JP4095861B2

JP4095861B2 - 改質燃料用ディーゼルエンジン

Info

Publication number: JP4095861B2
Application number: JP2002234817A
Authority: JP
Inventors: 孝大河原; 吾一広田; 克司西山; 次郎尾園
Original assignee: Toshiba Plant Systems and Services Corp
Current assignee: Toshiba Plant Systems and Services Corp
Priority date: 2002-08-12
Filing date: 2002-08-12
Publication date: 2008-06-04
Anticipated expiration: 2022-08-12
Also published as: JP2004076608A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軽油等の液体燃料に水を分散混合させたエマルジョン燃料を適用する改質燃料用ディーゼルエンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンは、車両用、船舶用、発電用、土木建築用等として多くの分野で適用され、主として軽油を燃料として走行している。近年、このディーゼルエンジンの排気ガスに含まれるＮｏｘやＰＭ（ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＭａｔｔｅｒ）等の未燃焼生成物、煤塵などが大気を汚染し、人間に健康被害をもたらすことが社会問題として取り上げられている。このため、ディーゼルエンジンの排気ガス浄化を目的として種々の技術開発が進められ、例えばエンジンの排気管先端部にセラミックスフィルタや特殊な触媒装置を取付け、Ｎｏｘや煤塵の排出量を低減させることなどが行なわれている。
【０００３】
ところで、ディーゼルエンジン車、とりわけ大型トラック等では、排気量が大きいためにエンジンから排出される排気ガスも多量になり、これらの排気ガス浄化装置は、大型の装置となってくる。また、排気ガスに含まれる種々の化学物質を目の細かいフィルタや触媒表面によって捕集するため、走行距離が長くなるに従って目詰まりが生ずることになり、装置内部を定期的に洗浄し、目詰まりした物質を除去する作業が必要となってくる。
【０００４】
そこで最近では、このような排気ガス浄化装置の大型化や作業手間に対処するため、ディーゼルエンジンの燃料そのもの改良し、排気ガス中の煤塵等を低減させようとする技術開発がなされている。この技術の一つとして、軽油等のディーゼルエンジン用液体燃料に水を分散混合させ、スクリュー式のプロペラにて混合液を攪拌してエマルジョン化し、このエマルジョン燃料を所定のタンクに収容しておき、同タンクから燃料噴射ポンプに供給する構成のものが提案されている。すなわち、このようなエマルジョン燃料を適用した場合には、燃焼の際に水分が蒸発して小爆発を起こすことにより完全燃焼が促進され、ＮＯｘや煤塵の発生が抑制されるというものである。
【０００５】
しかし、このようなスクリュー式の攪拌手段を適用した構成のものでは、燃料をエマルジョン化する設備が大掛かりになるとともに処理に長時間が必要であり、しかも生成されたエマルジョン燃料についても、その中に含まれている水の粒子が数十μｍ〜２００μｍと大きいために、しばらく放置しておくと短時間のうちに元の燃料と水とに分離してしまう現象が発生していた。
【０００６】
一方、エマルジョン燃料を適用するディーゼルエンジンにおいては、水分の混入による着火遅れのため、特にエンジン起動時や停止時、および急激な負荷が生じた場合等において、ノッキングが生じ易いという不具合がある。これに対して従来では、液体燃料に水を分散・混合させる方式として、燃焼室への燃料噴射段階で水分やエマルジョン燃料を液体燃料よりも遅発的に供給する等の工夫が提案されている（例えば特開平１０−１６９５２３号公報、特開２０００−３５６１６９号公報等）。
【０００７】
しかし、燃料噴射段階での燃料濃度調整等については非常に緻密な制御が必要になるとともに、燃料供給系統の構成が複雑となり、軽油等の液体燃料のみを使用する既存のディーゼルエンジン構成を大幅に変更せざるを得ない等の難点がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、軽油等の液体燃料に水等の不溶性液体を混合してエマルジョン燃料とする従来の技術では、スクリュー式攪拌手段を採用しているため大掛かりな設備構成が必要となるとともに、エマルジョン化に長時間を要し、さらにエマルジョン化した後の燃料が短時間のうちに分離するなど、実際にディーゼルエンジンに利用するに際して種々の問題がある。また、ノッキング防止のため、燃料噴射段階で燃料濃度調整する技術においては、緻密な制御が必要となるとともに、燃料供給系統の構成が複雑となり、軽油等の液体燃料のみを使用する既存のディーゼルエンジンの燃料供給系統の構成を大幅に変更せざるを得ない等の難点がある。
【０００９】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、小型かつ簡易な構成で既存エンジンの燃料系統を有効に利用して燃料改質を行なうことができるとともに、燃料のエマルジョン化を迅速かつ高能率で、しかも液体燃料と水との分離が殆ど生じることがない超微粒化・高混合密度で行なうことができ、ノッキング等の不具合もなく円滑に定常運転を維持することができる改質燃料用ディーゼルエンジンを提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明は、エンジン始動時等に燃料が正常な燃焼を行って速やかに定常回転になり、ＮＯｘおよびＰＭ等の発生を低減できるとともに、燃料消費量が少なくて済み、排ガスがクリーンで定常回転時に排気フィルタを使用しなくて済み、メンテナンス等も容易な改質燃料用ディーゼルエンジンを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、請求項１に係る発明では、液体燃料を供給する液体燃料供給系統と、水を供給する水供給系統と、これらの系統から供給される前記液体燃料と前記水との混合液に高周波振動を与えて超微粒化・高混合密度のエマルジョン燃料を生成する燃料改質装置と、この燃料改質装置によって生成したエマルジョン燃料を燃料噴射ポンプによりエンジン本体に供給するエマルジョン燃料供給系統と、前記液体燃料供給系統における液体燃料供給量および前記水供給系統における水供給量をエンジン運転状態に応じて制御する制御装置とを備え、前記燃料改質装置は、密閉タンク構造のエマルジョン燃料生成タンクと、このタンク内上部に設けられた水平板状の振動板と、この振動板に対向する前記タンク内下部に設けられた反射板と、前記振動板と反射板との間隙の一方に前記液体燃料供給系統からの燃料供給管と前記水供給系統とからの水供給管からの先端が配置され、前記振動板と反射板との間の間隙の他方に吸液部材が配置され、前記振動板に前記エマルジョン燃料生成タンク外にて接続されている高周波振動発生装置とから構成されていることを特徴とする改質燃料用ディーゼルエンジンを提供する。
【００１２】
請求項２に係る発明では、前記制御装置は、エンジン始動時に前記得気体燃料供給系統からの液体燃料のみを供給する設定とされている請求項１記載のディーゼルエンジンを提供する。
【００１３】
請求項３に係る発明では、前記制御装置は、エンジン始動後に前記水供給系統からの水供給量を漸次多くしてエマルジョン燃料の供給へと移行する設定とされている請求項１記載のディーゼルエンジンを提供する。
【００１４】
請求項４に係る発明では、前記制御装置は、エンジン出力が正常値に到達した後は出力に応じて水分含有量が一定のエマルジョン燃料を供給する設定とされている請求項１記載のディーゼルエンジンを提供する。
【００１５】
請求項５に係る発明では、前記エンジン本体は、発電機、動力装置等に回転軸を連結して回転駆動し、前記発生電力および動力により前記制御装置および同装置により制御される駆動部の自立的な動力源を得る構成とされている請求項１記載のディーゼルエンジンを提供する。
【００１６】
請求項６に係る発明では、前記燃料供給系および水供給系に自動調整弁が設けられ、これらの自動調整弁は前記制御装置からの出力に基づいて開度制御され、この自動調整弁の開度制御によって前記エマルジョン燃料における前記液体燃料の混合比および前記エマルジョン燃料の供給量が可変とされている請求項１記載のディーゼルエンジンを提供する。
【００１７】
請求項７に係る発明では、前記燃料改質装置は、液体燃料と前記水との混合液に高周波振動を与えることによりキャビテーションを連続的に発生させ、キャビテーション気泡の発生および崩壊によって、超微粒化・高混合密度のエマルジョン燃料を生成するものである請求項１記載のディーゼルエンジンを提供する。
【００１８】
請求項８に係る発明では、前記エンジン本体は、排気フィルタを有する排気管および排気フィルタを有しない排気管を備え、前記制御装置は、始動時における排気を前記フィルタを有する排気管を介して行なう一方、定常運転時における排気は前記排気フィルタを有しない排気管を介して行なう切換え設定を行なうものである請求項１記載のディーゼルエンジンを提供する。
【００１９】
請求項９に係る発明では、前記排気フィルタは、簡易着脱式のカートリッジ型フィルタである請求項８記載のディーゼルエンジンを提供する。
【００２０】
請求項１０に係る発明では、前記エンジン本体は冷却水循環式の水冷系統を備え、この水冷系統におけるエンジン冷却後の高温となった冷却水を前記燃料改質装置への水供給系統に適用することを特徴とする請求項１記載のディーゼルエンジンを提供する。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００２２】
図１は、本実施形態による改質燃料用ディーゼルエンジンの基本構成を示す概略構成図である。この図１に示すように、本実施形態の改質燃料用ディーゼルエンジン３０は、液体燃料供給系統としての軽油等の液体燃料２を収容する燃料タンク３１と、水供給系統としての水４を収容する水タンク３２とを備えている。これらの燃料タンク３１および水タンク３２に燃料供給管３および水供給管５を介して燃料改質装置１が接続されている。燃料供給管３には燃料流量調整弁（Ｖ１）７が設けられ、水供給管３には水流量調整弁（Ｖ２）９が設けられている。
【００２３】
燃料改質装置１にはエマルジョン燃料供給系統としてのエマルジョン燃料供給管３３が接続され、このエマルジョン燃料供給管３３には、流量調整弁（Ｖ３）３５を介してエマルジョン燃料噴射ポンプ３６が接続されている。エマルジョン燃料噴射ポンプ３６には燃料噴射用配管３７を介してディーゼルエンジン本体３８が連結されている。
【００２４】
ディーゼルエンジン本体３８には排気管５０が設けられ、この排気管５０の先端側は分岐管５１，５２により２系統に分岐している。一方の分岐管５１には排気弁（Ｖ４）５３を介して排気フィルタ５４が設けられ、他方の分岐管５２には排気弁（Ｖ５）５５のみが設けられている。なお、ディーゼルエンジン本体３８は、冷却ファン５６によって冷却される。
【００２５】
上述した燃料流量調整弁（Ｖ１）７，水流量調整弁（Ｖ２）９，流量調整弁（Ｖ３）３５，排気弁（Ｖ４）５３，（Ｖ５）５５は自動調整弁として構成され、これらの自動調整弁（Ｖ１）７，（Ｖ２）９，（Ｖ３）３５，（Ｖ４）５３，（Ｖ５）５５および冷却ファン５６は、制御装置６０によって制御されるようになっている。
【００２６】
図２は、ディーゼルエンジン３０を詳細に示す構成図である。この図２に示すように、ディーゼルエンジン３０は、燃料タンク３０および水タンク３２に、それぞれ燃料供給管３および水供給管５の基端側が接続されている。これらの燃料供給管３および水供給管５の先端側は、燃料ポンプ６および水供給ポンプ８を介して、エマルジョン燃料生成タンク１０に接続され、燃料２および水４を連続的に供給するようになっている。
【００２７】
エマルジョン燃料生成タンク１０は、振動板１３および反射板１４を有し、キャビテーション発生部１５を形成している。振動板１３は高周波振動発生装置２０によって高周波振動され、このエマルジョン燃料生成タンク１０において、キャビテーション処理が行なわれる。そして、このエマルジョン燃料生成タンク１０の排液管である２次側のエマルジョン燃料供給管３３に、キャビテーション処理によって生成されたエマルジョン燃料１２が排出・供給される。
【００２８】
エマルジョン燃料供給配管３３には、吸込みポンプ３４および流量調整弁（Ｖ３）３５を介してエマルジョン燃料噴射ポンプ３６が接続されている。エマルジョン燃料噴射ポンプ３６には、例えば２本の燃料噴射用配管３７ａ，３７ｂを介してディーゼルエンジン本体３８の２気筒型シリンダ３９ａ，３９ｂが連結されている。なお、符号４０は、エンジン回転軸を示している。
【００２９】
このような構成において、エンジン運転時には、エマルジョン燃料生成タンク１０に供給された燃料２および水４は、キャビテーション発生部１５にて均質に撹絆・混合され、エマルジョン燃料１２として生成される。生成されたエマルジョン燃料１２は、吸込みポンプ３４によって吸引され、エマルジョン燃料噴射ポンプ３６へと移送される。
【００３０】
エマルジョン燃料噴射ポンプ３６に供給されるエマルジョン燃料１２は、ディーゼルエンジン３３の負荷状況に応じて、エマルジョン燃料供給管３３に設けられた流量調整弁（Ｖ３）３５によって流量制御され、エマルジョン燃料噴射ポンプ３６に供給される。エマルジョン燃料噴射ポンプ３６に供給されたエマルジョン燃料１２は、エマルジョン燃料供給管３７ａ，３７ｂにてディーゼルエンジン本体３８のシリンダ３９ａ，３９ｂに供給され、これらのシリンダ３９ａ，３９ｂ内で燃焼して仕事に供される。燃焼後の排気ガスは、排気管５０から外部に排気される。
【００３１】
また、ディーゼルエンジン３３の回転軸４０にフランジ４１を介して発電機４２の回転軸４３が連結されている。発電機４２には、送電用ケーブル４４を介して電力変換器４５が接続され、この電力変換器４５により発生電力が常用電圧（１００ｖ）に変換される。
【００３２】
電力変換器４５には電源ケーブル４７を介して制御装置６０および動力装置、例えば高周波電源装置２４が接続され、発電機４２で発電した電力の一部を、高周波振動発生装置２０の振動用電源として適用できるようになっている。
【００３３】
このような構成により、発生電力の一部を、エマルジョン燃料生成のための制御用電力および操作用電力として使用することができる。したがって、外部からの電力供給を必要とすることなく、エンジン運転を行なうことが可能となり、車両・船舶等の移動手段として適用する場合に移動体自体での電力自給が可能となる利点が得られる等の効果が奏される。
【００３４】
図３は燃料改質装置１を詳細に示す構成図である。この図３に示すように、これら燃料供給管３および水供給管５の各先端側が、互いに接近してエマルジョン燃料生成タンク１０内に配置されている。
【００３５】
エマルジョン燃料生成タンク１０は、燃料供給管３から供給される燃料２と、水供給管５から供給される水４との混合液１１を、一時的に収容できる容器であり、その内部において燃料２中に水４を拡散・混合させ、混合液１１から超微粒化・高混合密度のエマルジョン燃料１２を生成するものである。
【００３６】
すなわち、エマルジョン燃料生成タンク１０は、略水平に配置された平坦な直方体状の密閉タンク構造とされており（図３では、密閉用のタンク上壁を図示省略してある）、その内側上部に振動体としての水平板状の振動板１３が配置されるとともに、この振動板１３の下面に対向するタンク内下部には、振動板１３と対向する配置で水平な反射板１４が配置されている。これら振動板１３と反射板１４との間には、キャビテーション発生部１５として上下方向に狭隘な空間、例えば上下間隙δが１０ｍｍ以下、具体的には数ｍｍの空間が形成されている。このキャビテーション発生部１５としての空間の横向きの開口部分に、燃料供給管３および水供給管５の各先端開口部が臨んでおり、燃料２と水４との混合液１１がキャビテーション発生部１５内に横向きの一方の開口部１５ａから導入されるようになっている。
【００３７】
なお、キャビテーション発生部１５の横向きの他方の開口部１５ｂには、漏斗状の吸液部材１６がその広口部をキャビテーション発生部１５に向けて横向きに配置され、この吸液部材１６の狭口側には排液管１７が接続されている。排液管１７は、エマルジョン生成タンク１０の任意の壁、例えば底壁１０ａを垂直に貫通して外部方向に延び、吸込みポンプ１８を介してエマルジョン燃料１２を、エマルジョン燃料供給系統に供給するようになっている。
【００３８】
振動板１３および反射板４は、それらの全体または少なくとも相対する面を構成する部分が硬度の高い材料、例えばセラミックスまたは超硬合金などの硬質材料によって構成され、これにより後述するキャビテーション発生時における衝撃に十分耐え、壊触されない高強度をもつ構成とされている。なお、振動板１３および反射板４の対向部分のみを高硬度とする場合には、各種金属等の母材の表面にセラミックスもしくは超高合金等の硬質メッキによる表面処理を施すこと等により構成することができる。
【００３９】
そして、振動板１３は、例えば上方に向って延びる垂直な連結棒１９を介して高周波振動発生装置２０に連結され、この高周波振動発生装置２０によって上下方向（矢印ａ方向）に高周波振動されるようになっている。
【００４０】
高周波振動発生装置２０は、ケース２１内に振動源として例えば磁歪材料からなる振動子２２を収納するとともに、その振動子２２を駆動するための高周波用コイル２３を配置して構成したものであり、高周波電源装置２４から電源ケーブル２５にて高周波電力が供給されるようにしたものである。なお、高周波電源装置２４は、電源からの電力を周波数変換し、高周波電流を発生するものである。これにより、振動子２２ひいては振動体１３の高周波振動領域が、例えば超音波領域（２０ＫＨｚ以上）に設定されている。
【００４１】
なお、振動発生装置２０の振動子２２は、圧電素子または超磁歪材料により構成することもでき、また、振動体１３と振動子２２とを同一材料により一体構造とすることもできる。高周波発生装置２０のケース２１は、支持アーム２６に取付ボルト２７を介して固接されており、支持アーム２６は強固な静止部２８に固定されている。
【００４２】
次に、エマルジョン燃料生成方法について説明する。まず、燃料２が燃料供給管３の燃料供給ポンプ６により燃料流量調整弁（Ｖ１）７を経由して、エマルジョン燃料生成タンク１０内に配置された振動板１３と反射板１４との間隙部、すなわちキャビテーション発生部１５に供給される。一方、水４も同様に水供給管５の水供給ポンプ２ａにより水流量調整弁（Ｖ２）９を介してエマルジョン燃料生成タンク１０内のキャビテーション発生部１５に供給される。これにより、燃料２と水４との混合液はキャビテーション発生部１５およびエマルジョン燃料生成タンク１０内に充満する。
【００４３】
この場合、燃料供給ポンプ６および水供給ポンプ８から吐出される流量は、エマルジョン燃料の必要な生成量に従って制御される。そして、高周波振動発生装置２０の先端部に取付けられた振動板１３は、少なくとも下面、例えば全体が、エマルジョン燃料生成タンク１０内に充満した燃料２および水４の混合液１１に浸漬される状態となる。
【００４４】
この状態で振動板１３が高周波振動することにより、キャビテーション発生部１５において混合液１１にキャビテーションが発生し、燃料２に水４が拡散・混合して超微粒化され、高混合密度のエマルジョン燃料１２が生成される。
【００４５】
図４は、上述したエマルジョン燃料１２の生成メカニズムを示す説明図である。この図４に模式的に示すように、エマルジョン燃料生成タンク１０内の混合液１１は、燃料２中に水４が細かい塊状の水滴４ａとして混合した状態で存在している。振動板１３と反射板１４との間隙部に導入された混合液１１についても同様である。
【００４６】
この状態で振動板１３が振動方向ａに沿って上向きに動作すると、振動板１３と反射板１４との間隙部に瞬間的に負圧になる場が形成され、その負圧により混合液１１中に気泡、すなわちキャビテーション泡２９が発生する。このキャビテーション泡２９は燃料２中に多数発生するとともに、塊状となって燃料２に分散混合している水滴４ａ中にも発生する。
【００４７】
そして、振動板１３が高周波振動により次の瞬間に下向きに動作すると、上記と逆に高圧の圧力場が形成され、キャビテーション泡２９は高圧により崩壊される。このキャビテーション泡２９の崩壊時には、高圧の衝撃波（泡崩壊時発生衝撃波：矢印ｃ）が発生する。この衝撃波ｃは、塊状の水滴４ａに破壊エネルギとして作用する。特に水滴４ａ内に発生したキャビテーション泡２９の崩壊時には、その水滴４ａを破裂させる外向きの破壊エネルギが発生する。これにより、水滴４ａは、より小さい塊状へと分割する。また、衝撃波ｃは振動板１３と反射板１４との間で反射し、衝撃波反射波（以下、単に「反射波」という：矢印ｂ）となって、再び燃料２と水４（水滴４ａ）とに衝撃波として繰り返し作用することになる。
【００４８】
すなわち、振動板１３が燃料２および水４の混合液１１中で高周波振動すると、振動体１３の超高速往復動作によって微細なキャビテーション泡２９の形成・崩壊が繰返される。そして、このキャビテーション泡２９の崩壊時に大きな衝撃圧力が生じ、条件によっては、発生する衝撃圧力が数百ＭＰａに達する。この衝撃圧力が数百ＭＰａに達することは、高周波振動を超音波領域に設定した本実施形態において、明確に観測することができた。
【００４９】
また、キャビテーション発生部１５においてキャビテーション泡２９の崩壊時に発生する衝撃波ｃと、発生した衝撃波ｃの反射波ｂとは、燃料２に対しても作用する。すなわち、振動体１３を２０ＫＨｚ以上の超音波領域で振動させると、高分子の液体である燃料２中の分子のクラスターが振動によって小さくなる。したがって、振動体１３を超音波振動させることにより、キャビテーションによる衝撃圧力と、超音波振動によるクラスター分解作用との相乗効果により、燃料２を構成している高分子鎖が物理的に切断され、低分子化による改質作用も行われる。
【００５０】
図５は、燃料２として軽油を適用した場合について、キャビテーション発生部１５で改質作用を受けた燃料成分の分析結果を示した測定グラフである。この図５の横軸に軽油の分子数を表し、縦軸に分子量を表している。キャビテーション処理前の燃料の場合は、実線の柱状グラフによる特性線Ａとして示したように、高分子側の分子量が多く、低分子側の分子量が少ない。
【００５１】
これに対し、キャビテーション処理後においては、仮想線の柱状グラフによる特性線Ｂとして示したように、高分子側の分子量が低減するとともに、低分子側の分子量が増加する傾向を示す。このことは、高分子側の分子の鎖が衝撃波にて分断され、分断された低分子が増加分として計測されたことを裏付けている。このことにより、水４を添加して撹絆・混合するだけではなく、燃料２そのものもキャビテーションの衝撃波ｃおよび反射波ｂによって低分子化が促進され、より燃焼し易い成分に変化していることを物語っている。
【００５２】
また、キャビテーション処理においては、このように低分子化した燃料２と、微細化された水滴４ａとに対し、さらに混合および撹絆作用が加えられ、拡散・混合が推進される。これにより、超微粒化・高混合密度のエマルジョン燃料１２が生成される。なお、燃料２と水４との供給量を一定に制御することにより、燃料２と水４とが一定の割合で、均質かつ微細に混合した質の高いエマルジョン燃料が生成される。
【００５３】
以上のように、キャビテーション発生部１５の上下幅を数ｍｍの間隙とした本実施形態においては、キャビテーション泡２９の崩壊により発生した衝撃波ｂ，ｃが周囲に拡散されずに閉じこめられた状態で保持されるため、高密度な衝撃波場が形成・保持される。そして、水４は衝撃波により、微細な分子の状態に分断されて細分化されると同時に、燃料２と混合・撹絆を繰り返すことにより、均一に水分が拡散・混合されたエマルジョン燃料が生成されるものである。なお、実験結果によると、キャビテーション発生部１５の上下間隙値を１０ｍｍまで拡大しても、前記と略程度の効果が得られることが認められた。
【００５４】
上述のようにして生成されたエマルジョン燃料１２は、一定以上の高エネルギを加えない限り、容易に元の状態に戻ることはない。したがって、微細化された水滴４ａおよび低分子化された燃料２の状態は、長期間に亘って維持され続けるので、長期に保存しても燃料２と水４との分離な殆ど生じることがなく、燃焼器への供給等、次工程への供給時においても品質低下等の問題が生じることなく常時、良好な品質のエマルジョン燃料としてディーゼルエンジン３０に供給利用することができる。
【００５５】
このようにして生成したエマルジョン燃料１２をディーゼルエンジン本体３８に供給して燃焼した場合には、燃料が超微粒化・高混合密度であり、かつ燃料２と水４とが一定の割合で、均質かつ微細に混合した質の高いものであるため、燃焼温度が低く抑えられとともに、燃料中の水分が水蒸気となり、水蒸気の一部が分離して小爆発の現象（マイクロエクスプロージョン現象）を起こし、爆発力で燃料をはじき散らすことにより空気との混合を助け、燃焼反応が助長されることにより、未燃焼部分が殆どなくなる。このため、従来では未燃焼によって生成されていた未燃焼生成物、いわゆるＰＭ黒煙の煤塵の発生が大きく低減する。また、本実施形態によって得られたエマルジョン燃料１２は、燃焼温度が低く抑えられるため、燃焼時に有害なＮＯｘ等の化学物質の生成も殆ど生じない。したがって、燃焼排気ガス中に含まれる黒煙などの煤塵や有害なＮＯｘ等の化学物質の生成を大幅に抑制することができ、大気汚染防止を効果的に推進することができる。
【００５６】
また、本実施形態によれば、小型かつ簡易な構成のもとで、燃料のエマルジョン化を能率よく行うことができ、しかも生成したエマルジョン燃料を長期間保存しても燃料と他の液体との分離が殆ど生じることがない超微粒化・高混合密度のエマルジョン燃料生成が可能となる。したがって、従来のスクリュー式攪拌手段を採用する場合等と比較して、構成が簡易かつ小型なもので済み、大掛かりな設備構成も不要となり、燃焼器への実際利用が容易に図れるようになる。
【００５７】
図６は、制御装置６０のシステム構成を示している。この制御装置６０は主制御部６１、ＣＰＵ６２、入出力インターフェイス６３，６４および複数のデータベース（ＤＢ１〜ＤＢ４）６５，６６，６７，６８を備えている。データベース（ＤＢ１）６５は、エマルジョン燃料・回転数データベースであり、データベース（ＤＢ２）６６は、エマルジョン燃料・出力特性データベースである。データベース（ＤＢ３）６７は、排気ガス成分・エマルジョン燃料濃度特性データベースであり、データベース（ＤＢ４）６８は、出力・回転数データベースである。
【００５８】
主制御部６１には、複数の計器１…ｎが接続されている。これらの計器としては、起動停止検出用計器（計器１）７１、回転数検出用計器（計器２）７２およびエンジン出力検出用計器（計器３）７３等である。そして、主制御部６１に起動停止検出用計器７１からの起動停止信号、回転数検出用計器７２からの回転数検出信号およびエンジン出力検出用計器７３からのエンジン出力信号が入力され、主制御部６１では、エマルジョン燃料・回転数データベース６５、エマルジョン燃料・出力特性データベース６６、排気ガス成分・エマルジョン燃料濃度特性データベース６７および出力・回転数データベース６８からの情報に基づいて、制御演算が行なわれる。この結果、各バルブ、すなわち燃料流量調整弁（Ｖ１）７，水流量調整弁（Ｖ２）９，流量調整弁（Ｖ３）３５，排気弁（Ｖ４）５３，（Ｖ５）５５は自動調整弁として構成され、これらの自動調整弁（Ｖ１）７，（Ｖ２）９，（Ｖ３）３５，（Ｖ４）５３，（Ｖ５）５５および冷却ファン５６に制御信号が出力され、エンジン制御等が行なわれる。
【００５９】
本実施形態では、下記の手順に示すように、エンジン始動時に得気体燃料供給系統からの液体燃料のみを供給する設定とされている。また、エンジン始動後に水供給系統からの水供給量を漸次多くしてエマルジョン燃料の供給へと移行する設定とされている。さらに、エンジン出力が正常値に到達した後は出力に応じて水分含有量が一定のエマルジョン燃料を供給する設定とされている。
【００６０】
図７は、エンジン制御手順を示すフローチャートである。この図７に示すように、本実施形態では、エンジン始動準備段階では燃料改質装置１は停止している（Ｓ１０１）。そして、エンジン始動の際には、自動調整弁（Ｖ３）３５が開となり（Ｓ１０２）、液体燃料が１００％の燃料供給が行なわれる（Ｓ１０３）。このとき、自動調整弁（Ｖ４）５３は開き、自動調整弁（Ｖ５）５５は閉じ（Ｓ１０４）、始動時に排気フィルタ５４が使用される。
【００６１】
この状態でエンジン始動・運転が行なわれ（Ｓ１０５）、エンジン回転および負荷計測がされる（Ｓ１０６）。そして、定常運転状態に到達したかの判断が行なわれ（Ｓ１０７）、未到達であると、計測値に基づいて自動調整弁（Ｖ３）３５が開閉調整され、改質燃料の流量が調整される（Ｓ１０８）。
【００６２】
このようにして定常運転状態が確認された後は、自動調整弁（Ｖ１）７の開度を順次絞りながら自動調整弁８が順次開かれる（Ｓ１０９）。そして、エンジンの回転と負荷の計測値から運転出力の正常についての判断がされ（Ｓ１１０）、計測値が異常であるときは、自動調整弁（Ｖ１）７，９が開閉調整され（Ｓ１１１）、改質燃料比が調節される。
【００６３】
運転出力の正常と確認された後、自動調整弁（Ｖ１）７，８を決められた開度に固定し（Ｓ１１２）、運転を継続する。このとき、自動調整弁（Ｖ４）５３は閉じ、自動調整弁（Ｖ５）５５は開き、始動時に使用された排気フィルタ５４は使用されない（Ｓ１１３）。すなわち、定常運転状態を確認後、自動調整弁（Ｖ１）７の開度を順次絞りながら自動調整弁（Ｖ２）９を順次開き、運転出力が正常と確認されると、自動調整弁（Ｖ１）７，９を決められた開度で固定し、運転が継続される（Ｓ１１４）。
【００６４】
このような制御により、エンジン運転が適正に行なわれる結果、本実施形態によると、ディーゼルエンジン３０に改質燃料を使用する際に問題となっている始動時等のノッキングを効果的に防止することができる。また、エンジン始動時等において燃料が正常な燃焼を行うことができ、速やかに定常回転になるだけでなく、ＮＯｘおよびＰＭ等の発生を有効に低減することができる。さらに、燃料消費量が少なくて済み、かつ改質燃料の排ガスがクリーンであることから、定常回転時には排気フィルタを使用しなくて済む利点も得られる。そして、既存の排ガス清浄装置に比して小型化が図れ、さらに排気フィルタ５４は使用時間が短いため、カートリッジ式で簡易に着脱可能であり、メンテナンスが容易となる。
【００６５】
図８は、排気フィルタ５４の構成例を示す断面図であり、図９はフィルタエレメントを示す斜視図である。これらの図に示すように、排気フィルタ５４は、簡易着脱式のカートリッジ型フィルタとされている。すなわち、この排気フィルタ５４は、排気管の分岐管５１に設けられたフィルタケーシング７０内に、筒状のフィルタエレメント７１を着脱可能に装着して構成されている。フィルタエレメント７１は、例えば中空糸膜フィルタとして構成されている。
【００６６】
このような構成により、フィルタ交換等が極めて簡単な操作によって容易に行なえる。
【００６７】
図１０は、本発明の他の実施形態による改質燃料用ディーゼルエンジンを示す構成図である。この実施形態が前記実施形態と異なる点は、エンジン本体３８が冷却水循環式の水冷系統７２を備え、この水冷系統７２におけるエンジン冷却後の高温となった冷却水が冷却水タンク７３から流量調整弁７４を介して燃料改質装置１への水供給系統に適用されている点である。この流量調整弁７４は制御装置６０によって制御される。他の構成については、前記実施形態と同様であるから、図１０に図１と同一の符号を付して説明を省略する。
【００６８】
このような構成によると、燃料改質装置１に供給される水がエンジン冷却水を有効に利用して行なえ、他の水源を省略することができ、また燃料改質装置１での水温が高くなるため、キャビテーション作用が推進され、燃料改質が効果的に行なわれる。
【００６９】
以上の実施形態によれば、ディーゼルエンジンに改質燃料を使用する際に問題となっている始動時等のノッキングが防止でき、またエンジンの始動時等において燃料が正常な燃焼を行うことにより、速やかに定常回転になるだけでなく、ＮＯｘおよびＰＭ等の発生を低減できる。さらに、燃料消費量が少なくて済むとともに、改質燃料の排ガスはクリーンなため定常回転時には排気フィルタを使用しなくて済む等の利点が得られる。さらに、既存の排ガス清浄装置に比して小型化が図れ、さらにまた、排気フィルタの使用時間が短いためカートリッジ式で簡易に着脱可能なフィルタ構成が実現でき、メンテナンス等が容易に行なえる。
【００７０】
【発明の効果】
以上で詳述したように、本発明によれば、小型かつ簡易な構成で既存エンジンの燃料系統を有効に利用して燃料改質を行なうことができるとともに、燃料のエマルジョン化を迅速かつ高能率で、しかも液体燃料と水との分離が殆ど生じることがない超微粒化・高混合密度で行なうことができ、ノッキング等の不具合もなく円滑に定常運転を維持することができる。また、本発明によれば、エンジン始動時等に燃料が正常な燃焼を行って速やかに定常回転になり、ＮＯｘおよびＰＭ等の発生を低減できるとともに、燃料消費量が少なくて済み、排ガスがクリーンで定常回転時に排気フィルタを使用しなくて済み、メンテナンス等も容易に行なえる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による改質燃料用ディーゼルエンジンを示す基本構成因。
【図２】本発明の一実施形態による改質燃料用ディーゼルエンジンを示す構成図。
【図３】前記実施形態における燃料改質装置を示す構成図。
【図４】前記実施形態における燃料改質装置による燃料エマルジョン化の作用説明図。
【図５】前記実施形態における燃料改質効果を示す測定グラフ。
【図６】前記実施形態における燃料制御用の制御装置を示す機能構成図。
【図７】前記実施形態における燃料制御方法の手順を示すフローチャート。
【図８】本発明に適用される排気フィルタ装置の構成例を示す断面図。
【図９】図８に示したフィルタエレメントの斜視図。
【図１０】本発明の他の実施形態による改質燃料用ディーゼルエンジンを示す構成図。
【符号の説明】
１…燃料改質装置、２…燃料、３…燃料供給管、４…水、４ａ…水滴、５…水供給管、６…燃料供給ポンプ、７…燃料流量調整弁、８…水供給ポンプ、９…水流量調整弁、１０…エマルジョン燃料生成タンク、１１…混合液、１２…エマルジョン燃料、１３…振動板、１４…反射板、１５…キャビテーション発生部、１５ａ…開口部、１５ｂ…他方の開口部、１６…吸液部材、１７…排液管、１８…吸込みポンプ、１９…連結棒、２０…高周波振動発生装置、２１…ケース、２２…振動子、２３…高周波用コイル、２４…高周波電源装置、２５…電源ケーブル、２６…支持アーム、２７…取付ボルト、２８…静止部、２９…キャビテーション泡、３０…ディーゼルエンジン、３１…燃料タンク、３２…水タンク、３３…エマルジョン燃料供給配管、３４…吸込みポンプ、３５…流量調整弁、３６…エマルジョン燃料噴射ポンプ、３７ａ，３７ｂ…燃料噴射用配管、３８…ディーゼルエンジン本体、３９ａ，３９ｂ…シリンダ、４０…エンジン回転軸、４１…フランジ、４２…発電機、４３…回転軸、４４…送電用ケーブル、４５…電力変換器、４６…出力端子、４７…電源ケーブル、５０…排気管、５１，５２…分岐管、５３…排気弁（Ｖ４）、５４…排気フィルタ、５５…排気弁（Ｖ５）、５６…冷却ファン、６０…制御装置。

Claims

液体燃料を供給する液体燃料供給系統と、水を供給する水供給系統と、これらの系統から供給される前記液体燃料と前記水との混合液に高周波振動を与えて超微粒化・高混合密度のエマルジョン燃料を生成する燃料改質装置と、この燃料改質装置によって生成したエマルジョン燃料を燃料噴射ポンプによりエンジン本体に供給するエマルジョン燃料供給系統と、前記液体燃料供給系統における液体燃料供給量および前記水供給系統における水供給量をエンジン運転状態に応じて制御する制御装置とを備え、前記燃料改質装置は、密閉タンク構造のエマルジョン燃料生成タンクと、このタンク内上部に設けられた水平板状の振動板と、この振動板に対向する前記タンク内下部に設けられた反射板と、前記振動板と反射板との間隙の一方に前記液体燃料供給系統からの燃料供給管と前記水供給系統とからの水供給管からの先端が配置され、前記振動板と反射板との間の間隙の他方に吸液部材が配置され、前記振動板に前記エマルジョン燃料生成タンク外にて接続されている高周波振動発生装置とから構成されていることを特徴とする改質燃料用ディーゼルエンジン。
前記制御装置は、エンジン始動時に前記得気体燃料供給系統からの液体燃料のみを供給する設定とされている請求項１記載のディーゼルエンジン。
前記制御装置は、エンジン始動後に前記水供給系統からの水供給量を漸次多くしてエマルジョン燃料の供給へと移行する設定とされている請求項１記載のディーゼルエンジン。
前記制御装置は、エンジン出力が正常値に到達した後は出力に応じて水分含有量が一定のエマルジョン燃料を供給する設定とされている請求項１記載のディーゼルエンジン。
前記エンジン本体は、発電機、動力装置等に回転軸を連結して回転駆動し、前記発生電力および動力により前記制御装置および同装置により制御される駆動部の自立的な動力源を得る構成とされている請求項１記載のディーゼルエンジン。
前記燃料供給系および水供給系に自動調整弁が設けられ、これらの自動調整弁は前記制御装置からの出力に基づいて開度制御され、この自動調整弁の開度制御によって前記エマルジョン燃料における前記液体燃料の混合比および前記エマルジョン燃料の供給量が可変とされている請求項１記載のディーゼルエンジン。
前記燃料改質装置は、液体燃料と前記水との混合液に高周波振動を与えることによりキャビテーションを連続的に発生させ、キャビテーション気泡の発生および崩壊によって、超微粒化・高混合密度のエマルジョン燃料を生成するものである請求項１記載のディーゼルエンジン。
前記エンジン本体は、排気フィルタを有する排気管および排気フィルタを有しない排気管を備え、前記制御装置は、始動時における排気を前記フィルタを有する排気管を介して行なう一方、定常運転時における排気は前記排気フィルタを有しない排気管を介して行なう切換え設定を行なうものである請求項１記載のディーゼルエンジン。
前記排気フィルタは、簡易着脱式のカートリッジ型フィルタである請求項８記載のディーゼルエンジン。
前記エンジン本体は冷却水循環式の水冷系統を備え、この水冷系統におけるエンジン冷却後の高温となった冷却水を前記燃料改質装置への水供給系統に適用することを特徴とする請求項１記載のディーゼルエンジン。