(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液化ガス燃料が貯留される燃料タンクと、該燃料タンクから取り出した液相燃料をポンプで加圧して液噴インジェクタに導く燃料通路とを含む内燃機関の燃料供給装置において、
前記燃料タンクから取り出した気相燃料を前記燃料通路における前記ポンプの上流側に供給する気相燃料供給通路と、該気相燃料供給通路に設けられ、燃料タンクから取り出した気相燃料を液化する再液化装置とを具備したことを特徴とする内燃機関の液化ガス燃料供給装置。
【請求項２】
燃料タンクの温度及び圧力の少なくとも一方を検出する検出手段と、該検出手段による検出結果に基づいて前記再液化装置を制御する制御装置を具備したことを特徴とする請求項１記載の内燃機関の液化ガス燃料供給装置。
【請求項３】
再液化装置が容積型のコンプレッサであることを特徴とする請求項１又は２記載の内燃機関の液化ガス燃料供給装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の液化ガス燃料供給装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＰＧのような液化ガスを内燃機関に供給する液化ガス燃料供給装置において、ポンプにより燃料タンクから送出した液相燃料を液噴インジェクタで吸気系統に供給する液相燃料供給手段と、燃料タンクから取り出した気相燃料を気噴インジェクタで吸気系統に供給する気相燃料供給手段と、ポンプにより燃料タンクから送出した燃料のうち余剰燃料を再び燃料タンクに還流する還流通路とを備えたものが知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
また、このような液化ガス燃料供給装置で、液相燃料供給手段と気相燃料供給手段とに、それぞれ温度センサと圧力センサを含む燃料状態検出手段を設け、該燃料状態検出手段で検出された燃料の状態が液相であるか気相であるかを判断して、液噴インジェクタから燃料を供給するか気噴インジェクタから燃料を供給するかを制御するものも知られている（例えば特許文献２参照）。
【０００４】
【特許文献１】
Ｕ．Ｓ．ＰＡＴ．５４７９９０６（３欄、４欄、ＦＩＧ．１）
【特許文献２】
特開平１１−２１０５５７号公報（第４−７頁、第９頁、図１、図２）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の技術では、燃料タンク内の気相燃料は主に機関始動時に補助的に使用されるためと、燃料タンク内の温度を低下させるために使用されるが、燃料タンクはエンジン、ポンプ、遮断弁、外気などからの受熱や、エンジンからの受熱で高温となっている液相燃料供給手段を通過して還流される余剰燃料も昇温された状態で燃料タンクに戻ってくることにより、燃料タンク内の温度が上昇し、燃料タンク内に貯留される燃料が気化され、タンク内圧が上昇する。このように燃料タンクの内圧が上昇すると、燃料を充填する際に、充填性が悪化して充填時間が長くなるという問題点があった。
【０００６】
また、燃料タンク内は気液平衡の状態にあり、気相の密度は燃料の組成（例えばＬＰＧではプロパンとブタンの比率）、温度または圧力により異なる。そのため、気噴インジェクタによって、特に小流量域で、補助的に精度良く気相燃料を噴射するのが困難で、エンジンのアイドル運転時には、エンジンに消費される燃料の５％程度しか気相燃料が消費できなくて、燃料タンクの温度を低下させにくいという問題点があった。
【０００７】
そこで本発明は、このような問題点を解消できる内燃機関の液化ガス燃料供給装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、請求項１記載の第１の発明は、液化ガス燃料が貯留される燃料タンクと、該燃料タンクから取り出した液相燃料をポンプで加圧して液噴インジェクタに導く燃料通路とを含む内燃機関の燃料供給装置において、
前記燃料タンクから取り出した気相燃料を前記燃料通路における前記ポンプの上流側に供給する気相燃料供給通路と、該気相燃料供給通路に設けられ、燃料タンクから取り出した気相燃料を液化する再液化装置とを具備したことを特徴とする内燃機関の液化ガス燃料供給装置である。
【０００９】
本発明では、再液化装置としてコンプレッサや冷却装置を用いることができる。燃料タンクに貯留されている液化ガス燃料の蒸気（気相成分）の圧力は飽和蒸気圧（単に蒸気圧ともいう）になっているので、これを取り出して、コンプレッサ等の再液化装置で圧縮又は冷却すると簡単に液化する。こうして再液化した気相燃料は燃料通路のポンプで加圧され、液噴インジェクタに導かれる。燃料タンク内の燃料の気化が進み、気化熱が奪われることによって燃料タンク内の燃料温度が低下する。
【００１０】
請求項２記載の第２の発明は、前記第１の発明において、燃料タンクの温度及び圧力の少なくとも一方を検出する検出手段と、該検出手段による検出結果に基づいて前記再液化装置を制御する制御装置を具備したことを特徴とするものである。
【００１１】
本発明では、内燃機関の運転開始時点における燃料タンクの温度又は圧力を検出して記憶し、その後の温度又は圧力の変化を検出して、温度又は圧力が所定値を超えたら制御装置が再液化装置を作動させる。すると燃料タンク内の液化ガス燃料の蒸発（気化）が進み、気化熱が奪われることによって燃料タンク内の燃料温度が低下する。
【００１２】
請求項３記載の第３の発明は、前記第１又は第２の発明において、再液化装置が容積型のコンプレッサであることを特徴とするものである。
【００１３】
本発明では、容積型のコンプレッサとして、ダイヤフラム式のコンプレッサを使うことができる。容積型のコンプレッサはタービン式等の非容積型のものに比較して効率が良いため、電力消費が少ない。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に本発明の好ましい実施の形態を図面の実施例に従って説明する。
【００１５】
図１は実施例の概略構成図である。エアクリーナ１から吸入された空気は、スロットルボデー２を経て吸気管３におけるエンジン４の各気筒に連通する吸気ダクト５，５，５，５を通じてエンジン４に供給され、エンジン４の排気は排気管６から排気される。
【００１６】
各吸気ダクト５には、液噴インジェクタ７が備えられており、燃料デリバリパイプ８を通じて燃料を液噴インジェクタ７から各吸気ダクト５内に噴射供給するようになっている。
【００１７】
本発明は液化石油ガス（ＬＰＧ）、ディメチルエーテル（ＤＭＥ）、ＬＮＧ、水素ガス等を加圧液化した液化ガスを燃料とする内燃機関に適用するもので、この液化ガス、実施例ではプロパンとブタンを主成分とするＬＰＧが燃料タンク９内に液相と気相が共存する状態で貯留されている。
【００１８】
燃料タンク９の底部と前記燃料デリバリパイプ８とは、燃料タンク９の液相部１０の液相燃料を取り出して前記燃料デリバリパイプ８へ供給する液相燃料供給手段としての燃料通路１１で接続されている。該燃料通路１１には、その燃料取り出し部に設けた燃料フィルタ１２と、タンク遮断弁１３と、燃料通路１１の途中に設けた燃料ポンプ１４が配設されている。燃料取り出し部はサブタンク１５で囲まれていて、エンジン４を搭載した車両の旋回時などにおける燃料切れによるエンストを防止する。燃料デリバリパイプ８に供給された燃料のうち、余剰燃料は還流通路１６を通って燃料タンク９に戻る。１７は還流通路１６の下流端（出口）に設けた周知の圧力レギュレータである。
【００１９】
燃料タンク９の上部の気相部１８の気相燃料は、気相燃料供給通路１９で取り出され、取り出した気相燃料を液化する再液化装置としてのダイアフラム式コンプレッサ２０で加圧されて前記燃料通路１１の燃料ポンプ１４の上流部分に供給される。気相燃料供給通路１９の上流端部近くには、逆止弁２１が設けられていて、気相部１８から取り出した気相燃料の逆流を防止する。
【００２０】
燃料タンク９の底部には、検出手段に相当する燃温センサ２２と燃圧センサ２３が配設され、それぞれ燃料の温度と圧力を検出し、検出した温度、圧力は制御装置としてのＥＣＵ２４に入力する。ＥＣＵ２４は、検出手段としての燃温センサ２２と燃圧センサ２３で検出した検出結果としての温度、圧力に基づいて、前記コンプレッサ２０をデューティ制御する。
【００２１】
燃料タンク内に貯留されているＬＰＧの気相と液相が平衡状態にあって、圧力はそのときの温度に対応するＬＰＧの飽和蒸気圧を示し、圧力と温度との関係は、蒸気圧曲線として示される。
【００２２】
今、エンジン４を搭載した車両のイグニッションキーを入れたときの燃料の温度と圧力をＥＣＵ２４に記憶し、イグニッションキーを入れた後、運転時間につれてエンジンの温度が上昇すると、燃料タンク９内の燃料の温度も次第に上昇し、圧力も高くなる。この温度上昇は、還流通路１６を通って燃料タンク９に戻る高い温度の戻り燃料によっても加速される。
【００２３】
ＥＣＵ２４は、燃料タンク９の温度と圧力を監視して、前述のように記憶した運転開始時の温度、圧力に比較して、温度または圧力が一定以上（例えば６℃以上）高くなって、所定値を超えたらコンプレッサ２０を駆動して、気相部１８から取り出した気相燃料を圧縮し、再液化させる。燃料タンク９内の蒸気圧は、前述のように、飽和蒸気圧を保っているので、コンプレッサ２０でわずかに加圧圧縮するだけで、取り出した気相燃料は簡単に液化する。具体的には、コンプレッサ２０の加圧力はせいぜい０．１ＭＰａ程度の低圧で良い。こうして、再液化した気相燃料は、液相部１０からの液相燃料とともに燃料ポンプ１４で更に０．３〜１ＭＰａ程度に加圧され、燃料デリバリパイプ８を経て各液噴インジェクタ７，７，７，７へ供給される。
【００２４】
ＥＣＵ２４で、コンプレッサ２０を駆動するデューティを変えることで、気相部１８から取り出す気相燃料量を変えることができ、気相部１８から取り出す気相燃料量と液相部１０から取り出す液相燃料量の比率を自由に設定することができる。そのため、エンジン４の要求燃料量に対して、気相部１８から取り出す気相燃料量を増加させて、アイドリング時においてもコンプレッサ２０の能力からして１０〜６０％の気相燃料を消費できる。したがって、気相燃料の取り出し量の増加に伴う気化熱の増加により、燃料タンクの昇温が抑制されて、燃料タンク内の圧力上昇も抑制される。
【００２５】
燃料タンク９は、燃料ポンプ１４からの受熱で昇温するが、エンジン４、遮断弁１３、液噴インジェクタ７、排気系などからの受熱でも昇温する。そして、前述のように気相燃料の取り出しによって気化熱による温度の下降がある。全体としての燃料タンクの温度変化は、上記受熱と気化熱のエネルギー収支で決まることになる。
【００２６】
ポンプからの受熱をPpump[W]とすると、
Ppump[W]=Pinput-Poutput    …（１）
と表される。なお、Pinput=V・I、Poutput=Qv-pump・P、
V：バッテリー電圧[V]、I：電流[A]、Qv_pump：吐出流量[m3/s]、P：昇圧[N/m2]
である。
【００２７】
また、エンジン、遮断弁、インジェクタ、排気系などからの受熱の和をPreturn[W]とすると、
Preturn[W]=Qv_return・ρliquid・CLPG・(Treturn-Tfeed)  …（２）
Qv_return：リターン流量[m3/s]
ρliquid：ＬＰＧの液密度[kg/m3]
CLPG：ＬＰＧ燃料の比熱[J/kg・K]
Tfeed：タンク取り出し時の燃料温度[K]
Treturn：タンク戻し時の燃料温度[K]
である。
【００２８】
また、燃料タンクから奪われる気化熱Pevap[W]は、
0004330906.tif 000002
Qv_consumption：エンジン消費流量[m3/s]
ρgas：タンク内のＬＰＧガス密度[kg/m3]
Cevap：ＬＰＧの気化熱[J/kg]
Rgas：気相取出し率
R liquid：液相取出し率(=1-Rgas)
である。
なお、エンジン消費重量流量Qm_consumption[kg/H]は、
0004330906.tif 000003
である。
【００２９】
したがって、燃料タンクの熱エネルギー収支Ptank[W]は、上記（１）（２）（３）式から、次の（５）式で表される。
【００３０】
Ptank[W]=Ppump+Preturn-Pevap  …（５）
熱エネルギー収支Ptankが正の場合には燃料タンクの温度が上昇し、負の場合には燃料タンクの温度が下降する。そして、熱エネルギー収支Ptankの絶対値が大きい程、燃料タンク温の上昇又は下降の程度が大きくなる。
【００３１】
エンジン消費の１０％を気相取り出しとし、９０％を液相取り出しとしたときの燃料タンクの熱エネルギー収支が、エンジンの燃料消費重量流量によってどのようになるかを図２に示す。なお、上記（１）〜（５）式を計算するときの計算条件は次のようにした。
【００３２】
V＝             14[V]         I＝                 8[A]
Qv_pump＝ 0.000033[m3/s]       P＝           400000[N/m2]
CLPG＝         1550[J/kg・K]   Treturn-Tfeed＝    5[K]
ρgas＝         20[kg/m3]      Cevap＝       340000[J/kg]
ρliquid＝     550[kg/m3]      Qv_consumption,Qv_returnは変数
【００３３】
エネルギー収支０の横軸と燃料タンクの熱エネルギー収支を示す直線との交点Ａは、気相取り出しの割合を変えることで移動させることができる。換言すれば、直線の傾きを変えることができる。エンジン消費流量がＡ点を超える広い範囲にわたって燃料タンクの温度が気化熱のために下降する。図２で、縦軸との交点Ｂの位置は、気相取り出しの割合を変化させても移動しなくて固定している。
【００３４】
仮に、気相取り出しを０％、液相取り出しをエンジン消費の１００％とすると、燃料タンクの熱エネルギー収支Ptank[W]は、図３のようになり、エンジン消費の領域の殆どで、燃料タンクの温度が上昇する。このことから、本願発明の効果がよくわかる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明の内燃機関の液化ガス燃料供給装置は、上述のように構成されているので、エンジンの要求流量、燃料組成、温度、圧力に関係なく燃料タンク内で気化熱を多く奪うため、燃料タンク温の上昇を抑制でき、燃料補給時の充填性の悪化を、気噴インジェクタが無くても防止できる。
【００３６】
また、気噴インジェクタなどの気体燃料噴射補助装置がない液体燃料噴射であるため、フィードバック制御や学習制御による燃料量の制御が容易であり、特に小流量域における空燃比制御性が向上する。そして、計量精度を考慮する必要がないので、アイドル運転時にも１０〜６０％程度の気相燃料が消費できる。
【００３７】
また、請求項２の発明では、燃料の温度又は圧力の検出結果に基づいて再液化装置を制御するので、必要なときだけ再液化装置を有効に作動させられ、また検出結果によって気相取り出し量を変えられるので、エネルギー効率の点でも有効である。
【００３８】
更にまた、請求項３の発明では、コンプレッサの効率を効果的に活かすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の概略構成図。
【図２】本発明の実施例の燃料タンクの熱エネルギー収支を説明する図。
【図３】図２と比較するための熱エネルギー収支の図。
【符号の説明】
４    エンジン
７    液噴インジェクタ
９    燃料タンク
１１  燃料通路（液相燃料供給手段）
１４  燃料ポンプ
１９  気相燃料供給通路
２０  コンプレッサ（再液化装置）
２１  逆止弁
２２  燃温センサ（検出手段）
２３  燃圧センサ（検出手段）
２４  ＥＣＵ（制御装置）
【図１】
0004330906.tif 000004
【図２】
0004330906.tif 000005
【図３】
0004330906.tif 000006