５２微粒化Vol､15,No.５１(2006）
研究諭嘉鮒罵
位相ドップラ法のディーゼル噴霧への適応性に関する研究
StudyorIAdaptabilitytoPhaseDoppｌｅｒＭｅｔｈｏｄｆｏｒＤｉｅｓｅｌＳｐｒａｙ
奥村宜宗
竹田哲馬
(NorimuneOKUMURA）
同志社大学大学院
（DoshishaUniv.）
(TetsumaTAKEDA）
同志社大学大学院
(
D
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）
千田二郎
（JiroSENDA）
同志社大学
(DoshishaUniv.）
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Ｌ緒言
度場対応のＰＤＡを用いて多点計測を行なった結果，
図１に見られる計測粒子数が０の期間があることが
わかった．つまり，これは計測不可能な期間が存在
することを意味する．そのため本研究では，ＰＤＡを
用いて噴霧を噴霧軸方向・半径方向に各４水準を取
る計１６点で計測し，PDAの計測限界点を実験的に
把握することを目的とした．
また，噴射条件を実験パラメータとし噴射条件の
ディーゼル機関から排出される有害物質の低減の
ためには燃料噴射技術の改善が必要であり，そのた
めには噴霧構造や噴霧特性を把握することが重要で
ある．その中で，本研究では粒径や液滴速度などの
液滴レベルの微視的な特性に着目した．
現在用いられている液滴計測装置の一つとして，
粒径と液滴速度の同時計測が可能な位相ドップラ流
変化と計測粒子数が０となる計測点の変化の関係，
噴射条件の変化と同じ計測点に対する計測粒子数の
速計(PhaseDopplerAnemometIy:PDA)(')が挙げられ
変化の関係も確認したので併せて報告する．
る．ＰＤＡを用いた計測により，燃料液滴の粒径と液
滴速度を定量的に比較。評価を行なうことが可能と
なれば，噴霧構造をより明確に把握することが可能
2．実験装置および原理
となる．そこで，実際にディーゼル噴霧に対し高密
■、■
ず
■●
〃
・号全角
卦、句。Ｎｏｃｏｕｎｔ
謬職f=罰〆一 、 …
ー
［望Ｅ︸登一○Ｏ｜①ン
：、−．.LVelocitv
鳶．・罫.x垂．
布釦頭０
1００
一●Ｎｕｍｂｅｒ
鼻﹃発令錘
。︻“●．﹃ベ︶︹／一喜訂１０
叩叩叩叩０
［のＥ↑．。、●．］、一の一旦Ｏ﹄で﹄○﹄のｐＥ．匡旨．○○
2.1ＰＤＡシステム
一lnjectionduration
＝
−１︲
旨０２．５５７．５１０
言
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］
Ｏ
Ｏｌｈ,ノー１６６[ms],Ｚ＝50[mm],ｒ＝０[mm］
本研究では，PDA(DANTECDYNAMICS，HiDense
PDASystem)をディーゼル噴霧に適応したＰＤＡの
諸元を表Ｉに示す.送光系にはDANTEC60X41を用
い，プローブ直径６０ｍｍ，焦点距離310ｍｍである．
また，倍率1.98のビームエクスパンダを装着し，ビ
ーム径は2.67ｍｍ，ビーム間隔は75.24ｍｍとした．
受光系は受光口径78ｍｍ,焦点距離310ｍｍのデイテ
クタを用いた．なお，受光器内部の空間フィルター
は251JLmのピンホールを用い，受光方式は３ディテ
クタ方式とした.信号処理ソフトはBSAFlowを用い，
ｐ
”
＝
１
０
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島
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２
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ｍ
３
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バーストスペクトラムアナライズ(FFT)方式で処理
Fig.１ExampIeoftimehisto『yofcountnumberof
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を行なった.なお,信号処理器のバンド幅は120ＭＨｚ
であり，これは流速計測レンジの最大260m/sに相当
する．また，粒径計測レンジは最大54IJLmである．
原稿受付:2006年１月２３日
(
1
)
微粒化Vol,15,No.５１(2006）５３
なお,ＰＤＡの原理の詳細は参考文献(3)(4)(5)に委ねる．
2.2ディーゼル噴霧に対するＰＤＡの最適化手順
本研究では，高濃度領域を計測するため，計測領
域を最小限にすることで多重散乱の影響を限りなく
小さくした．計測領域の径を小さくしすぎると，レ
ーザ光のGausSian特性の影響で計測値が異なるが，
本研究で用いた信号処理器では，極端に大きい粒子
でない限り，その影響は無視できる．また，高濃度
での計測を可能にするため，レーザ出力も装置上ほ
ぼ最大値(各光線200ｍＷ出力)が得られるように信
号処理器を設定した．このため，干渉縞間隔が小さ
くなっているが，これに対応するため信号処理器の
TablelMaindimensionofPDA
Diameterofmeasurementvolume
Ｄｍｌｍｍ］
VolumeIengthofmeasurement
Ｌｍ［ｍｍ］
０．６３
F
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F§［mm］
２．１４
Lase「crosslngangIe
L･［degJ
８．１３
Recelverangle
R
。
［
d
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g
.
］
76.0
３０．０
Table2Specificationofinjectionnozzle
バンド幅は装置上最大値120ＭHｚ（流速260m/Sに相
当)を用いた．もしバンド幅が十分でない場合には，
干渉縞を少し大きくし，速度レンジを大きくする必
要があるが，本研究でのディーゼル噴霧の場合，上
Numberofholes
〃
Diameterofnozzlehole
ｄ［ｍｍ］
Lengthofnozzlehole
/［ｍｍ］
Max､needlelift
L
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α［deg.］
記の設定で速度計測が許容できた．
2.3燃料噴射装置および供試ノズル
燃料噴射装置には噴射圧，噴射量や噴射時期の制
御が可能なコモンレール式燃料噴射装置(2)を用い，
噴射ノズルには単孔ノズルを使用した．ノズルの諸
元を表２に示す．また，供試燃料としてJIS２号軽油
を用いた．
3．実験方法および実験条件
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3.1実験方法
図２にPDAを用いた光学系および計測装置の概略
Fig.２Schematicdiagramofoptics
図を示す．光源として連続発振が可能であるＡｒ+レ
Table3ExperimentaIconditjon
ーザ(波長514[nm]，Spectra-Physics)を用いた．Ａｒ+レ
lnjectionpressurBp報IMPal 6 0 , 8 0 . 1 0 ｑ ｌ ２ ０ １ ０ ０ １ ０ ０
ーザはドライバボックス内で分光され，光ファイバ
を介してトランスミッタより出射される．そして二
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AmbiGntdensityp･Ik9/m3
2.0200.1ｑ･1.0'2.0
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本のレーザ(各光線200ｍＷ出力）を交差させること
により高圧定容容器内に計測体積を形成し，粒径と
液滴速度を計測した．また，ディテクタは粒子から
の散乱光のうち表面反射光が減衰し，一次屈折光が
支配的となる位置に配置する必要があるため，レー
ザ入射方向から３０｡の位置に設置した．また，ディ
３９．５39.51..17,18.6,39,5
２０5,10,15‘２０20
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1.660.5310.88‘1.18,1.661.66
Ambientgas
Ｃ
Ｏ
ｚ
TemPeratu｢ｅＺ［K］
Ｃ
Ｏ
２
Fuel
JlSsecondcIassgasoil
テクタには３個のフォトマルチプライア(光電子倍
増管)が設置されており，位相差を検出する組み合わ
MieSca社ering
ｚＩｍｍ］
せを二種類持つことで，１つの粒子から２つの位相
Laserbeam
差を検出している．
mｍ｝
に対し，図３に示すように噴霧軸方向・半径方向に
各４水準を取る計１６点で計測を行なった．なお，噴
射は４秒周期で行ない，噴射回数は７５回とした．
７
o
００
「
’んや１．１詞︲
3.2実験条件
本研究では，噴射量，噴射圧および雰囲気密度を
実験パラメータとし,室温場の下で実験を行なった．
実験条件を表３に示す．また，それぞれの実験条件
漣
ＴＦ
９６
③Measurement
point
Ｚ[ｍｍ】:３０，５０， ７００８０
ｒ[ｍｍ]:０，３，６，
９
NozZlebody
夢 窒 ゆ 動
Fig.３Measu｢ementpointandspraylmage
(
2
)
Ａｉ｢IＣＯｚ
３ ０ ０ 3 0 0 ３ ０ ０
⋮
５４微粒化Vol・'5,No.５１(2006）
Ｚ
Ｉ
ｍ
ｍ
］
００００
、
３．２１噴射量について
噴射量をパラメータとした実験では，ginj=5,10,
15,20[mm3]とし，噴射圧はpinj=100[MPa]とした．
なお，雰囲気密度はPh=39.5[kg/m3]とし，雰囲気気体
にはＣＯぅを用いた．
『
3.2.2噴射圧について
１１
ｍｍ］９Ｅ
噴射圧をパラメータとした実験では，pinj=60,80,
100,120[MPa]とし,噴射量はginj=20[mm3]とした．
班
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河
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１
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6
6
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.
4
9
[
m
s
］
なお，雰囲気密度はβa=39.5[kg/m3]とし，雰囲気気体
にはCO2を用いた．
Fig.４Locationofmeasu｢eｍｅｎｔ
騨騨報祷令寸;−祷苧湾
一.｡'竪唯
3.2.3雰囲気密度について
雰囲気密度を実験パラメータとした実験では，
βa=1.17,18.6,39.5[kg/m3］とし，噴射圧を
Pinj=100DViPa]とした．なお，雰囲気気体にはＣＯぅお
よびAirを用い，gmj=20[mm3]とした．
拳
j
l
1
4．ＰＤＡ計測の問題点および実験結果の定義
4.1ＰＤＡ計測の問題点
Ｔ
g
か ←
高速かつ高密度である噴霧をＰＤＡ計測するには，
現在の計測装置では限界がある．そこで，計測が困
難となると考えられる条件および理由を以下に記す．
毎
｡
ＱｍＦ５ＱＩＩｒｌＯＱｉｌＦ１５Ｑ"Ｆ２０［mm3I
i=0.80！=1.32Ｉ=1.77１=2.49［msl
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Fi95Sp｢ayImageasafunctionofinjectionquantity
(1)計測体積内を複数の粒子が通過した場合，複数
の信号が重ね合わさり検出されるため，各粒子
の位相差を認識することができない.その結果，
位相差から粒径に変換することが不可能となる
ため計測が困難となる．
驚営… ．. …＝…罷蒜.一. ー一.=一貢霞零噸率薗一呉展..､一再唖輔識
(2)液滴数密度が高い場合，レーザ光路上に存在す
る粒子により強度が減衰するため，計測体積内
を追加する粒子の散乱光が弱くなる.その結果，
散乱光の信号がノイズに埋もれてしまうため，
計測が困難となる．
(3)高速噴霧の場合，粒子は雰囲気気体から加わる
‐
春
一
＝
ｐ側ｆ6０pjnF80ｐｒ１００pr120IMPa］
抗力により，非球形な粒子となる．非球形な粒
子を計測すると，信号から検出された２つの位
相差から計算される曲率に差が生じる．この非
球形な粒子をデータとして取り込むと，精度の
低いデータとなる．このため本研究では球形率
ｐ
･
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3
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.
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4
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【
ｍ
ｓ
】
Fig.６Ｓｐ｢aylmageasafunctionofinjectio、pressure
が22.14％以下となった粒子データは取り込ま
ない設定とした．
4.2実験結果の定義
実験結果の例として，図４に本実験で基準とした
実験条件の計測結果を示す．実験条件は噴射圧を
piqj=100[MPa]，雰囲気密度をβh=39.5[kg/m]]，噴射量
をginj=20[mm3]とした．図中●は計測に問題の無い
藤.．．。繊.爵”鐸嬉
島=1.17島=18.6ｐａ=39.51kgﾉ､.'
位置，図中▲は１回の燃料噴射につき，0.,[ms]間に
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伝
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.
4
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[
ｍ
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】
Fig.７Ｓｐ『ayImageasafunctionofambientdensity
計測粒子数が平均２個以下，つまり噴射終了時まで
(
3
)
微粒化Vol,15,No.５１(2006）５５
１５０個以下の計測期間がある位置，図中×は高速か
一lnjectiondu｢ation
３００
．-&」旦遮Ｌ
西０ｍ石
５０
︹望Ｅ一言で。−⑩ン︼の一旦Ｏ﹄□
鼠１．
，
．．"再ｂ−
蓉・；顎骨増，,”・群−５鈴
．塁・篭：‘“､“移挙も
Ｆ＄、=込
﹃０．
ロ
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蓄
電
い
2.557.5０２．５５７５
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］
(a)Ｚ=30[ｍｍ］（b)Ｚ=50[ｍｍ］
脳．婆へ、鋒︾
︾
。、一号
･･た．
．●謎．．
E
『
函
’
魚灸
＆●ぜ．衿、
Ｍｉｅ散乱法より得られた画像より，本研究で対象
としたディーゼル噴霧の噴霧構造を説明する．画像
１
−のＥ↑。Ｑ︲︸吻一①一旦Ｏ﹄ローＯ﹂①ｐＥ．こ︾こ．。。
５．１対象としたディーゼル噴霧の噴霧構造
■
●
．︾・鷲興．、．．︽︾
０
００
００
０
０
００
０１０
４０
３２
5．実験結果および考察
5０
Ｅ店
●０．
孔から噴霧先端までの距離とする．噴霧角は，
鈴図
Ⅸ0眼
少なくなり，計測に不適切な位置とした．
撮影時期／は，噴射期間rinjを８分割して噴射開始
z/irinj=1/８から噴射終了後Mrinj=12/８まで撮影し，その
１２番目の画像Mrinj=12/８を用いた．
ここで噴霧先端到達距離は，〃riqj=12/8における噴
1００
4００
つ高密度場であるため，散乱光の減衰や，非球形な
粒子が原因で』計測粒子数が０となる期間がある位
置，図中＊は噴霧外縁部付近，または噴霧が通過し
ない位置であるため，計測体積内を通過する粒子が
０２．５５７．５０２．５57.510
TimeaHerinjeclionstartIms］
（c)Ｚ=70[ｍｍ］（d)Ｚ=80[ｍm］
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１
Ｆｉ９８Ｔｅｍｐｏ｢ａＩｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｃｏｕｎｔｎｕｍｂｅｒｏｆｄropIets
andtheirveIocityatsp｢ayaxIs
///､j=12/８における噴孔から噴霧先端到達距離の
一
での噴霧外縁と噴孔のエッヂを通る直線を結ぶ頂角
とする．
ginj=5[mm3]のとき，噴霧先端到達距離は55.7[mm]，
噴霧角は21.6[deg.]，噴霧円錐角は18.5[deg.]であっ
75.3[mm]，噴霧角は20.1[deg.]，噴霧円錐角は
到達距離は90.1[mm]，噴霧角は19.0[deg.]，噴霧円
錐角は19.4[deg.]であった．ginj=20[mm3]のとき，噴
霧先端到達距離は104.8[mm]，噴霧角は20.3[deg.]，
噴霧円錐角は19.2[deg.]であった．
噴射圧変化における噴霧画像を図６に示す．
舞 . ：
０
０
５０
息‘，Ｘ麹,.逗 鎮強へ、…,逢
1
０
Timeafterinjectionsla｢t[ｍｓｌ
（a)ＦＯ[mml（b)ﾉｰ3[ｍｍ］
③Number
;輿患
ィ
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惣ミ
．¥･oｆ丸
2.5５７．５０２．５５７．５
一
溌
‘
w
,
．
．
”
1００
pjnj=60[MPa]のとき,噴霧先端到達距離は100.6[mm]，
i'′更
７５
●Numbe｢
’｜VcIociW
ハｕ戸。
︹Ｕ﹃Ｉ
21.9[deg.]であった．ginj=15[mm3]のとき，噴霧先端
ロ
、繰皿 弓 患 唖
・ふミェ．
登一○○一⑩ン両一ＱＯ﹄ロ
た．ginj=１０[mm3]のとき，噴霧先端到達距離は
1００
可旦
一的Ｅ↑・目︲︸里①一。。﹄ロ﹄Ｏ﹂①負Ｅコ匡旨二○○
まず,噴射量変化における噴霧画像を図５に示す．
-lnjectiondu｢ation
濁０
０
００
００
００３
０
０
００
０２
０
３
２
１
４
70[％]の位置での噴霧外縁部と噴孔を結ぶ直線の頂
角とする．噴霧円錐角は噴孔から’[mm]離れた位置
5０
．
.
桑
､
畿
叫畠
蓉息繊浄舜舞
2.5５７．５０２５５７．５
０
ロ
T
i
m
e
a
r
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｢
i
n
j
e
c
t
i
o
n
s
t
a
｢
t
[
ｍ
ｓ
］
噴霧角は23.5[deg.]，噴霧円錐角は18.3[deg.]であっ
(c)Ｆ６[ｍｍ］（d)戸9[ｍｍ］
た．pinj=80[MPa]のとき，噴霧先端到達距離は
103.4[mm]，噴霧角は21.5[deg.]，噴霧円錐角は
19.5[deg.]であった．pmj=120[MPa]のとき，噴霧先端
到達距離は108.2[mm]，噴霧角は22.2[degJ，噴霧円
錐角は19.2[deg.]であった．なお，pinj=100[MPa]のと
p
i
n
F
1
0
0
I
M
P
a
]
,
ｐ
ａ
=
3
9
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5
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k
g
/
m
3
]
,
Ｑ
ﾉ
,
Ｆ
2
0
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ｍ
ｍ
３
]
,
ｌ
ｉ
ｒ
１
．
６
６
[
m
s
]
,
Ｚ
=
5
0
1
ｍ
ｍ
］
Fig.９Ｔｅｍｐｏ｢aIdist｢ibutionofcountnumberofdroplets
a
n
d
t
h
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v
e
I
o
c
i
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i
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l
d
i
r
e
c
t
i
o
n
Z=30[mm］：×，Ｚ=50[mｍ］：×，Ｚ=70[mｍ］：△，
Z=80[mm]：●であった．これらの結果が得られた詳
雰囲気密度変化における噴霧画像を図７に示す．
細な原因を追究するため，図８に噴霧軸上で軸方向
距離Ｚを変化させて計測した計測粒子数および液滴
ph=1.17[kg/m3]での噴霧特性は，噴霧が撮影視野を超
速度の時間変化を示す.縦軸は0.1[ms]あたりの計測
きは上記噴射量変化giqj=20[mm3]と同等である．
粒子数および液滴速度，横軸は時間とした．
Ｚが増加するに伴い，計測が容易になる原因とし
て，噴霧は噴孔からの距離が増加するほど微粒化お
よび拡散が促進されると考えられる．このため，Ｚ
が増加するに伴い，液滴数密度が減少するため，計
測しやすくなることが考えられる．
また，図８より』各条件において計測された液滴
えたため正確な値を計測することは不可能であった
仏=18.9[kg/m3]のとき，噴霧先端到達距離は
114.7[mm]，噴霧角は19.4[deg.]，噴霧円錐角は
18.7[deg.]であった．なお，瓜=39.5[kg/m3]のときは上
記噴射量変化ginj=20[mm3]と同等である．
5.2計測点の変化による影響
5.2.1噴霧軸方向距離の変化による影響
速度を比較すると，Ｚ=５０，７０，８０[mｍ］の順に遅く
なっている．これより，計測点が噴孔から離れるに
図４より計測結果は噴霧軸‘方向の距離
つれ，液滴速度が低下し非球形な粒子が減少するこ
(
４
）
５６微粒化Vol､15,No.５１(2006）
ｍ
5.2.2噴霧半径方向距離の変化による影響
図４より，Ｚ=50[mｍ]の位置での計測結果に
ﾉｰ0[mm]：×，ﾉｰ3[mm]：▲，ﾉｰ6[mm]：●，ﾉｰ9[mm]：
ｍ
れは噴孔に最も近い条件であり，液滴数密度と液滴
速度が高いため，計測不可能な期間が長く，液滴速
度が低くなる時刻から液滴が計測され始めたためと
考えられる．
１
１００００
とで，計測が容易になると考えられる．さらに，
Z=30[mm]での液滴速度が最も低くなっているが，こ
mｍ］
に０
QbF5Imm｡ＩQjrlOlmmJIＱ‘F15[m､.lQF20【mm3j
時0.531,s】Ｉ&ﾂｰ0.881,s］ｌｒ1.181,s】fr166Ims］
＊となる変化が見られた．これらの結果が得られた
詳細な原因を追究するため，図９に軸方向距離を
︺７
５５
０
︺
1
【
0
．
両meanerinjectionstaRImsl
(a)QJnF5[ｍｍ３］（b)QjnF10[ｍｍ３］
４，ｒ0.53[ms］ｌｈｆＯＢ８[ｍｓ］
一、唖
唖
;
畷
磁
一望Ｅ］蚤一○○一①シ一の一旦。﹄口
2.5５７．５０２．５５７．５
調０ｍ石印お０
動方向をレーザ入射方向から垂直方向としているた
め，これにより，計測点までにレーザが通過する噴
霧領域が減少し，計測点へ入射するレーザ光の強度
鵜
ﾛ
一
噴霧軸から噴霧外縁部に近づくにつれ液滴数密度が
減少するため計測が困難となる原因が緩和されたと
推測される．次に，本実験では半径方向距離'･の移
へ
ｈ■■
微粒化および拡散が促進されると考えられるため，
鍵
鼠
忠
；
﹁；”
［、Ｅ一・三︲］の一①一ｑｏ﹂ロ﹄Ｏ﹂ｇＥ．二一厘コ○○
られなくなる．この原因として二つの理由が考えら
れる．まず，噴霧軸からの距離が増加すると噴霧は
;
､
受
雨竺
-lnjectiondu息tion
一“唖
示す．図９より，ＦＯ［mm]の場合，計測粒子数が０
の期間があるが，Ｆ３[mｍ]になると，計測粒子数が
増加している．戸6[mm]は，計測粒子数の減少が見
︹一
測した計測粒子数および液滴速度分布の時間変化を
０
０
０
００
叩６
印４、
０
５３０
３釦
１０
６４
１５
ｐ
町
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1
0
0
Ｉ
Ｍ
Ｐ
ａ
ｌ
，
島
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3
9
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5
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3
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.
１
０
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u
r
l
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g
c
a
p
a
b
i
l
i
t
y
Z=50[mm]とし噴霧半径方向の距離ﾉ･を変化させて計
鈴魂"､−−題寿司;。篭…
が減衰しにくくなる．このため，粒子の散乱光の計
測が容易になったと考えられる．
０２．５5７．５02.5５７．５１０
TimeanerinjectionsIart[ms1
また，ノー9[mm]は計測粒子数が少なくなっている．
この理由として,Ｚ=50[mm]での噴霧幅を計測すると
21.4[mm]であったことから，戸9[mm］は噴霧外縁部
付近の計測となっていたことがわかる．このため，
計測体積内を通過する粒子が少なくなり，計測粒子
数が少なくなると考えられる．
帝﹄烏二、ヨウ’’二
これらのことから，噴霧外縁部に到達しない範囲
ではｒが増加するに伴い，計測が容易になると考え
られる．
０
０
l
l
i
i
塞
途
＝
＝
０
外で計測粒子数がｏの期間があった位置は，噴射量
f，m
ろ 、 悪
Ｏ
図１０に，噴射量をパラメータに用いた場合の計
測結果を示す．図１０より，噴霧が通過しない位置以
、
Q
j
r
2
0
[
ｍ
ｍ
３
］
ｏ
Ｑ
ｍ
Ｆ
１
５
[
m
m
3
］
，害ｉ、t
−
ＥＣ二。、﹄﹄のＥコーＯン
5.3噴射量の影響
３
０２
０
０
００
０
（c)QJhF15[mm3］（d)QjnF20[ｍｍ３】
４，Ｆ1.181,s］１ｶＦ1.661,s】
P
i
n
j
=
1
0
0
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M
P
a
]
・
ｐ
ｈ
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3
9
.
5
【
k
g
/
m
3
]
,
Ｚ
=
5
0
[
ｍ
ｍ
]
,
ﾉ
ｰ
0
[
ｍ
ｍ
］
Fig.１１Tempo｢aldist｢ibutionofcountnumbe｢ｏｆｄ｢oplets
a
n
d
t
h
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t
i
t
y
ginj=20[mm3]の時，Ｚ=30,50[mm]：,=0[mm]，噴射量
ginj=１５，１０[mm3]の時，宏30[mm]：ﾉｰ0[mm]の位置で
1.01.52.0２．５3.0
TASI[ｍｓ］
あった．これらの結果から，顕著に結果が異なった
Fig.１２Volumefraction「esults
a
t
i
n
j
e
c
t
i
o
n
q
u
a
n
t
i
t
y
c
h
a
n
g
e
s
Z=50[mm]：ﾉｰ0[mm]の計測結果に着目する．図１１
そこで詳細に議論するために,図１２に各噴射量に
おける，噴霧に対する燃料の体積割合の時間変化を
示す．縦軸を噴霧と燃料の体積割合とし，横軸を時
に噴射量を変化させて計測した計測粒子数および液
滴速度の時間変化を示す．図１１より，噴射量を減少
させると，計測粒子数の減少が見られなくなること
がわかる．また，噴射量が減少すると，液滴数密度
が低下し，レーザの減衰がしにくくなるため計測が
間とした．ここで,縦軸のﾘﾉﾙ…は噴霧モーメンタム
法(6)によって得られた噴射率波形からその時刻にお
容易になると推測できる．
ける噴射量を求め，Kpmyは噴霧画像を図’３のよう
にIpixel厚さの円板の集合体と仮定して積算した値
(
5
)
微粒化Vol,15,No.5１（2006）５７
NozzIeexiI
ざ亡ロ一一ｍ
である．図１２より噴射量が減少すると，噴霧に対す
る燃料の体積割合が低下していることが確認できる．
〃＝
匡印ｑ○
つまり，噴射量が減少するに伴い，噴霧内の液相の
割合が低下し，液滴数密度が低下していると考えら
V
h
，
これらのことより，噴射量を減少させると液滴数
ゴ｜﹃一
る
．
一
語”﹄ユの
れるため，計測が容易となる傾向が見られたといえ
図耽
ー
密度が低くなることから，計測粒子数が増加すると
考えられる．
＝
また噴射量が５[mm3]の場合,噴霧の運動量が小さ
一一Ｉ（１） 1
[
p
i
x
e
l
l
Fig.１３CaIculationofsp｢aｙｖｏｌｕｍｅ
く雰囲気気体から受ける抵抗により，Ｚ=80[mm]の位
置に噴霧が届かない．このため，Ｚ=80[mm]の位置は
、
計測に不適切な位置であることがわかる．
5.4噴射圧の影響
図１４に,噴射圧をパラメータに用いた計測結果を
示す．図１４より，噴霧が通過しない位置以外で計測
粒子数が０となる期間があった位置は，すべての噴
ｒ
射圧において，Ｚ=30,50[mm]：戸0[mm]の位置であ
[
ｍ
、
った．これらの位置は，高速かつ高密度場であるた
め，散乱光の減衰や，非球形な粒子などが原因とな
り，計測が困難になると考えられる．また，噴射圧
の変化によって計測結果に変化の現れた計測点は
ｐ〃r60IMPa］ｐ,,ｒ80[MPa】ｐﾉ,Ｆ100[MPa］ｐ"Ｆ120[MPa］
ｐ
ａ
=
3
9
.
5
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m
3
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,
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ｍ
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2
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］
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:
‘
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･
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．
､
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“
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詫
一
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︹ＵＰ○
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Ｌ 一…
きき蕊
ｂ．，J･も
．.患¥
晶誓§
壱一○○一①シ司一。。﹂ロ
T7meanerinjedionsta｢ｔＩｍｓ］
(a)ｐｊ,ｆ60[MPa］（b)pjnF80[ＭＰａｌ
副０
WI5
６
０２．５５７．５02.557,510
T
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ｍ
ｓ
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‘
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Ｆ
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m
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Ｚ
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0
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m
m
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,
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m
m
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,
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F
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s
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n
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r
e
s
s
u
｢
ｅ
帝己Ⅵ二三浬コワーーン
ると考えられるため，計測が容易な傾向になると推
察される，しかし，実際の計測結果は噴射圧が増加
すると計測粒子数が減少する傾向を示すため，計測
が困難となる原因が液滴数密度の増加であるとは考
０
０
０
０
そこで図１５の速度分布に着目すると，液滴速度
の最高値は噴射圧が増加するに伴い大きくなること
がわかる．また，液滴速度は計測粒子数の減少が始
まる付近で最高値を示すことが確認できる．この相
関性から,噴射圧が増加すると液滴速度が速くなり，
−
匡○一一。ｍ﹂﹄①Ｅ．｜Ｏン
えにくい
３０
２
０
０
０
霧に対する燃料の体積割合が低下していることが確
認できる．この結果から，噴射圧が増加すると噴霧
内の液相の割合が低下し，液滴数密度が低下してい
､識寧難蝿｡.-､偽厭蔵畠患
｡且◆其癖ロ、
５０
凝蕊.鞭
２．５５７．５02.5５７．５
ｰ も も 由 一
７５
００﹃Ｉ
そこで，原因を追究するため，図１６に各噴射圧
における，噴霧に対する燃料の体積割合の時間変化
を示す．縦軸を噴霧内の燃料の体積割合とし，横軸
を時間とした．図１６より，噴射圧を増加させると噴
一議騨
一辺Ｅ︸
主な原因が明確ではないと言える．
５ ００
西０
速くなるため非球形粒子となることが挙げられるが，
２
戸
苧
専
噌
､
ｌ
p
玉。・恥認傘齢浮舎・玲画．
て，液滴数密度が高くなる，レーザ光が減衰し』粒
子の散乱光を検知できなくなることや，液滴速度が
-Injectiondu｢ation
詳知。。，、誕譲範
・封っ、鶏恥蛭識、
［ｍＥ一・Ｑ︲一ｍ一①一旦。﹂ロ﹂ｏ﹂①ｐＥ．匡一匡三。。
いて噴射圧を変化させて計測した計測粒子数および
液滴速度の時間変化を示し,図１５を用いてこの変化
の原因を考察する．図１sより，噴射圧を増加させる
と比較的液滴速度の速い期間において，計測粒子数
が谷状に減少していくことがわかる．この原因とし
０
０１０
００
ｍ４
叩３、２叩
０
０
１０
３２
Z=70[mm］：’=0[mm]のみでありpmj=60[MPa]，
p
i
n
j
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8
0
[
M
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]
：
●
，
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i
n
j
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1
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0
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M
P
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，
p
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q
j
=
1
2
0
[
M
P
a
]
：
△
となった．そこで図１５に，←70[mm]：ﾉｰ0[mm]にお
皿、鼠蝿
F
i
g
.
１
４
E
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a
b
i
I
i
W
１．０１．５２．０２．５3,0
TAS￨【ｍｓ］
Fi916Volumefractionresults
atinjectionp｢essu｢echanges
(
6
)
５８微粒化Vol,15,No.５１(2006）
非球形粒子となりやすくなるため，計測粒子数の減
叩
図１７に,雰囲気密度をパラメータに用いた計測結
果を示す．図１７より，噴霧が通過しない位置以外で
計測粒子数が０である期間がある位置は，雰囲気密
峰、
ｐａ=1.17{kg/m3］島=18.6Ikg/m3１ｐａ=39.5[kg/m3】
p
h
n
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=
1
0
0
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2
.
4
9
1
,
s
］
Fig.１７Measurementcapabiliiya9ainstambientdensity
一lniectiondu｢atiorl
8００
たＺ=70[mｍ]：ﾉｰ3[mm]において比較を行なった．
図１８にＺ=70[mm]：ﾉｰ3[mm]での雰囲気密度を変
■ｑ
６００
●ゥ
ら −
■ ●
４０Ｃ
ゆ
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Ｏ
■ ●
q■凸■■
令 ■ ■
８
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御…:--皇謡
2.5５７．５０２．５５７．５１０
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0
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s
］
(a)βa=1.17[kg/m３１（b)島=18.6[kg/m3］
3００
⑨Number
畠VeIociIy
■
､
の
凸
’
0
２２５
１５０
息
員
･
･
記
品
，ヘ
2００
一の芦二ご一口ｏ一の三ｍ一旦○﹂ロ
−ｍＥ一・Ｑ︲］切一ｍ−Ｑｏ﹄己﹄。﹄①。Ｅコ三ニコＣＯ
燃料の体積割合が小さくなっていることが確認でき
る．雰囲気密度が減少すると，噴霧内の液相の割合
が低くなり，計測が容易となる傾向が現れることが
予想される．しかし，計測結果は逆に計測粒子数が
低下する傾向を示した．このため，雰囲気密度を変
化させた場合の液相の体積割合の変化は計測に対し
影響が小さいと考えられる.また図１８より雰囲気密
度が低下するにつれて計測される液滴の最高速度が
増加していることがわかる．このため，計測粒子数
唖！ 一 唖
一 鈴 ･
０
０
０
００
０
２
８０
６００
４
化させて計測した計測粒子数および液滴速度の時間
変化を示した．図１８より，雰囲気密度を減少させる
と，計測粒子数が減少する現象が大きくなっている
ことがわかる．また，計測粒子数が減少している期
間では，液滴速度が増加している．図１９に雰囲気密
度を変化させ，時間に対する噴霧と燃料の体積割合
を示す.図１９より雰囲気密度を減少させると噴霧と
｢ｎｍ
１
如錘卸布０
位置においても雰囲気密度が減少すると，計測粒子
数が減少する傾向が予測できる．そこで，雰囲気密
度の影響を詳細に確認するため，計測結果が変化し
ｒ÷
〆
R
R
I
皿
！
子数が０となる時間が存在した．また，ノー3[mm]の
、曲
Ｉi!リ
5.5雰囲気密度の影響
度が39.5,18.6[kg/m3]の時戸0[mm]において,Ｚ=30,
50[mm]の位置であった．また，雰囲気密度が
1.17[kg/m3]の時，噴霧軸上のすべての位置で計測粒
mｍ］
叩
００００
少が生じると考えられる．
額
静
噸
難
…
i
>
､
噌
診
…
、
７
５
０
０２．５５７．５１０
T
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］
（c)島=39.5[kg/m31
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1
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1
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Ｚ
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7
0
[
ｍ
ｍ
]
,
Ｆ
3
1
ｍ
ｍ
］
Fig.１８Tempo｢aldist｢ibutionofcountnumberofd｢oplets
andtheirvelocityagainstambientdensity
云巴烏二
が減少する原因は，液滴速度が速くなることで非球
形粒子となりやすくなるため，燃料が空気と十分混
合せず非常に方向性の強い噴流が存在するための両
また,図２０に示すように雰囲気密度が1.17[kg/m3］
の場合，Ｚ=70[mm]：ﾉｰ0[mm]において』速度が一定
の値以上計測できていないことがわかる．これは，
計測可能な液滴速度の限界を上回っていることが原
因である．
0．００２
ｉ
B
0．００１
（
I
N
埼迅
，０］
一℃一号一一ン匡Ｏ一一○ｍ﹄﹄のＥ三○ン
者が考えられる．
0.003
舌０．０１．０２．０３．０
＞
6．おわりに
T
A
S
l
[
m
s
］
Fig.１９Volumefraction｢esults
atambientp｢essurechanges
本研究から，以下のような知見を得た．
E一Injectiondu眉tｉｏｎ
(1)計測位置が噴孔に近づくと，比較的高速な粒子
３００
ｄ８００
'
9
W
:
鰯
爵
、脳
：
:
:
:
私
'
菖
蕊
置
が通過する期間において計測粒子数が減少する
柘
｡
盲
(2)噴霧半径方向距離の増加に伴い，噴霧外縁部に
ｏ『瞳。.：g
到達しない範囲で比較的高速な粒子が通過する
期間において計測粒子数が増加する．
g2｡｡『・Z"5重
一公唾孟八一厘釣侭
喜 びエミ〆頭∼･
＝一陰
一心員
(3)噴射量を減少させると，比較的高速な粒子が通
舌0２．５５７．５・10
目T1meafterinjectionstartlms】
過する期間において噴霧軸距離が短い条件での
Ｏ
β
,
=
1
.
1
7
【
k
g
/
m
3
］
p
"
=
1
0
0
[
M
P
a
I
,
Ｑ
"
ｒ
2
0
[
ｍ
ｍ
３
]
,
l
h
v
=
1
.
6
6
[
m
s
l
,
Ｚ
=
7
0
[
ｍ
ｍ
】
,
Ｆ
Ｏ
[
ｍ
ｍ
］
Fig.２０ExampIeofthelimitofmeasu｢ement
ofdropIetsvelocity
(
7
)
微粒化Vol,15,No.５１(2006）５９
計測粒子数が増加する．
奥村宜宗
(4)噴射量が減少すると，同じ計測点で比較した場
同志社大学大学院
工学研究科機械工学専攻
博士課程前期課程修了
合！比較的高速な粒子が通過する期間において
計測粒子数が増加する．
(5)噴射圧が増加すると，噴霧軸上での計測点にお
〒610-0321
いて，比較的高速な粒子が通過する期間におい
て計測粒子数が減少する．
京都府京田辺市多々羅都谷I-3
Tel：0774-65-7742
(6)雰囲気密度が減少すると，噴霧軸上での計測に
Fax：0774-65-7743
おいて計測粒子数が減少する．
略歴：2006年
同志社大学大学院工学研究科
博士課程前期課程修了
(7)雰囲気密度が減少すると，噴霧外縁部から噴霧
軸上に近づくに伴い，計測粒子数が減少する．
謝辞本稿の執筆にあたり実験装置PDA(DANTEC
DYNAMICS，HiDenSePDASystem)を快くお貸しい
竹田哲馬
同志社大学大学院
工学研究科機械工学専攻
博士課程前期課程在学
文 献
蕊
(1)JulienLacoste，“PDACharacterizationofDense
現在
ただいた，ダンテック・ダイナミクス株式会社代表
取締役松本雅則様に心より感謝いたします.また本
稿で用いたデータの収集整理には,同志社大学工学
〒610-0321
部４回生北芝隆信君の協力を得たことをここに付
京都府京田辺市多々羅都谷I-3
記し，感謝の意を表する．
Tel：0774-65-7742
Ｆａｘ：0774-65-7743
略歴：2005年 同 志 社 大 学 工 学 部
機械システムエ学科卒業
DieselSpraysUsingaCommon-Raillnjection
System"，ＳＡＥpaper，No.2003-01-3085,（2003)．
(2)伊藤昇平，“コモンレール”，ENGINE
同志社大学大学院工学研究科
博士課程前期課程在学
非定常ディーゼル噴霧の噴霧
特性に関する研究に従事．
TECHNOLOGY，Ｖ０１．１，No.４，（1999)1ｐｐ,46-47.
(3)ＬＥＥＪ,ＫＡＮＧＳ,ＲＹＯＢ,"二次元ＰＤＰＡを用いた
間欠的多孔ディーゼル噴霧の乱流混合流れ特'性
千田二郎
の時間分解解析"，日本機械学会論文集Ｂ編，
同志社大学工学部教授
V
o
L
4
6
,
N
o
.
3
,
ｐ
ｐ
､
4
2
5
4
3
3
,
(
2
0
0
3
)
．
(4)ＪＨＯＭ，ＨＵＨＫＹ，ＹＯＯＪ−Ｈ，ＬＡＩＭ−Ｃ，
‘‘NumericalPredictionandValidationofFuelSpray
BehaviorinaGasolineDirect-InjectionEngine，，，
ＳＡＥpaper,No.2001-01-3668,(2001)．
(5)ＬＥＥＪ,NISHIDAK,ＳＯＮＧＫＫ,"多孔ディーゼル
間欠噴霧の液滴-空気流れ特性の実験的研究"，
自動車技術会学術講演会前刷集，No.61-01,
Ｐ
ｐ
,
1
4
,
(
2
0
0
1
）
(6)Ｊ,MDesantes，Ｒ,Paiyri，Ｆ,J,Salvador，Ｊ､Gimeno，
“MeasurementofSprayMomentumfbrtheStudyof
CavitationmDiesellnjectionNozzles",ＳＡＥpaper，
No.2003-01-0703,(2003)．
〒610-0321
京都府京田辺市多々羅都谷I-3
Tel：0774-65-7742
Fax：0774-65-7743
略歴：
1985年 同 志 社 大 学 大 学 院 工 学 研 究 科
機械工学専攻博士課程後期課程修了
同年
ヤンマーディーゼル(株)入社
1990年 同志社大学工学部機械系学科専任講師
1992年 同志社大学工学部機械系学科助教授
1994年 米国ウィスコンシン大学客員助教授
1998年 同志社大学工学部機械系学科教授
非定常噴霧や噴霧燃焼場の光学的
計測,モデリング,燃料設計手法によ
る低エミッション燃焼法の提案,水素
ディーゼル機関,バイオディーゼル燃
料に関する研究に従事．
(
8
)
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