JP2018040267A - 燃料供給装置および燃料供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】往復式ポンプの稼動数を変更するときに複数の往復式ポンプから吐出される液体燃料の総量の変動を抑制する。【解決手段】内燃機関の燃焼室内へ燃料を供給する燃料供給装置であって、低圧の燃料が供給される低圧燃料供給管と、燃焼室内へ供給される高圧の燃料が供給される高圧燃料供給管と、低圧燃料供給管と高圧燃料供給管との間に並列に設けられ、低圧燃料供給管内の燃料を昇圧してそれぞれ高圧燃料供給管に供給する２個の燃料供給部と、燃料供給部のそれぞれを制御する制御部と、を備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、ディーゼルエンジン等の内燃機関に燃料を供給する燃料供給装置および燃料供給方法に関する。

従来の船舶においては、低速での出力が可能であり、プロペラに直結して駆動することができる、２ストロークサイクルの低速ディーゼルエンジンが用いられている。
近年、低速ディーゼルエンジンの燃料として、ＮＯ_ｘ、ＳＯ_ｘ、排出量の少ない天然ガスが注目されている。低速ディーゼルエンジンの燃焼室に高圧の天然ガスを燃料として噴射して燃焼させることで、高熱効率で出力が得られる。

例えばクランク軸を用いて回転運動を往復運動に変えることで、往復式ポンプを駆動することが行われている。クランク軸を用いて往復式ポンプのピストンを駆動する場合、ピストンストロークがクランク軸によって定まるため、ピストンストロークを自由に調整することができない。また、複数の往復式ポンプを同一のクランク軸によって駆動する場合、往復式ポンプのそれぞれを独立して制御することができなかった。

一方、特許文献１には、往復式ポンプを用いて液体の燃料を昇圧してエンジンに供給する装置が記載されている。特許文献１の装置では、往復式ポンプのピストンを軸方向に駆動しており、ピストンを駆動するリニアアクチュエータとして、「線形油圧モータ」（油圧シリンダユニット）が用いられている。特許文献１では、油圧シリンダユニットへ油圧ポンプから供給する作動油の方向を方向切替弁で切り替えることにより、往復式ポンプのピストンの移動方向を切り替えている。油圧シリンダユニットを用いる場合、クランク軸を用いる場合よりも、低速で往復式ポンプを駆動することができる。また、ピストンが一定の速度で移動するようにピストン行程を制御することができるという利点がある。

特表２００５−５０４９２７号公報

図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）はクランク軸を用いて３台の往復式ポンプを駆動する場合のそれぞれの往復式ポンプの吐出量の時間変化の例を示す図であり、図５（ｄ）は図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）の吐出量の合計の時間変化を示す図である。クランク軸の回転運動がピストンの直進運動に変換されるため、各ピストンは正弦波状に移動し、それぞれの往復式ポンプの吐出量の時間変化もまた正弦波状となる。

しかし、リニアアクチュエータを用いて昇圧用ピストンを駆動する場合、図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）に示すように昇圧用ピストンを駆動すると、昇圧用ピストンのストロークに応じて最大速度が大きくなり、リニアアクチュエータの最大負荷が大きくなるという課題があった。
そこで、本発明は、往復式ポンプの昇圧用ピストンの最大負荷を抑えることができる燃料供給装置を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、内燃機関の燃焼室内へ燃料を供給する燃料供給装置であって、
低圧の燃料が供給される低圧燃料供給管と、
前記燃焼室内へ供給される高圧の燃料が供給される高圧燃料供給管と、
前記低圧燃料供給管と前記高圧燃料供給管との間に並列に設けられ、前記低圧燃料供給管内の燃料を昇圧してそれぞれ前記高圧燃料供給管に供給するｎ個の燃料供給部と、
前記ｎ個の燃料供給部のそれぞれを制御する制御部と、
を備え、
前記ｎ個の燃料供給部のそれぞれは、軸方向に往復する昇圧用ピストンを有する往復式ポンプを有し、
前記制御部は、前記ｎ個の燃料供給部のそれぞれの昇圧用ピストンを同一の往復周期Ｔで位相を２π／ｎラジアンずらして駆動し、
前記往復式ポンプのそれぞれにおいて、
前記往復式ポンプによる燃料の吐出開始時刻をｔ_０としたときに、
吐出開始時刻ｔ_０から所定の加速時間Δｔ後の加速終了時刻ｔ_１（０＜Δｔ＜Ｔ／ｎ）の間に一定の加速度ａ（ａ＞０）で加速し、
加速終了時刻ｔ_１からｔ_２−ｔ_０＝Ｔ（ｎ−１）／ｎとなる定速度終了時刻ｔ_２までの間、前記昇圧用のピストンを一定の速度Ｖに維持し、
定速度終了時刻ｔ_２からΔｔ後の減速終了時刻ｔ_３までの間、前記昇圧用ピストンの速度を一定の加速度−ａで減速して減速終了時刻ｔ_３に吐出を終了し、
減速終了時刻ｔ_３からｔ_４−ｔ_２＝Ｔ／ｎとなる吸入終了時刻ｔ_４までの間、前記往復式ポンプによる燃料の吸入を行うように、前記ｎ個の燃料供給部を制御する、
ことを特徴とする。

本発明の第２の態様は、内燃機関の燃焼室内へ燃料を供給する燃料供給方法であって、
低圧の燃料が供給される低圧燃料供給管と、前記燃焼室内へ供給される高圧の燃料が供給される高圧燃料供給管との間に並列に設けられたｎ個の燃料供給部により前記低圧燃料供給管内の低圧の燃料を吸入し、昇圧して前記高圧燃料供給配管に高圧の燃料を吐出する昇圧処理を有し、
前記昇圧処理は、前記ｎ個の燃料供給部のそれぞれの昇圧用ピストンを同一の往復周期Ｔで位相を２π／ｎラジアンずらして駆動し、
前記往復式ポンプのそれぞれにおいて、
前記往復式ポンプによる燃料の吐出開始時刻をｔ_０としたときに、
吐出開始時刻ｔ_０から所定の加速時間Δｔ後の加速終了時刻ｔ_１（０＜Δｔ＜Ｔ／ｎ）の間に一定の加速度ａ（ａ＞０）で加速し、
加速終了時刻ｔ_１からｔ_２−ｔ_０＝Ｔ（ｎ−１）／ｎとなる定速度終了時刻ｔ_２までの間、前記昇圧用のピストンを一定の速度Ｖに維持し、
定速度終了時刻ｔ_２からΔｔ後の減速終了時刻ｔ_３までの間、前記昇圧用ピストンの速度を一定の加速度−ａで減速して減速終了時刻ｔ_３に吐出を終了し、
減速終了時刻ｔ_３からｔ_４−ｔ_２＝Ｔ／ｎとなる吸入終了時刻ｔ_４までの間、前記往復式ポンプによる燃料の吸入を行う、
ことを特徴とする。

前記昇圧用ピストンの往復する振幅をＡ（Ａ＞０）としたときに、
前記一定の加速度ａは２ｎＡ／（ｎ−１）ＴΔＴであり、
前記一定の速度Ｖは２ｎＡ／（ｎ−１）Ｔである、ことが好ましい。

前記ｎは２であり、
前記一定の加速度ａは４Ａ／ＴΔＴであり、
前記一定の速度Ｖは４Ａ／Ｔである、ことが好ましい。

本発明によれば、昇圧用ピストンの吐出時の最大速度を４Ａ／Ｔに維持することで、昇圧用ピストンを単振動運動させたときの最大速度２πＡ／Ｔよりも小さくすることができ、昇圧用ピストンの最大負荷を抑えることができる。したがって、昇圧用ピストンを駆動するリニアアクチュエータの最大負荷を抑えることができる。
また、２つの燃料供給部の往復式ポンプの昇圧用ピストンのそれぞれを同一の往復周期Ｔで位相をπラジアンずらして駆動し、それぞれの吐出開始時刻ｔ_０から加速終了時刻ｔ_１のΔＴの間に一定の加速度４Ａ／ＴΔＴで加速し、加速終了時刻ｔ_１から定速度終了時刻ｔ_２までの間、昇圧用のピストンの速度を４Ａ／Ｔに維持し、定速度終了時刻ｔ_２から減速終了時刻ｔ_３までのΔＴの間、前記昇圧用ピストンの速度を４Ａ／Ｔから０となるように一定の加速度−４Ａ／ＴΔＴで減速して減速終了時刻ｔ_３に吐出を終了するため、一方の昇圧用ピストンから吐出される液体燃料の量の増加量と他方の昇圧用ピストンから吐出される液体燃料の量の減少量とが一致する。このため、２つの往復式ポンプから吐出される液体燃料の総量の変動を抑制することができる。

第１実施形態の燃料供給装置１０の概略構成図である。 リニアアクチュエータ３０および往復式ポンプ５０の断面図である。 （ａ）は燃料供給部２０Ａの昇圧用ピストン５２の速度の時間変化、（ｂ）は燃料供給部２０Ｂの昇圧用ピストン５２の速度の時間変化を示す図である。 （ａ）は燃料供給部２０Ａの昇圧用ピストン５２の速度の時間変化、（ｂ）は燃料供給部２０Ｂの昇圧用ピストン５２の速度の時間変化、（ｃ）は燃料供給部２０Ｃの昇圧用ピストン５２の速度の時間変化を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）はクランク軸を用いて３台の往復式ポンプを駆動する場合のそれぞれの往復式ポンプの吐出量の時間変化の例を示す図であり、（ｄ）は（ａ）〜（ｃ）の合計の一例を示す図である。

以下、本発明の実施形態に係る燃料供給装置を図面に基づいて説明する。
図１は燃料供給装置１０の概略構成図である。図１に示すように、本実施形態の燃料供給装置１０は、液体燃料を昇圧・加熱し、内燃機関９０の燃焼室内へ高圧で噴射して供給する装置である。内燃機関９０はシリンダ内の燃焼室で燃料を燃焼させ、その熱エネルギーによって仕事をする原動機であり、例えばレシプロエンジン、ガスタービンである。特に、燃料を圧縮着火させるディーゼルエンジンを内燃機関９０として用いることが好ましい。以下の実施形態では、内燃機関９０として船舶に搭載されるディーゼルエンジンを用いる場合について説明するが、本発明は船舶以外のディーゼルエンジンへの燃料供給装置に適用することもできる。

燃料供給装置１０は、図１に示すように、液体燃料タンク１１と、低圧燃料供給管１２と、２個の燃料供給部２０Ａ、２０Ｂと、高圧燃料供給管１３と、熱交換器１４と、高温燃料供給管１５と、調圧弁１６と、圧力計１７と、制御部８０と、を備える。燃料供給装置１０のこれらの構成要素は全て船舶に搭載される。

液体燃料タンク１１は、内燃機関９０に供給される燃料を液体の状態で貯留する。液体燃料タンク１１に貯留される液体燃料として、例えば、液化メタン、液化エタン、液化プロパン等を用いることができる。液体燃料タンク１１は、低圧燃料供給管１２と接続されており、低圧燃料供給管１２を介して液体燃料を燃料供給部２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃに供給する。
低圧燃料供給管１２内の液体燃料の圧力は、液体燃料タンク１１内の液体燃料の温度、液面高さ等に応じた圧力となっている。この圧力を高め有効吸込みヘッド（NPSH：Net Positive Suction Head）を確保し、燃料供給部２０Ａに液体燃料を供給しやすくするために、液体燃料タンク１１は、燃料供給部２０Ａよりも高い位置に配置されている。
なお、液体燃料タンク１１が高い位置に配置できない場合は、液体燃料タンク１１に液体燃料を供給するブースターポンプにより液体燃料タンク１１内の液体燃料の圧力を高めることで、有効吸込ヘッドを確保してもよい。

燃料供給部２０Ａ、２０Ｂは、低圧燃料供給管１２と高圧燃料供給管１３との間に設けられている。燃料供給部２０Ａ、２０Ｂは、それぞれコントローラ２１と、リニアアクチュエータ３０と、往復式ポンプ５０とを備える。
往復式ポンプ５０は、低圧燃料供給管１２から供給される液体燃料を昇圧し、高圧燃料供給管１３を介して熱交換器１４に供給する。高圧燃料供給管１３には、内部の燃料の圧力変動を吸収するパルセーションダンパー（アキュムレータ）１３ａが設けられていてもよい。
低圧燃料供給管１２および高圧燃料供給管１３は、往復式ポンプ５０から着脱可能としてもよい。

リニアアクチュエータ３０は往復式ポンプ５０のピストンを駆動するものである。リニアアクチュエータ３０を用いることで、クランク軸を用いる場合よりも往復式ポンプ５０のピストンを低速で駆動することができる。また、ピストン行程において往復式ポンプの液流入始め、液昇圧始め、液昇圧終了時以外は、ピストンが一定の速度で移動するように駆動制御することができる。リニアアクチュエータ３０として、例えば、油圧シリンダユニット、電動シリンダユニット等を用いることができる。以下の実施形態では、リニアアクチュエータ３０として油圧シリンダユニットを用いる場合について説明するが、リニアアクチュエータ３０は油圧シリンダユニットに限られるものではない。

コントローラ２１は、制御部８０から入力される制御信号により、後述するようにリニアアクチュエータ３０を制御する。また、コントローラ２１には、後述するように、往復式ポンプ５０のピストンの位置を示す位置信号が入力される。コントローラ２１は、位置信号に応じて往復式ポンプ５０の吐出量が調節されるようにリニアアクチュエータ３０を制御する。

熱交換器１４は、入口側が高圧燃料供給管１３と接続され、出口側が高温燃料供給管１５と接続されている。熱交換器１４は、高圧燃料供給管１３を介して供給される昇圧後の液体燃料を加熱する。液体燃料を加熱する熱源として、例えば、液体燃料タンク１１で発生するボイルオフガスの燃焼熱を用いることができる。あるいは、ボイルオフガスの燃焼熱で加熱した温水との熱交換により液体燃料を加熱してもよい。

高温燃料供給管１５には、調圧弁１６が設けられており、高温燃料供給管１５の一端は熱交換器１４と接続され、他端は内燃機関９０の燃焼室と接続されている。熱交換器１４で加熱後の液体燃料は、調圧弁１６により内燃機関９０が必要とする所定の範囲の圧力に調圧された後、高温燃料供給管１５を介して内燃機関９０の燃焼室に供給される。調圧弁１６は制御部８０により制御される。
ここで、内燃機関９０が必要とする所定の範囲の圧力は、内燃機関９０の種類や性能に応じて異なる。内燃機関９０が船舶用の２ストロークサイクルの低速ディーゼルエンジンであれば、所定の範囲の圧力は、例えば５〜１００ＭＰａ、好ましくは２０〜７０ＭＰａであるが、本発明はこれに限定されるものではない。
また、高温燃料供給管１５には、圧力計１７が設けられている。圧力計１７は高温燃料供給管１５内の圧力を計測し、計測信号を制御部８０に出力する。

制御部８０には、内燃機関９０から内燃機関９０の負荷を示す信号が入力される。内燃機関９０の負荷を示す信号は、例えば、回転数を示す信号である。
制御部８０は、コントローラ２１に制御信号を出力することで、燃料供給部２０Ａ、２０Ｂのそれぞれの往復式ポンプ５０の吐出量を調整する。複数の往復式ポンプ５０の吐出量の総和は、高温燃料供給管１５内の圧力が、必要とされる内燃機関９０の負荷に応じた圧力となるように調整される。
なお、内燃機関９０により駆動される推進用プロペラ（図示せず）の回転数を計測し、回転数に応じて高温燃料供給管１５内の圧力を調整してもよい。
本実施形態においては、稼動している燃料供給部２０Ａ、２０Ｂのそれぞれの往復式ポンプ５０の周期Ｔおよび周期Ｔ当たりの燃料の吐出量が同一となるように、かつ位相がπラジアンずれるように、調整されている。

液体燃料タンク１１、低圧燃料供給管１２、リニアアクチュエータ３０、往復式ポンプ５０、高圧燃料供給管１３、熱交換器１４、高温燃料供給管１５、調圧弁１６、圧力計１７は、危険区域に配置される。一方、コントローラ２１および制御部８０は、一般に非防爆対応品であり、危険区域から防爆隔壁により隔離された非危険区域に配置するか、危険区域から十分に距離を隔てた非防爆区域に配置しなければならない。

次に、図２を用いて、リニアアクチュエータ３０および往復式ポンプ５０の構成について説明する。
本実施形態においては、リニアアクチュエータ３０および往復式ポンプ５０が軸方向を同一にして配置される。なお、図２の左右方向がリニアアクチュエータ３０および往復式ポンプ５０の軸方向であり、図２においてリニアアクチュエータ３０の左側に往復式ポンプ５０が配置されている。

図２に示すように、リニアアクチュエータ３０は、サーボアンプ３１、電動モータ３２、油圧ポンプ３３、第１の油圧配管３４、第２の油圧配管３５、油圧シリンダ４１、油圧ピストン４２、ピストンロッド４７等を備える。

サーボアンプ３１はコントローラ２１によって制御され、電動モータ３２を駆動する。電動モータ３２には、サーボモータを用いることができる。電動モータ３２はサーボアンプ３１によって駆動され、油圧ポンプ３３を回転させる。電動モータ３２としてサーボモータを用いる場合、インバータモータと比較して応答速度を速くすることができ、また、微細な制御をすることができる。

油圧ポンプ３３は第１の油圧配管３４および第２の油圧配管３５と接続されている。油圧ポンプ３３は電動モータ３２によって駆動される。電動モータ３２の正逆の回転方向に応じて油圧ポンプ３３から作動油が吐出される方向が切り替わる。例えば、電動モータ３２の正回転時には、油圧ポンプ３３は第１の油圧配管３４内の作動油を吸引し、吸引した作動油を第２の油圧配管３５側へ吐出する。また、電動モータ３２の逆回転時には、油圧ポンプ３３は第２の油圧配管３５内の作動油を吸引し、吸引した作動油を第１の油圧配管３４側へ吐出する。第１の油圧配管３４および第２の油圧配管３５内の作動油の流量、圧力は、油圧ポンプ３３の吐出量によって決定される。作動油の流量、圧力は電動モータ３２の回転数によって調整することができる。

作動油としては、石油系作動油、合成系作動油、水性系作動油等から任意の作動油を採用することができる。

油圧シリンダ４１は筒形状であり、図２の左右方向を軸方向としている。油圧シリンダ４１は、作動油を収容する作動油収容空間４３を有しており、作動油収容空間４３内に油圧ピストン４２が軸方向に移動可能に収容されている。

油圧ピストン４２は作動油収容空間４３を油圧ピストン４２よりも左側（往復式ポンプ５０側）の第１チャンバ４３ａと油圧ピストン４２よりも右側（往復式ポンプ５０と反対側）の第２チャンバ４３ｂとに区画する。油圧ピストン４２はシングルロッド型であり、油圧シリンダ４１Ａの左側端部（図２の左端部）から外部へ突出するピストンロッド４７を有している。ピストンロッド４７は油圧ピストン４２とともに軸方向に移動する。

また、油圧シリンダ４１の側壁の左側端部には、第１チャンバ４３ａに通じる第１貫通孔４４が設けられ、油圧シリンダ４１Ａの側壁の右側端部には、第２チャンバ４３ｂに通じる第２貫通孔４５が設けられている。第１貫通孔４４の外側開口部は第１の油圧配管３４と接続されており、第２貫通孔４５の外側開口部は第２の油圧配管３５と接続されている。

ピストンロッド４７の外側端部（図２の左側）は、連結部４９により往復式ポンプ５０の昇圧用ピストン５２の右側端部と連結されている。連結部４９は、ピストンロッド４７と昇圧用ピストン５２の軸芯ずれ調整機能を持っていてもよい。

往復式ポンプ５０として、例えば特許第５５１９８５７号に記載されているのと同様の構造を有する往復式ポンプを用いることができる。
往復式ポンプ５０は、昇圧用シリンダ５１と、昇圧用ピストン５２と、シリンダライナ５３と、カバー５４と、弁箱６０と、等を有する。

昇圧用シリンダ５１は内部にシリンダライナ５３および弁箱６０を収容する空間を有する。昇圧用ピストン５２はシリンダライナ５３内で軸方向に移動可能となるように昇圧用シリンダ５１に収容されている。弁箱６０はカバー５４によって昇圧用シリンダ５１内に固定されている。

昇圧用シリンダ５１の側壁には、内部に弁箱６０が固定される位置に、吸入口５５が設けられている。吸入口５５は低圧燃料供給管１２と接続されている。
カバー５４は、昇圧用シリンダ５１の昇圧用ピストン５２が挿入される側と反対側の端部に固定されている。カバー５４には、昇圧用ピストン５２の軸方向に貫通する吐出口５６が設けられている。吐出口５６は高圧燃料供給管１３と接続されている。

昇圧用ピストン５２の外側端部（図２の右側端部）は、連結部４９によってピストンロッド４７の一端（図２の左側端部）と連結されており、昇圧用ピストン５２はピストンロッド４７と連動して軸方向（図２の左右方向）に移動する。
また、昇圧用ピストン５２には、位置センサ７０が設けられる。位置センサ７０は、昇圧用ピストン５２の軸方向（図２の左右方向）の位置を検出し、位置信号をコントローラ２１に出力する。なお、位置信号を用いて、昇圧用ピストン５２の変位を時間微分することにより、昇圧用ピストン５２の速度を求めることができる。すなわち、位置センサを速度センサとしても用いることができる。さらに、昇圧用ピストン５２の速度を時間微分することにより、昇圧用ピストン５２の加速度を求めることができる。すなわち、位置センサ７０を加速度センサとしても用いることができる。

位置センサ７０として、例えば、磁歪式位置センサや超音波センサを用いることができる。ここでは磁歪式位置センサを使用した場合について説明する。
具体的には、位置センサ７０は、センサプローブ７１（磁歪線）と、環状マグネット７２と、検出器７３とを有する。センサプローブ７１は昇圧用ピストン５２と平行に設けられる。環状マグネット７２は中央にセンサプローブ７１が挿入された状態で、センサプローブ７１に沿って昇圧用ピストン５２とともに軸方向に移動するように昇圧用ピストン５２に取り付けられる。センサプローブ７１の一端にはセンサプローブ７１に生じる歪みを検出する検出器７３が設けられている。センサプローブ７１に電流パルス信号を与えると、センサプローブ７１を中心とする円周方向の磁場が生じる。センサプローブ７１の環状マグネット７２と同じ位置では、センサプローブ７１の軸方向に磁場が与えられるため、軸方向に対して斜め方向の合成磁場が生じる。これにより、センサプローブ７１に局部的なねじり歪みが生じる。検出器７３はこのねじり歪みを検出することで、環状マグネット７２の位置を検出し、昇圧用ピストン５２の軸方向の位置を示す位置信号をコントローラ２１に出力する。
なお、位置センサ７０を昇圧用ピストン５２に設ける代わりに、ピストンロッド４７に取り付けてもよい。

弁箱６０は昇圧用シリンダ５１内でシリンダライナ５３とカバー５４との間に固定されている。弁箱６０には、吐出流路６１、吐出用逆止弁６２、吸入流路６４、吸入用逆止弁６５、等が設けられている。
吐出流路６１は弁箱６０を昇圧用ピストン５２の軸方向に貫通するように設けられている。吐出流路６１のカバー５４側の開口はカバー５４の吐出口５６と対向する位置に設けられている。吐出流路６１の内部には、シリンダライナ５３側からカバー５４側への流体の流れを許容する一方、カバー５４側からシリンダライナ５３側への流体の流れを防ぐ吐出用逆止弁６２が設けられている。

吸入流路６４は弁箱６０の外側壁からシリンダライナ５３内の空間に連通するように設けられている。吸入流路６４の弁箱６０の外側壁側の開口は昇圧用シリンダ５１の吸入口５５と対向する位置に設けられている。吸入流路６４には、吸入口５５側からシリンダライナ５３側への流体の流れを許容する一方、シリンダライナ５３側から吸入口５５側への流体の流れを防ぐ吸入用逆止弁６５が設けられている。

〔リニアアクチュエータおよび往復式ポンプの動作〕
次に、リニアアクチュエータ３０および往復式ポンプ５０の動作について説明する。
まず、電動モータ３２により油圧ポンプ３３を駆動し、図２に実線の矢印で示すように、第１チャンバ４３ａ内の作動油を第１貫通孔４４から排出し、第１の油圧配管３４、第２の油圧配管３５を経て第２貫通孔４５から第２チャンバ４３ｂへ供給する。すると、第２チャンバ４３ｂの容積が大きくなり、第１チャンバ４３ａの容積が小さくなるように、油圧ピストン４２が作動油収容空間４３Ａ内で図２の左方向に移動する。

油圧ピストン４２が図２の左方向に移動すると、往復式ポンプ５０では、連結部４９でピストンロッド４７の左側端部と連結されている昇圧用ピストン５２がシリンダライナ５３内で図２の左方向に移動する。すると、シリンダライナ５３の内部であって昇圧用ピストン５２よりも左側の空間にある液体燃料が吐出流路６１および吐出口５６を通じて高圧燃料供給管１３に吐出される。このとき、吐出流路６１内の吐出用逆止弁６２は開いた状態であり、吸入流路６４内の吸入用逆止弁６５は閉じた状態である。

次に、コントローラ２１により電動モータ３２の回転方向を切り替え、油圧ポンプ３３を反対方向に駆動し、図２に破線矢印で示すように、第２チャンバ４３ｂ内の作動油を第２貫通孔４５から排出し、第２の油圧配管３５、第１の油圧配管３４を経て第１貫通孔４４から第１チャンバ４３ａへ供給する。すると、第２チャンバ４３ｂの容積が小さくなり、第１チャンバ４３ａの容積が大きくなるように、油圧ピストン４２が作動油収容空間４３内で図２の右方向へ移動する。

油圧ピストン４２が図２の右方向へ移動すると、往復式ポンプ５０では、連結部４９でピストンロッド４７の左側端部と連結されている昇圧用ピストン５２がシリンダライナ５３内で図２の右方向に移動する。すると、シリンダライナ５３の内部であって昇圧用ピストン５２よりも左側の空間に、吸入口５５から吸入流路６４を通って液体燃料が供給される。このとき、吸入流路６４内の吸入用逆止弁６５は開いた状態であり、吐出流路６１内の吐出用逆止弁６２は閉じた状態である。

このように、電動モータ３２の回転方向を切り替え、油圧ポンプ３３の駆動方向を切り替えることで、第１チャンバ４３ａと第２チャンバ４３ｂとの間で作動油を交互に行き来させ、油圧ピストン４２および昇圧用ピストン５２を図２の左右方向に往復移動させ、往復式ポンプ５０に液体燃料の吸入と吐出を交互に行わせることができる。

図３（ａ）は、燃料供給部２０Ａの往復式ポンプ５０の昇圧用ピストン５２の速度の時間変化を示す図であり、図３（ｂ）は燃料供給部２０Ｂの往復式ポンプ５０の昇圧用ピストン５２の速度の時間変化を示す図である。図３（ａ）、（ｂ）において、横軸は時間、縦軸は速度を示し、上方向を吐出時の速度（正の速度）、下方向を吸入時の速度（負の速度）とする。

図３（ａ）、（ｂ）に示すように、燃料供給部２０Ａの昇圧用ピストン５２と、燃料供給部２０Ｂの昇圧用ピストン５２とは、同一周期Ｔで、位相をπラジアン（１８０度）ずらした状態で交互に往復運動している。なお、図３（ａ）では、燃料供給部２０Ａの昇圧用ピストン５２が吐出を開始する吐出開始時刻をｔ_０、吸入を終了する吸入終了時刻をｔ_４（ｔ_４−ｔ_０＝Ｔ）として、１周期Ｔの間の速度の時間変化を示している。図３（ｂ）では、燃料供給部２０Ｂの昇圧用ピストン５２の位相が燃料供給部２０Ａの時刻ｔ_０、ｔ_１、ｔ_２、ｔ_３、ｔ_４と同位相となる時刻をそれぞれｔ_０’、ｔ_１’、ｔ_２’、ｔ_３’、ｔ_４’としている。

燃料供給部２０Ａの昇圧用ピストン５２の振幅をＡ_１とするとき、図３（ａ）に示すように、燃料供給部２０Ａのコントローラ２１は、吐出開始時刻ｔ_０から所定の加速時間Δｔ（０＜Δｔ＜０．５Ｔ）後の加速終了時刻ｔ_１の間に、一定の加速度４Ａ_１／ＴΔＴ（正の加速度）で昇圧用ピストン５２の速度を０から４Ａ_１／Ｔまで上昇させる。次に、加速終了時刻ｔ_１からｔ_２−ｔ_０＝０．５Ｔとなる定速度終了時刻ｔ_２までの間、昇圧用ピストン５２の速度を４Ａ_１／Ｔのまま維持する。その後、定速度終了時刻ｔ_２からΔｔ後の減速終了時刻ｔ_３までの間、一定の加速度−４Ａ_１／ＴΔＴ（負の加速度）で昇圧用ピストン５２の速度を４Ａ_１／Ｔから０まで減少させる。
吐出開始時刻ｔ_０から減速終了時刻ｔ_３までの間に燃料供給部２０Ａの昇圧用ピストン５２による燃料の吐出が行われる。その後、減速終了時刻ｔ_３からｔ_４−ｔ_２＝０．５Ｔとなる吸入終了時刻ｔ_４までの間に昇圧用ピストン５２による燃料の吸入が行われる。

同様に、燃料供給部２０Ｂの昇圧用ピストン５２の振幅をＡ_２とするとき、図３（ｂ）に示すように、吐出開始時刻ｔ_０’から所定の加速時間Δｔ（０＜Δｔ＜０．５Ｔ）後の加速終了時刻ｔ_１’の間に、一定の加速度４Ａ_２／ＴΔＴ（正の加速度）で昇圧用ピストン５２の速度を０から４Ａ_２／Ｔまで上昇させる。次に、加速終了時刻ｔ_１’からｔ_２’−ｔ_０’＝０．５Ｔとなる定速度終了時刻ｔ_２’までの間、昇圧用ピストン５２の速度を４Ａ_２／Ｔのまま維持する。その後、定速度終了時刻ｔ_２’からΔｔ後の減速終了時刻ｔ_３’までの間、一定の加速度−４Ａ_２／ＴΔＴ（負の加速度）で昇圧用ピストン５２の速度を４Ａ_２／Ｔから０まで減少させる。
吐出開始時刻ｔ_０’から減速終了時刻ｔ_３’までの間に燃料供給部２０Ａの昇圧用ピストン５２による燃料の吐出が行われる。その後、減速終了時刻ｔ_３’からｔ_４’−ｔ_２’＝０．５Ｔとなる吸入終了時刻ｔ_４’までの間に昇圧用ピストン５２による燃料の吸入が行われる。

ここで、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、燃料供給部２０Ａにおける吐出開始時刻ｔ_０または吸入終了時刻ｔ_４と燃料供給部２０Ｂにおける定速度終了時刻ｔ_２’とが同一時刻であり、燃料供給部２０Ａにおける加速終了時刻ｔ_１と燃料供給部２０Ｂにおける減速終了時刻ｔ_３’とが同一時刻であり、燃料供給部２０Ａにおける定速度終了時刻ｔ_２と燃料供給部２０Ｂにおける吸入終了時刻ｔ_４’または吐出開始時刻ｔ_０’とが同一時刻であり、燃料供給部２０Ａにおける減速終了時刻ｔ_３と燃料供給部２０Ｂにおける加速終了時刻ｔ_１’とが同一時刻である。
なお、燃料供給部２０Ａ、２０Ｂのいずれの昇圧用ピストン５２も、一周期Ｔにおける速度の積分値が０となるように、昇圧用ピストン５２の速度が定められている。

図３（ａ）、（ｂ）に示す速度となるように２つの昇圧用ピストン５２の速度を制御する場合、燃料供給部２０Ａからの単位時間あたりの燃料の吐出量と燃料供給部２０Ｂからの単位時間あたりの燃料の吐出量との和は、常に一定となる。なお、燃料供給部２０Ａ、２０Ｂの往復式ポンプ５０の昇圧用ピストン５２を同一の外径とし、Ａ_１＝Ａ_２としてもよい。

ここで、図３（ａ）に、昇圧用ピストン５２を同一の周期Ｔおよび同一の振幅Ａ_１で正弦波振動させたときの昇圧用ピストン５２の速度の時間変化を破線で示す。図３（ａ）に破線で示すように、昇圧用ピストン５２の往復運動を正弦波振動とする場合、昇圧用ピストン５２の速度をｖとすると、ｖ＝２πＡ_１／Ｔｓｉｎ（２πｔ／Ｔ）と表すことができる。この時、吐出時の昇圧用ピストン５２の最大速度は２πＡ_１／Ｔとなる。このため、昇圧用ピストン５２が最大速度２πＡ_１／Ｔとなるときの作動油の最大流量を実現可能な容量の油圧ポンプ３３を選定し、このときの油圧ポンプ３３を駆動できる最大トルクの電動モータ３２を選定する必要がある。

一方、図３（ａ）に実線で示すように、吐出時の昇圧用ピストン５２の速度変化を台形形状とした場合、吐出時の昇圧用ピストン５２の最大速度は４Ａ_１／Ｔとなる。このため、昇圧用ピストン５２が最大速度４Ａ_１／Ｔとなるときの作動油の最大流量を実現可能な油圧ポンプ３３として、昇圧用ピストン５２を正弦波振動させるときよりも油圧容量が小さいものを選定することができ、油圧ポンプ３３を駆動する電動モータ３２としてより最大トルクが小さいものを選定することができる。
このように、昇圧用ピストン５２の最大速度を抑えることで、昇圧用ピストン５２を駆動するリニアアクチュエータ３０の最大負荷を抑えることができる。

なお、本実施形態においては、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、１周期Ｔのうち、０．５Ｔ＋Δｔの時間で燃料の吐出を行い、０．５Ｔ−Δｔの時間で燃料の吸入を行っている。このように、１周期の半分よりも長い時間をかけて燃料の吐出を行うことで、吐出時の昇圧用ピストン５２の最大速度をより小さくすることができる。

なお、上記実施形態においては、往復式ポンプ５０の昇圧用シリンダ５１を水平方向に駆動した場合について説明したが、本発明はこれに限らず、昇圧用シリンダ５１を垂直方向に駆動してもよい。

上記実施形態においては、２つの燃料供給部２０Ａ、２０Ｂを有する燃料供給装置について説明したが、３つ以上の燃料供給部を有する燃料供給装置に本発明を適用してもよい。
例えば、ｎ個（ｎは２以上の自然数）の燃料供給部を有する燃料供給装置において、ｎ個の燃料供給部のそれぞれの昇圧用ピストンを同一の往復周期Ｔで位相を２π／ｎラジアンずらして駆動し、ｎ個の往復式ポンプのそれぞれにおいて、昇圧用ピストンの往復する振幅をＡ（Ａ＞０）としたときに、往復式ポンプによる燃料の吐出開始時刻ｔ_０から所定の加速時間Δｔ後の加速終了時刻ｔ_１（０＜Δｔ＜Ｔ／ｎ）の間に一定の加速度ａ＝２ｎＡ／（ｎ−１）ＴΔＴで加速し、加速終了時刻ｔ_１からｔ_２−ｔ_０＝Ｔ（ｎ−１）／ｎとなる定速度終了時刻ｔ_２までの間、昇圧用のピストンを一定の速度Ｖ＝２ｎＡ／（ｎ−１）Ｔに維持し、定速度終了時刻ｔ_２からΔｔ後の減速終了時刻ｔ_３までの間、昇圧用ピストンの速度を一定の加速度−ａ＝−２ｎＡ／（ｎ−１）ＴΔＴで減速して減速終了時刻ｔ_３に吐出を終了し、減速終了時刻ｔ_３からｔ_４−ｔ_２＝Ｔ／ｎとなる吸入終了時刻ｔ_４までの間、往復式ポンプによる燃料の吸入を行うように、ｎ個の燃料供給部を制御してもよい。

図４（ａ）〜（ｃ）は３個の燃料供給部２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃを有する燃料供給装置に本発明を適用した場合の、それぞれの昇圧用ピストン５２の速度の時間変化を示す図である。
図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、３個の燃料供給部のそれぞれの昇圧用ピストンを同一の往復周期Ｔで位相を２π／３ラジアンずらして駆動し、３個の往復式ポンプのそれぞれにおいて、昇圧用ピストンの往復する振幅をＡ（Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３）（Ａ＞０）としたときに、往復式ポンプによる燃料の吐出開始時刻ｔ_０から所定の加速時間Δｔ後の加速終了時刻ｔ_１（０＜Δｔ＜Ｔ／３）の間に一定の加速度ａ＝３Ａ／ＴΔＴで加速し、加速終了時刻ｔ_１からｔ_２−ｔ_０＝２Ｔ／３となる定速度終了時刻ｔ_２までの間、昇圧用のピストンを一定の速度Ｖ＝３Ａ／Ｔに維持し、定速度終了時刻ｔ_２からΔｔ後の減速終了時刻ｔ_３までの間、昇圧用ピストンの速度を一定の加速度−ａ＝−３Ａ／ＴΔＴで減速して減速終了時刻ｔ_３に吐出を終了し、減速終了時刻ｔ_３からｔ_４−ｔ_２＝Ｔ／３となる吸入終了時刻ｔ_４までの間、往復式ポンプによる燃料の吸入を行うように、３個の燃料供給部を制御してもよい。

図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す速度となるように３つの昇圧用ピストン５２の速度を制御する場合、燃料供給部２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃからの単位時間あたりの燃料の吐出量の和は、常に一定となる。
なお、燃料供給部２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの往復式ポンプ５０の昇圧用ピストン５２を同一の外径とし、Ａ_１＝Ａ_２＝Ａ_３としてもよい。
このように、１周期の半分よりも長い時間をかけて燃料の吐出を行うことで、吐出時の昇圧用ピストン５２の最大速度をさらに小さくすることができる。

１０ 燃料供給装置
１１ 液体燃料タンク
１２ 低圧燃料供給管
１３ 高圧燃料供給管
１４ 熱交換器
１５ 高温燃料供給管
１６ 調圧弁
１７ 圧力計
２０Ａ、２０Ｂ 燃料供給部
２１ コントローラ
３０ リニアアクチュエータ
３１ サーボアンプ
３２ 電動モータ
３３ 油圧ポンプ
３４ 第１の油圧配管
３５ 第２の油圧配管
４１ 油圧シリンダ
４２ 油圧ピストン
４３ 作動油収容空間
４３ａ 第１チャンバ
４３ｂ 第２チャンバ
４７ ピストンロッド
４９ 連結部
５０ 往復式ポンプ
５１ 昇圧用シリンダ
５２ 昇圧用ピストン
５３ シリンダライナ
５４ カバー
５５ 吸入口
５６ 吐出口
６０ 弁箱
６１ 吐出流路
６２ 吐出用逆止弁
６４ 吸入流路
６５ 吸入用逆止弁
７０ 位置センサ
７１ センサプローブ
７２ 環状マグネット
７３ 検出器
８０ 制御部
９０ 内燃機関

Claims (6)

1. 内燃機関の燃焼室内へ燃料を供給する燃料供給装置であって、
   低圧の燃料が供給される低圧燃料供給管と、
   前記燃焼室内へ供給される高圧の燃料が供給される高圧燃料供給管と、
   前記低圧燃料供給管と前記高圧燃料供給管との間に並列に設けられ、前記低圧燃料供給管内の燃料を昇圧してそれぞれ前記高圧燃料供給管に供給するｎ個の燃料供給部と、
   前記ｎ個の燃料供給部のそれぞれを制御する制御部と、
   を備え、
   前記ｎ個の燃料供給部のそれぞれは、軸方向に往復する昇圧用ピストンを有する往復式ポンプを有し、
   前記制御部は、前記ｎ個の燃料供給部のそれぞれの昇圧用ピストンを同一の往復周期Ｔで位相を２π／ｎラジアンずらして駆動し、
   前記往復式ポンプのそれぞれにおいて、
   前記往復式ポンプによる燃料の吐出開始時刻をｔ_０としたときに、
   吐出開始時刻ｔ_０から所定の加速時間Δｔ後の加速終了時刻ｔ_１（０＜Δｔ＜Ｔ／ｎ）の間に一定の加速度ａ（ａ＞０）で加速し、
   加速終了時刻ｔ_１からｔ_２−ｔ_０＝Ｔ（ｎ−１）／ｎとなる定速度終了時刻ｔ_２までの間、前記昇圧用のピストンを一定の速度Ｖに維持し、
   定速度終了時刻ｔ_２からΔｔ後の減速終了時刻ｔ_３までの間、前記昇圧用ピストンの速度を一定の加速度−ａで減速して減速終了時刻ｔ_３に吐出を終了し、
   減速終了時刻ｔ_３からｔ_４−ｔ_２＝Ｔ／ｎとなる吸入終了時刻ｔ_４までの間、前記往復式ポンプによる燃料の吸入を行うように、前記ｎ個の燃料供給部を制御する、燃料供給装置。
2. 前記昇圧用ピストンの往復する振幅をＡ（Ａ＞０）としたときに、
   前記一定の加速度ａは２ｎＡ／（ｎ−１）ＴΔＴであり、
   前記一定の速度Ｖは２ｎＡ／（ｎ−１）Ｔである、請求項１に記載の燃料供給装置。
3. 前記ｎは２であり、
   前記一定の加速度ａは４Ａ／ＴΔＴであり、
   前記一定の速度Ｖは４Ａ／Ｔである、請求項２に記載の燃料供給装置。
4. 内燃機関の燃焼室内へ燃料を供給する燃料供給方法であって、
   低圧の燃料が供給される低圧燃料供給管と、前記燃焼室内へ供給される高圧の燃料が供給される高圧燃料供給管との間に並列に設けられたｎ個の燃料供給部により前記低圧燃料供給管内の低圧の燃料を吸入し、昇圧して前記高圧燃料供給配管に高圧の燃料を吐出する昇圧処理を有し、
   前記昇圧処理は、前記ｎ個の燃料供給部のそれぞれの昇圧用ピストンを同一の往復周期Ｔで位相を２π／ｎラジアンずらして駆動し、
   前記往復式ポンプのそれぞれにおいて、
   前記往復式ポンプによる燃料の吐出開始時刻をｔ_０としたときに、
   吐出開始時刻ｔ_０から所定の加速時間Δｔ後の加速終了時刻ｔ_１（０＜Δｔ＜Ｔ／ｎ）の間に一定の加速度ａ（ａ＞０）で加速し、
   加速終了時刻ｔ_１からｔ_２−ｔ_０＝Ｔ（ｎ−１）／ｎとなる定速度終了時刻ｔ_２までの間、前記昇圧用のピストンを一定の速度Ｖに維持し、
   定速度終了時刻ｔ_２からΔｔ後の減速終了時刻ｔ_３までの間、前記昇圧用ピストンの速度を一定の加速度−ａで減速して減速終了時刻ｔ_３に吐出を終了し、
   減速終了時刻ｔ_３からｔ_４−ｔ_２＝Ｔ／ｎとなる吸入終了時刻ｔ_４までの間、前記往復式ポンプによる燃料の吸入を行う、燃料供給方法。
5. 前記昇圧用ピストンの往復する振幅をＡ（Ａ＞０）としたときに、
   前記一定の加速度ａは２ｎＡ／（ｎ−１）ＴΔＴであり、
   前記一定の速度Ｖは２ｎＡ／（ｎ−１）Ｔである、請求項４に記載の燃料供給装置。
6. 前記ｎは２であり、
   前記一定の加速度ａは４Ａ／ＴΔＴであり、
   前記一定の速度Ｖは４Ａ／Ｔである、請求項５に記載の燃料供給装置。
   
   

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