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1 Bulletin of the JSME 日本機械学会論文集 Transactions of the JSME (in Japanese) Vol.84, No.867, 218 予混合 CO 成分がディーゼル予混合圧縮着火燃焼に及ぼす影響 山口恭平 *1, 永塚勇斗 *2, 草鹿仁 *3, 大聖泰弘 *4, 鈴木央一 *5 The effect of premixed carbon monoxide on diesel PCCI combustion Kyohei YAMAGUCHI *1, Yuto EIZUKA *2, Jin KUSAKA *3, Yasuhiro DAISHO *4 and Hisakazu SUZUKI *5 *1, *2 Waseda University, Graduate School of Creative Science and Engineering Okubo, Shinjuku-ku, Tokyo, , Japan *3 Waseda University, Faculty of Science and Engineering Okubo, Shinjuku-ku, Tokyo, , Japan *4 Waseda University, Research Council Okubo, Shinjuku-ku, Tokyo, , Japan *5 National Agency for Automobile and Land Transport Technology, National Traffic Safety and Environment Laboratory Jindaiji-higashimachi, Chofu, Tokyo, , Japan Received: 28 June 218; Revised: 19 September 218; Accepted: 31 October 218 Abstract In this study, we focused on premixed charge compression ignition (PCCI) combustion with dual fuel of carbon monoxide (CO) and diesel fuel. The effects of CO as fuel on PCCI combustion characteristics were investigated based on engine tests and numerical simulations. As a result, it was found that the combustion became mild and combustion phase was retarded with increasing amount of CO supply. The results suggest that the combustion phase can be controlled by optimizing amount of CO supply, and moreover that the operating regions of PCCI combustion will be extended. In addition, it became clear that the supply of CO on PCCI combustion could be an alternative method for introducing large amount of EGR and lowering the compression ratio. On the other hand, the supply of CO led to an increase in unburnt CO emission and a deterioration in thermal efficiency. The numerical simulation results showed that it is effective to simultaneously increase the effective compression ratio and the EGR ratio in order to overcome these disadvantages without increasing NOx emission. Therefore, there is a possibility that PCCI combustion with dual fuel of CO and diesel fuel will possibly achieve high thermal efficiency. Keywords : Premixed combustion, Diesel engine, Gaseous fuel, Carbon monoxide, Fuel reforming, Dual fuel 1. 緒言 高効率かつクリーンな排出ガス性能を実現しうる予混合圧縮着火 (PCCI:Premixed Charge Compression Ignition) 燃焼の研究が盛んに行われている ( 島崎, 西村,23)( Peng et al., 23). その過程は拡散燃焼を主体とする一 般的なディーゼル燃焼とは異なり化学反応に依存するため, 着火時期の制御が課題である. ディーゼルエンジン に PCCI 燃焼を導入する場合, 長い着火遅れ期間を確保して予混合気を形成するために大量 EGR や低圧縮比化に より圧縮端温度を低下させる手法 (Okude et al., 24)(Kaminaga and Kusaka, 26) がしばしば用いられるが,EGR の大量導入が難しい高負荷域では十分な着火遅れ期間が得られなくなるため, 運転領域が限られることに加え, 熱効率の低下を招くなどの課題を有する. そのため, 着火時期を制御する手法として, 着火特性が異なる二種類 の燃料を適用する手法があり, 燃料の組合せもガソリンと軽油だけでなく, 水素 (H 2) などのガス燃料と軽油と いったように多岐に渡っている (Inagaki et al., 26)(Kobashi et al., 215)( Park et al., 215)( 岩谷他,213). 車 No [DOI:1.1299/transjsme ], J-STAGE Advance Publication date : 9 November, 218 *1 正員, 早稲田大学大学院創造理工学研究科 ( 東京都新宿区大久保 3-4-1) *2 早稲田大学大学院創造理工学研究科 *3 正員, 早稲田大学理工学術院 *4 正員, フェロー, 早稲田大学研究院 *5 正員,( 独 ) 自動車技術総合機構交通安全環境研究所 ( 東京都調布市深大寺東町 ) of corresponding author: kyohei-style@asagi.waseda.jp 1

2 Common-rail 両への多種燃料の搭載はコストなどの面で課題となりうるが, エンジンの廃熱を活用した燃料改質によってガス燃料を生成する場合, 廃熱回収による熱効率向上効果も見込まれ, 有望な方策の一つと言える (Shudo and Takahashi, 24). ガソリンや軽油に代表される炭化水素燃料を改質した場合,H 2 やメタン (CH 4), 一酸化炭素 (CO) が主な成分となる (Ashida et al., 215)(Tsolakis et al., 27). これまで,H 2 もしくは CH 4 と軽油を燃料に適用した研究例 (Park et al., 215)( 岩谷他,213) はあるが,CO が軽油の PCCI 燃焼に与える影響について調査した報告例は少ない. そこで, 本研究では CO 単体が PCCI 燃焼に与える影響を実機試験と数値シミュレーションにより調査をしたのでこれを報告する. 2. 実験装置および方法 2 1 実験装置本研究で使用した実験装置の概略図を図 1 に, エンジンの諸元を表 1 に示す. 供試エンジンは試験用単気筒ディーゼルエンジンであり, 外部過給システムや低圧 EGR システム, 可変バルブ機構を備えている. 可変バルブ機構ではカムによるバルブ動作に加えて,4 つのバルブをそれぞれ任意の時期に任意のリフト量で追加的に動作させることが可能であり, 本研究では有効圧縮比を変更する際に使用した. また, 過給試験を行う際にはターボ過給を想定し, 排気管途中に設置したバルブを用いて排気圧力と吸気圧力が等しくなるように調整した. 燃料供給に関して, ガス燃料である CO はマスフローコントローラによって供給量を制御した上でサージタンク前の吸気管に供給し, 軽油は筒内に直接噴射した. なお, 軽油はセタン価 58 の JIS2 号軽油を使用した. そして, 燃焼解析に必要な筒内圧力の計測にはピエゾ式圧力センサ (AVL GM12D) を用いた. また, 排出ガス成分の計測には排出ガス分析計 ( 堀場製作所 MEXA-16DEGR) を使用し,Soot の排出特性はスモークメータ ( 司測研 GSM-1) を用いてスモーク汚染度を計測した. Oil/Water conditioner Fuel tank Fuel cooler Speed meter Dynamometer Valve lift sensor ECU Fuel consumption meter Supply pump Piezo EGR cooler Surge tank Mass flow controller Hydrogen analyzer Exhaust gas analyzer Smoke meter Super charger Intercooler Air flow meter Bypass line Fig. 1 Experimental setup. Gas fuel cylinder 2

3 Engine type Single cylinder Bore mm stroke mm 85 9 Displacement cm Compression ratio 18.5 Swirl ratio 1.86 Fuel injection system Direct injection with common-rail Number of valves 4 Valve train type Table 1 Engine specifications. Double over head camshaft with variable valve mechanism 2 2 実験方法本研究では都市走行において使用頻度の高いエンジン回転数 15 rpm の低負荷を評価対象とした. 実験条件の一覧を表 2 に示す.CO と軽油の二燃料による PCCI 燃焼の基本特性試験では, 二燃料の供給熱量の総和を軽油のみの基準条件における供給熱量と同一とした上で,CO の供給割合を変化させ, 燃焼特性に及ぼす影響を評価した. 次に,CO の導入は燃焼位相を変化させるため,EGR 率や有効圧縮比を変更し, 基準条件と同一の燃焼重心とした上で燃焼特性を比較した. なお, 実機試験において, 有効圧縮比 (ε eff) は 12.5 から 14.5 の範囲で変更しており, 有効圧縮比を 12.5,14.5,17.8 に設定した際のバルブリフトカーブを比較して図 2 に示す. 図中の青線は有効圧縮比が 17.8 となる可変バルブ機構を使用しない基準のバルブリフトカーブであり, 赤線と緑線は可変バルブ機構を使用して有効圧縮比をそれぞれ 14.5,12.5 とした際のバルブリフトカーブを示している. Table 2 Experimental conditions. Engine speed rpm 15 Boost pressure kpa.gage 4 EGR ratio % 39~54 (CO %:54) Total input energy J/cycle 45 Light Number of injections 1 gas Injection pressure MPa 85 oil Injection timing deg.atdc -15 Input energy ratio of CO % ~8 Excess air ratio 1.5~2.2 (CO %:1.5) Effective compression ratio 12.5~14.5 (CO %:12.5) *Intake Valve Closing Exhaust Intake (ε eff 17.8: base) Intake (ε eff 14.5) Intake (ε eff 12.5) IVC* Valve lift mm Fig. 2 Valve lift curves for various effective compression ratios (ε eff). 3. 実験結果および考察 3 1 CO と軽油の二燃料による PCCI 燃焼の基本特性試験基本特性試験では,CO と軽油の供給熱量の和である総供給熱量を軽油のみの基準条件と同一とし,CO の供給割合を総供給熱量の から 8% の範囲で変化させた. その際, 過給圧力および EGR 率, 有効圧縮比に加え軽油の噴射回数や噴射圧力, 噴射時期は軽油のみの基準条件と同一とした. 3

4 CO の供給割合を変化させた際の筒内圧力と熱発生率 (R.H.R.), 筒内平均温度の履歴を比較したものを図 3 に示す.CO の供給割合の増加に伴い, 最大筒内圧力は低下し, 緩慢な燃焼になることが分かる. また, 上死点近傍の熱発生率を拡大した図 4 においては,CO の供給割合が高いほど, 低温酸化反応による熱発生が減少し, 熱炎反応の開始がわずかに遅れる傾向が認められる. これは CO の供給割合増加に伴い, 軽油の噴射量が減少し, 軽油に起因する低温酸化反応の熱発生が減少することが主な要因として挙げられる. 他の要因として, 低温酸化反応に寄与する OH ラジカルを消費する反応が CO にはあり, ノルマルヘプタンの低温酸化反応を抑制する報告例 ( 三好,215) があることから, その影響も考えられる. Mean gas temperature K CO % CO 2% CO % 7 CO 6% CO 8% Inj. timing Cylinder pressure MPa R.H.R. J/deg. Fig. 3 Cylinder pressure, R.H.R. and mean gas temperature histories under various CO ratio. With increasing amount of CO supply, combustion became mild and combustion phase was retarded. R.H.R. J/deg CO % CO 2% CO % CO 6% CO 8% Fig. 4 R.H.R. histories around TDC under various CO ratio. With increasing amount of CO supply, the rate of heat release caused by low temperature oxidation reactions was decreased and the start timing of high temperature oxidation reactions was retarded CO の供給割合が図示平均有効圧力 (IMEP, グロス値 ), 図示熱効率, 最大圧力上昇率, 燃焼重心位置 (CA5), 等容度, 吸入空気量, ガス燃料の当量比, 排出ガス特性に及ぼす影響を図 5 に示す.CO の供給割合増加に伴う燃焼の緩慢化は最大圧力上昇率の低下からも見て取れる. さらに, 緩慢な燃焼となることで燃焼期間が長期化し, 燃焼重心位置の遅角化や等容度の低下につながっている. また,CO の供給割合が高くなるにつれて IMEP や図示熱効率は低下しており, 等容度の低下がその一因であると言える. ここで, 排出ガス特性に着目すると,CO の供給によって緩慢な燃焼となり燃焼温度が低下するため,NOx は若干減少する傾向が見られる. また, スモークに関して, 本研究ではガス燃料である CO を吸気管に導入しているため, その供給量の増加は吸入空気量の減少につながり, スモーク悪化の可能性も考えられたが, ガス燃料の供給に伴う軽油噴射量の減少に加え, 予混合燃料割合が増加することで局所過濃領域が減少する影響が大きく, スモークは減少傾向を示し,CO の供給割合が % を超えると検出レベル以下であった. そして,CO 排出については, 今回の実験におけるガス燃料の当量比は最大でも.4 と非常に希薄であることに加え, 緩慢な燃焼となることで燃焼室内の多くの領域で CO を酸化させるために必要な温度に至らず, 未燃の CO が多量に排出される結果となった. なお,CO の供給割合が 2% の条件において計測された CO 排出量は燃料として供給した CO の約 3% に相当する量であった. このような CO の排出増加は燃焼効率の低下を意味しており, 図示熱効率悪化の主な要因であると考えられる. 以上より,CO の供給割合を変更することで燃焼位相制御の可能性が示されたが, 未燃 CO の排出増加に伴う図示熱効率の悪化が課題となることが明らかとなった. 4

5 IMEP kpa Max. pressure rise rate kpa/deg. Degree of constant volume Indicated thermal efficiency % 4 CA5 deg.atdc Input energy ratio of CO % Intake air mass g/s IS-NOx g/kwh IS-CO g/kwh Equivalent ratio of CO Smoke % Input energy ratio of CO % Fig. 5 The effects of CO ratio on engine performance, combustion characteristics and exhaust emissions. The increase of CO supply led to an increase in unburnt CO emission and a deterioration in indicated thermal efficiency. 3 2 EGR 率および有効圧縮比の変更による同一燃焼重心での燃焼特性比較 3 1 節の基本特性試験では CO の供給割合の増加に伴って, 燃焼重心位置は遅角化する傾向が見られた. そこで, 本節では CO の供給割合を変化させると同時に,EGR 率と有効圧縮比をそれぞれ個別に変更し, 燃焼重心位置を軽油のみの基準条件と同一とした場合の燃焼特性を比較した. その際, 過給圧力に加えて軽油の噴射回数や噴射圧力, 噴射時期は軽油のみの基準条件と同一とした. EGR 率のみを変更し燃焼重心位置を同一とした際に, それぞれの CO 供給割合において設定した EGR 率を表 3 に, 有効圧縮比のみを変更した際に設定した有効圧縮比を表 4 に示す. なお,CO の供給割合が 8% の条件では有効圧縮比を最も高めた場合であっても, 基準条件と同一の燃焼重心位置が実現しなかったため, 結果は記載していない. 表 3 と表 4 より,CO を導入することで同一の燃焼重心位置を基準条件よりも低い EGR 率や高い有効圧縮比で実現可能であることが分かる. Table 3 EGR ratio of various CO ratio under constant CA5 (ε eff 12.5). EGR ratio was lower with higher percentage of CO. Input energy ratio of CO % EGR ratio % Table 4 Effective compression ratio (ε eff) of various CO ratio under constant CA5 (EGR ratio 54%). With increasing amount of CO supply, effective compression ratio became higher. Input energy ratio of CO % ε eff

6 燃焼重心位置を一定に保ちながら CO の供給割合を変更した際の図示熱効率, 等容度, 吸入空気量, 排出ガス 特性を図 6 に示す.CO の供給割合増加に伴って図示熱効率は低下し,CO 排出は大幅に増加する傾向を示してお り, 基本特性試験と大きな差異は見られない. 同一の燃焼重心とすることで, 等容度は軽油のみの基準条件と概 ね同等の値を示していることから, 図示熱効率低下の主な要因が未燃 CO の多量排出であることが分かる. ここ で, 同一の CO 供給割合に着目すると, 有効圧縮比を高めた際の図示熱効率は EGR を減量した結果に比べ, 高い 値を示している. 未燃 CO の排出もわずかに減少していることから, 有効圧縮比を高めたほうが活発な燃焼にな っているものと推察される. つまり, ガス燃料の未燃排出に起因した熱効率低下の改善には有効圧縮比を高める ことが効果的な手段の一つであると言える. しかしながら, 自着火抑制効果の高いガス燃料の導入は着火時期を 遅角化する一方, 有効圧縮比を高めることは着火時期の進角を意味するため, 高負荷側へ PCCI 燃焼領域の拡大 を図る目的でガス燃料を導入する場合, ガス燃料の未燃排出を低減するために有効圧縮比を高める手段の適用は 難しく, ガス燃料を筒内に直接噴射し濃度分布を成層化するなど異なる手段の検討が必要である. 次に,NOx とスモークの排出特性に着目する.NOx に関して, 基本特性試験では CO の導入によって緩慢な燃 焼となり, 燃焼温度が低下するため減少傾向を示していたが, 燃焼重心位置を一定としたことで燃焼重心位置が 進角し, 軽油のみの基準条件と同等レベルの排出となっている. ただし,CO の供給割合が 8% の条件では燃焼 重心位置を大きく進角させる必要があり大幅に低い EGR 率となるため,NOx は増加する結果となった. また, スモークは基本特性試験と同様に CO の供給割合増加に伴い減少しているが, 同一の CO 供給割合においては, 有効圧縮比を高めた条件のほうが高い値を示していることが分かる.EGR 率を変更した場合と有効圧縮比を変更 した場合の吸入空気量に差異はなく, 加えて,CO の供給割合が 2% の筒内圧力と熱発生率の履歴を比較した図 7 より着火遅れ期間に違いはないことから, 有効圧縮比の変更により筒内流動が変化し, 混合気の濃度分布に違い が生じた結果, スモークの増加につながったものと推察される. 以上より, 自着火抑止効果の高い CO を導入することで, 同一の燃焼重心位置を低い EGR 率や高い圧縮比で実 現可能であることが示され,PCCI 燃焼を実現するために従来取り組まれてきた大量 EGR や低圧縮比化に代わる 手法になりうると言える. しかしながら, ガス燃料の未燃排出に起因した図示熱効率の悪化が本条件でも主な課 題として挙げられた. EGR ratio % Indicated thermal efficiency % Input energy ratio of CO % CO % (CA5 4 deg.atdc) Constant CA5 by changing EGR ratio Constant CA5 by changing effective compression ratio Effective compression ratio Degree of constant volume Intake air mass g/s Smoke % IS-NOx g/kwh Input energy ratio of CO % Fig. 6 The effects of CO ratio on engine performance, combustion characteristics and exhaust emissions under constant CA5. Under the same amount of CO supply, unburnt CO emission by changing effective compression ratio was slightly lower than that by changing EGR ratio. As a result, indicated thermal efficiency by changing effective compression ratio was slightly higher than that by changing EGR ratio. IS-CO g/kwh 6

7 Cylinder pressure MPa CO % (EGR 54%, ε eff 12.5) CO 2% (EGR 5%, ε eff 12.5) 7 CO 2% (EGR 54%, ε eff 12.8) Inj. timing R.H.R. J/deg. Fig. 7 Cylinder pressure and R.H.R. histories under constant CA5. 4. 二燃料による PCCI 燃焼の高効率化に向けた数値解析 3 章の実機試験結果から,CO と軽油の二燃料による PCCI 燃焼の主な課題は, 未燃 CO の多量排出による熱効率の低下であることが明らかとなった.PCCI 燃焼の特徴である低い NOx 排出特性を損なうことなく, 未燃の CO 排出を低減し高効率化を実現する条件の探索には複数のパラメータを細かく変更して検討することが求められる. そこで,4 章では三次元燃焼シミュレーションを活用して, 二燃料による PCCI 燃焼で高効率を実現しうる条件の検討を行った. なお,CO の供給割合に関して, ここでは 2% の供給割合を対象とした. 4 1 計算方法本研究では数値熱流体計算コード KIVA-4(Torres and Trujillo, 26) をベースに, 詳細な素反応過程を考慮するために Chemkin-II(Kee et al., 1989) パッケージ内の各種サブルーチンを連成するなどの変更を加えたものを使用した. 組み込んだその他サブモデル (Han and Reitz, 1995)(Beale and Reitz, 1999)(Tao et al., 2)(Morii et al., 214) ( 森島他,27) を表 5 に示す. なお, 化学反応スキームには Golovitchev らのディーゼルサロゲートメカニズム (Golovitchev, 215) を使用し, 燃料はノルマルヘプタンとして与えた. また, 計算時間を考慮して図 8 に示すセクターメッシュを計算格子に用いた. Table 5 Sub models in KIVA-4. Turbulence RNG k-ε model (Han and Reitz, 1995) Spray breakup KH-RT (Beale and Reitz, 1999) Chem. and turb. interaction PaSR (Tao et al., 2) ODE solver ERENA (Morii et al., 214) Soot model Waseda phenomenological (Morishima et al., 27) Fig. 8 Overview of computational grid. ここで, 計算条件をまとめて表 6 に示す. 条件 1 は軽油のみの基準条件であり, 条件 2 は条件 1 から CO の供給割合のみを変更し,CO を 2% 供給した条件である. そして,3 2 節の実験結果では有効圧縮比を高めた際に未燃 CO の排出がわずかに減少し, 図示熱効率に改善が見られたことから, 条件 3 は CO を 2% 供給するとともに有効圧縮比を大幅に高めた条件とした. 解析の対象としたエンジンにおいて設定可能な有効圧縮比の最大値は 17.8 であることから, 条件 3 では有効圧縮比を 17.8 に設定した. 条件 3 のように有効圧縮比を高めた場合, 着火時期の早期化や NOx の増加につながるが,3 章の実験結果では CO の供給によりスモークが軽油のみの基準条件よりも減少したことを考慮し, 条件 3 から EGR を増加させて着火時期を基準条件に合わせた条件を条件 4 とし 7

8 た. なお, 空気過剰率は実機試験の計測値を参考に設定し, エンジン回転数や軽油の燃料噴射パラメータに関し ては実機試験の条件と同様に設定した. Table 6 Calculation conditions. Case No Input energy ratio of CO % Effective compression ratio EGR ratio % Air excess ratio 計算結果および考察表 6 の条件を対象に実施した計算結果に関して, 筒内圧力と熱発生率, 筒内平均温度の履歴を図 9 に, エンジン筒内における CO の質量履歴を図 1 に示す. また, 図示熱効率, 最大圧力上昇率, 排出ガス特性を図 11 に示す. はじめに, 有効圧縮比と EGR 率が同一であり,CO の供給割合が異なる条件 1 と条件 2 の結果を確認する. 筒内圧力と熱発生率の履歴から,CO の導入に伴って, 最大筒内圧力は低下するとともに燃焼位相が遅角化し, 緩慢な燃焼となることが分かる. その際,CO の未燃排出は増加し, 図示熱効率は悪化する結果を示しており, 実機試験における傾向が再現されていると言える. 次に, 条件 2 から有効圧縮比を変更し, 大幅に高い値を設定した条件 3 に着目する. 圧縮行程中の筒内圧力履歴は有効圧縮比が低い条件 1 と条件 2 に比べて, 高くなっているが, 筒内平均温度の履歴には大きな差が見られない. これは表 6 に示した空気過剰率から分かるように, 有効圧縮比を高めた場合には吸入空気量が増加することが要因として挙げられる. このように圧縮行程中の筒内平均温度には大きな差が生じていないが, 筒内圧力は高くなるため, 軽油の着火遅れ期間は短くなり, 早期に着火して上死点近傍で活発な燃焼になっていることが分かる. ここで, エンジン筒内における CO の質量変化を示した図 1 を確認すると, 条件 3 は他の条件よりも主燃焼から後燃えにかけて CO の酸化が促進されている様子が見られる. 主燃料である軽油の燃焼が活発化することで燃焼室内の温度が高くなり,CO の酸化が促進されたと考えられる. その結果,CO の未燃排出は条件 2 に比べて減少し, 図示熱効率の大幅な向上につながっている. しかしながら, 上死点近傍での活発な燃焼によって NOx の増加や最大圧力上昇率の増大を招いており, 課題となることが明らかとなった. 続いて, 有効圧縮比を高めると同時に EGR を増加させて着火時期を基準となる条件 1 に合わせた条件 4 の結果を取り上げる. 条件 4 では EGR の増加に伴って燃焼温度の上昇が抑制されており, 熱発生率がピーク値を示した後の筒内平均温度履歴は 4 条件の中で最も低い値を示している. そのため, 後燃えにおける CO の質量変化は条件 4 の傾きが緩やかになっており,CO の酸化量が少ない様子が見て取れる. 一方で, 条件 4 は条件 2 と比較して, 熱発生率の立ち上がり速度が早く, 等容度の高い燃焼になっている. その結果, 主燃焼における CO の酸化が促進されており, またその影響が大きいため, 最終的な CO 排出量は条件 2 に比べて減少し, 図示熱効率も改善する結果が得られている. そして最後に, 軽油のみの基準条件 ( 条件 1) と条件 4 を比較すると,CO の未燃排出は CO を導入している条件 4 のほうが依然として多いが, 図示熱効率は向上する結果を示している. 図示熱効率が向上する要因を確認するため, 図 12 に示した熱発生の積算履歴に着目すると, 条件 1 と条件 4 では最終的な熱発生の総量に大きな差異は見られないが, 条件 1 は後燃えによる熱発生量が多いことが分かる. つまり, 条件 4 のほうが等容度の高い燃焼になっており, 図示熱効率は向上したと考えられる. なお, 有効圧縮比を高めた条件 3 において課題とされた NOx や最大圧力上昇率に関して, 条件 4 では EGR を導入することで基準となる条件 1 と同等の結果が得られた. 以上より, 本研究では有効圧縮比を高めると同時に高 EGR 化を図る手段を適用することで, 低い NOx 排出特性を維持しつつ図示熱効率は向上する計算結果が得られ,CO と軽油の二燃料による PCCI 燃焼において高効率化を実現する可能性が示された. 8

9 Max. pressure rise rate kpa/deg. IS-CO g/kwh Indicated thermal efficiency % IS-NOx g/kwh Mean gas temperature K Cylinder pressure MPa R.H.R. J/deg. Case1 (CO %, EGR 54%, ε eff 12.5) Case2 (CO 2%, EGR 54%, ε eff 12.5) Case3 (CO 2%, EGR 54%, ε eff 17.8) Case4 (CO 2%, EGR 58.5%, ε eff 17.8) Inj. timing Fig. 9 Cylinder pressure, R.H.R. and mean gas temperature histories of all conditions. Under a higher effective compression ratio (Case3), combustion phase was advanced and the combustion was active. In addition, mean gas temperature was higher. Under a higher effective compression ratio and a higher EGR ratio (Case4), the degree of constant volume was higher than that of a lower effective compression ratio (Case2). Nevertheless, the temperature rise was suppressed CO mg Case1 (CO %, EGR 54%, ε eff 12.5) Case2 (CO 2%, EGR 54%, ε eff 12.5) Case3 (CO 2%, EGR 54%, ε eff 17.8) Case4 (CO 2%, EGR 58.5%, ε eff 17.8) Fig. 1 In cylinder CO histories of all conditions. Under a higher effective compression ratio (Case3), the performance of CO oxidation was better than other conditions. Under a higher effective compression ratio and a higher EGR ratio (Case4), CO oxidation during main combustion was promoted. In contrast, CO oxidation during after burn was suppressed Case1 (CO %, EGR 54%, ε eff 12.5) Case2 (CO 2%, EGR 54%, ε eff 12.5) Case3 (CO 2%, EGR 54%, ε eff 17.8) Case4 (CO 2%, EGR 58.5%, ε eff 17.8) Fig. 11 Indicated thermal efficiency, max. pressure rise rate and exhaust emissions under all conditions. The disadvantages about unburnt CO emission and indicated thermal efficiency by the supply of CO as fuel were improved with a higher effective compression ratio. In addition, NOx emission and maximum pressure rise rate under a higher effective compression ratio and a higher EGR ratio (Case4) were almost the same compared with the baseline condition (Case1). 9

10 Integrated heat release J Case1 (CO %, EGR 54%, ε eff 12.5) Case2 (CO 2%, EGR 54%, ε eff 12.5) Case3 (CO 2%, EGR 54%, ε eff 17.8) Case4 (CO 2%, EGR 58.5%, ε eff 17.8) Fig. 12 Integrated heat release histories of all conditions. There was no significant difference in the total heat release between the baseline condition (Case1) and a higher effective compression ratio and a higher EGR ratio (Case4). On the other hand, the amount of heat release caused by after burn in Case1 was large compared with that of Case4. 5. 結言一酸化炭素 (CO) 予混合気と軽油噴射による PCCI 燃焼を対象に実機試験と数値シミュレーションを行い,CO が燃焼特性に及ぼす影響を評価した結果, 以下の知見を得た. (1) 大量 EGR の導入と同時に有効圧縮比を低く設定した条件においては CO の供給割合増加に伴い, 緩慢な燃焼となり, 燃焼位相は遅角化する. その際,CO の未燃排出が増加し, 図示熱効率の悪化を招く. (2) 運転条件に応じて,CO の供給割合を適正化し燃焼位相を制御することで,PCCI 燃焼の運転領域拡大につながる. (3)CO を供給した場合, 同一の燃焼重心位置を低い EGR 率や高い圧縮比で実現可能であり,PCCI 燃焼を実現するために従来取り組まれてきた大量 EGR や低圧縮比化に代わる手法となりうる. (4) 未燃 CO の排出低減を狙い有効圧縮比を高めると同時に,NOx 排出の増加を抑制するために高 EGR 化を図ることで,PCCI 燃焼の特徴である低い NOx 排出特性を損なうことなく, 図示熱効率は向上する計算結果が得られ,CO と軽油の二燃料による PCCI 燃焼は高効率を実現する可能性がある. 文献 Ashida, K., Hoshino, M., Maeda, H., Araki, T., Hiraya, K. and Yasuoka, M., Study of reformate hydrogen-added combustion in a gasoline engine, SAE Technical Paper, Paper No (215). Beale, J. C. and Reitz, R. D., Modeling spray atomization with the Kelvin-Helmholtz/Rayleigh-Taylor hybrid model, Atomization and Sprays, Vol.9, No.6 (1999), pp Golovitchev, V., Surrogate mechanism for diesel oil, < ( 参照日 215 年 3 月 24 日 ). Han, Z. and Reitz, R. D., A RNG k-ɛ model with application to diesel combustion modeling, The 8th International Symposium on Transport Phenomena in Combustion, Paper No.11-A-2 (1995). Inagaki, K., Fuyuto, T., Nishikawa, K., Nakakita, K. and Sakaka, I., Dual-fuel PCI combustion controlled by in-cylinder stratification of ignitability, SAE Technical Paper, Paper No (26). 岩谷享右, 海野良, 喜久里陽, 草鹿仁, 大聖泰弘, 急速圧縮膨張装置を用いた軽油着火方式による Dual Fuel 天然ガス機関の燃焼 排出ガス特性に関する研究, 第 24 回内燃機関シンポジウム講演論文集, (213). Kaminaga, T. and Kusaka, J., Improvement of combustion and exhaust gas emissions in a passenger car diesel engine by modification of combustion chamber design, SAE Technical Paper, Paper No (26). Kee, R. J., Rupley, F. M. and Miller, J. A., Chemkin-II: A fortran chemical kinetics package for the analysis of gas phase chemical kinetics, Sandia Report, SAND89-89B (1989). Kobashi, Y., Muto, R. and Kato, S., Premixed fuel effect on ignition and combustion of dual fuel compression ignition engine, SAE Technical Paper, Paper No (215). 1

11 三好明, 混合気形成過程の低温酸化反応の着火への影響, 自動車技術会論文集, Vol. 46, No. 6 (215), pp Morii, Y., Terashima, H., koshi, M., Shimizu, T. and Shima, E., Fast and robust time integration method for stiff chemical kinetic ODEs, 5th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, (214). 森島彰紀, 草鹿仁, 大聖泰弘, ディーゼル燃焼における微粒子生成過程の解析 - 過濃予混合燃焼場における検討 -, 自動車技術会論文集, Vol. 38, No. 1 (27), pp Okude, K., Mori, K., Shiino, S. and Moriya, T., Premixed compression ignition (PCI) combustion for simultaneous reduction of NOx and soot in diesel engine, SAE Technical Paper, Paper No (24). Park, H., Kim, J. and Bae, C., Effects of hydrogen ratio and EGR on combustion and emissions in a hydrogen/diesel dual-fuel PCCI engine, SAE Technical Paper, Paper No (215). Peng, Z., Zhao, H. and Ladommatos, N., Effects of air/fuel ratios and EGR rates on HCCI combustion of n-heptane, a diesel type fuel, SAE Technical Paper, Paper No (23). 島崎直基, 西村輝一, 上死点近傍燃料噴射による予混合型ディーゼル燃焼の排気改善, 自動車技術会論文集, Vol. 34, No. 1 (23), pp Shudo, T. and Takahashi, T., Influence of reformed gas composition on HCCI combustion of onboard methanol-reformed gases, SAE Technical Paper, Paper No (24). Tao, F., Golovitchev, V. and Jerzy, C., Self-ignition and early combustion process of n-heptane sprays under diluted air conditions: numerical studies based on detailed chemistry, SAE Technical Paper, Paper No (2). Torres, D. J. and Trujillo, M. F., KIVA-4: An unstructured ALE code for compressible gas flow with sprays, Journal of Computational Physics, Vol.219 (26), pp Tsolakis, A., Abu-Jrai, A., Theinnoi, K., Wyszynski, M., Xu, H., Megaritis, A., Cracknell, R., Golunski, S. and Peucheret, S., Exhaust gas fuel reforming for IC Engines using diesel type fuels, SAE Technical Paper, Paper No (27). References Ashida, K., Hoshino, M., Maeda, H., Araki, T., Hiraya, K. and Yasuoka, M., Study of reformate hydrogen-added combustion in a gasoline engine, SAE Technical Paper, Paper No (215). Beale, J. C. and Reitz, R. D., Modeling spray atomization with the Kelvin-Helmholtz/Rayleigh-Taylor hybrid model, Atomization and Sprays, Vol.9, No.6 (1999), pp Golovitchev, V., Surrogate mechanism for diesel oil, available from < (accessed on 24 March, 215). Han, Z. and Reitz, R. D., A RNG k-ɛ model with application to diesel combustion modeling, The 8th International Symposium on Transport Phenomena in Combustion, Paper No.11-A-2 (1995). Inagaki, K., Fuyuto, T., Nishikawa, K., Nakakita, K. and Sakaka, I., Dual-fuel PCI combustion controlled by in-cylinder stratification of ignitability, SAE Technical Paper, Paper No (26). Iwaya, K., Unno, R., Kikusato, A., Kusaka, J. and Daisho, Y., A study on the combustion and emission characteristics of a pilot ignited dual-fuel natural gas engine using a rapid compression and expansion machine, The 24th Internal Combustion Engine Symposium, Paper No (213) (in Japanese). Kaminaga, T. and Kusaka, J., Improvement of combustion and exhaust gas emissions in a passenger car diesel engine by modification of combustion chamber design, SAE Technical Paper, Paper No (26). Kee, R. J., Rupley, F. M. and Miller, J. A., Chemkin-II: A fortran chemical kinetics package for the analysis of gas phase chemical kinetics, Sandia Report, SAND89-89B (1989). Kobashi, Y., Muto, R. and Kato, S., Premixed fuel effect on ignition and combustion of dual fuel compression ignition engine, SAE Technical Paper, Paper No (215). Miyoshi, A., Impact of the low-temperature oxidation reactions during mixture formation to ignition, Transactions of Society of Automotive Engineers of Japan, Vol. 46, No. 6 (215), pp (in Japanese). Morii, Y., Terashima, H., koshi, M., Shimizu, T. and Shima, E., Fast and robust time integration method for stiff chemical kinetic ODEs, 5th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, (214). Morishima, A., Kusaka, J. and Daisho, Y., Numerical and experimental study on particulate matter formation process in diesel combustion -analysis in fuel-rich HCCI combustion-, Transactions of Society of Automotive Engineers of Japan, Vol. 38, No. 1 (27), pp (in Japanese). 11

12 Okude, K., Mori, K., Shiino, S. and Moriya, T., Premixed compression ignition (PCI) combustion for simultaneous reduction of NOx and soot in diesel engine, SAE Technical Paper, Paper No (24). Park, H., Kim, J. and Bae, C., Effects of hydrogen ratio and EGR on combustion and emissions in a hydrogen/diesel dual-fuel PCCI engine, SAE Technical Paper, Paper No (215). Peng, Z., Zhao, H. and Ladommatos, N., Effects of air/fuel ratios and EGR rates on HCCI combustion of n-heptane, a diesel type fuel, SAE Technical Paper, Paper No (23). Shimazaki, N. and Nishimura, T., Improvement of exhaust emissions of premixed-type diesel combustion with fuel-injection near top dead center, Transactions of Society of Automotive Engineers of Japan, Vol. 34, No. 1 (23), pp (in Japanese). Shudo, T. and Takahashi, T., Influence of reformed gas composition on HCCI combustion of onboard methanol-reformed gases, SAE Technical Paper, Paper No (24). Tao, F., Golovitchev, V. and Jerzy, C., Self-ignition and early combustion process of n-heptane sprays under diluted air conditions: numerical studies based on detailed chemistry, SAE Technical Paper, Paper No (2). Torres, D. J. and Trujillo, M. F., KIVA-4: An unstructured ALE code for compressible gas flow with sprays, Journal of Computational Physics, Vol.219 (26), pp Tsolakis, A., Abu-Jrai, A., Theinnoi, K., Wyszynski, M., Xu, H., Megaritis, A., Cracknell, R., Golunski, S. and Peucheret, S., Exhaust gas fuel reforming for IC Engines using diesel type fuels, SAE Technical Paper, Paper No (27). 12