528 急速圧縮装置を用いた多段噴射の燃焼影響解析 -100 0 100 200 300 400 500...

dq/dt : ROHR [J/msec]

dp/dt : Pressure Change per Time[Pa/msec]

p : Pressure[Pa]

V : Cyrinder Volume[m3 ]

k : Rate of Specific Heat (1.33)

10𝑚𝑚3/𝑠𝑡

Fig.4 Injection Pattern

(d) (e)

(a) (b) (c) 20𝑚𝑚3/𝑠𝑡

15𝑚𝑚3/𝑠𝑡 5𝑚𝑚3/𝑠𝑡

10𝑚𝑚3/𝑠𝑡

10𝑚𝑚3/𝑠𝑡 5𝑚𝑚3/𝑠𝑡

300𝜇𝑠 300𝜇𝑠 300𝜇𝑠

350𝜇𝑠

5𝑚𝑚3/𝑠𝑡 5𝑚𝑚3/𝑠𝑡 5𝑚𝑚3/𝑠𝑡 5𝑚𝑚3/𝑠𝑡

650𝜇𝑠 490𝜇𝑠

10𝑚𝑚3/𝑠𝑡

急速圧縮装置を用いた多段噴射の燃焼影響解析

Analysis of Multiple Injection Influence on Combustion with Rapid Compression Machine

○学 二上 泰輔（愛工大院） 正 藤村 俊夫（愛工大）

Taisuke FUTAGAMI, Toshio FUJIMURA, Aichi Institute of Technology, 1247 Yachigusa Yakusa-cho, Toyota 470-0392, Japan

Key Words: Diesel Engine, Spray Combustion, Fuel Injection

1.緒言

地球温暖化や大気汚染が問題視されている中で，自動車に

おいては燃費改善・排気ガスのクリーン化を図ることが急務

である．本研究は，エンジンの圧縮・燃焼行程のみを取り出

し，一回の等容燃焼を行わせることが可能な急速圧縮装置(CI-RCM: Compression Ignition Rapid Compression Machine)(1)

を用いて，低圧縮・低流動燃焼による低燃費化・クリーン化

の実現に向けた燃焼コンセプトの確立を目的とする．昨年度

は低圧縮比・低スワール化することで混合気形成が不十分と

なるため，燃焼は悪化傾向となった(1)．プレ噴射，パイロッ

ト噴射によりメイン噴射の着火遅れは改善できたが，単気筒

ディーゼルエンジンで評価すると，拡散燃焼割合が高くなり

PM，Smoke の排出が多いことがわかった(3)．そのため，本年

度は低圧縮比・低流動化のもとで，多段噴射化により空気導

入率を向上させ，燃焼への影響を可視化によって解析する．

2. CI-RCMの詳細

2.1作動原理

エアタンクからパルスジェットバルブにかけて圧縮エア

を充填させる．その後，パルスジェットバルブを開放し，ピ

ストンが押し上げられ燃焼室内の空気を圧縮する．燃焼室内

に燃料を噴射し、そのときの圧力を圧力センサ(KISTLER

6125C)で計測し，燃焼の様子を高速度カメラ (Photron

FASTCAM SA-X2)で撮影する.

2.2 燃焼室の概要

Fig.2 に高速度カメラ側から見た燃焼室(φ52)の断面を示す．

CI-RCM での可視化は実エンジンでピストン下面から燃焼室

を可視化したものに相当する．また，オリフィス径を拡大す

ることで低圧縮比，低スワール比化を実現できる．

Fig.3 に N2 ガスを満たした状態での燃焼室内部の噴霧の様

子を示すが，スワールによって噴霧が流される様子がわかる．

3.実験条件

Table.2 に示すように，燃焼室壁面温度，シリンダ壁面温度，

初期の燃焼室内チャージ圧力，コモンレール圧力，噴射量を

設定し，噴射時期は着火時期がTDCになるように決定した．

Fig.4 に今回評価した，多段噴射のパターンを示す．それ

ぞれのインターバルは燃焼室に N2ガスを満たした状態で噴

霧を観察し，噴霧が重ならない最小のインターバルを確認し

て決定した．

熱発生率(ROHR)は計測した燃焼圧力より，下式で算出した．

𝑑𝑞

𝑑𝑡=

1

𝑘 − 1𝑉

𝑑𝑝

𝑑𝑡

Bore×Stroke[mm] 115×105

Displacement[cc] 1091

Piston Speed[m/s] 4.94

Equivalent Engine Speed[rpm] 1411

Injection System Piezo Common Rail System

Specifications of Injector Piezo Drive Type(φ0.09×9)

Orifice Diameter[mm] φ14

Compression Ratio[-] 14.5

Swirl Ratio 7.85(TDC)

Combustion Chamber

Temperature[℃] 120

Cylinder Body

Temperature[℃] 120

Charge Pressure[MPa]

0.135 Common Rail Pressure[MPa]

40

Total Fuel

Injection[mm3/st] 20 Injection Timing

BTDC

1.1msec

Table.1 Specifications of CI-RCM

Fig.3 Injection Spray

Fig.2 Combustion Chamber (⑤in Fig.1)

Exhaust

Piston

O-ring

Orifice

Combustion Chamber(120℃)

Intake Air or N2

(0.135MPa)

Pressure Sensor

Air

Thermocouple

Cylinder Body(120℃)

Table.2 Experimental Conditions

①

Fig.1 CI-RCM

②

③

④

⑤

① Air Tank (0.4MPa)

② Pulse Jet Valve

③ Cam

④ Piston

⑤ Combustion Chamber ⑥ High Speed Digital Video Camera (13500 frame per sec)

a) View from Upper

Side

b) View from Left Side

⑥

日本機械学会東海支部第 65期総会・講演会講演論文集(’16. 3. 17－18) No.163－1

528

-1000

100200300400500600

RO

HR

[J/m

s]

-1 0 1 2 3

(a) (b) (c) (d) (e)

ⅰ) ROHR, Injection Timing and Ignition Timing

(a) (b) (c) (d) (e) In

ject

ion

Pat

tern

4.実験結果および考察

4.1噴射パターン変更による熱発生率への影響

Fig.5 のⅰ)にそれぞれの噴射パターンごとの熱発生率，燃

焼重心，噴射パターン内に丸印で着火時期を示す．Fig.5 の

ⅱ)に予混合燃焼割合を示し，図中の数値は着火遅れ期間中

の燃料噴射量を示す．噴射パターンの 1 段目の噴射量を減ら

し，多段化すると着火遅れ期間中の燃料噴射量が減ることで

予混合燃焼割合が低下するため，熱発生率のピーク値が減少

し，拡散燃焼中の熱発生率が増加することが確認できる．ま

た，噴射の多段化により単発噴射と比較して燃焼期間が長く

なるが，多段噴射のパターン変化に対して燃機期間の差が小

さいのは，本装置が等容燃焼させていることによると考える．

4.2噴射パターン変更による燃焼火炎への影響

それぞれの噴射パターンで，燃焼火炎が広がる様子を示し

た画像と着火から火炎が広まるまでの様子を，同一画面上に

スケッチした図を Fig.6 に示す．スケッチは時間経過ごとに

暗色から明色に変化させ火炎の広がる様子を示し、着火箇所

を黒塗りで，一段目以降の噴霧が火炎に突入する場所を白枠

で示した．図中の時間は着火からの時間としている．単発噴

射の(a)は噴射量が 20mm3/st と貫徹力が強いため，壁面付近

で着火し，予混合火炎は壁面から中央に向かって伝播する．

2段噴射の(b)では 1段目の噴射量が 15mm3/stと少なく貫徹力

が若干弱まるため，(a)と比較すると 1 段目の噴射中に壁面の

内側から壁面に向かって着火し，その後中央に向かって火炎

は伝播する．続く 2 段目の噴射量は 5mm3/st と貫徹力が弱い

ため噴霧はあまり広がらず，燃焼室中央の空気を使って燃焼

する．2 段噴射の(c)では 1 段目の噴射量は 10mm3/st と更に少

なく貫徹力も弱まるため，2 段目の噴射開始と同時に壁面の

内側で着火する割合が増える．2 段目の噴霧は壁面と壁面の

内側の火炎に突入するため，酸素不足での燃焼が進む．2 段

噴射の (d)のパターンでは 1 段目の噴射量が 5mm3/st と噴霧

の貫徹力が非常に小さくなるため，2 段目の噴霧によって外

に押しやられる混合気もあるが，壁面よりむしろ中央付近で

着火する割合が大幅に増える．一方 2 段目の噴射量は

15mm3/st と貫徹力が高いため，噴霧は中央付近と壁面近くの

火炎に突入し，Fig.7 の①と②に示すよう非常にリッチな状

態での燃焼となることがわかる．4 段噴射の(e)は噴霧の空気

導入率の向上を期待したものである．1 段目の噴射量が

5mm3/st と貫徹力は非常に弱いが，2 段目の噴霧によって壁

面に押しやられるため，比較的壁面近くで着火していること

がわかる．また，3 段目の噴射量も 5mm3/st と貫徹力が弱い

ため，(d)と比較すると火炎に突入する噴霧の量は少なく，(b)

と同じように燃焼室内の空気をうまく利用し局所リッチの

少ない燃焼が行われていることがわかる．

5.結言

1) 2 段噴射において 1 段目の噴射量に比べ 2 段目の噴射量が

増加する(c)10mm3/st-10mm3/st，(c)5mm3/st-15mm3/st では，

火炎中に噴霧が突入する割合が増え，リッチな環境下での

燃焼となり黒煙は発生し易くなる．

2) 4 段噴射では，単段噴射(a)20mm3/st，2 段噴射

(b)15mm3/st-5mm3/st に比べ拡散燃焼割合は増加するが，燃

焼室内の空気をうまく利用した局所リッチの少ない燃焼

により，PM，黒煙を同等にできる可能性がある．

3)また，単発噴射(a)20mm3/st，2 段噴射(b)15mm3/st-5mm3/st

に比べ 4 段噴射の貫徹力は弱いため，壁面クエンチ減少に

よる HC，CO 低減の可能性がある．

謝辞

研究推進にご支援をいただいた，トヨタ自動車株式会社エ

ンジン先行制御システム開発部 伊藤寿記殿，高速度カメラ

を供試いただいた，株式会社フォトロン 名古屋営業所 相澤

啓助殿に御礼申し上げます．

参考文献

(1) 山田，二上：自動車技術会中部支部 学術講演会 講演

予稿集(2013)

(2) 深津，二上：自動車技術会中部支部 学術講演会 講演

予稿集(2014)

(3) 代田，中村，國井：自動車技術会中部支部 学術講演会

講演予稿集(2014)

ⅱ) Premixed Combustion Ratio and Injection Quantity

0

50

100

(a) (b) (c) (d) (e)

Pre

mix

es

Co

mb

ust

ion

Rat

io[%

]

Injection Pattern

14.1mm3

11.0 10.0 9.9 9.2

Fig.5 Influence of Injection Pattern

Fig.6 Combustion Picture

Fig.7 Flame Development 0.04ms 0.11ms 0.11ms 0.04ms

① ②

0.04ms 0.11ms 0.26ms 0.18ms

(e)

(a)

(b)

(c)

(d)

0.33ms 0.18ms 0.26ms 0.41ms

0.11ms 0.18ms 0.33ms 0.26ms

0.11ms 0.18ms 0.33ms 0.26ms

0.04ms 0.11ms 0.26ms 0.18ms

①

②

0.04～0.41ms

0.04～0.33ms

0.18～0.70ms

0.11～0.33ms

0.11～0.48ms

TDC Time[ms]