小型ディーゼル機関 の過渡運転時における 燃 焼・排気特性に関する研究

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博 士 （ 工 学 ） イ マ ン カ ノ レ ト ラ ク ソ ノ

レ ク ソ ワ ル ′ ド ョ 学 位 論 文 題 名

小型ディーゼル機関 の過渡運転時における 燃 焼・排気特性に関する研究

学位論文内容の要旨

近年， 石油資源の 枯渇，石油代替燃料の開発，あるいは環境問題等への関心が顕在化して いる中 で，ディー ゼル機関 は，経済性および出力特性の面で極めて優れていることから，広 範な分 野で動力源 として用 いられている，レかし一方では，排気，騒音，振動等の問題が挙 げられ ており，そ の中でも 特に排気に対しては厳しい要求があるため，多岐に亘る燃焼・排 気改善の研究が行われている．

ディー ゼル機関の 中で特に小型ディーゼル機関は，主とレて一般車両用として広く使用さ れ，負 荷あるいは 回転速度 が急激に 変化する ような過 渡的状態 での使用頻 度が多いことか ら，通 常の定常運 転のみな らず過渡運転下での燃焼・排気特性の把握が重要であって，その 解明が待たれている．

本論文 は，このよ うな背景を踏まえて，サイクルオーダの高速で機関の排気を採取レ，そ れを分 析するため の計測シ ステムを試作・構築することによって，各種過渡運転時における 小形デ ィーゼル機 関の燃焼 ・排気特性を時系列的に解明すると同時に，それらと特にピスト ン 燃焼 室 壁面 温 度 との 関 連に つ い て系 統 的な 検 討 を行っ た結果を 論述した ものである ．

本論文は，全

章から構成されている．

第

章は 序論であり ．本研究 の目的お よび得ら れた結果の概要について述べると共に，研 究 の 背 景 な ら び に デ ィ ー ゼル 機 関 の過 渡 運 転に 関 する 研 究 の動 向 につ い て 記述 レ た．

第

章で は，供試機 関，実験 装置，な らびに実 験方法について説明した．特に，過渡運転 時にお ける燃焼お よび排気 特性を解明するために，機関のサイクルオーダーでの排気採集シ ステム を試作・構 築すると 共に，機関迎転時のピストン燃焼室壁面温度を計測するため，特 殊なり ンク機機を 製作して ピストンに設置した熱電対の出カデータを機関外部へ取り出した が，これらの機構とその妥当性についても詳述した．

第

章に おいては， 小到ディ ーゼル機 関におい て，まずサイクルあたりの噴射燃料量をス

テップ状に増加させてカII 速迎転を行った場合，っまルステップ状加速時における燃焼，各種

排気エ ミッション および燃 焼室壁而温度の時系列的な推移特性，ならびにそれらの相互関係

に つい て 論述 し た ．す な わち ． 加 速開 始 後に お け る未燃 炭化水素

．

．

，お よび

吐 煙の 濃 度は 各 々 過渡 推 移を 経 て 収束 定 常値 と な るが， 中でもCO の 収束は極 めて早いこ

と，ま たTHC および

濃 度の過渡 推移は， 中型機関 では比較 的簡単な 指数関数を 用いて近

似記述することが可能であるが．小型機関での近似記述はその精度が低下すること等を明ら かにした．

   加速 時の 排気 成分の中．特にTHC 濃度推移はピストン壁面温度に対して明瞭な相関関係を 有 し， その 温度 上昇に伴って一義的に低下すること．その際のピストン壁面無次元温度T ゛ は，加速時の運転条件のいかんに拘わらず，ピストン温度の時定数に相当するサイクル定数 r ゛を 因子 とし， 加速開始後のサイクル数を変数とする指数関数によって記述し得ること，

更 に， 加速 時の THC および吐煙濃度が定常値に収束するサイクル数は，運転条件にほぱ拘わ り な く THC で は T* の 約 1.2 倍 ， ま た 吐 煙 は 約 、 2.3 倍 で あ る こ と 等 を 示 し た ．    なお，加速時での燃料噴霧の着火遅れは，加速の進行．に伴う壁面温度上昇によって全般に 減少する特性を示すが，加速開始直後においては，壁面温度の上昇にも拘わらず一時的に増 加する特異な現象を見出した．

   第4 章で は，ス テップ状加速時における燃焼と排気エミッションの推移特性に対する主要 な燃料性状因子の影響について記述した．本研究では，動粘度，セタン価そして芳香族含有 割 合の 燃料 性状 因子 につ いて 検討 した が，各 々の燃料性状因子は，加速時における排気エ ミッションの推移に対して定量的影響を若干及ばすものの，その総括的な推移特性に大きな 影響を与えるものではないことを明らかにした．燃料性状因子個々の影響について，まず動 粘 度の 増加 は加 速開始直後でのTHC 濃度の急増現象を更に著しくすること，またセタン価の 上 昇は ，こ れに 伴う壁面温度上昇のためTHC 濃度の急増現象を大幅に抑える一方，着火時期 の 前 進 効 果 に よ っ て NOx 濃 度 を 増 加 さ せ る 傾 向 を 示 す こ と 等 を 明 ら か に し た ．    第5 章で は，噴 射燃料量を漸増させて加速運転を行った場合，っまルランプ状加速時にお ける排気エミッションの時系列的な推移特性について論述した．実験に先立ち，燃料噴射ポ ンプのラック変位をランプ状に駆動制御する方式を確立した後，これにより燃料増量期間△

T を任 意時 間に設 定して，燃焼および排気の過渡特性に対する解明を試みた．その結果，ス テ ップ 状加 速に 比ぺ てラ ンプ 状加 速で は，特 に加速開始初期における燃焼が安定化するた め ，NOx 濃 度は若 干増 加す るも のの ，THC 濃度 の急増現象は著しく抑えられることを実証に す ると 同時 に， ランプ状加速が加速時の排気，特にTHC 濃度の改善に対して有効な一手法で あ るこ とを 提示 した ．な お， ラン プ状 加速開 始初 期で のNOx 濃 度に ついて は，それが最大 となる△T 値が存在することも併せて明らかにした，

   第6 章に おいて は，噴射燃料量をステップ状に減少させて減速運転を行った場合の，燃焼 と排気工ミッションの過渡推移特性について論述した．

   すな わち ．減 速開 始後 のTHC とNOx 濃 度は， 減速開始直後に急減レ，若干の過渡的推移を 示 した 後1000 サ イクル程度で収束定常値に達すること，この場合のTHC 濃度推移は．ピスト ン壁而温度と高い相関関係を呈しており，温度の減少に沿ってほぼ一義的に増加すること，

更 に減 速時 にお けるピストン壁面無次元温度T ゛は．加速時と同様に機関燃焼室固有のサイ ク ル 定 数 r ゛ と サ イ ク ル 数 の 指 数 関 数 と し て 記 述 し 得 る こ と 等 を 明 ら か に し た ．    第7 章は ，熱伝 導シミュレーションによる過渡迎転時のピストン壁面温度推移について検 討と予測を行った結果を記述した．

   計算 では ，汎 用プログラムNISA II を基礎に，主にシリンダ内ガス温度とピストン壁面で

の熱伝達率の時間変化を考慮したピストン温度のシミュレーション手法を確立し，一次元熱 伝導モデルによって過渡運転時におけるピストン温度推移特性，特にピス卜ン壁面温度の時 定 数 に 相 当 する サ イク ル 定 数 r ゛ をあ る 程度 予 想レ 得 るこ と 等を 明 らか に し た．

   第 8 章 は ，本 論 文の 結 諭で あ って ， 本研 究 にお い て得 ら れ た結 果 を総 括 した ．

学位論文審査の要旨 主査

副査 副査 副査

教 授 教 授 教 授 助 教 授

宮本 伊藤 福迫 小川

     登 献 一 尚 一 郎 英 之

     学位論文題名

小型ディ゛ーゼル機関の過渡運転時における      燃 焼 ・ 排 気 特 性 に 関 す る 研 究

  近 年 ， 石油 資 源 の 枯渇 ， 石 油 代替 燃料の 開発，あ るいは 環境問 題等へ の関心 が顕在 化して い る中 で ， デ ィー ゼ ル 機 関は ， 経済 性およ び出力 特性の 面で極 めて優 れてい ること から，広 範 な分 野 で 動 力源 と し て 用い ら れて いる． しかし 一方で は，排 気，騒 音，振 動等の 問題が挙 げられており，その中でも特に排気に対しては厳しい要求がある．

  デ ィ ー ゼル 機 関 の 中で 特 に 小 型デ ィーゼ ル機関は ，負荷 あるい は回転 速度が 急激に 変化す る よう な 過 渡 的状 態 で の 使用 頻 度が 多いこ とから ，通常 の定常 運転の みなら ず過渡 運転下で の燃焼・排気特性の把握が重要であり，その解明が待たれている．

  本 研 究 は， こ の よ うな 背 景 を 踏ま えて， サイクル オーダ で機関 の排気 を採取 および 分析す るため のヨI．測システムを試作・構築することによって，各棚過渡迎転‖やにおける小型ディー ゼル機1刈の燃 焼・排 気特性 をuキ系 列的に 解明す ると同時 に，そ れらと 特にピストン燃焼寮幣 襾温度との1瑚述について系統的な検討を行っている．

  本論文は，仝8章から構成されている．

  第1章はlF論であり，本研究の目的およびネぉ来の概要について述べるとづヒに，研究のマテj；モ と動向について記述している．

  第2章 で は ， 供試 機 関 ， 実験 装 賦 ， なら び に 実 験方 法 に ついて 説Ijして いる． 特に， 排気 採 集 シ ス テ ム と ピ ス ト ン 燃 焼 室 壁 面 温 度 の 計 測 法 に っ い て 詳 述 し て い る ．   第3章で は，サ イクル あたり の噴射 燃料量 をステ ップ状 に坩カI亅させて 加述迎転を行った場 合，っ まルス テップ 状加速 時にお ける燃焼 ，排気 濃度お よび燃 焼室壁 而温度 のIIや系列的な推 移特性 ，なら びにそ れらの 相互関 係につい て論述 してい る．す なわち ，加速 開蠱台後における 未 燃 炭 化 水 素THC．NOx，CO． お よ び 吐 煙 の 濃 度 は 各 々 過 渡 推 移 を 経 て 収 束 定 常 値 と な る が ， 中 で もCOの 収 束 は 極 め て 早 い こ と ， ま たTHCお よ びNOx濃 度 の 過 渡 推 移 は ， 中 型機 関 で は 比較 的 簡 単 な指 数 関数 を用い て近似 記述す ること が可能 である が，小 型機関で

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の近似記述は その精度が低下すること等を 明らかにしている，

  ま た 加 速 時 の ， 特 にTHC濃 度 推 移 は ピ ス ト ン 壁 面 温 度 に 対 し て 明 瞭 な 相 関 関 係 を 有 す る こ と， その 際の ピ スト ン壁 面無 次元 温 度T゛ は ，ピ スト ン温 度の 時 定数 に相 当す るサイクル定 数r゛を 因 子と し， 加速 開始 後 のサ イク ル数 を 変数 とす る指 数関 数 によ って 記述 し得ること，

更 に ． 加 速 時 のTHCお よ び 吐 煙 濃 度 が 定 常 値 に 収 束 す る サ イ ク ル 数 は ，THCで はr の 約 1．2倍，また 吐煙は約2.3倍であること等 を示している．

  第4章 に お い て は ， ス テ ッ プ 状 加 速 時 の燃 焼と 排気 濃度 の 推移 特性 に対 する 燃 料性 状因 子 の 影 響 に つ い て検 討し ， 各々 の燃 料性 状 因子 の変 化は ，加 速 時に おけ る排 気濃 度 の推 移に 対 し て 定 量 的 影 響を 及ぼ す もの の， その 総 括的 な推 移特 性に は 大き な影 響を 及ぼ さ ない こと を 明 ら か に し て い る ． 性 状 因 子 個 々 の 影 響 に つ い て ， 動 粘 度 の 増 加 は 加 速 開 始 直 後 で のTHC 濃 度 の 急 増 現 象 を 著 し く す る こ と ， ま た セ タ ン 価 の 上 昇 は ，THC濃 度 の 急 増 現 象 を 大 幅 に 抑 え る 一 方 ， NOx濃 度 を 増 加 さ せ る 傾 向 を 示 す こ と 等 を 見 い 出 し て い る ，   第5章 で は ， 噴 射 燃 料 量 を 漸 増 さ せ て 加速 運転 を行 った 場 合， っま ルラ ンプ 状 加速 時に お け る 排 気 濃 度 の時 系列 的 な推 移特 性に つ いて 論述 し， ステ ッ プ状 加速 に比 べて ラ ンプ 状加 速 で は ， 特 に 加 速 開 始 初 期 に お け るNOx濃 度 は 若 干 増 加 す る も の の ，THC濃 度 の 急 増 現 象 は著しく抑え られること等を実証している ．．

  第6章 で は ， 噴 射 燃 料 量 を ス テ ッ プ 状 に減 少さ せて 減速 運 転を 行っ た場 合の 排 気濃 度の 過 渡推移特性に ついて述べている．

  減 速 開 始 後 のTHCとNOx濃 度 は ， 減 速 開 始 直 後 に 急 減 し ， 若 干 の 過 渡 的ttli移 を 示 し た 後1000サ イ ク ル 程 度 で 収 束 定 常 値 に 達 す る こ と ， こ の 場 合 のTHC濃 度 推 移 は ， ピ ス ト ン 壁 而 温度 と高 いキ11関関 係を 呈し ており，温度の減 少に沿ってほぼ一義的に増lIIすること等を明 らかにしてい る．

  第7章 は ，熱 伝導 シミ ュレ ー ショ ンに よる 過 渡迎 転時 のピス卜ン壁而端度jff！移について倹 討を行った結 果を記述している．

  オ｜．鎗で は，汎川プログラムNISA lIを慕礎に，シリンダ内ガス温度とピストン！傭襾での熱伝 述＊のIやIm変 化を考慮したピストン温度 のシミュレーションを行い， 特にピストン幣iriif舳 Il の ‖ や 定 数 に411当1す る サ イ ク ル 定 数r゛ を あ るf！ 度 予 懲 し 得 る こ と 等 を 示 し て い る ．   第8帝 は ． 本 論 文 の ネ 古 論 で あ っ て ， ホ研 究に おい てi！゛ られ たk占氷 を総 括 して いる ，   これ を要 する に ，著 者は ，小 型ディーゼル機｜ 瑚における過渡迎転Hやの燃 焼・排気濃度の推 移 特性 につ いて 系 統的 な新 知見 を得 て おり ．内 燃機I刈 工学 およ び 燃焼 工学 の進 歩に寄与する ところ犬なる ものがある．

  よっ て著 者は ， 北海 逆犬 学工 学博 士 （工 学） の学 位を 授与される資格のあ るものと認める．

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