JP4168893B2

JP4168893B2 - 燃料供給装置

Info

Publication number: JP4168893B2
Application number: JP2003335478A
Authority: JP
Inventors: 武志徳丸
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2003-09-26
Filing date: 2003-09-26
Publication date: 2008-10-22
Anticipated expiration: 2023-09-26
Also published as: JP2005098260A

Description

本発明は、常温常圧下では気体となる燃料を液体としてエンジンに供給するための燃料供給装置に関するものである。

近年、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）を燃料として用いるＤＭＥエンジンが脚光を浴びつつある。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く無害といわれている。

係るＤＭＥは常温常圧下では気体となる。従って、ＤＭＥを燃料として用いる場合、燃料（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、燃料の気化により燃料中に気泡が混入し、エンジンの回転が不安定となり、燃料通路や燃料供給ポンプ内でキャビテーションが生じたりするからである。

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、燃料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のが好ましい。

そこで、燃料通路内のＤＭＥ温度を検出し、検出されたＤＭＥ温度とＤＭＥの蒸気圧線図とに基づいて供給ポンプのフィード圧の目標値を決定し、その目標値に従って供給ポンプを制御する装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この装置によれば、ＤＭＥを適切に加圧してエンジンに供給することが可能となる。

特開２００１−１１５９１６号公報

ところが、上述したようにＤＭＥは常温常圧下では気体となるため、エンジンの始動時に、燃料通路内のＤＭＥが気化している場合がある。この場合、ＤＭＥの正確な温度測定が困難となり、供給ポンプのフィード圧の目標値を適切に設定することができなくなる。その結果、エンジン始動の長期化、供給ポンプの駆動電力の増大、摺動不良による供給ポンプの破損などを引き起こすおそれがある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、エンジンの始動を良好に行うことができる燃料供給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、燃料タンク内に貯留され、常温常圧下では気体となる燃料を、１つ又は複数の供給ポンプにより液体として高圧ポンプへ供給し、エンジンのクランク軸の回転により駆動される上記高圧ポンプにより上記燃料をエンジンに供給するようにした燃料供給装置であって、
エンジンルームの温度を検出するエンジンルーム温度検出手段と、
上記高圧ポンプの入口側圧力を検出する圧力検出手段と、
上記供給ポンプ及びエンジンのスタータモータを制御する制御装置とを備え、
上記制御装置は、エンジンの始動に際して、上記エンジンルーム温度検出手段により検出されたエンジンルーム温度と燃料の蒸気圧線図とに基づいて、燃料の飽和蒸気圧以上である高圧ポンプ入口側目標圧力を決定し、上記圧力検出手段により検出された圧力が上記目標圧力未満である間は上記供給ポンプのみを駆動し、上記圧力検出手段により検出された圧力が上記目標圧力以上となったならば、上記供給ポンプ及び上記スタータモータを駆動することを特徴とする。

また、燃料通路内の燃料の温度を検出する燃料温度検出手段を更に備え、上記制御装置が、エンジンの運転時に、上記燃料温度検出手段により検出された燃料温度と燃料の蒸気圧線図とに基づいて、燃料の飽和蒸気圧以上である高圧ポンプ入口側目標圧力を決定し、上記圧力検出手段により検出される圧力が上記目標圧力となるように上記供給ポンプを制御するようにしても良い。

本発明によれば、エンジンの始動を良好に行うことができるという優れた効果を発揮するものである。

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）を燃料として用いるＤＭＥエンジンの燃料供給装置に適用したものである。

図１に示すように、本実施形態の燃料供給装置は、車両のシャシ（図示せず）側に取り付けられた二つの燃料タンク１ａ，１ｂを備える。燃料タンク１ａ，１ｂ内には燃料であるＤＭＥが液体の状態で貯留される。各燃料タンク１ａ，１ｂ内にはＤＭＥ圧送用の圧送ポンプ２ａ，２ｂ（１次供給ポンプ）がそれぞれ設けられる。圧送ポンプ２ａ，２ｂは、そのフィード圧を調節する調圧装置（図示せず）を具備している。

燃料タンク１ａ，１ｂ内の燃料は圧送ポンプ２ａ，２ｂにより燃料パイプ３内に送られて２次供給ポンプ４で昇圧される。その後、燃料はエンジンＥ側に設けられエンジンのクランク軸の回転により駆動される高圧ポンプ５に供給される。高圧ポンプ５には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。高圧ポンプ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次供給ポンプ４及び高圧ポンプ５は圧力調整弁を具備しており、そのフィード圧を調整できるようになっている。これらポンプ４，５には、圧力調整弁から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、この圧力調整弁１０によりコモンレール７内の燃料が最適な圧力に調整される。圧力調整弁１０としては、機械式、電気式、又は機械式と電気式の併用タイプなどが使用できる。

燃料回収パイプ８ａ，８ｂは、一本の主燃料戻しパイプ９に合流・接続される。２次供給ポンプ４、高圧ポンプ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１４ａ，１４ｂが接続されており、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。なお、図中、１３は燃料クーラー、１５は燃料遮断弁を示す。

燃料供給装置は複数の検出手段を備えており、それら検出手段の検出値は制御装置（ＥＣＵ）１２に送信される。検出手段としては、２次供給ポンプ４の入口側圧力を検出する２次供給ポンプ入口圧センサ２０、高圧ポンプ５の入口側の燃料圧力（以下単に入口側圧力という）を検出する高圧ポンプ入口圧センサ１９（圧力検出手段）、エンジンルームの温度を検出するエンジンルーム温度センサ１６（エンジンルーム温度検出手段）、高圧ポンプ５の入口側の燃料通路内の燃料温度を検出する燃料温度センサ２１（燃料温度検出手段）等がある。

ＥＣＵ１２は、各検出手段の検出値に応じて、圧送ポンプ２ａ，２ｂ、２次供給ポンプ４及び高圧ポンプ５の駆動／非駆動の切換やフィード圧等を制御する。また、ＥＣＵ１２は、圧力調整弁１０をも制御する。

また、エンジンＥは、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（図示せず）を備えており、ＥＣＵ１２はこのスタータモータも駆動制御する。

さて、この燃料供給装置によるエンジン始動時及びエンジン運転時の燃料供給制御について説明する。

まず、エンジン始動時の制御について、図２のフローチャートを用いて説明する。このフローチャートはＥＣＵ１２により実行されるものである。

最初に、ドライバーがイグニッションキーを回すなどして、エンジンの始動モードが開始すると、ステップＳ１に進み、ＥＣＵ１２は各燃料タンク１ａ，１ｂ内の圧送ポンプ２ａ，２ｂを駆動する。これにより、燃料タンク１ａ，１ｂ内の燃料が２次供給ポンプ４の入口側まで供給される。

次に、ステップＳ２に進み、ＥＣＵ１２は２次供給ポンプ入口圧センサ２０により検出される圧力が、予めＥＣＵ１２に入力された目標値Ｍ１以上であるか否かを判定する。この目標値Ｍ１は、燃料（ＤＭＥ）が確実に液体となり、かつ、過度に高圧でない適切な値に設定される。ステップＳ２の判定は、２次供給ポンプ入口圧センサ２０により検出される、２次供給ポンプ４の入口側圧力が目標値Ｍ１に達するまで繰り返し行われる。その間、２次供給ポンプ４は駆動されず、圧送ポンプ２ａ，２ｂのみが駆動される。従って、２次供給ポンプ４の入口側圧力は上昇していく。

２次供給ポンプ４の入口側圧力が目標値Ｍ１以上となったならば、ステップＳ３に進み、ＥＣＵ１２は２次供給ポンプ４を駆動する。これにより、燃料が高圧ポンプ５の入口側まで供給される。このとき、２次供給ポンプ４に供給される燃料は上記目標値Ｍ１以上まで加圧されているため、供給される燃料中に気泡が混入することはない。

一方、ＥＣＵ１２はステップＳ４及びＳ５において、エンジンルーム温度センサ１６により検出されたエンジンルーム温度に基づいて、高圧ポンプ５の入口側目標圧力Ｍ２を決定する。この目標圧力Ｍ２は、エンジンルーム温度に応じて変化する値であり、予めマップとしてＥＣＵ１２に入力される。

高圧ポンプ５の入口側目標圧力Ｍ２について図３を用いて説明する。

図３は燃料（ＤＭＥ）の蒸気圧線図と、目標圧力Ｍ２のマップとを併せて示したものである。図中実線Ａで示すラインがＤＭＥの蒸気圧線図であり、点線Ｂで示すラインが高圧ポンプ５の入口側目標圧力Ｍ２である。即ち、図３を蒸気圧線図として見た場合、横軸は燃料温度Ｔ（℃）、縦軸は燃料圧力Ｐ（ａｔｍ）となり、目標圧力Ｍ２のマップとして見た場合、横軸は燃料温度の代わりとしてのエンジンルーム温度Ｔｅ（℃）、縦軸は目標圧力Ｍ２（ａｔｍ）となる。

図から明らかなように、高圧ポンプ５の入口側目標圧力Ｍ２は、ＤＭＥの飽和蒸気圧以上の値に設定される。つまり、ＤＭＥが液体となるような値に設定される。これは、供給される燃料中に気泡が混入することを防止するためである。従って、目標圧力Ｍ２は最低でもＤＭＥの飽和蒸気圧に設定する必要がある。

本実施形態では、高圧ポンプ５の入口側目標圧力Ｍ２は、ＤＭＥの飽和蒸気圧よりもΔＰだけ高い値に設定される。ΔＰの値は、エンジンの各摺動部においてＤＭＥ漏れを発生させず、かつ圧送ポンプ２ａ，２ｂ及び２次供給ポンプ４の消費電力を過度に大きくしないように適切な値に設定される。なお、ΔＰの値は、燃料温度（エンジンルーム温度）に関わらず一定としても良いし、異ならせても良い。このように、高圧ポンプ５の目標圧力Ｍ２は、燃料温度（エンジンルーム温度）毎に最適な値に設定される。

図２に戻り、ＥＣＵ１２はステップＳ５において、エンジンルーム温度センサ１６の検出値に基づいてマップから目標圧力Ｍ２を決定する。従って、目標圧力Ｍ２は、エンジンルーム温度とＤＭＥの蒸気圧線図とに基づいて決定されるとも言える。

高圧ポンプ５の入口側目標圧力Ｍ２が決定されたならば、ステップＳ６に進み、高圧ポンプ入口圧センサ１９により検出される、実際の高圧ポンプ５の入口側圧力が目標圧力Ｍ２以上であるか否かを判定する。この判定は、高圧ポンプ５の入口側圧力が目標圧力Ｍ２に達するまで繰り返し行われる。その間、高圧ポンプ５は駆動されず、圧送ポンプ２ａ，２ｂと２次供給ポンプ４のみが駆動される。従って、高圧ポンプ５の入口側圧力は上昇していく。

高圧ポンプ５の入口側圧力が目標圧力Ｍ２に達したならば、ステップＳ７に進み、ＥＣＵ１２はエンジンのスタータモータを駆動する。これにより、エンジンのクランク軸が回転して高圧ポンプ５の駆動が開始され、各気筒の燃焼室内に燃料が噴射されてエンジンが始動する。このとき、高圧ポンプ５に供給される燃料は上記目標圧力Ｍ２以上まで加圧されているため、供給される燃料中に気泡が混入することはない。従って、高圧ポンプ５で摺動不良が発生したり、エンジンの回転が不安定となることはない。

このように、本実施形態の燃料供給装置は、エンジン始動に際して、エンジンルーム温度を検出し、そのエンジンルーム温度に基づいて、高圧ポンプ５の入口側目標圧力Ｍ２を決定するものである。つまり、エンジン始動時には燃料通路内の燃料が気化している可能性があるので、燃料温度の代わりとしてエンジンルーム温度を測定するようにしたのである。エンジンルーム温度は、燃料がエンジンＥ側（高圧ポンプ５の入口側）まで供給されたときの燃料温度とほぼ等しいと見なせるので、これにより、高圧ポンプ５の入口側目標圧力Ｍ２を適切に決定することが可能となる。従って、供給される燃料中に気泡が混入することはなく、２次供給ポンプ４、高圧ポンプ５が摺動不良により破損することはない。

また、高圧ポンプ５の入口側圧力が目標圧力Ｍ２に達するまではスタータモータの駆動を行わないため、スタータモータの不必要（無意味）な駆動を防止でき、消費電力の低減を図ることができる。

更に、高圧ポンプ５の入口側目標圧力Ｍ２をエンジンルーム温度（燃料温度）に応じて適切に設定しているため、燃料を必要以上に加圧することがない。従って、エンジンの各摺動部によるＤＭＥ漏れを防止できる。また、圧送ポンプ２ａ，２ｂ及び２次供給ポンプ４の消費電力の低減、およびエンジン始動期間の短期化を図ることができる。つまり、目標圧力Ｍ２を一定とした場合、目標圧力Ｍ２は高圧側に合わせて設定せざるを得ないため、エンジンルーム温度（燃料温度）が低いときには燃料を必要以上に加圧することになってしまう。その結果、圧送ポンプ２ａ，２ｂ及び２次供給ポンプ４の消費電力の増加や、エンジン始動期間の長期化などの不具合が生じる。本実施形態の燃料供給装置では、そのような不具合が生じることはない。

次に、本実施形態の燃料供給装置によるエンジン運転時の制御について説明する。

エンジン運転時は、ＥＣＵ１２は燃料温度センサ２１により検出された燃料温度に基づいて、図３に点線Ｂで示したマップと同様のマップから、高圧ポンプ５の入口側目標圧力を決定する。そして、高圧ポンプ入口圧センサ２１により検出される圧力が目標圧力となるように圧送ポンプ２ａ，２ｂ及び／又は２次供給ポンプ４を制御する。これにより、高圧ポンプ５の入口側圧力が常に適切な値に制御される。このように、エンジン運転時は、燃料の温度を直接検出し、その燃料温度に基づいて高圧ポンプ５の入口側目標圧力を決定する。これは、エンジン運転時であれば、燃料通路内の燃料は液体であるからである。

本発明は上述した実施形態に限定はされず、様々な変形例が考えられるものである。

例えば、２次供給ポンプ４の入口側圧力の目標値Ｍ１も、高圧ポンプ５と同様に、エンジンルーム温度又は燃料温度毎に最適な値を定めてマップとして入力しておき、エンジン始動時及び／又はエンジン運転時に、エンジンルーム温度又は燃料温度に基づいてマップから決定するようにしても良い。

また、上記実施形態では、燃料タンク１ａ，１ｂ内の燃料を高圧ポンプ５へと供給する供給ポンプとして、タンク内圧送ポンプ２ａ，２ｂと２次供給ポンプ４とを備えたものを説明したが、供給ポンプは１個だけでもよいし、３個以上備えても良い。

また、燃料タンクについても、１個だけでもよいし、３個以上備えても良い。

更に、本発明はＤＭＥエンジンに限定されず、常温常圧下で気体となる他の燃料を用いたエンジンにも適用可能である。

本発明の一実施形態に係る燃料供給装置の概略図である。本発明の一実施形態に係る燃料供給装置によるエンジン始動時の制御フロー図である。ＤＭＥの蒸気圧線図と高圧ポンプの入口側目標圧力とを示すグラフである。

符号の説明

１ａ，１ｂ燃料タンク
２ａ，２ｂ圧送ポンプ（供給ポンプ）
４２次供給ポンプ
５高圧ポンプ
１２ＥＣＵ（制御装置）
１６エンジンルーム温度センサ（エンジンルーム温度検出手段）
１９高圧ポンプ入口側センサ（圧力検出手段）
２１燃料温度センサ（燃料温度検出手段）

Claims

燃料タンク内に貯留され、常温常圧下では気体となる燃料を、１つ又は複数の供給ポンプにより液体として高圧ポンプへ供給し、エンジンのクランク軸の回転により駆動される上記高圧ポンプにより上記燃料をエンジンに供給するようにした燃料供給装置であって、
エンジンルームの温度を検出するエンジンルーム温度検出手段と、
上記高圧ポンプの入口側圧力を検出する圧力検出手段と、
上記供給ポンプ及びエンジンのスタータモータを制御する制御装置とを備え、
上記制御装置は、エンジンの始動に際して、上記エンジンルーム温度検出手段により検出されたエンジンルーム温度と燃料の蒸気圧線図とに基づいて、燃料の飽和蒸気圧以上である高圧ポンプ入口側目標圧力を決定し、上記圧力検出手段により検出された圧力が上記目標圧力未満である間は上記供給ポンプのみを駆動し、上記圧力検出手段により検出された圧力が上記目標圧力以上となったならば、上記供給ポンプ及び上記スタータモータを駆動することを特徴とする燃料供給装置。
燃料通路内の燃料の温度を検出する燃料温度検出手段を更に備え、
上記制御装置は、エンジンの運転時に、上記燃料温度検出手段により検出された燃料温度と燃料の蒸気圧線図とに基づいて、燃料の飽和蒸気圧以上である高圧ポンプ入口側目標圧力を決定し、上記圧力検出手段により検出される圧力が上記目標圧力となるように上記供給ポンプを制御する請求項１記載の燃料供給装置。