近年、地球温暖化、酸性雨、オゾン発生など新たな環境問題がクローズアップし、北米を中心に自動車の排気規制が強化されつつある。特に、米国のカリフォルニア州では1994年以降に現在の規制値に対する未燃炭化水素(HC)低減率を68%とするTLEV(Transitional Low Emission Vehicle)、81%とするLEV(Low Emission Vehicle)、90%とするULEV(Ultra Low Emission Vehicle)を導入しなければならない。また、LEV,ULEVでは現在の規制値に対する窒素酸化物(NOx)低減率も50%とする必要がある。特にHCに関しては、1975年に実施されたマスキー法以来の大幅な低減を図る必要があり、エンジン本体の改良とともにエンジン制御システムおよび構成要素の開発、改良が不可欠である。マスキー法においては、HC、NOx、一酸化炭素(CO)の排出量が規制され、HCに関しては、90%低減が義務付けられた。これに対しては、三元触媒による化学的除去で対応した。

　米国排気規制における排気試験モード(LA4モード)では三元触媒を装着しても試験モードの1山目までに全モード走行時の累積HC排出量の70%を排出する。この理由として、始動直後は触媒の温度が低いため触媒が活性化せず、排気が浄化されずに排出されることが考えられる。さらに、吸気管や気筒の温度が低い場合には、燃料が気化しにくく、混合気濃度が不均一な状態であったり、また燃料に着目すると気化燃料と液滴燃料が混在した不均質な状態が存在し、HCを排出しやすい燃焼となると思われる。本研究では吸気管内燃料噴射装置の噴霧特性改善によりHC排出量を低減することを目的とした。

　まず、石英棒を気筒内に挿入し、燃料の流入状況を観察した結果、数百ミクロン程度の液滴が気筒内に流入することを明らかとした。点火プラグに石英ファイバを内蔵したセンサによって燃焼状況を調べた結果、HC排出量が多いときには、図1に示すように燃焼後期に発光強度が強くなり、これは固体輻射を伴う燃焼となっており、また、石英ピストンを用いた可視化用エンジンで気筒内の燃焼状況を観察し、火炎の中に輝度の強い部分が存在したり、燃焼後期に輝炎が発生するとHC排出量が多くなることを解明した。これらは気筒内の混合気濃度が不均一な状態や、気化燃料と液滴燃料が混在する不均質な状態によると考えられ、HCの排出を低減するためには、これら輝炎を伴う燃焼を抑止することが必要で、噴霧特性の改善が重要であることを示した。

図1 燃焼光の検出結果

　燃料噴射弁の噴霧特性として重要な噴霧粒径、広がり角とHC排出量の関係について検討した。図2に示すように噴霧粒径が200mでは吸気行程に燃料を噴射するとHC排出量が多くなるが、40mにすると吸気行程に燃料を噴射してもHC排出量が多くならない。粒径を小さくするとHC排出量を少なくできるが、噴霧広がり角が大きくなると吸気管への燃料の付着が多くなり、HC排出量が多くなる。吸気管壁面に燃料が付着しない条件では、吸気弁に均一に燃料を分散させた方がHC排出量が少ないことを示した。

図2 噴霧粒径の影響

　噴霧粒径と広がり角を同時に満足できる微粒化方法について検討した。旋回化式は雰囲気圧力、温度の影響が少なく、一定の微粒化特性を維持でき、ピントル式は雰囲気圧力、温度の影響を受けやすく、この現象は従来の噴霧の解析に減圧沸騰による蒸気の影響を考慮することによって説明できることを示した。そこで図3に示すように旋回式に空気アトマイザを付加した気流微粒化式において、空気アトマイザの寸法パラメータと噴霧粒径、広がり角の関係を検討し、広がり角の増大なく、粒径を小さくできる仕様を明らかとした。

図3 気流微粒化噴射弁の構成

　第4章で明らかとした気流微粒化方式を燃料噴射弁に適用し、噴霧粒径、広がり角などの評価を行った。空気アトマイザの寸法パラメータを燃料噴射弁に適用し、広がり角の増大なく、噴霧粒径を小さくできる1方向および2方向気流微粒化式噴射弁を開発した。図4に燃料噴射弁の微粒化特性を示す。微粒化用空気を絞り弁上流から導入するので、吸気圧力が低くなると大気圧に比べて差が大きくなる。微粒化用空気が多くなるにつれ、噴霧粒径が小さくなる。図5に吸気圧力を変化させた時の噴霧形状を示す。吸気圧力が小さくなっても、噴霧形状はほぼ一定に保つことができ、吸気管への燃料の付着の増大を防ぐことができる。また、気筒内の燃焼状況を観察した結果、噴霧粒径を40mとすると、点在した輝度の強い燃焼や輝炎の発生を抑止できた。さらに、低温始動性、アイドル安定性を改善できることを明らかとした。

図4 微粒化特性

図5 噴霧形状

　噴霧の広がり角の増大なく、粒径を小さくした2方向気流微粒化式燃料噴射弁を用いた気流微粒化式燃料噴射システムを2吸気弁エンジンに装着し、HC排出量を低減することができた。絞り弁の上流から微粒化用空気を燃料噴射弁の先端に導き燃料を微粒化する方式とした。図6に微粒化用空気量とHC低減率の関係を示す。エンジン回転数1600rpm、水温、油温40℃、空燃比を14一定とした。吸気圧力を35kPaから90kPaまで変化させた。微粒化用空気量を多くすると噴霧粒径が小さくなるため、HC排出量を少なくできる。微粒化用空気を大気圧と吸気管内圧との差で導入する場合、空気ノズルの面積が一定であるのでLA4モード運転時には破線で示すように微粒化用空気が流れるため、HC低減率は20-30%程度となる。

図6 微粒化用空気量とHC低減率

　図7に燃料噴射時期とHC排出量、吸入率の関係を示す。吸気圧力を60kPa一定とした。1サイクル後の気筒内の燃料吸入率は、空燃比をステップ的に変化させたときの時間的変化から測定した。微粒化用空気が無いと燃料噴射時期を吸気行程に近づけるとHC排出量が多くなり、吸気行程で燃料を噴射できないが、微粒化すると燃料噴射時期を吸気行程に近づけてもHCの増大を抑制でき、かつ1サイクル後の気筒内への燃料の吸入率を大きくできる。図8にLA4モード走行時のHC排出量を測定した結果を示す。エンジン始動後にHC排出量の低減効果が大きいことがわかる。微粒化用空気を導入し、さらに空燃を大きく設定することによって、HC排出量を少なくできることを実証した。

図7 燃料噴射時期とHC排出量、吸入率

図8 実車評価結果

　本研究により気流微粒化式噴射弁を開発し、HC排出量を低減することができたので、吸気管内噴射式ガソリンエンジンの排気浄化性同上に寄与し、さらに燃料噴射弁の開発手法を明らかとしたことにより、今後の燃料噴射弁の開発にも貢献できると考える。