JP6350445B2 - 燃料供給システム - Google Patents

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Description

本発明は、液化ガス燃料及び液体燃料を機関へ供給する燃料供給システムに関する。
従来、例えば特許文献1には、液化ガス燃料であるジメチルエーテル(DME)と、液体燃料である軽油とを機関に供給する燃料制御システムが開示されている。特許文献1の燃料制御システムでは、燃料系の複数箇所に電子制御スイッチが設けられている。これら複数の電子制御スイッチによって燃料系の流路を切り替えることで、燃料制御システムは、DME及び軽油のうち一方を機関へ供給することができる。
中国実用新案第201687585号明細書
さて、本発明の発明者は、液化ガス燃料及び液体燃料の混合燃料を機関へ供給することのメリットに着目した。例えば、混合燃料が供給される場合、液体燃料のみが供給される場合と比較して、機関から排出されるスモーク量は低減される。また、混合燃料が供給される場合、液化ガス燃料のみが供給される場合と比較して、機関のポンプ等にて生じるリーク燃料は低減される。
ここで、特許文献1では、機関にて燃焼に使用されなかったリターン燃料が排出される配管は、機関へ軽油を供給する配管を通じて軽油タンクと繋がっている。故に、仮に液化ガス燃料と液体燃料とを混合して機関に供給してしまうと、リターン燃料となった一部の混合燃料は、複数の配管を経由して軽油タンクにも戻り得る。こうした事態に備えるため、軽油タンクは、液化ガス燃料の蒸気圧に耐える構造にならざるを得なかった。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、混合燃料を機関に供給可能であっても、液体燃料タンクを液化ガス燃料の蒸気圧に耐える構造にしなくてもよい燃料供給システムを提供することにある。
上記目的を達成するため、開示された一つの発明は、ガス燃料タンク(190)に貯留されている液化ガス燃料と、液体燃料タンク(90)に貯留されている液体燃料とを機関(150)へ供給可能な燃料供給システムであって、ガス燃料タンク及び液体燃料タンクのそれぞれから送られる液化ガス燃料及び液体燃料を混合し、これらの混合燃料を機関へ供給する供給燃料系(20)と、機関に供給された混合燃料のうち当該機関にて燃焼に使用されなかった一部を、ガス燃料タンク及び液体燃料タンクのうちで、ガス燃料タンクのみに戻すリターン燃料系(30)と、を備える燃料供給システムとする。
この発明によれば、機関に供給された混合燃料のうち機関にて燃焼に使用されなかった一部は、ガス燃料タンク及び液体燃料タンクのうちで、ガス燃料タンクに戻される。故に、液体燃料タンクには、液化ガス燃料は戻されない。以上によれば、液化ガス燃料及び液体燃料の混合燃料を機関に供給する燃料供給システムであっても、液体燃料タンクは、液化ガス燃料の蒸気圧に耐え得る構造でなくてもよくなる。
また、開示された他の一つの発明は、供給燃料系を通じて機関に供給される混合燃料における液化ガス燃料と液体燃料との混合割合を調整する混合割合制御部(68)、をさらに備える燃料供給システムとする。
この発明のように、ガス燃料タンクに一部の混合燃料が戻される形態では、ガス燃料タンク内の燃料における液化ガス燃料と液体燃料との割合が徐々に変化する。しかし、混合割合制御部による制御によれば、ガス燃料タンク内の燃料の混合割合が変化しても、内燃機関に供給される混合燃料の混合割合は、適宜調整され、排気ガスのエミッションレベルを悪化させないような値に安定的に維持され得る。以上によれば、液体燃料タンクが耐圧構造となるのを回避したうえで、排気ガスのエミッションレベルも良好に維持可能となる。
尚、上記括弧内の参照番号は、本発明の理解を容易にすべく、後述する実施形態における具体的な構成との対応関係の一例を示すものにすぎず、本発明の範囲を何ら制限するものではない。
本発明の一実施形態による燃料供給システムの全体構成を示す図である。 制御装置に構築される機能ブロックの詳細を示す図である。 制御装置のプロセッサによって実施される処理を示すフローチャートである。
図1に示す本発明の一実施形態による燃料供給システム100は、内燃機関150、DMEタンク190、及び軽油タンク90等と共に車両に搭載されている。燃料供給システム100は、DMEタンク190に貯留されているジメチルエーテル(Dimethyl Ether,DME)と、軽油タンク90に貯留されている軽油とを混合し、これらの混合燃料を内燃機関150へ供給することができる。
内燃機関150は、具体的にはディーゼル機関であり、DME及び軽油を燃料として使用可能なバイフューエルタイプの多気筒(例えば直列四気筒)エンジンである。内燃機関150は、各気筒に配置された直噴式のインジェクタ140から噴射される燃料を各気筒内にて圧縮し、各燃焼室151にて圧縮により燃焼する燃料の熱エネルギーを動力に変換することができる。内燃機関150には、サプライポンプ120、コモンレール130、EGR(Exhaust Gas Recirculation)システム160と、上述のインジェクタ140とが設けられている。
サプライポンプ120は、例えばプランジャポンプ等であり、内燃機関150によって駆動される。サプライポンプ120のポンプハウジングには、加圧室、加圧室に燃料を流入させる吸込流路、加圧室から燃料を流出させる吐出流路等が形成されている。サプライポンプ120は、燃料供給システム100から供給される混合燃料を、内燃機関150の動力によって往復変位するプランジャにより加圧室内で加圧し、コモンレール130へ向けて圧送する。
サプライポンプ120には、リーク燃料排出口122及びフィード圧力センサ123が設けられている。リーク燃料排出口122は、プランジャ周囲の隙間等から漏れ出るリーク燃料を、サプライポンプ120の外部に排出する。フィード圧力センサ123は、ハウジング内の吸込流路を流通する混合燃料の圧力を計測する。
コモンレール130は、鉄鋼材等の金属材料によって形成された管状部材である。コモンレール130は、高圧燃料配管121によってサプライポンプ120と接続されている。コモンレール130は、サプライポンプ120にて加圧された混合燃料を、圧力を維持させたまま蓄積する。コモンレール130は、分配配管131を介して各インジェクタ140と接続されており、各インジェクタ140へ混合燃料を供給する。
コモンレール130には、調圧弁132、レール圧力センサ133、及びレール温度センサ134が設けられている。調圧弁132は、コモンレール130内の燃料圧力が所定の上限圧力を超えた場合に開弁し、蓄積している混合燃料の一部をコモンレール130の外部に排出する。レール圧力センサ133は、コモンレール130内の燃料圧力を計測する。レール温度センサ134は、コモンレール130内の燃料温度を計測する。
インジェクタ140は、コモンレール130を通じて供給される混合燃料を、内燃機関150の各気筒に供給する。インジェクタ140は、内燃機関150のヘッド部に形成された貫通孔に挿入されることにより、燃焼室151に噴孔を露出させている。インジェクタ140は、後述する制御装置50から入力される制御信号に基づいて、燃焼室151に露出した噴孔から混合燃料を噴射する。
インジェクタ140は、余剰燃料排出部141を有している。余剰燃料排出部141は、インジェクタ140にて生じる余剰燃料を、インジェクタ140の外部に排出する。インジェクタ140の余剰燃料は、コモンレール130から供給された混合燃料のうちで、噴孔から噴射されなかった燃料である。具体的には、インジェクタ140の背圧室から排出される燃料、及び摺動部分に形成されるクリアランスを通じて漏れ出るリーク燃料等が余剰燃料となる。
EGRシステム160は、内燃機関150の排気管と吸気管とを接続するEGRパイプと、EGRパイプに設けられたEGRバルブ等とによって構成されている。EGRシステム160は、排気管を流通する排気ガスの一部を吸気管に還流させる。EGRバルブは、吸気管に還流される排気ガスの流量を調整することができる。
内燃機関150には、当該機関の状態を検出するためのセンサとして、筒内圧センサ152、水温センサ153、及びクランク速度センサ156等が設けられている。筒内圧センサ152は、燃焼室151の圧力を計測する。水温センサ153は、各気筒の周囲に形成された冷却水路を流れる冷却水の温度を計測する。クランク速度センサ156は、内燃機関150の出力軸であるクランクシャフト155の角速度を検出する。
DMEタンク190は、液化ガス燃料の一種であるDMEを内燃機関150へ供給される燃料として貯留することができる。DMEタンク190内のDMEは、燃料蒸気圧に応じた圧力で加圧されることによって液化されている。故に、DMEタンク190は、DMEの蒸気圧に耐えることが可能な耐圧構造とされている。DMEタンク190の容積は、軽油タンク90の容積よりも大きくされており、具体的には、軽油タンク90の二倍程度に規定されている。DMEタンク190には、充填口191が設けられている。DMEディスペンサの充填ノズルが充填口191に気密状態で接続されることにより、DMEディスペンサからDMEタンク190へのDMEの給油が可能となる。
軽油タンク90は、液体燃料の一種である軽油を内燃機関150へ供給される燃料として貯留することができる。軽油タンク90は、DMEタンク190のような耐圧構造とはされていない。軽油タンク90には、給油口91及び空気導入バルブ92が設けられている。給油装置の給油ノズルが給油口91に挿入されることにより、給油装置から軽油タンク90への軽油の給油が可能となる。空気導入バルブ92は、雨水や異物等の混入を防ぎつつ、軽油タンク90の外部から内部へと空気を導入させることができる。故に、軽油タンク90内の軽油が消費されても、軽油タンク90の内部の圧力は所定の圧力に維持される。
次に燃料供給システム100の構成を説明する。燃料供給システム100は、供給燃料系20、リターン燃料系30、DMEフィードポンプ110、軽油フィードポンプ10、複数のセンサ、及び制御装置50等によって構成されている。
供給燃料系20は、軽油タンク90及びDMEタンク190のそれぞれから送られるDME及び軽油を混合し、これらの混合燃料を内燃機関150へ供給する。供給燃料系20は、液体燃料配管21、ガス燃料配管23、混合燃料配管26等によって構成されている。液体燃料配管21は、軽油タンク90内にて軽油フィードポンプ10と接続されており、軽油タンク90の軽油を流通させる液体燃料供給路21aを形成している。液体燃料配管21には、軽油の軽油タンク90への逆流を防止する逆止弁22設けられている。
ガス燃料配管23は、DMEタンク190内にてDMEフィードポンプ110と接続されており、DMEタンク190のDMEを流通させるガス燃料供給路23aを形成している。ガス燃料配管23には、DMEのDMEタンク190への逆流を防止する逆止弁24設けられている。ガス燃料配管23は、液体燃料配管21と接続されている。ガス燃料配管23及び液体燃料配管21の接続部分は、液体燃料供給路21a及びガス燃料供給路23aの合流する合流部25を形成している。
混合燃料配管26は、内燃機関150のサプライポンプ120と接続されている。混合燃料配管26は、合流部25から内燃機関150へ向けて混合燃料を流通させる混合燃料供給路26aを形成している。混合燃料配管26の中間であって、合流部25とサプライポンプ120との間には、共通燃料フィルタ27が設けられている。共通燃料フィルタ27は、フィード圧力に対する耐圧性を備えている。共通燃料フィルタ27は、フィード圧力の作用した状態下にて、DME及び軽油のそれぞれに混入した異物を除去することができる。
リターン燃料系30は、内燃機関150に供給された混合燃料のうち、当該機関にて燃焼に使用されなかった一部の燃料(以下、リターン燃料)を、DMEタンク190及び軽油タンク90のうちで、DMEタンク190に戻す。リターン燃料系30は、DMEタンク190のみにリターン燃料を戻し、軽油タンク90にはリターン燃料を戻さない。リターン燃料系30は、インジェクタ排出燃料配管33、ポンプ排出燃料配管35、及びリターン配管31等によって構成されている。
インジェクタ排出燃料配管33は、各インジェクタ140の余剰燃料排出部141と、リターン配管31に設けられた合流部34とに接続されている。インジェクタ排出燃料配管33は、各余剰燃料排出部141から排出されるインジェクタ140の余剰燃料を、リターン配管31に流通させる燃料流路を形成している。
ポンプ排出燃料配管35は、サプライポンプ120のリーク燃料排出口122と、リターン配管31に設けられた合流部36とに接続されている。ポンプ排出燃料配管35は、リーク燃料排出口122から排出されるサプライポンプ120のリーク燃料を、リターン配管31に流通させる燃料流路を形成している。
リターン配管31は、コモンレール130、インジェクタ140、及びサプライポンプ120から排出された混合燃料を、DMEタンク190のみに流通させるリターン燃料流路31aを形成している。リターン配管31の入口部分32aは、コモンレール130の調圧弁132と接続されている。リターン配管31の出口部分32bは、二つの燃料タンクのうちでDMEタンク190のみに接続されている。リターン配管31の中間には、各排出燃料配管33,35と接続される合流部34,36が設けられている。リターン燃料流路31aには、調圧弁132の開弁によってコモンレール130から排出される混合燃料に加えて、各排出燃料配管33,35を流通したリーク燃料等が流入する。リターン燃料流路31aは、DME及び軽油の両方をDMEタンク190へ流通させる。故に、DMEタンク190には、DME及び軽油の両方が貯留される。一方で、軽油タンク90には、DMEは勿論、軽油も還流されない。
DMEフィードポンプ110は、DMEタンク190の内部に配置された電動ポンプである。DMEフィードポンプ110は、電動モータの動力を用いて、DMEタンク190に貯留されたDMEを吸い込み、内燃機関150へ向けて吐出する。DMEフィードポンプ110によってフィード圧力を加えられたDMEは、液体燃料供給路21a及び混合燃料配管26を通じてサプライポンプ120に圧送される。DMEフィードポンプ110は、DMEに軽油が混ざっている場合でも、燃料の吐出を行うことができる。DMEフィードポンプ110は、制御装置50から入力される制御信号によって電動モータの回転数を制御される。DMEフィードポンプ110によってDMEに与えられるフィード圧力は、DMEが液体の状態を維持できる圧力(例えば3MPa程度)設定されている。
軽油フィードポンプ10は、軽油タンク90の内部に配置された電動ポンプである。軽油フィードポンプ10は、電動モータの動力を用いて、軽油タンク90に貯留された軽油を吸い込み、内燃機関150へ向けて吐出する。軽油フィードポンプ10によってフィード圧力を加えられた軽油は、液体燃料供給路21a及び混合燃料配管26を通じてサプライポンプ120に圧送される。軽油フィードポンプ10は、制御装置50から入力される制御信号によって電動モータの回転数を制御される。軽油フィードポンプ10によって軽油に与えられるフィード圧力は、DMEフィードポンプ110によってDME等に与えられるフィード圧力に揃えられる。
燃料供給システム100には、軽油温度センサ71、DME温度センサ72、各フィードポンプの回転数センサ73,74、DME圧力センサ76、軽油燃料計78、及びDME燃料計79が設けられている。これらのセンサは、制御装置50と電気的に接続されており、制御装置50へ向けて検出結果を出力する。
軽油温度センサ71は、軽油タンク90の底壁に取り付けられている。軽油温度センサ71は、例えば温度によって抵抗値を変化させるサーミスタ等を備えている。軽油温度センサ71は、軽油タンク90内の軽油の温度に応じた電気信号を制御装置50へ向けて出力する。DME温度センサ72は、DMEタンク190の底壁に取り付けられている。DME温度センサ72は、軽油温度センサ71と同様に、例えばサーミスタ等を備えている。DME温度センサ72は、DMEタンク190内のDMEの温度に応じた電気信号を制御装置50へ向けて出力する。
回転数センサ73は、軽油フィードポンプ10に設けられている。回転数センサ73は、軽油フィードポンプ10の回転数に応じた電気信号を制御装置50へ向けて出力する。回転数センサ74は、DMEフィードポンプ110に設けられている。回転数センサ74は、DMEフィードポンプ110の回転数に応じた電気信号を制御装置50へ向けて出力する。
DME圧力センサ76は、DME温度センサ72と共にDMEタンク190の底壁に取り付けられている。DME圧力センサ76は、圧力を受ける金属製のダイアフラム部と、圧力に起因したダイアフラム部の変形を電気信号に変換するひずみゲージ等とを備えている。DME圧力センサ76は、DMEタンク190内の燃料圧力に応じた電気信号を制御装置50へ向けて出力する。
軽油燃料計78及びDME燃料計79は、液面に追従して上下するフロートの位置を、磁電変換素子又は可変抵抗器を用いて検出することにより、各タンク90,190における燃料の残量を計測するセンサである。軽油燃料計78は、軽油タンク90内に位置し、軽油フィードポンプ10又は軽油タンク90の壁面に取り付けられている。軽油燃料計78によって計測された軽油タンク90内の軽油の残量に応じた計測値が、電気信号として制御装置50に取得される。DME燃料計79は、DMEタンク190内に位置し、DMEフィードポンプ110又はDMEタンク190の壁面に取り付けられている。DME燃料計79によって計測されたDMEタンク190内のDMEの残量に応じた計測値が、電気信号として制御装置50に取得される。
制御装置50は、内燃機関150のインジェクタ140及びサプライポンプ120、並びに燃料供給システム100の各フィードポンプ10,110等を統合的に制御する制御ユニットである。制御装置50は、プロセッサ55、RAM56、フラッシュメモリ57等を有するマイクロコンピュータを主体に構成されている。制御装置50には、入力部51及び出力部52に加えて、電源回路、入力信号処理回路、制御信号処理回路、通信回路等が設けられている。尚、図1では、制御装置50と各構成との電気的な接続の図示を省略している。
プロセッサ55は、フラッシュメモリ57に記憶されたプログラムに係る種々の演算処理を実行可能である。RAM56は、プロセッサ55による演算処理の作業領域として機能する。フラッシュメモリ57は、プログラム及びマップ等の情報を格納する非遷移的実体的記憶媒体である。入力部51は、内燃機関150及び燃料供給システム100に設置された多数のセンサと接続されている。各センサから入力部51に入力された信号は、入力信号処理回路によって処理される。出力部52は、各インジェクタ140、サプライポンプ120、各フィードポンプ10,110等と接続されている。制御信号処理回路によって生成された制御信号は、出力部52から各アクチュエータへ向けて出力される。
以上の制御装置50は、プロセッサ55におけるプログラムの実行により、図2に示す噴射制御部61、燃料残量取得部62、EGR制御部63、混合割合算出部66、混合割合設定部67、及びポンプ制御部68等を機能ブロックとして構築する。以下、図1及び図2に基づき、各機能ブロックの詳細を説明する。
噴射制御部61は、各インジェクタ140から噴射される混合燃料の噴射量を制御する。噴射制御部61は、混合燃料におけるDMEと軽油との混合割合に応じて噴射期間を調整することにより、噴射量を増減させることができる。具体的に、噴射制御部61は、アクセルペダルの操作量等に基づき、内燃機関150に要求されているトルクを設定する。噴射制御部61は、要求トルクに応じたDME及び軽油それぞれの噴射量を規定した制御マップを参照可能である。噴射制御部61は、EGR率、冷却水温、及び混合燃料の混合割合等の情報と、二つの制御マップとに基づき、要求トルクの発生に必要な量の混合燃料が燃焼室151に供給されるよう、各インジェクタ140へ向けて出力される制御信号のパルス幅を設定する。
燃料残量取得部62は、軽油タンク90及びDMEタンク190の各燃料残量を取得する。燃料残量取得部62は、軽油燃料計78から出力される計測値に基づき、軽油タンク90に残留する軽油の残量を算出する。燃料残量取得部62は、DME燃料計79から出力される計測値に基づき、DMEタンク190に残留するDMEの残量を算出する。
EGR制御部63は、内燃機関150の運転状態に応じて、EGRシステム160におけるEGRバルブの開度を制御する。EGR制御部63は、内燃機関150の燃焼状態が望ましい状態に維持されるよう、EGR率を設定する。EGR制御部63は、設定したEGR率が実現されるようEGRバルブの開度を制御することにより、吸気系に還流させる排出ガスの量を調整する。
混合割合算出部66は、混合燃料におけるDMEと軽油との混合割合を算出する。以下の説明における混合割合は、混合燃料におけるDMEと軽油との体積の比である。混合割合算出部66は、後述する複数の方法により、混合燃料の混合割合を算出可能である。混合割合算出部66は、複数の方法を併用することにより、混合割合の算出精度を向上させることができる。
混合割合設定部67は、内燃機関150によって要求される目標混合割合を設定する。混合割合設定部67は、軽油タンク90における軽油の残量と、DMEタンク190におけるDMEの残量とに基づき、混合燃料による内燃機関150の稼動を維持しつつ、車両の航続距離が最長となるように、目標混合割合を設定可能である。例えば、軽油タンク90及びDMEタンク190のそれぞれに各燃料が最大まで充填された場合、各タンク90,190の容積比に合わせて、目標混合割合の基準値を約2:1に設定することができる。また混合割合設定部67は、DMEの残量が僅かとなった場合に、混合燃料におけるDMEの割合を低くすることができる。
ポンプ制御部68は、軽油フィードポンプ10及びDMEフィードポンプ110を共に制御することにより、内燃機関150に供給される混合燃料におけるDMEと軽油との混合割合を調整する。ポンプ制御部68は、混合割合算出部66によって算出される混合割合が混合割合設定部67によって設定される目標混合割合となるよう、軽油フィードポンプ10及びDMEフィードポンプ110における各吐出流量のフィードバック制御を行う。またポンプ制御部68は、目標混合割合におけるDME燃料の割合が増えるに従い、各フィードポンプ10,110の協調制御により、内燃機関150へ供給される混合燃料の流量を増加させる制御を行うことができる。これは、DMEのエネルギー密度が軽油のエネルギー密度よりも低いことに起因し、混合燃料におけるDMEの割合が高くなるほど、混合燃料のエネルギー密度は低下するためである。
以上のポンプ制御部68によって実施されるフィードポンプ制御処理の詳細を、図3のフローチャートに基づいて、図1,2を参照しつつ説明する。フィードポンプ制御処理は、車両のイグニッションのオン状態へと切り替えによって内燃機関150が始動されたことに基づき、制御装置50のポンプ制御部68によって繰り返し開始される。ポンプ制御部68は、内燃機関150が停止されるまで、フィードポンプ制御処理を継続する。
S101では、混合割合設定部67によって設定された最新の目標混合割合を読み込み、S102に進む。S102では、混合割合算出部66によって算出された混合割合の検出値を読み込み、S103に進む。
S103では、S102にて読み込んだ混合割合の検出値がS101にて読み込んだ目標値から外れているか否かを判定する。具体的に、S103では、混合割合の検出値と目標値との差が予め設定された閾値を超えているか否かを判定する。S103において、検出値と目標値との差が閾値以下である場合、混合割合は目標通り制御されているとみなし、各フィードポンプ10,110に現在の作動を継続させる。一方、S103において、検出値と目標値との差が閾値を超えている場合、S104に進む。
S104では、混合割合を目標値に近づけるために、各フィードポンプ10,110の回転数を調整する処理を実施する。具体的には、軽油の混合割合が目標値よりも低い場合、軽油フィードポンプ10の回転数が高められ、DMEの混合割合が目標値よりも低い場合、DMEフィードポンプ110の回転数が高められる。以上のようなフィードバック制御により、内燃機関150に供給される混合燃料の混合割合は、目標混合割合に追従するようになる。
次に、混合割合算出部66によって実施される混合割合の検出方法の詳細を、順に説明する。
<低圧検出法>
混合割合算出部66は、各タンク90,190からサプライポンプ120入口までの低圧区間にて検出される情報等から、混合割合を算出することができる。このような低圧検出法において、混合割合算出部66は、軽油フィードポンプ10から吐出されている軽油の流量と、DMEフィードポンプ110から吐出されている吐出燃料の流量及び混合割合とを推定する。そして混合割合算出部66は、各燃料流量と、吐出燃料の混合割合とに基づき、内燃機関150に供給される混合燃料における混合割合を算出することができる。
詳しく説明すると、軽油フィードポンプ10の効率は、燃料温度に応じて変化する一方で、燃料温度が一定であれば実質的に同一の値を維持する。故に混合割合算出部66は、軽油温度センサ71にて検出される軽油温度、回転数センサ73にて検出される軽油フィードポンプ10の回転数、及びフィード圧力センサ123にて検出されるフィード圧力に基づき、軽油フィードポンプ10の吐出流量を推定し得る。
また混合割合算出部66は、フィード圧力が一定に維持されていれば、サプライポンプ120から圧送される高圧燃料の流量と、軽油フィードポンプ10の吐出流量との差分から、DMEフィードポンプ110の吐出流量を算出し得る。高圧燃料の流量は、単位時間あたりにインジェクタ140から噴射される燃料量と概ね同一である。混合割合算出部66は、インジェクタ140の噴射量を算出するため、コモンレール130内の高圧燃料の圧力及び温度をレール圧力センサ133及びレール温度センサ134から取得すると共に、噴射制御部61にて設定される制御信号のパルス幅を取得する。混合割合算出部66は、算出した噴射量に基づき、高圧燃料の流量、ひいてはDMEフィードポンプ110の吐出流量を推定し得る。
ここで、DMEフィードポンプ110の効率は、DMEに混入している軽油の割合に応じて変化する。これは、DMEフィードポンプ110内部のクリアランスから染み出す時間当たりの燃料量が混合燃料の粘性に応じて増減するためである。混合割合算出部66は、DME温度センサ72にて検出される燃料温度、DME圧力センサ76にて検出される燃料圧力、及び回転数センサ74にて検出されるDMEフィードポンプ110の回転数を取得する。これら燃料温度、燃料圧力、及び回転数といった作動条件情報と、推定したDMEフィードポンプ110の吐出流量とに基づき、混合割合算出部66は、現在のDMEフィードポンプ110の効率を算出できる。
混合割合算出部66は、DME及び軽油のそれぞれについて、燃料温度、燃料圧力、及び回転数といった作動条件と、ポンプの効率との相関を示した二つの効率マップを予め記憶している。混合割合算出部66は、現在のDMEフィードポンプ110の作動条件及び効率を、二つの効率マップと比較することにより、現在の吐出燃料の混合割合を推定することができる。その結果、混合割合算出部66は、DMEフィードポンプ110から吐出されているDME及び軽油それぞれの流量を割り出すことができる。したがって、混合割合算出部66は、サプライポンプ120に供給されている混合燃料におけるDME及び軽油の混合割合を取得できる。
<高圧検出法>
混合割合算出部66は、サプライポンプ120出口から各インジェクタ140までの高圧区間にて検出される情報から、混合割合を算出することができる。このような高圧検出法において、混合割合算出部66は、内燃機関150に供給される混合燃料の体積弾性係数Eに基づき、混合割合を算出することができる。混合燃料の体積弾性係数Eは、DMEの割合が増えるに従って減少するためである。
詳しく説明すると、インジェクタ140の燃料噴射によって高圧区間に生じる圧力変化ΔPと体積変化ΔVとの間には、下記の式1に示す相関がある。
(式1) ΔP = E × ΔV/V
上記の式1において、Vは、高圧区間の容積であって、予め記憶された特定の値である。具体的に、高圧区間の容積Vは、各インジェクタ140に形成された燃料流路の容積、分配配管131の容積、コモンレール130の容積、高圧燃料配管121の容積、及びサプライポンプ120の吐出流路の容積の総和となる。
混合割合算出部66は、DME及び軽油のそれぞれについて、燃料温度及び圧力に対する体積弾性係数の値を示した二つの相関マップを予め記憶している。混合割合算出部66は、レール圧力センサ133にて検出されるコモンレール130内の圧力の推移から、燃料噴射によって生じる圧力変化ΔPを取得できる。また混合割合算出部66は、各センサ133,134にて検出される混合燃料の圧力及び温度と、噴射制御部61にて設定される制御信号のパルス幅とに基づき、インジェクタ140の噴射量、即ち高圧区間に生じる体積変化ΔVを取得できる。
上記の式1を変形することにより、体積弾性係数Eは、下記の式2のように示される。
(式2) E = ΔP/ΔV× V
上記式2を用いて、混合割合算出部66は、現在の体積弾性係数Eを算出する。そして混合割合算出部66は、レール温度センサ134にて検出された現在の燃料温度において、算出された体積弾性係数Eとなるような混合割合を、予め記憶している二つの相関マップから割り出すことができる。
<トルク検出法>
混合割合算出部66は、トルク検出法として、燃焼室151に供給される混合燃料の体積と、供給された混合燃料の燃焼によって出力されるトルクとの相関に基づいて、混合割合を算出することができる。詳しく説明すると、DME及び軽油それぞれのエネルギー密度、即ち質量あたりの発熱量は、予め決まっている。故に、DME及び軽油のそれぞれについて、燃焼室151に供給される燃料質量、噴射タイミング、EGR率、及び冷却水温等に応じて、出力されるであろう軸トルクの値を示すトルクマップを予め規定しておくことが可能である。尚、同一質量の燃料が供給された場合でも、EGR率が高くなるほど、軸トルクは低下する。同様に、冷却水温が低くなるほど、軸トルクは低下する。
混合割合算出部66は、高圧検出法にて説明したように、インジェクタ140の噴射量(体積)を求めることができる。混合割合算出部66は、コモンレール130内の燃料温度及び燃料圧力に基づき、DME及び軽油それぞれの密度を算出できる。混合割合算出部66は、クランク速度センサ156にて検出される角速度の変化から、クランクシャフト155の軸トルクを推定できる。以上の混合燃料の噴射量、DME及び軽油の各密度、並びに実際のトルク値の整合が取れる混合割合を、混合割合算出部66は、予め規定された二つのトルクマップを参照しつつ、割り出すことが可能となる。
<筒内圧検出法>
混合割合算出部66は、筒内圧検出法として、混合燃料の着火時間に基づき、混合割合を算出することができる。着火時間は、一回の燃焼サイクルにおいて、燃焼室151への混合燃料の噴射が開始される噴射開始タイミングから、噴射された混合燃料が着火するまでの時間である。
詳しく説明すると、DMEのセタン価は、軽油のセタン価よりも高い。故に、混合燃料におけるDMEの混合割合が増えるほど、着火タイミングは早くなる。そのため、着火前の筒内圧力及び筒内温度、並びにEGR率等に応じて、DME及び軽油の混合割合と、着火時間との相関を示した着火時間マップを予め規定しておくことが可能となる。
混合割合算出部66は、各インジェクタ140へ向けて出力される制御信号において、矩形状のパルスが立ち上がるタイミングを、噴射開始タイミングとして取得できる。加えて混合割合算出部66は、筒内圧センサ152によって計測される筒内圧の推移から、着火タイミングを検出できる。混合割合算出部66は、噴射開始タイミングから着火タイミングまでの着火時間を算出し、算出した着火時間と予め規定された着火時間マップとに基づいて、混合割合を割り出すことが可能となる。
ここまで説明した本実施形態では、内燃機関150にて消費されなかったリターン燃料は、DMEタンク190及び軽油タンク90のうちで、DMEタンク190のみに戻される。故に、軽油タンク90には、DMEは戻されない。以上によれば、DME及び軽油を混合した混合燃料を内燃機関150に供給する燃料供給システム100であっても、軽油タンク90は、DMEの高い蒸気圧に耐え得る構造でなくてもよくなる。
その結果、軽油タンク90は、内燃機関に軽油のみを供給する燃料供給システムと組み合わされる燃料タンクと実質的に同一の構成となり得る。故に、軽油タンク90のコストを抑えることが可能となる。
加えて本実施形態では、リターン配管31の出口部分32bは、DMEタンク190のみに接続されており、供給燃料系20の燃料配管21,燃料配管23等に接続されていない。故に、DMEの軽油タンク90への流入は、確実に防がれ得る。その結果、軽油タンク90は、DMEの蒸気圧に耐える構造でなくてもよくなる。さらに、給油口91を開けた際にDMEの気化によって生じた圧力が一気に解放される事態も生じなくなる。
また本実施形態では、軽油タンク90及びDMEタンク190の両方が車両に搭載されているので、車両の現在位置近くにDMEの給油スタンドが無い場合でも、ガス欠によって走行不能となる事態は、回避され得る。加えて本実施形態のように、燃料供給システム100から混合燃料を供給する形態であれば、1系統分のサプライポンプ120、コモンレール130、及びインジェクタ140等だけで、燃焼室151に二種類の燃料が供給可能となる。
さらに、本実施形態のような混合燃料を供給する形態は、DMEと軽油とを切り替えて供給する形態と比較して、スモークの増大、トルクの低下、燃費の悪化等が引き起こされに難い。詳記すると、同一のトルクを出力するために、DMEの噴射量は、軽油の噴射量の約1.9倍確保される必要がある。故に、インジェクタの噴孔形状をDMEの噴射に適した形状にした場合、軽油の噴射時においては微粒化が困難となり、スモークが過大に排出されてしまう。また、インジェクタの噴孔形状を軽油の噴射に適した形状にした場合、燃料供給量の不足によってトルクが低下してしまう。加えて、噴射期間が長くなることで、燃費が悪化し易くなる。以上のようなデメリットの発生を、混合燃料を供給する燃料供給システム100は防ぐことが可能である。
さらに加えて、例えば軽油に2割程度のDMEを混ぜて燃焼させた場合、軽油のみを燃焼させた場合と比較して、スモークの排出量は、半分程度に低減される。これは、DMEの分子に含まれる酸素原子が燃焼によって炭素原子と結び付くことにより、スモークの発生を抑制する作用を発揮するためである。また、DMEの粘性が軽油よりも低いことに起因し、DMEのみを圧送するサプライポンプのリーク燃料の排出量は、軽油のみを圧送するサプライポンプと比較して、10倍以上となる。しかし、DMEへの軽油の混合によれば、軽油の粘性によってリーク燃料の排出量は、低減される。その結果、内燃機関150の効率向上が実現される。加えて、混合燃料が供給される形態では、軽油によって潤滑作用が発揮されるため、サプライポンプ等の機械摩耗を防ぐための添加剤のDMEへの添加は、実質的に不要となる。
ここで本実施形態のように、DMEタンク190のみにリターン燃料が戻される形態では、DMEタンク190内の燃料におけるDMEと軽油との割合は、徐々に変化する。そのため、内燃機関150に供給される混合燃料の体積当たり発生熱量も徐々に変化する。その結果、内燃機関150のトルク増減に起因した運転者の違和感の感取、及び排気エミッションの悪化等が引き起こされ得る。
しかし本実施形態では、混合燃料における混合割合が目標混合割合となるように、ポンプ制御部68によるフィードバック制御が行われる。その結果、DMEタンク190内におけるDME及び軽油の混合割合が変化しても、サプライポンプ120に供給される混合燃料の混合割合は、適宜調整され、安定的に維持され得る。したがって、本実施形態では、軽油タンク90が耐圧構造となるのを回避したうえで、運転者が違和感を覚えてしまう事態を確実に防ぎ、且つ、排気ガスのエミッションレベルも良好に維持することができる。
さらに本実施形態に混合割合算出部66は、上述した複数の検出法を用いることで、混合燃料の混合割合を直接的に計測しなくても、正確な混合割合を取得し得る。加えて、上述した複数の検出法に用いられる各計測値は、内燃機関150及び燃料供給システム100に一般的に設けられるセンサ群によって計測可能な値である。故に、燃料供給システム100は、混合割合を取得するための特別なセンサ等の追加を伴うことなく、混合燃料の混合割合を高精度に取得できる。
加えて本実施形態では、体積当たりの発生熱量が少ないDMEの混合割合の増加に伴い、ポンプ制御部68は、内燃機関150へと供給させる混合燃料の流量を増やすことができる。本実施形態では、ガス燃料供給路23aと液体燃料供給路21aの圧力が実質同一となるため、ポンプ制御部68は、各フィードポンプ10,110の回転数を共に高める制御を行うことで、混合燃料の供給量を増やしている。以上の制御によれば、混合割合を変えた場合でも、内燃機関150にて発生可能なトルクの低下は防がれ得る。
また本実施形態では、軽油タンク90及びDMEタンク190の各残量に応じて、混合割合設定部67は、目標混合割合を調整可能である。以上の制御によれば、DME及び軽油のうちの一方のみを使い切らないように、混合燃料による内燃機関150の稼動が維持される。その結果、混合燃料の使用による上述のメリットを最大限獲得しつつ、車両の航続距離を伸ばすことができる。
さらに本実施形態では、体積あたりの発生熱量が少ないDMEを貯留するDMEタンク190の容量が、軽油タンク90の容量よりも多く確保されている。こうした構成であれば、燃料供給システム100は、内燃機関150を混合燃料によって稼動させる時間を長く確保することができる。
また本実施形態では、混合燃料配管26に設けられた共通燃料フィルタ27が混合燃料に混入した異物を除去する。こうした構成であれば、液体燃料配管21及びガス燃料配管23のそれぞれに燃料フィルタを設けるよりも、供給燃料系20の構造を簡素化することができる。
さらに本実施形態では、軽油タンク90内への空気の導入が空気導入バルブ92によって許容されている。故に、DMEだけでなく軽油すら戻されない構成であっても、軽油タンク90の内圧は、内燃機関150への燃料供給に伴って低下することなく、概ね一定に維持され得る。以上のように、軽油タンク90内の内圧の維持によれば、軽油フィードポンプ10は、軽油タンク90内の軽油を確実に吸い込むことができる。その結果、軽油フィードポンプ10から圧送される燃料量が安定化するので、ひいては混合燃料における混合割合も安定化し得る。以上のように、軽油タンク90に空気導入バルブ92を設ける構成は、混合燃料を内燃機関150に供給する燃料供給システム100において、混合割合の安定化に確実に貢献することができる。
尚、本実施形態において、軽油フィードポンプ10が「液体燃料ポンプ」に相当し、ポンプ制御部68が「混合割合制御部」に相当し、軽油タンク90が「液体燃料タンク」に相当し、空気導入バルブ92が「空気導入部」に相当する。また、DMEフィードポンプ110が「液化ガス燃料ポンプ」に相当し、DMEタンク190が「ガス燃料タンク」に相当し、内燃機関150が「機関」に相当する。
(他の実施形態)
以上、本発明による一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定して解釈されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の実施形態及び組み合わせに適用することができる。
上記実施形態において、軽油フィードポンプ10及びDMEフィードポンプ110は、それぞれ軽油タンク90及びDMEタンク190の内部に収容されていた。しかし、軽油フィードポンプ及びDMEフィードポンプは、それぞれ軽油タンク及びDMEタンクの外部に配置されてもよい。こうした形態では、軽油温度センサ及びDME温度センサは、各フィードポンプの吸込口に配置されるのが望ましい。また、高圧区間の温度を計測するセンサは、レール温度センサ134でなくてもよく、インジェクタ140に設けられた温度センサであってもよい。
上記実施形態では、DMEと軽油との混合割合は、2:1を基準としていた。しかし、基準となる混合割合は、適宜変更可能であり、例えば1:1等に設定されてもよい。さらに、液化ガス燃料は、DMEに限定されず、LPG(Liquid Petroleum Gas)等であってもよい。同様に、液体燃料は、軽油に限定されず、ガソリン等であってもよい。
上記実施形態では、クランク速度センサ156によって計測された角速度の変動態様から、クランクシャフト155の軸トルクが推定されていた。しかし、クランクシャフトに生じている軸トルクを直接的に計測するセンサが内燃機関に設置されていてもよい。
上記実施形態では、内燃機関に供給される混合燃料の混合割合を検出し、この検出値を目標値に近づけるフィードバック制御が行われていた。しかし、このようなフィードバック制御は実施されなくてもよい。例えば、混合燃料における混合割合を検出しない形態では、ポンプ制御部は、要求トルクに応じて、単に各フィードポンプの回転数を増減させる制御を行うだけでもよい。
上記実施形態では、DMEタンク190の容量は、軽油タンク90の容量よりも大きくされていた。しかし、各燃料タンクの容量は、適宜変更可能である。さらに、液化ガス燃料を貯留するガス燃料タンクは、複数設けられていてもよい。こうした形態におけるリターン配管は、ガス燃料タンクの少なくとも一方に接続され、且つ、軽油タンクに接続されない。こうした構成であれば、ガス燃料タンクが複数であっても、DMEは、軽油タンクに還流されない。
上記実施形態では、混合燃料配管26に設けられた共通燃料フィルタ27が、液体燃料供給路21a及びガス燃料供給路23aを通じて移送される燃料から異物を取り除いていた。しかし、こうした燃料フィルタは、液体燃料配管及びガス燃料配管のそれぞれに設けられていてもよい。さらに、共通燃料フィルタに加えて、液体燃料配管及びガス燃料配管のそれぞれに燃料フィルタが設けられていてもよい。
上記実施形態の制御装置によって提供されていた機能は、所定のプログラムを実行するプロセッサの機能ブロックであってもよく、又は専用の集積回路によって実現されていてもよい。或いは、上述のものとは異なるハードウェア及びソフトウェア、或いはこれらの組み合わせによって、各機能が提供されてよい。
上記実施形態では、車両に搭載された内燃機関に燃料を供給する燃料供給システムに本発明を適用した例を説明した。しかし、車載された内燃機関に限らず、船舶、鉄道車両、及び航空機等に搭載された内燃機関又は外燃機関に燃料を供給する燃料供給システムにも、本発明は適用可能である。さらに、発電用の内燃機関又は外燃機関にて消費される燃料を供給する燃料供給システムにも、本発明は適用可能である。
10 軽油フィードポンプ(液体燃料ポンプ)、20 供給燃料系、21a 液体燃料供給路、23a ガス燃料供給路、25 合流部、26a 混合燃料供給路、27 共通燃料フィルタ、30 リターン燃料系、31 リターン配管、32b 出口部分、66 混合割合算出部、67 混合割合設定部、68 ポンプ制御部(混合割合制御部)、90 軽油タンク(液体燃料タンク)、92 空気導入バルブ(空気導入部)、100 燃料供給システム、110 DMEフィードポンプ(ガス燃料ポンプ)、150 内燃機関(機関)、190 DMEタンク(ガス燃料タンク)

Claims (14)

  1. ガス燃料タンク(190)に貯留されている液化ガス燃料と、液体燃料タンク(90)に貯留されている液体燃料とを機関(150)へ供給可能な燃料供給システムであって、
    前記ガス燃料タンク及び前記液体燃料タンクのそれぞれから送られる液化ガス燃料及び液体燃料を混合し、これらの混合燃料を前記機関へ供給する供給燃料系(20)と、
    前記機関に供給された混合燃料のうち当該機関にて燃焼に使用されなかった一部を、前記ガス燃料タンク及び前記液体燃料タンクのうちで、前記ガス燃料タンクのみに戻すリターン燃料系(30)と、を備えることを特徴とする燃料供給システム。
  2. 前記供給燃料系を通じて前記機関に供給される混合燃料における液化ガス燃料と液体燃料との混合割合を調整する混合割合制御部(68)、をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の燃料供給システム。
  3. 前記ガス燃料タンクの液化ガス燃料を前記機関へ向けて吐出するガス燃料ポンプ(110)と、
    前記液体燃料タンクの液体燃料を前記機関へ向けて吐出する液体燃料ポンプ(10)と、をさらに備え、
    前記混合割合制御部は、前記ガス燃料ポンプ及び液体燃料ポンプを共に制御することで、前記機関に供給される混合燃料における液化ガス燃料と液体燃料との混合割合を調整することを特徴とする請求項2に記載の燃料供給システム。
  4. 前記機関に供給される混合燃料の混合割合を算出する混合割合算出部(66)と、
    前記機関によって要求される目標混合割合を設定する混合割合設定部(67)と、をさらに備え、
    前記混合割合制御部は、前記混合割合算出部によって算出される混合割合が前記目標混合割合となるよう、前記ガス燃料ポンプ及び前記液体燃料ポンプを制御することを特徴とする請求項3に記載の燃料供給システム。
  5. 前記混合割合算出部は、前記液体燃料タンクから吐出される液体燃料の流量と、前記ガス燃料タンクから吐出される吐出燃料の流量及び混合割合と、を推定することにより、前記機関に供給されている混合燃料の混合割合を算出することを特徴とする請求項4に記載の燃料供給システム。
  6. 前記混合割合算出部は、前記機関に供給されている混合燃料の体積弾性係数に基づいて混合割合を算出することを特徴とする請求項4又は5に記載の燃料供給システム。
  7. 前記混合割合算出部は、前記機関の燃焼室に供給される混合燃料の体積と、供給された混合燃料の燃焼によって出力される前記機関のトルクとに相関に基づき、前記機関に供給されている混合燃料の混合割合を算出することを特徴とする請求項4〜6のいずれか一項に記載の燃料供給システム。
  8. 前記混合割合算出部は、一回の燃焼サイクルにおいて、前記機関の燃焼室への混合燃料の噴射が開始される噴射開始タイミングから、噴射された混合燃料が着火する着火タイミングまでの時間に基づき、前記機関に供給されている混合燃料の混合割合を算出することを特徴とする請求項4〜7のいずれか一項に記載の燃料供給システム。
  9. 前記混合割合制御部は、前記混合割合設定部にて設定される前記目標混合割合において液化ガス燃料の割合が増えるに従い、前記ガス燃料ポンプ及び前記液体燃料ポンプの制御により、前記機関へ供給される混合燃料の流量を増加させることを特徴とする請求項4〜8のいずれか一項に記載の燃料供給システム。
  10. 前記混合割合設定部は、前記ガス燃料タンクにおける液化ガス燃料の残量と、前記液体燃料タンクにおける液体燃料の残量に基づき、前記目標混合割合を調整することを特徴とする請求項4〜9のいずれか一項に記載の燃料供給システム。
  11. 前記ガス燃料タンクの容積は、前記液体燃料タンクの容積よりも大きくされることを特徴とする請求項1〜10のいずれか一項に記載の燃料供給システム。
  12. 前記リターン燃料系を形成するリターン配管(31)の出口部分(32b)は、前記ガス燃料タンクのみに接続されていることを特徴とする請求項1〜11のいずれか一項に記載の燃料供給システム。
  13. 前記供給燃料系は、前記ガス燃料タンクの液化ガス燃料を流通させるガス燃料供給路(23a)、前記液体燃料タンクの液体燃料を流通させる液体燃料供給路(21a)、並びに前記ガス燃料供給路及び液体燃料供給路の合流部(25)から前記機関へ向けて混合燃料を流通させる混合燃料供給路(26a)、を有し、
    前記混合燃料供給路には、液化ガス燃料及び液体燃料のそれぞれに混入した異物を除去する共通燃料フィルタ(27)が設けられることを特徴とする請求項1〜12のいずれか一項に記載の燃料供給システム。
  14. 前記液体燃料タンクは、当該液体燃料タンクの外部から内部へと空気を導入させることにより、当該内部の圧力を維持する空気導入部(92)、を有することを特徴とする請求項1〜13のいずれか一項に記載の燃料供給システム。
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