次世代ガソリンエンジンとして注目 される新燃焼方 …...Exhaust throttle valve THC) Instantaneous exhaust gas pressure (Kistler4005A) #3 #2 A/F Air - conditioner

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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

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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

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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。

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◆社会的必要性

◆技術的背景

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

＜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

研究開発の背景、目的、目標

背景

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 • 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

Homogeneous Charge Compression Ignition

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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

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HCCI 運転成立範囲

0

200

400

600

800

1000 2000 3000

IMEPg (

kPa )

Ne (rpm)

Japanese 10-15 mode

NVO(Internal EGR)

NVO + D.I

Exhaust re-breathing

Cycle simulation of hot NEDC on the Dynamic Engine Test Bed ( “Gasoline HCCI Technology”, A. Fürhapter, 2008 )

HCCI operational range “A Study of a Gasoline HCCI Engine Equipped With an Electromagnetic VVT Mechanism”, J. Takanashi et al. 2006, FISITA

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12

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．

このため，燃費の改善効果が大きくない．

Exhaust re-breathing

12

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■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

海外メーカ：GM/ Mercedes Benz/ Volks Wagen

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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 ・4-2-1排気系

SKYACTIVE-GをﾍﾞｰｽにHCCI化を検討

高圧縮比 SIエンジン

HCCI 断熱化

2011年デミオ1.3L～

2010年11月内燃機関シンポジウム資料より

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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

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

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

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

低負荷側は燃焼安定性で制約される

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

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

＜残る最大課題＞

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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

-360 -180 0 180 3600

100

200

300

Cranck angle deg.ATDC

Pre

ssu

re

kP

a

ExhaustIntake EGR

Pex = 101 kPa Pex = 130 kPa

1500rpm, Gross IMEP = 450 kPa

4-2-1 Exhaust

Exhaust pressure wave Intake

manifold

#4

#3

#2

#1

ブローダウン過給

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温度成層化の考え方

・ＢＤＳＣにより過給した排気と空気の混合を抑制・制御

温度成層化の為の手段

温度差 小

温度差 大

温度差 小

温度差 大

※ＳＡＥ Ｐａｐｅｒ ２００５-０１-０１１１３ より抜粋

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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

圧力上昇率低減

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

HERO/ChibaU。

高温

Re-breathed

EGR gas

EGR guide

Re-breathed

EGR gas

ガイドなし

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92 deg. BTDC 32 deg. BTDC

w/o EGR guide w/o EGR guide

w/ EGR guide w/ EGR guide

Exh. In.

Exh. In.

Exh. In.

Exh. In.

EGR guide

300

400

500

600

700

800

900

0 5 10 15

dP/d

qm

ax k

Pa/d

eg.

CA 50 deg.ATDC

w/ EGR guide

w/o EGR guide

w/ EGR guide

Gf= 15 mg/cyl.

Gf =17 mg/cyl.

温度成層化の効果

0

5

10

15

20

25

500 550 600 650 700 750

Mas

s m

g

Temperature K

w/o EGR guide

w/ EGR guide

60 deg. BTDC

500 K 680 K 800 K 940 K

21

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燃焼変動制御用の二次エアー噴射

Exh. port

PFI-Injector

Int. port

Recharged EGR gas EGR Guide

Secondary air injector

0 90 180 270 360 450 540 630 720

Valv

e lif

t

Crank angle deg.ATDC

Exh. In.

EGR

2nd air injection before EGR valve opening

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

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二次エアー噴射による

気筒間燃焼変動制御

気筒間の熱発生率ばらつきを制御できる

-10 0 10 20 30

0

50

100

150

#4 cylinder. #1 cylinder

Crank angle deg.ATDC

Appare

nt

heat

rele

ase r

ate

J/d

eg.

With secondary air inj.⊿tair=8.6ms

IMEPnet= 530 kPa

-10 0 10 20 30

0

50

100

150

#4 cylinder. #1 cylinder

Crank angle deg.ATDC

Appare

nt

heat

rele

ase r

ate

J/d

eg.

w/o secondary air inj.IMEPnet= 530 kPa

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24

ブローダウン過給エキマニ

EX IN EGR

EGR導入： 排気再吸入方式

EX IN

EX valve

EGRガイド

EX EX

片側二次エア 狙い： 気筒間変動抑制

直噴化(サイド配置)

狙い： 燃料分布適正化 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

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

ブルーダウン過給システム概要

狙い： より強い温度成層形成

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エンジンベンチ（２／４気筒）

laminarflow meter

#4 #1

Surge tank

Gasoline

Fuel flow meter

N2，3.5kgf/cm2

catalyst

fuel flow rate

Cylinder pressure(Kistler 6117B)

Cylinder pressure(Kistler 4065A, Water cooled type )

Instantaneous intake gas pressure (Kistler 4005A)

SilencerExhaust gas

MEXA 7100 FX

(CO2, CO,

O2,NO/Nox,

THC)Exhaust throttle valve

Instantaneous exhaust gas pressure(Kistler 4005A)

#2#3

A/F

Air -conditioner

ECDY Motor

Hihg pres. Pump.

Torque converter

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HCCIテストベンチ

2-cylinder engine

4-cylinder engine

Optical engine

4-cylinder with VVA engine

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Engine type Inline 4 cylinder

Bore×Stroke 86mm×86mm

Displacement 1998 cm3

Compression

ratio

#1 cylinder 11.97

#2 cylinder 12.01

#3 cylinder 12.03

#4 cylinder 12.03

Engine speed 1500, 2500 rpm

Cooling water temp. 85 – 105 deg.C

Fuel Gasoline

(91 RON)

エンジンの仕様と運転条件

• Limit of dP/dθmax

dP/dθmax ≦ 400 kPa/deg.

• Limit of comb. stability

COV. of IMEP ≦ 5 %

• Limit of NOx emissions

ISNOx ≦0.1 g/kWh

Test engine specifications & exp. conditions Acceptable HCCI limit

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30

10

15

20

25

30

35

40

0 100 200 300 400 500 600

Brak

e th

erm

al e

ffic

ienc

y %

BMEP kPa

1500 rpm

HCCI (Tw 85 oC, CR12) HCCI (Tw 105 oC,CR12) HCCI (Tw 105 oC, CR14) SI

(w/o EGR, CR11.5) Diesel

27%

16%

6.6%

21% 高圧縮比化：7%

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

BDSC-HCCIの熱効率と向上要因

33 運転モードの切り替え（HCCI⇔SI）

Engine speed rpm

BM

EP

kP

a

750 2000 3000 4000 5000

0

200

400

600

800

1000

1200

HCCI

ＳＩ

JC08 モード運転条件

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

34

10 15 20 25 30 10

20

30

40

15

25

35

A/F

G/F

HCCI可能

SI(Target)

SI可能

HCCI(Target)

運転困難

EGR ON

EX IN

スロットルWOT A/Fリーン

HCCI

EX IN

吸気弁早閉じ A/Fストイキ

EGR OFF

SI

10

15

20

25

30

35

40

10 15 20 25 30

G/F

A/F

10

15

20

25

30

35

40

10 15 20 25 30

G/F

A/F

課題： 過早着火 を含む。

課題： 希薄ＳＩ燃焼を含む。

HCCI(Target)

SI(Target)

運転モード切り替え制御コンセプト

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

SI ⇒ HCCI

HCCI ⇒ SI

35

出力 可変動弁機構を備えた

４気筒ガソリン機関

低慣性ダイナモ

35

+ -

要求出力 ECU

運転モードの切り替え・HCCI過渡燃焼制御システムの開発

IMEP CA50 dP/dq

SI/HCCI運転切り替え

着火時期（平均）

着火時期 （サイクル毎・気筒別）

負荷・回転数

壁温・水温

VTEC

VVEL(吸気)

VTC(吸気)

VTC(排気)

VTC(ＥＧＲ)

吸気スロットル

排気スロットル

ＤＩ インジェクタ

2次エア

ＰＦＩ インジェクタ

電動ポンプ

電動サーモ

SI/ HCCI切替え

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

吸気圧力

排気圧力

2次エア供給量

冷却水温度

冷却水流量

燃料量

筒内圧; Pc

負荷 回転数

冷却水流量・温度; Tw, Qw

排気圧; Pex

吸気圧; Pin

HCCIエンジン

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

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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

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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

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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。

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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2009-16822

特開2011-021564

• 出願人 ： 千葉大学 他

• 発明者 ： 森吉泰生 他

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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）

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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 043-290-3565

• FAX 043-290-3519

• e-mail [email protected]