論文

大気環境上での大きな問題は,自動車等のエンジンからのすす排出である。燃焼の化学反応機構やすす生成の初期過程がかなりの程度解明されてはきたが,実際のディーゼル機関のような高圧下でのすす生成は現象自体も必ずしも明らかではない。また,すすとＮＯｘの抑制はトレードオフの関係にあるといわれ,その両者の排出を抑えることは困難な点が多い。本解説では,これらの科学,工学上の問題と環境影響への側面を論じた。ノズルから噴射の違いが,すすの発生に大きく影響することなどが示されている。

プロパン空気の圧縮自着火および燃焼過程は低温反応、高温反応の２段階を経て進行することが知られている。本研究では、急速圧縮装置を用いてプロパン空気の希薄予混合気を圧縮し、プロパン空気の予混合気の圧縮自着火過程における、低温反応開始前、低温反応開始後から高温反応開始前、高温反応開始から燃焼終了前、燃焼終了後の各時期に、軽油を燃料とするディーゼル噴霧の単発噴射を行なった。各反応期に噴射形成されるディーゼル噴霧を対象に着火および燃焼の過程、火炎中のすすの生成、消滅の過程、火炎温度履歴の差異について明らかにした。

「自動車技術この１０年」とするテーマで,自動車用材料,燃料・潤滑油,エレクトロニクス,各技術の進展をレビューした。

ＡＴＡＣは圧縮自己着火によるバルク燃焼と判断され、希薄域においても安定な燃焼が実現する。遮熱形メタノールエンジンを対象に、予混合気の希薄化および燃焼室壁面の高温化がＡＴＡＣ運転時の自己着火時期、燃焼期間、燃焼量および壁面における瞬時熱流束のサイクル変動に及ぼす影響について調査した。これらの変動特性および相関からＡＴＡＣの特長を明らかにし、火炎伝ぱ燃焼との相違を明確にした。その結果、燃焼期間と自己着火時期とは負の相関を示し、両者のサイクル変動は燃焼室内の平均当量比のサイクル変動に依存しない、瞬時熱流束は壁面を高温化するとピーク値およびその変動量が増大する，等を明らかにした。

予混合圧縮自己着火燃焼をエンジンに導入するためには、広い範囲の運転条件への対応が課題であり、自己着火の燃焼時期を制御する必要がある。本研究では、希薄予混合圧縮自己着火燃焼に関する基礎的知見を得るために、ＡＴＡＣエンジンを対象に、ガソリン、メタノール、メタンについて燃焼実験を行なった。メタノールはガソリンに比較してＡＴＡＣ運転領域が希薄および高負荷側に拡大し、メタンはＡＴＡＣ運転は不可能であった。ＡＴＡＣの自己着火は、予混合気の断熱圧縮により各燃料に固有の温度に達したクランク角で生じる。ＡＴＡＣ自己着火温度の当量比依存性および圧縮速度依存性は小さいことが明らかにされた。

バルク燃焼方式のエンジンの場合，希薄時の未燃炭化水素の排出が問題となる。この問題を解決する手段として燃焼室壁面の高温化が有効である(11)。壁面の高温化は，壁面近傍の消炎層の厚みを減少させ，この領域で生成される未燃炭化水素の排出に対し高い抑制効果があることが報告されている(7)。しかし，過度の高温化は，消炎距離の短縮ないしは崩壊で，壁面における瞬時熱流束が増加し(11)，熱損失が増加することが予想される。また，熱面着火を引き起こしてしまう。壁面の高温化が壁面での熱損失および着火，燃焼に与える影響を調査し，最適条件を把握する必要がある。 　そこで本研究では，２ストロークメタノールＡＴＡＣエンジンを対象として，燃焼室構成部品の一つであるシリンダヘッドにセラミックス（窒化けい素）を用い壁面を遮熱高温化した場合と，純正のアルミニウム合金を用い冷却低温化した場合について，比較実験を行なった。機関回転速度一定の下，当量比，平均有効圧をパラメータとして機関を運転し，予混合気の希薄化および燃焼室壁面の高温化が，ＡＴＡＣ運転時の自己着火時期，燃焼期間，燃焼量および壁面における瞬時熱流束等のサイクル変動に与える影響について検討した。さらに，着火と燃焼の相関についても検討した。

２ストロークＳＩエンジンでは，高速低負荷運転時に内部ＥＧＲの条件により圧縮自己着火燃焼が起こることが知られている。大西ら(1)はこの燃焼形態をＡＴＡＣ(Active Thermo-Atmosphere Combustion)と呼び，低負荷域においてサイクル変動の少ない安定した機関運転が可能であると報告している。ＡＴＡＣは燃焼室内のラジカル発光像(10)(11)および発光スペクトル(12)の解析により，多点自己着火によるバルク燃焼であることが確認されている(10)。また，燃料にメタノールを用いるとＡＴＡＣ運転領域が拡大することが知られており，セタン価が低いという理由から従来方式のエンジンには適用が困難とされてきた代替燃料を有効に利用し得るエンジンとして注目されている。しかしＡＴＡＣは燃焼時期が制御されておらず，負荷および機関回転速度の限られた範囲の運転条件の下でしか実現していない。予混合圧縮自己着火燃焼をエンジンに導入するには，負荷および機関回転速度の広い範囲の運転条件において自己着火の燃焼時期の制御方法を確立することが課題となり，代替燃料の自己着火特性に関する知見を持つ必要がある。 　本研究では圧縮自己着火エンジンにおける，代替燃料の希薄域での自己着火および燃焼の挙動に関する基礎的知見を得るため，２ストロークＡＴＡＣエンジンを対象に実機試験を行った。代替燃料にアルコール系のメタノールおよびエタノール，エーテル系のジメチルエーテル（以後ＤＭＥ），アルカン系のメタンおよびプロパンの５種を取り上げ，燃料の組成およびセタン価に注目し，自己着火時期，燃焼期間，自己着火温度を調査したので報告する。

ATAC (Active Thermo-Atmosphere Combustion) is stable at its lean limit because it is bulk-like and non-propagating in nature and is initiated by self-ignition. A Low Heat Rejection Methanol-fueled engine was used to investigate the influence of leaning the fuel-air ratio and increasing the combustion chamber wall temperature on cyclic variation of ATAC ignition and combustion. The cyclic variation of self-ignition timing, combustion duration, total heat release, and instantaneous wall heat flux was analyzed, from which correlations between self-ignition timing and combustion duration, self-ignition timing and total heat release, and combustion duration and total heat release were obtained.

超希薄予混合気を断熱圧縮し、その後ディーゼル噴霧火炎により着火燃焼させるという新しい燃焼形態のエンジンを想定し、急速圧縮燃焼装置をもちいて、メタンおよびプロパンを含む高温高圧の雰囲気中における、ディーゼル噴霧の着火と燃焼の機構および火炎中のすす生成・消滅の挙動について実験的に調査した。雰囲気を希薄予混合気とすると、空気の場合に比べて、噴霧の着火遅れは増加し、着火位置は噴霧の下流方向および噴霧軸の外周側へ移動する。噴霧の燃焼は長期化するが、輝炎の存在期間は変化しない。噴霧の火炎温度は低下し、火炎中のすす濃度が減少することを明らかにした。

プロパン空気の均一予混合気を吸入，圧縮行程中に形成し，通常のディーゼル機関と同様の時期に軽油を噴射する方式がＲＣＭを用いて検討された。均一予混合気の低温反応開始前にディーゼル噴射が行なわれれば，噴霧燃焼時の火炎温度の低下にともなうＮＯの低減，すす生成の抑制効果が有ることが確認された。

ＡＴＡＣ運転時の希薄燃焼限界を調査するため，セラミックス遮熱型メタノールＡＴＡＣエンジンを供試機関とし，機関回転速度一定の条件で，当量比，負荷をパラメータとして筒内圧力，各排出物質の体積濃度を測定した。熱発生率から自己着火時刻，燃焼期間を定義し，筒内最高圧力，自己着火時刻および燃焼終了時刻のサイクル変動を統計的に解析し，当量比がＡＴＡＣ運転時の燃焼変動へ及ぼす影響について検討した。また，ＡＴＡＣ運転時の燃焼機構を解明する

すすとＮＯｘの排出の低減に対し、高圧燃料噴射にマイクロホールを組合せることを提案、これにより噴霧内の燃料濃度分布を均一化、希薄化させ、すすの酸化を促進させ、さらに均一で希薄な燃焼による火炎温度の低温化からＮＯ生成の低減を目指したものである。実験は前述のねらいを踏まえ、燃料噴射圧、噴口径をパラメータとして、急速圧縮装置で実現されたディーゼル噴霧火炎を対象に、噴射圧の高圧化および噴口径の微細化が着火および燃焼に及ぼす影響、二色法による火炎温度、ＫＬ値の解析および火炎発光、特に特定波長域にバンドスペクトルを持つラジカル発光を計測し、すすとＮＯｘの同時低減の可能性を調査した。

均一予混合気を吸入，圧縮行程中に形成し，通常のディーゼル機関と同様の時期に軽油を噴射する方式がＲＣＭを用いて検討された。メタン空気の均一予混合気中にディーゼル噴霧を噴射し，燃焼させると噴霧火炎温度の低下が低下しＮＯの低減が期待されること，火炎中のすす生成が抑制されることが確認された。