JP2023046942A - 燃料噴射量評価方法、及び燃料噴射量評価装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液体燃料噴射量と気化燃料噴射量のそれぞれを精度よく評価できる燃料噴射量評価方法、及び燃料噴射量評価装置を提供すること。【解決手段】燃料噴射弁１０が装着された密封容器１１を準備し、密封容器１１の温度と圧力を調節して所定の範囲に保つ容器準備ステップＳ１と、燃料噴射弁１０から密封容器１１の内部にエンジンの１サイクルを模擬して液体燃料と気化燃料を噴射する燃料噴射ステップＳ２と、噴射後、密封容器１１の温度が安定するまで待機し、密封容器１１の温度の安定後温度と、圧力の安定後圧力を計測する計測ステップＳ３と、密封容器１１の内部から気化燃料を放出し液体燃料噴射量を求める液体燃料噴射量取得ステップＳ４と、液体燃料噴射量、安定後温度、及び安定後圧力に基づいて気化燃料噴射量を推定する気化燃料噴射量推定ステップＳ５を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、エンジンへの燃料噴射量を模擬して評価する燃料噴射量評価方法、及び燃料噴射量評価装置に関する。

船舶から排出される温室効果ガスを大幅に削減する手段として、レシプロ機関でアンモニア（ＮＨ_３）を燃料とする研究が注目されている。アンモニアは軽油や重油と比較すると、蒸発潜熱が極めて大きく、自己着火温度が高く、燃焼速度が極めて遅いなど、筒内で対策するべき燃焼上の欠点をもつ。さらに、ＣＯ_２の２６５倍の温室効果をもつＮ_２Ｏの生成を抑制することが最重要課題となっている。
アンモニア等の気化燃料の着火及び燃焼を制御するには、軽油等の液体燃料をサポート（パイロット）燃料として利用することが必須となるため、燃焼試験装置を用いた燃焼実験等においては気化燃料及び液体燃料それぞれの噴射量の評価が重要である。

ここで、特許文献１には、特に内燃機関の噴射システムの噴射量を測定するために、試験流体が噴射システムによって測定チャンバ内に噴射される噴射システムにおいて、測定システムの測定の精度と安定性を高めるために、測定チャンバの体積が噴射期間の間一定に維持され、さらに測定チャンバ内にはガス体積を存在させ、噴射された試験流体の体積は、測定チャンバ内で試験流体の噴射の際に生じた圧力変化から求められ、この噴射された体積の算出は、理想ガスに対する状態方程式を用いて行われる、噴射システムの噴射量を測定するための方法が開示されている。
また、特許文献２には、燃料を充填した密閉容器内の圧力と温度から燃料の体積弾性係数を算出し、密閉容器内へのインジェクションノズルから燃料噴射による密閉容器内の圧力変化を測定し、測定した圧力変化と体積弾性係数より、燃料の噴射量や噴射率を計測し、密閉容器は、燃料を充填する内部空間の形状を球形状とし、インジェクションノズルの先端（噴射口）が内部空間の球形状の周面上に位置するように、インジェクションノズルを密閉容器に固定し、インジェクションノズルから直接、内部空間の中心に向けて燃料を噴射し、当該噴射によって燃料を攪拌し、密閉容器内の燃料の温度を均一化する噴射計測装置が開示されている。
また、特許文献３には、燃料噴射時における圧力容器内の圧力変化ΔＰ_Pと、燃料噴射以前の圧力容器内の圧力変化ΔＰ_Cの比から燃料噴射時の噴射量を計測する計測制御手段を備え、圧力変化ΔＰ_Cは、圧力容器に連通した定容積可変器内のダイアフラムが三方電磁弁のオンにより変位することにより、定容積可変器内の一定容積ΔＶが消滅することにより発生し、噴射量Δｑは、（ΔＰ_P／ΔＰ_C）・ΔＶから求めるように構成する噴射量計測装置が開示されている。
また、特許文献４には、噴射開始点及び噴射終了点を決定するために、それぞれ２つのコンパレータレベルＶｕｈ，Ｖｕｌ及びＶｄｈ，Ｖｄｌを設定し、パイロット噴射の噴射開始点は、噴射率の立ち上がりで噴射率波形がＶｕｈとＶｕｌをよぎった点をｐ１、ｐ２とし、 このｐ１、ｐ２を通る直線と、 ゼロレベルとの交点をパイロット噴射開始点とし、一方、パイロット噴射の終了点は、同様に、噴射率の立ち下がりで、Ｖｄｈ，Ｖｄｌをよぎった点ｐ３、ｐ４を通る直線と、 ゼロレベルとの交点とし、また、メイン噴射の開始点は、ｐ５、ｐ６より、終了点は、ｐ７、ｐ８より同様に求める噴射量計測装置が開示されている。

特表２００４－５１８８６７号公報 特開２０１４－９８３５５号公報 特開平９－２４３４３２号公報 特開２００１－１２３９１７号公報

特許文献１、２は、エンジンへ液体燃料と気化燃料を噴射する場合のそれぞれの燃料噴射量を評価するものではない。また、特許文献３、４は、パイロット噴射量とメイン噴射量を分けて計測するものではあるが、液体燃料と気化燃料を噴射した場合において各燃料噴射量を精度よく計測することは困難である。
そこで本発明は、エンジンへの燃料噴射量を模擬して評価する評価方法において、液体燃料噴射量と気化燃料噴射量のそれぞれを精度よく評価できる燃料噴射量評価方法、及び燃料噴射量評価装置を提供することを目的とする。

請求項１記載に対応した燃料噴射量評価方法においては、エンジンへの燃料噴射量を模擬して評価する評価方法であって、燃料噴射弁が装着された密封容器を準備し、密封容器の温度と圧力を調節して所定の範囲に保つ容器準備ステップと、燃料噴射弁から密封容器の内部にエンジンの１サイクルを模擬して液体燃料と気化燃料を噴射する燃料噴射ステップと、噴射後、密封容器の温度が安定するまで待機し、密封容器の温度の安定後温度と、圧力の安定後圧力を計測する計測ステップと、密封容器の内部から気化燃料を放出し液体燃料噴射量を求める液体燃料噴射量取得ステップと、液体燃料噴射量、安定後温度、及び安定後圧力に基づいて気化燃料噴射量を推定する気化燃料噴射量推定ステップとを有することを特徴とする。
請求項１に記載の本発明によれば、エンジンへの燃料噴射を模擬して、液体燃料噴射量と気化燃料噴射量のそれぞれを精度よく評価することができる。

請求項２記載の本発明は、液体燃料噴射量取得ステップにおいて、密封容器の内部から気化燃料を放出した後に残った液体燃料を採取し、採取量から液体燃料噴射量を求めるとともに、気化燃料噴射量推定ステップにおいて、密封容器の容積を液体燃料噴射量で補正し、補正した補正容積、安定後温度、及び安定後圧力から実気体の状態方程式を用いて気化燃料噴射量を推定することを特徴とする。
請求項２に記載の本発明によれば、液体燃料の採取量から求めた液体燃料噴射量と実気体の状態方程式を用いて、気化燃料噴射量を更に精度よく評価することができる。

請求項３記載の本発明は、液体燃料噴射量取得ステップにおいて、密封容器の内部に液体燃料を充満するまで注入して気化燃料を放出し、液体燃料の注入量と密封容器の容積から液体燃料噴射量を求めるとともに、気化燃料噴射量推定ステップにおいて、放出された気化燃料の体積を計測し、体積を安定後温度と安定後圧力を用いて補正して気化燃料噴射量を推定することを特徴とする。
請求項３に記載の本発明によれば、液体燃料の注入量と密封容器の容積から液体燃料噴射量を求め、放出された気化燃料の体積を補正して気化燃料噴射量を更に精度よく評価することができる。

請求項４記載の本発明は、密封容器の容積は、気化燃料噴射量と、気化燃料の密封容器の内部での気化後の密度に基づいて設定されたものであることを特徴とする。
請求項４に記載の本発明によれば、密封容器の容積を適切に設定することができる。

請求項５記載の本発明は、予め準備した気化燃料の熱物性値としての絶対温度ごとの圧力と密度との関係に基づいて、実気体の状態方程式から導かれる圧力から気化燃料の密度を求め、密度と密封容器の容積とから気化燃料噴射量を推定することを特徴とする。
請求項５に記載の本発明によれば、気化燃料の密度と密封容器の容積とから気化燃料噴射量を更に精度よく評価することができる。

請求項６記載の本発明は、計測ステップまで、準備ステップにおける密封容器の温度を所定の範囲に保つことを特徴とする。
請求項６に記載の本発明によれば、計測ステップまで密封容器内の温度を所定の範囲に保ち、安定した条件下で燃料噴射を行うことができる。

請求項７記載の本発明は、密度の精度を設定し、精度に基づいて安定後温度と安定後圧力の許容精度を求め、許容精度に基づいて温度を計測する温度計測手段と、圧力を計測する圧力計測手段とを選定することを特徴とする。
請求項７に記載の本発明によれば、所望の密度の精度に基づいて、許容精度を実現する温度計測手段と圧力計測手段を選定することができる。

請求項８記載の本発明は、容器準備ステップにおける密封容器の温度の調節は恒温槽により行い、圧力の調節は真空ポンプにより行うことを特徴とする。
請求項８に記載の本発明によれば、密封容器の温度及び圧力を容易に、精度よく所定の範囲に調節することができる。

請求項９記載の本発明は、１サイクルのうちで液体燃料と気化燃料を順次、密封容器内に噴射することを特徴とする。
請求項９に記載の本発明によれば、エンジンへの燃料噴射を模擬し、液体燃料と気化燃料を順次噴射させる場合の液体燃料と気化燃料の燃料噴射量をそれぞれ評価することができる。

請求項１０記載の本発明は、液体燃料として軽油を用い、気化燃料としてアンモニア又はプロパンを用いることを特徴とする。
請求項１０に記載の本発明によれば、液体燃料と気化燃料の組み合わせとして可能性の高い軽油と、アンモニア又はプロパンを燃料として用いる場合のそれぞれの燃料噴射量を評価することができる。

請求項１１記載に対応した燃料噴射量評価装置においては、燃料噴射量評価方法に用いる燃料噴射量評価装置であって、燃料噴射弁が装着された密封容器と、密封容器の温度を調節する温度調節手段と、密封容器の圧力を調節する圧力調節手段と、密封容器の温度を計測する温度計測手段と、密封容器の圧力を計測する圧力計測手段と、密封容器の内部から気化燃料を放出する放出手段と、液体燃料噴射量を求める液体燃料噴射量取得手段と、気化燃料噴射量を推定する気化燃料噴射量推定手段を備えたことを特徴とする。
請求項１１に記載の本発明によれば、エンジンへの燃料噴射を模擬して、液体燃料噴射量と気化燃料噴射量のそれぞれを精度よく評価することができる。

請求項１２記載の本発明は、液体燃料噴射量取得手段は、気化燃料を放出した後に密封容器の内部に残った液体燃料を採取する採取手段と、採取した液体燃料の採取量から液体燃料噴射量を求める計量手段を有し、気化燃料噴射量推定手段は、実気体の状態方程式を用いて気化燃料噴射量を推定することを特徴とする。
請求項１２に記載の本発明によれば、液体燃料の採取量から求めた液体燃料噴射量と、実気体の状態方程式を用いて気化燃料噴射量を更に精度よく評価することができる。

請求項１３記載の本発明は、液体燃料噴射量取得手段は、密封容器の内部に液体燃料を充満するまで注入して気化燃料を放出する液体燃料注入手段と、液体燃料の注入量と密封容器の容積から液体燃料噴射量を求める計量手段を有し、気化燃料噴射量推定手段は、放出された気化燃料の体積を計測する体積計測手段を有し、体積を補正して気化燃料噴射量を推定することを特徴とする。
請求項１３に記載の本発明によれば、液体燃料の注入量と密封容器の容積から液体燃料噴射量を求め、放出された気化燃料の体積を補正して気化燃料噴射量を更に精度よく評価することができる。

請求項１４記載の本発明は、温度調節手段として恒温槽を備え、圧力調節手段として真空ポンプを備えたことを特徴とする。
請求項１４に記載の本発明によれば、密封容器の温度及び圧力を容易に、精度よく所定の範囲に調節することができる。

請求項１５記載の本発明は、燃料噴射弁は、液体燃料と気化燃料の各噴射口が燃料噴射弁の内部に配置されて噴射を行う構成であることを特徴とする。
請求項１５に記載の本発明によれば、液体燃料と気化燃料を密封容器へ定量的に噴射しやすくできる。

本発明の燃料噴射量評価方法によれば、エンジンへの燃料噴射を模擬して、液体燃料噴射量と気化燃料噴射量のそれぞれを精度よく評価することができる。

また、液体燃料噴射量取得ステップにおいて、密封容器の内部から気化燃料を放出した後に残った液体燃料を採取し、採取量から液体燃料噴射量を求めるとともに、気化燃料噴射量推定ステップにおいて、密封容器の容積を液体燃料噴射量で補正し、補正した補正容積、安定後温度、及び安定後圧力から実気体の状態方程式を用いて気化燃料噴射量を推定する場合には、液体燃料の採取量から求めた液体燃料噴射量と実気体の状態方程式を用いて、気化燃料噴射量を更に精度よく評価することができる。

また、液体燃料噴射量取得ステップにおいて、密封容器の内部に液体燃料を充満するまで注入して気化燃料を放出し、液体燃料の注入量と密封容器の容積から液体燃料噴射量を求めるとともに、気化燃料噴射量推定ステップにおいて、放出された気化燃料の体積を計測し、体積を安定後温度と安定後圧力を用いて補正して気化燃料噴射量を推定する場合には、液体燃料の注入量と密封容器の容積から液体燃料噴射量を求め、放出された気化燃料の体積を補正して気化燃料噴射量を更に精度よく評価することができる。

また、密封容器の容積は、気化燃料噴射量と、気化燃料の密封容器の内部での気化後の密度に基づいて設定されたものである場合には、密封容器の容積を適切に設定することができる。

また、予め準備した気化燃料の熱物性値としての絶対温度ごとの圧力と密度との関係に基づいて、実気体の状態方程式から導かれる圧力から気化燃料の密度を求め、密度と密封容器の容積とから気化燃料噴射量を推定する場合には、気化燃料の密度と密封容器の容積とから気化燃料噴射量を更に精度よく評価することができる。

また、計測ステップまで、準備ステップにおける密封容器の温度を所定の範囲に保つ場合には、計測ステップまで密封容器内の温度を所定の範囲に保ち、安定した条件下で燃料噴射を行うことができる。

また、密度の精度を設定し、精度に基づいて安定後温度と安定後圧力の許容精度を求め、許容精度に基づいて温度を計測する温度計測手段と、圧力を計測する圧力計測手段とを選定する場合には、所望のの精度に基づいて、許容精度を実現する温度計測手段と圧力計測手段を選定することができる。

また、容器準備ステップにおける密封容器の温度の調節は恒温槽により行い、圧力の調節は真空ポンプにより行う場合には、密封容器の温度及び圧力を容易に、精度よく所定の範囲に調節することができる。

また、１サイクルのうちで液体燃料と気化燃料を順次、密封容器内に噴射する場合には、エンジンへの燃料噴射を模擬し、液体燃料と気化燃料を順次噴射させる場合の液体燃料と気化燃料の燃料噴射量をそれぞれ評価することができる。

また、液体燃料として軽油を用い、気化燃料としてアンモニア又はプロパンを用いる場合には、液体燃料と気化燃料の組み合わせとして可能性の高い軽油と、アンモニア又はプロパンを燃料として用いる場合のそれぞれの燃料噴射量を評価することができる。

また、本発明の燃料噴射量評価装置によれば、エンジンへの燃料噴射を模擬して、液体燃料噴射量と気化燃料噴射量のそれぞれを精度よく評価することができる。

また、液体燃料噴射量取得手段は、気化燃料を放出した後に密封容器の内部に残った液体燃料を採取する採取手段と、採取した液体燃料の採取量から液体燃料噴射量を求める計量手段を有し、気化燃料噴射量推定手段は、実気体の状態方程式を用いて気化燃料噴射量を推定する場合には、液体燃料の採取量から液体燃料噴射量と、実気体の状態方程式を用いて気化燃料噴射量を更に精度よく評価することができる。

また、液体燃料噴射量取得手段は、密封容器の内部に液体燃料を充満するまで注入して気化燃料を放出する液体燃料注入手段と、液体燃料の注入量と密封容器の容積から液体燃料噴射量を求める計量手段を有し、気化燃料噴射量推定手段は、放出された気化燃料の体積を計測する体積計測手段を有し、体積を補正して気化燃料噴射量を推定する場合には、液体燃料の注入量と密封容器の容積から液体燃料噴射量と、放出された気化燃料の体積を補正して気化燃料噴射量を更に精度よく評価することができる。

また、温度調節手段として恒温槽を備え、圧力調節手段として真空ポンプを備えた場合には、密封容器の温度及び圧力を容易に、精度よく所定の範囲に調節することができる。

また、燃料噴射弁は、液体燃料と気化燃料の各噴射口が燃料噴射弁の内部に配置されて噴射を行う構成である場合には、液体燃料と気化燃料を密封容器へ定量的に噴射しやすくできる。

本発明の実施形態による燃料噴射量評価方法のフロー図 同燃料噴射量評価装置の構成図 同燃料噴射弁の周辺を示す図 同アンモニアの噴射体積と容器内アンモニア密度との関係を示す図 同容器容積の計測例を示す図 同液体アンモニアの絶対温度ごとの圧力／密度の関係を示す図 同３３０Ｋにおける圧力と液体アンモニアの噴射体積との関係を示す図 同圧力計測手段の要求精度と液体アンモニアの噴射体積との関係を示す図 同温度計測手段の要求精度と液体アンモニアの噴射体積との関係を示す図

本発明の実施形態による燃料噴射量評価方法、及び燃料噴射量評価装置について説明する。
図１は本実施形態による燃料噴射量評価方法のフロー図、図２は燃料噴射量評価装置の構成図、図３は燃料噴射弁の周辺を示す図であり、図３（ａ）は密封容器に取付けた燃料噴射弁の斜視図、図３（ｂ）は燃料噴射弁の下方を示す斜視図、図３（ｃ）は密封容器及び温度調節手段を中心とした断面図である。
燃料噴射量評価方法は、エンジンへの燃料噴射弁１０からの噴射を模擬して燃料噴射量を評価する。
燃料噴射量評価装置は燃料噴射量評価方法の実施に用いられる。図２に示すように、燃料噴射量評価装置は、燃料噴射弁１０が装着された密封容器１１と、密封容器１１の温度を調節する温度調節手段１２と、排気ラインに設けられた真空ポンプ１３と、密封容器１１の温度を計測する温度計測手段１４と、密封容器１１の圧力を計測する圧力計測手段１５と、液体燃料噴射量を求める液体燃料噴射量取得手段１６と、気化燃料噴射量を推定する気化燃料噴射量推定手段１７と、温度調節手段１２の水温を測定する水温度センサ１８と、液体燃料を貯蔵する液体燃料貯蔵設備１９と、気化燃料を貯蔵する気化燃料貯蔵設備２０と、液体燃料と気化燃料を噴射する噴射装置２１と、圧力計測手段１５の校正に用いる校正用高精度圧力計２２と、パージ用又は校正時圧力用のガスを供給するパージ用ガス源及び校正時圧力源２３と、密封容器１１から排出された蒸気状の液体燃料を捕捉する液体燃料蒸気トラップ２４と、屋外へ排出される排気の浄化処理等を行う排気処理装置２５を備える。
真空ポンプ１３は、密封容器１１の圧力を調節する圧力調節手段として用いる他、密封容器１１の内部から気化燃料を放出する放出手段としても使用する。
液体燃料噴射量取得手段１６は、密封容器１１から気化燃料を放出した後に密封容器１１の内部に残った液体燃料を採取する採取手段１６Ａと、密封容器１１の内部に液体燃料を充満するまで注入して気化燃料を放出する液体燃料注入手段１６Ｂと、計量手段１６Ｃを有する。計量手段１６Ｃは、採取手段１６Ａが採取した液体燃料の採取量から液体燃料噴射量を求めることができ、また、液体燃料注入手段１６Ｂによる液体燃料の注入量と密封容器１１の容積から液体燃料噴射量を求めることができる。
気化燃料噴射量推定手段１７は、放出された気化燃料の体積を計測する体積計測手段１７Ａを有する。
なお、燃料噴射弁１０へは、液体燃料貯蔵設備１９から供給される液体燃料と、気化燃料貯蔵設備２０から供給される気化燃料を予め他の調節手段により混合化して供給してもよいし、燃料噴射弁１０の中で調節して供給してもよい。また、気化燃料は気化されて供給されてもよいし、液状で供給されたものが密封容器１１に噴射されたのちに気化するものであってもよい。さらに、燃料噴射弁１０として液体燃料と、気化燃料を別々に噴射する形式のものであってもよい。

図３に示すように、密封容器１１の内部上面には、燃料噴射弁１０の噴霧チップ１０Ａ、入口配管２８、出口配管２９が配置される。燃料噴射弁１０は、液体燃料と気化燃料の各噴射口が燃料噴射弁１０の内部に配置されて噴射を行う構成である。これにより、液体燃料と気化燃料を密封容器１１へ定量的に噴射しやすくできる。なお、噴霧チップ１０Ａの先端には直径約０．７ｍｍの穴が一つあいており、この穴が液体燃料の噴射口と気化燃料の噴射口を兼ねている。
本実施形態では、温度調節手段１２として恒温槽を用いている。恒温槽は、温水槽１２Ａ内に貯留されている液体の温度を一定に保つように制御する恒温水槽である。図３（ｃ）中の矢印は恒温槽における循環水の流れを示している。

密封容器１１の容積は、気化燃料噴射量と、気化燃料の密封容器１１の内部での気化後の密度に基づいて設定する。これにより、密封容器１１の容積を適切に設定することができる。
気化燃料として用いるアンモニアについて、噴射体積と密封容器１１の容器内密度を下表１に示す。また、図４はアンモニアの噴射体積と容器内アンモニア密度との関係を示す図である。
表１及び図４に示すように、アンモニアを最大５ｍＬ噴射すると、容器内アンモニア密度は最大６．５３ｋｇ／ｍ^３になるため、密封容器１１の容積を０．５Ｌに設定する。

図５は容器容積の計測例を示す図である。
容器容積（容器内容積）の計測実施手順は以下の通りである。
１）密封容器１１の内部を清掃し、エアガンで水気を完全に飛ばす。
２）水タンク３０との接続チューブ３１内に水を充填する。サイホンの原理でバルブ直前までの管路を完全に水に置換する。バルブを閉じた後に密封容器１１側の水をエアガンで飛ばしてから、接続チューブ３１を密封容器１１に接続する。
３）真空引き側バルブを開き、圧力計測手段１５で圧力を確認しながら真空ポンプ１３で真空引きする。
４）電子天秤３２のゼロ調整を実施する。
５）真空引き側バルブを閉じると同時に、水充填側バルブを全開にする。
６）安定した後に電子天秤３２に表示された重量を記録する。
この手順で実施した６回分の計測結果を用いて求めた容器容積を下表２に示す。

燃料噴射量評価方法は、図１に示すように、まず、燃料噴射弁１０が装着された密封容器１１を準備し、密封容器１１の温度と圧力を調節して所定の範囲に保つ（Ｓ１：容器準備ステップ）。
密封容器１１内の温度の調節は温度調節手段１２（恒温槽）によって行い、密封容器１１を温水槽１２Ａ内の液体に沈めておくことで温度を安定化させ所定の温度範囲に保つ。所定の温度範囲は、例えば５７℃±０．５℃である。密封容器１１内の温度は温度計測手段１４で計測される。
密封容器１１内の圧力の調節は、密封容器１１に接続されている真空ポンプ１３を圧力調節手段として用い、真空ポンプ１３により密封容器１１を真空引きすることによって行う。密封容器１１内の圧力は圧力計測手段１５で計測される。
このように、容器準備ステップＳ１において、密封容器１１の温度の調節は温度調節手段１２としての恒温槽により行い、圧力の調節は圧力調節手段としての真空ポンプ１３により行うことで、密封容器１１の温度及び圧力を容易に、精度よく所定の範囲に調節することができる。
なお、容器準備ステップＳ１を開始する前に、空の密封容器１１の重量を電子天秤３２で±０．０１ｇの精度で測定しておく。電子天秤３２としては、例えば島津製作所製の電子天びんＵＸシリーズ（型番UX6200H）を用いる。

容器準備ステップＳ１の後、燃料噴射弁１０から密封容器１１の内部にエンジンの１サイクルを模擬して液体燃料と気化燃料を噴射する（Ｓ２：燃料噴射ステップ）。噴射圧力は、例えば９０ＭＰａとする。
燃料噴射ステップＳ２においては、燃料噴射を３サイクル繰り返す。なお、噴射のみで燃焼はさせない。
燃料噴射は、燃料噴射弁１０の前段に設置されている噴射装置２１を用いて、液体燃料と気化燃料を所定順に噴射する層状化噴射と、液体燃料と気化燃料を事前に混合して噴射する混合化噴射を、択一的に選択して行うことができる。
層状化噴射の場合は、１サイクルのうちで液体燃料と気化燃料を順次、燃料噴射弁１０から密封容器１１内に噴射することにより、エンジンへの燃料噴射を模擬し、液体燃料と気化燃料を順次噴射させる場合の液体燃料と気化燃料の燃料噴射量をそれぞれ評価することができる。層状化噴射では、例えば、同一の燃料噴射弁１０からの液体燃料噴射→気化燃料噴射→液体燃料噴射を１サイクルとする。
また、混合化噴射の場合は、液体燃料と気化燃料を噴射前に混合して燃料噴射弁１０から密封容器１１内に噴射することにより、混合して噴射した液体燃料と気化燃料のそれぞれの燃料噴射量を評価することができる。

燃料噴射ステップＳ２で噴射する気化燃料とは、燃料噴射弁１０から液体でエンジンに噴射された直後に気化する燃料であり、例としてはアンモニアやプロパン等が挙げられる。
液体燃料（サポート燃料）として軽油を用い、気化燃料としてアンモニア又はプロパンを用いる場合は、液体燃料と気化燃料の組み合わせとして可能性の高い軽油と、アンモニア又はプロパンを燃料として用いる場合のそれぞれの燃料噴射量を評価することができる。

燃料噴射ステップＳ２における噴射後、密封容器１１の温度が安定し、噴射された気化燃料が蒸発するまで待機した後、密封容器１１内の温度の安定後温度を温度計測手段１４で計測し、圧力の安定後圧力を圧力計測手段１５で計測する（Ｓ３：計測ステップ）。
計測ステップＳ３を開始するまでは、準備ステップにおける密封容器１１の温度を所定の範囲に保っている。これにより、計測ステップＳ３の開始前まで密封容器１１内の温度を所定の範囲に保ち、安定した条件下で燃料噴射を行うことができる。なお、実際は燃料噴射ステップＳ２で燃料を噴射した後、密封容器１１の温度は、気化燃料の蒸発に伴い一旦下がるが、温度調節手段１２としての恒温槽が密封容器１１の温度を所定の範囲に保とうとするため、やがて所定の範囲に戻る。密封容器１１の温度を調節して所定の範囲に保つとは、このような一時的な温度変化を許容するものである。また、安定後温度と、安定後圧力の計測中も密封容器１１の温度を調節して所定の範囲に保ってもよい。

計測ステップＳ３の後、放出手段を用いて密封容器１１の内部から気化燃料を放出し、液体燃料噴射量を求める（Ｓ４：液体燃料噴射量取得ステップ）。そして、液体燃料噴射量、安定後温度、及び安定後圧力に基づいて気化燃料噴射量を推定する（Ｓ５：気化燃料噴射量推定ステップ）。
これにより、エンジンへの燃料噴射を模擬して、液体燃料噴射量と気化燃料噴射量のそれぞれを評価することができる。
ここで、液体燃料噴射量及び気化燃料噴射量の評価方法の例として、以下に二つの方法を説明する。

［第一の評価方法］
液体燃料噴射量取得ステップＳ４においては、放出手段として真空ポンプ１３を使用し、真空ポンプ１３で密封容器１１を真空引きすることによって密封容器１１から気化燃料を放出する。
密封容器１１の内部から気化燃料を放出し空気と置換した後、密封容器１１の締結手段（図示無し）を緩めて分解及び開放し、密封容器１１内に残った液体燃料をカップ等の採取手段１６Ａを用いて採取し、計量手段１６Ｃで採取量を測定し、採取量から液体燃料噴射量を求める。なお、本実施形態では上述のように空の密封容器１１の重量を事前に測定しているため、液体燃料噴射量取得ステップＳ４において密封容器１１の重量を電子天秤３２で再度測定し、空の状態からの増加重量をもとにすることで、液体燃料を採取したのと同様に液体燃料噴射量取得手段１６を用いて液体燃料噴射量を求めることができる。
液体燃料噴射量取得ステップＳ４において、気化燃料を放出するための真空引きの際に、密封容器１１内に蒸気として少量存在する液体燃料が密封容器１１外に流出する場合があるが、その場合は流出量を補正して液体燃料噴射量を求めることで、精度よく燃料噴射量を評価することができる。本実施形態では、密封容器１１と真空ポンプ１３との間に液体燃料蒸気トラップ２４を設けており、液体燃料蒸気トラップ２４で捕捉した液体燃料量に基づいて流出量を求めることができる。例えば、液体燃料蒸気トラップ２４に装着するフィルタの重量を装着前に計測しておき、気化燃料の放出後に当該フィルタの重量を再度計測し、差分から流出を評価する。なお、液体燃料蒸気トラップ２４は冷却構造を有することが好ましい。冷却構造を有する場合は、蒸気となって流出した液体燃料を冷却構造によって液体に戻すことができるため、流出量の測定効率を向上させることができる。
また、気化燃料噴射量推定ステップＳ５においては、気化燃料噴射量推定手段１７が、密封容器１１の容積を液体燃料噴射量で補正し、補正した補正容積、安定後温度、及び安定後圧力から実気体の状態方程式を用いて気化燃料噴射量を推定する。
このように第一の評価方法においては、液体燃料噴射量取得ステップＳ４において、密封容器１１の内部から気化燃料を放出した後に残った液体燃料を採取し、採取量から液体燃料噴射量を求めるとともに、気化燃料噴射量推定ステップＳ５において、密封容器１１の容積を液体燃料噴射量で補正し、補正した補正容積、安定後温度、及び安定後圧力から実気体の状態方程式を用いて気化燃料噴射量を推定することで、液体燃料の採取量から求めた液体燃料噴射量と実気体の状態方程式を用いて、気化燃料噴射量を精度よく評価することができる。

また、気化燃料噴射量推定ステップＳ５においては、予め準備した気化燃料の熱物性値としての絶対温度ごとの圧力と密度との関係に基づいて、気化燃料噴射量推定手段１７が、実気体の状態方程式から導かれる圧力から気化燃料の密度を求め、密度と密封容器１１の容積とから気化燃料噴射量を推定することが好ましい。これにより、気化燃料の密度と密封容器１１の容積とから気化燃料噴射量を更に精度よく評価することができる。
絶対温度ごとの圧力と密度との関係は、例えば、アメリカ国立標準技術研究所（ＮＩＳＴ）によって開発された熱物性値計算ソフトＲＥＦＰＲＯＰを使用して、温度と圧力から気化燃料の密度を計算することで得ることができる。この例として、図６は液体アンモニアの絶対温度ごとの圧力／密度の関係を示す図である。

図７は３３０Ｋ（≒５７℃）における圧力と液体アンモニアの噴射体積との関係を示す図、図８は圧力計測手段の要求精度と液体アンモニアの噴射体積との関係を示す図、図９は温度計測手段の要求精度と液体アンモニアの噴射体積との関係を示す図である。
例えば密度推定精度＋１％など、所望の密度推定精度を実現するためには、圧力計測手段１５と温度計測手段１４の要求精度を適切に設定する必要がある。
図７に示すように、密封容器１１内の想定される温度が３３０Ｋの場合、想定される密度における液体アンモニアの圧力は最大１ＭＰａとなる。よって、この場合の圧力計測手段１５は１ＭＰａレンジを選択する。
また、気化燃料が液体アンモニアであり圧力計測手段１５として１ＭＰａレンジの圧力センサを用いる場合は、圧力センサの精度は±０．２％が必要である。このため、例えば、先端ダイアフラム型の圧力変換器（圧力センサ）を、校正用高精度圧力計２２で密封容器１１への設置状態、使用温度条件で検定して高精度で使用する。圧力計測手段１５（圧力センサ）としては例えば共和電業製のＰＭＧ－１０ＫＥ型圧力センサを用い、校正用高精度圧力計２２としては例えばＭｅｎｓｏｒ製のＣＰＴ６０２０型圧力センサを用いる。
また、気化燃料が液体アンモニアの場合、温度計測手段１４として用いる温度センサの精度は±２．５Ｋが必要である。このため、例えば、感温部が２０ｍｍ、精度が±０．３５ＫであるＡ級４線式白金測温抵抗体を使用する。
このように、密度の精度を設定し、精度に基づいて安定後温度と安定後圧力の許容精度を求め、許容精度に基づいて温度を計測する温度計測手段１４と、圧力を計測する圧力計測手段１５とを選定することにより、所望の密度の精度に基づいて、許容精度を実現する温度計測手段１４と圧力計測手段１５を選定することができる。

［第二の評価方法］
第二の評価方法では、放出手段として、密封容器１１の内部に液体燃料を注入して気化燃料を放出する液体燃料注入手段１６Ｂを使用する。
液体燃料噴射量取得ステップＳ４においては、液体燃料注入手段１６Ｂを用いて密封容器１１の内部に液体燃料を充満するまで注入して気化燃料を放出し、計量手段１６Ｃを用いて液体燃料の注入量と密封容器１１の容積から液体燃料噴射量を求める。
なお、注入量を定めて液体燃料注入手段から液体燃料を密封容器１１に供給し、密封容器１１から溢れた液体燃料の体積を液柱高さなどで計測することで液体燃料噴射量を求めてもよい。
また、気化燃料噴射量推定ステップＳ５においては、液体燃料注入手段の使用により放出された気化燃料の体積を体積計測手段１７Ａにより計測し、気化燃料噴射量推定手段１７が、体積を安定後温度と安定後圧力を用いて補正して気化燃料噴射量を推定する。気化燃料の体積は、例えば、液体燃料を密封容器１１に供給して容器内を満たしながら、密封容器１１の上部から排出された気化ガス体積を油上置換法によって体積計測手段１９で計測することで、直接計測することも可能である。
このように第二の評価方法においては、液体燃料噴射量取得ステップＳ４において、密封容器１１の内部に液体燃料を充満するまで注入して気化燃料を放出し、液体燃料の注入量と密封容器１１の容積から液体燃料噴射量を求めるとともに、放出された気化燃料の体積を計測し、体積を安定後温度と安定後圧力を用いて補正して気化燃料噴射量を推定することで、液体燃料の注入量と密封容器１１の容積から液体燃料噴射量を求め、放出された気化燃料の体積を補正して気化燃料噴射量を精度よく評価することができる。

本発明を適用することで、アンモニアやプロパンガス等の気化燃料をレシプロ機関の燃料として用いる研究等における燃料噴射試験の精度を向上することができる。

１０ 燃料噴射弁
１１ 密封容器
１２ 温度調節手段
１３ 真空ポンプ（圧力調節手段、放出手段）
１４ 温度計測手段
１５ 圧力計測手段
１６ 液体燃料噴射量取得手段
１６Ａ 採取手段
１６Ｂ 液体燃料注入手段
１６Ｃ 計量手段
１７ 気化燃料噴射量推定手段
１７Ａ 体積計測手段
Ｓ１ 容器準備ステップ
Ｓ２ 燃料噴射ステップ
Ｓ３ 計測ステップ
Ｓ４ 液体燃料噴射量取得ステップ
Ｓ５ 気化燃料噴射量推定ステップ

Claims (15)

1. エンジンへの燃料噴射量を模擬して評価する評価方法であって、
   燃料噴射弁が装着された密封容器を準備し、前記密封容器の温度と圧力を調節して所定の範囲に保つ容器準備ステップと、
   前記燃料噴射弁から前記密封容器の内部に前記エンジンの１サイクルを模擬して液体燃料と気化燃料を噴射する燃料噴射ステップと、
   噴射後、前記密封容器の前記温度が安定するまで待機し、前記密封容器の前記温度の安定後温度と、前記圧力の安定後圧力を計測する計測ステップと、
   前記密封容器の内部から前記気化燃料を放出し液体燃料噴射量を求める液体燃料噴射量取得ステップと、
   前記液体燃料噴射量、前記安定後温度、及び前記安定後圧力に基づいて気化燃料噴射量を推定する気化燃料噴射量推定ステップとを有することを特徴とする燃料噴射量評価方法。
2. 前記液体燃料噴射量取得ステップにおいて、前記密封容器の内部から前記気化燃料を放出した後に残った前記液体燃料を採取し、採取量から前記液体燃料噴射量を求めるとともに、前記気化燃料噴射量推定ステップにおいて、前記密封容器の容積を前記液体燃料噴射量で補正し、補正した補正容積、前記安定後温度、及び前記安定後圧力から実気体の状態方程式を用いて前記気化燃料噴射量を推定することを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射量評価方法。
3. 前記液体燃料噴射量取得ステップにおいて、前記密封容器の内部に前記液体燃料を充満するまで注入して前記気化燃料を放出し、前記液体燃料の注入量と前記密封容器の容積から前記液体燃料噴射量を求めるとともに、前記気化燃料噴射量推定ステップにおいて、放出された前記気化燃料の体積を計測し、前記体積を前記安定後温度と前記安定後圧力を用いて補正して前記気化燃料噴射量を推定することを特徴とする請求項１に記載の燃料噴射量評価方法。
4. 前記密封容器の前記容積は、前記気化燃料噴射量と、前記気化燃料の前記密封容器の内部での気化後の密度に基づいて設定されたものであることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の燃料噴射量評価方法。
5. 予め準備した前記気化燃料の熱物性値としての絶対温度ごとの圧力と密度との関係に基づいて、前記実気体の状態方程式から導かれる前記圧力から前記気化燃料の前記密度を求め、前記密度と前記密封容器の前記容積とから前記気化燃料噴射量を推定することを特徴とする請求項２に記載の燃料噴射量評価方法。
6. 前記計測ステップまで、前記準備ステップにおける前記密封容器の前記温度を前記所定の範囲に保つことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の燃料噴射量評価方法。
7. 前記密度の精度を設定し、前記精度に基づいて前記安定後温度と前記安定後圧力の許容精度を求め、前記許容精度に基づいて前記温度を計測する温度計測手段と、前記圧力を計測する圧力計測手段とを選定することを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の燃料噴射量評価方法。
8. 前記容器準備ステップにおける前記密封容器の前記温度の調節は恒温槽により行い、前記圧力の調節は真空ポンプにより行うことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の燃料噴射量評価方法。
9. 前記１サイクルのうちで前記液体燃料と前記気化燃料を順次、前記密封容器内に噴射することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の燃料噴射量評価方法。
10. 前記液体燃料として軽油を用い、前記気化燃料としてアンモニア又はプロパンを用いることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の燃料噴射量評価方法。
11. 請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の燃料噴射量評価方法に用いる燃料噴射量評価装置であって、
    前記燃料噴射弁が装着された前記密封容器と、前記密封容器の前記温度を調節する温度調節手段と、前記密封容器の前記圧力を調節する圧力調節手段と、前記密封容器の前記温度を計測する温度計測手段と、前記密封容器の前記圧力を計測する圧力計測手段と、前記密封容器の内部から前記気化燃料を放出する放出手段と、液体燃料噴射量を求める液体燃料噴射量取得手段と、気化燃料噴射量を推定する気化燃料噴射量推定手段を備えたことを特徴とする燃料噴射量評価装置。
12. 前記液体燃料噴射量取得手段は、前記気化燃料を放出した後に前記密封容器の内部に残った前記液体燃料を採取する採取手段と、採取した前記液体燃料の採取量から前記液体燃料噴射量を求める計量手段を有し、前記気化燃料噴射量推定手段は、実気体の状態方程式を用いて前記気化燃料噴射量を推定することを特徴とする請求項１１に記載の燃料噴射量評価装置。
13. 前記液体燃料噴射量取得手段は、前記密封容器の内部に前記液体燃料を充満するまで注入して前記気化燃料を放出する液体燃料注入手段と、前記液体燃料の注入量と前記密封容器の容積から前記液体燃料噴射量を求める計量手段を有し、前記気化燃料噴射量推定手段は、放出された前記気化燃料の体積を計測する体積計測手段を有し、前記体積を補正して前記気化燃料噴射量を推定することを特徴とする請求項１１に記載の燃料噴射量評価装置。
14. 前記温度調節手段として前記恒温槽を備え、前記圧力調節手段として前記真空ポンプを備えたことを特徴とする請求項８に記載の燃料噴射量評価方法に用いる請求項１１から請求項１３のいずれか１項に記載の燃料噴射量評価装置。
15. 前記燃料噴射弁は、前記液体燃料と前記気化燃料の各噴射口が前記燃料噴射弁の内部に配置されて噴射を行う構成であることを特徴とする請求項９に記載の燃料噴射量評価方法に用いる請求項１１から請求項１４のいずれか１項に記載の燃料噴射量評価装置。

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