JP2015075091A - 気液混合燃料製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液体燃料に混合する気体の微細気泡の比率を高めることができ、しかも、微細気泡の径がさらに微細化された気液混合燃料を製造することができる気液混合燃料製造装置を提供する。【解決手段】液体燃料タンク１から送られる液体燃料を加圧するオイルポンプ２と、気体を所定の圧力に圧縮する気体圧縮機４と、加圧された液体燃料中に圧縮された気体の微細気泡を混合して気液混合燃料を生成する気液混合器３と、気液混合燃料を攪拌する攪拌器６と、気液混合燃料中の浮上する気液混合燃料を浮上分離する貯留タンク７と、気液混合燃料および浮上した気液混合燃料を燃料タンク１に戻す配管１０１の燃料タンク１内に所定の圧力で圧力を開放する圧力開放器１５１と、貯留タンク７より気液混合燃料を内燃機関や燃焼装置に供給するための配管１０４と、内燃機関および燃焼装置からの戻り配管１０３に圧力開放器１５２を設けたことを特徴とする気液混合燃料製造装置。【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関や燃焼装置に供給する軽油、重油あるいはガソリン等の液体燃料に気体の微細気泡を分散させた気液混合燃料を製造する気液混合燃料製造装置に関する。

ガソリン、軽油、あるいは、重油等の液体燃料を使用する自動車用のエンジンなどの内燃機関、あるいは、バーナー等の燃焼装置においては、エンジン等の燃焼を促進させることにより、出力の増加、エンジンの低燃費化、及び、エンジンから排出される有害物質の低減化を達成するための様々な工夫が提案されている。

液体燃料を直接燃焼させる内燃機関および燃焼装置において、液体燃料噴射ポンプから燃焼室に噴射される燃料粒子を微細にすることにより、燃焼効率の向上および排気ガスに含まれる有害物質の削減が出来ることから、燃料粒子を微細化するため、噴射ノズルを微細加工し、高圧により噴射する等の工夫がなされている。

内燃機関として、ディーゼルエンジンにおいて、噴射ノズル径を微細加工し、噴射量を確保するためノズル穴を複数設け、更に高圧力でなお間欠噴射をすることで解決しようとしている。

一方、液体燃料に、空気、酸素、オゾン、あるいは水素等の気体を微細化して混入させて、この液体燃料を使用してエンジンを駆動することにより、出力の増加、エンジンの低燃費化、及び、エンジンから排出される有害物質の低減化を達成させようとすることが、特開２００８−１６９２５０号公報（特許文献３）により提案されている。

内燃機関、特にディーゼルエンジンにおいて、液体燃料内に気体を混入させることにより、燃費の向上および排気ガスに含まれる有害物質削減の期待あり、色々な提案がなされているが、実用化されていない。

特開２０１０−１１２２７１号公報 特願２００８−１６９２５０号公報 特願２００９−２５７１７５号公報 特願２００７−２４０１２号公報 特願２０１０−２７５９６６号公報 特願２００７−１００７１２号公報 特願２００３−３３６５５７号公報 特開平１０−２２０２３７号公報

特許文献２によれば、気体（空気）を微細化して混入させた液体燃料（軽油）を使用して直噴ディーゼルエンジンを駆動したところ、正味燃料消費率が平均１４％の低減率であったと記述されている。このように、空気を微細化して混入させた液体燃料を使用することにより、エンジンの低燃費化を実現できるものと期待される。

しかしながら、このようにディーゼルエンジンにおける燃料消費率が改善されたにも関わらず、未だ実用化されていない。この原因は、燃料消費率の平均値が１４％であり、数％程度から２０％程度のバラツキが大きいためであると推察される。このバラツキの要因を分析すると、第一に、空気を微細化したときに、その気泡の直径にバラツキがあり、数百マイクロメートル以上の大径の気泡が混入した場合には、エンジンの燃料噴射ポンプに気泡が入り、噴射ポンプで液体燃料と気体を加圧し、気体の体積減少分だけ燃料の噴射量が減ることによるエンジンの不調、更に大きい気泡においては噴射ポンプで液体燃料が滞り機能が低下しとことと推察される。

ディーゼルエンジンにおいては、液体燃料内に気体が混入することで、燃料をシリンダーに噴射させる噴射ポンプの加圧で気体が体積を減らし、気体の体積減少分の燃料噴射が出来なくなり、エンジンの正常運転が出来ないばかりか、エンジンの停止にもなりかねない。そのため、噴射ポンプ内に気体が混入しないような工夫がなされている。

ディーゼルエンジンにおいては排気ガスの中に含まれる粒子状物質の規制が強化され、排気ガス中に含まれる粒子状物質の削減が求められている。

内燃機関においては、ハイブリット自動車を始め、燃費向上でメーカー各社の競争が激しくなっている。

液体燃料を直接使用する内燃機関および燃焼装置においては、燃焼室に噴射される液体燃料の粒子径を微細にすることで燃費が向上し、排気ガスに含まれる有害物質の削減につながることは知られている。

燃焼室に噴射する粒子径をより微細にするための工夫がなされており、噴射ノズルの穴径を細くし、噴射量を確保するため複数にする他、噴射ノズルにかける圧力を更に高圧にし、１６００気圧から２０００気圧にすることにより解決しようとしている。また間欠噴射等により、燃料粒子の微細化の工夫が進んでいる。

液体燃料に気体を混入することで解決しようとする試みもあり、燃料内に気体を混入するさまざまな提案がされている。

本発明が解決しようとする課題は、液体燃料に混合する気体の微細気泡の比率が高く、しかも、微細気泡の径がさらに微細化され、噴射ポンプで再加圧されても体積の減少を起こさない気液混合燃料を製造することができる気液混合燃料製造装置を提供することにあり、気液混合燃料により排気ガスに含まれる黒煙等の有害物質を削減すること、燃焼効率を上げることにある。また、現在稼動中の装置の変更が最小で取付可能な装置を提供することにある。

本発明による気液混合燃料製造装置は、軽油、重油、ガソリンおよびバイオ燃料等の液体燃料の燃料タンクから送られる液体燃料を所定の圧力に加圧するオイルポンプと、気体を所定の圧力に圧縮する気体圧縮機と、圧縮気体の流量を調整する気体流量調整期と、加圧された液体燃料中に圧縮気体を混合する気液混合器と、液体燃料に混合させた気体を微細気泡とする攪拌器と、気体を微細化した液体燃料を貯留する貯留タンクと、貯留タンクの上部より気液混合燃料を燃料タンクに戻す配管と、前記配管の燃料タンク内に気液混合燃料を一定の圧力に維持するための圧力開放器と、前記貯留タンクの下部より内燃機関および燃焼装置に気液混合燃料を供給する配管が設けられている。

内燃機関および燃焼装置には燃料内の気体を抜くための戻り配管および余剰燃料をタンクに戻す戻り配管が存在する機種が有るが、この戻り配管のおのおの叉は統合した配管の先端にも圧力開放器を設ける。

圧力開放器は機械的に気液混合燃料の圧力を一定に維持する方式と、機械式を電気制御により気液混合燃料の圧力を一定に維持する方式が有る。また、双方の組み合わせにより気液混合燃料の圧力を一定に維持する方法も有る。

前記加圧された液体燃料に気体を混合する気液混合器はエジェクター等を使用することにより、より微細な気液混合燃料とすることができる。

前記気体を混入させた液体燃料を攪拌することにより、液体燃料に混入した気体を微細気泡化し、気液混合燃料となる。

前記圧縮気体の流量を調整する気体流量調整器の調整により流量調整が可能で、貯留タンクから内燃機関および燃焼装置に供給する燃料配管内の気液混合燃料が微細気泡化し白濁するが、流量を調整することで白濁が無くなり、透明とすることが出来る。

前気貯留タンクは気液混合燃料を一時貯留することで気液混合燃料の微細気泡を更に微細気泡化し、透明な気液混合燃料となる率を増やすほか、貯留中の気液混合燃料を浮上分離し圧力開放器を通して外部に出すことで微細気泡の比率を高める役割も兼ね備えている。

前記攪拌器と前記貯留タンクを兼ね備えた構造も可能である。

前記貯留タンクの下部より内燃機関および燃焼装置の燃料配管に接続することで、気液混合燃料を浮上分離しており、より微細な気液混合燃料を内燃機関および燃焼装置に供給することが出来る。

前記貯留タンクからの液体燃料中の気泡が微細気泡化し、透明となるように流入する気体の流量を調整することで、内燃機関および燃焼装置の噴射ポンプ等により再加圧においても体積の減少を起こさないため、内燃機関および燃焼装置の液体燃料として供給することを可能にする。

内燃機関および燃焼装置により、液体燃料中の気体を燃料タンクに戻す戻し配管および余剰燃料を燃料タンク叉は配管に戻す戻し配管を持つ機種が有る。この戻し配管のおのおの叉は統合した戻し配管に圧力開放器を設ける。

前記貯留タンクの上部から気液混合燃料を燃料タンクに戻す配管の燃料タンク内に設けた圧力開放器と、前記内燃機関および燃焼装置の戻し配管に取り付ける圧力開放器の開放圧力を同一にする。

気液混合燃料は貯留タンクから燃料タンクに戻す配管の燃料タンク内に設けられた圧力開放器と、内燃機関および燃焼装置の戻り配管に取り付けられた圧力開放器により気液混合燃料の圧力は一定圧力に維持されている。前記圧力開放器に流す気液混合燃料の量は内燃機関および燃焼装置で消費される最大の量より十分に多くする。

本発明に関わる気液混合燃料製造装置の一実施例を示す構成図である。 気液混合燃料内で、気体が微細化し、透明となった気液混合燃料の写真。 気液混合燃料製造装置を装着したときの排気ガスの測定写真。

以下、図面に基づいて本発明の実施例を詳細に説明する。図１は、気液混合燃料製造装置を、内燃機関として例えばディーゼルエンジンに適用した例を示している。

燃料タンク（１）より液体燃料がオイルポンプ（２）に送られ、所定の圧力に加圧される。

気体圧縮機（４）で気体を圧縮し、気体流量調整器（５）で液体燃料に混合する気体流量を調整する。

オイルポンプより送られた加圧された液体燃料と、気体圧縮機から気体流量調整器を通った圧縮気体は気液混合器（３）で混合され、攪拌器（６）により液体燃料と気体を攪拌し、気液混合燃料となる。

気液混合燃料は貯留タンク（７）で一時貯留され、気液混合燃料内の気体をより微細化させる効果を持つとともに、貯留タンク上部から気液混合燃料は配管（１０１）を通して燃料タンク内に設けた圧力開放器（１５１）により気液混合燃料の圧力が開放される。貯留タンク内の気液混合燃料は浮上する気液混合燃料を分離することにより、より微細な気液混合燃料となる。

貯留タンク下部なら内燃機関および燃焼装置へ気液混合燃料配管（１０４）を通して気液混合燃料を供給する。

内燃機関および燃焼装置により、液体燃料から気体を燃料タンクに戻す戻し配管（１０２）および余剰燃料を燃料タンクに戻す戻し配管（１０３）を有する装置がある。この戻し配管のおのおの叉は一緒にした配管に圧力開放器（１５２）を設ける。

貯留タンクに接続された圧力開放器と内燃機関および燃焼装置からの戻り配管に接続された圧力開放器の開放圧力を同一のものとすることにより、気液混合燃料は圧力開放器の設定された圧力に維持される。

ディーゼルエンジンに使用される液体燃料としての軽油は、燃料タンクに貯蔵されている。この液体燃料は、燃料タンクからオイルポンプに送られて、所定の圧力として例えば６気圧（約０．６ＭＰａ）に加圧される。このときの圧力開放器の開放圧力は６気圧（０．６ＭＰａ）に設定され、液体燃料は圧力開放器の設定圧力となる。

一方、前記液体燃料に混合する気体は、気体圧縮機によって所定の圧力として例えば６気圧（約０．６ＭＰａ）以上に圧縮される。この圧縮圧力は、上記液体燃料を加圧する圧力以上とし、気体流量調整器（５）により混入する気体流量を調整する。

混入する気体を流量調整することにより、貯留タンクからディーゼルエンジンに送られる燃料配管（１０４）は気体が微細気泡化し、図２の３０１に示すように透明となり、加圧された条件下で溶解に近い状態にあると推察される。図２において、透明となった気液混合燃料はバルブを通して一部外部に放出し圧力を開放すると、液体燃料と気体が分離し、気液混合燃料内の気体が３０２の様に気泡化する。

透明となった気液混合燃料は内燃機関および燃焼装置の噴射ポンプで再加圧されても体積の減少を引き起こさないため、内燃機関および燃焼装置の燃料として使用可能となる。

本発明の試験例

気液混合燃料製造装置をディーゼル発電機に付加した試験をした。結果は下記の通りであった。
試験結果
使用装置
ヤンマーディーゼル 発電機 ＹＤＧ２００ｓｓ
負荷条件（最大負荷 ２ＫＷ）
２ＫＶＡ （２ＫＷ）
投込みヒーター １ＫＷ×１個 ５００Ｗ × ２個使用
液体燃料の加圧圧力（圧力開放器の開放圧力）
６気圧（約０．６ＭＰｓ）
液体燃料噴出し量 ２リッター／分
気体流量 ２リッター／分 （常圧での体積）
燃費テストの運転時間 ２時間
排気ガス試験場 民間車検場

実験結果
負荷条件 ２ＫＷ
排気ガスに含まれる固形物質
通常燃料による運転 ２４％
気液混合燃料製造装置装着時 ０．５％ （測定図は図３）
燃費結果 ２時間運転時の燃料消費量（負荷は合計２ＫＷの投込みヒーターを使用）
通常の燃料 １．８５リッター
気液混合燃料装置装着時 １．３３リッター
差 ０．５２リッター
燃費計算 ０．５２／１．３３×１００＝ ３９％
測定結果 燃費は３９％改善された。
出力 （詳しいし測定が出来なので、目安と考えている。）
通常燃料 ２ＫＷの負荷で出力電圧が９７．５Ｖ
１．５ＫＷ負荷で出力電圧が９９．５Ｖ
１ＫＷ負荷で出力電圧１００Ｖ
気液混合燃料再増装置装着時
２ＫＷの負荷で出力電圧が９９．５Ｖ
１．５ＫＷ負荷で出力電圧１００Ｖ
（通常燃料の電圧と気液混合燃料製造装置装着時の出力電圧の比較により）
測定結果 （目安として） ０．５／１．５ × １００＝３３％向上

上記の結果から
１ 排気ガスに含まれる黒煙は大幅に削減できている。
２、燃費も大幅に改善できている。
３、出力も大幅に向上している。

実験化結果から、液体燃料を６気圧に加圧し、攪拌し、貯留し、気液混合燃料を浮上分離したことにより、液体燃料内の気体が図２の３０１ように透明になった。実験結果から燃料内の気体がナノバブル状態となり、６気圧に加圧された条件下で溶解に近い状態になったと推察される。気液混合燃料の一部を外部に放出。図２の３０２に示すように気液混合燃料が液体燃料と気体が分離し、気体が気泡化した。結果から透明となった気液混合燃料内に気体が混入していることを証明している。

ディーゼルエンジンの噴射ポンプは２００気圧で燃料をシリンダー内に噴射するが、透明となった気液混合燃料は噴射ポンプにより再加圧されても体積の減少を起こさないため、ディーゼルエンジンで使用することができる。これによっても混入した気体が微細化し、溶解に近い状態とも思われる。また、混合する圧縮気体量を増やすことにより、貯留タンクの内燃機関および燃焼装置に供給する配管内は白濁した気液混合燃料となるが、白濁した気液混合燃料になるとディーゼルエンジンの調子が悪くなり、更に気体流量を増やしたところ、運転に異常をきたした。

ディーゼルエンジンにおいて、シリンダー内の圧縮時の温度は一説では６００℃以上の高温になっていると言われている。気体の膨張率が１／２７３であり、シリンダー内では気体は約４倍に膨張をする。

また、軽油が噴射ポンプによりシリンダー内に噴射されたときの燃料の粒子径の中心値が０．１ミクロンと言われている。

今回の試験条件では、気液混合燃料内に混入している気体は、常圧時の体積比１００％である。

気液混合燃料が噴射ポンプにより、シリンダー内に噴射されると、前記のようにシリンダー内が高温になっており、気液混合燃料内の気体が熱膨張を起こす。

燃料粒子径の中心値が０．１ミクロンの大きさであり、シリンダー内の気温は一瞬に熱伝導する。燃料粒子が０．１ミクロンの中に常圧で体積比１００％の気体が混入しており、気液混合燃料粒子が高温にされされ、０．１ミクロン内に混入している気体が急激な熱膨張を起こし、熱破裂し、０．１ミクロンの燃料粒子を更に微細にすることにより、燃費の改善、黒鉛の減少および出力の増加に至ったと推察される。

内燃機関および燃焼装置において、燃焼室に噴射される液体燃料の粒子が微細であれば微細であるほど燃焼効率が上がると言われている。気液混合燃料は噴射された液体燃料内で気体が膨張し、燃料粒子を内部から粉砕し、より微細な燃料粒子になることにより、上記の結果が出たものと推察される。

ディーゼルエンジンを例にとって説明したが、内燃機関でも同様に、気液混合燃料が燃焼室に噴射されると、燃焼室の高温により気液混合燃料内に混入している気体が熱膨張し、燃料粒子をされに細分化させ、燃焼効率の向上に貢献できる。

本発明の気液混合燃料製造装置は内燃機関および燃焼装置の燃料タンクから燃料を気液混合燃料製造装置を経由するのみで済むため、新設計のへの搭載は勿論、現在稼動中の気液混合燃料製造装置は内燃機関および燃焼装置にも搭載できる。特に現在稼動中の船舶、ディーゼルトラック、建設機械、ディーゼル発電機に搭載することにより、排気ガスに含まれる黒煙等の有害物質の削減、温暖化ガスの削減に貢献することが期待できる。

以上、本発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形可能であることは言うまでもない。前述した各実施例において、内燃機関や燃焼装置の液体燃料として、軽油、重油を例示したが、その他、ガソリン、バイオエタノール、バイオガソリン、潤滑油や食用油などの各種廃油等であっても、気体の微細気泡を分散させた混合燃料とすることができる。また、内燃機関や燃焼装置としては、自動車、船舶のエンジンの他、エンジン付発電機、トラクター、耕耘機、田植機、稲刈り機、刈払い機等の各種農業用機械、航空機のエンジン、あるいは、建設・建築機械用のエンジンにも適用可能である。

１ 燃料タンク
２ オイルポンプ
３ 気液混合器
４ 気体圧縮機
５ 気体流量調整器
６ 攪拌機
７ 滞留タンク
８ 内燃機関
１０ 気液混合燃料製造装置
１０１ 気液混合燃料配管
１０２ 気体を戻す戻し配管
１０３ 余剰燃料の戻し配管
１０４ 内燃機関および燃焼装置への気液混合燃料配管
３０１ 液体燃料内で気体の微細気泡が消えた気液混合燃料
３０２ ２０１の気液燃料の圧力を開放すると気体が泡状なる

Claims (4)

1. 軽油、重油あるいはガソリン等が貯蓄された燃料タンクから送られる液体燃料を所定の圧力に加圧するオイルポンプと、
   気体を所定の圧力に圧縮する気体圧縮機と、
   前記圧縮気体を液体燃料と混合する圧縮気体の流量を調整する流量調整器と、
   加圧された前記液体燃料中に圧縮された前記気体を混合して気液混合燃料を生成する気液混合器と、
   前記気液混合燃料を攪拌する攪拌器と、
   攪拌した前記気液混合燃料を一時貯留し浮上する気液混合燃料を浮上分離する貯留タンクと、
   前記貯留タンクの上部から前記気液混合燃料を燃料タンク内に戻す配管の燃料タンク内に所定の圧力で圧力を開放する圧力開放器と、
   前記貯留タンクより前記気液混合燃料を内燃機関や燃焼装置に供給する配管を設けたことを特徴とする気液混合燃料製造装置。
2. 前記圧力開放器は加圧された前記気液混合燃料を一定の圧力に維持し、
   内燃機関および燃焼装置の燃料として利用可能とする機能を持った部品であって、
   機械方式叉は機械と電気制御の組み合わせた方式の圧力開放器を持った請求項１に記載の気液混合燃料製造装置。
3. 内燃機関および燃焼装置には余剰燃料を戻す戻し配管および燃料配管内の気体を戻す戻し配管のある機種において、
   戻り配管のおのおの叉は、統合した戻り配管に圧力開放器を設けた請求項１に記載の気液混合燃料製造装置。
4. 気液混合器にエジェクターを使用したことを特徴とする請求項１に記載の気液混合燃料製造装置。