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気体燃料インジェクタの瞬間流量計測装置 新技術説明会

国内特許コード P08A014015
整理番号 IPF17-011JP
掲載日 2008年10月31日
出願番号 特願2007-510551
登録番号 特許第4078432号
出願日 平成18年3月22日(2006.3.22)
登録日 平成20年2月15日(2008.2.15)
国際出願番号 PCT/JP2006/306370
国際公開番号 WO2006/104176
国際公開日 平成18年10月5日(2006.10.5)
優先権データ
  • 特願2005-095570 (2005.3.29) JP
発明者
  • 荒木 幹也
  • 志賀 聖一
  • 石間 経章
  • 小保方 富夫
  • 藤原 康裕
  • 中村 壽雄
出願人
  • 群馬大学
発明の名称 気体燃料インジェクタの瞬間流量計測装置 新技術説明会
従来技術、競合技術の概要 【背景技術】近年、自動車用燃料として、ガソリン、軽油等の液体燃料のほか、水素、圧縮天然ガス(CNG:Compressed Natural Gas)のような気体燃料も広く使われるようになった。特に、CNGは、(i)単位CO排出量当りの発熱量が大きい、(ii)硫黄分をほとんど含まないため硫黄酸化物の排出がないといった利点から、クリーンなエネルギー源として注目されている。このCNGを自動車エンジンに適用する場合は、従来のガソリン・軽油と同様に、吸気ポートあるいはシリンダー内へ、燃料インジェクタから噴射されることになる。また、ガソリンや軽油等の液体燃料は、燃料噴射弁から高圧力をかけて噴射させ、液体燃料を小さな粒状にして供給することで蒸発を促進するようにしている。ここで、噴射弁を置く場所は、多くのガソリン機関の場合、シリンダーの入り口付近の吸気管の部分であり、このポート部分の燃料噴射圧力は3気圧程度となる。最近は、ガソリンをエンジン内へ直接噴射する方式、すなわち、GDI(Gasoline Direct Injection)と呼ばれる方式のエンジンも考えられている。この方式はシリンダーの中にガソリンと空気の薄い混合気を形成するもので、この方式によると少ない燃料で自動車を動かすことができるが、シリンダーの中は圧力が高いので、それ以上の圧力、例えば100気圧程度の噴射圧力でガソリンを噴霧化してシリンダー内に供給することが必要となっている。この場合の、一回あたりの燃料噴射期間は数msec~数十msec程度であり、その際にソレノイドで開閉される電磁弁の開弁・閉弁に要する時間は数百nsec~数msec程度と極めて短時間となる。この電磁弁を開閉して液体燃料をシリンダー内に供給する場合の、単位時間当たりの燃料流量(m/sec)を噴射率といい、この噴射率の正確な測定が要求されている。一般に、噴射率は、噴射弁が開状態になると、開時間が増加するにつれて放物線状に増加していき、一定値(飽和状態)に収斂する。そして噴射弁が閉じると、時間経過と共に減少して元の状態に戻るという傾向を有する。この液体燃料インジェクタからの噴射率(「瞬間流量」と同義)を測定する機器(瞬間流量計)としては、ボッシュ式と呼ばれる方式(ボッシュ式噴射率計)が広く利用されている(例えば、非特許文献1を参照。)。このボッシュ式噴射率計は、液体燃料インジェクタから噴射された燃料を,一定断面積のパイプ内に噴射し,パイプ内の圧力上昇から燃料の流量を求める方法である。これは、燃料ノズルから細管の中に燃料を噴射した場合、噴射率(m/sec)が管の断面積(m)に流速(m/sec)を乗じたものであるという原理を利用している。すなわち、噴射ノズルから噴射された燃料が細い管を流れる場合、それによるパイプ内の圧力上昇が生じ、この圧力上昇を測定して燃料の瞬間的な流量を求める方式である。しかしながら、ボッシュ式噴射率計は、液体燃料の測定には用いることができるものの、水素、圧縮天然ガス(CNG)のような気体燃料に用いることはできなかった。すなわち、このボッシュ式装置を気体燃料インジェクタに適用した場合、気体特有の圧縮性、つまり圧力変化とともに密度が変化する性質、及びレイノルズ数の増大による管摩擦の増大等のため、流量の測定が不可能となるという問題があった。今まで、瞬間的な気体燃料の噴射率を測定した例はない。ここでレイノルズ数Reとは、流体密度ρ(kg/m)に流体速度U(m/sec)及び細管の直径D(m)を乗じた値ρ*U*D(kg/(m・sec))を、粘性係数μ(Pa・sec=kg/(m・sec))で割った無次元の値である。流体のρ*U*Dは流れの勢いを表す慣性力に関係し、粘性係数μは、粘り気を表す粘性力に関係している。このレイノルズ数Reが小さいと粘り気が支配するため、乱れのない層流となり、噴射率の測定が可能であるが、レイノルズ数が大きいと、気体の流れが乱れ(乱流となり)、管摩擦によって気体が流れづらくなることで噴射率の測定が不能となる。実際にはレイノルズ数Reが約2500以上になると乱流状態になり、約2500以下では層流になることが知られている。通常気体燃料の噴射においては、レイノルズ数Reが数十万にもなり、管の中の流れは乱れているので、管の上流と下流との圧力差(これを「圧力損失」という。)が大きくなり噴射率の測定ができなくなる。一般に、燃料インジェクタの特性は,エンジン性能と直結するため,非常に重要である。そして、燃料インジェクタ特性の最も重要な要素として,時々刻々と変化する噴射率(瞬間流量:単位時間当たりの燃料流量)を測定することが求められている。しかし、気体燃料インジェクタに関しては,上述したように、その噴射率を計測する手段が確立されていない。このため,インジェクタを開弁状態に保ち定常噴射を行いながら流量データを取得し,実際の噴射時の噴射率を類推しているのが現状であった。また、気体燃料インジェクタを燃料容器に固定し、このインジェクタから容器内に、例えば1000回の噴射(1回の「噴射期間」は例えば2msecとする。)を行って、容器内の圧力増加を測定する方法も考えられる。すなわち、1000回分の噴射で生じた圧力増加から、1回噴射当たりの圧力増加を計算で求め、その平均値としての1回当たりの平均噴射率を求めることはできる。しかし、この方法でも気体燃料の瞬間的な噴射率を測定することはできない。現在まで、気体燃料インジェクタからの瞬間噴射率を計測した例は報告されていない。
【非特許文献1】林 洋「ボッシュ式噴射率計」(内燃機関7巻12号58~64頁)
産業上の利用分野 本発明は、燃料噴射システム、特に気体燃料インジェクタから噴出する気体燃料の各時刻における流量を計測する気体燃料インジェクタの瞬間流量計測装置、あるいは急激な流量変動を伴う各種気体配管等の瞬間流量計測装置に関する。
特許請求の範囲 【請求項1】 内部に電磁弁を備え、気体燃料が注入される気体燃料インジェクタと、 該電磁弁の開閉を制御するインジェクタ駆動手段と、 前記気体燃料インジェクタに接続され、前記気体燃料インジェクタからの気体燃料ガスが供給される計測部細管と、 該計測部細管内に設けられ、前記気体燃料インジェクタ側から計測部細管の下流側に向けて断面積が小から大に変化するノズルと、 前記計測部細管の下流側端部に設けられた延長細管と、 前記計測部細管に設けられた小孔に密接配置された圧力計測手段と、 該圧力測定手段により計測した前記計測部細管内の圧力を所定の変換式に基づいて、前記計測部細管内に流れる気体燃料の流量に変換する手段とからなる気体燃料インジェクタの瞬間流量計測装置。
【請求項2】 前記延長細管の下流側端部には、さらに背圧弁が設けられていることを特徴とする請求項1に記載の気体燃料インジェクタの瞬間流量計測装置。
【請求項3】 前記計測部細管に設けられているノズルはテーパ状ノズルであることを特徴とする請求項1または2に記載の気体燃料インジェクタの瞬間流量計測装置。
【請求項4】 前記計測部細管に設けられているノズルは、前記下流側に行くにしたがって、階段状に変化する異なる径の複数の円筒状部材から構成されることを特徴とする請求項1または2に記載の気体燃料インジェクタの瞬間流量計測装置。
【請求項5】 前記圧力計測手段は前記計測部細管に設けた小孔からの前記計測部細管内の圧力を検出する圧電素子を有する圧力変換器であることを特徴とする請求項1~4のいずれかに記載の気体燃料インジェクタの瞬間流量計測装置。
【請求項6】 前記圧力計測手段によって計測した前記計測部細管内の圧力を、前記計測部細管内を流れる気体燃料の流量M(t)に変換する変換式は、次式であることを特徴とする請求項1~5のいずれかに記載の気体燃料インジェクタの瞬間流量計測装置。<EMI LX=0250 HE=026 WI=144 ID=000015 LY=0766>(ただし、Aは計測部細管の断面積(m)、ρ(t)は気体燃料の密度(kg/m)、u(t)は気体燃料の流速(m/sec)、κは比熱比(無次元の断熱係数)、P(t)は計測部細管内の圧力(Pa)、P=P(0)、ρ=ρ(0)である。)
産業区分
  • 内燃機関
  • 測定
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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出願権利状態 権利存続中
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