JP2009250104A - 圧縮天然ガスエンジンの燃料供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン冷却に影響を及ぼさずに、レギュレータの配置位置の自由度を高める。
【解決手段】ＣＮＧエンジン２０の排気通路２４の途中を第１分岐通路２４Ａ及び第２分岐通路２４Ｂの２つに分岐し、一方の第１分岐通路２４Ａに、排気を利用して発電を行うべく、発電機３０を駆動するためのガスタービン３２を配設する。また、コンピュータを内蔵したコントロールユニット３８は、排気温度センサ３６により測定された排気温度Ｔが所定値以上のときのみ、ガスタービン３２が配設された第１分岐通路２４Ａを開通させるべく、第１分岐通路２４Ａ及び第２分岐通路２４Ｂの一方を排他的に開通させる流路切替装置３４を電子制御する。そして、発電機３０で発電された電力により、レギュレータ１６を加温する電気ヒータ６２を作動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）エンジンに燃料を供給する燃料供給装置に関する。

近年、ＣＮＧを燃料とするＣＮＧエンジンは、ディーゼルエンジンよりも排気中の有害物質（黒煙，ＮＯｘ，ＳＯｘなど）が大幅に少ないことから、環境対策として広まりつつある。ＣＮＧエンジンの燃料供給装置では、燃料容器に高圧（例えば、２０ＭＰａ)で貯蔵されるＣＮＧは、主止弁が介装された高圧燃料配管を介してレギュレータへと導かれ、ここで所定圧力に調圧された後、低圧燃料配管を介してＣＮＧエンジンへ供給される。このとき、レギュレータでは、ＣＮＧが急激に断熱膨張して急冷されるため、凍結が起こってしまうおそれがある。このため、レギュレータの凍結を防止するため、特開平７−１８９８１３号公報（特許文献１）に記載されるように、レギュレータにエンジン冷却水を循環させて加温する技術が提案されている。
特開平７−１８９８１３号公報

しかしながら、従来提案技術では、エンジン冷却水を利用してレギュレータを加温する構成が採用されていたため、次のような不具合が発生するおそれがあった。即ち、ウォータホースを用いてエンジン冷却系からレギュレータにエンジン冷却水を導かなければならないが、そのウォータホースが万一破損すると、レギュレータの加温のみならず、エンジンを冷却することができなくなってしまう。また、レギュレータを効果的に加温するためには、エンジン近傍にレギュレータを配置することが望ましいが、特に、トラックなどの長尺車においては、燃料容器からレギュレータまでの高圧燃料配管の全長が長くなってしまい、外部からの衝撃などにより高圧燃料配管が破損する可能性が増加してしまう。

そこで、本発明は以上のような従来の問題点に鑑み、排気を利用したガスタービンで発電した電力を用いてレギュレータを加温することで、エンジン冷却に影響を及ぼさずに、レギュレータの配置位置の自由度を高めたＣＮＧエンジンの燃料供給装置を提供することを目的とする。

このため、請求項１記載の発明では、圧縮天然ガスを貯蔵する燃料容器と、前記燃料容器に貯蔵される圧縮天然ガスを所定圧力まで減圧しつつ、圧縮天然ガスエンジンへと供給するレギュレータと、排気通路の途中を２つに分岐した分岐通路の一方に配設されるガスタービンと、前記ガスタービンにより駆動される第１の発電機と、前記第１の発電機で発電された電力によりレギュレータを加温する電気ヒータと、前記２つの分岐通路の一方を排他的に開通させる流路切替手段と、前記圧縮天然ガスエンジンの排気温度を測定する排気温度測定手段と、前記排気温度測定手段により測定された排気温度が所定値以上のときのみ、前記ガスタービンが配設される分岐通路が開通するように、前記流路切替手段を制御する流路制御手段と、を含んで構成されたことを特徴とする。

請求項２記載の発明では、圧縮天然ガスを貯蔵する燃料容器と、前記燃料容器に貯蔵される圧縮天然ガスを所定圧力まで減圧しつつ、圧縮天然ガスエンジンへと供給するレギュレータと、排気通路に配設されるガスタービンと、前記ガスタービンにより駆動される第１の発電機と、前記第１の発電機で発電された電力によりレギュレータを加温する電気ヒータと、を含んで構成されたことを特徴とする。

請求項３記載の発明では、前記第１の発電機による発電が行われていないときに、バッテリの電力を電気ヒータに供給する第１の電力供給手段を更に備えたことを特徴とする。
請求項４記載の発明では、車両制動時に車輪駆動系により駆動される第２の発電機と、前記第２の発電機により発電が行われているときに、前記バッテリに代えて、該第２の発電機により発電された電力を電気ヒータに供給する第２の電力供給手段と、を更に備えたことを特徴とする。

請求項５記載の発明では、前記電気ヒータに供給される電力の電圧を安定化させる電圧調整器を更に備えたことを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、排気温度が所定値以上のとき、換言すると、排気によりガスタービンを駆動して発電が可能であれば、その電力でレギュレータを加温する電気ヒータが作動する。このため、レギュレータの凍結を防止するために、ウォータホースを用いてエンジン冷却系からエンジン冷却水を導く必要がなく、ウォータホース破損によりエンジン冷却ができなくなることを防止することができる。また、レギュレータを加温するために電力が用いられるため、エンジン近傍にレギュレータを配設する必要がなく、その配置位置の自由度を高めることができる。そして、レギュレータの配置位置の自由度が高まることから、燃料容器からレギュレータまでの高圧燃料配管の全長が短くなり、外部からの衝撃などにより高圧燃料配管が破損する可能性を低減することができる。

請求項２記載の発明によれば、排気によりガスタービンが駆動して発電が行われると、その電力でレギュレータを加温する電気ヒータが作動する。このため、請求項１記載の発明と同様な作用及び効果を発揮することができる。また、排気通路を２つに分岐し、その排気流路を適宜切り替える必要がないため、燃料供給装置の構成を簡略化することができる。

請求項３記載の発明によれば、排気温度が低くガスタービンでの発電が十分行われないときには、バッテリの電力で電気ヒータが作動する。このため、圧縮天然ガスエンジンの暖機時又は車両制動時など排気温度が低いときにも、レギュレータが十分加温されるため、その凍結を防止することができる。
請求項４記載の発明によれば、車両制動時には、バッテリに代えて、車輪駆動系により駆動される発電機の電力で電気ヒータが作動するため、バッテリの消耗を抑制することができる。

請求項５記載の発明によれば、電圧調整器により電圧が安定化された電力で電気ヒータが作動するため、レギュレータの加温を実効ならしめることができる。

以下、添付された図面を参照して本発明を詳述する。
図１は、本発明を適用した車両の第１実施形態の概略構成を示す。
燃料容器１０に高圧で貯蔵されるＣＮＧは、主止弁１２が介装された高圧燃料配管１４を介して、レギュレータ１６に導かれる。レギュレータ１６に導かれたＣＮＧは、所定圧力まで減圧されつつ、低圧燃料配管１８を介してＣＮＧエンジン２０へと供給される。

ＣＮＧエンジン２０の排気マニフォールド２２に接続された排気通路２４には、排気流通方向に沿って、排気中のＣＯ，ＨＣ及びＮＯｘを同時に浄化する三元触媒２６と、排気音を低減させるマフラー２８と、がこの順番で配設される。排気通路２４の途中、具体的には、三元触媒２６とマフラー２８との間に位置する排気通路２４は、第１分岐通路２４Ａ及び第２分岐通路２４Ｂの２つに分岐される。そして、第１分岐通路２４Ａには、排気を利用して発電を行うべく、発電機３０（第１の発電機）を駆動するためのガスタービン３２が配設される。なお、以下の説明では、発電機３０により発電された電力を「タービン電力」と称することとする。

また、排気通路２４には、第１分岐通路２４Ａ及び第２分岐通路２４Ｂの一方を排他的に開通させる流路切替装置３４（流路切替手段）が取り付けられる。流路切替装置３４は、図２に示すように、第１分岐通路２４Ａの入口及び出口並びに第２分岐通路２４Ｂに夫々配設されたバタフライ弁３４Ａ〜３４Ｃと、バタフライ弁３４Ａ及び３４Ｂを一体的に回動させるアクチュエータ３４Ｄと、バタフライ弁３４Ｃを回動させるアクチュエータ３４Ｅと、を含んで構成される。ここで、アクチュエータ３４Ｄ及び３４Ｅとしては、例えば、電動モータ，エアモータなどを適用することができる。なお、流路切替装置３４は、図示のものに限らず、第１分岐通路２４Ａ及び第２分岐通路２４Ｂの一方を排他的に開通可能であれば、如何なる構成のものであってもよい。

流路切替装置３４の制御系として、排気マニフォールド２２と三元触媒２６との間に位置する排気通路２４には、排気温度Ｔを測定する排気温度センサ３６（排気温度測定手段）が取り付けられ、その出力信号がコンピュータを内蔵したコントロールユニット３８に入力される。コントロールユニット３８では、そのＲＯＭ（Read Only Memory）に記憶された制御プログラムを実行することで、排気温度Ｔに応じて第１分岐通路２４Ａ及び第２分岐通路２４Ｂの一方を排他的に開通させるべく、流路切替装置３４が電子制御される。

図３は、コントロールユニット３８において、ＣＮＧエンジン２０の起動を契機として所定時間ごとに繰り返し実行される制御プログラムの内容を示す。なお、コントロールユニット３８が制御プログラムを実行することで、流路制御手段が具現化される。
ステップ１（図では「Ｓ１」と略記する。以下同様）では、排気温度センサ３６により測定された排気温度Ｔが所定値Ｔｘ以上であるか否かを判定する。ここで、所定値Ｔｘは、排気によりガスタービン３２を駆動できるか否かを判定するための閾値であって、例えば、ガスタービン３２の入出力特性に応じて適宜設定することができる。そして、排気温度Ｔが所定値Ｔｘ以上であればステップ２へと進む一方（Ｙｅｓ）、排気温度Ｔが所定値Ｔｘ未満であればステップ３へと進む（Ｎｏ）。

ステップ２では、図４（Ａ）に示すように、排気を利用して発電を行うべく、第１分岐通路２４Ａのみ開通させる。即ち、第１分岐通路２４Ａに配設されたバタフライ弁３４Ａ及び３４Ｂを開弁させる一方、第２分岐通路２４Ｂに配設されたバタフライ弁３４Ｃを閉弁させるように、アクチュエータ３４Ｄ及び３４Ｅに対して制御信号を夫々出力する。
ステップ３では、図４（Ｂ）に示すように、排気を利用した発電を中止すべく、第２分岐通路２４Ｂのみ開通させる。即ち、第１分岐通路２４Ａに配設されたバタフライ弁３４Ａ及び３４Ｂを閉弁させる一方、第２分岐通路２４Ｂに配設されたバタフライ弁３４Ｃを開弁させるように、アクチュエータ３４Ｄ及び３４Ｅに対して制御信号を夫々出力する。

図１において、ＣＮＧエンジン２０の出力は、クラッチ４０，変速機４２，プロペラシャフト４４及びディファレンシャルギヤ４６を介して、駆動輪４８が両端に取り付けられたアクスルシャフト５０に伝達される。また、車両制動時に車輪駆動系の回転力により駆動されるべく、電磁クラッチ５２を介して車輪駆動系に対して適宜断接される発電機５４（第２の発電機）が配設される。ここで、電磁クラッチ５２は、例えば、ブレーキ作動信号に応じて自動的に制御される。なお、以下の説明では、発電機５４により発電された電力を「制動回生電力」と称することとする。

タービン電力，制動回生電力及びバッテリ５６の電力（バッテリ電力）は、タービン電力及び制動回生電力に応じて電力供給系統を排他的に切り替えるリレー回路５８、及び、電圧を安定化させる電圧調整器６０を介して、レギュレータ１６を加温する電気ヒータ６２に供給される。なお、リレー回路５８は、第１の電力供給手段及び第２の電力供給手段として機能する。

リレー回路５８は、図５に示すように、タービン電力により２つの入力接点を切り替える第１リレー５８Ａと、制動回生電力により２つの入力接点を切り替える第２リレー５８Ｂと、を含んで構成される。第１リレー５８Ａでは、コイル端子及びコイル作動時に切り替えられる一方の入力端子に発電機３０が接続されると共に、コイル非作動時に切り替えられる他方の入力端子に第２リレー５８Ｂの出力端子が接続される。また、第１リレー５８Ａの出力端子は、電圧調整器６０に接続される。一方、第２リレー５８Ｂでは、コイル端子及びコイル作動時に切り替えられる一方の入力端子に発電機５４が接続されると共に、コイル非作動時に切り替えられる他方の入力端子にバッテリ５６が接続される。

従って、第１リレー５８Ａにおいて、タービン電力が所定電圧以上になると、コイルが作動して一方の入力端子と出力端子が電通し、電圧調整器６０を介して電気ヒータ６２にタービン電力が供給される。また、第２リレー５８Ｂにおいて、制動回生電力が所定電圧以上になると、コイルが作動して一方の入力端子と出力端子とが電通し、第１リレー５８Ａ及び電圧調整器６０を介して電気ヒータ６２に制動回生電力が供給される。また、第２リレー５８Ｂにおいて、制動回生電力が所定電圧未満であると、コイルが非作動のままであるため、他方の入力端子と出力端子とが電通し、第１リレー５８Ａ及び電圧調整器６０を介して電気ヒータ６２にバッテリ電力が供給される。即ち、排気を利用した発電が可能なときには、タービン電力により電気ヒータ６２が作動する。一方、排気を利用した発電ができないときには、車両制動時であれば制動回生電力により電気ヒータ６２が作動し、それ以外であればバッテリ電力により電気ヒータ６２が作動する。

なお、リレー回路５８としては、図示のものに限らず、前述した機能が発揮可能なものであれば如何なる構成のものでもよい。また、リレー回路５８として、タービン電力，制動回生電力及びバッテリ電力を排他的に切り替えるべく、コントロールユニット３８により、入出力端子間を断接するリレーを制御するようにしてもよい。
かかる燃料供給装置によれば、排気により駆動するガスタービン３２で発電可能であれば、その電力でレギュレータ１６を加温する電気ヒータ６２が作動する。このため、レギュレータ１６の凍結を防止するために、ウォータホースを用いてエンジン冷却系からエンジン冷却水を導く必要がなく、ウォータホース破損によりエンジン冷却ができなくなることを防止することができる。また、レギュレータ１６を加温するために電力が用いられるため、エンジン近傍にレギュレータ１６を配設する必要がなく、その配置位置の自由度を高めることができる。そして、レギュレータ１６の配置位置の自由度が高まることから、燃料容器１０からレギュレータ１６までの高圧燃料配管１４の全長が短くなり、外部からの衝撃などにより高圧燃料配管１４が破損する可能性を低減することができる。

また、ＣＮＧエンジン２０の暖機時又は車両制動時などには、排気温度Ｔが所定値Ｔｘ未満であるため、ガスタービン３２による発電が十分行われないと考えられる。このようなときには、原則として、バッテリ５６から電気ヒータ６２にバッテリ電力が供給されるので、前述した作用及び効果が発揮できなくなることを防止できる。そして、車両制動時には、バッテリ５６に代えて、車輪駆動系の回転力により駆動される発電機５４からの制動回生電力が電気ヒータ６２に供給されるので、バッテリ５６の消耗を抑制することができる。さらに、電気ヒータ６２は、電圧調整器６０により安定化された電力が供給されるので、レギュレータ１６の加温を実効ならしめることができる。

図６は、本発明を適用した車両の第２実施形態の概略構成を示す。なお、本実施形態の構成は、その大部分が先の第１実施形態と共通するので、共通構成には同一符号を付し、その説明を省略するものとする。
本実施形態では、排気通路２４を２つに分岐させずに、三元触媒２６とマフラー２８との間に位置する排気通路２４に、発電機６４（第１の発電機）を駆動するためのガスタービン６４が直接配設される。そして、発電機６４により発電されたタービン電力は、リレー回路５８に供給される。

このようにすれば、先の第１実施形態と比較して、排気通路２４を２つに分岐し、その排気流路を適宜切り替える必要がないため、燃料供給装置の構成を簡略化することができる。なお、他の作用及び効果については、先の第１実施形態と同様であるので、その説明は省略する。必要があれば、第１実施形態の説明を参照されたし。

本発明を適用した車両の第１実施形態を示す概略構成図 流路切替装置の詳細構成図 流路切替装置の制御内容を示すフローチャート 排気流路の排他的切替状態を示し、（Ａ）は第１分岐通路を開通させたときの説明図、（Ｂ）は第２分岐通路を開通させたときの説明図 リレー回路の詳細構成図 本発明を適用した車両の第２実施形態を示す概略構成図

符号の説明

１０ 燃料容器
１６ レギュレータ
２０ ＣＮＧエンジン
２４ 排気通路
２４Ａ 第１分岐通路
２４Ｂ 第２分岐通路
３０ 発電機
３２ ガスタービン
３４ 流路切替装置
３４Ａ バタフライ弁
３４Ｂ バタフライ弁
３４Ｃ バタフライ弁
３４Ｄ アクチュエータ
３４Ｅ アクチュエータ
３６ 排気温度センサ
３８ コントロールユニット
５４ 発電機
５６ バッテリ
５８ リレー回路
５８Ａ 第１リレー
５８Ｂ 第２リレー
６０ 電圧調整器
６２ 電気ヒータ
６４ 発電機
６６ ガスタービン

Claims (5)

1. 圧縮天然ガスを貯蔵する燃料容器と、
   前記燃料容器に貯蔵される圧縮天然ガスを所定圧力まで減圧しつつ、圧縮天然ガスエンジンへと供給するレギュレータと、
   排気通路の途中を２つに分岐した分岐通路の一方に配設されるガスタービンと、
   前記ガスタービンにより駆動される第１の発電機と、
   前記第１の発電機で発電された電力によりレギュレータを加温する電気ヒータと、
   前記２つの分岐通路の一方を排他的に開通させる流路切替手段と、
   前記圧縮天然ガスエンジンの排気温度を測定する排気温度測定手段と、
   前記排気温度測定手段により測定された排気温度が所定値以上のときのみ、前記ガスタービンが配設される分岐通路が開通するように、前記流路切替手段を制御する流路制御手段と、
   を含んで構成されたことを特徴とする圧縮天然ガスエンジンの燃料供給装置。
2. 圧縮天然ガスを貯蔵する燃料容器と、
   前記燃料容器に貯蔵される圧縮天然ガスを所定圧力まで減圧しつつ、圧縮天然ガスエンジンへと供給するレギュレータと、
   排気通路に配設されるガスタービンと、
   前記ガスタービンにより駆動される第１の発電機と、
   前記第１の発電機で発電された電力によりレギュレータを加温する電気ヒータと、
   を含んで構成されたことを特徴とする圧縮天然ガスエンジンの燃料供給装置。
3. 前記第１の発電機による発電が行われていないときに、バッテリの電力を電気ヒータに供給する第１の電力供給手段を更に備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の圧縮天然ガスエンジンの燃料供給装置。
4. 車両制動時に車輪駆動系により駆動される第２の発電機と、
   前記第２の発電機により発電が行われているときに、前記バッテリに代えて、該第２の発電機により発電された電力を電気ヒータに供給する第２の電力供給手段と、
   を更に備えたことを特徴とする請求項３記載の圧縮天然ガスエンジンの燃料供給装置。
5. 前記電気ヒータに供給される電力の電圧を安定化させる電圧調整器を更に備えたことを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１つに記載の圧縮天然ガスエンジンの燃料供給装置。

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