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STAR Japanese Conference 213 筒 内 燃 焼 シミュレーションによる スパークプラグの 着 火 性 予 測 手 法 の 開 発 日 本 特 殊 陶 業 株 式 会 社 研 究 開 発 センター 吉 崎 博 俊 七 田 貴 史 津 荷 俊 介 杉 本 典 康 プラグ 事 業 部 技 術 部 中 山 勝 稔 213.12.4 STAR Japanese Conference 213 1

発 表 内 容 1. 会 社 紹 介 2. 背 景 3. 技 術 構 築 4.スパークプラグの 電 極 形 状 による 着 火 性 5. 投 入 エネルギによる 着 火 性 6.エンジン 条 件 による 着 火 性 7.まとめ 213.12.4 STAR Japanese Conference 213 2

発 表 内 容 1. 会 社 紹 介 2. 背 景 3. 技 術 構 築 4.スパークプラグの 電 極 形 状 による 着 火 性 5. 投 入 エネルギによる 着 火 性 6.エンジン 条 件 による 着 火 性 7.まとめ 213.12.4 STAR Japanese Conference 213 3

日 本 特 殊 陶 業 株 式 会 社 設 立 :1936 年 ( 創 立 77 年 ) 資 本 金 :47,869 百 万 円 従 業 員 数 : 単 独 5,881 名 連 結 12,563 名 (213 年 3 月 ) 売 上 :3,27 億 円 ( 連 結 213 年 3 月 期 ) 本 社 : 愛 知 県 名 古 屋 市 研 究 開 発 拠 点 : 小 牧 工 場 ( 愛 知 県 小 牧 市 ) など 海 外 生 産 拠 点 :アメリカ ブラジル フランス タイ など 森 村 グループ 航 空 機 イグナイタプラグ 自 動 車 スパークプラグ グロープラグ 自 動 車 酸 素 センサ 排 気 温 センサ ロケット イグナイタプラグ レース ( 二 輪 / 四 輪 ) レース 用 プラグ パソコン オーガニックIC パッケージ 携 帯 電 話 水 晶 デバイスSAW フィルタ 用 パッケージ 工 場 切 削 工 具 (セラミック/ 超 硬 ) 家 庭 医 療 用 酸 素 濃 縮 器 213.12.4 STAR Japanese Conference 213 4

発 表 内 容 1. 会 社 紹 介 2. 背 景 3. 技 術 構 築 4.スパークプラグの 電 極 形 状 による 着 火 性 5. 投 入 エネルギによる 着 火 性 6.エンジン 条 件 による 着 火 性 7.まとめ 213.12.4 STAR Japanese Conference 213 5

スパークプラグについて エンジンの 燃 焼 室 に 顔 を 出 すように 取 り 付 けられ ガソリンと 空 気 の 混 合 気 に 火 を 着 ける 役 割 213.12.4 STAR Japanese Conference 213 6

開 発 の 背 景 ガソリンエンジンの 高 効 率 化 高 EGR 成 層 ( 希 薄 ) 燃 焼 筒 内 流 動 強 化 高 着 火 スパークプラグ 様 々な 形 状 のスパークプラグ 開 発 期 間 の 短 縮 と 試 作 コスト 低 減 現 象 把 握 数 値 シミュレーション やり 直 し 低 減 試 作 レス スパークプラグの 着 火 性 評 価 は 実 機 試 験 が 主 体 で 設 計 段 階 での 予 測 が 困 難 Ni Ir SPE DFE PSPE Ni Nickel Ir Iridium SPE Square Platinum Electrode DFE Double Fine Electrode PSPE Projected Square Platinum Electrode 筒 内 燃 焼 シミュレーション による 着 火 性 予 測 手 法 の 開 発 に 着 手 213.12.4 STAR Japanese Conference 213 7

開 発 目 標 1 プラグ 仕 様 ( 電 極 形 状 ) 投 入 エネルギ による 着 火 性 を 予 測 可 能 ( 相 対 評 価 )とする エンジン 条 件 2 設 計 現 場 での 活 用 を 意 識 し 高 い 精 度 を 追 求 するよりも 計 算 時 間 を 重 視 エンジンモデル ピストン バルブの 移 動 失 火 現 象 の 再 現 吸 熱 反 応 を 含 む 詳 細 化 学 反 応 計 算 負 荷 が 大 きい 設 計 活 用 への 障 害 使 用 ソフト: 熱 流 体 ;STAR-CD 詳 細 化 学 反 応 ;DARS-CFD エンジンモデル;es-ice (CD-adapco 社 ) の 連 成 計 算 213.12.4 STAR Japanese Conference 213 8

発 表 内 容 1. 会 社 紹 介 2. 背 景 3. 技 術 構 築 4.スパークプラグの 電 極 形 状 による 着 火 性 5. 投 入 エネルギによる 着 火 性 6.エンジン 条 件 による 着 火 性 7.まとめ 213.12.4 STAR Japanese Conference 213 9

開 発 の 経 緯 * 吸 気 弁 開 ~ 圧 縮 上 死 点 まで 計 算 筒 内 燃 焼 計 算 時 間 *:2 週 間 (Power6 4.7GHz 4) 定 容 チャンバ : 設 計 仕 様 絞 り 込 み 筒 内 燃 焼 : 確 認 計 算 という 使 い 方 を 想 定 ハードウエアの 進 化 モデル 化 計 算 条 件 の 改 良 2 日 (Xeon3.46GHz 8) 計 算 時 間 に 目 処 筒 内 燃 焼 に 一 本 化 28 年 29 年 21 年 211 年 212 年 ~ 詳 細 反 応 燃 焼 + 熱 引 き+ 流 れ ( 定 容 チャンバ) 筒 内 燃 焼 ( 簡 易 形 状 エンジン) 可 視 化 エンジン 筒 内 燃 焼 ( 自 動 車 用 エンジン) 13 万 セル 16 万 セル 22 万 セル 213.12.4 STAR Japanese Conference 213 1

確 立 した 技 術 火 炎 伝 播 速 度 [m/s] 1 PIVによる 筒 内 流 動 の 可 視 化 2 3Dスキャンによる エンジン 現 物 のモデル 化 筒 内 流 動 計 算 の 検 証 3 火 花 移 動 モデル 実 測 値 の 多 変 量 解 析 により 移 動 量 予 測 式 を 作 成 3D スキャン エンジン 現 物 3D-CAD 計 算 メッシュ 4 ガソリン 代 替 反 応 メカニズム 計 算 負 荷 が 低 く 反 応 速 度 特 性 がガソリン と 比 較 的 近 い 燃 料 を 探 索 エタン(C 2 H 6 )を 選 定 更 に 簡 略 化 も 実 施.6.5.4.3.2.1 エタン ヘプタン オクタン ガソリン 相 当.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 空 気 過 剰 率 λ 213.12.4 STAR Japanese Conference 213 11

確 立 した 技 術 1 火 炎 伝 播 速 度 [m/s] 1 PIVによる 筒 内 流 動 の 可 視 化 2 3Dスキャンによる エンジン 現 物 のモデル 化 筒 内 流 動 計 算 の 検 証 3 火 花 移 動 モデル 実 測 値 の 多 変 量 解 析 により 移 動 量 予 測 式 を 作 成 3D スキャン エンジン 現 物 3D-CAD 計 算 メッシュ 4 ガソリン 代 替 反 応 メカニズム 計 算 負 荷 が 低 く 反 応 速 度 特 性 がガソリン と 比 較 的 近 い 燃 料 を 探 索 エタン(C 2 H 6 )を 選 定 更 に 簡 略 化 も 実 施.6.5.4.3.2.1 エタン ヘプタン オクタン ガソリン 相 当.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 空 気 過 剰 率 λ 213.12.4 STAR Japanese Conference 213 12

流 量 係 数 [-] Coefficient of Flow [-] PIVによる 筒 内 流 動 の 可 視 化 筒 内 流 動 計 算 に 求 められること ⅰ.エンジン 条 件 による 筒 内 流 動 の 強 さ ⅱ. 接 地 電 極 方 向 による 火 花 ギャップ 間 流 速 を 再 現 できる 対 象 エンジン: 市 販 の 可 視 化 エンジンをベースにヘッドとバルブを 新 規 作 成 Base Verification Test Cylinder No. 1 1 Displacement Vol. 66cm 2 66cm 2 スパークプラグ ヘッド Bore Stroke 41 5mm 41 5mm Compression Ratio 3 or 4 4 Valve Train OHV 2valve OHV 2valve Valve Diameter 14/14mm(In/Ex) 11/9.5mm(In/Ex) Spark Plug Position Side Center シリンダ(Allガラス) ピストン 予 備 検 討 : 流 量 係 数 の 検 証 計 算 モデル Air IN (4kPa) 使 用 ソフト: STAR-CD,es-ice 流 量 係 数 実 際 の 流 量 = 理 論 流 量 ( 流 路 抵 抗 なし) OUT( 大 気 開 放 ).7.6.5.4.3.2.1 Calculation 計 算 Experiment 実 験 1 2 3 4 5 Valve Lift [mm] 両 者 ほぼ 一 致 213.12.4 STAR Japanese Conference 213 13

PIV 測 定 装 置 PIV (Particle Image Velocimetry; 粒 子 画 像 流 速 計 ) レーザシート 光 に 照 らされたトレーサ 粒 子 を 高 速 度 カメラで 撮 影 し,トレーサ 粒 子 の 濃 淡 パターンを 画 像 処 理 することで,2 次 元 の 速 度 ベクトルを 得 る 手 法 計 算 モデル (バルブ,ピストン 駆 動 ) Intake (Air, 大 気 圧 ) スパークプラグ 使 用 ソフト: STAR-CD,es-ice Exhaust ( 大 気 圧 ) 壁 面 : 断 熱 実 験 装 置 高 沸 点 (3 )のオリーブオイルを 使 用 Air IN トレーサ IN スパークプラグ 排 気 高 速 度 カメラ レーザ シート 光 源 213.12.4 STAR Japanese Conference 213 14

PIV 結 果 ( 例 ) 燃 焼 室 全 体 : 動 画 15rpm プラグなし( 封 止 栓 ) 213.12.4 STAR Japanese Conference 213 15

流 速 [m/s] 8 7 6 5 4 3 2 1 PIVと 計 算 の 比 較 ( 燃 焼 室 全 体 ) プラグなし( 封 止 栓 ) n=3の 平 均 地 点 (a) 計 算 5rpm 計 算 15rpm PIV 5rpm( 近 似 曲 線 ) 流 速 PIV 15rpm( 近 似 曲 線 ) UW 流 速 UW 流 速 [m/s] 8 7 6 5 4 3 2 地 点 (f) 多 項 式 ( 流 速 ) 1 1 多 項 式 ( 流 速 ) BTDC36 8 ( 吸 45 気 ) 18 54 ( 63 圧 縮 ) TDC 72 BTDC36 ( 吸 45 気 ) 18 54 ( 63 圧 縮 ) TDC 72 BTDC36 ( 吸 45 気 ) 18 54 ( 63 圧 縮 ) TDC 地 点 (b) 8 地 点 (c) 8 地 点 (d) 72 7 crank crank angle angel [deg] 7 crank crank angle angel [deg] 7 crank angle angel [deg] 6 6 6 流 速 [m/s] 5 4 3 2 1 流 速 [m/s] 5 4 3 2 1 流 速 [m/s] 8 7 6 5 4 3 2 IN (a) (f) (e) (b) (c) (d) EX 地 点 (e) 高 流 速 バルブ 開 閉 による 変 動 が 大 きい 吸 気 行 程 ではPIVのばらつきが 大 きい が おおまかな 流 速 レベルは 一 致 圧 縮 行 程 では 良 く 一 致 5mm 5mm TDC BTDC36 ( 吸 45 気 ) 18 54 ( 63 圧 縮 ) TDC 72 BTDC36 ( 吸 45 気 ) 18 54 ( 63 圧 縮 ) TDC 72 BTDC36 ( 吸 45 気 ) 18 54 ( 63 圧 縮 ) TDC 72 crank crank angle angel [deg] crank crank angle angel [deg] crank angle angel [deg] エンジン 回 転 数 による 流 速 (エンジン 条 件 による 筒 内 流 動 の 強 さ)を 再 現 できた 流 速 [m/s] 5 4 3 2 1 213.12.4 STAR Japanese Conference 213 16

PIV (BTDC3deg) PIVと 計 算 の 比 較 ( 火 花 ギャップ 間 流 速 ) 15rpm 圧 縮 行 程 のみ n=3の 平 均.8.8.8.7.7.7 計 算.6.6.6.5.5.5.4.4.4.3.3.3.2.2.2.1.1.1 PIV(プロットと 近 似 曲 線 ) BTDC18 54 12 6 66 6 TDC 72 BTDC18 54 12 6 666 TDC 72 BTDC18 54 12 6 666 TDC 72 crank angle angel [deg] crank angle angel [deg] crank angle angel [deg] 流 速 [m/s] 接 地 電 極 EX 方 向 接 地 電 極 9deg 接 地 電 極 IN 方 向 IN EX IN EX 流 速 [m/s] 流 速 [m/s] 接 地 電 極 : 金 属 透 明 アクリル シート 光 をギャップ 間 まで 透 過 IN EX 実 測 と 計 算 ともに ( 速 ) 9deg EX 方 向 > IN 方 向 ( 遅 ) 接 地 電 極 方 向 による 火 花 ギャップ 間 流 速 を 再 現 できた 213.12.4 STAR Japanese Conference 213 17

確 立 した 技 術 2 火 炎 伝 播 速 度 [m/s] 1 PIVによる 筒 内 流 動 の 可 視 化 2 3Dスキャンによる エンジン 現 物 のモデル 化 筒 内 流 動 計 算 の 検 証 3 火 花 移 動 モデル 実 測 値 の 多 変 量 解 析 により 移 動 量 予 測 式 を 作 成 3D スキャン エンジン 現 物 3D-CAD 計 算 メッシュ 4 ガソリン 代 替 反 応 メカニズム 計 算 負 荷 が 低 く 反 応 速 度 特 性 がガソリン と 比 較 的 近 い 燃 料 を 探 索 エタン(C 2 H 6 )を 選 定 更 に 簡 略 化 も 実 施.6.5.4.3.2.1 エタン ヘプタン オクタン ガソリン 相 当.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 空 気 過 剰 率 λ 213.12.4 STAR Japanese Conference 213 18

筒 内 圧 [MPa] 筒 内 温 度 [K] 3Dスキャンによるエンジン 現 物 のモデル 化 自 動 車 用 エンジン: 一 般 購 入 品 であるため CADを 保 有 していない 3Dスキャンの 懸 念 事 項 : エッジが 鈍 る スキャン 誤 差 による 面 の 微 小 なズレや 歪 み, 隙 間 が 生 じる など モデル 化 ~ 計 算 の 流 れ 3Dスキャンデータから CAD メッシュを 作 成 CADやメッシャ 上 で 修 正 可 能 なレベルであった エンジン 現 物 3D スキャン 3D-CAD 実 測 (TDC 点 火 )と 突 合 せて 比 熱 比 等 を 調 整 自 動 車 用 エンジンを モデル 化 できた Assy-CAD 表 面 メッシュ 計 算 メッシュ 1.8.6.4.2 計 算 実 測 -36-27 -18-9 Crank Angle [degatdc] 1 9 8 7 6 5 4 3-36 -27-18 -9 Crank Angle [degatdc] 計 算 計 算 結 果 213.12.4 STAR Japanese Conference 213 19

確 立 した 技 術 3 火 炎 伝 播 速 度 [m/s] 1 PIVによる 筒 内 流 動 の 可 視 化 2 3Dスキャンによる エンジン 現 物 のモデル 化 筒 内 流 動 計 算 の 検 証 3 火 花 移 動 モデル 実 測 値 の 多 変 量 解 析 により 移 動 量 予 測 式 を 作 成 3D スキャン エンジン 現 物 3D-CAD 計 算 メッシュ 4 ガソリン 代 替 反 応 メカニズム 計 算 負 荷 が 低 く 反 応 速 度 特 性 がガソリン と 比 較 的 近 い 燃 料 を 探 索 エタン(C 2 H 6 )を 選 定 更 に 簡 略 化 も 実 施.6.5.4.3.2.1 エタン ヘプタン オクタン ガソリン 相 当.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 空 気 過 剰 率 λ 213.12.4 STAR Japanese Conference 213 2

投 入 エネルギ ( 実 測 )[W] 点 火 モデル スパークプラグに 投 入 した 電 気 エネルギ の8%( 効 率 8%と 仮 定 )に 相 当 するエンタルピ を 火 花 放 電 領 域 に 与 える 流 れにより 火 花 が 移 動 するため 火 花 移 動 モデルを 開 発 した 投 入 エネルギ 火 花 の 移 動 ( 可 視 化 エンジン) 火 花 移 動 モデル (ユーザサブルーチン) 1 電 極 間 に 仮 想 的 にバネで 結 ばれた 粒 子 を 配 列 2 粒 子 は 流 れによる 抗 力 粒 子 の 慣 性 力 とバネ 引 力 で 釣 合 う 3 時 々 刻 々と 移 動 する 粒 子 が 存 在 する 領 域 を エネルギ 投 入 領 域 とする 1 2 3.5 1 1.5 2 Time [ms] 2mm 放 電 現 象 を 解 くものではなく 粒 子 の 抗 力 係 数 やバネ 定 数 等 を 調 節 して 所 望 の 移 動 量 に 合 わせ 込 むモデルであるため エンジン 内 での 移 動 量 を 予 め 把 握 しておく 必 要 がある 可 視 化 エンジンで 各 種 条 件 での 移 動 量 を 測 定 多 変 量 解 析 により 移 動 量 予 測 式 を 作 成 した 火 花 移 動 の 考 慮 が 可 能 となった 213.12.4 STAR Japanese Conference 213 21

火 花 移 動 の 影 響 OHラジカル 総 量 (kg) 定 容 チャンバモデルにおける 検 証 火 花 移 動 を 考 慮 する 影 響 を 確 認 針 金 電 極 主 流 速 :5m/s 断 面 温 度 分 布 ( 放 電 1ms 後 ) OHラジカル 総 量 の 推 移 温 度 分 布 火 花 移 動 なし 火 花 移 動 あり 6.E-11 4.E-11 火 花 移 動 なし 火 花 移 動 あり 2.E-11 5K 3K.E+.1.2.3.4 time (s) 火 花 移 動 あり なしで 燃 焼 速 度 が 変 化 する 火 花 移 動 の 考 慮 が 必 要 なことを 確 認 した 213.12.4 STAR Japanese Conference 213 22

確 立 した 技 術 4 火 炎 伝 播 速 度 [m/s] 1 PIVによる 筒 内 流 動 の 可 視 化 2 3Dスキャンによる エンジン 現 物 のモデル 化 筒 内 流 動 計 算 の 検 証 3 火 花 移 動 モデル 実 測 値 の 多 変 量 解 析 により 移 動 量 予 測 式 を 作 成 3D スキャン エンジン 現 物 3D-CAD 計 算 メッシュ 4 ガソリン 代 替 反 応 メカニズム 計 算 負 荷 が 低 く 反 応 速 度 特 性 がガソリン と 比 較 的 近 い 燃 料 を 探 索 エタン(C 2 H 6 )を 選 定 更 に 簡 略 化 も 実 施.6.5.4.3.2.1 エタン ヘプタン オクタン ガソリン 相 当.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 空 気 過 剰 率 λ 213.12.4 STAR Japanese Conference 213 23

燃焼反応メカニズム 燃焼反応の扱いは 下記2つに大別される 反応メカニズムの簡略化 総括単段反応 (火炎伝播モデル含) 反応物と最終生成物のみの取り扱い 詳細化学反応計算は 計算時間が膨大に なるため 寄与の小さい化学種を削除する 手法を採った 例 プロパン燃焼 4化学種 素反応の経路図 C3H8 + 5O2 3CO2 + 4H2 素反応を含む多段反応 詳細化学反応 中間体化学種を経由した生成物過程を解く 削減 例 プロパン燃焼 156化学種 C3H8 + O2 C3H7 + HO2 C3H7 + OH C2H5 + CH2OH H2 + H2O 2H + H2O H + O2 O + OH 失火の再現には 吸熱反応を含む詳細化学反応が必要 東京大学の中谷辰爾准教授(当時 大阪府立大 助教)よりアドバイス 213.12.4 STAR Japanese Conference 213 24

ガソリンの 詳 細 反 応 メカニズム 主 成 分 であるヘプタン(n-C 7 H 16 )やオクタン(i-C 8 H 18 )で 代 用 計 算 時 間 が 膨 大 ( 構 成 原 子 数 が 多 いと 計 算 負 荷 が 大 きくなる 傾 向 ) メカニズムの 簡 略 化 燃 料 簡 略 化 後 化 学 種 数 反 応 式 数 燃 焼 計 算 計 算 時 間 プロパン(C 3 H 8 ) 29 14 定 容 チャンバ 2~4 日 ヘプタン(n-C 7 H 16 ) 44 394 筒 内 (エンジン) 数 週 間 ~1ヶ 月 以 上? 使 用 ソフト:DARS 計 算 負 荷 が 低 く 反 応 速 度 特 性 がガソリンと 比 較 的 近 い 燃 料 で 代 替 代 替 燃 料 : 構 成 原 子 数 の 少 ない 炭 化 水 素 系 燃 料 を 中 心 に 検 討 213.12.4 STAR Japanese Conference 213 25

火 炎 伝 播 速 度 [m/s] 温 度 [K] 着 火 遅 れ 時 間 [ms] ガソリン 代 替 反 応 メカニズム 次 元 反 応 解 析 ( 着 火 遅 れ 時 間 ) 反 応 速 度 ( 初 期 温 度 :15K, 空 気 過 剰 率 :1.66) ( 着 火 遅 れ 時 間 ) ガソリンに 近 い 反 応 メカニズムの 出 典 メタン(CH 4 ):U.C.BerkeleyのGRI-Mech3. それ 以 外 :ローレンス リバモア 国 立 研 究 所 着 火 遅 れ 時 間 ; 初 期 温 度 から 2K 上 昇 するまでの 時 間 と 定 義 ( 初 期 温 度 :15K,.2MPa) ガソリン 相 当 エタン(C 2 H 6 ) プロパン(C 3 H 8 ) エタノール(C 2 H 5 OH) 空 気 過 剰 率 に 対 する 感 度 ( 傾 きの 正 負 )が ガソリンと 異 なる ガソリン 相 当 空 気 過 剰 率 λ 1 次 元 層 流 火 炎 伝 播 速 度 解 析 エタン(C 2 H 6 ), プロパン(C 3 H 8 )は はガソリンと 同 等 の 反 応 速 度 ( 火 炎 伝 播 速 度 ) 特 性 を 持 つ ( 雰 囲 気 温 度 :4K,.2MPa) 空 気 過 剰 率 λ 反 応 速 度 は 総 じて エタン ヘプタン>オクタン プロパン 速 エタン プロパン 共 にガソリンと 近 い 反 応 速 度 を 示 す 遅 より 計 算 負 荷 の 低 いエタンを 採 用 簡 略 化 後 :24 化 学 種,16 式 213.12.4 STAR Japanese Conference 213 26

筒 内 燃 焼 計 算 結 果 自 動 車 用 エンジン:16rpm, 軽 負 荷,λ =1.5 スパークプラグ:DFE 新 気 濃 度 分 布 ( 吸 気 ~ 圧 縮 行 程 ) 火 花 の 移 動 (エネルギ 投 入 領 域 ) OHラジカル 濃 度 分 布 ( 燃 焼 活 性 度 ) [%].14 86 [%] 1 213.12.4 STAR Japanese Conference 213 27

筒 内 圧 [MPa] 質 量 燃 焼 割 合 [%] 筒 内 圧 [MPa] OHラジカル 総 質 量 [kg] 筒 内 燃 焼 計 算 結 果 実 測 との 比 較 自 動 車 用 エンジン:16rpm, 軽 負 荷 スパークプラグ:DFE 使 用 ソフト:STAR-CD,es-ice,DARS 失 火 現 象 (リーン 限 界 )の 再 現 自 動 車 用 エンジン:16rpm, 軽 負 荷 スパークプラグ:Ir 2.5 4 2. 1.5 1..5 計 算 実 測 λ 1.6 λ 1.5 3 2 1 計 算 実 測 λ 1.6 λ 1.5. -6-5 -4-3 -2-1 Crank angle [ATDCdeg] -6-5 -4-3 -2-1 Crank angle [ATDCdeg] 完 全 失 火 リーン 領 域 では 筒 内 圧 質 量 燃 焼 割 合 ともに 良 く 一 致 している 着 火 性 評 価 に 重 要 である 燃 料 濃 度 に よる 変 化 を 精 度 良 く 再 現 できている λ =2.4で 完 全 に 失 火 する 現 象 を 再 現 できた λ =2. 前 後 では 燃 焼 反 応 は 進 行 しているが ほとんど 仕 事 をしていない (エンジンでは 失 火 判 定 となる) 213.12.4 STAR Japanese Conference 213 28

発 表 内 容 1. 会 社 紹 介 2. 背 景 3. 技 術 構 築 4.スパークプラグの 電 極 形 状 による 着 火 性 5. 投 入 エネルギによる 着 火 性 6.エンジン 条 件 による 着 火 性 7.まとめ 213.12.4 STAR Japanese Conference 213 29

電 極 形 状 による 着 火 性 接 地 電 極 の 形 状 のみが 異 なる4 種 類 のスパークプラグの 着 火 性 を 評 価 する 中 心 電 極 接 地 電 極 DFE Double Fine Electrode PSPE Projected Square Platinum Electrode SPE Square Platinum Electrode Ir Iridium 計 算 条 件 : 直 列 4 気 筒 15cc 自 動 車 用 エンジン 16rpm 軽 負 荷 計 算 結 果 : 点 火 直 後 の 火 炎 (λ 1.6 1[K]の 等 値 面 ) DFE PSPE DFE PSPE Zoom SPE Ir SPE Ir 213.12.4 STAR Japanese Conference 213 3

質 量 燃 焼 割 合 [%] 質 量 燃 焼 割 合 [%] 質 量 燃 焼 割 合 [%] 質 量 燃 焼 割 合 [%] 4 種 類 のプラグの 着 火 性 評 価 計 算 結 果 : 質 量 燃 焼 割 合 縦 軸 に OHラジカル 発 生 量, 質 量 燃 焼 割 合, 火 炎 体 積 の 15 燃 料 : 濃 いずれの 評 価 指 標 をとっても 同 様 の 結 果 となった 15 15 15 λ =1.4 λ =1.5 λ =1.6 λ =1.7 燃 料 : 薄 1 1 1 1 5 5 5 5-3 -2-1 -3-2 -1-3 -2-1 -3-2 -1 Crank Angle [degatdc] Crank Angle [degatdc] 実 機 試 験 結 果 : リーンリミット ( 優 ) DFE > PSPE > SPE > Ir ( 劣 ) 比 較 的 燃 料 が 濃 い 場 合 は 差 が 見 られないが 燃 料 を 薄 くしていくと λ 1.5でIrが 脱 落 λ 1.6でSPEが 脱 落 λ 1.7でPSPEが 脱 落 ( 優 ) DFE > PSPE > SPE > Ir ( 劣 ) という 序 列 が 再 現 できた しかし 効 率 的 ではない 定 量 的 に 評 価 したい Crank Angle [degatdc] Crank Angle [degatdc] 213.12.4 STAR Japanese Conference 213 31

着 火 性 評 価 指 標 の 検 討 実 機 試 験 による 着 火 性 評 価 では 燃 料 濃 度 ( 空 気 過 剰 率 λ )を 薄 くしていき 筒 内 圧 のばらつき(COV)が 規 定 値 に 達 したλ をリーンリミットとする シミュレーションはばらつかない 別 の 指 標 で 置 き 換 えられないか? 参 考 文 献 : 均 質 希 薄 混 合 気 SI 燃 焼 方 式 (HLSI)の 研 究, 園 ら( 本 田 技 術 研 究 所 ), 自 技 会 212 年 秋 季 大 会 上 死 点 時 の 筒 内 温 度 とリーンリミットには 強 い 相 関 がある ことから 筒 内 温 度 に しきい 値 を 設 けて その 温 度 になるときのλをリーンリミットとした 一 般 に 燃 焼 限 界 は 温 度 と 強 い 相 関 があり おおよそ1[K] 以 上 になると 急 激 な 燃 焼 反 応 が 進 行 すると 言 われているため 妥 当 な 評 価 と 考 える 参 考 文 献 ではしきい 値 は115[K]としているが 筒 内 圧 から 算 出 した 温 度 であるため 誤 差 を 含 むことと 条 件 や 判 定 値 によっても 異 なると 推 測 される 213.12.4 STAR Japanese Conference 213 32

Cylinder Temperature @TDC [K] 上 死 点 時 の 筒 内 温 度 [K] TDC 筒 内 温 度 を 指 標 とした 着 火 性 評 価 13 12 11 1 9 8 7 Criteria しきい 値 DFE PSPE SPE Ir 6 リーンリミット Lean Limit 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 Excess 空 気 Air 過 Ratio 剰 率 λ しきい 値 を9[K]とすると 実 機 試 験 と 良 い 相 関 が 得 られた 妥 当 性 については 今 後 様 々な 条 件 で 実 績 を 積 んで 確 認 していく DFE PSPE SPE DFE PSPE SPE 計 算 結 果 Ir 1.6 1.62 1.64 1.66 1.68 1.7 リーンリミット λ 良 い 相 関 実 機 試 験 Good Good Ir 1.5 1.55 1.6 1.65 1.7 リーンリミット λ しきい 値 が9[K]とやや 低 めなのは 試 験 の 評 価 条 件 やその 判 定 基 準 の 影 響 も 考 えられるが 計 算 の 燃 焼 速 度 を 実 測 に 合 わせ 込 むために 筒 内 温 度 をやや 低 めに 補 正 している 影 響 も 考 えられる 213.12.4 STAR Japanese Conference 213 33

電 極 形 状 により 着 火 性 差 が 生 じる 要 因 DFE PSPE DFE PSPE SPE Ir Good 5 1 15 2 プラグへの 熱 損 失 [mj] プラグへの 熱 損 失 [mj]( 放 電 期 間 中 ) 相 関 あり SPE 点 火 直 後 の 火 炎 (λ 1.6 点 火 後 1degCA 1[K]の 等 値 面 ) Ir DFE PSPE SPE Ir Good 極 初 期 の 火 炎 が 電 極 に 触 れる 面 積 が 小 さい 熱 損 失 が 小 さい 着 火 性 が 良 い 1.6 1.62 1.64 1.66 1.68 1.7 リーンリミット λ プラグへの 熱 引 き( 熱 損 失 )が 着 火 性 に 大 きく 影 響 することを 確 認 できた 213.12.4 STAR Japanese Conference 213 34

発 表 内 容 1. 会 社 紹 介 2. 背 景 3. 技 術 構 築 4.スパークプラグの 電 極 形 状 による 着 火 性 5. 投 入 エネルギによる 着 火 性 6.エンジン 条 件 による 着 火 性 7.まとめ 213.12.4 STAR Japanese Conference 213 35

投 入 エネルギ [W] 投 入 エネルギ 量 の 影 響 一 般 的 なフルトランジスタ 電 源 である Normal に 対 し 単 位 時 間 あたりのエネルギと 持 続 時 間 を 大 幅 に 増 加 させた High-Energy の 着 火 性 を 検 討 (スパークプラグはDFEを 使 用 着 火 性 評 価 は 前 述 の 筒 内 温 度 を 指 標 とした 手 法 ) High-Energy Normal 計 算 結 果 (TDC 筒 内 温 度 を 指 標 とした 着 火 性 評 価 ) Normal High-Energy +.5.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Time [ms] 1.6 1.7 1.8 1.9 2 リーンリミット λ 投 入 エネルギを 増 やすと 着 火 性 が 向 上 する 実 現 象 を 再 現 リーンリミットλ の 向 上 は+.5であり 電 極 形 状 DFEとIrの 差 が.4であったこと と 比 較 すると エネルギを 大 幅 に 増 加 した 割 には 向 上 していないといえる 理 由 1: 既 燃 部 にエネルギを 投 入 しても 未 燃 部 に 効 率 的 に 供 給 できない 理 由 2: 投 入 エネルギを 熱 エネルギとして 扱 っているが 電 離 等 のプラズマ 現 象 が 影 響 理 由 3: 詳 細 化 学 反 応 ソルバの 反 応 速 度 リミット 温 度 上 限 約 8[K] 213.12.4 STAR Japanese Conference 213 36

発 表 内 容 1. 会 社 紹 介 2. 背 景 3. 技 術 構 築 4.スパークプラグの 電 極 形 状 による 着 火 性 5. 投 入 エネルギによる 着 火 性 6.エンジン 条 件 による 着 火 性 7.まとめ 213.12.4 STAR Japanese Conference 213 37

高 流 速 場 での 検 討 吸 気 管 断 面 の 下 半 分 を 遮 蔽 するタンブルコントロールバルブ 相 当 のバッフルプレート を 設 置 することで 高 流 速 ( 高 タンブル) 場 を 実 現 通 常 流 速 高 流 速 バッフル プレート なし バッフル プレート 流 速 ベクトル [m/s] バッフル プレート 点 火 時 期 における 火 花 ギャップ 間 流 速 が 4 9[m/s] に 向 上 吸 気 行 程 (バルブ 断 面 ) バッフル プレート なし 点 火 時 期 ( 中 央 断 面 ) バッフル プレート あり 213.12.4 STAR Japanese Conference 213 38

火 花 移 動 量 [mm] 高 流 速 場 での 火 花 移 動 流 動 場 では 火 花 が 移 動 する 高 流 速 場 では 火 花 移 動 量 も 大 きくなる 前 報 で 報 告 した 火 花 移 動 モデル と 火 花 移 動 量 予 測 式 ( 実 験 式 ) を 高 流 速 場 にも 適 用 ( 予 測 式 に 合 うように 火 花 移 動 モデルのバネ 定 数 や 抗 力 係 数 などを 設 定 ) 4 3[mm] 超 で 火 花 移 動 モデルが 発 散 3[mm] 程 度 で 頭 打 ちとなるように 設 定 3 2 1 高 流 速 通 常 流 速.5 1 1.5 2 2.5 3 Time [ms] 火 花 移 動 量 通 常 流 速 高 流 速 エンジン 条 件 の 変 更 ( 筒 内 流 動 の 強 化 )を 再 現 できた 213.12.4 STAR Japanese Conference 213 39

高 流 速 場 での 着 火 性 通 常 流 速 場 Normal-Flow と 高 流 速 場 High-Flow の 着 火 性 を 比 較 ( 投 入 エネルギは High-Energy ) 計 算 結 果 (TDC 筒 内 温 度 を 指 標 とした 着 火 性 評 価 ) Normal-Flow +.24 High-Flow 1.6 1.7 1.8 1.9 2 リーンリミット λ 高 流 速 化 でリーンリミットが 大 幅 に 向 上 しかし この 結 果 には 流 れの 影 響 と 火 花 移 動 の 影 響 の 両 者 が 含 まれている 213.12.4 STAR Japanese Conference 213 4

流 れの 影 響 と 火 花 移 動 の 影 響 の 分 離 高 流 速 場 の 計 算 に 通 常 流 速 時 の 火 花 移 動 量 を 強 制 的 に 入 力 High-Flow(Normal-Spark) 実 際 には 起 こり 得 ない 現 象 計 算 結 果 (TDC 筒 内 温 度 を 指 標 とした 着 火 性 評 価 ) Normal-Flow High-Flow (Normal Spark) +.17( 流 れの 影 響 ) +.7( 火 花 移 動 の 影 響 ) High-Flow 1.6 1.7 1.8 1.9 2 リーンリミット λ 流 れの 影 響 が 大 きい 数 値 シミュレーションは 実 現 象 を 模 擬 するだけでなく 実 際 には 起 こりえない 状 態 を 作 り 出 すことで 実 験 では 困 難 な 現 象 解 明 にも 大 いに 役 立 つといえる 213.12.4 STAR Japanese Conference 213 41

発 表 内 容 1. 会 社 紹 介 2. 背 景 3. 技 術 構 築 4.スパークプラグの 電 極 形 状 による 着 火 性 5. 投 入 エネルギによる 着 火 性 6.エンジン 条 件 による 着 火 性 7.まとめ 213.12.4 STAR Japanese Conference 213 42

まとめ 1PIVによる 筒 内 流 動 の 可 視 化 23Dスキャンによるエンジン 現 物 のモデル 化 3 火 花 移 動 モデル 4ガソリン 代 替 反 応 メカニズム の 技 術 を 確 立 し スパークプラグの 着 火 性 を 予 測 する 筒 内 燃 焼 シミュレーション 手 法 を 開 発 した スパークプラグの 電 極 形 状 だけでなく 投 入 エネルギや エンジン 条 件 による 着 火 性 も 評 価 出 来 るようになった 流 れの 影 響 と 火 花 移 動 の 影 響 を 切 り 分 ける 筒 内 燃 焼 シミュレーションのように 実 験 では 実 施 困 難 な 事 項 に 対 し 数 値 シミュレーションの 有 効 性 を 示 すことが 出 来 た 213.12.4 STAR Japanese Conference 213 43