JP2010196471A - 燃料供給装置、ディーゼルエンジンおよびエンジン始動制御方法 - Google Patents

燃料供給装置、ディーゼルエンジンおよびエンジン始動制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ジメチルエーテルを燃料とするディーゼルエンジンの始動性を向上させる。
【解決手段】燃料タンク1のジメチルエーテルからなる燃料を、燃料圧送ポンプP1により燃料加圧ポンプP2へ供給し、さらに燃料加圧ポンプP2からコモンレールCRを介してディーゼルエンジンに供給する燃料供給装置において、ディーゼルエンジンEのスタータモータの作動によるクランキングの時間を計測し、予め設定された時間内にディーゼルエンジンEが始動しない場合は、スタータモータを停止し、予め設定された時間または予め設定された燃料圧になるまで燃料を燃料タンク1と燃料加圧ポンプP2との間で循環させた後、再度、スタータモータを作動してクランキングを開始するようにした。
【選択図】図1

Description

本発明は、燃料供給装置、ディーゼルエンジンおよびエンジン始動制御方法に関し、更に詳しくは、ジメチルエーテル(以下、DMEと略す)を燃料とするディーゼルエンジン(以下、エンジンともいう)の始動性を向上させることが可能な燃料供給装置、ディーゼルエンジンおよびエンジン始動制御方法に関するものである。
DMEを使用したディーゼルエンジンは煤の排出が無く、クリーンなエンジンとして注目されている。DMEをディーゼルエンジンに適用する場合、DMEをエンジンの燃焼室へ直接噴射し、圧縮着火させるのが熱効率的にみて望ましい。DMEの供給方法としては軽油を燃料とするディーゼルエンジンと同様に燃料噴射装置としてコモンレール式が用いられる。この方法はエンジンに取り付けられた燃料加圧ポンプ(以下、サプライポンプ)にて燃料を加圧し、コモンレール内に加圧された燃料を保持し、インジェクタによってエンジン燃焼室に燃料を噴射する方法である。
この方法では、燃料タンクからサプライポンプまでの間は、軽油の場合には、常温で液体のため、特に加圧する必要は無いが、DMEの場合には、常温では気体であるため、液体状態でサプライポンプに送る必要がある。そのため、燃料タンク側に加圧ポンプを設け、その時の燃料温度による蒸気圧よりやや高い圧力まで加圧する必要がある。この時、燃料タンク内の燃料は5気圧程度に加圧されているので液体状態で充填されている。エンジンの運転時は、運転状況に応じて、必要な燃料流量、燃料温度などを監視しDMEが気化しない適当な供給圧に制御する場合がある。
しかし、エンジン停止状態で長時間放置したときなどでは、燃料配管中の燃料の圧力が下がってしまいDMEが気体状態になっている場合には、エンジン側のサプライポンプの周辺のDMEが液化していない状態になっている場合がある。その状態では、DMEがコモンレールへ圧送されないので、インジェクタから噴射されず、スタータでエンジンを始動しようとしても、エンジンが始動しないという不具合が発生する。
そこで、エンジンの始動に先立って、エンジンの前段の供給ポンプ内で燃料に圧力を加え、燃料圧が目標圧力値であると検出されたらスタータを駆動する方法が提案されている(例えば特許文献1参照)。
また、スタータモータが回転する前に燃料タンク側の燃料ポンプを作動させ、ある程度、燃料を循環させ、配管中の燃料を液体状態にし、その後、スタータモータを回転させてエンジンを始動する方法が考えられる。
しかし、いずれの方法の場合も、サプライポンプ側にて完全にDMEが液体状態に置き換わらない場合があり、その結果、スタータモータでクランキングする時間が長くなり、バッテリーの消耗やスタータモータの故障を招いたり、エンジン始動操作が煩雑になったりするなど、エンジンの始動性の上で問題がある。
特開2005−98260号公報
本発明の目的は、DMEを燃料とするディーゼルエンジンの始動性を向上させることが可能な燃料供給装置、ディーゼルエンジンおよびエンジン始動制御方法を提供することにある。
上記目的を達成するための本発明の燃料供給装置は、燃料タンクに貯留されたジメチルエーテルからなる燃料を、第1ポンプにより第2ポンプへ供給し、さらに第2ポンプからコモンレールを介してディーゼルエンジンに供給する燃料供給装置において、前記第1ポンプと前記第2ポンプとを接続する供給配管に設けられた第1開閉手段と、前記第2ポンプの入口の圧力および温度を検出する第1検出手段と、前記第2ポンプおよび前記コモンレールと前記燃料タンクとを接続する戻り配管に設けられた第2開閉手段と、前記戻り配管の内部の圧力を検出する第2検出手段と、前記第1、第2ポンプおよび前記第1、第2開閉手段を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記ディーゼルエンジンを始動するスタータモータの作動によるクランキングの時間を計測し、予め設定された第1時間内にディーゼルエンジンが始動しない場合は、前記スタータモータを停止し、予め設定された第2時間または予め設定された燃料圧になるまで前記燃料を前記燃料タンクと前記第2ポンプとの間で循環させた後、再度、前記スタータモータを作動してクランキングを開始する構成を有するものである。
また、本発明のエンジン始動制御方法は、ジメチルエーテルからなる燃料をディーゼルエンジンに供給するエンジン始動制御方法において、始動モードと、その後の通常運転モードとを有しており、前記始動モードは、前記ディーゼルエンジンに供給される燃料の液化を促すために前記燃料を加圧する燃料加圧工程と、前記燃料加圧工程により前記燃料の検出圧力が、予め設定された第1燃料圧になったら、前記ディーゼルエンジンのスタータモータの作動によりクランキングを開始するスタータ工程と、前記クランキングの時間を計測し、前記ディーゼルエンジンが予め設定された第1時間内に始動しない場合は、前記スタータモータの作動を停止するとともに、予め設定された第2時間または予め設定された第2燃料圧になるまで前記燃料を循環させる燃料循環工程と、前記燃料循環工程の後、再度、前記スタータモータを作動してクランキングを開始するスタータ再作動工程とを有するものである。
また、本発明のエンジン始動制御方法は、前記燃料加圧工程における前記第1燃料圧および前記第2燃料圧は、前記第1検出手段により検出される燃料温度と、前記ジメチルエーテルの蒸気圧線図とに基づいて求められる、前記ジメチルエーテルが気化しない圧力とするものである。
また、本発明のエンジン始動制御方法は、前記通常運転モードにおける前記ディーゼルエンジンへの燃料供給圧力は、前記始動モードにおける前記ディーゼルエンジンへの燃料供給圧力よりも低いものである。
本発明によれば、DMEを燃料とするディーゼルエンジンのクランキングの時間を計測し、予め設定された時間内にディーゼルエンジンが始動しない場合は、スタータモータを停止し、予め設定された時間または予め設定された燃料圧になるまで燃料を燃料タンクと第2ポンプとの間で循環させた後、再度、スタータモータを作動してクランキングを開始するので、DMEを燃料とするディーゼルエンジンの始動性を向上させることができる。
本発明の実施の形態の燃料供給装置の構成を示した図である。 図1の燃料供給装置を用いたエンジン始動制御方法のフローを示した図である。 燃料加圧工程時における燃料供給装置の状態を示した図である。 燃料循環工程時における燃料供給装置の状態を示した図である。 DMEの蒸気圧線と目標燃料圧線とを併せて示したグラフ図である。
以下、本発明の実施の形態の燃料供給装置、ディーゼルエンジンおよびエンジン始動制御方法について添付の図面を参照しながら詳細に説明する。
図1に例示する本実施の形態の燃料供給装置は、燃料タンク1内の燃料を、燃料タンク1内の燃料圧送ポンプ(第1ポンプ:以下、単に圧送ポンプという)P1により燃料加圧ポンプ(第2ポンプ:以下、サプライポンプという)P2へ供給し、さらにサプライポンプP2からコモンレールCRを介してディーゼルエンジン(以下、単にエンジンという)Eの各気筒の燃焼室に供給するコモンレール方式の燃料供給装置である。この燃料供給装置およびエンジンEはトラック等のような車両に搭載される場合を例示するが、これに限定されるものではなく、例えば船舶等に搭載しても良い。
燃料タンク1には、ジメチルエーテル(DME:CO)からなる燃料が貯留されている。DMEは、融点−138.5℃、沸点−23.7℃(1気圧)で、軽油と同程度のセタン価を有し、空気より比重が大きく、一般に空気中で分解し易いという性質を有している。燃料タンク1内のDMEは、燃料タンク1内が高圧状態(5気圧程度加圧)に維持されることにより液体の状態となっている。図1では、燃料タンク1が1つの場合を例示しているが、これに限定されるものではなく燃料タンク1を複数設けても良い。
燃料タンク1内の圧送ポンプP1は、出口バルブV1および第1電磁弁(第1開閉手段)MV1を順に介して供給配管2aに接続され、さらにこの供給配管2aを通じて上記サプライポンプP2に接続されている。圧送ポンプP1には、燃料供給圧(フィード圧)を調節する調圧装置が備えられており、燃料タンク1内の燃料は、燃料供給圧が圧送ポンプP1の調整装置により調節された状態でサプライプンプP2に圧送される。
また、この圧送ポンプP1は、制御装置(制御手段)Cに電気的に接続されており、圧送ポンプP1の動作は制御装置Cによって制御される。すなわち、制御装置Cは、圧送ポンプP1の動作を制御することにより、燃料タンク1からサプライポンプP2への燃料の供給、燃料供給圧、単位時間当たりの燃料供給量および供給停止等を制御する。
上記第1電磁弁MV1は、圧送ポンプP1の出口バルブV1の直後に設けられている。この第1電磁弁MV1は、上記制御装置Cに電気的に接続されており、電磁弁の開閉動作が制御装置Cにより制御される。すなわち、制御装置Cは、第1電磁弁MV1の開閉動作を制御することにより、燃料タンク1からサプライポンプP2への燃料の供給および遮断を制御する。
また、上記供給配管2aにおいてサプライポンプP2の入口には、センサ(第1検出手段)S1が設けられている。このセンサS1は、サプライポンプP2の入口の燃料圧および燃料温度を検出するセンサである。センサS1は、制御装置Cに電気的に接続されており、センサS1で検出された信号は制御装置Cに伝送される。
上記サプライポンプP2は、燃料をエンジンEの各気筒の燃焼室内に噴射するのに適した圧力(数10〜数100MPa)にまで高めてコモンレールCRに送る調圧ポンプであり、高圧ポンプと、燃料の吐出圧力を調整可能な圧力調整弁とを有している。
このサプライポンプP2は、複数の配管2bを通じてコモンレールCRに接続されている。このコモンレールCRには、複数の配管2cを通じて複数のインジェクタ(燃料噴射弁)Jが接続されている。コモンレールCRは、インジェクタJに供給すべき燃料を畜圧するための構成部である。
インジェクタクJは、エンジンEの各気筒の燃料室内に燃料を噴射するための構成部であり、噴射ノズルと、電磁弁とを有している。インジェクタJの噴射ノズルは、燃焼室内に高圧燃料を噴射供給する構成部である。インジェクタJの電磁弁は噴射ノズル内のニードルのリフト制御を行う構成部であり、上記制御装置Cに電気的に接続され、その動作が制御されるようになっている。
エンジンEは、車両走行時の動力源であり、エンジン始動時にクランク軸を強制的に回転させるためのスタータモータを備えている。このスタータモータは、上記制御装置Cに電気的に接続され、その動作が制御されるようになっている。また、エンジンEにはエンジンEの回転を検出する回転センサ(図しない)が設けられている。この回転センサは制御装置Cに電気的に接続されており、回転センサで検出された回転検出信号は制御信号Cに伝送される。制御装置Cは、この回転センサからの回転検出信号によりエンジンEの始動を検出する。
上記サプライポンプP2には、燃料入口に繋がる戻り配管2dを通じて、燃料タンク1への主戻り配管2eが接続されている。戻り配管2dの途中位置には逆止弁3aが介在され、サプライポンプP2から主戻り配管2eに流れた燃料が再びサプライポンプP2に逆流しないようになっている。
また、上記コモンレールCRには、プレッシャーコントロールバルブ3bおよび電磁弁V2を介して戻り配管2fが接続されている。この戻り配管2fは、上記戻り配管2dおよび主戻り配管2eに接続されている。なお、プレッシャーコントロールバルブ3bは、コモンレールCR内の燃料圧が限界設定圧を超えた際に開弁して、コモンレールCR内の圧力を限界設定圧以下に抑える圧力安全弁である。また、電磁弁V2は、エンジンEの運転状態によりコモンレールCR内の燃料圧力を下げる場合に、開放できるように設置したものである。
上記燃料タンク1への主戻り配管2eにおいて、燃料タンク1の戻りバルブV3の直前には第2電磁弁(第2開閉手段)MV2が設けられている。第2電磁弁MV2は、上記制御装置Cに電気的に接続されており、電磁弁の開閉動作が制御装置Cにより制御される。すなわち、制御装置Cは、第2電磁弁MV2の開閉動作を制御することにより、エンジンE側から燃料タンク1への燃料の戻りおよび遮断を制御する。
また、主戻り配管2eには、圧力センサ(第2検出手段)S2が設けられている。圧力センサS2は、戻り配管2e内の燃料圧を検出するセンサである。圧力センサS2は、制御装置Cに電気的に接続されており、圧力センサS2で検出された信号は制御装置Cに伝送される。なお、符号のFはフィルターを示している。
上記制御装置Cは、例えばECU(Engine Control Unit)のような電子制御ユニットである。制御装置Cは、CPU(Central Processing Unit)、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)およびタイマー等を有しており、ROMに記録されたプログラムや後述のDME蒸気圧線図情報と、RAMに読み込まれた各種センサ(検出)情報等とに基づいて各種の演算処理を行い、燃料供給装置およびエンジンE等の動作を制御することが可能になっている。
また、上記制御装置Cは、上記スタータモータの作動時間(すなわち、クランキング時間)を上記タイマーにより計測する。また、制御装置Cは、予め設定された時間(例えば5秒ほど)内にエンジンEが始動しない場合(すなわち、上記タイマーにより計測された時間が、予め設定された時間を超えてもエンジンEが始動しない場合)は、スタータモータの停止を指示し、予め設定された時間(例えば5秒ほど)またはセンサS1で検出されるサプライポンプP2の入口の燃料圧が予め設定された燃料圧(例えば3MPa)になるまで、上記圧送ポンプP1、サプライポンプP2、第1電磁弁MV1、第2電磁弁MV2を制御することで燃料を燃料タンク1とサプライポンプP2との間で循環させるように指示する。さらに制御装置Cは、その燃料の循環工程後、再度、スタータモータを作動してクランキングを開始するように指示する。
次に、本実施の形態のエンジン始動制御方法を図2のフローに沿って、図3および図4を用いて説明する。図3および図4は、それぞれ燃料加圧工程時および燃料循環工程時の状態を示しており、矢印Aは燃料の流れを示している。
まず、運転者がエンジンキーをオンにすると燃料タンク1の圧送ポンプP1が作動する(図2の工程101)。続いて、図3に示すように、第2電磁弁MV2を閉じた状態で、第1電磁弁MV1を開く。この時、圧送ポンプP1の回転速度を通常運転モード時の圧送ポンプP1の回転速度よりも高めにする。これにより、迅速に供給配管2a内の燃料圧を上げることができるので、供給配管2a内でのDMEの液化を短時間で行うことができ、エンジンEの始動性を向上させることができる(図2の工程102)。続いて、サプライポンプP2の入口での燃料圧(すなわち、センサS1により検出される燃料圧)が、予め設定された第1燃料圧になるか否かを判定する(図2の工程103)。センサS1により検出される燃料圧が、第1燃料圧にならなかった場合は、工程102までもどる。
一方、センサS1により検出された燃料圧が第1燃料圧またはそれ以上になった場合は、図4に示すように、第1、第2電磁弁MV1,MV2を開き、スタータモータの回転を許可する(図2の工程104)。この状態にならないとエンジンキーをスタータ位置にしてもスタータモータは作動しない。上記第1燃料圧は、センサS1により検出されたサプライポンプP2の入口の燃料温度においてDMEが気化しない圧力を、DMEの蒸気圧線図に基づいて制御装置Cが判断したものである。この始動モード時の第1燃料圧は、通常運転モード時よりも高くする。これにより、DMEの液化を促すことができるので、エンジンEの始動性を向上させることができる。
このような燃料加圧工程の後、スタートスイッチをオンにする(エンジンキーを代用し、スタータの位置にしてもよい)と、スタータモータが回転しクランキングを開始する。エンジンEへの燃料噴射装置は制御装置Cで制御し、通常のエンジン始動を開始する(スタータ工程、図2の工程105)。その状態でエンジンEの始動を待つ。この時、制御装置Cはスタータモータの作動によるクランキングの時間(スタータモータの作動時間)を計測し、予め設定されている時間(例えば5秒程度)内にエンジンEが始動するか否かを判定する。エンジンEの始動は上記回転センサの回転検出信号により判断する(図2の工程106)。
工程106で、予め設定されている時間内にエンジンEが始動した場合は、そのまま燃料系の始動モードを解除しリターンする。リターン後は通常運転モードに移行する。通常運転モード時のサプライポンプP2の入口での燃料圧(すなわち、エンジンEへの燃料供給圧力)は、始動モード時のサプライポンプP2の入口での燃料圧(すなわち、エンジンEへの燃料供給圧力)よりも低くする(ただし、DMEが気化しない程度とする)。これにより、通常運転モード時における電力の消費量を低減できる。このため、エンジンEの負荷を低減できるので、燃料消費性能を向上させることができる。また、バッテリーの消耗を低減できる。
一方、工程106で、予め設定されている時間内にエンジンEが始動しない場合は、工程107に進み、以下のような燃料循環制御を行う。まず、第1にスタータモータの作動を停止する。これにより、スタータモータの無駄な回転作動を低減できるので、スタータモータの故障を低減または防止できる。第2に、スタータモータを停止した後、予め設定されている時間(例えば5秒程度)またはセンサS1で検出される燃料圧が予め設定されている第2燃料圧(例えば3MPa)になるまで、燃料を燃料タンク1とサプライポンプP2との間で循環させる(燃料循環工程)。すなわち、図4に示すように、第1、第2電磁弁MV1,MV2の両方を開いた状態で、圧送ポンプP1を作動させることにより、燃料を、燃料タンク1から供給配管2a、サプライポンプP2、戻り配管2d、主戻り配管2eを通じて燃料タンク1に戻すように循環させる。上記第2燃料圧は、上記第1燃料圧と同じである(図2の工程107)。このような燃料循環工程後、工程103にて上記同様の圧力判断をした後、工程104を経て、再度、スタータモータを回転させクランキングを開始する(スタータ再作動工程、図2の工程105)。これをエンジン始動まで繰り返し自動で行う。
次に、図5は上記DME蒸気圧線図情報と目標燃料圧マップとを併せて示したグラフ図の一例である。蒸気圧線図でみた場合、横軸は燃料の温度(℃)、縦軸はDMEの蒸気圧(atm)を示す。また、目標燃料圧マップでみた場合、横軸は燃料の温度(℃)、縦軸はDMEの目標燃料圧(atm)を示す。
VP0(実線)はDMEの蒸気圧線、VP1(実線)は始動モード時の目標燃料圧線、VP2(破線)は通常運転モード時の目標燃料圧線を示している。この目標燃料圧は、サプライポンプP2の入口のセンサS1で検出される燃料圧の目標値である。目標燃料圧線VP1の圧力値は、上記予め設定された第1、第2燃料圧に相当する。
本実施の形態では、始動モード時および通常運転モード時におけるサプライポンプP2の入口の燃料圧(目標燃料圧線VP1,VP2)を、DMEが気化しないように蒸気圧(蒸気圧線VP0)よりも高くなるように設定している。ただし、上記したように通常運転モード時におけるサプライポンプP2の入口の燃料圧(目標燃料圧線VP2)が、始動モード時におけるサプライポンプP2の入口の燃料圧(目標燃料圧線VP1)よりも低くなるようにしている。これにより、通常運転モード時における電力の消費量を低減でき、エンジンEの負荷を低減できるので、燃料消費性能を向上させることができる。また、バッテリーの消耗を低減できる。なお、始動モード時の上記燃料圧と、通常運転モード時の上記燃料圧との差は、例えば0.5MPaほどである。また、制御装置CのROMには、この図5に例示したような情報が予め記録されており、制御装置Cは、これに基づいて上記制御動作を行う。
このような本実施の形態によれば、サプライポンプP2側でDMEが完全に液体状態に置き換わってからスタータモータを作動しクランキングを開始することができるので、煩雑な操作を行うことなく、スムーズにエンジンEを始動することができる。
また、サプライポンプP2側でDMEが完全に液体状態に置き換わってからスタータモータを作動しクランキングを開始するので、クランキング時間を短くすることができる。このため、スタータモータの故障とエンジン始動時のバッテリーの消耗を低減または防止することができる。したがって、DMEを燃料とするエンジンEの始動性を向上させることができる。
1 燃料タンク
2a 供給配管
2b,2c 配管
2d 戻り配管
2e 主戻り配管
2f 戻り配管
3a 逆止弁
3b プレッシャーコントロールバルブ
4 燃料クーラー
P1 燃料圧送ポンプ(第1ポンプ)
P2 燃料加圧ポンプ(第2ポンプ)
CR コモンレール
E ディーゼルエンジン
V1 出口バルブ
V2 電磁弁
V3 戻りバルブ
MV1 第1電磁弁(第1開閉手段)
MV2 第2電磁弁(第2開閉手段)
C 制御装置(制御手段)
S1 センサ(第1検出手段)
S2 圧力センサ(第2検出手段)
J インジェクタ
F フィルター

Claims (5)

  1. 燃料タンクに貯留されたジメチルエーテルからなる燃料を、第1ポンプにより第2ポンプへ供給し、さらに第2ポンプからコモンレールを介してディーゼルエンジンに供給する燃料供給装置において、
    前記第1ポンプと前記第2ポンプとを接続する供給配管に設けられた第1開閉手段と、
    前記第2ポンプの入口の圧力および温度を検出する第1検出手段と、
    前記第2ポンプおよび前記コモンレールと前記燃料タンクとを接続する戻り配管に設けられた第2開閉手段と、
    前記戻り配管の内部の圧力を検出する第2検出手段と、
    前記第1、第2ポンプおよび前記第1、第2開閉手段を制御する制御手段とを備え、
    前記制御手段は、前記ディーゼルエンジンを始動するスタータモータの作動によるクランキングの時間を計測し、予め設定された第1時間内にディーゼルエンジンが始動しない場合は、前記スタータモータを停止し、予め設定された第2時間または予め設定された燃料圧になるまで前記燃料を前記燃料タンクと前記第2ポンプとの間で循環させた後、再度、前記スタータモータを作動してクランキングを開始する構成を有する燃料供給装置。
  2. 請求項1記載の燃料供給装置を用いるディーゼルエンジン。
  3. ジメチルエーテルからなる燃料をディーゼルエンジンに供給するエンジン始動制御方法において、
    始動モードと、その後の通常運転モードとを有しており、
    前記始動モードは、
    前記ディーゼルエンジンに供給される燃料の液化を促すために前記燃料を加圧する燃料加圧工程と、
    前記燃料加圧工程により前記燃料の検出圧力が、予め設定された第1燃料圧になったら、前記ディーゼルエンジンのスタータモータの作動によりクランキングを開始するスタータ工程と、
    前記クランキングの時間を計測し、前記ディーゼルエンジンが予め設定された第1時間内に始動しない場合は、前記スタータモータの作動を停止するとともに、予め設定された第2時間または予め設定された第2燃料圧になるまで前記燃料を循環させる燃料循環工程と、
    前記燃料循環工程の後、再度、前記スタータモータを作動してクランキングを開始するスタータ再作動工程とを有するエンジン始動制御方法。
  4. 前記燃料加圧工程における前記第1燃料圧および前記第2燃料圧は、前記第1検出手段により検出される燃料温度と、前記ジメチルエーテルの蒸気圧線図とに基づいて求められる、前記ジメチルエーテルが気化しない圧力である請求項3記載のエンジン始動制御方法。
  5. 前記通常運転モードにおける前記ディーゼルエンジンへの燃料供給圧力は、前記始動モードにおける前記ディーゼルエンジンへの燃料供給圧力よりも低い請求項3または4記載のエンジン始動制御方法。
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