JP4239187B2

JP4239187B2 - ディーゼルエンジン・システム

Info

Publication number: JP4239187B2
Application number: JP2000362347A
Authority: JP
Inventors: 櫻井眞一郎; 篠田智博
Original assignee: 株式会社エス・アンド・エスホールディングス
Priority date: 2000-11-29
Filing date: 2000-11-29
Publication date: 2009-03-18
Anticipated expiration: 2020-11-29
Also published as: JP2002161809A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、排気ガス中、特に窒素酸化の生成を抑制す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の窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減する技術としては、燃料と水を層状に燃焼室へ噴射するもの（平成９年５月３０日株式会社山海堂発行宮下直也、黒木秀雄共著による「自動車用ディーゼルエンジン」第４９頁〜第５０頁の記載のもの）や、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もの（特開平７−１６６９６２号公報に記載のもの）等が知られており、これらはいずれも水により燃焼室での最高燃焼温度を抑えることで窒素酸化物の生成を抑制するようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、燃料に水を加えて燃焼室へ供給する上記のようなディーゼルエンジン・システムにあっては、エンジン始動、特にエンジンが冷えたときの始動が難しかった。
そこで、エンジン始動時は、燃料に対する水比率を低下（停止も含む）させて始動性を向上させることが考えられる。しかしながら、このように水比率を低下させると、その分、排気は浄化されないことになる。
したがって、この始動時の水比率低下の制御が長引くとそれだけ黒煙やＮＯｘ等が発生するので、好ましくない。
【０００４】
［発明の目的］
本発明の目的は、エンジンの幅広い稼動領域にあっても排気浄化性能と動力性能とを両立でき、かつこの場合、エンジン始動性を向上させながら排気ガス中の煤やＮＯｘ等の発生をできるだけ少なくし、その場合エンジンが暖機していても確実にエンジンが始動でき、またエンジンに関係する温度を検出する温度センサが壊れても確実にエンジンが暖機を終わった状態でＮＯｘ等の発生を低減することが可能な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】
本発明のディーゼルエンジン・システムにあっては、軽油・重油といった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を設ける。これらから供給された燃料と水は、水比率調整装置により、エンジン稼働状態等に応じて供給燃料量に対する供給水量、すなわち水比率を変えることができるようにしてある。この水比率調整装置としては、たとえば流量可変制御バルブを用い、燃料用、水用にそれぞれに設けて、その流路面積を変えることで各流量を調整可能とする。なお、この燃料への水添加は、水だけ加えてもよく（いわゆる水噴射等）、水と乳化剤とを加えたエマルション燃料としてもよい。後者の場合、望ましくは、乳化剤供給装置と、乳化剤用の流量可変制御バルブを設ける。
また、このエマルション燃料としては、油中水滴型（Ｗ／Ｏ型）とするのが望ましい。
上記水比率調整装置で調整され供給される水と燃料とは、燃料噴射バルブへ供給して、この供給された燃料の一部を燃料噴射バルブから燃焼室へ噴射して燃焼させるが、上記燃料噴射バルブへ供給された燃料の残りは燃焼室へ噴射されることなく戻り燃料として燃料噴射バルブから排出させる。
一方、エマルション・コントローラを設けて、エンジン始動時を検出したときは、始動後エンジンに関係する温度信号が所定温度より高くなった実質アイドリング領域におけるエンジン通常稼働時よりも、水比率（燃料噴射バルブへ供給する燃料量に対する供給水量の割合）を低下させるように水比率調整装置をコントロールするように構成する。
【０００６】
上記ディーゼルエンジン・システムにおいては、水供給装置及び燃料供給装置からそれぞれ供給される水及び燃料を、たとえばアクセルペダル踏み込み量が増大するほど水比率が増大するように水比率調整装置で調整して燃料噴射バルブへ送るように、エマルション・コントローラがコントロールする。この結果、排気浄化性能と動力性能とをエンジンの稼働状態に応じて両立させることが可能となる。
エマルション・コントローラは、エンジン始動時にあっては水比率調整装置をコントロールして、水比率を低下させる制御を実行する。この水比率低下の制御は、供給水量をゼロとすることも含み、多くのエンジンではゼロとすることが望ましい。
したがって、燃料噴射バルブへ供給され燃焼室へ噴射される燃料は、水を含まないか水がほとんど入っていない燃料なので、燃焼室で容易に着火、燃焼させることが可能であり、エンジンの始動性を向上させることができる。
この場合、水が実質的にないのでＮＯｘ等の発生を抑制することは困難であるが、エンジン始動時ではエンジンを実質アイドリング領域で稼働することから燃焼させる燃料量がもともと少なく、ＮＯｘの絶対発生量は少ない。また、エンジン始動時は、エンジンが高温となっていないことから、ＮＯｘの発生量はエンジン通常稼働時よりも少なくなる。
ただ、ＮＯｘとは逆にススなどの黒煙がエンジン始動時に増大する傾向にあるが、これらはエンジンの排気系中にディーゼル・パーティキュレート・フィルタ（ＤＰＦ）を設け、ここで捕捉して燃焼することが可能である。
したがって、始動性を確保しながら、ＮＯｘ等の発生をできるだけ低減することが可能となる。
【０００７】
一方、エンジン始動時と同じく実質アイドリング領域にあっても、エンジン始動後にエンジンに関係する温度（たとえばエンジン冷却水温度、変速機の油温、エンジン周りの雰囲気温度、戻り燃料の温度等）が所定温度より高くなったエンジン通常稼働時では、始動時よりも水比率が増大するようにエマルション・コントローラが水比率調整装置をコントロールする。
このようにエンジンがある程度、高温になった状態では、エンジン始動時に比べ、黒煙の発生量が減少し逆にＮＯｘの発生量が増加する傾向となるが、本ディーゼルエンジン・システムでは、水を燃焼室へ燃料とともに燃料噴射バルブから噴射して燃焼するので、燃焼室内の最高燃焼温度が抑制され、ＮＯｘの発生量も減少することになる。しかも、このエンジン通常稼働状態ではエンジンが暖まっているので、エンジンの安定運転が可能となる。
【０００８】
上記エマルション・コントローラは、好ましくは、エンジン始動時には、始動後アクセルペダルの踏み込み量の大きさにかかわらず、上記エンジンに関係する温度が前記所定温度より高くなるまでは、水比率を低下させる制御を継続するように水比率調整装置をコントロールする構成とする。
したがって、エンジンに関する温度が所定温度以下である状態、すなわちエンジンが冷えている状態では、アクセルペダルを踏み込んだとしても、水比率を減少させたままの制御を継続する結果、エンジン運転が不安定になる虞はない。
【０００９】
また、上記エマルション・コントローラは、好ましくは、エンジン始動時には、エンジンに関係する温度が所定温度より高い場合、たとえば車両走行後に駐車してエンジンを停止しエンジンが暖まっている状態でエンジン再始動する時などでは、エンジン始動後に所定時間経過するまでは水比率を低下させる制御を継続するように水比率調整装置をコントロールする構成とする。
この構成により、たとえ、エンジンが暖機していても、確実にエンジンが始動するまでは水なしあるいは水比率を減少させることで、着火燃焼性を向上してエンジンの始動性を確保することできる。
【００１０】
上記エマルション・コントローラは、好ましくは、エンジン始動から所定時間経過した後であっても、エンジンに関する温度が上記所定温度より高くなるまでは水比率を低下させる制御を継続するように水比率調整装置をコントロールする構成とする。
この構成により、始動に十分な所定時間を経過したときであっても、エンジンが十分に暖機されていないときは水比率を低下させる制御が継続されるので、エンジンが冷機状態で不安定な運転となるのを防ぐことができる。次いで、エンジンが確実に暖機したら、ＮＯｘが増加し始めるが、水比率を増加させる制御が可能となり、ＮＯｘの発生量を抑えることができる。
【００１１】
上記所定時間は、好ましくは、少なくとも約２分以内に設定する。
エンジンの種類やエンジンの冷え具合により多少の違いはあるものの、暖機状態での始動では約２秒程度でも十分なディーゼルエンジンもあるが、寒冷地での始動等を考慮しても約２分以内程度あればよい。
【００１２】
上記エマルション・コントローラは、好ましくは、上記所定時間の経過後、設定時間経過してもエンジンに関係する温度が上記所定温度に達しないときは、水比率を低下する制御を解除するように水比率調整装置をコントロールする構成とする。
この構成により、エンジンに関係する温度を検出する温度センサが壊れて暖機状態を検出できなくなっても、確実にエンジンが暖機を終わった状態で水比率を低下させる制御を解除して、水比率を増加させる制御へ切替え、ＮＯｘ等の発生を抑制できるようになる。
【００１３】
上記所定温度と比較するエンジンに関係する温度は、好ましくは、燃料噴射バルブから排出された戻り燃料の温度とする。
エンジンに関係する温度としては、上記のように、エンジン冷却水温度、変速機の油温、エンジン周りの雰囲気温度等を用いてもよいが、これらの測定温度はエンジン温度よりもかなり遅れて温度上昇する。
一方、燃料噴射バルブがエンジンの燃焼室へ突出して取付けられていることから、燃料噴射バルブに供給された燃料は、上記各温度よりもエンジン燃焼室の温度をより正確に反映する。したがって、エンジンが暖機される状態を逸早く検出できる結果、エンジン暖機後のＮＯｘの発生を抑える水比率増大の制御を速やかに実行することができる。
【００１４】
上記戻り燃料温度に対する所定温度は、好ましくは、約５℃〜約１５℃の値に設定する。
これ以上の戻り燃料温度になると、エンジンは水比率をエンジン始動時より増大させてＮＯｘの発生量を抑えても安定した運転ができるようになる。なお、上記範囲の中でも、約１０℃程度、すなわち約８℃〜約１２℃程度が最もよい。
【００１７】
【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。
【００１８】
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。各ポンプ７〜９の吐出し口は、それぞれ流量可変制御バルブ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構成してある。
なお、ここで、軽油タンク４及び燃料ポンプ７は燃料供給装置を構成し、水タンク５及び水ポンプ８は水供給装置を構成し、乳化剤カートリッジ６及び乳化剤ポンプ９は乳化剤供給装置を構成するが、水ポンプ８、乳化剤ポンプ９は必ずしも必要ではなく単に吸引させるようにすることも可能である。また、流量可変制御バルブ１１と流量可変制御バルブ１２とは、水比率調整装置を構成する。本実施態様のように乳化剤を用いるときは、流量可変制御バルブ１３も水比率調整装置の一部を構成する。
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４６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（供給燃料）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。
【００１９】
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供給燃料の残り、すなわち戻りエマルション燃料（戻り燃料）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、戻り燃料温度センサ４５が設けられ、ここで検出した戻りエマルション燃料の温度の検出信号をエマルション・コントローラ１６へ送る。この戻り燃料温度センサ４５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。
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の入口へ接続されている。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、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静止型ミキサ１５に供給可能するだけで十分なときもある。
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。
【００２０】
噴射ポンプ２３の吐出し口が燃料噴射バルブ２２に接続され、燃料噴射バルブ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。
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。
【００２１】
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。
【００２２】
次に、上記構成になるディーゼルエンジンの排気ガス浄化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、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。
エンジン始動信号を受けたエマルション・コントローラ１６は、始動信号から所定時間、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を閉じて軽油タンク４用の流量可変制御バルブ１１のみをアイドル運転に必要な量の流路面積分だけ開き、燃料ポンプ７のみを駆動してその他のポンプ８〜１０は停止したままにしている。
これにより、静止型ミキサ１５、噴射ポンプ２３には、流量可変制御バルブ１１から水なしの軽油だけとされた燃料が上記所定時間、供給される。噴射ポンプ２３は、エンジン・コントロール・ユニット３８で制御されており、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、燃料噴射バルブ２２から上記軽油だけの燃料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、ピストン２４が上昇し燃焼室４１内の吸入空気を圧縮するので、この圧縮熱により軽油が着火し、この燃焼によるガス膨張でピストン２４を押し下げることで、エンジンを回転駆動することができるようになる。
【００２３】
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容易に燃料に着火でき、エンジンを始動することが可能となる。このとき、エンジンは冷えていることから、エンジンから排出される排気ガス中のＮＯｘの発生量が少なく、またアイドリング運転状態にあることから、これらの発生量自体も、通常走行時に比べて少なくなっている。
しかしながら、エンジン冷機状態では、ＮＯｘとは逆に黒煙の発生量は増大する。この黒煙は、エンジンから排出され、ＤＰＦ３４の酸化触媒反応室で捕捉される。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が、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、水入りのエマルション燃料供給時よりも排気ガスの温度が高くなることから、電気ヒータ４３との協働で早くＤＰＦ３４を温め、エンジンから排出されたＰＭ、ＨＣ、ＣＯ等をＤＰＦ３４の酸化触媒反応室３４ａで酸化し、排気ガスを浄化する。
【００２４】
上記エンジン始動では、エマルション・コントローラ１６は、上記水なし制御を所定時間、継続する。すなわち、エンジン始動時はアクセルペダルを踏み込まないアイドリング領域で実行されるのが普通だが、このディーゼルエンジン・システムにあっては、始動時またはその直後のアクセルペダルの踏み込み量の大きさにかかわらず、エンジンを確実に始動し安定運転できるようになる所定時間経過するまでは水なし制御が強制的に継続される。この結果、エンジンの始動を確実に実行することができる。
所定時間経過しても、上記戻り燃料温度センサ４５で検出した戻り燃料温度（エンジンに関係する温度）が所定温度、たとえば１０℃よりなるまでは、水なし制御は、継続されエンジン暖機が促進される。
所定時間経過後、戻り燃料温度が上記所定温度、１０℃より高くなったら、エマルション・コントローラ１６が水なし制御を解除し、水比率を増大させるように流量可変制御バルブ１２、１３、１４を開き、エンジンの稼働状態にあった水比率のエマルション燃料を作り出し、静止ミキサ１５、噴射ポンプ２３、燃料噴射バルブ２２へと供給する。
したがって、暖機を終えたディーゼルエンジン２では、冷機時とは逆にＮＯｘが増大し黒煙が減少する傾向にあるが、エマルション燃料中の水により最高燃焼温度が抑えられてＮＯｘの発生量が低減される。
このエマルション燃料は、暖気後にあっては、エンジン始動時と同じくアイドリング領域でも燃料噴射バルブ２２へ供給され、燃料内の水によりＮＯｘを低減する。
黒煙は、エンジン始動時、暖気時、いずれにあってもＤＰＦ３４の酸化触媒反応室３４ａで捕捉、燃焼する。
【００２５】
なお、戻り燃料温度センサ４５が故障したりこの配線が切れたときは、上記所定時間が経過しても、戻り燃料温度がいつまで経っても所定温度にならない。しかしながら、エマルション・コントローラ１６は、上記所定温度経過後、さらに設定時間が経つと、上記水なし制御を解除して水を供給する制御へと切替える。ここで、上記設定時間は、エンジンが確実に暖機する時間に設定してあるので、エンジンの初期状態にかかわらず、また始動後のアクセルペダルの踏み込み量の変化等にもかかわらず、確実に暖機後の水増加制御へ切替え可能である。
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等をエマルション・コントローラ１６で計時する。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。
【００２６】
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、戻り燃料温度センサ４５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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
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。
【００２９】
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、燃料噴射バルブ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、燃料噴射バルブ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。
【００３０】
上記最適な水比率の決定は、以下のように行われる。なお、以下の水比率で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、アクセルペダルの踏み込み量（要求トルク）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の範囲でアクセルペダルの踏み込み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。
ただし、アクセルペダルの踏み込み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ＣＯ_２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ＣＯ_２とＨ_２Ｏ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。
【００３１】
なお、水比率の修正を、反応室温度センサ３６からの測定温度に基づき実行する。
すなわち、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。
また、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、わずかな温度低下の場合には、電気ヒータ４３でのみ加熱する。
【００３２】
次に、始動時を中心とした上記水調整の制御フローチャートを図２に示す。
図２において、まず、ステップＳ０にて電源ＯＮによりこのフローチャートによる制御がスタートする。次いで、ステップＳ１でエマルション・コントローラ１６内のメモリが初期化される。
ステップＳ２に進み、エンジン始動信号の読み込みを行う。読み込みがあったらステップＳ３でエンジン始動からの経過時間をカウントし始める。
次いで、ステップＳ４では、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む。同様に、ステップＳ５で戻り燃料温度センサ４５によりリターン燃料通路４７中の戻り燃料の温度を読み込む。
ステップＳ６に進み、水なしの軽油を供給する始動時制御を実行する。すなわち、ここでは流量可変制御バルブ１２〜１４を閉じて流量可変制御バルブ１１だけを開き、軽油タンク４から軽油を静止型ミキサ１５、噴射ポンプ２３、燃料噴射バルブ２２へ軽油のみの燃料を供給する。この軽油の供給量、噴射量は、上記ステップＳ３で検出したアクセルペダルの踏み込み量に応じて増減される。
続くステップＳ７では、上記ステップＳ２で計時した時間をもとにエンジン始動から所定時間経過したか否かを判断する。所定時間経過していなければ、ＮＯでありステップＳ３へ戻る。所定時間経過していれば、ＹＥＳであり、ステップＳ８へ進み、ステップＳ５で検出した戻り燃料温度が所定温度（たとえば１０℃）より高くなっているか否かを判断する。所定温度より高くなっていれば、ＹＥＳであり、ステップＳ９へ進み、ステップ２での計時を停止するとともに、ステップＳ３で検出したアクセルペダル踏み込み量等に応じて、あらかじめ開いている流量可変制御バルブ１１に加え、さらに流量可変制御バルブ１２〜１４を開き水と乳化剤を加え、水比率を変えたエマルション燃料として静止型ミキサ１５、噴射ポンプ２３、燃料噴射バルブ２２へ供給する。次いで、ステップＳ１１でリターンする。
一方、所定温度以下であれば、ＮＯであり、ステップＳ１０へ進み、ここで所定時間よりさらに設定時間経過したか否かを判断する。設定時間経過したら、ＹＥＳであり、ステップＳ９へ進み、水と乳化剤を軽油に供給して作ったエマルション燃料を供給するようにする。設定時間経過してないのであれば、ＮＯであり、ステップＳ３に戻る。
以上の制御により、始動性を向上し、しかもエンジンが暖機したらできるだけ早く水を軽油に供給することでその後の通常走行時におけるＮＯｘ等の排気浄化を行うことが可能となる。この暖機検出は、戻り燃料温度を検出することで行っているので、他の温度センサによる場合よりも早く暖機を検出でき、ＮＯｘの低減に効果がある。また、万が一、戻り燃料温度センサが故障しても、暖機が確実な設定時間が経過したら強制的に水供給の制御となるので、確実にＮＯｘを低減できる。
【００３３】
次に、参考例に基づく、制御のフローチャートを図３に基づき説明する。この制御では、上記戻り燃料の温度に重点をおいた制御とは異なり、経過する時間に重点をおいた制御としたものである。
ステップＳ０にて電源ＯＮによりこのフローチャートによる制御がスタートする。次いで、ステップＳ１でエマルション・コントローラ１６内のメモリが初期化される。
次いで、ステップＳ２でエンジン始動信号を読み込む。エンジン始動を検知したらステップＳ３に進み、エンジン始動からの経過時間をカウントし始める。
次いで、ステップＳ４では、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む。同様に、ステップＳ５でエンジン冷却水温度センサによりエンジン冷却水の温度（エンジンに関係する温度）を読み込む。
続くステップＳ６では、上記ステップＳ５で読み込んだエンジン冷却水温度をもとに、冷却水温度〜所定経過時間のマップから対応する所定経過時間を読み出す。冷却水温度〜所定経過時間のマップは、冷却水温度が低いほど、所定経過時間が長くなるように設定してあり、具体的数値は実験から求める。
ステップＳ６に進み、水なし軽油を供給する始動制御を実行する。すなわち、ここでは流量可変制御バルブ１２〜１４を閉じて流量可変制御バルブ１１だけを開き、軽油タンク４から軽油を静止型ミキサ１５、噴射ポンプ２３、料料噴射バルブ２２へ軽油のみの燃料を供給する。この軽油の供給量、噴射量は、上記ステップＳ４で検出したアクセルペダルの踏み込み量に応じて増減される。
ステップＳ８へ進み、ここでは上記ステップＳ３で計時したエンジン始動からの経過時間が所定経過時間に達したか否かを判断する。所定経過時間に達していなければ、ＮＯでありステップＳ３へ戻る。所定経過時間に達していれば、ＹＥＳであり、ステップＳ９へ進み、ステップＳ３での計時を停止するとともに、ステップＳ４で検出したアクセルペダル踏み込み量等に応じて、あらかじめ開いている流量可変制御バルブ１１に加え、さらに流量可変制御バルブ１２〜１４を開き水と乳化剤を加え、水比率を変えたエマルション燃料として静止型ミキサ１５、噴射ポンプ２３、燃料噴射バルブ２２へ供給する。次いで、ステップＳ１０でリターンする。
この場合も、エンジンの始動性を確保しながら、通常走行時においてもＮＯｘ等の排気浄化を行うことができる。また、経過時間に重点におく制御としているので、図２に示した制御のように戻り燃料温度センサをわざわざ設けなくても、エンジン制御のためもともと設けられているエンジン冷却水温度センサからの信号を利用するだけで済みコストが安くなり、故障も少なくなるというメリットがある。
【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・システムを表す図である。
【図２】図１のエマルション・コントローラが実行する始動時を中心とした水比率調整の制御を説明するフローチャートである。
【図３】参考例に基づく始動時を中心とした水比率制御を説明するフォローチャートである。

Claims

燃焼室を備えたディーゼルエンジンと、
前記燃焼室へ燃料を供給可能な燃料供給装置と、
前記燃焼室へ水を供給可能な水供給装置と、
前記燃料供給装置からの燃料に対する前記水供給装置からの水の比率を可変に調整してエマルション燃料として前記燃焼室へ供給可能な水比率調整装置と、
該水比率調整装置から供給された燃料の一部を前記燃焼室に噴射し残りを戻り燃料として排出する燃料噴射バルブと、
エンジン始動時は、始動後、前記エンジンに関係する温度が所定温度より高い場合であってもエンジン始動から所定時間経過するまではエンジンに関係する温度が所定温度より高くなった実質アイドリング領域でのエンジン通常稼働時よりも、前記燃料噴射バルブへ供給する燃料に対する水の水比率を低下させる制御を継続させ、前記所定時間の経過後、設定時間経過しても前記エンジンに関係する温度が前記所定温度に達しないときは、前記水比率を低下する制御を解除させるように前記水比率調整装置をコントロールするエマルション・コントローラと、
を備えたこと、を特徴とするディーゼルエンジン・システム。
前記エマルション・コントローラは、エンジン始動から前記所定時間が経過した後であっても、前記エンジンに関係する温度が前記所定温度より高くなるまでは、前記水比率を低下させる制御をエンジン始動時から継続するよう前記水比率調整装置をコントロールすること、を特徴とする請求項１に記載のディーゼルエンジン・システム。
前記所定時間は、少なくとも２分以内に設定されていること、を特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載のディーゼルエンジン・システム。
前記所定温度と比較する前記エンジンに関係する温度は、前記燃料噴射バルブから排出された前記戻り燃料の温度であること、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。
前記所定温度は、５℃〜１５℃であること、を特徴とする請求項４に記載のディーゼルエンジン・システム。