JP2008002382A - 内燃機関の燃料供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料噴射弁内の燃料を適切な温度に維持することができる技術を提供する。
【解決手段】内燃機関１に供給される燃料が気化する条件と関連する値を検出する気化条件検出手段１０と、燃料タンク５３から燃料噴射弁５に燃料を供給する燃料供給路５１，５２と、燃料噴射弁５から噴射されなかった燃料を燃料タンク５３に戻す燃料リターン通路と、を備え、リターン通路は、燃料噴射弁５とリターン通路を流れる燃料とで熱交換を行なう第１リターン通路５５と、燃料噴射弁５とリターン通路を流れる燃料とで熱交換を行なわない第２リターン通路５６と、を含み、燃料噴射弁５に供給される燃料が気化すると判断される場合には第１リターン通路５５に燃料を流し、気化すると判断されない場合には第２リターン通路５６に燃料を流す燃料リターン通路切替手段１０をさらに備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の燃料供給装置に関する。

天然ガス等を原料として製造される燃料を用いた内燃機関では、その燃料性状により気化のし易さ（揮発性）が変化するため、燃料の温度が高くなると燃料によっては燃料噴射弁の内部で気化することがある。燃料噴射弁から噴射される燃料は、該燃料噴射弁の開弁時間で制御されるため、燃料噴射弁の内部で燃料が気化すると、開弁時間と燃料噴射量との関係が変わってしまい、燃料噴射量を正確に制御することが困難となる。

例えばＤＭＥ（ジメチルエーテル）は、ＬＰＧ（液化石油ガス）と同様にどちらも常温で気体であるが、６から７気圧程度になると液化する。そして、このＤＭＥとＬＰＧとは混合することができる。そのため、ＤＭＥとＬＰＧとは混合して用いられることがある。そして、ＤＭＥは、ＬＰＧよりも、気化し易い（揮発性が高い）。そのため、この２つの燃料が混合された混合燃料中のＤＭＥの比率が高くなるほど混合燃料の揮発性が高くなり、燃料噴射弁内部で気化しやすい。そのため、ＤＭＥの比率が高くなるほど燃料噴射量の制御がより困難となるおそれがある。

ここで、燃料噴射弁に接続されるインジェクションパイプを二重構造とし、一方の通路を流れるＤＭＥを燃料噴射弁に供給し、他方の通路を流れるＤＭＥを冷却媒体とすることにより、該インジェクションパイプの温度上昇を抑制する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

しかし、燃料噴射弁を過剰に冷却すると、逆に燃料の気化が困難となり、例えば内燃機関の冷間始動時には、該内燃機関の始動が困難となったり、運転状態が不安定となったりするおそれがある。したがって、燃料噴射弁内の温度を適切な値とする必要がある。
特開２００３−３２８８７４号公報 特開２００５−１４６９６４号公報 特開２００３−３３６５５７号公報 特開２００５−６１４０１号公報

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、燃料噴射弁内の燃料を適切な温度に維持することができる技術を提供することを目的とする。

上記課題を達成するために本発明による内燃機関の燃料供給装置は、以下の手段を採用した。すなわち、本発明による内燃機関の燃料供給装置は、
液体の状態で燃料タンクに貯蔵されている燃料を供給し、且つ気化する条件が異なる複数の燃料を混合して供給可能な内燃機関の燃料供給装置であって、
前記内燃機関に供給される燃料が気化する条件と関連する値を検出する気化条件検出手段と、
前記燃料噴射弁に接続され前記燃料タンクから該燃料噴射弁に燃料を供給する燃料供給路と、
前記燃料噴射弁から噴射されなかった燃料を前記燃料タンクに戻す燃料リターン通路と、
を備え、
前記リターン通路は、
前記燃料噴射弁と前記リターン通路を流れる燃料とで熱交換を行なう第１リターン通路と、
前記燃料噴射弁と前記リターン通路を流れる燃料とで熱交換を行なわない第２リターン通路と、
を含み、
前記燃料噴射弁に供給される燃料が気化すると判断される場合には前記第１リターン通路に燃料を流し、気化すると判断されない場合には第２リターン通路に燃料を流す燃料リターン通路切替手段をさらに備えることを特徴とする。

前記内燃機関は、複数の燃料を混合したものを混合燃料として使用することができる。ここで、混合燃料における気化のし易さは、該混合燃料に含まれる夫々の燃料における気化のし易さと、混合燃料中の夫々の燃料の比率と、によって変化する。

気化条件検出手段は、混合燃料の気化のし易さと関係する値を検出する。例えば、供給され得る燃料の気化のし易さを予め記憶しておくか燃料供給時に入力し、さらにどの燃料がどのくらい供給されたかを検出し、混合燃料中の各燃料の比率と各燃料の気化のし易さとに基づいて混合燃料の気化する条件と関連する値を得るようにしてもよい。

ところで、燃料タンクから燃料噴射弁に供給される燃料量は、燃料噴射弁から噴射される燃料量よりも多い。そして、燃料噴射弁から噴射されなかった燃料は、燃料タンクに戻される。

ここで、第１リターン通路に燃料を流すと、燃料噴射弁と該第１リターン通路を流れる燃料とで熱交換が行なわれるので、燃料噴射弁の温度が高くなっていても該温度を低下させることができる。すなわち、燃料噴射弁内の燃料が気化すると判断される場合には、該第１リターン通路に燃料を流すことにより、燃料の気化を抑制することができる。

また、第１リターン通路を燃料噴射弁の先端付近、すなわち燃料噴射口付近に通すことにより、燃料噴射弁から燃料が噴射され気化するときの気化潜熱により、該第１リターン通路を流れる燃料の温度を低下させることができる。この燃料は燃料タンクに戻るため、該燃料タンク内の燃料の温度を低下させることができ、さらには燃料タンクから燃料噴射弁に供給される燃料の温度を低下させることができる。これにより、燃料噴射弁内の燃料が気化することを抑制できる。

しかし、燃料を常に第１リターン通路へ流していると、燃料噴射弁が過剰に冷却されるので、内燃機関の冷間始動時には気化が促進されずに内燃機関の運転状態が不安定となるおそれがある。このような場合には、燃料を第２リターン通路に流す。これにより、燃料噴射弁の過剰な冷却が抑制されるので、冷間始動時の燃料の気化を促進させることができる。

なお、「燃料噴射弁に供給される燃料が気化すると判断される場合」には、気化するおそれのある場合を含み、ある程度の余裕を持っていてもよい。

また、本発明においては、前記内燃機関は、ＤＭＥとＬＰＧとを混合して混合燃料として用い、
前記気化条件検出手段は、
前記内燃機関で発生するノックを検出するノック検出手段と、
前記ノック検出手段によりノックが検出された場合には前記火花点火の時期を遅角させ
る点火時期遅角手段と、
を備え、
前記燃料リターン通路切替手段は、火花点火の遅角量が所定量よりも大きい場合に第１リターン通路に燃料を流すことができる。

ここで、ＬＰＧ（液化石油ガス）はオクタン価が高いが、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）はそれと比較してオクタン価が低い。そして、ＬＰＧとＤＭＥとを混合した混合燃料中のＬＰＧの比率が高くなるほど混合燃料のオクタン価が高くなりノッキングが発生し難くなる。一方、ＤＭＥの比率が高くなるほど混合燃料のオクタン価が低くなりノッキングが発生しやすくなる。

そして、点火時期を遅角させるほどノッキングが発生し難くなるので、点火時期とノッキングの発生とには相関関係がある。また、オクタン価が高くなるほどノッキングが発生し難くなる。そのため、点火時期が遅角されるほど、ノッキングが発生しやすく、オクタン価が低いと判断できる。つまり、点火時期が遅角されるほど、混合燃料中のＤＭＥの比率が高いと判断できる。

そして、点火時期の遅角量が所定量よりも大きくなった場合には、ＤＭＥの比率か高いために燃料噴射弁へ供給される燃料が気化すると判断される。すなわち所定量とは、燃料が気化するおそれのない遅角量の上限値とすることができる。

なお、「点火時期の遅角量」は、基本となる点火時期からの遅角量としてもよい。この基本となる点火時期からの遅角量は、オクタン価が低くなるほど、大きくなる。

本発明によれば、燃料噴射弁内の燃料を適切な温度に維持することができる。

以下、本発明に係る内燃機関の燃料供給装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。

図１は、本実施例に係る内燃機関の燃料供給装置を適用する内燃機関１、並びにその吸気系および排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、水冷式の４気筒４サイクルエンジンである。内燃機関１は、ＬＰＧ（液化石油ガス）およびＤＭＥ（ジメチルエーテル）を任意の割合で混合した混合燃料を用いることができる。なお、他の気体燃料を混合してもよい。

内燃機関１には、各気筒２へ通じる吸気通路３の一端が気筒２毎に接続されている。この吸気通路３の他端は夫々サージタンク４に接続されている。

各吸気通路３には、該吸気通路３内に燃料を噴射する燃料噴射弁５が夫々取り付けられている。各燃料噴射弁５は、夫々デリバリパイプ５１に接続されている。

デリバリパイプ５１の一端側には、燃料供給管５２の一端が接続されており、該燃料供給管５２の他端は、燃料タンク５３内の燃料ポンプ５４に接続されている。一方、デリバリパイプ５１の他端側には、第１リターン通路５５の一端および第２リターン通路５６の一端が流路切替弁５７を介して接続されている。この流路切替弁５７は、第１リターン通路５５の一端または第２リターン通路５６の一端の何れか一方とデリバリパイプ５１の他端側とを連通させる。なお、本発明においてはデリバリパイプ５１および燃料供給管５２
が、本発明における燃料供給路に相当する。

第１リターン通路５５の他端および第２リターン通路５６の他端は、燃料タンク５３に接続されている。また、第１リターン通路５５の途中には、燃料噴射弁５の一部と接触している熱交換部５８が設けられている。なお、熱交換部５８に貫通孔を設け、該貫通孔に燃料噴射弁５の先端を嵌合させることにより、燃料噴射弁５の一部と熱交換部５８とを接触させても良い。また、熱交換部５８と燃料噴射弁５とは一体となっていても良い。

そして、デリバリパイプ５１には、該デリバリパイプ５１内の圧力を検出する燃料圧力センサ１１と、該デリバリパイプ５１内の温度を検出する燃料温度センサ１２と、が取り付けられている。

さらに、内燃機関１には、気筒２内で発生するノッキングを検出するノックセンサ１３が取り付けられている。なお、本発明においてはノックセンサ１３が、本発明におけるノック検出手段に相当する。また、内燃機関１には、気筒２内に火花を発生させる点火プラグ６が取り付けられている。

そして、内燃機関１には、各気筒２へ通じる排気通路７が接続されている。

以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ１０が併設されている。このＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御する。

ＥＣＵ１０には、前記センサが電気配線を介して接続され、これらセンサの出力信号が入力されるようになっている。一方、ＥＣＵ１０には、燃料噴射弁５と、点火プラグ６と、流路切替弁５７とが電気配線を介して接続され、これらがＥＣＵ１０により制御される。

燃料ポンプ５４が作動すると、燃料タンク５３内に貯留されている燃料が燃料供給管５２内に吐出される。この燃料は、燃料供給管５２内を流れてデリバリパイプ５１に到達する。そして、デリバリパイプ５１から各燃料噴射弁５へ燃料が分配される。ＥＣＵ１からの信号により燃料噴射弁５が開弁されると、燃料噴射弁５内から吸気通路３へ燃料が噴射される。

ここで、燃料ポンプ５４から吐出される燃料量は、燃料噴射弁５から噴射される燃料量よりも多い。そのため、デリバリパイプ５１へ到達した燃料の中で、燃料噴射弁５から噴射されなかった燃料を燃料タンク５３へ戻している。ここで、ＥＣＵ１０により流路切替弁５７が操作され、デリバリパイプ５１と第１リターン通路５５とが連通されると、デリバリパイプ５１内の燃料は第１リターン通路５５に流入する。そして、この燃料は、途中で熱交換部５８を通過しつつ第１リターン通路５５内を流れて燃料タンク５３に到達する。

第１リターン通路５５内を燃料が流れる場合、燃料が熱交換部５８を通過するときに、該熱交換部５８内の燃料と、燃料噴射弁５と、で熱交換が行なわれる。

ここで、気筒２内で燃料が燃焼することにより、内燃機関１のシリンダヘッドやシリンダブロックの温度が高くなる。そして、これらからの熱の輻射等により燃料噴射弁５の温度も上昇する。これにより、燃料噴射弁５内の燃料の温度も上昇する。

しかし、デリバリパイプ５１から第１リターン通路５５に流入した燃料の温度は、燃料
噴射弁５内の燃料の温度よりも低い。すなわち、燃料噴射弁５内に流入した燃料は、該燃料噴射弁５内でゆっくりと流れるため該燃料噴射弁５から熱を多く受ける。そのため、温度が上昇し易い。一方、デリバリパイプ５１から第１リターン通路５５に流入した燃料は、速やかに熱交換部５８に達し、しかもその量が多いため、温度が上昇し難い。

そのため、熱交換部５８内を流れる燃料の温度と、燃料噴射弁５内の燃料の温度と、を比較すると、熱交換部５８内を流れる燃料の温度のほうが低い。したがって、熱交換部５８を燃料が通過することにより、燃料噴射弁５の温度が低下され、さらには燃料噴射弁５内の燃料の温度が低下される。なお、第１リターン通路５５を流れる燃料の温度の上昇を抑制するために、燃料ポンプからの燃料の吐出量を多くしても良く、第１リターン通路５５やデリバリパイプ５１に断熱材を巻いても良い。

一方、ＥＣＵ１０により流路切替弁５７が操作され、デリバリパイプ５１と第２リターン通路５６とが連通されると、デリバリパイプ５１内の燃料は第２リターン通路５６に流入する。そして、この燃料は第２リターン通路５６内を流れて燃料タンク５３に到達する。すなわち、第２リターン通路５６内を流れる燃料は、燃料噴射弁５と熱交換を行なわずに燃料タンク５３に戻される。

そして、本実施例では、点火プラグ６から火花を発生させる時期（以下、点火時期という。）をノックセンサ１３の出力信号に基づいてフィードバック制御している。すなわち、ノックセンサ１３によりノッキングが検出された場合には、点火時期を所定時期だけ遅らせる（「遅角させる」ともいう。）。そして、ノッキングが検出されなくなるまで繰り返し点火時期を遅角させる。

ここで、混合燃料中のＬＰＧの比率が比較的高い場合には、それに応じて混合燃料のオクタン価が高くなるため、ノッキングが発生し難い。すなわち、点火時期のフィードバック制御では、点火時期を遅角させる量が小さい。

一方、混合燃料中のＤＭＥの比率が高くなると、それに応じて混合燃料のオクタン価が低くなるため、ノッキングが発生しやすい。すなわち、点火時期のフィードバック制御では、点火時期を遅角させる量が大きい。

ところで、ＤＭＥは、ＬＰＧよりも、気化し易い（揮発性が高い）。そのため、この２つの燃料が混合された混合燃料中のＤＭＥの比率が高くなるほど混合燃料の揮発性が高くなり、燃料噴射弁５内で燃料が気化し易い。

そのため、本実施例では、点火時期の遅角量が許容値を超える場合には、ＤＭＥの比率が高い、すなわち混合燃料が気化し易いとして第１リターン通路５５に燃料を流す。一方、点火時期の遅角量が許容値以下の場合には、ＬＰＧの比率が高い、すなわち混合燃料が気化し難いとして第２リターン通路５６に燃料を流す。

次に、本実施例に係る流路切替弁５７の制御フローについて説明する。図２は、本実施例に係る流路切替弁５７の制御フローを示したフローチャートである。本ルーチンは、所定の時間毎に繰り返し実行される。

ステップＳ１０１では、点火時期Ｔが入力される。基本となる点火時期（以下、基本点火時期という。）は、機関回転数および機関負荷等に基づいて決定される。

ステップＳ１０２では、ノッキングが発生しているか否か判定される。すなわちノックセンサ１３によりノッキングが検出されているか否か判定される。ステップＳ１０２で肯
定判定がなされた場合にはステップＳ１０３へ進み、一方否定判定がなされた場合にはステップＳ１０４へ進む。

ステップＳ１０３では、点火時期が遅角されるとともに、遅角量が積算される。すなわち、以下の処理が行なわれる。
Ｔ←Ｔ−ΔＴ０
τ＝ΣΔＴ０

ただし、Ｔは点火時期、ΔＴ０は遅角量、τは遅角量の積算値である。すなわち、現在の点火時期から遅角量を減じた値が、新たな点火時期とされる。また、遅角量の積算値τは、基本点火時期からの遅角量としてもよい。この遅角量の積算値τはオクタン価に応じて変わる。その後、ステップＳ１０２へ戻る。そして、ノッキングが発生しなくなるまでステップＳ１０２およびステップＳ１０３の処理が繰り返し実行される。なお、本実施例においてはステップＳ１０３の処理を実行するＥＣＵ１０が、本発明における点火時期遅角手段に相当する。

ステップＳ１０４では、遅角量の積算値τに基づいて、混合燃料中のＤＭＥの比率Ｒが算出される。遅角量の積算値τとＤＭＥの比率との関係は予め実験等により求めておく。このＤＭＥの比率Ｒは、燃料噴射弁５内の燃料の気化のし易さと関連する値である。なお、本実施例においてはステップＳ１０２からステップＳ１０４の処理を実行するＥＣＵ１０が、本発明における気化条件検出手段に相当する。

ステップＳ１０５では、ＤＭＥの比率Ｒが所定値Ａ０よりも高いか否か判定される。所定値Ａ０は、燃料噴射弁５内の燃料が気化するおそれのないＤＭＥの比率の上限値である。この所定値Ａ０は、デリバリパイプ５１内の圧力や温度に応じて変更してもよい。なお、燃料が気化するＤＭＥの比率からある程度の余裕を考慮して所定値Ａ０を設定してもよい。

ステップＳ１０５で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０６へ進み、一方否定判定がなされた場合にはステップＳ１０７へ進む。

ステップＳ１０６では、第１リターン通路５５へ燃料が流される。すなわち、流路切替弁５７によりデリバリパイプ５１と第１リターン通路５５とが連通される。これにより、燃料噴射弁５の温度が低下されるので、該燃料噴射弁５内の燃料が気化することが抑制される。

ステップＳ１０７では、第２リターン通路５６へ燃料が流される。すなわち、流路切替弁５７によりデリバリパイプ５１と第２リターン通路５６とが連通される。これにより、燃料噴射弁５の温度が過剰に低下されるのが抑制されるので、該燃料噴射弁５から噴射された燃料の気化を促進させることができる。なお、本実施例においてはステップＳ１０５からステップＳ１０７の処理を実行するＥＣＵ１０が、本発明における燃料リターン通路切替手段に相当する。

このようにして、混合燃料中のＤＭＥの比率が高いために燃料噴射弁５内で燃料が気化するような場合に、第１リターン通路５５に燃料を流して燃料噴射弁５を冷却することにより、燃料噴射弁５内での燃料の気化を抑制することができる。これにより、燃料噴射量の制御を容易にすることができる。

一方、混合燃料中のＬＰＧの比率が高い場合には、第２リターン通路５６に燃料を流すことにより、燃料噴射弁５の過冷却を抑制することができる。これにより、内燃機関１の
冷間時において燃料噴射弁５から噴射された燃料が気化しやすくなるので、燃料噴射量の制御を容易にすることができる。

このように、本実施例によれば燃料噴射弁５内の燃料の温度を適切な値に維持することができる。なお、本実施例においては、第１リターン通路５５を流れる燃料により燃料噴射弁５を冷却しているが、熱交換部５８が燃料噴射弁５の噴射口近傍に設置されることにより、該熱交換部５８を流れる燃料を冷却することもできる。

ここで、燃料噴射弁５から噴射される燃料は圧力が低下するために気化する。このときに燃料の温度が低下する。この燃料の温度の低下により、燃料噴射弁５の噴射口近傍では温度が低下する。この温度の低下を利用して、熱交換部５８内の燃料の温度を低下させることができる。そして、この燃料が燃料タンク５３に戻ることにより、該燃料タンク５３内の燃料の温度上昇を抑制することができる。なお、熱交換部５８の一部において該熱交換部５８内の燃料で燃料噴射弁３を冷却しつつ、熱交換部５８の他部において燃料噴射弁５から噴射される燃料により該熱交換部５８内の燃料を冷却しても良い。

なお、混合燃料中のＤＭＥの比率が高いほど、混合燃料の気化潜熱が高いため、第１リターン通路５５内の燃料の温度低下が大きくなる。そのため、ＤＭＥの比率が予め定めておいた値よりも高いときに、第１リターン通路５５に燃料を流すようにしてもよい。

実施例に係る内燃機関の燃料供給装置を適用する内燃機関、並びにその吸気系および排気系の概略構成を示す図である。 実施例に係る流路切替弁の制御フローを示したフローチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 気筒
３ 吸気通路
４ サージタンク
５ 燃料噴射弁
６ 点火プラグ
７ 排気通路
１０ ＥＣＵ
１１ 燃料圧力センサ
１２ 燃料温度センサ
１３ ノックセンサ
５１ デリバリパイプ
５２ 燃料供給管
５３ 燃料タンク
５４ 燃料ポンプ
５５ 第１リターン通路
５６ 第２リターン通路
５７ 流路切替弁
５８ 熱交換部

Claims (2)

1. 液体の状態で燃料タンクに貯蔵されている燃料を供給し、且つ気化する条件が異なる複数の燃料を混合して供給可能な内燃機関の燃料供給装置であって、
   前記内燃機関に供給される燃料が気化する条件と関連する値を検出する気化条件検出手段と、
   前記燃料噴射弁に接続され前記燃料タンクから該燃料噴射弁に燃料を供給する燃料供給路と、
   前記燃料噴射弁から噴射されなかった燃料を前記燃料タンクに戻す燃料リターン通路と、
   を備え、
   前記リターン通路は、
   前記燃料噴射弁と前記リターン通路を流れる燃料とで熱交換を行なう第１リターン通路と、
   前記燃料噴射弁と前記リターン通路を流れる燃料とで熱交換を行なわない第２リターン通路と、
   を含み、
   前記燃料噴射弁に供給される燃料が気化すると判断される場合には前記第１リターン通路に燃料を流し、気化すると判断されない場合には第２リターン通路に燃料を流す燃料リターン通路切替手段をさらに備えることを特徴とする内燃機関の燃料供給装置。
2. 前記内燃機関は、ＤＭＥとＬＰＧとを混合して混合燃料として用い、
   前記気化条件検出手段は、
   前記内燃機関で発生するノックを検出するノック検出手段と、
   前記ノック検出手段によりノックが検出された場合には前記火花点火の時期を遅角させる点火時期遅角手段と、
   を備え、
   前記燃料リターン通路切替手段は、火花点火の遅角量が所定量よりも大きい場合に第１リターン通路に燃料を流すことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料供給装置。

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