JP7435570B2

JP7435570B2 - 水素エンジン車の水素放出制御システム

Info

Publication number: JP7435570B2
Application number: JP2021161059A
Authority: JP
Inventors: 直昭伊東; 豊沢田; 利尚田中
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2021-09-30
Filing date: 2021-09-30
Publication date: 2024-02-21
Anticipated expiration: 2041-09-30
Also published as: US11835009B2; EP4159995B1; US20230102981A1; EP4159995A1; CN115875143A; JP2023050780A

Description

本発明は、水素エンジン車の水素放出制御システムであって、水素タンクの樹脂ライナの保護と走行性能の確保とに関する。

特許文献１には、水素を燃料とした水素エンジン車が記載されている。水素エンジン車では、水素タンクに貯留された水素が水素エンジンの燃焼室に供給され、水素エンジンが運転される。

特開２００３－０１３７６５号公報

水素エンジン車では、内壁に樹脂ライナが積層される等により形成された水素タンクから、アクセルペダル等のアクセルの操作量に応じて水素エンジンに水素を放出する。この場合、水素タンク内から放出された水素を発電の燃料に用いる燃料電池車と比べて、水素エンジン車では、アクセルの操作量に応じて水素タンクから放出される水素の放出流量が大きい。また、水素タンク内の残圧が高いほど、水素タンク内の時間的な温度勾配は大きくなるので、水素放出時の水素タンク内の温度は大きく低下する。

これにより、水素タンク内の現在の温度や内部の残圧によっては、アクセルの操作量が最大の状態が連続したり、その状態の頻度が高くなった場合に、水素タンク内の水素放出による温度低下により、水素タンクの樹脂ライナの許容下限温度にすぐに達する可能性がある。この場合には、樹脂ライナの保護を図るために水素放出が停止されるので、車両が走行停止する。このため、タンク内温度が上昇するまで車両の走行を継続できなくなる。

本発明の目的は、水素エンジン車の水素放出制御システムにおいて、車両の継続走行を可能としながら水素タンクの樹脂ライナの保護を図ることである。

本発明に係る水素エンジン車の水素放出制御システムは、内壁に樹脂ライナが積層された水素タンクから、アクセル操作量に応じて水素エンジンに水素を放出する水素エンジン車において、水素放出流量を制御するシステムであって、アクセルのオン操作時に、前記水素タンク内の残圧で定まる水素放出時の前記水素タンク内の時間的温度勾配と、前記水素タンク内の温度と、に基づいて、前記アクセル操作量が最大での所定時間経過後の前記水素タンク内の到達温度を推定し、前記到達温度が第１所定温度以下となる場合に、前記水素タンクからの水素放出流量の最大値を所定流量に制限する放出制限制御を行う。

本発明に係る水素エンジン車の水素放出制御システムによれば、水素タンク内の現在の温度が低かったり、内部の残圧が大きい場合に、アクセルの操作量が最大の状態が連続したり、その状態の頻度が高くなった場合でも、車両の継続走行を可能としながら、水素タンク内の温度が許容下限温度以下にすぐに達することを防止できる。これにより、水素タンクの樹脂ライナの保護を図れる。

また、本発明に係る水素エンジン車の水素放出制御システムにおいて、前記放出制限制御を行った後、前記水素タンク内の温度が前記放出制限制御の開始時の前記水素タンク内の温度より高い第２所定温度以上となった場合には、前記水素放出流量の制限を解除する構成としてもよい。

上記の構成によれば、水素放出の制限制御が行われた後、アクセルオフの状態が多くなったり、アクセルの操作量が小さいことの頻度が高くなる等により水素タンク内の温度が第２所定温度以上に上昇したときに、通常運転に復帰できるので、ユーザが走行性能について違和感を生じる時間を短くできる。

本発明に係る水素エンジン車の水素放出制御システムによれば、車両の継続走行を可能としながら水素タンクの樹脂ライナの保護を図れる。

本発明の実施形態の水素エンジン車の水素放出制御システムの概略構成図である。水素タンク内の圧力と温度との許容範囲の１例を示す図である。現在時間における水素タンク内の残圧Ｐ１と、アクセル操作量を最大としたときの水素タンク内の時間的温度勾配Ａとの関係を示す図である。タンク内温度と時間との関係において、アクセル操作量最大を維持したと仮定したときの、時間ｔ１から所定時間後のタンク内到達温度Ｔｘを推定する方法を示す図である。実施形態において、水素の放出制限制御方法を示すフローチャートである。車両の運転時及び水素充填時のタンク内温度変化の１例の概略を示す図である。

以下、本発明に係る水素エンジン車の水素放出制御システムの実施形態を説明する。図１は、実施形態の水素放出制御システム２０の概略構成を示している。水素放出制御システム２０は、水素エンジン１０を駆動源として走行する水素エンジン車に搭載される。水素エンジン車は、水素エンジン１０と、水素タンク１２と、運転者によって加減速を指示するために操作されるアクセルペダル等のアクセル１６と、アクセル１６の操作に応じて水素エンジン１０の駆動を制御する制御装置４０とを含む。水素エンジン車は、アクセル１６の操作量（以下、「アクセル操作量」という。）に応じて、水素タンク１２から水素配管１７とインジェクタ１８とを通じて水素エンジン１０の燃焼室に水素を放出する。

水素エンジン１０は、水素と空気との混合気を燃焼室内で、点火プラグでの点火等により燃焼させる。水素エンジン１０は、その燃焼エネルギーでピストンを往復運動させることにより、クランクシャフトを回転させる。このために、水素エンジン１０の燃焼室には、水素タンク１２から水素配管１７及びデリバリーパイプ（図示せず）を介して、燃焼室に接続されたインジェクタ１８から水素が噴射される。

水素タンク１２は水素を高圧状態で貯蔵する。水素タンク１２は、中空の容器であり、内壁に樹脂ライナ１３が積層される。樹脂ライナ１３は、ポリアミド樹脂等の水素ガスに対するガスバリア性を有する樹脂により形成される。水素タンク１２の外壁には補強層１４が設けられる。補強層１４は、水素タンクの強度を向上させるために設けられ、例えば炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）によって形成される。水素タンク１２の一端部には金属製の口金１５が設けられ、口金１５にはバルブ１９が設けられる。口金１５には、水素配管１７に接続された水素排出経路と、水素ステーションで水素を水素タンクに充填するために使用される水素充填経路とが設けられる。

水素タンク１２の口金１５には温度センサ２１及び圧力センサ２２が接続される。温度センサ２１は、水素タンク１２のタンク内温度を検出し、圧力センサ２２は、水素タンク１２内の残圧を検出する。温度センサ２１及び圧力センサ２２の検出信号は、制御装置４０に送信される。

アクセル１６は、運転席の前側に設けられるとともに、そのアクセル操作量は、アクセルセンサ２４によって検出される。アクセルセンサ２４の検出信号は、制御装置４０に送信される。アクセルセンサ２４は、アクセル操作量が所定量以上であることにより、アクセル１６が運転者に踏まれた、すなわちアクセル１６がオンであること、及びアクセル操作量が所定量未満であることにより、アクセル１６が踏まれていない、すなわちアクセル１６がオフであることも検出する。

水素放出制御システム２０は、インジェクタ１８と、温度センサ２１と、圧力センサ２２と、アクセルセンサ２４と、制御装置４０とを含んで構成される。水素放出制御システム２０は、水素エンジン車において、水素放出流量を制御する。

制御装置４０は、ＣＰＵ等の演算処理部と、メモリ等の記憶部とを有するマイクロコンピュータを含んで構成される。制御装置４０は、車両の運転時には、アクセル操作量に応じてインジェクタ１８から水素エンジン１０に噴出される水素放出流量を制御する。アクセル操作量が大きいと水素放出流量を大きくし、アクセル操作量が小さいと水素放出流量を小さくする。アクセル１６がオフの場合にはインジェクタ１８から水素エンジン１０への水素噴出を停止させる。

水素タンク１２のタンク内温度は、水素の放出によりタンク内圧力が減少することで低下する。逆に、水素ステーションでの水素充填により水素タンク１２に水素が充填されるとタンク内圧力が増大することで温度が上昇する。また、アクセル１６がオフの場合や、アクセル１６の操作量が小さい場合が多くなると、水素タンク１２の周囲の外気温度に応じて、タンク内温度は外気温度に近づくように徐々に上昇する。

図２は、タンク内温度とタンク内圧力の許容範囲の１例を示している。図２では許容範囲を斜格子部で示している。タンク内温度は例えば－８０℃～－５０℃の範囲で設定される許容下限温度である第１所定温度Ｔ１以上で、第３所定温度Ｔ３以下に保たれる必要がある。タンク内温度は低すぎると樹脂ライナ１３の必要な機械的特性を確保できない可能性がある。このため、制御装置４０が、タンク内温度を第１所定温度Ｔ１以上に維持するように制御する。具体的には、タンク内温度が第１所定温度Ｔ１以下に達すると、インジェクタ１８からの水素の放出を停止させる。制御装置４０は、タンク内温度が第１所定温度Ｔ１に達する直前、または第１所定温度Ｔ１に達したときに、タンク内温度が第１所定温度Ｔ１に接近、または第１所定温度Ｔ１に達したことを運転者に知らせるための警告表示または警告音の発生である報知を行う。

一方、車両の運転中にインジェクタ１８からの水素の放出が停止されると、車両が走行停止するので、タンク内温度が上昇するまで車両の継続走行ができなくなる。このような不都合を解消するために、実施形態ではアクセル１６のオン操作時に、制御装置４０が、アクセル操作量が最大での所定時間経過後の水素タンク１２内の到達温度を推定し、到達温度が第１所定温度Ｔ１以下となる場合に、水素タンク１２からの水素放出流量の最大値を所定流量に制限する放出制限制御を行う。これにより、水素タンク１２の樹脂ライナ１３の保護を図りながら、車両の継続走行が可能となる。

以下、水素放出制御システムによる放出制限制御を詳しく説明する。上記のようにタンク内温度は、水素の放出によって温度低下する。一方、水素の放出によってタンク内温度が低下する程度は、水素タンク１２内の残圧（タンク内残圧）によって変化する。具体的には、タンク内残圧が大きいほど水素タンク１２内の時間的温度勾配は大きくなる。

図３は、現在時間におけるタンク内残圧と、アクセル操作量を最大としたときの水素タンク１２内の時間的温度勾配Ａ、すなわち単位時間当たりの温度低下量との関係を示している。図３に示すように、アクセル操作量が最大時の時間的温度勾配Ａは、タンク内残圧に対して直線的な比例関係で大きくなる。より具体的には、水素タンク１２内からの水素の最大放出流量での単位時間当たりの温度低下量をＫ（定数）とし、現在のタンク内残圧をＰ１とし、水素タンク１２内が満タン時のタンク内の圧力をＰ（定数）としたときに、時間的温度勾配Ａは、
Ａ＝Ｋ×Ｐ１／Ｐ・・・（１）
で求められる。この時間的温度勾配Ａと、現在の時間ｔ１のタンク内温度Ｔａと、タンク内残圧Ｐ１とを用いれば、時間ｔ１からアクセル操作量を最大に維持すると仮定したときの、所定時間後の時間ｔ２でのタンク内到達温度Ｔｘを推定できる。

図４は、タンク内温度と時間との関係において、アクセル操作量最大を維持すると仮定したときの、時間ｔ１から所定時間後の時間ｔ２のタンク内到達温度Ｔｘを推定する方法を示している。図４では、横軸に時間、縦軸にタンク内温度を示している。現在の時間ｔ１のタンク内温度Ｔａからの温度低下の時間との関係は、実線Ｌ１で表される。

上記のように、アクセル操作量が最大時のタンク内温度の時間的温度勾配Ａは（１）式で求められるので、所定時間（ｔ２－ｔ１）後の時間ｔ２における温度低下ΔＴを、
ΔＴ＝Ａ×（ｔ２－ｔ１）＝Ｋ×Ｐ１／Ｐ×（ｔ２－ｔ１）・・・（２）
として求める。

このため、時間ｔ１のタンク内温度Ｔａと、タンク内残圧Ｐ１とが分かれば、時間ｔ２のタンク内到達温度Ｔｘを、
Ｔｘ＝Ｔａ－ΔＴ＝Ｔａ－Ｋ×Ｐ１／Ｐ×（ｔ２－ｔ１）・・・（３）
で推定できる。

実施形態では、この関係を用いて、アクセルのオン操作時に、制御装置４０が、タンク内残圧Ｐ１で定まる水素放出時のタンク内温度の時間的温度勾配Ａと、タンク内温度Ｔａと、に基づいて、アクセル操作量が最大での所定時間経過後のタンク内到達温度Ｔｘを推定する。そして、タンク内到達温度Ｔｘが、許容下限温度である第１所定温度Ｔ１以下であると推定された場合には、制御装置４０は、水素タンク１２からの水素放出流量の最大値を所定流量に制限する放出制限制御を行う。これにより、運転者がアクセルを操作して操作量が最大、または最大に近くなった場合でも、水素タンク１２からの水素放出流量は、放出制限制御を行わない通常時の最大流量より小さくなる。このため、水素タンク１２内の水素の放出による温度低下が急激になることを抑制できる。したがって、水素タンク１２内の現在の温度が低かったり、内部の残圧が大きい場合に、アクセル操作量が最大の状態が連続したり、その状態の頻度が高くなった場合でも、車両の継続走行を可能としながら、タンク内温度が許容下限の第１所定温度Ｔ１以下にすぐに達することを防止できる。したがって、車両の継続走行を可能としながら水素タンク１２の樹脂ライナ１３の保護を図れる。

一方、図４に一点鎖線Ｌ２で示すように、タンク内残圧Ｐ１が小さいことにより、タンク内残圧Ｐ１で定まる時間的温度勾配Ａが緩やかになり、かつ、時間ｔ２のタンク内到達温度Ｔｘ１が第１所定温度Ｔ１を上回ると推定された場合であって、現在、放出制限制御が実行されていない場合には、制御装置４０は、放出制限制御を開始しない。

なお、水素タンク１２から水素が放出されると、タンク内残圧は、実際には時間の経過に従って徐々に低下するので、タンク内到達温度Ｔｘを推定するまでの所定時間が長くなると、実際のタンク内温度の時間的温度勾配が、現在のタンク内残圧から求めた時間的温度勾配より小さくなる可能性はある。これについて、実施形態では、時間的温度勾配Ａが所定時間の間維持されると仮定して、所定時間後のタンク内到達温度Ｔｘを推定し、タンク内到達温度Ｔｘの推定温度が第１所定温度Ｔ１以下である場合に放出制限制御を行うので、実際のタンク内到達温度が第１所定温度Ｔ１以下になることを、十分な余裕を持って防止することが可能である。

さらに、実施形態では、放出制限制御を行った後、タンク内温度が放出制限制御の開始時のタンク内温度Ｔａより高い、第２所定温度Ｔ２以上となった場合には、制御装置４０は、水素放出流量の制限を解除する。例えば、放出制限制御の実行後、アクセルオフの状態が多くなったり、アクセル操作量が小さいことの頻度が多くなった場合には、水素タンク１２の周囲の外気温度に応じて、水素タンク１２のタンク内温度も徐々に上昇する場合がある。上記のようにタンク内温度が第２所定温度Ｔ２以上となることで水素放出流量の制限を解除した場合には、水素放出の制限制御が行われた後、水素タンク１２の温度が上昇したときに、通常運転に復帰できるので、ユーザが走行性能について違和感を生じる時間を短くできる。

図５は、実施形態において、水素の放出制限制御方法を示すフローチャートである。図５の各ステップの処理は、制御装置４０で実行される。ステップＳ１０において、水素エンジン１０の始動後、アクセルオンか否かが判定される。ステップＳ１０の判定が肯定判定（ＹＥＳ）であればステップＳ１２に移行する。ステップＳ１０の判定が否定判定（ＮＯ）のときは、ステップＳ１０の処理が繰り返される。

ステップＳ１２では、温度センサ２１によりタンク内温度が測定され、圧力センサ２２によりタンク内残圧が測定される。ステップＳ１４では、水素放出流量の制限後であり、現在のタンク内温度Ｔａが、放出制限制御の解除の判定に用いられる第２所定温度Ｔ２以上か否かが判定される。ステップＳ１４の判定が肯定判定（ＹＥＳ）の場合は、ステップＳ１８に移行し、放出制限制御を解除し、通常運転に復帰する。これにより、水素放出の制限がされる時間を短くできるので、ユーザが走行性能について違和感を生じる時間を短くできる。ステップＳ１８の処理の後は、ステップＳ１６に移行する。

ステップＳ１４の判定が否定判定（ＮＯ）の場合は、ステップＳ１６で水素放出流量制限を実行するか否かの判定処理として、アクセル操作量を最大で維持した場合の所定時間後のタンク内温度の推定温度Ｔｘ（＝Ｔａ－ΔＴ）が、第１所定温度Ｔ１以下か否かが判定される。ステップＳ１６の判定が肯定判定（ＹＥＳ）の場合には、ステップＳ２０に移行し、水素タンク１２からの水素放出流量の制限制御を実行する。これにより、タンク内温度が第１所定温度Ｔ１以下にすぐに達することを防止できるので、車両の継続走行の確保と、樹脂ライナ１３の保護とを図れる。ステップＳ２０の処理の後は、ステップＳ２２に移行し、水素エンジン１０が停止されたか否かが判定される。ステップＳ２２の判定が肯定判定（ＹＥＳ）の場合は放出制限制御の実行及び判定の処理を停止する。

一方、ステップＳ２２の判定が否定判定（ＮＯ）の場合には、ステップＳ１２に戻り、ステップＳ２２で肯定判定（ＹＥＳ）となるまで、ステップＳ１２からステップＳ２２の処理が繰り返される。また、ステップＳ１６の判定が否定判定（ＮＯ）の場合も、ステップＳ１２に戻り、処理が繰り返される。

図６は、車両の運転時及び水素充填時のタンク内温度変化の１例の概略を示している。図６では、車両状態を、時間とタンク内温度との関係で示している。車両状態は、時間ｔ０の点Ａ０から点Ａ１，Ａ２・・・Ａ９の順に移動する。点Ａ０で１回目の水素充填を行っており、タンク内温度は徐々に上昇する。点Ａ１から車両が走行を開始し、水素タンク１２からの水素の放出にしたがって、タンク内温度は徐々に低下する。点Ａ１から点Ａ２において、実際には、車両は加減速や、停止をするので、タンク内温度は上下に変動するが、全体としてはアクセル操作量が大きい状態が多く発生しており、点Ａ１から点Ａ２に向かって概略直線的にタンク内温度が徐々に低下する。点Ａ２より後の車両の動作においても、２つの点間（例えば点Ａ３と点Ａ４の間、点Ａ４と点Ａ５の間等）でのタンク内温度の変化の傾向を概略的に直線で示している。

点Ａ２では２回目の水素充填を行っており、タンク内温度は徐々に上昇し、点Ａ３に達する。点Ａ３から車両が走行を再開するが、このとき、アクセル操作量が最大での所定時間経過後のタンク内温度Ｔｘが第１所定温度Ｔ１以下となると判定される。具体的には、図６に破線αで示すように、アクセル操作量が最大でタンク内温度が低下すると仮定したときに、点Ａ３から所定時間後に、タンク内温度Ｔｘが第１所定温度Ｔ１以下の点Ｂに達すると推定される。このため、点Ａ３から、水素タンク１２からの水素放出流量の最大値が所定流量に制限される放出制限制御が実行される。これにより、点Ａ３から点Ａ４に向かって、タンク内温度の温度低下が緩やかになる。一方、点Ａ４の後では、車両でアクセルオフの頻度が多くなる等により点Ａ４からタンク内温度が徐々に上昇する。そして、タンク内温度が第２所定温度Ｔ２となる点Ａ５に達することにより、放出制限制御が解除される。したがって、点Ａ６から再びタンク内温度が低下する場合でも、水素タンク１２からの水素放出量の制限が解除される。これにより、アクセル操作量が高い状態が多くなることにより、点Ａ６から点Ａ７でタンク内温度が急激に低下する。

点Ａ７から点Ａ８では３回目の水素充填が行われることでタンク内温度が上昇し、点Ａ８から点Ａ９ではアクセル操作量が高い状態が多くなることでタンク内温度が低下し、点Ａ９では、放出制限制御が実行されることでタンク内温度の低下が緩やかになる。

図６の結果から分かるように、実施形態の放出制限制御を実行する場合には、複数の水素充填の間でタンク内温度が第１所定温度Ｔ１以下に達しにくくなる。これにより、車両の継続走行を可能としながら水素タンク１２の樹脂ライナの保護を図れることが分かる。

上記では、所定時間後のタンク内温度を推定するために、（１）式、（２）式を用いて説明したように、タンク内時間的温度勾配Ａに所定時間（ｔ２－ｔ１）を積算して、アクセル操作量が最大でのタンク内温度の温度低下ΔＴを求めている。一方、実施形態はこれに限定せず、タンク内時間的温度勾配Ａに基づく最大放出流量での所定時間後の温度低下量を予め求めておき、現在のタンク内温度及びタンク内残圧と、上記の温度低下量とを用いて、所定時間後のタンク内温度を推定してもよい。

１０水素エンジン、１２水素タンク、１３樹脂ライナ、１４補強層、１５口金、１６アクセル、１７水素配管、１８インジェクタ、１９バルブ、２０水素放出制御システム、２１温度センサ、２２圧力センサ、２４アクセルセンサ、４０制御装置。

Claims

内壁に樹脂ライナが積層された水素タンクから、アクセル操作量に応じて水素エンジンに水素を放出する水素エンジン車において、水素放出流量を制御するシステムであって、
アクセルのオン操作時に、前記水素タンク内の残圧で定まる水素放出時の前記水素タンク内の時間的温度勾配と、前記水素タンク内の温度と、に基づいて、前記アクセル操作量が最大での所定時間経過後の前記水素タンク内の到達温度を推定し、前記到達温度が第１所定温度以下となる場合に、前記水素タンクからの水素放出流量の最大値を所定流量に制限する放出制限制御を行う、
水素エンジン車の水素放出制御システム。
請求項１に記載の水素エンジン車の水素放出制御システムにおいて、
前記放出制限制御を行った後、前記水素タンク内の温度が前記放出制限制御の開始時の前記水素タンク内の温度より高い第２所定温度以上となった場合には、前記水素放出流量の制限を解除する、
水素エンジン車の水素放出制御システム。