JP2021092202A - 燃料供給システム、車両および燃料供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＮＧ燃料が重質化した場合であっても、ノッキングの発生を防止することが可能な燃料供給システム、車両および燃料供給方法を提供する。【解決手段】燃料供給システムは、内燃機関に燃料を供給する燃料供給元である、ＬＮＧ燃料を貯留するＬＮＧタンクおよびＣＮＧ燃料を貯留するＣＮＧタンクと、燃料供給元を切り替える切り替え部と、内燃機関に供給されるＬＮＧ燃料が重質化した場合、燃料供給元をＬＮＧタンクからＣＮＧタンクに切り替えるように切り替え部を制御する制御部を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、燃料供給システム、車両および燃料供給方法に関する。

内燃機関の燃料として、例えば、液化天然ガス（Liquefied Natural Gas：LNG）などの液体燃料が知られている。タンク(LNGタンク)に充填されたＬＮＧ燃料は、ベーパライザ(蒸発器)や弁等を有する燃料供給系を介して、内燃機関のインテークマニホールドに設けられたインジェクタから噴射される（例えば、特許文献１）。

特開２００６−１７０５８号公報

ところで、ＬＮＧ燃料には、メタン、エタン、プロパン、ブタンなどの成分が含まれる。各成分の沸点は相互に異なる。車載されたＬＮＧタンクが低温に維持されない場合、各成分は、沸点の低いメタンから気化してしまう。これにより、ＬＮＧ燃料を消費しないとＬＮＧ燃料の成分変化が発生し、残燃料は重質化する。また、新しい燃料を補給しても徐々に重質化する。その結果、ＬＮＧ燃料のオクタン価が低下していく。

また、ＬＮＧ燃料の各成分は、オットーサイクルの燃料として使用するには、オクタン価が異なり、メタンが抜けていくと、オクタン価が下がって、ノッキングが発生し易くなる。

また、ノッキングを回避するために点火タイミングを遅めに設定した場合、最適な点火タイミングから離れるため、トルクが低下するとともに、排気温度が上昇する。さらに、排気温度が上昇して、エキゾーストマニホールドやターボチャージャーの耐熱温度を超えた場合、破損のおそれがあるという問題がある。

本開示の目的は、ＬＮＧ燃料が重質化した場合であっても、ノッキングの発生を防止することが可能な燃料供給システム、車両および燃料供給方法を提供することである。

上記の目的を達成するため、本開示における燃料供給システムは、
内燃機関に燃料を供給する燃料供給元である、ＬＮＧ燃料を貯留するＬＮＧタンクおよびＣＮＧ燃料を貯留するＣＮＧタンクと、
前記燃料供給元を切り替える切り替え部と、
前記内燃機関に供給される前記ＬＮＧ燃料が重質化した場合、前記燃料供給元を前記ＬＮＧタンクから前記ＣＮＧタンクに切り替えるように切り替え部を制御する制御部と、
を備える。

本開示における車両は、
上記燃料供給システムを備える。

本開示における燃料供給方法は、
前記内燃機関に供給されるＬＮＧ燃料の性状を取得し、
前記取得された前記ＬＮＧ燃料の性状に基づいて、前記内燃機関に燃料を供給する燃料供給元を、前記ＬＮＧ燃料を貯留するＬＮＧタンクからＣＮＧ燃料を貯留するＣＮＧタンクに切り替える制御を実行する。

本開示の燃料供給システムによれば、ＬＮＧ燃料が重質化した場合であっても、ノッキングの発生を防止することができる。

本開示の実施の形態における燃料供給システムの構成の一例を概略的に示す図である。 燃料タンク切替マップの一例を示す図である。 燃料供給処理の一例を示すフローチャートである。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本開示の実施の形態における燃料供給システム１の構成の一例を概略的に示す図である。ここでは、燃料供給システム１は、車両に搭載されている。

燃料供給システム１は、ＬＮＧ燃料をエンジンＥ（内燃機関）に供給するＬＮＧ燃料供給系統２Ａ，２Ｂ、ＬＮＧ燃料をＬＮＧタンク４Ａ，４Ｂに充填するためのＬＮＧ燃料充填系統２０、および、圧縮天然ガス（Compressed Natural Gas：CNG）燃料をエンジンＥに供給するＣＮＧ燃料供給系統３０を備えている。

＜ＬＮＧ燃料供給系統２Ａ＞
先ず、ＬＮＧ燃料供給系統２Ａについて説明する。ＬＮＧ燃料供給系統２Ａは、ＬＮＧタンク４Ａと、ＬＮＧ燃料供給路５と、気化器６Ａと、遮断弁７Ａと、遮断弁７Ｃと、ＬＮＧ用レギュレータ３と、燃料センサ９とを有している。

ＬＮＧタンク４Ａは、エンジンＥに燃料を供給する燃料供給元の一つであって、ＬＮＧ燃料を貯留する。ＬＮＧタンク４Ａには、ＬＮＧ燃料の残量を検出する残量検出センサ８Ａが設けられている。残量検出センサ８Ａには、ＬＮＧ燃料の残量を検出可能な公知のセンサ、例えば、ＬＮＧタンク４ＡのＬＮＧ燃料の液面レベルを検出するレベルセンサが用いられる。

ＬＮＧ燃料供給路５は、ＬＮＧタンク４Ａを気化器６Ａ、遮断弁７Ａおよび遮断弁７Ｃを介してＬＮＧ用レギュレータ３に接続する。また、ＬＮＧ燃料供給路５は、ＬＮＧ用レギュレータ３とエンジンＥとを接続する。

気化器６Ａは、ＬＮＧタンク４ＡからのＬＮＧ燃料を例えばエンジンＥの冷却水で気化させる。エンジンＥから気化器６Ａへ冷却水通路（不図示）が延在している。

遮断弁７Ａは、気化器６Ａと遮断弁７Ｃとの間のＬＮＧ燃料供給路５を開閉する。

遮断弁７Ｃは、遮断弁７ＡとＬＮＧ用レギュレータ３との間のＬＮＧ燃料供給路５を開閉する。

ＬＮＧ燃料供給系統２Ａにおいては、遮断弁７Ａが開かれ、かつ、遮断弁７Ｃが開かれた場合、ＬＮＧ燃料がＬＮＧタンク４Ａから気化器６ＡおよびＬＮＧ用レギュレータ３を介してエンジンＥへ供給される。遮断弁７Ａが閉じられた場合、遮断弁７Ｃが開かれているか否かに拘わらず、ＬＮＧタンク４ＡからエンジンＥへのＬＮＧ燃料の供給が停止される。

ＬＮＧ用レギュレータ３は、気化器６Ａで気化されたＬＮＧ燃料を減圧する。

燃料センサ９は、ＬＮＧ用レギュレータ３とエンジンＥ（例えば、インテークマニホールド）との間のＬＮＧ燃料供給路５に配置される。燃料センサ９は、ＬＮＧ燃料供給路５を通るＬＮＧ燃料の性状を検出する。ここで、「ＬＮＧ燃料の性状」とは、ＬＮＧ燃料に含まれる成分、および、成分の割合を含む。

＜ＬＮＧ燃料供給系統２Ｂ＞
次に、ＬＮＧ燃料供給系統２Ｂについて説明する。ＬＮＧ燃料供給系統２Ｂは、ＬＮＧタンク４Ｂと、ＬＮＧ燃料供給路５と、気化器６Ｂと、遮断弁７Ｂと、遮断弁７Ｃ（ＬＮＧ燃料供給系統２Ａの遮断弁７Ｃと共用）と、ＬＮＧ用レギュレータ３（ＬＮＧ燃料供給系統２ＡのＬＮＧ用レギュレータ３と共用）とを有している。ＬＮＧタンク４Ｂは、エンジンＥに燃料を供給する燃料供給元の一つであって、ＬＮＧ燃料を貯留する。なお、ＬＮＧタンク４Ｂ、気化器６Ｂ、遮断弁７Ｂ、および、残量検出センサ８Ｂの構成は、ＬＮＧタンク４Ａ、気化器６Ａ、遮断弁７Ａ、および、残量検出センサ８Ａの構成と同じであるため、それらの説明を省略する。

遮断弁７Ａから遮断弁７Ｃに向かって下流側へ延在するＬＮＧ燃料供給路５と、遮断弁７Ｂから遮断弁７Ｃに向かって下流側へ延在するＬＮＧ燃料供給路５とは、遮断弁７Ｃの上流側位置において合流している。

ＬＮＧ燃料供給系統２Ｂにおいては、遮断弁７Ｂが開かれ、かつ、遮断弁７Ｃが開かれた場合、ＬＮＧ燃料がＬＮＧタンク４Ｂから気化器６ＢおよびＬＮＧ用レギュレータ３を介してエンジンＥへ供給される。遮断弁７Ｂが閉じられた場合、遮断弁７Ｃが開かれているか否かに拘わらず、ＬＮＧタンク４ＢからエンジンＥへのＬＮＧ燃料の供給が停止される。

＜ＬＮＧ燃料充填系統２０＞
次に、ＬＮＧ燃料充填系統２０について説明する。ＬＮＧ燃料充填系統２０は、ＬＮＧ燃料充填路２１および充填弁２２を有している。

ＬＮＧ燃料充填路２１の一端部には充填口が配置されている。ＬＮＧ燃料充填路２１は、充填口側とＬＮＧタンク４Ａとを接続する。また、ＬＮＧ燃料充填路２１は、充填口側とＬＮＧタンク４Ｂとを接続する。ＬＮＧ燃料充填路２１は、ＬＮＧタンク４Ａ，４Ｂおのおのに逆止弁２３Ａ，２３Ｂを設けておりＬＮＧタンク４Ａ，４Ｂに入った燃料は逆流しない構造になっている。

充填弁２２は、ＬＮＧ燃料をＬＮＧタンク４Ａ，４Ｂに充填する場合に開かれる。充填弁２２は、ＬＮＧ燃料の充填が終了する場合に閉じられる。

＜ＣＮＧ燃料供給系統３０＞
次に、ＣＮＧ燃料供給系統３０について説明する。ＣＮＧ燃料供給系統３０は、ＣＮＧ燃料供給路３１と、ＣＮＧタンク３２と、遮断弁３４と、圧力センサ３５と、遮断弁３６と、ＣＮＧ用レギュレータ３３とを有している。

ＣＮＧ燃料供給路３１は、ＣＮＧタンク３２を遮断弁３４および遮断弁３６を介してＣＮＧ用レギュレータ３３に接続する。また、ＣＮＧ燃料供給路３１は、ＣＮＧ用レギュレータ３３とエンジンＥとを接続する。

ＣＮＧタンク３２は、エンジンＥに燃料を供給する燃料供給元の一つであって、ＣＮＧ燃料を貯留する。ここで、「ＣＮＧ燃料」は、メタンが多く重質化していないＬＮＧ燃料と同等な燃料であるとする。

遮断弁３４は、ＣＮＧタンク３２と遮断弁３６との間のＣＮＧ燃料供給路３１を開閉する。

遮断弁３６は、遮断弁３４とＣＮＧ用レギュレータ３３との間のＣＮＧ燃料供給路３１を開閉する。

ＣＮＧ用レギュレータ３３は、ＣＮＧタンク３２から供給されたＣＮＧ燃料を減圧する。ＣＮＧ用レギュレータ３３から下流側に延在するＣＮＧ燃料供給路３１は、ＬＮＧ用レギュレータ３とエンジンＥとの間のＬＮＧ燃料供給路５に接続される。

圧力センサ３５は、遮断弁３４と遮断弁３６との間のＣＮＧ燃料供給路３１の内部圧力を検出する。燃料供給制御装置１０（後述する）は、圧力センサ３５の検出結果に基づいて、ＣＮＧタンク３２内のＣＮＧ燃料の残量の有無を判定する。燃料供給制御装置１０は、ＣＮＧ燃料の残量が無いと判定した場合、燃料供給元をＬＮＧタンク４Ａ，４ＢからＣＮＧタンク３２に切り替えることなく、ノッキングが発生しないトルクまでトルクを低下させる制御を実行する。

＜その他の構成＞
以下、その他の構成について説明する。その他の構成としては、ガス排出路４１と、タンクベントバルブ４５Ａ，４５Ｂとを有している。

ガス排出路４１は、ＬＮＧタンク４Ａに接続される。また、ガス排出路４１は、ＬＮＧタンク４Ｂに接続される。

タンクベントバルブ４５Ａは、ガス排出路４１に接続されている。タンクベントバルブ４５Ａは、ＬＮＧタンク４Ａにおけるガスを外部に排出する。タンクベントバルブ４５Ｂは、ガス排出路４１に接続されている。タンクベントバルブ４５Ｂは、ＬＮＧタンク４Ｂにおけるガスを外部に排出する。

＜燃料供給制御装置１０＞
燃料供給システム１は、燃料供給制御装置１０（本開示の「制御部」に対応する）を備えている。燃料供給制御装置１０は、例えば電子制御ユニット１００（Electronic Control Unit：ＥＣＵ）により構成される。ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、入力装置および出力装置を有している。ＣＰＵは、ＲＯＭに格納されたプログラムをＲＡＭに展開して後述する各機能を実行する。燃料供給制御装置１０は、取得部１１、決定部１２および弁制御部１３としての各機能とを有する。

例えば、ＬＮＧタンク４Ａ，４Ｂ内のＬＮＧ燃料が重質化し（オクタン価の低下）、オクタン価が低下したＬＮＧ燃料が、例えば、オットーサイクルの燃料として使用されると、ノッキングが発生する。ノッキングを回避するために点火タイミングを遅めに設定した場合、最適な点火タイミングから離れるため、トルクが低下するとともに、排気温度が上昇する。さらに、排気温度が上昇して、エキゾーストマニホールドやターボチャージャーの耐熱温度を超えた場合、破損のおそれがあるという問題がある。

そこで、取得部１１は、燃料センサ９からＬＮＧ燃料の性状を取得する。ここで、「ＬＮＧ燃料の性状」とは、例えば、ＬＮＧ燃料に含まれるメタンの割合をいう。

また、取得部１１は、エンジン要求トルクセンサ（図１を参照）からエンジンＥに要求されるトルク（要求トルク）を取得する。例えば、エンジン要求トルクセンサは、要求トルクをセンサ出力とするアクセル開度センサである。以下の説明において、要求トルクを「目標ブースト」という場合がある。

図２は、燃料タンク切替マップ（以下、マップ）の一例を示す図である。図２に示すマップでは、縦方向に目標ブーストの高さを示し、横方向にＬＮＧ燃料の性状（メタンの割合）を示す。図２において、縦横で交わるデータが「１」の場合、燃料供給元がＣＮＧタンクであることを示す。縦横で交わるデータが「０」の場合、燃料供給元がＬＮＧタンクであることを示す。

図２に示すマップにおいては、目標ブーストと、ＬＮＧ燃料の性状と、燃料供給元との間の関係が規定されている。マップを参照することで、目標ブーストおよびＬＮＧ燃料の性状から燃料供給元が決定される。マップは、実験やシミュレーションにより求めることが可能である。マップは、ＥＣＵ１００の記憶部に格納される。

決定部１２は、図２に示すマップを参照し、取得された目標ブーストおよびＬＮＧ燃料の性状に基づいて、燃料供給元を決定する。

弁制御部１３は、決定部１２により決定された燃料供給元がＣＮＧタンクである場合、燃料供給元をＬＮＧタンク４Ａ，４ＢからＣＮＧタンク３２に切り替えるように、切り替え部を制御する。ここで、「切り替え部」は、遮断弁７Ｃ、遮断弁３４および遮断弁３６を含む。具体的には、弁制御部１３は、決定部１２により決定された燃料供給元がＣＮＧタンクである場合、遮断弁７Ｃを閉じるように制御し、かつ、遮断弁３４および遮断弁３６を開くように制御する。なお、決定部１２により決定された燃料供給元がＬＮＧタンクである場合、燃料供給元は、ＬＮＧタンク４Ａ，４Ｂに維持され、切り替わらない。

次に、燃料供給処理の一例について図３を参照して説明する。図３は燃料供給処理の一例を示すフローチャートである。以下、取得部１１、決定部１２および弁制御部１３としての機能を有するＥＣＵ１００が、燃料供給処理を行うものとして説明する。本フローは、例えば、ＥＣＵ１００が本フローの開始要求を受信したことにより開始される。なお、本フローの開始時においては、遮断弁７Ａ，７Ｂ，７Ｃは開き、遮断弁３４，３６は閉じている。つまり、エンジンＥへＬＮＧ燃料が供給され、ＣＮＧ燃料が供給されない状態にある。

先ず、ステップＳ１００において、ＥＣＵ１００は、燃料センサ９からＬＮＧ燃料の性状を取得する。

ステップＳ１１０において、ＥＣＵ１００は、エンジン要求トルクセンサから目標ブーストを取得する。

ステップＳ１２０において、ＥＣＵ１００は、ＬＮＧ燃料の性状および目標ブーストに基づいて、図２に示すマップを参照して、燃料供給元を決定する。

次に、ステップＳ１３０において、ＥＣＵ１００は、決定された燃料供給元がＣＮＧタンクか否かについて判定する。燃料供給元がＣＮＧタンクである場合（ステップＳ１３０：ＹＥＳ）、処理はステップＳ１４０に遷移する。燃料供給元がＣＮＧタンクでない場合（ステップＳ１３０：ＮＯ）、図３に示す処理は終了する。

ステップＳ１４０において、ＥＣＵ１００は、ＣＮＧタンク３２に十分な燃料があるかを判断し、残量がある場合（ステップＳ１４０：ＹＥＳ）はステップＳ１５０に遷移し、ステップ１５０においてＥＣＵ１００は、燃料供給元をＬＮＧタンク４Ａ，４ＢからＣＮＧタンク３２に切り替えるように、切り替え部（遮断弁７Ｃ、遮断弁３４および遮断弁３６）を制御する。その後、図３に示す処理は終了する。ＥＣＵ１００の制御により、遮断弁７Ｃが閉じ、遮断弁３４および遮断弁３６が開く。その結果、エンジンＥへＣＮＧ燃料が供給され、ＬＮＧ燃料が供給されない状態となる。ステップＳ１４０においてＣＮＧタンク３２に燃料がないと判断した時（ステップＳ１４０：ＮＯ）にはステップＳ１６０に遷移し、ＬＮＧ燃料のままになり、ノッキングが発生しないようにトルク制限を行う。

上記実施の形態における燃料供給システム１は、エンジンＥに燃料を供給する燃料供給元である、ＬＮＧ燃料を貯留するＬＮＧタンク４Ａ，４ＢおよびＣＮＧ燃料を貯留するＣＮＧタンク３２と、燃料供給元を切り替える切り替え部と、エンジンＥに供給されるＬＮＧ燃料が重質化した場合、燃料供給元をＬＮＧタンク４Ａ，４ＢからＣＮＧタンク３２に切り替えるように切り替え部を制御する燃料供給制御装置１０と、を備える。

上記構成により、ＬＮＧ燃料が重質化した場合、燃料供給元がＬＮＧタンク４Ａ，４ＢからＣＮＧタンク３２に切り替えられ、メタンが多く重質化していないＬＮＧ燃料と同等の燃料であるＣＮＧ燃料がエンジンＥに供給されるため、ノッキングの発生を防止することが可能となる。

また、上記実施の形態における燃料供給システム１においては、ＬＮＧ燃料が重質化した場合、ノッキングを回避によるトルク制限をしないため、車両の走行に支障を来すことがない運行が可能となる。

また、通常の車両においては、ＬＮＧタンク４Ａ，４Ｂは大型のものが搭載されているが、ＣＮＧタンク３２は小さなものしか搭載されていないので、ＣＮＧ燃料の使用頻度が大きい場合、ＣＮＧ燃料が急速に減少し、ＬＮＧ燃料が重質化し、かつ、エンジンＥが高負荷状態であるとき、ＣＮＧ燃料を使用することができないで、結果的に航続距離が減少してしまうという問題がある。上記実施の形態における燃料供給システム１においては、ノッキングが発生し難い低負荷状態ではＬＮＧ燃料を使用し、ノッキングが発生し易い高負荷状態のみＣＮＧ燃料を使用するため、ＣＮＧ燃料の急速な減少を抑えることができ、航続距離の著しい減少を防止することが可能となる。

その他、上記実施の形態は、何れも本開示の実施をするにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本開示の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本開示はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

上記実施の形態では、メタンの割合（ＬＮＧ燃料の性状）が少ない場合、ＬＮＧ燃料の重質化した場合としたが、本開示はこれに限らず、例えば、ＬＮＧ燃料の供給量に対するエンジンＥの出力が閾値未満である場合、ＬＮＧ燃料が重質化した場合としてもよい。この場合、エンジンＥの出力が閾値未満である否かを、燃料供給制御装置１０が判定すればよい。

また、上記実施の形態では、決定部１２がエンジンＥに要求されるトルク（目標ブースト）に基づいて、燃料供給元を決定したが、本開示はこれに限らず、例えば、エンジンＥにかかる負荷の大きさに基づいて、燃料供給元を決定してもよい。この場合、エンジンＥにかかる負荷を、トルクセンサ、例えば、クランクシャフトに接着されたひずみゲージにより測定すればよい。

本開示は、ＬＮＧ燃料が重質化した場合であっても、ノッキングの発生を防止することが要求される燃料供給システムを備えた車両に好適に利用される。

１ 燃料供給システム
２Ａ，２Ｂ ＬＮＧ燃料供給系統
３ ＬＮＧ用レギュレータ
４Ａ，４Ｂ ＬＮＧタンク
５ ＬＮＧ燃料供給路
６Ａ，６Ｂ 気化器
７Ａ，７Ｂ，７Ｃ 遮断弁
８Ａ，８Ｂ 残量検出センサ
９ 燃料センサ
１０ 燃料供給制御装置
１１ 取得部
１２ 決定部
１３ 弁制御部
２０ ＬＮＧ燃料充填系統
２１ ＬＮＧ燃料充填路
２２ 充填弁
２３Ａ，２３Ｂ 逆止弁
３０ ＣＮＧ燃料供給系統
３１ ＣＮＧ燃料供給路
３２ ＣＮＧタンク
３３ ＣＮＧ用レギュレータ
３４，３６ 遮断弁
３５ 圧力センサ
４１ ガス排出路
４５Ａ，４５Ｂ タンクベントバルブ
１００ ＥＣＵ

Claims (6)

1. 内燃機関に燃料を供給する燃料供給元である、ＬＮＧ燃料を貯留するＬＮＧタンクおよびＣＮＧ燃料を貯留するＣＮＧタンクと、
   前記燃料供給元を切り替える切り替え部と、
   前記内燃機関に供給される前記ＬＮＧ燃料が重質化した場合、前記燃料供給元を前記ＬＮＧタンクから前記ＣＮＧタンクに切り替えるように切り替え部を制御する制御部と、
   を備える、
   燃料供給システム。
2. 前記ＬＮＧ燃料が重質化した場合は、前記ＬＮＧ燃料の供給量に対する前記内燃機関の出力が閾値未満である場合を含む、
   請求項１に記載の燃料供給システム。
3. 前記制御部は、さらに、前記内燃機関に要求される負荷の大きさが閾値を超える場合、前記燃料供給元を切り替えるように前記切り替え部を制御する、
   請求項１または２に記載の燃料供給システム。
4. 前記制御部は、さらに、前記内燃機関にかかる負荷の大きさが閾値を超える場合、前記燃料供給元を切り替えるように前記切り替え部を制御する、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料供給システム。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の燃料供給システムを備える、車両。
6. 内燃機関に供給されるＬＮＧ燃料の性状を取得し、
   前記取得された前記ＬＮＧ燃料の性状に基づいて、前記内燃機関に燃料を供給する燃料供給元を、前記ＬＮＧ燃料を貯留するＬＮＧタンクからＣＮＧ燃料を貯留するＣＮＧタンクに切り替える制御を実行する、
   燃料供給方法。
   

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