JP2018021522A - 液体燃料の燃焼方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
ガソリン、ディーゼル、重油などの高分子液体燃料を燃料として用いる場合に、燃料を確実に完全燃焼させる燃焼方法を提供する。
【解決手段】
水素ガスを吸気に添加し、燃焼すると、先ず水素ガスが燃焼し、この水素ガスの火炎伝搬速度は速いため、吸気自体が撹拌され、燃料と吸気とが撹拌され、空気中に燃料が微細な粒子となって混合される。更に、水素ガスの火炎伝搬の衝撃により、燃料を構成する高分子炭化水素分子の炭素間結合が切断され、より分子量の小さな分子に分解される。このように燃料自体が微細化し、燃料を構成する高分子自体がより小さな分子になることで、完全燃焼が達成できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガソリン、ディーゼル或いは重油などの高分子液体燃料、ガス燃料、固体燃料またはこれらの混合燃料を効率良く燃焼させる方法に関する。

主燃料として水素を用いる燃焼装置、吸気中に水素ガスを混入させる燃焼方法として以下の特許文献１〜３が知られている。

特許文献１には、水素を主燃料とする内燃機関として、内燃機関の運転状態に基づいて、燃焼室に送り込むアンモニアなどの窒素化合物と水素の量を設定し、燃焼室に送り込む窒素化合物と水素の量に基づいて、窒素化合物を分解して水素を生成する分解器に供給する酸素または窒素化合物の流量を調整することが開示されている。

特許文献２には軽油とその他の燃料との混合燃料を主燃料とする内燃機関の制御方法として、吸気中に噴射する水素ガス量を制御することが開示されている。即ち、騒音及び振動を小さくするために主燃料の噴射時期を標準時期よりも遅らせる際に、水素ガス濃度を可燃限界よりも高くすることが開示されている。

特許文献３には、改質器で燃料を改質し、改質して得た燃料成分を燃焼室で燃焼させて安定した燃焼を得ることが開示され、特に改質ガスとして水素ガスが挙げられている。

また水素を用いていないが、特許文献４には、エンジンの圧縮室内に空気と燃料を供給し、これら空気と燃料の混合気を圧縮した所望の時期に燃料を着火させて燃焼を行うディーゼルエンジンの着火時期を制御する方法が開示されている。特にこの特許文献４の先行技術の説明として、燃料となる炭化水素をクラッキングにより低分子化し、低分子化した改質ガスを内燃機関に供給して自着火を抑制する方法、或いは燃料の一部を改質してガス状のアルデヒド類を生成し、これを燃料とは別経路で少量だけガソリンエンジンのシリンダ内に添加、供給して、燃焼室における火炎伝搬速度を向上させることが開示されている。

特許第５８３００３５号公報 特許第４８３７６９４号公報 特許第４２５１３２１号公報 特開２０００−２１３４４４号公報

特許文献１に開示される内燃機関は、水素を主燃料とするものであり、燃焼ガス中に水素を添加することで燃焼効率を向上させるものではない。また、一般的なガソリンや重油などを主燃料とするものではないので、コスト的な不利がある。

特許文献２に開示される方法は、水素ガス濃度を可燃限界よりも高くすることで着火遅れを短縮しつつ燃焼を緩慢にし、中高負荷領域における燃焼を改善するものであり、水素ガスの添加により主燃料の燃焼速度を早めるものではない。

特許文献３に開示されるような改質ガスに水素ガスを含ませることは従来から行われているが、あくまでも水素ガスを燃料として考えており、炭化水素から構成される燃料を小さな分子に物理的に分解し、主燃料を燃焼しやすくするものではない。

特許文献４に開示されている内容は、燃料をクラッキングにより低分子化すること、ガス状のアルデヒド類を少量添加することで、燃焼室での火炎伝搬速度を速くすることであるが、少量の水素ガスの添加により、燃料を構成する高分子の連鎖が切断される事象については何ら記載されていない。

本発明者は、燃料を構成する高分子炭化水素の火炎伝搬速度（数十ｍ／秒）よりも速い水素ガス（火炎伝搬速度：１０００ｍ／秒以上）を吸気中に若干量混入することで、水素ガスの素速い燃焼が空気と主燃料（高分子炭化水素）との混合を助長し、且つ高分子炭化水素の炭素原子間の鎖を切断して低分子化し、低分子化された炭化水素が燃焼しやすくなるとの知見を得た。

本発明者は、液体燃料を主燃料とする内燃機関において、機関単体試験あるいはシャシーダイナモによる運転試験において、定常負荷時には定格性能が得られるが、負荷変動時には黒煙等不完全燃焼の状態が発生するとともに、船舶では実海域での運転、自動車では路上走行において、定格性能を数十パーセント上回る燃料消費となることを確認した。

本発明は上記知見に基づきなされたものであり、液体燃料、ガス燃料、固体燃料またはこれらの混合燃料に空気を供給して燃焼させる際に、前記空気中に水素ガスなどの前記燃料よりも火炎伝搬速度が速いガスを添加し、当該ガスの燃焼によって燃料と空気との混合を助長し、前記燃料を構成する分子をより分子量の小さな分子に分解して燃焼させることを要旨とする。

前記火炎伝搬速度が速いガスの添加量としては、燃料を完全燃焼させるのに必要な空気量に対してごく僅かで足り、体積比で０．０１％以上０．１％以下とするのが好ましい。

また、燃焼装置の出力増減操作に応じて、火炎伝搬速度が速いガスの添加量を変化させるようにしてもよい。
例えば、水の電気分解によって水素ガスを生成している場合には電気分解の電流値を制御し、また水素ガスをボンベに貯蔵している場合には、流量調整弁の開度を制御する。

本発明に係る液体燃料の燃焼方法によれば、投入した燃料の全量が燃焼（完全燃焼）し、ＰＭ（粒子状物質）、ＮＯｘ、ＳＯｘ等の有害物質の生成が抑制される。

本発明者らは、トラックによる走行実験および漁船による航海実験を繰り返し行った。その結果、１０〜３０％の燃料消費量の削減効果を確認した。特にエンジンに対する負荷変動の大きい場合の燃料削減効果は顕著であった。

本発明に係る液体燃料の燃焼方を舶用ディーゼルエンジンに適用した例を説明した図 本発明に係る液体燃料の燃焼方をガスタービンに適用した例を説明した図

舶用ディーゼルエンジンに適用する場合には、図１に示すように、過給器に水素ガスなどの火炎伝搬速度が速いガスの発生器からのガスを供給する。過給器をもたない舶用ディーゼルエンジンについては、エアクリーナから水素ガスなどを供給する。

ガス発生器としては例えば電気分解装置などの水素ガス発生装置の他に、ガスボンベを用いてもよい。

図２はガスタービンに適用した例を示し、この実施例では吸気取入れ口の手前にガス発生器を配置し、このガス発生器で発生した水素ガスなどを吸気に混合し、圧縮した後、燃料と混合して燃焼させる。

以上の燃焼過程において、例えば水素ガスを吸気に体積比で０．０１％以上０．１％以下の割合で添加すると、先ず水素ガスが燃焼し、この水素ガスの火炎伝搬速度は１０００ｍ／秒と速いため、燃料と吸気との撹拌が助長され、空気中に燃料が微細な粒子となって混合される。

更に、水素ガスの火炎伝搬の衝撃により、燃料を構成する高分子炭化水素分子の炭素間結合が切断され、より分子量の小さな分子に分解される。このように燃料自体が微細化し、燃料を構成する高分子自体がより小さな分子になることで、完全燃焼が達成できる。

実験例１
水素ガス混合燃料の省エネルギー効果を確認するため、試験設備を実験船（源吉丸）に搭載し、実航海を行った。詳細は以下の通り。

・実験日時：平成２７年２月２日（月）及び３日（火）
・三重県志摩市和具町 御座岬沖 海域
・実航海実験の内容：浜島沖海域において、ほぼ２６０度の方位線上に２海里離れた標識を設定し、この間を以下のエンジン回転数２条件、ガス供給量（水素ガスの混合量）３条件の６ケースについて、各１往復し、燃料消費の変化を調べた。
（１）
エンジン回転数：４５０ｒｐｍ
ガス供給量：無し、４０００ｃｃ/ｍｉｎ、５０００ｃｃ/ｍｉｎ、
（２）
エンジン回転数：５５０ｒｐｍ
ガス発生量：無し、６０００ｃｃ/ｍｉｎ、７０００ｃｃ/ｍｉｎ、

以上の実験結果を以下の（表１）にまとめた。

実験例２
・実験船名：第八大恵丸
・実験日時：平成２７年２月２８日〜３月２日
・山口県長門市青海島沖海上
実験結果は以下の（表２）及び（表３）に示す。

実験例３
実験例３は自動車（トラック）について、水素ガス混合燃料の省エネルギー効果を確認するために行った。
車両：日産ディーゼル パッカー車ベースレッカー車
エンジン排気量：４，５７０ｃｃ
車両重量：４，２８５ｋｇ
走行距離数：８６，８９５ｋｍ
使用燃料：軽油
ボッシュタイプ噴射装置
水素ガスを添加しない場合の実験結果は以下の（表４）に、水素ガスを添加した場合の実験結果は以下の（表５）に示す。

上記において、４月２３日の実験では、自然渋滞により１時間走行距離は１５ｋｍと少なく、ゴーアンドストップの悪影響が出た。５Ａ（４４３ｃｃ）ガス添加でアイドリング回転を２００回転下げても、通常の２速スタートよりもラフなクラッチ操作にも拘わらずノッキング、ジャダもなくスタートできた。
４月２８日の高速重視走行では、燃費結果よりも走り重視で、加速感、最高速度などを目的としたこと、首都高の断続的な渋滞も重なり、７．８３％の燃費向上となるも、登り坂での反能力もスピードダウンもなく他車両を追い越せる等トルクアップしていると思われた。
９Ａ（８３５ｃｃ）ガス添加では、４速アイドリングでの走行もノッキングすることなく走行することができた。１３Ａ（１２２３ｃｃ）ガス添加では、確実にエンジン音が軽くなりレスポンスも非常に良くなった。

図示例にあっては、本発明に係る液体燃料の燃焼方法を舶用ディーゼルエンジン及びトラックにて適用したものを示したが、これ以外にも、発電機やボイラー、乗用車、特殊車両用のエンジンなど、さらには、ガス燃料や微粉炭のような固体燃料を利用するエネルギー発生装置にも適用することが可能である。

Claims (4)

1. 液体燃料、ガス燃料、固体燃料またはこれらの混合燃料に空気を供給して燃焼させるエネルギー発生装置の燃料燃焼方法において、前記空気中に前記液体燃料よりも火炎伝搬速度が速いガスを添加し、当該ガスの燃焼によって燃料と空気との混合を助長し、前記液体燃料を構成する分子をより分子量の小さな分子に分解して燃焼させることを特徴とする液体燃料の燃焼方法。
2. 請求項１に記載の液体燃料の燃焼方法において、前記火炎伝搬速度が速いガスは水素ガスまたは水素と酸素の混合ガスであることを特徴とする液体燃料の燃焼方法。
3. 請求項１に記載の液体燃料の燃焼方法において、前記火炎伝搬速度が速いガスの添加量は、燃料を完全燃焼させるのに必要な空気量に対して体積比で０．０１％以上０．１％以下とすることを特徴とする液体燃料の燃焼方法。
4. 請求項１乃至請求項３の何れかに記載の液体燃料の燃焼方法において、燃焼装置の出力増減操作に応じて、前記火炎伝搬速度が速いガスの添加量を変化させることを特徴とする液体燃料の燃焼方法。