(57)【要約】【課題】本発明は、使用燃料に酸素を含有させて内燃機関の運転状態によって発生する煤を抑制できるコンパクトで車載可能な燃料供給装置を提供することを課題とする。【解決手段】本発明の燃料供給装置は、内燃機関の使用燃料に酸素を含有させる含酸素手段と、使用燃料が含酸素手段を流通するように使用燃料の燃料流路を切り替える切替手段とを備え、含酸素手段１８は、酸素負イオンを生成する酸素負イオン発生器４０と、発生した酸素負イオンを透過する多孔体５２を内蔵し、この多孔体に使用燃料を流通させることで使用燃料を含酸素燃料とする燃料改質器５０とを有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関に燃料を供給する燃料供給装置であって、
前記内燃機関の使用燃料に酸素を含有させる含酸素手段と、
前記使用燃料が前記含酸素手段を流通するように前記使用燃料の燃料流路を切り替える切替手段と、を備えることを特徴とする燃料供給装置。
【請求項２】
前記含酸素手段は、酸素負イオンを生成する酸素負イオン発生器と、前記酸素負イオンを透過する多孔体を内蔵し該多孔体に前記使用燃料を流通させることで該使用燃料を前記含酸素燃料とする燃料改質器とを有する請求項１に記載の燃料供給装置。
【請求項３】
前記酸素負イオン発生器は、アルミナセメントの一部に設けられた酸素が供給される酸素供給電極部と該アルミナセメントから離隔配置された捕集電極部との間に電圧を印可して前記アルミナセメントから酸素負イオンを発生させる請求項２に記載の燃料供給装置。
【請求項４】
前記多孔体はセラミックである請求項２または３のいずれかに記載の燃料供給装置。
【請求項５】
前記含酸素燃料は１〜３５質量％の酸素を含有する請求項２に記載の燃料供給装置。
【請求項６】
前記内燃機関の運転状態が高負荷領域では燃料を噴射するインジェクタに前記使用燃料に代えて前記含酸素燃料を供給する請求項１に記載の燃料供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はディーゼルエンジンなどの内燃機関へ燃料を供給する燃料供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的に、直噴式ディーゼルエンジンでは、気筒の圧縮上死点近傍で高温高圧の燃焼室に燃料を噴射して、自己着火により燃焼させるようにしている。このとき、燃焼室に噴射された燃料は、高密度の空気との衝突によって微細な液滴に分裂（霧化）しながら進行し、略円錐状の燃料噴霧を形成するとともに、その燃料液滴の表面から気化しつつ燃料噴霧の主に先端側や外周側で周囲の空気を巻き込んで混合気を形成し、この混合気の濃度及び温度が着火に必要な状態になったところで燃焼を開始する（予混合燃焼という）。そして、そのようにして着火、即ち燃焼を開始した部分が核となり、周囲の燃料蒸気と空気とを巻き込んで拡散燃焼状態になると考えられている。
【０００３】
上記のような通常のディーゼルエンジンの燃焼（以下、単にディーゼル燃焼ともいう）では、初期の予混合燃焼に続いて大部分の燃料が拡散燃焼することになるが、この際、濃度の不均質な燃料噴霧（混合気）の中で局所当量比が低い運転領域において急激な熱発生に伴って燃焼温度が１８００Ｋを越えると窒素酸化物（ＮＯｘ）が生成される。また、燃料の過濃な（局所当量比が高い）部分では酸素不足によって煤が生成されることになる。
【０００４】
近年、環境問題の高まりからディーゼルエンジン車の排気ガス中に含まれる煤（ＰＭ）が問題となっており、煤の発生しないデーゼルエンジン車の開発が希求されている。
【０００５】
排気中の煤の削減方法としては、排出される煤をフィルタ（ＤＰＦ）などで除去する方法、噴射燃料を微粒化する方法、あるいは燃料そのものを煤の発生しない性状のもに改質する方法など多くの提案がなされている。
【０００６】
図４は燃料の種類による煤の発生領域を燃料の燃焼温度と局所当量比との関係で概念的に示したものである。領域Ｉは発火点が高いアロマ成分の代表であるベンゼンの煤発生領域であり、領域ＩＩは直鎖成分であるノルマルヘプタンの煤発生領域であり、領域ＩＩＩは含酸素化合物であるジメチルエーテル（ＤＭＥ）の煤発生領域である。図４からジメチルエーテルのように燃料成分に酸素を含有することで煤の発生領域を大幅に縮減できることが分かる。このような知見をもとに燃料中の芳香族分やオレフィン分を制限し含酸素化合物を含有させた改質燃料が提案されている（特許文献１参照）。
【０００７】
しかし、このようにガソリンや軽油などの通常燃料とは異なる組成の燃料を一般的に用いるためにはガソリンスタンドなどの基礎的条件が全国規模で整備されていなければならず、実現するためには多くの困難な課題がある。
【特許文献１】特開２０００−２５６６８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、使用燃料に酸素を含有させて内燃機関の運転状態によって発生する煤を抑制できるコンパクトで車載可能な燃料供給装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の燃料供給装置は、内燃機関に燃料を供給する燃料供給装置であって、内燃機関の使用燃料に酸素を含有させる含酸素手段と、使用燃料が含酸素手段を流通するように使用燃料の燃料流路を切り替える切替手段とを備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明の燃料供給装置は、含酸素手段を備えているので、ガソリンスタンドなどのインフラを整備することなく使用燃料に酸素を含有させることができる。また、使用燃料流路を切り替える切替手段を備えているので、内燃機関の運転状態に応じて使用燃料と含酸素燃料とを選択して使用することができ、煤発生の可能性のある運転状態では含酸素燃料を用いて煤の発生を抑制することができる。
【００１１】
本発明の燃料供給装置において、含酸素手段は、酸素負イオンを生成する酸素負イオン発生器と、発生した酸素負イオンを透過する多孔体を内蔵し、この多孔体に使用燃料を流通させることで使用燃料を含酸素燃料とする燃料改質器とを有することが望ましい。
【００１２】
酸素負イオンは酸素分子の一万倍もの酸化能力を有する。このため使用燃料を含酸素燃料に改質するために酸素負イオンを使用することで含酸素手段を小型化できる。本発明の含酸素手段は酸素負イオン発生器と酸素負イオンを透過する多孔体で構成されているので、酸素負イオンと多孔体を通過する使用燃料との接触面積が大きく使用燃料に酸素を高効率で含有させて含酸素燃料に改質することができる。従って、車載可能なコンパクトな燃料供給装置を提供することができる。
【００１３】
本発明の燃料供給装置において、酸素負イオン発生器は、アルミナセメントの一部に設けられた酸素が供給される酸素供給電極部と、このアルミナセメントから離隔配置された捕集電極部との間に電圧を印可して前記アルミナセメントから酸素負イオンを発生させることができる。このような構成を有する酸素負イオン発生器は効果的に酸素負イオンを発生することが可能である。
【００１４】
また、多孔体はセラミックであることが好ましい。セラミックは細孔径や細孔の密度を容易に調整することができるので所望の改質効率の高い多孔体を容易に得ることができる。
【００１５】
上記のような含酸素手段により、含酸素燃料は１〜３５質量％の酸素を含有することが望ましい。この範囲の酸素含有量を有する含酸素燃料を使用することで、効果的に煤の発生を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を図面により詳細に説明する。
【００１７】
図１に本発明の好適な一実施形態であるディーゼルエンジンにおける燃料供給装置のシステム構成を示す。燃料供給装置１０は、内燃機関の使用燃料に酸素を含有させる含酸素手段１８と、使用燃料を含酸素手段に供給する流路に切り替える切替手段１６とを備えている。
【００１８】
図１のシステム構成では、燃料タンク１２に貯留されている使用燃料Ｆは、ポンプ１４を介して切替手段１６に送給され、切替手段１６によりそのまま、あるいは含酸素手段１８を経由して、加圧ポンプ２０によって加圧されてインジェクタ２２からエンジンＥのシリンダ２４内へ噴射される。なお、図中２６は吸気弁、２８は排気弁、３０はピストンである。
【００１９】
含酸素手段は、高濃度の酸素ガスを効率よく生成でき使用燃料に酸素を含有（溶解又は化合）させて含酸素燃料に改質できる手段であれば特に限定はない。例えば、周知の酸素富化膜などを用いて酸素富化空気を生成し、この酸素富化空気を使用燃料中に微粒化して吹き込んで燃料成分を酸化改質させる手段などとしてもよい。しかし、酸素分子に比べて酸素負イオンは一万倍の酸化能力を有しているので、使用燃料に酸素を含有させる含酸素手段に酸素負イオンを用いることが好ましい。酸素負イオンを用いることでコンパクトで車載可能な燃料供給装置を提供することが可能となる。ここで、酸素負イオンとは、Ｏ-、Ｏ2-、Ｏ2-、Ｏ3-、Ｏn-などと表記される酸素負イオンを全て含むものであり、以後、単にＯ-と表記する。
【００２０】
本実施の形態における含酸素手段１８は、図２に示すように、酸素負イオンを生成する酸素負イオン発生器４０と、発生した酸素負イオンを透過する多孔体５２を内蔵し、この多孔体５２に使用燃料Ｆを流通させることで使用燃料Ｆを含酸素燃料ｆに改質する燃料改質器５０とで構成されている。酸素負イオン発生器４０と燃料改質器５０ とはポンプＰを介して連通しており、酸素負イオン発生器４０で発生した酸素負イオンＯ-をポンプＰで加圧して多孔体５２の細孔内へ充填することができる。
【００２１】
このような構成の含酸素手段１８では、燃料改質器５０に使用燃料を通過させることで使用燃料に酸素負イオンを効率よく接触させて、炭化水素（ＣＨ）である燃料成分を酸化してカルボキシルシ基（−ＣＯＯＨ）等を有する含酸素燃料に改質することができる。このような含酸素燃料は、1〜３５質量％の酸素を含有していることが望ましい。酸素含有含量が１質量％未満では効果的に煤の発生を抑制することができない。また、３５質量％を越えて含有させるには設備的な制約が生じることがあり適当ではない。より好ましくは、１０〜３０質量％である。
【００２２】
上記の多孔体は、酸素負イオンと使用燃料とを効果的に接触させることができれば多孔体の材質は特に限定はなく、金属、金属酸化物などのセラミックス、カーボンおよび有機ポリマーなどを用いることができる。強度や剛直性の観点からは、金属及び金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物などのセラミックスが好ましく、アルミナ、ジルコニア、シリカ、ムライト、コージェライト、チタニア、ゼオライトまたはゼオライト類似物などを例示することができる。金属としては、ステンレス製の燒結金属等も好適に用いることができる。
【００２３】
酸素負イオン発生器４０は、酸素負イオンを包蔵できるアルミナセメント４２と、アルミナセメント４２を保持する容器４３と、アルミナセメント４２の加熱用ヒータ４４と、アルミナセメント４２から酸素負イオンを引き出すための捕集電極部４５と、電源４６と、アルミナセメント４２に設けられた酸素を供給する酸素供給電極部４２Ａと、この酸素供給電極部４２Ａへ供給される少なくとも酸素ガスを含むガスＧとから構成される。ここで、ガスＧは乾燥空気でもよい。
【００２４】
以上のような構成の酸素負イオン発生器４０では、筒状のアルミナセメント４２をヒータ４４で加熱して、捕集電極部４５に筒状アルミナセメント４２の酸素供給電極部４２Ａより高い電圧を印加するとともに、筒状アルミナセメント４２の酸素供給電極部４２Ａへ酸素ガスＧを供給することにより、筒状アルミナセメント４２から効率よく酸素負イオンを発生させることができる。
【００２５】
本発明の燃料供給装置は上記のような構成からなっており、図示しない制御手段によって図３に示すフローチャートのように作用する。
【００２６】
まず、ステップＳ１では制御手段は内燃機関の各測定器またはセンサによりエンジン回転数、燃料噴射量、冷却水温などの情報を検知する。ステップＳ２では、得られた各情報からエンジンの運転状態が煤発生領域にあるか否かを判断する。エンジンの運転状態が煤発生領域にあると判断した場合には、ステップＳ３に進む。ステップＳ３では含酸素手段１８の酸素負イオン発生器４０をオンして酸素負イオンを発生させる。次に、ステップＳ４では切替手段１６の電磁弁などを駆動して含酸素手段１８を経由するように使用燃料流路を迂回させ、使用燃料Ｆを燃料改質器５０へ流通させて含酸素燃料ｆとする。ステップＳ５ではこの含酸素燃料ｆを加圧ポンプ２０で加圧しながらインジェクタ２２へ供給してシリンダ２４内に噴射する。
【００２７】
一方、制御手段はステップＳ２でエンジンの運転状態が煤を発生しない領域であると判断した場合には、ステップＳ６へ進む。ステップＳ６では含酸素手段１８の酸素負イオン発生器４０をオフして酸素負イオンの発生を停止する。続いて、ステップＳ７では使用燃料流路の含酸素手段１８への迂回を遮断して、使用燃料Ｆが直接加圧ポンプ２０で加圧されてインジェクタ２２へ供給されるように燃料流路を切り替える。
【００２８】
以上のようにして、エンジンの運転状態が煤を発生しやすい高負荷運転などの場合には、含酸素燃料を燃料とすることで煤の発生を抑制し、煤を発生しない運転状態では使用燃料を用いる通常運転とすることができる。
【００２９】
本発明の燃料供給装置においては、含酸素手段に酸素負イオンを発生する酸素負イオン発生器を装備しているので、極めて高効率に使用燃料を含酸素燃料に改質することができる。従って、小型で車載可能な燃料供給装置を提供可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明の燃料供給装置は、直噴式のエンジンを有する内燃機関に好適に用いることができる。中でもディーゼル車の燃料供給装置として極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の好適な一実施形態であるディーゼルエンジンにおける燃料供給装置のシステム構成を示す概要図である。
【図２】含酸素手段の構成例を示す概要図である。
【図３】実施形態の燃料供給装置についてその作用を説明するフローチャートである。
【図４】燃料の種類による煤の発生領域を燃料の燃焼温度と局所当量比との関係で示した概念図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０：燃料供給システム  １６：切替手段  １８：含酸素手段  ２２：インジェクタ  ４０：酸素負イオン発生器  ４２：筒状アルミナセメント  ４２Ａ：酸素供給電極部  ４３：容器  ４４：ヒータ  ４５：捕集電極部  ５０：燃料改質器  ５２：多孔体  Ｇ：酸素含有ガス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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