JP 6813163 B2 2021.1.13(57)【 特 許 請 求 の 範 囲 】【請求項１】
燃料の蒸発過程において使用される物性値を分子量の関数として表して扱うことができる物質の分子構造に基づいて分類されるグループである燃料種について複数の燃料種を混合させた燃料の蒸発過程解析方法であって、前記燃料の蒸発時の液体燃料分子量、前記蒸発時に液体として残っている前記燃料の平均の分子量を示す液体燃料平均分子量及び前記蒸発時において蒸発後の前記燃料の平均の分子量を示す気体燃料平均分子量に基づいて蒸発過程において時々刻々と変化する前記複数の燃料種毎の前記物性値を、前記分子量の関数としての前記物性値を基に推算し、前記物性値を用いて燃料液滴の前記蒸発過程における液滴径変化と温度変化を解析することを10

特徴とする燃料の蒸発過程解析方法。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料の蒸発過程解析方法であって、前記液体燃料分子量、前記液体燃料平均分子量及び前記気体燃料平均分子量に基づいて、前記複数の燃料種毎に取得したデータから前記燃料の蒸発に関わる前記複数の燃料種毎の前記物性値を推算することを特徴とする燃料の蒸発過程解析方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の燃料の蒸発過程解析方法であって、前記燃料液滴の初期条件と前記燃料液滴に含まれる前記複数の燃料種の混合割合に応じて前記蒸発過程を時間分割した時間ステップ毎に、選択される割合が前記燃料液滴におけ

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る前記複数の燃料種の前記混合割合となるように、前記複数の燃料種のうち１つを当該時間ステップにおいて蒸発する燃料種として選択し、前記複数の燃料種毎の前記物性値を求め、当該物性値を用いて前記時間ステップ毎に前記液滴径変化と前記温度変化を解析することを特徴とする燃料の蒸発過程解析方法。
【請求項４】
コンピュータによって、燃料の蒸発過程において使用される物性値を分子量の関数として表して扱うことができる物質の分子構造に基づいて分類されるグループである燃料種について複数の燃料種を混合させた燃料の蒸発過程を解析する蒸発過程解析プログラムであって、前記燃料の蒸発時の液体燃料分子量、前記蒸発時に液体として残っている前記燃料の平均の分子量を示す液体燃料平均分子量及び前記蒸発時において蒸発後の前記燃料の平均の分子量を示す気体燃料平均分子量を取得するステップ１と、
前記液体燃料分子量、前記液体燃料平均分子量及び前記気体燃料平均分子量に基づいて
前記蒸発過程において時々刻々と変化する前記複数の燃料種毎の前記物性値を、前記分子量の関数としての前記物性値を基に推算するステップ２と、
前記物性値を用いて前記蒸発過程における燃料液滴の液滴径変化と温度変化を解析する
ステップ３と、
前記液滴径変化と前記温度変化の結果を出力するステップ４と、を備えることを特徴とする蒸発過程解析プログラム。
【請求項５】
請求項４に記載の蒸発過程解析プログラムであって、
前記ステップ２において、前記液体燃料分子量、前記液体燃料平均分子量及び前記気体
燃料平均分子量に基づいて、前記複数の燃料種毎に取得したデータから前記燃料の蒸発に関わる前記複数の燃料種毎の前記物性値を推算することを特徴とする蒸発過程解析プログ
ラム。
【請求項６】
請求項４又は５に記載の蒸発過程解析プログラムであって、
前記ステップ２において、前記燃料液滴の初期条件と前記燃料液滴に含まれる前記複数の燃料種の混合割合に応じて前記蒸発過程を時間分割した時間ステップ毎に、選択される割合が前記燃料液滴における前記複数の燃料種の前記混合割合となるように、前記複数の
燃料種のうち１つを当該時間ステップにおいて蒸発する燃料種として選択し、前記複数の燃料種の前記物性値を求め、当該物性値を用いて前記ステップ３において、前記時間ステップ毎に前記液滴径変化と前記温度変化を解析することを特徴とする蒸発過程解析プログ
ラム。
【請求項７】
請求項４〜６のいずれか１項に記載の蒸発過程解析プログラムであって、
前記ステップ３における前記解析の結果として前記燃料液滴の液滴径が所定の値となるまで前記ステップ２と前記ステップ３を繰り返すことを特徴とする蒸発過程解析プログラム。
【請求項８】
請求項６又は請求項６に従属する請求項７に記載の蒸発過程解析プログラムであって、
前記ステップ４における前記液滴径変化と前記温度変化の結果は、前記蒸発過程を時間分割した前記時間ステップ毎における前記燃料液滴の液滴径と温度として出力されることを特徴とする蒸発過程解析プログラム。
【請求項９】
燃料の蒸発過程において使用される物性値を分子量の関数として表して扱うことができる物質の分子構造に基づいて分類されるグループである燃料種について複数の燃料種を混合させた燃料の蒸発過程解析手段であって、前記燃料の蒸発時の液体燃料分子量、前記蒸発時に液体として残っている前記燃料の平均の分子量を示す液体燃料平均分子量及び前記蒸発時において蒸発後の前記燃料の平均の分子量を示す気体燃料平均分子量に基づいて蒸

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発過程において時々刻々と変化する前記複数の燃料種毎の前記物性値を、前記分子量の関数としての前記物性値を基に推算し、前記物性値を用いて燃料液滴の前記蒸発過程における液滴径変化と温度変化を解析する蒸発過程解析手段を備え、前記蒸発過程解析手段によって得られた解析結果を用いて燃焼機関における前記燃料の燃料噴射時期を制御することを特徴とする燃料噴射制御システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の燃料噴射制御システムであって、前記燃焼機関がディーゼルエンジンであることを特徴とする燃料噴射制御システム。
【発明の詳細な説明】【技術分野】【０００１】
本発明は、複数の燃料種を含む燃料の蒸発過程に対する燃料蒸発過程解析方法、蒸発過程解析プログラム及びそれを用いた燃料噴射制御システムに関する。
【背景技術】【０００２】
ディーゼル機関に用いられる留出油（軽油やＡ重油等）では、燃料の着火性を評価する指標としてセタン価が用いられている。セタン価は、噴射された燃料が自己着火するまでの時間である着火遅れ時間によって評価される。燃料の噴射から自己着火までの過程において、燃料の微細化、蒸発、乱流混合等の物理的な過程と、反応に関する化学的な過程が同時進行する。
【０００３】
燃料液滴の蒸発を計算し、次に、火炎伝播を計算し、更に、燃料の液滴からの蒸発、予混合燃焼、拡散燃焼及び残留炭素燃焼の４つの項目について演算することによってディー
ゼル機関における熱発生率を計算するシミュレーションの技術が開示されている（特許文献１）。
【先行技術文献】【特許文献】【０００４】【特許文献１】特開平７−３４８９４号公報【発明の概要】【発明が解決しようとする課題】【０００５】
ところで、燃料の燃焼について検討する場合、燃料の着火遅れの長期化に伴う物理的及び化学的な効果を明確にするためには燃料の特性を調べる必要がある。着火における化学反応に関してはガソリンや軽油に対してサロゲート燃料の素反応機構が検討されているが、重質系や低着火性の燃料は検討の対象とされておらず、化学的な過程が解明されていな
い状況であり、まずは物理的な過程である燃料の蒸発過程を明らかにすることが必要である。
【０００６】
しかしながら、燃料の蒸発過程の予測では、実用的な燃料について単成分への置き換え
や成分を仮定した混合燃料についての検討が行われているだけであり、多種の燃料種を含む燃料についての高い精度の蒸発過程の予測ができていない。
【０００７】
特許文献１のディーゼル機関の燃焼シミュレーション方法は、単に対象となるＣ重油等の燃料の分析値を基に燃料液滴の蒸発を計算しているものであり、Ｃ重油等を構成する多種の燃料種を考慮して蒸発の計算を行っているものではない。
【０００８】
本発明は、多種の燃料種を含む燃料について、高い精度の蒸発過程の予測を行うことを目的とする。
【課題を解決するための手段】

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JP 6813163 B2 2021.1.13【０００９】
請求項１に対応した燃料の蒸発過程解析方法は、燃料の蒸発過程において使用される物
性値を分子量の関数として表して扱うことができる物質の分子構造に基づいて分類されるグループである燃料種について複数の燃料種を混合させた燃料の蒸発過程解析方法であって、前記燃料の蒸発時の液体燃料分子量、前記蒸発時に液体として残っている前記燃料の平均の分子量を示す液体燃料平均分子量及び前記蒸発時において蒸発後の前記燃料の平均の分子量を示す気体燃料平均分子量に基づいて蒸発過程において時々刻々と変化する前記
複数の燃料種毎の前記物性値を、前記分子量の関数としての前記物性値を基に推算し、前記物性値を用いて燃料液滴の前記蒸発過程における液滴径変化と温度変化を解析することを特徴とする。
【００１０】
ここで、前記液体燃料分子量、前記液体燃料平均分子量及び前記気体燃料平均分子量に基づいて、前記複数の燃料種毎に取得したデータから前記燃料の蒸発に関わる前記複数の
燃料種毎の前記物性値を推算することが好適である。
【００１１】
また、前記燃料液滴の初期条件と前記燃料液滴に含まれる前記複数の燃料種の混合割合に応じて前記蒸発過程を時間分割した時間ステップ毎に、選択される割合が前記燃料液滴における前記複数の燃料種の前記混合割合となるように、前記複数の燃料種のうち１つを当該時間ステップにおいて蒸発する燃料種として選択し、前記複数の燃料種毎の前記物性値を求め、当該物性値を用いて前記時間ステップ毎に前記液滴径変化と前記温度変化を解析することが好適である。
【００１４】
請求項４に対応した燃料の蒸発過程解析プログラムは、コンピュータによって、燃料の蒸発過程において使用される物性値を分子量の関数として表して扱うことができる物質の分子構造に基づいて分類されるグループである燃料種について複数の燃料種を混合させた
燃料の蒸発過程を解析する蒸発過程解析プログラムであって、前記燃料の蒸発時の液体燃
料分子量、前記蒸発時に液体として残っている前記燃料の平均の分子量を示す液体燃料平
均分子量及び前記蒸発時において蒸発後の前記燃料の平均の分子量を示す気体燃料平均分
子量を取得するステップ１と、前記液体燃料分子量、前記液体燃料平均分子量及び前記気体燃料平均分子量に基づいて前記蒸発過程において時々刻々と変化する前記複数の燃料種毎の前記物性値を、前記分子量の関数としての前記物性値を基に推算するステップ２と、
前記物性値を用いて前記蒸発過程における燃料液滴の液滴径変化と温度変化を解析するス
テップ３と、前記液滴径変化と前記温度変化の結果を出力するステップ４と、を備えることを特徴とする。
【００１５】
ここで、前記ステップ２において、前記液体燃料分子量、前記液体燃料平均分子量及び前記気体燃料平均分子量に基づいて、前記複数の燃料種毎に取得したデータから前記燃料の蒸発に関わる前記複数の燃料種毎の前記物性値を推算することが好適である。
【００１６】
また、前記ステップ２において、前記燃料液滴の初期条件と前記燃料液滴に含まれる前記複数の燃料種の混合割合に応じて前記蒸発過程を時間分割した時間ステップ毎に、選択される割合が前記燃料液滴における前記複数の燃料種の前記混合割合となるように、前記
複数の燃料種のうち１つを当該時間ステップにおいて蒸発する燃料種として選択し、前記複数の燃料種の前記物性値を求め、当該物性値を用いて前記ステップ３において、前記時
間ステップ毎に前記液滴径変化と前記温度変化を解析することが好適である。
【００１９】
また、前記ステップ３における前記解析の結果として前記燃料液滴の液滴径が所定の値となるまで前記ステップ２と前記ステップ３を繰り返すことが好適である。
【００２０】
また、前記ステップ４における前記液滴径変化と前記温度変化の結果は、前記蒸発過程

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を時間分割した前記時間ステップ毎における前記燃料液滴の液滴径と温度として出力されることが好適である。
【００２１】
請求項９に記載の燃料噴射制御システムは、燃料の蒸発過程において使用される物性値
を分子量の関数として表して扱うことができる物質の分子構造に基づいて分類されるグループである燃料種について複数の燃料種を混合させた燃料の蒸発過程解析手段であって、前記燃料の蒸発時の液体燃料分子量、前記蒸発時に液体として残っている前記燃料の平均の分子量を示す液体燃料平均分子量及び前記蒸発時において蒸発後の前記燃料の平均の分子量を示す気体燃料平均分子量に基づいて蒸発過程において時々刻々と変化する前記複数の燃料種毎の前記物性値を、前記分子量の関数としての前記物性値を基に推算し、前記物性値を用いて燃料液滴の前記蒸発過程における液滴径変化と温度変化を解析する蒸発過程
解析手段を備え、前記蒸発過程解析手段によって得られた解析結果を用いて燃焼機関における前記燃料の燃料噴射時期を制御することを特徴とする。
【００２２】
ここで、前記燃焼機関がディーゼルエンジンであることが好適である。
【発明の効果】【００２３】
本発明の燃料の蒸発過程解析方法によれば、燃料の蒸発過程において使用される物性値
を分子量の関数として表して扱うことができる物質の分子構造に基づいて分類されるグループである燃料種について複数の燃料種を混合させた燃料の蒸発過程解析方法であって、前記燃料の蒸発時の液体燃料分子量、前記蒸発時に液体として残っている前記燃料の平均の分子量を示す液体燃料平均分子量及び前記蒸発時において蒸発後の前記燃料の平均の分子量を示す気体燃料平均分子量に基づいて蒸発過程において時々刻々と変化する前記複数の燃料種毎の前記物性値を、前記分子量の関数としての前記物性値を基に推算し、前記物性値を用いて燃料液滴の前記蒸発過程における液滴径変化と温度変化を解析することによって、多種の燃料種を含む燃料について高い精度の蒸発過程の予測ができる。
【００２４】
ここで、前記液体燃料分子量、前記液体燃料平均分子量及び前記気体燃料平均分子量に基づいて、前記複数の燃料種毎に取得したデータから前記燃料の蒸発に関わる前記複数の
燃料種毎の前記物性値を推算することによって、前記液体燃料分子量、前記液体燃料平均
分子量及び前記気体燃料平均分子量によって変化する前記物性値を考慮して多種の燃料種を含む燃料について高い精度の蒸発過程の予測ができる。
【００２５】
また、前記燃料液滴の初期条件と前記燃料液滴に含まれる前記複数の燃料種の混合割合に応じて前記蒸発過程を時間分割した時間ステップ毎に、選択される割合が前記燃料液滴における前記複数の燃料種の前記混合割合となるように、前記複数の燃料種のうち１つを当該時間ステップにおいて蒸発する燃料種として選択し、前記複数の燃料種毎の前記物性値を求め、当該物性値を用いて前記時間ステップ毎に前記液滴径変化と前記温度変化を解析することによって、前記時間ステップ毎（時々刻々）に変化する前記燃料種の前記物性値を考慮して多種の燃料種を含む燃料について高い精度の蒸発過程の予測ができる。特に、蒸発過程全体として前記燃料液滴に含まれる前記複数の燃料種の割合に応じて多種の燃料種を含む燃料について高い精度の蒸発過程の予測ができる。
【００２８】
本発明の燃料の蒸発過程解析プログラムによれば、コンピュータによって、燃料の蒸発過程において使用される物性値を分子量の関数として表して扱うことができる物質の分子構造に基づいて分類されるグループである燃料種について複数の燃料種を混合させた燃料の蒸発過程を解析する蒸発過程解析プログラムであって、前記燃料の蒸発時の液体燃料分
子量、前記蒸発時に液体として残っている前記燃料の平均の分子量を示す液体燃料平均分
子量及び前記蒸発時において蒸発後の前記燃料の平均の分子量を示す気体燃料平均分子量を取得するステップ１と、前記液体燃料分子量、前記液体燃料平均分子量及び前記気体燃

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料平均分子量に基づいて前記蒸発過程において時々刻々と変化する前記複数の燃料種毎の前記物性値を、前記分子量の関数としての前記物性値を基に推算するステップ２と、前記物性値を用いて前記蒸発過程における燃料液滴の液滴径変化と温度変化を解析するステッ
プ３と、前記液滴径変化と前記温度変化の結果を出力するステップ４と、を備えることによって、多種の燃料種を含む燃料について高い精度の蒸発過程の予測ができる。
【００２９】
ここで、前記ステップ２において、前記液体燃料分子量、前記液体燃料平均分子量及び前記気体燃料平均分子量に基づいて、前記複数の燃料種毎に取得したデータから前記燃料の蒸発に関わる前記複数の燃料種毎の前記物性値を推算することによって、前記液体燃料
分子量、前記液体燃料平均分子量及び前記気体燃料平均分子量によって変化する前記物性値を考慮して多種の燃料種を含む燃料について高い精度の蒸発過程の予測ができる。
【００３０】
また、前記ステップ２において、前記燃料液滴の初期条件と前記燃料液滴に含まれる前記複数の燃料種の混合割合に応じて前記蒸発過程を時間分割した時間ステップ毎に、選択される割合が前記燃料液滴における前記複数の燃料種の前記混合割合となるように、前記
複数の燃料種のうち１つを当該時間ステップにおいて蒸発する燃料種として選択し、前記複数の燃料種の前記物性値を求め、当該物性値を用いて前記ステップ３において、前記時
間ステップ毎に前記液滴径変化と前記温度変化を解析することによって、前記時間ステッ
プ毎（時々刻々）に変化する前記燃料種の前記物性値を考慮して多種の燃料種を含む燃料について高い精度の蒸発過程の予測ができる。特に、蒸発過程全体として前記燃料液滴に含まれる前記複数の燃料種の割合に応じて多種の燃料種を含む燃料について高い精度の蒸発過程の予測ができる。
【００３３】
また、前記ステップ３における前記解析の結果として前記燃料液滴の液滴径が所定の値となるまで前記ステップ２と前記ステップ３を繰り返すことによって、前記燃料液滴の径が十分に小さくなるまで多種の燃料種を含む燃料について高い精度の蒸発過程の予測ができる。
【００３４】
また、前記ステップ４における前記液滴径変化と前記温度変化の結果は、前記蒸発過程
を時間分割した前記時間ステップ毎における前記燃料液滴の液滴径と温度として出力されることによって、多種の燃料種を含む燃料について高い精度の蒸発過程における前記燃料
液滴の径及び温度の時間変化を提示することができる。
【００３５】
本発明の燃料噴射制御システムによれば、燃料の蒸発過程において使用される物性値を分子量の関数として表して扱うことができる物質の分子構造に基づいて分類されるグループである燃料種について複数の燃料種を混合させた燃料の蒸発過程解析手段であって、前記燃料の蒸発時の液体燃料分子量、前記蒸発時に液体として残っている前記燃料の平均の分子量を示す液体燃料平均分子量及び前記蒸発時において蒸発後の前記燃料の平均の分子量を示す気体燃料平均分子量に基づいて蒸発過程において時々刻々と変化する前記複数の
燃料種毎の前記物性値を、前記分子量の関数としての前記物性値を基に推算し、前記物性値を用いて燃料液滴の前記蒸発過程における液滴径変化と温度変化を解析する蒸発過程解析手段を備え、前記蒸発過程解析手段によって得られた解析結果を用いて燃焼機関における前記燃料の燃料噴射時期を制御することによって、前記燃焼機関における着火遅れ等の予測に基づいて前記燃焼機関において適切な燃焼となるように制御することができる。特に、前記燃焼機関がディーゼルエンジンである場合に本発明の効果は顕著となる。
【図面の簡単な説明】【００３６】【図１】本発明の実施の形態における燃料の蒸発過程解析装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態における燃料の蒸発過程解析方法を示すフローチャートであ
る。

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JP 6813163 B2 2021.1.13【図３】本発明の実施の形態における燃料液滴モデルを示す図である。
【図４】本発明の実施の形態における燃料の蒸発解析結果と実験結果との比較を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態における複数の燃料種の液滴径及び温度変化についての解析
結果を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態における着火遅れ、蒸発時間の比とセタン指数の関係及び液滴温度を示す図である。
【発明を実施するための形態】【００３７】
本発明の実施の形態における燃料の蒸発過程解析装置１００は、図１に示すように、処理部１０、記憶部１２、入力部１４、出力部１６及び通信部１８を含むコンピュータから構成される。
【００３８】
処理部１０は、ＣＰＵ等の演算処理を行う手段を含む。処理部１０は、記憶部１２に記憶されている蒸発過程解析プログラムを実行することによって、本実施の形態における燃料の蒸発過程を解析する機能を実現する。記憶部１２は、半導体メモリやメモリカード等の記憶手段を含む。記憶部１２は、処理部１０とアクセス可能に接続され、蒸発過程解析
プログラム、その実行に必要な情報（データ、パラメータ等）を記憶する。入力部１４は、情報を入力する手段を含む。入力部１４は、例えば、解析担当者からの入力を受けるキーボード、タッチパネル、ボタン等を備える。出力部１６は、解析担当者に対して解析結果を出力する手段を含む。出力部１６は、例えば、画像を表示するディスプレイを備える。通信部１８は、情報通信網１０２を介して、蒸発過程の解析に必要な情報を取得又は解析途中の情報や解析結果を出力するインターフェースを含んで構成される。通信部１８による通信は有線及び無線を問わない。
【００３９】
本実施の形態では、複数の燃料種を混合させた燃料の蒸発過程の解析を行う。より具体的には、複数の燃料種を含む燃料の液滴（燃料液滴）の蒸発過程を時間ステップに分割し、蒸発過程において時々刻々と変化する複数の燃料種毎の物性値を用いて各時刻ステップ
における燃料液滴の径、温度及び速度の変化を解析する。
【００４０】
ここで、燃料種とは、燃料の蒸発過程において使用される物性値（臨界温度、臨界圧力、臨界容積等）を分子量の関数として表すことができるものとして扱うことができる物質のグループを意味する。燃料の蒸発過程における物性値は物質の分子構造によって異なる
ので、燃料種は物質の分子構造に基づいて分類することができると考えられる。例えば、石油系燃料である分解軽油（ＬＣＯ）では、第１の燃料種として飽和系炭化水素及びオレフィン系炭化水素、第２の燃料種として一環芳香族炭化水素、並びに第３の燃料種として二環芳香族炭化水素及び三環芳香族炭化水素とすることが好適である。
【００４１】
以下、図２のフローチャートを参照して、本実施の形態における燃料の蒸発過程の解析
処理について説明する。
【００４２】
ステップＳ１０では、解析のための初期設定が行われる。初期設定では、解析に必要な情報（データ、パラメータ等）の読み込みが行われる。
【００４３】
本実施の形態では、燃料を構成する燃料種（物質）毎の物性値が読み込まれる。具体的には、燃料種毎の臨界温度、臨界圧力、臨界容積、標準沸点、標準沸点における蒸発潜熱を設定し、これらの物性値を燃料種の分子量の関数として記憶部１２に記憶させる。物性
値は、例えば、Ｒ．Ｃ．リード、Ｊ．Ｍ．ブラウズニッツ、Ｔ．Ｋ．シャーウッド：気体，液体の物性ハンドブック第３版、マグロウヒル、昭和６０年等の物性データバンクの値に基づいて設定すればよい。

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JP 6813163 B2 2021.1.13【００４４】
また、燃料の液滴についての物性値推定モデルにしたがって予め推定された燃料の分子量 Ｍ wi、 液 体 燃 料 平 均 分 子 量 Ｍ wl、 気 体 燃 料 平 均 分 子 量 Ｍ wv及 び 液 体 密 度 ρ Lが 読 み 込 まれる。
【００４５】
ここでは、図３に示すように、燃料液滴を半径方向にｎ個に分割し、燃料蒸発時において 燃 料 液 滴 が 各 半 径 で あ る と き の 燃 料 の 分 子 量 Ｍ wi、 液 体 燃 料 平 均 分 子 量 Ｍ wl、 気 体 燃 料
平 均 分 子 量 Ｍ wv及 び 液 体 密 度 ρ Lを 読 み 込 む 。 す な わ ち 、 燃 料 蒸 発 時 に お け る 蒸 発 後 （ 気体 燃 料 ： 半 径 １ 〜 ｉ ） の 平 均 分 子 量 Ｍ wv、 蒸 発 前 （ 液 体 燃 料 ： 半 径 ｉ ＋ １ 〜 ｎ ） の 平 均 分
子 量 Ｍ wl、 蒸 発 す る 燃 料 分 子 量 Ｍ wi、 及 び 液 体 密 度 ρ Lが 読 み 込 ま れ る 。 こ れ ら の 値 は 、
Ｂ ａ ｒ ｄ ｏ ｎ ら の 方 法 （ Bardon, M. F., et. al. Estimating Instantaneous Properties
of Vaporizing Light Petroleum Fractions, Combustion and Flame, 84(1991), pp.427-431） 等 の 既 存 の 方 法 に よ っ て 求 め る こ と が で き る 。 こ の 方 法 で は ， 燃 料 性 状 の 分 析 結 果として広く計測されている蒸留曲線と密度（１５℃）を用い，この値からの推定を行ってい る 。 解 析 に よ っ て 得 ら れ た 燃 料 の 分 子 量 Ｍ wi、 液 体 燃 料 平 均 分 子 量 Ｍ wl、 気 体 燃 料 平 均
分 子 量 Ｍ wv及 び 液 体 密 度 ρ Lが 燃 料 液 滴 の 半 径 に 対 し て 離 散 的 な 値 と な っ て い る 場 合 に は、補間処理等によって蒸発率（蒸発した燃料の質量／初期液滴質量＝（初期液滴質量−現
在の液滴質量）／初期液滴質量）の関数として連続的な関数に置き換えて記憶部１２に記憶させることが好適である。
【００４６】
ステップＳ１２では、複数の燃料種の混合比（混合割合）が設定される。燃料種の混合比は、例えば入力部１４を用いて解析担当者が入力するようにしてもよいし、通信部１８を介して外部から設定されるようにしてもよい。例えば、石油系燃料である分解軽油（ＬＣＯ）を解析対象とした場合、第１の燃料種である飽和系炭化水素及びオレフィン系炭化水素がａ％（容積率）、第２の燃料種である一環芳香族炭化水素がｂ％（容積率）、第３の燃料種である二環芳香族炭化水素及び三環芳香族炭化水素が（１００−ａ−ｂ）％（容積率）と設定される。
【００４７】
なお、飽和系炭化水素、オレフィン系炭化水素、一環芳香族炭化水素、二環芳香族炭化水素及び三環芳香族炭化水素を個別に、第１から第５の燃料種として扱うこともできる。
【００４８】
ステップＳ１４では、燃料液滴の初期条件が設定される。燃料液滴の初期条件として、
液 滴 の 径 の 初 期 値 ｄ p0、 液 滴 の 温 度 の 初 期 値 Ｔ L0、 液 滴 の 質 量 の 初 期 値 ｍ 0が 設 定 さ れ る。 ま た 、 燃 料 液 滴 が 空 気 中 を 飛 翔 し て い る 状 態 を 想 定 し て 液 滴 の 速 度 の 初 期 値 ｕ p0が 設 定される。さらに、蒸発率の初期値として０（まったく蒸発していない状態）が設定される。また、周囲（空気）温度及び周囲圧力も設定される。これらの初期値は、例えば入力部
１４を用いて解析担当者が入力するようにしてもよいし、通信部１８を介して外部から設定されるようにしてもよい。設定された初期条件は記憶部１２に記憶される。
【００４９】
ステップＳ１６では、燃料の蒸発過程の解析における時間ステップの初期設定が行われる。以下に説明する解析では、燃料の蒸発過程を時間ステップに分割し、時間ステップ毎に燃料液滴の径、温度及び速度を算出する処理を行う。そこで、当該ステップでは、時間
ス テ ッ プ の 初 期 値 ｔ 0が 設 定 さ れ る 。
【００５０】
ステップＳ１８では、燃料の蒸発過程の解析を行う際に使用する乱数を発生させる。ここでは、０〜１の数値範囲内において一様の確率で乱数ｒを発生させる。
【００５１】
ステップＳ２０では、燃料を構成する燃料種から現在の時間ステップにおいて蒸発する
燃料種を１つ選択する処理が行われる。本実施の形態では、乱数ｒを用いて蒸発過程の解析全体において燃料種の選択率が燃料種の混合比に一致するように選択処理が行われる。

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例えば、石油系燃料である分解軽油（ＬＣＯ）を解析対象とした場合、乱数ｒが条件ｒ≦ａを満たす場合に第１の燃料種である飽和系炭化水素及びオレフィン系炭化水素が選択される。また、乱数ｒが条件ａ＜ｒ≦（ａ＋ｂ）を満たす場合に第２の燃料種である一環芳香族炭化水素が選択される。さらに、乱数ｒが条件（ａ＋ｂ）＜ｒの場合に第３の燃料種である二環芳香族炭化水素及び三環芳香族炭化水素が選択される。
【００５２】
このように乱数ｒを用いて現在の時間ステップにおいて蒸発する燃料種を選択すること
によって、燃料の蒸発過程全体でみれば燃料中に各燃料種がそれぞれ設定された混合比（混合割合）で含まれることを保証することができる。
【００５３】
ステップＳ２２では、蒸発の解析に使用する物性値が設定される。現在の時間ステップに お け る 燃 料 の 分 子 量 Ｍ wi、 液 体 燃 料 平 均 分 子 量 Ｍ wl、 気 体 燃 料 平 均 分 子 量 Ｍ wv及 び 液 体
密 度 ρ Lを 求 め る 。 具 体 的 に は 、 ス テ ッ プ Ｓ １ ０ に お い て 蒸 発 率 を 引 数 と し た 燃 料 の 分 子
量 Ｍ wi、 液 体 燃 料 平 均 分 子 量 Ｍ wl、 気 体 燃 料 平 均 分 子 量 Ｍ wv及 び 液 体 密 度 ρ Lの 関 数 に 現
在の時間ステップにおける蒸発率を代入して現在の時間ステップにおける燃料の分子量Ｍ
wi、 液 体 燃 料 平 均 分 子 量 Ｍ wl、 気 体 燃 料 平 均 分 子 量 Ｍ wv及 び 液 体 密 度 ρ Lを 求 め る 。
【００５４】
また、ステップＳ２０で選択された燃料種について、上記処理にて求められた現在の時
間 ス テ ッ プ に お い て 蒸 発 す る 燃 料 の 分 子 量 Ｍ wi、 液 体 燃 料 平 均 分 子 量 Ｍ wl、 気 体 燃 料 平 均
分 子 量 Ｍ wv及 び 液 体 密 度 ρ Lか ら 現 在 の 時 間 ス テ ッ プ に お い て 蒸 発 す る 燃 料 、 気 体 燃 料 の臨界値（臨界温度，臨界圧力，臨界容積）、液体燃料の臨界値（臨界温度，臨界圧力，臨界容積）、標準沸点、及び標準沸点における蒸発潜熱が求められる。
【００５５】
さらに、燃料種、燃料液滴の温度、周囲（空気）の温度及び圧力を用いて各物性値を推算する。推算する物性値は、周囲（空気）気体の熱容量，粘性係数，熱伝導率、気体燃料の熱容量，粘性係数，熱伝導率，拡散係数、液体燃料の密度，熱容量、気体−液体境界における蒸発潜熱，飽和蒸気圧である。なお、気体の空気と燃料との混合物の物性値（密度、熱容量、粘性係数、熱伝導率）は、周囲（空気）気体と燃料との混合則から求められる。また、液滴の飛翔計算に必要な抗力係数も算出される。これらの物性値は従来の推算方法により求めることができる。
【００５６】
ステップＳ２４では、燃料液滴の径及び温度の変化が計算される。ステップＳ２２までの処理にて燃料液滴の径及び温度を算出するための物性値が得られるので、これらの物性値を蒸発モデルに当て嵌めて現在の時間ステップにおける燃料液滴の径及び温度が算出される。当該ステップでは、燃料液滴からステップＳ２０で選択された燃料種のみが蒸発するものとして処理が行われる。すなわち、ステップＳ２２において選択された燃料種について得られた各物性値を用いて現在の時間ステップにおける燃料液滴からの蒸発過程の解析を行う。
【００５７】
蒸発モデルは、特に限定されるものではないが、例えばＳｐａｌｄｉｎｇの式、修正Ｓ
ｐａｌｄｉｎｇの式、Ｅｌ−Ｗａｋｉｌの式等が挙げられる。ここでは、一例として、Ｓ
ｐａｌｄｉｎｇの式を示す。これらの蒸発モデルを用いた燃料液滴の径及び温度の算出処
理には、従来の微分方程式の解法アルゴリズム等を適用すればよい。
【数１】

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【数２】

【数３】

【００５８】
3
こ こ で 、 ｍ は 液 滴 質 量 ［ ｋ ｇ ］ 、 ｄ pは 液 滴 直 径 ［ ｍ ］ 、 ρ は 密 度 ［ ｋ ｇ ／ ｍ ］ 、 Ｄ は2
拡 散 係 数 ［ ｍ ／ ｓ ］ 、 Ｓ ｈ 0は シ ャ ー ウ ッ ド 数 、 Ｔ Lは 液 滴 温 度 ［ Ｋ ］ 、 ｌ は 熱 伝 導 率 ［Ｗ ／ ｍ Ｋ ］ 、 Ｎ ｕ 0は ヌ ッ セ ル ト 数 、 Ｃ pは 定 圧 比 熱 ［ Ｊ ／ ｋ ｇ Ｋ ］ 、 Ｈ Lは 蒸 発 潜 熱 ［ Ｊ／ ｋ ｇ ］ 、 Ｂ Mは Ｓ ｐ ａ ｌ ｄ ｉ ｎ ｇ の ト ラ ン ス フ ァ ー 数 、 Ｙ Wは 燃 料 蒸 気 の 質 量 分 率 で あ る。また、添字の∞は周囲（空気）、ｄは液滴、ｓは液滴表面、ｆはｆｉｌｍ内を表す．ここでｆｉｌｍとは液滴表面と空気との間の熱と物質交換に対して設けられた一定の厚み（境界層）である。Ｓｈ数とＮｕ数はＲａｎｚ−Ｍａｒｓｈａｌｌの式等を用いて求めることができる。
【００５９】
また、物性値を液体の飛翔モデルに当て嵌めて燃料液滴の速度が計算される。燃料は、ノズルから空間に噴射され、飛翔しながら蒸発・分解していくため、この液滴の運動方程式を用いて速度を計算することができる。
【００６０】
以下に、液滴の運動方程式の一例を示す。ここでは、燃料液滴の形状は球を仮定し、液滴にかかる力として抗力のみを考慮している。
【数４】【００６１】
こ こ で 、 ｕ pは 液 滴 速 度 、 ｕ aは 雰 囲 気 速 度 、 Ｕ relは 相 対 速 度 、 Ｃ Dは 抗 力 係 数 、 Ｒ ｅ d
は液滴直径を代表長さにしたレイノルズ数である。なお、気相速度は、軸対称噴流における 実 験 結 果 か ら 得 ら れ た 噴 流 中 心 速 度 を 与 え る 。 ま た 、 ｄ ｏ は 噴 孔 径 ， Ｕ 0は 噴 孔 流 出 速度である。
【００６２】
燃料液滴の径が求められると、液滴の密度に基づいて燃料液滴の質量を求めることができる。さらに、燃料液滴の蒸発率が求められる。
【００６３】

20

50

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ステップＳ２６では、燃料の蒸発過程の解析処理を終了するか否かが判定される。本実
施 の 形 態 で は 、 ス テ ッ プ Ｓ ２ ４ に お い て 算 出 さ れ た 燃 料 液 滴 の 径 ｄ pが そ の 初 期 値 ｄ p0に対 し て 所 定 の 割 合 以 下 に な っ た 場 合 に 解 析 処 理 を 終 了 す る 。 例 え ば 、 燃 料 液 滴 の 径 ｄ pがそ の 初 期 値 ｄ p0の １ ０ ％ 以 下 と な っ た 場 合 に は 、 解 析 処 理 を 終 了 し て ス テ ッ プ Ｓ ２ ８ に 処理を移行させ、そうでない場合には、ステップＳ３０にて時刻ステップをΔｔだけ進めてステップＳ１８から次の時間ステップの解析を行う。
【００６４】
ステップＳ２８では、燃料の蒸発過程の解析結果が示される。出力部１６に対して、各
時間ステップに対して算出された燃料液滴の径、温度及び速度が出力される。
【００６５】
図４は、本実施の形態における静止場での単一液滴の蒸発の解析結果と実験結果との比較を示す。燃料はヘキサデカンと軽油とし、雰囲気条件は温度７７３Ｋ、大気圧とした。
ヘキサデカン及び軽油とも液滴径及び温度の変化について解析結果と実験結果はよく一致
し、解析結果は実験結果をよく再現した。液滴温度は、ヘキサデカンでは解析開始の１．
０ｓ後付近から入熱量と潜熱、顕熱がバランスして一定になっているが、軽油では、温度が上昇している様子が再現できた。これより、本蒸発モデルが実際の燃料の予測、検討に有効であることが確認できた。
【００６６】
図 ５ は 、 雰 囲 気 圧 力 ４ ． ９ Ｍ Ｐ ａ 、 温 度 ９ １ ０ Ｋ 、 液 滴 の 速 度 の 初 期 値 ｕ p0が １ １ ５ ｍ／ ｓ 、 液 滴 の 径 の 初 期 値 ｄ p0が ２ ５ μ ｍ で の ５ 種 類 の 分 解 軽 油 （ Ｌ Ｃ Ｏ ） と 軽 油 の 蒸 発 時
における液滴径、温度変化を示す。どの燃料も液滴温度は一定にならず、上昇し続けるという結果が得られた。蒸発速度が速い燃料でも温度上昇率が大きいとは限らないのは、燃料物性の影響と考えられる。
【００６７】
図 ６ は 、 １ ３ 種 類 の Ｌ Ｃ Ｏ に 対 し て 、 実 験 で 計 測 さ れ た 着 火 遅 れ ｔ ignと 蒸 発 時 間 の 比とセタン指数の関係及びその時の液滴温度を示す。蒸発時間は、液滴体積が初期液滴体積の ５ ％ に な っ た 時 の 時 間 τ 95、 液 滴 温 度 は そ の 時 の 温 度 Ｔ τ 95で あ る 。 セ タ ン 指 数 が 小 さい時には、液滴温度は低い傾向にあり、そして着火遅れに及ぼす蒸発の影響が小さくなる
ことがわかった。すなわち、今回用いたＬＣＯでは着火性の低下は相対的に蒸発の影響よ
り、反応による影響の方が大きいと推定できる。
【００６８】
上記のように、本実施の形態における燃料の蒸発過程解析方法及び蒸発過程解析プログ
ラムは燃料特性評価に使用することができる。すなわち、燃焼機関において適切な燃焼を生じさせるためには、燃料の燃焼特性を正確に知る必要があるが、そのためには使用している液体燃料の蒸発過程の正しい理解が必要である。蒸発特性が悪い燃料は着火性も同時に劣ることが多いので、そのような燃料の判定に用いることができる。
【００６９】
また、燃料の蒸発は燃料が着火する前に必要な燃料気体と空気との混合気を作るための必須の過程である。ディーゼルエンジン等の燃焼機関では、混合気の生成によって即着火が生じると仮定することが多く、このような仮定の下での燃焼機関の制御を行うとすれば、燃料の蒸発に必要な時間等の蒸発特性を予測することが必要となる。すなわち、本実施の形態における燃料の蒸発過程解析方法及び蒸発過程解析プログラムによれば、燃料の蒸発に関する特性を把握することが可能となり、その情報に基づいて燃料噴射等の制御を行う燃料噴射制御システムを実現することができる。
【００７０】
例えば、複数の燃料種を混合させた燃料として、残渣油に粘度調整のために若干の軽質油を混合したＣ重油のブレンド率が変わった場合に、蒸発特性を予測して燃料噴射制御シ
ステムにおける燃料の噴射時期、噴射量等を変えることができる。燃料の噴射時期、噴射量等を変えるに当たっては、予め燃料毎の蒸発特性を解析し噴射時期、噴射量等との対応付けをしてデータとして保有しておいて、燃料の変更を情報として燃料噴射制御システム

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20

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(12)

JP 6813163 B2 2021.1.13に入力して噴射時期、噴射量等を変更する。噴射時期、噴射量等の変更は、制御装置の制御に従って燃料噴射弁により行われる。また、燃料の変更をリアルタイムで検出し、制御装置で蒸発特性を解析し、噴射時期、噴射量等を変更することもできる。なお、燃料噴射制御システムとして、複数の燃料種を混合させた燃料を複数用いる複数燃料噴射制御シス
テムへの適用も可能である。
【産業上の利用可能性】【００７１】
以上の実施形態は、重油系や低着火性の燃料のみならず、複数の燃料種を混合させた燃料の蒸発過程の解析に適用することができる。また、船舶用のディーゼル機関における燃料の燃焼過程の解析に適用することができるがこれに限定されるものではなく、他の移動体、例えば鉄道車両、自動車等の内燃機関についても適用することができる。
【符号の説明】【００７２】
１０ 処理部、１２ 記憶部、１４ 入力部、１６ 出力部、１８ 通信部、１００
蒸発過程解析装置、１０２ 情報通信網。

【図１】

【図２】

10

(13)

【図３】

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【図４】

【図５】

【図６】

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(14)

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フロントページの続き(72)発明者 今井康雄

東京都三鷹市新川６丁目３８番１号
審査官(56)参考文献

松永

国立研究開発法人

謙一

特開２００１−０５００７０（ＪＰ，Ａ）
特開２００４−０２７９１１（ＪＰ，Ａ）
国際公開第２０１０／１０１２９３（ＷＯ，Ａ１）
特開平７−３４８９４（ＪＰ，Ａ）(58)調査した分野(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ０２Ｄ

１／００−４５／００

Ｆ０２Ｍ

１／００−９９／００

Ｃ１０Ｌ

１／００−１／３２

海上・港湾・航空技術研究所内