JP2022041381A - 天然ガス自動車 - Google Patents

Abstract

【課題】所望の制動力を具備しつつ高燃費の天然ガス自動車を実現する。【解決手段】ブレーキペダル１２の踏力を増幅させるブレーキブースター１４と、排気ガスの一部をエンジン２の吸気管３に還流させるＥＧＲ装置６と、エンジン２に供給すべき燃料としての天然ガスが封入された高圧タンク９とを備えた天然ガス自動車１である。ブレーキブースター１４は、大気圧よりも高圧の加圧空気で駆動される正圧式とされ、加圧空気は、高圧タンク９から放出された天然ガスの圧力を利用して得られる。【選択図】図２

Description

本発明は、天然ガスを燃料とする天然ガス自動車に関し、特にブレーキペダルの踏力を増幅させるブレーキブースターと、排気ガスの一部をエンジンの吸気系に還流させるＥＧＲ装置とを備えた天然ガス自動車に関する。

ガソリン、軽油、天然ガスなどの化石燃料を燃焼させることで動力を得る自動車においては、燃費向上の他、窒素酸化物（ＮＯｘ）などの有害物質の排出量低減を目的として、排気ガスの一部をエンジンの吸気系（吸気管）に還流させるＥＧＲ装置を設けるのが一般的になっている。

ところで、走行中の自動車に対する制動力は、通常、運転者がブレーキペダルを踏み込むことで付与される。しかしながら、人力のみでは所望の制動力を確保することが難しいため、自動車の制動装置には、ブレーキペダルの踏力を増幅させるためのブレーキブースターが設けられる。このブレーキブースターとしては、エンジンの吸気管の負圧（吸気負圧）と大気圧との圧力差を利用してパワーピストンを駆動する負圧式を用いるのが一般的であるが、ＥＧＲ装置が搭載された自動車では、吸気管に還流される排気ガス（ＥＧＲガス）が吸気負圧を低減させてしまうため、吸気負圧と大気圧との圧力差がどうしても小さくなる。従って、ＥＧＲ装置（ＥＧＲ装置付のエンジン）が搭載された自動車の制動システムに負圧式のブレーキブースターを設けても、ブレーキペダルの踏力を十分に増幅することが難しいという課題があった。

そこで、下記の特許文献１では、ブレーキブースターを、エンジンの排気ガス、より詳細には、エンジンの排気系のうちＥＧＲ装置のＥＧＲバルブよりも上流側から取り込まれた排気ガスで駆動される正圧式とすることが提案されている。

特開２０１４－８８０８６号公報

ところで、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）、あるいは液化天然ガス（ＬＮＧ）などの天然ガスを燃料とする天然ガス自動車は、ガソリンを燃料とするガソリン車や軽油を燃料とするディーゼル車に比べ、二酸化炭素の排出量が大幅に少ないというメリットがある。その反面、天然ガス自動車は、燃料である天然ガスを補給できる場所が少ない上に、１回のガス満充填当たりの走行可能距離が短いという、実使用する上での大きなデメリットがある。このため、天然ガス自動車には、燃料消費率（燃費）を向上することが強く求められる。

ここで、ＥＧＲ装置およびブレーキブースターを備えた天然ガス自動車において、ブレーキブースターを排気ガス（ＥＧＲガス）で駆動するようにした場合、ＥＧＲガスの一部がブレーキブースターで消費される分、エンジンの吸気管へのＥＧＲガスの還流量が減少する。このように、エンジンの吸気管へのＥＧＲガスの還流量が減少すると、ポンピングロスの増大による燃費低下を招来するおそれがある。

係る実情に鑑み、本発明は、ＥＧＲ装置およびブレーキブースターを備えた天然ガス自動車において、所望の制動力を確保しつつ、その燃費向上を図ることを主たる目的とする。

上記の目的を達成するために創案された本発明は、ブレーキペダルの踏力を増幅させるブレーキブースターと、排気ガスの一部をエンジンの吸気管に還流させるＥＧＲ装置と、上記エンジンに供給すべき燃料としての天然ガスが封入された高圧タンクとを備えた天然ガス自動車において、ブレーキブースターが、大気圧よりも高圧の加圧空気で駆動される正圧式とされ、上記加圧空気が、上記高圧タンクから放出された天然ガスの圧力を利用して得られることを特徴とする。なお、本発明で言う「天然ガス」とは、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）の他、液化天然ガス（ＬＮＧ）を含む概念である。そのため、本発明の適用対象は、ＣＮＧ自動車のみならずＬＮＧ自動車も含む。

本発明に係る天然ガス自動車では、ブレーキブースターの駆動ガスとしての加圧空気が、高圧タンクから放出された燃料ガスとしての天然ガスの圧力を利用して得られる。この場合、ＥＧＲ装置によってエンジンの吸気管に還流される排気ガス（ＥＧＲガス）がブレーキブースターの駆動ガスとして消費されなくなるので、エンジンの吸気管に必要十分量のＥＧＲガスを還流させることができる。これにより、ポンピングロスを軽減して燃費向上を図ることができる。

高圧タンクから燃料供給管に放出された燃料ガスとしての天然ガスは、通常、燃料供給管の管路上に配置された減圧弁により減圧された上でエンジンに供給される。つまり、高圧タンクから燃料供給管に放出された天然ガスの圧力を利用してブレーキブースターの駆動ガスである加圧空気を得るようにしても、燃料供給効率に支障をきたすことはない。むしろ、燃料供給管に放出された天然ガスの圧力を利用してブレーキブースターの駆動ガスである加圧空気を得るようにすれば、この加圧空気を適切にかつ効率良く得ることができるので、ブレーキブースターの作動性を良好なものとし、ブレーキペダルの踏力増幅効果を適切に確保することができる。

以上より、本発明によれば、所望の制動力を具備しつつ高燃費の天然ガス自動車を実現することができる。

本発明の一実施形態に係る天然ガス自動車の要部を概念的に示す図であって、ブレーキペダルが踏み込まれていない状態を示す図である。 本発明の一実施形態に係る天然ガス自動車の要部を概念的に示す図であって、ブレーキペダルが踏み込まれた状態を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１および図２は、本発明の一実施形態に係る天然ガス自動車１の要部を概念的に示す図である。同図に示す天然ガス自動車１は、駆動力を発生させる駆動ユニットＡと、制動力を発生させる制動ユニットＢとを備える。

駆動ユニットＡは、エンジン２、ＥＧＲ装置６および燃料タンクとしての高圧タンク９を備える。

エンジン２は、燃焼室（気筒内）に空気を導入するための吸気管３と、燃料が燃焼することで生じた不要な燃焼ガス（排気ガス）を燃焼室から排出するための排気管４とを備える。詳細な図示は省略しているが、吸気管３の管路上には、空気の吸入量（燃焼室への空気の供給量）を調整するためのスロットルバルブが配置されており、スロットルバルブを通過した空気は、サージタンクおよび吸気マニホールドを介して燃焼室に導入されるようになっている。エンジン２は、燃焼室（又は吸気マニホールド）に燃料を噴射する燃料噴射バルブとしてのインジェクタ５、および図示外の点火プラグなどをさらに備える。

ＥＧＲ装置６は、一端が排気管４の管路に開口すると共に他端が吸気管３の管路（例えば、サージタンク）に開口し、排気ガスの一部（ＥＧＲガス）を吸気管３の管路に還流させるＥＧＲガス配管７と、ＥＧＲガス配管７の管路上に設けられ、吸気管３へのＥＧＲガスの還流量を制御するＥＧＲバルブ８とを備える。

高圧タンク９は、燃料としての圧縮天然ガス（例えば、１０ＭＰａ以上の加圧力で加圧・圧縮された天然ガス）を封入した燃料タンクであり、高圧タンク９に封入された圧縮天然ガスは、燃料供給管１０を介してエンジン２のインジェクタ５に供給される。従って、本実施形態の天然ガス自動車１は、厳密には、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）を燃料としたＣＮＧ自動車である。燃料供給管１０の管路上には、エアブースター（増圧器）２６および減圧弁１１が配置されており、高圧タンク９から放出された天然ガスは、その圧力を減圧弁１１により１ＭＰａ以下の所定値（例えば、０．４ＭＰａ）にまで減じられた上でインジェクタ５に供給される。エアブースター２６については、後段で詳述する。

制動ユニットＢは、天然ガス自動車１の客室内に配置された足踏み式のブレーキペダル１２と、運転者によるブレーキペダル１２の踏み込み動作に連動して前進移動（図中左側に移動）するブレーキロッド１３と、ブレーキロッド１３の前進力（ブレーキペダル１２の踏力）を増幅するためのブレーキブースター１４とを備える。

ブレーキブースター１４は、ブレーキロッド１３が貫通した増幅室１５および制御室１６を備えている。増幅室１５の内部空間にはブレーキロッド１３と一体的に進退移動するパワーピストンとしての第１ピストン１７が配置され、制御室１６の内部空間にはブレーキロッド１３と一体的に進退移動する第２ピストン１８が配置されている。増幅室１５の内部空間に第１ピストン１７が配置されていることにより、増幅室１５は、前室１５ａと後室１５ｂとに区分されている。このブレーキブースター１４は、ブレーキペダル１２に踏力が付与されるのに伴って、駆動ガスとしての加圧空気（大気圧よりも高圧となるように圧縮された空気）が後室１５ｂに流入することにより駆動される正圧式である。そのため、ブレーキペダル１２への踏力付与に伴ってブレーキブースター１４が駆動されたとき、後室１５ｂは室内圧力が大気圧よりも高い正圧となる正圧室として機能し、前室１５ａは室内圧力が大気圧になる大気圧室として機能する。

増幅室１５の前室１５ａと制御室１６とは、制御管１９を介して接続されている。制御管１９は、長手方向一方側の端部が増幅室１５の前室１５ａに接続されると共に、長手方向他方側が第１分岐部１９ａと第２分岐部１９ｂとに枝分かれした分岐管で構成される。第１分岐部１９ａは制御室１６の前部（増幅室１５に近い部分）に接続され、第２分岐部１９ｂは制御室１６の後部（増幅室１５から離れた部分）に接続されている。また、制御室１６には、長手方向一方側の端部が大気に開放された大気開放管２０が接続されている。なお、大気開放管２０は、制御管１９の第２分岐部１９ｂと同じ軸方向位置で制御室１６に接続されている。

増幅室１５の前室１５ａと第１ピストン１７の対向二面間には、弾性部材としてのコイルばね２１が軸方向に圧縮された状態で配置されている。これにより、ブレーキペダル１２に踏力が付与されていないとき（図１）には、コイルばね２１のばね力（弾性復元力）によりブレーキロッド１３およびブレーキペダル１２が初期位置に位置し、さらに、ブレーキペダル１２に付与されていた踏力が解放されたとき（図１）には、コイルばね２１のばね力によりブレーキロッド１３およびブレーキペダル１２が初期位置に戻る。増幅室１５の前室１５ａには、ブレーキペダル１２に踏力が付与されるのに伴ってブレーキロッド１３とともに前進移動するプッシュロッド２２が配置されている。プッシュロッド２２が前進移動したときには、その移動量に応じた量のブレーキフルードが増幅室１５の軸方向外側に配置されたブレーキフルードタンク２３から吐出される。

上記のとおり、ブレーキブースター１４は、大気圧よりも高圧の加圧空気を、増幅室１５に配置された第１ピストン１７を駆動する（前進移動させる）ための駆動ガスとした正圧式である。そのため、ブレーキブースター１４には、駆動ガスとしての加圧空気を増幅室１５の後室１５ｂに導入するためのエア配管２４が接続されている。エア配管２４は、長手方向一方側（上流側）の端部がエアブースター２６に接続されると共に、長手方向他方側（下流側）が第１分岐部２４ａと第２分岐部２４ｂとに枝分かれした分岐管で構成される。エア配管２４の第１分岐部２４ａは増幅室１５の後室１５ｂに接続され、エア配管２４の第２分岐部２４ｂは制御室１６に接続されている。なお、エア配管２４の第２分岐部２４ｂは、制御管１９の第１分岐部１９ａと同じ軸方向位置で制御室１６に接続されている。

ブレーキブースター１４の駆動ガスである加圧空気は、吸気管２５により吸入された大気を、燃料供給管１０の管路上に配置したエアブースター２６に導入して加圧（圧縮）することで得られる。エアブースター２６としては、その内部通路を流通する燃料としての天然ガスの圧力を利用して、導入された大気を加圧可能な構造を有するものが使用される。本実施形態において、エアブースター２６は、減圧弁１１よりも燃料供給管１０の上流側に配置されているため、その内部通路を流通する天然ガスは減圧前の高圧の天然ガスである。そのため、エアブースター２６に導入された大気を効率良く加圧することができる。

なお、エアブースター２６としては、内部通路を天然ガスが流通するのに伴って大気を吸引することができる構造を有するものを採用するのが好ましい。この場合、エアブースター２６に大気を導入するためのエアポンプ等を別途設ける必要がなくなるので、天然ガス自動車１のコスト増や重量化を回避することができる。

エアブースター２６で生成された加圧空気は、エア配管２４を介してブレーキブースター１４に供給される。エア配管２４の管路上には、加圧空気が逆流する（エアブースター２６側に流れる）のを防止するための逆止弁２７と、加圧空気を貯留可能なアキュムレータ２８とが設けられる。

以上の構成を有するブレーキブースター１４は、以下のように動作する。

図１は、ブレーキペダル１２に踏力が付与されていない状態、すなわち、ブレーキペダル１２およびこれに連結されたブレーキロッド１３が初期位置に位置した状態を示している。このとき、制御室１６に配置された第２ピストン１８が制御室１６の後部に位置しているため、増幅室１５の前室１５ａを大気に開放するための大気開放管２０が第２ピストン１８により塞がれている一方で、増幅室１５の前室１５ａは制御管１９（の第１分岐部１９ａ）および制御室１６を介してエア配管２４（の第２分岐部２４ｂ）と連通している。この場合、エア配管２４の管路上に介在する加圧空気は、増幅室１５の後室１５ｂのみならず前室１５ａにも流入するため、増幅室１５の前室１５ａと後室１５ｂとの間に圧力差はない。そのため、ブレーキロッド１３が連結されたブレーキペダル１２は、コイルばね２１のばね力により初期位置に位置することになる。

次に、図２に示すように、ブレーキペダル１２に踏力（白抜き矢印参照）が付与されると、ブレーキロッド１３が前進移動するのに伴って制御室１６に配置された第２ピストン１８も前進移動するため、増幅室１５の前室１５ａ（制御管１９の第１分岐部１９ａ）とエア配管２４（の第２分岐部２４ｂ）とが非連通となる。そのため、エア配管２４の管路上に介在する加圧空気は、増幅室１５の後室１５ｂのみに流入する。このとき、増幅室１５の前室１５ａは、制御管１９の第２分岐部１９ｂや大気開放管２０を介して大気と連通する（図２の黒塗り矢印参照）ため、前室１５ａの室内圧力は大気圧に等しくなる。従って、増幅室１５の後室１５ｂ（のみ）に加圧空気が流入すると、ブレーキロッド１３を前進移動させる方向の加圧力が第１ピストン１７に付与される。これにより、ブレーキペダル１２の踏力が増幅される。

以上で説明した本実施形態の天然ガス自動車１では、ブレーキブースター１４の駆動ガスとしての加圧空気が、高圧タンク９から燃料供給管１０に放出された天然ガスの圧力を利用して得られる。この場合、ＥＧＲ装置６によってエンジン２の吸気管３に還流される排気ガス（ＥＧＲガス）がブレーキブースター１４の駆動ガスとして消費されなくなるので、エンジン２の吸気管３に必要十分量のＥＧＲガスを還流させることができる。これにより、ポンピングロスを軽減して天然ガス自動車１の燃費向上を図ることができる。

高圧タンク９に封入された燃料ガスとしての天然ガスは、燃料供給管１０の管路上に配置された減圧弁１１により減圧された上でエンジン２に供給される。つまり、燃料供給管１０に放出された天然ガスの圧力を利用してブレーキブースター１４の駆動ガスである加圧空気を得るようにしても、燃料供給効率に支障をきたすことはない。むしろ、燃料供給管１０に放出された天然ガスの圧力を利用して上記加圧空気を得るようにすれば、この加圧空気を適切にかつ効率良く得ることができるので、ブレーキブースター１４の作動性を良好なものとし、ブレーキペダル１２の踏力増幅効果を適切に確保することができる。特に、本実施形態では、加圧空気を得るためのエアブースター２６を減圧弁１１の上流側に配置しているので、エアブースター２６に導入される天然ガスは減圧前の高圧のガスである。そのため、ブレーキブースター１４の駆動ガスである加圧空気を一層適切にかつ効率良く得ることができる。

以上のことから、本実施形態の天然ガス自動車１は、所望の制動力を具備しつつ高燃費であるという特徴を有する。

以上、本発明の一実施形態に係る天然ガス自動車１について説明を行ったが、天然ガス自動車１には本発明の要旨を変更しない範囲で適宜の変更を施すことが可能である。

高圧タンク９としては、液化天然ガス（ＬＮＧ）が封入されたものを使用しても良い。すなわち、本発明は、燃料ガスに圧縮天然ガス（ＣＮＧ）が使用されるＣＮＧ自動車のみならず、燃料ガスに液化天然ガス（ＬＮＧ）が使用されるＬＮＧ自動車に適用することも可能である。

１ 天然ガス自動車
２ エンジン
６ ＥＧＲ装置
９ 燃料容器
１０ 燃料供給管
１１ 減圧弁
１２ ブレーキペダル
１３ ブレーキロッド
１４ ブレーキブースター
１５ 増幅室
１５ａ 前室
１５ｂ 後室
１６ 制御室
１７ 第１ピストン（パワーピストン）
１８ 第２ピストン
２４ エア配管
２５ 吸気管
２６ エアブースター
２８ アキュムレータ
Ａ 駆動ユニット
Ｂ 制動ユニット

Claims (1)

1. ブレーキペダルの踏力を増幅させるブレーキブースターと、排気ガスの一部をエンジンの吸気管に還流させるＥＧＲ装置と、前記エンジンに供給すべき燃料としての天然ガスが封入された高圧タンクとを備えた天然ガス自動車において、
   前記ブレーキブースターは、大気圧よりも高圧の加圧空気で駆動される正圧式とされ、
   前記加圧空気が、前記高圧タンクから放出された前記天然ガスの圧力を利用して得られることを特徴とする天然ガス自動車。

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