論文

HCCI 機関は空気と燃料の予混合気を燃焼室内に導入し，ピストンによる断熱圧縮によって着火，燃焼させる機関である．多点同時着火のバルク燃焼により希薄な予混合気を用いた低温燃焼が可能であるため，NOX，PMの生成が少なく高効率，低公害を満たす機関としてその実用化が求められているが本機関の燃焼は予混合気の酸化反応過程に依存しているため，着火時期および燃焼期間を制御することが困難であり広範な運転条件に対して最適な燃焼条件を確保するに至っていない．また燃焼形態や燃料の多様化に伴い，従来から用いられているオクタン価やセタン価といった着火指標では説明ができない現象が生じ(1)(2)，新たな自己着火評価の必要性が指摘されている(2)(3)．自己着火がその燃料の酸化反応過程に強く依存することに関して，燃料を構成する成分の分子構造の影響を強く受け，反応経路の違いによりその熱発生履歴が大きく変化することが知られている(4)．また同一の燃料であっても予混合気初期の温度および圧力の違いが自着火に影響することが知られており，圧縮開始から自着火に至るまでに通過する温度圧力履歴を考慮する必要がある．そこで本研究では，熱発生における各素反応および化学種の寄与度を算出する手法に着目し，予混合気初期の温度および圧力の違いが素反応経路に及ぼす影響を調査することを目的とした．予混合気初期の温度および圧力を変化させて素反応数値計算を行い，初期温度および圧力変化時の燃焼特性に見られる燃料間での差異を調査するとともに，この要因となる素反応経路の違いと熱発生に重要となる素反応および化学種を調査した．

ＨＣＣＩ機関においても燃焼室内に少なからず存在する予混合気中の燃焼濃度の不均質性が着火・燃焼に及ぼす影響を調査した．４ストローク可視化機関にてＤＭＥ空気予混合気をＨＣＣＩ燃焼させ，筒内圧力履歴，発光強度履歴および二次元発光画像を得た．予混合気中の燃料濃度不均質性は吸気管内での燃料噴射位置，噴射期間を変えることにより変化させた．その結果，ＤＭＥ空気予混合気の圧縮自己着火燃焼過程の発光はＣＯがＣＯ２へと酸化される熱発生の後半部で生じることがわかった． また，燃料濃度の不均質性が増すと発光の開始および終了時刻は空間的に差が生じ，燃焼室全体における燃焼期間が長期化することが明らかになった．

HCCI機関は現在までに様々な研究がなされ，利点・欠点が明らかにされてきた．本報では，その欠点を解決するため自己着火時期の制御・燃焼反応速度の制御・燃焼効率の確保の３つを実現できる条件を過去の実験データと素反応数値計算を用いて算出し，実際に機関を設計・試験する．試験結果を述べ，計算との比較を行う．

HCCI機関は現在までに様々な研究がなされ，利点・欠点が明らかにされてきた．本報では，その欠点を解決するため自己着火時期の制御・燃焼反応速度の制御・燃焼効率の確保の３つを実現できる条件を過去の実験データと素反応数値計算を用いて算出し，実際に機関を設計・試験する．試験結果を述べ，計算との比較を行う．

天然ガスを燃料とする過給HCCIエンジンの性能・排気特性を調査した．高効率・低NOxの運転指増して，過給圧力や運転下限の給気温度を低下させることである．試作したターボ過給機を搭載して運手すると，給気加熱が必要でなくなり，熱効率43.3%，NOx排出濃度13.8ppmの性能が得られた針は機関圧縮比を．

HCCI機関に低温酸化反応での発熱量の多い燃料を用いると予混合気中の燃料濃度不均質性により，燃焼期間が長くなり圧力上昇が緩慢になる．本研究では，低温酸化反応での発熱量の多いDMEと少ないn-Butaneを燃料とし，単気筒可視化機関を用いてHCCI燃焼過程で生じる化学発光像の観測を行った．

In order to clarify the reason why the NOx emissions factor becomes higher with vehicle acceleration at intersections etc., two freight vehicles of different emission model years, equipped with EGR systems for reduction of NOx, were tested by an on-board NOx measurement system. Higher NOx emissions factors were observed at vehicle starts in lower-gear operations for each vehicle though the total NOx mass emissions of the later model vehicle were less. Larger NOx mass emissions were clearly observed in the engine operation area of lower engine speed and load in real traffic conditions though the NOx mass emissions in steady state conditions was less. NOx emissions characteristics were analyzed in view of engine torque, NOx mass emissions, and the EGR rate, and considering the rate of engine speed change. It was found that lower-gear operations made the rate of engine speed change higher and also the EGR rate lower resulting in higher NOx emissions. This seems to be one of the factors to engender the intensive NOx pollution at roadsides.

ＤＭＥを燃料とする小型軽量のＨＣＣＩ機関を開発した．スロットルと二段排気カムを用いたシステムとし，予混合気，内部ＥＧＲガス，外部ＥＧＲガスの混合比を調整する．ＨＣＣＩ燃焼の重心と熱発生率の最大値を制御し，高効率かつノッキングを回避した負荷制御をおこなうＨＣＣＩ燃焼制御システムを検証する．

An on-board measurement system that can simultaneously obtain such information as road infrastructure, traffic conditions, driver's operations, vehicle running conditions, and exhaust mass emissions was installed in a light duty freight vehicle with an EGR system and in a minivan without an EGR system. In order to analyze the mechanism of roadside pollution caused by vehicles, road tests were carried out in real traffic conditions. The light duty freight vehicle showed intensive NOx pollution at the roadside in a vehicle start, in which the EGR rate was low, but it was effective to reduce NOx mass emissions at low speed running in traffic jams where the EGR rate was rather high. In the case of the minivan, intensive NOx pollution was observed in low speed running such as in traffic jams. The reduction of NOx during vehicle starts is important for vehicles with an EGR system to reduce intensive NOx pollution at roadsides.

これまでの研究において，予混合気の温度，燃料濃度の不均一性が，HCCI燃焼において着火および燃焼期間に影響を与えることが，可視化エンジンおよび急速圧縮装置を用いた燃焼状態の可視化および熱力学的解析によって明らかになった。 RC220では，急速圧縮装置と可視化エンジンを用いて化学発光像計測を行い，予混合気の温度，空間濃度の不均一性が熱発生履歴，温度履歴，燃焼期間，圧力上昇率に及ぼす影響を調査した．また，ノッキングは圧力上昇率が5MPa/msを超えると生じることが知られている．そこで素反応シミュレーションによる数値計算を行い，予混合気の温度，空間燃料濃度の不均一性が圧力上昇率に及ぼす影響を検証した。

予混合圧縮自己着火（以下HCCI）燃焼は燃料と空気の予混合気を圧縮し，燃焼室内で多点同時に自己着火させる燃焼方式である．この燃焼方式では高効率・低公害が可能となり注目されている． しかし，高負荷域において急峻な圧力上昇によってノッキングが発生し，運転領域が低負荷域に限られることが実用化への課題となっている．ノッキングの回避には最大圧力上昇率を抑制した燃焼を実現することが重要となり,これに対して広く研究がされている． またHCCI燃焼において着火温度の異なる二種の燃料を用いて,その混合割合を変化させることで自着火温度が変化することが報告されている． したがって二種燃料を用いて予混合気中に混合割合の不均一性を導入し，着火温度の異なる混合気の分布を作成することによって着火時期を時間的に分散させ,最大圧力上昇率を低下させられると考えられる．そこで本研究では予混合気中に混合割合の不均一性を与えた場合のHCCI燃焼特性を調査する.本研究で用いる二種の燃料としては着火温度が低い燃料としてジメチルエーテル（以下DME）を，着火温度が高い燃料としてn-Butaneを用いた． また評価項目としては筒内ガス圧力から熱発生及び最大圧力上昇率を評価し，可視化エンジンを用いて高温酸化反応（以下HTR）過程での化学発光を計測し,燃焼室内局所におけるHCCI燃焼特性を評価した．

The purpose of this study is to investigate experimentally the effect of fuel stratification on HCCI combustion, using DME. In addition to pressure measurement, the chemiluminescence image in HCCI combustion is used a means of visualizing the charge stratification and evaluating local combustion characters. It was found that fuel stratified charge in DME reduced the maximum pressure rise rate during HCCI combustion. By fuel-stratified charge, the peak time of chemiluminescence intensity was dispersed, comparing to fuel homogeneous charge. Therefore, distribution of equivalence ratio is generated, and this distribution makes the peak time of RHR in each local area dispersed.

The Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) engine is possible to achieve high thermal efficiency and low emissions. One of the main challenges with HCCI engines is structuring the systems to control combustion phasing, crank angle of 50% heat release (CA50), for keeping high thermal efficiency and avoiding an excessive rate of pressure rise which causes knocking, when operating conditions vary. Though some HCCI combustion control systems, for example Variable Valve Timing System and Variable Compression Ratio System, have been suggested, these control systems are complex and heavy.

(cont).... Due to the cycle-to-cycle variation, the change of total mass of fuel in cylinder has a big effect on IMEP. After misfire, unburned fuel and intermediates remain in exhaust gas, which is re-breathed as hot EGR gas, and unburned fuel and intermediates are supplied to next cycle. This leads to the total mass of fuel changes cycle-to-cycle. As a result of feedback control, transient performance is realized but high sensitivity of response cannot be achieved under the constant engine speed.

本研究はHCCI機関について，圧縮開始時質量平均ガス温度およびEGR率が燃焼位相に与える影響を調査した．HCCI機関に供給する３種のガス(空気と燃料の予混合気・高温EGRガス・低温EGRガス)の比率は，吸排気系に設けたスロットルバルブによって制御した．また，燃焼位相が過度に遅延したときに起きる燃焼変動のメカニズムの解析を行い，得られた知見をもとに燃焼変動低減のための制御アルゴリズムを構築しその性能の評価を行なった．