412

筒内噴射ガソリン機関(GDI)ノズルにおける含酸素燃料の噴霧、着火特性
発表者
指導教官

1．緒言
ディーゼル代替燃料として注目されるジメチルエーテル（CH 3 OCH 3 以後 DME と示す。）は含酸素燃料でありディーゼル機関で問題とされている排気ガスに含まれる微粒子状物質を低減させることによって、EGR を使うことができるようになる。そして EGR を使うことによってNO X を低減できるという利点を持っている。
昨年度はシャドウグラフ法を用いて高速度ビデオで噴霧を撮影し噴霧、着火特性の把握を行った。しかし、シャドウグラフ法では気化した燃料を撮影、計測することが出来なかったが、本年度よりシュリーレン法を用いることによって燃料が気化したものも撮影、計測することが出来るようになった。
また、今年度よりＤＭＥの噴射の際、軽油との混合を防ぐことを目的にＤＭＥ専用の配管を作った。
2．実験装置および実験方法

村西健太 (743.5h) 杉浦理恵 (687.5h)
若井謙介 大見謝恒弘
3．実験結果および考察Fig.1 装置図
Fig.1 に本年度の実験装置の概要を示す。実験方法はガソリンエンジン用の直噴(GDI)ノズルを用いて軽油、ＤＭＥ：軽油=1：1(熱量比)の混合燃料(以後ＤＭＥ50％と示す)、ＤＭＥの各燃料を軽油、ＤＭＥ50％は、燃料加圧装置を用いて、ＤＭＥはボンベより直接ステンレスパイプに送り加圧することによって噴射圧である 5.1[MPa]に加圧する。
まず、高温高圧容器内を常温 T a =305[K]、常圧 P a =0.1[MPa]と、容器内を窒素で満たした常温 T a =307[K]、Pa=1.3[MPa] (高温高圧容器内の温度 293[K]の窒素の密度をディーゼルエンンジにおける点火時の雰囲気圧力 P a =3.1[MPa]雰囲気温度 T a =773[K]と等しくするための圧力)の雰囲気に噴射させた、非着火実験の噴霧特性である噴霧到
達距離、噴霧角、噴霧体積の測定を高速度ビデオカメラを使って行った。
そして、高温高圧容器内を、実際の直噴ディーゼル機
関での燃焼室の上死点での雰囲気温度、雰囲気圧力を模した雰囲気温度 T a =723～873[K]、雰囲気圧力 P a =2.1～3.
1[MPa]の間で変化させた雰囲気に噴射した着火実験を行い、噴霧特性の計測を行った。同時に着火遅れの測定を光センサーを用いて行った。

5012040100

Spra y A ngl e θ (de gree )Spray Tip Penetr ation

S(mm)Fig.2、Fig.3 は噴射開始からの時間 t inj =1.6[ms]の軽油とＤＭＥのシュリーレン法で撮影した噴霧画像である。
Fig.2 は T a =307[K],P a =1.3[MPa]、Fig.3 は T a =723[K],P a=3.1[MPa]である。
Fig.2 と Fig.3 を比較する軽油の噴霧はほとんど変わらないが、ＤＭＥの場合 Fig.3 の高温高圧の場合の方が圧倒的に噴霧の広がりが大きい。これは Fig2 の条件が Ta =307[K]、P a がＤＭＥの蒸気圧より大きい P a =1.3[MPa]であるため、ＤＭＥが蒸発、気化していないからである。
対して、Fig.3 の条件では T a =723[K]、P a =3.1[MPa]と T aが大きいため、ＤＭＥは蒸発、気化し噴霧が大きく広がったと考えられる。

3020○ Diesel Fuel
△ DME50%× DME10001234
Time from Start of Injection t(ms)5806040○△×2000Diesel Fuel
DME50%DME1234
Time from Start of Injection t(ms)5Volume of Spray[cm 3]△

Time from Start of Injection t[ms]Fig.4 噴霧先端到達距離、噴霧角、噴霧体積
Fig.4 は T a =723[K]、P a =3.1[MPa]雰囲気での燃料別の噴霧先端距離と噴霧角、噴霧体積を横軸噴射開始からの時間で表したものである。これでは雰囲気温度と雰囲気圧力で比較できないため、次に、T a =723[K]と T a =873[K]の噴射開始からの時間 t inj =1.6[ms]での横軸燃料別にした、雰囲気圧力別の噴霧先端到達距離、噴霧角、噴霧体積をそれぞれのグラフで示す。
23

Fig.9、Fig.10 は噴射開始からの時間 t inj =1.6[ms]の各燃料での体積を雰囲気圧力別で示した。
Fig.9、Fig.10 ともに P a =2.1[MPa]が大きいこれは、P a=2.1[MPa]の方が P a =3.1[MPa]より雰囲気圧力が小さいので雰囲気密度も小さくなり相対的に噴霧の貫徹力が大きくなると考えられる。また、ＤＭＥが最も大きいのは、蒸発、気化の影響によると考えられる。Fig.10 でＤＭＥ50％と軽油の値がＤＭＥに近づいているのは、雰囲気温度が十分高いため軽油もＤＭＥと同様に多く蒸発、気化しているためだと考えられる。
3.4 燃料別の着火遅れ

Spr ay Tip P enetration S[mm]3.1 燃料別の噴霧先端距離

16
Diesel Fuel

DME50%

Diesel FuelDME

DME50%

DME

Each Fuel

Each FuelFig.5 燃料別噴霧先端距離 Fig.6 燃料別噴霧先端距離(T a =723[K])(T a =873[K])Fig.5、Fig.6 は噴射開始からの時間 t inj =1.6[ms]の各燃料での噴霧先端距離を雰囲気圧力別で示した。
Fig.5、Fig.6 ともに P a =2.1[MPa]の方が大きい。これは、P a =2.1[MPa]の方が P a =3.1[MPa]より雰囲気圧力が小さいので雰囲気密度が小さいため相対的に噴霧の貫徹力が大きくなると考えられる。また、2.1[MPa]で比較すると Fig.6 の方が Fig.5 より小さくなる。これは、Fig.6の方が雰囲気温度が高いため蒸発、気化が速やかで燃料が容器内の密度と変わらなくなり見えなくなったと考えられる。
3.2 燃料別の噴霧角

Spray Angle θ[deg ree]Spra y Angl e θ[degree]

Fig.11 燃料別着火遅れ
Fig.12 燃料別着火遅れ(P a =2.1[MPa])(P a =3.1[MPa])
Fig.11、Fig12 は横軸に雰囲気温度の逆数をとり、縦軸に着火遅れの時間を対数でとり各燃料を比較したものである。
Fig.11、Fig.12 ともにＤＭＥの着火遅れが短いこれは、ＤＭＥの沸点が低く気化しやすいため空気と混合しやす
くまた、セタン価も高いためであると考えられる。また、
軽油とＤＭＥ50％は P a =2.1[MPa]より P a =3.1[MPa]の方が着火遅れが短くなることがわかる。これは雰囲気圧力の増加によるみかけの活性化エネルギーの減少により、着火遅れの温度依存性が少なくなったためだと考えられる。
またＤＭＥの値が P a =2.1[MPa]と P a =3.1[MPa]でほとんど変化が無いのは、光センサーで T a =723[K]では 1 回しか着火を確認できず、773[K]では着火を確認出来なかった
ため T a =773[K]以下の値は信用性に欠ける。これは、低温ではＤＭＥの発光強度が弱ったため、着火はしているが光センサーで確認できなかったと考えられる。
4．結言(1)シュリーレン法で撮影することによって燃料が蒸発、気化したものも撮影、測定できるようになった。
(2)ＤＭＥの噴霧先端到達距離は P a =2.1[MPa]では、沸点の低さから蒸発、気化し軽油より大きくなる。P a =3.
1[MPa]では軽油の密度の大きさから軽油の貫徹力の大きさが影響し、ＤＭＥと軽油の噴霧到達距離の差がほとんどない。
(3)ＤＭＥは軽油に比べ旋回流による影響が小さいため噴霧角は比較的低温である T a =723[K]では小さくなる。
(4)ＤＭＥの体積は T a =873[K]より比較的低温である T a =723[K]でも蒸発、気化し軽油、ＤＭＥ50%に比べ大きくなる傾向がある。
(5)ＤＭＥの着火遅れは、セタン価が高く沸点が低いため軽油に比べ短くなる。
5．参考文献(1)武藤、他、琉球大学卒業論文(2005)

Fig.7 燃料別噴霧角
Fig.8 燃料別噴霧角(T a =723[K])(T a =873[K])Fig.7、Fig.8 は噴射開始からの時間 t inj =1.6[ms]の各燃料での噴霧角を雰囲気圧力別で示した。
Fig.7 は T a =723[K]のため蒸発、気化の影響よりもスワールノズルによる旋回流の影響を大きく受けると考えられ、密度の大きい軽油の噴霧角が最も大きくなると考えられる。逆に Fig.8 は T a =873[K]のため蒸発、気化の影響が大きくなって噴霧角が燃料ごとにほとんど変わらないと考えられる。また、Fig.7、3.1[MPa]でのＤＭＥの値が 2.1[MPa]と他と違う傾向を示すため、ノズルを更新した上での再実験が必要であると考える。
3.3 燃料別の噴霧体積

Fig.9 燃料別体積(T a =723[K])Fig.10 燃料別体積(T a =873[K])24