(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水と燃料を水の臨界圧力以上に加圧し、かつ、水を２５０℃以上に昇温し、前記水と燃料を水５０〜９０：燃料５０〜１０の比率で混合させた水混合燃料油をディーゼルエンジン気筒内に噴射して自己着火させることを特徴とするディーゼルエンジンの燃焼方法。
【請求項２】
水の２５０℃以上の昇温を、エンジンの排気との熱交換による加熱で行う請求項１に記載のディーゼルエンジンの燃焼方法。
【請求項３】
水を水の臨界温度以上に昇温する請求項１または２に記載のディーゼルエンジンの燃焼方法。
【請求項４】
水と燃料を水の臨界圧力以上に加圧し、水と燃料を水５０〜９０：燃料５０〜１０の比率で混合させ、この水と燃料の混合物を２５０℃以上に昇温した水混合燃料油をディーゼルエンジン気筒内に噴射して自己着火させることを特徴とするディーゼルエンジンの燃焼方法。
【請求項５】
水と燃料との混合物の２５０℃以上の昇温を、エンジンの排気との熱交換による加熱で行う請求項４に記載のディーゼルエンジンの燃焼方法。
【請求項６】
水と燃料との混合物を水の臨界温度以上に昇温する請求項４または５に記載のディーゼルエンジンの燃焼方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水と燃料を混合した水混合燃料油によるディーゼルエンジンの燃焼方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジンから排出される窒素酸化物、粒子状物質を低減することが、環境負荷低減の観点から望まれている。その方法の一つとして、燃料に水を混合してディーゼルエンジンに使用することが知られている。この方法では、不活性物質で燃料を希釈することで粒子状物質中の煤生成を低減することができ、また、燃焼温度を低下させることにより窒素酸化物の生成が抑制される。
【０００３】
しかし、これまで知られている方法では、燃料に多量の水を混合すると、燃焼が不安定または不能となる場合があり、エンジンの圧縮比等にも依存するが、燃料への水の混合率に制約があって、効果は限られていた。
【０００４】
また、従来の方法では熱効率の顕著な改善効果が得られなかった。そのため、既存の燃料噴射装置において燃料に水を混入することによる錆の発生や戻り燃料の処理に対する対策や特別な始動時対策、冬季の水の凍結や腐食対策を講じてまでこの方法を採用する魅力が乏しく、こうした対策は定置用エンジンで水：燃料の比率を最大１：１程度まで用いたり、自動車では使用過程車用の排気低減装置として水：燃料の比率を２０：８０程度に混合する装置が一部で製作されている程度にとどまっており、十分には活用されていない。  
【特許文献１】特開平６−１９８３公報
【特許文献２】特開２００１−３２９２７４公報
【特許文献３】特開２００２−２０１４８０公報
【特許文献４】特開２００２−２４８３３９公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記従来のような点に鑑みて、エンジン排気の窒素酸化物、粒子状物質の低減と熱効率を向上したディーゼルエンジンの燃焼方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するための課題解決手段として、本発明に係るディーゼルエンジンの燃焼方法は下記<01>〜<06>を特徴とするものである。
<01>  水と燃料を水の臨界圧力以上に加圧し、かつ、水を２５０℃以上に昇温し、前記水と燃料を水５０〜９０：燃料５０〜１０の比率で混合させた水混合燃料油をディーゼルエンジン気筒内に噴射して自己着火させることを特徴とするディーゼルエンジンの燃焼方法。
<02>  水の２５０℃以上の昇温を、エンジンの排気との熱交換による加熱で行う上記<01>に記載のディーゼルエンジンの燃焼方法。
<03> 水を水の臨界温度以上に昇温する上記<01>または<02>に記載のディーゼルエンジンの燃焼方法。
<04>  水と燃料を水の臨界圧力以上に加圧し、水と燃料を水５０〜９０：燃料５０〜１０の比率で混合させ、この水と燃料の混合物を２５０℃以上に昇温した水混合燃料油をディーゼルエンジン気筒内に噴射して自己着火させることを特徴とするディーゼルエンジンの燃焼方法。
<05>  水と燃料との混合物の２５０℃以上の昇温を、エンジンの排気との熱交換による加熱で行う上記<04>に記載のディーゼルエンジンの燃焼方法。
<06>  水と燃料との混合物を水の臨界温度以上に昇温する上記<04>または<05>に記載のディーゼルエンジンの燃焼方法。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によると、ディーゼルエンジンから排出される素酸化物、粒子状物質を効果的に低減すると共に、エンジンの熱効率を向上し、従来の水混合燃料油によるディーゼルエンジンの問題点を改善した効果を有している。 
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
先ず、本発明に至った経緯について説明する。本発明者が行った拡散火炎を用いた基礎研究において、燃料に十分な量の不活性化学種を混合すれば、拡散燃焼場における煤の生成を完全に抑制できること、この方法は火炎温度とは独立に制御し得ることが理論、実験の両面から示すことができた。この理論によれば、水：燃料の比率を水５０〜９０：燃料５０〜１０、望ましくは８０：２０程度とすると十分な煤の生成抑制効果が得られる。このことから、火炎温度に対する依存性が高くて煤との同時低減困難と考えられてきた窒素酸化物と煤の両方を同時に低減できる可能性が明らかになった。
【０００９】
さらに、水又は水と燃料の混合物を臨界温度以上に高めてエンジン気筒内に噴射することによりエンジンの熱効率を大幅に凌駕する可能性があることがわかった。その後、水・軽油混合燃料を使用して排気を測定したところ、煤と窒素酸化物の大幅な低減が実際に可能であることが確認できた。また、ディーゼルエンジンの燃焼において拡散燃焼に次いで重要な燃焼形態である予混合燃焼においても、化学反応動力計算により、水と燃料の混合が窒素酸化物と煤の同時低減に極めて有効であることが示された。
【００１０】
しかし、燃料もしくは水を予熱する際の圧力が水の臨界圧力以下の場合、沸点以上に予熱すると気化が起きて、エンジン気筒内適正な噴射を行うことができず、そこで、工夫を加えることでディーゼルエンジンから排出される窒素酸化物と粒子状物質を効果的に低減し、かつエンジンの熱効率を向上することができる見通しを得たので、ディーゼルエンジンの燃焼方法及び燃焼装置の発明を完成したものである。
【００１１】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づき説明する。第１の実施形態である水と燃料を水の臨界圧力以上に加圧し、かつ水を２５０℃以上若しくは水の臨界温度以上に昇温し、前記水と燃料を水５０〜９０：燃料５０〜１０、望ましくは水８０：燃料２０の比率で混合させた水混合燃料油をディーゼルエンジン気筒内に噴射して自己着火させるディーゼルエンジンの燃焼方法の実施は図１で示す装置によるものである。
【００１２】
すなわち、図１において、１は水タンク、２は燃料タンクである。３は前記水タンク１から水を吸い上げて水の臨界圧力以上に加圧して吐出する水加圧用サプライポンプであり、電動モータ５によって駆動される。４は前記燃料タンク２から燃料を吸い上げて水の臨界圧力以上に加圧して吐出する燃料加圧用サプライポンプであり、電動モータ５によって駆動される。この水加圧用サプライポンプ３並びに燃料加圧用サプライポンプ４は、その吐出圧における水と燃料の容量比が水５０〜９０：燃料５０〜１０、望ましくは水８０：燃料２０となる寸法の比に設計されている。従って、水加圧用サプライポンプ３と燃料加圧用サプライポンプ４の２系統のポンプは、それぞれの電動モータ５、６で同期運転させることにより、常に水の臨界圧力以上の吐出圧で水及び燃料の送液量の比率を水５０〜９０：燃料５０〜１０、望ましくは水８０：燃料２０で液送する。
【００１３】
７は前記水加圧用サプライポンプ３から水の臨界圧力以上で加圧して吐出する水の蓄圧室であり、８は前記燃料加圧用サプライポンプ４から水の臨界圧力以上で加圧して吐出する燃料の蓄圧室である。この水の蓄圧室７及び燃料の蓄圧室８は水加圧用サプライポンプ３及び燃料加圧用サプライポンプ４からインジェクタ１４への送液圧の変動をなくすためには有効であるが、必ずしも、これら水の蓄圧室７及び燃料の蓄圧室８は装備することを要しない。しかし、図面の都合上で水の蓄圧室７及び燃料の蓄圧室８を装備した実施形態で説明する。
【００１４】
前記水加圧用サプライポンプ３から水の臨界圧力以上で加圧して吐出された水の蓄圧室７で蓄圧されている水を加熱手段により２５０℃以上若しくは水の臨界温度以上に昇温する。その加熱手段は、水の蓄圧室７から延びる水の高圧管１１をディーゼルエンジン９の排気管１０中に貫通した構造である。この高圧管１１は排気熱との接触面積を高めるために排気管１０中で螺旋状に捲回されていることが望ましい。
【００１５】
前記排気管１０中に貫通した水の高圧管１１と燃料の蓄圧室８から延びる燃料の高圧管１２とを合流１３ａしてインジェクタ１４に接続する。従って、水と燃料を水５０〜９０：燃料５０〜１０、望ましくは水８０：燃料２０の比率で混合させた水混合燃料油をディーゼルエンジン気筒内に噴射して自己着火させるのである。尚、前記水の蓄圧室７及び燃料の蓄圧室８を装備しておくと、インジェクタ１４により前記水混合燃料油をディーゼルエンジン気筒内への噴射において、安定した水の臨界圧力で噴射される。
【００１６】
前記電動モータ５、６の回転速度は、ディーゼルエンジン９の負荷と回転速度により定まる所要量の水と燃料を送液するため、ディーゼルエンジン９の回転速度センサ１５、クランク角センサ１６及びアクセルペダル開度センサ１７の検出信号を制御回路１８に入力し、この制御回路１８により制御する。
【００１７】
次に、第２の実施形態である水と燃料を水の臨界圧力以上に加圧し水と燃料を水５０〜９０：燃料５０〜１０、望ましくは水８０：燃料２０の比率で混合させ、この水と燃料の混合物を２５０℃以上若しくは水の臨界温度以上に昇温した水混合燃料油をディーゼルエンジン気筒内に噴射して自己着火させるディーゼルエンジンの燃焼方法の実施は図２で示す装置によるものである。
【００１８】
図２で示す装置において、水と燃料の合流１３ｂの部位と加熱手段により水と燃料の混合物を２５０℃以上若しくは水の臨界温度以上に昇温する構成以外は前記図１で示す装置の構成と同じである。すなわち、水の蓄圧室７及び燃料の蓄圧室８の下流で水と燃料を合流１３ｂで合流した高圧管１１をディーゼルエンジン９の排気管１０中に貫通した構造である。この高圧管１１も排気熱との接触面積を高めるために排気管１０中で螺旋状に捲回されていることが望ましい。
【００１９】
前記排気管１０中に貫通した高圧管１１をインジェクタ１４に接続する。従って、水と燃料を水５０〜９０：燃料５０〜１０、望ましくは水８０：燃料２０の比率で混合させ、かつ２５０℃以上若しくは水の臨界温度以上に昇温した水混合燃料油をディーゼルエンジン気筒内に噴射して自己着火させるのである。
【００２０】
尚、水又は水と燃料の混合物を２５０℃以上若しくは水の臨界温度以上に昇温する加熱手段は、前記ディーゼルエンジン９の排気管１０中を用いる他に図示省略しているが電気ヒータを用いることも考えられる。
【００２１】
本発明は上記の通りであるから、本発明に至った経緯の説明のようにディーゼルエンジンから排出される素酸化物、粒子状物質を効果的に低減すると共に、エンジンの熱効率を向上し、従来の問題を解消した。これを証明するために実験結果を図によって示す。
【００２２】
図３は燃料への水混合率が排出物に及ぼす影響を示す図である。この図３で示すように、エンジンから排出される窒素酸化物Ｎと煤Ｓが大幅に低減した。
【００２３】
図４は窒素酸化物（ＮＯｘ）と粒子状物質（ＰＭ）のトレードオフ関係の改善を示す図である。この図４中のＤ２−はＪＩＳ２号軽油のデータであることを示し、Ｄ２−に続く数字は水・軽油温合物に占める水のパーセンテージである。
【００２４】
図５は煤と窒素酸化物生成マップ（均一混合気の化学反応動力学計算）であり、縦軸は当量比（Equivalence ratio）で、横軸は温度である。この図５で示すように、燃料の希釈により、煤の生成は燃料過濃領域においても大幅に低減し、ディーゼル燃焼での窒素酸化物が問題となる理論混合比付近の領域で窒素酸化物が１／５に低減している。
【００２５】
図６は煤生成の抑制機構の解析を示す図である。
縦軸は気体化学種のモル比（Molar fraction of gas-phase specis）で、横軸は時間である。この図６で示すように、燃料の希釈により、燃料の熱分解過程における煤の前駆物質であるＣ２−Ｃ４不飽和炭化水素と芳香族炭化水素の生成が抑制されている。
【００２６】
図７は熱効率の検討結果（数値計算）を示す図であり、この図６の従来のディーゼルと本方式で示すように、水・軽油混合燃料を、排気の廃熱と熱交換して予熱することで、従来は排気管から捨てていた熱の一部がエンジン燃焼室のピストンを水蒸気で押し上げる動力とし回収し、熱効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明方法の実施に用いられる装置の一例を示す構成図
【図２】本発明方法の実施に用いられる装置の他の一例を示す構成図
【図３】燃料への水混合率が排出物に及ぼす影響を示す図
【図４】窒素酸化物（ＮＯｘ）と粒子状物質（ＰＭ）のトレードオフ関係の改善を示す図
【図５】煤と窒素酸化物生成マップ
【図６】煤生成の抑制機構の解析を示す図
【図７】熱効率の検討結果（数値計算）を示す図
【符号の説明】
【００２８】
１    水タンク
２    燃料タンク
３    水加圧用サプライポンプ
４    燃料加圧用サプライポンプ
５    電動モータ
６    電動モータ
７    水の蓄圧室
８    燃料の蓄圧室
９    ディーゼルエンジン
１０    排気管
１１    高圧管
１２    高圧管
１３ａ  合流
１３ｂ  合流
１４    インジェクタ
１５    回転速度センサ
１６    クランク角センサ
１７    アクセルペダル開度センサ
１８    制御回路
【図１】
0004579077.tif 000002
【図２】
0004579077.tif 000003
【図３】
0004579077.tif 000004
【図４】
0004579077.tif 000005
【図５】
0004579077.tif 000006
【図６】
0004579077.tif 000007
【図７】
0004579077.tif 000008