JP2005194961A - エンジンシステムおよびこれを用いた排ガス浄化方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 低コストで構成できる上、過大なエネルギーを消費させずに排ガスを充分に浄化することができる天然ガスエンジンのエンジンシステムおよびこれを用いた排ガス浄化方法を提供する。
【解決手段】 燃料ガス供給口５から供給された燃料ガス中の気体成分を、非メタン炭化水素の含有量が少ない軽質分と非メタン炭化水素の含有量が多い重質分とに分離する気体分離ユニット７を備え、かつ、気体分離ユニット７により分離された軽質分が貯蔵される第１貯蔵タンク９と、気体分離ユニット７により分離された重質分が貯蔵される第２貯蔵タンク１１と、浄化触媒６の温度を検出する触媒温度センサ６ａと、天然ガスエンジン２に供給する燃料ガスを、触媒温度センサ６ａの検出結果に応じて、軽質分または重質分に切り替える切替弁１８とを備えたエンジンシステム１とした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、天然ガスを燃料ガスとするエンジンシステムおよびこれを用いた排ガス浄化方法に関する。

天然ガスを燃料ガスとするエンジン（以下、単に「天然ガスエンジン」という）は、その排ガス中に硫黄酸化物を含まず、地球温暖化の原因となる二酸化炭素の排出量も少ないため、低公害エンジンとして期待されており、現在、圧縮天然ガス自動車等に使用されている。しかし、天然ガス中には排ガス規制の対象となる非メタン炭化水素（Ｎｏｎ−Ｍｅｔｈａｎｅ Ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ、以下「ＮＭＨＣ」と略称する）が含まれているため、天然ガスを燃料ガスとして使用する場合は、通常、天然ガスエンジンの排気側に別途設けたＮＭＨＣ除去手段によって排ガス中のＮＭＨＣを除去している。

ＮＭＨＣ除去手段としては、通常は三元触媒等の排ガスの浄化触媒を用いるが、この種の浄化触媒は、一般的に、排ガスにより加熱され、触媒活性化温度（例えば２００℃程度）まで温度が上昇した状態において、ＮＭＨＣを浄化する特性を有している。よって、天然ガスエンジンが始動してから浄化触媒の温度が触媒活性化温度まで上昇する間は、浄化触媒で排ガス中のＮＭＨＣを除去するのは困難となる。

一方、浄化触媒の触媒活性化温度まで温度が上昇する間においても、排ガス中のＮＭＨＣを低減させるために、例えば、特許文献１に、ＮＭＨＣを吸着する吸着材を用いた排ガス浄化装置についての発明が記載されている。この排ガス浄化装置は、天然ガスエンジンの吸気側にＮＭＨＣを吸着する吸着材と、この吸着材を加熱する吸着材加熱手段とを備え、更に、天然ガスエンジンの排気側に、浄化触媒と、この浄化触媒の温度を検出する触媒温度検出手段とを備えている。この排ガス浄化装置は、ＮＭＨＣを吸着する吸着材を備えているため、天然ガスエンジンが始動してから浄化触媒の温度が触媒活性化温度まで上昇する間は、前記吸着材が燃料ガス（天然ガス）中のＮＭＨＣを吸着する。これにより、天然ガスエンジンにはＮＭＨＣが除去された燃料ガスが供給され、天然ガスエンジンから排出される排ガス中のＮＭＨＣの濃度は低くなる。

そして、浄化触媒が排ガスにより加熱され、前記触媒温度検出手段の検出温度が浄化触媒の触媒活性化温度に達した後で、前記吸着材を再生するために、前記吸着材加熱手段により前記吸着材をＮＭＨＣの脱離温度まで加熱する。これにより、吸着したＮＭＨＣが前記吸着材から脱離し、前記吸着材が再生される。この際、脱離したＮＭＨＣを含む燃料ガスが天然ガスエンジンに供給され、天然ガスエンジンからＮＭＨＣを含む排ガスが排出されても、活性状態の浄化触媒によりＮＭＨＣが浄化されるため、大気に排出される排ガス中のＮＭＨＣの濃度は低くなる。
特開２００２−４７９２４号公報（段落００１３〜００２２、図１および図２）

しかし、特許文献１に記載された排ガス浄化装置は、ＮＭＨＣを吸着する吸着材と、この吸着材を加熱する吸着材加熱手段とを設ける必要があるため、コストの上昇を招く。また、吸着材加熱手段により加熱する際に、エネルギーが必要とされるため、燃費が悪化するおそれがある。
そこで、本発明は、低コストで構成できる上、過大なエネルギーを消費させずに排ガスを充分に浄化することができる天然ガスエンジンのエンジンシステムおよびこれを用いた排ガス浄化方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決した本発明のうちの請求項１に記載された発明は、天然ガスエンジンと、この天然ガスエンジンに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給口と、前記天然ガスエンジンから排出される排ガスを浄化するための浄化触媒とを備えたエンジンシステムであって、前記燃料ガス供給口と前記天然ガスエンジンとの間に、前記燃料ガス供給口から供給された燃料ガス中の気体成分を、ＮＭＨＣの含有量が少ない軽質分とＮＭＨＣの含有量が多い重質分とに分離する分離手段を備え、かつ、前記分離手段により分離された前記軽質分が貯蔵される第１貯蔵タンクと、前記分離手段により分離された前記重質分が貯蔵される第２貯蔵タンクと、前記浄化触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、前記天然ガスエンジンに供給する燃料ガスを、前記触媒温度検出手段の検出結果に応じて、前記第１貯蔵タンクに貯蔵された前記軽質分または前記第２貯蔵タンクに貯蔵された前記重質分に切り替える切替手段とを備えたことを特徴とする。

請求項１に記載されたエンジンシステムによれば、例えば、天然ガスエンジンが始動してから浄化触媒の温度が触媒活性化温度まで上昇する間は、天然ガスエンジンに供給する燃料ガスに、第１貯蔵タンクに貯蔵された軽質分、即ちＮＭＨＣが除去された燃料ガスを使用することができる。そして、例えば、浄化触媒が排ガスにより加熱され、触媒温度検出手段の検出温度が浄化触媒の触媒活性化温度に達すると、切替手段により、天然ガスエンジンに供給する燃料ガスを第２貯蔵タンクに貯蔵された重質分に切り替えることができる。この際、ＮＭＨＣを含む燃料ガス（重質分）が天然ガスエンジンに供給され、天然ガスエンジンからＮＭＨＣを含む排ガスが排出されても、活性状態の浄化触媒によりＮＭＨＣを浄化することができるため、浄化触媒の温度によらず、大気に排出される排ガス中のＮＭＨＣの濃度を低減させることができる。

また、請求項２に記載された発明は、請求項１に記載されたエンジンシステムにおいて、前記分離手段は気体分離材を備え、この気体分離材中を前記燃料ガス供給口から供給された燃料ガス中の気体成分が透過する際の各気体成分の透過速度の差と、透過前後の前記燃料ガスの圧力差とを利用して、前記燃料ガス中の気体成分を前記軽質分と前記重質分とに分離することを特徴とする。

請求項２に記載されたエンジンシステムによれば、分離手段が気体分離材を備え、この気体分離材中を燃料ガス供給口から供給された燃料ガス中の気体成分が透過する際の各気体成分の透過速度の差と、透過前後の燃料ガスの圧力差とを利用して、燃料ガス中の気体成分を軽質分と重質分とに分離する。よって、この分離手段を用いて燃料ガス中の気体成分を軽質分と重質分とに分離する場合は、例えば、気体分離材を透過する前の燃料ガス圧力が気体分離材を透過した後の燃料ガス圧力より高くなるように調整する。この際、透過前後の燃料ガスの圧力差が大きいほど、燃料ガス中の各気体成分の透過速度の差が大きくなるため、効率よく燃料ガス中の気体成分を軽質分と重質分とに分離することができる。また、この構成では充填装置から供給される高圧に保たれた燃料ガス圧力を利用して圧力差を大きくすることができ、複雑な機構や熱源が不要となるため、過大なエネルギーを消費することがなくなる。

また、請求項２に記載されたエンジンシステムの分離手段に備えた気体分離材が、膜状、板状、柱状または中空糸状に形成され、かつ、その構成材料にポリイミド、ポリスルホン酸、ゼオライトまたは多孔質炭素材のうちいずれか１つを少なくとも含む場合に、特に、効率よく燃料ガス中の気体成分を軽質分と重質分とに分離することができる（請求項３）。

また、請求項４に記載された発明は、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のエンジンシステムにおいて、前記分離手段により分離された前記重質分のＮＭＨＣの含有量を低減させる燃料ガス改質手段を備えたことを特徴とする。

請求項４に記載されたエンジンシステムによれば、分離手段により分離された重質分のＮＭＨＣの含有量を低減させる燃料ガス改質手段を備えているため、大気に排出される排ガス中のＮＭＨＣの濃度をより一層低減させることができる。

また、請求項５に記載された発明は、天然ガスエンジンと、この天然ガスエンジンに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給口と、前記天然ガスエンジンから排出される排ガスを浄化するための浄化触媒とを備えたエンジンシステムにおける排ガス浄化方法であって、前記燃料ガス供給口から供給された燃料ガス中の気体成分を、ＮＭＨＣの含有量が少ない軽質分とＮＭＨＣの含有量が多い重質分とに分離する分離ステップと、前記分離ステップにより分離された前記軽質分および前記重質分をそれぞれ独立して貯蔵する貯蔵ステップと、前記浄化触媒の温度を検出する触媒温度検出ステップと、前記天然ガスエンジンに供給する燃料ガスを、前記触媒温度検出ステップにおける検出結果に応じて、前記貯蔵ステップにより貯蔵された前記軽質分または前記重質分に切り替える切替ステップとを備えたことを特徴とする。

請求項５に記載された排ガス浄化方法によれば、例えば、天然ガスエンジンが始動してから浄化触媒の温度が触媒活性化温度まで上昇する間は、天然ガスエンジンに供給する燃料ガスに、分離ステップにより分離され、貯蔵ステップにより貯蔵された軽質分、即ちＮＭＨＣが除去された燃料ガスを使用することができる。そして、例えば、浄化触媒が排ガスにより加熱され、触媒温度検出ステップにおける検出温度が浄化触媒の触媒活性化温度に達すると、切替ステップにより、天然ガスエンジンに供給する燃料ガスを、分離ステップにより分離され、貯蔵ステップにより貯蔵された重質分に切り替えることができる。この際、ＮＭＨＣを含む燃料ガス（重質分）が天然ガスエンジンに供給され、天然ガスエンジンからＮＭＨＣを含む排ガスが排出されても、活性状態の浄化触媒によりＮＭＨＣを浄化することができるため、浄化触媒の温度によらず、大気に排出される排ガス中のＮＭＨＣの濃度を低減させることができる。

また、請求項６に記載された発明は、請求項５に記載された排ガス浄化方法において、前記分離ステップにより分離された前記重質分のＮＭＨＣの含有量を低減させる燃料ガス改質ステップを備えたことを特徴とする。

請求項６に記載された排ガス浄化方法によれば、分離ステップにより分離された重質分のＮＭＨＣの含有量を低減させる燃料ガス改質ステップを備えているため、大気に排出される排ガス中のＮＭＨＣの濃度をより一層低減させることができる。

このような、天然ガスエンジンのエンジンシステムおよびこれを用いた排ガス浄化方法によれば、ＮＭＨＣを吸着する吸着材やこの吸着材を加熱する吸着材加熱手段等を必要としないため、低コストで構成できる上、過大なエネルギーを消費させずに排ガスを充分に浄化することができる。

［第１実施形態］
次に、本発明の第１実施形態について適宜図面を参照しつつ説明する。参照する図１は、本発明の第１実施形態に係るエンジンシステムの構成図である。また、図２および図３は、本発明の第１実施形態に係るエンジンシステムを用いた排ガス浄化方法を説明するフローチャートであり、このうち図２は、燃料ガス供給時における前記エンジンシステムの動作を示し、図３は、前記エンジンシステムが適用された自動車（圧縮天然ガス自動車）の運転時における前記エンジンシステムの動作を示す。なお、以下の説明においては、本発明を圧縮天然ガス自動車に適用した場合について例示しているが、本発明はこれに限定されず、例えば天然ガスを燃料ガスとして動力を得るモーターボート等に適用してもよい。

図１に示すように、本発明の第１実施形態に係るエンジンシステム１は、天然ガスエンジン２と、天然ガスエンジン２に供給される燃料ガスの通路となる吸気通路３と、天然ガスエンジン２から排出される排ガスの通路となる排気通路４と、天然ガスエンジン２の吸気側末端に配置され、天然ガスエンジン２に燃料ガスを供給する燃料ガス供給口５と、燃料ガス供給口５と天然ガスエンジン２との間に設けられ、燃料ガス供給口５から供給される燃料ガス中の気体成分を、ＮＭＨＣの含有量が少ない軽質分とＮＭＨＣの含有量が多い重質分とに分離し、分離された軽質分および重質分を、それぞれ独立して貯蔵する燃料ガス分離貯蔵部２１と、排気通路４に接続され、天然ガスエンジン２から排出される排ガスを浄化するための浄化触媒６と、電子制御装置（以下、ＥＣＵと称する）１９と、イグニッションスイッチ２０とを備えている。そして、このエンジンシステム１は、燃料ガス供給口５から供給された燃料ガスが、燃料ガス分離貯蔵部２１を経由して、吸気通路３から天然ガスエンジン２に供給され、更に、天然ガスエンジン２から排気通路４を通過して排出された排ガスが、浄化触媒６により浄化されて大気に排出されるように構成されている。なお、燃料ガス供給口５は燃料ガスの供給時以外は図示しない遮断弁により遮断されている。また、燃料ガス供給口５から供給される燃料ガスには、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）が用いられる。ちなみにＣＮＧは、例えば、メタン：８８．０容量％、エタン：５．８容量％、プロパン：４．５容量％、ブタン：１．７容量％といった都市ガス規格１３Ａと同様の組成を有している。

燃料ガス分離貯蔵部２１は、燃料ガス供給口５に配管１３により接続され、燃料ガス供給口５から供給される燃料ガス中の気体成分を軽質分と重質分とに分離する気体分離ユニット７と、気体分離ユニット７に配管１０により接続され、気体分離ユニット７により分離された軽質分を貯蔵する第１貯蔵タンク９と、気体分離ユニット７に配管１２により接続され、気体分離ユニット７により分離された重質分を貯蔵する第２貯蔵タンク１１と、配管１３に設けられ、気体分離ユニット７への燃料ガスの流入を遮断する電磁弁１５と、配管１０に設けられ、第１貯蔵タンク９への燃料ガスの流入を遮断する電磁弁１４とを備え、更に、第１貯蔵タンク９から天然ガスエンジン２に燃料ガス（軽質分）を供給するための配管１６と、第２貯蔵タンク１１から天然ガスエンジン２に燃料ガス（重質分）を供給するための配管１７と、吸気通路３とが接続される箇所に、切替弁１８を備えている。

気体分離ユニット７は、その内部に気体分離材８を備え、この気体分離材８により、燃料ガス供給口５側に位置する分室７ａと、第１貯蔵タンク９側に位置する分室７ｂとに仕切られている。気体分離材８には、その中を燃料ガス供給口５から供給された燃料ガス中の気体成分が透過する際、燃料ガス中の各気体成分の透過速度が相異するものを用いている。例えば、燃料ガス中の気体成分のうち、炭素数で２以下の炭化水素と炭素数で３以上の炭化水素との間で、透過速度に著しく差が生ずるものを好適に用いることができる。これにより、燃料ガス中の気体成分のうち軽質分のみが気体分離材８を透過して分室７ｂに到達する。そして、分室７ｂに到達した軽質分は、電磁弁１４が開状態のときに、分室７ｂから配管１０を通過して第１貯蔵タンク９に貯蔵される。一方、燃料ガス中の重質分は、気体分離材８を透過せずに、分室７ａから配管１２を通過して第２貯蔵タンク１１に貯蔵される。なお、気体分離ユニット７は特許請求の範囲にいう「分離手段」に相当する。

気体分離材８の形状および構成材料については特に限定されないが、膜状、板状、柱状または中空糸状に形成され、かつ、その構成材料にポリイミド、ポリスルホン酸、ゼオライトまたは多孔質炭素材のうちいずれか１つを少なくとも含む場合に、特に効率よく燃料ガス中の気体成分を軽質分と重質分とに分離することができる
構成材料については、表１に示すようなメタンの透過速度がプロパン、ブタン等の重質分と比較して充分に大きい特性を示すものを選択することが望ましい。

第１貯蔵タンク９および第２貯蔵タンク１１の内部には、それぞれのタンク内の燃料ガス圧力を検出する圧力センサ９ａおよび圧力センサ１１ａが設けられている。なお、第２貯蔵タンク１１は第１貯蔵タンク９より容積が大きくなるように形成されているため、本実施形態においては、軽質分より重質分の方がより多く貯蔵できる。

切替弁１８は、天然ガスエンジン２に供給する燃料ガスを、触媒温度センサ６ａの検出結果に応じて、第１貯蔵タンク９に貯蔵された軽質分または第２貯蔵タンク１１に貯蔵された重質分に切り替える切替手段として機能する。即ち、切替弁１８は、第１貯蔵タンク９に貯蔵された燃料ガス（軽質分）を天然ガスエンジン２に供給する場合には、配管１７と吸気通路３とを遮断し、配管１６と吸気通路３とを連通させる。一方、第２貯蔵タンク１１に貯蔵された燃料ガス（重質分）を天然ガスエンジン２に供給する場合には、切替弁１８は、配管１６と吸気通路３とを遮断し、配管１７と吸気通路３とを連通させる。なお、切替弁１８は、配管１６と吸気通路３との間および配管１７と吸気通路３との間の双方を遮断し、天然ガスエンジン２への燃料ガスの供給を停止することもできる。

浄化触媒６には、三元触媒等の浄化触媒を用いることができる。この浄化触媒６は、触媒活性化温度（例えば２００℃）に達した活性状態においてＮＭＨＣを浄化する特性を有している。そしてこの浄化触媒６には、浄化触媒６の温度（厳密には浄化触媒６の主体を構成する触媒床温度）を検出する触媒温度センサ（触媒温度検出手段）６ａが設けられている。

ＥＣＵ１９は、電磁弁１４，１５の開閉動作や切替弁１８の切替動作等を制御する。このＥＣＵ１９は、燃料ガス供給時に、燃料ガス供給口５を開放した際、または運転時に、イグニッションスイッチ２０を「ＯＮ」にした際、バッテリ（図示せず）から電力が供給されて動作するようになっている。

次に、エンジンシステム１を用いた排ガス浄化方法について説明する。まず、図１の構成図および図２のフローチャートを参照して、燃料ガス供給時におけるエンジンシステム１の動作を説明する。

（１）燃料ガス供給時
燃料ガスを供給する際は、まず燃料ガス供給口５を遮断する遮断弁（図示せず）を開いて、燃料ガス供給口５を開放する。これにより、図２のフローチャートに示すように、ＥＣＵ１９の制御が開始される。図２に示すように、まず、ＥＣＵ１９は、電磁弁１４，１５を開く（ステップＳ１）。そして、燃料ガス充填装置（図示せず）により、燃料ガス供給口５から燃料ガスを供給すると、供給された燃料ガスは、配管１３を通過して気体分離ユニット７へ流入する。そして、気体分離ユニット７へ流入した燃料ガスのうち、軽質分（例えば、炭素数で２以下の炭化水素）のみが気体分離材８を透過し（分離ステップＳ２）、配管１０を通過して第１貯蔵タンク９に貯蔵される（貯蔵ステップＳ３）。一方、気体分離ユニット７へ流入した燃料ガス中の重質分は、気体分離材８を透過せずに（分離ステップＳ２）、配管１２を通過して第２貯蔵タンク１１に貯蔵される（貯蔵ステップＳ３）。なお、気体分離ユニット７へ流入した燃料ガス中の軽質分の一部は、気体分離材８を透過せずに第２貯蔵タンク１１に貯蔵される。また、燃料ガスを供給する際は、気体分離ユニット７の分室７ａの燃料ガス圧力（気体分離材８を透過する前の燃料ガス圧力）が分室７ｂの燃料ガス圧力（気体分離材８を透過した後の燃料ガス圧力）より高くなるように、燃料ガス充填装置（図示せず）から供給される燃料ガス圧力を調整すると、効率よく燃料ガス中の気体成分を軽質分と重質分とに分離することができる。

次に、ＥＣＵ１９は、圧力センサ９ａが検出した第１貯蔵タンク９内の燃料ガス圧力Ｐ１と、所定の閾値Ｐａ（例えば３ＭＰａ）とを比較し、大小を判定する（ステップＳ４）。これと同時に、ＥＣＵ１９は、圧力センサ１１ａが検出した燃料ガス圧力Ｐ２と、所定の閾値Ｐｂ（例えば４ＭＰａ）とを比較し、大小を判定する（ステップＳ４）。そして、燃料ガス圧力Ｐ１が閾値Ｐａ以上である場合または燃料ガス圧力Ｐ２が閾値Ｐｂ以上である場合は（ステップＳ４のＹｅｓ）、ステップＳ５へ進む。一方、燃料ガス圧力Ｐ１が閾値Ｐａ未満であり、かつ、燃料ガス圧力Ｐ２が閾値Ｐｂ未満である場合は（ステップＳ４のＮｏ）、分離ステップＳ２に戻り同様の動作を繰り返す。ここで、閾値Ｐａは、運転時において、天然ガスエンジン２を始動してから浄化触媒６が活性化されるまでの間に消費される燃料ガスの量よりも、第１貯蔵タンク９に貯蔵される燃料ガス（軽質分）が多くなるように設定するとよい。また、閾値Ｐａ，Ｐｂは、第１貯蔵タンク９および第２貯蔵タンク１１の燃料ガス圧力の限界値（貯蔵が不可能となる値）よりも低めに設定するとよい。なお、本実施形態においては、後記するように、燃料供給時または運転時において、第２貯蔵タンク１１に貯蔵された燃料ガスを、気体分離ユニット７を経由して第１貯蔵タンク９に供給する際に、気体分離材８により第２貯蔵タンク１１に貯蔵された燃料ガスから効率よく軽質分を分離するために、閾値Ｐｂを閾値Ｐａより高めに設定している。

ステップＳ４の判定がＹｅｓの場合において、燃料ガス圧力Ｐ１が閾値Ｐａ以上である場合には（ステップＳ５のＹｅｓ）、ＥＣＵ１９は、電磁弁１４を閉じて（ステップＳ６）、第１貯蔵タンク９への燃料ガス（軽質分）の流入を遮断する。続いて、ＥＣＵ１９は、圧力センサ１１ａが検出した燃料ガス圧力Ｐ２と、所定の閾値Ｐｂとを比較し、大小を判定する（ステップＳ７）。そして、燃料ガス圧力Ｐ２が閾値Ｐｂ以上である場合には（ステップＳ７のＹｅｓ）、ＥＣＵ１９は、電磁弁１５を閉じて（ステップＳ８）、エンジンシステム１の動作を終了する。一方、燃料ガス圧力Ｐ２が閾値Ｐｂ未満である場合には（ステップＳ７のＮｏ）、ステップＳ７の判定を繰り返す。

ステップＳ４の判定がＹｅｓの場合において、燃料ガス圧力Ｐ１が閾値Ｐａ未満である場合（ステップＳ５のＮｏ）、即ち、第１貯蔵タンク９の燃料ガス圧力Ｐ１が所定の閾値Ｐａに達せず、第２貯蔵タンク１１の燃料ガス圧力Ｐ２のみが所定の閾値Ｐｂに達した場合には、ＥＣＵ１９は、電磁弁１５を閉じ（ステップＳ９）、気体分離ユニット７への燃料ガスの流入を遮断する。ここで、前記したように、所定の閾値Ｐｂは、所定の閾値Ｐａより高めに設定されているため、電磁弁１５が閉じられると、第２貯蔵タンク１１と第１貯蔵タンク９との間に差圧が生じて、第２貯蔵タンク１１に貯蔵された燃料ガスが気体分離ユニット７を経由して第１貯蔵タンク９に供給される。この際、気体分離材８により、第２貯蔵タンク１１に貯蔵された燃料ガスから軽質分のみが分離され、分離された軽質分が第１貯蔵タンク９に貯蔵される。

続いて、ＥＣＵ１９は、圧力センサ９ａが検出した燃料ガス圧力Ｐ１と、所定の閾値Ｐａとを比較し、大小を判定する（ステップＳ１０）。そして、燃料ガス圧力Ｐ１が閾値Ｐａ以上である場合には（ステップＳ１０のＹｅｓ）、ＥＣＵ１９は、電磁弁１４を閉じて（ステップＳ１１）、エンジンシステム１の動作を終了する。一方、燃料ガス圧力Ｐ１が閾値Ｐａ未満である場合には（ステップＳ１０のＮｏ）、ステップＳ１０の判定を繰り返す。

次に、図１の構成図および図３のフローチャートを参照して、運転時におけるエンジンシステム１の動作を説明する。なお、運転開始時において、第１貯蔵タンク９および第２貯蔵タンク１１の燃料ガス圧力Ｐ１，Ｐ２については、それぞれ所定の閾値Ｐａ，Ｐｂ（図２参照）を有しており、更に、切替弁１８により、配管１６と吸気通路３との間および配管１７と吸気通路３との間の双方が遮断されているものとする。

（２）運転時
エンジンシステム１が適用された圧縮天然ガス自動車（図示せず）を運転する際は、まずイグニッションスイッチ２０を「ＯＮ」にする。これにより、図３のフローチャートに示すように、ＥＣＵ１９の制御が開始される。図３に示すように、まず、ＥＣＵ１９は、触媒温度センサ６ａが検出した（触媒温度検出ステップ）浄化触媒６の温度Ｔと、所定の閾値Ｔａ（例えば２２０℃）とを比較し、大小を判定する（ステップＳ２０）。そして、浄化触媒６の温度Ｔが閾値Ｔａ未満である場合には（ステップＳ２０のＹｅｓ）、ＥＣＵ１９は、切替弁１８を操作することにより、配管１６と吸気通路３とを連通させ（第１切替ステップＳ２１）、天然ガスエンジン２を始動させる（ステップＳ２２）。一方、浄化触媒６の温度Ｔが閾値Ｔａ以上である場合（例えば、暖機運転後に天然ガスエンジン２を一旦停止し、再度始動した場合）には（ステップＳ２０のＮｏ）、ＥＣＵ１９は、切替弁１８を操作することにより、配管１７と吸気通路３とを連通させ（第２切替ステップＳ２３）、天然ガスエンジン２を始動させる（ステップＳ２２）。なお、本実施形態においては、所定の閾値Ｔａは、大気へのＮＭＨＣの排出をできるだけ抑えるために、浄化触媒６の触媒活性化温度より高めに設定している。

ＥＣＵ１９は、ステップＳ２２で天然ガスエンジン２を始動させた後、触媒温度センサ６ａが検出した（触媒温度検出ステップ）浄化触媒６の温度Ｔと、所定の閾値Ｔａとを比較し、大小を判定する（ステップＳ２４）。そして、浄化触媒６の温度Ｔが閾値Ｔａ未満である場合には（ステップＳ２４のＹｅｓ）、ステップＳ２５へ進む。通常、天然ガスエンジン２の始動後の数分間は、浄化触媒６の温度Ｔが閾値Ｔａ未満であるので、この場合ステップＳ２４の判定はＹｅｓとなる。一方、浄化触媒６が排ガスにより加熱されて、浄化触媒６の温度Ｔが閾値Ｔａ以上となった場合には（ステップＳ２４のＮｏ）、ステップＳ２７へ進む。

浄化触媒６の温度Ｔが閾値Ｔａ未満である場合には（ステップＳ２４のＹｅｓ）、ＥＣＵ１９は、配管１６と吸気通路３とが連通しているか否かを判断する（ステップＳ２５）。そして、配管１６と吸気通路３とが連通している場合には（ステップＳ２５のＹｅｓ）、ステップＳ２４へ戻り、同様に判定を行う。一方、配管１６と吸気通路３とが連通していない場合には（ステップＳ２５のＮｏ）、ＥＣＵ１９は、切替弁１８を操作することにより、配管１７と吸気通路３とを遮断し、配管１６と吸気通路３とを連通させて（第３切替ステップＳ２６）、ステップＳ２４へ戻り、同様に判定を行う。

浄化触媒６の温度Ｔが閾値Ｔａ以上となった場合には（ステップＳ２４のＮｏ）、ＥＣＵ１９は、配管１７と吸気通路３とが連通しているか否かを判断する（ステップＳ２７）。そして、配管１７と吸気通路３とが連通している場合には（ステップＳ２７のＹｅｓ）、ステップＳ２４へ戻り、同様に判定を行う。一方、配管１７と吸気通路３とが連通していない場合には（ステップＳ２７のＮｏ）、ＥＣＵ１９は、切替弁１８を操作することにより、配管１６と吸気通路３とを遮断し、配管１７と吸気通路３とを連通させて（第４切替ステップＳ２８）、ステップＳ２４へ戻り、同様に判定を行う。なお、前記した第１切替ステップＳ２１、第２切替ステップＳ２３、第３切替ステップＳ２６および第４切替ステップＳ２８が、特許請求の範囲にいう「切替ステップ」に相当する。

以上説明したように、このエンジンシステム１は、天然ガスエンジン２が始動してから浄化触媒６の温度Ｔが閾値Ｔａ（浄化触媒６の触媒活性化温度より高い温度）まで上昇する間は、天然ガスエンジン２に供給する燃料ガスに、第１貯蔵タンク９に貯蔵された軽質分、即ちＮＭＨＣが除去された燃料ガスを使用する。そして、浄化触媒６が排ガスにより加熱され、浄化触媒６の温度Ｔが閾値Ｔａ以上になると、切替弁１８により、天然ガスエンジン２に供給する燃料ガスを第２貯蔵タンク１１に貯蔵された重質分に切り替える。この際、ＮＭＨＣを含む燃料ガスが天然ガスエンジン２に供給され、天然ガスエンジン２からＮＭＨＣを含む排ガスが排出されても、活性状態の浄化触媒６によりＮＭＨＣを浄化することができる。その結果、浄化触媒６の温度Ｔによらず、常に大気に排出される排ガス中のＮＭＨＣの濃度を低減させることができる。

なお、図３には示していないが、運転時において、第１貯蔵タンク９の圧力センサ９ａが、第１貯蔵タンク９内の燃料ガス圧力Ｐ１を一定の間隔（例えば１０ｍｓ間隔）で検出している。そして、ＥＣＵ１９は、圧力センサ９ａが検出した第１貯蔵タンク９内の燃料ガス圧力Ｐ１と、所定の下限値（例えば２ＭＰａ）とを比較し、所定の下限値以下となった場合に、電磁弁１４を開くように制御している。ここで、第１貯蔵タンク９内の燃料ガス圧力Ｐ１は、燃料ガス（軽質分）が消費されているため低下しており、電磁弁１４を開くと、第２貯蔵タンク１１と第１貯蔵タンク９との間に差圧が生じて、燃料ガスが第２貯蔵タンク１１から気体分離ユニット７を経由して第１貯蔵タンク９へと供給される。この際、気体分離材８により、第２貯蔵タンク１１に貯蔵された燃料ガスから軽質分のみが分離され、分離された軽質分が第１貯蔵タンク９に貯蔵される。これにより、第１貯蔵タンク９には、常に一定量以上の軽質分が貯蔵されるようになる。

以上のような構成とすることにより、第１貯蔵タンク９に吸着材として活性炭やゼオライト等を用いた場合には、次のような効果も有する。

気体分離ユニット７および第２貯蔵タンク１１がない構成において、吸着材として活性炭やゼオライト等を用いると、燃料ガスとして純粋なメタンを使用した場合には大きな吸着量を得ることができるが、燃料ガスとして１３Ａ等の実用天然ガスを吸着貯蔵させると吸着量が大幅に低下する。これは、１３Ａに含まれるプロパン、ブタン等の高炭素数成分を含む重質分が、吸着材の細孔中で液化し、主成分であるメタン等の軽質分の吸着を阻害するためと考えられる。この重質分を脱離させるためには加熱や真空付近までの減圧が必要となる。このため、１）インフラ側で天然ガスを重質分と軽質分とに分離する、２）車両のメインタンク前にガードベッドと呼ばれる重質分の吸着用のタンクを設け、メインタンクには軽質分のみ供給し、ガードベッドに吸着した重質分はヒータによって加熱し、脱離させる、３）加熱や真空付近までの減圧によって細孔中で液化した重質分を脱離させる、といったことが提案されている。

しかしながら、１）の技術では、インフラ側での設備が必要であり、一般的な天然ガス自動車であるＣＮＧ（圧縮天然ガス）のインフラの改修もしくは専用インフラの新設が必要となりコストの上昇を招く。また、２）の技術ではヒータ等の加熱手段が必要であり、コスト上昇の問題がある。さらに、３）の技術についても同様である。
これに対し、気体分離ユニット７および第２貯蔵タンク１１を設置する本発明の構成とすることにより、前記した問題が解決でき、また、この構成ではガス分離手段を小さくすることができるため、スペースの確保も容易となる。また、本発明では、充填装置から供給される燃料ガス圧力（２５ＭＰａ程度）と、第１貯蔵タンク９内の燃料ガス圧力Ｐ１（０〜２０ＭＰａ）との差圧を利用して燃料ガス中の気体成分を分離するため、気体分離のための複雑な機構や動力源、熱源等のエネルギーが不要となる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係るエンジンシステムについて適宜図面を参照して説明する。参照する図４は、本発明の第２実施形態に係るエンジンシステムの構成図である。なお、本発明の第２実施形態に係るエンジンシステムは、前記した第１実施形態に係るエンジンシステムに対し、第１貯蔵タンクと第２貯蔵タンクとの容積比のみが異なる。よって、第１実施形態に係るエンジンシステムと同一構成のものについては、同一の符号を付して、その説明は省略するものとする。

図４に示すように、本発明の第２実施形態に係るエンジンシステム３０は、燃料ガス分離貯蔵部３３に、軽質分が貯蔵される第１貯蔵タンク３１と、重質分が貯蔵される第２貯蔵タンク３２とを備えている。この第１貯蔵タンク３１および第２貯蔵タンク３２の内部には、前記したエンジンシステム１と同様にそれぞれのタンク内の燃料ガス圧力を検出する圧力センサ３１ａおよび圧力センサ３２ａが設けられている。そして、第１貯蔵タンク３１は第２貯蔵タンク３２より容積が大きくなるように形成されているため、本実施形態においては、重質分より軽質分の方がより多く貯蔵できる。

このエンジンシステム３０は、前記したエンジンシステム１に比べ、燃料供給時において、第１貯蔵タンク３１に充分な量の軽質分を確保しているため、運転時において、エンジンシステム１のように、第１貯蔵タンク３１の燃料ガス（軽質分）が消費された分、第２貯蔵タンク３２から第１貯蔵タンク３１へ燃料ガスを供給する必要がなくなる。また、第２貯蔵タンク３２の燃料ガス（重質分）が、浄化触媒６の活性時に全て消費された場合は、第１貯蔵タンク３１の燃料ガス（軽質分）を、浄化触媒６の温度Ｔによらず使用することができる。これにより、ＥＣＵ１９による制御を簡素化することができる。その他の動作についてはエンジンシステム１と同様に行われるので、エンジンシステム３０についても、浄化触媒６の温度Ｔによらず、常に大気に排出される排ガス中のＮＭＨＣの濃度を低減させることができる。なお、エンジンシステム１に比べ、燃料供給時において、供給される燃料ガスから、より多く軽質分を分離する必要があるため、気体分離材８には、より分離性能が優れたものを用いる必要がある。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態に係るエンジンシステムについて適宜図面を参照して説明する。参照する図５は、本発明の第３実施形態に係るエンジンシステムの構成図である。なお、本発明の第３実施形態に係るエンジンシステムは、前記した第２実施形態に係るエンジンシステムに対し、燃料ガス分離貯蔵部に燃料ガス改質器を備えたことのみが異なる。よって、第２実施形態に係るエンジンシステムと同一構成のものについては、同一の符号を付して、その説明は省略するものとする。

図５に示すように、本発明の第３実施形態に係るエンジンシステム４０は、燃料ガス分離貯蔵部４２に、燃料ガス改質器４１を備え、この燃料ガス改質器４１は、気体分離ユニット７（分室７ａ）と第２貯蔵タンク３２との間の配管１２に配設されている。この燃料ガス改質器４１は、気体分離材８により分離された重質分のＮＭＨＣの含有量を低減させる燃料ガス改質手段として機能する。また、燃料ガス改質器４１は、水素ガス供給部４１ａと、水素化反応部４１ｂと、水素ガス供給部４１ａから水素化反応部４１ｂへ水素を供給するための配管４１ｃとから構成されている。水素ガス供給部４１ａには、例えば、水素が充填された高圧タンクや水素吸蔵合金、あるいは水の電気分解装置等を使用することができる。また、第１貯蔵タンク３１に貯蔵された軽質分（炭化水素）を改質して水素を発生させる水素発生器を使用することもできる。この場合は、別途水素や水を補給する必要がなくなる。また、水素化反応部４１ｂには、例えば、ゼオライト系触媒等が装填された反応容器等を使用することができる。

この燃料ガス改質器４１により、重質分のＮＭＨＣの含有量を低減させる場合は、気体分離材８により分離された重質分が、水素化反応部４１ｂに流入する際に、水素ガス供給部４１ａから配管４１ｃを経由して水素を供給し、ＮＭＨＣを水素化反応によりメタン（ＣＨ₄）に改質する（燃料ガス改質ステップ）。例えば、ＮＭＨＣがプロパン（Ｃ₃Ｈ₈）の場合は、下式に示すような化学反応式により水素化反応が行われる。これにより、大気に排出される排ガス中のＮＭＨＣの濃度をより一層低減させることができる。この反応はＮＭＨＣの濃度が高まるほど効率が高まるため、重質分と軽質分とを分けることによって効率よく反応が進む。なお、水素化反応部４１ｂを設けずに、水素ガス供給部４１ａから直接第２貯蔵タンク３２へ水素を供給し、第２貯蔵タンク３２内で水素化反応が行われるように構成してもよい。これにより省スペース化が図れる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態に限定するものではない。例えば、前記実施形態においては、浄化触媒６（図１参照）の温度Ｔが所定の閾値Ｔａ以上となった場合には、配管１６（図１参照）と吸気通路３（図１参照）とを遮断し、配管１７（図１参照）と吸気通路３とを連通させていたが、配管１６と吸気通路３との間および配管１７と吸気通路３との間の双方を連通させるようにしてもよい。

また、前記実施形態では、気体分離ユニット７（図１参照）を１つ設けていたが、本発明はこれに限定されず、例えば、図６（ａ）に示すように、気体分離ユニット７を並列に複数配設してもよい。これにより、軽質分の時間当たりの供給能力が向上する。また、図６（ｂ）に示すように、気体分離ユニット７を直列に複数配設してもよい。これにより、燃料ガスから軽質分を分離する分離性能が向上する。

また、前記実施形態では気体分離ユニット７を設けたが、本発明はこれに限定されず、例えば、図７に示すエンジンシステム１’のように、第２貯蔵タンク１１の内部に気体分離材８を設けた燃料ガス分離貯蔵部２１’とし、第２貯蔵タンク１１の内部で、燃料ガスから軽質分を分離するように構成してもよい。これにより、省スペース化が図れる。
また、分離手段についても、前記実施形態に限定されず、例えば、パウダ状または粒状の気体分離材を筒状の容器に充填させたものを分離手段として用いてもよい。

また、前記実施形態においては、第１貯蔵タンクおよび第２貯蔵タンクをそれぞれ１つずつ設けていたが、本発明はこれに限定されず、第１貯蔵タンクおよび第２貯蔵タンクをそれぞれ複数設けてもよい。
また、第１貯蔵タンクおよび第２貯蔵タンクの貯蔵効率を高めるため、それぞれの内部に軽質分または重質分を吸着する吸着材（例えば活性炭等）を装填してもよい。この場合、吸着材を再生する際に、特に重質分の脱離が困難であるため、ヒータ等の吸着材加熱手段を別途設けるのが望ましい。

本発明の第１実施形態に係るエンジンシステムの構成図である。 本発明の第１実施形態に係るエンジンシステムを用いた排ガス浄化方法を説明するフローチャートであり、燃料ガス供給時における本発明の第１実施形態に係るエンジンシステムの動作を示す。 本発明の第１実施形態に係るエンジンシステムを用いた排ガス浄化方法を説明するフローチャートであり、運転時における本発明の第１実施形態に係るエンジンシステムの動作を示す。 本発明の第２実施形態に係るエンジンシステムの構成図である。 本発明の第３実施形態に係るエンジンシステムの構成図である。 本発明に用いられる気体分離ユニットの配設状態の一例を説明する図であり、（ａ）は並列に複数配設した状態を示し、（ｂ）は直列に複数配設した状態を示す。 本発明の第１実施形態に係るエンジンシステムの変形例を示す構成図である。

符号の説明

１ エンジンシステム
２ 天然ガスエンジン
５ 燃料ガス供給口
６ 浄化触媒
６ａ 触媒温度センサ
７ 気体分離ユニット
８ 気体分離材
１８ 切替弁
３０ エンジンシステム
４０ エンジンシステム
４１ 燃料ガス改質器

Claims (6)

1. 天然ガスを燃料ガスとするエンジンと、このエンジンに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給口と、前記エンジンから排出される排ガスを浄化するための浄化触媒とを備えたエンジンシステムであって、
   前記燃料ガス供給口と前記エンジンとの間に、前記燃料ガス供給口から供給された燃料ガス中の気体成分を、非メタン炭化水素の含有量が少ない軽質分と非メタン炭化水素の含有量が多い重質分とに分離する分離手段を備え、かつ、
   前記分離手段により分離された前記軽質分が貯蔵される第１貯蔵タンクと、
   前記分離手段により分離された前記重質分が貯蔵される第２貯蔵タンクと、
   前記浄化触媒の温度を検出する触媒温度検出手段と、
   前記エンジンに供給する燃料ガスを、前記触媒温度検出手段の検出結果に応じて、前記第１貯蔵タンクに貯蔵された前記軽質分または前記第２貯蔵タンクに貯蔵された前記重質分に切り替える切替手段とを備えたことを特徴とするエンジンシステム。
2. 前記分離手段は気体分離材を備え、この気体分離材中を前記燃料ガス供給口から供給された燃料ガス中の気体成分が透過する際の各気体成分の透過速度の差と、透過前後の前記燃料ガスの圧力差とを利用して、前記燃料ガス中の気体成分を前記軽質分と前記重質分とに分離することを特徴とする請求項１に記載のエンジンシステム。
3. 前記気体分離材は膜状、板状、柱状または中空糸状に形成され、かつ、その構成材料にポリイミド、ポリスルホン酸、ゼオライトまたは多孔質炭素材のうちいずれか１つを少なくとも含むことを特徴とする請求項２に記載のエンジンシステム。
4. 前記分離手段により分離された前記重質分の非メタン炭化水素の含有量を低減させる燃料ガス改質手段を備えたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のエンジンシステム。
5. 天然ガスを燃料ガスとするエンジンと、このエンジンに燃料ガスを供給するための燃料ガス供給口と、前記エンジンから排出される排ガスを浄化するための浄化触媒とを備えたエンジンシステムにおける排ガス浄化方法であって、
   前記燃料ガス供給口から供給された燃料ガス中の気体成分を、非メタン炭化水素の含有量が少ない軽質分と非メタン炭化水素の含有量が多い重質分とに分離する分離ステップと、
   前記分離ステップにより分離された前記軽質分および前記重質分をそれぞれ独立して貯蔵する貯蔵ステップと、
   前記浄化触媒の温度を検出する触媒温度検出ステップと、
   前記エンジンに供給する燃料ガスを、前記触媒温度検出ステップにおける検出結果に応じて、前記貯蔵ステップにより貯蔵された前記軽質分または前記重質分に切り替える切替ステップとを備えたことを特徴とする排ガス浄化方法。
6. 前記分離ステップにより分離された前記重質分の非メタン炭化水素の含有量を低減させる燃料ガス改質ステップを備えたことを特徴とする請求項５に記載の排ガス浄化方法。
   
   
   

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