論文

本研究ではDMEを燃料とした素反応数値計算により，HCCIエンジンの燃焼シミュレーションを行うことを念頭に置き，μｓオーダーで高温・高圧場が形成されるショックチューブを想定した計算を行ない， １．ショックチューブによる着火遅れの実験結果と計算結果を比較し，素反応モデルの妥当性を調査する。 ２．ステップ状に与えた温度，当量比といったパラメーター変化が低温酸化反応および高温酸化反応の発現時期，発現期間，熱発生率といった着火・燃焼特性に与える影響を調査する。 ３．高温酸化反応および低温酸化反応期間の熱発生に関わる素反応を調査する。

東京都　定置型内燃機関に関する窒素酸化物排出低減技術検討会

燃焼室を可視化した急速圧縮装置を用い，燃料中の芳香族成分および９０％燃料留出温度がＮＯｘ，すすの生成過程に及ぼす影響を調査することを目的とし，高速度カメラにより撮影された単発の自由噴霧火炎の直接写真から二色法を用いて，ＮＯｘ生成に大きく影響を及ぼす火炎温度およびすすの生成，消滅の指標となるＫＬ値の履歴について解析を行った。

エンジン条件と燃料性状の組み合わせが，ディーゼル噴霧火炎におけるＮＯｘとすすの生成過程に及ぼす影響を調査することを目的とし，燃料性状としては９０％燃料留出温度（Ｔ９０）と芳香族成分を，エンジン条件としてはＥＧＲ率とノズル噴口径を取り上げた。これらの組み合わせがディーゼル噴霧燃焼に及ぼす影響について，急速圧縮装置を用いて実現した高温・高圧の雰囲気中に形成された単一の自由噴霧火炎を対象として調査を行なった。具体的には急速圧縮装置の燃焼室内圧力計測と噴霧火炎の直接写真撮影により燃焼観察を行い，さらに直接写真を画像二色法解析することで，ＮＯｘ生成に深く相関をもつ火炎温度とすす濃度の指標となるＫＬ値を解析した。

ガソリンエンジンよりもクリーンで，ディーゼル並みの燃焼効率を実現できる「異種交配」エンジンが，直接噴射ガソリンエンジン（ＧＤＩ）に続く「第４のエンジン」として期待を集めている。

代替燃料自動車，ハイブリッド自動車，燃料電池自動車を対象に，各自動車の原料採掘・素材製造から廃棄・リサイクルまでの各段階の環境負荷物質排出量を推算することによりライフサイクル全体での環境影響評価を行った。特に各燃料の原料採掘から消費までのプロセスに注目し，各自動車の環境負荷削減の可能性を予測した。

予混合圧縮自己着火機関は機関運転を予混合気の自己着火現象に頼るため，運転領域が狭く着火時期の制御手法が未確立である。４ストローク機関を用いバルブタイミングを変化させることで混合気中の内部ＥＧＲ量をコントロールし，内部ＥＧＲ率が圧縮自己着火燃焼特性に与える影響について調査した。n-Butane空気予混合気を対象とした場合，排気弁閉時期の早期化および吸気弁開時期の遅延化により内部ＥＧＲ率の増加が可能であり，内部ＥＧＲ率の増加に伴い着火領域が高負荷側および高回転速度側にスライドし，当量比の高い条件でノッキングレス運転が可能。また内部ＥＧＲ率の増加に伴い低温酸化反応に伴う熱発生が縮退・消滅し，高温酸化反応の発現期間が短期化することを見出した。

本研究では，DME着火の過程を詳細な素反応で記述した反応モデルをDME空気予混合気HCCIエンジンの圧縮自己着火のプロセスに適用し，DME空気予混合気の素反応数値計算を行う。 １．ショックチューブによる着火遅れの実験結果と計算結果を比較し，素反応モデルの妥当性を調査する。 ２．当量比，圧縮開始温度，初期組成（EGR率），機関回転速度などの因子が低温酸化反応および高温酸化反応の発現時期，発現温度といった着火特性，熱発生率履歴，化学種モル分率履歴といった燃焼特性に与える影響を調査するとともに，HCCIエンジンの実験結果と比較検討する。

ディーゼル機関からNOxとすすの同時低減の手法としての微細孔高圧燃料噴射は，着火遅れ期間が短縮し着火時の噴霧内燃料濃度分布の不均一化され，燃焼時局所火炎温度が高いためにNOxの低減には至らない。本研究では，微細孔高圧燃料噴射系に加えて低セタン価燃料を用いることで着火遅れ期間を燃料噴射終了後まで長期化させた。それによって，低セタン価燃料が着火遅れに及ぼす影響を調査した。また，着火時の噴霧内燃料濃度の平均的な希薄化，噴霧内液滴の微粒化及び噴霧内燃料濃度分布の均一化などの噴霧特性が噴霧着火温度及び火炎中のKL値に及ぼす影響を解析し，NOxとすすの同時低減の可能性について検討した。

化学反応論的見地からHCCIエンジンの燃焼制御の可能性について検討を行った。ｎ－ブタンの空気予混合気は圧縮自己着火過程で典型的な低温酸化反応，高温酸化反応過程を示すアルカン系で最も炭素数の少ない単体で，過去の研究により，確度の高い素反応スキームが得られている。予混合圧縮自己着火過程を代表する燃料としてｎ－ブタンを選択し，炭化水素混合気の詳細な酸化反応機構を考慮した反応速度計算を行った。 　まず，衝撃波管を想定した解析を行い，実測の着火遅れデータと比較検証し，素反応スキームの有効性，再現性について検討した。続いて，往復動型予混合圧縮自己着火機関での圧縮自己着火過程の詳細なシミュレーションを行った。その結果，小島のスキームにより，HCCI機関の予混合気の着火過程における二段の熱発生過程が表現された。低温酸化反応は当量比によらず予混合気がある一定の温度に達した時点で発生すること，低温酸化反応に伴う熱発生は主にホルムアルデヒドの酸化過程に伴うもので，その発熱量は，低温酸化時の予混合気の圧力が大きいほど大きくなることを明らかにしている。高温酸化反応の発生は，その主体により２段階に分類され，最初は低温酸化反応で生成されたホルムアルデヒド等の中間反応生成物の酸化（青炎），続いてＣＯの酸化によるＣＯ2生成およびＨＯ2とＯＨからＯ2とＨ2Ｏとの生成反応（熱炎）である。また，ＨＣＣＩエンジンにおいて，自己着火（熱炎の発生）は必ずしも燃焼反応の終結を意味しない。高温酸化反応過程において，燃焼の中間生成物の大半を最終燃焼生成物であるＨ2ＯおよびＣＯ2まで進行させるには，バルク温度を１５００Ｋ以上まで到達させることが必須である。バルクのサイクル履歴最高温度として１５００Ｋを確保することができないと，ＨＣおよびＣＯの排出が多くなり，高い燃焼効率を確保できない。

予混合圧縮自己着火エンジンの燃焼を模擬に使用するため，ジメチルエーテルの素反応モデルを調査，妥当性を検証した。ショックチューブを想定しステップ状に温度，圧力を与えた条件で素反応数値計算を行ない，低温酸化反応，高温酸化反応の発現時期の温度依存性，当量比依存性，圧力依存性を調査し，ショックチューブによる実験結果と比較検討するとともに，化学種のモル分率履歴，素反応毎の熱発生履歴を調査した。Ｃｕｒｒａｎらのモデルは，多段着火および高温酸化反応，低温酸化反応発現時期の温度依存性，当量比依存性，圧力依存性について実験結果と良い一致をみた。圧縮自己着火エンジンに相当するシリンダ圧力の範囲において健全性が確認された。

ショックチューブの着火遅れの実験結果と良い一致を見せたＣｕｒｒａｎらのジメチルエーテルの素反応モデル（素反応数３３６，化学種数７８）を用い，完全均一，断熱変化を仮定し予混合合圧縮自己着火エンジンの圧縮履歴にて，素反応計算を行なった。圧縮開始温度，当量比，ＥＧＲ率，機関回転速度をパラメータとして，化学種のモル分率履歴，熱発生履歴を調査するとともに，低温酸化反応および高温酸化反応の発現時期，発現温度，熱発生率履歴，について単気筒エンジンの実験結果と比較した。その結果，低温酸化反応，高温酸化反応の発現時期の温度，当量比，回転速度の各依存性が実験結果と符合することを確認した。ただし，実験に比べ，素反応計算の方が，大きいピーク熱発生率，短い熱発生期間を得た。