WO2015186682A1 - インジェクタユニット - Google Patents

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池田　裕二
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イマジニアリング株式会社
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    • Y02T10/30—Use of alternative fuels, e.g. biofuels

Definitions

  • the present invention relates to an injector unit.
  • the present invention relates to an injector unit for making it possible to use gaseous fuel such as compressed natural gas (CNG) in an existing diesel engine.
  • gaseous fuel such as compressed natural gas (CNG)
  • Retrofit technology improves engine exhaust performance by changing or adding parts to an existing engine. For example, it is recommended by the United States Environmental Protection Agency (EPA) (Non-Patent Document 1).
  • EPA United States Environmental Protection Agency
  • Non-patent Document 2 since the ignition temperature of CNG is higher than that of light oil, it cannot be ignited by simply replacing the injector. Therefore, it is conceivable to use light oil as a pilot or to use ignition means such as a spark plug (Non-patent Document 2).
  • Patent Document 1 is an example of the former, and Patent Documents 2 and 3 are examples of the latter. *
  • Patent Document 1 when the configuration of Patent Document 1 is adopted, it is necessary to mount both a light oil tank and a natural gas tank on the automobile, which increases the weight of the automobile and increases the maintenance burden. Moreover, it is necessary to consider both light oil supply and natural gas supply, which is complicated for the driver.
  • Patent Document 3 When the configuration described in Patent Document 3 is adopted, there is no need to provide a hole in the manifold, but the structure is complicated and expensive, so it is not suitable for the retrofit technique.
  • the present invention has been made in view of this point.
  • An aspect of the present invention is an injector unit that can be inserted into a through hole for inserting a light oil injector provided in a cylinder head of a compression ignition internal combustion engine having a combustion chamber of a first capacity.
  • gas fuel such as CNG can be used in an existing diesel engine.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 3.
  • FIG. 4 is a sectional view taken along line BB in FIG. 3.
  • FIG. It is sectional drawing of the diesel engine 10, and is a figure which shows the state by which the injector unit 1 was inserted.
  • 2 is a cross-sectional front view of an igniter 3.
  • FIG. 1 and 2 are cross-sectional views showing a configuration of a diesel engine 10 which is an example of a compression ignition internal combustion engine.
  • FIG. 1 is a view showing a state in which the light oil injector 20 is inserted into the through hole 11 of the cylinder head 6, and
  • FIG. 2 is a view showing a state in which the light oil injector 20 is not inserted.
  • the diesel engine 10 includes a cylinder head 6, a cylinder liner 7 joined to the cylinder head 6, and a piston 8 that is in sliding contact with the cylinder liner 7.
  • a space surrounded by these members is a combustion chamber.
  • the cylinder head 6 is provided with an intake port and an exhaust port.
  • An intake valve 9A is disposed at the boundary between the intake port and the combustion chamber.
  • An exhaust valve 9B is disposed at the boundary between the exhaust port and the combustion chamber.
  • the cylinder head 6 is provided with a through hole 11.
  • This through-hole 11 is a hole for attaching the light oil injector 20 which injects light oil originally.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the injector unit 1.
  • FIG. 4 is another cross section of the injector unit 1, and is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG.
  • the injector unit 1 includes a CNG injector 2 for injecting CNG, which is a kind of gaseous fuel, an igniter 3 as ignition means, and a casing 4 for housing them.
  • CNG injector 2 for injecting CNG, which is a kind of gaseous fuel
  • igniter 3 as ignition means
  • casing 4 for housing them.
  • the casing 4 has a size that matches the through hole 11 of the cylinder head 6.
  • the injector unit 1 can be inserted into the cylinder head 6 together with the casing 4. Thereby, the exchange operation from the light oil injector 20 becomes easy.
  • the casing 4 preferably employs a metal having high thermal conductivity.
  • the capacity of the combustion chamber of the diesel engine 10 changes as the piston 8 moves up and down, but the capacity when the piston 8 reaches bottom dead center is 2 liters.
  • the CNG injector 2 is designed for a 0.5 liter combustion chamber instead of 2 liters.
  • the CNG injector for 2 liters has a large volume, so that the igniter 3 cannot be stored in the through hole 11. Therefore, in this embodiment, such an injector is employed.
  • a 2 liter engine requires more fuel than a 0.5 liter engine. Simply, it is thought that about four times as much fuel is required. However, since the injection rate for the 0.5 liter injector is low, the amount of fuel necessary for the operation of the 2 liter engine cannot be injected during the normal injection time. Therefore, the injection time of the CNG injector 2 is set to a time longer than the normal injection time.
  • the injection control of the CNG injector 2 is executed by a control circuit such as an ECU (not shown).
  • the igniter 3 is for igniting CNG fuel. As described above, CNG has an ignition temperature higher than that of light oil, and cannot be ignited by simple compression ignition. Therefore, an igniter 3 is provided. As the igniter 3, a spark plug, a corona discharge plug (for example, EcoFlash (US registered trademark) manufactured by BorgWarner), a microwave discharge plug, or the like can be used.
  • the microwave discharge plug is a plug having a 2.45 GHz band microwave resonance structure developed by the applicant of the present application.
  • the configuration of the plug is also described in Japanese patent applications (Japanese Patent Application Nos. 2014-111755 and 2013-171781) filed by the present applicant, but will be briefly described here.
  • the microwave discharge plug (igniter 3) includes a case 51, a center electrode, and an insulator 59 that is provided between the case portion and the center electrode and insulates them.
  • a ground electrode 51 a is formed at the tip of the case 51.
  • a discharge electrode 55a is formed at the tip of the center electrode. A potential difference is generated between the discharge electrode 55a and the ground electrode 51a, thereby causing discharge.
  • the center electrode is divided into an input side electrode 53, a coupling portion electrode 54, and an output side electrode 55.
  • the output side electrode 55 has a discharge electrode 55 a and a shaft portion 55 b and is electrically coupled to the coupling portion electrode 54.
  • the coupling portion electrode 54 has a bottomed cylindrical shape.
  • the input side electrode 53 is electrically connected to an oscillation circuit MW provided outside the injector unit 1 via the input end 52.
  • FIG. 9 is a diagram showing an equivalent circuit of the igniter 3.
  • An AC signal (voltage V1, frequency 2.45 GHz) input from the oscillation circuit MW is connected to a series resonant circuit including a capacitor C3, a reactance L, and a capacitor C2 via a capacitor C1 (here, C1 is C2). , It is assumed to be sufficiently smaller than C3).
  • a discharge unit is provided in parallel with the capacitor C3.
  • C1 corresponds to a coupling capacitance, is determined by the shape and gap of the coupling portion electrode 54 and the input side electrode 53, and is a portion for performing impedance matching between the oscillation circuit and the igniter 3.
  • the input side electrode 53 can be moved in the axial direction, thereby adjusting the impedance.
  • the capacitor C2 is a grounded capacitor formed by the coupling portion electrode 54 and the case 51. This is determined by the shape of the electrode 54, the gap with the case 51, and the dielectric constant of the insulator 59c.
  • the reactance L corresponds to a coil component of the shaft portion 55b of the output side electrode 55.
  • the capacity C3 is a discharge capacity formed by the output side electrode 55 and the case 51. This is determined by the shapes of the discharge electrode 55a and the shaft portion 55b, the gap between the output-side electrode 55 and the case 51, the thickness of the insulator 59c, the dielectric constant, and the like. If C3 >> C2 is designed, the potential difference between both ends of the capacitor C3 can be made sufficiently larger than V1, and as a result, a high potential is generated in the discharge part (gap between the discharge electrode 55a and the ground electrode 51a). be able to.
  • the resonance frequency f can be expressed by Equation 1. (However, )
  • the igniter 3 is designed so that the discharge capacity C3, the coil reactance L, and the ground capacity C2 satisfy the relationship of Formula 1.
  • the igniter 3 can be made compact by adopting the above configuration.
  • the igniter 3 functions as an ignition means.

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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】　第１容量の燃焼室を有する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り、第１容量よりも小さい第２容量の燃焼室用に設計された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有し、気体燃料インジェクタからの噴射時間が、第２容量の燃焼室で使用される場合よりも長く設定される。

Description

インジェクタユニット
　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、軽油用インジェクタをＣＮＧ用インジェクタに交換することも考えられる。
　しかし、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ない。そこで、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ことが考えられる（非特許文献２）。前者の例としては特許文献１が、後者の例として特許文献２、３がある。　
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、特許文献１の構成を採用した場合、自動車に軽油用タンクと天然ガス用タンクの両方を搭載する必要があり、自動車の重量が大きくなったり、メンテナンス負担が増大する。また、軽油の給油と天然ガスの給油の両方を考慮する必要があり、運転手には煩雑である。
　特許文献２に記載の構成では、吸気マニフォルド側に別途インジェクタを設ける必要があり、インジェクタ挿入用の孔を加工する必要がある。したがって、レトロフィット技術には適さない。
　特許文献３に記載の構成を採用した場合、マニフォルドに孔を設ける必要は無いが、構造が複雑であり高価なため、レトロフィット技術には適さない。
　本発明は、かかる点に鑑みてなされたものである。
　本発明のある態様は、第１容量の燃焼室を有する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、第１容量よりも小さい第２容量の燃焼室用に設計された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有し、気体燃料インジェクタからの噴射時間が、第２容量の燃焼室で使用される場合よりも長く設定される。
　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インジェクタユニット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。
　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ＣＮＧインジェクタ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＝１０ｍｍ、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。
　ディーゼルエンジン１０の燃焼室の容量はピストン８の上下動により変化するが、ピストン８が下死点に達した場合の容量は２リットルである。
　ＣＮＧインジェクタ２は、２リットルではなく、０．５リットルの燃焼室用に設計されたものである。２リットル用のＣＮＧインジェクタだと体積が大きいため、イグナイタ３を貫通孔１１に収めることができない。そこで、本実施形態では、このようなインジェクタを採用している。
　但し、０．５リットルのエンジンと比較し、２リットルのエンジンでは多くの燃料を要する。単純には４倍程度の燃料が必要になると考えられる。しかし、０．５リットル用インジェクタでは、噴射レートが低いため、通常の噴射時間では２リットルのエンジンの動作に必要な量の燃料を噴射することができない。従って、ＣＮＧインジェクタ２の噴射時間は、通常の噴射時間よりも長い時間に設定される。尚、ＣＮＧインジェクタ２の噴射制御は図示しないＥＣＵ等の制御回路により実行される。
　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帯のマイクロ波の共振構造によるプラグである。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 JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　（但し、
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
）
　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、高電圧により放電が生じる。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。
　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 (2)

  1. 　第１容量の燃焼室を有する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、
    　第１容量よりも小さい第２容量の燃焼室用に設計された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有し、
    　気体燃料インジェクタからの噴射時間が、第２容量の燃焼室で使用される場合よりも長く設定されている
    　ことを特徴とするインジェクタユニット。
  2. 　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、放電を生じさせる放電部を含む第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記載のインジェクタユニット。
     
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