JP5232622B2 - 液化天然ガス車両の燃料系システム - Google Patents

Description

この発明は、液化天然ガス車両の燃料系システムに関する。

液化天然ガス（ＬＮＧ）を燃料とするエンジンを搭載する車両（液化天然ガス車両）は、低公害型かつ圧縮天然ガス（ＣＮＧ）を燃料とするエンジンを搭載する車両と較べると燃料とするガスを液体の状態で貯蔵するため、同容量の燃料容器の場合、遙かに長距離走行が可能という利点を持つ車両として注目される（特許文献１）。

このような、液化天然ガス車両の燃料系システムは、ＬＮＧを貯蔵する燃料容器と、この燃料容器から送り出されるＬＮＧを気化器を通して気化させてエンジンへ減圧弁を介して供給する燃料供給ラインと、を備えて構成される。
特開２００６−２６４５６８号

燃料供給ラインにおいて、減圧弁は、気化器で気化した燃料ガスを所定圧力（エンジンへの燃料供給圧）に減圧してエンジンへ供給するようになっている。このため、減圧弁上流の燃料ガス（気化じたＬＮＧ）の圧力は、減圧弁がエンジンへ所定圧力の気化した燃料ガスとして供給するのに必要な圧力に維持する必要がある。燃料容器へＬＮＧをフル状態に充填（補給）する際は、補給完了直後のエンジン始動時においても、減圧弁上流に必要な圧力が得られるよう、燃料容器への充填燃料（ＬＮＧ）の圧力を調整することが想定される。ＬＮＧは、極低温の液体であるが、必要な圧力を確保するため、その温度を上げると、ＬＮＧ密度が下がり（図、参照）、ボイルオフガス（ＢＯＧ）が早期に発生しやすくなり、燃料容器内の液化天然ガスの保存期間が短くなってしまう（図５の「従来の使用可能範囲」、参照）という不具合が考えられる。

この発明は、このような不具合を改善するための有効な手段の提供を目的とする。

第１の発明は、液化天然ガスを貯蔵する燃料容器と、この燃料容器から送り出される液化天然ガスを気化器を通して気化させてエンジンへ減圧弁を介して供給する燃料供給ラインと、を備える液化天然ガス車両のエンジン燃料系システムにおいて、燃料容器として縦長の容器を用いて車体にこれを縦置きに搭載すると共にその縦置き容器の最下部に容器内の液化天然ガスを気化器へ流下させる供給口を配置したことを特徴とする。

第２の発明は、第１の発明において、前記燃料供給ラインは、燃料容器の供給口とこれよりも低位の気化器との間を継ぐ配管部分にこれを開閉する電磁弁を介装したことを特徴とする。

第３の発明は、第２の発明において、前記配管部分は、前記電磁弁から流下する液化天然ガスを貯留して前記気化器へ流下させる第１バッファタンクを備えたことを特徴とする。

第４の発明は、第２の発明または第３の発明において、前記燃料供給ラインは、前記気化器から供給される気化した液化燃料ガスを貯留して前記減圧弁へ供給する第２バッファタンクを備えたことを特徴とする。

第５の発明は、第４の発明において、前記燃料供給ラインは、前記気化器から減圧弁へ供給される気化した液化天然ガスの圧力を検出する手段と、その検出信号に基づいて減圧弁への気化した液化天然ガスの圧力を減圧弁がエンジンへ所定圧力の気化した液化天然ガスとして供給するのに必要な圧力に維持すべく前記電磁弁の開閉を制御する手段と、を備えたことを特徴とする。

第６の発明は、第５の発明において、前記気化器から減圧弁へ供給される気化した液化天然ガスの圧力を検出する手段は、前記第２バッファタンク内の圧力を検出する手段であることを特徴とする。

第１の発明においては、縦長の燃料容器は、車体において、縦置きに搭載されるので、横置きの場合に較べると、燃料容器内の液化天然ガス量が同一であれば、燃料容器内の最下部と液化天然ガスの液面との距離（深度）が稼げるため、その分、燃料容器の最下部に開口する供給口の送り出し圧力を高めることができる。従って、その分、燃料容器へ充填する液化天然ガスの温度が相対的に下げられ（液化天然ガスの密度が上げられ）、燃料容器内に液化天然ガスを長期間保存することができる。

第２の発明においては、電磁弁は縦置きの燃料容器の最下部と気化器との高低差を継ぐ配管部分を開閉するので、燃料容器の供給口から送り出されて気化器へ流下する液化天然ガスの流量を調整することができる。つまり、電磁弁の開閉により、減圧弁上流の圧力（気化器で気化した液化天然ガスの圧力）を所定の圧力レベル（減圧弁の正常機能に必要な圧力範囲）に制御することができる。

第３の発明においては、第１バッファタンクにより、電磁弁から流下する液化天然ガスを気化器へ安定的に供給することができる。

第４の発明においては、第２バッファタンクにより、気化器で気化した液化天然ガスを減圧弁へ安定的に供給することができる。

第５の発明においては、気化器から減圧弁へ供給される気化した液化天然ガスの圧力に基づいて電磁弁の開閉を制御することにより、減圧弁上流の圧力を所定の圧力レベル（減圧弁の正常機能に必要な圧力範囲）に制御する処理が適正に行える。

第６の発明においては、安定した検出値（気化器から減圧弁へ供給される気化した液化天然ガスの圧力）が得られ、減圧弁上流の圧力を所定の圧力レベル（減圧弁の正常機能に必要な圧力範囲）に制御する処理が精度よく行える。

図１において、液化天然ガス（ＬＮＧ）を燃料とするエンジンを搭載する車両（液化天然ガス車両）のエンジン燃料系システムは、ＬＮＧを貯蔵する燃料容器１０（タンク）と、この燃料容器１０から送り出される液化天然ガスを気化させてエンジンへ供給する燃料供給ライン１１と、燃料容器１０へＬＮＧを補給する燃料補給ライン（図示せず）と、が備えられる。

燃料容器１０は、外殻１０ａと内殻１０ｂとの二重構造に構成され、外殻１０ａと内殻１０ｂとの間に断熱用の真空層１０ｃが設定される。この場合、燃料容器１０は、縦長の容器に形成され、車体において、縦置き状態に搭載される。縦置き容器１０の最下部にＬＮＧの供給口１０ｄが形成され、その供給口１０ｄに燃料供給ライン１１が接続される。

燃料供給ライン１１は、気化器１２，減圧弁１３、が介装される。気化器１２は、エンジン冷却水（温水）を熱源に極低温のＬＮＧを気化させるものであり、気化したＬＮＧは、減圧弁１３へ供給される。減圧弁１３は、気化器１２で気化したＬＮＧを所定圧力に減圧してエンジンへ供給する。

燃料供給ライン１１において、燃料容器１０の供給口１０ｄとこれよりも低位の気化器１２の入口との間を継ぐ配管１１ａにこれを開閉する電磁弁１４と、電磁弁１４から流下するＬＮＧを貯留して気化器１２へ流下させる第１バッファタンク１５と、が介装される。エンジンにおいては、吸気系のスロットルバルブの上流または下流に燃料ガス（気化したＬＮＧ）を供給するノズルが配置され、エンジンキーに連動して開閉する低圧遮断弁と、この遮断弁から供給される所定圧力の燃料ガスの供給量をエンジン運転状態に応じて制御する装置が介装される。

電磁弁１４は、エンジン運転中において、減圧弁１３上流の圧力Ｐａを所定レベル（減圧弁１３が気化したＬＮＧを所定圧力に減圧してエンジンへ供給するのに必要な所定圧力Pa1）以上に維持すべく制御される。そのため、減圧弁１３上流の圧力を検出する手段（圧力センサ）と、この検出信号に基づいて電磁弁１４の開閉を制御する手段（電子制御装置）と、が備えられる。

縦長の燃料容器１０は、車体において、縦置きに搭載されるので、横置きの場合に較べると、燃料容器１０内のＬＮＧ量ｔｔが同一であれば、燃料容器１０内の最下部とＬＮＧの液面との距離（深度）が稼げるため、その分、供給口１０ｄのＬＮＧの送り出し圧力が高められ、エンジン運転中において、電磁弁１４の開閉により、減圧弁１３上流の圧力Ｐａが所定レベル以上に維持することができる。

エンジン運転中は、気化器１２下流の気化したＬＮＧが減圧弁１３からエンジンへ供給される。電磁弁１４は、減圧弁１３上流の圧力Ｐａが所定圧力Pa1を上回るときは、閉弁される。減圧弁１３上流の圧力Ｐａが所定圧力Pa1以下になると、電磁弁１４が開弁され、燃料容器１０内のＬＮＧが供給口から第１バッファタンク１５へ送り出され、第１バッファタンク１５から気化器１２へ流下して気化器１２で気化されるのである。

エンジン運転中においては、燃料容器１０内の液面がエンジンへのＬＮＧの供給に伴って低下する。そのため、燃料容器１０内のＬＮＧの送り出し圧力は、液面（ＬＮＧ量ｔｔ）の低下に伴って低下するが、その一方で燃料容器１０内にボイスオフガス（ＢＯＧ）が発生するため、液面の低下に伴うＬＮＧの送り出し圧力の低下分は、ＢＯＧの発生に伴う圧力上昇によって補償されるようになる。

エンジン停止中においては、燃料容器１０内の液面の低下がなく、ＢＯＧが発生するため、燃料容器１０内の圧力は経時的に上昇する。このため、ＢＯＧの発生に伴う過剰な圧力上昇を防止するため、燃料容器などに安全弁が配置される。

ＬＮＧの補給については、燃料補給ラインから燃料容器１０内のＢＯＧを回収しつつ、極低温のＬＮＧを充填することになる。その場合、縦長の燃料容器１０は、縦置き状態であり、前記の如く、燃料容器１０内の最下部とＬＮＧの液面との距離（深度）が稼げる分、燃料容器１０内のＬＮＧの送り出し圧力が高められるので、補給完了直後のエンジン始動時においても、減圧弁１３上流に所定レベルの圧力Ｐａが得られるよう、燃料容器１０内の圧力Pt1（図１、参照）を高めるべく、燃料容器１０への充填燃料（ＬＮＧ）または燃料容器１０内のＬＮＧに熱を加える必要がなく、言い換えれば、極低温のＬＮＧをそのまま縦置きの燃料容器１０へフル状態に充填することが可能となる。

そのため、極低温のＬＮＧは、密度も高く、燃料容器１０内のＬＮＧの送り出し圧力が高められ、補給完了後は、燃料容器１０内のＬＮＧが極低温の状態からエンジンの運転が開始されるため、ＢＯＧの発生も遅くなり、燃料容器１０内のＬＮＧを長期間保存することができる（図４，図５、参照）。

図５において、ｓは燃料容器１０などに配置される安全弁の開弁設定圧であり、「従来の使用可能範囲」とあるのは、補給完了直後のエンジン始動時においても、燃料容器１０内のＬＮＧの送り出し圧力を確保するため、極低温のＬＮＧに熱を加えて燃料容器内へ充填する場合を想定したものである。

図２は、補給完了後からエンジンが運転され、燃料容器１０内の液面（ＬＮＧ量ｔｔ）が低下した状況を表すものであり、燃料容器１０内のＬＮＧは、外気の熱などによって経時的に温度が上がるため、ＢＯＧの発生に伴って燃料容器１０内の圧力（気相の圧力）は、初期の圧力Pt1（図１、参照）からPt2に上昇する。

図３は、電磁弁１４の制御を説明するものであり、減圧弁１３上流の圧力Ｐａを検出する手段のほか、エンジンが運転中か否かの判定を行うため、エンジン回転数を検出する手段が備えられる。

Ｓ１においては、エンジンキーの信号からエンジンの始動要求を判定すると、Ｓ２において、電磁弁１４を開弁する。Ｓ３においては、減圧弁１３上流の圧力Ｐａが所定値Pa1を上回るか否かを判定する。Ｓ３の判定がｙｅｓのときは、Ｓ４において、エンジン回転数＞０か否かを判定する。Ｓ４の判定がｙｅｓ（Ｐａ＞Ｐ１かつエンジン回転数＞０）のときは、電磁弁１４を閉弁する。Ｓ４の判定がｎｏ（Ｐａ＞Ｐ１かつエンジン回転数＞０）のときは、電磁弁１４を閉弁する。

Ｓ３の判定がｎｏのときは、Ｓ５において、エンジン回転数＞０か否かを判定する。Ｓ５の判定がｙｅｓ（Ｐａ≦Ｐ１かつエンジン回転数＞０）のときは、Ｓ２へ戻り、電磁弁１４を開弁状態に保持する。Ｓ５の判定がｎｏ（Ｐａ≦Ｐ１かつエンジン回転数＝０）
のときは、電磁弁１４を閉弁する。

このような構成により、縦長の燃料容器１０は、車体において、縦置きに搭載されるので、横置きの場合に較べると、燃料容器１０内の液化天然ガス量が同一であれば、燃料容器１０内の最下部とＬＮＧの液面との距離（深度）が稼げるため、その分、燃料容器１０の最下部の送り出し圧力を高めることができる。従って、その分、燃料容器１０へ充填するＬＮＧの温度が相対的に下げられる（ＬＮＧの密度が上げられる）から、補給完了後は、燃料容器１０内のＬＮＧが極低温の状態からエンジンの運転が開始されるため、ＢＯＧの発生も遅くなり、燃料容器１０内のＬＮＧを長期間保存することができる。燃料容器１０内にＬＮＧを長期間保存することができる。

電磁弁１４は、縦置きの燃料容器１０の最下部と気化器１２との高低差を継ぐ配管１０ａを開閉するので、燃料容器１０の供給口１０ｄから送り出されて気化器１２へ流下するＬＮＧの流量を調整する。つまり、電磁弁１４の開閉により、減圧弁１３上流の圧力Ｐａ（気化器で気化したＬＮＧの圧力）を所定レベル（減圧弁の正常機能に必要な圧力範囲）に制御することができる。また、第１バッファタンク１５により、ＬＮＧを気化器１２へ安定的に供給することができる。

気化器１２は、その入口と出口との間に高低差を持つ配置（縦置き）状態に図示されるが、もちろん、横置き状態に設置してもよい。

図６は、別の実施形態を説明するものであり、気化器１２下流に気化したＬＮＧを貯留して減圧弁１３へ供給する第２バッファタンク１６が設定される。これにより、減圧弁１３上流の圧力Ｐａの変化が小さくなり、電磁弁１４を安定的に制御することができる。減圧弁１３下流の圧力Ｐａを検出する手段は、第２バッファタンク１６内の圧力を検出するように配置すると良い。図１と同一部品は、同一符合を付けて重複説明は省略する。なお、燃料容器１０内の圧力（気相の圧力）は、Ｐｔと表示する。

この発明の実施形態に係る燃料系システムの要部構成図である。 同じく経時的な変化の説明図である。 同じく電磁弁の制御を説明する流れ図である。 同じくＬＮＧの特性図である。 同じくＬＮＧの特性図である。 別の実施形態に係る燃料系システムの要部構成図である。

符号の説明

１０ 燃料容器
１１ 燃料供給ライン
１１ａ 燃料供給ラインの配管
１２ 気化器
１３ 減圧弁
１４ 電磁弁
１５ 第１バッファタンク
１６ 第２バッファタンク

Claims (6)

1. 液化天然ガスを貯蔵する燃料容器と、この燃料容器から送り出される液化天然ガスを気化器を通して気化させてエンジンへ減圧弁を介して供給する燃料供給ラインと、を備える液化天然ガス車両のエンジン燃料系システムにおいて、燃料容器として縦長の容器を用いて車体にこれを縦置きに搭載すると共にその縦置き容器の最下部に容器内の液化天然ガスを気化器へ流下させる供給口を配置したことを特徴とする液化天然ガス車両のエンジン燃料系システム。
2. 前記燃料供給ラインは、燃料容器の供給口とこれよりも低位の気化器との間を継ぐ配管部分にこれを開閉する電磁弁を介装したことを特徴とする請求項１に係る液化天然ガス車両のエンジン燃料系システム。
3. 前記配管部分は、前記電磁弁から流下する液化天然ガスを貯留して前記気化器へ流下させる第１バッファタンクを備えたことを特徴とする請求項２に係る液化天然ガス車両のエンジン燃料系システム。
4. 前記燃料供給ラインは、前記気化器から供給される気化した液化燃料ガスを貯留して前記減圧弁へ供給する第２バッファタンクを備えたことを特徴とする請求項２または請求項３に係る液化天然ガス車両のエンジン燃料系システム。
5. 前記燃料供給ラインは、前記気化器から減圧弁へ供給される気化した液化天然ガスの圧力を検出する手段と、その検出信号に基づいて減圧弁への気化した液化天然ガスの圧力を減圧弁がエンジンへ所定圧力の気化した液化天然ガスとして供給するのに必要な圧力に維持すべく前記電磁弁の開閉を制御する手段と、を備えたことを特徴とする請求項４に係る液化天然ガス車両のエンジン燃料系システム。
6. 前記気化器から減圧弁へ供給される気化した液化天然ガスの圧力を検出する手段は、前記第２バッファタンク内の圧力を検出する手段であることを特徴とする請求項５に係る液化天然ガス車両のエンジン燃料系システム。

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