JP4164595B2 - 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、車両等に搭載されるディーゼルエンジンへエマルション燃料を最適に供給するエマルション燃料供給システムに関する。
【０００２】
【従来技術】
ディゼルエンジンで問題となっている排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減する技術として、ゼオライトに銅イオンを担持させたセレクティブ・カタリティック・リダクション（ＳＣＲ）方式のＮＯｘ触媒等が研究されているが、未解決の問題が多く基礎研究の域を出ていないのが現状である。
そこで、排気系でＮＯｘを低減させるのではなく、ディーゼルエンジンでの燃焼の仕方を工夫してＮ０ｘの発生量を低減する試みがなされている。
その方法としては、排気ガスの一部を吸気系に戻す排気ガス還流（ＥＧＲ）を行う方法、そして燃料に水を加えてシリンダ内に供給してこれらを一緒に燃焼させることで燃焼温度を下げる、いわゆるエマルション燃料を燃焼させる方法がある（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」の第４９ページ、第５０ページ）。
ＥＧＲ方式は、一部の自動車用ディーゼルエンジンで採用されており、またエマルション燃料方式は、一部のボイラや舶用ディーゼルエンジンで採用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記ＥＧＲ方式は、高負荷時やＥＧＲ率を上げた時に、ＨＣが急増するといった問題だけでなく、排気ガス中の黒煙等がエンジン内部に取り込まれ、ピストンやシリンダ回りの摩耗耐久性を悪化させ、またエンジンオイルを早期劣化させるといった問題点がある。
【０００４】
一方、エマルション燃料方式は、発進・停止の繰り返しが多く、その上、負荷も広い範囲で絶えず変動する自動車では、運転性と排気ガスの浄化との両立が難しかっただけでなく、長期停止などもあることから、燃料噴射系や排気系の部品等に錆が発生したり、エンジン始動（特に冷機時）が難しいといった点が従来から問題点として指摘されており、エマルション燃料を利用した自動車用ディーゼルエンジンは、未だ実用化されていない。
しかしながら、エマルション燃料の水比率を運転状況等に応じて制御し、併せてすすを主とする粒子状物質（ＰＭ）を捕集燃焼するディーゼル・パティキュレート・フィルタ（ＤＰＦ）と組み合わせて相互に制御し合うシステムとすることで、上記問題を一挙に解決できることが本発明者らの研究で分かってきた。
【０００５】
このようなシステムでは、ディゼルエンジンの燃料噴射弁から多量のエマルション燃料がドレインされてくるが、これらを再利用するものとして、特開平８−２４６９６１号公報に記載のものがある。
しかしながら、この公報に記載のものは、単純に戻りエマルション燃料を燃料ポンプやミキサへそのまま戻しているだけである。
このようなエマルション燃料の再利用方式は、舶用エンジンのように、供給燃料量に対する供給水量、すなわち水比率が常時一定でのものではそれなりに有効であるが、自動車用ディーゼルエンジン用の上記システムのように絶えず水比率を変えるものには使えない。
また、自動車は長期停止することもあり、この場合エマルション燃料が燃料と水に分離してしまい、始動不可となったり錆が燃料噴射系に発生したりする。
【０００６】
【発明の目的】
本発明の目的は、上記問題点を解決し、燃料噴射弁からドレインされた戻りエマルション燃料を燃料噴射弁に戻して再利用するものの、このとき運転負荷等に応じて最適な水比率に常時変更制御でき、始動性良好、かつ燃料噴射系等に錆の発生がなく、エンジンオイルの早期寿命を防止できるエマルション燃料供給システムを提供することにある。
【０００７】
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。
燃料供給装置からの燃料と水供給装置からの水と上記乳化剤供給装置からの乳化剤とが供給され、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ミキサが設けられ、ここからディーゼルエンジンの燃料噴射弁へエマルション燃料が燃焼室へ噴射され燃焼される。
燃料噴射弁に供給されたエマルション燃料の大部分（噴射量の２倍〜４倍にもなることが多い）はドレインされるのでこのドレインされたエマルション燃料を蓄えるリターンリザーバを設ける。このリザーバタンクには、リザーバタンク内の戻りエマルション燃料の水比率を測定する水比率センサが取付られる。
また、上記リターンリザーバから供給される戻りエマルション燃料と上記燃料と上記水と上記乳化剤とがそれぞれ供給量を調整されてミキサに供給可能とする比率調整装置とが設けられ、リザーバタンク内の戻りエマルション燃料の水比率を測定する水比率センサにて測定した信号に基づき、ミキサへ供給する供給燃料の量、供給水の量、乳化剤の量をエマルション・コントローラで決定するようにしている。
なお、水比率センサとしては、戻りエマルション燃料の比重を測定するセンサ、戻りエマルション燃料の視覚的濃さを光学的に検出するセンサなどを利用することができる。
また、上記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。
【０００８】
上記構成により、燃料噴射弁よりドレインされてリターンリザーバに入った戻りエマルション燃料は、水比率センサでその水比率が測定され、エマルション・コントローラへ信号が送られる。その結果、戻りエマルション燃料の水比率の大きさとミキサへ供給する量とを元に、目標水比率のエマルション燃料をミキサで得るべく、さらに追加して必要な燃料の量・水の量・乳化剤の量を計算して、比率調整装置で制御することが可能となる。
したがって、運転状態に合った最適な水比率のエマルション燃料を戻りエマルション燃料を利用して作り出すことが、可能となり、運転性を損なうことなく排気ガスのＮＯｘを低減することが可能となる。
【０００９】
また、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、ミキサには、戻りエマルション燃料を優先的に供給して残りの供給量を前記供給燃料と前記供給水と前記乳化剤とのうちから補充して前記燃料噴射弁に供給するエマルション燃料を作るようにする。
このようにすることで、エマルション化した燃料がそのまま再利用されることなくリターンリザーバに入れられたままにされると、やがて燃料と水とに分離し、そのままでは再利用できなくなることを避け、できるだけ再利用できる間に利用しえしまうことが可能になる。戻り量が多いので、再利用は好ましい。
なお、分離してしまったら、再度撹拌等によりエマルション化できるものの、撹拌器などを駆動する必要があり、好ましくない。
【００１０】
また、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、リターンリザーバタンクからの戻りエマルション燃料のミキサへの供給は、ディーゼルエンジンの始動には一時停止されるようにする。
このようにすれば、始動時に燃料と水が分離してしまったリターンリザーバ内の戻りエマルション燃料を燃料噴射弁に供給してしまい、始動不能となったり、排気ガス成分や運転性を悪化させる虞がない。
なお、この一時停止とは、リターンリザーバ内の戻りエマルション燃料が燃料と水とに分離されていないことが確認されるまではミキサや燃料噴射弁には供給しないということを意味する。
【００１１】
また、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、戻りエマルション燃料のミキサへの供給の一時停止は、エンジン始動からその前のエンジン停止までの経過時間が所定時間内であるときは解除されるようにする。ここで、所定時間とは、戻りエマルション燃料が燃料と水とに分離する虞のない短時間に設定される。この時間は、気温等を測定して気温に応じて所定時間を長くしたり短くすることも可能である。
このようにすることで、確実に分離していない戻りエマルション燃料を優先的に利用することができ新たにエマルション燃料を多く作る必要がない。
【００１２】
また、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、リターンリザーバには、この内部の前記戻りエマルション燃料をかき混ぜ可能な撹拌器を備えさせるようにする。
こうすることにより、始動時など、長期間の停止などに起因してリターンリザーバ内の戻りエマルション燃料が分離してしまっているときでも、撹拌器でかき混ぜることで再度エマルション化して再利用可能とすることができる。
【００１３】
また、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、前記リターンリザーバを、サスペンションで揺動可能に支持するようにする。
このようにすることで、走行中など車体に振動があるとバネ等で構成したサスペンションがリターンリザーバを揺動する。この結果、リターンリザーバ内の戻りエマルション燃料の分離を防止し、分離したものも再エマルション化される。
【００１４】
【実施態様】
本実施態様によるディーゼルエンジンの排気ガス浄化システムは、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燃料供給システム１と、この燃料供給システム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。
【００１５】
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、水を蓄える水タンク（水供給装置）５、及び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。各ポンプの吐出し口は、それぞれ流量可変制御バルブ（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。静止型ミキサ１５と噴射ポンプ２３との間の燃料供給路中には、供給流量センサ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。
【００１６】
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エマルション燃料が導かれて、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、この吐出し口が流量可変制御バルブ（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内の戻りエマルション燃料は、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、戻りエマルション燃料単独で静止型ミキサ１５に供給可能とされている。
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（軽油に対する水の比率）を測定する液比重測定センサ３２（水比率センサ）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。また、リターンリザーバ３１は、スプリング等で構成されたサスペンション４５にて車体側へ支持されている。
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。
【００１７】
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（浄化関係センサ）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。
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。
【００１８】
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ＤＰＦ３４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（酸化室）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Ｃ）を酸化させる触媒を有し、内部に配置した電気ヒータ（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（浄化関係センサ）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。
【００１９】
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用の各流量可変制御バルブ１２、１３、１４が閉じられ、軽油タンク４用の流量可変制御バルブ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。
【００２０】
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。
【００２１】
始動に伴って、上記流量可変制御バルブ１１から静止型ミキサ１５に供給された１００％軽油だけの燃料は、次いで噴射ポンプ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１００％軽油であり、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。
【００２２】
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、エンジン・コントロール・ユニット３８、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。
上記最適な水比率のエマルション燃料を作り出すべく、エマルション・コントローラ１６は、ポンプ７〜１０を駆動し、流量可変制御バルブ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、戻りエマルション燃料が上記の水比率を得るのに必要な量分調整されて、静止型ミキサ１５に供給される。
【００２３】
なお、ここで、始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、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内の戻りエマルション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、分離した戻りエマルション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へ導かれる戻りエマルション燃料の量は、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、内部の戻りエマルション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。
【００２４】
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（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。
なお、上記戻りエマルション燃料の供給量は、ポンプ１０の能力と流量可変バルブ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と流量可変バルブ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。
【００２５】
静止型ミキサ１５は、供給される軽油、水、乳化剤、戻りエマルション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。
【００２６】
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、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。
すなわち、通常走行時にあっては、軽油：水がほぼ９５：５〜８０：２０の範囲で負荷が大きくなるほど、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、負荷が小さいとき（たとえば２５％）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。
【００２７】
上記のように、エマルション燃料の水比率の最適化は、基本的には負荷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。
【００２８】
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。
しかしながら、たまたまＤＰＦ３４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、わすかな温度低下の場合には、電気ヒータでのみ加熱する。
【００２９】
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。
【００３０】
渋滞走行時にあっては、反応室温度センサ３６からの信号でＤＰＦ３４の酸化触媒反応室３４ａの温度が１００℃より低いときは、軽油：水がほぼ９５：５〜１００：０の範囲の水比率となるように、ポンプ７〜９と流量可変制御バルブ１１〜１３を制御する。
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。
【００３１】
アイドリング時は、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。
【００３２】
エンジン停止時は、水、乳化剤、戻りエマルション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。
【００３３】
以上のように、上記実施態様によるディーゼルエンジンのエマルション燃料共給システムにあっては、燃料噴射弁からドレインされた戻りエマルション燃料の水比率を測定することで、戻りエマルション燃料を再度、ミキサ・燃料噴射弁へ戻して利用しても、常に最適な水比率のエマルション燃料を作り出すことができる無駄の少ないシステムとすることができる。
なお、戻りエマルション燃料が燃料噴射弁からリターンリザーバへ導かれる際、細いパイプからリザーバタンクへ速度と方向を持って流入し、中の戻りエマルション燃料を撹拌するようにしてもよい。
また、図１の上記実施態様では、エマルション・コントローラはエンジン・コントロール・ユニットと別体とすることで、既販売済みの車両に本排気ガス浄化システムを簡単に追加取付できるようにしているが、本排気ガス浄化システムを生産当初から装備する新車などでは、エマルション・コントローラとエンジン・コントロール・ユニットとを一つのコントロール・ユニットで構成することができる。
また、このように最初から、新しい設計をするときは、ＤＰＦをディーゼルエンジンのできるだけ排気ポート近くに持ってもって来ることが望ましい。そうすれば、排気ガスがほとんど冷えることなくＤＰＦに入るので酸化触媒反応温度を得やすくなるし、燃焼温度センサと反応室温度センサがどちらか１個でも図１のシステムと同じ制御が可能になる。
ミキサとしては、静止型のミキサではなく、動力駆動されたインぺラとタービンにてかき回すような動的なミキサを用いても良い。
また、冬季など、水が凍る温度になるときは、水に凍結防止剤（メチルアルコールなど）を入れると良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施態様によるディーゼルエンジンの排気ガス浄化システムを表す図である。
【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 流量可変制御バルブ（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 供給流量センサ
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（排気ガス浄化装置）
３５ 燃焼温度センサ（浄化関係センサ）
３６ 反応室温度センサ（浄化関係センサ）
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（ヒータ）
４４ 撹拌器
４５ サスペンション
【産業上の利用分野】
本発明は、車両等に搭載されるディーゼルエンジンへエマルション燃料を最適に供給するエマルション燃料供給システムに関する。
【０００２】
【従来技術】
ディゼルエンジンで問題となっている排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減する技術として、ゼオライトに銅イオンを担持させたセレクティブ・カタリティック・リダクション（ＳＣＲ）方式のＮＯｘ触媒等が研究されているが、未解決の問題が多く基礎研究の域を出ていないのが現状である。
そこで、排気系でＮＯｘを低減させるのではなく、ディーゼルエンジンでの燃焼の仕方を工夫してＮ０ｘの発生量を低減する試みがなされている。
その方法としては、排気ガスの一部を吸気系に戻す排気ガス還流（ＥＧＲ）を行う方法、そして燃料に水を加えてシリンダ内に供給してこれらを一緒に燃焼させることで燃焼温度を下げる、いわゆるエマルション燃料を燃焼させる方法がある（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」の第４９ページ、第５０ページ）。
ＥＧＲ方式は、一部の自動車用ディーゼルエンジンで採用されており、またエマルション燃料方式は、一部のボイラや舶用ディーゼルエンジンで採用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記ＥＧＲ方式は、高負荷時やＥＧＲ率を上げた時に、ＨＣが急増するといった問題だけでなく、排気ガス中の黒煙等がエンジン内部に取り込まれ、ピストンやシリンダ回りの摩耗耐久性を悪化させ、またエンジンオイルを早期劣化させるといった問題点がある。
【０００４】
一方、エマルション燃料方式は、発進・停止の繰り返しが多く、その上、負荷も広い範囲で絶えず変動する自動車では、運転性と排気ガスの浄化との両立が難しかっただけでなく、長期停止などもあることから、燃料噴射系や排気系の部品等に錆が発生したり、エンジン始動（特に冷機時）が難しいといった点が従来から問題点として指摘されており、エマルション燃料を利用した自動車用ディーゼルエンジンは、未だ実用化されていない。
しかしながら、エマルション燃料の水比率を運転状況等に応じて制御し、併せてすすを主とする粒子状物質（ＰＭ）を捕集燃焼するディーゼル・パティキュレート・フィルタ（ＤＰＦ）と組み合わせて相互に制御し合うシステムとすることで、上記問題を一挙に解決できることが本発明者らの研究で分かってきた。
【０００５】
このようなシステムでは、ディゼルエンジンの燃料噴射弁から多量のエマルション燃料がドレインされてくるが、これらを再利用するものとして、特開平８−２４６９６１号公報に記載のものがある。
しかしながら、この公報に記載のものは、単純に戻りエマルション燃料を燃料ポンプやミキサへそのまま戻しているだけである。
このようなエマルション燃料の再利用方式は、舶用エンジンのように、供給燃料量に対する供給水量、すなわち水比率が常時一定でのものではそれなりに有効であるが、自動車用ディーゼルエンジン用の上記システムのように絶えず水比率を変えるものには使えない。
また、自動車は長期停止することもあり、この場合エマルション燃料が燃料と水に分離してしまい、始動不可となったり錆が燃料噴射系に発生したりする。
【０００６】
【発明の目的】
本発明の目的は、上記問題点を解決し、燃料噴射弁からドレインされた戻りエマルション燃料を燃料噴射弁に戻して再利用するものの、このとき運転負荷等に応じて最適な水比率に常時変更制御でき、始動性良好、かつ燃料噴射系等に錆の発生がなく、エンジンオイルの早期寿命を防止できるエマルション燃料供給システムを提供することにある。
【０００７】
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。
燃料供給装置からの燃料と水供給装置からの水と上記乳化剤供給装置からの乳化剤とが供給され、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ミキサが設けられ、ここからディーゼルエンジンの燃料噴射弁へエマルション燃料が燃焼室へ噴射され燃焼される。
燃料噴射弁に供給されたエマルション燃料の大部分（噴射量の２倍〜４倍にもなることが多い）はドレインされるのでこのドレインされたエマルション燃料を蓄えるリターンリザーバを設ける。このリザーバタンクには、リザーバタンク内の戻りエマルション燃料の水比率を測定する水比率センサが取付られる。
また、上記リターンリザーバから供給される戻りエマルション燃料と上記燃料と上記水と上記乳化剤とがそれぞれ供給量を調整されてミキサに供給可能とする比率調整装置とが設けられ、リザーバタンク内の戻りエマルション燃料の水比率を測定する水比率センサにて測定した信号に基づき、ミキサへ供給する供給燃料の量、供給水の量、乳化剤の量をエマルション・コントローラで決定するようにしている。
なお、水比率センサとしては、戻りエマルション燃料の比重を測定するセンサ、戻りエマルション燃料の視覚的濃さを光学的に検出するセンサなどを利用することができる。
また、上記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。
【０００８】
上記構成により、燃料噴射弁よりドレインされてリターンリザーバに入った戻りエマルション燃料は、水比率センサでその水比率が測定され、エマルション・コントローラへ信号が送られる。その結果、戻りエマルション燃料の水比率の大きさとミキサへ供給する量とを元に、目標水比率のエマルション燃料をミキサで得るべく、さらに追加して必要な燃料の量・水の量・乳化剤の量を計算して、比率調整装置で制御することが可能となる。
したがって、運転状態に合った最適な水比率のエマルション燃料を戻りエマルション燃料を利用して作り出すことが、可能となり、運転性を損なうことなく排気ガスのＮＯｘを低減することが可能となる。
【０００９】
また、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、ミキサには、戻りエマルション燃料を優先的に供給して残りの供給量を前記供給燃料と前記供給水と前記乳化剤とのうちから補充して前記燃料噴射弁に供給するエマルション燃料を作るようにする。
このようにすることで、エマルション化した燃料がそのまま再利用されることなくリターンリザーバに入れられたままにされると、やがて燃料と水とに分離し、そのままでは再利用できなくなることを避け、できるだけ再利用できる間に利用しえしまうことが可能になる。戻り量が多いので、再利用は好ましい。
なお、分離してしまったら、再度撹拌等によりエマルション化できるものの、撹拌器などを駆動する必要があり、好ましくない。
【００１０】
また、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、リターンリザーバタンクからの戻りエマルション燃料のミキサへの供給は、ディーゼルエンジンの始動には一時停止されるようにする。
このようにすれば、始動時に燃料と水が分離してしまったリターンリザーバ内の戻りエマルション燃料を燃料噴射弁に供給してしまい、始動不能となったり、排気ガス成分や運転性を悪化させる虞がない。
なお、この一時停止とは、リターンリザーバ内の戻りエマルション燃料が燃料と水とに分離されていないことが確認されるまではミキサや燃料噴射弁には供給しないということを意味する。
【００１１】
また、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、戻りエマルション燃料のミキサへの供給の一時停止は、エンジン始動からその前のエンジン停止までの経過時間が所定時間内であるときは解除されるようにする。ここで、所定時間とは、戻りエマルション燃料が燃料と水とに分離する虞のない短時間に設定される。この時間は、気温等を測定して気温に応じて所定時間を長くしたり短くすることも可能である。
このようにすることで、確実に分離していない戻りエマルション燃料を優先的に利用することができ新たにエマルション燃料を多く作る必要がない。
【００１２】
また、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、リターンリザーバには、この内部の前記戻りエマルション燃料をかき混ぜ可能な撹拌器を備えさせるようにする。
こうすることにより、始動時など、長期間の停止などに起因してリターンリザーバ内の戻りエマルション燃料が分離してしまっているときでも、撹拌器でかき混ぜることで再度エマルション化して再利用可能とすることができる。
【００１３】
また、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、前記リターンリザーバを、サスペンションで揺動可能に支持するようにする。
このようにすることで、走行中など車体に振動があるとバネ等で構成したサスペンションがリターンリザーバを揺動する。この結果、リターンリザーバ内の戻りエマルション燃料の分離を防止し、分離したものも再エマルション化される。
【００１４】
【実施態様】
本実施態様によるディーゼルエンジンの排気ガス浄化システムは、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燃料供給システム１と、この燃料供給システム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。
【００１５】
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、水を蓄える水タンク（水供給装置）５、及び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。各ポンプの吐出し口は、それぞれ流量可変制御バルブ（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。静止型ミキサ１５と噴射ポンプ２３との間の燃料供給路中には、供給流量センサ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。
【００１６】
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エマルション燃料が導かれて、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、この吐出し口が流量可変制御バルブ（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内の戻りエマルション燃料は、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、戻りエマルション燃料単独で静止型ミキサ１５に供給可能とされている。
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（軽油に対する水の比率）を測定する液比重測定センサ３２（水比率センサ）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。また、リターンリザーバ３１は、スプリング等で構成されたサスペンション４５にて車体側へ支持されている。
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。
【００１７】
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（浄化関係センサ）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。
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。
【００１８】
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ＤＰＦ３４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（酸化室）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Ｃ）を酸化させる触媒を有し、内部に配置した電気ヒータ（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（浄化関係センサ）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。
【００１９】
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用の各流量可変制御バルブ１２、１３、１４が閉じられ、軽油タンク４用の流量可変制御バルブ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。
【００２０】
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。
【００２１】
始動に伴って、上記流量可変制御バルブ１１から静止型ミキサ１５に供給された１００％軽油だけの燃料は、次いで噴射ポンプ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１００％軽油であり、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。
【００２２】
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、エンジン・コントロール・ユニット３８、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。
上記最適な水比率のエマルション燃料を作り出すべく、エマルション・コントローラ１６は、ポンプ７〜１０を駆動し、流量可変制御バルブ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、戻りエマルション燃料が上記の水比率を得るのに必要な量分調整されて、静止型ミキサ１５に供給される。
【００２３】
なお、ここで、始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、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内の戻りエマルション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、分離した戻りエマルション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へ導かれる戻りエマルション燃料の量は、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、内部の戻りエマルション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。
【００２４】
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（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。
なお、上記戻りエマルション燃料の供給量は、ポンプ１０の能力と流量可変バルブ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と流量可変バルブ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。
【００２５】
静止型ミキサ１５は、供給される軽油、水、乳化剤、戻りエマルション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。
【００２６】
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、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。
すなわち、通常走行時にあっては、軽油：水がほぼ９５：５〜８０：２０の範囲で負荷が大きくなるほど、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、負荷が小さいとき（たとえば２５％）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。
【００２７】
上記のように、エマルション燃料の水比率の最適化は、基本的には負荷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。
【００２８】
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。
しかしながら、たまたまＤＰＦ３４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、わすかな温度低下の場合には、電気ヒータでのみ加熱する。
【００２９】
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。
【００３０】
渋滞走行時にあっては、反応室温度センサ３６からの信号でＤＰＦ３４の酸化触媒反応室３４ａの温度が１００℃より低いときは、軽油：水がほぼ９５：５〜１００：０の範囲の水比率となるように、ポンプ７〜９と流量可変制御バルブ１１〜１３を制御する。
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。
【００３１】
アイドリング時は、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。
【００３２】
エンジン停止時は、水、乳化剤、戻りエマルション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。
【００３３】
以上のように、上記実施態様によるディーゼルエンジンのエマルション燃料共給システムにあっては、燃料噴射弁からドレインされた戻りエマルション燃料の水比率を測定することで、戻りエマルション燃料を再度、ミキサ・燃料噴射弁へ戻して利用しても、常に最適な水比率のエマルション燃料を作り出すことができる無駄の少ないシステムとすることができる。
なお、戻りエマルション燃料が燃料噴射弁からリターンリザーバへ導かれる際、細いパイプからリザーバタンクへ速度と方向を持って流入し、中の戻りエマルション燃料を撹拌するようにしてもよい。
また、図１の上記実施態様では、エマルション・コントローラはエンジン・コントロール・ユニットと別体とすることで、既販売済みの車両に本排気ガス浄化システムを簡単に追加取付できるようにしているが、本排気ガス浄化システムを生産当初から装備する新車などでは、エマルション・コントローラとエンジン・コントロール・ユニットとを一つのコントロール・ユニットで構成することができる。
また、このように最初から、新しい設計をするときは、ＤＰＦをディーゼルエンジンのできるだけ排気ポート近くに持ってもって来ることが望ましい。そうすれば、排気ガスがほとんど冷えることなくＤＰＦに入るので酸化触媒反応温度を得やすくなるし、燃焼温度センサと反応室温度センサがどちらか１個でも図１のシステムと同じ制御が可能になる。
ミキサとしては、静止型のミキサではなく、動力駆動されたインぺラとタービンにてかき回すような動的なミキサを用いても良い。
また、冬季など、水が凍る温度になるときは、水に凍結防止剤（メチルアルコールなど）を入れると良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施態様によるディーゼルエンジンの排気ガス浄化システムを表す図である。
【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 流量可変制御バルブ（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 供給流量センサ
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（排気ガス浄化装置）
３５ 燃焼温度センサ（浄化関係センサ）
３６ 反応室温度センサ（浄化関係センサ）
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（ヒータ）
４４ 撹拌器
４５ サスペンション
Claims (6)
- 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の燃料と前記水供給装置からの水と前記乳化剤供給装置からの乳化剤とが供給されこれらからエマルション燃料を作り出すミキサと、
前記ミキサから供給される前記エマルション燃料をディーゼルエンジンの燃焼室へ噴射する燃料噴射弁からドレインされたエマルション燃料を蓄えるリターンリザーバと、
該リターンリザーバから供給される戻りエマルション燃料と前記燃料と前記水と前記乳化剤とがそれぞれ供給量を調整されて前記ミキサに供給可能な比率調整装置と、
前記リザーバタンク内の戻りエマルション燃料の水比率を測定する水比率センサと、
該水比率センサで測定した信号が入力されて、前記戻りエマルション燃料の水比率の大きさと前記比率調整装置で調整されて前記リターンリザーバから前記ミキサへ供給する前記エマルション燃料の供給量とを元に、前記ミキサへ追加供給する前記燃料の量、前記水の量、前記乳化剤の量を決定して目標水比率のエマルション燃料を前記ミキサで得るエマルション・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。 - 前記ミキサには、前記戻りエマルション燃料が優先的に供給されて残りの供給量を前記燃料と前記水と前記乳化剤とのうちから補充することにより前記燃料噴射弁に供給するエマルション燃料を作るようにしたこと、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。
- 前記リターンリザーバタンクからの戻りエマルション燃料の前記ミキサへの供給は、前記ディーゼルエンジンの始動には一時停止されること、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。
- 前記戻りエマルション燃料の前記ミキサへの供給の一時停止は、エンジン始動からその前のエンジン停止までの経過時間が所定時間内であるときは解除されること、を特徴とする請求項３に記載のエマルション燃料供給システム。
- 前記リターンリザーバは、この内部の前記戻りエマルション燃料をかき混ぜ可能な撹拌器を備えたこと、を特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のエマルション燃料供給システム。
- 前記リターンリザーバは、サスペンションで揺動可能に支持されていること、を特徴とする請求項１から５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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