JP4652238B2 - バイオ・ディーゼル・フューエル・エンジン・システムおよびバイオ・ディーゼル・フューエル・エンジンの運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、メチルエステル法により改質処理することなく、植物由来・動物由来の油脂分を含む液状バイオマス資源から既存のディーゼルエンジン用のバイオマス燃料を作成することが可能であって、これにより低燃費で信頼性高く安定的に運転することが可能なバイオ・ディーゼル・フューエル・エンジン・システムおよびバイオ・ディーゼル・フューエル・エンジンの運転方法に関する。

動・植物油を、バーナー炊き用の燃料として用いる技術が特許文献１や特許文献２に開示されている。他方、近年にあっては、ディーゼルエンジン用燃料として、バイオ・ディーゼル・フューエル（ＢＤＦ）が脚光を浴びている。このバイオ・ディーゼル・フューエルは動・植物油をメチルエステル法で改質して燃料化するようにしている。メチルエステル法により、動・植物油の引火点を下げ、また動粘度を低下させて燃料噴射特性を改善し、これにより既存ディーゼルエンジンへの適用を可能としている。
特開２００３−２９４２２１号公報 特開２００４−１９８０５０号公報

ところで、メチルエステル法によって動・植物油を改質して燃料化した場合、次のような課題があった。
（１）動・植物油をメタノールと化学反応させて燃料化するものであり、改質処理に必要な設備コストも含めて、改質処理にコストがかかり、軽油よりも割高になってしまう。
（２）副生成物としてグリセリンが生じ、その処理に手間やコストがかかる。また、このように副生成物が発生することから、動・植物油から得られるバイオ・ディーゼル・フューエルの収率が低い。
（３）脱グリセリン処理であるため、得られたバイオ・ディーゼル・フューエルの熱量は小さく、高い出力が得られない。
（４）軽油などの化石燃料と混ぜることなく、バイオ・ディーゼル・フューエルを１００％で使用する場合、潤滑物質がないため、ディーゼルエンジンに焼き付きなどの機械的損傷が発生し易く、信頼性が低い。

本発明は上記従来の課題に鑑みて創案されたものであって、メチルエステル法により改質処理することなく、植物由来・動物由来の油脂分を含む液状バイオマス資源から既存のディーゼルエンジン用のバイオマス燃料を作成することが可能であって、低コストで作成することができ、また副生成物がなく、従って改質処理における手間やコストを削減できかつ収率も高いとともに、得られるバイオマス燃料そのものにより好ましい潤滑性能が得られ、改質処理後も高い熱量を有するバイオマス燃料によって高い出力が得られ、これにより低燃費で信頼性高く安定的に運転することが可能なバイオ・ディーゼル・フューエル・エンジン・システムおよびバイオ・ディーゼル・フューエル・エンジンの運転方法を提供することを目的とする。

本発明にかかるバイオ・ディーゼル・フューエル・エンジン・システムは、メチルエステル法による改質処理を行っていない植物由来・動物由来の油脂分を含む液状バイオマス資源を燃料原液とし、燃料原液を、これに界面活性剤を添加して、微細化装置により１０μｍ以下の粒径に微細化して、バイオマス燃料を作成し、該微細化装置は、圧送される燃料原液を加速させるノズルおよび該ノズルにロータ面を向けて配置されて燃料原液が衝突される回転自在なロータを燃料原液の流れ方向に交互に複数設け；上記ロータには、上記ロータ面の外周部に位置させて、流通する燃料原液で該ロータを回転させると同時に、その回転で燃料原液の流れにせん断力を作用させて旋回流を生じさせつつ燃料原液を破砕する斜方スリットを貫通形成し；複数の上記ノズルは、燃料原液の流れ方向に沿って、上流側の該ノズルの口径を下流側の該ノズルの口径よりも小さく設定し；複数の上記ロータは、燃料原液の流れ方向に沿って、上流側の該ロータの外径寸法を下流側の該ロータの外径寸法よりも小さく設定し；上記斜方スリットは、燃料原液の流れ方向に沿って、上流側の該斜方スリットの大きさを下流側の該斜方スリットの大きさよりも小さく設定し；交互に設けた上記ノズルおよび上記ロータの燃料原液流れ方向下流側に、旋回流となって流れ込む燃料原液が衝突される凹状壁部を有して、その内部で燃料原液を撹拌混合させる混合チャンバを設けると共に；燃料原液の流れ方向に沿って、交互に設けた上記ノズルおよび上記ロータから上記混合チャンバにわたってこれらを取り囲んで、燃料原液に磁力を作用させて当該燃料原液を磁化する磁化ユニットを設けて構成し；バイオマス燃料をバイオマス燃料供給系を介して燃料噴射装置に供給し、該燃料噴射装置でバイオマス燃料をエンジンシリンダ内に噴霧してディーゼルエンジンを運転することを特徴とする。

前記バイオマス燃料供給系に対し、軽油や重油などの化石燃料を供給する化石燃料供給系を併設するとともに、前記燃料噴射装置に対するこれら化石燃料供給系およびバイオマス燃料供給系の接続を切り替える切替装置を備えたことを特徴とする。

前記バイオマス燃料供給系に、バイオマス燃料を加温する加温装置を備えたことを特徴とする。

燃料原液からバイオマス燃料を作成する前記微細化装置を含む製造ユニットを、前記バイオマス燃料供給系に着脱自在に接続したことを特徴とする。

前記製造ユニットは、作成されたバイオマス燃料を貯留するバイオマス燃料貯留タンクを備えることを特徴とする。

前記バイオマス燃料貯留タンクに対し、化石燃料を貯留しかつ前記化石燃料供給系に着脱自在に接続される化石燃料貯留タンクを併設して、燃料貯留設備を構成したことを特徴とする。

本発明にかかるバイオ・ディーゼル・フューエル・エンジンの運転方法は、メチルエステル法による改質処理を行っていない植物由来・動物由来の油脂分を含む液状バイオマス資源を燃料原液とし、燃料原液を、これに界面活性剤を添加して、微細化装置により１０μｍ以下の粒径に微細化して、バイオマス燃料を作成し、該微細化装置は、圧送される燃料原液を加速させるノズルおよび該ノズルにロータ面を向けて配置されて燃料原液が衝突される回転自在なロータを燃料原液の流れ方向に交互に複数設け；上記ロータには、上記ロータ面の外周部に位置させて、流通する燃料原液で該ロータを回転させると同時に、その回転で燃料原液の流れにせん断力を作用させて旋回流を生じさせつつ燃料原液を破砕する斜方スリットを貫通形成し；複数の上記ノズルは、燃料原液の流れ方向に沿って、上流側の該ノズルの口径を下流側の該ノズルの口径よりも小さく設定し；複数の上記ロータは、燃料原液の流れ方向に沿って、上流側の該ロータの外径寸法を下流側の該ロータの外径寸法よりも小さく設定し；上記斜方スリットは、燃料原液の流れ方向に沿って、上流側の該斜方スリットの大きさを下流側の該斜方スリットの大きさよりも小さく設定し；交互に設けた上記ノズルおよび上記ロータの燃料原液流れ方向下流側に、旋回流となって流れ込む燃料原液が衝突される凹状壁部を有して、その内部で燃料原液を撹拌混合させる混合チャンバを設けると共に；燃料原液の流れ方向に沿って、交互に設けた上記ノズルおよび上記ロータから上記混合チャンバにわたってこれらを取り囲んで、燃料原液に磁力を作用させて当該燃料原液を磁化する磁化ユニットを設けて構成し；バイオマス燃料をバイオマス燃料供給系を介して燃料噴射装置に供給し、該燃料噴射装置でバイオマス燃料をエンジンシリンダ内に噴霧してディーゼルエンジンを運転することを特徴とする。

本発明にかかるバイオ・ディーゼル・フューエル・エンジン・システムおよびバイオ・ディーゼル・フューエル・エンジンの運転方法にあっては、メチルエステル法により改質処理することなく、植物由来・動物由来の油脂分を含む液状バイオマス資源から既存のディーゼルエンジン用のバイオマス燃料を作成することができ、低コストで作成することができて、また副生成物がなく、従って改質処理における手間やコストを削減できかつ収率も高いとともに、得られるバイオマス燃料そのものにより好ましい潤滑性能が得られ、改質処理後も高い熱量を有するバイオマス燃料によって高い出力が得られ、これにより低燃費で信頼性高く安定的に運転することができる。詳細には、上記システムおよび運転方法に適用する微細化装置は、メチルエステル法による改質処理を行っていない植物由来・動物由来の油脂分を含む液状バイオマス資源である燃料原液に対して、力学的せん断力や電磁気的エネルギを作用させることで、一般に高分子構造であって安定して結合している燃料原液の分子における電気的平衡状態を崩し、低分子化を促進して微粒化させるとともに、電気的吸引力による再結合を防止できるようになっていて、これによって得られる粒径として、通常のディーゼルエンジンで確保されている噴霧径２０μｍ程度に対し、１０〜数μｍという微細粒子を事前に形成することができる。

以下に、本発明にかかるバイオ・ディーゼル・フューエル・エンジン・システムおよびバイオ・ディーゼル・フューエル・エンジンの運転方法の好適な一実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。本実施形態にかかるバイオ・ディーゼル・フューエル・エンジン・システムは基本的には、図１から図４に示すように、植物由来・動物由来の油脂分を含む液状バイオマス資源を燃料原液とし、燃料原液を、これに界面活性剤を添加して、微細化装置１により１０μｍ以下の粒径に微細化して、バイオマス燃料を作成し、バイオマス燃料をバイオマス燃料供給系５０を介して燃料噴射装置５１に供給し、燃料噴射装置５１でバイオマス燃料をエンジンシリンダ５２内に噴霧してディーゼルエンジン５３を運転するように構成される。

バイオマス燃料供給系５０に対し、軽油や重油などの化石燃料を供給する化石燃料供給系５４を併設するとともに、燃料噴射装置５１に対するこれら化石燃料供給系５４およびバイオマス燃料供給系５０の接続を切り替える切替装置としての切替弁５５が備えられる。バイオマス燃料供給系５０に、バイオマス燃料を加温する加温装置５６が備えられる。燃料原液からバイオマス燃料を作成する微細化装置１を含む製造ユニット５７は、バイオマス燃料供給系５０に着脱自在に接続される。製造ユニット５７は、作成されたバイオマス燃料を貯留するバイオマス燃料貯留タンク５８を備える。バイオマス燃料貯留タンク５８に対し、化石燃料を貯留しかつ化石燃料供給系５４に着脱自在に接続される化石燃料貯留タンク５９を併設して、これらタンク５８，５９で燃料貯留設備が構成される。

本実施形態にかかるバイオ・ディーゼル・フューエル・エンジンの運転方法は基本的には、植物由来・動物由来の油脂分を含む液状バイオマス資源を燃料原液とし、燃料原液を、これに界面活性剤を添加して、微細化装置１により１０μｍ以下の粒径に微細化して、バイオマス燃料を作成し、バイオマス燃料をバイオマス燃料供給系５０を介して燃料噴射装置５１に供給し、燃料噴射装置５１でバイオマス燃料をエンジンシリンダ５２内に噴霧してディーゼルエンジン５３を運転するようになっている。

本実施形態にかかるバイオ・ディーゼル・フューエル・エンジン・システムは主に、ディーゼルエンジン５３を用いた各種のプラントやディーゼルエンジン自動車などのディーゼルエンジン設備６０と、ディーゼルエンジン設備６０への燃料を準備するための燃料設備６１とを備えて構成される。

燃料原液となる植物由来・動物由来の油脂分を含む液状バイオマス資源として、通常燃料化には適さない飽和脂肪酸を主体とするあるいは多量に含む、加工油脂であるバター、動物性油脂である牛脂、豚脂、植物性油脂の中でも、パーム核油、パーム油、ヤシ油を使用することができるとともに、その他の大豆油、ごま油、米ぬか油、なたね油、オリーブ油、べに花油（ハイオレイン、ハイリノール）、ひまわり油、コーン油、さらに魚油のキハダマグロ、マイワシ、サケから抽出される油など、各種の動物性・植物性油脂を使用できる。これら液状バイオマス資源に対しては、水は添加しても、しなくてもよい。また、固化状態のものは、加熱するなどして溶融液化して使用すればよい。

燃料設備６１には、燃料原液からバイオマス燃料を作成する製造ユニット５７が備えられる。製造ユニット５７は主に、燃料原液である液状バイオマス資源を受け入れる原液タンク６２と、原液タンク６２から供給される燃料原液を、その粒径が１０μｍ以下となるように微細化処理する、後述する微細化装置１と、微細化装置１へ供給される燃料原液に、助剤タンク６３から界面活性剤を添加する助剤添加系３８と、微細化装置１で微細化することにより作成されたバイオマス燃料を一時的に貯留するバイオマス燃料貯留タンク５８とを備える。

バイオマス燃料貯留タンク５８の出口側には、粒径が１０μｍ以下の粒径のバイオマス燃料分のみを透過させるフィルタ６４が設けられる。また、バイオマス燃料貯留タンク５８と微細化装置１への流入側との間には、微細化して作成されたバイオマス燃料を一度だけでなく、何度でも微細化装置１に循環流通させて、微細化を促進するための循環系６５が設けられる。バイオマス燃料貯留タンク５８の出口側には、バイオマス燃料をディーゼルエンジン設備６０に給油するための給油ホース６６が着脱自在に接続される。また、燃料設備６１には、バイオマス燃料貯留タンク５８に対し、軽油や重油などの化石燃料を一時的に貯留する化石燃料貯留タンク５９が併設され、この化石燃料貯留タンク５９にも、ディーゼルエンジン設備６０へ給油するための給油ホース６７が着脱自在に接続される。

ディーゼルエンジン設備６０は主に、製造ユニット５７のバイオマス燃料貯留タンク５８に接続された給油ホース６６が着脱自在に接続され、バイオマス燃料を供給するバイオマス燃料供給系５０と、化石燃料貯留タンク５９に接続された給油ホース６７が着脱自在に接続され、化石燃料を供給する化石燃料供給系５４と、ディーゼルエンジン５３と、ディーゼルエンジン５３のエンジンシリンダ５２内に燃料を噴霧する燃料噴射装置５１と、燃料噴射装置５１に対し化石燃料あるいはバイオマス燃料のいずれかを択一的に供給するために、切り替え動作されて燃料噴射装置５１を化石燃料供給系５４およびバイオマス燃料供給系５０のいずれかと接続する切替弁５５とを備える。

バイオマス燃料供給系５０は、燃料設備６１の製造ユニット５７から給油されるバイオマス燃料を貯留するバイオマス燃料タンク６８を備える。化石燃料供給系５４は、燃料設備６１の化石燃料貯留タンク５９から給油される化石燃料を貯留する化石燃料タンク６９を備える。切替弁５５による化石燃料供給系５４とバイオマス燃料供給系５０の切り替え制御は、どのようなタイミングで行うようにしてもよいが、例えば、エンジン始動時などのエンジン冷間時やエンジンの低速回転時は、燃料噴射装置５１を化石燃料供給系５４と接続して化石燃料でディーゼルエンジン５３を運転し、その他の運転状態では、燃料噴射装置５１をバイオマス燃料供給系５０と接続して、バイオマス燃料でディーゼルエンジン５３を運転するように設定することが好ましい。

また、ディーゼルエンジン設備６０には、バイオマス燃料を加温して低粘度化させる加温装置５６が設けられる。この加温装置５６は、ディーゼルエンジン５３の排気系７０に設けられ、排ガスで熱媒を加熱する熱交換器７１と、バイオマス燃料タンク６８に設けられ、熱媒の熱でバイオマス燃料を加温する加温部７２と、これら加温部７２と熱交換器７１との間で熱媒を循環流通させる熱媒循環系７３とを備える。切替弁５５によってバイオマス燃料供給系５０および化石燃料供給系５４から択一的に供給されるバイオマス燃料および化石燃料は、燃料噴射装置５１に供給される。燃料噴射装置５１はこれら燃料をエンジンシリンダ５２内に噴霧し、噴霧されたこれら燃料は、ディーゼルエンジン５３における圧縮着火で燃焼され、これによりディーゼルエンジン５３が運転される。図中、７４は、ディーゼルエンジン設備６０が自動車である場合の車輪である。

図２および図３には、燃料原液である液状バイオマス資源を、粒径１０μｍ以下の粒径に微細化する微細化装置１の一例が示されている。微細化装置１は基本的には、図示しない圧送ポンプなどで圧送される燃料原液を加速させる第１および第２ノズル２，３およびこれらノズル２，３にロータ面４ａ，５ａを向けて配置されて燃料原液が衝突される回転自在な第１および第２ロータ４，５を燃料原液の流れ方向に交互に複数設け、ロータ４，５には、ロータ面４ａ，５ａの外周部に位置させて、流通する燃料原液でロータ４，５を回転させると同時に、その回転で燃料原液の流れにせん断力を作用させて旋回流を生じさせつつ燃料原液を破砕する第１および第２斜方スリット６，７を貫通形成し、複数のノズル２，３は、燃料原液の流れ方向に沿って、上流側の第１ノズル２の口径を下流側の第２ノズル３の口径よりも小さく設定し、複数のロータ４，５は、燃料原液の流れ方向に沿って、上流側の第１ロータ４の外径寸法を下流側の第２ロータの外径寸法よりも小さく設定し、斜方スリット６，７は、燃料原液の流れ方向に沿って、上流側の第１斜方スリット６の大きさを下流側の第２斜方スリット７の大きさよりも小さく設定し、交互に設けたノズル２，３およびロータ４，５の燃料原液流れ方向下流側に、旋回流となって流れ込む燃料原液が衝突される凹状壁部としての第１凹曲面壁部８を有して、その内部で燃料原液を層流状態で撹拌混合させる混合チャンバ９を設けて構成される。

また、燃料原液に磁力を作用させて当該燃料原液を磁化する磁化ユニット１０が備えられる。磁化ユニット１０は、燃料原液の流れ方向に沿って、交互に設けたノズル２，３およびロータ４，５から混合チャンバ９にわたってこれらを取り囲んで設けられる。

図示例の微細化装置１は、締め緩め自在なネジによって順次結合される５つの管状ユニット１１〜１５を備えて構成される。第１管状ユニット１１は、電磁波等の進入を抑制するために非磁性材料で形成される。第１管状ユニット１１には、これに形成される環状仕切り壁１６で区分けして、燃料原液の流れ方向に沿って順次、流入側開口部１７を一端に有する中空室１８と、第２管状ユニット１２が装着される第１凹部１９とが形成される。中空室１８には、環状仕切り壁１６の内周に流出口部２０ａを螺着して、異物を除去するストレーナ２０が収容される。中空室１８の流入側開口部１７には、圧送される燃料原液を中空室１８に流入させるための原液流入孔２１ａを有する入口側ブッシング２１が螺着される。入口側ブッシング２１には、界面活性剤を導入する助剤添加系３８が接続される。助剤添加系３８には、界面活性剤の供給・停止を切り換えるバルブ３９と、界面活性剤の逆流を防止する逆止弁４０が設けられる。原液タンク６２から入口側ブッシング２１の原液流入孔２１ａを介して第１管状ユニット１１に流入され、助剤添加系３８からの界面活性剤が添加された燃料原液は、ストレーナ２０で異物が除去された後、その流出口部２０ａから第１凹部１９側へと流入するようになっている。

第２管状ユニット１２には、両端に凸部１２ａ，１２ｂが形成される。第２管状ユニット１２の一方の凸部１２ａは、第１管状ユニット１１の第１凹部１９に螺着される。またこの一方の凸部１２ａには、ストレーナ２０の流出口部２０ａ内に挿入される突起１２ｃが形成される。第２管状ユニット１２には、突起１２ｃを有する一方の凸部１２ａから他方の凸部１２ｂにわたって、燃料原液の流れ方向に沿って順次、流入孔２２と、流路断面積が順次狭まる錐体面状流路２３と、これを流通する燃料原液の流速を加速させる第１ノズル２と、第１ロータ４を収容する第１ロータ収容室２４とが形成される。流入孔２２は突起１２ｃに形成され、ストレーナ２０の流出口部２０ａに連通される。

錐体面状流路２３は、第２管状ユニット１２に窪ませて形成した錐体状凹部２５内に錐体状のブロック２６を配置することによって、これら間に形成される。ブロック２６は、錐体状凹部２５の内周面に対し、適宜に連結されて支持される。ブロック２６には、流入孔２２と向かい合う壁面２６ａが形成される。錐体面状流路２３は、流路断面積が広い一端が流入孔２２側に連通され、流路断面積が絞られて狭い他端が第１ノズル２と連通される。第１ノズル２は、錐体面状流路２３と第１ロータ収容室２４との間に設けられて、これらを連通させる。第１ロータ収容室２４は、その内径が第１ノズル２の内径よりも大きく形成される。

第１ロータ４は、第１ノズル２にロータ面４ａを向けて、第１ロータ収容室２４内に回転自在に設けられる。第１ロータ４はまた、第１ロータ収容室２４内で燃料原液の流れ方向にスライド自在に設けられる。第１ロータ４の外周部には、１８０°間隔で、一対の第１斜方スリット６が形成される。これら第１斜方スリット６は、第１ロータ４をその厚さ方向に斜めに貫通して形成され、それらの斜めの向きは第１ロータ４の周方向に沿って同じ方向に設定される。

ストレーナ２０の流出口部２０ａから流出される燃料原液は、第２管状ユニット１２の流入孔２２に流入する。流入孔２２に流入した燃料原液は、ブロック２６の壁面２６ａに衝突し、これによって破砕され微細化されて、当該壁面２６ａに沿って広がりながら錐体面状流路２３へと向かって流れる。燃料原液はさらに、錐体面状流路２３へと繋がるブロック２６周りでせん断作用を受けて破砕されつつ、錐体面状流路２３へと流れ込む。錐体面状流路２３は上述したように、燃料原液の流れ方向に沿って順次流路断面積が狭められるため、燃料原液は、その流体圧が再度高められて、第１ノズル２へと流入する。第１ノズル２を流通することで、燃料原液はその流速が加速され、第１ロータ収容室２４に向かって噴出される。

第１ロータ収容室２４に噴出した燃料原液は、第１ロータ４のロータ面４ａに衝突し、これにより破砕されてさらに微細化され、ロータ面４ａに沿って広がりながら第１斜方スリット６へと流れ込む。燃料原液は、第１斜方スリット６に流通することにより、第１ロータ４に一方向の回転力を生じさせてこれを回転させる。同時に、第１ロータ４が回転することで、第１斜方スリット６を通過する燃料原液はせん断力の作用を受け、これにより旋回流となって第１ロータ４から流出されつつ、流出する際に当該第１斜方スリット６によって破砕作用を受ける。燃料原液の流れが第１ロータ４によって旋回流とされることで、それまで破砕され微細化されてきた燃料原液に遠心力が作用し、燃料原液中の重い分子が外側に、軽い分子が内側となるように分離作用が働く。また、この一方向回転の旋回流は、螺旋様の層流状態の流れとなる。第１ロータ４は、その表裏に作用する流体圧に応じて第１ロータ収容室２４内をスライドし、表裏両側に発生する流体圧をバランスさせて燃料原液の流通性を向上するようになっている。

第３管状ユニット１３には、両端に凹部１３ａ，１３ｂが形成される。第３管状ユニット１３の一方の凹部１３ａには、第２管状ユニット１２の他方の凸部１２ｂが螺着される。他方の凹部１３ｂには、第４管状ユニット１４が螺着される。第３管状ユニット１３には、一方の凹部１３ａから他方の凹部１３ｂにわたって、燃料原液の流れ方向に沿って順次、第１ロータ４から流出された燃料原液の旋回状態を維持する旋回流室２７と、燃料原液の流速を加速させる第２ノズル３が形成される。第１ロータ４から流出された燃料原液の旋回流は、旋回流室２７を経過して、第２ノズル３へと流入され、その流速が加速される。第２ノズル３の口径は、第１ノズル２の口径よりも大きく設定される。燃料原液の流速が圧損等により順次低下していくことを考慮し、（流速×ノズル口径）で決まる単位時間あたりの流量が一定になるように、流速の減少に対応させてノズル口径が大きく設定される。

第４管状ユニット１４には、両端に凸部１４ａ，１４ｂが形成される。第４管状ユニット１４の一方の凸部１４ａは、第３管状ユニット１３の他方の凹部１３ｂに螺着される。第４管状ユニット１４の他方の凸部１４ｂには、第５管状ユニット１５の一端が螺着される。第４管状ユニット１４には、一方の凸部１４ａから他方の凸部１４ｂにわたって、燃料原液の流れ方向に沿って順次、第２ロータ５を収容する第２ロータ収容室２８と、混合チャンバ９を構成する凹状壁部としての第２凹曲面壁部２９と、これら第２凹曲面壁部２９と第２ロータ収容室２８とを連通する噴出口３０とが形成される。第２ロータ収容室２８は、その内径が第２ノズル３の内径よりも大きく形成される。

第２ロータ５は、第１斜方スリット６と同じ向きの一対の第２斜方スリット７を有して、第１ロータ４と同様に構成される。第２ロータ５の外径寸法は、第１ロータ４の外径寸法よりも大きく設定される。同一回転速度であれば、外径寸法の大きな第２ロータ５の最外周部分の周速度は第１ロータ４よりも大きくなり、従って、流速が低下した燃料原液であっても、第２斜方スリット７から流出される燃料原液を、強い強度の旋回流として流出させることができる。また、第２斜方スリット７の大きさが第１斜方スリット６の大きさよりも大きく形成され、これにより、ノズル口径の設定と同様に、流量の一定化を図ることができる。

第３管状ユニット１３の第２ノズル３から第２ロータ収容室２８に噴出される、分子の軽いものと重いものとが分離された状態の燃料原液の旋回流は、第２ロータ５のロータ面５ａに衝突し、これにより破砕されてさらなる微細化が進み、ロータ面５ａに沿って広がりながら第２斜方スリット７へと流れ込む。燃料原液は、第２斜方スリット７に流通することにより、第２ロータ５に、第１ロータ４と同じ方向の一方向の回転力を生じさせてこれを回転させる。同時に、第２ロータ５が回転することで、第２斜方スリット７を通過する燃料原液はせん断力の作用を受け、これにより旋回流がさらに強められて第２ロータ５から流出されつつ、流出する際に当該第２斜方スリット７によって破砕作用を受ける。

燃料原液は、第４管状ユニット１４においてさらに微細化が促進され、かつ第１ロータ４よりも大径な第２ロータ５による効果的な遠心力の作用でさらなる旋回流化が確保されて、重い分子と軽い分子の分離作用も強められる。また、第２斜方スリット７はその向きが第１斜方スリット６と同じ方向であって、螺旋様の層流状態の旋回流が適切に維持される。第２ロータ５にあっても、その表裏に作用する流体圧に応じて第２ロータ収容室２８内をスライドし、表裏両側に発生する流体圧をバランスさせて燃料原液の流通性を向上するようになっている。第２ロータ５を経過した燃料原液は、微細化されかつ分子の重いものが外側で軽いものが内側に分離された層流状態の旋回流として、噴出口３０から噴出される。

第５管状ユニット１５は、凹状壁部としての第１凹曲面壁部８を有する壁体３１を収納する収納室３２を有し、一端が第４管状ユニット１４の他方の凸部１４ｂに螺着されるとともに、他端に流出側開口部３３が形成され、開口部３３には原液流出孔３４ａを有する出口側ブッシング３４が螺着される。壁体３１は、ボルト３５により第５管状ユニット１５に取り付け固定される。第１凹曲面壁部８は、噴出口３０に向けられて、第２凹曲面壁部２９との間に、球状空間としての混合チャンバ９を区画形成する。混合チャンバ９は、第４管状ユニット１４の他方の凸部１４ｂおよび第５管状ユニット１５の収納室３２内面と、壁体３１との間に形成される隙間を介して、原液流出孔３４ａと連通される。

混合チャンバ９が球状空間であり、かつ第１凹曲面壁部８と噴出口３０が向かい合う配置であるので、噴出口３０から噴出された燃料原液の旋回流は、第１凹曲面壁部８に衝突してさらなる微細化が促進されるとともに、衝突した燃料原液は、そのまま混合チャンバ９から流出することなく、第１凹曲面壁部８の形状によって、第２凹曲面壁部２９との間の球状空間である混合チャンバ９内方へと押し返され取り込まれて相当の滞留時間滞留されるともに、この混合チャンバ９内での滞留中に、順次噴出口３０から噴出される燃料原液の層流状態の一方向回転の旋回流によって繰り返し撹拌され、そしてこの層流状態の旋回流による撹拌作用であることから、乱流や層流状態でない旋回流による撹拌よりも、微細化された燃料原液粒子は凝集などを生じることなく微細化状態が適切に保たれ、この撹拌作用によって、それまで分離状態で流通されてきた微細化状態の分子の重いものと軽いものとが当該混合チャンバ９内で一気に効率よく混合されて、これによりきわめて良好に微粒化状態に改質されたバイオマス燃料が生成される。

このようにして改質生成されたバイオマス燃料は、混合チャンバ９から原液流出孔３４ａを介してバイオマス燃料貯留タンク５８へ向かって流出される。原液タンク６２から原液流入孔２１ａを介して流入される燃料原液は、粒子が大小さまざまで、また凝集していたり、分子結合状態もバラバラであって、均質性のないものであるが、管状ユニット１１〜１５で処理することにより、１０μｍ程度の微細な粒径で分子結合状態も揃い、凝集状態もなくなって、均質で安定性のあるバイオマス燃料に改質することができる。また、添加した界面活性剤によって各粒子を包み込んだ状態にすることができて、作成されたバイオマス燃料の安定化を確保することができる。

さらに、燃料原液に磁力を作用させて燃料原液をイオン化する磁化ユニット１０が設けられる。図示例の微細化装置１にあっては、磁化ユニット１０は環状に形成され、管状ユニット１１〜１５の外側にこれらを取り囲んで設けられる。磁化ユニット１０は、上下２つの磁石４１のＮ極を向かい合わせ、左右２つの磁石４１のＳ極を向かい合わせる配置で、背に磁性板４２が取り付けられた４つの磁石４１により管状ユニット１１〜１５を取り囲むようになっている。そしてこの４つの磁石４１の組が微細化装置１の第１〜第５管状ユニット１１〜１５にわたって複数組設けられる。同じ極性の磁石４１を向かい合わせる配置によれば、燃料原液の流れ方向と直交する面内において、隣接するＮ極とＳ極との間でおおよそ管状ユニット１１〜１５の外周部にその周方向に沿って強い磁界Ｍが生成される。管状ユニット１１〜１５の外周部は、旋回流Ｔによる遠心作用で重い分子が集中して流れる領域であり、重い分子、すなわち高分子構造の分子を効果的に効率よくイオン化することができ、これによっても燃料原液の微細化を促進することができる。

この磁化ユニット１０自体はよく知られているもので、管状ユニット１１〜１５中を流通する燃料原液に対して磁場を作用させることで、安定した電気的平衡を崩して低分子化を促進するとともに、再結合・再凝集を阻止して、電磁気的に燃料原液を微細化する。微細化されたバイオマス燃料の粒子は、界面活性剤の作用で包み込まれて、微細化状態が安定的に維持される。図示例にあっては、これら管状ユニット１１〜１５および磁化ユニット１０を覆って、非磁性体の磁気遮蔽用筒状カバー３６が設けられる。

図示例の微細化装置１にあっては特に、燃料原液の流速を加速させる複数のノズル２，３を、燃料原液の流れ方向に沿って、上流側の第１ノズル２の口径が下流側の第２ノズル３の口径よりも小さくなるように設定し、かつまた斜方スリット６，７を、燃料原液の流れ方向に沿って、上流側の第１斜方スリット６の大きさを下流側の第２斜方スリット７の大きさよりも小さく設定するようにしたので、燃料原液の圧損による流速低下に対し、これらノズル２，３や斜方スリット６，７の寸法設定によって管状ユニット１１〜１５内での流量一定が確保され、流量制御を安定化できて燃料原液の微細化処理の処理効率が向上される。

また、複数のロータ４，５に関し、燃料原液の流れ方向に沿って、上流側の第１ロータ４の外径寸法を下流側の第２ロータ５の外径寸法よりも小さく設定したので、燃料原液の速度低下に対応させて、第１ロータ４および第２ロータ５を適切に作用させることができ、すなわち、速度の早い段階では、小径で中心部と外周部との速度差が小さい第１ロータ４によっても強い遠心作用の旋回流を生成できるとともに、速度が低下した段階では、大径で中心部と外周部との速度差が大きくなる第２ロータ５の回転運動によって、燃料原液に生じさせる旋回流速度を大きくでき、このようなロータ４，５の設定と、上記スリット６，７の寸法調整による流量設定とによって、効率的な燃料原液の微細化や、分子の重いものと軽いものと分離作用、層流状態の旋回流の生成が、第２〜第４管状ユニット１２〜１４のいずれの位置においても適切に確保されて、燃料原液を微細化装置１に通す操作回数を少なくすることができ、これによっても処理効率が向上される。

さらに、旋回流となって流れ込む燃料原液が衝突される第１および第２凹曲面壁部８，２９を有して、その内部で燃料原液を層流状態で撹拌混合させる混合チャンバ９を設けたことにより、衝突する燃料原液を、単に平坦な壁に衝突させて飛散させるのに比べ、球状空間とした混合チャンバ９内で相当の滞留時間で、微細化され分離状態にある燃料原液をその層流状態の旋回流によって効率よく撹拌混合できて、燃料原液を通す一度の改質操作で燃料原液の改質品位を飛躍的に向上することができ、これによっても燃料原液の微細化処理の処理効率が向上される。

また、磁化ユニット１０を、燃料原液の流れ方向に沿って、交互に設けたノズル２，３およびロータ４，５から混合チャンバ９にわたってこれらを取り囲んで設けたので、磁化ユニット１０と管状ユニット１１〜１５との並列配置によって装置を小型化できるとともに、力学的微細化処理と電磁気的微細化処理を同時に行うことができ、別々に処理する場合に比べて、処理効率が向上される。

本実施形態にかかるバイオ・ディーゼル・フューエル・エンジン・システムおよびバイオ・ディーゼル・フューエル・エンジンの運転方法の作用について説明すると、タンクローリーなどで輸送される化石燃料は、燃料設備６１の化石燃料貯留タンク５９に貯留される。また、燃料原液となる液状バイオマス資源も、タンクローリーなどで輸送されて、燃料設備６１の原液タンク６２に貯留される。原液タンク６２に貯留された燃料原液については、これに界面活性剤を添加し、微細化装置１で微細化して、バイオマス燃料貯留タンク５８に貯留する。バイオマス燃料貯留タンク５８に貯留されたバイオマス燃料については、必要に応じて、循環系６５を利用して適宜に微細化処理を繰り返すようにしてもよい。

バイオマス燃料は、１０μｍのフィルタ６４を通過する粒径のもののみが、バイオマス燃料貯留タンク５８から給油ホース６６を介して、ディーゼルエンジン設備６０のバイオマス燃料タンク６８に給油される。他方、化石燃料は、化石燃料貯留タンク５９から給油ホース６７を介して、ディーゼルエンジン設備６０の化石燃料タンク６９に給油される。切替弁５５の切替タイミングに応じ、例えばディーゼルエンジン５３の始動時には、化石燃料供給系５４が燃料噴射装置５１に接続され、これにより化石燃料が供給されて、ディーゼルエンジン５３が始動される。その後、切替弁５５の切り替え動作により、燃料噴射装置５１には、製造ユニット５７で事前に微細化されたバイオマス燃料がバイオマス燃料供給系５０から供給され、燃料噴射装置５１からエンジンシリンダ５２内に噴霧される。

図４には、通常の燃料噴射装置５１による燃料噴霧状態（図４（ａ）参照）と、本実施形態に従って作成されたバイオマス燃料が通常の燃料噴射装置５１で噴射された際の燃料噴霧状態（図４（ｂ）参照）とが示されている。従来における通常の噴霧は、燃料噴射装置５１の性能によっているため、せいぜい２０μｍ程度の粒径で噴霧されるのに対し、本実施形態にあっては、燃料噴射装置５１へバイオマス燃料を供給する前に、事前に微細化処理を行って、１０μｍ以下の粒径に微細化しているので、植物由来・動物由来の油脂分を含むバイオマス資源の燃料原液をきわめて微細な噴霧状態で燃料噴射装置５１からエンジンシリンダ５２内へ噴射することができる。

以上説明した本実施形態にかかるバイオ・ディーゼル・フューエル・エンジン・システムおよびバイオ・ディーゼル・フューエル・エンジンの運転方法にあっては、燃料原液を事前に微細化装置１で微細化処理した上で燃料噴射装置５１に供給するので、グリセリンが含まれていたり、高粘度であるために使用が困難とされているものなど、どのような種類の油であっても、脱グリセリン処理などをすることなく、従来の燃料噴射装置５１を利用して、適切にエンジンシリンダ５２内に噴射して燃焼させることができる。

本実施形態にかかる事前に微細化した微粒子は、単に燃料噴射装置５１の性能によって噴霧される燃料と比べて、表面積として１００分の１以下、油滴総表面積（燃焼空気との接触面積）で１０倍以上となり、一般通常のディーゼルエンジンでの燃焼状態に比べて、きわめて効率的な燃焼を達成することが可能となる。また、油滴個々の重量も軽いので、噴霧拡散が均一化し、燃焼立ち上がり特性が顕著に向上し、セタン価指数向上に見合うシリンダ内の着火特性向上、火炎伝播速度の大幅向上を達成することができる。従って、本実施形態によれば、エンジンシリンダ５２内での良好な混合気生成、瞬時着火、迅速な燃焼スピード、一斉均一拡散燃焼を達成することができる。

メチルエステル法による化学反応を伴う改質処理ではなく、単に界面活性剤を添加して微細化装置１で微細化処理するだけなので、植物由来、動物由来の油脂を含む液状バイオマス資源をバイオ・ディーゼル・フューエル化するにあたり、改質コスト・設備コストが安く、副生成物を処理する手間やコストが不要であり、軽油よりも安価に製造して使用することができる。化学反応処理プロセスがなく、油の基本性状に大きな変化が生じない。また、メチルエステル法の場合のようにグリセリン等の副生成物が生じることはなく、収率もほぼ１００％を確保することができる。また、微細化処理により、パーム油など、これまで適用に困難性のあった油を含め、幅広い油種に対してバイオ・ディーゼル・フューエル化を行って、燃料として使用することができる。原料調達も容易であり、軽油等の代替燃料として好適である。

バイオ・ディーゼル・フューエルであるので、食用可の油脂であればもちろん硫黄分はゼロであり、いずれにしても植物由来・動物由来の油脂分を前提とするので、実質含有硫黄分はほぼゼロであり、したがってＮＯｘ対策として、ガソリンエンジン用の触媒を使用してディーゼルエンジンの排ガス対策を達成することができる。ディーゼルエンジンの宿命である、ＮＯｘとＰＭの二律背反に対し、ＮＯｘを触媒で対応できるので、ＰＭ対策重視でエンジン設計でき、クリーン排気のディーゼルエンジンを完成することが可能となる。

バイオ・ディーゼル・フューエル化にあたり、化学反応プロセスが不要であるばかりでなく、グリセリン分を除去せずそのままバイオマス燃料に含有させて使用することができ、エンジンにおける潤滑作用を果たさせることができて、シリンダ・ピストンの摺動特性改善などを達成でき、これにより燃費向上やトルク性能の向上、エンジンノイズの減少を確保でき、メチルエステル法で問題であった機械的損傷などのエンジントラブルも解消できる。脱グリセリン処理をしないので、バイオマス燃料の高発熱量を確保できる。そしてまた、既存のディーゼルエンジンにそのまま適用することが可能である。

要するに、既存のディーゼルエンジンに付設の燃料噴射装置が、動粘度特性等を含む各種物理的化学的制約条件を有していても、軽油や重油はもちろんのこと、硫黄分を含まない液状バイオマス資源一般を幅広く、ディーゼルエンジン用燃料として使用してエンジンを運転することが可能となり、これら植物、動物由来の油によってクリーン燃焼が得られるとともに、化石燃料の使用量を大幅に削減することが可能となる。また、バイオマス燃料自体としても、低コストであって、エンジンに対する信頼性が高く、熱効率も高く、これにより高度にクリーンな燃焼を行うディーゼルエンジン運転を達成できる。

また、本実施形態で例示した微細化装置１は、力学的せん断力や電磁気的エネルギを作用させることで、一般に高分子構造であって安定して結合している燃料原液の分子における電気的平衡状態を崩し、低分子化を促進して微粒化させるとともに、電気的吸引力による再結合を防止できるようになっていて、これによって得られる粒径として、通常のディーゼルエンジンで確保されている噴霧径２０μｍ程度に対し、１０〜数μｍという微細粒子を事前に形成することができる。さらに、界面活性剤により、低分子化した各分子を包み込む被膜を形成し、これにより再結合・再凝集を阻止して、微粒子構造の安定化を確保することができて、長期保存が可能であるとともに、安定的にディーゼルエンジンの運転に使用することができる。

製造ユニット５７は、可搬式の単体として構成してもよく、このようにすることで各種ディーゼルエンジン設備６０に適宜に搬送し連結して使用することができる。他方、化石燃料貯留タンク５９とバイオマス燃料貯留タンク５８を併設して、給油ステーションなどの定置式燃料貯留設備を構成することができる。この場合、バイオマス燃料貯留タンク５８には、いずれかの場所で微細化したバイオマス燃料をタンクローリー等で運搬し給油するようにすればよい。さらに、製造ユニット５７を車載型として、ディーゼルエンジン自動車に搭載するようにしてもよい。

本実施形態にかかるバイオ・ディーゼル・フューエル・エンジン・システムの一実施例として、図１に示した構成を備えるディーゼルエンジン自動車（日野自動車（株）製７ｔトラック、走行距離７０万ｋｍ）につき、正規に車検を取得して公道で走行試験を実施しており、その燃費性能を表１に示す。燃料切替は切替弁５５により、択一的に行っている。

ＢＤＦ（バイオ・ディーゼル・フューエル）使用率は、（ＢＤＦ／（ＢＤＦ＋軽油））をいう。表１から理解されるように、８０％を超えるＢＤＦの使用量において、試験開始時の２００５年３月には、燃費が４ｋｍ未満であったが、半年間の走行状況によれば、燃費性能の向上が見られた。

本発明にかかるバイオ・ディーゼル・フューエル・エンジン・システムの好適な一実施形態を示す概略構成図である。 図１のバイオ・ディーゼル・フューエル・エンジン・システムに適用可能な微細化装置の一例の側断面図である。 図２に示し微細化装置に適用される磁化ユニットの正面断面図である。 通常の燃料噴射装置による燃料噴霧状態と、本実施形態に従って作成されたバイオマス燃料が通常の燃料噴射装置で噴射された際の燃料噴霧状態とを説明するための説明図である。

符号の説明

１ 微細化装置
５０ バイオマス燃料供給系
５１ 燃料噴射装置
５２ エンジンシリンダ
５３ ディーゼルエンジン
５４ 化石燃料供給系
５５ 切替弁
５６ 加温装置
５７ 製造ユニット
５８ バイオマス燃料貯留タンク
５９ 化石燃料貯留タンク

Claims (7)

1. メチルエステル法による改質処理を行っていない植物由来・動物由来の油脂分を含む液状バイオマス資源を燃料原液とし、
   燃料原液を、これに界面活性剤を添加して、微細化装置により１０μｍ以下の粒径に微細化して、バイオマス燃料を作成し、
   該微細化装置は、
   圧送される燃料原液を加速させるノズルおよび該ノズルにロータ面を向けて配置されて燃料原液が衝突される回転自在なロータを燃料原液の流れ方向に交互に複数設け、
   上記ロータには、上記ロータ面の外周部に位置させて、流通する燃料原液で該ロータを回転させると同時に、その回転で燃料原液の流れにせん断力を作用させて旋回流を生じさせつつ燃料原液を破砕する斜方スリットを貫通形成し、
   複数の上記ノズルは、燃料原液の流れ方向に沿って、上流側の該ノズルの口径を下流側の該ノズルの口径よりも小さく設定し、
   複数の上記ロータは、燃料原液の流れ方向に沿って、上流側の該ロータの外径寸法を下流側の該ロータの外径寸法よりも小さく設定し、
   上記斜方スリットは、燃料原液の流れ方向に沿って、上流側の該斜方スリットの大きさを下流側の該斜方スリットの大きさよりも小さく設定し、
   交互に設けた上記ノズルおよび上記ロータの燃料原液流れ方向下流側に、旋回流となって流れ込む燃料原液が衝突される凹状壁部を有して、その内部で燃料原液を撹拌混合させる混合チャンバを設けると共に、
   燃料原液の流れ方向に沿って、交互に設けた上記ノズルおよび上記ロータから上記混合チャンバにわたってこれらを取り囲んで、燃料原液に磁力を作用させて当該燃料原液を磁化する磁化ユニットを設けて構成し、
   バイオマス燃料をバイオマス燃料供給系を介して燃料噴射装置に供給し、
   該燃料噴射装置でバイオマス燃料をエンジンシリンダ内に噴霧してディーゼルエンジンを運転することを特徴とするバイオ・ディーゼル・フューエル・エンジン・システム。
2. 前記バイオマス燃料供給系に対し、軽油や重油などの化石燃料を供給する化石燃料供給系を併設するとともに、前記燃料噴射装置に対するこれら化石燃料供給系およびバイオマス燃料供給系の接続を切り替える切替装置を備えたことを特徴とする請求項１に記載のバイオ・ディーゼル・フューエル・エンジン・システム。
3. 前記バイオマス燃料供給系に、バイオマス燃料を加温する加温装置を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のバイオ・ディーゼル・フューエル・エンジン・システム。
4. 燃料原液からバイオマス燃料を作成する前記微細化装置を含む製造ユニットを、前記バイオマス燃料供給系に着脱自在に接続したことを特徴とする請求項１〜３いずれかの項に記載のバイオ・ディーゼル・フューエル・エンジン・システム。
5. 前記製造ユニットは、作成されたバイオマス燃料を貯留するバイオマス燃料貯留タンクを備えることを特徴とする請求項４に記載のバイオ・ディーゼル・フューエル・エンジン・システム。
6. 前記バイオマス燃料貯留タンクに対し、化石燃料を貯留しかつ前記化石燃料供給系に着脱自在に接続される化石燃料貯留タンクを併設して、燃料貯留設備を構成したことを特徴とする請求項５に記載のバイオ・ディーゼル・フューエル・エンジン・システム。
7. メチルエステル法による改質処理を行っていない植物由来・動物由来の油脂分を含む液状バイオマス資源を燃料原液とし、
   燃料原液を、これに界面活性剤を添加して、微細化装置により１０μｍ以下の粒径に微細化して、バイオマス燃料を作成し、
   該微細化装置は、
   圧送される燃料原液を加速させるノズルおよび該ノズルにロータ面を向けて配置されて燃料原液が衝突される回転自在なロータを燃料原液の流れ方向に交互に複数設け、
   上記ロータには、上記ロータ面の外周部に位置させて、流通する燃料原液で該ロータを回転させると同時に、その回転で燃料原液の流れにせん断力を作用させて旋回流を生じさせつつ燃料原液を破砕する斜方スリットを貫通形成し、
   複数の上記ノズルは、燃料原液の流れ方向に沿って、上流側の該ノズルの口径を下流側の該ノズルの口径よりも小さく設定し、
   複数の上記ロータは、燃料原液の流れ方向に沿って、上流側の該ロータの外径寸法を下流側の該ロータの外径寸法よりも小さく設定し、
   上記斜方スリットは、燃料原液の流れ方向に沿って、上流側の該斜方スリットの大きさを下流側の該斜方スリットの大きさよりも小さく設定し、
   交互に設けた上記ノズルおよび上記ロータの燃料原液流れ方向下流側に、旋回流となって流れ込む燃料原液が衝突される凹状壁部を有して、その内部で燃料原液を撹拌混合させる混合チャンバを設けると共に、
   燃料原液の流れ方向に沿って、交互に設けた上記ノズルおよび上記ロータから上記混合チャンバにわたってこれらを取り囲んで、燃料原液に磁力を作用させて当該燃料原液を磁化する磁化ユニットを設けて構成し、
   バイオマス燃料をバイオマス燃料供給系を介して燃料噴射装置に供給し、
   該燃料噴射装置でバイオマス燃料をエンジンシリンダ内に噴霧してディーゼルエンジンを運転することを特徴とするバイオ・ディーゼル・フューエル・エンジンの運転方法。

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