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ディーゼルって 2000 bar とか聞きますけど、なぜそんな高い圧力で燃料を噴くんですか？ガソリン車はもっと低いですよね？
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いい質問。ディーゼルは「自着火」で燃やすから、燃焼室の高温・高圧の中に直接燃料を撃ち込んで、ほんの 1〜2 ミリ秒のうちに細かい霧にして空気とまぜないといけないんだ。そのために Bernoulli の v = Cd·√(2ΔP/ρ) で 400〜500 m/s の噴射速度を稼ぐ。GDI は圧縮上死点付近で点火するから時間に余裕があって 100〜350 bar で足りるし、ポート噴射は吸気管で長時間混ざるから 3〜10 bar でいい。デフォルト条件で「噴射速度」を見ると 462 m/s 出ているはずだよ。
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SMD っていうのが「Sauter 平均粒径」って書いてありますけど、これは何ですか？普通の平均粒径と違うんですか？
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ザックリ言うと SMD は「体積／表面積で重み付けした平均直径」で、蒸発や燃焼を扱うときに一番自然な代表値なんだ。なぜなら蒸発速度は表面積に、燃やしたい燃料量は体積に比例するから。SMD が小さいほど比表面積が大きく、短時間で気化して空気と混ざる。ディーゼルなら 5〜20 μm、GDI で 15〜30 μm が目安。Nukiyama-Tanasawa の相関は SMD ∝ d·We^(-0.32) で、ノズル孔径を細くするか噴射圧を上げて Weber 数を稼げば SMD が下がる、ということを言ってる。
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コーン角はどう決めればいいんでしょう？広いほうがたくさん空気と混ざりそうですけど。
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そこは設計のジレンマ。Reitz-Bracco の式 tan(θ/2) = √(ρ_g/ρ_l)·4π·A/(3√3) を見ると、環境密度 ρ_g（燃焼室内のガス密度）が大きいほどコーンが広がる。ディーゼルの高圧縮で 10〜20°、GDI のスワール下で 30〜80° まで広げる例もある。ただ広げすぎるとピストン頂面や燃焼室壁に燃料が付いて、未燃 HC や PM が増えて触媒を汚す。ディーゼルなら「ピストンキャビティの中に収まる」、GDI なら「点火プラグの近くに到達する」のがゴールで、用途で最適角が変わるんだ。
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噴霧到達距離（ペネトレーション）も出てきますね。これは長いほうがいいんですか？
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これも長すぎても短すぎてもダメ。Hiroyasu-Arai の式は S ∝ (ΔP/ρ_g)^0.25·√(d·t) で、噴射圧と時間で伸びて環境密度で抑えられる。短すぎると噴霧がインジェクタ周辺にこもって空気利用率が下がり、長すぎるとピストンに当たって壁面付着で PM が出る。ディーゼルだとボア径の半分強くらい、ボア 80 mm なら 5〜8 cm が目安。デフォルト条件で「到達距離」を見ると 8.2 cm 出てるよね。圧力を上げると伸び、環境密度を上げると抑えられるのが見えるはずだ。
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最後にもう一つ。多段噴射（Pre-Pilot-Main-After）って言葉を聞いたんですが、あれは何のためですか？
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コモンレールの便利な所で、1 サイクル中に 5〜9 回くらい分割して撃てる。Pilot で燃焼室を予熱して着火遅れを縮めると、ディーゼルノック（カラカラ音）と NOx が減る。Main が主燃焼、After で燃焼期間を伸ばして PM を再燃焼、Post は DPF 再生用に追加で燃料を入れる。このツールは単発噴射の評価だけど、実機ではこれらに EGR・SCR・DPF を組み合わせて Euro 7 や CARB ULEV に通している、というのが現代のディーゼル開発だよ。
ディーゼルと GDI で噴射圧力がここまで違うのはなぜですか？
ディーゼルは自着火のために燃焼室の高温・高圧雰囲気（30〜70 bar）に直接燃料を撃ち込み、短時間で微粒化と空気混合を完結させる必要があります。コモンレールの 1500〜2500 bar はこのために必要で、Bernoulli の v = Cd·√(2ΔP/ρ) から 400〜600 m/s の噴射速度を得て、Weber 数を上げて液柱を粉砕します。GDI（筒内直噴ガソリン）は混合気が圧縮上死点付近で点火されるため、ディーゼルほどの瞬時微粒化は不要で 100〜350 bar で足り、ポート噴射に至っては吸気ポート内で空気と長時間混ざるので 3〜10 bar で十分です。
Sauter 平均粒径 SMD が小さいほど良いのですか？
ほぼ Yes です。SMD（体積／表面積で平均した粒径）は燃料液滴の蒸発・燃焼速度を支配し、SMD が小さいほど比表面積が大きく、短時間で蒸発・空気混合・燃焼が完結します。ディーゼルでは 5〜20 μm、GDI で 15〜30 μm が目安。ただし極端に小さくすると壁面付着前に蒸発しきり過希薄になる、噴霧ペネトレーションが下がり燃焼室全体に届かない、というデメリットも出ます。Nukiyama-Tanasawa 相関 SMD ∝ d·We^(-0.32) のとおり、ノズル孔径と噴射圧力（Weber 数）で SMD は決まります。
噴霧コーン角はどう決まりますか？大きいほうがよいですか？
Reitz-Bracco モデルでは tan(θ/2) = √(ρ_g/ρ_l)·4π·A/(3√3) で、環境密度 ρ_g（つまり燃焼室内のガス密度）が大きいほどコーン角は広がります。ディーゼルの高圧縮環境（ρ_g ≈ 15〜30 kg/m³）で 10〜20° 程度、GDI のスワール下では 30〜80° まで広がります。広いほど空気利用率が上がる一方、ピストン頂面や燃焼室壁への燃料付着が増えて HC・PM 排出が悪化します。ディーゼルは「ピストンキャビティに収まる角度」、GDI は「点火プラグ近傍に届く角度」と、用途で最適値が変わります。
多段噴射（Pre-Pilot-Main-After）は何のためにあるのですか？
コモンレールは 1 サイクルで最大 5〜9 回まで分割噴射ができ、それぞれに役割があります。Pre/Pilot 噴射は燃焼室を予熱して着火遅れを縮め、ディーゼルノック（カラカラ音）と NOx を低減。Main は主燃焼、After は燃焼期間を伸ばして PM を再燃焼、Post は DPF 再生用の追加燃料供給です。本ツールは単一噴射の評価ですが、実機ではこれらの組み合わせと EGR・SCR・DPF を統合して Euro 7・CARB ULEV に適合させます。
コモンレール ディーゼル乗用車・商用車： 1500〜2500 bar、7〜10 ホール、ピエゾインジェクタで Pre-Pilot-Main-After の多段噴射を行うのが現代の標準。本ツールが示す SMD 5〜10 μm、コーン 6〜10°、到達距離 5〜10 cm はピストンキャビティ径と燃焼室容積に合わせて最適化されており、CO₂・NOx・PM のトレードオフを EGR・SCR・DPF と組み合わせて Euro 7 や 国交省 ポスト新長期規制に適合します。
GDI（筒内直噴ガソリン）エンジン： 100〜350 bar、6〜8 ホール、マルチホール・サイドフィードまたはスプレーガイド方式。低負荷では成層燃焼で燃費を稼ぎ、高負荷では均質燃焼に切り替えるため、コーン角 30〜80°・SMD 15〜25 μm を負荷で動かす。微粒化が不十分だと粒子状物質 PN（particle number）が増え、欧州 Euro 6d-Temp 以降の PN 規制 6×10¹¹ #/km をクリアできなくなるため GPF（ガソリン用 PF）が併用されることもあります。
船舶用 2 ストローク大型ディーゼル・発電用： ボア 500〜900 mm、噴射圧 800〜1500 bar、ノズル孔径 400〜700 μm の重質油エンジン。本ツールのパラメータレンジを上限側で使う領域で、SMD は 30〜60 μm と粗くなりますが燃焼室自体が巨大なため到達距離を 30 cm 以上稼ぎ、長い燃焼期間で完全燃焼させます。IMO Tier III では SCR・EGR と組み合わせて NOx 規制をクリアします。
CAE（KIVA・CONVERGE・OpenFOAM）の Lagrangian 噴霧モデル： 実際の CFD では離散粒子追跡（DPM）で液滴を Reitz の WAVE/KH-RT モデルで分裂させ、SMD・コーン角・ペネトレーションを衝突・蒸発・乱流分散モデルと連成して解きます。本ツールの 0 次元相関は CFD の入力境界条件設定や、結果のサニティチェック（オーダー違いがないか）に使えます。
まず最大の落とし穴が、「Bernoulli 速度をそのまま実噴射速度として使う」 こと。本ツールでも v = Cd·√(2ΔP/ρ) を使い Cd=0.7 と置きましたが、実際の流量係数はノズル形状（VCO・SAC・k-factor）、針弁リフトの過渡、キャビテーション発生で 0.6〜0.85 と大きく振れます。EOI（噴射終了）直前の針弁リフトが小さい間は Cd が落ちて噴霧角が乱れ、SMD が悪化する「end-of-injection 粗粒化」が起きます。設計初期段階の 0 次元見積もりでは Cd=0.7 で十分ですが、後流の解析ではキャビテーション・乱流ガス連成を入れた CFD が必須です。
次に、「Nukiyama-Tanasawa 相関の数値定数を絶対視する」 こと。SMD = 4.12·d·We^(-0.32)·Re^(-0.07)·(ρ_g/ρ_l)^(-0.18) の係数 4.12 はオリジナルの軸対称噴霧の実験フィットで、ディーゼル・GDI の実ノズルでは ±50% のばらつきが普通です。さらにバイオディーゼル（FAME）のように粘度・表面張力が大きい燃料は液柱分裂遅れで SMD がさらに増えます。実機開発では PDPA（位相ドップラー）や Mie 散乱で粒径分布を測り、相関ではなく実測でキャリブレーションしてください。
最後に、「コーン角を広げれば燃焼が良くなる」という単純化 。Reitz-Bracco は液柱コアの「初期コーン」を予測する式で、実際の噴霧外縁（vapor-phase cone angle）はガス巻き込みで初期値の 1.5〜2 倍になります。GDI でコーンを広げすぎると点火プラグに液滴が付着して失火（プラグかぶり）を起こし、ディーゼルではピストン頂部の壁面付着で smoke が増えます。コーン角は単独で評価せず、ボア径・キャビティ径・スワール強度とセットで設計する必要があります。