411 イオン電流計測による DME 燃料の着火遅れ
発表者
通事 司(694h)，柳澤 伸太朗(674h)
指導教官 若井 謙介
1． 緒言
石油などの化石燃料は，私達の生活に様々な形で利用されている．化石燃料を使用することで排出されるガスには地球環境や人体に影響を与える物質を含んでおり，排出ガス中の有害な物質を低減する技術が世界各地で研究されている．また，化石燃料の埋蔵量は限界があり，近年では化石燃料の枯渇が危惧されているので脱石油燃料化の研究も進んでいる．
排出ガスの有害物質を低減する機関としてディーゼル機関が注目されている．ディーゼル機関は二酸化炭素の排出がガソリン機関より少ないが，NOx やすすが問題となっている．脱石油燃料の面から代替燃料が注目され，その中でも DME(ジメチルエーテル)はセタン価が高く，すすを発生しないなどの利点より，ディーゼル機関の代替燃料として期待されている．
2． 実験装置と方法及び実験条件
2.1 実験装置と方法
本研究では，供試機関は単気筒水冷４サイクルディー
ゼルエンジン（形式 ST95Y，ヤンマーディーゼル製）を使用する．常用出力は 5.15kw/1400rpm である．シリンダー径×行程が 95×115，排気量 815ml，圧縮比 12.2，燃焼室
形式は予燃焼室式（予燃焼室容積 78.7ml）．図１に今年度の実験装置の概要を示す．ポート噴射を筒内直接噴射に変更した．熱量比で DME：軽油=1:1 の混合燃料を用いた．
燃料の噴射時期，噴射量を電子制御するために燃料噴射ノ
ズルは三菱自動車製の GDI ノズルを使用した．GDI ノズ
ルは燃料に旋回流を発生させて直接シリンダー内に噴射する．この GDI ノズルを使用することによって，従来のディーゼルノズルを使用した場合に比べ噴霧形成が有利であると考えられるためであり，またノズルを冷却し，イオンセンサーを固定しているエポキシ樹脂を熱から保護するためノズルホルダに冷却水を流している．イオンセンサーの長さ，間隔を変えてイオン電流を測定した．

Fig.2 Ion Current Measuring System
2.1 実験条件
実験条件として，噴射圧は 7[MPa]で一定とし、噴射期間を 1.2[ms]，0.9[ms]とする．イオンセンサーの長さを噴射口より 92[mm]の長さから 10[mm]ずつ短くしていき，92～2[mm]の長さで計測する。長さを変えたイオンセンサーを L-Ion，設置位置を変更しないイオンセンサーを C-Ionと定義した．
3. 実験結果及び考察
3.1 着火遅れ

Fig.3.1

Cylinder Pressure Trace, RHR Trace and C,L-Ion
Current Trace(L-Ion Sensor’s length 92[mm], Injection Period 0.9[ms])図 3.1 に筒内圧力，熱発生率，L,C-Ion 電流測定値の代表的な値を示す．燃料が噴射され燃焼するまでの着火遅れ
は，熱発生率とイオンセンサーの間にずれがある．イオンセンサーの着火遅れを熱発生率の着火遅れと近づけ，各所での燃焼状態の把握をするためにイオンセンサーの長さを変更し，イオンセンサーの間隔を 1[mm]から 2[mm]にし実験を行った．
3.1.1 着火遅れの比較

Fig.1 Injection Control System
図２にイオンセンサーの回路図を示す．イオンセンサー
は燃焼反応で生じた火炎が，電圧をかけられた二本の電極に触れることにより，燃焼反応のイオン電流を計測できるセンサーで， 安価であり構造も単純であるため注目されているセンサーである．筒内圧力，熱発生率，イオン電流波形を比較し燃焼状態を把握することにより，着火遅れを計測する．

Fig.3.2-51-

Difference of Ignition Delay Between L-Ion
Current and RHR(Injection Period 0.9[ms])比較を示す．噴射量 0.9[ms]の場合，TDC 付近で一定となっている．噴射量 1.2[ms]の場合，ピーク位置は TDC より後で一定となっている．噴射量が多いとそれだけ燃焼時間が長くなり，ピーク位置が長くなったためだと考えられる．
3.2.2 ピーク値の比較

Fig.3.3

Difference of Ignition Delay Between L-Ion Currentand RHR(Injection Period 1.2[ms])図 3.2 に噴射期間が 0.9[ms]の場合の熱発生率と L-Ionの着火遅れの差を示す．噴射期間 0.9[ms]の場合，L-Ionの長さを長くすると，着火遅れの差が小さくなっている．
噴射量が 0.9[ms]の場合，噴霧の貫通力が小さくなり，噴孔付近で燃料の濃度が濃くなり，最適な混合比となるのが燃焼室の奥のほうになると推測できる．
図 3.3 は噴射期間 1.2[ms]の場合の着火遅れの差を示す．
噴射期間 1.2[ms]の場合，L-Ion の長さを長くすると着火遅れの差が大きくなっている．噴射量が 1.2[ms]の場合，噴霧の貫通力が大きいので燃焼室の奥に達するまでに，燃料と吸入空気が混合するのが噴孔付近で乱流が起き混合が促進され最適な混合比となるのが噴孔付近となることが推測でき，L-Ion が短いほうが着火遅れの差が小さいと考えられる．
3.2 設置位置変化によるイオン電流の比較
3.2.1 ピーク位置の比較

Fig.3.6

C-Ion Peak Value and L-Ion Peak Value(Injection Period 1.2[ms])図 3.6 にイオンセンサーのピーク値の比較を示す．図より，ピークの値は L-Ion の長さを変えてもほぼ同じであることがわかる．
3.2.3 イオン電流反応期間

Fig.3.7

L-Ion Sensor Reaction Period

図 3.7 にイオン電流の反応期間のグラフを示す．噴射期間 0.9[msec]の場合，L-Ion の長さが 60[mm]付近で反応期間が最大となっている．噴射量 0.9[msec]の場合，噴霧の貫通力が小さいため噴霧が噴孔から 60[mm]付近で多くの燃料がとどまることにより，燃焼時間が長くなったと推測できる．噴射期間 1.2[msec]の場合，L-Ion の長さが長くなるにつれ反応期間が長くなっている．噴射期間 1.2[msec]の場合，噴霧の貫通力が大きいので噴孔より遠い位置でも噴霧が到達していると考えられ，L-Ion が 92[mm]の場合でも，燃焼時間が長くなったと推測できる．
4．結言・ イオンセンサーの先端の間隔を大きくすることにより，すすなどの影響がなくなり計測値の異常がなくなることがわかり，間隔を大きくしても流れるイオン電流を計測できる事がわかった．
・イオン電流のピーク値は，燃料の噴射量，センサー設置位置にかかわらず一定であることがわかった．
・ 噴射量によって，熱発生率と L-Ion の着火遅れの差はセンサーの長さを変更することにより，差が小さくなることがわかった．
5. 参考文献
1． 藤本薫，ほか多数，DME ハンドブック
2． 三 菱 瓦 斯 化 学 ( 株 ) ， 化 審 法 既 存 化 学 物 質 リ ス ト

Fig.3.4 Peak Point(Injection Period 0.9[ms])Fig.3.5 Peak Point(Injection Period 1.2[ms])図 3.4，3.5 に熱発生率，L-Ion，C-Ion のピーク位置の-52-

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