JPWO2015186683A1 - インジェクタユニット - Google Patents

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Abstract

【課題】 既存のディーゼルエンジンにおいてＣＮＧ等の気体燃料を使用可能とする。【解決手段】直噴式のインジェクタユニットであって、複数の気体燃料インジェクタと、気体燃料を着火する着火手段と、を備え、前記着火手段は、ケース部と、中心電極と、ケース部と中心電極を絶縁する絶縁体を有し、中心電極は、マイクロ波を入力する第１電極と、第１電極に容量結合する第２電極と、放電を行う放電部を含む第３電極を有し、第１電極と第２電極を用いてマイクロ波のインピーダンス整合を行い、第２電極とケース部で定まる接地容量、第３電極のコイルリアクタンス成分、及び第３電極とケース部で定まる放電容量からなる直列回路がマイクロ波と共振するように構成されることを特徴とする。【選択図】図４

Description

本発明は、インジェクタユニットに関する。特に、既存のディーゼルエンジンにおいて圧縮天然ガス（ＣＮＧ：Compressed Natural Gas）等の気体燃料を使用可能とするためのインジェクタユニットに関する。
ディーゼル排ガスを減らすための一手法として、レトロフィット技術がある。レトロフィット技術とは、既存のエンジンに対して部品を変更・追加することによりエンジンの排気性能を改善するものである。例えば、アメリカ合衆国環境保護庁（ＥＰＡ：Environmental Protection Agency）が推奨している（非特許文献１）。
また、ディーゼル排ガスを減らす方法として、燃料を軽油からＣＮＧに変更することも有効である。そこで、軽油インジェクタをＣＮＧインジェクタに交換することも考えられる。
http://www.epa.gov/cleandiesel/technologies/index.htm（米国EPAホームページ、平成26年5月30日検索） 「高効率大型ガスエンジンを開発」（三井造船技報No.191(2007-6), P.19-25） 特開２０１２−１４９５３７号公報 米国公開２０１２−１０３３０２号公報 米国特許８０９１５２８号公報 特開２００７−１１３５７０号公報 国際公開第２０１２／００５２０１号公報
しかし、気体燃料であるＣＮＧは、液体燃料である軽油より密度が低い。例えば、２５０気圧下ではＣＮＧの密度は凡そ１８０［ｋｇ／ｍ３］であるのに対し、軽油の密度は７００［ｋｇ／ｍ３］強である（注：液体燃料である軽油の密度は圧力に係らずほぼ一定である）。つまり、２５０気圧下ではＣＮＧの密度は軽油の１／４程度である。
軽油使用時とＣＮＧ使用時の燃費（Ａ／Ｆ）が同じと仮定した場合、軽油と同量のＣＮＧを燃焼室に供給するには、ＣＮＧの噴射時間を軽油の４倍程度にする必要がある。この場合、排気弁の閉鎖と同時に燃料噴射を開始した場合、着火タイミングの直前まで燃料を噴射し続ける必要がある（図１１参照）。これにより、燃焼室内のＣＮＧ濃度が均一になりにくくなり、着火の安定性が低下する。
これに対し、ＣＮＧの噴射圧を５００気圧と高くすれば、ピストンが下死点に到達した時点で噴射を終了させることができる。噴射時間を短くできる理由は、５００気圧下ではＣＮＧの密度は凡そ２７０［ｋｇ／ｍ３］であり、２５０気圧下よりも密度が高いからである。しかし、噴射圧が５００気圧のインジェクタは製作が困難である。
更に、ＣＮＧは軽油よりも着火温度が高いので、単にインジェクタを交換するだけでは着火することができず、軽油をパイロットとして使用するか、点火プラグ等の着火手段を併用する必要がある（非特許文献２）。
本発明は、以上の点に鑑みてなされたものである。
本発明のある態様は、直噴式のインジェクタユニットであって、複数の気体燃料インジェクタと、気体燃料を着火する着火手段と、を備える。
本発明のインジェクタユニットによれば、既存のディーゼルエンジンにおいてＣＮＧ等の気体燃料を使用可能とする。
ディーゼルエンジン１０の断面図であり、軽油インジェクタ２０が挿入された状態を示す図である。 ディーゼルエンジン１０の断面図であり、軽油インジェクタ２０が挿入されていない状態を示す図である。 インジェクタユニット１の断面図である。 図３のＡ−Ａ断面図である。 図３のＢ−Ｂ断面図である。 ＣＮＧインジェクタ２、イグナイタ３、ケーシング４の外形を示す図である。 ディーゼルエンジン１０の断面図であり、インジェクタユニット１が挿入された状態を示す図である。 イグナイタ３の断面正面図である。 イグナイタ３の等価回路である。 インジェクタユニット１による着火タイミングとインジェクタの噴射期間の関係を示す図である。 １つのＣＮＧインジェクタを用いた場合の着火タイミングとインジェクタの噴射期間の関係を示す図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
本発明の実施形態に係るインジェクタユニット１の説明を行う前に、インジェクタユニット１が取付けられるディーゼルエンジン１０の構成を先に説明する。
図１及び図２は、圧縮着火内燃機関の一例であるディーゼルエンジン１０の構成を示す断面図である。図１はシリンダヘッド６の貫通孔１１に軽油インジェクタ２０が挿入された状態、図２は軽油インジェクタ２０が挿入されていない状態を示す図である。
これらの図を参照して、ディーゼルエンジン１０は、シリンダヘッド６と、シリンダヘッド６に接合されるシリンダライナ７と、シリンダライナ７に摺接するピストン８を有する。これらの部材により取り囲まれた空間が燃焼室となる。
シリンダヘッド６には、吸気ポートと排気ポートとが設けられている。吸気ポートと燃焼室の境界部には吸気バルブ９Ａが配置される。排気ポートと燃焼室の境界部には排気バルブ９Ｂが配置される。
シリンダヘッド６には、貫通孔１１が設けられている。この貫通孔１１は、本来は軽油を噴射する軽油インジェクタ２０を取付けるための孔である。
次に本実施形態に係るインジェクタユニット１の構成を説明する。図３はインジェクタユニット１の断面図である。図４は、インジェクタユニット１の他の断面であり、図３のＡ−Ａ断面図である。図５は、図３のＢ−Ｂ断面図である。
これらの図を参照して、インジェクタユニット１は、気体燃料の一種であるＣＮＧを噴射する２個のＣＮＧインジェクタ２、２と、着火手段であるイグナイタ３と、これらを収納するケーシング４からなる。
ケーシング４の外径Ｄ１、ＣＮＧインジェクタ２の外径Ｄ２、イグナイタ３の外径Ｄ３を図６のように定義した場合、一例として、Ｄ１１＝３０ｍｍ、Ｄ１２＝２０ｍｍ、Ｄ２＝８ｍｍ、Ｄ３＝５ｍｍである。ケーシング４はシリンダヘッド６の貫通孔１１に合致する大きさである。図７に示すようにインジェクタユニット１はシリンダヘッド６にケーシング４ごと挿入することができる。これにより、軽油インジェクタ２０からの交換作業が容易になる。なお、ＣＮＧインジェクタ２、イグナイタ３の放熱の関係上、ケーシング４は熱伝導率の高い金属を採用するのが好ましい。また、ケーシング４は、ＣＮＧインジェクタに燃料を注入するための注入口４１を有している。
イグナイタ３は、ＣＮＧ燃料を着火するためのものである。上述のように、ＣＮＧは軽油よりも着火温度が高く、単なる圧縮着火では着火できない。そこで、イグナイタ３が設けられている。イグナイタ３としては、スパークプラグ、コロナ放電プラグ（例えばボルグワーナー社のEcoFlash（米国登録商標））、又はマイクロ波放電プラグ等を用いることができる。
マイクロ波放電プラグは、本願の出願人が開発した、２．４５ＧＨｚ帯のマイクロ波により駆動するマイクロ波共振のプラグである。このプラグの構成については、本出願人による日本特許出願（特願２０１４−１１１７５５、及び特願２０１３−１７１７８１）でも説明されているが、本願でも簡単に説明する。
図８を参照して、マイクロ波放電プラグ（イグナイタ３）は、大きくはケース５１、中心電極、及びケース部と中心電極の間に設けられ、これらを絶縁する絶縁体５９からなる。ケース５１の先端部には接地電極５１ａが形成される。中心電極の先端部には放電電極５５ａが形成される。放電電極５５ａと接地電極５１ａ間には電位差を発生させ、これにより放電をさせるようにしている。
中心電極は入力側電極５３、結合部電極５４、及び出力側電極５５に分かれる。
出力側電極５５は、放電電極５５ａ、軸部５５ｂを有しており、結合部電極５４と電気的に結合される。結合部電極５４は有底の筒状である。入力側電極５３は、インジェクタユニット１の外部に設けられた発振回路ＭＷに入力端５２を介して電気的に接続される。
図９は、イグナイタ３の等価回路を示す図である。発振回路ＭＷから入力される交流信号（電圧Ｖ１、周波数２．４５ＧＨｚ）は容量Ｃ１を介して、容量Ｃ３、リアクタンスＬ、容量Ｃ２からなる直列共振回路に接続される（尚、ここではＣ１はＣ２、Ｃ３に比して十分に小さいと仮定している）。また、容量Ｃ３と並列に放電部が設けられる。
ここで、Ｃ１は結合容量に相当し、結合部電極５４及び入力側電極５３の形状、間隙により決まり、発振回路とイグナイタ３のインピーダンス整合を行うための部分である。入力側電極５３は軸芯方向に移動可能であり、これによりインピーダンスの調整ができる。
容量Ｃ２は、結合部電極５４とケース５１によって形成される接地容量である。これは電極５４の形状、ケース５１との間隙及び絶縁体５９ｃの誘電率によって決まる。
リアクタンスＬは、出力側電極５５の軸部５５ｂのコイル成分に相当する。
容量Ｃ３は、出力側電極５５とケース５１によって形成される放電容量である。これは、放電電極５５ａ及び軸部５５ｂの形状、出力側電極５５とケース５１との間隙、絶縁体５９ｃの厚みや誘電率等で決まる。Ｃ３＜＜Ｃ２に設計すれば、容量Ｃ３の両端の電位差をＶ１よりも十分に大きくすることができ、その結果、放電部（放電電極５５ａと接地電極５１ａ間のギャップ）に高電位を発生させることができる。
上述のように、結合容量Ｃ１が十分に小さいと看做せる場合、容量Ｃ３、リアクタンスＬ、容量Ｃ２は直列共振回路をなし、共振周波数ｆは数式１で表現できる。
Figure 2015186683
 但し、
Figure 2015186683
つまり、ｆ＝２．４５ＧＨｚとした場合に、数式１の関係を満たすような放電容量Ｃ３、コイルリアクタンスＬ、及び接地容量Ｃ２となるようにイグナイタ３は設計される。
また、イグナイタ３は、上記構成を採用することにより、コンパクトにすることができる。
また、上述のようにイグナイタ３では放電電極と接地電極間に高電圧が発生し、高電圧の放電が生じる。この放電により、その近辺のガス分子から電子が放出されて非平衡プラズマが生成され、燃料が点火しやすくなる。このようにしてイグナイタ３は着火手段として機能する。
図１０は、インジェクタユニット１による着火タイミングとインジェクタの噴射期間の関係を示す図である。ＣＮＧインジェクタ２のうち、１つのインジェクタの噴射圧が２５０気圧で、他方のインジェクタの噴射圧が３００気圧と仮定すると、ピストンが下死点に到達する前に燃料噴射が完了する。早期に燃料噴射が完了することで、着火タイミングにおいては燃焼室内で燃料が均一に拡散されるので、着火の安定性が確保される。
以上、本発明の実施形態について説明した。本発明の範囲はあくまでも特許請求の範囲に記載された発明に基づいて定められるものであり、上記実施形態に限定されるべきものではない。
１ インジェクタユニット
２ インジェクタ
３ イグナイタ
４ ケーシング
６ シリンダヘッド
７ シリンダライナ
８ ピストン
９Ａ 吸気バルブ
９Ｂ 排気バルブ
１０ ディーゼルエンジン
１１ 貫通孔

Claims (3)

  1. 直噴式のインジェクタユニットであって、
    複数の気体燃料インジェクタと、
    気体燃料を着火する着火手段と、
    を備えることを特徴とするインジェクタユニット。
  2. 圧縮着火内燃機関のシリンダヘッドに設けられた軽油インジェクタを挿入するための貫通孔に挿入可能なインジェクタユニットであって、
    複数の気体燃料インジェクタと、
    気体燃料を着火する着火手段と、
    気体燃料インジェクタと着火手段を収納する収納部材と、
    を備えることを特徴とするインジェクタユニット。
  3. 前記着火手段は、ケース部と、中心電極と、ケース部と中心電極を絶縁する絶縁体を有し、
    中心電極は、マイクロ波を入力する第１電極と、第１電極に容量結合する第２電極と、放電を行う放電部を含む第３電極を有し、
    第１電極と第２電極を用いてマイクロ波のインピーダンス整合を行い、
    第２電極とケース部で定まる接地容量、第３電極のコイルリアクタンス成分、及び第３電極とケース部で定まる放電容量からなる直列回路がマイクロ波と共振するように構成されることを特徴とする、請求項１又は２記載のインジェクタユニット。
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