九州大学学術情報リポジトリ
Kyushu University Institutional Repository
予混合乱流燃焼に及ぼす火炎形状と局所燃焼速度の 影響
橋本, 淳
九州大学工学機械科学機械エネルギー
https://doi.org/10.11501/3180320
出版情報：Kyushu University, 2000, 博士（工学）, 課程博士 バージョン：
権利関係：
予j克令多しjえ燃:牝{二次ぼす
火炎お状ぞる所燃:沈i乏メえの号3等
�威12年10 JJ
九州大学大宇陀:I-学研え科 械拭エネルギ-:I-学専攻
橋本 JZ
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目次
目次"…...……H・H・...・H・...・H・...…...・H・...…・・…...・H・...……H・H・.... . . • . . . 1
記号H・H・....・H・...… …...…・…H・H・-…...V List of Tables， Figures and Photographs ...・H・..…...・H・...・H・..…...・H・..…...・H・..……...・H・...・H・..….V111 1 . 緒論.…...・H・...・H・..…・…・・・・…・・……・...・H・..…-・…・・・……H・H・-…・・…H・H・-…H・H・-…・・…H・H・...・H・..1
l.l. まえがき...1
1 . 2. 従来の研究の概要いH・H・....・H・...2
l. 2. l. 乱流予混合火炎……H・H・-……H・H・...2
l. 2.2. 乱流燃焼速度モデル…...・H・...・H・..…・…H・H・...…...・H・...・H・-・…・…H・H・...・H・-…4 l. 2. 3. 線図表示...5
l. 2.4. 乱流燃焼速度に影響を及ぼす諸因子…・…H・H・-…・…・…...・H・...・H・-……...・H・..….7
l. 3. 本論文の概説..……H・H・-…………・…...・H・...…・…・・・……...・H・-……H・H・...・H・...・H・..10
2. 実験装置及び実験手法...・H・-…H・H・-…H・H・-…H・H・-…H・H・...・H・..…・……H・H・...・H・-…H・H・...12
2. l. まえがき....・H・-……...12
2.2. 定容燃焼器..……H・H・..…...・H・...…………・・・…・・・……・・……H・H・...…・・…...・H・-…・・…H・...12
2.2. l. A燃焼器…H・H・-一……..……H・H・-…H・H・-…H・H・...……・・ぃ…...・H・...・H・...………...・H・...12
2.2.2.B燃焼器..…...12
2.3. 燃焼器周辺装置…...14
2.3. 1 . 混合気充填システム……・...15
2.3.2. 遠心ファン制御装置...15
2.3.3. 点火装置....・H・-…・・ …H・H・...・H・...15
2.3.4. 燃焼圧力測定装置…………...16
2.4. 光学計測実験システム…・...16
2.4. l. 瞬間断層写真撮影システム…・…・…...16
2.4.2. 連続断層写真撮影システム……...19
2.5. 混合気の特性値...・H・...21 2.5. 1 . 当量比.………...・H・...…...・H・...・H・-…H・H・-…...・H・- … ....・H・-……....・H・-…...・H・...・H・H・H・.21 2.5.2. 層流燃焼速度…・・・・……H・H・..，…………・・……・・・・…...21
2.5.3. 物性値...・H・-…H・H・-…....……H・H・-…・・・・…..…-…...・H・-…H・H・...・H・.，....・H・-…H・H・-….21 2.5.4. 断熱燃焼温度及び最高圧力………一…一…...……H・H・..…-…22
2.6. 乱れの特性値………H・H・...……・・…H・H・-…・・・・…...・H・...………H・H・..…-…・….22
2.6. l. 乱れ強さ…H・H・..…・…・・…………・・・…・……・・… …・…-…一一 一………ー・・ ・・ …・・…..23
2.6.2. 乱れのスケール.…………...23
2.7.燃焼速度の 計算手法...……...・H・-…..……H・H・-…H・H・...・H・-………23 2.7. 1.層流燃焼速度………H・H・...…...・H・-…・・・…・...24 2.7.2.乱流燃焼速度…・・…・・・・…………...24 2.8. 実験手法…-・…...・H・...24 2.8. 1.燃焼速度計測実験..……H・H・-……H・H・-…H・H・...……H・H・...……・・...・M・-…...・...24 2.8.2. 光学計測実験…H・H・...…...・H・...・H・-…H・H・-…・・・・…...・H・-一……...・H・-…・…・・…..25
2.8.2. 1.断層写真撮影原理…………H・H・-…・・…...・H・...……H・H・-……・・…H・H・..…..25 2.8.2.2.瞬間断層写真撮影実験………H・H・...・H・..…・・・…・・…...・H・-…H・H・-…一……25 2.8.2. 3.連続断層写真撮影実験…H・H・-一………H・H・-……H・H・-…..…...・H・-………26 2.8.2.4.ピクセルサイズ計測…...26 2.8.2.5.画像処理...・H・..…・…H・H・-…・・…・・…………H・H・...………..26 2.9.混合気名…H・H・-…H・H・-…H・H・-…...・H・...……...・H・...27
QJ 9J Qノ QJ 9ノ ハU AV ハV ぷV バV 勺I 00 00 今ム
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4.水素添加混合気の乱流燃焼特性....・H・...48 4. 1.まえがき....・H・-…・……-…-…...48 4.2. 実験装置及 び手法………H・H・-……H・H・-……一…・・…H・H・-…・…・…H・H・-…・・……H・H・...48 4.2.1. 実験装置……...・H・-…H・H・..…...・H・...…・…...・H・-………...・H・...・H・-…...….48 4.2.2. 実験手法.…-一………一…H・H・-…ー…・・...48
11
4.2.3. 混合気組成...49 4.3. 実験結果及び考察..…・……H・H・-…...49 4.3. 1. 乱流燃焼特性…H・H・...…・・…...・H・...……・・・・…・…...……・・…・…・…・・……H・H・-…....49 4.3.2. 選択拡散効果に基づく検討……H・H・...・H・-…H・H・-…・・……H・H・...・H・-…・・……52
(1)一成分燃料混合気…・・………...・H・-…一...52 (2)水素添加混合気……...53 4.4. 結論..…...・H・..…-…H・H・-…H・H・-…H・H・...56
5. 予混合乱流火炎の形状特性解析.…・…・・・…・…・…H・H・...……H・H・-…H・H・...……・・...・H・-…・・・…...57 5. 1. まえがき...57 5.2. 実験装置及び手法...・H・-…...・H・...・H・...…...・H・-…...・H・....・H・...・H・-…H・H・....・H・...57 5.2. 1. 実験装置……H・H・-…H・H・...57 5.2.2. 実験手法..……H・H・-…一…・・……・・…-…-…H・H・-…………H・H・...……-・・....・-…・・……..57 5.2.3. 混合気組成…H・H・-…H・H・-…H・H・...…・…...・H・-……H・H・-………H・H・...・H・-…H・H・..58 5.2.4. 乱れ場の条件…H・H・...…・…・…・・・・…....・H・...………....…-…・・…-…...・H・-…...・H・-…58 5.3. 実験結果及び考察…H・H・-…H・H・-…H・H・-…H・H・-…・・…...・H・...……H・H・...・H・...……H・H・...61 5.3. 1. 火炎構造の観察…H・H・..…・…・・・H・H・...…...・H・...・H・-…H・H・-…・・…...・H・....・H・-…….61 (1)燃料-酸素-希釈剤混合気………H・H・...……H・H・...…・…・…H・H・-…・・…・・…H・H・-…・….61 (2) 水素添加混合気…・・…H・H・..…・・・…………・…・…...・H・...……・・…・・…・・…・・・・……H・H・.62 5.3.2. 乱流火炎表面積…H・H・-…一…・・…H・H・...・H・...・H・...……H・H・...・H・...……H・H・...……63 5.3.2. 1. 解析手法………・・……H・H・...…・…・…・・……・・………..63 5.3.2.2. 解析結果.…...・H・...・H・...・H・-…H・H・...……...・H・...・H・...…・・……H・H・..…...65 5.3.3. 乱流火炎の局所形状特性.…・・……・...6 8 5.3.3. 1. 解析手法.…・...6 8 5.3.3.2. 解析結果…H・H・...…...71
(1)領域比Zu/Zb・....・H・-……H・H・-…ー・……H・H・-…・・……H・H・-…・…・…H・H・...…・・……… 73 (2)火炎面形状スケール...75 5.3.4. 特性時間の影響…H・H・...・H・-…H・H・...…...・H・-…H・H・-…H・H・...・H・...・H・...・H・-…76 5.4. 結論..…...・H・..…...・H・..…・…・…・…...・H・-…・・・…・…・・・・……H・H・-…・・…H・H・-…...・H・..…..7 9
今ム ペ，ム ヴム 今ム 今4 43 9 9 9 9 9
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響影
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: ι 工
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1 2 6 6 6
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111
6.2.4. 乱れ場の条件.……・・………...・H・-…・...93
6.3. 実験結果及び考察...・H・-…"...・H・-…H・H・...……・・・…・…H・H・...……H・H・...・H・...・H・-…....95
6.3. 1. 火炎構造の観察………...・H・-…・・…H・H・...・H・-…・・…H・H・..……95
(1)燃料ー酸素ー窒素混合気...・H・...・H・-…・・…・・・…・…H・H・-…・・…・・…H・H・-…...・H・-…H・...95
(2)燃料ー酸素ー希釈剤混合気...・H・-…・・・・……・・・・…・・…………H・H・-…H・H・-…H・H・...…・…・95
(3)水素添加混合気…・・…・・...96
6.3.2. 局所燃焼速度特性..……H・H・...・H・...・H・..…・…・・・…・・・…...・H・-…・・…H・H・-…...・...97
6. 3. 2. 1. 解析手法…H・H・...……H・H・-……H・H・...97
6.3.2.2. 解析結果.…………H・H・-…H・H・-…一...………H・H・-…H・H・...・H・-…・・・…・・….100 (1)燃料-酸素ー窒素混合気…H・H・-…・・・……H・H・-…H・H・...……H・H・..…・・…・…H・H・...……100
(2)燃料ー酸素ー希釈剤混合気…H・H・...……H・H・..…・・…・…H・H・-…・・・・…・…・…H・H・-…H・...105
6.3.3. 火炎伸張の影響…H・H・...108
6.3.3. 1. 解析手法…...108
6.3.3.2. 解析結果…H・H・...・H・-…H・H・-…H・H・...・H・-…...・H・-・・H・H・....・H・-…...・H・...・H・.109 6.3. 4. 局所燃焼速度特性の与える乱流燃焼速度への影響……H・H・...……H・H・-…..111
6.3.5. 火炎発達に伴う局所火炎速度の変化....・H・-……....・H・...・H・..…...・H・...・H・...・H・.114 6.4. 結論...116
7. 結論…H・H・...137
参考文献...・H・...……H・H・-…・・・…・…H・H・-…・・…...・H・-一……一…...・H・-…H・H・..…...・H・-…H・H・..…140
謝辞....・H・-…...148
付録…H・H・..…・・…・……・・…・・……H・H・-…...・H・-…・・………...150
A. 1. トレーサ粒子の気流追従性…・……...150
A. 1. 1. 計算条件……・………....・H・-…...150
A. 1. 2. 解析手法...，...・H・・・H・H・...・H・...・H・...・H・...・...150
A. 1. 2. 1. 運動方程式の選択...・H・-…H・H・...・H・-……...・H・...……...・H・-…...・H・...150
A. 1. 2. 2. Stokesの法則...151
A. 1. 3. 計算結果及び考察…………・・………H・H・-……….151
A.2. ローパスフィルタにおける敷居値の決定....・H・-…....・H・...・H・H・H・-…...・H・...・H・-….152 A. 2.1. 検討手法………H・H・-…・・……H・H・...・H・..…・・…・…………H・H・-…・・…H・H・...153
A. 2. 2. 解析結果..……H・H・-…...・H・...・H・-…H・H・-…・・・・…・・……...・H・...……H・H・..…・…..153
lV
記号
本論文で用いた主な記号を以下に示す.
記号
A :局所火炎領域の微小面積[m2]
α。 :熱拡散率[m2/s]
AL :層流火炎面積[m2]
Ar :苦し流火炎面積[m2]
Cp :定圧比熱[kJ/kg . K]
Da
:ダムケザ(す手)
[-]Dd :不足成分の拡散係数[m2/s]
DF :燃料の多成分系拡散係数[m2/s]
DM :希釈斉Ijの多成分系拡散係数[m2/s]
Do :酸素の多成分系拡散係数[m2/s]
Ds :反応物のうち、 拡散速度の比較的大きな分子[ー]
Dw :反応物のうち、 拡散速度の比較的小さな分子[ー]
Kα :ヵーロい数
(
=�� 五J
λg SLO [-]向 :一般火炎伸張率
(
=旦SLO A 5tリ )
[-]Le 不足成分の拡散係数中くルイス数
(
=�:)
[-]LJ :縦方向積分尺度[m]
Mb :既燃ガスの平均分子量[g/mol]
Mu :未燃ガスの平均分子量[g/mol]
Po :初期圧力[Pa]
pdf :確率密度関数[ー]
Pm :定容理論断熱燃焼圧力[Pa]
Pr
:局所火炎半径[m]
:燃焼室容積の等価半径[m]
:一般ガス定数[J/mol • K]
:既燃部面積の等価半径[m]
:主燃焼室容積の等価半径[m]
γ
) O A C
η
R R R
Re
:既燃部周長の等価半径[m]
:局所火炎速度[m/s]
:平均火炎速度[m/s]
:苦し流燃焼時の平均局所燃焼速度[m/s]
:層流燃焼速度[m/s]
:乱流燃焼速度[m/s]
:初期温度[K]
:定圧断熱燃焼温度[K]
:定容断熱燃焼温度[K]
:未燃ガス流速[m/s]
:乱れ強さ(流速変動成分の自乗平均値) [m/s]
:局所伝ぱ速度[m/s]
:分子量[kg/mol]
:炭化水素燃料分子中の炭素の原子数日
:希釈斉iJののモル数[ー]
:酸素のモル数[ー]
:炭化水素燃料分子中の水素の原子数[ー]
:乱流火炎面上において、 負の曲率を持つ解析点の個数日
:乱流火炎面上において、 正の曲率を持つ解析点の個数[ー]
:火炎帯厚さ[m]
:乱流燃焼時の平均当量比変化量[ー]
:水素添加率[ー]
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中
:当量比(総合当量比)I =� 寸ノ ー んI
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SLO [mηK :コロモゴロフ尺度
[
ー( : J
�1何]
K :比熱比[ー]
λg
:ー側一
λ :熱伝導率[W/m . K]
μ :粘性係数[Pa · s]
V :動粘性係数[m2/s]
p 火炎曲率
(
寸)山ρb :既燃ガス密度[kg/m3]
ρu :未燃ガス密度[kg/m3]
σ :分子直径[A]
ú) :遠心ファン回転数[rpm]
添え字
。 :層流燃焼状態
b :既燃ガス
F :燃料分子
L :選択拡散効果を考慮した乱流燃焼状態
m :局所平均
M :希釈剤
。 :酸素分子
u :未燃ガス
Vll
List of Tables， Figures and Photographs
TabIes
Table 1. 1 Effects of Flame Curvature on its Characteristics [河村ラ1993]・ … ...・H・-… H・H・...・...1 0 Table 2. 1 Characteristic Values ofEach Molecule....・H・...22 Table 3. 1 Properties ofMixtures (Group 1) … … … … ....・H・-… -… … H・H・.. … ...・H・....・H・....・H・-… 31-32 Table 3.2 Properties ofMixtures (Group II)... 33 Table 3.3 Characteristic Values ofEach Molecule....・H・...39 Table 4.1 Properties ofMixtures. … ....・H・...50 Table 5. 1 Properties ofMixtures.. … ...59-60 Table 6. 1 Properties of Mixtures ... ... ... 64 Table 6. 2 Properties of恥1ixtures… … ...99 Table 6. 3 Z)Zb… ...・H・.. … ...・H・.. … ...・H・...・H・... … ....・H・.. … … … … ...・H・-… ....・H・....・H・...・H・... … H・H・.1 04 Table 6.4 Zu/Zb… ....・H・...・H・.. … ...・H・.. … … … ....・H・... … … … ・ … ...・H・.. … ...・H・.. … ...・H・...・H・...・H・-… 105 Table A. 1 Properties of Gases . … ...150
Figures
Fig. 1 . 1 Combustion Regimes of 3 Reg ion Model [水谷，1989 ] … … ・ … H・H・...・H・H・H・-… ...・H・-… ・4 Fig. 1. 2 Characteristic Parameters of Premixed Turbulent Con1bustion [BRA Y， 198 0]… ....・H・.6 Fig. 1. 3 Characteristic Parameters of Premixed Turbulent Combustion [ ABRAHAM， 1985].. 6 Fig. 1 . 4 Schematic View ofThermal-Diffusive Instability [WILLIAMS， 1985]・ … ....・H・-… ・ … …7 Fig. 2. 1 A Combustion Chamber and Perforated Plates.… ...13 Fig. 2. 2 B Combustion Chamber and Perforated Plates. … ...13 4 Fig. 2. 3 Basic Experimental Setup.…….い….口.…….い…….一…….口…….υ…….υ…….υ…….日…….い…….一…….日…….日…….い…….い…….日…….日…….い…….υ…….υ…….リ…….い…….一…….……….一…….い…….一…….リ…….い…….υ…….ハ…….……….口…….い…….υ…….日…….日…….υ…….い…….……….日…….υ…….ハ…….υ…….υ…….υ…….ハ…….“…….υ…….い…….一…….……….日…….い…….υ…….一…….口…….υ…….い…….一…….υ…….υ…….口…….一…….口…….υ…….日…….一…….υ…….υ…….ハ…….い…….日…….υ…….い…….い…….一…….い…….い…….一…….υ…….υ…….υ…….日…….υ…….υ…….日….口.1凶 Fig. 2. 4 A Circuit for Controlling Fan Sp戸ee吋d.……….口…….υ….口..…….υ……….υ…….日…….い…….υ……….υ…….一…….い…….υ…….υ…….日……….い…….υ…….口…….. ……….い…….υ……….川……….日……….い…….υ…….日……….日…….い…….υ…….υ…….一…….い…….υ…….日…….い…….い…….い…….一…….日……….い…….υ……….υ……….日……….い…….リ…….日……….い……….口…….い……….川……….日…….い…….日…….リ…….. …….口…….υ…….口……….. ……….口…….υ…….υ…….日…….い…….υ……….口……….日……….一…….υ……….リ…….日….い.1行5 Fig. 2. 5 A Circuit for Ignition.…….υ….υ..…….い….い.…….υ…….υ…….い…….日…….口…….日…….い…….い…….υ…….υ…….一…….い…….υ…….い…….い…….υ…….け…… .. …….い…….υ…….υ…….υ…….υ…….日…….い…….一…….い…….υ…….υ…….υ…….υ…….υ…….υ…….υ…….一…….υ…….υ…….日…….い…….υ…….υ…….υ…….い…….日…….υ…….リ…….υ…….口…….υ…….リ…….υ…….い…….υ……..…….υ…….υ…….υ…….日…….υ…….υ…….υ…….υ…….い…….υ…….υ…….υ…….υ…….υ…….υ…….υ…….υ…….υ…….υ…….υ…….υ…….υ…….υ…….い…….一…….日…….υ…….υ…….υ…….υ…….り…….υ…….υ…….υ….υ.1凶5 Fig. 2. 6 Schematic View 0ぱfLaおse釘rTomography System 1 .…….い….口.…….一…….一…….口…….口…….一…….一…….日…….口…….い…….口……..…….日…….υ…….い…….口…….υ…….υ…….口…….口…….υ…….υ…….日…….υ…….υ…….υ…….一…….口…….υ…….υ…….υ…….υ…….υ…….υ…….υ…….υ…….υ…….日…….い…….口…….υ…….υ…….一…….日…….υ…….日…….υ…….υ…….υ…….. ….一.1げ7 Fig. 2. 7 Basic Experimental Setup 0ぱfLa邸se訂rTomography S匂うys坑tem 1.一…….い….υ..…….. ….υ..…….日….い..…….い….υ.. …….υ….υ .. …….υ….い.υ…….一…….い…….υ…….い…….一…….口…….い…….リ…….リ…….日…….い…….日…….口…….υ….υ.1は8 8 Fig. 2. 8 Signal Timing Ch恥ronoぬogra叩phs.……..….い..…….一….一"…….υ….口..…….い….一.…….リ…….い…….一…….υ…….リ…….υ…….い…….日…….日…….日…….い…….い…….……….一…….一…….い…….リ…….口…….口…….υ…….日…….い…….い…….げ…….υ…….い…….一…….リ…….い…….一…….一…….一…….……….口…….口…….日…….口…….日…….い…….υ…….口…….日…….い…….口…….日…….日…….い…….υ…….リ…….υ…….い…….υ…….υ……..…….い…….υ…….υ……..…….い…….日…….υ…….い…….い…….υ…….リ…….. …….一…….一….リ. 1は Fig. 2. 9 Schematic View 0ぱfLaおse釘rTomog raphy System 2 .…….い….い.. …….一….υ.…….υ…….リ…….υ…….υ…….υ…….一…….υ…….υ…….い…….一…….υ…….υ…….日…….一…….い…….υ…….日…….い…….υ…….υ…….υ…….一…….口…….リ…….υ…….い…….υ…….υ…….υ…….υ…….υ…….υ…….い…….一…….一…….υ…….υ…….い…….. …….υ…….υ…….υ…….い…….り…….日….一.20 Fig. 2. 1ωo Basic Experimental Setup of Laser TOlnogra叩phy Sy戸st旬elTI2.…….υ….口.. …….口….口.. …….日….い.. …….υ….口.. …….日….一.…….い…….υ…….υ…….υ…….い…….一…….一…….. …….口…….リ…….. …….日…….口…….口…….. …….口….日.20 Fi氾g.3. 1 Tur江rbulen凶1t Bu町m1凶1甘ing VeloωCl凶tie白S (CH4/02バ/江In即er抗tGaωs).…….日….い.. 一…….υ….υ.. …….日…….υ…….い…….日…….υ…….い…….ハ…….口…….一…….い…….一…….一…….一…….い…….い…….一…….υ…….い…….ハ…….リ…….υ…….い…….日…….日…….日…….い…….一…….一…….リ…….υ…….い…….一…….日…….い…….ハ…….υ…….り…….い…….υ…….υ…….い…….υ…….ハ….い.34 Fi氾g.3.2 Tu町rbulen凶lt Buming Velo∞citie凶s (C2H6/02/江Ine此Gaおs， SLO=15cmls) .…….口….υ.. …….口….い..…….日….い..…….日….い.…….υ…….日…….υ…….υ…….一…….日…….い…….一…….υ…….日…….い…….け…….υ…….日….い.34 Fi氾g.3. 3 Tur巾bu叫llen凶1t Buming Veloci凶tie白S (H2/02ジ/Ine抗Ga俗s).…….い….い.…….日…….υ…….口…….い…….υ…….一…….日…….υ…….υ…….υ…….υ…….い…….日…….い…….い…….一…….υ…….い…….い…….υ…….υ…….い…….い…….υ…….υ…….い…….日…….い…….い…….い…….日…….υ…….υ…….υ…….υ…….一…….υ…….υ…….リ…….υ…….υ…….υ…….υ…….υ…….υ…….υ…….υ…….口…….一…….い…….υ….υ.35 Fi氾g.3.4 S仇che碍em今 a瓜ti比cVi民ewoぱfMeωcha羽ani註Isn10ぱfPr印e:b白er閃enti悶凶a剖lD町i 伍1凶S幻 lon.…….υ…….υ…….υ…….一…….υ…….υ…….υ…….一…….口…….い…….一…….一…….υ…….υ…….υ…….υ…….υ…….リ…….υ…….川…….い…….υ…….一…….一…….一…….υ…….い…….一…….υ…….リ…….い…….一…….υ…….口…….口…….い…….υ…….い…….い….一.3冗8 Fi氾g.3. 5 Turbulen凶lt Burn註ing Velocities of Group II乱Mi以xtωur印es.…….υ….い.. 一…….υ…...…….日….い.. …….口….い.. …….υ….い..…….リ….い..…….υ….い..…….υ….υ.. …….υ….い.. …….υ….い.. …….日….い.. …….υ….い..…….υ….い.40
Vl11
Fig. 3. 6 Laminar Burning Velocities of Group III Mixtures … … ....・H・ -… ...・H・ . ...・H・ . ....・H・ ....・H・ .41 Fig. 3. 7 Relationship between DF/Do and δ(jJ...42 Fig. 3. 8 Variation of SdSLO with Equivalence Ratio ゆ … . ..・H・ ...・H・ . .… … … … … ...・H・ ...・H・H・H・・- ・42 Fig. 3. 9 Contour Lines of Laminar Burning Velocity with Molar Ratio of Nitrogen to Oxygen
and Equivalence Ratio …H・H・ ..…・ … … …H・H・ -… 一 … ...・H・ . . .…・ …H・H・ -…H・H・...・H・H・H・ -… 43 Fig. 3. 10 Comparisons of DF/Do and DM/Do ofEach Gas .…….い….い.…….υ…….υ…….υ…….日…….い…….日…….い…….日…….υ…….日…….υ…….υ…….υ…….υ…….υ…….υ…….υ…….υ…….υ…….υ…….υ…….日…….υ…….υ…….い…….υ…….リ…….い…….υ…….口…….υ…….日…….υ…….υ…….一…….υ…….い…….υ…….υ…….川…….υ…….日…….い…….リ…….υ…….υ…….υ…….υ….υ. 46 Fig. 4. 1 T刊u r巾bu凶le叩nt巾Buぽl汀r凶n略g Velocities (にCH払4店瓜-hジ/0仇2冷川J七2，$足臼ωL0=15先cm凶Is吟).……….日…….い….リ.. ……….日…….υ….υ. . ……….リ…….日….日……….υ……….υ……….日……….口……….口……….一……….日……….い……….日……….一……….日……….υ……….日……….υ……….日……….υ……….日……….υ……….υ……….υ……….υ……….口…….口….υ.5引1 Fig. 4. 2 Turbulent Burning Velocities (C3占H込8νIH陀2/02介/爪子N七2ラ 砂ø=1 .14， $昆品Lω0=1 5先cm凶/危S吟).……….一…….い….υ. .……….い…….い….リ..……….い…….川….日..……….川…….日….い.. …….日….日.5引1 Fig. 4.3 Estimated Values ofPr閃eb島er印en凶1ti凶al Diffu悶S幻ion E百ecはt.…….υ….一..…….υ….υ..…….い….日..…….υ…….υ…….日…….口…….い…….口…….口…….口…….υ…….一…….口…….口…….口…….日…….日…….い…….リ…….口…….. …….い…….げ…….日…….日…….日…….い…….υ…….日…….い…….υ…….口…….日……..…….υ…….リ…….日…….い…….υ…….一…….日….口.5幻2 Fig. 4. 4 Contour Lines of Laminar Burning Velocity with Molar Ratio of Nitrogen to Oxygen
4 a如nd Equivalence Ratωiぬo.……….一…….一….一 .. ……….い…….一….日..……….口…….υ….日..……….υ…….υ….い .. ……….υ…….日….い.. ……….日…….い….リ..……….口…….日….い..……….日…….υ….口..……….υ…….υ….い..……….υ…….υ….υ.. ……….υ…….υ….υ .. ……….υ…….υ….υ . . ……….υ…….υ….一..……….日…….一….日..……….い…….υ….υ..……….口…….日….口..……….い…….υ….口..……….日…….υ….い .. ………..…….υ….い...5臼 Fi氾g.5. 1 Defi白init io ∞noぱfRL叩dRんA.……….い…….口….日..……….ハ…….υ….υ.. ……….日…….い….い..……….一…….υ….い.. ……….い…….い….一.. ……….い…….υ….υ..……….日…….日….υ .. ……….υ…….い….υ..……….い…….日….リ..……….口…….日….υ..……….υ…….日….υ .. ……….日…….υ….υ..……….い…….υ….日.. ……….い…….日….日..……….一…….日….い .. ……….日…….い…...……….い…… .. ….日..……….い…….一….リ.. ……….……….υ….υ.6ω 4 Fi氾g. 5.2 Va訂n凶a剖tiぬon oぱf(伏RLμIRA)2 W叩it出h Pressu町re釦d(RんA/戊RC)3 .…….日….日.. ……..….日..い…….リ….日..…….υ….日..…….日….日..一…….リ…...…….口….日..…….口….日.. …….υ….日.. …….υ….日..…….υ….日..…….υ….日.. …….υ….日..….日.6“4 Fi氾g.5. 3 Va訂n悶ation of (RLμ/Rバd)2Wi抗th砂(CHJ021江Ine抗Gasの) .…….υ….υ..…….日…….υ…….日…….日…….υ…….リ…….υ…….日…….日…….υ…….υ…….口…….口…….υ…….. …….υ…….υ…….υ…….υ……..…….口…….リ…….い…….. …….日…….υ…….υ……..…….口…….日…….υ…….口…….日…….υ…….υ…….口…….υ…….日…….日…….一…….口…….い…….日…….日…….日…….υ…….υ…….口…….口….日.66 F日ig.5.4 Va紅riation of (RLμ/Rバβ)2 wi江th砂(H2ジ/02ν/Iner此t Ga俗s).…….一….口.. …….日….υ.. …….日….い.. …….一….υ..…….υ….日.. …….一….い.. ….一 .. ….υ . . …….υ….υ . . ….い..…….υ….υ.. …….υ….い.. …….日….日.. …...…….一….日. .….υ.67
F恥i氾g.
5. 5 Variat悶削a剖tion∞n oぱf(伏RμバRん バJ) y
2 WMit白h砂(σFu∞e1lH2ρ/沿021In江品ne剖rtGωas吟).………….υ……….υ…….υ………….日………….υ………….υ………….け………….日………….い………….υ………….け………….日………….い………….リ………….. ………….日………….い………….υ………….口………….. ………….口………….口………….日………….日………….い………….υ………….υ………….. ………….口………….日………….日………….日………….い………….υ………….日………….い………….い………….日………….υ………….日………….い………….υ………….口………….日………….い………….リ……….川…….い…..6♂7
Fi氾g.5. 6 Illus狩仕atio∞noぱfAnalyうysis on Local C町V刊a印r陀e.……….日……. . ….口.. ……… . . …….口….… .. ……….υ…….日….日. . ……….……….日….い .. ……….日…….口….い..……….い…….口….日..……….υ……….リ……….日……….口……….υ……….日……….日……….い……….υ……….υ……….日……….い……….υ……….リ……….い……….日……….υ……….口……….い……….い……….………….リ……….一……….一……….一……….………….日……….い……….口……….日…….日….い.6ω9
F日ig.5. 7 Conぜ凶f五19ura司a侃矧lion ofF日lameFron凶1t.…….υ….い. . …….い….υ.…….い…….い…….日…….υ…….υ…….い…….υ…….υ…….υ…….一…….υ……..…….υ…….υ…….口…….υ…….日…….υ…….い…….一…….一…….一…….υ…….い…….υ…….い…….一…….. …….υ…….い…….υ…….υ…….一…….υ…….υ…….υ…….υ…….υ…….い…….υ…….い…….υ…….υ…….υ…….υ…….υ…….υ…….υ…….い…….υ…….υ…….υ…….日…….υ…….い…….日…….日…….υ…….日…….υ…….い…….υ…….口…….υ…….日…….υ…….υ…….υ…….υ…….り…….υ…….υ…….υ…….一…….υ….υ.72 F均i氾g.5.8口Pdぽfoぱft批heLocωa剖lF日la釧I立meCuぼrrv刊atur江re (にCH弘4/021I江Iner此t Ga紙S丸， 砂ø=o.フ7， υjω，'/ツS血仏Lω0=2.36均6の).………….日……….い…….リ………….υ………….υ………….い………….υ………….一……….日………….υ………….υ……….一…….日….い.7η2 Fi氾g.5.9PdfoぱfLo∞cal F日lame Curvat刷ur民e (但H2/Oω2必1児er吋tGお紙， 砂ø=0.5， U�“'/S足1.0=2.80め) .……….口…….リ….日.. ……….日…….日….い.. ……….日…….い….口..……….い…….一….口..…….υ….日.7η2 Fi氾g.5.1ωOVa釘n悶ation of ZuIノ/2.みbwi江th砂φ.…….一…….υ…….υ…….υ…….υ…….υ…….υ…….日…….い…….日…….い…….日…….υ…….い…….υ…….日…….い…….口…….υ…….日…….い…….い…….い…….日…….い…….υ…….い…….υ…….υ…….日…….υ…….い…….い…….一…….い…….υ…….い…….υ…….υ…….υ…….υ…….υ…….リ…….υ…….υ…….一…….υ…….. …….一…….υ…….υ…….υ…….一…….υ…….い…….υ…….υ…….日…….一…….一…….一…….一…….一…….υ…….い…….υ…….い…….口…….υ…….υ…….υ…….υ…….リ…….日…….υ…….υ…….υ…….υ…….υ…….川…….υ…….い…….υ…….. …….い…….リ…….υ…….υ….い.74 Fi氾g. 5. 1日1V:泊ana悶atωiぬon郎sof口Lum〆/Lんl'如mdLんbか伽m/Lんjwitぬh砂φφ.口……….い……….リ……….い………..……….υ……….υ……….い……….口……….い……….一……….一……….一……….い……….一……….い……….口……….υ……….い……….υ……….υ……….υ……….口……….い……….υ……….υ……….い……….υ……….. ……….い……….υ……….υ……….υ……….日……….υ……….υ……….υ……….い……….リ……….い……….口……….口……….日……….口……….日……….口……….υ……….………….. ……….日……….………….υ……….口……….υ……….υ……….υ……….口……….υ……….い……….υ……….い……….口……… .. ……….一……….口……….い……….日……….υ…….υ….υ.7乃5 Fi氾g. 5. 1 2 Varia瓜tiωon of(Rd戊'RA)2 with U'/SL却o .….υ.，…….リ….い.…….口…….口…….い….υ…….υ…….日…….υ…….日…….日…….日….υ…….υ…….い… .. …….一….日….い… .. …….一….日…….υ….υ…….日…….υ….い…….什…….い…….口…….一…….口…….日…….υ…….一….日…….一….一…….一…….口…….い….い….一…….日…….υ….日…….一….日…….日….日….口….日…….口….日…….日…….日…….口…….日…….口…….日…….υ….υ…….口….い…….日….日…….口…….日…….一….υ….口…….υ….υ.76 Fi氾g. 5.1日3 Va如na悶a瓜矧tio∞noぱfZみulZ，みbW叩it出h u�“//ツ'ISLωo (にCH4/Oα2江品ne倒r此tGaおS， 砂炉=0.7η) .……… .. …….日….υ.. ……….日…….い….υ.. ……….い…….υ….υ..……….υ…….口….日. .……….日…….日….い..……….日…….い….υ.. ……….い…….一….日..……….い…….川….日. .7打7
Fi氾g. 5. 14 Varia矧lion 0ぱfLムιuω仰附Jm/L今1an凶l吋dLιbm〆/μ/L々1w叩it出hμ V汚SLωo(作CH弘4/02ジ/Ine凶r坑tGaおs， 砂ø=0.フ7η) .……….υ…….い….日..……….い…….υ….リ.. ……… .. …….υ….υ .. ……….υ…….υ….υ... 7打7 Fi氾g.5.1臼5 Proぬba幼bi凶il出lities of over 3 Pe討紘仁岱s Deteωct旬ed b防y Ion Pro刀obe Method.…….υ…….υ…….日…….口…….日…….一…….υ…….υ…….日…….一…….υ…….υ…….υ…….υ…….日…….. …….υ…….υ…….日…….口…….い…….い…….一…….口…….い…….υ…….日…….い…….一…….υ…….υ….υ.7打7
Fi氾g.5. 1凶6Cαha訂raωct匂ens坑ti比cPa紅ra紅met匂ers 0ぱfPr陀eml以xe吋d Tu町1汀rbulen凶1tCombu凶stion.…….υ….口.. …….け….口.. …….い….υ..…….υ….口 .. …….口…….口…….υ…….日…….日…….. …….υ…….日…….日…….口…….日…….い…….υ….….7冗8 8 Fi氾g. 6.1 F日la組n1臼eFron凶1t a叩nd Movemen凶l此t VectoωrMa叩P (H2/02ρ冷川J七2， u�“，�げFツ'IS段Lo=2.36) .一…….一….日. . …….い….υ. . …….川….υ. . …….υ….リ. . …….υ….日..…….υ….υ. .…….一…... 9兜
F日ig.6. 2 Va紅n悶ation of(Rd戊Rバβ)2 wit白h (RA〆/RC)3.…….い….口. . …….い….υ..…….い….い. . …….口….い .. …….日….υ. . …….い….日. . …….い….い. . …….υ….口..…….い….い .. …….い….い. . …….い….一. . …….一….い..…….一….υ..…….い….υ..…….い….υ. . …….い….υ. . …….υ….υ . . …….口….υ. . ….日.100 Fi氾g.6. 3 F日la細me Fron凶lta如nd Moveme叩ntVI泌ecはωtωOωrMa叩p(作C3舟Hg/Oα2冷別J七2， 砂ø=1 .1凶4，u�ω，，'/SLO=O的).……….υ…….日….υ.. ……….υ…….い….日.. ……….υ…….日 ….い .1 01 Fi氾g.6. 4 F日lamτne Front and Movement VecはtoωrMa叩p(σFu閃elν/02斤別J七2， U ツ汚SLω0=2.36の) .…….一….… .. …….υ….日..…….日….υ .. …….日….口.…….口…….い…….い…….日…….一…….υ….一.1 01 Fi氾g.6. 5 Pdf 0ぱfLoωcal Flame Curva侃lu山rre a組nd Dis凶t白11均bu凶ltÍぬon 0ぱfLocal Flame Velocitηy (にC3Hg/02冷川J七2，
砂ø=1.14，uω'恨'I/，SLO=oめ).……….υ…….い….日.. ……….υ…….υ….υ .. ……… .. …….υ….υ..……….υ…….υ….い.. ……….υ…….υ….一.. ……….い…….口….υ..……….υ…….υ….υ..……….υ…….い….υ.. ……….υ…….い….日.. ……….υ…….い….υ..……….口…….い….リ..……….い…….口….一..……….い…….υ….υ..……….υ…….一….υ.. ……….υ…….い….υ..……….υ…….日….い .. ……….υ…….υ….い..……….い…….υ….υ.. ……….口…….口….い..……….い…….υ….υ.. 一…….υ….一.10ω2 Fi氾g.6. 6 Pdf of Local F日la釦me Cu山l江I、-va瓜II山lr右e and Diおst廿n泌bution of Local F日la紅me Velocity (Fuelν/02冷d七2，
u'/SLO=2.36 ) .一….日 .. …….い….け .. …….い….口 .. …….一….υ .. …… . . ….υ .. …….日…….口…….υ…….日…….口…….口…….リ….υ…….い….日…….υ…….い…….日…….口…….υ…….リ…….口…….口…….υ…….日…….い….口…….υ…….口…….一…….υ…….一…….υ…….一…….日…….υ…… .. …….υ…….口…….口…….υ…….υ…….口…….一….υ…….日…….日….υ…….日…….υ….口…….υ…….日…….υ…….口…….υ…….口…….い…….υ…….日…….日…….一….υ…….日…….い…….……….υ…….い…….日…….い…….υ…….リ…….υ…….口…….口…….い….日…….一…….υ…….リ…….い…….日…….υ…….υ….υ…….一…….い…….υ….い.102-103 Fi氾g.6. 7 Flame Fron凶11 and Movement VecはtoωrMap (CH4/021江Ine抗Ga俗s， u�ツ'IS昆ILO=2.36め) .…….日….い .. …….い…….υ…….い…….一…….υ…….υ…….υ….一.106
lX
Fig. 6. 8 Pdf of Local Flame Curvature and Distribution of Local Flame Velocity (CH4/021Inert Gas， u'ISLO=2.36)...106 Fig. 6. 9 Illus廿ation of Analysis on Local Flame Stretch .…….υ…….日…….υ…….υ…….い…….日…….一…….い…….リ…….. …….日…….日…….い…….日…….一…….口…….い…….い…….い…….υ…….υ…….υ…….一…….日…….川…….υ…….υ…….υ…….υ…….日…….υ…….口…….日…….口…….一…….い…….一…….口…….口…….日…….口…….日…….口…….日…….υ…….. …….日…….い…….υ…….日…….一…….υ….υ.1 09 Fig. 6. 1ωo Schematic View of an Element on the Flame Surface.…….一…….一…….日…….い…….ハ…….川…….日…….い…….υ…….リ…….υ…….υ…….口…….日…….日…….い…….口…….日…….日…….い…….υ…….川…….. ……..…….い…….一…….υ…….い…….υ…….口…….日…….い…….い…….リ…….υ…….い…….υ…….日…….“…….い…….日….日.1ω09 Fig. 6. 1日1 Pdf 0ぱfLocal Flame Cun、v司at印ur陀.右e and Distribution of Local Flame Stretch (σFu∞I児elν 102ρI庁/守N七丸2む'
u'ISLO=2.36) .... .. …….口….い.. …….υ….日.. …….υ….い.. …….υ….υ .. …….い….υ...…….口…...…….一….日..…….υ….リ...…….υ….一...…….υ….日....…….リ….υ.. …….υ….υ...…….υ….一...…….一….日.. …….υ….日.. …….υ….い....…….υ….υ....…….一….い.. …….一….い.. …….υ….υ .. …….リ….い...110 Fig. 6. 1口2 Pdf 0ぱfLocal Flame Curvat印ur陀.右e and Distribution of Local Flame Stretch (CαH弘4〆1021江Inertt
Gas， uツSLωO二2.36).…….υ…….い…….一…….一…….υ…….υ…….い…….一…….い…….υ…….υ…….一…….. …….υ…….い…….リ…….日…….υ…….い…….一…….い…….υ…….υ…….υ…….. …….υ…….ハ…….一…….υ…….い…….日…….い…….υ…….い…….一…….一…….口…….い…….υ…….一…….υ…….い…….口…….日…….い…….い…….い…….一…….υ…….い…….υ…….υ…….υ…….υ…….υ…….υ…….日…….υ…….い…….υ…….υ…….い…….日…….一…….日…….い…….υ…….一…….日…….υ…….口…….日…….日…….い…….. …….一…….υ…….い…….. …….一…….口…….υ…….い…….一…….日…….い…….υ…….υ…….υ…….い…….川…….い…….υ…….υ…….一…….一…….日…….い…….日…….一…….口…….υ….い.111 Fig. 6. 1η3 Turbulent Buming Velo∞Cl耐tie郎S(C3H8ν102 爪川J七2， S昆'LO= 15cmls).…….一….日.. …….日….日..…….日….日.. …….日….υ.. …….日….い.. …….日….日.. …….リ….日.. …….υ…...…….一….日..…….川….日.11ロ2 Fi氾g.6.1凶4 Va紅如n悶ation of SF， m〆ISF，m爪，Pl14 wi江th 砂.…… .. ….口.. …….口…...…….一….口..…….υ….リ.. …….υ….い..…….υ….υ.. …….口….一.…….口…….υ…….日…….い…….日…….口…….い…….υ…….口…….υ…….日…….い…….口…….リ…….υ…….一…….日…….い…….日…….口…….υ…….υ…….υ…….υ…….い…….リ…….日…….口…….口…….日…….υ…….一…….日…….口…….. …….い…….日…….υ…….日…….い…….υ…….υ…….口…….い…….日…….υ….日..11ロ2 Fi氾g.6. 1行5 Tuぽ1江rbulen凶1t B旧n凶1世ing Velocitie白S (C�/02ジIIner此t Gas丸，S，昆'LO=15cml危s).…….υ…….υ…….υ…….日…….日…….一…….日…….υ…….日…….い…….日…….い…….υ…….日…….υ…….日…….い…….υ…….日…….υ…….口…….υ…….υ…….υ…….リ…….υ…….口…….υ….口.11 3 Fi氾g.6ι.16 SF，m Nor口rmalized by SLωO.….一.. ….υ .. ….い.. …….い….υ.….一…….日…….い….川…….日….日….υ….ハ….一….υ….υ….ハ….リ….日….い….υ….日….日….い….υ….一….い….υ….口….一….日….い….υ….一….υ….υ….日…….日….日….υ….い…….リ….い….υ….υ…….日….υ….い….日…….日….い…….υ….日…….リ….υ…….υ….口….日…….υ….い….日…….一….日….い….ハ….一….日…….υ….日….日….日….い….い…….い….日….υ….υ….い….υ….υ….υ….川….υ.1口13 Fi氾g.6. 1 7 Va訂n悶ation of SF. m〆nlSLωo wi比th(RA1Rc
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Photo 5. 1 Tomograms of Turbulent Flame (CHJ02/Inert Gas)…・ …・… ....・H ・....・H・ … … H・H・...・...80 Photo 5. 2 Tomograms of Laminar Flame (H2/021Inert Gas)…・ … … … ・… ...・H ・ … ...・H・...・H・-… .81 Photo 5. 3 Tomograms ofTurbulent Flame (H2/02/Inert Gas) … ....・H・-… … ・ … … ....・H・-… … .82-83 Photo 5. 4 Tomograms ofTurbulent Flame (FuelIH2/021N2)…・ …・ … H・H・....・M・...・H ・...・H ・-…・.84・86 Photo 5. 5 Tomograms ofTurbulent Flame (CH41H2/021N2， ø=0.7， SLO=15cmls)...・H ・-… .87・89 Photo 5. 6 Tomograms ofTurbulent Flame (CHJH2/021N2， ø=0.98， SLo=15cmls)・… … H・... 90-91 Photo 6. 1 High Speed Motion Tomograms of Turbulent Flame (Fuel/02!r七， u'ISLO=2.36)
…・・117-1 21 Photo 6. 2 High Speed Motion Tomograms ofTurbulent Flame (CH4/021N2， u'ISLO=2.36) … 122 Photo 6. 3 High Speed Motion Tomograms of Turbulent Flanle (CHJ02/Ar， u'ISLo=2.36)
… ...・H・123-124 Photo 6. 4 High Speed Motion Tomograms of Turbulent Flame (CHJ02/C02， u'ISLO=2.36)
… ・・125-126 Photo 6. 5 High Speed Motion Tomogratns of LanlÎnar Flame (H2/02/Inert Gas，サ=0.5， u'ISLOニ0)
…・・・127-130 Photo 6. 6 High Speed Motion Tomograms of Turbulent Flame (H2/021Inert Gas，砂=0.5，
u'ISLO=2.36) ... 131-132 Photo 6. 7 High Speed Motion Tomograms of Turbulent Flame (CHJH2/021N2，か0.7，
u'ISLO=2.32) … … … …・…・…・ … ...133-134
X
Photo 6. 8 High Speed Motion Tomograms of Turbulent Flame (CH4/H2/021N2ラø=O.98，
u'/SLO=2.30)………...135-136
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1. 緒論
1. 1. まえがき
現在、 世界中で7億台もの自動車が使われており、 そのほとんどはいわゆるエンジン を動力源としている. これは、 エンジンがエネルギー及びノミワー密度などにおいて非常 に優れた特性を持っているためであり、 現在のところ、 汎用動力システムとしてこれに 変わりうるものは無い. これらの往復式内燃機関は燃焼が間欠的に行われるため、 構成 材料の耐熱性への要求が低く、 サイクル最高温度が20000Cを越える高温まで許される.
そのため、 比較的高い効率を狙うことができる. 現在、 火力発電プラントの最高効率は 390/0程度であるのに対し、 トラック用のディーゼルエンジンにおいては、 すでに45%を 越えるものもある. しかしながら、 近年のエネノレギー及び環境問題の解決のため、 動力 システムのさらなる改善が求められており、 特に自動車エンジンは我々の生活に身近で ある分、 社会的関心が高い.
環境問題が顕著化した1970年代以降は、 効率向上よりむしろ排ガス浄化にエンジン 技術開発の重点がおかれ、 様々な手法が開発されてきた. ガソリンエンジンでは三元触 媒システムの採用により、 CO、 HC、 NO の同時低減が可能となった. しかし、 この方式 は量論燃焼が前提であり、 絞り損失が燃焼効率を悪化させる. 損失を低減してサイクル 効率を高める立場からは希薄燃焼が望ましいが、 燃焼安定性の確保、 NOxを酸素余剰雰 囲気下で浄化する手法の確立などが課題である. 後処理技術は排ガス低減だけでなく、
高効率化を進める上で極めて重要である. リーンNOx触媒の開発が進み、NOx低減の制 約を受けることがなくなれば、 燃焼段階では効率向上だけを考慮、して燃焼を制御するこ とができる. 排ガス浄化はNOx触媒、 HC 酸化触媒、 微粒子トラップなどの後処理技術 を開発、 駆使して行う. その結果、 エンジンの飛躍的な高効率化がもたらされる可能性 がある.
これからの自動車エンジンには、 燃料自体の代替を含め高効率かっクリーンというさ らに厳しい要求が課せられており、 燃料製造能力、 インフラストラクチャ、 燃料の可搬 性、 安全性、 総合効率、 寿命、 保守性、 燃焼の制御、 さらにはコストといった条件を考 慮していく必要がある. これらの項目を高いレベルで、達成で、きる燃料と動力システムが 来る未来において実用化されていくことになるが、 すべての項目において優れたものの 見通しは残念ながら未だ得られていない. 例えば、 近未来における利用を期待されてい る天然ガスや水素エンジンは、 クリーンでかつ基本的には従来の燃焼技術で運転できる ものの、 気体燃料であることから、 燃料容器の大きさ、 重さに問題があり、 さらにイン フラの整備を要する. これに対してメタノールは液体燃料で、あり、 携帯の問題は比較的 少ないが、 腐食性と燃料の製造、 供給が不安視されている. 最近は天然ガスから安値に 製造できるDMEが高セタン価を持つことから、 軽油代替として注目されている. しカ
し、 低い粘度に伴う噴射の不安定と発熱量の不足を補う方策の確立が必要である.
以上の代替燃料はガソリンや軽油と異なる燃焼特性を持ち、 特にガス燃料は一般に希 薄側の可燃限界が大きく、 オクタン価も高いので火花点火機関の高効率化に寄与できる.
天然ガス、 水素いずれも比較的広い負荷範囲において吸気絞り全開での安定した運転が 可能であり、 特に水素で、は無負荷運転が実現で、きる. これは、 当量比が約0.2の超希薄 混合気でも点火及び火炎伝ばするためで、 このような水素の広い希薄限界を燃焼促進及 び燃焼安定性の確保にうまく利用することも有用である. しかしながら、 単位体積当た りの発熱量が低いことから吸入空気量が減少し、 正味出力は低くなる. また、 水素は高 負荷で逆火が発生し運転不能となることから、 注意して燃焼制御する必要があるなど 様々な問題も多い.
近年、 高性能燃料電池の実用化などが進んでいる. また、 エンジンとモータを組み合 わせたハイブリッド電気自動車の開発も進み、 すでに実用化されている. さらには燃料 資源の枯渇、 地球環境の悪化は進み、 このような中で、エンジンがいつまで現在の地位を 確保できるのかはしばしば議論されることである. しかしながら先に述べたように、 燃 焼機関はそのエネルギー、 パワー密度、 汎用性などにおいて、 非常に優れた特性を有し ている. これに匹敵する動力システムが突如出現しない限り、 近未来においてはその使 用が常に求められていくと考えられる. その場合、 これまで述べたような高効率化への 取り組みがさらに重要になってくる.
現在多くのエンジンにおいて、 予混合乱流燃焼が用いられている. 予混合乱流燃焼は その工業的応用性が高いことから多くの研究が現在までに行われており、 様々な乱流火 炎モデル、 乱流燃焼速度モデルが提案されている. しかしながら、 多くの因子が相互に 作用した非常に複雑な現象であるため、 予混合乱流燃焼を包括的に整理できるモデ、ルは 未だ得られていない. 本論文では上述したような問題をふまえ、 代替燃料として考えら れる水素、天然ガスの予混合乱流燃焼特性について検討し、内燃機関の性能向上を図る.
特に、 燃費改善に有力と考えられる希薄予混合気の燃焼機構に着目し、 その現象把握、
支配因子の抽出、 問題点の解決手法の提案を試みる.
本章では乱流予混合燃焼に関する従来の研究について要約し、 本研究の背景を述べる.
1. 2. 従来の研究の概要
予混合乱流火炎のモデル化、 及び乱流燃焼速度モデルの開発は、 その工業的価値の大 きさから多くの研究者によって進められてきた[STREHLOW， 1984， WILLlAMS， 1985，
LEWIS and VON ELBE， 1987]. 予混合乱流火炎は乱れ場の中に存在する化学反応帯と考 えられ、 その燃焼機構は、 乱れ、 化学反応、 熱及び物質の伝達・輸送など多くの因子が 関与した複雑な現象である. 以下ではまず乱流火炎モデ、ルに関する研究について概要を 述べ、次に上述したような乱流燃焼速度に影響を及ぼす因子、火炎構造について述べる.
1. 2. 1. 乱流予混合火炎
2
乱流燃焼場においては乱れが火炎 に影響を及ぼす. その影響については、 最初に DAMKÖHLER[1940]により詳細に検討された. DAMKÖHLER は乱れが火炎構造に与え る影響を仮説する際、 主に乱れのスケールに着目した. 彼は、 乱れのスケールが層流火 炎帯厚さよりも小さい場合には、 乱れにより火炎帯内での新たな輸送機構(乱流輸送)が 増加し、 燃焼速度は増大、 火炎帯は厚くなると考えた. このような場合においては、 乱 れの火炎形状に与える影響は少ない. 一方、 乱れのスケールが層流火炎帯厚さより大き い場合には、 乱れの速度変動に応じて火炎面に凹凸を発生させる. その結果、 火炎面積 が増大することになる. この場合、 瞬間的に見た火炎は分子輸送過程に支配され、 局所 的な火炎要素は層流燃焼速度で伝ばしており、 火炎面積の増加により乱流燃焼速度が増 大していると考えた. このように、 乱れのスケールと層流火炎帯厚さによって火炎は二 つのモデルに分類で、きるとし、前者はDist rib u tedReaction Model、後者はWrinkled Laminar Flame Modelと呼ばれている.
KL品10V[196 3]は、 統計的平均量としての流体のひずみ速度と局所的な火炎面との関 係を導いた. この考えは後に、WILLIAMS[1975， 1976， 1985]によって一般化され、ηKく�
の条件で局所的な火炎伸張により局所消炎 が発生することを理論的に導いた. ここで、
欣は乱れのコルモゴ、ロフスケール、 ゐは層流火炎帯厚さを表す. 彼は、 この火炎構造を Broken Flameと呼んだ. さらに、 Wrinkled Flame Structureが存在可能な条件として、
ηKくゐ( KLIMOV品TILLIAMSCrit erion)を提唱した
B ALLALと LEFEBVREのグループ[1975，1979 a， b， c]は、乱流火炎モデルにおけるコル モゴ、ロフスケールの重要性に着目し、 未燃焼ガス中の乱れの諸特性の詳細な計測と乱流 火炎 の瞬間シュリーレン写真に基づき、叫んSLO、 η'K/ゐの大小関係により火炎構造が異な ることを主張し、 三領域モデルを提案した. ここで、 u'は乱れ強さ、 SLOは層流燃焼速度 を表す. 三領域モデ、ルとは、 乱れが弱く乱れ場の中にしわ状の層流予混合火炎が存在す る、 いわゆるWrinkled Lamina r Flameに相当する領域I、 渦に なった未燃焼ガスの極小 さな塊が既燃ガス中に散らばったようになるDistributedReaction Flameの領域皿、 及び それら の遷移領域Eである.
ABDEL-GAYEDら[1987，1989]は、 火炎構造と乱流燃焼速度との関係を見いだすため、
数多くの乱流燃焼速度の実測値や乱れ特性値から、 カーロビッツ数などの無次元数を用 いて整理を行った. 彼 らは火炎伸張率が大きくなれば、 すなわちηKくゐとなれば、 分散 型火炎に移行するのではなく局所的な消炎 が生じ、 最終的には火炎全体の消炎 が起きる と考え、 燃焼領域をC ont inuous Laminar Flame、 Breakup of ContÍnuous Flame Sheet、
Development of Qu enching in Fragn1en ted Reaction Zoneと分類した.
城戸ら [1989，1991 a， b， 1992 a， b， 1993， KIDO et a l.， 1990， 1991 a， 1993]は、 各種混合気の 実験、 乱れ特性の検討及び火炎構造の観察結果から、 乱流予混合燃焼の火炎構造と燃焼 速度を同時に説明できるモデルを提案した彼 らは、 火炎領域は基本的にしわ状連続的 な前火炎素面と、 その後ろにある群島状火炎素面により構成されると提案した. 火炎構
3
造がWrinkledLaminar Flame、 Reaction Island Flame、 そしてLocal Quenching Development 領域へと遷移するにしたがい、 火炎領域中のしわ状と群島状の火炎素面の存在する割合 が変化し、 群島状火炎素面の割合が増加するというものである.
以上のように、 乱流火炎モデ、ルに関する研究は多い. しかしながらいずれも一つの仮 説にすぎず、 それらの分類基準には多くの議論があるところである.
1.
2. 2. 乱流燃焼速度モデル
内燃機関の乱流燃焼速度を知ることは、 その性能予測、 燃焼制御のために非常に重要 なことである. そのため、 前節で示したような種々の火炎モデルに基づき多くの乱流燃 焼速度モデルが提案され、 その REVIEWPAPERも多い[LEFEBVRE，1966， ANDREWS et al.， 1975， GÜLDER， 1990]. これらのモデルは、 基本的に乱れ強さ u'�乱流燃焼速度増加 の重要な因子としている. しかしながら、 その表現手法は多岐に渡る.
DAMKÖHLER[ 1940]は、 乱れのスケールが層流火炎帯厚さより大きい場合には、 乱流 燃焼速度は以下の式で予測できると考えた.
三乙=1+ヱL
SLO SLO
、‘，，ノ'EEA • -EEA 〆，.‘、
これは、 乱れのスケールが層流火炎帯厚さより大きい場合、 乱れはその火炎構造に影響 を与えることなく火炎面をたわませる(Wri出Ied Laminar Flan1e). その結果火炎表面積が 増加し、 乱流燃焼速度Srが増加するという考えに基づく. このような考えは、 以下のモ デル化において基本的なものとなった.
BALLAL と LEFEBVREら[1975]は、 乱れの強さとスケールによって、 火炎構造が図
1. 1に示すような三領域に分類できるとし、 それぞれに対する乱流燃焼速度予測式を提 案した. まず乱れが比較的弱く(u'く2SLO)、 スケールが大きな(ηK>ゐ)領域においては、 図
1. 1 (a)に示すような Wrinkled Laminar Flameが形成される. このような領域では、次のよ
うな経験式が与えられている.
-50!
(a) Wrinkled (b) Transition (c) Distributed Laminar Flame Flame Reaction Flame Fig. 1. 1 Combustion Regimes of 3 Region Model [水谷、1989]
4
l一2 寸Illit--」 「Jh \11111111lノ ムJ一角/IIIlli111\
ウム \11111ノ FLh /Illi--、\ 'K + 「llillit--L 一一
S一丸
司一 nU
(1. 2)
ここで、 kは定数、 Ljは乱れの縦方向積分尺度で、ある.
一方比較的乱れが強くいう2SLo)、 乱れのスケールが層流火炎帯厚さより小さい(ηKくゐ) 場合、微細渦が層流火炎の構造と性質を変化させると同時に火炎を引きちぎり、図1. 1 (c) に示すように、 燃焼ガス塊と未燃ガス塊の入り交じったDistributed Reaction Flameが生 成する. この場合には熱や化学物質の拡散速度が増し、火炎要素の伝ぱ速度が増加する.
また、 火炎背後の未燃ガス塊が高温の既燃ガスに固まれて燃焼する. このような領域で は、 次のような経験式が与えられている.
Sr
_
7， U' δ (1. 3)SLO SLO ηK
さらに両者の遷移領域、 すなわちu'今2SLO、 ηK士子�の領域においては、 図1. 1 (b)に示 すような、 小渦によって形成されたDistributed Reaction Flameが大渦によって波打つ遷 移火炎が形成される. 式(1.2)においては乱れのスケールが増すと乱流燃焼速度が増加し、
式(1. 3)ではその逆であることから、 遷移火炎ではスケールの影響が無くなると考え、 彼 らは次のような経験式を与えた.
ST -2 uF
SLO SLO (1. 4)
また、 ANDREWSら[1975]は、 乱れによる熱や物質の輸送速度増加に着目し、 次の乱 流燃焼速度整理式を提案した.
討をy =(許
(1. 5)ここで、 λは熱伝導率、 んは乱流熱伝導率、 D7{=λr/〆Cp)は渦拡散係数、 。0(=んいI/Cp)は熱 拡散率、ρは密度、Cpは定圧比熱である. この経験式は、Wrinkled Laminar Flameにまで 微細渦による乱流輸送増加効果を適用してできたものであり、 論理的に矛盾がある. し かしながら、 比較的広範囲の条件において実験値と良い一致が得られている.
このように、 これまで数多くの乱流燃焼速度に関する経験式、 半理論式が提案されて きた. 燃焼機関の性能向上、 最適動作点の模索には、 どのような燃料を、 どのような混 合比、 希釈度で、 どのような乱れ場において燃焼させれば良いのかなど、 幅広い条件に おける燃焼特性を予測できるモデノレが必要で、ある. しかしながら現在のところ、 それら すべての条件において統一的に整理できるモデ、ルは存在しない.
1. 2. 3. 線図表示
