JP4072613B2 - ディーゼル・エンジンシステム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排気ガス中のパーティキュレート・マター（ＰＭ）や窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減できるようにしたディーゼルエンジン・システムに関する。
【０００２】
【従来技術】
ディーゼルエンジン等の燃焼室で発生するＰＭとＮＯｘとは、一方を低減すると他方が増加するといった相反する関係にあり、その対策が難しい。
ＰＭを除去するものとしては、ディーゼル・パーティキュレート・フィルタ（ＤＰＦ）が知られている。ＤＰＦは、エンジンの燃焼室から排出された排気ガス中の煤をフィルタで補足し、これを酸化触媒やヒーター等を利用して燃焼するようにしている。これらの例としては、１９９７年７月１０日 株式会社 朝倉書店 発行の 自動車技術会編集による「自動車技術シリーズ１ 自動車原動機の環境対応技術」の第１３９ページ〜第１４８ページに記載のものが挙げられる。
一方、ＮＯｘを低減するには、ゼオライトに銅イオンを担時させたＳＣＲ（セレクティブ・カタリティック・リダクション）方式等のＮＯｘ還元触媒を用いることが検討されている。ＮＯｘ還元触媒の例としては、同上の第１４９ページ〜第１５３ページに記載のもの、また平成６年１月１０日 株式会社 山海堂 発行の 宮下直也、黒木秀雄 著の「自動車用デイーゼルエンジン」の第５２ページに記載のものなどが挙げられる。
したがって、ＰＭとＮＯｘを低減するには、上記ＤＰＦとＮＯｘ還元触媒とを組み合わせることになる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術にあっては、ＤＰＦとＮＯｘ還元触媒とが総合して制御されるようにはなっていなかったため、絶えず変動するエンジンの幅広い稼働域にわたってエンジンの排気ガス浄化性能と動力性能とを両立させることができなかった。
また、ＮＯｘ還元触媒は、Ｎ０ｘ変換効率が低かったり、また硫黄分や水分等により被毒し変換効率が短期間で低下してしまうといった問題があった。
【０００４】
【発明の目的】
本発明の目的は、エンジン稼働状態が変化しても排気浄化性能と動力性能とを両立可能とするディーゼルエンジン・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】
本発明の請求項１に係るディーゼルエンジン・システムにあっては、燃料噴射バルブを備えたディーゼルエンジンと、ディーゼルエンジンの燃料噴射バルブへ水入り燃料、水無し燃料のいずれかを選択的に供給可能な燃料供給装置と、燃料噴射バルブへ供給する燃料供給量あるいは燃料噴射バルブから噴射した分の燃料供給量を計測可能な流量センサと、エンジンの排気側に設けられ、ディーゼルエンジンから排出されたパーティキュレート・マターを補足するフィルタ及びパーティキュレート・マターを燃焼させるヒーターを備えたディーゼル・パーティキュレート・フィルタと、ディーゼル・パーティキュレート・フィルタ内の温度を検出可能な温度センサと、温度センサの温度がパーティキュレート・マターを燃焼させる設定温度より低いときは、ヒーターを加熱状態にするとともに燃料供給量に応じて燃料供給量に対する水供給量の比率を可変に制御する一方、温度が前記設定温度以上のときは、設定温度より低いときに比べて水比率を高い方へ燃料供給量に応じて可変に制御するとともに前記ヒーターの温度が前記フィルタの損傷する温度より高くなったらヒーターの加熱を停止するように制御するコントローラとを有する構成とされている。
【０００６】
上記燃料への水供給制御は、請求項２に記載のように、燃料供給量がアイドル域とフル負荷域の中間域にあるとき燃料供給量が多いほど水比率が小さくなるようにするのが望ましい。
【０００７】
上記コントローラは、請求項３に記載のように、温度センサの温度がパーティキュレート・マターを燃焼させる設定温度より低いときの水比率を、エンジンが冷機状態にあるとき最小となるように制御させることが望ましい。
【０００８】
上記水入り燃料は、請求項４に記載のように、乳化剤にて水の周りを燃料で包んだエマルション燃料とすることが乳化剤にて水の周りを燃料で包んだエマルション燃料である望ましい。
【０００９】
上記フィルタは、請求項５に記載のように、酸化触媒を備えているようにすることもできる。
【００１０】
請求項６に記載の本発明のディーゼルエンジン・システムは、燃料噴射バルブを備えたディーゼルエンジンと、ディーゼルエンジンの前記燃料噴射バルブへ水入り燃料、水無し燃料のいずれかを選択的に供給可能な燃料供給装置と、アクセルペダルの踏み込み量に相当する量を検出可能なアクセルペダル踏み込み相当量検出センサと、エンジンの排気側に設けられ、ディーゼルエンジンから排出されたパーティキュレート・マターを補足するフィルタ及びパーティキュレート・マターを燃焼させるヒーターを備えたディーゼル・パーティキュレート・フィルタと、ディーゼル・パーティキュレート・フィルタ内の温度を検出可能な温度センサと、温度センサの温度が前記パーティキュレート・マターを燃焼させる設定温度より低いときは、ヒーターを加熱状態にするとともにアクセルペダル踏み込み相当量に応じて燃料供給量に対する水供給量の比率を可変に制御する一方、温度が設定温度以上のときは、設定温度より低いときに比べて水比率を高い方へアクセルペダル踏み込み相当量に応じて可変に制御するとともにヒーターの温度が前記フィルタの損傷する温度より高くなったらヒーターの加熱を停止するように制御するコントローラと、を有する構成とする。
【００１１】
上記水入り燃料は、請求項７に記載のように、乳化剤にて水の周りを燃料で包んだエマルション燃料とすることが望ましい。
【００１２】
上記コントローラは、請求項８に記載のように、温度センサの温度がパーティキュレート・マターを燃焼させる設定温度より低いときの水比率を、エンジンが冷機状態にあるとき最小となるように制御させることが望ましい。
【００１３】
上記フィルタは、請求項９に記載のように、酸化触媒を備えているようにしてもよい。
【００１４】
上記燃料への水供給制御は、請求項１０に記載のように、前記アクセルペダル踏み込み相当量がアイドル域とフル負荷域の中間域にあるとき前記アクセルペダル踏み込み相当量が大きいほど水比率が小さくなるようにすることが望ましい。
【００１５】
【発明の作用・効果】
請求項１のディーゼルエンジン・システムにあっては、温度センサの温度により検出したディーゼル・パーティキュレート・フィルタ内の温度がパーティキュレート・マターを燃焼させる設定温度より低いときは、ヒーターを加熱状態にするとともに燃料供給量に応じて燃料供給量に対する水供給量の比率を可変に制御する。また、上記温度が設定温度以上のときは、設定温度より低いときに比べて水比率を高い方へ燃料供給量に応じて可変に制御するとともにヒーターの温度がフィルタの損傷する温度より高くなったらヒーターの加熱を停止する。
したがって、ディーゼル・パーティキュレート・フィルタ内の温度状態に応じて、ヒーターと水比率を調節・制御することで、排気浄化性能と動力性能を両立させることが可能となる。
すなわち、ディーゼル・パーティキュレート・フィルタの温度がパーティキュレート・マターを燃焼させる設定温度より低いときは、ヒーターを加熱状態にして温度上昇させるとともに、水比率を設定温度以上のときより小さく設定することで排気ガスの温度を高め、ディーゼル・パーティキュレート・フィルタの温度上昇を促進する。
またＮＯｘは、水の存在により発生が抑えられる。
【００１６】
請求項２のディーゼルエンジン・システムにあっては、燃料供給量がアイドル域とフル負荷域の中間域にあるとき前記燃料供給量が多いほど水比率が小さくなるようにした。したがって、よりトルクが必要な登坂時等における運転域で水比率を小さくして動力性能を向上させることができる。この場合、エンジンの回転数が低いので燃焼はより緩慢となり、ＮＯｘの発生量が少なくなるので、水比率を減らしてもＮＯｘはさほど増加しない。一方、ＰＭは、増える傾向にあるが、ＤＰＦのフィルタで補足してヒーターで燃焼すれば良い。この場合、燃料供給量がある程度確保されているので、ＤＰＦの温度が高温に保たれ易くＰＭを確実に燃焼させる。
また、降坂時などでは、トルクが小さくて済み、かつエンジンが高回転で回転するので、少ない燃料供給量に対し水比率を高めてNOｘを大幅に低減してもエンジンは安定して運転できる。
【００１７】
請求項３のディーゼルエンジン・システムにあっては、温度センサの温度がパーティキュレート・マターを燃焼させる設定温度より低いときの水比率を、エンジンが冷機状態にあるとき最小となるように制御させるので、排気ガスの温度を高温に保ちＤＰＦの温度上昇を促進することが可能である。このとき、エンジンが冷えているので燃焼温度が抑えられる結果、水比率が少なくてもＮＯｘを十分低減できる。
【００１８】
請求項４のディーゼルエンジン・システムにあっては、水入り燃料を乳化剤にて水の周りを燃料で包んだエマルション燃料としたので、エンジン始動時の始動性の確保やエンジン停止時の水による錆びの発生防止のため、燃料だけの供給としても、水噴射等のように水が漏れてくるといった心配がない。また、燃焼性も向上させることができる。
【００１９】
請求項５のディーゼルエンジン・システムにあっては、フィルタが酸化触媒を有するようにしたので、ＤＰＦのヒーターをより低温にしても確実にＰＭを燃焼できる。このことはヒーターに供給する電力等が少なくてすむことになる。
【００２０】
請求項６のディーゼルエンジン・システムにあっては、温度センサの温度がパーティキュレート・マターを燃焼させる設定温度より低いときは、ヒーターを加熱状態にするとともにアクセルペダル踏み込み相当量に応じて燃料供給量に対する水供給量の比率を可変に制御する。一方、温度が設定温度以上のときは、設定温度より低いときに比べて水比率を高い方へアクセルペダル踏み込み相当量に応じて可変に制御するとともにヒーターの温度がフィルタの損傷する温度より高くなったらヒーターの加熱を停止するように制御する。
したがって、ディーゼル・パーティキュレート・フィルタ内の温度状態に応じて、ヒーターと水比率を調節することで、排気浄化性能と動力性能を両立させることが可能となる。
すなわち、ディーゼル・パーティキュレート・フィルタの温度がパーティキュレート・マターを燃焼させる設定温度より低いときは、ヒーターを加熱状態にして温度上昇させるとともに、水比率を設定温度以上のときより小さく設定することで排気ガスの温度を高め、ディーゼル・パーティキュレート・フィルタの温度上昇を促進する。
またＮＯｘは、水の存在により発生が抑えられる。
【００２１】
請求項７のディーゼルエンジン・システムにあっては、燃料供給量がアイドル域とフル負荷域の中間域にあるとき前記燃料供給量が多いほど水比率が小さくなるようにした。したがって、よりトルクが必要な運転域で水比率を小さくして動力性能を向上させることができる。この場合、エンジンの回転数が低いので燃焼はより緩慢となり、ＮＯｘの発生量が少なくなるので、水比率を減らしてもＮＯｘはさほど増加しない。一方、ＰＭは、増える傾向にあるが、ＤＰＦのフィルタで補足してヒーターで燃焼すれば良い。この場合、燃料供給量がある程度確保されているので、ＤＰＦの温度が高温に保たれ易くＰＭを確実に燃焼させる。
また、降坂時などでは、トルクが小さくて済み、かつエンジンが高回転で回転するので、少ない燃料供給量に対し水比率を高めてNOｘを大幅に低減してもエンジンは安定して運転できる。
【００２２】
請求項９のディーゼルエンジン・システムにあっては、水入り燃料を乳化剤にて水の周りを燃料で包んだエマルション燃料としたので、エンジン始動時の始動性の確保やエンジン停止時の水による錆びの発生防止のため、燃料だけの供給としても、水噴射等のように水が漏れてくるといった心配がない。また、燃焼性も向上させることができる。
【００２３】
請求項１０のディーゼルエンジン・システムにあっては、フィルタが酸化触媒を有するようにしたので、ＤＰＦのヒーターをより低温にしても確実にＰＭを燃焼できる。このことはヒーターに供給する電力等が少なくてすむことになる。
【００２４】
【実施態様】
本実施態様による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。
【００２５】
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（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。
【００２６】
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。
【００２７】
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、燃料供給通路４９あるいは燃料バイパス路５３から供給される軽油（燃料）と混合されるようにしてある。
【００２８】
これらの燃料、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。なお、エマルション燃料供給通路４６は燃料供給通路の一部を構成している。
【００２９】
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、戻りエマルション燃料の流量を検出する戻り流量センサ２１と戻り燃料温度センサ４５が設けられ、これらで検出した戻りエマルション燃料の流量と温度のそれぞれの検出信号がエマルション・コントローラ１６へ送られる。なお、戻り燃料温度センサ４５の方は、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。
【００３０】
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節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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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、排気ガス中の粒子状物質（主に炭素Ｃ）を酸化させるニッケルなどの酸化触媒を付着させたフィルタ（発泡石骨粒などから構成）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。
【００３４】
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、図２〜図４のフローチャートとともに説明する。
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。フローチャートでは、ステップＳ１のスタートであり、プログラムが作動し始め、初期設定が行われる。
続いて、ステップＳ２エマルション・コントローラ１６は、供給流量センサ２０と戻り流量センサ２１からそれぞれ送られてきた流量からこれらの流量差を求める。この流量差は、燃料噴射バルブ２２から噴射した量（供給量Ｑとする）に等しい。
ステップＳ３で、供給量Ｑが実質的にゼロであるか否かを判断する。エンジンをスタートさせたばかりであるから、流量、すなわち供給量Ｑは実質的にゼロである。そこで、ステップＳ４にて燃料開閉バルブ５４を開き、燃料ポンプ７の駆動による負圧で燃料バイパス通路５３から燃料が吸い込まれ供給され始める。
ステップＳ５に進み、リターン燃料の流量可変バルブ１４を閉じ、次いでステップＳ６で燃料用流量可変バルブ１１、水用流量可変バルブ１２の双方を閉じる。したがって、ポンプ７〜１０は、すべて停止されたままにされている。
この結果、燃料ポンプへは、燃料バイパス通路からのみ水無しの燃料が供給される。
ステップＳ６からステップＳ２へ戻り、再度供給量Ｑが検出され、ステップＳ３でＱが実質的にゼロか否かが判断される。
【００３５】
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、図２〜図４のフローチャートとともに説明する。
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。フローチャートでは、ステップＳ１のスタートであり、プログラムが作動し始め、初期設定が行われる。
続いて、ステップＳ２で、エマルション・コントローラ１６は、供給流量センサ２０と戻り流量センサ２１からそれぞれ送られてきた流量からこれらの流量差を求める。この流量差は、燃料噴射バルブ２２から噴射した量（供給量Ｑとする）に等しい。
ステップＳ３で、供給量Ｑが実質的にゼロであるか否かを判断する。エンジンをスタートさせたばかりであるから、流量、すなわち供給量Ｑは実質的にゼロである。そこで、ステップＳ４にて燃料開閉バルブ５４を開き、燃料ポンプ７の駆動による負圧で燃料バイパス通路５３から燃料が吸い込まれ供給され始める。
ステップＳ５に進み、リターン燃料の流量可変バルブ１４を閉じ、次いでステップＳ６で燃料用流量可変バルブ１１、水用流量可変バルブ１２の双方を閉じる。したがって、ポンプ７〜１０は、すべて停止されたままにされている。
この結果、燃料ポンプへは、燃料バイパス通路からのみ水無しの燃料が供給される。
ステップＳ６からステップＳ２へ戻り、再度供給量Ｑが検出され、ステップＳ３でＱが実質的にゼロか否かが判断される。
【００３６】
その後、ＤＰＦ３４の温度が１０５℃以上になると、ステップＳ７からステップＳ９へ進み、ステップＳ２で検出した供給量Ｑが少量のＱｉより少ないか否か判断される。Ｑｉより少ないときは、現在アイドル域にあると判断され、ステップ１０に進みＤＰＦ３４の電気ヒーター４３がＯＮになっているか否かを判断する。
ＯＮになっていたらステップＳ１１へ進み、ＤＰＦ３４の温度が５００℃より高温になっているか否かを判断する。５００℃以下であれば、ＮＯでありステップ１２へ進んで燃料開閉バルブ５４を開き、燃料バイパス通路５３から燃料を燃料ポンプ７へ供給する。
次いで、ステップＳ１３でリターン燃料用流量可変バルブ１４を開きリターン燃料供給通路４８から戻りエマルション燃料を供給し始め、ステップＳ１４で燃料用流量可変バルブ１１と水用流量可変バルブ１２を閉じる。この状態では、エンジンが暖機されているので、水を含む戻りエマルション燃料を供給することで、ディーゼルエンジンでの燃焼温度が抑えられ、ＮＯｘの発生が抑えられる。ＰＭは、ＤＰＦ３４のフィルタで捉えられ、電気ヒーター４３の加熱より灰とされる。
なお、戻りエマルション燃料中の水比率が液比重測定センサ３２で検出されており、エマルション・コントローラ１６は、この水比率と供給量Ｑに基づき、ディーゼルエンジンへ供給する燃料の最適水比率を決定し、この水比率となるように燃料供給量に対する戻りエマルション燃料の供給量をリターン燃料用流量可変バルブ１４で調節制御する。
ステップＳ１４からステップＳ２へ戻り、上記各ステップを繰り返す。
ステップＳ１１でＤＰＦ３４の温度が５００℃を越したら、ステップＳ１５へ進み、電気ヒーター４３をＯＦＦにして加熱を停止する。この結果、電気ヒーター４３による加熱が抑えられ、酸化触媒であるニッケルの損傷を防ぐことが可能となる。次いで、ステップＳ１２〜ステップＳ１４に進み水の存在によりＮＯｘの発生を抑える一方、ＤＰＦ３４がＰＭを燃焼可能な温度に保たれており、ＰＭを燃焼することが可能である。
【００３７】
一方、ステップＳ１０でＤＰＦ３４の電気ヒーター４３がＯＦＦで加熱停止状態にあるときは、ステップＳ１６へ進み、ＤＰＦ３４の温度が４００℃より高いか否かを判断する。ここで、４００℃というのは、ニッケルといった酸化触媒が存在することで、ＰＭが燃焼可能となる温度である。
４００℃以上あれば、ＰＭを十分燃焼できるから、電気ヒーター４３をＯＦＦとしたままステップＳ１２〜ステップＳ１４へ進み水の存在によりディーゼルエンジンでのNOｘの発生を抑える。
しかしながら、ＤＰＦ３４の温度が４００℃以下であれば、もはやＰＭを確実に燃焼できる温度ではないので、ステップＳ１７で電気ヒーター４３をＯＮとして加熱し、４００℃以上になるようにする。ステップＳ１７からは同じくステップＳ１２〜ステップＳ１４へ進み、水によりＮＯｘの発生を抑える。
【００３８】
ステップＳ９へ戻り、アクセルペダルが踏み込まれ、供給量Ｑが流量Ｑｉ以上となると、ステップＳ１８へ進み、供給量Ｑが流量Ｑｆより多量か否かを判断する。
アクセルペダルをフル負荷域まで踏み込んでいる状態では、ＱがＱｉより多量となってステップＳ１０へ進み、上記で述べたようにＤＰＦ３４を４００℃〜５００℃の範囲でＯＮとなるようにするとともに、燃料バイパス通路５３から燃料を、またリターン燃料通路４７から戻りエマルション燃料をそれぞれ供給する。リターン燃料用流量可変バルブ１４が制御され、水比率を最適に保つ。このときの水比率としては、燃料：水が９５：５になるようにする。
【００３９】
ステップＳ１８にて供給量ＱがＱｆより少ないときはアイドル域とフル負荷域の中間域にあることになり、ステップＳ１９へ進む。ステップＳ１９では、燃料開閉バルブ５４を閉じて燃料バイパス通路５３からの燃料供給を停止する。
次いで、ステップＳ２０へ進み、リターン燃料用流量可変バルブ１４を開き、リターン燃料供給通路４８から燃料ポンプ７へ供給する戻りエマルション燃料の量を調節する。この供給はリターンポンプ１０を駆動させることで行われ、この供給量の制御は液比重測定センサ３２及び供給量Ｑに基づき実行される。
次いで、ステップ２１へ進み、ＤＰＦ３４の温度が４００℃以上であるか否かが判断される。
４００℃より低ければ、図３のフローチャートへ進み、４００℃以上であれば図４のフローチャートへ進む。
【００４０】
ステップＳ２１で４００℃より低いと判断されたら、図３のステップＳ２２へ進みＤＰＦ３４の電気ヒーター４３をＯＮとし加熱状態にする。この結果、電気ヒーター４３の温度が上昇しフィルタで補足していたＰＭを燃焼できるようになる。
次いで、ステップＳ２３で戻り燃料温度センサ４５で検出した戻りエマルション燃料の温度Ｔｒが１０℃より高温であるか否かを判断する。
１０℃以下であればエンジンが暖機されていないと判断し、ステップＳ２４へ進み、燃料用流量可変バルブ１１と水用流量可変バルブ１２を開いてそれぞれの供給量をエマルション・コントローラ１６で制御する。ここでは、水比率を燃料：水が９５：５となるように制御する。
この結果、水量が少なく排気温度が上昇することでＤＰＦの温度を早く上昇させることが可能となる。
また、戻りエマルション燃料を利用することで、作り出したエマルション燃料の長期放置による分離を避けることができる。
なお、ここで戻りエマルション燃料の温度Ｔｒを測定するのは、ディーゼルエンジンの燃焼室４１内へ向けて燃料噴射バルブ２２が設けられているので、戻りエマルション燃料の温度が直接エンジン燃焼室４１の温度状態を表し、エンジン水温等による間接的な検出より早くエンジンの暖機状態を把握できるからである。
次いで、ステップＳ２５で最初に戻りステップＳ２から始める。
【００４１】
一方、ステップＳ２３で戻りエマルション燃料の温度Ｔｒが１０℃より高温となったらエンジンが暖機状態にあると判断し、ステップＳ２６へ進んで供給量Ｑが多量のＱ１より多いか否かを判断する。Ｑ１より多ければアクセルペダルの踏み込み量が大きい（急な傾斜での登坂走行である）と判断して、ステップＳ２４へ進み、上記同様に燃料用流量可変バルブ１１と水用流量可変バルブ１２を開いて、水比率を燃料：水が９５：５となるように制御する。
Ｑ１より少なければ、ステップＳ２７へ進み、供給量Ｑが中程度の流量であるＱ２より多いか否かを判断する。Ｑ２より多ければアクセルペダルの踏見込み量が中程度（緩傾斜での登坂走行あるいは通常走行である）と判断してステップＳ２８へ進み、燃料用流量可変バルブ１１と水用流量可変バルブ１２を開いて、水比率を燃料：水が９０：１０となるように制御する。次いで、ステップＳ２５へ進み、リターンする。
一方、Ｑ２以下でありアクセルペダルの踏み込み量が小さい（一般走行あるいは市街地走行である）と判断したら、ステップＳ２９へ進み、燃料用流量可変バルブ１１と水用流量可変バルブ１２を開いて、水比率を燃料：水が８５：１５となるように制御する。次いで、ステップＳ２５へ進み、リターンする。
【００４２】
一方、ステップＳ２３で戻りエマルション燃料の温度Ｔｒが１０℃より高温となったらエンジンが暖機状態にあると判断し、ステップＳ２６へ進んで供給量Ｑが多量のＱ１より多いか否かを判断する。Ｑ１より多ければアクセルペダルの踏み込み量が大きい（急な傾斜での登坂走行である）と判断して、ステップＳ２４へ進み、上記同様に燃料用流量可変バルブ１１と水用流量可変バルブ１２を開いて、水比率を燃料：水が９５：５となるように制御する。
Ｑ１より少なければ、ステップＳ２７へ進み、供給量Ｑが中程度の流量であるＱ２より多いか否かを判断する。Ｑ２より多ければアクセルペダルの踏み込み量が中程度（緩傾斜での登坂走行あるいは通常走行である）と判断してステップＳ２８へ進み、燃料用流量可変バルブ１１と水用流量可変バルブ１２を開いて、水比率を燃料：水が９０：１０となるように制御する。次いで、ステップＳ２５へ進み、リターンする。
一方、Ｑ２以下でありアクセルペダルの踏み込み量が小さい（一般走行あるいは市街地走行である）と判断したら、ステップＳ２９へ進み、燃料用流量可変バルブ１１と水用流量可変バルブ１２を開いて、水比率を燃料：水が８５：１５となるように制御する。次いで、ステップＳ２５へ進み、リターンする。
【００４３】
一方、ステップＳ２１でＤＰＦ３４の温度ＴＤＰＦが４００℃以上であると判断されたら、図４のフローチャートのステップＳ３０へ進み、さらにＤＰＦ３４の温度ＴＤＰＦが５００℃より高温であるか否か判断される。
５００℃以下であると判断されたら、ステップＳ３１へ進み、電気ヒーター４３をＯＮにして加熱状態にする。この結果、フィルタで補足されたＰＭの燃焼が確実に行われる。
次いで、ステップＳ３２へ進み、ここで供給量Ｑが多量のQａより多いか否かが判断される。Ｑａより多い（急傾斜での登坂走行である）と判断されたらステップＳ３７へ進み、燃料用流量可変バルブ１１と水用流量可変バルブ１２を開いて、水比率を燃料：水が９０：１０となるように制御する。ステップＳ３３からステップＳ３４へ進み、リターンする。
【００４４】
一方、ステップＳ３５で５００℃より高温であると判断したら、酸化触媒等の損傷を避けるため、電気ヒーター４３をＯＦＦとして加熱を停止し、ＤＰＦ３４の温度が上昇しすぎるのを防止する。次いで、上記ステップＳ３２へ進む。
ステップＳ３２でＱがＱａ以下である（一般走行あるいは高速巡航中である）と判断されたら、ステップＳ３６へ進み供給量Ｑが中程度の流量Ｑｂより多いか否かが判断される。多いと判断されたらステップＳ３７へ進み、燃料用流量可変バルブ１１と水用流量可変バルブ１２を開いて、水比率を燃料：水が８０：２０となるように制御する。次いで、ステップＳ３４へ進み、リターンする。
【００４５】
ステップＳ３６でＱがＱｂ以下であると判断されたら、ステップＳ３８へ進み、供給量Ｑが少量のＱｃより多量であるか否か判断される。Ｑｃより多量である（市街地走行あるいは渋滞走行である）と判断されたら、ステップＳ３９へ進み、燃料用流量可変バルブ１１と水用流量可変バルブ１２を開いて、水比率を燃料：水が７５：２５となるように制御する。次いで、ステップＳ３４へ進み、リターンする。
ステップＳ３８でＱｃ以下である（長い降坂走行である）と判断されたら、燃料用流量可変バルブ１１と水用流量可変バルブ１２を開いて、水比率を燃料：水が７０：３０となるように制御する。次いで、ステップＳ３４へ進み、リターンする。
【００４６】
この中間域でかつＤＰＦ温度が４００℃以上である場合には、燃料供給量がフル負荷時のように多くはないので、燃料用開閉バルブ５３は閉じて燃料バイパス通路５３からの燃料供給を停止する。
他方で、エンジンが安定して稼働することができる状態にあるので、水入りのエマルション燃料を供給することで、ＮＯｘを抑えることが可能となる。
この場合、前述の中間域でかつＤＰＦ温度が４００℃より低温である場合に比べ、同じ供給量Ｑに対し水比率を増やすように設定してある。たとえば、Ｑａ＝Ｑ１、Ｑｂ＝Ｑ２と設定してもよい。
このようにすれば、ＤＰＦの温度を排気ガスの温度で促進する必要がないのでその分、水比率を増やしＮＯｘをより多量に低減できるようになる。
また、ＤＰＦの温度がＰＭの燃焼可能温度に保たれているため、ＰＭを確実に燃焼させ灰にすることが可能となる。
【００４７】
また、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へ供給するようにしている。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。
【００４８】
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。
また、燃料タンクから燃料ポンプへの軽油（燃料）の供給を、燃料供給通路と燃料バイパス通路とから供給可能としているので、燃料供給通路に用いる燃料ポンプの最大吐出量を大きくしなくても、エマルション燃料を作り出すのに十分な量の燃料を供給でき、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。
【００４９】
なお、上記実施態様にあっては、乳化剤ポンプ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。
また、供給量Ｑには、燃料噴射バルブへの燃料供給量と燃料噴射バルブからの戻り燃料量の差を用いたが、場合によっては燃料噴射バルブへの燃料供給量だけを用いることも可能である。あるいは、供給量Ｑに代えてアクセルペダルの踏み込み量をポテンショメータ等で検出してＱ１、Ｑａの代わりに大踏み込み量、Ｑ２、Ｑｂの代わりに中踏み込み量、Ｑｃの代わりに小踏み込み量を用いても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のディーゼルエンジン・システムを表す図である。
【図２】 図１のディーゼルエンジン・システムに利用される、エマルション燃料供給とＤＰＦとの総合制御のフローチャートの前半部分を表す図である。
【図３】 図１のフローチャートの続きでＤＰＦの温度が４００℃より低温であるときのフローチャートを表す図である。
【図４】 図１のフローチャートの続きでＤＰＦの温度が４００℃以上の高温であるときのフローチャートを表す図である。
【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）
７ 燃料ポンプ
８ 水ポンプ
９ 乳化剤ポンプ
１０ リターンポンプ
１１ 流量可変制御バルブ（燃料油用流量可変バルブ）
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
２１ 戻り流量センサ
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 燃料供給通路
５０ 乳化剤供給通路
５２ 水供給通路
５３ 燃料バイパス通路
５４ 開閉バルブ（燃料用開閉バルブ）

Claims (10)

1. 燃料噴射バルブを備えた自動車用のディーゼルエンジンと、
   該ディーゼルエンジンの前記燃料噴射バルブへ水入りのエマルション燃料、水無し燃料のいずれかを選択的に供給可能な燃料供給装置と、
   前記燃料噴射バルブへ供給する燃料供給量あるいは該燃料噴射バルブから噴射した分の燃料供給量を計測可能な流量センサと、
   前記エンジンの排気側に設けられ、前記ディーゼルエンジンから排出されたパーティキュレート・マターを補足するフィルタ及び該パーティキュレート・マターを燃焼させるヒーターを備えたディーゼル・パーティキュレート・フィルタと、
   該ディーゼル・パーティキュレート・フィルタ内の温度を検出可能な温度センサと、
   前記燃料供給量がフル負荷領域にある場合、アイドル域とフル負荷域の中間域にある場合の燃料供給量に対する水供給量の比率以下にし、かつ前記燃料供給量が前記中間域にある場合、前記温度センサの温度が前記パーティキュレート・マターを燃焼させる設定温度より低いときは、前記ヒーターを加熱状態にするとともに前記燃料供給量に応じて燃料供給量に対する水供給量の比率を可変に制御する一方、前記温度が前記設定温度以上のときは、前記設定温度より低いときに比べて前記水比率を高い方へ前記燃料供給量に応じて可変に制御するとともに前記ヒーターの温度が前記フィルタの損傷する温度より高くなったらヒーターの加熱を停止するように制御するコントローラと、を備えたこと、を特徴とするディーゼルエンジン・システム。
2. 前記燃料への水供給制御は、前記燃料供給量が多いほど水比率が小さくなるようにしたこと、を特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジン・システム。
3. 前記コントローラは、前記温度センサの温度が前記パーティキュレート・マターを燃焼させる設定温度より低いときの水比率を、エンジンが冷機状態にあるとき最小となるように制御すること、を特徴とする請求項１又は２に記載のディーゼルエンジン・システム。
4. 前記水入りのエマルション燃料は、乳化剤にて水の周りを燃料で包んだエマルション燃料であること、を特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のディーゼルエンジン・システム。
5. 前記フィルタは、酸化触媒を備えていること、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・システム。
6. 燃料噴射バルブを備えた自動車用のディーゼルエンジンと、
   該ディーゼルエンジンの前記燃料噴射バルブへ水入りのエマルション燃料、水無し燃料のいずれかを選択的に供給可能な燃料供給装置と、
   アクセルペダルの踏み込み量に相当する量を検出可能なアクセルペダル踏み込み相当量検出センサと、
   前記エンジンの排気側に設けられ、前記ディーゼルエンジンから排出されたパーティキュレート・マターを補足するフィルタ及び該パーティキュレート・マターを燃焼させるヒーターを備えたディーゼル・パーティキュレート・フィルタと、
   該ディーゼル・パーティキュレート・フィルタ内の温度を検出可能な温度センサと、
   前記燃料供給量がフル負荷領域にある場合、アイドル域とフル負荷域の中間域にある場合の燃料供給量に対する水供給量の比率以下にし、かつ前記燃料供給量が前記中間域にある場合、前記温度センサの温度が前記パーティキュレート・マターを燃焼させる設定温度より低いときは、前記ヒーターを加熱状態にするとともに前記アクセルペダル踏み込み相当量に応じて燃料供給量に対する水供給量の比率を可変に制御する一方、前記温度が前記設定温度以上のときは、前記設定温度より低いときに比べて前記水比率を高い方へ前記アクセルペダル踏み込み相当量に応じて可変に制御するとともに前記ヒーターの温度が前記フィルタの損傷する温度より高くなったらヒーターの加熱を停止するように制御するコントローラと、を備えたこと、を特徴とするディーゼルエンジン・システム。
7. 前記燃料への水供給制御は、前記アクセルペダル踏み込み相当量がアイドル域とフル負荷域の中間域にあるとき前記アクセルペダル踏み込み相当量が大きいほど水比率が小さくなるようにしたこと、を特徴とする請求項６に記載のディーゼルエンジン・システム。
8. 前記コントローラは、前記温度センサの温度が前記パーティキュレート・マターを燃焼させる設定温度より低いときの水比率を、エンジンが冷機状態にあるとき最小となるように制御すること、を特徴とする請求項６又は７のいずれかに記載のディーゼルエンジン・システム。
9. 前記水入りのエマルション燃料は、乳化剤にて水の周りを燃料で包んだエマルション燃料であること、を特徴とする請求項６から８のいずれかに記載のディーゼルエンジン・システム。
10. 前記フィルタは、酸化触媒を備えていること、を特徴とする請求項６から９のいずれかに記載のディーゼルエンジン・システム。

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