JPH0286949A - 噴射式ガスエンジンのガス供給装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、液体水素、液化天然ガス、液化石油ガス等の
低温液化ガスを燃料とするガスエンジンの燃料供給に関
する。更に詳しくはガスエンジンの圧縮行程前半にガス
噴射弁から燃焼室に可燃ガスを噴射する噴射式ガスエン
ジンのガス供給装置に関するものである。

［従来の技術］ この種のガスエンジン、例えば水素エンジンは水素燃焼
に際して一酸化炭素や炭化水素のような人体に有害なガ
スを排出しないため、排気がクリーンで高出力が得られ
る特長を有する。一方、ガスエンジンは燃料タンクを小
容量にするためにタンクには燃料を低温液化ガス、すな
わち液体水素の形態で貯えている。

従来の燃料タンクは液体水素の温度が零下２５３℃とい
う極低温であるため、貯蔵する液体水素を二重構造の断
熱層で被包して外気と遮断しており、またタンク圧がゲ
ージ圧で１気圧を越えると作動する安全弁を備えている
。更に従来の燃料タンクの内部には液体水素を取出して
ガスエンジンに供給するためのポンプユニットが設けら
れる。

しかし、タンク内部にポンプユニットを設けた従来の燃
料タンクは、このポンプユニットを駆動するための駆動
ユニットをタンク外部に設置するため、駆動ユニットか
らポンプユニットにいたる部分の伝熱面積が大きくなり
、外気からの熱をタンク内に放散し易い。この熱放散に
よりタンク内の液体水素の蒸発でタンク圧が上昇すると
、気化した水素を安全弁から放出しなければならなかっ
た。

また、従来のガス供給装置はポンプユニットを駆動する
電動モータの消費エネルギーが小さくなく、容量の大き
いバッテリを必要とする問題点があった。

本出願人らは、上記燃料タンクの断熱効果を高めるため
に、ポンプユニット及び燃料パイプ等を断熱層で取囲ん
だ［低温液化ガスタンクの燃料取出装置］を特許出願し
く特開昭６２−１０１９９９）、更に電動モータの消費
エネルギーを減少するために、電動モータをガス圧モー
タで代替した「低温液化ガスエンジン用ガス供給装置」
を特許出願したく特願昭６２−２９５６１６）。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、前者の［低温液化ガスタンクの燃料取出装置］
によっても、燃料タンクの断熱は完全ではなく、すなわ
ち外部からのタンク内への熱放散を阻止してタンク内に
おける液体水素の蒸発を全く抑えることは困難で、なお
安全弁から放出する水素はガスエンジンの吸気系に供給
するようにしている。

また後者の「低温液化ガスエンジン用ガス供給装置」で
は、バッテリの負荷を軽減され、ガス圧モータを駆動し
た水素を更にガスエンジンの吸気系に供給する等の構造
により、装置全体の効率を向上させ、著しい進歩を遂げ
ているが、燃料タンクの断熱については、なお改善すべ
き余地が残されていた。

これは、ガス噴射弁から燃焼室に圧縮行程後半に可燃ガ
スを８０気圧程度の高圧で噴射する方式のエンジンにお
いては、燃料を高圧にするためのポンプを必要とするた
めである。一方、圧縮行程前半に可燃ガスを５〜ｌＯ気
圧程度の低圧で噴射する本発明に係わる噴射式ガスエン
ジンには、前記高圧ガス噴射式ガスエンジンとは違った
観点から液化ガスの送出及び制御を行うので、燃料タン
クの断熱に関してより多くの改善すべき余地が残されて
いた。

本発明の第一の目的は、所望の可燃ガスを５〜１０気圧
程気圧比較的低圧で安定してエンジンに供給することが
でき、８０気圧程度の高圧で噴射する噴射式ガスエンジ
ンと同程度の実用性を生み出すことができる噴射式ガス
エンジンのガス供給装置を提供することにある。

また、本発明の第二の目的は、構造が簡単で断熱性が高
く、ガスエンジンの燃料タンクから取出す燃料のロスが
全くなく、燃料の取出しに関して格別のエネルギーを必
要とせず、かつその信頼性が極めて高い低温液化ガスタ
ンクのガス取出装置を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するために、本発明の構成を実施例に対
応する図面に基づいて説明する。

本発明の噴射式ガスエンジン１９のガス供給装置は、断
熱層３で被包され低温液化ガス２を貯える耐圧構造の燃
料タンク１と、タンク内の圧力を検出するタンク圧セン
サ６と、タンク内に設けられ液化ガスの気化を促す気化
促進手段７と、断熱層３を貫通してタンク１の上部に設
けられた安全弁４と、タンク１の外部から断熱層３を貫
通してタンク１の内底部に開口し液化ガスのタンク内蒸
発による内圧上昇で液化ガス２をタンク外に送出するパ
イプ手段８と、このパイプ手段８から送出された液化ガ
スを可燃ガスに気化する熱交換器１１と、この熱交換器
１１の熱交換量を調整する熱交換量調整手段１３と、熱
交換器１１で気化された可燃ガスを貯えかつこの可燃ガ
スをガス噴射弁２１に供給するアキュムレータ１６と、
アキュムレータ内の圧力を検出するアキュムレータ圧セ
ンサ１７と、ガス噴射弁２１から噴射される可燃ガスの
温度を検出する温度センサ２８と、タンク圧センサ６と
アキュムレータ圧センサ１７と温度センサ２８の各検出
信号に応じて気化促進手段７及び熱交換量調整手段１３
を制御するコントローラ３６とを備えたものである。

［作　用］ コントローラ３６はタンク圧センサ６、アキュムレータ
圧センサ１７及び温度センサ２８によりエンジン１９に
供給されるガス圧が低すぎると判断するときには、タン
ク１の断熱性を低下させるポンプユニット等を使用する
ことなく、気化促進手段７によりタンク内の低温液化ガ
ス２の気化を促進させて、タンク圧及びアキュムレータ
１６のガス圧を上昇させる。またエンジン１９に供給さ
れるガス温度が低すぎると判断するときには、熱交換量
調整手段１３により熱交換量を増大させてガス温度を上
昇させる。

また、エンジン１９に供給されるガス圧及びガス温度が
高すぎるときには、それぞれ気化促進手段７及び熱交換
量調整手段１３によりタンク内の低温液化ガス２の気化
を停止させてアキュムレータ１６のガス圧を低下させ、
かつ熱交換量を減少させてアキュムレータ１６のガス温
度を低下させる。ガス温度はθ〜−５０℃の低温に調節
され、これにより過早点火が防止される。

これにより噴射式ガスエンジンは、点火時期の制御が容
易で高出力の得られる従来の噴射式ガスエンジンよりガ
ス供給の点では優れるため、従来の噴射式ガスエンジン
に見合った実用性を生じる。

［実施例］ 次に本発明の実施例を図面に基づいて詳しく説明する。

ここでは低温液化ガスエンジンとして車両用水素エンジ
ンを代表して説明する。

図示するように、本実施例のガス供給装置の燃１〇　− 料タンク１は零下２５３℃の液体水素２を貯えるためス
テンレス製の二重構造の外板の間を真空状態にした断熱
層３により被包される。燃料タンク１は、この例では最
大耐圧９，６気圧の耐圧構造をなし、その上部には断熱
層３を貫通してリリーフ圧６〜８気圧の安全弁４が設け
られる。安全弁４には導入パイプ５の一端が接続され、
その他端は水素エンジン１９の吸気孔３０に挿着される
。

またタンク１の内部にはタンク内の圧力を検出するタン
ク圧センサ６及びタンク内の液体水素２の気化を促進す
る放熱器７が設けられる。放熱器７は窒素、アルゴン、
ヘリウム等の不活性ガスが封入された細い循環パイプ７
ａの一部にコイル部７ｂ及び７Ｃが形成され、タンク１
から離れたパイプ７ａの途中に不活性ガスを循環させる
ポンプ７ｄが設けられる。コイル部７ｂは不活性ガスの
保有する熱をタンク１内に放散し、コイル部７Ｃはタン
ク１で冷却された不活性ガスを常温に戻す。

更に燃料タンク１にはタンク外部から断熱層３を貫通し
て送出パイプ８が布設され、パイプ８はタンク内底部に
開口する。９は液体水素２の供給口である。送出パイプ
８にはこのパイプから送出された液体水素を水素に気化
する熱交換器１１が接続される。この例では熱交換器１
１には水素エンジン１９の冷却水が冷却水パイプ１２を
介して図示しないポンプにより導入される。この冷却水
パイプ１２の途中には流量調整用の電磁弁１３が設けら
れる。電磁弁１３の開度を変えることにより気化した水
素の流量及び温度が調節される。この水素の温度は噴射
時の過早点火を防止するため、後述するガス噴射弁２１
から噴射したときの温度がＯ〜−５０℃の低い温度にな
るように調節される。

熱交換器１１により気化した水素は接続パイプ１４を通
って最大耐圧９．６気圧の耐圧構造のアキュムレータ１
６に導かれる。アキュムレータ１６はその内部圧力を検
出するアキュムレータ圧センサ１７を備える。アキュム
レータ１６は接続パイプ１８を介して水素エンジン１９
の上部に取付けられたガス噴射弁２１に接続される。こ
の例では噴射弁２１は電磁式であって、電磁コイル２１
ａに電流が流れると、リターンスプリング２１ｂに抗し
て弁棒２１ｃが押し下げられ水素が噴射されるようにな
っている。この弁棒２１ｃの開弁時期及び開弁時間から
噴射される水素の噴射時期及び噴射量が決められる。

この噴射時期は本発明の水素エンジン１９ではピストン
３２が下死点を過ぎた直後、すなわち吸気弁２９が閉止
した直後の圧縮行程前半である。

この圧縮行程中に噴射することにより本発明の水素エン
ジン１９は従来の８０気圧で噴射するガスエンジンより
低い６〜８気圧で十分に空気を混合することができる。

ガス噴射弁２１のガス流入口には噴射直前の水素の温度
を検出する温度センサ２８が設けられ、燃焼室の頂部に
はスパークプラグ３１が設けられる。

３６は本実施例のガス供給装置のコントローラである。

コントローラ３６の入力端にはガス圧制御用のタンク圧
センサ６とアキュムレータ圧センサ１７と温度センサ２
８とともに、燃焼制御用のエンジン負荷センサ３３及び
回転センサ３４が接続される。負荷センサ３３は図外の
アクセルペダルの踏込み量からエンジン１９の負荷を検
出する。

また回転センサ３４は図外のクランク軸の回転速度から
エンジン１９の回転を検出する。

コントローラ３６の出力側には前述した放熱器７のポン
プ７ｄと、熱交換器１１の電磁弁１３と、ガス噴射弁２
１の電磁コイル２１ａと、スパークプラグ３１が接続さ
れる。

次に上記ガス供給装置の動作を説明する。

（ａ）ガス圧制御： 図示しない始動装置によりエンジン１９が始動すると、
コントローラ３６は圧力センサ６．１７及び温度センサ
２８の各検出信号を取込む。

先ず、燃料タンク１又はアキュムレータ１６のの圧力が
下限設定圧、例えば７．５気圧より低いことをタンク圧
センサ６が検出する場合には、コントローラ３６は放熱
器７を作動させる。すなわちポンプ７ｄを駆動してパイ
プ７ａ内の不活性ガスを循環させて、液体水素の気化を
促す。放熱器７の放熱により液体水素２が蒸発して燃料
タンク１の圧力は上昇し、液体水素２の液面２ａを押下
げるため、液体水素２は送出パイプ８より圧送され、ア
キュムレータ１６のガス圧は上昇する。

またガス噴射弁２１に送込まれる水素の温度が所定温度
、例えば−５０℃より低温であることを温度センサ２８
が検出する場合には、コントローラ３６は熱交換器１１
の電磁弁１３の開度を大きくする。これにより水素エン
ジン１９の冷却水の熱交換器１１に流れる量が増加し、
アキュムレータ１６のガス温度は上昇する。

反対に、燃料タンク１又はアキュムレータ１６の各圧力
が上限設定圧、例えば８気圧に達すると、コントローラ
３６はポンプ７ｄを停止する。またガス噴射弁２１に送
込まれる水素の温度が所定温度、例えば−３０℃より高
温になると、コントローラ３６は電磁弁１３の開度を小
さくし、熱交換器１１へのエンジン冷却水の流量を減少
させる。

また、タンク１の圧力が安全弁４のリリーフ圧を越えた
ときには水素は安全弁４から導入パイプ５を通って水素
エンジン１９の吸気孔３ｏに導入され、ガス噴射前にあ
らかじめ空気と混合される。

（ｂ）燃焼制御ニ 一方、コントローラ３６は負荷センサ３３及び回転セン
サ３４の各検出信号を取込む。

ここで、図外のアクセルペダルの踏込み量が小さく回転
速度が低い場合には、コントローラ３６はガス噴射弁２
１の開弁時期及びスパークプラグ３１の火花放電による
点火時期を遅らせる。反対に、エンジン負荷が大きく回
転速度が高い場合には、ガス噴射弁２１の開弁時期及び
スパークプラグ３１の点火時期を進ませ、最適な燃焼と
なるように制御する。

本発明の水素は燃焼室内の空気圧力の低い、吸気弁の閉
止直後から圧縮行程の前半に噴射され、しかも点火まで
に十分に時間があるので、従来の噴射式ガスエンジンの
噴射圧より低い６〜８気圧の噴射圧で空気と良く混合す
ることができる。加えて点火時には吸気弁が閉じている
ので逆火（バツクファイア）は生じない。また噴射する
水素の温度をθ〜−５０℃の低温に調整すれば過早点火
は起１に らない。本発明の水素エンジンはガソリン燃料より２０
％程度高出力化できる。

なお、上記例ではタンク及びアキュムレータの上限設定
圧を９６気圧としたが、この設定圧は空気と水素が容易
に混合できるように燃焼室の形状等を決めれば、より低
い５気圧程度の気圧でもエンジンを運転することができ
る。

また、噴射弁２１から噴射される水素の調整上限温度を
一３０℃としたが、この値はエンジンの負荷等に応じて
０〜−５０℃の範囲で適宜変えてもよい。

また、上記例は車両用水素エンジンについて説明したが
、本発明のガスエンジンはこれに限らず、定置式ガスエ
ンジンにも適用することができ、更に液体水素に限らず
、液化天然ガス、液化石油ガス等その他の低温液化ガス
を燃料とするガスエンジンにも適用することができる。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明の低温液化ガスタンクのガス
取出装置は、外気から燃料タンク内に熱を導入し易いポ
ンプユニットを用いずに、低温液化ガスの気化膨張の特
性を利用してタンク圧上昇により、低温液化ガスをタン
クから取出すようにしたので、その構造が簡単となるば
かりか、外気に対する断熱性が極めて良好になり、液化
ガスのタンク外部への漏洩は全く生じない。またポンプ
ユニットを用いないことにより、低温液化ガスの取出し
に関してその駆動エネルギーを必要とせず、かつその信
頼性が極めて高くなる。

また、本発明の噴射式ガスエンジンのガス供給装置は、
このガス取出装置を用いて、燃料タンク及びアキュムレ
ータの各圧力及び噴射するガス温度を検知しながら気化
促進手段及び熱交換量調整手段を制御するため、所望の
可燃ガスを安定してエンジンに供給することができる。

これにより本発明の噴射式ガスエンジンに従来の８０気
圧で噴射するガスエンジンと同程度の実用性を生み出す
ことができる。

【図面の簡単な説明】

図は本発明実施例噴射式ガスエンジンのガス供給装置の
構成図。 １：燃料タンク、 ２：低温液化ガス（液体水素）、 ３：断熱層、 ４：安全弁、 ５：導入パイプ、 ６：タンク圧センサ、 ７：放熱器（気化促進手段）、 ８：送出パイプ（パイプ手段）、 １１：熱交換器、 １２：冷却水パイプ、 １３：電磁弁（熱交換量調整手段）、 １６：アキュムレータ、 １７：アキュムレータ圧センサ、 １９：水素エンジン（ガスエンジン） ２１：ガス噴射弁、 ２８：温度センサ、 ２９：吸気弁、 ３０：吸気孔、 ３１ニスパークプラグ、 ：コントローラ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）ガスエンジンの圧縮行程前半にガス噴射弁から燃焼
   室に可燃ガスを噴射する噴射式ガスエンジンのガス供給
   装置であって、 断熱層で被包され低温液化ガスを貯える耐圧構造の燃料
   タンクと、 前記タンク内の圧力を検出するタンク圧センサと、 前記タンク内に設けられ液化ガスの気化を促す気化促進
   手段と、 前記断熱層を貫通して前記タンクの上部に設けられた安
   全弁と、 前記タンクの外部から前記断熱層を貫通して前記タンク
   の内底部に開口し前記液化ガスのタンク内蒸発による内
   圧上昇で前記液化ガスをタンク外に送出するパイプ手段
   と、 前記パイプ手段から送出された液化ガスを可燃ガスに気
   化する熱交換器と、 前記熱交換器の熱交換量を調整する熱交換量調整手段と
   、 前記熱交換器で気化された可燃ガスを貯えかつこの可燃
   ガスを前記ガス噴射弁に供給するアキュムレータと、 前記アキュムレータ内の圧力を検出するアキュムレータ
   圧センサと、 前記ガス噴射弁から噴射される可燃ガスの温度を検出す
   る温度センサと、 前記タンク圧センサと前記アキュムレータ圧センサと前
   記温度センサの各検出信号に応じて前記気化促進手段及
   び前記熱交換量調整手段を制御するコントローラと を備えたことを特徴とする噴射式ガスエンジンのガス供
   給装置。 ２）前記エンジンの燃焼室にスパークプラグが設けられ
   、 前記ガス噴射弁から噴射した可燃ガスを前記スパークプ
   ラグの火花放電により点火するように構成した請求項１
   記載の噴射式ガスエンジンのガス供給装置。 ３）断熱層で被包され低温液化ガスを貯える耐圧構造の
   燃料タンクと、 前記断熱層を貫通して前記タンクの上部に設けられた安
   全弁と、 前記タンクの外部から前記断熱層を貫通して前記タンク
   の内底部に開口し前記液化ガスのタンク内蒸発による内
   圧上昇で前記液化ガスをタンク外に送出するパイプ手段
   と、 前記パイプ手段から送出された液化ガスを可燃ガスに気
   化する熱交換器と、 前記熱交換器で気化された可燃ガスを貯えかつこの可燃
   ガスをガスエンジンに供給するアキュムレータと を備えた低温液化ガスエンジンのガス供給装置。 ４）断熱層で被包され低温液化ガスを貯える耐圧構造の
   燃料タンクと、 前記断熱層を貫通して前記タンクの上部に設けられた安
   全弁と、 前記タンクの外部から前記断熱層を貫通して前記タンク
   の内底部に開口し前記液化ガスのタンク内蒸発による内
   圧上昇で前記液化ガスをタンク外に送出するパイプ手段
   と を備えた低温液化ガスタンクのガス取出装置。