異種燃料のブレンドによる予混合圧縮着火燃焼の制御
1. はじめに
内燃機関における燃焼制御技術はガ ソリン・ディーゼル両機関の長所を融 合することで，著しく発展してきた．
近年の最たる例が，高効率・クリーン 燃焼として知られる予混合圧縮着火
（Premixed Charge Compression Igni- tion，以下 PCCI）燃焼法である．と ころで，元来，両機関の根本的な差異 はそれらの着火・燃料供給方式にあ り，これは使用燃料の着火性と揮発性 に規定されるものである．しかし，上 の技術融合の現状を踏まえれば，すで に燃料特性による明確な区分は必要な く，機関仕様・燃焼法に応じた最適な 燃料を供することこそが肝要である．
いっぽう，ガソリンと軽油のように 特性の異なる 2 燃料をブレンドした燃 料は，双方の特性を兼ね備えることに なる（1）．PCCI 機関はガソリンとディー ゼル両機関の特徴を混成したものであ るから，本機関にはこのようなブレン ド燃料が適すると考えられる．そこで，
本稿では PCCI 燃焼が有する課題に触 れ，ブレンド燃料による改善の指針と 可能性について述べる．
2. PCCI 燃焼法の課題
PCCI 燃焼法は圧縮上死点を迎える 充分早い時期に燃料供給を行うこと で，均一度の高い燃料–空気の混合気 を燃焼室内に分布させ，NOxと soot の生成を回避するとともに，圧縮自己 着火の実現により高圧縮比化，すなわ ち高熱効率化を可能にするものであ る．しかし，軽油のように自己着火し やすい反面，揮発性に乏しい燃料では，
燃焼室各所の壁面に燃料が付着するな どして，このような混合気の形成が難 しい．また，多点同時的な混合気の着 火が急速燃焼を引き起こし，実用運転 範囲が制限されることが本質的かつ重 大な課題である．
3. ブレンド燃料による燃焼制御
一般に炭化水素は，分子中の炭素数 が大きいほど着火性に優れる反面，揮 発性が低い．このような成分に低炭素 数成分を混合すると，その高い揮発性 が高炭素数成分のそれを補う．すなわ ち，図 1の圧力－温度線図に示すよ うに，両成分の混合に伴う気液二相領 域の形成により，高炭素数成分の飽和 蒸気圧曲線が低温・高圧側へシフトする．ただし，実際の燃料噴霧内におい ては，揮発性の高い成分がその上流か ら迅速に蒸発を始めるのに対し，低揮 発性成分は比較的長く液滴内に残り，
下流において高濃度の蒸気を形成する．
本研究はこのブレンド燃料の特性を 積極的に燃焼制御へ応用するものであ る．すなわち，図 2のように，着火 性の異なる 2 成分が空間的に分離する ことを利用し，おのおのの成分を異な る時間に着火に至らしめることで，
PCCI 燃焼における燃焼の進行度合を 制御する．類似研究として，吸気管噴 射と筒内直接噴射の併用により燃焼室 内に異着火性燃料を成層分布させ，緩 慢な PCCI 燃焼を実現した例がある（2）
が，筆者らの手法は単一の燃料噴射弁 によりこれを実現する．
図 3はこの可能性を検証するため，
独自に構築した多成分燃料噴霧モデル を用いて数値解析を行った結果であ る．高揮発性の i-ペンタンを n-トリデ カンにブレンドした場合，燃料噴霧の 軸方向において両成分の蒸気形成位置 に差が生じ，とくにそれは，燃料噴射 が圧縮行程の早い時期に行われるほど 顕著となる．したがって，ブレンド燃 料は，早期噴射を伴う PCCI 燃焼にお
いて，狙いとする 2 成分の成層分布を 実現するものと期待される．また，低 揮発性の n-ヘキサデカンをブレンド した場合と比較すれば，高揮発性成分 の混合は低揮発性成分の蒸発を促すこ とが明白であり，このことが未蒸発燃 料の燃焼室壁面への付着とそれに伴う 燃焼の悪化を回避し得る．
4. おわりに
燃料の物理・化学的特性は燃焼現象 の重要な制御因子と考えている．地球 環境問題やエネルギーセキュリティの 観点から内燃機関用燃料においても変 革が求められる昨今，ここに示した考 えがその技術の進展に少しでも貢献で きれば幸いである．
（原稿受付 2009 年 8 月 17 日）
〔小橋好充 金沢工業大学〕
●文 献
（ 1 ）千田二郎・川野大輔・堀田 勇・川上和 也・藤本 元，低エミッション・燃焼制御 のための燃料設計コンセプト，自動車技術 会論文集，31-2（2000），11-16．
（ 2 ）稲垣和久・冬頭孝之・西川一明・中北清 己・阪田一郎，2 燃料成層自着火による高 効 率 PCCI 燃 焼（ 第 1 報 ） － EGR レ ス PCCI 制御の実験的研究－，自動車技術会 学術講演会前刷集，No.92-05（2005），1-6．
図１ ブレンド燃料の気液平衡特性 温度
圧力
低沸点成分の 飽和蒸気圧曲線
気液二相領域
高沸点成分 の飽和蒸気圧曲線
図 2 ブレンド燃料による PCCI 燃 焼制御のイメージ
燃料噴射弁
ピストン
クランク角度
熱発生率 従来の
PCCI 燃焼 高沸点成分（高着火性）
低沸点成分（低着火性）
0 20 40 60 80
燃料噴射弁からの距離（mm） （b） i-ペンタン/n-ヘキサデカン の蒸気濃度（kg/m3）
0.0 2.5
（c） n-トリデカンの 蒸気濃度（kg/m3）
0.0 0.8
（a）液滴半径（μm）
95 1
n-トリデカン ：沸点 510K i-ペンタン ：沸点 301K n-ヘキサデカン：沸点 560K 噴射時期：上死点前 15 度 上死点前 24 度 上死点前 35 度 上死点前 24 度
n-ヘキサデカン／ n-トリデカン
（69 wt.％）（31 wt.％）
（a） （b） （c） （a） （b） （c） （a） （b） （c）
×3/8 （a） （b）
×3／ 50 ×1／ 8（c）
i-ペンタン（69 wt.％）／ n-トリデカン（31 wt.％）
図 3 ブレンド燃料噴霧内の液滴と各成分の蒸気濃度分布 日本機械学会誌 2009.11 Vol.112No.1092 919
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