JP2006063831A - エンジンの液化ガス燃料供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料タンクの内部圧力低下にかかわらずエンジンに供給される液化ガス燃料に不足が生じることを防止すること。
【解決手段】エンジン３の液化ガス燃料供給装置は、燃料タンク１内にて加圧されて液相状態で貯留されるＬＰＧを、燃料ポンプ２により各インジェクタ４へ圧送してエンジン３へ液相状態で噴射供給するように構成される。燃料タンク１には、その内部圧力を検出するための燃料圧力センサ４９が設けられる。電子制御装置（ＥＣＵ）４０は、検出される内部圧力が所定値より低下したとき、その内部圧力の低下程度に応じて燃料ポンプ２の吸入側の圧力低下を減少させるように、駆動回路５２を介して燃料ポンプ２を制御する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、エンジンに液化ガス燃料を供給するエンジンの液化ガス燃料供給装置に関する。

従来、この種の液化ガス燃料供給装置として、下記の特許文献１及び２に記載された装置がある。特許文献１及び２に記載された装置は、燃料タンクに液相状態で貯蔵される液化ガス燃料を、燃料ポンプによりインジェクタへ圧送してエンジンへ液相状態で噴射供給するように構成される。燃料タンクからインジェクタへ圧送される液化ガス燃料の流量は、燃料ポンプの回転速度を制御することにより調整可能となっている。

特開２００３−３４３３３７号公報（第６−７頁、図３） ＷＯ９９／６１７６９

ところが、上記した特許文献１に記載の装置では、液化ガス燃料は、燃料タンク内にて加圧充填され、密閉されることで同タンク内に液相状態で貯留されている。一方、燃料ポンプにより吸入される液化ガス燃料の圧力は、燃料タンク内の圧力より低くなる。また、燃料ポンプの回転速度が高くなると、すなわち、燃料ポンプの吐出流量が大きくなると、燃料ポンプの吸入側にて液化ガス燃料の圧力低下が大きくなる。従って、燃料タンク内の圧力が低い場合には、燃料ポンプの吐出流量が大きくなると、燃料ポンプの吸入側にて液化ガス燃料の圧力低下が大きくなり、燃料蒸気（ベーパ）が多量に発生するおそれがあった。この場合、燃料ポンプからインジェクタへ圧送される液化ガス燃料にベーパが混入して燃料の流量が減少し、エンジンに供給される液化ガス燃料に不足が生じるおそれがあった。

この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、燃料タンクにおける内部圧力の低下にかかわらず、エンジンに供給される液化ガス燃料に不足が生じることを防止するエンジンの液化ガス燃料供給装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、燃料タンク内にて加圧されて液相状態で貯留される液化ガス燃料を、燃料ポンプによりインジェクタへ圧送してエンジンへ液相状態で噴射供給するように構成したエンジンの液化ガス燃料供給装置において、燃料タンクの内部圧力を検出するための圧力検出手段と、検出される内部圧力が所定値より低下したとき、燃料ポンプの吸入側の圧力低下を減少させるように燃料ポンプの吐出流量を制御するための制御手段とを備えたことを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、燃料タンクの内部圧力が所定値より低下すると、制御手段が燃料ポンプの吸入側の圧力低下を減少させる。従って、燃料タンクの内部圧力が低下するときには、燃料ポンプの吸入側の圧力低下が減少するので、燃料ポンプの吸入側にて液化ガス燃料の圧力低下が少なくなり、液化ガス燃料の蒸気化が抑えられる。

上記目的を達成するために、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、制御手段は、検出される内部圧力の低下程度に応じて燃料ポンプの吸入側の圧力低下を減少させることを趣旨とする。

上記発明の構成によれば、請求項１に記載の発明の作用に加え、制御手段が、燃料タンクの内部圧力に係る低下程度に応じて燃料ポンプの吸入側の圧力低下を減少させるので、燃料ポンプでのベーパロックに起因した損失増大による吸入側の圧力低下が必要以上に減少することがなく、燃料ポンプにより圧送される液化ガス燃料の流量が必要以上に減少することがない。

請求項１に記載の発明によれば、燃料タンクにおける内部圧力の低下にかかわらず、燃料ポンプの吸入側にてベーパの発生を抑えることができ、エンジンに供給される液化ガス燃料に不足が生じることを防止することができる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明の効果に加え、燃料タンクにおける内部圧力の低下程度に応じて最大量の液化ガス燃料をエンジンに供給することができる。

以下、本発明におけるエンジンの液化ガス燃料供給装置を、液化ガス燃料としての液化石油ガス（ＬＰＧ）を使用するＬＰＧエンジンに具体化した一実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。

図１に、この実施形態のＬＰＧエンジンシステムを概略構成図により示す。車両に搭載されたエンジンシステムは、液相状態のＬＰＧを貯留する燃料タンク１を備える。燃料タンク１に内蔵された燃料ポンプ２は、同タンク１に貯留される液相状態のＬＰＧを吸入してエンジン３への燃料ライン５へ吐出する。この実施形態で、燃料ポンプ２は、モータによりインペラを回転させることにより流体を吸入してエンジン３への燃料ライン５へ吐出させるものである。従って、燃料ポンプ２に供給される電圧の大きさに応じてモータの回転速度（回転数）、すなわち燃料ポンプ２の回転速度（回転数）が高くなり、燃料ポンプ２の吐出流量が大きくなり、そのために吸入側の圧力低下も大きくなる。この実施形態で、ＬＰＧ用エンジン３は、４気筒のレシプロタイプであり、１番気筒＃１、２番気筒＃２、３番気筒＃３及び４番気筒＃４を備える。各気筒＃１〜＃４のそれぞれには、液相状態のＬＰＧを噴射供給するためのインジェクタ４が設けられる。燃料ポンプ２から吐出される液相状態のＬＰＧは、燃料ライン５及びデリバリパイプ６を通じて各インジェクタ４へ供給される。その供給された液相状態のＬＰＧは、各インジェクタ４が動作することにより、吸気通路７に通じる各気筒＃１〜＃４の吸気ポートへ液相状態で噴射される。吸気通路７には、エアクリーナ８を通じて外部から空気が取り込まれる。吸気通路７に取り込まれた空気と、各インジェクタ４から噴射される液相状態のＬＰＧは、可燃混合気として各気筒＃１〜＃４の燃焼室に吸入される。デリバリパイプ６で余った液相状態のＬＰＧは、リターンライン９を通じて燃料タンク１へ戻される。この実施形態では、各インジェクタ４及びデリバリパイプ６により、燃料噴射用機器が構成される。

吸気通路７には、スロットルバルブ１０が設けられる。このスロットルバルブ１０は、運転席に設けられたアクセルペダル１１の操作に連動して開閉される。この開閉により、吸気通路７から各気筒＃１〜＃４に吸入される空気量（吸気量）が調節される。

各気筒＃１〜＃４の燃焼室にそれぞれ設けられた点火プラグ１２は、各気筒＃１〜＃４に配置されたイグナイタ内蔵のイグニションコイル１４を介して出力される点火信号を受けて点火動作する。各点火プラグ１２及び各イグニションコイル１４は、各気筒＃１〜＃４の燃焼室に吸入される可燃混合気に点火する点火装置を構成する。各気筒＃１〜＃４において、吸気行程で燃焼室に吸入される可燃混合気は、圧縮行程で圧縮され、膨張行程で点火プラグ１２がスパーク動作することにより爆発・燃焼して膨張する。燃焼後の排気ガスは、その後の排気行程で燃焼室から排気通路１５を通じて外部へ排出される。そして、各気筒＃１〜＃４の燃焼室における可燃混合気の燃焼に伴い、ピストン（図示略）が動作してクランクシャフト１６が回転することにより、エンジン３で車両を走行させる駆動力が得られる。

燃料タンク１からデリバリパイプ６までの間の燃料ライン５には、第１遮断弁１８、燃料フィルタ１９及び第２遮断弁２０が直列に設けられる。燃料フィルタ１９は、液相状態のＬＰＧの中に混じる異物を除去するために使用される。第１及び第２の遮断弁１８，２０は、エンジン３の燃料カット時や緊急時に燃料タンク１からデリバリパイプ６へのＬＰＧの圧送を強制的に遮断するために閉じられる。

デリバリパイプ６から燃料タンク１までのリターンライン９には、第１レギュレータ２１及び第２レギュレータ２２が直列に設けられる。また、第２レギュレータ２２を迂回するバイパス通路２３には、第３遮断弁２４が設けられる。第３遮断弁２４は、通常は開いている。この常開状態で、デリバリパイプ６からリターンライン９を通じて燃料タンク１へ戻されるＬＰＧは、第１レギュレータ２１を通った後、第２レギュレータ２２を通ることなくバイパス通路２３を流れて燃料タンク１へ流れる。これにより、デリバリパイプ６の中のＬＰＧの燃料圧力はレギュレータ一つ分の一定圧力に保たれる。一方、第３遮断弁２４が閉じられることにより、デリバリパイプ６からリターンライン９を通じて燃料タンク１へ戻されるＬＰＧは、第１レギュレータ２１及び第２レギュレータ２２を通って燃料タンク１へ流れる。これにより、デリバリパイプ６の中のＬＰＧの燃料圧力がレギュレータ二つ分の一定圧力に保たれる。つまり、第３遮断弁２４が閉じられることにより、デリバリパイプ６の中のＬＰＧの燃料圧力が、通常状態よりも上昇することになる。リターンライン９の末端は、燃料タンク１の中に配置され、ＬＰＧの逆流を防止するために逆止弁２５が設けられる。

上記した各インジェクタ４及びイグナイタ内蔵の各イグニションコイル１４は、それぞれ電子制御装置（ＥＣＵ）４０に接続される。また、エンジン３などに設けられる各種センサ等４１〜４７は、エンジン３の運転状態を検出するための運転状態検出手段に相当し、それぞれＥＣＵ４０に接続される。すなわち、スロットルバルブ１０に設けられるスロットルセンサ４１は、スロットルバルブ１０の開度（スロットル開度）ＴＡを検出し、その検出値に応じた電気信号を出力する。吸気通路７に設けられたエアフローメータ４２は、吸気通路７を流れる空気流量Ｑａを検出し、その検出値に応じた電気信号を出力する。エンジン３に設けられた水温センサ４３は、エンジン３の内部を流れる冷却水の温度（冷却水温）ＴＨＷを検出し、その検出値に応じた電気信号を出力する。エンジン３に設けられた回転速度センサ４４は、クランクシャフト１６の回転速度（エンジン回転速度）ＮＥを検出し、その検出値に応じた電気信号を出力する。排気通路１５に設けられた酸素センサ４５は、排気通路１５へ排出される排気ガス中の酸素濃度（出力電圧）Ｏｘを検出し、その検出値に応じた電気信号を出力する。運転席に設けられたイグニションスイッチ（ＩＧ・ＳＷ）４６は、エンジン３の始動に際してオン操作され、バッテリ３１からＥＣＵ４０へ電力を供給する。

この実施形態で、ＥＣＵ４０は、前述した各種センサ等４１〜４７から出力される各種信号を入力する。ＥＣＵ４０は、これらの入力信号に基づき、ＬＰＧ噴射制御及び点火時期制御等を実行するために、各インジェクタ４に噴射信号を出力するとともに、各イグニションコイル１４のイグナイタに点火信号を出力する。

ここで、ＬＰＧ噴射制御とは、各気筒＃１〜＃４に設けられるインジェクタ４によるＬＰＧ噴射量及びその噴射時期をエンジン３の運転状態に基づいて制御することである。従って、ＥＣＵ４０では、エンジン３の運転状態に応じたＬＰＧ噴射量が算出される。点火時期制御とは、エンジン３の運転状態に応じて各気筒＃１〜＃４におけるイグニションコイル１４のイグナイタを制御することにより、各気筒＃１〜＃４の点火プラグ１２による点火時期を制御することである。

ここで、ＬＰＧは、ガソリンに比べて温度や圧力に対する性状変化が大きいことから、各インジェクタ４から噴射される液相状態のＬＰＧの燃料量を正確に算出するために、ＬＰＧの温度状態及び圧力状態に応じて噴射量を補正する必要がある。そこで、この実施形態では、液相状態のＬＰＧの温度状態及び圧力状態を検出するために、燃料タンク１に、タンク用燃料温度センサ４８及びタンク用燃料圧力センサ４９が設けられる。タンク用燃料温度センサ４８は、燃料タンク１に貯留される液相状態のＬＰＧの温度（タンク内燃料温度）Ｔｔを検出し、その検出値に応じた電気信号を出力する。タンク用燃料圧力センサ４９は、燃料タンク１に貯留される液相状態のＬＰＧの圧力（タンク内燃料圧力）Ｐｔを検出し、その検出値に応じた電気信号を出力する。このタンク内燃料圧力Ｐｔは、燃料タンク１の内部圧力に相関した値を示すことになる。そこで、この実施形態では、タンク用燃料圧力センサ４９が、燃料タンク１の内部圧力を検出するための本発明における圧力検出手段に相当する。また、デリバリパイプ６に、デリバリ用燃料温度センサ５０及びデリバリ用燃料圧力センサ５１が設けられる。デリバリ用燃料温度センサ５０は、デリバリパイプ６における液相状態のＬＰＧの温度（デリバリ内燃料温度）Ｔｄを検出し、その検出値に応じた電気信号を出力する。デリバリ用燃料圧力センサ５１は、デリバリパイプ６における液相状態のＬＰＧの圧力（デリバリ内燃料圧力）Ｐｄを検出し、その検出値に応じた電気信号を出力する。これらのセンサ４８〜５１は、ＥＣＵ４０にそれぞれ接続される。また、ＥＣＵ４０には、上記した第１乃至第３の遮断弁１８，２０，２４がそれぞれ接続される。ＥＣＵ４０は、ＬＰＧ噴射制御に際して、これらのセンサ４８〜５１から出力される各種信号に基づき、ＬＰＧの組成及び性状等に応じて燃料噴射量を補正する処理を実行する。特に、この実施形態で、ＥＣＵ４０は、燃料タンク１及びデリバリパイプ６に設けられた各センサ４８〜５１により検出される燃料状態に基づき液相状態のＬＰＧにおける蒸気（ベーパ）の混入割合（混入したベーパの体積割合）を推定し、その推定される混入割合に応じて燃料噴射用機器、すなわちデリバリパイプ６及び各インジェクタ４から噴射供給される燃料量を補正するようになっている。

この実施形態で、燃料ポンプ２は駆動回路５２を介してＥＣＵ４０に接続される。駆動回路５２は、第１レジスタリレー５３及び第２レジスタリレー５４を備える。イグニションスイッチ（ＩＧ・ＳＷ）４６がオン操作されることにより、バッテリ３１から燃料ポンプ２へ電力が供給されるようになっている。ＥＣＵ４０は、タンク用燃料圧力センサ４９により検出されるタンク内燃料圧力Ｐｔに応じて、燃料ポンプ２に対する供給電圧を段階的に低下させるために駆動回路５２を制御するようになっている。この実施形態では、燃料タンク１の内部圧力が低下したとき、燃料ポンプ２の吸入側の圧力低下を減少させるように、ＥＣＵ４０が駆動回路５２を介して燃料ポンプ２を制御する。この実施形態で、ＥＣＵ４０及び駆動回路５２により、本発明の制御手段が構成される。

ＥＣＵ４０は、それぞれ中央処理装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、バックアップＲＡＭ、外部入力回路及び外部出力回路等を備える。ＥＣＵ４０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ及びバックアップＲＡＭと、外部入力回路及び外部出力回路等とをバスにより接続してなる論理演算回路を構成する。各ＲＯＭは、各種制御に関する所定の制御プログラムを予め記憶したものである。各ＲＡＭは、各ＣＰＵの演算結果を一時記憶するものである。各バックアップＲＡＭは、予め記憶したデータを保存するものである。各ＣＰＵは、入力回路を介して入力される各種センサ等４１〜５１からの信号に基づき、所定の制御プログラムに従って前述した各種制御等を実行する。

ここで、図２に、燃料ポンプ２の流量特性をグラフに示す。このグラフから分かるように、燃料ポンプ２の流量特性は、燃料ポンプ２に供給されるポンプ供給電圧Ｖｐの大きさにより変わる。また、流量特性は、タンク内燃料圧力Ｐｔの違いによっても異なることが分かる。すなわち、燃料ポンプ２の流量は、タンク内燃料圧力Ｐｔが「０.１ＭＰａ」から「０.２ＭＰａ」、「０.３ＭＰａ」と高くなるほど多くなることが分かる。また、タンク内燃料圧力Ｐｔが「０.１ＭＰａ」のときには、ポンプ供給電圧Ｖｐが「約９Ｖ」のときに流量が最大になることが分かる。また、タンク内燃料圧力Ｐｔが「０.２ＭＰａ」のときには、ポンプ供給電圧Ｖｐが「約１０Ｖ」のときに流量が最大になることが分かる。更に、タンク内燃料圧力Ｐｔが「０.３ＭＰａ」のときには、ポンプ供給電圧Ｖｐが「約１２Ｖ」のときに流量が最大になることが分かる。ここで、タンク内燃料圧力Ｐｔが小さいほど、液相状態における同量のＬＰＧが気化したときのベーパの体積割合は大きくなる。気体に加わる圧力に差があるためである。

次に、上記のような流量特性を有する燃料ポンプ２につき、ＥＣＵ４０が実行する燃料ポンプ制御について詳しく説明する。図３に、この燃料ポンプ制御の内容をフローチャートに示す。

先ず、ステップ１００で、ＥＣＵ４０は、タンク内燃料圧力センサ４９により検出されるタンク内燃料圧力Ｐｔを読み込む。

ステップ１１０で、ＥＣＵ４０は、読み込まれたタンク内燃料圧力Ｐｔが、所定値Ｐ１（例えば、「０．２ＭＰａ」）より大きいか否かを判断する。この判断結果が肯定である場合、ＥＣＵ４０は、ステップ１２０で、ポンプ供給電圧Ｖｐを高電圧ＶＨに設定するために駆動回路５２を制御する。すなわち、ＥＣＵ４０は、駆動回路４０の二つのレジスタリレー５３，５４をオフすることにより、バッテリ３１が保持するバッテリ電圧Ｖbat（約１２.６Ｖ）をダイレクトに燃料ポンプ２に供給する。これにより、図２の流量特性における「Ｐｔ＝０.３ＭＰａ」の曲線が表すように、燃料ポンプ２は、高電圧ＶＨにて相対的に多い流量を流すことができる。

一方、ステップ１１０の判断結果が否定である場合、ＥＣＵ４０は、ステップ１３０で、読み込まれたタンク内燃料圧力Ｐｔが、所定値Ｐ２（例えば、「０．１ＭＰａ」）より大きいか否かを判断する。この判断結果が肯定である場合、ＥＣＵ４０は、ステップ１４０で、ポンプ供給電圧Ｖｐを中電圧ＶＭに設定するために駆動回路５２を制御する。すなわち、ＥＣＵ４０は、駆動回路４０の第１レジスタリレー５３のみをオンすることにより、バッテリ電圧Ｖbat（約１２.６Ｖ）を「約１０Ｖ」に降圧して燃料ポンプ２に供給する。これにより、燃料ポンプ２の回転速度が低くなり吸入流量が減少するが、吸入側の圧力低下が減少してベーパの発生が減少し、吐出流量が減少して、図２の流量特性における「Ｐｔ＝０.２ＭＰａ」の曲線が表すように、燃料ポンプ２は、中電圧ＶＭ（約１０Ｖ）にて中程度の流量を流すようになる。

一方、ステップ１３０の判断結果が否定である場合、ＥＣＵ４０は、ステップ１５０で、ポンプ供給電圧Ｖｐを低電圧ＶＬに設定するために駆動回路５２を制御する。すなわち、ＥＣＵ４０は、駆動回路４０の二つのレジスタリレー５３，５４をオンすることにより、バッテリ電圧Ｖbat（約１２.６Ｖ）を「約８Ｖ」に降圧して燃料ポンプ２に供給する。これにより、燃料ポンプ２の回転速度が低くなり吸入流量が減少するが、吸入側の圧力低下が減少してベーパの発生が減少し、吐出流量が更に減少して、図２の流量特性における「Ｐｔ＝０.１ＭＰａ」の曲線が表すように、燃料ポンプ２は、低電圧ＶＬ（約８Ｖ）にて相対的に少ない流量を流すようになる。

以上説明したこの実施形態におけるエンジンの液化ガス燃料供給装置の構成によれば、タンク用燃料圧力センサ４９により検出されるタンク内燃料圧力Ｐｔが所定値Ｐ１より低下すると、ＥＣＵ４０が駆動回路５２を介して燃料ポンプ２の吸入側の圧力低下を減少させる。従って、燃料タンク１の内部圧力が低下するとき、燃料ポンプ２の吸入側の圧力低下が減少するので、燃料ポンプ２の吸入側にて圧力低下が少なくなり、液相状態のＬＰＧの蒸気化が抑えられる。このため、燃料タンク１における内部圧力が低下したとしても、燃料ポンプ２の吸入側でのベーパの発生を抑えることができ、燃料ポンプ２から各インジェクタ４へ圧送されるＬＰＧに流量不足が生じるのを防止して、エンジン３に供給されるＬＰＧに不足が生じることを防止することができる。

また、この実施形態において、ＥＣＵ４０は、検出されるタンク内燃料圧力Ｐｔの低下段階に応じてポンプ供給電圧Ｖｐを高電圧ＶＨから中電圧ＶＭへ、中電圧ＶＭから低電圧ＶＬへ２段階に降圧することで、燃料ポンプ２の吸入側の圧力低下を段階的に減少させる。従って、燃料ポンプ２でのベーパロックに起因した損失増大による吸入側の圧力低下が必要以上に減少して各インジェクタ４へ圧送されるＬＰＧ流量が必要以上に減少することがない。この結果、燃料タンク１における内部圧力の低下程度に応じて最大量のＬＰＧをエンジン３に供給することができる。

尚、この発明は前記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で以下のように実施することができる。

（１）前記実施形態では、タンク内燃料圧力Ｐｔの低下段階に応じてポンプ供給電圧Ｖｐを段階的に降圧することで、燃料ポンプ２の吸入側の圧力低下を段階的に減少させるようにしたが、タンク内燃料圧力Ｐｔの低下の程度に応じてポンプ供給電圧Ｖｐをリニアに降圧することで、燃料ポンプの吸入側の圧力低下をリニアに減少させるように構成してもよい。

（２）前記実施形態では、本発明を４気筒のエンジン３に具体化したが、４気筒以外の気筒数のエンジンにも具体化することができる。

（３）前記実施形態では、ＬＰＧを液化ガス燃料として使用したが、ＬＮＧ、ＤＭＥを液化ガス燃料として使用することもできる。

ＬＰＧエンジンシステムを示す概略構成図。 燃料ポンプの流量特性を示すグラフ。 燃料ポンプ制御の内容を示すフローチャート。

符号の説明

１ 燃料タンク
２ 燃料ポンプ
３ ＬＰＧ用エンジン
４ インジェクタ
４０ ＥＣＵ（制御手段）
４９ タンク用燃料圧力センサ（圧力検出手段）
５２ 駆動回路（制御手段）
Ｐ１ 所定値
Ｐ２ 所定値

Claims (2)

1. 燃料タンク内にて加圧されて液相状態で貯留される液化ガス燃料を、燃料ポンプによりインジェクタへ圧送してエンジンへ液相状態で噴射供給するように構成したエンジンの液化ガス燃料供給装置において、
   前記燃料タンクの内部圧力を検出するための圧力検出手段と、
   前記検出される内部圧力が所定値より低下したとき、前記燃料ポンプの吸入側の圧力低下を減少させるように前記燃料ポンプを制御するための制御手段と
   を備えたことを特徴とするエンジンの液化ガス燃料供給装置。
2. 前記制御手段は、前記検出される内部圧力の低下程度に応じて前記燃料ポンプの吸入側の圧力低下を減少させることを特徴とする請求項１に記載のエンジンの液化ガス燃料供給装置。

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