で循環させるようにしているので、燃料と水とが分離するだけでなく、空気も分離してしまうという問題があった。

本発明の課題は、簡単な構造で、燃料、水、空気を混合した混合燃料を内燃機関に連続供給できる燃料供給装置を提供することにある。

上記目的を達成するためになされた本願発明は、燃料に水と空気とを混合した混合燃料を内燃機関に供給する燃料供給装置に関する。
その本願発明の燃料供給装置は、前記混合燃料を貯留する混合タンクと、前記混合タンク内の前記混合燃料を前記内燃機関に供給する燃料ポンプと、前記内燃機関から戻された前記混合燃料を攪拌すると共に再度前記空気を混合して前記混合タンク内に吐出する混合器と、燃料タンク内に前記混合タンクを設け、更に、前記燃料タンク内の前記燃料を供給する第２燃料ポンプからの前記燃料に前記燃料タンク内の前記水を混合すると共に前記空気を混合して前記混合タンク内に吐出する第２混合器とを備えることを特徴としている。

予め前記混合タンクに前記燃料と前記水とを貯留し、前記混合器は前記内燃機関から戻された前記燃料に前記混合タンク内の前記水を混合すると共に前記空気を混合して前記混合タンク内に吐出してもよい。

本発明の燃料供給装置は、混合器が内燃機関から戻された混合燃料を攪拌すると共に再度空気を混合して混合タンク内に吐出するので、水や空気が分離しても、再度、攪拌・混合し、簡単な構造で、燃料、水、空気を混合した混合燃料を内燃機関に連続供給できるという効果を奏する。

以下本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１に示すように、１は内燃機関で、本第１実施形態では４気筒のガソリン機関を用いているが、４気筒に限らず、それ以外の気筒数のものでもよい。また、ガソリン機関に限らず、ディーゼル機関でもよい。

内燃機関１は、図示しない各気筒毎に燃料噴射弁２が設けられており、各燃料噴射弁２から各気筒に燃料を噴射する。各燃料噴射弁２には、各燃料噴射弁２に燃料を導く供給管４が接続されている。

供給管４には、混合タンク６が接続されており、混合タンク６には燃料８と水１０とが貯留されている。燃料８よりも重い水１０は、図１に破線で示すように、混合タンク６の底側に貯留される。尚、本第１実施形態では、車両に搭載される燃料タンクそのものを混合タンク６として用いている。

混合タンク６には、燃料８のレベルを検出する燃料レベルセンサ１２と、水１０のレベルを検出する水レベルセンサ１４とが設けられている。燃料レベルセンサ１２は燃料８の表面に浮くフロート１２ａの上下動に応じて燃料８のレベルを出力するものである。水レベルセンサ１４は燃料８と水１０との境界線（図１に示す破線）上に浮くフロート１４ａの上下動に応じて水１０のレベルを出力するものである。

混合タンク６の内部には、燃料ポンプ１６が配置されており、燃料ポンプ１６はフィルタ１８を介して混合タンク６内の燃料８や後述する混合燃料を吸入し、吐出管２０に吐出するように構成されている。吐出管２０は供給管４に接続されている。尚、本第１実施形態では、フィルタ１８には燃料８と水１０との境界線（図１に示す破線）上に浮くフロート２１が取り付けられており、燃料８と水１０との境界線の上下動にかかわらず、燃料ポンプ１６には境界線より上の燃料８を吸入できるように構成されている。

供給管４にはリリーフバルブ２２が取り付けられており、リリーフバルブ２２には戻り管２４が接続されている。リリーフバルブ２２は供給管４内の圧力が設定圧力を越えると、戻り管２４に燃料８を逃がすバルブである。

戻り管２４は、混合タンク６の内部に配置された混合器２６に接続されており、本第１実施形態では、混合器２６は混合タンク６の燃料８と水１０との境界線よりも下の底面側に配置されている。

混合器２６は、図２に示すように、戻り管２４が接続される燃料接続部２８を備え、
戻り管２４は混合器本体３０内に形成された渦流室３２に連通されている。渦流室３２は円柱状に形成されると共に、渦流室３２には、円筒部３４が同心上に形成されている。混合器本体３０には、円筒部３４内に連通し、混合タンク６内に開口した吐出孔４６が形成されている。

渦流室３２には、円筒部３４と同芯上に形成されたテーパ孔４２が接続されており、テーパ孔４２は渦流室３２側が大径で、渦流室３２から遠ざかるにしたがって徐々に縮径するように形成されている。テーパ孔４２の小径側には、オリフィス４４が接続されており、更に、オリフィス４４には水接続部３６が接続されており、水接続部３６には、図１に示すように、水吸入管３８が接続されている。水吸入管３８は混合タンク６の底側に配置されたフィルタ４０に接続されている。

混合器本体３０に形成された空気接続部４８には、空気吸入管５０が接続されており（図１参照）、空気吸入管５０は混合タンク６内の燃料８よりも上方に開口配置されている。空気接続部４８は小径孔５２を介してオリフィス４４に接続されており、小径孔５２は例えば直径０．５ｍｍ程度の小さな直径の孔である。この小径孔５２の直径を適宜選択することにより、後述する気泡の大きさを調整できる。また、水接続部３６の内径等を適宜選択することにより、オリフィス４４を通過する水量を調整できる。

次に、前述した本実施形態の燃料供給装置の作動について説明する。
まず、内燃機関１の始動時には、混合タンク６内では、燃料８と水１０とは分離した状態にあり、燃料ポンプ１６が駆動されると、燃料ポンプ１６はフィルタ１８を介して燃料８を吸入し、吐出管２０を介して供給管４に燃料８を供給する。尚、混合タンク６には、予め燃料８と水１０とが一定割合で貯留される。

供給された燃料８は、各燃料噴射弁２から各気筒に噴射されて内燃機関１が始動される。余った燃料８は、リリーフバルブ２２、戻り管２４を介して混合器２６に流入する。混合器２６では、燃料８が戻り管２４、燃料接続部２８を介して渦流室３２に流入し、渦流室３２で円筒部３４の外周の廻りに燃料８の渦流が生成される。渦流となった燃料８は、テーパ孔４２に流入し、渦流効果により、フィルタ４０、水吸入管３８、水接続部３６、オリフィス４４を介して、テーパ孔４２内に混合タンク６内の水１０を吸入する。

テーパ孔４２内に流入した水１０は、テーパ孔４２内の燃料８の渦流により、燃料８と水１０とが混合され、エマルジョン燃料が生成される。また、水がオリフィス４４を通る際に、水の流れが絞られ、オリフィス効果により、空気吸入管５０、空気接続部４８、小径孔５２を介してオリフィス４４内に空気が吸入される。空気は小径孔５２から吸入されるので、微少な気泡となって吸入され、テーパ孔４２内の渦流により混合されて、微少な気泡が混合されたエマルジョン燃料である混合燃料が生成される。この混合燃料がテーパ孔４２から円筒部３４内を通り、吐出孔４６から混合タンク６内に吐出される。

空気は、微少な直径の小径孔５２から吸入されるので、空気は微少な直径の気泡、本実施形態では、マイクロサイズあるいはナノサイズの気泡に生成されている。燃料８と水１０と空気との混合割合は、適宜決定すればよく、例えば、燃料８に対して、水１０が５％から５５％程度、空気が数％から数十％程度とすればよい。

燃料ポンプ１６の駆動により、燃料８が送られ、混合器２６により燃料８に水１０と空気とが混合された混合燃料が生成されて、混合タンク６内が混合燃料となると、燃料ポンプ１６は混合燃料を吸入して、吐出管２０を介して供給管４に混合燃料を供給する。

そして、供給された混合燃料は、各燃料噴射弁２から各気筒に噴射されて内燃機関１の運転が継続される。気筒内への混合燃料の噴射により、混合燃料中の微粒子化された空気が燃料８の燃焼を促進すると共に、水１０は微爆発等をおこす。燃焼効率の改善により燃費が向上すると共に、燃焼が低温で行われるので、窒素酸化物が低減され、エミッションが改善される。

従来のガソリン機関を搭載した車両と、本第１実施形態の燃料供給装置を適用したガソリン機関を搭載した車両とにより、排気ガス成分を比較した。下記表１に示すように、本第１実施形態を適用した場合、二酸化炭素は３０％減少し、一酸化炭素、窒素酸化物は零レベルとなり、エミッションが著しく改善された。尚、比較したガソリン機関は、４気筒、２４００ｃｃであり、アイドル状態での比較である。

混合器２６で生成された混合燃料は、燃料ポンプ１６により、吐出管２０を介して供給管４に供給され、余った混合燃料が再び混合器２６に供給される。供給管４に供給された混合燃料のうち、６〜７割が混合器２６に戻されるように設定するとよい。

微粒子化された水や気泡は数分〜十数分で分離するが、混合器２６に混合燃料が戻されて、燃料接続部２８を介して渦流室３２に流入し、渦流室３２で円筒部３４の外周の廻りに混合燃料の渦流が生成される。渦流室３２からテーパ孔４２に流入する渦流により混合燃料が撹拌されて、燃料８と水１０と空気とが混合されて、水１０の分離を抑制する。また、撹拌により、再度微粒子化した気泡とエマルジョン燃料との混合が行われる。

一方、フィルタ４０、水吸入管３８、水接続部３６、オリフィス４４を介して、テーパ孔４２内に混合タンク６内の混合燃料を吸入する。混合燃料がオリフィス４４を通る際に、混合燃料の流れが絞られ、小径孔５２を介してオリフィス４４内に空気が吸入される。空気は小径孔５２から吸入され、微少な気泡となって吸入され、混合燃料の渦流により混合される。

尚、混合タンク６の底に水１０が残っている場合には、残っている水１０が、あるいは、混合タンク６の底に混合燃料から分離した水１０が溜まった場合には、その分離した水１０が、フィルタ４０、水吸入管３８、水接続部３６、オリフィス４４を介して、テーパ孔４２内に吸入され、混合される。

混合タンク６内に貯留された混合燃料から、一部の気泡が分離しても、混合器２６により混合燃料に再度気泡が混合されて補給され、運転の継続により、分離する気泡と補給される気泡との平衡により、一定割合の気泡が混合燃料に混合された定常状態となる。

混合器２６で混合が行われて混合タンク６に吐出される循環が行われる。混合器２６に戻るまでの間に、エマルジョン燃料から気泡が分離しても、混合器２６により再度被粒子化された気泡がエマルジョン燃料に混合されて、吐出孔４６から混合タンク６内に吐出される。これにより、混合タンク６内には燃料８に水１０と空気とが混合された混合燃料が常に貯留される。

混合器２６が内燃機関１から戻された混合燃料を攪拌すると共に再度空気を混合して混合タンク６内に吐出するので、水１０や空気が分離しても、再度、攪拌・混合し、簡単な構造で、燃料８、水１０、空気を混合した混合燃料を内燃機関１に連続供給できる。

尚、必要に応じて、吐出管２０と供給管４との間に補助混合器５４を設けて、混合を促進するようにしてもよい。また、本実施形態では、始動時には混合前の燃料８を燃料噴射弁２から噴射するようにしたが、これに限らず、燃料ポンプ１６を駆動して、混合タンク６内に混合燃料を貯留してから、燃料噴射弁２から噴射して内燃機関１を始動するようにしてもよい。

次に、前述した実施形態と異なる参考例の燃料供給装置について、図３によって説明する。尚、前述した実施形態と同じ部材については同一番号を付して詳細な説明を省略する。以下同様。

本参考例では、前述した混合タンク６に代えて、混合燃料生成用の混合タンク１０１と、燃料を貯留する燃料用タンク１０２と、水を貯留する水用タンク１０４とを別々に備えている。

混合タンク１０１内には、前述した混合タンク６と同様に、燃料レベルセンサ１２、水レベルセンサ１４、燃料ポンプ１６、フィルタ１８、混合器２６、フィルタ４０が配置されている。燃料ポンプ１６に接続された吐出管２０は補助混合器５４を介して供給管４に接続されている。また、供給管４は開閉バルブ１０６、リリーフバルブ２２、戻り管２４を介して混合器２６に接続されている。

燃料用タンク１０２内には、燃料レベルセンサ１０８が設けられると共に、燃料供給ポンプ１１０が設けられている。燃料供給ポンプ１１０は、フィルタ１１２を介して燃料用タンク１０２内の燃料８を吸入し、燃料８を補給管１１４に吐出する。補給管１１４は開閉バルブ１１６を介して補助混合器５４に接続されると共に、開閉バルブ１１８を介して混合タンク１０１に接続されている。

水用タンク１０４内には、水レベルセンサ１２０が設けられると共に、水供給ポンプ１２２が設けられている。水供給ポンプ１２２は、フィルタ１２４を介して水用タンク１０４内の水１０を補給管１２６を介して混合タンク１０１に補給する。

内燃機関１の始動時には、燃料供給ポンプ１１０を駆動すると共に、開閉バルブ１１６，１０６を開弁し、開閉バルブ１１８を閉弁する。燃料８は、燃料供給ポンプ１１０の駆動により、燃料用タンク１０２から、補給管１１４、開閉バルブ１１６、補助混合器５４を介して供給管４に供給され、各燃料噴射弁２から各気筒に噴射される。また、余った燃料８が開閉バルブ１０６、リリーフバルブ２２、戻り管２４を介して混合器２６に供給されて、混合器２６により、燃料８に水１０が混合されると共に、空気が混合されて、混合タンク１０１内に混合燃料が吐出され、混合タンク１０１内に混合燃料が貯えられる。

内燃機関１が始動した際には、開閉バルブ１１６を閉弁すると共に、開閉バルブ１１８を閉弁し、また、燃料ポンプ１６を駆動して、混合タンク１０１内の混合燃料を補助混合器５４を介して供給管４に供給し、混合燃料が各燃料噴射弁２から各気筒に噴射される。

このように、本参考例でも、混合タンク１０１、燃料ポンプ１６、吐出管２０、補助混合器５４、供給管４、開閉バルブ１０６、リリーフバルブ２２、戻り管２４、混合器２６により、混合燃料の循環が行われ、循環中に分離しても、再度、混合器２６により混合が行われて、燃料８に水１０と空気とを混合した混合燃料が燃料噴射弁２に供給される。

本参考例の場合でも、混合器２６が内燃機関１から戻された混合燃料を攪拌すると共に再度空気を混合して混合タンク１０１内に吐出するので、水や空気が分離しても、再度、攪拌・混合し、簡単な構造で、燃料、水、空気を混合した混合燃料を内燃機関１に連続供給できる。

次に、第２実施形態の燃料供給装置について、図４によって説明する。
本第２実施形態では、燃料タンク２００にベースプレート２０１を取り付け、このベースプレート２０１に取り付けた燃料ポンプ１６を燃料タンク２００内に垂下している。また、ベースプレート２０１に箱状の混合タンク２０２を取り付けて、同じく、燃料タンク２００内に垂下している。

燃料ポンプ１６は、混合タンク２０２内の混合燃料をフィルタ１８を介して吸入し、吐出管２０に吐出する。また、供給管４から余った混合燃料がリリーフバルブ２２、戻り管２４を介して混合器２６に流入し、混合器２６は混合燃料を攪拌すると共に、混合タンク２０２の底の分離した水や、混合燃料をフィルタ４０、水吸入管３８、水接続部３６、オリフィス４４を介して、テーパ孔４２内に吸入し、混合燃料と混合して混合タンク２０２内に吐出する。また、空気を空気吸入管５０を介して吸入し、混合燃料に微粒子化した気泡を混合して混合タンク２０２内に吐出するように、混合タンク２０２に取り付けられている。

更に、混合タンク２０２には、混合燃料を混合タンク２０２内に吐出するように、第２混合器２０４が取り付けられている。第２混合器２０４には、燃料タンク２００内に設けられた第２燃料ポンプ２０６から燃料が供給されるように接続されており、第２燃料ポンプ２０６は燃料タンク２００内の燃料８をフィルタ２０８を介して第２混合器２０４に供給する。

第２混合器２０４は混合器２６と同じ構造であり、第２混合器２０４は第２燃料ポンプ２０６から供給された燃料８に、燃料タンク２００内の水１０をフィルタ２１０、水吸入管２１２を介して吸入して、第２燃料ポンプ２０６から供給された燃料８に混合すると共に、空気吸入管２１４を介して吸入した空気を微粒子化して混合し、混合燃料を混合タンク２０２内に吐出する。

本第２実施形態では、第２燃料ポンプ２０６を駆動して、第２混合器２０４から混合タンク２０２内に混合燃料を吐出して貯える。そして、燃料ポンプ１６を駆動して、この混合燃料を吸引して、供給管４に供給し、燃料噴射弁２から噴射する。余った混合燃料は、混合器２６に供給されて、混合器２６により余った混合燃料に再度水と空気を混合して、燃料ポンプ１６により、供給管４に供給する。混合タンク２０２、燃料ポンプ１６、吐出管２０、供給管４、リリーフバルブ２２、戻り管２４、混合器２６により、混合燃料の循環が行われる。

このような構成とすることにより、既存の車両の燃料タンク等を改造して、本第２実施形態の燃料供給装置を容易に搭載できる。また、本第２実施形態の場合でも、混合器２６が内燃機関１から戻された混合燃料を攪拌すると共に再度水と空気を混合して混合タンク２０２内に吐出するので、水や空気が分離しても、再度、攪拌・混合し、簡単な構造で、燃料、水、空気を混合した混合燃料を内燃機関１に連続供給できる。

以上本発明はこの様な実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得る。

本発明の第１実施形態としての燃料供給装置の概略構成図である。 本第１実施形態の混合器の拡大断面図である。 本発明の参考例としての燃料供給装置の概略構成図である。 本発明の第２実施形態としての燃料供給装置の概略構成図である。

符号の説明

１…内燃機関 ２…燃料噴射弁
４…供給管 ６，１０１，２０２…混合タンク
８…燃料 １０…水
１２…燃料レベルセンサ １４…水レベルセンサ
１６…燃料ポンプ ２０…吐出管
２２…リリーフバルブ ２４…戻り管
２６…混合器 ３２…渦流室
３４…円筒部 ４２…テーパ孔
４４…オリフィス ４６…吐出孔
５０，２１４…空気吸入管 ５２…小径孔
５４…補助混合器 １０２…燃料用タンク
１０４…水用タンク １１０…燃料供給ポンプ
１２２…水供給ポンプ ２００…燃料タンク
２０１…ベースプレート ２０４…第２混合器
２０６…第２燃料ポンプ

Claims (2)

1. 燃料に水と空気とを混合した混合燃料を内燃機関に供給する燃料供給装置において、
   前記混合燃料を貯留する混合タンクと、
   前記混合タンク内の前記混合燃料を前記内燃機関に供給する燃料ポンプと、
   前記内燃機関から戻された前記混合燃料を攪拌すると共に再度前記空気を混合して前記混合タンク内に吐出する混合器と、
   燃料タンク内に前記混合タンクを設け、更に、前記燃料タンク内の前記燃料を供給する第２燃料ポンプからの前記燃料に前記燃料タンク内の前記水を混合すると共に前記空気を混合して前記混合タンク内に吐出する第２混合器とを備えた
   ことを特徴とする燃料供給装置。
2. 予め前記混合タンクに前記燃料と前記水とを貯留し、前記混合器は前記内燃機関から戻された前記燃料に前記混合タンク内の前記水を混合すると共に前記空気を混合して前記混合タンク内に吐出することを特徴とする請求項１に記載の燃料供給装置。

Images