JP2014051901A - 燃料供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】システム全体での効率を向上させることのできる燃料供給システムを提供する。
【解決手段】本燃料供給システム１は、内燃機関としてのディーゼルエンジンなどに適用されるものであって、燃料タンク２内の燃料Ｆを、フィルタ３、燃料移送ポンプ４、プランジャポンプ５及び燃料噴射ノズル６を介してシリンダ７内に供給する際に、前記燃料Ｆに空気Ａと高圧高温ドライスチームＳとを注入することにより、該燃料Ｆ中に空気ＡとスチームＳとの微細気泡を発生させるように構成したものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料供給システムに関し、例えば内燃機関やボイラなどの燃料供給システムに好適である。

従来、低質重油を燃料として供給する内燃機関やボイラなどの燃焼器における燃焼効率の向上や有害排気の減少などを目的として、種々の燃料改質装置が開発されている。

例えば特許文献１では、燃焼器の液体燃料供給経路に気液圧送ポンプ及びミキサーを備え、前記気液圧送ポンプの燃料吸入経路で液体燃料の容積の１乃至１０００倍の所要の気体（空気等）を混在し、気液混合流体を気液圧送ポンプで圧送すると共に、ミキサーでマイクロ（ナノ）バブル化させて、前記燃焼器に０．２乃至２００（ＭＰａ）の高圧で供給可能としたことを特徴とする燃料供給装置が開示されている。

また、この特許文献１には、前記気液圧送ポンプの燃料吸入経路に水を供給するオリフィスを接続することで、空気と水の混在した燃料は、気液混合流体圧送ポンプに吸引され、マイクロバブル化され、バーナーやエンジン等の燃焼器に送られることも開示されている。

したがって、この特許文献１によれば、燃料の燃焼改善のために空気を包含させたうえで、空気と一緒に水を追加供給することで、元来の水供給による燃焼悪化を防止しつつ、燃焼最高温度の抑制を図ることにより、窒素酸化物（ＮＯＸ）を削減できると記載されている。

しかしながら、上記特許文献１では、常温の空気と水とが混在した燃料を、気液混合流体圧送ポンプで吸引して加圧してから、ミキサーでマイクロバブル化しているので、ポンプ動力が過大なものとなる。また、マイクロバブル化した燃料の温度が低下するので、その燃料を熱交換器でさらに加熱してから燃焼器に供給している。したがって、かかるポンプ動力や熱交換器での加熱をも含めたシステム全体での効率を向上させる余地があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、システム全体での効率を向上させることのできる燃料供給システムを提供することを目的とする。

本発明は、液状の燃料を燃焼器に供給する燃料供給システムであって、前記燃料に可燃性又は支燃性ガスとスチームとを注入することにより、該燃料中に可燃性又は支燃性ガスとスチームとの微細気泡を発生させるように構成したことを特徴とするものである。

本発明によれば、前記燃料に可燃性又は支燃性ガスとスチームとを注入することにより、該燃料中に可燃性又は支燃性ガスとスチームとの微細気泡を発生させるように構成したので、燃料中における可燃性又は支燃性ガスとスチームとの微細化が促進され、燃料の燃焼効率を向上させるとともに、有害排ガスを減少させることができる。また、特許文献１に比べて、構成が簡単なものとなり、燃料を吸引するためのポンプ動力が少なくて済む。さらに、微小気泡化した燃料の温度が低下しないので、その燃料を加熱することなく燃焼器にそのまま供給することができる。したがって、システム全体での効率を向上させることができる。

また、前記燃料に可燃性又は支燃性ガスとスチームとの混合体を注入することにより、該燃料中に可燃性又は支燃性ガスとスチームとの混合体の微細気泡を発生させるように構成することが好ましい。

この場合、前記燃料に可燃性又は支燃性ガスとスチームとの混合体を注入することにより、該燃料中に可燃性又は支燃性ガスとスチームとの混合体の微細気泡を発生させるように構成したので、燃料中における可燃性又は支燃性ガスとスチームとの微細化がさらに促進され、燃料の燃焼効率をより確実に向上させるとともに、有害排ガスをより確実に減少させることができる。

また、前記注入には細孔ノズルを用いることが好ましい。

この場合、前記注入には細孔ノズルを用いるので、微細気泡を安定して発生させることができる。

前記可燃性又は支燃性ガスは、空気、酸素、水素及びオゾンの少なくともいずれか１つを含むものであることが好ましい。

この場合、前記可燃性又は支燃性ガスは、空気、酸素、水素及びオゾンの少なくともいずれか１つを含むものであるので、燃料の燃焼効率をさらに確実に向上させることができる。

また、前記スチームは、高圧高温のドライスチームであることが好ましい。

この場合、前記スチームは、高圧高温のドライスチームであるので、燃料の燃焼効率をさらに確実に向上させるとともに、有害排ガスをさらに確実に減少させることができる。

本発明によれば、前記燃料に可燃性又は支燃性ガスとスチームとを注入することにより、該燃料中に可燃性又は支燃性ガスとスチームとの微細気泡を発生させるように構成したので、燃料中における可燃性又は支燃性ガスとスチームとの微細化が促進され、燃料の燃焼効率を向上させるとともに、有害排ガスを減少させることができる。また、特許文献１に比べて、構成が簡単なものとなり、燃料を吸引するためのポンプ動力が少なくて済む。さらに、微小気泡化した燃料の温度が低下しないので、その燃料を加熱することなく燃焼器にそのまま供給することができる。したがって、システム全体での効率を向上させることができる。

本発明の実施形態１に係るディーゼルエンジンの燃料供給システムの全体構成図である。 本燃料供給システムに組み込み可能な燃料改質装置の全体構成図である。 本発明の実施形態２に係るボイラの燃料供給システムの全体構成図である。

（実施形態１）
図１は本発明の一実施形態に係るディーゼルエンジンの燃料供給システム１の全体構成図、図２は本燃料供給システム１に組み込み可能な燃料改質装置１０の全体構成図である。ここでは、内燃機関として、低質重油を主燃料とするディーゼルエンジンを例示する。

図１に示すように、本実施形態に係るディーゼルエンジンの燃料供給システム１は、燃料タンク２と、フィルタ３と、燃料移送ポンプ４と、プランジャポンプ５と、燃料噴射ノズル６と、シリンダ７とを備えており、ここでは燃料タンク２とフィルタ３とを接続する燃料供給ライン中に燃料改質装置１０を配置してなっている。

燃料タンク２は、燃料Ｆを貯留するものであって、エアベントＡＶで大気開放されている。そして、この貯留された燃料Ｆを、図示しない加熱コイルで所定温度に加熱するようになっている。これにより、燃料Ｆの流動性を確保して燃料移送ポンプ４で吸引することができる。

フィルタ３は、燃料Ｆに混入した固形物を除去して、燃料移送ポンプ４などを保護するためのものである。燃料移送ポンプ４はギア式の定量ポンプであって、燃料供給ラインＳＬ中に送り込む燃料Ｆを一定量に維持することができる。

プランジャポンプ５は、エンジン付きの定量ポンプであって、エンジン負荷に応じた燃料量を、燃料噴射ノズル６を介してシリンダ７内に噴射するものである。このため、エンジン負荷が小さいときには、余剰の燃料量を、燃料リターンラインＲＬを介して燃料タンク２に戻すようになっている。

図２に示すように、燃料改質装置１０は、燃料Ｆの性状を改善するものであって、エジェクタなどの細孔ノズル１１と、高温高圧ドライスチームＳの発生装置１２と、空気Ａの発生装置１３と、燃料入口１４と、燃料出口１５とを備えており、制御装置２０は、燃料流量計２１と、蒸気流量計２２と、空気流量計２３とでそれぞれ計測した流量に基づいて、蒸気流量調整弁２４と、空気流量調整弁２５とをそれぞれ開度調整するようになっている。

発生装置１２は、例えばボイラであり、そこで発生させた飽和蒸気をさらに過熱することにより、高温高圧のドライスチームＳを発生させることができる。また、発生装置１３は、例えばコンプレッサであり、外気を圧縮することにより、高圧の空気Ａを発生させることができる。空気Ａは、発生装置１２で発生させた高温高圧のドライスチームＳで駆動されるエジェクタなどで発生させてもよい。

燃料流量計２１は、例えば容積式の流量計であり、蒸気流量計２２と、空気流量計２３とは、例えばオリフィス式の流量計である。また、蒸気流量調整弁２４と、空気流量調整弁２５とは、例えば電磁弁を備えた空気作動式の流量調整弁である。

そして、制御装置２０の制御下、燃料改質装置１０の細孔ノズル１１を介して、燃料供給ラインＳＬ中の燃料Ｆに対して、高圧高温ドライスチームＳと空気Ａとの混合体を所定割合で注入することで、空気Ａはマイクロバブルとして、高圧高温ドライスチームＳはマイクロバブル及び凝縮して小水滴の形で燃料Ｆに混合される。

マイクロバブルとは、直径が１０〜５０μｍ程度の微細な気泡（微細気泡）をいう。通常の気泡は、急激に燃料Ｆ中を上昇し最終的に液面で破裂する。しかし、マイクロバブルは気泡体積が微細であるので、上昇速度が遅く長い間、燃料Ｆ中に滞在し続ける。また、マイクロバブルは加圧により一層小さくなり、効果的に気体が燃料Ｆ中に溶解する。さらに、マイクロバブルは、負に帯電をしているので、マイクロバブル同士は反発し合う。このため、マイクロバブル同士の結合がなく、気泡濃度が減ることがないなどといった、通常の気泡とは異なる種々の性質を有している。

また、マイクロバブルは、Ｙｏｕｎｇ−Ｌａｐｌａｃｅの式に従う、内部圧力を持っているため、その圧力は非常に大きなものになっている。すなわち、
ΔＰ ＝ ４σ／Ｄ
ここで、ΔＰは圧力上昇の程度であり、σは表面張力、Ｄは気泡直径である。

したがって、マイクロバブルの周囲領域では、反応場が形成される。そこで生じた各種ラジカルによって、燃料Ｆは、炭素間の結合が切れ、低分子量化される。特に、燃料噴射ノズル６では、マイクロバブルが破壊されることで、上記の反応が促進される。相対的に高温、低圧であるシリンダ７内では、含有されている小水滴の気化によって、急激な膨張が起こり（微小爆発）、残存マイクロバブルも同様に急激に膨張するので、周囲の燃料Ｆが粉砕され、微細な粒子となって、シリンダ７内で飛散する。

本発明者らは、かかるマイクロバブルの諸性質を利用して、ディーゼルエンジンの燃料供給システム１に好適な燃料改質装置１０を開発したものである。以下、この燃料改質装置１０を取り付けたディーゼルエンジンの燃料供給システム１の動作について説明する。

まず燃料移送ポンプ４を起動し、フィルタ３を介して燃料タンク２に貯留された燃料Ｆを吸引する。この吸引した燃料Ｆは、途中で燃料改質装置１０の細孔ノズル１１を通過する。このとき、細孔ノズル１１の作用により、燃料Ｆには、空気Ａと高圧高温ドライスチームＳとの混合体が注入される。これによって、空気Ａはマイクロバブルとして、高圧高温ドライスチームＳはマイクロバブル及び凝縮して小水滴の形で燃料Ｆに混合される。このマイクロバブルが混入した燃料Ｆは、燃料移送ポンプ４で吐出される。

次いで、燃料移送ポンプ４は、マイクロバブルを混入した燃料Ｆを加圧することにより、マイクロバブルの燃料Ｆ中への溶解を促進する。

次いで、燃料移送ポンプ４でマイクロバブルの溶解を促進した燃料Ｆを、エンジン付きのプランジャポンプ５に移送する。そこで、エンジン負荷に応じた燃料量を、燃料噴射ノズル６を介してシリンダ７内に噴射する。そして、エンジン負荷が小さいときには、余剰の燃料量を、燃料リターンラインＲＬを介して燃料タンク２に戻すが、エンジン負荷を大きくしたときには、余剰の燃料量を、燃料リターンラインＲＬを介して燃料タンク２に戻すことなく、その燃料量のほとんどをエンジンで消費するようになる。以上を繰り返す。

以上説明したように、本燃料供給システム１は、燃料改質装置１０の細孔ノズル１１で燃料Ｆ中に高圧高温のドライスチームＳと空気Ａとの混合体を注入するように構成したので、燃料Ｆがラジカルによって、予め低分子量化されているため、高分子燃料よりも燃焼効率が向上する。また、含有水滴の微小爆発やマイクロバブルの急激な膨張による燃料Ｆの細分化、および燃焼室各所への飛散によって、周囲の酸素（Ｏ２）との接触面積が増大し、かつ燃焼室内各所の酸素（Ｏ２）を十分に消費できるため、燃焼効率が向上する。

また、燃焼効率の改善とともに、燃料Ｆ中に空気Ａが含まれていることにより、ディーゼルエンジンにおいては、シリンダ７中の過剰空気量を低減させることができ、よって過剰空気による熱損失を低減できる。さらに燃料Ｆが重油である場合、高圧高温ドライスチームＳの注入により、燃料Ｆの予熱に必要な熱量を低減することができる。また、燃料Ｆの流動性が向上するため、燃料移送ポンプ４の出力を抑制することができる。

また、燃料Ｆをシリンダ７内で完全燃焼させることで、黒煙や一酸化炭素（ＣＯ）等の排出を抑制することができる。燃焼雰囲気中の水分による吸熱反応（水性ガス反応）によって、未燃の炭素がガス化されて可燃性のＣＯとなり、煤塵の排出を抑制する。

また、燃焼効率の改善に伴う燃焼温度の上昇によって、窒素酸化物（ＮＯＸ）排出量の増加が懸念されるが、燃料中の気化熱を奪うことで、燃焼温度を低く抑え、ＮＯＸ排出量を低減する。

また、水滴は、油中に分散して封じ込められるため、従来の機器に損傷を与えることはなく、シリンダ７内でも外側の燃料部位が露出しているため、着火性の低下は考えられない。

また、特許文献１に比べて、構成が簡単なものとなり、前述のごとく燃料Ｆを吸引するためのポンプ動力が少なくて済む。さらに、微小気泡化した燃料Ｆの温度が低下しないので、その燃料を加熱することなく燃料噴射ポンプ６を介してシリンダ７にそのまま供給することができる。したがって、システム全体での効率を向上させることができる。

さらに、燃料改質装置１０は、空気Ａを、高圧高温ドライスチームＳとともに、細孔ノズル１１を通して燃料に注入し、マイクロバブルを製造するが、この細孔ノズル１１を装着するだけなので、既設の燃料供給ラインにも容易に組み込める。

（実施形態２）
本発明者らは、さらに工夫を重ねて、ボイラに好適な燃料供給システム１ａを構築した。図３は本発明の実施形態２に係るボイラの燃料供給システム１ａの全体構成図である。なお、ここでは、上記実施形態１と共通する要素には同一符号を付して、その詳細説明を省略する。

図３に示すように、本実施形態に係るボイラの燃料供給システム１ａは、燃料タンク２と、フィルタ３と、燃料移送ポンプ４ａと、バーナー８と、燃焼室９とを備えており、ここでも燃料タンク２とフィルタ３とを接続する燃料供給ラインＳＬ中に燃料改質装置１０を配置してなっている。

燃料移送ポンプ４ａは、上記実施形態１と同様にギア式の定量ポンプではあるが、ここではボイラ負荷に応じた燃料量をバーナー８に送り込み、バーナー８は、この送り込まれた燃料量を燃焼室９内に噴射するようになっている。このため、ボイラ負荷が小さいときには、燃料移送ポンプ４ａで送り込む燃料量は少なくなり、ボイラ負荷が大きいときには、燃料移送ポンプ４ａで送り込む燃料量は多くなる。したがって、上記実施形態１のごとき燃料リターンラインＲＬは設けていない。

以下、燃料改質装置１０を取り付けたボイラの燃料供給システム１ａの動作について説明する。

まず燃料移送ポンプ４ａを起動し、フィルタ３を介して燃料タンク２に貯留された燃料Ｆを吸引する。この吸引した燃料Ｆは、途中で燃料改質装置１０の細孔ノズル１１を通過する。このとき、細孔ノズル１１の作用により、燃料Ｆには、空気Ａと高圧高温ドライスチームＳとの混合体が注入される。これによって、空気Ａはマイクロバブルとして、高圧高温ドライスチームＳはマイクロバブル及び凝縮して小水滴の形で燃料Ｆに混合される。このマイクロバブルが混入した燃料Ｆは、燃料移送ポンプ４ａで吐出される。

次いで、燃料移送ポンプ４ａは、マイクロバブルを混入した燃料Ｆを加圧することにより、マイクロバブルの燃料Ｆ中への溶解を促進する。

次いで、燃料移送ポンプ４ａでマイクロバブルの溶解を促進した燃料Ｆを、ボイラ付きのバーナー８に移送する。そこで、ボイラ負荷に応じた燃料量を、シリンダ７内に噴射する。そして、ボイラ負荷が小さいときには、燃料移送ポンプ４ａから移送される燃料量を少なくする一方、ボイラ負荷を大きくしたときには、燃料移送ポンプ４ａから移送される燃料量を多くすることで、その送り込まれた燃料量のすべてをボイラで消費するようになる。以上を繰り返す。

以上説明したように、本燃料供給システム１ａは、制御装置２０の制御下、燃料改質装置１０の細孔ノズル１１で、燃料Ｆ中に高圧高温のドライスチームＳと空気Ａとの混合気体を所定割合で注入するように構成したので、燃料Ｆがラジカルによって、予め低分子量化されているため、高分子燃料よりも燃焼効率が向上する。また、含有水滴の微小爆発やマイクロバブルの急激な膨張による燃料Ｆの細分化、および燃焼室各所への飛散によって、周囲の酸素（Ｏ２）との接触面積が増大し、かつ燃焼室内各所の酸素（Ｏ２）を十分に消費できるため、燃焼効率が向上する。

また、燃焼効率の改善とともに、燃料Ｆ中に空気Ａが含まれていることにより、ボイラにおいては、燃焼室９中の過剰空気量を低減させることができ、よって過剰空気による熱損失を低減できる。さらに燃料Ｆが重油である場合、高圧高温スチームＳの注入により、燃料Ｆの予熱に必要な熱量を低減することができる。また、燃料Ｆの流動性が向上するため、燃料移送ポンプ４ａの出力を抑制することができる。

また、燃料Ｆを燃焼室９内で完全燃焼させることで、黒煙や一酸化炭素（ＣＯ）等の排出を抑制することができる。燃焼雰囲気中の水分による吸熱反応（水性ガス反応）によって、未燃の炭素がガス化されて可燃性のＣＯとなり、煤塵の排出を抑制する。燃焼効率の改善に伴う燃焼温度の上昇によって、窒素酸化物（ＮＯＸ）排出量の増加が懸念されるが、燃料中の気化熱を奪うことで、燃焼温度を低く抑え、ＮＯＸ排出量を低減する。

また、水滴は、油中に分散して封じ込められるため、従来の機器に損傷を与えることはなく、燃焼室９内でも外側の燃料部位が露出しているため、着火性の低下は考えられない。

また、特許文献１に比べて、構成が簡単なものとなり、前述のごとく燃料Ｆを吸引するためのポンプ動力が少なくて済む。さらに、微小気泡化した燃料Ｆの温度が低下しないので、その燃料を加熱することなくバーナー８を介して燃焼室９にそのまま供給することができる。したがって、システム全体での効率を向上させることができる。

さらに、燃料改質装置１０は、空気Ａを、高圧高温ドライスチームＳとともに、細孔ノズル１１を通して燃料に注入し、マイクロバブルを製造するが、この細孔ノズル１１を装着するだけなので、既設の燃料供給ラインにも容易に組み込める。

なお、上記実施形態１は、燃料改質装置１０は、内燃機関としてのディーゼルエンジンの燃料供給システム１に組み込んだものを例示し、上記実施形態２では、ボイラの燃料供給システム１ａに組み込んだものを例示したが、本発明の適用範囲はこれに限らず、例えばガソリンエンジンなどの他の内燃機関に加えて、焼却炉のバーナーなど、液状の燃料Ｆを燃焼し、エネルギーを得るシステムに広く適用可能である。

また、上記実施形態１では、燃料改質装置１０をディーゼルエンジンの燃料供給システム１の燃料タンク２とフィルタ３との間に設けているが、燃料改質装置１０の配置はこれに限らず、燃料タンク２からプランジャポンプ５までの間であればどこでもよい。ただし、例えば燃料供給ラインＳＬ中に汽水分離器などを装備すると、その汽水分離器での圧力減少に伴い、いったん生じたマイクロバブルが消滅する可能性がある。したがって、そのような場合には、燃料改質装置１０を、汽水分離器出口からプランジャポンプ５までの間に配置するのが好ましい。

また、上記実施形態２では、燃料改質装置１０をボイラの燃料供給システム１ａの燃料タンク２とフィルタ３との間に設けているが、燃料改質装置１０の配置はこれに限らず、燃料タンク２からバーナー８までの間であればどこでもよい。ただし、例えば燃料供給ラインＳＬ中に汽水分離器などを装備すると、その汽水分離器での圧力減少に伴い、いったん生じたマイクロバブルが消滅する可能性がある。したがって、そのような場合には、燃料改質装置１０を、汽水分離器出口からバーナー８までの間に配置するのが好ましい。

また、上記実施形態１，２では、燃料Ｆに対する高圧高温ドライスチームＳと空気Ａとの注入割合を自動調整するようにしているが、手動調整してもよい。さらに、高圧高温ドライスチームの代わりに飽和蒸気を使用し、空気Ａの代わりに、酸素、水素、オゾンなどの他の可燃性又は支燃性ガスを使用してもよい。

１，１ａ 燃料供給システム
２ 燃料タンク
３ フィルタ
４，４ａ 燃料供給ポンプ
５ プランジャポンプ
６ 燃料噴射ノズル
７ シリンダ
８ バーナー
９ 燃焼室
１０ 燃料改質装置
１１ 細孔ノズル
１２ 高圧高温ドライスチームの発生装置
１３ 高圧空気の発生装置
ＳＬ 燃料供給ライン
ＲＬ 燃料リターンライン
ＡＶ エアベント
Ｆ 燃料
Ａ 空気
Ｓ 高圧高温ドライスチーム

ＷＯ２０１１０１０３４２号公報

Claims (5)

1. 液状の燃料を燃焼器に供給する燃料供給システムであって、
   前記燃料に可燃性又は支燃性ガスとスチームとを注入することにより、該燃料中に可燃性又は支燃性ガスとスチームとの微細気泡を発生させるように構成したことを特徴とする燃料供給システム。
2. 前記燃料に可燃性又は支燃性ガスとスチームとの混合体を注入することにより、該燃料中に可燃性又は支燃性ガスとスチームとの混合体の微細気泡を発生させるように構成したことを特徴とする請求項１記載の燃料供給システム。
3. 前記注入には細孔ノズルを用いることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料供給システム。
4. 前記可燃性又は支燃性ガスは、空気、酸素、水素及びオゾンの少なくともいずれか１つを含むものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料供給システム。
5. 前記スチームは、高圧高温のドライスチームであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料供給システム。

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