燃料噴霧可視化

圧縮行程中の燃料噴射を想定し，図4-4，表4-1に示す圧力容器内における燃料噴霧を観察した．

筒内直噴弁は市販品で，図4-5 (a) に示すように上下二段構造からなり，上段の燃料計量用の燃 料噴射弁と下段の筒内直噴用の空気噴射弁で構成される ^(4-20)．この噴射機構原理の概略を図 4-5 (b)に示す．燃料はあらかじめ燃料噴射弁により計量され直噴用の空気噴射弁上流部に待機する．

この燃料は一定圧力に調整された圧縮空気により空気噴射弁から筒内に噴射される．適正な微粒 化のためには，噴射燃料量に応じた噴射空気量が要求されるが，空気量も燃料噴射弁同様に噴射 時間により調整される．噴射圧力，すなわち空気噴射弁に供給される圧縮圧力はコンプレッサー から圧力調整弁を介し一定圧に保持される．圧縮行程の遅い時期に噴射する場合，筒内圧も上昇 するため，噴射圧により直噴時期は限定される．したがって，筒内圧と噴射圧との差圧が実質の 直噴圧となる．本直噴弁は二行程ガソリン成層給気火花点火機関で実用化されているが，空気噴 射弁へ供給される圧縮空気は約0.5MPaの設定となっている．この設定圧で成層給気が成立してい るのは，二行程ガソリン機関の圧縮圧力が四行程ガソリン機関に比べ低圧であること，筒内圧が 上昇する圧縮行程後期など比較的遅い噴射を行う運転条件は低負荷域で噴射燃料量も少ないため と思われる．噴射弁のおもな仕様を表4-2 ^(4-21) に示す．噴射圧力は0.5 MPa (gauge) とし，噴射燃 料量は従来の均一給気自着火燃焼の自着火負荷下限，3,000 r/min，図示平均有効圧力 (Indicated mean effective pressure; IMEP) = 200 kPa 運転条件相当の2.6 mgを与え，噴射期間は4 msとした．

噴霧画像は可視光源を用い高速CCDカメラにて撮影された．

圧力容器内の雰囲気圧力は，図 4-6 に示す筒内圧縮圧力と筒内直噴始め時期（Direct-injection timing; DI timing）の関係をもとに，機関運転時のDI timingを変化させた場合の噴射期間における 筒内平均圧力を想定し，0 ~ 0.4 MPa (gauge) を与えた．DI timingが遅い場合，筒内圧と噴射圧の 関係から噴射期間の後半部で噴射できない区間が発生する．噴射区間の平均筒内圧は可能な区間

（約313deg.ATDCまで）で平均した．しかし，本実験における噴射期間は，雰囲気圧力の影響を

明確にするため4 ms一定とした．また，噴射圧力一定で雰囲気圧力が異なる時，エアー噴射量が 変化するため，燃料噴射率に影響する可能性がある．そこで，本実験条件の範囲では燃料噴射量 が同一（2.6 mg）であることを，事前に精密測定により確認した．

図4-7に容器内圧力による噴射終了時の画像の変化を示す．実機関のDI-timingにおける筒内圧 力を想定し，各容器内圧力に対応するDI timingも表中に示した．DI timingが遅くなるほど小さな 高密度の噴霧が形成されており，DI timing=280, 300deg ATDC相当の容器内圧力 = 0.3, 0.4 MPaで は噴射弁下方約10 mmを中心に高さ，幅ともに20～25mmの噴霧が形成されている．

図4-4 圧力容器内燃料噴霧可視化実験装置

表4-1 圧力容器諸元

Internal diameter×Height 300 mm×500 mm Internal diameter 100 mm

Thickness 15 mm

Windows

Material Quartz Capacity to resist pressure 1 MPa

Buck pressure regulator Relief valve

Valve Direct-injection system

High pressure tank

Inlet of air

Air regulator CCD camera

Computer

Camera driver Camera control &

image saving

Injector driver Fuel injector Air injector Timing controller

Fuel supply system Fuel

Air compressor Air

Hausing of direct-injection system

Air regulator Air flow meter

For tank

For air injector Press. meter

Press. meter Strobe light

(a) 構造概略図

(b) 燃料噴射機構原理の概略図

図4-5 エアーアシスト式燃料筒内直噴弁

表4-2 エアーアシスト式燃料筒内直噴弁の諸元

Air-assisted direct-injection type

Air injector TOHATSU GENUINE PARTS 3T5-10310-1 Fuel metering injector TOHATSU GENUINE PARTS 3T5-10300-0

Fuel pressure 0.65 MPa (gauge)

Air pressure 0.5 MPa (gauge)

Air injector Fuel injector

Fuel line

Air line

Air injector Fuel injector

Fuel line Air line

Air injector nozzle Compressed air

Fuel

Fuel metering injector nozzle

Air injector nozzle Compressed air

Fuel

Fuel metering injector nozzle

図4-6 筒内圧縮圧力と筒内直噴始め時期（DI-timing）の関係 Engine speed=3,000 r/min, IMEP=200 kPa

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

180 210 240 270 300 330 360

Crank angle, deg ATDC

In-cylinder pressure, kPa(Abs.)

Atmospheric pressure DI timing, deg ATDC

Injection duration=4ms=72deg C.A. at 3,000r/min

300 280 260 180

Air injection pressure

Injection duration

Injection duration, ms Ambient pressure,

MPa (gauge)

DI timing, deg ATDC

Images at the end of injection,

fuel injection quantity: 2.6 mg Fuel injector Air injector

0 180 5 4

0.2 260 5 4

0.3 280 5 4

0.4 300 5 4

図4-7 噴霧可視化画像