JP2011012658A - 燃料供給システム、内燃機関および燃料供給システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関の始動性を向上させることのできる燃料供給システム、内燃機関および燃料供給システムの制御方法を提供する。
【解決手段】内燃機関の燃料供給システム１において、燃料タンク３から燃料噴射装置４にジメチルエーテルを供給する燃料供給管５と、燃料噴射装置４から燃料タンク３にジメチルエーテルを戻す燃料戻し管６との間に、それら接続するバイパス管３２を設けるとともに、そのバイパス通路３２にジメチルエーテルの流れを規制するオリフィス３３を設けた。これにより、燃料タンク３から燃料噴射装置２に供給されるジメチルエーテルの過剰分を、バイパス管３２を通じてオリフィス３３で規制しつつ燃料タンク３に逃がすことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料供給システム、内燃機関および燃料供給システムの制御方法に関し、更に詳しくは、ジメチルエーテル（以下、ＤＭＥと略す）等のような液化燃料を使用した内燃機関の始動性を向上させることができる燃料供給システム、内燃機関および燃料供給システムの制御方法に関する。

ＤＭＥを使用したディーゼルエンジンは煤の排出が無く、クリーンなエンジンとして注目されている。このディーゼルエンジンにおいて、燃料タンクから燃料噴射装置までの燃料供給は、燃料タンクに内蔵したインタンクポンプにより行い、燃料噴射装置のコモンレール噴射系の戻り燃料（インジェクタ噴射時のリーク、ポンプギャラリー戻り、プレッシャリミッタ戻り、減圧弁戻り等の戻り燃料）が燃料タンクの気相部へ戻る（例えば特許文献１，２参照）。

ところで、燃料供給に際して燃料タンクに内蔵されたインタンクポンプを用いる場合、ポンプ構造により低回転低吐出時に、燃料の吐出量がＤＭＥの低粘性特性に起因して不安定になることがある。そこで、燃料噴射装置への燃料供給量を安定させるためにポンプの回転数を上げると、エンジンへの燃料供給量がエンジンでの燃料消費量よりも過剰になるので、その過剰分をエンジンから燃料タンクに戻すことになる。

一方、ＤＭＥを使用したディーゼルエンジンにおいては、コモンレール噴射系のサプライポンプにギャラリー部を設け、逆止弁を用いて、ギャラリー部内の燃料圧力を一定に安定させ、コモンレールの圧力制御の安定性を確保するようにしている。しかし、上記のように燃料供給量が過剰になると、その過剰な燃料を逆止弁から大量に逃がすようにするため、逆止弁の大流量化が必要となる結果、逆止弁が大型となる問題がある。

このような逆止弁の大型化を防ぐためには、例えば逆止弁のサイズを変えないでクラッキング圧力を下げることにより、逆止弁を通じて過剰な燃料を燃料タンクに逃がすことが考えられる。しかし、この場合、長期にわたり車両を停止した場合などに、逆止弁のシート特性およびクラッキング圧力を下げたことによるシート不良等から、ＤＭＥがＤＭＥ蒸気圧特性に起因してエンジンから燃料タンク側に漏れ、ギャラリー部においてＤＭＥ気相部分が増加してしまう結果、エンジンの再始動時において、ギャラリー部からサプライポンプ吐出制御部分へ十分な液相が絶たれ、コモンレール圧力の昇圧不良が発生し、エンジン始動不良となる問題がある。また、エンジンから授熱した大量の過剰燃料が、サプライポンプから燃料タンクに戻るため、燃料タンク内の燃料温度が上昇し、燃料タンクの法令で規定された安全弁が吹き出す可能性がある。

特開２００８−２９８０４２号公報 特開２００７−２６３０６４号公報

本発明の目的は、内燃機関の始動性を向上させることができる燃料供給システム、内燃機関および燃料供給システムの制御方法を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明の燃料供給システムは、液化燃料が収容された燃料タンクと、前記燃料タンクから内燃機関の燃料噴射装置に液化燃料を供給する燃料供給通路と、前記燃料噴射装置から前記燃料タンクに前記液化燃料を戻す燃料戻し通路とを備えた燃料供給システムにおいて、前記燃料供給通路と前記燃料戻し通路とを接続するバイパス通路を設けるとともに、前記バイパス通路に前記液化燃料の流量を規制または制御する流量制御手段を設けたものである。

また、上記した燃料供給システムにおいて、前記内燃機関の運転状態に応じて前記流量制御手段の動作を制御する制御手段を備えたものである。

また、上記した燃料供給システムにおいて、前記流量制御手段は、絞り部、開閉弁または制御弁のいずれか１つ、あるいはこれらのうちのいずれか２つ以上を直列に接続してなるものである。

また、上記の目的を達成するための本発明の内燃機関は、上記の燃料供給システムを備えたものである。

また、上記の目的を達成するための本発明の燃料供給システムの制御方法は、液化燃料が収容された燃料タンクと、前記燃料タンクから内燃機関の燃料噴射装置に液化燃料を供給する燃料供給通路と、前記燃料噴射装置から前記燃料タンクに前記液化燃料を戻す燃料戻し通路とを備えた燃料供給システムの制御方法において、前記燃料供給通路と前記燃料戻し通路とを接続するバイパス通路を設けるとともに、前記バイパス通路に前記液化燃料の流量を制御する流量制御手段を設け、前記内燃機関の運転状態に応じて前記流量制御手段を制御し、前記バイパス通路の開度量を制御するものである。

また、上記した燃料供給システムの制御方法は、前記内燃機関の始動時および加速動作時に、前記流量制御手段により前記バイパス通路を閉じるように制御するものである。

本発明によれば、前記燃料供給通路と前記燃料戻し通路とを接続するバイパス通路を設け、そのバイパス通路に前記流量制御手段を設けたことにより、燃料タンクから内燃機関の燃料噴射装置に液化燃料を安定供給すべく燃料タンク内のポンプの回転数を上げたとしても、過剰な燃料を、燃料噴射装置の前段のバイパス通路を通じて燃料タンクに戻すことができるので、液化燃料が燃料噴射装置に過剰に流れ込んでしまうのを抑制または防止できる。

このため、燃料噴射装置内において燃料戻し通路が接続される逆止弁を大型化する必要がない。したがって、内燃機関を搭載する車両の小型軽量化を維持できるので、内燃機関の車両搭載性を維持できる。

また、その逆止弁のクラッキング圧力を下げる必要がなくなるので、クラッキング圧力を下げた場合に燃料噴射装置から燃料タンク側へ燃料が漏れてしまう不具合を防止することができる。このため、燃料噴射装置での燃料の液化を保つことができるので、内燃機関の再始動時に燃料圧力を確保することができる。その結果、内燃機関の始動性を向上させることができる。

また、液化燃料の過剰分を、燃料噴射装置に送ることなく、バイパス通路を通じて燃料タンクに戻すことができるので、液化燃料の温度上昇を抑制することができ、燃料タンクの温度上昇を抑制することができる。その結果、燃料タンクの安全弁の吹き出しを防止することができる。

本発明の第１の実施の形態の燃料供給システムの構成図である。 本発明の第２の実施の形態の燃料供給システムの構成図である。 本発明の第３の実施の形態の燃料供給システムの構成図である。 従来の燃料供給システムの構成図である。

以下、本発明の実施の形態の燃料供給システム、内燃機関および燃料供給システムの制御方法について添付の図面を参照しながら詳細に説明する。

図１に示す第１の実施の形態の燃料供給システム１は、例えばコモンレール方式のディーゼルエンジン（内燃機関：以下、単にエンジンという）２に、例えばジメチルエーテル（Ｃ_２Ｈ_６Ｏ：以下、ＤＭＥという）等のような液化燃料を供給するシステムである。

この燃料供給システム１は、燃料タンク３と、燃料噴射装置４と、燃料供給管（燃料供給通路）５と、燃料戻し管（燃料戻し通路）６とを備えており、エンジン２とともに、トラック等のような自動車に搭載される。

燃料タンク３は、ＤＭＥを貯留するためのタンクである。ＤＭＥは、融点−１３８．５℃、沸点−２３．７℃（１気圧）で、軽油と同程度のセタン価を有し、空気より比重が大きく、一般に空気中で分解し易いという性質を有している。なお、図１では、燃料タンク３が１つの場合を例示しているが、燃料タンク３を複数設けても良い。

この燃料タンク３の上部には、安全弁９が設置されている。この安全弁９は、燃料ポンプ３の気相部３ａでの圧力が予め設定された圧力以上になると気化したＤＭＥを大気に放出する機能を有する法令で規定された弁である。また、燃料タンク３の下部において、ＤＭＥを燃料タンク３内に充填する充填管１０ａの入口には充填バルブ１０ｂが設置されている。

また、燃料タンク３内の底部には、インタンクポンプ（第１ポンプ）１１が設置されている。このインタンクポンプ１１は、燃料タンク３内のＤＭＥをエンジン２の燃料噴射装置４のサプライポンプ（第２ポンプ）１２に圧送するポンプであり、燃料供給管５を通じてサプライポンプ１２に接続されている。インタンクポンプ１１には、燃料供給圧（フィード圧）を調節する調圧装置が備えられており、燃料タンク３内のＤＭＥは、燃料供給圧が調節された状態でサプライポンプ１２に圧送される。

また、このインタンクポンプ１１は、図示しない電子制御ユニット（制御手段、Engine Control Unit：以下、ＥＣＵという）に電気的に接続されている。ＥＣＵは、インタンクポンプ１１の動作を制御することにより、燃料タンク３からサプライポンプ１２への燃料の供給、燃料供給圧、単位時間当たりの燃料供給量および供給停止等を制御する。

燃料供給管５は、燃料タンク３からサプライポンプ１２にＤＭＥを供給する配管である。燃料供給管５の途中位置には、取出バルブ１３および電磁弁１４が、ＤＭＥの流れの方向（矢印Ａ）に沿って順に直列に接続されている。この電磁弁１４は、上記のＥＣＵに電気的に接続されている。ＥＣＵは、電磁弁１４の開閉動作を制御することにより、燃料タンク３からサプライポンプ１２への燃料の供給および供給停止を制御する。

サプライポンプ１２は、ＤＭＥをエンジン２の燃焼室内に噴射するのに適した圧力（数１０〜数１００ＭＰａ）にまで高めて燃料噴射装置４のコモンレール１５に送る調圧ポンプであり、高圧ポンプと、ＤＭＥの吐出圧力を調整可能な圧力調整弁とを有している。

また、サプライポンプ１２は、逆止弁１６を介して戻り配管２０ａに接続され、さらに燃料戻し管６に接続されている。逆止弁１６は、サプライポンプ１２の出口側の調圧弁の機能と、サプライポンプ１２から戻り配管２０ａに流れたＤＭＥが再びサプライポンプ１２に逆流するのを防止する機能とを有している。

また、サプライポンプ１２は、複数の配管２１を通じてコモンレール１５に接続されている。このコモンレール１５は、燃料噴射装置４の複数のインジェクタ（燃料噴射弁）２２に供給すべきＤＭＥを畜圧するための構成部であり、複数の配管２３を通じて複数のインジェクタ２２に接続されている。インジェクタ２２は、エンジン２の燃焼室内に燃料を噴射するための構成部である。インジェクタ２２の電磁弁は、上記したＥＣＵに電気的に接続されており、その動作が制御される。複数のインジェクタ２２には、戻り配管２０ｂが接続されている。戻り配管２０ｂは、戻り配管２０ａおよび燃料戻し管６に接続されている。

また、コモンレール１５は、プレッシャリミッタバルブ２５および減圧弁２６を介して戻り配管２０ｃに接続されている。この戻り配管２０ｃは、上記戻り配管２０ａ，２０ｂおよび燃料戻し管６に接続されている。プレッシャリミッタバルブ２５は、コモンレール１５内の燃料圧が限界設定圧を超えた際に開弁して、コモンレール１５内の圧力を限界設定圧以下に抑える圧力安全弁である。また、減圧弁２６は、エンジン２の運転状態によりコモンレール１５内の燃料圧力を下げる場合に、開放できるように設置したものである。この減圧弁２６は、上記のＥＣＵに電気的に接続されている。ＥＣＵは、減圧弁２６の開閉動作を制御することにより、コモンレール１５の燃料圧力を制御する。

燃料戻し管６は、燃料噴射装置４から燃料タンク３にＤＭＥを戻す配管である。この燃料戻し管６の途中位置には、電磁弁３０および戻りバルブ３１がＤＭＥの流れの方向（矢印Ｂ）に沿って順に直列に接続されている。この電磁弁３０は、上記のＥＣＵに電気的に接続されている。ＥＣＵは、電磁弁３０の開閉動作を制御することにより、エンジン２から燃料タンク３への燃料の戻りおよび戻り停止を制御する。

さらに、本実施の形態の燃料供給システム１においては、燃料供給管５と、燃料戻し管６との間に、これらを接続するバイパス管（バイパス通路）３２が設けられている。バイパス管３２は、燃料タンク３から燃料噴射装置４に向かって流れる過剰なＤＭＥを燃料噴射装置４に流すことなく燃料タンク３に戻す（逃がす）配管である。

また、バイパス管３２の途中位置には、オリフィス（流量制御手段、絞り部）３３が設けられている。オリフィス３３は、その中央にバイパス管３２の直径よりも小さな直径の開口を設けた部材であり、バイパス管３２に流れるＤＭＥを絞り、そのＤＭＥの流量を規制する部材である。ここではオリフィス３３の開口径は固定とされており、ＤＭＥがバイパス管３２を通じて燃料タンク３に戻り過ぎてしまわないように設定されている。なお、矢印Ｃはバイパス管３２においてＤＭＥが流れる方向を示している。

オリフィス３３に代えてベンチュリを用いても良い。ベンチュリは、ＤＭＥの流路径が、ある位置まで次第に小さくなり、かつ、そのある位置から次第に大きくなる構成を有している。

ここで、本発明の従来技術に対する優位性を説明するために従来技術について説明する。図４に、従来の燃料供給システム５０の構成を示す。従来の燃料供給システム５０の場合、燃料噴射装置４へのＤＭＥの供給量を安定させるためにインタンクポンプ１１の回転数を上げると、ＤＭＥの供給量がエンジン２での消費量よりも過剰になるので、その過剰分を逆止弁１６から戻り配管２０ａおよび燃料戻し管６を通じて燃料タンク３に戻す構成になっている。

過剰なＤＭＥを逆止弁１６から大量に逃がすには、逆止弁１６を大型にするか、逆止弁１６のクラッキング圧力を下げるかが考えられる。しかし、逆止弁１６を大型にすれば、エンジン２の小型軽量化に反し、エンジン２の車両搭載性を阻害する。一方、クラッキング圧力を下げると、長期にわたり車両を停止した場合などに、逆止弁１６のシート特性およびクラッキング圧力を下げたことによるシート不良等から、ＤＭＥがＤＭＥ蒸気圧特性に起因してエンジン２から燃料タンク３側に漏れ、サプライポンプ１２のギャラリー部（燃料通路部）においてＤＭＥ気相部分が増加してしまう。その結果、エンジン２の再始動時において、ギャラリー部からサプライポンプ吐出制御部分へ十分な液相が絶たれ、コモンレール１５の圧力の昇圧不良が発生し、エンジン２が始動不良となる。

また、従来の燃料供給システム５０においては、ＤＭＥが燃料噴射装置４に流れるのでエンジン２により温められるが、その温められた大量のＤＭＥが、燃料戻し管６を通じて燃料タンク３に戻るため、燃料タンク３内の燃料温度が上昇し、燃料タンク３の安全弁９が吹き出す可能性がある。

これに対して、図１に示す本実施の形態の燃料供給システム１においては、燃料供給管５と燃料戻し管６とを接続するようにバイパス管３２を設け、その途中位置にオリフィス３３を設けたことにより、燃料タンク３から燃料噴射装置４にＤＭＥを安定供給すべく燃料タンク３内のインタンクポンプ１１の回転数を上げたとしても、過剰なＤＭＥを、バイパス管３２を通じて常に燃料タンク３に逃がすことができ、ＤＭＥが燃料噴射装置４に過剰に流れ込んでしまうのを抑制または防止できる。

このため、逆止弁１６を大型化する必要がない。したがって、エンジン２を搭載する車両の小型軽量化を維持できるので、エンジン２の車両搭載性を維持できる。

また、逆止弁１６のクラッキング圧力を下げる必要がなくなるので、クラッキング圧力を下げた場合に燃料噴射装置４から燃料タンク３側へ燃料が漏れてしまう不具合を防止することができる。このため、燃料噴射装置４でのＤＭＥの液化を保つことができるので、エンジン２の再始動時に燃料圧力を確保することができる。その結果、エンジン２の再始動時の始動不良を回避でき、エンジン２の始動性を向上させることができる。

また、過剰なＤＭＥを、燃料噴射装置４に流すことなく、バイパス管３２を通じて燃料タンク３に戻すことができるので、ＤＭＥの温度上昇を抑制することができ、燃料タンク３の温度上昇を抑制することができる。その結果、燃料タンク３の安全弁９の吹き出しを防止することができる。

したがって、本実施の形態の燃料供給システム１においては、燃料タンク３からエンジン２にＤＭＥを安定して供給することができるので、エンジン２の動作安定性を向上させることができる。

次に、本発明の第２の実施の形態の燃料供給システム１を図２に示す。

本実施の形態の燃料供給システム１においては、バイパス管３２において、オリフィス３３の下流側に、電磁弁（流量制御手段、開閉弁）３４が、オリフィス３３と直列に接続された状態で設けられている。これ以外の構成は上記したのと同じである。

電磁弁３４は、バイパス管４２を開閉する弁であり、上記したＥＣＵに電気的に接続され、その開閉動作が制御される。すなわち、ＥＣＵは、エンジン２の運転状態（エンジンの回転速度、目標噴射量、加減速、燃料温度抑制等）に応じて、電磁弁３４の開閉を制御することにより、バイパス管３２の開閉を制御する。例えばＥＣＵは、エンジン２の始動時および加速動作時には、電磁弁３４によりバイパス管３２を閉じることにより、エンジン２の燃料噴射装置４にＤＭＥを大量に供給する。また、ＥＣＵは、エンジン２の通常動作時、減速動作時およびアイドリング動作時には、電磁弁３４によりバイパス管３２を開くことにより、バイパス管３２を通じて過剰なＤＭＥを燃料タンク３に逃がす。

このように本実施の形態の燃料供給システム１によれば、エンジン２の運転状態に応じて、過剰なＤＭＥを燃料タンク３に逃がしながら、エンジン２に適正量のＤＭＥを供給することができるので、エンジン２の動作安定性を向上させることができる。

次に、本発明の第３の実施の形態の燃料供給システム１を図３に示す。

本実施の形態の燃料供給システム１においては、バイパス管３２に比例電磁弁（流量制御手段、制御弁）３５が設けられている。オリフィスや開閉型の電磁弁は設けられていない。これ以外の構成は上記したのと同じである。

比例電磁弁３５は、バイパス管４２の開度量を任意に設定することが可能な弁であり、上記したＥＣＵに電気的に接続され、その動作が制御される。すなわち、ＥＣＵは、エンジン２の運転状態（エンジンの回転速度、目標噴射量、加減速、燃料温度抑制等）に応じて、比例電磁弁３５の開度量を制御することにより、バイパス管３２の開度量を制御する。

このような比例電磁弁３５に代えて、開閉型の電磁弁を用い、その電磁弁をデューティ（duty）制御するようにしても良い。電磁弁のデューティ制御は、電磁弁を一定周期で開閉駆動させ、その周期の中で、バルブの開時間を長くしたり、短くしたりする制御方法である。この場合、ＥＣＵは、エンジン２の運転状態に応じて、電磁弁のデューティ制御を行うことにより、バイパス管３２の開度量を制御する。

また、比例電磁弁３５に代えて、可変オリフィスを用いても良い。可変オリフィスは、その開口径を任意に変えることができるものである。この場合の制御方法は比例電磁弁３５と同じである。

このような本実施の形態の燃料供給システム１によれば、エンジン２の運転状態に応じてバイパス管３２を通じて逃がすＤＭＥの流量を制御することができるので、エンジン２の運転状態に最適な流量のＤＭＥをエンジンに供給することができる。その結果、エンジン２の動作安定性を向上させることができる。

本発明の燃料供給システム、内燃機関および燃料供給システムの制御方法は、燃料供給通路と前記燃料戻し通路とを接続するバイパス通路を設け、そのバイパス通路に流量制御手段を設けたことにより、エンジンの始動時に燃料噴射装置での燃料圧力を確保することができ、エンジンの始動性を向上させることができるので、自動車等の燃料供給システム、内燃機関および燃料供給システムの制御方法に利用できる。

１ 燃料供給システム
２ ディーゼルエンジン（内燃機関）
３ 燃料タンク
４ 燃料噴射装置
５ 燃料供給管（燃料供給通路）
６ 燃料戻し管（燃料戻し通路）
９ 安全弁
１０ａ 充填管
１０ｂ 充填バルブ
１１ インタンクポンプ
１２ サプライポンプ
１５ コモンレール
１６ 逆止弁
３２ バイパス管（バイパス通路）
３３ オリフィス（流量制御手段、絞り部）
３４ 電磁弁（流量制御手段、開閉弁）
３５ 比例電磁弁（流量制御手段、制御弁）

Claims (6)

1. 液化燃料が収容された燃料タンクと、前記燃料タンクから内燃機関の燃料噴射装置に液化燃料を供給する燃料供給通路と、前記燃料噴射装置から前記燃料タンクに前記液化燃料を戻す燃料戻し通路とを備えた燃料供給システムにおいて、
   前記燃料供給通路と前記燃料戻し通路とを接続するバイパス通路を設けるとともに、前記バイパス通路に前記液化燃料の流量を規制または制御する流量制御手段を設けた燃料供給システム。
2. 前記内燃機関の運転状態に応じて前記流量制御手段の動作を制御する制御手段を備えた請求項１記載の燃料供給システム。
3. 前記流量制御手段は、絞り部、開閉弁または制御弁のいずれか１つ、あるいはこれらのうちのいずれか２つ以上を直列に接続してなる請求項１または２記載の燃料供給システム。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料供給システムを備えた内燃機関。
5. 液化燃料が収容された燃料タンクと、前記燃料タンクから内燃機関の燃料噴射装置に液化燃料を供給する燃料供給通路と、前記燃料噴射装置から前記燃料タンクに前記液化燃料を戻す燃料戻し通路とを備えた燃料供給システムの制御方法において、
   前記燃料供給通路と前記燃料戻し通路とを接続するバイパス通路を設けるとともに、前記バイパス通路に前記液化燃料の流量を制御する流量制御手段を設け、
   前記内燃機関の運転状態に応じて前記流量制御手段を制御し、前記バイパス通路の開度量を制御する燃料供給システムの制御方法。
6. 前記内燃機関の始動時および加速動作時に、前記流量制御手段により前記バイパス通路を閉じるように制御する請求項５記載の燃料供給システムの制御方法。

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