JP6206680B2 - 燃料飽和蒸気圧検出装置及びこの検出装置を用いた燃料圧力制御装置 - Google Patents

燃料飽和蒸気圧検出装置及びこの検出装置を用いた燃料圧力制御装置 Download PDF

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Description

本発明は、燃料飽和蒸気圧検出装置及びこの検出装置を用いた燃料圧力制御装置に関する。
従来から、自動車のエンジン等の内燃機関においては、高圧燃料系へ燃料を圧送するためのFDM(フューエル・ポンプ・モジュール)を備えた燃料圧力制御装置が用いられている。このような装置では、燃料タンクからエンジンに燃料を供給する際に、エンジンによって生じた熱によって燃料の供給管が加熱され、これにより燃料が気化してしまう。気化した燃料は、液体状態の燃料に比べて遙かに圧縮し難いため、気化した燃料がエンジンに供給されると、エンジンシリンダ内で燃料の加圧が行えず、所謂ベーパロック現象を起こし、エンジンが失火してしまう恐れがあった。
エンジンのベーパロック現象を防止するための技術としては、例えば特許文献1乃至3が知られている。
特開2012−122403号公報 特開2005−76568号公報 特開2010−71224号公報
特許文献1及び2には、燃料供給系統内の圧力変動をモニタリングして燃料ベーパの発生を検出している。そして、燃料ベーパの発生を検出した後、燃料供給系統の圧力を制御し、更なる燃料ベーパの発生を抑制している。
また、特許文献3では、燃料供給系統内の圧力を、常に、燃料の飽和蒸気圧以上に保つようにFDMを制御している。
しかしながら、特許文献1及び2に記載された技術では、燃料供給系統内の圧力変動を検出するために、一旦、燃料ベーパを発生させ、これを検出しており、課題の根本的解決には至っていない。また、少量であっても燃料供給系統内で実際に燃料ベーパを発生させているため、エンジンのベーパロック現象を防止するためには、FDMに対して燃料供給系統内の圧力を急速に変化させる高い応答性が求められる。
また、燃料の飽和蒸気圧は、燃料の仕向け地によって異なるため、特許文献3では、安全を加味して、燃料供給系統内の圧力を、燃料の飽和蒸気圧とされる圧力よりも更に高い圧力を発生させる必要がある。そして、燃料の飽和蒸気圧よりも高い圧力を発生させるためには、余剰な圧力を要求することとなり、その結果、燃費の低下を招く恐れがあった。
そこで本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、燃料供給系統内で実際に燃料ベーパを発生させることなく燃料の飽和蒸気圧を検出することができる燃料飽和蒸気圧検出装置、及びこの検出装置を用いて燃費の低下を抑制することができる燃料圧力制御装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決するために、本発明は、燃料飽和蒸気圧検出装置であって、燃料タンク内の燃料を受け入れる燃料チャンバと、加熱された燃料チャンバ内の温度を検出する温度検出手段と、加熱された燃料チャンバ内の圧力の変化を検出する圧力検出手段と、燃料チャンバ内の燃料を燃料タンクに戻すリターン手段とを備え、燃料チャンバの入口には、燃料の重さにより燃料チャンバ内側に向けて開弁するチェックバルブが設けられており、燃料チャンバは、燃料タンクよりも低い位置に設けられていることを特徴としている。
このように構成された本発明によれば、燃料タンク内の燃料を、燃料チャンバ内に供給し、燃料チャンバ内を加熱したときの燃料の温度及び燃料チャンバ内の容積の変化を検出することにより、燃料の飽和蒸気圧を検出することができる。そして、飽和蒸気圧を検出するために使用した燃料を、リターン手段によって燃料タンクに戻すことができる。このように、本発明では、燃料タンクとエンジンとの間に延びる燃料供給通路とは別ラインの燃料チャンバ内で燃料ベーパを発生させ、その燃料の飽和蒸気圧を検出することができる。また、燃料の重さにより、燃料タンクの燃料を燃料チャンバに供給することができる。これにより、燃料を燃料チャンバに供給するための圧送手段等を別途設ける必要がなくなる。
また、本発明において、好ましくは、圧力検出手段は、当該燃料チャンバ内の圧力の変化に応じて伸縮する金属ベローズを備え、当該金属ベローズの伸縮に基づいて燃料チャンバ内の圧力を検出する。
このように構成された本発明によれば、金属ベローズによって、燃料チャンバ内の容積をより柔軟に変化させることができる。これにより、燃料が気化膨張する際に、燃料の膨張に併せて燃料チャンバ内の容積を柔軟に変化させ、燃料の気化膨張を正確に検出することができる。
上述した課題を解決するために、本発明は、燃料飽和蒸気圧検出装置であって、燃料タンク内の燃料を受け入れる燃料チャンバと、加熱された燃料チャンバ内の温度を検出する温度検出手段と、加熱された燃料チャンバ内の圧力の変化を検出する圧力検出手段と、燃料チャンバ内の燃料を燃料タンクに戻すリターン手段と、を備え、燃料チャンバとリターン手段との間には、燃料チャンバ内の圧力が所定値以上になった場合に燃料チャンバの外側に向けて開弁するチェックバルブが設けられていることを特徴としている。
このように構成された本発明によれば、燃料チャンバ内の燃料が膨張して、燃料チャンバ内の圧力が所定値以上になった場合に、燃料よってチェックバルブを開弁し、燃料を自動的に燃料タンクに戻すことができる。これにより、燃料を燃料チャンバに戻すための圧送手段等を別途設ける必要がなくなる。
また、上述した課題を解決するために、本発明は、内燃機関に供給する燃料の圧力を制御する燃料圧力制御装置であって、燃料飽和蒸気圧検出装置と、燃料タンク内の燃料を、内燃機関の燃料噴射装置に圧送するためのポンプを備え、ポンプの出力は、燃料飽和蒸気圧検出装置で検出された、燃料タンク内の燃料の飽和蒸気圧に基づいて決定されることを特徴としている。
このように構成された本発明によれば、燃料タンク内に実際に充填されている燃料の飽和蒸気圧を検出した上で、その燃料を気化させずに内燃機関に圧送するために必要なポンプの出力を決定することができる。これにより、必要以上にポンプの出力を高めずに燃料を内燃機関に圧送することができ、ポンプを駆動するためのエネルギーを抑制することができる。
この場合において、燃料タンクと内燃機関との間で流れる燃料の温度を検出する温度センサをさらに備え、燃料圧力制御装置は、燃料飽和蒸気圧検出装置の検出結果に基づいて、燃料温度と飽和蒸気圧との関数として表わされる飽和蒸気圧曲線を算出し、温度センサによって検出された燃料の温度と、飽和蒸気圧曲線に基づいてポンプによって燃料に加えるべき圧力を決定し、当該決定された圧力と、燃料噴射装置に供給すべき燃料量に基づいてポンプの出力を決定することが好ましい。
以上のように、本発明にかかる燃料飽和蒸気圧検出装置によれば、燃料供給通路内で実際に燃料ベーパを発生させることなく燃料の飽和蒸気圧を検出することができ、この検出装置を用いた燃料圧力制御装置によれば、燃費の低下を抑制することができる。
本発明の実施形態による飽和蒸気圧検出装置を備えた燃料圧力制御装置の概略図である。 本発明の実施形態による飽和蒸気圧検出装置を示す断面図である。 本発明の実施形態による飽和蒸気圧検出装置を示す断面図であり、この検出装置の動作を説明するための図である。 本発明の実施形態による燃料圧力制御装置によって用いられるグラフの例を示す。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態による飽和蒸気圧検出装置を備えた燃料圧力制御装置について説明する。
燃料圧力制御装置は、燃料タンク1内に設けられた燃料ポンプ1aを用いて、燃料タンク1からエンジン3の燃料噴射装置5に燃料を供給する際に、燃料の圧力を制御するように構成されており、図1に示すように、燃料タンク1内に収容されている燃料の飽和蒸気圧を検出する飽和蒸気圧検出装置7と、燃料を下流側に向けて流すための負圧を発生させるポンプ9と、を備えている。そして、本実施形態では、燃料タンク1と、ポンプ9との間の低圧領域において燃料の蒸発を防止している。
燃料タンク1と、エンジン3の燃料噴射装置5は、燃料供給通路によって接続されており、ポンプ9は、この燃料供給通路上に配置されている。そして、燃料タンク1内の燃料は、後述された出力で駆動される燃料ポンプ1aによって発生された負圧によって燃料噴射装置5側に吸引され、所定のタイミングで燃料噴射装置5からエンジン3のシリンダ内に噴射される。
また、燃料供給通路上には、燃料供給通路内における燃料の温度を検出する温度センサ11が設けられており、温度センサ11の検出値は、ECU13に供給される。温度センサ11は、燃料タンク1とポンプ9との間の低圧領域に設けられており、燃料供給通路のポンプ9の下流側において加圧される前の低圧状態の燃料の温度を検出できるようになっている。
なお、本実施形態では、温度センサ11を、ポンプ9と、燃料タンク1との間に設けることとしたが、温度センサ11は、燃料供給通路を流れる燃料の温度を検出できる位置であれば、どの位置に設けても良い。また、燃料の温度を検出するための手段としては、温度センサ11を設ける以外に、水温センサ等の既存のセンサ類の検出結果を用いることにより、燃料の温度を予測するようにしてもよい。
図2は、飽和蒸気圧検出装置7の断面図である。図2に示すように、飽和蒸気圧検出装置7は、燃料タンク1と接続されており、燃料タンク1から流れてきた燃料を受け入れ、燃料の飽和蒸気圧を検出するために用いられる。飽和蒸気圧検出装置7は、燃料タンク1内の燃料が自重で流れて来れるように、燃料タンク1よりも、又は少なくとも燃料タンク1の液面よりも低い位置に設けられている。このような飽和蒸気圧検出装置7は、燃料を蓄積するための燃料チャンバ17と、燃料チャンバ17内に蓄積される燃料を受け入れる燃料入口19と、燃料チャンバ17内に貯蔵された燃料を、燃料タンク1に向けて排出するための燃料出口21と、を備えている。
燃料入口19には、コイルスプリング23によって燃料チャンバ17の外側に向けて付勢されるチェックバルブ25が設けられている。具体的には、チェックバルブ25は、コイルスプリング23によって、一定の荷重で燃料入口19に押し付けられており、燃料タンク1側から加えられる力が、燃料チャンバ17内から加えられる力よりも低い場合に、燃料入口19は、チェックバルブ25によって塞がれている。一方で、燃料タンク1側から燃料によってチェックバルブ25に一定以上の圧力が加わると、チェックバルブ25は、コイルスプリング23の力に抗して燃料チャンバ17内側に向けて移動する。これにより、燃料入口19が開き、燃料タンク1内の燃料が燃料チャンバ17内に流入する。そして、燃料チャンバ17内が燃料で満たされると、燃料によってチェックバルブ25に加えられる圧力が燃料チャンバ17の内側と外側とで均衡するため、チェックバルブ25は、コイルスプリング23によって燃料入口19に向けて押し付けられる。
燃料出口21には、コイルスプリング27によって燃料チャンバ17の内側に向けて付勢されるチェックバルブ29が設けられている。具体的には、チェックバルブ29は、コイルスプリング27によって、一定の荷重で燃料出口21に押し付けられており、燃料チャンバ17内の圧力が、コイルスプリング27による付勢力以下であるときは、燃料出口21は、チェックバルブ29によって塞がれている。一方で、燃料チャンバ17内の圧力がコイルスプリング27による付勢力以上になると、チェックバルブ29は、コイルスプリング27の力に抗して燃料チャンバ17の外側に向けて移動する。これにより、燃料出口21が開き、燃料チャンバ17内の燃料が、燃料リターン系統を通して、燃料タンク1に向けて戻される。
また、燃料チャンバ17内には、燃料チャンバ17内の圧力の変化に応じて伸縮する金属ベローズ31を備えている。金属ベローズ31は、一端が閉鎖された略円筒形状を有している。また、金属ベローズ31は、その外側が燃料に触れ、かつ内側が燃料に触れないように、燃料チャンバ17内に設けられた円形の開口を密封するように固定されている。従って、チェックバルブ25によって燃料入口19が塞がれ、チェックバルブ29によって燃料出口21が塞がれている状態では、燃料チャンバ17内には、チェックバルブ25,29、燃料チャンバ17の内壁、及び金属ベローズ31の外面によって、密封空間が形成される。そして、金属ベローズ31を、燃料チャンバ17内で伸縮できるようにすることで、燃料チャンバ17内の容積を、内部の燃料の圧力に応じて変化させることができる。また、金属ベローズ31内には、金属ベローズ31の伸縮を検出するための位置センサ33が設けられている。位置センサ33は、金属ベローズ31の外側に圧力を受けて金属ベローズ31が縮んだときに、その縮みを検出し、検出結果をECU13に供給する。また、金属ベローズ31の開口した端部には、縮んだ金属ベローズ31を初期位置まで戻すためのコイルスプリング35が設けられている。
また、燃料チャンバ17内には、燃料チャンバ17内の温度を検出するための温度センサ37が設けれている。そして、温度センサ37の検出結果は、ECU13に供給される。
次に、図3を参照しながら、飽和蒸気圧検出装置7の動作について詳述する。
まず、図3(a)は、燃料タンク1から燃料チャンバ17内に燃料が流れ込んでいる状態を示すものである。図3(a)に示す状態では、燃料タンク1から流れてくる燃料の圧力によってチェックバルブ25が燃料チャンバ17内側に押し込まれ、燃料入口19が開いている。これにより、燃料が燃料チャンバ17内に流入し、蓄積される。そして、燃料チャンバ17内が燃料で満たされると、チェックバルブ25が閉じて燃料入口19が閉じる。なお、金属ベローズ31は、燃料チャンバ17が燃料で満たされても初期位置を維持できる程度の強度を有しており、燃料出口21側に設けられたコイルスプリング27による付勢力は、燃料で満たされてもチェックバルブ29によって燃料出口21を密閉できる強さである。
図3(b)は、燃料チャンバ17を加熱している状態を示す。燃料チャンバ17を加熱するための手段としては、エンジン3の排熱等を用いることができる。また、燃料チャンバ17を加熱するためのヒーター等を設けても良い。燃料チャンバ17を加熱して燃料の温度が燃料の気化温度に達すると、内部の燃料が気化膨張し始める。これにより、金属ベローズ31の外面に加わる圧力が上昇し、金属ベローズ31が縮み始める。そして、位置センサ33によって、金属ベローズ31の縮み開始を検出し、検出結果をECU13に供給する。そして、ECU13は、金属ベローズ31が縮み始めたときに温度センサ37の検出値を読み取る。そして、温度センサ37の検出値を読み取ることにより、当該検出された温度における燃料タンク1内の燃料の飽和蒸気圧を検出することができる。そして、ECU13は、異なる複数の温度値において燃料の飽和蒸気圧を検出することにより、燃料温度と、飽和蒸気圧との関数としてあらわされる、飽和蒸気圧曲線を算出する。
そして、燃料チャンバ17が加熱され続け燃料が膨張し続け、燃料チャンバ17内からチェックバルブ29に加わる圧力が、コイルスプリング27の付勢力よりも大きくなったときに、図3(c)に示すように、チェックバルブ29が開き、燃料チャンバ17内の燃料は、燃料出口21を介して燃料チャンバ17から排出され、燃料タンク1に戻される。また、チェックバルブ29が開くと、燃料チャンバ17内の圧力が低下するため、金属ベローズ31の外側に加わる圧力が低下し、金属ベローズ31は、コイルスプリング35の作用によって初期位置に戻る。
以上のように、上述した飽和蒸気圧検出装置7によれば、燃料タンク1内の燃料を、燃料チャンバ17内に供給し、エンジン3の熱等を用いた加熱手段によって燃料を加熱することができる。そして燃料チャンバ17内を加熱したときの燃料の温度及び燃料チャンバ17内の容積の変化を検出することにより、燃料の飽和蒸気圧を検出することができる。そして、飽和蒸気圧を検出するために使用した燃料を、燃料出口21を介して燃料タンクに戻すことができる。このように、飽和蒸気圧検出装置7では、燃料タンク1とエンジン3との間に延びるエンジン3への燃料供給通路とは別ラインに設けられた燃料チャンバ17内でを蒸発させ、その飽和蒸気圧を検出することができる。
次に、上述した方法で検出された燃料の飽和蒸気圧に基づいて燃料噴射装置5への燃料供給時の圧力を制御する燃料圧力制御装置について詳述する。燃料圧力制御装置は、ECU13によって制御される燃料ポンプ1aを備えている。ポンプ1aの出力は、ECU13が、飽和蒸気圧検出装置7の検出結果を用いて決定される。
ポンプ1aの出力を決定する場合、まず、ECU13は、飽和蒸気圧検出装置7によって検出された、図4(a)に示すような、燃料の飽和蒸気圧曲線を参照する。なお、図4(a)に示す飽和蒸気圧曲線は、3点の温度を用いて算出されたものであるが、飽和蒸気圧曲線を算出するためには、それ以上の点において温度を検出してもよい。
次に、ECU13は、図4(b)に示すように、燃料供給通路に設けられた温度センサ11の検出値を参照し、燃料供給通路内の温度を検出する。そして、ECU13は、飽和蒸気圧曲線を参照し、温度センサ11によって検出された温度における、燃料の飽和蒸気圧PSを参照する。このとき読み出された飽和蒸気圧PSは、現在、燃料タンク1内にある燃料の実際の飽和蒸気圧であるため、燃料供給通路内、特に燃料タンク1の燃料ポンプ1aと、ポンプ9との間におけるポンプ9によって加圧されていない低圧領域の圧力を、飽和蒸気圧PS以上に保っておけば、燃料供給通路内での燃料の気化を防止することができる。従って、ECU13は、飽和蒸気圧PSを、燃料供給時の燃料ポンプ1aからのフィード圧として決定する。なお、燃料の気化をより確実に防止するために、フィード圧を、飽和蒸気圧PSよりも予め決定された値だけ高い圧力としてもよい。また、別の方法としては、飽和蒸気圧曲線を算出した際に、フィード圧を読み取る際に使用する圧力曲線を、飽和蒸気圧曲線に対して予め決定された値を加算した曲線としてもよい。
次に、ECU13は、図4(c)に示すような、ポンプ1aの性能曲線を示すマップを参照し、ポンプ1aの出力値を決定する。
そして、ECU13は、上述した方法で決定された出力値に基づいてポンプ1aに駆動電圧を供給することにより、燃料供給通路内での燃料の気化を確実に防止するために必要な最低限のエネルギーをポンプ1aに供給し、燃費の低下を抑制することができる。
1a 燃料ポンプ
7 飽和蒸気圧検出装置
13 ECU
17 燃料チャンバ
19 燃料入口
21 燃料出口
31 金属ベローズ
33 位置センサ

Claims (5)

  1. 燃料飽和蒸気圧検出装置であって、
    燃料タンク内の燃料を受け入れる燃料チャンバと、
    加熱された前記燃料チャンバ内の温度を検出する温度検出手段と、
    加熱された前記燃料チャンバ内の圧力の変化を検出する圧力検出手段と、
    前記燃料チャンバ内の燃料を前記燃料タンクに戻すリターン手段と、を備え
    前記燃料チャンバの入口には、燃料の重さにより前記燃料チャンバ内側に向けて開弁するチェックバルブが設けられており、
    前記燃料チャンバは、前記燃料タンクよりも低い位置に設けられている、ことを特徴とする燃料飽和蒸気圧検出装置。
  2. 前記圧力検出手段は、当該燃料チャンバ内の圧力の変化に応じて伸縮する金属ベローズを備え、当該金属ベローズの伸縮に基づいて前記燃料チャンバ内の圧力を検出する、請求項1に記載の燃料飽和蒸気圧検出装置。
  3. 燃料飽和蒸気圧検出装置であって、
    燃料タンク内の燃料を受け入れる燃料チャンバと、
    加熱された前記燃料チャンバ内の温度を検出する温度検出手段と、
    加熱された前記燃料チャンバ内の圧力の変化を検出する圧力検出手段と、
    前記燃料チャンバ内の燃料を前記燃料タンクに戻すリターン手段と、を備え
    前記燃料チャンバと前記リターン手段との間には、前記燃料チャンバ内の圧力が所定値以上になった場合に前記燃料チャンバの外側に向けて開弁するチェックバルブが設けられている、ことを特徴とする燃料飽和蒸気圧検出装置。
  4. 内燃機関に供給する燃料の圧力を制御する燃料圧力制御装置であって、
    請求項1乃至の何れか1項に記載の燃料飽和蒸気圧検出装置と、
    前記燃料タンク内の燃料を、前記内燃機関の燃料噴射装置に圧送するためのポンプを備え、
    前記ポンプの出力は、前記燃料飽和蒸気圧検出装置で検出された、前記燃料タンク内の燃料の飽和蒸気圧に基づいて決定されることを特徴とする燃料圧力制御装置。
  5. 前記燃料タンクと前記内燃機関との間で流れる燃料の温度を検出する温度センサをさらに備え、
    前記燃料圧力制御装置は、
    前記燃料飽和蒸気圧検出装置の検出結果に基づいて、燃料温度と飽和蒸気圧との関数として表わされる飽和蒸気圧曲線を算出し、
    前記温度センサによって検出された前記燃料の温度と、前記飽和蒸気圧曲線に基づいて前記ポンプによって前記燃料に加えるべき圧力を決定し、
    当該決定された圧力と、前記燃料噴射装置に供給すべき燃料量に基づいて前記ポンプの出力を決定する、請求項に記載の燃料圧力制御装置。
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