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1 1 次世代ガソリンエンジンとして注目 される新燃焼方式の紹介 森吉泰生 千葉大学大学院工学研究科人工システム科学専攻機械系コース教授

2 2 千葉大学工学研究科森吉研究室 産学連携による高効率エンジンの開発研究を目的 容器や急速圧縮膨張装置を用いた基礎研究から実機を使った開発研究 理論解析による現象解明と最適化の予測と適合 Up: Temperature distribut. Down: Nozzle cavitation

3 3 乗用車用ガソリンエンジンの熱効率改善は喫緊の課題 産学連携により 次世代新燃焼方式の研究 (1) 予混合圧縮着火 (HCCI) 新燃焼方式の開発 (2) 高過給ダウンサイジングエンジンの開発 従来技術 競合技術との比較 従来のガソリンエンジンは 低負荷では吸気量を絞ることによるポンプ損失が 高負荷では異常燃焼が発生するため圧縮比を上げられないことが問題で 熱効率を高くできない 本方式では これらの問題を回避あるいは克服できる新技術を導入

4 4 研究開発の背景 目的 目標背景 社会的必要性 自動車用内燃機関への要求 : クリーンな排気と燃費向上 ( 二酸化炭素の排出減尐 ) < 欧州自動車メーカ > ディーゼルエンジンの成功 過給ダウンサイジングガソリンエンジン ツインクラッチトランスミッション < 日本自動車メーカ > ( 平均車速の低い交通事情 ) ハイブリッド技術で優位に CVT の国内普及 ハイブリッド化の動き さらなるエンジンの高効率化 ハイブリッド技術のコスト低減 さらなるエンジンの高効率化 技術的背景 Homogeneous Charge Compression Ignition HCCI 燃焼の一般的特徴 ; 予混合燃焼のためSootの発生がない 燃焼室全域に亘って多点点火の希薄急速燃焼のため熱効率が高い < 世界市場での競合力強化 > ハイブリッド用エンジンの高効率化 普及型通常エンジンの高効率化 燃焼最高温度が低いため NOx が発生しない HCCIの実用化の課題 ; 実用化を阻む最大の課題は 運転領域が狭い こと 市街地走行モード (10-15mode) の負荷範囲の半分以下の運転しかできない 加速時はSI 運転になるため HCCIの高効率を実用燃費に活かせない

5 5 予混合圧縮着火 (HCCI) エンジンとは? 従来のガソリン HCCI は EGR 導入を NOL で行うのが主流

6 IMEPg ( kpa ) Japanese mode HCCI 運転成立範囲 NVO(Internal EGR) NVO + D.I HCCI operational range A Study of a Gasoline HCCI Engine Equipped With an Electromagnetic VVT Mechanism, J. Takanashi et al. 2006, FISITA Ne (rpm) Exhaust rebreathing Cycle simulation of hot NEDC on the Dynamic Engine Test Bed ( Gasoline HCCI Technology, A. Fürhapter, 2008 ) 11 11

7 運転成立範囲の拡大 Cycle simulation of hot NEDC on the Dynamic Engine Test Bed ( Gasoline HCCI Technology, A. Fürhapter, 2008 ) HCCI 運転の成立範囲が狭いため, 低速の定常走行期間しか HCCI 運転を適用できない. Exhaust rebreathing このため, 燃費の改善効果が大きくない

8 海外メーカ :GM/ Mercedes Benz/ Volks Wagen GM 試作エンジン及び試作車を公開し デモ走行を実施 55mph (88km/h) まで HCCI で走行可能 大学 (Lund, Stanford Univ. など ) との共同研究に積極的 Mercedes Benz Diesotto と銘打ち 究極のガソリン機関として提示 HCCI+ ターボ + 可変圧縮比 ++ 可変 VT+ マイルド HV Volks Wagen エンジン及び試乗車公開 2015 年頃量産化とアナウンス 2007 年頃, 海外有力メーカーがエンジン, 試作車を一斉に公開 ~ 研究継続 13

9 国内メーカ : マツダ (SKY-ACTIVE-G) 圧縮比 14 マルチホール直噴 キャビティ付ピストン タンブル プレイグセンサ 低温酸化反応利用 IN 電動 VTC 排気系 2011 年デミオ 1.3L~ 高圧縮比 SI エンジン HCCI 断熱化 SKYACTIVE-G をヘ ースに HCCI 化を検討 2010 年 11 月内燃機関シンポジウム資料より 14

10 17 HCCI エンジン研究の目的 HCCI エンジンの運転可能領域拡大 市街地走行運転領域 ブローダウン過給 HCCI ガソリンエンジンの衝撃的燃焼限界 ブローダウン過給 HCCI ガソリンエンジンの超低 NOx 運転領域 低負荷側は燃焼安定性で制約される 従来研究されている HCCI ガソリンエンジンの超低 NOx 運転領域 高負荷側解決後に続く課題 ( 温度成層化の効果に期待 ) ブローダウン過給によって NOx 排出による高負荷の運転限界は解決する < 残る最大課題 > 高負荷の衝撃的な燃焼の防止目標 ;dp/dθ <400kPa/deg 温度分布の成層化の研究

11 Pressure kpa 18 ブローダウン過給システム 過給機なしで過給および EGR の効果 360 度位相の異なる気筒の排気ブローダウン圧力波を利用して高温の排気ガスをシリンダ内に再導入 rpm, Gross IMEP = 450 kpa Pex = 101 kpa Pex = 130 kpa #4 #3 ブローダウン過給 Exhaust 100 Intake EGR Exhaust Cranck angle deg.atdc #2 #1 Intake manifold Exhaust pressure wave

12 19 温度成層化の考え方 温度差小温度差大 温度成層化の為の手段 SAE Paper より抜粋 BDSC により過給した排気と空気の混合を抑制 制御

13 圧力上昇率低減 温度成層化の実現手段 EGR ガイドを用いた筒内温度成層化 再吸入する高温 EGR ガスを偏在化 高温領域から低温領域へ局所的に着火時期を変化 高温 Re-breathed EGR gas Re-breathed EGR gas EGR guide ガイドなし HERO/ChibaU 20

14 Mass mg dp/dqmax kpa/deg. 92 deg. BTDC 32 deg. BTDC w/o EGR guide w/o EGR guide In. Exh. In. Exh. 温度成層化の効果 900 w/ EGR guide w/ EGR guide In. Exh. In. Exh. 800 Gf =17 mg/cyl. 700 EGR guide 500 K 680 K 800 K 940 K deg. BTDC w/o EGR guide w/ EGR guide Gf= 15 mg/cyl. w/ EGR guide w/o EGR guide w/ EGR guide CA 50 deg.atdc Temperature K 21 21

15 Valve lift 燃焼変動制御用の二次エアー噴射 PFI-Injector Secondary air injector 2 nd air injection before EGR valve opening Int. port Exh. port Exh. In. EGR EGR Guide Recharged EGR gas Crank angle deg.atdc 二次エアーを各気筒の片排気ポートに噴射し, 次のサイクルの燃焼を制御 22 22

16 Apparent heat release rate J/deg. Apparent heat release rate J/deg. 二次エアー噴射による気筒間燃焼変動制御 w/o secondary air inj. IMEP net = 530 kpa #4 cylinder. #1 cylinder With secondary air inj. t air =8.6ms IMEP net = 530 kpa #4 cylinder. #1 cylinder Crank angle deg.atdc Crank angle deg.atdc 気筒間の熱発生率ばらつきを制御できる 23 23

17 ベースENG K20A タイプR ( 排気 VTEC 搭載 ) ボア X スト 86 X 86 圧縮比 11.5( 量産 ) 12(HCCI) 燃料供給 ポート噴射, 直噴 燃料 RON91 ブルーダウン過給システム概要 直噴化 ( サイド配置 ) 狙い : 燃料分布適正化 EGR 導入 : 排気再吸入方式 片側二次エア 狙い : 気筒間変動抑制 EX EX EX IN EGR ブローダウン過給エキマニ EGR ガイド EX valve 狙い : より強い温度成層形成 EX IN 排気スロットル狙い : 排気圧コントロール ブローダウン過給と温度成層をメインとし 排気スロットル, 片側二次エア, 直噴などを盛り込んだエンジン仕様 24 24

18 エンジンベンチ (2/4 気筒 ) Air - conditioner laminar flow meter Cylinder pressure (Kistler 4065A, Water cooled type ) Instantaneous intake gas pressure (Kistler 4005A) N2,3.5kgf/cm2 Surge tank Fuel flow fuel meter flow rate Gasoline Hihg pres. Pump. ECDY Motor #4 #3 #2 #1 Cylinder pressure (Kistler 6117B) A/F Torque converter Silencer Instantaneous exhaust gas pressure (Kistler 4005A) catalyst Exhaust throttle valve Exhaust gas MEXA 7100 FX (CO2, CO, O2,NO/Nox, THC) 25 25

19 26 HCCI テストベンチ 4-cylinder with VVA engine Optical engine 4-cylinder engine 2-cylinder engine

20 エンジンの仕様と運転条件 Test engine specifications & exp. conditions Engine type Inline 4 cylinder Bore Stroke 86mm 86mm Displacement 1998 cm 3 Acceptable HCCI limit Limit of dp/dθmax dp/dθmax 400 kpa/deg. Compression ratio #1 cylinder #2 cylinder #3 cylinder Limit of comb. stability COV. of IMEP 5 % #4 cylinder Engine speed 1500, 2500 rpm Cooling water temp deg.c Limit of NOx emissions ISNOx 0.1 g/kwh Fuel Gasoline (91 RON) 27 27

21 Brake thermal efficiency % BDSC-HCCI の熱効率と向上要因 rpm 高圧縮比化 :7% 6.6% 21% 16% % HCCI (Tw 85 o C, CR12) HCCI (Tw 105 o C,CR12) HCCI (Tw 105 o C, CR14) SI (w/o EGR, CR11.5) Diesel BMEP kpa 高水温化と圧縮比増加により ディーゼルエンジンを超える熱効率が得られる

22 BMEP kpa 運転モードの切り替え (HCCI SI) SI JC08 モード運転条件 400 HCCI Engine speed rpm HCCI は運転範囲が中回転中負荷までに限定されるため SI 運転への切替が必要

23 G/F G/F G/F 運転モード切り替え制御コンセプト 運転困難 SI(Target) SI 可能 HCCI 可能 EX SI IN A/F 吸気弁早閉じ A/F ストイキ HCCI(Target) EX EGR OFF HCCI スロットルWOT A/Fリーン IN EGR ON 数値シミュレーションによる切り替え手法の検討を推進今後実機での検証を行う A/F 課題 : 過早着火を含む 課題 : 希薄 SI 燃焼を含む SI(Target) SI HCCI A/F 34 HCCI(Target) HCCI SI

24 運転モードの切り替え HCCI 過渡燃焼制御システムの開発 要求出力 + - ECU 35 出力 低慣性ダイナモ SI/HCCI 運転切り替え 負荷 回転数 着火時期 ( 平均 ) 着火時期 ( サイクル毎 気筒別 ) 壁温 水温 IMEP CA50 dp/dq 筒内圧 ; Pc 負荷回転数 冷却水流量 温度 ; Tw, Qw 吸気圧 ; Pin 排気圧 ; Pex 可変動弁機構を備えた 4 気筒ガソリン機関 HCCI エンジン 電動ポンプ 電動サーモ 吸気スロットル PFI インジェクタ DI インジェクタ VVEL( 吸気 ) VTC( 吸気 ) VTC( 排気 ) VTC(EGR) VTEC 2 次エア 排気スロットル 冷却水流量 冷却水温度 吸気圧力 燃料量 燃料量 吸気バルブリフト 吸気開弁時期 排気開弁時期 EGR 開弁時期 SI/ HCCI 切替え 2 次エア供給量 排気圧力 制御システムの構築を行い 過渡制御の実機検証を進める 35

25 36 新技術の特徴 低コストで小型高効率 低公害な動力源 エタノールや天然ガスなどの代替燃料を使った熱エネルギー変換システム シリーズハイブリッド ( 熱エネルギーをいったん電気エネルギーに変換 ) 動力源 想定される用途 車両はもちろん発電機など汎用動力源 コージェネシステム ( エアコン, 発電, 給湯 ) 自然エネルギー ( 風力発電や太陽光発電 ) のバックアップ

26 37 想定される業界 利用者 対象自動車会社電力 ガス会社発電 コージェネ設備製造会社 市場規模自動車用はきわめて大きいコージェネ用は天然ガスの利用が増えると考えられ, 今後の拡大が期待できる

27 39 企業への期待 自動車用だけでなく, 発電用, 風力や太陽光発電など自然エネルギーとの補完にも使えるので, 関連企業との共同研究を希望 コージェネ用エンジンとしても利用可能 エタノールやDMEなどの地産地消燃料を利用したローカル発電用, 汎用エンジンとしても利用も可能

28 40 本技術に関する知的財産権 発明名称 : 予混合圧縮ガソリンエンジン 出願番号 : 特願 特開 出願人 : 千葉大学他 発明者 : 森吉泰生他

29 41 産学連携の経歴 NEDO 先導研究 3 回, 実用化研究 2 回 現在,10 社以上と共同研究契約実施中 ( 自動車会社, 部品会社, 計測器メーカー ) JST A-step 事業に採択 (2011 年度 )

30 42 お問い合わせ先 千葉大学産学連携 知的財産機構 産学官連携コーディネーター阿草一男 TEL FAX

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