** 髙島良胤 * 微小容積から大容積に噴出する火炎形態の実験的研究 - 点火位置や噴口形状の影響について * 微小容積から大容積に噴出する火炎形態の実験的研究 * 前田昂輝髙島良胤田村守淑 - 点火位置や噴口形状の影響について ** * 川口彩奈田村守淑

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きのこはかまや
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1 髙島良胤 * 微小容積から大容積に噴出する火炎形態の実験的研究 * 微小容積から大容積に噴出する火炎形態の実験的研究 * 前田昂輝髙島良胤田村守淑 * 川口彩奈田村守淑 * 前田昂輝佐古孝弘佐古孝弘古谷正広 * 川口彩奈 * 古谷正広香 * 香月正司月正司 Experimental Experimental Study Study of the of Flame the Flame Jet Behavior Jet Behavior Issued Issued from a from Small a Small Cavity Cavity into a into Large a Large Chamber Chamber - The Effect - The Effect of the of Igniter the Igniter Position Position and the and Nozzle the Nozzle Shape Shape By Yoshitane Takashima, Koki Maeda, Ayana Kawaguchi, Moriyoshi Tamura, Takahiro Sako, Masahiro Furutani, Masashi Katsuki * * In order to raise thermal efficiency and to reduce exhaust emissions of pre-chamber type gas engines, it is important to understand combustion phenomena inside of pre-chamber and flame-jet behaviors into main chamber. A constant volume vessel was used to simulate combustion in pre-chamber type gas engines. We observed combustion phenomena in the pre-chamber and flame-jet behaviors in the main chamber using high-speed direct photography and Schlieren photography We found that the change of the igniter position in the pre-chamber showed significant changes in combustion regime in the main chamber. We also found that a change in the shape of the connecting nozzle has promoted mixing and combustion in the main chamber. 1. 諸言天然ガスはエネルギーセキュリティ向上や環境性の観点から注目されており, 天然ガスを主燃料とするエンジンの研究開発が各研究機関で取り組まれている. ガスエンジンの用途としてはコージェネレーションシシテム (1) に代表される定置式の発電機だけではなく, 陸上用や船舶用としても注目されている. 天然ガス燃料はガソリンやディーゼルなどの液体燃料と比較して単位体積当たりの発熱量が低く, 比出力が小さくなる. 一方で, 自着火温度が高く, 異常燃焼が発生しにくいため高効率化を図れるポテンシャルを有する. また, 燃料中に硫黄や窒素を含んでいないため燃料由来の NOx や SOx の排出量が低減できる. 天然ガスエンジンはおもに希薄燃焼方式を採用しており, 希薄条件下での確実な点火が必要となる. また, 中大型ガスエンジンは過給機を搭載し, 過給圧力を高めて比出力を上げるため, ノッキング等の異常燃焼の抑制が課題である. そのため中大型ガスエンジンにおいては副室式 (2) の採用例が多い. 高効率低エミッションの両立を図るために, 副室諸元の最適化や副室式 * 原稿受付平成 28 年 10 月 13 日. 大阪ガス株式会社 ( 大阪市此花区 5 丁目 11 番 -61 号 ) * 名古屋工業大学 ( 名古屋市昭和区御器所町字木市 29 番 ) 東邦ガス株式会社 ( 愛知県東海市新宝町 507-2) * 大阪大学名誉教授エンジンにおける副室からの NOx 排出量の低減, 副室エンジンの冷却損失低減等が検討されている (3)(4)(5). そのためには副室内の燃焼および火炎ジェットの現象把握を通した副室の再設計が必要である. 一方, 単室式エンジンにおいては点火プラグ先端のわずかな空間を囲んだ簡易な副室を持つプレチャンバプラグにより高効率低エミッションの両立を狙った研究開発 (6) にも取り組まれている. 副室内への燃料供給は圧縮行程に主室から流入する予混合気であるため, 副室内残留ガスとの混合状態が悪くなる. そのため点火位置を主室側に突き出すことで着火性の改善を図っているが (7), 副室内の燃焼および火炎ジェットの最適化を図るほどの知見が得られていない. これまで副室エンジンの燃焼現象把握を目的とする定容容器実験が試みられ, 多くの知見を得ている (8)(9) が, それらを副室諸元の最適化やエンジン熱効率の改善に結び付けるには, さらなる基礎現象の理解が必要であると考える. そこで本研究では, 定容容器を用いて副室から噴出する火炎形態を観察するとともに副室内および主室内の燃焼の把握を目的とした. 2. 実験装置および方法本研究で用いた実験装置の概要を図 1 に示す. 予混 Journal of the JIME Vol.00, No.00(2005) -1- 日本マリンエンジニアリング学会誌第 00 巻第 00 号 (2005) Journal of the JIME Vol. 52, No. 2(2017) 107

239 合タンクで混合した混合気を定容燃焼室に送り, 火花点火により燃焼し, 燃焼容器内の圧力を計るとともに高速度ビデオカメラを用いて燃焼容器上方の耐熱ガラス窓から撮影した. 主室および副室の撮影は直接撮影とシュリーレン撮影を行った. 実験ごとに燃焼排ガスはバキュームポンプを用いて燃焼室外に掃気し, その後予混合気を燃焼室に供給し, 静定したのちに点火した.

副室容積を一定に保ちながら副室内の点火位置を変更できるように, 点火部のみを可変にできるようにした機構を図 2 に示す. さらに, 図 3 に副室内の点火位置および可視化試験の主室と副室の位置関係を示す. 副室内の点火位置は主室側から 1mm,4.5mm,8mm の位置で点火した. 主室内の火炎を検知するために. イオンプローブを副室と対向面に設置しイオン電流を計測した.

2 Experimental setup of constant volume combustion chamber (I). Φ=13mm 0mm 2mm 4mm Pre-chamber 9mm Fig.

2 239 合タンクで混合した混合気を定容燃焼室に送り, 火花点火により燃焼し, 燃焼容器内の圧力を計るとともに高速度ビデオカメラを用いて燃焼容器上方の耐熱ガラス窓から撮影した. 主室および副室の撮影は直接撮影とシュリーレン撮影を行った. 実験ごとに燃焼排ガスはバキュームポンプを用いて燃焼室外に掃気し, その後予混合気を燃焼室に供給し, 静定したのちに点火した. 予混合タンク内では, 外部からの温度調整と内部の撹拌羽根によって均一な定温予混合気を形成した. 燃料にはメタン, 酸化剤には圧縮空気を用いた. 定容容器は以下の 2 種類を用いた. 定容容器 (I) 主室は直径 70mm, 高さ 37mm の円筒型で容積は 142.4cm 3, 副室は主室の周方向側面に取り付け, 直径 13mm, 長さ 9mm の円筒形で, 容積は 1.2cm 3 とした. 副室容積を一定に保ちながら副室内の点火位置を変更できるように, 点火部のみを可変にできるようにした機構を図 2 に示す. さらに, 図 3 に副室内の点火位置および可視化試験の主室と副室の位置関係を示す. 副室内の点火位置は主室側から 1mm,4.5mm,8mm の位置で点火した. 主室内の火炎を検知するために. イオンプローブを副室と対向面に設置しイオン電流を計測した. 電極には +45V の電圧を印加し, 検知した電流を電圧に変換した. 定容容器 (II) 主室は直径 50mm, 高さ 10mm の円筒型で, 容積は 19.6cm 3, 副室は直径 10mm, 高さ 10mm の円筒形で, 容積は 0.8cm 3 とした. 容器上部に耐熱ガラスを設置し副室と主室を同時撮影できる機構にした. 図 4 に副室と主室の関係を示す. Main-chamber Fig.2 Experimental setup of constant volume combustion chamber (I). Φ=13mm 0mm 2mm 4mm Pre-chamber 9mm Fig. 3 Ignition position and configuration of pre-chamber (Left) and a photo through the top window of main-chamber (Right). Main-chamber Ignition position Pre-chamber Fig.4 Constant volume combustion chamber (II). Hole 3. 結果および考察 Fig.1 Schematic of experimental setup. 3.1 点火位置が圧力上昇と火炎形態に及ぼす影響定容容器 (I) を用いて副室および主室の当量比を 0.8, 初期圧力を 168kPa, 副室と主室の連絡口径を 2mm に固定した上で, 点火位置を変化させた場合の影響を観察した. 主室から副室内へ向かって 0mm, 2mm,4mm の位置で火花点火し, 主室内の圧力を計測した. そのとき得られた点火時期からの圧力履歴を図 5 に示す. これと同時に高速ビデオカメラで主室上方から直接撮影した結果を図 6 に示す. 圧力の立ち上がりは点火位置 4mm,2mm,0mm の順に早くなっている. 初期の火炎は点火位置に関係なくほぼ同時に確認できる. しかしながら, 火炎の形態が大きく異なり, 点火位置 0mm では噴口付近に噴出物が出て球状に広がる層流伝播火炎が確認できるのに対し, 点火位置 4mm では勢いのある噴流が噴出するとともに, 噴流方向に拡大している. 点火位置 2mm Journal of the JIME Vol.00, No.00(2005) -2- 日本マリンエンジニアリング学会誌第 00 巻第 00 号 (2005) Journal of the JIME Vol. 52, No. 2(2017) 108

240 では, 最初は点火位置 0mm と同様に主室へ球状に広がる層流伝播火炎が見られるが, 後ろから高速の副室噴流が追いついて来て, 先行する層流伝播火炎を突き抜けて対向壁へ衝突している. したがって, この場合の燃焼は, 伝播火炎と乱流混合の双方の効果が合わさるのだと推測する. 点火位置が主室に近いと熱発生速度 ( 圧力上昇 ) はほとんど火炎伝播速度で決まっていると考えられる.

本実験においても, 副室の奥で点火した場合に同様のことが起こっていると思われるので, 主室のシュリーレン撮影およびイオン電流検出を行い火炎の有無を検証した. その結果を次に述べる. Fig. 5 Influence of igniter position on main-chamber pressure history. 0mm from nozzle 3.

シュリーレン画像から点火位置 1mm では点火後の火炎が同心円状に広がっていることが確認できる. また, 火炎面が電極の先端に接触した点火後 20msec 前でイオン電流が検出されており, 電極に火炎面が到達していることが確認できる. 一方で点火位置 8mm では, シュリーレン画像から点火後 7ms から副室からの噴流による密度差が確認できるがイオン電流は確認できない.

3 240 では, 最初は点火位置 0mm と同様に主室へ球状に広がる層流伝播火炎が見られるが, 後ろから高速の副室噴流が追いついて来て, 先行する層流伝播火炎を突き抜けて対向壁へ衝突している. したがって, この場合の燃焼は, 伝播火炎と乱流混合の双方の効果が合わさるのだと推測する. 点火位置が主室に近いと熱発生速度 ( 圧力上昇 ) はほとんど火炎伝播速度で決まっていると考えられる. 一方で副室の中心で点火した場合は, 副室噴流と主室混合気の乱流混合が熱発生速度 ( 圧力上昇 ) を支配していると考えられる. 副室の中央部で点火した場合の熱発生速度 ( 圧力上昇 ) は, 伝播火炎と乱流混合の双方の効果が合わさるのだと考えられる. 飯田ら (10) によれば燃焼室から連絡口を通して外部に向かう火炎伝播を観察し, 火炎伝播前の未燃ガスが連絡口に向かって流れているのを確認している. 本実験においても, 副室の奥で点火した場合に同様のことが起こっていると思われるので, 主室のシュリーレン撮影およびイオン電流検出を行い火炎の有無を検証した. その結果を次に述べる. Fig. 5 Influence of igniter position on main-chamber pressure history. 0mm from nozzle 3.2 シュリーレン撮影およびイオン電流の検出当量比 0.8, 初期圧力を 168kPa とし, 副室点火位置 1mm と副室点火位置 8mm のシュリーレン撮影を行った. シュリーレン撮影画像を図 7 に示す. また, 主室側から副室に向けてイオン電流を検出できるように電極を挿入した. 電極には +45V の電圧を印加し検知した電流を電圧に変換した. 図 8 にイオン電流の計測結果を示す. シュリーレン画像から点火位置 1mm では点火後の火炎が同心円状に広がっていることが確認できる. また, 火炎面が電極の先端に接触した点火後 20msec 前でイオン電流が検出されており, 電極に火炎面が到達していることが確認できる. 一方で点火位置 8mm では, シュリーレン画像から点火後 7ms から副室からの噴流による密度差が確認できるがイオン電流は確認できない. イオン電流が検出される点火後 13msec を過ぎて 15msec からシュリーレンでも皺状の火炎が確認できる. このことから, 電極に火炎が到達する前に副室からは火炎ではない噴流が出ていることが確認できる. また, 副室点火位置 8mm の方が点火位置 1mm に比べて主室に火炎が発生するタイミングは遅い. 以上のことから副室奥で点火すると副室内の燃焼により初期に副室内から未燃混合気が押し出され, その後火炎が噴出し急峻な圧力上昇になることが分かった. また, 初期の未燃噴出やその後の火炎の噴出により噴流周辺の乱れが強化され, 火炎面も複雑な皺状を形成し急峻な圧力上昇につながったと推測される. イオン電流が検出される点火後 13msec を過ぎて 15msec からシュリーレンでも皺状の火炎が確認できる. このことから, 電極に火炎が到達する前に副室からは火炎ではない噴流が出ていることが確認できる. また, 副室点火位置 8mm の 10ms 15ms 20ms 25ms 30ms 35ms 2mm from nozzle 4mm from nozzle Fig.6 Interaction of propagating combustion wave and hot jet-flows out of the pre-chamber. Journal of the JIME Vo00, No. 00(2005) -3- 日本マリンエンジニアリング学会誌第 00 巻第 00 号 (2005) Journal of the JIME Vol. 52, No. 2(2017) 109

241 方が点火位置 1mm に比べて主室に火炎が発生するタイミングは遅い. 以上のことから副室奥で点火すると副室内の燃焼により初期に副室内から未燃混合気が押し出され, その後火炎が噴出し急峻な圧力上昇になることが分かった. また, 初期の未燃噴出やその後の火炎の噴出により噴流周辺の乱れが強化され, 火炎面も複雑な皺状を形成し急峻な圧力上昇につながったと推測される.

一方, 直接画像からは副室点火後に発光が確認できるが主室への火炎伝播は確認できない. 直接撮影を見る限り, 副室では再び 7ms で発光が現れ,9ms で主室に火炎が確認できる. その後, 主室内で火炎伝播が見られると同時に, 副室内でも主室とは逆方向に火炎が伝播していることが確認できる.

4 241 方が点火位置 1mm に比べて主室に火炎が発生するタイミングは遅い. 以上のことから副室奥で点火すると副室内の燃焼により初期に副室内から未燃混合気が押し出され, その後火炎が噴出し急峻な圧力上昇になることが分かった. また, 初期の未燃噴出やその後の火炎の噴出により噴流周辺の乱れが強化され, 火炎面も複雑な皺状を形成し急峻な圧力上昇につながったと推測される. Ion probe voltage Time after spark ignition [ms] 室から 2.5mm とした. 図 9 に主室の圧力履歴を示し, 図 10 に可視化画像を示す.3ms から主室の圧力履歴が立ち上がるとともにシュリーレン画像に燃焼ガスが主室へ進入するのが確認できる. 一方, 直接画像からは副室点火後に発光が確認できるが主室への火炎伝播は確認できない. 直接撮影を見る限り, 副室では再び 7ms で発光が現れ,9ms で主室に火炎が確認できる. その後, 主室内で火炎伝播が見られると同時に, 副室内でも主室とは逆方向に火炎が伝播していることが確認できる. このように主室内の火炎伝播と同じタイングに副室内でも火炎伝播している場合, 両室の間に大きな圧力差が生じず, したがって高速の副室噴流の発生につながらないと考えられる. 副室と主室の形状と点火位置の組み合わせにより, 主室の燃焼形態, ひいては発熱率速度を大きく変化させることが可能であるといえる mm from nozzle 1mm from nozzle Fig.8 Influence of igniter position on ion current. 3.3 副室と主室の同時観察副室と主室を同時に撮影できる定容容器 (II) を用いて副室と主室の直接およびシュリーレン同時撮影をおこなった. この可視化定容容器の特徴は, 図 4 に示すように, 円筒形の主室および副室の対称軸が平行になっていることで, 容器 (I) と異なっている. 副室および主室の当量比を 1.0, 初期圧力を 168kPa, 副室と主室の連絡口径を 2.5mm とし, 点火位置は主 Pressure [MPa] Time after spark ignition [ms] Fig. 9 Pressure history in main-chamber. 3ms 5ms 20ms 29ms 31ms 1mm from nozzle 5ms 7ms 13ms 15ms 17ms 8mm from nozzle Fig.7 Influence of igniter position in the pre-chamber on combustion behaviors in the main chamber. Journal of the JIME Vol.00, No.00(2005) -4- 日本マリンエンジニアリング学会誌第 00 巻第 00 号 (2005) Journal of the JIME Vol. 52, No. 2(2017) 110

242 3ms 5ms 7ms 9ms 11ms 13ms 15ms Direct Schlieren Fig.

and Schlieren photography for visualization test. 3.

図 11 に副室および噴口の形状を示す. 噴口の断面積は丸形噴口とスリット噴口と同一にした.

5 242 3ms 5ms 7ms 9ms 11ms 13ms 15ms Direct Schlieren Fig.10 Image of main-chamber and pre-chamber on photography and Schlieren photography for visualization test. 3.4 副室噴口形状による燃焼改善副室内の点火位置を奥にすることで圧力上昇を急峻にできるが, 噴流が強いために副室との対向面への衝突が確認できる. 副室からの噴流が壁面へ必要以上に衝突することは冷却損失の増加につながる可能性があるため, 噴流を抑えつつ圧力上昇を急峻にする火炎形態を見出したい. そこで, 副室式エンジンの噴口形状を一般的な丸形から横長なスリット形状にして燃焼および圧力上昇速度を確認した. 図 11 に副室および噴口の形状を示す. 噴口の断面積は丸形噴口とスリット噴口と同一にした. 定容容器は (I) を用いた. 当量比 0.8, 初期圧力を 200kPa とし, 副室点火位置 8mm の丸形噴口とスリット噴口での圧力履歴および直接撮影を行った. 図 12 に主室の可視化画像を, 図 13 に主室内の初期の圧力履歴を示す. 初期の圧力履歴から丸形噴口の方が主室の圧力の立ち上がりが早いが 28msec でスリット噴口が逆転する. 図 14 に主室内の全体の圧力履歴を示す. 最大圧力はスリット噴口の方が丸形噴口よりも高くなっており, 冷却損失分の差が出ていると考えられる. 可視化画像からも圧力履歴と同様に丸形噴口の方が副室からの発光が早く観察できる. 火炎の形状に着目すると丸型噴口は副室付近から火炎が広がり噴出方向に拡大している. φ=3mm Hole nozzle 10mm 0.7mm Slit nozzle Fig.11 Specification of pre-chamber nozzle. Fig.12 Effect of nozzle shape on the initial flame development in the main chamber. Journal of the JIME Vo00, No. 00(2005) -5- 日本マリンエンジニアリング学会誌第 00 巻第 00 号 (2005) Journal of the JIME Vol. 52, No. 2(2017) 111

243 噴出する噴流の冷却が抑えられ燃焼が早期に始まり圧力上昇が早くなった. 図 16 に全体の圧力履歴を示す. スリット噴口では立ち上がりが早くなるがその後の圧力上昇の傾きに大きな変化が見られなかった. 丸形噴口に関しては初期も含めて圧力履歴に大きな変化は見られなかった.

Fig.15 Influence of wall temperature on the onset main-chamber combustion. Fig.

副室から噴出される速度も弱くなるため主室中心部に噴流が滞留し, その後主室の燃焼につながるのではないかと推測される. 飯田ら (11) によれば, 狭い流路の火炎伝播は流路壁の熱伝達が大きく寄与していると報告されているので, 容器全体の温度を上昇させ, 燃焼および圧力上昇に及ぼす影響を確認した.

スリット噴口は丸形噴口と比較すると連絡口表面積が大きくなるため噴流が噴口から受ける熱損失が増える. したがって, 容器温度を上げることで主室に Fig.16 Influence of wall temperature on main-chamber pressure history.

6 243 噴出する噴流の冷却が抑えられ燃焼が早期に始まり圧力上昇が早くなった. 図 16 に全体の圧力履歴を示す. スリット噴口では立ち上がりが早くなるがその後の圧力上昇の傾きに大きな変化が見られなかった. 丸形噴口に関しては初期も含めて圧力履歴に大きな変化は見られなかった. 以上の結果から, 丸形噴口からスリット噴口にすることで噴流の貫徹力を弱め燃焼開始場所を噴口から離れた燃焼室中央部に配置する火炎形態にできることが分かった. Fig.13 Effect of nozzle shape on the onset of combustion in the main-chamber. Fig.15 Influence of wall temperature on the onset main-chamber combustion. Fig.14 Effect of nozzle shape on main-chamber pressure history 一方, スリット噴口では主室中心部から火炎が拡大していることが確認できる. 噴口を丸形からスリット形状にすると, 副室から噴出する初期火炎がただちに主室の燃焼に至っていないと推測できる. 副室から噴出される速度も弱くなるため主室中心部に噴流が滞留し, その後主室の燃焼につながるのではないかと推測される. 飯田ら (11) によれば, 狭い流路の火炎伝播は流路壁の熱伝達が大きく寄与していると報告されているので, 容器全体の温度を上昇させ, 燃焼および圧力上昇に及ぼす影響を確認した. 容器全体を 25 から 50 まで上昇させた. 図 15 に初期の圧力上昇を示す. 丸形噴口では容器温度を上昇させても圧力の立ち上がりに大きな変化が見られなかった. 一方で, スリット噴口では容器温度を上昇させると圧力の立ち上がりが早くなった. スリット噴口は丸形噴口と比較すると連絡口表面積が大きくなるため噴流が噴口から受ける熱損失が増える. したがって, 容器温度を上げることで主室に Fig.16 Influence of wall temperature on main-chamber pressure history. まとめ本研究では, 定容容器を用いて副室から噴出する火炎形態を把握するとともに副室内および主室の燃焼の把握を目的とした. 副室内点火位置および噴口形状の影響を調べ, 以下に得られた知見を示す. 1. 副室内の点火位置によって火炎形態を大きく変えることができる. 副室内の点火位置を連絡口付近にすると火炎伝播燃焼する. 副室内の点火位置を中心から奥部にすると副室噴流と主室混合気 Journal of the JIME Vol.00, No.00(2005) -6- 日本マリンエンジニアリング学会誌第 00 巻第 00 号 (2005) Journal of the JIME Vol. 52, No. 2(2017) 112

7 244 の乱流混合燃焼する. 副室内の点火位置を中心から噴口寄りにすると伝播火炎燃焼と乱流混合燃焼の双方が合わさる. 2. 副室内の点火位置を奥部にすることで初期に未燃ガスが噴出し, それに続く高温ガス噴出によって主室が燃焼する. 3. 副室の噴口を丸形からスリット形にすることで燃焼形態を大きく変えることができる. 噴流の貫徹力を弱め主室の燃焼開始を噴口から遠ざけることができる. なお, 副室から主室に向かう火炎については副室内圧力が重要となると考えており, 今後, 副室内圧力計測を実施し詳細に調べることで明らかにする必要がある. 参考文献 1) The Center for Climate and Energy Solutions Home Page erationchp 2) 安枝信次,Journal of the JIME, Vol.47,No.6 (2012) 3) A.Shah et al, SAE Technical Paper, ) Gerhard Pirker et al, CIMAC Congress 2016, No ) Y.Takashima et al, CIMAC Congress 2016, No ) K.Yamanaka et al, CIMAC Congress 2010, No ) Y.Takashima et al, SAE International Journal of Engines, 8( ), ) 山口ほか 2 名, 第 16 回燃焼シンポジウム講演論文集,(1978), ) 山口ほか 4 名, 第 17 回燃焼シンポジウム講演論文集,(1979), ) 飯田ほか 2 名, 日本機械学会論文集 (B 編 ), ( 昭 57-11), ) 飯田ほか 2 名, 日本機械学会論文集 (B 編 ), ( 昭 59-1), Journal of the JIME Vo00, No. 00(2005) -7- 日本マリンエンジニアリング学会誌第 00 巻第 00 号 (2005) Journal of the JIME Vol. 52, No. 2(2017) 113

アジアにおけるさらなる技術交流を目指して

アジアにおけるさらなる技術交流を目指してクレムソン大学 CU-ICAR ( アメリカ ) 研修報告書次世代ディーゼルエンジンの噴霧先端到達距離予測モデルの改善工学研究科機械システム工学専攻山川裕貴 1. はじめに 2015 年 8 月 31 日から同年 9 月 28 日の間, アメリカのクレムソン大学 CU-ICAR において研究を行った. 以下にその報告内容を示す. 2. 共同研究テーマクレムソン大学 CU-ICAR( 国際自動車研究所