(57)【要約】【課題】液化ガス燃料の燃料タンク内に、液化ガス燃料を気化させるために機関冷却水の熱を利用する熱交換器が配置された内燃機関の燃料供給装置において、熱交換器の熱媒体通路が損傷しても、機関冷却水に液化ガス燃料が混入しないようにする。【解決手段】液化ガス燃料の燃料タンク１０の内側に、液化ガス燃料を気化させるために機関冷却水の熱を利用する第一熱交換器２０が配置された内燃機関の燃料供給装置において、燃料タンクの外側には第二熱交換器６０が配置され、第一熱交換器の熱媒体通路を通過する熱媒体は、第二熱交換器によって機関冷却水の熱を利用して加熱され、第一熱交換器は、液化ガス燃料を気化させるために熱媒体を介して機関冷却水の熱を間接的に利用する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液化ガス燃料の燃料タンクの内側に、液化ガス燃料を気化させるために機関冷却水の熱を利用する第一熱交換器が配置された内燃機関の燃料供給装置において、前記燃料タンクの外側には第二熱交換器が配置され、前記第一熱交換器の熱媒体通路を通過する熱媒体は、前記第二熱交換器によって機関冷却水の熱を利用して加熱され、前記第一熱交換器は、液化ガス燃料を気化させるために前記熱媒体を介して機関冷却水の熱を間接的に利用することを特徴とする内燃機関の燃料供給装置。
【請求項２】
前記燃料タンク内の液化ガス燃料を前記第一熱交換器へ調量して供給するための調量弁は前記燃料タンクの内側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料供給装置。
【請求項３】
前記燃料タンク内の液化ガス燃料を前記第一熱交換器へ調量して供給するための調量弁は前記燃料タンクの外側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の燃料供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液化ガス燃料を気化させて内燃機関へ供給するための内燃機関の燃料供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の燃料として、ＬＰＧのような常温常圧では気体の燃料を使用することが公知である。このようなガス燃料は、加圧及び冷却により液化されて燃料タンク内に貯蔵される。ガス燃料に加えて、ガソリン等の液体燃料も使用する内燃機関が公知であり、このような内燃機関の燃料供給装置において、燃料供給装置の小型化のために、液体燃料の燃料タンク内に液化ガス燃料の燃料タンクを配置することが提案されている（特許文献１参照）。
【０００３】
ところで、液化ガス燃料を使用する内燃機関の燃料供給装置において、液化ガス燃料を気化させるための熱交換器が必要であり、燃料供給装置の小型化のために、燃料タンク内に熱交換器を配置することが考えられる。熱交換器は、一般的に、機関冷却水の熱を利用して液化ガス燃料を気化させるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−０５２６６８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述のように、液化ガス燃料の燃料タンク内に熱交換器が配置される場合において、熱交換器の機関冷却水が通過する熱媒体通路の壁が損傷すると、損傷位置によって、熱交換器の液化ガス燃料通路から、又は、燃料タンクから液化ガス燃料が熱媒体通路を通過する機関冷却水に混入し、こうして混入した液化ガス燃料は、気化してラジエタ等から外部へ放出されることがある。
【０００６】
従って、本発明の目的は、液化ガス燃料の燃料タンク内に、液化ガス燃料を気化させるために機関冷却水の熱を利用する熱交換器が配置された内燃機関の燃料供給装置において、熱交換器の熱媒体通路が損傷しても、機関冷却水に液化ガス燃料が混入しないようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明による請求項１に記載の内燃機関の燃料供給装置は、液化ガス燃料の燃料タンクの内側に、液化ガス燃料を気化させるために機関冷却水の熱を利用する第一熱交換器が配置された内燃機関の燃料供給装置において、前記燃料タンクの外側には第二熱交換器が配置され、前記第一熱交換器の熱媒体通路を通過する熱媒体は、前記第二熱交換器によって機関冷却水の熱を利用して加熱され、前記第一熱交換器は、液化ガス燃料を気化させるために前記熱媒体を介して機関冷却水の熱を間接的に利用することを特徴とする。
【０００８】
本発明による請求項２に記載の内燃機関の燃料供給装置は、請求項１に記載の内燃機関の燃料供給装置において、前記燃料タンク内の液化ガス燃料を前記第一熱交換器へ調量して供給するための調量弁は前記燃料タンクの内側に配置されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明による請求項３に記載の内燃機関の燃料供給装置は、請求項１に記載の内燃機関の燃料供給装置において、前記燃料タンク内の液化ガス燃料を前記第一熱交換器へ調量して供給するための調量弁は前記燃料タンクの外側に配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明による請求項１に記載の内燃機関の燃料供給装置によれば、液化ガス燃料の燃料タンクの内側に、液化ガス燃料を気化させるために機関冷却水の熱を利用する第一熱交換器が配置された内燃機関の燃料供給装置において、燃料タンクの外側には第二熱交換器が配置され、第一熱交換器の熱媒体通路を通過する熱媒体は、第二熱交換器によって機関冷却水の熱を利用して加熱され、第一熱交換器は、液化ガス燃料を気化させるために熱媒体を介して機関冷却水の熱を間接的に利用するようになっている。それにより、燃料タンクの内側の第一熱交換器において、熱媒体通路が損傷して、熱交換器の液化ガス燃料通路から、又は、燃料タンクから液化ガス燃料が熱媒体通路を通過する熱媒体へ混入しても、熱媒体は、第二熱交換器によって機関冷却水の熱を利用して加熱されるものであるために、機関冷却水に液化ガス燃料が混入することはない。
【００１１】
また、本発明による請求項２に記載の内燃機関の燃料供給装置によれば、請求項１に記載の内燃機関の燃料供給装置において、燃料タンク内の液化ガス燃料を第一熱交換器へ調量して供給するための調量弁は燃料タンクの内側に配置されているために、調量弁の上流側配管及び下流側配管は燃料タンク内に位置することとなり、上流側配管及び下流側配管が損傷しても、液化ガス燃料が燃料タンク外へ漏れることはない。
【００１２】
また、本発明による請求項３に記載の内燃機関の燃料供給装置によれば、請求項１に記載の内燃機関の燃料供給装置において、燃料タンク内の液化ガス燃料を第一熱交換器へ調量して供給するための調量弁は燃料タンクの外側に配置されているために、調量弁が燃料タンクの内側に配置されているときのように、調量弁の制御配線を燃料タンクの外側へ引き出すことは必要なく、この引き出し位置のシール部から液化ガス燃料が漏れる懸念がない。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明による内燃機関の燃料供給装置の燃料タンク構造を示す概略図である。
【図２】本発明による内燃機関の燃料供給装置のもう一つの燃料タンク構造を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は本発明による内燃機関の燃料供給装置の燃料タンク構造を示す概略図である。同図において、１０は燃料タンクであり、プロパン（沸点−４２．０９°Ｃ）及びブタン（沸点−０．５°Ｃ）を主成分とするＬＰＧを貯蔵している。もちろん、本発明による燃料供給装置が対象とする液化ガス燃料は、ＬＰＧに限定されることなく、常温常圧では気体の任意の可燃性物質とすることができる。例えば、プロパンと同程度の沸点を有する可燃性物質、ブタンと同程度の沸点を有する可燃性物質、プロパンの沸点とブタンの沸点との間の沸点を有する可燃性物質とすることができる。
【００１５】
燃料タンク１０内の液化ガス燃料Ｆは、気化させて内燃機関の気筒内へ供給されることとなる。そのためには、液化ガス燃料を気化させるための熱交換器が必要となる。本実施形態の燃料供給装置は、二重管式の熱交換器２０が燃料タンク１０の内壁に沿って螺旋状に配置されている。こうして、多量の液化ガス燃料を気化させるために比較的大型となる（二重管式の熱交換器の場合は長くなる）熱交換器を燃料タンク１０内に配置することができ、燃料供給装置全体を小型化することができる。
【００１６】
螺旋形状の熱交換器２０は、燃料タンク１０の内壁に接触させるようにすれば、熱交換器２０自身が燃料タンク１０の補強部材としても機能し、外部からの力に対して燃料タンク１０の強度を高めることができ、また、熱交換器２０と燃料タンク１０内の液化ガス燃料との接触面積が減少するために、燃料タンク１０内に貯蔵されている液化ガス燃料が熱交換器２０により加熱され難くすることができる。
【００１７】
また、主に、燃料タンク１０内の螺旋形状の熱交換器２０の内側の空間に液化ガス燃料を位置させるようになっており、螺旋形状の二重管式の熱交換器２０において、内管及び外管のいずれも曲率半径を比較的大きくすることができるために、応力集中を緩和することができる。螺旋形状の熱交換器２０を配置する燃料タンク１０は、熱交換器２０の螺旋形状に合わせて円筒形状とすることが好ましい。この場合には、燃料タンク１０の上側端面及び下側端面は、圧力容器として耐圧性を高めるために、鏡板形状（鏡餅形状）とすることが好ましい。
【００１８】
二重管式の熱交換器２０は、円形断面の二重管とすることにより、内管及び外管とも高い耐圧性を有し、また、熱交換壁として機能する内管の壁の表面積が大きくなって高い熱交換効率を実現することができる。
【００１９】
液化ガス燃料が通過する液化ガス燃料通路として機能する内管２０ａは、例えば、熱伝導性に優れたアルミニウム製とすることができ、また、内管２０ａの外側において熱媒体が通過する熱媒体通路として機能する外管２０ｂは、例えば、断熱性に優れたステンレス製とすることができる。外管２０ｂより小径の内管２０ａは、構造的に外管２０ｂより高い強度を有するために、内管２０ａを熱媒体より高圧の液化ガス燃料の通路とすることは好ましい。
【００２０】
３０は熱交換器２０の内管２０ａ内へ燃料タンク１０内の液化ガス燃料を供給するための燃料配管である。燃料配管３０は、大部分が燃料タンク１０の外側に位置し、燃料タンク１０の下側端面と螺旋形状の熱交換器２０の内管２０ａの上端とを連通しており、燃料配管３０には液化ガス燃料を調量して熱交換器２０の内管２０ａ内へ供給するための調量弁３１が配置されている。また、燃料配管３０の燃料タンク１０の下側端面近傍には、閉鎖弁３２が配置されている。閉鎖弁３２は常時開とされ、燃料タンク１０内の液化ガス燃料の蒸気圧によって燃料タンク１０内の液化ガス燃料が燃料配管３０を通して熱交換器２０の内管２０ａ内へ圧送されるようになっている。閉鎖弁３２は、必要に応じて閉弁され、燃料タンク２０内の液化ガス燃料の熱交換器２０への圧送を停止させることができる。燃料配管３０には、燃料タンク１０内の液化ガス燃料の蒸気圧が低い場合に備えて、燃料ポンプを配置するようにしても良い。
【００２１】
一方、４０は熱交換器２０の外管２０ｂ内へ熱媒体を供給するための熱媒体配管である。熱媒体配管４０は、螺旋形状の熱交換器２０の外管２０ｂの上端と下端とを連通しており、熱媒体配管４０には熱媒体を調量して熱交換器２０の外管２０ｂ内へ供給するための調量弁４１が配置されている。また、調量弁４１の上流側には、熱媒体を圧送するための熱媒体ポンプ４２が配置されている。熱媒体ポンプ４２を作動することにより、熱媒体配管４０内の熱媒体は、熱交換器２０の外管２０ｂ内と熱媒体配管４０内とを通り循環する。
【００２２】
それにより、熱交換器２０において、外管２０ｂ内の熱媒体と内管２０ａ内の液化ガス燃料との間で熱交換され、液化ガス燃料は気化して、熱交換器２０の内管２０ａの下端に接続されたガス配管５０から排出される。本実施形態においては、熱媒体は、熱交換器２０の外管２０ｂを上端から下端へ向けて移動するようになっている。それにより、熱交換器２０の内管２０ａの上端へ供給される液化ガス燃料を熱交換器２０へ流入して直ぐの比較的高温の熱媒体により良好に気化させることができる。
【００２３】
ガス配管５０から排出されるガス燃料は、ガス燃料タンク（図示せず）を介して、又は、直接的に、燃料噴射弁（図示せず）に供給され、燃料噴射弁から噴射されて内燃機関の気筒内へ供給される。ガス配管５０には常時開の閉鎖弁５１が配置されており、閉鎖弁５１を必要に応じて閉弁することにより、ガス燃料の燃料噴射弁への供給を停止することができる。
【００２４】
また、ガス配管５０の閉鎖弁５１より上流側と燃料タンク１０の上側端面とは、安全弁５２を有するリリーフ通路５３により接続されており、熱交換器２０の内管２０ａから排出されるガス燃料の圧力が過剰に高くなったときには、安全弁５２が開弁して、リリーフ通路５３を介して、ガス燃料を燃料タンク１０へ戻すようになっている。
【００２５】
二重管式の熱交換器２０は、前述したように、螺旋形状とされ、本発明を限定するものではないが、内管２０ａ及び外管２０ｂの一端部が上側に他端部が下側になるように燃料タンク１０内に配置されており、液化ガス燃料は、上側の一端部から内管２０ａへ供給されるようになっている。それにより、液化ガス燃料は、螺旋形状の内管２０ａを下方へ流れる間に外管２０ｂを通過する熱媒体から受熱して徐々に気化するために、液化ガス燃料が内管２０ａの途中に溜まることはなく、良好に液化ガス燃料を気化させることができる。
【００２６】
ところで、熱交換器２０は、新たなエネルギを使用しないように、機関冷却水の熱を利用することが好ましい。しかしながら、熱交換器２０が燃料タンク１０内に配置されているために、熱交換器２０の外管２０ｂを機関冷却水が循環するようにしていると、二重管式の熱交換器２０の外管２０ｂの一部が破損したときに、燃料タンク１０内の液化ガス燃料の蒸気圧が機関冷却水の循環圧力（例えば１００ｋＰａ）より高いことがあり、この場合には、燃料タンク１０内の液化ガス燃料が機関冷却水に混入し、気化してラジエタキャップから外部へ排出されることがある。
【００２７】
また、燃料タンク１０内の二重管式の熱交換器２０において、内管２０ａ内を機関冷却水が通過するようにし、外管２０ｂ内の液化ガス燃料が通過するようにすれば、外管２０ｂの一部が破損しても外管２０ｂ内の液化ガス燃料は燃料タンク２０内へ漏れるだけであり、外部漏れを防止することができる。この場合において、内管２０ａの一部が破損すると、外管２０ｂ内の液化ガス燃料は加熱により一部気化しているために、機関冷却水の循環圧力より高圧であり、外管２０ｂ内の液化ガス燃料が機関冷却水に混入してしまう。
【００２８】
このような液化ガス燃料の機関冷却水への混入を防止することが必要であり、本実施形態では、熱媒体配管４０を通過する熱媒体と機関冷却水との間で熱交換させるためのもう一つの熱交換器６０（第二熱交換器）が燃料タンク１０の外側に配置されている。もう一つの熱交換器６０において、熱媒体配管４０の回りを機関本体からラジエタへ戻される以前の高温の機関冷却水が通過するようになっている。このように、内燃機関に一般的に配置されている機関冷却水ポンプを利用して機関冷却水が熱交換器６０を通過するようにしても良いが、もちろん、熱交換器６０用に専用の冷却水通路及び電動ポンプを設けるようにしても良い。
【００２９】
こうして、燃料タンク１０内の熱交換器２０（第一熱交換器）は、液化ガス燃料を気化させるために熱媒体を介して機関冷却水の熱を間接的に利用するようになっている。それにより、燃料タンク１０内の熱交換器１０において、熱媒体通路が損傷しても、機関本体を循環する機関冷却水に液化ガス燃料が混入することはない。燃料タンク１０内の熱交換器２０の熱媒体は、水又は機関冷却水と同様なエチレングリコールとすることができる。
【００３０】
図２は本発明による内燃機関の燃料供給装置のもう一つの燃料タンク構造を示す概略図である。図１との違いのみを以下に説明し、同じ部材は同じ参照番号を付して説明を省略する。本実施形態においては、熱交換器２０の内管２０ａ内へ燃料タンク１０内の液化ガス燃料を供給するための燃料配管３０’が、調量弁３１’及び閉鎖弁３２’と共に、燃料タンク１０内に配置されている。
【００３１】
それにより、調量弁３１’自身、閉鎖弁３２’自身、及び、燃料配管３０’から液化ガス燃料の漏れが発生しても、燃料タンク１０の外部へ液化ガス燃料が漏れることはない。しかしながら、調量弁３１’及び閉鎖弁３２’を制御するための電子制御装置（図示せず）からの制御配線Ｌがシール部１１を介して燃料タンク１０の外側へ引き出されなければならず、シール部１１から液化ガス燃料（燃料蒸気）が漏れる懸念がある。図１に示す燃料タンク構造では、調量弁３１及び閉鎖弁３２が燃料タンク１０の外側に位置しているために、このような燃料漏れの懸念はない。
【００３２】
図１及び２に示すいずれの燃料タンク構造においても、液化ガス燃料のための調量弁３１及び３１’は、機関運転状態に基づいて要求される必要量のガス燃料を気化させるように、燃料タンク１０内の熱交換器２０へ供給する液化ガス燃料の流量を制御する。また、熱媒体のための調量弁４１は、ガス配管５０から排出されるガス燃料の圧力が所望圧力となるように、熱媒体の温度（測定又は推定される）と熱交換器２０へ供給される液化ガス燃料の流量とに基づき、熱交換器２０へ供給する熱媒体の流量を制御する。ここで、ガス配管５０から排出されるガス燃料の圧力は、熱媒体配管４０内を循環する熱媒体の圧力より高く設定され、燃料タンク１０内の熱交換器２０において、熱媒体通路（例えば外管２０ｂ）と液化ガス燃料通路（例えば内管２０ａ）との間の隔壁（例えば内管２０ａ）が損傷したときには、液化ガス燃料が熱媒体へ混入するようにしている。それにより、隔壁（例えば内管２０ａ）の損傷時に熱媒体が液化ガス燃料へ混入して最終的には気筒内へ供給され、機関本体が損傷することは防止される。
【００３３】
また、ガス配管５０から排出されるガス燃料の圧力を、熱媒体配管４０内を循環する熱媒体の圧力より高く設定していれば、熱媒体配管４０内の熱媒体の圧力を測定して、この測定圧力が設定値より高くなっているときに、燃料タンク１０内の熱交換器２０において、熱媒体通路と液化ガス燃料通路との間の隔壁の損傷によって、熱媒体より高圧の液化ガス燃料が熱媒体に混入していると判断することができる。
【符号の説明】
【００３４】
１０    燃料タンク
２０    熱交換器
２０ａ    内管
２０ｂ    外管
３０    燃料配管
３１    調量弁
４０    熱媒体配管
５０    ガス配管
６０    熱交換器
【図１】
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【図２】
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