JP6986069B2 - ガソリン及びディーゼル燃焼機関のための、水素添加液体燃料生成・高圧燃料噴射システム - Google Patents

Description

関連出願の相互参照

本願は、米国仮特許出願第６２／３４１，２２８（出願日２０１７年５月２５日）に優先権を主張する。この仮出願の内容全体は、本願に組み入れられる。

本願発明は内燃機関の燃料に関し、特に、既存の燃料システムに大きな変更を要せずに化石燃料効率を改善しうる、高圧燃料システムに関する。

既存のシステムは、エア取り入れ口やその他のエア導入法により、水素ガスを燃焼室に送り込もうとしている。水素の性質により、既存のエア取り入れ口では、相当量の水素ガスを失ってしまう。このため、計った量の水素を正確に導入することは困難である。既存のシステムで、適切な量の水素を燃焼室に一貫して送り続けることができるようなシステムは存在しなかった。運転中の利用に繋がるようなシステムは存在しなかった。エア導入法が、実用的であったり効率的であったりすることは、これまではなかった。このため、内燃機関のための水素燃料噴射システムが、市場で目立つことはなかった。

本発明は、新しい高圧燃料システムを提供することにより、上述の必要性やその他の必要性に対処する。この高圧燃料システムは、圧縮着火エンジンや火花点火エンジンの燃焼反応のために、水素が添加された燃料を生成し、既存の燃料システムに大きな変更を加えずに、化石燃料の効率を向上させる。水素が添加された燃料は、ＮＯｘやＣＯ、未燃焼の炭化水素粒状物質を減らし、化石燃料の消費量を減らす。このシステムは水素ガスを生成し、いくつかのチャンバー（室）を使って水素ガスを液体燃料中に溶かす。チャンバーには、液体燃料供給部と燃料ポンプとの間に設けられる高圧室がある。燃料ポンプは、水素が添加された液体燃料を、燃料噴射装置に供給する。使われなかった水素ガスや水素含有燃料は、効率損失を最小限にすべく、再循環させられる。このシステムは好ましくは、水素ガスを生成するために、水タンク及び電気分解装置を備える。

本発明のある側面によれば、高圧の混合室が提供される。水素が生成され、圧縮され、所定の圧力で、前記高圧混合室に届けられる。それによって水素ガスが圧縮され、化石燃料中に留められる。水素ガスは、移動中の燃料の流れに注入されるわけではない。そうではなく、燃焼システムへと送給される前に、高圧室において、燃料液中で、水素ガスは溶解又は混濁され、それによって炭素分子に付加される。様々な分野で用いられている既存の燃料システムが、水素添加された化石燃料によって燃焼室へ届けられる追加のエネルギーを補うように、修正又は調整されてもよい。それは、燃料消費の改善や汚染物質排出の改善に更に寄与するだろう。

本発明の別の側面によれば、燃料液中に水素ガスを直接導入し、水素添加された液体燃料を内燃機関の燃料噴射装置へと供給し、燃料噴射装置から循環させる、システムが提供される。このシステムは、圧力下で、液体のガソリンや液体のディーゼル燃料の中に水素ガスを溶け込ませる。これは、炭酸飲料を作るために液体中に二酸化炭素を溶け込ませるのに似ている。燃料液中で水素ガスは圧力下で溶け、バラバラになり、炭素分子に付着する。そして、分子レベルでＣＨ結合を形成する。液体化石燃料中で溶解した又は混濁した水素は、攪拌されるまで、溶けたままでいようとする傾向がある。攪拌は、漏れを生じる環境や手段が存在する位置で生じることがある。内燃機関の燃料噴射システム中の液体燃料中に溶解した水素が存在することは、安全であり、又エネルギー効率を改善する。

本発明のさらに別の側面によれば、バイフューエル（ｂｉ−ｆｕｅｌ）（水素添加化石燃料）生成システムが提供される。エア取り入れ口や圧力を使って動いている（非静的な）燃料流に水素を注入して導入することに比べて、高圧室の中でバイフューエルを生成することは、水素ガスの使用という点で、著しく効率的である。その時の状況や燃料ポンプの動作によって、層流やキャビテーションが燃料液中で生じても、損失はない。高圧で生成されたバイフューエルに含まれるエネルギーは、高圧混合室の圧力が減少した時にも保たれている。それは、作られたものを揺らす外部の動的な力がなく、内部圧力が、圧縮された含有水素と共に、存在し続けるからである。これは、「追加のエネルギーによる静的な過給」（static supercharging with added energy）と称することができる。

本発明のさらに別の側面によれば、水素導入生成及び配送システムが提供される。水素は、水の電気分解を通じて、その場で生成される。水は導電性を有する。つまり、重曹やその他の導体を含む。水素導入生成及び配送システムは、燃料に加えるものとして、水以外を必要としない。

本発明の上述の又はその他の側面や特徴、効果は、以下の詳細説明及び添付図面から、より明らかになるだろう。

本発明に従う水素導入システムであって、燃料ポンプ圧縮を行うシステムを描いたものである。

本発明に従う水素導入システムであって、高圧混合室圧縮を行うシステムを描いたものである。

複数の図面を通じて、対応する符号は対応する要素を示す。

現時点において、本発明を実施するための最良の形態であると考えられているものを、次に説明する。しかし、この説明は、限定的な意味合いで受け取られるべきではない。この説明は、単に、本発明の一つ又はいくつかの好適な実施形態を説明するためだけのものである。発明の範囲は特許請求の範囲によって定められるべきである。

「およそ」や「一般的に」のような用語が発明特定事項に関連付けられている場合、人間の目や人間の知覚で感知できる特徴を表すことが意図されており、厳密な量を表すことが意図されてはいない。

図１に、燃料ポンプ圧縮を行う水素導入システム１０ａが描かれている。水素生成装置１２は、水の電気分解から水素ガス１８及び酸素１６を生成し、水素分離装置１４の中で、不要な粒子状物質や残留物から水素ガス１８を分離する。水素生成装置１２で生成された水素ガス１８は、冷却器２０を通ると共に、導入ポート２２，（液体燃料２６を貯蔵する）燃料タンク２４を通って、高圧燃料ポンプ２８へと導かれる。高圧燃料ポンプ２８は、水素１８を液体燃料３３へ溶かし、水素が添加された燃料３０を生成する。水素分子は、高圧燃料ポンプ２８で圧力を受け、水素添加燃料３０に含有されて運ばれ、高圧燃料ポンプ２８によってインジェクター４０へと押し出される。使用されなかった燃料４４は、圧力調整器４２及び冷却器４６を通り、導入ポート２２を通じて燃料タンク２４へと送られる。

水素ガス１８及び液体燃料２６は燃料ポンプ２８に吸い込まれる。燃料ポンプ２８の圧力を利用して、水素ガス１８は液体燃料２６に溶け込まされ、それによって水素添加燃料３０が生成される。水素添加燃料３０の水素の飽和は、燃料ポンプ２８の圧力レベルに依存する。

図２に、高圧混合室圧縮を行う水素導入システム１０ｄが描かれている。水素生成装置１２は、水の電気分解から水素ガス１８及び酸素１６を生成し、水素分離装置１４の中で、酸素１６から水素ガス１８を分離する。水素ガス１８は、冷却器２０、逆止弁５０ａ、コンプレッサー５２、近接ベント／制御部５４を通り、ジェット５６を通じて高圧混合室５８へと入る。

液体燃料タンク６０は、燃料ポンプ９２、逆止弁５０ｂ、近接制御部６６を通じて、燃料６２を高圧混合室５８へと供給する。高圧混合室５８においては、コンプレッサー５２及びジェット５６によって生成された圧力下で、水素ガス１８が液体燃料６２の中に溶け込まされ、水素添加液体燃料３０が生成される。高圧のコンプレッサー５２、ジェット５６、及び低圧の逆止弁５０ｃによって作られる圧力差が、水素添加液体燃料３０を、逆止弁５０ｃから圧力調整器６８及び近接制御部７０を通じて、水素添加液体燃料入れ７２へと押し出す。水素添加液体燃料３０は、燃料噴射ポンプ７４によって燃料入れ７２から取り出され、燃料噴射装置４０へと送られる。

燃料帰還システムを有する内燃機関の場合、帰還する水素添加液体燃料３０は、燃料噴射装置から戻され、圧力調整器４２及び冷却器４６を通り、逆止弁５０ｄを通って燃料入れ４８へと戻る。戻された水素添加液体燃料３０は、燃料ポンプ８８によって燃料入れ４８から取り出され、近接制御部６６を通じて高圧混合室５８へと再導入されてもよい。

近接制御部６６は、近接スイッチと、開閉制御部を含み、高圧混合室５８が液体燃料で満杯になったことを検出すると、液体燃料６２が高圧混合室５８にそれ以上入らないように、その流れを遮断する。近接制御部６６はまた、高圧混合室５８内の液体燃料の量が少ないと判断すると、追加の液体燃料６２や戻り燃料４４が高圧混合室５８に流入することができるように、オープンにする。近接制御部６６の３つの目的は、水素ガス１８を液体燃料中に溶かすべく、高圧混合室５８内の液体燃料６２及び戻り燃料４４の量が十分である状態を維持することと、高圧条件において高圧混合室５８からの逆流を防ぐことと、水素添加液体燃料３０を水素添加燃料入れ４８から高圧混合室５８へと戻すことである。高圧混合室５８内で水素ガス１８が液体燃料６２へと押し付けられることにより水素ガス１８は液体燃料６２に溶ける。

水素分離装置１４は「浴槽処理」を提供する。水素ガス１８はその中で循環させられ、電気分解で生じた不要な粒子状物質や残留物が除去される。水から水素を抽出する時に、容量エネルギーが存在するので、電気分解は、水粒子を生成するような力を生成する。水素分離装置１４は、電気分解で生成された水素ガス１８から水粒子を除去する。水素ガス１８が生成されたため、水素が速度をもって逃げると電圧が上昇し、水素ガス１８の前に粒子状物質を押し出す。

水素添加燃料３０は、燃料ラインを通じて燃料ポンプ７４によって吸い上げられ、燃焼室への導入のために燃料噴射装置４０へと導かれる。噴射装置４０から戻った水素添加燃料４４は、圧力制御機４２を通じて取り出され、不要な熱を除去すべく冷却器４６を通され、逆止弁５０ｄを通じて燃料入れ４８へと導かれる。

近接制御部５４は、水素のために、近接スイッチ及び開閉制御部を有する。近接制御部５４が、高圧混合室５８が液体燃料で満杯であると決定すると、近接制御部５４は、ジェット５６を通じて高圧混合室５８内へ水素ガスを導入する。

高圧混合室５８は球状又は円筒状である。高圧混合室５８の内部では、圧縮反応が生じている。高圧混合室５８に噴射された、圧力がかけられた水素ガス１８は、高圧混合室５８内の圧力を上昇させるが、それによって水素ガス１８は液体燃料６２に溶ける。従って液体燃料は、水素が添加された状態、又は水素が注入された状態、になる。水素ガスは粒子状にされ、又は溶解され、個々の炭素分子とくっつく。そして燃料液中で、炭素分子と水素分子との間の結合を作る。水素ガスが圧縮され高圧混合室５８中に噴射される圧力に応じて、液体燃料中の水素飽和のレベルの高低が決まる。

近接制御部５４は、高圧混合室５８が所望の内圧に達したと判断すると、高圧混合室５８から環境圧力の水素を排出する。それによって、圧力が掛けられた水素添加液体燃料３０の周囲の環境を緩ませる。また、燃料入れ７２へと水素添加燃料３０が排出された後に高圧混合室５８に残った水素ガスを利用する。排出された水素ガスは、後で利用するべく戻され、有用な水素ガスが失われないようにする。

水素添加液体燃料３０は、逆止弁５０ｃ、圧力制御器６８，及び近接制御部７０を介して、高圧混合室５８から燃料入れ７２へと排出される。近接制御部７０は近接スイッチを有し、水素添加燃料入れ７２が満杯であるか否かを判断することと、高圧混合室５８から燃料を取り込むことで、水素添加燃料入れ７２を満杯に保つこととの、２つの役割を果たす。逆止弁５０ｃと、コンプレッサー５２及びジェット５６の全圧力との圧力差が、水素添加液体燃料３０を高圧混合室５８から押し出す圧力を生成する。圧力調整器６８は、低圧で、水素添加液体燃料３０を燃料入れ７２へと送る。

燃料ポンプ７４は、燃料入れ７２から水素添加液体燃料３０を吸い上げ、既存の燃料ラインを通じて燃料噴射装置４０へと導く。このとき、燃焼過程において、水素添加液体燃料３０に溶けていた水素は逃げだし粒子状になり、完全且つ効率的な燃焼を実現する。

燃料入れ７２が機関運転には不十分な量の水素添加液体燃料３０しか有していない場合、バイパス３６はいつでも、燃料ポンプ７４が液体燃料６２を燃料タンク６０から直接吸い出すことを可能にする。

車両からの汚染物質の排出量をできるだけ減らすことができるように、水素添加燃料中に溶かす水素の量が適切となるよう、水素ガスと液体燃料の混合は、様々な圧力で遂行してもよい。ある試験の結果では、車両からの汚染物質の排出量を減らすために好ましい圧力は６０から１２０ＰＳＩＧ（ポンド毎平方インチゲージ圧）であり、より好ましい範囲は８０から１１０ＰＳＩＧであり、最も好ましい圧力は９０ＰＳＩＧであった。

本発明は、燃料の改善の分野に産業上の利用可能性を見いだす。
［発明の範囲］

特定の実施形態及び応用分野を用いて本発明を説明してきたが、当業者が、特許請求の範囲に特定された発明の範囲を逸脱せずに、様々な変更を行うことができることは明らかである。

Claims (17)

1. 水素ガスを供給する水素源と；
   液体燃料を収容する液体燃料タンクと；
   前記水素ガスを受け取るように前記水素源と流体接続すると共に、前記液体燃料を受け取るように前記液体燃料タンクと流体接続し、圧力下で前記液体燃料に前記水素ガスを溶解して水素添加燃料を生成するように構成される混合室と；
   前記水素添加燃料を受け取るように前記混合室と流体接続し、機関内に前記水素添加燃料を噴射する燃料噴射装置と；
   を備え、
   使われなかった戻り燃料は、戻り燃料冷却器及び戻り燃料逆止弁を介して、噴射燃料ポンプと戻り燃料入れとの間に直列に流体接続する、燃料システム。
2. 水素ガスを供給する水素源と；
   液体燃料を収容する液体燃料タンクと；
   前記水素ガスを受け取るように前記水素源と流体接続すると共に、前記液体燃料を受け取るように前記液体燃料タンクと流体接続し、圧力下で前記液体燃料に前記水素ガスを溶解して水素添加燃料を生成するように構成される混合室と；
   前記水素添加燃料を受け取るように前記混合室と流体接続し、機関内に前記水素添加燃料を噴射する燃料噴射装置と；
   を備え、
   前記混合室が液体燃料で満杯の時に、前記水素ガスの流れが前記混合室に入ることを可能にするように構成される第１の近接制御部を更に有し、前記第１の近接制御部は前記水素源と前記混合室との間に位置する、燃料システム。
3. 請求項１又は２に記載の燃料システムであって、
   前記混合室は、逆止弁及び圧力調整器を介して水素添加燃料入れに流体接続し、
   前記水素添加燃料入れは、噴射燃料ポンプを介して前記燃料噴射装置に流体接続する、
   燃料システム。
4. 前記水素ガスはコンプレッサーを通って前記混合室へ供給される、請求項１から３のいずれかに記載の燃料システム。
5. 前記水素ガスは、前記水素源から、冷却器及び逆止弁を通って、前記前記コンプレッサーへと流れる、請求項４に記載の燃料システム。
6. 前記水素源は、前記混合室に６０〜１２０ＰＳＩＧの圧力を供給する前記コンプレッサーを通じて前記混合室に流体接続する、請求項４又は５に記載の燃料システム。
7. 前記水素ガスはジェットを通じて前記混合室に導入される、請求項１から６のいずれかに記載の燃料システム。
8. 前記液体燃料タンク及び前記戻り燃料入れは、第３の近接制御部を通じて前記混合室に流体接続し、ここで前記第３の近接制御部は、前記液体燃料中に前記水素ガスが溶けることが続くのに十分な量の前記液体燃料が維持されるように、前記液体燃料及び前記戻り燃料の流れが前記混合室へ入ることを可能にするように構成されると共に、前記混合室からの逆流を防ぐように構成される、請求項１から７のいずれかに記載の燃料システム。
9. 前記混合室の液体水素添加燃料は、逆止弁及び圧力調整器を通じて水素添加燃料入れに流体接続し、
   前記水素添加燃料入れは、燃料噴射ポンプを通じて前記燃料噴射装置に流体接続する、
   請求項１から８のいずれかに記載の燃料システム。
10. 前記水素源と前記燃料ポンプとの間に、これらに直列に冷却器を備える、請求項１から９のいずれかに記載の燃料システム。
11. 前記水素ガスは前記液体燃料に溶けて前記液体燃料中の炭素と結合する、請求項１から１０のいずれかに記載の燃料システム。
12. 前記混合室への流入及び該混合室からの流出は、全て逆止弁を通る、請求項１から１１のいずれかに記載の燃料システム。
13. 水素添加燃料で内燃機関を運転する方法であって、
    水素ガスを供給することと；
    液体燃料を供給することと；
    混合室で前記水素ガスと前記液体燃料とを圧力下で混合し、水素添加燃料を作ることと；
    内燃機関の燃料噴射装置に前記水素添加燃料を燃料噴射ポンプで押し出すことと；
    使われなかった水素添加燃料を前記混合室に戻すことと；
    を含み、
    前記水素ガスは、第１の冷却器、第１の逆止弁、コンプレッサー、第１の近接制御部を順に通って前記混合室に供給され、
    前記液体燃料は、燃料ポンプ、第２の逆止弁、第２の近接制御部を順に通って前記混合室に供給され、
    前記水素添加燃料は、圧力制御部、第３の近接制御部、第１の容器を順に通って前記燃料噴射装置に供給され、
    前記使われなかった水素添加燃料は、第２の近接制御部、第２の冷却器、第４の逆止弁、第２の容器、前記第２の近接制御部を順に通って前記混合室に戻される、
    方法。
14. 前記混合室における圧力は、６０から１２０ＰＳＩＧである、請求項１３に記載の方法。
15. 前記混合室における圧力は、８０から１１０ＰＳＩＧである、請求項１３に記載の方法。
16. 前記混合室における圧力は９０ＰＳＩＧである、請求項１３に記載の方法。
17. 前記水素ガスは前記液体燃料に溶けて前記液体燃料中の炭素と結合する、請求項１３から１６のいずれかに記載の方法。

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