JP6058930B2 - 内燃機関の燃料供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、液化燃料を気化させて内燃機関へ供給するための内燃機関の燃料供給装置に関する。

内燃機関の燃料として、ＬＰＧのような常温常圧では気体の燃料を使用することが公知である。このような気体燃料は、冷却により液化されて燃料タンク内に貯蔵される。燃料タンク内の液化燃料は、加熱気化させて内燃機関の気筒内へ供給されることとなる。液化燃料の加熱気化には、機関冷却水を利用する二重管式気化器が使用されることがある（特許文献１参照）。

二重管式気化器において、一般的に、液化燃料は内管内へ供給され、機関冷却水のような熱媒体は外管と内管との間に供給される。内管の管壁は、熱媒体と液化燃料との間の熱交換壁として機能し、液化燃料は、内管内を上流端から下流端へ向けて流れる間に徐々に気化する。

特開平０９−１１３１６８号公報 特開平１１−１５９４０３号公報

前述の二重管式気化器において、内管の上流端近傍では、液化燃料は、熱交換壁（内管の管壁）の大部分に接触して核沸騰するために、液化燃料を効率的に気化させることができる。しかしながら、内管の下流端近傍では、液化燃料は、大部分が気化しており、熱交換壁の僅かな部分にしか接触しておらず、主に遷移沸騰となるために、液化燃料を非効率的にしか気化させることができない。もちろん、内管に熱媒体が供給され、外管と内管との間に液化燃料が供給される場合にも、同様である。こうして、液化燃料を全て気化させるためには、二重管式気化器を非常に長くしなければならない。

従って、本発明の目的は、二重管式気化器を使用して熱媒体と液化燃料との熱交換により液化燃料を気化させて、気化燃料だけを内燃機関へ供給する内燃機関の燃料供給装置において、二重管式気化器の長さを短縮可能とすることである。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の燃料供給装置は、二重管式気化器を使用して熱媒体と液化燃料との熱交換により液化燃料を気化させて、気化燃料だけを内燃機関へ供給する内燃機関の燃料供給装置において、前記二重管式気化器から排出される液体燃料及び気化燃料を分離する気液分離器を具備し、前記気液分離器により分離された気化燃料だけを内燃機関へ供給することを特徴とする。

本発明による請求項２に記載の内燃機関の燃料供給装置は、請求項１に記載の内燃機関の燃料供給装置において、前記気液分離器には、液体燃料を加熱気化させるための加熱装置が配置されていることを特徴とする。

本発明による請求項１に記載の内燃機関の燃料供給装置によれば、二重管式気化器を使用して熱媒体と液化燃料との熱交換により液化燃料を気化させて、気化燃料だけを内燃機関へ供給する内燃機関の燃料供給装置において、二重管式気化器から排出される液体燃料及び気化燃料を分離する気液分離器を具備し、気液分離器により分離された気化燃料だけを内燃機関へ供給するようになっている。それにより、二重管式気化器は、液化燃料を全て気化させる必要はなく、二重管式気化器の長さを短縮することができると共に、気液分離器によって気化燃料だけを内燃機関へ供給することができる。

本発明による請求項２に記載の内燃機関の燃料供給装置によれば、請求項１に記載の内燃機関の燃料供給装置において、気液分離器には、液体燃料を加熱気化させるための加熱装置が配置されているために、加熱装置により気液分離器において気化させた気化燃料も内燃機関へ供給することができる。

本発明による内燃機関の燃料供給装置を示す概略図である。 二重管式気化器の内管の上流端近傍の断面図である。 二重管式気化器の内管の下流端近傍の断面図である。

図１は本発明による内燃機関の燃料供給装置を示す概略図である。以下に説明する燃料供給装置の各部材の制御は電子制御装置（図示せず）により実施される。同図において、１０は燃料タンクであり、プロパン（沸点−４２．０９°Ｃ）及びブタン（沸点−０．５°Ｃ）を主成分とするＬＰＧを貯蔵している。もちろん、本発明による燃料供給装置が対象とする液化燃料は、ＬＰＧに限定されることなく、常温常圧では気体の任意の可燃性物質とすることができる。例えば、プロパンと同程度の沸点を有する可燃性物質、ブタンと同程度の沸点を有する可燃性物質、プロパンの沸点とブタンの沸点との間の沸点を有する可燃性物質とすることができる。

２０は、燃料タンク１０内の液化燃料を気化させるための二重管式気化器であり、内管２０ａ内へは液化燃料が供給され、外管２０ｂと内管２０ａとの間には熱媒体として機関冷却水が供給され、こうして、内管２０ａの管壁は、液化燃料と熱媒体との間の熱交換壁として機能する。内管２０ａの入口部２０ｃには、燃料タンク１０内の液化燃料を供給するための燃料流入通路３０が接続され、内管２０ａの出口部２０ｄには燃料流出通路４０が接続される。

本二重管式気化器２０は、内管２０ａの入口部２０ｃの方が出口部２０ｄより高く位置するようになっており、それにより、液化燃料は、内管２０ａ内を入口部２０ｃ側の上流端から出口部２０ｄ側の下流端へ向けて流れ、その間に徐々に気化するようになっている。図１において、実線矢印は燃料流れを示している。

一方、外管２０ｂの入口部２０ｅには、シリンダブロック（図示せず）内の冷却水通路において加熱されてラジエタ（図示せず）により冷却される前の機関冷却水を供給するための冷却水流入通路５０が接続され、外管２０ｂの出口部２０ｆには、外管２０ｂから流出する機関冷却水をラジエタ（又はシリンダブロックの冷却水通路）へ戻すための冷却水流出通路６０が接続されている。冷却水流入通路５０には必要に応じて冷却水ポンプが設けられる。図１において、点線矢印は冷却水流れを示している。

燃料流入通路３０には、燃料タンク１０内の液化燃料を二重管式気化器２０へ圧送するための燃料ポンプＰ１が設けられている。燃料タンク１０内の燃料蒸気圧により液化燃料を二重管式気化器２０へ圧送することができるならば、燃料ポンプＰ１を省略したり、又は、燃料ポンプＰ１の作動を停止させたりすることができる。また、燃料流入通路３０には、燃料ポンプＰ１により圧送される液化燃料の流量を調量して熱交換器２０の内管２０ａ内へ供給するための燃料調量弁Ｖ１が設けられている。

二重管式気化器２０の内管２０ａの出口部２０ｄに接続された燃料流出通路４０は、気液分離器７０へ接続されている。気液分離器７０には、気化燃料だけを各気筒の燃料噴射弁へ直接的に又は蓄圧室を介して供給するための気化燃料通路８０が接続されている。

二重管式気化器２０において、内管２０ａの上流端近傍では、図２に示すように、液化燃料ＬＦは、熱交換壁として機能する内管２０ａの管壁の大部分に接触しており、管壁と接触する大きな面積の各部において核沸騰するために、熱媒体からの液化燃料ＬＦの受熱効率は高く、液化燃料を効率的に気化させることができる。しかしながら、二重管式気化器において全ての液化燃料を気化させようとすると、そのための二重管式気化器の内管の下流端近傍では、液化燃料の大部分が気化しているために、図３に矢印で示すような位置まで液化燃料ＬＦの液面が低下し、液化燃料ＬＦは、内管２０ａの僅かな部分にしか接触しておらず、主に遷移沸騰となるために、熱媒体からの液化燃料の受熱効率は非常に低くなり、液化燃料を非効率的にしか気化させることができない。

このような非効率的な気化により二重管式気化器へ供給された液化燃料の全てを気化させるためには、二重管式気化器の長さを非常に長くしなければならなくなる。しかしながら、本実施形態の燃料供給装置には、二重管式気化器２０から排出される液体燃料及び気化燃料を分離する気液分離器７０が設けられており、気液分離器７０により分離された気化燃料だけを内燃機関へ供給するようになっているために、本実施形態の二重管式気化器２０は、供給された液化燃料の全てを気化させる必要はなく、二重管式気化器２０の長さを短縮することができる。

また、本実施形態の二重管式気化器２０では、内管２０ａの下流端近傍において、液化燃料の大部分を気化させる必要はないために、図３に示すように、液化燃料ＬＦは、比較的大きな面積で内管２０ａに接触するようにすることができ、遷移沸騰だけでなく核沸騰も十分に起こすことができ、熱媒体からの液化燃料の受熱効率は比較的高く、液化燃料を比較的効率的に気化させることができる。このように、従来の長い二重管式気化器に比較して、本実施形態の短い二重管式気化器２０は、全体として効率的に液化燃料を気化させることができる。例えば、供給された全ての液化燃料を気化させることを意図する二重管式気化器に比較して、長さを２／５程度にすれば、液化燃料が熱媒体から受ける単位長さ当たりの伝熱量は約２倍となり、長さを１／５程度にすれば、液化燃料が熱媒体から受ける単位長さ当たりの伝熱量は約３倍となる。

気液分離器７０には、液体燃料を気化させるための電気ヒータ等の加熱装置７１を配置するようにしても良い。それにより、加熱装置７１により気液分離器７０において気化させた気化燃料も内燃機関へ供給することができる。

気液分離器７０内において、圧力センサ７２により気化燃料の圧力が検出され、温度センサ７３により気化燃料の温度が検出される。こうして検出された気液分離器７０内の気化燃料の圧力及び温度に基づき、必要量の気化燃料が内燃機関へ供給されるように、燃料噴射弁の開弁時間が制御されることとなる。気液分離器７０内の気化燃料の圧力及び温度が所望圧力及び所望温度に維持されていれば、例えば、機関運転状態毎に設定された開弁時間だけ燃料噴射弁を開弁すれば良いが、ボイルシャルルの法則に基づき、検出された気化燃料の圧力が所望圧力より低ければ、燃料噴射弁の開弁時間を増加補正することとなり、検出された気化燃料の温度が所望圧力より高ければ、燃料噴射弁の開弁時間を増加補正することとなる。

また、気液分離器７０と燃料タンク１０とは、液体燃料の戻し配管８０により連通されており、戻し配管８０には燃料戻しポンプＰ２が配置されている。燃料戻しポンプＰ２を常に作動するようにして、気液分離器７０内の液体燃料を燃料タンク１０へ戻すようにすることができる。

しかしながら、気液分離器７０に設けられた液面センサ７４により液体燃料の液面が設定レベルより高くなったときだけ、燃料戻しポンプＰ２を作動するようにして、気液分離器７０内の液体燃料を燃料タンク１０へ戻すようにしても良い。こうして、燃料戻しポンプＰ２の作動を必要最小限とすることができる。

本実施形態において、液化燃料は、二重管式気化器２０の内管２０ａ内において気化させるようにしたが、熱媒体が内管２０ａ内へ供給されるようにし、液化燃料を外管２０ｂと内管２０ａとの間において気化させるようにしても良い。また、熱媒体は、機関冷却水に限定されることなく、機関冷却水以外の任意の高温の流体を使用することができる。また、二重管式気化器２０において、機関冷却水の流れ方向（点線矢印）は、液化燃料の流れ方向（実線矢印）と逆にすることにより、内管２０内の下流端近傍が上流端近傍より加熱されるようにしたが、同じ方向としても良い。

１０ 燃料タンク
２０ 二重管式気化器
２０ａ 内管
２０ｂ 外管
３０ 燃料流入通路
４０ 燃料流出通路
７０ 気液体分離器
Ｖ１ 燃料調量弁

Claims (2)

1. 二重管式気化器を使用して熱媒体と液化燃料との熱交換により、燃料タンクからの液化燃料を気化させて、気化燃料だけを内燃機関へ供給する内燃機関の燃料供給装置において、前記二重管式気化器から排出される液体燃料及び気化燃料を分離する気液分離器を具備し、前記気液分離器により分離された気化燃料だけを内燃機関へ供給し、前記気液分離器と前記燃料タンクとが液体燃料の戻し配管により連通され、前記気液分離器により分離された液体燃料を前記燃料タンクに戻す燃料戻しポンプが前記戻し配管に配置されていることを特徴とする内燃機関の燃料供給装置。
2. 前記気液分離器には、液体燃料を加熱気化させるための加熱装置が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料供給装置。

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