JPH02503340A - 燃料と水の混合方法，その方法の実施のための装置及び燃料‐水混合物 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 燃・と　の′ム　法、その　法の　　のための゛　　び燃ｒ−５人 本発明はディーゼル燃料または加熱可燃物であり得る燃料と水を混合して水の燃 料に対する量が５〜３５容量％の範囲に入る可燃性エマルジョンを得る方法であ って、燃料と水がこの範囲に入る比で閉じられた空間に注入され激しく動かされ て物理的混合物を得ることを特徴とする方法に関する。本発明は又水滴が燃料中 に機械的な撹拌により微細に分布された水を燃料に対して５〜２０容量％を含ん でなるディーゼル燃料混合物にも関する。最後に、本発明はこのようなエマルジ ョンを得るための装置に関する。

少量の水のディーゼル燃料または加熱可燃物への添加はディーゼルモーター内及 び加熱系内の排ガスの望ましくない成分を減少させ得ることが長い間知られてい る。ディーゼルモーター内に純粋のディーゼル燃料の代わりに用い加熱系内に純 粋な加熱可燃物の代わりに用いることのできる燃料と水のエマルジョンの製造に ついて数多くの方法が提案されている。

その様な解決の第一の部分は、それにより安定なエマルジョンを得ることのでき る特別の乳化剤を使用することに関するものであった。その様なエマルジョンの 使用は主としてそれらの高いコスト及び幾つかの制限のためにこれまでに広い賛 同を得ていない。

その様な解決の第二の部分は、乳化剤なしの二つの成分の物理的混合物に関する 。主たる問題は水と燃料が簡単には混合されず、このようなエマルジョンの調製 に高エネルギーを必要とすることにある。

国際出願ｈｏ８３１０１２１０は、諸成分を極めて高圧の作用下に小さな穴を通 すことにより諸成分が蒸発される高エネルギー乳化機に関する。

米国特許第４．０８７．８６２号は、諸成分が円錐状にテーパーし拡大する室中 に旋回している別の混合装置に関する。

ディーゼル燃料中の成る程度の水の使用はエンジン中の操作温度を下げ成る種の 望まもくない排気ガスを減少する。またこれらの諸成分の減少がその他の望まし くない成分の増加を犠牲にして起こりその結果このようなエマルジョンを使用す る利益がそれらの通用に関する費用及び問題点を補償し得ないことも知られてい る。これはこのようなエマルジョンの使用がそれ程広く許容されていなかったこ とを説明する。

本発明の主目的はディーゼルエンジンまたは加熱系に使用して効率を改良し、及 び排ガスの望ましくない成分をその他の成分を著しく増加せずに減少させること のできる燃料−水エマルジョンを提供することである。

更に本発明の目的はその様なエマルジョンの製造方法を提供することである。

更に本発明の目的はその方法を実施するための装置を提供することである。

本発明に従えば、水の燃料に対する量が５〜３５容量％の範囲に入る可燃性エマ ルジョンを得るための方法において、燃料及び水がこの範囲内に入る比で密閉空 間中に供給され密閉ループ中で強く移動、循環され、このループには流体が反応 空間の回転軸の周りを強制的に回転されその軸に沿って移動される反応空間が設 けられており、反応空間は流れ方向にテーパーする断面を有しておりその結果圧 力がその軸に沿って及びその軸に向かって半径方向に連続的に減少し、この軸の 周りを回転している流体は反応空間を出る時に第−軸と角度を閉じる第二軸の周 りを回転させられ、これが徐々にブレーキングダウン（ｂｒｅａｋｉｎｇ　ｄｏ ｗｎ）及び第一の回転移動の休止を生じ、循環流体の一部は流体粒子がループを 出る前に流体粒子が平均して少なくとも１０回の充分なサイクルに関与するよう な流れでループから連れ出され、これにより液滴が一様な大きさの分布を得、且 つ構造変化が燃料中に起こるエマルジョンが生成されることを特徴とする方法が 提供される。

第二軸が第−軸に対して垂直であることが好ましい。

第一の態様に於て、反応空間から流出する流体は渦巻室に接線方向に通されて軸 の周りに渦巻を形成する。

第二の態様に於て反応空間から流出する流体は第二軸の周りに配置された渦巻チ ャンネルに向けられる。

本発明により提供された燃料−水エマルジョンは出発燃料及び水の機械的混合に よりつくられ５〜３５容量％の水を含み、エマルジョン中の燃料成分の構造は出 発燃料の構造とは異なり出発燃料が有しているよりも多量の熱量を有している。

エマルジョンの別の性質は水が３〜６ミクロンの中間大きさの均等な大きさ分布 をもつことである。

また循環ポンプ、ポンプの入口及び出口の間の循環通路、その通路中に挿入され 固定ミキサーとして配置された反応室、通路中に燃料と水の混合物を供給するた めの装置及びエマルジョンを供給するための出口を含み、反応室が第−軸の周り に回転する対称形を有し好ましくはハート形に類僚する断面プロフィールを有し 、反応室は周辺に形成されポンプから供給された環チャンネルと連通ずる周辺の 周りに接線方向の入口孔部を備えた頭部を有しており、反応室は流出開口部を備 えたテーパ一部分を有し、渦巻チャンネルには反応室の軸に対し垂直の中実軸が 設けられており、流出開口部は渦巻チャンネルの周辺部分と連通し、循環通路に 連結される渦巻チャンネルの中央部分に穴部が形成される、燃料及び水の混合装 置が提供された。

バイアス戻り弁が循環通路に挿入されることが好ましい。

テーパ一部分が指数曲線状のプロフィールをもつ場合に最高の効果を得ることが できる。

好ましい態様に於て、燃料と水の混合物を供給するための装置は軸方向に往復運 動するシャフトを備えた電磁石を含み、別個の燃料ポンプ及び水ポンプはシャフ トに取り付けられた夫々のピストンを有し、ポンプは夫々人口弁及び出口弁を有 し、出口弁は循環通路に連結されたエマルジョンチャンネルと連通ずる流出口を 有する。

水ポンプがスプリングによりバイアスされたピストン要素を有することが好まし く、その結果シャフトとの結合がエマルジョンチャンネル中に支配的な圧力に依 存して、チャンネル中の圧力が所定の限界値より増加する場合に水のポンプ操作 を減少するか停止する。

好ましい使用においては、流出開口部は波路にフィードバックされる戻しライン により与えられるディーゼルエンジンの燃料ポンプに連結され、装置はエマルジ ョン中の水含量に応じてエンジンへの燃料供給を調節する装置を含み出力の損失 を補償する。

本発明により提供された技術的な解決は公知のエマルジョンより明らかに良好な 、排気ガスから望ましくないガスの効果的な減少に関する優れた性質を有する特 異で新規なエマルジョンをもたらし、その生成は多くのエネルギーを必要とせず 、しかもディーゼルエンジンに使用でき、または加熱系中で加熱可燃物の形態で 使用し得る。

本発明を以下添付図面を参照しながらその好ましい実施態様に関連して説明する 。これらの図面において、第１図は本発明による装置の上部部分を示し、 第２図は第１図の装置の下部部分を示し、第３図は縦軸９に直交する面に沿った 第１図の渦巻ハウジングの断面図であり、 第４図は第１図の赤道面の第一ブロック１に沿った断面図であり、 第５図は第二の態様の循環ポンプを示し、第６図はこの態様の反応部分を示し、 第７図は燃料及び水のポンプ部分を示し、第８図は上から見た渦巻チャンネル５ ３を示し、第９図はピストン要素７７の拡大断面図であり、第１０図は燃料供給 量の制御を示す運動学的な図であり、及び 第１１図は試料中の液滴の大きさ分布を示す。

第１図〜第４図に示された本発明の混合装置の第一態様は、第一ブロックすなわ ち主金属ブロック１、第ニブロック２及び箱状の第三ブロック３を含んでなる上 部部分を有している。

第三ブロック３は第ニブロック２を通して案内されるねじ込みボルトにより第一 ブロック１の右側に取り付けられており、三つのブロックは剛固な機械的単位を 形成する。第三ブロック３は球形端部を有し中間に環状のネスト孔部５が備えら れた大きい中心円筒状キャビティ４を有している。渦巻ハウジング６はネスト孔 部５中にはめられたスタッド７及び第二のブロック２の円筒状凹みにはめられて いるフランジ８によりキャビティ４に固定されている。

渦巻ハウジング６は水平回転軸９を有する長尺対称要素である。渦巻ハウジング ６の外部輪郭線は軸方向にキャビティ４の形状に実質的に対応するように湾曲し て渦巻ハウジング６の周りには環状の圧力室が形成される。渦巻ハウジング６内 には楕円形状渦巻室１０が規定され、テーパーの付いた首部分１１が第ニブロッ ク内に作られる０首部分１１の輪郭は変曲面及びブロック２の左面に口開口部１ ２を有する。楕円体の首部分及び中間部の間に８個の均一に分布した入口穴１３ が渦巻ハウジング６の壁に設けられている（第３図）。

各入口穴１３は僅かに軸方向に楕円体の末端方向に僅かに傾斜した軸を有するジ ェット部分１４及びジェット部分１４と連通するさら穴よりなる。軸の傾き角度 は約１５〜２０”である。

第３図はジェット部分１４の軸が軸９に直交する面にも傾いており、対応する半 径に対する傾き角度が約１５°であることを示す、さら穴１５は渦巻ハウジング ６のマントル表面に実質的に直交する。

第一のブロックは垂直回転軸１７を有する風船状形状を有する。第二の渦巻室１ ６は実質的に球面状の上部部分１８、回転双曲面の形状を有する下部方向にテー パーを付した中間部分１９及び短い円筒状首２０を存する。

流出開口部２１は球面状上部部分１８の赤道面に第一渦巻室１０の軸９と並んだ 軸で規定される。流出開口部２１は第一ブロックの左側壁２２に導かれ、流出パ イプの一端（図示されず）はその中に嵌込むことができる。第一ブロックの上部 壁内には第二の渦巻室の脱気を可能にする空気排出穴２２が作られる。第三のブ ロックの上部壁にはキャビティ４の脱気のための更に排気穴２３が設けられる。

第一のブロック１には第一渦巻室１０の口開口部１２と第二の渦巻室１６の間に 延在する斜め円錐ダクト２４が設けられている。第４図はダクト２４が赤道面内 に第二の渦巻室１６の水平軸２６と約２０°の角度をなす軸２５を有することを 示している。内部方向にテーパーを付したダクト２４の円錐角度も又２０°であ る。ダクトの外部口２７は第一の渦巻室１０の口開口部１２のそれよりも実質的 に大きい直径を存し、後者の開口部１２は口２７の中心領域において同心的に配 置されている。このダクト２４は二つの渦巻室１ｏ及び１６の間に準−接線方向 の通路を与える。

第２図は第１図の装置の下部部分を示す、第二の渦巻室１６の開放口２０の延長 線に垂直円筒穴３０が第一のブロック１に形成されている。この穴３０は未使用 （過剰）燃料−水混合物のために戻しラインが接続されることのできる底部にお いて開放している。流入穴３１は穴３０と連通する第一ブロック１に配置されて いる。流入穴３１は予備混合ディーゼル燃料及び水の供給パイプを接続すること のできるパイプ接続部を有する。

ポンプモーター３２が第二のブロック２の穴に挿入され、密封されている水平軸 ３３を有する第三のブロックに装填されている。ポンプホイール３４は軸３２の 内部末端に取り付けられている。第−及び第二のブロック１及び２の間に円筒状 キャビティ３５が設けられ、その中にホイール３４が配置される。ホイール３４ の中心部分の前においてキャビティ３５は垂直穴３０の拡大部分と連通ずる。キ ャビティ３５上の半径方向には渦巻ハウジング６０周りの環状キャビティ４に導 かれる水平チャンネル３６が第二及び第三ブロック２゜３に設けられる。

上記装置の好ましい使用はディーゼルエンジンまたは加熱バーナーの燃料供給ラ イン中へのその装置の挿入である。第一の場合に於て、流出開口部２１は注入ポ ンプの燃料入口に連結されるべきである０本発明の装置によって生成されたエマ ルジョンの流出速度は比較的に安定であり、ディーゼルエンジンの燃料消費は変 動しており、余剰量が戻される。注入ポンプの戻しラインは、開いてなければな らない垂直孔部３０の下端部に連結される。循環流中へ過剰量のエマルジョンを 戻すことはエマルジョンの一様性を更に改良する。

このような操作は燃料及び水の供給が感圧性であることを必要とし、その結果流 出量が常に戻り量と供給量との合計と等しくあることを必要とする。３０００　 ｆ　７時間のポンプ量であり戻し供給ラインを備えた例示の態様に於て、系の圧 力分布は以下のとおりである。ポンプホイール３４の入口側では１．１バール、 圧力均等化キャビティ４中では３．３バール、第二渦巻室１６の赤道面の周辺で は２．２バール。

本発明の混合装置の第二の態様は、装置が三つの隣接部分３７　、３８　、３９ 中で切断されるように第５図〜第８図中に示される。中間部分３８は第６図に示 され、左側部分３７は第５図に示され、一方右側部分３９は第７図に示される。

装置は冷却を容易にするため頂部及び底部にリプが備えられた金属製ハウジング ４０を有している。主チャンネル４１が図面の平面に平行でずれたハウジング４ ０の底部に沿って延在する。

矢印４１ａ　、　ｂ　、　ｃ及びｄはチャンネル４１中の流れの方向を示す、中 間部分３８は三つの金属ブロック４２　、４３及び４４からなる。ブロック４２ 及び４３は、ハート形に似たプロフィールを有する反応室４５を形成し、これは 軸４６の周りに回転対称形を有している０反応室４５は入口部４７の頭部及び流 出開口部４９を備えた指数曲線状のテーパー付部分４８を有している。環チャン ネル５０は頭部４７を包囲し、幾つかの接線方向の入口孔部５１が環チャンネル ５０を反応室４５の頭部４７と連結する。入口孔部５１は、相当する入口孔部１ ３が第一態様に於て配置、方向付けされるように配置され、方向付けられ、その 結果第３図は同様にこの態様をも示している。

流入チャンネル５２がブロック４２中に備えられており、このブロックは環チャ ンネル５０と連通し、環チャンネルを通って加圧エマルジョンがチャンネルに通 される。第三ブロック４４は第８図の平面図に示される渦巻チャンネル５３を含 む。渦巻チャンネル５３は反応室の軸４６の平面に於て水平に延在し、それは一 様な幅を有し、中央部分で渦巻チャンネル５３は渦巻チャンネルの平面に垂直な 軸５４をもつ垂直孔部と連通ずる０反応室４５の流出開口部４９は第８図に示さ れるように渦巻チャンネル５３中で半径方向に延在する。

第６図の平面に垂直に延在するエマルジョン流出ダクト５５は渦巻チャンネル５ ３と連通し、そのダクトは燃料注入ポンプまたはオイルバーナーであり得る最終 用途にエマルジョンを送り出すのに使用される。第８回はダクト５５が渦巻に対 して接線方向に延在することを示す。別の態様に於て、反応室からチャンネルへ の流入は接線方向に配置されてもよく、エマルジョン流出ダクトはチャンネル５ ２から分岐されてもよい、垂直軸５４の周りに延在する垂直孔部の下端部は、少 なくとも約１．２バールの圧力が孔部の方向から戻し弁に作用する場合に開くよ うに設計されたばね押し型の戻し弁５６に連結される。戻し弁５６の別の側部は 主チャンネル４１と連通ずる。

夫々の空気排出要素５７及び５８が中間部分に配置されて操作前にキャビティか ら空気を追い出す。

第５図に示される左部分は、実質的には矢印４１ｄに示されるように主チャンネ ル４１からエマルジョンを吸引し中間部分３８の流入チャンネル５２にエマルジ ョンをポンプで戻す循環ポンプである。循環ポンプ６０は所定の速度をもつ空気 モーターにより駆動される羽根車を含む、ポンプ６０の流量は典型的には３００ ０　ｆ　／時間である。主チャンネル４１の端部は循環ポンプ６０の内側で垂直 孔部６２と連通ずる。注入ポンプから戻しラインを受容するための入口ダクト６ ３が設けられ、これは垂直孔部６２と連通ずる。

第７図に示される右部分３９は、ディーゼル燃料及び水の混合物を主チャンネル ４１に供給するのに適した燃料供給ポンプ６５であり、かくして所定の比率がそ の二つの成分間に保たれる。ポンプ６５は約３〜７七の周波数で振動する電磁石 ６６を含み約５ａａの振幅で往復運動する軸方向の変位を行うシャフト６７が備 えられている。

ディーゼル燃料入口チャンネル６８が燃料入口ダクトと連通ずる部分３９の左側 に設けられている。燃料を押し進め吸引するポンプが形成され、このポンプはチ ャンネル６８に連結された入口側部及びシャフト６７に取り付けられたピストン ７２により分離された円筒形キャビティ７１と連通ずる出口側部が備えられた約 ０．９バールのバイアスをもつ一対のばね押入０弁６９　、７０並びに約１．５ バールのバイアス圧力を有し押出口弁７３　、７４を含む、出口弁の流出側部は 主チヤンネルシリンダー７１中の圧力増加の作用下に開放する一対のばね４１に 連結されたエマルジョンチャンネル７５と連通ずる。

セパレート式水ポンプがシャフトの下端部に備えられ、約０．２８バールのバイ アス圧力をもつばね神木人口弁７６、円筒形ピストン要素７７、第ニジリンダ− ７８，１，５バールのバイアス圧力をもつばね押出口弁７９を含む。大口弁７６ の入口側部は水入ロチヤンネル８０と連通し、出口弁の出口側部はエマルジョン チャンネル７５と連通ずる。水に対する燃料の比率はピストン要素７７を燃料対 水の必要とされる比率に応じて選ばれる異なる直径を有する別のピストン要素で 置換することにより変えることができる。

水ポンプの別の態様に於て、エンジンに負荷がない場合にはディーゼル燃料に水 が添加されないかあるいは減少量の水が添加されることが好ましいことがある。

エンジンの無負荷状態は注入ポンプの流入部で圧力増加が伴われるので、実際の 圧力弁に基づく制御がなし得る。装置（第８図）のエマルジョン流出ダクト５５ に連結されるこの流入口で、充分なエンジン負荷に伴われる典型的な圧力は２． ２バールであり、負荷のない圧力は典型的には２．７バールである。例えば往復 動シャフト６７の下端部とピストン要素７７との連結が第９図に示されるように なされる場合に、このような制御がなし得る。ピストン要素７７はねじ込みクロ ージャ環により外端部で閉じられた中央の円筒形孔部を有している。ディスク要 素８１が円筒形孔部の中間の高さでシャフトに取り付けられ、夫々のコイルスプ リング８２　、８３がディスク要素８１の両側を加圧する。コイルスプリング８ ２　、８３により与えられたバイアスは、ピストン要素の周りの氷室中の圧力が エンジンの通常の運転に相当する場合に、ピストン要素７７をシャフト６７とし っかりと連結するのに充分高い。エンジンに負荷がない場合には、エマルジョン チャンネル７５中の圧力は約２．７バールの値に上昇する。内圧が水出口弁７９ を開放し得る場合には水が供給されてもよく、これはピストン要素７７に作用す る圧力が充分高い場合にのみ行われ得る。コイルスプリング８２　、８３のパイ アスカは、ピストン要素７７がシャフト６７の往復運動に追随できずディスク要 素８１が不動のピストン要素７７中で上下に移動するような値に調節し得る。こ のような設計は無負荷条件で水の供給を効率よく閉じることができる。またエン ジンが無負荷条件に近づくにつれてピストン要素の移動及び関連する水の供給が 次第に減少することが行われてもよい。

第１０図は、水の存在が約１０容量％を越える時に如何に燃料供給が水の存在に よる出力低下を避けるために増加されるかを示す図である。

ディーゼルエンジンを有する乗物のガスペダルは、軸方向に移動するコントロー ルロッド８５にリンケージ８４を介して結合される。コントロールロッド８５は エンジンの注入ポンプにより供給される燃料供給量を調節するコントロールギア トランスミッション８６に適当な結合部材を介して連結される。過剰の水の存在 が予め調節された値、例えば２０％でありそれが負荷と独立である場合には、コ ントロールロンド８５の所定の前方の変位により補償が解決し得る０通常のディ ーゼルの操作方法に於て燃料供給がアイドリングで１６■３／秒であり最大負荷 で５６腫３／秒である場合には、８Ｉａｍ３／秒の増加に相当する線形変位は夫 々２４及び６４ｍ’／秒の供給量をもたらすであろう、しかしながら、水の量の 添加がコントロールロッド８５の位置に依存し、次いで通常の供給に較べ過剰の 添加がエマルジョン中の水対燃料の実際の比率に相当するようになされることが 可能である。この条件は例えばギアトランスミッション８６の非線形設計により つくることができる。

第１図〜第４図に示されるような本発明の装置の第一の態様の操作は、以下の通 りである。

所定の比率の予備混合されたディーゼル燃料又は加熱可燃物及び水が流入穴３１ を介して系内に供給される。正常な操作が始まる前に、キャビティ内の空気が除 去されるべきである。これは二つの排気穴２２及び２３を通して行うことができ る。垂直穴３０の下部末端には戻しラインが接続されておらず、それが一時的に 閉じられているものと仮定する。ポンプモーター３２を開始させ、ポンプが混合 物の閉じられたループ内の循環を開始する。ポンプホイール３４の吸込み側は垂 直穴３０にあるのに対し圧力側はチャンネル３６にある。

ポンプは約１１００〜３３００　ｆ　７時間、好ましくは３０００　ｆ　７時間 の流れを与え、ホイールの二つの側部間の圧力差は約１〜３バールであり、３０ ００　Ａ　７時間の流量で約２．１バールである。

液体は渦巻ハウジング６の周りの環状キャビティ４を満たし、入口穴１３の接線 方向のジェット部分１４を通して流れが生ずる。ジェット部分１４及び第一渦巻 室１０の形状の特別の後部及び接線方向の向きにより、渦巻はその中に第一の渦 巻室１０内に示されるらせん矢印３７により特徴付けることができる０回転液体 の周辺部分は楕円体空間の末端に向かって流れ、ここから軸９の周りの中心領域 におけるテーパーを付した首部分１１に向かって前進方向に反射される。この中 心部分において、軸９の周りに激しい回転が生じ、圧力が低下して口開口部１２ の領域において最小に達する。何となれば、流体の速度はここで最大であるから である。

ディーゼル燃料はある程度の圧縮性を有すること、即ちその容積が圧力と共に僅 かに変わることが良く知られている。

水が実際上全く圧縮性を有しないという事実に対照的に、回転混合物の圧力混合 物がテーパー付首部分に沿って流れるにつれて低下し口開口部で最小値をとる。

壁部のブレーキング（ｂｒａｋｉｎｇ　ｅｆｆｅｃｔｓ）により、圧力は軸９に 向かって半径方向に減少する。液体が口開口部１２を出て前方向にテーパーを付 したダクト２４に入る時に、ダクト２４の断面は開口部１２の断面より実質的に 大きいので圧力が上昇する。燃料の容量は圧力の変化にわずかに追随し、−力水 の容量は変化されないままである。軸９の周りの強力な回転と組合゛わされた燃 料のこの融通性の容量の増加、減少は、明細書の後半部で説明される二つの相の 特別な混合物の生成に寄与し得る。ダクト２４から液体が第二の渦巻室１６中で 接線方向、その赤道面にて注入される。注入液体はその流れ軸の周りに回転し、 及び第二渦巻室１６の特別の形状及び接線方向の入口のために垂直軸１７の周り の回転も又生ずるのでこの室内では二重の渦巻が形成される。ポンプの吸込み効 果の結果、回転液体の垂直方向流が生ずる。

渦巻室１６のテーパーを付した形状は回転を維持し、及びその速度を垂直軸１７ 近傍で増大させる。速度分布は竜巻の漏斗部分と同様である。

混合物はポンプにより再び吸込まれ、次のサイクルでこの過程が繰返される。再 循環される燃料及び水の混合物は次第により均一に分布され、即ち水滴の大きさ が有効に減少し、約１０回のサイクルの終わりまでには混合物のコンシスチンシ ーが燃料のそれと区別できないような微細混合物が得られる。

独特の性質を有する混合物が、混合物が再循環容積の高々１０分の１の流速で系 外に導出される場合に連続的に得られる。ポンプが１５００　ｆ　７時の流れを 与えるならば混合物の産出速度はせいぜい１５０ｆ／時である。産出速度は更に より少ない、例えば、６０　Ｉ！、７時であるのが好ましく、これは平均で各液 体粒子が系を離れる前に２５回のサイクルに参加することを意味する。２５の値 は二つの流速を割ることにより得られる。即ち１５００　：　６０＝２５．流速 を３０００　ｊ２７時に増加すれば、この値は５０に増加することは勿論である 。

液体を導出することのできる場所はかなり重要である。液体流出は二つの渦巻室 内及び接続流路内における乱流分布を妨害すべきでない。第１図〜第４図に示す 実施態様では、最適の場所は流出開口部２１が設けられている第二の渦巻室１６ の赤道面である。

エマルジョンの性質は系内の絶対圧力にはほとんど依存していない。穴３０（ポ ンプの吸込み側）の圧力の絶対値は５バ一ル程度に高くあり得る。エマルジョン の品質は圧力が６バールを越えて増大されると低下することが経験された。ポン プにより与えられる圧力差はより重要である。図面内に示された寸法に対しては １〜２．２バールの圧力増大が最適である。この差は３バ一ル程度に高くあり得 る。装置の大きさ及び構造設計は絶対及び相対圧力値の両方に関して大きな許容 度を可能にする。

第５図〜第８図に示した本発明による装置の第二の実施態様についての実験を以 下に説明する。

運転に際して、循環ポンプ６０により、流路５２（第６図の左上部分）に、約３ ０００　ｆ　７時の流速でエマルジョンが供給される。この流れは、環状流路５ ０に入り、ここから、流体は反応室４５の頭部分４７において接線方向に流れる 。この流体は、軸４６の周囲で激しく回転して流出口４９の方向に流れる。流体 圧力はテーパ一部分４８の軸４６の方向に向かって半径方向に減少し、回転速度 は反対方向に減少する。即ち、回転速度は室内の壁の部分が最小である。軸速度 は流出口４９に向かって増加し、軸流成分は、軸から離れる半径方向に減少して いる。又、流出口に向かって半径方向に圧力降下が起こる。これに関連して、軸 方向の圧力降下及び基本流分布は実際の流量にはあまり依存しないので、指数的 にテーパーを付した形態が好ましい、指数的にテーパーを形成した場合の特性に ついては、広範囲の周波数において非常に均一な音圧を提供するために指数ホー ンを使用する音響分野において公知である。

かなりの速度と圧力差のある流体の流れにおいては層が生じ、これらの層が互い □を移動させ、その結果分子剪断力が生じるものと思われる。これらの力が、燃 料中の水滴の表面張力より高い値に達する。その結果、水滴がばらばらになり、 粒子が燃料分子に当たる、これらの分子は、通常非常に長く、間に低エネルギー の結合力が存在する部分を包含している。

反応において、長い炭素−水素分が部分的に分割される。

その軸周囲を激しく回転している流体は、渦巻流路５３に入り、そこで回転面に 対して垂直の方向に加速される。縦速度勾配及び流体の回転により、この激しい 混合と液滴の崩壊工程が継続し、非常に均一な流体粒度を有するエマルジョンが 得られる。

この点に関して、第１図〜第４図に示した第一の実施態様における第−及び第二 渦巻室においても、同様のことが生じる。

垂直穴から、エマルジョンが流路４１を介して循環ポンプ６０の吸引側に循環さ れるが、この際、このポンプは圧力を増加させ、エマルジョンを再び反応室４５ の方向に通過させる。返送弁５６は、ポンプが作動していないときの流体の循環 を防止するために使用する。ポンプ６０が回転すると、圧力が十分に高まり返送 弁５６が開く。

エマルジョン流出ダクト５５を通ってインジェクション・ポンプの方向へのエマ ルジョンの流出速度は、インジェクション・ポンプの吸込み口での圧力と、第７ 図に示した燃料及び水供給ポンプにより付与される圧力感応供給速度との組み合 わせにより調整される。電磁石６６は、シャフト６７を周期的に上下し、これに より、それぞれのポンプの２つのピストンが交互に動いて、燃料と水が所定の割 合でエマルジョン流路７５に供給される。系内の圧力を増加すると、ポンプに作 用する制動力がそれに応じて増加し、電磁石のストークが減少する。寸法を適切 に選択することにより、所要量のエマルジョンをポンプにより供給することがで きる。供給量がインジェクション・ポンプの必要量より多い場合には、過剰のエ マルジョンを吸込みダクト６３を介して返送することができる。第５図〜第８図 に示した実施態様の場合には６０１／時のエマルジョンを供給することができ、 この際の代表的な循環速度は３０００　ｆ　７時である。

上記の事柄に関連して、注目すべき点として、循環を維持するのに要するエネル ギー、即ち、循環ポンプ６０及び電磁石６６のエネルギー要求量は、公知のほと んどの静的ミキサーにおいて必要とする非常に高いエネルギーに比較してはるか に小さいことが挙げられる。この利点は、エマルジョン流路経路の流体抵抗が比 較的小さいことによるものである。第一の実施態様に対する第二の実施態様の利 点は、循環エマルジョンの容量を十分に減少でき、それにより、エンジンの始動 時又はエンジン作動中に含水量が変化した場合の応答時間が減少することにある 。

エンジンの典型的な負荷では、インジェクション・ポンプの流入口での圧力は、 ２．４バールであり、この負荷での圧力値は以下の通りである： 循環ポンプの圧力側：　２２．３バールエマルジヨン流出ダクト５５のロ：２． ４バール返送弁５６の下半分：１．８バール（この圧力は、ポンプ６６の入口側 及びエマ ルジョン流路７５にお いても維持される。） 混合物中の水対燃料の割合は広範囲に変えることができる。

しかしながら、通常のディーゼルエンジンにおいては２０％を越える水の量の増 大はモーターの有効動力を著しく減少しはじめる。必要に応じて、このような動 力の損失は、インジェクション・ポンプでのディーゼル燃料の噴射量を再調整す ることにより相殺することができる。このような再調整は、エンジンに対して標 準動力を提供することのできる第１０図に関連して説明したようにして行うこと ができる。水対燃料の最適％は約１０゛％〜２０％であり、５％〜１０％と２０ ％〜２５％の間の範囲がより好ましい。これらの限度未満或いは越える値も許容 可能なものであるが、しかし、それらは好ましい範囲に関連した利益を与えるこ とができない。５％未満の水含量では排ガスの組成の改良は装置の使用を利益の あるものとするように有意義ではない。

自然吸気及び過給両方に関する種々の構造及び大きさく約１８００ｃｃ〜１４２ ８５ｃｃ）の実際のディーゼルエンジンについて、予備試験を行った。排気ガス の分析により、単純にＮＯｘと称せられる窒素酸化物の量は、ディーゼル流体中 の水含量が１０容量％のものを使用したとき少な（とも１５％減少し、この減少 量は水の量を２２容量％まで増加すると最大４０％まで増加することが明らかと なった。黒煙及びすすの量は、水含量１０容量％で３０％〜水含量２２容量％で ６０％の範囲で減少した０粒子状物の塊は、水含１ｔｌｏ容量％で約１２％〜水 含量２２容量％で約４０％減少した。標準ＥＣＥ　Ｒ４９試験サイクルを行うこ とにより、ＤＹＮＯ測定システムについての値を測定した。このシステムは、Ｅ ＣＥ　Ｒ４９試験に規定されている試験装置を包含していた。ここで述べる減少 値は、ＥＣＥＲ４９サイクルの１３ステツプを用いた数回の測定により得られた 値の平均である０表１〜表３に、水を含まないディーゼル燃料並びに水含ｔ　１ ５．８３容量％及び２３．６４容量％のディーゼル燃料により行われた３つの典 型的な試験のプロトコールを示す。

表１〜表３に記載した以外の試験も行った。以下の表において、各欄の表示につ いては何も詳細な説明を要しない、最後の欄のｒｓｚＪは、ベーヒ（Ｂｏｅｃｈ ）法を用いた黒煙及びすすの測定値である。

炭化水素に関しては、他の種類のエマルジョンについての文献や比較試験とは異 なり、本発明による装置は、大きな回転で炭化水素の放出を相当に減少する。全 負荷で２０００ｒｐ■でのＨＣ２８％及び煙７５％の減少は、粒状物５０％の減 少に相当する。

表１〜表３に示した試験は、第一の実施態様に関するものである０本発明者等は 、第５図〜第８図に示した第二実施態様について比較迅速試験を行った結果、同 様又はわずかに優れた結果を得た。

本発明により調製したエマルジョンの独特の特性を示すために、更なる試験を行 った。これらの試験には、粒度及び粒度分布の測定をはじめとする燃料中の水滴 の顕微鏡分析が含まれている。このエマルジョンは、使用する水を中性塗料で青 色に着色し、且つ顕微鏡検査の間に試料中の液滴が暖まるのを防止するために青 色光を使用するようにして調製した。

試料が変形しないように、ガラス板の間に２０ｐｍの距離を保った。これらの板 を薄いパラフィンフィルムで被覆して、ガラス表面に液滴が広がらないようにし た。第１１図に、水１５容量％を包含するエマルジョン中の水滴の粒度分布を示 す、［軸は、試料中のそれぞれの大きさの液滴の数を示す。

第１１図から、この分布が、中間の大きさが約４．５−のほぼガウス曲線である ことが分かる０種々の文献によれば、従来の分布曲線ははるかに広く且つ大きく 異なる粒度の方に下降するいくつかのピークを有する場合があり、上記の粒度分 布は、粒度均一性の点で従来のものとは異なる０本発明に準じて調製したエマル ジョンは、それが含有する燃料の色合いとは異なる。特徴的なわずかに不透明な 色を有している。本発明による混合法が燃料の構造変化を実際に生じるかどうか を測定するために、一連の熱量試験を行った。第一工程として、水含１ｉ１５容 量％のエマルジョンを調製した。エマルジョンの調製に使用する水を、十分検出 可能な青色に着色した。エマルジョンの調製に使用したディーゼル燃料から試料 を採取した０次に、３０００ｒｐ−で１０分間遠心分離して水成分をエマルジョ ンから分離した。エマルジョンの残りの燃料成分から試料を採取した。対照とし て使用したジーゼル燃料も遠心分離した。

その後、最初及び分離した燃料試料を精密熱量計で熱量測定した。試験及び対照 物質の熱量値 （発熱量）は３回測定した。

測定結果は、下記の通りであった。

１　　　４２．８８６　　　　　　　　　４３．０７０２　　　４３．１０７　 　　　　　　　　４３．０２８３　　　４２．９７８　　　　　　　　　４３． ０６１平均：　　４２．９９０　　　　　　　　　４３．０５３これらのデータ から、エマルジョンに包含される燃料の熱量値は、原料燃料より６３ジュール／ ｇ高い、その差はほぼ１０００分の１．５で、これは軽質炭化水素のｃ、ｖ、は 重質のものよりわずかに高いだけであることを考慮すると特徴的な値である。こ のような測定値は、種々の炭化水素留分を識別するのに一般的に用いられ、信頼 性がある。

水の分離が完全でなかったと仮定すると、残留水の存在によって生じる誤差は測 定値を減少させる傾向があり、従って実際には、その差は上記の値よりは高くな るだけである。

この結果により、燃料の構造は水の混合法の実施中に変化したに違いなく、この 異なる構造が、本発明により調製したエマルジョンの場合の排ガスが従来の方法 により得られたものとは異なる理由となっていることが明らかとなった。言い換 えれば、対照群と試験群との間に存在する排気ガス及び熱量値双方における差に ついて他の理由がない。

Ｆｉｇ、４ Ｆｉｇ、６ Ｆｉｇ、７ Ｆｉｇ、９ Ｆｉｇ、１０ 国際調査報告 −綽−―♂＾峠−−＋−Ｉ＋＠、！’ＣＴ／ＥＰ　　８８１００９４７−フー 国際調査報告 ＥＰ　８８００９４７

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．燃料と水を混合して可燃性エマルジョンを得るに際して、燃料に対する水の 量を５〜３５容量％の範囲とし、燃料と水とを前記範囲内の比で密閉空間に供給 して閉ループ内で激しく移動させ且つ再循環する混合方法において、前記ループ 内に反応空間（１０，４５）を設け、前記空間（１０，４５）の回転の軸（９， ４６）に沿って及び前記軸に向かって半径方向の双方において圧力が連続的に減 少するように流れ方向にテーパーを付した断面を有する前記空間の前記軸の周囲 に、流動流体を強制的に回転させ且つそれに沿って移動させ、前記軸（９，４６ ）の周囲を回転している流体が前記空間を出るときに前記第一軸（９，４６）と 角度をなす第二軸（１７，５４）の周囲を回転せしめて前記第一の回転運動の速 度を徐々に落とし停止させ、流体粒子がループを出る前に平均少なくとも１０回 の全循環に関与するような流れで再循環流体の一部分をループ外に導き出すこと により、水滴が均一な粒度分布となり且つ前記燃料に構造変化が生じるエマルジ ョンを生成することを特徴とする方法。 ２．前記第二軸（１７，５４）が前記第一軸（９，４６）と直交している請求の 範囲第１項に記載の方法。 ３．反応空間（１０）から流出する流体を、渦巻室（１６）に接線方向に通して 前記軸（工７）の周囲に渦巻を形成する請求の範囲第２項に記載の方法。 ４．反応空間（４５）から流出する流体を、前記第二軸（５４）の周囲に配置し たスパイラル流路（５３）に導く請求の範囲第２項に記載の方法。 ５．再循環流体の圧力を、前記ループ内に配置したポンプ（６０）により、少な くとも０．８バール〜最大３バール増加させる請求の範囲第１項に記載の方法。 ６．前記燃料がディーゼル燃料であり、且つ循環ループに戻す返送管路を有して いるディーゼルエンジンの噴出ポンプにエマルジョンを通す請求の範囲第１項に 記載の方法。 ７．前記ループ内の圧力を６バール未満に保つことを特徴とする請求の範囲第６ 項に記載の方法。 ８．原料燃料と水を機械混合して製造される水５〜３５容量％を包含する燃料・ 水エマルジョンにおいて、エマルジョン中の燃料成分の構造が原料のものとは異 なり且つ前記原料燃料より高い熱量値を有することを特徴とする燃料・水エマル ジョン。 ９．前記水が、中間粒度３〜６μｍの均一な粒度分布を有する請求の範囲第８項 に記載の燃料・水エマルジョン。 １０．請求の範囲第３項に記載の方法を実施するための装置において、ポンプ、 渦巻ハウジング（６）、ポンプの圧力側に接続された渦巻ハウジングの周りの圧 力均等化室（４）、テーパー首部分及び縦軸（９）を有する長尺楕円形状を有す る第一の渦巻室（１０）、渦巻ハウジング（１０）内に首部分に近接する周辺に 沿って規定されたその軸が首部分の反対方向の楕円の末端方向に傾いている幾つ かの接線方向の入口穴（１３）、首部分（１１）の開口部（１２）に連通してい るダクト（２４）、回転軸（１７）が第一の渦巻室（１０）と実質的に直交し、 球状の上部（１８）、下部方向にテーパーする双曲面上中間部（１２）及び首部 （２０）を有する第二の渦巻室（１６）を含んでなり、ダクト（２４）が第二の 渦巻室（１６）に実質的に球状部分（１８）の赤道面にて接線方向に導かれ、及 び流路（３０）が第二の渦巻室（１６）の首（２０）とポンプの吸込み側を接続 し、水及び燃料の流入路がこの流路３０と連通しており、及び流出開口部（２１ ）が実質的に球状部分（１８）の赤道面で第二の渦巻室（１６）の壁に規定され ている再循環ループが形成されていることを特徴とする装置。 １１．該圧力均等化室（４）が渦巻ハウジング（６）を取囲む環状形状を有し、 及び入口穴（１３）の各々が軸が渦巻ハウジング（６）のマントル表面に実質的 に直交するさら穴（１５）及び軸が第一の渦巻室（１０）に対して後方向且つ接 線方向に傾いている軸を有するジェット部分（１４）を有する請求の範囲第１０ 項記載の装置。 １２．流出開口部（２１）が流路（３０）にフィードバックされる戻しラインに より与えられるディーゼルエンジンの燃料ポンプに連結されている請求の範囲第 １０項記載の装置。 １３．再循環ポンプ（６０）、前記ポンプの出口と入口との間の循環経路、前記 経路に挿入された静的ミキサーとして配置した反応室（４５）、燃料と水との混 合物を供給するための手段及びエマルジョンを供給するための出口を包含する燃 料と水とを混合するための装置であって、前記反応室（４５）が第一軸（４６） を中心とした回転対称形状を有するとともに周辺で規定され且つ前記ポンプ（６ ０）から注ぎ込む環状流路（５０）と連通している前記周辺に接線方向の入口穴 （５１）を備えた頭部分（４７）を有し更に流出開口部（４９）を備えたテーパ ー部分（４８）を有し、スパイラル流路（５３）が反応室（４５）の軸（４６） に直交した中央軸（５４）を備えており、流出開口部がスパイラル流路（５３） の周辺部分と連通しており、穴が前記再循環経路に接続しているスパイラル流路 （５３）の中央部分で規定されていることを特徴とする装置。 １４．バイアスした返送弁（５６）が前記再循環経路に挿入されている請求の範 囲第１３項に記載の装置。 １５．前記テーパー部分が指数断面を有する請求の範囲第１３項に記載の装置。 １６．燃料と水との混合物を供給するための手段が軸方向に往復運動するシャフ ト（６７）を有する電磁石（６６）を包含し、それぞれピストンを有する別々の 燃料ポンプと水ポンプが前記シャフト（６７）に取りつけられており、前記ポン プがそれぞれ入口弁及び出口弁を有し、前記出口弁（７３，７４，７９）が前記 再循環経路に接続したエマルジョン流路（７５）と連通した流出口を有している 請求の範囲第１３項に記載の装置。 １７．前記水ポンプがスプリングによりバイアスしたピストン要素を有すること により、前記エマルジョン流路（７５）の圧力により前記シャフト（６７）との 連結が行われ、前記流路（７５）の圧力が所定の限界値を超えて増加した場合水 の吸入排出を減少又は停止するようにした請求の範囲第１６項に記載の装置。 １８．再循環経路に戻される返送管路により提供されるディーゼルエンジンの燃 料噴出ポンプに流出開口部（５５）が連結されており、且つ前記装置がエマルジ ョンの水含量に応じてエンジンの燃料供給を調整して動力の損失を補う手段を包 含している請求の範囲第１３項〜１７項のいずれかに記載の装置。 １９．反応室（４５）がハート形に似た断面形状を有する請求の範囲第１３項に 記載の装置。