JP4488361B2 - ガス燃料供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、ガス燃料供給装置に関し、特に、液化ガス供給路を介して供給される液化ガスを圧力調整器内で気化させて圧力調整した状態でガスエンジンに供給するガス燃料供給装置に関する。

従来、ブタンガス等の液化石油ガスが火花点火式エンジンの燃料として使用されている。そして、この燃料を吸気管路に噴射してエンジンに供給するに際しては、燃料を液体状態でなく、所定正圧で調圧気化して噴射させるのが一般的である。そして、液化ガスが気化する際に大量の気化熱を必要とすることから、気化を促進するための加熱に様々な工夫がなされている。例えば、実公昭６０−１６７６０号公報には、電気ヒータで気化器等を加熱して気化の促進を図る燃料加熱装置が開示されている。
実公昭６０−１６７６０号公報

リコイルスタータを使用して始動させる形式の、いわゆる始動用バッテリを備えていない小型ガスエンジンに前記電気ヒータを使用する場合は、エンジン始動後の発電出力で電気ヒータを動作させることは可能である。しかしながら、この種の小型ガスエンジンはあまり出力が大きくないので、発電機の負荷変動の影響によって電気ヒータの動作が安定しない場合があるという問題がある。

また、上述のようなバッテリを有していない形式のガスエンジン発電機であっても、低温始動時にエンジン始動に先立って電気ヒータを動作させるプリヒートが必要な仕様では電気ヒータのためのバッテリを設ける必要がある。しかし、この場合にはバッテリからの電力供給とエンジン始動後の発電出力による電力供給との切替タイミングの設定が難しいという問題がある。

本発明の目的は、上記課題を解消して、外付けのバッテリ電力で電気加熱手段による予熱を可能にするとともに、エンジン始動後はエンジンで駆動される発電機の出力による加熱に自動的に切り替えることを可能にするガス燃料供給装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明は、液化ガス供給路を介して供給される液化ガス燃料を気化させる気化器と、気化されたガス燃料の圧力を調整する圧力調整器と、この調圧されたガス燃料をエンジンに設けられたミキサに供給するガス燃料供給装置において、液化ガス燃料を加熱して気化燃料にする電気加熱手段と、逆流防止手段を介して外部接続されたバッテリの出力および前記エンジンで駆動される発電機の直流出力のいずれか一方を前記電気加熱手段に接続する回路と、前記発電機の出力電圧が予め設定した基準電圧値を超えた場合に、前記電気加熱手段への通電量をほぼ一定になるように制御する制御手段とを具備した点に第１の特徴がある。

また、本発明は、前記基準電圧値が、前記バッテリの電圧値以上に設定されている点に第２の特徴がある。

また、本発明は、前記電気加熱手段が、電気ヒータと、通電制御素子と、前記電気ヒータに直列接続された通電電流制御用の電流検出装置とを含み、前記電気加熱手段が互いに独立して複数組設けられている点に第３の特徴がある。

第１の特徴によれば、外付けされているバッテリによってエンジン停止時に気化器や圧力調整器の予熱が可能である。この予熱状態でエンジンが始動した後は、発電機の発電電力が出力される。第１の特徴によれば、発電機の電流が電気加熱手段を流れる場合に、その電流を検出して通電量が一定になるよう制御する。

エンジン始動後の発電機の出力は逆流防止手段によってバッテリに逆流するのを防止できるので、バッテリへの印加電圧が上昇する等の悪影響を及ぼすことはない。また、電気ヒータ等の加熱手段として、バッテリ電圧に対応する低電圧系の、普及品を使用することも可能になる。

第２の特徴によれば、発電機出力電圧がバッテリ電圧を超えたときに、加熱手段に対する電力供給が、バッテリからのものから発電機からのものに切り替わり、発電出力電圧の変動を受けない通電制御への切り替えが行われる。

第３の特徴によれば、電気ヒータの本数が増えた場合の負荷変動の影響を受けることなく安定した電流をそれぞれの電気ヒータに供給することができる。

第１〜第３の特徴によれば、電気ヒータへの通電量が一定に制御されるので、エンジン停止中と運転中とにおいて、バッテリ電圧と発電機出力電圧とに応じてそれぞれ異なる電気加熱手段を設ける必要がない。一定に制御された通電量に適した電気加熱手段をエンジン停止時およびエンジン運転中に共用することができる。

以下に図面を参照して本発明の一実施形態を詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るガスエンジン内に設けられる燃料供給装置の燃料供給系統図である。ガスエンジンＥのクランク軸１には、エンジン始動操作用のリコイルスタータ２とガスエンジンＥで駆動される発電機３とが連結される。ガスエンジンＥの吸気ポート５に連通する吸気通路６にはミキサ７が装着され、このミキサ７には、吸気通路６を通る吸入空気を清浄にするエアクリーナ８が接続される。

ミキサ７には、吸気通路６を開閉するスロットル弁９と、このスロットル弁９の上流側で吸気通路に開口する燃料ノズル１０とが設けられ、この燃料ノズル１０に連なる気化燃料通路１２の上流端が圧力調整器１３の燃料出口１３ａに接続される。圧力調整器１３には気化室１４が設けられ、この気化室１４の燃料入口１４ａに、液化ガス燃料（例えば、液化ブタンガス）を充填したカセット式燃料ボンベ１６から延出された液化燃料通路１５の下流端が接続される。圧力調整器１３は、気化室１４で気化された高圧の気化燃料を大気圧に調整するようになっている。

前記液化燃料通路１５には、第１遮断弁２１および第２遮断弁２２が互いに並列状態で介装される。第１遮断弁２１は、ハウジング２５と、このハウジング２５内を仕切って負圧作動室２６と弁室２７とを形成するダイアフラム２８と、弁室２７でダイアフラム２８の中心部に連結された弁体２９と、負圧作動室２６に収容されてダイアフラム２８を弁室２７側に付勢する閉弁ばね３０とを備える。

ハウジング２５には、弁体２９が着座する弁座管３１と、弁室２７に常時開口する燃料導入管３２と、負圧作動室２６に常時開口する負圧導入管３３とが設けられる。燃料導入管３２には、燃料ボンベ１６から延びる液化燃料通路１５の上流側部分１５ａの下流端が接続され、弁座管３１には、気化室１４に至る液化燃料通路１５の下流側部分１５ｂの上流側が接続される。

負圧導入管３３には、ガスエンジンＥのクランク室４から延びる圧力通路３４が接続される。この圧力通路３４に、クランク室４の脈動圧力のうち、負圧のみを負圧作動室２６側に伝達する一方向弁３６と、リークオリフィス３７とが並列に介装される。

また、ダイアフラム２８および弁体２９には、ハウジング２５の天井壁を摺動かつ気密に貫通する手動ロッド３８が連結され、この手動ロッド３８を引くことにより、弁体２９を強制的に弁座管３１から離脱させることができる。第２遮断弁２２は電磁式であり、発電機３の発生電力によって励起されて開弁するように設定される。

気化室１４には液化ガス燃料を加熱して気化を促進する第１の加熱手段を構成する第１ヒータ４０が設けられ、圧力調整器１３には、気化された液化ガス燃料が再液化するのを防止する第２の加熱手段を構成する第２ヒータ４１が設けられる。例えば、ガスエンジンＥが停止している間や、使用環境が極めて低温である場合などに一旦気化した燃料ガスが再液化することがあり、始動性や運転効率を劣化させるおそれがある。第１ヒータ４０や第２ヒータ４１を設けておくことにより、始動前にエンジンを予熱することによって良好な始動性を確保できるし、運転中も気化潜熱によって温度が低下する気化室１４や圧力調整器１３を加熱することができる。ガスエンジンＥの始動前は発電機３の発電電力を得ることができないので、第１ヒータ４０や第２ヒータ４１を付勢するための電源として外付けでバッテリ４２を設ける。

図２は、前記第２遮断弁２２および第１および第２ヒータ４０，４１を制御する制御ユニットの要部回路図である。制御ユニット４３はマイクロコンピュータ（以下、「マイコン」という）で制御される。制御ユニット４３には、マイコン４５と、マイコン用の電源部４６と、ヒータ駆動用ＦＥＴ４７，４８と、シャント抵抗４９，５０と、遮断弁駆動用トランジスタ５１と、エンジン停止回路５２と、エンジン起動判定回路５３とが設けられる。電源部４６には、電源部４６の入出力安定化のためにコンデンサ５４，５５が接続される。

電源部４６には、バッテリ４２と発電機３の交流出力を整流器４４で整流して得られた直流出力とが接続される。特に、バッテリ４２はスイッチ５６および逆流防止用のダイオード５７を介して電源部４６に接続される。

気化室１４には第１温度センサ５８が設けられ、圧力調整器１３には第２温度センサ５９が設けられる。第１および第２温度センサ５８，５９はサーミスタで構成するのがよい。遮断弁駆動用トランジスタ５１には、第２遮断弁２２が直列に接続される。第１および第２ヒータ４０，４１、並びに第２遮断弁２２には、バッテリ４２および発電機３のいずれか一方から選択的に電力供給されるように配線される。

なお、ガスエンジンＥには、冷却および潤滑用のオイル量が所定量以下になったときにオイル不足検出信号を出力するオイルレベルスイッチ６０が設けられる。オイルレベルスイッチ６０の検出出力はエンジン停止回路６１に入力され、エンジンが停止する。例えば、点火装置を接地して点火を停止させてエンジンを停止させる。

図２の回路図に従って、第２遮断弁２２と第１および第２ヒータ４０，４１の動作を説明する。まず、ガスエンジンＥの始動に先立ってスイッチ５６を投入しておく。スイッチ５６を投入（オンに）すると、バッテリ４２はダイオード５７を通じて電源部４６並びに第１及び第２ヒータ４０，４１にバッテリ電圧Ｖｂを印加する。バッテリ電圧Ｖｂは電源部４６にも印加され、マイコン４５は次のように、予定のプログラムに従って動作を開始する。

まず、ガスエンジンＥの始動前は、図示しない温度センサの検出温度に基づいて予熱が必要か否かを判断する。予熱が必要と判断されたときには、予定の固定されたデューティでＦＥＴ４７，４８を付勢する。そうすると、第１及び第２ヒータ４０，４１にはバッテリ電圧Ｖｂに従って電流が流れ、第１及び第２ヒータ４０，４１は発熱する。

第１及び第２ヒータ４０，４１が発熱して気化室１４や圧力調整室１３がガスエンジンＥの始動に先立って加熱（予熱）される。気化室１４や圧力調整室１３が予熱されたならば、その熱によって燃料は十分に気化可能な状態となる。気化燃料が供給可能になったところで、詳細を後述する始動手順によりガスエンジンＥを始動させる。

ガスエンジンＥが始動すると、ガスエンジンのクランク軸１に連結されている発電機３が回転して交流出力を生じる。この交流出力は整流器４４で整流されて電源部４６に入力される。発電開始当初は発電機３の直流出力電圧Ｖｇよりバッテリ電圧Ｖｂの方が高いので、電源部４６はバッテリ電圧Ｖｂに基づいて安定化電源を形成する。エンジン回転数が増大して発電機３の直流出力電圧Ｖｇがバッテリ電圧Ｖｂを上回ると、ダイオード５７はオフになって、バッテリ４２からの電流は遮断され、電源部４６や第１及び第２ヒータ４０，４１、並びに第２遮断弁２２には専ら発電機３から電力が供給される。

エンジン起動判別回路５３は、発電機３の直流出力電圧Ｖｇを監視しており、この電圧Ｖｇが所定のバッテリ電圧Ｖｂを超過した時に、エンジン起動検出信号を出力する。マイコン４５は、エンジン起動検出信号に応答して遮断弁駆動用トランジスタ５１をオン動作させる信号を出力する。遮断弁駆動用トランジスタ５１がオン動作すると、第２遮断弁２２は、発電機３の直流出力電圧Ｖｇによる電流で付勢されて開弁する。第２遮断弁２２が開くことによって、液化燃料通路１５のメインの管路が開放されて十分な液化ガス燃料が気化室１４に供給され、ミキサ７に対する十分な気化燃料が供給される。

ガスエンジンＥの運転中、マイコン４５は第１および第２温度センサ５８，５９による検出温度を監視し、検出されたそれぞれの温度が予定の基準温度になるようにデューティを決定してＦＥＴ４７，４８を制御する。第１温度センサ５８用の基準温度は液化ガス燃料の気化温度よりわずかに高めに設定し、第２温度センサ５９用の基準温度は、再液化防止の観点から決定される。

シャント抵抗４９，５０は、第１及び第２ヒータ４０，４１をそれぞれ流れる電流を検出するためのもので、マイコン４５は、検出された電流の移動平均値が予め設定した値になるように、ＦＥＴ４７，４８を適切なデューティで駆動する。発電機３の直流出力電圧Ｖｇを第１及び第２ヒータ４０，４１に直接接続すると、第１及び第２ヒータ４０，４１のオン・オフによって直流出力電圧Ｖｇが変動することがある。そこで、適切なデューティ制御を行うことによって直流出力電圧Ｖｇの変動を吸収し、ヒータ４０，４１に一定電流が供給されるようにする。

上記構成の燃料供給装置の動作を説明する。ガスエンジンＥの始動時には、リコイルスタータ２７を操作してエンジンを回転させる。このクランキングによってピストンが往復動すると、クランク室４に脈動圧力が発生する。この脈動圧力のうち、負圧のみが一方向弁３６を経由して第１遮断弁２１の負圧作動室２６に伝達される。負圧作動室２６の負圧は、戻しばね３０の付勢力に抗してダイアフラム２８を負圧作動室２６側に偏倚させる。これにより、燃料ボンベ１６の高圧液化燃料は、液化燃料通路１５、並びに第１遮断弁２１の燃料導入管３２、弁室２７および弁座管３１を経由して気化室１４に流入する。

気化室１４で気化された燃料は圧力調整室１３で大気圧に調整された後、気化燃料通路１２を経由して燃料ノズル１０からミキサ７内に供給される。ミキサ７内の吸気通路６では、燃料ノズル１０からの噴霧燃料とエアクリーナ８で清浄化された空気との混合気が生成される。混合気はスロットル弁９で流量制御されながらガスエンジンＥに供給され、ガスエンジンＥが始動される。

このように第１遮断弁２１は、クランク室４に発生する脈動圧力を利用して開弁するように構成されるので、手動操作によるクランキングに連動して確実に開弁することができる。したがって、バッテリを常備していないガスエンジンでも、また、バッテリを常備しているが充電不足となっているガスエンジンでも、ミキサ７に気化燃料を確実に給送してスムーズに始動することができる。

ガスエンジンＥが通常の運転状態になって、発電機３が発電を開始すると、その出力の一部が電磁式の第２遮断弁２２に給電され、第２遮断弁２２は励起されて開弁する。液化燃料通路１５は、第１及び第２遮断弁２１，２２の開弁によって開度が拡がり、ガスエンジンＥの高負荷運転状態においてもミキサ７に十分な量の気化燃料を供給することができる。しかも、第２遮断弁２２は第１遮断弁２１と併用することによって小型のものとすることができる。

ガスエンジンＥの運転を停止すると、クランク室４は大気圧状態となり、一方向弁３６と並列配置されているリークオリフィス３７を通じてクランク室４の大気が第１遮断弁２１の負圧作動室２６に流入する。その結果、負圧作動室の圧力が大気圧に平衡するので、弁体２９は閉弁ばね３０の付勢力で弁座管３１に着座する。一方、発電機３も発電を停止するので、第２遮断弁２２も閉弁する。

第１及び第２遮断弁２１，２２の閉弁によって液化燃料通路１５は遮断されるので、燃料ボンベ１６から気化室１４および圧力調整器１３への液化燃料の供給を防ぐことができる。したがって、ガスエンジンＥが再び始動されたとき、圧力調整器１３に直接液化燃料が供給されることに起因する混合気の過濃化を未然に防ぎ、ガスエンジンＥの正常な作動を確保することができる。

燃料ボンベ１６の燃料を使い切り、新たな燃料ボンベ１６を液化燃料通路１５に接続した場合には、第１遮断弁２１の手動ロッド３８を所定時間だけ引き上げて、弁体２９を戻しばね３０の付勢力に抗して弁座管３１から離脱させる。そうすると、第１遮断弁２１は開弁状態にすることができるので、液化燃料通路１５に燃料を素速く充填して、ガスエンジＥの始動に備えることができる。

このように、本実施形態によれば、エンジン始動前は外付けバッテリ４２によってヒータ４１，４２を付勢して気化を促進することができる。そして、エンジンが始動されて直流出力電圧Ｖｇが基準電圧を超えると、ヒータ４１，４２の制御を始動時のモードからエンジン運転中のモードに切り替え、ヒータ４１，４２を直流出力電圧Ｖｇで付勢する。エンジン運転中はヒータの駆動制御による発電機出力の変動が生じないようにＦＥＴ４７，４８のデューティ制御が行われる。

なお、電気ヒータは気化器１４および圧力調整器１３のそれぞれに設けた例を示したが、必ずしも両方に設けることはなく、気化器１４および圧力調整室１３のいずれか一方に設けるようにしてもよい。

本発明の一実施形態に係る燃料供給装置の系統図である。 ヒータおよび第２遮断弁の駆動回路図である。

符号の説明

Ｅ…エンジン、 １…クランク軸、 ２…リコイルスタータ、 ３…発電機、 ７…ミキサ、 １０…燃料ノズル、 １２…気化燃料通路、 １３…圧力調整器、 １４…気化室、 １５…液化燃料通路、 １６…燃料ボンベ、 ２１…第１遮断弁、 ２２…第２遮断弁、 ４０，４１…電気ヒータ、 ４２…外付けバッテリ、 ４９，５０…シャント抵抗、 ５１…遮断弁駆動用トランジスタ、 ５３…エンジン起動判別回路

Claims (3)

1. 液化ガス供給路を介して供給される液化ガス燃料を気化させる気化器と、気化されたガス燃料の圧力を調整する圧力調整器と、この調圧されたガス燃料をエンジンに設けられたミキサに供給するガス燃料供給装置において、
   前記気化器および前記圧力調整器のうち、少なくとも気化器に設けられた電気加熱手段と、
   逆流防止手段を介して外部接続されたバッテリの出力および前記エンジンで駆動される発電機の直流出力のいずれか一方を前記発電機の直流出力値に応じて前記電気加熱手段に接続する切替回路と、
   前記発電機の出力電圧が予め設定した基準電圧値を超えた場合に、前記電気加熱手段への通電量を、液化ガス燃料が気化する温度を維持するようにほぼ一定に制御する制御手段とを具備したことを特徴とするガス燃料供給装置。
2. 前記基準電圧値が、前記バッテリの電圧値以上に設定されていることを特徴とする請求項１記載のガス燃料供給装置。
3. 前記電気加熱手段が、電気ヒータと、通電制御素子と、前記電気ヒータに直列接続された通電電流制御用の電流検出装置とを含み、
   前記電気加熱手段が互いに独立して複数組設けられていることを特徴とする請求項１または２記載のガス燃料供給装置。

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