水中ディーゼル燃焼用超音波エマルション

ディーゼル燃料を使用する発電機、船舶エンジン、鉄道エンジンは、水中ディーゼルエマルジョンを使用することで、より効率的に運転することができる。水-ディーゼルエマルジョン燃料は、燃料消費量を減らし、燃焼温度を下げ、燃焼をクリーンにし、NOxや煤煙などの排出ガスを削減する。超音波乳化は、高品質の水中ディーゼル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。

水中ディーゼルの超音波乳化

ウォーター・イン・ディーゼル・エマルジョン（WiDE; W/Dエマルジョン燃料）は、最大15%の水を含む改良ディーゼル代替燃料である。アクアフューエルとしても知られる水-ディーゼルエマルションでは、水滴が連続的なディーゼル相に超音波乳化される。液体を激しく超音波処理すると、音響キャビテーションが発生する。キャビテーションによるせん断力が液滴を破壊し、混じり合わない水相とディーゼル相の均質なエマルションを生成する。

ディーゼル水エマルジョン

WiDE（W/Dエマルション）は、ディーゼル（連続相/外相）中の水滴（分散相/内相）の天然非混和性液体のブレンドとして定義される。乳化剤は、エマルションの安定性を向上させ、必要な混合エネルギーを下げるために低濃度で添加される。

二相エマルジョン

二相エマルションは、界面活性剤を使用せずにディーゼルに水を混合したものです。二相WiDEでは、水とディーゼルの供給流はエンジンの直前で超音波乳化される。超音波二相ディーゼル中水型エマルジョンは、超音波フローセル反応器から直接燃焼エンジンに供給される。界面活性剤なしで、エマルジョンは貯蔵用ではなく、直接燃焼用に作られる。

水-ディーゼルエマルジョン燃料のケーススタディ

セットアップ

Ithninら（2018）は、単気筒直噴ディーゼルエンジンにおける水中ディーゼル乳化燃料（WiDE）の効果を研究した。水とディーゼルは異なるユニットに貯蔵され、そこから混合システムに定量的に移された。混合システムは、ハイシアミキサーと超音波ホモジナイザーの組み合わせで構成された。せん断ミキサーは水とディーゼルの粗いプレミックスを提供し、超音波は微細で均一なエマルションに使用された。水-ディーゼルエマルションは5%の水で調製された。均質なWiDE燃料は、混合システムから直接エンジンに移された。調製されたWiDE燃料は界面活性剤を含まないため，長期不安定エマルジョン燃料（UW/D）と呼ばれる。ディーゼルエンジンは、4つの異なる負荷条件（1kW（25％）、2kW（50％）、3kW（74％）、4kW（100％））で、3000rpmの一定回転数でテストされた。燃料性能やエミッションなどの効果を比較するため，界面活性剤で安定化させたエマルジョン燃料（安定エマルジョン（SW/D））とディーゼル燃料（D2）も同じエンジンでテストした。不安定エマルジョンと安定エマルジョンの両方に5%の水を使用した。

結果

エンジン試験の結果、界面活性剤を含まない水-ディーゼルエマルジョン燃料（UW/D）は、通常のディーゼル燃料と比較して、ブレーキ熱効率（BTE）が3.59%向上し、ブレーキ比燃料消費量（BSFC）が3.89%低減するなど、エンジンの大幅な改善が見られた。安定化(SW/D)および非安定化(UW/D)エマルジョン燃料は、ミクロ爆発現象によりエンジンの熱効率を向上させた。マイクロエクスプロージョン現象は，乳化した水滴の急速な蒸発を引き起こす。微小な水滴はオイルに包まれているため、激しい蒸発の過程で水滴が激しく破壊され、非常に細かい粒子となり、空気と燃料の混合が促進される。水滴の破壊と空気との混合により、燃焼効率が大幅に向上する。
その結果、界面活性剤を使用せずに水-ディーゼルエマルジョン燃料をリアルタイムで製造し、エンジンに移送するというコンセプトが非常にうまく機能することがわかった。超音波で調製した水-ディーゼル混合燃料を即座に移送することで、界面活性剤への依存だけでなく、貯蔵されたエマルジョン燃料の安定化の問題も解消された。不安定な水-ディーゼルエマルジョン燃料（UW/D）は、25秒以内に沈降段階に達することなく、確実にエマルジョンの形を維持しました（下の写真参照）。

超音波乳化されたディーゼル中水型エマルジョン燃料の時間経過に伴う液滴挙動 a) 10秒、b) 25秒、c) 50秒、d) 132秒（倍率1000倍） – イトニンら 2018

ディーゼル水中油型エマルジョン燃料は、通常のディーゼル燃料と比較した場合、窒素酸化物（NOx）と粒子状物質（PM）の排気エミッションが大幅に低減され、それぞれ平均31.66％と16.33％減少した。

全体として、超音波で調製したエマルションは – 不安定であろうと、界面活性剤によって安定化されていようと – ディーゼル燃料を節約し、排気ガスを削減する。
超音波による排気ガス浄化と燃料節約！

乳化燃料の噴霧火炎における一次霧化と二次霧化。

三相エマルジョン

三相エマルションは三相エマルションとも呼ばれ、水、油、界面活性剤から構成される。水をディーゼル相に超音波乳化する際、界面活性剤が添加される。乳化剤はエマルジョンの安定性を長持ちさせ、ウォーターインディーゼル燃料の貯蔵を可能にする。W/Dエマルジョンの安定性は、乳化剤、超音波プロセスパラメータおよび温度に依存します。界面活性剤と超音波処理パラメーターの適切な組み合わせにより、WiDEの大幅な長期安定性を達成することができる。

超音波乳化システムの設置や改造は簡単で、安全かつ安価です。W/Dエマルジョン燃料は、従来のディーゼルエンジン（発電機、鉄道用エンジン、船舶用エンジンなど）にそのまま使用できます。

WiDE燃料はなぜ効率的なのか？ – マイクロ爆発現象

ウォーターインディーゼルのエマルジョン燃料は、連続したディーゼル相に懸濁した水粒子で構成されています。燃焼時、エマルジョン燃料中の微細な水滴はディーゼルよりも早く過熱段階に達し、燃焼中に蒸気膨張破壊（自然爆発）を起こし、非常に微細な粒子を生成する。吸気と結合した微粒子の表面積が増大するため、空気と燃料の混合が著しく改善され、燃焼効率が向上する。(Ivanov, Nevedov 1965)

高性能超音波乳化システム

Hielscher Ultrasonics社は、高品質の（ナノ）エマルションを連続生産するための高性能超音波処理装置を提供しています。優れた超音波性能、堅牢性、小さな設置面積により、Hielscher Ultrasonicatorsは水中ディーゼルエマルジョン燃料の理想的な混合システムとなっています。燃焼エンジンに直接噴射するエマルジョン燃料を製造する場合でも、貯蔵して後で燃焼するための安定したエマルジョン燃料を製造する場合でも、Hielscher Ultrasonicsはお客様のアプリケーションに最適なセットアップを提供します。鉄道機関車や内航船舶に組み込むための小型の超音波エマルジョンシステムから、発電所や巨大な船舶用の大容量のアクア燃料の生成まで。 – 当社のクラスター型超音波プロセッサーは、あらゆる体積のエマルジョン燃料処理が可能です。
高い超音波出力、信頼性、堅牢性だけでなく、Hielscher Ultrasonicsは、以下のような特長があります。’ 産業用超音波プロセッサは、正確に制御および監視することができます。温度センサーと圧力センサーがジェネレーターにデータを送信し、振幅、正味エネルギー、総エネルギー、温度、圧力などの重要なプロセスパラメーターが内蔵SDカードに記録されます。インテリジェントなソフトウェア制御により、連続的に高品質の標準化されたエマルジョン燃料の正確なプロセスパラメーターを設定することができます。ジャケット付き超音波フローリアクターは、効率的に冷却することができ、指定された温度でエマルジョンを処理することができます。当社の超音波装置は堅牢であるため、過酷な環境下でも24時間365日の運転が可能です。
下の表は、超音波処理装置の処理能力の目安です：