JP5434774B2 - 内燃機関の燃料供給装置 - Google Patents

Description

この発明は、内燃機関の燃料供給装置に係り、特に、炭化水素燃料とバイオ燃料との混合燃料を使用する内燃機関の燃料供給装置に関する。

従来、例えば、特開２００２−１３８８７１号公報に開示されているように、液体燃料の燃焼温度降下剤を添加した燃料混合物をディーゼルエンジンに供給する装置が開示されている。この装置では、燃料タンクとコモンレールとを結ぶ流路に、燃料混合物中の固形分を除去するためのフィルタが設けられている。これにより、燃料混合物中の固形分がエンジン内へ導入されることを防止することとしている。

特開２００２−１３８８７１号公報 特開２００９−１３８８４号公報

ところで、バイオマスから生産されるバイオ燃料を含む燃料は、その特性上酸化劣化により粘度の高い重質分が生成される。このため、上述した従来の技術のように燃料経路にフィルタを設けた内燃機関システムにおいて、当該バイオ燃料を使用することとすると、生成された重質分がスラッジとしてフィルタに堆積してしまうことが想定される。この場合、フィルタに詰まりが発生してエンジン燃焼の不安定や始動不良などが発生するおそれがある。

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、バイオ燃料を含む燃料を使用する内燃機関において、燃料経路に設けられたフィルタの詰まりを有効に抑止することのできる内燃機関の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、上記の目的を達成するため、内燃機関の燃料供給装置であって、
炭化水素燃料とバイオ燃料との混合燃料の供給を受けて駆動する内燃機関と、
混合燃料を貯留するための燃料タンクと、
前記燃料タンクに連通する燃料配管に設けられたフィルタと、
前記燃料タンク内の混合燃料を前記フィルタへ導入し、該フィルタを通過した後の燃料を前記内燃機関へ供給する燃料供給手段と、
前記フィルタへ導入される混合燃料を加熱する加熱手段と、
混合燃料中のバイオ燃料濃度を取得する濃度取得手段と、
前記バイオ燃料濃度が所定の濃度範囲に属する場合に前記加熱手段を駆動し、前記バイオ燃料濃度が所定の濃度範囲に属さない場合に前記加熱手段を停止する制御手段と、
を備えることを特徴としている。

第２の発明は、第１の発明において
前記所定の濃度範囲は、バイオ燃料濃度が２０％から４０％となる濃度範囲であることを特徴としている。

第３の発明は、第１または第２の発明において、
前記フィルタへ導入される混合燃料の温度を取得する温度取得手段を更に備え、
前記制御手段は、前記混合燃料のバイオ燃料濃度が所定の濃度範囲であり、且つ、前記混合燃料の温度が所定の基準温度より低い場合に、前記加熱手段の駆動を開始することを特徴としている。

第４の発明は、第３の発明において、
前記加熱制御手段は、前記混合燃料の温度が所定の基準温度を超えた場合に、前記加熱手段の駆動を停止することを特徴としている。

第５の発明は、第１乃至第４の何れか１つの発明において、
前記加熱手段は、電気ヒータであることを特徴としている。

混合燃料が酸化劣化すると、重質な汚泥（スラッジ）が生成される。本出願の発明者は、所定のバイオ燃料濃度範囲においてこのスラッジのフィルタへの残存性が極めて高くなることを見出した。第１の発明によれば、燃料タンク内の混合燃料のバイオ燃料濃度が所定の濃度範囲に属する場合に加熱手段が駆動され、所定の濃度範囲に属さない場合には停止される。このため、本発明によれば、フィルタの詰まりが懸念されるバイオ燃料濃度範囲を狙ってフィルタへ導入される混合燃料を加熱することができるので、スラッジを溶解させてフィルタの詰まりを有効に抑制すると共に、不必要な加熱装置の駆動を有効に回避することができる。

第２の発明によれば、バイオ燃料濃度の所定の濃度範囲は、２０％から４０％の濃度範囲に設定される。このため、本発明によれば、かかる濃度範囲を狙って混合燃料を加熱することにより、フィルタの詰まり抑制とシステムのエネルギ効率の悪化抑制とを図ることができる。

第３の発明によれば、フィルタに導入される混合燃料の温度が所定の基準温度よりも低い場合に、加熱手段による混合燃料の加熱が開始される。スラッジは低温環境下において生成され易い。このため、本発明によれば、スラッジが生成されやすい場合を判断して加熱手段を駆動することができるので、不必要な加熱装置の駆動を抑止してシステムのエネルギ効率を有効に高めることができる。

第４の発明によれば、フィルタに導入される混合燃料の温度が所定の基準温度を超える場合に、加熱装置による混合燃料の加熱が制限される。燃料温度がある程度昇温されるとスラッジは溶解する。このため、本発明によれば、不必要な加熱装置の駆動が継続されることを抑止することができるので、システムのエネルギ効率を有効に高めることができる。

第５の発明によれば、加熱装置は、電気ヒータが使用される。このため、本発明によれば、内燃機関の暖機状態にかかわらず、混合燃料の加熱を行うことができる。

本発明の実施の形態１に係るシステムの構成を説明するための図である。 バイオ燃料濃度とフィルタへのスラッジ残存性との関係について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。

以下、図面に基づいてこの発明の実施の形態について説明する。尚、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略する。また、以下の実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

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に係るシステムの構成を説明するための図である。この図に示すとおり、本実施の形態のシステムは、自動車に搭載された多気筒型のディーゼルエンジン１０を備えている。ディーゼルエンジン１０の各気筒１２には、筒内に燃料を噴射するための直噴式の燃料噴射弁１４がそれぞれ設けられている。ディーゼルエンジン１０は、燃料噴射弁１４から噴射された燃料を吸入空気と共に気筒１２内で燃焼させ、この燃焼時に生じるトルクによりクランク軸を回転させる。

本実施の形態のディーゼルエンジン１０は、燃料を貯留するための燃料タンク１６、燃料ポンプ１８、およびコモンレール２０を備えている。燃料タンク１６には、例えば、脂肪酸メチルエステル（Fatty Acid Methyl Ester，ＦＡＭＥ）といったバイオ燃料と軽油とが所定の割合で混合された混合燃料が給油されるものとする。燃料タンク１６内には、貯留されている混合燃料中のバイオ燃料濃度を検出するためのバイオ濃度センサ３４、および混合燃料の温度を検出するための温度センサ３６が、それぞれ設けられている。

燃料ポンプ１８は、電動ポンプ等により構成され、その吸込ポートは、吸込配管２２により燃料タンク１６へ接続されている。吸込配管２２の途中には、バイオ燃料の酸化劣化により生じた重質な汚泥（スラッジ）などを捕集するためのフィルタ３０が設けられている。フィルタ３０としては、例えばガラス繊維を用いたものや紙パルプを用いたものなど
が使用される。また、フィルタ３０の周囲には、該フィルタ３０を加熱するための加温器３２が設けられている。加温器３２としては、例えば電気ヒータを使用することができる。更に、燃料ポンプ１８の吐出ポートは、吐出配管２４によりコモンレール２０へ接続されている。燃料ポンプ１８は、燃料タンク１６内の燃料を吸い込み、コモンレール２０へ向けて吐出する。

コモンレール２０は、デリバリパイプとも呼ばれる燃料供給配管であり、燃料ポンプ１８から吐出された燃料を各気筒１２の燃料噴射弁１４へ供給する。このため、コモンレール２０には、個々の燃料噴射弁１４が接続配管２６を介して接続されている。また、コモンレール２０と燃料タンク１６との間には、コモンレール２０内で余剰となった燃料を燃料タンク１６へ戻すための燃料リターン配管２８が設けられている。

燃料リターン配管２８は、その一部が分岐して燃料噴射弁１４の流出側にも接続されている。燃料噴射弁１４から噴射されなかった余剰燃料は、該燃料リターン配管２８を介して燃料タンク１６内へ戻される。

図１に示すように、本実施形態の制御装置はＥＣＵ（Electronic Control Unit）４０を備えている。ＥＣＵ４０の入力には、上述したバイオ濃度センサ３４および温度センサ３６の他、ディーゼルエンジン１０の運転状態を検出するための各種センサ（図示せず）が接続されている。また、ＥＣＵ４０の出力には、上述した燃料ポンプ１８および加温器３２などの各種アクチュエータが接続されている。

［実施の形態１の動作］
次に、本実施の形態のシステムにおける特徴的動作について説明する。上述したとおり、本実施の形態のディーゼルエンジン１０は、その燃料としてＦＡＭＥ等のバイオ燃料が使用される。バイオ燃料は、その特性上酸化劣化により粘度の高い重質分が生成される。このため、本実施の形態のシステムでは、吸込配管２２の途中にフィルタ３０を設けて生成されたスラッジを捕集することとしている。

しかしながら、フィルタ３０に多量のスラッジが残存すると、当該フィルタ３０に詰まりが発生してしまうことが想定される。特に、バイオ燃料温度が低温であるエンジン始動時などにおいては、スラッジが生成されやすいため、フィルタ詰まりの問題がより顕著なものとなってしまう。

生成されたスラッジは、高温ほど燃料中に溶け込み易くまた粘度も低下する。このため、加温器３２を駆動してフィルタ３０を加熱することとすれば、該フィルタ３０にスラッジが詰まる事態を有効に抑止することができる。但し、常に加温器３２を駆動する構成とすると、システムのエネルギ効率が著しく低下してしまう。このため、加温器３２の駆動は必要最低限に留めることが好ましい。

そこで、本出願の発明者は、バイオ燃料濃度とフィルタ３０へのスラッジ残存性について鋭意研究を重ねた。その結果、フィルタ３０へのスラッジ残存性は、ある特定のバイオ燃料濃度範囲で高い傾向を示すことを見出した。図２は、バイオ燃料濃度とフィルタ３０へのスラッジ残存性について説明するための図である。尚、この図中（Ａ）はバイオ燃料濃度とスラッジ生成性との関係を、この図中（Ｂ）はバイオ燃料濃度とスラッジ溶解性との関係を、更にこの図中（Ｃ）は、バイオ燃料濃度とスラッジ残存性との関係を、それぞれ示している。

図２中（Ａ）に示すとおり、燃料中のバイオ燃料濃度が高いほどスラッジの生成性は増加する。一方、図２中（Ｂ）に示すとおり、燃料中のバイオ燃料濃度が高いほどスラッジの溶解性は増加する。この場合、スラッジの生成と溶解との組み合わせとして表現されるスラッジの残存性は、図２中（Ｃ）に示すとおり、バイオ燃料濃度が所定の濃度範囲となる場合に特に大きくなる。このバイオ燃料の所定の濃度範囲は、フィルタ３０の材質や粗さ（詰まり率）などによって異なるが、概ね約２０％から約４０％のバイオ燃料濃度範囲となる。

そこで、本実施の形態のシステムでは、バイオ濃度センサ３４によって検出されたバイオ燃料濃度が、スラッジ残存性の高い上記所定の濃度範囲に属する場合にのみ、加温器３２を駆動することとしている。これにより、フィルタ３０へのスラッジ残存性が高い場合にフィルタ３０に導入される燃料を有効に加温することができるので、該フィルタ３０の詰まりを有効に抑制することができる。また、バイオ燃料濃度が所定の濃度範囲に属さない場合、すなわちフィルタ３０にスラッジが詰まるおそれがない場合には、加温器３２が駆動されないので、システムのエネルギ効率を有効に高めつつフィルタ３０へのスラッジ詰まりを有効に抑制することができる。

また、上述したとおり、バイオ燃料は低温ほどスラッジが生成され易い。そこで、本実施の形態のシステムでは、上述したバイオ燃料濃度の判定に加えて、温度センサ３６によって検出された燃料温度が所定の基準温度よりも低い場合に加温器３２を駆動することとする。これにより、スラッジがフィルタ３０に詰まる条件を更に詳細に特定することができるので、更なるエネルギ効率の向上とフィルタ３０へのスラッジ詰まりの抑制とを図ることができる。

［実施の形態１における具体的処理］
次に、図３を参照して、本実施の形態において実行する処理の具体的内容について説明する。図３は、ＥＣＵ４０が実行するルーチンのフローチャートである。尚、図３に示すルーチンは、ディーゼルエンジン１０の運転中に繰り返し実行されるものとする。

図３に示すルーチンでは、先ず、バイオ濃度センサ３４によって検出されたバイオ燃料濃度Ｃが所定の濃度範囲に属するか否かが判定される（ステップ１００）。ここでは、具体的には、検出されたバイオ燃料濃度Ｃが、所定の下限濃度Ｃ_Ｌ（例えば２０％）から所定の上限濃度Ｃ_Ｈ（例えば４０％）の範囲に属するか否かが判定される。その結果、Ｃ_Ｌ＜Ｃ＜Ｃ_Ｈの成立が認められない場合には、フィルタ３０へのスラッジ残存性が低く、該フィルタ３０に詰まりが発生するおそれがないと判断されて、本ルーチンは速やかに終了される。

一方、上記ステップ１００において、Ｃ_Ｌ＜Ｃ＜Ｃ_Ｈの成立が認められた場合には、フィルタ３０へのスラッジ残存性が高い濃度範囲に属していると判断されて、次のステップに移行し、温度センサ３６によって検出された燃料温度Ｔが所定の基準温度Ｔ_Ｌよりも低いか否かが判定される（ステップ１０２）。基準温度Ｔ_Ｌは、バイオ燃料中のスラッジが溶解する温度として、予め設定された温度が使用される。その結果、Ｔ＜Ｔ_Ｌの成立が認められない場合には、フィルタ３０にスラッジが詰まるおそれがないと判断されて、本ルーチンは速やかに終了される。

一方、上記ステップ１０２において、Ｔ＜Ｔ_Ｌの成立が認められた場合には、フィルタ３０にスラッジが詰まるおそれがあると判断されて、次のステップに移行し、加温器３２が駆動される（ステップ１０４）。

次に、温度センサ３６によって再度燃料温度Ｔが検出されて、当該燃料温度Ｔが所定の基準温度Ｔ_Ｌよりも高い値まで昇温されたか否かが判定される（ステップ１０６）。その結果、Ｔ＞Ｔ_Ｌの成立が認められない場合には、未だ燃料温度がスラッジの溶解温度に達していないと判断されて、本ステップ１０６の処理が繰り返し実行される。そして、本ステップ１０６において、Ｔ＞Ｔ_Ｌの成立が認められた場合には、フィルタ３０にスラッジが詰まるおそれがないと判断されて、次のステップに移行し、加温器３２が停止される（ステップ１０８）。

以上説明したとおり、本実施の形態のシステムによれば、燃料のバイオ燃料濃度が、フィルタ３０へのスラッジ残存性の高い所定の濃度範囲に属する場合に、加温器３２が駆動される。これにより、フィルタ３０の周囲の燃料を有効に加熱することができるので、該フィルタ３０にスラッジが詰まる事態を有効に抑止することができる。また、本実施の形態のシステムによれば、燃料のバイオ燃料濃度が上記所定の濃度範囲に属さない場合には加温器３２が駆動されないので、不必要な加温器３２の駆動によるシステムのエネルギ効率の悪化を有効に抑止することができる。

また、本実施の形態のシステムでは、さらに燃料温度Ｔが所定の基準温度Ｔ_Ｌよりも低い場合に、上述した加温器３２の駆動が行われる構成としているので、燃料温度が既にスラッジの溶解温度に達している場合にもかかわらず、不必要な加温器３２による加熱が行われる事態を有効に抑止することができる。

ところで、上述した実施の形態１によれば、フィルタ３０へのスラッジ残存性の高い所定の濃度範囲として２０％から４０％の濃度範囲としているが、当該所定の濃度範囲は係る数値範囲に限られない。すなわち、フィルタ３０の材質や粗さ（詰まり率）に応じてかかる濃度範囲は多少前後するため、フィルタ３０の種類などに応じて適宜最適な濃度範囲を設定することが好ましい。

また、上述した実施の形態１によれば、加温器３２によってフィルタ３０を加熱することで、該フィルタ３０に導入される混合燃料を加熱することとしているが、フィルタ３０に導入される混合燃料を加熱する方法はこれに限られない。すなわち、フィルタ３０と燃料タンク１６との間の吸込配管２２の周囲に加熱装置を設けることとしてもよいし、また、燃料タンク１６に加熱装置を設けて該タンク内の燃料を加熱する構成としてもよい。

また、上述した実施の形態１によれば、燃料温度Ｔに基づいて、燃料のスラッジが生成される温度環境か否かを判定することとしているが、かかる判定の方法はこれに限られない。すなわち、燃料温度Ｔに替えて、例えばエンジン水温で判定することとしてもよい。

また、上述した実施の形態１によれば、加温器３２として電気ヒータを用いているが、冷却水等のエンジンの排熱を利用した冷媒を用いて加熱することとしてもよい。但し、加温器３２として電気ヒータを用いた場合には、エンジンの低温時にも燃料の加熱ができるので、例えば、低温始動時にフィルタ３０に既にスラッジが詰まっている場合であっても、始動性を確保することができる。

また、上述した実施の形態１によれば、バイオ濃度センサ３４および温度センサ３６を燃料タンク１６内に設置することとしているが、これらのセンサの設置箇所はこれに限られない。すなわち、フィルタ３０へ導入される燃料のバイオ燃料濃度および温度を検出することができるのであれば、例えば、フィルタ３０と燃料タンク１６との間の吸込配管２２の途中に設けることとしてもよい。

また、上述した実施の形態１によれば、バイオ燃料濃度Ｃが所定の濃度範囲であり、且つ燃料温度Ｔが所定の基準温度Ｔ_Ｌより低い場合に、加温器３２を駆動することとしているが、バイオ燃料濃度の判定のみで加温器３２の駆動を判断することとしてもよい。

尚、上述した実施の形態１においては、ディーゼルエンジン１０が前記第１の発明における「内燃機関」に、吸込配管２２が前記第１の発明における「燃料配管」に、燃料ポンプ１８が前記第１の発明における「燃料供給手段」に、加温器３２が前記第１の発明における「加熱手段」に、バイオ濃度センサ３４が前記第１の発明における「濃度取得手段」に、それぞれ相当している。また、ＥＣＵ４０が、上記ステップ１００および１０４の処理を実行することにより、前記第１の発明における「制御手段」が実現されている。

また、上述した実施の形態１においては、温度センサ３６が前記第３の発明における「温度取得手段」に相当しているとともに、ＥＣＵ４０が、上記ステップ１００から１０４の処理を実行することにより、前記第３の発明における「制御手段」が実現されている。

また、上述した実施の形態１においては、ＥＣＵ４０が、上記ステップ１０６から１０８の処理を実行することにより、前記第４の発明における「制御手段」が実現されている。

１０ ディーゼルエンジン
１２ 気筒
１４ 燃料噴射弁
１６ 燃料タンク
１８ 燃料ポンプ
２０ コモンレール
２２ 吸込配管
２４ 吐出配管
２６ 接続配管
２８ 燃料リターン配管
３０ フィルタ
３２ 加温器
３４ バイオ濃度センサ
３６ 燃料温度センサ
４０ ＥＣＵ(Electronic Control Unit)

Claims (5)

1. 炭化水素燃料とバイオ燃料との混合燃料の供給を受けて駆動する内燃機関と、
   混合燃料を貯留するための燃料タンクと、
   前記燃料タンクに連通する燃料配管に設けられたフィルタと、
   前記燃料タンク内の混合燃料を前記フィルタへ導入し、該フィルタを通過した後の燃料を前記内燃機関へ供給する燃料供給手段と、
   前記フィルタへ導入される混合燃料を加熱する加熱手段と、
   混合燃料中のバイオ燃料濃度を取得する濃度取得手段と、
   前記バイオ燃料濃度が所定の濃度範囲に属する場合に前記加熱手段を駆動し、前記バイオ燃料濃度が所定の濃度範囲に属さない場合に前記加熱手段を停止する制御手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の燃料供給装置。
2. 前記所定の濃度範囲は、バイオ燃料濃度が２０％から４０％となる濃度範囲であることを特徴とする請求項１記載の内燃機関の燃料供給装置。
3. 前記フィルタへ導入される混合燃料の温度を取得する温度取得手段を更に備え、
   前記制御手段は、前記混合燃料のバイオ燃料濃度が所定の濃度範囲であり、且つ、前記混合燃料の温度が所定の基準温度より低い場合に、前記加熱手段の駆動を開始することを特徴とする請求項１または２記載の内燃機関の燃料供給装置。
4. 前記加熱制御手段は、前記混合燃料の温度が所定の基準温度を超えた場合に、前記加熱手段の駆動を停止することを特徴とする請求項３記載の内燃機関の燃料供給装置。
5. 前記加熱手段は、電気ヒータであることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項記載の内燃機関の燃料供給装置。

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