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環境エンジン研究グループ

 



 環境エンジン研究グループでは,エンジンに関する物理現象の把握とエンジンの燃料消費率,有害排気物質低減を目指して,シミュレーションと噴霧燃焼計測による現象解析を行っています。
 実験には主に急速圧縮装置を使用しています。この装置は,吸気の温度,圧力,成分(気体燃料予混合気,またはCO2,O2濃度)を制御でき,様々な雰囲気条件に対応できます。計測項目として,予混合燃焼,ディーゼル噴霧燃焼の可視化画像計測(シャドーグラフ,二色法,ラジカル分光計測など)と排気計測(NOx,O2,CO2,CO,すす,HCなど),壁面熱流束計測を行えるのが特徴です。


急速圧縮装置


 

メンバー 

(◎はグループ長)
 

  

研究紹介

 

1. ディーゼル燃料の着火性・燃焼解析

 ディーゼルエンジンでは,高温,高圧化したシリンダ内に液体燃料が噴射され,微粒化,蒸発した後に着火,燃焼することで動力に変換されます。したがって,燃料を適切な時期に燃焼させることが燃料消費率,有害排気物質低減のためには重要になります。しかし,使用する燃料によってその着火性は異なり,また着火はその後の燃焼状態を決める因子となりますので,これまで着火性評価のための指標が検討,提案されてきました。現在では,燃料の着火性に関する定義や試験方法はISO(国際化標準化機構),JIS(日本産業規格)によって規格化されていて,その燃料規格を前提としてエンジンに関する様々な性能評価がなされています。
 これからことを考えてみると,今後の規制の在り方や,国内,世界的な需要,供給の変化によって,燃料性状が変わっていくことが予想できます。その時に燃料性状と着火性の関係性を理論的にわかっていると,未来に供給されるであろう燃料についてもある程度評価ができるようになると考えて,特にこれまであまり検討されてこなかった燃料中に含まれる芳香族系成分に焦点を絞って,実験,計算モデルの作成を行っています。
 なお,この研究の一部は,燃料メーカー様に燃料供給やアドバイスをいただきながら実施されています。


燃料物性推定モデルの概念図


燃料噴霧燃焼中のラジカル
(上段;C2ラジカル,下段;OHラジカル)




2. 予混合気中の微小液体燃料の着火性解析

 予混合気(燃料と空気が予め混合された気体)中に微量の液体燃料を噴射して着火源とする着火方式は,マイクロパイロット方式と呼ばれています。この方式は,ガソリンエンジンなどに用いられているスパーグプラグでの着火に比べて,液体燃料の微粒化・蒸発や,液体燃料と気体燃料の二種燃料混合気という要素が加えられて,より複雑な現象になり,未だにメカニズムが明確にはなっていません。微小噴射された燃料は,燃料噴射期間中に着火,燃焼するディーゼル噴霧燃焼とは異なり,噴射終了から着火までの間にシリンダ内を拡散,混合しながら移動しています。このため,微小燃料噴霧の挙動が重要になるので,着火過程との関連性について検討を行っています。

一次元燃料噴射モデルの概念図






パイロット燃料噴射圧力による着火,火炎伝播の変化
(上段;50MPa,中段;90MPa,下段;130MPa)




3. 燃料噴霧に関するモデリング

 ディーゼル,ガソリンエンジンにおける三次元噴霧燃焼シミュレーションは,用途を限定すれば実用的な設計や現象解析に使用できるようになってきています。その中で燃料噴霧に関係する気液二相流の数値シミュレーションは,各現象(液滴の飛翔,液滴の分裂・合体,液滴の蒸発など)に様々なモデルが必要で,それぞれのモデルはどのような条件でも成立している訳ではなく,限定された条件の下でのみ使えるようになっています。そのため,実験との比較・検証が常に必要で,より適用範囲の広いモデルが求められています。
 私たちはこれまで,SIP「革新的燃焼技術」(2014~2018年度)において,3DCFDソフト「HINOCA」の噴霧部分の開発・実装を分担担当してきました。現在は,実験結果に見られる燃料噴射を実施するたびに噴霧形状が異なる原因を解明し,これを再現するためのモデル提案,改良を行っています。
 この研究の一部は,エンジンメーカー様との共同研究により,大学,研究機関と協同で実施されています。
(噴霧モデルに関する詳細が書かれている書籍はこちら。)


噴霧の物理モデルとイメージ




非蒸発燃料噴霧シミュレーション