JP2019100292A - ディーゼルスチームエンジンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料の分離がなく、かつ燃料の使用量を減らして環境負荷を低下させる。【解決手段】本発明は、吸気マニホールド１１内に水Ｗを噴射可能な第一水噴射ノズル１６、およびシリンダ内１８の圧縮気体中に霧状の燃料Ｆを噴射可能な燃料噴射ノズル１５を含むディーゼルスチームエンジン１と、燃料噴射ノズル１５からの燃料Ｆの噴射を制御する燃料噴射制御手段５３と、第一水噴射ノズル１６からの水Ｗの噴射を制御する第一水噴射制御手段５４とを備え、第一水噴射制御手段５４は、吸気マニホールド１１内に第一水噴射ノズル５４から水Ｗを噴射させ、シリンダ内１８にて燃料Ｆの燃焼熱を利用して水蒸気爆発を発生させて付加動力を得るようにするディーゼルスチームエンジンシステム１００に関する。【選択図】図４

Description

本発明は、ディーゼルエンジン内の燃料の燃焼爆発の熱を利用して水蒸気爆発を起こして動力を得るディーゼルスチームエンジンシステムに関する。

ディーゼルエンジンは、主に軽油または重油を燃料として動力を得るタイプの内燃機関であり、例えば、自動車、自動二輪、船舶、鉄道車両の一部に搭載されている。ガソリンエンジンは、シリンダ内に、予めガソリン燃料を気化させた混合気を吸入させて圧縮後、プラグからの火花を用いて点火して爆発させることによってピストンの動力を得るエンジンであり、火花点火方式のエンジンである。これに対して、ディーゼルエンジンは、シリンダ内の圧縮加熱した空気に、霧状の軽油若しくは重油を噴射して着火することによりピストンの動力を得るエンジンであり、圧縮着火方式のエンジンである。

従来から、軽油等の純燃料に水を混合させたエマルジョン燃料を使ったディーゼルエンジンが知られている（例えば、特許文献１を参照）。特許文献１に開示されるディーゼルエンジンは、エマルジョン燃料を使用した際の問題、すなわち燃料分離の問題、始動性の悪さ、加速の悪さ等を補うべく、開発されたものである。当該ディーゼルエンジンは、純軽油と、純軽油＋水のエマルジョン燃料という２種類の燃料を用いて、運転状態に応じて配合比率を変えている。例えば、エンジンの始動時には純軽油を用い、加速時又は高負荷時には純軽油の配合比率を多くして高速応答性を実現し、定速運転時には１００％のエマルジョン燃料を用いて燃費向上を図っている。

特開２００１−６５４１１号公報

しかし、上記従来から公知のエマルジョン燃料を用いたディーゼルエンジンには、以下に説明するような問題がある。エマルジョン燃料は、経時的に水と軽油とが分離してしまうという致命的な問題を有する。エマルジョン燃料に界面活性剤を用いて水と軽油との親和性を高めることもできるが、それでも、長時間の経過に伴い、軽油の層と水の層に層分離する。このような分離は、エマルジョン燃料を販売するガススタンド側に、継続的な撹拌を強いることにもなり、管理コストや燃料貯蔵コストがアップするという問題を生じる。一方、燃料タンク内および燃料経路でもエマルジョン燃料の分離が生じる。例えば、インジェクタ、ポンプ、フィルタあるいは配管等で分離が生じると、エンジンの再始動が極めて困難になる。このため、ディーゼルエンジンの利用者はエマルジョン燃料を短時間で使い切る必要があり、非常に使いづらいことになる。

また、ディーゼルエンジンにおける軽油の熱量あたりの二酸化炭素量は、ガソリンエンジンの同二酸化炭素量より多い。また、ＮＯ_Ｘ量を比較しても、ディーゼルエンジンのＮＯ_Ｘ量はガソリンエンジンのそれより多い。このため、現状のディーゼルエンジンの環境負荷をさらに低減する要請がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、燃料の分離がなく、かつ燃料の使用量を減らして環境負荷を低下させることのできるディーゼルスチームエンジンシステムを提供することを目的とする。

（１）前記目的を達成するための一実施形態に係るディーゼルスチームエンジンシステムは、吸気マニホールド内に水を噴射可能な第一水噴射ノズル、およびシリンダ内の圧縮気体中に霧状の燃料を噴射可能な燃料噴射ノズルを含むディーゼルスチームエンジンと、燃料噴射ノズルからの燃料の噴射を制御する燃料噴射制御手段と、第一水噴射ノズルからの水の噴射を制御する第一水噴射制御手段とを備え、第一水噴射制御手段は、吸気マニホールド内に第一水噴射ノズルから水を噴射させ、シリンダ内にて燃料の燃焼熱を利用して水蒸気爆発を発生させて付加動力を得るようにしている。

（２）別の実施形態に係るディーゼルスチームエンジンシステムは、好ましくは、シリンダ内に水を噴射可能な第二水噴射ノズルと、第二水噴射ノズルからの水の噴射を制御する第二水噴射制御手段とをさらに備え、第一水噴射ノズルからの水の噴射時より低速回転の場合であって、燃料噴射ノズルからの燃料の噴射と同時若しくはその後に燃料が燃焼している時に、第二水噴射制御手段は、第二水噴射ノズルから水をシリンダ内に噴射させ、シリンダ内にて燃料の燃焼熱を利用して水蒸気爆発を発生させて付加動力を得るようにしている。

（３）別の実施形態に係るディーゼルスチームエンジンシステムでは、好ましくは、燃料噴射ノズルおよび第二水噴射ノズルを、噴射口を共通にした統合ノズル内に備える。

（４）別の実施形態に係るディーゼルスチームエンジンシステムは、好ましくは、ディーゼルスチームエンジンの始動と停止、トルクおよび回転数を少なくとも検出するエンジン稼働状態検出手段と、吸気温を検出する吸気温検出手段とをさらに備え、燃料噴射制御手段は、エンジン稼働状態検出手段によりディーゼルスチームエンジンの始動時または停止時であることを検出し、あるいは吸気温検出手段により第一所定気温より低い吸気温であることを検出する第一検出の際に、燃料噴射ノズルからの燃料の噴射を行い、第一水噴射制御手段および第二水噴射制御手段は、第一検出の際に、第一水噴射ノズルおよび第二水噴射ノズルから水を噴射しないようにしている。

（５）別の実施形態に係るディーゼルスチームエンジンシステムは、好ましくは、ディーゼルスチームエンジンの始動と停止、トルクおよび回転数を少なくとも検出するエンジン稼働状態検出手段と、吸気温を検出する吸気温検出手段とをさらに備え、燃料噴射制御手段は、エンジン稼働状態検出手段によりディーゼルスチームエンジンが第二所定トルクより低いトルク若しくは第二所定回転数より高い回転数であることを検出し、あるいは吸気温検出手段により第二所定気温以上の吸気温であることを検出する第二検出の際に、燃料より水の方が多くなるように燃料噴射ノズルからの燃料の噴射を行い、第一水噴射制御手段は、第二検出の際に、燃料より水の方が多くなるように第一水噴射ノズルから水を噴射させ、第二水噴射制御手段は、第二検出の際に、第二水噴射ノズルからの水の噴射を停止するようにしている。

（６）別の実施形態に係るディーゼルスチームエンジンシステムは、好ましくは、ディーゼルスチームエンジンの始動と停止、トルクおよび回転数を少なくとも検出するエンジン稼働状態検出手段をさらに備え、燃料噴射制御手段は、エンジン稼働状態検出手段によりディーゼルスチームエンジンが第三所定トルク以上のトルク若しくは第三所定回転数以下の回転数であることを検出する第三検出の際に、燃料より水の方が少ないか同量になるように燃料噴射ノズルからの燃料の噴射を行い、第一水噴射制御手段は、第三検出の際に、第一水噴射ノズルからの水の噴射を停止し、第二水噴射制御手段は、第三検出の際に、燃料より水の方が少ないか同量になるように第二水噴射ノズルから水を噴射させるようにしている。

本発明によれば、燃料の分離がなく、かつ燃料の使用量を減らして環境負荷を低下させることのできるディーゼルスチームエンジンシステムを提供できる。

図１は、本発明の実施形態に係るディーゼルスチームエンジンシステムを構成するディーゼルエンジンの簡易的な縦断面図を示す。 図２は、図１のエンジンにおいて、第一水噴射ノズルを稼働させたときの水噴射、吸気、圧縮、燃料噴射、爆発（燃焼）、排気の一連の動作の流れを模式的に示す。 図３は、図１のエンジンにおいて、第二水噴射ノズルを稼働させたときの吸気、圧縮、燃料噴射、水噴射、爆発（燃焼）、排気の一連の動作の流れを模式的に示す。 図４は、本発明の実施形態に係るディーゼルスチームエンジンシステムの概略構成図（４Ａ）および同システムを構成する制御装置の概略構成図（４Ｂ）をそれぞれ示す。 図５は、図１のエンジンに備えられる燃料噴射ノズルおよび第二水噴射ノズルの統合例を示す（５Ａ，５Ｂ）。

以下、本発明の各実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下に説明する各実施形態は、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、各実施形態の中で説明されている諸要素およびその組み合わせの全てが本発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本発明の実施形態に係るディーゼルスチームエンジンシステムを構成するディーゼルスチームエンジンの簡易的な縦断面図を示す。

図１に示すディーゼルスチームエンジン（以後、単に「エンジン」と称することもある）１は、シリンダ１０と、シリンダ１０の上方に接続される吸気マニホールド１１と、吸気マニホールド１１と分離してシリンダ１０の上方に接続される排気マニホールド１２と、シリンダ１０の内部（「シリンダ内」ともいう）１８を図中縦方向に往復可動なピストン２０と、を備える。吸気マニホールド１１は、シリンダ内１８に吸気するための経路である。排気マニホールド１２は、シリンダ内１８にて燃料の燃焼後にシリンダ内１８から排気を行う経路である。吸気マニホールド１１のシリンダ内１８への接続口には、当該接続口の開閉を行うための吸気バルブ１３が設けられている。同様に、排気マニホールド１２のシリンダ内１８への接続口には、当該接続口の開閉を行うための排気バルブ１４が設けられている。

シリンダ内１８の上方には、シリンダ内１８であってピストン２０の上昇により圧縮された空間に燃料を噴射可能な燃料噴射ノズル１５が備えられている。吸気マニホールド１１には、吸気マニホールド１１の内部に水の微粒子を噴射可能な第一水噴射ノズル１６が備えられている。シリンダ内１８の上方には、燃料噴射ノズル１５と隣り合う位置に、シリンダ内１８であってピストン２０の上昇により圧縮された空間に水の微粒子を噴射可能な第二水噴射ノズル１７が備えられている。このように、この実施形態では、エンジン１は、シリンダ内１８の圧縮気体中に霧状の燃料を噴射可能な燃料噴射ノズル１５、吸気マニホールド１１内に水を噴射可能な第一水噴射ノズル１６、およびシリンダ内１８に水を噴射可能な第二水噴射ノズル１７を備える。ただし、別の実施形態では、第二水噴射ノズル１７を備えずに第一水噴射ノズル１６と燃料噴射ノズル１５とを備えるのみとし、あるいは第一水噴射ノズル１６を備えずに第二水噴射ノズル１７と燃料噴射ノズル１５とを備えるのみとすることもできる。

ピストン２０は、燃料噴射ノズル１５と反対側に、コネクティングロッド２１と称する接続アームをクランクピン２２と称する軸を介してクランクシャフト２３に接続されている。このような接続部材により、ピストン２０の図中上下方向の往復駆動を、クランクシャフト２３の回転力に変換できる。

図２は、図１のエンジンにおいて、第一水噴射ノズルを稼働させたときの吸気、水噴射、圧縮、燃料噴射、爆発（燃焼）、排気の一連の動作の流れを模式的に示す。

以下、エンジン１が中高速回転時の動作を説明する。図２において、ピストン２０より下方の部材は図示を省略している。また、「中高速回転」は、エンジン１の性能、エンジン１を搭載する車両等の種類に応じて異なる回転数の範囲となる。例えば、エンジン１を搭載した自動車（四輪車）の場合を例に挙げると、中高速回転とは、２０００ｒｐｍ以上の回転数を意味する。中高速回転時には、好ましくは、吸気マニホールド１１内への水の噴射を行う第一水噴射ノズル１６を稼働させる一方（ＯＮ）、シリンダ内１８への水の噴射を行うための第二水噴射ノズル１７を稼働させない（ＯＦＦ）。

まず、（２Ａ）に示すように、吸気バルブ１３を開けて、吸気マニホールド１１からシリンダ内１８に向けて空気Ａを送り込む。排気バルブ１４は閉じたままである。ピストン２０は、シリンダ内１８を下降する。また、シリンダ内１８への吸気モードの際、第一水噴射ノズル１６から吸気マニホールド１１内に向けて水Ｗを噴射する。したがって、シリンダ内１８には、空気Ａと水Ｗとの混合体が送り込まれる。水Ｗの噴射と吸気バルブ１３の開操作とは、いずれが先でも、また同時でも良いが、吸気バルブ１３を先に開けて、空気Ａをシリンダ内１８に供給すると同時若しくは供給に遅れて水Ｗを噴射するのが好ましい。第一水噴射ノズル１６は、好ましくは１０〜２０気圧（１．０１〜２．０２ＭＰａ）にて吸気マニホールド１１内に水Ｗを噴射可能なノズルである。吸気時若しくは吸気前の吸気マニホールド１１は、一例をあげると、おおよそ１．５〜２．５気圧（０．１５〜０．２５ＭＰａ）である。ただし、当該気圧の範囲は、ターボチャージャーまたはスーパーチャージャー等の過給機を使用した場合に限る。このように、第一水噴射ノズル１６は、吸気マニホールド１１内の圧力より高圧にて水Ｗの噴射が可能である。なお、第一水噴射ノズル１６は、後述する第二水噴射ノズル１７に比べて低圧にて水Ｗを噴射するノズルであるため、低圧水噴射ノズルとも称する。

次に、（２Ｂ）に示すように、吸気バルブ１３を閉めると、ピストン２０がシリンダ内１８を上昇する。この結果、シリンダ内１８の空気（水分も含まれる）が圧縮される。

次に、（２Ｃ）に示すように、燃料噴射ノズル１５から燃料Ｆを噴射する。燃料Ｆは、好ましくは軽油、重油またはその混合物であるが、スクワレン等の発火点が約２２５℃の他の液体燃料でも良い。燃料噴射ノズル１５は、好ましくは１００〜２０００気圧（１０．１〜２０２ＭＰａ）にて圧縮されたシリンダ内１８に液体の燃料Ｆを噴射可能なノズルである。なお、第二水噴射ノズル１７は、稼働されない（ＯＦＦ）。

次に、（２Ｄ）に示すように、燃料噴射ノズル１５から噴射された燃料Ｆは着火してシリンダ内１８に爆発（燃焼）による高圧が発生する。第一水噴射ノズル１６から噴射された水Ｗは、シリンダ内１８にて水蒸気爆発を生じる。このため、シリンダ内１８での爆発に必要とする燃料Ｆを低減できる。

最後に、（２Ｅ）に示すように、先の爆発に伴う高圧によってピストン２０が下降する。続いて、排気バルブ１４が開き、シリンダ内１８の気体や微粒子等Ｇは、排気マニホールド１２から排気される。

図３は、図１のエンジンにおいて、第二水噴射ノズルを稼働させたときの吸気、圧縮、燃料噴射、水噴射、爆発（燃焼）、排気の一連の動作の流れを模式的に示す。

以下、エンジン１が低速回転時の動作を説明する。図３においても、図２と同様、ピストン２０より下方の部材は図示を省略している。また、「低速回転」は、エンジン１の性能、エンジン１を搭載する車両等の種類に応じて異なる回転数の範囲となる。例えば、エンジン１を搭載した自動車（四輪車）の場合を例に挙げると、低速回転とは、２０００ｒｐｍ未満の回転数を意味する。低速回転時には、好ましくは、シリンダ内１８内への水Ｗの噴射を行う第二水噴射ノズル１７を稼働させる一方（ＯＮ）、吸気マニホールド１１内への水Ｗの噴射を行うための第一水噴射ノズル１６を稼働させない（ＯＦＦ）。

まず、（３Ａ）に示すように、吸気バルブ１３を開けて、吸気マニホールド１１からシリンダ内１８に向けて空気Ａを送り込む。排気バルブ１４は閉じたままである。ピストン２０は、シリンダ内１８を下降する。

次に、（３Ｂ）に示すように、吸気バルブ１３が閉まると、ピストン２０がシリンダ内１８を上昇する。この結果、シリンダ内１８の空気が圧縮される。

次に、（３Ｃ）に示すように、燃料噴射ノズル１５からシリンダ内１８に燃料Ｆを噴射する。それと同時若しくはわずかに遅れて、第二水噴射ノズル１７からシリンダ内１８に水Ｗが噴射される。水Ｗの噴射開始のタイミングは、燃料Ｆの噴射開始と同時でも良いが、噴射された燃料Ｆの発火を妨げないように、好ましくは燃料Ｆの噴射開始から０．０１〜１秒後が好ましく、さらには燃料Ｆの発火から０．０１〜０．１秒後がより好ましい。燃料Ｆの噴射圧および水Ｗの噴射圧は、シリンダ内１８の圧力を超える必要から、好ましくは１００〜２０００気圧（１０．１〜２０２ＭＰａ）である。なお、第二水噴射ノズル１７は、前述の第一水噴射ノズル１６に比べて高圧にて水Ｗを噴射するノズルであるため、高圧水噴射ノズルとも称する。第一水噴射ノズル１６は、稼働されない（ＯＦＦ）。

次に、（３Ｄ）に示すように、燃料噴射ノズル１５から噴射された燃料Ｆは着火してシリンダ内１８に爆発（燃焼）による高圧が発生する。第二水噴射ノズル１７から噴射された水Ｗは、シリンダ内１８にて水蒸気爆発を生じる。このため、シリンダ内１８での爆発に必要とする燃料Ｆを低減できる。

最後に、（３Ｅ）に示すように、先の爆発に伴う高圧によってピストン２０が下降する。続いて、排気バルブ１４が開き、シリンダ内１８の気体や微粒子等Ｇは、排気マニホールド１２から排気される。

図４は、本発明の実施形態に係るディーゼルスチームエンジンシステムの概略構成図（４Ａ）および同システムを構成する制御装置の概略構成図（４Ｂ）をそれぞれ示す。

図４に示すディーゼルスチームエンジンシステム１００は、先に説明したエンジン１と、エンジン１を制御するための制御装置５０と、その他装置と、を備える。吸気バルブ１３は、吸気バルブ駆動装置３３と接続されている。排気バルブ１４は、排気バルブ駆動装置３４と接続されている。燃料噴射ノズル１５は、燃料供給管３５、圧力調整バルブ４１を経て、燃料Ｆを入れた燃料タンク４５に接続されている。第一水噴射ノズル１６は、第一水供給管３６、圧力調整バルブ４２を経て、水Ｗを入れた第一水タンク４６に接続されている。第二水噴射ノズル１７は、第二水供給管３７、圧力調整バルブ４３を経て、水Ｗを入れた第二水タンク４７に接続されている。圧力調整バルブ４１，４２，４３は、それぞれ、制御装置５０と接続されている（Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３を参照）。ディーゼルスチームエンジンシステム１００は、吸気温を測定する吸気温センサ７０を、吸気温の検出に適した箇所に備える。吸気温センサ７０にて測定された吸気温の情報は、制御装置５０にて検出される。

制御装置５０は、好ましくは、エンジン制御を行うメインコントローラ（不図示）とは別のサブコントローラとして機能する装置であり、総合制御部５１、燃料噴射制御部５３、第一水噴射制御部５４、第二水噴射制御部５５、吸気温検出部５６、始動・停止検出部５７、トルク検出部５８、回転数検出部５９および情報記憶部６０を備える。ここで、総合制御部５１、燃料噴射制御部５３、第一水噴射制御部５４、第二水噴射制御部５５、吸気温検出部５６、始動・停止検出部５７、トルク検出部５８および回転数検出部５９は、中央処理装置（ＣＰＵ）および／またはマイクロプロセッシングユニット（ＭＰＵ）といった各種演算処理装置により主に実行される部分である。当該演算処理装置は、例えば、情報記憶部６０に格納されるコンピュータプログラムを読みながら、また、制御装置５０内の各種検出部５６，５７等からの信号を受け取って、上記構成部５１，５３〜５９の行うべき処理を実行する。

情報記憶部６０は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＨＤＤといった各種情報格納媒体である。情報記憶部６０は、読み出し専用のメモリ、読み書き可能なメモリのいずれか一方、または上記の両メモリから成る。

総合制御部５１は、制御装置５０の全体を制御する構成部である。

燃料噴射制御部５３は、圧力調整バルブ４１を調節して、燃料噴射ノズル１５からの燃料Ｆの噴射を制御する燃料噴射制御手段である。具体的には、燃料噴射制御部５３は、燃料Ｆを噴射している時間、噴射量、噴射圧、噴射のタイミングあるいは噴射回数等を制御可能な構成部である。

第一水噴射制御部５４は、第一水噴射ノズル１６からの水Ｗの噴射を制御する第一水噴射制御手段である。具体的には、第一水噴射制御部５４は、水Ｗを吸気マニホールド１１内に噴射している時間、噴射量、噴射圧、噴射のタイミングあるいは噴射回数等を制御可能な構成部である。

第二水噴射制御部５５は、第二水噴射ノズル１７からの水Ｗの噴射を制御する第二水噴射制御手段である。具体的には、第二水噴射制御部５５は、水Ｗをシリンダ内１８に噴射している時間、噴射量、噴射圧、噴射のタイミングあるいは噴射回数等を制御可能な構成部である。

吸気温検出部５６は、吸気温センサ７０から吸気温の情報を検出する吸気温検出手段である。

始動・停止検出部５７、トルク検出部５８および回転数検出部５９は、それぞれ、エンジン１の始動と停止、トルクおよび回転数を少なくとも検出するエンジン稼働状態検出手段として機能する構成部である。始動・停止検出部５７は、例えば、エンジン１の始動スイッチがＯＮされたことや、エンジン１の停止スイッチがＯＮされたことを検出する。トルク検出部５８は、エンジン１の駆動に伴うトルクを検出する。検出方法は、特に制約されないが、例えば、エンジン１の回転数の検出に基づき計算する方法でも良い。回転数検出部５９は、エンジン１の回転数を検出する。

情報記憶部６０は、制御装置５０内の各種制御動作にとって必要な情報を記憶する構成部である。情報記憶部６０は、例えば、総合制御部５１による総合的な制御、燃料噴射制御部５３による燃料Ｆの噴射動作、第一水噴射制御部５４による水Ｗの噴射動作、第二水噴射制御部５５による水Ｗの噴射動作、吸気温検出部５６による吸気温の検出、始動・停止検出部５７によるエンジン１の始動または停止の検出、トルク検出部５８によるエンジン１のトルクの検出、および回転数検出部５９によるエンジン１の回転数の検出に必要な情報を記憶する。これらの情報の一部若しくは全部は、好ましくは、読み書き可能に情報記憶部６０内に記憶されている。

上記のように、ディーゼルスチームエンジンシステム１００は、吸気マニホールド１１内に水Ｗを噴射可能な第一水噴射ノズル１６、およびシリンダ内１８の圧縮気体中に霧状の燃料Ｆを噴射可能な燃料噴射ノズル１５を含むエンジン１と、燃料噴射ノズル１５からの燃料Ｆの噴射を制御する燃料噴射制御部５３と、第一水噴射ノズル１６からの水Ｗの噴射を制御する第一水噴射制御部５４と、を備える。第一水噴射制御部５４は、吸気マニホールド１１内に第一水噴射ノズル１６から水Ｗを噴射させ、燃料Ｆの燃焼熱を利用してシリンダ内１８にて水蒸気爆発を発生させて付加動力を得るようにしている。

また、ディーゼルスチームエンジンシステム１００は、シリンダ内１８に水Ｗを噴射可能な第二水噴射ノズル１７と、第二水噴射ノズル１７からの水Ｗの噴射を制御する第二水噴射制御部５５と、をさらに備える。第一水噴射ノズル１６からの水Ｗの噴射時より低速回転の場合（低速回転時： 例えば２０００ｒｐｍ未満）であって、燃料噴射ノズル１５からの燃料Ｆの噴射と同時若しくはその後に燃料Ｆが燃焼している時に、第一水噴射制御部５４は、好ましくは、第一水噴射ノズル１６からの水Ｗの噴射を実行しない。一方、第二水噴射制御部５５は、第二水噴射ノズル１７から水Ｗをシリンダ内１８に噴射させ、燃料Ｆの燃焼熱を利用してシリンダ内１８にて水蒸気爆発を発生させて付加動力を得るようにしている。

また、ディーゼルスチームエンジンシステム１００は、エンジン１の始動と停止、トルクおよび回転数を少なくとも検出する始動・停止検出部５７、トルク検出部５８および回転数検出部５９と、吸気温を検出する吸気温検出部５６と、をさらに備える。燃料噴射制御部５３は、始動・停止検出部５７によりエンジン１の始動時（始動ボタンのオンの検知時など）、または停止時若しくは停止所定時間前（停止ボタンのオンの検知時であってエンジン１が完全に停止する２０秒前など）であることを検出し、あるいは吸気温検出部５６により第一所定気温より低い吸気温であることを検出する第一検出の際に、燃料噴射ノズル１５からの燃料Ｆの噴射を行う。第一所定温度は、設定によって変更自在であるが、例えば、５℃である。第一水噴射制御部５４および第二水噴射制御部５５は、好ましくは、前記の第一検出の際に、第一水噴射ノズル１６および第二水噴射ノズル１７から水Ｗを噴射しないようにする。これは、エンジン１の始動時、停止時あるいは吸気温が比較的低いときに、燃料Ｆが１００％の状態（水Ｗが含まれていない状態）でシリンダ内１８の爆発（燃焼）を生じさせるのが好ましいからである。

また、ディーゼルスチームエンジンシステム１００は、エンジン１の始動と停止、トルクおよび回転数を少なくとも検出する始動・停止検出部５７、トルク検出部５８および回転数検出部５９と、吸気温を検出する吸気温検出部５６とを備えている点で、前述の構成と同じである。ただし、以下の点で異なる。燃料噴射制御部５３は、トルク検出部５８によりエンジン１のトルクが第二所定トルクより低いトルク若しくは回転数検出部５９によりエンジン１の回転数が第二所定回転数より高い回転数であることを検出し、あるいは吸気温検出部５６により第二所定気温以上の吸気温であることを検出する第二検出の際に、燃料Ｆより水Ｗの方が多くなるように燃料噴射ノズル１５からの燃料Ｆの噴射を行う。第二所定トルクは、設定により変更自在であるが、例えば、１００Ｎ・ｍである。また、第二所定回転数も、また、設定により変更自在であるが、例えば、２０００ｒｐｍである。第二所定気温も、また、設定により変更自在であるが、例えば、５℃である。第二所定気温は、前述の第一所定気温と同じ値であっても、異なる値であっても良い。ただし、第二所定気温は、第一所定気温と同一若しくはそれ以上の吸気温であるのが好ましい。第一水噴射制御部５４は、前記の第二検出の際に、燃料Ｆより水Ｗの方が多くなるように第一水噴射ノズル１６から水Ｗを噴射させる。また、第二水噴射制御部５５は、好ましくは、前記の第二検出の際に、第二水噴射ノズル１７からの水Ｗの噴射を停止する。これは、吸気温が高温の時、エンジン１が低トルク、またはエンジン１が高回転時に、燃料Ｆよりも水Ｗが多い状態とする条件で、吸気マニホールド１１内への水Ｗの噴射を実行して、シリンダ内１８の爆発（燃焼）を生じさせるのが好ましいからである。このときの燃料Ｆと水Ｗの重量比（ｗｔ％）は、好ましくは燃料Ｆ：水Ｗ＝１０：９０〜４９：５１の範囲、より好ましくは１５：８５〜２５：７５の範囲であり、最も好ましいのは２０：８０である。

また、ディーゼルスチームエンジンシステム１００は、エンジン１の始動と停止、トルクおよび回転数を少なくとも検出する始動・停止検出部５７、トルク検出部５８および回転数検出部５９とを備えている点で、前述の構成と同じである。ただし、以下の点で異なる。燃料噴射制御部５３は、トルク検出部５８によりエンジン１のトルクが第三所定トルク以上のトルク若しくは回転数検出部５９によりエンジン１の回転数が第三所定回転数以下の回転数であることを検出する第三検出の際に、燃料Ｆより水Ｗの方が少ないか同量になるように燃料噴射ノズル１５からの燃料Ｆの噴射を行う。第三所定トルクは、設定により変更自在であるが、例えば、２００Ｎ・ｍである。第三所定トルクは、前述の第二所定トルクと同じ値であっても、異なる値であっても良い。ただし、第三所定トルクは、第二所定トルクと同一若しくはそれ以上のトルクであるのが好ましい。また、第三所定回転数も、また、設定により変更自在であるが、例えば、１５００ｒｐｍである。第三所定回転数は、前述の第二所定回転数と同じ値であっても、異なる値であっても良い。ただし、第三所定回転数は、第二所定回転数と同一若しくはそれ以下の回転数であるのが好ましい。第一水噴射制御部５４は、前記の第三検出の際に、第一水噴射ノズル１６からの水Ｗの噴射を停止する。第二水噴射制御部５５は、前記の第三検出の際に、燃料Ｆより水Ｗの方が少ないか同量になるように第二水噴射ノズル１７から水Ｗを噴射させる。これは、エンジン１が高トルクあるいは低回転時に、燃料Ｆが水Ｗより多いか同一の量の状態とする条件で、シリンダ内１８への水Ｗの噴射を実行して、シリンダ内１８の爆発（燃焼）を生じさせるのが好ましいからである。このときの燃料Ｆと水Ｗの重量比（ｗｔ％）は、好ましくは燃料Ｆ：水Ｗ＝５０：５０〜７９：２１の範囲、より好ましくは５０：５０〜６５：３５の範囲であり、最も好ましいのは６０：４０である。

図５は、図１のエンジンに備えられる燃料噴射ノズルおよび第二水噴射ノズルの統合例を示す（５Ａ，５Ｂ）。

ディーゼルスチームエンジンシステム１００は、燃料噴射ノズル１５および第二水噴射ノズル１７を、噴射口を共通にした統合ノズル内に備えることもできる。（５Ａ）に示す統合ノズル８０は、その内部８１に、燃料噴射ノズル１５と、第二水噴射ノズル１７とを備える。燃料噴射ノズル１５および第二水噴射ノズル１７の各先端は、統合ノズル８０の噴射口８２の近傍にまで至る。燃料噴射ノズル１５から燃料Ｆを噴射して、第二水噴射ノズル１７から水Ｗを噴射しない場合には、噴射口８２から燃料Ｆのみが噴射する。同様に、第二水噴射ノズル１７から水Ｗを噴射して、燃料噴射ノズル１５から燃料Ｆを噴射しない場合には、噴射口８２から水Ｗのみが噴射する。また、第二水噴射ノズル１７から水Ｗを噴射し、かつ燃料噴射ノズル１５から燃料Ｆを噴射する場合には、噴射口８２から燃料Ｆと水Ｗの両方が同時若しくは噴射のタイミングをずらして噴射する。

（５Ｂ）に示す統合ノズル９０は、その内部９１を統合ノズル９０の噴射口９２よりも上方位置で分離する隔壁９３を備える。燃料噴射ノズル１５は、隔壁９３の終端までの領域である。第二水噴射ノズル１７は、隔壁９３の終端までの領域である。各ノズル１５，１７は、隔壁９３によって統合ノズル９０内で分割されている。隔壁９３は、噴射口９２近傍まで達していないので、燃料噴射ノズル１５から燃料Ｆを噴射して、第二水噴射ノズル１７から水Ｗをそれと同時に噴射する場合には、噴射口９２に至るまでの空間内で燃料Ｆと水Ｗとが混合して、続いて噴射口９２からその混合物が噴射する。一方、燃料噴射ノズル１５から燃料Ｆを噴射して、第二水噴射ノズル１７から水Ｗをその後に噴射する場合には、燃料Ｆが噴射口９２から噴射された後に、水Ｆが噴射口９２から噴射される。また、燃料噴射ノズル１５から燃料Ｆを噴射して、第二水噴射ノズル１７から水Ｗを噴射しない場合には、噴射口９２から燃料Ｆのみが噴射する。同様に、第二水噴射ノズル１７から水Ｗを噴射して、燃料噴射ノズル１５から燃料Ｆを噴射しない場合には、噴射口９２から水Ｗのみが噴射する。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されずに、種々変更を可能とする。

例えば、本発明の別の実施形態に係るディーゼルスチームエンジンシステムは、シリンダ内１８に水Ｗを噴射可能な第二水噴射ノズル１７、およびシリンダ内１８の圧縮気体中に霧状の燃料Ｆを噴射可能な燃料噴射ノズル１５を含むエンジン１と、燃料噴射ノズル１５からの燃料Ｆの噴射を制御する燃料噴射制御手段（一例として、燃料噴射制御部５３）と、第二水噴射ノズル１７からの水Ｗの噴射を制御する第二水噴射制御手段（一例として、第二水噴射制御部５５）とを備え、第二水噴射制御手段は、燃料噴射ノズル１５からの燃料Ｆの噴射と同時若しくはその後に燃料Ｆが燃焼している時に、第二水噴射ノズル１７から水Ｗをシリンダ内１８に噴射させ、燃料Ｆの燃焼熱を利用してシリンダ内１８にて水蒸気爆発を発生させて動力を得るようにすることもできる。この場合、ディーゼルスチームエンジンシステムに、第一水噴射ノズル１６および第二水噴射制御手段を備える必要はない。第二水噴射ノズル１７からの水Ｗの噴射は、エンジン１の低速回転時（例えば、２０００ｒｐｍ未満、１０００ｒｐｍ未満などに設定可能）あるいは高トルク時（例えば、２００Ｎ・ｍ以上、１５０Ｎ・ｍ以上、１００Ｎ・ｍ以上などに設定可能）に行われるのが好ましい。一方、エンジン１の回転数あるいはトルクに無関係で第二水噴射ノズル１７から水Ｗを噴射させるようにしても良い。

始動・停止検出部５７、トルク検出部５８および回転数検出部５９は、それらいずれか１つ若しくは任意の２以上を制御部５０に備えるだけでも良い。吸気温検出部５６および吸気温センサ７０は、ディーゼルスチームエンジンシステム１００に必ずしも備えていなくても良い。吸気温検出部５６と吸気温センサ（温度計など）７０のセットに加え、あるいは当該セットに代えて、吸気圧検出部と吸気圧センサのセット、第一水噴射ノズル１６あるいは第二水噴射ノズル１７から噴射する水Ｗの水温を検出可能な水温検出部と水温センサ（温度計など）のセットをディーゼルスチームエンジンシステム１００に備えても良い。この場合、燃料噴射制御部５３、第一水噴射制御部５４および第二水噴射制御部５５は、吸気温のみならず、吸気圧や水温を考慮して、燃料Ｆの噴射、水Ｗの噴射、両者Ｆ，Ｗの混合比を制御するようにしても良い。

本発明は、例えば、自動車、自動二輪、船舶、鉄道車両、その他の内燃機関に用いることができる。

１ エンジン（ディーゼルスチームエンジン）
１０ シリンダ
１１ 吸気マニホールド
１２ 排気マニホールド
１５ 燃料噴射ノズル
１６ 第一水噴射ノズル
１７ 第二水噴射ノズル
１８ シリンダの内部（シリンダ内）
２０ ピストン
５０ 制御装置
５３ 燃料噴射制御部（燃料噴射制御手段）
５４ 第一水噴射制御部（第一水噴射制御手段）
５５ 第二水噴射制御部（第二水噴射制御手段）
５６ 吸気温検出部（吸気温検出手段の一例）
５７ 始動・停止検出部（エンジン稼働状態検出手段の一例）
５８ トルク検出部（エンジン稼働状態検出手段の一例）
５９ 回転数検出部（エンジン稼働状態検出手段の一例）
８０，９０ 統合ノズル
８２，９２ 噴射口
１００ ディーゼルスチームエンジンシステム
Ｗ 水
Ｆ 燃料

Claims (6)

1. 吸気マニホールド内に水を噴射可能な第一水噴射ノズル、およびシリンダ内の圧縮気体中に霧状の燃料を噴射可能な燃料噴射ノズルを含むディーゼルスチームエンジンと、
   前記燃料噴射ノズルからの燃料の噴射を制御する燃料噴射制御手段と、
   前記第一水噴射ノズルからの水の噴射を制御する第一水噴射制御手段と、
   を備え、
   前記第一水噴射制御手段は、前記吸気マニホールド内に前記第一水噴射ノズルから水を噴射させ、前記シリンダ内にて燃料の燃焼熱を利用して水蒸気爆発を発生させて付加動力を得るようにすることを特徴とするディーゼルスチームエンジンシステム。
2. 前記シリンダ内に水を噴射可能な第二水噴射ノズルと、
   前記第二水噴射ノズルからの水の噴射を制御する第二水噴射制御手段と、
   をさらに備え、
   前記第一水噴射ノズルからの水の噴射時より低速回転の場合であって、前記燃料噴射ノズルからの燃料の噴射と同時若しくはその後に燃料が燃焼している時に、前記第二水噴射制御手段は、前記第二水噴射ノズルから水を前記シリンダ内に噴射させ、前記シリンダ内にて燃料の燃焼熱を利用して水蒸気爆発を発生させて付加動力を得るようにすることを特徴とする請求項１に記載のディーゼルスチームエンジンシステム。
3. 前記燃料噴射ノズルおよび前記第二水噴射ノズルを、噴射口を共通にした統合ノズル内に備えることを特徴とする請求項２に記載のディーゼルスチームエンジンシステム。
4. 前記ディーゼルスチームエンジンの始動と停止、トルクおよび回転数を少なくとも検出するエンジン稼働状態検出手段と、
   吸気温を検出する吸気温検出手段と、
   をさらに備え、
   前記燃料噴射制御手段は、前記エンジン稼働状態検出手段により前記ディーゼルスチームエンジンの始動時または停止時であることを検出し、あるいは前記吸気温検出手段により第一所定気温より低い吸気温であることを検出する第一検出の際に、前記燃料噴射ノズルからの燃料の噴射を行い、
   前記第一水噴射制御手段および前記第二水噴射制御手段は、前記第一検出の際に、前記第一水噴射ノズルおよび前記第二水噴射ノズルから水を噴射しないようにすることを特徴とする請求項２または３に記載のディーゼルスチームエンジンシステム。
5. 前記ディーゼルスチームエンジンの始動と停止、トルクおよび回転数を少なくとも検出するエンジン稼働状態検出手段と、
   吸気温を検出する吸気温検出手段と、
   をさらに備え、
   前記燃料噴射制御手段は、前記エンジン稼働状態検出手段により前記ディーゼルスチームエンジンが第二所定トルクより低いトルク若しくは第二所定回転数より高い回転数であることを検出し、あるいは前記吸気温検出手段により第二所定気温以上の吸気温であることを検出する第二検出の際に、燃料より水の方が多くなるように前記燃料噴射ノズルからの燃料の噴射を行い、
   前記第一水噴射制御手段は、前記第二検出の際に、燃料より水の方が多くなるように前記第一水噴射ノズルから水を噴射させ、
   前記第二水噴射制御手段は、前記第二検出の際に、前記第二水噴射ノズルからの水の噴射を停止することを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載のディーゼルスチームエンジンシステム。
6. 前記ディーゼルスチームエンジンの始動と停止、トルクおよび回転数を少なくとも検出するエンジン稼働状態検出手段をさらに備え、
   前記燃料噴射制御手段は、前記エンジン稼働状態検出手段により前記ディーゼルスチームエンジンが第三所定トルク以上のトルク若しくは第三所定回転数以下の回転数であることを検出する第三検出の際に、燃料より水の方が少ないか同量になるように前記燃料噴射ノズルからの燃料の噴射を行い、
   前記第一水噴射制御手段は、前記第三検出の際に、前記第一水噴射ノズルからの水の噴射を停止し、
   前記第二水噴射制御手段は、前記第三検出の際に、燃料より水の方が少ないか同量になるように前記第二水噴射ノズルから水を噴射させることを特徴とする請求項２から５のいずれか１項に記載のディーゼルスチームエンジンシステム。