JP2007204600A - エマルジョン燃料製造供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水分離の懸念や、バッチ処理では必ず必要である貯蔵タンクが構造上不要になり、更に、小型化が可能となるエマルジョン燃料製造供給装置及び供給方法を提供する。
【解決手段】原料１０が、原料タンク１１から供給ポンプ１２により混合槽１４へ投入され、水１０ａ、乳化剤１０ｂ、軽油１０ｃが混ぜ合わされた混合流体１３が作られる。混合流体１３は、ポンプ１５により乳化装置３へ送り出され、エマルジョン燃料８となって燃料ポンプ４によりエンジン２へ供給される。乳化装置３とエンジン２の配管の途中にリリーフ弁５を介して混合槽１４へ繋がる配管が設定され、また、軽油タンク１１ｃからは、混合槽１４への配管途中で枝分かれし、燃料ポンプ４の直前に三方弁である供給弁６を介して接続されており、本装置１の始動停止時に、燃料を純粋な軽油１０ｃとエマルジョン燃料８に適時切り替えることが出来る、エマルジョン燃料製造供給装置及び供給方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジンなどの燃焼装置の燃料となる、水と燃料油とのエマルジョン燃料の製造および供給装置に関するものである。

近年、環境保護意識の高まりから、ディーゼルエンジンを含めた内燃機関からの排気ガス規制が年々、強化されつつある。自動車ＮＯｘ・ＰＭ法はその一例である。ディーゼルエンジンはガソリンエンジンと比較しても、熱効率が高く、本来は環境負荷が低く時代のニーズにマッチしたものであるはずである。ところが、一般的にディーゼルエンジンは、窒素酸化物の排出量や黒煙(粒子状浮遊物質)の吐出が多い事から、日本や米国では問題視されているのが現状である。

窒素酸化物は光化学スモッグや酸性雨の原因になるほか、人体へも特に呼吸器系への影響が指摘されている。窒素酸化物の生成を抑制する技術として、エンジンにおいて燃料噴射時期を遅延する方法があるが、この手法ではトレードオフ関係にある粒子状浮遊物質の排出量が増加することが知られている。エンジンに補機類を増設できる場合や大幅な変更が許される場合では、排気ガス再循環システムや高圧燃料噴射システム等が考えられるが、いずれも多大な費用が必要となる。

そのような中、窒素酸化物と粒子状浮遊物質を同時に削減できる唯一の技術としてエマルジョン燃料が実証されている。エマルジョン燃料とは、燃料中に水と界面活性剤（以下、乳化剤と呼ぶ）を添加し、均一に分散、安定化させたものである。燃料中に水が存在する事によって、機関内での燃焼温度が抑制され、通常燃料で生じる空気中の窒素と酸素の熱解離により生じる窒素酸化物の生成が抑制される。また、粒子状浮遊物質の削減メカニズムとしては、ディーゼルサイクルの圧縮工程において、燃料油の着火点よりも水の沸点の方が低い事から、噴霧された燃料中の水の気化作用により、噴霧の微細化が促進され、未燃が生じにくくなるという説もある。
特許公開２００２−２９４２６０ 特許公開２００４−６７９１３

エマルジョン燃料を普及させる上での、最大の課題は、水の分離という点である。水と燃料油という通常では混ざり合わない液体の混合物であるため、どうしても安定性に欠け、水分の分離が懸念される。水の分離は機関の停止や腐食といった問題があるため、絶対に避けなければならない。これまで上市されているエマルジョン燃料製造機は、タンクに水および燃料油を各々、定量供給し、その後、攪拌、乳化するバッチ処理のものが大半であり、製造したエマルジョン燃料を既存エンジンの燃料タンクに給油する方式である。

ところが、農機のコンバインのように年間稼働日が収穫期の数日のみというような使用の場合に、軽油タンクにそのままエマルジョン燃料を補給する従来の方法では、タンクや配管内での分離が想定される。また、他にも内燃機関用の燃料フィルターの種類によっては、水を除去する機能を有するものも有り、該当するフィルターを有する機関には使用することが困難である。
また、エマルジョン燃料はディーゼルエンジンのみならず、原料である燃料油種をオリジナルのバーナーの油種に変更すれば、ボイラ用バーナーのような連続燃焼器用燃料としても使用でき、エンジンのケースと同等の効果が確認されている。

上述した従来型のバッチ処理によるエマルジョン燃料製造装置及びその燃料供給方法では、水分離の懸念により、安心して使用できる装置であるとは言い難い。また仮に、その対策として、エマルジョン燃料製造装置を車上に搭載して、必要量のみの燃料を製造するとしても、バッチ処理を行っているため、１バッチ製造するために要する時間分に相当する機関の最大燃料消費量をどこかに貯め置く必要があり、装置が大型化して車載するには現実的ではない。そこで、バッチ処理から連続処理にシステムを変更する必要があるが、連続処理では安定した水、油の混合比率の実現が難しい。例えば、タンクレスのシステムで連続処理を構築すると、定量ポンプを使用しても配管内圧の変動により定量が確保できず、吐出量のばらつきによって、混合比率もばらつき、結果として安定した燃焼が得られない。

次に、連続式のエマルジョン燃料製造装置が実現できたとしても、エマルジョン燃料のみで始動ならびに停止まで行うと、長期停止時の水分離の懸念が完全に払拭された訳ではない。ただし、通常の燃料系のラインでは燃料の供給を過剰に行って、戻し回路を設置し、タンクに戻すのが常套であり、エマルジョン燃料でもこれに倣うとポンプによる流動の結果、水分離はほとんどしなくなる。最終的に、燃料が不動であり、水分離の可能性が残るのは戻し回路より下流側の機関内部になるが、長期停止時における機関内部の水分離は、既存システムでは払拭できない。

定量ポンプを使用して連続処理システムを実現するには、ポンプの吐出側への圧力が安定するようにすれば良い。そこで、バッチ式のように小さなタンク（溜まり）を回路内に用意し、ここを大気開放もしくはリリーフ弁で一定圧を保つようにすれば、ここに供給する全ての定量ポンプに背圧がかかることがなくなり、定量を確保できる。この時、全ての原料に対して定量ポンプを使用する必要はなく、例えば、燃料油の供給は落差で行い、その流量を流量計で拾ってフィードバック制御により水や乳化剤の吐出量を定量ポンプで制御するという事も可能である。また、乳化剤は全量に対し、０．０１％〜５．０％程度と微量であり、完全な同期制御は必要でなく、タンク制御容量の３分の１の燃料を消費するのに要する時間以下の間に供給すれば十分間に合う。

機関内部に残留するエマルジョン燃料の水分離を解消するには、機関内部にエマルジョン燃料を残留させなければよい。つまり、キーオフ操作による機関終了処理の信号を受けた時点で自動的に燃料供給配管を燃料油に切替え、戻り側を前述のタンクに配管し、燃料が切り替わるまでアイドリング時の燃料消費時間から算出して、タイマーで機関を停止させればよい。ここでの記述は、機関を想定しているが、バーナーのような連続燃焼装置でも、同等である。

本発明により、連続式のエマルジョン燃料製造機が可能となり、従来からあるバッチ処理式では必ず必要である貯蔵タンクが構造上不要となるため、その分、小型化が可能となる。その結果、車載して走行しながらエマルジョン燃料を必要量のみ、作製、供給する事ができ、水分離の懸念も払拭することが可能となる。さらに、タンクなどの構造が簡略される事や、電気制御が簡易になるため、製造原価を抑える事ができる。これらの効果は、工場などに設置されている排気量が１００００ｃｃを超えるような自家発電用ディーゼルエンジンに対しても、本発明の連続式エマルジョン燃料製造装置では、コスト面とサイズ面で大きな効果がある。その結果、エマルジョン燃料の普及が可能となり、エマルジョン燃料の効果である窒素酸化物と粒子状浮遊物質の生成量を低減することが出来るため、環境汚染の抑制に貢献できる。

以下、図面に基づいて本発明の実施例であるエマルジョン燃料製造供給装置（本装置）１を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。なお、本実施例は燃焼装置として排気量２０００ｃｃ以下のディーゼルエンジンを想定し、該ディーゼルエンジンを搭載した車両に搭載可能な連続式のエマルジョン燃料製造供給装置を想定している。

図１は、本装置１の構成を表す図である。すなわち、エマルジョン燃料８の原料１０となる水１０ａ、乳化剤１０ｂ、軽油１０ｃが、原料タンク１１（それぞれ水タンク１１ａ、乳化剤タンク１１ｂ、軽油タンク１１ｃ）に貯蔵されている。なお、軽油タンク１１ｃは車両の燃料タンクを共用することができる。各原料タンク１１からは、原料１０を混ぜ合わせる混合槽１４へ原料１０を供給する配管および供給ポンプ１２が設置されており、操作によって原料１０がそれぞれの分量ずつ混合槽１４へ投入され、原料１０が混ぜ合わされた混合流体１３が作られる。なお、混合槽１４内部には液面センサー１６が設置されており、混合流体１３が一定量作られて液面センサー１６が作動すると、供給ポンプ１２は動作を停止し、それ以上混合流体１３を作らないようになっている。

混合流体１３はポンプ１５により乳化装置３へ送り出され、乳化装置３を通過することで混合流体１３はエマルジョン化し、エマルジョン燃料８となって燃料ポンプ４によりエンジン２へ送り出されるものである。なお、乳化装置３とエンジン２を繋ぐ配管は途中で枝分かれし、一定の圧力が加わると乳化装置３から混合槽１４方向へのみ弁が開くリリーフ弁５を介して混合槽１４へ繋がる配管が設定されている。また、軽油タンク１１ｃからは混合槽１４への配管途中で枝分かれし、燃料ポンプ４の直前に三方弁である供給弁６を介して接続される。また、エンジン２への燃料供給が過多の場合、燃料を軽油タンク１１ｃあるいは混合槽１４へ戻すために、燃料ポンプ４とエンジン２の間には分岐が設けられており、燃料ポンプ４側から分岐した配管は三方弁である戻し弁７を介して軽油タンク１１ｃまたは混合槽１４に接続されているものである。

次に、本実施例の実際の動作について説明する。図２は本実施例の動作時の燃料等の流れについて表したものである。エマルジョン燃料８は製造時には安定してエマルジョン化した状態を保ってはいるが、一定の時間を経過すると状態が不安定になり場合によっては原料である水１０ａ、乳化剤１０ｂ、軽油１０ｃに分離してしまうことがある。そうするとエンジン２の始動等に適した状態とは言えず、場合によってはエンジン２が破損するおそれさえあるため、始動時に限っては純粋な軽油１０ｃのみで始動させることが好ましい。

まず、本装置１を始動させたとき、軽油１０ｃ等は図２Ａに示す太線の部分でのみ移動を行うものである。すなわち、供給弁６は軽油タンク１１ｃ→エンジン２の方向にのみ開き、軽油タンク１１ｃから供給される軽油１０ｃは、図に示す矢印の方向へ流れていき、燃料ポンプ４によってエンジン２へ送り込まれ、エンジン２は１００％の純度の軽油１０ｃで始動する。なおこの際、戻し弁７はエンジン２→軽油タンク１０ｃ方向にのみ開き、供給過多となった軽油１０ｃは軽油タンク１１ｃへ戻されることとなる。一方で、前回の起動時に残ったエマルジョン燃料８は、前述したように配管内で分離した状態で残っていることが予想されるから、ポンプ１５を作動させてエマルジョン燃料８を製造して送り出すと、供給弁６が混合槽１４→エンジン２の方向には閉塞されているから、リリーフ弁５を介して混合槽１４へ戻されることとなる。

こうしてエンジン２を始動させ、配管内の分離したエマルジョン燃料８を全て混合槽１４へ戻す作業が完了すると、続いて図２Ｂに示す運転時の状態へ移行することとなる。通常運転時は、供給弁６は混合槽１４→エンジン２方向、戻し弁７はエンジン２→混合槽１４方向にのみそれぞれ開くものであり、図２Ｂに示す太線の部分でのみ移動を行う。すなわち、各原料１０はそれぞれの原料ポンプ１２により混合槽１４へ送られ、液面センサー１６が反応する程度まで混合流体１３を形成する。混合流体１３はポンプ１５により乳化装置３へ送られてエマルジョン化し、製造されたエマルジョン燃料８は燃料ポンプ４を介してエンジン２へ送り込まれ、供給過多分は混合槽１４へ戻されるものである。なお、当然に液面センサー１５が反応しなくなれば混合槽１４内の混合流体１３が不足していることであり、再び液面センサー１５が反応するまで各原料１０が一定の割合で投入される。なお、混合流体１３はポンプ１５により送り出されることで既にある程度エマルジョン化しており、場合によっては乳化装置３を設置しなくても、エマルジョン燃料としての使用に問題は無い。

本装置１を停止させるときには、前述したように配管内にエマルジョン燃料８が残っていると分離してしまい次回の始動に不具合が生じるため、エンジン２内部およびエンジン２直近の配管に残るエマルジョン燃料８を全て純粋な軽油１０ｃに入れ替える必要がある。そのため、図３Ｃに示すように供給弁６は軽油タンク１１ｃ→エンジン２方向、戻し弁はエンジン２→混合槽１４方向にのみ開くものとし、軽油タンク１１ｃから直接エンジン２へ軽油１０ｃを送り込む。また、この際に軽油１０ｃが供給過多となった場合は混合槽１４へ戻すものとする。これは軽油タンク１１ｃにエマルジョン燃料８が混入することを防止するためである。なおこの際、混合槽１４に軽油１０ｃが混入することになり、戻された軽油１０ｃの分量が不明な場合は軽油１０ｃの濃い混合流体１３が作られることとなるが、その結果製造されるエマルジョン燃料８の燃焼に関しては全く問題はない。

こうして図２Ａ〜Ｃに示す一連の動作によって、本装置１は燃料を純粋な軽油１０ｃとエマルジョン燃料８に適時切り替えることができ、エンジン２の安定した始動性と通常運転時の環境汚染物質の排出を抑えることができる。また、例えばエンジン２の負荷やアクセル開度を検知するセンサーを設置してポンプの吐出量をフィードバック制御することで、エマルジョン燃料８の油水比率を動的に比例制御することも可能である。

本実施例のエマルジョン燃料製造供給装置の各部品と配管の系統を示す図である。 本実施例のエマルジョン燃料製造供給装置の各部品と配管の、動作時における運転状況を示す図である。

符号の説明

１ 本装置
２ エンジン
３ 乳化装置
４ 燃料ポンプ
５ リリーフ弁
６ 供給弁
７ 戻し弁
８ エマルジョン燃料
１０ 原料
１０ａ 水
１０ｂ 乳化剤
１０ｃ 軽油
１１ 原料タンク
１１ａ 水タンク
１１ｂ 乳化剤タンク
１１ｃ 軽油タンク
１２ 原料ポンプ
１２ａ 水ポンプ
１２ｂ 乳化剤ポンプ
１２ｃ 軽油ポンプ
１３ 混合流体
１４ 混合槽
１５ ポンプ
１６ 液面センサー

Claims (7)

1. 燃料油と水および界面活性剤を原料としてエマルジョン燃料を製造して燃焼装置へ供給するエマルジョン燃料製造供給装置であって、前記原料のうち複数を供給される小容量の混合槽からなり、前記混合槽より供給される前記原料の混合流体をエマルジョン化させ、エマルジョン燃料となった後直接燃焼装置に供給されることを特徴とするエマルジョン燃料製造供給装置。
2. 前記混合層の容積が、燃焼装置の毎分最大燃料消費量の２倍以下であることを特徴とする請求項１記載のエマルジョン燃料製造供給装置。
3. リリーフ弁が前記乳化装置より後に設置され、燃焼装置に供給されるエマルジョン燃料の流量が消費量よりも多い場合は、前記リリーフ弁を操作して余剰分の前記エマルジョン燃料を前記混合層に戻すことを特徴とする請求項１または請求項２記載のエマルジョン燃料製造供給装置。
4. 前記混合層に供給する界面活性剤の供給装置が、トロコイドポンプなどの定容量型ポンプとステッピングモーターにより構成されていることを特徴とする請求項１から請求項３記載のエマルジョン燃料製造供給装置。
5. 燃料の消費を停止する信号を受けてから、前記エマルジョン燃料から前記燃料油に供給側の配管経路を切替え、前記燃焼装置内に残留する前記エマルジョン燃料を完全に排除して純粋な燃料油に置換した後に前記燃料油の供給を自動的に停止する前記配管経路の自動切替装置を設置したことを特徴とする請求項１から請求項４記載のエマルジョン燃料製造供給装置。
6. 前記燃焼装置の運転条件を検出し、前記原料の混合比が前記燃焼装置の負荷状態に最適になるよう、前記原料の供給量をフィードバック制御することを特徴とする請求項１から請求項５記載のエマルジョン燃料製造供給装置。
7. 燃料油と水および界面活性剤を原料としてエマルジョン燃料を製造して燃焼装置へ供給するエマルジョン燃料製造供給に関する方法であって、
   通常運転時には前記原料を小容量の混合槽へ同時に供給して混合流体とし、前記混合流体を乳化装置へ供給してエマルジョン化させエマルジョン燃料となった後、直接燃焼装置に供給され、
   運転停止時には前記原料の混合槽への供給を停止して前記燃料油を直接燃焼装置に供給することで前記燃焼装置内および配管内の前記エマルジョン燃料を燃焼させ純粋な燃料油に置換した後に運転を停止し、
   運転始動時には前記燃料油を直接前記燃焼装置に供給することで安定した始動性を確保するとともに、前記乳化装置を作動させて通常運転に移行するためのエマルジョン燃料の製造を開始するとともに配管内の分離したエマルジョン燃料を混合槽へ戻した後、通常運転に移行することを特徴とするエマルジョン燃料製造供給方法。

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