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火花点火機関における誘電体バリア放電を用いた着火性改善に関する研究

井上, 貴裕 京都大学 DOI:10.14989/doctor.k24006

2022.03.23

概要

本論文は火花点火機関における点火機構を明らかにするとともに、非平衡プラズマを活用したあらたな点火システムを構築することを目的とした研究をまとめたもので、6章からなっている。

まず、第1章では現在の火花点火機関を取り巻く状況と、さらなる高効率化を目指すうえで明らかにすべき事項についてまとめている。また,火花点火過程は従来の熱流体解析の手法等で取り扱うのが困難であり,詳細な可視化実験等による検討が必要であることを示している.

つづく第 2 章では、火花放電点火(Spark Ignition : SI)を対象に高流動を発生させることが可能な定容容器を構築し、流速および燃焼状態を変化させて流動下での放電の挙動を検討した。その結果、高流動下において再放電の経路には電極間および放電経路間の 2 種類が存在することが確認され、再放電が発生する周期および回数は流速に依存することが確認された。高速撮影と同時に取得した電圧および電流波形を用いて、高流動下における再放電挙動と混合気に与えられる放電エネルギーの関係性を検討した結果、火花放電は、再放電が発生する経路、流速、燃焼条件によって、混合気への放電エネルギーの与え方が変わることが判明した。着火の安定性には、放電環境の影響を受けず、一定の周期かつ一定の放電エネルギーを繰り返し投入できる点火方式が望ましいことが明らかとなった。

そこで、第 3 章では多段パルス放電(Multi-Stage Pulse Discharge : MSPD)装置を構築し、単気筒可視機関を用いて希薄条件における SI と MSPD の点火性能の比較を行った。その結果、MSPD では SI よりも安定した燃焼となることを示した。また、スワール流を発生させた条件で MSPD を用いることで燃焼変動の低減効果がより大きくなり、SI と比べ安定した燃焼を達成可能であることが示された。一方で、スワール流を発生させていない条件では、 SI および MSPD 共に火炎の成長が電極によって妨げられていることが分かった。また、SIは放電伸張によって接地電極から離れた箇所で長い期間混合気にエネルギーを与えることで、大きな火炎核を形成するのに対し、MSPD は押し流された火炎核の上流で新たな火炎核を形成し、それらが連なることで大きな火炎を形成していることが明らかになった。

第 4 章では、第 3 章で示した MSPD での単一方向で生じる放電特性を体積的に拡張し、かつ、比較的簡素な構成で電極消耗の少ない誘電体バリア放電(DBD)による点火の研究を行った。新たに構築した交流電源および DBD プラグにおいて、昇圧環境下での放電観察試験および定容燃焼容器を用いた着火試験を行った。空気比および圧力を変化させた結果、DBD による点火では圧力上昇により放電路 1 本あたりの放電エネルギー密度が上昇するため、所定の圧力を超えると着火に至ることを示し、混合気が燃料希薄条件になるほど点火可能となる圧力のしきい値が上昇することを示した。さらに、DBD によって形成される火炎核の体積は通常の放電と比較して大きく、複雑なしわ構造を持つことが示された。また、希薄限界向上に対して消炎作用が小さい電極構造が有効であることが示唆された。

第 5 章では、DBD の別の活用方法としてオゾン供給による HCCI 燃焼への応用を試みた。エンジンの吸気管に取り付け可能な誘電体バリア放電装置(オゾナイザ)を製作し、オゾナイザの基本特性として、吸気温度および露点がオゾン発生量に与える影響、ならびにオゾナイザの圧力損失について定量的に評価した。基本特性の評価結果からは、オゾン発生器の電極温度を低く維持することが単位電力あたりのオゾン発生量の向上に重要であることが判明した。続いて、製作したオゾナイザを取り付けた単気筒機関により HCCI 燃焼試験を実施し、自着火時期が進角することを確認した。さらに、過渡運転状態を模擬した HCCI 燃焼制御に対してオゾナイザを用いることで失火を抑える効果を確認し、DBD を用いた燃焼制御装置としての可能性を示した。

第6章では本研究に関する結果をまとめるとともに、今後の火花点火機関における点火手法の可能性をしめした。

以上、本研究では、高流動および超希薄燃焼に対応できる実用的な点火装置の実現に向けて、誘電体バリア放電を用いた点火方式に関する研究を行い、可視画像による着火過程の考察と併せて基礎的な着火特性を調べることで、新たな点火装置としての可能性を示した。

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