EffectofNozzleOrificeConfigurationonSmokeinaDIDieselEnglne ディーゼル機関の排煙に及ぼすノズル噴孔形状の影響

長崎大 学 工学 部研 究 報告 第30巻 第55号 平 成12年7月 137

デ ィーゼ ル機 関の排煙 に及 ぼす ノズ ル噴孔形状 の影響

石田 正弘*･植木 弘信*

黒 川 清司*

EffectofNozzleOrificeConfigurationonSmokeinaDIDieselEnglne

by

MasahiroISHIDA書,HironobuUEKr andKiyoshiKUROKAWA'

Theeffectsofnozzleorificesizeandconfigurationonsmokeemi ssionwereexami nedexpenmental1yinaturboI chargedDIdieselenglne.Thedischargeflowcoefncientofnozzleorificewaschangedfrom thestandardorificehaving theflowcoefficientof0.72tothehighflowonehaving1.06byapplyingtheextrudingtechnique.Thechangeinsmoke duetoorificedischargeflowcoefrlCientwascomparedwiththeeffectofnozzleorificesizeonsmoke.As results,itis foundthatsmokedensityshowstheminimum attheflow coefrlCientofO･92‑0.97inboth low aJldhighloadsdueto theminimumfuel血opletsize.

1.まえがき

デ ィーゼル機関は, 自動車用高速小型機 関お よび舶 用 中 ･大型機関 とも厳 しい排 ガス規制 に対処す る必要 に迫 られてお り,小 型直 噴機 関で は,NOxお よび微 粒子の大幅 な同時低減策 として,燃焼室内での燃料の 高拡散化(1),予混合化⁽²)を図 る燃焼法が注 目されてい る.一方,噴霧 自身の改善 に よるNOxと微 粒 子 の同 時低減策 と して,微細 噴孔̀3),組合せ ノズル̀4), コモ ンレールによる多段噴射(5)̀6)(7',噴射率制御 ̀8),パ イロ ッ ト噴射̀9川0),水/燃料層状 噴射仙川2)な ど,噴霧 の微 細化,最適化お よび複合化が検討 されている(13).

直接噴射式 デ ィーゼル機関の排煙 を低減す るには, 噴霧粒径 を小 さ くす ることが基本であ り,噴射圧の増 大や噴孔径 の縮小が効果的であることは周知の ことで ある.Hiroyasu&Kadotà14)の半経験 モデルによれば, すすの生成率 は主 として拡散燃焼率 に依存 し,すすの 酸化率 はすす粒径 お よび燃焼域 の酸素濃度 に依存す る.

この2段 階モデルでは,すす粒径が既知であることが 前提であるが,すす粒径が小 さいほ どすすの酸化率が 大 き く,排煙が低減 されることが示唆 される.Kazakov

&Foster(15)は,すすの生成か ら酸化 に至 る過程 を9段

階 に分 けた多段階モデルを提案 し,すす粒径の予測計 算 を初めて可能 に した. しか しなが ら,いずれのモデ ルにおいて も,噴霧の物理的状態量 とすすの粒径お よ び粒子数濃度 との定量的関係 について未 だ明 らか にさ れていない.

本研究では,噴射弁の噴孔径縮小が排煙 お よび機 関 性能 に及ぼす影響 を直接噴射式デ ィーゼル機 関におい て実験 的に明確 にする とともに,噴孔径縮小 に基づ く 噴射期 間の増大 によって もた らされる燃費の増加 を回 避す るための一方法 として,噴孔 入口の曲率 を変化す ることによって噴孔流量係数 を増大 した場合の燃焼お よび排煙 に及ぼす影響 を追究 した.その結果,ある特 定の噴孔流量係数 において噴霧粒径が小 さ くな り,排 煙濃度が低減 されることが兄い出 された.

首己号

be :燃料消費率 (gn(wh)

D :噴霧粒径 (孤) d :ノズル噴孔径 (帆) Lift :針弁 リフ ト(mm)

NOx :窒素酸化物排 出率 (gn(wh)

平 成12年4月21日受理

事長崎 大 学工 学 部機 械 システ ム工学 科 (DepartmentofMechanicalSystemsEngineering)

138 石 田 正弘 ･植木 弘信 ･黒川 清司

p :筒内燃焼圧力 (MPa) pme :正味平均有効圧力 (MPa)

p N :ノズル側燃料噴射管内圧力 (MPa) pNmaX :最高燃料噴射圧力 (MPa)

dq/dO :熱発生率 (∫/°eg.) smoke :排煙濃度 (Bosch,gn(Wh ) Te :排気 ガス温度 (℃)

THC,:未燃炭化水素排 出率 (gAlWh ) α :ノズル噴孔流量係数

o叫 :燃料噴射開始時期 (OCA)

Fig.1 Sectionoftestengine(Type4D31‑T;MMC)

2.実験装置および実験方法

図 1に示す供試機関は, 自動車用水冷4サ イクル直 接 噴射式 ターボ過給 デ ィーゼル機 関 (ボア100mm,ス トローク105mm,4気筒,圧縮比16,最大出力95.6kW (130 ps)/3,5

0 0

して噴孔数5,等 ピッチの多噴孔 ノズルを用いてお り, その噴孔径 は0.26,0.24,0.22,0.20,0.18mmの5種であ る.なお,噴孔径0.24,0.19お よび0.18皿の ノズ ル に ついて,砥粒押 出 し法 によ り噴孔面粗度 を小 さくす る とともに,図3に示す ように,噴孔入口の曲率半径 を 大 きくす ることによって,噴孔流量係数 を通常の0.72 か ら最大1.06の範囲で変化 させた.

図4は,放電穴加工 された噴孔径0.19mmの噴孔流量 係 数αを0.75か ら1.05まで5通 り変化 した場合 につ

いて,位相 ドップラー式 レーザー粒子分析計(PDPF) を用 いて計測 された噴霧粒径 のザ ウタ‑平均粒径 (D 32)お よび算術平均粒径 (DIO)を示す.計測 は,噴 孔か ら80mの位置 において厚 さ8mmの噴霧断面内で行 ってお り,5回繰返 し計測 した値 の平均値 を流量係 数 0.75の基準噴孔の場合の値で無次元化 している.図か

ら分か るように,α‑0.92付近で極小値 を示 してお り, この流量係数の ときの平均粒径 は基準値 よ り約10%小 さ くなっている.極小値 を示す理由は明確 ではないが, 後述の ように,同二加工法で製作 された噴孔径の異 な

るノズル を用 いた燃焼試験 において も,流量係 数 が 0.92付近で排煙濃度が極小 になることか ら,噴孔径 に は無関係 であ り,ハ イフロー化加工法 に起 因 した特徴 的な もの と推定 された.

燃焼 試験 で は,機 関 回転 速 度 を1,750士 5rpm,過 給機入口吸気圧力 を電動のブロワを用いて標準大気圧

Fig.2 ConBgurationoftwoISpnnglnjeCtOr

Fig.3 0rificecon丘gurationofmulti‑holeinjector

Lr) トdlI

e 8 1 (⊃

･‑.<一一D32

HA‑‑D10 クm

0.7 0.8 0.9 1 1.1 α

Fig.4 ChangeinfueldropletsizeduetooriGcenowcoe餓cient

デ ィーゼル機関の排煙 に及ぼす ノズル噴孔形状の影響 139

87･65432

(edM)d ｢.̲トト

32.10000

(∈∈)忘1 987,6543

(I?dn)a ｢̲̲｢̲トト3210000

(∈∈)宅1

･10 0 10 20 30 40 CA(deg) (a)Lowload(Pme=0.40MPa)

‑10 0 10

2 0 C 3 A 0 ( d o g 4 ) 0

(b)High一oad(Pme=0.83MPa) Fig.5 Timehistoriesofcombustionpressure,

heatreleaserateandneedlevalvelift (Oinj=TDC)

に, また機関入口吸気温度 をインタークー ラを動作す る こ とに よって45±℃に保 ち,正味 平均 有 効 圧pme が0.40お よび0.83MPaの2通 りの負 荷 条 件 で,燃 料 噴 射 時 期 oinjを 上 死 点 前50 [5oBTDC],上 死 点 [TDC],上死 点後50 [5oATDC]の3通 り変化 した.

なお,供試燃料 はセ タン価 約57のJIS2号 軽 油 であ る.

筒内燃焼圧力,熱発生率お よび針弁 リフ トの時間履歴 がそれぞれのセ ンサ ーによって取得 され,連続 した350 サ イクルに亘 るアンサ ンブル平均時間履歴 を採用 した.

3.実験括果および考察 3.1 噴孔径縮小試験

燃焼時間履歴 図5(a)お よび(b)は,噴孔径 を0.26

230

皇 220

宮 210

0.18 0.20 0.22 0.24 0.26 NozzleHo一eDiarneter(mm) (a)Low一oad(Pmeと0.40MPa)

(tZdM

)

仰353CULO210｢∃｢｣｢｣

(u3SO

6

0

210

0.18 0.20 0.22 0.24 0.26 NozzteHoleDiameter(mm) (b)Highload(Pme=0.83MPa) Fig.6 Changeinexhaustemissionsdueto

nozzleoriBcesize(Oinj=TDC)

mmか ら0.02tnn毎 に0.18mmまで縮小 した ときの燃焼時間 履歴 を示す.(a)はPme‑0.40MPaの低負荷の場合,(b) はPme‑0.83MPaの高 負 荷 の場 合 で あ る.供試 ツ ー スプリングインゼ クタの特長 は,図 に示す リフ ト曲線 か ら分かるように, リフ トが大 きい部分で リフ ト上昇 率が緩やか にな り,初期の燃料噴射率が抑制 され るが, 機関性能お よび初期燃焼 を通常噴射弁の場合 と比較 し

140

3210.0.0.(LJ蔓草6)OqouJs

0 260

妄 250 義q) .8 240

864200000(LJ≧

卓6

石田 正弘 ･植木 弘倍 ･黒川 清司

=ニ ‡3:諾

‑‑^●0.22

一 一 〇P.24

‑‑‑‑‑.40.26 a

口.UD.誉 ㌔ も､ ー I... く)

2 3 4 5 6 7

ojnJ

□笥 三 !..BcTD?

l...1^{､ ヽ}1㌔ 口 5○ATDC

､A/ :鮎 ､ヽ̲

､ くp㌔㌔ 〜さー

2 3 4 5 6 7

NOx(g/kWh)

(a)Lowload(Pme=0.40MPa)

‑ 40.18

‑‑ 40.20

叫 .‑‑ ●0.22

､､

一〇 0 . 2 4

､△､_ヽー .

. ‑ ‑ . ● 0 . 2 6

ち.,. ､一一

'●tAー小

‑ > : ‑ t

. ‑

2 3 4 5 6 7

oinJ

0 5○BTDC

: ＼

. § ■ ゝ ヾ 顎.

'

､●‑.丁̲=丁ここ‑一丁D

2 3 4 15 6

NOx(g/kWh)

(b)Highload(Pme=0･83MPa) Fig.7 Changeintrade‑offrelationshipsdueto

nozzleori丘cesize

た結果によれば,両者の差 は顕著ではない.

噴孔径 を小 さくすることによって噴孔総面積が小 さ くな り最高燃料噴射圧が増加するが,いずれの負荷 に おいて も燃料噴射期間か順 に増加 し,このことが原因 で高負荷では燃焼期間が著 しく増大 している.一方, 低負荷では噴射期間が延 びて も燃焼期 間は殆 ど影響 を 受けていない.低 ･高負荷 いずれにおいて も,熱発生

率の時間履歴が噴孔径0.22mの前後で顕著に変化 して お り,0.20お よび0.18mmの場合,初期噴射率の減少 に

よ り最高熱発生率が低 くなったもの と推定 される.

排気特性 図6(a)お よび(b)は,下 か ら順 に,燃 料消費率,排煙濃度,窒素酸化物排出率,未燃炭化水 素排出率,排気 ガス温度および最高燃料噴射圧力の噴 孔径 による変化 を示す.いずれの負荷 において も,噴 孔径0.22血付近で排煙濃度が極小値 を示 し, また燃費 もこの噴孔径近傍で低い.このことは,熱発生率 曲線 が噴孔径0.22mm前後で顕著に変化することと密接 に関 連 している.一方,NOxは噴孔径が小 さいほ ど低 い.

噴孔径0.20mm以下では噴孔総面積の減少に伴 う最高燃 料噴射圧の増加が顕著でな く,過度の噴孔絞 りによっ て噴射期間が増大することが原因で,燃焼期間の増大, 排気温度の上昇,延いては燃費お よび排煙濃度の増加 が見 られる. この現象は,特 に高負荷 において顕著で ある.

背反関係 図7(a)お よび(b)は,排煙 とNOxお よ び燃費 とNOxの背反関係 を示す.パ ラメー タは噴孔 径で,噴孔径が0.22皿 より大 きい範囲では,噴孔径が 小 さいほ ど排煙 とNOxの背反関係が僅 かなが ら改善 されるが,0.20お よび0.18nmの場合は,NOxは減少す るものの排煙濃度が著 しく増加するため,その背反関 係 が悪化 している.す なわち,排煙 とNOxの背反関 係 は,いずれの負荷 において も噴孔径0.22皿の場合が 最良であ り,一方,燃費 とNOxの背反 関係 の噴孔径 による変化はいずれの場合 も小 さい.

3.2 噴孔流量係数増大試験 (￠0.18ノズル) 燃焼時間履歴 図8(a),(b)は,燃料噴射時期 oinj

=TDCにおいて,噴孔径0.18mmのノズルの噴孔流量係 数αを5通 り変化 させ た ときの燃焼時 間履歴 を示す.

(a)は pme‑0.40MPa,(b)は Pme‑0.83MPaの 場 合 を 示す.いずれの負荷 において も,α‑0.72か ら0.97ま では,流量係数の増大 によって,噴射期間が順 に短縮 され,燃焼が早 く終了する傾向がある.なお,噴孔流 量係数が1.価5の場合,噴孔 出口径が0.18mm以上 にな っていると推定 されたが,長時間の運転中に噴孔内面 にカーボ ンが付着 して噴孔有効面積が小 さくな り,莱 質的な流量係数増大効果が得 られていない.

排気特性 図9(a),(b)は,燃料噴射時期Oinj=TDC において,噴孔径0.18皿の噴孔流量係 数αを変化 さ せたときの燃費お よび排気特性 を□印で示す.下段の 横軸は等価噴孔径 を示 してお り,噴孔流量係数0.72を 有 し,かつ噴孔の有効面積が等 しいノズル噴孔径で, 図中の○印は,図6(a),(b)に示 した値である.(a)は pme

デ ィーゼル機関の排煙 に及 ぼす ノズル噴孔形状 の影響

(t2dM)"d

004

2

11

876LD432

(t2dM)d

｢tLIL■l L 32 10 00 0

(∈Lu)蛋1 9876543

(t2dM)d ｢̲L■̲ト

32.10000

(ULLJ)妄1

‑ 一･･Q=0.720

‑‑ ‑q=0.843 Q=0.920

‑ ‑a=0.970

･･･.･･･‑ICE王1.065

ー10 0 10 20 30 40 CA(dog) (a)Low一oad(Pme=0.40MPa)

(edVV)Nd

仙f3071｢

‑I‑仁王0.720

‑‑‑a=0.843

α=0.920

‑ ‑Iq=0.970

‑‑‑8=1.065

‑10 0 10 20 30 40 CA(dog) (b)Highload(Pme=0.83MPa) Fig.8 Timehistoriesofcombustionpressure,

heatreleaserateandneedlevalvelift (中0.18m,Oinj=TDC)

‑0.40MPa,(b)はpme‑0.83MPaの 場 合 を 示 す.特 筆すべ きことは,いずれの負荷 において もα‑0.92‑

0.97付近で排煙濃度が極小値 を示す ことで, この こと は図4に示 した噴霧粒径が極小 になることと密接 な関 連があることを示 している.一方,図6あるいは図9 の○印 (STD)で示す ように,噴孔流量係 数0.72の標 準 ノズルの場合,排煙濃度 は低負荷,高負荷いずれの 場合 も噴孔径0.22mで極小値 を示す.す なわち,排煙 濃度が極小値 を示す噴孔有効面積 は,噴孔流量係数変 化 と噴孔径変化 とでは異な り,噴孔有効面積が等 しく

｢｣｣｢]

141

(t2dM)XYr"a(妻W6)oH1

伯叫誠210 (LICISOg)〇一〇∈S63000｢ー一

0.7 0.8 0.9 1 1.1 α 0.18 0.20 0.22 Nozzlehole

dJameter(mm) (a)Lowload(Pme=0.40MPa)

0.7 0.8

0

9

(t2dM)XY""a(童も)oH1

伯40諮210｢]｢｣

(■ Nozzh?hole dihmetor(rnm) (b)Highload(Pme=0･83MPa)

Fig.9 Changeinexhaustemissionsdueto orificeflowcoefrlCient(00.18mm,Oinj=TDC) て も同 じ噴霧特性 ではない ことを示 している. なお, 噴孔流量係数変化が排煙濃度以外の諸性能 に及ぼす影 響 は,噴孔径変化 のそれ とほぼ同様 である.

背反関係 図10(a),(b)は,噴孔径0.18mmの噴孔流 量係 数αを5通 り変化 させ た ときの排 煙 ･NOxお よ び燃 費･NOxの背 反 関係 の変化 を示す.(a)はpme‑

142

3210.0.0.へLtNtW6)oqo∈S

0

260

ぎ 250

義B240

230

420.0.(tJJuも)oqo∈S

2⁶0⁰

三 240 i

毒

B 220

石田 正弘 ･植木 弘信 ･黒川 清司

･‑.‑ ctt0.72

‑‑‑^a=0.843

‑ ct=0.92

E3. ‑‑‑A皇O.97

●△. 一一‑‑‑ α≡1.0￠5

EFkご 芸 ‑=一二､‑､ ‑..‑一､‑‑...‑,̲.̲ .nl 一一 二ざ ‑.oJ ℃

o S.BTE}C ℃､0

△ TDC

2 3 4 5 6 7

ロ''....qA I...tl.i

2 3 4 5 6 7

NOx(gn(Wh) (a)Lowload(Pme=0.40MPa)

〜‑‑‑ a‡e.72 一一一q=0.843

｡ ':I‑I:‑I‑.i‑‑.'Z1､.‑..‑.㌔. ‑ a‑0.92

‑㌔ ̲lA､､ ､一､ ‑ ‑‑aZo.97

一一一.T7‑ 一‑ht,､王 こ .. ‑‑ヽ､､̲O..O ､‑‑..a=○1.065

o叫

0 5●BTDC

△ TDC

□ 5°ATDC

2 3 4 5 6 7

口 Q<'Lt

〜. ヾ喝 ≧.

I‑ヽーこ

､ー■■

〜.l‑ 0

2 3 4 5 6 7

NOx(gA(Wh) (b)Highload(Pme=0.83MPa) Fig.10 Changeintrade‑offrelationshipsdueto

orificenowcoefncient(￠0.18m)

0.40MPa,(b)はpme‑0.83MPaの 場 合 で,い ず れ の 負荷 において も排煙 ･NOxの背反関係 に及 ぼす噴孔 流量係数の影響 は顕著で,その関係 はα‑0.92の場合 に最良であることが分かる.一方,噴孔流量係数によ る燃費･NOxの背反関係の変化は顕著でない.

3.3 噴孔流量係数増大拭験 (00.24ノズル) 排気特性 図11(a),(b)は,燃料噴射時期 oinj=TDC において,噴孔径0.24皿の噴孔 流量係 数αを変化 さ

一廿‑10･24 o STD

0 ]

○

0

｢■]

お湘お

0･

(cdM)XY"

0.7 0.8 0.9 1 α o･24 0126 0128 .nZZdf,h課 ¶)

(a)Lowload(Pme=0.40MPa) 一廿‑10.24

o STD

｢̲̲ト L 00 0 65 4 (量功)XON

● ○○●

○

○

●

0.7 0.8 0.9 1

(edM)m"a(uJVIW6)3Hト音Sog)eqo∈S5仰恭助2101･510｢]｢ー一｢]

o･24 0･26 0･28 .nZZde,h鎧 ､)

(b)Hi9h一oad(Pme=0･83MPa) Fig.ll Changeinexhaustemi ssionsdueto orはceflowcoe琉cient(中0.24皿,Oinj=TDC) せた ときの機関性能 を□印で示す.図中の○印は,図

7と同様,噴孔流量係数0.72を有する標準 ノズルによ る実験 結 果 で あ る.(a)はpme‑0.40MPa,(b)はPme

‑0.83MPaの場 合 を示す.前節 で示 した噴孔径0.18 皿の場合 と同様,いずれの負荷 において もα‑0.92‑

デ ィーゼル機 関の排煙 に及ぼす ノズル噴孔形状 の影響 143

10.(L4‡qP)aqo∈S

0

260

= 250

i

量

a 240

3210600002(u主ミ6)oqo∈S

‑.a=0.72

‑ ‑α=0.843 ct=0.92

‑ ‑‑ a=0.97

‑△‑jar.ー＼

ロイ ､.＼

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Cl I‑‑ ‑‑ I OlnJ

0 5●BTDC

△ TDC

⊂ 5●ATDC

2 3 4 5 6 7 8

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2 3 4 5 6 7 8

NOx(g/kWh) (a)Lowload(Pme=0.40MPa)

ロ ー‑ ‑ q=0.72

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口､､ヽ.､ ‑ Qと0̲92

､ ヽ_〜.Lー_i 一一^{一 α=0.97}

ロ.一 ､..一 一

‑ 一一〜■●^ーー

〇 一 〇

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olnj 1 ‑0

0 5●BTDC

△ TDC

□ 5°ATDC

54

3

2 6 7 8

□ A.

‑‑コ■‑..‑

2 3 4 5 6 7 8

NOx(g/kWh) (b)Highload(Pme=0･83MPa) Fig.12 Changeintrade‑offrelationshipsdueto

orificeflowcoefrlCient(00.24mm)

0.97で排煙濃度が極小値 を示す こ とが注 目され,図2 に示 した噴霧粒径が極小 となる こ とと密接 に関連 して い る. この場合 の排煙濃度が極小 になる等価 噴孔径 は 約0.27‑0.28m で,図7の場合 の0.20‑0.21m とは異 なってい る.

背 反 関 係 図12(a),(b)は,噴 孔 径0.24m の 噴 孔 流 量 係 数αを5通 り変 化 させ た と きの排 煙 ･NOxお よび燃 費 ･NOxの背 反 関係 の変 化 を示 す .(a)はpme

‑0.40MPa,(b)はPme‑0.83MPaの 場 合 で,い ず れ

の負 荷 にお い て も排 煙 ･NOxの背 反 関係 に及 ぼす 噴 孔流量係 数 の影響 は顕著 で,その関係 はα‑0.92お よ び0.97の場合 において最 良で ある.一方 ,噴孔流量係 数 に よる燃 費 ･NOxの背 反 関係 の変 化 は顕 著 で ない.

4.む す び

直接 噴射式 デ ィーゼル機関の燃料 噴射 ノズルの噴孔 径縮小効果 と噴孔流量係 数増大効 果 を実験 的 に調べ , 以下の結果 を得 た.

(1)砥粒押 出 し法 に よる噴孔 のハ イフロー化 では,ある 特定 の噴孔流量係 数α‑0.92‑0.97において噴霧粒 径 が小 さ くなる.

(2)噴霧粒径 が小 さい ことが原 因で排煙濃度が低減 され, そ の結 果 ,排 煙 ･NOxの背 反 関係 が顕 著 に改 善 され る.

(3)排煙 濃度が極小値 を示す噴孔有効面積 は,噴孔流量 係数変化 と噴孔径変化 とでは異 な り,噴孔 有効面積が 等 しくて も同 じ噴霧特性 ではない.

終 りに,ハ イフロー噴射 ノズルの製作 お よび噴霧粒 径 の計 測 につ いて, (秩) ゼ クセ ルの扇原文 嗣氏 の協 力が あ った こ と, また,実験 デー タの取得 では,当時 大学 院学生 であった石橋研治君 (現在, 日野 自動車工 莱 (秩))の協 力 が あ った こ とを記 して謝意 を表 す る.

参考文献

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