JP2002333097A - 液化ガス用燃料タンク及びタンク内圧の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】構成の簡素化を図りつつ、タンク内圧を好適に
加圧保持すること。 【解決手段】燃料タンク１内にはピストン１１が摺動自
在に収容されており、このピストン１１により、燃料タ
ンク１内が燃料室１２と加熱室１３の２つの空間に分割
されている。燃料室１２には燃料配管２が接続されてお
り、燃料室１２内の液化ガス燃料が燃料配管２を通じて
高圧ポンプ３に供給される。加熱室１３には燃料が所定
量充填され、この燃料に浸かるようにしてヒータ１５が
設けられている。上記構成において、加熱室１３内のヒ
ータ１５が通電されると、燃料温度の上昇に伴い加熱室
１３内の燃料が気化し、加熱室１３の圧力が上昇する。
これにより、ピストン１１が燃料室１２側（図の右側）
に移動し始める。このとき、加熱室１３の圧力は燃料の
飽和蒸気圧であり、燃料室１２内の燃料が加熱室１３の
圧力と同じ圧力で加圧される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液化ガス燃料を貯
蔵する液化ガス燃料用の燃料タンクと、タンク内圧の制
御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ディーゼルエンジンでは一般的に燃料と
して軽油が使われているが、燃料の気化性や発火燃焼
性、エミッション等を考慮して、ＤＭＥ（ジメチルエー
テル）やセタン価向上のための添加剤を加えたＬＰＧ
（液化石油ガス）といった液化ガス燃料を使用すること
が提案されてきている。なお以下の記載において、ＬＰ
Ｇと称するものは、特に指示しない限りセタン価向上剤
を加えたものを指すこととする。

【０００３】ＤＭＥやＬＰＧ等の液化ガス燃料は常温・
常圧下で気体であり、これら液化ガス燃料を使用するデ
ィーゼルエンジンの燃料タンクは、燃料の液化のために
約０．５ＭＰａ程度に加圧されている。そして、この燃
料タンク内の液化ガス燃料は、燃料タンクから噴射ポン
プに送られて最高５０ＭＰａ程度に加圧された後、イン
ジェクタからエンジンの燃焼室に噴射供給される。この
場合、噴射ポンプやインジェクタはエンジンの運転によ
り高温となるため、燃料タンク内での０．５ＭＰａ程度
の加圧では、噴射ポンプやインジェクタで燃料が気化し
てしまう。この対策としては、燃料タンクから噴射ポン
プに送られる燃料を２〜３ＭＰａ程度に加圧して供給す
ることが効果的であることが分かっている。

【０００４】従来より、燃料タンク内を加圧する手法と
して、窒素ガスによる液面加圧を行うものがある（例え
ば、特開平１０−３０６７６０号公報）。この手法で
は、燃料タンクの燃料液面に液化ガス燃料の飽和蒸気圧
を超える窒素ガス圧を作用させるよう構成していた。し
かしながらこの手法では、窒素ボンベを搭載する必要が
あること、窒素の補充が必要となることなど実用化には
問題が多い。

【０００５】またその他に、燃料タンク内に設置した、
いわゆるインタンクポンプを用いて燃料タンク内を加圧
する手法もある。しかしながらこの場合には、インタン
クポンプの吸入部に負圧が発生するため、それに伴う気
化対策が必要となることなど、やはり実用化する上での
問題があり、この方法でもタンク内加圧の実現が困難で
あった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題に
着目してなされたものであって、その目的とするところ
は、構成の簡素化を図りつつ、タンク内圧を好適に加圧
保持することができる液化ガス用燃料タンク及びタンク
内圧の制御装置を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の液化ガ
ス用燃料タンクでは、加熱手段にて第２室内を加熱する
ことにより当該第２室内の液化ガス燃料が気化し、第２
室内の圧力が上昇する。これにより、第１室と第２室と
の間に設けられた可動部材が第１室側に移動し、第１室
の容積が縮小化されて内部の液化ガス燃料が加圧され
る。このとき、第２室の圧力は液化ガス燃料の飽和蒸気
圧であり、第２室内において液化ガス燃料の温度上昇と
共に飽和蒸気圧が上昇するにつれ、第１室の圧力も同様
に上昇する。第１室内の液化ガス燃料が加圧されること
により、その第１室に接続される燃料配管に対し、同様
に加圧された液化ガス燃料が供給される。上記構成で
は、窒素ボンベを搭載したり、インタンクポンプを設置
したりする等の煩雑な構成を要することなく、タンク内
圧が任意に調節できる。その結果、構成の簡素化を図り
つつ、タンク内の液化ガス燃料を好適に加圧保持するこ
とが可能となる。

【０００８】可動部材としては、以下の構成が適用でき
る。すなわち、 ・請求項２に記載の発明では、可動部材として、タンク
内を摺動自在なピストンを設けている。 ・請求項３に記載の発明では、可動部材として、内部空
間が前記第２室に連通し、且つ前記第１室内で伸縮する
袋部材を設けている。これら何れの構成においても、第
１室の容積を可変に調節し、ひいてはタンク内圧（実際
には第１室の圧力）を任意に調整することができる。

【０００９】また、請求項４に記載の液化ガス用燃料タ
ンクでは、タンク内容積を可変に調節するための可動部
材と、該可動部材を移動させるためのアクチュエータと
を備えている。かかる場合にも、請求項１の発明と同様
に、窒素ボンベを搭載したり、インタンクポンプを設置
したりする等の煩雑な構成を要することなく、タンク内
圧が任意に調節できる。その結果、構成の簡素化を図り
つつ、タンク内の液化ガス燃料を好適に加圧保持するこ
とが可能となる。

【００１０】また、上記請求項１〜３の何れかに記載の
液化ガス用燃料タンクを用いたタンク内圧の制御装置と
して、請求項５に記載の発明では、制御手段は、前記第
１室の目標圧力を設定し、その目標圧力に到達するよう
前記加熱手段を制御する。この場合、加熱手段の制御に
より第１室の圧力が目標圧力に制御され、それに伴いタ
ンク内の液化ガス燃料を好適に加圧することができる。

【００１１】上記請求項５の発明では、請求項６に記載
したように、前記制御手段は、圧力検出手段により検出
した第１室内又は第２室内の何れかの圧力が目標圧力に
なるよう前記加熱手段の制御量をフィードバック制御す
ると良い。

【００１２】

【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）以下、この
発明を具体化した第１の実施の形態を図面に従って説明
する。本実施の形態では、ＤＭＥやＬＰＧ等の液化ガス
を燃料とする車両用ディーゼルエンジンにおいて、当該
エンジンへの燃料噴射を行わせるための燃料噴射システ
ムに本発明を具体化する。

【００１３】図１は、本実施の形態における燃料噴射シ
ステムの基本構成を示す図面である。図１において、燃
料タンク１には、液化ガス燃料（ＤＭＥ、或いはＬＰ
Ｇ）が貯蔵されている。この燃料タンク１は、タンク内
圧を２．５〜３ＭＰａ程度に加圧する機能を有するが、
その詳細は後述する。燃料タンク１の燃料供給口には燃
料配管２が接続され、その燃料配管２の途中には高圧ポ
ンプ３が設けられている。また、高圧ポンプ３の下流側
にはコモンレール４が設けられ、コモンレール４にはエ
ンジンの気筒分だけインジェクタ５が接続されている。
燃料タンク１内の燃料は高圧ポンプ３に供給され、この
高圧ポンプ３にて噴射圧相当の高圧状態（最大５０ＭＰ
ａ程度）に加圧される。そして、この高圧燃料がコモン
レール４に圧送された後、インジェクタ５からエンジン
の各気筒に噴射供給される。

【００１４】ＥＣＵ１０は周知のマイクロコンピュータ
を主体に構成され、図示しない各種センサよりアクセル
開度、エンジン回転数等の検出信号を入力する他、コモ
ンレール４に設けられた圧力センサ７よりコモンレール
圧（噴射圧）を入力する。そして、ＥＣＵ１０は、各種
入力情報に基づいてコモンレール圧（噴射圧）が最適値
になるよう高圧ポンプ３の燃料吐出量を制御する。また
ＥＣＵ１０は、各種入力情報に基づいて燃料噴射量及び
燃料噴射時期を算出し、それに応じてインジェクタ５の
駆動を制御する。

【００１５】図２は、燃料タンク１の詳細な構成を示す
断面図である。略円筒形をなす燃料タンク１内にはピス
トン１１が摺動自在に収容されており、このピストン１
１により、燃料タンク１内が「第１室」としての燃料室
１２と「第２室」としての加熱室１３の２つの空間に分
割されている。ピストン１１の摺動部にはシール部材１
４が挿入され、燃料室１２と加熱室１３との間がシール
されている。ピストン１１の中央部には凸状のストッパ
部１１ａが設けられており、ピストン移動量がゼロであ
る図２の状態では、ピストン１１のストッパ部１１ａが
タンク内壁のストッパ部１ａに当接している。但し、タ
ンク形状は円筒形をなさなくてもよく、他の形状であっ
ても良い。

【００１６】燃料室１２には、前述の燃料配管２が接続
されており、燃料室１２内の燃料が燃料配管２を通じて
高圧ポンプ３に供給される。また、燃料室１２には、燃
料補給のための補給通路６が接続されている。燃料室１
２には、「圧力検出手段」としての圧力センサ２２が設
けられており、同センサ２２により燃料室１２内の圧力
が検出され、その検出値がＥＣＵ１０に入力される。

【００１７】加熱室１３には、燃料室１２と同じ液化ガ
ス燃料が所定量充填され、この燃料に浸かるようにして
「加熱手段」としてのヒータ１５が設けられている。ヒ
ータ１５にはヒータ制御回路２１が接続されており、ヒ
ータ制御回路２１はＥＣＵ１０からの制御信号を受けて
ヒータ１５の通電を制御する。なお、図の符号１６は、
加熱室１３内に燃料を補給するための補給通路である。

【００１８】上記構成の燃料タンク１において、加熱室
１３内のヒータ１５が通電されると、加熱室１３内の燃
料温度が上昇し、それに伴い飽和蒸気圧が上昇する。Ｄ
ＭＥを例に取ると、ＤＭＥ温度と飽和蒸気圧とは概ね図
４に示す関係を有する。図４によれば、例えばＤＭＥ温
度が２５℃であれば飽和蒸気圧が０．６ＭＰａ程度であ
るのに対し、ＤＭＥ温度が９０℃まで上昇すると、飽和
蒸気圧が３ＭＰａ程度にまで上昇することが分かる。な
お因みに、ＤＭＥに代えてＬＰＧを用いる場合にも、Ｌ
ＰＧ温度と飽和蒸気圧とは上記図４とほぼ同等の関係を
有する。

【００１９】かかる場合、ヒータ通電により、図３に示
すようにピストン１１が図の右方向に移動する。すなわ
ち、ヒータ通電時には、燃料温度（ＤＭＥ温度）の上昇
に伴い加熱室１３内の燃料が気化し、加熱室１３の圧力
が上昇する。これにより、ピストン１１が燃料室１２側
（図の右側）に移動し始める。このとき、加熱室１３の
圧力は燃料の飽和蒸気圧であり、燃料室１２内の燃料が
加熱室１３の圧力と同じ圧力で加圧される。例えば、加
熱室１３内が８０℃程度まで加熱されることにより、飽
和蒸気圧の上昇に伴い燃料室１２が２ＭＰａ以上に加圧
される。そして、その加圧された燃料が燃料配管２を介
して高圧ポンプ３側に供給される。

【００２０】因みに、ピストン１１は、図２の状態から
タンク内壁の右側面に当接するまでの範囲で移動し、燃
料室１２内の燃料を加圧する。そのため、上記範囲での
ピストン１１の移動が可能となるよう加熱室１３内の燃
料量が調整されると良い。

【００２１】次に、タンク内圧の制御方法について説明
する。本実施の形態では、圧力センサ２２の出力により
燃料室１２内の圧力（タンク内圧）をモニタしつつ、そ
の圧力が所望の値になるようヒータ１５の通電量を制御
することとしており、より具体的には、周知のデューテ
ィ制御手法を用いてヒータ１５の通電量を制御する。図
５は、ヒータ１５の通電制御手順を示すフローチャート
であり、この処理は所定の時間周期でＥＣＵ１０により
実施される。なお、図５の処理が特許請求の範囲に記載
の「制御手段」に相当する。

【００２２】図５において、先ずステップ１０１では、
圧力センサ２２の検出値に基づくタンク内圧Ｐｔａｎを
読み込み、続くステップ１０２では、予め設定しておい
た所定の目標圧力Ｐｔｇ（例えば２．５ＭＰａ）と、前
記読み込んだタンク内圧Ｐｔａｎとを比較する。

【００２３】そして、目標圧力Ｐｔｇよりもタンク内圧
Ｐｔａｎが低い場合、すなわちＰｔｇ−Ｐｔａｎ＞０と
なる場合にはステップ１０３に進み、タンク内圧の偏差
（Ｐｔｇ−Ｐｔａｎ）に基づいて制御デューティＤｕｔ
ｙを算出する。実際には、予め設定されている比例定数
αを用い、 Ｄｕｔｙ＝α（Ｐｔｇ−Ｐｔａｎ） として、制御デューティＤｕｔｙを算出する。その後、
ステップ１０４では、前記算出したＤｕｔｙによりヒー
タ１５を通電する。この場合、タンク内圧の偏差（Ｐｔ
ｇ−Ｐｔａｎ）が大きいほど、すなわち燃料室１２内の
圧力が目標値に対して低いほど、Ｄｕｔｙ（デューティ
ＯＮ時間）が大きく、通電時間が長くなる。但し、Ｄｕ
ｔｙの最大値は当然１００％である。

【００２４】また、目標圧力Ｐｔｇよりもタンク内圧Ｐ
ｔａｎが高い場合、すなわちＰｔｇ−Ｐｔａｎ≦０とな
る場合にはステップ１０５に進み、ヒータ１５の通電を
オフする。

【００２５】ここで、エンジン始動時には、図２の状態
からヒータ通電が開始されるが、そのヒータ通電による
加熱室１３内の温度上昇はあまり早くない。そのため、
燃料室１２の圧力（タンク内圧）が目標圧力に到達する
までには時間を要する。しかし、エンジン始動時には高
圧ポンプ３の温度も低いため、燃料の加圧レベルが低く
ても燃料が気化されることはなく、問題にはならない。
また、エンジンが温まった後の高温再始動の場合には、
燃料室１２の圧力（タンク内圧）はある程度高い状態で
あるので、十分な圧力で燃料の供給が可能となる。

【００２６】以上詳述した本実施の形態によれば、以下
に示す効果が得られる。燃料タンク１の構成として、加
熱室１３内における飽和蒸気圧を利用し、それにより燃
料室１２の圧力（タンク内圧）を調整する構成としたの
で、構成の簡素化を図りつつ、燃料タンク１内の液化ガ
ス燃料を好適に加圧保持することが可能となる。すなわ
ち、本実施の形態の構成では、タンク内圧の調整のため
に、窒素ボンベを搭載したり、インタンクポンプを設置
したりする等の煩雑な構成を要することない。それ故、
窒素ガスの補充等のメンテナンスも不要となる。また本
構成によれば、高圧ポンプ３やインジェクタ５内での燃
料の気化が防止でき、ディーゼルエンジンの運転を好適
に行わせることができる。

【００２７】また、燃料室１２の圧力が目標圧力（例え
ば２．５ＭＰａ）に到達するようヒータ１５の通電をフ
ィードバック制御したので、タンク内圧制御が適正に実
施できる。

【００２８】（第２の実施の形態）次に、本発明におけ
る第２の実施の形態について、上述した第１の実施の形
態との相違点を中心に説明する。本実施の形態では、燃
料タンク１の構成に関し、燃料室１２と加熱室１３との
間の「可動部材」の構成を変更しており、それを図６を
用いて詳細に説明する。

【００２９】図６（ａ）において、燃料タンク１には、
燃料室１２と加熱室１３とを仕切るための仕切り板３１
が設けられている。燃料室１２及び加熱室１３には、上
記第１の実施の形態と同様にＤＭＥ等の液化ガス燃料が
各々充填されている。仕切り板３１は、その外周がタン
ク内壁に固着されるものであって、中央部には円形の貫
通孔３２が設けられている。貫通孔３２には、「可動部
材」としての袋部材３３が取り付けられ、この袋部材３
３は燃料室１２側に張り出して設けられている。袋部材
３３は、例えばエチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ)、
ブチルゴム(ＩＩＲ）等からなる弾性体で構成され、図
６（ａ）の初期状態から膨らみ、最大で燃料室１２全体
に膨らむことができるようになっている。

【００３０】図６（ｂ）は、袋部材３３が膨らんだ状態
を示す。すなわち、前述の通り加熱室１３内のヒータ１
５が通電されることにより同加熱室１３内の燃料温度が
上昇し、それに伴い飽和蒸気圧が上昇する。かかる場
合、飽和蒸気圧が上昇するにつれ、袋部材３３が膨らん
で燃料室１２の圧力（タンク内圧）も同様に上昇する。
燃料室１２内の液化ガス燃料が加圧されることにより、
その加圧された燃料が燃料配管２を介して高圧ポンプ３
側に供給される。なお、タンク内圧の制御手順について
は、既述の図５の手順がそのまま適用できる。

【００３１】以上第２の実施の形態においても上記第１
の実施の形態と同様に、構成の簡素化を図りつつ、燃料
タンク１内の液化ガス燃料を好適に加圧保持することが
可能となる。また、高圧ポンプ３やインジェクタ５内で
の燃料の気化が防止でき、ディーゼルエンジンの運転を
好適に行わせることができる。

【００３２】（第３の実施の形態）上記第１及び第２の
実施の形態では、加熱室１３における燃料の飽和蒸気圧
を利用して可動部材（ピストン１１，袋部材３３）を作
動させ、燃料室１２内の燃料を加圧したが、第３の実施
の形態では、アクチュエータにより可動部材を直接駆動
し、燃料室内の燃料を加圧する構成を提案する。

【００３３】図７は、燃料タンク４１の構成を示す断面
図である。図７において、燃料タンク４１内には「可動
部材」としてのピストン４２が摺動自在に収容され、ピ
ストン４２の摺動部にはシール部材４３が挿入されてい
る。ピストン４２の軸部４２ａにはアクチュエータ４４
が連結されている。アクチュエータ４４は、ピストン４
２を図の左右に往復動させるものであり、例えばモータ
とウォームギアの組合せなどにより構成されると良い。
アクチュエータ４４の駆動は、ＥＣＵ１０により制御さ
れる。このとき、ＥＣＵ１０はやはり圧力センサ２２に
よりタンク内圧をモニタしつつ、アクチュエータ４４の
駆動を制御する。

【００３４】上記構成において、アクチュエータ４４の
駆動によりピストン４２が図の右方向に移動すると、タ
ンク内容積が縮小され、液化ガス燃料が加圧される。そ
して、その加圧された燃料が燃料配管２を介して高圧ポ
ンプ３側に供給される。

【００３５】かかる場合にも上記の各実施の形態と同様
に、構成の簡素化を図りつつ、燃料タンク４１内の液化
ガス燃料を好適に加圧保持することが可能となる。ま
た、高圧ポンプ３やインジェクタ５内での燃料の気化が
防止でき、ディーゼルエンジンの運転を好適に行わせる
ことができる。

【００３６】なお本発明は、上記以外に次の形態にて具
体化できる。上記第１，第２の実施の形態では、デュー
ティ制御によりヒータ１５の通電を制御したが、これに
代えて、ヒータ１５の通電電流を直接制御する手法や、
ヒータ１５への通電をＯＮ／ＯＦＦ制御する手法を用い
ても良い。何れにしても、タンク内圧の検出値が目標値
よりも小さい場合において、ヒータ１５の通電をＯＮす
るよう構成する。特に電流制御を行うものは、タンク内
圧の検出値と目標値との偏差に応じてヒータ１５の通電
電流を制御すれば良い。

【００３７】上記第１，第２の実施の形態では、燃料室
１２の圧力を検出し、その検出値に応じてヒータ１５の
通電を制御したが、これに代えて、加熱室１３の圧力を
検出し、その検出値に応じてヒータ１５の通電を制御し
ても良い。また、ヒータ１５の通電をフィードバック制
御するのではなく、オープン制御しても良い。

【００３８】燃料噴射システムとしては、上述したコモ
ンレール式燃料噴射システム以外にも適用できる。例え
ば分配型燃料噴射ポンプや列型燃料噴射ポンプを用いた
燃料噴射システムに具体化し、上記構成の燃料タンクか
ら燃料噴射ポンプに燃料を供給する。この場合にも同様
に、上記の優れた効果が得られる。

【００３９】これまではディーゼルエンジン（自己着火
式エンジン）用の燃料噴射システムを例にとって説明し
てきたが、火花着火式エンジンの燃料噴射システムにも
適用できる。この場合には、燃料タンクから供給された
液化ガス燃料はデリバリパイプに一旦蓄えられ、その
後、インジェクタからエンジンに噴射供給される。なお
ここで、使用される燃料はセタン価向上剤を添加してい
ないＬＰＧ燃料等である。

【図面の簡単な説明】

【図１】発明の実施の形態における燃料噴射システムの
概要を示す構成図。

【図２】燃料タンクの断面図。

【図３】燃料タンクの断面図。

【図４】ＤＭＥ温度と飽和蒸気圧との関係を示す図。

【図５】ヒータの通電制御手順を示すフローチャート。

【図６】第２の実施の形態における燃料タンクを示す断
面図。

【図７】第３の実施の形態における燃料タンクを示す断
面図。

【符号の説明】

１…燃料タンク、１０…ＥＣＵ、１１…ピストン、１２
…燃料室（第１室）、１３…加熱室（第２室）、１５…
ヒータ、２２…圧力センサ、３３…袋部材、４１…燃料
タンク、４２…ピストン、４４…アクチュエータ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 榎本 滋郁 愛知県西尾市下羽角町岩谷14番地 株式会 社日本自動車部品総合研究所内 (72)発明者 加藤 正明 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 (72)発明者 竹内 久晴 愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地 株式会 社デンソー内 Ｆターム(参考） 3D038 CA29 CC06 CC09 CC11 CC18 CD18 3E072 AA10 DB10

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】液化ガス燃料を貯蔵する液化ガス燃料用の
   燃料タンクであり、タンク内部を第１室と第２室とに分
   割してこれら各室に液化ガス燃料を充填し、第１室には
   エンジンに向かう燃料配管を接続する一方、第２室には
   加熱手段を設け、更に第１室と第２室との間にはこれら
   各室の容積比を可変に調節するための可動部材を設けた
   ことを特徴とする液化ガス用燃料タンク。
2. 【請求項２】前記可動部材として、タンク内を摺動自在
   なピストンを設けた請求項１に記載の液化ガス用燃料タ
   ンク。
3. 【請求項３】前記可動部材として、内部空間が前記第２
   室に連通し、且つ前記第１室内で伸縮する袋部材を設け
   た請求項１に記載の液化ガス用燃料タンク。
4. 【請求項４】液化ガス燃料を貯蔵する液化ガス燃料用の
   燃料タンクであり、タンク内容積を可変に調節するため
   の可動部材と、該可動部材を移動させるためのアクチュ
   エータとを備えたことを特徴とする液化ガス用燃料タン
   ク。
5. 【請求項５】請求項１〜３の何れかに記載の液化ガス用
   燃料タンクについてその内圧を制御するための制御装置
   であって、前記加熱手段を制御するための制御手段を備
   え、該制御手段は、前記第１室の目標圧力を設定し、そ
   の目標圧力に到達するよう前記加熱手段を制御するタン
   ク内圧の制御装置。
6. 【請求項６】第１室内又は第２室内の何れかの圧力を検
   出する圧力検出手段を備え、前記制御手段は、前記検出
   した第１室内又は第２室内の何れかの圧力が目標圧力に
   なるよう前記加熱手段の制御量をフィードバック制御す
   る請求項５に記載のタンク内圧の制御装置。