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筒内噴射ガソリン機関(GDI)ノズルにおける多段噴射の噴霧、着火特性
発表者 神山聖 多喜和太郎
指導教官 若井謙介

1.緒言ディーゼル機関は燃焼効率が高く、ガソリン機関に比べ燃料消費率が良いため CO２ の排出量が少ない等の理由から、様々な用途に利用されている。しかし排出ガスに含まれるNOx やすす等が問題となっており、それらの問題点を改善する方法として、燃料や燃焼過程の改善、触媒などによる後処理等がある。
昨年度までは燃料の改善を試み、軽油と性質が近い代替燃料 DME を用いて噴霧特性と着火特性を計測してきた。その結果、DME の諸特徴は軽油と比べ、様々な点で相違が見られた。従来のディーゼル機関で DME を使えるようにするためには燃焼過程の改善を必要とすると考えられる。燃焼過程の改善をするには混合気の改善を行えばよい。そこで混合気の時間的、空間的な配置を制御する方法として噴射システムの改良を行い、二段噴射での噴霧の検討をした。
本研究は、電子制御を用いたスワールノズルで噴射を二段階にし、一段目と二段目の噴射割合、一段目と二段目の噴射間隔（以後ΔT と示す）をそれぞれ変化させた。
燃料は軽油と DME、熱量比で DME：軽油=1：1 の混合燃料(以後 DME50%と示す)、を用いて噴射を行った。測定方法
はシュリーレン法を用いて高速度ビデオカメラで噴霧を撮影し、その画像から噴霧特性として噴霧到達距離、噴霧角、噴霧体積をそれぞれの燃料や条件による違いから調査、解析を行った。
2.実験装置と方法

Fig.1 Schematic of Experimental Apparatus
Fig.1 に実験装置の概要を示す。実験装置は高温高圧容器とシュリーレン撮影装置、スワールノズルを使い、高速度ビデオカメラで噴霧を撮影する。条件は、高温高圧容器内をディーゼルエンジンにおける上死点時の圧力 Pa=3.1[MPa]、温度 Ta=773[K]のときの空気密度と等しくするため、圧力をPa=1.2[MPa]、 温度を Ta=303[K]にして行う。また、噴射制御用のコンピュータプログラムを変更し二段噴射が出来る様に改良した。
3.二段噴射の定義
ディーゼル機関の圧縮着火時に噴射される燃料を 100〔%〕とするとき、これを二回に分けて噴射することを「二段噴射」とする。今研究では噴射期間の割合 T1+T2=100〔%〕を 2[ms]-35-(1147h)とし、例えば噴射期間の割合 10:90 の場合一段目で T1=0.2[ms]噴射し、二段目で T2=1.8[ms]噴射することをいう。この用な噴射を二段噴射と定義する。燃料 DME50%、雰囲気圧1.2[MPa]、噴射割合 50:50、噴射間隔ΔT=0.5[ms]の条件での二段噴射のシュリーレン法による連続写真を Fig.2 に示す。

T=0.6[ms]T=1.6[ms]T=2.6[ms]T=3.6[ms]Fig.2 Photographs of Spray(DME50%、Pa=1.2[MPa]、50:50、ΔT=0.5[ms])4.実験条件
Table.1 Test Conditions and Injection Settings
噴射期間
噴射間隔 雰囲気圧
燃料(T1 T2)
噴射割合
(ΔT)
(Pa)
〔ms〕
〔%〕
〔ms〕 〔MPa〕
軽油
0.2:1.8
10:90
0.3
0.1
DME
0.5:1.5
25:75
0.51.2
DME50%
1.0:1.0
50:50
0.7
1.5:0.5
75:25
1.01.5
燃料は軽油とＤＭＥ、ＤＭＥ50%を用いて噴射を行った。
噴射割合は一段目と二段目の噴射期間が等しい 50:50、一段目の噴射期間が二段目よりも短い 25:75、一段目の噴射期間が二段目よりも長い 75:25、一段目の噴射期間が二段目よりも極端に短い 10:90 で行った。ディーゼルエンジンにおける上死点時の圧力、温度を想定した、圧力 Pa=1.2[MPa]、温度Ta=303[K]とで行った。
5.結果と考察Fig.3 Comparisons of Spray Characteristics with Single
Injection and Double Injection

雰囲気圧 Pa=1.2[MPa]での DME の単段と二段の噴霧到達距離、噴霧角、噴霧体積の時間変化に対するグラフを Fig.3に示す。このときの二段噴射は噴射間隔ΔT=0.5[ms]、割合25:75 である。このグラフから単段と二段を比較する。噴霧到達距離、噴霧角は単段の方が大きい。しかし噴霧体積は二段の方が大きくなっている。噴射を二回にすることにより噴霧の広がりに変化が見られた。
以下に二段噴射の条件をそれぞれ変えたグラフとそれに対する考察を示す。

噴霧による一般的な変化で、噴射初期の旋回成分がない噴霧が軸方向へ広がり、噴射後半の噴霧の旋回成分によって進行が緩やかになり、ある程度進むと気流の流れに噴霧が引っ張られるのでまた加速するという動きを見せる。
噴射割合 10:90 では軽油、DME は共に前半は傾きが急で、後半が緩やかである。これは一段目の噴射期間が短いため噴霧がスワールされ難く、半径方向への広がりではなく軸方向への広がりが見られる。そして二段目の噴霧によって半径方向への広がりが強い噴霧が出るため速度が遅くなる。
5.2 噴霧角
噴霧角は軽油、DME50%、DME の順で最大角が大きい。
これは燃料の密度が大きいほど噴霧がスワールされ易く、噴射時に旋回力を受け易いため、半径方向に広がる力が大きくなるからである。各割合の変化を見てみると噴射割合 50:50、75:25 はほぼ同様の形を描く。噴射期間が長いほど噴霧角の広がり方は緩やかになり最大角が大きくなる傾向が見える。
噴射割合 10:90 では 20〔ms〕まで DME50%が軽油よりも大きい値になる。これは一段目の噴射期間が T1=0.2〔ms〕と極端に短いため噴霧がスワールされづらく軸方向へ広がり、その後の二段目の噴射で旋回流が発生し、半径方向の広がりに変わるためだと考えられる。
5.3 噴霧体積
基本的には噴霧角の広がりに対応している。軽油の噴霧角が一番大きい 50:50 のときが、やはり体積も一番大きくなる。
これは噴霧がスワールされるためにはある程度の噴射期間が必要だからと考えられる。DME の体積の広がりが悪いのは、密度が小さく、旋回力による外向けの広がりが得られにくいからと思われる。DME は総して体積は小さくなっている。
噴射割合 10:90 では、軽油より DME50%の方が広がり方が大きい。これは軽油と比べ DME50%の粘度が低いため、噴射期間が短くてもスワールの影響が大きいからだと思われる。
噴射期間が長くなればなるほど、噴射量が増加するため噴霧の形成に大きく影響を及ぼすと考えられる。10:90 では一段目の噴射期間が短いため、初めは噴霧体積の増加が緩やかで、二段目の噴射によって体積は急激に増加する。
噴射割合 75:25 では一段目の噴射期間が長いため初めから噴霧体積の増加が激しいが二段目の噴射期間が短いため体積の広がりが緩やかになる。
6.結言
スワールノズルと低圧多段噴射装置により二段噴射された噴霧の噴霧特性、着火特性を調べた結果以下の結論を得られた。
・軽油の方が DME、DME50%に比べ二段噴射による噴霧形状の変化が大きい。
・DME と DME50%を比較すると DME50%の方が噴霧の広がりが大きい。
・噴射期間 T1 が短いほど噴霧体積に与える影響は大きい。
・DME では単段噴射よりも二段噴射の方が噴霧の広がりが大きくなりやすい。
7.参考文献1) High
PressureMultipleInjection
Spray
Characteristics、 P．V．Farrell、 SAE 960860、 (1996)、
2) 「直接噴射式ガソリン機関における噴霧特性および混合気形成に関する実験的研究」、山川正尚、
広島大学博士論文、(2003)
3) 「DME ハンドブック」、共著、オーム社、(2006)
4) 「わかる内燃機関」
、
廣安博之、
吉崎拓男、
日進出版、
(1973)(a) 10:90(b)50:50(c)75:25
Fig.4 Spray tip penetration with different Injection
Duration(a) 10:90(b)50:50(c)75:25
Fig.5 Spray angle with different Injection Duration(a) 10:90(b)50:50(c)75:25
Fig.6 Spray volume with different Injection Duration
雰囲気圧 Pa=1.2[MPa]、噴射間隔ΔT=0.5[ms]の条件で、軽油、DME、DME50%の噴霧到達距離の時間変化に対するグラフを Fig.4 に、噴霧角の時間変化に対するグラフを Fig.5に、噴霧体積の時間変化に対するグラフを Fig.6 にそれぞれ示す。このとき噴射割合は左から 10:90、50:50、75:25 である。
5.1 噴霧到達距離
噴射割合 50:50 では軽油、DME50%は共に最初は傾きが急だが途中から緩やかになっている。これはスワールノズルの-36-