JP2008008152A

JP2008008152A - ジメチルエーテル用ディーゼルエンジン

Info

Publication number: JP2008008152A
Application number: JP2006176466A
Authority: JP
Inventors: Shigehisa Takase; 繁寿高瀬
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2006-06-27
Filing date: 2006-06-27
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2026-06-27
Also published as: JP3969454B1; EP2034168A4; EP2034168A1; WO2008001532A1; CN101479464A

Abstract

【課題】アイドリング時ないし軽負荷時における供給ポンプ駆動モータの消費電力及び供給ポンプ駆動音の低減を図る。
【解決手段】ジメチルエーテル５を燃料とするディーゼルエンジン１において、燃料タンク６に設けられ該燃料タンク６内の燃料を供給管７を介してエンジン側の高圧ポンプ４に供給する供給ポンプ８と、前記高圧ポンプ４内の燃料通路部１３の燃料温度から蒸気圧を算出すると共に、エンジン運転状況から前記蒸気圧に対するマージン圧力幅を設定し、高圧ポンプ４内の燃料通路部１３の燃料の圧力が、前記蒸気圧に前記マージン圧力を加えた目標圧力になるように前記供給ポンプ８を制御する制御装置１４とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ジメチルエーテル用ディーゼルエンジンに関するものである。

近年、ディーゼルエンジンの分野では、軽油の代替燃料としてジメチルエーテル（以下、ＤＭＥともいう。）を燃料とするディーゼルエンジンの開発が進められている（例えば特許文献１参照）。ＤＭＥは、天然ガスやバイオガスから合成され、排ガスによる汚染の原因となる硫黄や窒素、芳香炭化水素などの物質を含まないことから、エンジンで燃焼しても排ガスがクリーンである。

ところで、ＤＭＥは、常温常圧で気体であるから、これをディーゼルエンジンに適用しようとする場合、ＤＭＥを加圧し、液体としてエンジンに供給しなければならない。こうしないと、燃料の気化によって燃料中に気泡が混入し、配管や高圧ポンプ内でキャビテーションを生じたり、エンジンの回転が不安定となるからである。

一方、ＤＭＥに過度の高圧を加えると、ＤＭＥの粘性が低いため、各摺動部でＤＭＥの漏れが発生し、大掛かりな回収システムが必要となる。また、供給ポンプ自体の消費馬力が大きくなり、燃費の悪化を招いてしまう。よって、ＤＭＥの加圧は、適度に行うことが好ましい。

このような問題を解決するために、特許文献１に記載された発明は、ジメチルエーテルを燃料とするディーゼルエンジンにおいて、燃料タンクの燃料をエンジン側の高圧ポンプに供給する供給ポンプと、この供給ポンプの供給圧を調節する調節装置と、ジメチルエーテルの蒸気圧線図に基いて予め作成されたマップに従い、上記調整装置を制御する供給圧制御手段とを備えている。この場合、前記マップは、各燃料毎にジメチルエーテルの蒸気圧より所定値高圧の目標供給圧を与えるものである。

特開２００１−１１５９１６公報

しかしながら、前記ディーゼルエンジンにおいては、前記目標供給圧の幅（マージン圧力幅ともいう）が固定（一定）であるため、加速時などに蒸気圧以下になる可能性があり、その時に配管途中で生じる蒸気によりコモンレールの圧力制御が困難になると、エンジン停止に至ることが考えられる。また、これを防止するために、更にマージン圧力の幅を大きくすると、蒸気圧制御をする意味がなくなり、特にアイドリング時ないし軽負荷時において、高圧ポンプから燃料タンクへの戻り燃料が過多となると共に、供給ポンプの駆動損失も増大する。また、アイドリング時ないし軽負荷時の供給ポンプ駆動モータの負荷が大きく、消費電力も過大となり、発電機の充電容量の少ない低回転時に十分にバッテリに充電できなくなる恐れがあり、バッテリの交換寿命を早める（バッテリの耐久性の低下を招く）。また、供給ポンプ駆動音（騒音）の増大を招き、当該エンジンを搭載した車両の商品性を低下させる。

本発明は、このような問題を解消すべくなされたものであり、アイドリング時ないし軽負荷時における供給ポンプ駆動モータの消費電力及び供給ポンプ駆動音の低減が図れるジメチルエーテル用ディーゼルエンジンを提供することを目的とする。

本発明のうち、請求項１に係る発明は、ジメチルエーテルを燃料とするディーゼルエンジンにおいて、燃料タンクに設けられ該燃料タンク内の燃料を供給管を介してエンジン側の高圧ポンプに供給する供給ポンプと、前記高圧ポンプ内の燃料通路部の燃料温度から蒸気圧を算出すると共に、エンジン運転状況から前記蒸気圧に対するマージン圧力幅を設定し、高圧ポンプ内の燃料通路部の燃料の圧力が、前記蒸気圧に前記マージン圧力を加えた目標圧力になるように前記供給ポンプを制御する制御装置とを備えたことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、前記高圧ポンプ内の燃料通路部には、燃料圧力が所定値を越えたときに燃料通路部から燃料を戻り管を介して前記燃料タンク内に戻すリリーフ弁が設けられ、前記戻り管には燃料タンクに戻る戻り燃料の温度を検出する戻り燃料温度センサが設けられ、前記制御装置は、戻り燃料の温度が所定値を超えた時に前記供給ポンプの回転を上げて戻り燃料の戻り量を増大するように設定されていることを特徴とする。

本発明によれば、アイドリング時ないし軽負荷時における供給ポンプ駆動モータの消費電力及び供給ポンプ駆動音の低減が図れる。

また、本発明によれば、高圧ポンプ内の燃料通路部の温度及び燃料タンク内の燃料温度を下げることが可能となり、燃料クーラが不要となり、コスト的に有利となる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態を添付図面に基いて詳述する。図１は本発明の実施の形態であるジメチルエーテル用ディーゼルエンジンを概略的に示す構成図、図２は供給ポンプの制御を行う制御系のブロック図、図３はＤＭＥの蒸気圧線図及びマージン圧力を示す図、図４はＤＭＥの蒸気圧線図である。

図１において、１はジメチルエーテル（ＤＭＥ）を燃料とするディーゼルエンジン（ジメチルエーテル用ディーゼルエンジン、或いは単にエンジンともいう）であり、例えば車両の駆動用として車両に搭載される。このディーゼルエンジン１を構成するエンジン本体１ａは、複数気筒例えば４気筒のコモンレール式とされ、コモンレール２に蓄圧したＤＭＥを噴射ノズルである各インジェクタ３に供給するようになっている。エンジン本体１ａにはコモンレール２に燃料を所定圧例えば６０ＭＰａ程度に加圧して圧送する高圧ポンプ４が設けられている。

また、前記ディーゼルエンジン１は、燃料としてのＤＭＥ５を液体として貯留する燃料タンク６を備えており、この燃料タンク６にはタンク内のＤＭＥ５を供給管７を介してエンジン側の前記高圧ポンプ４に供給するための供給ポンプ８が設けられている。供給ポンプ８には、これを駆動する電動モータ９が接続されている。図１の実施の形態では、供給ポンプ８は、燃料タンク６内の底部に設置されている。

前記供給管７の一端（入口側）は、燃料タンク６の底部を気密に貫通して供給ポンプ８に接続されている。供給管７の一端側には開閉弁１０が設けられている。また、燃料タンク６には、ＤＭＥを充填する燃料充填部１１や、気化したＤＭＥを所定の圧力以上で大気に放出する安全弁１２が設けられている。なお、燃料タンク６内の圧力は、タンク温度に対応する蒸気圧（図４参照）となっている。

ＤＭＥ５を高圧ポンプ４に供給する場合、液体で供給しなければならず、高圧ポンプ４内の燃料通路（ギャラリー部）１３の温度が８０℃であれば、ＤＭＥをその温度の蒸気圧２．２ＭＰａよりも高い圧力にすればＤＭＥの気化を防止することができる。高圧ポンプ４内の燃料通路１３の温度が１００℃であれば、その温度の蒸気圧約３ＭＰａよりも高い圧力にする必要がある。但し、高圧ポンプ４では、吐出量制御時に吸い込み負圧が発生するため、前記蒸気圧に対してこれらを考慮したマージン圧力幅を設定することが好ましい。また、このマージン圧力幅がエンジン１の運転状況に係らず常に固定であると、アイドリング時ないし軽負荷時に、供給ポンプ８の駆動モータ９の負荷が大きくなり、消費電力の増大及び供給ポンプ駆動音の増大を招く恐れがある。

そこで、これらの課題を解決するために、前記ディーゼルエンジン１においては、前記高圧ポンプ４内の燃料通路部１３の燃料温度から蒸気圧を算出すると共に、エンジン運転状況から前記蒸気圧に対するマージン圧力幅を設定し、高圧ポンプ４内の燃料通路部１３の燃料の圧力が、前記蒸気圧に前記マージン圧力を加えた目標圧力になるように前記供給ポンプ８を制御する制御装置（例えば電子制御ユニット、以下ＥＣＵという。）１４を備えている。ここで、エンジン運転状況を示す要素としては、エンジン回転速度（回転数）、噴射量、アクセル開度、インジェクタスイッチングリーク量などがあり、本実施例では、図２に示すようにエンジン回転速度１５と目標噴射量１６に基いて前記マージン圧力幅ΔＰが求められ、該マージン圧力幅が２次元マップのマージン圧力幅マップ１７として作成されている。なお、前記目標噴射量１６は、エンジン回転速度及びアクセル開度から求められる。

ＥＣＵ１４には、ＤＭＥの蒸気圧線図に基いて作成された蒸気圧マップ１８、前記マージン圧力幅マップ１７及び後述のタンク戻り燃料温度（タンク戻り燃温ともいう）１９に基いて作成された戻り量マップ２０が記憶されている。図３はＤＭＥの蒸気圧線図とマージン圧力幅マップとを併せて示している。図３をＤＭＥの蒸気圧線図として見た場合、横軸はＤＭＥの温度Ｔ（℃）、縦軸は蒸気圧Ｐ（ＭＰａ）であり、蒸気圧の線図はａである。一方、図３をマップとして見た場合、横軸は燃料温度Ｔｆ（℃）、縦軸は目標供給圧Ｐｔ（ＭＰａ）であり、目標供給圧の線図はｂである。

各燃料温度Ｔｆ毎の目標供給圧Ｐｔは、同じＤＭＥ温度Ｔの蒸気圧Ｐより所定値（マージン圧力幅）ΔＰだけ高い目標供給圧を与える。マージン圧力幅ΔＰの値は、エンジン運転状況に基いて供給ポンプ駆動モータ９の負荷を過大に大きくしない値が設定されている。なお、図３はマージン圧力幅ΔＰが一定の場合を示しているが、本実施の形態ではエンジン運転状況に応じてマージン圧力幅が変化する。

前記高圧ポンプ４内の燃料通路部（ギャラリー部）１３の燃料温度（ギャラリー温度ともいう）２１及び燃料圧力（ギャラリー圧力ともいう）２２を検出するために、該燃料通路部１３には温度センサ（燃温センサ）２３及び圧力センサ（燃圧センサ）２４が設けられており、これらの検出値（検出信号）はＥＣＵ１４に入力される。また、エンジン１にはその回転速度を検出するための回転速度センサ２５が設けられ、アクセルペダル２６にはそのアクセル開度（アクセルペダル踏み込み量）を検出するアクセルセンサ２７が設けられ、これらの検出値はＥＣＵ１４に入力される。

前記制御においては、図２に示すように高圧ポンプギャラリー温度２１に基いて蒸気圧マップ１８から蒸気圧が求められ、該蒸気圧に、エンジン回転速度１５及び目標噴射量１６に基いてマージン圧力幅マップ１７から求めたマージン圧力幅ΔＰを加えて目標圧力とし、この目標圧力から現在の高圧ポンプギャラリー圧力２２を引いた差圧と、前記エンジン回転速度１５及び目標噴射量１６から算出したエンジン消費量２８とに基いてポンプ制御量が算出され、該ポンプ制御量に基いてフィードフォワードＰＩＤ制御２９により供給ポンプ８が制御されるようになっている。なお、前記エンジン消費量２８とは、気筒数分のインジェクタ噴射量（加速補正を含む）とスイッチングリーク量とからなるＤＭＥ消費量をいう。

一方、前記高圧ポンプ４内の燃料通路部１３には、燃料圧力が所定値を越えたときに燃料通路部１３から燃料を戻り管３０を介して前記燃料タンク６内に戻すリリーフ弁３１が設けられ、前記戻り管３０には燃料タンク６に戻る戻り燃料の温度（タンク戻り燃温ともいう）を検出する戻り燃料温度センサ３２が設けられている。そして、前記制御装置（ＥＣＵ）１４は、燃料タンク６内の燃料温度を下げる（燃料温度の上昇を抑制する）ために、戻り燃料の温度が所定値（所定の設定値）を超えた時に前記供給ポンプ８の回転を上げて戻り燃料の戻り量を増大するように設定されている。この場合、図２に示すように前記タンク戻り燃温１９に対応する戻り燃料の戻り量を求めた戻り量マップ２０が作成されており、該戻り量マップ２０に基いて前記ポンプ制御量に対して戻り量を加える補正を行い、供給ポンプ８を制御するためのポンプ指令３３を出すようになっていることが好ましい。なお、前記ポンプ指令３３とは、固定吐出量タイプのポンプではモータ回転数指令をいい、他の形式のポンプ例えば可変容量ポンプではその可変量指令をいう。

前記高圧ポンプ４内の燃料通路１３において、供給ポンプ８からＤＭＥの圧力を制御できる部分は、燃料通路１３の入口から圧縮部３４までの区間（この区間を入口側通路１３ａという）であり、圧縮部３４から電磁弁を含む高圧燃料出口までの区間（この区間を出口側通路という）は高圧となっている。従って、温度センサ２３及び圧力センサ２４は、燃料通路１３の入口側通路１３ａに設置される。なお、図１の図示例では、前記入口側通路１３ａが高圧ポンプ本体を水平に貫通するように配置されており、その入口側通路１３ａの後端部（右端）にリリーフ弁３１が設置されている。これにより、前記入口側通路１３ａの後端からギャラリー部（燃料通路）１３の熱を持ち去ることができ、高圧ポンプ４のギャラリー部１３の温度を下げることができる。なお、戻り管３０の下流（燃料タンク側）には開閉弁３５が設けられている。

次に、以上の構成からなるエンジン１における燃料タンク６から高圧ポンプ４に燃料を供給する供給ポンプ８の制御方法を説明する。ＥＣＵ１４は、温度センサ２３により高圧ポンプ４のギャラリー温度２１を検出すると共に、圧力センサ２４により高圧ポンプ４のギャラリー圧力２２を検出し、前記ギャラリー温度２１から蒸気圧マップ１８に従い当該ギャラリー温度２１に対応するＤＭＥの蒸気圧を算出する。一方、エンジン運転状態に応じたマージン圧力幅ΔＰを設定するために、ＥＣＵ１４は、回転速度センセ２５によりエンジン回転数を検出すると共に、アクセルセンサ２７によりアクセル開度を検出し、これらの検出値から目標噴射量を算出し、これらエンジン回転速度１５及び目標噴射量１６からマージン圧力幅マップ１７に従いエンジン運転状態に応じたマージン圧力幅ΔＰを算出する。

そして、前記蒸気圧に前記マージン圧力幅を加えて目標圧力とし、この目標圧力から現在の高圧ポンプギャラリー圧力２２を引いた差圧と、前記エンジン回転速度１５及び目標噴射量１６から算出したエンジン消費量２８とに基いてポンプ制御量が算出され、該ポンプ制御量に基いてフィードフォワードＰＩＤ制御２９により供給ポンプ８が制御される。

従って、この制御方法によれば、エンジン回転速度が低いアイドリング時ないし軽負荷時にはマージン圧力幅を固定（一定）の場合よりも小さくすることができるため、アイドリング時ないし軽負荷時における供給ポンプ８の駆動モータ９の消費電力及び供給ポンプ８の駆動音を低減することができ、バッテリの耐久性及び当該エンジンを搭載した車両の商品性を向上させることができる。

一方、前記制御方法においては、ＥＣＵ１４が、戻り燃料温度センサ３２により高圧ポンプ４からリリーフ弁３１及び戻り管３０を介して燃料タンク６に戻る戻り燃料の温度を検出しており、そのタンク戻り燃温１９から戻り量マップ２０に従い当該タンク戻り燃温１９に対応する戻り量（目標戻り量）を算出し、前記ポンプ制御量に対して目標戻り量を加えた補正を行い、この補正されたポンプ制御量をポンプ指令３３として供給ポンプ８が制御される。従って、燃料タンク６から供給管７、高圧ポンプ４内の燃料通路部１３、リリーフ弁３１及び戻り管３０を流通する燃料の循環量が増大し、例えば供給管７及び戻り管３０からの放熱による熱交換により燃料温度の低下が促進され、高圧ポンプ４内の燃料通路部１３の温度及び燃料タンク６内の燃料温度を下げることが可能となる。また、これにより、燃料クーラが不要となり、コストの低減が図れる。

以上、本発明の実施の形態を図面により詳述してきたが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲での種々の設計変更が可能である。例えば、制御装置は、タンク戻り燃温を検出し、戻り燃料の温度が所定値を超えた時に供給ポンプの回転を上げて燃料の供給量及び戻り量を増大し、戻り燃料の温度が所定値を下回る時には供給ポンプの回転を現状のままでそれ以上上げないように設定されていてもよい。

本発明の実施の形態であるジメチルエーテル用ディーゼルエンジンを概略的に示す構成図である。供給ポンプの制御を行う制御系のブロック図である。ＤＭＥの蒸気圧線図とマージン圧力幅を示す図である。ＤＭＥの蒸気圧線図である。

符号の説明

１ディーゼルエンジン
４高圧ポンプ
５ジメチルエーテル
６燃料タンク
７供給管
８供給ポンプ
１３高圧ポンプ内の燃料通路部
１４制御装置
３０戻り管
３１リリーフ弁
３２戻り燃料温度センサ

Claims

ジメチルエーテルを燃料とするディーゼルエンジンにおいて、燃料タンクに設けられ該燃料タンク内の燃料を供給管を介してエンジン側の高圧ポンプに供給する供給ポンプと、前記高圧ポンプ内の燃料通路部の燃料温度から蒸気圧を算出すると共に、エンジン運転状況から前記蒸気圧に対するマージン圧力幅を設定し、高圧ポンプ内の燃料通路部の燃料の圧力が、前記蒸気圧に前記マージン圧力を加えた目標圧力になるように前記供給ポンプを制御する制御装置とを備えたことを特徴とするジメチルエーテル用ディーゼルエンジン。
前記高圧ポンプ内の燃料通路部には、燃料圧力が所定値を越えたときに燃料通路部から燃料を戻り管を介して前記燃料タンク内に戻すリリーフ弁が設けられ、前記戻り管には燃料タンクに戻る戻り燃料の温度を検出する戻り燃料温度センサが設けられ、前記制御装置は、戻り燃料の温度が所定値を超えた時に前記供給ポンプの回転を上げて戻り燃料の戻り量を増大するように設定されていることを特徴とする請求項１記載のジメチルエーテル用ディーゼルエンジン。