JP4064822B2 - ディーゼル燃料の蒸気放出を低減するためのディーゼル燃料再循環システム及び装置 - Google Patents

Description

本出願は、２００１年４月５日出願の米国特許仮出願出願番号第６０／２８２，３４３号、及び２００２年４月２日出願の出願番号未定の米国特許出願の優先権を主張する。
本発明は、ディーゼル動力装置、特に閉鎖型ディーゼル燃料システムのための再循環燃料システムに関連するシステムを開示する。

多くの種類のディーゼル動力装置のための様々な種類の燃料供給システムが存在している。そのようなシステムは、多くの場合、燃料を空気と混合し、得られた燃料／空気混合気のディーゼル動力装置内に計量して供給することを気化器システムではなく燃料噴射システムに依存する。燃料噴射システムは、多くの場合、気化器システムとは異なり、連続的に循環する燃料供給を必要とする。連続循環燃料システムは、多くの場合、動力装置からのあらゆる未使用燃料を燃料タンクへ送り、この処理は、一定再循環として知られている。

一定再循環は、ディーゼル動力装置の「弱点」として見られてきた。何故ならば、動力装置は、多くの場合、動力装置に装着された燃料噴射システムを使用し、従って、動力装置が放出した熱によって燃料噴射システムが熱の一部をそのシステム内に捕える場合があるからである。その結果、燃料噴射システムを通じて再循環する燃料は、かなり高温になる可能性がある。この加熱された燃料は、それが燃料タンクに戻された時、動力装置により発生された熱を燃料タンクの燃料に伝達する。作動中の燃料タンクの燃料温度の上昇は、様々な理由で問題があり、ディーゼル燃料供給システムにおける燃料供給に障害を引き起こすことが知られている。

従って、戻り燃料の温度を低下させて燃料タンクの燃料の過熱を回避するために、多くの試みが為されてきた。これらの試みには、区画化された燃料タンクを利用すること、加熱燃料をタンクの主要区画内に徐々に放出する燃料タンク内の戻し装置を利用すること、及び、外部環境に熱を分配する別のシステムへ戻り燃料の熱を伝達する熱交換器／燃料冷却装置を利用することが含まれる。

環境問題に関する最近の関心と、これに応じたディーゼル燃料システムに対する環境規制の強化とにより、燃料蒸気放出(emission)の低減に関する問題も存在する。特に、加熱された戻り燃料は、燃料タンクの燃料の温度をその蒸発温度まで上昇させ、それによって燃料から放出される蒸気放出量を増大させる。この蒸気放出は、外部大気へ逃げるままに放置する場合があり、環境にとって有害であると考えられる。すなわち、ディーゼル動力車両の燃料蒸気放出を低減する必要性が存在する。

従って、これに応じて、ディーゼル燃料と、水／ディーゼル燃料噴射物、ディーゼル燃料中の水のエマルジョン、及び、ディーゼル及び天然ガス混合気のようなディーゼル燃料派生物用の燃料再循環システムにとって燃料冷却手段の必要性が存在する。この必要性は、燃料タンクのディーゼル燃料の加熱を防止することができる解決策を要求する。この解決策の１つの有利な態様は、現存の燃料供給システムを僅かに変更するだけで実施することができ、かつ、単純に実施することができ、燃料供給システムの適正作動を妨げるおそれのある複雑なシステムを防ぐということである。この必要性に対する解決策の別の有利な態様は、製造、取付け、及び保守を低コストで達成できるということである。

本発明によって開示される方法及び装置は、再循環経路及び冷却装置を含む燃料流システムの作動に関し、本方法は、燃料の温度を感知する段階と、燃料の温度が閾値温度を超えた時に冷却装置を再循環経路に挿入する段階とを含む。

開示されたシステムの以下の説明は単に例示的であり、限定する意味は全くないことを当業者は認めるであろう。開示されたシステムの他の実施形態は、これらの当業者には容易に示唆されるものである。
図１ａは、開示のディーゼル燃料再循環システム及びディーゼル燃料の蒸気放出を低減するための装置の一実施形態を示しており、全体的に参照符号１で表示されている。本システムは、ディーゼル内燃機関４とすることができるディーゼル動力装置から通常は離れて位置する燃料タンク２を含む。燃料タンク２は、ディーゼル内燃機関４上又は近傍に置くことができる燃料ポンプ６に燃料タンクを接続する燃料供給ライン５を有する。燃料ポンプ６は、燃料タンク２から燃料供給ライン５を通じて燃料を取り出し、ディーゼル内燃機関４上に装着することができる燃料噴射システム７内にその燃料を送り込む。燃料ポンプ６は、燃料噴射システム７が燃料を要求しているか否かに関係なく、その中に連続的に燃料を送り込む。燃料噴射システム７に供給された余分な燃料は、戻り燃料供給ライン８により燃料噴射システム７から取り去られる。

戻り燃料ライン８は、燃料システムを２つの回路に分割する二方弁９に結合される。第１回路は、図１ｂに個別に強調されている。再び図１ａを参照すると、二方弁９が開かれ、第１回路の戻り燃料供給ライン１１を通じて、戻り燃料を燃料ポンプ６の上流かつ燃料タンク２の下流の燃料供給ライン５上に位置する第１のＴ字コネクタ１２の中に切り換える。燃料ポンプ６と第１のＴ字コネクタ１２との間で燃料供給ライン５上に位置するサーモスタットコントローラ１３(thermostatic controller)は、二方弁９の作動を制御する。サーモスタットコントローラ１３が、燃料供給ライン５内の燃料温度が約９０°Ｆと９７°Ｆの間の領域の閾値温度、より具体的には、９５°Ｆの閾値温度に等しいか又はそれ以下であることを感知した時、サーモスタットコントローラ１３は、二方弁９に第１回路を開かせ、戻り燃料を燃料供給ライン５及び燃料噴射システム７内に戻るように再循環させる。異なる燃料システム及び条件に適応させるために、これらの実施形態で開示した温度は変えてもよい。

サーモスタットコントローラ１３が、燃料供給ライン５内の燃料（つまり、燃料タンク２からの燃料と再循環された戻り燃料との混合物）の温度が閾値温度を超える温度に達したことを感知した時、サーモスタットコントローラ１３は、二方弁９に直接再循環用の第１回路を閉じて冷却用の第２回路を開かせる。第２回路は、図１ｃにおいて個別に強調されている。
戻り燃料が二方弁９を通過する時、第２回路は、この戻り燃料を第２回路の燃料配送供給ライン１４を通じて燃料冷却装置１５内へ搬送する。燃料冷却装置１５即ち熱交換器は、燃料／空気熱交換器、車両の空調システムに結合された冷却装置等の幾つかの異なる種類が可能であろう。燃料冷却装置１５が余分な熱を取り去った後、冷却された燃料は、第２回路により、第２回路戻り燃料供給ライン１６を通じて、第１のＴ字コネクタ１２の上流かつ燃料タンク２の下流の燃料供給ライン５上に位置する第２のＴ字コネクタ１７に供給される。

図２は、ディーゼル燃料の温度を低下させる開示の方法を示している。段階３０において、本方法は、燃料の温度をモニタする。このモニタリングは、連続的又は間欠的とすることができる。このモニタリングは、図１ａのサーモスタットコントローラ１３において行うことができる。問合せ段階３２において、本方法は、燃料の温度が閾値温度よりも高いか否かを判断する。燃料温度が閾値温度よりも高い場合は、本方法は、段階３６において、第１回路を閉じて第２回路を開く。第１回路及び第２回路が既にこの状態にある場合は、本方法は、単にこの状態を維持するだけである。燃料温度が閾値温度よりも低いか又は閾値温度に等しい場合は、本方法は、第１回路を開いて第２回路を閉じる。第１回路及び第２回路が既にこの状態にある場合は、本方法は、単にこの状態を維持するだけである。

図３ａには、ディーゼル燃料の蒸気排出を低減するための開示のディーゼル燃料再循環システム及び装置の別の実施形態が全体的に参照符号２０を付して示されている。本システムは、ディーゼル内燃機関２３とすることができるディーゼル動力装置２２から普通は遠く離れて位置する燃料タンク２１を含む。燃料タンク２１は、ディーゼル内燃機関２３の上又は近傍に位置することができる燃料ポンプ２５に燃料タンクを接続する燃料供給ライン２４を有する。燃料ポンプ２５は、燃料タンク２１から燃料供給ライン２４を通じて燃料を取り出し、ディーゼル内燃機関２３上に装着することができる燃料噴射システム２６内にその燃料を送り込む。燃料ポンプ２５は、燃料噴射システム２６が燃料を要求しているか否かに拘わらず、燃料噴射システムの中に燃料を連続的に送り込む。燃料噴射システム２６に供給された余分な燃料は、戻り燃料供給ライン２７により燃料噴射システム２６から取り去られる。戻り燃料ライン２７は、より詳細に後述する三方弁２８に結合される。第１のサーモスタットコントローラ３１は、燃料ポンプ２５と上述の第１のＴ字コネクタ３０との間で燃料供給ライン２４上に位置し、三方弁２８の作動を部分的に制御する。

この実施形態における第１回路は、図３ｂに個別に強調して示されている。再び図３ａを参照すると、第１回路は、燃料噴射システム２６、燃料ポンプ２５、戻り燃料ライン２７、三方弁２８、第１のＴ字コネクタ３０、及び第１のサーモスタットコントローラ３１を含む。
この実施形態における第２回路は、図３ｃに個別に強調して示されている。再び図３ａを参照すると、第２回路は、燃料噴射システム２６、燃料ポンプ２５、戻り燃料ライン２７、三方弁２８、燃料冷却装置３３、Ｔ字コネクタ３５、燃料供給ライン２４、Ｔ字コネクタ３０、及び第１のサーモスタットコントローラ３１を含む。

引き続き図３ａを参照すると、第３回路は、戻り燃料を燃料タンク戻り供給ライン３６を通じて燃料タンク２１へ戻す。第３回路は、図３ｄに個別に強調して示されている。この第３回路はまた、燃料タンク２１の近傍で燃料供給ライン２４上に位置する第２のサーモスタットコントローラ３７を有する。この第２のサーモスタットコントローラ３７は、第１のサーモスタットコントローラ３１と同様に三方弁２８に結合される。

燃料供給ラインの始端と供給ラインの終端の燃料温度が約２０°Ｆから５０°Ｆの範囲、より具体的には約４０°Ｆの第１の閾値温度に等しいか又はそれ以下であることをサーモスタットコントローラ３１及び３７の両方が感知した時、三方弁２８は、第１及び第２回路を非作動に保ちながら、第３回路を通じて戻り燃料を燃料タンク２１へ戻すように作動される。燃料供給ライン２４の終端の燃料が第１の閾値温度を超えて約９０°Ｆと９７°Ｆの間の範囲、より具体的には約９５°Ｆの第２の閾値温度の温度範囲に達したことを第１のサーモスタットコントローラ３１が感知した時、第１のサーモスタットコントローラ３１は、必要に応じて第２のサーモスタットコントローラ３７に優先し(override)、三方弁２８を作動して第１回路を開き、第１のＴ字コネクタ３０を通じて戻り燃料を燃料噴射システムへ直接再循環し、第３及び第２回路を閉じる。第１のサーモスタットコントローラ３１が、燃料供給ライン２４の終端における燃料が第２の閾値温度に等しいか又はそれを超える温度に上昇したことを感知した時、第１のサーモスタットコントローラ３１は、第２のサーモスタットコントローラ３７に優先し、それはまた、三方弁２８を再び作動して、この場合には燃料冷却用の第２回路を開き、第１回路を閉じて第３回路を閉じた状態に維持する。

第２のサーモスタットコントローラ３７が第１の閾値よりも低い温度を感知した場合は、第２のサーモスタットコントローラ３７は、第１のサーモスタットコントローラ３１に優先し、第１及び第２回路を閉じて第３回路を開き、それによって燃料のゲル化といった幾つかの問題を生じ得る燃料タンクの燃料の過度の冷却を防止することができる。
このようにして、図３ａに開示のシステムは、高温の燃料（平均温度が第１の閾値温度を超える燃料）が燃料タンク２１に達して燃料タンク２１内の燃料を暖めることを防止する。これは、燃料タンク２１内の燃料が人工的に暖められて時期尚早に環境内に蒸気を放出することを防止する。本発明は、ディーゼル及び水の組合せやディーゼル燃料中の水のエマルジョンのようなディーゼル燃料派生物を使用する燃料システムに適合させることもできるであろう。

周囲温度が第１の閾値温度よりも低く、それと同じ温度の冷えたディーゼル内燃機関４を仮定すると、作動時には、サーモスタットコントローラ３１及び３７は、第３回路だけが開かれて戻り燃料を燃料タンク２１へ戻すように三方弁２８を設定するであろう。第１の閾値温度においては、この温度が燃料の蒸発温度よりも十分に低いので、ディーゼル燃料は、ほとんど又は全く蒸気を放出しない。ディーゼル内燃機関２３に供給されている燃料が第１の閾値温度よりも高い温度に達した場合は、第１のサーモスタットコントローラ３１は、第２回路を閉じた状態に維持しながら第３回路が閉じて第１回路が開かれるように、三方弁を作動する。第１回路が開かれて、戻り燃料を燃料供給ライン２４内に直接再循環させる。機関が継続して暖まるので、戻り燃料／タンク燃料の温度はそれに応じて上昇する。この燃料が第２の閾値温度又はそれを超える温度に達すると、第１のサーモスタットコントローラ３１は、三方弁２８を作動し、直通の第１回路を閉じて冷却用の第２回路を開き、戻り燃料をそれが燃料供給ライン２４に戻る前に燃料冷却装置３３へ送る。この時、第３回路は閉じたままである。仮に燃料冷却装置３３が戻り燃料を第２の閾値温度よりも低い温度まで冷却したとすれば、冷却用の第２回路は閉じられ、同時に直通の第１回路は再び開かれることになる。一実施形態においては、ディーゼル内燃機関２３が十分に長い時間停止され、それによって内燃機関と燃料とが第１の閾値温度よりも低い温度まで冷却されたという条件で、第３回路は、通常はディーゼル内燃機関２３の停止及び始動時のみに作動されることになる。

図４は、図３ａ〜図３ｄに示した実施形態に関連する低いディーゼル燃料温度を維持する開示の方法を示している。段階４０において、本方法は、燃料の温度をモニタする。このモニタリングは、連続的又は間欠的とすることができる。これは、図３ａのサーモスタットコントローラ３１及び３７において行うことができる。問合せ段階４１において、本方法は、燃料温度が第１の閾値温度に等しいか又はそれ以下であるか否かを判断する。燃料温度が第１の閾値温度に等しいか又はそれ以下である場合は、本方法は、段階４２において、第１回路を閉じ、第２回路を閉じ、第３回路を開く。第１、第２、及び第３回路が既にこの状態にある場合は、本方法は、単にこの状態を維持するだけである。燃料温度が第１の閾値温度よりも高い場合は、本方法は、問合せ段階４４において、燃料温度が第１の閾値温度よりも高くかつ第２の閾値温度よりも低いか否かを判断する。燃料温度が第１の閾値温度よりも高くかつ第２の閾値温度よりも低い場合は、本方法は、第１回路を開き、第２回路を閉じ、第３回路を閉じる。これらの３つの回路が既にこの状態にある場合は、本方法は、単にこの状態を維持するだけである。問合せ段階４４において、燃料温度が第１の閾値温度よりも高くかつ第２の閾値温度よりも低い温度ではないと判断した場合、段階４８において、本方法は、第１回路を閉じ、第２回路を開き、第３回路を閉じる。これらの３つの回路が既にこの状態にある場合は、本方法は、単にこの状態を維持するだけである。
本発明の実施形態及び用途を示して説明したが、本明細書の概念から逸脱することなく上述の内容に更に多くの変更が可能であることは当業者には明らかであろう。従って、本発明は、特許請求の範囲の精神による以外は限定されない。

本発明の好ましい実施形態の概略図である。 第１の流体回路を示す概略図である。 第２の流体回路を示す概略図である。 開示された方法の一実施形態を示す流れ図である。 本発明の別の実施形態の概略図である。 第１の流体回路を示す概略図である。 第２の流体回路を示す概略図である。 第３の流体回路を示す概略図である。 開示された方法の一実施形態を示す流れ図である。

符号の説明

２ 燃料タンク
４ ディーゼル内燃機関
５ 燃料供給ライン
６ 燃料ポンプ
７ 燃料噴射システム
８、１１、１６ 戻り燃料供給ライン
９ 二方弁
１２、１７ Ｔ字コネクタ
１３ サーモスタットコントローラ
１５ 燃料冷却装置

Claims (16)

1. 燃料ポンプと、
   燃料を前記燃料ポンプへ再循環させるための第１の回路と、
   冷却装置と、
   燃料を前記冷却装置を通じて前記燃料ポンプへ再循環させるための第２の回路と、
   燃料タンクと、
   燃料を前記燃料タンクを通じて前記燃料ポンプへ再循環させるための第３の回路と、
   サーモスタットと、
   前記燃料ポンプと流れ連通している弁であって、前記燃料が第１の閾値温度よりも低い温度の時に燃料の流れを前記第３の回路を通るように方向付けし、前記燃料が第１の閾値温度よりも高いが第２の閾値温度よりも低い温度の時に燃料の流れを前記第１の回路を通るように方向付けし、前記燃料が前記第２の閾値温度よりも高い温度の時に燃料の流れを前記第２の回路を通るように方向付けするための前記サーモスタットにより制御されている弁と、
   を含むことを特徴とする燃料再循環システム。
2. 燃料ポンプ、冷却装置、及び燃料タンクを含む燃料システムの燃料の流れを制御する方法であって、
   燃料温度が第１の閾値温度よりも低い場合に、前記燃料ポンプ及び燃料タンクを通じて流れを再循環させる段階と、
   前記燃料温度が第１の閾値温度よりも高くかつ第２の閾値温度よりも低い場合に、前記燃料ポンプを通じて流れを再循環させる段階と、
   前記燃料温度が第２の閾値温度よりも高い場合に、前記燃料ポンプ及び冷却装置を通じて燃料を再循環させる段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
3. 燃料温度が第１の閾値温度よりも低い場合に、定容量燃料ポンプ及び燃料タンクを通じて燃料を再循環させる段階と、
   前記燃料温度が第１の閾値温度よりも高くかつ第２の閾値温度よりも低い場合に、前記定容量燃料ポンプを通じて燃料を再循環させる段階と、
   前記燃料温度が第２の閾値温度よりも高い場合に、前記定容量燃料ポンプおよび直列の冷却装置を通じて燃料を再循環させる段階と、
   を含むことを特徴とする、定容量燃料ポンプを作動させる方法。
4. 再循環経路及び冷却装置を含む燃料流システムを作動させる方法であって、
   燃料の温度を感知する段階と、
   前記燃料の温度が第１の閾値温度よりも低い時に、燃料タンクを再循環経路に挿入する段階と、
   前記燃料の温度が第１の閾値温度よりも高くかつ第２の閾値温度よりも低い時に、前記燃料タンクを前記再循環経路から除去する段階と、
   前記燃料の温度が第２の閾値温度よりも高い時に、前記冷却装置を前記再循環経路に挿入する段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
5. 燃料ポンプと、
   前記燃料ポンプの入口の近くに位置した第１のサーモスタットコントローラと、
   燃料を前記燃料ポンプへ再循環させるための第１の回路と、
   冷却装置と、
   燃料を前記冷却装置を通じて前記燃料ポンプへ再循環させるための第２の回路と、
   燃料タンクと、
   燃料を前記燃料タンクを通じて前記燃料ポンプへ再循環させるための第３の回路と、
   前記燃料タンクの出口の近くに位置した第２のサーモスタットコントローラと、
   前記燃料ポンプと流れ連通している弁であって、前記第１及び第２のサーモスタットコントローラの両方により測定された前記燃料の平均温度が第１の閾値温度よりも低い時に、燃料の流れを前記第３の回路を通るように方向付けし、前記第１及び第２のサーモスタットコントローラの両方により測定された前記燃料の前記平均温度が第１の閾値温度よりも高いが第２の閾値温度よりも低い温度の時に、燃料の流れを前記第１の回路を通るように方向付けし、前記第１及び第２のサーモスタットコントローラの両方により測定された前記燃料の前記平均温度が前記第２の閾値温度よりも高い温度の時に、燃料の流れを前記第２の回路を通るように方向付けするため、サーモスタットにより制御されている弁と、
   を含むことを特徴とする燃料再循環システム。
6. 前記第２のサーモスタットコントローラが前記第１の閾値温度よりも低い燃料温度を測定した場合に、前記第２のサーモスタットコントローラは、前記第１のサーモスタットコントローラに優先し、前記弁を制御して燃料の流れを前記第３の回路を通るように方向付けすることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
7. 前記第１のサーモスタットコントローラが前記第１の閾値温度よりも高い燃料温度を測定した場合に、前記第１のサーモスタットコントローラは、前記第２のサーモスタットコントローラに優先し、前記弁を制御して燃料の流れを前記第１の回路を通るように方向付けすることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
8. 前記第１のサーモスタットコントローラが前記第２の閾値温度よりも高い燃料温度を測定した場合に、前記第１のサーモスタットコントローラは、前記第２のサーモスタットコントローラに優先し、前記弁を制御して燃料の流れを前記第２の回路を通るように方向付けすることを特徴とする請求項５に記載のシステム。
9. 前記第１の閾値温度は、９０°Ｆから９７°Ｆの温度範囲から選択されることを特徴とする請求項１、５、６、７、又は８のいずれか１項に記載のシステム。
10. 前記第１の閾値温度は、９０°Ｆから９７°Ｆの温度範囲から選択されることを特徴とする請求項２、３、又は４のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記第１の閾値温度は、９５°Ｆであることを特徴とする請求項１、５、６、７、又は８のいずれか１項に記載のシステム。
12. 前記第１の閾値温度は、９５°Ｆであることを特徴とする請求項２、３、又は４のいずれか１項に記載の方法。
13. 前記第２の閾値温度は、２０°Ｆから５０°Ｆの温度範囲から選択されることを特徴とする請求項１、５、６、７、又は８のいずれか１項に記載のシステム。
14. 前記第２の閾値温度は、２０°Ｆから５０°Ｆの温度範囲から選択されることを特徴とする請求項２、３、又は４のいずれか１項に記載の方法。
15. 前記第２の閾値温度は、４０°Ｆであることを特徴とする請求項１、５、６、７、又は８のいずれか１項に記載のシステム。
16. 前記第２の閾値温度は、４０°Ｆであることを特徴とする請求項２、３、又は４のいずれか１項に記載の方法。

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