JP2004197655A - 燃料供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】適切に超臨界状態の燃料の供給が行える燃料供給装置を提供すること。
【解決手段】燃料をポンプ５で加圧するとともにヒータ８で加熱することによって超臨界状態としエンジン２に供給する燃料供給装置であって、燃料を超臨界状態とする際、ポンプ５の加圧開始タイミングとヒータ８の加熱開始タイミングを異ならせる。これにより、超臨界状態の燃料を適切に生成してエンジン２へ供給する。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関に燃料を供給する燃料供給装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、内燃機関に燃料を供給する燃料供給装置として、特開平９−２８０１２３号公報に記載されるように、液体燃料を超臨界状態とし、その超臨界状態の燃料を内燃機関の燃焼室内に供給するものが知られている。この燃料供給装置は、液体燃料を超臨界状態とすることで、燃料の微細化を図り燃焼性を改善しようとするものである。
【０００３】
【特許文献１】
特開平９−２８０１２３号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような燃料供給装置にあっては、適切に超臨界状態の燃料の供給が行えないおそれがある。例えば、燃料を超臨界状態とするために加圧及び加熱を行う際、加熱開始タイミングと加圧開始タイミングが同時に行われると、種々の不都合を生ずる。
【０００５】
そこで本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであって、適切に超臨界状態の燃料の供給が行える燃料供給装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明に係る燃料供給装置は、燃料を加圧手段で加圧するとともに加熱手段で加熱することによって超臨界状態とし内燃機関に供給する燃料供給装置において、燃料を超臨界状態とする際、加圧手段の加圧開始タイミングと加熱手段の加熱開始タイミングを異ならせることを特徴とする。
【０００７】
この発明によれば、燃料を超臨界状態とする際、加圧手段の加圧開始タイミングと加熱手段の加熱開始タイミングを適宜異ならせることにより、超臨界状態の燃料を適切に生成でき内燃機関へ供給できる。
【０００８】
また本発明に係る燃料供給装置は、燃料を超臨界状態とする際、加圧手段の加圧を加熱手段の加熱より先に開始することを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、燃料を超臨界状態とする際に加圧手段の加圧を加熱手段の加熱より先に開始することにより、燃料の加熱によるベーパの発生を防止することができ、超臨界状態の燃料を適切に生成でき内燃機関へ供給できる。
【００１０】
また本発明に係る燃料供給装置は、燃料を超臨界状態とする際、加熱手段の加熱を加圧手段の加圧より先に開始することを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、燃料を超臨界状態とする際に加熱手段の加熱を加圧手段の加圧より先に開始することにより、加圧手段を無駄に作動させることを防止でき加圧手段の動力損失を防止し、燃費低下を防止できる。
【００１２】
また本発明に係る燃料供給装置において、加圧手段として単一のポンプを用い、そのポンプにより超臨界状態を生成する第一圧力と超臨界状態を生成しない第二圧力とを切り換えて燃料を超臨界状態とすることが望ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面に基づき、本発明の実施形態について説明する。尚、各図において同一要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００１４】
（第一実施形態）
図１に第一実施形態に係る燃料供給装置の構成概要図を示す。本図に示すように、燃料供給装置１は、エンジン２に燃料を供給する装置であって、燃料タンク３に貯留される燃料を燃料供給路４を通じてエンジン２に供給するものである。
【００１５】
燃料供給路の途中には、ポンプ５が設けられている。ポンプ５は、燃料を加圧する加圧手段として機能するものであり、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）６により作動制御されている。ポンプ５の作動により、燃料タンク３から液体状の燃料が吸い上げられ、所定の圧力に加圧される。
【００１６】
ポンプ５の下流側には、超臨界状態室７が設けられている。超臨界状態室７は、燃料を超臨界状態とするための空間領域であり、耐圧耐熱構造となっている。超臨界状態室７には、ヒータ８が設けられている。ヒータ８は、燃料を所定の温度に加熱する加熱手段として機能するものであり、ＥＣＵ６に作動制御されている。
【００１７】
ヒータ８としては、燃料を所定の温度に加熱できるものであれば何れのものでもよく、例えば電気ヒータなどが用いられる。また、ヒータ８としては、エンジン２の排気熱を利用するものであってもよい。このヒータ８及びポンプ５は、エンジン２に供給される燃料を加圧及び加熱して超臨界状態とする超臨界状態生成手段として機能する。
【００１８】
ここで「超臨界状態」とは、燃料を臨界圧力以上の圧力下で臨界温度以上の温度まで昇温することにより得られる状態を意味する。超臨界状態まで液体状の燃料を昇圧昇温させることにより、燃料は気体に相変化するが、超臨界状態での気体は極めて高い密度を有するため液体に近い物性を示す。
【００１９】
すなわち、燃料は、超臨界状態となることにより、気体と液体の中間の物性を示す流体となり、種々の特異な性質を示す。例えば、液体状の燃料を超臨界状態にすることにより、インジェクタ１０によりエンジン２内に噴射する際、通常の液体時に比べはるかに微細な粒子が均一に形成される。
【００２０】
超臨界状態室７内には、改質触媒９が配設されている。改質触媒９は、超臨界状態となった燃料の改質を促進するものであり、例えばハニカム体に白金、ロジウムを付着させたものが用いられる。
【００２１】
超臨界状態室７の下流側には、インジェクタ１０が設けられている。インジェクタ１０は、超臨界状態となった燃料をエンジン２に噴射する噴射手段として機能するものである。このインジェクタ１０の作動制御は、ＥＣＵ６により行われる。
【００２２】
ＥＣＵ６は、装置全体の制御を行うものであり、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを含むコンピュータを主体として構成され、入力信号回路、出力信号回路、電源回路などを備えている。このＥＣＵ６は、加熱手段であるヒータ８の作動制御を行う加熱制御手段として機能するとともに、加圧手段であるポンプ５の作動制御を行う加圧制御手段として機能する。
【００２３】
次に本実施形態に係る燃料供給装置の動作について説明する。
【００２４】
図２に燃料供給装置１における燃料供給処理のフローチャートを示す。本図のＳ１０において、超臨界状態生成条件が成立しているか否かが判断される。超臨界状態生成条件はＥＣＵ６に予め設定され、この超臨界状態生成条件としては例えばエンジン２の始動時、エンジン２の高負荷時などが設定される。
【００２５】
そして、臨界状態生成条件が成立していると判断されたときには、Ｓ１２に移行し、加熱処理が開始される。加熱処理は、ヒータ８により燃料を加熱する処理であり、例えばヒータ８を通電することにより行われる。この加熱処理により、超臨界状態室７が加熱され昇温していく。
【００２６】
そして、タイマカウンタｔ１にゼロがセットされ、カウントアップされる（Ｓ１４）。そして、タイマカウンタｔ１が所定時間ｔｉを経過したか否かが判断される（Ｓ１６）。
【００２７】
Ｓ１６にて、タイマカウンタｔ１が所定時間ｔｉを経過したと判断されたときには、Ｓ１８に移行し、加圧処理が開始される。加圧処理は、ポンプ５の駆動により燃料を加圧する処理である。この加圧処理により、超臨界状態室７内の燃料が超臨界状態になるように加圧され、例えば３〜５ＭＰａに加圧される。
【００２８】
そして、このような加圧及び加熱により、液体状の燃料が超臨界状態となる。そして、燃料は超臨界状態室７内で改質触媒９に接触する。これにより、燃料は、迅速かつ高収率で高沸点成分（重質成分）から低沸点成分（軽質成分）に転化して改質される。
【００２９】
そして、超臨界状態となり改質された燃料は、図１に示すように、超臨界状態室７からインジェクタ１０に向けて流通する。そして、ＥＣＵ６からインジェクタ１０に作動信号が出力され、インジェクタ１０から改質された燃料がエンジン２に噴射される。
【００３０】
エンジン２に噴射された燃料は改質された低沸点成分を多く含むものであるので、燃料の燃焼性が向上する。また、燃焼に寄与しない高沸点成分の未蒸発の燃料が吸気管や燃焼室の壁面に付着することを防止できる。
【００３１】
また、冷間始動時においては、改質された沸点４５゜Ｃ以下の低沸点成分の燃料をエンジン２に供給することにより、−２０゜Ｃまで理論空燃比で始動可能となる。その際、始動から暖機運転中までエンジン２から排出されるＨＣを８０％以上低減できる。
【００３２】
また、加速時などの高負荷運転時においては、炭素数４以下に改質された燃料をエンジン２に供給することにより、燃料のオクタン価が向上する。これにより、ノッキングが抑制され、エンジンの信頼性が向上する。また、エンジン出力及び燃費の向上が図れる。
【００３３】
更に、オクタン価の低い燃料を使用した場合でも、高圧縮比エンジンを駆動できるので、パーシャル運転域での燃費向上が図れ、低価格燃料使用による走行燃料費の低減が図れる。
【００３４】
以上のように、本実施形態に係る燃料供給装置１によれば、燃料を超臨界状態とする際にヒータ８の加熱をポンプ５の加圧より先に開始することにより、ポンプ５を無駄に駆動させることを防止できポンプ５の駆動動力の損失を防止し、燃費低下を防止できる。
【００３５】
なお、本実施形態に係る燃料供給装置１において、ポンプ５を駆動制御することにより燃料の圧力を複数段階に切り替えて燃料供給することが望ましい。例えば、超臨界状態生成時と超臨界状態生成時以外の時とで燃料にかかる圧力を変えて、エンジン２に供給する。具体的には、超臨界状態生成時に燃料に超臨界状態を生成する第一圧力を与え、超臨界状態生成時以外の時に第一の圧力より低く超臨界状態を生成しない第二の圧力を燃料に与える。
【００３６】
これにより、超臨界状態生成時以外の時に低い圧力を与えるだけですむので、ポンプ５の駆動損失の低減により、燃費向上が図れる。また、低圧駆動を行うことにより、ポンプ５の負荷を下げることにより、耐久信頼性を向上させることができる。さらに、単一のポンプ５で、異なる状態の燃料供給が可能となり、装置の低コスト化、小型化が図れる。
【００３７】
また、上述した本実施形態に係る燃料供給装置１では、燃料の加熱処理開始から所定時間後に加圧処理を開始する場合について説明したが、本発明に係る燃料供給装置はそのようなものに限られるものではなく、加熱処理により燃料が所定温度に達したら加圧処理を開始するものであってもよい。
【００３８】
図３に本実施形態に係る燃料供給装置の変形例における制御処理のフローチャートを示す。本図のＳ２０において、超臨界状態生成条件が成立しているか否かが判断される。そして、臨界状態生成条件が成立していると判断されたときには、加熱処理が開始される（Ｓ２２）。このＳ２０の判断処理及びＳ２２の加熱処理は、図２のＳ１０、Ｓ１２の処理と同様に行われる。
【００３９】
そして、Ｓ２４に移行し、燃料の温度Ｔ１の読み込みが行われる。この読み込みは、例えば燃料の温度を計測する温度センサを超臨界状態室７に設けておき、この温度センサの出力に基づいて行われる。
【００４０】
そして、Ｓ２６に移行し、燃料の温度Ｔ１が所定の温度Ｔｉを超えたか否かが判断される。所定の温度Ｔｉは、ＥＣＵ６に予め設定される設定温度である。Ｓ２６にて、燃料の温度Ｔ１が所定の温度Ｔｉを超えたと判断されたときには、Ｓ２８に移行し、加圧処理が開始される。この加圧処理は、図２のＳ１８と同様に行われる。
【００４１】
このような本実施形態に係る燃料供給装置であっても、上述した図２の燃料供給装置１と同様に、燃料を超臨界状態とする際にヒータ８の加熱をポンプ５の加圧より先に開始することによって、ポンプ５を無駄に駆動させることを防止できポンプ５の駆動動力の損失を防止し、燃費低下を防止できる。
【００４２】
（第二実施形態）
次に第二実施形態に係る燃料供給装置について説明する。
【００４３】
本実施形態に係る燃料供給装置は、図１の第一実施形態に係る燃料供給装置と同様なハード構成を有するものであるが、燃料を超臨界状態にする際、加熱処理より加圧処理を早期に開始する点で第一実施形態に係る燃料供給装置と異なっている。
【００４４】
図４に本実施形態に係る燃料供給装置における燃料供給処理のフローチャートを示す。本図のＳ３０において、超臨界状態生成条件が成立しているか否かが判断される。超臨界状態生成条件はＥＣＵ６に予め設定され、この超臨界状態生成条件としては例えばエンジン２の始動時、エンジン２の高負荷時などが設定される。
【００４５】
そして、臨界状態生成条件が成立していると判断されたときには、Ｓ３２に移行し、加圧処理が開始される。加圧処理は、ポンプ５の駆動により燃料を加圧する処理である。この加圧処理により、超臨界状態室７内の燃料が超臨界状態になるように加圧され、例えば３〜５ＭＰａに加圧される。
【００４６】
そして、タイマカウンタｔ２にゼロがセットされ、カウントアップされる（Ｓ３４）。そして、タイマカウンタｔ２が所定時間ｔｊを経過したか否かが判断される（Ｓ３６）。
【００４７】
Ｓ３６にて、タイマカウンタｔ２が所定時間ｔｊを経過したと判断されたときには、Ｓ３８に移行し、加熱処理が開始される。加熱処理は、ヒータ８により燃料を加熱する処理であり、例えばヒータ８を通電することにより行われる。この加熱処理により、超臨界状態室７内の燃料が加熱され昇温していく。
【００４８】
そして、このような加圧及び加熱により、液体状の燃料が超臨界状態となる。そして、燃料は超臨界状態室７内で改質触媒９に接触する。これにより、燃料は、迅速かつ高収率で高沸点成分（重質成分）から低沸点成分（軽質成分）に転化して改質される。
【００４９】
そして、超臨界状態となり改質された燃料は、図１に示すように、超臨界状態室７からインジェクタ１０に向けて流通する。そして、ＥＣＵ６からインジェクタ１０に作動信号が出力され、インジェクタ１０から改質された燃料がエンジン２に噴射される。
【００５０】
エンジン２に噴射された燃料は改質された低沸点成分を多く含むものであるので、燃料の燃焼性が向上する。また、燃焼に寄与しない高沸点成分の未蒸発の燃料が吸気管や燃焼室の壁面に付着することを防止できる。
【００５１】
また、冷間始動時においては、改質された沸点４５゜Ｃ以下の低沸点成分の燃料をエンジン２に供給することにより、−２０゜Ｃまで理論空燃比で始動可能となる。その際、始動から暖機運転中までエンジン２から排出されるＨＣを８０％以上低減できる。
【００５２】
また、加速時などの高負荷運転時においては、炭素数４以下に改質された燃料をエンジン２に供給することにより、燃料のオクタン価が向上する。これにより、ノッキングが抑制され、エンジンの信頼性が向上する。また、エンジン出力及び燃費の向上が図れる。
【００５３】
更に、オクタン価の低い燃料を使用した場合でも、高圧縮比エンジンを駆動できるので、パーシャル運転域での燃費向上が図れ、低価格燃料使用による走行燃料費の低減が図れる。
【００５４】
以上のように、本実施形態に係る燃料供給装置によれば、燃料を超臨界状態とする際にポンプ５の加圧をヒータ８の加熱より先に開始することにより、燃料の加熱によるベーパの発生を防止することができ、超臨界状態の燃料を適切に生成できエンジン２へ供給できる。
【００５５】
（第三実施形態）
次に第三実施形態に係る燃料供給装置について説明する。
【００５６】
図５は、本実施形態に係る燃料供給装置の構成概要図である。本図に示すように、本実施形態に係る燃料供給装置１ｂは、超臨界状態となった燃料をエンジン２に供給する第一供給路４ａと、非超臨界状態である通常の燃料をエンジン２に供給する第二供給路４ｂとの二つの燃料供給路を備えたものである。
【００５７】
ポンプ５の下流位置で、第一供給路４ａと第二供給路４ｂが分岐している。第一供給路４ａには、上流側から超臨界状態室７、インジェクタ１０が順次設けられている。第二供給路４ｂには、上流側からデリバリパイプ１１、インジェクタ１２が設けられている。インジェクタ１２は筒内噴射用のインジェクタであり、複数設けられている。一方、インジェクタ１０はポート噴射用として用いられる。
【００５８】
このような燃料供給装置１ｂによれば、第一供給路４ａを通じて、ポンプ５ａにより燃料を加圧しヒータ８により燃料を加熱して超臨界状態としつつ、改質触媒９により燃料の改質を促進し、改質された燃料をエンジン２に供給することができる。一方、第二供給路４ｂを通じて非超臨界状態である通常の燃料をエンジン２に供給することができる。
【００５９】
また、インジェクタ１２により燃料を筒内噴射する際には、燃料圧力を高く設定し、例えば１０ＭＰａとする。一方、インジェクタ１０により燃料をポート噴射する際には、燃料圧力を低く設定し、例えば３〜５ＭＰａとする。このように適宜燃料圧力を切り替えることにより、ポンプ５の駆動動力の損失を防止し、燃費低下を防止できる。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、適切に超臨界状態の燃料の供給が行える燃料供給装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態に係る燃料供給装置の構成概要図である。
【図２】図１の燃料供給装置における制御処理を示すフローチャートである。
【図３】図１の燃料供給装置の変形例の説明図である。
【図４】第二実施形態に係る燃料供給装置の制御処理を示すフローチャートである。
【図５】第三実施形態に係る燃料供給装置の構成概要図である。
【符号の説明】
１…燃料供給装置、２…エンジン、３…燃料タンク、４…燃料供給路、５…ポンプ、６…ＥＣＵ、７…超臨界状態室、８…ヒータ、９…改質触媒、１０…インジェクタ。

Claims (4)

1. 燃料を加圧手段で加圧するとともに加熱手段で加熱することによって超臨界状態とし内燃機関に供給する燃料供給装置において、
   前記燃料を超臨界状態とする際、前記加圧手段の加圧開始タイミングと前記加熱手段の加熱開始タイミングを異ならせること、
   を特徴とする燃料供給装置。
2. 前記燃料を超臨界状態とする際、前記加圧手段の加圧を前記加熱手段の加熱より先に開始することを特徴とする請求項１に記載の燃料供給装置。
3. 前記燃料を超臨界状態とする際、前記加熱手段の加熱を前記加圧手段の加圧より先に開始することを特徴とする請求項１に記載の燃料供給装置。
4. 前記加圧手段として単一のポンプを用い、前記ポンプにより前記超臨界状態を生成する第一圧力と前記超臨界状態を生成しない第二圧力とを切り換えて前記燃料を超臨界状態とすること、
   を特徴とする請求項１に記載の燃料供給装置。

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