JP2018112137A

JP2018112137A - インジェクタ評価方法

Info

Publication number: JP2018112137A
Application number: JP2017003489A
Authority: JP
Inventors: 一浩座間; Kazuhiro Zama
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-01-12
Filing date: 2017-01-12
Publication date: 2018-07-19
Anticipated expiration: 2037-01-12
Also published as: JP6607203B2

Abstract

【課題】インジェクタの噴霧特性および粗大粒子の発生状況を適切に評価することができるインジェクタ評価方法を提供する。【解決手段】インジェクタから噴霧された粒子の粒径を計測し、計測された粒子の粒径分布に所定の分布関数を合わせ込んで近似分布関数を生成する関数生成工程と、生成された近似分布関数において、所定の分布確率以下となるようなある粒径を切り分け粒径と定め、切り分け粒径よりも大きい粒径の粒子を粗大粒子とし、切り分け粒径以下の粒径の粒子を微粒子とする、粒子切り分け工程と、インジェクタから噴霧された粒子群のうち、微粒子に切り分けされた微粒子群の平均粒径に基づいてインジェクタの噴霧特性の評価を行い、粗大粒子に切り分けされた粗大粒子群の平均粒径に基づいて粗大粒子の発生状況の評価を行う評価工程と、を備える。【選択図】図４

Description

本発明は、インジェクタ評価方法に関する。

筒内直接噴射式ガソリンエンジンなどに利用されているインジェクタにおいて、噴霧条件を決めるために噴霧特性の評価が行われている。噴霧特性の代表的な指標として、インジェクタから噴霧された粒子の粒径分布や平均粒径がある。特許文献１には、インジェクタから噴霧された粒子の粒径分布を計測し、この粒径分布から平均粒径を求め、求めた平均粒径を利用してインジェクタの噴霧条件を決める技術が記載されている。

特開２００５−０４２６４８号公報

今後ますます厳しくなる排出ガス規制に対応するため、インジェクタから噴霧される粒子（噴霧粒子）を微粒化し、エンジンの筒内への燃料付着を低減することで排出粒子数（ＰＮ：ＰａｒｔｉｃｕｌａｔｅＮｕｍｂｅｒ）を低減する取り組みが進められている。試作したインジェクタにおいて、噴霧設計の狙い通りに微粒化ができているか否かを判定するために、上述した、噴霧粒子の平均粒径が用いられる。インジェクタの噴霧特性を適切に評価するためには、噴霧粒子の平均粒径を精度良く算出する必要がある。しかしながら、計測された粒子群の中には、いわゆる“粗大粒子”が少数存在する。この粗大粒子は、複数の微粒子が凝集して形成されたものや、インジェクタの構造的要因から突発的に発生した粗大な粒子が十分に分裂しきれずに残ったものなどである。このような少数の粗大粒子の存在により、噴霧粒子の平均粒径が実際よりも大きく算出されてしまう。このため、インジェクタの噴霧特性を適切に評価することができないという問題があった。

ところで、インジェクタから噴霧された粒子群において上述した粗大粒子が多く発生していると、エンジンにおいて燃料の不完全燃焼を引き起こすなどエンジンの燃焼特性に悪影響を及ぼすおそれがある。このため、粗大粒子の発生をできるだけ抑えたインジェクタを設計する必要がある。そのためには、インジェクタの設計において、粗大粒子の発生状況を適切に評価する必要があった。

本発明は、以上の背景に鑑みなされたものであり、インジェクタの噴霧特性および粗大粒子の発生状況を適切に評価することができるインジェクタ評価方法を提供することを目的とする。

本発明は、インジェクタ評価方法であって、インジェクタから噴霧された粒子の粒径を計測し、計測された粒子の粒径分布に所定の分布関数を合わせ込んで近似分布関数を生成する関数生成工程と、生成された前記近似分布関数において、所定の分布確率以下となるようなある粒径を切り分け粒径と定め、前記切り分け粒径よりも大きい粒径の粒子を粗大粒子とし、前記切り分け粒径以下の粒径の粒子を微粒子とする、粒子切り分け工程と、前記インジェクタから噴霧された粒子群のうち、前記微粒子に切り分けされた微粒子群の平均粒径に基づいて前記インジェクタの噴霧特性の評価を行い、前記粗大粒子に切り分けされた粗大粒子群の平均粒径に基づいて前記粗大粒子の発生状況の評価を行う評価工程と、を備えるものである。

本発明によれば、インジェクタの噴霧特性および粗大粒子の発生状況を適切に評価することができる。

本実施の形態にかかるインジェクタの評価方法において、噴霧粒径を計測する方法の一例である位相ドップラ法による粒径計測装置の概略構成を示す模式図である。本実施の形態にかかるインジェクタの評価方法の流れを示すフローチャートである。図２の破線で囲んだ領域Ａを拡大した図である。本実施の形態にかかるインジェクタの評価方法の流れを示すフローチャートである。計測された粒子の粒径分布に近似分布関数をプロットしたグラフである。計測された粒子の粒径分布に正規分布を表す確率分布関数を用いて生成した近似分布関数をプロットしたグラフである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
まず、本実施の形態にかかるインジェクタの評価方法において、噴霧粒径を計測する方法の概略について説明する。インジェクタから噴霧された粒子の粒径を計測するために、例えば、位相ドップラ法を用いられる。図１は、位相ドップラ法による粒径計測装置１０の概略構成を示す模式図である。図１に示すように、粒径計測装置１０は、レーザ１１と、ビームスプリッタ１２と、集光レンズ１３、１５と、光検出器１４と、を備えている。レーザ１１から照射されたレーザビームはビームスプリッタ１２において２本のレーザビームとされる。さらに、集光レンズ１３により２本のレーザビームを交差させ、干渉縞を形成する。この干渉縞は集光レンズ１５を経て光検出器１４で検出される。

この干渉縞をインジェクタ１６から噴射された粒子が通過したときに、光検出器１４の位置では干渉縞が粒子の速度に比例したドップラ周波数で動く。離れた２つの光検出器１４ａ，１４ｂには同じドップラ周波数で位相差のある２つのドップラ信号が検出される。離れた２つの光検出器１４ａ，１４ｂが検出したドップラ信号の位相差は粒径に比例するので、この位相差を計測することで粒径を計測することができる。

図２は、位相ドップラ法により計測された、インジェクタから噴霧された粒子の粒径分布の例を模式的に示すグラフである。ここで、横軸は粒径[μｍ]、縦軸は頻度を表す。図２に示すように、計測された粒子の粒径は、２０μｍ以下の領域において多く分布している。

図３は、図２の破線で囲んだ領域Ａを拡大した図である。図３に示すように、粒径が９０μｍから１００μｍ程度の大きな粒径の粒子が存在している。これは、いわゆる“粗大粒子”である。この粗大粒子は、インジェクタから噴霧された微粒子が複数個凝集して形成されたものや、インジェクタの構造的要因から突発的に発生した粗大な粒子が十分に分裂しきれずに残ったものなどである。

次に、本実施の形態にかかるインジェクタの評価方法について説明する。
図４は、本実施の形態にかかるインジェクタの評価方法の流れを示すフローチャートである。図４に示すように、まず、関数生成工程において、インジェクタから噴霧される粒子の粒径を計測し、計測された粒子の粒径分布に所定の分布関数を合わせ込んで近似分布関数を生成する（ステップＳ１）。なお、計測された粒子の粒径分布に所定の分布関数を合わせ込んで近似分布関数を生成する方法については後述する。

ステップＳ１に続いて、粒子切り分け工程において、ステップＳ１で生成された近似分布関数に基づいて、計測された粒子群を粗大粒子と微粒子に切り分けする（ステップＳ２）。計測された粒子群を粗大粒子と微粒子とに切り分けする方法については後述する。

ステップＳ２に続く、ステップＳ３〜ステップＳ５は評価工程である。評価工程では、まず、微粒子に切り分けされた微粒子群の平均粒径を算出する（ステップＳ３）。同様に、粗大粒子に切り分けされた粗大粒子群の平均粒径を算出する（ステップＳ４）。

そして、インジェクタから噴霧された粒子群のうち、微粒子に切り分けされた微粒子群の平均粒径に基づいてインジェクタの噴霧特性の評価を行い、粗大粒子に切り分けされた粗大粒子群の平均粒径に基づいて粗大粒子の発生状況の評価を行う（ステップＳ５）。

次に、計測された粒子の粒径分布に所定の分布関数を合わせ込んで近似分布関数を生成する方法について説明する。
図５は、計測された粒子の粒径分布に近似分布関数をプロットしたグラフである。ここで、横軸は粒径[μｍ]、縦軸は頻度を表す。図５に示すＬ１は、所定の分布関数としての抜山・棚沢の分布関数から生成した近似分布関数である。抜山・棚沢の分布関数は、以下の式で表される。

近似分布関数Ｌ１は、抜山・棚沢の分布関数における実験定数Ａ，Ｂ，α，βを調整して、計測された粒子の粒径分布に抜山・棚沢の分布関数を合わせ込むことで生成する。

次に、計測された粒子群を粗大粒子と微粒子とに切り分けする方法について説明する。
粗大粒子と微粒子との切り分けは、粒子の粒径によって行う。すなわち、切り分け粒径を決定し、切り分け粒径よりも大きい粒径の粒子を粗大粒子とし、切り分け粒径以下の粒径の粒子を微粒子とする。

切り分け粒径は近似分布関数に基づいて決める。具体的には、図５に示すように、関数生成工程で生成された近似分布関数Ｌ１において、所定の分布確率以下となるようなある粒径Φ１を切り分け粒径と定める。ここで、所定の分布確率は、粒子の存在確率が低いある値である。図５の場合、所定の分布確率は１／１３７３９である。また、図５の場合、所定の分布確率１／１３７３９以下となるようなある粒径Φ１を、２５μｍとしている。

上述したように、インジェクタから噴霧された粒子群のうち、微粒子に切り分けされた微粒子群の平均粒径に基づいてインジェクタの噴霧特性の評価する（図４のステップＳ５参照）。微粒子群の平均粒径が設計で意図した値よりも大きい場合、インジェクタの噴霧特性が十分ではないと判定し、微粒子群の平均粒径が設計で意図した値以下である場合、インジェクタの噴霧特性が十分であると判定することができる。インジェクタの噴霧特性が十分ではないと判定した場合、噴霧粒子をより微細化するために、インジェクタのノズル形状や噴霧圧力を変更する。

インジェクタの設計において、噴霧粒子の微粒化と同様に、粗大粒子の発生を抑制することも重要である。なぜならば、粗大粒子が多く発生していると、エンジンにおいて燃料の不完全燃焼を引き起こすなどエンジンの燃焼特性に悪影響を及ぼすおそれがあるためである。

図４のステップＳ４で算出した粗大粒子の平均粒径から、インジェクタから噴霧された粒子における粗大粒子の発生状況を確認することができる。具体的には、粗大粒子の平均粒径が所定の基準値以下である場合、インジェクタから噴霧された粒子において、粗大粒子の発生は無視できるレベルであると判定する。これに対し、粗大粒子の平均粒径が基準値より大きい場合、インジェクタから噴霧された粒子において、粗大粒子がエンジンの燃焼特性に影響を与える程度に多く発生していると判定する。粗大粒子の平均粒径が基準値より大きい場合には、粗大粒子の平均粒径が基準値以下になるよう、インジェクタの噴射弁の開閉機構の構造の見直しや開閉タイミングの調整を行う。

[変形例１]
図４のステップＳ１に示す関数生成工程において、計測された粒子の粒径分布に合わせ込む所定の分布関数は正規分布（ガウス分布）を表す確率分布関数であってもよい。図６は、計測された粒子の粒径分布に正規分布を表す確率分布関数を用いて生成した近似分布関数をプロットしたグラフである。ここで、横軸は粒径[μｍ]、縦軸は頻度を表す。図６に示すＬ２は、所定の分布関数としての正規分布を表す確率分布関数から生成した近似分布関数である。正規分布を表す確率分布関数は、以下の式で表される。

近似分布関数Ｌ２は、正規分布を表す確率分布関数における実験定数σ，ｍを調整して、計測された粒子の粒径分布に正規分布を表す確率分布関数を合わせ込むことで生成する。図６に示す近似分布関数Ｌ２において、近似分布関数Ｌ２の平均値μとすると、μからのずれが３σ以上になるある粒径Φ２を切り分け粒径と定める。すなわち、所定の分布確率０．００２７以下となるようなある粒径Φ２を切り分け粒径と定める。図６の場合、所定の分布確率０．００２７以下となるようなある粒径Φ２を、１６μｍとしている。

以上より、上記実施の形態にかかるインジェクタの評価方法によれば、インジェクタの噴霧特性および粗大粒子の発生状況を適切に評価することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、インジェクタから噴霧された粒子の粒径の計測方法は、位相ドップラ法に限るものではないインジェクタから噴霧された粒子の粒径の計測方法は、例えば光回折法などであってもよい。

１０粒径計測装置
１１レーザ
１２ビームスプリッタ
１３、１５集光レンズ
１４光検出器
１５集光レンズ
１６インジェクタ

Claims

インジェクタから噴霧された粒子の粒径を計測し、計測された粒子の粒径分布に所定の分布関数を合わせ込んで近似分布関数を生成する関数生成工程と、
生成された前記近似分布関数において、所定の分布確率以下となるようなある粒径を切り分け粒径と定め、前記切り分け粒径よりも大きい粒径の粒子を粗大粒子とし、前記切り分け粒径以下の粒径の粒子を微粒子とする、粒子切り分け工程と、
前記インジェクタから噴霧された粒子群のうち、前記微粒子に切り分けされた微粒子群の平均粒径に基づいて前記インジェクタの噴霧特性の評価を行い、前記粗大粒子に切り分けされた粗大粒子群の平均粒径に基づいて前記粗大粒子の発生状況の評価を行う評価工程と、を備えるインジェクタ評価方法。