希薄可燃限界近傍での混合気噴射による燃焼改善に 関する一考察
著者 張 洛瑜
出版者 法政大学大学院理工学研究科
雑誌名 法政大学大学院紀要. 理工学・工学研究科編
巻 61
ページ 1‑4
発行年 2020‑03‑24
URL http://doi.org/10.15002/00022753
法政大学大学院紀要 理工学・工学研究科編 Vol.61(2020年3月） 法政大学
希薄可燃限界近傍での混合気噴射による燃焼改善に関する 一考察
A S
TUDY OF COMBUSTION IMPROVEMENT BY MIXTURE INJECTION NEAR THE LEAN FLAMMABILITY LIMIT
張 洛瑜 Zhang LUOYU 指導教員 川上 忠重
法政大学大学院理工学研究科機械工学専攻修士課程
The engines designed for lean-burning can employ by using higher compression ratios for providing better performance and high efficiency. Efficient fuel use and low exhaust hydrocarbon emissions than those found in conventional gasoline engines. In this experiment, we investigated the combustion improvement by using mixture injection in a tube propagation flame for increasing the flame area, and create of mixture turbulence. Experiments have been carried out to examine the influence of mixture injection on flame behavior and flame speed for extremely lean premixed propane-air mixtures in a tube. The main conclusions are as follows:1)The average flame speed monotonically increases with shifting the equivalence ratio of mixture to the stoichiometric near the lean flammability limit under with/without mixture injection.2) It is possible to improve the combustion near the extremely learn flammability limit by using mixture injection 3) The injection timing at which the maximum flame propagation speed is obtained is delayed as the injection equivalence ratio shifts to the theoretical side.4) The rate of increase of flame propagation speed depends on the injection timing and the most suitable condition exits for combustion improvement at the same total equivalent ratio.
Key Words : Combustion Characteristics, Injection Delay, Lean Burn, Tube Flame
１． はじめに
近年の環境問題への意識の高まりとともに，ガスター ビン燃焼器や内燃機関などの各種燃焼器の高効率化と低 環境負荷化が求められている．希薄燃焼用に設計された エンジンでは，従来型のガソリンエンジンよりも高圧縮 比を実現することが可能であり，それに伴って機関性能 及び熱効率の向上が実現され，希薄化による低燃焼生成 物も期待されている．希薄燃焼化を実現することで，比 熱比増加による熱効率増大に加え，火炎温度低下による 冷却損失低下のメリットも発生することが知られている が，失火による未燃成分の増大も報告されている．
本研究では，希薄燃焼改善手法の確立を目的とし，管 内進行火炎伝播法を用いて、可燃限界近傍での超希薄プ ロパン―空気混合気の火炎挙動および火炎伝播速度に及 ぼす混合気噴射の影響について検討を行った．
２． 実験装置及び方法
本実験における実験装置の概略を図１に示す．実験装 置は主に燃焼管，混合管，点火回路，遅延回路，流量計，
真空タンク（噴射混合気作成用）及び high speed camera
（火炎観察用）から構成されている[1]．燃焼管は，内径70
㎜✕全長770 ㎜（燃焼部670㎜）のアクリル製円筒管で あり，燃焼管の両端には，ABS 樹脂製栓が設けてある．
点火端の栓には，燃料導入用バルブとニクロム線を用い た点火装置，排気端には排気用バルブが設けられている．
点火端から 335 ㎜の位置に直径２㎜の希薄混合気噴射 口を設置した．点火装置は内径70㎜のABS樹脂製の栓 の二箇所に電極を取り付け，それらを結線するように200 Ｗのニクロム線を取り付けた．実験台前の170－200㎝範
囲に high-speed カメラを設定し，直接撮影法で火炎状況
を観察した．
噴射混合気は精密流量計を用いて作成し，混合気タン クに予め導入されている．実験は大気圧，室温で行った．
点火には，ニクロム線による熱面点火が採用された．
本実験では，プロパン―空気混合気を用いた．噴射タ イミングの影響を検討するため,燃焼管内に導入されてい る混合気の当量比はφ=0.6であり，噴射当量比はΦ=0.65 から0.1ずつ希薄側に移行させ0.35 まで，噴射タイミン
グはｔ=1.25ｓから0.025sずつ増加させ，1.50sまで実験を 行った．
また，燃焼管内混合気濃度の影響を検討するため，噴 射される混合気の当量比はΦ=0.45（一定）であり，燃焼 管内に導入されている混合気の当量比は，φ=0.45 から 0.05ずつ理論量論比側に移行させ0.75まで実験を行った．
Fig.1 Experimental apparatus
実験条件を表１,表2に示す．なお，各データに対して 5回ずつ実験を行い，算術平均値を用いて平均火炎伝播速 度を算出した．
Table .1 Experimental condition（For injection delay）
Parameters Numerical value
Fuel Propane-air Mixture
Equivalence ratio
of initial mixture φ=0.6
Equivalence ratio
of injection mixture Φ=0.35/0.45/0.55/0.65
Injection delay 1.25-1.50s
(Interval:0.025s) Injection
pressure(atm) 1.5
Table .2 Experimental condition (For the concentration of mixture)
Parameters Numerical value
Fuel Propane-air Mixture
Equivalence ratio of initial mixture
φ=0.4/0.45/0.50/0.55/
0.60/0.65/0.70/0.75 Equivalence ratio
of injection mixture Φ=0.45
Injection
pressure(atm) 1.5
３． 実験結果および考察
図2にプロパン―空気混合気の当量比φ=0.7 での火炎 挙動の代表例を示す．図2（a）から明らかなように，本 実験は希薄側可燃限界近傍での火炎挙動の為，火炎が著
しく浮力の影響により，上方向に持ち上げられながら伝 播している．一方，火炎伝播中に混合気噴射を燃焼管側 壁 か ら 行 っ た 場 合 （ 図 2(b)参 照 ： 噴射 混合 気当 量比
Φ=0.45 ，噴射タイミングｔ＝0.75ｓ，点火後の経過時間
Ｔ＝1.81ｓ），火炎面は著しく乱れを伴って伝播している．
すなわち，混合気噴射による火炎表面積の増大効果が確 認された[2]．
Fig.2 Flame shape
（１）噴射タイミングの影響に関する考察
図 3 に混合気噴射タイミングに対する火炎伝播速度を 混合気噴射の当量比をパラメータとして示す，この図か ら明らかなように，どの混合気噴射の当量比においても，
最大火炎伝播速度が観察される噴射タイミングに差異が 発生している．
また，若干ではあるが混合気噴射当量比の理論量論側 への移行に伴って，最大火炎伝播速度が得られる噴射タ イミングが遅延する傾向が確認された．同一混合気噴射 当量比を用いた場合，想定された総括当量比[3]が同一で あるため，噴射タイミングによる乱れの影響によるもの と考えられる．さらに，混合気噴射の当量比の増大に伴 って，噴射タイミングによる火炎伝播速度の変化割合が 増加している．これは，希薄側可燃限界近傍での混合気 噴射による燃焼改善効果には，混合気噴射当量比に関す る検討も必要であることを示唆している．また，混合気 噴射に伴う火炎の冷却効果も考えられるが，今後の検討 課題の１つである．
Fig. 3 Flame speed corresponding to each conditions 表３および４に噴射タイミング及び噴射当量比による
火炎伝播速度の増加割合を，それぞれに示す．なお，増 加率は，各表の二つの噴射タイミングにおける増加率を，
単純算出したものである．これらの表から明らかなよう に，混合気噴射当量比Φ=0.35 を用いた場合には，最適な 噴射タイミングが存在し，ｔ＝1.35ｓ付近において 17％
程度の火炎伝播速度の増加が確認された．同様に，混合 気噴射当量比 Φ=0.65 の場合には，噴射タイミングｔ＝
1.45ｓ付近において，30％程度火炎伝播速度が減少して いる．これは，混合気噴射に伴う火炎面流動による燃焼 促進効果と混合気流動による火炎面への冷却効果の相反 する影響によるものであり[4]，特に火炎温度が理論量論 側と比較して低い可燃限界近傍においては，最適な条件 に関する検討が必要である．
Table .3 Increase rate of flame speed, Φ=0.35 Range of injection timing
ｔ(s)
Increase rate of flame speed (%)
1.25-1.275 4.4
1.275-1.30 8.7
1.3-1.325 4.0
1.325-1.35 16.9
1.35-1.375 -3.6
1.375-1.4 -7.7
1.4-1.425 -3.7
1.425-1.45 -11.3
1.45-1.475 -2.3
1.475-1.5 -2.1
Table .4 Increase rate of flame speed, Φ=0.65 Range of injection timing
ｔ(s)
Increase rate of flame speed (%)
1.25-1.275 4.0
1.275-1.30 9.7
1.3-1.325 -1.4
1.325-1.35 2.9
1.35-1.375 7.8
1.375-1.4 13.5
1.4-1.425 4.8
1.425-1.45 -30.7
1.45-1.475 -1.1
1.475-1.50 -1.3
（２）管内混合気濃度の影響に関する考察
図４に混合気噴射させた場合の火炎挙動の代表例を，
燃焼管内の混合気当量比をパラメータとして示す．この 図から明らかなように，燃焼管内のプロパンー空気混合 気の理論量論比側への移行に伴って，混合気噴射をした 場合の火炎輝度が増加していることがわかる．これは，
可燃限界以下の混合気(φ=0.45)を噴射させることにより，
火炎面の一部の混合気濃度が希釈されるが，火炎輝度は 導入されている混合気濃度に依存しているためと考えら れる．ただし，混合気を噴射させているため，燃焼管内 の全体での混合気濃度は，均一でないことを明記してお
く．このような，条件下での平均火炎伝播速度の変化割 合は，燃料濃度の不均質性を有する混合気の火炎伝播を 検討するうえで，極めて重要である．よって，燃焼管中 心軸上の平均火炎伝播速度を評価することとした．
Fig.4 Flame shape with injection at each equivalence ratio
図５に燃焼管の混合気当量比に対する平均火炎伝播速 度を，混合気噴射の有無をパラメータとして示す．なお，
本実験範囲内では，室温・大気圧下での可燃限界以下で ある当量比φ=0.5 以下の混合気噴射無しにおいても，火 炎伝播速度が観察されているが，これは，高点火エネル ギー(130J程度)を用いたことによる，希薄側可燃限界の拡 大によるものである．この図から明らかなように，混合 気噴射の有無に関わらず，当量比の理論量論比側への移 行に伴って，平均火炎伝播速度は単調に増加している．
また，全ての希薄混合気当量比において，混合気噴射に よる火炎伝播速度の増加が確認された．さらに，混合気 噴射による火炎伝播速度の増加率は，混合気当量比φ=0.5 において約 60%増加している．すなわち，希薄可燃限界 近傍においては，混合気噴射による燃焼改善が可能であ ることが示唆される．
Fig.5 Average flame speed
４． 結論
本研究では，管内進行火炎伝播法を用いて，可燃限界 近傍での混合気噴射による燃焼改善効果について検討を 行った．以下に結果を示す．
１）希薄可燃限界近傍においては，混合気の当量比の理 論量論比側への移行に伴って，平均火炎伝播速度は混合 気噴射の有無によらず単調に増加する．
２）超希薄可燃限界近傍においては，混合気噴射による 燃焼改善が可能である．
３）最大火炎伝播速度の得られる噴射タイミングは,噴射 当量比の理論混合気側への移行に伴って遅延する．
４）火炎面への混合気噴射による火炎伝播速度の増大率 は噴射タイミングに依存し，同一総括当量比において最 適条件が存在する．
参考文献
１）. 白川博之, 法政大学大学院記要 59.
A STUDY OF COMBUSTION IMPROVEMENT FOR
FLAME PROPAGATION IN A TUBE USING
ETHANOL ,AA12677220，(2018).
２）.神義幸,川上忠重, “超希薄燃焼における混合気噴 射を用いた燃焼促進効果について”,日本機械学会東北 支部第 22 期総会・講演会講演論文集,No.2016-1,pp.23・
24(2016).
３）.T. Kawakami ,“A Study of Combustion Improvement for Flame Propagation in a Tube by Using Combination Flow and Mixture Injection”, 42th International Scientific Congress on Powertrain and Transport Means EUROPEAN KONES Vol.23 NO.1 147-152 Sep 2016.
４）. 角田祥隆，川上忠重，“予混合火炎の燃料噴射によ る燃焼促進効果について”日本機械学会関東支部山梨講 演会講演論文集 No.2010，PRI14 − 116(2010).
