JP2002188521A - エマルション燃料供給システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 エンジン動力性能と排気ガス浄化性能とを両
立させるべく水比率を調整可能なエマルション燃料を、
容易に作り出すことのできるエマルション燃料供給シス
テムを提供する。 【構成】 軽油タンク４、水タンク５、乳化剤カートリ
ッジ６からそれぞれ供給される軽油、水、乳化剤が、流
量可変制御バルブ１１〜１３で水比率を調整されエマル
ション燃料として燃焼室４１へ供給される。この場合、
最初、上流側ミキサ１５Ａで軽油と乳化剤とが混合さ
れ、この後、水が供給され下流側のミキサ１５Ｂで混合
されエマルション燃料とされる。さらに別の実施態様で
は、乳化剤は予め軽油タンク４内に入れられて混合され
ており、エンジン稼働時、取り出されて水が供給されミ
キサ１５Ｂで混合されエマルション燃料とされる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ディーゼルエンジン等
の燃焼室に、燃料へ水を混入させたエマルション燃料を
供給することで、排気ガス中、特に窒素酸化物の生成を
抑制するようにしたエマルション燃料供給システムに関
する。

【０００２】

【従来技術】ディーゼルエンジンの燃焼室で発生する窒
素酸化物（ＮＯｘ）を低減する技術としては、燃料に水
と乳化剤を加えエマルション燃料として燃焼室へ供給す
ることで、水の存在により燃焼室での最高燃焼温度を抑
えて窒素酸化物の生成を抑制するようにしたもの（特開
平７−１６６９６２号公報に記載のもの）が知られてい
る。一方、単に燃料に水を加えて燃焼室へ噴射するいわ
ゆる水噴射も知られている（たとえば、平成６年１月１
０日 株式会社 山海堂 発行、 宮下直也、黒木秀雄
著の「自動車用ディーゼルエンジン」第４９ページから
第５０ページの記載のもの）。この水噴射は、確かに水
により最高燃焼温度を抑え窒素酸化物の生成量を減少さ
せるものの、エンジン停止時に燃料噴射系の部品やエン
ジン燃焼室などに水が残りやすく錆が発生する。このこ
とは、頻繁にエンジンを停止し、停止時間も長時間にわ
たることの多い自動車等にあっては重大な問題となる。
また、自動車等にあっては、発進・停止を繰り返すばか
りでなくエンジン負荷やエンジン回転速度も幅広い範囲
で絶えず変化する。したがって、エンジンの動力性能と
排気ガス浄化性能を両立させようとすると、水比率をエ
ンジンの運転状況等に応じて制御する必要がある。この
場合、水比率のいかんにかかわらず確実に燃料を燃焼さ
せなければならず、この点からも単なる水噴射よりもエ
マルション燃料を用いる方が望ましい。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記のようにエマルシ
ョン燃料を自動車のエンジン等に用いようとすると、エ
ンジンの運転状況等に応じた水比率のエマルション燃料
をほぼリアルタイムで燃焼室へ供給できるようにきわめ
て短時間内に作り出さねばならない。しかしながら、単
に燃料油と水と乳化剤とを一緒に入れて混合するだけで
はこれらの一部しかエマルション化できない。

【０００４】

【発明の目的】本発明の目的は、エンジンの幅広い運転
領域にあっても動力性能と排気ガス浄化性能とを両立さ
せるべく、燃焼室へ供給する水量や燃料油量の変化にも
かかわらず、きわめて短時間に燃料室へ供給する量のエ
マルション燃料を作り出すことを可能にしたエマルショ
ン燃料供給システムを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明のエマルション燃
料供給システムにあっては、軽油、重油といった燃料油
と、水と、乳化剤の供給を受けて、ミキサでこれらを混
合してエマルション燃料を作り出し、エンジン等の燃焼
室へ供給、燃焼させる。この場合、上記燃焼室へ供給さ
れる燃料油、水、乳化剤は、まず燃料油に乳化剤を入れ
て混合する。次いで、この燃料油と乳化剤との混合液に
水を必要量入れて混合することで、エマルション燃料を
作り出すようにする。

【０００６】上記エマルション燃料供給システムにおい
ては、まず燃料油に乳化剤が供給・混合される。この結
果、乳化剤が燃料油全体に拡散されて混じり合う。この
混合にあっては、乳化剤だけを燃料油に加えるようにし
てもよいが、供給する乳化剤が燃料油量に比べてきわめ
て少量なので、乳化剤を燃料油に予め混合しておいた乳
化剤−燃料油混合液を、燃料油に加えるようにしてもよ
い。また、この混合は、必ずしもミキサを用いる必要は
なく、乳化剤あるいは上記乳化剤−燃料油混合液を、速
度を持たせて燃料油へ流し込むようにしても、比較的容
易に撹拌・混合させることができる。次いで、この燃料
油と乳化剤との混合液に、必要量の水を供給・混合す
る。このとき、燃料油中には全体にわたって乳化剤が存
在しているので、燃料油と水とは互いに二つの層に分離
することなく、容易に混じり合いエマルション燃料を作
り出す。なお、このとき混合液に供給する水の量は、た
とえばエンジンの運転状況等に応じてエンジンの動力性
能と排気ガス浄化性能の両立が可能な水比率となるよう
に調整する。したがって、この水は、エンジンの運転状
態に応じてほぼリアルタイムでその供給量が制御される
ことになり、きわめて短時間に燃料油と混ぜ合わされ、
所望の水比率のエマルション燃料を作り出す。上記本発
明の実施態様のエマルション燃料供給システムに対し、
もし、乳化剤が燃焼室へ供給する燃料油のほぼ全体に行
き渡る前に、あるいは乳化剤を燃料油に入れる前に、燃
料油へ水を供給すると、これらは層状に分離してしまう
結果、乳化剤を入れても燃焼室へ燃料を供給するまでに
エマルション化が充分行われない。

【０００７】上記乳化剤は、好ましくは、この供給量を
燃料油の量に応じて決定するようにする。すなわち、た
とえば、燃料油量に比例した量の乳化剤を混入させるよ
うにする。これにより、燃料油全体にエマルション化に
必要な乳化剤を過不足なく行き渡らせることが可能にな
る。

【０００８】上記エマルション燃料を得るには、燃料に
対する水の比率は、好ましくは、エンジンの回転速度あ
るいはエンジン負荷の少なくとも一方に応じて制御する
ようにする。この水比率の制御は、たとえば、エンジン
回転速度が高いほど水比率が高くなるように水量を増加
させ、エンジン負荷が高くなるほど水比率が低くなるよ
うに水量を減少させる。これにより、エンジンの運転状
況に応じてエンジンの動力性能と排気ガス浄化性能とを
両立させることができる。なお、エンジン始動時とエン
ジン停止時には、水比率をゼロとすることで、始動性の
確保、錆の防止が可能となる。

【０００９】燃料油と水と乳化剤とは、好ましくは、そ
れぞれ燃料タンク、水タンク、乳化剤タンクに独立して
蓄えておく。この場合は、まず燃料タンクから供給する
燃料油と乳化剤タンクから供給する乳化剤とを混合した
後に、この混合液に水タンクから水を供給して混合する
ようにする。この場合、各タンクから供給される燃料
油、乳化剤、水の量は、流量可変制御バルブ等でそれぞ
れ制御するようにするとよい。これにより、エンジンを
長期間停止した後のエンジンスタート時にあっても、各
タンクから適当な量の燃料油、乳化剤、水が直ちに供給
されエマルション燃料が作り出されることになる。ま
た、場合によっては、この乳化剤は、ある程度の速度を
持たせて供給燃料油へ流し込みこれらの衝突により撹拌
させるようにすれば、ミキサなしでも混合っせることが
可能である。この後、この混合液に水を加えてミキサへ
流入させれば、充分エマルション化できる。

【００１０】前記燃料油と前記乳化剤とは、上流側のミ
キサで混合し、その後、この上流側ミキサから流出した
乳化剤−燃料油の混合液と水とを下流側ミキサで混合す
るようにしてもよい。これにより、大型排気量のエンジ
ン等のように多量の供給量が必要な場合であっても、確
実に乳化剤と燃料油を全体にわたって混合させることが
可能となる。

【００１１】また、上記乳化剤タンクは、乳化剤を燃料
油と混合した混合液の状態で蓄えておくようにしてもよ
い。燃料油に混合する乳化剤の量は非常に少量なので、
乳化剤タンクから乳化剤の供給量を制御しながら供給し
ようとすると、流量可変制御バルブ等の精度を高くした
り、その制御が難しくなったりするが、上記のように乳
化剤と燃料油を混ぜた混合液としておけば、乳化剤の供
給時、混合液の薄めた分だけ供給量が倍になる結果、流
量可変制御バルブ等の精度を高くする必要がなく、また
供給量の制御も簡単になる。

【００１２】上記燃料タンクは、好ましくは、燃料油と
乳化剤とを混合した混合液を蓄えておくようにする。こ
の混合液は、燃料油全体に乳化剤が行き渡るように燃料
油と乳化剤の量を調整しておく。また、この場合、給油
と同時に、あるいは給油の直後に乳化剤だけ又は乳化剤
を燃料油で薄めた混合液を、燃料タンク内の燃料油へ供
給して混合すればよい。一方、水は、エンジンの運転状
況等に応じて決定した水量に制御して、燃料室への燃料
供給時に乳化剤−燃料油の混合液へ供給してミキサで混
合する。このようにしても容易に、最適な水比率のエマ
ルション燃料を得ることができる上、乳化剤を蓄えてお
くタンクやこの供給装置を自動車に設けなくてもよくな
る。もちろん、乳化剤タンクを燃料タンク自体や燃料タ
ンクの近辺に設けて給油時や給油直後等に供給可能とし
ても良いことは言うまでもない。この場合、エンジンの
運転状況に応じて乳化剤の流量を制御することが不要と
なる。

【００１３】上記のように燃料タンクに乳化剤を予め混
合しておく場合は、燃料タンク内の燃料油と乳化剤を混
合する撹拌手段を設けることが望ましい。撹拌手段とし
ては、たとえば、燃料タンク内にモーター駆動によるフ
ァン等でかき混ぜるようにしたり、あるいは燃料タンク
自体を自動車の走行に伴なう振動で揺動させるようにし
たものを用いる。これにより、長時間エンジンを停止し
た時のように、乳化剤と燃料油とが分離した状態にある
場合には、エンジン始動時に燃料タンク内をファンでか
き混ぜ、混合させることができる。以後の走行中は間欠
的にファンを回したり、あるいは自動車の走行振動によ
り燃料タンクを振動させるなどすることで、乳化剤を燃
料油全体に分散・混合させた状態を保つことが可能とな
る。

【００１４】また、好ましくは、燃料油に乳化剤を混合
させた混合液供給通路に、燃料噴射バルブからドレイン
した戻りエマルション燃料を供給可能とする。これによ
り、燃料噴射バルブからドレインされた多量のエマルシ
ョン燃料を再利用して燃料噴射バルブへ再供給すること
で、最初から新規にエマルション燃料を全量作り出す必
要がない。また、上記戻りエマルション燃料に加える新
規補充分の燃料油をエマルション化する場合も、容易に
水と軽油をエマルション化することができる。

【００１５】上記エマルション燃料は、好ましくは、水
の周りを燃料油で包むような油中水滴型とする。これ
は、乳化剤の親水性と親油性の釣り合いを表すＨＬＢが
６程度となるような特性を選ぶことで達成可能である。
このように、エマルション燃料を油中水滴型とすること
により、燃料の着火性が高まり、かつ水が燃料油で被わ
れることでエンジン等の部品に水が直接接触しないよう
にして、これらが錆ないようにすることができる。

【００１６】

【実施態様】本実施態様によるエマルション燃料供給シ
ステムを備えたディーゼルエンジン・システムは、図１
に示すように、大きく分けて、燃料、水、乳化剤を混合
してエマルション燃料を作り出すエマルション燃料供給
システム１と、この燃料供給システム１で作ったエマル
ション燃料を燃焼することで駆動出力を得るディーゼル
エンジン２と、ディーゼルエンジン２から排出された排
気ガスを浄化する排気ガス浄化装置システム３とを有す
る。以下、これらにつき、より詳細に説明していく。

【００１７】燃料供給システム１は、燃料油としての軽
油を蓄える軽油タンク（燃料タンク）４、水を蓄える水
タンク５、及び乳化剤を蓄える乳化剤カートリッジ（乳
化剤タンク）６を有する。軽油タンク４、水タンク５、
及び乳化剤カートリッジ６には、それぞれ電気モータで
駆動される燃料ポンプ７、水ポンプ８、乳化剤ポンプ９
の吸い込み口が接続され、これらのポンプ７〜９は、エ
マルション・コントローラ１６により各々独立して制御
される。各ポンプ７〜９の吐出し口は、それぞれ流量可
変制御バルブ１１〜１３に接続する。流量可変制御バル
ブ１１〜１３は、エマルション・コントローラ１６によ
り制御されて、それぞれの供給流量を変えることができ
る。軽油タンク４から供給された燃料油は、その供給量
が流量可変制御バルブ１１で調節されて、燃料油供給通
路４９を介して上流側ミキサ１５Ａへ向かうようにして
ある。燃料油供給通路４９には、上流側ミキサ１５Ａの
流入口の上流側位置で、乳化剤供給通路５０が合流する
ようにしている。乳化剤供給通路５０には、この途中に
流量可変制御バルブ１３を設け乳化剤カートリッジ６か
らの乳化剤の供給量を調整して供給可能である。したが
って、上記合流点において、燃料油供給通路４９を流れ
る軽油に乳化剤供給通路５０から乳化剤が供給されて、
上流側ミキサ１５Ａで混合され軽油全体に乳化剤が行き
渡るようにしてある。上流側ミキサ１５Ａから流出され
た乳化剤−燃料油の混合液を下流側ミキサ１５Ｂへ導く
混合液供給通路５１が設けられるが、この混合液供給通
路５１における下流側ミキサ１５Ｂの流入口の上流側位
置で、水供給通路５２が合流され、流量可変制御バルブ
１２で流量を調節された水が供給されるようにしてあ
る。したがって、混合液供給通路５１を流れる乳化剤−
燃料油の混合液に、水供給通路５２から水が供給されて
下流側ミキサ１５Ｂで混合されてエマルション燃料とさ
れる。なお、上流側、下流側のミキサ１５Ａ、１５Ｂ
は、ここでは静止型ミキサ１５を用いるが、これに限る
必要はない。下流側のミキサ１５Ｂの出口は、噴射ポン
プ２３の吸込み口に接続される。下流側のミキサ１５Ｂ
と噴射ポンプ２３との間を接続するエマルション燃料供
給路４６中には、供給流量センサ２０が設けられ、噴射
ポンプ２３へ供給されるエマルション燃料の流量が絶え
ず検出され、この流量信号がエマルション・コントロー
ラ１６へ送られる。

【００１８】３１はリターンリザーバであり、燃焼室へ
噴射されずに燃料噴射バルブ２２から排出された上記エ
マルション燃料の残り、すなわち戻りエマルション燃料
がリターン燃料通路４７を介して導かれて、ここに蓄え
られる。このリターン燃料通路４７中には、戻り燃料温
度センサ４５が設けられ、ここで検出した戻りエマルシ
ョン燃料の温度の検出信号をエマルション・コントロー
ラ１６へ送る。この戻り燃料温度センサ４５は、できる
だけ燃料噴射バルブ２２の近くのリターン燃料通路４７
中に配置することが望ましい。リターンリザーバ３１に
は、電気モータ駆動によるリターンポンプ１０の吸込み
口が接続され、リターンリザーバ３１内の戻りエマルシ
ョン燃料を再利用するため吸い出し可能である。リター
ンポンプ１０は、この吐出し口がリターン燃料供給通路
４８を介して下流側のミキサ１５Ｂの入口へ接続されて
いる。リターン燃料供給通路４８中には流量可変制御バ
ルブ１４が設けられて、エマルション・コントローラ１
６により制御されて、供給するリターン燃料量を調整す
るようにしてある。したがって、リターンリザーバ３１
内の戻りエマルション燃料は、再度、下流側のミキサ１
５Ｂへ戻るが、このとき、軽油タンク４からの軽油、水
タンク５からの水、乳化剤カートリッジ６からの乳化剤
の少なくともいずれかが一緒に下流側のミキサ１５Ｂに
供給可能とされ、その都度、最適な水比率（軽油に対す
る水の比率）となるようにしてある。また、高速巡航を
続けるときなどのように水比率が実質的に変化しない場
合は、戻りエマルション燃料だけを供給燃料として下流
側のミキサ１５Ｂに供給可能するだけで十分なときもあ
る。リターンリザーバ３１には、この中の戻りエマルシ
ョン燃料の水比率を測定する液比重測定センサ３２が設
けられて、ここで検出した水比重信号をエマルション・
コントローラ１６へ入力するようにしてある。なお、水
比率を測定するには、この液比重測定センサによる他、
液の視覚的濃さを光学的に測定するセンサを用いるなど
してもよい。また、リターンリザーバ３１には、この中
の戻りエマルション燃料を撹拌可能な撹拌器４４が取付
られて、この撹拌器４４の駆動がエマルション・コント
ローラ１６で制御される。なお、軽油タンク４、水タン
ク５、乳化剤カートリッジ６、リターンリザーバ３１に
は、それぞれ残量センサ１７、１８、１９、３３が設け
られて、各残量信号がエマルション・コントローラ１６
に送られて、残量警告を発するようにしてある。

【００１９】噴射ポンプ２３の吐出し口は、エマルショ
ン燃料供給通路４６を介して燃料噴射バルブ２２に接続
される。燃料噴射バルブ２２は、エマルション燃料の噴
射時期、噴射期間等につきエンジン・コントロール・ユ
ニット３８で制御される。燃料噴射バルブ２２は、シリ
ンダヘッド４２に取付られて、その噴射口がディーゼル
エンジンのシリンダ２５とピストン２４とで形成される
燃焼室４１に臨まさせ、エマルション燃料を噴射可能で
ある。シリンダヘッド４２には吸入空気導入のための吸
入ポート２７と排気ガス排出のための排気ポート２８が
設けられ、それぞれ吸気バルブ２９と排気バルブ３０と
で燃焼室４１と各ポート２７、２８間を開閉するように
なっている。シリンダ２５には冷却水通路が設けられて
おり、この冷却水路の水温を検出する冷却水温度センサ
２６が取付られて、冷却水温度信号をエンジン・コント
ロール・ユニット３８へ送るようになっている。エンジ
ン・コントロール・ユニット３８には、また、アクセル
開度センサ３９、エンジン回転数センサ４０等からそれ
ぞれアクセル開度信号（エンジン負荷に相当）、エンジ
ン回転数信号（エンジン回転速度に相当）等が入力さ
れ、ディーゼルエンジンの運転に必要な噴射時期、噴射
期間等を決定するようにしてある。なお、エンジン・コ
ントロール・ユニット３８は、燃料供給のための要求燃
料情報信号（噴射量、噴射時期等に関する信号）をエマ
ルション・コントローラ１６へ伝える。

【００２０】排気ガス浄化装置システム３では、ディー
ゼルエンジンの排出ポート２８がエクゾーストパイプを
介して排気ガス浄化装置としてのディーゼル・パーティ
キュレート・フィルタ（ＤＰＦ）３４に接続されてい
る。なお、排気ポート２８には燃焼温度センサ３５が設
けられ、ディゼルエンジンから排出された排気ガスの温
度を検出して、この温度信号をエマルション・コントロ
ーラ１６へ送るようにしてある。上記ＤＰＦは、上流側
の酸化触媒反応室３４ａと下流側の灰分蓄積室３４ｂか
ら構成されている。酸化触媒反応室３４ａは、ニッケル
などを用いて排気ガス中の粒子状物質（主に炭素Ｃ）を
酸化させる触媒を有し、内部に配置した電気ヒータ４３
にて酸化触媒反応室３４ａ内を加熱可能である。この電
気ヒータ４３は、プレヒータ・コントローラ３７により
制御される。酸化触媒反応室３４ａには、さらにこの室
内温度を検出する反応室温度センサ３６が設けられ、こ
れで検出した反応室温度信号がプレヒータ・コントロー
ラ３７とエマルション・コントローラ１６へ送られるよ
うにしてある。

【００２１】次に、上記構成になるディーゼルエンジン
・システムの作用につき、説明する。まず、エンジンを
始動するには、図外のスタータスイッチをＯＮにして図
示しないスタータを回転し、ディーゼルエンジンに回転
力を作用する。エンジン始動信号を受けたエマルション
・コントローラ１６は、始動信号から所定時間、水タン
ク５用、乳化剤カートリッジ６用、及びリターンリザー
バ３１用の各流量可変制御バルブ１２、１３、１４を閉
じる一方、軽油タンク４用の流量可変制御バルブ１１の
みをアイドル運転に必要な量の流路面積分だけ開いてい
る。また、燃料ポンプ７のみを駆動してその他のポンプ
８〜１０は停止したままにしている。これにより、噴射
ポンプ２３には、流量可変制御バルブ１１から水なしの
軽油だけの燃料が、燃料油供給通路４９、上流側のミキ
サ１５Ａ、混合液供給通路５１、上流側のミキサ１５
Ｂ、エマルション燃料供給通路４６を介して上記所定時
間、供給される。噴射ポンプ２３は、エンジン・コント
ロール・ユニット３８で制御されて、あらかじめ吸気ポ
ート２７から空気が吸入されている燃焼室４１内に、燃
料噴射バルブ２２から上記軽油のみの燃料を、最適な噴
射タイミングで最適な噴射時間だけ噴射する。吸気弁２
９、排気弁３０が吸気ポート２７、排気ポート２８を閉
じた状態の中、ピストン２４が上昇して燃焼室４１内の
吸入空気を圧縮しているので、この圧縮熱により噴射さ
れた軽油が着火し、この燃焼によるガス膨張でピストン
２４を押し下げることで、エンジンを回転駆動すること
ができるようになる。

【００２２】この始動にあっては、燃料は１００％軽油
であり水は入っていないので、通常のディーゼルエンジ
ンと同様に容易に燃料に着火できる。したがって、エン
ジンの始動性を良好にすることができる。このとき、エ
ンジンは冷えていることから、エンジンから排出される
排気ガス中のＮＯｘの発生量が少なく、またアイドリン
グ運転状態にあることから、これらの発生量自体も、通
常走行時に比べて少なくなっている。しかしながら、エ
ンジン冷機状態では、ＮＯｘとは逆に黒煙の発生量は増
大する。この黒煙は、エンジンから排出され、ＤＰＦ３
４の酸化触媒反応室で捕捉される。始動時は、ＤＰＦ３
４の反応室温度センサ３６における検出温度が酸化触媒
活性化温度より低いので、プレヒータ・コントローラ３
７が、電気ヒータ４３を急速に加熱する。また、軽油１
００％の燃焼とすることで、水入りのエマルション燃料
供給時よりも排気ガスの温度が高くなることから、電気
ヒータ４３との協働で早くＤＰＦ３４を温め、エンジン
から排出されたＰＭ、ＨＣ、ＣＯ等をＤＰＦ３４の酸化
触媒反応室３４ａで酸化し、排気ガスを浄化する。

【００２３】上記エンジン始動から所定時間経過後、戻
りエマルション燃料の温度が所定温度、１０℃より高く
なったら、エマルション・コントローラ１６が暖機完了
と判断し、水なし制御を解除する。これ以降、水比率を
増大させるように流量可変制御バルブ１２、１３、１４
を開き、エンジンの運転状態に応じた水比率のエマルシ
ョン燃料を作り出す。すなわち、軽油タンク４から流量
可変制御バルブ１１でその流量がエンジンの運転状態に
応じて調整された軽油が、燃料油供給通路４９へ供給さ
れるとともに、この燃料油供給通路４９へ、乳化剤カー
トリッジ６からその流量が上記供給軽油量に応じて流量
可変制御バルブ１３で調整された乳化剤が、乳化剤供給
通路５０を介して供給され合流する。合流された軽油と
乳化剤とは、上流側ミキサ１５で混合されて、軽油中に
全体にわたって乳化剤が混ざった状態にされる。上流側
ミキサ１５Ａから流出された軽油−乳化剤の混合液は混
合液供給通路５１へ導かれ、この通路５１へ、水タンク
５からその流量がエンジンの運転状態に応じて流量可変
制御バルブ１２にて調整された水が水供給通路５２を介
して供給される。軽油−乳化剤の混合液と水とは、下流
側ミキサ１５Ｂに導かれ、ここで混合され、所望の水比
率を有するエマルション燃料とされる。このとき、供給
軽油中には全体に乳化剤が混じっているので、水と層分
離することなく、きわめて短時間内にエマルション化さ
れる。なお、このエマルション燃料は、油中水滴型（Ｗ
／Ｏ型）となるように乳化剤に、親水性と親油性の釣り
合いを表すＨＬＢが６程度となる特性を持たせてある。
このようにして作られたエマルション燃料は、エマルシ
ョン燃料供給通路４６を介して噴射ポンプ２３、次いで
燃料噴射バルブ２２へと供給される。噴射ポンプ２３
は、エンジン・コントロールユニット３８により制御さ
れて、適当なタイミング、適当な噴射量で燃料噴射バル
ブ２２から燃焼室４１へエマルション燃料を噴射させ
る。燃料噴射バルブ２２から噴射されずドレインされた
エマルション燃料は、戻りエマルション燃料としてリタ
ーン燃料通路４７を介してリターンリザーバ３１に戻さ
れる。

【００２４】暖機を終えたディーゼルエンジン２では、
冷機時とは逆にＮＯｘが増大し黒煙が減少する傾向にあ
るが、エマルション燃料中の水により最高燃焼温度が抑
えられてＮＯｘの発生量が低減される。このように、暖
機後にあっては、暖機中とは異なり同じアイドリング領
域であっても、エマルション燃料が燃料噴射バルブ２２
へ供給され、燃料内の水によりＮＯｘを低減する。黒煙
は、エンジン始動時、暖機時、いずれにあってもＤＰＦ
３４の酸化触媒反応室３４ａで捕捉、燃焼する。

【００２５】なお、上記エンジン稼働時にあっては、始
動時などリターンリザーバ３１内の戻りエマルション燃
料が十分撹拌されエマルションが安定化するまでは、ポ
ンプ１０が停止され、流量可変制御バルブ１４は閉じら
れたままとされ、戻り燃料が混合液供給通路５１に供給
されることはなく、軽油タンク４、水タンク５、乳化剤
カートリッジ６から全量供給されて新しいエマルション
燃料が作られ、噴射ポンプ２３、燃料噴射バルブ２２へ
供給するようにしてある。

【００２６】しかし上記以外のエンジン稼働時は、リタ
ーンリザーバ３１内の戻りエマルション燃料を基本的に
は優先して混合液供給通路５１へ供給する。このとき、
不足分を軽油タンク４、水タンク５、乳化剤カートリッ
ジ６から新たに供給することで、戻りエマルション燃料
と合流させて下流側のミキサ１５Ｂで混合して、新たな
エマルション燃料を作り出して、噴射ポンプ２３へ供給
する。これにより、一度エマルション化した燃料が時間
経過により分離して不安定になる前に再利用できるの
で、エマルション燃料を安定して供給できるだけでな
く、分離した戻りエマルション燃料を撹拌することも不
要となる。なお、燃料噴射バルブ２２からドレインされ
てリターンリザーバ３１へ導かれる戻りエマルション燃
料の量は、多いものでは燃料噴射バルブ２２で噴射され
るエマルション燃料の２倍〜４倍程度にもなるので、で
きるだけ早く再利用することが望ましい。

【００２７】この場合、リターンリザーバ３１内の戻り
エマルション燃料の水比率を、液比重測定センサ３２で
検出してエマルション・コントローラ１６へ送り、ここ
で得たこの水比率の情報及び戻りエマルション燃料の再
供給量を考慮して、戻りエマルション燃料の量、軽油タ
ンク４・水タンク５・乳化剤カートリッジ６からそれぞ
れ供給する軽油・水・乳化剤の量を決定して、ポンプ７
〜１０と流量可変制御バルブ１１〜１４を制御して最適
な水比率のエマルション燃料を作り出せるようにする。

【００２８】ここで、上記水比率の決定は、以下のよう
に行われる。なお、以下の水比率では体積比率を指す
が、質量比率でもほとんど変わらない。水比率の決定
は、基本的には、アクセルペダルの踏み込み量（要求ト
ルクあるいはエンジン負荷）とエンジン回転速度をベー
スにしてなされる。すなわち、通常走行時にあっては、
軽油：水がほぼ９５：５〜８０：２０の範囲でアクセル
ペダルの踏み込み量が大きくなるほど、水比率が高まる
方へ制御する。また、アクセルペダルを大きく踏み込ん
だとき、登坂などでエンジン回転速度が低いときは、同
じアクセルペダルの踏み込み量であってもエンジン回転
速度高い平坦路走行時よりも水比率を減少させて出力を
増加させる。なお、エンジンや燃焼条件によっては、８
０：２０までではなく７０：３０まで水を増やすことも
実用上可能である。この結果、エマルション燃料により
エンジン内での燃焼温度が抑えられ、Ｎ０ｘの発生が大
きく低減される。ただし、アクセルペダルの踏み込み量
が小さいときには、水を添加しないときよりもＰＭが増
加する。しかしながら、排気ガス中のＰＭは、ＤＰＦ３
４に入り、ここの酸化触媒反応室３４ａ内の酸化触媒に
より酸化されてＣＯ_２に変えられる。また、排気ガス中
のＨＣも同様に、ＤＰＦ３４の酸化触媒反応室３４ａで
ＣＯ_２とＨ_２Ｏとに変えられる。なお、燃え残った灰分
は、酸化触媒反応室３４ａ下流の灰分蓄積室で捕集さ
れ、外には排出されない。ただし、この灰分の量は少な
い。

【００２９】なお、水比率の修正を、反応室温度センサ
３６からの測定温度に基づき実行する。すなわち、反応
室温度センサ３６で検出した排気ガス温度が酸化触媒活
性化温度（たとえば約４００℃）より低温側にあるとき
は、軽油：水がほぼ９５：５となる方向へ水比率を下
げ、上記排気ガス温度が酸化触媒活性化温度以上の高温
側にあるときは軽油：水がほぼ８０：２０となる方向へ
水比率を上げるように、上記負荷に基づき決定した水比
率を修正する。上記修正量は、各エンジンの特性等によ
って決定する。なお、上記反応室温度センサ３６に代え
て燃焼温度センサ３５を用いることもできるが、この場
合、このセンサ位置での温度と酸化触媒反応室３４ａで
の温度との関係を考慮する必要がある。また、ＤＰＦ３
４の反応室温度が酸化触媒活性化の温度（たとえば４０
０℃）より低くなったときは、水比率を下げ排気ガスの
温度を上げる。運転性が悪化する虞がない場合や、わず
かな温度低下の場合には、電気ヒータ４３でのみ加熱す
る。

【００３０】以上のように、上記実施態様のエマルショ
ン燃料供給システムにおいては、軽油等の燃料油にま
ず、乳化剤を入れて混合し燃料油全体の中に乳化剤が存
在するようにして後に、適量に調整した水を加えて混合
するようにしたので、きわめて短時間にエマルション燃
料を作りだしエンジンの燃焼室へ供給できる。したがっ
て、エンジンの稼働状況のいかんにかかわらずエンジン
の動力性能と排気ガス浄化性能を両立させることが可能
となる。なお、上記実施態様では、ミキサを上流側と下
流側との両方に設けたが、小排気量のエンジン等などで
は上流側のミキサは必ずしも必要ではなく、乳化剤を燃
料油へ速度を持たせて流し込んでその衝突による混合だ
けで済ませ、その後、この混合液に水を供給してミキサ
で混合してエマルション燃料を作るようにしても良い。

【００３１】次に、本発明の他の実施態様に基づくエマ
ルション燃料供給システムを備えたディーゼルエンジン
・システムを、図２に基づき説明する。なお、図２にお
いて図１と実質的に同一の部分については、図１のもの
と同一番号を付すとともに重複する部分の説明は省略す
る。図２のエマルション燃料供給システムは、軽油タン
ク４内に予め軽油と乳化剤とを入れて混合しておくよう
にしている。したがって、このエマルション燃料供給シ
ステムでは、図１の乳化剤カートリッジ６、乳化剤ポン
プ９、流量可変制御バルブ１３、上流側ミキサ１５Ａ、
残量センサ１９、乳化剤供給通路５０は、不要であるた
め有しない。その代わり、軽油タンク４に給油時、また
は給油直後に乳化剤を入れて、軽油タンク４内の軽油と
混合し軽油中の全体にわたって乳化剤が存在するように
してある。また、軽油タンク４には、電気モータ５３で
駆動され、軽油タンク４内の軽油と乳化剤を混ぜ合わせ
るように撹拌するファン５４が設けてある。ここで、電
気モータ５３とファン５４とは、撹拌手段を構成する。

【００３２】上記構成のエマルション燃料供給システム
を備えたディーゼルエンジン・システムの作用につき、
以下、説明する。エンジンを始動させると、燃料ポンプ
７が駆動して流量可変制御バルブ１１にてその流量を調
整しながら、軽油タンク４から乳化剤を混合した軽油
を、混合液供給通路５１を介してミキサ１５、燃料噴射
ポンプ２３へと供給する。このとき水ポンプ８が停止し
かつ流量可変制御バルブ１２が閉じており、水タンク４
から水供給通路５２に水が供給されるのを阻止してい
る。また、リターンポンプ１０も停止され、かつ流量可
変制御バルブ１４も閉じられて、リターンリザーバ３１
から戻りエマルション燃料がリターン燃料供給通路４８
へ供給されないようになっている。したがって、燃料噴
射ポンプ２３へは、混合液供給通路５１、ミキサ１５、
エマルション燃料供給通路４６のみが連通された状態に
なって、乳化剤が混じった軽油のみが軽油タンク４から
流量可変制御バルブ１１でその流量が調節されて供給さ
れる。この結果、燃焼室４１へ水の混入はなく、エンジ
ンの始動性を悪化させることはない。エンジンの暖機が
済み、アクセルペダルを踏み込んで車両を走行させる
と、水ポンプ８、リターンポンプ１０も稼働して、水タ
ンク５、リターンリザーバ３１からそれぞれ流量可変制
御バルブ１２、１４で流量が調整された水、戻りエマル
ション燃料が混合液供給通路５１に供給、合流される。
合流された軽油−乳化剤の混合液と水と戻りエマルショ
ン燃料は、ミキサ１５にて混合されエマルション燃料と
なり、エマルション燃料供給通路４６を介して噴射ポン
プ２３、燃料噴射バルブ２２へ供給される。以下、図１
の作動と同様に機能する。ここで、水が合流する軽油
は、軽油タンク４内にあるときから乳化剤が全体に行き
渡っているので、水と軽油が層状に分離することなく、
ミキサ１５で直ちにエマルション化される。なお、軽油
タンク４は、図示しないバネ部材で支持し、車両の走行
に伴う振動によって軽油タンク４が振動されるようにし
てこの内部の軽油と乳化剤が混合され、分離しないよう
にしても良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のエマルション燃料供給システムを備
えたディーゼルエンジン・システムを表す図である。

【図２】 本発明の他の実施態様によるエマルション燃
料供給システムを備えたディーゼルエンジン・システム
を表す図である。

【符号の説明】

１ 燃料供給システム ２ ディーゼルエンジン ３ 排気ガス浄化装置システム ４ 軽油タンク（燃料タンク） ５ 水タンク（水タンク） ６ 乳化剤カートリッジ（乳化剤タンク） １１〜１４ 流量可変制御バルブ １５ ミキサ １５Ａ 上流側のミキサ（ミキサ） １５Ｂ 下流側のミキサ（ミキサ） １６ エマルション・コントローラ ２０ 供給流量センサ ２２ 燃料噴射バルブ ２３ 噴射ポンプ ２６ 冷却水温度センサ ３１ リターンリザーバ ３４ ＤＰＦ ３５ 燃焼温度センサ ３６ 反応室温度センサ ３７ プレヒータ・コントロール ３８ エンジン・コントロール・ユニット ４１ 燃焼室 ４３ 電気ヒータ（ヒータ） ４５ 戻り燃料温度センサ ４６ エマルション燃料供給通路 ４７ リターン燃料通路 ４８ リターン燃料供給通路 ４９ 燃料油供給通路 ５０ 乳化剤供給通路 ５１ 混合液供給通路 ５２ 水供給通路 ５３ 電気モータ（撹拌手段） ５４ ファン（撹拌手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 篠田智博 神奈川県横浜市港北区新吉田町3219番５号 株式会社エス・アンド・エスエンジニア リング内 Ｆターム(参考） 3G091 AA02 AA18 AA28 AB02 AB13 BA00 BA03 BA14 BA15 BA19 CA04 CB01 CB02 CB03 CB08 DB10 EA00 EA01 EA03 EA07 EA16 EA17 EA18 EA26 FA01 FA02 FA04 FA06 FA12 FA13 FB02 FC07 HA15 HA36 HA38 HA39 HA47

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料油と水と乳化剤とを、ミキサにて混合
   しエマルション燃料としてエンジンの燃焼室へ供給可能
   なエマルション燃料供給システムにおいて、 前記燃料油に前記乳化剤を混合させた後に、これらの混
   合液に前記水を混合させて前記エマルション燃料を得る
   ようにしたこと、を特徴とするエマルション燃料供給シ
   ステム。
2. 【請求項２】前記乳化剤は、この供給量を前記燃料油の
   量に応じて決定するようにしたこと、を特徴とする請求
   項１に記載のエマルション燃料供給システム。
3. 【請求項３】前記燃料油に対する前記水の混合比率は、
   前記エンジンの回転速度あるいはエンジン負荷の少なく
   とも一方に応じて制御するようにしたこと、を特徴とす
   る請求項１又は２のいずれかに記載のエマルション燃料
   供給システム。
4. 【請求項４】前記燃料油と前記水と前記乳化剤とは、そ
   れぞれ燃料タンク、水タンク、乳化剤タンクに蓄えてお
   き、前記燃料タンクから供給する燃料油と前記乳化剤タ
   ンクから供給する乳化剤とを混合させた後、この乳化剤
   −燃料油の混合液に前記水タンクから供給する水を混合
   させるようにしたこと、を特徴とする請求項１から３の
   いずれかに記載のエマルション燃料供給システム。
5. 【請求項５】前記燃料油と前記乳化剤とは、上流側のミ
   キサで混合した後、該上流側のミキサから流出した乳化
   剤−燃料油の混合液と前記水とを下流側のミキサで混合
   するようにしたこと、を特徴とする請求項１から４のい
   ずれかに記載のエマルション燃料供給システム。
6. 【請求項６】前記乳化剤タンクは、この内部に前記乳化
   剤を前記燃料油と混合した状態で蓄えていること、を特
   徴とする請求項４又は５のいずれかに記載のエマルショ
   ン燃料供給装置。
7. 【請求項７】前記燃料タンクは、この内部に前記乳化剤
   と前記燃料油とを混合した乳化剤−燃料油の混合液を蓄
   えるようにしたこと、を特徴とする請求項１から３のい
   ずれかに記載のエマルション燃料供給システム。
8. 【請求項８】前記燃料タンクは、この内部の前記燃料油
   と前記乳化剤とを混合する撹拌手段を有すること、を特
   徴とする請求項７に記載のエマルション燃料供給システ
   ム。
9. 【請求項９】前記ミキサに、前記燃焼室へエマルション
   燃料を噴射する燃料噴射バルブからドレインした戻りエ
   マルション燃料を供給可能としたこと、を特徴とする請
   求項１から８のいずれかに記載のエマルション燃料供給
   システム。
10. 【請求項１０】前記エマルション燃料は、前記水の周り
    を前記燃料油で包むような油中水滴型であること、を特
    徴とする請求項１から９のいずれかに記載のエマルショ
    ン燃料供給システム。