論文

"走行自動車からの排出ガスによる沿道局所汚染は深刻な状況であり，どのような沿道局所にどの程度の排出ガスがどんな要因により排出されるかそのメカニズムを明らかにする必要がある．走行自動車からの排出ガス量は，道路インフラや交通状況に応じた運転者の運転操作に起因するエンジン挙動，車両挙動，気温，湿度等の気象条件等多くの要因により変化するため，これらの要因と走行自動車からの排出ガス量を路上走行において同時に評価する必要がある．そのため本研究では，車両の走行位置，道路インフラ，交通状況，運転操作，車両挙動および瞬時の排出ガス質量を同時に測定可能な車載型の沿道局所排出ガス汚染解析装置を搭載し，種々の車両条件，走行条件で市街路等における走行試験を行い，どのような沿道局所にどの程度のNOxがどんな要因で排出されるか解析する．さらに，沿道局所汚染に与える道路インフラ，交通状況および車両挙動の要因を明らかにする． "

本研究では代替燃料として注目されるジメチルエーテルを燃料として，予混合圧縮自己着火機関を想定した素反応数値計算を行った。具体的には，未燃ＨＣ，ＣＯの排出量，および燃焼効率から燃焼の完結性について評価を行い，また予混合圧縮自己着火機関の問題点である急速燃焼を回避するための手段について考察を行った。

予混合圧縮自己着火機関の着火・燃焼過程の化学反応機構を実験的に解明することを目的とする。４ストローク単気筒可視化機関にジメチルエーテル（DME）空気予混合気を投入し，燃焼室の二次元発光画像，分光計測，発光強度履歴を計測し，燃料濃度不均一度の着火燃焼への影響，発光スペクトル分布時間履歴を明らかにした。

天然ガス13は，Methaneを主成分とし Ethane，Propane，Butaneの混合燃料である。本研究は，予混合圧縮自己着火（HCCI）エンジンにおいての天然ガス13A中の高級炭化水素の成分が着火・燃焼に及ぼす影響を明らかにするために，Methaneにn-Butaneを混合したときのHCCI燃焼特性に及ぼす影響を調査した。HCCI機関に供給する燃料のMethane/n-Butane混合割合を0％から100％まで変化させ，着火時期，燃焼期間，中間生成物の挙動，燃焼の完結性に及ぼす影響を燃焼実験および素反応数値計算により検証した．すべての条件において投入熱量を一定に設定して比較した．

沿道局所汚染における走行自動車による排出ガス汚染メカニズム解明のため，従来にない小型軽量の車載型沿道局所汚染解析システムを開発した。本システムは，GPSによる車両位置，VTRによる道路インフラおよび交通状況，車両挙動および0.5秒ごとの瞬時NOx排出量を計測可能である。本システムを小型貨物自動車に取付け，シャシーダイナモ上で排出ガス試験を行い，排気経路におけるO2濃度およびNOx濃度センサーの適切な取付け位置関係を検討した。次にシャシーダイナモ上にて定容量希釈排出ガスサンプリング装置および本システムによる定常および過渡排出ガス測定を行い，NOx排出量の精度を検証した。検討結果に基づくセンサー位置で，走行試験を行い，路上における小型貨物自動車からのNOx排出量計測が可能であることを実証した。

予混合圧縮自己着火機関の着火および燃焼は燃料の化学反応過程に大きく依存しており，その制御には化学反応機構の把握が必要である．従来の予混合圧縮自己着火機関に関する研究では当量比，吸気温度，機関回転速度，EGR率，圧縮比，加給圧力が着火・燃焼に与える影響が明らかにされている．これらの研究で主に解析される，燃焼室内圧力履歴，温度履歴，熱発生率履歴等は，各素反応過程で生じる熱発生を積算したものであり，詳細な化学反応過程を解析，評価するには不十分である．化学反応過程の解析には素反応過程を考慮した数値計算が行われているが，計算結果の検証には実機内での化学反応過程に立ち入った結果が必要となり，素反応計算での化学種濃度履歴とLIFによる化学種濃度履歴の比較・検証等の試みも行われている． 着火および燃焼時の化学反応の進行状況を実験的に理解する上で，化学発光を計測することは重要である．そこで，本研究では予混合圧縮自己着火機関の着火・燃焼過程の化学反応機構の解明，素反応数値計算結果との比較検証を行える結果の取得を目的に，まず素反応数値計算に発光モデルを組み込み発光強度履歴の予測を試みた．次に４ストローク単機筒可視化エンジンにジメチルエーテル（DME）空気予混合気を投入し，圧縮自己着火燃焼過程での化学発光の強度履歴を計測し，計算結果との比較を行った．また予混合気中の燃料濃度の不均質性が圧縮自己着火燃焼に及ぼす影響を二次元発光画像の計測により調査した．

予混合圧縮自己着火機関における天然ガス空気予混合気の着火・燃焼特性にについて燃焼実験および素反応数値計算を用いて調査した．また,Methane/n-Butane空気予混合気におけるn-Butaneの混合割合を変化させ,n-Butaneの着火促進効果について調べた．

本研究では代替燃料として注目されているジメチルエーテル（DME）を燃料として用い，HCCIエンジンを想定した素反応数値計算を行い，また予混合気中の燃料濃度の不均質性がHCCIエンジンの着火および燃焼に及ぼす影響を実験的に調査する．実験においては，４ストロークの可視化エンジンを用いて筒内圧力を計測すると同時に，二次元自発光画像の計測を行う．

Homogeneous charge compression ignition (HCCI) is regarded as the next generation combustion regime in terms of high thermal efficiency and low emissions. It is difficult to control autoignition timing and combustion duration because they are controlled primarily by the chemical kinetics of fuel-air mixture. In this study, it was investigated the characteristics of autoignition and combustion of natural gas in a 4 stroke HCCI engine. And also, to clarify the influence of n-butane on autoignition and combustion of natural gas, it was changed the blend ratio of n-butane from 0 mole-% to 10 mole-% in methane / n-butane / air mixtures. Autoignition strongly depends on in-cylinder gas temperature. Autoignition of natural gas occurs when in–cylinder gas temperature reaches in a range of 1000±100K under this experimental condition. To realize high thermal efficiency and low CO emissions, it is necessary to prepare operation conditions that maximum cycle temperature is over 1500K. Autoignition temperature is 25K lower by increasing n-butane blend ratio of 10%. As the blend ratio of n-butane increases, the maximum cycle temperature increases, and THC, CO emissions reduce.

The present study focuses on clarifying the combustion mechanism of the homogeneous-charge compression-ignition (HCCI) engine in order to control ignition and combustion as well as to reduce HC and CO emissions and to maintain high combustion efficiency by calculating the chemical kinetics of elementary reactions. For the calculations, n-butane was selected as fuel since it is a fuel with the smallest carbon number in the alkane family that shows two-stage autoignition (heat release with low- temperature reaction (LTR) and with high-temperature reaction (HTR)) similarly to higher hydrocarbons such as gasoline. The CHEMKIN code was used for the calculations assuming zero dimensions in the combustion chamber and adiabatic change. The results reveal the heat release mechanism of the LTR and HTR, the control factor of ignition timing and combustion speed, and the condition need to reduce HC and CO emissions and to maintain high combustion efficiency.

In the HCCI Engine, inhomogeneity in fuel distribution and temperature in the pre-mixture exists microscopically, and has the possibility of affecting the ignition and combustion process. In this study, the effect of charge inhomogeneity in fuel distribution on the HCCI combustion process was investigated. Two-dimensional images of the chemiluminescence were captured by using a framing camera with an optically accessible engine in order to understand the spatial distribution of the combustion. DME was used as a test fuel. By changing a device for mixing air and fuel in the intake manifold, inhomogeneity in fuel distribution in the pre-mixture was varied. The result shows that luminescence is observed in a very short time in a large part of the combustion chamber under the homogeneous condition, while luminescence appears locally with considerable time differences under the inhomogeneous condition. It is also shown that the local luminescence durations are almost the same in both conditions.

In this study, we have investigated the operation conditions to achieve high combustion efficiency and low CO emission in a four stroke HCCI engine using experimental analysis and elementary reactions calculation. It is shown that the combustion efficiency reaches higher than 90%, the CO emission can be reduced considerably when the mass averaged maximum temperature is over 1600K.

着火および燃焼の解析では，素反応過程を考慮した数値計算は，着火燃焼過程の詳細な化学反応の進行を評価できる手法として有効である。一方，実験則を用いたLivengood-Wu Model，化学反応過程を簡略化したShell ModelやSchreiber Modelといった簡略化モデルでも着火時期の予測は可能である。簡略化モデルをマルチディメンショナルの流体モデルに結合することで，確度の高い燃焼予測計算を行うことが期待される。 そこで本研究では，まず燃料種（DME，CNG，n-Butane），当量比，圧力をパラメータとして，詳細モデルによって各温度での着火遅れを算出し，データベース化する。その上でLivengood-Wu Modelに基づく推算値と詳細モデルの予測値が一致するか否かを，次の３つのケース，１）温度がＴ１からＴ２へステップ状に変化する場合，２）温度が連続的に上昇する場合，３）温度，圧力が共に断熱的に上昇する場合について順に比較する。最終的には確度の高いLivengood-Wu Modelに基づく推算式およびデータベースを提供する。

In the HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition) engine, a mixture of fuel and air is supplied to the cylinder and auto-ignition occurs resulting from compression. This method can expand the lean flammability limit, realizing smokeless combustion and also having the potential for realizing low NOx and high efficiency. The optimal ignition timing is necessary in order to keep high thermal efficiency. The Ignition in the HCCI engine largely depends on the chemical reaction between the fuel and the oxidizer. Physical methods in conventional engines cannot control it, so a chemical method is demanded. Combustion duration is maintained properly to avoid knocking. In addition, the amount of HC and CO emissions must be reduced. The objective of this study is to clarify the following through calculations with detailed chemical reactions and through experiment with the 2-stroke HCCI engine: the chemical reaction mechanism, and HC and CO emission mechanisms. Ignition and combustion mechanisms and the effect of pre-mixture heterogeneity on ignition and combustion are also clarified. This is done by using an optically accessible engine and measuring the luminescence at auto-ignition and during the combustion process.

予混合圧縮自己着火（以下HCCI）機関は，高効率・低公害を実現できる次世代機関として注目されているが，着火時期，燃焼期間に関して従来機関のような制御手法が適用できないこと，HC・COの排出量が多いことが課題として挙げられる． そこで本研究では，HCCI機関の課題として挙げられる １）着火時期の制御，２）燃焼期間の制御，３）高燃焼効率の確保，のための３つの制御因子を明らかにし，３つを同時に制御する実験システムを構築する．燃料に代替燃料として注目されているジメチルエーテル（以下DME）を用い，汎用小型発電機に搭載されているエンジンを元に，HCCI機関の設計・開発を行い，そのエンジンの試験を行った．

The purpose of this research is to get fundamental knowledge and to experimentally understand about combustion characteristics of the fuel mixture. This paper shows the Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) characteristics of a mixture of n-Heptane and iso-Octane in a rapid compression machine. The experimental matrixes cover the n-Heptane mixing ratios, r (n- Heptane) , ranging from 0 to 100vol% and the equivalence ratios ranging from 0.1 to 0.6. The experimental study on the effect of mixing fuels focuses on the low temperature oxidation reaction temperatures, T(L) , the high temperature oxidation reaction temperatures, T(H) , the low temperature oxidation reaction starting times, t(L) , the high temperature oxidation reaction starting times, t(H) , and the degeneration period. The results show that as r (n -Heptane) decreases, t(L) and t(H) become longer and T(L) and T(H) increase by 30K. As the equivalence ratio increases, t(L) becomes longer but t(H) is not a function of equivalence ratio. Moreover, for the partial equivalence ratio of n-Heptane lower than 0.2, t(L) , t(H) , T(L) and T(H) are a function of partial equivalence ratio of n-Heptane, while for the partial equivalence ratio of n-Heptane higher than 0.2, there are no effects on any oxidation reaction.