(57)【要約】【課題】簡易な装置で、燃料を微粒子化すると共に、燃料を分解して、燃焼を促進することができる内燃機関を提供する。【解決手段】燃料を貯蔵する燃料タンク２から吸い上げた燃料を、インジェクタ５に燃料を分配するコモンレール４へ所定の圧力で供給する燃料ポンプ３と、気体をせん断するようにマイクロバブルとして分離し、マイクロバブルをコモンレール４へ供給される燃料に混入するマイクロバブル発生装置８と、を備えると共に、気体をマイクロバブル発生装置８に供給するオゾン発生装置１０を備え、オゾン発生装置１０が、燃料を部分的に分解するオゾンを、気体に添加するように形成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を貯蔵する燃料タンクから吸い上げた燃料を、燃料噴射装置に燃料を分配するコモンレールへ所定の圧力で供給する燃料ポンプを備えると共に、
気体をせん断するように微細気泡として分離し、前記微細気泡を前記コモンレールへ供給される燃料に混入する微細気泡発生装置を備える内燃機関において、
前記気体を前記微細気泡発生装置に供給する気体供給装置を備え、
前記気体供給装置が、燃料を部分的に分解する分解促進気体を、前記気体に添加するように形成されることを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記気体供給装置をオゾン発生装置で形成することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
少なくとも前記燃料噴射装置から前記燃料タンク側へ戻る燃料に微細気泡を混入するように、前記微細気泡発生装置を前記燃料タンクの上流側に配置し、
少なくとも内燃機関の始動時に、前記微細気泡発生装置により微細気泡が混入された燃料を、前記燃料タンクの上流側から前記燃料タンクの下流側へ供給するバイパス路を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料を改質（微粒子化）するために、燃料に微細気泡（マイクロバブルやナノバブルなど）を混入する内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
直径が５０μｍ以下のマイクロバブルや、直径が１μｍ以下のナノバブルは、通常の気泡とは異なった性質が現れる。例えば１０μｍの気泡は水中で１分間に３ｍｍ程度しか上昇しない等、液体中の上昇速度が極めて遅いことから、液体中で長時間滞在する特性を有している。また、気泡の大きさに反比例して界面張力による加圧が大きくなるため一層小さくなりやすく、また、負に帯電し互いに反発して大径化しにくいという特性も有している。
【０００３】
そこで、ディーゼルエンジンなどのエンジン（内燃機関）において、そのマイクロバブルやナノバブルといった微細な気泡を燃料に混入する装置がある（例えば、特許文献１参照）。この装置によれば、燃料に混入した微細気泡が、燃料噴射時に破裂することにより、噴射燃料の微細化を促進して燃料の燃焼効率を高める。これにより、燃費の向上、ＮＯｘ（窒素酸化物）の低減、ＨＣ（炭化水素）の低減、及びＣＯ（一酸化炭素）の低減を図っている。
【０００４】
また、燃料に微細気泡を混入する燃料改質装置を、燃料噴射装置から燃料タンクに至る戻り配管上に配置した装置もある（例えば、特許文献２参照）。この装置によれば、コモンレールへの燃料の供給圧力を低減させることなく、燃料を改質して、さらに燃料タンク内で気泡を均一化させて、燃費の向上やＮＯｘの低減といった効果を図っている。
【０００５】
一方、燃料の改質の度合いを向上させるためには、燃料の微粒子化の他にも、燃料のラジカル反応を増加させる方法などが提案されている。しかし、燃料を微粒子化する装置の他にも、燃料のラジカル反応を促進する装置を設けることは全体の装置が複雑化する上、コストの上昇にもなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−０２４０１２号公報
【特許文献２】特開２０１０−００７５７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、簡易な装置で、燃料を微粒子化すると共に、燃料を分解して、燃焼を促進することができる内燃機関を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を解決するための本発明の内燃機関は、燃料を貯蔵する燃料タンクから吸い上げた燃料を、燃料噴射装置に燃料を分配するコモンレールへ所定の圧力で供給する燃料ポンプを備えると共に、気体をせん断するように微細気泡として分離し、前記微細気泡を前記コモンレールへ供給される燃料に混入する微細気泡発生装置を備える内燃機関において、前記気体を前記微細気泡発生装置に供給する気体供給装置を備え、前記気体供給装置が、燃料を部分的に分解する分解促進気体を、前記気体に添加するように形成される。
【０００９】
この構成によれば、燃料に微細気泡を混入することにより燃料を微粒子化すると共に、その微細気泡の元となる気体に燃料を部分的に分解する分解促進気体を添加し、燃料を分解、つまり高分子有機化合物を低分子化することができる。これにより、燃料の微粒子化と、燃料（軽油）の分解（軟質化）が進み、且つ、燃焼反応が速くなるので、簡易な装置で、燃費の向上、煤の低減、ＮＯｘの低減、ＨＣの低減、及びＣＯの低減を確実に成すことができる。
【００１０】
なお、ここでいう分解促進気体とは、燃料を部分的に酸化して、分解（軟質化）することができる気体を示す。さらに詳しくは、高分子有機化合物の炭素と炭素の二重結合を切断する気体のことであり、例えば、オゾン（Ｏ３）、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）、一酸化窒素（ＮＯ）、二酸化窒素（ＮＯ２）、又は塩素（Ｃｌ２）のことである。
【００１１】
また、微細気泡とは、直径がミクロン単位以下（１ｍｍ未満）の微細な気泡のことであり、直径がミクロン単位、詳しくは直径が５０μｍ以下の微細な気泡であるマイクロバブルや、直径がナノ単位、詳しくは直径が１μｍ以下の微細な気泡であるナノバブルなどのことをいう。
【００１２】
さらに、微細気泡発生装置とは、燃料に微細気泡を混入できる装置のことをいい、本発明では、気体に分解促進気体を添加し、その気体（空気や排ガスなど）と液体（燃料）が共存する状態を乱流にして、気体をせん断するように気泡として分離するエジェクタ式（気液せん断法）の装置が好ましい。
【００１３】
加えて、上記の内燃機関において、前記気体供給装置をオゾン発生装置で形成すると、オゾンによるオゾン酸化（オゾン分解ともいう）が起きて、燃料が部分的に酸化し、分解（軟質化）が進む。これにより、燃料改質の度合いを増加することができる。
【００１４】
なお、オゾン発生装置とは、酸素に放電方式、紫外線照射方式、及び電解方式を用いてオゾンを発生させる装置である。このオゾン発生装置に送られる酸素は、空気中の酸素でよいが、好ましくはオゾン発生装置には酸素のみを送ると、ＮＯｘなどの生成を抑制することができる。
【００１５】
さらに、上記の内燃機関において、少なくとも前記燃料噴射装置から前記燃料タンク側へ戻る燃料に微細気泡を混入するように、前記微細気泡発生装置を前記燃料タンクの上流側に配置し、少なくとも内燃機関の始動時に、前記微細気泡発生装置により微細気泡が混入された燃料を、前記燃料タンクの上流側から前記燃料タンクの下流側へ供給するバイパス路を備えると、微細気泡発生装置を燃料タンクの上流側に配置することで、コモンレールへの燃料の供給圧力を低減させることなく、燃料を改質すると共に、微細気泡が混入された燃料を燃料タンクの上流から燃料タンクの下流へ供給するバイパス路を設けることで、内燃機関の始動直後から、十分な量の微細気泡が混入された燃料をコモンレールに供給することができる。これにより、燃料を十分に改質（微粒子化）して、燃費の向上、ＮＯｘの低減、ＨＣの低減、及びＣＯの低減を図ることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、燃料に微細気泡を混入することにより燃料を微粒子化すると共に、その微細気泡の元となる気体に分解促進気体を添加することにより燃料（軽油）の分解（軟質化）を進め、且つ、燃焼反応を速くするので、簡易な装置で、燃費の向上、煤の低減、ＮＯｘの低減、ＨＣの低減、及びＣＯの低減を確実に成すことができる。
【００１７】
また、内燃機関の始動直後から、コモンレールへの燃料の供給圧力を低減させることな
く、十分な量の微細気泡を混入された燃料をコモンレールに供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態の内燃機関を示す概略図である。
【図２】本発明に係る第２の実施の形態の内燃機関を示す概略図である。
【図３】本発明に係る第３の実施の形態の内燃機関を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係る実施の形態の内燃機関について、図面を参照しながら説明する。なお、内燃機関として、トラックのような車両に搭載されるディーゼルエンジンを例に説明するが、本発明はこれに限定しない。例えば、ガソリンエンジンや、燃料油（重油、灯油、軽油、又は廃油等）に水と界面活性剤を添加し、機械的に攪拌してオイル中に水を分散させた燃料を用いるものに適用することができる。
【００２０】
図１〜図３に示す本発明に係る実施の形態のエンジン（内燃機関）１、２０、及び３０は、例えば、大排気量のディーゼルエンジンであって、燃料タンク２と、燃料ポンプ３と、コモンレール４と、インジェクタ（燃料噴射装置）５と、燃料タンク２からコモンレール４に至る燃料供給配管６と、コモンレール４及びインジェクタ５から燃料タンク２に至る燃料戻り配管７とを備える。
【００２１】
このエンジン１、２０、及び３０は、燃料タンク２から燃料を燃料ポンプ３が吸い上げて、所定の圧力でコモンレール４に供給し、そのコモンレール４から分配された燃料を、インジェクタ５のそれぞれから図示しないエンジン本体の燃焼室に向かって噴射することで、動力を得ている。
【００２２】
このエンジン１、２０、及び３０は、燃料を噴射する際に、燃料を改質（微粒子化）して噴射し、燃費向上や燃焼により生成される物質（ＮＯｘやＣＯなど）を低減するため、燃料戻り配管７に、マイクロバブル発生装置（微細気泡発生装置）８を備え、また、燃料ポンプ３と各インジェクタ５とマイクロバブル発生装置８を制御するＥＣＵ（制御装置）９を備える。
【００２３】
マイクロバブル発生装置８は、周知の技術のマイクロバブル発生装置であればよいが、本発明のように、循環する燃料にマイクロバブルを混入し、且つ後述する分解促進気体を添加する場合は、空気や排ガス（気体）と燃料（液体）が共存する状態を乱流にして、気体をせん断するようにマイクロバブルとして分離するエジェクタ式（気液せん断法）のマイクロバブル発生装置が好ましい。
【００２４】
また、このマイクロバブル発生装置８は、直径がミクロン単位の微細な気泡、詳しくは、直径が５０μｍ以下のマイクロバブルを燃料に混入するが、マイクロバブルよりも直径が小さく、直径が１μｍ以下のナノバブルを燃料に混入してもよい。なお、噴射ポンプ３で加圧（例えば、１００ＭＰａ〜３００ＭＰａ）された際に、マイクロバブルは潰れてナノバブルになるか、燃料中に溶解するので、直径が５０μｍ以下の気泡であればよい。
【００２５】
マイクロバブル発生装置８を燃料タンク２の上流側、つまり燃料戻り配管７に配置することで、コモンレール４の圧力、ひいては各インジェクタ５の噴射圧力を良好に保つことができる。また、マイクロバブルが混入された燃料を燃料タンク２に送るので、燃料タンク２内でマイクロバブルを均一化することもできる。
【００２６】
本発明に係る第１の実施の形態のエンジン１では、上記の構成に加えて、図１に示すように、マイクロバブル発生装置８でせん断するように微細気泡として分離される気体（空
気）をマイクロバブル発生装置８に供給するオゾン発生装置（気体供給装置）１０を備え、オゾン発生装置１０が、燃料を部分的に分解するオゾン（分解促進気体）を、気体（空気）に添加するように形成される。
【００２７】
詳しくは、このオゾン発生装置１０は、酸素に放電方式、紫外線照射方式、及び電解方式を用いてオゾン（Ｏ３）を発生させる装置であり、この実施の形態では、吸入管１１から取り込んだ空気中の酸素を、電極間に高電圧を印加し、放電させ、その空間に通過させる事でオゾンを生成する装置を用いる。なお、このオゾン発生装置１０は、周知の技術のオゾン発生装置を用いることができる。
【００２８】
上記のオゾン発生装置１０により、オゾンの含有量が増加した空気を気体移送管１２でマイクロバブル発生装置８へ取り込み、前述した方法で燃料内にマイクロバブルとして混入する。このオゾンにより、マイクロバブルの界面にて、燃料のオゾン酸化が起きて、燃料が部分的に酸化し、分解（軟質化）が進む。
【００２９】
ここで、図１の白抜き矢印は、外部からオゾン発生装置１０の供給される空気を示し、塗り潰し矢印はマイクロバブルが混入された燃料を示し、点線矢印は、インジェクタ５から燃料タンク２に戻るリターン燃料を示す。
【００３０】
第１の実施の形態のエンジン１の作用について説明する。エンジン１の始動中に、燃料ポンプ３が駆動し、燃料タンク２から燃料が吸引され、燃料供給配管６を介してコモンレール４に供給される。コモンレール４では、燃料は一定の圧力に維持され、オーバーフローした燃料は燃料戻り配管７を介して戻される。また、コモンレール４内の燃料は各インジェクタ５を介して順次噴射されるが、インジェクタ５からの余分な燃料も燃料戻り配管７を介して戻される。
【００３１】
コモンレール４に供給される燃料は、マイクロバブル発生装置８を通過してマイクロバブルを混入される。このとき、オゾン発生装置１０によりオゾンを含有した空気をマイクロバブル発生装置８へ送り、マイクロバブル発生装置８でそのオゾンを含有した空気をせん断するようにマイクロバブルとして分離して、燃料に混入する。
【００３２】
その結果、オゾンにより、マイクロバブルの界面で燃料のオゾン酸化が起きる。オゾン酸化とは、オゾンによって有機化合物の炭素と炭素の二重結合を酸化切断する酸化反応のことである。このオゾン酸化により、高分子有機化合物が低分子有機化合物に分解され、燃料の軟質化が進む。このオゾン酸化による燃料の分解の一例を化学式（１）に示す。
【化１】
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【００３３】
このように、燃料が部分的に酸化することによって、燃料の分解が進み、その結果燃焼反応が早くなる。
【００３４】
この実施の形態によれば、燃料にマイクロバブルを混入し、燃料の微細化を促進して燃料の燃焼効率を高めると共に、マイクロバブルの元となる気体（空気）に分解促進気体であるオゾンを添加することで、燃料にオゾン酸化が起き、燃料の分解（例えば、燃料が軽油であれば、軽油の軽質化）を進め、且つ燃焼反応を速くする。その相乗効果によって、燃費の向上、ＮＯｘの低減、ＨＣの低減、及びＣＯの低減を図ることができる。
【００３５】
また、燃料を部分的に分解するオゾンを含有した空気をせん断して、マイクロバブルとして分離して燃料に混入することができるので、簡易な構造で、燃料を微粒子化すると共に、燃料を部分的に分解することができる。
【００３６】
なお、この実施の形態では、空気にオゾンを発生させるオゾン発生装置１０を気体供給装置として用いたが、本発明はこれに限定せず、例えば、亜酸化窒素（Ｎ２Ｏ）、一酸化窒素（ＮＯ）、二酸化窒素（ＮＯ２）、又は塩素（Ｃｌ２）などの分解促進気体を空気に添加することができればよい。
【００３７】
次に、本発明に係る第２の実施の形態の内燃機関について、図２を参照しながら説明する。このエンジン２０は、図１の第１の実施の形態のエンジン１の構成に加えて、図２に示すように、マイクロバブル発生装置８の上流側にリターン燃料を冷却する燃料クーラー２１を備えて構成される。
【００３８】
マイクロバブルは一般に温度が低いほど発生量は多く、高くなると少なくなるという性質がある。一方、燃料は温度が低いと粘度が高く、マイクロバブルが発生しにくくなってしまう。そこで、この実施の形態では、燃料クーラー２１を備えることで、燃料が加圧された後の燃料タンク２に戻る高温のリターン燃料を、燃料クーラー２１で冷却して、リターン燃料を任意の温度に設定することができる。
【００３９】
このときのリターン燃料の温度は、例えば１００℃〜１２０℃であり、燃料タンク２内の燃料の温度と比べて高く、マイクロバブルが発生しやすい粘度を保つことができ、且つ、マイクロバブルがリターン燃料の熱の影響により大きくなることを抑制し、発生量の減少を抑制することができる温度である。
【００４０】
次に、本発明に係る第３の実施の形態の内燃機関について、図３を参照しながら説明する。このエンジン３０は、図２に示す第２の実施の形態の構成に加えて、図３に示すように、少なくともエンジン１の始動時に、マイクロバブル発生装置８によりマイクロバブルが混入された燃料を、燃料タンク２の上流側から燃料タンク２の下流側へ供給するバイパス路３１を備えて構成される。
【００４１】
詳しくは、このバイパス路３１を、燃料戻り配管７上の燃料タンク２の上流側で、且つマイクロバブル発生装置８の下流側から、燃料タンク２の下流側で、且つ燃料ポンプ３の上流側に至る配管で形成し、
バイパス路３１には、燃料タンク２の上流側から燃料タンク２の下流側へ燃料を流すが、逆には流さない逆止弁３２を備える。
【００４２】
このエンジン３０が始動すると、燃料ポンプ３が駆動し、燃料タンク２から燃料が吸引され、燃料供給配管６を介してコモンレール４に供給される。このとき、燃料ポンプ３により、オゾン発生装置でオゾンを含有し、且つマイクロバブル発生装置８でマイクロバブルが十分に混入された燃料もバイパス路３１を介してコモンレール４に供給される。
【００４３】
これにより、燃料タンク２に新しい燃料を入れてからの、あるいは、エンジン３０の停止時間が長く燃料中のマイクロバブルが減少してからの、エンジン３０の始動直後に、オゾンを含有したマイクロバブルが十分に混入された燃料をコモンレール４に供給することができ、改質された燃料により、燃費の向上、ＮＯｘの低減、ＨＣの低減、及びＣＯの低減を図ることができる。
【００４４】
通常は、燃料タンク２内の燃料が十分にマイクロバブルで満たされる間、つまりマイク
ロバブルが均一化するまでの間、マイクロバブルが混入された燃料を、燃料ポンプ３、コモンレール４、燃料供給配管６、及び燃料戻り配管７の中の燃料で、バイパス路３１を介してコモンレール４に供給することができるが、マイクロバブルが混入された燃料の確保のために、マイクロバブル発生装置８内、又はバイパス路３１の上流側に、各インジェクタ５から燃料タンク２へ戻るリターン燃料の一部を貯蔵する予備貯蔵タンクを備えても良い。
【００４５】
また、マイクロバブルが混入された燃料の一部を、バイパス路３１を介して燃料タンク２の上流側から燃料タンク２の下流側へ供給し、残りのマイクロバブルが混入された燃料を燃料タンク２へ戻すように、バイパス路３１にオリフィスを設けてもよい。さらに、そのオリフィスに替えて、バイパス路３１を開閉する開閉バルブ（弁装置）を備え、ＥＣＵ９が、燃料タンク２に設けた気泡センサの検知するマイクロバブル濃度に応じて、その開閉バルブを制御するように構成してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明の内燃機関は、燃料に微細気泡を混入することにより燃料を微粒子化すると共に、その微細気泡の元となる気体に燃料を分解する分解促進気体を添加し、燃料を分解することができるので、特に高分子有機化合物の燃料を用いるディーゼルエンジンを搭載するトラックなどの車両に利用することができる。
【符号の説明】
【００４７】
１、２０、３０  エンジン（内燃機関）
２  燃料タンク
３  燃料ポンプ
４  コモンレール
５  インジェクタ（燃料噴射装置）
６  燃料供給配管
７  燃料戻り配管
８  マイクロバブル発生装置（微細気泡発生装置）
９  ＥＣＵ（制御装置）
１０  オゾン発生装置（気体供給装置）
２１  燃料クーラー（冷却装置）
３１  バイパス路
３２  逆止弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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