JP2968589B2 - 内燃機関用水性燃料とその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の技術分野 本発明は内燃機関用の新規な水性燃料とその製造方法
に関する。詳しくは、本発明はモータビークルに使用さ
れるような内燃機関の燃焼室で燃焼可能な水性燃料に関
し、さらに詳しくは本発明は1992年10月20日付け発行の
Gunnermanの米国特許第5,156,114号に開示されているよ
うな水素生成触媒がその燃焼室に入っている内燃機関で
燃焼させることができる水性燃料に関する。なお上記特
許の開示事項はすべて本明細書に援用するものである。

発明の背景 米国特許第5,156,114号に指摘されているように、内
燃機関、特にモータビークルに使用される機関で使用さ
れるディーゼル燃料とガソリンに代わる燃料が要望され
ている。内燃機関類、例えばガソリンおよびディーゼル
燃料で作動する機関は、ヒトの健康に対し有害でかつ地
球の大気を損なう、許容できない多量の汚染物質を生成
する。健康と大気に対するかような汚染物質の悪影響は
大きな社会討論の課題になっている。望ましくない汚染
物質は、炭素質燃料の、窒素を含有する燃焼空気による
燃焼でもたらされる。通常の機関内での空気による通常
燃料の燃焼およびこのような燃料の比較的不完全な燃焼
が、内燃機関を備えたビークルが不満足なレベルの汚染
物質を放出する主な原因である。

発明の要約 火花点火圧縮機関を含む内燃機関が生成する汚染物質
を減少させるだけでなく、内燃機関外で安定で貯蔵可能
であり実質的に非引火性の新規な水性燃料とその製造方
法が発見されたのである。本発明の新規な燃料は少なく
とも２相を有する流体エマルジョンを含んでなり、この
エマルジョンは、20〜80容量％の水および好ましくは40
〜60％の炭素質燃料を含んでなりそして一層好ましくは
炭素質燃料は、ガソリン、“直留ガソリン”、ケロシン
燃料類、ディーゼル燃料類、ガス状炭素含有燃料類およ
びその混合物からなる群から選択され、さらに約２ない
し20未満の容量％で好ましくは２〜約10％のアルコール
および約0.3〜１容量％で好ましくは約0.5〜約0.7％の
非イオン乳化剤を含有している。当該技術分野では公知
のことであるが、“直留ガソリン”は“直留大気ナフサ
（straight run atmospheric naptha）”として公知で
あり、通常のガソリン製品製造時の最初の石油分留製品
である。また上記の炭素質燃料は、炭素含有化石燃料に
加えて、バイオマスによる油類のみならず炭素含有合成
製品を含有していてもよい。上記エマルジョンは、水が
外側の連続相である標準的な油／水（“O/W"）エマルジ
ョンで構成されている。上記アルコール成分によって第
三相が形成されることがある。燃料の潤滑性エンハンサ
ーおよび／または加熱時の相分離に対する抵抗性を改善
する添加剤を含有させることが有利である。好ましい潤
滑性エンハンサーとしては、消泡剤および／または耐錆
剤としても役立つケイ素含有化合物がある。

本発明の新規な燃料の製造は非常に臨界的である。こ
の新規な燃料は、まず炭素質燃料と乳化剤を混合し、例
えばエタノール、メタノールなどのアルコールを水に別
個に加えることによってアルコールと水の混合物を提供
し、次にその水とアルコールの混合物を、先に調製した
燃料と乳化剤の混合物に添加して、20〜80容量％の水と
約0.3〜１容量％の乳化剤を含有する炭素質燃料の混合
物を製造することによって製造される。あるいは、予め
製造した炭素質燃料と乳化剤の混合物に水とアルコール
を別個に添加してもよい。生成した混合物は、安定で貯
蔵可能な燃料を製造するのに充分な撹拌法で激しく撹拌
する。燃料に、潤滑性エンハンサーおよび／または高温
時における相分離に抵抗させるための添加剤を添加すべ
きときは、かような薬剤は、激しく撹拌するステップの
前に、燃焼燃料、乳化剤、アルコールおよび水の混合物
に添加する。好ましい燃料配合物はガソリンまたはディ
ーゼル燃料で製造される。これらガソリンとディーゼル
燃料のバージョンはそれぞれ本明細書では“Ａ−55"と
“Ｄ−55"と呼称され、そしてナフサ−水（napth and w
ater）と呼ばれている。Ａ−55とＤ−55はそれぞれ、公
称約51容量％の水、約48.5％のガソリンおよび約0.5％
の乳化剤；ならびに約47容量％の水、約52.5％のディー
ゼル燃料および約0.5％の乳化剤を含有している。他の
好ましい燃料配合物は直留ガソリンで製造することがで
きる。ナフサ−水燃料は公称で、水と約40％のナフサを
含有している。好ましくは脱イオン水が用いられ最も好
ましくは木炭で濾過した脱イオン水が用いられる。炭素
質燃料は約20〜約80容量％好ましくは約40〜約60容量％
存在している。

“内燃機関”という用語は本明細書で用いる場合、炭
素質燃料をその機関の一つ以上の燃焼室内で空気によっ
て燃焼させる機関を意味し含んでいるものとする。かよ
うな機関として現在公知のものとしては、電気火花点火
圧縮機関例えばディーゼル機関を含めて、ピストン行程
容積機関、ロータリエンジンおよびタービン（ジェッ
ト）エンジンがある。

図面の簡単な説明 図１は、伝統的なディーゼル燃料と“Ｄ−55"につい
てのシリンダー圧と容積の関係を示すグラフである。

図２は、ディーゼル燃料と“Ｄ−55"についてのシリ
ンダー圧とクランク角を比較して示すグラフである。

図３はクランク角に対するディーゼル燃料と“Ｄ−5
5"の累積発熱量を示すグラフである。

詳細な説明 本発明の新規な水性燃料は、炭素質燃料のBTU値より
小さいポテンシャルエネルギーを有しているがそれにも
かかわらず少なくとも同等のパワーを発生することがで
きる。例えば、水とガソリンの乳化混合物を含んでなる
本発明の水性燃料はポテンシャルエネルギー（BTU）が
ガソリンの約1/3であるが、使用して内燃機関を作動さ
せると、同量のガソリンと比較してほゞ同じ量のパワー
を生成する。このことは、実に驚くべきことであり、完
全に理解されておらずかつ理論付けようとするわけでは
ないが、新規な燃料混合物によって起こり、例えば本発
明の発明者の米国特許第5,156,114号に記載されている
方法と装置によって新規な水性燃料を内燃機関の燃焼室
に導入し、水素生成触媒の存在下、燃焼空気で燃焼させ
るとき、水素と酸素が放出され水素が燃焼することから
起こると考えられる。“水素生成触媒”という用語は本
明細書ではその最も広い意味で用いられる。触媒は、そ
れ自体は影響を受けることなく、二つ以上の力の間の活
性を起こすか促進する物質として一般に定義されてい
る。本発明の新規な水性燃料を内燃機関で燃焼させるた
め使用する場合、燃焼室内に上記物質が存在しないと、
内燃機関を作動させるのに望ましい程度のパワーを生成
するような方式で水性燃料の燃焼が起こらないことが確
認された。有用な触媒は米国特許第5,156,114号に開示
されている。

やはり、理論づけるわけではないが、例えば水素生成
触媒で製造された電極を備えた燃焼室内での電気火花ま
たは圧縮の生成と該電極の存在によって点火されると、
水分子の解離が起こり、圧縮行程中に水性燃料の炭素質
物質の成分が燃焼し、放出された水素が同時に燃焼し、
機関を作動させる力を提供すると考えられる。

火花点火機関の場合、約25,000〜28,000ボルトを発生
させる標準のモータビークルのスパークプラグ装置の通
常の火花を用いて燃焼室内の水性燃料に点火することが
できるが、一層高温の火花、例えば約35,000ボルトで発
生させる火花を発生させることが有利である。電気火花
発生装置は90,000ボルトまでのものが市販されており、
電圧が高いほど、燃焼室内で水分子が一層良好に解離す
ることは明らかである。

上記目的を達成するのに有用な燃料は米国特許第5,15
6,114号に開示されているが、本発明は、水素生成触媒
を装着した内燃機関の燃焼室で燃焼させるのに用いる水
性燃料をさらに最適化するために行った努力の成果であ
る。本発明の燃料は、安定で貯蔵可能であり、そして機
関の外部で実質的に非引火性である。本発明の燃料にト
ーチランプをあてることによって行った試験によってこ
の新しい燃料が実質的に非引火性であること実証された
が、この非引火性は、その燃料自体と、外側の連続相と
して水を含有するエマルジョンを創製する方法によって
該燃料を製造することによってもたらされる。約５％以
上の量で存在するアルコール成分が点火されるときわず
かなイニシャルフラッシュ（initial flash）を経験す
ることがあるが、そのとき、本発明の燃料は自己消化し
引火しない。引火点は、この新しい燃料中の炭化水素す
なわち炭素質燃料の引火点よりはるかに高い。例えばガ
ソリンとディーゼル燃料の引火点はそれぞれ約110゜Fと
120゜Fあり、アルコールがフラッシュオフした後、本発
明のガソリン含有燃料とディーゼル含有燃料の引火点は
それぞれ、約280゜Fと約300゜Fである。

本発明の水性燃料によって満足すべき内燃機関の結果
を得ることができる理由は、本発明を実施すると、先に
述べたように水素と酸素が燃焼室内に放出されることで
あると現在考えられている。水素と酸素は水分子の解離
によってもたらされ，その水素は水性混合物の炭素質燃
料とともに燃焼される。その成果は、同等の機関軸出力
が、同じ炭素質燃料を一層多量の燃焼空気で燃焼させる
通常の方法を用いて達成されるより少ない炭素質燃料と
燃焼空気で達成されることである。

さらに、本発明の水性燃料の場合、その水成分は燃焼
室内で水蒸気として蒸発することは注目すべきである。
水蒸気は空気より大きく膨脹するので、燃焼室は適切に
一層少ない燃焼空気で満たすことができる。したがって
燃料の水成分は、水蒸気に変換することによって、燃焼
室内で膨脹して、機関の燃焼室内で通常の燃料を燃焼さ
せる場合に用いられる燃焼空気の一部が置換される。こ
の水蒸気は、炭素質燃料と水の解離により放出される水
素とが燃焼するとともに膨脹して、機関の満足すべき作
動を行うのに必要な所要出力が生成する。

本発明によれば、内燃機関の燃焼室内で燃焼させる燃
料混合物中に、水素と酸素が存在しているので、水素燃
料中の水が少なすぎると不満足な環境が生じる。例えば
炭素質燃料の固有エネルギー出力が小さい場合すなわち
単位容積当りBTU出力のポテンシャルエネルギーが低い
場合、水分子の解離による水素と酸素の放出とその水素
の燃焼によって、炭素質燃料と水の混合物の全エネルギ
ー出力が有効に増大するので、大量の水が望ましい。こ
の理由から、本発明の範囲内で広範囲の炭素質燃料を受
け入れさせるため、本発明の水性燃料混合物中の水の有
効で実際的な最少量として下限を20％に規定する。反応
を開始するには、最少量のガス状もしくは液状の炭素質
燃料が必要であるから、水の上限は80％に規定する。燃
焼室内に生成する火花または圧縮によってトリガーされ
て、水分子が燃焼室内で解離される。燃料１ガロン当り
30,000〜60,000BTUエネルギーが水の解離反応にとって
好ましいことが確認された。

好ましい実施態様で、本発明の水性燃料は、その全容
積の約40〜約60容量％の水、および好ましくは、例えば
ガソリン、直留ガソリン、ディーゼル燃料、ケロシンタ
イプの燃料、炭素含有合成燃料、バイオマスによる油類
またはその混合物からなる群から選択される燃料のよう
な揮発性の液状炭素質燃料を含有している。アルコール
は、燃料の凍結温度を低下させかつ燃料の成分分離に対
する抵抗性を改善するために添加する。少量であるが有
効量の非イオン乳化剤も必要である。乳化剤は、イオン
性ではなくて非イオン性でなければならないことが発見
された。というのはイオン性乳化剤は硬水に対して不満
足なものでありまた機関内に堆積物が蓄積するからであ
る。非イオン乳化剤は三つの範疇に区分される。すなわ
ちアルキルエトキシレート類、直鎖状アルコールエトキ
シレート類（例えば洗濯用洗剤に用いられる）およびア
ルキルグルコシド類である。本発明で好ましい乳化剤
は、米国ニュージャージー州プリンストン所在のRhone
−Paulenc.Inc.社から入手できる“Igepal CO−630"
〔アルキルフェノキシポリアルコール、具体的にいう
と、ノニルフェノキシ（エチレンオキシエタノール）〕
である。炭素質燃料の潤滑性エンハンサーは公知であ
り、本発明で好ましいエンハンサーはポリオルガノシロ
キサン類のようなゲイ素含有化合物であり、例えばRhon
e−Paulenc社から入手できる“Rhodorsil Antifoam 41
6"があり、これは消泡性も示す。先に述べたように、約
0.03容量％まで好ましくは0.001〜0.03容量％の量の燃
料潤滑性エンハンサーが有効であることが証明された。
場合によっては、高温時の相分離に対する抵抗性を改善
するため添加剤を加えることが望ましい。この目的を達
成するため、この目的のために用いるジヒドロキシエチ
ル獣脂グリシネートのような添加剤、例えばRhone−Pau
lenc社から入手できる“Miratain"を約0.1容量％まで、
好ましくは0.001〜0.1容量％用いてもよい。

乳化剤は、燃料を安定にしかつ貯蔵可能にするのを助
けるのに重要である。また、燃料成分を添加して混合す
る順序が安定性と貯蔵性を達成するのに重要であること
が確認された。例えば、乳化剤は、水を加える前に炭素
質燃料成分に加えることが重要である。またアルコール
は、燃料と混合する前に、水に別個に加えることが重要
である。その上、水と炭素質燃料成分の量は、水がエマ
ルジョンの外側連続相になるよう調節される。水の粒径
と形態は、粘度も調節できる乳化剤の特性を改変するこ
とによって調節することができる。

本発明の燃料組成物の驚くべき利点は、その燃料を使
用する内燃機関は−40゜Fという低い温度でさえコール
ドスターティングを行うことができるということであ
る。シリンダ壁、ピストン、触媒およびスパークプラグ
を肉眼で検査したところ、明らかな炭素の蓄積、酸化お
よび孔食は全く見られなかった。内燃機関は、本発明の
燃料によって、性能は全く低下することなく4,000RPMま
で作動した。本発明の燃料の他の利点は、１ガロン当り
で得られる走行マイル数が、同等の使用条件下、従来の
炭素質燃料例えばディーゼル燃料またはガソリンより劇
的に増大することである。本発明の燃料は非引火性であ
りそしてその燃料を使用する車両は伝統的な炭素質燃料
を使用する車両と同様の操縦性を示す。排気量は伝統的
な燃料を使用することによってもたらされる排気量の1/
10以下に減少しそしてCO²排出量は約1/2に減少する。本
発明の新しい燃料の気体排出量は対応する伝統的燃料の
気体排出量の約1/2であることが観察された。新しい燃
料は機関内に炭素を蓄積せずむしろ機関の部品の寿命を
延長している。非常に重要なことであるが、本発明の燃
料は機関の外部では実質的に非引火性なので、容易に点
火する従来の炭素質燃料より安全性が大きく改善されて
いる。また本発明の燃料はゴムおよび鉄金属に対して非
腐食性なのでモータビークル内で通常の配管と材料とと
もに使用できる。これら特性の組合わせによって、本発
明の燃料は、トラック、地ならし装置（earth−moving
equipment）および航空機を含むすべてのモータビーク
ルに使用するのに有利になる。

本発明のさらに他の利点は、低コストでかつ他の場合
には余り望ましくない炭素質燃料を使用できることであ
る。例えば伝統的ガソリンには、一般に80以上の最小オ
クタン価と９以上のリード蒸気圧（“RVP"）が必要であ
った。これに対して、直留ガソリンのみならずオクタン
価が75より低くRVPが６以下と低い燃料が本発明によっ
て使用できる。このような炭素質燃料は従来の内燃機関
では役に立たない。

燃料の潤滑性を高めるため、エンハンサー、好ましく
は燃焼潤滑エンハンサーおよび消泡剤を添加することが
好ましい。ケイ素含有化合物は燃料の潤滑性を高めるだ
けでなく燃料の発泡を減少させることが確認されたがこ
の化合物は燃焼室内での燃料の燃焼性を高めるようであ
る。エンハンサーでかつ消泡剤である薬剤を使用して、
これら両方の機能を得るため別個の物質を添加する必要
がないようにすることは有益である。

本発明の水性燃料は、通常の気化器または燃料噴射装
置を用いて自動車、トラックなどで使用される通常のガ
ソリンまたはディーゼル燃料を動力源とする内燃機関な
らびにロータリーエンジンおよびタービン（ジェット）
エンジンを含むすべての内燃機関に使用できると考えら
れる。また本発明は、揮発性液体または気体の炭素質燃
料を機関の一つ以上の燃焼室内で酸素（O₂）によって燃
焼させるいずれの機関でも使用可能であると考えられ
る。

かような機関を本発明の燃料を使用可能にするにはい
くつかの改造が必要である。例えば米国特許第5,156,11
4号に開示されているように本発明の水性燃料を使用す
るため、例えば上記特許に記載されているようにその機
関の単一もしくは複数の燃焼室内に水素生成触媒を設置
して水分子を解離させて水素と酸素を得る際の触媒とし
て作用させることが重要である。その上、燃焼質への入
力すなわち燃焼空気と燃料の量と流量を供給し制御する
適切な手段を用いて望ましい最適の機関の作動が得られ
る。この点について、空気／燃料比は燃焼室内で燃焼を
行う際の重要な因子であることに注目すべきである。ま
た実際的な観点から、燃料供給系と燃料貯蔵系を耐さび
性材料製にすることが望ましい。通常の炭素質燃料、例
えばガソリンで作動させるモータビークルの火花点火内
燃機関に一般に用いられているものより高い電圧の電気
火花装置が好ましいい。“一層高温の火花”を提供する
装置は例えばChrysler Motor Companyから市販されてい
る。本発明の使用を最適化するためのその外の改造とし
ては、コンピュータ利用電子制御装置を利用して、内燃
機関の吸気工程中、燃料噴射ノズルなどの燃料送達装置
に燃料を供給することが望ましい。

水分子自体の解離は公知である。例えば水／水蒸気の
解離の熱力学と物理化学は以下の標題の教科書に記載さ
れている。すなわち“Chemistry of Dissociated Water
Vapor and Related Systems",M.VinugopalanおよびR.
A.Jones著、1968年、John Wiley ＆ Sons Inc.社発行；
“Physical Chemistry for Colleges",E.B.Mellard著、
1941年、340〜344頁、McGraw−Hill Book Company,Inc.
社発行；ならびに“Advanced Inorganic Chemistry",F.
Albert CottonおよびGeoffrey Wilkinson著、1980年、2
15〜218頁であり、これらの開示事項は本明細書に援用
するものである。

一例として、水性燃料と燃焼空気は常温で気化器また
は燃料噴射装置に導入され次いで空気／燃料混合物は単
一もしくは複数の燃焼室中に導入され、燃焼室内におい
て、燃焼室のピストンが燃焼サイクルの燃焼段階に到達
したときスパークプラグから火花が通常の方式で空気／
燃料混合物に点火する。その燃焼室内に水素生成触媒が
存在すると、スパークプラグが上記空気／燃料混合物に
点火したとき、水性燃料中の水分子を解離させる触媒と
して作用すると考えられる。水分子の解離で放出された
水素と酸素も燃焼中に点火されて、燃料が放出するエネ
ルギー量を増大させる。

燃料製造の一実施例の一例として以下の混合法を利用
することができる。

1.所望の容積の炭素質燃料、例えばディーゼル油または
ガソリンを容器に導入する。

2.別の容器中の測定した量の乳化剤は、いくらかの量の
ディーゼル燃料またはガソリンと混合して、燃料：乳化
剤の比率を約1:1にする。

3.乳化剤と燃料を色が安定するまで混合する。混合によ
って乳化剤混合物の比重が低下し、この操作によって、
この混合物を残りのディーゼル燃料またはガソリンに添
加した後、乳化剤が容器の底に沈降することが防止され
る。

4.乳化剤とディーゼル燃料もしくはガソリンの混合物
を、配合すべき残りの炭素質燃料に添加し撹拌する。

5.別個の容器にアルコールと所望の容積の水を入れる。
得られたアルコールと水の混合物は混合することが好ま
しく例えば約15〜30秒間撹拌する。

6.上記水−アルコール混合物と上記燃料−乳化剤混合物
を混合して均一な色になるまで撹拌する。

7.例えばハイドロシャー（hydroshear）またはシャーポ
ンプで全混合物を激しく撹拌する。適切な条件は210〜2
80psiの範囲内である。そのときハイドロシャーまたは
シャーポンプからの放出物は安定した色の例えば乳白色
の燃料配合物になる。

以下の実施例は、燃料配合物に対する乳化剤の作用を
示す。試験バッチは以下のとおりに調製した。混合物は
すべて８量部のディーゼル油と６重部の水で構成されて
いるが、乳化剤の濃度は0.2〜0.7容量％の範囲内で0.1
容量％づつ増大させて変化させた。各試験バッチの試料
は各々ハイドロシャーを３回通過させたのち採取した。

乳化剤の濃度が0.5％未満の場合は不安定になりがち
であるが、乳化剤濃度が0.5％と0.7％の場合は各々等し
く安定であることが確認された。

アルコール含量を変化させた燃料混合物の試験によっ
て、配合物の安定性が少なくとも２％のアルコールによ
って良好であることが確認された。上限の、20％のアル
コールを含有する燃料混合物は、水の分離ではなくてデ
ィーゼル油のかなりの分離を示した。

凍結温度の観察結果は、アルコールの割合を増大する
と予想どおりに凍結温度が劇的に低下するだけでなく、
混合物中の水の割合を変えても凍結温度にはほとんど影
響しないことを示した。

具体的な試験で、アルコールが０％の燃料は完全に分
離した。アルコール含量が好ましい範囲内２〜10％の試
料は凍結時に決して分離しなかった。アルコールが少な
くとも２％の場合、長期間例えば６ケ月間相分離は全く
なかった。

馬力試験も実施した結果、水の割合がある程度増大す
ると馬力が急速に低下することが分かった。また馬力は
アルコールが増大するについて徐々に低下する。

従来の考えによれば、これら馬力の変化は燃料の熱容
量（BTU/ガロンまたはBTU/1b）の変化が原因であると予
想されている。しかしこのことはこの場合にはあてはま
らないようである。燃料の各成分の熱容量に対する寄与
について分析してもこれらの異常は解明されない。

上記の名目上のガソリンとディーゼル燃料配合物の一
般的な特性を、標準のガソリンおよびディーゼル燃料と
比較して以下に示す。なお“Ａ−55"はガソリン燃料混
合物を意味しそして“Ｄ−55"はディーゼル燃料混合物
を意味する。これらの表の後の追加の表ではナフサとナ
フサ−水エマルジョンが比較される。

Ａ−55燃料およびＤ−55燃料の混合 先に述べたように、本発明の燃料の最終性能を得るた
め、Ａ−55燃料またはＤ−55燃料を適正に混合すること
が重要である。不適正に混合すると、ガソリンと水の成
分の分離をおこして機関の不規則な運転状態が起り、排
気量が増加し性能が低下することがある。また燃料の分
離によって、以下に考案する燃料の耐火性が低下するこ
とがある。

適正な混合の第一段階は、諸成分を組合わせる順序を
保証することである。この段階で用いられる撹拌または
混合は比較的軽度でよく、例えば小バッチのＡ−55燃料
またはＤ−55燃料を製造するときは手による撹拌で充分
である。予め測定した量のエマルジョンを予め測定した
量のガソリンまたはディーゼル燃料に加える。最初に、
エマルジョンを水に添加するとエマルジョンのゲル化を
起こして適正な混合プロセスを著しく妨げる。エマルジ
ョンをガソリンまたはディーゼル燃料に添加した後、エ
マルジョンがガソリンまたはディーゼル燃料の最大表面
積と接触するように軽く撹拌しなければならない。次
に、予め測定した量の水を、上記ガソリンまたはディー
ゼル燃料とエマルジョンの混合物に入れて有効に撹拌す
る。水をガソリンもしくはディーゼル燃料とエマルジョ
ンの混合物に混合するとき、その混合物は、軽く混合す
ると色が不透明な灰白色に変化する。

燃料が凍結するのを防止するため、アルコール例えば
メタノールを添加する場合、予め測定した量のメタノー
ルを水と有効に混合してから、その水をガソリンもしく
はディーゼル燃料とエマルジョンの混合物に混合する。
ある種の燃料送達装置内で発泡が起こるのを防止するた
め潤滑エンハンサーと消泡剤を加える場合、その薬剤
は、他のすべての成分を適正な混合を行う上記第一段階
で混合した後に添加すべきである。

以下の実施例は、14.06バッチのＡ−55燃料を製造
するための混合手順の一実施例である。

1. ８のガソリンで開始する。

2. そのガソリンに60mlの乳化剤を添加し軽く撹拌す
る。

3. 300mlのメタノールを、６の脱イオンし木炭で濾
過した水に添加する。

4. 上記の水とメタノールの混合物を上記のガソリンと
乳化剤の混合物に添加し、次いで全混合物が不透明な灰
白色になるまで撹拌する。次に 5. ５滴の消泡／潤滑性エンハンサーを添加して軽く撹
拌する。

このようにして混合した諸成分は、混合プロセスの第
二段階に進めることができる。第二段階では、諸成分が
適正に混合するようにポンプを通じて燃料を循環させ
る。ポンプが大きければ大きいほどすなわちポンプのせ
ん断圧力が大きければ大きいほど燃料は充分に混合され
て滞留する。例えば燃料が、標準の自動車燃料ポンプ用
に用いられる大きさの燃料ポンプのような比較的小さな
ポンプでしか混合されないと、３週間以内にいくらか分
離が起こる。一方、容積流量が約100倍のポンプは、混
合した燃料を、一度に３ケ月以上分離せずに保持する。
実験した結果、小型ポンプで混合した燃料は、その燃料
をいかに多数回循環させても数週間以内に分離すること
が分かった。大型ポンプを用いて混合した燃料は、検出
可能な分離なしで163カ月以上にわたって安定である。

適正に混合されると燃料は一般に次の四つの特性を示
す。すなわち（１）むらのない色、通常乳白色；（２）
以下に示すようにストレートガソリンまたはディーゼル
燃料とは異なる繰返しハイドロメータ（recurring hydr
ometer）と比重の読取り値；（３）本発明の燃料には、
燃料混合物の液面上のガソリンまたはディーゼル燃料の
層の形態または燃料混合物の液面上のガソリンまたはデ
ィーゼル燃料のスポットの形態の目視可能な分離は全く
ない；ならびに（４）本発明の燃料は適正に混合される
と、アルコールのイニシャルフラッシュ（initial flas
h）またはバーンオフ（burn off）の後、以下に述べる
ようにトーチを近づけても燃焼しない。

特定の条件に対して用いるＡ−55またはＤ−55への添加
剤の使用 上記燃料は、130゜Fまでの暑い気候のみならず−65゜
Fまでの寒い気候で使用可能であることが分かった。こ
れらの燃料は、地球環境内にみられる平均の条件と極端
な条件に対する走行サイクルと定常パワーの生成が一致
している。先に述べたように、上記燃料の水にアルコー
ルを添加すると大部分の温度範囲で凍結が防止される。
例えば上記燃料中の水に300mlのメタノールを添加する
と０゜Fより充分低い温度での燃料の凍結が防止され
る。先に述べた混合された燃料は130゜Fまでの温度に分
離することなく耐えることができる。Ａ−55とＤ−55の
燃料の両方ともさらに高い温度では分離の徴候を示すこ
とがあるが、この燃料はより多くの乳化剤を混合して含
有させると170゜Fまで分離が防止される。170゜Fより高
い温度では、一層強力なポンプと再循環装置を用いて、
燃料の分離が速すぎないようにしなければならない。最
高の結果を得るため、先に記載したように、適切な添加
剤を含有させて相分離または高温に抵抗させることがで
きる。

燃料を混合するとき、大量の泡の生成は避けなければ
ならない。燃料中の泡は性能と排出量の試験結果をゆが
めることがある。少量の消泡剤を添加してこの問題を回
避することができる。

Ａ−55燃料とＤ−55燃料の耐火性（fire safety） Ａ−55燃料とＤ−55燃料はともに水相を有する（wate
r−phased）ので耐火性である。その燃料が水相を有す
ることを実証するため以下の試験を行った。すなわち脱
イオンを行い木炭で濾過した水道水約200mlを一つの容
器に入れ、次いでストレートガソリン約200mlを別の容
器に入れた。注射器で１滴のＡ−55燃料を各容器に入れ
た。１滴のＡ−55燃料が第一の容器中の水の液面に衝突
すると、Ａ−55燃料の液滴は該液面で直ちに消散して容
器の頂部にわずかにくもった残留物が残る。ガソリンが
入っている容器に入れたＡ−55燃料の液滴は異なった反
応を行う。この場合、Ａ−55燃料の液滴はガソリンの液
面に衝突すると滞留し次いで容器の底に沈降する。この
液滴は、このガソリンに導入された後、長期間にわたっ
て滞留し続ける。Ｄ−55燃料の外側水相もこの試験によ
って実証できる。Ｄ−55燃料および脱イオンを行い木炭
で濾過した水を入れた容器とストレートディーゼル燃料
を入れた容器を用いて同じ試験結果が得られる。

適正に混合されると、これら燃料はいずれもトーチラ
ンプで点火することはできない。一例として60mlのＡ−
55燃料とＤ−55燃料を小さいパドル（small puddle）中
の金属スラブにそそいだ。トーチランプの炎を燃料の真
上を通過させて炎の先端を燃料の上表面に接触させた。
これらの燃料は点火しなかった。炎を燃料の上の一ケ所
に直接約20秒間保持したときのみ時おり、高さが約1/4
インチのレイジーブルー（lazy blue）色の炎がしばら
く生じ自己消火した。炭素燃料、ガソリンおよびエマル
ジョンは適正に混合しないと混合物は極めて容易に点火
する。

Ａ−55燃料とＤ−55燃料の低い蒸気圧の利点 本発明の燃料を点火しにくくする他の要因はこれらの
燃料の蒸気圧が極端に低いことである。さらに、低蒸気
圧のこれら燃料は蒸気放出量が少ないので、ガソリンポ
ンプの蒸気回収装置、または自動車および定置機関の蒸
気回収装置に対する要望が著しく少なくなる。またリー
ド蒸気圧が低いと環境への有害な排気が減少する。

オクタン価とセタン価 現在の自動車エンジンとトラックエンジンには高オク
タン価ガソリンを使用することが一般に推奨されてい
る。通常、サービスステーションで入手できる最低オク
タン価のガソリンはオクタン価87のガソリンである。高
オクタン価ガソリンは92以上のオクタン価を示す。Ａ−
55燃料は、オクタン価が75であるオクタン価が極端に低
いナフサベースのガソリンを含有しているものでさえ有
効に作動する。というのはこの燃料の場合オクタン価は
役割を演じていないからである。またＤ−55燃料のセタ
ン価も伝統的なディーゼル燃料よりかなり低いが性能に
対する悪影響はない。このため、この新規な燃料は、水
が成分であるのみならずベースのガソリンまたはディー
ゼル燃料が大規模で高価な精製を必要としないので、伝
統的なガソリンまたはディーゼル燃料より安価に生産さ
れるはずである。

燃料フィルタ 内燃機関に用いられる通常の燃料フィルタは濾過用の
ペーパコアシステムを有している。Ａ−55またはＤ−55
にはこれらのフィルタを使用できるが、これらのフィル
タは比較的短い運転時間の後に逆浸透系のように作用し
てインゼクタで使用する前に燃料の分離が起こることが
ある。ペーパーフィルタによる分離作用を回避するた
め、ペーパーフィルタの代わりに、これら燃料は、比較
的大きな粒子だけを捕捉するフリーフローフィルタ（fr
ee−flow filter）または金属メッシュフィルタを通過
させることが好ましい。燃料は、これらの金属メッシュ
フィルタによって、インゼクタに至るまで燃料の特性を
全く変化させることなく10ミクロンまで濾過することが
できる。プラスチック製または金属製のプレートフィル
タも試験したが非常に有効な結果が得られた。

Ａ−55燃料またはＤ−55燃料それぞれとガソリンおよび
ディーゼル燃料とのパワーの比較 比較試験では、同じエンジンにより、エンジン重力計
を用いて、Ａ−55燃料を高オクタン価ガソリンと比較し
た。Ａ−55燃料は、ガソリンで同じエンジンを運転させ
たときとほゞ同じパワー出力の±４％であり、高パワー
要件の場合両方の燃料に同量の燃焼空気を用いた。この
試験を通じて使用したエンジンは、実質的に米国特許第
5,156,114号と記載事項にしたがって改造した。ガソリ
ンで運転される改造エンジンのパワー試験の結果は、同
じ方式で試験したガソリンで運転される類似のエンジン
の試験結果と有意差はなかった。Ｄ−55の場合も類似の
試験結果が得られる。またトップパワー出力は、Ｄ−55
燃料を用いて、通常のディーゼル燃料を用いる場合より
３〜５倍速く達成できる。Ａ−55燃料とＤ−55燃料の水
の量の割合を、±10％まで変化させてもそれぞれ、馬力
の損失を起こさない。

タイミングの要件 Ａ−55燃料を用いる場合、最適の結果を得るには、点
火角（ignition angle）を50゜まで上げなければならな
い。この点火角は伝統的なガソリン燃料に必要な点火角
の約２倍である。Ｄ−55燃料もインゼクターのタイミン
グをインゼクタにおいてクランクシャフト上で２ティー
ス（two teeth）まで上げると最もよく作動する。

Ａ−55またはＤ−55の燃料を用いる場合の空気：燃料の
比率 アイドル状態の場合、Ａ−55またはＤ−55は最小の燃
焼空気比で使用できる。

Ａ−55またはＤ−55の燃料をパワーコンディション
（power condition）下で使用するとき、伝統的なガソ
リンまたはディーゼル燃料の場合と実質的に同じ量の燃
焼空気が使用される。火花点火式の通常の内燃機関の空
気：燃料の比率は14.7:1である。ディーゼルサイクルは
16.5:1である。これらの比率が10％以上増大すると、内
燃機関内の燃焼が失われる。Ａ−55燃料を使用する場
合、燃料の炭素成分に対して測定した、パワー条件（po
wer requirement）下の空気：燃料の比率は、火花点火
式内燃機関で約29〜38の空気:1の炭素成分である。Ｄ−
55燃料を使用する場合、燃料の炭素成分に対して測定し
た、パワー条件下の空気：燃料の比率はディーゼルエン
ジンで約32〜40の空気:1の炭素成分である。

改造エンジンでＡ−55またはＤ−55の燃料を用いた場合
の排気量 Ａ−55燃料と高オクタン価ストレートガソリンの排気
量の比較を多数、Claytonシャシ（chassis）動力計モデ
ルC796を用いて行った。この動力計は速度とパワーの両
者を監視する。Ａ−55燃料で運転するため改造した、３
エンジン装備の1989年６気筒Ford Taurusと、伝統的
なガソリンで運転する、類似の積算計の示度を有する19
89年Ford Taurusとを比較した。両方の車両の触媒コン
バータは取外した。Ａ−55燃料を使用した場合、ほとん
どすべての排気量の読取り値がパワー条件下1/6〜1/10
に減少することが見出された。O₂の読取り値だけが両車
両で類似している。O₂の読取り値は最高のパワー出力で
０〜３％の範囲内である。この範囲内で他の排気量は次
のとおりである。すなわちCOは0.10％以下であり、NO_x
は20〜200ppmであり、そして炭化水素類は50〜200ppmで
ある。排気量の読取値はすべてSun standard automotiv
e emission analyzerで得た。機関が運転温度下にある
とき、外界温度のいかんにかかわらずテールパイプから
排出される目視可能な蒸気は全くない。これは伝統的ガ
ソリンを燃料として運転される類似のエンジンからの10
倍以上ppmのNO_xと比較され得る。

排気量は改造ディーゼル機関（converted diesel eng
ine）の場合さらに激しく減少する。以下に考慮する試
験を行うため、改造＃53 Detroit Diesel 2サイクル４
気筒ディーゼル機関をエンジンスタンド上で用いた。こ
の改造ディーゼル機関を、速度、パワーおよびトルクを
読取るClaytonエンジン動力計モデルCAM 250Eに接続し
た。デッドコールドスタート（dead cold start）中の
上記改造ディーゼル機関は目視可能な煙を２〜５秒間だ
け生成した。レギュラーディーゼル燃料を用いる類似の
ディーゼル機関の場合は通常、デッドコールドと運転温
度の間のウォームアップ時間中５〜10分間、目視可能の
煙が生成する。上記改造機関は、ストレードディーゼル
燃料で運転するディーゼル機関に見られるような通常の
すゝをあらゆるパワーの範囲内で生成しなかった。約10
0hpにおいて、排気の試験結果量は次のとおりである。
すなわちO₂＝10％、HC＝0ppmおよびCO＝0.01％である。
粘性は実質的に維持され、そしてガソリン含有燃料の場
合と同様に、長期間使用した後でも燃焼はきれいであ
る。排気量読取り値はすべてSun standard automotive
emission analyzerで得た。改造ディーゼル機関の運転
サイクル中どの時点でも外部の温度のいかんにかかわら
ずテールパイプから排出される目視可能な蒸気は全くな
かった。これらの試験結果は、レギュラーディーゼル燃
料を用いる類似のエンジンの場合の少なくとも２〜３倍
のHC排気量と比較され得る。

また追加の試験は、Ｄ−55燃料を使用する場合のNO_x
は減少し伝統的なディーゼル燃料より80％も少ないこと
を示した。

Ａ−55燃料とＤ−55燃料の効率 上記両燃料から得られる効率は大部分が、伝統的なガ
ソリンまたはディーゼル燃料の場合より有意に大きい。
当然のことであるが、効率は、エンジンがどのように改
造されているかおよび炭素燃料が水に対してどのような
割合で用いられているかによって変動する。伝統的なガ
ソリンまたはディーゼル燃料対Ａ−55とＤ−55の燃料の
炭素成分の効率試験を、Ａ−55とＤ−55燃料について、
米国特許第5,156,114号に記載されているように完全に
またはある程度改造されたエンジンで行ったところ、こ
れら二つの燃料を使用した場合、伝統的な炭素燃料で同
じかまたは類似のエンジンを運転した場合より100％も
高い劇的な効率ゲインを示した。

Ａ−55燃料またはＤ−55燃料のコールドスターティング Ａ−55とＤ−55の両燃料は、内燃機関の専用燃料とし
て使用することができる。Ａ−55またはＤ−55と組合わ
せて二次燃料または始動燃料を使用する必要はない。米
国特許第5,156,114号に記載の改造のいくらかまたはす
べてを実施した改造エンジンで使用したとき上記両燃料
はいずれもコールドスタートは容易である。

ディーゼル機関使用の比較 図１〜３に示すグラフを参照して、さらに、本発明の
新しい水性燃料のディーゼル機関での利点を例証する。
これらのグラフは、本発明の新しい燃料を伝統的なディ
ーゼル燃料と比較するためＤ−55燃料配合品について実
施した試験の結果を報告している。

図１には、シリンダー圧力とシリンダー容積の関係が
Ｄ−55燃料とディーゼル燃料の両者について記載されて
いる。図１から分かるように、新規燃料の、容積に対し
て比較したシリンダー圧力は、ディーゼル燃料のそれと
非常に近接して推移している。したがってＤ−55はディ
ーゼル機関に対してディーゼル燃料の充分な代替品であ
る。

図２に圧力とクランク角の関係を示すが、Ｄ−55によ
って発生するシリンダー圧力は、レギュラーディーゼル
燃料と比べていくぶん増加するがその差はわずかである
ことを示している。図２のグラフが示すように、Ｄ−55
は圧力放出は高いが、既存のディーゼル機関用の設計仕
様の範囲内に充分入っている燃料である。

最も重要な試験結果すなわちＤ−55燃料と伝統的なデ
ィーゼル燃料の両者について、累積発熱量（％）をクラ
ンク角（度）に対して比較した結果を図３に示す。Ｄ−
55は、100％発熱量を達成し持続することが伝統的ディ
ーゼル燃料よりはるかに速いので著しく改善された熱効
率を示すことは明らかである。このことは、Ｄ−55の発
熱量が、伝統的ディーゼル燃料の発熱量と対照的に劇的
に上昇することから明らかである。Ｄ−55は丁度10％の
クランク角の後100％の発熱量に到達するが、これに比
較して伝統的燃料は約80゜のクランク角で100％の発熱
量に到達する。Ｄ−55燃料は、初期燃料は遅いがディー
ゼル燃料より速やかに発熱する。さらにＤ−55燃料は、
サイクルにわずかに早く導入するようにタイミングを調
節することによって、一層０クランク角の近くで発熱さ
せることができる。

伝統的ディーゼル燃料を超えて改善されたＤ−55の発
熱量を含む、図１〜３に示したデータからみて、本発明
の新しい燃料のパワーゲインがかなり増大することは明
らかである。比較点として０クランク角を用いる場合、
ディーゼル燃料の量の約1/2を使用する本発明の新しい
燃料から得られる予想外の結果は驚くべきことである。
さらに、パワーの増大は、図２で分かるように圧力を実
質的に増大しなくても得られるので、エンジンを損傷す
ることがない。換言すれば、そのパワーは、実質的に同
じシリンダー圧力から得られるが、燃料のBTU値は、伝
統的なディーゼル燃料と比べて約1/2の炭化水素成分のB
UT値に過ぎない。

以下に特許請求がなされている本発明から逸脱するこ
となく各種の変更と変形を行うことができることは上記
説明から明らかである。

Claims (30)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】20〜80容量％の水；ガソリン、直留ガソリ
   ン、ケロシン燃料、ディーゼル燃料、ガス状炭素含有燃
   料、炭素合成燃料類、バイオマスによる油類およびその
   混合物からなる群から選択される炭素質燃料;2〜20未満
   の容量％のアルコール；ならびに0.3〜１容量％の非イ
   オン乳化剤の少なくとも２相の流体エマルジョンを含ん
   でなり、さらに、0.001〜0.1容量％の潤滑性エンハンサ
   ー、および170゜Fを超える温度での相分離に対する抵抗
   性を改善する添加剤を0.001〜0.1容量％含んでなり、そ
   のエマルジョンが少なくとも３ケ月間安定でかつ水が外
   側の連続相である標準のO/Wエマルジョンで構成されて
   おり、リード蒸気圧（RVP）が６以下である、内燃機関
   の外部では実質的に非引火性であり内燃機関内で燃焼可
   能な安定で貯蔵可能の燃料。
2. 【請求項２】前記潤滑性エンハンサーがポリオルガノシ
   ロキサン化合物を含んでなる請求の範囲１記載の燃料。
3. 【請求項３】ガソリン;40〜60容量％の水;2〜10容量％
   のアルコール;0.3〜0.7容量％の乳化剤を含んで成る、
   請求の範囲１又は２記載の燃料。
4. 【請求項４】ディーゼル燃料;40〜60容量％の水;2〜20
   未満の容量％のアルコール;0.3〜0.7容量％の乳化剤を
   含んで成る、請求の範囲１又は２記載の燃料。
5. 【請求項５】前記乳化剤がアルキルフェノールエトキシ
   レートを含んでなる請求の範囲１〜４のいずれか１項記
   載の燃料。
6. 【請求項６】0.03容量％までの潤滑性エンハンサーを含
   んでなる請求の範囲１記載の燃料。
7. 【請求項７】高温における相分離に抵抗する添加剤を0.
   03容量％まで含んでなる請求の範囲１〜６のいずれか１
   項記載の燃料。
8. 【請求項８】前記水が脱イオン水を含んでなる請求の範
   囲１〜７のいずれか１項記載の燃料。
9. 【請求項９】前記水が脱イオン処理されかつ木炭で濾過
   した水を含んでなる請求の範囲１〜７のいずれか１項記
   載の燃料。
10. 【請求項１０】直留ガソリン;40〜60容量％の水;2〜10
    容量％のアルコール;0.3〜0.7容量％の乳化剤を含んで
    成る、請求の範囲１又は２記載の燃料。
11. 【請求項１１】20〜80容量％の水；ガソリン、直留ガソ
    リン、ケロシン燃料、ディーゼル燃料、ガス状炭素含有
    燃料、炭素含有合成燃料、バイオマスによる油類および
    その混合物からなる群から選択される炭素質燃料;2〜20
    未満の容量％のアルコール；ならびに0.3〜１容量％の
    非イオン乳化剤の少なくとも２相の流体エマルジョンを
    含んでなり、そのエマルジョンが、水が外側の連続相で
    ある標準のO/Wエマルジョンで構成されており、リード
    蒸気圧（RVP）が６以下である、内燃機関の外部では実
    質的に非引火性であり内燃機関内で燃焼可能な安定で貯
    蔵可能の燃料の製造方法であって； （ａ）炭素質燃料と乳化剤の混合物を提供し； （ｂ）20〜80容量％の水を、ステップａの混合物および
    ２〜20未満の容量％のアルコールと混合し；次いで （ｃ）ステップａとｂの混合物を混合し、得られた混合
    物を充分に撹拌して少なくとも３ケ月間安定な混合物を
    製造する； ことを含んでなる方法。
12. 【請求項１２】水とアルコールの混合物をステップａの
    混合物に添加する請求の範囲11記載の方法。
13. 【請求項１３】さらに、ステップｃで充分混合する前
    に、混合物に潤滑性エンハンサーを添加することを含ん
    でなる請求の範囲11又は12記載の方法。
14. 【請求項１４】前記潤滑性エンハンサーがポリオルガノ
    シロキサン化合物を含んでなる請求の範囲13記載の方
    法。
15. 【請求項１５】さらに、ステップｃで充分混合する前
    に、170゜Fを超える温度での相分離に抵抗する添加剤を
    添加することを含んでなる請求の範囲11〜14のいずれか
    １項記載の方法。
16. 【請求項１６】乳化剤、潤滑性エンハンサーおよび添加
    剤をその混合物として添加する請求の範囲13〜15のいず
    れかの１項記載の方法。
17. 【請求項１７】ステップｂの水が脱イオン水である請求
    の範囲11〜16のいずれか１項記載の方法。
18. 【請求項１８】ステップｂの水が脱イオン処理されかつ
    木炭で濾過した水を含んでなる請求の範囲11〜17のいず
    れか１項記載の方法。
19. 【請求項１９】ステップａが、炭素質燃料と、アルキル
    フェノールオキシレートを含んでなる少なくとも１種の
    非イオン乳化剤の0.3〜１容量％とを混合することを含
    んでなる請求の範囲11〜18のいずれか１項記載の方法。
20. 【請求項２０】前記乳化剤がアルキルフェノキシポリア
    ルコールを含んでなる請求の範囲19記載の方法。
21. 【請求項２１】前記潤滑性エンハンサーが0.001〜0.1容
    量％のポリオルガノシロキサンを含んでなる請求の範囲
    16〜20のいずれか１項記載の方法。
22. 【請求項２２】前記添加剤が0.3％までのジヒドロキシ
    エチル獣脂グリシネートを含んでなる請求の範囲15〜21
    のいずれか１項記載の方法。
23. 【請求項２３】前記炭素質燃料がガソリンである請求の
    範囲11〜22のいずれか１項記載の方法。
24. 【請求項２４】前記炭素質燃料がディーゼル燃料である
    請求の範囲11〜22のいずれか１項記載の方法。
25. 【請求項２５】前記炭素質燃料が直留ガソリンである請
    求の範囲11〜22のいずれか１項記載の方法。
26. 【請求項２６】（ａ）ガソリン、ナフサ、ケロシン燃料
    類、ディーゼル燃料類、ガス状炭素含有燃料類およびそ
    の混合物からなる群から選択される炭素質燃料および乳
    化剤をともに混合し； （ｂ）アルコールと水の混合物を提供し；次いで （ｃ）上記水とアルコールの混合物を、上記燃料と乳化
    剤の混合物に添加して、20〜80容量％の水および２〜20
    未満の容量％のアルコールを含有する炭素質燃料の混合
    物を製造する； ことを含んでなる、リード蒸気圧が６以下である水性燃
    料の製造方法。
27. 【請求項２７】さらに、ステップ（ｃ）で製造された混
    合物を撹拌することを含んでなる請求の範囲26記載の方
    法。
28. 【請求項２８】炭素質燃料がガソリンを含んでなる請求
    の範囲26又は27記載の方法。
29. 【請求項２９】炭素質燃料がディーゼル燃料を含んでな
    る請求の範囲26又は27記載の方法。
30. 【請求項３０】炭素質燃料がナフサを含んでなる請求の
    範囲26又は27記載の方法。