(57)【要約】【課題】流体を液滴状態を殆ど含まない気化した状態で噴射できる流体噴射方法、流体噴射装置及び内燃機関を提供すること。【解決手段】流体を液体状態から気体状態に相変化させて噴射する方法である。  流体の体積当たりの定圧比熱［Ｃｐ／Ｖ］が、［Ｃｐ／Ｖ］＝［Ｃｐ／Ｖ］Ｌ…（１）（Ｃｐは流体の定圧比熱、Ｖは流体の体積、［Ｃｐ／Ｖ］Ｌは液体状態における流体の体積当たりの定圧比熱）で表される温度−圧力条件（ｉ）、次いで、［Ｃｐ／Ｖ］＝［Ｃｐ／Ｖ］Ｊ…（２）（［Ｃｐ／Ｖ］Ｊは、噴射時における流体の体積当たりの定圧比熱を示し、［Ｃｐ／Ｖ］Ｌよりも大きな値をとる［Ｃｐ／Ｖ］Ｃを満足する温度−圧力条件（ｉｉｉ）に対応する温度・圧力領域の高温側に近接して存在する温度・圧力領域内に含まれ、且つ［Ｃｐ／Ｖ］Ｌ＞［ Ｃｐ／Ｖ］Ｊである。）で表される温度−圧力条件（ｉｉ）を経る。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を液体状態から気体状態に相変化させて噴射するに当たり、
この流体の体積当たりの定圧比熱［Ｃｐ／Ｖ］が、次式（１）
［Ｃｐ／Ｖ］＝［Ｃｐ／Ｖ］Ｌ…（１）
（式中のＣｐは上記流体の定圧比熱、Ｖは上記流体の体積、［Ｃｐ／Ｖ］Ｌは液体状態における上記流体の体積当たりの定圧比熱を示す）で表される関係を満足させる温度−圧力条件（ｉ）、次いで、次式（２）
［Ｃｐ／Ｖ］＝［Ｃｐ／Ｖ］Ｊ…（２）
（式中の［Ｃｐ／Ｖ］Ｊは、噴射時における上記流体の体積当たりの定圧比熱を示し、［Ｃｐ／Ｖ］Ｌよりも大きな値をとる［Ｃｐ／Ｖ］Ｃを満足する温度−圧力条件（ｉｉｉ）に対応する温度・圧力領域の高温側に近接して存在する温度・圧力領域内に含まれ、且つ［Ｃｐ／Ｖ］Ｌ＞［ Ｃｐ／Ｖ］Ｊである。）で表される関係を満足させる温度−圧力条件（ｉｉ）を経る、ことを特徴とする流体の噴射方法。
【請求項２】
上記温度−圧力条件（ｉ）と（ｉｉ）との間に、上記温度−圧力条件（ｉｉｉ）を経由することを特徴とする請求項１に記載の流体の噴射方法。
【請求項３】
気体状態における上記流体の体積当たりの定圧比熱を［Ｃｐ／Ｖ］Ｇとしたとき、次式（３）
［Ｃｐ／Ｖ］Ｌ＞［ Ｃｐ／Ｖ］Ｊ＞［Ｃｐ／Ｖ］Ｇ…（３）
で表される関係を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の流体噴射方法。
【請求項４】
更に、次式（４）
（［Ｃｐ／Ｖ］Ｌ−［ Ｃｐ／Ｖ］Ｊ）＜ （［Ｃｐ／Ｖ］Ｊ−［Ｃｐ／Ｖ］Ｇ）…（４）
で表される関係を満足することを特徴とする請求項３に記載の流体噴射方法。
【請求項５】
上記流体が内燃機関用燃料であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つの項に記載の流体噴射方法。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１つの項に記載の流体噴射を行う流体噴射装置であって、
液体状態の上記流体を加圧する加圧室と、この加圧室と連通し上記流体を加熱する加熱室と、この加熱室と連通した噴射部を備え、
上記加圧室及び上記加熱室で、上記流体が温度−圧力条件（ｉ）を満足するように制御し、
上記噴射部から上記流体が噴射される際、この流体が温度−圧力条件（ｉｉ）を満足する、ことを特徴とする流体噴射装置。
【請求項７】
上記加圧室及び上記加熱室で、上記流体が温度−圧力条件（ｉ）に続いて、温度−圧力条件（ｉｉｉ）を満足するように制御することを特徴とする請求項６に記載の流体噴射装置。
【請求項８】
上記噴射部が、温度−圧力条件（ｉ）の成立を妨げない細孔を有するか又は開閉機能を有することを特徴とする請求項６又は７に記載の流体噴射装置。
【請求項９】
上記加圧室に対して上記燃料を供給できる燃料タンクを更に備えることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１つの項に記載の流体噴射装置。
【請求項１０】
請求項６〜９のいずれか１つの項に記載の流体噴射装置を備えることを特徴とする内燃機関。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の噴射方法及び噴射装置に係り、更に詳細には、対象流体を液滴を殆ど含むことなく気化して噴射できる噴射方法、噴射装置及びこれを備えた内燃機関に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、超臨界状態の燃料を噴射して燃料の微粒化を促進する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平１０−１４１１７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、かかる従来の燃料噴射技術においては、亜臨界や臨界点近傍の超臨界状態にある燃料を噴射しても、燃料の気化が不十分になることがあった。
【０００４】
本発明は、このような従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、流体を液滴状態を殆ど含まない気化した状態で噴射できる流体噴射方法及び流体噴射装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を重ねた結果、臨界点近傍で流体の比熱が増大して流体の温度上昇が妨げられることを知見し、これに対して、流体の体積当たりの定圧比熱を適切に制御することにより、上記目的が達成できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００６】
即ち、本発明の流体噴射方法は、流体を液体状態から気体状態に相変化させて噴射する方法であり、この際、
この流体の体積当たりの定圧比熱［Ｃｐ／Ｖ］が、次式（１）
［Ｃｐ／Ｖ］＝［Ｃｐ／Ｖ］Ｌ…（１）
（式中のＣｐは上記流体の定圧比熱、Ｖは上記流体の体積、［Ｃｐ／Ｖ］Ｌは液体状態における上記流体の体積当たりの定圧比熱を示す）で表される関係を満足させる温度−圧力条件（ｉ）、次いで、次式（２）
［Ｃｐ／Ｖ］＝［Ｃｐ／Ｖ］Ｊ…（２）
（式中の［Ｃｐ／Ｖ］Ｊは、噴射時における上記流体の体積当たりの定圧比熱を示し、［Ｃｐ／Ｖ］Ｌよりも大きな値をとる［Ｃｐ／Ｖ］Ｃを満足する温度−圧力条件（ｉｉｉ）に対応する温度・圧力領域の高温側に近接して存在する温度・圧力領域内に含まれ、且つ［Ｃｐ／Ｖ］Ｌ＞［ Ｃｐ／Ｖ］Ｊである。）で表される関係を満足させる温度−圧力条件（ｉｉ）を経る、ことを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の流体噴射装置は、上述の如き流体噴射を行う流体噴射装置である。
液体状態の上記流体を加圧する加圧室と、この加圧室と連通し上記流体を加熱する加熱室と、この加熱室と連通した噴射部を備え、
上記加圧室及び上記加熱室で、上記流体が温度−圧力条件（ｉ）を満足するように制御し、
上記噴射部から上記流体が噴射される際、この流体が温度−圧力条件（ｉｉ）を満足する、ことを特徴とする。
【０００８】
更に、本発明の内燃機関は、上述の如き流体噴射装置を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、流体の体積当たりの定圧比熱を適切に制御することとしたため、流体を液滴状態を殆ど含まない気化した状態で噴射できる流体噴射方法、流体噴射装置及び内燃機関を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の流体噴射方法につき詳細に説明する。なお、本明細書において、濃度、含有量及び配合量などのついての「％」は、特記しない限り質量百分率を表すものとする。
【００１１】
上述のように、本発明の流体噴射方法は、流体を液体状態から気体状態に相変化させて噴射方法である。
この流体噴射方法では、流体の体積当たりの定圧比熱［Ｃｐ／Ｖ］が、次式（１）
［Ｃｐ／Ｖ］＝［Ｃｐ／Ｖ］Ｌ…（１）
（式中のＣｐは上記流体の定圧比熱、Ｖは上記流体の体積、［Ｃｐ／Ｖ］Ｌは液体状態における上記流体の体積当たりの定圧比熱を示す）で表される関係を満足させる温度−圧力条件（ｉ）、次いで、次式（２）
［Ｃｐ／Ｖ］＝［Ｃｐ／Ｖ］Ｊ…（２）
（式中の［Ｃｐ／Ｖ］Ｊは噴射時における上記流体の体積当たりの定圧比熱を示し、［Ｃｐ／Ｖ］Ｌ＞［ Ｃｐ／Ｖ］Ｊである。）で表される関係を満足させる温度−圧力条件（ｉｉ）を経る。
【００１２】
この場合、［Ｃｐ／Ｖ］Ｊは、［Ｃｐ／Ｖ］Ｌよりも大きな値をとる［Ｃｐ／Ｖ］Ｃを満足する温度−圧力条件（ｉｉｉ）に対応する温度・圧力領域の高温側に近接して存在する温度・圧力領域内に含まれ、且つ［Ｃｐ／Ｖ］Ｌ＞［ Ｃｐ／Ｖ］Ｊである。
また、本発明の流体噴射方法においては、上記温度−圧力条件（ｉ）と（ｉｉ）との間に、上記温度−圧力条件（ｉｉｉ）を経由させることができる。
【００１３】
なお、上述の流体噴射方法においては、気体状態における流体の体積当たりの定圧比熱を［Ｃｐ／Ｖ］Ｇとしたとき、次式（３）
［Ｃｐ／Ｖ］Ｌ＞［ Ｃｐ／Ｖ］Ｊ＞［Ｃｐ／Ｖ］Ｇ…（３）
で表される関係を満足することが好ましい。
この関係が満足されることにより、噴射された気化流体が、気体状態に比較して高密度の状態を経て、更に膨張を続行するので、例えば、気化流体を広範囲に供給することができる。
【００１４】
図１は、流体の［Ｃｐ／Ｖ］の温度−圧力変化を示す特性図である。
同図において、［Ｃｐ／Ｖ］は、概略的には、段付の２層構造をなす形状を描くように変化しており、この場合、上層部は上述の［Ｃｐ／Ｖ］Ｌ、下層部は［Ｃｐ／Ｖ］Ｇ、上層部と下層部との間の斜面部は［Ｃｐ／Ｖ］Ｊをそれぞれ示している。
また、上層部には、［Ｃｐ／Ｖ］Ｌよりも大きな隆起部が［Ｃｐ／Ｖ］Ｃが存在している。そして、具体的には、本発明において意図する［Ｃｐ／Ｖ］Ｊは、隆起部［Ｃｐ／Ｖ］Ｃの高温側に近接する温度・圧力領域に含まれるものであり、図１においては、隆起部［Ｃｐ／Ｖ］Ｃに近接する右側の斜面部分に相当する。
なお、図１の左側に図示されているのは、三重点である。
【００１５】
上述のような変化を示す［Ｃｐ／Ｖ］において、それぞれ、［Ｃｐ／Ｖ］Ｌを実現する温度・圧力領域を温度−圧力条件（ｉ）、［Ｃｐ／Ｖ］Ｊを実現する温度・圧力領域を温度−圧力条件（ｉｉ）、［Ｃｐ／Ｖ］が、［Ｃｐ／Ｖ］Ｌよりも大きな隆起部を表す［Ｃｐ／Ｖ］Ｃを実現する温度・圧力領域を温度−圧力条件（ｉｉｉ）とすると、本発明の流体噴射方法は、噴射対象である流体につき、 少なくとも温度−圧力条件（ｉ）に続いて温度−圧力条件（ｉｉ）、必要に応じて更に温度−圧力条件（ｉ）と（ｉｉ）との間に（ｉｉｉ）を経由させて、噴霧を行うものである。
【００１６】
本発明の流体噴射方法によれば、当初は液体状態であった流体が瞬時に気化されて噴射され、噴射流の中には液滴が殆ど乃至は全く存在しない。
即ち、本発明の流体噴射方法は、噴射対象とする流体の臨界点近傍で得られる高い定圧比熱／体積を利用するものであり、噴射膨張（断熱膨張）時の温度低下を有効に抑制したものであると推察される。
よって、流体噴射後の膨張時に温度低下を抑制し、気化を促進する噴射が可能となる。
【００１７】
また、本発明の流体噴射方法において、噴射対象である流体の［Ｃｐ／Ｖ］の変化経路は、典型的には、図１における矢印（１）で表される経路となる。
他の矢印（２）、（３）又は（４）で表される経路の場合、噴射流に液滴が存在することがある。
【００１８】
上記の経路のうち、矢印（１）で表される経路は、［Ｃｐ／Ｖ］Ｌに対応する温度−圧力条件における高温・高圧側領域を利用するものであり、臨界単一相を比較的容易に形成できるので、液滴が存在しない完全気化噴射を実現できるものである。
また、上述の隆起部［Ｃｐ／Ｖ］Ｃを経る経路は、Ｃｐ上昇に伴い温度上昇がし難くなり、対応する温度−圧力条件を実現し難くなり、液滴が存在しない完全気化噴射を実現できなくなる。
一方、矢印（２）、（３）又は（４）で表される経路によれば、断熱膨張時に温度低下が起こり、二層流体化するので、噴射流に液滴が混在することがある。
【００１９】
なお、上述の矢印（１）で表される経路は、例えば、対象流体をの初期状態を室温・常圧とすると、室温にて臨界圧力の１１０％程度の圧力に加圧してから、臨界温度の１０５％程度の温度（絶対温度表記）まで加熱し、上述の隆起部を回避することにより、実現することができる。
あるいは、液体状態から気液平衡線を跨がないように昇温と昇圧を同時に行うことによって、上述の温度・圧力まで加熱することにより、実現することができる。
【００２０】
また、本発明の流体噴射方法においては、更に、次式（４）
（［Ｃｐ／Ｖ］Ｌ−［ Ｃｐ／Ｖ］Ｊ）＜ （［Ｃｐ／Ｖ］Ｊ−［Ｃｐ／Ｖ］Ｇ）…（４）
で表される関係を満足することが好ましい。
この関係を満足すれば、流体の定圧比熱Ｃｐの低下及び／又は気化流体の膨張が抑制され易くなるので、噴射という膨張過程において、温度低下による液化や、気化流体の膨張性低下を有効に回避することができる。なお、内燃機関への適用を考慮すると、密度が低下し過ぎてトルクが低下するのを回避できる。
【００２１】
以上に説明した本発明の流体噴射方法を適用できる流体としては、特に限定されるものではなく、通常液体状のものとして取り扱われる流体であればよいが、炭化水素系やアルコール系などの各種溶媒、燃料、内燃機関などのパワーユニット用の燃料、具体的には、ブタン、ヘキサン、ヘプタン、トルエン、ガソリン、軽油及び重油などを挙げることができ、これらの混合物（混合流体）、例えばエタノールとガソリンを混合したいわゆるバイオ燃料にも適用可能である。
【００２２】
また、本発明の流体噴射方法は、上述の［Ｃｐ／Ｖ］Ｃが１７５０Ｊ・Ｋ−１・ｋｇ・ｍ−３よりも大きい流体に対して好適に適用することができ、かかる流体の瞬時の気化噴射を実現することができる。
かかる流体の典型例としては、内燃機関用燃料があるが、このような瞬時の気化噴射が実現されれば、煤などのＰＭ（パティキュレートマター）が発生し難くなり、クリーンエンジンに資するとともに、効率の良い燃焼を行うことが可能になる。
【００２３】
なお、本発明において、流体の［Ｃｐ／Ｖ］Ｌは必ずしも一定値をとるとはかぎらないが、概ね一定であり、ある範囲内の値をとる。
【００２４】
次に、本発明の流体噴射装置について、図面を参照して詳細に説明する。
図２は、本発明の流体噴射装置の一実施形態を示す部分切欠正面図である。
同図において、この流体噴射装置は、管状の加圧室１０と、加熱室２０と、噴射部３０を備えており、流体の一例である燃料Ｆが供給されるように、加圧室２０と加熱室２０、加熱室２０と噴射部３０はそれぞれ連通している。また、噴射部３０は、噴射が実行される観測室４０と連通している。
【００２５】
本実施形態の流体噴射装置において、加圧室１０は加圧ポンプ１１と連通しており、燃料を加圧できるようになっている。また、加圧室１３には圧力センサ１３が設置されており、燃料圧力を計測でき、圧力センサ１３と高圧ポンプ１１で燃料圧力を制御できるようになっている。
また、加熱室１０にはヒータ２１が設けられているとともに、噴射部３０内には温度センサ３１が設けられており、燃料温度を制御できるようになっている。
【００２６】
なお、噴射部３０は、上述の温度−圧力条件（ｉ）の成立を妨げない細孔を有するか又は開閉機能を有していればよいが、本実施形態では、口径３０μｍφのノズル構造を有している。
更に、観測室４０には、Ｎ２導入バルブ４１、排出バルブ４３及び廃液バルブ４５が設けられており、これらはそれぞれ、観測室４０に窒素ガスを導入し、噴射室内ガスを排出し、廃液を排出する機能を果たす。
【００２７】
以上のような構成を有する本実施形態の流体噴射装置において、燃料は、加圧室１０及び加熱室２０において、上記温度−圧力条件（ｉ）及び温度−圧力条件（ｉｉｉ）の少なくとも一方を満足するように制御され、且つ噴射部３０から噴射される際には、上記温度−圧力条件（ｉｉ）を満足するように制御される。
これにより、噴射された燃料は、観測室４０内において、上述のような気化噴射を実行する。
【００２８】
なお、本実施形態の流体噴射装置において、加圧室１０に燃料を供給できる燃料タンクを付加することが可能である。
また、本実施形態の流体噴射装置は、燃料噴射用のものであるが、本発明の流体噴射装置は、燃料噴射用にのみ限定されるものではない。
【００２９】
次に、本発明の内燃機関について図面を参照して説明する。
図３は、本発明の内燃機関の実施形態を示す部分切欠側面図である。
図３（Ａ）はいわゆる直噴圧縮自己着火型の内燃機関を示しており、図３（Ｂ）は火花点火型の内燃機関を示している。
いずれの内燃機関も流体噴射装置１を備えており、この流体噴射装置１は図２に示した流体噴射装置と同様の構成を有するが、加圧室、加熱室及び噴射部のみを簡略的に図示している。
【００３０】
流体噴射装置１は、自己着火型の内燃機関においては燃焼室の頂部に設けられており、火花点火型の内燃機関においては吸気弁の若干上流に設けられているが、いずれの場合も噴射装置１は、燃料を所望の気化噴射する機能を果たす。
これにより、いずれの形式の内燃機関においても、煤などのＰＭが発生し難くなり、いわゆるクリーンエンジンを実現できるとともに、燃費効率も良好なものとなる。
【実施例】
【００３１】
以下、本発明を若干の実施例より更に詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
【００３２】
（実施例１及び２）
流体としてノルマルヘプタンを用い、図２に示した流体噴射装置を用いて各例の条件下での噴射を実行した。
ここで、図４に、ノルマルヘプタンの［Ｃｐ／Ｖ］の温度−圧力変化グラフを示す。また、図５は、図４に示すグラフを［Ｃｐ／Ｖ］軸に沿った方向から見た等高線図である。
【００３３】
噴射部３０を閉状態にし、ノルマルヘプタンを高圧ポンプ１１により送液して加圧室内にて昇圧した。規定圧力に到達した後、ヒーターを通電し、加熱室２０において高圧の燃料を昇温し、［Ｃｐ／Ｖ］Ｊの得られる温度・圧力条件領域に到達させた。
その後、噴射部３０を開状態にするトリガーを噴射部及び高速カメラに対し発生させ、高速カメラと噴射を同期させて、噴霧状態を撮影・観測した。
【００３４】
そして、図５に示すように、実施例１及び実施例２による温度−圧力条件から、噴射を実行した。各例の噴射の様子をカメラで撮影し、得られた結果を図５に併記した。
図５に示すように、実施例１及び実施例２の条件による噴射によれば、液滴が視認できない高速の流体噴射が実現されることが分かる。
【００３５】
なお、参考のため、図６にノルマルブタンの［Ｃｐ／Ｖ］の温度−圧力変化グラフ、図７にノルマルヘキサンの［Ｃｐ／Ｖ］の温度−圧力変化グラフ、図８にトルエンの［Ｃｐ／Ｖ］の温度−圧力変化グラフを示す。
これらの図からも明らかなように、本発明は、ノルマルブタンその他の各種溶媒に適用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】流体の［Ｃｐ／Ｖ］の温度−圧力変化を示す特性図である。
【図２】本発明の流体噴射装置の一実施形態を示す部分切欠正面図である。
【図３】本発明の内燃機関の実施形態を示す部分切欠側面図である。
【図４】ノルマルヘプタンの［Ｃｐ／Ｖ］の温度−圧力変化グラフである。
【図５】図４に示すグラフを平面化して示す等高線図である。
【図６】ノルマルブタンの［Ｃｐ／Ｖ］の温度−圧力変化グラフである。
【図７】ノルマルヘキサンの［Ｃｐ／Ｖ］の温度−圧力変化グラフである。
【図８】トルエンの［Ｃｐ／Ｖ］の温度−圧力変化グラフである。
【図１】
2009030596.tif 000002
【図２】
2009030596.tif 000003
【図３】
2009030596.tif 000004
【図４】
2009030596.tif 000005
【図５】
2009030596.tif 000006
【図６】
2009030596.tif 000007
【図７】
2009030596.tif 000008
【図８】
2009030596.tif 000009