2-1 ガソリン直噴用ノズルを用いた DME 圧縮着火機関における混合気形成手法の最適化
熱流体講座
指導教員

三山洋

若井謙介 野底武浩

1. 緒言

3.2

噴射ノズルの違いが自由噴霧特性に与える影響

本研究ではガソリン直噴用ノズルを用いた筒内への精密な燃料噴射により高効率化・低排出ガス化を実現しうる低温予混合燃焼に注目する．石油代替燃料であるNozzleDME を燃料とすることで PM の排出を抑えながら局所的に燃料が過濃な領域を存在させることができ，低温予混合燃焼における膨張行程での燃焼を可能にする．運転領域の拡大を図ることができると考えられる．

DME
n-heptane
Diesel Fuel
Swirl Type Nozzle (Pi=12.1[MPa],t=2.0[ms])Nozzle

今回の実験では 2 種類のガソリン直噴用ノズルを用いて噴射特性の違いを示し，4 段までの多段噴射，壁面衝突での噴霧挙動の解析を元に低温予混合燃焼に適した噴霧の検討を行う．

Diesel FuelDMEn-heptane
MH Type Nozzle (Pi=12.1[MPa],t=2.0[ms])2.実験装置および方法

Fig3.1 Schlieren Photographs of Free Spray ( 1 Stage)

図 2.1 に実験装置を示す．ガソリン直噴用ノズルのス
ワールノズルと多噴孔ノズル(MH ノズル)を用いて

図 3.1 に各噴射ノズルを用いて DME，n-heptane，軽油を噴射した場合の噴霧画像を示す．密度が大きいため

DME・n-heptane・軽油の各燃料をそれぞれ窒素ボンベ及びボッシュ式噴射ポンプで加圧し，定容容器内の常温比較的微粒化が進んでいないと思われる軽油噴霧では高圧(Ta=298K,Pa=1.1MPa)の雰囲気中に噴射した．噴射
された噴霧の挙動はシュリーレン法を用いて撮影し得各噴射ノズルの噴霧形状の違いがみてとれる．

Spray Tip Penetration [mm]8080

Swirl Type

60NozzleConcaveMirror
Schlieren
Stop
High-Speed VideoConcave
MirrorGreen Laser

4020

N2 Bomb00

Fuel Tank

Pa=1.1[MPa]1 Stage
DME

12345

Time from Start of Injection [ms]Bosch Pump

MH Type

6040

High Pressure Vessel

Spray Tip Penetration [mm]られた画像から噴霧特性として噴霧先端到達距離・噴霧面積の計測，PIV による解析を行った．

2000

Pi=4.1[MPa]Pi=8.1[MPa]Pi=12.1[MPa]12345Time from Start of Injection [ms]Fig 3.2 Effect of Injection Pressure

Fig 2.1 Schematic of Experimental Apparatus

on Spray Tip Penetration

3.実験結果および考察
DME 低温予混合燃焼での噴霧コンセプト

図 3.2 に各噴射ノズルを用い噴射圧 Pi を変化させてスワールノズルでは圧縮行程の後期にガソリンと空気の混合気形成を即座に行うことを目的としている．こDME を噴射した場合の噴霧先端到達距離を示す．横軸

3.1は噴射開始後経過時間 t[ms]，縦軸は噴霧先端到達距離[mm]である．噴射圧を高くすると燃料の持つ運動量がれを用いて低温予混合燃焼の噴射開始時期である膨張
行程で DME を噴射した場合，着火以前に混合気が希薄増加し，より貫徹力が増すため噴霧先端到達距離は長くなる．スワールノズルでは比較的低噴射圧でも噴霧先端となりすぎ，燃料投入量を増加させたとき HC(未燃炭化水素)の排出が増加する可能性がある．また，強いスワー到達距離は長くなっているのに対し，MH ノズルでは噴ル流によりシリンダ壁面に到達してしまうことも HC の増加が懸念される．

射圧が増加しても到達距離は抑えられている．

このため DME を用いた低温予混合燃焼では噴霧の到達距離を抑え，希薄となりすぎない噴霧が適していると

3.3

考えた．

ピストンに衝突し拡散する．このときの噴霧挙動を単純

噴射ノズルの違いが壁面衝突噴霧に与える影響

実際のエンジンにおいて燃料は噴射後しばらくして49

化するため高圧容器内にノズルから 20[mm]離れた壁面を設置し，衝突噴霧を撮影した．

t=3.0ms，Pa=1.1[MPa]Pi=4.1[MPa]解析を行った．
図 3.4 に噴霧面積と全体の渦度分布に対する強い渦度分布の存在する比率を示す．それぞれの図の縦軸は噴霧の総面積[mm2]と噴霧全体の渦度分布中の強い渦度を示

Pi=12.1[MPa]した部分の比率[%]を示す．噴霧面積をみると，スワー
ルノズルでは壁面衝突による影響は表れていないが，Swirl TypeMH ノズルでは壁面衝突により増加割合が減少していることがわかる．

Pi=8.1[MPa]4.1MPa8.1MPa
12.1MPa

ここで，渦度分布の比率を示す図を見てみる．噴射開始直後に渦度の強い部分が増加するが，その後は減少傾向にある．スワールノズルでは壁面衝突後も強い渦度が残存しているが，MH ノズルを用いた場合では壁面衝突

MH Type t=3.0ms， Pa=1.1[MPa]後の強い渦度はすぐに減少する．スワールノズルでは壁面を沿いやすいため強い流れが残存していると考えら

Pi=4.1MPa
Pi=8.1MPa
Pi=12.1MPa

れるが，MH ノズルでの噴霧には噴射方向にのみ運動量が与えられ，壁面に対して法線方向に衝突するため噴霧が持っていた運動量が失われやすく，流れは減衰しやすいと考えられる．

Fig3.3 Effect of Injection Pressure on Edge

600

Swirl Type Nozzle
Timp500は単段噴射の場合と噴射量を同等にしながら時間的・空400

100060123456Time from Start of Injection [ms]750Pi

Timp500

4.1[MPa] (1.4ms)
8.1[MPa] (0.9ms)
12.1[MPa] (0.7ms)
Pa=1.1[MPa]1 Stage
DME20100(0.9ms)(1.1ms)(1.3ms)123456Time from Start of Injection [ms]50403071000
5000300

80002468 10
Time from Start of Injection [ms]Fig3.4 Effect of Injection Pressure on Spray Area
& Rate of Vorticity Distribution

MH Type Nozzle

70400

DME
Pi = 4.1[MPa]Pa= 1.1 [MPa]3002000100

1500

403001 2 3 4 5Time from Startof Injection [ms]

600

3000

2000

5001 2 3 4 5Time from Startof Injection [ms]2500

601000500

1 Stage
2 Stages
3 Stages
4 Stages

400

DME
Pi =12.1[MPa]Pa= 1.1 [MPa]

300
200

200

図 3.3 に各噴射ノズルを用いて DME 噴霧を壁面衝突

0

1 2 3 4 5Time from Startof Injection [ms]500

10(Single-Stage Impinging Spray)

1500

500

1 Stage
2 Stages
3 Stages
4 Stages

200100

0

2000

10200

600

2500

60400

403002468 10
Time from Start of Injection [ms]600

MH Type Nozzle(0.9ms)(1.1ms)(1.3ms)03000

70

Spray Dark Region[mm2]10200

Swirl Type Nozzle

Spray Dark Region[mm2]2080

Spray Tip Penetration [mm]Pa=1.1[MPa]1 Stage
DME

Spray Tip Penetration [mm]300

間的に燃料の配置を変更することができる．

300

Spray Area [mm2]40Pi

4.1[MPa] (1.4ms)
8.1[MPa] (0.9ms)
12.1[MPa] (0.7ms)

Spray Area [mm2](0.7ms)(0.9ms)(1.4ms)50

低温予混合燃焼に適した噴霧を目指し多段噴射による燃料噴霧の分布の制御について検討する．多段噴射で(0.7ms)(0.9ms)(1.4ms)Spray Area [mm2]603.4 噴射段数の変化が自由噴霧特性に与える影響

Spray Area [mm2]Rate of Vorticity Distribution[%]Rate of Vorticity Distribution[%]of Impinging Spray (t=3.0ms,DME)

01 2 3 4 5Time from Startof Injection [ms]00100

1 2 3 4 5Time from Startof Injection [ms]00

1 2 3 4 5Time from Startof Injection [ms]Fig3.5 Effect of Injection Stage on Spray Tip

させたときの画像および白枠で示す測定領域，噴射圧ごとの噴霧外縁の変化を模式図に示す．噴霧外縁をみるとPemetration & SprayArea(Multi-Stage Free Spray)

噴射圧が高くなるごとにスワールノズルでは壁面を沿う形で広がるのに対し MH ノズルでは上方にも広がる図 3.5 に各噴射ノズルを用いて多段噴射を行った場合のがわかる．これを詳しく解析するため測定領域内におの噴霧先端到達距離，総噴霧面積，噴霧の内側の暗い部いて，噴霧面積の測定と燃料粒子をトレーサとした PIV分(燃料密度の高いと思われる部分)を示す．図の横軸は50500[mm2]右図では縦軸が噴霧の暗い部分の面積[mm2]を示

400Spray Area [mm2]す．まず噴霧先端到達距離をみるとどちらの噴射ノズル
でも多段噴射化により単段噴射に比べ噴霧先端到達距離の値は小さくなっているのが分かる．

150

200

黒い領域の面積は単段噴射の場合よりも長期間存在し，燃料密度の高い領域を維持できているといえる．噴霧面

100

積の減少率はスワールノズルの場合の方が大きく，MHノズルでは多段化の効果が噴霧面積には表れにくい結

01 Stage
2 Stages
3 Stages
4 Stages

Rate of Vorticity Distribution[%]

噴射段数の変化が壁面衝突噴霧特性に与える影響

図 3.6 に多段噴射噴霧を壁面衝突させた場合の噴霧面積，渦度分布比率を単段噴射の場合と同様に示す．
噴霧面積のグラフをみるとどちらの噴射ノズルも多段噴射化により面積は小さくなっているが 2 段・3 段噴
射では単段噴射と同等の値をとる．噴霧の暗い部分の面積を示す図をみるとどちらの噴射ノズルでも段数が増加するにつれ単段噴射の場合よりも長期間存在し，燃料密度の高い領域を維持できているといえる．また，最大値は MH ノズルの方が高いが壁面衝突後も暗い領域のPa=1.1[MPa]Pi=4.1[MPa]DME
50002468 10
Time from Start of Injection [ms]果となっている．

(0.7ms)(1.4ms)(1.4ms)(1.6ms)100

300

次に噴霧面積をみてみると，どちらの噴射ノズルでも段数が増加するにつれて総噴霧面積は減少傾向にあり，

60(0.7ms)

5002468 10
Time from Start of Injection [ms]TimpStage Number(1.4ms)(1.4ms)(1.6ms)1 Stages
2 Stages
3 Stages
4 Stages

40(0.7ms)(1.4ms)(1.4ms)(1.6ms)Pa=1.1[MPa]Pi=4.1[MPa]DME302010001234567
Time from Start of Injection [ms](Multi-Stage Impinging Spray , Swirl Type Nozzle)

500(0.9ms)(1.0ms)(1.1ms)(1.2ms)

面積が存在する時間はスワールノズルの方が長いことがわかる．
強い渦度分布の比率を示すグラフをみると，どちらのSpray Area [mm2]400

噴射ノズルでも単段噴射の場合に比べて長く渦度の強い部分の比率が存在している．スワールノズルの多段噴

150

Spray Dark Region[mm2]3.5(0.7ms)(1.4ms)(1.4ms)(1.6ms)Spray Dark Region[mm2]

すべて噴射開始後経過時間[ms]で，左図では縦軸が噴霧
先端到達距離[mm]の値，中央図では縦軸が総噴霧面積100300

射では単段噴射と同等の傾向のまま強い流れを保っているのに対し，MH ノズルでは単段噴射の場合では壁面

200(0.9ms)(1.0ms)(1.1ms)(1.2ms)Pa=1.1[MPa]Pi=12.1[MPa]DME50

1 Stage
2 Stages
3 Stages
4 Stages

衝突後すぐに渦度の強い部分は減衰していたが，多段噴射化することにより，壁面衝突後に一旦渦度の強い部分100の比率は減衰した後ふたたび増加する傾向が表れる．

0002468 1002468 10
Time from Start of Injection [ms] Time from Start of Injection [ms]Rate of Vorticity Distribution[%]

4 結言

DME を燃料とした低温予混合燃焼では到達距離を抑え，局所的に過濃な部分を存在させる噴霧を目指した．
そのために多段噴射化による効果が期待できるが今回扱った噴射ノズルでは以下のように効果に差が表れた．
(1)スワールノズルを用いる場合，多段噴射化の効果が大きく，噴霧をコンパクトにすることで目的を達成できる可能性がある．単段噴射壁面衝突では壁面に沿うように燃料が流れていき拡散が進んでしまうが，多段噴射壁面衝突噴霧においては比較的それが抑えられる．
(2)MH ノズルを用いる場合，スワールノズルに比べ中実の噴霧となることがわかり今回の目的に沿うが，多段

60(0.9ms)(1.0ms)(1.1ms)(1.2ms)

5040

Stage Number

1 Stages
2 Stages
3 Stages
4 Stages30

Timp(0.9ms)(1.0ms)(1.1ms)(1.2ms)Pa=1.1[MPa]Pi=12.1[MPa]DME

2010001234567
Time from Start of Injection [ms](Multi-Stage Impinging Spray , MH Type Nozzle)

Fig3.6 Effect of Injection Stage on

噴射化の影響は比較的少ない．壁面衝突では単段噴射

Spray Area & Rate of Vorticity Distribution

でも燃料の広がりは壁面に沿うような流れとはなりにくいが，多段噴射化することでさらにコンパクトな噴霧にすることができる．

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