JP5414189B2 - 燃料タンクシステム - Google Patents

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Description

本発明は、ガソリンにエタノールを混合して成るエタノール−ガソリン混合燃料を収容する燃料タンクシステムに関するものである。
近年、自動車用燃料として、エタノール−ガソリン混合燃料を用いることが検討されている。前記エタノールとしては、植物性物質、例えばサトウキビ、トウモロコシ等の農作物の発酵、蒸留により得たバイオエタノールを用いることができる。前記植物性物質は、土壌管理を厳密に行うことにより、所謂カーボンニュートラル効果を得ることができる。前記カーボンニュートラル効果は、原料となる植物自体が既に二酸化炭素を吸収しているので、係る植物性物質から得られたエタノールを燃焼させたとしても、排出される二酸化炭素の量は前記植物自体が吸収した二酸化炭素の量に等しく、総計としての二酸化炭素の排出量が理論的にはゼロになるというものである。従って、自動車用燃料として、前記エタノール−ガソリン混合燃料を用いることにより、二酸化炭素の排出量を削減し、地球の温暖化防止に寄与することができる。
また、前記エタノールは燃料として見た場合、オクタン価が高く、ガソリンに比較してアンチノッキング性に優れている。従って、前記エタノールを燃料とすることにより内燃機関の性能を律しているノッキングを抑制することが可能になる。
しかし、前記エタノールのみを燃料とするには高濃度のエタノールが必要である上、該エタノールは体積発熱量がガソリンに比較して小さいので、前記ノッキングを抑制することによる熱効率は向上しても、体積燃料消費率は悪化する虞がある。しかも、前記エタノールは植物由来であるため、生産量に限度がある。
一方、内燃機関のノッキングは、該内燃機関の高負荷時において生じるものであり、低負荷時には生じる虞が小さいことが知られている。そこで、高負荷時にのみ、高濃度のエタノールを燃料とすることにより、前記ノッキングを効率的に抑制できるものと考えられる。
このような考えに基づいて、前記エタノール−ガソリン混合燃料に水を混合することにより、該エタノール−ガソリン混合燃料を車上でガソリンとエタノール−水混合液とに分離し、内燃機関の要求負荷に応じて、該内燃機関に対するガソリンとエタノールとの供給割合を制御することが考えられる。例えば、酸素含有気体と圧縮自着火可能な燃料とをシリンダ内に導入し、圧縮して自着火させる圧縮着火内燃機関については、該圧縮着火内燃機関の要求負荷に応じて、混合燃料の供給量と、ガソリン等の液体炭化水素の供給量と、エタノール−水混合液の供給量とを変化させて制御するものが知られている(特許文献1参照)。
また、前記のように内燃機関の要求負荷に応じて、該内燃機関に対するガソリンとエタノールとの供給割合を制御するために、前記エタノール−ガソリン混合燃料に水を混合して、ガソリンとエタノール−水混合液に分離する装置として、第1〜第4の燃料タンクと水タンクと第1〜第4の定量ポンプとを備えるガソリン−エタノール分離装置が本出願人により出願されている(特許文献2参照)。
前記ガソリン−エタノール分離装置は、水を収容する水タンク、前記エタノール−ガソリン混合燃料を収容する第1の燃料タンク、該エタノール−ガソリン混合燃料に水を混合して前記ガソリンと前記エタノール−水混合液とに分離させる第2の燃料タンク、分離された該ガソリンを収容する第3の燃料タンク、分離された該エタノール−水混合液を収容する第4の燃料タンクを備える。そして、前記水タンク及び第1〜4の各燃料タンク間の液体の移動のために、第1〜4の定量ポンプを備えている。また、第3の燃料タンクに収容された前記ガソリンと、第4の燃料タンクに収容された前記エタノール−水混合液とをそれぞれ取り出して前記内燃機関に供給するためには、第3、第4の各燃料タンクに更に定量ポンプを必要とする。この結果、前記ガソリン−エタノール分離装置は、重量が大となることが避けられない。
そこで、前記定量ポンプの代わりに、前記水タンク及び第1〜4の各燃料タンクの内部圧力を制御することにより燃料を供給するようにして、軽量化を図ったガソリン−エタノール分離装置が、さらに本出願人により提案されている(特許文献3参照)。
前記軽量化を図ったガソリン−エタノール分離装置は、前記定量ポンプを用いていないので、装置全体を軽量化することができる。しかしながら、前記軽量化を図ったガソリン−エタノール分離装置は、前記水タンク及び第1〜4の各燃料タンクの5基のタンクを備える点では変わりが無く、装置全体が大型になることが避けられない。また、前記各タンクの内部圧力の差を利用して液体の移動を行うので、制御が複雑になることが避けられない。
そこで、自動車に搭載するために、軽量かつ小型であって簡単な構成で、前記エタノール−ガソリン混合燃料に水を混合して、ガソリンとエタノール−水混合液に分離することができるシステムが望まれる。
特開2006−132368号公報 特開2007−46538号公報 特開2007−56707号公報
本発明は、かかる事情に鑑み、軽量かつ小型であって簡単な構成で、前記エタノール−ガソリン混合燃料に水を混合して、ガソリンとエタノール−水混合液に分離することができるシステムを提供することを目的とする。
かかる目的を達成するために、本発明は、ガソリンにエタノールを混合して成る混合燃料を収容すると共に、該混合燃料に水を混合してガソリンと該エタノール−水混合液とに分離する機能を備える燃料タンクシステムにおいて、該燃料タンク内の該混合燃料を吸引すると共に、該混合燃料に水を混合して、該ガソリンと該エタノール−水混合液とに分離し、分離された該ガソリンと該エタノール−水混合液とを圧送するポンプ手段と、該燃料タンク内に備えられ、該ポンプ手段により圧送された該ガソリンと該エタノール−水混合液とを相互に分離された状態でかつ加圧状態で貯留する分離槽と、該分離槽内に貯留された該ガソリンと該エタノール−水混合液との界面よりも上方から、該ガソリンを第1の開閉弁を開放することで該分離槽外へ取り出すガソリン取り出し手段と、該界面よりも下方から、該分離槽内に貯留された該エタノール−水混合液を第2の開閉弁を開放することで該分離槽外へ取り出すエタノール取り出し手段とを備えることを特徴とする。
本発明によれば、前記混合燃料は前記ポンプ手段により吸引され、該ポンプ手段内で水と混合されることにより、ガソリンとエタノール−水混合液とに分離される。分離された前記ガソリンと前記エタノール−水混合液とは、前記ポンプ手段により圧送されて、前記燃料タンク内に備えられている分離槽に導入される。
前記分離槽内で、前記ガソリンと前記エタノール−水混合液とは、相互に分離された状態で貯留されると共に、前記ポンプ手段により圧送されることにより加圧状態とされている。前記ガソリンと前記エタノール−水混合液とは、前記分離槽内で、相互の比重の相違により上下2層に分離しており、相対的に比重の大きい前記エタノール−水混合液が下層となり、相対的に比重の小さな前記ガソリンが上層になっている。
そこで、前記ガソリンは、前記分離槽内の前記ガソリンと前記エタノール−水混合液との界面よりも上方から、ガソリン取り出し手段により第1の開閉弁を開放することで該分離槽外へ取り出される。また、前記エタノール−水混合液は、前記分離槽内の前記ガソリンと前記エタノール−水混合液との界面よりも下方から、エタノール取り出し手段により第2の開閉弁を開放することで該分離槽外へ取り出される。
本発明によれば、前記ポンプ手段により、前記混合燃料と水との移送、混合と、分離された前記ガソリンと前記エタノール−水混合液との移送とを行うと共に、前記分離槽が前記燃料タンク内に備えられているので、燃料タンクシステム全体を軽量かつ小型であって、しかも簡単な構成とすることができる。
本発明では、前記第1の開閉弁は、例えば、前記ガソリンを内燃機関に噴射する第1の燃料噴射手段とすることができ、前記第2の開閉弁は、例えば、前記エタノール−水混合液を内燃機関に噴射する第2の燃料噴射手段とすることができる。この場合、前記ガソリン及び前記エタノール−水混合液は前記分離槽内に加圧状態で貯留されているので、前記第1または第2の燃料噴射手段を開くだけで、前記内燃手段に噴射することができる。
また、本発明では、前記ポンプ手段を前記燃料タンク内に備えることが好ましい。このようにすると、燃料タンクシステム全体をさらに小型化することができる。
また、本発明では、前記燃料タンク内に水タンクを備え、該水タンクに収容されている水を前記ポンプ手段に供給することが好ましい。前記水タンクに収容されている水は、例えば、内燃機関の排ガス中に含まれる水分を凝縮させたものとすることができる。
また、本発明では、前記水タンクに収容されている水を前記ポンプ手段に供給する場合、制御弁を介して供給することが好ましい。この場合、前記制御弁は、所定量の水を前記ポンプ手段に供給した後は、閉弁されている。前記ポンプ手段は、前記所定量の水を前記混合燃料に混合して、分離された前記ガソリンと前記エタノール−水混合液とを前記分離槽に圧送し、前記制御弁が閉弁された後は前記混合燃料のみを前記分離槽に圧送する。
前記分離槽内では、前記ガソリンと前記エタノール−水混合液とは前記のように2層に分離しており、前記エタノール−水混合液が下層になっている。そこで、前記ポンプ手段により圧送される前記混合燃料を、前記分離槽内の前記ガソリンと前記エタノール−水混合液との界面よりも下方から該分離槽内に導入すると、該混合燃料は該エタノール−水混合液中の水分と混合され、該分離槽内で該ガソリンと該エタノール−水混合液とに分離することができる。
この場合、前記エタノール−水混合液に含まれる水分は経時的に減少するので、該水分の割合が前記混合燃料を前記ガソリンと前記エタノール−水混合液とに分離することができる下限閾値を下回ったときは、前記制御弁を開弁し、再び所定量の水を前記ポンプ手段に供給する。前記エタノール−水混合液に含まれる水分は、例えば、前記エタノール取り出し手段にエタノールセンサを設けて測定してもよく、前記分離槽内の前記ガソリンと前記エタノール−水混合液との界面よりも下方にエタノールセンサを設けて測定してもよい。
また、前記制御弁は、前記各エタノールセンサからの出力信号を受けて開閉するようにすることができる。この場合、前記エタノールセンサにより検知される前記エタノール−水混合液に含まれる水分が所定の上限閾値を上回った場合は、過剰な水分が供給されているものとして、前記制御弁を閉弁する。
また、本発明では、前記ガソリンの消費量と前記エタノール−水混合液の消費量とに偏りが生じると、前記分離槽に収容されている該ガソリンと該エタノール−水混合液との量が不均等になる場合がある。そこで、本発明では、前記分離槽内の前記ガソリンと前記エタノール−水混合液との界面を検知する界面センサを設け、該界面センサにより検知された該界面が所定の位置よりも低いときには、該分離槽内に貯留された前記ガソリンを、該界面よりも上方から第3の開閉弁を介して前記燃料タンクへ還流させるガソリン還流手段を備えることが好ましい。このようにすると、前記分離槽に収容されている前記ガソリンの量が過剰になったときには、該ガソリンを前記ガソリン還流手段により前記燃料タンクへ還流させることができ、該ガソリンの減少分だけ、前記混合燃料の分離を促進して、該分離槽内に収容されている前記エタノール−水混合液の量を増加させることができる。
また、本発明では、前記界面センサにより検知された前記界面が所定の位置よりも高いときには、前記第2の燃料噴射手段から前記内燃機関に噴射される前記エタノール−水混合液の量を増加させることにより、該エタノール−水混合液の消費を促進することができる。また、このときには、前記燃料タンクに収容されている前記混合燃料を、前記第1の燃料噴射手段から直接前記内燃機関に噴射するようにしてもよい。
次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図1は本実施形態の燃料タンクシステムの第1の態様を示す説明的断面図であり、図2は本実施形態の燃料タンクシステムの第2の態様を示す説明的断面図であり、図3は本実施形態の燃料タンクシステムの第3の態様を示す説明的断面図である。
本実施形態の燃料タンクシステムは自動車に搭載されるものであって、その第1の態様は、図1に示すように、エタノール−ガソリン混合燃料Fを収容する燃料タンク1と、ポンプ2と、分離槽3と、水タンク4とを備える。ポンプ2、分離槽3、水タンク4は、いずれも燃料タンク1内に備えられている。
ポンプ2は、燃料タンク1内に開口して、エタノール−ガソリン混合燃料Fを吸引する吸引導管5を備え、吸引導管5には、水タンク4に収容されている水Wをポンプ2に供給する水導管6が制御弁7を介して接続されている。また、ポンプ2は、内部でエタノール−ガソリン混合燃料Fに水Wを混合することにより、エタノール−ガソリン混合燃料Fから分離されたガソリン及びエタノール−水混合液を分離槽3に圧送する圧送導管8を備え、圧送導管8は、分離槽3の底面外周側に接続されている。さらに、圧送導管8は、背圧弁9を介して吸引導管5に接続されるリリーフライン10を備えている。
分離槽3は、ポンプ2により圧送されたガソリンGとエタノール−水混合液Eとを相互に分離された状態でかつ加圧状態で貯留するものである。分離槽3は、内部の圧力が過剰になった場合は、リリーフライン10に設けられている背圧弁9が開くことにより、圧送導管8から導入されるガソリンGとエタノール−水混合液Eとを、またはエタノール−ガソリン混合燃料Fを、吸引導管5を経由してポンプ2に還流できるようになっている。
分離槽3は、ガソリンGを分離槽3外へ取り出すガソリン取り出し導管11と、エタノール−水混合液Eを分離槽3外へ取り出すエタノール取り出し導管12とを備えている。ガソリン取り出し導管11は、分離槽3の上面に開口すると共に、第1の開閉弁として作用する第1のインジェクター13を介してエンジン14に接続されている。
また、エタノール取り出し導管12は、分離槽3の底面中心部に開口すると共に、第2の開閉弁として作用する第2のインジェクター15を介してエンジン14に接続されており、第2のインジェクター15の上流側にエタノールセンサ16を備えている。エタノールセンサ16は、エタノール取り出し導管12に流通されるエタノール−水混合液Eに含まれるエタノールの割合を検知することにより、エタノール−水混合液Eに含まれる水分の割合を算出し、算出された水分の割合により、水導管6に設けられた制御弁7の開閉を制御する。
分離槽3の内部には、圧送導管8からエタノール−ガソリン混合燃料Fが導入されたときに未分離のままエタノール取り出し導管12に流入することを防止する仕切板17a、圧送導管8から導入されたエタノール−ガソリン混合燃料Fが分離槽3内の上方に移動することを抑制して、ガソリンGとエタノール−水混合液Eとに分離することを促進する仕切板17bが設けられている。仕切板17aは、圧送導管8の開口部と、エタノール取り出し導管12の開口部との間に、エタノール取り出し導管12の開口部の周囲を囲繞して立設されており、仕切板17bは、仕切板17aの外周側に所定の間隔を存して水平に設けられている。
また、分離槽3は、必要に応じて、ガソリンGを燃料タンク1に還流する還流導管18を備えている。還流導管18は、分離槽3の上面に開口すると共に、制御弁19を介して燃料タンク1に接続されている。さらに、分離槽3は、内部にガソリンGとエタノール−水混合液Eとの界面を検知するフロートセンサ20を備えており、フロートセンサ20は前記界面を検知して、その高低により還流導管18に設けられた制御弁19及びエタノール取り出し導管12に設けられた第2のインジェクター15の開閉を制御する。
水タンク4は、例えば、エンジン14の排ガス中に含まれる水分を凝縮させることにより得られた凝縮水を収容する。
次に、図1に示す燃料タンクシステムの作動について説明する。
図1に示す燃料タンクシステムでは、まず、ポンプ2が作動することにより、吸引導管5を介して、燃料タンク1に収容されているエタノール−ガソリン混合燃料Fがポンプ2内に導入される。このとき、水導管6に設けられている制御弁7が開閉することにより、水タンク4からポンプ2に所定量の水Wが供給される。
前記エタノール−ガソリン混合燃料Fは、ポンプ2内で前記水Wと混合されることにより、ガソリンGと、エタノール−水混合液Eとに分離し、分離されたガソリンGと、エタノール−水混合液Eとが圧送導管8を介して分離槽3に導入される。前記のように分離されたガソリンGと、エタノール−水混合液Eとは、圧送導管8内では相互に懸濁した状態であるが、分離槽3に導入されると、仕切板17a,17bに沿って上方に移動する間に比重の相違に従って上下2層に分離する。この結果、分離槽3内では、相対的に比重の大きいエタノール−水混合液Eが下層となり、相対的に比重の小さなガソリンGが上層になっている。
以上のように分離されたガソリンGとエタノール−水混合液Eとは、ポンプ2の圧により、分離槽3内で加圧された状態で貯留されている。尚、分離槽3内の圧力が過剰になったときは、リリーフライン10に設けられた制御弁9が開いて、ガソリンGとエタノール−水混合液Eまたはエタノール−ガソリン混合燃料Fが、吸引導管5を経由してポンプ2に還流される。このとき、エタノール−水混合液Eは、吸引導管5を経由してポンプ2に還流されるので、燃料タンク1に水が混入することを防止することができる。
分離槽3内に貯留されているガソリンGとエタノール−水混合液Eとは、エンジン1の要求負荷に従って、インジェクター13,15から所定の割合で噴射される。このとき、ガソリンGとエタノール−水混合液Eとは、前記のように加圧された状態にあるので、インジェクター13またはインジェクター15を開くだけで、エンジン14に噴射される。
ガソリンGまたはエタノール−水混合液Eが、前記のようにエンジン14に噴射されて消費されると、消費された分だけ新たなガソリンGとエタノール−水混合液Eとが圧送導管8を介して、分離槽3に導入される。また、水導管6に設けられた制御弁7が閉弁している場合には、エタノール−ガソリン混合燃料Fがそのまま圧送導管8を介して、分離槽3に導入される。このとき、分離槽3の下部にはエタノール−水混合液Eが存在するので、エタノール−ガソリン混合燃料Fは、エタノール−水混合液Eに含まれる水と混合することにより、ガソリンGとエタノール−水混合液Eとに分離する。
エタノール−水混合液Eに含まれる水分の割合は、エタノール取り出し導管12に設けられたエタノールセンサ16により監視されている。そして、エタノールセンサ16は、前記水分の割合がエタノール−ガソリン混合燃料FをガソリンGとエタノール−水混合液Eとに分離することができる下限閾値を下回ったときは、水導管6に設けられた制御弁7を開閉し、再び所定量の水Wをポンプ2に供給する。
本実施形態の燃料タンクシステムでは、前述のように、ガソリンGとエタノール−水混合液Eとは、エンジン1の要求負荷に従ってインジェクター13,15から所定の割合で噴射される。このとき、エンジン1の要求負荷が大きいときにはエタノール−水混合液Eの噴射量を多くし、エンジン1の要求負荷が小さいときにはガソリンGの噴射量を多くする。ところが、エンジン1の要求負荷が大きい状態または要求負荷が小さい状態が長く続くと、ガソリンGの消費量とエタノール−水混合液Eの消費量とに偏りが生じ、分離槽3内に貯留されているガソリンGとエタノール−水混合液Eとの量が不均等になることがある。
そこで、本実施形態の燃料タンクシステムでは、分離槽3の内部に設けられたフロートセンサ20により、ガソリンGとエタノール−水混合液Eとの界面を監視している。そして、フロートセンサ20は、前記界面が所定の位置より高くなるか、低くなるかしたときには、分離槽3内に貯留されているガソリンGとエタノール−水混合液Eとの量が均等になるようにする。
具体的には、フロートセンサ20は、前記界面が所定の位置より低くなったことを検知すると、分離槽3内に貯留されているガソリンGの量が過剰になったものと判断し、還流導管18に設けられた制御弁19を開いて、ガソリンGを燃料タンク1へ還流させる。このようにすると、還流されたガソリンGの減少分だけ、ガソリンGとエタノール−水混合液Eとまたはエタノール−ガソリン混合燃料Fが圧送導管8から分離槽3内に供給されるので、分離槽3内に貯留されているエタノール−水混合液Eの量を増加させることができる。
一方、フロートセンサ20は、前記界面が所定の位置より高くなったことを検知すると、分離槽3内に貯留されているエタノール−水混合液Eの量が過剰になったものと判断し、第2のインジェクター15からエンジン14に噴射されるエタノール−水混合液Eの量を増加させる。この結果、エタノール−水混合液Eの消費を促進して、分離槽3内に貯留されているエタノール−水混合液Eの量を低減させることができる。
また、本実施形態の燃料タンクシステムでは、ポンプ2の上流側で吸引導管5から分岐するバイパス導管5aを設け、三方弁5bを介してガソリン取り出し導管11に合流するようにすると共に、フロートセンサ20が、前記界面が所定の位置より高くなったことを検知したときには、燃料タンク1に収容されている混合燃料Fを、バイパス導管5a、三方弁5bを介して前記第1インジェクター13直接エンジン14に噴射するようにしてもよい。
次に、図2を参照して、本実施形態の燃料タンクシステムの第2の態様について説明する。
第2の態様の燃料タンクシステムは、図1に示す構成に加えて、分離槽3内のガソリンGとエタノール−水混合液Eとの界面の下方にエタノールセンサ21を備えるようにしたこと以外は、図1に示す第1の態様の燃料タンクシステムと全く同一の構成を備えている。
図2に示す第2の態様の燃料タンクシステムは、エタノール取り出し導管12に設けられているエタノールセンサ16により、エタノール−水混合液Eに含まれる水分の割合を監視している。そして、エタノールセンサ16は、前記水分の割合がエタノール−ガソリン混合燃料FをガソリンGとエタノール−水混合液Eとに分離することができる下限閾値を下回ったときは、水導管6に設けられた制御弁7を開弁し、水タンク4に収容されている水Wをポンプ2に供給する。
一方、図2に示す第2の態様の燃料タンクシステムは、分離槽3内に設けられたエタノールセンサ21によっても、エタノール−水混合液Eに含まれる水分の割合を監視している。そして、エタノールセンサ21は、前記水分の割合が所定の上限閾値を上回ったときは、過剰な水分が供給されているものとして、水導管6に設けられた制御弁7を閉弁し、ポンプ2に対する水の供給を停止する。
前記エタノールセンサ21としては、例えば、エタノール−水混合液Eの比重により上下するフロースイッチを用いることができる。前記フロースイッチは、分離槽3内に貯留されているエタノール−水混合液Eと同一の比重を備え、エタノール−水混合液Eの水分が前記上限閾値を上回り、エタノール−水混合液Eの比重が所定以上になったときに浮上してスイッチが入るように構成されている。
次に、図3を参照して、本実施形態の燃料タンクシステムの第3の態様について説明する。
第3の態様の燃料タンクシステムは、図1に示す水タンク4に代えて、エンジン14の排ガス中に含まれる水分を凝縮させることにより得られた凝縮水をそのまま、水導管22によりポンプ2に供給するようにした以外は、図1に示す第1の態様の燃料タンクシステムと全く同一の構成を備えている。尚、水導管22は、制御弁7を介して吸引導管5に接続されており、制御弁7は図1に示す第1の態様の燃料タンクシステムと全く同一の作動を行う。
本発明の燃料タンクシステムの第1の態様を示す説明的断面図。 本発明の燃料タンクシステムの第2の態様を示す説明的断面図。 本発明の燃料タンクシステムの第3の態様を示す説明的断面図。
符号の説明
1…燃料タンク、 2…ポンプ、 3…分離槽、 11…ガソリン取り出し導管、 12…エタノール取り出し導管。

Claims (1)

  1. ガソリンにエタノールを混合して成る混合燃料を収容すると共に、該混合燃料に水を混合してガソリンと該エタノール−水混合液とに分離する機能を備える燃料タンクシステムにおいて、
    該混合燃料を収容する燃料タンクと、
    該燃料タンク内の該混合燃料を吸引すると共に、該混合燃料に水を混合して、該ガソリンと該エタノール−水混合液とに分離し、分離された該ガソリンと該エタノール−水混合液とを圧送するポンプ手段と、
    該燃料タンク内に備えられ、該ポンプ手段により圧送された該ガソリンと該エタノール−水混合液とを相互に分離された状態でかつ加圧状態で貯留する分離槽と、
    該分離槽内に貯留された該ガソリンと該エタノール−水混合液との界面よりも上方から、該ガソリンを第1の開閉弁を開放することで該分離槽外へ取り出すガソリン取り出し手段と、
    該界面よりも下方から、該分離槽内に貯留された該エタノール−水混合液を第2の開閉弁を開放することで該分離槽外へ取り出すエタノール取り出し手段とを備えることを特徴とする燃料タンクシステム。
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