JP4558878B2

JP4558878B2 - 液体燃料の燃焼システム

Info

Publication number: JP4558878B2
Application number: JP2000009150A
Authority: JP
Inventors: 田安志吉; 倉敏雄熊
Original assignee: 吉田安志
Priority date: 2000-01-18
Filing date: 2000-01-18
Publication date: 2010-10-06
Anticipated expiration: 2020-01-18
Also published as: JP2001201012A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として、自動車エンジンなどの液体燃料の燃焼システムに関し、特に、燃料噴射式の燃焼システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
このような液体燃料（例えば、軽油、灯油、Ａ級重油など）の燃焼システムは、ＮＯｘ及びＣＯ発生を低減するために、種々の対策を講じているが、それぞれに、使用目的にそぐわない問題を抱えている。
即ち、ＮＯｘ及びＣＯの浄化装置として、排気ガス系統に三元触媒を備えるガソリンエンジンは、ＮＯｘ及びＣＯ浄化性能が高い反面、高い熱効率が望めず、又、性能の経時劣化は避けることができない。さらに熱負荷の点で出力限界があるなどの課題がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、排気ガス中のＮＯｘ及びＣＯ低減を、燃焼過程で実現する希薄燃焼技術の開発がなされている。この希薄燃焼は、均一混合気方式と層状給気方式に大別される。しかし、いずれの方式でも、使用目的に添わない問題がある。前者の場合、一般に主室式希薄燃焼方式が採用されるが、この方式では、燃焼室形状や空気流動を適正化する工夫や点火装置の強化で希薄混合気の安定燃焼を達成している反面、失火限界を十分に低減できない。
【０００４】
また、後者の場合、点火プラグ付近のみに濃混合気を供給し、他に希薄混合気を供給できるために、失火限界を希薄側に延長させることができるが、シリンダ内燃料噴射のように燃料ガス（空気混合燃料）を高圧まで圧縮する方式では、大きな動力を必要とする。吸気ポートへの燃料噴射方式では、対象が限られ、低圧ガス供給には採用されないのである。
【０００５】
本発明は、燃料噴射における燃料の霧化の状態を具に研究した結果に基づいてなされたもので、その目的とするところは、希薄状態にても良好で安定した燃焼状態を維持でき、かつＮＯｘ及びＣＯ低減を十分に達成できる液体燃料の燃焼システムを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明では、気体溶解タンクで液体燃料に常温常圧で気体である成分を圧入して混合・溶解させた気体溶解燃料を加圧し低圧のエンジン燃焼室内に噴射し、前記気体溶解燃料を燃焼室内で分散・微粒子化し、更に溶解した気体を発泡させて微粒子が再分裂した破片とし、前記液体燃料が霧化した状態にして着火・燃焼させる液体燃料の燃焼システムにおいて、前記気体溶解タンクは、１）気体溶解タンクの外側で圧縮気体供給源から圧力調整弁と他の弁とが順次設けられた管が気体溶解タンクの内部に延び、延びた前記管の先端部の管接合部において、１０〜３０本束ねられた微細ノズル体が外筒によって外筒の中心軸方向と管接合部の中心軸方向と各微細ノズル体の中心軸方向とが同一となるように互いに結合され、且つ前記微細ノズル体のうち一部の微細ノズル体はその先端部が外に向いて開口する形状に形成された気体溶解ノズルと、２）前記気体溶解タンク上部の分離気体を前記気体溶解ノズルに循環させるように、気体溶解タンクの上部から弁を介して前記圧縮気体供給源からの圧力調整弁と他の弁との間の前記管に連結された気体循環経路と、３）気体溶解タンクの上部に設けられた気体抜き弁と、４）前記気体溶解タンクの底部と前記気体溶解燃料を噴射する噴霧ノズルとを連結し経路中間に加圧ポンプが設けられた配管と、を具備することを特徴とする。
【０００７】
この場合、前記気体溶解タンク内での気体混合割合は、気体／液体燃料の容量比が約０．５〜２．０である。また、前記気体は、空気及び／又は不活性ガスである。
【０００８】
このように、予め液体燃料に気体を混合・溶解させ、所謂、気体混合・溶解燃料をポンプなどに供給・加圧して、噴霧ノズルで低圧の燃焼室内に噴射すると、通常の分散、微粒化と同時に各燃料粒子内の溶解気体が燃焼室（低圧）内との圧力差で膨張し、燃料粒子を発泡させ、再分裂することができる。
【０００９】
このようにして、再分裂した破片（細微粒化粒子）は、極めて微細で、数ミクロン程度となり、通常の分散、微粒化された燃料粒子に比べて、表面積／体積の比が大幅に増加し、着火・燃焼性が向上するので、安定した超希薄燃焼が実現でき、かつＮＯｘ及びＣＯを大幅に低減できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図１ないし図５を参照して具体的に説明する。ここでの液体燃料の燃焼システムは、図１に示すような大容量連続使用方式や図２に示すような小容量加圧タンク方式（バッチ式）において適用される。
【００１１】
いずれの場合も、燃焼室（図示せず）に供給する液体燃料に、予め、気体溶解タンク１において所要割合において気体を混合・溶解させ、前記気体溶解タンク１から供給される前記気体混合・溶解燃料を加圧し、噴霧ノズル２を介して、低圧の燃焼室内に噴射し、霧化させた状態で、着火・燃焼させるのである。
【００１２】
なお、図中、符号３は液体燃料供給タンク、４は液体燃料供給タンク３から液体燃料、例えば、軽油、灯油、Ａ級重油、ガソリンなどを気体溶解タンク１に供給する経路に設けた電磁制御バルブ、５は気体溶解タンク１内に設けた気体溶解ノズル、６は気体溶解ノズル５に圧縮気体を供給する圧縮気体供給源（空気ポンプ、液体気体ボンベなど）、７はその経路に設けた圧力調整弁である。
【００１３】
また、符号８は気体溶解タンク１に設けた圧力安全弁、９は圧力計、１０は気体抜き弁、１１は液面計である。なお、バッチ式（図２を参照）の場合、気体溶解タンク１内の上部の分離気体を気体溶解ノズル５に循環させるための経路１２、これに付帯する制御弁、ポンプなどが装備されるとよい。
【００１４】
本発明の実施の形態では、気体溶解タンク１内での気体混合割合が、気体／液体燃料の比で約０．５〜２．０であることが有効であり、特に、容量比０．５〜１．５であることがより好ましい（図３を参照）。気体溶解タンク１内には、圧力調整弁７で所要圧に調整された圧縮気体が供給され、気体溶解ノズル５によって、この圧縮気体は、気体溶解タンク１内に供給された液体燃料に対し、混合・溶解される。
【００１５】
この実施形態における気体溶解ノズル５は、図５に示すように、微細ノズル体５ａの集合である。微細ノズル体は、例えば０．１ｍｍの内径を有する金属管であり、この様な微細ノズル体５ａの１０〜３０本程度が圧縮気体供給源６からの管接合部において、外筒５ｂにより互いに結合されて気体溶解ノズルが構成される。多数の微細ノズル体５ａの先端部は異なる方向に圧縮気体を噴霧できるように、その向きが異なっている。また、例えば、一部の微細ノズル体５ａはその先端部が外に向いて開口する形状に形成されており、これにより液体燃料に対する気体の混合・溶解の効率を向上させている。上記のような気体溶解ノズル５を介して、気体圧縮供給源６により気体を供給することで、短時間の内に液体燃料に気体を溶解することができ、バッチ式のみならず、連続使用方式においても適応可能としたものである。さらに、気体溶解ノズル５は必要に応じて気体溶解タンク内１に複数設置することも可能である。
【００１６】
上述の気体溶解ノズル５を介して、気体圧縮供給源６により圧力約５Ｋｇ／ｃｍ^２にて気体を供給することにより、気体溶解タンク１内の液体燃料に混合・溶解される気体の容量比（気体／液体燃料）はおよそ１となり、燃焼時におけるＮＯｘ、ＣＯの低減が達成される。また、より高圧で、例えば８〜９Ｋｇ／ｃｍ^２にて気体を送る場合には気体の混合・溶解される容量比（気体／液体燃料）は約１．５となり、更に低ＮＯｘ、低ＣＯとすることが可能である。
【００１７】
図４には、本発明の燃焼システムにおける液体燃料の圧力推移が示されている。気体溶解タンク１内への給油には、ポンプ（図示せず）などが採用されるが、その圧力ｐ１に対して、圧縮気体供給源６からの圧縮気体圧が加わり、Δｐだけ圧力上昇し、噴霧ノズル２へは、気体溶解タンク１から噴霧ノズル２への経路に設けた加圧ポンプ（図示せず）が働き、その圧力をｐ２まで上昇する。
【００１８】
前記加圧ポンプによる圧力ｐ２は、噴射ノズル２に至るまでのわずかな圧力損失を除き維持されるので噴射圧にほぼ等しく、通常１００Ｋｇ／ｃｍ^２〜２００Ｋｇ／ｃｍ^２である。
そして、燃焼室では、噴霧ノズル２から、低圧化された燃焼室内に機械的に噴霧される際、最初の圧力低下が起こり、更に、霧化（通常の分散・微粒化）された燃料粒子中の溶解気体の膨張で、細微粒化（発泡・破裂）が達成される泡沫分裂過程で、さらに圧力低下が起こり大気圧〜１ｋｇ／ｃｍ^２となり、その状態で点火・燃焼により、燃焼ゾーンに入るのである。上述の細微粒化では、微粒子の表面積／体積の比が、通常の霧化による燃料粒子に比べて、著しく増加しているので、超希薄燃焼が達成され、ＮＯｘ及びＣＯ発生の低下をもたらす。
【００１９】
この実施の形態においては、液体燃料に混合・溶解する気体として、主に空気を対象に述べたが、本発明の液体燃料の燃焼システムにおける気体は空気以外に不活性ガス及び空気と不活性ガスとの混合ガスを用いることができる。
【００２０】
なお、この実施の形態では、自動車エンジンなどの燃焼を念頭に置いて説明しているが、その他の、ＮＯｘ対策を必要とする工場などでの燃焼方式にも、本発明は適用できるものである。
【００２１】
【発明の効果】
本発明は、以上詳述したようになり、燃焼室に供給する液体燃料に、予め、気体溶解タンクで、所要割合において気体溶解ノズルにより気体を混合・溶解させ、前記気体溶解タンクから供給する前記気体混合・溶解燃料を加圧して低圧の燃焼室内に噴射し、霧化させた状態で着火・燃焼させることを特徴とする。
従って、希薄状態にても良好で安定した燃焼状態を維持でき、ＮＯｘ及びＣＯ低減を十分に達成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係わる連続使用方式の構成図である。
【図２】同じく、バッチ式に適用した場合の構成図である。
【図３】本発明の燃料システムにおける気体溶解タンクでの各種液体燃料別空気溶解量の測定値を示すグラフである。
【図４】本発明の燃焼システムでの、液体燃料の圧力推移を示すタイムテーブルである。
【図５】本発明に係わる気体溶解ノズルの先端部分を示す概略図である。
【符号の説明】
１気体溶解タンク
２噴霧ノズル
３液体燃料供給タンク
４電磁制御バルブ
５気体溶解ノズル
５ａ微細ノズル体
５ｂ外筒
６圧縮気体供給源
７圧力調整弁
８圧力安全弁
９圧力計
１０気体抜き弁
１１液面計
１２経路

Claims

気体溶解タンクで液体燃料に常温常圧で気体である成分を圧入して混合・溶解させた気体溶解燃料を加圧し低圧のエンジン燃焼室内に噴射し、前記気体溶解燃料を燃焼室内で分散・微粒子化し、更に溶解した気体を発泡させて微粒子が再分裂した破片とし、前記液体燃料が霧化した状態にして着火・燃焼させる液体燃料の燃焼システムにおいて、
前記気体溶解タンクは、
１）気体溶解タンクの外側で圧縮気体供給源から圧力調整弁と他の弁とが順次設けられた管が気体溶解タンクの内部に延び、延びた前記管の先端部の管接合部において、１０〜３０本束ねられた微細ノズル体が外筒によって外筒の中心軸方向と管接合部の中心軸方向と各微細ノズル体の中心軸方向とが同一となるように互いに結合され、且つ前記微細ノズル体のうち一部の微細ノズル体はその先端部が外に向いて開口する形状に形成された気体溶解ノズルと、
２）前記気体溶解タンク上部の分離気体を前記気体溶解ノズルに循環させるように、気体溶解タンクの上部から弁を介して前記圧縮気体供給源からの圧力調整弁と他の弁との間の前記管に連結された気体循環経路と、
３）気体溶解タンクの上部に設けられた気体抜き弁と、
４）前記気体溶解タンクの底部と前記気体溶解燃料を噴射する噴霧ノズルとを連結し経路中間に加圧ポンプが設けられた配管と、を具備することを特徴とする液体燃料の燃焼システム。
前記気体溶解タンク内での気体混合割合は、気体／液体燃料の容量比が０．５〜２．０であることを特徴とする請求項１に記載の液体燃料の燃焼システム。
前記気体は、空気及び／又は不活性ガスであることを特徴とする請求項１又は２に記載の液体燃料の燃焼システム。