JP2011162589A - 燃料、バーナー装置および熱機関 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料の有する蒸気圧以上の軽度な圧力に加圧して液化することで容易に取り扱うことができ、また、このため、燃料を液化するための溶媒としてのアルコール等の第三成分を加える必要もなく、また、従来の技術に比べて、燃料の潤滑性が良好であり、また、プラスチック部品を損傷するおそれも少ない、ジメチルエーテルを含む燃料を提供する。
【解決手段】燃料は、８０〜９９質量％の液体炭化水素と１〜２０質量％のジメチルエーテルからなり、好ましくは、液体炭化水素が、灯油、軽油および重油のうちから選ばれるいずれか１つ、または２つ以上の混合物であり、燃料１００質量部に水１〜３０質量部を配合してなる。
【選択図】なし

Description

本発明は、ジメチルエーテルを用いた燃料、バーナー装置および熱機関に関する。

ジメチルエーテル（以下、本明細書ではＤＭＥと略称することがある。）は、着火・燃焼性に優れ、また、セタン価が高いことから、各種燃焼器やディーゼル機関の代替燃料として用いることが提案されている。
ＤＭＥは、メタノールから製造されるが、そのほか、化石燃料として最も豊富な石炭や、天然ガス、石油残渣および家畜糞尿等の有機物からも安価に製造することができる可能性がある。このため、次世代につながる燃料として期待され、日本国内では既に製造プラントも建設されている。

ＤＭＥは常温で約６気圧（約０．６ＭＰａ）の蒸気圧を有することから、例えばディーゼルエンジンの１００％代替燃料（ＤＭＥのみからなる燃料）として用いる場合、既設の燃料貯留装置の耐圧化が求められ、さらには燃焼装置の一部構造変更も必要となることがある。

これに対して、ディーゼルエンジンの燃料である軽油等の液体炭化水素の一部をＤＭＥに代替する技術も提案されている。

例えば、ＤＭＥと軽油を容積比で３０〜６０％：７０〜４０％混合してなる燃料が提案されている。ＤＭＥ量は、質量基準に換算すると、約２５〜５４％である。この燃料を用いることで、ＤＭＥの低潤滑性が改善され、磨耗による燃料噴射弁等の作動不良を生じることのない、燃料、圧縮点火機関およびバーナーを提供することができるとされている（特許文献１参照）。
しかしながら、この場合、燃料を液化状態で取り扱うためには、燃料貯槽や燃料供給装置等について相当程度加圧することが必要であり、また、それに応じた装置の耐圧化も求められる。

また、例えば、ディーゼルエンジンの燃料の５０％以上をＤＭＥに代替する特許文献１と同様の技術も提案されている（特許文献２参照）。
しかしながら、この場合も、特許文献１と同様の不具合がある。

また、例えば、軽油等６０〜９０％に液化ＤＭＥおよびアルコールをそれぞれ５〜２０％配合した低公害燃料が提案されている。アルコールを溶媒に用いることでＤＭＥを液化して軽油等と配合するものである（特許文献３参照）。
しかしながら、この場合、ＤＭＥとともにアルコールをわざわざ配合する必要があることが難点であり、また、アルコールを配合することにより、発熱量の低下やそれに伴う出力不足という問題も起こりえる。

特開平１１−２４６８７９号公報 米国特許００４８９２５６１号公報 特許３７９２９９０号公報

解決しようとする問題点は、軽油等の燃料の大部分をジメチルエーテルに代替する従来の技術では、燃料を液化して取り扱うために燃料貯槽や燃料供給装置を高い圧力に加圧して用いるとともに、これらの装置を耐圧化することが必要であり、また、軽油等の燃料の一部分をジメチルエーテルに代替する従来の技術では、ジメチルエーテル以外の第三成分であるアルコールを溶媒として配合する必要がある点である。
さらに他の問題点は、ジメチルエーテルの代替量や代替比率が高い場合、燃料の潤滑性が低下し、また、プラスチック部品を損傷するおそれがある点である。

本発明に係る燃料は、８０〜９９質量％の液体炭化水素と１〜２０質量％のジメチルエーテルからなる。

また、本発明に係る燃料は、好ましくは、前記液体炭化水素が、灯油、軽油および重油のうちから選ばれるいずれか１つ、または２つ以上の混合物であることを特徴とする。

また、本発明に係る燃料は、好ましくは、上記の燃料１００質量部に水１〜３０質量部を配合してなることを特徴とする。

また、本発明に係るバーナー装置は、好ましくは、上記の燃料を用いるバーナー装置であって、燃焼室手前の燃料通路に設けられる燃料冷却部および燃料タンクに設けられる燃料加圧部のうちのいずれか１つまたは双方を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る熱機関は、好ましくは、上記の燃料を用いる熱機関であって、燃焼室手前の燃料通路に設けられる燃料冷却部および燃料タンクに設けられる燃料加圧部のうちのいずれか１つまたは双方を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る熱機関は、好ましくは、ディーゼルエンジンまたはタービンエンジンであることを特徴とする。

本発明に係る燃料は、８０〜９９質量％の液体炭化水素と１〜２０質量％のジメチルエーテルからなるため、燃料の有する蒸気圧以上の軽度な圧力に加圧して液化することで容易に取り扱うことができる。また、このため、燃料を液化するための溶媒としてのアルコール等の第三成分を加える必要もない。また、従来の技術に比べて、ジメチルエーテルの代替量や代替比率が低いため、燃料の潤滑性が良好であり、また、プラスチック部品を損傷するおそれも少ない。
また、本発明に係るバーナー装置および熱機関は、好ましくは、燃焼室手前の燃料通路に設けられる燃料冷却部および燃料タンクに設けられる燃料加圧部のうちのいずれか１つまたは双方を備えるため、燃料の温度上昇による気化に起因するベーパーロック現象を防止することができ、本発明に係る燃料を好適に用いることができる。

図１は本実施の形態例に係るバーナー装置の概略構成を示すブロック図である。 図２は本実施の形態例に係る熱機関の概略構成を示すブロック図である。

本発明の実施の形態（以下、本実施の形態例という。）について、以下に説明する。

本実施の形態例に係る燃料は、８０〜９９質量％の液体炭化水素と１〜２０質量％のジメチルエーテル（ＤＭＥ）からなる。
液体炭化水素は、常温常圧で液体である炭素数４以上の炭化水素をいうが、本実施の形態例では、さらに、灯油、軽油および重油等の石油等に由来する成分を含む。
液体炭化水素は、灯油（炭素数１２付近）、軽油（炭素数１５付近）あるいは重油（炭素数約２５まで）のいずれかまたはこれらの混合物であると、容易に入手でき、ディーゼルエンジン等の内燃機関やバーナーの燃料として好適である。また、これら灯油等の原料（燃料）を使用するときに生じうる煤の発生や着火性不良が、ＤＭＥを配合することにより改善される。

液体炭化水素に異なる量のＤＭＥを常温（２５℃）で混合した場合の燃料の蒸気圧は、純DMEの蒸気圧0.62MPaを基に、ＤＭＥの配合比率から概算される。例えばＤＭＥを２０質量％配合したときの燃料の蒸気圧は約０．１５ＭＰａであり、このＤＭＥ配合比率以下であれば、その蒸気圧よりわずかに加圧した条件下においても０．２ＭＰａ以上が対象となる日本国内法の高圧ガスに該当しない。

前記のように、ＤＭＥを高い代替比率で含む燃料の場合、例えば貯留タンク等において液体として取り扱うときに高圧に加圧することが必要であり、また、これに伴い貯留タンク等の耐圧化が求められる。これに対して、本実施の形態例に係る燃料は、ＤＭＥを比較的低い代替比率である１〜２０質量％含むものであるため、ＤＭＥを配合した燃料の比較的低い蒸気圧よりもわずかに加圧した状態、言い換えれば０．２ＭＰａよりも十分低い圧力に加圧することにより液化して燃料を取り扱うことができ、また、貯留タンク等の取り扱い設備を耐圧構造とする必要がない。このとき、さらに、燃料を冷却処理すれば、取り扱い圧力（処理圧力）をさらに低くすることができる。
また、本実施の形態例に係る燃料は、燃料を液化するための溶媒としてのアルコール等の第三成分を加える必要もない。さらにまた、従来の技術に比べて、ジメチルエーテルの代替量や代替比率が低いため、燃料の潤滑性が良好であり、また、プラスチック部品を損傷するおそれも少ない。
本実施の形態例に係る燃料は、用途上好ましい圧力をＤＭＥの割合によって調整することができる。

本実施の形態例に係る燃料は、必要に応じて、その性能を損なわない範囲で、公知の燃料油添加剤を使用することができる。このような添加剤として、例えば、セタン価向上剤、酸化防止剤、清浄剤、腐食防止剤、助燃剤、帯電防止剤および着色剤等を挙げることができる。

また、本実施の形態例に係る燃料は、燃料１００質量部に水１〜３０質量部を配合したものであると、燃焼排ガスの低ＮＯｘ化や燃焼の高効率化を図るうえで好ましい。

つぎに、本実施の形態例に係るバーナー装置は、上記の本実施の形態例に係る燃料を用いるバーナー装置であって、燃焼室手前の燃料通路に設けられる燃料冷却部および燃料タンクに設けられる燃料加圧部のうちのいずれか１つまたは双方を備える。
図１に例示するバーナー装置１０は、本実施の形態例に係る燃料を貯留する混合燃料タンク（燃料タンク）１２からの燃料が燃料供給管１３により、一方ブロワー１４からの空気が空気供給管１５により、それぞれバーナー（燃焼室）１６に送られる。バーナー１６は液体燃料を用いる一般的なバーナーであってもよく、また、本実施の形態例に係る燃料の使用により適した材質や構造を配慮したものであってもよい。
バーナー装置１０は、この場合、バーナー１６手前の燃料供給管１３に設けられる冷却装置（燃料冷却部）１８と混合燃料タンク１２に設けられる加圧器（燃料加圧部）２０の双方を備える。

本実施の形態例に係るバーナー装置１０は、例えばバーナー１６からの熱伝導等の何らかの原因によって燃料供給管１３の中の燃料が温度上昇するおそれがある場合に、加圧や冷却により燃料の気化を抑制することができ、これにより、ベーパーロック現象の発生を避けることができる。

つぎに、本実施の形態例に係る熱機関は、上記の本実施の形態例に係る燃料を用いる熱機関であって、燃焼室手前の燃料通路に設けられる燃料冷却部および燃料タンクに設けられる燃料加圧部のうちのいずれか１つまたは双方を備える。
図２に例示する熱機関２２は、圧縮点火（ディーゼル）機関であり、本実施の形態例に係る燃料を貯留する混合燃料タンク（燃料タンク）２４からの燃料が燃料供給管２６により圧送され、エンジン（燃焼室）２８に送られる。エンジン２８は液体燃料を用いる一般的なエンジンであってもよく、また、本実施の形態例に係る燃料の使用に、より適した材質や構造を配慮したものであってもよい
熱機関２２は、この場合、エンジン２８手前の燃料供給管２６に設けられる冷却装置（燃料冷却部）３０と混合燃料タンク２４に設けられる加圧器（燃料加圧部）３２の双方を備える。

本実施の形態例に係る熱機関２２は、例えばエンジン２８からの熱伝導等の何らかの原因によって燃料供給管２６の中の燃料が温度上昇するおそれがある場合に、加圧や冷却により燃料の気化を抑制することができ、これにより、ベーパーロック現象の発生を避けることができる。

本実施の形態例に係る熱機関は、上記したディーゼルエンジンのほかにタービンエンジンに好適に用いることができるが、これに限らず、ディーゼルエンジンまたはタービンエンジン以外の内燃機関や、さらには蒸気機関等の外燃機関への適用を排除するものではない。

以下、本発明の実施例について説明する。本発明はこの実施例に限定されるものではない。

（実施例１および比較例１：バーナー装置）
燃料流量２L/時で空気との混合比を当量比で0.9（理論混合比１に比べて空気比率１０％過剰）に統一して、軽油のみを燃料とした場合（比較例１）と軽油にDMEを10質量％混合した燃料を用いた場合（実施例１）を比較した。
その結果、軽油のみを燃料とした場合に発生した煤がDMEを混合した燃料を用いることで除去され、燃焼が改善されることが示された。

（実施例２および比較例２：ディーゼルエンジン）
出力負荷6.5kgf、回転数2500rpmに統一して、軽油のみを燃料とした場合（比較例２）と軽油にDMEを10質量％混合した燃料を用いた場合（実施例２）を比較した。
その結果、軽油のみを燃料とした場合に汚染率25％、NOｘが580ppmだったものが、DMEを混合した燃料を用いることで安定した運転は維持され、汚染率5％、NOｘが420ppmに低下し、燃焼が改善されることが示された。ここで、汚染率とは、排ガス中の煤を測定する装置を用い排ガスを専用ろ紙で吸引採取しそれに光を透過させその透過の程度で評価するものであり、自動車排ガスの煤測定で一般的に用いられる。

１０ バーナー装置
１２、２４ 混合燃料タンク
１３、２６ 燃料供給管
１４ ブロワー
１５ 空気供給管
１６ バーナー
１８、３０ 冷却装置
２０、３２ 加圧器
２２ 熱機関
２８ エンジン

Claims (6)

1. ８０〜９９質量％の液体炭化水素と１〜２０質量％のジメチルエーテルからなる燃料。
2. 前記液体炭化水素が、灯油、軽油および重油のうちから選ばれるいずれか１つ、または２つ以上の混合物であることを特徴とする請求項１記載の燃料。
3. 前記燃料１００質量部に水１〜３０質量部を配合してなることを特徴とする請求項１または２記載の燃料。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料を用いるバーナー装置であって、燃焼室手前の燃料通路に設けられる燃料冷却部および燃料タンクに設けられる燃料加圧部のうちのいずれか１つまたは双方を備えることを特徴とするバーナー装置。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料を用いる熱機関であって、燃焼室手前の燃料通路に設けられる燃料冷却部および燃料タンクに設けられる燃料加圧部のうちのいずれか１つまたは双方を備えることを特徴とする熱機関。
6. ディーゼルエンジンまたはタービンエンジンであることを特徴とする請求項５記載の熱機関。

Images