川野 大輔

混合燃料の気液平衡や物性値を推定する多成分燃料噴霧モデルは、多成分燃料噴霧の燃料濃度分布特性を表現できる。本論文では、WAVE-MTABモデルを分裂モデルに適用し、高圧噴射条件下における二成分燃料噴霧の噴霧特性を解析した。その結果、二成分燃料噴霧の先端挙動及び各燃料の濃度分布を再現することができた。

以前の研究では、多成分燃料の瞬間沸騰噴霧のモデルを構築し、KIVAコードに実装した。最新のディーゼルエンジンに多成分燃料を適用するためには、高い噴射圧力での噴霧特性を調査する必要がある。本研究では、高噴射圧力での噴射特性に及ぼす初期燃料温度の影響を調査した。

局所的排出ガス汚染の把握には実路における実走行車両の排出ガス量の評価が必要だが，全ての車両に対する計測は不可能である。既報において，エンジン試験，車両試験の結果を基にしたNOx排出量計算式を提案した。本報では，実路走行時のNOx排出量予測に必要となるドライバモデルの構築を行った結果を報告する。

局所的排出ガス汚染の把握には、リアルワールドにおける実走行車両の排出ガス量の評価が必要だが、全ての車両に対する計測は不可能である。本研究では実走行車両の排出ガス性能の評価のために、エンジン試験、車両試験の結果をベースとしたシミュレーションモデルを構築し、その精度について検討を行った。

著者らが提案している従来の航続距離延長自動運転は何れも直線走行のみを考慮しているが、旋回時にはタイヤの横滑りによる抵抗や左右輪の回転速度差等が生じるので、旋回を含んだコースに適用することはできない。本稿では、車両の旋回運動、その際にタイヤの横滑りによって生じるコーナリング抵抗をモデル化することで、航続距離延長自動運転を旋回を含んだコースで適用できるように拡張すした。また、シミュレーション及び実験によって提案法の有効性を示した。

エンジンの暖機過程を予測することは、冷機始動時における燃費・排出ガス性能等のシミュレーションや、エンジン水温センサ異常時の制御機能の維持に有効である。本研究では、簡易的なモデルと実験的に定量化したエンジンシステムの総熱容量を用いて、暖機過程におけるエンジン水温の変化を予測する手法を構築した。

ポスト新長期規制適合車に搭載されているディーゼルエンジンを用いて、従来の重量車燃費試験法による燃費計算値とエンジンベンチにおける燃費計測値を比較した。さらに、個々のエンジンの過渡特性に基づいた補正方法を考案し、その効果を検証した結果、本補正方法により高精度に試験エンジンの過渡特性を表現できることがわかった。

重量車の型式認証試験における燃料消費率試験法では、エンジンの定常状態で計測した燃費マップから参照した瞬時燃料消費量を積算しモード走行燃費を計算しているため、過渡的なエンジン性能は考慮されない。本研究では、エンジン個々の過度特性に基づいて補正を行う高精度に重量車の燃料消費率を算出する方法を考案し、ポスト新長期規制適合した重量車用エンジンを用いてその妥当性を検証した。

Electric vehicles (EVs) have been intensively studied over the past decade, owing to their environmentally-friendly characteristics. However, the miles-per-charge of typical EVs is lower than the cruising range of typical internal combustion engine vehicles. To increase miles-per-charge, the authors' research group has proposed a series of control systems, including Range Extension Control Systems (RECS) and Range Extension Autonomous Driving (READ) systems. In this paper, by considering the load transfer, slip ratio, motor losses, a READ system is proposed that optimizes the velocity trajectory and the front and rear driving-braking force distribution ratio; these techniques help reduce the consumption energy of the autonomous vehicle. The effectiveness of the proposed method is verified by simulations and experiments.

国内のスギ廃材から製造される水素、メタノール、ジメチルエーテル（DME）、および合成軽油（FTD）を対象とし、実データを用いたWell to WheelにわたるLCA分析を行い、各バイオ燃料のCO2排出量削減効果を検証した。その結果、バイオ燃料の種類によりそれぞれ異なる長所・短所を有するものの、国内のバイオマス資源を利用する場合は、共通して製造時の所内動力の削減と車両燃費の向上が今後の課題であることが示唆された。

各種BDFやHVO・BTLを想定した炭化水素燃料をディーゼル機関に使用した際のNOx排出特性を解析した。その結果、既存のディーゼル機関にバイオマス由来の燃料を適用する場合、低位発熱量が軽油と変わらず、かつ高H/C比により火炎温度が低下するHVOやBTLが有望であることが示唆された。

重量車用ディーゼルエンジンを用いて、BDFと水素化バイオ軽油（HVO）使用時のNOx排出特性を解析した。発熱量の低下に伴う燃料噴射量の増加によるEGR率等の燃焼制御パラメータの変化、およびH/C比の増加による火炎温度の低下がNOx排出特性に対して支配的であることがわかった。

本報ではKIVA3Vをベースに筆者らが構築した多成分燃料噴霧モデルにShellモデルを導入し、定容容器における実験値との比較からその妥当性を検証するとともに、種々の二成分混合燃料噴霧の着火機構を調べた。さらに、このモデルを用いて、沸点ならびに着火性の異なる二成分からなる混合燃料による燃焼制御法の実現可能性を調べた。

多成分燃料噴霧モデルに着火・燃焼モデルを組み込むことにより、二成分燃料の噴霧燃焼モデルを構築した。本モデルによる計算結果と定容容器による二成分燃料の噴霧燃焼実験の結果を比較した結果、計算結果と実験結果は良い一致を示し、構築したモデル、ひいては混合燃料を用いた燃焼制御手法の妥当性が示された。

単気筒エンジンを用いたBDFの基礎燃焼実験、および0次元サイクルシミュレーションによる数値解析により、NOx増大を引き起こす要因を詳細に解析した。その結果、軽油運転時に対する顕著な熱発生率の変化や、燃焼ガスの比熱変化に伴う燃焼温度上昇は見られず、噴霧中への空気導入量の変化等がNOx排出量増大の主要因であることがわかった。

軽油に対するBDFの混合割合が尿素SCR触媒を装着したディーゼル機関のNOx排出特性に与える影響を解析した。JE05モード試験を行った結果、BDFの混合割合増加によりエンジンアウトのNOx排出量は増加するとともに、尿素SCR触媒のNOx浄化率が大きく低下した。これは、BDF使用時に尿素SCR触媒入り口でのNO2/NOx比が低下したことが主な原因であった。

ディーゼル機関においてHPL及びLPL-EGRを組み合わせたシステムについて調査を行った結果、低負荷では両EGRシステムを併用することで燃費の悪化を招かずに排出ガスを低減することが可能となった。一方高負荷では、LPL-EGRの増量と高過給の組み合わせによりNOxとsootの同時低減が可能となった。

The investigation of vehicle performances under on-road conditions has been required for emission reduction and energy saving in the real world. In this study, Real Car Simulation Bench (RC-S) was developed as an instrument for actual vehicle bench tests under on-road driving conditions, which could not be performed by using conventional chassis dynamometer (CH-DY). The experimental results obtained by RC-S were compared with the on-road driving data on the same car as used in RC-S tests. As a result, it was confirmed that RC-S could accurately reproduce the behavior of fuel consumption and exhaust emissions under on-road driving conditions. © 2009 SAE International.

当方らが提唱している、可変バルブタイミング機構を用いたMiller-PCCI燃焼について、各運転条件の燃焼室内における当量比（）-温度（T）マップに注目し、その数値計算による燃焼・排出ガス特性の詳細な解析を行った。その結果、Miller-PCCI燃焼では、混合気の希薄化と最高燃焼温度の低下によりsootとNOxの同時低減が実現されていることが示された。

可変バルブタイミング機構によるMillerサイクルを用いたPCCI燃焼（Miller-PCCI燃焼）を提案し、その燃焼・排出ガス特性を実験、数値計算の双方で解析した。その結果、NOxとsootの同時低減が過渡モード試験で使用される広い運転領域で実現でき、図示平均有効圧（IMEP）1.3 MPaまでMiller-PCCI燃焼を適用できた。

LPL-EGRシステムを導入した多気筒ディーゼル機関を用い、従来のHPL-EGRシステムとの併用による高効率･低エミッション化の可能性を検証した。その結果、低負荷ではHPL-EGRを主体としたLPL-EGRの併用、高負荷ではLPL-EGRと高過給の組み合わせにより、燃費の悪化を抑制しつつ低エミッション化が可能となった。

NSR触媒を装着した最新型ディーゼル機関の燃焼・排出ガス特性に対する軽油へのBDFの混合割合の影響を解析した。その結果、混合割合により触媒前後の排出ガス特性が大幅に変化した。特に、BDFの混合割合の増加に伴い、NSR触媒によるNOx浄化率が大幅に低下することがわかった。

菜種油メチルエステル（RME）およびRME5%混合軽油をディーゼルエンジンで用いたときのノズルチップ上のカーボンデポジット堆積過程を定量的に把握するとともにSEM観察により微細構造を明らかにした。蒸留特性、粘度、微粒子生成傾向がカーボンデポジット生成に与える影響について検討し、蒸留特性の影響が最も大きいことを明らかにした。

従来よりも低温度かつ多量のEGRガスが得られる低圧ループEGR（LPL-EGR）システムを商用車用の多気筒ディーゼル機関に導入し、それらが機関性能に与える影響を明らかにした。従来の高圧ループEGR（HPL-EGR）システムと比べてLPL-EGRシステムでは吸気温度が低下するため、NOxとsootを同時に低減することができた。

LPL-EGRシステムを導入した商用車用の多気筒ディーゼル機関を用い、液化合成燃料（GTL）を用いた場合の排出ガス特性について軽油を用いた場合との比較検討を行った。GTLの高セタン価、低soot・THC等の特性を生かし、低負荷域では従来のHPL-EGRを、中・高負荷域でLPL-EGRを使用することにより、広い負荷域で燃費の悪化を招くことなく大幅なNOx低減効果が得られた。

BDFをEGRシステムとNSR触媒を有するディーゼル機関に適用した結果、リッチスパイクの噴射量を増加してもNSR触媒のNOx浄化率が著しく低下した。一方、EGR率の増加により、含酸素燃料の特徴によりPM排出量の増加を抑えつつ、NOx排出量を低減することができた。

A novel approach to reduce diesel engine emissions at relatively low injection pressures is proposed. This approach is based on the use of a mixed fuel where an additive or a low boiling point fuel such as CO2, gas fuel, or gasoline is mixed with a higher boiling point fuel such as diesel gas oil. When producing such a fuel, the vapour-liquid equilibrium in the twophase region where the liquid and vapour phases of both components coexist is taken into account. In designing a mixed fuel, the authors intend to control both the physical process in the spray such as fuel evaporation and vapour air mixing and the chemical processes including spontaneous ignition and with reactions with regard to NOx, particulate matter (PM), and hydrocarbon (HC) formation. In this study flash boiling of mixed fuel is particularly focused on enhancing the mixing process in the spray because it has the potential to achieve fast evaporation and relatively lean and homogeneous mixtures. Experiments were carried out using two types of mixed fuel, both of which can generate flash boiling during injection events. In an experiment using a rapid compression machine (RCM) and an optical engine, mixed fuels consisting of liquefied CO2 as an additive and n-tridecane representing gas oil were employed with the aim of simultaneously reducting soot and NOx emissions. The high-speed images acquired for sprays reacting in the RCM and the engine clearly showed a significant reduction of soot formation in the spray. Reductions of soot and NOx emissions as well as the fuel consumption were also confirmed by emission measurements and a combustion analysis respectively. In other experiments, different types of mixed fuel consisting of gas or gasoline and gas oil were tested to see the effects on both the evaporation and ignition processes. The result of an engine experiment showed marked reductions of soot and HC emissions and fuel consumption. © IMechE 2008.

前報では、既存のディーゼル機関にBDFを適用した際、軽油使用時と比べて排出ガス特性が悪化する傾向を示した。そこで本報では、BDF適用時における排出ガス特性の改善を目的とし、機関の改良を行った。その結果、高EGR化によりPMとNOxのトレードオフが回避され、排出ガス性能が大幅に向上した。

A variable valve timing (VVT) mechanism is applied to achieve premixed diesel combustion at higher load for low emissions and high thermal efficiency in a light-duty diesel engine. By means of late intake valve closing (LIVC), compressed gas temperatures near the top dead centre are lowered, thereby preventing too early ignition and increasing ignition delay to enhance fuel-air mixing. The variability of an effective compression ratio has significant potential for ignition timing control of conventional diesel fuel mixtures. At the same time, the expansion ratio is kept constant to ensure thermal efficiency. Combining the control of LIVC, exhaust gas recirculation (EGR), supercharging systems, and high-pressure fuel injection equipment can simultaneously reduce NO(x) and smoke. The NO(x) and smoke suppression mechanism in the premixed diesel combustion is analysed using a three-dimensional computational fluid dynamics (3D-CFD) code combined with detailed chemistry. LIVC can achieve a significant NO(x) and smoke reduction due to lowering combustion temperatures and avoiding local over-rich regions in the mixtures respectively.

EGR下で局所リッチ領域を低減する方策として、可変バルブタイミング機構を用いた低圧縮比高膨張比サイクルによる予混合ディーゼル燃焼の制御手法を提案した。これにより、NOx、煤（soot）、燃焼騒音の大幅な同時低減が可能であり、かつ排気温度が通常燃焼と比べて上昇するため、後処理装置の浄化率向上にも寄与することを確認した。

可変バルブ機構を備えたディーゼル機関を用い、高負荷において排出ガスを低減するための燃焼制御の方向性について実験的に検討した。EGRによりNOxの生成を抑制した上で、吸気バルブの遅閉じを用いた噴射時期遅角側での低温予混合ディーゼル燃焼を行うことにより、NOxとsmokeの同時低減が可能となることを示した。

BDFを既存のディーゼル機関に適用し、燃焼・排出ガス特性の解析を行い、軽油と比較した。定常試験とJE05モード試験双方で、BDFの方が軽油と比べてNOx、PM排出量が増加し、これらを改善するためには高EGR化やリッチスパイクの最適化が必要であることがわかった。

可変バルブタイミングによる吸気バルブ（VVT）の遅閉じは、圧縮端の雰囲気温度を制御することができ、軽油の予混合化を促進した上での着火時期の制御が可能となることがわかった。この技術をEGR、過給と組み合わせることは、中高負荷運転域におけるNOxと黒煙の同時低減を実現するひとつの指針となりうることを示した。

Flash-boiling occurs when a fuel is injected into a combustion chamber where the ambient pressure is lower than the saturation pressure of the fuel. It has been known that flashing is a favorable mechanism for atomizing liquid fuels. On the other hand, alternative fuels, such as gaseous fuels and oxygenated fuels, are used to achieve low exhaust emissions in recent years. In general, most of these alternative fuels have high volatility and flash-boiling takes place easily in the fuel spray when injected into the combustion chamber of an internal combustion engine under high pressure. In addition the multicomponent mixture of high- and low-volatility fuels has been proposed in the previous study in order to control the spray and combustion processes in an internal combustion engine. It was found that the multicomponent fuel produces flash-boiling with an increase in the initial fuel temperature. Therefore, it is important to investigate these flash-boiling processes in fuel spray. In the present study, the submodels of a flash-boiling spray are constructed. These submodels consider the bubble nucleation, growth, and disruption in the nozzle orifice and injected fuel droplets. The model is implemented in KIVA3V and the spray characteristics of multicomponent fuel with and without flashing are numerically investigated. In addition, these numerical results are compared with experimental data obtained in the previous study using a constant volume vessel. The flashing spray characteristics from numerical simulation qualitatively show good agreement with the experimental results. In particular, it is confirmed from both the numerical and experimental data that flash-boiling effectively accelerates the atomization and vaporization of fuel droplets. This means that a lean homogeneous mixture can be quickly formed using flash-boiling in the combustion chamber. © 2006 Wiley Periodicals, Inc.

EGRによりNOxの生成を抑制したうえで、高圧噴射、過給および有効圧縮比の可変制御により燃料の予混合化を促進した。その結果、これまで極めて困難であった中速中負荷運転領域における市販軽油の使用を前提とした予混合ディーゼル燃焼を実現することができ、NOxと黒煙の大幅な同時低減を可能にした。

気泡核生成、成長、崩壊を考慮した低沸点・高沸点混合燃料の減圧沸騰噴霧モデルを構築し、KIVA3Vに組み込むことによりその数値解析を行った。その結果、噴霧先端到達距離の計算結果は、定量的に実験値とよく一致した。さらに、減圧沸騰効果により液滴径が大幅に減少し、混合燃料中のどちらの成分も良好な蒸発特性を示した。

ディーゼル燃焼におけるEGRの有無およびHCCI燃焼によるPM排出特性の変化を、重量サンプリング法、走査式モビリティーパーティクルサイザー（SMPS）、レーザ誘起赤熱（LII）法を用いて解析した。HCCI燃焼では凝縮核モード・凝集モード双方の粒子数が明らかに減少し、またEGRの有無では、SOFの影響等により3つの測定方法で体積分率の傾向が入れ替わる現象が見られた。

軽油に高オクタン価成分を混合することにより均一予混合圧縮着火（HCCI）燃焼を実現する手法を提案し、単気筒ディーゼル機関による実験により超低NOxが実現できることを確認した。しかし、THC、CO、可溶性有機成分（SOF）排出量が増加するケースが見られ、混合燃料噴霧モデルを用いた数値解析結果から、液相ペネトレーションを減少させる必要があることがわかった。

燃料温度上昇により得られる低沸点・高沸点混合燃料の減圧沸騰噴霧を定容容器で観察するとともに、混合燃料を単気筒ディーゼル機関にも適用し、初期燃料温度や混合割合の変化による熱発生および排出ガス特性への影響を調査した。その結果、減圧沸騰による微粒化・蒸発過程の改善により、smoke排出量を大きく低減できることが示された。

多成分燃料の物性値や気液平衡を考慮した多成分燃料噴霧モデルを新たに構築し、数値シミュレーションコードKIVA3Vに組み込んだ。本モデルを用いて、多成分燃料の噴霧特性に対する燃料組成の影響を解析した結果、低沸点成分を混合すると、高沸点成分の蒸発が促進されるが、さらに低沸点成分の混合割合が増加すると、逆に高沸点成分の蒸発が抑制されることがわかった。

低沸点・高沸点混合燃料を実機関に適用した場合の機関性能・排気特性を調べた。その結果、低沸点成分の混合により未燃炭化水素（HC）排出量は増加するものの、エネルギー消費率には影響がなく、混合燃料を用いることによる黒煙（smoke）・NOx同時低減の可能性を見出した。

減圧沸騰噴霧の発達過程を調べるため、混合燃料の飽和蒸気圧力に関わるパラメータを設定し減圧沸騰噴霧を実現した。この実験的解析から、初期燃料温度の上昇および雰囲気温度の低下によって減圧沸騰が生じ、微粒化・蒸気化が促進されるため、噴霧先端到達距離が短く半径方向に広く分散する噴霧が得られることを確認した。

n-ペンタン・n-トリデカン混合燃料を用いて、レーザ誘起蛍光（LIF）法およびMie散乱光撮影による噴霧の2次元蒸気濃度分布を測定した。その結果、低沸点成分が噴霧上流部で蒸発するため、高沸点成分が噴霧下流部に多く存在し、その液相長さは混合燃料の90%留出温度（T90）で整理できることがわかった。

本研究では、低沸点・高沸点混合燃料を用いて低エミッション・燃焼制御を実現する燃料設計コンセプトを提案する。混合燃料の相互溶解実験によりパラフィン系炭化水素同士は容易に混合することを確認した。さらに、混合燃料を用いた蒸発および燃焼実験を行い、低沸点・高沸点混合燃料の噴霧燃焼特性を把握した。