JP4381441B2 - 内燃機関の燃料噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、往復動内燃機関の燃料噴射装置に関し、特に液状の石油代替燃料等の低粘度の燃料を用いる燃料噴射装置に関する。

石油資源は将来枯渇すると考えられ、これに対処するため、バイオ燃料やＤＭＥ（ジメチルエーテル）燃料等の天然ガス改質燃料を用いる往復動内燃機関が提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。
特許文献１（特開２００２−３０９９７９号公報）に開示されている技術は、バイオガスを軽油とともに使用するもので、バイオガスは吸気管に導入される。また、特許文献２（特開２０００−１２０４９３号公報）に開示されている技術は、液状のジメチルエーテルを燃料噴射装置で高圧にして燃焼室に噴射するものである。

特開２００２−３０９９７９号公報 特開２０００−１２０４９３号公報

バイオ燃料は、通常燃料に比べて粘度が高いものも低いものもあるが、ＤＭＥ（ジメチルエーテル），ＧＴＬ（天然ガス）などの石油代替燃料は、液体の場合、一般に粘度が低くて潤滑性に劣るので、燃料噴射装置で高圧にして往復動内燃機関の燃焼室に噴射する際には燃料噴射装置における潤滑不良発生の問題が生じる。
特許文献２の技術は列型燃料噴射装置を用いる場合で、該燃料噴射装置のタペットの潤滑不良を解消することができる構成が提案されているが、これは燃料噴射圧力はそれほど高くない場合であり、高圧の燃料噴射装置のプランジャ摺動部の潤滑については特に考慮されていない。

前記のような石油代替燃料を使用するエンジンの場合においても、エンジン性能向上のためにさらに高圧噴射をする場合には、該石油代替燃料は一般に粘度が低く潤滑性能が低いため、燃料噴射装置のプランジャ摺動部の潤滑性を良好に保持して該プランジャ摺動部の潤滑不良に伴うプランジャの磨耗や焼付きの発生を防止することが必須となる。

ＮＯ_Ｘや排煙が少なく排ガス性能に優れているバイオ燃料を通常使用の燃料と混合して噴射すれば、排ガス性能を改善することができる一方で、粘度が低くバイオ燃料の種類によって高い粘度のものや低い粘度のものがあり、計時変化によっても粘度の変化があるため、潤滑性能が一定でないバイオ燃料の増加に従いプランジャ摺動部の潤滑条件は悪化する。
さらには、水を添加したエマルジョン燃料やバイオ燃料は水分含有量が多いため、これらの燃料を燃料タンクにそのまま保管したり、従来の燃料と混合して保管したりするには、燃料タンク壁面の防錆などの特別な配慮が必要になる。
さらに、バイオ燃料は、経年変化により粘度や性状が変化しやすい性質を有する。エタノールは金属やゴムを腐食させるため、これに対応する燃料タンクの設計が必要になる。

また、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）、ＧＴＬ（天然ガス）などの石油代替燃料は、低粘度燃料のため潤滑性に劣り、潤滑性向上剤の添加が必要になるが、該添加剤の代わりに粘度の高いバイオ燃料と、従来の燃料を加え、混合燃料として粘度を従来燃料並に制御すれば潤滑性を改善することが可能となる。

従って、本発明はかかる従来技術の課題に鑑み、バイオ燃料の使用時には排ガスを改善しながら燃料噴射装置のプランジャ摺動部の潤滑性を良好に保持して該プランジャ摺動部の潤滑不良に伴うプランジャの磨耗や焼付きの発生を防止し得る内燃機関の燃料噴射装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、燃料供給ポンプにより供給された燃料をプランジャにより加圧して燃料噴射弁に圧送する燃料噴射装置を備えた内燃機関（エンジン）において、前記燃料噴射装置に供給される燃料にバイオ燃料を混入せしめるバイオ燃料供給手段と、前記エンジンの回転数（エンジン回転数）またはエンジン負荷の上昇に従い前記バイオ燃料の混入量を減少するように前記バイオ燃料供給手段を制御するコントローラとを備え、
前記燃料供給ポンプと前記燃料噴射装置の燃料入口との間の燃料通路に前記バイオ燃料供給手段を構成するバイオ燃料供給ポンプの吐出通路を接続し、前記吐出通路に前記バイオ燃料供給ポンプから燃料噴射装置へ向かう流れのみを許容する逆止弁を設置したことを特徴とする。

ＮＯ_Ｘや排煙が少なく排ガス性能に優れているバイオ燃料を通常使用の燃料と混合して噴射すれば、排ガス性能を改善することができる一方で、バイオ燃料の種類によって高い粘度のものや低い粘度ものがあり、計時変化によっても粘度の変化があるため、潤滑性能が一定でないバイオ燃料の増加に従いプランジャ摺動部の潤滑条件は悪化する。
然るに、かかる発明によれば、エンジンの回転数またはエンジン負荷が増大して前記プランジャ摺動部の潤滑条件が過酷になるに従い、バイオ燃料の混入量を減少し通常燃料の量を多くせしめるように制御することにより、ＮＯ_Ｘや排煙が少なく排ガス性能を良好に保持しつつ、前記プランジャ摺動部の摩耗や焼き付きの発生を回避できる。

また、係る発明において、好ましては燃料を収容するタンクとして、通常燃料タンク、バイオ燃料タンク、及び石油代替燃料タンクの３種を併設することがよい。
かかる発明によれば、燃料噴射装置に供給される通常燃料とバイオ燃料の２種、またはＤＭＥやＧＴＬ等のバイオ燃料以外の石油代替燃料と通常燃料とバイオ燃料との３種の割合を調節することによって混合燃料の潤滑性を調節することができ、高価な潤滑性向上剤を添加しなくて済む。

また、かかる発明において、好ましくは、前記燃料噴射装置に供給される前記バイオ燃料の混入後における前記燃料の温度（燃料温度）を検出する温度センサと該燃料の粘度（燃料粘度）を検出する粘度センサとを備え、前記コントローラは、前記温度センサからの燃料温度の検出値及び前記粘度センサからの燃料粘度の検出値、並びに前記エンジン回転数またはエンジン負荷に基づき、前記エンジン回転数またはエンジン負荷における前記バイオ燃料供給手段からのバイオ燃料供給量を算出して該バイオ燃料供給手段の流量制御を行うように構成されてなる。

燃料噴射装置に供給された燃料は全てが燃焼室に噴射されるのではなく、その１部は燃料タンク側に戻される。この場合、通常燃料用タンクとバイオ燃料供給手段を構成するバイオ燃料用タンクのうち、戻り燃料が戻される通常燃料用燃料タンク内の燃料の通常燃料に対するバイオ燃料の割合は徐々に変化する。
従って、通常燃料用燃料タンクを循環して燃料噴射装置に供給される燃料中のバイオ燃料の濃度は燃料タンクに新たに燃料を補給しない限り徐々に増大する。また、潤滑性は主として燃料の粘度に支配され、粘度は温度によって変わる。

従って、前記のように構成すれば、燃料噴射装置に供給されるバイオ燃料の混入後における燃料の温度を検出するとともに該燃料の粘度を検出し、前記燃料温度の検出値及び燃料粘度の検出値に基づき任意のエンジン回転数またはエンジン負荷におけるバイオ燃料の所要量を算出して、該所要量になるようにバイオ燃料供給手段の流量制御を行うことにより、燃料噴射装置の燃料入口におけるバイオ燃料の過剰な混入を避け、常時エンジン回転数またはエンジン負荷に適合した量のバイオ燃料を添加することができる。これにより、バイオ燃料の混合割合が過度になってプランジャ摺動部の潤滑が阻害される事態の発生を避ける事ができる。

また、かかる発明において、好ましくは、エンジン停止直前に、通常燃料のみで運転し、燃料ポンプ、燃料噴射装置内の燃料を通常燃料のみに入れ替え制御を行うコントローラを備えるとよい。
かかる発明によれば、バイオ燃料や腐食性の高い燃料を通常燃料と混入したままエンジンを停止すると、噴射ポンプ名部にさびを発生したり、経年変化により燃料がタール状に変質し、固着する可能性があるが、エンジン停止前に通常燃料のみで運転することで、バイオ燃料や腐食性の高い燃料に起因する不具合を回避する。または、防錆処理や防食処理する必要性を燃料タンクだけと減少することができる。また次回始動時には、通常燃料で始動するため、着火性が確実で、始動停滞や、白煙の発生も抑制できる。

本発明によれば、エンジンの運転条件が増大してプランジャ摺動部の潤滑条件が過酷になるに従い、バイオ燃料の混入量を減少し通常燃料の量を多くせしめるように制御することにより、ＮＯ_Ｘや排煙が少なく排ガス性能を良好に保持しつつ、プランジャ摺動部の摩耗や焼き付きの発生を回避できる。また、燃料噴射装置に供給される通常燃料とバイオ燃料の割合を調節することによって混合燃料の潤滑性を調節することができ、高価な潤滑性向上剤を添加しなくて済む。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特に特定的な記載がない限りはこの発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

図１は本発明の第１実施例に係るディーゼル機関の燃料噴射装置の全体構成を示す一部断面を含む構成図である。図２は本発明の第２実施例を示す図１対応図である。図３は本発明の作用説明用の線図である。

第１実施例を示す図１において、１は燃料噴射装置で、この実施例では電磁式ユニットインジェクタを用いている。このようなユニットインジェクタ１はよく知られているものであり、簡単に説明すると、該ユニットインジェクタ１は、ポンプケース２、噴射ノズル３、プランジャ４、タペット５、プランジャバネ６を有し、さらに燃料噴射時期及び燃料噴射量を制御する電磁弁装置１１及び開閉弁装置１２を有している。
前記プランジャ４は、燃料カム８、カムフォロワ１０、プッシュロッド９、ロッカーアーム７、前記プランジャバネ６及びタペット５等からなる機構を介して上下に往復動される。１３は高圧燃料通路でプランジャ室４ａに通じ、１４は燃料入口通路で後述する燃料供給経路３７に通じる。１５はプランジャ摺動部の間隙から漏出した燃料が前記低圧燃料通路１４側に戻されるリーク通路である。

２１は低粘度燃料が収容されている通常燃料タンク、２２は通常燃料供給ポンプ、２３はフィルタ、３４ａは前記燃料噴射装置１へ向かう流れのみを許容する逆止弁であり、これらが通常燃料の燃料噴射装置１への燃料供給経路をなす。
また、

図１示す本発明の第１実施例に係る燃料噴射装置において、２１１はバイオ燃料を収容するバイオ燃料タンク、２１２はバイオ燃料供給ポンプ、３４は前記バイオ燃料供給ポンプ２１２から燃料噴射装置１へ向かう流れのみを許容する逆止弁であり、前記バイオ燃料はバイオ燃料タンク２１１からバイオ燃料供給ポンプ２１２、逆止弁３４及び燃料通路２１３を通って、燃料タンク２１からの通常燃料と混合される。このバイオ燃料と通常燃料との混合燃料は燃料通路３７を通って燃料噴射装置１に送り込まれる。

４０は後述する演算、制御を行うコントローラ、４１は燃料入口経路３７に設置されて前記燃料噴射装置１に供給されるバイオ燃料の混合後における燃料の温度（燃料温度）を検出する温度センサ、４２は燃料の粘度（燃料粘度）を検出する粘度センサである。
また、５１はエンジン回転数を検出するエンジン回転数検出器、５２はエンジン負荷を検出するエンジン負荷検出器である。
前記温度センサ４１からの燃料温度の検出値、粘度センサ４２からの燃料粘度の検出値、前記エンジン回転数検出器５１からのエンジン回転数の検出値、及び前記エンジン負荷検出器５２からのエンジン負荷の検出値は、前記コントローラ４０に入力される。また、図示を省略したが、エンジンのクランク角も必要に応じて検出して前記コントローラ４０に入力する。

かかるエンジンにおいて、ＮＯ_Ｘや排煙が少なく排ガス性能に優れているバイオ燃料を通常使用の燃料と混合して噴射すれば、排ガス性能を改善することができる一方で、粘度が低く潤滑性能が良好でないバイオ燃料の増加に従いプランジャ摺動部の潤滑条件は悪化する。
然るに、かかる第３実施例によれば、前記コントローラ４０において、図３に示すように、エンジンの回転数またはエンジン負荷が増大するに従いバイオ燃料の流量が少なくなるように設定している。
そして、前記コントローラ４０は、前記温度センサ４１からの燃料温度の検出値及び粘度センサ４３からの燃料粘度の検出値、並びに前記エンジン回転数またはエンジン負荷に基づき、図３の設定値から、前記エンジン回転数またはエンジン負荷における前記バイオ燃料供給ポンプ２１２からのバイオ燃料供給量を算出して、該バイオ燃料ポンプ２１２の流量を該供給量に制御する。

従って、かかる第１実施例によれば、エンジンの回転数またはエンジン負荷が増大して前記プランジャ４摺動部の潤滑条件が過酷になるに従い、バイオ燃料の混入量を減少し通常燃料の量を多くせしめるように制御することとなる。これにより、バイオ燃料の混入によってＮＯ_Ｘや排煙が少なく排ガス性能を良好に保持しつつ、前記プランジャ４摺動部の摩耗や焼き付きの発生を回避できる。
また、燃料噴射装置１に供給される通常燃料とバイオ燃料の割合を調節することによって混合燃料の潤滑性を調節することができ、高価な添加剤（潤滑性向上剤）を添加しなくて済む。

また、かかる第１実施例において、通常燃料用燃料タンク２１とバイオ燃料タンク２１１のうち、燃料噴射装置１からの戻り燃料が戻される通常燃料用の燃料タンク２１内の燃料の通常燃料に対するバイオ燃料の割合が徐々に変化する。
従って、通常燃料用の燃料タンク２１を循環して燃料噴射装置１に供給される燃料中のバイオ燃料の濃度は該燃料タンク２１に新たに燃料を補給しない限り徐々に増大する。また、バイオ燃料量の増加に従い潤滑性は低下する。

従って、かかる第１実施例によれば、燃料噴射装置１に供給されるバイオ燃料の混入後の燃料温度の検出値及び燃料粘度の検出値に基づき、任意のエンジン回転数またはエンジン負荷におけるバイオ燃料の所要量を算出して、該所要量になるようにバイオ燃料供給ポンプの流量制御を行うことにより、燃料噴射装置１の燃料入口におけるバイオ燃料の過剰な混入を避け、常時エンジン回転数またはエンジン負荷に適合した量のバイオ燃料を混入することができる。これにより、バイオ燃料の混合割合が過度になってプランジャ摺動部の潤滑が阻害される事態の発生を避ける事ができる。

図２に示す本発明の第２実施例においては、図１に示す第１実施例に加えて、バイオ燃料以外の石油代替燃料タンク３１１を設けている。３１２は該石油代替燃料タンク３１１に収容された石油代替燃料を燃料噴射装置１に送り込むための石油代替燃料ポンプ、３１３は前記石油代替燃料ポンプ３１２から燃料噴射装置１へ向かう流れのみを許容する逆止弁、２３はフィルタである。
従ってかかる第２実施例においては、燃料を収容するタンクとして、通常燃料タンク２１、バイオ燃料タンク２１１、及びバイオ燃料以外の石油代替燃料タンク３１１の３種を併設することとなる。
また、かかる第２実施例においては、前記コントローラ４０は、前記エンジン回転数またはエンジン負荷における石油代替燃料ポンプ３１２からの石油代替燃料供給量を算出して、該石油代替燃料ポンプ３１２の流量を該供給量に制御する。
かかる第５実施例によれば、燃料噴射装置に供給される通常燃料とバイオ燃料の２種、またはＤＭＥやＧＴＬ等のバイオ燃料以外の石油代替燃料と通常燃料とバイオ燃料との３種の割合を調節することによって混合燃料の潤滑性を調節することができ、高価な潤滑性向上剤を添加しなくて済む。

また、前記コントローラ４０は、エンジン停止直前に、通常燃料のみで運転し、燃料ポンプ、燃料噴射装置内の燃料を通常燃料のみに入れ替え制御を行う。
バイオ燃料や腐食性の高い燃料を通常燃料と混入したままエンジンを停止すると、噴射ポンプ名部にさびを発生したり、経年変化により燃料がタール状に変質し、固着する可能性があるが、エンジン停止前に通常燃料のみで運転することで、バイオ燃料や腐食性の高い燃料に起因する不具合を回避する。または、防錆処理や防食処理する必要性を燃料タンクだけと減少することができる。また次回始動時には、通常燃料で始動するため、着火性が確実で、始動停滞や、白煙の発生も抑制できる。

本発明によれば、エンジンの運転条件が増大してプランジャ摺動部の潤滑条件が過酷になるに従い、バイオ燃料の混入量を減少し通常燃料の量を多くせしめるように制御することにより、ＮＯ_Ｘや排煙が少なく排ガス性能を良好に保持しつつ、プランジャ摺動部の摩耗や焼き付きの発生を回避できる。また、燃料噴射装置に供給される通常燃料とバイオ燃料の割合を調節することによって混合燃料の潤滑性を調節することができ、高価な潤滑性向上剤を添加しなくて済む内燃機関の燃料噴射装置が得られる。

本発明の第１実施例に係るディーゼル機関の燃料噴射装置の全体構成を示す一部断面を含む構成図である。 本発明の第２実施例を示す図１対応図である。 本発明の作用説明用の線図である。

符号の説明

１ 燃料噴射装置（電磁式ユニットインジェクタ）
２ ポンプケース
３ 噴射ノズル
４ プランジャ
１１ 電磁弁装置
１２ 開閉弁装置
１４ 燃料入口通路
２１ 通常燃料タンク
２２ 通常燃料供給ポンプ
２３ フィルタ
３４、３４ａ、３１３ 逆止弁
３７ 燃料入口経路
４０ コントローラ
４１ 温度センサ
４２ 粘度センサ
５１ エンジン回転数検出器
５２ 負荷検出器
２１１ バイオ燃料タンク
２１２ バイオ燃料供給ポンプ
３１１ 石油代替燃料タンク
３１２ 石油代替燃料供給ポンプ

Claims (4)

1. 燃料供給ポンプにより供給された燃料をプランジャにより加圧して燃料噴射弁に圧送する燃料噴射装置を備えた内燃機関（エンジン）において、前記燃料噴射装置に供給される燃料にバイオ燃料を混入せしめるバイオ燃料供給手段と、前記エンジンの回転数（エンジン回転数）またはエンジン負荷の上昇に従い前記バイオ燃料の混入量を減少するように前記バイオ燃料供給手段を制御するコントローラとを備え、
   前記燃料供給ポンプと前記燃料噴射装置の燃料入口との間の燃料通路に前記バイオ燃料供給手段を構成するバイオ燃料供給ポンプの吐出通路を接続し、前記吐出通路に前記バイオ燃料供給ポンプから燃料噴射装置へ向かう流れのみを許容する逆止弁を設置したことを特徴とする内燃機関の燃料噴射装置。
2. 前記燃料噴射装置に供給される前記バイオ燃料の混入後における前記燃料の温度（燃料温度）を検出する温度センサと該燃料の粘度（燃料粘度）を検出する粘度センサとを備え、前記コントローラは、前記温度センサからの燃料温度の検出値及び前記粘度センサからの燃料粘度の検出値、並びに前記エンジン回転数またはエンジン負荷に基づき、前記エンジン回転数またはエンジン負荷における前記バイオ燃料供給手段からのバイオ燃料供給量を算出して該バイオ燃料供給手段の流量制御を行うように構成されてなることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃料噴射装置。
3. 燃料を収容するタンクとして、通常燃料タンク、バイオ燃料タンク、及び石油代替燃料タンクの３種を併設したことを特徴とする請求項１項に記載の内燃機関の燃料噴射装置。
4. エンジン停止直前に、通常燃料のみで運転し、燃料ポンプ、燃料噴射装置内の燃料を通常燃料のみに入れ替え制御を行うコントローラを備えたことを特徴とする請求項１または３項に記載の内燃機関の燃料噴射装置。

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