(57)【要約】【課題】本発明の目的は、内燃機関の低温始動性を向上する燃料供給装置を提供することである。【解決手段】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、燃料中の低発火点成分または低沸点成分を分離する燃料成分分離手段と、内燃機関に供給する燃料を選択的に切り替える燃料切替手段とを備え、内燃機関の始動時燃料として低発火点成分または低沸点成分を供給することを特徴とする。コージェライトからなるハニカム成形体のセル３２の隔壁３８にゼオライト膜４０を形成し直鎖成分Ｐとアロマ成分Ａとを分離する。【選択図】図３
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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、
前記燃料中の低発火点成分または低沸点成分を分離する燃料成分分離手段と、
前記内燃機関に供給する前記燃料を選択的に切り替える燃料切替手段とを備え、
前記内燃機関の始動時燃料として前記低発火点成分または低沸点成分を供給することを特徴とする燃料供給装置。
【請求項２】
前記燃料成分分離手段は、前記燃料を加圧するポンプと、前記燃料中の低発火点成分または低沸点成分を透過可能な分離膜を有する支持体と、を備える請求項１に記載の燃料供給装置。
【請求項３】
前記分離膜はゼオライトからなる分子ふるい膜である請求項１または２に記載の燃料供給装置。
【請求項４】
前記支持体は多孔質のセラミックである請求項２または３に記載の燃料供給装置。
【請求項５】
前記セラミックはコージェライトである請求項４に記載の燃料供給装置。
【請求項６】
前記支持体はハニカム構造体である請求項２〜５のいずれかに記載の燃料供給装置。
【請求項７】
前記燃料成分分離手段は、前記分離膜を有する直列に配置された複数の支持体を備える請求項２〜６のいずれかに記載の燃料供給装置。
【請求項８】
前記内燃機関はディーゼルエンジンである請求項１に記載の燃料供給装置。
【請求項９】
前記低発火点成分は主として軽油中のノルマルデカンである請求項８に記載の燃料供給装置。
【請求項１０】
前記内燃機関はガソリンエンジンである請求項１に記載の燃料供給装置。
【請求項１１】
前記内燃機関は前記燃料をシリンダ内へ直接噴霧する直噴式ガソリンエンジンである請求項１０に記載の燃料供給装置。
【請求項１２】
前記低沸点成分は主としてガソリン中のノルマルブタンおよび／またはイソペンタンである請求項１０または１１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、ガソリンエンジンあるいはディーゼルエンジンなどの内燃機関に燃料を供給する燃料供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガソリンや軽油などの内燃機関の燃料は、炭素数や結合状態の異なる多くの炭化水素成分からなっており、これらの成分はそれぞれ固有の蒸留特性をもつ。このため特に寒冷地における冬季の低温始動では、ガソリンエンジンにおける排気悪化やディーゼルエンジンにおける着火遅れといった問題を生じることがある。
【０００３】
例えば、ガソリンでは約４％含有されるノルマルブタンや約１３％含有されるイソペンタンなどは、含有量が２０％と高いトルエン等に比べて沸点が低く低温始動時には好適な燃料成分である。しかし、上記のようにトルエンなど高沸点成分も含有するので、低温始動時には燃料供給量を増やして運転性を確保するようにしている。このため大量の炭化水素が排気中に混入することとなり、燃費の低下と環境の悪化とを招く虞がある。また、ディーゼルエンジンに使用される軽油では、直鎖のパラフィン系のノルマルデカンは、ベンゼン核を有するアロマ系のエチルベンゼンに比べてその発火点は２００℃以上も低い。しかし、このように低発火点成分と高発火点成分とを含む軽油燃料では、特に冬季の始動時に高発火点成分が有効に寄与しないために着火遅れが問題となる。
【０００４】
ディーゼルエンジンの着火遅れは、セタン価の高い燃料（低発火点成分燃料）を使うほど短くなるので、使用燃料から比較的セタン価の高い成分を分離して、このような成分を有する燃料を低速低負荷時の機関に供給する燃料供給装置が知られている（特許文献１参照）。特許文献１に開示されている燃料供給装置では、燃料成分中の直鎖成分を分離カラム中のゼオライトに吸着させ、しかる後に分離カラムにパージ空気を供給することで高セタン価成分のみを抽出し、運転状態によって抽出した高セタン価成分を選択して燃料とするものである。例えば、アイドリング、低速、低負荷運転時にセタン価の高い燃料を機関に供給し、セタン価の影響を受けにくい中高速、中高負荷運転時にはセタン価の低い燃料を供給するようにして、中高速、中高負荷運転時の運転性、燃費、騒音などを悪化させずにアイドリングを含む低速低負荷時の騒音レベルを低減できるとしている。また、機関の始動時および暖機時にセタン価の高い燃料を機関に供給することにより、機関の始動性および暖機時の運転性を向上できるとしている。
【０００５】
しかし、セタン価は着火遅れに対しては有効な指標ではあるものの、燃料成分の気化特性を的確に判定できるものではない。従って、上記の従来技術により低温始動性に直接有効な低発火点成分または低沸点成分を高精度に分離することができないという問題がある。
【特許文献１】特開昭５６−１４３３２３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は上記のような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、内燃機関の低温始動性を向上する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】
【０００７】
発明者は燃料成分をその分子サイズによって分離すれば、低発火点成分または低沸点成分を主成分とする燃料を容易に得ることができ、分子サイズによる成分分離は分子ふるいであるゼオライト結晶膜により可能であることに着目した。
【０００８】
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、
燃料中の低発火点成分または低沸点成分を分離する燃料成分分離手段と、内燃機関に供給する燃料を選択的に切り替える燃料切替手段とを備え、内燃機関の始動時燃料として低発火点成分または低沸点成分を供給することを特徴とする。
【０００９】
本発明の燃料供給装置は、燃料成分分離手段を備えているので使用燃料から低発火点成分または低沸点成分を分離して低温始動時に特に有効な低発火点成分または低沸点成分を多く含有する燃料とすることができる。また、燃料切替手段によって低温始動時には通常の使用燃料に代えて高濃度の低発火点成分または低沸点成分を含有する燃料を供給することができる。従って、低温始動時に排気悪化や着火遅れを生じることが無く機関の運転性を向上することができる。
【００１０】
本発明の燃料供給装置において、燃料成分分離手段は、燃料を加圧するポンプと、燃料中の低発火点成分または低沸点成分を透過可能な分離膜を有する支持体とを備えており、分離膜は、ゼオライトからなる分子ふるい膜であることが望ましい。ゼオライトは分子サイズの細孔径を有した結晶性無機酸化物であり、細孔径を選択することで分子径の異なる流体成分を選別することができる。従って、燃料を加圧してこの分離膜を通過させることで、膜燃料中の高発火成分や高沸点成分を除去して低発火点成分や低沸点成分を濃縮することができる。
【００１１】
ゼオライトからなる分離膜はそれのみでは強度的に脆弱であり形状を保持することができないので、多孔質のセラミックなどを支持体としてその表面に形成することが望ましい。分離膜を支持体の表面に形成することで、薄くて均一な分離膜を得ることができる。
【００１２】
また、多硬質のセラミックとしてはコージェライトを好適に使用することができる。コージェライトは良好な成形性を有し、原料の配合や焼成方法などにより容易に所望の通気性や強度を得ることができるので好適である。
【００１３】
さらに、分離膜の支持体はハニカム構造体であることが望ましい。ハニカム構造体のセルの隔壁を基体としてその表面に分離膜を形成することで、分離膜の面積を大きくすることができるのでコンパクトで高効率の燃料成分分離手段とすることができる。
【００１４】
以上のような本発明の燃料成分分離手段においては、分離膜を有する直列に配置された複数の支持体を備えることができる。
【００１５】
本発明の燃料成分分離手段においては、分離膜に燃料を透過させることで高発火点成分または高沸点成分を除去することができる。しかし、透過された低発火点成分または低沸点成分でもなお炭素数の小さい成分と炭素数の大きい成分とが混在している。そこで、透過成分を再度同様の分離膜を透過させて炭素数のより小さい成分を濃縮することにより、一層効果的な低温始動用燃料を得ることができる。
【００１６】
また、前記内燃機関はディーゼルエンジンであることができ、この場合の低発火点成分は主として燃料中のノルマルデカンである。
【００１７】
また、前記内燃機関はガソリンエンジンであることができ、燃料をシリンダ内へ直接噴霧する直噴式ガソリンエンジンであってもよい。このようなガソリンエンジンの場合には、低沸点成分は主として燃料中のノルマルブタンおよび／またはイソペンタンである。
【００１８】
上記のような低発火点成分または低沸点成分は内燃機関の低温始動時においても着火性が良好であり、ガソリンエンジンにおける排気悪化やディーゼルエンジンにおける着火遅れなどの不都合を生じることがない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
【００２０】
図１は、本発明の好適な一実施形態である直噴式ガソリン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、燃料中の低発火点成分を分離する燃料成分分離手段１４と、エンジンＥに供給する燃料を選択的に切り替える燃料切替手段１６とを備えている。燃料切替手段１６により選択された燃料は、加圧ポンプ１８を介してインジェクタ２０からエンジンＥのシリンダ２１内へ噴射される。なお、燃料切替手段１６は、車両のキースイッチ２５のＯＮ情報とエンジンＥの冷却水温度計２６からの温度情報とに基づくＥＣＵ２７の指令により電磁弁などを駆動することで燃料の流路を切り替えるようになっている。また、図中２２は点火プラグ、２３は排気弁、２４はピストンである。
【００２１】
燃料成分分離手段１４は、図２に示すように、燃料タンク１２内の燃料Ｆを加圧するポンプ１４ｐと、燃料Ｆ中の高沸点分と低沸点成分とを分離する燃料成分分離器１５とを備えている。燃料成分分離器１５は上記の燃料成分を分離するハニカム構造体１４ｈを内蔵している。なお、１４ｖは、低沸点成分を高濃度に含む燃料ｆが燃料切替手段１６から逆流するのを防止する逆止弁である。また、ハニカム構造体１４ｈを通過できなかった高沸点成分濃度の高い燃料Ｆ’は、戻り流路１４ｒを通って燃料タンク１２へ回収される。１４ａは戻り量を調整する調整弁である。
【００２２】
図３（ａ）はハニカム構造体１４ｈの部分断面を模式的に示したものである。ハニカム状に形成された各セル３２は、その一端側を封止し他端側は開口のままとして、ハニカム構造体１４ｈの端面Ｘ（図３（ｂ））において各セルの封止部３４と開口部３６とが千鳥状に交互に整列するように形成されている。つまり、ハニカム構造体は、各セルの封止部によってハニカム構造体１４ｈの一端側Ｘから他端側Ｘ’への流体の自由な流通を阻止するように形成されている。また、ハニカム構造体１４ｈのセル３２の形状は図３（ｂ）に示すように、正方形、六角形、三角形など適宜の形状とすることができ特に限定はないが、端面Ｘにおけるセル密度は、１００〜９００個／ｉｎｃｈ2であることが望ましい。セル密度が１００個／ｉｎｃｈ2未満では、セルの表面積が少なく分離性能が低い。また、９００個／ｉｎｃｈ2を越えると壁が薄くなり分離のための圧力を上げられなくなることがあるので好ましくない。より好ましくは４００〜６００個／ｉｎｃｈ2である。
【００２３】
ハニカム構造体１４ｈの各セル３２を構成する隔壁３８の表面には、ゼオライトからなる分子ふるい膜４０が形成されている。ゼオライトは分子サイズの細孔径を有した結晶性無機酸化物であり、細孔径を選択することで分子径の異なる流体成分を選別することができる。例えば、燃料中の直鎖成分Ｐとアロマ成分Ａとを分離することができる。図４に模式的に示すように、直鎖成分Ｐであるノルマルパラフィンの分子ザイズは３．２Åであり、トルエンなどのアロマ成分Ａの分子サイズは５Åである。従って、このゼオライトからなる分子ふるい膜４０の細孔径について、ノルマルパラフィンの分子サイズよりは大きく、かつアロマ成分の分子サイズよりは小さいものを選択するれば両者を分離することができ、ノルマルパラフィンを多量に含む燃料ｆとアロマ成分を多量に含む燃料Ｆ’とを得ることができるわけである。例えば、３．３〜４．９Åの細孔径を有するゼオライト結晶膜とすればよい。また、分子ふるい膜としてのゼオライトは支持体表面に０．１〜１００μｍの厚さで形成する。ゼオライト膜４０の厚さが０．１μｍ未満では強度やピンホール発生の問題があり、また、１００μｍを越えると分離する圧力上昇や時間が長くなるので好ましくない。ゼオライトの分子ふるい膜は吸着能力が高いのでポンプ１４ｐで燃料Ｆを加圧して直鎖成分Ｐを主成分とする燃料ｆとする。
【００２４】
上記のようにゼオライト膜４０を形成したハニカム構造体１４ｈは、セル開口部の一端側を封止することで流体の自由な流通を阻止するように形成されている。しかし、ゼオライト膜４０でアロマ分Ａの通過は阻止するもののパラフィン分Ｐは通過可能であるので、ゼオライト膜の支持体は所定の強度を有し、ゼオライトの透過性を阻害しない程度の多孔質体であることが望ましい。
【００２５】
支持体の材質はこのような性質を有していれば、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、ゼオライト膜との熱膨張率の差が少ないこと、ゼオライト膜との親和性が高いこと等を考慮するとアルミナ、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としてもよい。また、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。
【００２６】
支持体の形状もハニカム構造体に限定されることはなく、例えば、繊維状、布状、球状、平板状、チューブ状、モノリス状などのものを利用することができる。特に、多孔質でかつ高い表面積が必要な場合には、チューブ、モノリス、またはハニカム状の形状であることが好ましい。このような形状の支持体にゼオライト膜を形成して成分分離器内へ充填することで燃料成分を分離することができる。
【００２７】
燃料中の成分を分離するためには、多孔質支持体の平均細孔径は１００μｍ以下が強度的に好ましく、更に好ましくは５０μｍ以下である。また、支持体であるセル隔壁３８の厚さは０．０５〜１．０ｍｍであることが望ましい。セル隔壁３８の厚さが０．０５ｍｍ未満では強度的に不十分であり、また１．０ｍｍを越えて厚い場合には加圧力が大きいポンプ１４ｐを必要とするので適当ではない。より好ましくは０．１〜０．５ｍｍである。
【００２８】
次に、上述の実施形態における燃料供給装置１０の作動について図５のフローチャートに沿って説明する。
【００２９】
まず、ステップＳ１で運転者がキー２２を回転してスイッチをＯＮする。ＥＣＵ２７は冷却水の水温を測定し（ステップＳ２）、その温度情報により低温始動か通常始動かを判断する（ステップＳ３）。例えば、水温が１０℃未満の場合には低温始動、１０℃以上の場合には通常始動と定義しておく。ＥＣＵ２７は水温が１０℃未満と判断したら（ステップＳ３でＹＥＳ）電磁弁などを備える燃料切替手段１６に指令して始動燃料として成分分離器１５側を選択する（ステップＳ４）。ＥＣＵ２７が燃料の供給を成分分離器１５側に選択すると、ポンプ１８は成分分離器１５内に貯留されている分離成分ｆを加圧して（ステップＳ５）、インジェクタ２０へ供給する（ステップＳ６）。インジェクタ２０からは分離成分ｆが始動時燃料として噴射されるのでステップＳ７でエンジンＥは正常に始動する。ステップＳ８では、ＥＣＵ２７はエンジンが正常に始動したか否かを判定する。正常に始動したか否かはエンジン回転数で判定することができる。この結果正常に始動できたと判定した場合には（ステップ８でＹＥＳ）、ＥＣＵ２７はステップＳ９へ進み、燃料切替手段１６で燃料タンク１２側を選択して通常燃料Ｆを加圧ポンプ１８を介してインジェクタ２０へ供給する（ステップＳ１０）。
【００３０】
なお、ステップ３で冷却水の温度が１０℃以上であると判断した場合には、ＥＣＵ２７は燃料切替手段１６の燃料タンク１２側を選択して通常燃料Ｆを加圧ポンプ１８を介してインジェクタ２０へ供給する（ステップＳ１０）。
【００３１】
また、成分分離器１５内に貯留されている分離成分ｆは低温始動で消費されて減少するが、この減少分はポンプ１４ｐを回転することで運転中の適宜のタイミングで補給しておけばよい。
【００３２】
以上のように本発明の燃料供給装置によれば、ガソリンエンジンでは主として低沸点成分として燃料中のノルマルブタンおよび／またはイソペンタンを、また、ディーゼルエンジンでは、主として低発火点成分（例えば、セタン価の高い成分）として燃料中のノルマルデカンを始動時燃料として用いることができる。従って、内燃機関の始動時、特に低温始動時に機関に生じるトラブルを解消することができる。また、本発明の燃料供給装置は、ハニカム構造の支持体にゼオライトの分子ふるい膜を形成しているので成分分離効率が高くかつ極めてコンパクトである。
【００３３】
本発明の燃料成分分離手段によれば、分離膜に燃料を透過させることで高発火点成分または高沸点成分であるアロマ分やナフテン系炭化水素成分を除去して、直鎖成分であるパラフィン系炭化水素成分を得ることができる。しかし、透過分離したパラフィン系炭化水素成分でも図６に示すように炭素数によってその沸点は異なる。低温始動にはより沸点の低い燃料が有効であるので、炭素数の小さい成分を濃縮するために透過成分を再度同様の分離膜を透過させてもよい。
【００３４】
図７に示すように、パラフィン系炭化水素成分のゼオライト膜を透過する透過速度は、炭素数が小さいほど大きく、端素数が増加するにつれて減少する。従って、２度目の透過分離を調整することで低炭素成分を濃縮することができる。
【００３５】
上記のような２回の透過分離は図８に示すような燃料成分分離手段を用いて実施することができる。図８に示す燃料成分分離手段は、図２に示した燃料成分分離手段の燃料成分分離器１５内に２個のハニカム構造体１４ｈ１、１４ｈ２を直列に配置したものである。そして第１のハニカム構造体１４ｈ１で透過分離した分離成分ｆ１をさらに第２のハニカム構造体１４ｈ２で透過分離して低炭素成分が濃縮された始動用燃料ｆ２を得ることができる。第１のハニカム構造体１４ｈ１を透過できない成分Ｆ’と第２のハニカム構造体１４ｈ２を透過できない成分ｆ１とは、それぞれ絞り弁１４ａ、１４ｂを介して燃料タンク１２へ環流する。
【００３６】
ここで、分離成分ｆ１が第２のハニカム構造体１４ｈ２を透過する透過速度は、加圧ポンプ１４ｐの加圧力により調整することができる。また、分子ふるいであるゼオライト膜の細孔径は第１のハニカム構造体１４ｈ１と第２のハニカム構造体１４ｈ２とで同一のものを選択してもよいし、異なる組み合わせとしてもよい。異なる組み合わせの場合には、第２のハニカム構造体１４ｈ２のゼオライト膜の細孔径を第１のハニカム構造体１４ｈ１よりも小さくすることが望ましい。図８ではハニカム構造体１４ｈに直列に２個配置したが、３個以上を直列に配置してもよい。
【００３７】
本発明の燃料供給装置は上記の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で変更してもよい。
【００３８】
例えば、上記の実施の形態では、ガソリンエンジンを直噴式として説明したが、従来のガソリンエンジンや過給式ガソリンエンジンでは燃料切替手段１６通過後の燃料を吸気ポートへ供給すればよい。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は車両のガソリンエンジンやディーゼルエンジンの燃料供給装置として好適である。特に寒冷地における冬季のエンジン始動時には有効であり、本発明の燃料供給装置を用いることで、低温始動時におけるガソリンエンジンの排気悪化やディーゼルエンジンの着火遅れなどの不具合を解消することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】実施の形態のシステム概要を説明する説明図で、直噴式ガソリンエンジンの場合を示す。
【図２】実施の形態における成分分離手段の構成を示す概要図である。
【図３】ハニカム構造体の構成を説明する概要図である。（ａ）はハニカム構造体のセル断面の形状と分子ふるいによる成分分離を概念的に示したものである。（ｂ）はハニカム構造体の一端面を模式的に示したものである。
【図４】ゼオライト膜により燃料成分を分離する原理を模式的に示した図である。
【図５】本発明の燃料供給装置の動作を説明するフローチャートである。
【図６】炭化水素の炭素数と沸点との関係を示すグラフである。
【図７】炭化水素の炭素数によるゼオライト膜透過速度の変化を概念的に示したグラフである。
【図８】燃料Ｆを２段で透過分離する燃料成分分離手段の構成を示す概要図である。
【符号の説明】
【００４１】
１４：成分分離手段  １４ｐ：ポンプ  １４ｈ：ハニカム構造体  １４ｖ：逆止弁  １５：成分分離器  １６：燃料切替手段  １８：加圧ポンプ  ２０：インジェクタ  ２７：ＥＣＵ  ３２：セル  ３４：封止部  ３６：開口部  ３８：隔壁４０：分子ふるい膜（ゼオライト膜）
Ａ：アロマ成分  Ｅ：内燃機関（エンジン）  Ｆ：燃料  ｆ：分離成分（低発火点成分または低沸点成分）  Ｐ：直鎖成分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2007085316.tif 000009
【図８】
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