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天然ガス自動車用燃料噴射系の

瞬間流量計測手法

群馬大学 大学院工学研究科 機械システム工学専攻

准教授 荒木幹也

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） 10 mm

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？） 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． 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)

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．

Injection rate _{Time (order of msec or less)}

液体燃料の場合

ボッシュ式

Bosch-type

fuel injection rate meter - 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． 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． ρ a dP du =

いかにして噴射率を計測するか？

いかにして噴射率を計測するか？

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．

気体燃料の場合

ボッシュ式で計測は可能か？

本発明では， - 管内一次元流れを用いた気体燃料噴射率計を開発． - 計測精度を2～3 %（従来は10 %）まで向上． - 気体の圧縮性を考慮した定式化の改良． - 管摩擦の大きさを事前に予測し補正． - 管内流れのレイノルズ数が非常に大きくなり（ ₁₀4_～105 _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．

データ収集系

管内静圧のみを取得する

気体燃料噴射率計概略

気体燃料噴射率計概略

いかにして噴射率を計測するか？

A A A - A section 100 4000 D = 8 B B B - B section

Fuel injector Press. transducer

• 供試気体： N₂

• 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 P₀ ： 大気圧 • 管内初期静温 T₀ ： 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

実 験 条 件

u x x P Wave front of compression wave x T x ρ a x du a+da P+dP ρ+dρ T+dT 0 a P ρ T ρ' Contact surface Injector du dt a dt a' T'

定式化（改善後）（

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（改善後）（

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， - 運動量保存則より， - 以上より，P と u の関係は， - 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． Adt ) du a )( d ( aAdt = ρ + ρ − ρ dPA A a A ) du a )( d ( ρ + ρ − 2 − ρ 2 = ) t ( ) t ( a dP du ρ = u x x P Wave front of compression wave x T x ρ a x du a+da P+dP ρ+dρ T+dT 0 a P ρ T ρ' Contact surface Injector du dt a dt a' T'

定式化（改善後）（

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， 0 1 0 ρ ρ _⎟⎟γ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ = P ) t ( P ) t ( ) t ( ) t ( P ) t ( a ρ γ = u x x P Wave front of compression wave x T x ρ a x du a+da P+dP ρ+dρ T+dT 0 a P ρ T ρ' Contact surface Injector du dt a dt a' T' 気体燃料噴射率は， ) ( ) ( ) (t A t u t m_& = ρ′ 2 2 0 0 2 1 0 1 0 0 ) 1 ( 2 ) ( 1 2 ) 1 ( 2 ) ( 2 ⎪⎭ ⎪ ⎬ ⎫ ⎪⎩ ⎪ ⎨ ⎧ − − − − − = − γ ρ γ γρ γ γ γ γ γ γ γ γ P t P P RT A t P ⎪⎭ ⎪ ⎬ ⎫ ⎪⎩ ⎪ ⎨ ⎧ − − − × − 2 0 0 2 1 0 1 0 ) 1 ( 2 ) ( 1 2 γ ρ γ γρ γ γ γ γ γ P t P P

(1) 開弁信号が入力され ると ，P は急激に増大 する． (2) 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P は初期値 まで戻らない． インジェクタ駆動信号と管内静圧の履歴（噴射期間τ= 20 ms） -10 0 10 20 30 40 90 100 110 120 130 140 150 Static pressure P kPa(a) Time t ms

Inj. start Inj. end

Arrival of 1st reflection wave (b) △ P1 △ P2 -10 0 10 20 30 40 -5 0 5 10 Input voltage V (a)

管内流れの模式図 - 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．

レイノルズ数が計測精度におよぼす影響

- ダルシー・ワイズバッハの式 を用いて，圧力勾配を補正．

補正された管内静圧と噴射率の履歴（噴射期間τ= 20 ms） 気体燃料噴射率 - 圧力勾配補正により，「見かけの 圧力上昇」を回避． 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．

気体燃料噴射率の計測結果

-10 0 10 20 30 40 90 100 110 120 130 140 150

Corrected static pressure

P

kPa(a)

Inj. start Inj. end

Arrival of 1st reflection wave (b) -10 0 10 20 30 40 -5 0 5 10 Input voltage V (a) -10 0 10 20 30 40 0 2000 4000 6000 Injection rate m(t) mg/s (c) Time t ms ・

較正試験装置概略

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．

気体燃料噴射率計と較正試験との比較 計測精度 - 2～3 %以内． - ほぼ実用レベル．当研究室 内では，問題なく使用中． 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．

気体燃料噴射率の計測精度

0 10 20 0 10 20 30 40 50 60

Mass flow rate mg/st

Injection rate meter Calibration test (a) 0 10 20 -10 -5 0 5 10 Error % (b) Injection duration τ ms

• 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 用 途

• 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}

想 定 さ れ る 業 界

• 計測精度は2～3 %であり，ほぼ実用レベル． • 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．

実 用 化 に 向 け た 課 題

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

• 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} 継続中． • 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．

ま

と

め

お 問 合 わ せ 先

国立大学法人 群馬大学

研究・知的財産戦略本部

群馬大学ＴＬＯ

ＴＬＯ長

大澤 隆男

ＴＥＬ

_0277-30-1171

ＦＡＸ

_0277-30-1178

e-mail [email protected]