2-9 DME 圧縮着火機関における筒内直接噴射ガソリンノズルを用いた燃焼制御
熱流体工学講座
山本恭平
指導教員
若井謙介 野底武浩
1 緒

3 実験結果および考察

言ディーゼル機関は熱効率が高く，ガソリン機関に比べ3.1 HCCI 燃焼て CO2 排出量が少ない反面，ディーゼル機関から排出

予 混 合 圧 縮 着 火 (Homogeneous Charge Compression

される窒素酸化物 NOx と粒子状物質 PM は大気環境汚Ignition，以下 HCCI)燃焼は，空気と燃料を予め混合し染の主要因とされ，それらの大幅な低減が強く求められて燃焼室内に導入し，ピストンによる断熱圧縮によってている．近年では新たな燃焼方式として，NOx と PM が着火・燃焼させる燃焼方式である．HCCI 燃焼は希薄な大幅に低減可能な予混合圧縮着火燃焼の研究が盛んに予混合気による低温燃焼が実現されるので，NOx を抑制行われている．

できる．本研究では，燃料のポート噴射により予混合気

本研究では小型汎用を想定したディーゼル機関を対を形成し圧縮着火することで HCCI 燃焼を行った．

象とし，安価で容易な排気改善および燃焼制御を実現す

図 2 に HCCI 燃焼と DI(筒内直接噴射)時の熱発生率をべく，筒内直接噴射ガソリンノズルを用いた．また，燃示す．HCCI では高温酸化反応(以下 HTR)の前に低温酸料には PM の排出が無く，着火性が良い DME を使用し化反応(以下 LTR)と呼ばれる燃焼の前駆反応が起こる．

た．電磁弁を有するガソリン直噴ノズルの使用により，

HCCI 燃焼によって NO は抑制できたが，低温燃焼のた噴射時期，二段噴射など燃料噴射制御の自由度が増すた

め未燃物質の CO・HC の多量排出を招いた．また，予め，様々な混合気形成および燃焼形態の検討を行い，混合気が自己着火温度に達した時点で自着火するため，DME 圧縮着火機関に適した燃焼制御法を模索する．

着火時期の制御を行う必要がある．さらに，燃料投入量を増加すると，燃焼反応速度の増大による激しいノッキ

2 実験装置および方法

ングが生じる．
100用いた．図 1 に基本的な実験装置の概略を示す．機関の80

燃焼室は浅皿型である．燃料の DME はアキュムレータに充填して窒素ガスで加圧し供給を行う．
供試機関には筒内直接噴射ガソリンノズルを取り付け，クランク軸に設けたロータリーエンコーダからの信号を基に任意に噴射時期と噴射期間を 0.5deg 単位で設定可能である．
シリンダヘッドに取り付けたピエゾ式圧力センサで得た圧力を 128 サイクル平均し，熱発生率および筒内平均温度を求めた．実験は，機関回転数 n=1000[rpm]，圧縮比 ε=13.2 とした．排ガス中の CO および HC，NO 濃度は自動車排気ガス測定器にて計測した．なお，本研究では NOx の代表値として NO を用いた．
Charge Amplifier

DI Nozzle Accumulator

N2BombOscilloscope

R.H.R. [J/deg]

供試機関は単気筒 4 サイクル水冷ディーゼル機関を

ε=13.2, Pmi=0.35[MPa]HTR60

HCCIDILTR

40200-60-40-20
TDC20
Crank angle [°ATDC]

4060Fig.2 Comparison of HCCI and DI on R.H.R.
3.2 EGR による燃焼反応速度の抑制
HCCI 燃焼の課題である燃焼反応速度の抑制の有効な手段として EGR が挙げられる．EGR とは排気ガス再循環(Exhaust gas recirculation)のことであり，排出ガスのIntake
Manifold

一部を再び吸入空気と混合させることによって酸化反応を抑制する．

N2

Pressure
Transducer

図 3 に EGR を適用した場合の熱発生率を示す．EGR

Injection
Driver率の増加に伴い，LTR，HTR の発生時期がともに遅延している．これは不活性ガスの増加により，シリンダ内Injection
Controller

ExhaustManifoldの混合気の比熱比が減少し，ピストン圧縮による温度上昇が抑制されるためと考えられる．また，EGR 率の増

PhotoSensor

加によって，LTR，HTR の熱発生ピークも減少している．これは EGR による混合気中の酸素濃度の低下によExhaust Gas
Opacity Meter Engine
Analyzer

Dynamo Meterり，
緩慢な燃焼となり燃焼反応速度が低下したと考えら

RotaryEncoderれる．したがって，EGR によって HCCI の燃焼反応速

Fig.1 Schematic of engine system

度の抑制が可能となり，運転領域が拡大できる．

61

γEGR=50[%]60
40ε=13.2, P inj =8[MPa],φ=0.46～0.49

400
300
200
10000.3

200.20-40

TDC-2020
Crank angle [°ATDC]

400.1

60
HC [ppm]-60

Fig.3 Effect of EGR rate of HCCI on R.H.R.
3.3 PCCI 燃焼

2000150
100500均質な混合気の HCCI 燃焼に対して，不均質性を有すBrake thermal efficiency
ηe [%]る 予 混 合 圧 縮 着 火 燃 焼 は 一 般 的 に PCCI(PremixedCharged Compression Ignition)燃焼と呼ばれる．HCCI では吸気行程で燃料を噴射し，十分な時間をかけて混合気を均質化するのに対し，PCCI は圧縮行程で噴射するため，予混合期間が短くなり，やや不均質な混合気となる．
PCCI 燃焼は筒内直接噴射による早期噴射によって混合気の十分な予混合期間を確保することで可能となる．

CO [%vol]80

ε=13.2, qinj=13.6[mg/st]γEGR=23[%]

0.8
0.6
0.4
0.2

20150dp/dθmax [MPa/deg]

γEGR= 0[%]NO [ppm]

R.H.R. [J/deg]

1001050-60-50-40-30-20-10Injection timing θinj [°ATDC]

Fig.5 Effect of injection timing on engine performanceand emissions

図 4 に各噴射時期の熱発生率を示す．
噴射時期の早期化に伴い，HTR の発生時期が進角していることが分かる．そして，噴射時期 θinj=－60[°ATDC]では，HCCI と3.4 遅延噴射による低温燃焼

同様に LTR が確認でき，PCCI 燃焼が起こっていると考本研究で使用した筒内直接噴射ガソリンノズルは電えられる．図 5 に各噴射時期における排気・機関特性を磁弁を有しており，電子制御によって二段噴射が可能で示す．NO は噴射時期の早期化に伴い減少傾向であり，ある．二段噴射によって，二段目噴射時期の遅延化によ

噴射時期 θinj=－60[°ATDC]の条件で大幅に低減可能でる「低温燃焼」が可能となる．これは PCCI や HCCI のある．噴射時期の早期化によって，長い予混合期間によ早期噴射による希薄予混合燃焼に対して，遅延噴射による混合気の希薄化が進み，燃焼温度が低下するため NOって燃焼温度の低温化を図る燃焼方式である．
図 6 に本は減少するが，反対に CO・HC は増加する．最大圧力

燃焼コンセプトの概念図を示す 1)．本燃焼コンセプトで上昇率は θinj=－30[°ATDC]で極大値をとっている．これは，高圧噴射化による噴射期間の短縮と，低圧縮比およは，希薄な混合気の形成が抑えられ，局所的に過濃な混び EGR 冷却，噴射時期遅延化による着火遅れ期間の長合気が存在し，急激な熱発生になったためだと考えられ期化を図り，燃焼を予混合化することで PM の排出を抑る．

制している．本研究においては，PM の排出が少ない

また HCCI と同様に，着火時期は筒内温度に依存するDME を使用しているため，NOx 低減を目的とした「噴ため，TDC 前での過早着火となり高い等容度および熱射時期の遅延化」による「低温燃焼」のみで，容易に効率を得ることが不可能である．

NOx と PM の同時低減が可能となる．この燃焼方式は100806040200める．

θinj= -10[°ATDC]

θinj= -30[°ATDC]
Injection pulse
R.H.R. [J/deg]

着火時期の遅延化により運転領域の大幅な拡大も見込

100806040200-60

R.H.R. [J/deg]

R.H.R. [J/deg]

HCCI および PCCI の課題であった燃焼反応速度の抑制，ε=13.2, P inj =8[MPa],φ=0.46～0.49

100806040200NOxPM

低温燃焼

予混合燃焼

酸素濃度の低減

大量EGR

θinjﾆ = -60[°ATDC]

着火遅れ時間＞噴射期間

噴射時期の遅延化

低圧縮比
EGR冷却

高圧噴射
大噴口径ノズル

混合気分布を制御-40-20TDC
20Crank angle [°ATDC]

4060
燃焼騒音改善Fig.4 Effect of injection timing on R.H.R.

熱効率向上

HC抑制

出力向上

Fig.6 Overview of combustion concept 1)

62θinj2=-5[°ATDC]

特性を，
図 8 に各二段目噴射時期の熱発生率および筒内θinj2= 0[°ATDC]

40

θinj2= 5[°ATDC]

平均温度を示す．二段噴射における実験において，一段50
30目噴射割合は少なくし，二段目噴射を主燃焼とした方が20排気および機関特性で優位な結果となったため，
一段目

10
Estimated in-cylinder
gas temperature [K]

噴射期間 qinj1=1.5[deg]，二段目噴射期間 qinj2=8.5[deg]とした．一段目噴射時期は PCCI 燃焼が可能である θinj1=－60[°ATDC]に固定し，二段目噴射時期を θinj2=－5, 0,5[°ATDC]とした．また，実験の過程において，噴射圧力の高圧化によって噴霧のペネトレーションが増大し混合気形成の促進による CO，HC の低減，熱効率の向上が見られたため，噴射圧力は Pinj=12[MPa]とした．

2000
1500
1000

0
θinj2=-5[°ATDC]
θinj2= 0[°ATDC]
θinj2= 5[°ATDC]
ε=13.2
P i n j =12[MPa]5000-60-40

遅延しており，筒内平均温度の最大値も減少しているこ

PCCI 燃焼では IMEP は最大で 0.38MPa，HCCI に EGRたと考えられる．
二段目噴射時期の遅角による燃焼温度を組み合わせた場合でも 0.52MPa 程度であった．そしの低下によって，燃焼効率の低下に伴う CO，HC の増て，噴射時期の遅延化による低温燃焼では，0.73MPa

加が懸念されたが，結果をみるとほとんど変わらない値程度の IMEP が得られるまで運転領域の拡大が可能とを示している．
これは二段目噴射時期を遅延化することなった．しかし，高負荷領域における CO，HC の未燃で，一段目燃焼との間隔が広がり主燃焼である二段目噴物質の低減および高効率化，さらなる運転領域の拡大が霧への空気導入が促進されたため，結果的に同程度にな今後の課題として挙げられる．

ったと考えられる．しかし，正味熱効率は二段目噴射時
期 θinj2=5[°ATDC]が最も低い値を示し，二段目噴射時期

4 結の過度の遅延化は等容度の低下を招き，熱効率が低下す機関において，筒内直接噴射ガソリンノズルを活用した160

で HCCI 燃焼が可能となり，希薄予混合気による40低温燃焼のため NO 低減が可能となる．

NO[ppm](1) 予混合気を燃焼室内に導入し，圧縮着火すること80HC[ppm]

806040(2) 外部 EGR によって不活性ガスを混入することに-505ε=13.2
P inj=12[MPa]q inj1 =1.5[deg]θinj1 =-60[°ATDC]

より，HCCI 燃焼で課題となる燃焼反応速度を制御することができる．
(3) 圧縮行程中に早期噴射することにより，不均質性を有する PCCI 燃焼が可能となり，NO の排出を抑20105-5050dp/dθmax [MPa/deg]

CO[%vol]

Brake thermal efficiency
ηe [%]

100150燃焼制御法について検討した結果，以下の知見を得た．

12005論

本研究は，DME を燃料に用いた小型汎用ディーゼルると考えられる．

060加による運転領域の拡大も可能となった．HCCI および伴い，燃焼温度が低下するために NO も大幅に低減でき-540

二段目噴射時期の遅延によって，二段目噴射期間の増とが分かる．したがって，二段目噴射時期が遅くなるに

1.4
1.2
1.00.80.60.40.2020TDC-2020Crank angle [°ATDC]

Fig.8 Effect of 2nd-stage injection timing retard on R.H.R.

二段目噴射時期の遅延化に伴い，二段目の熱発生率もθinj2=-5[°ATDC]
θinj2= 0[°ATDC]
θinj2= 5[°ATDC]

R.H.R. [J/deg]

q inj1 =1.5 [deg],θin j1 =-60[°ATDC]

図 7 に二段目噴射時期を変化させたときの排気・機関

0.8

制できる．
-50(4) 二段噴射において，二段目噴射時期を遅延化する

5ことで低温燃焼による NO 低減が期待できる．

0.60.4

参考文献

1)

0.2
0-50

河本桂二, 低温予混合燃焼(MK 燃焼)方式の紹介,
自動車技術会 MotorRing, No.21 (2005)

52)

Fig.7 Effect of 2nd-stage injection timing retard
on engine performance and emissions

飯田訓正, ATAC から現在までの研究の流れおよび今後の展開・方針, ENGINE TECHNOLOGY Vol.7,
No.2 (2005)

63