(57)【要約】【課題】エンジンの冷却水を使用することなく、吸着材からの天然ガスの脱着を促進することができる新たなガス供給システムを提供する。【解決手段】天然ガスを吸着する吸着材が収容される吸着式ガス貯蔵容器５，５からからエンジン１に至るラインの途中に、吸着材に吸着された天然ガスの脱着を促進できるように、圧力が大気圧以下の状態を作り出す真空ポンプ７を設ける。またエンジンの起動時には、起動用ガス貯蔵容器１２からエンジン１に天然ガスを供給する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
貯蔵した天然ガスをエンジンに供給するガス供給システムであって、
天然ガスを吸着する吸着材が収容される吸着式ガス貯蔵容器と、
前記吸着材に吸着された天然ガスの脱着を促進できるように、圧力が大気圧以下の状態を作り出す吸引装置と、を備えることを特徴とするガス供給システム。
【請求項２】
貯蔵した天然ガスをエンジンに供給するガス供給システムであって、
天然ガスを吸着する吸着材が収容される吸着式ガス貯蔵容器と、
前記吸着式ガス貯蔵容器から前記エンジンに至るラインの途中に設けられ、前記吸着材に吸着された天然ガスの脱着を促進できるように、圧力が大気圧以下の状態を作り出す真空ポンプと、
エンジンの起動時に天然ガスをエンジンに供給する起動用ガス貯蔵容器と、
備えることを特徴とするガス供給システム。
【請求項３】
前記ガス供給システムはさらに、
前記吸着式ガス貯蔵容器内の圧力が所定圧以上に高い場合に、前記吸着材から脱着された天然ガスに前記真空ポンプを迂回させるバイパスラインを備え、
前記真空ポンプは、前記吸着式ガス貯蔵容器内の圧力が所定圧以下の場合に作動することを特徴とする請求項２に記載のガス供給システム。
【請求項４】
貯蔵した天然ガスをエンジンに供給するガス供給システムであって、
天然ガスを吸着する吸着材が収容される吸着式ガス貯蔵容器と、
前記吸着式ガス貯蔵容器から前記エンジンに至るラインの途中に設けられ、前記吸着材に吸着された天然ガスの脱着を促進できるように圧力が大気圧以下の状態を作り出すと共に、吸引した天然ガスを圧縮する真空ポンプ兼用圧縮機と、
前記真空ポンプ兼用圧縮機から前記エンジンへ至るラインの途中に設けられ、エンジンの起動時に天然ガスをエンジンに供給するバッファータンクと、
を備えることを特徴とするガス供給システム。
【請求項５】
前記ガス供給システムはさらに、
前記吸着式ガス貯蔵容器内の圧力が所定圧以上に高い場合に、前記吸着材から脱着された天然ガスに前記真空ポンプ兼用圧縮機を迂回させるバイパスラインを備え、
前記真空ポンプ兼用圧縮機は、前記吸着式ガス貯蔵容器内の圧力が所定圧以下の場合に作動することを特徴とする請求項４に記載のガス供給システム。
【請求項６】
前記ガス供給システムはさらに、
前記真空ポンプ兼用圧縮機により圧縮した天然ガスの熱によって、前記吸着式ガス貯蔵容器を加熱できるように、前記真空ポンプ兼用圧縮機から前記吸着式ガス貯蔵容器を経由して前記バッファータンクに至る熱交換ラインを備えることを特徴とする請求項４又は５に記載のガス供給システム。
【請求項７】
前記ガス供給システムはさらに、
前記真空ポンプ兼用圧縮機により圧縮した天然ガスの一部を、前記吸着式ガス貯蔵容器の内部に循環させる循環ラインを備えることを特徴とする請求項４ないし６いずれかに記載のガス供給システム。
【請求項８】
前記ガス供給システムはさらに、
前記真空ポンプ兼用圧縮機から前記バッファータンクに至るラインの途中に、前記真空ポンプ兼用圧縮機により圧縮した天然ガスを冷却する冷却装置を備えることを特徴とする請求項４ないし７いずれかに記載のガス供給システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、貯蔵したメタン又はメタンを主成分とする燃料ガス（天然ガス）をエンジンに供給するガス供給システムに関し、特に自動車に搭載されるガス供給システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガソリンに代えて燃料として天然ガスを使用する自動車が増えてきている。このような自動車では、走行距離を長くするために、圧縮ガスの状態で天然ガスをガス貯蔵容器に貯蔵している。近年、比較的低圧で且つより大量の天然ガスを貯蔵するために、ガス貯蔵容器の内部に活性炭等の吸着材を収容し、該吸着材に天然ガスを吸着させる吸着式ガス貯蔵容器が知られている。
【０００３】
しかし、この吸着式ガス貯蔵容器には、天然ガスを充填するとき、吸着材の温度が上昇し、これにより天然ガスを吸着する能力が減ってしまうという問題がある。逆に払い出しするときには、吸熱反応になるので、吸着材の温度が除々に低下し、これにより天然ガスを脱着する能力が落ちてしまうという問題がある。
【０００４】
この問題を解決するために、エンジンの冷却水を媒体に使ったり、エンジンの排気ガスを媒体に使ったりして、天然ガスの充填時にガス貯蔵容器を冷却し、天然ガスの払出し時にガス貯蔵容器を加熱する技術が提案されている。
【０００５】
例えば特許文献１には、ガス貯蔵容器をエンジンの排気系に近接して設け、且つ該ガス貯蔵容器にエンジンの冷却水用管を螺旋状に巻きつけ、吸着材による燃料ガスの脱着及び離脱が最適な状態になるようにガス貯蔵容器の温度をコントロールする技術が開示されている。
【０００６】
特許文献２にも、天然ガスの払出し時に吸着材を加熱するために、エンジンの冷却水を冷却水配管によりガス貯蔵容器に導入する構成が開示されている。この特許文献２では、エンジンの起動時にガス貯蔵タンクの圧力が低下していても、エンジンの始動を確実に行うために、ガス貯蔵タンクからエンジンに至るラインにエンジンの起動時に天然ガスを供給するバッファータンクを設けている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１１−３２１３５２号公報
【特許文献２】
特開２０００−１３６７５６号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
エンジンの冷却水を使ってガス貯蔵容器を加熱する従来技術にあっては、運転を止めて充填所で天然ガスを充填するときに、ガス貯蔵容器の吸着材が高い温度になっているので、天然ガスの充填能力が低下してしまうというデメリットがある。
【０００９】
また、バッファータンクを設けることで、停止直前の圧力を保って再始動に備えるが、ガス貯蔵容器をエンジンの冷却水で加温する場合は、冷却水が所定の温度に温かくなるまで時間を要する。このため、脱着の応答性が悪くなり、バッファータンクの容量も大きなものが必要になる。
【００１０】
さらに、残存ガス量及び加熱温度により天然ガスの圧力が変化してしまう（例えば残存ガス量が減ると加熱温度を高めにしないと所定の圧力を保つことができない）ので、天然ガスを所定の圧力に保とうとすると制御が複雑になる。また、冷却水の温度変化に対して、容器強度の面及び容器圧力の面からも温度制御が必要になる。ガス貯蔵容器を複数搭載する場合、全てのガス貯蔵容器に対して熱交換の対策が必要で、ガス貯蔵容器の搭載位置によっては各容器への入出の接続配管が複雑化するという問題もある。
【００１１】
そこで、本発明は上述の問題点を解消し、エンジンの冷却水を使用することなく、吸着材からの天然ガスの脱着を促進することができる新たなガス供給システムを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
吸着式ガス貯蔵容器には比較的低圧でガスが吸着されているので、自噴による脱着では、かなりの量の天然ガスが脱着されない。本発明者は、ガス貯蔵容器内部の天然ガスを有効活用するために、エンジンの冷却水を使用してガス貯蔵容器を加熱する替わりに、ガス貯蔵容器の内部圧力を大気圧以下の状態にして、天然ガスの脱着を促進した。
【００１３】
すなわち本発明は、天然ガスを吸着する吸着材が収容される吸着式ガス貯蔵容器と、前記吸着材に吸着された天然ガスの脱着を促進できるように、圧力が大気圧以下の状態を作り出す吸引装置と、を備えることを特徴とするガス供給システムにより、上記した課題を解決する。ここで吸引装置には、例えば真空ポンプ、真空ポンプ兼用圧縮機、排風機等を用いることができる。
【００１４】
また本発明は、貯蔵した天然ガスをエンジンに供給するガス供給システムであって、天然ガスを吸着する吸着材が収容される吸着式ガス貯蔵容器と、前記吸着式ガス貯蔵容器から前記エンジンに至るラインの途中に設けられ、前記吸着材に吸着された天然ガスの脱着を促進できるように、圧力が大気圧以下の状態を作り出す真空ポンプと、エンジンの起動時に天然ガスをエンジンに供給する起動用ガス貯蔵容器と、備えることを特徴とする。
【００１５】
前記ガス供給システムはさらに、前記吸着式ガス貯蔵容器内の圧力が所定圧以上に高い場合に、前記吸着材から脱着された天然ガスに前記真空ポンプを迂回させるバイパスラインを備え、前記真空ポンプは、前記吸着式ガス貯蔵容器内の圧力が所定圧以下の場合に作動することが望ましい。
【００１６】
ところで近年、エンジンの吸入系へ圧力をかけて燃料を供給するインジェクションが主流になっている。これに対応するために、本発明のガス供給システムは、天然ガスを吸着する吸着材が収容される吸着式ガス貯蔵容器と、前記吸着式ガス貯蔵容器から前記エンジンに至るラインの途中に設けられ、前記吸着材に吸着された天然ガスの脱着を促進できるように圧力が大気圧以下の状態を作り出すと共に、吸引した天然ガスを圧縮する真空ポンプ兼用圧縮機と、前記真空ポンプ兼用圧縮機から前記エンジンへ至るラインの途中に設けられ、エンジンの起動時に天然ガスをエンジンに供給するバッファータンクと、を備えることを特徴とする。
【００１７】
前記ガス供給システムはさらに、前記吸着式ガス貯蔵容器内の圧力が所定圧以上に高い場合に、前記吸着材から脱着された天然ガスに前記真空ポンプ兼用圧縮機を迂回させるバイパスラインを備え、前記真空ポンプ兼用圧縮機は、前記吸着式ガス貯蔵容器内の圧力が所定圧以下の場合に作動するのが望ましい。
【００１８】
前記ガス供給システムはさらに、前記真空ポンプ兼用圧縮機により圧縮した天然ガスの熱によって、前記吸着式ガス貯蔵容器を加熱できるように、前記真空ポンプ兼用圧縮機から前記吸着式ガス貯蔵容器を経由して前記バッファータンクに至る熱交換ラインを備えることが望ましい。
【００１９】
前記真空ポンプ兼用圧縮機により圧縮した天然ガスの一部を、前記吸着式ガス貯蔵容器の内部に循環させる循環ラインを備えるのが望ましい。
【００２０】
前記ガス供給システムはさらに、前記真空ポンプ兼用圧縮機から前記バッファータンクに至るラインの途中に、前記真空ポンプ兼用圧縮機により圧縮した天然ガスを冷却する冷却装置を備えることが望ましい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して、本発明のガス供給システムの実施形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態におけるガス供給システムを示す。このガス供給システムは、貯蔵した天然ガスをエンジンの吸気経路に供給するもので、インジェクションのように加圧する必要のない、例えばミキサー４を有するエンジンに適用される。
【００２２】
エンジン１は天然ガスを空気と混合し、そこから自動車を動かすために必要な機械的エネルギを作り出す。エアクリーナを通過したエンジン１の吸気経路には、混合ガスの流れを調節するスロットルバルブ３が設けられる。
【００２３】
吸着式ガス貯蔵容器（ＡＮＧ容器）５，５には、天然ガスを吸着する活性炭、金属錯体等の吸着材が収容される。ガス貯蔵容器５，５の材質には、大気の温度を吸収して吸着材の温度が下がらないように例えば熱伝導性のいいアルミが用いられる。ガス貯蔵容器５，５は、吸熱性を上げるために例えばリブ構造を有するのが望ましい。ガス貯蔵容器５，５が複数設けられる場合には、複数のガス貯蔵容器５，５が並列に接続される。
【００２４】
ガス貯蔵容器５，５には、充填所で天然ガスが充填される。ガスの充填時、吸着式ガス貯蔵容器内部の圧力は例えば大気圧以下〜３５ｋｇ／ｃｍ２（３．５ＭＰａ）になる。ガス貯蔵容器５，５には、容器内部の圧力を把握できるように圧力センサが取り付けられる。
【００２５】
ガス貯蔵容器５，５からエンジン１に至るライン６の途中には、吸着材に吸着された天然ガスの脱着を促進できるように、圧力が大気圧以下の状態（厳密には大気圧未満の状態）を作り出す真空ポンプ７が設けられる。真空ポンプ７の駆動源には、例えば排気ガス、クランクシャフト、バッテリーモータ等を用いることができる。低速時や一次停止等を考慮するとそれらの組合せが望ましい。真空ポンプ７の形式は、圧力が大気圧以下の状態を作り出せるものであれば、容積形（往復式及び回転式）とターボ形（軸流式及び遠心式）とを問わない。
【００２６】
この真空ポンプ７により、ガス貯蔵容器５，５内部及びガス貯蔵容器５，５から真空ポンプ７に至るライン６ａ内部が大気圧以下になる。一方、真空ポンプ７の吐出側のエンジン１に至るライン６ｂは大気圧になる。真空ポンプ７からエンジン１に至るライン６ｂには、必要に応じて圧力センサ８や減圧弁９が設けられる。
【００２７】
ガス貯蔵容器５，５内の圧力が高い場合は、吸着材から脱着された天然ガスを、真空ポンプ７を経由させないでそのままエンジン１に供給する。このため、ガス貯蔵容器５，５内の圧力が所定圧以上に高い場合に、吸着材から脱着された天然ガスに真空ポンプ７を迂回させるバイパスライン１０が設けられる。真空ポンプ７は、ガス貯蔵容器５，５内の圧力が所定圧以下の場合に作動する。なお必要に応じて、真空ポンプ７の吐出側を吸込み側に戻す戻りバイパスライン１１が設けられることもある。
【００２８】
またこのガス供給システムは、エンジン１の起動時に天然ガスをエンジンに供給する起動用ガス貯蔵容器１２を有する。この起動用ガス貯蔵容器１２には、例えば２００ｋｇ／ｃｍ２（２０ＭＰａ）に圧縮した天然ガス（ＣＮＧ）が貯蔵される。起動用ガス貯蔵容器１２から出る吐出ライン１３は、真空ポンプ７の吐出側に接続される。起動用ガス貯蔵容器１２に吸着された天然ガスは、減圧弁１４を介して減圧された後、エンジン１の吸気経路に送られる。起動用ガス貯蔵容器１２は、あくまで起動時に使用され、起動時以外はガス貯蔵容器５，５に吸着された天然ガスが優先的に使用される。この起動用ガス貯蔵容器１２に替えて、バッファータンクを設けることも可能である。
【００２９】
ガス貯蔵容器５，５内の圧力が高い場合、吸着材から脱着した天然ガスは、真空ポンプ７を迂回し、バイパスライン１０を経由してエンジン１の吸気経路に供給される。ガス貯蔵容器５，５内の圧力が所定圧以下に低くなった場合、真空ポンプ７が作動し、ガス貯蔵容器５，５内の圧力が大気圧以下にされる。
【００３０】
ガス貯蔵容器５，５には比較的低圧で天然ガスが吸着されているので、自噴による脱着では、かなりの量の天然ガスが脱着されない。例えばガス貯蔵容器５，５の内部圧力が１気圧のときには、吸着された天然ガスの３割程度が脱着されずに残る。本実施形態のように、真空ポンプ７でガス貯蔵容器５，５の内部を大気圧以下の真空にすることで、脱着を促進してガス貯蔵容器５，５の内部の天然ガスを有効活用することができる。また、真空で脱着する場合には、ガス貯蔵容器５，５の温度も上昇することがない。このため、冷却水でガス貯蔵容器を加熱する場合に比べ、運転を止めて充填所で天然ガスを充填するときにも、天然ガスの充填能力が低下してしまうこともない。
【００３１】
図２は、本発明の第２の実施形態におけるガス供給システムを示す。この実施形態のガス供給システムは、吸気経路へ圧力をかけて燃料を供給するインジェクション１６を有するエンジン１５に適用される。吸気経路には、排気ガスを使ってエンジン１５に送られる空気の量を増やす過給機１７と、過給機１７で温められた空気を冷やすインタークーラ１８と、混合ガスの流れを調節するスロットルバルブ１９が設けられる。
【００３２】
インジェクション１６に天然ガスを供給する場合、天然ガスの圧力を例えば３〜５ｋｇ／ｃｍ２に高める必要がある。本実施形態では、ガス貯蔵容器２１，２１からエンジン１５に至るライン２０の途中に、ガス貯蔵容器２１，２１側を大気圧以下の状態にすると共に、インジェクション１６側を所定の圧力に高める真空ポンプ兼用圧縮機２２が設けられる。なお真空ポンプと圧縮機とを兼用させなくても、真空ポンプと圧縮機とを直列的に分けて配列しても良い。
【００３３】
真空ポンプ兼用圧縮機２２からエンジン１５へ至るライン２３の途中には、エンジン１５の起動時に天然ガスをエンジン１５に供給するバッファータンク２４が設けられる。バッファータンク２４から出る天然ガスは、減圧弁２５により減圧された後、インジェクション１６に送られる。
【００３４】
エンジン１５が停止した段階で、バッファータンク２４の上流側及び下流側のバルブ２６，２７を閉じ、バッファータンク２４内に所定の圧力がかかった状態で天然ガスを保持しておく。そして、エンジン１５の起動時には、バッファータンク２４の天然ガスでエンジン１５を始動させる。ガス貯蔵容器２１，２１から所定の流量の天然ガスが確保できるようになったら、バッファータンク２４の下流側のバルブを開け、ガス貯蔵容器２１，２１内の天然ガスをエンジン１５に供給する。
【００３５】
ガス貯蔵容器２１，２１内の圧力が高い場合は、真空ポンプ兼用圧縮機２２を経由させないで、脱着された天然ガスをそのままバッファータンク２４に供給する。このため、吸着材から脱着された天然ガスが真空ポンプ兼用圧縮機２２を迂回できるようにバイパスライン２９が設けられる。真空ポンプ兼用圧縮機２２は、ガス貯蔵容器２１，２１内の圧力が所定圧以下の場合に作動する。
【００３６】
この実施形態のガス貯蔵容器２１，２１には、真空ポンプ兼用圧縮機２２から出る熱交換ライン３０が経由する。熱交換の方式は特に限定されることはなく、例えば熱交換ラインがガス貯蔵容器内部の吸着材を直接過熱してもいいし、ガス貯蔵容器の外側から吸着材を加熱してもいい。
【００３７】
熱交換ライン３０を設けない場合は、図中破線で示すように、圧縮した天然ガスを冷却装置としてのインタークーラ３１で冷却した後、バッファータンク２４に送る。
【００３８】
またこの実施形態では、真空ポンプ兼用圧縮機２２により圧縮した天然ガスの一部を、ガス貯蔵容器２１，２１の内部に循環させる循環ライン３２が設けられる。
【００３９】
ガス貯蔵容器２１，２１内の圧力が高い場合、吸着材から脱着した天然ガスは、真空ポンプ兼用圧縮機２２を迂回し、バイパスライン２９を経由してエンジン１１５の吸気経路に供給される。ガス貯蔵容器２１，２１内の圧力が所定圧以下に低くなった場合、真空ポンプ兼用圧縮機２２が作動し、ガス貯蔵容器２１，２１内の圧力が大気圧以下にされる。これにより、脱着を促進してガス貯蔵容器２１，２１の内部の天然ガスを有効活用することができる。
【００４０】
天然ガスの脱着に真空ポンプ７又は真空ポンプ兼用圧縮機２２を使用した場合は、立ち上がりがよいので、停止した段階から数秒で天然ガスの流量が確保される。このため、従来のように冷却水でガス貯蔵容器２１，２１を加熱する場合に比べ応答性がよくなり、バッファータンク２４の容量も低減することができる。
【００４１】
真空ポンプ兼用圧縮機２２により圧縮した天然ガスの熱は、例えば８０℃程度になる。一方、脱着によってガス貯蔵容器２１，２１の温度は例えば０℃〜５℃に低下する。圧縮した天然ガスの熱を利用してガス貯蔵容器２１，２１を加熱することで、ガス貯蔵容器２１，２１の温度を例えば５℃〜１０℃に上げることができ、したがって天然ガスの脱着をより促進することができる。
【００４２】
また、ガス貯蔵容器２１，２１の外側から吸着材を温める場合は熱効率があまりよくないが、循環ライン３２により温めたガスをガス貯蔵容器２１，２１の内部に戻すことで、効率よく吸着材を温めることができる。
【００４３】
なお本発明は、上記実施形態に限られることなく、本発明の要旨を変更しない範囲で種々変更可能である。例えば、本発明は、天然ガスをエンジンに供給するガス供給システムに限られず、水素を水素エンジンあるいは燃料電池に供給するガス供給システムに適用してもよい。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、吸引装置でガス貯蔵容器の内部を大気圧以下にすることで、脱着を促進してガス貯蔵容器内部の天然ガスを有効活用することができる。また、大気圧以下の状態で脱着する場合には、ガス貯蔵容器の温度も上昇させることがないので、運転を止めて充填所で天然ガスを充填するときにも、天然ガスの充填能力が低下してしまうことがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態におけるガス供給システムを示す模式図。
【図２】本発明の第２の実施形態におけるガス供給システムを示す模式図。
【符号の説明】
１，１５・・・エンジン
５，２１・・・吸着式ガス貯蔵容器
７・・・真空ポンプ
１０・・・バイパスライン
１２・・・起動用ガス貯蔵容器
２２・・・真空ポンプ兼用圧縮機
２４・・・バッファータンク
２９・・・バイパスライン
３０・・・熱交換ライン
３１・・・インタークーラ（冷却装置）
３２・・・循環ライン
【図１】
2004270590.tif 000003
【図２】
2004270590.tif 000004