低圧対向噴霧による予混合圧縮着火燃焼の最適化
発表者
指導教官:若井謙介

並里和明

瀬名波出

1.諸言

PCC1燃焼は,通常のディーゼルエンジンよりも燃料を早期噴射し予混合気に均質性を持たせて燃焼させる予混合圧縮着火方式のーつである.千混合圧縮着火は混合気が希薄で均質となるためPMの排出が少なく,燃焼最高温度も低いためNO,も抑制できる.また,燃焼室全域に亘うて多点で着火し,希薄で急速な燃焼となるため熱効率が高い等のメリットがある,しかし,通常のディーゼル燃焼に比べ均質な混合気が形成されるため,出力を向上しようと燃料の投入母を増加すると急峻な燃焼を起こしノッキングが発生tる.このノッキングにより運転領域が大幅に制限されてしまうことが課題である.この問題に対し,噴霧同士をぶうけることにより通常とは異なる混合気形成が望める対向噴身、1の適用を検討した
噴霧同士をぶつけることにより微粒化のプロセスを一部悪化させ,従来の予混合圧縮着火よりも細かい混合気形成の制御を行う.これにより,
NO,が生成されにくい温度でかつPMの排出が低減するような緩慢な燃焼を目指し運転領域の拡大を図る

2.実験条件及び実験装置

図1に実験装置図の概略を示す.供試機関には4ストロークディーゼル機関NS50OG(排気量331[CCDを用いた.回

転数1000[rpm],圧縮比ε=13.2臼,11.4ι・]とし,噴射時期を・30rATDC],・40rATDC1とした.また,筒内を模擬した噴霧撮影装世を用い噴霧を観察した.
ee

UOa0ge
介e
,0此

0".

Ξ、.
.

1
皆haea

am

回
回/a/0W

M

Injection
Driν日r00

InjeC暫on
Contr011er
l^

'n、,ー

Fig.1
Sche皿atic
experimentalofapPω'atus
3.実験結果及ぴ考察

ま十,基本的なPCC1燃焼特性を把握するため,GTLの対恂噴霧を用いた際の熱発生率,排気・機関特性のグラフを図2に示す.比較のため,同当母比において
GTL単独と本研究室でこれまで使削していた代替燃料であるDME
を用いた際の結果も示す.燃料噴身、!時期はPCC1燃焼の特徴である低温酸化反応(LTR)がみられたθinj=・4帆゜ATDC1とした.横軸がクランク角度,縦軸が熱発生率を示しており,実線が燃料に
DME,破線がGTL,点線がGTL
で対向噴霧を用いた際の熱発生率を示している.
GTLはDMEに比べ,LTR,高温酸化反応(HTR)の発生時期が遅角していることがわかる.これは,燃料特性の違いによるものだと考えられる.GTLは液体燃料であるため,常温で気体であるDMEよりも拡散性が悪くさらに着火性を表すセタン価数が低いため着火遅れ期間が長期化したと考えられる.対恂噴霧に着目するとLTRが発生せずに,単孔噴霧に比べ熱発生時期が遅角し,ビーク値が大きくな0ていることがわかる,これは,噴霧同士がぶつかることにより,噴霧が重なり合い大きい液滴となったため燃料が蒸気になるまでの行程が遅れ,予混合期間が長期化したためだと考えられる.機関特性をみると,図示熱効率および出力を表す代表値である
IMEP
はDME
よりもGTLのほうが高い値を示し,対向噴霧を用いると単孔噴身,はりも高い値となるのがわかる.これはGTLがDMEに比べ低位発熱量が高いことや,熱発生率の遅角化により等容度が恂上したためだと考えられる.そのため,同一の当量比においてはGTLでIMEPが大幅に増加した,排気特性をみると,
opaciWの変化は含酸素燃料である
DMEでは発生しておらず,
GTLの単孔噴身、1だと高い値を示している.しかし,対向噴霧を用いることにより均質な予混合気が多く形成されたため減少していることがわかる.
N0
は対向噴霧で最も低い値を示している.これは,着火遅れ期間が長期化しているため均質な混合気が希薄化し比較的低温で燃焼したためだと考えられる,しかし,
HC
は最も高い値を示している.これは,噴霧同士をぶクけることで単孔噴霧よりも不均質性の高い混合気が形成されるためだと考えられる.不均質性が高くなることにより着火遅れ期問が長期化し均質で希薄な混合気が多く生成されるが,局所的に濃度の濃い部分が存在しHCとして大量に排出されたと老えられる.対向噴霧を適用tることにより,熱効率,1MEPの大幅な増加及びNO,
opacityの低減が可能であるというメリットが得られた.しかし,HCの排出量が高いレベルにある.そこで,次節以降では対向噴霽によるHCの低減及び,排気の抑制を維持しうう運転領域の拡大を図る

ε=13.2

Fletpi瓢onn=1000【fpmlDMEFr毛日3甜丑Yー^GTL
Fr舶5PreY^-G↑L$「ゞOY!0ヨ0一曾で、ユ器田宮き一m5050即帥如Φ
如
も'Φ
一m'薪
0

Φ冨0.40-0.411・eioi=、40
'ATDC

i

1'^.15
-10、/,ノノ
一、5一^^

匡.20、、15・10、、J、

ιノ＼、、、、5TDC

CmnkヨΠglef゜ATDCI囲DMEF伯B8P恨γ目GTLF陪●$praγ口GTL$pr.ytospra"mpingm.nl
毛雲寵至一
冨8 で一毛至

2

一*
12

言山
御一
長御一O
御 Z

0 6

0 5
 ︻0 4 .
五乏0
 ︼
00山
 茎
0一 3.
2牙工
壽
毛互
一且
一一4且
3呈Fi音.2
EffectofDMEandGTL
on
rare
ofheatreleaseofpccland
e血i86ions
炊に,圧縮比を'=13.2
からし=11,4と低下させ,予混合期間をさらに長期化することで,等容度の向上によるIMEPの増加及び均質な混合気量の増加による燃焼完結性の向上を図りHCの低減を目指す.図3の上部に圧縮比を低下した際の熱発生率を,下部に排気・機関特性のグラフを示す.熱発生率のグラフは当母比一定となうており,赤い実線がε=13.2,青い破線がε=11.4
を表している.横軸がクランク角度,縦軸が熱発生率を示している.圧縮比の低下により着火遅れが長期化し等容度が向上していることがわかる.しかし,筒内温度が低下するため熱発生率のピーク値は波少している.排気・機関特性のグラフでは,横軸が当母比となうており,縦軸がそれぞれの値を示している.1MEP,及び熱効率の値に圧縮比による大きな変化はみられない.これは,低圧縮比化により等容度が向上したがビーク値が減少したためだと考えられる.しかし,排気をみると低圧縮比化によりOpacity,HCの排出母を低減できていることがわかる,とくに,当量比が高い領域で大きな差が表れている.
N0に大きな変化はみられない.これは,圧縮比を低下tると着火時期が遅角化tるため予混合期間が長期化し均質な混合気がより多く形成されたためだと考えられる.しかし,
HCの排出量は
IMEPが0.7Mpa付近の際80OPP皿と一般的には非常に多いためさらなる減少を図る必、要がある.そこで,噴身↓時期を遅角化し高圧で噴身・1することで,均質化を促進し燃焼完結性の向上を図る.
GTL

Flatpi引on"=10oolrpm】
中=034日einj器40【゜ATDC】
P川=4.11Mpal
30」一25︻ー.
ー●Φで、ユΦ印
寄一 壁m Φ正正一器工、0器
即器
即^エ=13.2
ー^ε冨11.4、,＼、.10.5

TDC

510Crankヨ叩101゜ATDCISP旧yt05P伯ylmpi"gm●nt

100..^-
f=13.2

^^

80
60
40

ー^ε=11.4で西
15.0

Z罵,^
^ー.

,

20

寵一煮
邑
0ミ卯
600

工0.

巳

,、・局

至0,2
︻4.
勃
Φに で0]
=
詮
一
一島 Φ
一 で

2
14伽 O
200
1200

倫●令.

6幻

800
400

冒合]

[豆Z

0
工

0
0,3
0.6
09
1.2
15
03
0.6
09
1̲2
1

中H

叩羽

Fi宮.3Effectofc0血Pressionratioonrareofheatreleaseanden宮ineperfor血且nc0丑ndemissions
・2・

炊に低圧縮比化した'=11.4において噴身・門寺期を遅角化した際の、噴身,1圧が与える影響を検討する。同一当母比において噴身、1圧力を4.1、8.1、12.1MPヨと変化させた際の熱発生のグラフを図4に示す。4.1Mpaに比べ8.1Mpa、12.1MP且では着火遅れ期間が長期化し熱発生のピーク値が大きくな0ている。これは高圧で噴身、1するほど噴霧の拡散性が良くなり、形成される混合気量が増加するためだと考えられる。また、
8.1Mpaと
12.1Mpa
を比較tると、着火遅れ期問がほとんど同時期であることがわかる。しかし、ピーク値は
12,1Mpaのほうが大きく
1MEPの向上が期待できるため、対向噴霧においてはより高圧で噴身.1することが適していると考えられる。
0﹁mSpraytospmylmpingmentΦ
で 120
ε=
11.4、
ユ 100
FletpistonΦn*1000【rpml袷 80
皇φ.0.58-0.60日
Φein
=・30
゜ATDC
二 60
田Φ 40
ε200Φ
一0伺止・10・5

P"-12,1【Mpa】
P,"j=8.1[MpalPI"j=4,1[Mpa】^^f'i^^

子
^

1 /i'

ヘ、、＼゛゛ノ^^^

TDC

105Crankangle{゜ATDC】

Fi宮.4EffectoflnjectionpressureonlowcompreS8ionratio
図5に噴身"寺期を遅角化し,比較的高い12.1Mpaで噴身、1した際の熱発生率と排気・機関特性の変化を木司、,上部に12.1MP日において当量比を向上させていウた際の熱発生率のグラフを,下部に排気・機関特性を比較的低圧である4.1Mpaと比較したグラフを示す.熱発生率をみると,当量比の増加に伴い熱発生率のピーク値が減少し燃焼期問の長い緩やかな燃焼とな0ていることがわかる.これは,当量比を増加していくと後半に噴射される燃料の予混合期間が短くなるため拡散的な燃焼が支配的になるためだと考えられる.排気・機関特性のグラフをみると,当量比φ=03˜0.6の問において,1MEPが0.2˜0.7Mpa
まで向上できている.しかし更なる向上を図ろうと当量比を増加しても,φ=0.6以降ではIMEPの増加率が減少していることがわかる.これに比例して熱効率も伺様に低下していることがわかる.opacityやHCも当垂比が少ないと低い値を示している.これは,高圧で噴身・1することにより均質な混合気量が増え局所的に過濃な部分が減少したためだと考えられる.しかしφ=06以降ではOpecity,HCともに急増していることがわかる.このことから,φ=0.6以降
では拡散的な燃焼となり無駄に捨てられる燃料が増えるということがわかる.N0は拡散燃焼にみられるOpacityとのトレードオフ関係が表れているため低下したと考えられる.
噴身,1時期の遅角化及び低圧縮比化を行い,燃料噴身↓圧力を比較的高くtることにより,当量比φ=0.6,1MEP=0.7Mpa
付近まではOpaciw,HCがこれまでの条件よりも低減が可能となった.今後は,より高負荷領域での排気の抑制及びNO,HCの更なる低減を図り,改善していく"、要がある,
GTL

Flatpiston
酢=10oolrpml
ε=TI.4[・1einj=・30rATDC]
P断」=12.11MP司一晶●工さ中一遷一● ー器暑 ー、 即ユ 印
中冨 如里 印
Φ正 0ーー
1,07、^●0.43-ん ＼、ノ03尼Φε ︻ 2で2*Φ︼
1一巴 官 一 ● ー三 0一垢Soraytospra"r"pln9mont.

、5、、TDC5100^P1叫=12,11Mpa

80

一金P判●.ⅡMP可60▲、'^40
200ヌ︼
倉伺
88。。

t

宥0
止伽山Σ
一配缶
0 至
﹁5暑如
ミ 3e
星丘
2モ. 0仙,勺
0
一

10C伯"k帥91el'ATD引

600'ー'

400'^・▲
''

▲

200▲

゛ー

且昌O

一Z0伽
1 冒且
 一 04 0 工卯

03
06
09
12
1.5
03
0.6
09
1.2
1、Φ日中日Fi宮.5Effectoflowcompre88ionratioonen客ineperfor皿anceande皿issions4.結言(DPCC1燃焼の領域において,対向噴霧を用いることにより単孔噴霧に比べIMEPの向上が可能となる.
(2)対向噴霧において低圧縮比化を行うことで,高負荷領域でのOpaciw,HCの低減が図れる(3)低圧での噴身↓は噴舞の拡散性が悪く不均質性が高くなるため燃料投入量を増加していくと,拡散的な燃焼となり燃焼完結性の悪化によりHCの排出量が増加する.
(4)燃料噴射時期を遅角し,噴身1圧力を12.1MPヨと高圧にすることで噴霧の拡散性が良くなるため均質化を促進しHCの排出母を抑制tることができる.
(5)対向噴霧において,低圧縮比化及び
12.1MP且での高圧噴身、1を行うことにより一定のIMEP
までは排気を抑制することができる
5.今後の課題
対向噴霧により,低圧縮比化及び高圧噴身1を行うことで一定のIMEPまでは排気の抑制を実現できたが,それ以降の高負荷領域では拡散的な燃焼が支配的となりOpacityとHCの大幅な増加にうながってしまった.これは,出力を向上しようと燃料投入量を増加する際に噴身、1期間が長くなるため,後半に噴身、1される燃料が十分な予混合期間を得られずに不完全燃焼してしまうためだと考えられる.このように,燃料噴身、1時期を遅角化し高圧での噴身↓を行うと,出力の増加に伴い排気が悪化してぃく.逆に燃料噴身、1時期を進角化すると高圧での噴身,1は均質な混合気が多く形成されるため急崚な燃焼によるノッキングにつながうてしまう,
今回の実験では,対向噴霧の影響を検討するため空気流動のないフラットヒストンを使用していたが,今後は燃焼室形状を変更し空気流動を取り入れることにより,燃料噴身、1時期を定格位置で行う.これにより,高圧での噴身、1でもノッキングが生じずに,通常のディーゼル燃焼より均質化を促進でき単位時間当たりの燃料投入量を増加できるため排気のさらなる低減が期待できる
また,本研究室ではこれまで燃料の噴身,1を膨張行程で行う低温燃焼においてN0の大幅な低減を可能としてきた.しかし,出力の向上を図ろうと燃料投入量を増加すると,膨張行程で筒内が低温になるため後半に噴射される燃料が燃焼せずHCの排出量が急増しIMEPの向上が図れないという課題が残0ていた.しかし,ノズルを2つ取り付け単位時問当たりの燃料投入量を増加することができるようになったため,この課題の改善を図る.