JP2003254107A

JP2003254107A - ディーゼル・エンジンの排気浄化装置

Info

Publication number: JP2003254107A
Application number: JP2002050991A
Authority: JP
Inventors: Shinichiro Sakurai; 櫻井眞一郎
Original assignee: S & S Engineering Kk; S&S Engineering Corp
Current assignee: S & S Engineering Kk; S&S Engineering Corp
Priority date: 2002-02-27
Filing date: 2002-02-27
Publication date: 2003-09-10

Abstract

(57)【要約】【課題】ディーゼル・エンジンの動力性能と排気浄化
性能とを最適に両立させ、かつ急加速時、急勾配登坂時
等におけるトルク不足を解消したディーゼル・エンジン
の排気浄化装置を提供する。【構成】軽油、水、乳化剤の割合を運転状態に応じて
調整して得たエマルション燃料をエンジンに供給する。
この場合、ステップ１１でアクセル・ペダル踏み込み量
が所定値より小さいときは、ステップ１２へ進み、アク
セル・ペダル踏み込み量に応じた水比率のエマルション
燃料を燃焼室４１へ供給し、ＮＯｘを抑制する通常の水
比率制御を実行する。アクセル・ペダル踏み込み量が所
定値以上のときは、ステップ１３へ進み水無し制御とし
て強力なトルクを発生させる。アクセル・ペダルの踏み
込み量が設定値未満となったら通常の水比率制御に戻
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
から排出される排気ガス中に含まれる有害物質のうち特
に窒素酸化物の生成を抑制するようにしたディーゼル・
エンジンの排気浄化装置に関する。

【０００２】

【従来技術】排気中の窒素酸化物（いわゆるＮＯｘ）を
浄化するディーゼル・エンジンの排気浄化装置として
は、ゼオライトに銅イオンを担持させ、ＮＯｘを直接分
解するＳＣＲ（ＳｅｌｅｃｔｉｖｅＣａｔａｌｙｔｉ
ｃＲｅｄｕｃｔｉｏｎ）式の触媒が研究されているも
のの、被毒による変換効率が低下するといった問題があ
り実用化には至っていない（平成６年１月１０日株式
会社山海堂発行の宮下直也、黒木秀雄著による「自
動車用デイーゼルエンジン」の５２ページ）。

【０００３】他方、上記触媒以外の方法として、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
することにより、燃焼室での最高燃焼温度を低下させて
ＮＯｘの生成を抑制するようにしたものが、特開平７−
１６６９６２号公報の記載や特開平７−１６６９６３号
公報の記載により知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】後者の方法を記した上
記両公報には、燃料に対する加水率（水比率）がエンジ
ン負荷状態に応じて決定される旨が記載されているもの
の、具体的な内容は何ら記載されていない。既に実用化
されている船舶のディーゼル・エンジンや陸上でのボイ
ラー等の場合は、負荷領域が狭くしかも急激に変化させ
ることがないことから、エマルション燃料で水比率をど
こまで多くしたら良いかが中心課題となっているが、自
動車の場合には、エンジンが走行状態に応じて幅広い負
荷領域で稼働され、また急激な負荷変化を伴うことか
ら、負荷に応じた最適な水比率をいかに決定すべきかが
重要な課題となる。

【０００５】発明者の研究・実験によれば、負荷に対す
る水比率を一定にしたり、負荷の増大に応じて水比率を
単に比例的に増加させたりしただけでは、エンジンの幅
広い稼働領域で動力性能と排気浄化性能とを最適に両立
させることができないことが分かった。特に、ほぼ一定
の水比率とする前者の方法では、自動車のような幅広い
エンジン負荷範囲で十分な排気浄化性能が得られず、ま
た単に比例増加させる後者の方法では、幅広いエンジン
負荷範囲でも排気浄化性能の工場が期待されるものの、
急勾配での登坂時や急追い越し時等に十分なトルクが得
られず、ドライバーが安心して運転しにくいといった問
題点がある。

【０００６】本発明の目的は、上記問題点を解決し、エ
ンジンの幅広い負荷領域にあっても動力性能と排気浄化
性能とをより良く両立させ、かつ急勾配での登坂時や急
追い越し時等にあっても安心して走行できるようにした
ディーゼル・エンジンの排気浄化装置を提供することに
ある。さらにまた別の目的として、エマルション燃料を
用いる場合におけるエンジン始動性の確保、エンジン停
止後における排気系部品における錆の発生の防止が可能
なディーゼル・エンジンの排気浄化装置を提供すること
にある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の本発明
は、ディーゼル・エンジンの燃焼室へ燃料を噴射する燃
料噴射弁と、燃料を供給可能な燃料供給装置と、水を供
給可能な水供給装置と、乳化剤を供給可能な乳化剤供給
装置と、アクセル・ペダル踏み込み相当量を検出可能な
負荷量検出手段と、燃料供給装置から供給する燃料に対
する水供給装置から供給する水の比率を可変に調整する
水比率調整装置と、乳化剤、燃料および水からエマルシ
ョン燃料を作り出し、このエマルション燃料を燃料噴射
弁へ供給可能なミキサと、負荷量検出手段で検出したア
クセル・ペダル踏み込み相当量に応じて燃料に対する水
比率を決定するとともに、負荷量検出手段で検出したア
クセル・ペダル踏み込み相当量に応じて燃料に対する水
比率を決定するとともに、アクセル・ペダル踏み込み相
当量がアクセル・ペダルの実質最高踏み込み状態に相当
する所定値以上にあるときは、アクセル・ペダル踏み込
み相当量が所定値より小さいときに比べて前記燃料に対
する水比率を低下させるように水比率を決定し水比率調
整装置を制御する水比率決定手段と、を備えたことを特
徴とする。

【０００８】請求項２に記載の本発明は、上記アクセル
・ペダルの実質最高踏み込み状態における燃料に対する
水比率の低下を、水が実質ゼロとなる比率まで低下させ
るようにしたことを特徴とする。

【０００９】請求項３に記載の本発明は、上記水比率決
定手段が、アクセル・ペダル踏み込み速度を検出し、ア
クセル・ペダル踏み込み速度が所定速度以上の大きさと
なるときは、所定値をより小さい値へ変更するようにし
たことを特徴とする。

【００１０】請求項４に記載の本発明は、上記水比率決
定手段が、アクセル・ペダル踏み込み相当量が所定値以
上、あるいはアクセル・ペダル踏み込み速度が所定速度
以上となったことが検出された後、所定期間内にアクセ
ル・ペダルの踏み込み相当量が所定量以上減少方向に戻
されないときには燃料に対する水比率を減少させるよう
に決定するものの、所定期間内にアクセル・ペダルの踏
み込み相当量が所定量以上減少方向に戻されたときには
燃料に対する水比率の減少を実行しないようにしたこと
を特徴とする。

【００１１】請求項５に記載の本発明は、上記アクセル
・ペダル踏み込み相当量を、燃料噴射弁に供給する燃料
の流量に応じた値、あるいはこの供給流量と燃料噴射弁
から排出される戻り燃料の流量との流量差に応じた値に
対応させたことを特徴とする。

【００１２】請求項６に記載の本発明は、上記アクセル
・ペダルの踏み込み相当量が所定値以上か否かの検出
を、キックダウン・スイッチを利用するようにしたこと
を特徴とする。このキックダウン・スイッチは、たとえ
ば、アクセル・ペダルにより切り替えられ、アクセル・
ペダル踏み込み量が所定値以上でオン、所定値未満でオ
フとなるスイッチである。

【００１３】請求項７に記載の本発明は、上記水比率決
定手段を、燃料に対する水比率の減少制御を実行中に、
アクセル・ペダル踏み込み相当量が設定値より小さくな
ったら燃料に対する水比率の減少制御を中止するように
したことを特徴とする。

【００１４】請求項８に記載の本発明は、上記設定値
を、上記所定値と異ならせ、燃料に対する水比率の減少
制御の開始を決定するアクセル・ペダル踏み込み相当量
と燃料に対する水比率の減少制御の終了を決定するアク
セル・ペダル踏み込み相当量との間に、ヒステリシスを
設定したことを特徴とする。

【００１５】請求項９に記載の本発明は、上記水比率決
定手段を、所定値より小さいアクセル・ペダルの踏み込
み相当量域にあっては、アクセル・ペダル踏み込み相当
量が増加するに伴って燃料に対する水比率も増加するよ
うにしたことを特徴とする。

【００１６】請求項１０に記載の本発明は、上記水比率
決定手段を、ディーゼル・エンジンの始動時から所定経
過時間、あるいはエンジン冷却水温度、リターン通路中
の戻り燃料の温度、変速機の油温度のうちのいずれかの
温度が所定温度に達するまでの期間中は燃料に対する水
比率を実質的にゼロとするようにしたことを特徴とす
る。

【００１７】請求項１１に記載の本発明は、上記水比率
決定手段を、ディーゼル・エンジンの停止信号を検出し
てから設定時間経過まで水比率を実質的にゼロとするよ
うにしたことを特徴とする。

【００１８】

【発明の作用・効果】請求項１に記載の本発明では、デ
ィーゼル・エンジンの通常の稼働中は、負荷量検出手段
によりアクセル・ペダル踏み込み相当量を検出し、この
量に応じて水比率決定手段がエンジンの燃料噴射弁に供
給する燃料に対する水の比率を決定する。水比率調整装
置は、上記で決定された水比率にしたがって燃料供給装
置からの燃料と水供給装置からの水との量および比率を
調整し、また乳化剤供給装置からの乳化剤を加えてミキ
サへ供給する。これらをミキサが混合してエマルション
燃料を作り出す。なお、この場合、エマルション燃料
は、油中水滴型（Ｗ／Ｏ型）とするのが望ましい。

【００１９】このエマルション燃料は、燃料噴射弁から
エンジンの燃焼室へ供給・燃焼される。水の存在により
燃焼室の最高燃焼温度が抑えられ、エンジン燃焼室内に
おける窒素酸化物の生成量が大きく減少する。この水比
率制御中における上記水比率の決定にあっては、アクセ
ル・ペダル踏み込み相当量が所定値より小さい踏み込み
域、すなわち実質最高踏み込み域に達しない域にあると
きは、負荷量検出手段で検出したアクセル・ペダル踏み
込み相当量に応じて、水比率決定手段がその水比率を決
定して水を供給するので、エンジンの幅広い負荷範囲で
常に最適な水比率制御が実行され、窒素酸化物を主とし
た排気の浄化が実行される。

【００２０】一方、アクセル・ペダル踏み込み相当量が
所定値以上踏み込み域（実質最高踏み込み域）に入った
ら、燃料に対する水比率を減少して、エンジンで発生す
るトルクの増大を図り動力性能を確保する。この場合、
一時的に排気浄化性能が悪化するが、この実質最高踏み
込み域での運転は急勾配での登坂時や急追い越し時など
であるから、その走行時間が短く、窒素酸化物の総排出
量はさほど多くはならない。これにより、ドライバー
は、安心して急勾配での登坂や急追い越しを実行するこ
とができるようになる。

【００２１】請求項２に記載の本発明では、実質最高踏
み込み域には水比率がゼロになるまで低下するようにし
たので、トルクを最大限得ることができ、確実かつ安心
して急勾配の登坂や急追い越しを実行することが可能と
なる。

【００２２】請求項３に記載の本発明では、水比率決定
手段により、アクセル・ペダル踏み込み速度が所定速度
以上の大きさとなるときは所定値をより小さい値へ変更
するようにしたので、急加速をドライバーが望んでアク
セル・ペダルの急踏み込みを実行したときに、通常の緩
踏み込み速度より早い段階で水比率減少制御に切り替わ
り、レスポンスよく強力なトルクを得ることができる。

【００２３】請求項４に記載の本発明では、水比率決定
手段により、アクセル・ペダル踏み込み相当量が所定値
以上、あるいはアクセル・ペダル踏み込み速度が所定速
度以上となったことが検出された後、所定期間内にアク
セル・ペダルの踏み込み相当量が所定量以上減少方向に
戻されないときには強力なトルクをドライバーが望んで
いるものとして燃料に対する水比率を減少させるように
決定する。この結果、ドライバーの要求どおり強力なト
ルクを得ることができる。

【００２４】一方、上記検出後、所定期間内にアクセル
・ペダルの踏み込み相当量が所定量以上減少方向に戻さ
れたときは、いわゆる「アクセル・ペダルのちょい踏
み」でありドライバーが強力なトルクを望んだものでは
ないとして、燃料に対する水比率の減少の制御を実行し
ないようにする。これにより、無駄なエンジンのトルク
・アップを防止し、かつ排気浄化性能を低下させること
もなくなる。したがって、幅広いエンジン負荷領域にあ
っても、ドライバーの意思（急加速や急勾配の登坂で強
力なトルクが欲しい）をよりきめ細やかに捉え、実行す
ることが可能となる。

【００２５】請求項５に記載の本発明では、アクセル・
ペダル踏み込み相当量を、燃料噴射弁に供給する燃料の
流量に応じた値、あるいはこの供給流量と燃料噴射弁か
ら排出される戻り燃料の流量との流量差に応じた値に対
応させるようにする。すなわち、これらの流量あるいは
流量差が大きくなれば水比率も多くするといった制御を
実行する。この結果、排気浄化装置が付いていないある
いは不十分な既に販売され使用されている各社の車に本
発明の排気浄化装置を装着するときなどに、各社で種々
異なるアクセル開度センサからの信号にその都度対応す
るソフトウェアやハードウェアに費やす工数・費用が不
要となる。

【００２６】請求項６に記載の本発明では、オン・オフ
式のキックダウン・スイッチを利用してアクセル・ペダ
ルの踏み込み相当量が所定値以上か否かを検出するよう
にする。このキックダウン・スイッチは、アクセル開度
センサの信号と異なり、オン・オフ信号であるから、各
社で異なるアクセル・ペダル開度信号を考慮することな
く、本排気浄化装置に取り込むことができる。したがっ
て、安価・簡単な機構で容易にドライバーの強力なトル
ク要望意思を検出することが可能となる。なお、キック
ダウン・スイッチは、オートマティック・トランスミッ
ション用のキックダウン・スイッチをそのまま流用すれ
ば良いが、マニュアル・トランスミッション搭載車の場
合は、別途追加装着すれば良くこの場合でもオン・オフ
式スイッチであることからコスト・アップは小さい。

【００２７】請求項７に記載の本発明では、水比率決定
手段が、燃料に対する水比率の減少制御を実行中に、ア
クセル・ペダル踏み込み相当量が設定値より小さくなっ
たら燃料に対する水比率の減少制御を中止するようにし
たので、ドライバーが急加速や急勾配の登坂を終えたと
判断してアクセル・ペダルを戻すのを確実に検出するこ
とができる。これにより、強力なトルク発生を停止して
最適な時期にまた確実に通常の走行へ戻って、排気浄化
を促進することが可能となる。

【００２８】請求項８に記載の本発明では、設定値と所
定値と異ならせることにより、燃料に対する水比率の減
少制御の開始とその終了とを決定する各アクセル・ペダ
ル踏み込み相当量の間にヒステリシスを設定したので、
アクセル・ペダルの踏み込み量が多少変動しても水比率
の減少制御がハンチングするといった問題がなくすこと
ができる。

【００２９】請求項９に記載の本発明では、水比率決定
手段が、所定値より小さい通常のアクセル・ペダルの踏
み込み相当量域にあっては、アクセル・ペダル踏み込み
相当量が増加するに伴って燃料に対する水比率も増加す
るようにしたので、エンジンの負荷状態が幅広く変化す
る通常のエンジン稼働域で常に最適な水比率とすること
ができ、高い排気浄化性能を保つことが可能となる。

【００３０】請求項１０に記載の本発明では、水比率決
定手段が、ディーゼル・エンジンの始動時から所定経過
時間、あるいはエンジン冷却水温度、リターン通路中の
戻り燃料の温度、変速機の油温度のうちのいずれかの温
度が所定温度に達するまでの期間中は燃料に対する水比
率を実質的にゼロとするようにしたので、エンジン始動
時にエンジンの回転動作が不安定となりがちになるのを
防止することができる。

【００３１】請求項１１に記載の本発明では、水比率決
定手段が、ディーゼル・エンジンの停止信号を検出して
から設定時間経過まで水比率を実質的にゼロとするよう
に制御するようにしたので、エンジンの停止操作を実行
してから設定時間が経過するまで、水無しの燃料をエン
ジンで燃焼し、排気中の水の発生量を抑えるとともに排
気系部品に付着していた水をその高温の排気で蒸発させ
ることが可能となる。したがって、排気系部品にさびが
発生するのを抑止することができる。

【００３２】

【実施態様】次に、本発明のディーゼル・エンジンの排
気浄化装置の実施形態につき説明する。まず、ディーゼ
ル・エンジンの排気浄化装置を備えたパワー・トレイン
は、図１に示すように、燃料、水、乳化剤をそれぞれ混
合してＮＯｘの生成を抑制するためのエマルション燃料
を作り出す燃料供給システム１と、この燃料供給システ
ム１から供給され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のうち特に煤を浄
化する後部排気浄化装置３とを有する。

【００３３】以下、これらにつき、より詳細に説明して
いく。まず、燃料供給システム１は、燃料としての軽油
を蓄える軽油タンク（燃料供給装置）４、燃料に加える
水を蓄える水タンク（水供給装置）５、および燃料と水
をエマルション化するための乳化剤を蓄える乳化剤カー
トリッジ（乳化剤供給装置）６を備える。軽油タンク
４、水タンク５、およ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する燃料ポンプ７、水ポンプ
８、乳化剤ポンプ９が接続され、それぞれ軽油、水、乳
化剤を吸引可能である。これらのポンプ７〜９の駆動
は、マイクロ・コンピュータを主の構成要素とするエマ
ルション・コントローラ（水比率決定手段）１６により
各々独立して制御する。

【００３４】各ポンプの吐出口は、それぞれ流量可変制
御バルブ（水比率調整装置）１１〜１３の入口に接続す
る。これらの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によりそれぞれの流路面積の
大きさを後述するように走行状態に応じ独立して制御す
る。これらの流量可変通路１１〜１３で流量が調整され
た燃料、水、および乳化剤は、静止型ミキサ１５へ流入
されてここで細分化・攪拌され、エマルション燃料とな
る。このときのエマルション燃料の噴射ポンプ２３への
供給流量は、供給流量センサ２０でモニターされ、エマ
ルション・コントローラ１６へ送られることで、最適な
エマルション燃料を作り出すのにフィードバックされ
る。

【００３５】なお、静止型ミキサ１５により作り出すエ
マルション燃料は、油中水滴型（Ｗ／Ｏ型）とする。こ
のため、乳化剤は、親水性と親油性の釣り合いを表すＨ
ＬＢを６程度とする。また、その供給量をたとえば燃料
と水との質量の１．２％程度（体積では１．５％程度）
とする。そして、水比率は、基本的には、エンジン負
荷、すなわちアクセル・ペダルの踏み込み量（アクセル
開度に相当）をベースにして以下のように決定する。

【００３６】すなわち、平坦路を走行する通常走行時に
あって、アクセル・ペダル踏み込み量が小さい範囲では
軽油：水がたとえばほぼ９５：５とし、アクセル・ペダ
ル踏み込み量が大きい範囲では軽油：水がたとえばほぼ
８０：２０となるように、エンジン負荷が大きくなるほ
ど水比率が高まるように水比率を制御する。なお、エン
ジンの種類や燃焼条件によっては、上記のように最大水
比率を８０：２０程度までに限定することなく、たとえ
ば７０：３０程度まで水を増やすことも実用上可能であ
る。しかし、自動車にあっては、船舶やボイラーの場合
のように５０：５０といった大きさまで水比率を高める
のは実用的でない。

【００３７】静止型ミキサ１５の出口は、燃料供給路４
５を介して噴射ポンプ２３の入口に接続する。この燃料
供給路４５中には、供給流量センサ２０を設け、このセ
ンサにより静止型ミキサ１５から噴射ポンプ２３へ供給
されるエマルション燃料の流量を絶えず検出する。この
流量信号は、エマルション・コントローラ１６へ送られ
る。

【００３８】燃料噴射ポンプ２３の出口は、燃料噴射弁
２２の供給口に接続する。燃料噴射ポンプ２３は、エン
ジン・コントロール・ユニット３８によりをコントロー
ルされ、上記エマルション燃料の燃料噴射弁２２から燃
焼室４１への噴射量、噴射時期を決定する。一方、燃料
噴射弁２２の排出口は、リターン通路４６を介してリタ
ーン・リザーバ３１に接続する。リターン通路４６中に
は、戻り燃料の流量を検出するリターン流量センサ２１
を設け、戻り燃料に関する流量信号をエマルション・コ
ントローラ１６へ送る。

【００３９】リターン・リザーバ３１は、燃料噴射弁２
２の排出口からドレインされたエマルション燃料を蓄
え、この戻り燃料を再度、ミキサ１５等を介して燃料噴
射弁２２へ供給可能にする。すなわち、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１
０の吸込口を接続し、リターンポンプ１０がリターン・
リザーバ３１内の戻り燃料を吸い出し可能である。リタ
ーンポンプ１０の吐出口は、流量可変制御バルブ１４を
介して静止型ミキサ１５の入口へ接続する。

【００４０】この場合、リターン・リザーバ３１内の戻
り燃料は、再度、静止型ミキサ１５の入口へ戻すことが
可能となっているが、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を一緒に静止型ミキサ１５
に供給可能とすることにより、静止型ミキサ１５の出口
における水比率を所望の値にするようにしている。な
お、ここではこの戻り燃料の再利用にあっては、戻り燃
料の使用を、新しく混合生成する燃料、水、乳化剤によ
るエマルション燃料の供給よりも基本的に優先するよう
にする。この結果、高速巡航を続けるときなど水比率が
実質的に変化しない場合は、戻り燃料だけを静止型ミキ
サ１５に供給すれば良い。

【００４１】この戻り燃料の再利用のため、リターン・
リザーバ３１には、この内部に蓄積された戻り燃料の水
比率を測定する水比率検出センサ３２を設けて、ここで
の検出信号をエマルション・コントローラ１６へ入力す
る。なお、この水比率検出センサ３２による水比率の測
定は、液比重測定や、液の視覚的濃さの光学的測定など
を利用して行う。この場合、エマルション・コントロー
ラ１６は、戻り燃料の水比率の情報および戻り燃料の再
供給量を考慮して、戻り燃料の量、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、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。

【００４２】一方、リターン・リザーバ３１には、この
内部の戻り燃料を撹拌可能な撹拌器４４を取り付ける。
この撹拌器４４の駆動は、エマルション・コントローラ
１６により制御され、所定の条件（たとえば所定の時間
ごとや、エンジン始動時など）で実施されてエマルショ
ン燃料が燃料と水に分離するのを防ぐようにする。この
場合、エンジン始動時などのように、リターン・リザー
バ３１内の戻り燃料が十分撹拌され、エマルション燃料
が安定化するまでは、ポンプ１０を停止し、かつ流量可
変制御バルブ１４を閉じたままとして、軽油タンク４、
水タンク５、乳化剤カートリッジ６から燃料、水、乳化
剤を供給して新しいエマルション燃料を作るようにす
る。

【００４３】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を設けて、各残量信号を
エマルション・コントローラ１６に送ることにより、エ
マルション・コントローラ１６が警報灯により残量警告
を発したり、残量が所定量以下になった後の燃料噴射弁
２２へ供給するエマルション燃料の目標水比率を変更し
たりする。

【００４４】なお、燃料噴射弁２２は、シリンダヘッド
４２に取り付けて、その噴射口をディーゼル・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４
１に臨ませ、この燃焼室にエマルション燃料を噴射可能
にしている。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を設け、それぞれ吸気バルブ２９と排気バルブ３０
とが燃焼室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に設けた冷却水通路には、
この水温を検出する冷却水温度センサ２６を設け、ここ
で検出した冷却水温度信号をエマルション・コントロー
ラ１６へ送る。

【００４５】エンジン・コントロール・ユニット３８
は、アクセル開度センサ（負荷量検出手段）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、エンジン回転数信号等が入力され、ディーゼル・エ
ンジンの運転に必要な噴射量、噴射時期等を決定する。
なお、エンジン・コントロール・ユニット３８からエマ
ルション・コントローラ１６へは、アクセル開度信号、
要求燃料情報信号（噴射量、噴射時期等に関する信号）
へ入力される。

【００４６】後部排気浄化装置３は、ディーゼル・パー
ティキュレート・フィルタ（ＤＰＦ）３４を中心に構成
し、このＤＰＦ３４をディーゼル・エンジンの排出ポー
ト２８にエクゾーストパイプを介して接続する。また、
排気ポート２８には燃焼温度センサ３５を設けて、ディ
ーゼル・エンジンから排出された排気ガスの温度を検出
し、この温度信号をエマルション・コントローラ１６へ
送る。

【００４７】上記ＤＰＦ３４は、上流側に煤を捕捉する
フィルタを備えた酸化触媒反応室３４ａ（酸化室）を、
下流側に灰分蓄積室３４ｂをそれぞれ有する。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（いわゆるＰＭで、主に炭素などの煤）を酸化
する酸化触媒を設け、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
御する。一方、酸化触媒反応室３４ａは、この室内温度
を検出する反応室温度センサ３６を有し、このセンサ３
６により検出した反応室温度信号をプレヒータ・コント
ローラ３７とエマルション・コントローラ１６へ送る。

【００４８】次に、上記構成になる第１の実施例による
ディーゼル・エンジンの排気浄化装置の作用につき、説
明する。まず、エンジンを始動には、スタータ・スイッ
チをオンにして図外のスタータを回転し、ディーゼル・
エンジンに回転力を与える。このエンジン始動に伴っ
て、エマルション・コントローラ１６は、スタータ・ス
イッチのオン作動を検出することによりエンジン始動時
であると判断する。また、エマルション・コントローラ
１６は、反応室温度センサ３６から酸化触媒反温度信
号、燃焼温度センサ３５から排気ガス温度信号、供給流
量センサ２０からエマルション燃料の流量信号、リター
ン流量センサ２１から戻り燃料の流量信号、各残量セン
サ１７、１８、１９、３３から残量信号等を受け取り、
最適な水比率のエマルション燃料の生成・供給を開始可
能な状態とする。

【００４９】図２および図３の制御フローチャートに示
すように、スタータ・スイッチのオン作動などに伴うエ
マルション・コントローラ１６への電源投入により、ス
テップ１でエマルション・コントローラ１６が内部のメ
モリを初期化し、ステップ２でエンジン始動信号の読み
込みを行い、エンジンが始動されたことを確認したとき
は、ステップ３に進んでエンジン始動時からタイマで計
時を開始する。なお、このフローチャートでは省略して
いるが、ステップ２でエンジンの始動を確認できないと
きは、ステップ３に進むことなく、エンジン始動を確認
し続ける。

【００５０】次いで、ステップ４でアクセル開度センサ
３９からアクセル・ペダルの踏み込み量を読み込み、供
給すべき燃料量のコントロールに利用する。ステップ５
で冷却水温度センサ２６からエンジン冷却水温度を読み
込む。続くステップ６で、読み込んだ冷却水温度に対応
し始動時制御に必要な所定経過時間を、予め実験結果等
に基づき作成した冷却水温度〜所定経過時間のマップか
ら読み出す。

【００５１】ステップ７で水比率の始動時制御を開始す
る。すなわち、このエンジン始動時には、エマルション
・コントローラ１６が、水タンク５用、乳化剤カートリ
ッジ６用、およびリターン・リザーバ３１用の各流量可
変制御バルブ１２、１３、１４を閉じ、軽油タンク４用
の流量可変制御バルブ１１のみをアクセル・ペダル踏み
込み量に応じた分（通常は、アイドル運転相当分）の流
路面積の大きさに開いて燃料ポンプ７のみを駆動し、そ
の他のポンプ８〜１０は停止したままにしている。

【００５２】したがって、エンジン始動時にあっては、
流量可変制御バルブ１１から静止型ミキサ１５を経て軽
油だけ（したがって、水比率０％の燃料）の燃料が、噴
射ポンプ２３へ送られる。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、上記１
００％の軽油を燃料噴射弁２２から最適な噴射量で噴射
時期に最適な噴射期間だけ、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内へ噴射弁２２か
ら噴射させる。吸気弁２９、排気弁３０が吸気ポート２
７、排気ポート２８を閉じた状態のシリンダ２５内をピ
ストン２４が上昇すると、空気に圧縮熱が発生し、噴射
された軽油へ着火する。この燃焼によるガス膨張は、ピ
ストン２４を押し下げ、エンジンを回転駆動する。

【００５３】始動時は、燃料が１００％軽油であり水が
入っていないので、通常のディーゼル・エンジンと同様
に容易に始動することが可能となる。このとき、酸化窒
素化合物（ＮＯｘ）の発生については、積極的な対策は
できないものの、エンジンは冷えており、またアイドル
運転状態にあることから、エンジンから排出される排気
ガス中のＮＯｘの発生量は少ない。

【００５４】一方、このとき煤などのＰＭは増大する
が、多量に発生したＰＭは、ＤＰＦ３４で捕捉して燃焼
することで対処可能である。すなわち、エンジン始動時
は、ＤＰＦ３４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３７は、電気ヒータ４３を急速に加熱するほ
か、軽油１００％の燃焼となることで、排気ガスの温度
を高め、できるだけ早くＤＰＦ３４を温めて、エンジン
から排出されたＰＭをＤＰＦ３４の酸化触媒反応室３４
ａで酸化し、排気ガスを浄化する。

【００５５】また、エンジン始動とともに、リターン・
リザーバ３１に設けた撹拌器４４を回転駆動させること
で、それまで長時間エンジン停止していてリターン・リ
ザーバ３１内のエマルション燃料が燃料と水に分離して
いたとしても、再度攪拌することでエマルション化を促
進し、この戻りエマルション燃料を直ちにエンジンへの
供給燃料として利用できるようにする。

【００５６】次のステップ８に進むと、上記計時時間が
所定経過時間となったか否かを判定し、まだ所定経過時
間に達していなければステップ３に戻って始動時制御を
継続し、所定経過時間に達したらステップ９へ進み、水
無しの始動制御を停止して通常の水比率制御を開始す
る。ステップ１０で、再度アクセル・ペダル踏み込み量
信号を読み込む。ステップ１１では、読み込んだアクセ
ル・ペダル踏み込み量が所定踏み込み量（所定値であ
り、ここではキックダウン相当開度に設定する）以上で
あるか否かを判定する。

【００５７】所定踏み込み量未満であればトルク不足で
はないと判断してステップ１２に進み、アクセル・ペダ
ル踏み込み量が増大するほど水比率が多くなるように設
定したアクセル・ペダル踏み込み量〜水比率のマップを
参照し、ステップ１０で読み込んだアクセル・ペダル踏
み込み量に応じた水比率となるようなエマルション燃料
を作り出し、通常の水比率制御を実行する。

【００５８】この際、エマルション・コントローラ１６
は、燃料タンク４用、水タンク５用、乳化剤カートリッ
ジ６用、およびリターン・リザーバ３１用の各ポンプ
７、８、９、１０を駆動させるとともに、各流量可変制
御バルブ１１、１２、１３、１４の流路面積が、アクセ
ル・ペダル踏み込み量に応じて決定された最適な水比率
となる割合で開くようにし、軽油、水、乳化剤を静止型
ミキサ１５へ供給するように制御する。この結果、燃料
噴射弁２２へはアクセル・ペダル踏み込み量に応じた最
適な水比率のエマルション燃料が供給され、排気浄化性
能（特にＮＯｘの低減）と動力性能の両立が可能とな
る。

【００５９】ここで、上記アクセル・ペダル踏み込み量
〜水比率のマップとしては、軽油：水がたとえば、アク
セル・ペダル踏み込み量が小さい範囲では９５：５、ア
クセル・ペダル踏み込み量が中程度の範囲では８５：１
５、アクセル・ペダル踏み込み量が大きい範囲では８
０：２０と、なるようにする。このステップ１２の終了
後、ステップ１０に戻り、新たにアクセル・ペダル踏み
込み量を読み込む。

【００６０】一方、読み込んだアクセル・ペダル踏み込
み相当量が所定値以上のときはトルク不足であると判定
してステップ１３へ進み、上記通常走行時における水比
率よりも小さく水比率（ここでは、水比率をたとえば０
％に設定する）にした水比率減少制御を実行する。この
結果、動力性能（この場合にはトルクの大きさ）が向上
し、急勾配の登坂や急追い越しにあってもトルク不足に
陥ることない走行が可能となる。

【００６１】なお、この水比率減少制御時にあっては、
負荷大となっているので、エンジン回転速度も上昇を抑
えられるので、通常走行時に比べＰＭは増すものの、Ｎ
Ｏｘは減少する。一方、増加するＰＭは、ＤＰＦ３４で
捕捉し、ここで燃焼する。また、このようなトルク不足
の期間は短期間であるのがほとんどであるから、この点
からも排気浄化性能の低下は走行全体からみて小さいと
言える。

【００６２】続いて、ステップ１４でアクセル・ペダル
の踏み込み相当量を新たに読み込む。ステップ１５で
は、アクセル・ペダル踏み込み量が設定値以上か否かを
判断する。ここで、設定値は、上記所定値より小さい値
に設定してあり、急加速時や急勾配の登坂時に要求され
る強力なトルクがもはや不要としてドライバーがアクセ
ル・ペダルを戻すアクセル・ペダル踏み込み相当量の大
きさにする。

【００６３】ステップ１５でアクセル・ペダル踏み込み
量が設定値以上と判断したら、まだ強力なトルクが必要
であるとしてステップ１３へ戻り水比率減少制御を継続
する。一方、アクセル・ペダル踏み込み量が設定値未満
になったと判断したら、強力なトルクはもはや不要であ
るとしてステップ１６で水比率減少制御を停止した後、
ステップ１２へ進み通常の水比率制御に戻る。

【００６４】次に、エンジン停止時にあっては、上記制
御フローチャートには記載していないが、エマルション
・コントローラ１６は、エンジン停止信号を受け取った
ら、この時点から設定時間、水無し、すなわち軽油１０
０％の燃料に切り換えて運転することにより、エンジ
ン、排気系部品に水が残り腐食するのを防止するように
している。

【００６５】なお、排気ガス中のＰＭは、ＤＰＦ３４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、排気ガス中の炭
水化物（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。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。

【００６６】反応室温度センサ３６で検出した酸化反応
室温度に関する情報信号が、エマルション・コントロー
ラ１６に入力され、酸化反応室温度が異常に上昇し内部
のフィルタや触媒等が破損する虞がある場合は、エマル
ション・コントローラ１６が水比率を基本水比率より増
やし排気ガス温度を低下させるようにする。また逆に、
ＤＰＦ３４内部の温度を急激に上げて酸化促進したいと
きは、水比率を基本水比率より減少するようにする。

【００６７】以上のように、上記実施例におけるディー
ゼル・エンジンの排気浄化装置では、アクセル・ペダル
の踏み込み量の大きさに応じて水比率を制御することに
よりエンジンの幅広い稼働範囲で常にＮＯｘの発生を減
らして排気浄化性能を高めながら、必要な動力性能を確
保できる。そして、急勾配での登坂時や急加速時には、
ドライバーがアクセル・ペダルを所定値（キックダウン
相当）まで踏み込めば、上記通常の水比率制御から、こ
れより水比率を低減（たとえば水比率０％）させた水比
率低減制御に切り替えるようにしたので、強力なトルク
を確保でき急勾配での登坂や急加速が可能となり安心し
て走行することができる。この場合、ＮＯｘは若干増え
るもののエンジン回転数が抑えられること、かつその期
間も短いので、その総量はたいしたものではない。

【００６８】なお、このとき大量に発生する煤等のＰＣ
は、ＤＰＦ３４で浄化することが可能である。また、エ
ンジン始動時に水無し制御とし、この制御期間を冷却水
温度に基づき設定するようにしたので、エンジンを確実
に始動し暖機するまでエンジンを安定稼働させることが
可能となる。エンジン停止時は、同様に水無し制御とす
ることにより、エンジンや排気系部品に水が残りにくく
したので、これら部品に錆が発生するのを防止できる。

【００６９】なお、本発明は、上記実施例に限られず、
以下の変形例あるいは修正例を用いることも可能であ
る。上記各実施例では、アクセル・ペダル踏み込み相当
量をアクセル開度センサ３９で検出したが、これに代え
て供給流量センサ２０で検出したエマルション燃料の供
給流量あるいは、この供給流量からリターン流量センサ
２１で検出した戻り燃料流量を引いた流量差を用いても
よく、これらの値でトルク不足の判定、水比率の決定を
行うことができる。この場合、図１の実施例のように、
エンジン・コントロール・ユニット３８側から情報信号
を受け取る必要がなく、各社、各車両でエンジン・コン
トロール・ユニットや情報信号の授受方式が異なってい
ても、これらを知ることなく適用できるといったメリッ
トがある。

【００７０】また、上記実施例では、アクセル・ペダル
の踏み込み相当量が所定値以上となるときのみ、急加速
時や急勾配での登坂時等にあって強力なトルクが必要な
状況にあるとして水比率低減制御に切り替えるようにし
ているが、アクセル・ペダルの踏み込み速度が所定速度
以上の場合に上記所定値の大きさを低減するようにすれ
ば、ドライバーが加速を要求している意思をより確実に
把握できる。

【００７１】さらに、水比率決定手段により、アクセル
・ペダル踏み込み相当量が所定値以上、あるいはアクセ
ル・ペダル踏み込み速度が所定速度以上となったことが
検出された後、所定期間内にアクセル・ペダルの踏み込
み相当量が所定量以上減少方向に戻されないときには強
力なトルクをドライバーが望んでいるものとして燃料に
対する水比率を減少させるように決定し、これとは反対
に上記検出後、所定期間内にアクセル・ペダルの踏み込
み相当量が所定量以上減少方向に戻されたときは、いわ
ゆる「アクセル・ペダルのちょい踏み」でありドライバ
ーが強力なトルクを望んだものではないとして、燃料に
対する水比率の減少の制御を実行しないようにしても良
い。

【００７２】このようにすれば、ドライバーが真に強力
なトルクを望むときだけ、ドライバーの要求どおり強力
なトルクを得ることができる。一方、いわゆるアクセル
・ペダルのちょい踏みでドライバーが強力なトルクを真
に望んだものではないときは、水比率の減少制御を実行
しないようにして、無駄なエンジンのトルク・アップを
防止し、かつ排気浄化性能を低下させることもなくな
る。

【００７３】なお、上記実施例における水ポンプ８ある
いは／かつ乳化剤ポンプ９は、必須のものではなく、水
や乳化剤を静止ミキサ１５へ流れ込む燃料中へ吸引させ
るようにすることも可能である。また、乳化剤は、上記
実施例のように燃料タンクと別体の乳化剤カートリッジ
に蓄えておくのではなく、燃料タンクに予め燃料に混ぜ
て入れておくようにしても良い。この場合、乳化剤供給
装置は、実質的に燃料供給装置が担うことになる。

【００７４】一方、ＤＰＦ３４での煤等のＰＭの酸化燃
焼は、エンジン始動時とともに即実行する必要はなく、
ＰＭをＤＰＦ３４のフィルタで捕捉しておき、フィルタ
の目詰まりが所定以上になった時点あるいは離散させた
定期時間ごとに電気ヒータ４３を発熱させるようにして
も良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係るディーゼル・エン
ジンの排気浄化装置を含むパワー・トレイン全体を示す
図である。

【図２】図１のディーゼル・エンジンの排気浄化装置に
おいて水比率調整を制御するための制御フローチャート
の前半部である。

【図３】図２の制御フローチャートの後半部である。

【符号の説明】

２ディーゼル・エンジン４軽油タンク５水タンク６乳化剤カートリッジ１１燃料用流量可変制御バルブ１２水用流量可変制御バルブ１３乳化剤用流量可変制御バルブ１５静止型ミキサ１６エマルション・コントローラ２０供給流量センサ２１リターン流量センサ２２燃料噴射弁３４ＤＰＦ３９アクセル開度センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｆ０２Ｍ 25/02 ＰＴＦターム(参考） 3G092 AA02 AB03 AB12 AB16 AB17 BA03 BA04 BA07 BB01 BB05 BB20 DE06S DE10S DF03 DF09 DG09 EA01 EA02 EA11 EC01 EC02 FA01 FA04 FA05 FA06 GA03 GA06 GA12 HA11X HA11Z HB01X HB01Z HB05X HB05Z HE01Z HE06Z HF08Z HF09Z 3G301 HA02 HA24 JA02 JA04 KA09 LB11 LB13 LB17 LC10 MA11 NA08 NB12 NB20 NE01 NE04 NE18 PA17Z PE01Z PF03Z PF04Z

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ディーゼル・エンジンの燃焼室へ燃料を
噴射する燃料噴射弁と、燃料を供給可能な燃料供給装置と、水を供給可能な水供給装置と、乳化剤を供給可能な乳化剤供給装置と、アクセル・ペダル踏み込み相当量を検出可能な負荷量検
出手段と、前記燃料供給装置から供給する燃料に対する前記水供給
装置から供給する水の比率を可変に調整する水比率調整
装置と、前記乳化剤、前記燃料および前記水とからエマルション
燃料を作り出し、該エマルション燃料を前記燃料噴射弁
へ供給可能なミキサと、前記負荷量検出手段で検出した前記アクセル・ペダル踏
み込み相当量に応じて前記燃料に対する水比率を決定す
るとともに、前記アクセル・ペダル踏み込み相当量がア
クセル・ペダルの実質最高踏み込み状態に相当する所定
値以上にあるときは、前記アクセル・ペダル踏み込み相
当量が前記所定値より小さいときに比べて前記燃料に対
する水比率を低下させるように該水比率を決定し前記水
比率調整装置を制御する水比率決定手段と、を備えたこ
とを特徴とするディーゼル・エンジンの排気浄化装置。
【請求項２】前記アクセル・ペダルの実質最高踏み込
み状態における燃料に対する水比率を低下は、水が実質
ゼロとなる比率まで低下させることを特徴とする請求項
１に記載のディーゼル・エンジンの排気浄化装置。
【請求項３】前記水比率決定手段は、アクセル・ペダ
ル踏み込み速度を検出し、該アクセル・ペダル踏み込み
速度が所定速度以上の大きさとなるときは、前記所定値
をより小さい値へ変更することを特徴とする請求項２に
記載のディーゼル・エンジンの排気浄化装置。
【請求項４】前記水比率決定手段は、前記アクセル・
ペダル踏み込み相当量が所定値以上、あるいはアクセル
・ペダル踏み込み速度が前記所定速度以上となったこと
が検出された後、所定期間内に前記アクセル・ペダルの
踏み込み相当量が所定量以上減少方向に戻されないとき
には前記燃料に対する水比率を減少させるように決定す
るものの、前記所定期間内に前記アクセル・ペダルの踏
み込み相当量が所定量以上減少方向に戻されたときには
前記燃料に対する水比率の減少を実行しないようにした
ことを特徴とする請求項３に記載のディーゼル・エンジ
ンの排気浄化装置。
【請求項５】前記アクセル・ペダル踏み込み相当量
は、前記燃料噴射弁に供給する燃料の流量に応じた値、
あるいはこの供給流量と前記燃料噴射弁から排出される
戻り燃料の流量との流量差に応じた値に対応させたこと
を特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のディー
ゼル・エンジンの排気浄化装置。
【請求項６】前記アクセル・ペダルの踏み込み相当量
が前記所定値以上か否かの検出は、キックダウン・スイ
ッチを利用するようにしたことを特徴とする請求項１か
ら５のいずれかに記載のディーゼル・エンジンの排気浄
化装置。
【請求項７】前記水比率決定手段は、前記燃料に対す
る水比率の減少制御を実行中に、前記アクセル・ペダル
踏み込み相当量が設定値より小さくなったら前記燃料に
対する水比率の減少制御を中止するようにしたことを特
徴とする請求項１から６のいずれかに記載のディーゼル
・エンジンの排気浄化装置。
【請求項８】前記設定値は、前記所定値と異ならせ、
前記燃料に対する水比率の減少制御の開始を決定するア
クセル・ペダル踏み込み相当量と前記燃料に対する水比
率の減少制御の終了を決定するアクセル・ペダル踏み込
み相当量との間にヒステリシスを設定するようにしたこ
とを特徴とする請求項７に記載のディーゼル・エンジン
の排気浄化装置。
【請求項９】前記水比率決定手段は、前記所定値より
小さいアクセル・ペダルの踏み込み相当量域にあって
は、前記アクセル・ペダル踏み込み相当量が増加するに
伴って前記燃料に対する水比率も増加するようにしたこ
とを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のディ
ーゼル・エンジンの排気浄化装置。
【請求項１０】前記水比率決定手段は、ディーゼル・
エンジンの始動時から所定経過時間、あるいはエンジン
冷却水温度、前記リターン通路中の戻り燃料の温度、変
速機の油温度のうちのいずれかの温度が所定温度に達す
るまでの期間中は前記燃料に対する水比率を実質的にゼ
ロとすることを特徴とする請求項１から９のいずれかに
記載のディーゼル・エンジンの排気浄化装置。
【請求項１１】前記水比率決定手段は、ディーゼル・
エンジンの停止信号を検出してから設定時間経過まで水
比率を実質的にゼロとすることを特徴とする請求項１か
ら１０のいずれかに記載のディーゼル・エンジンの排気
浄化装置。