Journal of the Combustion Society of Japan Vol.56 No.178 (2014) FEATURE /Issues and Solutions for Engine Combustion φ-t マッ

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1. はじめに

いわゆる φ−T マップとは，燃焼生成物の生成量を当量比 (φ) と温度 (T) を軸にした 2 次元平面上にマップ化したものである． LTC Combustion というキーワードでグーグル画像検索すると数多くの φ−T マップを見つけることができる．このことから，コンセプトを直感的・視覚的に把握するには有効であると認識されているようである．φ−T マップを用いた燃焼解析が本格化してから 10 年以上経過している．その間，化学反応も同時に計算できる 3 次元 CFD も発達しており，あえてマップを用いなくても良いケースも多々あると考えられる．また，マップに関しては数多くの解説が既にあり，今更という感もあるが，今一度振り返り，マップを知らない若手研究者への技術紹介も必要であろう．本稿では，まず初期の φ−T マップ，反応計算によるマップ作成方法や 3 次元 CFD との組み合わせ，マップの見方について概説する．また，マップ上の燃焼領域の考察，さらには様々な燃焼コンセプトが φ−T マップのどの領域を使用しているかを検討し，燃焼制御方法と関連づけて解説を試みる．

2. 初期の φ－T マップを用いた燃焼コンセプト検討

φ−T マップを用いてエンジン燃焼コンセプトを検討する方法を提案したのは，筆者の知る限り，1988 年の Kamimoto と Bae の論文である[1]．彼らは，ディーゼル燃焼における煤および NOx の低減方法を考察しており，図 1 はその結果の一例である．過濃混合気をスモーク生成領域よりも高温で燃焼させ，急速に希薄化するとともに温度を下げることによって，煤および NOx 生成領域を避けて燃焼させる概念を示したものである．この φ−T マップは，過去の様々な実験結果と彼らの実験結果を総合して作られたが，後に反応計算によって作成されたマップ[2]の煤と NOx の生成領域をほぼ正確に示しており，原型は既に完成されていたと言える．このマップが示す最も重要なことは，煤も NOx も生成しない領域が存在することを明示したということであろう．すなわち，ディーゼル燃焼における煤生成と NOx 生成のトレードオフという長年の課題をブレークスルーできる可能性を示しており，正に先駆的な研究である．

3. φ－T マップの計算

ガス状態 (当量比：φ，温度：T) に対する煤生成特性を明

* Corresponding author. E-mail: [email protected]

日本燃焼学会誌第 56 巻 178 号（2014 年）291-297 Journal of the Combustion Society of Japan Vol.56 No.178 (2014) 291-297

■特集／FEATURE■

―エンジン燃焼の諸問題とその対策 /Issues and Solutions for Engine Combustion―

φ－T マップとエンジン燃焼コンセプトの接点

A Point of Contact between a φ-T Map and Engine Combustion Concepts

秋濱一弘*

AKIHAMA, Kazuhiro*

日本大学生産工学部〒275-8575 千葉県習志野市泉町 1-2-1

Nihon University, 1-2-1 Izumi-cho, Narashino, Chiba 275-8575, Japan

Abstract : This article is an overview of a φ (equivalence ratio) - T (temperature) map and its applications for studying engine combustion concepts. The φ-T map gives visual image of in-cylinder condition of engine combustion and is utilized to study various engine combustion concepts in the last ten years. In the first part, the background and calculation method of the map are described. In addition, 6 combustion regions, namely, CDC (Conventional Diesel Combustion), LTC (Low Temperature Combustion), HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition), SLRC (Smokeless Rich Combustion) , SI (Spark Ignition) and DP (Desirable Path) are defined on the map. In the second part, several combustion concepts and those combustion regions on the map are discussed to show the point of contact between the φ-T map and engine combustion concepts.

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確化するため，0 次元の詳細な反応動力学モデルに基づいて，いわゆる「煤生成 φ−T マップ」が作成された[2,3]．図 2 に結果として得られたマップを示す．また，煤生成計算で用いたモデルの概念を図 3 に示す．このモデルは，燃料 (C6 を上限) の熱分解と酸化，多環芳香族炭化水素 (PAH) の生成と成長，PAH から粒子核の生成，核から球形粒子の生成と成長，ならびに粒子同士の会合や表面反応による粒子成長を扱ったものである．前述の過程の計算モデルは，以下に示す 3 つのパートから構成されている． (1) 主燃焼モデル：主燃焼と 1 および 2 環 PAH の生成を扱う素反応群

(2) PAH 成長モデル：1 および 2 環 PAH から 6 環 PAH までの生成を扱う素反応群 (3) 煤粒子生成モデル：煤核形成，粒子成長・酸化を扱う物理モデル (1) と (2) の素反応群は結合され，気相反応を記述する素反応群として扱われる．この素反応群によって，小分子，ラジカルの反応，環化，PAH の成長・酸化を扱う．本素反応群の化学種と反応の総数は，各々 292 と 2189 である．また反応計算には CHEMKIN II を用いた．なお前述のサブモデル (1)∼(3) の詳細は文献[2,4]を参照されたい．図 2 は一例であり，他にも多くのマップが計算されている．例えば，北村ら[5]は含酸素燃料のマップを計算している．

4. 3 次元 CFD との組み合わせと燃焼領域

φ−T マップを活用する上で，3 次元 CFD による筒内ガス塊状態をマップ上にプロットすることが多い．図 4 は，図1 φ−T マップによるエンジン燃焼コンセプト検討例[1]．図 2 計算で得られた φ−T マップ[2,3]．図 3 煤生成計算モデル[2,3]．

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秋濱一弘，φ−T マップとエンジン燃焼コンセプトの接点通常のディーゼル燃焼の状態 (図中△) をプロットした例 [3]であるが，筒内の状態は断熱火炎温度曲線を上限として，図のように分布する (曲線は厳密なものではない)．燃焼領域は，煤生成半島と NOx 生成半島をまたがる形となり，煤と NOx の両方が排出される．通常の運転条件変化では，煤 (スモーク) と NOx の排出量はトレードオフの関係となる．このように，マップ上に燃焼状態をプロットすることで，視覚的に燃焼の特徴が理解でき，改善の方向性も考えやすい．一方，φ−T マップには時間の概念がないことに注意を要する．筒内状態の時間推移をマップ上に描くことは一般的だが，マップ自体も時間的に変化する．この観点から，マップの時間変化も考慮した解析例[6]もあるが，筆者の認識では，大抵の場合，固定マップでも十分である．

5. φ－T マップ上の燃焼領域

既に多くの論文や Web サイトで φ−T マップの活用やマップを用いた燃焼コンセプトの説明がなされている [7-15]．それらを概観すると，様々な考え方はあるものの，図 5 のような 6 つの燃焼領域に大別されると考えられる．ここで図中の領域は非常に荒いイメージとして描かれており，厳密ではない．

(a) CDC (Conventional Diesel Combustion) 領域：煤半島と NOx 半島をまたがる領域．EGR 量によって低温側に領域が広がる．

(b) LTC (Low Temperature Combustion) 領域：煤半島の希薄側，NOx 半島の低温側に位置し，主には，温度は 1400 K 以上の領域．

(c) HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) 領域： LTC の中の希薄側の領域．

(d) SLRC (Smokeless Rich Combustion) 領域：煤半島の低温

側で主にはリッチ領域．

(e) SI (Spark Ignition) 領域：火花点火のストイキガソリン燃焼の領域．

(f) DP (Desirable Path) 領域：煤半島と NOx 半島の間の領域．上記の燃焼領域と様々な燃焼コンセプトとの関係を次節以降で検討する．次節で取り上げる燃焼コンセプトは，混合気の均質化を表す図中の矢印 A と低温化を表す矢印 B の組み合わせを，様々なアプローチで実現している．

6. φ－T マップと様々なエンジン燃焼コンセプトと

の接点

6.1. HCCI 燃焼

HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) 燃焼[16] は，着火までに燃料と空気を十分に混合し，その希薄予混合気を圧縮自着火させる燃焼法である．図 5 の HCCI 領域で燃焼が完結する．希薄混合気の燃焼であるため火炎温度が低く，NOx の排出が低減できる．燃料と空気が十分に混合され燃料過濃部分が少ないことから，煤の生成が抑制される．反面，着火時期は混合気の化学的着火遅れに委ねられるため，着火制御が困難である．また，予混合気の燃焼であるため急激な圧力上昇が生じ，負荷が高くなるとノッキングを引き起こす．火炎温度が低いため燃焼反応が凍結し，HC，CO が多量に排出される等の課題がある． 6.2. UNIBUS 燃焼

UNIBUS (Uniform Bulky Combustion System) 燃焼[17-19] は，概ね図 5 の LTC 領域の燃焼と考えられる．図 6 にコンセプト・燃焼パターンの概念図を示す．早期パイロット噴射で冷炎反応を作り，その後のインターバルを長くとりピストン下降中の温度が低い状態で主噴射することで噴射直 293 図 4 3 次元 CFD で計算された通常ディーゼル燃焼のガス塊状態 (△) と断熱火炎温度曲線のプロット例[3]．図 5 φ−T マップ上の燃焼領域．

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後の着火を抑制・制御し，燃料を十分に拡散させる (図 5 矢印 A に相当)．その後，急速に予混合燃焼させるものである．本燃焼法における低温化 (図 5 矢印 B) は，EGR の導入ではなく，早期パイロットで形成される低温酸化反応場によって着火時期が制御された遅延予混合的燃焼 (多点同時着火) によって達成され，等容度低下を防ぎつつ，LTC 領域での燃焼を実現していると考えられる． 6.3. MK 燃焼 MK (Modulated Kinetics) [20-22]のコンセプトの概要を図 7 に示す．この燃焼 (低温予混合燃焼) も概ね図 5 の LTC 領域の燃焼と考えられる．図 5 の矢印 B は大量 EGR により実現している．一方，混合気の均質化は，燃料噴射圧の高圧化による噴射期間の短縮と，EGR 冷却および噴射時期の遅延化による着火遅れ期間の長期化によって実現している．図 8 は，本燃焼法の熱発生率パターンを示している．高スワールによって，熱効率を維持しつつ予混合燃焼による HC の悪化を防止しており，実用的な燃焼法となっている． 6.4. PCCI/PCI 燃焼

PCCI (Premixed Charge Compression Ignition) では，圧縮行程早期に燃料を噴射して，できるだけ均一な希薄混合気を形成することで[23]，図 5 の矢印 A, B を同時に達成し，希薄 LTC 領域での燃焼を実現している．前述 HCCI のような低煤，低 NOx 排気特性を実現しつつ，(ある程度の) 着火時期の制御性を確保している．一例は，PREDIC (Premixed Lean Diesel Combustion) [24]であり，サイドインジェクタを用いて，燃焼室中心に向けて燃料を従来よりかなり早い時期に噴射する．このことにより，燃料の壁面付着を防ぎつつ十分な混合時間を与えて希薄予混合気を作っている．図 9 に PREDIC の燃焼コンセプトを示す[24]．予混合化のみで LTC 燃焼を実現しているため，一般的には，その成立範囲は低負荷領域に限定される．PCCI 燃焼の問題点を解決するため，様々な対策も研究されている[23]．PCI (Premixed Compression Ignition) 燃焼では，できるだけ上死点付近での燃料噴射によって燃料の壁面付着を防止しつつ，EGR と噴射圧力やノズルの工夫で混合速度を増加させて予混合的燃焼を実現している[25,26]. 6.5. 無煙低温燃焼 図 10 に本燃焼法の特徴を示す[2,3,27-31]．従来は EGR 率を増加させると酸素濃度減少のために，煤は増加すると考えられてきた．ところが図 10 に示すように，EGR 率がある臨界点を越えると煤は急激に低下に転じ，理論空燃比図 6 UNBUS 燃焼のコンセプト[19]．図 7 MK 燃焼のコンセプト[22]．図 8 MK 燃焼の熱発生率パターン[22]．図 9 PREDIC 燃焼のコンセプト[24]．

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秋濱一弘，φ−T マップとエンジン燃焼コンセプトの接点以下のリッチを含む広い空燃比で，無煙燃焼が可能なことが分かった．この機構を明確化するため，High-Smoke， Smokeless の両条件において，熱発生率ピーク付近におけるガス状態を重ね合わせた φ−T マップを図 11 に示す．図から Smokeless 条件と High-Smoke 条件において，縦軸の当量比分布は差異がないことから，ガスの混合状態は変わらないが，Smokeless 条件では High-Smoke 条件より約 200 K もガス温度が低下していることが分かる．Smokeless 条件では，高い EGR 率によりガス温度が煤生成半島より低温側に移動することによって，煤生成自体が抑制された結果，煤，NOx の同時低減が実現されている．すなわち，図 5 の矢印 B のみによって，SLRC 領域での燃焼を実現している．無煙低温燃焼を使用することにより，エンジンから排出される HC, CO は増加するが，それらの触媒での酸化により触媒が活性温度以上に保持されるため，高い浄化率が実現されている．また吸蔵還元型 NOx 触媒では，間欠的なリッチスパイク制御で還元剤を供給し，吸蔵した NOx を還元する必要がある．この際，無煙リッチ燃焼を活用したリッチスパイクによってモード運転時などでの大幅な NOx 低減が可能である．本燃焼法は，吸蔵還元型 NOx 触媒との組み合わせでその真価が発揮される[30]． 6.6. ITIC-PCI 燃焼

ITIC-PCI (Intake Temperature and Injection Controlled-Premixed Compression Ignition) 燃焼法は，基本的には図 5 中の LTC 燃焼領域に属すると考えられるが，他の領域も一部含めた燃焼法と考えられる．図 12 は，志茂ら[32,33]が示した φ−T マップである．マップ上の目指すべき燃焼ガス状態は，EGR によって最高火炎温度を 2000 K 程度まで低温化する (図 5 の矢印 B に相当)．また図 5 の矢印 A の均質化と希薄化に関しては，独自のアプローチとして，吸気冷却の強化を実施している．このことにより予混合期間の長期化ができ，また吸気の空気密度が高くなるため余剰空気 (酸素) が多くなる．このため燃焼後半での燃焼の希薄化を促進して，煤生成領域を希薄側に脱して，一度生成された煤を酸化させる．本燃焼法では，適度な低温化と余剰空気により，LTC の課題である CO/HC の排出も抑制している．マップ上では LTC 燃焼領域に属するが，DP 領域も一部活用しているものと考えられる． 6.7. 高過給・高 EGR 燃焼 本燃焼法は，図 5 中の CDC 領域から LTC 燃焼領域にできる限り近づけるアプローチの一つと考えられる．通常のディーゼル燃焼では NOx 排出量を低減するために，EGR ガスを導入すると吸気中の酸素濃度が低下して煤排出量が増加する．一方，高過給化すれば図 13 のように新気と EGR ガス量を同時に増量できる[19]．作動ガス量の増加による熱容量の増加，EGR 率増加に伴う比熱比の低下による燃焼温度の低温化 (図 5 の矢印 B) が実現できる．また，燃料噴射圧力増大と組み合わせることで，混合気の均質化 (図 5 矢印 A) を達成する．この高過給・高 EGR 燃焼の効果を φ−T マップを用いて解析した例[19,34]を図 14 に示す．図から，図 5 中の CDC から望ましい LTC 領域に近づいていることが確認できる．

7. CO の φ－T マップ

煤と NOx 以外に考慮すべき排気ガス成分は HC と CO である．これらのマップは Miles らによって議論されている 295 図 10 EGR 率によるスモークの変化[3]．図 11 熱発生率最大時期における燃焼状態比較[3]．図 12 ITIC-PCI 燃焼のコンセプト[32]．

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[35]．図 15 は CO 生成の φ−T マップの例[36]である．CO が迅速に酸化する条件 (φが 1 未満，温度が 1500 K 以上) の領域を破線で示す．CO 酸化領域を時間的・空間的にできるだけ使用することで，一般に CO, HC 排出が多い LTC 燃焼の排気改善が可能と考えられる．CO 酸化領域の左側，温度が 1400 K 以下には CO 生成の多い半島状領域が存在する．これは，膨張仕事や壁への熱損失などによる温度低下が燃焼による温度上昇を上回ることで温度が 1500 K に達しなければ，CO の酸化が止まり多量の CO が生成されることを予想させる．最近，マルチ噴射を行うディーゼル燃焼での CO 排出の要因を解明するため，2 光子励起 LIF による CO 分布計測および数値計算と φ−T マップを活用し，ディーゼル燃焼での CO 排出要因の解析と対策案を提示した例[36]があるので参照されたい．

8. おわりに

以上見てきたように，φ−T マップは燃焼コンセプトの全体的な傾向が一目でわかる利点がある．コンセプトの直感的・視覚的把握には有効と認識されているが，マップは万能ではないことも頭に入れておくべきである．コンセプトの比較では，その適用範囲，負荷範囲を無視した比較になっている．また φ−T マップの時間変化を考慮しないため，燃焼状態の時間変化の議論は厳密さを欠く．このようなマップの性質を十分理解した上で活用していくべきであろう．本稿ではいくつかの燃焼コンセプトとマップの接点の議論を試みた．多くのコンセプトは，LTC 領域を目指していると考えられる．なお，様々な LTC 燃焼のムービーは，米国 SANDIA 国立研究所のホームページ[37]で見ることができる．この LTC 燃焼を達成する手段は様々である．このことは同じ頂上を目指す山登りでもルートは一つではない様に似ている．どの道を進むか，開拓するかは研究機関・企業間の競争領域となる．その他，取り上げるべき燃焼コンセプトは多々あるかと思うが，本解説をベースに読者自身で検討していただきたい．また，筆者の独断で各コンセプトを解釈したため，間違いもあろうかと思うが，本稿をきっかけに読者側での議論が始まり，読者自身の理解が深まれば幸いである．

References

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図 13 高過給・高 EGR の効果 (2.2 L, 2000 rpm, Pme: 1.05 MPa) [19]．

図 14 高過給・高 EGR・高燃料噴射圧による燃焼領域の変化[19]．

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秋濱一弘，φ−T マップとエンジン燃焼コンセプトの接点

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