JP4883047B2

JP4883047B2 - 気体燃料噴射装置

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Publication number: JP4883047B2
Application number: JP2008133945A
Authority: JP
Inventors: 誠増田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2008-05-22
Filing date: 2008-05-22
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2028-05-22
Also published as: JP2009281274A

Description

本発明は、内燃機関内に高圧の気体燃料を噴射する気体燃料噴射装置に関する。

エネルギーマネージメントの観点から、次世代の自動車用内燃機関の開発においては、従来の液体化石燃料に代わる燃料として、天然ガス（ＬＮＧ、ＣＮＧ）、液化石油ガス（ＬＰＧ）、水素ガス、といった気体燃料を用いる気体燃料機関の開発が求められている。

しかし、気体燃料はそのエネルギ密度の低さから短期間に必要量の燃料を噴射することができず、出力不足を起こす虞がある。さらに、気体燃料と燃焼室内の圧縮空気との混合が困難であり、混合の促進による自着火の制御が課題となっている。このため、出力不足の改善、及び、混合の促進を目的として、種々の技術が検討されている。

例えば、特許文献１には、高圧気体燃料をノズル先端に設けた噴孔から機関燃焼室内に噴射するインジェクタであって、上記噴孔へ高圧気体燃料を供給する高圧気体燃料供給通路と、噴孔を開閉するニードルの駆動を制御する電気式駆動部とを備え、さらに、ノズル内の高圧気体燃料供給通路に、噴孔側から上流側へ向かう方向に上記高圧気体燃料供給通路の断面積を急拡大させる容積拡大部を設けて、噴孔に近いノズル内の高圧気体燃料供給通路に、所定容積を有する容積拡大部を設けたので、噴射初期に噴孔へ大量の高圧気体燃料を供給することを可能にし、さらに、噴射の際に発生した圧力波を利用して、短時間に大量の気体燃料を高圧で機関燃焼室に噴射可能とし、空気との混合を促進して、高出力化と未燃気体燃料の排出防止とを同時に実現可能な気体燃料噴射インジェクタが開示されている。

また、出力不足の改善を図るべく、気体燃料をノズル先端に設けた噴孔から機関燃焼室内に極めて高圧で噴射する必要があるが、高圧噴射された気体では以下のような現象が起こることが知られている。
非特許文献１等には、気体噴流に関する解析が示されている。図１１に示すように、単噴孔ノズルＩ_Ｓから噴射圧力Ｐ_ＩＮＪの高圧気体が雰囲気圧力Ｐ_ＡＭＢの低圧雰囲気内に噴射され、噴射圧力Ｐ_ＩＮＪと雰囲気圧力Ｐ_ＡＭＢとの圧力比Ｐ_ＩＮＪ／Ｐ_ＡＭＢが4倍以上の場合、噴孔出口近傍では、噴孔から噴射された気体が雰囲気圧力Ｐ_ＡＭＢまで完全に膨張できず、不足膨張噴流となる。このような不足膨張噴流では、外側に向かって膨張する膨張波ＥｘＷが生じ、この時の流速は超音速（Ｍ＞１）となり、噴流と雰囲気気体との境界面ＪＢにおいて圧縮波ＣｍＷとして反射され、再び噴流境界面ＪＢにおいて反射し膨張波ＥｘＷとなり、再び圧縮波ＣｍＷと膨張波ＥｘＷとが繰り返し発生する。特に、圧力比Ｐ_ＩＮＪ／Ｐ_ＡＭＢが大きい時には、噴流ＦＪの中心軸上で衝撃は正常交差できなくなり、膨張波ＥｘＷと圧縮波ＣｍＷと反射波ＲＳとの合体と干渉によって樽型衝撃波ＢＳを形成し、噴射方向に直交する円盤状のマッハディスクＭＤが形成され、マッハディスクＭＤを境に、超音速（Ｍ＞１）の膨張波域と亜音速（Ｍ＜１）の圧縮波域とが形成されていることが知られている（非特許文献１等）。
特開２００６−１４４７４号公報日本機会学会論文集（Ｂ編）７２巻７２１号（２００６／９）Ｎｏ.０６−０１６０不足膨張音速噴流の近距離場構造に及ばすノズル形状の影響乙部由美子他

このため、従来の燃料噴射弁を用いて高圧の気体燃料を噴射した場合、樽型衝撃波ＢＳ内に気体燃料が閉じこめられ、気体燃料と燃焼室内の圧縮空気とは、噴流境界ＪＢ近傍で僅かに混じり合うものの、樽型衝撃波ＢＳ内では気体燃料と燃焼室内の圧縮空気とはほとんど混じり合うことがない。また、徐々に噴流の速度が失われ、マッハディスク形成領域Ｌｍ（ｍａｘ）の外では、噴流の速度は小さくなり、その運動エネルギも極めて小さいので、空気と混じり合うのに時間を要する虞がある。

そこで、本発明は、高圧の気体燃料を機関燃焼室内に噴射する気体燃料噴射装置において、気体燃料と圧縮空気との混合の促進を可能とする気体燃料噴射装置を提供することを目的とするものである。

請求項１の発明では、少なくとも第１の噴孔と第２の噴孔とからなる２以上の噴孔を設けた燃料噴射弁を具備し、該燃料噴射弁内に導入した高圧の気体燃料を、上記噴孔から内燃機関の燃焼室内への噴射を行う気体燃料噴射装置であって、上記気体燃料の噴射圧力をＰ_ＩＮＪとし、上記燃焼室内の雰囲気圧力をＰ_ＡＭＢとしたとき、下記式１の関係を満たす条件下で上記気体燃料を噴射する気体燃料噴射装置において、上記第１の噴孔の開口端面から上記第１の噴孔の中心軸と上記第２の噴孔の中心軸との交点Ｐまでの距離を交点距離Ｌ_Ｐとし、上記噴孔から噴射した気体噴流にマッハディスクが形成されるマッハディスク生成領域をＬｍ（ｍａｘ）としたとき、下記式２の関係を満たすべく、上記第１の噴孔の中心軸と上記噴射弁の中心軸とのなす第１の噴射角度θ_１と上記第２の噴孔の中心軸と上記噴射弁の中心軸とのなす第２の噴射角度θ_２とを設定する。
Ｐ_ＩＮＪ／Ｐ_ＡＭＢ≧４・・・式１
Ｌ_Ｐ＜Ｌｍ（ｍａｘ）・・・式２

請求項１の発明によれば、噴孔の出口近傍で複数の噴流が衝突し、樽型衝撃波の衝突により、ショックセル構造が破壊され、噴流が大きく乱れるので、気体燃料の運動エネルギが大きい状態で圧縮空気との混合が可能となり、気体燃料と空気との混合が促進される。したがって、気体燃料と圧縮空気との速やかな混合によって、燃焼排気中への未燃気体燃料の排出を抑制させることが可能な燃料噴射装置が実現できる。

具体的には、請求項２の発明のように、上記交点距離Ｌ_Ｐを６ｍｍ以下の範囲に設定する。また、請求項３の発明ように、上記交点距離Ｌ_Ｐを０．０１ｍｍ以上の範囲に設定する。請求項２及び３の発明の範囲で複数の噴流を交差させれば、運動エネルギの高い状態で気体燃料噴流が衝突し、大きな乱れを生じることができることが判明した。

より具体的には請求項４の発明のように上記式２の関係を満たすべく、上記第１の噴孔の中心軸と上記噴射弁の中心軸とのなす第１の噴射角度θ_１と上記第２の噴孔の中心軸と上記噴射弁の中心軸とのなす第２の噴射角度θ_２とをθ_１＞θ_２となるように設定するのが望ましい。

さらに、請求項５の発明のように、上記複数の噴孔間の距離Ｄｐは、６ｍｍ以下に設定するのが望ましい。

請求項６の発明のように、上記噴孔の開口径Ｄｅは、０．０１ｍｍ以上に穿設するのが望ましい。

本発明の第１の実施形態における気体燃料噴射装置について図を参照して説明する。図１は、本発明の気体燃料噴射装置を内燃機関３に適用した全体構成を示す概略図で、内燃機関３のシリンダヘッド３０には、気体燃料噴射弁Ｉ、図略の点火装置、吸気筒３０１、吸気バルブ３０２、排気筒３０３、排気バルブ３０４が設けられ、シリンダヘッド３０とシリンダ３１とピストン３２とによって区画された燃焼室３４内に気体燃料噴射弁Ｉから直接噴射された高圧気体燃料と空気との混合気に点火するようになっている。気体燃料としては、水素、ＣＮＧ（圧縮天然ガス）、ＬＮＧ（液化天然ガス）、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）等が用いられている。気体燃料噴射弁Ｉには、高圧ボンベに接続された蓄圧アキュムレータや、高圧ポンプによって蓄圧されたコモンレールなどの高圧源５から高圧気体燃料ＧＦが供給される。

電子制御装置ＥＣＵ４には、燃焼室内の筒内圧力Ｐ_ＡＭＢ、高圧気体燃料噴射圧力Ｐ_ＩＮＪ、エンジン回転数ＮＥ、エンジン水温ＷＴ、アクセル開度、上死点等のエンジン状況検出手段によって検知される負荷状況が入力され、負荷状況に応じて、燃料の噴射時期、噴射圧力、噴射量、点火時期等が演算され、駆動制御装置ＥＤＵ４１に送られ、ＥＤＵ４１によって所定のタイミングで気体燃料噴射弁Ｉが駆動される。特に本発明においては、噴射圧力Ｐ_ＩＮＪと筒内圧力Ｐ_ＡＭＢとの圧力比Ｐ_ＩＮＪ／Ｐ_ＡＭＢが４以上となる条件で燃焼室３４内に高圧気体燃料が噴射されている。

図２に、本発明の第１の実施形態における気体燃料噴射装置に用いられる気体燃料噴射弁Ｉの概要を示す。気体燃料噴射弁Ｉは、ノズル部１００とインジェクタ基部１１０とアクチュエータ部１２０とによって構成されている。
インジェクタ基部１１０には、高圧気体燃料を導入する高圧気体燃料導入流路１０３、導入された高圧気体燃料の圧力を蓄圧する蓄圧室１０２、ノズル部１００内に形成された燃料室１０に気体燃料を導入する気体燃料供給流路１０１が形成されている。
さらに、インジェクタ基部には、ニードル２００の上昇方向と下降方向とのいずれか若しくは両方に作用する圧力を伝達するとともに、ニードル２００の摺動部を潤滑すべく、作動液体を導入する公知の作動液体流路１２０が適宜形成されている。
ニードル２００の先端側には、径小となるニードル軸部２０が形成され、ニードル軸部２０の周囲には、燃料室１０が区画され、燃料室１０の先端に設けられた噴孔１４、１５の開閉を離着座によって行う弁体２がニードル軸部２０の先端に形成されている。
インジェクタ基部１００の内部には軸方向に摺動可能に保持された長軸状のニードル２００が収納され、ニードル２００の基端側には、ＥＤＵ４１に接続されたアクチュエータ１２０が設けられ、アクチュエータ１２０によってニードル２００は軸方向の昇降が制御されている。アクチュエータ１２０には、通電により励磁する電磁ソレノイドを用いた電磁アクチュエータや通電により伸長する圧電素子を用いた圧電アクチュエータ等、公知の駆動制御手段を適宜用いることができる。

図３を参照して、本発明の第１の実施形態における気体燃料噴射装置の要部である燃料噴射弁Ｉのノズル部１００の先端の構造について詳述する。
本実施形態において、弁体２は、略円錐状に形成されている。ノズル基体１の内側には、燃料室１０に練通する略摺り鉢状に形成されたシート面１１、１２と先端が閉塞するサック室１３が形成され、第１の噴孔１４と第２の噴孔とが穿設されている。
第１の噴孔１４は、ノズル部の中心軸に対して第１の噴孔穿設角度θ_１の角度で設けられ、第２の噴孔１５は、ノズル部の中心軸に対して第２の噴孔穿設角度θ_２の角度で設けられている。第１の噴孔穿設角度θ_１は第２の噴孔穿設角度θ_２よりも大きく設定され、第１の噴孔１４の中心軸と第２の噴孔１５の中軸とは交点Ｐで交差している。
第１の噴孔１４の出口端部から交点Ｐまでの交点距離ＬＰは、マッハディスク形成領域Ｌｍ（ｍａｘ）よりも短い距離に設定されている。
また、第１の噴孔１４と第２の噴孔１５とは、噴孔出口において噴孔間距離Ｄ_Ｐだけ離して設けられ、Ｄ_Ｐは、６ｍｍ以下に設定されている。さらに、噴孔１４及び噴孔１５は、出口開口径φＤｅは０．０１ｍｍ以上に設定されている。
閉弁時には、弁体２が下降し、ノズル部１の内側に形成された第１のシート面１１、第２のシート面１２と、弁体２の第１の弁座部２１、第２の弁座部２２とがそれぞれ当接し、第１の噴孔１４と第２の噴孔１５とが閉鎖された状態となっている。
開弁時には、弁体２が上昇し、ノズル部１の内側に形成された第１のシート面１１、第２のシート面１２と、弁体２の第１の弁座部２１、第２の弁座部２２とが離れ、第１の噴孔１４と第２の噴孔１５とが燃料室１０と練通した状態となっている。

図４を参照して、マッハディスク形成領域Ｌｍ（ｍａｘ）と圧力比Ｐ_ＩＮＪ／Ｐ_ＡＭＢとの関係について説明する。出口開口径φＤｅが１．０ｍｍのときの本実施形態において、噴射圧Ｐ_ＩＮＪと筒内雰囲気圧Ｐ_ＡＭＢとの圧力比Ｐ_ＩＮＪ／Ｐ_ＡＭＢの変化に対して、マッハディスク形成領域Ｌｍ（ｍａｘ）は、正比例的に変化する。第１の噴孔１４の開口出口Ｄｅから交点Ｐまでの交点距離ＬＰが６ｍｍ以下であれば、交点Ｐは、マッハディスク形成領域Ｌｍ（ｍａｘ）の範囲内となることが判明した。

図５から図８を参照して本発明の効果について説明する。
図５（ａ）に示すように、本発明の第１の実施形態において、第１の噴孔１４と第２の噴孔１５とを第１の噴孔穿設角度θ１と第２の噴孔穿設角度θ２とが、θ１＞θ２の関係を満たし、かつ、Ｌ_Ｐ＜Ｌｍ（ｍａｘ）となるように穿設した場合において、第１の噴孔１４の開口出口から中心軸線上のＬ_１、Ｌ_２、Ｌ_３、Ｌ_４の距離における燃料気体の濃度の測定結果Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３、Ｐ_４を実施例１とし、図５（ｂ）に示すように、本発明の第１の実施形態において、第１の噴孔１４と第２の噴孔１５とを第１の噴孔穿設角度θ_１と第２の噴孔穿設角度θ_２とが、θ_１＞θ_２の関係を満たし、かつ、Ｌ_Ｐ≧Ｌｍ（ｍａｘ）となるように穿設した場合において、第１の噴孔１４の開口出口から中心軸線上のＬ_１、Ｌ_２、Ｌ_３、Ｌ_４の距離における燃料気体の濃度の測定結果Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３、Ｐ_４を実施例２とし、図６（ａ）に示すように、第１の噴孔１４と第２の噴孔１５とを第１の噴孔穿設角度θ１と第２の噴孔穿設角度θ２とが、θ_１＝θ_２の関係、即ち、平行となるように穿設した場合における、第１の噴孔１４の開口出口から中心軸線上のＬ_１、Ｌ_２、Ｌ_３、Ｌ_４の距離における燃料気体の濃度の測定結果Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３、Ｐ_４を比較例１とし、図６（ｂ）に示すように、第１の噴孔１４と第２の噴孔１５とを第１の噴孔穿設角度θ１と第２の噴孔穿設角度θ２とが、θ_１＜θ_２の関係となるように穿設した場合において、第１の噴孔１４の開口出口から中心軸線上のＬ_１、Ｌ_２、Ｌ_３、Ｌ_４の距離における燃料気体の濃度の測定結果Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３、Ｐ_４を比較例２として、その結果を図７に示す。

図７に示すように、比較例１、２の場合には、距離が離れても気体燃料の濃度が余り下がらず、距離Ｌ_４において、急激に濃度低下していることから、周囲の圧縮空気との混合が行われていないと推察される。一方、本発明の実施例１、２においては、第１の噴孔１４の開口出口近傍Ｌ_１では、比較例１、２と同程度の気体濃度であったにもかかわらず、Ｌ_２の位置で急激な気体濃度の低下が見られ、Ｌ_３ではさらに気体濃度が低くなるが、Ｌ_４においては、比較例１、２よりも高い気体濃度となることが判明した。また、実施例１の方が実施例２に比べて短い距離で濃度低下が起こることが判明した。
このことから、本発明によれば、第１の噴孔１４と第２の噴孔１５とから噴射された高圧気体噴流がマッハディスク形成領域内で衝突することのよって、高い運動エネルギを持った状態で衝突した噴流に大きな乱れが生じ、周囲の圧縮空気との混合が活発になり、速やかに濃度の低下が起こったものと推察される。

図８に本発明の第１の実施形態における燃料噴射装置を用いて、燃料噴射圧Ｐ_ＩＮＪと雰囲気圧Ｐ_ＡＭＢとの圧力比Ｐ_ＩＮＪ／Ｐ_ＡＭＢが１０の時の交点Ｐまでの交点距離ＬＰを変化させたときの気体濃度均一度を示す。
なお、気体濃度均一度は、測定距離を３０ｍｍ、４０ｍｍ、５０ｍｍとしたときの３点の気体燃料濃度の平均値である。
本図に示すように、交点距離Ｌ_Ｐを６ｍｍ以下で気体燃料濃度の均一度が高くなることが判明した。
本試験結果からも、第１の噴孔１４と第２の噴孔１５とをマッハディスク形成領域Ｌｍ（ｍａｘ）の範囲内で衝突させることにより、速やかに気体燃料濃度を均一化できることが判明した。

図９、１０に本発明の他の実施形態における要部断面図を示す。
本図（ａ）に示すように、第１の噴孔１４ａをサック室１３に穿設して、第２の噴孔１５ａをシート部に穿設しても良いし、本図（ｂ）に示すように、第１の噴孔１４ｂと第２の噴孔１５ｂとの両方をサック室１３ｂに穿設しても良い。いずれの場合にも、本発明の交点Ｐがマッハディスク形成領域Ｌｍ（ｍａｘ）内に設ける限りにおいて同様の効果が得られる。

さらに、１０図（ａ）に示すように、第１の噴孔１４ｃ、第２の噴孔１５ｃ、第３の噴孔１６ｃを設けて３以上の気体噴流が交差するような構成としても良い。また、本図（ｂ）に示すように、ノズル先端の壁面に噴孔を穿設するのではなく、円盤状の噴孔プレート１７に複数の噴孔１４ｄを穿設して、これらの中心軸の交点Ｐがマッハディスク形成領域Ｌｍ（ｍａｘ）内となるように設けた構成であっても良い。

なお、本発明は、上記実施形態に限定するものではなく、複数の噴孔から噴射される高圧気体燃料をマッハディスク形成領域内で衝突せしめ、気体燃料と筒内空気との速やかな混合を図る本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、上記実施形態の説明において、具体的なニードル駆動方法について明記していないが、ニードルの開弁方向と閉弁方向とに圧力流体の圧力を作用せしめ、駆動用アクチュエータによって作動する制御弁によって開弁方向の圧力と閉弁方向の圧力とのバランスを変化させて、ニードルの昇降を行う公知の駆動方法が適宜採用可能である。
また、上記実施形態において、燃料噴射圧Ｐ_ＩＮＪと筒内雰囲気圧Ｐ_ＡＭＢとの圧力比Ｐ_ＩＮＪ／Ｐ_ＡＭＢとが所定圧以上であれば、いずれの噴射時期においても本発明の効果が発揮される。しかし、筒内雰囲気圧ＰＡＭＢの低い状態において燃料噴射を行えば、本発明の効果に加え、シリンダピストンの上昇したときに筒内に発生するタンブル渦によって、さらに、気体燃料と圧縮空気との混合を促進することも期待できる。
さらに、上記実施形態においては、点火装置を設けた内燃機関について本発明を適用した例を説明したが、気体燃料に軽油等の自着火性液体燃料を少量混合する等、点火装置を具備しない自着火機関にも適用できる。

本発明の第１の実施形態における気体燃料噴射装置を備えた内燃機関の概要を示す構成図。本発明の第１の実施形態における燃料噴射装置に用いられる気体燃料噴射弁の概要を示す一部断面図。本発明の第１の実施形態における燃料噴射装置に用いられる気体燃料噴射弁の要部断面図。圧力比Ｐ_ＩＮＪ／Ｐ_ＡＭＢに対する交点距離Ｌ_Ｐとマッハディスク形成領域Ｌｍ（ｍａｘ）の変化とを示す特性図。（ａ）は、実施例１の構成を示す要部断面図、（ｂ）は、実施例２の構成を示す要部断面図。（ａ）は、比較例１の構成を示す要部断面図、（ｂ）は、比較例２の構成を示す要部断面図。本発明の効果を比較例と共に示す特性図。本発明の効果を示し、交点距離Ｌ_Ｐに対する気体濃度均一度の特性図。（ａ）、（ｂ）は、本発明の変形例を示す要部断面図。（ａ）、（ｂ）は、本発明の変形例を示す要部断面図。は、高圧気体燃料噴射用単噴孔ノズルの噴孔近傍における現象を示す概念図。

符号の説明

Ｉ燃料噴射弁
１ノズル先端部
１０燃料室
１１、１２シート部
１３サック室
１４第１の噴孔
１５第２の噴孔
２弁体
２１、２２弁体着座部
Ｐ_ＩＮＪ燃料噴射圧
Ｐ_ＡＭＢ筒内雰囲気圧
Ｌｍ（ｍａｘ）マッハディスク形成領域
Ｄ_Ｐ噴孔間距離
φＤｅ噴孔出口開口径
Ｐ噴孔中心軸交点
Ｌ_Ｐ交点距離
θ_１第１の噴孔穿設角度
θ_２第２の噴孔穿設角度

Claims

少なくとも第１の噴孔と第２の噴孔とからなる２以上の噴孔を設けた燃料噴射弁を具備し、該燃料噴射弁内に導入した高圧の気体燃料を、上記噴孔から内燃機関の燃焼室内への噴射を行う気体燃料噴射装置であって、
上記気体燃料の噴射圧力をＰ_ＩＮＪとし、上記燃焼室内の雰囲気圧力をＰ_ＡＭＢとしたとき、下記式１の関係を満たす条件下で上記気体燃料を噴射する気体燃料噴射装置において、
上記第１の噴孔の開口端面から上記第１の噴孔の中心軸と上記第２の噴孔の中心軸との交点Ｐまでの距離を交点距離Ｌ_Ｐとし、上記噴孔から噴射した気体噴流にマッハディスクが形成されるマッハディスク生成領域をＬｍ（ｍａｘ）としたとき、下記式２の関係を満たすことを特徴とする気体燃料噴射装置。
Ｐ_ＩＮＪ／Ｐ_ＡＭＢ≧４・・・式１
Ｌ_Ｐ＜Ｌｍ（ｍａｘ）・・・式２
上記交点距離Ｌ_Ｐを６ｍｍ以下の範囲に設定した請求項１に記載の気体燃料噴射装置。
上記交点距離Ｌ_Ｐを０．０１ｍｍ以上の範囲に設定した請求項１又は２に記載の気体燃料噴射装置。
上記式２の関係を満たすべく、上記第１の噴孔の中心軸と上記噴射弁の中心軸とのなす第１の噴射角度θ_１と上記第２の噴孔の中心軸と上記噴射弁の中心軸とのなす第２の噴射角度θ_２とをθ_１＞θ_２となるように設定した請求項１ないし３のいずれか１項に記載の気体燃料噴射装置。
上記複数の噴孔間の距離Ｄｐは、６ｍｍ以下に設定した請求項１ないし４のいずれか１項に記載の気体燃料噴射装置。
上記噴孔の開口径Ｄｅは、φ０．０１ｍｍ以上に穿設した請求項１ないし５のいずれか１項に記載の気体燃料噴射装置。