JP5921618B2 - 燃料供給装置、燃料供給方法及び船舶推進装置 - Google Patents

燃料供給装置、燃料供給方法及び船舶推進装置 Download PDF

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Description

本発明は、エンジンに燃料を供給するための燃料供給装置、燃料供給方法及び船舶推進装置に関する。
従来、エンジンに燃料を供給するための燃料供給装置として、供給ポンプと燃料タンクと燃料ポンプを備えるものが知られている(特許文献1及び特許文献2参照)。供給ポンプは、燃料タンクに液体燃料を圧送する。燃料タンクは、フロートとフロート弁と燃料流入管を有する。フロートは、貯留された液体燃料の液面に浮いている。フロート弁は、燃料流入管の開口を閉じており、フロートに連結されている。フロート弁は、フロートが所定位置よりも低くなると燃料流入管の開口を開く。燃料流入管の開口が開くと、供給ポンプから圧送される液体燃料が燃料タンクに流入する。燃料ポンプは、燃料タンクに貯留された液体燃料を吸い込む。このように、特許文献1及び特許文献2に記載の燃料供給装置では、燃料タンクの上流に供給ポンプを設けるとともに、燃料タンク内にフロートやフロート弁を設ける必要がある。
そこで、特許文献3では、副燃料タンクを密閉状態にして、副燃料タンク内の液体燃料を燃料ポンプで吸い込むことによって、主燃料タンクから副燃料タンクへ液体燃料を自動的に引き込む手法が提案されている(特許文献3参照)。特許文献3に記載の燃料供給装置によれば、供給ポンプ、フロート及びフロート弁などを設ける必要がないため、燃料供給装置の構成を簡素化できる
特開平10−122077号公報 特開2002−130068号公報 特開2010−174684号公報
しかしながら特許文献3に記載の燃料供給装置では、デッドソーク後のエンジン再始動時に副燃料タンク内の液体燃料が一時的に空になる場合がある。これは、次のような現象が発生するためである。デッドソーク後のエンジン周辺温度の上昇により、燃料経路中の燃料が気化する。気化した燃料により、燃料経路中の圧力が高くなり、燃料ポンプよりも上流の燃料ポンプと主燃料タンク間を接続する燃料経路中の燃料が主燃料タンクへ押し戻される。この状態でエンジンが再始動されると、燃料ポンプが副燃料タンク内の燃料を吸い込んでインジェクタへ供給する。その後、副燃料タンク内の燃料がなくなると、燃料ポンプが燃料タンク内の気体を吸い込むことで発生する負圧によって、液体燃料が燃料タンク内に引き込まれる。しかしながら、燃料ポンプが気体のみを吸い込んでいる間は、燃料ポンプが空転するため燃料タンク内に十分な負圧を発生させることができない。さらに、燃料ポンプ内に油膜シールが介在しないためポンプ能力を十分に発揮することもできない。その結果、液体燃料を燃料タンク内に迅速に引き込むことができない。
そこで、本発明では、燃料ポンプの駆動によりタンク内が負圧となる密閉構造を採用し、かつ、燃料ポンプへ供給される燃料は気体と液体が混ざった状態とするという従来とは異なるアプローチを採用した。より具体的には、本発明に係る燃料供給装置は、エンジンに燃料を供給する。燃料供給装置は、燃料タンクと、燃料経路と、燃料ポンプとを備える。燃料タンクには、燃料を貯留可能な密閉領域である燃料貯留領域が形成されている。燃料経路は、燃料貯留領域に貯留された液体燃料から発生した気体燃料が液体燃料に混合した気液混合燃料を吸い込むための気液混合燃料吸込部を有する。燃料経路は、エンジンと燃料タンクに接続される。燃料ポンプは、燃料経路に配置される。燃料ポンプは、気液混合燃料吸込部に接続されたポンプ吸込口にて負圧を発生可能である。
本発明に係る燃料供給装置において、燃料ポンプが駆動してポンプ吸込口に負圧が発生すると、燃料貯留領域が密閉領域であるため、気液混合燃料吸込部において生成される気液混合燃料がポンプ吸込口から燃料ポンプ内に吸い込まれる。このように、燃料貯留領域から気体燃料を効率的に吸い出すことができるため、デッドソーク後の再始動時であっても燃料ポンプより上流の燃料貯留領域を早期に負圧とすることができるとともに、燃料貯留領域から液体燃料を吸い込むことで燃料ポンプ内の油膜シールを維持することができる。その結果、燃料ポンプのポンプ能力を継続して発揮できるため、液体燃料を燃料タンク内に迅速に引き込むことができ、燃料ポンプ下流に燃料を継続して供給することができる。
第1実施形態に係る燃料供給装置の構成を示す模式図 第1実施形態に係る燃料タンクの内部構成を示す断面図 第1実施形態に係る気液混合燃料吸込部の断面図 燃料タンクにおける燃料及び気体燃料の流れを時系列で説明するための模式図 燃料タンクにおける燃料及び気体燃料の流れを時系列で説明するための模式図 燃料タンクにおける燃料及び気体燃料の流れを時系列で説明するための模式図 燃料タンクにおける燃料及び気体燃料の流れを時系列で説明するための模式図 燃料タンクにおける燃料及び気体燃料の流れを時系列で説明するための模式図 船舶の後端部周辺の構成を示す側面図 第2実施形態に係る燃料供給装置の構成を示す模式図 第3実施形態に係る燃料供給装置の構成を示す模式図 第4実施形態に係る燃料タンクの基本構成を説明するための模式図 第4実施形態に係る燃料タンクの内部構成を説明するための断面図
1.第1実施形態
以下において、エンジンに燃料を供給するための燃料供給装置1の構成について説明する。図1は、第1実施形態に係る燃料供給装置1の構成を示す模式図である。
燃料供給装置1は、燃料供給管2と、燃料タンク3と、燃料経路4と、燃料ポンプ5と、燃圧センサ6と、制御部7とを備える。
燃料供給管2は、燃料タンク3に接続される。燃料供給管2は、燃料を燃料タンク3に導く。
燃料タンク3は、燃料供給管2から送られてくる燃料を貯留可能な燃料貯留領域100Sを有する。燃料貯留領域100Sは、液密性及び気密性を有する密閉領域である。燃料貯留領域100Sは、大気開放口を有していない。燃料貯留領域100Sでは、液体状の燃料が揮発して気体状の燃料が発生する。そのため、燃料貯留領域100Sには、液体状の燃料(以下、「液体燃料」という。)と気体状の燃料(以下、「気体燃料」という。)の両方が密閉状態で貯留される。燃料タンク3の構成については後述する。
燃料経路4は、燃料タンク3とエンジン(不図示)に接続される。燃料経路4は、第1燃料ホース4aと、第2燃料ホース4bと、分岐管4cと、第3燃料ホース4dと、第4燃料ホース4eと、燃料噴射装置4fとを有する。
第1燃料ホース4aは、燃料タンク3と燃料ポンプ5に接続される。第1燃料ホース4aは、燃料タンク3の燃料貯留領域100S内に配置される気液混合燃料吸込部200を有する。気液混合燃料吸込部200は、燃料貯留領域100Sに貯留された液体燃料と気体燃料との混合物(以下、「気液混合燃料」という。)を吸い込む。気液混合燃料吸込部200の構成については後述する。
第2燃料ホース4bは、燃料ポンプ5と分岐管4cに接続される。第3燃料ホース4dは、分岐管4cと燃料噴射装置4fに接続される。第4燃料ホース4eは、分岐管4cと燃圧センサ6に接続される。燃料噴射装置4fは、エンジンの吸気系に取り付けられる。
燃料ポンプ5は、燃料経路4上に配置される。燃料ポンプ5は、第1燃料ホース4aと第2燃料ホース4bの間に配置される。燃料ポンプ5は、ポンプ吸込口5aを有する。ポンプ吸込口5aは、第1燃料ホース4aを介して気液混合燃料吸込部200に接続される。
燃料ポンプ5としては、自吸式ポンプを用いることができる。自吸式ポンプとしては、容積型のポンプを用いることができる。容積型のポンプには、容積型往復動ポンプ(プランジャー式ポンプやピストン式ポンプ)や容積型回転ポンプ(ギヤポンプなど)などが含まれる。燃料ポンプ5は、PWM(Pulse Width Modulation)制御に対応していることが好ましいが、これに限られるものではない。
燃料ポンプ5は、ポンプ吸込口5aにおいて負圧を発生させることができる。燃料ポンプ5が駆動してポンプ吸込口5aに負圧が発生すると、燃料貯留領域100Sが密閉領域であるため、気液混合燃料吸込部200において生成された気液混合燃料が燃料ポンプ5に吸い込まれるとともに、燃料貯留領域100Sに液体燃料が引き込まれる。このように、燃料貯留領域100Sから気体燃料を効率的に吸い出すことができるため、デッドソーク後であっても燃料貯留領域100Sの液体燃料が空になることを抑制できる。従って、燃料ポンプ5のポンプ能力を継続して発揮できるとともに、燃料ポンプ5内の油膜シールを維持することができる。その結果、液体燃料を燃料タンク内に迅速に引き込むことができる。さらに、燃料貯留領域100Sの液体燃料が空になることを抑制できるため、燃料タンク3自体を小型化することができる。
燃料ポンプ5は、気液混合燃料中の気体燃料が液化する圧力以上の吐出圧力を発生可能な、いわゆる高圧ポンプである。燃料ポンプ5の吐出圧力は、スロットル全開時に燃料噴射装置4fからの燃料噴射量を確保するために必要な最大目標燃圧(例えば、300kPa)以上とすることができる。最大目標燃圧は、37.8℃におけるリード蒸気圧以上であればよい。燃料ポンプ5の単位時間当たりの吸込量は、単位時間当たりに吸い込まれる気液混合燃料量(液体燃料量と気体燃料量の合計量)よりも大きいことが好ましい。燃料ポンプ5は、気液混合燃料中の気体燃料を圧縮して液化させた後に液体状の燃料を第2燃料ホース4bに吐出する。このように、燃料ポンプ5において気体燃料を液化できるため、燃料ポンプ5のベーパロックを抑制しつつ、燃料貯留領域100S内の気体燃料を液体燃料とともに積極的に消費することができる。
燃圧センサ6は、第4燃料ホース4eに接続される。燃圧センサ6は、燃料ポンプ5から燃料経路4内に吐出された燃料の圧力(以下、「実燃圧」という。)を検出する。燃圧センサ6は、実燃圧の検出値を制御部7に出力する。
制御部7は、燃圧センサ6によって検出された実燃圧の検出値に基づいて、燃料ポンプ5の吐出圧力を制御する。まず、制御部7は、燃圧センサ6から燃料経路4内の実燃圧を取得するとともに、エンジンの吸気系に取り付けられた図示しない吸気圧センサから吸気系の吸気圧を取得する。制御部7は、実燃圧から吸気圧を引いた値(第1差圧)を算出する。制御部7は、予め設定された目標燃圧から第1差圧を引いた値(第2差圧)を算出する。目標燃圧は、燃料噴射装置4fからの燃料噴射量を確保するために必要な燃圧であり、エンジンの回転数と吸気圧に基づいて設定することができる。
制御部7は、第2差圧に基づいて、燃料ポンプ5の吐出圧力を変更するためのゲイン値を設定する。制御部7は、ゲイン値に基づいて、燃料ポンプ5の制御値を設定する。燃料ポンプ5がPWM制御に対応している場合、燃料ポンプ5の制御値は、燃料ポンプ5のPWM制御におけるデューティー比である。従って、燃料ポンプ5の制御値は、燃料ポンプ5の負荷と言い換えることができる。制御部7は、制御値を燃料ポンプ5に出力することによって、燃料ポンプ5の吐出圧力を制御する。
次に、燃料タンク3の構成について説明する。図2は、燃料タンク3の内部構成を示す断面図である。
燃料タンク3は、筐体100と、濾過フィルタ110と、ストレーナ120とを備える。
筐体100は、燃料貯留領域100Sと、冷却液経路100Tと、ロアケース101と、アッパケース102と、カバー103とを有する。
燃料貯留領域100Sは、ロアケース101とアッパケース102の間に形成される空間である。ロアケース101とアッパケース102が密着することによって、燃料貯留領域100Sの液密性と気密性が確保されている。燃料貯留領域100Sには、液体燃料と気体燃料の両方が貯留されている。
燃料貯留領域100Sの天面S1には、燃料経路4の気液混合燃料吸込部200が固定されている。天面S1は、気液混合燃料吸込部200に近いほど高くなっていることが好ましい。これによって、燃料貯留領域100Sにおける気体燃料が占める領域の体積を小さくすることができるため、燃料貯留領域100Sにおける液体燃料の貯留量を増加させることができる。本実施形態では、気液混合燃料吸込部200が燃料貯留領域100Sの端部に配置されているため、天面S1は一端部から他端部に向かって高くなっているが、これに限られるものではない。例えば、気液混合燃料吸込部200が燃料貯留領域100Sの中央部に配置されている場合には、天面S1の中央部を外周部よりも高くすればよい。天面S1は、気液混合燃料吸込部200に向かって徐々に高くなっていればよく、図2に示すように平面状に形成されていてもよいし、階段状に形成されていてもよい。
燃料貯留領域100Sの底面S2は、気液混合燃料吸込部200に近いほど低くなっていることが好ましい。本実施形態では、気液混合燃料吸込部200が燃料貯留領域100Sの端部に配置されているため、底面S2は一端部から他端部に向かって低くなっているが、これに限られるものではない。例えば、気液混合燃料吸込部200が燃料貯留領域100Sの中央部に配置されている場合には、底面S2の中央部を外周部よりも低くすればよい。底面S2は、気液混合燃料吸込部200に向かって徐々に低くなっていればよく、図2に示すように階段状に形成されていてもよいし、平面状に形成されていてもよい。
冷却液経路100Tは、アッパケース102とカバー103の間に形成される空間である。冷却液経路100Tは、冷却液を循環可能な密閉領域である。アッパケース102とカバー103が密着することによって、冷却液経路100Tの液密性が確保されている。冷却液経路100Tは、燃料貯留領域100Sの上方に位置する。冷却液が冷却液経路100Tを循環することによって、燃料貯留領域100S内の気体燃料が冷却される。
ロアケース101は、コップ状に形成される。ロアケース101は、樹脂材料や金属材料によって構成することができる。ロアケース101は、コネクタ101aと、燃料流入管101bと、ドレン101cとを含む。
コネクタ101aには、燃料供給管2の先端が接続される。コネクタ101aは、流入口A1と流出口A2を有する。燃料供給管2から流入口A1に流入した燃料は、流出口A2から濾過フィルタ110に流出する。
燃料流入管101bは、燃料貯留領域100Sの底面S2から突出するように配置される。燃料流入管101bは、燃料貯留領域100S内を上下方向に延びる。燃料流入管101bは、流入口B1と流出口B2を有する。流入口B1は、ロアケース101の下面S3に形成される。流出口B2は、燃料流入管101bの上端部に形成される。濾過フィルタ110から流入口B1に流入した燃料は、流出口B2から燃料貯留領域100Sに流出する。燃料流入管101bは、燃料貯留領域100Sにおける液体燃料の貯留量を確保するための壁部として機能する。
ドレン101cは、ロアケース101の下面S3に接続される。ドレン101cは、流入口C1と流出口C2を有する。流入口C1は、燃料貯留領域100Sの底面S2に形成される。流出口C2は、燃料流入管101bの下端部に形成される。
アッパケース102は、ロアケース101上に配置される。アッパケース102は、ロアケース101と密着するように固定される。ロアケース101とアッパケース102の間の密閉空間が燃料貯留領域100Sとなる。アッパケース102の上面S4には、冷却液経路100Tとなる凹部が形成されている。アッパケース102の下面は、燃料貯留領域100Sの天面S1である。
カバー103は、アッパケース102の上面S4に形成された凹部を覆うように配置される。カバー103は、アッパケース102と密着するように固定具103aで固定される。アッパケース102とカバー103の間の密閉空間が冷却液経路100Tとなる。
濾過フィルタ110は、ロアケース101の下面S3に取り付けられる。濾過フィルタ110は、燃料流入管101bの下端部に接続される。濾過フィルタ110は、濾紙フィルタ111と水分離フィルタ112とを収容する。濾紙フィルタ111は、コネクタ101aから流入した燃料に混入する異物を除去する。水分離フィルタ112は、濾紙フィルタ111を通過した燃料に混入する水を分離する。水分離フィルタ112を通過した燃料は、燃料流入管101bの流入口B1に流入する。
ストレーナ120は、燃料流入管101b内に配置される。ストレーナ120は、水分離フィルタ112を通過した燃料に混入する異物を除去する。ストレーナ120を通過した燃料は、燃料流入管101bの流出口B2から燃料貯留領域100Sに流入する。
次に、気液混合燃料吸込部200の構成について説明する。図3は、気液混合燃料吸込部200の断面図である。
気液混合燃料吸込部200は、本体210と、液体燃料通路220と、気体燃料通路230と、ベンチュリ通路240と、気液混合燃料通路250とを有する。
本体210は、棒状に形成される。本体210は、樹脂材料や金属材料によって構成することができる。本体210の内部には、液体燃料通路220と気体燃料通路230とベンチュリ通路240と気液混合燃料通路250とが形成されている。
液体燃料通路220は、ベンチュリ通路240の上流側に接続される。液体燃料通路220は、液体燃料吸込口D1と液体燃料吐出口D2を有する。液体燃料吸込口D1は、本体210の端部に開口する。液体燃料吸込口D1は、燃料貯留領域100Sの下端部に位置する。本実施形態において、液体燃料吸込口D1は、燃料貯留領域100Sの底面S2と対向している。液体燃料吐出口D2は、液体燃料吸込口D1の反対側に形成される。液体燃料吐出口D2は、ベンチュリ通路240の入り口に開口する。このように、液体燃料通路220は、燃料貯留領域100Sとベンチュリ通路240とに連通している。通常運転時、液体燃料吸込口D1は液体燃料中に常に埋没しているため、液体燃料吸込口D1から液体燃料が吸い込まれて、液体燃料吐出口D2から液体燃料が吐出される。
液体燃料通路220は、ベンチュリ通路240に接続される絞り部220aを有する。絞り部220aは、ベンチュリ通路240に向かってテーパー状に形成される。絞り部220aの内径は、ベンチュリ通路240に近づくほど小さい。液体燃料通路220内を流れる液体燃料の流速は、絞り部220aにおいて増加する。
気体燃料通路230は、ベンチュリ通路240の側方に接続される。すなわち、ベンチュリ通路240に対して垂直方向に気体燃料通路230が形成されている。気体燃料通路230は、気体燃料吸込口E1と気体燃料吐出口E2を有する。気体燃料吸込口E1は、本体210の側面に開口する。気体燃料吸込口E1は、液体燃料通路220の液体燃料吸込口D1よりも上方に位置する。気体燃料吸込口E1は、燃料貯留領域100Sの上端部に位置する。気体燃料吸込口E1は、燃料貯留領域100Sの天面S1のうち最上部の下方に位置する。気体燃料吐出口E2は、ベンチュリ通路240の側面に開口する。このように、気体燃料通路230は、燃料貯留領域100Sとベンチュリ通路240とに連通している。気体燃料吸込口E1は液体燃料から露出しているため、気体燃料吸込口E1から気体燃料が吸い込まれて、気体燃料吐出口E2から気体燃料が吐出される。ただし、燃料貯留領域100Sの液体燃料の液面が気体燃料吸込口E1よりも高くなると、気体燃料吸込口E1から液体燃料が吸い込まれて、気体燃料吐出口E2から液体燃料が吐出される。
ベンチュリ通路240は、液体燃料通路220の下流側に接続される。ベンチュリ通路240は、燃料経路4の一部を細くすることによって形成される。ベンチュリ通路240には、液体燃料通路220の液体燃料吐出口D2から液体燃料が吐出される。ベンチュリ通路240内を流れる燃料の流速は、液体燃料通路220内を流れる液体燃料の流速よりも大きいため、ベンチュリ効果による負圧がベンチュリ通路240内に発生する。そのため、気体燃料吐出口E2からベンチュリ通路240内に向かって気体燃料が吸い込まれる。このように、気体燃料通路230から吸い込まれた気体燃料が液体燃料通路220から吸い込まれた液体燃料にベンチュリ通路240で混合されることによって、ベンチュリ通路240内で気液混合燃料が生成される。
気液混合燃料通路250は、ベンチュリ通路240の下流側に接続される。気液混合燃料通路250は、気液混合燃料吸込口F1を有する。気液混合燃料吸込口F1は、ベンチュリ通路240の出口に開口する。ベンチュリ通路240内で生成された気液混合燃料は、気液混合燃料吸込口F1から気液混合燃料通路250に吸い込まれる。気液混合燃料吸込口F1から気液混合燃料通路250に吸い込まれた気液混合燃料は、燃料ポンプ5に向かって流れる。
気液混合燃料通路250は、ベンチュリ通路240に接続される拡大部250aを有する。拡大部250aは、ベンチュリ通路240に向かってテーパー状に形成される。拡大部250aの内径は、ベンチュリ通路240から離れるほど大きい。気液混合燃料通路250内を流れる気液混合燃料の流速は、拡大部250aにおいて低下する。
次に、各通路の断面積と各開口の開口面積について説明する。以下の説明において、「断面積」とは各通路の中心軸と直交する断面の面積を意味する。
液体燃料通路220の断面積は、絞り部220aにおいて徐々に小さくなっている。気体燃料通路230の断面積は一様である。ベンチュリ通路240の断面積は一様である。気液混合燃料通路250の断面積は、拡大部250aにおいて徐々に大きくなっている。気体燃料通路230の断面積は、ベンチュリ通路240の断面積よりも小さい。気体燃料通路230の断面積は、液体燃料通路220及び気液混合燃料通路250それぞれの最小断面積よりも小さい。ベンチュリ通路240の断面積は、液体燃料通路220及び気液混合燃料通路250それぞれの最小断面積と同等である。
液体燃料吸込口D1の開口面積は、液体燃料吐出口D2の開口面積よりも大きい。液体燃料吐出口D2の開口面積は、気液混合燃料吸込口F1の開口面積と同等である。気体燃料吸込口E1の開口面積は、気体燃料吐出口E2の開口面積と同等である。気体燃料吸込口E1及び気体燃料吐出口E2それぞれの開口面積は、液体燃料吸込口D1、液体燃料吐出口D2及び気液混合燃料吸込口F1それぞれの開口面積よりも小さい。気体燃料吸込口E1及び気体燃料吐出口E2それぞれの開口面積は、ベンチュリ通路240の断面積の4%程度にすることができる。
次に、液体燃料及び気体燃料の流れについて説明する。図4〜図8は、燃料タンク3における液体燃料及び気体燃料の流れを時系列で説明するための模式図である。図4〜図8では、液体燃料が薄墨で示され、気体燃料の流れが矢印で示されている。
まず、図4に示すように、エンジン停止時、濾過フィルタ110及びストレーナ120内の液体燃料は、燃料貯留領域100Sで発生する気体燃料の圧力によって燃料供給管2内に押し戻される。
次に、図5に示すように、エンジン始動時、気液混合燃料吸込部200に接続された燃料ポンプ5の吸引力によって、気液混合燃料吸込部200から気体燃料と液体燃料が吸い込まれて、気液混合燃料吸込部200内で気液混合燃料が生成される。この際、燃料供給管2内の気体燃料が燃料貯留領域100Sに吸い込まれる。燃料貯留領域100Sに吸い込まれた気体燃料は、冷却液経路100Tを循環する冷却液によって冷却される。
次に、図6に示すように、スロットル全開時、気液混合燃料吸込部200に接続された燃料ポンプの吸引力によって、気液混合燃料が気液混合燃料吸込部200から引き続き吸い込まれて、燃料貯留領域100Sの液体燃料は減少する。この際、燃料貯留領域100Sの気体燃料も吸い込まれるが、ストレーナ120から液体燃料が供給されていないため、燃料貯留領域100Sにおける気体燃料が占める領域が増加する。燃料貯留領域100Sの液体燃料の減少に伴い、燃料貯留領域100Sにおける気体燃料が占める領域の圧力が低下する。
次に、図7に示すように、スロットル全開から暫くすると、燃料貯留領域100Sの圧力の低下に応じて、燃料供給管2内に押し戻されていた液体燃料が燃料貯留領域100Sに吸い込まれる。燃料貯留領域100Sに吸い込まれる液体燃料は、濾過フィルタ110とストレーナ120によって濾過される。
次に、図8に示すように、スロットル全開を継続すると、気液混合燃料が気液混合燃料吸込部200から引き続き吸い込まれるのに応じて、燃料貯留領域100Sに液体燃料が充たされる。この際、液体燃料から常に気体燃料が発生しているが、発生した気体燃料は気体燃料吸込口E1から吸い込まれる。
気液混合燃料吸込部200から吸い込まれた気液混合燃料は、燃料ポンプ5の圧縮によって液化された後に燃料噴射装置4fに供給される(図1参照)。
以下において、本実施形態に係る燃料供給装置1を船舶推進装置に適用した場合の構成について説明する。ただし、燃料供給装置1は、エンジン(内燃機関)を備える自動車や自動二輪車などにも適用可能である。
図9は、船舶10の後端部周辺の構成を示す側面図である。船舶10は、船体20と、船舶推進装置としての船外機30とを備える。
船体20は、トランサム21と、外部タンク22と、外部ホース23とを有する。トランサム21には、船外機30が固定される。外部タンク22は、船外機30に供給される燃料が貯留される。外部ホース23は、外部タンク22と船外機30に接続される。外部タンク22に貯留された燃料は、外部ホース23を通って船外機30に供給される。
船外機30は、燃料供給装置1と、エンジン31と、ドライブ軸32と、シフト機構33と、プロペラ軸34と、プロペラ35と、カウリング36と、ブラケット37と、ホースコネクタ38とを有する。
エンジン31は、燃料を燃焼することによって駆動力を発生させる内燃機関である。エンジン31は、排気管31aと触媒31bとを有する。排気管31aは、図示しない排気通路に接続される。触媒31bは、排気管31aに収容される。ドライブ軸32は、エンジン31に連結されており、エンジン31の駆動力によって回転する。
シフト機構33は、ドライブ軸32とプロペラ軸34の間に配置される。シフト機構33は、前進位置とニュートラル位置と後進位置に移動可能であり、プロペラ軸34の回転を前進状態と停止状態と後進状態に切り替える。プロペラ35は、プロペラ軸34の後端部に取り付けられる。
カウリング36は、エンジン31や燃料供給装置1などを収容する。ブラケット37は、船体20のトランサム21に取り付けられる。ブラケット37は、船外機30を左右方向及び上下方向に揺動可能に支持する。
ホースコネクタ38は、カウリング36に取り付けられる。ホースコネクタ38には、外部ホース23の先端と燃料供給管2の先端とが接続される。外部ホース23から送られてくる燃料は、燃料供給管2を含む燃料供給装置1によってエンジン31に供給される。
2.第2実施形態
第2実施形態に係る燃料供給装置1Aの構成について説明する。図10は、第2実施形態に係る燃料供給装置1Aの構成を示す模式図である。第1実施形態に係る燃料供給装置1との相違点は、燃圧センサ6と制御部7に代えて、レギュレータ8とリターン経路9を備えている点である。
レギュレータ8は、燃料経路4(第4燃料ホース4e)に接続される。レギュレータ8は、燃料経路4内の余剰燃料をリターン経路9に放出することによって、燃料ポンプ5から吐出された燃料の圧力を目標値に調整する。リターン経路9は、燃料タンク3とレギュレータ8に接続される。レギュレータ8から放出された燃料は、リターン経路9を通って燃料タンク3に戻る。燃料ポンプ5としては、自吸式ポンプを用いることができる。
第2実施形態においても、密閉状態の燃料貯留領域100Sから自吸式の燃料ポンプ5によって気体燃料と液体燃料を吸い込むことができる。このように、燃料貯留領域100Sから気体燃料を効率的に吸い出すことができるため、燃料ポンプ5のポンプ能力を継続して発揮できるとともに、燃料ポンプ5内の油膜シールを維持することができる。その結果、液体燃料を燃料タンク3内に迅速に引き込むことができる。
3.第3実施形態
第3実施形態に係る燃料供給装置1Bの構成について説明する。図11は、第3実施形態に係る燃料供給装置1Bの構成を示す模式図である。第1実施形態に係る燃料供給装置1との相違点は、ベーパセパレータタンク(以下、「VST」と略称する)10に供給される燃料を貯留するためのサブタンクとして燃料タンク3Bが利用されている点である。
燃料供給装置1Bは、燃料タンク3Bと、燃料ポンプ5Bと、VST10とを備える。
燃料タンク3Bは、濾過フィルタなどが設けられていない簡素な構造を有する。燃料タンク3Bは、燃料供給管2から送られてくる燃料を貯留可能な燃料貯留領域100Sを有する。燃料貯留領域100Sは、液密性及び気密性を有する密閉領域である。燃料貯留領域100S内には、液体燃料と気体燃料の両方が密閉状態で貯留される。
燃料貯留領域100S内には気液混合燃料吸込部200が配置される。気液混合燃料吸込部200のベンチュリ通路240では、気体燃料吸込口E1から吸い込まれる気体燃料が液体燃料吸込口D1から吸い込まれる液体燃料に混合されることによって気液混合燃料が生成される。
燃料ポンプ5Bは、燃料経路4上に配置される。燃料ポンプ5Bは、第5燃料ホース4gと第6燃料ホース4hの間に配置される。燃料ポンプ5Bは、ポンプ吸込口5aにおいて負圧を発生可能な自吸式ポンプである。ポンプ吸込口5aに負圧を発生させることによって、燃料ポンプ5Bの内部における油膜シールを早期に回復できるためポンプ能力を速やかに発揮することができる。その結果、燃料ポンプ5Bの駆動開始後、速やかに燃料貯留領域100Sから気体燃料及び液体燃料を吸い出すとともに燃料貯留領域100Sに燃料を吸い込むことができる。
燃料ポンプ5Bは、燃料タンク3BからVST10に気液混合燃料を送られる程度の吐出圧力を発生可能な、いわゆる低圧ポンプである。燃料ポンプ5Bは、気液混合燃料中の気体燃料を液化しなくてもよい。
VST10は、燃料経路4上に配置される。VST10は、第6燃料ホース4hと第7燃料ホース4iとの間に配置される。VST10は、燃料ポンプ5Bから送られてくる気液混合燃料を貯留する。VST10は、高圧ポンプ10aとベーパ排出配管10bを有する。高圧ポンプ10aは、貯留された液体燃料を吸い込み燃料噴射装置4fに送り出す。ベーパ排出配管10bは、VST10内で発生する気体燃料を外部に排出する。
第3実施形態においても、密閉状態の燃料貯留領域100Sから自吸式の燃料ポンプ5Bによって気体燃料と液体燃料を吸い込むことができる。このように、燃料貯留領域100Sから気体燃料を効率的に吸い出すことができるため、燃料ポンプ5Bのポンプ能力を継続して発揮できるとともに、燃料ポンプ5B内の油膜シールを維持することができる。その結果、液体燃料を燃料タンク3B内に迅速に引き込むことができる。
4.第4実施形態
第4実施形態に係る燃料タンク3Cの構成について説明する。図12は、燃料タンク3Cの基本構成を説明するための模式図である。図13は、燃料タンク3Cの内部構成を示す断面図である。第1実施形態に係る燃料タンク3との相違点は、燃料貯留領域100Sに燃料ポンプ5Cが配置されている点である。
気液混合燃料吸込部200Cは、第1実施形態に係る気液混合燃料吸込部200と同様の構成要素を有する。ただし、気液混合燃料吸込部200Cにおいて、気体燃料通路230は鉛直方向に延びており、ベンチュリ通路240Cは水平方向に延びている。気体燃料通路230の気体燃料吸込口E1は、上向きに開口しており、燃料貯留領域100Sの天面S1と対向する。本実施形態において、気液混合燃料吸込部200Cは、燃料ポンプ5Cの上端部に直接的に接続されている。
燃料ポンプ5Cは、燃料貯留領域100S内に配置される。これにより、貯留された燃料によって燃料ポンプ5Cを冷却できるため、燃料ポンプ5C内の燃料流量が少ない場合であっても燃料ポンプ5Cの内部温度が上昇することを抑制できる。そのため、燃料ポンプ5C内にガスが発生して燃料が燃料貯留領域100Sに逆流することを抑制できるため、燃料ポンプ5Cから吐出される燃料の圧力を維持することができる。
燃料ポンプ5Cは、ポンプ吸込口5aにおいて負圧を発生させることができる自吸式ポンプである。ポンプ吸込口5aに負圧を発生させることによって、密閉状態の燃料貯留領域100Sから自吸式の燃料ポンプ5Cによって気体燃料と液体燃料を吸い込むことができる。このように、燃料貯留領域100Sから気体燃料を効率的に吸い出すことができるため、燃料ポンプ5Cのポンプ能力を継続して発揮できるとともに、燃料ポンプ5C内の油膜シールを維持することができる。その結果、液体燃料を燃料タンク3C内に迅速に引き込むことができる。
燃料ポンプ5Cは、気液混合燃料中の気体燃料が液化する圧力以上の吐出圧力を発生可能な、いわゆる高圧ポンプである。燃料ポンプ5Cにおいて気体燃料を液化できるため、燃料貯留領域100S内の気体燃料を液体燃料とともに積極的に消費することができる。そのため、燃料貯留領域100Sや燃料経路4で発生する気体燃料が燃料ポンプ5に吸い込まれないようにするための機構を設ける必要がない燃料ポンプ5Cによって液化された燃料は、燃料貯留領域100Sの底面S2から下方に吐出される。
図13に示すように、燃料タンク3Cは、冷却通路130と断熱カバー140とを有する。冷却通路130は、上下方向に延びており、燃料タンク3Cを貫通するように配置される。冷却通路130の内部には冷却液が循環されており、燃料貯留領域100Sに貯留された燃料(気体燃料および液体燃料)は冷却通路130によって冷却される。これにより、燃料ポンプ5Cをより効率的に冷却できるため、燃料の逆流をより確実に抑制できる。
断熱カバー140は、筐体100のうちロアケース101を取り囲むように取り付けられる。断熱カバー140はロアケース101から離れているため、断熱カバー140とロアケース101との間には空気断熱層100Uが形成される。空気断熱層100Uに存在する空気によって、例えばエンジンから放出される熱によって燃料貯留領域100Sに貯留された燃料が加熱されることを抑制できる。これにより、燃料ポンプ5Cをより効率的に冷却できるため、燃料の逆流をさらに確実に抑制できる。
5.他の実施形態
上記第1乃至第4実施形態において、燃料経路4は、1つの液体燃料吸込口D1を有することとしたが、複数の液体燃料吸込口D1を有していてもよい。同様に、燃料経路4は、1つの気体燃料吸込口E1を有することとしたが、複数の気体燃料吸込口E1を有していてもよい。
上記第1乃至第3実施形態において、燃料経路4は、燃料タンク3の上面から引き出されることとしたが、第4実施形態で説明したように燃料タンク3の側面又は下面から引き出されていてもよい。
上記第1乃至第3実施形態において、燃料ポンプ5は、燃料タンク3の外部に配置されることとしたが、第4実施形態で説明したように燃料タンク3の内部に配置されていてもよい。
上記第1乃至第4実施形態において、気液混合燃料吸込口F1は、燃料貯留領域100Sの内部に配置されることとしたが、燃料タンク3の外部に配置されていてもよい。
上記第1、第2及び第4実施形態において、燃料タンク3は、船体20の外部タンク22と直接接続されることとしたが、燃料タンク3と外部タンク22との間にはサブタンクが配置されていてもよい。サブタンクは、燃料タンク3より大容量であってもよい。
上記第1、第2及び第4実施形態において、燃料タンク3は、濾過フィルタ110(濾紙フィルタ111と水分離フィルタ112を含む)とストレーナ120を備えることとしたが、これらのうち少なくとも1つを備えていなくてもよい。また、燃料タンク3は、必要に応じて他のフィルタを備えていてもよい。
上記第1、第2及び第4実施形態において、燃料タンク3は、燃料貯留領域100Sの上方に位置する冷却液経路100Tを備えることとしたが、冷却液経路100Tを備えていなくてもよい。
上記第1、第2及び第4実施形態において、燃料タンク3の冷却液経路100Tは、燃料貯留領域100Sの上方に位置することとしたが、燃料貯留領域100Sの側方に位置していてもよい。
燃料供給装置1は、燃料経路4の気液混合燃料吸込部200と燃料ポンプ5との間に配置された汲み上げポンプを備えていてもよい。このような汲み上げポンプとしては、一般的な容積ポンプを用いることができる。
燃料供給装置1は、燃料ポンプ5と燃料噴射装置4fとの間に配置された汲み上げポンプを備えていてもよい。このような汲み上げポンプとしては、一般的な容積ポンプを用いることができる。
燃料供給装置1は、燃料タンク3と外部タンク22との間に配置された汲み上げポンプを有していてもよい。この汲み上げポンプによって、燃料タンク3への燃料の汲み上げと昇圧を同時に行うことができる。このような汲み上げポンプとしては、一般的な低圧ポンプや手動ポンプを用いることができる。
燃料供給装置1は、2以上の燃料ポンプ5を備えていてもよい。この場合、1つの燃料ポンプ5に1つの気液混合燃料吸込部200が接続されていてもよい。
6.附記
従来、エンジンに燃料を供給するための燃料供給装置では、エンジンが停止するとエンジンの熱によって燃料経路内の液体燃料が揮発してベーパが発生する場合がある。この場合、ベーパが燃料ポンプに吸い込まれると、燃料ポンプの吐出能力が低下してエンジン回転数が低下するおそれがある。
そこで、特開2010−138776号公報では、自動車や二輪車において、燃料経路よりも圧力損失の大きなベーパ排出管が、燃料タンクと燃料ポンプに接続される燃料経路の途中から分岐している。これにより、ベーパ排出管からの燃料の吸入量が少なくなるため、燃料経路内で発生するベーパをベーパ排出管から燃料タンクに排出することができる。
特開2004−278445号公報では、二輪車において、燃料ポンプから還流される余剰燃料によって作動して燃料タンクから燃料を引き込むエジェクタが燃料経路に配置されるとともに、エジェクタと燃料ポンプの間にベーパセパレータ室が配置されている。これにより、エジェクタ内で発生するベーパをベーパセパレータ室から排出することができる。
特開平10−122077号公報では、船舶推進装置において、燃料経路内の余剰燃料を還流させるための燃料戻り管と、外部につながるベーパ排出通路とがベーパセパレータタンクに設けられている。これにより、ベーパセパレータタンク内で発生するベーパをベーパ排出通路から排出することができる。
特開2002−130068号公報では、船舶推進装置において、海水が循環される冷却室がベーパセパレータタンクに設けられており、ベーパセパレータタンクの底に燃料経路が接続されている。これにより、ベーパセパレータタンクから吐出される燃料に含まれるベーパを減少させることができる。
このように、燃料経路内のベーパが燃料ポンプに吸い込まれることを抑えることを目的として、ベーパを外部に排出するための様々な機構が提案されている。しかしながら、燃料供給装置の全体構造の簡素化には余地が残されている。
以上の課題を解決するには、以下の構成の燃料供給装置を用いることが有効である。燃料供給装置は、燃料タンクと、燃料経路と、燃料ポンプとを備える。燃料タンクには、燃料を貯留可能な密閉領域である燃料貯留領域が形成されている。燃料経路は、燃料貯留領域内にそれぞれ位置する液体燃料吸込口と気体燃料吸込口を有する。燃料経路は、エンジンと燃料タンクに接続される。燃料ポンプは、燃料経路に配置される。燃料ポンプは、気体燃料吸込口から吸い込まれた気体燃料が液化する圧力以上の圧力を発生可能である。
このような燃料供給装置によれば、燃料貯留領域が密閉領域であるため、燃料ポンプを駆動すると、気体燃料吸込口から気体燃料が吸い込まれるとともに液体燃料吸込口から液体燃料が吸い込まれる。気体燃料吸込口から吸い込まれた気体燃料は、液体燃料吸込口から吸い込まれた液体燃料に混入された状態で燃料ポンプに吸い込まれる。燃料ポンプに吸い込まれた気体燃料は、燃料ポンプ内で液化された後に燃料ポンプから吐出される。このように、燃料貯留領域内で発生する気体燃料を積極的に燃料として消費できるため、従来のように、燃料貯留領域や燃料経路内で発生する気体燃料が燃料ポンプに吸い込まれないようにするための機構を設ける必要がない。
1,1A 燃料供給装置
2 燃料供給管
3 燃料タンク
4 燃料経路
4f 燃料噴射装置
5 燃料ポンプ
5a ポンプ吸込口
6 燃圧センサ
7 制御部
8 レギュレータ
9 リターン経路
10 船舶
20 船体
22 外部タンク
30 船外機
31 エンジン
36 カウリング
100 筐体
100S 燃料貯留領域
100T 冷却液経路
101 ロアケース
101a コネクタ
101b 燃料流入管
102 アッパケース
103 カバー
110 濾過フィルタ
120 ストレーナ
200 気液混合燃料吸込部
210 本体
220 液体燃料通路
D1 液体燃料吸込口
D2 液体燃料吐出口
230 気体燃料通路
E1 気体燃料吸込口
E2 気体燃料吐出口
240 ベンチュリ通路
250 気液混合燃料通路
F1 気液混合燃料吸込口

Claims (24)

  1. エンジンに燃料を供給するための燃料供給装置であって、
    燃料を貯留可能な密閉領域である燃料貯留領域が形成された燃料タンクと、
    気液混合燃料吸込部を有し、前記エンジンと前記燃料タンクに接続される燃料経路と、
    前記燃料経路に配置され、前記気液混合燃料吸込部に接続されたポンプ吸込口にて負圧を発生可能な燃料ポンプと、
    を備え
    前記気液混合燃料吸込部は、
    前記燃料貯留領域内に位置し、前記燃料貯留領域に貯留される液体燃料を吸い込むための液体燃料吸込口と、
    前記燃料貯留領域内に位置し、前記液体燃料から発生する気体燃料を吸い込むための気体燃料吸込口と、
    前記液体燃料吸込口から吸い込まれた前記液体燃料に前記気体燃料吸込口から吸い込まれた前記気体燃料を混合することによって気液混合燃料を生成する気液混合燃料通路と、
    を有する燃料供給装置。
  2. 前記燃料ポンプは、容積型のポンプである、
    請求項1に記載の燃料供給装置。
  3. 前記燃料ポンプは、前記ポンプ吸込口から吸い込まれた前記気体燃料が液化する圧力以上の吐出圧力を発生可能である、
    請求項1又は2に記載の燃料供給装置。
  4. 前記気体燃料吸込口は、前記液体燃料吸込口よりも上方に位置する、
    請求項1乃至3のいずれかに記載の燃料供給装置。
  5. 前記気体燃料吸込口の開口面積は、前記液体燃料吸込口の開口面積よりも小さい、
    請求項1乃至4のいずれかに記載の燃料供給装置。
  6. 前記気液混合燃料吸込部は、一部を細くすることによって形成されるベンチュリ通路と、前記気体燃料吸込口から前記ベンチュリ通路まで延びる気体燃料通路とを有し、
    前記気体燃料通路は、前記ベンチュリ通路に開口する気体燃料吐出口を有し、
    前記気体燃料吐出口の開口面積は、前記ベンチュリ通路の断面積よりも小さい、
    請求項1乃至のいずれかに記載の燃料供給装置。
  7. 前記気液混合燃料吸込部は、前記ベンチュリ通路の上流側に接続され前記液体燃料吸込口に連なる液体燃料通路と、前記ベンチュリ通路の下流側に接続される気液混合燃料通路とを有する、
    請求項に記載の燃料供給装置。
  8. 前記ベンチュリ通路の断面積は、前記液体燃料通路の断面積よりも小さい、
    請求項に記載の燃料供給装置。
  9. 前記燃料ポンプの単位時間当たりの吸込量は、前記液体燃料吸込口から単位時間当たりに吸い込まれる燃料量と、気体燃料吸込口から単位時間当たりに吸い込まれる気体燃料量の合計よりも大きい、
    請求項1乃至のいずれかに記載の燃料供給装置。
  10. 前記燃料経路に接続され、前記燃料ポンプから吐出された燃料の圧力を目標値にするためのレギュレータと、
    前記レギュレータと前記燃料タンクに接続されたリターン経路と、
    を備える請求項1乃至のいずれかに記載の燃料供給装置。
  11. 前記燃料ポンプから吐出された燃料の圧力を検出する燃圧センサと、
    前記燃圧センサの検出値に基づいて、前記燃料ポンプの吐出圧力を制御する制御部と、
    を備える請求項1乃至のいずれかに記載の燃料供給装置。
  12. 前記燃料貯留領域の天面は、前記気体燃料吸込口に近いほど高くなるように形成されている、
    請求項1乃至11のいずれかに記載の燃料供給装置。
  13. 前記燃料タンクは、前記燃料貯留領域内において上下方向に延びる燃料流入管を有し、
    前記燃料流入管は、上端部に形成される流出口を含む、
    請求項1乃至12のいずれかに記載の燃料供給装置。
  14. 前記燃料タンクは、前記燃料流入管内に配置されたストレーナを有
    前記ストレーナは、前記水分離フィルタを通過した前記液体燃料に混入する水以外の異物を除去する、
    請求項1乃至13のいずれかに記載の燃料供給装置。
  15. 前記燃料タンクは、前記燃料流入管の下端部に接続される濾過フィルタを有
    前記濾過フィルタは、前記液体燃料に混入する水を分離する水分離フィルタを含む、
    請求項1乃至14のいずれかに記載の燃料供給装置。
  16. 前記燃料タンクは、前記燃料貯留領域の上方に形成され、冷却液が循環する冷却液経路を有する、
    請求項1乃至15のいずれかに記載の燃料供給装置。
  17. 前記燃料ポンプは、前記燃料貯留領域内に配置される、
    請求項1乃至16のいずれかに記載の燃料供給装置。
  18. 密閉領域である燃料貯留領域に燃料を供給する工程と、
    前記燃料貯留領域に配置された気液混合燃料吸込部において、前記燃料貯留領域に貯留された液体燃料と、前記液体燃料から発生した気体燃料とを混合することによって気液混合燃料を生成する工程と、
    前記気液混合燃料吸込部に接続されたポンプ吸込口にて負圧を発生することによって、前記気液混合燃料を前記ポンプ吸込口から吸い込む工程と、
    を備える燃料供給方法。
  19. 前記ポンプ吸込口から吸い込まれた前記気液混合燃料を圧縮することによって、前記気液混合燃料中の気体燃料を液化させる工程と、
    圧縮された燃料をエンジンの燃料噴射装置へ供給する工程と、
    を備える請求項18に記載の燃料供給方法。
  20. 圧縮された燃料の一部を前記燃料貯留領域に戻すことによって、圧縮された燃料の圧力を目標値にする工程を備える、
    請求項18又は19に記載の燃料供給方法。
  21. 圧縮された燃料の圧力に基づいて、前記気液混合燃料を圧縮する圧力を目標値にする工程を備える、
    請求項18乃至20のいずれかに記載の燃料供給方法。
  22. 前記気液混合燃料を吸い込む工程の前において、前記気体燃料を冷却する工程を備える、
    請求項18乃至21のいずれかに記載の燃料供給方法。
  23. 前記燃料貯留領域に燃料を供給する工程の前において、燃料を濾過する工程を備える、
    請求項18乃至22のいずれかに記載の燃料供給方法。
  24. エンジンと、
    前記エンジンに燃料を供給するための燃料供給装置と、
    を備え、
    前記燃料供給装置は、
    燃料を貯留可能な密閉領域である燃料貯留領域が形成された燃料タンクと、
    気液混合燃料吸込部を有し、前記エンジンと前記燃料タンクに接続される燃料経路と、
    前記燃料経路に配置され、前記気液混合燃料吸込部に接続されたポンプ吸込口にて負圧を発生可能な燃料ポンプと、
    を有し、
    前記気液混合燃料吸込部は、
    前記燃料貯留領域内に位置し、前記燃料貯留領域に貯留される液体燃料を吸い込むための液体燃料吸込口と、
    前記燃料貯留領域内に位置し、前記液体燃料から発生する気体燃料を吸い込むための気体燃料吸込口と、
    前記液体燃料吸込口から吸い込まれた前記液体燃料に前記気体燃料吸込口から吸い込まれた前記気体燃料を混合することによって気液混合燃料を生成する気液混合燃料通路と、
    を含む船舶推進装置。
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