JP5238183B2 - 内燃機関に対してｌｐｇを供給するｌｐｇ供給方法およびｌｐｇ供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関に対してＬＰＧを供給する方法に関するものである。

内燃機関に対してＬＰＧを供給するシステムは、一般に、（一部が液相、一部が気相とされた）ＬＰＧタンクを有する供給装置と、エンジン冷却液を通して加熱された一群のレデューサ（reducer）／気化器と、タンクの異なる位置に接続され、一方が気相ＬＰＧを取り出し、他方が液相ＬＰＧを取り出す別個とされた２つの供給システムとを使用する。従来の供給装置は、さらに、エンジン冷却液の温度が所定閾値を下回っていたときに気相ＬＰＧを供給するようにガス流路を起動させ、かつ、エンジン冷却液の温度が前記所定閾値を越えた場合には即座に液相ＬＰＧをガス流路に供給する選択装置を備えている。換言すると、選択装置は、液相ＬＰＧの気化のために必要な熱エネルギーをエンジン冷却水が即座に供給できるように気相から液相への切り替えを行う。

上述の従来の供給システムは、たとえ用いられるとしても、特に２つの異なるガス供給システムと選択装置を有するので、製造の観点から複雑である。

本発明の目的は、上述の問題を簡便かつ経済的に解決することができ、そして、これと同時に、あらゆる作動条件において内燃機関に最大性能を発揮させることができる、内燃機関に対してＬＰＧを供給する方法を提供することである。

本発明は、請求項１に記載された内燃機関に対してＬＰＧを供給する方法を備えている。

さらに、本発明は、内燃機関に対してＬＰＧを供給する装置に関するものである。

本発明によれば、内燃機関に対してＬＰＧを供給する装置が請求項１０に記載されたように実現される。

本発明は、限定して解釈されるべきではない実施形態を示した各添付図面を参照して説明される。
図１は、エンジンに対してＬＰＧを供給する装置の好ましい実施形態を示したブロック図である。
図２は、図１に示した装置の特定部分を概略的に一部を断面として示した図である。
図３乃至図５は、図１に示した装置の作動時における複数の重要な変数を示したグラフである。

図１において、符号１は、例えばフォークリフトといった荷を移動させる車両等の車両（図示せず）の内燃機関（エンジン）の全体を示している。フォークリフトは、本明細書において、本発明の一般的側面を損なわない程度に参照される。

エンジン１は、気相ＬＰＧのみを用いるように変更されている。エンジン１には、液相にてＬＰＧが取り出されるタンク３を有する供給装置２と、一又は複数のインジェクタ４とによって供給される。インジェクタ４は、エンジン１のチャンバ１ａ内に有効ガス流量Ｑｇを供給するのに適した既知の形式とされ、概略的に示されている。チャンバ１ａ内には、さらに、符号６で示された既知の形式のスロットル調整システム又はスロットル調整装置によって、流量制御された空気が供給される。図１に示すように、装置２は、さらに、インジェクタ４に対するＬＰＧ圧力制御装置７と、インジェクタ４によって供給されるＬＰＧガス流量制御装置８とを備えている。これらは、後述するように、インジェクタ４の入口におけるＬＰＧの圧力および温度と、エンジン１の運転状態に応じて制御する。

ＬＰＧ圧力制御装置７は、図３に符号Ａで示したＬＰＧ圧力／温度制限曲線が格納されたメモリブロック９を備えている。図３に示したように、この制限曲線Ａは、ＬＰＧが液相となる領域１０と、ＬＰＧが気相となる領域１１とを分割している。

ＬＰＧ圧力制御装置７は、さらに、インジェクタ４に送られるＬＰＧの温度を決定する決定ブロック１２を備えている。本実施形態では、決定フロック１２は、インジェクタ４の上流の温度を得ることによって及び／又はインジェクタ自身の温度を得ることによって、上述した温度を決定することができ、或いは、エンジン１の冷却液の温度及び／又はＬＰＧの流量に応じて上述した温度を計算することができる。後者の場合には、冷却液管１３がエンジン１と決定ブロック１２との間に接続されている。車両の点火時から曲線Ｎで示されたエンジン回転数の変化までの間におけるＬＰＧ温度変動の例示的な変化が、図４の線Ｔによって示されている。メモリブロック９及び決定ブロック１２は、ＬＰＧ圧力制御装置７の一構成要素とされるとともに決定ブロック１２から取得される各温度に対してガス圧力限界値を決定することができるブロック１５に接続されている。気相にてＬＰＧを供給するために、上記ガス圧力限界値は、各温度に対して安全な運転を実現する最大最適圧力値を得る可変安全補正率を用いて、ブロック１５自身によって減少させられる。

好ましくは、上述の最大最適圧力値は、図３の線Ｂの一部を構成する。

図１に示すように、ＬＰＧ圧力制御装置７は、さらに、各時刻において、決定された最大最適圧力値と実質的に同一となるように、インジェクタ４へと供給されるＬＰＧの圧力をチェックするのに適した対立（confrontation）および調整のためのブロック１８を備えている。

図２に示すように、ブロック１８は、圧力遮断／減少バルブ１９を備えている。このバルブ１９は、ＬＰＧタンク３又は異なる加圧室に接続された入口２０と、インジェクタ４に接続された出口２１とを有している。バルブ１９は、流路２４を介して出口２１と入口２０とを接続するチャンバ２３を備えている。さらに、バルブ１９は、可撓性を有するダイヤフラム２７によってチャンバ２３から分離された水密性を有するチャンバ２５と、このダイヤフラム２７によって支持されたシャッター２８とを備えている。このシャッター２８は、ダイヤフラム２７及びバネ２９の動作に基づいて、流路２４を閉じることによってチャンバ２３が入口２０から隔離される閉位置（図２参照）と、入口２０とチャンバ２３との間のＬＰＧの流れを許容する開位置との間を移動する。

図２に示すように、ブロック１８は、入口２０に接続された入口とチャンバ２５に連通する出口とを有する常時閉とされた単安定調整ソレノイドバルブ３１を備えている。チャンバ２５は、他の単安定調整ソレノイドバルブ３２の入口に接続されている。この他のソレノイドバルブ３２の出口は、出口２１に接続されている。これらソレノイドバルブ３１，３２は、制御ユニット３３によって制御されるとともに選択的に動作させられる。制御ユニット３３は、インジェクタ４に供給されるＬＰＧの有効圧力値を取得するために出口３１に接続されたセンサ３５に接続されている。また、制御ユニット３３は、最大最適圧力値を取得するためにブロック１５に接続されている。

制御ユニット３３は、比較ブロック３４を備えている。この比較ブロック３４は、取得した２つの圧力値を比較した後に、差分値信号を送信し、この差分値信号に応じて、制御ユニット３３が一の又は他のソレノイドバルブ３１，３２を動作させる。

一例として、図４には、ＬＰＧ有効圧力の時間における傾向が曲線Ｃとして示されている。

図１に示すように、インジェクタ４は、エンジン１に対して最適ＬＰＧ流量を供給するための適正化制御ユニット３７によって制御される。好ましくは、ＬＰＧガス流れの傾向は、図４の曲線Ｆによって示されている。

制御ユニット３７は、ＬＰＧガス流量制御装置８の一部分とされている。ＬＰＧガス流量制御装置８は、さらに、インジェクタ４に対して供給されるＬＰＧの有効圧力に対応した信号を制御装置３７へと供給する上述のセンサ３５と、通常はＰｍａｐとして知られているチャンバ１ａ内の圧力に対応した信号を制御装置３７へと供給する第２圧力センサ３９とを備えている。

取得した２つの信号、特に２つの信号間の関係に基づき、そして、インジェクタの製造時の特性および決定された温度に応じて、制御ユニット３７は、エンジン１が要求するＬＰＧ流量が常に供給されるように、インジェクタ４の開度および開口時間が制御される。さらにまた、図１に示されているように、ＬＰＧガス流量制御装置８は、いくつかの運転条件時にチャンバ１ａ内の圧力を制限する制御ユニット４１を備えている。特に、制御ユニット４１は、チャンバ１ａ内の複数の最大圧力値Ｐｍａｐが記憶されたメモリブロックを備えている。最大圧力値に対するこれらの値の全ては、図４の曲線Ｄを規定する。最大圧力値は、インジェクタ４へと供給されるＬＰＧ有効圧力値、インジェクタの寸法特性、制御ユニット３７によって決定されるエンジン１のチャンバ１ａ内に供給されるＬＰＧ流量の値、及び決定されたＬＰＧ温度に応じて数値的に決定される。好適には、制御ユニット４１は、図５に示したグラフに基づいてチャンバ１ａが許容できる最大圧力値を各運転条件に対して決定している。このグラフは、ガス流量、及び、インジェクタ４へと供給されるＬＰＧ自身の圧力変化および温度変化に応じて、チャンバ１ａ内の最大圧力値を示している。図５のグラフは、いくつかの曲線のみを示しているだけである。すなわち、各曲線は、インジェクタ４へと供給される決定されたＬＰＧ圧力値、及び、決定された温度値に対応した等圧線である。各曲線は、矢印Ｋによって示された方向に圧力が増大するように示されている。

チャンバ１ａ内の圧力と、実際のガス圧力および温度と、インジェクタの特性と、ガス流量との間に関連付けられた数学的関係は、下式の通りである。

ここで、Ｐｇはセンサ３５から得られる有効ガス圧力を示し、Ｐｍａｐはセンサ３９によって得られるチャンバ１ａ内の圧力を示し、Ｑｇはエンジンへと供給されるＬＰＧ流量を示し、Ｓは各ノズルの等価断面積を示し、Ｒ及びＴは、それぞれ、気体定数及びガス温度を示し、ｋはポリトロープ指数を示す。各変数が固定されると、上記数式から、インジェクタが供給するのに必要なガス流量を実現するチャンバ１ａ内の最大圧力が計算される。

さらに、制御ユニット４１は、チャンバ１ａ内の圧力の瞬時値と、対応する算出された最大値とを比較する比較ブロック４５を備えている。検知した圧力値が算出された値を超えたときには、信号が比較ブロック４５へと送信され、算出された最大値よりも低いチャンバ１ａ内の圧力とし、結果的にはエンジン１の出力を制限するためのスロットル装置６が動作させられる。制御された動作の間におけるチャンバ１ａ内の圧力値は、図４の曲線Ｅによって示されている。

エンジン１を始動した後の装置２の動作について、図１を参照し、かつ図３乃至図５のグラフを参照しながら以下に説明する。エンジン１を始動し、走行状態に到達するまでの以下の複数の条件では、各センサ３５，３９がインジェクタの入口におけるＬＰＧ圧力およびエンジンのチャンバ１ａおけるＬＰＧ圧力を検出する一方で、ブロック１２はインジェクタ４へと供給されるガスの温度を決定する。各運転条件または少なくとも１つの運転条件において、ブロック１２は温度値をブロック１５へと送る。ブロック１５は、ブロック９に記憶された曲線Ａを参照して、ＬＰＧが気相を維持するようにＬＰＧの最大最適圧力値を決定する。この最大最適圧力値は、曲線Ａ上の圧力限界値を取得し、図３の線Ｂによって規定された最適圧力に対する一連の値を得る可変安全補正率を用いて減ずることによって得られる。各状態において、ブロック１８は、対応する最大最適圧力値に近い値へと導くことによって、インジェクタへと供給されるガス有効圧力を調整する。この調整は、以下のように実行される。すなわち、センサ３５は、出口２１におけるＬＰＧ有効圧力を取得するとともに、この圧力値を制御ユニット３３へと送る。制御ユニット３３は、この圧力値と決定された最大最適圧力値とを比較する。取得した圧力が対応する最大最適圧力値よりも大きい場合には、制御ユニット３３は、チャンバ２５と出口２１とを接続するソレノイドバルブ３２を動作させる。これにより、チャンバ２５内の圧力が出口２１の圧力と同等になるまで減少させられる。ダイヤフラム２７とバネ２９との圧力差に応じて、シャッター２８は、圧力を減少させるように閉位置から移動する。一方、出口２１の圧力が対応する最大最適圧力値よりも小さいときには、制御ユニット３３は、ソレノイドバルブ３１を作動させて、チャンバ２５内の圧力を増加させる。すなわち、ダイヤフラム２７における大きな圧力差によって、シャッター２８が圧力を増加させるように開位置から移動する。これにより、出口２１におけるＬＰＧ有効圧力は、常に、重大な圧力差を生じさせることなく、決定された最大最適圧力値に近い値とされる。

上述した各運転状態において、各センサ３５，３９は、圧力値を取得するとともに制御ユニット３７へと送る。制御ユニット３７は、温度に応じて、必要なＬＰＧ量を供給するためにインジェクタのタイミングおよび開度を調整する。インジェクタ４を通過するガス流量の物理的な限界値は、インジェクタが亜臨界（sub-critical）条件で動作する際には、制御ユニット４１によって制御される。すなわち、制御ユニット４１は、エンジンのチャンバ１ａ内の圧力、ＬＰＧ有効圧力、インジェクタへと供給されるガス流量、及びガス温度に応じて、チャンバ１ａ内の許容最大圧力値をいくつかの運転条件に対して決定する。チャンバ１ａ内の圧力がこの値を超えた際には、制御ユニット４１は、この限界値と同等またはそれ以下の圧力を維持するために、チャンバ１ａ内の圧力値を制御するスロットル本体を調整するためにスロットル装置６を動作させる。チャンバ１ａ内の最大圧力は、この値に対応するガス流量が必要とされるガス流量よりも大きな流量で維持できるように考慮すべきであることは明らかである。とにかく、チャンバ１ａ内の圧力の限界値は、過給機を備えていないエンジンの場合には、大気圧によって決定される。上述した通り、供給されたガス温度を瞬間的に収集するとともに、これらの温度に対して限界値に近い対応する目標圧力値を決定することにより、気相でのガス限界状態で常に運転することができることは明らかである。これは、液相でのＬＰＧを用いることなく最高効率を達成することを意味する。

また、直接的に検出された供給有効圧力、及び供給されたガス有効温度に応じてインジェクタを制御することにより、通常運転時と、亜臨界条件での動作またはそれに近い状態でインジェクタを動作させる時のいずれの場合においても、エンジンに対して供給されるガス流量を正確に制御しかつ調整することができる。この後者の条件において、上述した装置２は、インジェクタの前後の圧力、インジェクタの幾何学的特徴、上記温度、及びインジェクタを通過する有効ガス流量に応じて、空気−ＬＰＧ導入チャンバにおける圧力を制限することによって、エンジン制御に介入することができ、また、エンジン供給出力に介入することができる。これは、図４において各変数を用いて示したように、エンジンの点火の後に続く一時的な期間において極めて重要であり、しかも特別な価値を有する。

この一時的な期間では、実際、プログラム実行中に最大値が選択されるまで、ガス圧力は温度とともに上昇する。この最大値は、エンジンによって要求されるガス流量とインジェクタ特性に依存する。上述の通り、本実施形態にかかる方法および装置２は、特許請求の範囲によって定義された技術的範囲を逸脱しない限りにおいて変形することができる。特に、一例としてのみ示した本実施形態において用いられたものとは異なる曲線および比率は、最大最適圧力値、ガス流量およびチャンバ１ａ内の圧力を決定する際に用いることができる。

本発明の内燃機関に対してＬＰＧを供給する装置の一実施形態を示したブロック図である。 図１の特定部分を示した部分断面図である。 図１の装置の作動時における各変数を示したグラフである。 図１の装置の作動時における各変数を示したグラフである。 図１の装置の作動時における各変数を示したグラフである。

符号の説明

１ エンジン（内燃機関）
１ａ チャンバ
２ 装置
４ インジェクタ

Claims (11)

1. 内燃機関に対して気相ＬＰＧのみを供給するＬＰＧ供給方法であって、
   エンジンに対して気相にてＬＰＧを可変流量で供給するインジェクタを備え、
   前記エンジンの各運転条件について、前記インジェクタに供給されるＬＰＧの対応する温度を、前記インジェクタの入口または内部におけるＬＰＧの対応する１つの温度を直接的に検出することによって決定し、
   ＬＰＧの各前記温度に対して、前記インジェクタに供給されるＬＰＧが常に気相となるように、対応する最大最適圧力値を決定し、
   決定された前記最大最適圧力値に略一致するように、前記インジェクタの入口における気相ＬＰＧの有効圧力を調整するＬＰＧ供給方法であって、
   前記有効圧力の調整は、各前記運転条件において、前記インジェクタへと供給される気相ＬＰＧガスの圧力を取得し、該圧力と対応する前記最大最適圧力値とを比較し、前記有効圧力を補正するように第１ソレノイドバルブ及び第２ソレノイドバルブを選択的に動作させることによって行われる、ＬＰＧ供給方法。
2. 内燃機関に対して気相ＬＰＧのみを供給するＬＰＧ供給方法であって、
   エンジンに対して気相にてＬＰＧを可変流量で供給するインジェクタを備え、
   前記エンジンの各運転条件について、前記インジェクタに供給されるＬＰＧの対応する温度を、同時刻における前記エンジンの冷却液の温度に基づいて決定し、
   ＬＰＧの各前記温度に対して、前記インジェクタに供給されるＬＰＧが常に気相となるように、対応する最大最適圧力値を決定し、
   決定された前記最大最適圧力値に略一致するように、前記インジェクタの入口における気相ＬＰＧの有効圧力を調整するＬＰＧ供給方法であって、
   前記有効圧力の調整は、各前記運転条件において、前記インジェクタへと供給される気相ＬＰＧガスの圧力を取得し、該圧力と対応する前記最大最適圧力値とを比較し、前記有効圧力を補正するように第１ソレノイドバルブ及び第２ソレノイドバルブを選択的に動作させることによって行われる、ＬＰＧ供給方法。
3. ＬＰＧの前記最大最適圧力値の取得は、ＬＰＧの気相領域と液相領域とを分離する限界曲線を記憶し、該限界曲線に基づき、決定された前記温度の少なくとも一部分に対して、対応する値を得ることによって行われる請求項１又は請求項２に記載のＬＰＧ供給方法。
4. 前記最大最適圧力値を得るための前記温度に対応した所定の補正率および変数を用いて、前記最大最適圧力値を補正する請求項３記載のＬＰＧ供給方法。
5. 前記各運転条件において、ＬＰＧの前記流量は、少なくとも前記有効圧力の関数を用いて前記インジェクタの開口時間を変化させることによって行われる請求項１から請求項４のいずれかに記載のＬＰＧ供給方法。
6. ＬＰＧの前記流量は、前記各運転条件の少なくともいくつかにおいて、前記エンジンの空気−ＬＰＧ導入チャンバにおける圧力とＬＰＧの前記有効圧力との比の関数を用いて制御される請求項５記載のＬＰＧ供給方法。
7. 空気−ＬＰＧ導入チャンバにおける前記圧力は、前記各運転条件の少なくともいくつかにおいて、前記有効圧力および空気−ＬＰＧ導入チャンバに供給されたＬＰＧの流量に応じて、決定された閾値以下に限定される請求項５又は請求項６に記載のＬＰＧ供給方法。
8. 内燃機関に対して気相ＬＰＧのみを供給するＬＰＧ供給装置であって、
   エンジンに対して気相にてＬＰＧを可変流量にて供給するインジェクタと、
   前記エンジンの各運転条件について、前記インジェクタに供給される気相ＬＰＧの対応する温度を、前記インジェクタの入口または内部におけるＬＰＧの対応する１つの温度を直接的に検出することによって決定する第１決定手段と、
   ＬＰＧの各前記温度の少なくともいずれかに対して、前記インジェクタに供給されるＬＰＧが常に気相となるように、対応するＬＰＧの最大最適圧力値を決定する第２決定手段と、
   決定された前記最大最適圧力値に略一致するように、前記インジェクタに供給される気相ＬＰＧの有効圧力を調整する調整手段と、
   を備え、
   前記調整手段は、ＬＰＧタンクに接続される入口および前記インジェクタに接続される出口と、前記入口および前記出口に連通する第１チャンバと、可撓性を有するダイヤフラムによって前記第１チャンバから分離された第２チャンバと、前記ダイヤフラムによって駆動されるとともに、前記入口から前記第１チャンバを隔離する閉位置と、前記入口と前記第１チャンバとの間でガス流路を形成する開位置との間で移動するシャッターとを有するバルブと、
   前記入口と前記第２チャンバとの間に配置された第１補正ソレノイドバルブと、
   前記第２チャンバと前記出口との間に配置された第２補正ソレノイドバルブと、を備え、
   前記第１補正ソレノイドバルブ及び前記第２補正ソレノイドバルブを選択的に動作させる制御手段が設けられているＬＰＧ供給装置。
9. 前記第２決定手段は、ＬＰＧの気相領域と液相領域とを分離する限界曲線を記憶する記憶手段と、
   前記限界曲線に基づき、各前記温度の少なくともいくつかに対応する最大最適圧力値を決定する計算手段と、
   を備えている請求項８記載のＬＰＧ供給装置。
10. 前記制御手段は、各前記運転条件において、前記出口におけるＬＰＧの圧力値と前記最大最適圧力値とを比較し、該比較結果に応じて前記ソレノイドバルブの一方または他方に動作信号を送る比較手段を有する請求項８又は請求項９に記載のＬＰＧ供給装置。
11. 各前記運転条件の少なくともいずれかにおいて、少なくとも前記有効圧力および空気−ＬＰＧ導入チャンバ内へ供給されるＬＰＧの流量に応じて該空気−ＬＰＧ導入チャンバ内の圧力の閾値を決定する決定手段と、
    前記閾値以下に前記空気−ＬＰＧ導入チャンバの圧力を制限する制限手段と、
    を備えている請求項８から請求項１０のいずれかに記載のＬＰＧ供給装置。
    
    

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