(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料源として水・燃料エマルジョン（32）を使用する内燃エンジン（12）用燃料制御システム（10）において、前記燃料制御システム（10）が、
前記水・燃料エマルジョン（32）をエンジンシリンダー内に射出する１つ又はそれ以上の燃料インジェクター（34）と、前記燃料インジェクター（34）と流体接続し、前記水・燃料エマルジョン（32）を移送する燃料ライン（14）とを含む燃料システム（10）、
前記燃料ライン（14）と流体接続し、前記燃料ライン（14）中の前記水・燃料エマルジョン（32）に選択的に追加の水を供給する水追加システム（40）、及び、
前記燃料システム（10）及び前記水追加システム（40）と作動的に組み合わさり、前記燃料インジェクター（34）に送られる前記水・燃料エマルジョン（32）の水含有量を、選択したエンジン作動特性の関数として制御する制御ユニット（20）、を備え、
前記燃料ライン（14）の端部に取り付けられ、前記水・燃料エマルジョン（32）の供給源を保持する燃料タンク（22）、及び、
前記水追加システム（40）の上流で前記燃料ライン（14）に沿って流体接続されて配置され、加圧下にある前記水・燃料エマルジョン（32）を前記燃料タンク（22）から前記燃料インジェクター（34）へ前記燃料ライン（14）を通って所望の燃料流速で移送する燃料加圧デバイス、を備え、
前記燃料システムは、余分の燃料を前記燃料インジェクター（34）から、前記水追加システム（40）の下流の位置で、前記燃料ライン（14）へ通過させる再循環導管（50）を備えることを特徴とするシステム。
【請求項２】
請求の範囲第１項に記載した燃料制御システム（10）であって、前記燃料インジェクター（34）の上流で前記燃料ライン（14）に沿って配置され、前記水・燃料エマルジョン（32）を前記追加の水と混合する混合装置（30）を備えるシステム。
【請求項３】
請求の範囲第１項に記載した燃料制御システム（10）であって、前記制御ユニット（20）に作動的に結合し、エンジン冷却水温度に対応する温度信号（56）を供給する温度センサー（56）を備え、前記燃料インジェクター（34）へ送られる前記水・燃料エマルジョン（32）の水含有量は、前記エンジン冷却水温度の関数であるシステム。
【請求項４】
燃料源として水・燃料エマルジョン（32）を使用する内燃エンジン（12）用燃料制御システム（10）において、前記燃料制御システム（10）が、
前記水・燃料エマルジョン（32）をエンジンシリンダー内に射出する１つ又はそれ以上の燃料インジェクター（34）と、前記燃料インジェクター（34）と流体接続し、前記水・燃料エマルジョン（32）を移送する燃料ライン（14）とを含む燃料システム（10）、
前記燃料ライン（14）と流体接続し、前記燃料ライン（14）中の前記水・燃料エマルジョン（32）に選択的に追加の水を供給する水追加システム（40）、及び、
前記燃料システム（10）及び前記水追加システム（40）と作動的に組み合わさり、前記燃料インジェクター（34）に送られる前記水・燃料エマルジョン（32）の水含有量を、選択したエンジン作動特性の関数として制御する制御ユニット（20）、を備え、
前記制御ユニット（20）に作動的に結合し、エンジン排気中の一酸化炭素含有量に対応するエミッション信号を供給するエミッション検出器（58）を備え、前記燃料インジェクター（34）へ送られる前記水・燃料エマルジョン（32）の水含有量は、前記エンジン排気中の一酸化炭素含有量の関数であるシステム。
【請求項５】
燃料源として水・燃料エマルジョン（32）を使用する内燃エンジン（12）用燃料制御システム（10）において、前記燃料制御システム（10）が、
前記水・燃料エマルジョン（32）をエンジンシリンダー内に射出する１つ又はそれ以上の燃料インジェクター（34）と、前記燃料インジェクター（34）と流体接続し、前記水・燃料エマルジョン（32）を移送する燃料ライン（14）とを含む燃料システム（10）、
前記燃料ライン（14）と流体接続し、前記燃料ライン（14）中の前記水・燃料エマルジョン（32）に選択的に追加の水を供給する水追加システム（40）、及び、
前記燃料システム（10）及び前記水追加システム（40）と作動的に組み合わさり、前記燃料インジェクター（34）に送られる前記水・燃料エマルジョン（32）の水含有量を、選択したエンジン作動特性の関数として制御する制御ユニット（20）、を備え、
前記制御ユニット（20）に作動的に結合し、エンジン排気中のＮＯｘ含有量に対応するエミッション信号を供給するエミッション検出器（58）を備え、前記燃料インジェクター（34）へ送られる前記水・燃料エマルジョン（32）の水含有量は、前記エンジン排気中のＮＯｘ含有量の関数であるシステム。
【請求項６】
燃料源として水・燃料エマルジョン（32）を使用する内燃エンジン（12）用燃料制御システム（10）において、前記燃料制御システム（10）が、
前記水・燃料エマルジョン（32）をエンジンシリンダー内に射出する１つ又はそれ以上の燃料インジェクター（34）と、前記燃料インジェクター（34）と流体接続し、前記水・燃料エマルジョン（32）を移送する燃料ライン（14）とを含む燃料システム（10）、
前記燃料ライン（14）と流体接続し、前記燃料ライン（14）中の前記水・燃料エマルジョン（32）に選択的に追加の水を供給する水追加システム（40）、及び、
前記燃料システム（10）及び前記水追加システム（40）と作動的に組み合わさり、前記燃料インジェクター（34）に送られる前記水・燃料エマルジョン（32）の水含有量を、選択したエンジン作動特性の関数として制御する制御ユニット（20）、を備え、
前記制御ユニット（20）に作動的に結合し、エンジン負荷に対応するエンジン負荷信号を供給するエンジン負荷センサー（52）を備え、前記燃料インジェクター（34）へ送られる前記水・燃料エマルジョン（32）の水含有量は、前記エンジン負荷の関数であり、
前記エンジン負荷は、前記水追加システム（40）の上流で前記燃料ライン（14）中の前記水・燃料エマルジョン（32）の流速を検知する燃料流速センサー（52）を使用して求められるシステム。
【請求項７】
請求の範囲第１項に記載した燃料制御システム（10）であって、前記水追加システム（40）は、
前記追加の水を供給する水供給源（42）、
前記水供給源（42）を前記燃料ライン（14）と接続する水導管（44）、
前記水導管（44）に沿って配置され、前記水・燃料エマルジョン（32）と混合する前に前記水を精製する水精製ユニット（46）、
前記水導管（44）に沿って配置された制御バルブ（48）を備え、前記制御バルブ（48）は、前記制御ユニット（20）に応答して、前記水供給源（42）から前記燃料ライン（14）中の前記水・燃料エマルジョン（32）へ選択的に前記追加の水を供給し、それにより前記燃料インジェクター（34）へ送られる前記水・燃料エマルジョン（32）の水含有量を制御するシステム。
【請求項８】
燃料源として水・燃料エマルジョン（32）を使用する内燃エンジン（12）用燃料制御システム（10）において、前記燃料制御システム（10）が、
前記水・燃料エマルジョン（32）をエンジンシリンダー内に射出する１つ又はそれ以上の燃料インジェクター（34）と、前記燃料インジェクター（34）と流体接続し、前記水・燃料エマルジョン（32）を移送する燃料ライン（14）とを含む燃料システム（10）、
前記燃料システム（10）及び前記水追加システム（40）と作動的に組み合わさり、一般に選択したエンジン特性を示す入力を受信する制御ユニット（20）、
前記燃料ライン（14）と流体接続し、前記燃料ライン（14）中の前記水・燃料エマルジョン（32）に選択的に追加の水（26）を供給する水追加システム（40）、及び、
前記水追加システム（40）と前記燃料ライン（14）との間に挿入され、前記制御ユニット（20）に応答して、前記エンジン作動特性の関数として、規定体積の前記追加の水（26）を前記燃料ライン（14）に導入し、前記燃料インジェクター（34）へ送られる前記水・燃料エマルジョン（32）の水含有量を制御する制御バルブ（48）、
を備え、
エンジン作動温度に対応する温度信号（56）を供給する温度センサー（56）を備え、前記温度センサー（56）は、前記制御ユニット（20）及び前記制御バルブ（48）に作動的に結合し、前記燃料インジェクター（34）へ送られる前記水・燃料エマルジョン（32）の水含有量は、前記エンジン作動温度の関数であり、
エンジン排気中の一酸化炭素含有量に対応するエミッション信号を供給するエミッション検出器（58）を備え、前記エミッション検出器（58）は、前記制御ユニット（20）及び前記制御バルブ（48）に作動的に結合し、前記燃料インジェクター（34）へ送られる前記水・燃料エマルジョン（32）の水含有量は、前記エンジン排気中に存在する一酸化炭素と前記エンジン作動温度の関数であるシステム。
【請求項９】
請求の範囲第８項に記載した燃料制御システム（10）であって、前記燃料インジェクター（34）の上流で前記燃料ライン（14）に沿って配置され、前記水・燃料エマルジョン（32）を前記規定の体積の水と混合する混合装置（30）を備えることを特徴とするシステム。
【請求項１０】
請求の範囲第８項に記載した燃料制御システム（10）であって、エンジン負荷信号を供給するエンジン負荷センサー（52）を備え、前記エンジン負荷センサー（52）は、前記制御ユニット（20）及び前記制御バルブ（48）に作動的に結合し、前記燃料インジェクター（34）へ送られる前記水・燃料エマルジョン（32）の水含有量は、前記エンジン負荷と前記エンジン作動温度の関数であるシステム。
【請求項１１】
内燃エンジン（12）の１つ又はそれ以上の燃料インジェクター（34）へ送られる水・燃料エマルジョン（32）の水含有量を制御する方法において、
規定量の前記水・燃料エマルジョン（32）を規定の圧力で、前記水・燃料エマルジョン（32）の供給源から、燃料ライン（14）を通って前記燃料インジェクター（34）へ供給し、
前記燃料ライン（14）内の前記水・燃料エマルジョン（32）に供給する水の追加量を、エンジン作動特性の関数として求め、
水の供給源（42）から前記水・燃料エマルジョン（32）への前記水の追加量を前記インジェクター（34）より上流の前記燃料ライン（14）の選択した位置で供給し、
前記水の追加量を前記水・燃料エマルジョン（32）と前記インジェクター（34）より上流で混合して、規定の水含有量の混合した水・燃料エマルジョン（32）を生じ、
前記規定の水含有量の前記混合した水・燃料エマルジョン（32）をエンジンシリンダーへ射出する、
ステップを備え、
前記燃料ライン（14）内の前記水・燃料エマルジョン（32）に供給する水の追加量を求めるステップは、
前記エンジン排気中に存在する一酸化炭素レベルを求め、
前記水・燃料エマルジョン（32）に供給する前記水の追加量（26）を前記エンジン排気中に存在する前記一酸化炭素レベルの関数として求める、
ステップを備えることを特徴とする方法。
【請求項１２】
内燃エンジン（12）の１つ又はそれ以上の燃料インジェクター（34）へ送られる水・燃料エマルジョン（32）の水含有量を制御する方法において、
規定量の前記水・燃料エマルジョン（32）を規定の圧力で、前記水・燃料エマルジョン（32）の供給源から、燃料ライン（14）を通って前記燃料インジェクター（34）へ供給し、
前記燃料ライン（14）内の前記水・燃料エマルジョン（32）に供給する水の追加量を、エンジン作動特性の関数として求め、
水の供給源（42）から前記水・燃料エマルジョン（32）への前記水の追加量を前記インジェクター（34）より上流の前記燃料ライン（14）の選択した位置で供給し、
前記水の追加量を前記水・燃料エマルジョン（32）と前記インジェクター（34）より上流で混合して、規定の水含有量の混合した水・燃料エマルジョン（32）を生じ、
前記規定の水含有量の前記混合した水・燃料エマルジョン（32）をエンジンシリンダーへ射出する、
ステップを備え、
前記燃料インジェクター（34）で射出されなかった過剰の前記水・燃料エマルジョン（32）を、前記燃料ライン（14）の前記選択した位置の下流で前記燃料ライン（14）へ再循環させるステップを備えることを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求の範囲第１１項に記載した方法であって、前記燃料ライン（14）内の前記水・燃料エマルジョン（32）に供給する水の追加量を求めるステップは、
エンジン作動温度（56）を求め、
前記水・燃料エマルジョン（32）に供給する前記水の追加量（26）をエンジン作動温度の関数として求める、
ステップを備える方法。
【請求項１４】
請求の範囲第１１項に記載した方法であって、前記燃料ライン（14）内の前記水・燃料エマルジョン（32）に供給する水の追加量を求めるステップは、エンジン負荷（52）を求め、
前記水・燃料エマルジョン（32）に供給する前記水の追加量（26）をエンジン負荷の関数として求める、
ステップを備える方法。
【発明の詳細な説明】
発明の技術分野
本発明は、内燃エンジン用燃料制御システムに関し、より詳しくは、燃料源として水燃料エマルジョンを使用する内燃エンジン用燃料制御システムに関する。更に詳しくは、本発明は、選択したエンジンの作動及び性能パラメータに応じて、燃料エマルジョンの水含有量を積極的に制御することにより、水燃料エマルジョンを使用する内燃エンジンのエミッション性能を最適化する方法とシステムに関する。
背景技術
近年の燃料の発展により、本質的に炭素ベースの燃料と、水と、潤滑油、界面活性剤、腐食抑制剤、セタン改良剤等の色々の添加物とからなる多数の水性燃料エマルジョンができた。界面活性剤は、水分子を炭素ベースの燃料と分離しないで結合するように働く。これらの水性燃料エマルジョンは、内燃エンジンのコスト有効性がある方法を見出すのに重要な役割を果たす。例えば、圧縮点火エンジン（即ちディーゼルエンジン）でエンジン、燃料システム、又は現存の燃料配送インフラストラクチャーの重大な改変をせずにエミッションを指定されたレベル以下に下げることが含まれるが、これに限らない。
水性燃料エマルジョンは、エンジン中で燃料が燃える方法を変えることにより、窒素酸化物（ＮＯｘ）と微粒子（即ち、すすと炭化水素の化合物）の形成を減らすか又はなくす傾向があり有利である。特に、燃料エマルジョンは水が存在するので、同等の非水性燃料よりいくらか低い温度で燃焼する。ピーク燃焼温度が高いほど、一般にエンジン排気中により多くのＮＯｘが生じることを理解すると、水性燃料エマルジョンを使用する利点を容易に理解できるであろう。
従って、水性燃料を使用してＮＯｘを減少させることができる主な理由は、水性燃料エマルジョンはピーク燃焼温度が低いからである。しかし、実際にどのくらい減少できるかは、燃料エマルジョンの組成（例えば燃料と水の比）、エンジン／点火技術、エンジン作動条件等の色々の要因による。さらに、ピーク燃焼温度が低いことは、必ずしも炭化水素燃料のある量について、合計のエネルギーが少ない又は仕事量が少ないことにはならない。むしろ、水を添加することは、同等の仕事量を達成するために、射出する水性燃料の体積を比例して増加させるだけでよい。しかし、射出する燃料の体積が増加するので、エンジン性能の考慮すべきことが変わる。例えば、同じ仕事量を達成するためには、水性燃料の追加の体積が要求されるので、圧縮点火エンジンの燃料配送システム、燃料制御システム、燃料補完システム、及び他の関連システムに、追加の制約と他の設計上考慮すべきことが課せられる。
幾つかの関連技術の装置は、ＮＯｘのレベルを減少させる目的で、色々の装置又は技術を改良してきた。例えば、米国特許第4,938,606号（クンツ）は、油ラインと、水ラインと、添加装置と、色々の混合及び保管室とを使用する内燃エンジン用の油中に水を含むエマルジョンを作る装置を開示するが、なんら好適な制御技術を開示しない。また、米国特許第5,535,708号（バレンタイン）は、ディーゼル燃料に水性尿素溶液のエマルジョンを形成し、それを燃焼させることにより、ディーゼルエンジンからＮＯｘエミッションを減少するプロセスを開示する。
他の関連技術装置には、米国特許第4,732,114号（バインダーら）、第5,400,746号（スサら）、第4,563,982号（ピスシンガーら）、第5,125,366号（ホブス）があり、これらは全て、ＮＯｘ等のエミッションを減少する目的で、エンジンシリンダーで又はその近くで水と燃料を結合する色々の装置とプロセスを開示する。エンジンシリンダーに導入される水と燃料の特定の量は、エンジン作動条件の関数である。
発明の概要
本発明は、水性ベースの燃料エマルジョンを利用する内燃エンジンのエミッション（排出物）性能を最適化するシステムと方法を提供することにより、上述の問題を取り扱う。
１実施例では、本発明は、水性燃料組成物の水含有量を有効に制御する水性燃料制御システムとして特徴付けられる。ここに開示する水性燃料制御システムは、前述のエンジンへ射出する「水・燃料（水に燃料を混ぜた）」エマルジョンの供給を１つ又はそれ以上の定義されたエンジンパラメータの関数として与える燃料配送システムを含む。「水・燃料」エマルジョンは、燃料ラインを通ってエンジンに供給され、水追加システムにより燃料ライン中の燃料エマルジョンに規定量の精製水が追加される。ここに開示した水追加システムは、燃料ラインに流体接続する水供給源と、水精製システムと、制御バルブとを備える。制御バルブは、一般に制御ユニットに応答し、規定の体積の追加の精製水を燃料ラインに導入する。ここに規定の体積は、エンジン負荷、又はエンジン性能（エンジンエミッションを含む）又はその両方の関数である。
本発明はまた、内燃エンジンの１つ又はそれ以上の燃料インジェクターに送る水燃料エマルジョンの水含有量を制御する方法として特徴付けられる。ここの開示した方法は、基本的に５つのステップを含み、第１のステップは、規定量の水燃料エマルジョンを規定の圧力で燃料ラインを通って燃料インジェクターへ供給することを含む。第２ステップは、燃料ラインの水燃料エマルジョンに供給する水の追加量を求めることを含む。この水の追加量を求めることは、エンジン負荷、エンジン作動温度、エンジン排気中エミッション、又はこれらの組合せである選択したエンジン作動特性に基づく。第３ステップは、インジェクターより上流の燃料ラインの選択した位置で、追加の量の水好ましくは精製水を水燃料エマルジョンに供給することを含む。次のステップは、燃料インジェクターの上流のインラインミキサーを使用して、追加の量の水を水燃料エマルジョンと混合し、それにより規定の水含有量の混合した水燃料エマルジョンを生じることを含む。最後に、規定の水含有量の混合した水燃料エマルジョンは、エンジンシリンダー内へ射出される。
本発明の中心的な態様は、燃料エマルジョンが燃焼のため燃料ライン中をエンジンへ移送されるとき、ある体積の追加の精製水を元の水性燃料エマルジョンに導入し十分に混合することである。追加の水を元の水性燃料エマルジョンに導入することにより、燃焼した燃料中の全体の水含有量を制御し、エンジン性能、エンジンエミッション、エンジン作動コストを全体的に最適化することが出来る。
本発明の他の態様は、燃料エマルジョンに含まれる水の割合を、エンジン負荷、エンジン性能、エンジン作動温度、又はこれらの組合せの関数として制御する制御機構を提供することである。
上述の態様に関連する本発明の重要な態様は、燃料エマルジョン中の全体の水含有量を、窒素酸化物（ＮＯｘ）と一酸化炭素（ＣＯ）等のエンジンエミッションの関数として制御できることである。
本発明の他の態様は、エンジン排気中の一酸化炭素の存在とそのレベルを検出するため、エンジン排気の近傍にエミッションセンサーを使用することである。センサーにより測定される一酸化炭素のレベルは、エンジン制御ユニットの入力となり、そこで他の色々のエンジン作動パラメータと共に処理されて、規定の制御信号を生じ、それが水性燃料エマルジョンに追加される水の量を作動的に制御する。
本発明のさらに他の関連する態様は、燃料エマルジョンへの追加の水の導入を、エンジン作動温度又はエンジン冷却水温度の関数として制御できることである。基本的には、低温始動時と低温走行状態では、余分の水の追加は、中止するか少なくとも最小にする。エンジン作動温度は、適当に配置された温度センサーにより確かめることができる。
【図面の簡単な説明】
本発明の上述した又他の態様、特徴、利点は、次のより詳細な説明と図面を参照すれば、より明らかになるであろう。
図１は、相対的なＮＯｘエミッションを水性燃料エマルジョン中の水含有量の関数として示す図である。
図２は、本発明の１実施例による「水・燃料」エマルジョンを使用する内燃エンジン用水性燃料制御システムの概略図である。
図３は、本発明の開示された実施例で実行される色々の制御の関係を示すブロック線図である。
図４は、エンジン負荷と燃料ラインに追加される水の流速の所望の関係を表す図である。
図５は、本発明により、選択されたエンジン作動特性に基づいて、水燃料エマルジョンの水含有量を制御する好適な方法に含まれる色々のステップを示すフローチャートである。
幾つかの図を通じて対応する参照番号は対応する部品を示す。
発明を実施するための最良の態様
次の記述は、本発明を実行するため現在考えられる最良の形態である。この記述は制限する意図はなく、本発明の一般的原則を記述する目的である。本発明の範囲は、請求の範囲を参照して決めるべきである。
図１は、ディーゼル燃料と水エマルジョンの両方、またナフサ燃料・水エマルジョンについて、相対的なＮＯｘエミッションを水燃料の水含有量の関数として図式的に示す図である。図１は、水燃料エマルジョン中の水の割合が増加すると、ＮＯｘエミッションは減少することを示す。
しかし、水燃料エマルジョン中の水の割合が増加すると、軽荷重でのエンジン性能が犠牲になり不利である。これは、水含有量が増加すると、水燃料エマルジョンの有効なセタンが減少することの結果である。さらに、水燃料エマルジョン中の水の割合が増加すると、エンジン始動の問題にもなることが認識されている。さらに、合計の量の割合として水燃料エマルジョン中の水の割合が増加すると、一般に燃料の輸送と取扱いコストが増加する。その結果、最適なエミッションレベルと、エンジン性能と、燃料コストとの間で妥協点を決める必要がある。
次に図２は、本発明の１実施例による「水・燃料」エマルジョンを使用する内燃エンジン12用の燃料制御システム10の概略図である。システム10は、燃料供給導管即ち燃料ライン14を通じて規定量の燃料を受取る内燃エンジン12に使用される。規定の燃料量と流速は、エンジン制御ユニット20により、１つ又はそれ以上のエンジン作動パラメータの関数として決められるのが好ましい。例えば、エンジンへの燃料供給16は、エンジン12の実際の速度と、エンジン12の所望の速度と、エンジン12の作動温度と、一般に当業者に知られている他のエンジン作動と制御パラメータとによって、決めることが出来る。エンジン12に供給され消費されない余分の燃料は、一般に戻り導管18を通って燃料ライン14へ戻る。
例示した図では、燃料16は、燃料タンク22又は同様の燃料貯蔵所内にある水・燃料エマルジョンである。規定の流速の水・燃料エマルジョン16は、燃料ライン14と流体接続されて配置された燃料ポンプ24により、燃料タンク22からエンジン12へ供給される。経路に沿って、規定量の追加の水が燃料ライン14に導入され、それにより水・燃料エマルジョン16を補う。元のエマルジョン16と追加の水26は、次にインラインミキサー30により混合され、その結果改変された水・燃料エマルジョン32は、燃料タンク22にあるエマルジョン16とは燃料と水の比率が異なる。混合された水・燃料エマルジョン32は、次に燃焼のため適当に制御された燃料インジェクター34により、エンジン12内に射出される。
水・燃料エマルジョンに追加の水を導入できることは、多くの進んだ水性燃料の有利な特徴の１つである。例示の図の水追加システム40は、燃料ライン14に流体接続する水供給源42と、水導管44と、水精製システム46と、制御バルブ48と、水戻り導管50とを備える。
元の水・燃料エマルジョンに実際に追加される水26の量は、水精製システム46の出口近くのバルブ48により制御される。バルブ48は、エンジン負荷及び／又は、燃料ライン14の上流部分で適当なセンサー52で測定する水・燃料エマルジョン16の流速等の他の指示パラメータに応じて制御される。
例えば、水追加システムの水の流速を制御する簡単な技術は、エンジン負荷、又は水追加システムに対して上流の位置で、燃料流れセンサー52を使用して水燃料エマルジョンの流速を測定することである。図３は、エンジン負荷又は上流の燃料流速と、水流れセンサー54で測定した水追加システムにより追加される水の流速との間の好適な制御関係を図式的に表す。ここに見られるように、エンジン負荷、又は燃料ラインの上流位置で測定した燃料の流速が増加すると、制御バルブ48を通過する精製水の流速もまた増加する。また、エンジン負荷、又は燃料ラインの上流位置で測定した燃料の流速が減少すると、精製水の流速もまた減少する。
上述したように、水・燃料エマルジョンの水含有量が増加すると、エンジン始動の問題の原因となる。従って、燃料制御システムの図２に機能的に示した実施例では、エンジンが所定の運転温度になるか又はそれに近くなるまで、水追加システムによる水の追加を防止するようになっている。これは、適当に配置された温度センサー56により、エンジン冷却水温度をモニターすることにより行われるのが好ましい。その理由は、多くのエンジンのエンジン冷却水温度は、エンジン作動温度との関係がよく確立されているからである。エンジン冷却水温度が所定の温度値に達するとすぐに、水追加システムは作動可能になる。もし、エンジン冷却水温度が所定の温度値より低ければ、水追加システムのバルブは閉じたままである。この機構により、最も良く低温時始動／低温モード作動を行うことが出来る。有利な他の制御機構は、温度センサー56により測定して、エンジンが運転温度になるか又はそれに近くなるまで、水は後から追加されないということである。
図２はまた、水追加システムの水の流速を制御する他のアプローチを示し、それは排気センサー58で測定したエンジン排気中の一酸化炭素（ＣＯ）の測定したレベルを使用することである。一酸化炭素は、全体のエンジン性能の良い指標である。排気中の一酸化炭素の存在が劇的に増加すると、一般にエンジン性能は容認出来ない。しかし、エンジン排気中に存在する一酸化炭素のレベルが容認可能な限度より低ければ、一般にエンジン性能は容認できると考えられる。さらに、与えられたエンジン作動条件で、燃料エマルジョン中の水含有量が多ければ、エンジン排気中の一酸化炭素のレベルが高くなるので、燃料エマルジョンへの水の追加と除去は、エンジン性能と排気中のエミッションに直接影響する。
このため、燃料制御システムの開示された実施例は、エンジン排気中の一酸化炭素のレベルを測定し、一酸化炭素が一酸化炭素のしきい値（例えば、800ｐｐｍ）より低ければ、水含有量を増加するようになっている。逆に、排気中の一酸化炭素レベルが一酸化炭素の他の所定のしきい値（例えば、1000ｐｐｍ）より高ければ、水含有量は減少される。特定される所定の一酸化炭素のしきい値は、特定のエンジンと、予想される作動環境と、使用される特定の用途とに合わせて調整するのが好ましい。一酸化炭素レベルと、水追加システムにより追加される水の量又は流速との関係を実際に制御することも同様に調整するのが好ましい。
吸気温度、吸気マニホルド圧力等の他のエンジン作動パラメータを単独で、又は前述のエンジン性能パラメータ（即ち、負荷、エミッション、温度）と共に使用して、水追加システムにより追加される水の割合を制御することも出来る。例えば、ターボチャージエンジンでは、ブースト圧力が増加すると、シリンダーに射出される水性燃料エマルジョン中の水の割合が増加するのが好ましい。エンジン負荷が大きいときは、一般にブースト圧力は大きい結果になる。高度が高いと（即ち環境圧力が低いと）、エンジン性能は、水性燃料エマルジョンの存在等の低セタン価品質の燃料により敏感になる。吸気マニホルドの絶対圧力に反映される環境圧力が低いことを使用して、実際に追加する水の量又は水性燃料エマルジョンの合計水含有量を制御することが出来る。
他の例では、吸気マニホルドの空気温度に応じて、移送される燃料に水追加システムにより実際に追加される水の量を制御する。吸気マニホルドの空気温度が低いと、エンジン性能は低点火品質燃料により敏感なので、吸気温度が低ければ、水性燃料エマルジョンの水の割合は低くするのが良い。
図４と５は、燃料源として水性燃料エマルジョンを使用する内燃エンジン燃料への余分の水の追加を制御する好適な方法を示す。図４に示すように、基本的な方法は次の６つのステップを備える。（a）燃料タンクから、燃料ラインを通って内燃エンジンの１つ又はそれ以上のインジェクターに、所定の圧力で規定量の水燃料エマルジョンを供給する（ブロック70）。（b）エンジン負荷、エンジン作動温度、エンジン排気中エミッション、又はこれらの組合せ等の選択したエンジン作動特性に基づいて、燃料ライン中を移送される水燃料エマルジョンに供給する水の追加量を求める（ブロック72）。（c）インジェクターの上流の燃料ラインの選択した位置で精製水の追加量を供給する（ブロック74）。（d）インラインミキサーを使用して、水の追加量を燃料ラインを移送される水燃料エマルジョンと混合し、所望の水含有量の混合した水燃料エマルジョンを生じる（ブロック76）。（e）混合した水燃料をエンジンシリンダーに射出する（ブロック78）。（f）燃料インジェクターで射出されなかった余分の水燃料エマルジョンを、燃料ラインに水を追加した位置より下流の第２位置で、燃料ラインへ再循環させる（ブロック80）。
図５は、燃料ラインを移送される水燃料エマルジョンに供給する水の追加量を、選択したエンジン作動特性の基づいて求めるステップ即ち方法を示す。この方法では、最初に適当に配置された温度センサー56を使用してエンジン冷却水温度を測定し、適当な負荷センサー52でエンジン負荷を測定し、エミッションセンサー58で排気中の色々の成分要素を測定する。前述のパラメータを与えられると、制御ユニット20を使用して、色々のアルゴリズム、ルックアップテーブル、又は同様のプロセッサーベースの技術を使用して、測定したパラメータ値の関数として、制御バルブ48を通る水の流速の調節を求める。
例えば、燃料ラインに追加される水を、エンジン排気中に存在する一酸化炭素エミッションの測定したレベルの関数として調節する方法では、最初にエンジン排気中に存在する一酸化炭素エミッションの実際のレベルを確かめる（ブロック82）。同時に又は続いて、排気中の一酸化炭素エミッションの所望のレベルを求める（ブロック84）。次のステップで、一酸化炭素エミッションの所望のレベルを排気中の一酸化炭素エミッションの実際のレベルと比較することにより、排気中の一酸化炭素エミッションのレベルの変動即ち誤差を求める（ブロック86）。次に、変動を最大と最小しきい値と比較する（ブロック88）。最後のステップは、エンジン排気中の一酸化炭素エミッションのレベルの変動の関数として、所定の最小バルブ位置と所定の最大バルブ位置との間で制御バルブ48の相対的位置に対応する制御信号を発生することである（ブロック90）。最後に、バルブ位置制御信号60は制御バルブ48へ送られ、それによりエンジンの燃料ラインに追加される水の流速を調節する。
同様に、燃料ラインに追加される水の体積を求める他の方法は、エンジン作動温度の関数としてこのような決定を行う。図５に示すように、このアプローチでは、温度センサー56により与えられる信号に基づいて、最初にエンジン作動温度を求める（ブロック90）。低温始動時と低温作動条件では、追加される水の体積が問題となるので、エンジン作動温度を最小しきい値と比較するのが好ましい（ブロック92）。もし求めたエンジン作動温度が最小温度しきい値より低ければ、水追加システムは、水を殆ど又は全く追加せず、制御ユニット20は、適当な制御信号60を発生し制御バルブ48へ送る（ブロック94）。しかし、エンジン作動温度が最小温度しきい値と同じ又はそれより高ければ、制御ユニット20は、適当な量の水を燃料ラインへ加えるため、適当な制御信号60を発生し制御バルブ48へ送る（ブロック94）。
さらに、燃料ラインへ追加する水の体積を、エンジン負荷の関数として求める方法が示される。この方法では、最初に適当な燃料流れセンサー52でエンジン負荷を測定して、実際のエンジン負荷を求め（ブロック95）、実際のエンジン負荷に基づいて、所望の燃料エマルジョンの水含有量の割合を求め（ブロック97）、所望の水と燃料の濃度を達成するため、適当な制御信号を発生する（ブロック99）。燃料ラインへ追加する水の体積を調節するこの方法は、エンジンが軽い負荷で作動していて、追加する水の体積を少なくするべき時は、特に役立つ。
前述のことから、燃料制御システムの上述した実施例は、エンジン負荷、水追加システムの上流位置での燃料エマルジョンの流速、エンジン作動温度、又はエンジン排気エミッションレベルの関数として、水追加システムにより追加する精製水の体積又は流速を制御することができる。さらに、水追加システムの水の流速を制御する上述の各技術は、単独でも又は他の制御技術と組合せて使用することも出来る。更に重要なことであるが、上述の各制御技術は、特定のエンジン及びエンジンを使用すると予想される作動環境に容易に合わせることができる。
ここに開示した発明は特定の実施例とその方法について記述してきたが、当業者は、本発明の範囲から離れず、又実際的な利点を損なうことなく、色々の改変と修正を行うことができる。
【図１】
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【図３】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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