JP4400843B2 - エマルション燃料供給システム - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ディーゼルエンジン等の燃焼室に、燃料へ水を混入させたエマルション燃料を供給することで、排気ガス中、特に窒素酸化物（ＮＯｘ）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】
ディーゼルエンジンの燃焼室で発生する窒素酸化物を低減する技術としては、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ことで、水の存在により燃焼室での最高燃焼温度を抑えて窒素酸化物の生成を抑制するようにしたもの（特開平７−１６６９６２号公報に記載のもの）が知られている。
一方、単に燃料に水を加えて燃焼室へ噴射するいわゆる水噴射も知られている（たとえば、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」第４９ページから第５０ページの記載のもの）。この水噴射は、確かに水により最高燃焼温度を抑え窒素酸化物の生成量を減少させるものの、エンジン停止時に燃料噴射系の部品やエンジン燃焼室などに水が残りやすく錆が発生する。このことは、頻繁にエンジンを停止し、停止時間も長時間にわたることの多い自動車等にあっては重大な問題となる。
また、自動車等にあっては、発進・停止を繰り返すばかりでなくエンジン負荷やエンジン回転速度も幅広い範囲で絶えず変化する。したがって、エンジンの動力性能と排気ガス浄化性能を両立させようとすると、水比率をエンジンの運転状況等に応じて制御する必要がある。この場合、水比率のいかんにかかわらず確実に燃料を燃焼させなければならず、この点からも単なる水噴射よりもエマルション燃料を用いる方が望ましい。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のようにエマルション燃料を自動車のエンジン等に用いようとすると、エンジンの運転状況等に応じて可変制御した水比率のエマルション燃料をほぼリアルタイムで燃焼室へ供給できるようにきわめて短時間内に作り出さねばならない。しかも、このエマルション燃料のエンジンへの供給量は、エンジンのアイドリング運転状況からフル負荷運転状態までのそれぞれの状態に応じて大きく変化する。したがって、これらすべての運転域に１本の燃料油供給通路だけで対応しようとすると、燃料ポンプの最大吐出容量を大きくせざるを得ない。このことは、燃料供給量が少ないときのポンプの効率が非常に悪くなるだけでなく、装置も高価になるという問題が生じる。
【０００４】
【発明の目的】
本発明の目的は、燃料油を供給する燃料ポンプの最大吐出容量を大きくしなくても、エンジンの幅広い運転領域にあってもエンジンの運転状況にあった水比率で、かつ十分な量のエマルション燃料を作り出すことを可能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】
本発明の請求項１に係るエマルション燃料供給システムにあっては、燃料油を蓄える燃料タンクと、水を蓄える水タンクと、燃料タンクから供給された燃料油と水タンクから供給された水とを乳化剤とともに混合してエマルション燃料を作り出すミキサと、ミキサから噴射ポンプを介して燃料噴射バルブへ供給されたエマルション燃料のうちエンジンの燃焼室へ噴射した残り分を、戻りエマルション燃料として燃料噴射バルブからドレインして蓄えるリターンリザーバと、燃料タンクから前記ミキサへ燃料油を供給する燃料油供給通路と、燃料供給通路中に設けられて燃料タンクからミキサに向けて燃料油を送り出す燃料ポンプと、燃料供給通路中の燃料ポンプより下流側に設けられて燃料油の供給量を可変に調節する燃料用流量可変バルブと、燃料油供給油路をバイパスして燃料タンクからミキサへ燃料油を噴射ポンプの吸引力により供給可能な燃料油バイパス通路と、燃料油バイパス通路を介して燃料タンクからミキサへ燃料油を供給あるいは供給停止するように切替え可能な燃料用開閉バルブと、水タンクから前記ミキサへ水を供給する水供給通路と、水タンクから前記ミキサに向けて水を送り出す水ポンプと、水供給通路中に設けられて供給水量を可変に調節する水用流量可変バルブと、リターンリザーバからミキサへ前記戻りエマルション燃料を供給するリターン燃料供給通路と、リターン燃料供給通路からミキサへ供給する戻りエマルション燃料の供給量を可変に調節するリターン燃料用流量可変バルブと、燃料用開閉バルブと燃料用流量可変バルブと水用流量可変バルブとリターン燃料用流量可変バルブをそれぞれ制御するエマルション・コントローラとを有して構成されている。
【０００６】
上記エマルション燃料供給システムにおいては、エンジンの運転状態に応じて水比率を調整したエマルション燃料を供給することで、エンジンの動力性能と排気浄化性能を両立させる。
すなわち、通常運転時は、水を燃料と供給すると、燃焼室での燃焼温度が低下してＮＯｘの発生量を抑えることが可能となる。
この水比率の調整は、エンジン始動時は、略ゼロとすることで着火性を悪化させず、始動性を確保し、また急な傾斜の登坂時にあっては水比率を低下させ動力性能、すなわち駆動力を向上させることが望ましい。通常運転時は、エンジンの回転速度やエンジンの負荷（アクセルペダルの踏み込み量）に応じて水比率を制御することが望ましい。また、上記燃料は、アクセルペダルの踏み込み量に応じてエンジンへの供給量を変える必要がある。
そこで、燃料油をエンジンに供給するにあたって、燃料油供給通路と燃料油バイパス通路との２本の通路を切り替えて用いることができるようにしてある。燃料油供給通路は、上記通常走行時に用い、燃料ポンプで吸い出した燃料油を燃料用流量可変バルブで流量を調整するとともに、同じく水ポンプで送り出した水を水用流量可変バルブで流量調節して乳化剤とともに、混合して最適な水比率のエマルション燃料とする。なお、このとき、リターン燃料供給通路からもリターン燃料用流量可変バルブで供給量を調節された戻り燃料が合わせて供給される。この結果、中負荷域程度の流量を確保しながら、水比率を高い比率まで幅広く調節できるようになる。
一方、エンジン始動時は、燃料油バイパス通路からのみ水なしの燃料油を供給することで、エンジンの始動性を確保できる。また、エンジン停止信号を受けたら所定時間、同様にすることで、水のエンジンへの混入を阻止して錆びが発生するのを防ぐことができる。
また、逆にフル負荷域では、燃料油供給通路と水供給通路を閉じ、これらのポンプも停止するものの、燃料油バイパス通路から噴射バルブで燃料油を吸引するとともに、リターン燃料供給通路から戻り燃料をその可変流量バルブで制御しながら合流させることで、水比率を低下させて大量なエマルション燃料をエンジンに供給できる。
したがって、燃料ポンプの最大吐出量をさほど大きくしなくても、全領域で十分な量で、最適な水比率のエマルション燃料を供給できることになる。
【０００７】
本発明の請求項２に記載のエマルション燃料供給システムにあっては、エマルション・コントローラを、エンジンが停止しているときは、燃料用開閉バルブと燃料用流量可変バルブと水用流量可変バルブとリターン燃料用流量可変バルブを閉じ、かつ燃料ポンプと水ポンプを停止することで、ミキサへ燃料油、水、戻りエマルション燃料のすべてを供給停止するように制御する構成とする。
これにより、エンジン停止時は、確実に燃料、水、戻り燃料が燃料噴射バルブへ導かれるのを阻止して、エンジンを停止するとともに、水がエンジン内に入って錆びるのを防止できる。
【０００８】
本発明の請求項３に記載のエマルション燃料供給システムにあっては、エマルション・コントローラを、エンジン停止信号を受けたら、燃料用流量可変バルブと水用流量可変バルブとリターン燃料用流量可変バルブを閉じ、かつ燃料ポンプと水ポンプを停止することで、燃料油供給通路を介するミキサへの燃料タンクからの燃料油供給を、また水供給通路を介するミキサへの水タンクからの水供給を、またリターン燃料供給通路を介するミキサへのリターンリザーバからの戻りエマルション燃料の供給をそれぞれ停止する一方、燃料用開閉バルブを所定時間の間だけ開いて燃料油バイパス通路を介してミキサへ燃料タンクから燃料を供給するように制御する構成とする。
これにより、エンジン停止操作が行われると、所定時間、水、戻りエマルション燃料の供給が停止されて、水を含まない燃料油だけが供給されるので、エンジンや排気系が錆びる畏れがない。
【０００９】
本発明の請求項４に記載のエマルション燃料供給システムにあっては、エマルション・コントローラを、エンジン・アイドリング状態でのエンジン始動時は、燃料用流量可変バルブと水用流量可変バルブとリターン燃料用流量可変バルブを閉じ、かつ燃料ポンプと水ポンプを停止して、ミキサへの水供給通路からの水供給、ミキサへの燃料油供給通路からの燃料油の供給、ミキサへのリターン燃料供給通路から戻りエマルション燃料の供給をそれぞれ停止する一方、燃料用開閉バルブを開き燃料油バイパス通路を介してミキサへ燃料タンクから燃料油を供給するように制御する構成とする。
これにより、エンジン・スタート時は、燃料油バイパス油路からのみ燃料油が供給される。したがって、水が含まれないことからエンジンの始動はスムーズに実行でき、また、このとき必要な供給燃料は少量で良いので、燃料ポンプを可動しなくとも噴射ポンプの吸引力だけで十分な量の燃料油を燃料油バイパス油路から供給でき、効率的である。
【００１０】
本発明の請求項５に記載のエマルション燃料供給システムにあっては、エマルション・コントローラを、エンジンを始動して所定時間経過後で、かつエンジン暖機後におけるエンジン・アイドリング状態では、燃料用流量可変バルブと水用流量可変バルブを閉じ、かつ燃料ポンプと水ポンプを停止して、燃料油供給通路を介するミキサへの燃料タンクからの燃料油の供給、及び水供給通路を介するミキサへの水タンクからの水供給を停止する一方、燃料用開閉バルブとリターン燃料用流量可変バルブを開き、ミキサへ前記燃料油バイパス通路を介してミキサへ燃料タンクから燃料油を、またリターン燃料供給通路を介してミキサへリターンリザーバから戻りエマルション燃料をそれぞれ供給するように制御する構成とする。
これにより、アイドリング状態であるからエンジンへの供給燃料量は少なくてよく、少ない水比率としてＮＯｘを低減するとともにエンジンを安定稼働させるので、水を含んだ戻りエマルション燃料を供給・利用することで、最初からすべてエマルション燃料を作り出さなくてもよい。また、この場合、戻りエマルション燃料の水比率が高いときには、燃料油供給通路から燃料用流量可変バルブで調節しながら、燃料油を加えれば良い。
【００１１】
本発明の請求項６に記載のエマルション燃料供給システムにあっては、エマルション・コントローラを、エンジン・アイドリング状態よりエンジン負荷が大きくエンジン・フル負荷状態よりエンジン負荷が小さい領域では、燃料用開閉バルブを閉じて燃料油バイパス通路を介するミキサへの燃料タンクからの燃料油の供給を停止する一方、燃料用流量可変バルブとリターン燃料用流量可変バルブと水用流量可変バルブを開き、かつ燃料ポンプと水ポンプを稼働させて燃料油供給通路からミキサへ燃料タンクから燃料油を、またリターン燃料供給通路を介してミキサへリターンリザーバから戻りエマルション燃料を、また水供給通路を介してミキサへ水タンクから水をそれぞれ供給するように制御する構成とする。
これにより、エンジンへの供給燃料量が最大量近くまで必要ないエンジン運転領域にあっては、燃料油供給通路からだけでも十分な量をエンジンに供給することが可能となる。したがって、燃料ポンプの最大吐出容量も小さいもので済む。 また、この領域は高い水比率になるまでの広い範囲で水比率を可変に制御してＮＯｘを減少させるとともにエンジンの動力性能も確保するが、リターン燃料用流量可変バルブと燃料用流量可変バルブと水用流量可変バルブとで戻りエマルション燃料の量、燃料油の量、水の量を調節することで最適な水比率のエマルション燃料を作り出せる。この場合、戻りエマルション燃料を供給・再利用するので、新たに最初から作り出さねばならないエマルション燃料の量は少なく、エンジンの運転変化に合わせてレスポンスよく水比率を変えながら、必要量を供給できる。
【００１２】
本発明の請求項７に記載のエマルション燃料供給システムにあっては、エマルション・コントローラを、燃料用流量可変バルブとリターン燃料用流量可変バルブと水用流量可変バルブを、アクセルペダルの踏み込み量あるいは燃料噴射バルブが噴射した燃料量に応じて流量を制御するような構成とする。
これにより、エンジンの動力性能と排気浄化性能を両立させる制御が可能となる。
【００１３】
本発明の請求項８に記載のエマルション燃料供給システムにあっては、燃料噴射バルブが噴射した燃料量を、噴射ポンプに供給されるエマルション燃料の量を計測する供給量センサからの検出信号と燃料噴射バルブがドレインする戻りエマルション燃料の量を検出するリターン流量センサからの検出信号の差で求めるようにする。
このようにすれば、エンジン・コントロールユニットからフルにエンジン運転に関する情報信号を受けとらなくとも、水比率の制御が可能となる。この結果、通信プロトコル等が異なるエンジン・コントロールユニットを搭載した車両間へも適用可能となる。
【００１４】
本発明の請求項９に記載のエマルション燃料供給システムにあっては、エマルション・コントローラを、エンジン・フル負荷域には、燃料用流量可変バルブと水用流量可変バルブを閉じ、かつ燃料ポンプ及び水ポンプを停止して、燃料油供給通路を介するミキサへの燃料タンクからの燃料油供給と水供給通路を介するミキサへの水タンクからの水の供給を停止する一方、燃料用開閉バルブとリターン燃料用流量可変バルブを開いて、燃料油バイパス通路を介してミキサへ前記燃料タンクから燃料油を、またリターン燃料供給通路を介してミキサへリターンリザーバから戻りエマルション燃料をそれぞれ供給するように制御する構成とする。 エンジン・フル負荷域における傾斜の急な登坂時などでは、動力性能を重視し水比率を下げるのが望ましい。このようにして動力性能を確保しても、エンジン回転速度が高速走行時よりも低下するので、ＮＯｘの発生量は少なくなる。
フル負荷域であるから、エンジンへの燃料供給量は多く、上記燃料ポンプだけではとうてい十分な供給量は確保できないが、燃料油開閉バルブを開くことで、実質的に流通抵抗のない燃料油バイパス通路から燃料油を噴射ポンプの負圧で引き、リターン燃料用流量可変バルブを開いてリターン燃料供給通路からも供給される戻りエマルション燃料へ追加することで十分な供給量が確保できる。また、戻りエマルション燃料の水比率を、燃料油バイパス通路から燃料油を加えることで下げることが可能となる。
【００１５】
本発明の請求項１０に記載のエマルション燃料供給システムにあっては、燃料タンク内の燃料油には、乳化剤が混合されているようにする。この混合液は、燃料油全体に乳化剤が行き渡るように燃料油と乳化剤の量を調整しておく。また、この場合、給油と同時に、あるいは給油の直後に乳化剤だけ又は乳化剤を燃料油で薄めた混合液を、燃料タンク内の燃料油へ供給して混合すればよい。
一方、水は、エンジンの運転状況等に応じて決定した水量に制御して、燃料室への燃料供給時に乳化剤−燃料油の混合液へ供給してミキサで混合する。
このようにしても容易に、最適な水比率のエマルション燃料を得ることができる上、乳化剤を蓄えておくタンクやこの供給装置を自動車に設けなくてもよくなる。この場合、エンジンの運転状況に応じて乳化剤の流量を制御することが不要となる。
【００１６】
本発明の請求項１１に記載のエマルション燃料供給システムにあっては、ミキサを、乳化剤の供給量を可変に調節する乳化剤用流量可変バルブを有する乳化剤供給通路にて、乳化剤を蓄えた乳化剤タンクに接続するように構成する。
これにより、燃料に予め乳化剤を入れておく場合、長時間そのままのにしておくと分離することがあり、エンジン始動時に燃料タンク内を撹拌する必要があるが、このような攪拌機は不用となる。
【００１７】
本発明の請求項１２に記載のエマルション燃料供給システムにあっては、エマルション燃料は、水の周りを燃料油で包む油中水滴型とする。このようなエマルション燃料は、乳化剤の親水性と親油性の釣り合いを表すＨＬＢが６程度となるような特性を選ぶことで達成可能である。
このように、エマルション燃料を油中水滴型とすることにより、燃料の着火性が高まり、かつ水が燃料油で被われることでエンジン等の部品に水が直接接触しないようにして、これらが錆ないようにすることができる。
【００１８】
【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、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。
【００１９】
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油バイパス油路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。
燃料油供給通路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。
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。
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、燃料油供給通路４９あるいは燃料油バイパス路５３から供給される燃料油と混合されるようにしてある。
これらの燃料油、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。
【００２０】
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整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。
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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、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。
【００２３】
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、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。
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、軽油タンク４用、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１１〜１４を閉じる一方、開閉バルブ５４のみを開いている。また、ポンプ７〜１０は、すべて停止したままにしている。
これにより、噴射ポンプ２３には、燃料油バイパス通路５３からのみ水なし燃料油（軽油）が、ミキサ１５、エマルション燃料供給通路４６を介して噴射ポンプ２３から吸引され、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、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から上記軽油のみの燃料を、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が上昇して燃焼室４１内の吸入空気を圧縮しているので、この圧縮熱により噴射された軽油が着火し、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。
【００２４】
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る。したがって、エンジンの始動性を良好にすることができる。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。
【００２５】
上記エンジン始動から所定時間経過後、戻りエマルション燃料の温度が所定温度、１０℃より高くなったら、エマルション・コントローラ１６が暖機完了と判断し、水なし制御を解除する。
暖機後のアイドリング域では、上記エンジン始動時同様、開閉バルブ５４を開いて燃料バイパス通路５３からの軽油を噴射ポンプ２３の吸引力により燃料油バイパス通路供給５３を介してミキサ１５へ供給するが、ポンプ１０を駆動しかつ流量可変制御バルブ１４にてその流量を制御しながら、戻りエマルション燃料をも合わせてミキサ１５へ供給する。この結果、低い水比率のエマルション燃料がエンジンに供給される始める。エンジンは暖機しているので、安定して運転される。
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。
このように、暖機後にあっては、暖機中とは異なり同じアイドリング領域であっても、エマルション燃料が燃料噴射バルブ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、暖機時、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。
また、このときエンジンに供給する燃料量も少なくて良いので、上記供給で十分足りる。
【００２６】
これ以降、アイドリング領域及びフル負荷域以外のエンジン負荷域にあっては、開閉バルブ５４を閉じて燃料バイパス通路５３からの軽油の供給を停止する。また、この領域では、エンジンへ供給する燃料の量も、最大量付近より少なくて済む。
そこで、エンジンの運転状態に応じた水比率のエマルション燃料をエンジンに供給可能とするべく、必要に応じてポンプ７〜１０が駆動され、流量制御バルブ１１〜１４がその流量を可変に調節する。
すなわち、軽油タンク４から流量可変制御バルブ１１でその流量がエンジンの運転状態に応じて調整された軽油が、ポンプ７の駆動により燃料油供給通路４９を介して供給されるとともに、この燃料油供給通路４９へ、乳化剤カートリッジ６からその流量が上記供給軽油量に応じて流量可変制御バルブ１３で調整された乳化剤が、乳化剤供給通路５０を介して供給され合流する。その下流側で水タンク５からその流量がエンジンの運転状態に応じて流量可変制御バルブ１２にて調整された水が、ポンプ８の駆動により水供給通路５２を介して供給される。また、戻りエマルション燃料もポンプ１０により送り出されて流量可変制御バルブ１４でその供給量が調節されながら、リターン燃料供給通路４８からミキサ１５に導かれる。戻りエマルション燃料、軽油、水は、ここで混合され、所望の水比率を有するエマルション燃料とされる。このとき、水が混合される前に、供給軽油中には全体に乳化剤が混じっているので、水と軽油は、きわめて短時間内にエマルション化される。なお、このエマルション燃料は、油中水滴型（Ｗ／Ｏ型）となるように乳化剤に、親水性と親油性の釣り合いを表すＨＬＢが６程度となる特性を持たせてある。
このようにして作られたエマルション燃料は、エマルション燃料供給通路４６を介して噴射ポンプ２３、次いで燃料噴射バルブ２２へと供給される。噴射ポンプ２３は、エンジン・コントロールユニット３８により制御されて、適当なタイミング、適当な噴射量で燃料噴射バルブ２２から燃焼室４１へエマルション燃料を噴射させる。
燃料噴射バルブ２２から噴射されずドレインされたエマルション燃料は、戻りエマルション燃料としてリターン燃料通路４７を介してリターンリザーバ３１に戻される。
【００２７】
なお、上記エンジン稼働時にあっては、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、戻り燃料が混合液供給通路５１に供給されることはなく、軽油タンク４、水タンク５、乳化剤カートリッジ６から全量供給されて新しいエマルション燃料が作られ、噴射ポンプ２３、燃料噴射バルブ２２へ供給するようにしてある。
【００２８】
しかし上記以外のエンジン稼働時は、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混合液供給通路５１へ供給する。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。
【００２９】
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。
【００３０】
ここで、上記水比率の決定は、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。
水比率の決定は、基本的には、アクセルペダルの踏み込み量（要求トルクあるいはエンジン負荷）とエンジン回転速度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。また、アクセルペダルを大きく踏み込んだとき、登坂などでエンジン回転速度が低いときは、同じアクセルペダルの踏み込み量であってもエンジン回転速度高い平坦路走行時よりも水比率を減少させて出力を増加させる。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】
フル負荷域にあっては、エンジンへ供給する燃料の量は上記以上に多量となる。このフル負荷域では、急な坂での登坂といった走行が多く、このときは駆動力を重視する。なお、このように駆動力を重視しても、エンジン回転速度は高速走行時よりも低下するので、ＮＯｘの発生量は少なくなっている。
この場合、開閉バルブ５４とリターン燃料用の流量可変制御バルブ１４を開き、ポンプ１０を駆動することで、燃料油バイパス通路５３から噴射ポンプ２３の負圧により吸引した軽油を、リターン燃料供給通路４８から戻りエマルション燃料に加えることで、水比率の低いエマルション燃料としてエンジンに供給する。このとき、ポンプ７〜９は停止して流量可変制御バルブ１１〜１３を閉じた状態でも十分な量の燃料を供給できる。
【００３２】
なお、上記水比率の修正は、反応室温度センサ３６からの測定温度に基づいても実行する。
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。
【００３３】
以上のように、上記実施態によるエマルション燃料供給システムにおいては、燃料ポンプの最大吐出量を大きくしなくても、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。
【００３４】
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。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の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。
【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
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 燃料油供給通路
５０ 乳化剤供給通路
５２ 水供給通路
５３ 燃料油バイパス通路
５４ 開閉バルブ（燃料用開閉バルブ）

Claims (12)

1. 燃料油を蓄える燃料タンクと、
   水を蓄える水タンクと、
   前記燃料タンクから供給された燃料油と前記水タンクから供給された水とを乳化剤とともに混合してエマルション燃料を作り出すミキサと、
   該ミキサから噴射ポンプを介して燃料噴射バルブへ供給された前記エマルション燃料のうちエンジンの燃焼室へ噴射した残り分を、戻りエマルション燃料として前記燃料噴射バルブからドレインして蓄えるリターンリザーバと、
   前記燃料タンクから前記ミキサへ燃料油を供給する燃料油供給通路と、
   該燃料供給通路中に設けられて前記燃料タンクから前記ミキサに向けて燃料油を送り出す燃料ポンプと、
   前記燃料供給通路中の前記燃料ポンプより下流側に設けられて前記燃料油の供給量を可変に調節する燃料用流量可変バルブと、
   前記燃料油供給油路をバイパスして前記燃料タンクから前記ミキサへ燃料油を前記噴射ポンプの吸引力により供給可能な燃料油バイパス通路と、
   該燃料油バイパス通路を介して前記燃料タンクから前記ミキサへ燃料油を供給あるいは供給停止するように切替え可能な燃料用開閉バルブと、
   前記水タンクから前記ミキサへ水を供給する水供給通路と、
   前記水タンクから前記ミキサに向けて水を送り出す水ポンプと、
   前記水供給通路中に設けられて供給水量を可変に調節する水用流量可変バルブと、
   前記リターンリザーバから前記ミキサへ前記戻りエマルション燃料を供給するリターン燃料供給通路と、
   該リターン燃料供給通路から前記ミキサへ供給する戻りエマルション燃料の供給量を可変に調節するリターン燃料用流量可変バルブと、
   前記燃料用開閉バルブ、前記燃料用流量可変バルブ、前記水用流量可変バルブ、前記リターン燃料用流量可変バルブをそれぞれ制御するエマルション・コントローラと、
   を備えたこと、を特徴とするエマルション燃料供給システム。
2. 前記エマルション・コントローラは、エンジンが停止しているときは、前記燃料用開閉バルブと前記燃料用流量可変バルブと前記水用流量可変バルブと前記リターン燃料用流量可変バルブを閉じ、かつ前記燃料ポンプと前記水ポンプを停止することで、前記ミキサへ燃料油、水、戻りエマルション燃料のすべてを供給停止するように制御すること、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。
3. 前記エマルション・コントローラは、エンジン停止信号を受けたら、前記燃料用流量可変バルブと前記水用流量可変バルブと前記リターン燃料用流量可変バルブを閉じ、かつ前記燃料ポンプと前記水ポンプを停止することで、前記燃料油供給通路を介する前記ミキサへの前記燃料タンクからの燃料油供給を、また前記水供給通路を介する前記ミキサへの前記水タンクからの水供給を、また前記リターン燃料供給通路を介する前記ミキサへの前記リターンリザーバからの戻りエマルション燃料の供給をそれぞれ停止する一方、前記燃料用開閉バルブを所定時間の間だけ開いて前記燃料油バイパス通路を介して前記ミキサへ前記燃料タンクから燃料を供給するように制御すること、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。
4. 前記エマルション・コントローラは、エンジン・アイドリング状態でのエンジン始動時は、前記燃料用流量可変バルブと前記水用流量可変バルブと前記リターン燃料用流量可変バルブを閉じ、かつ前記燃料ポンプと前記水ポンプを停止して、前記ミキサへの前記水供給通路からの水供給、前記燃料油供給通路からの燃料油の供給、前記リターン燃料供給通路から戻りエマルション燃料の供給をそれぞれ停止する一方、前記燃料用開閉バルブを開き前記燃料油バイパス通路を介して前記ミキサへ前記燃料タンクから燃料油を供給するように制御すること、を特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のエマルション燃料供給システム。
5. 前記エマルション・コントローラは、エンジンを始動して所定時間経過後で、かつエンジン暖機後におけるエンジン・アイドリング状態では、前記燃料用流量可変バルブと前記水用流量可変バルブを閉じ、かつ前記燃料ポンプと前記水ポンプを停止して、前記燃料油供給通路を介する前記ミキサへの前記燃料タンクからの燃料油の供給及び前記水供給通路を介する前記ミキサへの前記水タンクからの水供給を停止する一方、前記燃料用開閉バルブと前記リターン燃料用流量可変バルブを開き、前記ミキサへ前記燃料油バイパス通路を介して前記ミキサへ燃料タンクから燃料油を、また前記リターン燃料供給通路を介して前記ミキサへ前記リターンリザーバから戻りエマルション燃料をそれぞれ供給するように制御すること、を特徴とする請求項１から４に記載のエマルション燃料供給システム。
6. 前記エマルション・コントローラは、エンジン・アイドリング状態よりエンジン負荷が大きくエンジン・フル負荷状態よりエンジン負荷が小さい領域では、前記燃料用開閉バルブを閉じて前記燃料油バイパス通路を介する前記ミキサへの前記燃料タンクからの燃料油の供給を停止する一方、前記燃料用流量可変バルブと前記リターン燃料用流量可変バルブと前記水用流量可変バルブを開き、かつ前記燃料ポンプと前記水ポンプを稼働させて前記燃料油供給通路から前記ミキサへ前記燃料タンクから燃料油を、また前記リターン燃料供給通路を介して前記ミキサへ前記リターンリザーバから戻りエマルション燃料を、また前記水供給通路を介して前記ミキサへ前記水タンクから水をそれぞれ供給するように制御すること、を特徴とする請求項１から５のいずれかの記載のエマルション燃料供給システム。
7. 前記エマルション・コントローラは、前記燃料用流量可変バルブと前記リターン燃料用流量可変バルブと前記水用流量可変バルブを、アクセルペダルの踏み込み量あるいは前記燃料噴射バルブが噴射した燃料量に応じて流量を制御するようにしたこと、を特徴とする請求項６に記載のエマルション燃料供給システム。
8. 前記燃料噴射バルブが噴射した燃料量は、前記噴射ポンプに供給されるエマルション燃料の量を計測する供給量センサからの検出信号と燃料噴射バルブがドレインする戻りエマルション燃料の量を検出するリターン流量センサからの検出信号の差で求めるようにしたこと、を特徴とする請求項７に記載のエマルション燃料供給システム。
9. 前記エマルション・コントローラは、エンジン・フル負荷域には、前記燃料用流量可変バルブと前記水用流量可変バルブを閉じ、かつ前記燃料ポンプ及び前記水ポンプを停止して、前記燃料油供給通路を介する前記ミキサへの前記燃料タンクからの燃料油供給と前記水供給通路を介する前記ミキサへの前記水タンクからの水の供給を停止する一方、前記燃料用開閉バルブと前記リターン燃料用流量可変バルブを開いて、前記燃料油バイパス通路を介して前記ミキサへ前記燃料タンクから燃料油を、また前記リターン燃料供給通路を介して前記ミキサへ前記リターンリザーバから戻りエマルション燃料をそれぞれ供給するように制御すること、を特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のエマルション燃料供給システム。
10. 前記燃料タンク内の燃料油には、乳化剤が混合されていること、を特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のエマルション燃料供給システム。
11. 前記ミキサは、乳化剤の供給量を可変に調節する乳化剤用流量可変バルブを有する乳化剤供給通路にて、乳化剤を蓄えた乳化剤タンクに接続されていること、を特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のエマルション燃料供給システム。
12. 前記エマルション燃料は、水の周りを燃料油で包む油中水滴型であること、を特徴とする請求項１から１１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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