電エネルギーは約5mJ であった．点火は時間軸の 0 秒で行わ れている．当量比Φ=0.67 の混合気における LBALDI とレーザ ー点火の圧力履歴を図13(a) に示す．この図が示す通り，希薄 限界付近ではない燃焼においては両手法とも同様な圧力履歴 を示した．しかし，図13(b) に示す当量比 Φ=0.55 においては， 点火手法による圧力履歴に大きな差が見られた．レーザー点 火では圧力の立ち上がりが非常に緩慢で，レーザーブレイク ダウン付近による局所的な点火であると考えられる．それに 対して，LBALDI は初期火炎核の増大により，急速な圧力上昇 を示したと推察される．このことからLBALDI はレーザー点 火よりも点火性に優れていると考えられる．
Fig. 13 Pressure histories for ignition of methane/air mixture (dotted line: laser ignition, solid line: LBALDI):
(a) Φ = 0.67, (b) Φ = 0.55 放電によるエネルギー量はレーザー出力によるエネルギー 量よりも小さい．このように，観察された点火の強化は全体の 投入エネルギーの増大よりもむしろ火炎核形状の幾何学的影 響によるものであると考えられ，LBALDI による点火性能向 上の可能性を示唆している．実際のエンジンにLBALDI を適 用するためには更なる研究が必要である．今後，市販のイグニ ッションコイルを用いて，通常放電点火との比較など更なる 実験を実施する予定である． 4．ま と め 電極間にレーザーブレイクダウンを形成し長距離放電を形 成する点火強化技術である「レーザーブレイクダウン支援放 電点火（LBALDI）」に関する放電基礎実験，および点火基礎 実験を実施し，以下の知見を得た． (1)電圧を印加する前にレーザーブレイクダウンプラズマを電 極間に生成することで，放電しきい値電圧が低下することが 明らかとなった． (2) 一点による放電よりも二点での放電の方がより放電しき い値電圧は低下するが，稲妻状の場合には直線状二点と比較 して増大する． (3) 高気圧条件下においも，LBALDI による放電しきい値電圧 の低下が観察された． (4) 高速フレーミングカメラの画像から，放電しきい値電圧は 電圧印加放電領域の大きさに依存しており，レーザーブレイ クダウンによって実質の放電距離を短くすることで低電圧化 が可能であると推察される． (5)メタン予混合気での点火基礎実験において，LBALDI はレ ーザー点火に比べて，より希薄予混合気においても点火が可 能であった． 謝 辞 放電の高速撮影には㈱ナックイメージングテクノロジーの 協力を得た．ここに記して感謝の意を表する． 参 考 文 献
(1) Briggs, T., Alger, T., and Mangold, B., "Advanced Ignition Systems Evaluations for High-Dilution SI Engines," SAE Int. J. Engines, Vol. 7, No. 4, p. 1802-1807 (2014)
(2) Zhang, A., Cung, K., Lee, S.-Y., Naber, J., Huberts, G., Czekala, M., and Qu, Q., “The Impact of Spark Discharge Pattern on Flame Initiation in a Turbulent Lean and Dilute Mixture in a Pressurized Combustion Vessel,” SAE Technical Paper, 2013–01–1627 (2012) (3)Pancheshnyi, S.V., Lacoste, D. A., Bourdon, A., and Laux C. O., "Ignition of Propane-Air Mixture by a Repetitively Pulsed Nanosecond Discharge," IEEE Trans. Plasma Sci. , vol. 34, No. 6, p. 2478-2487 (2006)
(4)Tanoue, K., Kuboyama, T., Moriyoshi, Y., Hotta, E. et al., "Development of a Novel Ignition System Using Repetitive Pulse Discharges: Application to a SI Engine," SAE Int. J. Engines, Vol. 2, No. 1, p. 298-306 (2009)
(5)Ikeda, Y., Nishiyama, A., Katano, H., Kaneko, M., and Jeong, H., “Research and development of microwave plasma combustion engine (Part II: engine performance of plasma combustion engine),” SAE Technical Paper, 2009–01–1049 (2009) (6)「レーザー誘起型火花放電点火装置」 特開 2009-97427
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Laser ignition
LBALDI
(a)
(b)
SI ノッキング条件と HCCI 燃焼条件における炭化水素の着火性差異
＊ 柴田 元1） 吉田 蒼明2) 鈴木 拓也3) 小川 英之4)Ignitability Difference of Hydrocarbons in SI Knocking and HCCI Conditions
Gen Shibata Soumei Yoshida Takuya Suzuki Hideyuki Ogawa The relation between research octane number (RON) and chemical structure was investigated, and the parameters which strongly related to the auto-ignition characteristics were extracted. These parameters were applied to the HCCI combustion data and it was obvious that the ignitability trends of naphthene family were different between the RON and HCCI conditions. This might be one of the reasons why the RON can not be applied for HCCI engine test data.
KEY WORDS: Heat Engine, Gasoline Engine, Homogeneous Charge Compression Ignition, Gasoline, Combustion Analysis (A1)
1．ま え が き 市販レギュラーガソリンのリサーチ法オクタン価（RON） は約90 で同一であるが，HCCI 燃焼をさせると着火特性が油 種により変化するという問題がある(1)．これは空燃比の薄い緩 慢な HCCI 燃焼では燃料を構成する炭化水素の構造の影響が 着火に現れやすくなったためである． オクタン価にはリサーチ法オクタン価（RON）とモーター 法オクタン価（MON）の 2 種類があるが，実はガソリンエン ジンでも過給条件や自然吸気条件などの着火雰囲気条件によ り炭化水素の構造に着火性差異があることを示している． 本報では，まずオクタン価の特性について詳細に調べ着火 に深く関与している炭化水素の構造パラメータを調べた．次 に吸気温度を変更しHCCI エンジンを異なる着火雰囲気条件 で運転した．ガソリンノック指標のオクタン価に相当する HCCI 着火指標（HI index）を定義し，オクタン価と相関が深
い構造パラメータでHI index を整理した．それぞれの構造パ ラメータの係数の変化からガソリンエンジンノックと HCCI 燃焼の着火差異について解析したので報告をする． 2．実験装置および実験方法 2.1 オクタン価の構造パラメータの計算 図 1 に炭化水素の構造パラメータを示す．オクタン価と相 関のある炭化水素の構造パラメータを求めるために，C1，C2， C3，C4，Co，Cn，Cb，C2n，Cdの9 つのパラメータを用いた． このうちC1からC4は一級炭素から四級炭素の数，Cbはベン ゼン環に含まれる炭素の数，Coは二重結合の隣接する炭素の 数，Cnはナフテン環に含まれる炭素の数，C2nはナフテン環の 側鎖中に含まれる二級炭素の数である．また直鎖の炭素数が6 以上の炭化水素は着火性が著しく向上することからCdという ダミーパラメータを導入し，直鎖の炭素数が6 以上の場合は Cd＝1，6 未満の場合は Cd=0 とした．表 1 に統計計算の対象と する58 種類の炭化水素とリサーチ法オクタン価（RON）とこ れらの構造パラメータの一覧を示す．（表中のRONcalcは後述 する式(1)より求められる統計計算値である）
Paraffins
CH3- C - CH2- CH2- CH - CH3 CH- 3 CH3 -CH- 3 C3 C1 C2 C4Aromatics
CH3 CbNaphthenes
CH2- CH3 C2n Cn CH3- CH = CH - CH2- CH3 CoOlefins
Paraffins
CH3- C - CH2- CH2- CH - CH3 CH- 3 CH3 -CH- 3 C3 C1 C2 C4 CH3- C - CH2- CH2- CH - CH3 CH-CH- 33 CH3 -CH3 -CH-CH- 33 C3 C1 C2 C4Aromatics
CH3 CH3 CbNaphthenes
CH2- CH3 CH2- CH3 C2n Cn CH3- CH = CH - CH2- CH3 CoOlefins
Fig. 1 Hydrocarbon structures and C-C bond parameters
2.2 HCCI エンジン実験による炭化水素の着火性評価 2.2.1 エンジンシステム テストエンジンのシステム図を図 2 に，またエンジンの諸 元を表2 に示す．単気筒水冷 4 サイクルディーゼルエンジン の吸気部にヒータを埋設して吸気温度をコントロールできる ようにし，吸気バルブの上流800mm の位置で燃料を噴射して 十分に空気と混合した状態で燃焼室に導入し，HCCI 燃焼をさ せた．実験では吸気温度を変化させた際の炭化水素の着火性 を高温酸化反応のCA10から計算されるHI indexというオクタ ン価に相当する相対的着火指標を用いて整理した． *2015 年 5 月 22 日受理．2015 年 5 月 22 日自動車技術会春季学 術講演会において発表． 1)･2)･3)･4) 北海道大学(060-8628 札幌市北区北 13 条西 8 丁目)
Table 1 Research octane number and structure parameters of pure hydrocarbons
Type No. Hydrocarbons RON C1 C2 C3 C4 Co Cn Cb C2n Cd RONcalc
Paraffin 1 n-Pentane 61.7 2 3 0 0 0 0 0 0 0 79.81 2 n-Hexane 25 2 4 0 0 0 0 0 0 1 24.66 3 n-Heptane 0 2 5 0 0 0 0 0 0 1 15.54 4 iso-Pentane 92.3 3 1 1 0 0 0 0 0 0 98.07 5 2,2-Dimethyl-Butane 91.8 4 1 0 1 0 0 0 0 0 98.07 6 2,3-Dimethyl-Butane 103.5 4 0 2 0 0 0 0 0 0 107.2 7 iso-Hexane 73.4 3 2 1 0 0 0 0 0 0 88.94 8 2,2-Dimethyl-Pentane 92.8 4 2 0 1 0 0 0 0 0 88.94 9 2,3-Dimethyl-Pentane 91.1 4 1 2 0 0 0 0 0 0 98.07 10 2,2,3-Trimethyl-Butane 112.1 5 0 1 1 0 0 0 0 0 107.2 11 3-Ethyl-Pentane 65 3 3 1 0 0 0 0 0 0 79.81 12 4-Methyl-Heptane 26.7 3 4 1 0 0 0 0 0 1 24.66 13 iso-Octane 100 5 1 1 1 0 0 0 0 0 98.07 14 2,3,4-Trimethyl-Pentane 102.5 5 0 3 0 0 0 0 0 0 107.2 15 2,2-Dimethyl-3-ethyl- 112.1 5 2 1 1 0 0 0 0 0 88.94 16 2,4-Dimethyl-3-ethyl- 105.3 5 1 3 0 0 0 0 0 0 98.07 17 2,2,3,3-Tetramethyl- 116.8 6 1 0 2 0 0 0 0 0 98.07 Olefin 18 1-Pentene 90.9 1 2 0 0 2 0 0 0 0 88.94 19 2-Methyl-1-Butene 102.5 2 1 0 0 2 0 0 0 0 98.07 20 1-Hexene 76.4 1 3 0 0 2 0 0 0 0 79.81 21 2-Methyl-2-Pentene 97.8 3 1 0 0 2 0 0 0 0 98.07 22 2,3-Dimethyl-1-Butene 101.3 3 0 1 0 2 0 0 0 0 107.2 23 2-Ethyl-1-Butene 98.3 2 2 0 0 2 0 0 0 0 88.94 24 2-Methyl-2-Hexene 91.6 3 2 0 0 2 0 0 0 0 88.94 25 3,3-Dimethyl-1-Pentene 103.5 3 1 0 1 2 0 0 0 0 98.07 26 2,3-Dimethyl-2-Pentene 97.5 4 1 0 0 2 0 0 0 0 98.07 27 2,3,3-Trimethyl-1-Butane 105.3 4 0 0 1 2 0 0 0 0 107.2 28 1-Octene 28.7 1 5 0 0 2 0 0 0 1 15.54 29 2-Octene 56.3 2 4 0 0 2 0 0 0 0 70.68 30 trans-3-Octene 72.5 2 4 0 0 2 0 0 0 0 70.68 31 2-Methyl-2-Heptene 79.8 3 3 0 0 2 0 0 0 0 79.81 32 2,3-Dimethyl-1-Hexene 96.3 3 2 1 0 2 0 0 0 0 88.94 33 Diisobutylene 106 4 1 0 1 2 0 0 0 0 98.07 34 2,4,4-Trimethyl-2-Pentane 103.5 5 0 0 1 2 0 0 0 0 107.2 Naphthen 35 Cyclopentane 101.3 0 0 0 0 0 5 0 0 0 84.04 36 Cyclohexane 83 0 0 0 0 0 6 0 0 0 79.41 37 Methyl-Cyclopentane 91.3 1 0 0 0 0 5 0 0 0 84.04 38 Methyl-Cyclohexane 74.8 1 0 0 0 0 6 0 0 0 79.41 39 1,3-Dimethyl-Cyclopentane 79.2 2 0 0 0 0 5 0 0 0 84.04 40 Ethyl-Cyclopentane 67.2 1 0 0 0 0 5 0 1 0 56.08 41 cis-1,2-Dimethyl- 80.9 2 0 0 0 0 6 0 0 0 79.41 42 Ethyl-Cyclohexane 45.6 1 0 0 0 0 6 0 1 0 51.45 43 n-Propyl-Cyclopentane 31.2 1 0 0 0 0 5 0 2 0 28.13 44 iso-Propyl-Cyclopentane 81.1 2 0 1 0 0 5 0 0 0 84.04 45 1,1,3-Trimethyl- 81.3 3 0 0 0 0 6 0 0 0 79.41 46 n- Propyl -Cyclohexane 17.8 1 0 0 0 0 6 0 2 0 23.5
47 iso- Propyl -Cyclohexane 62.8 2 0 1 0 0 6 0 0 0 79.41
Aromatics 48 Benzene 125 0 0 0 0 0 0 6 0 0 121 49 Toluene 120.1 1 0 0 0 0 0 6 0 0 121 50 p-Xylene 109.6 2 0 0 0 0 0 6 0 0 121 51 Ethyl-Benzene 107.4 1 1 0 0 0 0 6 0 0 111.9 52 1,3,5-Trimethyl-Benzene 120.3 3 0 0 0 0 0 6 0 0 121 53 1-Methyl-3-Ethyl-Benzene 112.1 2 1 0 0 0 0 6 0 0 111.9 54 n-Propyl-Benzene 111 1 2 0 0 0 0 6 0 0 102.8 55 iso-Propyl-Benzene 113.1 2 0 1 0 0 0 6 0 0 121 56 1,3-Diethyl-Benzene 115.5 2 2 0 0 0 0 6 0 0 102.8 57 1-Methyl-4-iso-Propyl- 110.5 3 0 1 0 0 0 6 0 0 121 58 n-Butyl-Benzene 104.4 1 3 0 0 0 0 6 0 0 93.63 Exhaust Air Heater Injector Pressure gauge Fuel pump EDU Tin Tout Fuel consumption meter Surge tank Manometer 0 5000 10000
-60-40-20Crank angle deg0204060
Pres sure k Pa Rotary encoder PC Pressure transducer THC, NOx CO, CO2 MEXA-9100 Pulse generator EGR Test Fuel Exhaust Air Heater Injector Pressure gauge Fuel pump EDU Tin Tout Fuel consumption meter Surge tank Manometer 0 5000 10000
-60-40-20Crank angle deg0204060
Pres sure k Pa 0 5000 10000
-60-40-20Crank angle deg0204060
Pres sure k Pa Rotary encoder PC Pressure transducer THC, NOx CO, CO2 MEXA-9100 Pulse generator EGR Test Fuel
Fig. 2 Outline of the engine set-up
Table 2 Test engine specifications
Engine type Nissan SC-77 Number of cylinders Single cylinder Bore x stroke 85mm x 88mm Displacement 499 cm3 Compression ratio 14.7 2.2.2 実験用燃料 実験用燃料は表3 の Fuel 1 から Fuel 13 までの 13 種類を用 いた．これらの燃料は PRF50（イソオクタンとノルマルヘプ タンをそれぞれ 50%ずつ混合した燃料）をベース燃料とし， このベース燃料80%に 20%の単一炭化水素を混合して作られ る．
Table 3 Test fuel properties
Fuel Base fuel Added hydrocarbon name 80 vol% 20 vol% Fuel 1 n-Heptane Fuel 2 n-Hexane Fuel 3 n-Pentane Fuel 4 iso-Octane Fuel 5 Ethyl-cyclohexane Fuel 6 Methyl-cyclohexane Fuel 7 Cyclohexane Fuel 8 Toluene Fuel 9 m-Xylene Fuel 10 o-Xylene Fuel 11 Ethyl-benzene Fuel 12 n-Propyl-benzene Fuel 13 n-Butyl-benzene PRF 50 2.2.3 試験方法（吸気加熱試験） エンジン回転数1400rpm，等量比 0.34，吸気酸素濃度 21% の初期条件を与え，図2 の吸気管内蔵ヒータで吸気温度（50℃， 100℃，150℃の 3 条件）をパラメータに HCCI エンジンを運転 し炭化水素の着火性を変化させた． 2.2.4 相対的着火指標HI index の定義(2) HCCI 燃焼の相対的着火指標の求め方を図 3 に示す．例えば PRF50 にノルマルヘプタンを 20%混合した Fuel 1 とイソオク タン20%混合した Fuel 4 を HCCI 燃焼をさせたときの CA10 がそれぞれ-7 °CA ATDC，-2 °CA ATDC であるとき，それぞ れのCA10 を 0-100 のスケールに置き換える．一方，PRF50 に ノルマルペンタンを20%混合した Fuel 3 の CA10 が-4.6 °CA ATDC である時，この 0-100 スケールに当てはめて内分し 48 という値を得られる．また，トルエンを20%混合した Fuel 8 の例では外分することにより，176 という値を得られる．これ らはオクタン価計測を真似たノルマルヘプタンの着火性を0， イソオクタンの着火性を100としたHCCI用の相対的着火性指 標であり，以後HI index と呼ぶこととする． 0 50 100 -7 -2 HCCI index 0 100 1.8 176 CA10 HTHR [ºCA ATDC] 10 -10 n-Heptane n-Pentane iso-Octane Toluene 48 -4.6 TDC
Crank angle [ºCA ATDC] 150 dQ /d θ [J / º C A ] 0 50 100 -7 -2 HCCI index 0 100 1.8 176 CA10 HTHR [ºCA ATDC] 10 -10 n-Heptane n-Pentane iso-Octane Toluene 48 -4.6 TDC
Crank angle [ºCA ATDC] 150 dQ /d θ [J / º C A ]
Fig. 3 HI index calculation by the HCCI engine test data
3．実験結果および考察 3.1 オクタン価の構造パラメータの計算
式(1)に表 1 のオクタン価を C1，C2，C3，C4，Co，Cn，Cb， C2n，Cdの9 つのパラメータで重回帰分析をしたときの最適な 相関式を示す．このRONcalcはリサーチ法オクタン価（RON） に準拠しており，値が小さいと着火性が高く，値が大きいと 着火性が低いことを示している．
RONcalc=(-9.31C2-46.0Cd)+(-4.63 Cn-28.0C2n)+2.3Cb+107 (1) RONcalc: Research octane number calucated statistically C2: Carbon number of secondary carbon atoms in straight chain Cd: Dummy variable (if the number of straight chain carbon atoms
is higher than six, Cd=1.0, and if it is less than or equal to six, Cd=0)
Cn: Number of carbon atoms in the naphthene ring
C2n: Number of secondary carbon atoms in the side chains of the naphthene ring
Cb: Number of carbon atoms in the aromatic ring
計算の結果，オクタン価にはC2，Cd，Cn，C2n，Cbの5 つの パラメータが強く関係していた．式(1)において，最初の項は パラフィン系炭化水素を表しており，分子中の二級炭素の数 が多く，分子内引抜反応の遷移状態が六員環構造を取ると着 火性が著しく高くなることを示している．二番目の項はナフ テン系炭化水素を表しており，ナフテン系炭化水素はパラフ ィン系炭化水素に次いで着火性の高い炭化水素であることが 分かる．三番目の項は芳香族系炭化水素を表しており，芳香 族系炭化水素には着火を抑制する作用があることが分かった． この計算結果とオクタン価の相関を図4 に示す．決定係数(R2) は0.90 と高く，式(1)を構成する 5 つの炭化水素の構造パラメ ータは着火指標であるオクタン価と強い相関があることが示 された． 0 50 100 150 0 50 100 150 RON R O N ca lc Paraffins Olefines Naphthenes Aromatics R2=0.90
Fig. 4 Research octane number (RON) versus statistically calculated research octane number (RONcalc) by Equation (2)
3.2 HCCI エンジン実験による炭化水素の着火性評価
エンジン回転数1400rpm，等量比 0.34，吸気酸素濃度 21%
Table 4 The results of intake air heating test by HCCI engine
Test fuel 20% added hydrocarbon 50°C 100°C 150°C 50°C 100°C 150°C
Fuel 1 n-Heptane -7.0 -9.8 -11.9 0.0 0.0 0.0 Fuel 2 n-Hexane -6.1 -9.0 -11.1 17.4 17.6 17.8 Fuel 3 n-Pentane -4.6 -7.3 -9.4 48.9 54.1 53.8 Fuel 4 iso-Octane -2.1 -5.2 -7.3 100.0 100.0 100.0 Fuel 5 Ethyl-Cyclohexane -4.9 -7.4 -9.1 43.0 51.7 60.7 Fuel 6 Metyl-Cyclohexane -1.4 -4.0 -5.1 113.1 127.0 147.5 Fuel 7 Cyclohexane 1.2 -0.2 -0.6 166.5 208.7 245.3 Fuel 8 Toluene 1.7 -2.4 -5.1 175.6 160.4 148.2 Fuel 9 m-Xylene 4.2 -0.2 -2.4 227.3 209.1 205.4 Fuel 10 o-Xylene -1.9 -5.4 -7.9 103.8 95.9 87.9 Fuel 11 Ethylbenzene 2.2 -1.9 -4.3 186.9 172.2 165.3 Fuel 12 n-Propyl-benzene 0.6 -2.4 -4.3 154.7 160.9 165.3 Fuel 13 n-Butyl-benzene -0.9 -4.3 -7.8 122.4 120.4 89.6 Aromatics
CA10 [°CA ATDC] HI index [ - ] Paraffins Naphthenes 0 50 100 150 200 250 300 0 50 100 150 Intake air temperature [C]
H I i ndex iso-Octane n-Pentane n-Hexane n-Heptane Paraffins 0 50 100 150 200 250 300 0 50 100 150 Intake air temperature [C]
H I i ndex Naphthenes Cyclohexane Methyl-cyclohexane Ethyl-cyclohexane 0 50 100 150 200 250 300 0 50 100 150 Intake air temperature [C]
H I i ndex Aromatics Ethyl -benzene Toluene n-Propyl -benzene m-Xylene n-Butyl-benzene o-Xylene
Fig. 5 Effects of intake air temperature on HI index 各燃料における高温酸化反応のCA10 とHI index 値を表4 に示
す．また炭化水素の構造毎にHI index を整理したものを図 5 に示す．図5 においてパラフィン系炭化水素は吸気温度が変 化してもHI index 値は変化しない．一方，ナフテン系炭化水 素は吸気温度の上昇に伴いそれぞれのHI index 値は大きくな り，相対的着火性が低くなる．またナフテン系炭化水素では， 側鎖が長い炭化水素ほどHI index 値は小さく直線の傾きが小 さくなる結果を示した．このことは側鎖が長い炭化水素ほど 着火性が高く，ナフテン環の影響が小さくなることを示して いる．芳香族系炭化水素に関しては，吸気温度の上昇に伴い いずれの炭化水素もHI index 値が小さくなり，相対的着火性 は改善された．また芳香族系炭化水素の中ではo-キシレンが 最も着火性に優れており，これは側鎖のメチル基の距離が近 いため水素の分子内引抜(3)が容易に起こるためである． 3.3 オクタン価とHCCI エンジン実験結果の比較考察 図 6 にパラフィン系炭化水素，ナフテン系炭化水素，芳香 族系炭化水素のリサーチ法オクタン価（RON）とモーター法 オクタン価（MON）の分布を示す．モーター法オクタン価と リサーチ法オクタン価の計測条件の大きな違いはモーター法 オクタン価を計測する際の吸気温度がリサーチ法オクタン価 よりも高いということである(4)．図6 において，パラフィン系 炭化水素はRON=MON の線上に乗る．一方，ナフテン系炭化 水素と芳香族系炭化水素は一般にRON＞MON であり吸気温 度が高くなると相対的着火性が向上することを示している． 0 20 40 60 80 100 120 140 0 20 40 60 80 100 120 140 RON MON RON=MON (Paraffins) Aromatics Naphthenes
Fig. 6 Plot of the RON-MON distribution for paraffins, naphthenes, and aromatics
この傾向を図5 の HI index と比較すると以下のことが分かる． ① ガソリンノック条件でも HCCI 燃焼条件でもパラフィ ン系炭化水素の相対的着火性は吸気温度に対して変化 しない（図5 において吸気温度を上昇させても HI index は変化せず，図6 において RON=MON の関係にある） ② ガソリンノック条件でも HCCI 燃焼条件でも芳香族系 炭化水素では吸気温度上昇に伴い相対的着火性が向上 する（図5 において吸気温度の上昇に伴い HI index 値 は小さくなり，図6 において吸気温度の高い MON の ほうが吸気温度の低いRON よりも値が小さい）
という点はガソリンエンジンのノッキング条件とHCCI 燃焼 条件で共通の着火特性であるが，下記③の点で両者は異なる． ③ ナフテン系炭化水素では，吸気温度を高くするとオク タン価計測条件では着火性は高くなるが HCCI 計測条 件では着火性は低くなる これら①から③の着火特性を再確認するために，他のHCCI エンジンで吸気加熱試験をした際の吸気温度に対する HI index の変化を図 7 に示す(2)．エンジンと運転条件が異なるた めHI index 値は図 5 とは異なるが，この図においても吸気温 度の上昇に伴いナフテン系炭化水素のHI index 値は大きくな り，また芳香族系炭化水素のHI index は小さくなっており， 今回の実験結果と同じ傾向を示している．このことから，次 章において詳細な炭化水素の構造パラメータ解析を行なった． 0 50 100 150 200 250 30 50 70 90 110
Intake air temperature [°C]
H I i ndex Cyclopentane Toluene m-Xylene Isooctane Cyclohexane n-Heptane
Fig. 7 HI index characteristics versus intake air temperature
3.4 構造パラメータから求めたオクタン価とHCCI の着火 特性の比較 式(1)を導出したオクタン価に関係している C2，Cd，Cn，C2n， Cbの5 つの炭化水素構造パラメータを用いて図 5 の HI index の多重回帰計算を行い，以下の相関式を得た． 吸気温度50℃のとき： HI index50C = -25.4C2-2.21Cd+2.42Cn-96.8C2n+13.1Cb+125 (2) 吸気温度100℃のとき： HI index100C = -20.1C2-18.0Cd+8.42Cn-116C2n+11.9Cb+117 (3) 吸気温度150℃のとき： HI index150C = -23.5C2-9.14Cd+12.1Cn-136C2n+9.84Cb+124 (4) C2: Carbon number of secondary carbon atoms in straight chain Cd: Dummy variable (if the number of straight chain carbon atoms
is higher than six, Cd=1.0, and if it is less than or equal to six, Cd=0)
Cn: Number of carbon atoms in the naphthene ring
C2n: Number of secondary carbon atoms in the side chains of the naphthene ring
Cb: Number of carbon atoms in the aromatic ring
式(2)から式(4)までの各係数は，係数が小さいほど着火性が 高く，係数が大きいほど着火性が低いことを表している．式(1) および式(2)から式(4)までの各 Cnの係数（ナフテンの影響）を 比較すると，式(1)では係数はマイナス（-4.63）であるが，式 (2)から式(4)の係数はいずれもプラス（2.42 から 12.1）である ことから，HCCI 着火条件では吸気温度が高くなるとナフテン の相対的着火性が低くなることがナフテン環構造の係数（Cn） からも明らかとなった．この理由は雰囲気温度の違いにより ナフテン環の反応経路が変わるためであると考えられる(5)．雰 囲気温度が低温のとき，ナフテンは式(5)および式(6)に示され るように第一酸素付加反応からナフテンラジカルの低温酸化 反応を経るが，高温になると式(7)のようにナフテン環が開環 して 1 ペンテンラジカルなどの反応性の低いオレフィン系炭 化水素ラジカルとなり，反応が進んでもブタジエンやプロピ レンラジカル，エチレンやメチルラジカルなど反応性の悪い 炭化水素が生成され着火性が低くなるためである． H + cyclo-C6H12 → H2 + cyclo-C6H11 (5) cyclo-C6H11 + O2 → cyclo-C6H11O2 (6) cyclo-C6H11 → CH2=CH(CH2)4 (7) 一方，式(2)から式(4)において，吸気温度を上げると芳香族 の係数（Cb）は小さくなり相対的着火性が向上しており，こ の結果は図5 の芳香族系炭化水素の特徴と一致する． ナフテン系炭化水素はガソリン中に最大 6％程度しか含ま れないが，例えばシクロヘキサンのHI index 値は 166 から 245 と大きいため，僅かな量のナフテンの含有がHCCI 燃焼の着火 性が大きく変動する．HCCI エンジンの着火性が同一オクタン 価の市販レギュラーガソリンで変動するのは，ガソリン中に 含まれるナフテン量の違いが理由であると考えられる． 3.5 ナフテン系炭化水素と芳香族系炭化水素の側鎖 5環と6環のナフテン系炭化水素の側鎖の長さがリサーチ法 オクタン価に与える影響について図 8 に示す．側鎖中の炭素 の数が増えていくといずれのナフテン系炭化水素においても リサーチ法オクタン価は低下し，着火性が高くなる．この傾 向はHCCI 試験における図 5 のナフテンの傾向と同じである． また式(2)から式(4)においても C2nの数が増えるとHI index は 小さくなり着火性が高くなり，同様の傾向を示している． 101.3 91.3 67.2 31.2 83 74.8 45.6 17.8 0 20 40 60 80 100 120 Cyclo pentan e Cyclo hexa ne Methy l-cyc lopen tane Methy l-cyc lohex ane Eth yl-cyclo pentan e Ethy l-cyc lohex ane n-Prop yl-cy clope ntane n- Pr opyl -cyclo hexa ne R es ear ch o ct an e n um be r Carbon number of side chain=1 Carbon number of side chain=2 Carbon number of side chain=3 No side chain
Fig. 8 Effects of side chain length on research octane number (naphthenes)
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一方，図8 において 5 環のシクロペンタン類と 6 環のシク ロヘキサン類を比較すると，側鎖の数が同じであれば環構造 が小さいほうがリサーチ法オクタン価は高く着火性が低い． これはHCCI試験における図7においても同様の傾向が見られ， いずれの吸気条件においても環構造の小さいシクロペンタン の方がシクロヘキサンよりもHI index が高く着火性が低いこ とがわかる．このことから，ナフテン系炭化水素では，ナフ テン環構造が大きいほど，また側鎖の長さが長いほど不安定 で着火しやすく，この傾向はガソリンエンジンのノック条件 やHCCI 着火条件に関係しないことが分かった．また，芳香族 系炭化水素のオクタン価と吸気温度50℃，100℃，150℃のと きにHCCI エンジンで計測した HI index 値を図 9 に示す．炭素 数 4 以上の側鎖があると（例えばノルマルブチルベンゼン） といずれの条件においても着火性が向上する傾向を示したが， ベンゼン環が安定した構造であるため，炭素数が1 から 3 の 側鎖（例えばトルエン，エチルベンゼン，ノルマルプロピル ベンゼン）では，側鎖の長さが着火性に与える影響について 特徴的な傾向は見られなかった． 50 100 150 200
Toluene Ethylbenzene
n-Propyl-benzene n-Butyl-benzene R esea rch octa ne nu mb er or H I ind ex RON HI index 50°C 100°C 150°C
Fig.9 Effects of side chain length on research octane number and HI indices (aromatics)
4．結 論 本研究ではガソリンエンジンノックと HCCI 燃焼の雰囲気 条件の差異が炭化水素の着火性に及ぼす影響について，炭化 水素の構造面から詳細に解析を行なった．以下にその結論を 記す． １． オクタン価と相関の強いパラメータは，①直鎖の長さ， ②六員環構造の有無，③ナフテン環のサイズ，④ナフ テン環の側鎖の長さ，⑤芳香族環の有無，である． 下記の２から５はガソリンノックの指標であるオクタン価と HCCI 燃焼条件の指標であるHI index に対して共通の炭化水素 の自着火特性である ２． 吸気温度を変えてもパラフィン系炭化水素の相対的着 火性は変化しない． ３． 芳香族系炭化水素は吸気温度を変化させると相対的着 火性は向上する ４． ナフテン環の大きさが大きいほど，またナフテン系炭 化水素の側鎖の長さが長くなるほど相対的着火性は向 上する． ５． 芳香族系炭化水素はベンゼン環が安定な構造であるた め，側鎖の炭素数が十分に大きくないと側鎖の着火性 への影響が現れない． またガソリンノックの指標であるオクタン価と HCCI 燃焼条 件の指標であるHI index に対して炭化水素の自着火特性で下 記の点が異なる． ６． ナフテン系炭化水素を吸気加熱するとオクタン価計測 条件では着火性が向上するが，HCCI 条件では相対的着 火性が低下する．この理由は雰囲気温度の違いにより ナフテン環の反応経路が変わるためである． オクタン価が同一の異なる市販ガソリンで HCCI エンジンを 運転するとエンジン性能が変化する．この理由は結論の６に 示したように，燃料中に含まれるナフテンの着火特性がガソ リンノッキング雰囲気と HCCI 燃焼雰囲気で異なるためであ ると考えられる． 謝 辞 本研究は，平成25 年-27 年科学研究費補助金（基盤研究（C）） による支援を受けており，ここに謝意を表する． 参 考 文 献 (1) 柴田 元，漆原友則：燃料による HCCI エンジンの運転 性能改善に関する研究，自動車技術会論文集，Vol.39,
No.5, p.71-76, Paper No. 20084909, (2008)
(2) Shibata G., and Urushihara T., “Auto-Ignition Characteristics of Hydrocarbons and Development of HCCI Fuel Index”, SAE Technical Paper, No. 2007-01-0220, (2007)
(3) 村上能規：量子化学的手法による燃料素反応研究の進展， 日本燃焼学会誌，第51 巻157 号, p.192-199, (2009)
(4) 柴田 元：燃料の着火性と予混合圧縮自己着火燃焼，マ リンエンジニアリング学会誌, Vol.47, No.6, p.841-846, (2012)
(5) Shibata, G., and Urushihara, T., “The Interaction between Fuel Chemicals and HCCI Combustion Characteristics under Heated Intake Air Conditions”, SAE Technical Paper, No. 2006-01-0207, (2006)
