JP4787357B2 - 燃料改質方法及び装置 - Google Patents
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Description
本発明は、燃料供給ラインを経て内燃機関に供給される炭化水素系の液体燃料を完全燃焼し易い燃料に改質する燃料改質方法及び装置に関する。
従来、燃料タンクに貯留された液体燃料は、ポンプにより燃料供給ラインを介して内燃機関に供給される。燃料は空気と混合され、その混合気が内燃機関のシリンダに供給され、ディーゼルエンジンの場合は自己着火により燃焼し、ガソリンエンジンの場合は点火により燃焼する。炭化水素系(石油系)の液体燃料は、高分子状態とされ、燃料分子が数個〜数十個の分子単位の塊状とされたクラスターを構成している。従って、燃料と空気の混合気がシリンダの内部で燃焼するとき、クラスターの外側部分は良好に燃焼するが、内側部分は良好に燃焼せず、炭素化する。このため、高い燃焼効率を得難く、特に、燃費が良くない。
しかも、ガソリンや軽油は、燃料分子の他に、硫黄や芳香族炭化水素化合物等の不純物質を含んでおり、これらが燃料分子と結合したクラスターを形成していると考えられている。これらの不純物質は、良好に燃焼せず、不完全燃焼で燃えかすを生じ、煤となってシリンダに付着し、内燃機関の耐用期間を短くする。更に、燃えかすは未燃ガス（ＮＯＸ・ＰＭ）と共に黒煙を含む排気ガスとして排出され、大気汚染の要因となる。
ところで、液体燃料に遠赤外線を照射することにより、液体燃料中のクラスターを細分化し、完全燃焼し易い低分子状態の燃料に改質できることが知られている。例えば、特許文献１に記載された装置は、燃料タンクと内燃機関の間の燃料供給ラインに接続され、装置の内部に設けた流路を液体燃料が通過するときに、装置の側面に設けたセラミックパウダが液体燃料に向けて遠赤外線を照射する。そこで、クラスターを微細化した燃料は、酸素と結合し易い状態となる。これにより、理論的には、内燃機関による燃料の完全燃焼が可能になり、燃費が向上し、大気汚染物質の排出が減少する。
しかしながら、従来の燃料改質装置は、一応の燃費の向上は期待できるが、実際には、燃費の低減率がかなり低い。この装置の燃費低減率が低い理由は、次の点にあると考えられる。
（１）常温のセラミックから発生する遠赤外線は微量であり、十分でない。
（２）遠赤外線が燃料に対して均一に、かつ効率的に照射されない。
（３）燃料に含まれる気泡が細分化されない。
（４）遠赤外線の照射により燃料に含まれるクラスターが仮に微細化されたとしても、装置を通過した後、再び分子が結合してクラスターを形成してしまうので、燃料の改質状態が安定しない。
（１）常温のセラミックから発生する遠赤外線は微量であり、十分でない。
（２）遠赤外線が燃料に対して均一に、かつ効率的に照射されない。
（３）燃料に含まれる気泡が細分化されない。
（４）遠赤外線の照射により燃料に含まれるクラスターが仮に微細化されたとしても、装置を通過した後、再び分子が結合してクラスターを形成してしまうので、燃料の改質状態が安定しない。
本発明者らの知見によれば、セラミックは、加熱ないし加温（以下単に「加熱」という）することにより遠赤外線の発生量を増加する。従って、セラミックを所定温度に加熱するのが良い。また、遠赤外線の照射と同時に、液体燃料自体を加熱すると、クラスターの微細化が促進される。しかしながら、単純に加熱すれば良いのではなく、加熱により上昇した温度とクラスターの微細化の間に特定の関係が発見された。従って、加熱温度の有効範囲を見極めることが重要である。
ところで、燃料供給ラインを流れる液体燃料は、内燃機関の回転数(rpm)を上げるとき、流量を増大して流速を上げるので、遠赤外線の照射時間が短くなる。この点に関して、本発明者らの知見によれば、燃料改質効果を得るためには、内燃機関の回転数(rpm)に応じて、液体燃料の外周囲の温度を制御することが重要である。
液体燃料の加熱と遠赤外線照射を良好に行うためには、液体燃料に複数の流束を生成させ、複数の流束を混合させることが好ましい。これにより、遠赤外線が液体燃料の全体にわたり照射される。しかも、液体燃料に含まれる気泡が微細化される。
上述した遠赤外線の照射と、液体燃料の加熱と、液体燃料の流束の制御は、同時に行うことが好ましく、これにより燃料の改質を相乗的に行うことができる。
更に、遠赤外線の照射によりクラスターを微細化した後、再び分子が結合して元のクラスター状態に戻るのを妨げるためには、液体燃料を通過させるパイプ手段を導電材料により形成し、該パイプ手段を電気的に接地することが好ましい。
本発明は、燃費の低減率を大幅に向上させた燃料改質方法及び燃料改質装置を提供する。
本発明は、次のように構成した燃料改質方法を提供する。即ち、本発明の燃料改質方法は、燃料供給ラインを経て内燃機関に供給される炭化水素系の液体燃料を完全燃焼し易い燃料に改質する燃料改質方法において、前記燃料供給ラインの途中に設けたパイプ部材により形成される管路に液体燃料を充満させた状態で該管路の軸方向に流す燃料流動工程と、前記パイプ部材の外側の周囲に形成された空間をヒータで加熱すると共に、前記空間を介して離間した位置から前記パイプ部材の全周に向けて遠赤外線を発生させることにより、前記空間の熱と前記遠赤外線の輻射熱によりパイプ部材の全周を加熱する加熱工程及び該パイプ部材を透過して進入する遠赤外線を前記管路の全周から液体燃料に照射する遠赤外線照射工程と、前記遠赤外線の照射環境を流れる液体燃料に関して、管路の軸線に対して傾斜すると共に相互に平行しないように異なる方向に向けて流れる複数の流束を生成し、生成された複数の流束を下流側で衝突させる流束生成工程とから成る。
その結果、本発明の燃料改質方法によれば、ヒータで加熱された空間の熱と空間に照射される遠赤外線の輻射熱で管路の外周囲を加熱することにより、管路を流れる液体燃料の温度を上昇させると共に、例えばセラミックから成る遠赤外線発生手段から多量の遠赤外線をパイプ部材を透過して液体燃料に照射するので、液体燃料に含まれる分子のクラスターを好適に微細化することができる。しかも、このような遠赤外線照射工程と前記のような流束生成工程を同時に行うことにより、管路の中心部に位置する液体燃料部分と外周側に位置する液体燃料部分を混合させ、しかも、液体燃料に含まれる気泡を細分化して該液体燃料の全体に分散させながら、管路を通過する液体燃料の全体に対して均一に、加熱と遠赤外線照射を行い、これにより燃料の全体にわたってクラスターの微細化を行い、燃焼効率を向上する。
前記流束生成工程は、管路の軸線に対して傾斜すると共に相互に平行しないように異なる方向に向けて流れる複数の流束を生成し、複数の流束を下流側で衝突させ、次いで、整流オリフィスを通過させることにより液体燃料の流れを管路の軸線方向に沿うように整流した後、再び、管路の軸線に対して傾斜すると共に相互に平行でない異なる方向に向けて流れる複数の流束を生成し、複数の流束を下流側で衝突させる。これにより、液体燃料に含まれる気泡が細分化され、該液体燃料の全体に均一に分散させられるので、液体燃料が完全燃焼し易いように改質され、しかも、遠赤外線の照射によるクラスターの微細化も液体燃料の全体に均一に得られることになる。
本発明者らの知見によれば、液体燃料に含まれるクラスターの微細化を良好に行うためには、パイプ部材の周囲の温度が重要であり、実験によれば、複数の実験例の何れにおいても、管路の外周温度を５０〜６０℃に保持したとき燃料改質の効果を確認したが、それ以外の温度では効果を確認できなかった。従って、前記加熱工程は、管路の外周温度を５０〜６０℃に保持するのが好ましい。
ところで、内燃機関の回転数(rpm)を上げるためには、液体燃料の流量を増大させる必要があり、その結果、管路を流れる燃料の流速が上がるので、管路を通過する燃料に対する加熱時間と遠赤外線の照射時間が短くなる。しかしながら、実験によれば、複数の実験例の何れにおいても、確認された燃費低減率は、管路の外周温度と内燃機関の回転数(rpm)の間に比例的関係は見られない。後述するように、内燃機関の回転数(rpm)がアイドリングの５００(rpm)のときは、管路の外周温度を５０℃に保持することにより良好な燃費低減効果が確認された。その一方において、１０００(rpm)、１２００(rpm)、１５００(rpm)のときは、管路の外周温度を５０℃又は６０℃に保持した状態で良好な燃費低減効果を示すが、５５℃に保持すると燃費低減効果が急激に低下することが確認された。その反対に、１８００(rpm)のときは、管路の外周温度を５５℃に保持した状態で良好な燃費低減効果を示すが、５０℃又は６０℃に保持すると燃費低減効果が低下することが確認された。更に、ほぼ最大回転の２０００(rpm)のときは、管路の外周温度を５０℃に保持した状態で良好な燃費低減効果を示すが、５５℃又は６０℃に保持すると燃費低減効果が低下することが確認された。従って、内燃機関の回転数(rpm)に応じて、管路の外周温度を５０〜６０℃の範囲で制御することが好ましい。特に、次のように制御することが好ましい。内燃機関の回転数(rpm)が５００(rpm)のときは、管路の外周温度を５０℃〜６０℃の範囲で保持するように制御する。１０００(rpm)、１２００(rpm)、１５００(rpm)のときは、管路の外周温度を５０℃又は６０℃で保持するように制御する（つまり５５℃が除かれる）。１８００(rpm)のときは、管路の外周温度を５５℃で保持するように制御する（つまり５０℃及び６０℃が除かれる）。２０００(rpm)のときは、管路の外周温度を５０℃で保持するように制御する（つまり５５℃及び６０℃が除かれる）。
従って、このような実験データに基づいて、内燃機関の回転数(rpm)に応じて、管路の外周温度を５０〜６０℃の範囲で制御することが好ましい。
また、本発明は、次のように構成した燃料改質装置を提供する。即ち、本発明の燃料改質装置は、燃料供給ラインを経て内燃機関に供給される炭化水素系の液体燃料を完全燃焼し易い燃料に改質する燃料改質装置において、前記燃料供給ラインの上流側ラインと下流側ラインの間に接続され液体燃料を充満させた状態で軸方向に流す管路を形成するパイプ部材と、前記パイプ部材の外周に所定空間を形成する離間位置に設けられて該パイプ部材の全周を包囲する筒部材と、前記筒部材の内周面に設けられた遠赤外線発生手段と、前記遠赤外線発生手段及び前記空間を加熱するヒータを備え、前記ヒータで加熱された空間の熱と前記遠赤外線の輻射熱によりパイプ部材の全周を加熱すると共に、パイプ部材を透過して進入する遠赤外線を前記管路の全周から液体燃料に照射させるように構成され、前記管路は、隔壁により区成された上流側の流室と下流側の流室を備えた流路室を設け、前記隔壁に複数のオリフィスを形成すると共に、複数のオリフィスの軸線を管路の軸線に対して傾斜させると共に相互に平行しないように異なる方向に向けて形成し、前記オリフィスを通過する液体燃料により複数の流束を生成させ、生成された複数の流束を下流側の流室において衝突させるように構成されている。
前記パイプ部材は、遠赤外線の透過を許す金属製のパイプにより形成されると共に、該パイプ部材の外周面に耐熱性の黒色塗料を塗装することにより遠赤外線吸収層を形成しており、前記遠赤外線照射手段は、前記筒手段に設けた筒状のセラミック層により構成され、前記遠赤外線発生手段が発生する遠赤外線を前記遠赤外線吸収層に吸収させるように構成している。一般的に、金属表面の遠赤外線吸収率は、金属表面が地肌のままであると１５％未満であるが、塗装等の表面処理により１５％以上に向上し、黒色塗装であれば４０％又はそれ以上に向上することが知られている。これにより、筒手段に設けられた遠赤外線発生手段から照射される遠赤外線は、パイプ手段の表面の吸収層に好適に吸収され、その放射伝熱によりパイプ手段を加熱し、しかも、吸収された遠赤外線は該パイプ手段を透過して管路に進入する。
前記流路室の隔壁に設けられる複数のオリフィスは、管路の上流から下流に向かう軸線に対して時計針方向に傾斜する角度で形成されたオリフィスと、管路の上流から下流に向かう軸線に対して反時計針方向に傾斜する角度で形成されたオリフィスを備えることが好ましく、これにより、液体燃料により生成された複数の流束を下流側の流室において良好に衝突させることが可能になり、液体燃料を好適に攪拌する。
前記複数の流束を生成するための流路室は、一対の流路室を上流側と下流側に配置することにより、第１流路室と第２流路室を構成し、両流路室の間に規制壁を設けると共に、該規制壁の中央に整流オリフィスを形成することにより、第１流路室の下流側の流室から第２流路室の上流側の流室に流入する液体燃料の流れを前記整流オリフィスにより管路の軸線方向に向けて整流するように構成することが好ましい。これにより、上流側の流路室（該流路室に設けられた下流側の流室）で生成された複数の流束は、整流オリフィスを通過することにより管路の軸線方向に沿って流れるように整流され、下流側の流路室（該流路室に設けられた上流側の流室）に充填され、そこで再び複数の流束を生成されると共に、生成された複数の流束を衝突させられるので、上述したような液体燃料に含まれる気泡の細分化による改質と、遠赤外線の照射によるクラスターの微細化による改質が完全なものとなる。
パイプ部材は、導電性のパイプにより形成され、該パイプ部材を電気的に接地（アース）することにより、管路を通過する液体燃料を電気的に接地（アース）させることが好ましい。実験によれば、電気的接地を解除すると、燃費低減効果が大幅に低下することが確認された。液体燃料に含まれる燃料分子のクラスターは、遠赤外線により微細化されることが知られているが、遠赤外線から解放した状態で放置すると再び分子が結合してクラスターに戻ることが知られている。実験結果によれば、管路を構成するパイプ部材を電気的に接地すると、これにより、燃料分子のクラスターを微細化する際に発生する電子ｅ-を外部に逃がし、或いは微細化の際に必要となる電子ｅ-を外部から取り込むので、クラスターを微細化した状態で分子が安定することにより、クラスターの復元を妨げると推測される。
上述のように、本発明の燃料改質装置を舶用ディーゼルエンジンに適用した場合、実験の結果、内燃機関の回転数(rpm)が５００(rpm)のときは、管路の外周温度を５０℃〜６０℃の範囲で保持し、１０００(rpm)、１２００(rpm)、１５００(rpm)のときは、管路の外周温度を５０℃又は６０℃で保持し（つまり５５℃が除かれる）、１８００(rpm)のときは、管路の外周温度を５５℃で保持し（つまり５０℃及び６０℃が除かれる）、２０００(rpm)のときは、管路の外周温度を５０℃で保持する（つまり５５℃及び６０℃が除かれる）ことにより、最良の燃費改善が確認された。
従って、内燃機関の回転数(rpm)を測定する計測手段と、該計測手段の計測結果に基づいてヒータを制御する制御手段とを設け、管路の外周温度を５０〜６０℃の範囲で制御することが好ましい。
図１は、本発明の燃料改質装置を内燃機関の燃料供給ラインに接続した状態を示す説明図である。
図２は、本発明の燃料改質装置の１実施形態の一部を破断して示す斜視図である。
図３は、本発明の燃料改質装置の１実施形態を示す縦断面図である。
図４は、本発明の燃料改質装置の本質的部分を断面で示す斜視図である。
図５は、オリフィスを設けた隔壁を示す正面図である。
図６は、本発明を使用した実験１の結果を示す表である。
図７は、実験１の結果を示すグラフである。
図８は、本発明を使用した実験２の結果を示す表である。
図９は、実験２の結果を示すグラフである。
図１０は、本発明を使用した実験３の結果を示す表である。
図１１は、実験３の結果を示すグラフである。
図１２は、本発明の燃料改質装置の別の実施形態を示す縦断面図である。
図２は、本発明の燃料改質装置の１実施形態の一部を破断して示す斜視図である。
図３は、本発明の燃料改質装置の１実施形態を示す縦断面図である。
図４は、本発明の燃料改質装置の本質的部分を断面で示す斜視図である。
図５は、オリフィスを設けた隔壁を示す正面図である。
図６は、本発明を使用した実験１の結果を示す表である。
図７は、実験１の結果を示すグラフである。
図８は、本発明を使用した実験２の結果を示す表である。
図９は、実験２の結果を示すグラフである。
図１０は、本発明を使用した実験３の結果を示す表である。
図１１は、実験３の結果を示すグラフである。
図１２は、本発明の燃料改質装置の別の実施形態を示す縦断面図である。
以下図面に基づいて本発明の好ましい実施形態を詳述する。図１に示すように、舶用ディーゼルエンジンに代表される内燃機関１と、炭化水素系（石油系）の液体燃料２を貯留する燃料タンク３は、相互に燃料供給ライン４と燃料帰還ライン５により連絡されている。燃料供給ライン４にはポンプ６が設けられ、燃料タンク３の液体燃料２を内燃機関１に供給する。内燃機関１は、ガバナー１ａにより燃料噴射量を制御し、余剰分の液体燃料を帰還ライン５に戻す。この場合、液体燃料は、日本国における税制上の「Ａ重油」と称される軽油である。
本発明の燃料改質装置７は、前記燃料供給ライン４におけるポンプ６の上流側に設けられ、燃料供給ライン４の上流側ライン４ａと下流側ライン４ｂの間に接続され、液体燃料２を充満状態で通過させる管路８を備えている。図１に示す例の場合、燃料改質装置７は、２本の管路８、８を並列に設けているが、１本でも良く、或いは３本以上でも良い。
図２ないし図４に示すように、燃料改質装置７は、ステンレス等の導電性の金属板により形成されたケーシング９と、該ケーシング９の内部に配置されたパイプ部材１０及び筒部材１１を設けている。
パイプ部材１０は、内径Ｄ１を約８５ｍｍφ、軸方向の全長Ｌ１を約４００ｍｍとする鉄製のパイプであり、肉厚が薄く形成されており、実施例の場合、肉厚は約２ｍｍである。これにより、パイプ部材１０は、導電性を有し、しかも、遠赤外線の透過を許すものとされている。
筒部材１１は、内径Ｄ２を約１４５ｍｍφとするニッケル−クロム合金等の電気抵抗体から成る金属製のヒータ１１ａを構成し、前記パイプ部材１０と同心状に配置され、該筒部材11とパイプ部材１０の間に離間距離Ｓを約３０ｍｍとした空間１３を形成する。尚、筒部材１１は、半割状に分割された半円筒部材を対向させることにより全体として円筒状となるように形成することができる。
パイプ部材１０と筒部材１１は、同心状に配置した状態で、両端をフランジ１２ａ、１２ｂにより連結され、該フランジ１２ａ、１２ｂをケーシング９のエンドプレート９ａ、９ｂに固設している。前記フランジ１２ａ、１２ｂは、直接又は間接に、燃料供給ライン４の上流側ライン４ａと下流側ライン４ｂのそれぞれに接続される。これにより、パイプ部材１０は、上流側から下流側に向けて軸方向に液体燃料２を充満状態で流す管路８を構成する。図示のように、パイプ部材１０の内径Ｄ１により形成される管路８の直径（図例の場合、約８５ｍｍφ）は、燃料供給ライン４ａ、４ｂの内径（図例の場合、約４０ｍｍφ）よりも相当に大きく、１．５〜２．５倍（図例の場合、約２倍）に形成されている。
前記ヒータ１１ａを構成する筒部材１１は、内周面のほぼ全面に溶射形成されたセラミック層による遠赤外線発生手段１４が形成されており、ヒータ１１ａに電流供給制御手段１５が接続されている。ケーシング９の外部に電源ケーブル１６が設けられ、該電源ケーブル１６から供給される交流電流をフューズ付きの整流器１７により直流電流に整流した後、電流供給制御手段１５に供給される。電流供給制御手段１５には、ケーシング９の外部から操作可能な設定温度調節手段１８が設けられている。更に、ケーシング９の外側には、電源スイッチ１９と、電源のオン・オフ状態を表示する電源ランプ２０が設けられている。従って、電源スイッチ１９をオンにすると、電流供給制御手段１５から供給される電流によりヒータ１１ａが発熱し、これにより加熱された遠赤外線発生手段１４から多量の遠赤外線を発生し、パイプ部材１０に向けて照射する。
これにより、前記空間１３がヒータ１１ａにより加熱されるだけでなく、空間１３を介して照射される遠赤外線の輻射熱によりパイプ部材１０が加熱される。この際、空間１３を形成する離間距離Ｓは、２４ｍｍ以下にすると、遠赤外線発生手段１４とパイプ部材１０が近過ぎ、パイプ部材１０が受ける遠赤外線の輻射熱が十分でなく、３６ｍｍ以上にすると、遠赤外線がパイプ部材１０を良好に透過しない。従って、遠赤外線の照射による輻射熱の確保と、パイプ部材１０を透過して液体燃料に達する遠赤外線の照射量を確保するためには、離間距離Ｓは、２５〜３６ｍｍの範囲となるように形成するのが好ましい。
筒部材１１の内側のＰ点には、熱電対から成る温度センサー２１が設けられており、測温信号を電流供給制御手段１５に入力する。電流供給制御手段１５は、温度センサー２１からの測温信号を数秒の間隔、例えば２秒の間隔で監視し、Ｐ点の温度が５０〜６０℃の範囲で設定温度に維持されるようにヒータ１１ａに対する電流の供給を制御する。
図１に示すように、内燃機関１と燃料改質装置７の間には、内燃機関１の回転数(rpm)を測定する測定器２２と、該測定器２２の測定信号を受けて前記電流供給制御手段１５を制御する制御器２３が設けられている。これにより、内燃機関１の回転数(rpm)に応じて前記Ｐ点の温度が５０〜６０℃の範囲で制御される。制御器２３には内燃機関１の情報がデータとして記録されており、当該内燃機関の回転数(rpm)に応じた最良の燃費低減率が得られる温度データに基づいて、Ｐ点の温度が５０〜６０℃の範囲で最適温度を維持するように電流供給制御手段１５を制御する。
管路８を構成するパイプ部材１０は、外周面の全面に耐熱性の黒色塗料を塗装することにより遠赤外線吸収層２４を形成している。一般的に、金属表面の遠赤外線吸収率は、金属表面が地肌のままであると１５％未満であるが、塗装等の表面処理により１５％以上に向上し、黒色塗装であれば４０％又はそれ以上に向上することが知られている。パイプ部材１０を黒色塗装することにより、筒部材１１に設けられた遠赤外線発生手段１４から照射される遠赤外線は、パイプ部材１０の表面でほとんど反射せず、吸収層２４に好適に吸収され、その放射伝熱によりパイプ部材１０を加熱する。しかも、パイプ部材１０の肉厚を２ｍｍ以下に形成することにより、遠赤外線の透過を許すので、前記吸収層２４に吸収された遠赤外線が該パイプ部材１０を透過して管路８に進入する。
ケーシング９は、内面に断熱材（図示せず）を添設しており、ヒータ１１ａの熱がケーシング９の外部に漏れることを防止している。上述のように何れも導電性の金属により形成されたパイプ部材１０とケーシング９は、相互に電気的に接続（アース）されており、更にケーシング９を外部で電気的に接地（アース）される。これにより、管路８を通過する液体燃料が電気的に接地（アース）される。
管路８の内部には、鉄等の金属板から成る隔壁２５により区成された上流側の流室２６と下流側の流室２７の一対から成る流路室２８が形成されており、このような流路室２８、２８の複数（図例の場合は第１流路室２８ａと第２流路室２８ｂの２つ）を上流側と下流側に配置し、隣り合う第１流路室２８ａの流室２７と第２流路室２８ｂの流室２６の間に鉄等の金属板から成る規制壁２９を設けている。
前記隔壁２５は、内径を約５〜１０ｍｍφとされた多数のオリフィス３０を貫設しており、該オリフィス３０の軸線を管路８の軸線に対して傾斜させると共に、複数のオリフィス３０の軸線が相互に異なる方向に向かうように形成している。つまり、複数のオリフィス３０は、軸線を平行させず相互に異なる方向に向け、これにより、該オリフィス３０を通過することにより生成された液体燃料の複数の流束が下流側の流室２７の内部で衝突することを可能にする。図例の場合、図５に示すように、隔壁２５の直径方向に延びる中心線Ｃにより２分された左右の第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２の相互において、オフィス３０ａ、３０ｂの軸線が異なる方向に傾斜するように形成している。第１領域Ｒ１に形成されたオリフィス３０ａは、管路８の上流から下流に向かう軸線に対して時計針方向に傾斜する角度で形成され、反対に、第２領域Ｒ２に形成されたオリフィス３０ｂは、前記軸線に対して反時計針方向に傾斜する角度で形成されている。従って、管路８を流れる液体燃料は、上流側の流室２６で流動圧力を蓄積され、その状態でオリフィス３０を通過することにより、下流側の流室２７の内部において、オリフィス３０ａにより形成された時計針方向の渦流Ｆ１と、オフィス３０ｂにより形成された反時計針方向の渦流Ｆ２を生成し、これらの渦流Ｆ１、Ｆ２を該流室２７の下流側で相互に衝突させる。
前記規制壁２９は、中央に内径を約２０〜４０ｍｍφとされた整流オリフィス３１を貫設している。従って、上流側の第１流路室２８ａの流室２７で生成された複数の流束Ｆ１、Ｆ２は、整流オリフィス３１を通過することにより管路８の軸線方向に沿って流れるように整流され、下流側の第２流路室２８ｂの流室２６に充填される。第２流路室２８ｂに充満された状態で流れる液体燃料は、第１流路室２８ａについて上述したところと同様に、オリフィス３０を通過することにより生成された渦流Ｆ１、Ｆ２を下流側の流室２７の内部で衝突させる。
液体燃料が管路８を通過する間、ヒータ１１ａを制御することによりＰ点の温度が５０〜６０℃の範囲で最適温度に維持され、遠赤外線発生手段１４から発生した遠赤外線が空間１３を通してパイプ部材１０に照射される。遠赤外線は、パイプ部材１０の吸収層２４に吸収され、該パイプ部材１０を加熱すると共に、該パイプ部材１０を透過して管路８に進入する。従って、液体燃料は、適度に加熱されると共に、遠赤外線の照射を受けることにより燃料分子のクラスターを微細化される。
パイプ部材１０が電気的に接地（アース）されているので、遠赤外線の照射により燃料分子のクラスターが微細化される際に発生する電子ｅ-は外部に逃がされる。或いは微細化される際に必要となる電子ｅ-が外部から取り込まれる。その結果、クラスターを微細化した状態で分子が安定する。
上述のような加熱と遠赤外線照射の環境の中で、液体燃料は、流路室２８の上流側の流室２６で流動圧力を蓄積し、隔壁２５のオリフィス３０を通過して下流側の流室２７に進入するとき、管路８の軸線に対して傾斜すると共に相互に異なる方向に向けて流れる複数の流束Ｆ１、Ｆ２を生成する。複数の流束Ｆ１、Ｆ２は、該流室２７の下流側で相互に衝突させられ、これにより、管路８の中心部と外周側を流れる液体燃料を相互に混合する。このような作用は、第１流路室２８ａと第１流路室２８ｂの複数の流路室で繰り返し行われる。その結果、管路８を流れる液体燃料の全体が均一に、加熱され、かつ遠赤外線の照射を受ける。更に、複数の流束Ｆ１、Ｆ２が衝突することにより、液体燃料に含まれる気泡が細分化され、液体燃料の全体に均一に分散される。
内燃機関の回転数(rpm)を上げるためにスロットルを開くと、液体燃料の流量が増大し、燃料供給ライン４を流れる燃料の流速が上がるので、液体燃料が管路８を直線的に通過するときは、燃料改質装置の内部において液体燃料に対する加熱時間と遠赤外線の照射時間が短くなる。この点に関して、本発明は、上述のように、管路８の内径を燃料供給ライン４の内径よりも相当に大きく形成し、オリフィス３０を設けた隔壁２５により区成された流室２６、２７から成る流路室２８ａ、２８ｂを設けている。従って、液体燃料の流量の増大に応じて、上流側の流室２６における流動圧力を高め、オリフィス３０ａ、３０ｂの通過により生成される渦流Ｆ１、Ｆ２の勢いを増して強く衝突させることにより撹拌し、このようにして液体燃料に対する加熱と遠赤外線の照射を好適に行う。
本発明の燃料改質装置の実機と、漁船に搭載された船用ディーゼルエンジンを使用することにより、燃費比較実験を行ったので、その結果を報告する。漁船の右舷と左舷に同じ舶用ディーゼルエンジンを２機搭載し、一方のエンジンの燃料供給ラインには本発明の燃料改質装置を接続するが、他方のエンジンの燃料供給ラインには本発明の燃料改質装置を接続しない状態で、２機のエンジンを所定の同じ回転数(rpm)で駆動し、５００(rpm)、１０００(rpm)、１２００(rpm)、１５００(rpm)、１８００(rpm)、２０００(rpm)の６通りで駆動したときの、１時間あたりの燃料消費量（燃費）を計測し比較した。液体燃料は、１つの燃料タンクから２機のエンジンに供給される同じ軽油（Ａ重油）とした。燃料消費量は、図１に“ＩＮ”で示す位置で流量計により計量した燃料供給量から、図１に“ＯＵＴ”で示す位置で流量計により計量した燃料帰還量を差し引いた値を単位リットルで記録した。また、前記のエンジン回転数(rpm)の６通りについて、燃料改質装置１のＰ点の温度を５０℃、５５℃、６０℃の３通りに保持した状態で、それぞれの燃費を計測した。
このような実験を形式の異なる３種類の船用ディーゼルエンジンに関して行った結果について、実験１を図６及び図７に示し、実験２を図８及び図９に示し、実験３を図１０及び図１１に示している。尚、図６、８、１０の表における“Ａ”は本発明の燃料改質装置を使用したエンジンの燃費を示し、“Ｂ”は本発明の燃料改質装置を使用していないエンジンの燃費を示しており、Ｂに対するＡの燃費低減率を％で示している。
＜実験１＞
図６及び図７に示す実験１は、コマツディーゼル社製の船用ディーゼルエンジン「６Ｍ１２５ＡＰ−３」（最大出力：４６３．４ｋｗ（６３０ｐｓ）２３００ｒｐｍ）に関して行った。その結果、漁業操業時の停泊中の回転数に相当するアイドリング５００(rpm)では、Ｐ点の温度を５０℃、５５℃、６０℃の何れに保持した場合でも、本発明の燃料改質装置を使用することにより、使用しない場合に比して、８〜９％以上の燃費低減率が確認された。その一方において、巡行時速度の回転数に相当する１０００(rpm)、１２００(rpm)、１５００(rpm)では、Ｐ点の温度を５０℃又は６０℃に保持した状態で１５〜２５％の良好な燃費低減が確認されたが、５５℃に保持すると、燃費低減効果はあるが、５０℃又は６０℃に保持した場合に比して低下することが確認された。その反対に、１８００(rpm)のときは、Ｐ点の温度を５５℃に保持した状態で１２％以上の良好な燃費低減が確認されたが、５０℃又は６０℃に保持すると３％以下に低下することが確認された。更に、最大回転に近い２０００(rpm)のときは、Ｐ点の温度を５０℃に保持した状態で１３％以上の良好な燃費低減が確認されたが、５５℃又は６０℃に保持すると３％以下に低下することが確認された。
図６及び図７に示す実験１は、コマツディーゼル社製の船用ディーゼルエンジン「６Ｍ１２５ＡＰ−３」（最大出力：４６３．４ｋｗ（６３０ｐｓ）２３００ｒｐｍ）に関して行った。その結果、漁業操業時の停泊中の回転数に相当するアイドリング５００(rpm)では、Ｐ点の温度を５０℃、５５℃、６０℃の何れに保持した場合でも、本発明の燃料改質装置を使用することにより、使用しない場合に比して、８〜９％以上の燃費低減率が確認された。その一方において、巡行時速度の回転数に相当する１０００(rpm)、１２００(rpm)、１５００(rpm)では、Ｐ点の温度を５０℃又は６０℃に保持した状態で１５〜２５％の良好な燃費低減が確認されたが、５５℃に保持すると、燃費低減効果はあるが、５０℃又は６０℃に保持した場合に比して低下することが確認された。その反対に、１８００(rpm)のときは、Ｐ点の温度を５５℃に保持した状態で１２％以上の良好な燃費低減が確認されたが、５０℃又は６０℃に保持すると３％以下に低下することが確認された。更に、最大回転に近い２０００(rpm)のときは、Ｐ点の温度を５０℃に保持した状態で１３％以上の良好な燃費低減が確認されたが、５５℃又は６０℃に保持すると３％以下に低下することが確認された。
図７からわかるように、実験１に使用した機種のエンジンの場合、Ｐ点の温度は、エンジン回転数が５００(rpm)のときは５０℃（５０℃が最適であるが５５℃又は６０℃でも良好である）、１０００(rpm)のときは６０℃（６０℃が最適であるが５０℃でも良好である）、１２００(rpm)のときは５０℃（５０℃が最適であるが６０℃でも良好である）、１５００(rpm)のときは６０℃（６０℃が最適であるが５０℃でも良好である）、１８００(rpm)のときは５５℃、２０００(rpm)のときは５０℃にそれぞれ保持することにより、最良の燃費低減率が得られる。従って、このようなデータに基づくプログラムを制御器２３に組み込み、エンジンの回転数(rpm)に応じてＰ点を最適な温度に保持するように電流供給制御手段１５に指令を与え、ヒータ１１ａを制御するように構成するのが良い。
＜実験２＞
図８及び図９に示す実験２は、コマツディーゼル社製の船用ディーゼルエンジン「６Ｍ１２５Ａ−３」（最大出力：４３４ｋｗ（５９０ｐｓ）２２００ｒｐｍ）に関して行った。その結果、漁業操業時の停泊中の回転数に相当するアイドリング５００(rpm)では、Ｐ点の温度を５０℃に保持した状態で１０％以上の燃費低減率が確認された。その一方において、巡行時速度の回転数に相当する１０００(rpm)、１２００(rpm)、１５００(rpm)では、Ｐ点の温度を５０℃又は６０℃に保持した状態で１５〜２５％の良好な燃費低減が確認されたが、５５℃に保持すると、燃費低減効果はあるが、５０℃又は６０℃に保持した場合に比して低下することが確認された。その反対に、１８００(rpm)のときは、Ｐ点の温度を５５℃に保持した状態で４％以上の燃費低減が確認されたが、５０℃又は６０℃に保持すると低下することが確認された。更に、最大回転に近い２０００(rpm)のときは、Ｐ点の温度を５０℃に保持した状態で１３％以上の良好な燃費低減が確認されたが、５５℃又は６０℃に保持すると低下することが確認された。
図８及び図９に示す実験２は、コマツディーゼル社製の船用ディーゼルエンジン「６Ｍ１２５Ａ−３」（最大出力：４３４ｋｗ（５９０ｐｓ）２２００ｒｐｍ）に関して行った。その結果、漁業操業時の停泊中の回転数に相当するアイドリング５００(rpm)では、Ｐ点の温度を５０℃に保持した状態で１０％以上の燃費低減率が確認された。その一方において、巡行時速度の回転数に相当する１０００(rpm)、１２００(rpm)、１５００(rpm)では、Ｐ点の温度を５０℃又は６０℃に保持した状態で１５〜２５％の良好な燃費低減が確認されたが、５５℃に保持すると、燃費低減効果はあるが、５０℃又は６０℃に保持した場合に比して低下することが確認された。その反対に、１８００(rpm)のときは、Ｐ点の温度を５５℃に保持した状態で４％以上の燃費低減が確認されたが、５０℃又は６０℃に保持すると低下することが確認された。更に、最大回転に近い２０００(rpm)のときは、Ｐ点の温度を５０℃に保持した状態で１３％以上の良好な燃費低減が確認されたが、５５℃又は６０℃に保持すると低下することが確認された。
図９からわかるように、実験２に使用した機種のエンジンの場合、Ｐ点の温度は、エンジン回転数が５００(rpm)のときは５０℃、１０００(rpm)のときは６０℃（６０℃が最適であるが５０℃でも良好である）、１２００(rpm)のときは５０℃（５０℃が最適であるが６０℃でも良好である）、１５００(rpm)のときは６０℃（６０℃が最適であるが５０℃でも良好である）、１８００(rpm)のときは５５℃、２０００(rpm)のときは５０℃にそれぞれ保持することにより、最良の燃費低減率が得られる。即ち、実験１のエンジンと同じ結果となる。従って、このようなデータに基づくプログラムを制御器２３に組み込み、エンジンの回転数(rpm)に応じてＰ点を最適な温度に保持するように電流供給制御手段１５に指令を与え、ヒータ１１ａを制御するように構成するのが良い。
＜実験３＞
図１０及び図１１に示す実験３は、コマツディーゼル社製の船用ディーゼルエンジン「６Ｍ１２２ＡＰ−１」（最大出力：４４１ｋｗ（６００ｐｓ）２３００ｒｐｍ）に関して行った。その結果、漁業操業時の停泊中の回転数に相当するアイドリング５００(rpm)では、Ｐ点の温度を５０℃に保持した状態で約２０％の優れた燃費低減率が確認されたが、５５℃又は６０℃では低下することが確認された。その一方において、巡行時速度の回転数に相当する１０００(rpm)、１２００(rpm)、１５００(rpm)では、Ｐ点の温度を５０℃又は６０℃に保持した状態で１５〜３２％の良好な燃費低減が確認されたが、５５℃に保持すると、燃費低減効果はあるが、５０℃又は６０℃に保持した場合に比して低下することが確認された。その反対に、１８００(rpm)のときは、Ｐ点の温度を５５℃に保持した状態で７％以上の燃費低減が確認されたが、５０℃又は６０℃に保持すると低下することが確認された。更に、最大回転に近い２０００(rpm)のときは、Ｐ点の温度を５０℃に保持した状態で１２％以上の良好な燃費低減が確認されたが、５５℃又は６０℃に保持すると低下することが確認された。
図１０及び図１１に示す実験３は、コマツディーゼル社製の船用ディーゼルエンジン「６Ｍ１２２ＡＰ−１」（最大出力：４４１ｋｗ（６００ｐｓ）２３００ｒｐｍ）に関して行った。その結果、漁業操業時の停泊中の回転数に相当するアイドリング５００(rpm)では、Ｐ点の温度を５０℃に保持した状態で約２０％の優れた燃費低減率が確認されたが、５５℃又は６０℃では低下することが確認された。その一方において、巡行時速度の回転数に相当する１０００(rpm)、１２００(rpm)、１５００(rpm)では、Ｐ点の温度を５０℃又は６０℃に保持した状態で１５〜３２％の良好な燃費低減が確認されたが、５５℃に保持すると、燃費低減効果はあるが、５０℃又は６０℃に保持した場合に比して低下することが確認された。その反対に、１８００(rpm)のときは、Ｐ点の温度を５５℃に保持した状態で７％以上の燃費低減が確認されたが、５０℃又は６０℃に保持すると低下することが確認された。更に、最大回転に近い２０００(rpm)のときは、Ｐ点の温度を５０℃に保持した状態で１２％以上の良好な燃費低減が確認されたが、５５℃又は６０℃に保持すると低下することが確認された。
図１１からわかるように、実験３に使用した機種のエンジンの場合、Ｐ点の温度は、エンジン回転数が５００(rpm)のときは５０℃、１０００(rpm)のときは５０℃（５０℃が最適であるが６０℃でも良好である）、１２００(rpm)のときは６０℃（６０℃が最適であるが５０℃でも良好である）、１５００(rpm)のときは６０℃（６０℃が最適であるが５０℃でも良好である）、１８００(rpm)のときは５５℃、２０００(rpm)のときは５０℃にそれぞれ保持することにより、最良の燃費低減率が得られる。従って、このようなデータに基づくプログラムを制御器２３に組み込み、エンジンの回転数(rpm)に応じてＰ点を最適な温度に保持するように電流供給制御手段１５に指令を与え、ヒータ１１ａを制御するように構成するのが良い。
図１２は、本発明に係る燃料改質装置１の別の実施形態を示している。上述の実施形態と相違する部分だけを説明すると、筒部材１１は、セラミックにより形成され、該筒部材１１とパイプ部材１０の間の空間１３にヒータ１１ｂを設けている。従って、ヒータ１１ｂにより加熱される筒部材１１が内周面から遠赤外線を発生する第１の遠赤外線発生手段１４ａを構成する。また、鉄製のパイプ部材１０は、内周面のほぼ全面に溶射形成されたセラミック層により、第２の遠赤外線発生手段１４ｂを構成している。従って、この実施形態によれば、第１の遠赤外線発生手段１４ａからパイプ部材１０に向けて第１の遠赤外線が照射され、パイプ部材１０を加熱すると共に、第１の遠赤外線の一部をパイプ部材１０に透過させ管路８に進入させる。また、第２の遠赤外線発生手段１４ｂから第２の遠赤外線が管路８の内部に照射される。その他の構成及び作用は、上述した実施形態と同様である。
Claims (8)
- 燃料供給ラインを経て内燃機関に供給される炭化水素系の液体燃料を完全燃焼し易い燃料に改質する燃料改質方法において、
前記燃料供給ラインの途中に設けたパイプ部材により形成される管路に液体燃料を充満させた状態で該管路の軸方向に流す燃料流動工程と、
前記パイプ部材の外側の周囲に形成された空間をヒータで加熱すると共に、前記空間を介して離間した位置から前記パイプ部材の全周に向けて遠赤外線を発生させることにより、前記空間の熱と前記遠赤外線の輻射熱によりパイプ部材の全周を加熱する加熱工程及び該パイプ部材を透過して進入する遠赤外線を前記管路の全周から液体燃料に照射する遠赤外線照射工程と、
前記遠赤外線の照射環境を流れる液体燃料に関して、管路の軸線に対して傾斜すると共に相互に平行しないように異なる方向に向けて流れる複数の流束を生成し、複数の流束を下流側で衝突させ、次いで、整流オリフィスを通過させることにより液体燃料の流れを管路の軸線方向に沿うように整流した後、再び、管路の軸線に対して傾斜すると共に相互に平行でない異なる方向に向けて流れる複数の流束を生成し、複数の流束を下流側で衝突させる流束生成工程とから成ることを特徴とする燃料改質方法。 - 前記加熱工程において、管路の外周温度を５０〜６０℃に保持することを特徴とする請求項１に記載の燃料改質方法。
- 内燃機関の回転数(rpm)に応じて、管路の外周温度を５０〜６０℃の範囲で制御することを特徴とする請求項２に記載の燃料改質方法。
- 燃料供給ラインを経て内燃機関に供給される炭化水素系の液体燃料を完全燃焼し易い燃料に改質する燃料改質装置において、
前記燃料供給ラインの上流側ライン(1a)と下流側ライン(1b)の間に接続され液体燃料を充満させた状態で軸方向に流す管路(8)を形成するパイプ部材(10)と、
前記パイプ部材(10)の外周に所定空間(13)を形成する離間位置に設けられて該パイプ部材の全周を包囲する筒部材(11)と、
前記筒部材(11)の内周面に設けられた遠赤外線発生手段(14)と、
前記遠赤外線発生手段(14)及び前記空間(13)を加熱するヒータを備え、
前記ヒータで加熱された空間(13)の熱と前記遠赤外線の輻射熱によりパイプ部材(10)の全周を加熱すると共に、パイプ部材(10)を透過して進入する遠赤外線を前記管路の全周から液体燃料に照射させるように構成され、
前記管路(8)は、隔壁(25)により区成された上流側の流室(26)と下流側の流室(27)を備えた流路室(28)を設け、前記隔壁(25)に複数のオリフィス(30)を形成すると共に、複数のオリフィス(30)(30)の軸線を管路(8)の軸線に対して傾斜させると共に相互に平行しないように異なる方向に向けて形成し、前記オリフィス(30)を通過する液体燃料により複数の流束(F1)(F2)を生成させ、生成された複数の流束(F1)(F2)を下流側の流室(27)において衝突させるように構成しており、
前記流路室(28)の一対を上流側と下流側に配置することにより、第１流路室(28a)と第２流路室(28b)を構成すると共に、両流路室(28a)(28b)の間に設けた規制壁(29)の中央に整流オリフィス(31)を形成し、第１流路室(28a)の下流側の流室(27)から第２流路室(28b)の上流側の流室(26)に流入する液体燃料の流れを前記整流オリフィス(31)により管路(8)の軸線方向に向けて整流するように構成して成ることを特徴とする燃料改質装置。 - 前記パイプ部材(10)は、遠赤外線の透過を許す金属製のパイプにより形成されると共に、該パイプ部材(10)の外周面に耐熱性の黒色塗料を塗装することにより遠赤外線吸収層(24)を形成しており、
前記遠赤外線発生手段(14)は、前記筒部材(11)に設けた筒状のセラミック層により構成されており、
前記遠赤外線発生手段(14)が発生する遠赤外線を前記遠赤外線吸収層(24)に吸収させるように構成して成ることを特徴とする請求項４に記載の燃料改質装置。 - 前記複数のオリフィス(30)は、管路(8)の上流から下流に向かう軸線に対して時計針方向に傾斜する角度で形成されたオリフィス(30a)と、管路(8)の上流から下流に向かう軸線に対して反時計針方向に傾斜する角度で形成されたオリフィス(30b)を備えて成ることを特徴とする請求項４又は５に記載の燃料改質装置。
- 前記パイプ部材(10)を導電性のパイプにより構成すると共に該パイプ部材(10)を電気的に接地し、管路(8)を通過する液体燃料を電気的に接地させるように構成して成ることを特徴とする請求項４、５又は６に記載の燃料改質装置。
- 内燃機関の回転数(rpm)を測定する計測手段(22)と、該計測手段の計測結果に基づいて前記ヒータを制御する制御手段(23)とを備え、管路(8)の外周温度を５０〜６０℃の範囲で制御することを特徴とする請求項４、５、６又は７に記載の燃料改質装置。
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