研究論文 ダブルレーザ誘起蛍光法を用いた油膜に衝突する * ディーゼル噴霧の付着量および油膜厚さの同時計測 溝渕 直人 ) 松村 恵理子 ) Simultaneous Measurement of Deposition Amount of Diesel Spray I

Vol.48,No.4,July 2017.

815

ダブルレーザ誘起蛍光法を用いた油膜に衝突する

ディーゼル噴霧の付着量および油膜厚さの同時計測

＊

溝渕 直人）_{松村 恵理子}）_

Simultaneous Measurement of Deposition Amount of Diesel Spray Impinging on Oil Film

and Oil Film Thickness Using Double Laser Induced Fluorescence Method

Naoto Mizobuchi Eriko Matsumura

Post-injection has been attracted attention as the Diesel Particulate filter regeneration method. However oil dilution caused that fuel spray impinges oil film on cylinder liner has seen as a problem is an issue which cannot be ignored. Because oil dilution is leading to deterioration of sliding properties of piston and thermal efficiency, there is need to clarify spray impingement behavior on oil film. In this study we simultaneous measured deposition amount of diesel spray impinging on oil film and oil film thickness using Double Laser Induced Fluorescence method. As the result of measurement using DLIF method, it was found that a large difference of amount deposition of fuel spray impinging on dry wall and oil film.

KEY WORDS: Heat Engine, Diesel Engine, After Treatment, Post Injection, Diesel Spray, LIF, Oil Film (A1) ．緒 言 アジア諸国においてモータリゼーションの加速により化石 資源の枯渇が深刻な問題となっている．さらに内燃機関から 排出される多量の粒子状物質（_{PM：Particulate Matter），窒素} 酸化物等の影響により排出ガス規制が年々強化されている． 特に _{PM については肺癌や呼吸系，循環器系への影響が懸念} され，その対策が急務となっている(1)_． そこで，近年のディーゼル機関では排気ガスの後処理装置 としてディーゼル微粒子捕集フィルタ（_{DPF：Diesel Particulate} filter）が搭載されており，PM の捕集を行なっている．しかし ながら，機関の運転時間の増加に伴い_{DPF 内において PM が} 目詰まりし，_{PM の捕集効率悪化および圧力損失上昇が生じる．} そこで，_{DPF 内の PM を燃焼除去する DPF 再生手法として，} 排気管噴射やポスト噴射といった手法が注目を集めている． ポスト噴射では，膨張行程中期から後期にかけて筒内に燃 料を噴射し，ディーゼル酸化触媒（_DOC: diesel oxidation

catalyst）に未燃燃料を供給する．すると，未燃燃料と _DOC の酸化反応により酸化熱が発生する．その酸化熱を_{DPF 内に} 流し込むことで _{PM を燃焼除去する手法である．この手法で} は排気管噴射とは異なりインジェクタ追加のためのコストが 不要となる．しかしながら，膨張行程中期以降における燃料 噴射のため噴霧の先端到達距離が大きくなる．その結果，シ リンダライナ上の潤滑油膜に燃料噴霧が衝突し希釈する．そ の結果，油膜の粘度変化，破断等によりピストンの摺動性お よび燃費の悪化といった問題につながる． これまで，乾いた壁面に衝突するディーゼル噴霧の衝突・ 付着挙動については多くの研究がなされてきた(2)~(4)_{．しかしな} がら，潤滑油膜に衝突する燃料噴霧の衝突・付着挙動につい て詳細に調査し，定量的に評価した例は少ない．そこで本研 究では，油膜に衝突するディーゼル噴霧の付着挙動および燃 料噴霧衝突後の油膜挙動について同時連続計測を可能とする ダ ブ ル レ ー ザ 誘 起 蛍 光 法_{(DLIF ： Double Laser Induced} Fluorescence)の構築を行なった．また、本研究では光源として

レーザの代わりに_{LED を用いているが、単波長であるため、}

便宜上レーザ誘起蛍光法_{(LIF：Laser Induced Fluorescence)と呼} ぶことにする。 ．レーザ誘起蛍光法の計測原理  一般に，蛍光物質からの蛍光強度はその物質の濃度に比例 することが知られている．平行光が透明な溶媒中を進む場合 における光の吸収を考える．単位面積当たりに入射する励起 光_I0[J/m2・s]が溶媒中を L[m]進み，Ia[J/m2・s]だけ吸収され It[J/m2・s]通過したとすると Lambert-Beer の法則により次式が 成立する．  _It=I0×exp(-εcl)  （1）  年  月  日受理．  年  月  日第  回内燃機関シンポジウムにおいて発表． 同志社大学大学院（京都府京田辺市多々羅都谷 ）  同志社大学（京都府京田辺市多々羅都谷 ）

816

自動車技術会論文集 このとき，c：蛍光物質の濃度[mol/m3_{]，ε：励起光波長でのモ} ル吸光係数_[m3_{/(mol・m)]とする．また，このとき}             _I0=It+Ia       （2） したがって Ia=I0-It   _=I0{l-exp(-εcl)} となる．つまり，蛍光強度_F[J/(m2_・s)]は   _F=kI0{l- exp(-εcl)}   （3）                                    と求められる．_{k：発光する速度定数とする．これより，液膜} 内部の蛍光物質の濃度を一様にし，一定の入射波長をもつレ ーザ光により一定の液膜厚さに対する入射レーザ光強度およ び蛍光強度が測定できれば，式_{(3)の k が求められる．この校} 正結果を用いることにより，レーザ光強度から，蛍光物質の 濃度が一様な液膜厚さを算出可能である．  ．実験手法 ．分光計を用いた軽油およびエンジンオイル発光波長計測 図_{1 に軽油およびエンジンオイルの発光波長計測実験の概} 略図を，図_{2 にそれぞれの絶対蛍光強度曲線を，図 3 にエン} ジンオイルの蛍光波長の温度変化を計測した曲線を示す．光 源には波長λ=365nm（スペクトル半値幅:9nm）の UV-LED ス ポット光源を用いた．そして，_{JIS2 号軽油およびエンジンオ} イル_{(SAE 粘度：0W-30)を充填した石英セルに紫外光を照射し} た．軽油には_{Perylene を質量割合 0.01wt%添加し，エンジンオ} イルには _{RhodamineB を質量割合 0.04wt%，エタノールを} 6.25wt%添加した(5)_{．軽油の温度は20℃あり，エンジンオイル} においては，実際のエンジン筒内の潤滑油膜を模擬するため に，事前に卓上型低温恒温水槽により_{120℃まで昇温し発光波} 長の計測を行った．そして，発光した軽油およびエンジンオ イルの蛍光を入射光に対して _{90°の位置において分光計を用} いて計測した．この結果より高速度ビデオカメラに装着する 干渉フィルタの中心波長および半値幅を決定した．  校正実験 図_{4 に校正実験の概略図を示す．LIF 法を利用し付着液膜厚} さを求める前に，一定液膜厚さに対する蛍光強度を計測した． 膜厚が一定の液膜の作成には，_{2 枚の石英ガラス（縦×横} =80mm×120mm，厚さ=5mm）および 2 枚の隙間ゲージを用い た．軽油およびエンジンオイルの校正実験には_{5，10，20，30，} 40，60，80µm の隙間ゲージを 2 枚の石英ガラスで挟むことに より膜厚が一定の液膜を作成した．なお隙間ゲージの許容差 は_{±3µm である．} この際，エンジンオイルは_{3.1 節と同様の方法で 120℃に昇温} し，石英ガラスは面状ヒータ（定格：_{600W）により 120℃と} している．以上により作成した油膜に斜め下方から紫外光を 照射し，モノクロ高速度ビデオカメラおよびカラー高速度ビ デオカメラを用いて撮影することで液膜厚さと蛍光強度の関 係を求めた． Injector (Slit nozzle)

Total reflection mirror UV LED (λ=365nm)

High Speed Video Camera Band-pass Filter (λ1=510nm , λ2=620nm) (Half width 10nm) Injector PC Driver Heater Quarts glass Engine oil tank N2 EDU

Timing control unit

Common rail system

V

2011 Timing control unit

Accumulator Manual pump Stereoscope PC Quartz cell Spectrometer thermocouple monitor 90deg

Diesel fuel or Engine oil

UV LED (λ=375nm)

Fig.1 Optical setup for measuring fluorescence intensity of Diesel fuel and Engine oil (0W-30)

0 60000 80000 40000 100000 120000 140000 300 400 500 600 700 800 900 A bso lu te fl uo rescen ce In ten si ty [-] Wave length [nm] Diesel fuel (JIS No.2) Engine oil (0W-30) Rhodamine B (0.04wt%) Tfuel＝293K Toil＝393K 20000 Perylene (0.01wt%)

Fig.2 Absolute fluorescence intensity of Diesel fuel and Engine oil (0W-30)

1.0 0.6 0.8 0.4 0.2 0.0 300 500 600 700 900 Wave length [nm] R elati ve fl uo resc en ce in ten si ty [ -] 1.2 400 800 Toil=293K Toil=313K Toil=333K Toil=353K Toil=373K Toil=393K Engine oil (0W-30) Rhodamine B (0.04wt%)

Fig.3 Relative fluorescence intensity due to temperature of Engine oil (0W-30)

Injector (Slit nozzle)

Total reflection mirror UV LED (λ=365nm)

High Speed Video Camera Band-pass Filter (λ1=510nm , λ2=620nm) (Half width 10nm) Injector PC Driver Heater Quarts glass Engine oil tank N2 EDU

Timing control unit

Common rail system

V2011 Timing control unit

Accumulator Manual pump

Stereoscope

Dichroic filter Total reflection mirror

UV LED (λ=375nm) High Speed Video Camera

Band-pass Filter (λ1=510nm)

(Half width 10nm) _{Band-pass Filter} (λ2=620nm) (Half width 10nm) Color High Speed Video Camera

V2011

PC

Quarts glass

Timing control unit

V2 011 0 40 60 80 100 20 500 600 700 Wave length [nm]550 650 Transmission Ratio [% ] thermocouple monitor Quarts glass Thickness gauge Liquid film Diesel fuel or Engine oil

δfue

l

Vol.48,No.4,July 2017.

817

このとき，c：蛍光物質の濃度[mol/m3_{]，ε：励起光波長でのモ} ル吸光係数_[m3_{/(mol・m)]とする．また，このとき}             _I0=It+Ia       （2） したがって Ia=I0-It   _=I0{l-exp(-εcl)} となる．つまり，蛍光強度_F[J/(m2_・s)]は   _F=kI0{l- exp(-εcl)}   （3）                                    と求められる．_{k：発光する速度定数とする．これより，液膜} 内部の蛍光物質の濃度を一様にし，一定の入射波長をもつレ ーザ光により一定の液膜厚さに対する入射レーザ光強度およ び蛍光強度が測定できれば，式_{(3)の k が求められる．この校} 正結果を用いることにより，レーザ光強度から，蛍光物質の 濃度が一様な液膜厚さを算出可能である．  ．実験手法 ．分光計を用いた軽油およびエンジンオイル発光波長計測 図_{1 に軽油およびエンジンオイルの発光波長計測実験の概} 略図を，図_{2 にそれぞれの絶対蛍光強度曲線を，図 3 にエン} ジンオイルの蛍光波長の温度変化を計測した曲線を示す．光 源には波長λ=365nm（スペクトル半値幅:9nm）の UV-LED ス ポット光源を用いた．そして，_{JIS2 号軽油およびエンジンオ} イル_{(SAE 粘度：0W-30)を充填した石英セルに紫外光を照射し} た．軽油には_{Perylene を質量割合 0.01wt%添加し，エンジンオ} イルには _{RhodamineB を質量割合 0.04wt%，エタノールを} 6.25wt%添加した(5)_{．軽油の温度は20℃あり，エンジンオイル} においては，実際のエンジン筒内の潤滑油膜を模擬するため に，事前に卓上型低温恒温水槽により_{120℃まで昇温し発光波} 長の計測を行った．そして，発光した軽油およびエンジンオ イルの蛍光を入射光に対して _{90°の位置において分光計を用} いて計測した．この結果より高速度ビデオカメラに装着する 干渉フィルタの中心波長および半値幅を決定した．  校正実験 図_{4 に校正実験の概略図を示す．LIF 法を利用し付着液膜厚} さを求める前に，一定液膜厚さに対する蛍光強度を計測した． 膜厚が一定の液膜の作成には，_{2 枚の石英ガラス（縦×横} =80mm×120mm，厚さ=5mm）および 2 枚の隙間ゲージを用い た．軽油およびエンジンオイルの校正実験には_{5，10，20，30，} 40，60，80µm の隙間ゲージを 2 枚の石英ガラスで挟むことに より膜厚が一定の液膜を作成した．なお隙間ゲージの許容差 は_{±3µm である．} この際，エンジンオイルは_{3.1 節と同様の方法で 120℃に昇温} し，石英ガラスは面状ヒータ（定格：_{600W）により 120℃と} している．以上により作成した油膜に斜め下方から紫外光を 照射し，モノクロ高速度ビデオカメラおよびカラー高速度ビ デオカメラを用いて撮影することで液膜厚さと蛍光強度の関 係を求めた． Injector (Slit nozzle)

Total reflection mirror UV LED (λ=365nm)

High Speed Video Camera Band-pass Filter (λ1=510nm , λ2=620nm) (Half width 10nm) Injector PC Driver Heater Quarts glass Engine oil tank N2 EDU

Timing control unit

Common rail system

V

2011 Timing control unit

Accumulator Manual pump Stereoscope PC Quartz cell Spectrometer thermocouple monitor 90deg

Diesel fuel or Engine oil

UV LED (λ=375nm)

Fig.1 Optical setup for measuring fluorescence intensity of Diesel fuel and Engine oil (0W-30)

0 60000 80000 40000 100000 120000 140000 300 400 500 600 700 800 900 A bso lu te fl uo rescen ce In ten si ty [-] Wave length [nm] Diesel fuel (JIS No.2) Engine oil (0W-30) Rhodamine B (0.04wt%) Tfuel＝293K Toil＝393K 20000 Perylene (0.01wt%)

Fig.2 Absolute fluorescence intensity of Diesel fuel and Engine oil (0W-30)

1.0 0.6 0.8 0.4 0.2 0.0 300 500 600 700 900 Wave length [nm] R elati ve fl uo resc en ce in ten si ty [ -] 1.2 400 800 Toil=293K Toil=313K Toil=333K Toil=353K Toil=373K Toil=393K Engine oil (0W-30) Rhodamine B (0.04wt%)

Fig.3 Relative fluorescence intensity due to temperature of Engine oil (0W-30)

Injector (Slit nozzle)

Total reflection mirror UV LED (λ=365nm)

High Speed Video Camera Band-pass Filter (λ1=510nm , λ2=620nm) (Half width 10nm) Injector PC Driver Heater Quarts glass Engine oil tank N2 EDU

Timing control unit

Common rail system

V2011 Timing control unit

Accumulator Manual pump

Stereoscope

Dichroic filter Total reflection mirror

UV LED (λ=375nm) High Speed Video Camera

Band-pass Filter (λ1=510nm)

(Half width 10nm) _{Band-pass Filter} (λ2=620nm) (Half width 10nm) Color High Speed Video Camera

V2011

PC

Quarts glass

Timing control unit

V2 011 0 40 60 80 100 20 500 600 700 Wave length [nm]550 650 Transmission Ratio [% ] thermocouple monitor Quarts glass Thickness gauge Liquid film Diesel fuel or Engine oil

δfue

l

Fig.4 Optical setup for calibration experiment

．_{LIF 法を用いた乾き壁面に衝突する燃料噴霧の付着液膜} 厚さ計測 図_{5 に本実験で用いた撮影光学系の概略図を示す．また図 5} 右下にダイクロイックミラーの分光感度曲線を示す．インジ ェクタから壁面に対して噴射された燃料により形成された液 膜を_{LIF法により計測した．光源には3.1と同様の光源を用い，} 石英ガラスの斜め下方から紫外光を照射した．液膜の蛍光は 全反射ミラーによって反射させダイクロイックミラーにより 分光させた後，モノクロ高速度ビデオカメラによって撮影し た．モノクロ高速度ビデオカメラには干渉フィルタ（中心波 長λ1=510nm，半値幅：10nm）を装着し特定の波長のみを撮影 した．撮影速度は_{100fps とした．} ．_{DLIF 法を用いた油膜に衝突する燃料噴霧の付着液膜} 厚さおよび油膜厚さの同時計測 図_{6 に本実験で用いた撮影光学系の概略図を示す．油膜の} 作成にはスリットノズルを有するガソリン機関用のインジェ クタを用いることで，エンジンオイルを乾き壁面に噴射する ことで作成した．油膜作成時の実験条件については_{4.1 節にお} いて述べる．石英ガラス上に作成された油膜に燃料を噴射し， それぞれの蛍光をダイクロイックミラーにより分光し，_{2 台の} 高速度ビデオカメラによって撮影した．この際，軽油の蛍光 はモノクロ高速度ビデオカメラを用いて計測し，エンジンオ イルの蛍光はカラー高速度ビデオカメラを用いて計測した． それぞれのカメラの撮影速度は_{100fps とした．また，モノク} ロ高速度ビデオカメラには干渉フィルタ（中心波長 _510nm， 半値幅：_{10nm）を装着し，カラー高速度ビデオカメラの先端} には干渉フィルタ（中心波長_λ2=620nm，半値幅：10nm）を装 着し，それぞれの蛍光のみを撮影した  ．実験条件 ．_{LIF 法を用いた乾き壁面に衝突する燃料噴霧の付着液膜} 厚さ計測  表_{1 に LIF 法を用いた乾き壁面に対する燃料付着液膜厚さ} 計測の実験条件を示す．燃料噴射ノズルは_{9 噴孔の多孔ホー} ルノズル（_{DENSO：G3P）を用い，供試燃料には JIS2 号軽油} を用いた．また，雰囲気温度は室温とし，雰囲気圧力は大気 圧場とした．さらに燃料噴射には手動ポンプを用いて噴射圧 力_Pinjを100MPa とし燃料を噴射した．そしてインジェクタの 先端にはノズルキャップを装着することで_{1 噴孔から噴射さ} れる燃料噴霧のみを取り出し，_{1 噴孔あたりの燃料噴射量}

Qinj/hole が 0.64，1.0，1.42mg となるように噴射期間 tinjを設定

した．壁面とインジェクタの先端の距離_Zwを43mm とした． 壁面である石英ガラスの壁面温度_Tw=120℃において燃料を噴 射するため，面状ヒータ（定格：_{600W）により壁面温度を事} 前に_{135℃に加熱したあと，石英ガラスを所定の位置にセット} してから_Tw=120℃となる 60 秒後に燃料を噴射した．燃料噴射 前の壁面状態は乾き壁面とし，表面粗さは_{Ra0.025 である．} ．_{DLIF 法を用いた油膜に衝突する燃料噴霧の付着液膜} 厚さおよび油膜厚さの同時計測 表_{2にDLIF法を用いた燃料付着液膜厚さおよび油膜厚さ計} Dichroic filter Total reflection mirror

UV LED (λ=365nm) High Speed Video Camera

Band-pass Filter (λ1=510nm) (Half width 10nm) Injector V2011 PC Quarts glass EDU

Timing control unit Manual pump

Injector (Slit nozzle)

Total reflection mirror UV LED (λ=365nm)

High Speed Video Camera Band-pass Filter (λ1=510nm , λ2=620nm) (Half width 10nm) Injector PC Driver Heater Quarts glass Engine oil tank N2 EDU

Timing control unit

Common rail system

V2011 Timing control unit

Accumulator Manual pump Stereoscope Injector (Slit nozzle) Dichroic filter Total reflection mirror

UV LED (λ=375nm) High Speed Video Camera

Band-pass Filter (λ1=498nm)

(Half width 10nm) Band-pass Filter (λ2=620nm)

(Half width 10nm) Injector

Color High Speed Video Camera

V2011 PC Driver Heater Quarts glass Engin e oil tank N2 EDU

Timing control unit

Common rail system

V2

011

Timing control unit Accumulator

Manual pump

monitor

Fig.5 Optical setup for LIF

Injector (Slit nozzle)

Total reflection mirror UV LED (λ=365nm)

High Speed Video Camera Band-pass Filter (λ1=510nm , λ2=620nm) (Half width 10nm) Injector PC Driver Heater Quarts glass Engine oil tank N2 EDU

Timing control unit

Common rail system

V

2011 Timing control unit

Accumulator Manual pump Stereoscope Injector (Slit nozzle) Dichroic filter Total reflection mirror

UV LED (λ=375nm) High Speed Video Camera

Band-pass Filter (λ1=510nm)

(Half width 10nm) _{Band-pass Filter} (λ2=620nm)

(Half width 10nm) Color High Speed Video Camera

V2011

PC

Driver

Heater

Quarts glass Engine oil tank N2

Timing control unit

V2

011

Timing control unit EDU

Manual pump thermocouple monitor

Continuous light

Fuel injection system _{Injector for fuel Injector for oil}Oil injection system

0 40 60 80 100 20 500 600 700 Wave length [nm]550 650 Transmission Ratio [% ]

Fig.6 Optical setup for DLIF

Table1. Experimental condition for Diesel fuel injection

Wall temperature Ambient temperature Ambient pressure Ambient gas Injector type Injection pressure Injection quantity Ambient density 393 Air 298 0.1 9-hole nozzle 0.293

Test fuel Diesel fuel(JIS No.2)

Ta[K] Pa[MPa] ρa[kg/m3] Tw[K] Pinj[MPa] Qinj/hole[mg] Impingement distance Zw[mm] Surface roughness [μm] Ra 0.025 43 100 0.64 1.0 1.42 Kinematic viscosity [mm2_{/s] 3.8}

Injection period tinj[ms] 0.37 0.49 0.67

Nozzle hole diameter Nozzle cone angle

Φ0.09 155 1.5 [mm] [deg.] Fuel temperature Tf[K] 293 Surface tension f [mN/m] 27.4 Fuel condition Ambient condition Wall condition Injector specifications Injection condition

Table2. Experimental condition for Engine oil injection

Test oil (SAE viscosity grade)

Injector type Injection pressure Injection period to[ms] Injection quantity Engine oil (0W-30) Slit nozzle 1.5 0.05 Oil temperature To[K] 393 Po[MPa] Qo[mg] Impingement distance Zw’ [mm]

Impingement angle θimp[deg.] 20

Slit thickness 0.13 Kinematic viscosity [mm2_{/s] 9.7} 25 75 [mm] Surface tension o [mN/m] 22.3 Oil condition Injector specifications Injection condition Wall condition

818

自動車技術会論文集 測の実験条件を示す．また図_{7 に本実験に用いた記号の定義} 図を示す．さらに油膜作成の条件以外は_{4.1 節と同様である．} また，スリットノズルを取り付けるフランジにカートリッジ ヒータ（定格：_{250W）を 8 本挿入し，ノズル先端を加熱した．} これにより，エンジンオイル温度_Toilを_{120℃にすることで，} エンジンオイルの粘度 ν を変化させ噴射した．この際エンジ ンオイルの温度はスリットノズル先端の温度としている．ス リットノズルと壁面の距離 _Zw’は 75mm とし，壁面との角度 θimpは水平面から20deg.とした．さらに図 6 の下部のようにエ ンジンオイル噴射圧力_{Poil=1MPa において 1Hz で 20 回噴射を} 行ない，油膜を作成している．エンジンオイル噴射を開始し てから_{60 秒後に燃料を噴射した．その際，壁面温度は 120℃} である．また，_{1 回のエンジンオイル噴射における噴射期間を} 25ms とし，20 回の噴射における総噴射量は 1mg である． ．実験結果および考察 ．校正実験結果 図_{8 に軽油およびエンジンオイルにおける一定膜厚と蛍光} 強度の関係を示した校正実験の結果を示す．図_{7 および 8 よ} り，軽油およびエンジンオイルにおいて膜厚と蛍光強度に比 例関係を得ることができ，この結果を用いて乾き壁面および 油膜に衝突するディーゼル噴霧の付着量を算出し，さらに油 膜厚さの計測も行なった．ただし，本校正結果を用いると， 液膜と石英ガラスの界面における反射により燃料付着量の定 量化が困難となる．そのため，計測精度向上のためには校正 手法の改良が必要である． ．油膜作成実験 図_{9 に燃料噴射前における油膜厚さの計測結果を示す．図 9} より，スリットノズルを用いることでおおよそ _{10µm から} 20µm の間で均一な油膜が作成可能であることがわかる．実際 のエンジン筒内のような高温・高圧場でピストンが摺動する ような動的な状態では，油膜厚さはさらに薄いと予想される． しかしながら，本実験のような静的な状態では，_{10µm 以下の} 薄膜は表面張力により破断してしまうため，本実験では油膜 厚さを_{10µm から 20µm の間で実験を行なった．} ．乾き壁面に衝突するディーゼル噴霧の付着液膜厚さ計測 ．燃料噴射量が液膜厚さ，燃料付着量および付着面積に  与える影響  図_{10 に燃料噴射開始から20ms 後の燃料付着液膜厚さの計} 測結果を，図11 にノズルキャップの概略図を，さらに図 12 に燃料噴射開始からの付着面積および付着量における時系列 変化を示す．各図中のエラーバーは6 回の実験結果における 標準偏差を示す．まず図_{11 より本実験ではインジェクタのノ} Oil Injection 1HZ，20shots 0 20 ₆₀ [s]

Fuel Injection period 0.37 , 0.49 , 0.67[ms] Photographing period 100[ms] Tw=135 [deg.] Tw=120 [deg.] Zw=43mm Zw’=75mm θimp=20deg. θimp Zw Ra0.025 Oil film Zw’ 77.5deg. Quartz glass _120mm 185～235mm Diesel Injector for Fuel Gasoline Injector for Oil

Wall temperature time dependency 90 105 120 135 150 0 10 20 30 40 50 60 70 W al l temp er atu re [d eg .] Time [s] Wall heat capacity

70 [J/K] Engine oil Heat capacity 2 [J/K] Synthetic quartz glass

Fig.7 Definition figure of symbol Engine oil (0W-30)

+Rhodamine B(0.04wt%) +Ethanol(6.25wt%)

Toil＝393K

Diesel fuel (JIS No.2)

+perylene(0.01wt%) Tfuel＝293K Fl uo rescen ce i nten si ty ［ -］ Film thickness δ [μm] 10 20 30 40 60 1.0 0.6 0.8 0.4 0.2 0.0_{0 50 70 80} Engine oil Diesel fuel

Fig.8 Relation between Film thickness and Fluorescence Intensity Diesel fuel (JIS No.2) and Engine oil (0W-30)

5 15 0 10 20 10 20 [mm] [mm]

[µm] Po=1.5MPa，Qo=1.0mg，θimp=20deg.

6SUD\ D[LV LPSLQJLQJSRLQW Oi l fi lm thi ckn ess δo [µm] 20 0 18 16 14 12 10 8 Oi l fi lm thi ckn ess δo [µm] 10 5 0 5 10 15 6 4 2 10 5 0 10 5 10 20 5 0

Fig.9 Analysis result of oil film thickness created by slit nozzle

Zw=43mm・Pinj=100MPa・Tw=393K Pa=0.1MPa・Ta=297K

Spray axis impinging point _tinj

[ms] Injection period Photographing period 100 Flame rate 100fps 0 5 10 10 5 Fuel film

Qinj=0.64mg Qinj=1.0mg Qinj=1.42mg

0 5 10 15 200 5 10 15 200 5 10 15 20

Film thickness δ [µm]

0 5 10 15 20 25 30

Fig.10 Measuring liquid film thickness using LIF method [Zw=43mm, Qinj=0.64, 1.0, 1.42mg, TASI=20ms]

Fuel Injection hole

Injector mounting hole Screws for

tightening Hole to escape fuel

Fuel film Fig.11 Schematic diagram of Nozzle Cap for Injector

Vol.48,No.4,July 2017.

819

測の実験条件を示す．また図_{7 に本実験に用いた記号の定義} 図を示す．さらに油膜作成の条件以外は_{4.1 節と同様である．} また，スリットノズルを取り付けるフランジにカートリッジ ヒータ（定格：_{250W）を 8 本挿入し，ノズル先端を加熱した．} これにより，エンジンオイル温度_Toilを_{120℃にすることで，} エンジンオイルの粘度ν を変化させ噴射した．この際エンジ ンオイルの温度はスリットノズル先端の温度としている．ス リットノズルと壁面の距離_Zw’は 75mm とし，壁面との角度 θimpは水平面から20deg.とした．さらに図 6 の下部のようにエ ンジンオイル噴射圧力_{Poil=1MPa において 1Hz で 20 回噴射を} 行ない，油膜を作成している．エンジンオイル噴射を開始し てから_{60 秒後に燃料を噴射した．その際，壁面温度は 120℃} である．また，_{1 回のエンジンオイル噴射における噴射期間を} 25ms とし，20 回の噴射における総噴射量は 1mg である． ．実験結果および考察 ．校正実験結果 図_{8 に軽油およびエンジンオイルにおける一定膜厚と蛍光} 強度の関係を示した校正実験の結果を示す．図_{7 および 8 よ} り，軽油およびエンジンオイルにおいて膜厚と蛍光強度に比 例関係を得ることができ，この結果を用いて乾き壁面および 油膜に衝突するディーゼル噴霧の付着量を算出し，さらに油 膜厚さの計測も行なった．ただし，本校正結果を用いると， 液膜と石英ガラスの界面における反射により燃料付着量の定 量化が困難となる．そのため，計測精度向上のためには校正 手法の改良が必要である． ．油膜作成実験 図_{9 に燃料噴射前における油膜厚さの計測結果を示す．図 9} より，スリットノズルを用いることでおおよそ _{10µm から} 20µm の間で均一な油膜が作成可能であることがわかる．実際 のエンジン筒内のような高温・高圧場でピストンが摺動する ような動的な状態では，油膜厚さはさらに薄いと予想される． しかしながら，本実験のような静的な状態では，_{10µm 以下の} 薄膜は表面張力により破断してしまうため，本実験では油膜 厚さを_{10µm から 20µm の間で実験を行なった．} ．乾き壁面に衝突するディーゼル噴霧の付着液膜厚さ計測 ．燃料噴射量が液膜厚さ，燃料付着量および付着面積に  与える影響  図_{10 に燃料噴射開始から20ms 後の燃料付着液膜厚さの計} 測結果を，図11 にノズルキャップの概略図を，さらに図 12 に燃料噴射開始からの付着面積および付着量における時系列 変化を示す．各図中のエラーバーは6 回の実験結果における 標準偏差を示す．まず図_{11 より本実験ではインジェクタのノ} Oil Injection 1HZ，20shots 0 20 ₆₀ [s]

Fuel Injection period 0.37 , 0.49 , 0.67[ms] Photographing period 100[ms] Tw=135 [deg.] Tw=120 [deg.] Zw=43mm Zw’=75mm θimp=20deg. θimp Zw Ra0.025 Oil film Zw’ 77.5deg. Quartz glass _120mm 185～235mm Diesel Injector for Fuel Gasoline Injector for Oil

Wall temperature time dependency 90 105 120 135 150 0 10 20 30 40 50 60 70 W al l temp er atu re [d eg .] Time [s] Wall heat capacity

70 [J/K] Engine oil Heat capacity 2 [J/K] Synthetic quartz glass

Fig.7 Definition figure of symbol Engine oil (0W-30)

+Rhodamine B(0.04wt%) +Ethanol(6.25wt%)

Toil＝393K

Diesel fuel (JIS No.2)

+perylene(0.01wt%) Tfuel＝293K Fl uo rescen ce i nten si ty ［ -］ Film thickness δ [μm] 10 20 30 40 60 1.0 0.6 0.8 0.4 0.2 0.0_{0 50 70 80} Engine oil Diesel fuel

Fig.8 Relation between Film thickness and Fluorescence Intensity Diesel fuel (JIS No.2) and Engine oil (0W-30)

5 15 0 10 20 10 20 [mm] [mm]

[µm] Po=1.5MPa，Qo=1.0mg，θimp=20deg.

6SUD\ D[LV LPSLQJLQJSRLQW Oi l fi lm thi ckn ess δo [µm] 20 0 18 16 14 12 10 8 Oi l fi lm thi ckn ess δo [µm] 10 5 0 5 10 15 6 4 2 10 5 0 10 5 10 20 5 0

Fig.9 Analysis result of oil film thickness created by slit nozzle

Zw=43mm・Pinj=100MPa・Tw=393K Pa=0.1MPa・Ta=297K

Spray axis impinging point _tinj

[ms] Injection period Photographing period 100 Flame rate 100fps 0 5 10 10 5 Fuel film

Qinj=0.64mg Qinj=1.0mg Qinj=1.42mg

0 5 10 15 200 5 10 15 200 5 10 15 20

Film thickness δ [µm]

0 5 10 15 20 25 30

Fig.10 Measuring liquid film thickness using LIF method [Zw=43mm, Qinj=0.64, 1.0, 1.42mg, TASI=20ms]

Fuel Injection hole

Injector mounting hole Screws for

tightening Hole to escape fuel

Fuel film Fig.11 Schematic diagram of Nozzle Cap for Injector

ズルキャップを装着しているが4.1 節で述べたように 8 孔分 の燃料を逃がす穴がキャップの両サイドおよび下方に計_{3 つ} 加工されている．燃料噴射が開始されてから20ms までは穴 から噴出した燃料が付着液膜の上方を飛散するため正確な付 着液膜厚さの計測が困難となる．そのため本計測では _20ms 以降を計測対象とした．ここで，図12 より，乾き壁面に燃料 が噴射された場合，噴射量の増加に伴い付着面積および付着 量は共に増加することがわかった．また図10 より付着した燃 料を確認すると，表面がなだらかな液膜を形成していないこ とが確認できる．これについては本計測法ではその要因につ いて確認することが出来ないため，今後付着のメカニズムに ついては拡大撮影等を行ない，現象をさらに詳細に計測する 必要があるといえる．さらに本計測では，燃料の温度を_20℃ にして校正実験行なっている．そのため，燃料が壁面に衝突 した後における壁面からの熱伝達による温度上昇に伴う消光 現象については考慮されていない．そのため，付着量につい ては過少に評価されている可能性がある． ．油膜に衝突するディーゼル噴霧の付着液膜厚さ計測 ．燃料噴射量が液膜厚さ，燃料付着量および付着面積に 与える影響 図13 に燃料噴射開始から20ms 後の燃料付着液膜厚さおよ び油膜厚さの計測結果を，さらに図14 に燃料噴射開始からの 付着面積および付着量における時系列変化を示す．各図中の エラーバーは_{6 回の実験結果における標準偏差を示す．また} この際，燃料噴射開始前の油膜厚さは_{10µm である．図 13 よ} り，燃料液膜と油膜の計測結果を比較すると，燃料の付着し ている部分には油膜が存在していないことがわかる．このこ とから，油膜に衝突した燃料噴霧は，油膜を突き破り壁面に 付着していることがわかる．また図_{14 より，油膜に衝突する} 場合においても，乾き壁面と同様に噴射量の増加に伴い，付 着面積および付着量は増加していることがわかった．さらに 時間の経過とともに付着量が減少していることがわかる．こ れは燃料にJIS2 号軽油を用いたため，低沸点の成分が蒸発し たことが考えられる．さらに図_{12 と図 14 を比較すると油膜} の存在する方が，時間の経過に伴う付着量の減少率が大きく 異なることがわかる．そこで時間の経過に伴う付着量の減少 率については次節に述べる現象を考えた． ．油膜に衝突する燃料噴霧における時間の経過に伴う付 着量の減少について 図_{15 に燃料液滴が油膜に衝突する場合の挙動に関す} る予測イメージ図と燃料の蛍光減衰についてのイメージを示 す．燃料液滴が油膜に衝突した際，その衝突挙動は液滴が油 膜を突き破り壁面に付着するパターン _{A，油膜をわずかに突} き破り油膜上部に付着するパターン _{B，油膜の中に希釈する} パターン_{C の 3 パターンに分類されると予測できる．パター} ン_{C の場合は，図 15 の下部に示したように油膜という物性値} の異なる液体の影響により，燃料から発せられた蛍光が減衰 する．したがって油膜に燃料噴霧が衝突した場合は，付着量 が過少に見積もられる可能性が考えられる．さらに_{5.4.1 項に} おける付着量の減少率に関しては，パターン_{A またはパター} 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 0 20 40 60 80 100 0.64 Qinj/hole [mg] 1.42 1.0 0.64 Qinj/hole [mg] 1.42 1.0 Depo sitio n amo un t M [m g] Depo sitio n area S [mm 2]

Time after start of injection [ ms] Time after start of injection [ms]

Fig.12 Measuring deposition area and deposition amount  of impinging spray on dry wall using LIF

0 5 10 10 5 0 5 10 15 200 5 10 15 200 5 10 15 20 0 5 10 10 5 Oil film Fuel film

Qinj=0.64mg Qinj=1.0mg Qinj=1.42mg

Film thickness δ [µm]

0 5 10 15 20 25 30

[mm]

[mm]

Fig.13 Measuring liquid film thickness and oil film thickness using DLIF method [Zw=43mm, Qinj=0.64, 1.0, 1.42mg, TASI=20ms] 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0 20 40 60 80 100 0 20 40 60 80 100 120 140 0 20 40 60 80 100 0.64 Qinj/hole [mg] 1.42 1.0 0.64 Qinj/hole [mg] 1.42 1.0 Depo sitio n amo un t M [m g] Depo sitio n area S [mm 2]

Time after start of injection [ ms] Time after start of injection [ms]

Fig.14 Measuring deposition area and deposition amount of impinging spray on oil film using DLIF

Deposition

on dry wall Deposition on oil film Oil dilution

(pattern A) (pattern B) (pattern C)

Ｉ0

Ｉp_f Ｉp_o

Oil Ｉ0：Incident light

Ｉp_f：LIF signal of fuel

Ｉp_o：LIF signal of engine oil

Decrease of fluorescence

Fuel

Fuel droplet

Oil film

Fig.15 Comparison of deposition area and deposition amount impinging on dry wall and oil film

820

自動車技術会論文集 ン_{B で壁面に付着した燃料液膜が流動する過程でパターン C} のように油膜中に溶け込み，燃料から発せられる蛍光の総減 衰量が徐々に大きくなっていったことが要因であると考えら れる．しかしながら，蛍光の減衰がどのパターンに起因する かについては，本手法により明らかにすることができないた め，さらなる調査が必要であると考えられる． ．油膜が燃料付着量および燃料付着面積に及ぼす影響 図_{16 および 17 に本実験結果から得られた乾き壁面と油膜} における燃料噴射開始から_{20ms 後の付着面積および付着量} の比較結果を示す．図_{16 および 17 より，油膜が存在する場} 合，付着面積および付着量は共に減少していることがわかる． まず油膜の存在による付着面積の減少の要因として，図_{13 よ} り確認可能であるように油膜に燃料が噴射された際，燃料に よって押しのけられ形成した分厚い油膜が燃料の拡がりを抑 制したためであると考えられる．次に油膜の存在による付着 量の減少の要因として，5.4.2 項で述べたような油膜中に希釈 した燃料における蛍光の減衰が考えられる． ．結 言 本研究では，レーザ誘起蛍光法およびダブルレーザ誘起蛍 光法を用いて乾き壁面および油膜に衝突するディーゼル噴霧 の付着液膜厚さ，付着量および付着面積を算出し，さらにデ ィーゼル噴霧衝突後の油膜厚さについて同時連続計測を行っ た．以下に本研究で得られた知見を示す． (1) ダブルレーザ誘起蛍光法を用いることにより，軽油お よびエンジンオイルという_{2 種オイルの厚さ分布を 2} 次元的に独立し，連続計測することが可能となる． (2) スリットノズルを用いることで，油膜厚さが 10µm か ら_{20µm の間で均一な油膜が作成可能である．} (3) 乾き壁面にディーゼル噴霧が衝突する場合，燃料噴射 量の増加に伴い燃料付着量および付着面積は増加す る． (4) 潤滑油膜にディーゼル噴霧が衝突する場合，燃料噴射量 の増加に伴い燃料付着量および付着面積は増加する． (5) 乾き壁面と潤滑油膜にディーゼル噴霧が衝突した場合 の燃料付着量および付着面積を比較すると，油膜がある 場合の方が付着量は少なくなり付着面積は小さくなる． 謝 辞 本稿は，経済産業省「平成(2016)年度エネルギー使用 合理化先進的技術開発費補助金（クリーンディーゼルエン ジン技術の高度化に関する研究開発）」の助成を受けて実 施した自動車用内燃機関技術研究組合の委託事業の成果で ある．関係者各位に深く感謝の意を表します． 参 考 文 献

(1) Espey, C., Dec, J. E., Litzinger, T. A. and Santavicca, D. A., “Quantitative 2-D Fuel Vapor Concentration Imaging in a Firing D.I. Diesel Engine Using Planar Laser-Induced Rayleigh Scattering”, SAE paper, No.940682．(1994)

(2) 西島義明，浅海靖男，青柳友三，“ディーゼル噴霧の燃 焼室底面付着液膜の計測_{”，日本液体微粒化学会誌，} Vol.11，No.36，pp.1-9．(2002) (3) 桂直仁，齋藤昌弘，千田二郎，藤本元，“壁面衝突ディ ーゼル噴霧の性状_{(その 2)”，日本機械学会論文集(B 編)，} Vol.56，No.521，pp.227-234．(1990) (4) 神田知幸，小林正明，千田二郎，藤本元，“エキサイプ レックス蛍光法によるディーゼル噴霧濃度場の定量化 （第_{2 報，壁面衝突噴霧の蒸気濃度分布と液相濃度の定} 量化解析）”，日本機械学会論文集(B 編)，Vol.63，No.607， pp.328-333．(1997） (5) 岡本真也，川島久宜，石間経章，中間健二郎，“モデル エンジン内シリンダ壁面に付着する燃料液膜の時系列 計測_{”，第 22 回内燃機関シンポジウム講演論文集，} pp.163-168．(2011) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 Qinj/hole [mg] Qinj/hole [mg] D ep osi tio n ar ea S [mm 2]

Dry wall

Oil film

δ

o

=10μm

After 20ms

Fig.16 Comparison of deposition area impinging on dry wall and oil film [TASI=20ms]

0 20 40 60 80 100 120 140 160 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 Qinj/hole [mg] D ep osi tio n amo un t M [mg]

Dry wall

Oil film

δ

o

=10μm

After 20ms

Qinj/hole [mg]

Fig.17 Comparison of deposition amount impinging on dry wall and oil film [TASI=20ms]