Scavenging Type Bore × Stroke Displacement
HCCI 10:1 / 12: 1
SI 8.7:1
HCCI PRF (n-heptane + iso-octane: 0 - 60 RON) n-hexane (25 RON) SI iso-octane (100 RON) Effective Compression Ratio Test Fuels 244 cm3 2-Stroke Air Cooled SI Engine Schnürle 72 × 60 mm Table 1 Specifications of test engine
Crank Angle Pick-up
Dynamometer Xenon Lamp Control Valve Internal EGR Laminar Flowmeter Fuel Tank Optical Fiber Monochromator 1 Light Emission Monochromator 2 Cylinder Pressure (P) NOx Analyzer A-D Converter Light Emission or Absorption Opti c a l Fi ber X2 H X1 Computer
発光・吸収計測による予混合圧縮着火燃焼の研究
飯島 晃良1） 庄司 秀夫2）A Study of Homogeneous Charge Compression Ignition Using Light Emission and Absorption Measurement
Akira Iijima Hideo Shoji
Spectroscopic techniques were used to investigate the HCCI combustion characteristics. The results revealed that the distribution profile of the light emission spectra of the hot flame differed substantially depending on the air-fuel ratio (AFR). Specifically, in low AFR condition, a strong light emission is seen a little after the CO-O glow in a wavelength range from 500-850 nm. The level of absorbance at a wavelength corresponding to the HCHO during the
low-temperature reaction decreased when the fuel octane number was increased. Additionally, the level of absorbance also decreased when residual gas was applied to HCCI combustion of a low-octane fuel.
Key Words: Internal Combustion Engine, Combustion / HCCI, Octane Number, Internal EGR, Flame Spectra ④
1．序 論 高効率かつ低公害な内燃機関の燃焼方式として，予混合圧 縮着火（HCCI）燃焼が注目されている(1)．HCCI は予混合気を 圧縮自着火させるため，着火時期の制御が困難である．また， 多点同時着火による急峻な圧力上昇によって，高負荷での運 転が制限される．これらの課題を解決する有効な手段を構築 するためには，圧縮自着火過程の詳細を理解する必要がある． 本研究では HCCI の着火および燃焼制御因子として当量比， 残留ガス状態（内部 EGR 率），オクタン価を選択し，これら をパラメータとした．解析手法として，燃焼室内における化 学種等の発光および吸収挙動に着目し，実機 HCCI 燃焼過程 に及ぼす上記パラメータの影響を調べた． 2．実験装置および方法 供試機関の仕様を表 1 に，実験装置の概略を図 1 に示す． 本研究では，燃焼室内の測定自由度が高い 2 ストローク機関 を用いた．当該機関にて，給気比が高い条件で低オクタン価 燃料を圧縮自着火させると，4 ストローク HCCI 燃焼に特徴的 な冷炎を伴う 2 段着火が観測される．すなわち 4 ストローク HCCI に対応した燃焼を模擬できる(2)．また，排気口を絞る事 で，意図的に多量の残留ガス（内部 EGR）を与える事ができ る．シリンダヘッド上部（図 1 の H）および側面（X1-X2）に 取付けた石英窓より，燃焼室内の発光と吸収を調べる．燃焼 室内の発光を石英窓より取り出し，分光器および光電子増倍 管に導く事で，特定の波長の発光強度の時系列データを採取 する．また，シリンダヘッド側面の石英窓より，キセノンラ ンプ光を照射し，燃焼室内を透過させ，透過光を分光器およ び光電子増倍管に導く事で，燃焼室内の透過光強度の時系列 データを採取する．分光器の波長分解能は半値幅 4 nm である． 上記の装置を用いて，以下の実験を行った． [ⅰ] 発光スペクトル計測：機関を定常運転し，250 nm から 900 nm までの波長における発光強度の時系列データを 5 nm おき （550 nm 以降は 10 nm おき）に測定．当量比（φ）および残留 *2007 年 4 月 20 日受理． 2007 年 5 月 24 日 自動車技術会春季学術講演会において発表． 1)・2）日本大学理工学部(101-8308 千代田区神田駿河台 1-8-14) (E-mail: [email protected])
＊
Fig. 3 Typical measured HRR waveforms.
Fig. 4 NOx emissions as a function of fuel flow rate. Case 1 Case 2 Case 3 Case 4 Case 5 Case 6
Operating Mode HCCI HCCI HCCI HCCI HCCI SI Residual Gas State Without In-EGR Without In-EGR Without In-EGR Without In-EGR With In-EGR Without In-EGR Compression Ratio (ε) 10: 1 10: 1 10: 1 10: 1 10: 1 8.7: 1 Fuel Flow Rate
(Qin) 4.8 mg/cycle 5.7 mg/cycle 7.5 mg/cycle 8.0 mg/cycle 5.2 mg/cycle 12.4 mg/cycle Equivalence Ratio (φ) 0.45 0.5 0.6 0.7 1.0 0.9 Engine Speed (N) 1000 rpm 1000 rpm 1000 rpm 1000 rpm 2500 rpm 1000 rpm Test Fuel n-heptane n-heptane n-heptane n-heptane n-heptane iso-octane Scavenging Ratio (SR) 0.9 (WOT) 1.0 (WOT) 1.1 (WOT) 1.0 (WOT) 0.45 (Throttling) 1.2 (WOT) Table 2 Measuement conditions for light emission spectra
Case 1 Case 2 Case 3 Case 4 Case 5 Case 6 0 5 10 15 20 25 30 35 -60 -30 TDC 30 60 H e a t R e le a s e R a te , H R R [ J /d e g .] Crank Angle , θ [deg .] Case 1 (HCCI φ=0.45) Case 2 (HCCI φ=0.5) Case 3 (HCCI φ=0.6) Case 4 (HCCI φ=0.7) Case 5 (HCCI With In-EGR)
Case 6 (SI φ=0.9) Quartz Window Exhaust Port 29 Spark Plug Scavenging Port Scavenging Port (SI Operation)
(Light Emission Measurement)
4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 0 50 100 150 200 250 300 350 400
Case 5 (With In-EGR)
Case 4
Case 3 Case 2
HCCI, Without In-EGR (Case 1~4) HCCI, With In-EGR (Case 5)
N O x Emi ssions [ p pm]
Fuel Flow Rate, Qin [mg/cycle] Case 1 ガス状態の影響を調べた． [ⅱ] 吸収スペクトル計測：機関を定常運転し，200 nm から 500 nm までの波長における透過光強度の時系列データを 10 nm おきに測定．残留ガス状態の影響を調べた． [ⅲ] 発光吸収同時計測による着火挙動調査：HCHO に相当す る波長の発光および吸収を同時計測した．オクタン価および 残留ガス状態の影響を調べた． 3．結果および考察 3.1. 発光スペクトル 表 2 に，発光スペクトルの測定条件を示す．Case 1 から Case 4 は，フルスロットル（WOT），内部 EGR バルブ全開による， 低残留ガス状態（without in-EGR）の HCCI 燃焼である．Case 1 から Case 4 の順にサイクルあたりの燃料投入量（Qin）が増加 する．Case 5 は，内部 EGR バルブを絞り，給気比を低下させ た高残留ガス状態（with in-EGR）の HCCI 燃焼である．Case 1 から Case 5 はいずれも n-heptane（0 RON）を燃料に用いた． Case 6 は，HCCI との比較のために計測した火花点火（SI）運 転である．この場合，自着火発生を防ぐために実圧縮比 8.7: 1 および iso-octane（100 RON）を用いた．また，Case 1 から Case 5 の HCCI 運転では，冷炎の微弱な発光を捕らえるために，光 路長を長くとれるシリンダボア方向の発光を計測した（図 1 の X1）．一方，SI 運転の場合は，伝播火炎が光路を横切るよ うにするために，シリンダヘッド上部から発光を採取した（図 1 の H）．点火栓と石英窓との位置関係を図 2 に示す． 図 3 に，Case 1 から Case 6 における熱発生率代表波形（25 サ イクル平均波形）を示す．Case 1 から Case 4 の低残留ガス HCCI 条件では，いずれも冷炎を伴う 2 段着火が観測されている． 高残留ガス HCCI 条件の Case 5 では，熱発生率波形上に冷炎 が確認できず，熱炎のみの燃焼形態を示している． 上記を基に，以下の点に着目し発光スペクトル比較を行う． [1] Case 1～4 の比較：HCCI 燃焼の熱炎形態に及ぼす燃料投入 量（当量比）の影響
[2] Case 1～4 と Case 6 の比較：HCCI 燃焼と SI 燃焼の比較 [3] Case 1, 2 と Case 5 の比較：HCCI 燃焼の熱炎形態に及ぼす 残留ガスの影響
[4] Case 3 と Case 5 の比較：HCCI 燃焼の冷炎形態に及ぼす残 留ガスの影響 図 4 に，Case 1 から Case 5 における燃料投入量（Qin）と NOx 排出量の関係を示す．燃料投入量の増大とともに，NOx 排出量が急増している．つまり，Case 1, 2, 5 は NOx 排出量が ゼロレベルであり，Case 3, 4 は NOx が排出される条件である． 表 2 のそれぞれの条件における発光スペクトル解析結果を 図 5～10（Case 1～6）に示す．これらの図は，各波長におけ る発光強度の時系列データ（クランク角度 0.1 度ごとに計測） の 25 サイクル平均波形を並べたものである．また，各 3-D 図 の下側の x-y 平面上に発光強度の等高線が投射されている．こ れらの図より，燃料投入量によって発光スペクトルの分布形 状が大きく異なるのが分かる．図 5 の Case 1 や図 6 の Case 2 の場合，CO-O 放射(3-5)と思われる 300～500 nm の連続スペク トルが確認できるが，OH 等の強い発光は確認できない．しか し，図 7 の Case 3 や図 8 の Case 4 になると，CO-O 放射にや や遅れて可視から近赤外にかけての強い発光が確認できる （500～850 nm）．590 nm 付近の強い発光を除くと，700 nm 付近にピークをもち，それより短・長波長側ともに発光強度 が減少する（図 8）．しかし，短波長側はゼロにならず，ある 程度の発光強度を保ったまま 300～500 nm の CO-O 放射と重 なる．これらの発光は主に H2O による発光（vibration-rotation Fig. 2 Measurement position for SI operation.
Fig. 6 Light emission spectra for HCCI combustion (Case 2).
Fig. 5 Light emission spectra for HCCI combustion (Case 1).
Fig. 7 Light emission spectra for HCCI combustion (Case 3).
Fig. 8 Light emission spectra for HCCI combustion (Case 4).
Fig. 9 Light emission spectra for HCCI combustion (Case 5). -45 -30 -15 TDC 15 30 45 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 300 400 500 600 700 800 900 Wavelength , λ [nm] C ra n k A n g le , θ [ d e g .] L ig h t E m is s io n I n te n s it y , E [ A .U .] Case 1 (HCCI) Without In-EGR n-heptane (0 RON) ε = 10:1 1000 rpm Qin = 4.8 mg/cycle -45 -30 -15 TDC 15 30 45 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 300 400 500 600 700 800 900 L ig h t E m is s io n I n te n s it y , E [ A .U .] Wavelength, λ [nm] C ra n k A n g le , θ [ d e g .] Case 5 (HCCI) With In-EGR n-heptane (0 RON) ε = 10:1 2500 rpm Qin = 5.2 mg/cycle
a
-45 -30 -15 TDC 15 30 45 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 300 400 500 600 700 800 900 L ig h t E m is s io n I n te n s it y , E [ A .U .] C ra n k A n g le , θ [ d e g .] Wavelength, λ [nm] Case 2 (HCCI) Without In-EGR n-heptane (0 RON) ε = 10:1 1000 rpm Qin = 5.7 mg/cyclea
-45 -30 -15 TDC 15 30 45 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 300 400 500 600 700 800 900 L ig h t E m is s io n I n te n s it y , E [ A .U .] C ra n k A n g le , θ [ d e g .] Wavelength,λ [nm] Case 3 (HCCI) Without In-EGR n-heptane (0 RON) ε = 10:1 1000 rpm Qin = 7.5 mg/cyclea
-45 -30 -15 TDC 15 30 45 -2 -1 0 1 2 3 4 5 300 400 500 600 700 800 900 L ig h t E m is s io n I n te n s it y , E [ A .U .] C ra n k A n g le , θ [ d e g .] Wavelength , λ [nm] Case 4 (HCCI) Without In-EGR n-heptane (0 RON) ε = 10:1 1000 rpm Qin = 8.0 mg/cyclea
b
bands）および NO と O の再結合反応（NO+O→NO2+hν：400 nm ～近赤外）による連続スペクトル(5,6)と思われる．燃料投入量 が多いため，燃焼ガス温度および圧力がともに高く，H2O 生 成量も多い．加えて，図 4 に示したように，これら Case 3, 4 は NOx が生成される条件である．そのため，高当量比側でこ のような発光が顕著になるものと思われる．また，図 6～9 の 等高線の一番外側の境界（矢印 a）は，いずれも同一発光強度 の境界を示している．特に Case 4 の場合，約 580～850 nm に かけて，着火前にも発光が確認できる（図 8 の b）．これは， 残留ガス中の H2O の発光が圧縮行程に観測されているものと 考えられる．2 ストローク機関を用いているため，高当量比側 でこのような発光が顕著になったものと考える． 次に，図 7 の Case 3 や図 8 の Case 4 では，310 nm 付近に OH と思われる強くて長い発光が確認できる．これは，図 10 に示す火花点火燃焼（Case 6）の発光スペクトルに類似してい る．図 7，8，10 が示す通り，HCCI においても，当量比が高 い条件では，発光スペクトルの全体形状が火花点火機関の火 炎伝播燃焼に類似の形状になる． 図 9 の高残留ガス下の HCCI 条件は，燃料投入量が Case 1 と Case 2 の間である．発光スペクトル形状は，300～500 nm 付近の分布形状は Case 1, 2 と類似する．しかし，Case 5 は長 波長側の可視から近赤外（600～850 nm）にかけての発光が比 較的強く観測されている．これらの違いは，残留ガス組成に よるものと考えられる．Case 1 および 2 は大量の空気に希釈 された燃焼であるのに対し，Case 5 は大量の残留ガスに希釈 された燃焼である．Case 5 の新気に対する当量比は 1.0 のため， Case 1, 2 に比べて残留ガス中の H2O 濃度が高い．そのため， 500～850 nm の可視から近赤外にかけての放射が強いものと 考えられる．加えて，Case 5 では，CO-O 放射に対応する発光 帯（300～500 nm）と，長波長側の発光帯（600～850 nm）が HCCI の Case 3 や 4 と比べて明確に分かれている．これは， NO-O の発光（400 nm～近赤外）の影響と考えられる．Case 5 は，図 4 に示すように，NOx が殆ど排出されていない．その ため，NO-O の発光が弱く，300～500 nm の CO-O 放射と 600 ～850 nm の長波長側の発光帯が分離したものと考えられる．Fig. 10 Light emission spectra for SI combustion (Case 6).
Fig. 11 Light emission spectra for HCCI combustion (Case 3).
Fig. 12 Light emission spectra for HCCI combustion (Case 5).
Fig. 13 Typical measured HRR waveforms.
Residual Gas State ε [−] Qin [mg/cycle] φ [−] N [rpm] Fuel SR [-]
Case 7 Without In-EGR 10:1 6.8 0.4 1000 n-heptane 1.3
Case 8 With In-EGR 10:1 6.7 1.0 1000 n-heptane 0.55
Table 3 Measuement conditions for light absorption spectra
-60 -45 -30 -15 TDC 15 30 45 60 0 10 20 30 -40 -30 -20 -10 TDC Cool Flame Case 7 Case 8 H RR [ J /de g .]
Crank Angle, θ [deg.]
H RR [ J /de g .] -20 TDC 20 40 60 80 -2 -1 0 1 2 3 4 5 300 400 500 600 700 800 900 Case 6 (SI) iso-octane (100 RON) ε = 8.7:1 1000 rpm Qin = 12.4 mg/cycle WOT L ig h t E m is s io n I n te n s it y , E [ A .U .] Wavelength, λ [nm] C ra n k A n g le , θ [d e g .] -5 0 5 10 15 20 25 30 -75 -60 -45 -30 -15 TDC 15 30 45 60 75 250 275 300 325 350 375 400 425 450 475 500 525 Light Emission Intensity, E [A.U.] Heat Release Rate, HRR [ J /deg.]
Crank Angle, θ [deg.]
Wa vel en gt h , λ [nm] 8.0E-4 [V] 0.0 [V] 0.0 [V] 0.0 [V] 0.0 [V] 0.0014 < 0.0008 0.0020 0.0026 > 0.0030 Case 5 (HCCI) With In-EGR 0 RON ε = 10:1 2500 rpm Qin = 5.2 mg/cycle -5 0 5 10 15 20 25 30 -45 -30 -15 TDC 15 30 45 60 75 250 275 300 325 350 375 400 425 450 475 500 525 Light Emission Intensity, E [A.U.] Case 3 (HCCI) Without In-EGR 0 RON ε = 10:1 1000 rpm Qin = 7.5 mg/cycle Heat Release Rate, HRR [ J /deg .]
Crank Angle, θ [deg.]
W a v e leng th, λ [n m ] 8.0E-4 [V] 0.0 [V] 0.0 [V] 0.0 [V] 0.0 [V] < 0.0008 0.0026 0.0020
c
> 0.0030 0.0014 その他，図 7～10 をみると，590 nm および 620 nm 付近に強 い発光が確認できる．これらの原因として，FeO などが考え られる．その他大気中に微量に存在する Na（D 線）からの発 光も指摘されている(4)．しかし，詳細は不明である． 前述の HCCI 条件（Case 1～Case 4）は，いずれも熱発生率 波形に冷炎が確認できる．図 11 に，低残留ガス条件の Case 3 における発光スペクトル分布の等高線と代表的な熱発生率波 形を示す．等高線は，冷炎の発光を確認するために拡大して いる．微弱であるが，熱発生率波形の冷炎と同時期に 365～475 nm の範囲に発光が確認できる（図 11 領域ｃ）．これは Emeleus’s cool flame bands(5) にほぼ一致しており，実機 HCCI 燃焼においても，Emeleus’s cool flame bands に対応した冷炎ス ペクトルを示す事が分かる．図 12 に，高残留ガス条件の Case 5 における発光スペクトル分布の等高線と代表的な熱発生率 波形を示す．Case 5 は低オクタン価燃料（0 RON）を用いてい るにも関わらず，熱発生率にも発光スペクトルにも冷炎が確 認できず，残留ガスを与える事で，低温酸化反応が生じにく くなる事が分かる．高残留ガスの HCCI 条件では，オクタン 価変化に対して着火時期が変化しにくくなるという結果を得 ており(2)，これには上記の低温酸化反応を生じにくくさせる効 果が影響しているものと考えられる． 3.2. 吸収スペクトル 第 2 章の[ⅱ]に示した方法で，吸収スペクトルを調べた．各 波長における透過光強度の時系列データを 10 波形平均し，各 波長ごとに次式（1）の吸光度 A で整理した．ここに，E0 は 下死点における透過光強度，E は任意のクランク角における 透過光強度である． 測定条件を表 3 に示す．Case 7 は低残留ガスの HCCI 条件で あり，Case 8 は高残留ガスの HCCI 条件である． Case 7 および Case 8 における代表的熱発生率波形を図 13 に 示す．低残留ガス下の HCCI である Case 7 は，明確な 2 段着 火を示すのに対し，高残留ガス下の HCCI である Case 8 は， 熱発生率波形上に冷炎が殆ど観測できない． Case 7 における吸収スペクトル解析結果を図 14 に示す．熱 発生率波形と対応させるために，等高線上に熱発生率波形に おける冷炎最大時期（LTRpeak）および熱炎最大時期（HTRpeak） を破線で示す．冷炎の発現と同時期に，250～340 nm にかけて 強い吸収が確認できる（図 14 領域 d）．その後，吸光度の増 加が緩慢になり，熱炎の発生直前にピークを迎え，熱炎発生 0 0 01
E
E
E
E
E
A
=
−
=
−
[-] (1)Fig. 14 Light absorption spectra for HCCI combustion (Case 7).
Fig. 15 Light absorption spectra for HCCI combustion (Case 8).
Fig. 16 Typical measured waveforms for HCCI combustion.
Fig. 17 Calculated result for HCCI combustion.
Fig. 18 Definitions of low-temperature reaction characteristics. 200 250 300 350 400 450 500 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 -40 -30 -20 -10 TDC 10 Case 8 (HCCI) With In-EGR 0 RON ε = 10:1 Qin= 6.7 mg/cycle 1000 rpm A b s o rb a n c e , A [ -] Wa ve len gth , λ [n m]
Crank Angle, θ [deg.]
H T R p e a k L T R p e a k 200 250 300 350 400 450 500 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 -40 -30 -20 -10 TDC 10 H T R p e a k Case 7 (HCCI) Without In-EGR n-heptane (0 RON) Qin= 6.8 mg/cycle ε = 10:1 1000 rpm A b s o rb a n c e , A [ -]
Crank Angle, θ [deg.]
Wa ve len gth , λ [ nm] L T R p e a k
d
e
0 20 40 60 80 100 120 -30 -25 -20 -15 -10 -5 TDC 5 10 15 20 25 30 0.000 0.001 0.002 0.003 0.004 HRR [ J /deg. ] OH HCHOCrank Angle, θ [deg.] HCCI (Calculated) Without In-EGR 0 RON ε = 10: 1 1000 rpm φ = 0.6 Mol e Fr action A L or X L
τ
Crank Angle, θ [deg.]
A b sorbance , A [-] o r Mol e F ra c ti on, X [ -] -45 -30 -15 TDC 15 30 45 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0 10 20 30 40 Light Emission 395.2 nm (HCHO) Light Absorption 293.1 nm (HCHO)
τ
H R R [J /deg .] L ight E m iss ion I n tens it y , E [A .U.]Heat Release Rate
Crank Angle, θ [deg.]
A b s o rbanc e, A [-] HCCI Without In-EGR n-heptane (0 RON) ε = 10: 1 1000 rpm α とともに急減する．これは主に，HCHO の吸収（280 nm～320 nm）(5)を捕らえたものと考えられる．また，310 nm において， 熱炎の発生以降に暫く強い吸収が続いているのが確認できる （図 14 矢印 e）．これは，OH を捕らえたものと考えられる． つまり，この波長では，HCHO と OH の双方を捕らえている と言える．但し，HCHO は着火とともに急減し，一方で OH は着火とともに急増すると考えられる．よって，着火前は主 に HCHO，着火後は主に OH を捕らえていると考える． 次に，残留ガスを与えた Case 8 における吸収スペクトルを 図 15 に示す．残留ガスを与える事によって，冷炎反応時の吸 光度の上昇が緩慢になっているのが分かる．以上の事から， 250～340 nm 付近の吸光度を調べる事で，着火前における低温 酸化反応の活性度合いを定性的に知る事が可能と考えられる． 3.3. 発光吸収同時計測による着火挙動 (1) オクタン価の影響 図 16 に n-heptane を用いた低残 留ガス HCCI 運転における，発光吸収挙動を示す．測定波長 は，低温酸化反応に特徴的な HCHO の強い発光および吸収波 長である 395.2 nm（発光）および 293.1 nm（吸収）を選んだ． 図 16 から，熱発生率波形の冷炎発現と同時期に吸光度の増 大と，微弱な発光が確認できる（図 16 区間 α）．これは冷炎 反応に伴う HCHO の生成とその発光を捕らえたものと考えら れる．その後冷炎の縮退とともに，吸光度増加が緩慢になり， 発光は観測できなくなる．そして，熱炎の発生とともに，吸 光度が急減し，発光は増大する．吸光度の減少は，自己着火 の発生に伴う HCHO の消費挙動を捕らえたものと考えられる． また，同時に起こっている発光強度の増大は，3.1. 節の結果 から，CO-O 放射を捕らえたものと言える（図 5～8）． 素反応数値計算ソフト CHEMKIN 4.0 IC Engine を用いて， 図 16 の実験条件を模擬した計算を実施した．使用した反応機 構は，Curran らによる PRF 反応機構(7)である．結果を図 17 に 示す．実験結果と同様に冷炎発生とともに HCHO のモル分率 が増大し，熱炎発生とともに HCHO が急減するというプロフ ァイルを示す事が分かる．また，着火とともに OH のモル分 率が急増しており，3.2. 節の吸収スペクトルにおける 310 nm の挙動（図 14 矢印 e）に対応していることが分かる． 上記のように，実験における吸光度と計算における HCHO モル分率が，同様のプロファイルを示した．そこで，図 18 に 示す特性値を定義し，低温酸化反応の解析を行った．
Fig. 19 Influence of octane number on low-temperature reaction.
Fig. 20 Influence of internal EGR on low-temperature reaction. 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0 20 40 60 0.000 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 10 15 20 25 30 35 40 0 2 4 6 8 10 12 In c rea sing of Abs o rbanc e Dur ing Coo l F lame, A L [-] Ig ni ti on D e la y Afte r C o ol Fl a m e, τ [deg .] Ig ni ti on D e la y After Co ol F lam e, τ [d eg. ] Calculated In c reas ing o f HC HO Mol e F ra c ti on Dur ing Cool F lame, X L [-]
Fuel Octane Number, RON
Experimental HCCI 0-60 RON ε = 10:1 φ = 0.6 1000 rpm 0 5 10 15 20 25 30 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 10 15 20 25 30 35 40 HCCI γEGR 0-30% n-hexane ε = 12:1 Qin= 9.0 1000 rpm Internal EGR Rate, γEGR [%]
Ig nit ion Del a y Af te r Cool Flame, τ [deg .] In cr e a s ing of Absorbance During Cool Flame, A L [-] mg/cycle (25 RON) 解析結果を図 19 に示す．実験および計算ともに，オクタン 価の増加とともに冷炎時の吸光度（AL）または HCHO モル分 率（XL）が低下しているのが分かる．それに伴い，冷炎から 熱炎までの期間（τ）が増加していくのが分かる． (2) 内部 EGR の影響 前項と同様の解析を，内部 EGR 率（γEGR）を変化させた場合に適用した．γEGRは，内部 EGR バルブを絞る前の給気比を基準（γEGR = 0 ％）とし，内部 EGR バルブを絞った場合の給気比を用いて完全混合掃気(8)を仮定 して算出した(2)．機関運転条件は，圧縮比12: 1，回転数1000 rpm, サイクルあたりの燃料投入量 9.0 mg/cycle 一定である．本運転 条件で，n-heptane を用いると，着火時期が早すぎる．そこで， n-heptane に比べてオクタン価がやや高い n-hexane （25 RON） を用いた．図 20 が示す通り，内部 EGR の増大とともに，冷 炎発生時の吸光度 ALが減少し，冷炎から熱炎までの区間（τ） が増加していく．つまり，低オクタン価燃料において，残留 ガスを与える事で，低温酸化反応が起き難くなり，高オクタ ン価燃料を用いたような着火特性になる事が分かる．このた め，残留ガスを与えた条件では，オクタン価変化に対して着 火時期が変化しにくくなる(2)ものと考えられる． 4. 結 論 発光法および吸収法を用いて HCCI の着火および燃焼特性 を調べた結果，以下の事が明らかになった． (1) 当量比の変化によって，発光スペクトルの分布形状が大き く変化する．低当量比側では，CO-O 放射（300～500 nm） が主体の発光スペクトルを示す．当量比が高くなると， CO-O 放射に続いて，500～850 nm の長波長側の発光が顕 著に現れる．加えて， 310 nm 付近に OH と思われる，強 くて期間が長い発光が観測される．
(2) n-heptane（0 RON）を用いた HCCI において，低残留ガス 条件では熱発生率の冷炎発生と同時期に，365～475 nm 付 近に冷炎の発光スペクトルが観測された．一方，高残留ガ ス条件では，冷炎と思われる発光が観測されなかった． (3) n-heptane を用いた低残留ガス状態の HCCI において，冷炎 発生と同時期に，250～340 nm 付近の吸光度増大が観測さ れる．また，それらは熱炎の発生とともに急減する．高残 留ガス条件では，冷炎発生時の吸光度の上昇が緩慢になる． (4) n-heptane を用いた HCCI において，冷炎発生と同時期に， HCHO に相当する 293.1 nm の吸光度が急増する．同時に， HCHO に相当する 395.2 nm に微弱な発光が観測された． (5) 低残留ガス状態の HCCI において，オクタン価を増加させ ると，冷炎発生時における 293.1 nm の吸光度の上昇が緩慢 になり，冷炎発生から自己着火発生までの区間（τ）が増 大していく．
(6) n-hexane（25 RON）を用いた HCCI において，内部 EGR 率の増加によって，293.1 nm の吸光度の挙動が，オクタン 価を上昇させた場合（上記(5)）と類似する．すなわち，冷 炎発生時の吸光度の上昇が緩慢になり，冷炎発生から自己 着火発生までの区間（τ）が増大していく． (7) 指圧解析に加えて，HCHO の発光・吸収波長に相当する 395.2 nm および 293.1 nm の同時計測を行う事で，自己着火 に至るまでの低温酸化反応の挙動と，その活性度合いを定 性的に知ることができる． 参 考 文 献
(1) Zhao, F., et al. (Editors): HCCI Engines -Key Research and Development Issues-, SAE PT-94 (2003).
(2) Iijima, A., Watanabe, T., Yoshida, K. and Shoji, H.: A Study of HCCI Combustion Using a Two-Stroke Gasoline Engine with a High Compression Ratio, SAE Transactions, Vol. 115, Section 3, p. 1031-1042, (2007). (3) 山崎由大，高橋晋也，飯田訓正：ラジカル発光計測による ＤＭＥ空気予混合圧縮自己着火機関の燃焼解析，自動車技術 会論文集，Vol. 34, No. 4, p. 75-80, (2003) (4) 村瀬英一，森上修，花田邦彦，宮浦猛，池田淳：予混合圧 縮自着火過程における発光スペクトルと写真観測，日本機械 学会論文集 Vol. 72，No. 719，p. 182-190，(2006).
(5) Gaydon, A. G.: The Spectroscopy of Flame -2nd Edition, London, Chapman and Hall Ltd (1974).
(6) Zhao, H. and Ladammatos, N.: Engine Combustion Instrumentation and Diagnostics, SAE R-264, 2001, p. 663-675. (7) Curran, H. J., Pitz, W. J., Westbrook, C. K., Callahan, C. V., and Dryer, F. L.: Oxidation of Automotive Primary Reference Fuels at Elevated Pressures, Proc. Combust. Inst., 27, pp.379-387, 1998. (8) Blair, G.: Design and Simulation of Two-Stroke Engines, SAE R-161 (1996).
