JP2014196712A

JP2014196712A - 燃料供給装置

Info

Publication number: JP2014196712A
Application number: JP2013072966A
Authority: JP
Inventors: 加藤　正明; Masaaki Kato; 正明加藤; 卓政横田; Takamasa Yokota; 竹内　久晴; Hisaharu Takeuchi; 久晴竹内
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2013-03-29
Filing date: 2013-03-29
Publication date: 2014-10-16
Anticipated expiration: 2033-03-29
Also published as: DE102014103763B4; DE102014103763B8; JP5888276B2; DE102014103763A1

Abstract

【課題】ＤＭＥ燃料を超臨界状態で燃焼室へ噴射可能な燃料供給装置を提供する。
【解決手段】燃料供給装置１は、高圧ポンプ３からインジェクタ５へ燃料を供給する高圧燃料通路６と、インジェクタ５及び高圧ポンプ３からの戻り燃料を燃料タンク２へ戻す戻り燃料通路７と、戻り燃料通路７の一部であって、戻り燃料の熱によって高圧燃料通路６の一部を加熱する加熱通路（第１加熱通路２５、第２加熱通路２８）とを備える。これによれば、戻り燃料の熱エネルギによって、熱源を別装置として用意したり大掛かりなシステムを用いたりすることなく、高圧燃料通路６内の燃料を超臨界状態での噴射に必要な温度へと加熱することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、

ディーゼルエンジンにおける超臨界噴射は、液相噴射の場合に生じる蒸発潜熱による着火遅れを防止することができ、さらに、気体噴射より高い質量噴射率を確保することができるというメリットがある。
特許文献１及び２には、軽油に不活性ガスである排ガスや液体ＣＯ２を混入した軽油主体の軽油燃料を加熱して、超臨界状態にして、インジェクタに供給する技術が開示されている。これによれば、コーキングを防止しつつ軽油燃料を超臨界状態で噴射をすることができる。

米国特許第７４８８３５７号明細書米国特許第８１９７５５８号明細書

しかしながら、軽油燃料を液相から超臨界状態にするためには非常に高い温度が必要であり、インジェクタに供給する前に、加熱システムを用いて超臨界状態としなければならず、装置が大掛かりとなる。また、特許文献１及び２の技術では、コーキング防止のための燃料混合装置を設けているため、さらに装置が複雑化している。

なお、この技術を、相状態が変化しやすく且つ比較的低温で超臨界状態となるＤＭＥ燃料（ジメチルエーテルを主成分とする燃料）の噴射装置に適用しようとしても、熱エネルギが大きすぎて、ＤＭＥ燃料の超臨界噴射には用いることが困難である。

そこで、本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであり、ＤＭＥ燃料を超臨界状態で燃焼室へ噴射可能な燃料供給装置を提供することを目的とする。

本発明の燃料供給装置は、燃料として液化ガス燃料を貯留する燃料タンクと、燃料タンクから供給された燃料を圧送する高圧ポンプと、高圧ポンプから供給された燃料を内燃機関の燃焼室に噴射するインジェクタと、高圧ポンプからインジェクタへ燃料を供給する高圧燃料通路と、インジェクタ及び高圧ポンプからの戻り燃料を燃料タンクへ戻す戻り燃料通路と、戻り燃料通路の一部であって、戻り燃料の熱によって高圧燃料通路の一部を加熱する加熱通路とを備える。

本発明では、高圧ポンプからインジェクタへ燃料を供給する高圧燃料通路を、戻り燃料の熱によって加熱する加熱通路を備えることにより、超臨界状態で噴射するために必要な温度へと高圧燃料通路内の燃料を加熱することができる。
すなわち、別装置による熱源を用意したり大掛かりなシステムを用いたりすることなく、ＤＭＥ燃料を超臨界状態で噴射することが可能となる。

燃料供給装置の概要を示す説明図である（実施例１）。インジェクタ及びインジェクタが組み付けられたシリンダヘッドの断面図である（実施例２）。インジェクタの断面図である（実施例３）。インジェクタの断面図である（実施例４）。インジェクタ及びインジェクタが組み付けられたシリンダヘッドの断面図である（実施例５）。

本発明を実施するための形態を以下の実施例により詳細に説明する。

〔実施例１の構成〕
実施例１の燃料供給装置１を、図１を用いて説明する。
燃料供給装置１は、ディーゼルエンジン（以下、エンジンと呼ぶ）の燃焼室Ｅに燃料を供給するために用いられるものである。燃料として、ジメチルエーテルを主成分とするＤＭＥ燃料を用いている。

燃料供給装置１は、燃料を貯留する燃料タンク２、燃料タンク２から供給された燃料を圧送する高圧ポンプ３、高圧ポンプ３から吐出された燃料を高圧状態で蓄圧するコモンレール４、コモンレール４に蓄圧された燃料をエンジンの燃焼室Ｅ内に噴射するインジェクタ５、高圧ポンプ３からインジェクタ５へ燃料を供給する高圧燃料通路６、インジェクタ５及び高圧ポンプ３からの戻り燃料を燃料タンクへ戻す戻り燃料通路７等を備える。

燃料タンク２は、燃料が貯留されており、内部に配されたフィードポンプ１０によって燃料が汲み上げられ、燃料通路１１を介して高圧ポンプ３へと燃料が供給される。

高圧ポンプ３は、コモンレール４の燃料がエンジンの状態に応じた目標圧力で蓄圧されるように、燃料タンク２から供給される燃料を加圧して吐出するものである。

コモンレール４は、高圧燃料通路６の一部をなす第１高圧配管１３を介して高圧ポンプ３の吐出口に接続され、加圧された燃料の供給を受けて燃料を高圧状態で蓄圧する。
また、高圧燃料通路６の一部をなす第２高圧配管１４を介してインジェクタ５に接続され、燃料をインジェクタ５に供給する。すなわち、コモンレール４は、高圧の燃料を蓄圧する蓄圧容器として機能するとともに、高圧の燃料をインジェクタ５に分配する分配容器として機能する。

インジェクタ５は、第２高圧配管１４が接続されてコモンレール４と連通するとともに、エンジンの燃焼室Ｅに燃料を噴射する燃料噴射ノズル１６、コモンレール４から高圧の燃料を受け入れて燃料噴射ノズル１６に導く本体１７、燃料噴射ノズル１６を作動させる電磁アクチュエータ１８等により構成されている。
また、インジェクタ５は、エンジンのシリンダヘッド２０に形成された挿入孔２０ａに挿入配置されている。
なお、インジェクタ５は、気筒数と同数だけ備えられている（図１では１つだけ示す）。

戻り燃料通路７は、高圧ポンプ３からのオーバーフロー燃料を燃料タンク２へ戻すための第１低圧配管２１と、インジェクタ５からのリーク燃料を燃料タンク２へ戻すため第２低圧配管２２とを有する。

〔本実施例の特徴〕
本実施例の燃料供給装置１は、戻り燃料通路７の一部であって、戻り燃料の熱によって高圧燃料通路６の一部を加熱する加熱通路を備える。
本実施例では、例えば、第１高圧配管１３の周囲に第１低圧配管２１を配して、第１低圧配管２１の一部を第１加熱通路２５として、第１高圧配管１３とともに第１の熱交換器２６を構成している。例えば、第１高圧配管１３に第１低圧配管２１を巻き付ける構成としてもよい。

加えて、第２高圧配管１４の周囲に第２低圧配管２２を配して、第２低圧配管２２の一部を第２加熱通路２８として、第２高圧配管１４とともに第２の熱交換器２９を構成している。例えば、第２高圧配管１４に第２低圧配管２２を巻き付ける構成としてもよい。
なお、各熱交換器２６、２９は、低圧配管と高圧配管との距離や接触面積等が所望の熱エネルギの交換が可能に設定されている。

例えば、高圧ポンプ３から吐出された燃料の温度が６０℃程度、オーバーフロー燃料の温度が７０℃程度、リーク燃料の温度が９０℃程度とすると、第１の熱交換器２６で燃料を７０℃程度まで昇温可能に設定する。また、第２の熱交換器２９では７０℃程度の燃料を８０℃程度まで昇温可能に設定する。なお、第２の熱交換器２９は、エンジンからの伝熱もあるため、燃料温度はさらに上昇する。またインジェクタ５の燃料噴射ノズル１６内はエンジンの燃焼室Ｅからの伝熱があり、最終的に噴射直前に燃料は超臨界温度（約１２７．３℃）に到る。

また、本実施例の燃料供給装置１は、加熱通路２５、２８における戻り燃料を液相に維持する圧力に保つ圧力設定手段を備える。
圧力設定手段は、次に詳述するオーバーフロー弁３０及び背圧弁３１である。

オーバーフロー弁３０は、第１低圧配管２１内において第１加熱通路２５よりも下流側に設けられ、所定の開弁圧で開弁して余剰燃料を燃料タンク２へ流出させるバルブ装置である。
背圧弁３１は、第２低圧配管２２内において第２加熱通路２８よりも下流側に設けられて、背圧弁３１より上流の第２低圧配管２２内の燃料の圧力（背圧）を調整するものであり、所定の開弁圧が設定されており、背圧が開弁圧以上となると開弁するバルブ装置である。

オーバーフロー弁３０は、オーバーフロー弁３０上流の第１加熱通路２５内の燃料が液相となるように、開弁圧が設定されている。
背圧弁３１は、背圧弁３１上流の第２加熱通路２８内の燃料が液相となるように、開弁圧が設定されている。
これにより、オーバーフロー弁３０及び背圧弁３１によって、加熱通路内の燃料に圧力を負荷することができ、燃料は液相に維持される。

〔本実施例の作用効果〕
ＤＭＥ燃料は軽油燃料と比較して低い温度で超臨界状態になる。具体的には、軽油燃料の臨界温度は約４００℃であり、ＤＭＥ燃料は約１２７℃である。そこで、本実施例では、噴射直前に燃料が超臨界状態となるのに必要な温度まで燃料を加熱するために、戻り燃料の熱エネルギを利用している。

なお、軽油燃料の場合は、臨界温度が高すぎるため、戻り燃料の熱エネルギによって超臨界状態での噴射を実現することが困難である。
従って、本実施例の超臨界状態での噴射を実現するべく燃料の加熱に戻り燃料の熱エネルギを用いるという構成は、ＤＭＥ燃料を燃料とする燃料噴射ノズル１６で実現可能な特有の構成である。

本実施例の燃料供給装置１は、戻り燃料通路７の一部であって、戻り燃料の熱によって高圧燃料通路６の一部を加熱する加熱通路（第１加熱通路２５、第２加熱通路２８）を備える。

これによれば、熱源を別装置として用意したり大掛かりなシステムを用いたりすることなく、戻り燃料の熱エネルギによって、高圧燃料通路６内の燃料を超臨界状態での噴射に必要な温度へと加熱することができる。
すなわち、ＤＭＥ燃料を超臨界状態で燃焼室Ｅへ噴射可能な燃料供給装置１を提供することができる。

また、加熱通路２５、２８を備えることにより、高圧燃料通路６と戻り燃料通路７とで熱交換器２６、２９を構成するので、インジェクタ５への供給燃料の温度を上げるとともに、戻り燃料の温度を下げることができ、燃料タンク２内の燃料温度の上昇を防止できる。

また、圧力設定手段（オーバーフロー弁３０及び背圧弁３１）を備えることで、加熱通路２５、２８での燃料を確実に液相に維持することができる。これによれば、熱源としての熱容量を大きくすることができる。

〔実施例２〕
実施例２を、実施例１とは異なる点を中心に、図２を用いて説明する。
なお、実施例１と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。
本実施例では、第２加熱通路２８が、第２高圧配管１４の一部をなすインジェクタ５のインレット５ａの周囲を取り囲む流路として形成されている。

例えば、図２に示すように、シリンダヘッド２０の挿入孔２０ａには、インジェクタ５に形成されたリーク燃料が流出する出口５ｂと連通する低圧部２０ｂが設けられており、第２加熱通路２８は低圧部２０ｂと連通するとともにインレット５ａを取り囲む流路としてシリンダヘッド２０に設けられている。

そして、シリンダヘッド２０には、インジェクタの軸方向において電磁アクチュエータ１８に近い側に、第２加熱通路２８と連通可能な燃料ギャラリ２０ｃが形成されている。
燃料ギャラリ２０ｃは、例えば、インジェクタ５の周囲を取り囲む空間をなしており、燃料ギャラリ２０ｃ内の燃料が直接インジェクタ５に接触できるようになっている。
なお、燃料ギャラリ２０ｃと低圧部２０ｂとの間はシール部材３３によって油密に区画されている。

燃料ギャラリ２０ｃと第２加熱通路２８とは連通路３４によって連通しており、リーク燃料は第２加熱通路２８、燃料ギャラリ２０ｃを経て、燃料タンク２へ戻される。
連通路３４には背圧弁３１が配設されて、第２加熱通路２８の燃料が液相に維持される。

そして、本実施例では、背圧弁３１は、第２加熱通路２８で液相にされた戻り燃料を第２加熱通路２８の下流で気化させる相変態手段としても機能する。
そして、燃料ギャラリ２０ｃは、戻り燃料の気化熱によって、電磁アクチュエータ１８を冷却する冷却手段として機能する。

すなわち、背圧弁３１が所定の開弁圧以上で開弁すると、第２加熱通路２８で液相にされた戻り燃料が蒸気圧以下となって燃料ギャラリ内で気化する。そして、この気化熱によって、電磁アクチュエータ１８を冷却する。

本実施例によれば、実施例１の作用効果に加えて、戻り燃料によってインジェクタ５の電磁アクチュエータ１８を冷却できるという作用効果を奏する。
なお、燃料ギャラリ２０ｃの下流に燃料ギャラリ内の圧力を燃料の蒸気圧以下とするための別の背圧弁（図示せず）を設けてもよい。

〔実施例３〕
実施例３を、実施例１とは異なる点を中心に、図３を用いて説明する。
なお、実施例１と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。
本実施例では、第２加熱通路２８がインジェクタ５に設けられている。
すなわち、図３に示すように、第２加熱通路２８を形成する配管とインレット５ａとを二重管構造とし、第２加熱通路２８がインレット５ａを取り囲む。

第２加熱通路２８には、リーク燃料が流出する出口５ｂが接続されている。また、第２加熱通路２８の下流には、背圧弁３１が配設されている。

なお、インジェクタ５は周知の構造である。
すなわち、インジェクタ５は、燃料噴射ノズル１６と、本体１７と、電磁アクチュエータ１８とを備え、以下の構造を有する。
燃料噴射ノズル１６は、複数の噴孔を有するノズルボディ１６ａと、ノズルボディ１６ａにおいて軸方向に摺動自在に支持されて噴孔を開閉する弁体としてのノズルニードル１６ｂとを有する。ノズルニードル１６ｂとノズルボディ１６ａとの間にノズル室１６ｃが形成されている。

本体１７は、コモンレール４から受け入れた高圧の燃料を燃料噴射ノズル１６に導くための高圧通路１７ａ、および、ノズルニードル１６ｂに対し噴孔を閉鎖する方向（閉弁方向）に燃料圧を及ぼすための制御室１７ｂを有するとともに、制御室１７ｂの燃料圧をノズルニードル１６ｂに伝達するコマンドピストン１７ｃを具備する。

制御室１７ｂには、高圧通路１７ａの高圧の燃料を制御室１７ｂに流入させるための流入路１７ｄ、および、制御室１７ｂから燃料を流出させるための流出路１７ｅが接続しており、流出路１７ｅが電磁アクチュエータ１８により開閉される。また、流入路１７ｄおよび流出路１７ｅは、流出路１７ｅの開放時に制御室１７ｂの燃料圧が低下するように設けられている。

電磁アクチュエータ１８は、通電により磁束を発生するコイル１８ａと、発生した磁束により軸方向に吸引されるアーマチャ１８ｂと、アーマチャ１８ｂと一体化されて軸方向に摺動自在に支持され流出路１７ｅを開閉する弁部１８ｃと、磁束による吸引方向とは逆の方向にアーマチャ１８ｂを付勢するスプリング１８ｄとを具備する。また、アーマチャ１８ｂと弁部１８ｃとの一体物は、磁束により吸引されて移動することで流出路１７ｅを開放する。

また、本体１７には、ノズル室１６ｃや制御室１７ｂからリークした燃料が流入する低圧室１７ｆが形成されている。流出路１７ｅの開放に伴い制御室１７ｂから流出した燃料及び低圧室１７ｆの燃料は、本体１７に設けられた低圧通路１７ｇを通って出口５ｂから流出し、第２加熱通路２８を経て燃料タンク２に戻される。
高圧通路１７ａは、インジェクタ５のノズル室１６ｃに燃料を供給する燃料通路であり、高圧燃料通路６の一部をなす。低圧通路１７ｇは、インジェクタ５のリーク燃料を燃料タンク２へ戻すための戻り燃料通路７の一部をなす。

本実施例によっても、実施例１と同様の作用効果を奏することができる。

〔実施例４〕
実施例４を、実施例３とは異なる点を中心に、図４を用いて説明する。
なお、実施例３と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。
本実施例では、第２加熱通路２８に加熱される第２高圧配管１４がインジェクタ内に設けられた高圧通路１７ａであり、第２加熱通路２８はインジェクタ内に設けられた低圧通路１７ｇの一部である。

本実施例では、インジェクタ５内で、低圧通路１７ｇの一部が高圧通路１７ａの近傍に配されることで、第２の熱交換器２９が構成されている。
また、第２の熱交換器２９の下流の低圧通路１７ｇには背圧弁３１が配設されており、第２加熱通路２８をなす低圧通路１７ｇの内部の燃料が液相に維持されている。

また、背圧弁３１は、実施例２と同様に、第２加熱通路２８で液相にされた戻り燃料を第２加熱通路２８の下流で気化させる相変態手段としても機能する。
背圧弁３１下流の低圧通路１７ｇは、アーマチャ１８ｂが駆動する駆動空間Ｓに連通しているため、気化熱によってアーマチャ１８ｂを中心に電磁アクチュエータ１８を冷却することができる。
なお、低圧通路１７ｇの燃料は図示しない出口から燃料タンク２へと戻される。

〔実施例５〕
実施例５を、実施例４とは異なる点を中心に、図５を用いて説明する。
なお、実施例４と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。
本実施例の燃料供給装置１は、シリンダヘッド２０内に設けられたエンジンの冷却に用いられる冷却水の一部を通過させる冷却水通路４０と、シリンダヘッド２０内に設けられたエンジンの潤滑に用いられる潤滑油の一部を通過させる潤滑油通路４１とを備える。
冷却水通路４０は、インジェクタ５の電磁アクチュエータ１８に近い側の周囲に配され、潤滑油通路４１は、燃料噴射ノズル１６の周囲に配されている。

また、燃料噴射ノズル１６と挿入孔２０ａとの間には銅チューブ４２が配されている。銅チューブ４２の内周面は燃料噴射ノズル１６の外周面に当接しており、銅チューブ４２の外周面は挿入孔２０ａの内周面に当接している。

これによれば、戻り燃料の熱だけではなく、潤滑油および冷却水の熱によってインジェクタ５を加熱することで燃料を加熱することができる。
なお、潤滑油の方が冷却水よりも温度が高いため、冷却水通路４０でインジェクタ５の上部を加熱して、より高い温度への加熱が必要な燃料噴射ノズル１６の近傍に潤滑油通路４１を配している。
銅チューブ４２は、潤滑油通路４１からの熱伝導を向上させるために配されている。

例えば、第２の熱交換器２９及び冷却水通路４０からの伝熱によって燃料温度が７０℃程度に昇温し、燃料噴射ノズル１６内では潤滑油通路４１からの伝熱によってさらに９０℃程度まで昇温し、燃焼室Ｅからの伝熱で、最終的に噴射直前に燃料が超臨界温度（約１２７．３℃）に到る。

なお、冷却水通路４０は、インジェクタ５の異常高温時の冷却用としても使用することができる。

〔変形例〕
実施例１〜５では、第１の熱交換器２６及び第２の熱交換器２９の両方が構成されていたが、いずれか一方のみでもよい。
すなわち、高圧ポンプ３からのオーバーフロー燃料もしくはインジェクタ５からのリーク燃料のいずれかを、高圧燃料通路６の加熱に用いる構成としてもよい。

１燃料供給装置
２燃料タンク
３高圧ポンプ
５インジェクタ
６高圧燃料通路
７戻り燃料通路
２５、２８加熱通路
Ｅ燃焼室

Claims

燃料として液化ガス燃料を貯留する燃料タンク（２）と、
前記燃料タンク（２）から供給された燃料を圧送する高圧ポンプ（３）と、
前記高圧ポンプ（３）から供給された燃料を内燃機関の燃焼室（Ｅ）に噴射するインジェクタ（５）と、
前記高圧ポンプ（３）から前記インジェクタ（５）へ燃料を供給する高圧燃料通路（６）と、
前記インジェクタ（５）及び前記高圧ポンプ（３）からの戻り燃料を前記燃料タンク（２）へ戻す戻り燃料通路（７）と、
前記戻り燃料通路（７）の一部であって、戻り燃料の熱によって前記高圧燃料通路（６）の一部を加熱する加熱通路（２５、２８）とを備える燃料供給装置。
請求項１に記載の燃料供給装置において、
前記加熱通路（２５、２８）における戻り燃料を液相に維持する圧力に保つ圧力設定手段（３０、３１）を備える燃料供給装置。
請求項２に記載の燃料供給装置において、
前記インジェクタ（５）を駆動するための電磁アクチュエータ（１８）と、
前記加熱通路（２８）で液相にされた戻り燃料を前記加熱通路（２８）の下流で気化させる相変態手段（３１）と、
戻り燃料の気化熱によって、前記電磁アクチュエータ（１８）を冷却する冷却手段（２０ｃ、Ｓ）とを備える燃料供給装置。
請求項１〜３のいずれか１つに記載の燃料供給装置において、
前記インジェクタ（５）が組みつけられるシリンダヘッド（２０）と、
前記シリンダヘッド（２０）内に設けられた前記内燃機関の冷却に用いられる冷却水の一部を通過させる冷却水通路（４０）と、
前記シリンダヘッド（２０）内に設けられた前記内燃機関の潤滑に用いられる潤滑油の一部を通過させる潤滑油通路（４１）とを備え、
前記潤滑油および前記冷却水の熱によって前記インジェクタ（５）を加熱することを特徴とする燃料供給装置。