JP5003605B2 - 燃料供給装置 - Google Patents

Description

この発明は、燃料供給装置に係り、特に、原料燃料を高オクタン価燃料と低オクタン価燃料とに分離したうえで内燃機関に供給する装置として好適な燃料供給装置に関する。

従来、例えば特許文献１には、燃料タンク内の燃料を、それぞれ組成の異なる複数種類の燃料に分離する燃料分離装置を備える内燃機関の燃料供給装置が開示されている。この従来の燃料供給装置では、内燃機関の運転停止時刻に対して、燃料分離装置の分離停止時刻を所定の期間だけ遅延させるようにしている。

つまり、上記従来の燃料供給装置では、内燃機関の始動時に、燃料分離装置の温度環境が整うまでの間は、燃料分離装置による燃料の分離動作を禁止するようにしている。そして、そのような温度環境が整わないエンジン始動直後には、燃料分離装置内部の貯蓄燃料を利用するようにしている。その後、燃料分離のための温度環境が整った後に、燃料分離動作を開始させるようにしている。

しかしながら、高オクタン価燃料が燃料分離膜を浸透気化して実際に燃料が得られるまでには時間差が生ずるので、燃料分離装置の温度環境が整ったとしても、実際には燃料の分離が行われない期間が存在することになる。このため、上記従来の技術によれば、そのような期間中に高オクタン価燃料の貯留部に燃料が供給されることになると、貯留されている燃料のオクタン価が低下してしまうことが懸念される。

特開２００７−２３１８１８号公報 特開２００４−２３２６２４号公報

ところで、燃料分離装置（燃料分離器）を備える燃料供給装置においては、始動時等に、燃料分離器の温度環境を燃料の分離動作に適した環境に早期に到達させるためには、燃料分離器が備える燃料分離膜の温度を早期に高められるようになっていることが望ましい。

しかしながら、上記従来の技術では、燃料分離膜の温度上昇の促進を図る点については十分な考慮がなされていない。このため、上記従来の技術は、この点において、未だ検討の余地を残すものであった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、始動時等の燃料分離膜の温度が低い状況下における当該燃料分離膜の温度上昇を良好に促進させることのできる燃料供給装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、燃料供給装置であって、
芳香族成分を選択的に通過させる燃料分離膜を有し、原料燃料を、前記燃料分離膜を通過した高オクタン価燃料と前記燃料分離膜を通過していない低オクタン価燃料とに分離する燃料分離器と、
前記原料燃料を前記燃料分離器に供給する燃料供給手段と、
前記燃料分離器に供給される前記原料燃料を加熱させる燃料加熱器と、
前記燃料分離膜の温度を取得する温度取得手段と、
前記燃料分離膜の温度が低い場合には、当該燃料分離膜の温度が高い場合に比して、前記燃料分離器に供給される前記原料燃料の圧力を高く制御する燃料圧力制御手段と、
を備え、
燃料が前記燃料分離膜を通過した後の部位において前記燃料分離器に接続され、前記高オクタン価燃料が流通する高オクタン価燃料通路と、
燃料が前記燃料分離膜を通過する前の部位において前記燃料分離器に接続され、前記低オクタン価燃料が流通する低オクタン価燃料通路と、
前記高オクタン価燃料通路の開閉を担う開閉弁と、
前記燃料圧力制御手段によって前記原料燃料の圧力を高める際に、前記高オクタン価燃料通路が遮断されるように前記開閉弁を制御する開閉弁制御手段と、
を更に備えることを特徴とする。

また、第２の発明は、第１の発明において、
前記燃料圧力制御手段は、内燃機関の始動時に、前記燃料分離膜の温度が規定温度よりも低い場合に、当該燃料分離膜の温度が前記規定温度以上である場合に比して、前記燃料分離器に供給される前記原料燃料の圧力を高く制御することを特徴とする。

第１の発明によれば、燃料分離膜の温度が低い場合に、当該燃料分離膜の温度が高い場合に比して原料燃料の圧力が高められることで、原料燃料を加熱させるべく燃料加熱器から原料燃料に投入された熱量が、当該原料燃料の気化潜熱として消費するのを抑制することができる。その結果、原料燃料の温度を上がり易くすることができる。このため、本発明によれば、始動時等の燃料分離膜の温度が低い状況下において、当該原料燃料の温度上昇を介して燃料分離膜の温度上昇を良好に促進させることができる。また、本発明によれば、始動時等の燃料分離膜の温度が低い状況下において、低沸点の成分が燃料分離膜を浸透気化して高オクタン価燃料側に流入するのを防止することができ、高オクタン価燃料のオクタン価が低下するのを確実に防止することができる。

第２の発明によれば、内燃機関の始動時において、燃料分離膜や原料燃料の暖機時間を、簡便な構成を用いて良好に短縮することができる。これにより、始動時において、分離燃料のオクタン価が低下するのを抑制することができ、要求される高オクタン価燃料が早期に得られるようになる。

実施の形態１．
［実施の形態１の構成］
図１は、本発明の実施の形態１における燃料供給装置の構成を説明するための図である。本実施形態の燃料供給装置は、車両に搭載された内燃機関１０に燃料を供給するための車載用燃料供給装置として適用されている。図１に示すように、内燃機関１０は、燃料タンク１２を備えている。

燃料タンク１２には、通常のガソリン（例えば、９０ＲＯＮ）が給油されて貯留されている。以下、燃料タンク１２に貯留されているガソリン燃料は、後述する分離燃料と区別するために「原料燃料」と称する。

燃料タンク１２には、原料燃料配管１４の一端が接続されている。燃料タンク１２内の原料燃料は、当該原料燃料配管１４の途中に設けられた燃料ポンプ１６によって、当該原料燃料配管１４に供給されるようになっている。

原料燃料配管１４における燃料ポンプ１６の下流には、可変式のレギュレータ１８が配置されている。レギュレータ１８は、原料燃料配管１４を流れる原料燃料の圧力を調整するためのものである。

原料燃料配管１４におけるレギュレータ１８の下流には、燃料加熱器２０が配置されている。燃料加熱器２０は、原料燃料を加熱するための装置であり、例えば、ヒートパイプが使用される。ヒートパイプは、内燃機関１０の排気通路に介在するように構成されており、排気通路を流れる排気ガスの熱を受けて、原料燃料を加熱することができるものである。

燃料加熱器２０よりも下流側の原料燃料配管１４には、燃料分離器３０が接続されている。燃料分離器３０は、供給された原料燃料を高オクタン価成分の含有率が原料燃料より多い高ＲＯＮ燃料（例えば、１０３ＲＯＮ）と高オクタン価成分の含有率が原料燃料より少ない低ＲＯＮ燃料（例えば、８８ＲＯＮ）とに分離するための装置である。

燃料分離器３０は、耐圧容器からなるハウジング内を、アロマ分離膜３０１で２つの区画３０２と３０３とに区分した構成を有している。アロマ分離膜３０１は、原料燃料中の芳香族成分を選択的に透過させる性質を有している。芳香族成分量が増大すると、オクタン価（ＲＯＮ）が高くなる。このため、区画３０３側に透過した燃料は、芳香族成分の含有量が多い高ＲＯＮ燃料となり、区画３０２側に残った燃料は、芳香族成分の含有量が少ない低ＲＯＮ燃料となる。

燃料分離器３０における区画３０２側には、低ＲＯＮ燃料配管３２の一端が接続されている。また、低ＲＯＮ燃料配管３２の途中には、低ＲＯＮ燃料を減圧して液化するための可変式のレギュレータ３４が配置されている。液化された低ＲＯＮ燃料は、インジェクタ３６を用いて、内燃機関１０の筒内に噴射されるようになっている。

一方、燃料分離器３０における区画３０３側には、高ＲＯＮ燃料配管３８の一端が接続されている。また、高ＲＯＮ燃料配管３８の途中には、区画３０３内に負圧を発生させるための負圧生成手段として、イダクタ４０が設けられている。高ＲＯＮ燃料配管３８の他端は、高ＲＯＮ燃料を貯留するための高ＲＯＮ燃料タンク４２に接続されている。高ＲＯＮ燃料タンク４２内の高ＲＯＮ燃料は、インジェクタ４４を用いて、内燃機関１０のポートに噴射されるようになっている。

また、図１に示すシステムは、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５０を備えている。ＥＣＵ５０の入力には、内燃機関１０の運転状態を検出するための各種センサ（図示せず）に加え、アロマ分離膜３０１の温度を検出するための温度センサ５２、燃料分離器３０に供給される原料燃料の温度を検出するための温度センサ５４、および、燃料分離器３０に供給される原料燃料の圧力を検出するための圧力センサ５６がそれぞれ接続されている。また、ＥＣＵ５０の出力には、上述した燃料ポンプ１６、レギュレータ１８、３４、イダクタ４０、インジェクタ３６、４４などの各種アクチュエータが接続されている。

［燃料分離動作について］
次に、燃料分離器３０における燃料分離動作について説明する。燃料分離器３０では、原料燃料から高ＲＯＮ燃料と低ＲＯＮ燃料が生成される。より具体的には、燃料タンク１２に貯留されている原料燃料は、燃料ポンプ１６およびレギュレータ１８により所定の圧力まで昇圧された後、燃料加熱器２０を通過する間に所定の温度まで加熱される。

高温高圧となった原料燃料は、燃料分離器３０の区画３０２側へ送られる。アロマ分離膜３０１を挟んだ区画３０３側は、イダクタ４０の作用により低い圧力に制御されている。ハウジング内における区画３０２側を高圧に保ち、区画３０３側を区画３０２側よりも低圧（好ましくは負圧）に保つと、原料燃料中の芳香族成分が、該アロマ分離膜３０１を区画３０２側から区画３０３側へ透過する。

このため、区画３０２側の原料燃料中の芳香族成分がアロマ分離膜３０１を透過して区画３０３側へ浸出する。これにより、原料燃料（例えば、ＲＯＮ９０）が高ＲＯＮ燃料（例えば、ＲＯＮ１０３）と低ＲＯＮ燃料（例えば、ＲＯＮ８８）とに分離される。内燃機関１０においては、ノッキングを発生せずに安定したトルクを発生できるように、運転条件に応じた最適なオクタン価が設定されている。ＥＣＵ５０は、要求オクタン価の大小に応じて、各燃料のインジェクタ３６、４４をそれぞれ駆動するようにしている。

［実施の形態１の特徴部分］
ところで、内燃機関１０の始動時等のように、アロマ分離膜３０１の温度が規定温度（後述する目標分離膜温度Ｔ_１）よりも低い場合に、燃料分離器３０に向けて原料燃料を供給することとすると、分離燃料（アロマ分離膜３０１を透過して高ＲＯＮ燃料タンク４２に向かう燃料）のオクタン価が低下してしまうことになる。その理由は、アロマ分離膜３０１の温度が低い場合には、高沸点成分よりも低沸点成分の方がアロマ分離膜３０１への浸透気化が進むためである。

そこで、本実施形態では、始動時等のアロマ分離膜３０１の温度が低い状況下における当該アロマ分離膜３０１の温度上昇を促進させるべく、アロマ分離膜３０１の温度が上記規定温度よりも低い場合には、レギュレータ１８の開度調整によって、燃料分離器３０に供給される原料燃料の圧力を、アロマ分離膜３０１の温度が上記規定温度よりも高い場合に比して高めるようにした。

図２は、上記の機能を実現するために、本実施の形態１においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。尚、本ルーチンは、内燃機関１０の始動時に起動されるものとする。

図２に示すルーチンでは、先ず、アロマ分離膜３０１の温度が所定の目標分離膜温度Ｔ_１以上であるか否かが判別される（ステップ１００）。当該目標分離膜温度Ｔ_１とは、アロマ分離膜３０１を透過した分離燃料中の芳香族成分の比率が適切な値に増加する温度をいう。

その結果、アロマ分離膜３０１の温度が上記目標分離膜温度Ｔ_１よりも低いと判定された場合には、燃料加熱器２０によって、燃料分離器３０に供給される原料燃料の温度が所定の目標温度Ｔ_２となるように制御されるとともに、レギュレータ１８によって、当該原料燃料の圧力が所定の目標圧力Ｐ_１となるように制御される（ステップ１０２）。

当該目標温度Ｔ_２とは、原料燃料に短時間で熱劣化や固形物が生じないような温度であって、なるべく高い温度をいう。また、当該目標圧力Ｐ_１とは、上記目標温度Ｔ_２に原料燃料が制御されている際に、燃料の気化が生じない（生じにくい）圧力であって、通常の燃料分離動作時の制御目標圧力よりも高い圧力をいう。

次に、上記原料燃料の温度が上記目標温度Ｔ_２に到達し、かつ、上記原料燃料の圧力が上記目標圧力Ｐ_１に到達したか否かが判別される（ステップ１０４）。その結果、当該判定が不成立となる間は、上記ステップ１０２の処理が継続して実行される。一方、当該判定が成立した場合には、再度、アロマ分離膜３０１の温度が上記目標分離膜温度Ｔ_１以上であるか否かが判別される（ステップ１０６）。

その結果、アロマ分離膜３０１の温度が上記目標分離膜温度Ｔ_１よりも低いと判定された場合には、上記ステップ１０２の処理が継続して実行される。一方、アロマ分離膜３０１の温度が上記目標分離膜温度Ｔ_１以上であると判定された場合には、レギュレータ１８によって、燃料分離器３０に供給される原料燃料の圧力が通常の燃料分離動作時の制御目標圧力（上記目標圧力Ｐ_１よりも低い圧力）となるように制御される（ステップ１０８）。

以上説明した図２に示すルーチンによれば、内燃機関１０の始動時等のアロマ分離膜３０１の温度が上記目標分離膜温度Ｔ_１よりも低い場合には、燃料分離器３０に供給される原料燃料の圧力が通常の燃料分離動作時の制御目標圧力に比して高い上記目標圧力Ｐ_１にまで高められるようになる。

上記のように原料燃料の圧力が高められると、原料燃料を加熱させるべく燃料加熱器２０から原料燃料に投入された熱量が、当該原料燃料の気化潜熱として消費させるのを抑制することができる。その結果、原料燃料の温度を上がり易くすることができるので、当該原料燃料の温度上昇を介してアロマ分離膜３０１の温度上昇を良好に促進させることができる。

このため、内燃機関１０の始動時等において、アロマ分離膜３０１や原料燃料の暖機時間を、簡便な構成を用いて良好に短縮することができる。これにより、始動時等において、分離燃料のオクタン価が低下するのを抑制することができ、要求される高オクタン価燃料が早期に得られるようになる。

尚、上述した実施の形態１においては、アロマ分離膜３０１が前記第１の発明における「燃料分離膜」に、高ＲＯＮ燃料が前記第１の発明における「高オクタン価燃料」に、低ＲＯＮ燃料が前記第１の発明における「低オクタン価燃料」に、燃料ポンプ１６が前記第１の発明における「燃料供給手段」に、温度センサ５２が前記第１の発明における「温度取得手段」に、それぞれ相当している。また、ＥＣＵ５０が上記図２に示すルーチンの一連の処理を実行することにより前記第１の発明における「燃料圧力制御手段」が実現されている。

実施の形態２．
次に、図３および図４を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。
本実施形態のシステムは、図３に示すハードウェア構成を用いて、ＥＣＵ５０に後述する図４に示すルーチンを実行させることにより実現することができるものである。

［実施の形態２の構成］
図３は、本発明の実施の形態２における燃料供給装置の構成を説明するための図である。尚、図３において、上記図１に示す構成要素と同一の要素については、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。

本実施形態のシステムは、高ＲＯＮ燃料配管３８の途中に、当該高ＲＯＮ燃料配管３８の開閉を担う開閉弁６０を備えている点を除き、上述した図１に示すシステムと同様に構成されている。また、この開閉弁６０は、ＥＣＵ５０に接続されており、ＥＣＵ５０からの指令に基づいて開閉可能となっている。

［実施の形態２の特徴部分］
既述したように、内燃機関１０の始動時等のようにアロマ分離膜３０１の温度が規定温度（目標分離膜温度Ｔ_１）よりも低い場合には、高沸点成分よりも低沸点成分の方がアロマ分離膜３０１への浸透気化が進むので、何らの配慮がなされなければ、アロマ分離膜３０１を透過した透過燃料のオクタン価が低下することになる。

そこで、本実施形態では、始動時等のアロマ分離膜３０１の温度が規定温度よりも低い場合には、上述した実施の形態１の原料燃料の圧力制御に加え、上記開閉弁６０を閉じることによって、高ＲＯＮ燃料配管３８を遮断するようにした。

図４は、上記の機能を実現するために、本実施の形態２においてＥＣＵ５０が実行するルーチンのフローチャートである。尚、図４において、実施の形態１における図２に示すステップと同一のステップについては、同一の符号を付してその説明を省略または簡略する。

図４に示すルーチンでは、先ず、開閉弁６０が閉じられることによって、高ＲＯＮ燃料配管（高ＲＯＮバキュームライン）３８が遮断される（ステップ２００）。次いで、上記ステップ１００においてアロマ分離膜３０１の温度が上記目標分離膜温度Ｔ_１以上であると判定された場合には、開閉弁６０が開かれることによって、高ＲＯＮ燃料配管（高ＲＯＮバキュームライン）３８が開放される（ステップ２０２）。

一方、上記ステップ１００においてアロマ分離膜３０１の温度が上記目標分離膜温度Ｔ_１よりも低いと判定された場合には、次いで、上記ステップ１０２〜１０６の処理が実行される。これらの処理によって、原料燃料の圧力が高められることによってアロマ分離膜３０１の温度上昇が促進されることになる。

その結果、アロマ分離膜３０１の温度が上記目標分離膜温度Ｔ_１に達した場合には、上記ステップ１０８において、燃料分離器３０に供給される原料燃料の圧力が通常の燃料分離動作時の制御目標圧力となるように制御された後に、開閉弁６０が開かれることによって、高ＲＯＮ燃料配管（高ＲＯＮバキュームライン）３８が開放される（ステップ２０２）。

以上説明した図４に示すルーチンによれば、内燃機関１０の始動時等のアロマ分離膜３０１の温度が上記目標分離膜温度Ｔ_１よりも低い場合には、上述した実施の形態１の原料燃料の圧力制御に加え、高ＲＯＮ燃料配管３８が遮断されることになる。このため、上述した実施の形態１の効果に加え、アロマ分離膜３０１の温度が低い状況下において、低沸点の成分がアロマ分離膜３０１を浸透気化して高ＲＯＮ燃料タンク４２に流入するのを防止することができ、高ＲＯＮ燃料タンク４２内の分離燃料（高ＲＯＮ燃料）のオクタン価が低下するのを確実に防止することができる。

また、上記ルーチンによれば、内燃機関１０の始動時に当該ルーチンが起動された際に、先ず、高ＲＯＮ燃料配管３８が遮断されるようになる。更に、上記ルーチンによれば、アロマ分離膜３０１の温度が低い状況下において、原料燃料が加圧されることによって当該原料燃料の圧力が上記目標圧力Ｐ_１に達した場合であっても、アロマ分離膜３０１の温度が上記目標分離膜温度Ｔ_１に達するまでは、高ＲＯＮ燃料配管３８の遮断が継続されることになる。このような制御の優先順位が、高ＲＯＮ燃料配管３８の開閉制御と他の制御との間に設けられることで、高ＲＯＮ燃料のオクタン価をより確実に向上させられるようになる。

尚、上述した実施の形態２においては、高ＲＯＮ燃料配管３８が前記第１の発明における「高オクタン価燃料通路」に相当しているとともに、ＥＣＵ５０が上記ステップ２００の処理を実行することにより前記第１の発明における「開閉弁制御手段」が実現されている。

ところで、上述した実施の形態１および２においては、内燃機関１０の始動時に上記図２または図４のルーチンを起動させることとし、アロマ分離膜３０１の温度が上記目標分離膜温度Ｔ_１よりも低い場合に、燃料分離器３０に供給される原料燃料を加圧したり、開閉弁６０を閉じたりするようにしている。しかしながら、本発明の制御の実行時期は、燃料分離膜の温度が低い場合であればよく、内燃機関１０の始動時に限定されるものではない。

本発明の実施の形態１における燃料供給装置の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態１において実行されるルーチンのフローチャートである。 本発明の実施の形態２における燃料供給装置の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態２において実行されるルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１０ 内燃機関
１２ 燃料タンク
１４ 原料燃料配管
１６ 燃料ポンプ
１８、３４ 可変式レギュレータ
２０ 燃料加熱器
３０ 燃料分離器
３０１ アロマ分離膜
３０２、３０３ 区画
３２ 低ＲＯＮ燃料配管
３６、４４ インジェクタ
３８ 高ＲＯＮ燃料配管
４０ イダクタ
４２ 高ＲＯＮ燃料タンク
５０ ＥＣＵ(Electronic Control Unit)
５２、５４ 温度センサ
５６ 圧力センサ
６０ 開閉弁

Claims (2)

1. 芳香族成分を選択的に通過させる燃料分離膜を有し、原料燃料を、前記燃料分離膜を通過した高オクタン価燃料と前記燃料分離膜を通過していない低オクタン価燃料とに分離する燃料分離器と、
   前記原料燃料を前記燃料分離器に供給する燃料供給手段と、
   前記燃料分離器に供給される前記原料燃料を加熱させる燃料加熱器と、
   前記燃料分離膜の温度を取得する温度取得手段と、
   前記燃料分離膜の温度が低い場合には、当該燃料分離膜の温度が高い場合に比して、前記燃料分離器に供給される前記原料燃料の圧力を高く制御する燃料圧力制御手段と、
   を備え、
   燃料が前記燃料分離膜を通過した後の部位において前記燃料分離器に接続され、前記高オクタン価燃料が流通する高オクタン価燃料通路と、
   燃料が前記燃料分離膜を通過する前の部位において前記燃料分離器に接続され、前記低オクタン価燃料が流通する低オクタン価燃料通路と、
   前記高オクタン価燃料通路の開閉を担う開閉弁と、
   前記燃料圧力制御手段によって前記原料燃料の圧力を高める際に、前記高オクタン価燃料通路が遮断されるように前記開閉弁を制御する開閉弁制御手段と、
   を更に備えることを特徴とする燃料供給装置。
2. 前記燃料圧力制御手段は、内燃機関の始動時に、前記燃料分離膜の温度が規定温度よりも低い場合に、当該燃料分離膜の温度が前記規定温度以上である場合に比して、前記燃料分離器に供給される前記原料燃料の圧力を高く制御することを特徴とする請求項１記載の燃料供給装置。

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