JP2013529746A - 燃焼機関における燃料混合物の噴射用の燃料システム - Google Patents

Abstract

本発明は、燃焼機関における燃料混合物の噴射用の燃料システムに関する。燃料システムは、燃料をエンジン（１）に導くようになされた入口回路（１３，１７）を具備する。入口回路（１３）は、フィードポンプ（７）と、高圧ポンプ（１５）と、蓄圧タンク（１６）と、エンジン（１）の燃焼空間において燃料を噴射するようになされた少なくとも１つの噴射装置（１８）とを具備する。入口回路（１３，７）は、第１燃料源（２，６）から第１燃料（３）を受け入れ、かつ第２燃料源（４，１０）から第２燃料（５）を受け入れるようになされた空間（７ａ）と、噴射装置（１８）がエンジンの燃焼空間に噴射する実質的に均一な燃料混合物をもたらす混合運動を第１燃料（３）および第２燃料（５）に加えるようになされた混合手段（７）とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルによる、燃焼機関における燃料混合物の噴射用の燃料システムに関する。

燃焼機関からの排気ガスの排出を低減する方法は、燃料を超高圧で噴射することである。ディーゼルエンジンの燃焼空間において高圧で噴射を行うために、いわゆる「コモンレール」システムが広く利用されている。コモンレールシステムは、燃料を超高圧で蓄圧タンク（コモンレール）に送り込む高圧ポンプを具備する。作動中の蓄圧タンク内の圧力は、約３５０〜１６００ｂａｒであってもよい。蓄圧タンク内の燃料は、エンジンの全気筒に分配するためのものである。蓄圧タンクからの燃料を、電子制御噴射装置を用いて各気筒の燃焼空間に噴射する。噴射装置は、非常に迅速に開閉可能でなければならない弁を具備する。噴射装置は、エンジンの種々のパラメータ（例えば、負荷および速度）に関する情報に基づいて、各気筒に供給する燃料量を実質的に連続的に算出する電子制御装置により制御される。

燃焼機関において１つ以上の燃料を使用することに関心が高まっている。異なる特性を有する２つの燃料からなる燃料混合物を噴射できることがしばしば有利である。例えば、着火し難い主燃料をより着火し易い補助燃料と混合してもよく、補助燃料の着火により発生する熱エネルギーを利用して着火し難い主燃料を着火する。これにより、主燃料の着火性を向上させるために他の種類の添加剤を使用する必要がなくなる。

通常、燃焼機関において２つの燃料を高圧で噴射するには、２つの独立した燃料供給システム（すなわち、第１蓄圧タンク（コモンレール）において第１燃料を高圧に圧縮する第１高圧ポンプを備える第１燃料供給システム、および第２蓄圧タンク（コモンレール）において第２燃料を高圧に圧縮する第２高圧ポンプを備える第２燃料供給システム）を利用する必要がある。その後で、適切な噴射装置を用いて２つの燃料を各蓄圧タンクから高圧で噴射することができる。特許文献１は、このような噴射装置の例に言及している。２つの独立した燃料システムを利用するには、多数の構成要素が必要となる。２つのシステムは比較的広い取付スペースを占有し、かつその構成要素のコストも高くつく。

米国特許出願公開第２００２／００７０２９５号明細書

本発明の目的は、燃焼機関において燃料混合物を高圧で噴射することを可能にする、比較的構成要素の少ない燃料システムを提案することである。

上記目的を、請求項１の特徴部分に示す特徴により特徴付けられる冒頭で述べたような燃料システムにより達成する。第１および第２燃料は、本発明によれば、燃料をエンジンに導く入口回路の適切な空間に受け入れられる。それから、混合手段が前記空間の下流側に設けられている。混合手段は、有利には２つの燃料を混合して実質的に均一な燃料混合物にする。しかしながら、特定の燃料、例えば、炭化水素燃料とエタノールを混合することは難しい。そのような場合、混合手段は、エマルジョンを生成させる程の効果がなければならない。エマルジョンを生成するには、混合手段は少なくとも一方の燃料を、他方の燃料中に自由に浮遊できる小滴に分散させることができなければならない。それゆえ、本発明では、フィードポンプと、高圧ポンプと、蓄圧タンクと、少なくとも１つの噴射装置とを備える入口回路を使用する。このような構成要素を使用すれば、エンジン内で燃料混合物を加圧して高圧で噴射することができる。２つの燃料を受け入れる適切な空間および適切な混合手段を使用することにより、燃料システムをかなり簡単に、かつ１つの燃料を噴射する燃料システムと比べてそれほど複雑でないものにすることが可能である。

本発明の実施形態によれば、前記空間は、入口回路内の所定の燃料の流れ方向に対して入口回路内のフィードポンプの上流側の位置に位置する。そのような空間の位置により、フィードポンプを使用して第１燃料および第２燃料をその空間に搬送することが可能となる。これはつまり、２つの燃料を移送するために使用するフィードポンプが１つあれば十分であることを意味する。有利には、混合手段としてフィードポンプを使用する。フィードポンプは、入口回路に移送する２つの燃料に多かれ少なかれ有効な混合運動を加える。適切なフィードポンプを採用することにより、フィードポンプを通過する２つの燃料の良好な混合物を得ることができる。それゆえ、２つの燃料を混合するために既存のフィードポンプを使用することにより、入口回路内に別々の混合手段を設置する必要がなくなる。フィードポンプは有利には歯車ポンプである。通常、歯車ポンプは、相互に係合して回転する２つの歯車を具備しており、エマルジョンを生成するために２つの燃料の非常に良好な混合を達成することができる。

本発明の別の実施形態によれば、第１燃料源は、第１燃料タンクと、第１燃料タンクから入口回路の前記空間に燃料を導くようになされた第１燃料経路とを具備する。第１燃料は主燃料であり、それゆえ、燃料混合物の主成分であってもよい。第１燃料経路は、有利にはフィードポンプ入口側の入口回路の空間に接続される。これにより、フィードポンプが第１燃料タンクから第１燃料経路を介して入口回路内に第１燃料を引き込めるようになる。第１燃料経路は、第１燃料の前記空間への流れを調整できる制御手段を具備してもよい。そのような制御手段は、第１燃料の供給を完全に停止できる自動または手動で操作可能な弁を具備してもよい。この第１燃料供給の完全停止は、第２燃料のみの使用が適切である運転状況で発生する可能性がある。そのような運転状況は冷間始動であってもよい。別のそのような運転状況は、しばらくの間、車両が作動不能であり、例えば、第１燃料が腐食性であると仮定して、第１燃料を入口回路内に残留させないことが望ましい状況であってもよい。あるいは、制御手段は、第１燃料の空間への流れを固定または可変で減少させて提供できる固定絞り弁または調整可能な絞り弁を具備してもよい。したがって、燃料混合物に占める第１燃料の割合を一定水準に維持するまたは異なる運転状況に合わせて変化させることができる。

本発明の別の実施形態によれば、第２燃料源は、第２燃料タンクと、第２燃料タンクから入口回路の前記空間に第２燃料を導くようになされた第２燃料経路とを具備する。第２燃料は補助燃料の形態をとり、それゆえ、その燃料混合物に占める割合が第１燃料と比べて少なくてもよい。かかる第２燃料経路は、同様に有利にはフィードポンプ入口側の入口回路の空間に接続される。それゆえ、フィードポンプは各燃料タンクから第１燃料と第２燃料の両方を引き込むことができる。第２燃料経路は、第１燃料経路が接続される空間と同じ空間に接続することが好ましい。第２燃料経路はまた、第２燃料の前記空間への流れを調整できる制御手段を具備してもよい。そのような制御手段は、第２燃料の供給を完全に停止できる自動または手動で操作可能な弁を具備してもよい。あるいは、制御手段は、第２燃料の固定または可変の流れを提供できる固定絞り弁または調整可能な絞り弁であってもよい。後者の場合は、燃料混合物に占める第２燃料の割合を異なる運転状況に合わせて変化させることができる。

本発明の別の実施形態によれば、燃料システムは、未燃燃料を入口回路の空間に戻すようになされた戻り回路を具備する。燃焼されていない燃料は通常、燃料システム内の燃料タンクに戻されるが、その場合、戻り燃料は、（第１燃料のみを収容する）第１燃料タンクにも（第２燃料のみを収容する）第２燃料タンクにも戻すことが適切でない燃料混合物の形態をとる。したがって、再びエンジンに導くために、戻り燃料を燃料タンクに戻すのではなく入口回路に導く。戻り回路は、有利には、未燃燃料の混合物が前記空間に導かれる前にこの混合物を冷却する冷却器を具備する。高圧ポンプ内で燃料混合物を加圧するとき、燃料混合物が加温される。それゆえ、戻り燃料を入口回路内で再利用し、加圧する前に冷却することが適切である。

以下の添付図面を参照して、例示により、本発明の好ましい実施形態を下記で説明する。

図１は、本発明の実施形態による燃料システムを図示している。

図１は、燃焼機関１において燃料混合物を高圧で噴射することを可能にする燃料システムを図示している。エンジン１が図面において概略的に示されている。燃料混合物を高圧で噴射することにより、エンジン１からの排気ガスの排出を低減する。燃料システムおよびエンジン１は大型車両に取り付けられてもよい。燃料システムは、第１燃料３を備える第１燃料タンク２を具備する。燃料システムは、第２燃料５を備える第２燃料タンク４を具備する。この場合は、第１燃料３が主燃料であり、第２燃料５が補助燃料である。この場合、第１燃料は、エタノールであってもよいが、比較的着火し難い燃料である。第２燃料は、ディーゼル燃料であってもよいが、より着火し易い燃料である。第１燃料経路６は、第１燃料タンク２から、この場合は歯車ポンプ７であるフィードポンプ入口側の空間７ａに延びる。第１燃料経路６は、開位置および閉位置に位置付け可能な弁８を具備する。第１燃料経路６はまた、燃料が第１燃料タンク２に戻るのを防止する一方向弁９を具備する。第２燃料経路１０は、第２燃料タンク４から歯車ポンプ７入口側の同じ空間７ａに延びる。第２燃料経路１０は、第２燃料経路１０内の流れを調整できる調整可能な絞り弁１１を具備する。第２燃料経路１０はまた、燃料が第２燃料タンク４に戻るのを防止する一方向弁１２を具備する。

燃料システムは、上述の通り第１燃料３および第２燃料５からなる燃料混合物の入口回路を具備する。入口回路は、燃料混合物を歯車ポンプ７から燃料の汚染物質を除去する燃料フィルタ１４に導く燃料経路１３を具備する。次に、燃料経路１３は、燃料混合物を加圧するようになされた高圧ポンプ１５に燃料混合物を導く。その後、燃料経路１３は、得られた加圧済み燃料混合物をいわゆるコモンレール方式の蓄圧タンク１６に導く。蓄圧タンク１６内の燃料圧力は、約３５０〜１６００ｂａｒであってもよい。入口回路はまた、燃料混合物を蓄圧タンク１６からエンジン１の燃焼空間用の各噴射装置１８に導く多数の平行する入口経路１７を具備する。燃料システムは、燃料混合物の燃焼に使用していない部分を回収するようになされた戻り回路１９を具備する。したがって、戻り回路１９は、戻り燃料を高圧ポンプ１５、蓄圧タンク１６および噴射装置１８から異なるマニホールドを介して回収する。戻り回路１９は、回収した戻り燃料を、歯車ポンプ７入口側の第１燃料３および第２燃料５が導かれる空間と同じ空間７ａに導く。燃料冷却器２０は、戻り燃料が空間７ａに導かれる前にこの戻り燃料を冷却するようになされている。戻り燃料を加圧しているとき、おそらく戻り燃料は加温されている。それゆえ、高圧ポンプ１５により再び燃料を加圧する前に冷却することが適切である。

電子制御装置２１は、歯車ポンプ７、高圧ポンプ１５および噴射装置１８の動作を制御するようになされている。制御装置２１は、これらのための適切なソフトウェアを備えるコンピュータユニットの形態をとってもよい。加圧センサー１６ａは、蓄圧タンク１６に取り付けられ、蓄圧タンク１６内の燃料圧力に関する情報を含む信号を検出して制御装置２１に送信するようになされている。この場合、制御装置２１はまた、異なる運転状況においてエンジンに噴射される燃料混合物の組成を調整するために、第１燃料経路６の弁８および第２燃料経路１０の絞り弁１１を操作するようになされている。

エンジン１の運転中、歯車ポンプ７は、第１燃料タンク２から第１燃料経路６を介して第１燃料３を引き込み、かつ第２燃料タンク４から第２燃料経路１０を介して第２燃料５を引き込む。この目的のために、制御装置２１は、歯車ポンプ７が所定量の第１燃料を第１燃料タンク２から前記空間７ａに搬送できるように弁を開位置に維持する。制御装置２１は、歯車ポンプ７が所望量の第２燃料５を第２燃料タンク４から同じ空間７ａに搬送できるような位置に絞り弁を位置付ける。したがって、歯車ポンプ７入口側の空間７ａに到達する燃料混合物は、特定割合の第１燃料３および特定割合の第２燃料５を含む。

着火が容易ではない第１燃料はエタノールであってもよい。エタノールが所望の方法で着火するように、通常はエタノールの着火性を向上させる少なくとも１つの補助剤が加えられる。第１燃料としてエタノールを使用し、第２燃料としてディーゼル燃料を使用する場合、燃料混合物が所望の着火特性を有するように、ディーゼル燃料の割合は少なくとも２０％である必要がある。燃料混合物の層状化を生じさせずに大量のディーゼル燃料をエタノールに加えることは難しいが、エマルジョンが生成されている場合には、そのような量のディーゼル燃料をエタノールに加えることが可能である。エマルジョンとは、少なくとも一方の燃料を、他方の燃料中に実質的に自由に浮遊できる小滴に微細化することを意味する。歯車ポンプ７は、エマルジョンが生成される方法で前記燃料を微細化できる特性を有する。その生成後に、燃料混合物（上述のように、エマルジョンであってもよい）は、歯車ポンプ７により燃料経路１３に押し込まれる。

燃料経路１３内の燃料混合物は、燃料フィルタ１４を介して高圧ポンプ１５に導かれる。高圧ポンプ１５は燃料混合物を加圧して高圧にする。次に、燃料混合物は、燃料混合物を前記高圧で貯留する蓄圧タンク１６に導かれる。噴射装置１８は、エンジン１の燃焼空間に燃料混合物を噴射する前に、蓄圧タンク１６から入口経路１７を介して燃料混合物を受け取る。（より着火し易い）第２燃料は、燃焼空間に噴射されたときにのみ着火する。得られた熱により第１燃料の着火が容易になる。制御装置２１は、エンジンのパラメータ（例えば、負荷および速度）に関する制御信号を実質的に連続的に受信する。制御装置２１は、エンジン１の燃焼空間に供給する必要のある燃料混合物の量を算出するためにこの情報を利用する。制御装置２１は、燃料混合物が所望時期にかつ算出された量でエンジン１の各燃焼空間に噴射されるように噴射装置１８を制御する。

燃料経路１３内の歯車ポンプ７により移送される燃料混合物すべてを燃焼に使用できるわけではない。したがって、戻り経路システム１９は、高圧ポンプ１５、蓄圧タンク１６および噴射装置１８から戻り燃料を受け取る。戻り燃料は第１燃料と第２燃料の混合物からなるので、燃料タンク２，４のいずれにもこの燃料を戻すことができない。それゆえ、戻り燃料は歯車ポンプ７入口側の空間７ａに導かれる。戻り燃料は、比較的高温であるかもしれないので、空間７ａに戻される前に燃料冷却器２０内で冷却され、空間内で第１燃料タンク２からの第１燃料３および第２燃料タンク４からの第２燃料５と混合される。戻り燃料の組成は、空間７ａに占める第１燃料および第２燃料の割合と同様である。それゆえ、戻り燃料は燃料混合物の組成に影響を及ぼさない。

特定の運転状況（冷間始動など）では、第２燃料（ディーゼル燃料であってもよい）のみを使用することが望ましいかもしれない。制御装置２１は、エンジン１が所望の運転温度よりかなり低温である旨の情報を受信したとき、第１燃料（エタノールであってもよい）の供給を停止するために弁８を閉鎖することができる。制御装置２１は同時に、より多くの第２燃料を第２燃料タンク４から歯車ポンプ７に搬送するように絞り弁１１を調整することができる。

本発明は、図面で示す実施形態に決して限定されるものではなく、請求項の範囲内で自由に変更することができる。当然ながら、主燃料としてエタノール以外の燃料を使用し、補助燃料としてディーゼル燃料以外の燃料を使用してもよい。実質的に均等な割合で燃料を混合することも可能である。この例では絞り弁１１は可変式である。あるいは燃料混合物に占める第２燃料の割合を実質的に一定に保つために、固定量の絞りを適用してもよい。

Claims (10)

1. 燃料システムが、エンジン（１）に燃料を導くようになされた入口回路（１３，１７）を具備するような、燃焼機関における燃料混合物の噴射用の燃料システムであって、
   その入口回路（１３）が、前記入口回路（１３，１７）内の燃料を移送するようになされたフィードポンプ（７）と、前記フィードポンプ（７）から燃料を受け取り、加圧するようになされた高圧ポンプ（１５）と、前記高圧ポンプ（１５）から燃料を受け取り、貯留するようになされた蓄圧タンク（１６）と、前記蓄圧タンク（１６）から燃料を受け取り、前記エンジン（１）の燃焼空間において燃料を噴射するようになされた少なくとも１つの噴射装置（１８）とを具備する燃料システムにおいて
   前記入口回路（１３，１７）が、第１燃料源（２，６）から第１燃料（３）を受け入れ、かつ第２燃料源（４，１０）から第２燃料（５）を受け入れるようになされた空間（７ａ）と、前記噴射装置（１８）がエンジンの燃焼空間に噴射する実質的に均一な燃料混合物をもたらす混合運動を第１燃料（３）および第２燃料（５）に加えるようになされた混合手段（７）と
   を具備することを特徴とする燃料システム。
2. 前記空間（７ａ）が、前記入口回路内の所定の流れ方向に対して前記入口回路内の前記フィードポンプ（７）の上流側の位置に位置することを特徴とする、請求項１に記載の燃料システム。
3. 前記混合手段が、前記フィードポンプ（７）の形態をとることを特徴とする、請求項１または２に記載の燃料システム。
4. 前記フィードポンプが、歯車ポンプ（７）であることを特徴とする、請求項３に記載の燃料システム。
5. 前記第１燃料源が、第１燃料タンク（２）と、前記第１燃料を前記第１燃料タンク（２）から前記入口回路（１３，１７）の前記空間（７ａ）に導くようになされた第１燃料経路（６）とを具備することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料システム。
6. 前記第１燃料経路（６）が、第１燃料の前記空間（７ａ）への流れを調整できる制御手段（８，２１）を具備することを特徴とする、請求項５に記載の燃料システム。
7. 前記第２燃料源が、第２燃料タンク（４）と、前記第２燃料（５）を前記第２燃料タンク（４）から前記入口回路（１３，１７）の前記空間（７ａ）に導くようになされた第２燃料経路（１０）とを具備することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の燃料システム。
8. 前記第２燃料経路（１０）が、前記第２燃料の前記空間（７ａ）への流れを調整できる制御手段（１１，２１）を具備することを特徴とする、請求項７に記載の燃料システム。
9. 未燃燃料を前記入口回路（１３）の空間（７ａ）に戻すようになされた戻り回路（１９）を具備することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の燃料システム。
10. 前記戻り回路（１９）は、前記未燃燃料が前記空間（７ａ）に導かれる前に前記未燃燃料を冷却するための冷却器（２０）を具備することを特徴とする、請求項８または９に記載の燃料システム。

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