水素自動車 天然ガス自動車用燃料噴射弁の瞬間流量計測装置 荒木幹也, 志賀聖一, 石間経章, 小保方富夫, 藤原康裕, 中村壽雄 ( 群馬大学大学院工学研究科 ) 10 mm PFI 気体燃料インジェクタ ( ケーヒン ( 株 )) 気体燃料噴流の可視化写真 (3 気圧, 噴射開始 0.7 ms 後 )
気体燃料の自動車エンジンへの適用気体燃料 ( 水素,CNG: 圧縮天然ガスなど ) - ガソリン, 軽油などの液体燃料の代替燃料として, 幅広く使用. - 単位発熱量当たりのCO2 排出量を低減できる. -SOx 排出量を大幅に低減できる. 気体燃料の適用 - 吸気管噴射式火花点火エンジン (3 気圧 ) - 筒内直接噴射火花点火エンジン (100 気圧 ) - 筒内直接噴射圧縮点火エンジン (1000 気圧以上, 多段噴射?) CNG DI ディーゼルエンジン搭載車 ( いすゞ自動車 HP より抜粋 ) エンジン開発において, 気体燃料インジェクタの特性を知ることはきわめて重要となっている.
燃料噴射率 燃料噴射率 - インジェクタ噴口から噴出する燃料の瞬間流量. - 燃料の貫徹力, 微粒化 ( 液体燃料の場合 ), 混合気形成, 燃焼, 排気特性に大きな影響を及ぼす. - 時間とともに, きわめて急激に変化する. 開弁過渡期間 全開期間 閉弁過渡期間 Injection rate Time (order of msec or less)
いかにして噴射率を計測するのか? 液体燃料の場合 ボッシュ式 - 液体燃料は断面積一定の管内に噴射され, 一次元流れを形成する. - 燃料速度 duは, 管内静圧 dpに比例する. du = dp aρ ここで a: 音速, ρ: 密度. -(a ρ) は 音響インピーダンス と呼ばれ, 液体燃料の場合は定数となる. Bosch-type fuel injection rate meter
いかにして噴射率を計測するのか? 気体燃料の場合ボッシュ式で計測は可能か? 計測は不可能である. - 気体燃料の場合, 音響インピーダンス (a ρ) は, もはや定数とならない. 気体燃料の持つ圧縮性のため, P,,ρ, T, a, uといった量が, 全て変数となる. - 管内流れのレイノルズ数が非常に大きくなり ( 10 4 ~10 5 のオーダ ), 管摩擦の影響が顕著となる. 気体燃料は密度が小さいため, 速度が非常に大きくなる. 本発明では, - ボッシュ式と同様に, 管内一次元流れを用いた気体燃料の噴射率計を開発した. - 気体の圧縮性を考慮し, 定式化を行う. - 管内流れのレイノルズ数を低減する.
管内静圧のみを取得する データ収集系 気体燃料噴射率計概略
レイノルズ数の影響を調べるため, 管内径を変化. D = 4 or 8 mm 反射波の到達時刻を遅らせるため, 延長管を設置. 気体燃料噴射率計概略
いかにして計測精度を確認するか? 較正試験 - 噴射期間を一定とし, 気体燃料を圧力容器に 1000 回 ~2000 回噴射する. - 容器内の圧力上昇から燃料の総流量を求め, 噴射回数で除することで噴射 1 回当たりの燃料流量を求める. 較正試験装置概略
実験条件 供試気体 : N 2 噴射圧力 P inj : 356 kpa(a) (255 kpa(g)) ( 流れはインジェクタ噴口で 閉塞 する ) 管内初期静圧 P 0 : 大気圧 管内初期静温 T 0 : 室温 噴射期間 τ : 3.4 ~ 20 ms インジェクタ噴口径 : 2.0 mm 管内径 : 4.0 および 8.0 mm データサンプリングクロック : 2 μs
定式化 (1/3) - 断面積一定の管内に, 流体が満たされている. - 管内に新たに流体が流れ込むことで引き起こされる圧力波により, 管内の流体は圧縮される. 液体燃料の場合 - u および P は変化する. ただし, a,ρ,tは変化しない. 気体燃料の場合 - 圧縮性のため, 全ての量が変数となる.
定式化 (2/3) 一次元, 圧縮性, 非粘性, 断熱流れを仮定. - 質量保存則より, ρaadt = ( ρ + dρ )(a du )Adt - 運動量保存則より, 2 2 ( ρ + dρ )(a du ) A ρa A = dpa - 以上より,P と u の関係は, dp du = a(t ) ρ(t ) - 上式を積分することで, 気体燃料速度 u を求めることができる.
定式化 (3/3) ρ および a を, P で表す必要がある. - 断熱流れの仮定より, - 音速の式より, = + = = + ρ ρ ρ ρ ρ 1 2 0 0 2 1 1 0 0 2 1 0 1 0 0 1 0 1 2 1 2 ) P(t P ) P(t P A C ) P(t P P ) P(t A ) )u(t (t A ) (t m & 0 1 0 ρ ρ = P ) P(t ) (t ) (t ) P(t ) a(t ρ = 気体燃料噴射率は,
Driving signal Press. trace (D = 4 mm) Press. trace (D = 8 mm) (1) 開弁信号が入力されると,P は急激に増大する. (2) D = 4 mmの場合, 全開期間でも P が増大を続ける. (3) 閉弁信号が入力されると,P は急激に減少する. ただしD = 4 mm の場合,P は初期値まで戻らない. (4) 最初の反射波が到達. インジェクタ駆動信号と管内静圧の履歴 ( 噴射期間 τ= 6 ms)
レイノルズ数が計測精度におよぼす影響 - 管摩擦のため, 圧力勾配 dp/dx が形成され, その圧力信号が, 本来の静圧変動に重畳する. - 圧力勾配のため, 静圧が時間とともに増大するように 見える. この結果, 噴射率を過大評価してしまう. 管内流れの模式図
気体燃料噴射率 - 管内静圧のみの計測で, 急激に変動する燃料噴射率を算出することが可能となった. 計測精度を確認するため, - 噴射率を時間で積分することで, 噴射 1 回当たりの燃料流量を求め, 較正試験結果と比較を行う. インジェクタ駆動信号と噴射率の履歴 ( 噴射期間 τ= 6 ms)
気体燃料インジェクタの瞬間流量計の計測精度 D = 8 mm 計測精度 - およそ10 %. - スタートポイントとしては意義のある結果. 計測精度向上のため, - 定式化の改善が必要. - 管摩擦の影響を完全に排除することが必要. 気体燃料噴射率計と較正試験との比較
計測制度向上の取り組み ( 第二次特許出願 ) Injector Contact surface Wave front of compression wave du dt a dt u du 0 a a' a+da a x P P+dP P x ρ ρ' ρ+dρ ρ x T T' T+dT T x x
計測制度向上の取り組み ( 第二次特許出願 ) 計測制度は,2~3 % 程度まで向上 ( ほぼ実用レベル ) (i) 管内流れ定式化の改善 (ii) ダルシー ワイズバッハ式による圧力勾配 dp/dx の理論予測 (a) Mass flow rate mg/st 60 50 40 30 20 10 Injection rate meter Calibration test 0 0 10 20 Injection duration ms
想定される用途 天然ガス 水素自動車用燃料噴射弁 ( インジェクタ ) の開発ツール 噴射率 は, 燃料噴射弁の性能を決める最も重要なパラメータのひとつ. 従来, 多数の製品試作を行い, 数値解析を行うことで性能予測. 試作工数, 解析時間の大幅低減が期待される. 天然ガス 水素自動車用エンジンの開発ツール 燃料噴射弁 と エンジン の設計は密接に関連. 切り離して考えることはできない. 技術的には, 走行中の燃料噴射量のオンボード計測も可能. 各種配管内の瞬間流量計測 自動車業界に限らず, 急激な流量変動を伴う各種配管流れに幅広く応用可能.
想定される業界 想定されるユーザー自動車部品製造メーカーの燃料噴射弁研究開発部自動車製造メーカ ( 含バス トラック ) のパワートレイン研究開発部自動車エンジン関連の各研究機関および大学 想定される市場規模自動車部品製造メーカ (20 社 : 各 20セット納入 ), 自動車製造メーカ (5 社 : 各 20セット + オンボードタイプ10セット納入 ), 各研究機関 大学 (30 機関 : 各 2セット納入 ),1 台の導入費用を200 万円と想定. 10 億円の市場規模
実用化に向けた課題 現在, 計測精度は2~3 % であり, ほぼ実用レベルまで開発が進んでいる. 計測精度を低下させる要因の洗い出しは, ほぼ終了. 今後, 継続研究により計測精度を1 % 以内まで向上する予定. 計測精度向上のためのソフト ハード面での変更を計画中. 随時, 特許申請を予定. オンボード計測のためのソフト ハードの製作も計画中.
まとめ 管内一次元流れを用いた気体燃料インジェクタの瞬間流量計測装置を発明し, その計測精度を検証した. 一次元, 圧縮性, 非粘性, 断熱流れを仮定し, 管内静圧から気体燃料の密度, 音速, 速度, 温度, 質量流量を求める式を導いた. レイノルズ数の増大とともに, 管摩擦の影響が顕著になる. 管摩擦による圧力勾配の影響を理論的に見積り, 計測精度を向上した. 本発明の計測精度は, 現状 2~3 % である. ほぼ実用レベルに達していると考えている. 今後, 計測精度 1 % 以内を目指して研究を継続予定. 関連特許を, 国内 2 件, 国外 1 件 ( 米国, 独国 (JST 国際特許出願支援 )) を申請済み.
本技術に関する知的財産権 1. 発明の名称 : 気体燃料インジェクタの瞬間流量計測装置出願番号 : 特願 2005-095570 (2005 年 3 月 29 日出願 ) 出願人 : 国立大学法人群馬大学発明者 : 荒木幹也, 志賀聖一, 石間経章, 小保方富夫, 中村壽雄, 藤原康裕 2. 発明の名称 : 気体燃料インジェクタの瞬間流量計測装置出願番号 : PCT/JP2006/306370 (2006 年 3 月 22 日 PCT 出願 ) 出願人 : 国立大学法人群馬大学発明者 : 荒木幹也, 志賀聖一, 石間経章, 小保方富夫, 中村壽雄, 藤原康裕 3. 発明の名称 : 気体燃料インジェクタの瞬間流量計測方法出願番号 : 特願 2007-179982 (2007 年 7 月 9 日出願 ) 出願人 : 国立大学法人群馬大学発明者 : 荒木幹也, 藤原康裕, 志賀聖一, 石間経章, 小保方富夫
お問合わせ先 群馬大学研究 知的財産戦略本部群馬大学 TLO 大澤隆男 e-mail tosawa@eng.gunma-u.ac.jp 376-8515 群馬県桐生市天神町一丁目 5 1 TEL 0277-30-1171 FAX 0277-30-1178