JP2006299838A - エンジンの燃料供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 リターン式とリンターンレス式との間で液化ガス燃料の供給方式を切換えるエンジンの燃料供給装置について、コストを高騰させずに燃料の気化を回避しながら戻し燃料を最小限に調整して、燃料タンク内温度の上昇を回避する。
【解決手段】 燃料供給管路途中で分岐する第一の燃料戻し管路９ａとインジェクタ８で噴射されなかった燃料を戻す第二の燃料戻し管路９ｂとが、それぞれ調圧器１４，１５を有して燃料タンク２に接続され、調圧器１５の設定圧力が調圧器１４より高く第一の燃料戻し管路９ａの遮断弁１２を開くことでリターンレス式とし、燃料レール６の近接位置に燃料圧力センサ５２および燃料温度センサ５１を配設し、これらの信号を検知した電子制御ユニット５０が、噴射燃料が気化する可能性のある状態になったと判断した場合およびエンジン始動時にリターン式とし、通常運転時にリターンレス式制御とした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ＬＰＧやＤＭＥのようにガソリンに比べて気化しやすい液体燃料を噴射弁より吸気管内に噴射してエンジンに供給する燃料供給装置に関し、殊に燃料供給管路内のＬＰＧを気化させることなく安定した液体の状態のまま噴射するとともに、燃料タンク内の過剰な温度上昇を回避するエンジンの燃料供給装置に関するものである。

液体燃料を、吸気管に配置した噴射弁で液体のまま計量噴射してエンジンに供給するシステムは周知であるが、ガソリンについては、図６に示すように燃料タンク２に貯蔵されている液体燃料を燃料ポンプ３で加圧して燃料供給管路４Ｂより燃料レール６に送ってエンジン２１の吸気管２２に配置した噴射弁８に分配し、噴射されなかった余剰燃料は圧力調整器１０を設置した燃料戻し管路９Ｂを経て燃料タンク２に戻すようにすることが普通である。一方、気化しやすい液体燃料であるＬＰＧについても、例えば実開昭６１−１３８８６０号公報、実開昭６２−８７１６２号公報、特開昭６３−１８１７２号公報に記載されているように、図６に示したものと同じシステムを使用している。

前記周知のリターン式燃料供給システムを、ＬＰＧのように気化しやすい液体燃料の噴射に適用することで、燃料レールやインジェクタ内の液体燃料がエンジンの熱による温度上昇で気泡を発生し燃料噴射量を不安定にしてしまう問題を回避することができる。しかし、長時間エンジンを運転した場合に、温度の高い余剰燃料が燃料タンクに多量に戻ることになり、燃料タンク内温度が上昇することに伴って燃料タンク内圧力も上昇してしまうことから、燃料タンク破損の危険性が生じたり燃料再充填が困難になったりする、という問題が生じる。

この問題に対し、本願出願人らは先に特開平１−１２７７００号公報において、燃料供給管路の燃料タンク近傍に接続された圧力調整器を有する第一の戻し管路と燃料レール末端側に接続された圧力調整器を有する第二の戻し管路に、それぞれ開閉弁を設けてこれを開閉制御することにより、エンジン始動時はリターン式とし始動後所定時間経過後はリターンレス式に切換えることで、タンク内温度の上昇を回避するものとした技術を提示した。

しかしながら、この技術においても実際の車両の使用状態を考慮した場合、殊にＬＰＧを燃料とするタクシー車両においては、渋滞や待機などのアイドル運転状態の割合が多く、走行によるエンジンルームへの冷却空気の流入が殆どないことも相俟って、燃料レールおよびインジェクタが高温に曝される機会（時間）が多くなりやすい。従って、このときにリターンレス式の燃料供給方式を採用すると、燃料消費量が少なく燃料流量が僅かであることから燃料レールおよびこれに近接した燃料供給管路内の燃料温度が次第に上昇して気泡を生じエンジン運転が不調に陥ってしまう、という問題が生じやすい。

これに対し、特開平７−２７０３０公報にはエンジンの燃料系部品の温度状態を検出するようにして、高温状態を検知した場合に燃料ポンプの制御量を増量側に補正するとともに、増量側に補正したときのみリターン式に切換えるものとした技術が提示されている。このような制御とすることで充分な燃料流量を確保することができることから、エンジンに近接する燃料供給管路内の燃料温度が過剰に上昇することを回避できる。

しかしながら、この技術は単にエンジンの燃料系部品の温度に基いて燃料吐出量および燃料供給方式の切換を制御するのみであり、供給燃料の気化を回避しつつ燃料タンクへの戻し燃料を最小限に調整するものではないため、長時間に亘るエンジンからの受熱が想定されるタクシー車両等のアイドル運転時等においては長時間に亘って温度の高い戻し燃料がタンク内に蓄積することとなり、内部温度が過剰に上昇するとともに圧力も上昇してしまう問題が生じる。
実開昭６１−１３８８６０号公報 実開昭６２−８７１６２号公報 特開昭６３−１８１７２号公報 特開平１−１２７７００号公報 特開平７−２７０３０公報

本発明は、上記のような問題点を解決しようとするものであり、リターン式とリンターンレス式との間で液化ガス燃料の供給方式を切換え可能としたエンジンの燃料供給装置について、製造コストの高騰を伴わない簡易な手段で、供給燃料の気化を確実に回避すべく燃料ポンプの運転状況を補正しながら戻し燃料を最小限に調整して、燃料タンク内温度の過剰な上昇を回避できるようにすることを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は、エンジン要求流量に対応して出力制御される燃料ポンプで燃料タンクの液化ガス燃料を加圧して燃料供給管路でインジェクタに送るものとされ、この燃料供給管路途中で分岐する第一の燃料戻し管路とインジェクタで噴射されなかった燃料を戻す第二の燃料戻し管路とが、それぞれ調圧器を有して燃料タンクに接続されており、第一の燃料戻し管路に電磁式の遮断弁を有し電子制御ユニットがこの遮断弁を開閉制御することにより、燃料供給方式をリターン式とリターンレス式との間で切換制御するものとしたエンジンの燃料供給装置において、
第二の燃料戻し管路の調圧器の設定圧力が第一の燃料戻し管路の調圧器の設定圧力よりも高く、第一の燃料戻し管路の遮断弁を開くことでリターンレス式となるものとされ、且つ、燃料供給管路のインジェクタおよび燃料レールに近接した位置に燃料圧力センサおよび燃料温度センサが配設されて、これらの出力信号を検知している電子制御ユニットが噴射燃料が気化する可能性のある状態になったと判断した場合およびエンジン始動時にリターン式とし、通常運転時にリターンレス式とする制御を実行するものとした。

このように一つの遮断弁を開閉制御するだけの簡易且つ低廉な構成で、エンジン（ルーム）を通過して加熱された燃料が再び燃料タンクへ戻る量を基本的に無い（リターンレス）ものとし、インジェクタおよび燃料レールに近接する位置に配設した燃料温度センサと燃料圧力センサにより供給燃料の状態をモニタリングし、燃料が気化する畏れのある警戒状態に入った場合に、燃料供給方式をリターンレス式からリターン式に切換えることにより、長時間運転における使用条件下においても、燃料が気化するトラブルを回避しながら燃料タンク内温度の過剰な上昇を回避することが可能となる。

また、上述したエンジンの燃料供給装置において、燃料タンクの燃料温度を検知するための燃料温度検出手段を配置し、電子制御ユニットがこの燃料温度検出手段で燃料タンク内に貯蔵している燃料温度をモニタリングするものとし、検知した燃料温度値を基に、燃料供給方式をリターン式からリターンレス式へ移行する切換え規準値を変更するものとすれば、燃料タンク内温度に変動があっても噴射燃料の気化をより確実に回避しやすいものとなる。

さらに、このエンジンの燃料供給装置において、電子制御ユニットが、使用する液化ガス燃料における気相と液相との境界値となる温度と圧力の関係を示す蒸気圧曲線データを記憶手段に記憶しているものとし、検知した燃料温度値がこの境界値に近づいて所定の警戒温度域に入った場合に、この警戒温度域外に戻るまで通常運転用の出力として燃料ポンプの制御を行うものとすれば、燃料供給管路内における液体燃料の気化をより確実に回避することができる。そして、その燃料温度検出手段を、電子制御ユニットが一定時間間隔で燃料ポンプの運転をフィードバック制御とオープンループ制御との間で切換えるものとして、燃料圧力センサで検知した燃料圧力値から燃料タンク内の燃料圧力を逆算し、前述の蒸気圧曲線データにより燃料タンク内の燃料温度を推定することにより燃料温度を検出するものとすれば、燃料タンク用の燃料温度センサを不要としてコストを低廉に抑えることができる。

さらにまた、このエンジンの燃料供給装置において、長時間運転においては燃料タンク内温度が徐々に変化してタンク内圧力も徐々に変化することから、電子制御ユニットが、逆算した燃料タンク内燃料圧力値を用いて次回のフィードバック制御における燃料圧力目標値を適宜変更して実行するものとすれば、コストを低廉に抑えながら、より精密なフィードバック制御を行うことができる。

加えて、上述したエンジンの燃料供給装置において、電子制御ユニットが燃料温度センサおよび燃料圧力センサで燃料温度および燃料圧力を常時モニタリングして、燃料が燃料供給管路内で気化しない範囲の所定圧力に燃料ポンプの出力をフィードバック制御するものとする。これにより、燃料供給管路の切換えのみでは対応できない燃料温度・圧力の変化に柔軟に対応することができるが、殊にリターン式への切換時に第二の燃料戻し管路の開放による燃料の急激な圧力低下を防止して燃料の気化を有効に回避することができるものである。斯かるフィードバック制御により、燃料タンクへの戻し燃料の量を最小限に調整することも容易となる。

そして、電子制御ユニットによる燃料ポンプの出力制御を燃料ポンプへの供給電力を変化させることにより所定の出力とするものとすれば、燃料ポンプの出力制御が容易且つ確実なものとなる。

本発明によると、燃料供給方式をリターン式とリンターンレス式との間で切換えるものとした燃料供給装置について、簡易な構成で製造コストを高騰させることなく、あらゆる場合に対応して供給燃料の気化を確実に回避すべくポンプの運転状況を補正しながら戻し燃料を最小限に調整し、燃料タンク内温度の過剰な上昇を有効に回避することができるものである。

本発明の実施の形態について、以下に図面を用いながら詳細に説明する。図１は、本実施の形態の燃料供給装置を配設したエンジンの燃料供給システムの配置図を示しており、燃料タンク２の出口側には燃料ポンプ３が配設されており、燃料供給管路４Ａが図示しないエンジンの吸気管２２においてスロットルバルブ７下流に設けられてインジェクタ８を複数配置した燃料レール６に接続されている。

また、燃料供給管路４Ａの燃料タンク２の近傍部分（例えば、車両後部トランク内等）には、ここで分岐して燃料タンク２に接続する第一の燃料戻し管路９ａが圧力調整器１４および遮断弁１２を有して設けられている。さらに、燃料レール６末端側から延出され、第一の燃料戻し管路９ａの遮断弁１２の下流側で合流する第二の燃料戻し管路９ｂが、圧力調整器１５を有して設けられて、これらで燃料戻し管路９Ａを形成している。尚、圧力調整器１４と圧力調整器１５の設定圧力（調整圧力）は、圧力調整器１４の設定噴射圧（P₁₄）＜圧力調整器１５の設定噴射圧（P₁₅）となるように設定してある。

そして、燃料供給管路４Ａのインジェクタ８近傍（燃料レール６入口付近）には、燃料温度を検出する温度センサ５１および燃料圧力を検出する圧力センサ５２が配設されており、それぞれ電子制御ユニット５０にデータ信号を出力するようになっている。電子制御ユニット５０は、エンジンの負荷状態に応じてＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御などにより燃料ポンプ３の出力を変更して吐出量を調整するようになっている。

さらに、電子制御ユニット５０は、第一の燃料戻し管路９ａに配置した電磁式の遮断弁１２を制御して、燃料供給方式をリターン式とリターンレス式との間で切換え制御を行うようになっており、エンジン始動時はリターン式とし、通常運転時はリターンレス式に制御するものであり、斯かる機能は上述した周知の燃料供給装置と同様である。

そして、本発明の特徴は、インジェクタ８および燃料レール６近傍に配設した温度センサ５１と圧力センサ５２により噴射燃料の状態を検知し、噴射燃料が気化する畏れが生じたときにリターン式に切換える制御とするとともに、電子制御ユニット５０の記憶手段に記憶されたデータから燃料タンク２内燃料の状態を推定して、推定したタンク内燃料温度により遮断弁１２の切換え値（温度）が可変に設定されるものとし、さらに一定時間で燃料ポンプ３の運転をフィードバック制御とオープンループ制御との間で切換えることで、次のクローズドループ制御における目標圧力値の設定変更を行えるようにした点にある。

先ず、図１の燃料供給システムの配置図を用いて本実施の形態の基本的な作用について説明すると、燃料タンク２に貯留された液体燃料（たとえば液体ＬＰＧ）は、燃料ポンプ３により燃料タンク２から燃料供給管路４Ａに送出され、遮断弁１１を通過して燃料レール６に入り、エンジンの吸気管２２内に開口するインジェクタ８から液体のまま噴射されるようになっている。

そして、通常運転におけるオープンループ制御時には、燃料戻し管路９ａに設置された圧力調整器１４により噴射圧力は所定の一定圧力Ｐ₁₄に調整され、余剰燃料は第一の燃料戻し管路９ａを経て燃料タンク２に戻されるようになっており、フィードバック制御（移行）時には、燃料ポンプ３は、圧力センサ５２の検出圧力に対し若干低めに設定されたフィードバック目標圧力（P₁₄−Pf）になるように電子制御ユニット５０で出力コントロールされ、燃料タンク２への燃料戻り量は０となる。

以下に、通常運転とは異なる特殊な運転状態時およびこれに対応する本実施の形態における特徴部分の作用について、各センサの出力信号、遮断弁１２および燃料ポンプ３の駆動信号の波形図示す図２を参照しながら説明する。

先ず、エンジン始動時（Ａの時点）について説明すると、所定の時間、燃料ポンプ３はオープンループ制御で運転され、遮断弁１２は閉の状態（リターン式）で、燃料供給管路４Ａ内はP₁₅の圧力で燃料レール６〜第二の燃料戻し管路９ｂの経路をたどって、余剰燃料は燃料タンク２に戻される。そして、所定時間経過後に遮断弁１２を開の状態とすると、P₁₄＜P₁₅の関係により、圧力調整器１４を燃料が通過するようになり、圧力調整器１５を通過する燃料はなくなってリターンレス経路を形成する。尚、この遮断弁１２の動作が実行された後、燃料ポンプ３はフィードバック制御に移行し、圧力調整器１４による設定噴射圧P₁₄に対し、若干低めに設定されたフィードバック目標圧力（P₁₄−Pf）になるよう、電子制御ユニット５０により出力コントロールされ、余剰燃料は０になる。また、燃料温度センサ５１による検知温度によっては、図３に示すようにオープンループ制御においても計算テーブルを持ち、燃料ポンプ３の出力値はこの温度に対応して異なるように制御される。

一方、特殊な運転状態、例えば急激な過渡運転時には、燃料ポンプ３はフィードバック制御からオープンループ制御になり、遮断弁１２は開の状態（リターンレス式）のままで余剰燃料は第一の燃料戻し管路９ａから燃料タンク２に戻る。

また、燃料レール６内およびインジェクタ８内の燃料温度が高温となった場合（Ｂの時点）、燃料ポンプ３はフィードバック制御からオープンループ制御となる。遮断弁１２は閉の状態（リターン式）となり、近傍の温度センサ５１が所定の設定温度に下がるまで、この状態を維持し、余剰燃料は第二の燃料戻し管路９ｂから燃料タンク２に戻る。その後、遮断弁１２を開の状態とすると圧力調整器１４を燃料が通過するようになり、圧力調整器１５を通過する燃料はなくなってフィードバック制御に移行し、圧力調整器１４による設定噴射圧力P₁₄に対し、若干低めに設定されたフィードバック目標圧力（P₁₄−Pf）になるよう電子制御ユニット５０により出力コントロールされ、余剰燃料は０となる。

本実施の形態においては、一定時間毎（周期的）に通常運転から燃料ポンプ３の運転出力のみをフィードバック制御状態からオープンループ制御状態に変更増量して、燃料圧力センサ５２の検出値をモニタリングし、電子制御ユニット５０で燃料タンク２内の燃料圧力を推定して、次のフィードバック制御の目標圧力（P’₁₄−Pf）を演算するものとし、これに基いて燃料ポンプ３の出力を徐々に低下させ、新たな更新フィードバック制御圧力目標値で運転を行うものとしており、より的確な制御を実現しやすいものとなっている。

ところで、図４の燃料ポンプの圧力と燃料流量との関係を表す特性曲線に示すように、ある運転状態において圧力調整器（プレッシャーレギュレータ）による設定圧力と交差するところで燃料流量が決まるものであるが、徐々にポンプ出力を低下させることで流量も減少し、更に低下させるとついには設定圧力との交点がなくなり、プレッシャーレギュレータを通過する燃料流量は０になる。従って、その瞬間に燃料レールおよびインジェクタ内の燃料圧力が顕著に低下してしまうことになる。

そのため、燃料レール６近傍に配設した圧力センサ５２は、燃料ポンプ３の出力低下開始後、燃料圧力が顕著に低下する瞬間をセンシングし、電子制御ユニット５０はそのときの運転出力値Ｄ１と出力低下開始時の運転出力値Ｄ０との平均値Ｄ２までポンプ出力を上昇させる。そして、再度Ｄ２から徐々に出力を下げ、前述と同様に圧力が顕著に低下するところで、その運転出力値Ｄ３とＤ２との平均値まで出力を上昇させ、この動作を繰り返す。

このような制御を実行することにより、上述したような特殊な運転状態であっても設定圧力値を維持しつつプ圧力調整器を通過する燃料の量がゼロに近づくように調整できるものであり、燃料圧力が急に低下して燃料供給管路に気泡を生じてしまうことを確実に回避しながら、燃料タンク２への戻し燃料の量を最小限とすることができるものである。

一方、図５には本実施の形態の燃料供給装置に用いるＬＰＧ燃料に関し、気相と液相との境界値となる圧力と温度との関係を表す蒸気圧線グラフを示しているが、電子制御ユニット５０は記憶手段にこのデータを予め記憶しており、図に示すようにクローズドループ制御時に燃料レール６近傍の燃料温度が上昇した場合において、この境界値に対応した警戒域（Ｔｍ）内の温度となったとき、クローズドループ制御を解除しオープンループ制御として通常運転の出力値まで上昇させ、温度が警戒域（Ｔｍ）外の温度に低下するまでこの出力値を維持する。

このような制御とすることにより、特殊な運転状態を継続することで燃料が気相に変化する温度となる前に燃料吐出量を増量して、確実且つ速やかに燃料温度を下げることができるものである。

本発明の実施の形態を示す配置図。 図１の燃料供給装置の動作を説明するための波形図。 燃料温度が低い場合の波形図。 図１の燃料ポンプの制御方法を説明するための、燃料ポンプの出力変動による燃料圧力の変動と燃料流量の変動との関係を示すグラフ。 図１の燃料供給装置に用いるＬＰＧにおいて、気相と液相との境界となる圧力と温度の関係を示す蒸気圧線のグラフ。 ガソリン噴射システムの配置図。

符号の説明

２ 燃料タンク、 ３ 燃料ポンプ、 ４Ａ 燃料供給管路、 ６ 燃料レール、 ８ インジェクタ、 ９ 燃料戻し管路、 ９ａ 第一の燃料戻し管路、 ９ｂ 第二の燃料戻し管路、 １１，１２ 遮断弁、 １４，１５ 圧力調整器、 ２２ 吸気管、 ５０ 電子制御ユニット、 ５１ 温度センサ、 ５２ 圧力センサ

Claims (7)

1. エンジン要求流量に対応して出力制御される燃料ポンプで燃料タンクの液化ガス燃料を加圧して燃料供給管路でインジェクタに送るものとされ、前記燃料供給管路途中で分岐する第一の燃料戻し管路と前記インジェクタで噴射されなかった燃料を戻す第二の燃料戻し管路とが、それぞれ調圧器を有して前記燃料タンクに接続されており、前記第一の燃料戻し管路に電磁式の遮断弁を有し電子制御ユニットが前記遮断弁を開閉制御することにより燃料供給方式をリターン式とリターンレス式との間で切換制御するエンジンの燃料供給装置において、
   前記第二の燃料戻し管路の調圧器の設定圧力が前記第一の燃料戻し管路の調圧器の設定圧力よりも高く、前記遮断弁を開くことでリターンレス式となるものとされ、且つ、前記燃料供給管路の前記インジェクタおよび前記燃料レールに近接した位置に燃料圧力センサおよび燃料温度センサが配設され、該両センサの出力信号を検知している前記電子制御ユニットが、噴射燃料が気化する可能性のある状態になったと判断した場合およびエンジン始動時にリターン式とし、通常運転時にリターンレス式とする制御を実行する、ことを特徴とするエンジンの燃料供給装置。
2. 前記燃料タンクの燃料温度を検知するための燃料温度検出手段が配置され、該燃料温度検出手段により前記電子制御ユニットが前記燃料タンク内の燃料温度をモニタリングし、検知した燃料温度値を基に燃料供給方式をリターン式からリターンレス式へ移行する切換え規準値を変更する、ことを特徴とする請求項１に記載したエンジンの燃料供給装置。
3. 前記電子制御ユニットは使用する液化ガス燃料における気相と液相との境界値となる温度と圧力の関係を示す蒸気圧曲線データを記憶手段に記憶しており、検知した燃料温度値が前記境界値に近づいて所定の警戒温度域に入った場合に、該警戒温度域外に戻るまで通常運転用の出力として前記燃料ポンプの制御を行う、ことを特徴とする請求項２に記載したエンジンの燃料供給装置。
4. 前記燃料温度検出手段は、前記電子制御ユニットが一定時間間隔で前記燃料ポンプの運転をフィードバック制御とオープンループ制御との間で切換えるものとされ、前記燃料圧力センサで検知した燃料圧力値から前記燃料タンク内の燃料圧力を逆算し、前記蒸気圧曲線データにより前記燃料タンク内の燃料温度を推定することにより燃料温度を検出する、ことを特徴とする請求項３に記載したエンジンの燃料供給装置。
5. 前記電子制御ユニットは、前記逆算した燃料タンク内燃料圧力値を用いて、次回のフィードバック制御における燃料圧力目標値を適宜変更して制御を実行する、ことを特徴とする請求項４に記載したエンジンの燃料供給装置。
6. 前記電子制御ユニットは、前記燃料温度センサおよび前記燃料圧力センサで常時燃料温度および燃料圧力をモニタリングし、燃料が前記燃料供給管路内で気化しない範囲の所定圧力に前記燃料ポンプの出力をフィードバック制御する、ことを特徴とする請求項１，２，３，４または５に記載したエンジンの燃料供給装置。
7. 前記電子制御ユニットによる燃料ポンプの出力制御は、前記燃料ポンプへの供給電力を変化させることにより所定の出力とする、ことを特徴とする請求項１，２，３，４，５または６に記載したエンジンの燃料供給装置。
   

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