対向型急速圧縮装置による高温・高圧下での炭化水素－空気混合気の ...

法政大学大学院理工学・工学研究科紀要
Vol.55(2014 年 3 月)
法政大学
対向型急速圧縮装置による高温・高圧下での
炭化水素－空気混合気の燃焼特性について
A STUDY OF COMBUSTION CHARACTERISTICS OF HYDROCARBON-AIR MIXTURES
UNDER HIGH TEMPERATURE AND HIGH PRESSURE CONDITIONS
BY USING OPPOSED RAPID COMPRESSION MACHINE
渡邉雅人
Masato WATANABE
指導教員川上忠重
法政大学大学院工学研究科機械工学専攻修士課程
This experiment has been carried out to determine the influence of carbon
dioxide addition, oxygen concentration and equivalence ratio on combustion
characteristics of hydrocarbon-air mixtures by using the ORCM for combustion
improvement of EGR (Exhaust Gas Recirculation) conditions.
The main conclusions are as follows. 1) The Maximum burning pressure
decreases with the reduction of O2 concentration at the same CO2 addition. 2) The
Observation timing of the Maximum heat release rate is delayed by CO2 addition
and reduction of O2 concentration at the same equivalence ratio . 3) The
Maximum heat release rate increases with 10% CO2 addition by changing the
early ignition timing.
Key Words: EGR, CO2 addition, O2 concentration, Opposed Rapid Compression Machine
１．緒論
近年，環境汚染物質が原因と思われる光化学スモッグや
ここで，燃焼生成物を燃焼改善によって低減する手法と
PM2.5, 地球温暖化による洪水や超大型ハリケーンなど
して，燃焼室内の燃料濃度を能動的に制御する成層燃焼，
の異常気象及び永久凍土の溶解などの被害が，多くの国や
燃料濃度を一定に調整する均質希薄燃焼，燃料を筒内に直
地域で見受けられる．環境汚染物質の多くは生活環境圏内
接噴射する直噴技術 [1]及び圧縮自着火と均一予混合とい
で人工的に排出され，特に自動車等の内燃機関から排出さ
う特徴を併せ持ち燃料濃度が希薄な状態で燃焼させる
れる NOX, CO2, PM などが問題視されている．ハイブリッ
HCCI 技術などが挙げられる．[2]これらの技術は理論上燃
ドカーや電気自動車が徐々に増加しており，エミッション
料濃度が過剰に希薄化されると，火炎温度が低下して
ゼロカーとしては究極とも言える，燃料電池車の量産化も
NOX が低減されるなどの長所があるが，火炎着火性や安
現実味を帯びてきた．その状況下において, 内燃機関の作
定性，耐ノック性が悪化するという短所もある．[3]
動原理に基づく従来型原動機のエンジンで作動する自動
本研究では，排気中の比熱が大きいガスを新気中に再利
車等からの排出も依然として多く，燃焼改善による対策や
用することで燃焼温度を下げる，排気ガス再循環(EGR)
技術革新は急務である．
方式に着目した．この方式の長所は，シリンダ内の熱容量
日本では, 近海で石油などの代替エネルギーとして注
増加による NO の低減効果があり，高温の排気還流による
目されるメタンハイドレートが見つかり，利用できるよう
充填効率の低下を抑えるために熱交換器を用いた EGR ク
に調査が進められている．また，車のマフラーなどに使用
ーラー(冷却機構)を備えるものも数多い．ガソリンエンジ
できるレアメタルをナノテクノロジーで作ることに成功
ンではこれを利用してポンピングロスを低減させること
するといった自動車業界にとって追い風となることが増
が目的といっても過言ではない．そこで，対向型急速圧縮
えている．自動車業界各社はアトキンソンサイクル及びミ
装置を用いて，燃焼生成物の低減を図るとともに，点火性
ラーサイクルを用いて膨張比を上昇し，ノッキングが起き
能及び燃焼速度の低減効果を改善することを目的とし，高
難く熱効率の高い低燃費なエンジンを実現させている．ま
温・高圧下での炭化水素―空気混合気における CO2 添加
た，最近ではエンジンをダウンサイジングターボ化し，低
濃度，O2 濃度及び当量比を変化させた場合の燃焼特性(最
燃費と従来のトルクを兼ね備えた，環境対策に取り組みつ
高燃焼圧力，全燃焼時間，熱発生率)に及ぼす影響につい
つ走る愉しさを感じられる自動車開発に取り組んでいる．
て検討を行った．
２．実験装置及び実験方法
Fig.1 に本実験で使用した実験装置の概略図を示す.対
向型急速圧縮装置の特徴として，双方向から圧縮すること
が可能であるため，単シリンダ型急速圧縮装置と比較して，
同様の燃焼室容積を確保しつつ，2 倍近い圧縮比が実現可
能になる.また，圧縮行程時間の短縮化により，熱損失の
影響を最小限に抑えることが可能となっている.
Air Tank
Combustion Cylinder
Reversible Links
Table 2
Gas
Gas property
N2
O2
CO2
C3H8
28.01
32.00
44.01
44.09
296.75
259.78
188.90
188.58
1.2505
1.4290
1.9768
1.9676
0.968
1.105
1.530
1.522
Molecular
Weight
[kg/ kmol]
Gas
Constant
[J/ kg K]
Density
Compression Cylinder
Fig.1
Combustion Chamber
Electric Magnetic Valve
Opposed Rapid Compression Machine
[kg/m3]
Gravity
Table 1 Experimental Conditions
Fuel
C3H8
Standard heat of formation [MJ/kg]
-2.370
Gross calorific value [MJ/kg]
50.33
Net calorific Value [MJ/kg]
46.34
Boiling point [℃]
-42.1
Initial Temperature
Ti [K]
Compression Ratio ε
293
8
C3H8 / N2 / O2
Premixed Gas Reactants
C3H8 / N2 / O2 /
CO2
Ratio of O2 [vol%]
Ratio of CO2 addition [%]
Equivalence Ratio φ
21.5, 21，19, 17
0 , 5, 8, 10
0.6 – 1.2
実験に際して，まず攪拌燃料タンクにて燃料混合気を作
成し，次に真空にした燃焼室内に混合気を導入し，実験条
件の圧縮比に応じた下死点位置にピストンが到達するよう
に位置を調節する．その後，初期条件を一定とするために
燃焼室内を大気開放し，燃焼室の圧力を大気圧に設定する.
左右のエアタンクに圧縮空気を充填し，スイッチを投入す
ることにより，圧縮気筒内ピストンに圧縮空気が瞬時に作
用して，ロッドで連結された燃焼気筒内ピストンによる急
速圧縮が開始される.左右のピストンが上死点に達すると，
マイクロスイッチにより火花点火が行われる.
Table 1 に実験条件及び燃料の主な物性値を示す.燃焼特
Fig.2 Definition of Combustion Characteristics
Table 3 Composition Mixture (φ=1.0)
C 3 H8
(vol %)
O2
(vol %)
N2
(vol %)
CO2
(vol %)
E0 21.5%
4.03
20.63
75.34
0
E0 21%
4.03
20.15
75.82
0
E0 19%
4.03
18.23
77.74
0
E0 17%
4.03
16.31
79.65
0
E5 21%
4.03
20.15
72.02
3.79
性に関しては，圧力履歴観察用ピエゾ型圧力ピックアップ
E5 19%
4.03
18.23
73.85
3.89
センサー，火炎伝播観測用イオンプローブを用い，得られ
E5 17%
4.03
16.31
75.67
3.98
た信号を Kyowa Electronic Instruments 製 PCD-320A
E8 21%
4.03
20.15
69.75
6.07
E8 19%
4.03
18.23
71.52
6.22
E8 17%
4.03
16.31
73.28
6.37
E10 21.5%
4.03
20.63
67.80
7.53
点火後の圧力，最高燃焼圧力は燃焼圧力が最大となる圧力，
E10 21%
4.03
20.15
68.23
7.58
全燃焼時間は点火から最高燃焼圧力が得られるまでの時
E10 19%
4.03
18.23
69.96
7.77
を用いて PC に出力し，測定・記録を行った.
Table 2 に酸化剤及び不活性ガスの主な物性値を示す．
Fig.2 に初期圧力，最高燃焼圧力及び全燃焼時間の圧力
履歴との関係を示す．ここで，初期圧力 P0 は混合気圧縮
間と定義した．
Fig.5 に本実験で得られた当量比に対するプロパン−空
３．実験結果及び考察
図中の E0, E5, E8, E10 は CO2 添加濃度 0%, 5%, 8%,
気混合気の最高燃焼圧力を，上記までの結果を踏まえて
10%をそれぞれ示しており，そのときの混合気組成を
E0 21%と E10 の各 O2 濃度をパラメータとして示す．ここ
Table 3 に示す．また，本研究で用いた二酸化炭素濃度は
で，IT20 とは点火タイミングを 20ms 早期化したもので
(1)式で定義される．
あり，φ=1.0 においてのみ比較を行った．
CCO2 
VCO2
VN 2  VCO2
100
この図から明らかなように E10 19%において φ=0.6 で
(1)
𝑉CO2 : 混合気中の二酸化炭素体積
𝑉N2 : 混合気中の窒素体積
失火したが， O2 濃度の増加によって，φ=0.8~1.2 では E0
21%に比べて最大で 3 割程度の減少に抑えることが可能
である．特に過濃領域では O2 濃度低下による火炎温度減
少に伴った著しい圧力降下が観察された．IT20 において
は E0 と E10 では大きな差異が観察されておらず，これに
ここで，本実験で使用した混合気は，実機により近い燃
焼場を得ることを目的としており，CO2 添加濃度 5%, 8%,
10%はそれぞれ実機における EGR 率 28%, 45%, 57%に相
当する値である．また，実機において EGR 導入時には窒
素濃度だけでなく酸素濃度も低下することから，O2 濃度
が燃焼に与える影響についても検討を行った．
(3.1)
3.1.1)
最高燃焼圧力
O2 濃度による影響
Fig.3 に本実験で得られた当量比に対するプロパン−空
気混合気の CO2 添加濃度 0%における最高燃焼圧力を，O2
濃度をパラメータとして示す．
この図から，O2 濃度が低下するにつれて最高燃焼圧力
が減少しており，特に 21%に比べて 19%の方が 2 割程度
減少している．これは燃焼温度が低下したことによるもの
だと考えられる．また，O2 濃度が 21.5%及び 21%で比較
した場合，あまり差異が生じておらず，場合によってはむ
しろ減少している．これは混合気中の O2 濃度が増加して
も高温酸化反応に至るまでの可燃予混合気量には限界が
あり過剰な状態であったためと推測され，圧力履歴を加味
すると燃焼が緩慢になっていることも原因のひとつであ
ると考えられる．また，19%及び 17%で比較すると量論比
までは同程度になるが，φ=1.2 においては約 17%も減少し
ている．既に述べた燃焼温度の低下とともに過濃領域にな
ったことで燃料過剰になり，筒内温度低下による熱損失が
増大したためであると思われる．
3.1.2)
CO2 濃度による影響
Fig.4 に本実験で得られた当量比に対するプロパン−空
気混合気の O2 濃度 21%における最高燃焼圧力を， CO2
濃度をパラメータとして示す．
CO2 添加濃度が増加するにつれ，最高燃焼圧力が減少す
る傾向にあるが，これは比熱の大きい不活性ガスの CO2
が増加して熱容量が増大したためである．また，E10 を除
いた E0~E8 においては熱解離[4]を生じたために，最高燃
焼圧力が量論比から過濃領域に移動もしくは量論比と同
程度になっている．また，熱容量の増大により熱発生が緩
慢になり燃焼温度が低下したことで，E0 に比べて E10 は
約 1~2 割減少しているが E0 19%と同程度であることを明
記しておく．
ついては後述する熱発生率で検討を行う．
(3.2) 全燃焼時間と着火遅れ
3.2.1) 全燃焼時間
(3.3)
圧力履歴と熱発生率
Fig.9 に本実験で得られた圧縮行程終了時からの当量比
Fig.6 に本実験で得られた当量比に対するプロパン−空
φ=1.0 の場合の圧力履歴と熱発生率を，CO2 添加濃度及び
気混合気の最高燃焼圧力を，CO2 添加濃度及び O2 濃度を
O2 濃度をパラメータとして示す．熱発生率については，
パラメータとして示す．
一般的に(2)式で表されるが，本研究においてはクランク
この図から明らかなように, 同一当量比において CO2
角 θ に相当するものとして経過時間 t を用いた．また燃焼
添加濃度が増加すると，希薄領域では火炎温度が低いため
過程においては，燃焼室は定容状態であるため，熱発生率
に全燃焼時間が顕著に増大しており，この原因は熱容量増
は(3)式を用いて算出した．
大による平均火炎伝播速度が減少したためと考えられる．
また，希薄領域においては燃焼初期での酸化反応が弱く，
中間生成物の発生が少ないことによる高温酸化反応開始
時間に遅れが生じたためであるとも推測できる．量論比及
び過濃域では CO2 添加濃度を変化させても大きな影響は
𝑑𝑄
𝜅
𝑑𝑉
𝜅
𝑑𝑃
=
𝑝
+
𝑉
𝑑𝜃 𝜅 − 1 𝑑𝜃 𝜅 − 1 𝑑𝜃
dQ 𝐶V dP
=
𝑉
d𝑡
𝑅 𝑑𝑡
(2)
(3)
観察されなかったが，さらに酸素濃度を低下させた場合は
10ms 程度増大した．また，φ=1.0 において E10 21%が
21.5%よりも全燃焼時間が若干ではあるが短縮している．
これは両方の最高燃焼圧力が同程度となっていること，後
述する着火遅れの影響によるものであると考えられる．ま
た，IT20 においては点火タイミングを早期化させた分，
他の条件に比べて約 20ms の全燃焼時間の大幅な減少が
実現された．なお，点火タイミングの早期化の有無による
E0 及び E10 の全燃焼時間にはあまり大きな差異は本実験
範囲内では観察されなかった．
3.2.2) 着火遅れ
Fig.7 に本実験で得られた当量比に対するプロパン−空
気混合気の着火遅れを，CO2 添加濃度及び O2 濃度をパラ
メータとして示す．ここで，着火遅れは燃焼開始後に燃焼
室内圧力が初期圧力 P0＋0.02[MPa] に達するまでの時間
と定義した．
Fig.6 と同様の傾向を示しており，φ=0.8~1.2 において
は着火遅れも 10ms 範囲内に収まっているが，φ=0.6 では
O2 濃度低下による燃焼温度低下のために増大している．
また，燃料濃度と酸化反応の関係により，燃料濃度が増加
するに従って早期に高温酸化反応に移行したことで着火
遅れも短縮されたと思われる．
IT20 においては E0 も E10
も着火遅れが 10ms 以内となり，良好な燃焼が実現されて
いると考えられる．
Fig.8 に本実験で得られた CO2 添加濃度に対するプロ
パン−空気混合気の φ=1.0 における着火遅れを，O2 濃度を
パラメータとして示す．
この図より，CO2 添加濃度の増加に伴って着火遅れも
若干増大する傾向にあり，特に O2 濃度 17%においてはそ
の傾向が顕著であった．これは，O2 濃度の減少による燃
焼温度の著しい低下が原因であると考えられる．また，他
の O2 濃度においては CO2 添加濃度を増加させた場合，着
火遅れの増大は最大で 10ms 程度であり，また，IT20 で
は約 3ms 程度である．したがって，CO2 添加濃度を増加
することで着火遅れが増大し全燃焼時間を増大させるが，
点火タイミングを早期化することで，着火遅れ及び全燃焼
時間ともに燃焼改善できると考えられる．
dQ ⁄ dt : 熱発生率,CV : 定容比熱,
R : 気体定数, P : 燃焼圧力,V : 燃焼室容積
3.3.1)
CO2 添加濃度及び O2 濃度の影響
Fig.9 より，E10 19%を除いて各条件での最大熱発生率
は同程度となった．これは，燃焼ピーク発生の遅延化に伴
って予混合化が促進されたことによるものだと考えられ
る．このことより，着火遅れを改善できれば本条件におい
ても十分利用できることを示している．また，E10 19% は
緩慢な燃焼が行われたことによる熱損失の増大により火
炎温度が低下し，最大熱発生率が減少している．また，
E0 19%において 21%と比較すると最大熱発生率の圧縮行
程終了時からの時間遅延が観察されており，O2 濃度減少
による燃焼温度の低下が原因だと思われる．
3.3.2) 点火タイミングの影響
Fig.10 に本実験で得られた圧縮行程終了時からの当量
比 φ=1.0 の場合の圧力履歴と熱発生率を，CO2 添加濃度及
び O2 濃度をパラメータとして示す．ここまでは主に点火
タイミングを一定とした場合について各パラメータの比
較・検討を行ったが，点火タイミングの早期化による CO2
添加濃度増加の影響についても考察を行った．
図より，E10 21% IT20 は全燃焼時間の大幅な短縮が確
認され，最大熱発生率も約 2 倍増大している．これは圧
力履歴からも分かるように急峻な燃焼が発生し，燃焼温度
が増加したことによると考えられる．これは最高燃焼圧力
と考え合わせても，E10 において EGR 効果の影響が顕著
であることを示している．また，CO2 添加濃度による最大
熱発生率の観察時期の差異は点火タイミングを変化させ
た場合でもあまり大きな影響がなかったため，最大熱発生
率観測時期が同程度に成り得る領域についても検討を行
う予定である．
４．結論
対向型急速圧縮装置を用いた高温・高圧下での炭化水素
―空気混合気における CO2 添加濃度，O2 濃度を変化させ
た場合の燃焼特性について検討を行った.以下に結論を
示す．
1) 同一 CO2 添加濃度において，O2 濃度の減少に伴い，
最高燃焼圧力は減少する．
2)
同一当量比において，CO2 添加濃度増加及び O2 濃度
低下に伴い，最大熱発生率の観察領域は遅延する．
3)
点火タイミングを早期化することにより，CO2 添加
濃度 10%においても，最大熱発生率は増大する．
謝辞
参考文献
本研究を行うにあたって，川上忠重教授に御指導，御鞭
撻頂きまして深く御礼申し上げます．また，御忙しい中，
日本自動車工業(株)様の御協力や，Work shop の皆様に数
多くの実験装置の製作をして頂き，時には貴重な御助言を
頂きまして心から感謝致します．
最後に，多数の御協力や御理解，御助言をして頂いたエ
ネルギー変換工学研究室の皆様，特に学部 4 年生の柳沼真
之介氏に心から感謝致します．
1)
Koike, M., Present and Future Direct Injection Gasoline
Engines, Engine Technology, 4-4, pp.14-20. , 2002
2) T.Ohmura, Y.Kanoto, N.Iida, Combustion Control of
Small HCCI Engine Fuelled with DME Using Hot and
Cold EGR Gas,pp.1936-1942. , 2007
3) 水谷幸夫, 燃焼工学, p217, 2002
4) Y.Ohta, Fuel – Air Cycle, 1995-2013
http://www.geocities.jp/bequemereise/fuel_air_cycle.html

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