JPWO2004016934A1 - 内燃機関の燃料戻し装置 - Google Patents

Abstract

本発明の目的は、複数の燃料タンクの燃料の残量をほぼ均一化できる燃料戻し装置を提供することにある。本発明の好適な一態様によれば、燃料戻し装置は、各燃料タンク（１ａ，１ｂ）内の燃料の残量を検出する残量検出手段（１９ａ，１９ｂ）と、上記各燃料タンク（１ａ，１ｂ）内の燃料の残量がほぼ均一化されるように、上記残量検出手段（１９ａ，１９ｂ）の検出値に応じて各燃料タンク（１ａ，１ｂ）へ戻る燃料の配分を調整する燃料戻し配分調整手段（１２，１８）とを備えたものである。

Description

本発明は、複数の燃料タンクから同時に内燃機関に供給された燃料のうち余剰分の燃料を回収して燃料タンクへ戻すための燃料戻し装置に係り、特に、各燃料タンクの燃料の残量を均一化できるようにした燃料戻し装置に関する。

最近では、ガソリンや軽油の代わりにジメチルエーテル（以下ＤＭＥという）を代替燃料として用いるＤＭＥ内燃機関が知られている。
図３を用いて、ＤＭＥ内燃機関（以下単にエンジンという）の燃料供給システムについて説明する。
この燃料供給システムでは、車両のシャシ（図示せず）側に、燃料（ＤＭＥ）が充填された燃料タンク３１ａ，３１ｂが二つ設けられる。各燃料タンク３１ａ，３１ｂ内にはＤＭＥ圧送用の圧送ポンプ３２ａ，３２ｂがそれぞれ設けられる。燃料タンク３１ａ，３１ｂ内の燃料は圧送ポンプ３２ａ，３２ｂによってそれぞれ燃料パイプ３３内に送られて２次ポンプ３４で昇圧される。その後、燃料はエンジンＥ側に設けられたサプライポンプ３５に供給される。サプライポンプ３５には噴射すべき燃料を蓄圧するためのコモンレール３７が接続され、そのコモンレール３７にはエンジンＥの各気筒の燃焼室内に燃料を噴射するための燃料噴射弁（インジェクタ）３６が複数接続される。サプライポンプ３５は、燃料を、燃焼室内に噴射するのに適した圧力まで高めてコモンレール３７に送る。
２次ポンプ３４及びサプライポンプ３５は吐出圧力を調整可能な調圧ポンプであり、それぞれポンプ３４，３５から排出された余剰燃料を燃料タンク３１ａ，３１ｂに戻すための燃料回収パイプ３８ａ，３８ｂが接続される。燃料回収パイプ３８ｂの途中には、コモンレール３７から排出された余剰燃料を燃料タンク３１ａ，３１ｂに戻すための燃料回収パイプ３８ｃが接続される。燃料回収パイプ３８ｃには圧力調整弁（ＰＣＶ）４０が設けられており、コモンレール３７内の圧力を燃料噴射に最適な圧力に調整する。燃料回収パイプ３８ａ，３８ｂは、一本の主燃料戻しパイプ３９に合流・接続される。従って、２次ポンプ３４、サプライポンプ３５及びコモンレール３７からの余剰燃料は全て主燃料戻しパイプ３９内に回収される。主燃料戻しパイプ３９の下流端には、二つの副燃料戻しパイプ４４ａ，４４ｂが分岐・接続されており、それら副燃料戻しパイプ４４ａ，４４ｂはそれぞれ燃料タンク３１ａ，３１ｂへと接続される。主燃料戻しパイプ３９内に回収された余剰燃料は、これら副燃料戻しパイプ４４ａ，４４ｂに分配されて各燃料タンク３１ａ，３１ｂ内に戻される。なお、図中、４３は燃料クーラー、４５は燃料遮断弁を示す。
ところで、ＤＭＥの発熱量は約２８．８ＭＪ／ｋｇであり、軽油の約４２．７ＭＪ／ｋｇと比較して低い。このため、軽油を燃料とするディーゼルエンジンと同等の出力性能を得るためには燃料噴射量を多くする必要がある。従って、燃料の消費が激しく、１回の燃料充填で走行可能な距離を長くするためには燃料タンクの容量を大きくする必要がある。そこで、図３にも示すように複数の燃料タンク３１ａ，３１ｂを車両に搭載する場合がある。また、レイアウトの関係から燃料タンクを複数個に分割して搭載する場合もある。
燃料タンクを複数搭載した車両において、各燃料タンクの燃料を順次使用するようにした場合、即ち、一つの燃料タンクが空になったら次の燃料タンクに切り換えて走行するようにした場合、ＤＭＥでは上記のように多量の燃料を燃料噴射弁に供給する必要があるため、各燃料タンクに大容量の圧送ポンプをそれぞれ設ける必要がある。これはコスト増大の原因となる。また、燃料タンク内に大きな圧送ポンプを設けることはスペース的に困難な場合もある。
そこで、図３に示した燃料供給システムでは、各燃料タンク３１ａ，３１ｂから燃料噴射弁３６に同時に燃料を供給するようにしている。即ち、複数の燃料タンク３１ａ，３１ｂの圧送ポンプ３２ａ，３２ｂを同時に可動する。こうすれば、各燃料タンク３１ａ，３１ｂに設ける圧送ポンプ３２ａ，３２ｂは比較的容量の小さなものでよい。
このように複数の燃料タンク３１ａ，３１ｂから同時に燃料を供給する場合、２次ポンプ３４、サプライポンプ３５及びコモンレール３７からの余剰燃料は各燃料タンク３１ａ，３１ｂへと分配される。
ところが、燃料タンク３１ａ，３１ｂ内の温度や圧力は、車両使用環境や走行状態などによっては均一とならない場合がある。その結果、主燃料戻しパイプ３９から各副燃料戻しパイプ４４ａ，４４ｂに分岐して各燃料タンク３１ａ，３１ｂへと流れる燃料の量が均一にならず、燃料タンク３１ａ，３１ｂ内の燃料の減り方（残量）が均一にならない問題が発生する。最悪の場合、燃料タンク３１ａ，３１ｂのいずれか一方が先に空になってしまい、圧送ポンプ３２ａ，３２ｂが空駆動されて破損することも考えられる。

本発明の目的は、上記課題を解決し、複数の燃料タンクの燃料の残量をほぼ均一化できる燃料戻し装置を提供することにある。
上記目的を達成するために本発明は、複数の燃料タンクから同時に内燃機関に供給された燃料のうち余剰分の燃料を回収して各燃料タンクへと戻すための燃料戻し装置であって、上記各燃料タンク内の燃料の残量を検出する残量検出手段と、上記各燃料タンク内の燃料の残量がほぼ均一化されるように、上記残量検出手段の検出値に応じて各燃料タンクへ戻る燃料の配分を調整する燃料戻し配分調整手段とを備えたものである。
ここで、上記燃料戻し配分調整手段は、各燃料タンクへ戻る燃料の流量配分を調整する流量制御弁と、上記残量検出手段の検出値に応じて上記流量制御弁を制御する制御手段とを備えるようにしても良い。
また、上記燃料タンクが二つ設けられ、余剰分の燃料を回収する第１戻し通路と、その第１戻し通路の下流端から分岐して上記二つの燃料タンクへとそれぞれ接続された二つの第２戻し通路とを備え、上記燃料戻し配分調整手段は、上記第２戻し通路の一方に介設された流量制御弁と、上記残量検出手段の検出値に応じて上記流量制御弁を制御する制御手段と、上記第２戻し通路の他方に介設された流量制限手段とを備えるようにしても良い。
また、上記内燃機関は噴射すべき燃料を蓄圧するためのコモンレールを備え、上記各燃料タンクはそれぞれ燃料圧送ポンプを備え、その燃料圧送ポンプと上記コモンレールとの間に吐出圧力が調整可能な調圧ポンプが少なくとも一つ介設され、上記コモンレールから排出された燃料及び上記調圧ポンプから排出された燃料を上記各燃料タンクに戻すものであっても良い。
ここで、上記燃料は常温かつ大気圧下では気体となる特性を有し、かつ使用状態においては大気圧よりも高圧に加圧されて液体とされるものであっても良い。
また、上記燃料はジメチルエーテルであっても良い。
本発明の他の目的、構成及び作用効果は、後述の発明の詳細な説明が読まれ、理解された後に当業者にとって明らかになるであろう。

図１は、本発明の一実施形態に係る燃料戻し装置の概略図である。
図２は、本発明の他の実施形態に係る燃料戻し装置の概略図である。
図３は、従来の燃料戻し装置の概略図である。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
本実施形態は、ジメチルエーテル（以下ＤＭＥという）が充填された燃料タンクを二つ備え、各燃料タンクから燃料を同時に供給するＤＭＥエンジンに対して適用したものであり、まず、図１を用いてＤＭＥエンジンの燃料供給システムについて説明する。ＤＭＥは常温・大気圧下では気体となるが、この燃料供給システム内では常に大気圧よりも高圧に加圧されて液体状態で使用される。
本実施形態の燃料供給システムは、車両のシャシ（図示せず）側に、燃料（ＤＭＥ）が充填された二つの燃料タンク１ａ，１ｂが設けられる。燃料タンク１ａ，１ｂ内にはＤＭＥ圧送用の圧送ポンプ２ａ，２ｂがそれぞれ設けられる。燃料タンク１ａ，１ｂ内の燃料は圧送ポンプ２ａ，２ｂによって燃料パイプ３内に送られて２次ポンプ４で昇圧される。その後、燃料はエンジンＥ側に設けられたサプライポンプ５に供給される。サプライポンプ５には噴射すべき燃料を蓄圧するためのコモンレール７が接続され、そのコモンレール７にはエンジンＥの各気筒の燃焼室内に燃料を噴射するための燃料噴射弁（インジェクタ）６が複数接続される。サプライポンプ５は、燃料を、燃焼室内に噴射するのに適した圧力まで高めてコモンレール７に送る。
２次ポンプ４及びサプライポンプ５は圧力調整弁を備えた吐出圧力調整可能な調圧ポンプであり、それらポンプ４，５にはそれぞれ排出された余剰燃料を燃料タンク１ａ，１ｂに戻すための燃料回収パイプ８ａ，８ｂが接続される。燃料回収パイプ８ｂの途中には、コモンレール７から排出された燃料を燃料タンク１ａ，１ｂに戻すための燃料回収パイプ８ｃが接続される。燃料回収パイプ８ｃには圧力調整弁（ＰＣＶ）１０が介設されており、コモンレール７内の圧力を燃料噴射に最適な圧力に調整する。燃料回収パイプ８ａ，８ｂは、一本の主燃料戻しパイプ（第１戻し通路）９に合流・接続される。２次ポンプ４、サプライポンプ５及びコモンレール７からの余剰燃料は全てこの主燃料戻しパイプ９内に回収される。主燃料戻しパイプ９の下流端には、二つの副燃料戻しパイプ（第２戻し通路）１４ａ，１４ｂが分岐・接続されており、それら副燃料戻しパイプ１４ａ，１４ｂはそれぞれ燃料タンク１ａ，１ｂへと接続される。主燃料戻しパイプ９内に回収された余剰燃料は、これら副燃料戻しパイプ１４ａ，１４ｂを通って各燃料タンク１ａ，１ｂに分配される。
コモンレール７には圧力センサー１１が設けられており、コモンレール７内の燃料の圧力が圧力センサー１１により検出される。圧力センサー１１の検出値は電子制御ユニット（以下ＥＣＵという）１２に送信される。また、上記サプライポンプ５及び圧力調整弁１０はＥＣＵ１２からの信号により制御される。なお、図中、１３は燃料クーラー、１５は燃料遮断弁を示す。
さて、本実施形態の燃料戻し装置は、各燃料タンク１ａ，１ｂ内の燃料の残量を均一化させるための燃料戻し配分調整手段なるものを備えている。
即ち、図１に示すように、主燃料戻しパイプ９と副燃料戻しパイプ１４ａ，１４ｂとの分岐部（接続部）に、各副燃料戻しパイプ１４ａ，１４ｂへと流れる燃料の流量配分を調整するための流量制御弁１８が設けられる。流量制御弁１８は本実施形態では電磁三方弁からなる。電磁三方弁１８は、その入口側が主燃料戻しパイプ９に接続され、二つの出口がそれぞれ副燃料戻しパイプ１４ａ，１４ｂに接続される。電磁三方弁１８はＥＣＵ１２に接続されており、ＥＣＵ１２からの信号によって、二つの出口を開閉する弁体が連続的・一体的に移動される。これによって、二つの出口の開度、特に、二つの出口間の開度比が調整される。
また、各燃料タンク１ａ，１ｂには、燃料タンク１ａ，１ｂ内の燃料の残量を検出するための残量検出手段１９ａ，１９ｂがそれぞれ設けられる。本実施形態では残量検出手段１９ａ，１９ｂはレベルセンサーであり、例えばフロート式の液面ゲージである。残量検出手段１９ａ，１９ｂはＥＣＵ１２に接続されており、その検出値がＥＣＵ１２に送信される。
ＥＣＵ１２は、残量検出手段１９ａ，１９ｂからの検出値に基づいて燃料タンク１ａ，１ｂ間の燃料残量の差を算出する。そして、その差に応じて、各燃料タンク１ａ，１ｂ内の燃料の残量がほぼ均一化されるように（上記差を無くすように）電磁三方弁１８を制御する。具体的には、電磁三方弁１８の二つの出口の開度比を調整して、副燃料戻しパイプ１４ａ，１４ｂを通って各燃料タンク１ａ，１ｂへと戻る燃料の流量配分を制御する。
いま、電磁三方弁１８の二つの出口の弁開度が同じであるとする。この場合、各燃料タンク１ａ，１ｂの温度又は圧力が均一であれば、副燃料戻しパイプ１４ａ，１４ｂを通って各燃料タンク１ａ，１ｂへと戻る燃料の流量は同一（流量比が１：１）となる。その後、燃料タンク１ａ，１ｂの温度又は圧力に差が生じた場合、副燃料戻しパイプ１４ａ，１４ｂから各燃料タンク１ａ，１ｂへと戻る燃料の流量に差が生じる。その結果、燃料タンク１ａ，１ｂ間で燃料の残量に差が生じる。ここでは、一例として燃料タンク１ａ内の燃料残量が燃料タンク１ｂ内の燃料残量よりも少なくなった場合を説明する。
ＥＣＵ１２は残量検出手段１９ａ，１９ｂからの信号に基づいて燃料タンク１ａ，１ｂ間の燃料残量の差を算出し、その差に応じて電磁三方弁１８の出口の開度比を調整する。即ち、燃料残量が少ない燃料タンク１ａに接続された副燃料戻しパイプ１４ａ側の弁開度を大きく、他方の燃料タンク１ｂに接続された副燃料戻しパイプ１４ｂ側の弁開度を小さくする。これによって、燃料タンク１ａへと戻るリターン燃料の流量Ｆａが燃料タンク１ｂへと戻るリターン燃料の流量Ｆｂよりも多くなり（Ｆａ＞Ｆｂ）、燃料タンク１ａ，１ｂ間の燃料残量の差は徐々に縮まる。これによって、燃料タンク１ａ，１ｂの燃料残量の均一化が図れる。
このように、本実施形態では、各燃料タンク１ａ，１ｂ内の燃料の残量を常に検出し、燃料残量の差に応じて各燃料タンク１ａ，１ｂへ戻る燃料の配分を調節して燃料残量を均一化させる。従って、全ての燃料タンク１ａ，１ｂの燃料の減り方がほぼ均一となり、圧送ポンプ２ａ，２ｂの空駆動による破損などを防止できる。
なお、燃料残量の差が大きいときには各燃料タンク１ａ，１ｂへと戻る燃料の配分を大きく異ならせるようにすれば、短期間で均一化を図ることができる。
次に、本発明の他の実施形態について図２を用いて説明する。なお、図１に示したものと同一の要素には同一の符号を付して説明を省略する。
この形態では、燃料戻し配分調整手段は、副燃料戻しパイプ１４ａ，１４ｂのいずれか一方（図では副燃料戻しパイプ１４ａ）に介設された流量制御弁２０を備えている。本実施形態では流量制御弁２０は電磁二方弁である。電磁二方弁２０はＥＣＵ１２に接続されており、ＥＣＵ１２からの信号によって弁開度が連続的に調整される。また、他方の副燃料戻しパイプ１４ｂには、副燃料戻しパイプ１４ｂを通って流れる燃料の流量を制限するための絞り（流量制限手段）２１が設けられている。
ＥＣＵ１２は、残量検出手段１９ａ，１９ｂからの信号に基づいて燃料タンク１ａ，１ｂ間の燃料残量の差を算出し、その差に応じて電磁二方弁２０の弁開度を調整する。それによって、副燃料戻しパイプ１４ａ，１４ｂを通って各燃料タンク１ａ，１ｂへと戻る燃料の流量配分が調節される。即ち、電子制御弁２０の弁開度を絞り２１の開度よりも小さくすれば、副燃料戻しパイプ１４ａから燃料タンク１ａへと戻る燃料の流量Ｆａは副燃料戻しパイプ１４ｂから燃料タンク１ｂへと戻る燃料の流量Ｆｂよりも小さくなる（Ｆａ＜Ｆｂ）。逆に、電磁二方弁２０の弁開度を絞り２１の開度よりも大きくすれば、燃料タンク１ａへと戻る燃料の流量Ｆａは燃料タンク１ｂへと戻る燃料の流量Ｆｂよりも大きくなる（Ｆａ＞Ｆｂ）。従って、残量検出手段１９ａ，１９ｂからの検出値に基づいて各燃料タンク１ａ，１ｂの燃料残量の差を算出し、その差に応じて電磁二方弁２０の弁開度を調整すれば、燃料タンク１ａ，１ｂの燃料残量の均一化が図れる。
なお、他方の副燃料戻しパイプ１４ｂに絞り２１を設ける理由を説明すると、絞り２１を設けなければ、燃料タンク１ａへ戻る燃料の流量Ｆａを燃料タンク１ｂへ戻る燃料の流量Ｆｂよりも大きくすることができないからである。即ち、電磁二方弁２０を全開としても、燃料タンク１ａへ戻る燃料流量Ｆａは燃料タンク１ｂへ戻る燃料流量Ｆｂと等しくなるだけである。
以上説明した二つの実施形態によれば、比較的安価に燃料タンクの燃料残量の均一化を図ることができる。特に図２に示した形態では、電磁三方弁よりも安価な電磁二方弁と単なる配管（パイプ）の絞りで構成されるためより安価に製造できる。
なお、図２に示した形態における絞り２１は、絞り弁などの可変絞りとすることも可能である。
上記二つの実施形態では、燃料タンクを二つ備える内燃機関を例に説明したが、本発明は、二つ以上の燃料タンクを備えた内燃機関にも適用できることは勿論である。
また、本発明はＤＭＥエンジンに対して特に有効なものであるが、他の内燃機関にも適用可能である。
以上要するに本発明によれば、複数の燃料タンクから同時に燃料を供給する燃料供給システムにおいて各燃料タンクの燃料の残量を均一化できるという優れた効果を発揮するものである。
本願は特願２００２−２３５４６５号（２００２年８月１３日出願）を優先権主張の基礎としており、上記日本出願の内容は本願明細書に記載されたものとする。

Claims (6)

1. 複数の燃料タンクから同時に内燃機関に供給された燃料のうち余剰分の燃料を回収して各燃料タンクへと戻すための燃料戻し装置であって、
   上記各燃料タンク内の燃料の残量を検出する残量検出手段と、
   上記各燃料タンク内の燃料の残量がほぼ均一化されるように、上記残量検出手段の検出値に応じて各燃料タンクへ戻る燃料の配分を調整する燃料戻し配分調整手段とを備えたことを特徴とする内燃機関の燃料戻し装置。
2. 上記燃料戻し配分調整手段は、各燃料タンクへ戻る燃料の流量配分を調整する流量制御弁と、上記残量検出手段の検出値に応じて上記流量制御弁を制御する制御手段とを備えた請求項１記載の内燃機関の燃料戻し装置。
3. 上記燃料タンクが二つ設けられ、余剰分の燃料を回収する第１戻し通路と、その第１戻し通路の下流端から分岐して上記二つの燃料タンクへとそれぞれ接続された二つの第２戻し通路とを備え、
   上記燃料戻し配分調整手段は、上記第２戻し通路の一方に介設された流量制御弁と、上記残量検出手段の検出値に応じて上記流量制御弁を制御する制御手段と、上記第２戻し通路の他方に介設された流量制限手段とを備えた請求項１記載の内燃機関の燃料戻し装置。
4. 上記内燃機関は噴射すべき燃料を蓄圧するためのコモンレールを備え、上記各燃料タンクはそれぞれ燃料圧送ポンプを備え、その燃料圧送ポンプと上記コモンレールとの間に吐出圧力が調整可能な調圧ポンプが少なくとも一つ介設され、
   上記コモンレールから排出された燃料及び上記調圧ポンプから排出された燃料を上記各燃料タンクに戻す請求項１〜３いずれかに記載の内燃機関の燃料戻し装置。
5. 上記燃料は常温かつ大気圧下では気体となる特性を有し、かつ使用状態においては大気圧よりも高圧に加圧されて液体とされる請求項１〜４いずれかに記載の内燃機関の燃料戻し装置。
6. 上記燃料がジメチルエーテルである請求項１〜５いずれかに記載の内燃機関の燃料戻し装置。

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