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はじめに

　前編（Ⅰ：点火）では，ガソリン機関の点火方法である火花放電と、エンジン性能との関係について説明した。本編では，ガソリン機関における火炎伝播現象について、火炎伝播の可視化動画を用いて説明する。

3　燃焼過程

3.1　ガソリンエンジンの正常燃焼

3.1.1　火炎伝播

　点火から初期火炎形成を受けて成長した火炎核は、やがて未燃ガス中を自立して伝播する予混合燃焼形態になる。これを、火炎伝播と呼ぶ。
　予混合火炎は、層流予混合火炎と乱流予混合火炎に大別できる。層流予混合火炎は、図2を用いて後述するように既燃領域からの熱伝導で未燃領域が加熱され、次々に燃焼していく構造と考えることができる。炭化水素の着火遅れ時間は、分子構造の影響を大きく受けるが、炭化水素の層流燃焼速度は、分子構造の影響を大きくは受けない。パラフィン系炭化水素であれば、層流燃焼速度は数十cm/s程度である。（1）（2）
　このような燃焼速度で燃焼させると、高回転領域では燃焼期間が長すぎて燃焼が成立しなくなる。しかし実際には、適正に点火時期がコントロールされたガソリンエンジンでは、燃焼期間をクランク角度で表示すると、低速から高速までほぼ一定になる。この理由は、図1のように解釈される。すなわち、回転速度に比例して予混合気に生じる乱れが増加して火炎面積が増大することなどにより、乱流の燃焼速度が増すことで、層流火炎から乱流火炎に変化して火炎伝播速度が増加する。その結果、単位時間で燃焼する混合気の質量が回転速度に比例して増大するため、クランク角度で表示した燃焼期間はほぼ一定になる。

　図2に、層流一次元火炎の構造を模式的に示す。高温酸化反応による活発な化学反応によって高温になった反応帯からの熱移動によって未燃部が加熱され、次々に燃焼に至る。この加熱される区間を予熱帯と呼ぶ。

　図3に、素反応メカニズムに基づいて計算された、一次元層流火炎の構造を示す。
燃料と酸化剤は、理論空燃比のプロパン-空気予混合気である。エンジン燃焼室内を想定して、圧力2 MPa、未燃ガス温度600 Kで計算を行っている。反応が起こると、燃料が急激に消費されつつ、温度が上昇し、最終生成物である二酸化炭素（CO₂）と水（H₂O）が生成する。その間に、ホルムアルデヒド（HCHO）、OHラジカル、一酸化炭素（CO）その他さまざまな中間生成物が生成される。
　このとき燃焼速度は、高温である反応帯や既燃領域から、低温である未燃領域に与えられる熱量（単位時間当たりに未燃領域に移動する熱量）の大きさで決まる。例えば、リーン化や排ガス再循環（EGR）を行うと火炎温度が低下するため、未燃部に与えられる熱量も低下する。その結果、火炎伝播速度が低下することになる。

　図4および図5に、EGR率が異なる2条件での火炎伝播動画（3）を示す。この時、燃料にはオクタン価90のオクタン価標準燃料であるPRF 90（体積割合で10%のn-heptaneと90%のiso-octaneを混合した燃料）を用いた。EGRを与えた条件では、火炎伝播速度と火炎輝度が低くなっていることが分かる。ここで示した図5の条件では、火炎伝播が燃焼室内全域で到達する前に火炎と思われる青色の発光領域が消失している。つまり、燃焼室内の一部の混合気は燃焼したが、まだ燃焼が完結していない混合気が残された状態である。これを、部分燃焼（Partial Burn）と呼ぶ。

おわりに

　ガソリン機関の火炎伝播現象の例として、可視化エンジンを用いて撮影された火炎伝播燃焼動画を示した。次編では、ガソリン機関のノッキング現象について、動画を用いて説明する。

【参考文献】