ブローダウン過給システムを用いたガソリンHCCI機関の 運転領域拡大について

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1 1/ 35 ブローダウン過給システムを用いたガソリン HCCI 機関の運転領域拡大 後藤俊介, 窪山達也, 森吉泰生 ( 千葉大学 ) 畑村耕一, 鈴木正剛,( 畑村エンジン研究事務所 ) 山田敏生,(CDAJ) 高梨淳一,( 本田技術研究所 )

2 本日の発表内容 2/ 背景 2. 目的 3. ブローダウン過給 (BDSCI) システム 4.EGRガイド 5. 実験装置 6. 実験結果と考察 7. まとめ 6.1 BDSCシステムの効果 6.2 BDSCシステム +EGRガイドの効果 6.3 HCCIエンジン性能試験結果

3 1. 背景 3/ 35 HCCI エンジンの利点 高効率 低 NOx 排出 実用化における課題 運転領域の拡大 ( 着火 燃焼の適切な制御 ) 高負荷限界 : 圧力上昇率 (dp/dq),nox 排出量の増加 低負荷限界 : 燃焼変動大,CO/HCの排出量増加 SI~HCCI 運転切り替え

4 1. 背景 4/ 35 従来の提案技術による高負荷 HCCI 運転成立限界 Technique IMEP [kpa] dp/dq [kpa/deg. ] Reference NVO, NVO+DI (1200rpm) Urata, Y., et al., SAE Paper No Yang Dongbo, et al. SAE Paper NVO +DI +turbo (1500rpm ) Thomas Johansson, et al. HCCI Operating Range in a Turbo-charged Multi Cylinder Engine with VVT and Spray-Guided DI SAE Paper 気筒間 EGR 過給 (1500rpm ) Junichi Takanashi et al. A Study of a Gasoline HCCI Engine equipped with an Electromagnetic VVT Mechanism JSAE Annual congress 2006.,Spring, JSAE Thermal stratified Simulation, RCM M. Sojoberg, J. E. Dec and N. P. Cernansky, SAE Paper, No , 2005., etc

5 IMEP (kpa) 1. 背景 5/ 35 従来の提案技術による HCCI 運転成立範囲 Japanese mode 気筒間 EGR ( 過給 +EGR) 400 NVO ( 内部 EGR) 200 NVO + D.I Ne(rpm) (JSAE )

6 2. 目的 6/ 35 HCCI 運転可能な範囲を拡大すること 充填効率を損なうことなく EGR 導入と, 過給の効果が得られるブローダウン過給 (BDSC) システム, 及びシリンダ内の温度成層化を促進する EGR ガイドを提案し, それによる拡大効果を実証することを目的とする.

7 3. ブローダウン過給システム 7/ 35

8 Valve lift mm Valve lift Valve lift mm Valve lift 3. ブローダウン過給システム 8/ 35 圧縮行程初期に排気バルブを再開するシステム EGRガスを筒内に大量導入により過給 希釈効果を実現 360deg. 位相の異なる気筒の排気ブローダウン圧力を利用してEGRガスを筒内に導入燃焼温度が低下 1 番と4 番,2 番と3 番の排気ポートを連結圧力上昇低減,NOx 排出の抑制を狙う 膨張 #4 Cyl. Exhaust 0 吸気 180 圧縮 360 膨張 540 排気 720 Exhaust blow-down pressure #1 Cyl. wave Exhaust Intake 排気 吸気 (EGR ) Cranck angle degree Exh. valve re-open for EGR gas re-breathing Exhaust Intake (EGR ) 圧縮 Exhaust #4 #3 #2 # Exhaust system #1 からのブローダウン圧力波で #4 に EGR ガスを導入

9 Lift 3. ブローダウン過給システム 9/ 35 カムプロフィール 1500rpm Exh. In+EGR 負荷 - 低 cam-1 cam-2 cam-3 cam-4 cam-5 cam Crank angle deg. カムは目標負荷に応じて新気と EGR の量を変えたプロフィールとなっている. C000- 負荷 - 高 EGR C000- IN C100- IN C100- EGR C200- IN C200-

10 Lift 3. ブローダウン過給システム 10/ 35 カムプロフィール 2500rpm Exh. In+EGR 負荷 - 低 cam1 cam-2 cam-3 C600-IN 負荷 - 高 C600- EGR C700-IN Crank angle deg. カムは目標負荷に応じて新気と EGR の量を変えたプロフィールとなっている. C700- EGR C800-IN C800- EGR

11 3.EGR ガイド 11/ 35

12 4.EGR ガイド EGR ガイド - 筒内温度分布の促進 筒内に温度分布をつくり, 自着火の順序付けをする 12/ 35 Exhaust - side 圧力上昇低減, Ex In Base chamber Intake - side EGR gas EGR guide Exhaust - side Intake -side

13 5. 実験装置 13/ 35

14 5. 実験装置 14/ 35 Base engine Engine type Bore x Stroke Honda K20A Inline 4 cylinder 86 mm x 86 mm Displacement 1998 cm 3 Compression ratio Fuel injection Fuel Engine speed Ex. pressure Valve actuation 12 (HCCI)/ 11.5 (Base) Port injection Gasoline (RON91) 1500 rpm / 2500rpm 0.1~0.2 MPa Fixed cam(9)

15 5. 実験装置 15/ 35 Air conditioner (Controlling intake gas temperature & humidity) Ambient temperature Ambient pressure laminar flow meter Instantaneous intake gas pressure (Kistler 4005A) Mean intake gas pressure fuel flow rate fuel temperature Intake gas temperature Surge tank Intake throttle valve Fuel flow meter N2,3.5kgf/cm2 Gasoline Fuel injector Cylinder pressure (Kistler 6052c ) Instantaneous exhaust gas pressure (Kistler 4005A) Mean exhaust gas pressure Intake gas temperature #4 #3 #2 #1 Coolant water temperature (in) Coolant water temperature (out) Eingine oil temperature Oil pressure sensor Cylinder pressure (Kistler 6117B) Variation between cylinders Silencer Exhaust throttle valve temperature of catalyst catalyst Exhaust gas Air Fuel ratio temperature before catalyst FTIR (HORIBA;MEXA 6000FT) HFID (HORIBA;MEXA 1170HFID)

16 5. 実験装置 16/ 35 HCCI 運転成立条件 最大筒内圧力上昇率 (dp/dqmax) dp/dqmax 400 kpa/deg. 図示平均有効圧力の変動率 COV.of IMEP 5% Nox 排出量 ISNOx 0.1 g/kwh

17 17/ 実験結果と考察 6.1 BDSC システムの効果

18 Pressure kpa Cylinder pressure kpa 6.1 BDSC システムの効果 18/ 35 BDSC システムによる過給効果 排気ブローダウン圧力波による過給効果 排気管内の平均圧力による過給効果 200 P cylinder, P exhaust, P intake Intake EGR Exhaust Crank angle deg. ATDC Cylinder volume m 3 Mean exhaust pres. 133kPa 過給効果,EGR による希釈効果, 筒内温度増を実現できる.

19 dp/dθmax kpa/deg. ISFC g/kw h Cov of IMEP % ISNOx. g/kwh 6.1 BDSC システムの効果 19/ BDSC システムによる運転領域拡大 Pex=130kPa 高負荷限界 dp/dqmax 400kPa/deg Net IMEP kpa Net IMEP kpa NVO BDSC (IMEP=540kPa Cam:2-5 Cam:4-3 Cam: % improve Net IMEP kpa IMEP kpa 20% improve SI (ε= 11.5)

20 20/ 実験結果と考察 6.2 BDSC システム +EGR ガイドの効果

21 6.2 EGR ガイドの効果 21/ 35 EGR ガイドが熱発生率に与える影響 熱発生が緩慢化 燃焼期間 (CA90-CA10) が, 約 16% 長期化. 但し CA90,CA10 は, 燃焼質量割合 90%,10% 時の CA dp/dθ の低減効果 ( 同 IMEP 値最大 25%)

22 COV of IMEP % dp/dθmax kpa/deg. IMEPnet kpa 6.2 EGR ガイドの効果 / 高負荷限界 低負荷限界 dp/dq 400kPa/deg. 6 4 Cov.of IMEP 5% Exhaust pressure kpa

23 6.2 EGR ガイドの効果 23/ 35 BDSC+EGR ガイドの効果 運転可能領域の比較 Cam:6 Engine speed:1500rpm dp/dθ=400kpa/deg. CoV of IMEP=5% w/o EGR guide w/ EGR guide

24 6.2 EGR ガイドの効果 24/ 35 BDSC+EGR ガイドの効果 運転可能領域の比較 Cam:2 Engine speed:2500rpm w/o EGR guide w/ EGR guide

25 25/ 実験結果と考察 6.3 HCCI エンジン性能試験結果

26 dp/dθmax kpa/deg. 6.3 HCCI エンジン性能試験結果 26/ Engine Speed:1500rpm Fuel amount mg/st. Cam:2 Cam:4 Cam:5 Cam:6

27 COV. of IMEP % 6.3 HCCI エンジン性能試験結果 HCCI エンジン性能試験 (1500rpm) 27/ Engine Speed:1500rpm Cam:2 Cam:4 Cam:5 Cam: Fuel amount mg/st.

28 ISNOx g/kwh 6.3 HCCI エンジン性能試験結果 28/ Engine Speed:1500rpm Cam:2 Cam:4 Cam:5 Cam: Fuel amount mg/st.

29 Net IMEP kpa 6.3 HCCI エンジン性能試験結果 29/ kPa Engine Speed:1500rpm Cam:2 Cam: kPa Cam:5 Cam: Fuel amount mg/st.

30 Net IMEP kpa 6.3 HCCI エンジン性能試験結果 30/ kPa 310kPa Engine Speed:2500rpm Fuel amount mg/st.

31 7. まとめ 31/ 35

32 7. まとめ -1 32/ 35 HCCI 運転可能な範囲を拡大する方法として, ブローダウン過給システムと EGR ガイドによる温度成層化を提案し, 実証試験を行った. BDSC システムに併せて, シリンダ内の温度成層化を目的とした EGR ガイドを用いた実験より, 高負荷 HCCI 運転時の圧力上昇率 dp/dθ を低減できた. またこのシステムの可能性を示せた. エンジン回転数 1500rpm のもとで,10-15 モードの上限負荷相当の netimep610kpa まで安定した HCCI 運転を実現できた. エンジン回転数 2500rpm のもとで,netIMEP530kPa まで HCCI 運転を実現できた. (dp/dθmax 400kPa/deg.,COV.of IMEP 5%,ISNOx=0.15g/kWh)

33 7. まとめ -2 33/ 35 IMEP (kpa) Japanese mode 1500rpm 2500rpm Inter cylinder EGR NVO(Internal EGR) NVO + D.I BDSC system with EGR guide (thermal stratification) BDSC system Ne(rpm) (JSAE ) NA(Naturally-aspirated) エンジンでは, これまで実現できなかった高負荷運転を実現することが出来た.

34 7. これからの研究 34/ 35 更なる高負荷限界の拡大. HCCI 燃焼は, 当量比 φ,egr, 温度, 圧力, オクタン価などの様々な要因に起因される. バルブタイミングの検証 高負荷限界を決める要因の抽出と, 解決策の考案 低負荷限界の拡大 HCCI 運転は,SI の低負荷 ~ 部分負荷の代替としての期待が高い. 低負荷限界を決める要因の抽出と, 解決策の考案 SI-HCCI 運転の切り替えの最適化

35 Acknowledgement 35/ 35 本研究は, エネルギー使用合理化技術戦略的開発 事業の一つとして実施する NEDO の委託業務に基づくものである また 日本キスラーからは 圧力測定に関わり多大なる協力を頂いた ここに謝意を表す

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