JP7072775B2

JP7072775B2 - ディーゼルエンジン用の燃料改質装置

Info

Publication number: JP7072775B2
Application number: JP2018109823A
Authority: JP
Inventors: 利昭市田; 修西川; 美明梅澤
Original assignee: KANAZAWA ENGINEERING SYSTEMS INC.
Current assignee: KANAZAWA ENGINEERING SYSTEMS INC.
Priority date: 2018-06-07
Filing date: 2018-06-07
Publication date: 2022-05-23
Anticipated expiration: 2038-06-07
Also published as: JP2019210909A

Description

本発明は、ディーゼルエンジンの燃費を向上させると共に排気ガスの浄化にも資するディーゼルエンジン用の燃料改質装置に関する。

この種の装置には、従来では、下記の特許文献１(日本国・特開２０１０－２７５９３７号公報)に記載されたものがある。その技術は、次のように構成されている。
ウラン鉱石の表面にラジウム鉱石の粉状物が融着した複合放射線物質の表面から採取した粉状物を成分として含有する燃料活性体が付着したテープを燃料ホースに巻き付けて装着する。
この従来技術によれば、燃料タンクからエンジンに輸送される燃料は、燃料活性体によって分子集団が微細化された状態でエンジンに到達し、効率的に燃焼する、とされている。

特開２０１０－２７５９３７号公報

しかしながら、上記の従来技術には、次のような問題がある。
すなわち、燃料活性体の材料として取り扱いに注意を要する放射性物質を用いているので、燃料改質装置を簡単且つ経済的に製造するのが困難である。
また、ディーゼル車(ディーゼルエンジン)に対しては燃費を約１０％ほど改善できることは示されているが、排気ガス中のＣＯ(一酸化炭素)などの有害物質の削減に寄与できるか否かについては定かではない。

それゆえに、本発明の目的は、簡単に入手できる市販の材料で簡単且つ経済的に製造することができると共に、簡単な構造でディーゼルエンジンの燃費の向上と排気ガス中の有害なＣＯ(一酸化炭素)の排出量低減とを実現することができるディーゼルエンジン用の燃料改質装置を提供することにある。

上記の課題を達成するため、本発明は、例えば、図１及び図２に示すように、ディーゼルエンジンＡの燃料タンク１８とインジェクションポンプ２０とを繋ぐ燃料供給配管系２２に取り付けられるディーゼルエンジン用の燃料改質装置１０を次のように構成した。
すなわち、燃料導入口１２ａ及び燃料導出口１２ｂが穿設された密閉筒状の容器本体１２と、上記の燃料導入口１２ａに接続され、上記の容器本体１２内にディーゼル燃料Ｆを噴射する燃料噴射ノズル１４とを具備する。その燃料噴射ノズル１４は、噴射孔１６から噴射されるディーゼル燃料Ｆのレイノルズ数［Ｒｅ］が、臨界レイノルズ数よりも大きくなるように設定される。
ここで、「臨界レイノルズ数」とは、噴射孔１６から噴射されるディーゼル燃料Ｆが層流から乱流に遷移するときのレイノルズ数［Ｒｅ］であり、そのレイノルズ数［Ｒｅ］は、下式のように、代表速度(ディーゼル燃料Ｆの流速)に代表長さを乗じた数値を、粘性係数を密度で除した数値、すなわち動粘性係数で除して算出される。
Ｒｅ＝ρＵＬ／μ（但し、ρはディーゼル燃料Ｆの密度，Ｕは代表速度，Ｌは代表長さ，μはディーゼル燃料Ｆの粘性係数）

本発明は、次の作用を奏する。
燃料噴射ノズル１４の噴射孔１６から容器本体１２内に噴射されるディーゼル燃料Ｆのレイノルズ数Ｒｅが、臨界レイノルズ数よりも大きくなるように設定されるので、容器本体１２内に噴射されたディーゼル燃料Ｆでは乱流が生じ、その分子集団が微細化される。このため、ディーゼル燃料ＦがディーゼルエンジンＡのインジェクションノズル２４から噴射される際に、微細化されたそのディーゼル燃料Ｆと空気との接触機会が増加し、エンジン内でディーゼル燃料Ｆが十分に燃焼できるようになる。その結果、燃費の向上と排気ガス中のＣＯ量の削減とに資することができるようになると推察される。

本発明においては、前記の燃料導入口１２ａを、密閉円筒状に形成された容器本体１２の軸方向一端面１２ｃに穿設すると共に、前記の燃料噴射ノズル１４を、金属製で且つ長尺のパイプ１４ａであって、その基端部が上記の燃料導入口１２ａに取り付けられ、先端が密封されると共に上記の容器本体１２の軸方向他端面１２ｄ近傍に配設されるパイプ１４ａと、そのパイプ１４ａの先端側外周に千鳥状にて複数形成されたスリット状の噴射孔１６とで構成するのが好ましい。
この場合、金属製のパイプ１４ａの先端側外周に、パイプ１４ａの内部まで貫通する複数のスリットを千鳥状に設けるだけで、複数の噴射孔１６が設けられた燃料噴射ノズル１４を簡単に作製することができる。また、噴射孔１６となるスリットの大きさや数或いはその設置場所などを適宜変更することで燃料噴射ノズル１４の噴射性能を簡単に調節することもできる。

本発明によれば、簡単に入手できる市販の材料で簡単且つ経済的に製造することができると共に、簡単な構造でディーゼルエンジンの燃費の向上と排気ガス中のＣＯ(一酸化炭素)の排出量低減とを実現することができるディーゼルエンジン用の燃料改質装置を提供することができる。

本発明の一実施形態の燃料改質装置が組み込まれたディーゼルエンジンの要部を示す説明図である。本発明の一実施形態の燃料改質装置を示す一部拡大部分断面図である。

以下、本発明の一実施形態を図１及び図２を用いて説明する。
図１は、本発明のディーゼルエンジン用の燃料改質装置１０が組み込まれたディーゼルエンジンＡの要部を示す説明図であり、図２は、本発明の一実施形態の燃料改質装置１０を示す一部拡大部分断面図(正面)である。
本発明のディーゼルエンジン用の燃料改質装置１０は、ディーゼルエンジンＡの燃料タンク１８とインジェクションポンプ２０とを繋ぐ燃料供給配管系２２に取り付けられる。

ここで、先ず始めに、ディーゼルエンジンＡの燃料タンク１８からエンジン気筒(図示せず)内にディーゼル燃料Ｆを噴射するインジェクションノズル２４までの燃料経路について、図１を参照しつつ説明する。
上述の燃料タンク１８とインジェクションポンプ２０とを繋ぐ燃料供給配管系２２は、第１供給配管２６及び第２供給配管２８とで構成される。このうち、第１供給配管２６の上流端は燃料タンク１８に接続され、その下流端は燃料改質装置１０の燃料導入口１２ａ、より詳しくは、燃料導入口１２ａに取り付けられた、燃料噴射ノズル１４を構成するパイプ１４ａの基端部に接続される。また、第２供給配管２８の上流端は燃料改質装置１０の燃料導出口１２ｂに接続され、その下流端はインジェクションポンプ２０の燃料入口２０ａに接続される。
第２供給配管２８には、その上流側から下流側に向けてフューエル・セジメンタ３０，プレフィードポンプ３２及びフューエル・フィルタ３４が装着されている。

インジェクションポンプ２０は、プレフィールドポンプ３２によって燃料タンク１８から吸い上げられ、燃料改質装置１０，フューエル・セジメンタ３０及びフューエル・フィルタ３４を通過して各種処理が成されたディーゼル燃料Ｆを燃料入口２０ａから取り込んで、所定の噴射圧力まで圧縮すると共に、圧縮したディーゼル燃料Ｆを所定のタイミングでインジェクションノズル２４へと供給するポンプである。このインジェクションポンプ２０における第１の燃料出口２０ｂにはデリベリバルブ３６が設けられ、このデリベリバルブ３６とインジェクションノズル２４とが高圧燃料分配管３８で接続される。また、インジェクションポンプ２０の第２の燃料出口２０ｃにはオーバーフローバルブ４０が取り付けられ、このオーバーフローバルブ４０と燃料タンク１８とを繋ぐオーバーフローパイプ４２を介して、このインジェクションポンプ２０室内の通過燃料が燃料タンク１８へと戻されるようになっている。

なお、図示実施形態では、インジェクションポンプ２０として、スピル弁にソレノイドアクチュエータ４４が組み込まれたＶＥ型インジェクションポンプを用いた場合を示しているが、このインジェクションポンプ２０は、上記の物に限定されるものではなく、例えば、電子制御インジェクションポンプやインライン(列型)インジェクションポンプなどを用いるようにしてもよい。また、コモンレール式ディーゼルエンジンの燃料供給ラインにおいては、所謂サプライポンプがこのインジェクションポンプ２０に相当するものとする。

燃料改質装置１０は、インジェクションポンプ２０へと送るディーゼル燃料Ｆの分子集団を微細化させるための装置であり、容器本体１２及び燃料噴射ノズル１４で大略構成される。

容器本体１２は、鉄(ＳＳ)やステンレス(ＳＵＳ)と言った金属或いは硬質塩ビ樹脂(ＰＶＣ)やフェノール樹脂(ＰＦ)と言った合成樹脂などの機械的強度や耐燃料油性に優れた材料で形成される密閉筒状の容器体である。

容器本体１２の形状や大きさは、燃料改質装置１０が取り付けられるディーゼルエンジンの大きさや出力等によって適宜設定されるが、図２に示す実施形態では、この容器本体１２として、ＳＳ４００からなるＳＧＰ８０Ａパイプ(ＪＩＳＧ３４５２)を２４５ｍｍの長さに切断し、その軸方向一方の開口に板厚４．５ｍｍのＳＳ４００からなる蓋板材を溶接して密閉すると共に、軸方向他方の開口に８０Ａ－５Ｋの溶接フランジ４６を溶接し、この溶接フランジ４６に対してパッキン４８及び閉止フランジ５０をこの順に配置してこれらをボルト止めにて密閉したものが用いられている。

また、容器本体１２の天面となる軸方向一方端面１２ｃの中心には、６Ａパイプ貫通穴からなる燃料導入口１２ａが穿設されており、更に、この容器本体１２の軸方向一方端面１２には、燃料導入口１２ａの中心から２５ｍｍ離間した点を中心とする６Ａパイプ貫通穴からなる燃料導出口１２ｂが穿設される。

燃料噴射ノズル１４は、燃料導入口１２ａに接続され、その噴射孔１６から容器本体１２の内部空間にディーゼル燃料Ｆを噴射するためのノズルである。この燃料噴射ノズル１４は、噴射孔１６から噴射されるディーゼル燃料Ｆのレイノルズ数［Ｒｅ］が、臨界レイノルズ数よりも大きくなるように設定される。具体的には、後述する図２に示す実施形態では、噴射孔１６から噴射されるディーゼル燃料Ｆのレイノルズ数［Ｒｅ］が２,３００より大きくなるように設計されている。

燃料噴射ノズル１４の形状や大きさは、容器本体１２と同様に、燃料改質装置１０が取り付けられるディーゼルエンジンの大きさや出力等によって適宜設定されるが、図２に示す実施形態では、この燃料噴射ノズル１４として、ＳＳ４００からなるＳＧＰ６Ａパイプ(ＪＩＳＧ３４５２)を２８４．５ｍｍの長さに切断してパイプ１４ａを得、そのパイプ１４ａの先端開口を板厚２ｍｍのＳＳ４００からなる蓋板材で溶接・密閉すると共に、パイプ１４ａの先端側外周に対して先端から基端側へ２０ｍｍの位置を起点に、その切欠口１６ａが縦２ｍｍ×横２ｍｍとなる左右一対のスリットを基端側へ１０ｍｍずつ間隔を置いて千鳥状に８カ所設け、これらを噴射孔１６としたものが用いられている。そして、この燃料噴射ノズル１４は、パイプ１４ａの先端が容器本体１２の軸方向他端面１２ｄに当接するよう燃料導入口１２ａに差し込まれ、パイプ１４ａの基端部が容器本体１２の天面から３０ｍｍ突出した状態でこの天面に溶接される。

また、燃料導出口１２ｂにも、ＳＳ４００からなるＳＧＰ６Ａパイプ(ＪＩＳＧ３４５２)を３４．５ｍｍの長さに切断した短管５２が差し込まれ、この短管５２が容器本体１２の天面から３０ｍｍ突出した状態でこの天面に溶接される。つまり、燃料導入口１２ａから突出したパイプ１４ａの基端部が第１供給配管２６と燃料導入口１２ａとを繋ぐ接続部となり、燃料導出口１２ｂから突出した短管５２が第２供給配管２８と燃料導出口１２ｂとを繋ぐ接続部となっている。

また、図示しないが、燃料導入口１２ａから突出したパイプ１４ａの基端部には、必要に応じて、ボールバルブなどからなる流量調節バルブが取り付けられ、燃料導出口１２ｂから突出した短管５２には、必要に応じて、ボールバルブなどからなる流量調節バルブ及び圧力ゲージが取り付けられる。

なお、図２に示す実施形態では、プレフィールドポンプ３２の吸引力によって燃料タンク１８から吸引されたディーゼル燃料Ｆがそのまま燃料噴射ノズル１４の噴射孔１６から噴射されるようになっているが、必要に応じて、容器本体１２内に貯められたディーゼル燃料Ｆをトロコイドポンプなどの油圧ポンプで吸引して所定の圧力まで加圧した後、燃料噴射ノズル１４の噴射孔１６から噴射させるようにしてもよい。

次に、本発明の実施例について説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
いすゞ自動車(株)製の大型トラック（ＧＩＧＡ；ＧＶＷ２５ｔ）に、図２で示した燃料改質装置１０を装着して、群馬県高崎市内を１００００ｋｍ市街地走行させた。そして、燃料改質装置１０装着前後での燃費を比較した。その結果、燃料改質装置１０装着前の燃費は３．１７ｋｍ／リットルであったのに対し、燃料改質装置１０装着後の燃費は３．３７ｋｍ／リットルであった。つまり、燃料改質装置１０の装着により、約６．３％の燃料消費量低減効果が認められた。

［実施例２］
京都～神奈川間を主として高速走行にて往復運行する、三菱ふそう(株)製の大型トラック（スーパーグレート；ＧＶＷ２５ｔ）に、図２で示した燃料改質装置１０を装着して１００００ｋｍ走行させた。そして、燃料改質装置１０装着前後での燃費を比較した。その結果、燃料改質装置１０装着前の燃費は３．３７ｋｍ／リットルであったのに対し、燃料改質装置１０装着後の燃費は３．７０ｋｍ／リットルであった。つまり、燃料改質装置１０の装着により、約９．８％の燃料消費量低減効果が認められた。

［実施例３］
連続最大出力２８５ｐｓのいすゞ自動車(株)製エンジンが搭載された船長１１．７１ｍで船巾２．８２ｍの漁船，連続最大出力２００ｐｓの三菱重工(株)製エンジンが搭載された船長９．４７ｍで船巾２．５４ｍの漁船，及び，連続最大出力１９０ｐｓのヤンマー (株)製エンジンが搭載された船長８．２０ｍで船巾２．４８ｍの漁船のそれぞれに、図２で示した燃料改質装置１０を装着して試験運転操業を行なってもらった。その結果、各漁船共にエンジン回転数が約５０ｒｐｍアップすると共に、船速が約１ノット向上することが確認された。

［実施例４］
本発明の燃料改質装置１０によるディーゼルエンジンの燃費向上効果及び排気ガス中のＣＯ(一酸化炭素)削減効果を検証するため、デンヨー(株)製の可搬式ディーゼル発電機(型式；ＤＣＡ－１５ＳＰＫII)のディーゼルエンジン部分に図２で示した燃料改質装置１０を着脱して運転(発電)を行った。その際、ディーゼル燃料Ｆとして、軽油のみ，廃食油１０ｖｏｌ％と軽油９０ｖｏｌ％の混合油，廃食油５０ｖｏｌ％と軽油５０ｖｏｌ％の混合油および廃食油７０ｖｏｌ％と軽油３０ｖｏｌ％の混合油を用いた。かかる検証の結果について、燃料改質装置１０の有無による燃料消費量の変化を表１に示し、また、燃料改質装置１０の有無による排気ガス中のＣＯ量(割合)の変化を表２に示す。

表１が示すように、全ての運転条件において、軽油専燃から廃食油の混合割合が増加するに従って燃料消費量が増え、燃費が悪化する傾向がうかがえる。これは、軽油よりも廃食油の熱量が１５％程度低く、確定負荷を得るためには燃料の量を増やさなければならないことに起因していると考えられる。ここで、燃料改質装置１０の効果に着目すると、燃料改質装置１０を装着した場合、これを装着しない場合に比べて燃料消費量が８～２５％減少し、燃費の向上することがうかがえる。
また、表２が示すように、主に燃料改質装置１０を装着しない場合において、軽油専燃から廃食油の混合割合が増加するに従って排気ガス中のＣＯ量が増加する傾向がうかがえる。これは、上記と同様、軽油よりも廃食油の熱量が１５％程度低く、確定負荷を得るためには燃料の量を増やさなければならないことに起因していると考えられる。ここで、燃料改質装置１０の効果に着目すると、燃料改質装置１０を装着した場合、これを装着しない場合に比べて排気ガス中のＣＯ量が２０～３０％減少し、排気ガスが清浄化されていることがうかがえる。

１０：(ディーゼルエンジン用の)燃料改質装置，１２：容器本体，１２ａ：燃料導入口，１２ｂ：燃料導出口，１２ｃ：(容器本体の)軸方向一方端面，１２ｄ：(容器本体の)軸方向他方端面，１４：燃料噴射ノズル，１４ａ：パイプ，１６：噴射孔，１８：燃料タンク，２０：インジェクションポンプ，２２：燃料供給配管系，Ａ：ディーゼルエンジン，Ｆ：ディーゼル燃料．

Claims

ディーゼルエンジン(Ａ)の燃料タンク(１８)とインジェクションポンプ(２０)とを繋ぐ燃料供給配管系(２２)に取り付けられるディーゼルエンジン用の燃料改質装置であって、
燃料導入口(１２ａ)及び燃料導出口(１２ｂ)が穿設された密閉筒状の容器本体(１２)と、
上記の燃料導入口(１２ａ)に接続され、上記の容器本体(１２)内にディーゼル燃料(Ｆ)を噴射する燃料噴射ノズル(１４)とを具備し、
上記の燃料導入口(１２ａ)が、密閉円筒状に形成された容器本体(１２)の軸方向一端面(１２ｃ)に穿設されると共に、
上記の燃料噴射ノズル(１４)が、金属製で且つ長尺のパイプ(１４ａ)であって、その基端部が上記の燃料導入口(１２ａ)に取り付けられ、先端が密封されると共に上記の容器本体(１２)の軸方向他端面(１２ｄ)近傍に配設されるパイプ(１４ａ)と、そのパイプ(１４ａ)の先端側外周に千鳥状にて複数形成されたスリット状の噴射孔(１６)とで構成され、その噴射孔(１６)から噴射されるディーゼル燃料(Ｆ)のレイノルズ数［Ｒｅ］が、臨界レイノルズ数よりも大きくなるように設定される、ことを特徴とするディーゼルエンジン用の燃料改質装置。