JP4078432B2 - 気体燃料インジェクタの瞬間流量計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料噴射システム、特に気体燃料インジェクタから噴出する気体燃料の各時刻における流量を計測する気体燃料インジェクタの瞬間流量計測装置、あるいは急激な流量変動を伴う各種気体配管等の瞬間流量計測装置に関する。

近年、自動車用燃料として、ガソリン、軽油等の液体燃料のほか、水素、圧縮天然ガス（ＣＮＧ：Compressed Natural Gas）のような気体燃料も広く使われるようになった。特に、ＣＮＧは、（ｉ）単位ＣＯ_２排出量当りの発熱量が大きい、（ii）硫黄分をほとんど含まないため硫黄酸化物の排出がないといった利点から、クリーンなエネルギー源として注目されている。このＣＮＧを自動車エンジンに適用する場合は、従来のガソリン・軽油と同様に、吸気ポートあるいはシリンダー内へ、燃料インジェクタから噴射されることになる。

また、ガソリンや軽油等の液体燃料は、燃料噴射弁から高圧力をかけて噴射させ、液体燃料を小さな粒状にして供給することで蒸発を促進するようにしている。ここで、噴射弁を置く場所は、多くのガソリン機関の場合、シリンダーの入り口付近の吸気管の部分であり、このポート部分の燃料噴射圧力は３気圧程度となる。

最近は、ガソリンをエンジン内へ直接噴射する方式、すなわち、ＧＤＩ（Gasoline Direct Injection）と呼ばれる方式のエンジンも考えられている。この方式はシリンダーの中にガソリンと空気の薄い混合気を形成するもので、この方式によると少ない燃料で自動車を動かすことができるが、シリンダーの中は圧力が高いので、それ以上の圧力、例えば１００気圧程度の噴射圧力でガソリンを噴霧化してシリンダー内に供給することが必要となっている。この場合の、一回あたりの燃料噴射期間は数ｍｓｅｃ〜数十ｍｓｅｃ程度であり、その際にソレノイドで開閉される電磁弁の開弁・閉弁に要する時間は数百ｎｓｅｃ〜数ｍｓｅｃ程度と極めて短時間となる。

この電磁弁を開閉して液体燃料をシリンダー内に供給する場合の、単位時間当たりの燃料流量（ｍ^３／ｓｅｃ）を噴射率といい、この噴射率の正確な測定が要求されている。一般に、噴射率は、噴射弁が開状態になると、開時間が増加するにつれて放物線状に増加していき、一定値（飽和状態）に収斂する。そして噴射弁が閉じると、時間経過と共に減少して元の状態に戻るという傾向を有する。この液体燃料インジェクタからの噴射率（「瞬間流量」と同義）を測定する機器（瞬間流量計）としては、ボッシュ式と呼ばれる方式（ボッシュ式噴射率計）が広く利用されている（例えば、非特許文献１を参照。）。

このボッシュ式噴射率計は、液体燃料インジェクタから噴射された燃料を，一定断面積のパイプ内に噴射し，パイプ内の圧力上昇から燃料の流量を求める方法である。これは、燃料ノズルから細管の中に燃料を噴射した場合、噴射率（ｍ^３／ｓｅｃ）が管の断面積（ｍ^２）に流速（ｍ／ｓｅｃ）を乗じたものであるという原理を利用している。すなわち、噴射ノズルから噴射された燃料が細い管を流れる場合、それによるパイプ内の圧力上昇が生じ、この圧力上昇を測定して燃料の瞬間的な流量を求める方式である。

しかしながら、ボッシュ式噴射率計は、液体燃料の測定には用いることができるものの、水素、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）のような気体燃料に用いることはできなかった。すなわち、このボッシュ式装置を気体燃料インジェクタに適用した場合、気体特有の圧縮性、つまり圧力変化とともに密度が変化する性質、及びレイノルズ数の増大による管摩擦の増大等のため、流量の測定が不可能となるという問題があった。今まで、瞬間的な気体燃料の噴射率を測定した例はない。

ここでレイノルズ数Ｒｅとは、流体密度ρ（ｋｇ／ｍ^３）に流体速度Ｕ（ｍ／ｓｅｃ）及び細管の直径Ｄ（ｍ）を乗じた値ρ＊Ｕ＊Ｄ（ｋｇ／（ｍ・ｓｅｃ））を、粘性係数μ（Ｐａ・ｓｅｃ＝ｋｇ／（ｍ・ｓｅｃ））で割った無次元の値である。流体のρ＊Ｕ＊Ｄは流れの勢いを表す慣性力に関係し、粘性係数μは、粘り気を表す粘性力に関係している。このレイノルズ数Ｒｅが小さいと粘り気が支配するため、乱れのない層流となり、噴射率の測定が可能であるが、レイノルズ数が大きいと、気体の流れが乱れ（乱流となり）、管摩擦によって気体が流れづらくなることで噴射率の測定が不能となる。実際にはレイノルズ数Ｒｅが約２５００以上になると乱流状態になり、約２５００以下では層流になることが知られている。

通常気体燃料の噴射においては、レイノルズ数Ｒｅが数十万にもなり、管の中の流れは乱れているので、管の上流と下流との圧力差（これを「圧力損失」という。）が大きくなり噴射率の測定ができなくなる。

一般に、燃料インジェクタの特性は，エンジン性能と直結するため，非常に重要である。そして、燃料インジェクタ特性の最も重要な要素として，時々刻々と変化する噴射率（瞬間流量：単位時間当たりの燃料流量）を測定することが求められている。しかし、気体燃料インジェクタに関しては，上述したように、その噴射率を計測する手段が確立されていない。このため，インジェクタを開弁状態に保ち定常噴射を行いながら流量データを取得し，実際の噴射時の噴射率を類推しているのが現状であった。

また、気体燃料インジェクタを燃料容器に固定し、このインジェクタから容器内に、例えば１０００回の噴射（１回の「噴射期間」は例えば２ｍｓｅｃとする。）を行って、容器内の圧力増加を測定する方法も考えられる。すなわち、１０００回分の噴射で生じた圧力増加から、１回噴射当たりの圧力増加を計算で求め、その平均値としての１回当たりの平均噴射率を求めることはできる。しかし、この方法でも気体燃料の瞬間的な噴射率を測定することはできない。現在まで、気体燃料インジェクタからの瞬間噴射率を計測した例は報告されていない。

林 洋「ボッシュ式噴射率計」（内燃機関７巻１２号５８〜６４頁）

本発明は、上記のような問題点に艦みて為されたものであり、管の上流と下流の圧力が極力一定になるように設計することにより、気体燃料の瞬間的な噴射率を測定できるようにした気体燃料インジェクタの瞬間流量噴射率計を提供することを目的とする。

上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の気体燃料インジェクタの瞬間流量計測装置は、内部に電磁弁を備え、気体燃料が注入される気体燃料インジェクタと、該電磁弁の開閉を制御するインジェクタ駆動手段と、気体燃料インジェクタに接続され、気体燃料インジェクタからの気体燃料が供給される計測部細管と、この計測部細管内に設けられ、気体燃料インジェクタ側から計測部細管の下流側に向けて断面積が小から大に変化するノズルと、計測部細管の下流側端部に設けられた延長細管と、計測部細管に設けられた小孔に密接配置された圧力計測手段と、この圧力測定手段により計測した計測部細管内の圧力を所定の変換式に基づいて、計測部細管内に流れる気体燃料の流量に変換する手段で構成されることを特徴としている。

また、本発明の気体燃料インジェクタの瞬間流量計測装置の好ましい形態として、上記のノズルはテーパ状ノズル、または階段状に気体燃料インジェクタ側から計測部細管の下流側に変化することを特徴としている。
さらに、本発明の気体燃料インジェクタの瞬間流量計測装置の好ましい形態として、圧力計測手段は計測部細管に設けた小孔からの同細管内の圧力を検出する圧電素子を有し、この圧力を電気信号に変換して計測部細管内の圧力を測定することを特徴とする。

さらに、本発明の気体燃料インジェクタの瞬間流量計測装置における、計測部細管内の圧力を計測部細管内に流れる気体燃料の流量に変換する変換式は、

に従うことを特徴とする。
ここで、Ａは計測部細管の断面積（ｍ^２）、ρ（ｔ）は気体燃料の密度（ｋｇ／ｍ^３）、ｕ（ｔ）は気体燃料の流速（ｍ／ｓｅｃ）、κは比熱比（無次元の断熱係数）、Ｐ（ｔ）は計測部細管内の圧力（Ｐａ）、Ｐ１＝Ｐ（０）、ρ１＝ρ（０）である。

本発明によれば、従来実現できなかった、気体燃料瞬間流量の計測装置、すなわち気体燃料インジェクタの噴射率計を提供することが可能となる。これにより、水素、ＣＮＧ等の気体燃料を用いたエンジンの設計等が容易に行えるようになる。また、自動車エンジン分野のみならず、急激な流量変動を伴う各種気体配管等の瞬間流量計測装置としても利用が可能である。

以下、図面に基づいて本発明の一実施の形態である気体燃料の瞬間流量計測装置について説明するが、その前に本発明の気体燃料噴射ガスの流量計測を行うに必要な基本的な原理となる数式について説明する。

本発明の基本的な構成は、上述した液体燃料用のボッシュ式燃料噴射率計と類似している。すなわち、本発明の方式でも、一次元の流れを仮定し噴射率を求めるという点でボッシュ式燃料噴射率計と共通点を有するからである。

しかしながら、上述したように、気体燃料を直接ボッシュ式噴射率計に噴射した場合、パイプ内流れのレイノルズ数は数十万に達するため、大きな管摩擦が生じて流量の測定が不可能となる。実際、気体燃料の場合、管の上流と下流とで大きな圧力差が生じ、管の上流に圧力センサを置いて圧力を測定した場合に、管の中央部または下流部分の圧力より大きな圧力を測定してしまう。このため、管の上流と下流でこのような大きな圧力差がある場合には、流量の測定は不可能となるのである。これは、気体燃料の場合、１回噴射当りの噴射体積が液体燃料よりはるかに大きいこと、そして、液体燃料に比べて噴出速度が大きいことに起因している。

本発明では、レイノルズ数を低くおさえるため、パイプ内径を従来の直径４ｍｍφから直径８ｍｍφに拡大し、パイプ内流速を低くおさえるようにした。
このパイプ内径の拡大に伴い、燃料インジェクタ出口径とパイプ内径の差が大きくなるため、噴射直後の気体燃料が脈動する現象が現れる。本発明では、これを回避するために、燃料インジェクタ出口に末広ノズルを設け、流れの安定化を図るようにしている。

また、本発明では、測定部細管内の圧力変動から、気体燃料の瞬間流量を算出するという基本原理を利用している。液体燃料用のボッシュ式噴射率計においても、測定部細管内の圧力変動から液体燃料の瞬間流量を算出する。しかしながらボッシュ式噴射率計においては、液体燃料を前提としているため流れの圧縮性を考慮していない。このため、ボッシュ式噴射率計で用いられている変換式（例えば、非特許文献１を参照。）をそのまま用いても、気体燃料の噴射率を求めることは不可能である。

以下、本発明の実施形態で用いられる気体燃料の瞬間流量の導出方法について数式を用いて説明する。

本発明における瞬間流量の導出方法を説明するため、以下の理論では、一次元・圧縮性・非粘性であり、かつ断熱的な流れであると仮定する。
断面積一定Ａ（ｍ^２）の管内に、気体が速度ｄｕ（ｍ／ｓｅｃ）にて流入する場合を考える。この気体の流入により前方の気体は圧縮され、圧力波を生じる。この圧力波が音波となって音速ａ（ｍ／ｓｅｃ）で伝播する。いま、圧力波の波面（音の届く範囲の先端の波面）と断面積Ａの円筒状のパイプで囲まれる検査体積を考え、その上流と下流において、気体の温度、圧力、密度、速度の変化を見る。

まず、圧力波の波面の前後において、質量保存則が成立することから、

となる。ここで、ρは密度（ｋｇ／ｍ^３）であり、ｄρは密度の増加分である。二次の微小項であるｄρ＊ｄｕは、ρａに比べてはるかに小さいので、これを省略すると、（２）式が成立する。

また、圧力波の波面の前後の運動量の変化と力積は等しいことから、（３）式が成立する。すなわち、圧力波の波面から見て噴射口よりの圧力を（Ｐ＋ｄＰ）（Ｐａ）とし、波面からみて噴射口と反対側の圧力をＰとすると、（３）式の左辺は、単位時間当たりの波面を押す力積（Ｎ・ｓｅｃ）となる。一方、（３）式の右辺は、単位時間当たりの質量ρａＡ（（ｋｇ／ｍ^３）＊（ｍ／ｓｅｃ）＊（ｍ^２）＊ｓｅｃ＝ｋｇ）と波面前後における速度の変化の積（運動量変化）である。

となる。この結果、（４）が成立する。

この（４）式において、速度ａと密度ρを時間の関数として考えると、各時刻での速度変化ｄｕは、

とおくことができ、圧力変化ｄＰと、音速ａ、密度ρとで記述できることが分かる。

したがって、音速と密度が分かれば，圧力測定のみで流速が求まることになる。ここでは断熱変化を仮定しているので，密度ρと圧力Ｐの間には，（６）式が成立している。

したがって、この（６）式から、密度ρは、圧力のみで記述できる。また，音速は一般に、（７）式のように記述することができるので、

と表される。ここで（６）式より密度ρを計算すると、（８）式のようになる。

この（８）式において、ρ_１とＰ_１はそれぞれ、密度と圧力の初期値であり、ρ（０）＝ρ_１、Ｐ（０）＝Ｐ_１である。このρ（ｔ）も圧力のみで記述することができる。
ここで、上記（７）式及び（８）を（５）式に代入し整理すると、（９）式が成立する。

この（９）式を積分すると、速度ｕ（ｔ）は、（１０）式で表すことができる。

この（１０）式において、初期条件 ｔ ＝ ０ においてＰ（０） ＝ Ｐ_１ ，ｕ（０） ＝ ０ を導入すると、（１１）式が成立する。

上述した（８）式、（１０）式、（１１）式から求めた各瞬間における気体の質量流量Ｍ （ｔ）は（１２）式のようになる。なお、（１２）式においてＭにドットが付いているのは、単位時間当たりの質量流量を意味している。

この（１２）式から明らかなように、気体の質量流量Ｍ（ｔ）は、圧力Ｐ（ｔ）のみの関数となっていることが分かる。したがって、測定部細管内圧力の時間変化を測定して、その値を（１２）式に代入することにより、各瞬間の気体の質量流量を算出することが可能となることが分かる。

以下、計算式（１２）を用いて、気体の質量流量を測定する際に必要な瞬間的な圧力の測定装置に係る本発明の実施の形態の例について図面に基づいて説明する。

図１は、気体燃料瞬間流量計の概略を示す図である。本発明の実施の形態例としての気体燃料流量計は、ガスボンベ１と、このガスボンベ１に接続されるバッファチャンバ２と、バッファチャンバ２を介して燃料ガスが導かれる気体燃料インジェクタ３と、圧力計測器４と、気体が流入する計測部細管５と延長細管６から主として構成される。また、本例の気体燃料流量計は、上記構成のほかに、気体燃料を計測部細管５に供給するための気体燃料インジェクタ３の開閉弁（不図示）をソレノイドで開閉制御するインジェクタドライバ７と、このインジェクタドライバ７に矩形波パルスを供給するファンクションジェネレータ８と、ファンクションジェネレータ８から発生する波形を観察するとともに圧力計測器４で計測される細管内の圧力を観察するためのデジタルオシロスコープ９を備えている。このオシロスコープ９は特にデジタル用である必要はなく、アナログ用のものであっても差し支えない。

図２は、本発明の実施の形態に用いられる気体燃料インジェクタ３と圧力計測器４の部分をより詳細に示した図である。図２Ａは、気体燃料インジェクタ３と圧力計測部４の全体構成を示す概略図であり、図２Ｂは、図２Ａの側断面図（図２ＣのＢ−Ｂ断面図）、図２Ｃは、図２ＢのＡ−Ａで示す部分の断面図である。

気体燃料インジェクタ３は、燃料注入部３１、電磁弁開閉部３２、燃料噴射部３３から構成されている。また、計測部細管５にはその内部にテーパ状ノズル１０が形成されている。また、計測部細管５には小孔（静圧孔）４２が設けられており、この小孔４２に密接して圧力計測部４の圧力変換器４１が配置されている。圧力変換器４１の内部には、圧電素子４３が設けられている。気体燃料インジェクタ３はフランジ１１により、また、圧力変換器４１はフランジ１２ａによって不図示の基台に固定されている。

次に、図１及び図２に基づいて、本発明の実施の形態の動作を説明する。
図１において、ガスボンベ１からの気体燃料は，図の矢印Ａにそってバッファチャンバ２に導かれる。バッファチャンバ２は、ガスボンベ１から供給される気体燃料の脈動を除去するために設けられたものであり、バッファチャンバ２から供給される気体燃料の圧力はほぼ一定とされて、気体燃料インジェクタ３に供給される。

気体燃料インジェクタ３の電磁弁開閉部３２内には、不図示の電磁弁が設けられており、この電磁弁がインジェクタドライバ７からの制御信号に基づいて開閉される。ここで、１回の噴射における電磁弁の開弁期間は、数ｍｓｅｃ〜数十ｍｓｅｃであるとされる。そして、バッファチャンバ２から気体燃料インジェクタ３に供給される気体燃料は、燃料噴射部３３から計測部細管５内に噴射される。計測部細管５の内径は８ｍｍφ（断面積は一定）とされ、長さは１００ｍｍ程度とされる。計測部細管５の内部には燃料噴射部３３の噴射口の直径２ｍｍφから細管の内径８ｍｍφにテーパ状に広がるノズル１０が設けられている。このノズル１０を設けた理由は、ノズル１０を設けないで、直径２ｍｍφの噴射口から直径８ｍｍφの細管に気体燃料を噴射させると、噴射ガスが蛇行を始めて乱流状態になってしまうからである。計測部細管５内の圧力を正確に測定するためには、管内の乱れを抑える必要があり、このためにノズル１０が設けられている。ただし、このノズル１０は、必ずしもテーパ状である必要はなく、段階的に開口が大きくなるような階段状のものであってもよい。

また、計測部細管５には、直径１ｍｍφ程度の小孔（静圧孔）４２が設けられており、この小孔４２に密接配置された圧力変換器４１によって計測部細管５内の圧力が計測される。すなわち、気体燃料が計測部細管５内に噴射されることにより、計測部細管５内に圧力波が生じ、計測部細管５内の圧力は変動する。またこれ以外にも、圧力変動に伴う計測部細管５のわずかな変形を歪ゲージで捉えて圧力を計測する、あるいは計測部細管５内壁面と同一面上に設置した圧力変換器によって圧力を計測する、などの方法も可能である。ただし、小孔４２を用いた場合、極めて小さな範囲の圧力を計測することが可能となり、空間・時間分解能の高い計測が可能となる。

さらに、本発明の実施の形態においては、計測部細管５の下流には延長細管６が取り付けられている。この延長細管６の直径は計測部細管５と同じ８ｍｍφであり、長さは４ｍと長いものである。このように、延長細管６の長さを長いものとしているのは、計測部細管５の圧力計測部における反射波の影響を無くすためである。つまり、燃料噴射に伴う圧力波は、細管の下流端で反射し計測部細管５の圧力計測部分に反射波として戻ってくる。この反射波が燃料噴射にともなう通常の圧力波に重畳すると測定が不可能となるので、反射波到達までの時間を稼ぐため、延長細管６が設けられるのである。延長細管６は、コイル状に巻いておくことで装置の小型化が可能である。通常、この延長細管６の下流端は大気に開放されているが、延長細管６の下流端に背圧弁１３を設けて流れを絞ることも有効である。この背圧弁１３の開度を減少させ流れを絞った状態で気体燃料を繰返し噴射すると、計測部細管５及び延長細管６内の圧力は一様に上昇する。この場合、管摩擦による細管内の圧力上昇と異なり、計測部細管５及び延長細管６内で一様に圧力が増大するため、計測上問題とならない。また、圧力の高まった細管内に気体燃料を噴射することで、実際のエンジンシリンダー内（高圧になっている）への燃料噴射条件を模擬した計測も可能となる。

以下の実験では、計測部細管５内の圧力変動は、一次元・圧縮性・非粘性とされ、さらに断熱的な流れが生じていると想定している。そして、気体流量と圧力変化の関係をあらかじめ調べておき、実際の管内圧力の時間変化を測定することにより、時々刻々と変化する気体燃料の流量を測定することができるようにしている。

（実験例）
図３は、図１及び２に示した装置により、計測部細管５内の圧力を測定した実験結果を示す図である。図３Ａは、ファンクションジェネレータ８からインジェクタドライバ７に与えられる矩形信号である。また、図３Ｂは、この矩形信号が気体燃料インジェクタに供給されたときの、圧力計測部分の圧力変化をデジタルオシロスコープ９で見た波形図である。

ここでは、天然ガス自動車用燃料インジェクタとして、株式会社ケーヒン（以下、「ケーヒン社」という。）製のインジェクタ（KEIHIN 06164 PDN J00）とインジェクタドライバ（KEIHIN 37815 PDN J01）を購入して実験に使用した。なお、安全性の観点から実際のＣＮＧではなく模擬燃料として窒素を用いた。また、模擬燃料の噴射圧力を０．２５５ＭＰａとした。なお本発明では、気体の種類が変わっても、その物性値（密度ρ、比熱比κなど）を（１２）式に代入することで、あらゆる気体（例えば水素燃料など）の瞬間流量の計測が可能である。

図３は、噴射期間を１０ｍｓｅｃとしたときの、インジェクタドライバ７に与えられる駆動信号（図３Ａ）と、計測部細管５内の計測部位（圧力計測器４の位置）の圧力の時間変化（履歴）示す図（図３Ｂ）である。図３Ｂにおいて、横軸は時間（ｍｓｅｃ）、縦軸は計測部細管５内の圧力（ｋＰａ）が示してある。

この図３Ｂから明らかなように、インジェクタドライバ７への開弁信号の入力時刻（０秒）から、所定の時間差（２ｍｓｅｃ程度）を持って、計測部細管５内の圧力が上昇し、同インジェクタ３への電磁弁を閉じる制御信号（１０ｍｓｅｃ後）から、同じく所定時間差（２ｍｓ程度）を経て、細管５内の圧力が減少していることが分かる。この時間差（タイムラグ）は、時刻ゼロにて開弁信号が入力されても、所定の時間遅れの後に気体燃料インジェクタ３の電磁弁が開弁するからである。

この開弁信号により、計測部細管５内に模擬燃料（窒素ガス）が流入し、その圧力は時間とともに増大する。そして、気体燃料インジェクタ３が全開となると流量は一定となり、圧力も一定値を取る。そして、気体燃料インジェクタ３の閉弁とともに圧力は減少して初期値に戻り、１回の噴射サイクルが終了する。時刻約２５〜２７ｍｓにおいて、圧力の減少が見られるのは、延長細管６の下流端で反射した圧力波が測定位置まで戻ってくるためである。反射波が戻ってくるまでの期間が、計測可能期間となる。この反射波が戻ってくる時刻は、延長細管６の長さを変更することにより調整することができる。図３の例では、気体燃料インジェクタ３の開弁期間を１０ｍｓｅｃとしているが、この開弁期間を３．４〜２０ｍｓｅｃの範囲で変化させても同様な結果を示した。

図４は、図３と同様に、ファンクションジェネレータ８からインジェクタドライバ７に１０ｍｓｅｃの矩形波の駆動信号を供給したときの、気体燃料噴射率（単位はｍｇ／ｓｅｃ：単位時間あたりの燃料噴射量）の時間変化を示した図である。図４Ａはインジェクタドライバ７へ供給する駆動信号、図４Ｂは気体燃料噴射率を示している。横軸は時間である。

この噴射率は、計測部細管５内の計測した圧力の時間変化を（１２）式に代入することにより、求めることができる。
このように、気体燃料の噴射率の時間変化の測定が可能となったことにより、例えば、気体燃料インジェクタ開弁・閉弁時の過渡特性や、燃料配管内での圧力波の伝播による流量変動などの気体燃料インジェクタ３の特性の詳細を知ることができるようになると考えられる。

図５は、較正試験に用いた装置の概略図である。この装置を用いて気体燃料噴射率計によって測定された噴射率の精度を確認するための較正試験を行った。この較正試験に用いた装置において、図１の実験装置と同じ装置には同一番号を付している。図５の装置を用いた較正試験では、図１の実験装置のように燃料インジェクタ３から圧力計測器４に向けて燃料を噴射させるのではなく、燃料インジェクタ３を圧力容器１４に接続してこの圧力容器１４の中に燃料を噴射するようにした。

ここで、燃料インジェクタ３より上流の配管内の圧力脈動が噴射率に影響を及ぼす可能性があるので、ガスボンベ１から燃料インジェクタ３に至るまでの配管は、図１に示した実験装置と同一のものを使用した。

そして、圧力容器１４内を真空にしておき、ファンクションジェネレータ８とインジェクタドライバ７を作動させて燃料インジェクタ３から圧力容器１４に気体燃料を噴射させる試験を行った。そして、噴射期間τを固定し、１，０００〜２，０００回の繰返し噴射を行った。圧力容器１４には、Ｕ字形をしたガラス管で形成される圧力計１５（水銀マノメータ）が設置されている。

この実験により、圧力容器１４内の圧力上昇から気体の総質量流量を求め、それを噴射回数で除することで噴射１回当たりの質量流量を求めた。一方、図１の実験装置における気体燃料噴射率計で求めた各時刻における噴射率を積分し、噴射１回当りの質量流量を求めて両者を比較した。この比較結果を図６に示した。

図６は、本発明の実施形態例に用いられる気体燃料噴射率計を用いた測定結果と，較正試験の結果の比較を示した図である。縦軸は、１ストローク当り（噴射１回当り）の燃料噴射量（質量流量）を示し、横軸は噴射期間τ（ｍｓ）を示している。

なお、本研究で行った較正試験については、熱線式流量計、層流型流量計を用いたクロスチェックを実施しており、信頼性は比較的高いと考えている。この図６に示すように、気体燃料噴射率計を用いた測定結果（○印）と較正試験の結果（●印）は，噴射期間τに応じて若干変化するが、最大でも約１０％程度の相違にとどまっていることがわかる。

以上説明したように、本発明によれば、従来不可能であった気体燃料の瞬間流量計測が可能となる。このため、本発明は、気体燃料を用いた自動車用内燃機関あるいはその他の機関の燃料インジェクタ及びエンジンの設計等に、非常に大きな作用効果をもたらすと考えられる。

なお、本発明は、図１〜図２に示した実施の形態について説明したが、上記実施の形態以外にも、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の態様の実施形態を含むことは言うまでもない。

本発明の気体燃料インジェクタの流量計測装置の実施の形態の一例を示す図である。 本発明の気体燃料インジェクタの流量計測装置の実施の形態例の要部を示す図である。 本発明の気体燃料インジェクタの電磁弁を開閉する駆動信号と計測部細管内の圧力の時間変化を示す図である。 本発明の気体燃料インジェクタの電磁弁を開閉する駆動信号と噴射率の時間変化を示す図である。 本発明の気体燃料インジェクタの較正試験（キャリブレーションテスト）を行うための概略図である。 本発明の実施の形態における図１の実験装置で求めた１ストローク（１回噴射）当たりの質量噴射量と、図５の較正試験で求めたデータを比較した図である。

符号の説明

１・・・気体燃料のガスボンベ、２・・・バッファチャンバ（バッファ室）、３・・・気体燃料インジェクタ、４・・・圧力計測器、５・・・計測部細管、６・・・延長細管、７・・・インジェクタドライバ、８・・・ファンクションジェネレータ、９・・・デジタルオシロスコープ、１０・・・テーパ状ノズル、１１、１２・・・フランジ、１３・・・背圧弁、１４・・・圧力容器、１５・・・圧力計（水銀マノメータ）

Claims (6)

1. 内部に電磁弁を備え、気体燃料が注入される気体燃料インジェクタと、
   該電磁弁の開閉を制御するインジェクタ駆動手段と、
   前記気体燃料インジェクタに接続され、前記気体燃料インジェクタからの気体燃料ガスが供給される計測部細管と、
   該計測部細管内に設けられ、前記気体燃料インジェクタ側から計測部細管の下流側に向けて断面積が小から大に変化するノズルと、
   前記計測部細管の下流側端部に設けられた延長細管と、
   前記計測部細管に設けられた小孔に密接配置された圧力計測手段と、
   該圧力測定手段により計測した前記計測部細管内の圧力を所定の変換式に基づいて、前記計測部細管内に流れる気体燃料の流量に変換する手段と
   からなる気体燃料インジェクタの瞬間流量計測装置。
2. 前記延長細管の下流側端部には、さらに背圧弁が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の気体燃料インジェクタの瞬間流量計測装置。
3. 前記計測部細管に設けられているノズルはテーパ状ノズルであることを特徴とする請求項１または２に記載の気体燃料インジェクタの瞬間流量計測装置。
4. 前記計測部細管に設けられているノズルは、前記下流側に行くにしたがって、階段状に変化する異なる径の複数の円筒状部材から構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の気体燃料インジェクタの瞬間流量計測装置。
5. 前記圧力計測手段は前記計測部細管に設けた小孔からの前記計測部細管内の圧力を検出する圧電素子を有する圧力変換器であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の気体燃料インジェクタの瞬間流量計測装置。
6. 前記圧力計測手段によって計測した前記計測部細管内の圧力を、前記計測部細管内を流れる気体燃料の流量Ｍ（ｔ）に変換する変換式は、次式であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の気体燃料インジェクタの瞬間流量計測装置。
   

   

   （ただし、Ａは計測部細管の断面積（ｍ^２）、ρ（ｔ）は気体燃料の密度（ｋｇ／ｍ^３）、ｕ（ｔ）は気体燃料の流速（ｍ／ｓｅｃ）、κは比熱比（無次元の断熱係数）、Ｐ（ｔ）は計測部細管内の圧力（Ｐａ）、Ｐ_１＝Ｐ（０）、ρ_１＝ρ（０）である。）

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