JP2010174692A - 液化ガス燃料供給装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】液化ガスを燃料とした内燃機関の液化ガス燃料供給装置において、従来よりも燃料噴射部における液化ガス燃料の噴射特性が不安定となることを抑制する。
【解決手段】液化ガス燃料としてDME燃料が充填された燃料タンク2と、燃料タンク2から供給されたDME燃料を加圧して、内燃機関のインジェクタ6に送出する高圧ポンプ4と、燃料タンク2から高圧ポンプ4にDME燃料を供給するフィードポンプ3と、フィードポンプ3から高圧ポンプ4に供給されるDME燃料を冷却する燃料冷却装置10とを備え、燃料冷却装置10は、冷却媒体として液化ガス燃料が流れる冷却回路11、冷却回路11を流れるDME燃料を冷却する放熱器12、放熱器12で冷却したDME燃料を気化させる燃料気化器13、および燃料気化器13でのDME燃料の気化熱によって高圧ポンプ4に供給されるDME燃料を冷却する冷却器8を含んで構成されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、液化ガスを燃料とした内燃機関の液化ガス燃料供給装置に関する。
従来、DME(ジメチルエーテル)等の液化ガスを燃料とした内燃機関の燃料供給装置が知られている。液化ガス燃料は、軽油と比較して沸点が低く、気化しやすい特性があり、燃料噴射ノズル(インジェクタ)に圧送される際の温度上昇によって気化することで、燃料の噴射特性が安定しないといった問題がある。
この問題の対応策として、特許文献1では、燃料噴射ノズルにDME燃料を圧送するためのインジェクションポンプ(高圧ポンプ)の油溜室内に供給されたDME燃料を、油溜室外に配置された油溜室燃料冷却装置に送出して冷却し、再び油溜室に戻すことで、油溜室内のDME燃料の温度を調整している。ここで、油溜室燃料冷却装置は、DME燃料を冷却媒体とする冷却サイクルを備え、冷却サイクル内のDME燃料を気化させて、その気化熱を利用して油溜室内のDME燃料を冷却している。
特開2004−27863号公報
しかしながら、特許文献1に記載の燃料供給装置では、冷却サイクル内のDME燃料の気化熱で冷却されたDME燃料および燃料タンクからのDME燃料といった異なる温度の燃料が混合された状態で高圧ポンプに供給される構成となっている。そのため、高圧ポンプに供給されるDME燃料の温度が不安定となり、インジェクタに圧送される際に気化する虞がある。
また、高圧ポンプに供給されるDME燃料を冷却する冷却媒体として、燃料タンク内のDME燃料を直接用いており、冷却媒体の温度が充分に低下していない場合が想定される。そのため、冷却媒体の気化熱を利用して油溜室内のDME燃料する際の冷却効果が不充分となる虞がある。
その結果、特許文献1に記載の燃料供給装置においても、DME燃料の気化に起因する燃料の噴射特性が不安定になるといった問題がある。なお、このような問題は、DME燃料に限らず、LPG等の他の液化ガス燃料においても発生し得る。
本発明は上記点に鑑みて、液化ガスを燃料とした内燃機関の液化ガス燃料供給装置において、従来よりも液化ガス燃料の噴射特性が不安定となることを抑制することを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、液化ガス燃料が充填された燃料タンク(2)と、燃料タンク(2)から供給された液化ガス燃料を加圧して、内燃機関の燃料噴射部(6)に送出する高圧ポンプ(4)と、燃料タンク(2)から高圧ポンプ(4)に液化ガス燃料を供給する燃料供給手段(3)と、燃料供給手段(3)から高圧ポンプ(4)に供給される液化ガス燃料を冷却する燃料冷却手段(10)とを備え、燃料冷却手段(10)は、冷却媒体として液化ガス燃料が流れる冷却回路(11)と、冷却回路(11)を流れる液化ガス燃料を冷却する放熱器(12)と、放熱器(12)で冷却した液化ガス燃料を気化させる燃料気化器(13)と、燃料気化器(13)での液化ガス燃料の気化熱によって高圧ポンプ(4)に供給される液化ガス燃料を冷却する冷却器(8)と、を含んで構成されていることを特徴とする。
これによれば、燃料冷却手段(10)で冷却した液化ガス燃料のみを高圧ポンプ(4)に供給する構成なので、高圧ポンプ(4)に、安定して低い温度の液化ガス燃料を供給することができる。さらに、燃料冷却手段(10)は、冷却媒体である液化ガス燃料を放熱器(12)で冷却し、温度を充分に低下させた状態で気化させる構成なので、冷却器(8)における高圧ポンプ(4)に供給される液化ガス燃料の冷却効果を向上させることできる。
従って、従来の液化ガス燃料供給装置よりも、燃料噴射部(6)における液化ガス燃料の噴射特性が不安定となることを抑制することができる。
また、請求項2に記載の発明のように、請求項1に記載の液化ガス燃料供給装置において、冷却回路(11)には、燃料タンク(2)内の液化ガス燃料が流れるように構成されている場合、燃料タンク(2)内の比較的低温の液化ガス燃料をさらに放熱器(12)で冷却することで、冷却媒体としての液化ガス燃料と高圧ポンプ(4)に供給する液化ガス燃料との温度差を確保することができる。そのため、燃料冷却手段(10)における高圧ポンプ(4)に供給する液化ガス燃料の冷却効果を向上させることができる。
また、請求項3に記載の発明のように、請求項1に記載の液化ガス燃料供給装置において、冷却回路(11)には、燃料噴射部(6)においてオーバーフローした液化ガス燃料が流れるように構成されている場合、燃料噴射部(6)にてオーバーフローした液化ガス燃料を冷却媒体として有効に利用することができる。
また、請求項4に記載の発明のように、請求項1に記載の液化ガス燃料供給装置において、冷却回路(11)は、高圧ポンプ(4)においてオーバーフローした液化ガス燃料が流れるように構成されている場合、高圧ポンプ(4)内から流出した液化ガス燃料を冷却媒体として有効に利用することができる。
また、請求項5に記載の発明のように、請求項1に記載の液化ガス燃料供給装置において、高圧ポンプ(4)から送出された高圧状態の液化ガス燃料を蓄えるとともに、蓄えた液化ガス燃料を燃料噴射部(6)に送出する蓄圧器(5)と、蓄圧器(5)内の圧力が所定圧力以上になると、蓄圧器(5)内から液化ガス燃料を流出させる圧力調整手段(5a)とを備え、冷却回路(11)には、蓄圧器(5)から圧力調整手段(5a)を介して流出した液化ガス燃料が流れるように構成されている場合、蓄圧器(5)内から流出した液化ガス燃料を冷却媒体として有効に利用することができる。
具体的には、請求項6に記載の発明のように、請求項1ないし5のいずれか1つに記載の液化ガス燃料供給装置において、液化ガス燃料をDME燃料とすることができる。
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
本発明の第1実施形態に係る液化ガス燃料供給装置の概略構成図である。 フィード燃料冷却器の概略構成図である。 本発明の第2実施形態に係る液化ガス燃料供給装置の概略構成図である。 本発明の第3実施形態に係る液化ガス燃料供給装置の概略構成図である。 本発明の第4実施形態に係る液化ガス燃料供給装置の概略構成図である。
(第1実施形態)
以下、本発明の第1実施形態について説明する。図1は、第1実施形態に係る燃料供給装置の概略構成を示す図である。
本実施形態の液化ガス燃料供給装置1(以下、単に燃料供給装置と称する。)は、液化ガスとしてDME(ジメチルエーテル)を燃料とした内燃機関(エンジン)の燃料供給装置である。図1に示すように、燃料供給装置1は、燃料タンク2、フィードポンプ3、高圧ポンプ4、コモンレール5、インジェクタ6、燃料冷却装置10等を主な構成要素として備えている。なお、これらの構成要素は、各燃料通路7等で接続されている。
燃料タンク2は、液化ガス燃料としてDME燃料を貯蔵するものである。ここで、燃料タンク2としては、DME燃料を貯蔵しておくことができるものであれば特に制限されるものではない。
燃料タンク2内には、フィードポンプ3が配設されている。このフィードポンプ3は、燃料タンク2とフィードポンプ3間を接続するフィードパイプ7aを介して燃料タンク1内の液相のDME燃料を高圧ポンプ4に供給する燃料供給手段を構成している。フィードポンプ3は、例えば、電動ポンプが用いられて、後述する制御装置(図示せず)の指令信号等に基づいて所定流量のDME燃料が高圧ポンプ4に圧送されるようになっている。ここで、フィードポンプ3の燃料吸込口等にはフィルタ(図示せず)が設けられており、このフィルタによって、燃料タンク2内のDME燃料に混入した異物を捕集している。
高圧ポンプ4は、フィードポンプ2から供給されたDME燃料を所定圧力まで加圧して、加圧したDME燃料をコモンレール5に供給するものである。高圧ポンプ4は、例えば、内燃機関の駆動力によって駆動されるものを用いてもよいし、電動ポンプを用いてもよい。
高圧ポンプ4は、高圧ポンプ4内の圧力が所定圧力以上となった場合に、高圧ポンプ4の外部にDME燃料を流出させる調圧弁(オーバーフローバルブ)4aを有している。また、高圧ポンプ4には、調圧弁4aから流出したDME燃料、つまり高圧ポンプ4から流出したDME燃料を燃料タンク2に戻すための戻し通路4bが接続されている。
コモンレール5は、高圧燃料パイプ7bを介して高圧ポンプ4で加圧されたDME燃料を高圧に維持したまま蓄積する蓄圧器を構成しており、複数のインジェクタパイプ7bを介して各インジェクタ6に接続されている。なお、図1では、説明の便宜のため、内燃機関の1つの気筒に対応するインジェクタ6およびインジェクタ通路7bを図示し、他の気筒に対応するインジェクタ6等の図示を省略している。
コモンレール5は、コモンレール5内の圧力が所定圧力以上となった場合に、コモンレール5の外部にDME燃料を流出させる圧力調整手段を構成するプレッシャリミッタ(安全弁)5aを有している。また、コモンレール5には、コモンレール5においてオーバーフローしたDME燃料、つまり、プレッシャリミッタ5aから流出したDME燃料(リーク燃料)を燃料タンク2に戻すための戻し通路5bが接続されている。
インジェクタ(燃料噴射弁)6は、後述する制御装置(図示せず)に制御されて所定時期に所定の期間開弁して、コモンレール5から供給されるDME燃料を内燃機関の各気筒内に噴射する燃料噴射部を構成している。具体的にインジェクタ6は、その内部に形成された背圧室の燃料圧力が制御されることにより開弁・閉弁が制御されるようになっている。
ここで、インジェクタ6には、インジェクタ6においてオーバーフローしたDME燃料(リーク燃料)を燃料タンク2に戻すための戻し通路6aが接続されている。このインジェクタ6においてオーバーフローしたDME燃料は、インジェクタ6に送出されたDME燃料の余剰燃料やインジェクタ内部に形成された背圧室から排出された燃料が挙げられる。
なお、上述した各戻し通路4b、5b、6aには、リーク燃料が気化することを防止するための燃料クーラ(図示せず)が設けられ、燃料クーラによって各リーク燃料が冷却されて燃料タンク2に戻されるようになっている。
ところで、DME燃料等の液化ガス燃料は、軽油に比べて、沸点が低く、気化しやすい特性を有している。そのため、DME燃料がインジェクタ6に至るまでの間に、昇温されて気化することで、インジェクタ6における噴射特性が不安定となる問題がある。
本実施形態では、燃料タンク4のDME燃料が高圧ポンプ4等を介してインジェクタ6に送出されるまでの間に気化することを抑制するために、高圧ポンプ4の供給されるDME燃料を冷却する燃料冷却装置(燃料冷却手段)10を備えている。この燃料冷却装置10は、冷却回路11、放熱器12、燃料気化器13、冷却器8、コンプレッサ14、凝縮器15を主要な構成要素として備えている。
冷却回路11は、各構成要素を接続するとともに、冷却媒体として燃料タンク2内のDME燃料を循環させる循環通路を構成している。冷却回路11における燃料タンク2の下流側には、冷却媒体としてのDME燃料を外気等との間で熱交換して冷却する放熱器12が設けられている。
放熱器12の下流側には、放熱器12で冷却されたDME燃料を減圧することで気化させるための燃料気化器13が設けられている。燃料気化器13の下流側には、燃料気化器13で気化されたDME燃料の気化熱によって高圧ポンプ4に供給されるDME燃料(フィード燃料)を冷却する冷却器8が設けられている。
具体的には、冷却器8は、図2に示すように、燃料気化器13の出口側と連通するハウジング8aの内部に、フィードパイプ7aの一部が通過するように構成されている。冷却器8では、燃料気化器13で気化したDME燃料の気化熱によって、フィードパイプ7a内のDME燃料、すなわち高圧ポンプ4に供給されるDME燃料(フィード燃料)が冷却される。なお、フィードパイプ7aは、熱交換面積を増大させるためにハウジング8a内において蛇行した形状としている。
また、冷却器8のハウジング8aには、コンプレッサ14の吸入側に連通する連通路が形成されている。コンプレッサ14は、冷却媒体としてのDME燃料を燃料タンク2から冷却器8に導入するとともに、冷却器8から燃料タンク2に排出する循環ポンプ、および燃料タンク2に戻すDME燃料を加圧する加圧ポンプとして機能している。
コンプレッサ14の下流側には、気化したDME燃料を液化させるための凝縮器15が設けられている。なお、凝縮器15内のDME燃料と放熱器12内のDME燃料とが熱交換しないように構成されている。
ここで、本実施形態の放熱器12および凝縮器15は、ファン16によって導入された外気と熱交換して冷却される。なお、ファン16は、放熱器12および凝縮器15のそれぞれ設ける構成としてもよい。凝縮器15の出口側は、燃料タンク2に接続されており、凝縮器15で凝縮されたDME燃料が燃料タンク2に戻る。
燃料供給装置10を構成するインジェクタ6、フィードポンプ3、コンプレッサ14等は、それぞれ制御装置(図示せず)にて制御される。制御装置は、CPU、ROM、RAM等からなる周知のマイクロコンピュータを備え、マイクロコンピュータは、各種センサ情報等に基づいて内部に記憶された各種処理を実行するように構成されている。
次に、上記構成の燃料供給装置10の作動を説明する。まず、燃料タンク2内のDME燃料がフィードポンプ3からフィードパイプ7aを介して高圧ポンプ4に供給される。ここで、高圧ポンプ4に供給されるDME燃料は、燃料タンク2と高圧ポンプ4との間に配置された燃料冷却装置10の冷却器8で冷却される。
つまり、従来の燃料供給装置のように、冷却したDME燃料と燃料タンク内のDME燃料とを混合して高圧ポンプに供給するのではなく、高圧ポンプ4には冷却器8で冷却されたDME燃料のみが供給される。そのため、高圧ポンプ4には、安定して低い温度のDME燃料が供給されることになる。
フィードポンプ3から供給されたDME燃料は、高圧ポンプ4にて加圧されるともに、高圧燃料パイプ4aを介してコモンレール5に送出されて蓄積される。そして、コモンレール5内に蓄積されたDME燃料がインジェクタパイプ7dを介してインジェクタ6に送出されて内燃機関の各気筒内に噴射される。各気筒内に噴射されたDME燃料が圧縮着火して内燃機関が駆動される。
ここで、燃料冷却装置10では、コンプレッサ14の作動によって冷却媒体としてのDME燃料が燃料タンク2から放熱器12に流入して冷却される。放熱器12で冷却されたDME燃料が、燃料気化器13で気化するとともに冷却器8において気化熱によってフィードパイプ4b内のDME燃料が冷却される。その後、気化したDME燃料をコンプレッサ14で加圧するとともに、凝縮器15で液化して燃料タンク2に戻す。
以上説明したように、本実施形態の燃料供給装置1は、冷却器8で冷却したDME燃料のみを高圧ポンプ4に供給する構成なので、高圧ポンプ4に安定して低い温度のDME燃料を供給することができる。さらに、冷却媒体であるDME燃料を放熱器12で冷却し、温度を充分に低下させた状態で気化させる構成なので、高圧ポンプ4に供給するDME燃料の冷却効果を向上させることできる。
従って、従来の燃料供給装置10よりも、インジェクタ6におけるDME燃料の噴射特性が不安定となることを抑制することができる。
また、本実施形態の燃料供給装置1では、冷却回路11に燃料タンク2内のDME燃料が流れるように構成しているので、燃料タンク2内の比較的低温のDME燃料を冷却媒体として用いることができる。そのため、燃料冷却装置10の冷却器8における冷却効果をより向上させることができる。
(第2〜4実施形態)
次に、本発明の第2〜4実施形態について図3〜図5に基づいて説明する。第2〜第4実施形態における燃料供給装置1は、第1実施形態における燃料供給装置1に対して、冷却媒体としてのDME燃料の流通経路が異なっている。なお、以下の説明では、上記第1実施形態と同様または均等な部分について同一の符号を付し、その説明を省略する。
まず、第2実施形態について図3に基づいて説明する。ここで、図3は、第2実施形態に係る燃料供給装置の概略構成を示す図である。
図3に示すように、冷却回路11には、インジェクタ6においてオーバーフローしたDME燃料(リーク燃料)が流れるように構成されている。具体的には、インジェクタ6の戻し通路6aを冷却回路11として構成している。
そのため、インジェクタ6においてオーバーフローしたDME燃料は、放熱器12で冷却された後、燃料気化器13で気化され、その気化熱によって冷却器8において高圧ポンプ4に供給されるDME燃料を冷却する。その後、気化したDME燃料をコンプレッサ14で加圧するとともに、凝縮器15で液化して燃料タンク2に戻す。
これによれば、インジェクタ6においてオーバーフローしたDME燃料を、高圧ポンプ4を冷却する冷却媒体として有効に利用することができる。
次に、第3実施形態について図4に基づいて説明する。ここで、図4は、第3実施形態に係る燃料供給装置の概略構成を示す図である。
図4に示すように、冷却回路11には、高圧ポンプ4においてオーバーフローしたDME燃料(リーク燃料)、つまり、高圧ポンプ4の調圧弁4aから流出したDME燃料が流れるように構成されている。具体的には、高圧ポンプ4において調圧弁4aを介して外部にDME燃料を流出させる戻し通路4bを冷却回路11として構成している。
そのため、高圧ポンプ4においてオーバーフローしたDME燃料は、放熱器12で冷却された後、燃料気化器13で気化され、その気化熱によって冷却器8において高圧ポンプ4に供給されるDME燃料を冷却する。その後、気化したDME燃料をコンプレッサ14で加圧するとともに、凝縮器15で液化して燃料タンク2に戻す。
これによれば、高圧ポンプ4においてオーバーフローしたDME燃料を、高圧ポンプ4を冷却する冷却媒体として有効に利用することができる。なお、高圧ポンプ4においてオーバーフローしたDME燃料は、高圧ポンプ4の調圧弁4aから流出したDME燃料に限定されない。
次に、第4実施形態について図5に基づいて説明する。ここで、図5は、第4実施形態に係る燃料供給装置の概略構成を示す図である。
図4に示すように、冷却回路11には、コモンレール(蓄圧器)5においてオーバーフローしたDME燃料(リーク燃料)、つまり、コモンレール5のプレッシャリミッタ(圧力調整手段)5aから流出したDME燃料が流れるように構成されている。具体的には、コモンレール5においてプレッシャリミッタ5aを介して外部にDME燃料を流出させる戻し通路5bを冷却回路11として構成している。
そのため、コモンレール5のプレッシャリミッタ5aから流出したDME燃料は、放熱器12で冷却された後、燃料気化器13で気化され、その気化熱によって冷却器8において高圧ポンプ4に供給されるDME燃料を冷却する。その後、気化したDME燃料をコンプレッサ14で加圧するとともに、凝縮器15で液化して燃料タンク2に戻す。
これによれば、コモンレール5のプレッシャリミッタ5aから流出したDME燃料を、高圧ポンプ4を冷却する冷却媒体として有効に利用することができる。なお、第2〜第4実施形態に係る燃料供給装置1の構成を適宜組み合わせてもよい。例えば、各戻し通路4b、5b、6aをそれぞれ冷却回路11として構成してもよい。
(他の実施形態)
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々変形可能であり、それらも本願発明の範囲に含まれるものであることは言うまでもない。
例えば、上述の実施形態では、燃料供給装置1は、高圧ポンプ4で加圧したDME燃料をコモンレール(蓄圧器)5に蓄積するコモンレール5を備える構成としたが、コモンレール5を備えない構成であってもよい。
また、燃料冷却装置10の冷却器8は、図2に示すものに限定されず、冷却媒体としてのDME燃料と高圧ポンプ4に供給するDME燃料とを熱交換可能なものであれば冷却器として採用することができる。
また、上述の実施形態では、液化ガス燃料としてDME燃料を用いた場合について説明したが、DME燃料に限らず、LPG等の液化ガスを燃料としてもよい。
2 燃料タンク
3 フィードポンプ(燃料供給装置)
4 高圧ポンプ
5 コモンレール(蓄圧器)
6 インジェクタ(燃料噴射部)
8 冷却器
10 燃料冷却装置(燃料冷却手段)
11 冷却回路
12 放熱器
13 燃料気化器

Claims (6)

  1. 液化ガス燃料が充填された燃料タンク(2)と、
    前記燃料タンク(2)から供給された前記液化ガス燃料を加圧して、内燃機関の燃料噴射部(6)に送出する高圧ポンプ(4)と、
    前記燃料タンク(2)から前記高圧ポンプ(4)に前記液化ガス燃料を供給する燃料供給手段(3)と、
    前記燃料供給手段(3)から前記高圧ポンプ(4)に供給される前記液化ガス燃料を冷却する燃料冷却手段(10)とを備え、
    前記燃料冷却手段(10)は、
    冷却媒体として前記液化ガス燃料が流れる冷却回路(11)と、
    前記冷却回路(11)を流れる前記液化ガス燃料を冷却する放熱器(12)と、
    前記放熱器(12)で冷却した前記液化ガス燃料を気化させる燃料気化器(13)と、
    前記燃料気化器(13)での前記液化ガス燃料の気化熱によって前記高圧ポンプ(4)に供給される前記液化ガス燃料を冷却する冷却器(8)と、
    を含んで構成されていることを特徴とする液化ガス燃料供給装置。
  2. 前記冷却回路(11)には、前記燃料タンク(2)内の前記液化ガス燃料が流れるように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の液化ガス燃料供給装置。
  3. 前記冷却回路(11)には、前記燃料噴射部(6)においてオーバーフローした前記液化ガス燃料が流れるように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の液化ガス燃料供給装置。
  4. 前記冷却回路(11)は、前記高圧ポンプ(4)においてオーバーフローした前記液化ガス燃料が流れるように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の液化ガス燃料供給装置。
  5. 前記高圧ポンプ(4)から送出された高圧状態の前記液化ガス燃料を蓄えるとともに、蓄えた前記液化ガス燃料を前記燃料噴射部(6)に送出する蓄圧器(5)と、
    前記蓄圧器(5)内の圧力が所定圧力以上となった場合に、前記蓄圧器(5)から前記液化ガス燃料を流出させる圧力調整手段(5a)とを備え、
    前記冷却回路(11)は、前記蓄圧器(5)から前記圧力調整手段(5a)を介して流出した前記液化ガス燃料が流れるように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の液化ガス燃料供給装置。
  6. 前記液化ガス燃料は、DME燃料であることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1つに記載の液化ガス燃料供給装置。
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