JP2006002669A - 内燃機関の燃料分留装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 気相として分留される燃料の性状の悪化を抑制するとともに、良質な燃料を効率的に分留可能な内燃機関の燃料分留装置を提供する。
【解決手段】 本発明の燃料分留装置は、エンジン１の排気熱を利用して燃料を気相と液相とに分留する分留区間１４ａを経て分岐点１４ｃに至る分留通路１４と、分岐点１４ｃから分岐された気相通路１８と、分岐点から分岐された液相通路１７と、液相通路１７に導かれた燃料を蓄える液相用タンク１９と、液相用タンク１９内の燃料を燃料タンク７に戻す液相用リターン通路２０と、液相用タンク１９内の燃料を液相用リターン通路２０に導いて液相用タンク１９の液面レベルＬを調整する調整バルブ２１と、分留区間１４ａの温度が高い場合に液相通路１７への燃料の分配を促す操作と分留区間１４ｃの温度が低い場合に気相通路１８への燃料の分配を促す操作の少なくともいずれか一方の操作が実行されるように調整バルブ２１を制御する燃料分配制御手段２７と、を具備する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の燃料分留装置に関する。

排気管の排気熱を利用して燃料を液相と気相とに分離して、分離した気相を吸蔵還元型のＮＯｘ触媒にその還元剤として添加する燃料分留装置が知られている（特許文献１）。その他本発明に関連する先行技術文献として、特許文献２及び３が存在する。

特開平６−２７２５３９号公報 特開２００１−１９３５２５号公報 特許２８５０５４７号公報

この種の装置では排気熱を利用して液相と気相に分離するため、排気管の温度によって気相として取り出される燃料の性状が変化する。特に、排気管の温度が高温状態のときには不必要な高沸点成分（重質分）までもが気相として分留され、その結果還元剤の性状が悪化するおそれがある。

そこで、本発明は気相として分留される燃料の性状の悪化を抑制するとともに、良質な燃料を効率的に分留可能な内燃機関の燃料分留装置を提供することを目的とする。

本発明の燃料分留装置は、内燃機関の排気熱を利用して燃料を気相と液相とに分留する分留区間を経て分岐点に至る分留通路と、前記分岐点から分岐された気相通路と、前記分岐点から分岐された液相通路と、前記気相通路及び前記液相通路のそれぞれに対する燃料の分配に影響する条件の少なくとも一つを変化させる条件変更手段と、前記分留区間の温度が高い場合に前記液相通路への燃料の分配を促す操作と前記分留区間の温度が低い場合に前記気相通路への燃料の分配を促す操作の少なくともいずれか一方の操作が実行されるように前記条件変更手段を制御する燃料分配制御手段と、を具備することにより、上述した課題を解決する（請求項１）。

分留区間の温度が高い場合には、低い場合よりも気相となる燃料が増える。分岐点に導かれた燃料は気相通路及び液相通路のそれぞれに対する燃料の分配に影響する条件に応じて、気相通路と液相通路とに分配される。この分配に影響する条件を分留区間の温度に応じて変化させなければ、分留区間の温度が高くなるほど不必要な高沸点成分（重質分）を多く含んだ状態で気相通路に導かれる。このため、気相通路に導かれる燃料の性状が悪化する。この問題は、分留区間の過熱を抑制する目的で分留区間の温度が高いほど分留通路に導く燃料を増量した場合により顕著なものとなる。一方、分留区間の温度が低い場合には、高い場合のように燃料の性状が悪化することはないが、分留区間で気相となる燃料の絶対量が少なくなるので、分留区間の温度が低いほど気相通路に導かれる燃料が減少して低沸点成分（軽質分）の回収の効率性が悪化する。

この発明によれば、分留区間の温度が高い場合には液相通路への燃料の分配を促す操作が実行されるので、分留区間を経た燃料が液相通路へ導かれやすくなる。その結果、高沸点成分（重質分）を多く含んだ燃料が気相通路へ導かれることを抑制でき、燃料の性状悪化を抑えることができる。他方、分留区間の温度が低い場合には、気相通路への燃料の分配を促す操作が実行されるので、分留区間を経た燃料が気相通路へ導かれやすくなり、多くの燃料を気相通路へ導くことができる。このため、軽質分の回収の効率性が向上する。

本発明の燃料分留装置において、前記条件変更手段として、前記液相通路に導かれた燃料を蓄える液相用タンクと、前記液相用タンク内の燃料を前記内燃機関の燃料タンクに戻す液相用リターン通路と、前記液相用タンク内の燃料を前記液相用リターン通路に導いて前記液相用タンクの液面レベルを調整する液面調整手段と、が設けられ、前記燃料分配制御手段は、前記液相通路への燃料の分配を促す操作として、前記分留区間の温度が高いときにはその温度が低いときよりも前記液相用タンクの液面レベルが低くなるように前記液面調整手段を制御してもよい（請求項２）。この形態によれば、分留区間の温度が高い場合は、その温度が低い場合よりも液相用タンク内に形成される空間が広くなるので、液相通路へ燃料が導かれやすくなる。液相通路へ導かれた気相の燃料は、液相通路又は液相用タンク内で冷却され液化する。気相の燃料が液化することにより体積が急激に減少する。これにより液相用タンク内は一時的に負圧となり、気相の燃料が連続的に液相用タンクへ引き込まれ液相通路への燃料の分配が促される。

液面レベルの制御として、前記燃料分配制御手段は、前記分留区間の温度が高いほど前記液相用タンクの液面レベル低くなるように前記液面調整手段を制御してもよい（請求項３）。この場合は、より正確かつきめ細かな液面レベルの制御が可能となるので、気相通路へ導かれる燃料の性状悪化の程度を考慮しつつ、効率的に軽質分の燃料を回収することができる。

本発明の燃料分留装置において、前記条件変更手段として、前記液相用タンク内に入口の高さが互いに異なるようにして配置され、それぞれの出口が前記液相用リターン通路と接続された複数の液面調整通路を更に具備し、前記液面調整手段として、前記複数の液面調整通路のうち少なくともいずれか一つを選択的に経由させて前記液相用タンク内の燃料を前記液相用リターン通路に導いて前記液相用タンクの液面レベルを変化させる通路切替バルブが設けられ、前記燃料分配制御手段は、前記液相通路への燃料の分配を促す操作として、前記分留区間の温度が高いときにはその温度が低いときよりも前記液相用タンクの液面レベルが低くなるように前記通路切替バルブを制御してもよい（請求項４）。この場合は、液面レベルを検出する検出手段や、その検出結果に応じた開度制御を行う制御バルブ等の手段を設けなくても簡素な構成で液面レベルを制御できるので、装置の製作コストを低減できる。

本発明の燃料分留装置において、前記条件変更手段として、前記気相通路に導かれた燃料を蓄える気相用タンクと、前記気相用タンク内に負圧を発生させる負圧発生手段と、が設けられ、前記燃料分配制御手段は、前記気相通路への燃料の分配を促す操作として、前記気相用タンク内に負圧が発生するように前記負圧発生手段を制御してもよい（請求項５）。この形態によれば、気相用タンク内の圧力バランスが一時的に崩れて負圧が発生して気相用タンク内に燃料が引き込まれるので、気相通路へ燃料が導かれやすくなり気相通路への燃料の分配が促される。

以上説明したように、本発明によれば、分留区間の温度が高い場合に液相通路への燃料の分配を促す操作と分留区間の温度が低い場合に気相通路への燃料の分配を促す操作の少なくともいずれか一方の操作を実行して気相通路及び前記液相通路のそれぞれに対する燃料の分配に影響する条件の少なくとも一つを変化させるので、気相として分留される燃料の性状の悪化を抑制するとともに、良質な燃料を効率的に分留可能な内燃機関の燃料分留装置を提供することができる。

図１は、本発明の燃料分留装置を内燃機関としてのディーゼルエンジン１に適用した一実施形態を示している。この図に示したように、エンジン１には吸気通路２及び排気通路３が接続されている。吸気通路２には、排気エネルギを利用して吸気圧を高める過給機４のコンプレッサ４ａ、吸気量調整量用のスロットルバルブ５がそれぞれ設けられ、排気通路３には、排気マニホールド３ａの下流側に配置された過給機４のタービン４ｂ、タービン４ｂよりも下流側に配置された排気浄化装置６がそれぞれ設けられている。排気浄化装置６は、例えば吸蔵還元型のＮＯｘ触媒や、パティキュレートを捕集するためのフィルタ基材に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒物質を坦持させた公知のものである。なお、ＮＯｘの吸蔵はＮＯｘを保持できればよく、その形態は問わない。

エンジン１には、燃料（軽油）を貯留する燃料タンク７、燃料タンク７から延びるフィード通路８、燃料タンク７の燃料をフィード通路８を介してコモンレール９に圧送するサプライポンプユニット１０、コモンレール９に接続された複数（図では４つ）のインジェクタ１１、燃料タンク７から汲み上げた燃料を燃料タンク７に戻すリターン通路１２がそれぞれ設けられている。リターン通路１２には、コモンレール９及びインジェクタ１１から戻される燃料等の余分な燃料が導かれる。

リターン通路１２の途中には、燃料を気相と液相とに分留する分留部１３へ燃料を導くための分留通路１４が接続されている。リターン通路１２と分留通路１４との接続部には、圧力バランスを調整するための圧力調整バルブ１５が設けられている。圧力調整バルブ１５の下流側の分留通路１４には、分留部１３へ導かれる燃料の流量を制御する流量制御バルブ１６が設けられている。これらのバルブ１５，１６はいずれも開度調整が可能な電磁制御バルブである。

図２に詳しく示したように、分留通路１４は分留区間１４ａ、水平部１４ｂを経て、分岐点１４ｃに至り、液相通路１７と気相通路１８とに分岐する。分留区間１４ａは水平方向に対して傾斜しつつ、排気浄化装置６の下流側の排気通路３内を斜めに通過している。これにより分留区間１４ａは排気通路３内の排気によって加熱され、リターン通路１２から分留部１３に供給された燃料は液相燃料ｆ１と気相燃料ｆ２とに分けられる。水平部１４ｂ及び分岐点１４ｃはそれぞれ排気通路３の外側に設けられている。分留通路１４は全体として下方に向かって延びており、液相燃料ｆ１は、重力により分岐点１４ｃに向かって流れる。

液相通路１７は、分岐点１４ｃから鉛直下方に延びるとともに、その下流側は液相通路１７に導かれた燃料を一時的に貯留するための液相用タンク１９と接続されている。液相用タンク１９の底部には液相用リターン通路２０が接続され、液相用タンク１９内の燃料は調整バルブ２１を介して、燃料タンク７へ導かれる。調整バルブ２１は液相用リターン通路２０へ導かれる燃料量を調整可能な電磁制御弁である。この調整バルブ２１の開度を調整することにより、液相用タンク１９の液面レベルＬを変更する液面調整手段として機能させることができる。液相用タンク１９の液面レベルＬが下がると、液相用タンク１９の空間Ｓが広くなり、分留区間１４ａで気相として分留された燃料が液相用タンク１９に導かれやすくなる。つまり、液相用タンク１９の液面レベルＬは液相通路１７及び気相通路１８のそれぞれに対する燃料の分配に影響する条件の一つであり、液面レベルＬの変更を実現する液相用タンク１９、液相用リターン通路２０、及び調整バルブ２１は本発明の条件変更手段として機能する。

気相通路１８は、分岐点１４ｃから水平方向に延びるとともに、その下流側は気相通路１８に導かれた燃料を貯留するための気相用タンク２２（図１）と接続されている。図１に示したように、気相用タンク２２には吸気通路２と連通する吸気連通管２３が設けられている。気相用燃料タンク２２側の吸気連通管２３には負圧調整バルブ２４が設けられている。負圧調整バルブ２４を開弁することにより吸気連通管２３を負圧発生手段として機能させることができる。気相用タンク２２内に負圧が発生して圧力バランスが崩れると、気相の状態で気相タンク２２に導かれた燃料の液化が促進される。このため、分留区間１４ａを経て分岐点１４ｃに導かれた気相の燃料が気相用タンク２２に導かれやすくなる。従って、気相用タンク２２内の圧力は液相通路１７及び気相通路１８のそれぞれに対する燃料の分配に影響する条件の一つとなる。気相タンク２２内に負圧を発生させる吸気連通管２３及び負圧調整バルブ２４は本発明の条件変更手段として機能する。

気相用タンク２２に貯留された燃料は添加用インジェクタ２５によって排気浄化装置６の上流側の排気通路３内に添加される。添加用インジェクタ２５に対する燃料の供給は添加用フィード通路２６の途中に設けられたサプライポンプユニット１０により行われる。添加用インジェクタ２５へ送り出された燃料のうち余分な燃料は添加用リターン通路（不図示）を介して気相用タンク２２へ戻される。

図１及び図２に示したように、上述した圧力調整バルブ１５、流量制御バルブ１６、調整バルブ２１、及び負圧調整バルブ２４は、エンジンコントロールユニット（ＥＣＵ）２７によりそれぞれ制御される。ＥＣＵ２７は燃料噴射量や燃料噴射時期等を制御してエンジン１を適正に運転するためのコンピュータであるが、本実施形態では、この他に本発明の燃料分留装置を制御する制御手段として機能する。図３は、ＥＣＵ２７がこれらのバルブ１５，１６，２１，２４の開閉動作を制御するために実行する制御ルーチンの手順を示すフローチャートである。このルーチンは所定の周期で繰り返し実行される。

ＥＣＵ２７は、まずステップＳ１において分留区間１４ａの温度を検出する。分留区間１４ａの温度検出は、図１及び図２に示したように、分留区間１４ａの上流側の排気通路３に設けられた排気温センサ２８の入力値から推定することにより実現できる。次に、ＥＣＵ２７は、ステップＳ２において、分留区間１４ａの温度が第１所定値以上であるか否かを判定する。第１所定値は、使用目的に適した性状の燃料を分留可能な温度の下限値として適宜に設定される。本実施形態では排気浄化装置６上流への燃料添加に分留した燃料を用いるため、第１所定値として例えば２３０°Ｃに設定される。分留区間１４ａの温度が第１所定値以上であると判定した場合は、ＥＣＵ２７は処理をステップＳ３に進める。一方、第１所定値未満と判定した場合は、以後の処理をスキップして今回のルーチンを終了する。

ステップＳ３では、圧力調整バルブ１５及び流量制御バルブ１６のそれぞれの開度を制御して分留部１３に適正量の燃料を供給する。この場合、分留区間１４ａの過熱を抑制するため、分留区間１４ａの温度が高いほど分留部１３に供給する燃料を増量することが好ましい。適正量の算出は、例えば、分留区間１４ａの温度及びバルブ１５，１６の開度を燃料供給量に対応付けたマップをＥＣＵ２７のＲＯＭに予め記憶させ、これを参照することにより実現できる。次に、ＥＣＵ２７は、ステップＳ４において、分留区間１４ａの温度に応じた液相用タンク１９の液面レベルＬの制御を実行する。ＥＣＵ２７がこのステップを実行することにより、ＥＣＵ２７は本発明の燃料分配制御手段として機能する。ＥＣＵ２７は、液相通路１７へ燃料の分配を促す操作として、分留区間１４ａの温度が高い場合は低い場合よりも液面レベルＬが低くなるように、そして分留区間１４ａの温度が高いほど液面レベルＬが低くなるように調整バルブ２１の動作を制御する。このような調整バルブ２１の制御は、例えば分留区間１４ａの温度に応じた適正な液面レベルＬが得られるデューティー比を予め設定しておき、分留区間１４ａの温度及び液面レベルＬの現在値に応じたデューティー比にて調整バルブ２１をデューティー制御することにより実現できる。液面レベルＬは、図１及び図２に示したように、液相用タンク１９に差圧式の液面レベルセンサ２９を設け、この入力値から検出できる。

次にＥＣＵ２７は、ステップＳ５にて分留区間１４ａの温度が第２所定値以下であるか否かを判定する。第２所定値は、気相タンク２２内に上記負圧を発生させて気相通路１８への燃料の導入を促すことが必要な温度域で適宜に設定すればよい。ステップＳ５にて第２所定値以下であると判定した場合には、ＥＣＵ２７は処理をステップＳ６に進める。一方、第２所定値を超えていると判定したときは、ステップＳ６をスキップして今回のルーチンを終了する。

ステップＳ６では、ＥＣＵ２７は負圧調整バルブ２４を開弁し、気相用タンク２２内に負圧を発生させて今回のルーチンを終了する。吸気連通管２３によって気相タンク２２内の圧力バランスを崩す契機を付与すればよいので、負圧調整バルブ２４の開弁は一時的なものでよい。ＥＣＵ２７がこのステップを実行することにより、ＥＣＵ２７は本発明の燃料分配制御手段として機能する。

本発明は以上の実施形態に限定されず、種々の形態で実施してよい。液相用タンク１９の液面レベルＬを変化させる構成は上述した実施形態に限定されず、適宜の構成を採用すればよい。例えば、図４（ａ）及び（ｂ）に示したように、液相用タンク１９内に、入口２９ａ，３０ａの高さが互いに異なるように配置され、それぞれの出口２９ｂ，３０ｂが液相用リターン通路２０に接続された液面調整通路２９，３０と、液相用タンク１９内の燃料がこれらの通路２９，３０のいずれか一方を経由して液相用リターン通路２０に導かれるように通路２９，３０の切替が可能な通路切替バルブ３１とを設けてもよい。

この場合、液相通路１７への燃料の分配を促す操作として、通路切替バルブ３１を制御して、図４（ａ）のように液相用タンク１９の燃料を液面調整通路２９を経由させた状態から、図４（ｂ）のように液面調整通路３０を経由させた状態に変更し、液面レベルＬを下げる。これにより、燃料タンク１９、液面調整通路２９，３０、及び通路切替バルブ３１を本発明の条件変更手段として機能させることができる。この形態によれば、液面レベルＬを制御する際には、ＥＣＵ２７が分留区間１４ａの温度に応じて通路切替バルブ３１を操作して液面調整通路２９，３０を選択的に切り替えれば足りるので、上記形態のように現在の液面レベルＬを検出して通路切替バルブ３１をデューティー制御する必要はない。このため、図１の液面レベルセンサ２９が不要となり、構成を簡素化できる。なお、液面調整通路２９，３０は２つに限らず、３つ以上設けてもよい。この場合、調整通路の増加に応じて通路切替バルブ３１を増設すればよい。

上述した実施形態では、液相通路１７への燃料の分配を促す操作及び気相通路１８への燃料の分配を促す操作の両者を行う実施形態について説明したが、これらの操作のうちいずれか一方のみを行ってもよい。また、本発明の燃料分留装置を適用する内燃機関はディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジンでもよい。気相用タンク２２に貯留した燃料の用途は限定されず、エンジン１の筒内への噴射に用いてもよい。

本発明の燃料分留装置を内燃機関としてのディーゼルエンジン１に適用した一実施形態を示した図。 分留部及び液相用タンクの詳細を示した図。 各種バルブの開閉動作を制御するために実行する制御ルーチンの手順を示したフローチャート。 本発明の他の実施形態に係る分留部及び液相タンクの詳細を示した図。

符号の説明

１ ディーゼルエンジン（内燃機関）
１４ 分留通路
１４ａ 分留区間
１４ｃ 分岐点
１７ 液相通路
１８ 気相通路
１９ 液相用タンク
２０ 液相用リターン通路
２１ 調整バルブ（液面調整手段）
２２ 気相用タンク
２３ 吸気連通管（負圧発生手段）
２４ 負圧調整バルブ
２９，３０ 液面調整通路
２９ａ，３０ａ 入口
２９ｂ，３０ｂ 出口
３１ 通路切替バルブ（液面調整手段）
Ｌ 液面レベル

Claims (5)

1. 内燃機関の排気熱を利用して燃料を気相と液相とに分留する分留区間を経て分岐点に至る分留通路と、前記分岐点から分岐された気相通路と、前記分岐点から分岐された液相通路と、前記気相通路及び前記液相通路のそれぞれに対する燃料の分配に影響する条件の少なくとも一つを変化させる条件変更手段と、前記分留区間の温度が高い場合に前記液相通路への燃料の分配を促す操作と前記分留区間の温度が低い場合に前記気相通路への燃料の分配を促す操作の少なくともいずれか一方の操作が実行されるように前記条件変更手段を制御する燃料分配制御手段と、を具備することを特徴とする内燃機関の燃料分留装置。
2. 前記条件変更手段として、前記液相通路に導かれた燃料を蓄える液相用タンクと、前記液相用タンク内の燃料を前記内燃機関の燃料タンクに戻す液相用リターン通路と、前記液相用タンク内の燃料を前記液相用リターン通路に導いて前記液相用タンクの液面レベルを調整する液面調整手段と、が設けられ、
   前記燃料分配制御手段は、前記液相通路への燃料の分配を促す操作として、前記分留区間の温度が高いときにはその温度が低いときよりも前記液相用タンクの液面レベルが低くなるように前記液面調整手段を制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料分留装置。
3. 前記燃料分配制御手段は、前記分留区間の温度が高いほど前記液相用タンクの液面レベル低くなるように前記液面調整手段を制御することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の燃料分留装置。
4. 前記条件変更手段として、前記液相用タンク内に入口の高さが互いに異なるようにして配置され、それぞれの出口が前記液相用リターン通路と接続された複数の液面調整通路を更に具備し、
   前記液面調整手段として、前記複数の液面調整通路のうち少なくともいずれか一つを選択的に経由させて前記液相用タンク内の燃料を前記液相用リターン通路に導いて前記液相用タンクの液面レベルを変化させる通路切替バルブが設けられ、
   前記燃料分配制御手段は、前記液相通路への燃料の分配を促す操作として、前記分留区間の温度が高いときにはその温度が低いときよりも前記液相用タンクの液面レベルが低くなるように前記通路切替バルブを制御することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の燃料分留装置。
5. 前記条件変更手段として、前記気相通路に導かれた燃料を蓄える気相用タンクと、前記気相用タンク内に負圧を発生させる負圧発生手段と、前記負圧発生手段による負圧の発生及びその停止を切り替える負圧調整バルブが設けられ、
   前記燃料分配制御手段は、前記気相通路への燃料の分配を促す操作として、前記気相用タンク内に負圧が発生するように前記負圧調整バルブを制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料分留装置。
   

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