JP2000356169A - ディーゼルエンジンにおけるエマルジョン燃料のパイロット噴射方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明はディーゼルエンジンの低ＮＯｘ対策と
してのエマルジョン燃料の運用技術に関し、着火性の懸
念される高加水率エマルジョンの着火性の改善対策に関
する。 【解決手段】噴射終了時の噴射ポンプのデリベリバルブ
の戻り体積を利用し、噴射弁のノズルホルダー部に新た
に設けられたパイロット燃料用逆止弁とパイロット導管
を経由して、燃料溜まり部にパイロット燃料を充填する
事により、噴射時には、まず着火性の良いパイロット燃
料で火炎帯を形成し、その後エマルジョン燃料が水を蒸
発させながら燃焼する事による火炎温度の上昇防止機能
により、着火遅れを生じない安定燃焼を維持しながら、
大幅なＮＯｘ低減を計る事を可能とするものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】ディーゼルエンジンのＮＯｘ
低減の為に使用されるエマルジョン燃料の運用に関し
て、特に着火性の改善の為に行なうパイロット噴射に関
する。

【０００２】

【従来の技術】ＮＯｘを低減する為に燃料中に水を分散
させたエマルジョン燃料が用いられるが、ＮＯｘを大幅
に低減させる為には、加水率を大きくする必要がある。
しかし、加水率が大きくなると着火性が悪化し、エンジ
ン効率の低下や煤煙の発生を伴うばかりか、機関の安定
運転にも障害が発生し易かった。

【０００３】これを防止する為に、エマルジョン噴射用
の主ノズルの他に、純燃料のみを噴射するパイロット噴
射ノズルを設け、ここから少量の純燃料を噴射する事に
より着火性を改善する方法が用いられていた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】

【０００５】従来のパイロット噴射ノズル方式では、 エマルジョン燃料の噴射系の他にパイロット噴射の為
の噴射系を持つ必要があり、機構が複雑に成る事。 噴射初期のみパイロット噴射し、エマルジョン燃料噴
射中に噴霧を停止すると、パイロット噴射ノズルが高熱
で悪影響を受ける為、噴射全般に渡りパイロット噴射を
続けなければならないので、ＮＯｘの低減効果が少なく
なる。 等の課題があった。

【課題を解決するための手段】

【０００６】先に出願したディーゼルエンジンの燃料噴
射系摺動面の潤滑改善方法及び装置（特願平１１−１５
０３９３号）においては、使用中に潤滑燃料ラインにエ
マルジョン燃料が混入してしまう事が判明し、潤滑燃料
ラインに逆止弁を付けて、この現象を防止する事とし
た。

【０００７】この現象は、エマルジョン燃料の通過によ
り、針弁とノズルチップ間の潤滑性が低下し、隙間が大
きくなる為に生じる現象であると判明したが、この確認
試験中のデータが、着火性が良好になる事に気がつい
た。調査して見ると、ノズル先端部付近は、噴射終了時
にデリベリバルブが弁座に戻る事により圧力が低下し、
潤滑用の為に供給した燃料が、逆にノズル先端部へ充填
され、噴射初めの燃料が純燃料に置換される為と判っ
た。

【発明の実施の形態】

【０００８】添付図面により本発明の実施の形態を説明
すると、図１はエマルジョン燃料を使用したディーゼル
エンジンの燃料噴射系において、本発明を実施する場合
の基本的なフローチャートである。

【０００９】主燃料入口(23)に供給されるエマルジョン
燃料は、燃料中に水粒子を分散させたW/O型(油中水滴
型)エマルジョンと呼ばれるものが一般的であり、従来
のエンジンの燃料系に準じた形態で、ミキサーや比例注
水機構等を用いて設定された加水率や粒子系にコントロ
ールする為のエマルジョン燃料供給装置により供給され
たものである。

【００１０】プランジャは上下動を行なうカム機構の他
に、燃料噴射量をコントロールする為にドライビングフ
ェースと呼ばれるピニオンギヤとスプライン結合されて
おり、ピニオンギヤと噛み合っているラックの位置調整
により、プランジャが回転し、リードの切り欠き位置と
出口の穴位置の間隔を調整し、燃料噴射量をコントロー
ルする事が出来る。

【００１１】噴射弁は、内部にノズルニードル(12)と呼
ばれる弁機構を持ち、プランジャの上下動に伴い、エマ
ルジョン燃料が主燃料溜まり(14)に供給されると、主燃
料溜まりの圧力が上昇し、ノズルニードルを押し上げ、
ノズル先端部より燃料をシリンダ内部へ噴射し燃焼を生
じるものである。

【００１２】

【実施例】

【実施例１】図面を参照して本発明の実施例を説明する
と図１は、本発明によるボッシュ型燃料噴射系の構造図
の一例である。エマルジョン燃料は、図において、主燃
料入口(23)より噴射ポンプ(1)に供給されたエマルジョ
ン燃料は、プランジャ(6)の上下動に伴い、デリベリバ
ルブ(5)を押し上げて、主燃料高圧管(22)に入り、ノズ
ルホルダー(10)に設けられた主燃料導管(20)を経由し、
主燃料溜まり(14)に供給され、ノズルニードル(12)を油
圧によって押し上げ、ノズル(11)先端部の穴からエンジ
ンシリンダーへ噴射され燃焼する。

【００１３】プランジャにはリード(7)と呼ばれる排出
機構があり、プランジャの上昇中にリードの切り欠き部
が出口部に達すると、高圧燃料が低圧ラインに戻り、燃
料の噴射が停止する。この時に、押し上げられていたデ
リベリバルブが非噴射位置に戻るが、その時に主燃料高
圧管側の体積がデリベリバルブの体積分だけ増加し、主
燃料高圧管の圧力が減少する事になる。

【００１４】パイロット燃料は、パイロット燃料供給ユ
ニット(4)(一般的には、1-10MPa程度の圧力でパイロッ
ト燃料を供給するポンプから構成される。)で加圧さ
れ、パイロット燃料供給管(24)を経由してパイロット逆
止弁(3)に供給される。パイロット逆止弁は、燃料噴射
時に、主燃料がパイロット燃料側に戻るのを防止するも
ので、構造はデリベリバルブとほぼ同様なものである。
パイロット逆止弁を経由したパイロット燃料は、ノズル
ホルダーに新たに設けられた、パイロット燃料導管(21)
を経由して、主燃料溜まりに導かれる。

【００１５】従来は、デリベリバルブの戻りにより増加
した体積分だけ主燃料高圧管の圧力低下が発生したが、
本発明ではこの増加した体積に見合うパイロット燃料を
燃料溜まりに供給し、次の噴射に備える事により、水を
含まない着火性の良い燃料が燃料溜まりに充填されてい
る事になる為、エマルジョン燃料による着火性の悪化を
防止する事が出来る。

【００１６】主燃料溜まりに充填出来るパイロット燃料
の量は、主にデリベリバルブの戻り量に依存する。つま
り、デリベリバルブの戻り量が大きければ、その分に見
合ったパイロット燃料の充填が可能に成る。パイロット
燃料の適正量については、一般的にアイドリング（無負
荷時）の噴射量と同等の量にすると着火性が良好になる
と考えられるが、各エンジン形式により最適な量を予め
実験等により求めて置く必要がある。

【００１７】

【実施例２】図１の方式においては、着火性は良好にな
るものの、ノズルニードルやニードル(13)とノズルホル
ダーとの摺動面や燃料リーク穴(26)に至までのラインに
は、水が混じった燃料が供給される事になる。この為
に、水による摺動でも耐える事の出来る部材が使用でき
れば特に問題は無いが、従来と同様な材質で製作する場
合には、問題が発生し易い。

【００１８】図２は、ノズルニードルの摺動面の一部に
パイロット用グルーブ(15)を設け、このグルーブを経由
して、主燃料溜まりへパイロット燃料を供給する様にし
たものである。この様にする事により、パイロット用グ
ルーブ中の燃料は、主燃料溜まりへの充填時に新たな燃
料に置換される為、グルーブ上部に漏洩するのはパイロ
ット燃料のみである事が期待出来る。

【００１９】先願のディーゼルエンジンの燃料噴射系摺
動面の潤滑改善方法及び装置に記載されている様に、こ
のパイロット燃料中に、水との乳化性を改善した添加剤
や腐食防止剤、潤滑剤等を混ぜ、さらに信頼性の高いシ
ステムにする事も可能である。

【００２０】パイロット燃料供給ユニットは、パイロッ
ト燃料の供給圧力や燃料の種類によっても異なるし、前
述の添加剤等の注入機構の有無によっても異なる形態に
なるが、基本的には、パイロット燃料を加圧する為のポ
ンプと圧力調整を行なう為のリリーフ弁等の圧力調整弁
若しくはポンプの回転数を制御する事により、パイロッ
ト燃料ラインを行っていに保つ制御機構から構成され
る。

【００２１】パイロット燃料は、一般にエマルジョン燃
料で使用される加水前の燃料が用いられるが、流動性の
改善やや着火性の改善の為に、Ｃ重油を使用するエンジ
ンにおいては、軽油やＡ重油等流動性の良い燃料を使用
する場合もある。

【００２２】

【実施例３】エンジンが緊急遮断により停止した場合の
再起動の際や、エンジン負荷の状況により、パイロット
噴射量を可変にすると良い結果が予想される場合があ
る。図３は、この様なニーズに対応したパイロット噴射
の方法を示したものである。

【００２３】主燃料高圧管(22)の噴射ポンプ側にブロー
弁(30)を設置する。ブロー弁は、内部構造としては、バ
ランス弁(32)をバランス室(36)の圧力により、高圧室(3
4)側に押し出す様に成っている。噴射時の数１０MPaの
圧力が加わる時には、バランス弁は逆止弁として作用
し、ブロー室(35)に高圧燃料が入る事は無い。

【００２４】実施例では、ブロー制御装置(31)として、
三方電磁弁を使用している。電磁弁は開閉動作を行なう
事により、開弁時にはパイロット燃料供給管(24)とバラ
ンス室(36)の間を導通状態とし、ブロー室(35)の間を遮
断する。閉弁時には、バランス室とブロー室の間を導通
状態にし、パイロット燃料供給管への間を遮断する。

【００２５】噴射が終了し、デリベリバルブが閉じる
と、主燃料高圧管の圧力は、本特許の機能によりパイロ
ット燃料供給管とほぼ同一の圧力に低下する。この時、
電磁弁が開くと、バランス室の圧力と高圧室(34)の圧力
が一致するが、バランス室のピストン面積が、高圧室側
の弁座面積より多きい為、バランス弁が開き、高圧室の
エマルジョン燃料が、ブロー室(35)を経由し、主燃料戻
り口(27)に排出される。

【００２６】電磁弁を閉じると、バランス室とブロー室
の間が同圧となる為、バランスバネ(36)の作用によりバ
ランス弁を閉弁する。尚、電磁弁を二方弁に変更し、バ
ランス室とブロー室の間にリーク用小口を設け、パイロ
ット燃料をバランス室へ供給遮断する事により、同様の
動作を行なわせる事も出来る。

【００２７】この様な動作を行なう事により、電磁弁の
開閉動作及び開閉時間の調整により、パイロット燃料の
量を外部からコントロールする事が可能になる。

【００２８】尚、ブロー制御装置としては、ここに上げ
た電磁弁の他、空気作動弁、油圧作動弁等により出来る
他、噴射時の圧力に耐える電磁弁若しくは制御弁の製作
が可能であれば、ブロー弁とブロー制御装置を一体化し
た装置とする事も可能である。

【００２９】

【発明の効果】エマルジョン燃料は、加水率が５〜１０
％程度であれば、着火性がそれ程悪化する事は無い。し
かし、この程度の加水率ではＮＯｘの低減率が十分では
無く、ＮＯｘ対策用にエマルジョン燃料を使用する場合
には、３０〜１００％程度の加水率が必要であると考え
られている。

【００３０】ディーゼルエンジンは、高圧に圧縮された
空気が高温に成る事を利用し、シリンダ内に燃料を噴射
し、着火させるものである。この時の着火性の良否判断
としてセタン価という指標が存在する。すなわちセタン
価の高い燃料は、始動性や発煙等に対して優れている。

【００３１】エマルジョン燃料の場合、含まれている水
が完全に蒸発して水蒸気になるまでは、噴霧された燃料
温度が着火温度まで上昇しないので、エンジン側から見
るとセタン価の低い燃料を使用したものと同様な現象に
成る。加水率が少ない場合には、大きな差異は認められ
ないが、加水率が上昇するに伴い、影響が大きくなる。

【００３２】しかし、燃焼が開始されてしまうと１００
０度以上の高温状態が維持される為、エマルジョン燃料
はこの燃焼温度を低く維持し、ＮＯｘの低減に寄与す
る。つまり、着火時には水を含まない燃料を噴射し、火
炎帯を形成した後、加水率の大きいエマルジョン燃料を
噴射する事により、着火遅れや燃焼の悪化が少なく、Ｎ
Ｏｘの低減率の大きい理想的な燃焼を行なう事が可能に
なる。

【００３３】又、請求項２の方法により、ノズルニード
ル以降の摺動面にエマルジョン燃料の侵入を阻止する方
法は、エマルジョン燃料を使用する以前の製作方法や材
料で対応出来る為、消耗部品とは言え、噴射弁の寿命を
伸ばすこの様な技術は、実用化段階にあるエマルジョン
燃料を使用したディーゼルエンジンの長期間の信頼性維
持に欠かす事の出来ないものである。

【００３４】エマルジョン燃料を使用した場合、エマル
ジョン燃料から純燃料への置換には時間が必要となる。
通常運転の場合、エンジン停止前に水抜き運転操作をす
るのが一般的であるが、エンジンが緊急停止した場合に
は、この様な時間的余裕が無い。請求項３の方法によ
り、再起動時に高圧管内部を全量パイロット燃料に置換
してしまう事により、起動時の燃料を純燃料とする事が
出来るので、高加水時に緊急停止しても安全に再起動が
実施出来る。

【００３５】又、一般的に低負荷時には加水率を減少さ
せた方が、エンジンにとって望ましいが、急激な負荷減
少の場合には、加水率の減少が間に合わない。これは、
仮に加水率を減少させたとしても、既に作成されたエマ
ルジョン燃料が配管中に存在している為、反応が遅れる
為である。この様な場合、本方法により、パイロット燃
料の量を増加させる事により、加水率が実際に減少する
までの間、パイロット燃料の増加が可能になり、エマル
ジョン燃料供給装置の応答遅れの問題を回避する事が可
能になった。

【００３６】

【図面の簡単な説明】

【図１】ディーゼルエンジンにおけるエマルジョン燃料
のパイロット噴射方法を示した説明図である。（実施例
１）

【図２】ノズルニードル以降のエマルジョン燃料の侵入
を阻止する事の出来るディーゼルエンジンにおけるエマ
ルジョン燃料のパイロット噴射方法を示した説明図であ
る。（実施例２）

【図３】パイロット燃料噴射量を外部からの指令によ
り、変化させる事の出来るディーゼルエンジンにおける
エマルジョン燃料のパイロット噴射方法を示した説明図
である。（実施例３）

【符号の説明】

1 燃料噴射ポンプ 2 噴射弁 3 パイロット逆止弁 4 パイロット燃料供給ユニット 5 デリベリバルブ 6 プランジャ 7 リード 10 ノズルホルダー 11 ノズル 12 ノズルニードル 13 ニードル 14 主燃料溜まり 15 パイロット用グルーブ 20 主燃料用導管 21 パイロット燃料用導管 22 主燃料高圧管 23 主燃料入口 24 パイロット燃料供給管 25 パイロット燃料入口管 26 燃料リーク穴 27 主燃料戻り口 30 ブロー弁 31 ブロー制御装置 32 バランス弁 33 バランスバネ 34 高圧室 35 ブロー室 36 バランス室

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ノズルホルダー(10)に新たに噴射弁の先端
   部の主燃料溜まり(14)へパイロット燃料を供給するパイ
   ロット燃料用導管(21)を設けた噴射弁(2)に、パイロッ
   ト燃料用導管の入口部に設置されたパイロット逆止弁
   (3)を設置し、パイロット燃料供給管(24)を経由しパイ
   ロット逆止弁へパイロット燃料を供給する、パイロット
   燃料供給ユニットから構成され、燃料噴射ポンプ(1)に
   よりエマルジョン燃料を噴射するが、噴射終了時に噴射
   ポンプのデリベリバルブ(5)が、非噴射位置に戻る際
   に、高圧管側の容積が大きくなる事を利用し、デリベリ
   バルブの戻り体積に見合うパイロット燃料を、主燃料溜
   まりに充填し、次回燃料噴射時に、先にパイロット燃料
   を噴射する事により、エマルジョン燃料のみを噴射する
   場合に比べて、着火性を改善する事を特徴とするエマル
   ジョン燃料のパイロット噴射方法。
2. 【請求項２】主燃料溜まり(14)へパイロット燃料を供給
   するパイロット燃料用導管(21)を、ノズルホルダー(10)
   とノズルニードル(12)との摺動面に新たにパイロット用
   グルーブ(15)を経由して主燃料溜まり(14)へパイロット
   燃料を供給する事により、ノズルニードルやニードル(1
   3)とノズルホルダーとの摺動面に、エマルジョン燃料の
   侵入を防止し、ノズルニードル摺動面以降の水による影
   響を緩和させながら、着火性を改善する事を特徴とする
   請求項１記載のエマルジョン燃料のパイロット噴射方法
3. 【請求項３】主燃料高圧管(22)の一部に、ブロー弁(30)
   を設け、ブロー制御装置(31)の指令により、ブロー弁を
   開にする事により、噴射終了後のエマルジョン燃料を、
   要求された量排出する事により、一時的に燃料噴射量の
   全量をパイロット燃料に置換する事の出来る、特に緊急
   遮断後のエマルジョン燃料による再着火を確実に行なう
   事の出来る請求項１請求項２記載のエマルジョン燃料の
   パイロット噴射方法。