JP6701960B2

JP6701960B2 - 液体噴射装置

Info

Publication number: JP6701960B2
Application number: JP2016104330A
Authority: JP
Inventors: 卓哉布施
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2016-02-25
Filing date: 2016-05-25
Publication date: 2020-05-27
Anticipated expiration: 2036-05-25
Also published as: JP2017148792A

Description

本発明は、液体を噴射する液体噴射装置に関する。

液体を化学反応させたり蒸発させたりする際、その効率向上のために、気液界面を増大させることが行われる。気液界面を増大させる手法の１つとして、液体を微粒化する所謂「噴射」が周知である。

液体噴射装置は、一般的に、液体を貯留する貯留部と、貯留部から液体を輸送し加圧する加圧部と、加圧された液体を微粒化する微粒化部とを備えている。微粒化部は、先端側に貫通孔が形成された筒部と、貫通孔を開閉する弁体とを備えている。加圧部で加圧された液体は筒部に供給され、貫通孔を介して筒部の外へ放出される。液体の放出態様は、弁体による貫通孔の開閉により制御され、微粒化される液滴の量や粒径等が調整される。

液体噴射装置は用途が多岐に亘り、要求される液体の種類も様々である。例えば、特許文献１に記載された、排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を低減するための尿素ＳＣＲシステムでは、尿素水溶液に含まれる水の凍結抑制が求められる。尿素水溶液は、尿素に基づく凝固点降下によって、ある程度の凍結抑制が達成されている。

特開２０００−３０３８２６号公報

しかしながら、液体への尿素の含有のみでは、充分な凝固点降下が得られず、凍結抑制の余地が大きい。また、凝固点降下剤として一般的に用いられるエチレングリコールは、熱物性や粘度の点で好ましくない。また、ヒータによって液体温度を凝固点より高く維持し、凍結を防止する場合には、燃費の悪化を招いてしまう。

本発明は上記点に鑑み、液体を噴射する液体噴射装置において、液体の凍結を効果的に抑制することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、液体を貯留する貯留部（１２）と、貯留部から液体を加圧して輸送する加圧部（１３）と、加圧された液体を噴射対象空間（１０）に噴射する噴射部（１１）と、を備え、液体は、水と、水よりも少量の過酸化水素とを含んでおり、貯留部、加圧部および噴射部の少なくともいずれかにおいて、液体と接触する面に耐食処理が施されており、耐食処理は化成処理であり、化成処理によって形成される表面組成は、アルマイトである。

これにより、噴射弁から噴射される液体として、過酸化水素水溶液を用いることで、液体の凝固点を低下させ、凍結を効果的に抑制することができる。過酸化水素水溶液は、不凍機能に優れており、かつ、熱伝導率及び粘度の点でも優れている。

また、過酸化水素水溶液に分解抑制剤を含有させることで、過酸化水素の分解を長時間に渡って抑制でき、過酸化水素水溶液を安定的に用いることできる。特にアルコール系の分解抑制剤を用いることで、過酸化水素の高い分解抑制効果を得ることができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の実施形態に係る液体噴射装置の全体概略構成図である。噴射弁の構造を示す断面図である。液体の凝固点と溶質の濃度との相関関係を示した図である。分解抑制剤の効果を説明するための図である。過酸化水素水溶液の温度と分解速度との相関関係を示した図である。過酸化水素水溶液に異なる種類の分解抑制剤を含有させた場合の過酸化水素の分解率を示す図である。過酸化水素水溶液の加熱および冷却を繰り返し行った場合の過酸化水素濃度の変化を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について図に基づいて説明する。図１に示すように、本実施形態の液体噴射装置は、噴射対象空間１０に液体を噴射する噴射弁１１を備えている。噴射対象空間１０は、内燃機関の燃焼室や排気管等とすることができる。以下、噴射弁１１から噴射される液体を「噴射液体」と称する。

噴射弁１１は、噴射対象空間１０の壁部に取り付けられており、噴射対象空間１０に対して噴射液体を微粒化して噴射可能となっている。本実施形態の噴射液体は、過酸化水素と水とを含む過酸化水素水溶液である。なお、噴射液体については後で詳細に説明する。

噴射弁１１に供給される噴射液体は、タンク１２に貯蔵されている。タンク１２は、所定容量の密封容器である。なお、タンク１２が本発明の「貯留部」に相当している。

タンク１２の内部には、タンク１２に貯留された噴射液体を吸い出して噴射弁１３に供給するポンプ１３が設けられている。タンク１２には、ポンプ１３と噴射弁１１とを接続する液体供給路１４が接続されている。

ポンプ１３を駆動することで、タンク１２内に貯留されている噴射液体が加圧され、噴射弁１１に輸送される。このポンプ１３は、後述する制御装置１５から出力される制御信号によって回転数（液体供給量）が制御される電動式のポンプである。なお、ポンプ１３が本発明の「加圧部」に相当している。

図２に示すように、噴射弁１１は、略円柱状のニードル１１０と、このニードル１１０を内部に収容する略円筒状のノズルボデー１１１とを備えている。これらのニードル１１０およびノズルボデー１１１は、金属によって構成されている。なお、ニードル１１０が本発明の「弁体」に相当し、ノズルボデー１１１が本発明の「筒部」に相当している。

ニードル１１０は、ノズルボデー１１１に摺動自在に保持されている。ニードル１１０は、ニードル１１０およびノズルボデー１１１の軸線方向（図２の紙面上下方向。以下、単に軸線方向という）に沿ってノズルボデー１１１内で往復動するようになっている。

ニードル１１０は、先端に２つのテーパ面１１０ｂ、１１０ｃが形成されている。これらの２つのテーパ面１１０ｂ、１１０ｃの境界部に、円環状の稜線であるシート部１１０ｄが形成されている。

ノズルボデー１１１は、タンク１２から供給された噴射液体が流通可能なノズル内空間１１１ａを備えている。ノズルボデー１１１の先端部には、ノズル内空間１１１ａと外部とを連通して噴射液体の噴出口となる複数個の噴孔１１１ｂとを備えている。

噴孔１１１ｂは、断面形状が円形の貫通孔として形成されている。噴孔１１１ｂの一端側は、ノズル内空間１１１ａに開口し、他端側は外部に開口している。

ニードル１１０が軸方向に往復動することで、ノズル１１０のシート部１１０ｄがノズルボデー１１１の内壁面１１１ｃと接触または離間する。これにより、ノズル内空間１１１ａが連通または遮断され、噴孔１１１ｃが開閉される。噴孔１１１ｃが開放することで、噴孔１１１ｂから微粒化された噴射液体が噴出される。

制御装置１５は、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭ等を含む周知のマイクロコンピュータとその周辺回路から構成される。そして、このＲＯＭ内に記憶された制御プログラムに基づいて各種演算、処理を行って、出力側に接続された各種機器の作動を制御する。

制御装置１５の出力側には、上述した噴射弁１１およびポンプ１３等が接続されている。制御装置１５の入力側には、液体供給路１４を流通する噴射液体の圧力を検出する圧力センサ１６、液体供給路１４を流通する噴射液体の温度を検出する温度センサ１７等のセンサ群が接続されている。

次に、噴射液体について説明する。上述のように本実施形態では、噴射液体として、水（Ｈ２Ｏ）と過酸化水素（Ｈ₂Ｏ₂）とを含む過酸化水素水溶液を用いている。過酸化水素は、凝固点降下剤として機能する。

過酸化水素の分子構造「ＨＯ−ＯＨ」は、ＯＨ基における一方のＯ原子から他方のＯ原子までの結合鎖の距離が、凝固点降下剤として一般的なエチレングリコールの分子構造「ＨＯ−ＣＨ₂−ＣＨ₂−ＯＨ」におけるＯＨ基間の結合鎖に相当する距離よりも短くなっている。

このような分子構造を備える過酸化水素によって水分子の配列が崩れるので、過酸化水素水溶液は、エチレングリコール水溶液と同等の不凍機能が得られる。また、過酸化水素水溶液は、水と同等の熱伝導率及び粘度を有しており、エチレングリコール水溶液よりも熱伝導率及び粘度の点で優れている。

ここで、過酸化水素水溶液の凝固点について説明する。図３に示すように、エチレングリコール水溶液では、目標値である−３４℃の凝固点を得るためにエチレングリコール濃度を５０ｗｔ％以上にする必要がある。これに対し、過酸化水素水溶液では、過酸化水素度（すなわち、水の量と過酸化水素の量との合計に対する過酸化水素の割合）を３０ｗｔ％以上にすることでエチレングリコール水溶液と同等の凝固点が得られる。

過酸化水素水溶液の凝固点を充分に低下させ、凍結を抑制するためには、過酸化水素濃度を１５ｗｔ％以上とすることが望ましい。また、過酸化水素水溶液における凝固点降下剤である過酸化水素はできるだけ濃度が低い方が望ましく、さらに過酸化水素濃度を必要以上に高くしても凝固点を低下させる効果が低くなることから、過酸化水素濃度を５０ｗｔ％以下とすることが望ましい。

ところで、過酸化水素は結合が不安定であり、水と酸素に分解しやすい。すなわち、過酸化水素水溶液は、エチレングリコール水溶液や水よりも安定性が低い。このため、過酸化水素水溶液を噴射液体として用いるためには、過酸化水素の分解安定性を担保する必要がある。

本実施形態では、過酸化水素水溶液に過酸化水素の分解反応を抑制するための分解抑制剤を含有させている。分解抑制剤として、例えばキレート、Ｔａイオン、有機酸等のＯＨラジカル捕捉剤を用いることができる。これらの分解抑制剤は、過酸化水素の分解速度を遅くする負触媒として機能する。キレート、Ｔａイオン、有機酸等の分解抑制剤は、いずれかを単独で用いてもよく、あるいは複数種類を組み合わせて用いてもよい。

図４に示すように、キレート、Ｔａイオン、有機酸等の負触媒によって、過酸化水素の分解反応に必要な活性化エネルギー（すなわち、エネルギー障壁）が増大し、分解速度を略ゼロにすることができる。つまり、過酸化水素水溶液に分解抑制剤を含有させることで、過酸化水素の分解を抑制することができる。

分解抑制剤は、過酸化水素水溶液中の濃度が高いほど過酸化水素の分解を抑制する効果が高くなる。しかしながら、分解抑制剤濃度が高すぎると、過酸化水素水溶液中の水の割合を低くしてしまうため、分解抑制剤はできるだけ濃度が低いことが望ましい。

本実施形態では、分解抑制剤濃度（水の量と過酸化水素の量との合計に対する分解抑制材の割合）を、過酸化水素水の過酸化水素濃度の１／１０以下となるようにしている。また、分解抑制剤自体が分解によって減少することから、予め減少分を加えた分解抑制剤濃度とすることが望ましい。例えば、過酸化水素濃度を５０ｗｔ％以下とする場合には、分解抑制剤濃度は、過酸化水素濃度の１／１０である５ｗｔ％に減少分として１ｗｔ％を加えた６ｗｔ％以下とすることが望ましい。

また、噴射液体としての過酸化水素水溶液が接触する配管等は、アルミニウム等の金属から構成されていることが多い。過酸化水素水溶液にアルミニウム等の金属が含まれる場合は、エネルギー障壁が低くなり、過酸化水素の分解速度が上がる。さらに、過酸化水素水溶液の温度が高いほど、分解反応が促進される。

図５は、過酸化水素濃度３０ｗｔ％の過酸化水素水溶液を１００℃で加熱する加速試験を行った結果を示している。図５において、一点鎖線はアルミニウムおよび分解抑制剤が含有されていない過酸化水素水溶液を示し、破線はアルミニウムが含有され、分解抑制剤が含有されていない過酸化水素水溶液を示し、実線はアルミニウムおよび分解抑制剤が含有されている過酸化水素水溶液を示している。分解抑制剤としては、キレートを４ｗｔ％含有させた。

図５の破線および一点破線に示すように、分解抑制剤が含有されていない過酸化水素水溶液では、アルミニウムが含有されることで、過酸化水素の分解速度が大幅に上昇している。これに対し、分解抑制剤が含有された過酸化水素水溶液では、アルミニウムが含有され、分解抑制剤が含有されていない過酸化水素水溶液と比較して、分解速度が１／２０に抑制された。このように、過酸化水素水溶液に分解抑制剤を含有させることで、アルミニウムのような金属が含有されていても、高い分解安定性を得ることができる。

図６は、過酸化水素濃度３０ｗｔ％の過酸化水素水溶液に異なる種類の分解抑制剤を含有させ、１００℃で５時間加熱する試験を行った結果を示している。図６において、Ａは分解抑制剤を含有しない過酸化水素水溶液を示し、Ｂ〜Ｅは分解抑制剤を６ｗｔ％含有する過酸化水素水溶液を示している。Ｂは第１のリン酸系分解抑制剤（商品名「ＰＨ５４０」、キレスト株式会社）を含有し、Ｃは第２のリン酸系分解抑制剤（商品名「ＰＨ２１２」、キレスト株式会社）を含有し、Ｄは第３のリン酸系分解抑制剤（商品名「キレスビットＤ」、キレスト株式会社）を含有し、Ｅはアルコール系分解抑制剤（商品名「キレスビットＣ−４」、キレスト株式会社）を含有している。

図６に示すように、分解抑制剤を含有しない過酸化水素水溶液は分解率が２４％であるのに対し、分解抑制剤を含有する過酸化水素水溶液は分解率が大幅に低下している。特にアルコール系分解抑制剤を含有する過酸化水素水溶液は分解率が０．１％であった。

つまり、アルコール系分解抑制剤を用いた場合が最も過酸化水素の分解率が低くなり、過酸化水素の分解を効果的に抑制することができる。本実施形態で用いたアルコール系分解抑制剤は、下記化学式１で示すフェノキシジエチレングリコールおよび下記化学式２で示すジプロピレングリコールの少なくともいずれかを主成分として含んでいる。

図７は、過酸化水素水溶液を１００℃で１０時間加熱し、室温で１０時間冷却することを繰り返し行った場合の過酸化水素濃度の変化を示している。図７では、アルコール系分解抑制剤（商品名「キレスビットＣ−４」、キレスト株式会社）を含有させた過酸化水素水溶液と、分解抑制剤を含有させていない過酸化水素水溶液を示している。

図７に示すように、分解抑制剤を含有させた過酸化水素水溶液は、２回目以降の加熱毎に過酸化水素濃度の低下傾向が見られるものの、分解抑制剤を含有させていない過酸化水素水溶液に比較して、長時間に渡って過酸化水素濃度の低下を抑制できている。

以上説明した本実施形態によれば、噴射弁１１から噴射される噴射液体として、過酸化水素水溶液を用いることで、噴射液体の凝固点を低下させ、凍結を効果的に抑制することができる。過酸化水素水溶液は、不凍機能に優れており、かつ、熱伝導率及び粘度の点でも優れている。

また、本実施形態では、噴射液体として用いられる過酸化水素水溶液に、分解抑制剤を含有させている。これにより、過酸化水素水溶液に含まれる過酸化水素の分解を長時間に渡って抑制でき、過酸化水素水溶液を噴射液体として安定的に用いることできる。特にアルコール系分解抑制剤を用いることで、過酸化水素の高い分解抑制効果を得ることができる。

（他の実施形態）
本発明は上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、以下のように種々変形可能である。また、上記各実施形態に開示された手段は、実施可能な範囲で適宜組み合わせてもよい。

例えば、上記実施形態において、噴射弁１１、タンク１２、ポンプ１３、液体供給路１４等における噴射液体と接触する面に耐食処理を施すようにしてもよい。噴射液体が高温高圧で用いられるような場合には、噴射液体と接触する部位が腐食しやすくなるので、このように耐食処理を施すことが望ましい。例えば噴射弁１１であれば、ニードル１１０の外表面やノズルボデー１１１の内壁面等に耐食処理を施せばよい。耐食処理は、例えば化成処理やメッキ処理によって行うことができる。

化成処理によって形成される表面組成は、例えばアルマイトとすることができる。母材がアルミニウムであれば、その表面にアルマイトを形成すればよく、母材がアルミニウム以外の金属であれば、表面にアルミニウム層を設け、アルミニウム層の表面にアルマイトを形成すればよい。また、メッキ処理によって形成される表面組成は、例えばニッケルとすることができる。

１０噴射対象空間
１１噴射弁
１１０ニードル（弁体）
１１１ノズルボデー（筒部）
１２タンク（貯留部）
１３ポンプ（加圧部）
１４液体供給路

Claims

液体を貯留する貯留部（１２）と、
前記貯留部から前記液体を加圧して輸送する加圧部（１３）と、
前記加圧された液体を噴射対象空間（１０）に噴射する噴射部（１１）と、を備え、
前記液体は、水と、前記水よりも少量の過酸化水素とを含んでおり、
前記貯留部、前記加圧部および前記噴射部の少なくともいずれかにおいて、前記液体と接触する面に耐食処理が施されており、
前記耐食処理は化成処理であり、
前記化成処理によって形成される表面組成は、アルマイトである液体噴射装置。
前記液体は、前記水の量と前記過酸化水素の量との合計に対する前記過酸化水素の割合が１５ｗｔ％以上である請求項１に記載の液体噴射装置。
前記液体は、前記過酸化水素の分解を抑制する分解抑制剤を含んでいる請求項１または２に記載の液体噴射装置。
前記分解抑制剤は、アルコールを主成分としている請求項３に記載の液体噴射装置。
前記アルコールは、下記化学式１で示される物質および下記化学式２で示される物質の少なくともいずれかである請求項４に記載の液体噴射装置。
前記水の量と前記過酸化水素の量との合計に対する前記分解抑制剤の割合が６ｗｔ％以下である請求項３ないし５のいずれか１つに記載の液体噴射装置。
前記噴射部は、先端に貫通孔（１１１ｃ）が形成された筒部（１１１）と、前記貫通孔を開閉する弁体（１１０）とを備え、
前記筒部および前記弁体は金属によって構成されており、
前記筒部および弁体における前記液体と接触する面には、前記耐食処理が施されている請求項１ないし６のいずれか１つに記載の液体噴射装置。