JP2019157724A - 燃料供給システム - Google Patents

Abstract

【課題】安価な構成にて燃料の気化を促進させることができる燃料供給システムを提供する。【解決手段】内燃機関の吸気管１２に燃料を噴射する燃料噴射弁２８と、燃料噴射弁２８へ燃料を供給する燃料ポンプ２２と、燃料ポンプ２２か燃料噴射弁２８に至る燃料供給経路に燃料を加熱する加熱手段３０と、を備え、加熱手段３０によって昇温された燃料を吸気管１２の管壁に形成された吸気管内流路３２に供給することで、吸気管１２を加熱することが可能である燃料供給システム１００とする。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料を気化させて供給する燃料供給システムに関する。

エンジン等の内燃機関に対して燃料を気化させて供給する燃料供給システムが広く使用されている。

このような燃料供給システムでは、エンジンの始動前に燃料をヒータで燃料を加熱することで、燃料の気化を補助する構成が開示されている（特許文献１）。このとき、ヒータの温度の情報としてヒータの電流を検出し、ヒータによる燃料の加熱開始後で燃料の膜沸騰発生前に検出された電流に基づいて燃料の濃度を判定する構成としている。

また、高圧液体燃料を気化させる燃料気化手段である気化器と、エネルギ出力手段であるエンジンとを離間して配置し、エンジンの始動時に冷却水ポンプ及び補助冷却水ポンプを作動させて、蓄熱タンクに蓄えられた高温のエンジンの冷却水を気化器側へ供給することによって、燃料を加熱して気化を促進する構成が開示されている（特許文献２）。

特開２０１５−２３２２９１号公報 特開２０１２−１７６９８号公報

燃料をヒータで加熱する構成では、燃料噴射弁から噴射された燃料の蒸発が促進されるが、燃料噴射弁から吸気管内壁近傍に到達するまでに蒸発が完了しなかった燃料は冷えた吸気管内壁により再度温度が低下して気化が不十分になることがある。また、一旦蒸発した燃料が吸気管内壁の表面にて凝縮して液化することもある。燃料の気化が不十分である場合、未燃焼の燃料の排出の要因となる。

また、エンジンの冷却水を燃料の加熱に用いる構成では、予加熱及び蓄熱を実現するための加熱手段に加えて、補助ポンプや切替バルブ等を必要とし、従来のエンジンの構成に対する追加部品が多くなり、製造コストが増大するという問題がある。

本発明の１つの態様は、内燃機関の吸気管に燃料を噴射する燃料噴射弁と、前記燃料噴射弁へ燃料を供給する燃料ポンプと、前記燃料ポンプから前記燃料噴射弁に至る燃料供給経路に燃料を加熱する加熱手段と、を備え、前記加熱手段によって昇温された燃料を前記吸気管の管壁に形成された吸気管内流路に供給することで、前記吸気管を加熱することが可能であることを特徴とする燃料供給システムである。

ここで、前記吸気管の管壁において前記燃料噴射弁から噴射される燃料が衝突する位置に前記吸気管内流路を設けることが好適である。

また、前記内燃機関の状態に応じて、前記加熱手段による燃料の加熱を制御することが好適である。例えば、燃料の温度と燃料の移動に伴う燃料の温度変化量に応じて、前記加熱手段による燃料の加熱を制御することが好適である。

また、前記内燃機関の状態に応じて、前記燃料ポンプによる燃料の供給を制御することが好適である。例えば、燃料の温度に応じて、前記燃料ポンプによる燃料の供給を制御することが好適である。

本発明によれば、安価な構成にて燃料の気化を促進させることができる燃料供給システムを提供することができる。

本発明の実施の形態における燃料供給システムの構成を示す図である。 本発明の実施の形態における燃料供給システムでの燃料の循環の状態を示す図である。 本発明の実施の形態における燃料供給システムの制御を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態における燃料供給システムの制御を示すタイミングチャートである。

本発明の実施の形態における燃料供給システム１００は、図１に示すように、シリンダヘッド１０、吸気管１２、吸気弁１４、排気管１６、排気弁１８、燃料タンク２０、燃料ポンプ２２、コモンレール２４、調圧弁２６、燃料噴射弁２８、加熱手段３０、吸気管内流路３２、燃料温度センサ３４及びヒータ温度センサ３６を含んで構成される。燃料供給システム１００は、エンジン等の内燃機関に対して燃料を供給するための構成を備える。

シリンダヘッド１０は、エンジンの燃焼室の一部を構成する部材である。シリンダヘッド１０には、燃料及び空気の混合気を燃焼室に供給するための吸気管１２及び吸気弁１４が設けられる。また、シリンダヘッド１０には、燃焼室で生じた排気ガスを外部へ排気するための排気管１６及び排気弁１８が設けられる。吸気弁１４及び排気弁１８は、適切なタイミングで開かれるようにカム等によって制御される。

燃料タンク２０、燃料ポンプ２２、コモンレール２４、調圧弁２６及び燃料噴射弁２８は、燃料供給システム１００における燃料供給手段を構成する。燃料タンク２０は、エンジンで燃焼させられる燃料を蓄える容器である。燃料ポンプ２２は、燃料タンク２０に蓄えられてる燃料を加圧して供給するためのポンプである。燃料ポンプ２２によって加圧された燃料はコモンレール２４へ供給される。コモンレール２４は、レールと呼ばれる高圧の燃料を蓄えておく容器を備える。コモンレール２４を設けることによって、エンジンの回転数や負荷等の運転条件に関係なく噴射圧力を調整して噴射できる。燃料噴射弁２８は、コモンレール２４に蓄積されている燃料を吸気管１２内に噴射させる弁である。燃料噴射弁２８の開閉タイミングは、吸気弁１４及び排気弁１８の開閉タイミングに合わせて制御される。

調圧弁２６の開度を調節することによって、コモンレール２４内の燃料の圧力が調整される。調圧弁２６は、コモンレール２４内の燃料の圧力が所定の圧力（燃料噴射圧力：一般的には０．３ＭＰａ程度）を超えると開弁され、コモンレール２４内の圧力が所定の圧力に調圧される。このとき、燃料ポンプ２２を作動させたままにした場合、所定の圧力を超えてコモンレール２４から流出した燃料は燃料タンク２０に戻され、燃料は循環することになる。燃料ポンプ２２には、エンジンの最高出力時においても燃料噴射圧力が低下しない程度の余裕を持った出力容量（吐出能力）とする。すなわち、エンジンがより低出力の状態においてより多くの燃料が循環される。

本実施の形態における燃料供給システム１００は、さらに加熱手段３０、吸気管内流路３２、燃料温度センサ３４及びヒータ温度センサ３６を備える。加熱手段３０は、燃料ポンプ２２と吸気管内流路３２との間に設けられ、燃料ポンプ２２によって燃料タンク２０から供給される燃料を加熱する手段である。加熱手段３０は、例えば、加熱室とヒータとを含む構成とすることができ、加熱室を通る燃料をヒータで加熱するようにすればよい。ヒータは、電気ヒータ、燃料燃焼式ヒータ（触媒ヒータ）、蓄熱装置等とすることができる。

吸気管内流路３２は、吸気管１２の管壁内に形成された空洞部である。また、吸気管内流路３２は、燃料が循環する燃料供給経路の一部として設けられ、吸気管１２における燃料噴射弁２８の近傍の管壁内に設けられる。吸気管内流路３２は、加熱手段３０とコモンレール２４との間に設けることが好適である。すなわち、燃料供給システム１００では、図２においてハッチングで示すように、加熱手段３０によって加熱された燃料が吸気管内流路３２を含む燃料経路を循環する。

このとき、燃料噴射弁２８から噴射される燃料が吸気管内流路３２に供給される燃料によって加熱されるような位置に吸気管内流路３２を配置することが好適である。特に、吸気管１２の管壁において燃料噴射弁２８から噴射される燃料が衝突する位置に吸気管内流路３２を配置することが好適である。

燃料温度センサ３４は、燃料の循環経路上に設けられ、燃料の温度を計測して制御部（図示しない）に出力する。ヒータ温度センサ３６は、加熱手段３０のヒータに併設され、ヒータの温度を計測して制御部に出力する。ヒータ温度センサ３６は、例えば、温度によって変化するヒータの電気抵抗の変化（ヒータ電流の変化）により検出するようにしてもよい。

以下、燃料供給システム１００における燃料供給方法について説明する。図３は、本実施の形態における燃料供給方法を示すフローチャートである。また、図４は、燃料ポンプ２２、加熱手段３０の作動タイミング、ここでは、始動時のように、エンジンが冷えており、噴射される燃料の気化が不十分になりやすい状況からの燃料噴射について説明する。

ステップＳ１０では、状態検出処理が行われる。まず、燃料温度センサ３４により燃料の初期温度Ｔｓを検出する（時刻ｔ１）。それと共に、燃料ポンプ２２を作動させる（時刻ｔ１）。燃料供給システム１００が冷えている場合、燃料ポンプ２２の作動に伴って燃料が移動することによって燃料温度センサ３４にて検出される温度が低下する（時刻ｔ１〜時刻ｔ２）。燃料温度センサ３４より、このときの温度変化ΔＴを検出する。

なお、本実施の形態では、ステップＳ１０での燃料ポンプ２２の作動は一時的なものとしたが、連続的に作動させるようにしてもよい。

ステップＳ１２では、加熱が必要か否かの判断が行われる。燃料の初期温度Ｔｓと温度変化量ΔＴとに基づいて加熱の要否が判断される。例えば、初期温度Ｔｓが設定温度未満であり、温度変化量ΔＴが温度の低下を示している場合には加熱手段３０による燃料の加熱が必要であると判断する。加熱の要否判定は、予め用意しておいた初期温度Ｔｓと温度変化量ΔＴの組み合わせに対する要否のマップに基づいて行ってもよい。また、高温再始動の例では、初期温度Ｔｓが設定温度を下回っていても、吸気管１２の壁面の温度が所望の壁面設定温度に到達している場合には温度変化量ΔＴが温度の上昇を示す。したがって、温度変化量ΔＴから吸気管１２の壁面の温度が所望の壁面設定温度に到達していると判断できる場合には加熱手段３０による加熱は必要ではないと判断する。加熱が必要である場合にはステップＳ１４に処理を移行させ、必要でない場合にはステップＳ２２に処理を移行させる。

ステップＳ１４では、加熱手段３０による燃料の加熱を行う。加熱手段３０のヒータをオン状態として、燃料の加熱を開始する（時刻ｔ２）。ヒータの加熱に伴って、ヒータ温度センサ３６で検出されるヒータ温度Ｔｈが上昇する。ヒータ温度Ｔｈがヒータ設定温度に到達するまでヒータの加熱を行う（時刻ｔ２〜時刻ｔ３）。

ステップＳ１６では、加熱手段３０のヒータの昇温を完了するか否かを判断する。燃料温度センサ３４によって検出されたヒータ温度ｔｈがヒータ設定温度に到達していれば加熱手段３０のヒータの昇温を完了し、そうでなければヒータ設定温度に到達するまで昇温を続ける。ヒータの昇温を完了する場合にはステップＳ１８に処理を移行させ、完了しない場合にはステップＳ１４に処理を戻す。

ステップＳ１８では、燃料及び吸気管１２の昇温を行う。燃料ポンプ２２を作動させて、加熱手段３０を介して燃料を吸気管内流路３２及びコモンレール２４へ供給する（時刻ｔ３）。これにより、燃料を熱媒体として、加熱手段３０のヒータの熱を吸気管１２の管壁に伝達させる。燃料の熱は、吸気管１２の壁面との温度差によって吸気管１２の管壁に伝達される。吸気管１２に伝達されなかった熱は、燃料の温度上昇となって燃料温度センサ３４で燃料温度Ｔｆとして検出される。すなわち、燃料の移動に伴って燃料温度センサ３４で検出される燃料温度Ｔｆが上昇するには遅延時間が生ずる。

このとき、ヒータ温度Ｔｈがヒータ設定温度を超えないように制御を行う（時刻ｔ３〜時刻ｔ４）。例えば、加熱手段３０のヒータの電源をデューティ制御（パルス制御）することでヒータ温度Ｔｈがヒータ設定温度を超えないようにする。

また、加熱手段３０から燃料への熱伝達が十分でない場合、十分に加熱されていない燃料が循環して燃料タンク２０へ吐出されることになる。すなわち、熱を無駄に捨てることになる。したがって、燃料ポンプ２２の電源を制御して、昇温された燃料が無駄に燃料タンク２０に戻されないようにすることが好適である（時刻ｔ３〜時刻ｔ４）。例えば、燃料ポンプ２２の電源をデューティ制御（パルス制御）することで、燃料タンク２０に戻る燃料を最小化させることが好適である。

ステップＳ２０では、プレ加熱を完了するか否かを判断する。燃料温度センサ３４によって計測された燃料温度Ｔｆがプレ加熱設定温度に到達した場合にはエンジンのプレ加熱が完了したと判断し、到達していない場合にはプレ加熱が完了していないと判断する。プレ加熱が完了した場合にはステップＳ２２に処理を移行させ、完了してない場合にはステップＳ１８に処理を戻す。

ステップＳ２２では、エンジンを始動させる（時刻ｔ４）。エンジンを始動させた後は、エンジンの出力要求量に応じて燃料を供給する必要があるので、燃料ポンプ２２をオン状態とする。このとき、ステップＳ１８より燃料の流量が多くなる場合、加熱手段３０による燃料の昇温が不足して燃料温度Ｔｆの低下を招くので加熱手段３０のヒータの制御のデューティ比を変化させる（時刻ｔ４）。

このように、吸気管内流路３２に加熱された燃料を流すことによって、燃料を熱媒体として吸気管１２の内壁を昇温することができる。さらに、コモンレール２４に蓄えられた燃料も加熱されているので、燃料噴射弁２８を開弁させた際には加熱された燃料が吸気管１２内に噴射される。これにより、燃料噴射弁２８から吸気管１２内へ噴射された燃料の蒸発が促進される。また、燃料噴射弁２８から吸気管１２の内壁近傍に到達するまでに蒸発が完了しなかった燃料の温度が吸気管１２の内壁によりより低下させられることを防ぐことができる。また、一旦蒸発した燃料が吸気管１２の内壁の表面にて凝縮して液化することも抑制することができる。したがって、未燃焼の燃料の排出を低減することができる。

また、本実施の形態における燃料供給システム１００では、エンジンの冷却水を燃料の加熱に用いる構成のように補助ポンプや切替バルブ等を必要とせず、製造コストを低減させることができる。

なお、エンジンが始動して暖気が完了した後は、エンジンの冷却水Ｗによって吸気管１２の管壁が温められる。これによって、加熱手段３０による燃料の昇温を行うことなく、燃料噴射弁２８から噴射された燃料の加熱が可能になる。したがって、燃料温度センサ３４による燃料温度Ｔｆに応じて、加熱手段３０のヒータをオフ状態として燃料の昇温を停止させてもよい。

１０ シリンダヘッド、１２ 吸気管、１４ 吸気弁、１６ 排気管、１８ 排気弁、２０ 燃料タンク、２２ 燃料ポンプ、２４ コモンレール、２６ 調圧弁、２８ 燃料噴射弁、３０ 加熱手段、３２ 吸気管内流路、３４ 燃料温度センサ、３６ ヒータ温度センサ、１００ 燃料供給システム。

Claims (6)

1. 内燃機関の吸気管に燃料を噴射する燃料噴射弁と、
   前記燃料噴射弁へ燃料を供給する燃料ポンプと、
   前記燃料ポンプから前記燃料噴射弁に至る燃料供給経路に燃料を加熱する加熱手段と、
   を備え、
   前記加熱手段によって昇温された燃料を前記吸気管の管壁に形成された吸気管内流路に供給することで、前記吸気管を加熱することが可能であることを特徴とする燃料供給システム。
2. 請求項１に記載の燃料供給システムであって、
   前記吸気管の管壁において前記燃料噴射弁から噴射される燃料が衝突する位置に前記吸気管内流路を設けることを特徴する燃料供給システム。
3. 請求項１又は２に記載の燃料供給システムであって、
   前記内燃機関の状態に応じて、前記加熱手段による燃料の加熱を制御することを特徴とする燃料供給システム。
4. 請求項３に記載の燃料供給システムであって、
   燃料の温度と燃料の移動に伴う燃料の温度変化量に応じて、前記加熱手段による燃料の加熱を制御することを特徴とする燃料供給システム。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料供給システムであって、
   前記内燃機関の状態に応じて、前記燃料ポンプによる燃料の供給を制御することを特徴とする燃料供給システム。
6. 請求項５に記載の燃料供給システムであって、
   燃料の温度に応じて、前記燃料ポンプによる燃料の供給を制御することを特徴とする燃料供給システム。

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