(57)【要約】【課題】品質の高いエマルション燃料、クラスター微細化燃料を低コストかつコンパクト、低エネルギーで生成することのできるエマルション燃料生成方法とその装置、または燃料改質装置を提供する。【解決手段】混合方法として、外径１０ｍｍ、内径８．５ｍｍ、長さ１２５ｍｍの円筒状のＳＰＧ膜を用い、循環ポンプ４により循環している燃料油２中に水タンク３から水を注入しながら乳化していく。すなわち、任意形状に成形した多孔質ガラスの三次元的な網目状の連続した細孔に燃料を透過させることにより、燃料液体分子クラスターを小さくする。本発明に最も適しているシラス多孔質ガラス（以下、ＳＰＧという）は、膜を貫通する多数の細孔を有し、気孔率の高い細孔の均一性について優れている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
成形した多孔質体の三次元的な網目状の連続した孔径の均一に揃った超微細孔に水を透過させながら燃料油中に分散させることにより、油中水滴なる均一な水滴粒子を有するＷ／Ｏエマルションを生成することを特徴とするエマルション燃料の生成方法。
【請求項２】
燃料油を多孔質体に透過させることにより燃料油を構成している分子のクラスターを微細化することを特徴とする燃料油改質方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の多孔質体を用いたエマルション燃料を生成する生成装置または燃料改質装置。
【請求項４】
請求項１または請求項２記載の多孔質体を用いた自動車搭載用または自家発電用のエマルション燃料を生成する生成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
近年、京都議定書や東京都の公害条件の施行により、ますます地球環境保全への関心が高まっている。特に現在の車社会において、大型トラックなどに使用されているディーゼルエンジンに対する批判が最も多い。環境保全のために、ディーゼルエンジンから排出されるＮＯＸ（窒素酸化物）や黒煙、ＰＭ（粒子状物質）の同時低減が検討されている。本発明は、環境問題がますます深刻化するなかで公害防止や限りある化石燃料を最大限に有効に利用することのできる品質の高いエマルション燃料の生成方法と燃料改質方法、また、低コストかつ簡単、コンパクトなエマルション燃料生成装置、燃料改質装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、エンジンの排出ガス中のＮＯＸや黒煙、ＰＭを低減するために燃料油と水または燃料油と水溶液を混合し乳化した油中水滴型エマルション燃料が用いられている。エマルション燃料は、エマルション内の水滴粒子がエンジン内で瞬時に発生する高温の燃焼温度を下げ、ＮＯＸの発生を抑えることや、エマルション内の水滴粒子がエンジン内で微爆することにより空気との混合が促進され理想燃焼に近づくことによりＰＭの低減に繋がるといわれている。このような特徴をもつ燃料油と水の混合液であるエマルション燃料の生成方法として、例えば特許文献１や特許文献２に記載されているように燃料油、水、界面活性剤を高速な攪拌式ミキサーで混合する方法や、送液ラインに数箇所の隔壁を設けて、その各隔壁には小孔が形成されており、燃料油と水の混合液を昇圧ポンプにより圧送することにより、小孔で高圧かつ高速で噴出しながら微細な水エマルジョン燃料を得るという方法、また特許文献３に記載されている燃料改質方法がある。
【０００３】
【特許文献１】特開平０７−０２４２８４号公報
【特許文献２】特開２００２−１５９８３２号公報
【特許文献３】特開２００１−３４８５８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のエマルション燃料の生成方法のうち、攪拌式ではエマルションの油中水滴粒子の大きさの均一性に信頼性と再現性を保障することは困難で、この方法によるエマルション燃料をエンジンに使用すると安定した燃焼が得られない。また、送液ラインに設けられた各隔壁の直径が０．５ｍｍ乃至２ｍｍ程度の小孔に透過させて微細な水滴粒子を得るために、昇圧ポンプの送圧力が５ＭＰａ乃至１５ＭＰａと非常に高圧で、装置の構造的な安全面で非常にリスクが高い。液体燃料の改質方法として、液体攪拌や衝突壁にジェット状に噴出して液体を破砕し液体クラスタを微細化するということや、これとあわせて磁場、または電場または超音波振動などで液体クラスタを微細化することができるといわれている。本発明はこれらの課題に鑑みなされたもので、燃料油中に多孔質体の三次元的な網目状の連続した孔径の均一に揃った無数の超微細孔に水を透過させながら燃料油中に分散させることにより、油中水滴なるＷ／Ｏエマルションを均一な水滴粒子として低圧エネルギーで生成することができることや、燃料油を多孔質体の三次元的な網目状の連続した孔径の均一に揃った無数の超微細孔に透過させることにより低エネルギー、低コストで簡単に液体クラスタを微細化することが可能である。このように品質の高いエマルション燃料、クラスタ微細化燃料を低コストかつコンパクト、低エネルギーで生成することのできるエマルション燃料生成、または燃料改質装置を提供することにある。本発明に関してＯ／Ｗ型エマルション燃料においても十分同様である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、低エネルギーかつ簡単に微細な粒子を有するエマルション燃料を生成することができることと、低コストかつコンパクトなエマルション燃料生成装置に関するもので、成形した多孔質体の三次元的な網目状の連続した孔径の均一に揃った超微細孔に水を透過させながら燃料油中に分散させることを特徴とし、油中水滴なる均一な水滴粒子を有するＷ／Ｏエマルションを低圧エネルギーで生成することができる。
【０００６】
また、燃料油を改質する方法として成形した多孔質体の均一に揃った無数の三次元的な網目状の連続した超微細孔に透過させることにより燃料油を構成する分子のクラスターを簡単に微細化することが可能である。本発明に最も適している多孔質体のシラス多孔質ガラス膜（以下、ＳＰＧという）は、膜を貫通する無数の超微細孔を有し、気孔率が非常に高く、細孔の均一性について非常に優れている公知の多孔質ガラス膜である。成形するＳＰＧの形状自体は特に限定されないが、平板形、円柱形など使用目的に応じた形状に成形できる。ＳＰＧはガラスフィルターであり、管状のものでは外圧に対して約３０ｋｇｆ／ｃｍ２に耐えることができる。またＳＰＧの多孔質を構成する気孔率は細孔径に因ることなく約５０％乃至６０％を有する。液体をこのＳＰＧに透過させるのに高圧は全く必要なく、非常に低エネルギーで透過させることが可能である。
【発明の効果】
【０００７】
本発明により生成されるエマルション燃料は、均一粒径を有するエマルション内の水滴粒子がエンジン内に均等に噴霧拡散されることにより、瞬時に発生する高温の燃焼温度をムラなく下げ、ＮＯＸの発生を抑えることや、本発明により生成されるエマルションは水滴粒径が均一であることから、単分散エマルション燃料は、水の含有量に比例して密度が軽油より大きく、質量効果により、エンジン内に同一圧力で軽油のみを噴射したときより広く拡散し微爆することにより、多くの空気と遭遇することができるため、理想燃焼に近づきＰＭの低減に繋げることができる。また、燃焼が改善されて燃費向上につなげることができる。また、ＳＰＧは細孔径が小さくなるほどＳＰＧ表面積も広くなり細孔径１０μｍで表面積は約０．２ｍ２／ｇ、細孔径０．２μｍで表面積は約８ｍ２／ｇにもなる。透過する液体がこのＳＰＧ表面に接触し改質される確率が非常に高いということである。このように、本発明の多孔質体を用いるエマルション燃料生成方法、燃料改質方法は従来のエマルション燃料生成方法より簡易に生成することができ、かつ軽量で多孔質体形状加工も幅広く可能であることから自動車搭載用のエマルション燃料生成装置や、自家発電など内燃機関用のエマルション燃料生成装置に簡単に組み込むことが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態として以下に示す実施例に基づいて詳細に説明する。本発明における多孔質体としては、例えば、金属性多孔質体、ガラス性多孔質体、木性多孔質体などが挙げられる。本実施例は、本発明における多孔質体で最も適したＳＰＧを用いてエマルション燃料生成を実施した。燃料油に界面活性剤を添加した軽油、水は水道水を用いた。
【実施例１】
【０００９】
混合方法として、本実施例に係るＳＰＧ膜乳化では、ＳＰＧ形状寸法は、外径１０ｍｍ、内径８．５ｍｍ、長さ１２５ｍｍの円筒状のものを用い、循環ポンプ４により循環している燃料油２中に水タンク３から水を注入しながら乳化していく。このようにＳＰＧ膜（多孔質ガラス）の三次元的な網目状の連続した細孔に水を透過させることにより、水分子クラスターを小さくし、水を改質する。本発明に最も適しているシラス多孔質ガラスは、膜を貫通する多数の細孔を有し、気孔率の高い細孔の均一性について優れている。ＳＰＧの成形形状は特に限定されないが、平板形、円柱形、あるいは中空糸膜状のＳＰＧを束ねたフィルターなどにも成形できる。比較対象として液体の送液配管ライン中に数枚のスリットを設けて燃料油と水をせん断しながらミキシングするインパイプミキサー、並びに超音波混合法を行った。図１にＳＰＧ膜乳化法で生成したエマルション燃料生成概略を示す。循環ポンプ４により循環している燃料油２中に水タンク３から水を注入しながら乳化していく。ＳＰＧ膜乳化法、パイプミキサー及び超音波乳化法により界面活性剤を３％添加した軽油と水道水を混合乳化してＷ／Ｏエマルションを生成してエマルション粒径を比較した。その結果を表１並びに図３乃至図５のグラフに示す。
【００１０】
【表１】
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【００１１】
表１並びに図３乃至図５に示すグラフから明らかなように、一般にＳＰＧ膜乳化で生成されるエマルションは、使用するＳＰＧ膜孔径の約３乃至４倍の粒径のエマルションが生成される。また、均一な孔径を有しており生成されるエマルションも非常に単分散である。他の乳化方法で生成されるエマルションについて、インパイプミキサーで生成されるエマルションは平均約２μｍで微細であるが、ＳＰＧ膜乳化で得られたエマルションと比較すると標準偏差１０％Ｄ乃至９０％Ｄと分布の幅が広い。また、超音波で生成されるエマルションは相対粒子量が最も多いエマルション粒径が約１．７μｍと微細ではあるが全体的なエマルション粒径の分布幅が非常に広い。インパイプミキサー、超音波で生成されたエマルションを顕微鏡下で観察したところＯ／Ｗ／Ｏなど二重型エマルションが所々確認された。これはエマルションの分布幅の広さとともにエンジン内で燃焼のばらつきが生じる原因になると考えられる。このように他のエマルション燃料生成方法と比較するとＳＰＧ膜乳化で得られるエマルション燃料はエマルション粒径が非常に単分散であることからエンジンで安定した燃焼が確保できる。
【実施例２】
【００１２】
エマルション燃料を生成する方法で、本実施例のＳＰＧ膜乳化で得られるエマルション燃料はＳＰＧ孔径によりエマルション粒径を制御することが非常に簡単である。本実施例は、ＳＰＧ膜乳化で用いるＳＰＧ膜の孔径の違いによりエマルション燃料の粒径を制御できることを示す。このときのエマルション粒度分布を図６乃至図７に示す。
【００１３】
【表２】
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【実施例３】
【００１４】
ＳＰＧ膜乳化で生成したエマルション燃料を水冷式単気筒直噴ディーゼル機関に用いて、一定の機関回転速度１０００ｒｐｍのもとで部分負荷試験を行い、総合性能と排気ガス分析を比較した。燃料油のＪＩＳ２号軽油には乳化剤３％を添加して、図１に示す乳化システムのように循環している軽油中にＳＰＧ膜を介し水道水を分散してエマルション燃料を生成した。孔径１μｍのＳＰＧ膜を用い、水（Ｗ）と軽油（Ｏ）の容積比をＷ／Ｏ＝３０％、４０％、５０％と生成した。このエマルション燃料とのエンジン性能および排気ガス特性の比較を図８に示す。
（１）正味窒素酸化物（ＢＳＮＯＸ）は全負荷域で、最大５５乃至９９％の減少を示している。これは、エマルション燃料中の水が燃焼熱を吸収し、最高燃焼温度が低下することによりＮＯＸが低減したと考えられる。また、燃焼中に炭化水素から生成する遊離炭素と水分が反応する水性ガス反応が一部で起こり、燃焼促進を助長すると同時に、吸熱作用が寄与し、さらに燃焼温度が低下してＮＯＸの抑制に関与したものと予想される。
（２）黒煙はほぼ全負荷域で最大４９％乃至６９％の減少率であった。単分散エマルション燃料は、水の含有量に比例して密度が軽油より大きく、噴射後における液滴の運動エネルギーが大きくなり、同一圧力で噴射されたときより広く拡散し、より多くの空気と遭遇することができるため、燃焼が改善されて黒煙が減少したと考えられる。黒煙が減少したことによりＰＭの低減も十分予想される。
（３）正味燃料消費率（ＢＳＦＣ）は水の含有量の増加と共に最大１７％乃至１９％の減少率を示した。黒煙減少の理由と同様だが単分散エマルション燃料は、水の含有量に比例して密度が軽油より大きく、質量効果により、同一圧力で噴射されたときより広く拡散する。このことにより、より多くの空気と遭遇することができ、燃焼が改善され燃費向上につながったと考えられる。
（４）騒音（Ｎｏｉｓｅ）の増加はそれぞれ２乃至５、０乃至８、１乃至８ｄＢ・Ａであった。これは水を混入ことにより熱容量が増えるため着火遅れ期間が長くなり圧力上昇率が増加した推測される。
【００１５】
本発明は、従来のエマルション燃料生成システムにはない簡単、軽量、低コスト、低エネルギーでシステム化が可能で、図９の自動車搭載用エマルション燃料生成システム例の概略図に示すように、多孔質体１と燃料油２-２をつなぐループの破線で囲んである多孔質膜乳化システムで得られるエマルション燃料供給経路１６と、純粋燃料供給経路１７を設けて、エンジン稼動の安定性を考慮して、稼動開始時と停止時のみは経路１７を使い、運転中は経路１６を使うというように切り替えシステムを付与したエマルション燃料生成装置搭載エンジンシステムを構成することが十分可能である。また、純粋燃料を使いながら一定水濃度のエマルション燃料タンクから切り替えシステム１５により純粋燃料供給経路１７中に少しずつ注入させながらエマルション燃料濃度を調整しながら運転することが可能である。本発明の均一孔径を有する多孔質体で得られる均一粒径エマルション燃料は、ＮＯＸ、ＰＭを同時に低減することが可能な画期的なまさしく環境調和型エマルション燃料生成システムである。
【実施例４】
【００１６】
ＳＰＧ膜を透過して燃料油分子のクラスターを微細化し、水冷式単気筒直噴ディーゼル機関に用いて、機関回転速度１０００ｒｐｍ一定のもとで部分負荷試験を行い、総合性能と排気ガス分析を比較した。燃料油としてJIS2号軽油を、図２に示す膜透過燃料改質システムのように、孔径１μｍのＳＰＧ膜に加圧力約０．１ＭＰａ程度で透過し分子のクラスターを微細化した燃料を生成した。この改質燃料のエンジン性能および排気ガス特性の比較を図１０に示す。
（１）正味窒素酸化物（ＢＳＮＯＸ）は微粒化軽油が低負荷域から中負荷域にかけて最大９％の減少みせた。
（２）黒煙濃度は微粒化軽油が２００（ｋＰａ）から７００（ｋＰａ）の間で最大４７％低減を示している。これは、軽油をＳＰＧ膜に透過させることにより軽油分子のクラスター構造が小さくなっているために、シリンダー内部の空気と遭遇し易くなり黒煙濃度低減につながっているものと考えられる。
（３）正味燃料消費率（ＢＳＦＣ）は微粒化軽油が０乃至１９（ｇ／ｋＷ・ｈ）減少しており、その減少率は０乃至４％で燃焼状態が軽油に比べて良いことが分かった。黒煙濃度減少と同様に、軽油をSPG膜に透過させることで軽油分子のクラスター構造が小さくなるため、シリンダー内部の空気と遭遇し易くなり燃費向上につながったと考えられる。
（４）騒音（Ｎｏｉｓｅ）は全負荷域で微粒化軽油が下回る結果となった。これも燃料分子構造の微細化による効果と考えられる。燃焼状態が良いことから燃焼が素早く行われ着火遅れ期間が短くなったと考えられる。
【００１７】
以上のように、軽油をＳＰＧ膜に透過させた微細化軽油は、透過前の軽油と比べてＢＳＮＯＸ、黒煙濃度をそれぞれ最大９％、４７％低減することができた。これは燃料を微粒化するためにＳＰＧ膜透過を行ったことがエミッション低減効果につながったと考えられる。本実施例では孔径１μｍを用いたが、より小さい孔径に燃料を透過し微粒化することでエミッション低減効果が顕著に現れる可能性を有する。このように孔径の均一に揃った無数の三次元的な網目状の連続した超微細孔に透過させることにより燃料油を構成する分子のクラスターを低エネルギーで簡単に微細化することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】ＳＰＧ膜を利用したエマルション燃料生成直接膜乳化システムの概略図である。
【図２】ＳＰＧ膜を利用した膜透過燃料改質システムの概略図である。
【図３】ＳＰＧ孔径０．６μｍを使用して得られたエマルション燃料Ｗ／Ｏ粒度分布を示すグラフである。
【図４】インパイプミキサーにより得られたエマルション燃料Ｗ／Ｏ粒度分布を示すグラフである。
【図５】超音波乳化により得られたエマルション燃料Ｗ／Ｏ粒度分布を示すグラフである。
【図６】ＳＰＧ孔径０．４μｍを使用して得られたエマルション燃料Ｗ／Ｏ粒度分布を示すグラフである。
【図７】ＳＰＧ孔径０．９μｍを使用して得られたエマルション燃料Ｗ／Ｏ粒度分布を示すグラフである。
【図８】燃焼実験結果を示すグラフである。
【図９】自動車搭載用多孔質体乳化エマルション燃料生成システム例を示す概略図である。
【図１０】燃焼実験結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【００１９】
１  多孔質体
２  燃料油タンク
２Ａ多孔質体透過前の燃料分子クラスター
２Ｂ多孔質体透過後の燃料分子クラスター
３  水タンク
４  循環ポンプ
５  燃料供給先
１２  燃料油供給
１３  水供給
１４  乳化剤供給
１５  燃料供給切り替えシステム
１６  エマルション燃料供給経路
１７  純粋燃料供給経路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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