(57)【要約】【課題】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、少なくともインジェクタ５から燃料タンク２側へ戻る燃料にマイクロバブルを混入するマイクロバブル発生装置８と、を備えると共に、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１０を備える。【選択図】図１
2014025453.tif 000002
【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、
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微細気泡発生装置を備える内燃機関において、
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内燃機関。
【請求項２】
微細気泡が混入された燃料の一部を、前記バイパス路を介して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し、残りの微細気泡が混入された燃料を前記燃料タンクへ戻すように、前記バイパス路にオリフィスを備えることを特徴とする請求項１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】
しかしながら、上記の装置は、燃料ポンプの直後にマイクロバブル発生装置を配置するため、コモンレールを有する燃料噴射方式のエンジンの場合に、コモンレールへの燃料の供給圧力が低減していた。また、大排気量のディーゼルエンジンなどの場合には、燃料にマイクロバブルを混入する際に、燃料が大流量であること、加えて、燃料がマイクロバブル発生装置を通過する速度が速いことから、燃料の改質に十分な量のマイクロバブルを混入することが難しく、さらに、燃料内でマイクロバブルを均一化させることも難しかった。
【０００５】
この問題に対して、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がある（例えば、特許文献２参照）。この装置では、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。
【０００６】
ところが、特許文献２に記載の装置は、空の燃料タンクに燃料を新たに入れた場合に、あるいは、エンジンの停止時間が長く燃料タンク内の燃料中のマイクロバブルが減少した場合に、エンジンの始動直後には、燃料噴射装置に供給される燃料内に微細気泡がほとんど混入されていない。そのため、エンジン始動直後には、前述した燃費向上などの効果が期待できない。
【０００７】
エンジンが始動してから、リターン燃料がある程度燃料タンクに戻ることで、燃料は微細気泡で満たされ、燃費向上などの効果が期待できるようになる。つまり、エンジンを始動する度に、燃料中の微細気泡の混入量が大幅に変動し、エンジン性能がその都度変化してしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【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】
【０００９】
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、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】
【００１０】
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、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微細気泡発生装置を備える内燃機関において、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て構成される。
【００１１】
この構成によれば、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。
【００１２】
なお、ここでいう微細気泡とは、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。
【００１３】
また、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、燃料に超音波振動を印加して燃料内に微細気泡を発生させる超音波発信器を備えた装置や、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）の装置を使用することが好ましい。
【００１４】
加えて、上記の内燃機関において、微細気泡が混入された燃料の一部を、前記バイパス路を介して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し、残りの微細気泡が混入された燃料を前記燃料タンクへ戻すように、前記バイパス路にオリフィスを備えると、内燃機関が始動してから、微細気泡が混入されたリターン燃料がある程度燃料タンクに戻り、燃料タンク内に微細気泡が均一化されるまで、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、燃料を入れる度に、燃料中の微細気泡の量の変動が低減し、内燃機関の性能がその都度変化することを抑制することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、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、内燃機関の始動直後から、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。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【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】
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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及び３１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及び３１と、を制御するＥＣＵ（制御装置）９を備える。
【００２１】
このマイクロバブル発生装置８及び３１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、循環する燃料にマイクロバブルを混入する場合は、図１及び図２に示すような、リターン燃料に超音波振動を印加して、リターン燃料内にマイクロバブルを形成するマイクロバブル発生装置８や、図３に示すような、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３１が好ましい。
【００２２】
また、このマイクロバブル発生装置８及び３１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。
【００２３】
マイクロバブル発生装置８及び３１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。
【００２４】
しかしながら、上記の構成では燃料タンク２に新しい燃料を入れた場合に、あるいは、エンジン１の停止時間が長く燃料中のマイクロバブルが減少した場合に、エンジン１の始動直後に、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ない。
【００２５】
そこで、本発明に係る第１の実施の形態のエンジン１では、図１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１０を備えて構成する。
【００２６】
詳しくは、このバイパス路１０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１０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１１を備える。
【００２７】
ここで、図１の白抜き矢印は、燃料タンク２からコモンレール４に供給される燃料を示し、塗り潰し矢印は燃料タンク２の上流側から下流側へバイパス路１０を介して供給される燃料を示し、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。
【００２８】
この第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が始動すると、燃料ポンプ３が駆動し、燃料が燃料タンク２から吸引され、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、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１０を介してコモンレール４に供給される。
【００２９】
これにより、エンジン１の始動直後に、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。
【００３０】
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。このリターン燃料は、マイクロバブル発生装置８を通過して超音波振動が印加されてマイクロバブルが混入される。
【００３１】
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１０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１０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。
【００３２】
この構成によれば、マイクロバブル発生装置８を燃料タンク２の上流側に配置することで、コモンレール４への燃料の供給圧力を低減させることなく、燃料を改質することができると共に、マイクロバブルが混入された燃料を燃料タンク２の上流から燃料タンク２の下流へ供給するバイパス路１０を設けることで、エンジン１の始動直後から、十分な量のマイクロバブルが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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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の実施の形態のマイクロバブル発生装置８に替えて、図３に示すように、エジェクタ式のマイクロバブル発生装置３１と、バイパス路１０にオリフィス３２を備えて構成する。このオリフィス３２は、マイクロバブルが混入された燃料の一部を、バイパス路１０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。
【００３７】
このエジェクタ式（気液せん断法）のマイクロバブル発生装置３１は、リターン燃料に、吸入管３３から導入した空気を、周知の技術の気液せん断法によりマイクロバブル化し、リターン燃料内にマイクロバブルを混入し、分散する装置である。
【００３８】
この実施の形態では、吸入管３３から空気を取り込んでいるが、この吸入管３３をＥＧＲシステムに接続して、吸入管３３から排ガスを取り込み、排ガスのマイクロバブルを燃料に混入するように構成してもよい。これにより、燃料を微粒子化すると共に、スモークとＮＯｘとの低減効果を向上することができる。
【００３９】
オリフィス３２は、燃料戻り配管７からバイパス路１０に分岐する箇所に設け、このオリフィス３２の径は、マイクロバブル発生装置３１から放出されるマイクロバブルが混入された燃料の全流量の１０％程度が、燃料タンク２の上流側から燃料タンク２の下流側に流れるように、また、残りのマイクロバブルが混入された燃料が燃料タンク２に戻るように形成される。
【００４０】
この構成によれば、エンジン３０が始動してから、マイクロバブルが混入されたリターン燃料がある程度燃料タンク２に戻り、燃料タンク２内の燃料がマイクロバブルで満たされるまで、つまりマイクロバブルが均一化されるまで、マイクロバブルが混入された燃料を直接コモンレール４に供給することができる。これにより、新しい燃料を入れる度に、若しくは、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する度に、燃料中のマイクロバブルの量の変動が低減し、エンジン３０の性能がその都度変化することを抑制することができる。
【００４１】
なお、ここでは、バイパス路１０にオリフィス３２を備えたが、このオリフィス３２に換えて、バイパス路１０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。
【００４２】
この構成によれば、燃料タンク２に燃料を入れてからのエンジン３０の始動時には、気泡センサの検知する燃料タンク２内のマイクロバブル濃度が薄いため、ＥＣＵ９が開閉バルブを開いて、バイパス路１０を介してマイクロバブルが混入された燃料をコモンレール４に供給する。
【００４３】
また、気泡センサの検知する燃料タンク２内のマイクロバブル濃度が濃くなると、つまり、エンジン３０が始動して、マイクロバブルを混入されたリターン燃料がある程度燃料タンク２に戻り、燃料タンク２内の燃料がマイクロバブルで満たされると、ＥＣＵ９が開閉バルブを閉じて、バイパス路１０を遮断する。これにより、燃料タンク２からマイクロバブルが十分に均一化された燃料を供給することができる。
【００４４】
上記の第１〜第３の実施の形態はそれぞれ本発明の一例を示しており、例えば、第１の実施の形態に第３の実施の形態のオリフィス３２を設けてもよく、また、第３の実施の形態のマイクロバブル発生装置３１に替えて、マイクロバブル発生装置８を設けてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明の内燃機関は、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が混入された燃料をコモンレールに供給し、内燃機関の始動直後から、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ので、特に大排気量の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】
【００４６】
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、３１  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  バイパス路
１１  逆止弁
２１  燃料クーラー（冷却装置）
３２  オリフィス
３３  吸入管
【図１】
2014025453.tif 000003
【図２】
2014025453.tif 000004
【図３】
2014025453.tif 000005