日 本 機 械 学 会 関 西 支 部 シニア 会 第 8 回 情 報 交 流 サロン 2010 年 6 月 14 日 第 三 のエンジン 燃 焼 法 - 予 混 合 圧 縮 自 着 火 燃 焼 - 西 脇 一 宇 立 命 館 大 学 総 合 理 工 学 研 究 機 構
内 容 予 混 合 圧 縮 自 着 火 燃 焼 とは 予 混 合 圧 縮 自 着 火 燃 焼 研 究 の 歴 史 予 混 合 圧 縮 自 着 火 燃 焼 の 機 構 超 小 型 エンジンの 燃 焼 解 析 ー 予 混 合 圧 縮 自 着 火 燃 焼
予 混 合 圧 縮 自 着 火 燃 焼 とは 着 火 方 式 混 合 気 火 花 点 火 圧 縮 自 着 火 レシプロエンジンの 燃 焼 方 式 分 類 均 一 不 均 一 ガソリンエンジン ( SI ) 予 混 合 圧 縮 自 着 火 エンジン (PCCI ) PCCI : Premixed Charge Compression Ignition, Japan HCCI : Homogeneous Charge Compression Ignition, USA CAI : Controlled Auto Ignition, Europe 直 接 噴 射 ガソリンエンジン (GDI) ディーゼル エンジン (Diesel) S. Ashley, Scientific American を 基 に 作 成
各 燃 焼 方 式 の 概 要 SI 部 分 負 荷 : 非 均 一 混 合 気 GDI 全 負 荷 : 均 一 混 合 気 PCCI Diesel
各 燃 焼 方 式 のエンジンの 発 明 1876 年 :Nicolaus Otto 火 花 点 火 ガスエンジン ー 第 一 のエンジン 燃 焼 法 - 1897 年 :Rudolf Diesel ディーゼルエンジン ー 第 二 のエンジン 燃 焼 法 - 1978 年 : 大 西 繁 活 性 熱 雰 囲 気 燃 焼 エンジン ATACK(Active Thermo Atmosphere Combustion) Engine ( 予 混 合 圧 縮 自 着 火 エンジン) 可 搬 型 エンジン 発 電 機 として 発 売 1979 年 :SAE にて 論 文 発 表,Paper 790501 ー 第 三 のエンジン 燃 焼 法 - - - - ATACK is a third combustion process of the internal combustion engine.
予 混 合 圧 縮 自 着 火 燃 焼 研 究 の 歴 史 NOxおよびすすの 低 減 を 目 的 とした 新 燃 焼 法 予 混 合 圧 縮 自 着 火 燃 焼 の 提 言 青 山 太 郎 他, ガソリン 予 混 合 圧 縮 点 火 エンジンの 研 究, 自 動 車 技 術 会 1995 年 春 季 学 術 講 演 会 前 刷 集 9534702,1995 - PCCI (Premixed Charge Compression Ignition) 武 田 好 央 他, 早 期 燃 料 噴 射 による 希 薄 予 混 合 ディーゼル 燃 焼 の 排 出 物 特 性, 日 本 機 械 学 会 第 73 期 全 国 大 会 講 演 論 文 集,1995 - PREDIC (Premixed Lean Diesel Combustion) 柳 原 弘 道 他, 新 しい 混 合 気 形 成 法 によるディーゼルのNox 煤 同 時 低 減, 日 本 機 械 学 会 第 73 期 全 国 大 会 資 料 集, 1995 - UNIBUS (Uniform Bulky Combustion System) 松 井 幸 雄 他, 小 型 DIディーゼル 機 関 の 新 燃 焼 コンセプト, 自 動 車 技 術 会 論 文 集,Vol.28, No.1, 1997 / 木 村 修 二 他, 小 型 DIディーゼル 機 関 の 新 コンセプト 燃 焼 技 術 の 創 出, 自 動 車 技 術 会 論 文 集,Vol.28, No.2, 1997 - MK (Modulated Kinetics) 燃 焼
予 混 合 圧 縮 自 着 火 燃 焼 の 特 徴 ー 低 公 害 性 と 高 効 率 ガソリンでも 軽 油 でも 可 能. 希 薄 混 合 気 ( 燃 料 + 空 気 )あるいは 希 釈 混 合 気 ( 燃 料 + 空 気 + 再 循 環 排 気 ガス)の 自 着 火 燃 焼 である.したがって 燃 焼 温 度 が 低 い. ガソリンPCCIでは 従 来 のガソリンエンジンに 比 べてNOxの 生 成 が 極 めて 低 い. ディーゼルPCCIでは 従 来 ディーゼルエンジンに 比 べてNOxおよび 粒 子 状 物 質 (すす)の 発 生 が 極 めて 低 い. 吸 入 空 気 ( 新 気 )を 絞 らないのでガソリンPCCIにおいてはポンピング 損 失 が 少 ない. およそ1/2 負 荷 を 超 えると 強 いノック( 衝 撃 的 燃 焼 )のため 高 負 荷 運 転 が 困 難. 部 分 負 荷 に 限 られるが 熱 効 率 は 良 い. 着 火 時 期 を 自 由 に 制 御 出 来 ない
予 混 合 圧 縮 自 着 火 燃 焼 の 機 構 当 量 比 (equivalence ratio) =[ 理 論 空 気 量 ]/[ 空 気 量 ] クリーン 燃 焼 が 可 能 な 当 量 比 ー 温 度 領 域
PCCI 燃 焼 における 当 量 比 ー 温 度 領 域
PCCI 燃 焼 の 数 値 シミュレーション 数 値 格 子 の 大 きさで 局 所 空 間 平 均 された 一 般 保 存 式 / 質 量, 運 動 量,エンタルピ, 成 分 質 量 割 合 ( 反 応 式 を 含 む) Large Eddy Simulation D= 82.6mm, S=114.3 mm 600 rpm, C.R.=10 The number of cells=43,200 [cell volume] 1/3 =2.5mm 1.2mm (bdc) (tdc) Measured integral length scale in literature: 4-5mm 2.5mm (bdc) (tdc)
Pressure MPa 4 2 dp/d MPa/deg. 0 2 1 0-dimensional '=0.0 '=0.2 small scale '=0.1 large scale '=0.2 large scale 0-25 -20-15 -10-5 Crank angle deg. 三 種 類 の 局 所 当 量 比 分 布 に 対 する 圧 力, 全 熱 発 生 率 および 圧 力 上 昇 率 dp/d の 計 算 結 果 / : 局 所 当 量 比 の 空 間 変 動 成 分 ( = 0: 均 一 分 布 ) 300 200 100 0 R.O.H.R. J/deg.
homogeneous charge heterogeneous charge; = 0.2 and large scale local temperatures local heat release rate 全熱発生率最大時の温度 (上側) および 局所熱発生率 下側) / 均一分布 左側 および不均一分布 右側
超 小 型 エンジンの 燃 焼 解 析 ー 予 混 合 圧 縮 自 着 火 燃 焼 模 型 ディーゼルエンジン 模 型 ディーゼルエンジンは 圧 縮 自 着 火 の 意 味 で ディーゼル と 呼 ばれて いる.シリンダ 内 燃 料 噴 射 装 置 はない.その 燃 焼 形 態 については 圧 力 が 測 定 されることがなかったので 知 られていなかった. 近 年 実 機 で 予 混 合 圧 縮 自 着 火 燃 焼 の 研 究 開 発 が 盛 んに 行 われるようになり, 急 激 な 圧 力 上 昇 の ためにその 最 大 平 均 有 効 圧 が 通 常 のディーゼルエンジンの1/2 程 度 までに 制 限 される 問 題 の 解 決 が 各 所 の 研 究 組 織 で 検 討 された.この 問 題 解 決 の ヒントになるかもしれないと 考 えて 著 者 の 研 究 室 で 数 年 前 に 模 型 ディーゼ ルエンジンの 圧 力 測 定 を 行 ってみた.その 解 析 結 果 について 述 べる.
2ストロークエンジンはシリンダヘッドに 圧 縮 比 可 変 用 ピストンがあるのが 特 徴 で 最 大 出 力 が 得 られるように 圧 縮 比 が 調 整 される.4ストロークエン ジンでは 弁 機 構 のためにそれが 困 難 であるため 圧 縮 比 は 固 定 である. Needle valve Carburetor Throttle arm 2ストローク 4ストローク 模 型 ディーゼルエンジンの 構 造 概 要 供 試 エンジン(4ストローク 模 型 ディーゼル)
エンジン 諸 元 Engine type 4 stroke cycle, air cooled Bore Stroke mm 24.0 19.6 Stroke volume ml 8.87 Compression ratio 9.9 Valve mechanism 2 valve,ohv Fuel supply Carburetor 供 試 燃 料 Fuel Di-ethyl Kerosene Lub. oil L.H.V ether (castor oil) Vol % Vol % Vol % MJ/m 3 No. 1 35 40 25 3.42 No. 2 30 45 25 3.41 No. 3 25 50 25 3.41 No. 4 20 55 25 3.41 No. 5 15 60 25 3.40 液 体 の 体 積 % 理 論 混 合 気 の 単 位 体 積 あたり 低 位 発 熱 量 (L.H.V.) 標 準 大 気 圧 298 K 潤 滑 油 は 燃 焼 しないと 仮 定 して 算 出
Cylinder pressure MPa 8 6 4 2 16inch-propeller(4400~4500rpm) No.1,I.M.E.P=0.766MPa No.2,I.M.E.P=0.750MPa No.3,I.M.E.P=0.745MPa No.4,I.M.E.P=0.748MPa No.5,I.M.E.P=0.760MPa Cylinder pressure MPa 8 6 4 2 18inch-propeller(3600 ~3700rpm) No.1,I.M.E.P=0.707MPa No.2,I.M.E.P=0.707MPa No.3,I.M.E.P=0.704MPa No.4,I.M.E.P=0.703MPa No.5,I.M.E.P=0.703MPa 0-60 -40-20 0 20 40 60 Crank angle deg 0-60 -40-20 0 20 40 60 Crank angle deg 圧 力 測 定 結 果 (250サイクル 平 均 )
Heat release rate J/deg 2.5 16inch-propeller 2 4400~4500rpm No.1 1.5 1 0.5 0 No.2 No.3 No.4 No.5 cool flame hot flame -20-10 0 10 20 30 40 Crank angle deg Heat release rate J/deg 2.5 2 1.5 1 0.5 0 熱 発 生 率 (250サイクル 平 均 ) 18inch-propeller 3600~3700rpm No.1 No.2 No.3 No.4 No.5 cool flame hot flame -20-10 0 10 20 30 40 Crank angle deg
Inidicated mean effective pressure Mpa 0.80 0.78 0.76 0.74 0.72 imep, 16" 4400~4500 rpm imep, 17" 4000~4200 rpm imep, 18" 3600~3700 rpm 16" 17" 18" 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.70 0.8 1 2 3 4 5 Test fuel No. 最 大 出 力 時 の 図 示 平 均 有 効 圧 (i.m.e.p.) および 当 量 比 Equivalence ratio Indicated thermal efficiency % 50 40 30 20 10 0 18inch (3600~3700 rpm) 17inch (4000~4200 rpm) 16inch (4400~4500 rpm) No. 1 No. 2 No. 3 No. 4 No. 5 Test fuels 図 示 熱 効 率
Rate of pressure rise MPa/deg 2 1.5 1 0.5 0 18inch,3600~3700rpm 17inch,4000~4200rpm 16inch,4400~4500rpm No.1 No.2 No.3 No.4 No.5 Test fuels 最 大 圧 力 上 昇 率
模 型 グローエンジンの 燃 焼 高 速 度 写 真 解 析 ーLund 大 学 模 型 グローエンジンについてもその 燃 焼 形 態 はこれまで 知 られていなかった. 実 機 ではグロープラグ 補 助 着 火 の 天 然 ガスディーゼルエンジン および 古 くは 焼 玉 エ ンジンが 対 応 すると 思 われるがいずれもその 燃 焼 形 態 は 知 られていない. 最 近 Lund 大 学 (スウェーデン)で 模 型 グローエンジンに 可 視 化 窓 を 設 けて 燃 焼 の 高 速 度 写 真 による 解 析 が 公 表 (V. Manente, et. al., SAE2007-01-1884, 2007)されたので それを 引 用 して 解 説 する. 実 験 エンジン グロー 着 火 方 式 単 筒 空 冷 2ストロークエンジンで 行 程 容 積 4.11 cc (ボア ストローク= 18.0 16.5 mm) 実 圧 縮 比 7.35である. 掃 気 方 式 は 二 つのサイドポート と 排 気 ポートの 反 対 側 に 一 つのブーストポートを 持 つ3ポ ート 形 式 である.シリンダヘッドを 改 造 し 燃 焼 の 高 速 度 撮 影 用 水 晶 窓 が 取 り 付 けられている.そのために グロー プラグはライナー 上 部 側 面 に 取 り 付 けられている. http://www.os-engines.co.jp/index_j.htm
V. Manente ら(Lund 大 学 )による 燃 焼 観 察 結 果 ( SAE2007-01-1884, 2007) によれば, 発 光 がシリンダ 内 に 広 く 分 布 して 観 察 され,グロープラグからの 火 炎 伝 播 で はないことがわかる. 燃 焼 のはじめにはフォルムアルデヒドの 発 光 が 見 られ,これは 冷 炎 の 出 現 を 表 す.その 消 滅 と 入 れ 替 わりにOH 発 光 が 観 察 されるのは 熱 炎 の 始 まりを 表 す.この 過 程 は 予 混 合 圧 縮 自 着 火 燃 焼 の 特 徴 である.グロープラグは 最 初 の 自 着 火 開 始 を 助 けると 見 られる.
模 型 エンジン 燃 焼 解 析 のまとめ 著 者 のグループで 模 型 4ストロークディーゼルの 圧 力 を 解 析 した 結 果 実 機 と 同 様 の 予 混 合 圧 縮 自 着 火 燃 焼 であることがわかった. 混 合 燃 料 の DEE/ 灯 油 の 混 合 割 合 を 変 えて 実 験 を 行 った 結 果 最 大 圧 力 上 昇 率 が0.4 ~0.7 [MPa/deg.] の 範 囲 で 図 示 平 均 有 効 圧 0.70~0.76 [MPa] 図 示 熱 効 率 0.34~0.36が 得 られた. 実 機 の 予 混 合 圧 縮 自 着 火 エンジンでは 困 難 である 高 負 荷 運 転 が 可 能 であった 要 因 の 一 つは 高 速 回 転 であるために 着 火 遅 れ 時 間 に 対 してクランク 角 度 が 長 くなり 上 死 点 を 十 分 過 ぎてから 熱 炎 によ る 圧 力 上 昇 が 始 まること 二 つ 目 の 要 因 は DEEの 混 合 により 混 合 気 の 自 着 火 温 度 を 低 くできることにあり それによって 低 い 圧 縮 比 で 運 転 が 可 能 で あったことである.
模 型 エンジン 燃 焼 解 析 のまとめー 続 き 模 型 2ストロークグローエンジンについて Lund 大 学 で 行 われた 高 速 度 燃 焼 画 像 解 析 結 果 を 紹 介 した.フォルムアルデヒド 発 光 画 像 およびOH 発 光 画 像 の 解 析 の 結 果 グロープラグ 付 近 から 冷 炎 反 応 が 開 始 して 燃 焼 室 全 域 に 広 がり 引 き 続 いて 熱 炎 反 応 が 続 く 形 態 ーすなわち 予 混 合 圧 縮 自 着 火 燃 焼 ーであることが 明 らかにされた. 模 型 グローエンジンの 始 まりは1940 年 代, 模 型 ディーゼルエンジンは1950 年 ごろに 始 まったと 言 われている( 尾 白,エンジンテクノロジーレビュー, 2009 年 6 月 号 ). その 意 味 では, 燃 焼 形 態 は 当 初 は 知 られていなかったものの, 予 混 合 圧 縮 自 着 火 燃 焼 は 模 型 エンジンで 始 まったと 言 える.