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第２章

実験装置および方法

定 容 燃 焼 器 は 燃 焼 に 及 ぼ す 雰 囲 気 条 件 の パ ラ メ ー タ を 独 立 に 変 化 さ せ る こ と が で き， 実 際 の 機 関 や 急 速 圧 縮 膨 張 装 置 で は 困 難 な単 一 パ ラ メ ー タ の 燃 焼 に 及 ぼす 影 響 を 各 種 燃 焼 計 測 法に よ り 調べ る こ と が 可 能 で あ る ．また ，燃 料 噴 霧 の挙 動 と 燃焼 の 観 察に は ， 実 機 の エ ン ジ ン や 急 速 圧 縮 装 置 に 比 べ て 光 学 系 ， 測 定 器 な ど の 配 置 が は る か に 容 易 で あ る な ど の 長 所 を 持 つ ． こ の よ う な 観 点 から ， 本 研 究 で 用 い た 定 容 燃 焼 器 は 内 燃 機 関 の 上 死 点 付 近 で の 燃 焼 室 を モ デ ル 化 して 可 視 化 構 造 と し て い る． 実 験 に 際 し て は ， ま ず ， 燃 焼 器 内 を 常 温 ・ 常圧 の 初 期 雰 囲 気 条 件 で 設 定 し てシ ュ リ ー レ ン 計 測 を 行 う ． そ の 理 由 は ， 噴 射 燃 料と 空 気 の 混 合 過 程 を 測 定 し や す い 点 と 微 小 な 密 度 ム ラ に 対 し て 敏 感 に 反 応 す る た め で あ る ． す な わ ち ， 直 接 噴 射 式 成 層 燃 焼 に お い て は ， ま ず ， 燃 料 混 合 気 の 混 合 過 程 を 基 礎 的 に 把 握 す る こ と が 最 も 重要 で あ る ． そ の た め に ， 本 研 究 で は シ ュ リ ー レ ン 方 法 に よ り 噴 霧 の 気 液 相 分 離 撮 影 す る と と も に ， こ の 測 定 を 基 礎 デ ー タ と し 混 合 気 の 流 動 ・混 合 特 性 を 解 析 す る こ と に よ っ て ， そ れ ら の 因 子 が 噴 霧 特 性 にどのように 影 響 す る か な ど を 調 べる ． 次 に ， 実 機 へ の 応 用 の 観 点 か ら よ り 実 機 に 近い 熱 力 学 的 条 件 を 再 現 す る た め に は 高 温 ・ 高 圧 場 で 噴 霧 と 成 層 燃 焼 を 行 う 必 要 が あ る ． つ ま り ， 常 温 ・ 常 圧 の雰 囲 気 条 件 で の 実 験 は 燃 料 混 合 気 の 混 合 過 程 を 基 礎 的 に調 べ る た め ， 測 定 の 容 易 さ の面 か ら 最 も 有 効 で あ る が ， 実 機 の よ う な 高 温 ・ 高 圧 の 雰 囲 気 条 件 に お け る 燃 料 と 空 気の 混 合 と 燃 焼 過 程 の 基 礎 的 現 象 な ど を 把 握 す る に は ， 実機 に 相 当 す る 実 験 装 置 を 用 いた 実 験 を 行 わ な け れ ば な ら な い． そ こ で ，本 研 究 で は C2H4− N2− O2 混 合 気 の 燃 焼 熱 を 加 熱 源 に し て 燃 焼 器 内を 高 温 ・高 圧 状 態に し ， その 雰 囲 気 中 に 噴 射 系 により 液 体 状の LPG 燃 料 を 噴 射 し て 成 層 混 合 気を 形 成 し， 散 乱 光に よ る液 相 部 の可 視 化 お よ び LIF 法 を 適 用 し ， 気 液 分 離 可 視 化 に つ い て 述 べる ．

2.1 実 験 装 置 2.1.1 定 容 燃 焼 器 実 験 装 置 は 図 2.1 に 示 す よ う に ，定 容 燃 焼 器 ，燃料噴射系 ，光 学 系 ，制 御 計 測 系の ４ つ の 系 統 で 構 成 さ れ て い る ． 定 容 燃 焼 器 は両 端 面 に 石 英 ガ ラ ス を 装 着 し， レ ー ザ 光 源 に よ る 燃 料 噴 霧 や 火 炎 伝 播 の 可 視 化 が 可 能な 構 造 と な っ て い る ． 燃 焼 器 周 囲 に は 給 排 気 バ ル ブ ， 燃 料 噴 射 ノ ズ ル ， 容 器 内 圧 力 測 定 用 の 圧 力 変 換 器 ， 容 器 内 撹 拌 用 フ ァ ン ， 混 合 気 点 火 プ ラ グ ， レ ー ザ シ ー ト を 反 射 する た め の プ リ ズ ム が 取 り 付 け ら れ て い る ． 定 容 燃 焼 器は 図 2.2 に 示 すように 燃 焼 器の 内 径 は 115mm，厚 さ 70mm 容 積 727cm3_{で あ} る ． 噴 射 系 に は ， 高 圧 噴 射 が 可 能 な電 子 制 御 の蓄 圧 式 噴 射 装 置 を 用 い ，イ ン ジ ェ ク タは ， 噴 射 ド ラ イ バ に よ り 駆 動 し ， そ の 噴射時期 と 噴 射 量 の 制 御 は パ ル ス 発 生 装 置 を 利 用 し て 任 意 に 設定 で き る よ う に し た ． 図 2.1 実 験 装 置 の 全 体 図 Chamber Volume Indicator Hand Pump Computer Constant Injector Fan C2H2 O2 N2 Piezo- electronic transducer Spark Plug Injector Driver Vacuum Pump Temperature Injector

図 2.2 定 容 燃 焼 器 2.1.2 燃 料 噴 射 系 高 圧 噴 射 を可 能 と す る た め，蓄 圧 式の 噴射方式 を 使 用し た ．図 2.3 に 噴 射 システム の 概 略 図 を 示 す ． 燃 料 の 蓄 圧 に は 油 圧 ブースタ を 用 い ， そ の 駆 動 は 複 動 シ リ ン ダ 用 の 電 動 ポ ン プ を使 用 し た ．高圧油圧 ブースタ は ，1 次 側 の 標 準 圧 力 媒 体 を ポ ン プ で 加圧 す る こ と に よ っ て ， 2 次 側 の 燃 料 を加 圧 す る ．ピ ス ト ン 1 次 側 の 受 圧 面 積は ， 2 次 側 の 受 圧 面 積 よ り も大 き く な っ て お り ，2 次 側 の 圧 力 は 1 次 側 よ り も 高 く な る ．すなわち ， 1 次 側 と 2 次 側 の 圧 力 比は 受 圧 面 積 比 の 逆数 となる ． 図 2.3 蓄 圧 式 コ モ ン レ ー ル噴 射 装 置 Glass Bolt O ring 70 φ 11 5 Glass O ring Bolt

Outlet Valve Inlet Valve

Spark Plug Injector Spark Plug Piezo Fan Prism Control Chamber Inlet Orifice 2Way Valve Outlet Orifice Hydraulic Booster Hand Pump Injector Driver Hydraulic Booster Schematic

A_f φ36 Input A Injection Pressure A_pφ80 Pump Pressure Control Chamber Inlet Orifice 2Way Valve Outlet Orifice Hydraulic Booster Hand Pump Injector Driver Hydraulic Booster Schematic

A_f φ36 Input A Injection Pressure A_pφ80 Pump Pressure T w o- way Valve

1 次 側 に 関 し て ，ピ ス ト ン に 加わ る 力 を Fp，2 次 側 に 加 わる 圧 力 を Ffと す る と ，そ れ ぞ れ の 圧 力と ピストン に 加 わる 力 の 関係 は 以下 の よ う に な る ． p p p P A F = ⋅ (2.1) f f f P A F = ⋅ (2.2) Pp, Pf： 1 次 側 ， 2 次 側 圧 力 [MPa] Ap, Af： 1 次 側 ， 2 次 側 ピ ス ト ン 受 圧 部 面 積 [m 2 ] こ こ で ，F_p = F_f で あ る か ら式 (2.1)， 式 (2.2)よ り ，

(

p f

)

p f A A P P = ⋅ (2.3) と な る ． また ， 本実験 に 用 いる 油 圧 ブースタ 1 次 側 受 圧 部 面 積 約 5027 mm2 ， 2 次 側 約 1018 mm2で あ る た め ，1 次側圧力約 61 MPa で 2 次 側 圧 力 300 MPa と な る ．ま た，噴 射 期 間 ， 噴 射 時 期 の 制 御 は ， 外 部 の タ イ ミ ン グ 制 御 回 路 か ら 噴 射 ド ラ イ バに 入 力 す る 時 間 を コ ン ト ロ ー ル す る こ と で行 っ た ． イ ン ジ ェ ク タ に は ， 噴 射 ド ラ イ バ に よ っ て 駆動 さ れ る 二 方 弁 を 備 え た コ モ ン レ ー ル 式 イ ン ジ ェ ク タ を 用 い ， 噴 射 時 期 ， 噴射期間 を 自 由 に 制 御 す る こ と が 可能 で あ る ． そ の イ ン ジ ェ ク タ で は ， パ ル ス 電 流 に よ り 電 磁 弁 を 制 御 し リ ー ク 側 の 流 路を 開 く こ と に よ り オ リ フ ィ ス 側 の ス プ ー ル を 押 し ， 高 圧ア キ ュ ム レ ー タ と ノ ズ ル を 結ぶ 流 路 が 開 か れ ， 加 圧 さ れ た 燃 料が ノ ズ ル方 に 圧 送さ れ る( 3 8 ) ． 図 2.4 LPG イ ン ジ ェ ク タ Fuel in Fuel out

2.1.3 光 学 系 (1) シ ュ リ ー レ ン 光 学 系 シ ュ リ ー レ ン 法 は，ア ル ゴ ン レ ー ザ，プ リ ズ ム ，反 射 鏡 ，エ キ ス パ ン ダ ー，凹 面 鏡 2 枚 （ 焦 点 2000mm ） ， ナ イ フ エ ッ ジ ，高 速 度ビ デ オ カ メ ラ で 構成 さ れ て い る ．ア ル ゴ ン レ ー ザ を光 源 として ，エ キ ス パ ン ダ ー ･凹 面 鏡 を 用い て 平行光 を 作り 出 し ，容 器 内 を 通 過 さ せ 凹 面 鏡 で 再び 焦点 1 点 に 集 光 さ せ ，ナ イ フ エ ッ ジ で そ の 主光束 を 遮 る． そ の 原 理 は 容器内 の 気 体の 運 動 ･密度差 に よ り屈 折 が 生じ ，凹 面 鏡の 焦 点 から 外 れ た光 だ け が ナ イ フ エ ッ ジ を 通 過 す る た め ， 気 相 だけの 撮 影 が 可 能 と な る ． こ の 光 学 系 は ， 気 体 同 士 の わ ず か な 密 度 差 に よ る 屈 折 を 感 知 す る た め ， 凹 面 鏡 ， エ キ ス パ ン ダ ー 等 を 慎 重 に 微 調 整 す る 必 要 が あ る ． 特 に ナ イ フ エ ッ ジ は ， 凹 面 鏡 で 収 束 し た レーザ 光 の 主 光 束 を カ ッ ト す る 役 割 で あ り ， 調 整 を 怠 る と ，可 視 化 結 果 に 大 き く 影 響 が 出て し ま う 恐 れ が あ る ． その 光 学 系の レ イ ア ウ ト と ア ル ゴ ン レ ー ザ の諸 元 を 図 2.5 と 表 2.1 に 示 す ． ま た ，同 装 置 で，ナ イ フ エ ッ ジ を外 し て，シ ャ ド ー グ ラ フ に よ る LPG 液 相 の 撮 影 も 行 っ た ． シ ャ ド ー グ ラ フ で は ， シ ュ リ ー レ ン 画 像 と は 逆 に ， 全 体 が 明 る く な り ， 液 相 部 は 暗 くなる ． 表 2.1 Ar Laser の 諸 元 図 2.5 シ ュ リ ー レ ン光 学 系( 3 9 ) 型 式 INNOVA 70A

製 造 会 社 Coherent Laser Group

品 番 PS7365 HD0202 使 用 電 源 3 相 208±10% VAC 50 or 60 Hz, 50 A 冷 却 水 温 度 10 ~ 35 ℃ 冷 却 水 量 8.5 L/min LO 0 . 1∼ 2 . 0 W MED 0 . 1∼ 4 . 0 W 出 力 HI 0 . 1∼ 10.0 W 重 量 ヘ ッ ド 部 ： 43 kg 電 源 部 ： 34 kg Camera Mirror Mirror Expander Concave High Speed Mirror Knife Edge Mirror Concave Spray Ar Laser

(2) レ ー ザ シ ー ト 法光学系 シ ュ リ ー レ ン 法 で は，わ ず か な 密度差 に 敏 感に 感 知 す る よ う に す る た め 高温領域 で の 計 測 は 困 難 で あ る ． そ こ で ， 高 温 高 圧 雰 囲 気 中 に お い て 噴 霧 の 挙 動 を 計測 す る た め ， 銅 蒸 気 レーザ に よ る液 滴 群の Mie 散 乱 光 を 撮影 し た ．定 容 燃 焼 器 と 光 学 系 の 概 略 図 を 図 2.6 に ， 銅 蒸 気レ ー ザ お よ び カ メ ラ の 諸元 を 表 2.2 と 2.3 に 示 す ． レーザシート 法 で は 銅 蒸 気 レ ー ザ (LS20-10， Oxford Laser 社 ，緑 色 511 nm/黄 色 578 nm)を 光 源 と し ， 2 枚 の シ リ ン ド リ カ ル レ ン ズ により 高 さ 70 mm，幅 0.8 mm に シ ー ト 化し ，容 器 正 面に 置 か れ た 高 速 度 ビ デ オ カ メ ラ（ FASTCAM-ultima-UV1， PHOTRON） に よ り 撮 影 し た． そ の 際 ， ビ デ オ カ メ ラ で 発 生 す る パ ル ス 信 号 に同 期 さ せ て 銅 蒸 気 レ ー ザ を 発光 さ せ る と と も に ，そ の 信号 をもとに 点火装置 ，イ ン ジ ェ ク タ ド ラ イ バ ー ，計 測 用 AD ボ ー ド を 制 御 し ，容 器 内 圧 力 の 測定 デ ー タは AD ボ ー ド を 通し て コンピュータ に 取 り組 む よ う に し た． 高 速 度 ビ デ オ カ メ ラの 速 度 は 9000 frames/s と し ， 撮 影さ れ た画 像 は 画像解析装置 に 入 力 し ， 液 滴の 分 布 を解 析 し た． 図 2.6 レ ー ザ シ ー ト光 学 系

Copper Vapor Laser Optical Fiber High Speed Video Camera Optical Lens Constant Volume Chamber Interface Circuit Booster Pump

Injection Driver

Injector Common Rail Computer (Injection Control) Monitor

表 2.2 銅 蒸 気 レ ー ザの 諸 元 項 目 仕 様 型 名 製 造 元 波 長 平 均 出 力 最 大 出 力 パ ル ス 幅 パ ル ス 繰 り返 し ビ ー ム 直 径 LS20-1- 10 Oxford Lasers Ltd. 510.6 mm/578.2 mm（ 緑 /黄） 20 W 30 W 20∼ 30 ns 最 適 10kHz， 2∼ 10kHz 25 mm 表 2.3 高 速 度 ビ デ オ カ メ ラ及 び イ メ ー ジ イ ン テ ン シ フ ァ イ ア の諸 元 項 目 仕 様 型 名 製 造 元 パ ル ス 幅 繰 り 返 し ゲ ー ト 時 間 遅 延 時 間 遅 延 時 間 ジ ッ タ FASTCAM-ultima -UV1 PHOTRON 100ns ∼ 連 続 (パ ル ス 入 力 モード ) 100ns ∼ 1μ s(ト リ ガ 入力 モ ー ド ) 45kHz max. (制 御 回 路 内 蔵 ) パ ル ス 入 力： 100ns∼ 連 続 (DC) ト リ ガ 入 力： 100ns, 200ns, 500ns 1μ s, 10μ s,100μ s 100ns ± 5ns(パ ル ス 入 力 モ ー ド ) 130ns ± 5ns(ト リ ガ 入 力 モ ー ド ) 1ns max.

(3) 分 光 試 験 装 置 LIF 法 を 適 用 す る 際 の 各 種 蛍 光 剤 の 蛍 光 波 長 と 燃 焼 時 の 発 光 波 長 域 を 測 定 するため 分 光 器 装 置 を用 い た ．同 装 置 と 仕様 を 図 2.7 と 表 2.4 に 示 す よ う に Nd:YAG レ ー ザ (266 nm) お よ び デ ジ タ ル 遅 延 パルス 発 生 器， 蛍 光 検 知シ ス テ ム ， 温 度 制 御 装 置， サ ン プ リ ン グ 容 器 な ど に構 成 さ れ て い る ． レー ザ の 入 射 と 蛍光 を 分光器 に 導 く ため 光 フ ァ イ バ を互 い に 垂直 と な る よ う に し た ． レーザ 入 射 窓と 蛍 光 波 長 観 測 窓 に は 石 英ガ ラ ス を用 い ， ま た入 射 窓 の 反 対 側に は ， 入射 し た レーザ の 反 射 を 防 ぐ た め 吸 収レ ン ズ を 取り 付 け る ．ま た，容器下部 よ り K 型 熱 電 対 を 挿 入 し， 容 器 にバ ン ド ヒ ー タ を 取 り 付 け る こ と に よ っ て 容 器 中の 温 度 を 調 節す る ． 表 2.4 分 光 器 仕 様 項 目 仕 様 製 造 会 社 型 式 と 構 造 使 用 可 能 波 長 範 囲 入 ・ 出 射 焦 点 距 離 入 射 角 イ メ ー ジ 倍率 回 折 格 子 取 付 枚 数 回 折 格 子 の大 き さ 波 長 分 解 能 波 長 精 度 オ リ エ ル MS 257， 非 対 称 ツ ェ ル ニ タ ー ナ 170 nm∼ 24 μ m 220 n m， 257.4 nm 23.66゜ 1.5× 10- 5 633 nm か ら 20 nm 離 れ た 所 1 枚 ， 2 枚 ， 3 枚 ま た は 4 枚 50× 50× 6 nm 0. 1 nm（ 通 常 ） ， <0.15 nm（ 最 大 ） ± 0.1 nm（ 通 常 ） ， ±0.15 nm（ 最 大 ） Nd-YAG Laser (266 nm) Pulse Generator Temperature Controller Sampling Chamber Nd-YAG Laser Control Unit

Cooler Data Sampling

Heater Spectroscope

(4) LIF 法 光 学 系

LIF 法 の 光 学 系 と諸 元 を 図 2.8 と 表 2.5∼ 2.8 に 示 す ．燃料噴霧 の 液 相と 気 相 の分 離 可 視 化 を 目 的と し ，光源 に は Nd： YAG レ ー ザ（ Spectra -Physics 社 製 : GCR150） の 第 4 高 調 波 長 (266nm)を 用 い た ．レ ー ザか ら 照 射さ れ た 直径 10 mm レ ー ザ 光 は高 エ ネ ル ギ ー レ ー ザ 用 の ミ ラ ー を 通過 し た 後，2枚 の シ リ ン ド リ カ ル レ ン ズに よ り 高 さ 70 mm，厚 さ 0.3 mm に シ ー ト 化 さ れ ，プ リ ズ ム を 通し て 直 角に 曲 げ ，定 容 燃 焼 器 内 の 噴霧 に 照 射す る ． CCD カ メ ラ に は ス テ レ オ ス コ ー プ が装 着 さ れ て お り ，噴 霧 の気 ・ 液 相お よ び 燃焼 の 輝 炎 と OH ラ ジ カ ル を 選 択 的 に通 過 させる バ ン ド パ ス フ ィ ル タ ー を付 け ，それぞれの 同 時 撮 影 が 可 能で あ る ． 図 2.8 LIF 法 光 学 系

表 2.5 Nd-YAG レ ー ザ (エ タ ロ ン 付 )

型 式 GCR- 150 (10Hz)

製 造 会 社 Spectra Physics INC.

パ ル ス 繰 り 返 し 最 適 ： 10 Hz， 可 変 範 囲 ： 1∼ 14 Hz ビ ー ム 径 10 mm 出 力 パ ル ス 時 間 ジ ッ タ <0.5 ns 線 幅 標 準 時 ： <10 mm- 1 直 線 偏 光 度 >95% 平 均 出 力 安 定 度 9 9 % / 1 時 間 ビ ー ム 拡 が り 角 <0.5 mrad ビ ー ム 位 置 安 定 度 <100 mrad 入 力 電 源 190∼ 250 V±5%， 3 0 A， 50/60 Hz 出 力 波 長 nm 1064 532 355 266 パ ル ス 出 力 mJ 650 300 150 70 パ ル ス 幅 nsec 8∼ 9 6∼ 7 5∼ 6 4∼ 5 エ ネ ル ギ ー安定度 <2% <3% <4% <8% 仕 様 パ ル ス 出 力 変 動 <3% <5% <6% <10% 表 2.6 LIF 用 ICCD カ メ ラ 製 造 会 社 La Vision カ メ ラ モ デ ル Flame Star 2F CCD モ デ ル TH 7883 I/I タ イ プ Gen Ⅱ I/I 品 番 PD9942170 I/I 口 径 18 mm フ ァ イ バ カ ッ プ リ ン グ 1.27 : 1 ス ペ ク ト ル対 応 190∼ 900 nm フ ォ ス フ ァ P43 CCD チ ッ プ サ イ ズ 576 × 384 空 間 分 解 能 CCD ピ ク セ ル サ イ ズ 23 μ m2 読 み 出 し 速度 1.8 MHz 感 度 100 counts/photoelectron (max) ゲ ー ト 速 度 5 nsec 冷 却 方 式 水 冷 CCD 暗 電 流 >8 pixel/sec ダ イ ナ ミ ッ ク レ ン ジ 14 bit

表 2.7 ICCD カ メ ラ 用 UV カ メ ラ レ ン ズ 表 2.8 バ ン ド パ ス フ ィ ル タ （ LIF お よ び OH ラ ジ カ ル 撮 影 用 ） (5) 遠 距 離 拡 大 撮 影 以 上 ， 噴 霧 の マ ク ロ な 計 測 に つ い て 述 べ た が ， よ り ミ ク ロ な 計 測 を 行 う た め に 遠距 離 顕 微 鏡 を 用 い て ， 噴 霧 先 端 な ど の 微 細 部の 撮 影 を 行 っ た ． 従 来 の ビ デ オ カ メ ラ で は 焦 点 が 短 く，接近撮影 は で き な い が，図 2.9 に 示 すように 遠 距 離 顕 微 鏡の 装 置 と原 理 に よ り 遠 い 距 離 で も拡 大 計 測 を 可能 と し た ．液 体 噴 霧 を 形 成 す る 液 体 微 粒 子 や 粒 径 お よ び そ の 分 布 の 計 測 技 術 は ，液 体 の 微 粒 化 を 応 用 し た エ ン ジ ン の 性 能 解 析 ，効 率 向 上 の た め に 非 常 に 重 要 で あ る ． こ こ で は ， 噴 射 さ れ た 噴 霧 の 各 位 置 に お け る 拡 大 計 測 に よ り ，減 圧 沸 騰 の 現 象 や 噴 霧 粒 径 ， 噴 霧 広 が り 角 な ど を 計 測 し た ． (6) 燃 焼 計 測 光 学 系 燃 焼 の 進 行 度 合 い を 示 す 重 要 な 因 子 で あ る OH ラジカル を LIF 法 お よ び 自 発 光 に よ り 計測 し た．OH ラ ジ カ ルは 紫 外 域 に い く つ か の 吸 収 ス ペ ク ト ル バ ン ド を も っ て お り， 色 素 レ ー ザ ， エ キ シ マ レ ー ザ な ど が 用 い ら れ る こ と が多 い ． 燃 焼 計 測 では ，図 2.8 の 光 学 系 を用 い る が ， YAG レ ー ザ の第 4 高調波 266nm を 回 折 格 子 に よ り 狭 帯 域 化 し， OH 吸 収 バ ン ド の 一 つ で あ る 266.13nm に 合 わ せ て 入 射し ， OH（ 0， 0） の 蛍 光 を中 心 波 長 307 nm の 干 渉 フ ィ ル タ ーを 介 し て，I/I 付 き CCD カ メ ラ に よ り 選択的 に 撮 影し た ．さ ら に ，イ メ ー ジ イ ン テ ン シ フ ァ イ ア付 き 高速度 カ メ ラに よ り， OH 自 発 光 と 輝炎 の 連 続 撮 影 も 行 っ た ． 型 式 UV-Nikkor 製 造 会 社 株 式 会 社 ニ コ ン F 値 105 mm F / 4.5 製 造 会 社 La Vision GMBH 中 心 波 長 307 nm 半 値 幅 5 nm ピ ー ク 透過率 15.0 % 直 径 （ 外 径） φ 50 mm Wavelength nm Intensity counts 図 2.10 各 種 燃 焼 生 成 物 の 発 光スペクトル 図 2.9 遠 距 離 顕 微 鏡 に よ る 近 接 撮 影

2.1.4 供 試 燃 料 表 2.9 に 本 研 究で 使 用 した LPG 燃 料 と 比較 のために 軽 油 に近 い 単 組 成 燃 料 で あ る n-ド デ カ ン の物 性 値 を示 す．LP G は n-ブ タ ン と プ ロ パ ンが 70： 30 で 混 合 さ せ た 燃料 で あ り ，n-ド デ カ ン に比 べ ，沸点 ，粘 度 ，密 度 が 低い 反 面 ，低 発 熱 量は 高 いのが 特 徴 で あ る ． ま た ， LP G に は 硫 黄 分がほとんど 含 ま れ て い な い た め ，環 境 負 荷が 小 さ く， LNG と と も に 優 れ たク リ ー ン エ ネ ル ギ ー と し て位 置 付け ら れ て い る ． 図 2.11 に LPG の 蒸気圧線図を 示す ．ポ ン プにより 10 MPa 以 上に 加圧 されると液体状 に なるが ，大気圧 に噴 射さ れ る と蒸気圧線図 の下 に置 かれ 直ち に気体状態 に な る減 圧 沸 騰 現 象を 起こ す． 常温常圧条件 で は こ の よ う な減 圧 沸 騰を 起こ す条 件を中 心に 実験 を行 っ た ． 表 2.9 LPG 燃 料 の 成 分 お よ び 物 性 値( 4 0 ) LPG 物 性 値 n-ド デ カ ン n-ブ タ ン (70%) プ ロ パ ン (30%) 分 子 式 C1 2H26 C4H1 0 C3H8 モ ル 数 170.34 58.12 44.1 沸 点 ℃ 216.5 - 0.45 - 42.05 臨 界 点 ℃ 358.15 152.01 96.67 密 度 （ 液 滴） g/ml 0.75 0.50 0.67 低発熱量 Ｍ J/kg 42.5 45.76 46.4 蒸 発 潜 熱 kJ/g 256.19 385.52 426.0 表 面 張 力 mN/m 28.5 18.4 9.22 動 粘 度 mm2 /s 3.5 - - セ タ ン 価 38~43 - - オ ク タ ン 価 - 94 112 図 2.11 LPG 燃 料 の 蒸気圧線図 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 200 250 300 350 400 450 Temprarure K

Vapor Pressure MPa Pa = 0.2 MPa

Pi n j = 10 or 15MPa

Vapor pressure curve

2.2 各 種 予 備 実 験 2.2.1 エ チ レ ン に よ る 予備燃焼実験 定 容 燃 焼 器 に エ チ レ ン ， 酸 素 ， 窒 素 か ら な る希 薄 混 合 気 を 充 填 し ， こ れ を 着火 ・ 燃 焼 さ せ る こ と で 実 現 さ れ る 高 温 ・ 高 圧 場 に供 給 燃 料 を 噴 射 ， 点 火 し て 非 定 常 噴 霧 ， 燃 焼 を 計 測 す る ． 希 薄 混 合 気 の 初 期 酸 素 濃 度を 変 化 さ せ る こ と で ， 高 温 ・高 圧 場 の （ 残 留 ） 酸 素 濃 度 を 変 化 さ せ る ． こ の 酸 素 濃 度は エ チ レ ン ， 酸 素 ， 窒 素 の 化 学 平 衡 計 算 に よ り 求 め た ． エ チ レ ン 燃 焼 に よ り 形 成 す る手 法 は ， 雰 囲 気 ガ ス を 充 填 し電 気 ヒ ー タ で 加 熱 す る 従 来 の 方 法 に 比 べ 観 測 視 野 を 広 く と る こ と が で き ， 安 全 面 に もメ リ ッ ト が あ る ． 各 条 件に お け る各 ガ ス の充 填 濃 度を 以 下の よ う に設 定 し た． ・ 可 燃 焼 雰 囲 気 エ チ レ ン ，酸 素 ， 窒素 の 混 合 割 合 は エ チ レ ン燃 焼 後 のガ ス 組 成が 大 気 に近 い 状 態 (酸 素 ： 窒 素 +そ の 他 ＝ 21： 79)に な る 条 件 （ 酸 素 濃 度 21 ％ ） ・ 非 燃 焼 雰 囲 気 燃 料 噴 霧 が自 己 着 火し な い よ う エチレン 燃焼後 ， 無酸素 に 近 い条 件 (酸 素 ： 窒 素 +そ の 他 ≒ 0： 100)に な る 条 件 （ 酸 素 濃 度 3 ％ ） 各 気 体 を 容 器 内 に 連 成 計 を 用 い て 圧 力 比 で 充填 し ， 電 動 フ ァ ン で 攪 拌 後 ス パ ー ク 点 火 に よ り 燃焼 さ せ た． エ チ レ ン の燃 焼 反 応 式 を 式 （ 2.4） に 示 す ． C2H4＋ 3O2＋ aO2’＋ bN2 → 2CO2＋ 2H2O＋ aO2’＋ bN2 （ 2.4） エ チ レ ン の量 は ，希薄可燃限界 2.7％ 付 近 で の燃 焼 が 望ま し い と考 えられ ，エ チ レ ン 濃 度 は 3％ に 設 定 し た ． 式（ 2.4） よ り ， 酸 素 分 圧 は ， エ チ レ ン が 完 全 燃 焼 す る の に 必 要 な 酸 素 量 （ 3O2） に ， エチレン 燃 焼 後 に残 し た い酸 素 量 （ aO2’） を 加 え れ ば よ く ， 窒 素 は 酸 素 量と の 比 で求 ま る ．以 上 よ り， 燃 焼の 最大圧力 が 5 MPa 以 下 と な り 測 定 条 件 を 満 た す よ う な 初 期 充 填 圧 力 を 実 験 的 に 求め ， 可 燃 焼 お よ び 非 燃 焼 雰 囲 気 で 雰 囲 気 密 度 3.5， 6.0， 8.0 ㎏ /m3 ， 各 3 種 類 を 設定 し た ．表 2.10 に 各 気 体 の 封 入 割 合 と エ チ レ ン の 物 性 値 を 表 2.11 に 示 す ．

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 0 300 600 900 1200 1500 1800 Time ms Pressure MPa ρ：3.5 kg/m3 ρ：6.0 kg/m3 ρ：8.0 kg/m3 表 2.10 各 気 体 の 封 入 圧 力 比 表 2.11 エ チ レ ン の 物性値(4 0 ) 雰 囲 気 密 度 3.5， 6.0， 8.0 [㎏ /m3 ]の 各 条 件 で エ チ レ ン 燃 焼 実 験 を 5 回 行 い， そ の平 均 値 と し て 圧力 と 温 度 線 図 を 図 2.12 に 示 す ． エ チ レ ン 燃焼 による 燃焼器内 の 圧 力 履 歴 は ピ エ ゾ 圧 力 変 換 器 に よ り 測 定 し A/D ボ ー ド を 介し て P C に 取 り 込み ，状 態 方 程 式に よ り 温 度 を 計 算 し た ． こ こ で ， 噴 射 時 期 は エ チ レ ン を 点 火 し て か ら 目 標 とする 雰 囲 気 温 度 お よ び 圧 力を 選 び ，決 定 す る． 図 2.12 エ チ レ ン 燃 焼 に よ る 圧 力と 温度履歴 2.2.2 噴 射 量 お よ び噴 射 率 測 定 LPG は 沸 点 が 低 い こ と か ら 噴 射 量 お よ び噴 射 率 の測 定 が 非常 に 困 難 で あ る と さ れ て い る ．本 研 究で は 噴 射 量 測 定 を各 噴 射 信 号 幅 で重 量 法 に よ り 20 回 平 均 で 求 めた ．そ の 結 果 を 図 2.13 に 示 す ． 噴 射ド ラ イ バへ の 入 力パ ル ス 信 号 幅 に線 形 的 に増 加 し て い る の が わ か る ． こ の 噴 射 期 間 と 噴 射 量 の 関 係 式か ら 入 力 パ ル ス を 変 え な が ら対 象 と す る 噴 霧 お よ び 噴 射 量 の 調整 を 行 った ． C2H4 ％ O2 ％ N2 ％ 可 燃 焼 雰 囲 気 4 33 63 非 燃 焼 雰 囲 気 4 15 81 化 学 式 C2H4 分 子 量 低 発 熱 量 ＭＪ /Kｇ 希 薄 可 燃 限 界 ％ （ vol./vol.） 28.054 47.17 2.7 0 400 800 1200 1600 2000 0 300 600 900 1200 1500 1800 Time ms Temperature K

ノ ズ ル ピ エ ゾ 0 5 10 15 20 25 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Time ms Current A 0 4 8 12 16 20 Injection Rate g/s Injection Duration 0 5 10 15 20 25 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Time ms Current A 0 4 8 12 16 20 Injection Rate g/s Injection Duration ま た ， ピエゾ 圧 力 変 換 器 を 用い た 噴 射 率 測 定を 試 み た． 噴 射 率 測 定 は 図 2.14 に 示 す よ う に ， ノ ズ ルか ら の 燃 料を ピ エ ゾ 素子 に 対 して 垂 直 に 衝突 す る よ う に し ， 式 （ 2.5） と （ 2.6） の 運 動 量 の 変化 と 力 積 の式 か ら 求 めた ． こ こ でノ ズ ル と ピ エ ゾ 間 の 距離 は ， 分 裂 長 さ （液 柱 長 さ） よ り 短 い 10 mm に 設 定 し て行 っ た ． 図 2.15 に 噴 射 信 号 の 幅 に よ る 噴 射 率 測 定 結 果 を 示 す ．図 に よ り 5 V の 噴 射 信 号 が入 っ て か ら 燃 料 が ピ エ ゾ に 衝 突 す る ま で に は 約 1.3 ms の 遅 れ が 確認 さ れ た．こ れ は信 号 自 体の 電 気 的 な 遅 れ，イ ン ジ ェ ク タ の針 弁 作 動の 遅 れ，そ し て ノ ズ ル と ピ エ ゾ の 間 の 距 離 に よ る も の と LPG 燃 料 の 粘 性 及 び 圧 縮 性 な ど の 物 性 に 起 因 す る と 考 え ら れ る が，これらを 考 慮 す れ ば こ こ で 得 ら れ た噴 射 率 は十 分 有 用で あ る ． F⋅∆t=( &m⋅∆t)⋅v (2.5) V dt V M m ⋅           ⋅ =

∫

& _(2.6) Δ t： 噴 射 期 間 v： 噴 霧 速 度 m&： 噴 射 率 M： 噴 射 量 V： 出 力 電 圧 図 2.14 噴 射 率 測 定 方 法 噴 射 期 間 2.0 ms 噴 射 期 間 2.75 ms 図 2.15 噴 射 率 測 定 結 果 y = 6.9006x - 0.5387 8 10 12 14 16 18 20 1.25 1.5 1.75 2 2.25 2.5 2.75 3 Injection Duration ms Injection Quantity mg 図 2.13 噴 射 量 測 定 結 果（ 重 量 法）

2.2.3 蛍 光 剤 選 定 実 験 あ る 紫 外 光 を 吸 収 し ， 特 定 の 波 長 領 域 で 蛍 光 発 光 を 示 す 物 質 を 蛍 光 剤 と 呼 ぶ． 蛍 光 は レ ー ザ 入 射 光 よ り必 ず 長 波 長 側 で 観測 さ れ ，ま た ，そ の 蛍 光 寿 命 （ 10∼ 100ns） ， 蛍 光 強 度 ， 蛍 光 波 長 は ， 蛍 光 物 質 ， 溶 媒 （ こ こ で は 燃 料 ） ， 雰 囲 気 条 件 に よ っ て 変 化 す る も の で あ る ． 測 定 す る の は 燃 料 で は な く， 燃 料 に よ っ て 運 ば れ た 蛍光剤 で あ る こ と に 注 意 し な け れ ば な ら な い ．分 子 構 造 に C=O の 二 重 結 合 ， C=C 結 合 ，カ ル ボ ニ ル 基 な ど の 発 色 団 を も つ と 蛍 光 し ，蛍 光 剤 と 燃 料 の 組 み 合 わ せ に よ っ て 強 度 や ピ ー ク 波 長 は 変 化 す る が ，こ の 結 合 に よ り 蛍 光 波 長 が 決 ま る ．カ ル ボ ニ ル 基 は 蛍 光 の ほ か 寿 命 の 長 い 燐 光 を 発 す る こ と か ら 温 度 依 存 性 が 高 く ，画 像 が 不 鮮 明 と な り ，噴 霧 撮 影 に は 向 か な い ．C=O，C=C 結 合 を 持 つ 有 機 系 の 蛍 光 剤 は 一 般 的 に 酸 素 に 強 く ク エ ン チ さ れ 雰 囲 気 ガ ス を 窒 素 と す る こ と が 望 ま し い と さ れ る ． LPG 噴 霧 の 気相部 を 計 測す る 際 ，LPG 自 体 は 蛍光 を 発 し な い た め ，噴 霧 の 可 視 化 実 験 に 先 立 ち ，各 燃 料 に 対 し最 適 な 蛍 光 剤 を 添加 す る 必要 がある ．既 存 燃 料 噴 霧 の LIF 法 で は 様 々 な 蛍 光 剤 が 使 用 さ れ て き た が ， そ の蛍 光 特 性 は ベ ー ス 燃 料 や 混 合 濃 度 ， 照 射 す る レ ー ザ 波長 によって 変 わ る( 4 1∼ 4 3 )_． そ こ で ，分 光 器 と YAG レ ー ザ を 利用 し て 蛍 光 測 定を 行 い，LPG 燃 料 と 蛍 光 剤 の混 合 特 性 を 調 べ，そ れ ぞ れ の 燃料 に 最 適な 蛍光剤 を 選 定し た ．光 源 と し て Nd-YAG レ ー ザ の 第 4 光 調 波 266nm を 利 用 し ，対 象 燃 料 で あ る LPG の 気 相・液 相 を ，蛍 光 剤 DEMA ， ア セ ト ア ル デ ヒ ド ，ア セ ト ン ，フ ル オ ロ ベ ン ゼ ン な ど の 蛍 光 ス ペ ク ト ル を 分 光 器 に よ り 測 定 し た ．表 2.12 に 各 蛍 光 剤と そ れ ぞ れ の 沸 点を ， 図 2.16， 17 に 測 定 し た 分 光 結 果 を 示 す ．分 光 試 験 の 結果 ，蛍 光 剤を 含 まない LPG の み の 液 相 に 波 長 400nm を 中 心 に 広 く 蛍 光 が 確 認 さ れ た ． こ れ は 着 臭 剤 に蛍 光 物 質 で あ る ケ ト ン が 含 ま れ て い る こ と や LPG 自 体 の 不純物 に よ る も の と 考え る が ，混 合 気 の可 視 化に 与 え る影 響 は 少な い ． ま た ， LPG と ア セ ト ン を 容 積 割 合 9： 1 で 混 ぜ た と き は 400∼ 500nm の 範 囲 で ， ア セ ト ア ル デ ヒ ド を 混 ぜ た と き は ， 360∼ 480nm の 範 囲 で 微 弱 な 蛍光 がそれぞれ 確 認 された ． そ し て LPG に DEMA を 混 ぜ た 結 果，波 長 300nm 付 近 に 強 い 蛍 光 を 示 す こ と が わ か る ． 輝 度 の 弱 い 気 相 を 可 視 化 す る に は 蛍 光 強 度 が 強 い こ と が 望 ま し く ，以 上 の 結 果 か ら DEMA を 蛍 光 剤 と し て 採 用 し た ． レ ー ザ 波 長 266nm と と も に 532 n m が 同 時 に 発 振 し て い る こ と か ら ， 気 相 は 307nm の フ ィ ル タ ー を 用 い て LIF の 画 像 を 撮 影 し 、 液 相 撮 影 に は 紫 外 カ ッ ト の ND フ ィ ル タ ー を 用 い て 散 乱 光 を 撮 影 し た ．

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 240 280 320 360 400 440 480 520 560 Wave Length nm Intensity counts 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 240 280 320 360 400 440 480 520 560 Wave Length nm Intensity counts 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 240 280 320 360 400 440 480 520 560 Wave Length nm Intensity counts 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 240 280 320 360 400 440 480 520 560 Wave Length nm Intensity counts 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 240 280 320 360 400 440 480 520 560 Wave Length nm Intensity counts 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 240 280 320 360 400 440 480 520 560 Wave Length nm Intensity counts 表 2.12 蛍 光 剤 の 物 性 値( 4 0 )

項 目 Acetone Acetaldehyde DEMA

化 学 式 分 子 量 沸 点 K 密 度 g/ml C3H6O 58.08 369.5 0.790 CH3CHO 44.05 293.6 0.778 (C2H5) 2NCH3 87.17 338.0 0.720 図 2.16 分 光 試 験 結 果 L i q u i d L P G Gas LPG

Gas LPG+Acetone Empty Chamber

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 240 280 320 360 400 440 480 520 560 Wave Length nm Intensity counts 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 240 280 320 360 400 440 480 520 560 Wave Length nm Intensity counts 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 240 280 320 360 400 440 480 520 560 Wave Length nm Intensity counts 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 240 280 320 360 400 440 480 520 560 Wave Length nm Intensity counts 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 240 280 320 360 400 440 480 520 560 Wave Length nm Intensity counts 図 2.17 分 光 試 験 結 果 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 240 280 320 360 400 440 480 520 560 Wave Length nm Intensity counts

Gas Acetaldehyde Liquid Acetald ehyde

Gas LPG+DEMA Liquid LPG+DEMA

Liquid LPG+DEMA+

Fluorobenzene Gas LPG+DEMA+