博士（工学）川島純一 学位論文題名
小型高速 DI デイーゼルエンジンの燃焼要素改善と 実用開発に関する研究
学位論文内容の要旨
本論 文は 、小 型高 速DIディ ーゼ ルエ ンジ ン の出 力・ 熱効 率・ 排気 性能 、お よび 燃 焼 騒音 の改 善を 目的 とし て、 燃焼 特性 の解 明 とそ れを 基盤 とし たエ ンジ ン要 素技 術 の研究開発とを行った結果について取りまとめた ものである。
本 研 究 の 最 終 目 的 は 、 デ ィ ー ゼ ル エ ン ジ ン に お け る 、 熱 効 率 に 優 れC02排 出 量 の少ないという優位性をさらに向上させるととも に、その技術課題である排気性能、騒 音振 動、 およ び比 出力 性能 を、 主に燃焼改善の観点 から大幅にグレードアップし、乗 用車 用小 型エ ンジ ンと して 従来 のガソリンエンジン を凌駕するレベルまで開発を進め るこ とに ある 。そ のた めに 、デ ィーゼル燃焼現象、 並びにこれと密接に関連する燃料 噴 射 特 性 、 吸 気 流 動 特 性 に っ い て 、 実 験 解 析 と 数 値 解 析 を用 いて 系統 的に 検討 す る と共 に改 良指 針を 明ら かに して 、具 体的 な エン ジン のハ ード 技術 開発 を行 った 。 第1章 で は 、 国 内 外 に お け る小 型高 速デ ィ ーゼ ルエ ンジ ンの 研究 の動 向、 今後 の 見通し、並びに本研究の社会的背景と目的につい て述べる。
第2章 では 、 特に 出力 ・燃 焼特 性に 対す る重 要な パラ メー タである、吸気スワール 比 の最 適値 にっ いて 検証 した 。こ こで 最適 ス ワー ルと は、 部分 負荷 では 燃費 性能 の 最 良点 、全 負荷 では スモ ーク 排出 量を 一定 量 に制 限し た際 の最 大ト ルク 点と して 定 義した。
ス ワー ル比 特性 と出 力・ 燃焼 特性との間に介在す る主要因子、っまルエンジン回転 数、 噴射 ノズ ル噴 孔数 、燃 焼室 キャビティ径を系統 的に実験解析した結果、これらの 因子から構成されるスワールインデックスを提案し、このインデックスによって最適スワ ール比を概略的に決定し得ることを明らかにした 。
DIデ ィー ゼル エン ジン にお ける 全負 荷で の 最適 スワ ール 比は 、低 速域 では 高ス ワ ー ルが 、高 速域 では 低ス ワー ルが それ ぞれ 要 求さ れる が、 その レベ ルは ノズ ル噴 孔 数、キャビティ径の組み合わせによって異なる。しかし、スワールインデックスを用いる こと によ って 、燃 焼系 の主 要因 子が変わった場合で あっても、エンジン回転数に対応 する最適スワール比を容易に特定し得ることを示 した。またこのスワールインデックス の物理的な意味についても検討を行った。
第3章 で は 、数 値 解 析を 用 い るこ と に より 、DIディ ー ゼ ルエ ン ジ ンの 燃焼特性 の 検 討 と 、 そ の 結 果に 基 づ ぃ た排 気 性 能の 大 幅 な向 上 を 達成 す る ため の 燃 焼制 御 法 の提示とを行った。
数 値 解 析 法 と し て は 、 実験 式 を 基に し た 現象 論 モ デル でDIデ ィ ー ゼル 燃 焼 を 記 述 す る 噴霧 パ ッ ケー ジ モ デル と 、 エン ジ ンの 筒内流 動、噴霧 形成、 燃焼過程 を時空 間 的に取り 扱う三 次元数値 解析モデ ルを用 いた。ま た、解 析精度の 向上を図るため、
そ れ ぞ れの モ デ ルに 対 し て次 の よ うな 改 良を 行った 。パッケ ージモ デルでは 新たに 開 発 し たス ワ ー ルに よ る 噴霧 挙 動 モデ ル 、拡 散燃焼 モデル、 既燃ガ ス再循環 モデル な ど を 組み 込 ん だ。 ま た 三次 元 数 値解 析 では 噴霧形 成と壁面 衝突モ デルの改 良と、
スモーク生成モデルの追加を試みた。
こ れら の 数 値解 析 を 用い て 、DIデ ィ ーゼ ルエ ンジンの 出力性 能と排気 性能とを 両 立 す る ため の 燃 焼制 御 法 につ い て 検討 し た 。ま ず 、 第2章 で 明 らか に した最 適スワ ー ル比につ いて、 本シミュ レーショ ンモデ ルで解析 した結 果、最適 スワール比は噴霧 のペネトレーションによる空間分布特性と、スワールによる噴霧/丶丶丶の空気導入促進と の 相 互 作用 で 決 まること を明ら かにした 。さら に、高ス ワールと 高EGRとを併用 する こ と に よ っ て 、 部 分 負 荷 域 に お け るNOxとPMの 同 時低 減 が 可能 で あ るこ と を 示 し 得た。
第4章 で は 、DIエ ン ジ ン の 排 気 性 能 改 善 に 対 す る新 燃 焼 制御 コ ン セプ ト を 具 現 化 す る ため に 必 要な 超 高 スワ ー ル と、 出 力向 上に必 要な低ス ワール が制御可 能な、
可 変スワー ル吸気 ポートの 開発にっ いて述 べる。対 象とし たのは、 出力、燃費、排気 性 能 の 向 上 に 有 効 な 、4弁 のDIデ ィ ー ゼ ル エ ン ジ ン に用 い る 吸気 ポ ー トで あ る 。 ま ず、 ポ ー トモ デ ル 実験 と 吸 気流 動 の 三次 元数値解 析を用い て、超 高スワー ル生 成 に 必 要な へ り カル 型 吸 気ポ ー ト の特 性 、並 びに可 変スワー ル制御 に最適な へりカ ル 型吸気ポ ートと タンジェ ンシャル 型吸気 ポートの 配置法 を検討し た。その結果、従 来 の4弁 ガソリン エンジ ンとは異 なるポ ート配置 、すなわちシリンダ＾ッドの直角方向 に 独立した へりカ ル型とタンジェンシャル型の吸気ポートを配置することが、スワール 生成上重要であることを明らかにした。
さ らに 、 こ れら の独立し た2ポートを 組み合 わせた際 のスワー ル比、 流量係数 を、
各 ポ ー トの 単 独 性能 か ら 予測 す る 方法 を 新た に見出 し、可変 スワー ルシステ ムの迅 速な開発を可能とした。
そ して、こ れらの 結果をも とに、 広範なス ワール制 御特性 を持つ、 実用的な可変ス ワール吸気ポートシステムを開発した。
第5章 で は 、 以 上 の 研 究 結 果 を も と に 開 発 し た 、 小型 高 速DIデ ィ ーゼ ル エ ン ジ ン の 概 要に つ い て述 べ る 。こ の エ ンジ ン は 、DOHC4弁 タ ー ポ過 給 イ ンタ ークーラ 付 き のDIディー ゼルエ ンジンで あり、 シリンダ センタに 直立に 配置した 燃料噴射ノズル と 、 前 章ま で に 述べ た 燃 焼法 、 並 びに ス ワ ール 比 を10か ら3.5の 間 で制 御できる 可 変 ス ワ ール ポ ー トを有し ている 。また、 スワー ル比、EGR、燃料 噴射、 過給特性 の電
子制御を採用した。これによって、新燃焼コンセプ卜を実現することができ、高出力、
高熱効 率と、国 内長期排 気規制、 欧州Stage‑3排気規制に適合し得る優れた排気 改善効果が得られることを実証した。
第6章では、本研究の成果を総括的に取りまとめた。
学位論文審査の要旨
主査 教授 宮本 登 副査 教授 菱沼孝夫 副査 教授 伊藤献一
副査 教授 寺尾日出男（農学研究科）
学 位 論 文 題 名
小型高速 DI デイーゼルエンジンの燃焼要素改善と 実用開発に関する研究
近年、各種の動力源として数多く利用されているディーゼルエンジンにおいては、環境 適合性、出力特性等の更なる改善が世界的にも強く求められており、それに関わる研究が 盛んに行われて来ている。
本 論文では 、小型 高速DIディーゼルエンジンの出力、熱効率、排気等の総合的な性能 改善を目的として、特に燃焼現象とそれに密接に関連する吸気流動特性等を解明すると共 に 、 そ の結 果 を 基に エ ン ジン の 実 用開 発 を 行った 結果につ いて取 りまとめ ている。
第1章では、国内外における小型高速ディーゼルエンジンの研究の動向、今後の見通し、
ならびに本研究の社会的背景と目的について述べている。
第2章では、出力・燃焼特性に関わる重要な設計パラメータである特に吸気スワール比 について検討している。すなわち、スワール比とエンジン回転数、噴射ノズル噴孔数、燃 焼室キャビティ径等の燃焼関連因子とから構成されるスワールインデックスを特性値とし て提案し、このインデックスによって燃焼系の主要設計因子ならびにエンジン運転条件が 変わった場合であっても、燃焼に対する最適スワール比を容易に特定し得ることを明らか にしている。
第3章に おいて は、数値 解析によ って、DIディーゼルエンジンの燃焼特性を検討する と 共 に 、 排 気 性 能 を 大 幅 に 改 善 す る た め の 燃 焼 コ ン セ プ ト を 提 示 し て い る 。 まず、噴霧パッケージモデルあるいは三次元数値解析モデルを用いた燃焼数値解析法を 構築している。その場合、パッケージモデルでは新たに開発した噴霧挙動モデル、拡散燃 焼モデル、既燃ガス再循環モデルを、また三次元数値解析では噴霧壁面衝突モデルおよび スモーク生成モデルをそれぞれ組み込んでいる。
こ の数値解 析によ って、部 分負荷 域では超 高スワールと高EGRとの併用を、また高負 荷域では低スワールの使用をそれぞれ主軸とした燃焼コンセプトを提唱し、それにより負 荷 全 域 に 亘 っ てNOxとPMの 同 時 大 幅 低 減 が 可 能 で あ る こ と を 予 想 し て い る 。 第4章では、この燃焼コンセプトを具現化するため、超高スワールと出力向上に必要な
低スワー ルとが制御可能な可変スワール吸気ポー卜システムの開発結果について述べてい る。 超 高スワール生成に必要なへりカル型吸気ポートとタンジェンシャル型吸気ポート とのニっ を、従来の一般的な4弁エン ジンとは異なる方向に独立して配置することによっ て、超高 スワールと低スワールとが制御可能であることを明らかにすると共に、可変スワ ール吸気 ポートシステムの開発に成功している。
また、 ここではニつの独立した吸気ポートを組み合わせてシリンダに設置した際のスワ ール特性 を、各吸気ポー卜の単独性能から予測する手法について も明らかにしている。
第5章では、著者が提唱あるいは開 発した燃焼コンセプ卜と可変スワール吸気ポートシ ステムを 実際のエンジンに適用することによってその有効性を実証すると共に、国内外の 厳しい排 気規制に対しても十分適合し得る高性能な小型高速DIデ ィーゼルエンジンの開 発に成功 している。
開発 され たエ ン ジン は、DOHC4弁 ター ボ過 給 イン ター クーラ付きの小型高速DIディ ー ゼルエン ジンであって、上述の燃焼コンセプトとスワール比が10から3.5の間で制御 できる可 変スワールポートシステムとを有すると共に、スワール、EGR、燃料噴射、過給 に 対し て電 子制 御 が施 され ており、高 出力・高効率に加えて国内長期排気規制、欧州 Stage‑3排 気 規 制 に も 適 合 し 得 る 排 気 特 性 を 呈 す る こ と が 実 証 さ れ て い る 。 第6章では、本研究の結果を総括し ている。
これを 要するに、著者は、デーゼル燃焼の改善に関わる新知見を得ると共にそれを基盤 とした高 性能DIディーゼルエンジンの実用開発に成功しており、 内燃機関工学、燃焼工 学に貢献 するところ大なるものがある。
よって 著者は、北海道大学博士（工学）の学位を授与される資 格あるものと認める。
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