JP2006322463A - Fuel reforming device and fuel reforming method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、軽油等の液体燃料に水等の他の液体を分散混合させてエマルジョン燃料とする燃料改質装置および燃料改質方法に関する。 The present invention relates to a fuel reforming apparatus and a fuel reforming method in which another liquid such as water is dispersed and mixed in a liquid fuel such as light oil to obtain an emulsion fuel.
例えばディーゼルエンジンは、車両用、船舶用、発電用、土木建築用等として多くの分野で適用され、主として軽油を燃料として走行している。近年、このディーゼルエンジンの排気ガスに含まれるNoxやPM(Particulate Matter)等の未燃焼生成物、煤塵などが大気を汚染し、人間に健康被害をもたらすことが社会問題として取り上げられている。このため、ディーゼルエンジンの排気ガス浄化を目的として種々の技術開発が進められ、例えばエンジンの排気管先端部にセラミックスフィルタや特殊な触媒装置を取付け、Noxや煤塵の排出量を低減させることなどが行なわれている。 For example, a diesel engine is applied in many fields for vehicles, ships, power generation, civil engineering, and the like, and is mainly driven by light oil as fuel. In recent years, it has been taken up as a social problem that unburned products such as Nox and PM (Particulate Matter) contained in the exhaust gas of this diesel engine, dust, etc. pollute the atmosphere and cause health damage to humans. For this reason, various technological developments have been promoted for the purpose of purifying exhaust gas from diesel engines. For example, a ceramic filter or special catalyst device can be attached to the tip of the exhaust pipe of the engine to reduce emissions of Nox and dust. It is done.
ところで、ディーゼルエンジン車、とりわけ大型トラック等では、排気量が大きいためにエンジンから排出される排気ガスも多量になり、これらの排気ガス浄化装置は、大型の装置となってくる。また、排気ガスに含まれる種々の化学物質を目の細かいフィルタや触媒表面によって捕集するため、走行距離が長くなるに従って目詰まりが生ずることになり、装置内部を定期的に洗浄し、目詰まりした物質を除去する作業が必要となってくる。 By the way, in a diesel engine vehicle, especially a large truck, etc., since the exhaust amount is large, the exhaust gas discharged from the engine also becomes large, and these exhaust gas purification devices become large-sized devices. Also, since various chemical substances contained in the exhaust gas are collected by a fine filter or catalyst surface, clogging will occur as the travel distance becomes longer. It is necessary to remove the material.
そこで最近では、このような排気ガス浄化装置の大型化や作業手間に対処するため、ディーゼルエンジンの燃料そのもの改良し、排気ガス中の煤塵等を低減させようとする技術開発がなされている。この技術の一つとして、軽油等のディーゼルエンジン用液体燃料に水を分散混合させ、スクリュー式のプロペラにて混合液を攪拌してエマルジョン化し、このエマルジョン燃料を所定のタンクに収容しておき、同タンクから燃料噴射ポンプに供給する構成のものが提案されている。すなわち、このようなエマルジョン燃料を適用した場合には、燃焼の際に水分が蒸発して小爆発を起こすことにより完全燃焼が促進され、NOxや煤塵の発生が抑制されるというものである。 Therefore, recently, in order to cope with the increase in the size and work of such an exhaust gas purification device, technological development has been made to improve the fuel of the diesel engine itself so as to reduce dust and the like in the exhaust gas. As one of the technologies, water is dispersed and mixed in liquid fuel for diesel engines such as light oil, and the mixed liquid is emulsified by stirring with a screw type propeller, and this emulsion fuel is stored in a predetermined tank, The structure of supplying from the tank to the fuel injection pump has been proposed. That is, when such an emulsion fuel is applied, moisture is evaporated during combustion to cause a small explosion, whereby complete combustion is promoted and generation of NOx and dust is suppressed.
しかし、このようなスクリュー式の攪拌手段を適用した構成のものでは、燃料をエマルジョン化する設備が大掛かりになるとともに処理に長時間が必要であり、しかも生成されたエマルジョン燃料についても、その中に含まれている水の粒子が数十μm〜200μmと大きいために、しばらく放置しておくと短時間のうちに元の燃料と水とに分離してしまう現象が発生していた。 However, in the configuration to which such a screw type stirring means is applied, the equipment for emulsifying the fuel becomes large and a long time is required for the treatment, and the produced emulsion fuel is also included in it. Since the contained water particles are as large as several tens of μm to 200 μm, there has been a phenomenon in which the original fuel and water are separated in a short time if left for a while.
一方、エマルジョン燃料を適用するディーゼルエンジンにおいては、水分の混入による着火遅れのため、特にエンジン起動時や停止時、および急激な負荷が生じた場合等において、ノッキングが生じ易いという不具合がある。これに対して従来では、液体燃料に水を分散・混合させる方式として、燃焼室への燃料噴射段階で水分やエマルジョン燃料を液体燃料よりも遅発的に供給する等の工夫が提案されている(例えば特許文献1,2等参照)。
On the other hand, in a diesel engine to which emulsion fuel is applied, there is a problem in that knocking is likely to occur particularly when the engine is started or stopped, or when a sudden load occurs due to ignition delay due to moisture mixing. On the other hand, conventionally, as a method for dispersing and mixing water in liquid fuel, there has been proposed a device such as supplying water or emulsion fuel later than liquid fuel at the stage of fuel injection into the combustion chamber. (For example, refer to
しかし、燃料噴射段階での燃料濃度調整等については非常に緻密な制御が必要になるとともに、燃料供給系統の構成が複雑となり、軽油等の液体燃料のみを使用する既存のディーゼルエンジン構成を大幅に変更せざるを得ない等の難点がある。
上述したように、軽油等の液体燃料に水等の不溶性液体を混合してエマルジョン燃料とする従来の技術では、スクリュー式攪拌手段を採用しているため大掛かりな設備構成が必要となるとともに、エマルジョン化に長時間を要し、さらにエマルジョン化した後の燃料が短時間のうちに分離するなど、実際にディーゼルエンジンに利用するに際して種々の問題がある。また、ノッキング防止のため、燃料噴射段階で燃料濃度調整する技術においては、緻密な制御が必要となるとともに、燃料供給系統の構成が複雑となり、軽油等の液体燃料のみを使用する既存のディーゼルエンジンの燃料供給系統の構成を大幅に変更せざるを得ない等の難点がある。 As described above, the conventional technique of mixing an insoluble liquid such as water with a liquid fuel such as light oil to make an emulsion fuel requires a large-scale equipment configuration because it employs a screw type stirring means, and the emulsion. There are various problems in actual use in diesel engines, such as that it takes a long time to make the fuel and further the fuel after emulsification separates within a short time. In addition, in order to prevent knocking, the technology for adjusting the fuel concentration at the fuel injection stage requires precise control, and the configuration of the fuel supply system is complicated, and an existing diesel engine that uses only liquid fuel such as light oil is used. However, it is difficult to change the configuration of the fuel supply system.
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、小型かつ簡易な構成で既存エンジンの燃料系統を有効に利用して燃料改質を行なうことができるとともに、燃料のエマルジョン化を迅速かつ高能率で、しかも液体燃料と水との分離が殆ど生じることがない超微粒化・高混合密度で行なうことができ、ノッキング等の不具合もなく円滑に定常運転を維持することができるようにする燃料改質装置および燃料改質方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and can perform fuel reforming by effectively utilizing a fuel system of an existing engine with a small and simple configuration, and can quickly emulsify fuel. In addition, it can be performed with high efficiency, ultra-fine atomization and high mixing density that hardly causes separation of liquid fuel and water, and can maintain a steady operation smoothly without problems such as knocking. An object of the present invention is to provide a fuel reforming apparatus and a fuel reforming method.
前記の目的を達成するために、請求項1に係る発明では、液体燃料に他の液体を加えて混合材料とする燃料改質装置であって、前記混合材料が収容される容器と、この容器内に設けられ、少なくとも一面が前記混合材料と一定範囲に亘って接する配置とされる振動体と、この振動体に連結され、この振動体を前記一面と直交する方向に高周波振動させる高周波振動発生装置と、前記容器内に設けられ、前記振動体の前記混合材料に接する面との間に狭隘な空間をあけて対向配置されて当該対向面間に存在する前記混合材料に前記振動体による高周波振動の反射波を生じさせる反射体とを備え、前記振動体と前記反射体とは、前記高周波振動発生装置から付与される前記振動体の高周波振動により、前記振動体が前記反射体から離間する方向に移動する際における減圧作用で前記混合材料にキャビテーション泡を発生させる一方、前記振動体が前記反射体側に向かう方向に移動する際の加圧作用で前記キャビテーション泡を崩壊させ、この崩壊作用に基づく衝撃波エネルギをもって前記キャビテーション泡を微粒化させるとともに、前記混合材料間の拡散を推進させることにより、前記混合材料を超微粒化させる構成としたことを特徴とする燃料改質装置を提供する。 In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, there is provided a fuel reformer for adding a liquid to another liquid to obtain a mixed material, wherein the mixed material is contained, and the container. A vibrating body provided in the at least one surface and arranged so as to be in contact with the mixed material over a certain range, and high-frequency vibration generation that is coupled to the vibrating body and vibrates at a high frequency in a direction perpendicular to the one surface. A high frequency generated by the vibrator on the mixed material provided between the apparatus and the face of the vibrator that is in contact with the mixed material with a narrow space therebetween. A reflector that generates a reflected wave of vibration, and the vibrator and the reflector are separated from the reflector by the high-frequency vibration of the vibrator provided from the high-frequency vibration generator. In the direction While the cavitation bubbles are generated in the mixed material by the pressure reducing action when moving, the cavitation bubbles are collapsed by the pressurizing action when the vibrating body moves in the direction toward the reflector, and a shock wave based on the collapse action There is provided a fuel reforming device characterized in that the cavitation bubbles are atomized with energy and the mixture material is super atomized by promoting diffusion between the mixture materials.
請求項2に係る発明では、請求項1項記載の燃料改質装置において、前記高周波振動発生装置による前記振動体の高周波振動領域は、超音波領域に設定されている燃料改質装置を提供する。 According to a second aspect of the present invention, there is provided the fuel reformer according to the first aspect, wherein the high-frequency vibration region of the vibrating body by the high-frequency vibration generator is set to an ultrasonic region. .
請求項3に係る発明では、請求項1項記載の燃料改質装置において、前記振動体は、前記混合材料にキャビテーション泡の生成と崩壊とを連続して繰返させるものである燃料改質装置を提供する。 According to a third aspect of the present invention, there is provided the fuel reforming apparatus according to the first aspect, wherein the vibrating body causes the mixed material to continuously generate and collapse cavitation bubbles. provide.
請求項4に係る発明では、請求項1項記載の燃料改質装置において、前記振動発生装置は、圧電型セラミックス振動子または超磁歪材料もしくは磁歪材料により構成された振動子を備え、前記振動体は、前記振動子と一体構造とされ、または前記振動子とは別部材として前記振動子に連結した構造とされている燃料改質装置を提供する。 According to a fourth aspect of the present invention, in the fuel reformer according to the first aspect, the vibration generator includes a piezoelectric ceramic vibrator, a vibrator made of a giant magnetostrictive material or a magnetostrictive material, and the vibrator. Provides a fuel reformer that has a structure that is integrated with the vibrator, or that is connected to the vibrator as a separate member from the vibrator.
請求項5に係る発明では、請求項1項記載の燃料改質装置において、前記振動体および反射体の少なくとも互いに対向する表面部分が、キャビテーション泡に壊触されにくい高硬度の材料によって構成されている燃料改質装置を提供する。 According to a fifth aspect of the present invention, in the fuel reformer of the first aspect, at least surface portions of the vibrating body and the reflector that face each other are made of a high-hardness material that is not easily broken by cavitation bubbles. A fuel reformer is provided.
請求項6に係る発明では、請求項1項記載の燃料改質装置において、前記振動体と前記反射体との間隔は、10mm以下とされている燃料改質装置を提供する。 According to a sixth aspect of the present invention, there is provided the fuel reforming apparatus according to the first aspect, wherein a distance between the vibrating body and the reflector is 10 mm or less.
請求項7に係る発明では、請求項1項記載の燃料改質装置において、前記容器は、前記振動体と反射体との間に混合材料を導入する混合材料入口と、前記振動体と反射体との間で衝撃波を受けて微粒化した液体混合物を外部に排出する液体混合物排出口とを有する燃料改質装置を提供する。 According to a seventh aspect of the present invention, in the fuel reformer according to the first aspect, the container has a mixed material inlet for introducing a mixed material between the vibrating body and the reflector, and the vibrating body and the reflector. And a liquid mixture discharge port for discharging a liquid mixture atomized by receiving a shock wave to the outside.
請求項8に係る発明では、液体燃料に他の液体を加えて混合材料とする燃料改質方法であって、前記混合材料を、高周波振動する振動体とこの振動体に狭隘な空間をあけて対向する反射体とを有する容器内に収容し、前記振動体と前記反射体との間に存在する前記混合材料を、前記高周波振動発生装置から付与される前記振動体の高周波振動により、前記振動体が前記反射体から離間する方向に移動する際における減圧作用で前記混合材料にキャビテーション泡を発生させる一方、前記振動体が前記反射体側に向かう方向に移動する際の加圧作用で前記キャビテーション泡を崩壊させ、この崩壊作用に基づく衝撃波エネルギをもって前記キャビテーション泡を微粒化させるとともに、前記混合材料間の拡散を推進させることにより、前記液体混合物を超微粒化することを特徴とする燃料改質方法を提供する。 According to an eighth aspect of the present invention, there is provided a fuel reforming method in which another liquid is added to a liquid fuel to obtain a mixed material, and the mixed material is divided into a vibrating body that vibrates at high frequency and a narrow space between the vibrating body. The mixed material, which is housed in a container having an opposing reflector and exists between the vibrator and the reflector, is vibrated by the high-frequency vibration of the vibrator provided from the high-frequency vibration generator. Cavitation bubbles are generated in the mixed material by a pressure reducing action when the body moves away from the reflector, while the cavitation bubbles are generated by a pressure action when the vibrating body moves in the direction toward the reflector. And pulverizing the cavitation bubbles with shock wave energy based on the collapse action, and promoting diffusion between the mixed materials, The compound to provide a fuel reforming method, which comprises ultra atomization.
以上で詳述したように、本発明によれば、小型かつ簡易な構成で既存エンジンの燃料系統を有効に利用して燃料改質を行なうことができるとともに、燃料のエマルジョン化を迅速かつ高能率で、しかも液体燃料と水との分離が殆ど生じることがない超微粒化・高混合密度で行なうことができ、ノッキング等の不具合もなく円滑に定常運転を維持することができる。また、本発明によれば、エンジン始動時等に燃料が正常な燃焼を行って速やかに定常回転になり、NOxおよびPM等の発生を低減できるとともに、燃料消費量が少なくて済み、排ガスがクリーンで定常回転時に排気フィルタを使用しなくて済み、メンテナンス等も容易に行なえる。 As described above in detail, according to the present invention, fuel reforming can be performed by effectively utilizing the fuel system of an existing engine with a small and simple configuration, and the emulsification of fuel can be performed quickly and efficiently. In addition, it is possible to carry out with ultrafine atomization and high mixing density in which separation between the liquid fuel and water hardly occurs, and a steady operation can be maintained smoothly without problems such as knocking. In addition, according to the present invention, the fuel normally burns when the engine is started and the like, and quickly becomes steady rotation, so that the generation of NOx, PM and the like can be reduced, the fuel consumption is small, and the exhaust gas is clean. Therefore, it is not necessary to use an exhaust filter during steady rotation, and maintenance and the like can be performed easily.
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明による燃料改質装置を適用した改質燃料用ディーゼルエンジンの基本構成を示す概略構成図である。この図1に示すように、本実施形態の改質燃料用ディーゼルエンジン30は、液体燃料供給系統としての軽油等の液体燃料2を収容する燃料タンク31と、水供給系統としての水4を収容する水タンク32とを備えている。これらの燃料タンク31および水タンク32に燃料供給管3および水供給管5を介して燃料改質装置1が接続されている。燃料供給管3には燃料流量調整弁(V1)7が設けられ、水供給管3には水流量調整弁(V2)9が設けられている。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a basic configuration of a reformed fuel diesel engine to which a fuel reformer according to the present invention is applied. As shown in FIG. 1, a reformed
燃料改質装置1にはエマルジョン燃料供給系統としてのエマルジョン燃料供給管33が接続され、このエマルジョン燃料供給管33には、流量調整弁(V3)35を介してエマルジョン燃料噴射ポンプ36が接続されている。エマルジョン燃料噴射ポンプ36には燃料噴射用配管37を介してディーゼルエンジン本体38が連結されている。
An emulsion
ディーゼルエンジン本体38には排気管50が設けられ、この排気管50の先端側は分岐管51,52により2系統に分岐している。一方の分岐管51には排気弁(V4)53を介して排気フィルタ54が設けられ、他方の分岐管52には排気弁(V5)55のみが設けられている。なお、ディーゼルエンジン本体38は、冷却ファン56によって冷却される。
The diesel engine
上述した燃料流量調整弁(V1)7,水流量調整弁(V2)9,流量調整弁(V3)35,排気弁(V4)53,(V5)55は自動調整弁として構成され、これらの自動調整弁(V1)7,(V2)9,(V3)35,(V4)53,(V5)55および冷却ファン56は、制御装置60によって制御されるようになっている。
The fuel flow rate adjustment valve (V1) 7, the water flow rate adjustment valve (V2) 9, the flow rate adjustment valve (V3) 35, the exhaust valve (V4) 53, (V5) 55 described above are configured as automatic adjustment valves. The regulating valves (V1) 7, (V2) 9, (V3) 35, (V4) 53, (V5) 55 and the
図2は、ディーゼルエンジン30を詳細に示す構成図である。この図2に示すように、ディーゼルエンジン30は、燃料タンク30および水タンク32に、それぞれ燃料供給管3および水供給管5の基端側が接続されている。これらの燃料供給管3および水供給管5の先端側は、燃料ポンプ6および水供給ポンプ8を介して、エマルジョン燃料生成タンク10に接続され、燃料2および水4を連続的に供給するようになっている。
FIG. 2 is a configuration diagram showing the
エマルジョン燃料生成タンク10は、振動板13および反射板14を有し、キャビテーション発生部15を形成している。振動板13は高周波振動発生装置20によって高周波振動され、このエマルジョン燃料生成タンク10において、キャビテーション処理が行なわれる。そして、このエマルジョン燃料生成タンク10の排液管である2次側のエマルジョン燃料供給管33に、キャビテーション処理によって生成されたエマルジョン燃料12が排出・供給される。
The emulsion
エマルジョン燃料供給配管33には、吸込みポンプ34および流量調整弁(V3)35を介してエマルジョン燃料噴射ポンプ36が接続されている。エマルジョン燃料噴射ポンプ36には、例えば2本の燃料噴射用配管37a,37bを介してディーゼルエンジン本体38の2気筒型シリンダ39a,39bが連結されている。なお、符号40は、エンジン回転軸を示している。
An emulsion
このような構成において、エンジン運転時には、エマルジョン燃料生成タンク10に供給された燃料2および水4は、キャビテーション発生部15にて均質に撹絆・混合され、エマルジョン燃料12として生成される。生成されたエマルジョン燃料12は、吸込みポンプ34によって吸引され、エマルジョン燃料噴射ポンプ36へと移送される。
In such a configuration, when the engine is operated, the
エマルジョン燃料噴射ポンプ36に供給されるエマルジョン燃料12は、ディーゼルエンジン33の負荷状況に応じて、エマルジョン燃料供給管33に設けられた流量調整弁(V3)35によって流量制御され、エマルジョン燃料噴射ポンプ36に供給される。エマルジョン燃料噴射ポンプ36に供給されたエマルジョン燃料12は、エマルジョン燃料供給管37a,37bにてディーゼルエンジン本体38のシリンダ39a,39bに供給され、これらのシリンダ39a,39b内で燃焼して仕事に供される。燃焼後の排気ガスは、排気管50から外部に排気される。
The
また、ディーゼルエンジン33の回転軸40にフランジ41を介して発電機42の回転軸43が連結されている。発電機42には、送電用ケーブル44を介して電力変換器45が接続され、この電力変換器45により発生電力が常用電圧(100v)に変換される。
Further, the rotating shaft 43 of the
電力変換器45には電源ケーブル47を介して制御装置60および動力装置、例えば高周波電源装置24が接続され、発電機42で発電した電力の一部を、高周波振動発生装置20の振動用電源として適用できるようになっている。
The
このような構成により、発生電力の一部を、エマルジョン燃料生成のための制御用電力および操作用電力として使用することができる。したがって、外部からの電力供給を必要とすることなく、エンジン運転を行なうことが可能となり、車両・船舶等の移動手段として適用する場合に移動体自体での電力自給が可能となる利点が得られる等の効果が奏される。 With such a configuration, part of the generated power can be used as control power and operation power for emulsion fuel generation. Therefore, it is possible to operate the engine without requiring external power supply, and there is an advantage that the mobile body itself can be self-supplied with power when applied as a moving means such as a vehicle or a ship. Etc. are produced.
図3は燃料改質装置1を詳細に示す構成図である。この図3に示すように、これら燃料供給管3および水供給管5の各先端側が、互いに接近してエマルジョン燃料生成タンク10内に配置されている。
FIG. 3 is a configuration diagram showing the
エマルジョン燃料生成タンク10は、燃料供給管3から供給される燃料2と、水供給管5から供給される水4との混合液11を、一時的に収容できる容器であり、その内部において燃料2中に水4を拡散・混合させ、混合液11から超微粒化・高混合密度のエマルジョン燃料12を生成するものである。
The emulsion
すなわち、エマルジョン燃料生成タンク10は、略水平に配置された平坦な直方体状の密閉タンク構造とされており(図3では、密閉用のタンク上壁を図示省略してある)、その内側上部に振動体としての水平板状の振動板13が配置されるとともに、この振動板13の下面に対向するタンク内下部には、振動板13と対向する配置で水平な反射板14が配置されている。これら振動板13と反射板14との間には、キャビテーション発生部15として上下方向に狭隘な空間、例えば上下間隙δが10mm以下、具体的には数mmの空間が形成されている。このキャビテーション発生部15としての空間の横向きの開口部分に、燃料供給管3および水供給管5の各先端開口部が臨んでおり、燃料2と水4との混合液11がキャビテーション発生部15内に横向きの一方の開口部15aから導入されるようになっている。
That is, the emulsion
なお、キャビテーション発生部15の横向きの他方の開口部15bには、漏斗状の吸液部材16がその広口部をキャビテーション発生部15に向けて横向きに配置され、この吸液部材16の狭口側には排液管17が接続されている。排液管17は、エマルジョン生成タンク10の任意の壁、例えば底壁10aを垂直に貫通して外部方向に延び、吸込みポンプ18を介してエマルジョン燃料12を、エマルジョン燃料供給系統に供給するようになっている。
Note that the funnel-shaped
振動板13および反射板4は、それらの全体または少なくとも相対する面を構成する部分が硬度の高い材料、例えばセラミックスまたは超硬合金などの硬質材料によって構成され、これにより後述するキャビテーション発生時における衝撃に十分耐え、壊触されない高強度をもつ構成とされている。なお、振動板13および反射板4の対向部分のみを高硬度とする場合には、各種金属等の母材の表面にセラミックスもしくは超高合金等の硬質メッキによる表面処理を施すこと等により構成することができる。
The
そして、振動板13は、例えば上方に向って延びる垂直な連結棒19を介して高周波振動発生装置20に連結され、この高周波振動発生装置20によって上下方向(矢印a方向)に高周波振動されるようになっている。
The
高周波振動発生装置20は、ケース21内に振動源として例えば磁歪材料からなる振動子22を収納するとともに、その振動子22を駆動するための高周波用コイル23を配置して構成したものであり、高周波電源装置24から電源ケーブル25にて高周波電力が供給されるようにしたものである。なお、高周波電源装置24は、電源からの電力を周波数変換し、高周波電流を発生するものである。これにより、振動子22ひいては振動体13の高周波振動領域が、例えば超音波領域(20KHz以上)に設定されている。
The high frequency
なお、振動発生装置20の振動子22は、圧電素子または超磁歪材料により構成することもでき、また、振動体13と振動子22とを同一材料により一体構造とすることもできる。高周波発生装置20のケース21は、支持アーム26に取付ボルト27を介して固接されており、支持アーム26は強固な静止部28に固定されている。
Note that the
次に、エマルジョン燃料生成方法について説明する。まず、燃料2が燃料供給管3の燃料供給ポンプ6により燃料流量調整弁(V1)7を経由して、エマルジョン燃料生成タンク10内に配置された振動板13と反射板14との間隙部、すなわちキャビテーション発生部15に供給される。一方、水4も同様に水供給管5の水供給ポンプ2aにより水流量調整弁(V2)9を介してエマルジョン燃料生成タンク10内のキャビテーション発生部15に供給される。これにより、燃料2と水4との混合液はキャビテーション発生部15およびエマルジョン燃料生成タンク10内に充満する。
Next, an emulsion fuel generation method will be described. First, the
この場合、燃料供給ポンプ6および水供給ポンプ8から吐出される流量は、エマルジョン燃料の必要な生成量に従って制御される。そして、高周波振動発生装置20の先端部に取付けられた振動板13は、少なくとも下面、例えば全体が、エマルジョン燃料生成タンク10内に充満した燃料2および水4の混合液11に浸漬される状態となる。
In this case, the flow rates discharged from the
この状態で振動板13が高周波振動することにより、キャビテーション発生部15において混合液11にキャビテーションが発生し、燃料2に水4が拡散・混合して超微粒化され、高混合密度のエマルジョン燃料12が生成される。
In this state, the
図4は、上述したエマルジョン燃料12の生成メカニズムを示す説明図である。この図4に模式的に示すように、エマルジョン燃料生成タンク10内の混合液11は、燃料2中に水4が細かい塊状の水滴4aとして混合した状態で存在している。振動板13と反射板14との間隙部に導入された混合液11についても同様である。
FIG. 4 is an explanatory view showing the generation mechanism of the
この状態で振動板13が振動方向aに沿って上向きに動作すると、振動板13と反射板14との間隙部に瞬間的に負圧になる場が形成され、その負圧により混合液11中に気泡、すなわちキャビテーション泡29が発生する。このキャビテーション泡29は燃料2中に多数発生するとともに、塊状となって燃料2に分散混合している水滴4a中にも発生する。
When the
そして、振動板13が高周波振動により次の瞬間に下向きに動作すると、上記と逆に高圧の圧力場が形成され、キャビテーション泡29は高圧により崩壊される。このキャビテーション泡29の崩壊時には、高圧の衝撃波(泡崩壊時発生衝撃波:矢印c)が発生する。この衝撃波cは、塊状の水滴4aに破壊エネルギとして作用する。特に水滴4a内に発生したキャビテーション泡29の崩壊時には、その水滴4aを破裂させる外向きの破壊エネルギが発生する。これにより、水滴4aは、より小さい塊状へと分割する。また、衝撃波cは振動板13と反射板14との間で反射し、衝撃波反射波(以下、単に「反射波」という:矢印b)となって、再び燃料2と水4(水滴4a)とに衝撃波として繰り返し作用することになる。
When the
すなわち、振動板13が燃料2および水4の混合液11中で高周波振動すると、振動体13の超高速往復動作によって微細なキャビテーション泡29の形成・崩壊が繰返される。そして、このキャビテーション泡29の崩壊時に大きな衝撃圧力が生じ、条件によっては、発生する衝撃圧力が数百MPaに達する。この衝撃圧力が数百MPaに達することは、高周波振動を超音波領域に設定した本実施形態において、明確に観測することができた。
That is, when the
また、キャビテーション発生部15においてキャビテーション泡29の崩壊時に発生する衝撃波cと、発生した衝撃波cの反射波bとは、燃料2に対しても作用する。すなわち、振動体13を20KHz以上の超音波領域で振動させると、高分子の液体である燃料2中の分子のクラスターが振動によって小さくなる。したがって、振動体13を超音波振動させることにより、キャビテーションによる衝撃圧力と、超音波振動によるクラスター分解作用との相乗効果により、燃料2を構成している高分子鎖が物理的に切断され、低分子化による改質作用も行われる。
Further, the shock wave c generated when the
図5は、燃料2として軽油を適用した場合について、キャビテーション発生部15で改質作用を受けた燃料成分の分析結果を示した測定グラフである。この図5の横軸に軽油の分子数を表し、縦軸に分子量を表している。キャビテーション処理前の燃料の場合は、実線の柱状グラフによる特性線Aとして示したように、高分子側の分子量が多く、低分子側の分子量が少ない。
FIG. 5 is a measurement graph showing the analysis result of the fuel component subjected to the reforming action in the
これに対し、キャビテーション処理後においては、仮想線の柱状グラフによる特性線Bとして示したように、高分子側の分子量が低減するとともに、低分子側の分子量が増加する傾向を示す。このことは、高分子側の分子の鎖が衝撃波にて分断され、分断された低分子が増加分として計測されたことを裏付けている。このことにより、水4を添加して撹絆・混合するだけではなく、燃料2そのものもキャビテーションの衝撃波cおよび反射波bによって低分子化が促進され、より燃焼し易い成分に変化していることを物語っている。
On the other hand, after the cavitation treatment, the molecular weight on the high molecular side tends to decrease and the molecular weight on the low molecular side tends to increase as shown by the characteristic line B in the columnar graph of the virtual line. This confirms that the molecular chain on the polymer side was broken by a shock wave, and the divided low molecules were measured as increments. As a result, not only the
また、キャビテーション処理においては、このように低分子化した燃料2と、微細化された水滴4aとに対し、さらに混合および撹絆作用が加えられ、拡散・混合が推進される。これにより、超微粒化・高混合密度のエマルジョン燃料12が生成される。なお、燃料2と水4との供給量を一定に制御することにより、燃料2と水4とが一定の割合で、均質かつ微細に混合した質の高いエマルジョン燃料が生成される。
Further, in the cavitation treatment, mixing and agitation action are further applied to the low
以上のように、キャビテーション発生部15の上下幅を数mmの間隙とした本実施形態においては、キャビテーション泡29の崩壊により発生した衝撃波b,cが周囲に拡散されずに閉じこめられた状態で保持されるため、高密度な衝撃波場が形成・保持される。そして、水4は衝撃波により、微細な分子の状態に分断されて細分化されると同時に、燃料2と混合・撹絆を繰返すことにより、均一に水分が拡散・混合されたエマルジョン燃料が生成されるものである。なお、実験結果によると、キャビテーション発生部15の上下間隙値を10mmまで拡大しても、前記と略程度の効果が得られることが認められた。
As described above, in the present embodiment in which the vertical width of the
上述のようにして生成されたエマルジョン燃料12は、一定以上の高エネルギを加えない限り、容易に元の状態に戻ることはない。したがって、微細化された水滴4aおよび低分子化された燃料2の状態は、長期間に亘って維持され続けるので、長期に保存しても燃料2と水4との分離な殆ど生じることがなく、燃焼器への供給等、次工程への供給時においても品質低下等の問題が生じることなく常時、良好な品質のエマルジョン燃料としてディーゼルエンジン30に供給利用することができる。
The
このようにして生成したエマルジョン燃料12をディーゼルエンジン本体38に供給して燃焼した場合には、燃料が超微粒化・高混合密度であり、かつ燃料2と水4とが一定の割合で、均質かつ微細に混合した質の高いものであるため、燃焼温度が低く抑えられとともに、燃料中の水分が水蒸気となり、水蒸気の一部が分離して小爆発の現象(マイクロエクスプロージョン現象)を起こし、爆発力で燃料をはじき散らすことにより空気との混合を助け、燃焼反応が助長されることにより、未燃焼部分が殆どなくなる。このため、従来では未燃焼によって生成されていた未燃焼生成物、いわゆるPM黒煙の煤塵の発生が大きく低減する。また、本実施形態によって得られたエマルジョン燃料12は、燃焼温度が低く抑えられるため、燃焼時に有害なNOx等の化学物質の生成も殆ど生じない。したがって、燃焼排気ガス中に含まれる黒煙などの煤塵や有害なNOx等の化学物質の生成を大幅に抑制することができ、大気汚染防止を効果的に推進することができる。
When the
また、本実施形態によれば、小型かつ簡易な構成のもとで、燃料のエマルジョン化を能率よく行なうことができ、しかも生成したエマルジョン燃料を長期間保存しても燃料と他の液体との分離が殆ど生じることがない超微粒化・高混合密度のエマルジョン燃料生成が可能となる。したがって、従来のスクリュー式攪拌手段を採用する場合等と比較して、構成が簡易かつ小型なもので済み、大掛かりな設備構成も不要となり、燃焼器への実際利用が容易に図れるようになる。 Further, according to the present embodiment, the fuel can be efficiently emulsified with a small and simple configuration, and even if the produced emulsion fuel is stored for a long period of time, the fuel and other liquids can be mixed. Ultra-fine atomization and high-mix density emulsion fuel can be produced with almost no separation. Therefore, compared with the case where the conventional screw type stirring means is adopted, the configuration is simple and small, and a large-scale equipment configuration is not required, so that the actual use for the combustor can be facilitated.
図6は、制御装置60のシステム構成を示している。この制御装置60は主制御部61、CPU62、入出力インターフェイス63,64および複数のデータベース(DB1〜DB4)65,66,67,68を備えている。データベース(DB1)65は、エマルジョン燃料・回転数データベースであり、データベース(DB2)66は、エマルジョン燃料・出力特性データベースである。データベース(DB3)67は、排気ガス成分・エマルジョン燃料濃度特性データベースであり、データベース(DB4)68は、出力・回転数データベースである。
FIG. 6 shows the system configuration of the
主制御部61には、複数の計器1…nが接続されている。これらの計器としては、起動停止検出用計器(計器1)71、回転数検出用計器(計器2)72およびエンジン出力検出用計器(計器3)73等である。そして、主制御部61に起動停止検出用計器71からの起動停止信号、回転数検出用計器72からの回転数検出信号およびエンジン出力検出用計器73からのエンジン出力信号が入力され、主制御部61では、エマルジョン燃料・回転数データベース65、エマルジョン燃料・出力特性データベース66、排気ガス成分・エマルジョン燃料濃度特性データベース67および出力・回転数データベース68からの情報に基づいて、制御演算が行なわれる。この結果、各バルブ、すなわち燃料流量調整弁(V1)7,水流量調整弁(V2)9,流量調整弁(V3)35,排気弁(V4)53,(V5)55は自動調整弁として構成され、これらの自動調整弁(V1)7,(V2)9,(V3)35,(V4)53,(V5)55および冷却ファン56に制御信号が出力され、エンジン制御等が行なわれる。
A plurality of
本実施形態では、下記の手順に示すように、エンジン始動時に得気体燃料供給系統からの液体燃料のみを供給する設定とされている。また、エンジン始動後に水供給系統からの水供給量を漸次多くしてエマルジョン燃料の供給へと移行する設定とされている。さらに、エンジン出力が正常値に到達した後は出力に応じて水分含有量が一定のエマルジョン燃料を供給する設定とされている。 In the present embodiment, as shown in the following procedure, only the liquid fuel from the gaseous fuel supply system is supplied when starting the engine. Further, after the engine is started, the water supply amount from the water supply system is gradually increased to shift to the emulsion fuel supply. Further, after the engine output reaches a normal value, an emulsion fuel having a constant water content is supplied according to the output.
図7は、エンジン制御手順を示すフローチャートである。この図7に示すように、本実施形態では、エンジン始動準備段階では燃料改質装置1は停止している(S101)。そして、エンジン始動の際には、自動調整弁(V3)35が開となり(S102)、液体燃料が100%の燃料供給が行なわれる(S103)。このとき、自動調整弁(V4)53は開き、自動調整弁(V5)55は閉じ(S104)、始動時に排気フィルタ54が使用される。
FIG. 7 is a flowchart showing an engine control procedure. As shown in FIG. 7, in the present embodiment, the
この状態でエンジン始動・運転が行なわれ(S105)、エンジン回転および負荷計測がされる(S106)。そして、定常運転状態に到達したかの判断が行なわれ(S107)、未到達であると、計測値に基づいて自動調整弁(V3)35が開閉調整され、改質燃料の流量が調整される(S108)。 In this state, the engine is started and operated (S105), and the engine rotation and load are measured (S106). Then, a determination is made as to whether or not the steady operation state has been reached (S107). If not reached, the automatic adjustment valve (V3) 35 is opened and closed based on the measured value, and the flow rate of the reformed fuel is adjusted. (S108).
このようにして定常運転状態が確認された後は、自動調整弁(V1)7の開度を順次絞りながら自動調整弁8が順次開かれる(S109)。そして、エンジンの回転と負荷の計測値から運転出力の正常についての判断がされ(S110)、計測値が異常であるときは、自動調整弁(V1)7,9が開閉調整され(S111)、改質燃料比が調節される。
After the steady operation state is confirmed in this manner, the
運転出力の正常と確認された後、自動調整弁(V1)7,8を決められた開度に固定し(S112)、運転を継続する。このとき、自動調整弁(V4)53は閉じ、自動調整弁(V5)55は開き、始動時に使用された排気フィルタ54は使用されない(S113)。すなわち、定常運転状態を確認後、自動調整弁(V1)7の開度を順次絞りながら自動調整弁(V2)9を順次開き、運転出力が正常と確認されると、自動調整弁(V1)7,9を決められた開度で固定し、運転が継続される(S114)。
After it is confirmed that the operation output is normal, the automatic adjustment valves (V1) 7 and 8 are fixed at a predetermined opening degree (S112), and the operation is continued. At this time, the automatic adjustment valve (V4) 53 is closed, the automatic adjustment valve (V5) 55 is opened, and the
このような制御により、エンジン運転が適正に行なわれる結果、本実施形態によると、ディーゼルエンジン30に改質燃料を使用する際に問題となっている始動時等のノッキングを効果的に防止することができる。また、エンジン始動時等において燃料が正常な燃焼を行うことができ、速やかに定常回転になるだけでなく、NOxおよびPM等の発生を有効に低減することができる。さらに、燃料消費量が少なくて済み、かつ改質燃料の排ガスがクリーンであることから、定常回転時には排気フィルタを使用しなくて済む利点も得られる。そして、既存の排ガス清浄装置に比して小型化が図れ、さらに排気フィルタ54は使用時間が短いため、カートリッジ式で簡易に着脱可能であり、メンテナンスが容易となる。
As a result of proper engine operation by such control, according to the present embodiment, knocking at the time of starting or the like, which is a problem when using reformed fuel for the
図8は、排気フィルタ54の構成例を示す断面図であり、図9はフィルタエレメントを示す斜視図である。これらの図に示すように、排気フィルタ54は、簡易着脱式のカートリッジ型フィルタとされている。すなわち、この排気フィルタ54は、排気管の分岐管51に設けられたフィルタケーシング70内に、筒状のフィルタエレメント71を着脱可能に装着して構成されている。フィルタエレメント71は、例えば中空糸膜フィルタとして構成されている。
FIG. 8 is a cross-sectional view showing a configuration example of the
このような構成により、フィルタ交換等が極めて簡単な操作によって容易に行なえる。 With such a configuration, filter replacement or the like can be easily performed by an extremely simple operation.
図10は、本発明の他の実施形態による改質燃料用ディーゼルエンジンを示す構成図である。この実施形態が前記実施形態と異なる点は、エンジン本体38が冷却水循環式の水冷系統72を備え、この水冷系統72におけるエンジン冷却後の高温となった冷却水が冷却水タンク73から流量調整弁74を介して燃料改質装置1への水供給系統に適用されている点である。この流量調整弁74は制御装置60によって制御される。他の構成については、前記実施形態と同様であるから、図10に図1と同一の符号を付して説明を省略する。
FIG. 10 is a configuration diagram showing a reformed fuel diesel engine according to another embodiment of the present invention. This embodiment is different from the above embodiment in that the
このような構成によると、燃料改質装置1に供給される水がエンジン冷却水を有効に利用して行なえ、他の水源を省略することができ、また燃料改質装置1での水温が高くなるため、キャビテーション作用が推進され、燃料改質が効果的に行なわれる。
According to such a configuration, the water supplied to the
以上の実施形態によれば、ディーゼルエンジンに改質燃料を使用する際に問題となっている始動時等のノッキングが防止でき、またエンジンの始動時等において燃料が正常な燃焼を行なうことにより、速やかに定常回転になるだけでなく、NOxおよびPM等の発生を低減できる。さらに、燃料消費量が少なくて済むとともに、改質燃料の排ガスはクリーンなため定常回転時には排気フィルタを使用しなくて済む等の利点が得られる。さらに、既存の排ガス清浄装置に比して小型化が図れ、さらにまた、排気フィルタの使用時間が短いためカートリッジ式で簡易に着脱可能なフィルタ構成が実現でき、メンテナンス等が容易に行なえる。 According to the above embodiment, knocking at the time of starting or the like, which is a problem when using the reformed fuel in the diesel engine, can be prevented, and by performing normal combustion of the fuel at the time of starting the engine or the like, Not only can steady rotation be achieved quickly, but also the generation of NOx and PM can be reduced. Further, the fuel consumption can be reduced, and the exhaust gas of the reformed fuel is clean, so that there are advantages such as no need to use an exhaust filter during steady rotation. Furthermore, it can be reduced in size as compared with the existing exhaust gas purifier, and further, since the exhaust filter usage time is short, a cartridge configuration that can be easily attached and detached with a cartridge type can be realized, and maintenance and the like can be easily performed.
1…燃料改質装置、2…燃料、3…燃料供給管、4…水、4a…水滴、5…水供給管、6…燃料供給ポンプ、7…燃料流量調整弁、8…水供給ポンプ、9…水流量調整弁、10…エマルジョン燃料生成タンク、11…混合液、12…エマルジョン燃料、13…振動板、14…反射板、15…キャビテーション発生部、15a…開口部、15b…他方の開口部、16…吸液部材、17…排液管、18…吸込みポンプ、19…連結棒、20…高周波振動発生装置、21…ケース、22…振動子、23…高周波用コイル、24…高周波電源装置、25…電源ケーブル、26…支持アーム、27…取付ボルト、28…静止部、29…キャビテーション泡、30…ディーゼルエンジン、31…燃料タンク、32…水タンク、33…エマルジョン燃料供給配管、34…吸込みポンプ、35…流量調整弁、36…エマルジョン燃料噴射ポンプ、37a,37b…燃料噴射用配管、38…ディーゼルエンジン本体、39a,39b…シリンダ、40…エンジン回転軸、41…フランジ、42…発電機、43…回転軸、44…送電用ケーブル、45…電力変換器、46…出力端子、47…電源ケーブル、50…排気管、51,52…分岐管、53…排気弁(V4)、54…排気フィルタ、55…排気弁(V5)、56…冷却ファン、60…制御装置。
DESCRIPTION OF
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JP2009227741A (en) * | 2008-03-19 | 2009-10-08 | Toshiba Plant Systems & Services Corp | Waste oil emulsion fuel generation device |
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