Final Program
2001 Japan-China Workshop on Combustion and Its Latest Measuring Techniques
Organized by Gunma
University and Xi'an Jiaotong University
Sponsored by JSPS,
NSFC and JSME-RC180
Kiryu area industry promotion center (http://www.kiryujibasan.or.jp/)
PREFACE
WORKING GROUP
CONTENTS
Keynote lecture
1.
The Development of Automobile and
Motorcycle Industry and
Exhaust Pollution Control in China,
Deming Jiang
and Xiaojun Yan, Xi'an Jiaotong University, (China) 1
l 1-1 Invited lectures: Situation of the Internal Combustion Engines for Automobiles (11:15am.-)
2.
Development of a 1.5L Lean-Burn Engine
for The 2001 Civic,
Masato
Matsuki, Hideji Ohura, Katsushi Watanabe and
Yuusuke
Kinoshita, Honda R&D Co. LTD, (Japan) 5
3.
Application of a New Combustion Concept
to Direct Injection Gasoline Engine,
Yoshihiro
Iwashita, Toyota motor, (Japan) 15
l 1-2 Fundamental Studies for Internal Combustion Engine of Automobile (1:30pm.-)
4.
Application of Laser Diagnostics for
Internal Combustion Engines,
Tomio
Obokata, Gunma University, (Japan) 37
5.
PIV Measurements in Various Flows,
Tsuneaki
Ishima and Tomio Obokata, Gunma University, (Japan) 45
6.
Combustion and Emission Characteristics
of Natural Gas Direct Injection
Stratified Combustion,
Zuohua
Huang, The University of Tokyo,
Seiichi
Shiga, Gunma University,
Takamasa
Ueda, Nobuhisa Jingu, Nissan Motor Co., Ltd.,
Hisao
Nakamura, Tusneaki Ishima, Tomio Obokata, Gunma University,
Mitsuhiro
Tsue and Michikata Kono, The University of Tokyo, (Japan) 51
7.
LIF Analysis on a Diffusion Flame,
Kenji
Amagai, Kazuhiro Hayashida and
Masataka
Arai, Gunma University, (Japan) 61
8.
Quantitative Imaging of Drop Size,
Velocity and Mixture Concentration
in a D.I. Gasoline Spray,
Keiya
Nishida, Masahisa Yamakawa and
Yuyin Zhang,
University of Hiroshima, (Japan) 69
9.
Study on Improvement of Fuel Economy and
Reduction in Emissions for Stoichiometric
Gasoline Engines by using cold EGR and Higher Compression Ratio,
Longbao
Zhou, Yingbin Dong and
Wei Li,
Xi'an Jiaotong University, (China). 75
10. Effect
of Injection Rate on the Performance and Emissions of
a Direct Injection Gasoline Engine in Comparison with the Port-Injection
Operation,
Seiichi
Shiga, Gunma University,
Kazumitsu
Kobayashi, Unisia Jecs Co. Ltd.
Eiji Hayakawa,
Takashi Mtsuura, Hisao Nakamura,
Tsuneaki
Ishima and Tomio Obokata, Gunma University, (Japan) 79
11. Mutual
interference of impinging sprays,
Masahiro
Saito and Masataka Arai, Gunma University, (Japan) 85
Banquet (International Mushroom hotel) (6:30pm.-)
l
Keynote lecture
12. Application
of the Porous Burner Technology in Energy- and Heat-Engineering,
Franz Durst,
S. Mößbauer, O. Pickenäcker, K. Pickenäcker, and D. Trimis,
University of
Erlangen-Nuremberg, (Germany). 95
l
2-1 Measuring and Analyzing Techniques for the Engine (10:15am.-)
13. A
Study on Fractal Analysis of Tumbling Flow in a Spark Ignition Engine
Using Wavelet Transform,
Zhong Zhang,
Industrial Technology Center of Okayama Prefecture,
Hiroaki
Kawabata, Okayama Prefectural University,
Eiji Tomita,
Okayama University, (Japan) 103
14. Measurement
of Vapor Concentration in Case of Fuel Spray with Multiple Components,
Hajime
Fujimoto and Jiro Senda, Doshisha University, (Japan) 111
15. Diagnosis
of Misfire and Partial Burning for Spark Ignition Engine by Spark-Plug,
Xiaomin Wu
and Ying Wang, Xi'an Jiaotong University, (China) 117
16. Investigation
of Automobile Driving Mode and Road Emission Factors
of a Vehicle in Tianjin's City Road,
Y.X. Yang,
Q. Du C.W. Liu, X.L. Cai and
H. Du,
Tianjin University, (China) 123
l
2-2 Various Measurements of Combustion and Flow Field (1:00pm.-)
17. Practical
LIF Measurement of Nitrogen Oxide in Burner Flames,
Norihiko
Yoshikawa, Nagoya University, (Japan) 129
18. Simultaneous
Measurement of Vapor and Liquid Phase Concentration Distributions
in D.I. Diesel Sprays by Laser Absorption Scattering (LAS) Technique,
Yuyin Zhang,
Tomoaki Ito and
Keiya
Nishida, University of Hiroshima, (Japan) 135
19. Visualization
of Engine Exhaust Flows and Temperatures Measurements,
Katsuine
Tabei, Tadao Kimura and
Hiroyuki
Shirai, Gunma University, (Japan) 147
20. Measurement
and Numerical Simulation of Unsteady Temperature Fields
in Automotive Catalytic Converters,
Jian-Xin
Wang, Shi-Jin Shuai and
Ren-Jun
Zhuang, Tsinghua University, (China) 153
l
2-3 Numerical Simulations on Engine Combustion (3:15pm-)
21. A
Multi-zone Radiation Heat Transfer Model for a D.I. Diesel Engine,
Zhaoda Yan,
Hongyan Chen, Zhejiang University, (China),
Cheung Chen
Shun, The Hong Kong Polytechnic University,(China) 163
22. Simulation
on Injection Spray Development of Conical Nozzle for
HCCI Diesel Engine by KIVA,
Chuanli LIU,
Xi'an Jiaotong University, (China)
Xiaofeng
Yang, Honda R&D Ltd., (Japan)
Tomouki
Matsuda, Yousuke Eguro, Tsuneaki Ishima and
Tomio Obokata, Gunma
University, (Japan) 167
23. Development
of a Reverse Uniflow-Type Small Two-Stroke Cycle Gasoline DI Engine,
Yasuo
Moriyoshi, Chiba University, (Japan)
Koji
Morikawa and Hideharu Takimoto, Fuji Heavy Industries, (Japan) 177
24. Simulating
Engine's Combustion by the use of CFD Combined with a Detailed Kinetics,
Jin Kusaka
and Yasuhiro Daisho, Waseda University, (Japan) 185
25. Numerical
Simulation on Spark Ignition Process of premixed gases,
Mitsuhiro
Tsue and Michikata Kono, The University of Tokyo, (Japan) 191
l
Written Only
26. Measuring
Flame Temperature and Calculating Radiant Heat Transfer
in Cylinder of a High-Speed Light-Duty Diesel Engine,
Keyu Pan,
Mingan Liu, Shuo Chen and Zhen Ma,
Xi'an
Jiaotong University, (China) 199
27. A
Study on the Laminar Flame Characteristics of Methane-Air-Diluent Mixture,
Xiaojun Yan
and Deming Jiang, Xi’an Jiaotong University, (China) 207
28. Study
on the Initial Stage of the Hollow Swirling Spray from Pressure Swirl Nozzles,
Y.X. Yang,
Y.J. Lin, D.G. Xi, Q. Du and
P. Zhang
Tianjin University, (China) 213
平成13年6月28日から7月2日の日程で，2001 Japan-China Workshop on Combustion and its
Latest Measuring
Techniquesが群馬大学（議長：小保方富夫教授）と姉妹校の西安交通大学（議長：前学長蒋徳明教授）の主催，日本機械学会RC180研究分科会「燃焼のレーザ計測と数値解析の国際展開研究分科会」（主査：小保方）の共同開催で行われた．日程は，6月28日，29日が桐生地域地場産業振興センターにおける講演会，その後，中国側の研究者は栃木県内の工場，広島大学，広島県内の工場等の見学を行った．
本セミナーの開催目的は，（1）自動車エンジン技術と排出ガス規制の現状と将来，（2）エンジンの実験的研究手法の向上と普及，（3）学生，現場技術者の意識改革，（4）最近の研究成果の発表，（5）共同研究への発展等に関する検討であり，これらは両国のエンジン研究者にとって重要であると同時に，地球環境保護と省エネルギーの観点からは，同様な気候風土と都市構造を持つ東南アジア全体を視野に入れた展開を期待したものである．
発表件数は書面発表3件を含めて総数28件であった．本会は参加者を限定した会議であり，参加人数は中国側招聘者7名を含む50名であった．しかし，日本滞在中の中国出身者８名，USA,カナダ，エジプトからの参加者があり，ドイツからはレーザ計測で著名なエルランゲン大学のダルスト教授による基調講演があり，国際色豊かなワークショップとなった．また，RC180側からも多数の最新の研究成果が報告され，（株）本田技研とトヨタ自動車（株）からは新型自動車エンジンに関する招待講演があった．
以下に基調講演，招待講演，外国人参加者からの発表の概要を述べる．
1. "The Development of Automobile and Motorcycle Industry and Exhaust Pollution Control in China".
蒋徳明教授（西安交通大学）による基調講演で，中国の国勢，自動車・２輪車製造と利用，排出ガス規制の現状を紹介した．1999年の自動車生産量は183万台（日本の19％）で，７大グループで60％，残りは118社で生産しているが，後者の非効率が問題である．大グループもライセンス生産が主体で，新車開発能力，排ガス規制値レベルの決定とその測定法が課題である．２輪車製造は1100万台で世界の60％を生産している．自動車保有は毎年10％増加し，大都市での有害ガスの60-90％が自動車起源である．欧州車のライセンス生産からスタートしたことから，規制値は欧州基準（EURO－Ⅰ，Ⅱ）が適用され，ほぼ10年遅れで実施されている．WTO加盟との関連で次の点に注目している．(1)排出ガスレベルの改善，特に燃料噴射と触媒利用，(2)燃料性状の改善，(3)使用過程車の規制，(4)低排出レベル車への優遇措置などである．CNG，LNG利用やEUやUSとの国際共同研究も推進されている．
2.
"Development of a 1.5L Lean-Burn Engine for the 2001 Civic"．(株)本田技研木下裕介氏による招待講演．本田技研の環境・燃費対策の取り組みの一つとして，2001年モデルシビックに搭載された1.5リットルSOHC-VTECリーンバーンエンジンが，これまで開発されてきた同社VTECリーンバーンエンジンとの対比で紹介された．開発目標は，クラス最高の燃費，US-ULEVをクリアする低排気，10%コンパクトさの向上，そして通常運転モードにおけるドライバビリティ向上である．そのために，エンジンフリクション低減，吸気ポートと燃焼室形状最適化および多孔燃料噴射弁採用等による希薄燃焼性の向上（運転中の平均空燃比=22），そして伝達効率を向上したCVTの採用を実施した．排気対策としては，冷間時および量論条件のための３元触媒，そして希薄運転時のためのNOx吸蔵型３元触媒の採用を行った．同時に，エンジン静粛性改善のために，高剛性エンジンサイドマウントブラケット採用，クランク軸剛性増大および等長吸気マニフォールドの使用を行った．
3.
"Application of a New Combustion Concept to Direct Injection Gasoline
Engine"．トヨタ自動車（株）岩下義博氏の招待講演．トヨタ自動車では新しい燃焼コンセプトをもつ筒内直接噴射ガソリン機関を開発した．スリット状ノズルから形成されるファンスプレーとシェル状キャビティとの組み合わせによって，安定な成層燃焼を実現することができた．このシステムはタンブルやスワールなどの特別な空気流動なしでも，広い噴霧角と適度な貫徹性を持つ噴霧によって混合気濃度を適切に制御でき，良好な成層燃焼を実現することができた．噴霧特性と燃焼室形状が燃焼特性に及ぼす影響については，LIFにより可視化され，噴霧がピストン壁面に衝突する以前に分裂させることが点火栓まわりに球状の混合気塊を形成するために極めて重要であることが明らかにされた．本システムによって，広範囲のエンジン回転数でのトルク増大および成層燃焼運転領域の拡大が可能となり，直列６気筒３Ｌ機関に搭載されて従来比２０％の燃費向上をはかることができた．また，「噴霧のブレークアップ」という用語の使い方の適否について質問があった．
4.
"Application of Laser Diagnostics for Internal Combustion
Engines"．議長の小保方教授（群馬大学）によるレーザ計測の基礎から応用までの紹介．世界的な計測手法の動向も文献で示されている．講演では，著者の研究グループにおいて実施された，エンジンに関する流れ，燃料噴霧，燃料噴射率などの実測例が示された．
6.
”Combustion and Emission Characteristics of Natural Gas Direct Injection
Stratified Combustion”．
西安交通大学から東京大学に学振研究者として滞在中の黄佐華教授が群馬大学との共同研究成果を報告した．急速圧縮装置の燃焼室に燃料を対向噴射させて混合気を成層化させ，火花点火する方式であり，均一混合より著しい希薄燃焼と短い燃焼時間とが実現できた．
9. ”Study
on Improvement of Fuel Economy and Reduction in Emissions for Stoichiometric
Gasoline Engines by Using Cold EGR and Higher Compression
Ratio”．周龍保教授（西安交通大学）による講演．本研究は，量論空燃比で運転されるポート噴射式ガソリンエンジンに対して，高圧縮比と冷間EGRとを組み合わせて適用し，排気と燃費に及ぼす影響を実験的に明らかにすることが目的である．ボア×ストローク100×115 mm
，オリジナル圧縮比８の気化器仕様ガソリン機関をポート噴射式とし，圧縮比を１０まで高めるとともにスワールコントロール弁により吸気スワール比を1.5まで高めることと冷間EGRを適用し，2,400
rpm一定で運転してこれらの効果を調べた．その結果，WOT条件において燃費改善率2.54 %, NOx低減率54.84 %およびNOx + HC
低減率43.24
%を達成することが明らかとなった．燃費低減は主として燃焼率増大に基づくことが熱発生解析から示された．
12．”Application
of the Porous Burner Technology in Energy-and
Heat-Engineering”．ダルスト教授（エルランゲン大学）による基調講演．セラミックスや金属化合物で作られた多孔体内燃焼装置（ポーラスバーナー）の暖房器，温水器，乾燥機，ガスタービン，ボイラー，スターリングエンジン，スチームエンジン，往復動内燃機関などへの応用の可能性が熱演された．多孔体は数％の固形物質のある空間で，燃焼に有効な細かな乱れが強制的に作られるので，自由空間燃焼より早い燃焼速度が得られる．もちろん空隙寸法が余りに小さいとペクレ数により火炎伝播が制限される．主な特徴は，パワーレンジが1：20と広い，寸法が1/10となる，広い運転は範囲で低排出レベル，当量比0.91～0.53で安定燃焼が可能，等である．種々の構成物質について特徴を調査済みで，エンジンヘッドへの組込も可能で，低排出物運転を実証した．自動車会社の理解不十分が残念である．ドイツ人開発のディーゼル，オットーに続き，ダルストのエンジンかとの問いには否定の答えであった．自動車応用への耐久性は，速度100km/hrで20万km走行しても運転時間はわずか2000時間（3ヶ月）であり，まったく問題はない．
13．”A Study
on Fractal Analysis of Tumbling Flow in a Spark Ignition Engine Using Wavelet
Transform”．岡山大学出身の章忠専門研究員（岡山県工業技術センター）が博士研究の概要を報告した．火花点火機関内流れの乱流特性をウェーブレット変換で可視化したもので，今後の発展が期待される．
15．“Diagnostics
of Misfire and Partial Burning for Spark-Ignition Engine by
Spark-Plug”．呉筱敏助教授（西安交通大学）からの発表．自動車用エンジンの点火プラグをセンサーとしほかのデバイスを必要としない，失火(misfire)と立ち消え(partial
burn)検出のための新しい試みを紹介した．点火栓にかけたバイアス電圧を変化させ，イオン電流波形の解析を行った．このバイアス電圧が過大であると，燃焼以外の期間においても信号を発生するため，最適な電圧は200～500
Vであることがわかった．失火や立ち消えが発生する場合には，イオン電流波形は検出されないか極めて低い値であることから，両者発生の判断が明確に可能であることがわかった．これらは，点火栓間隙長の拡大，縮小，印加電圧停止および混合気の希薄化などの手法を用いて観察された．これらの種種の条件におけるイオン電流波形解析から，燃焼状態とイオン電流波形との関係を求めることができ，本手法の有効性が示された．
16．”Investigation
of Automobile Driving Mode and Road Emission Factors of Vehicle in Tianjin's
City Road．九州大出身の楊延相教授（天津大学）による路上試験報告．蒋教授の基調講演にあるように，中国の排出ガス規制は欧州基準に沿っている．この妥当性を調査するため，排気量1リットルのバンに測定器を積み込み，天津市の市内と郊外で走行パターンと排出物の値が実測された．結果は米国運転モードには合わず，欧州と日本モードに近い値を示した．しかし，排出レベルは規制値の10倍（CO）であり，気化器付エンジンで触媒なし運転では予想された結果である．運転モードが決まればそれに合わせてエンジンが作られるので，極めて影響の大きい実験で，トヨタ自動車の援助で実施された．中国の都市交通事情をみるとき，日本以上の道路密集と車渋滞があり，道路がよく整備され，都市が点在する欧州の交通事情とかなり異なるものがある．欧州基準が妥当かどうか，検討の必要性を感じた．
18．”Simultaneous
Measurement of Vapor and Liquid Phase Concentration Distributions in D.I. Diesel
Sprays by Laser Absorption Scattering (LAS) Technique”．西安交通大学より広島大学に留学していた張玉銀助手（広島大学）の博士論文の概要報告である．可視光と紫外光レーザーによる吸収と散乱を画像処理し，ディーゼル噴霧内の燃料液と蒸気の分布を求めた．
20．“Measurement
and Numerical Simulation of Unsteady Temperature Fields in Automotive Catalytic
Converters”．北大出身の王建昕教授（清華大学）による排気触媒の熱応答特性評価．触媒担体の温度変化を熱電対で測定し，反応がある場合と無い場合，触媒装置の入口角を変えた場合についてStar-CDによる数値計算結果と比較した．今後さらに熱損失，熱容量などを考慮した定量的なモデルによる検証が必要であると述べている．
21．”A
Multi-Zone Radiation Heat Transfer Model for a DI Diesel
Engine”．厳兆大教授（浙江大学）による発表．ディーゼルエンジンシリンダ内における放射伝熱予測モデルを開発し，実用エンジンに適用，評価を行った．このためには，まず圧縮行程おわりで燃料が噴射され，微粒化，蒸発して混合気エレメントを形成し，点火，燃焼するという噴霧と混合のモデルが必要である．このための，噴霧燃焼の多次元モデルをまず作成した．次に，多次元領域のなかで，放射現象で重要な
すす粒子とCO2およびH2Oガスに着目するとともに，対流熱伝達モデルを組み合わせたサブモデルを作成し，放射伝熱流束を求めた．これによって，動作流体の温度，放射率，吸収係数および燃料液滴の散乱係数を決定することができた．モンテカルロ法によって計算した結果，燃焼室壁面への放射伝熱流束が求められ，実用エンジンへの適用が可能となるとともに，実験結果との良い一致を確認できた．
22．”Simulation
on Injection Spray Development of Conial Nozzle for HCCI Diesel Engine by
KIVA”．劉伝李助教授（西安交通大学）が群馬大学滞在中に行った研究の紹介．予混合圧縮着火エンジン用に開発された傘状噴霧の発達過程を，定圧容器内で撮影された高速度ビデオ写真とKIVA-3Vによる予測結果を比較した．今後エンジン内での発達過程の検討が必要である．
最後に，本国際会議に援助をいただいた，日本学術振興会（JSPS），中国国家自然科学基金(NSFC)，及び日本機会学会RC180研究会，さらに熱心に議論いただいた参加者各位に感謝の意を表する．また，会議の全プログラムや写真集は下記のホームページをご参照下さい．
http://www.me.gunma-u.ac.jp/obokata/2001-jcws/J-Cmenu.html
群馬大学：小保方富夫（議長），志賀聖一（組織委員長），石間経章（プログラム委員長）．