JP2011069319A - エマルジョン燃料供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 安価にかつ耐久性に問題が無く、エマルジョン燃料供給装置から供給されるエマルジョン燃料における水の割合を検出する。
【解決手段】 燃料と水とを混合したエマルジョン燃料を、エンジンに供給するエマルジョン燃料供給装置において、エンジン２への燃料の量と、エンジン２の回転数とを、ガバナコントローラ８０へエンジン回転数検出器８２及びエンジン回転指令器８４から供給する。ガバナコントローラ８０は、エンジン２への燃料の量と、エンジン２の回転数とから、エマルジョン燃料の含水率を算出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料を水と混合したエマルジョン燃料をエンジンに供給するエマルジョン燃料供給装置に関する。

このようなエマルジョン燃料供給装置の一例が特許文献１に開示されている。特許文献１の技術によれば、水と燃料とをミキサによって混合してエンジンに供給する際に、予め指令された加水率となるように水の供給量の制御が行われるが、この際に、加水率を算出するために、ミキサの出力側に加水率検出センサが設けられている。

特許第４２０８３４９号

しかし、このような加水率検出センサのように、水の燃料に対する割合を検出するセンサは、高価である。また、このセンサが出力側に設けられるミキサは、エンジンの近傍に設置されるが、センサはエンジンの振動を受けやすく、また、エンジンの近傍は高温であるので、センサの耐久性に問題があった。

本発明は、耐久性に問題が無く、しかも安価に水の割合を検出できるようにしたエマルジョン燃料供給装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様によるエマルジョン燃料供給装置は、燃料と水とを混合したエマルジョン燃料を、エンジンに供給するが、前記エンジンへの燃料の量と、前記エンジンの回転数または負荷状態とから、前記エマルジョン燃料の含水率を算出する含水率算出手段を、有している。含水率としては、例えば水の量と燃料の量との和に対する水の量の割合を求めることもできるし、加水率として、燃料の量に対する水の量の割合を求めることもできる。

エンジンの回転数または負荷の状態と燃料の量との間には相関関係があり、例えば回転数が大きい場合や負荷の状態として負荷率が大きい場合には、燃料の量も多くなる。但し、回転数または負荷の状態と、燃料の量との関係は、含水率によって変化し、例えば含水率が大きければ、同じ回転数または負荷の状態でも、エマルジョン燃料の量が多くなる。このエマルジョン燃料の量と回転数または負荷の状態と含水率との関係を表す関係式を作成しておき、エマルジョン燃料の量を検出する燃料量検出手段と、回転数検出手段または負荷状態検出手段とを設け、これら検出手段からの検出値を上記関係式に入力することによって含水率を算出することができる。上記のように演算することもできるし、或いはテーブルに回転数または負荷状態とエマルジョン燃料の量と含水率との関係を記憶させておき、回転数または負荷状態の検出値とエマルジョン燃料の量の検出値とをテーブルに入力し、これらの値に対応する含水率をテーブルから読み出すこともできる。

このようにして含水率を算出すると、水の割合を検出するためのセンサを設ける必要が無く、低コストとすることができる上に、センサをエンジンの近傍のミキサに設ける必要がないので、センサの耐久性を考慮する必要も無い。

前記含水率と、前記エマルジョン燃料供給装置によって算出した前記エンジンへの実加水率とを比較手段が比較し、前記含水率と前記実加水率との差が予め定めた値よりも大きくなったとき、これを報知するようにすることもできる。この場合、水を供給するために使用する水ポンプの故障の可能性があり、これを報知することができる。なお、エンジンの排気温度も参考にすることができる。含水率と実加水率との差が予め定めた値よりも大きくて、排気温度が低温なら水が入りすぎている可能性があり、排気温度が高温であるなら水が不足している可能性がある。また、予め定めた値よりも含水率や実加水率との差が小さい間には、含水率によって実加水率を補正することもできる。なお、ミキサからエンジンが備える噴射ポンプまでエマルジョン燃料を供給する際に、両者の間に距離があると、ミキサからエマルジョン燃料が出力されていても、噴射ポンプに到達するまでには時間がかかり、この到達の遅れも、含水率と実加水率とを比較する際には考慮することが望ましい。

また、含水率の推移を記録する記録手段を設けることが望ましい。このように記録することによって、窒素酸化物がどの程度低減されたかを算出することができる。

以上のように、本発明によれば、安価にかつ耐久性に問題が無く、エマルジョン燃料供給装置から供給されるエマルジョン燃料における水の割合を検出することができる。

本発明の１実施形態のエマルジョン燃料供給装置のブロック図である。 図１のエマルジョン燃料供給装置におけるエマルジョン燃料の量とエンジンの回転数または負荷率との関係を示す図である。

本発明の一実施形態のエマルジョン燃料供給装置は、図１に示すように、エンジン、例えばディーゼルエンジン２のシリンダ４にエマルジョン燃料を噴射ポンプ６及び噴射弁８を介して供給するものである。

エマルジョン燃料とするためには、燃料、例えば重油を水と混合する必要があり、そのため、燃料系統と水系統とが設けられている。

燃料系統では、燃料タンク１０に貯蔵されている燃料油がブースタポンプ１２を介して油循環回路１４に送られる。油循環回路１４では、合流部１６、加圧循環ポンプ１８、燃料加熱ヒータ２０、リリーフ弁２２を、燃料油が循環する。燃料油は加圧循環ポンプ１８の作用で循環する。加圧循環ポンプ１８、燃料加熱ヒータ２０は、制御部２３によって制御される。燃料加熱ヒータ２０とリリーフ弁２２との間に分岐通路２４が設けられ、この分岐通路２４が開閉弁２６を介して、後述するようにエマルジョン燃料を噴射ポンプ６に供給する通路２８に接続されている。燃料加熱ヒータ２０と前記分岐通路２４の分岐点との間に分岐通路３０が設けられている。この分岐通路３０が開閉弁３２、油用の流量発信器３４を介して、３位置切換弁３６を介してミキサ３７に接続されている。流量発信器３４で検出された流量は制御部２３に供給され、３位置切換弁３６は、後述するように制御部２３によって制御される。

水系統では、給水源３８から遮断弁４０を介して水タンク４２に水の通路が接続されている。遮断弁４０は、制御部２３によって制御される。水タンク４２は、水ブースタポンプ４４、フィルタ４６、流量発信器４９、水ポンプ５０、遮断弁５２、水加熱ヒータ５４、リリーフ弁５６、３位置切換弁３６を介してミキサ３７に接続されている。水ブースタポンプ４４、水ポンプ５０、遮断弁５２、水加熱ヒータ５４は、制御部２３によって制御される。また、流量発信器４９で検出された流量は、制御部２３に供給される。水ブースタポンプ４４とフィルタ４６との間、フィルタ４６と流量発信器４９との間、水ポンプ５０と遮断弁５２との間には、それぞれ圧力発信器５８、６０、６２が接続され、これらによって検出された圧力は制御部２３に供給される。

ミキサ３７は、３位置切換弁３６を介して供給された水と燃料油とを混合して、エマルジョン燃料として送り出す。ミキサ３７の出口は、開閉弁６４を介して噴射ポンプ６に接続されている。開閉弁６４と噴射ポンプ６との間の通路が、上述したエマルジョン燃料を噴射ポンプ６に供給する通路２８である。噴射ポンプ６に供給されたエマルジョン燃料は、噴射ポンプ６で量が制御され、噴射弁８からエンジン２のシリンダ４に供給される。余剰のエマルジョン燃料は、通路６６に送り出される。通路６６は、遮断弁６８、循環ポンプ７０、流量発信器７２、３位置切換弁３６を介してミキサ３７に接続されている。ミキサ３７、遮断弁６８、循環ポンプ７０、流量発信器７２、３位置切換弁３６が循環回路７４を構成している。遮断弁６８、循環ポンプ７０は制御部３７によって制御され、流量発信器７２が検出した流量は制御部２３に供給されている。なお、開閉弁７６を備える通路７８が、循環回路７４の噴射ポンプ６を出た部分を、循環回路１４のリリーフ弁２２の後段に接続している。

３位置切換弁３６は、第１乃至第３の切換位置を有し、制御部２３によって、第１乃至第３の切換位置のいずれかに切り換えられる。第１の切換位置では、流量発信器３４とミキサ３７とを接続し、かつ流量発信器７２とリリーフ弁５６をミキサに対して遮断する。第２の切換位置では、流量発信器３４とミキサ３７とを接続し、かつ流量発信器７２とリリーフ弁５６を接続する。第３の切換位置では、流量発信器３４、７２、リリーフ弁５６をミキサ３７に接続する。

従って、第１の切換位置では、燃料油のみがミキサ３７に供給され、その結果、噴射ポンプ６には燃料油のみが供給され、第２の切換位置では、燃料油のみがミキサ１４を介して噴射ポンプ６に供給され、かつ流量発信器７２を介して供給されたエマルジョン燃料が水系統に退避される。第３の切換位置では、ミキサ３７には燃料油と水と回収されたエマルジョン燃料とが供給され、ミキサ３７で得られたエマルジョン燃料が噴射ポンプ６に供給される。なお、第２の切換位置に切り換えて、エマルジョン燃料を退避させる場合には、水ポンプ４４、５０を停止させ、リリーフ弁５６側に逆流させる。

ブースタポンプ１２、加圧循環ポンプ１８、開閉弁２６、３２、６４、遮断弁６８、循環ポンプ７０、遮断弁４０、水ブースタポンプ４０、水ポンプ５０、遮断弁５２、３位置切換弁３６は、制御部２３によって制御される。これらの制御には、流量発信器３４、４９、７２、圧力発信器５８、６０、６２からのデータが使用される。また、制御部２３は、これらのデータを基にミキサ３７からのエマルジョン燃料の実加水率を算出する。加水率は、油量（Ｆ）に対する水量（Ｗ）の比率を百分率で表したＷ／Ｆ＊１００で表される。実加水率は、新たにミキサ３７に加えられる水量、油量及び循環回路６６からミキサ３７に戻るエマルジョン燃料、水量、油量を上記データを基に決定し、算出される。

この実加水率は、噴射ポンプ６を制御するガバナコントローラ８０に供給されている。ガバナコントローラ８０には、エンジン２の回転数を検出しているエンジン回転数検出器８２からの回転数信号と、回転数指令発信器８４からの回転数指令信号も、ガバナコントローラ８０には供給されている。回転数指令信号は、供給しようとする燃料の量を表している。ガバナコントローラ８０では、これらエンジン回転数と回転数指令信号とを基に、噴射ポンプ６からのエマルジョン燃料の噴射量を調整する。この際に、ミキサ３７から供給されるエマルジョン燃料の必要とする含水率を算出する。含水率は、水の量と燃料油の量との和に対する水分の量の割合を百分率で表したものである。なお、回転数指令信号に代えて、エンジン２の負荷状態の検出手段を設け、その検出手段によって検出されたエンジン２の負荷状態を使用することもできる。

図２に示すように、エマルジョン燃料の量（回転数指令信号によって指令されるエマルジョン燃料の量）とエンジン回転数またはエンジン負荷との間には、エンジン回転数またはエンジン負荷を引数とする関数、例えばエンジン回転数またはエンジン負荷が大きいときには燃料油の量も大きくなるという関数、具体的には線形関数で燃料油の量を表すことができる。その関数は、含水率をパラメータとしてそれぞれ異なっており、例えば平行移動している。従って、あるエンジン回転数またはエンジン負荷のときのエマルジョン燃料の量が判明していれば、そのときの含水率を算出することができる。例えば図２に示すよう、５０％含水率のとき、２５％含水率のとき、燃料油のみのとき、それぞれのエンジン回転数またはエンジン負荷と燃料油の量とがそれぞれ判明していれば、補間によって任意のエンジン回転数またはエンジン負荷とそれに対応する燃料油の量とから含水率を算出することができる。

例えば図２において、エンジン回転数またはエンジン負荷がａであり、そのときの燃料油の量がｂであったとすると、エンジン回転数またはエンジン負荷がａの場合の燃料油のみの運転の際の燃料油の量ｂ０と２５％含水率での運転時のエマルジョン燃料の量ｂ２５との間にｂが位置するか、エンジン回転数またはエンジン負荷がａの場合の２５％含水率での運転時のエマルジョン燃料の量ｂ２５と５０％含水率での運転の際のエマルジョン燃料の量ｂ５０との間にｂが位置するかを判断する。ｂがｂ２５とｂ５０の間に位置すると判断されたなら、（ｂ−ｂ２５）／（ｂ５０−ｂ２５）の値を含水率５０％と含水率２５％との差に乗算し、２５％に加算することによって、含水率を算出することができる。

上述した計算をガバナコントローラ８０によって行うこともできるし、予め様々なエマルジョン燃料の量とエンジン回転数またはエンジン負荷との組合せにおける含水率を計算しておいて、テーブルに記憶させておき、エマルジョン燃料の量とエンジン回転数またはエンジン負荷とが入力されたとき、それに対応する含水率を読み出すように構成することもできる。

このように演算によって含水率を算出するように構成しているので、高価な含水率センサを設ける必要はなく、含水率センサの耐久性を考慮する必要も無い。

ガバナコントローラ８０では、このようにして演算した含水率と、制御部３７から供給される実加水率とを比較し、両者の差が予め定めた値よりも大きいとき、警告を発生するように構成されている。例えば、エンジン２のコントロールパネル（図示せず）に設けた表示器を点灯させたり、警報機を鳴動させたりする。この比較の際には、エンジン２の排気温度を温度検出手段、例えば温度測定器で測定し、その測定された排気温度を参考にして警告を発生するようにすることもできる。例えば、両者の差が予め定めた値よりも大きいときに、排気温度が低いなら、エンジン２に水が供給されていると判断できるので、その旨を表す警告を発生し、排気温度が高いなら、水が少ないと判断できるので、その旨を表す警告を発生する。これらは、例えば水ポンプ５０の故障によって生じる。

なお、含水率と実加水率とを比較する際、ミキサ３７と噴射ポンプ６とが離れて位置しているので、ミキサ３７の出口側での実加水率と、噴射ポンプ６での実加水率との間には時間遅れがある。そこで、実加水率は予め定めた時間だけ遅延させて、ガバナコントローラ８０では含水率と比較する。

また、エマルジョン燃料は、循環回路７４を介してミキサ３７に循環している。そのため、算出された実加水率は、誤差が生じる可能性がある。そこで、ガバナコントローラ８０では、実加水率が予め定めた範囲内にあるときには、含水率に基づいて実加水率を補正している。例えば、誤差が発生する前の実加水率と含水率との比を予め算出しておき、この比を実加水率に乗算して補正する。

また、ガバナコントローラ８０では、算出された含水率を予め定めた上限値と比較しており、含水率が上限値以上になったとき、警報を発生するように構成されている。この警報も、上述したコントロールパネルに設けた表示器を表示させたり、上限値を超えたことを表す音を発生させたりする。同時に、この警告に基づいて、制御部２２がポンプ５０等を制御して、水量を調整し、エンジン２での失火を回避する。なお、この警告に基づいて作業員が手動によってポンプ５０等を制御することも可能である。

上述した含水率の算出は、所定時間の経過ごとにガバナコントローラ８０によって算出され、算出された含水率は、記憶手段、例えばガバナコントローラ８０が備えるメモリ（図示せず）に記憶されている。この記録、即ち含水率の推移に基づいて、エンジン２における窒素酸化物の低減量が算出される。

上記の実施形態では、含水率として、燃料油の量Ｆと水量Ｗに対する水量Ｗの百分率であるＷ／（Ｗ＋Ｆ）＊１００を使用したが、加水率として、燃料油の量Ｆに対する水量Ｗの百分率であるＷ／Ｆ＊１００を使用することもできる。この場合、実加水率と比較するなら、実加水率もＷ／Ｆ＊１００に相当するものとして演算する。

２ エンジン
６ 噴射ポンプ
３７ ミキサ
１０ 燃料タンク
３８ 給水源
８０ ガバナコントローラ（含水率算出手段）

Claims (4)

1. 燃料と水とを混合したエマルジョン燃料を、エンジンに供給するエマルジョン燃料供給装置において、
   前記エンジンへの燃料の量と、前記エンジンの回転数または負荷状態とから、前記エマルジョン燃料の含水率を算出する含水率算出手段を、有する
   エマルジョン燃料供給装置。
2. 請求項１記載のエマルジョン燃料供給装置において、前記含水率と前記エマルジョン燃料供給装置によって算出した前記エンジンへの実加水率とを比較手段が比較し、前記含水率と前記実加水率との差が予め定めた値よりも大きくなったとき、これを報知するエマルジョン燃料供給装置。
3. 請求項１記載のエマルジョン燃料供給装置において、前記含水率が予め定めた上限値に達したとき、これを報知するエマルジョン燃料供給装置。
4. 請求項１記載のエマルジョン燃料供給装置において、前記含水率の推移を記録する記録手段を有するエマルジョン燃料供給装置。

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