ディーゼル中水型エマルションの燃焼に用いる超音波乳化

ディーゼル燃料で稼働する発電機、船舶エンジン、鉄道車両エンジンは、ディーゼル中水型エマルションを使用すると、より効率的に運転できます。水・ディーゼルエマルション燃料は、燃料消費量と燃焼温度を低減し、よりクリーンに燃焼して、NOxやすすなどの排出を削減します。超音波乳化は、高品質なディーゼル中水型燃料を製造するための、信頼性が高く、簡単で効果的な方法です。

ディーゼル中水型エマルションの超音波乳化

ディーゼル中水型エマルション（WiDE; W/Dエマルション燃料）は、水を最大15%含む、ディーゼル燃料を改質した代替燃料です。アクア燃料とも呼ばれる水・ディーゼルエマルションでは、水滴を超音波によってディーゼルの連続相中に乳化させます。液体に強力な超音波処理を施すと、音響キャビテーションが発生します。キャビテーションによるせん断力が液滴を破砕し、本来は互いに混和しない水相とディーゼル相から均一なエマルションを形成します。

ディーゼル中水型エマルション

WiDE（W/Dエマルション）は、本来は互いに混和しない液体である水とディーゼルの混合物で、水滴（分散相／内相）がディーゼル（連続相／外相）中に存在するものと定義されます。エマルションの安定性を向上させ、混合に必要なエネルギーを低減するため、低濃度の乳化剤を添加します。

二相エマルション

二相エマルションとは、界面活性剤を一切使用せずに、水をディーゼル中に混合したものです。二相WiDEでは、水とディーゼルの供給流をエンジンの直前で超音波乳化します。超音波で形成した二相のディーゼル中水型エマルションは、超音波フローセル反応器から燃焼エンジンへ直接送られます。界面活性剤を使用しないため、このエマルションは貯蔵用ではなく、直接燃焼させるために製造されます。

水・ディーゼルエマルション燃料の事例研究

実験構成

Ithnin et al. (2018)は、ディーゼル中水型エマルション燃料（WiDE）が単気筒直噴ディーゼルエンジンに及ぼす影響を調べました。水とディーゼルは別々のユニットに貯蔵され、そこから混合システムへ定量的に移送されました。混合システムは、高せん断ミキサーと超音波ホモジナイザーを組み合わせたものでした。せん断ミキサーで水とディーゼルを粗く予備混合し、超音波処理で微細で均一なエマルションを形成しました。水・ディーゼルエマルションは、水を5%含むように調製しました。均一なWiDE燃料は、混合システムからエンジンへ直接移送しました。調製したWiDE燃料は界面活性剤を一切含まないため、長期的には不安定なエマルション燃料（UW/D）と呼ばれています。ディーゼルエンジンは、四種類の負荷条件（1 kW (25%)、2 kW (50%)、3 kW (74%)、4 kW (100%)）で、回転数を3000 rpmに一定に保って試験しました。燃料性能や排出などへの影響を比較するため、界面活性剤で安定化したエマルション燃料（安定エマルション（SW/D））と、混合物を含まないディーゼル燃料（D2）についても、同じエンジンで試験しました。不安定エマルションと安定エマルションの両方に、5%の水を使用しています。

結果

エンジン試験では、界面活性剤を含まない水・ディーゼルエマルション燃料（UW/D）により、混合物を含まないディーゼル燃料と比較して、正味熱効率（BTE）が3.59%向上し、正味燃料消費率（BSFC）が3.89%低下するという、エンジンの大幅な改善が示されました。安定化したエマルション燃料（SW/D）と安定化していないエマルション燃料（UW/D）は、どちらも微小爆発現象によってエンジンの熱効率を向上させました。微小爆発現象は、乳化した水滴の急速な蒸発を引き起こします。微小な水滴は油に囲まれているため、激しい蒸発過程によって液滴が極めて微細な粒子へと激しく破砕され、空気と燃料の混合が促進されます。液滴の破砕と空気との混合により、燃焼効率が大幅に向上します。
結果は、界面活性剤を使用せずに水・ディーゼルエマルション燃料を製造し、リアルタイムでエンジンへ移送するという方式が、非常に良好に機能することを示しています。超音波で調製した水・ディーゼル混合物を直ちに移送することで、貯蔵するエマルション燃料の安定化の問題と、界面活性剤への依存を解消できます。不安定な水・ディーゼルエマルション燃料（UW/D）は、25sec以内では沈降段階に至らず、エマルションの状態を確実に維持しました（下の画像を参照）。

超音波乳化したディーゼル中水型エマルション燃料の液滴挙動の経時変化：a) 10 s、b) 25 s、c) 50 s、d) 132 s。（倍率1000×） – Ithnin et al. 2018

混合物を含まないディーゼル燃料と比較して、ディーゼル中水型エマルション燃料は、排気中の窒素酸化物（NOx）と粒子状物質（PM）の排出量を大幅に低減し、それぞれ平均31.66%と16.33%削減します。

全体として、超音波で調製したエマルションは、不安定なものでも、界面活性剤で安定化したものでも、ディーゼル燃料の節約と排気中の排出物の削減に役立ちます。
超音波で、環境により配慮した排気と燃料の節約を！

乳化燃料の噴霧火炎における一次微粒化と二次微粒化。

三相エマルション

三相エマルションは、水、油、界面活性剤から構成されます。水をディーゼル相中へ超音波乳化する際に、界面活性剤を添加します。乳化剤はエマルションの安定性を長期間維持し、ディーゼル中水型燃料の貯蔵を可能にします。W/Dエマルションの安定性は、乳化剤、超音波処理パラメーター、温度に依存します。界面活性剤と超音波処理パラメーターを適切に組み合わせることで、WiDEの高い長期安定性を実現できます。

超音波乳化システムの設置と後付けは、簡単で安全かつ低コストです。W/Dエマルション燃料は、従来型のどのディーゼルエンジン（例えば、発電機、鉄道車両エンジン、船舶エンジン）にも、改造せずに使用できます。

WiDE燃料の効率が高まる理由とは？ – 微小爆発現象

ディーゼル中水型エマルション燃料は、ディーゼルの連続相中に懸濁した水粒子から構成されます。燃焼時には、エマルション燃料中の微細な水滴がディーゼルよりも早く過熱状態に達し、燃焼中に蒸気の膨張による破砕（自発的な爆発）を引き起こして、極めて微細な粒子を形成します。微小粒子の表面積の増加と吸入空気との接触により、空気と燃料の混合が大幅に改善され、その結果、燃焼効率が向上します。(Ivanov, Nevedov 1965)

高性能超音波乳化システム

Hielscher Ultrasonicsは、高品質な（ナノ）エマルションを連続製造するための高性能超音波プロセッサーを供給しています。優れた超音波性能、堅牢性、省スペース性により、Hielscherの超音波装置はディーゼル中水型エマルション燃料に理想的な混合システムとなります。燃焼エンジンに直接噴射するエマルション燃料を製造する場合でも、貯蔵して後で燃焼させる安定したエマルション燃料を製造する場合でも、Hielscher Ultrasonicsは、お客様の用途に最も適した構成を提供します。鉄道機関車や内水域を航行する船舶に組み込む小型の超音波乳化システムから、発電所や巨大な船舶向けの大量のアクア燃料の製造まで、当社の超音波プロセッサーのクラスター構成により、あらゆる量のエマルション燃料を処理できます。
高い超音波出力、信頼性、堅牢性に加え、Hielscher Ultrasonicsの産業用超音波プロセッサーは、精密な制御と監視が可能です。温度センサーと圧力センサーが発振器へデータを送信し、発振器では、振幅、正味エネルギーと総エネルギー、温度、圧力など、すべての重要なプロセスパラメーターを内蔵SDカードに記録します。インテリジェントなソフトウェア制御により、常に高品質な標準化されたエマルション燃料を得るための正確なプロセスパラメーターを確立し、設定できます。ジャケット付きの超音波フロー反応器は効率よく冷却でき、指定した温度でエマルションを処理できます。当社の超音波装置は堅牢であるため、高負荷条件や厳しい環境でも24/7の連続運転が可能です。
以下の表は、当社の超音波装置のおおよその処理能力の目安を示しています。