JP4588917B2 - 液化ガス用燃料タンク及びタンク内圧の制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液化ガス燃料を貯蔵する液化ガス燃料用の燃料タンクと、タンク内圧の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディーゼルエンジンでは一般的に燃料として軽油が使われているが、燃料の気化性や発火燃焼性、エミッション等を考慮して、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）やセタン価向上のための添加剤を加えたＬＰＧ（液化石油ガス）といった液化ガス燃料を使用することが提案されてきている。なお以下の記載において、ＬＰＧと称するものは、特に指示しない限りセタン価向上剤を加えたものを指すこととする。
【０００３】
ＤＭＥやＬＰＧ等の液化ガス燃料は常温・常圧下で気体であり、これら液化ガス燃料を使用するディーゼルエンジンの燃料タンクは、燃料の液化のために約０．５ＭＰａ程度に加圧されている。そして、この燃料タンク内の液化ガス燃料は、燃料タンクから噴射ポンプに送られて最高５０ＭＰａ程度に加圧された後、インジェクタからエンジンの燃焼室に噴射供給される。この場合、噴射ポンプやインジェクタはエンジンの運転により高温となるため、燃料タンク内での０．５ＭＰａ程度の加圧では、噴射ポンプやインジェクタで燃料が気化してしまう。この対策としては、燃料タンクから噴射ポンプに送られる燃料を２〜３ＭＰａ程度に加圧して供給することが効果的であることが分かっている。
【０００４】
従来より、燃料タンク内を加圧する手法として、窒素ガスによる液面加圧を行うものがある（例えば、特開平１０−３０６７６０号公報）。この手法では、燃料タンクの燃料液面に液化ガス燃料の飽和蒸気圧を超える窒素ガス圧を作用させるよう構成していた。しかしながらこの手法では、窒素ボンベを搭載する必要があること、窒素の補充が必要となることなど実用化には問題が多い。
【０００５】
またその他に、燃料タンク内に設置した、いわゆるインタンクポンプを用いて燃料タンク内を加圧する手法もある。しかしながらこの場合には、インタンクポンプの吸入部に負圧が発生するため、それに伴う気化対策が必要となることなど、やはり実用化する上での問題があり、この方法でもタンク内加圧の実現が困難であった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題に着目してなされたものであって、その目的とするところは、構成の簡素化を図りつつ、タンク内圧を好適に加圧保持することができる液化ガス用燃料タンク及びタンク内圧の制御装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の液化ガス用燃料タンクでは、加熱手段にて第２室内を加熱することにより当該第２室内の液化ガス燃料が気化し、第２室内の圧力が上昇する。これにより、第１室と第２室との間に設けられた可動部材が第１室側に移動し、第１室の容積が縮小化されて内部の液化ガス燃料が加圧される。このとき、第２室の圧力は液化ガス燃料の飽和蒸気圧であり、第２室内において液化ガス燃料の温度上昇と共に飽和蒸気圧が上昇するにつれ、第１室の圧力も同様に上昇する。第１室内の液化ガス燃料が加圧されることにより、その第１室に接続される燃料配管に対し、同様に加圧された液化ガス燃料が供給される。上記構成では、窒素ボンベを搭載したり、インタンクポンプを設置したりする等の煩雑な構成を要することなく、タンク内圧が任意に調節できる。その結果、構成の簡素化を図りつつ、タンク内の液化ガス燃料を好適に加圧保持することが可能となる。
【０００８】
可動部材としては、以下の構成が適用できる。すなわち、
・請求項２に記載の発明では、可動部材として、タンク内を摺動自在なピストンを設けている。
・請求項３に記載の発明では、可動部材として、内部空間が前記第２室に連通し、且つ前記第１室内で伸縮する袋部材を設けている。
これら何れの構成においても、第１室の容積を可変に調節し、ひいてはタンク内圧（実際には第１室の圧力）を任意に調整することができる。
【００１０】
また、上記請求項１〜３の何れかに記載の液化ガス用燃料タンクを用いたタンク内圧の制御装置として、請求項４に記載の発明では、制御手段は、前記第１室の目標圧力を設定し、その目標圧力に到達するよう前記加熱手段を制御する。この場合、加熱手段の制御により第１室の圧力が目標圧力に制御され、それに伴いタンク内の液化ガス燃料を好適に加圧することができる。
【００１１】
上記請求項４の発明では、請求項５に記載したように、前記制御手段は、圧力検出手段により検出した第１室内又は第２室内の何れかの圧力が目標圧力になるよう前記加熱手段の制御量をフィードバック制御すると良い。
【００１２】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、この発明を具体化した第１の実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態では、ＤＭＥやＬＰＧ等の液化ガスを燃料とする車両用ディーゼルエンジンにおいて、当該エンジンへの燃料噴射を行わせるための燃料噴射システムに本発明を具体化する。
【００１３】
図１は、本実施の形態における燃料噴射システムの基本構成を示す図面である。図１において、燃料タンク１には、液化ガス燃料（ＤＭＥ、或いはＬＰＧ）が貯蔵されている。この燃料タンク１は、タンク内圧を２．５〜３ＭＰａ程度に加圧する機能を有するが、その詳細は後述する。燃料タンク１の燃料供給口には燃料配管２が接続され、その燃料配管２の途中には高圧ポンプ３が設けられている。また、高圧ポンプ３の下流側にはコモンレール４が設けられ、コモンレール４にはエンジンの気筒分だけインジェクタ５が接続されている。燃料タンク１内の燃料は高圧ポンプ３に供給され、この高圧ポンプ３にて噴射圧相当の高圧状態（最大５０ＭＰａ程度）に加圧される。そして、この高圧燃料がコモンレール４に圧送された後、インジェクタ５からエンジンの各気筒に噴射供給される。
【００１４】
ＥＣＵ１０は周知のマイクロコンピュータを主体に構成され、図示しない各種センサよりアクセル開度、エンジン回転数等の検出信号を入力する他、コモンレール４に設けられた圧力センサ７よりコモンレール圧（噴射圧）を入力する。そして、ＥＣＵ１０は、各種入力情報に基づいてコモンレール圧（噴射圧）が最適値になるよう高圧ポンプ３の燃料吐出量を制御する。またＥＣＵ１０は、各種入力情報に基づいて燃料噴射量及び燃料噴射時期を算出し、それに応じてインジェクタ５の駆動を制御する。
【００１５】
図２は、燃料タンク１の詳細な構成を示す断面図である。
略円筒形をなす燃料タンク１内にはピストン１１が摺動自在に収容されており、このピストン１１により、燃料タンク１内が「第１室」としての燃料室１２と「第２室」としての加熱室１３の２つの空間に分割されている。ピストン１１の摺動部にはシール部材１４が挿入され、燃料室１２と加熱室１３との間がシールされている。ピストン１１の中央部には凸状のストッパ部１１ａが設けられており、ピストン移動量がゼロである図２の状態では、ピストン１１のストッパ部１１ａがタンク内壁のストッパ部１ａに当接している。但し、タンク形状は円筒形をなさなくてもよく、他の形状であっても良い。
【００１６】
燃料室１２には、前述の燃料配管２が接続されており、燃料室１２内の燃料が燃料配管２を通じて高圧ポンプ３に供給される。また、燃料室１２には、燃料補給のための補給通路６が接続されている。燃料室１２には、「圧力検出手段」としての圧力センサ２２が設けられており、同センサ２２により燃料室１２内の圧力が検出され、その検出値がＥＣＵ１０に入力される。
【００１７】
加熱室１３には、燃料室１２と同じ液化ガス燃料が所定量充填され、この燃料に浸かるようにして「加熱手段」としてのヒータ１５が設けられている。ヒータ１５にはヒータ制御回路２１が接続されており、ヒータ制御回路２１はＥＣＵ１０からの制御信号を受けてヒータ１５の通電を制御する。なお、図の符号１６は、加熱室１３内に燃料を補給するための補給通路である。
【００１８】
上記構成の燃料タンク１において、加熱室１３内のヒータ１５が通電されると、加熱室１３内の燃料温度が上昇し、それに伴い飽和蒸気圧が上昇する。ＤＭＥを例に取ると、ＤＭＥ温度と飽和蒸気圧とは概ね図４に示す関係を有する。図４によれば、例えばＤＭＥ温度が２５℃であれば飽和蒸気圧が０．６ＭＰａ程度であるのに対し、ＤＭＥ温度が９０℃まで上昇すると、飽和蒸気圧が３ＭＰａ程度にまで上昇することが分かる。なお因みに、ＤＭＥに代えてＬＰＧを用いる場合にも、ＬＰＧ温度と飽和蒸気圧とは上記図４とほぼ同等の関係を有する。
【００１９】
かかる場合、ヒータ通電により、図３に示すようにピストン１１が図の右方向に移動する。すなわち、ヒータ通電時には、燃料温度（ＤＭＥ温度）の上昇に伴い加熱室１３内の燃料が気化し、加熱室１３の圧力が上昇する。これにより、ピストン１１が燃料室１２側（図の右側）に移動し始める。このとき、加熱室１３の圧力は燃料の飽和蒸気圧であり、燃料室１２内の燃料が加熱室１３の圧力と同じ圧力で加圧される。例えば、加熱室１３内が８０℃程度まで加熱されることにより、飽和蒸気圧の上昇に伴い燃料室１２が２ＭＰａ以上に加圧される。そして、その加圧された燃料が燃料配管２を介して高圧ポンプ３側に供給される。
【００２０】
因みに、ピストン１１は、図２の状態からタンク内壁の右側面に当接するまでの範囲で移動し、燃料室１２内の燃料を加圧する。そのため、上記範囲でのピストン１１の移動が可能となるよう加熱室１３内の燃料量が調整されると良い。
【００２１】
次に、タンク内圧の制御方法について説明する。本実施の形態では、圧力センサ２２の出力により燃料室１２内の圧力（タンク内圧）をモニタしつつ、その圧力が所望の値になるようヒータ１５の通電量を制御することとしており、より具体的には、周知のデューティ制御手法を用いてヒータ１５の通電量を制御する。図５は、ヒータ１５の通電制御手順を示すフローチャートであり、この処理は所定の時間周期でＥＣＵ１０により実施される。なお、図５の処理が特許請求の範囲に記載の「制御手段」に相当する。
【００２２】
図５において、先ずステップ１０１では、圧力センサ２２の検出値に基づくタンク内圧Ｐｔａｎを読み込み、続くステップ１０２では、予め設定しておいた所定の目標圧力Ｐｔｇ（例えば２．５ＭＰａ）と、前記読み込んだタンク内圧Ｐｔａｎとを比較する。
【００２３】
そして、目標圧力Ｐｔｇよりもタンク内圧Ｐｔａｎが低い場合、すなわちＰｔｇ−Ｐｔａｎ＞０となる場合にはステップ１０３に進み、タンク内圧の偏差（Ｐｔｇ−Ｐｔａｎ）に基づいて制御デューティＤｕｔｙを算出する。実際には、予め設定されている比例定数αを用い、
Ｄｕｔｙ＝α（Ｐｔｇ−Ｐｔａｎ）
として、制御デューティＤｕｔｙを算出する。その後、ステップ１０４では、前記算出したＤｕｔｙによりヒータ１５を通電する。この場合、タンク内圧の偏差（Ｐｔｇ−Ｐｔａｎ）が大きいほど、すなわち燃料室１２内の圧力が目標値に対して低いほど、Ｄｕｔｙ（デューティＯＮ時間）が大きく、通電時間が長くなる。但し、Ｄｕｔｙの最大値は当然１００％である。
【００２４】
また、目標圧力Ｐｔｇよりもタンク内圧Ｐｔａｎが高い場合、すなわちＰｔｇ−Ｐｔａｎ≦０となる場合にはステップ１０５に進み、ヒータ１５の通電をオフする。
【００２５】
ここで、エンジン始動時には、図２の状態からヒータ通電が開始されるが、そのヒータ通電による加熱室１３内の温度上昇はあまり早くない。そのため、燃料室１２の圧力（タンク内圧）が目標圧力に到達するまでには時間を要する。しかし、エンジン始動時には高圧ポンプ３の温度も低いため、燃料の加圧レベルが低くても燃料が気化されることはなく、問題にはならない。また、エンジンが温まった後の高温再始動の場合には、燃料室１２の圧力（タンク内圧）はある程度高い状態であるので、十分な圧力で燃料の供給が可能となる。
【００２６】
以上詳述した本実施の形態によれば、以下に示す効果が得られる。
燃料タンク１の構成として、加熱室１３内における飽和蒸気圧を利用し、それにより燃料室１２の圧力（タンク内圧）を調整する構成としたので、構成の簡素化を図りつつ、燃料タンク１内の液化ガス燃料を好適に加圧保持することが可能となる。すなわち、本実施の形態の構成では、タンク内圧の調整のために、窒素ボンベを搭載したり、インタンクポンプを設置したりする等の煩雑な構成を要することない。それ故、窒素ガスの補充等のメンテナンスも不要となる。また本構成によれば、高圧ポンプ３やインジェクタ５内での燃料の気化が防止でき、ディーゼルエンジンの運転を好適に行わせることができる。
【００２７】
また、燃料室１２の圧力が目標圧力（例えば２．５ＭＰａ）に到達するようヒータ１５の通電をフィードバック制御したので、タンク内圧制御が適正に実施できる。
【００２８】
（第２の実施の形態）
次に、本発明における第２の実施の形態について、上述した第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。本実施の形態では、燃料タンク１の構成に関し、燃料室１２と加熱室１３との間の「可動部材」の構成を変更しており、それを図６を用いて詳細に説明する。
【００２９】
図６（ａ）において、燃料タンク１には、燃料室１２と加熱室１３とを仕切るための仕切り板３１が設けられている。燃料室１２及び加熱室１３には、上記第１の実施の形態と同様にＤＭＥ等の液化ガス燃料が各々充填されている。仕切り板３１は、その外周がタンク内壁に固着されるものであって、中央部には円形の貫通孔３２が設けられている。貫通孔３２には、「可動部材」としての袋部材３３が取り付けられ、この袋部材３３は燃料室１２側に張り出して設けられている。袋部材３３は、例えばエチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ)、ブチルゴム(ＩＩＲ）等からなる弾性体で構成され、図６（ａ）の初期状態から膨らみ、最大で燃料室１２全体に膨らむことができるようになっている。
【００３０】
図６（ｂ）は、袋部材３３が膨らんだ状態を示す。すなわち、前述の通り加熱室１３内のヒータ１５が通電されることにより同加熱室１３内の燃料温度が上昇し、それに伴い飽和蒸気圧が上昇する。かかる場合、飽和蒸気圧が上昇するにつれ、袋部材３３が膨らんで燃料室１２の圧力（タンク内圧）も同様に上昇する。燃料室１２内の液化ガス燃料が加圧されることにより、その加圧された燃料が燃料配管２を介して高圧ポンプ３側に供給される。なお、タンク内圧の制御手順については、既述の図５の手順がそのまま適用できる。
【００３１】
以上第２の実施の形態においても上記第１の実施の形態と同様に、構成の簡素化を図りつつ、燃料タンク１内の液化ガス燃料を好適に加圧保持することが可能となる。また、高圧ポンプ３やインジェクタ５内での燃料の気化が防止でき、ディーゼルエンジンの運転を好適に行わせることができる。
【００３２】
（比較例）
上記第１及び第２の実施の形態では、加熱室１３における燃料の飽和蒸気圧を利用して可動部材（ピストン１１，袋部材３３）を作動させ、燃料室１２内の燃料を加圧したが、比較例では、アクチュエータにより可動部材を直接駆動し、燃料室内の燃料を加圧する構成を提案する。
【００３３】
図７は、燃料タンク４１の構成を示す断面図である。図７において、燃料タンク４１内には「可動部材」としてのピストン４２が摺動自在に収容され、ピストン４２の摺動部にはシール部材４３が挿入されている。ピストン４２の軸部４２ａにはアクチュエータ４４が連結されている。アクチュエータ４４は、ピストン４２を図の左右に往復動させるものであり、例えばモータとウォームギアの組合せなどにより構成されると良い。アクチュエータ４４の駆動は、ＥＣＵ１０により制御される。このとき、ＥＣＵ１０はやはり圧力センサ２２によりタンク内圧をモニタしつつ、アクチュエータ４４の駆動を制御する。
【００３４】
上記構成において、アクチュエータ４４の駆動によりピストン４２が図の右方向に移動すると、タンク内容積が縮小され、液化ガス燃料が加圧される。そして、その加圧された燃料が燃料配管２を介して高圧ポンプ３側に供給される。
【００３５】
かかる場合にも上記の各実施の形態と同様に、構成の簡素化を図りつつ、燃料タンク４１内の液化ガス燃料を好適に加圧保持することが可能となる。また、高圧ポンプ３やインジェクタ５内での燃料の気化が防止でき、ディーゼルエンジンの運転を好適に行わせることができる。
【００３６】
なお本発明は、上記以外に次の形態にて具体化できる。
上記第１，第２の実施の形態では、デューティ制御によりヒータ１５の通電を制御したが、これに代えて、ヒータ１５の通電電流を直接制御する手法や、ヒータ１５への通電をＯＮ／ＯＦＦ制御する手法を用いても良い。何れにしても、タンク内圧の検出値が目標値よりも小さい場合において、ヒータ１５の通電をＯＮするよう構成する。特に電流制御を行うものは、タンク内圧の検出値と目標値との偏差に応じてヒータ１５の通電電流を制御すれば良い。
【００３７】
上記第１，第２の実施の形態では、燃料室１２の圧力を検出し、その検出値に応じてヒータ１５の通電を制御したが、これに代えて、加熱室１３の圧力を検出し、その検出値に応じてヒータ１５の通電を制御しても良い。また、ヒータ１５の通電をフィードバック制御するのではなく、オープン制御しても良い。
【００３８】
燃料噴射システムとしては、上述したコモンレール式燃料噴射システム以外にも適用できる。例えば分配型燃料噴射ポンプや列型燃料噴射ポンプを用いた燃料噴射システムに具体化し、上記構成の燃料タンクから燃料噴射ポンプに燃料を供給する。この場合にも同様に、上記の優れた効果が得られる。
【００３９】
これまではディーゼルエンジン（自己着火式エンジン）用の燃料噴射システムを例にとって説明してきたが、火花着火式エンジンの燃料噴射システムにも適用できる。この場合には、燃料タンクから供給された液化ガス燃料はデリバリパイプに一旦蓄えられ、その後、インジェクタからエンジンに噴射供給される。なおここで、使用される燃料はセタン価向上剤を添加していないＬＰＧ燃料等である。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明の実施の形態および比較例における燃料噴射システムの概要を示す構成図。
【図２】燃料タンクの断面図。
【図３】燃料タンクの断面図。
【図４】ＤＭＥ温度と飽和蒸気圧との関係を示す図。
【図５】ヒータの通電制御手順を示すフローチャート。
【図６】第２の実施の形態における燃料タンクを示す断面図。
【図７】比較例における燃料タンクを示す断面図。
【符号の説明】
１…燃料タンク、１０…ＥＣＵ、１１…ピストン、１２…燃料室（第１室）、１３…加熱室（第２室）、１５…ヒータ、２２…圧力センサ、３３…袋部材、４１…燃料タンク、４２…ピストン、４４…アクチュエータ。

Claims (5)

1. 液化ガス燃料を貯蔵する液化ガス燃料用の燃料タンクであり、タンク内部を第１室と第２室とに分割してこれら各室に液化ガス燃料を充填し、第１室にはエンジンに向かう燃料配管を接続する一方、第２室には加熱手段を設け、更に第１室と第２室との間にはこれら各室の容積比を可変に調節するための可動部材を設けたことを特徴とする液化ガス用燃料タンク。
2. 前記可動部材として、タンク内を摺動自在なピストンを設けた請求項１に記載の液化ガス用燃料タンク。
3. 前記可動部材として、内部空間が前記第２室に連通し、且つ前記第１室内で伸縮する袋部材を設けた請求項１に記載の液化ガス用燃料タンク。
4. 請求項１〜３の何れかに記載の液化ガス用燃料タンクについてその内圧を制御するための制御装置であって、前記加熱手段を制御するための制御手段を備え、該制御手段は、前記第１室の目標圧力を設定し、その目標圧力に到達するよう前記加熱手段を制御するタンク内圧の制御装置。
5. 第１室内又は第２室内の何れかの圧力を検出する圧力検出手段を備え、前記制御手段は、前記検出した第１室内又は第２室内の何れかの圧力が目標圧力になるよう前記加熱手段の制御量をフィードバック制御する請求項４に記載のタンク内圧の制御装置。

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