JP6558613B2 - 噴射装置およびこれを備えた動力装置 - Google Patents
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Description
本発明は、原動機の燃料に水を混合して燃焼させるための噴射装置およびこれを備えた動力装置に関する。
本発明者らは、燃料油に水と界面活性剤とを添加したエマルジョン燃料に代わる燃料として、燃料油と水と金属酸化物の粉末とを混合した水混合燃料を開発している（特許文献１参照。）。この水混合燃料では、金属酸化物の粉末が触媒となって水の活性化エネルギーが下がり、燃料油とともに燃焼するようになり、エンジンの出力向上が確認できている。
ところで、上記水混合燃料では、燃料油に対して水と金属酸化物の粉末とを混合して攪拌することにより得ているが、混合した燃料油と水とがすぐに分離してしまうという問題がある。水混合燃料を実用化するためには、水混合燃料をどのようにしてエンジンへ供給するかが重要となる。
そこで、本発明においては、原動機の燃料に効率良く水を混合して燃焼させ、出力を向上させることが可能な噴射装置およびこれを備えた動力装置を提供することを目的とする。
本発明の噴射装置は、空気と燃料との混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を取り出す原動機の空気または混合気を燃焼室内へ導入する吸気路内に水と触媒との混合物を噴射するものである。また、本発明の動力装置は、前記噴射装置を備えたものである。
また、本発明の別の動力装置は、燃料を燃焼室内へ直接噴射して空気と混合した混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を取り出す原動機の空気を燃焼室内へ導入する吸気路内に水と触媒との混合物を噴射する噴射装置を備えたものである。
本発明に係る噴射装置によれば、吸気路内を通過する空気または混合気に対して水と触媒との混合物が噴射され、空気または混合気とともに燃焼室内へ導入されるため、燃料と水とが分離することなく、燃焼室内で燃焼させることが可能となる。また、吸気路内に噴射する水と触媒との混合物の供給量を、吸気路内を通過する空気または混合気の量とは別に制御することが可能となるため、燃焼室内へ供給される空気または混合気の量に応じて最適な混合物の供給量とすることが可能となる。
ここで、噴射装置は、水と触媒との混合物を原動機の排熱により加熱する手段を備えたものであることが望ましい。吸気路内へ噴射する水と触媒との混合物を原動機の排熱により加熱した後に吸気路内へ噴射することで、水の混入により燃料が冷却されるのを防止することが可能となる。
（１）本発明の噴射装置によれば、原動機の燃料に効率良く水を混合して燃焼させ、出力を向上させることが可能となる。
（２）水と触媒との混合物を原動機の排熱により加熱する手段を備えたことにより、燃料が冷却されるのを防止し、出力向上を図ることが可能となる。
１ 原動機
２ 噴射装置
１０ 燃料噴射装置
１１ 燃焼室
１２ インテークマニホールド
１３ 吸気弁
２０ 流路
２ 噴射装置
１０ 燃料噴射装置
１１ 燃焼室
１２ インテークマニホールド
１３ 吸気弁
２０ 流路
図１は本発明の実施の形態における動力装置の概略構成図である。
図１において、本発明の実施の形態における動力装置は、燃料噴射装置１０により燃料を燃焼室１１内へ直接噴射して空気と混合した混合気を燃焼室１１内で燃焼させて動力を取り出す原動機１と、原動機１の燃焼室１１内に空気を導入する吸気路としてのインテークマニホールド１２内に水と触媒との混合物を噴射する噴射装置２とを備えたものである。なお、本実施形態における原動機１は、軽油を燃料とする直噴式ディーゼルエンジンである。
図１において、本発明の実施の形態における動力装置は、燃料噴射装置１０により燃料を燃焼室１１内へ直接噴射して空気と混合した混合気を燃焼室１１内で燃焼させて動力を取り出す原動機１と、原動機１の燃焼室１１内に空気を導入する吸気路としてのインテークマニホールド１２内に水と触媒との混合物を噴射する噴射装置２とを備えたものである。なお、本実施形態における原動機１は、軽油を燃料とする直噴式ディーゼルエンジンである。
噴射装置２は、予め水と触媒とを混合した混合物を原動機１の吸気弁１３の直前のインテークマニホールド１２内に噴射するものである。噴射装置２は原動機１の既設のインテークマニホールド１２を加工することにより容易に取り付けることが可能である。また、噴射装置２に水と触媒との混合物を供給する流路２０は、例えば原動機１の周囲を通過させることで、この水と触媒の混合物を原動機１の排熱により加熱するようになっている。
本実施形態における動力装置では、インテークマニホールド１２内を通過する空気に対して噴射装置２により水と触媒との混合物が噴射され、空気とともに原動機１の燃焼室１１内へ導入され、混合物に含まれる触媒によって水の活性化エネルギーが下がり、燃料とともに燃焼室１１内で燃焼するようになり、水をエネルギーとして利用可能となるため、出力が向上する。
なお、水をエネルギーとするためには、水を水素と酸素に分解し、水素を爆発させることが必要となるが、水を分解するには、基底状態から遷移状態に励起するための活性化エネルギーを与える必要がある。この活性化エネルギーは以下のアレニウスの式によって表現される。
この活性化エネルギーは、触媒による反応定数や頻度因子のコントロールによって値が変わる。一方、水素の爆発エネルギーは約２５０ｋＪ／ｍｏｌ（〜５０００℃）である。つまり、水が水素と酸素に分解するエネルギーをＥ1とし、爆発エネルギーをＥ2とすると、Ｅ1＜Ｅ2の不等式が成り立つ。本発明の水混合燃料では、金属酸化物の粉末が触媒となることにより、この水の活性化エネルギーＥ1を下げることができる。なお、触媒としては、酸化チタン、酸化マグネシウムや酸化ナトリウム等の金属酸化物の粉末等を用いることが可能である。
また、本実施形態における動力装置では、インテークマニホールド１２内に噴射する水と触媒との混合物の供給量を、インテークマニホールド１２内を通過する空気の量とは別に制御することが可能であるため、燃焼室１１内へ供給される空気の量に応じて最適な混合物の供給量とし、出力を向上することが可能である。
また、本実施形態における動力装置では、水と触媒との混合物の流路２０を原動機１の排熱により加熱する構成により、水と触媒との混合物を加熱した後にインテークマニホールド１２内へ噴射し、水の混入により燃焼室１１内の燃料が冷却されるのを防止し、燃料の気化の妨げとならないようにして、出力向上を図っている。
なお、上記実施形態においては、原動機１として直噴式ディーゼルエンジンを例に説明したが、本発明は副室式ディーゼルエンジンにも適用可能である。また、ガソリンを燃料とする直噴式ガソリンエンジンや、インテークマニホールドに燃料を噴射したり、キャブレターにより燃料を吸入したりして、空気と燃料とを混合した混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を取り出す一般的なガソリンエンジン等の原動機にも適用可能である。さらに、軽油やガソリン等の燃料油を燃料とする上記ディーゼルエンジンやガソリンエンジン以外にも、メタノール、天然ガスや水素等を燃料とするエンジン（原動機）にも適用可能である。これらの場合、空気または混合気を燃焼室内へ導入する吸気路内へ噴射装置により水と触媒との混合物を噴射する構成とすればよい。
上記実施形態における動力装置の出力測定を行った。測定は、原動機１の動力出力軸に渦流動力計によって負荷を与え、一定の回転数に調節し、出力がどのように変化するのか計測することにより行った。
測定項目は以下の通りである。
（１）水消費量（ｍｌ／ｍｉｎ）
（２）触媒含有量（ｇ）
（３）燃料消費量（ｍｌ／ｍｉｎ）
（４）出力（ｋｇ）
（１）水消費量（ｍｌ／ｍｉｎ）
（２）触媒含有量（ｇ）
（３）燃料消費量（ｍｌ／ｍｉｎ）
（４）出力（ｋｇ）
まず比較例として、触媒を入れない状態（水のみ噴射）で出力測定を行った。測定は１０回行い、図２にデータをまとめた。また、最小二乗法を用いて近似曲線を求めた。図２は水のみ噴射した場合の出力増減率と水含有率の関係を示している。縦軸は、水なしの燃料で規格化した出力増減率である。横軸は、燃料消費量と水消費量から算出した水含有率である。
次に、実施例として、水と触媒とを混合した混合物を噴射して出力測定を行った。触媒は市販の酸化チタンゾル（水中にイオン化させた酸化チタン粉末を均一分散させたもの）を用いた。測定は、触媒含有率を０．１ｗｔ％、０．２ｗｔ％、０．３ｗｔ％、０．５ｗｔ％、０．８ｗｔ％として、それぞれ１０回ずつ行った。また、最小二乗法を用いて近似曲線を求めた。図３〜図７はそれぞれ触媒含有率が０．１ｗｔ％、０．２ｗｔ％、０．３ｗｔ％、０．５ｗｔ％、０．８ｗｔ％のときの出力増減率と水含有率の関係を示している。
水のみ噴射した場合、燃料に対する水含有率が３．２ｗｔ％のとき、約１．７％の出力上昇が見られた。また、水と触媒とを混合した混合物を噴射した場合、触媒含有率０．５ｗｔ％のとき、約２．５％の出力上昇が見られた。この結果から、水のみ噴射でも出力上昇効果が得られるが、水と触媒とを混合した混合物を噴射した場合には、さらに高い出力向上効果が得られることが分かった。
また、図８に水に対する触媒含有率、燃料に対する水含有率、出力増減率の関係を変数とした３次元グラフを示した。また、図９は図８の出力増加部分のみを示した３次元グラフ、図１０は図８の出力減少部分のみを示した３次元グラフである。
図９に示されるように、燃料に対する水含有率０．１〜７．０ｗｔ％、触媒含有率０．１〜０．８ｗｔ％の部分では、出力がプラスの値となった。中でも、最も高い出力を示したのが、水に対する触媒含有率が０．５ｗｔ％のときである。このとき、燃料に対する水含有率２．４ｗｔ％のとき、約２．５％の出力向上が見られた。この結果から、燃料に対する水含有率は０．１〜７．０ｗｔ％、好ましくは１．０〜６．０ｗｔ％、より好ましくは１．５〜４．０ｗｔ％、さらに好ましくは２．０〜３．０ｗｔ％、触媒含有率は０．１〜０．８ｗｔ％、好ましくは０．２〜０．７ｗｔ％、より好ましくは０．３〜０．６５ｗｔ％、さらに好ましくは０．４〜０．６ｗｔ％である。
一方、図１０に示されるように、燃料に対する水含有率が７ｗｔ％を超えると、出力がマイナスの値となった。これは過剰な水の添加による燃料の希薄効果が起こったことや、水が原動機１の温度低下を引き起こしたこと等により、出力を減少させたものと考えられる。
本発明は、軽油、ガソリン、メタノール、天然ガスや水素等を燃料とする原動機に水を混合して燃焼させるための噴射装置およびこれを備えた動力装置として有用である。
Claims (3)
- 空気と燃料との混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を取り出す原動機の前記空気または前記混合気を前記燃焼室内へ導入する吸気路内に、水と触媒との混合物であり、前記燃料に対する水含有率０．１〜７．０ｗｔ％、触媒含有率０．１〜０．８ｗｔ％の混合物を、前記原動機の排熱により加熱した後に噴射する噴射装置。
- 請求項１記載の噴射装置を備えた動力装置。
- 燃料を燃焼室内へ直接噴射して空気と混合した混合気を燃焼室内で燃焼させて動力を取り出す原動機の前記空気を前記燃焼室内へ導入する吸気路内に、水と触媒との混合物であり、前記燃料に対する水含有率０．１〜７．０ｗｔ％、触媒含有率０．１〜０．８ｗｔ％の混合物を、前記原動機の排熱により加熱した後に噴射する噴射装置を備えた動力装置。
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