(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の吸気側マニホールド内に装着されて空気と燃焼温度低減液とがそれぞれ供給される空気供給口と液供給口を有し、供給された空気により燃焼温度低減液を霧状にして前記内燃機関の吸入空気に噴霧する噴霧装置本体と、
この噴霧装置本体の前記空気供給口に空気伝送路を介して空気を送る空気供給手段と、
前記噴霧装置本体の前記液供給口に液伝送路を介して燃焼温度低減液を供給する燃焼温度低減液供給手段と、
前記液伝送路の経路上に配置されて前記燃焼温度低減液の供給をオンオフする電磁バルブと、
前記内燃機関の発する音を検知するマイクロフォンと、
このマイクロフォンの出力の周波数に応じて前記電磁バルブのオン時間を制御するバルブ制御手段と
を備えたことを特徴とする内燃機関の吸入空気への噴霧装置。
【請求項２】
前記バルブ制御手段は、
前記マイクロフォンの出力を波形整形してパルス信号を得る波形整形手段と、
この波形整形手段により得られたパルス信号の周波数を電圧に変換する周波数電圧変換手段と、
この周波数電圧変換手段の出力電圧に応じてパルス幅が制御された前記電磁バルブを制御するパルス信号を発生するＰＷＭアンプと
を備えたことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の吸入空気への噴霧装置。
【請求項３】
内燃機関の吸気側マニホールド内に装着されて空気と燃焼温度低減液とがそれぞれ供給される空気供給口と液供給口を有し、供給された空気により燃焼温度低減液を霧状にして前記内燃機関の吸入空気に噴霧する噴霧装置本体と、
この噴霧装置本体の前記空気供給口に空気伝送路を介して空気を送る空気ポンプと、
この空気ポンプにより前記噴霧装置本体に圧送される燃焼温度低減液を溜めたタンクと、
このタンクから前記噴霧装置本体の前記液供給口に前記燃焼温度低減液を送る液伝送路の経路上に配置されて前記燃焼温度低減液の供給をオンオフする第１の電磁バルブと、
前記空気ポンプの出力と前記噴霧装置本体の前記液供給口との間に空気をバイパスするように配設されてその経路上に空気の供給をオンオフする第２の電磁バルブが挿入された空気バイパス路と、
前記内燃機関の停止後一定期間だけ前記空気バイパス路を介して前記噴霧装置本体の前記液供給口に空気をパイパス供給して前記噴霧装置本体の残液を強制排出すべく、前記一定期間だけ前記空気ポンプのオン駆動を継続させながら、前記第１の電磁バルブをオフ、前記第２の電磁バルブをオン制御する遅延駆動手段と
を備えたことを特徴とする内燃機関の吸入空気への噴霧装置。
【請求項４】
前記噴霧装置本体の前記液供給口に液伝送路を介して燃焼温度低減液を供給するための燃焼温度低減液を溜めたタンクと、
このタンク内に前記燃焼温度低減液の水位に従ってガイドに沿って上下するように設けられて下端部にマグネットが取り付けられたフロートと、
前記タンクの下部に配置されて前記マグネットが近接したことを検知する近接スイッチにより駆動される液量表示手段と
を更に備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関の吸入空気への噴霧装置。
【請求項５】
前記燃焼温度低減液の主成分が水である場合に、大気中の水分を取り込んで燃焼温度低減液の補給水として供給する冷凍サイクルを更に備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の内燃機関の吸入空気への噴霧装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、内燃機関の排ガスに含まれるＮＯx 等の有害物質を除去するために内燃機関の吸入空気に霧状の燃焼温度低減液を噴霧する噴霧装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンの排ガスに含まれるＮＯx を低減する方法として、燃料中に水を混入する方法、燃料とは別に燃焼室に水を噴射させる方法等が有効であることは、従来より知られている。これは、燃料に水を混入することにより燃焼温度が下がってＮＯx が低減すること、及び水蒸気に含まれる酸素によって燃焼効率が上がることを利用しようとするものである。
しかし、例えば燃焼室に水を噴射するためには、燃料噴射とは別に水噴射装置が必要である。そしてこの水噴射装置の性能によっては、ＮＯx 低減効果が十分に得られなかったり、排出黒煙の増加や燃料消費率の悪化をもたらすため、水噴射装置の設計の最適化は容易ではない。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者等は先に、水等の燃焼温度低減液を粒径が均一な霧状としてエンジンの吸入空気中に噴霧するようにして、エンジン性能を損なうことなく効果的に排ガス中の有害物質を除去することを可能とした噴霧装置を提案している（特願平８−６１３０３号）。しかしこの種の噴霧装置において、排出黒煙の増加や燃料消費率の低下等をもたらすことなく、ＮＯx 低減を図るためには、エンジンの運転中や起動時，停止時等を考慮して噴霧装置の性能を最適化することが要求される。
【０００４】
この発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、内燃機関の全運転状態を考慮して、その性能を低下させることなく、効果的に排ガス中の有害物質低減を可能とした内燃機関の吸入空気への噴霧装置を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る内燃機関の吸入空気への噴霧装置は、第１に、内燃機関の吸気側マニホールド内に装着されて空気と燃焼温度低減液とがそれぞれ供給される空気供給口と液供給口を有し、供給された空気により燃焼温度低減液を霧状にして前記内燃機関の吸入空気に噴霧する噴霧装置本体と、この噴霧装置本体の前記空気供給口に空気伝送路を介して空気を送る空気供給手段と、前記噴霧装置本体の前記液供給口に液伝送路を介して燃焼温度低減液を供給する燃焼温度低減液供給手段と、前記液伝送路の経路上に配置されて前記燃焼温度低減液の供給をオンオフする電磁バルブと、前記内燃機関の発する音を検知するマイクロフォンと、このマイクロフォンの出力の周波数に応じて前記電磁バルブのオン時間を制御するバルブ制御手段とを備えたことを特徴とする。
【０００６】
具体的に前記バルブ制御手段は例えば、前記マイクロフォンの出力を波形整形してパルス信号を得る波形整形手段と、この波形整形手段により得られたパルス信号の周波数を電圧に変換する周波数電圧変換手段と、この周波数電圧変換手段の出力電圧に応じてパルス幅が制御された前記電磁バルブを制御するパルス信号を発生するＰＷＭアンプとから構成される。
【０００８】
この発明に係る内燃機関の吸入空気への噴霧装置は、第２に、内燃機関の吸気側マニホールド内に装着されて空気と燃焼温度低減液とがそれぞれ供給される空気供給口と液供給口を有し、供給された空気により燃焼温度低減液を霧状にして前記内燃機関の吸入空気に噴霧する噴霧装置本体と、この噴霧装置本体の前記空気供給口に空気伝送路を介して空気を送る空気ポンプと、この空気ポンプにより前記噴霧装置本体に圧送される燃焼温度低減液を溜めたタンクと、このタンクから前記噴霧装置本体の前記液供給口に前記燃焼温度低減液を送る液伝送路の経路上に配置されて前記燃焼温度低減液の供給をオンオフする第１の電磁バルブと、前記空気ポンプの出力と前記噴霧装置本体の前記液供給口との間に空気をバイパスするように配設されてその経路上に空気の供給をオンオフする第２の電磁バルブが挿入された空気バイパス路と、前記内燃機関の起動スイッチがオフになった後一定期間だけ前記空気バイパス路を介して前記噴霧装置本体の前記液供給口に空気をパイパス供給して前記噴霧装置本体の残液を強制排出すべく、前記一定期間だけ前記空気ポンプのオン駆動を継続させながら、前記第１の電磁バルブをオフ、前記第２の電磁バルブをオン制御する遅延駆動手段とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
この発明に係る内燃機関の吸入空気への噴霧装置は、更に、前記噴霧装置本体の前記液供給口に液伝送路を介して燃焼温度低減液を供給するための燃焼温度低減液を溜めたタンクと、このタンク内に前記燃焼温度低減液の水位に従ってガイドに沿って上下するように設けられて下端部にマグネットが取り付けられたフロートと、前記タンクの下部に配置されて前記マグネットが近接したことを検知する近接スイッチにより駆動される液量表示手段とを備えたことを特徴とする。
この発明に係る内燃機関の吸入空気への噴霧装置は、更に、前記燃焼温度低減液の主成分が水である場合に、大気中の水分を取り込んで燃焼温度低減液の補給水として供給する冷凍サイクルを備えたことを特徴とする。
【００１０】
第１の発明によれば、燃焼室の爆発音をマイクロフォンによりピックアップし、その周波数に応じて水等の燃焼温度低減液の液伝送路に設けられた電磁バルブを制御する。具体的には、回転数が大きくなるにつれて吸入空気への水の噴霧量が多くなるように制御する。このように運転中の燃料消費量に応じて水の噴霧量を制御することによって、運転中の全期間を通じて排ガス中の有害物質低減効果を得ることができる。
また、エンジン始動前にイグニションスイッチがオンすると同時に燃焼温度低減液を噴射することは、エンジンの始動を妨げるために好ましくない。そこで第２の発明では、例えばセルモータによってエンジンを始動させた後のバッテリー出力電圧の瞬間的上昇を検知して、燃焼室への燃焼温度低減液の噴霧の開始を始めるようにすることにより、エンジンの起動に支障を来すことなく、有害物質の排出を抑制することができる。
燃焼温度低減液を霧状化するための空気圧が下がると液の粒径が変化してしまう。この発明においては供給する空気圧を一定としているから、液の粒径が一定となり、燃焼温度低減液を均質な霧状として噴霧することができる。
【００１１】
更に、第２の発明によれば、エンジン停止後に一定時間、噴霧装置本体の燃焼液温度低減液の液供給口に空気を供給することによって、噴霧装置本体の先端部に残った燃焼温度低減液を強制的に排出することができる。もし、噴霧装置本体に残液があると、液中の不純物が噴霧装置本体に残留して結晶化し、微細な孔を塞ぐことにより、次のエンジン起動の際の燃焼温度低減液の噴霧が理想的な霧状のものではなくなるという事態が生じる。この発明によれば、エンジン停止時、噴霧装置本体に残液がないようにして、常に理想的な燃焼温度低減液の噴霧を可能とし、もって排ガス中の有害物質低減が可能となる。更に、燃焼温度低減液を溜めたタンクの水位が一定値以下になったことを検知する水量表示計を備えることにより、燃焼温度低減液が切れた状態になることを防止することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施例を説明する。
図１は、この発明に係る噴霧装置をディーゼルエンジンに適用した実施例のシステム構成を示す。エンジン本体１には、燃料供給パイプ２を介して燃料が供給されると同時に、吸気側マニホールド３を介して空気が供給され、エンジン本体１で燃焼した排ガスは排気側マニホールド４を介して排気されるようになっている。
【００１３】
エンジン本体１に供給される空気に燃焼温度低減液としての水を霧状にして噴霧するために、吸気側マニホールド内に噴霧装置本体５が装着されている。噴霧装置本体５については後述するが、空気供給口５ａと液供給口５ｂを有し、空気供給口５ａには空気ポンプ６からの空気伝送路７が連結され、液供給口５ｂには水タンク８からの液伝送路９が連結されている。水タンク８内の水は空気ポンプ６により圧送されて液伝送路９を介して噴霧装置本体５に供給される。
水タンク８には、大気中の水分を補給水として取り込むために冷凍サイクル８１が設けられている。
【００１４】
液伝送路９の経路上には、エンジン回転数に応じて噴霧量を制御するために、液供給をオンオフするための第１の電磁バルブ１０が設けられている。この電磁バルブ１０の制御を行うバルブ制御装置１１は、エンジン音を検出するマイクロフォン１２の出力に基づいて電磁バルブ１０の制御を行うもので、マイクロフォン１２は例えば、エンジン本体１への燃料供給パイプ２から爆発音を拾うようにしている。バルブ制御装置１１の詳細は後述する。
空気伝送路７とは別に、空気ポンプ６と噴霧装置本体５の液供給口５ｂとの間には、液供給口５ｂに水に代わって空気を送り込むための空気バイパス路１３が配設されており、この空気バイパス路１３の経路上には空気供給をオンオフするための第２の電磁バルブ１４が設けられている。
【００１５】
この実施例では、噴霧装置本体５への水及び空気の供給は、起動スイッチＳＷのオンオフのタイミングとの関係でタイミング調整する。具体的に、起動スイッチＳＷの電装系（イグニションスイッチＳＷ）オン→セルモータオン→エンジン始動→セルモータオフの後、バッテリー１５の出力電圧が瞬間的に上昇するので、この電圧が所定のしきい値を越えたことを検出してバッテリー出力電圧により空気ポンプ６をオン駆動する。この駆動手段として、バッテリー１５の出力電圧を基準電圧回路２０からのしきい値Ｒｅｆと比較して検知するコンパレータ１６と、このコンパレータ１６の出力によりバッテリー出力電圧を空気ポンプ６に与えるホールド回路１７とを備えている。
【００１６】
またこの実施例では、起動スイッチＳＷがオフになった後一定期間だけ空気バイパス路１３を介して噴霧装置本体５の液供給口５ｂに空気をパイパス供給して噴霧装置本体５の残液を強制排出するという動作を行う。そのために、起動スイッチＳＷのオフを検出するスイッチオフ検出回路１８が設けられ、このスイッチオフ検出回路１８の出力によりセットされて一定時間だけバッテリー出力電圧を保持して空気ポンプ６をオン駆動するホールド回路１９が設けられている。このホールド回路１９の出力により、空気バイパス路１３上の第２の電磁バルブ１４はオン駆動され、液伝送路９上の第１の電磁バルブ１０はオフ駆動されるようになっている。またホールド回路１７は、スイッチオフ検出回路１８の出力により、リセットされる。
【００１７】
噴霧装置本体５は例えば、図２のように構成されている。これは、本発明者等による先願である特願平８−６１３０３号に開示されたものの一つである。水導入パイプ２１は支持筒２２に支持され、その先端は、水の噴射に対する緩衝材としての先端が閉じられた筒状の多孔質体２３に連結されている。多孔質体２３の外側には多孔質体２３を取り囲むように内筒２４が配置され、内筒２４と多孔質体２３の間には筒状の水の通路２５が形成され、内筒２４の先端部に、先端が円錐状に突出したノズル部２６が形成されている。ノズル部２６の中心位置には、０．４〜０．６ｍｍの水の吐出孔２７が形成されている。
【００１８】
内筒２４の外側には、内筒２４を取り囲むように、基端キャップ部３１及び先端キャップ部３３が取り付けられた外筒２９が配置されている。外筒２９と基端キャップ部３１の間には、環状の空気導入室３４が形成され、この空気導入室３４に先端が臨むように、空気導入パイプ３５が基端キャップ部３１に固定されている。
内筒２４の基端外周面には、螺旋溝３８が形成され、この螺旋溝２８を介して内筒２４と外筒２９の間に形成される空気通路３９と空気導入室２４とが連通する。内筒２４の先端外周面にも螺旋溝４０が形成されて、空気通路３９はこの螺旋溝４０を介して外筒２９の先端内側の通路４１と連通する。
【００１９】
先端キャップ部３３の内側中央部は、円錐状のノズル部２６に沿った円錐状に加工されて、両者の間に０．４〜０．６ｍｍの円錐状ギャップ４２が形成されている。この円錐状ギャップ４２の頂点に当たる先端キャップ部３３の中央には、水の吐出口４３が形成されている。
【００２０】
この様に構成された噴霧装置本体５では、空気供給口５ａ、液供給口５ｂからそれぞれ空気と水が供給されたとき、水は多孔質体２３が緩衝材となって先端ノズル部に集中することがなく、分散されてノズル部に供給されることにより、吐出孔２７からは粒径の均一な水流が吐出されることになる。一方、空気は通路３９の前後に設けられた螺旋溝３８，４０が空気圧の変動を吸収する緩衝材として機能する結果、空気圧変動のない状態でノズル部に供給される。以上により、この噴霧装置本体５によって、均一な霧状とした水を噴霧する事が可能になる。
【００２１】
以上のように構成された噴霧装置の更に各部の構成と動作を説明する。前述のようにこの実施例では、エンジン回転数に応じて第１の電磁バルブ１０のオンオフを制御する。このバルブ制御装置１１は、図３に示すように、マイクロフォン１２により検出される間欠的な爆発音に対応する出力信号（図４（ａ）に示す）を増幅するアンプ５１と、その出力信号を波形整形してパルス信号（図４（ｂ）に示す）を得る波形整形回路５２と、この波形整形回路５２の出力周波数を電圧に変換する周波数電圧変換（Ｆ／Ｖ変換）回路５３と、このＦ／Ｖ変換回路５３の出力電圧に対応したパルス幅のパルス信号を得るＰＷＭアンプ５４とから構成される。
【００２２】
詳細回路は省くが、具体的に例えば、Ｆ／Ｖ変換回路５３では、エンジン回転数７５０〜３０００［ｒｐｍ］の範囲を電圧１．５〜５．２［Ｖ］の範囲にほぼリニアに変換し、これらの電圧によりＰＷＭアンプ５４の出力パルス幅は切換制御されて、例えば図５（ａ）〜（ｄ）に示す４段階の異なるパルス幅の制御パルス信号が得られるようになっている。ＰＷＭアンプ５４の出力パルスにより第１の電磁バルブ１０はオン駆動される。即ちエンジン回転数が大きい程、第１の電磁バルブ１０のオン時間が長くなり、それだけ水が多く噴霧装置本体５に送られる。
この様に、燃料消費量の大きい状態ほど、燃焼温度低減用の水の噴霧量が大きくなるように制御することによって、エンジン回転数に拘らず、水燃比をほぼ一定に保つことができ、排ガス中の有害物質低減の効果が運転状態によらずに均等に得られることになる。
【００２３】
次に、エンジン起動時及び停止時の動作を、図６を参照して具体的に説明する。バッテリー１５の出力電圧は、図６に示すように、スイッチＳＷがオンになり、セルモータが回転すると大きく低下し、エンジンが始動して発電が開始され、同時にセルモータが停止することにより一旦急激に上昇してその後次第にバッテリー電圧（例えば２４Ｖ）に落ちつく。この実施例においては、基準電圧回路２０によってコンパレータ１６のしきい値（基準電圧）Ｒｅｆを、図６に示すようにバッテリー出力電圧の安定値より僅かに低い値に安定化すると共に、コンパレータ１６の入力電圧が安定時においてしきい値電圧Ｒｅｆよりも僅かに低くなるように回路定数を設定することにより、セルモータ停止時の電圧上昇を検出するようにしている。そしてこのコンパレータ１６の検出出力により、図６に示すようにホールド回路１７は空気ポンプ６の駆動信号を出力する。
この様に、スイッチＳＷがオンになった後、バッテリー出力電圧の上昇を待って噴霧装置を動作させることにより、燃焼室が十分に温まらない状態で水を噴霧することにより生じる不具合が抑えられる。
【００２４】
ホールド回路１７は、スイッチオフ検出回路１８がスイッチＳＷのオフを検出してホールド解除される。そしてこのスイッチオフ検出回路１８の出力により、もう一つのホールド回路１９がセットされる。このホールド回路１９は図６に示すように、スイッチオフから一定時間Ｔのパルス出力を出すもので、例えば自己保持リレーとＣＲ充電回路の組み合わせ等によって構成される。
そしてこのホールド回路１９の出力により、スイッチＳＷがオフになった後も一定期間空気ポンプ６をオン駆動し、同時に第１の電磁バルブ１０をオフ駆動し、第２の電磁バルブ１４をオン駆動する。これにより、噴霧装置本体５には、空気供給口５ａと液供給口５ｂに共に空気ポンプ６から空気が送り込まれ、噴霧装置本体５内の残液は強制排出される。
以上の動作により、エンジン停止後、噴霧装置本体５内の残液が除去される結果、次のエンジン起動の際に無用な水が噴射されたり、微細な孔が目詰まりを起こすようなことはなく、理想的な排ガス無害化が図られる。
【００２５】
更にこの実施例では、図７に示すように、水を溜めたタンク８の水量表示手段を備えている。即ちタンク８内には、ガイド７１に沿って上下できる、底部にマグネット７３が取り付けられたフロート７２が設けられている。タンク８の下方には、フロート７２のマグネット７３の近接を検知する近接スイッチ７４が設けられ、この近接スイッチ７４を介してドライブ回路７５につながるＬＥＤ７６が設けられている。
これにより、タンク８内の水位があるレベル以下になると、近接スイッチ７４がオンしてＬＥＤ７６が点灯し、タンク８の水の補給が必要であることを知らせることができる。この場合好ましくは、運転者の注意をより喚起するために、ドライブ回路７５にはＣＲ発振回路等を組み込んで、ＬＥＤ７６を点滅させるようにする。
またこの実施例では、タンク８には大気中の水分を取り込んで補給するための冷凍サイクル８１を設けており、冷凍サイクル８１を常時オンにするか、或いはタンク８内の水位があるレベル以下になったときに冷凍サイクル８１をオンにするといった制御により、自動的にタンク８の水補給を行うことができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、内燃機関の全運転状態を考慮して、その性能を低下させることなく、効果的に排ガス中の有害物質低減を可能とした内燃機関の吸入空気への噴霧装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の一実施例による噴霧装置の構成を示す図である。
【図２】  同実施例の噴霧装置本体の構成を示す図である。
【図３】  同実施例のバルブ制御装置の構成を示す図である。
【図４】  同実施例のバルブ制御装置の動作波形を示す図である。
【図５】  同実施例のバルブ制御装置の出力パルス信号波形を示す図である。
【図６】  同実施例のエンジン起動時及び停止時の動作を説明するための図である。
【図７】  同実施例のタンクの水量表示計の構成を示す図である。
【符号の説明】
１…エンジン本体、２…燃料供給パイプ、３…吸気マニホールド、４…排気マニホールド、５…噴霧装置本体、５ａ…空気供給口、５ｂ…液供給口、６…空気ポンプ、７…空気伝送路、８…タンク、９…液伝送路、１０…第１の電磁バルブ、１１…バルブ制御装置、１２…マイクロフォン、１３…空気バイパス路、１４…第２の電磁バルブ、１５…バッテリー、１６…コンパレータ、１７…ホールド回路、１８…スイッチオフ検知回路、１９…ホールド回路、５１…アンプ、５２…波形整形回路、５３…Ｆ／Ｖ変換回路、５４…ＰＷＭアンプ、７１…ガイド、７２…フロート、７３…マグネット、７４…近接スイッチ、７５…ドライブ回路、７６…ＬＥＤ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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