予混合気の自己着火燃焼制御における不均質性寄与度の定量的評価手法に関する研究

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HCCI機関等に見られる予混合気の自己着火燃焼は, 高い化学反応依存性を示す一方で, 燃焼室内に存在する燃料濃度, 温度の不均質性にも影響される。実験的にこれらの影響を詳細に把握することは困難であり, また, その影響を定量的に評価する手法はない。そこで, 数値計算によりこれらの不均質性が予混合気の着火および燃焼に及ぼす影響を解析し, 定量的に評価する手法を提案することを目的に研究を行った。市販のCFDコードを用いて, メタンの詳細な化学反応過程を考慮(反応数58, 化学種数17)して計算を行った。レシプロエンジンの燃焼室内を模擬した円柱形状(総メッシュ数3520)を対象に, この場を3つの領域に分割し, 温度, 濃度を任意に設定できる計算モデルを構築し, まず一定体積で計算を行った。しかしながら, 体積不変条件でさえ計算に要する時間は1条件で1週間程度を要し, ピストン運動で領域体積が変化する場の計算には不向きと判断し, マルチゾーンモデルに変更し, レシプロエンジンのピストン往復運動を模擬した状態で, 燃料濃度, 温度の不均質性の影響を調査した。このモデルでは, 燃料および温度の領域を体積比可変で2分割して計算した。投入熱量が同じ条件では, 2つの領域の燃料濃度(当量比)が変化すると, 着火時期はあまり影響を受けないが、その後の熱発生は大きく変化し, 当量比の分散が大きくなるにつれ燃焼期間は長くなり, その関係は1次線形であることが分かった。また, 温度の不均質性の影響については, 温度の標準偏差が大きくなるにつれ, 着火時期は1次線形で早期化したが, 燃焼期間は温度の標準偏差, 分散が変化してもほぼ一定となった。燃焼室内の燃料および温度の不均質性による予混合気の自己着火時期および燃焼期間の制御可能性を示すと共に, 温度の標準偏差と着火時期の指標に, 当量比の分散を燃焼機関の指標とできることを明らかにした。