JP3382086B2 - 内燃エンジンの燃料供給装置 - Google Patents

内燃エンジンの燃料供給装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、天然ガス(CN
G)等の気体燃料が充填された燃料タンクから内燃エン
ジンに燃料を供給する内燃エンジンの燃料供給装置に関
する。
【0002】
【従来の技術】天然ガス等の気体燃料を使用する自動車
に搭載される内燃エンジンの燃料供給装置においては、
高圧の気体燃料を燃料タンクに充填し、この燃料タンク
から減圧された燃料を内燃エンジンに供給するようにし
ている。
【0003】かかる燃料供給装置に使用される燃料タン
クには、一般に高圧の燃料が注入されるので、燃料タン
クの設計上、強度を保持しつつ燃料の漏洩を阻止する必
要がある。かかる観点と、軽量性、耐腐食性の向上等と
を考慮して、燃料タンクを外側のシェル及び内側のライ
ナによる重層構造とし、シェル及びライナを非金属材料
で構成したものが既に知られている(特開平6−426
98号公報)。この燃料タンクでは、例えば、外側のシ
ェルが複合繊維強化樹脂材料等で構成され、内側のライ
ナが高密度ポリエチレン、ポリアミド等の樹脂で構成さ
れる。特に、この樹脂製のライナにより、燃料タンクの
軽量性、耐久性を維持しつつ燃料の漏洩を阻止できる。
【0004】また、かかる燃料供給装置における燃料タ
ンクは、燃料タンク内の圧力が噴射弁による噴射が不可
能になる(例えば大気圧になる)まで、内燃エンジンへ
の燃料供給が理論的に可能であるので、燃料タンクへの
燃料の再充填は、燃料供給が不可能になってから行われ
ることが多い。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の内燃エンジンの燃料供給装置は、燃料を充填する場
合の外気温について考慮していなかったため、低温下で
の燃料の再充填には問題があった。
【0006】すなわち、燃料を燃料タンクに再充填する
際、高圧(例えば250kgf/cm2(24.5Mpa))
の気体状の燃料が、相対的に低圧(空状態)の燃料タン
ク内に瞬時に注入されると、燃料が一気に膨張すること
により、燃料タンク内の温度が著しく低下する。そし
て、その燃料充填が、外気温が著しく低い低温度(例え
ば北米において想定される例えば−40°C以下)で行
われた場合は、燃料の充填直後の燃料タンク内の温度が
一層低い極低温度(例えば−90°C)以下になること
がある。そして、急激にこのような極低温度になると、
燃料タンク内側の樹脂製のライナが脆弱化する傾向にあ
り、ライナの耐久性の低下をきたすおそれがあるという
問題があった。また、シール部のシール性能にも悪影響
があるという問題があった。
【0007】本発明は上記従来技術の問題を解決するた
めになされたものであり、その目的は、低温下での燃料
充填に起因する燃料タンクの樹脂製ライナの耐久性低下
を防止できる内燃エンジンの燃料供給装置を提供するこ
とにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の請求項1の内燃エンジンの燃料供給装置は、
圧縮された気体燃料を充填可能な樹脂製のライナを有す
る燃料タンクと、該燃料タンク内に充填された燃料を内
燃エンジンに供給する供給手段とを備えた内燃エンジン
の燃料供給装置において、前記燃料タンク内の圧力が
外気温度に応じて設定される所定値以下となった場合
は、前記供給手段による前記内燃エンジンへの燃料の供
給を停止する停止手段を備えたことを特徴とする。
【0009】
【0010】さらに、前記停止手段は、前記燃料タンク
に連通し前記内燃エンジンに燃料を供給する燃料供給通
路を遮断する電磁弁であるとしてもよい。
【0011】本発明によれば、燃料タンク内の圧力が
気温度に応じて設定される所定値以下となった場合は、
供給手段による内燃エンジンへの燃料の供給が停止され
る。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。
【0013】図1は、本発明の実施の一形態に係る内燃
エンジンの燃料供給装置の構成を示すブロック図であ
る。本装置は、例えば4気筒の内燃エンジン18で天然
ガスを燃焼させることにより動力を得る自動車に用いら
れる。
【0014】燃料タンク1は、後述するように、天然ガ
ス(CNG)等の圧縮可能な主として気体状の燃料(以
下単に「燃料」という)を高圧状態で保持できるように
構成されている。燃料タンク1には、高圧(例えば25
0kgf/cm2(24.5Mpa))の天然ガスを外部から
注入するための高圧燃料充填通路26、燃料タンク1内
の高圧燃料を供給するための高圧燃料供給路9、及びワ
ンウェイタイプのタンクリリーフバルブ2が接続されて
いる。高圧燃料充填通路26及び高圧燃料供給路9に
は、燃料タンク1内の高圧燃料の流出、流入を遮断する
ための手動ロック弁4a、4bがそれぞれ設けられてい
る。
【0015】また、燃料タンク1は、再充填により繰り
返し使用できるように構成されており、高圧燃料の充填
の際には、手動ロック弁4aを開弁し、不図示の充填装
置から高圧燃料充填通路26を通じて高圧燃料が充填さ
れる。燃料タンク1内の圧力が規定値以上になった場合
は、安全弁としてのタンクリリーフバルブ2が開弁さ
れ、燃料が外部へ放出される。
【0016】燃料タンク1内の高圧燃料供給路9の取り
付け口には、インタンクソレノイドバルブ3が設けられ
ている。インタンクソレノイドバルブ3は、エンジン制
御用コントロールユニット(以下「ECU」という)2
2に電気的に接続されており、ECU22からの信号に
よりその開閉が制御され、これにより、燃料タンク1内
の高圧燃料の高圧燃料供給路9への供給、遮断が制御さ
れる。
【0017】燃料タンク1の下部には、タンク温度セン
サ11が設けられており、タンク温度センサ11は燃料
タンク1内の温度を検出し、その検出信号をECU22
に供給する。
【0018】高圧燃料供給路9はプレッシャレギュレー
タ10に接続され、燃料タンク1から排出された高圧燃
料をプレッシャレギュレータ10まで導く。高圧燃料供
給路9の途中には、高圧燃料温度センサ5、高圧燃料圧
力センサ6、手動遮断弁7及びろ過器8が設けられてい
る。高圧燃料温度センサ5は、高圧燃料供給路9内の高
圧燃料の温度(以下「高圧燃料温度TF0」という)を
検出し、その検出信号をECU22に供給する。高圧燃
料圧力センサ6は、高圧燃料供給路9内の高圧燃料の圧
力(以下「高圧燃料圧力PF0」という)を検出し、そ
の検出信号をECU22に供給する。高圧燃料の供給
は、手動遮断弁7を手動操作することによっても遮断で
きる。ろ過器8は、供給される高圧燃料をろ過する。
【0019】プレッシャレギュレータ10は、いわゆる
圧力調節器であり、燃料の圧力が燃料噴射するのに適当
な一定値(例えば0.25Mpa)となるように高圧燃
料を減圧する。プレッシャレギュレータ10に設けられ
たリリーフバルブ12は、減圧後の燃料圧が規定値を超
えないようにするための安全弁である。プレッシャレギ
ュレータ10には、噴射燃料供給路15を介して燃料噴
射弁16が接続されており、プレッシャレギュレータ1
0により一定圧に減圧された燃料は、供給燃料として燃
料噴射弁16に供給される。
【0020】噴射燃料供給路15の途中には、噴射燃料
温度センサ13及び噴射燃料圧力センサ14が設けられ
ている。噴射燃料温度センサ13は、噴射燃料供給路1
5内の供給燃料の温度を検出し、その検出信号をECU
22に供給する。噴射燃料圧力センサ14は、噴射燃料
供給路15内の供給燃料の圧力を検出し、その検出信号
をECU22に供給する。
【0021】燃料噴射弁16は、吸気通路17上におけ
る内燃エンジン18の少し上流側に、各気筒毎に設けら
れると共に、ECU22に電気的に接続されており、E
CU22からの信号により、燃料噴射弁16の開弁時間
が制御される。吸気通路17における燃料噴射弁16よ
り上流側には、吸気温度センサ19が設けられている。
吸気温度センサ19は、吸気通路17内の吸気温度(以
下「吸気温度TA」という)を検出し、その検出信号を
ECU22に供給する。
【0022】外気温センサ27は、車両の所定位置(例
えばタンク収納室、フロントバンパ)に取り付けられ、
外気温度(以下「外気温度TOA」という)を検出し、
その検出信号をECU22に供給する。
【0023】ECU22には、さらに燃料タンク1内の
残燃料量を表示する燃料計20、ドライバに各種の警告
を与える警告灯21が接続されている。ECU22は、
後述する処理により、低温下での燃料タンク1による高
圧燃料の供給に一定の制限を課すと共に、必要な警告
を、警告灯21により行う。
【0024】ECU22は、上述の各種センサからの入
力信号波形を成形して電圧レベルを所定レベルに修正
し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換すると共に
不図示のメモリに格納する等の機能を有する入力回路
と、中央演算処理回路(以下「CPU」という)と、該
CPUが実行する演算プログラムや該CPUによる演算
結果等を記憶する記憶回路と、インタンクソレノイドバ
ルブ3や燃料噴射弁16に駆動信号を供給する出力回路
とを備えている。
【0025】図2は、燃料タンク1の断面図である。
【0026】燃料タンク1は、例えば、外部層がドーム
保護層23、中間層がシェル24、内部層がライナ25
で構成され、多重構造となっている。各層は、燃料タン
ク1の軽量化、耐腐食化等のため非金属材料で作られる
が、強度、流体非透過性等を保つべく、適当な材料が選
定されている。例えば、ドーム保護層23には、耐衝撃
性を維持するために繊維強化樹脂(G−FRP)が採用
されており、シェル24には、強度保持のためにカーボ
ンファイバコンポジットが採用されており、ライナ25
には、天然ガス等の流体の透過を阻止するために高密度
ポリエチレンが採用されている。
【0027】図3は、本実施の形態に係る内燃エンジン
の燃料供給装置による燃料残量計処理の制御手順を示す
フローチャートである。本処理は、ECU22のCPU
によって例えばバックグラウンド処理により実行され
る。
【0028】まず、ステップS301では、高圧燃料温
度センサ5または高圧燃料圧力センサ6が故障している
ことを「1」で示す故障検知フラグFFMWARNが
「1」に設定されているか否かを判別する。故障検知フ
ラグFFMWARNは、燃料残量が少ない場合にその度
合いに応じて警告灯21を点滅させる残量警告灯処理
(フローチャートは不図示)において設定される。
【0029】ステップS301の判別の結果、故障検知
フラグFFMWARNが「1」に設定されていない場合
は、ステップS302へ進み、不図示のテーブルにより
検索することにより、ECU22に供給された高圧燃料
温度TF0を線形化した燃料温度リニアライズ値TF0
Kを求める。
【0030】続くステップS303では、次式(1)に
より、燃料タンク1内の燃料残量を示す残量MIDEA
Lを求める。
【0031】 MIDEAL=(PF0×256)/((TF0K−50)+273) …(1) 続くステップS304では、理想気体に対する実在気体
へのモル数への変換係数であるモル数変換係数KVDW
Fを、高圧燃料圧力PF0及び高圧燃料温度TF0から
不図示のマップを用いて求める。モル数変換係数KVD
WFは、例えば0.7〜2.0の値となる。
【0032】続くステップS305では、残量MIDE
ALにモル数変換係数KVDWFを乗算することによ
り、モル数MREALを算出し、ステップS306へ進
んで、モル数MREALを比率変換係数#MREFで除
算することにより、残量比率FIFMを算出する。ここ
で、比率変換係数#MREFは、燃料タンク1の満タン
状態に対する比率変換係数であり、この値が大きい程、
残量比率FIFMが小さい値となる。
【0033】続くステップS307では、図4のFMO
DAテーブルを用いて、残量比率FIFMから残量出力
値FMODAを求める。FMODAテーブルは、不図示
のメモリに格納されており、横軸に残量比率FIFM
を、縦軸に残量出力値FMODAを採る。このテーブル
は、残量比率FIFMが大きい程、残量出力値FMOD
Aが大きい値に設定され、残量比率FIFMの値が
「5」を超えるとその傾向がさらに強くなるように設定
されている。
【0034】続くステップS308では、上記求められ
た残量出力値FMODAを、燃料計20に出力し、燃料
計20により、残量出力値FMODAを燃料残量として
表示した後、本処理を終了する。
【0035】一方、前記ステップS301の判別の結
果、故障検知フラグFFMWARNが「1」に設定され
ている場合は、正確な残量算出ができないので、直ちに
前記ステップS306以下を実行する。
【0036】本燃料残量計処理により、高圧燃料圧力P
F0及び高圧燃料温度TF0から燃料タンク1内の燃料
の残量を算出できると共に、その残量を燃料計20に表
示できる。また、モル数による変換処理により、圧力及
び温度の影響を考慮した正確な残量算出ができる。
【0037】図5は、本実施の形態に係る内燃エンジン
の燃料供給装置による残圧制御処理の制御手順を示すフ
ローチャートである。本処理は、ECU22のCPUに
よって例えばバックグラウンド処理により実行される。
【0038】まず、高圧燃料圧力PF0及び外気温度T
OAをECU22のメモリから読み込み(ステップS5
01)、燃料タンク1保護のために残すべき最小圧力P
F0TPLを、図6に示す最小圧力算出マップを用いて
外気温度TOAに応じて求める(ステップS502)。
図6の最小圧力算出マップは、ECU22の不図示のメ
モリに格納されており、外気温度TOAが低い程、最小
圧力PF0TPLが段階的に大きい値を執るように設定
されている。例えば、外気温度TOAが(−20°C)
以下では、最小圧力PF0TPLは、110PSi(7
59Pa)となる。
【0039】次に、ステップS503で、次式(2)が
成立するか否かを判別する。
【0040】 PF0≦PF0TPL+DFP0WL …(2) ここに、DFP0WLは、高圧燃料圧力PF0が最小圧
力PF0TPL以下になる前に事前に警告するために設
定される加算値である。
【0041】ステップS503の判別の結果、前記式
(2)が成立しない場合は、直ちに本処理を終了する一
方、前記式(2)が成立する場合は、警告灯21を点灯
させ(ステップS504)、PF0≦PF0TPLが成
立するか否かを判別する(ステップS505)。その判
別の結果、PF0≦PF0TPLが成立しない場合は直
ちに本処理を終了する一方、PF0≦PF0TPLが成
立する場合は、インタンクソレノイドバルブ3を閉弁制
御して(ステップS506)、本処理を終了する。
【0042】本残圧制御処理により、高圧燃料圧力PF
0が最小圧力PF0TPL以下である場合は、インタン
クソレノイドバルブ3が閉弁されるので、燃料タンク1
内に一定の圧力を残した状態で次回の充填を行うことが
できる。従って、低温下での再充填による燃料タンク1
内の急激な温度低下を緩和でき、タンク内側の樹脂製の
ライナ25の脆弱化による燃料タンク1の耐久性低下を
防止できる。また、シール部のシール性能への悪影響も
減少させることができる。
【0043】さらに、燃料タンク1に一定の圧力が残る
ことにより、ライナ25が内側にたわむことを防止でき
ることによって、燃料タンク1の耐久性が向上される。
【0044】また、最小圧力PF0TPLを外気温度T
OAに応じて設定するようにしたので、燃焼タンク1の
耐久性低下を回避しつつ非低温下での不要な燃料遮断制
御を防止できる。
【0045】さらに、高圧燃料圧力PF0が、最小圧力
PF0TPLに加算値DFP0WLを加算した値以下に
なった時点で警告を行うようにしたので、ドライバに対
し、圧力が残り少ないことを燃料遮断の前に知らせるこ
とができる。
【0046】図7は、本実施の形態に係る内燃エンジン
の燃料供給装置の燃料タンク1の充填直後におけるタン
ク内温度の経時変化を表す図である。同図は、横軸に時
間を、縦軸に燃料タンク1内の温度を執ったものであ
る。また、同図中、曲線Aが、従来のように燃料タンク
1の圧力を残さずに使い切った後、再充填した場合の変
化を示し、曲線Bが、本実施の形態において一定の圧力
を残した後、再充填した場合の変化を示す。なお、充填
開始時点を「0秒」としている。
【0047】燃料タンク1は外気温度と同じ(−45°
C)と仮定して、燃料タンク1に燃料を充填する場合、
従来(曲線A)は、充填直後の高圧燃料の膨張により、
充填開始から約5秒後には(−95°C)近くまで燃料
タンク1内の温度が急低下していた。これに対し、本実
施の形態(曲線B)によれば、同条件による充填によっ
て燃料タンク1内の温度降下は充填開始後10〜15秒
後に最大となるが、その程度は(−75〜−80°C)
に抑えることができる。よって、温度降下の緩和によ
り、上述した効果が得られる。
【0048】なお、本実施の形態では、高圧燃料圧力セ
ンサ6の検出値である高圧燃料圧力PF0を直接燃料タ
ンク1内の圧力値としたが、これに限るものでなく、高
圧燃料圧力PF0、高圧燃料温度TF0及びタンク温度
センサ11の検出値に基づいて、燃料タンク1内の圧力
を算出するようにしてもよい。これにより、燃料タンク
1内の圧力値として、より正確な圧力値を得ることがで
きるので、残圧制御処理の精度を向上できる。
【0049】また、本実施の形態では、残圧制御処理に
燃料タンク1内の圧力を用いたが、これに限るものでな
く、燃料タンク1内の燃料の残量を用いるようにしても
よい。例えば、図3の燃料残量計処理で算出された残量
出力値FMODAを、インタンクソレノイドバルブ3の
閉弁制御の閾値とするようにしてもよい。これによって
も、圧力を用いた場合と同様の効果を得ることができ
る。
【0050】なお、本実施の形態の残圧制御処理におい
て、インタンクソレノイドバルブ3を閉弁するようにし
たが、燃料タンク1からの燃料のさらなる流出を遮断で
きる手法であれば、他の手法によってもよい(例えば、
別途設けた電磁弁による遮断、残量警告に基づく手動に
よる遮断、その他の手法によるエンジン停止等)。
【0051】また、本実施の形態の残圧制御処理におい
て、最小圧力PF0TPLの算出に外気温センサ27の
検出値である外気温度TOAを用いたが、外気温度とし
て吸気温度センサ19の検出値である吸気温度TAを用
いるようにしてもよい。
【0052】あるいは、タンク保護最小圧力としての最
小圧力PF0TPLを、外気温度TOAの関数として算
出するようにしてもよい。
【0053】なお、本実施の形態では、燃料の一例とし
て天然ガス(CNG)を示したが、圧縮してタンクに充
填される燃料であれば、他の燃料であってもよい。
【0054】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の請求項1
に係る内燃エンジンの燃料供給装置によれば、燃料の膨
張による燃料タンク内の急激な温度低下を緩和してライ
ナの耐久性低下を回避しつつ、不要な燃料供給の遮断を
防止することができる。
【0055】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の一形態に係る内燃エンジンの燃
料供給装置の構成を示すブロック図である。
【図2】同装置における燃料タンクの断面図である。
【図3】同装置による燃料残量計処理の制御手順を示す
フローチャートである。
【図4】同装置による燃料残量計処理に用いられるFM
ODAテーブルを示す図である。
【図5】同装置による残圧制御処理の制御手順を示すフ
ローチャートである。
【図6】同装置による残圧制御処理に用いられる最小圧
力算出マップを示す図である。
【図7】同装置の燃料タンク充填直後におけるタンク内
温度の経時変化を表す図である。
【符号の説明】
1 燃料タンク 3 インタンクソレノイドバルブ 5 高圧燃料温度センサ 6 高圧燃料圧力センサ 9 高圧燃料供給路 10 プレッシャレギュレータ 11 タンク温度センサ 16 燃料噴射弁 17 吸気通路 18 内燃エンジン 19 吸気温度センサ 20 燃料計 21 警告灯 22 ECU(エンジン制御用コントロールユニット) 23 ドーム保護層 24 シェル 25 ライナ 26 高圧燃料充填通路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 遠藤 一 埼玉県和光市中央1丁目4番1号 株式 会社本田技術研究所内 (72)発明者 石橋 建一郎 埼玉県和光市中央1丁目4番1号 株式 会社本田技術研究所内 (56)参考文献 特開 平6−42698(JP,A) 実開 昭59−47336(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) F02M 21/02 F02M 21/02 301 F02M 21/06

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 圧縮された気体燃料を充填可能な樹脂製
    のライナを有する燃料タンクと、該燃料タンク内に充填
    された燃料を内燃エンジンに供給する供給手段とを備え
    た内燃エンジンの燃料供給装置において、 前記燃料タンク内の圧力が、外気温度に応じて設定され
    所定値以下となった場合は、前記供給手段による前記
    内燃エンジンへの燃料の供給を停止する停止手段を備え
    たことを特徴とする内燃エンジンの燃料供給装置。
  2. 【請求項2】 前記停止手段は、前記燃料タンクに連通
    し前記内燃エンジンに燃料を供給する燃料供給通路を遮
    断する電磁弁であることを特徴とする請求項1記載の内
    燃エンジンの燃料供給装置。
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