JP5124145B2 - 微細流体混入液体燃料の製造装置 - Google Patents
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Description
本発明は、空気、酸素などの気体及び／又は水などの液体からなる流体を微細化して得られた微細流体を液体燃料中に混入、分散させて改質した微細流体混入液体燃料の製造装置に関する。
エンジンの排出ガス中のＮＯｘ、黒煙、ＰＭ（粒子状物質）を低減するために、燃料油と水又は水溶液を混合し乳化したエマルジョン燃料が提案されている。
エマルジョン燃料は、エマルジョン内の水滴粒子がエンジン内で瞬時に発生する高温の燃焼温度を下げ、ＮＯｘの発生を抑えることや、エマルジョン燃料の運動量効果によってエンジン内で分散することで、燃料と空気との混合が促進されて完全燃焼に近づくことにより黒煙やＰＭを低減できると言われている。
エマルジョン燃料の生成方法として、例えば特許文献１や特許文献２には、燃料油、水、界面活性剤を高速の攪拌式ミキサーで混合する方法や、送液ラインに設けた数箇所の各隔壁に小孔が形成されており、燃料油と水の混合液を昇圧ポンプで圧送することにより、小孔で高圧かつ高速で噴出しながら微細な水エマルジョン燃料を得るという方法が開示されている。
また、特許文献３には、液体の分子クラスターを微細化して、高品質なエマルジョン燃料を低コストで大量に製造する燃料改質方法が開示されている。
さらに、特許文献４に記載されているように、多孔質体のシラス多孔質ガラス膜を用いて、単分散、すなわち分布の幅が狭い粒径をもつ水滴粒子を燃料油中に分散させる方法が開示されている。
また、例えば特許文献５に記載されているような空気、酸素ガス等の気体を水道水、河川水、その他の液体に溶解させて、水質を浄化し、水環境を蘇生するための微細気泡発生方法及び装置がある。
さらに、例えば特許文献６や特許文献７に記載されているように、燃料油中に微細気泡を導入して、気泡が破裂するときの衝撃波によって、燃料分子のクラスター構造を微細化する方法が開示されている。
特開平０７−０２４２８４号公報
特開２００２−１５９８３２号公報
特開２００１−３４８５８１号公報
特開２００６−１８２８９０号公報
特開２００３−１８１２５９号公報
特開２００６−１７７２６１号公報
特開２００６−２１４３１０号公報
しかしながら、従来のエマルジョン燃料の生成方法のうち、攪拌式ではエマルジョンの油中水滴粒子の大きさの均一性に信頼性と再現性を保障することは困難で、この方法によるエマルジョン燃料をエンジンに使用すると安定した燃焼が得られない。また、送液ラインに設けた各隔壁の直径が０．５ｍｍ〜２ｍｍ程度の小孔に通過させて微細な水滴粒子を得るために、昇圧ポンプの送圧力が５ＭＰａ〜１５ＭＰａと非常に高圧で、装置の構造的な安全面や耐久性で非常にリスクが高い。
また、燃料油中に微細気泡を導入する方式では、装置の複雑さ、使用動力量ならびに微細孔の目詰まりなどの問題から、期待できる効果が得られず、実用化に至っていない。
そこで、本発明は、エジェクター式の微細流体発生装置により気体及び／又は液体（以下「混入流体」という）を微細化して、微細流体を液体燃料中に混入することができる微細流体混入液体燃料の製造装置を提供することにある。
本発明は、液体燃料中に微細流体を混入分散させた微細流体混入液体燃料の製造装置において、液体燃料中に微細流体のマイクロバブルを混入分散させるエジェクター式の微細流体発生装置と、液体燃料を加圧して前記エジェクター式の微細流体発生装置へ送液するポンプを備え、前記エジェクター式の微細流体発生装置がポンプで加圧された液体燃料を導入する複数本の液体燃料流路とともに液体燃料に混入させる混入流体を導入する混入流体導入流路と、液体燃料流路から吐出する液体燃料中に混入流体導入流路から吐出する混入流体をマイクロバブルに微細化し分散させる、液体燃料誘導溝を有する微細流体発生空間および微細流体発生空間で発生した微細流体を混合する微細流体混合室を有することを特徴とする。
液体燃料、及び前記微細流体混合室からの微細流体混入液体燃料が溜められるとともに、前記エジェクター式の微細流体発生装置へ送液して循環させる微細液体混入液体燃料貯留タンクを設けることにより、微細流体の混入量を増やすことができる。
本発明の微細流体混入燃料の製造装置に適用可能な液体燃料は、自動車、船舶、動力機械、発電機等のディーゼルエンジン用の軽油、バイオディーゼル油（ＢＤＦ）、自動車、小型船舶、発電等のガソリンエンジン用のガソリン、さらに暖房、大型船舶、発電のボイラー用の重油、自動車、発電のエタノールエンジン用のエタノールや航空機用の灯油などが挙げられる。
液体燃料に微細化して混入させる混入流体として、気体には空気、酸素、オゾンあるいは水素、液体として水、液体燃料以外の燃料油が挙げられる。また、液体燃料に気体および液体を共に微細化して混入することもできる。
本発明は、混入流体を微細化した状態で液体燃料に混入して、エンジンの燃焼を促進させることにより、出力の増加、エンジンの低燃費化、ならびにエンジンから排出される有害汚染物質の低減を同時に達成することができる。
本発明は、液体燃料送液配管中にエジェクター式の微細流体発生装置を設置することで、液体燃料の高速噴流が生み出すキャビテーションを伴う剥離域の乱流およびせん断作用により、微細流体が分散した微細流体混入液体燃料を低エネルギー、低コストで簡単に生成することが可能である。
本発明では、エジェクター式の微細流体発生装置が超小型で、しかも小動力であるので、実車への搭載が可能となり、エンジンの燃焼改善、すなわち燃料消費率ならびに排気ガス特性を同時に改善し、省エネと二酸化炭素（温暖化ガス）削減により、環境負荷低減に貢献することができる。
本発明による燃料製造装置について実施例により説明する。
図１は本発明の燃料製造装置の一実施例を示す概略図であり、本実施例は燃料タンクから導入された燃料を直接エンジンに送液する方式のものである。
燃料タンクより送られた燃料は、燃料導入管１より燃料ポンプ１１に直接送られる。燃料ポンプ１１が送液を開始しエンジンが始動すると、燃料はエジェクター式の微細流体発生装置６へ送られ、微細流体発生装置６において混入流体が導入され、燃料中に微細流体が分散した微細流体混入液体燃料となり、送液管１０を通してエンジンへと送られる。
図２はエジェクター式の微細流体発生装置６の構造を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は液体燃料導入側から見た導入部の形態を示す平面図、（ｃ）は微細流体混入液体燃料吐出口側から見た底面図、（ｄ）は微細流体混入液体燃料吐出口側から見た底面拡大図である。
図２において、微細流体発生装置６は、燃料ポンプ１１で加圧された液体燃料を導入する液体燃料流路２１とともに混入流体を導入する混入流体導入孔２３ａを備えた混入流体導入流路２３と、液体燃料中に混入流体を微細化し分散させる微細流体発生空間２２ａおよび微細流体混合室２２を有する。
液体燃料流入孔２１ａと微細流体発生空間２２ａとは、複数本（この場合は３本）の液体燃料流路２１で連通しており、微細流体発生空間２２ａは、液体燃料流路２１に交わる形で設けられた液体燃料誘導溝２１ｃを有している。液体燃料誘導溝２１ｃを設けることにより、液体燃料流出孔２１ｂから微細流体発生空間２２ａに吐出された液体は、混入流体導入孔２３ａを有する吐出面にキャビテーションを伴う剥離域が発生することで、導入した混入流体を均一かつ微細化することができる。
混入流体導入孔２３ａと、微細流体発生装置６の側面に接続される混入流体導入管２４は、微細流体発生装置６内に設けられる混入流体導入流路２３によって連通し、混入流体の導入量は混入流体導入管２４に設けられた混入流体導入量調整弁８により自在に調整することができる。
本発明で使用するエジェクター式の微細流体発生装置は、加圧液体燃料を微細流体発生空間に高速で噴出させ、その出口付近に生じるキャビテーションを伴う剥離域の乱流作用により、混入した流体が空気の場合１０μｍ以下の微細気泡、水の場合１０μｍ以下の微細液滴に微細化することができる。
図３は混入流体が複数種（この場合は２種で気体：空気、液体：水）の場合のエジェクター式の微細流体発生装置６の別実施例の構造を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は液体燃料導入側から見た導入部の形態を示す平面図、（ｃ）は微細流体混入液体燃料吐出口側から見た底面図、（ｄ）は微細流体混入液体燃料吐出口側から見た底面拡大図である。図２に示す微細流体発生装置６と同一の部材には同一の符号を付して、その説明は省略する。
混入流体導入孔２３ａと、微細流体発生装置６の側面に接続される複数本の混入流体導入管２４から、混入流体として複数種の流体、例えば気体（空気）、液体（水）が個別に微細流体発生空間２２ａに吐出される。
図４はエジェクター式の微細流体発生装置６のさらに別の実施例の構造を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は液体燃料導入側から見た導入部の形態を示す平面図、（ｃ）は微細流体混入液体燃料吐出口側から見た底面図、（ｄ）は微細流体混入液体燃料吐出口側から見た底面拡大図である。図３に示す微細流体発生装置６と同一の部材には同一の符号を付して、その説明は省略する。
図３では複数種の混入流体を入れるため、混入流体と同数の混入流体導入流路２３及び混入流体導入孔２３ａを設けたが、本実施例では混入流体が複数種の場合でも混入流体導入流路２３及び混入流体導入孔２３ａは図２同様に一箇所しか設けず、微細流体発生装置６の側面に接続される混入流体導入管２４を複数に分岐させた構造としたものである。分岐した混入流体導入管２４のそれぞれに気体、液体を導入し、混入流体導入流路２３を通して複数種の混入流体を同時に混入流体導入孔２３ａから微細流体発生空間２２ａに同時に吐出させることができる。
図５は本発明の燃料製造装置の別実施例を示す概略図である。本実施例は、導かれた燃料を微細液体混入液体燃料貯留タンク３において、循環させながら微細流体混入液体燃料３ａを生成することができる。
燃料タンクより送られた燃料は、燃料導入管１より微細流体混入液体燃料貯留タンク３へ送られる。この時、微細流体混入液体燃料貯留タンク３の液面は、定水位弁２によって一定に保たれる。燃料ポンプ１１が送液を開始しエンジンが始動すると、微細流体混入液体燃料貯留タンク３の燃料は循環ポンプ４によりエジェクター式の微細流体発生装置６へ送られ、微細流体発生装置６において混入流体が導入され、燃料中に微細流体が分散した微細流体混入液体燃料３ａを生成し、微細流体混入液体燃料貯留タンク３へ吐出される。
微細流体混入液体燃料貯留タンク３の微細流体混入液体燃料３ａは、循環ポンプ４およびエジェクター式の微細流体発生装置６により循環しているので、微細流体の混入量を容易に増やすことができ、生成された微細流体混入液体燃料３ａは、燃料ポンプ１１によって、エンジンへ送られる。微細流体発生装置６には、混入流体導入管９が接続され、逆止弁７、混入流体導入量調整弁８が設けられる。
＜試験結果＞
エジェクター式の微細流体発生装置の最低作動流量は約３０ｃｃ／ｍｉｎであり、供試機関の実験に必要な液体燃料の消費量６〜４０ｃｃ／ｍｉｎと比較して、小流量の場合は５倍程度多い。そのため、微細流体混入液体燃料貯留タンクを設け、実験に必要な微細液体混入液体燃料を供試機関へ導く。さらに、微細流体混入液体燃料貯留タンクを設けた場合、微細流体混入液体燃料は微細流体発生装置を介して循環しているので、循環時間を延ばすことで、微細流体の混入量を容易に増やすことができる。液体燃料（軽油）に流体（空気）を混入すると、混入流体の混入前は透明な薄緑色であるが、混入後は微細に分散され乳白色になる。
エジェクター式の微細流体発生装置の最低作動流量は約３０ｃｃ／ｍｉｎであり、供試機関の実験に必要な液体燃料の消費量６〜４０ｃｃ／ｍｉｎと比較して、小流量の場合は５倍程度多い。そのため、微細流体混入液体燃料貯留タンクを設け、実験に必要な微細液体混入液体燃料を供試機関へ導く。さらに、微細流体混入液体燃料貯留タンクを設けた場合、微細流体混入液体燃料は微細流体発生装置を介して循環しているので、循環時間を延ばすことで、微細流体の混入量を容易に増やすことができる。液体燃料（軽油）に流体（空気）を混入すると、混入流体の混入前は透明な薄緑色であるが、混入後は微細に分散され乳白色になる。
本試験は液体燃料として軽油を使用し、混入流体として空気を微細化しマイクロバブルとして混入した例である。
実験装置はディーゼル機関総合性能試験装置であり、水冷渦電流式動力計：１Φ２００Ｖ、最大吸収出力：３０ＰＳ／６８００ｒｐｍ、最大吸収トルク：１７．９ｋｇｆ・ｍ、腕の長さ：０．３５８１ｍ、荷重検出方式：台秤方式である。
表１に供試機関の仕様を示す。
供試機関は水冷式単気筒直噴ディーゼル機関（クボタＭＢ改造）である。
図６及び図７はエンジン回転速度１０００ｒｐｍ一定におけるマイクロバブル混入燃料が機関性能に及ぼす影響を示す図である。
エンジン回転速度を１０００ｒｐｍで一定にして、負荷を大気補正の正味（軸）平均有効圧力Ｐｍｅｃ（０．１ＭＰａ毎）におけるエンジンの総合性能を測定し、さらに排気ガス分析を比較実験した。排気ガス分析方式はダイレクト方式、同一サンプリング、５成分同時分析で行った。
左縦軸又は右縦軸は、正味燃料消費率（ＢＳＦＣ）、充填効率（ηｃ）、エンジン騒音（Ｎｏｉｓｅ）、黒煙濃度（Ｓｍｏｋｅ）、排気ガスの温度（Ｔｅｇ）、正味炭化水素濃度（ＢＳＨＣ）、正味一酸化炭素濃度（ＢＳＣＯ）、正味窒素酸化物濃度（ＢＳＮＯｘ）、吸気側基準空気過剰率（λｓ）、ならびに排気ガス側基準空気過剰率（λｅ）を示す。
正味燃料消費率（ＢＳＦＣ）は平均１４％の低減率を示した。これは、マイクロバブルの混入により燃焼が促進され、短時間で燃焼が完結して、膨張比の増加のため有効ストロークが向上したためと考えられる。マイクロバブルの混入によって、充填効率の上昇による吸気側基準空気過剰率（λｓ）の上昇、ならびに軽油中の含有酸素濃度の向上による排気ガス側基準空気過剰率（λｅ）が向上している事実からも、燃焼改善に寄与していることが理解できる。
さらに、マイクロバブルの混入により、軽油の粘度の低下、噴霧液滴の微粒化による混合気形成の促進と着火遅れ時間の短縮、含有酸素量と含有ラジカル量の増大などの物理的および化学的効果が燃費向上につながったと考えられる。
１：燃料導入管
２：定水位弁
３：微細流体混入液体燃料貯留タンク
３ａ：微細流体混入液体燃料
４：循環ポンプ
５：配管
６：微細流体発生装置
７：逆止弁
８：混入流体導入量調整弁
９：混入流体導入管
１０：送液管
１１：燃料ポンプ
２１：液体燃料流路
２１ａ：液体燃料流入孔
２１ｂ：液体燃料流出孔
２１ｃ：液体燃料誘導溝
２２：微細流体混合室
２２ａ：微細流体発生空間
２３：混入流体導入流路
２３ａ：混入流体導入孔
２４：混入流体導入管
２：定水位弁
３：微細流体混入液体燃料貯留タンク
３ａ：微細流体混入液体燃料
４：循環ポンプ
５：配管
６：微細流体発生装置
７：逆止弁
８：混入流体導入量調整弁
９：混入流体導入管
１０：送液管
１１：燃料ポンプ
２１：液体燃料流路
２１ａ：液体燃料流入孔
２１ｂ：液体燃料流出孔
２１ｃ：液体燃料誘導溝
２２：微細流体混合室
２２ａ：微細流体発生空間
２３：混入流体導入流路
２３ａ：混入流体導入孔
２４：混入流体導入管
Claims (4)
- 液体燃料中に微細流体を混入分散させた微細流体混入液体燃料の製造装置において、
液体燃料中に微細流体のマイクロバブルを混入分散させるエジェクター式の微細流体発生装置と、液体燃料を加圧して前記エジェクター式の微細流体発生装置へ送液するポンプを備え、
前記エジェクター式の微細流体発生装置がポンプで加圧された液体燃料を導入する複数本の液体燃料流路とともに液体燃料に混入させる混入流体を導入する混入流体導入流路と、液体燃料流路から吐出する液体燃料中に混入流体導入流路から吐出する混入流体をマイクロバブルに微細化し分散させる、液体燃料誘導溝を有する微細流体発生空間および微細流体発生空間で発生した微細流体を混合する微細流体混合室を有することを特徴とする微細流体混入液体燃料の製造装置。 - 液体燃料、及び前記微細流体混合室からの微細流体混入液体燃料が溜められるとともに 、前記エジェクター式の微細流体発生装置へ送液して循環させる微細流体混入液体燃料留タンクを備えたことを特徴とする請求項１記載の微細流体混入液体燃料の製造装置。
- 混入流体導入流路に導入される混入流体が気体および／又は液体であることを特徴とする請求項１又は２記載の微細流体混入液体燃料の製造装置。
- 混入流体が空気および／又は水であることを特徴とする請求項３記載の微細流体混入液体燃料の製造装置。
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