1. 諸言 天然ガスはエネルギーセキュリティ向上や環境性の 観点から注目されており，天然ガスを主燃料とするエ ンジンの研究開発が各研究機関で取り組まれている． ガスエンジンの用途としてはコージェネレーションシ シテム(1)に代表される定置式の発電機だけではなく， 陸上用や船舶用としても注目されている． 天然ガス燃料はガソリンやディーゼルなどの液体燃 料と比較して単位体積当たりの発熱量が低く，比出力 が小さくなる．一方で，自着火温度が高く，異常燃焼 が発生しにくいため高効率化を図れるポテンシャルを 有する．また，燃料中に硫黄や窒素を含んでいないた め燃料由来のNOx や SOx の排出量が低減できる． 天然ガスエンジンはおもに希薄燃焼方式を採用して おり，希薄条件下での確実な点火が必要となる．また， 中大型ガスエンジンは過給機を搭載し，過給圧力を高 めて比出力を上げるため，ノッキング等の異常燃焼の 抑制が課題である．そのため中大型ガスエンジンにお いては副室式(2)の採用例が多い．高効率・低エミッシ ョンの両立を図るために，副室諸元の最適化や副室式 エンジンにおける副室からの NOx 排出量の低減，副 室エンジンの冷却損失低減等が検討されている(3)(4)(5)． そのためには副室内の燃焼および火炎ジェットの現象 把握を通した副室の再設計が必要である． 一方，単室式エンジンにおいては点火プラグ先端の わずかな空間を囲んだ簡易な副室を持つプレチャンバ プラグにより高効率・低エミッションの両立を狙った 研究開発(6)にも取り組まれている．副室内への燃料供 給は圧縮行程に主室から流入する予混合気であるため， 副室内残留ガスとの混合状態が悪くなる．そのため点 火位置を主室側に突き出すことで着火性の改善を図っ ているが(7)，副室内の燃焼および火炎ジェットの最適 化を図るほどの知見が得られていない． これまで副室エンジンの燃焼現象把握を目的とする 定容容器実験が試みられ，多くの知見を得ている(8)(9) が，それらを副室諸元の最適化やエンジン熱効率の改 善に結び付けるには，さらなる基礎現象の理解が必要 であると考える． そこで本研究では，定容容器を用いて副室から噴出 する火炎形態を観察するとともに副室内および主室内 の燃焼の把握を目的とした． 2. 実験装置および方法 本研究で用いた実験装置の概要を図1 に示す．予混
微小容積から大容積に噴出する火炎形態の実験的研究
＊-点火位置や噴口形状の影響について
髙島良胤＊＊ 前田昂輝＊＊＊ 川口彩奈＊＊＊ 田村守淑＊＊＊＊ 佐古孝弘＊＊ 古谷正広＊＊＊ 香月正司＊＊＊＊＊Experimental Study of the Flame Jet Behavior Issued from a Small Cavity into a Large Chamber - The Effect of the Igniter Position and the Nozzle Shape
By Yoshitane Takashima, Koki Maeda, Ayana Kawaguchi, Moriyoshi Tamura, Takahiro Sako, Masahiro Furutani, Masashi Katsuki
In order to raise thermal efficiency and to reduce exhaust emissions of pre-chamber type gas engines, it is important to understand combustion phenomena inside of pre-chamber and flame-jet behaviors into main chamber. A constant volume vessel was used to simulate combustion in pre-chamber type gas engines. We observed combustion phenomena in the pre-chamber and flame-jet behaviors in the main chamber using high-speed direct photography and Schlieren photography We found that the change of the igniter position in the pre-chamber showed significant changes in combustion regime in the main chamber. We also found that a change in the shape of the connecting nozzle has promoted mixing and combustion in the main chamber.
＊ 原稿受付 平成28 年10月13 日．
＊＊ 大阪ガス株式会社（大阪市此花区5丁目 11 番-61 号） ＊＊＊ 名古屋工業大学（名古屋市昭和区御器所町字木市29番） ＊＊＊＊ 東邦ガス株式会社（愛知県東海市新宝町507-2） ＊＊＊＊＊ 大阪大学名誉教授
Experimental Study of the Flame Jet Behavior Issued from a Small Cavity into a Large Chamber - The Effect of the Igniter Position and the Nozzle Shape
- 点火位置や噴口形状の影響について
髙 島 良 胤＊＊ 前 田 昂 輝＊＊＊ 川 口 彩 奈＊＊＊
田 村 守 淑＊＊＊＊ 佐 古 孝 弘＊＊ 古 谷 正 広＊＊＊
合タンクで混合した混合気を定容燃焼室に送り，火花 点火により燃焼し，燃焼容器内の圧力を計るとともに 高速度ビデオカメラを用いて燃焼容器上方の耐熱ガラ ス窓から撮影した．主室および副室の撮影は直接撮影 とシュリーレン撮影を行った．実験ごとに燃焼排ガス はバキュームポンプを用いて燃焼室外に掃気し，その 後予混合気を燃焼室に供給し，静定したのちに点火し た．予混合タンク内では，外部からの温度調整と内部 の撹拌羽根によって均一な定温予混合気を形成した． 燃料にはメタン，酸化剤には圧縮空気を用いた．定容 容器は以下の2 種類を用いた．定容容器 (I) 主室は直 径70mm，高さ 37mm の円筒型で容積は 142.4cm3， 副室は主室の周方向側面に取り付け，直径13mm, 長 さ9mm の円筒形で，容積は 1.2cm3とした． 副室容積を一定に保ちながら副室内の点火位置を変 更できるように，点火部のみを可変にできるようにし た機構を図2 に示す．さらに，図 3 に副室内の点火位 置および可視化試験の主室と副室の位置関係を示す． 副室内の点火位置は主室側から1mm， 4.5mm，8mm の位置で点火した．主室内の火炎を検知するために． イオンプローブを副室と対向面に設置しイオン電流を 計測した．電極には+45V の電圧を印加し，検知した 電流を電圧に変換した． 定容容器 (II) 主室は直径 50mm，高さ 10mm の円 筒型で，容積は 19.6cm3，副室は直径 10mm，高さ 10mm の円筒形で，容積は 0.8cm3とした．容器上部 に耐熱ガラスを設置し副室と主室を同時撮影できる機 構にした．図4 に副室と主室の関係を示す． 9mm 4mm Pre-chamber 0mm 2mm Mai n-cham ber Φ =1 3mm Hole Ignition position Pre-chamber Main-chamber 3. 結果および考察 3.1 点火位置が圧力上昇と火炎形態に及ぼす影響 定容容器 (I) を用いて副室および主室の当量比を 0.8，初期圧力を 168kPa，副室と主室の連絡口径を 2mm に固定した上で，点火位置を変化させた場合の 影響を観察した．主室から副室内へ向かって 0mm， 2mm，4mm の位置で火花点火し，主室内の圧力を計 測した．そのとき得られた点火時期からの圧力履歴を 図5 に示す．これと同時に高速ビデオカメラで主室上 方から直接撮影した結果を図6 に示す． 圧力の立ち上がりは点火位置 4mm，2mm，0mm の順に早くなっている．初期の火炎は点火位置に関係 なくほぼ同時に確認できる．しかしながら，火炎の形 態が大きく異なり，点火位置0mm では噴口付近に噴 出物が出て球状に広がる層流伝播火炎が確認できるの に対し，点火位置4mm では勢いのある噴流が噴出す るとともに，噴流方向に拡大している．点火位置2mm
Fig. 3 Ignition position and configuration of pre-chamber (Left) and a photo through the top window of main-chamber (Right). Fig.2 Experimental setup of constant volume
combustion chamber (I) .
Fig.4 Constant volume combustion chamber (II) .
では，最初は点火位置0mm と同様に主室へ球状に広 がる層流伝播火炎が見られるが，後ろから高速の副室 噴流が追いついて来て，先行する層流伝播火炎を突き 抜けて対向壁へ衝突している．したがって，この場合 の燃焼は，伝播火炎と乱流混合の双方の効果が合わさ るのだと推測する．点火位置が主室に近いと熱発生速 度（圧力上昇）はほとんど火炎伝播速度で決まってい ると考えられる．一方で副室の中心で点火した場合は， 副室噴流と主室混合気の乱流混合が熱発生速度（圧力 上昇）を支配していると考えられる．副室の中央部で 点火した場合の熱発生速度（圧力上昇）は，伝播火炎 と乱流混合の双方の効果が合わさるのだと考えられる． 飯田ら(10)によれば燃焼室から連絡口を通して外部に 向かう火炎伝播を観察し，火炎伝播前の未燃ガスが連 絡口に向かって流れているのを確認している．本実験 においても，副室の奥で点火した場合に同様のことが 起こっていると思われるので，主室のシュリーレン撮 影およびイオン電流検出を行い火炎の有無を検証した． その結果を次に述べる． 3.2 シュリーレン撮影およびイオン電流の検出 当量比0.8，初期圧力を 168kPa とし，副室点火位 置1mm と副室点火位置 8mm のシュリーレン撮影を 行った．シュリーレン撮影画像を図 7 に示す．また， 主室側から副室に向けてイオン電流を検出できるよう に電極を挿入した．電極には+45V の電圧を印加し検 知した電流を電圧に変換した． 図8 にイオン電流の計測結果を示す．シュリーレン画 像から点火位置1mm では点火後の火炎が同心円状に 広がっていることが確認できる．また，火炎面が電極 の先端に接触した点火後20msec 前でイオン電流が検 出されており，電極に火炎面が到達していることが確 認できる．一方で点火位置8mm では，シュリーレン 画像から点火後 7ms から副室からの噴流による密度 差が確認できるがイオン電流は確認できない． イオン 電流が検出される点火後13msec を過ぎて 15msec か らシュリーレンでも皺状の火炎が確認できる．このこ とから，電極に火炎が到達する前に副室からは火炎で はない噴流が出ていることが確認できる．また，副室 点火位置8mm の方が点火位置 1mm に比べて主室に 火炎が発生するタイミングは遅い．以上のことから副 室奥で点火すると副室内の燃焼により初期に副室内か ら未燃混合気が押し出され，その後火炎が噴出し急峻 な圧力上昇になることが分かった．また，初期の未燃 噴出やその後の火炎の噴出により噴流周辺の乱れが強 化され，火炎面も複雑な皺状を形成し急峻な圧力上昇 につながったと推測される．イオン電流が検出される 点火後13msec を過ぎて 15msec からシュリーレンで も皺状の火炎が確認できる．このことから，電極に火 炎が到達する前に副室からは火炎ではない噴流が出て いることが確認できる．また，副室点火位置8mm の Fig. 5 Influence of igniter position on main-chamber
pressure history.
Fig.6 Interaction of propagating combustion wave and hot jet-flows out of the pre-chamber.
10ms
15ms
20ms
25ms
30ms
0mm
from nozzle
2mm
from nozzle
4mm
from nozzle
35ms
方が点火位置1mm に比べて主室に火炎が発生するタ イミングは遅い．以上のことから副室奥で点火すると 副室内の燃焼により初期に副室内から未燃混合気が押 し出され，その後火炎が噴出し急峻な圧力上昇になる ことが分かった．また，初期の未燃噴出やその後の火 炎の噴出により噴流周辺の乱れが強化され，火炎面も 複雑な皺状を形成し急峻な圧力上昇につながったと推 測される． 3.3 副室と主室の同時観察 副室と主室を同時に撮影できる定容容器 (II) を用 いて副室と主室の直接およびシュリーレン同時撮影を おこなった．この可視化定容容器の特徴は，図4 に示 すように，円筒形の主室および副室の対称軸が平行に なっていることで，容器（I）と異なっている． 副室および主室の当量比を1.0，初期圧力を 168kPa， 副室と主室の連絡口径を2.5mm とし，点火位置は主 室から2.5mmとした．図9に主室の圧力履歴を示し， 図10 に可視化画像を示す．3ms から主室の圧力履歴 が立ち上がるとともにシュリーレン画像に燃焼ガスが 主室へ進入するのが確認できる．一方,直接画像からは 副室点火後に発光が確認できるが主室への火炎伝播は 確認できない．直接撮影を見る限り，副室では再び 7ms で発光が現れ，9ms で主室に火炎が確認できる． その後，主室内で火炎伝播が見られると同時に，副室 内でも主室とは逆方向に火炎が伝播していることが確 認できる．このように主室内の火炎伝播と同じタイン グに副室内でも火炎伝播している場合，両室の間に大 きな圧力差が生じず，したがって高速の副室噴流の発 生につながらないと考えられる． 副室と主室の形状と点火位置の組み合わせにより， 主室の燃焼形態，ひいては発熱率速度を大きく変化さ せることが可能であるといえる． 0 5 10 15 20 0.1 0.2 0.3 0.4 Pr es su re [M Pa ]
Time after spark ignition [ms]
Fig.7 Influence of igniter position in the pre-chamber on combustion behaviors in the main chamber. Fig.8 Influence of igniter position on ion current.
1mm
from
nozzle
8mm
from
nozzle
3ms
5ms
20ms
29ms
31ms
5ms
7ms
13ms
15ms
17ms
Fig. 9 Pressure history in main-chamber.
-10 -8 -6 -4 -2 00 5 10 15 20 25
Time after spark ignition [ms]
8mm from nozzle 1mm from nozzle Ion p rob e vol ta ge
3.4 副室噴口形状による燃焼改善 副室内の点火位置を奥にすることで圧力上昇を急峻 にできるが，噴流が強いために副室との対向面への衝 突が確認できる．副室からの噴流が壁面へ必要以上に 衝突することは冷却損失の増加につながる可能性があ るため，噴流を抑えつつ圧力上昇を急峻にする火炎形 態を見出したい．そこで，副室式エンジンの噴口形状 を一般的な丸形から横長なスリット形状にして燃焼お よび圧力上昇速度を確認した． 図 11 に副室および噴口の形状を示す．噴口の断面 積は丸形噴口とスリット噴口と同一にした．定容容器 は(I)を用いた．当量比 0.8，初期圧力を 200kPa とし， 副室点火位置8mm の丸形噴口とスリット噴口での圧 力履歴および直接撮影を行った．図12 に主室の可視 化画像を, 図 13 に主室内の初期の圧力履歴を示す． 初期の圧力履歴から丸形噴口の方が主室の圧力の立ち 上がりが早いが28msec でスリット噴口が逆転する． 図 14 に主室内の全体の圧力履歴を示す．最大圧力は スリット噴口の方が丸形噴口よりも高くなっており， 冷却損失分の差が出ていると考えられる．可視化画像 からも圧力履歴と同様に丸形噴口の方が副室からの発 光が早く観察できる．火炎の形状に着目すると丸型噴 口は副室付近から火炎が広がり噴出方向に拡大してい る． φ=3mm 10 mm 0.7mm
Hole nozzle Slit nozzle
Fig.11 Specification of pre-chamber nozzle. Fig.10 Image of main-chamber and pre-chamber on photography and Schlieren photography
for visualization test.
7ms 9ms 11ms 13ms 15ms
Direct
5ms 3ms
Schlieren
一方，スリット噴口では主室中心部から火炎が拡大 していることが確認できる．噴口を丸形からスリット 形状にすると，副室から噴出する初期火炎がただちに 主室の燃焼に至っていないと推測できる．副室から噴 出される速度も弱くなるため主室中心部に噴流が滞留 し，その後主室の燃焼につながるのではないかと推測 される． 飯田ら(11)によれば，狭い流路の火炎伝播は流路壁の 熱伝達が大きく寄与していると報告されているので， 容器全体の温度を上昇させ，燃焼および圧力上昇に及 ぼす影響を確認した．容器全体を25℃から 50℃まで 上昇させた．図15 に初期の圧力上昇を示す．丸形噴 口では容器温度を上昇させても圧力の立ち上がりに大 きな変化が見られなかった．一方で，スリット噴口で は容器温度を上昇させると圧力の立ち上がりが早くな った．スリット噴口は丸形噴口と比較すると連絡口表 面積が大きくなるため噴流が噴口から受ける熱損失が 増える．したがって，容器温度を上げることで主室に 噴出する噴流の冷却が抑えられ燃焼が早期に始まり圧 力上昇が早くなった．図16 に全体の圧力履歴を示す. スリット噴口では立ち上がりが早くなるがその後の圧 力上昇の傾きに大きな変化が見られなかった．丸形噴 口に関しては初期も含めて圧力履歴に大きな変化は見 られなかった． 以上の結果から，丸形噴口からスリット噴口にする ことで噴流の貫徹力を弱め燃焼開始場所を噴口から離 れた燃焼室中央部に配置する火炎形態にできることが 分かった． ま と め 本研究では，定容容器を用いて副室から噴出する火 炎形態を把握するとともに副室内および主室の燃焼の 把握を目的とした．副室内点火位置および噴口形状の 影響を調べ，以下に得られた知見を示す． 1. 副室内の点火位置によって火炎形態を大きく変 えることができる．副室内の点火位置を連絡口付 近にすると火炎伝播燃焼する．副室内の点火位置 を中心から奥部にすると副室噴流と主室混合気 Fig.16 Influence of wall temperature on main-chamber
pressure history.
Fig.15 Influence of wall temperature on the onset main-chamber combustion.
Fig.14 Effect of nozzle shape on main-chamber pressure history
Fig.13 Effect of nozzle shape on the onset of combustion in the main-chamber.
の乱流混合燃焼する．副室内の点火位置を中心か ら噴口寄りにすると伝播火炎燃焼と乱流混合燃 焼の双方が合わさる． 2. 副室内の点火位置を奥部にすることで初期に未 燃ガスが噴出し，それに続く高温ガス噴出によっ て主室が燃焼する． 3. 副室の噴口を丸形からスリット形にすることで 燃焼形態を大きく変えることができる．噴流の貫 徹力を弱め主室の燃焼開始を噴口から遠ざける ことができる． なお，副室から主室に向かう火炎については副室内圧 力が重要となると考えており，今後，副室内圧力計測 を実施し詳細に調べることで明らかにする必要がある． 参 考 文 献
1) The Center for Climate and Energy Solutions Home Page
http://www.c2es.org/technology/factsheet/Cogen erationCHP
2) 安枝信次，Journal of the JIME， Vol.47，No.6 (2012)
3) A.Shah et al, SAE Technical Paper, 2015-01-867
4) Gerhard Pirker et al, CIMAC Congress 2016, No.130.
5) Y.Takashima et al, CIMAC Congress 2016, No. 170.
6) K.Yamanaka et al, CIMAC Congress 2010, No. 182.
7) Y.Takashima et al, SAE International Journal of Engines, 8(2015-01), 221 - 229 8) 山口ほか 2 名，第 16 回燃焼シンポジウム講演論 文集，(1978)，88-90 9) 山口ほか 4 名，第 17 回燃焼シンポジウム講演論 文集，(1979)，135-137 10) 飯田ほか 2 名，日本機械学会論文集（B 編）， 48-435(昭 57-11)，2344-2354 11) 飯田ほか 2 名，日本機械学会論文集（B 編）， 50-449(昭 59-1)，132-141
