(57)【要約】【課題】ラバルノズルとして構成された噴孔の形状を変化させることができる気体燃料噴射弁を提供する。【解決手段】気体燃料を噴射する噴孔８が設けられ、ラバルノズルとして構成される噴射部７を備えた気体燃料噴射弁１は、噴射部７に、磁性流体１５が封入された円筒状の封入部１０と、封入部１０の外周に気体燃料の流れ方向に沿ってマイクロ電磁コイルアレイ１６と、が設けられ、封入部１０は、噴孔８の内面形状を規定し、かつ弾性変形可能な弾性部材１４を有しているものである。【選択図】図３Ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体燃料を噴射する噴孔が設けられ、ラバルノズルとして構成される噴射部を備えた気体燃料噴射弁において、
前記噴射部には、磁性流体が封入された円筒状の封入部と、前記封入部の外周に気体燃料の流れ方向に沿って並べられた複数の電磁石と、が設けられ、
前記封入部は、前記噴孔の内面形状を規定し、かつ弾性変形可能な弾性部材を有していることを特徴とする気体燃料噴射弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、噴孔がラバルノズルとして構成されている気体燃料噴射弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
気体燃料を超音速で噴射するために、噴孔がラバルノズルとして構成されている気体燃料噴射弁が知られている（特許文献１〜３）。また、流路面積が変化する流路管が存在する。このような流路管に適用される流体バルブとして、流路面積の変化する変化部に磁性流体が充填され、流路管外周の変化部近傍において流路管に沿って移動可能に配設された永久磁石等によって充填された磁性流体の位置を移動させて流路面積を変化させるものが知られている（特許文献４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平５−２０２８２６号公報
【特許文献２】特表平１０−５００４６７号公報
【特許文献３】特開平１１−１１７８３３号公報
【特許文献４】特開昭６１−２１５８７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
圧縮性流体である気体燃料を超音速で噴出するためには、ラバルノズルの形状を圧縮性流体力学に基づいて滑らかな曲線で形成しなければならない。また、使用燃料の比熱比、貯留燃料圧力、使用環境の圧力場及び、目標マッハ数に応じてラバルノズルの形状を設計する必要がある。ラバルノズルの形状は、例えば、ＮＡＳＡ提供のＮＡＣＡ  ＴＥＣＮＩＣＡＬ  ＮＯＴＥ  Ｎｏ．１６５１やＣＦＤ解析等によりある程度厳密に決められる。特許文献１〜３の気体燃料噴射弁では、使用燃料の比熱比、貯留燃料圧力、使用環境の圧力場及び、目標マッハ数の変化に応じてラバルノズルの形状を変化させることができない。また、特許文献４の流体バルブは、ラバルノズルとして構成された気体燃料噴射弁の噴孔の形状を変化させるものではない。
【０００５】
そこで、本発明は、ラバルノズルとして構成された噴孔の形状を変化させることができる気体燃料噴射弁を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の気体燃料噴射弁は、気体燃料を噴射する噴孔が設けられ、ラバルノズルとして構成される噴射部を備えた気体燃料噴射弁において、前記噴射部には、磁性流体が封入された円筒状の封入部と、前記封入部の外周に気体燃料の流れ方向に沿って並べられた複数の電磁石と、が設けられ、前記封入部は、前記噴孔の内面形状を規定し、かつ弾性変形可能な弾性部材を有している（請求項１）。
【０００７】
この気体燃料噴射弁によれば、噴孔の内面形状が封入部の有する弾性部材によって規定されるので、弾性部材の形状を変化させることによって噴孔の内面形状を変化させることができる。また、封入部の外周には複数の電磁石が並べられているので、電磁石が発生させる磁界によって封入部の磁性流体に形状を変形させようとする力を生じさせることができる。そして、この力が弾性部材の弾性力を上回った場合には、弾性部材の形状を変形させることができる。つまり、電磁石が発生させる磁界によって弾性部材の形状を変形させることができるので、電磁石が発生させる磁界に応じてラバルノズルとして構成された噴射部の噴孔の形状を変化させることができる。
【発明の効果】
【０００８】
以上、説明したように、本発明によれば、磁性流体が封入された封入部の弾性部材よって噴孔の内面形状が規定されるので、封入部の外周に並べられた複数の電磁石によって弾性部材の形状を変化させることにより、ラバルノズルとして構成された噴孔の形状を変化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一形態に係る気体燃料噴射弁を模式的に示した図。
【図２】気体燃料噴射弁の先端を拡大して模式的に示した図。
【図３Ａ】噴射部を拡大して模式的に示した図であって、マイクロ電磁コイルアレイに通電する前の状態を示す図。
【図３Ｂ】噴射部を拡大して模式的に示した図であって、マイクロ電磁コイルアレイに通電した後の状態を示す図。
【図４】内燃機関の吸気ポートに従来の気体燃料噴射弁が配置された場合を模式的に示す図。
【図５】内燃機関の吸気ポートに本発明の一形態に係る気体燃料噴射弁が配置された場合を模式的に示す図。
【図６】本発明の第１の変形例に係る気体燃料噴射弁の先端を模式的に示す図。
【図７】内燃機関の気筒内に気体燃料が噴射されるように従来の気体燃料噴射弁を配置した場合を模式的に示す図。
【図８】内燃機関の気筒内に気体燃料が噴射されるように本発明の第１の変形例に係る気体燃料噴射弁を配置した場合を模式的に示す図。
【図９】図８のIX方向から見た状態を模式的に示す図。
【図１０】本発明の第２の変形例に係る気体燃料噴射弁の先端を模式的に示す図。
【図１１】図９で示す本発明の第１の変形例に係る気体燃料噴射弁に換えて本発明の第２の変形例に係る気体燃料噴射弁を適用した場合を模式的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、本発明の一形態に係る気体燃料噴射弁を模式的に示した図である。気体燃料噴射弁１は、車両の走行用動力源として搭載される内燃機関に適用される。気体燃料噴射弁１には、燃料供給通路２が接続されており、この通路２から気体燃料が供給される。気体燃料としては、天然ガスや水素等が用いられている。図２は、気体燃料噴射弁１の先端を拡大して模式的に示した図である。気体燃料噴射弁１は、ノズルボディ４と、ノズルボディ４に往復動自在に収容されるノズルニードル５と、を備えている。ノズルボディ４の先端には、気体燃料を噴射するための噴射部７が設けられている。燃料供給通路２から供給された気体燃料は、ノズルニードル５の往復動に伴って開通又は閉鎖される燃料流路を経由して噴射部７に導かれる。噴射部７には、噴孔８が設けられており、噴射部７に導かれた気体燃料は、噴孔８から噴射される。噴孔８は、ノズルニードル５の軸線ＡＸ上に中心線が位置するように配置されている。図２の矢印９は、気体燃料が噴射される方向を示している。
【００１１】
図３Ａ及び図３Ｂは、ともに噴射部７を拡大して模式的に示した図である。図３Ａに示すように、噴射部７には磁性流体１５が封入された封入部１０が設けられている。封入部１０は、気体燃料の流れ方向に沿って延びる円筒状に形成されており、封入部１０の内周面によって噴孔８が形成されている。図３Ａの矢印１１は、気体燃料の流れる方向を示している。封入部１０の内周、外周ともに、気体燃料の流れる方向の上流から下流に向かうに従って徐々に径が拡大するように形成されている。封入部１０の内周面は弾性変形可能な弾性部材１４によって形成されている。このため、噴孔８は、弾性部材１４の形状によって内面形状が規定される。
【００１２】
噴射部７には、複数の電磁石としてのマイクロ電磁コイルアレイ１６が設けられている。マイクロ電磁コイルアレイ１６は、複数のマイクロ電磁コイル１７が封入部１０の外周に気体燃料の流れる方向に沿って並べられて形成されている。このため、通電されることによりマイクロ電磁コイルアレイ１６が発生させる磁界は封入部１０内の磁性流体１５を変形させようとする力を発生させる。そして、この磁性流体１５を変形させようとする力が弾性部材１４の弾性力を上回った場合には、マイクロ電磁コイルアレイ１６が発生させた磁界に応じて弾性部材１４の形状が変形する。図３Ａはマイクロ電磁コイルアレイ１６に通電する前の状態を、図３Ｂはマイクロ電磁コイルアレイ１６に通電した後の状態を、それぞれ示している。マイクロ電磁コイルアレイ１６の各マイクロ電磁コイル１７は、独立して通電可能に構成されている。このため、マイクロ電磁コイルアレイ１６のうち一部のマイクロ電磁コイル１７のみに通電することができる。これにより、図３Ｂに示すように、噴孔８の気体燃料の流れる方向の任意の位置に、任意の径を有する絞り部２０を形成することができる。封入部１０の内周、つまり、噴孔８の内周は、気体燃料の流れる方向の上流から下流に向かうに従って徐々に径を拡大するように形成されているので、絞り部２０が形成されることにより、噴孔８がラバルノズルとして構成される。
【００１３】
この形態によれば、噴孔８の内面形状が封入部１０に設けられた弾性部材１４によって規定されるので、弾性部材１４の形状を変化させることにより噴孔８の内面形状を変化させることができる。また、封入部１０の外周には、気体燃料の流れる方向に複数のマイクロ電磁コイル１７が並べられており、これらのマイクロ電磁コイル１７は独立して通電可能に構成されているので、気体燃料の流れる方向の任意の位置に、任意の強さの磁界を発生させることができる。これにより、噴孔８の任意の位置で弾性部材１４の形状を任意に変形させることができるので、噴孔８の任意の位置に、任意の径を有する絞り部２０を形成することができる。つまり、ラバルノズルとして構成された噴孔８の絞り部２０の位置、及び径を任意に変化させることができる。これにより、使用燃料の比熱比、貯留燃料圧力、使用環境の圧力場及び、目標マッハ数の変化に応じて噴孔８の形状を最適なラバルノズルの形状に変化させることができる。
【００１４】
但し、本発明は上述の形態に限定されず、本発明の要旨の範囲内で種々の形態にて実施できる。上述の形態では、封入部１０は、内周、外周ともに、気体燃料の流れる方向の上流から下流に向かうに従って徐々に径が拡大するように形成されているが、円筒状に形成されていればよく、このような構成に限定されるものではない。また、上述の形態では、封入部１０の内周面全体が弾性部材１４によって形成されているが、このような構成に限定されるものではない。封入部は、噴孔の内面形状を規定する弾性部材を有していればよく、例えば、封入部の内周面の一部のみが弾性部材で形成されていてもよい。この場合にも、ラバルノズルとして構成された噴孔の形状を変化させることができる。
【００１５】
また、気体燃料噴射弁１は、必要に応じて内燃機関の適切な場所に配置されればよい。例えば、内燃機関の吸気ポートに配置されてもよい。図４及び図５は、いずれも内燃機関の吸気ポートに気体燃料噴射弁が配置された場合を模式的に示す図である。これらの図に示すように、内燃機関には、気筒４１が設けられ、気筒４１は、内部にピストン４２が挿入された状態で上部がシリンダヘッド４４によって塞がれている。シリンダヘッド４４には、吸気ポート４５が設けられ、吸気ポート４５には、不図示の駆動装置によって開閉駆動する吸気バルブ４６が設けられている。図４及び図５のいずれの場合も吸気バルブ４６の近傍に気体燃料噴射弁が配置されている。
【００１６】
図４は、気体燃料噴射弁として、噴射燃料のマッハ数が１である従来の気体燃料噴射弁を適用した場合を、図５は、本発明に係る気体燃料噴射弁１を適用した場合を、それぞれ示している。従来の気体燃料噴射弁を適用した場合には、図４で示すように、噴射された気体燃料４８が気筒４１内に導入されずに吸気ポート４５の吸気バルブ４６付近に残留しやすい。そして、この残留した気体燃料４８が気筒４１内への吸気の導入を妨げ、気筒４１に導入される吸気の減少を招く場合がある。一方、本発明に係る気体燃料噴射弁１を適用した場合には、図５に示すように、従来の気体燃料噴射弁と比べて噴射される気体燃料４９の速度が高いことから、気体燃料４９の大部分を気筒４１の内部に導入することができる。これにより、従来の気体燃料噴射弁を吸気ポート４６に配置する場合と比べて吸気ポート４６に気体燃料が残留することを抑制することができるので、気筒４１内に導入される吸気の減少を抑制することができる。
【００１７】
また、上述の形態では、噴射部７の噴孔８の中心線がノズルニードル５の軸線ＡＸ上に配置されているが、このような構成に限定されるものではない。例えば、図６は、本発明の第１の変形例に係る気体燃料噴射弁５０の先端を示している。図６に示すように、気体燃料噴射弁５０では、ノズルボディ５１の先端が球面状に形成されており、噴射部７の噴孔８が軸線ＡＸから図６で示す右側にずれて配置されている。図７は、音速で気体燃料を噴射する従来の気体燃料噴射弁を内燃機関に適用し、内燃機関の気筒内に気体燃料が噴射されるように配置した場合を示す模式図である。図７に示すように、内燃機関の気筒５２には、吸気バルブ５４、排気バルブ５６、点火プラグ５７が設けられている。また、気筒５２内に気体燃料を噴射するように２つの従来の気体燃料噴射弁５８、５９が設けられている。従来の気体燃料噴射弁５８、５９を気筒５２内に気体燃料を噴射するように配置する場合には、強いスワール流を形成するために気体燃料噴射弁５８、５９の配置に配慮が必要で、例えば、図７では、各気体燃料噴射弁５８、５９がオフセット配置されている。図７の矢印６０は、噴射された気体燃料の流れを示している。
【００１８】
一方、図８は、第１の変形例に係る気体燃料噴射弁５０を気筒５２内に気体燃料を噴射するように配置した場合を模式的に示す図である。図８に示すように、気体燃料噴射弁５０は超音速で気体燃料を噴射することができるので、従来の気体燃料噴射弁５８、５９に比べて噴射された燃料の貫徹力が強い。このため、１つの気体燃料噴射弁５０によって強力なスワール流を形成することができるので、気体燃料噴射弁を配置する位置に特に配慮しなくても、噴孔８の方向をスワール流が形成されるように向けるだけで強力なスワール流を形成することができる。しかも、このスワール流は、従来の気体燃料噴射弁５８、５９をオフセット配置した場合に形成されるものよりも強力である。
【００１９】
図９は、図８のIX方向から見た状態を模式的に示す図である。図８及び図９の矢印６１は、噴射された燃料の流れを示している。気体燃料噴射弁５０は、ピストン６０が遅角に位置する状態で噴射するように、つまり、遅角噴射するように設定されている。このように設定されている場合には、形成されたスワール流が燃焼過程まで維持されやすくなる。また、この場合にも、気体燃料噴射弁５０から噴射される気体燃料の速度が速いので圧縮行程後期の燃焼室高さが狭くなった空間に強いスワール流を形成することができる。これにより、吸気と気体燃料との混合促進が図れるとともに、燃焼速度を向上させることができる。特に、気体燃料と液体燃料とを併用するデュアルフューエル式の内燃機関に気体燃料噴射弁５０を適用した場合には、液体燃料の使用から気体燃料の使用に切り替える際に生じ得る出力の低下を抑制することができるので、ノッキングを抑制することができる。これにより、デュアルフューエル式の内燃機関の運転効率が向上するため、燃費効率を向上させることができる。また、断熱急速膨張による混合気温度低下もノッキングの抑制に寄与するので、圧縮比も上げることができ、内燃機関の運転効率を更に向上させることができる。
【００２０】
また、図１０は、本発明の第２の変形例に係る気体燃料噴射弁６５の先端を示している。このように、例えば、図１０に示すように、ノズルホディ６４の先端が球面状に形成されているともに、噴射部７の噴孔８が軸線ＡＸから図１０で示す左側にずれて配置されていてもよい。図１１は、図９で示す気体燃料噴射弁５０に換えて第２の変形例に係る気体燃料噴射弁６５を適用した場合を示している。図１１の矢印６８は、噴射された気体燃料の流れを示している。図１１に示すように、噴孔８の方向をタンブル流が形成されるように向けるだけで、扁平で超音速の強いタンブル流を形成することができる。つまり、変形例で示すような気体燃料噴射弁５０、６５を適用することにより、種々の内燃機関に求められる燃焼コンセプトに応じた気体燃料の貫徹力を得ることができる。
【符号の説明】
【００２１】
１、５０、６５  気体燃料噴射弁
７  噴射部
８  噴孔
１０  封入部
１４  弾性部材
１５  磁性流体
１６  マイクロ電磁コイルアレイ（複数の電磁石）
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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