工学院大学研究報告 第 117 号

氏 名（本 籍）徳 留 大 樹（鹿児島県）

学 位 の 種 類

博士（工学）

学 位 記 番 号

博甲第 127 号

学位授与の要件

学位規則第 4 条第 1 項

学位授与年月日

平成 26 年 3 月 31 日

学位論文題目SI エンジンにおけるリングクレビス内の燃焼現象の研究

論文審査委員

主査

是松

孝 治

副査

水野明 哲

雑賀高大

竹浩 靖

森

棟隆 昭（湘南工科大学教授）

永橋

優 純（高知高専教授・地域連携センター長）

論文要旨

平成 26 年 10 月がある．SI エンジンから排出される有害物質は，一酸化炭素（CO），未燃焼炭化水素（HC），窒素酸化物（NOx）＜目次＞がある．これらの有害物質の低減技術には，エンジン内

第 1 章：緒論

で排ガスを低減する方法（燃料噴射装置の電子制御化，

1.1．研究背景
第 2 章：SI エンジンの未燃焼炭化水素排出に与えるリングクレビスの効果
2.1．まえがき

排気再循環方式，燃焼室形状の設計による燃焼過程の改善）と後処理により排ガスを低減する方法（酸化触媒や三元触媒，NOx 吸蔵還元型三元触媒）の発達により環境基準は満足している．
しかし，燃費に関しては，燃焼室内で燃焼を回避した

2.2．触媒に頼らない技術を求めて
2.3．研究目的

燃料の一部が未燃焼のまま排気管へ達するため，その量2.4．計算モデルが多ければ燃費の悪化要因になる．エンジン冷間時にお2.5．計算結果と考察

いては触媒が活性温度に達しないため，十分に浄化する

2.6．HC 排出に関する結論ことができない．このことからも未燃焼炭化水素の削減

第 3 章：SI エンジンにおけるクレビス流路内で発生するノック
3.1．まえがき
3.2．定容燃焼容器実験をさらに推し進めるには後処理技術に頼るだけではな
く，エンジンから排出される未燃焼炭化水素そのものを削減する必要がある．
そのため，主な未燃焼炭化水素の発生源となっている

3.3．実験結果

リングクレビス内の燃焼現象を明らかにすることが重要

3.4．計算モデルになってくる．

3.5.

CI エンジンにおけるクレビスノックへの展開

3.6．結論

リングクレビスは，ピストン，シリンダ壁面およびピストンリングで囲まれており，燃焼室の角部に設置して第 4 章：結論ある．燃焼室角部近傍の火炎挙動は，4.1．本研究で得られた結果①

燃焼室の角部では消炎層が大きくなるため火炎がリングクレビスに進入しない場合（角部の効果による

第 1 章：緒論

火炎消炎，クレビスの効果による火炎消炎）：第 2

本論文は，リングクレビス内の燃焼現象を計算モデルと燃焼実験を中心にして基礎的な現象が解明されること章に関係する未燃焼炭化水素の排出量の内容②

ブローバイガス流の影響，クレビス幅が大きいときでエンジンの設計・性能改善の技術の確立を目指すこと

火炎が進入する場合：第 3 章に関係するリングクレを目的としている．

ビス内で発生するノックの内容

エンジンの永遠のテーマに有害排ガス低減と燃費改善の 2 つが考えられる．

工学院大学研究報告66

リングクレビス内の解析には，従来のクレビス内を一クと差異はない．しかし，クレビス部の S/V 値（＝表面つの系として取り扱う熱力学的モデルではなく，クレビ積 / 体積の）比が燃焼室に比べて大きく，伝熱量が多くス内の場所による温度・圧力などの情報，クレビス深さなり，ガス温度が下がるのでクレビスノックは起こりにや幅の影響を考慮できる 1 次元非定常圧縮性流れの計算

くい傾向になる．そのため，クレビスノックが起こるにモデルを作成した．さらに，クレビスに火炎が進入するはガス温度が高くなることが必要不可欠になる．そこで，ことで誘発されるクレビス内で発生するノックすなわ

クレビス流路をモデル化した定容燃焼容器を使ってクレち，進入火炎誘導型「クレビスノック」の可能性を明ら

ビスノックの発生条件を調べた．燃料には，メタンと水かにするため，Livengood−Wu 積分を組込んだ計算モデ

素の混合燃料を用い，火炎速度を制御するために水素のルと燃焼実験から検証した．

モル分率を変化させる．火炎進入判定に，クレビスの入口と底部にイオン素子を 2 つ設置した．この間の反応時

第 2 章：SI エンジンの未燃焼炭化水素排出に与えるリングクレビスの効果

間から，クレビス内を伝播する火炎の平均火炎速度とする．

圧縮行程でクレビス内に圧入された混合気が膨張・排実験により明らかになったことを示す．

気行程でシリンダ内に流出し燃焼を回避することが SI

水素モル分率 α が大きくなるとクレビス内を伝播するエンジンの未燃焼炭化水素発生の原因のひとつである．

火炎速度は大きくなる．また，当量比φと火炎速度は逆

この燃焼回避機構を明らかにする方法として，クレビスU 字型になり，最大の速度はφが 1.1 付近で計測された．の形状の影響と場所による温度や圧力の値を明らかにす

クレビスノックを支配しているのは，混合気の種類や濃るため 1 次元非定常の圧縮性流れの計算モデルを作成し，度よりも平均火炎速度であることが分かった．これは，計算を通じて明らかになったことを示す．

火炎伝播は発熱を伴う波とし，ノックの発生源となる自クレビス内の流れの時間的変化は入口付近が盛んであ

己着火を検査体積内の急激な加熱とし，クレビス流れをり，底部の変動は比較的少ない．これは，ガスの出入り1 次元非定常圧縮性として，Livengood−Wu 積分を組み込はクレビス入口付近で盛んに行われていることになる．

んだ熱理論による計算モデルが有効なことを示してい

次に，クレビス内に燃焼を回避し圧入された混合気が，る．

酸化されて排気管入口における未燃焼炭化水素の発生にクレビス内の管端でおこる自己着火が誘発する圧力波至るプロセスを提案し，回転数の影響を検討した．回転は，燃焼室ノックで生ずる圧力波よりも振幅が大きく，が上がっても，クレビスから流出する未燃ガスの質量は温度境界層の破壊による熱伝達促進によるピストン材料ほとんど変わらない．しかし，回転が上がると高濃度のの溶損にはクレビスノックが主な役割を演じている可能未燃焼炭化水素が排気管入口へ排出される．それは，膨性が否定できない．

張行程の後半部でクレビスからの流出が起こるため，ガ本論文で述べてきたことは SI エンジンのみを想定しス温度の低い雰囲気の中に未燃焼ガスが流出・混合・反てきたが，クレビスノックが CI エンジンでも起こる可応するので，高回転ほど酸化しにくい．すなわち，酸化能性がある．希薄状態で運転されるディーゼルエンジン反応時間が短いためであることが分かった．

は，CO，HC の排出量が少ない．それは，クレビスノッ

クレビス寸法（クレビス深さ L，クレビス幅δ）が未クが起こりにくいことを示している．しかし，NOx 低燃焼炭化水素の排出量に与える影響は，未燃焼炭化水素減するための技術のひとつである燃料噴射制御，具体的排出量〜L，未燃焼炭化水素排出量〜δ の関係がある．には，吸気管に燃料の一部を霧化混合するフュミゲー

そして，未燃焼炭化水素の発生には燃焼終わりの酸化反ション方式がクレビスノックを引き起こす可能性として応が影響する．この時点の未燃焼炭化水素排出量の大小着目した．この方法だと，希薄予混合気が圧縮行程でクが重要である．L が大きいとこの値は大きくなることがレビスへ進入することが考えられる．

2

分かった．δの影響は比較的小さいことが分かった．

また，植物由来のディーゼルエンジン用バイオ燃料を使用するさい，石油由来の潤滑油が使われている．しか第 3 章：SI エンジンにおけるクレビス流路内で発生するノック

し，排ガスや化石燃料枯渇の観点から，潤滑油にもバイオ由来のものを用いるべきと考える．このとき気を付け伝熱量を考慮しない熱力学的モデルを適用すると，クることは，バイオ燃料由来の潤滑油がクレビスにも存在

レビス内の混合気温度は，燃焼室のエンドガス部と同じすることである．この燃料となりうる油膜が蒸発し，ク温度を示すことになり，クレビスノックは燃焼室のノッレビス内には自己着火できる燃料が存在する．この様な本学において授与された博士論文の要旨

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観点から，CI エンジンにおけるクレビスノックが起こで述べる「SI エンジンの未燃焼炭化水素の排出に与えるる可能性について推察した．

リングクレビスの効果」と第 3 章で述べる「SI エンジンにおけるクレビス流路内で発生するノック」である．

第 4 章：結論

さて，本論文は 4 つの章からなっている．第 1 章の緒

リングクレビス内の燃焼現象の解析を，1 次元非定常論では，研究の背景について述べている．まず，クレビ圧縮性の流れを考慮することでクレビス内部各々の場所

ス内の燃焼現象は，未燃焼炭化水素（HC）が関係してによる温度・圧力などの情報と，クレビス幅・深さの形いることを論じている．そして，後処理により排ガス中状の影響を考慮した未燃焼炭化水素の排出量の計算が可の有毒成分を除去する方法（酸化触媒や三元触媒，NOx能になった．未燃焼炭化水素の発生には燃焼終わりの酸吸蔵還元型三元触媒）の発達により環境基準は満されて化反応が影響し，この時点の未燃焼炭化水素の排出量のいる．これで何も問題がないように見える．触媒の考え大小が重要になる．クレビス深さが大きいとこの値は大方が，HC と NOx とは大いに異なる．NOx は，燃焼ガスきくなることが分かった．リングクレビスからの未燃焼温度が高いほうが性能のよいので，エンジン燃焼室内で炭化水素の流出を抑制するには，リングクレビスの幅をの NOx は高くして構わない．HC は未燃焼の燃料である狭くすることで体積を減らし，リングクレビスに流入すので，後処理で酸化させても，燃料が保有している仕事る量を減らすか，あるいは逆に幅を広くし火炎を進入さを生み出すエネルギーは失われる．そこで，膨張行程でせ酸化させる方法が考えられる．

クレビス内の混合気を流出させ燃焼させると供給熱量が前者は，実際の自動車に搭載するには，耐久性が要求される．後者の，リングクレビス内に火炎を進入させた5 ％程度増えることで，燃費が改善されることが期待される．

場合は，SI エンジンは予混合燃焼であるため火炎はリン

第 2 章では，圧縮行程でクレビス内に圧入された混合

グクレビス内に進入し未燃焼炭化水素を低減させる効果

気が膨張・排気行程でシリンダ内に流出し燃焼を回避しがある．て排気管に達することが HC 排出量を多くする原因であ

しかし，リングクレビス内に火炎が進入した場合は，る．SI エンジンの未燃焼炭化水素発生の原因である．こ

火炎が進入することでクレビス内のエンドガスの温度がの燃焼回避機構を明らかにする方法には，クレビスの形上昇し自己着火が起こる火炎誘導型クレビスノックの問状の影響と場所による温度や圧力の値を明らかにする必題が浮上する．それを解決するため，定容燃焼容器を用要があり，1 次元非定常の圧縮性流れの計算モデルを作いた燃焼実験と Livengood−Wu 積分を組込んだ 1 次元非成し，計算を通じて HC の排出量を見積ることが可能で定常圧縮性の流れの計算モデルを用い以下のことを明らあることを示している．

かにした．

第 3 章では，SI エンジンにおけるクレビス流路内で発①着火限界とノック限界から，火炎進入誘導型クレビ生するノックについて研究した．実際のエンジン内におスノックには範囲があり燃焼速度が関係する．②燃焼室

けるノックについては，様々な因子が影響するので，こでのノック強さより，クレビス内で発生するノック強されを明らかにするには，ノックを発生させることから始が，局所的にみると大きい．このため温度境界層を破壊，めることにした．ノックの発生が容易な定容燃焼器によ機関損傷につながる．③クレビスノック発生時期が，燃る実験を行った．想定するノックは，火炎誘導型クレビ焼室でのノック発生時期よりも早いことから，燃焼室のスノックと呼ぶものを想定した，定容燃焼容器を用いた設計をするさいは，燃焼室で発生するノック限界だけで燃焼実験と Livengood−Wu 積分を組込んだ 1 次元非定常はなく，クレビスノック限界も考慮する必要がある．

圧縮性の流れの計算モデルを用いた．

論文審査要旨まず，クレビスと燃焼室内のどちらが先に自己着火がおきるかについて考えてみると，伝熱量を考慮しない熱150 年以上の歴史のある SI エンジンは，高性能化すな力学的モデルを適用すると，クレビス内の混合気温度は，わち排ガスのクリーン化と燃費の改善をいまだに目指し燃焼室のエンドガス部と同じ温度を示すので，同時に自ている．本論文は，SI エンジンのリングクレビス内でお己着火の発生が起きる．クレビス部では表面積と体積のこる燃焼現象について，計算モデルと実験を行なって，比が燃焼室に比べて大きく，伝熱量が多くなり，ガス温その現象を解明したものである．これにより，SI エンジ度が下がるのでクレビスノックは現実では起こりにくいンのリングクレビスの部品設計に，新たな技術の確立を傾向になる．ところが，そのため，クレビスノックが起目指している．本論文には，2 つの内容があり，第 2 章

こるにはガス温度が高くなることが必要不可欠になる．

工学院大学研究報告

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そこで，クレビス流路を，円形断面の管とし，さらにそよる温度・圧力の時間経過の情報が得られ，クレビスの直径を必ず火炎が通路を伝播していく値（＝3.0mm）

幅・深さの形状の影響を考慮した未燃焼炭化水素の排出とした．定容燃焼容器を使ってクレビスノックの発生条量の計算が可能になった．これは，未燃焼炭化水素の発件を調べた．燃料には，メタンと水素の混合燃料を用い，生には燃焼終わりの酸化反応が影響し，この時点の未燃火炎速度を制御するために水素のモル分率及び当量比φ焼炭化水素 HC が最小になる運転条件やクレビス寸法のを変化させる．火炎進入判定に，クレビスの入口と底部選択が可能になることを示している．にイオン素子を 2 つ設置した．
検査体積内の急激な加熱とし，クレビス流れを 1 次元

以上，本論文はクレビス内に，火炎が進入するとクレ非定常圧縮性として，Livengood−Wu 積分を組み込んだ

ビス内の混合気温度が上昇しノックが発生することを明

熱理論による計算モデルが有効なことを示している．クらかにした．混合気の成分を変化させるとノックの発生

レビス内の管端でおこる自己着火が誘発する圧力波は，時間が敏感に変化するが，Livengood−Wu の積分を 1 次燃焼室ノックで生ずる圧力波よりも振幅が大きく，温度

元非定常圧縮性流れの計算に組み込んだモデルによる計境界層の破壊による熱伝達促進によるピストン材料の溶算結果は実用上十分耐えうるものである．さらに，クレ損にはクレビスノックが主な役割を演じている可能性がビスノックの存在はこれまで指摘されなかった，新しい否定できない．ここで，リングクレビスと円管では形状現象であり，今後ノックの研究が盛んになるきっかけとが異なるのでモデルとして適切かどうかの議論を行ってなることに期待したい．

いる．
4 章の結論では，リングクレビス内の解析を，1 次元非定常圧縮性の流れを考慮するとクレビス内部の位置に以上のことから，博士（工学）の学位請求論文として充分なる価値があると認められる．