JP2002202015A - エマルション燃料供給システム - Google Patents
エマルション燃料供給システムInfo
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- JP2002202015A JP2002202015A JP2000399865A JP2000399865A JP2002202015A JP 2002202015 A JP2002202015 A JP 2002202015A JP 2000399865 A JP2000399865 A JP 2000399865A JP 2000399865 A JP2000399865 A JP 2000399865A JP 2002202015 A JP2002202015 A JP 2002202015A
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- Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
- Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
- Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
- Y02T10/12—Improving ICE efficiencies
Abstract
立させるべく水比率を調整可能なエマルション燃料を、
最大吐出容量の小さい燃料ポンプで作り出すことができ
るようにした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、
燃料油は、上記流量可変制御バルブ11と燃料ポンプ7
が設けられた燃料油供給通路49と、これをバイパスし
て噴射ポンプ23により燃料油が吸引可能で、かつ開閉
バルブ54で開閉される燃料油バイパス通路53とをエ
ンジンの運転状態に応じて切り替える。また、戻りエマ
ルション燃料がエンジンの運転状態に応じてリターン燃
料供給通路48から供給される。
Description
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(NO
x)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。
素酸化物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7−16
6962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10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。
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て可変制御した水比率のエマ
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
も、このエマルション燃料のエンジンへの供給量は、エ
ンジンのアイドリング運転状況からフル負荷運転状態ま
でのそれぞれの状態に応じて大きく変化する。したがっ
て、これらすべての運転域に1本の燃料油供給通路だけ
で対応しようとすると、燃料ポンプの最大吐出容量を大
きくせざるを得ない。このことは、燃料供給量が少ない
ときのポンプの効率が非常に悪くなるだけでなく、装置
も高価になるという問題が生じる。
ポンプの最大吐出容量を大きくしなくても、エンジンの
幅広い運転領域にあってもエンジンの運転状況にあった
水比率で、かつ十分な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。
エマルション燃料供給システムにあっては、燃料油を蓄
える燃料タンクと、水を蓄える水タンクと、燃料タンク
から供給された燃料油と水タンクから供給された水とを
乳化剤とともに混合してエマルション燃料を作り出すミ
キサと、ミキサから噴射ポンプを介して燃料噴射バルブ
へ供給されたエマルション燃料のうちエンジンの燃焼室
へ噴射した残り分を、戻りエマルション燃料として燃料
噴射バルブからドレインして蓄えるリターンリザーバ
と、燃料タンクから前記ミキサへ燃料油を供給する燃料
油供給通路と、燃料供給通路中に設けられて燃料タンク
からミキサに向けて燃料油を送り出す燃料ポンプと、燃
料供給通路中の燃料ポンプより下流側に設けられて燃料
油の供給量を可変に調節する燃料用流量可変バルブと、
燃料油供給油路をバイパスして燃料タンクからミキサへ
燃料油を噴射ポンプの吸引力により供給可能な燃料油バ
イパス通路と、燃料油バイパス通路を介して燃料タンク
からミキサへ燃料油を供給あるいは供給停止するように
切替え可能な燃料用開閉バルブと、水タンクから前記ミ
キサへ水を供給する水供給通路と、水タンクから前記ミ
キサに向けて水を送り出す水ポンプと、水供給通路中に
設けられて供給水量を可変に調節する水用流量可変バル
ブと、リターンリザーバからミキサへ前記戻りエマルシ
ョン燃料を供給するリターン燃料供給通路と、リターン
燃料供給通路からミキサへ供給する戻りエマルション燃
料の供給量を可変に調節するリターン燃料用可変バルブ
と、燃料用開閉バルブと燃料用流量可変バルブと水用流
量可変バルブとリターン燃料用流量可変バルブをそれぞ
れ制御するエマルション・コントローラとを有して構成
されている。
ては、エンジンへこの運転状態に応じて水比率を調整し
たエマルション燃料を供給することで、エンジンの動力
性能と排気浄化性能を両立させる。すなわち、通常運転
時は、水を燃料と供給すると、燃焼室での燃焼温度が低
下してNOxの発生量を抑えることが可能となる。この
水比率の調整は、エンジン始動時は、略ゼロとすること
で着火性を悪化させず、始動性を確保し、また急な傾斜
の登坂時にあっては水比率を低下させ動力性能、すなわ
ち駆動力を向上させることが望ましい。通常運転時は、
エンジンの回転速度やエンジンの負荷(アクセルペダル
の踏み込み量)に応じて水比率をせいぎょうすることが
望ましい。また、上記燃料は、アクセルペダルの踏み込
み量に応じてエンジンへの供給量を変える必要がある。
そこで、燃料油をエンジンに供給するにあたって、燃料
油供給通路と燃料油バイパス通路との2本の通路を切り
替えて用いることができるようにしてある。燃料油供給
通路は、上記通常走行時に用い、燃料ポンプで吸い出し
た燃料油を燃料油用流量可変バルブで流量を調整すると
ともに、同じく水ポンプで送り出した水を水用流量可変
バルブで流量調節して乳化剤とともに、混合して最適な
水比率のエマルション燃料とする。なお、このとき、リ
ターン燃料供給通路からもリターン燃料用流量可変バル
ブで供給量を調節された戻り燃料が合わせて供給され
る。この結果、中負荷域程度の流量を確保しながら、水
比率を高い比率まで幅広く調節できるようになる。一
方、エンジン始動時は、燃料油バイパス通路からのみ水
なしの燃料油を供給することで、エンジンの始動性を確
保できる。また、エンジン停止信号を受けたら所定時
間、同様にすることで、水のエンジンへの混入を阻止し
て錆びが発生するのを防ぐことができる。また、逆にフ
ル負荷域では、燃料油供給通路と水供給通路を閉じ、こ
れらのポンプも停止するものの、燃料油バイパス通路か
ら噴射バルブで燃料油を吸引するとともに、リターン燃
料供給通路から戻り燃料をその可変流量バルブで制御し
ながら合流させることで、水比率を低下させて大量なエ
マルション燃料をエンジンに供給できる。したがって、
燃料ポンプの最大吐出量をさほど大きくしなくても、全
領域で十分な量で、最適な水比率のエマルション燃料を
供給できることになる。
料供給システムにあっては、エマルション・コントロー
ラを、エンジンが停止しているときは、燃料用開閉バル
ブと燃料用流量可変バルブと水用流量可変バルブとリタ
ーン燃料用流量可変バルブを閉じ、かつ燃料ポンプと水
ポンプを停止することで、ミキサへ燃料油、水、戻りエ
マルション燃料のすべてを供給停止するように制御する
構成とする。これにより、エンジン停止時は、確実に燃
料、水、戻り燃料が燃料噴射バルブへ導かれるのを阻止
して、エンジンを停止するとともに、水がエンジン内に
入って錆びるのを防止できる。
料供給システムにあっては、エマルション・コントロー
ラを、エンジン停止信号を受けたら、燃料用流量可変バ
ルブと水用流量可変バルブとリターン燃料用流量可変バ
ルブを閉じ、かつ燃料ポンプと水ポンプを停止すること
で、燃料油供給通路を介するミキサへの燃料タンクから
の燃料油供給を、また水供給通路を介するミキサへの水
タンクからの水供給を、またリターン燃料供給通路を介
するミキサへのリターンリザーバからの戻りエマルショ
ン燃料の供給をそれぞれ停止する一方、燃料開閉バルブ
を所定時間の間だけ開いて燃料油バイパス通路を介して
ミキサへ燃料タンクから燃料を供給するように制御する
構成とする。これにより、エンジン停止操作が行われる
と、所定時間、水、戻りエマルション燃料の供給が停止
されて、水を含まない燃料油だけが供給されるので、エ
ンジンや排気系が錆びる畏れがない。
料供給システムにあっては、エマルション・コントロー
ラを、エンジン・アイドリング状態でのエンジン始動時
は、燃料用流量可変バルブと水用流量可変バルブとリタ
ーン燃料用流量可変バルブを閉じ、かつ燃料ポンプと水
ポンプを停止して、ミキサへの水供給通路からの水供
給、ミキサへの燃料油供給通路からの燃料油の供給、ミ
キサへのリターン燃料供給通路から戻りエマルション燃
料の供給をそれぞれ停止する一方、燃料用開閉バルブを
開き燃料油バイパス通路を介してミキサへ燃料タンクか
ら燃料油を供給するように制御する構成とする。これに
より、エンジン・スタート時は、燃料油バイパス油路か
らのみ燃料油が供給される。したがって、水が含まれな
いことからエンジンの始動はスムーズに実行でき、ま
た、このとき必要な供給燃料は少量で良いので、燃料ポ
ンプを可動しなくとも噴射ポンプの吸引力だけで十分な
量の燃料油を燃料油バイパス油路から供給でき、効率的
である。
料供給システムにあっては、エマルション・コントロー
ラを、エンジンを始動して所定時間経過後で、かつエン
ジン暖機後におけるエンジン・アイドリング状態では、
燃料用可変バルブと水用流量可変バルブを閉じ、かつ燃
料ポンプと水ポンプを停止して、燃料油供給通路を介す
るミキサへの燃料タンクからの燃料油の供給、及び水供
給通路を介するミキサへの水タンクからの水供給を停止
する一方、燃料用開閉バルブとリターン燃料用流量可変
バルブを開き、ミキサへ前記燃料油バイパス通路を介し
てミキサへ燃料タンクから燃料油を、またリターン燃料
供給通路を介してミキサへリターンリザーバから戻りエ
マルション燃料をそれぞれ供給するように制御する構成
とする。これにより、アイドリング状態であるからエン
ジンへの供給燃料量は少なくてよく、少ない水比率とし
てNOxを低減するとともにエンジンを安定稼働させる
ので、水を含んだ戻りエマルション燃料を供給・利用す
ることで、最初からすべてエマルション燃料を作り出さ
なくてもよい。また、この場合、戻りエマルション燃料
の水比率が高いときには、燃料油供給通路から燃料油用
流量制御バルブで調節しながら、燃料油を加えれば良
い。
料供給システムにあっては、エマルション・コントロー
ラを、エンジン・アイドリング状態よりエンジン負荷が
大きくエンジン・フル負荷状態よりエンジン負荷が小さ
い領域では、燃料用開閉バルブを閉じて燃料油バイパス
通路を介するミキサへの燃料タンクからの燃料油の供給
を停止する一方、燃料用流量供給バルブとリターン燃料
用流量可変バルブと水用可変流量バルブを開き、かつ燃
料ポンプと水ポンプを稼働させて燃料油供給通路からミ
キサへ燃料タンクから燃料油を、またリターン燃料供給
通路を介してミキサへリターンリザーバから戻りエマル
ション燃料を、また水供給通路を介してミキサへ水タン
クから水をそれぞれ供給するように制御する構成とす
る。これにより、エンジンへの供給燃料量が最大量近く
まで必要ないエンジン運転領域にあっては、燃料油供給
通路からだけでも十分な量をエンジンに供給することが
可能となる。したがって、燃料ポンプの最大吐出容量も
小さいもので済む。また、この領域は高い水比率になる
までの広い範囲で水比率を可変に制御してNOxを減少
させるとともにエンジンの動力性能も確保するが、リタ
ーン燃料用可変バルブと燃料油油流量可変バルブと水用
流量可変バルブとで戻りエマルション燃料の量、燃料油
の量、水の量を調節することで最適な水比率のエマルシ
ョン燃料を作り出せる。この場合、戻りエマルション燃
料を供給・再利用するので、新たに最初から作り出さね
ばならないエマルション燃料の量は少なく、エンジンの
運転変化に合わせてレスポンスよく水比率を変えなが
ら、必要量を供給できる。
料供給システムにあっては、エマルション・コントロー
ラを、燃料用流量供給バルブとリターン燃料用流量可変
バルブと水用可変流量バルブを、アクセルペダルの踏み
込み量あるいは燃料噴射バルブが噴射した燃料量に応じ
て流量を制御するような構成とする。これにより、エン
ジンの動力性能と排気浄化性能を両立させる制御が可能
となる。
料供給システムにあっては、燃料噴射バルブが噴射した
燃料量を、噴射ポンプに供給されるエマルション燃料の
量を計測する供給量センサからの検出信号と燃料噴射バ
ルブがドレインする戻りエマルション燃料の量を検出す
るリターン流量センサからの検出信号の差で求めるよう
にする。このようにすれば、エンジン・コントロールユ
ニットからフルにエンジン運転に関する情報信号を受け
とらなくとも、水比率の制御が可能となる。この結果、
通信プロトコル等が異なるエンジン・コントロールユニ
ットを搭載した車両間へも適用可能となる。
料供給システムにあっては、エマルション・コントロー
ラを、エンジン・フル負荷域には、燃料用流量可変バル
ブと水用流量可変バルブを閉じ、かつ燃料ポンプ及び水
ポンプを停止して、燃料油供給通路を介するミキサへの
燃料タンクからの燃料油供給と水供給通路を介するミキ
サへの水タンクからの水の供給を停止する一方、燃料用
開閉バルブとリターン燃料用流量可変バルブを開いて、
燃料油バイパス通路を介してミキサへ前記燃料タンクか
ら燃料油を、またリターン燃料供給通路を介してミキサ
へリターンリザーバから戻りエマルション燃料をそれぞ
れ供給するように制御する構成とする。エンジン・フル
負荷域における傾斜の急な登坂時などでは、動力性能を
重視し水比率を下げるのが望ましい。このようにして動
力性能を確保しても、エンジン回転速度が高速走行時よ
りも低下するので、NOxの発生量は少なくなる。フル
負荷域であるから、エンジンへの燃料供給量は多く、上
記燃料ポンプだけではとうてい十分な供給量は確保でき
ないが、燃料油開閉バルブを開くことで、実質的に流通
抵抗のない燃料油バイパス通路から燃料油を噴射ポンプ
の負圧で引き、リターン燃料用可変バルブを開いてリタ
ーン燃料供給通路からも供給される戻りエマルション燃
料へ追加することで十分な供給量が確保できる。また、
戻りエマルション燃料の水比率を、燃料油バイパス通路
から燃料油を加えることで下げることが可能となる。
燃料供給システムにあっては、燃料タンク内の燃料油に
は、乳化剤が混合されているようにする。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。
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。
燃料供給システムにあっては、ミキサを、乳化剤の供給
量を可変に調節する乳化剤用流量可変バルブを有する乳
化剤供給通路にて、乳化剤を蓄えた乳化剤タンクに接続
するように構成する。これにより、燃料に予め乳化剤を
入れておく場合、長時間そのままのにしておくと分離す
ることがあり、エンジン始動時に燃料タンク内を撹拌す
る必要があるが、このような攪拌機は不用となる。
燃料供給システムにあっては、エマルション燃料は、水
の周りを燃料油で包む油中水滴型とする。このようなエ
マルション燃料は、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。
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。
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(燃料タンク)4
には、燃料油通路49及びこの通路をバイパスする燃料
油バイパス油路53が並列に設けられて、これらを介し
てミキサ15に接続される。燃料油供給通路49中に
は、電気モータで駆動される燃料ポンプ7とこの下流で
流量を可変に調節可能な流量可変制御バルブ(燃料用流
量可変バルブ)11が設けられる。また、燃料油バイパ
ス通路53には、この通路を開閉する開閉バルブ(燃料
用開閉バルブ)54が設けられる。水タンク5は、水供
給通路52を介してミキサ15へ接続される。この水供
給通路52中には、電気モータで駆動される水ポンプ8
とこの下流で流量を可変に調節する流量可変制御バルブ
(水用流量可変バルブ)12が設けられている。同様
に、乳化剤カートリッジ6は、乳化剤供給通路50を介
してミキサ15に接続される。この乳化剤供給通路50
中には、電気モータで駆動される乳化剤ポンプ9とこの
下流で流量を可変に調節する流量可変制御バルブ(乳化
剤用流量可変バルブ)13が設けられる。これらのポン
プ7〜9、流量可変制御バルブ11〜13、開閉バルブ
54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。なお、乳化剤供給通路50から供給
される乳化剤は、水供給通路52から供給される水より
も上流側で、燃料油供給通路49あるいは燃料油バイパ
ス路53から供給される燃料油と混合されるようにして
ある。これらの燃料油、乳化剤、水は、ミキサ15で混
合されてエマルション燃料とされる。なお、ミキサ15
としては、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。ミキサ15の出口は、エマルション
燃料供給通路46を介して噴射ポンプ23の吸込み口に
接続される。この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。
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分、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4
7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を介してミキサ15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(リ
ターン燃料用流量可変バルブ)14が設けられて、エマ
ルション・コントローラ16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、ミキサ15へ戻るが、このとき、エマルショ
ン・コントローラ16が、ポンプ7〜10、流量可変制
御バルブ11〜14、開閉バルブ54をそれぞれエンジ
ンの運転状況に応じて制御することで、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ミキサ15
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ミ
キサ15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。
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。
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。
・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、軽油タ
ンク4用、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11
2〜14を閉じる一方、開閉バルブ54のみを開いてい
る。また、ポンプ7〜10は、すべて停止したままにし
ている。これにより、噴射ポンプ23には、燃料油バイ
パス通路53からのみ水なし燃料油(軽油)が、ミキサ
15、エマルション燃料供給通路46を介して噴射ポン
プ23から吸引され、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29、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2
4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。
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。
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。暖機後のアイドリン
グ域では、上記エンジン始動時同様、開閉バルブ54を
開いて燃料バイパス通路53からの軽油を噴射ポンプ2
3の吸引力により燃料油バイパス通路供給53を介して
ミキサ15へ供給するが、ポンプ10を駆動しかつ流量
可変制御バルブ14にてその流量を制御しながら、戻り
エマルション燃料をも合わせてミキサ15へ供給する。
この結果、低い水比率のエマルション燃料がエンジンに
供給される始める。エンジンは暖機しているので、安定
して運転される。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DPF34の酸化触媒反応室34aで捕捉、燃焼す
る。また、このときエンジンに供給する燃料量も少なく
て良いので、上記供給で十分足りる。
域以外のエンジン負荷域にあっては、開閉バルブ54を
閉じて燃料バイパス通路53からの軽油の供給を停止す
る。また、この領域では、エンジンへ供給する燃料の量
も、最大量付近より少なくて済む。そこで、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エンジン
に供給可能とするべく、必要に応じてポンプ7〜10が
駆動され、流量制御バルブ11〜14がその流量を可変
に調節する。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、ポンプ7の駆動により燃料油供給通路
49を介して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。その下流側で水タンク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、ポンプ8の駆動により水供給通路52を介して
供給される。また、戻りエマルション燃料もポンプ10
により送り出されて流量可変制御バルブ14でその供給
量が調節されながら、リターン燃料供給通路48からミ
キサ15に導かれる。戻りエマルション燃料、軽油、水
は、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、水が混合される前に、供給
軽油中には全体に乳化剤が混じっているので、水と軽油
は、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H
LB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。
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。
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。
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。
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CO2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
CO2とH2O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。
る燃料の量は上記以上に多量となる。このフル負荷域で
は、急な坂での登坂といった走行が多く、このときは駆
動力を重視する。なお、このように駆動力を重視して
も、エンジン回転速度は高速走行時よりも低下するの
で、NOxの発生量は少なくなっている。この場合、開
閉バルブ54とリターン燃料用の流量可変制御バルブ1
4を開き、ポンプ10を駆動することで、燃料油バイパ
ス通路53から噴射ポンプ23の負圧により吸引した軽
油を、リターン燃料供給通路48から戻りエマルション
燃料に加えることで、水比率の低いエマルション燃料と
してエンジンに供給する。このとき、ポンプ7〜9は停
止して流量可変制御バルブ11〜13を閉じた状態でも
十分な量の燃料を供給できる。
ンサ36からの測定温度に基づいても実行する。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3
4aでの温度との関係を考慮する必要がある。また、D
PF34の反応室温度が酸化触媒活性化の温度(たとえ
ば400℃)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。
ョン燃料供給システムにおいては、燃料ポンプの最大吐
出量を大きくしなくても、エンジンの駆動性能と排気浄
化性能とをエンジンの幅広い運転領域で両立させること
が可能となる。したがって、安価で効率の良いシステム
となる。
ンプ10を設けているが、必ずしも必要ではなく、吸引
による供給とすることも可能である。また、軽油タンク
4へ乳化剤を軽油とともに入れておいても良く、この場
合には、乳化剤カートリッジ6、乳化剤ポンプ10、流
量可変制御バルブ14は不要となる。
えたディーゼルエンジン・システムを表す図である。
ブ) 12 流量可変制御バルブ(水用流量可変バルブ) 13 流量可変制御バルブ(乳化剤用流量可変バル
ブ) 14 流量可変制御バルブ(リターン燃料用流量可
変バルブ) 15 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 52 水供給通路 53 燃料油バイパス通路 54 開閉バルブ(燃料用開閉バルブ)
Claims (12)
- 【請求項1】燃料油を蓄える燃料タンクと、 水を蓄える水タンクと、 前記燃料タンクから供給された燃料油と前記水タンクか
ら供給された水とを乳化剤とともに混合してエマルショ
ン燃料を作り出すミキサと、 該ミキサから噴射ポンプを介して燃料噴射バルブへ供給
された前記エマルション燃料のうちエンジンの燃焼室へ
噴射した残り分を、戻りエマルション燃料として前記燃
料噴射バルブからドレインして蓄えるリターンリザーバ
と、 前記燃料タンクから前記ミキサへ燃料油を供給する燃料
油供給通路と、 該燃料供給通路中に設けられて前記燃料タンクから前記
ミキサに向けて燃料油を送り出す燃料ポンプと、 前記燃料供給通路中の前記燃料ポンプより下流側に設け
られて前記燃料油の供給量を可変に調節する燃料用流量
可変バルブと、 前記燃料油供給油路をバイパスして前記燃料タンクから
前記ミキサへ燃料油を前記噴射ポンプの吸引力により供
給可能な燃料油バイパス通路と、 該燃料油バイパス通路を介して前記燃料タンクから前記
ミキサへ燃料油を供給あるいは供給停止するように切替
え可能な燃料用開閉バルブと、 前記水タンクから前記ミキサへ水を供給する水供給通路
と、 前記水タンクから前記ミキサに向けて水を送り出す水ポ
ンプと、 前記水供給通路中に設けられて供給水量を可変に調節す
る水用流量可変バルブと、 前記リターンリザーバから前記ミキサへ前記戻りエマル
ション燃料を供給するリターン燃料供給通路と、 該リターン燃料供給通路から前記ミキサへ供給する戻り
エマルション燃料の供給量を可変に調節するリターン燃
料用可変バルブと、 前記燃料用開閉バルブ、前記燃料用流量可変バルブ、前
記水用流量可変バルブ、前記リターン燃料用流量可変バ
ルブをそれぞれ制御するエマルション・コントローラ
と、を備えたこと、を特徴とするエマルション燃料供給
システム。 - 【請求項2】前記エマルション・コントローラは、エン
ジンが停止しているときは、前記燃料用開閉バルブと前
記燃料用流量可変バルブと前記水用流量可変バルブと前
記リターン燃料用流量可変バルブを閉じ、かつ前記燃料
ポンプと前記水ポンプを停止することで、前記ミキサへ
燃料油、水、戻りエマルション燃料のすべてを供給停止
するように制御すること、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。 - 【請求項3】前記エマルション・コントローラは、エン
ジン停止信号を受けたら、前記燃料用流量可変バルブと
前記水用流量可変バルブと前記リターン燃料用流量可変
バルブを閉じ、かつ前記燃料ポンプと前記水ポンプを停
止することで、前記燃料油供給通路を介する前記ミキサ
への前記燃料タンクからの燃料油供給を、また前記水供
給通路を介する前記ミキサへの前記水タンクからの水供
給を、また前記リターン燃料供給通路を介する前記ミキ
サへの前記リターンリザーバからの戻りエマルション燃
料の供給をそれぞれ停止する一方、前記燃料開閉バルブ
を所定時間の間だけ開いて前記燃料油バイパス通路を介
して前記ミキサへ前記燃料タンクから燃料を供給するよ
うに制御すること、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。 - 【請求項4】前記エマルション・コントローラは、エン
ジン・アイドリング状態でのエンジン始動時は、前記燃
料用流量可変バルブと前記水用流量可変バルブと前記リ
ターン燃料用流量可変バルブを閉じ、かつ前記燃料ポン
プと前記水ポンプを停止して、前記ミキサへの前記水供
給通路からの水供給、前記燃料油供給通路からの燃料油
の供給、前記リターン燃料供給通路から戻りエマルショ
ン燃料の供給をそれぞれ停止する一方、前記燃料用開閉
バルブを開き前記燃料油バイパス通路を介して前記ミキ
サへ前記燃料タンクから燃料油を供給するように制御す
ること、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。 - 【請求項5】前記エマルション・コントローラは、エン
ジンを始動して所定時間経過後で、かつエンジン暖機後
におけるエンジン・アイドリング状態では、前記燃料用
可変バルブと前記水用流量可変バルブを閉じ、かつ前記
燃料ポンプと前記水ポンプを停止して、前記燃料油供給
通路を介する前記ミキサへの前記燃料タンクからの燃料
油の供給及び前記水供給通路を介する前記ミキサへの前
記水タンクからの水供給を停止する一方、前記燃料用開
閉バルブと前記リターン燃料用流量可変バルブを開き、
前記ミキサへ前記燃料油バイパス通路を介して前記ミキ
サへ燃料タンクから燃料油を、また前記リターン燃料供
給通路を介して前記ミキサへ前記リターンリザーバから
戻りエマルション燃料をそれぞれ供給するように制御す
ること、を特徴とする請求項1から4に記載のエマルシ
ョン燃料供給システム。 - 【請求項6】前記エマルション・コントローラは、エン
ジン・アイドリング状態よりエンジン負荷が大きくエン
ジン・フル負荷状態よりエンジン負荷が小さい領域で
は、前記燃料用開閉バルブを閉じて前記燃料油バイパス
通路を介する前記ミキサへの前記燃料タンクからの燃料
油の供給を停止する一方、前記燃料用流量供給バルブと
前記リターン燃料用流量可変バルブと前記水用可変流量
バルブを開き、かつ前記燃料ポンプと前記水ポンプを稼
働させて前記燃料油供給通路から前記ミキサへ前記燃料
タンクから燃料油を、また前記リターン燃料供給通路を
介して前記ミキサへ前記リターンリザーバから戻りエマ
ルション燃料を、また前記水供給通路を介して前記ミキ
サへ前記水タンクから水をそれぞれ供給するように制御
すること、を特徴とする請求項1から5のいずれかの記
載のエマルション燃料供給システム。 - 【請求項7】前記エマルション・コントローラは、前記
燃料用流量供給バルブと前記リターン燃料用流量可変バ
ルブと前記水用可変流量バルブを、アクセルペダルの踏
み込み量あるいは前記燃料噴射バルブが噴射した燃料量
に応じて流量を制御するようにしたこと、を特徴とする
請求項6に記載のエマルション燃料供給システム。 - 【請求項8】前記燃料噴射バルブが噴射した燃料量は、
前記噴射ポンプに供給されるエマルション燃料の量を計
測する供給量センサからの検出信号と燃料噴射バルブが
ドレインする戻りエマルション燃料の量を検出するリタ
ーン流量センサからの検出信号の差で求めるようにした
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。 - 【請求項9】前記エマルション・コントローラは、エン
ジン・フル負荷域には、前記燃料用流量可変バルブと前
記水用流量可変バルブを閉じ、かつ前記燃料ポンプ及び
前記水ポンプを停止して、前記燃料油供給通路を介する
前記ミキサへの前記燃料タンクからの燃料油供給と前記
水供給通路を介する前記ミキサへの前記水タンクからの
水の供給を停止する一方、前記燃料用開閉バルブと前記
リターン燃料用流量可変バルブを開いて、前記燃料油バ
イパス通路を介して前記ミキサへ前記燃料タンクから燃
料油を、また前記リターン燃料供給通路を介して前記ミ
キサへ前記リターンリザーバから戻りエマルション燃料
をそれぞれ供給するように制御すること、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。 - 【請求項10】前記燃料タンク内の燃料油には、乳化剤
が混合されていること、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。 - 【請求項11】前記ミキサは、乳化剤の供給量を可変に
調節する乳化剤用流量可変バルブを有する乳化剤供給通
路にて、乳化剤を蓄えた乳化剤タンクに接続されている
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。 - 【請求項12】前記エマルション燃料は、水の周りを燃
料油で包む油中水滴型であること、を特徴とする請求項
1から11のいずれかに記載のエマルション燃料供給シ
ステム。
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP2000399865A JP4400843B2 (ja) | 2000-12-28 | 2000-12-28 | エマルション燃料供給システム |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2000399865A JP4400843B2 (ja) | 2000-12-28 | 2000-12-28 | エマルション燃料供給システム |
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Publication Number | Publication Date |
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JP2002202015A true JP2002202015A (ja) | 2002-07-19 |
JP4400843B2 JP4400843B2 (ja) | 2010-01-20 |
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ID=18864559
Family Applications (1)
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---|---|---|---|
JP2000399865A Expired - Fee Related JP4400843B2 (ja) | 2000-12-28 | 2000-12-28 | エマルション燃料供給システム |
Country Status (1)
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JP (1) | JP4400843B2 (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2010073361A1 (ja) * | 2008-12-26 | 2010-07-01 | トヨタ自動車株式会社 | エンジンシステム |
US20160137785A1 (en) * | 2010-08-26 | 2016-05-19 | Massachusetts Institute Of Technology | Poly(beta-amino alcohols), their preparation, and uses thereof |
CN108277125A (zh) * | 2018-04-24 | 2018-07-13 | 贵州茅台酒厂(集团)习酒有限责任公司 | 量水器 |
-
2000
- 2000-12-28 JP JP2000399865A patent/JP4400843B2/ja not_active Expired - Fee Related
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EP2372133A4 (en) * | 2008-12-26 | 2013-10-30 | Toyota Motor Co Ltd | MOTOR SYSTEM |
US8914220B2 (en) | 2008-12-26 | 2014-12-16 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Engine system |
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