(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料消費量を改善することができると共に、エミッションを改善することができる内燃機関を得る。【解決手段】燃料に水を混合した混合燃料を各気筒に供給する燃料供給機構と、水素を各気筒に供給する水素供給機構とを備える。燃料供給機構は、混合燃料を貯留する混合タンク８と、燃料と水とを混合した混合燃料を混合タンク８内に吐出する混合器１８，６４，８２と、混合タンク８内の混合燃料を気筒に供給する燃料ポンプ１２とを備える。また、水素供給機構は、吸気管内の吸入空気に水素を混合して各気筒に供給する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料に水を混合した混合燃料を気筒に供給する燃料供給手段を有する内燃機関において、
水素を前記気筒に供給する水素供給手段を備えたことを特徴とする内燃機関。
【請求項２】
前記燃料供給手段は、前記混合燃料を貯留する混合タンクと、
混合した前記混合燃料を前記混合タンク内に吐出する混合器と、
前記混合タンク内の前記混合燃料を前記気筒に供給する燃料ポンプとを備えたことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関。
【請求項３】
前記水素供給手段は、吸入空気に水素を混合して気筒に供給することを特徴とする請求項１または請求項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、燃料に水を混合した混合燃料を気筒に供給して運転する内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、特許文献１にあるように、燃料に水を混合した混合燃料を各気筒に供給する際、混合燃料に高周波振動を与えて超微粒化すると共に、運転状態に応じて水供給量を制御して、排気浄化の向上を図ったものが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００４−７６６０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、こうした従来のものでも、より一層の排気の浄化や燃焼効率の向上が望まれている。
本発明の課題は、より一層の排気の浄化や燃焼効率の向上を図った内燃機関を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
かかる課題を達成すべく、本発明は課題を解決するため次の手段を取った。即ち、
燃料に水を混合した混合燃料を気筒に供給する燃料供給手段を有する内燃機関において、
水素を前記気筒に供給する水素供給手段を備えたことを特徴とする内燃機関がそれである。
【０００６】
また、前記燃料供給手段は、前記混合燃料を貯留する混合タンクと、混合した前記混合燃料を前記混合タンク内に吐出する混合器と、前記混合タンク内の前記混合燃料を前記気筒に供給する燃料ポンプとを備えた構成としてもよい。更に、前記水素供給手段は、吸入空気に水素を混合して気筒に供給する構成としてもよい。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の燃料供給装置は、従来の内燃機関の構成や燃焼方法を大きく変更することなく、燃料、水、水素を混合状態で供給して燃焼させることにより、燃料消費量を改善することができると共に、エミッションを改善することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の一実施形態として内燃機関の概略構成図である。
【図２】本実施形態として燃料供給機構の概略構成図である。
【図３】本実施形態の第１混合器の拡大断面図である。
【図４】図３のＡＡ断面図である。
【図５】図３のＢＢ断面図である。
【図６】本実施形態の整流フィンの拡大斜視図である。
【図７】本実施形態の第２混合器の拡大断面図である。
【図８】本実施形態の副混合器の拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下本発明を実施するための形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図１、図２に示すように、１は内燃機関本体で、本実施形態では４気筒のディーゼルエンジンを例としているが、ディーゼルエンジンに限らず、また、４気筒に限らず、ガソリンエンジンでもよく、それ以外の気筒数のものでもよい。
【００１０】
まず、内燃機関本体１へ燃料を供給する燃料供給手段としての燃料供給機構Ｆについて説明する。内燃機関本体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、噴射ポンプ１４は供給される燃料を各燃料噴射弁２を介して各気筒に噴射する。
【００１１】
燃料を蓄える燃料用タンク４と水を蓄える水用タンク６とが設けられると共に、混合タンク８が設けられている。本実施形態では、燃料としてＪＩＳ規格の軽油が用いられているが、軽油に限らず、ＪＩＳ規格の灯油や重油、特にＡ重油等でもよい。ガソリンエンジンの場合には、燃料としてガソリンを用いればよい。
【００１２】
混合タンク８内で生成された混合燃料をフィルタ１０を介して主燃料ポンプ１２により噴射ポンプ１４に供給するように接続されている。噴射ポンプ１４から各燃料噴射弁２を介して燃料が図示しない各気筒内に噴射され、余剰の燃料は戻り管１６を介して混合タンク８に戻されるように接続されている。
【００１３】
混合タンク８には、燃料のレベルを検出する燃料レベルセンサ１７が設けられている。燃料レベルセンサ１７は燃料の表面に浮くフロート１７ａの上下動に応じて燃料のレベルを出力するものである。
【００１４】
混合タンク８の内部には、第１混合器１８が設けられており、第１混合器１８には燃料用タンク４に接続された燃料供給管２０が接続されている。また、第１混合器１８に水用タンク６に接続された水供給管２２が接続されている。
【００１５】
この第１混合器１８は、図３に示すように、燃料供給管２０が接続される流入孔２８が、混合器本体２４に形成されている（図４参照）。混合器本体２４内には、リング状の旋回流室３２が形成されており、流入孔２８はリング状の旋回流室３２の外周側接線方向から、旋回流室３２に接続されている。
【００１６】
図３に示すように、混合器本体２４には、旋回流室３２と同芯上に円柱状の渦流室３４が形成されている。渦流室３４の内周は円形に形成され、旋回流室３２は渦流室３４よりも径方向に大きく形成されて、旋回流室３２の内側に渦流室３４が配置され、旋回流室３２と渦流室３４とは隔壁３６により仕切られている。旋回流室３２及び渦流室３４に連接して旋回流室３２よりも径方向に大きな大径孔３８が形成されており、大径孔３８に挿入された蓋部材３９により、旋回流室３２及び渦流室３４の一端側が閉塞されている。
【００１７】
蓋部材３９は隔壁３６の上端面３６ａに接触すると共に、隔壁３６の上端面３６ａには旋回流室３２と渦流室３４とを連通する複数の細流路４２が形成されている（図５参照）。細流路４２は略円弧状に形成されると共に、流入孔２８から旋回流室３２に流体がその接線方向から流入すると、旋回流室３２に旋回流が生じるが、細流路４２はその旋回流の旋回方向に沿って、細流路４２が同じ方向となるように、細流路４２が形成されている。
【００１８】
細流路４２は隔壁３６の上端面３６ａに等間隔で多数、本実施形態では、８本形成されており、旋回流室３２から細流路４２を介して渦流室３４に流体が流入すると共に、流体が旋回して流れる状態で流入するように構成されている。また、細流路４２は旋回流室３２の流入側の幅が広く、渦流室３４の流出側の幅が狭く形成され、更に、細流路４２の旋回流室３２の流入側では面取りが施されて断面積が大きくなるようにされている。
【００１９】
一方、渦流室３４の他端側には、渦流室３４と同芯上に形成されたテーパ孔４４が連接されており、テーパ孔４４の拡径側は渦流室３４の直径とほぼ同径に形成されてテーパ孔４４の拡径側が渦流室３４に接続され、テーパ孔４４の先端に向かって縮径するように形成されている。テーパ孔４４の縮径側には、接続孔４５がテーパ孔４４と同芯上に接続されており、接続孔４５は、第１燃料ポンプ４８の吸入側に接続されている。
【００２０】
蓋部材３９には、渦流室３４に突出した円柱部５６が設けられており、円柱部５６は渦流室３４と同芯上に形成されている。円柱部５６はテーパ孔４４内に達する長さに形成され、円柱部５６にはテーパ孔４４に連通する供給孔５７が形成されている。また、供給孔５７は渦流室３４と同芯上に形成されると共に、蓋部材３９に貫通形成されて、供給孔５７には水供給管２２が接続されている。
【００２１】
円柱部５６の外周には、渦流室３４の軸方向と直交して、整流フィン６２が設けられており（図５参照）、整流フィン６２は円柱部５６の外周のほぼ全周にわたって形成されると共に、整流フィン６２は渦流室３４の内周に達するように円柱部５６の外周から突出されている。
【００２２】
整流フィン６２は細流路４２の渦流室３４への出口近傍に設けられ、本実施形態では、整流フィン６２は３枚の羽根６２ａ，６２ｂ，６２ｃを備えている。各羽根６２ａ，６２ｂ，６２ｃは一端側が僅かに屈曲されて、各羽根６２ａ，６２ｂ，６２ｃの間に隙間が形成されるように構成されている。
【００２３】
また、各羽根６２ａ，６２ｂ，６２ｃの一端側の屈曲は、細流路４２から渦流室３４に流入した流体が渦流となるが、その流体が各羽根６２ａ，６２ｂ，６２ｃの間の隙間を通って流れるように、かつ、流体の渦流が適切に形成されるように構成されている。また、整流フィン６２の厚さｔは、０．１〜０．２ｍｍと薄く形成されており、厚さｔは実験等により決定するとよい。
【００２４】
混合タンク８内には、第２混合器６４が設けられており、図７に示すように、第２混合器６４は前述した第１混合器１８と同じ構造の混合器本体２４を備えている。接続孔４５は、第２燃料ポンプ６６の吸入側に接続されている。混合器本体２４の大径孔３８には蓋部材６８が挿入されて、旋回流室３２及び渦流室３４の一端側が閉塞されている。蓋部材６８には円柱部５６が設けられており、円柱部５６にはテーパ孔４４に連通する供給孔７０が形成されている。円柱部５６の外周には、整流フィン６２が設けられている。
【００２５】
また、供給孔５７は渦流室３４と同芯上に形成されると共に、蓋部材６８には供給孔５７に連通する空気供給孔７２と水供給孔７４とがそれぞれ絞り７２ａ，７４ａを介して連通形成されている。空気供給孔７２には、空気吸入管５４が接続されており（図２参照）、空気吸入管５４は混合タンク８内の燃料よりも上方に開口配置されている。水供給孔７４には水吸入管７６が接続されており（図２参照）、水吸入管７６は混合タンク８内の底に形成された凹部７８内に開口配置されている。
【００２６】
第１燃料ポンプ４８及び第２燃料ポンプ６６の吐出側は、吐出管８０に接続されており、吐出管８０が合流されて混合タンク８内に設けられた副混合器８２に接続されている。
副混合器８２は、前述した第１混合器１８や第２混合器６４と基本的な構造を同じくし、第１混合器１８や第２混合器６４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。副混合器８２は、図８に示すように、吐出管８０が接続される流入孔２８が副混合器本体８４に形成されている。
【００２７】
副混合器本体８４内には、流入孔２８が接続された旋回流室３２、渦流室３４が形成されている。旋回流室３２及び渦流室３４に連接して大径孔３８が形成されており、大径孔３８に挿入されたノズル部材４０により、旋回流室３２及び渦流室３４の一端側が閉塞されている。ノズル部材４０は隔壁３６の上端面３６ａに接触すると共に、隔壁３６の上端面３６ａには複数の細流路４２が形成されている。
【００２８】
一方、渦流室３４の他端側には、渦流室３４と同芯上に形成されたテーパ孔４４が連接されており、テーパ孔４４の拡径側は渦流室３４の直径とほぼ同径に形成されてテーパ孔４４の拡径側が渦流室３４に接続され、テーパ孔４４の先端に向かって縮径するように形成されている。
【００２９】
ノズル部材４０には、渦流室３４に突出した円柱部５６が設けられており、円柱部５６は渦流室３４と同芯上に形成されている。円柱部５６は渦流室３４とテーパ孔４４との接続箇所に達する長さに形成され、円柱部５６にはテーパ孔４４に連通する接続孔５８が形成されている。また、接続孔５８に連通すると共に、混合タンク８内に開口したテーパ状の吐出孔６０が形成されている。接続孔５８と吐出孔６０とは渦流室３４と同芯上に形成されており、吐出孔６０は接続孔５８側から外部に向かって拡径するように設けられている。
【００３０】
円柱部５６の外周には、渦流室３４の軸方向と直交して、整流フィン６２が設けられており、整流フィン６２は円柱部５６の外周のほぼ全周にわたって形成されると共に、整流フィン６２は渦流室３４の内周に達するように円柱部５６の外周から突出されている。
【００３１】
次に本実施形態の吸気機構Ａについて説明する。図１に示すように、内燃機関本体１の吸気機構Ａでは、図示しない吸気管に吸入される空気の流量を測定する流量計１００が設けられている。また、吸気機構Ａには水素供給手段としての水素供給機構Ｈが設けられており、水素供給機構Ｈは水素を充填した図示しないボンベ等からの水素を吸気管中に供給して、空気と水素とを予め混合して各気筒に供給する。水素供給機構Ｈには吸気管中に添加する水素の流量を測定する流量計１０２も設けられている。
【００３２】
水素供給機構Ｈにより添加する水素の、空気に対する容積比で表される供給量は、内燃機関における燃焼範囲内であれば特に限定されないが、水素の可燃性範囲外である４．０vol ％以下が好ましく、流量計１００により計測された空気の流量に応じて、一定の割合の水素を添加することができるように構成してもよい。
【００３３】
本実施形態では、内燃機関の排気系には、図示しない排気管を通して排出される排気ガスを分析する排気ガス分析計１０４が設けられている。また、内燃機関本体１の出力軸には発電機１０６が接続され、発電機１０６の出力側には一定の負荷１０８が接続されている。また、発電機１０６により発電された電力を測定する電力計１１０が設けられている。
【００３４】
次に、前述した本実施形態の内燃機関の作動について説明する。
第１燃料ポンプ４８が駆動されると、第１燃料ポンプ４８は第１混合器１８を介して、燃料用タンク４と水用タンク６とから、それぞれ燃料と水とを吸入する。燃料が燃料供給管２０から第１混合器１８に流入すると共に、水が水供給管２２から第１混合器１８に流入する。
【００３５】
第１混合器１８では、第１燃料ポンプ４８により接続孔４５から吸引されることにより、燃料が流入孔２８を介して旋回流室３２に流入する。リング状の旋回流室３２にその接線方向から流入することにより、燃料は旋回流室３２の形状に沿った旋回流となる。そして、旋回流室３２から細流路４２を介して渦流室３４に流入する。その際、旋回流室３２の断面積に対して、複数の細流路４２の合計断面積は小さく、燃料の流速が増加する。また、細流路４２の断面積も徐々に小さくなるので、燃料の流速が増加する。
【００３６】
細流路４２から渦流室３４に燃料が流入すると、渦流室３４で円柱部５６の外周の廻りに高速の渦流が生成される。渦流室３４では、渦流となった燃料が各羽根６２ａ，６２ｂ，６２ｃの間の隙間を通って流れ、整流フィン６２により円柱部５６廻りの渦流回転が整流される。
【００３７】
渦流となった燃料は、渦流室３４からテーパ孔４４に流入し、水が水供給管２２、供給孔５７を介してテーパ孔４４に流入する。テーパ孔４４内での燃料の渦流により、燃料と水とが混合されて、エマルジョン燃料である混合燃料が生成される。この混合燃料は接続孔４５を介して第１燃料ポンプ４８に吸入され、第１燃料ポンプ４８から吐出管８０を介して副混合器８２に供給される。
【００３８】
副混合器８２に供給された混合燃料は、副混合器８２内でも、旋回流室３２、細流路４２、渦流室３４からテーパ孔４４に流入し、水は微粒子化されて、テーパ孔４４内の渦流で混合されて、この混合燃料がテーパ孔４４から円柱部５６内の接続孔５８を通り、吐出孔６０から混合タンク８内に吐出される。渦流室３４やテーパ孔４４内では、燃料が高速の渦流となって旋回し、この燃料に水が混合されるので、水の微粒子化が促進され混合される。
【００３９】
混合タンク８内の燃料レベルを燃料レベルセンサ１７が検出して、所定のレベル以上になったときには、第１燃料ポンプ４８の駆動を一時停止する。一方、第２燃料ポンプ６６が駆動されると、第２燃料ポンプ６６は第２混合器６４を介して、混合タンク８内の混合燃料、水、空気を吸引する。混合タンク８内の混合燃料は流入孔２８を介して旋回流室３２に流入し、前述したと同様、細流路４２、渦流室３４からテーパ孔４４に流入する。
【００４０】
凹部７８内の水や混合燃料は水吸入管７６、水供給孔７４、供給孔７０を介してテーパ孔４４に流入する。また、空気は空気吸入管５４、空気供給孔７２、供給孔７０を介してテーパ孔４４に流入する。テーパ孔４４内に流入した水と空気とは、テーパ孔４４内の混合燃料の渦流により、燃料と水と空気とが混合され、空気を含むエマルジョン燃料が生成される。尚、空気と共に水素を同時に供給するようにしてもよい。
【００４１】
空気は微少な気泡となって、テーパ孔４４内の渦流に混合されて、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４４から接続孔４５を介して第２燃料ポンプ６６に吸入される。
【００４２】
第２燃料ポンプ６６はこの混合燃料を副混合器８２に供給し、副混合器８２では旋回流室３２、細流路４２、渦流室３４からテーパ孔４４に流入し、水と空気とは微粒子化されて、テーパ孔４４内の渦流で混合されて、この混合燃料がテーパ孔４４から円柱部５６内の接続孔５８を通り、吐出孔６０から混合タンク８内に吐出される。渦流室３４やテーパ孔４４内では、燃料が高速の渦流となって旋回し、この燃料に水と空気とが混合されるので、水と空気との微粒子化が促進され混合される。
【００４３】
混合タンク８内で生成された混合燃料はフィルタ１０を介して主燃料ポンプ１２により噴射ポンプ１４に供給される。噴射ポンプ１４から各燃料噴射弁２を介して混合燃料が図示しない各気筒内に噴射され、余剰の燃料は戻り管１６を介して混合タンク８に戻される。
【００４４】
一方、内燃機関本体１には吸気管を介して空気が吸入されて各気筒に供給される。その際、供給される空気には水素が予混合されて各気筒に供給される。供給される空気量は流量計１００により計測され、また、水素の供給量が流量計１０２により計測される。
【００４５】
混合燃料は、各燃料噴射弁２から各気筒に噴射されて、水素が混合された空気が各気筒に供給されて内燃機関本体１が運転され、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の燃焼を促進すると共に、水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。
【００４６】
また、水素は最も軽い分子で、燃焼性や拡散性に優れた物質であり、燃焼性や拡散性が高いことは効率的に完全燃焼する上で有利である。水素分子自体のエネルギー量も高く、燃料として非常に優れた性質を持っている。水素を添加することにより、燃料よりも先に燃焼を開始して、気筒内での燃料の良好な拡散状態を導き、燃焼性や拡散性に劣る燃料の燃焼を補助し、燃焼を促進して、その結果、燃焼効率が向上すると共に、エミッションが改善される。
【００４７】
次に、本実施形態の内燃機関による実験結果について表１及び表２に基づいて説明する。
内燃機関本体１として、表１に示すように、空冷４サイクルディーゼルエンジンを用い、燃料にはディーゼル軽油を用いて実験を行った。発電機１０６には定格出力２．０ｋＷの交流発電機を用いて、発電機１０６を定格出力で一定負荷の状態で駆動させた。
【００４８】
【表１】
2011032998.tif 000003
内燃機関本体１に供給する燃料、水、水素の組み合わせを変えて内燃機関本体１の運転状態を測定した。その結果を表２に示す。
【００４９】
【表２】
2011032998.tif 000004
ここで、軽油消費量削減率は比較例１を基準にして算出し、発電効率は下記式により算出した。
【００５０】
発電効率＝出力エネルギー量／導入エネルギー量
＝供給した燃料燃焼熱量（低位発熱量基準）／発電出力量
＝｛供給した燃料燃焼熱量（低位発熱量基準）＋供給した水素燃焼熱量（低位発熱量基準）｝／発電出力量
比較例１は従来の運転状態と同様、水と水素を添加することなく燃料のみを供給して運転したときの発電効率やエミッションを示す。比較例２は水素を空気に対して容積比で１．５vol ％添加して運転したときの発電効率やエミッションを示す。比較例３は軽油を重量比で９８．６mass％、水を重量比で１．４mass％で混合して１００とした混合燃料を用いて運転したときの発電効率やエミッションを示す。
【００５１】
実施例では前述したように、燃料、水、水素を添加し、水素を空気に対して容積比で１．５vol ％添加すると共に、軽油を重量比で９８．６mass％、水を重量比で１．４mass％で混合して１００とした混合燃料を用いて運転したときの発電効率やエミッションを示す。
【００５２】
比較例２では、比較例１に対して水素を添加した場合であるが、燃料の軽油と水素とでは燃焼性に差がありすぎて、軽油がうまく燃焼する前に、水素が燃え尽きてしまうと思われ、発電効率やエミッションに明確な改善は見られなかった。比較例３では、比較例１に対して燃料の軽油に水を混合してエマルジョン燃料とした混合燃料を用いた場合であるが、燃料消費量や発電効率やエミッションが改善された。
【００５３】
これに対して、実施例では、比較例１に対して水、水素を添加した場合であるが、水を混合することにより、水が燃料と水素との燃焼の仲介役として働き、水素の燃焼による熱エネルギーを水が吸収し、水蒸気となって膨張して軽油の拡散を推進し、軽油の燃焼性を改善したものと思われる。
【００５４】
これにより、比較例３よりも更に、燃料消費量や発電効率やエミッションが改善された。実施例において、軽油消費量削減率では約２３％が達成され、供給した水素のエネルギー量（燃焼発熱量）を大きく上回る削減を意味する。これは発電効率も大きく改善されたことにも明示されている。
【００５５】
従って、実施例では、単に軽油を水素に置き換えただけではなく、燃料の燃焼効率そのものが向上したものと思われる。また、水の添加により燃焼温度も低下し、エミッションの改善にもつながっていると思われる。
【００５６】
従来の内燃機関の構成や燃焼方法を大きく変更することなく、燃料、水、水素を混合状態で供給して燃焼させることにより、燃料消費量を改善することができると共に、エミッションを改善することができる。
【００５７】
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。
【符号の説明】
【００５８】
１…内燃機関本体    ２…燃料噴射弁
４…燃料用タンク    ６…水用タンク
８…混合タンク      １２…主燃料ポンプ
１４…噴射ポンプ    １６…戻り管
１８…第１混合器    ２０…燃料供給管
２２…水供給管      ３２…旋回流室
３４…渦流室        ４２…細流路
４４…テーパ孔      ４８，６６…燃料ポンプ
５４…空気吸入管    ６２…整流フィン
６４…第２混合器    ８２…副混合器
１００，１０２…流量計    １０４…排気ガス分析計
１０６…発電機      １０８…負荷
１１０…電力計
【図１】
2011032998.tif 000005
【図２】
2011032998.tif 000006
【図３】
2011032998.tif 000007
【図４】
2011032998.tif 000008
【図５】
2011032998.tif 000009
【図６】
2011032998.tif 000010
【図７】
2011032998.tif 000011
【図８】
2011032998.tif 000012