JP4117595B2 - エマルション燃料供給システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ディーゼルエンジンの燃焼室へエマルション燃料を供給して燃焼させることで、排気ガス中の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】
ディゼルエンジンの排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減する技術として、燃料に水及び乳化剤を加えてエマルション燃料として燃料噴射弁から燃焼室へ噴射・燃焼させることで、燃焼温度を下げＮＯｘの生成を抑えるものが知られている（たとえば、特開平７−１６６９６２号公報、特開平８−２００１６３号公報に記載のもの）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記エマルション燃料を用いる場合、燃料に対する水比率を常に一定にすることは、エンジンの幅広い稼働範囲にあっては最適な動力性能や排気浄化性能を得ることができなかった。そこで、動力性能と排気浄化性能をエンジンの幅広い稼働範囲にわたって最適にするべく、エンジン稼働状況に応じて水比率を可変にすることが考えられる。
しかしながら、この水比率をコントロールするにあたっては、エンジン側の稼働状況を表す信号が必要であるが、既販売車に新しくエマルション燃料供給装置を追加しようとすると、既販売車についていたエンジン・コントロールユニットからの信号、プロトコル等が各社で異なっているため、ここからエンジン稼働状況に関する信号を受けてエマルション燃料をコントロールするのは非常に困難となる。
【０００４】
【発明の目的】
本発明の目的は、上記問題点を解決し、ディーゼルエンジン・コントロールユニットから信号をもらわなくてもエマルション燃料に最適な水比率を決定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ことにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の実施態様によるエマルション燃料供給システムにあっては、望ましくは、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、を備えている。
燃料供給装置、水供給装置、及び乳化剤供給装置から供給される燃料、水、乳化剤が各供給比率となるように調整する比率調整装置が設けられて、ここで比率調整された燃料、水、乳化剤を混ぜ合わせてエマルション燃料を作り出すミキサに接続される。
ミキサからエマルション燃料を燃料噴射弁へ導くサプライ通路が設けられ、このエマルション燃料のうち燃料噴射弁から燃焼室へ噴射した残りをリザーバタンクへ導くリターン通路が設けられて、戻り燃料としてリターンリザーバに蓄えることができるようにする。このリターンリザーバからはサプライ通路へ戻り燃料を供給可能な戻り燃料供給装置が設けられ、戻り燃料を再利用可能とする。
一方、サプライ通路を流れるエマルション燃料の流量を計測するサプライ流量センサを設ける。このサプライ流量センサで検出したエマルション燃料の供給流量に基づき燃料に対する水の比率をエマルション・コントローラにて決定し比率調整装置を制御するように構成してある。
【０００６】
さらに、上記エマルション燃料供給システムにあっては、水の比率を、サプライ流量センサで検出した供給流量に加えて、このサプライ流量センサで検出したエマルション燃料の供給流量からリターン通路に設けたリターン流量センサで検出した戻り燃料の流量を減算して得た流量差にも基づいて決定するようにする。上記エマルション燃料供給システムにあっては、望ましくは、水の比率を、サプライ流量センサで検出したエマルション燃料の供給流量が多くなると高くなるようにする。上記エマルション燃料供給システムにあっては、望ましくは、水の比率を、同じ供給流量にあっても流量差が大きい場合には流量差が小さい場合より低くなるように構成する。
【０００７】
燃料供給装置からの燃料、水供給装置からの水、乳化剤供給装置からの乳化剤が比率調整装置でそれぞれの比率が調整されてミキサへ供給される。ミキサでは、これらを混ぜ合わせることでエマルション燃料を作り出す。なお、エマルション燃料としては、水が分散質となる油中水滴型（Ｗ／Ｏ型）のエマルション燃料とするのが望ましい。
このエマルション燃料は、サプライ通路を介して燃料噴射弁へ送られ、一部がディーゼルエンジンの燃焼室へ噴射されて燃焼する。この燃焼は、水が入ったエマルション燃料であるため、燃焼温度の高温化が抑えられ、ＮＯｘの生成が抑制される。
上記燃料噴射弁にサプライ通路を介して供給されたエマルション燃料の残りは、燃料噴射弁からドレインされリターン通路を経てリターンリザーバへ戻されここに蓄えられる。リターンリザーバ内に蓄積された戻り燃料は、戻り燃料供給装置によりサプライ通路へ再び戻される。この場合、通常は上記燃料供給装置、水供給装置、乳化剤供給装置からも燃料、水、乳化剤が供給されて戻り燃料と合流し最適な水比率のエマルション燃料としてサプライ通路へ供給される。
一方、サプライ通路にはサプライ流量センサが設けられてここを流れるエマルション燃料の流量を計測している。ディーゼルエンジンでは、アクセルペダルの踏み込み量に応じて燃料ポンプが燃料を吸込み圧縮して燃料噴射弁から燃焼室へ噴射するようになっているので、このサプライ通路を介して燃料噴射弁へ流れ込む燃料流量は、アクセルペダル踏み込み量に関係する。
このため、サプライ流量センサで供給流量を検出すれば、エンジン・コントロールユニットからアクセルペダル踏み込み量に関係する信号を受けなくても、アクセルペダル踏み込み量相当の信号が得られ、このセンサ信号に基づき水比率等をエマルション・コントローラで決定して、比率調整装置で燃料、水、乳化剤の供給量を各比率ごとに調整することが可能となる。
したがって、各社でプロトコルや信号が異なるエンジン・コントロールユニットを備えた既発売車にも簡単に適用でき、排気浄化を促進できる。
【０００８】
上記水比率の決定は、サプライ流量センサで検出したエマルション燃料の流量だけに基づき、水の比率が、サプライ流量センサで検出した流量が多いほど増大させる。この結果、アクセルペダル踏み込み量が大きくなるほど、エンジンが発生するパワーも上昇するので、水比率を増やすことで、動力性能と両立させながら排気浄化を促進できる。また、この場合、１個の流量センサを用いるだけで済み、コストも安くできる。
また、水の比率を、サプライ通路中の上記供給流量に加えて、同じくサプライ流量センサで検出したエマルション燃料の流量から、リターン通路に設けたリターン流量センサで検出した戻り燃料の流量を減算して流量差を得て、この流量差をも併せて利用することで決定するようにする。この流量差は、エンジンの燃焼室で燃焼させた燃料量であるので、同じ供給流量であっても、この流量差が大きい場合は流量差が小さい場合に比べ水比率を小さくするようにする。すなわち、流量差が大きいときは登坂時などでエンジン回転速度が遅くなり大きなトルクが必要なとき等にあたり、後者ではエンジン高回転で小さなトルクで済む平坦路高速巡航時などにあたるので、上記のように水比率を細かく制御すればよりより走行状況にあった動力性能と排気ガス浄化とを最適に両立させることが可能となる。
【０００９】
【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、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、このエマルション燃料供給システム１で作られ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。
【００１０】
エマルション燃料供給システム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の駆動がエマルション・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、それぞれ可変流量制御弁（比率調整装置）１１〜１３を通過した後、合流されて静止型ミキサ１５の入口に流入するようにしてある。これらの可変流量制御弁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が独立して制御されるようにしてある。
静止型ミキサ１５の出口は、噴射ポンプ２３の吸込み口に接続される。噴射ポンプ２３の吐出し口は燃料噴射弁２２に接続され、燃料噴射弁２２の噴射をコントロールする。
なお、燃料、水の各タンク４、５及び乳化剤カートリッジ６から燃料噴射弁２２までの通路はサプライ通路４５を構成する。このサプライ通路４５中には、サプライ流量センサ２０が設けられ、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。
ここで、軽油タンク４、燃料ポンプ７、サプライ通路４５は燃料供給装置を、水タンク５、水ポンプ８と、サプライ通路４５は水供給装置を、また乳化剤カートリッジ６、乳化剤ポンプ９、サプライ通路４５は乳化剤供給装置を、それぞれ構成する。なお、水ポンプ８と乳化剤ポンプ９とは、必ずしも必要ではなく、吸引するようにしてもよい。
【００１１】
３１はリターンリザーバであり、燃料噴射弁２２からドレインされた戻り燃料がリターン通路４６を介して導かれて、ここに蓄えられる。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の吸込み口が再供給通路４７を介して接続され、リターンリザーバ３１内の戻り燃料を吸い出し可能となっている。リターンポンプ１０は、この吐出し口が可変流量制御弁（比率調整装置）１４を介して静止型ミキサ１５の入口へつながれている。したがって、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静止型ミキサ１５に供給可能とされている。また、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、戻り燃料単独で静止型ミキサ１５に供給可能とされている。
なお、上記リターンポンプ１０と再供給通路４７は、戻り燃料供給装置を構成する。
また、リターン通路４６中には、リターン流量センサ２１が設けられ、燃料噴射弁２２からドレインされてくる戻り燃料の流量を計測し、この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。
リターンリザーバ３１には、この中の戻り燃料の水比率（軽油に対する水の比率）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（水比率信号）をエマルション・コントローラ１６へ入力させるようにしてある。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、逐一、各残量信号をエマルション・コントローラ１６に送られて、残量警告を発したり、残量に応じて目標水比率を変更することができるようにしてある。
【００１２】
噴射ポンプ２３の吐出し口が燃料噴射弁２２に接続され、燃料噴射弁２２が、この噴射時期、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。燃料噴射弁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に臨み、エマルション燃料を吹き込み可能にしている。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、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時期、噴射期間等を決定するようにしてある。
【００１３】
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ＤＰＦ（ディーゼル・パーティキュレート・フィルタ）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。
【００１４】
次に、上記構成になるエマルション燃料供給システムの作用につき、説明する。
まず、エンジンを始動には、スタータスイッチをＯＮにして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。この始動時にあっては、反応室温度センサ３６からの温度信号及び燃焼温度センサ３５からの排気ガス温度信号が、エマルション・コントローラ１６に送られ、前者が酸化触媒活性化温度より低いこと、後者が通常運転時の排気ガス温度より低いことが判断され、エマルション・コントローラ１６により、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用の各可変流量制御弁１２、１３、１４が閉じられ、軽油タンク４用の可変流量制御弁１１のみがアイドル運転に必要な量の流路面積分だけ開くとともに、燃料ポンプ７のみが駆動され、その他のポンプ８〜１０は停止したままにされている。
【００１５】
また、始動とともに、リターンリザーバ３１に設けられた撹拌器４４を回転駆動させることで、始動までしばらくエンジン停止してリターンリザ―バ３１内の戻りエマルション燃料が分離していたとしても、再度かき混ぜることでエマルション化させる。
したがって、この目的で、始動前のエンジン停止から今回の始動までの経過時間、温度等がエマルション・コントローラ１６に入力される。そして、停止後、間もない始動の場合など、分離が生じている心配のない場合の始動時は、撹拌器４４を駆動しないようにすることもできる。
【００１６】
始動に伴って、上記可変流量制御弁１１から静止型ミキサ１５に供給された軽油だけの燃料は、サプライ通路４５を介して噴射ポンプ２３に送られる。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、上記軽油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をそれぞれ閉じた状態の中をピストン２４が上昇し、この圧縮熱により軽油が着火され、この燃焼によるガス膨張でピストン２４を押し下げ、エンジンを回転駆動することができるようになる。
この始動にあっては、燃料は軽油１００％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始動することが可能となる。このとき、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の発生量は少ないものの、ＰＭ、ＨＣ、ＣＯは増大する。
しかしながら、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。また、軽油１００％の燃焼とすることで、エマルション燃料供給時よりも排気ガスの温度を高くでき、電気ヒータ４３とでできるだけ早くＤＰＦ３４を温め、エンジンから排出されたＰＭ、ＨＣ、ＣＯをＤＰＦ３４の酸化触媒反応室３４ａで酸化し、排気ガスを浄化する。
【００１７】
ここで、エンジンの暖機が終了し車両を走行させるべく、アクセルペダルを踏み込む。
エマルション・コントローラ１６は、サプライ流量センサ２０、燃焼温度センサ３５、反応室温度センサ３６等からそれぞれ信号を受け、エマルション燃料における最適な水比率等を決定する。
この水比率の決定は以下のように実行される。
燃料噴射弁２２による噴射は、アクセルペダルの踏み込み量に応じて噴射ポンプ２３で燃料を燃料噴射ポンプ２３に送ることで行われ、この結果、サプライ通路４５にはアクセルペダルの踏み込み量に応じた量の燃料が流れることになる。
このサプライ通路４５を流れる燃料の流量をサプライ流量センサ２０で計測して、この信号をエマルション・コントローラ１６へ送る。
エマルション・コントローラ１６は、サプライ流量センサ２０で計測した流量に基づき最適な水比率を決定し、この水比率のエマルション燃料を作り出すべく、ポンプ７〜１０を駆動し、可変流量制御弁１１〜１４をこれらの開口面積がそれぞれ最適流路面積になるように開口制御する。この結果、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からそれぞれ軽油、水、乳化剤、戻り燃料が上記の水比率を得るのに必要な量に調整されて、静止型ミキサ１５に供給される。
【００１８】
なお、ここで、始動時などリターンリザーバ３１内の戻り燃料が十分撹拌されエマルションが安定化するまでは、ポンプ１０が停止され、可変流量制御弁１４は閉じられたままとされ、軽油タンク４、水タンク５、乳化剤カートリッジ６から供給されて新しいエマルション燃料が作られるようにする。
しかし上記以外は、リターンリザーバ３１内の戻り燃料を基本的には優先して静止型ミキサ１５へ供給し、足りない分を軽油タンク４、水タンク５、乳化剤カートリッジ６から供給することで、静止型ミキサ１５で噴射ポンプ２３へ供給するエマルション燃料を作り出すようにする。
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、エマルション燃料の安定供給、分離した戻り燃料をまた撹拌することも不要となる。なお、燃料噴射弁２２からドレインされてリターンリザーバ３１へ導かれる戻り燃料の量は、燃料噴射弁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は、望ましい。
なお、走行中の車体の揺れによってサスペンション４５によりリターンリザーバ３１が揺動され、内部の戻り燃料が撹拌されるので、燃料と水の分離が抑えられ、エマルション化も促進される。
【００１９】
この場合、リターンリザーバ３１内の戻り燃料の水比率を、液比重測定センサ（水比率センサ）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て、ポンプ７〜１０と可変流量制御弁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。
なお、上記戻り燃料の供給量は、ポンプ１０の能力と可変流量制御弁１４の開口面積から決定するが、さらに測定オーダーを上げたいときは、リターンリザーバ３１と可変流量制御弁１４の出口との間の途中に流量測定センサを設ければ良い。
【００２０】
静止型ミキサ１５は、供給される軽油、水、乳化剤、戻り燃料を混ぜ合わせることで油中水滴型（Ｗ／Ｏ型）のエマルション燃料を作り、これを噴射ポンプ２３へ送る。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。
上記のように、負荷、排気ガス温度温度等を元に最適化された水比率のエマルション燃料は、噴射ポンプ２３へ供給され、エンジン・コントロール・ユニット３８で制御されながら、燃料噴射弁２２から最適噴射時期に最適噴射期間、燃焼室４１へ噴射される。噴射に伴い、燃料噴射弁２２からドレインされたエマルション燃料は、リターン流量センサ２１でその量を検出されながら、リターンリザーバ３１へ送られる。
【００２１】
上記最適な水比率の決定は、以下のように行われる。なお、ここで水比率は、体積比率を指すが、質量比率でもほとんど変わらない。また、乳化剤は、親水性と親油性との釣り合いを表すＨＬＢが６程度であり、その供給量は燃料と水との質量の１．２％程度（体積では１．５％程度）とするのが望ましい。
水比率は、基本的には、走行負荷、したがってアクセルペダルの踏み込み量をベースにしてなされる。この目的でサプライ流量センサ２０を用い、アクセルペダルの踏み込み量の代わりに用いる。
すなわち、通常走行時にあっては、軽油：水がほぼ９５：５〜８０：２０の範囲で上記サプライ通路４５の流量が大きくなるほど、水比率が高まる方へ制御する。なお、エンジンや燃焼条件によっては、８０：２０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。また、Ｗ／Ｏ型エマルション燃料をうまく調整して作っておくことで、水によるミクロ爆発等も期待でき、燃料消費率が良くなることも実験で確認されている。
ただし、上記流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、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。
【００２２】
上記のように、エマルション燃料の水比率の最適化は、基本的にはサプライ通路４５の流量に応じてなされるが、下記のような環境条件、運転条件にあるときは、負荷で決めた最適目標水比率を修正する。
その修正に影響を与えるものの一つに、反応室温度センサ３６からの測定温度がある。
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。
【００２３】
また、走行条件によっては、水比率を下記のように設定する。
高速巡航走行であるときは、基本的には軽油：水をほぼ８０：２０と水比率を多くする。これにより、ＮＯｘは大きく低減され、ＰＭ、ＨＣもＤＰＦ３４で処理される。この高速巡航走行であることは、サプライ流量センサ２０からの供給流量信号に加え、該信号とリターン流量センサ２１からの戻り流量信号とから流量差（燃料噴射弁２２から燃焼室へ吹き込んだ燃料に相当）を求めて、これら両者から次にように判断可能である。
すなわち、供給流量が大きいときは、アクセルペダルの踏み込み量が大きく大きいパワーを発揮している状態と判断する。一方、同じ供給流量であっても登坂等で大きいトルクが必要なときは、高速平坦路を高速巡航しているときより流量差が大きくなる。
したがって、供給流量が増えれば基本的に水比率を高めるが、同じ供給量であっても流量差が大きいときは流量差が小さいときに比べて水比率を下げるようにする。このように細かく制御することで、動力性能と排気ガス浄化性能とを走行状態に合わせて最適に両立させることができる。しかも、この場合、エンジン・コントロールユニットからの信号は必ずしも必要ではない。
【００２４】
急加速時にあっては、追い越し時の安全確保のためなど、加速性能を重視せざるを得ないので、軽油：水がほぼ９０：１０〜９５：５程度の水比率になるように、水比率を下げる。
この場合、ＮＯｘは悪化するが、急加速の時間は短いのが普通であるから、ＮＯｘの発生総量はそんなに多くはならない。しかも、最低でも水が軽油９５に対し５程度の比率で入っているので、水が無い時に比べ、加速性能を犠牲にすることなくＮＯｘの発生量を抑えることが可能となる。なお、この場合、ＰＭの発生量は低下するので、ＤＰＦ３４の負担は小さくなる。
【００２５】
一方、ＤＰＦ３４の酸化触媒反応室３４ａの温度が約１００℃以上〜約４００℃より低いの範囲にあると検出されたときは、軽油：水がほぼ９０：１０となる水比率となるように、酸化触媒反応室３４aの温度が約１００℃より低い場合に比べて水比率を若干増加するように制御する。また、酸化触媒反応室３４ａの温度が約４００℃以上のときは、さらに水比率を増やすが、通常は軽油：水が８５：１５程度までに抑えておいた方がよい。
したがって、この場合も、渋滞でのエンジンの安定性を確保しながら、ＮＯｘ、ＰＭの低減が可能となる。
【００２６】
サプライ通路４５の流量がエンジン・アイドリング状態にある時は、軽油：水がほぼ９５：５〜１００：０の範囲となるようにする。
これにより、エンジンの安定運転性を確保できる。また、水比率が少なくなる結果ＰＭの発生が低減する（ＤＰＦ３４でも燃焼される）が、ＮＯｘの発生が水比率大の場合に比べて増えるものの、水が入っている場合は若干のＮＯｘの発生低減が可能であり、またアイドリング運転であることからその発生総量自体は少ない。
【００２７】
エンジン停止時は、水、乳化剤、戻り燃料の静止型ミキサ１５への供給を断ち、軽油１００％の燃料を燃料噴射弁２２から噴射してから、エンジンの回転を停止する。これにより、停止後、水やエマルション燃料が燃料噴射弁２２や噴射ポンプ２３等に残らないので、これら燃料噴射系が錆びたりする虞はない。
また、エンジン停止後もプレヒータ・コントローラ３で電気ヒータ４３を所定時間、加熱してＤＰＦ３４等の排気系を約１００℃以上に保ち、水蒸気のまま排気系から排出する。この停止時にあっては、水無しの軽油を燃焼させるので、温度が高くなった排気ガスによっても、排気系が温められる。したがって、排気系の中にある水蒸気が冷えて水となりＨＣ等と反応してできた酸性液が、排気系に残りこれを錆びさせるのを防ぐことができる。
なお、エンジン停止のためのキーオフに代えて、駐車ブレーキが引かれたとき、あるいは所定時間以上アイドリング運転状態が続いたときも、この停止制御に切り替えるようにすることも可能である。
【００２８】
図２は、上記エマルション燃料供給システム１に用いる制御フローチャートを示す。
スッテプＳ０でスタートし、ステップＳ１で初期化する。次いで、ステップＳ２で始動制御を行い、水なしの軽油１００％の燃料供給となる。すなわち、燃料の可変流量制御弁１１だけが開いてその流量を制御されてサプライ通路４６へ軽油が供給されるのに対し、水、乳化剤、戻り燃料の可変流量制御弁１２〜１４はすべて閉じられる。
暖機するまで、ＤＰＦの反応室温度が所定温度以上になるまで始動制御が継続され、これが終了したらステップＳ３に進む。ステップＳ３では、サプライ流量センサ２０からサプライ通路４５への供給燃料量に関する信号を読み込む。ステップＳ４では、この供給流量信号に基づいて水比率マップから対応する水比率を読み込む。この水比率マップは、図３に実線で示すように供給流量が増えれば水比率を増やすように設定してある。
続いて、ステップＳ５にてリターン流量センサ２１からも戻り流量に関する信号を読み込む。スッテプＳ６で供給流量信号から戻り流量信号を減算して流量差を求める。次いで、ステップＳ７で水比率マップからこの流量差に対応する水比率減算分を求め、ステップＳ８で供給流量に基づき求めた対応水比率から水比率減算分を引く。その結果、図３に点線で示すような水比率が得られる。ステップＳ９でこのように修正して得た制御水比率に基づき、燃料、水、乳化剤、戻り燃料の各可変流量制御弁１１〜１４を制御する。次いでＳ１０にてリターンする。なお、上記水比率マップは最適値を実験で求めておく。なお、図３のマップでの水比率と供給流量の関係は、エンジン特性等によっても異なり、図３のような折れ線でなく単なる直線、曲線、階段線でもよい。図３の点線の傾斜も実線より勾配が小さく右肩上がりにした方がよいときもある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明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。
【図２】 図１のエマルション燃料供給システムに用いる制御フローチャートを示す図である。
【図３】 水比率を決定するマップを示す図である。
【符号の説明】
１ エマルション燃料供給システム
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（燃料供給装置）
５ 水タンク（水供給装置）
６ 乳化剤カートリッジ（乳化剤供給装置）
１１〜１４ 可変流量制御弁（比率調整装置）
１５ 静止型ミキサ（ミキサ）
１６ エマルション・コントローラ
２０ サプライ流量センサ
２１ リターン流量センサ
２２ 燃料噴射弁
２３ 噴射ポンプ
２６ 冷却水温度センサ
２７ 吸入ポート
２８ 排気ポート
３１ リターンリザーバ
３２ 液比重計
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
４３ 電気ヒータ
４４ 撹拌器
４５ サプライ通路
４６ リターン通路
４７ 再供給通路
【産業上の利用分野】
本発明は、ディーゼルエンジンの燃焼室へエマルション燃料を供給して燃焼させることで、排気ガス中の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】
ディゼルエンジンの排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減する技術として、燃料に水及び乳化剤を加えてエマルション燃料として燃料噴射弁から燃焼室へ噴射・燃焼させることで、燃焼温度を下げＮＯｘの生成を抑えるものが知られている（たとえば、特開平７−１６６９６２号公報、特開平８−２００１６３号公報に記載のもの）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記エマルション燃料を用いる場合、燃料に対する水比率を常に一定にすることは、エンジンの幅広い稼働範囲にあっては最適な動力性能や排気浄化性能を得ることができなかった。そこで、動力性能と排気浄化性能をエンジンの幅広い稼働範囲にわたって最適にするべく、エンジン稼働状況に応じて水比率を可変にすることが考えられる。
しかしながら、この水比率をコントロールするにあたっては、エンジン側の稼働状況を表す信号が必要であるが、既販売車に新しくエマルション燃料供給装置を追加しようとすると、既販売車についていたエンジン・コントロールユニットからの信号、プロトコル等が各社で異なっているため、ここからエンジン稼働状況に関する信号を受けてエマルション燃料をコントロールするのは非常に困難となる。
【０００４】
【発明の目的】
本発明の目的は、上記問題点を解決し、ディーゼルエンジン・コントロールユニットから信号をもらわなくてもエマルション燃料に最適な水比率を決定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ことにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の実施態様によるエマルション燃料供給システムにあっては、望ましくは、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、を備えている。
燃料供給装置、水供給装置、及び乳化剤供給装置から供給される燃料、水、乳化剤が各供給比率となるように調整する比率調整装置が設けられて、ここで比率調整された燃料、水、乳化剤を混ぜ合わせてエマルション燃料を作り出すミキサに接続される。
ミキサからエマルション燃料を燃料噴射弁へ導くサプライ通路が設けられ、このエマルション燃料のうち燃料噴射弁から燃焼室へ噴射した残りをリザーバタンクへ導くリターン通路が設けられて、戻り燃料としてリターンリザーバに蓄えることができるようにする。このリターンリザーバからはサプライ通路へ戻り燃料を供給可能な戻り燃料供給装置が設けられ、戻り燃料を再利用可能とする。
一方、サプライ通路を流れるエマルション燃料の流量を計測するサプライ流量センサを設ける。このサプライ流量センサで検出したエマルション燃料の供給流量に基づき燃料に対する水の比率をエマルション・コントローラにて決定し比率調整装置を制御するように構成してある。
【０００６】
さらに、上記エマルション燃料供給システムにあっては、水の比率を、サプライ流量センサで検出した供給流量に加えて、このサプライ流量センサで検出したエマルション燃料の供給流量からリターン通路に設けたリターン流量センサで検出した戻り燃料の流量を減算して得た流量差にも基づいて決定するようにする。上記エマルション燃料供給システムにあっては、望ましくは、水の比率を、サプライ流量センサで検出したエマルション燃料の供給流量が多くなると高くなるようにする。上記エマルション燃料供給システムにあっては、望ましくは、水の比率を、同じ供給流量にあっても流量差が大きい場合には流量差が小さい場合より低くなるように構成する。
【０００７】
燃料供給装置からの燃料、水供給装置からの水、乳化剤供給装置からの乳化剤が比率調整装置でそれぞれの比率が調整されてミキサへ供給される。ミキサでは、これらを混ぜ合わせることでエマルション燃料を作り出す。なお、エマルション燃料としては、水が分散質となる油中水滴型（Ｗ／Ｏ型）のエマルション燃料とするのが望ましい。
このエマルション燃料は、サプライ通路を介して燃料噴射弁へ送られ、一部がディーゼルエンジンの燃焼室へ噴射されて燃焼する。この燃焼は、水が入ったエマルション燃料であるため、燃焼温度の高温化が抑えられ、ＮＯｘの生成が抑制される。
上記燃料噴射弁にサプライ通路を介して供給されたエマルション燃料の残りは、燃料噴射弁からドレインされリターン通路を経てリターンリザーバへ戻されここに蓄えられる。リターンリザーバ内に蓄積された戻り燃料は、戻り燃料供給装置によりサプライ通路へ再び戻される。この場合、通常は上記燃料供給装置、水供給装置、乳化剤供給装置からも燃料、水、乳化剤が供給されて戻り燃料と合流し最適な水比率のエマルション燃料としてサプライ通路へ供給される。
一方、サプライ通路にはサプライ流量センサが設けられてここを流れるエマルション燃料の流量を計測している。ディーゼルエンジンでは、アクセルペダルの踏み込み量に応じて燃料ポンプが燃料を吸込み圧縮して燃料噴射弁から燃焼室へ噴射するようになっているので、このサプライ通路を介して燃料噴射弁へ流れ込む燃料流量は、アクセルペダル踏み込み量に関係する。
このため、サプライ流量センサで供給流量を検出すれば、エンジン・コントロールユニットからアクセルペダル踏み込み量に関係する信号を受けなくても、アクセルペダル踏み込み量相当の信号が得られ、このセンサ信号に基づき水比率等をエマルション・コントローラで決定して、比率調整装置で燃料、水、乳化剤の供給量を各比率ごとに調整することが可能となる。
したがって、各社でプロトコルや信号が異なるエンジン・コントロールユニットを備えた既発売車にも簡単に適用でき、排気浄化を促進できる。
【０００８】
上記水比率の決定は、サプライ流量センサで検出したエマルション燃料の流量だけに基づき、水の比率が、サプライ流量センサで検出した流量が多いほど増大させる。この結果、アクセルペダル踏み込み量が大きくなるほど、エンジンが発生するパワーも上昇するので、水比率を増やすことで、動力性能と両立させながら排気浄化を促進できる。また、この場合、１個の流量センサを用いるだけで済み、コストも安くできる。
また、水の比率を、サプライ通路中の上記供給流量に加えて、同じくサプライ流量センサで検出したエマルション燃料の流量から、リターン通路に設けたリターン流量センサで検出した戻り燃料の流量を減算して流量差を得て、この流量差をも併せて利用することで決定するようにする。この流量差は、エンジンの燃焼室で燃焼させた燃料量であるので、同じ供給流量であっても、この流量差が大きい場合は流量差が小さい場合に比べ水比率を小さくするようにする。すなわち、流量差が大きいときは登坂時などでエンジン回転速度が遅くなり大きなトルクが必要なとき等にあたり、後者ではエンジン高回転で小さなトルクで済む平坦路高速巡航時などにあたるので、上記のように水比率を細かく制御すればよりより走行状況にあった動力性能と排気ガス浄化とを最適に両立させることが可能となる。
【０００９】
【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、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、このエマルション燃料供給システム１で作られ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。
【００１０】
エマルション燃料供給システム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の駆動がエマルション・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、それぞれ可変流量制御弁（比率調整装置）１１〜１３を通過した後、合流されて静止型ミキサ１５の入口に流入するようにしてある。これらの可変流量制御弁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が独立して制御されるようにしてある。
静止型ミキサ１５の出口は、噴射ポンプ２３の吸込み口に接続される。噴射ポンプ２３の吐出し口は燃料噴射弁２２に接続され、燃料噴射弁２２の噴射をコントロールする。
なお、燃料、水の各タンク４、５及び乳化剤カートリッジ６から燃料噴射弁２２までの通路はサプライ通路４５を構成する。このサプライ通路４５中には、サプライ流量センサ２０が設けられ、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。
ここで、軽油タンク４、燃料ポンプ７、サプライ通路４５は燃料供給装置を、水タンク５、水ポンプ８と、サプライ通路４５は水供給装置を、また乳化剤カートリッジ６、乳化剤ポンプ９、サプライ通路４５は乳化剤供給装置を、それぞれ構成する。なお、水ポンプ８と乳化剤ポンプ９とは、必ずしも必要ではなく、吸引するようにしてもよい。
【００１１】
３１はリターンリザーバであり、燃料噴射弁２２からドレインされた戻り燃料がリターン通路４６を介して導かれて、ここに蓄えられる。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の吸込み口が再供給通路４７を介して接続され、リターンリザーバ３１内の戻り燃料を吸い出し可能となっている。リターンポンプ１０は、この吐出し口が可変流量制御弁（比率調整装置）１４を介して静止型ミキサ１５の入口へつながれている。したがって、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静止型ミキサ１５に供給可能とされている。また、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、戻り燃料単独で静止型ミキサ１５に供給可能とされている。
なお、上記リターンポンプ１０と再供給通路４７は、戻り燃料供給装置を構成する。
また、リターン通路４６中には、リターン流量センサ２１が設けられ、燃料噴射弁２２からドレインされてくる戻り燃料の流量を計測し、この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。
リターンリザーバ３１には、この中の戻り燃料の水比率（軽油に対する水の比率）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（水比率信号）をエマルション・コントローラ１６へ入力させるようにしてある。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、逐一、各残量信号をエマルション・コントローラ１６に送られて、残量警告を発したり、残量に応じて目標水比率を変更することができるようにしてある。
【００１２】
噴射ポンプ２３の吐出し口が燃料噴射弁２２に接続され、燃料噴射弁２２が、この噴射時期、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。燃料噴射弁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に臨み、エマルション燃料を吹き込み可能にしている。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、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時期、噴射期間等を決定するようにしてある。
【００１３】
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ＤＰＦ（ディーゼル・パーティキュレート・フィルタ）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。
【００１４】
次に、上記構成になるエマルション燃料供給システムの作用につき、説明する。
まず、エンジンを始動には、スタータスイッチをＯＮにして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。この始動時にあっては、反応室温度センサ３６からの温度信号及び燃焼温度センサ３５からの排気ガス温度信号が、エマルション・コントローラ１６に送られ、前者が酸化触媒活性化温度より低いこと、後者が通常運転時の排気ガス温度より低いことが判断され、エマルション・コントローラ１６により、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用の各可変流量制御弁１２、１３、１４が閉じられ、軽油タンク４用の可変流量制御弁１１のみがアイドル運転に必要な量の流路面積分だけ開くとともに、燃料ポンプ７のみが駆動され、その他のポンプ８〜１０は停止したままにされている。
【００１５】
また、始動とともに、リターンリザーバ３１に設けられた撹拌器４４を回転駆動させることで、始動までしばらくエンジン停止してリターンリザ―バ３１内の戻りエマルション燃料が分離していたとしても、再度かき混ぜることでエマルション化させる。
したがって、この目的で、始動前のエンジン停止から今回の始動までの経過時間、温度等がエマルション・コントローラ１６に入力される。そして、停止後、間もない始動の場合など、分離が生じている心配のない場合の始動時は、撹拌器４４を駆動しないようにすることもできる。
【００１６】
始動に伴って、上記可変流量制御弁１１から静止型ミキサ１５に供給された軽油だけの燃料は、サプライ通路４５を介して噴射ポンプ２３に送られる。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、上記軽油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をそれぞれ閉じた状態の中をピストン２４が上昇し、この圧縮熱により軽油が着火され、この燃焼によるガス膨張でピストン２４を押し下げ、エンジンを回転駆動することができるようになる。
この始動にあっては、燃料は軽油１００％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始動することが可能となる。このとき、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の発生量は少ないものの、ＰＭ、ＨＣ、ＣＯは増大する。
しかしながら、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。また、軽油１００％の燃焼とすることで、エマルション燃料供給時よりも排気ガスの温度を高くでき、電気ヒータ４３とでできるだけ早くＤＰＦ３４を温め、エンジンから排出されたＰＭ、ＨＣ、ＣＯをＤＰＦ３４の酸化触媒反応室３４ａで酸化し、排気ガスを浄化する。
【００１７】
ここで、エンジンの暖機が終了し車両を走行させるべく、アクセルペダルを踏み込む。
エマルション・コントローラ１６は、サプライ流量センサ２０、燃焼温度センサ３５、反応室温度センサ３６等からそれぞれ信号を受け、エマルション燃料における最適な水比率等を決定する。
この水比率の決定は以下のように実行される。
燃料噴射弁２２による噴射は、アクセルペダルの踏み込み量に応じて噴射ポンプ２３で燃料を燃料噴射ポンプ２３に送ることで行われ、この結果、サプライ通路４５にはアクセルペダルの踏み込み量に応じた量の燃料が流れることになる。
このサプライ通路４５を流れる燃料の流量をサプライ流量センサ２０で計測して、この信号をエマルション・コントローラ１６へ送る。
エマルション・コントローラ１６は、サプライ流量センサ２０で計測した流量に基づき最適な水比率を決定し、この水比率のエマルション燃料を作り出すべく、ポンプ７〜１０を駆動し、可変流量制御弁１１〜１４をこれらの開口面積がそれぞれ最適流路面積になるように開口制御する。この結果、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からそれぞれ軽油、水、乳化剤、戻り燃料が上記の水比率を得るのに必要な量に調整されて、静止型ミキサ１５に供給される。
【００１８】
なお、ここで、始動時などリターンリザーバ３１内の戻り燃料が十分撹拌されエマルションが安定化するまでは、ポンプ１０が停止され、可変流量制御弁１４は閉じられたままとされ、軽油タンク４、水タンク５、乳化剤カートリッジ６から供給されて新しいエマルション燃料が作られるようにする。
しかし上記以外は、リターンリザーバ３１内の戻り燃料を基本的には優先して静止型ミキサ１５へ供給し、足りない分を軽油タンク４、水タンク５、乳化剤カートリッジ６から供給することで、静止型ミキサ１５で噴射ポンプ２３へ供給するエマルション燃料を作り出すようにする。
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、エマルション燃料の安定供給、分離した戻り燃料をまた撹拌することも不要となる。なお、燃料噴射弁２２からドレインされてリターンリザーバ３１へ導かれる戻り燃料の量は、燃料噴射弁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は、望ましい。
なお、走行中の車体の揺れによってサスペンション４５によりリターンリザーバ３１が揺動され、内部の戻り燃料が撹拌されるので、燃料と水の分離が抑えられ、エマルション化も促進される。
【００１９】
この場合、リターンリザーバ３１内の戻り燃料の水比率を、液比重測定センサ（水比率センサ）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て、ポンプ７〜１０と可変流量制御弁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。
なお、上記戻り燃料の供給量は、ポンプ１０の能力と可変流量制御弁１４の開口面積から決定するが、さらに測定オーダーを上げたいときは、リターンリザーバ３１と可変流量制御弁１４の出口との間の途中に流量測定センサを設ければ良い。
【００２０】
静止型ミキサ１５は、供給される軽油、水、乳化剤、戻り燃料を混ぜ合わせることで油中水滴型（Ｗ／Ｏ型）のエマルション燃料を作り、これを噴射ポンプ２３へ送る。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。
上記のように、負荷、排気ガス温度温度等を元に最適化された水比率のエマルション燃料は、噴射ポンプ２３へ供給され、エンジン・コントロール・ユニット３８で制御されながら、燃料噴射弁２２から最適噴射時期に最適噴射期間、燃焼室４１へ噴射される。噴射に伴い、燃料噴射弁２２からドレインされたエマルション燃料は、リターン流量センサ２１でその量を検出されながら、リターンリザーバ３１へ送られる。
【００２１】
上記最適な水比率の決定は、以下のように行われる。なお、ここで水比率は、体積比率を指すが、質量比率でもほとんど変わらない。また、乳化剤は、親水性と親油性との釣り合いを表すＨＬＢが６程度であり、その供給量は燃料と水との質量の１．２％程度（体積では１．５％程度）とするのが望ましい。
水比率は、基本的には、走行負荷、したがってアクセルペダルの踏み込み量をベースにしてなされる。この目的でサプライ流量センサ２０を用い、アクセルペダルの踏み込み量の代わりに用いる。
すなわち、通常走行時にあっては、軽油：水がほぼ９５：５〜８０：２０の範囲で上記サプライ通路４５の流量が大きくなるほど、水比率が高まる方へ制御する。なお、エンジンや燃焼条件によっては、８０：２０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。また、Ｗ／Ｏ型エマルション燃料をうまく調整して作っておくことで、水によるミクロ爆発等も期待でき、燃料消費率が良くなることも実験で確認されている。
ただし、上記流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、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。
【００２２】
上記のように、エマルション燃料の水比率の最適化は、基本的にはサプライ通路４５の流量に応じてなされるが、下記のような環境条件、運転条件にあるときは、負荷で決めた最適目標水比率を修正する。
その修正に影響を与えるものの一つに、反応室温度センサ３６からの測定温度がある。
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。
【００２３】
また、走行条件によっては、水比率を下記のように設定する。
高速巡航走行であるときは、基本的には軽油：水をほぼ８０：２０と水比率を多くする。これにより、ＮＯｘは大きく低減され、ＰＭ、ＨＣもＤＰＦ３４で処理される。この高速巡航走行であることは、サプライ流量センサ２０からの供給流量信号に加え、該信号とリターン流量センサ２１からの戻り流量信号とから流量差（燃料噴射弁２２から燃焼室へ吹き込んだ燃料に相当）を求めて、これら両者から次にように判断可能である。
すなわち、供給流量が大きいときは、アクセルペダルの踏み込み量が大きく大きいパワーを発揮している状態と判断する。一方、同じ供給流量であっても登坂等で大きいトルクが必要なときは、高速平坦路を高速巡航しているときより流量差が大きくなる。
したがって、供給流量が増えれば基本的に水比率を高めるが、同じ供給量であっても流量差が大きいときは流量差が小さいときに比べて水比率を下げるようにする。このように細かく制御することで、動力性能と排気ガス浄化性能とを走行状態に合わせて最適に両立させることができる。しかも、この場合、エンジン・コントロールユニットからの信号は必ずしも必要ではない。
【００２４】
急加速時にあっては、追い越し時の安全確保のためなど、加速性能を重視せざるを得ないので、軽油：水がほぼ９０：１０〜９５：５程度の水比率になるように、水比率を下げる。
この場合、ＮＯｘは悪化するが、急加速の時間は短いのが普通であるから、ＮＯｘの発生総量はそんなに多くはならない。しかも、最低でも水が軽油９５に対し５程度の比率で入っているので、水が無い時に比べ、加速性能を犠牲にすることなくＮＯｘの発生量を抑えることが可能となる。なお、この場合、ＰＭの発生量は低下するので、ＤＰＦ３４の負担は小さくなる。
【００２５】
一方、ＤＰＦ３４の酸化触媒反応室３４ａの温度が約１００℃以上〜約４００℃より低いの範囲にあると検出されたときは、軽油：水がほぼ９０：１０となる水比率となるように、酸化触媒反応室３４aの温度が約１００℃より低い場合に比べて水比率を若干増加するように制御する。また、酸化触媒反応室３４ａの温度が約４００℃以上のときは、さらに水比率を増やすが、通常は軽油：水が８５：１５程度までに抑えておいた方がよい。
したがって、この場合も、渋滞でのエンジンの安定性を確保しながら、ＮＯｘ、ＰＭの低減が可能となる。
【００２６】
サプライ通路４５の流量がエンジン・アイドリング状態にある時は、軽油：水がほぼ９５：５〜１００：０の範囲となるようにする。
これにより、エンジンの安定運転性を確保できる。また、水比率が少なくなる結果ＰＭの発生が低減する（ＤＰＦ３４でも燃焼される）が、ＮＯｘの発生が水比率大の場合に比べて増えるものの、水が入っている場合は若干のＮＯｘの発生低減が可能であり、またアイドリング運転であることからその発生総量自体は少ない。
【００２７】
エンジン停止時は、水、乳化剤、戻り燃料の静止型ミキサ１５への供給を断ち、軽油１００％の燃料を燃料噴射弁２２から噴射してから、エンジンの回転を停止する。これにより、停止後、水やエマルション燃料が燃料噴射弁２２や噴射ポンプ２３等に残らないので、これら燃料噴射系が錆びたりする虞はない。
また、エンジン停止後もプレヒータ・コントローラ３で電気ヒータ４３を所定時間、加熱してＤＰＦ３４等の排気系を約１００℃以上に保ち、水蒸気のまま排気系から排出する。この停止時にあっては、水無しの軽油を燃焼させるので、温度が高くなった排気ガスによっても、排気系が温められる。したがって、排気系の中にある水蒸気が冷えて水となりＨＣ等と反応してできた酸性液が、排気系に残りこれを錆びさせるのを防ぐことができる。
なお、エンジン停止のためのキーオフに代えて、駐車ブレーキが引かれたとき、あるいは所定時間以上アイドリング運転状態が続いたときも、この停止制御に切り替えるようにすることも可能である。
【００２８】
図２は、上記エマルション燃料供給システム１に用いる制御フローチャートを示す。
スッテプＳ０でスタートし、ステップＳ１で初期化する。次いで、ステップＳ２で始動制御を行い、水なしの軽油１００％の燃料供給となる。すなわち、燃料の可変流量制御弁１１だけが開いてその流量を制御されてサプライ通路４６へ軽油が供給されるのに対し、水、乳化剤、戻り燃料の可変流量制御弁１２〜１４はすべて閉じられる。
暖機するまで、ＤＰＦの反応室温度が所定温度以上になるまで始動制御が継続され、これが終了したらステップＳ３に進む。ステップＳ３では、サプライ流量センサ２０からサプライ通路４５への供給燃料量に関する信号を読み込む。ステップＳ４では、この供給流量信号に基づいて水比率マップから対応する水比率を読み込む。この水比率マップは、図３に実線で示すように供給流量が増えれば水比率を増やすように設定してある。
続いて、ステップＳ５にてリターン流量センサ２１からも戻り流量に関する信号を読み込む。スッテプＳ６で供給流量信号から戻り流量信号を減算して流量差を求める。次いで、ステップＳ７で水比率マップからこの流量差に対応する水比率減算分を求め、ステップＳ８で供給流量に基づき求めた対応水比率から水比率減算分を引く。その結果、図３に点線で示すような水比率が得られる。ステップＳ９でこのように修正して得た制御水比率に基づき、燃料、水、乳化剤、戻り燃料の各可変流量制御弁１１〜１４を制御する。次いでＳ１０にてリターンする。なお、上記水比率マップは最適値を実験で求めておく。なお、図３のマップでの水比率と供給流量の関係は、エンジン特性等によっても異なり、図３のような折れ線でなく単なる直線、曲線、階段線でもよい。図３の点線の傾斜も実線より勾配が小さく右肩上がりにした方がよいときもある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明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。
【図２】 図１のエマルション燃料供給システムに用いる制御フローチャートを示す図である。
【図３】 水比率を決定するマップを示す図である。
【符号の説明】
１ エマルション燃料供給システム
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（燃料供給装置）
５ 水タンク（水供給装置）
６ 乳化剤カートリッジ（乳化剤供給装置）
１１〜１４ 可変流量制御弁（比率調整装置）
１５ 静止型ミキサ（ミキサ）
１６ エマルション・コントローラ
２０ サプライ流量センサ
２１ リターン流量センサ
２２ 燃料噴射弁
２３ 噴射ポンプ
２６ 冷却水温度センサ
２７ 吸入ポート
２８ 排気ポート
３１ リターンリザーバ
３２ 液比重計
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
４３ 電気ヒータ
４４ 撹拌器
４５ サプライ通路
４６ リターン通路
４７ 再供給通路
Claims (3)
- 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、
前記燃料供給装置から供給される燃料と前記水供給装置から供給される水と前記乳化剤供給装置から供給される乳化剤との各供給比率を調整する比率調整装置と、
該比率調整装置から供給された燃料、水、乳化剤からエマルション燃料を作り出すミキサと、
該ミキサから前記エマルション燃料を燃料噴射弁へ導くサプライ通路と、前記燃料噴射弁から燃焼室へ噴射した残りを戻り燃料として蓄えるリターンリザーバと、
前記燃料噴射弁と前記リターンリザーバとの間を接続し前記戻り燃料を流すリターン通路と、
前記リターンリザーバから前記サプライ通路へ前記戻り燃料を供給する戻り燃料供給装置と、
前記サプライ通路を流れるエマルション燃料の流量を計測するサプライ流量センサと、
該サプライ流量センサで検出したエマルション燃料の供給流量に基づき燃料に対する水の比率を決定して前記比率調整装置を制御するエマルション・コントローラと、を備え、
前記水の比率は、前記サプライ流量センサで検出した供給流量に加えて、該サプライ流量センサで検出したエマルション燃料の供給流量から前記リターン通路に設けたリターン流量センサで検出した戻り燃料の流量を減算して得た流量差にも基づいて決定するようにしたこと、を特徴とするエマルション燃料供給システム。 - 前記水の比率は、前記サプライ流量センサで検出したエマルション燃料の供給流量が多くなると高くなるようにしたこと、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。
- 前記水の比率は、同じ供給流量にあっても前記流量差が大きい場合には流量差が小さい場合より低くなるようにしたこと、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。
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