JP3684417B2

JP3684417B2 - Compressed natural gas fuel tank for vehicles

Info

Publication number: JP3684417B2
Application number: JP50096696A
Authority: JP
Inventors: ウィリアムエフジュニアデビス; ゼームスジィージュニアキャロサーズ; ウィリアムジェービーズ
Original assignee: ザバブコックアンドウィルコックスカンパニー; ウィリアムエフジュニアデビス
Priority date: 1994-05-27
Filing date: 1995-05-19
Publication date: 2005-08-17
Also published as: WO1995032874A1; CA2191316C; AU2598495A; JPH10501200A; CA2191316A1

Description

関連出願の引照
これは、同じ名称で1993年５月17日付出願された継続中の特許出願第08/062,279号の部分継続である。
技術分野
この発明は、自動車の分野であり、より詳細には燃料動力エンジンによって駆動される型式のものである。特に、本発明は、このような車両のための燃料としての圧縮天然ガスを収容し保持するためのタンクに関する。
背景技術
最近の輸送は、自動車、バン、トラック等のような陸上車両の大規模な使用を必要としている。現在では、このような車両は、ガソリン又はディーゼル燃料を供給されるエンジンによって動力供給されている。このような燃料の使用は２つの明らかな欠点を生じさせている。第１に、このような燃料は世界中で供給を限られており、このような燃料の国際的管理はその価格及び入手可能性を不確実なものとしている。このような燃料の第２の欠点は環境への悪影響である。内燃機関でのガソリン又はディーゼル燃料の燃焼で放出される炭化水素ガスは、環境上好ましくないと一般に考えられている。
米国では天然ガスが豊富に供給可能であり、このようなガスの燃焼が環境上適合し得ることが知られている。内燃機関が天然ガスで十分に作動できることも知られている。しかしながら、車両用燃料としての天然ガスの使用は、このような燃料を使用する車両に与える“航続距離”によって抑制されていた。過去において、圧縮天然ガスのタンクがトランク又は車両の他の貨物倉区域内に配置され、燃料インジェクタ又は類似物への流通のための燃料系統に相互接続されていた。しかしながら、圧縮天然ガスのこのようなタンクを収容するのに適する車両内の貯蔵区域の入手可能性はいくぶん限られており、このような制限が、補給なしで車両が走行できる距離を必然的に抑制しているのである。従って、天然ガス燃料を採用した車両の航続距離は、過去では必然的に相当制限されていた。
先行技術では、内燃機関を有するとともに、機関で使用する天然ガス燃料を保持するために働くように車両の一体部分として設けた燃料タンクを有する車両を実質的には具現していない。天然ガスを高圧レベルで燃料タンク内へ導入するという要求は、典型的には、タンクを車両の貯蔵区域に簡単に保持するために特別に設計することを指図するものであり、先行技術は、車両自体の構造部分として燃料タンクを組込むための方法をもくろむものではない。事実、車両の構造要素として働きながら、多量の天然ガスを高圧レベルで収容し保持するに十分な強度の燃料タンクは、知られていない。事実、先行技術は、ガソリン又はディーゼル燃料の使用において固有の欠点を排除するための実際の方法としてよりもむしろ、限られた区域を働く車両の集団による使用という新規な特徴として、車両のための燃料として天然ガスの使用をもくろむものである。
1993年５月17日付出願された上記参照の継続中の特許出願第08/062,279号において、矩形構造の単一鋼製タンクが示されている。その概念はその中の図１〜５に現れている。このようなタンク組立体はその意図する目的に全く適しているが、その矩形の形状は計画した圧力を保持するために相当の壁厚を指図される。これは、タンク組立体及び車両全体として不必要なコスト及び重量を招くことになる。
発明の開示
上記に鑑み、先行技術のタンク以上に大きく広がった容量を与える車両のための圧縮天然ガス燃料タンクを提供することが、本発明の第１の様相である。
本発明の他の様相は、タンクを車両フレームの一体構造要素として形成するようにした車両用圧縮天然ガス燃料タンクを提供することにある。
本発明のさらに他の様相は、多量の天然ガスを高圧レベルで収容し保持できる車両用圧縮天然ガス燃料タンクを提供することにある。
さらに本発明の他の様相は、突き出さずに安全な方法で車両の下側に位置し保持できる車両用圧縮天然ガス燃料タンクを提供することにある。
さらに本発明の他の様相は、製造し易く、車両を改装することによって既存の車両での実施を容易にし、新品の組立体として新しい車両への実施を容易にすることができる車両用圧縮天然ガス燃料タンクを提供することにある。
本発明の付加の様相は、車両フレームの一体構造要素を形成するタンクハウジング内に複数の高圧タンクを保持するようにした車両用圧縮天然ガス燃料タンクを提供することにある。
さらに本発明の他の様相は、複数の高圧タンクを共通のマニホルドに相互接続し車両フレームの一体構造要素を形成するタンクハウジング内に保持するようにした車両用圧縮天然ガス燃料タンクを提供することにある。
本発明の他の様相は、複合材料で構成した複数の高圧タンクを車両フレームの一部を形成するタンクハウジング内に収容でき、矩形鋼構造で形成したこのような燃料タンクを越えて重量節約を実現するようにした車両用圧縮天然ガス燃料タンクを提供することにある。
詳細説明が進むにつれて明らかとなる本発明の前記及び他の様相は、複数の円筒形圧力タンクを内部に有するタンクハウジングと、前記タンクハウジングの両端部から延び且つ車両のサイドレールの各々の組合わされる端部に係合する一対のチャネル部材とを包含し、前記サイドレールがその前記各々の組合わされる端部の間で途切れ、前記タンクハウジングと前記チャネル部材が、前記サイドレールの途切れている場所で前記サイドレールの連続部をなすことを特徴とする車両用圧縮天然ガス燃料タンク組立体によって達成される。
ここで明らかとなる本発明の他の様相は、車両のフレームのサイドレールにおける不連続部位に位置され、複数の圧力タンクを内部に保持するタンクハウジングと、前記タンクハウジングの両端部から延び、前記不連続部位の両側で前記サイドレールの各々の端部に係合固着されたチャネル部材と、前記タンクハウジングを車両のフロアに固着する手段とを包含することを特徴とする車両用圧縮天然ガス燃料タンク組立体によって達成される。
【図面の簡単な説明】
本発明の目的、技術及び構成を完全に理解するために、下記の詳細な説明及び添付図面が参照されよう。
図１は、本発明の天然ガス燃料タンクの一実施例を示す後輪駆動車両の底面図である。
図２は、図１の２−２線に沿う一部断面の端面図である。
図３は、図２の３−３線に沿う一部断面の側面図である。
図４は、本発明の天然ガス燃料タンクの他の実施例を示す前輪駆動車両の底面図である。
図５は、図４に示される実施例の５−５線に沿う一部断面の端面図である。
図６は、複数の円筒形複合タンクを後輪駆動車両の単一のタンクハウジング内に保持した本発明の実施例を説明する平面図である。
図７は、図６に示す実施例の断面図である。
図８は、前輪駆動車両に適用した本発明の他の実施例を説明する図６と同様な平面図である。
発明を実施するための最良の形態
図面特に図１を参照するに、後輪駆動型の車両フレームが符号10によって総括的に示されていることを見ることができる。フレーム10は一対のサイドレール又は部材12,14を包含し、これらのサイドレール又は部材12,14は間隔を置いて横に延びるクロスメンバ16,18,20によって相互接続されている。標準的な仕様として、左右のステップウェル24,26を車両フレーム10の両側に設けることができる。また、典型的な車両の一部分として、フレーム10の一側に沿って延びてマフラ30に相互接続する排気パイプ28が設けられており、このマフラ30からテールパイプ32が延びている。幾らか標準的な仕様において、後輪駆動車両においては、駆動軸34がトランスミッションと差動装置との間でフレーム10の底部に沿って中央に延びている。
本発明によれば、一対の燃料タンク40,42が車両フレーム10の下に固定されて、車両フレーム10の一体部分とされている。本発明の好適な実施例において、タンク40,42は、0.5〜1.0インチ（1.27〜2.54cm）程度の厚さを有する鋼で作った構成とされる。即ち、これらのタンクは、2,000〜3,000psi程度、好適には2,400psiの圧縮天然ガスの内部圧力に耐えるように堅固に構成される。
標準的な車両の構成においては、サイドレール又は部材12,14の各々は連続する長さのものである。しかしながら、本発明によれば、サイドレール12,14はタンク40,42を受ける区域で取り除かれ、タンク自身によって構造的に置換されている。すなわち、図１〜図３に示されるように、オーバレイフレームチャネル部材36がタンク40に溶接され又はタンクの一体部材として形成され、一方、他のオーバレイフレームチャネル部材38がタンク42の一体部材として同様に作られている。これらのオーバレイチャネル部材36,38は、それから、サイドレール又はフレーム部材12,14の関連する端部分に受け止められて、それに溶接されている。本発明の好適な実施例においては、水平溶接のみが適当な一体性を与えまた溶接結合部の結晶化を防止するために施されている。しかしながら、フレーム部分12,14及びタンク40,42へのフレームオーバレイチャネル部材36,38の実際の溶接又は固定は、当業者であれば容易に認識されよう。
本発明は、図面に示されるように、チャネル部材36,38がその中にサイドレール又はフレーム部材12,14を受け入れるようにしていることを認識されよう。しかしながら、チャネル部材36,38はサイドレール12,14によって画成されたチャネル内に受け入れられ得るものと考えられる。いずれの場合においても、当業者であれば、サイドレール12,14の連続した伸張はそれぞれのタンク40,42の介在によって達成され、この介在は、フレームオーバレイチャネル部材36,38の設置によりタンク40,42に連続し且つ一体のサイドレール構造を達成することを理解されよう。勿論、部材36,38とそれぞれのサイドレール12,14との間のオーバラップの大きさは、フレーム組立体10の総一体性をある程度決定する。
もし必要ならば、チャネル部材36,38とサイドレール12,14との間のオーバラップの結合部は、この結合部をブリッジすると共に関連するチャネル部材36,38及びサイドレール12,14の各々とに取付けられる板を設けることにより、一層増強される。この目的のために、0.25インチ（0.64cm）程度の厚さを有する金属ストック板を上記結合部にボルト止め又は他の手段により固着し得ることがわかった。
当業者であれば、サイドレール12,14は鋼で作られて、約0.125インチ（0.318cm）の厚さを有し、従って、チャネル部材36,38は好適には同様な材料で作られることを認識されよう。
また、本発明の一部分を示すものとして、タンクには追加の支持体としてストラップ44,46,48,50が加えられ、これらのストラップは車両のフロア76に固着されている。図２に示されるように、ストラップ44はその両端部にレッグ又はフランジ80を備えており、一方、他のレッグ又はフランジ78がストラップ48の両端部に設けられている。勿論、ストラップ46,50もそれらの両端部に同様なフランジを有している。フランジ78,80は、車両のフロア76に溶接、ボルト止め又は他の手段により固着されて、タンク40,42に対しての更なる支持体を提供する。
図２及び図３に更に注意を向けると、アングル材64は、それぞれのタンク40,42の各々の長さに沿って溶接又は他の手段により適当に取付けられていると共に、フロア76にも溶接又は他の手段により適当に取付けられていることがわかる。当業者であれば、圧縮天然ガスタンク40,42はサイドレール又は部材12,14の一体部分として与えられるのみならず、フロア76の一体部分としても与えられていることを容易に認識されよう。従って、サイドレール又は部材12,14はタンク40,42の挿入の結果として非連続に示されているけれど、前述したように厚い板厚の金属で作られているタンク40,42の存在は車両フレーム10の増大した強さ及び一体性を与えるものである。
更に、タンク40,42は好適には非円形の断面であるものとして示される。略矩形の断面であるこのようなタンクを提供することにより、タンクの容積は、強さ又は剛性を犠牲にすることなしに、所定の寸法抑制に対して最大とされる。好適な実施例において、タンクの縁は図示されるように丸くされる。
次に図４及び図５を参照するに、本発明の概念を前輪駆動車両に容易に実施できることがわかる。この例において、普通の仕様として、車両フレームサイドレール又は部材12′,14′はクロスメンバ16′,18′,20′に相互接続され、また排気パイプ28′、マフラ30′及びテールパイプ32′が設けられている。駆動軸は前輪駆動車両のために要求されないので、かなりの寸法の単一の燃料タンク70を用いることができる。再び、本発明の好適な実施例において、タンク70の構造は、前述したタンク40,42と実質的に同じ材料及び溶接技術を用いて同じ構造とされ、これにより必要な構造一体性を保証して、前述した圧力に耐えることができるようにされる。
図４及び図５に示されるように、フレームオーバレイチャネル部材36,38が同様にタンク70及びそれぞれのサイドレール部材12′,14′に溶接されている。この例において、タンク70は、それぞれのサイドレール部材12′,14′を連続させるために設けられているのみならず、それらを相互接続する働きもする。また、ストラップ72が、溶接、ボルト止め又は同種の手段により車両のフロア84に取付けられて、タンク70のための垂直支持体を提供するように働いている。更に、タンク70の前方及び後方の中央部分を横切るアングル材74が設けられており、このアングル材74はタンク70及びフロア84の両方に溶接されている。従って、タンク70は、フレームのサイドレール12′,14′の一体部分であるのみならず、フロア84に対して強さ及び剛性を与え、更にフロア84を車両フレームの残り部分に相互接続する。
前述したように、フレームオーバレイチャネル部材36,38は、サイドレール12′,14′のそれぞれの端部を受け入れることができるように、又はサイドレール12′,14′のチャネル内に受け入れられるような形状とされる。このどちらの概念も、本発明の一部分とされるものである。
当業者であれば、本発明は既存の車両及びこれらから作られる新しい車両に適用できることが容易に認識されよう。既存の車両を天然ガスの使用のために変える場合には、古いガスタンクが取り除かれ、またサイドレール又は部材12,14が適当な区域で取り除かれ、それから、前述したように適当なタンク70又は40,42が車両フレーム10の下に置かれてサイドレール12,14又は12′,14′に固着される。新しい車両の製作への実施のためには、サイドレール12,14及び12′,14′が前述したように適当なタンク及びフレームオーバレイチャネル部材36,38を受け入れるようにそれらの間に適当な間隔を有するようにして製作される。
前述したように厚い板厚の金属のタンクを製作することにより、該タンクは、車両用フレーム部材として働くのみならず、大容量の天然ガスを高圧で収容するのに十分な強さを有すると共に、衝突などからの衝撃に耐えることができる。従って、本発明は、内燃機関によって駆動される車両の作動において安全性、環境適応性及び経済性をそれぞれ増した車両構造一体性を提供するものである。
図１〜図５に関連して上述した燃料タンクは車両に使用する圧縮天然ガスを収容するには適当ではあるが、圧力容器のためには矩形断面よりも円形断面の方が最適であることを一般に理解されよう。同様に、当業者には、壁の厚さは、矩形断面を有する圧力容器に比べ円形断面を有する圧力容器の場合の方が一般に減少できることが知られているものである。従って、本発明において、圧縮天然ガスを上述したように矩形断面を有するタンクよりも円形断面を有するタンク内に収容することにより、材料、重量及びコストの減少を達成することができるものである。このような燃料タンク組立体は、以下に図６〜図10と関連して示され、説明される。
図６及び図７に示すように、後輪駆動車両の車体フレームは総括的に符号100で示されている。図１〜図５に関して上述したように、車体フレーム100は、当業者によはよく理解され十分に認識されているように、必要なクロスメンバを備えた適当なサイドレール又は部材102,104を包含する。図６及び図７の実施例においては、エンジン106が駆動軸108により車体の後部で差動装置110に連結されている。車軸112は差動装置110から後部駆動車輪114を備えた駆動連結部へ延びる。勿論、好適なマフラ116及び排気系統の他の部分そして類似部分は、図示したように車体の下に保持されている。
本発明によれば、鋼又は他の好適な構造よりなる燃料タンクハウジング118が、図１〜図５に関して上述した燃料タンクと同一の方式で取付けられている。換言すれば、燃料タンクハウジング118は前述したように車体フレームの一体部分となり、サイドレール又は部材102,104に相互接続される。駆動軸108がエンジン106から差動装置110へ通り、そしてそれらの間に燃料タンクハウジング118が介装されていることにより、駆動軸108を通すことができるようになされなければならないことは、勿論十分に認識されよう。この点については、図１及び図２に関して上述したように２つのタンクが設けられてもよいし、あるいは、燃料タンクハウジング118がドライブシャフト108の通過を受け入れるように適当な凹所又は類似物を形成されてもよい。いずれにしても、燃料タンクハウジング（又は複数のハウジング）118はフレームメンバ102,104に相互接続され、そして前述のように車両フロア120に適当に溶接され又は他の手段で相互接続及び固着される。
燃料タンクハウジング118に関連して使用される圧縮天然ガスは、ハウジング自体の中に収容されるのではなく、代わりに複数の円筒形タンク112に受け入れられる。タンク122の各々は円筒形本体部材124と半球形端部キャップ126を有している。従って、いかなる所望の壁厚でも、円筒形タンク122の強度は上述したように矩形断面を有する燃料タンクの強度を越えて大きく増大されるのである。
円筒形タンク122は圧力容器に共通して使用されるものと同様の複合材料で作られるのが好ましい。これは上述した圧力を保持するには十分である。グラファイト、カーボン又はボロン複合物のような繊維補強複合材料は、本発明を実施するのに適している。同様に、圧力容器に現在採用されているようにフィラメント巻装構造もまた十分である。ガラス繊維のような繊維補強プラスチックは、事実、圧縮天然ガス燃料タンクが必要とする高圧に適応させるに十分な強度を与える。実際に、KEVLAR（デュポンの商標）複合材もこのような目的に適している。
円筒形タンク122は好適には燃料タンクハウジング118の中にぴったり重ねられ、又は他の方法で保持される。好適な実施例では、発泡ネスト128が円筒形タンク128を収容保持するように設けられてよい。この発泡ネスト128は吹き付けされるか、クラムシェル半部分のようにモールド成形又は他の方法で形成されるか、あるいは、タンク122を定位置に収容し固着するための溝を有する隔置されたバンドで単純に構成してもよい。
適当なマニホルド130が円筒形タンク122の各々と相互接続して設けられている。従って、単一の入口弁132が円筒形タンク122を充填するためのマニホルドに相互接続され、一方、単一の出口弁134が天然ガスをエンジン106へ通すためにマニホルドに相互接続され得る。
図８及び図９に示したように、複数の円筒形複合構造の高圧タンクを保持する燃料タンクハウジングの概念は、前輪駆動車両にも採用されてよい。このような車両のフレームは総括的に符号140で示され、そしてサイドレール又は部材142,144及び必要に応じて適当なクロスメンバを含むものとして示されている。エンジン146は適当な短車軸又は類似物を介して前車輪（図示省略）を駆動するように接続されている。また、後車輪148は後車軸150の両端部に取付けられ、マフラ及び適当な排気系統152もまた車体の下に設けられている。
図６及び７の実施例と同様に、鋼構造の燃料タンクハウジング154が、図１〜図７に関して上述したのと同様の方法で、サイドレール部材142,144に相互接続すると共に、フロア156に溶接又は他の適当な手段により固定することによって車体フレームの一体部分を構成するように取付けられている。上述したのと同様の適当な複合材料製の円筒形高圧タンク158は、燃料タンクハウジング154内に保持され、適当なマニホルド160によって相互接続されている。図６及び図７の実施例と同様に、適当な入口弁162が円筒形タンク158の充填を許し、一方、単一の出口弁164がタンク158からエンジン146へのガスの流通を与える。勿論、弁162,164はマニホルド160に相互接続されている。
前輪駆動車両の場合、単一の燃料タンクハウジング154が全ての円筒形タンク158を収蔵し、駆動軸を収容するために燃料タンク154を形造る必要がないことが理解されよう。
ここで図10を参照すると、図６〜図９の実施例に採用された型式の燃料タンク組立体が総括的に符号170で示されることがわかる。図示したように、クラムシェル設計のタンク半部分172,174は、その中に複数の複合タンク178を収容し、その後にタンク組立体の外周のまわりに延びる適当な溶接部176によって閉じられるように形造られている。上述した特有の複合タンク178は、半球形端部キャップを備えた円筒形中央部を有している。当業者には、共通のタンク肉厚のために、半球形端部での応力がその間に介在させた円筒形タンク部に課せられる応力の典型的に２分の１であることから、マニホルド130,160が半球形端部で複合タンク178に相互接続されることが理解されよう。従って、半球形端部においてタンクを一体とする際のタンクへの押し付けは、円筒形本体部において行う場合よりも遥かに構造上の衝撃が小さい。
複合タンク178は、上述したように、図示したように発泡ネスト180,182内に収容される。好適な実施例では、発泡ネストはスタイロフォームよりなるが、あらゆる適当なフォーム又は衝撃吸収材料よりなっていていよい。上述したように、発泡ネストは吹き付けされるか、あるいは、複合タンク178をぴったり重なって収容しながらそれぞれのタンク半部分172,174に収容されるように予めモールド成形されてよい。代わりとして、発泡ネスト180,182は、それぞれのタンク半部分172,174及び複合タンク178によって受け入れられるように適合された複数の隔置されたモールド成形フォームバンドからなっていてもよい。
当業者には、上述したタンク122,158,178のような高圧円筒形複合タンクの使用は、燃料タンクハウジング118,154及び172,174を図１〜図５の実施例よりも相当薄い板厚の鋼によって製作できるようにしていることが容易に理解されよう。事実、このような燃料タンクハウジングは、８〜11ゲージの板厚、そして最も好適には11ゲージの板厚を有する鋼により成形加工され得る。0.125インチ（0.318cm）の厚さを有するこのような鋼は、それ自体がフレームの一体部分を構成する一方、圧縮天然ガスを収容する加圧円筒形タンクを収容保持していることにより、車両フレームに構造一体性を与えるのに正に適している。結果として、重量の軽減、材料コストの低減、そして製品の信頼性及び耐久性を増すことができる。
従って、発明の目的は上述した構成によって達成されたことがわかる。同時に、特許法に基づき発明の最良の形態及び好適な実施例のみを図示し詳述したが、本発明はこれに限定されるものではないことが理解されよう。従って、本発明の真の範囲を認識するために、請求の範囲が参照されるべきである。REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS This is a partial continuation of pending patent application 08 / 062,279 filed May 17, 1993 with the same name.
TECHNICAL FIELD This invention is in the field of automobiles, and more particularly of the type driven by a fuel powered engine. In particular, the present invention relates to a tank for containing and holding compressed natural gas as fuel for such vehicles.
BACKGROUND ART Recent transportation requires the extensive use of land vehicles such as cars, vans, trucks and the like. Currently, such vehicles are powered by engines that are supplied with gasoline or diesel fuel. The use of such fuels causes two obvious drawbacks. First, the supply of such fuels is limited around the world, and the international management of such fuels is uncertain about its price and availability. The second drawback of such fuels is an adverse environmental impact. It is generally considered that hydrocarbon gases released by combustion of gasoline or diesel fuel in an internal combustion engine are environmentally undesirable.
It is known that natural gas can be supplied in abundance in the United States, and combustion of such gas can be environmentally compatible. It is also known that internal combustion engines can operate satisfactorily with natural gas. However, the use of natural gas as fuel for vehicles has been limited by the “cruising range” given to vehicles using such fuel. In the past, compressed natural gas tanks have been placed in trunks or other cargo hold areas of vehicles and interconnected with fuel systems for distribution to fuel injectors or the like. However, the availability of storage areas in vehicles that are suitable for accommodating such tanks of compressed natural gas is somewhat limited, and such restrictions inevitably limit the distance that the vehicle can travel without refilling. It is suppressed. Therefore, the cruising distance of vehicles using natural gas fuel has been inevitably considerably limited in the past.
The prior art does not substantially embody a vehicle having an internal combustion engine and a fuel tank provided as an integral part of the vehicle to serve to hold the natural gas fuel used in the engine. The requirement to introduce natural gas into the fuel tank at a high pressure level typically dictates that the tank be specially designed to be easily held in the storage area of the vehicle, and the prior art It does not envisage a method for incorporating a fuel tank as a structural part of the vehicle itself. In fact, there is no known fuel tank that is strong enough to contain and hold large amounts of natural gas at high pressure levels while acting as a structural element of the vehicle. In fact, the prior art is not as an actual way to eliminate the inherent disadvantages in the use of gasoline or diesel fuel, but as a novel feature of use by a group of vehicles working in a limited area. It intends to use natural gas as fuel.
In the above referenced pending patent application 08 / 062,279 filed May 17, 1993, a single steel tank of rectangular construction is shown. The concept appears in FIGS. Such a tank assembly is quite suitable for its intended purpose, but its rectangular shape dictates a considerable wall thickness to hold the planned pressure. This incurs unnecessary cost and weight for the tank assembly and the vehicle as a whole.
DISCLOSURE OF THE INVENTION In view of the foregoing, it is a first aspect of the present invention to provide a compressed natural gas fuel tank for a vehicle that provides a much larger capacity than prior art tanks.
Another aspect of the present invention is to provide a compressed natural gas fuel tank for a vehicle in which the tank is formed as an integral structural element of the vehicle frame.
Still another aspect of the present invention is to provide a compressed natural gas fuel tank for a vehicle that can store and hold a large amount of natural gas at a high pressure level.
Yet another aspect of the present invention is to provide a compressed natural gas fuel tank for a vehicle that can be positioned and held on the underside of the vehicle in a safe manner without protruding.
Yet another aspect of the present invention is a vehicular compressed natural that is easy to manufacture and can be easily retrofitted to existing vehicles by refurbishing the vehicle and can be easily implemented on new vehicles as a new assembly. It is to provide a gas fuel tank.
An additional aspect of the present invention is to provide a vehicular compressed natural gas fuel tank adapted to hold a plurality of high pressure tanks in a tank housing forming an integral structural element of the vehicle frame.
Yet another aspect of the present invention is to provide a vehicular compressed natural gas fuel tank adapted to hold a plurality of high pressure tanks within a tank housing interconnected to a common manifold and forming an integral structural element of the vehicle frame. It is in.
Another aspect of the present invention is that multiple high pressure tanks made of composite material can be housed in a tank housing that forms part of the vehicle frame, saving weight over such fuel tanks made of rectangular steel structures. An object of the present invention is to provide a compressed natural gas fuel tank for a vehicle which is realized.
The above and other aspects of the present invention that will become apparent as the detailed description proceeds are the combination of a tank housing having a plurality of cylindrical pressure tanks therein and each of the vehicle side rails extending from opposite ends of the tank housing. A pair of channel members engaged with the end portions, the side rails are interrupted between the respective combined end portions, and the tank housing and the channel members are interrupted by the side rails. This is achieved by a compressed natural gas fuel tank assembly for a vehicle, characterized in that it forms a continuous part of the side rails in place.
Another aspect of the present invention that is apparent here is a tank housing that is located in a discontinuous portion of the side rail of the vehicle frame, holds a plurality of pressure tanks inside, and extends from both ends of the tank housing, A compressed natural gas fuel for a vehicle, comprising: a channel member engaged and fixed to each end of the side rail on both sides of the discontinuous portion; and means for fixing the tank housing to a vehicle floor. This is achieved by the tank assembly.
[Brief description of the drawings]
For a full understanding of the objects, techniques and configurations of the present invention, reference should be made to the following detailed description and accompanying drawings.
FIG. 1 is a bottom view of a rear-wheel drive vehicle showing an embodiment of a natural gas fuel tank of the present invention.
FIG. 2 is an end view of a partial cross section taken along line 2-2 of FIG.
FIG. 3 is a partial cross-sectional side view taken along line 3-3 in FIG.
FIG. 4 is a bottom view of a front wheel drive vehicle showing another embodiment of the natural gas fuel tank of the present invention.
FIG. 5 is an end view of a partial cross section taken along line 5-5 of the embodiment shown in FIG.
FIG. 6 is a plan view for explaining an embodiment of the present invention in which a plurality of cylindrical composite tanks are held in a single tank housing of a rear wheel drive vehicle.
FIG. 7 is a cross-sectional view of the embodiment shown in FIG.
FIG. 8 is a plan view similar to FIG. 6 for explaining another embodiment of the present invention applied to a front wheel drive vehicle.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Referring particularly to FIG. 1, it can be seen that a rear-wheel drive vehicle frame is indicated generally by the numeral 10. The frame 10 includes a pair of side rails or members 12,14 that are interconnected by cross members 16,18,20 that extend laterally at spaced intervals. As standard specifications, the left and right step wells 24 and 26 can be provided on both sides of the vehicle frame 10. Further, an exhaust pipe 28 extending along one side of the frame 10 and interconnecting to the muffler 30 is provided as a part of a typical vehicle, and a tail pipe 32 extends from the muffler 30. In some standard specifications, in a rear wheel drive vehicle, the drive shaft 34 extends centrally along the bottom of the frame 10 between the transmission and the differential.
According to the present invention, the pair of fuel tanks 40, 42 are fixed below the vehicle frame 10 to be an integral part of the vehicle frame 10. In the preferred embodiment of the present invention, the tanks 40, 42 are constructed of steel having a thickness on the order of 0.5 to 1.0 inch (1.27 to 2.54 cm). That is, these tanks are rigidly configured to withstand the internal pressure of compressed natural gas, on the order of 2,000-3,000 psi, preferably 2,400 psi.
In a standard vehicle configuration, each of the side rails or members 12, 14 is of continuous length. However, according to the present invention, the side rails 12, 14 are removed in the area receiving the tanks 40, 42 and are structurally replaced by the tanks themselves. That is, as shown in FIGS. 1-3, the overlay frame channel member 36 is welded to the tank 40 or formed as an integral member of the tank, while the other overlay frame channel member 38 is the same as the integral member of the tank 42. Is made. These overlay channel members 36,38 are then received and welded to the associated end portions of the siderail or frame members 12,14. In the preferred embodiment of the present invention, only horizontal welding is provided to provide proper integrity and to prevent crystallization of the weld joint. However, the actual welding or securing of the frame overlay channel members 36,38 to the frame portions 12,14 and tanks 40,42 will be readily recognized by those skilled in the art.
It will be appreciated that the present invention allows the channel members 36, 38 to receive side rail or frame members 12, 14 therein, as shown in the drawings. However, it is believed that the channel members 36,38 can be received within the channels defined by the siderails 12,14. In any case, those skilled in the art will understand that the continuous extension of the side rails 12, 14 is achieved by the interposition of the respective tanks 40, 42, which is achieved by the installation of the frame overlay channel members 36, 38. , 42 to achieve a continuous and integral side rail structure. Of course, the size of the overlap between the members 36, 38 and the respective side rails 12, 14 determines the total integrity of the frame assembly 10 to some extent.
If necessary, the overlap joint between the channel members 36, 38 and the side rails 12, 14 bridges this joint and is associated with each of the associated channel members 36, 38 and the side rails 12, 14. This is further enhanced by providing a plate that can be attached to. For this purpose, it has been found that a metal stock plate having a thickness on the order of 0.25 inches (0.64 cm) can be secured to the joint by bolting or other means.
One skilled in the art would know that the side rails 12,14 are made of steel and have a thickness of about 0.125 inches (0.318 cm), so that the channel members 36,38 are preferably made of similar materials. Will be recognized.
Also, as part of the present invention, straps 44, 46, 48, 50 are added to the tank as additional supports, and these straps are secured to the vehicle floor 76. As shown in FIG. 2, the strap 44 has legs or flanges 80 at both ends thereof, while other legs or flanges 78 are provided at both ends of the strap 48. Of course, the straps 46 and 50 also have similar flanges at both ends thereof. The flanges 78 and 80 are secured to the vehicle floor 76 by welding, bolting or other means to provide additional support for the tanks 40 and 42.
With further attention to FIGS. 2 and 3, the angle member 64 is suitably welded or otherwise attached along the length of each of the respective tanks 40, 42 and is also welded to the floor 76. It can also be seen that it is properly attached by other means. Those skilled in the art will readily recognize that the compressed natural gas tanks 40, 42 are not only provided as an integral part of the side rails or members 12, 14 but also as an integral part of the floor 76. Thus, although the side rails or members 12, 14 are shown discontinuously as a result of the insertion of the tanks 40, 42, the presence of the tanks 40, 42 made of thick metal as described above is It provides increased strength and integrity of the frame 10.
Furthermore, the tanks 40, 42 are preferably shown as having a non-circular cross section. By providing such a tank with a generally rectangular cross-section, the volume of the tank is maximized for a given dimensional constraint without sacrificing strength or rigidity. In the preferred embodiment, the tank edges are rounded as shown.
4 and 5, it will be understood that the concept of the present invention can be easily implemented in a front-wheel drive vehicle. In this example, the vehicle frame side rails or members 12 ', 14' are interconnected to the cross members 16 ', 18', 20 'as well as the exhaust pipe 28', muffler 30 'and tail pipe 32', as usual. Is provided. Since a drive shaft is not required for front wheel drive vehicles, a single fuel tank 70 of significant dimensions can be used. Again, in the preferred embodiment of the present invention, the structure of tank 70 is the same structure using substantially the same materials and welding techniques as previously described tanks 40, 42, thereby ensuring the necessary structural integrity. Thus, it is possible to withstand the pressure described above.
As shown in FIGS. 4 and 5, frame overlay channel members 36 and 38 are similarly welded to tank 70 and respective side rail members 12 'and 14'. In this example, the tank 70 is not only provided for connecting the respective side rail members 12 ', 14' but also serves to interconnect them. A strap 72 is also attached to the vehicle floor 84 by welding, bolting or similar means to serve to provide a vertical support for the tank 70. Further, an angle member 74 is provided across the center portion of the front and rear of the tank 70, and the angle member 74 is welded to both the tank 70 and the floor 84. Thus, the tank 70 is not only an integral part of the side rails 12 ', 14' of the frame, but also provides strength and rigidity to the floor 84 and further interconnects the floor 84 to the remainder of the vehicle frame.
As described above, the frame overlay channel members 36, 38 are capable of receiving the respective ends of the side rails 12 ', 14' or as received in the channels of the side rails 12 ', 14'. Shaped. Both of these concepts are part of the present invention.
One skilled in the art will readily recognize that the present invention can be applied to existing vehicles and new vehicles made therefrom. When changing an existing vehicle for use with natural gas, the old gas tank is removed and the side rails or members 12,14 are removed in the appropriate area, and then the appropriate tank 70 or 40 as described above. , 42 are placed under the vehicle frame 10 and secured to the side rails 12, 14 or 12 ', 14'. For implementation in the production of new vehicles, the side rails 12,14 and 12 ', 14' have a suitable spacing between them so as to receive the appropriate tank and frame overlay channel members 36,38 as described above. Is manufactured.
By manufacturing a thick metal tank as described above, the tank not only functions as a vehicle frame member, but also has sufficient strength to accommodate a large volume of natural gas at high pressure. Can withstand impacts from collisions, etc. Accordingly, the present invention provides vehicle structure integrity that increases safety, environmental adaptability, and economic efficiency in the operation of a vehicle driven by an internal combustion engine.
Although the fuel tank described above in connection with FIGS. 1-5 is suitable for containing compressed natural gas for use in vehicles, a circular cross section is more optimal for a pressure vessel than a rectangular cross section. Will be generally understood. Similarly, those skilled in the art know that the wall thickness can generally be reduced in the case of pressure vessels having a circular cross section compared to pressure vessels having a rectangular cross section. Therefore, in the present invention, it is possible to achieve a reduction in material, weight and cost by accommodating compressed natural gas in a tank having a circular cross section rather than a tank having a rectangular cross section as described above. Such a fuel tank assembly is shown and described below in connection with FIGS.
As shown in FIGS. 6 and 7, the body frame of the rear-wheel drive vehicle is indicated generally by the reference numeral 100. As described above with respect to FIGS. 1-5, the body frame 100 includes suitable side rails or members 102,104 with the necessary cross members, as will be well understood and appreciated by those skilled in the art. . 6 and 7, the engine 106 is connected to the differential device 110 at the rear portion of the vehicle body by a drive shaft 108. The axle 112 extends from the differential 110 to a drive connection that includes a rear drive wheel 114. Of course, the preferred muffler 116 and other and similar parts of the exhaust system are held under the vehicle body as shown.
In accordance with the present invention, a fuel tank housing 118 made of steel or other suitable structure is mounted in the same manner as the fuel tank described above with respect to FIGS. In other words, the fuel tank housing 118 becomes an integral part of the vehicle body frame as described above, and is interconnected to the side rails or members 102 and 104. The drive shaft 108 passes from the engine 106 to the differential 110, and a fuel tank housing 118 is interposed between them so that the drive shaft 108 must be able to pass through. It will be fully recognized. In this regard, two tanks may be provided as described above with respect to FIGS. 1 and 2, or a suitable recess or the like to allow the fuel tank housing 118 to pass through the drive shaft 108. It may be formed. In any event, the fuel tank housing (or housings) 118 are interconnected to the frame members 102, 104 and are suitably welded or otherwise interconnected and secured to the vehicle floor 120 as described above.
Compressed natural gas used in connection with the fuel tank housing 118 is not contained within the housing itself, but instead is received by a plurality of cylindrical tanks 112. Each tank 122 has a cylindrical body member 124 and a hemispherical end cap 126. Thus, at any desired wall thickness, the strength of the cylindrical tank 122 is greatly increased beyond that of a fuel tank having a rectangular cross-section as described above.
The cylindrical tank 122 is preferably made of a composite material similar to that commonly used for pressure vessels. This is sufficient to maintain the pressure described above. Fiber reinforced composite materials such as graphite, carbon or boron composites are suitable for practicing the present invention. Similarly, a filament wound structure, as currently employed in pressure vessels, is also sufficient. Fiber reinforced plastics such as glass fibers in fact provide sufficient strength to accommodate the high pressures required by compressed natural gas fuel tanks. In fact, KEVLAR (DuPont trademark) composites are also suitable for this purpose.
Cylindrical tank 122 is preferably overlaid in fuel tank housing 118 or otherwise retained. In a preferred embodiment, a foam nest 128 may be provided to accommodate and hold the cylindrical tank 128. This foam nest 128 can be sprayed, molded or otherwise formed like a clamshell half, or spaced with a groove to hold and secure the tank 122 in place. You may comprise simply with a band.
A suitable manifold 130 is provided in interconnection with each of the cylindrical tanks 122. Thus, a single inlet valve 132 can be interconnected to the manifold for filling the cylindrical tank 122, while a single outlet valve 134 can be interconnected to the manifold for passing natural gas to the engine 106.
As shown in FIGS. 8 and 9, the concept of a fuel tank housing that holds a plurality of high-pressure tanks having a cylindrical composite structure may be employed in a front-wheel drive vehicle. Such a vehicle frame is generally designated 140 and is shown as including side rails or members 142, 144 and, where appropriate, suitable cross members. Engine 146 is connected to drive front wheels (not shown) via a suitable short axle or the like. The rear wheels 148 are attached to both ends of the rear axle 150, and a muffler and an appropriate exhaust system 152 are also provided below the vehicle body.
Similar to the embodiment of FIGS. 6 and 7, a steel construction fuel tank housing 154 is interconnected to side rail members 142, 144 and welded to floor 156 in a manner similar to that described above with respect to FIGS. It is attached so as to constitute an integral part of the body frame by being fixed by other suitable means. A suitable cylindrical composite high pressure tank 158 similar to that described above is retained within the fuel tank housing 154 and interconnected by a suitable manifold 160. Similar to the embodiment of FIGS. 6 and 7, a suitable inlet valve 162 allows filling of the cylindrical tank 158, while a single outlet valve 164 provides gas flow from the tank 158 to the engine 146. Of course, the valves 162 and 164 are interconnected to the manifold 160.
It will be appreciated that in the case of a front wheel drive vehicle, a single fuel tank housing 154 houses all the cylindrical tanks 158 and does not need to be shaped to accommodate the drive shaft.
Referring now to FIG. 10, it can be seen that a fuel tank assembly of the type employed in the embodiment of FIGS. As shown, the clamshell design tank halves 172, 174 are configured to house a plurality of composite tanks 178 therein, which are then closed by suitable welds 176 extending around the circumference of the tank assembly. It has been. The particular composite tank 178 described above has a cylindrical center with a hemispherical end cap. Those skilled in the art will appreciate that because of the common tank wall thickness, the stress at the hemispherical end is typically one-half of the stress imposed on the cylindrical tank interposed therebetween, and manifolds 130,160 Will be understood to be interconnected to the composite tank 178 at the hemispherical ends. Therefore, when the tank is integrated at the hemispherical end, the pressing to the tank has a much smaller structural impact than that performed in the cylindrical main body.
As described above, the composite tank 178 is accommodated in the foamed nests 180 and 182 as illustrated. In the preferred embodiment, the foamed nest comprises a styrofoam, but may comprise any suitable foam or shock absorbing material. As described above, the foamed nests may be sprayed or pre-molded to be received in the respective tank halves 172, 174 while receiving the composite tank 178 in a tight overlap. Alternatively, the foam nests 180, 182 may comprise a plurality of spaced molded foam bands adapted to be received by the respective tank halves 172, 174 and composite tank 178.
For those skilled in the art, the use of high-pressure cylindrical composite tanks such as the tanks 122, 158, 178 described above allows the fuel tank housings 118, 154 and 172, 174 to be made of steel that is considerably thinner than the embodiment of FIGS. Will be easily understood. In fact, such a fuel tank housing can be formed from steel having a plate thickness of 8-11 gauge, and most preferably 11 gauge. Such steel with a thickness of 0.125 inches (0.318 cm) constitutes an integral part of the frame while containing and holding a pressurized cylindrical tank containing compressed natural gas, Just right to give structural integrity to the frame. As a result, weight reduction, material cost reduction, and product reliability and durability can be increased.
Therefore, it can be seen that the object of the invention has been achieved by the above-described configuration. At the same time, only the best mode and preferred embodiments of the invention have been shown and described based on patent law, but it will be understood that the invention is not limited thereto. Accordingly, reference should be made to the following claims in order to recognize the true scope of the present invention.

Claims

A tank housing having a plurality of cylindrical pressure tanks therein;
It includes a pair of switch Yaneru member which engages the end and is combined with each of the vehicles rhino Doreru extending from both ends of the tank housing, between the ends of the side rails are I union of the respective in interrupted, the tank housing and the switch Yaneru member, said vehicle compressed natural gas fuel tank assembly at break and have the location of the side rails, characterized in that forming a continuous portion of the side rail.

In compressed natural gas fuel tank assembly of claim 1, wherein, compressed natural gas, characterized in that includes the tank housing and the floor of the vehicle and solid Chakusuru means mutually engaged with the tank housing to said floor Fuel tank assembly.

2. The compressed natural gas fuel tank assembly according to claim 1, wherein the compressed natural gas fuel tank assembly is made of the cylindrical pressure tank fiber reinforced composite material.

4. The compressed natural gas fuel tank assembly according to claim 3 , wherein the cylindrical pressure tank includes a filament wound structure.

2. The compressed natural gas fuel tank assembly for a vehicle according to claim 1, further comprising means for fixing the cylindrical pressure tank in the tank housing.

6. The compressed natural gas fuel tank assembly for a vehicle according to claim 5 , wherein the fixing means includes a foam member interposed between the cylindrical pressure tank and the tank housing. Natural gas fuel tank assembly.

7. The compressed natural gas fuel tank assembly for a vehicle according to claim 6 , wherein the foaming member accommodates the cylindrical pressure tank so as to closely overlap each other.

The compressed natural gas fuel tank assembly for a vehicle according to claim 1, further comprising a manifold interconnecting the plurality of cylindrical pressure tanks.

9. The compressed natural gas fuel tank assembly for a vehicle according to claim 8 , further comprising an inlet valve and an outlet valve connected to the manifold.

2. The compressed natural gas fuel tank assembly for a vehicle according to claim 1, wherein the tank housing has a substantially rectangular cross section and is made of steel having a plate thickness of 8 to 11 gauge. Fuel tank assembly.

A tank housing that is located in a discontinuous portion of the side rail of the vehicle frame and holds a plurality of pressure tanks therein;
A channel member extending from both ends of the tank housing and engaged and fixed to each end of the side rail on both sides of the discontinuous portion;
Means for securing the tank housing to a floor of a vehicle, and a compressed natural gas fuel tank assembly for a vehicle.

12. The compressed natural gas fuel tank assembly for a vehicle according to claim 11 , wherein the pressure tanks are interconnected to a common manifold, and the manifold has a valve device for flowing gas from or to the pressure tank. Compressed natural gas fuel tank assembly.

12. The compressed natural gas fuel tank assembly for a vehicle according to claim 11 , wherein the pressure tank is cylindrical and formed of a fiber-reinforced composite material.

14. The compressed natural gas fuel tank assembly for a vehicle according to claim 13 , wherein the pressure tank is accommodated in the tank housing so as to be closely overlapped with the compressed natural gas fuel tank assembly.

12. A compressed natural gas fuel tank assembly according to claim 11 , wherein said means includes an elongated member that is welded to both said tank housing and floor across said tank housing. Assembly.

16. The compressed natural gas fuel tank assembly according to claim 15 , wherein the means further includes a pair of straps surrounding the tank housing and fixed to the floor at both ends thereof. Solid.

17. The compressed natural gas fuel tank assembly according to claim 16 , wherein the tank has a substantially rectangular cross section.

18. The compressed natural gas fuel tank assembly according to claim 17 , wherein the strap and the elongated member are orthogonal to each other.

19. The compressed natural gas fuel tank assembly according to claim 18 , wherein the tank is of a metal structure having a plate thickness of 8 to 11 gauge.