2015 Fiscal Year Research-status Report
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15K05819
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
山崎 由大 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (60376514)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
上道 茜 東京大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (10734155)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | エンジン / 燃焼 / コ－ジェネレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，天然ガスを利用するガスエンジンの高効率化を目指し，小型多気筒エンジンの各シリンダで異なる燃焼モードを実現し，エンジンシステムとしての高効率化の可能性を探る。運転条件に応じて，リッチ燃焼（燃料改質），SI(火炎伝播)燃焼，HCCI(予混合圧縮自己着火)燃焼といった燃焼モードの組み合わせや，その燃焼を担当する気筒数を最適に制御するアルゴリズムの構築を目指す。
リッチ条件のSI燃焼の排ガスは，通常の排ガス成分であるCO2（二酸化炭素），N2（窒素）に加え，H2（水素）や一酸化炭素が含まれ，これを他の気筒に供給する（DEGR）ことによる燃焼制御を検討する。まずリッチ燃焼での排ガス組成を実機試験による把握を検討したが，使用するエンジンがHCCI運転を行ってきた仕様でここ数年火を入れずに保管していたことから，予想以上に整備に時間を要したためSI仕様への変更はせずに，DEGRがHCCI燃焼に及ぼす影響を把握することから先に始めた。ここでDEGRの組成については，素反応数値計算による予測を元にした模擬ガスを用いた。
HCCI燃焼の燃料として天然ガスの主成分であるメタンを用い，DEGR割合およびSI燃焼の当量比変化を想定した実験を行った結果，メタンのみでは着火しない条件でも，DEGRの供給によりHCCI燃焼が可能となることが分かった。また，供給熱量を一定とする条件においては，DEGR率またはリッチSI燃焼の当量比を増加させることで，着火時期が早期化し，着火後の熱発生速度も急峻になることが分かった。この条件では，圧縮開始時のシリンダ内ガス中のH2成分が増加していることが原因と考えられる。また，着火時期がH2濃度と線形関係で表現できることが分かり，SI燃焼の当量比，DEGRで着火時期を制御するには，H2濃度を指標にそれらの目標値を決定できる可能性が示された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
概要にも記したように，保管していたエンジンの整備に予想以上に時間を要したために，SI燃焼が可能となるようなエンジンの仕様変更を見送り先にHCCI燃焼の特性把握を行ったため，リッチ条件でのSI燃焼のデータ取得が現時点でできていない。しかしながら， HCCI燃焼のデータ取得について，整備後にエンジンの仕様変更を行う必要もなかったため，先に取得できたということで，総合的に見た進捗状況としては大きな遅れはないと考えている。
これまでの成果としては，実機によるSIリッチ燃焼時の排ガス組成の検討はできていないが，素反応数値計算による熱化学平衡計算によって，SI燃焼の当量比が及ぼす影響を把握すると共に，HCCI燃焼のガス供給条件を決定することにも用いた。この計算によって決定したSIリッチ燃焼の模擬排ガス（DEGR）と新気を任意の割合で混合しHCCI運転が可能な仕様としたシリンダに供給し，供給ガス全体に占めるDEGRの割合およびSI燃焼の当量比を変化させたガス組成をパラメーターとして燃焼実験を実施した。天然ガスの主成分であるメタンを新規の燃料として用いたが，メタンを燃料とした場合には，その着火性の悪さからHCCI燃焼を生じさせることができなかったが，DEGRを導入することによってHCCI燃焼が可能となった。また，DEGR率およびSI燃焼の当量比を増加させた場合には，HCCI燃焼の着火時期は早期化，熱発生は急峻となることが明らかになった。HCCI燃焼の圧縮開始時のH2濃度と着火時期が線形の関係に整理できることも明らかになった。これらの知見は，リッチSI燃焼のDEGRによるHCCI燃焼制御を実現するにあたり，DEGR率およびSI燃焼の当量比の設定指針の確立に資するものであり，６月に行われる日本機械学会の第21回動力・エネルギー技術シンポジウムにて発表予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
H27年度はリッチSI燃焼の排ガス組成を素反応数値計算による熱化学平衡計算によって見積もったが，実機では壁面近傍の未燃分なども発生するため，計算とは異なる組成となると考えられること，またリッチSI燃焼時の燃焼特性を把握するために，エンジンをSI燃焼が可能な仕様に変更することをまずは行う。リッチな領域において当量比および１サイクルの予混合気量を変化させた実験を行い，将来的に制御系構築時に利用できるような，生成ガスの組成および排気温度との関係を表現できるよう，統計的な処理によって実験式を構築する。この関係式は，入力は当量比，予混合気量で，出力は燃料組成と排気温度とすることを予定している。また先に予測した素反応数値計算結果との比較によって，制御系設計に当たって実験数を削減するような手法を検討する。また，通常のSI燃焼時にDEGRを導入した場合の燃焼特性についても実験的に明らかにするとともにHCCIの結果と比較し，整理することで，燃焼モード切替制御の制御則の検討を始める。なお，リッチ燃焼の実験結果によっては，制御を考える上でHCCI燃焼のデータの補強や圧縮比の変更などの必要が生じる可能性もあり，その際は追加実験，ピストンを変更して対応することを予定している。
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| Causes of Carryover |
当初予定では当方で保管していたエンジンを，SI運転仕様に変更し，さらに将来的に制御の実証試験が容易に行えるような点火系の構築およびエンジンの改造に主に費用を掛けるような計画として予算計上を行っていた。しかしながら，H27年度はエンジンが運転できるように整備するまでに予想以上の時間を要したため，HCCI運転の仕様で保管されていたエンジンをSI仕様に変更するまでには至らず，H28年度にSI仕様に変更する作業がずれ込んでしまったため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
SI運転が可能となり，さらに将来的に独自の制御アルゴリズムを構築した際に，その制御プログラムとの取り合いが用意にできるように汎用性の高いFPGAシステムを購入（約130万円）することを検討している。また，将来的に多気筒での制御実証試験も見据えたピストンや排ガス循環系，排気分析計の改造や保守費用（約120万円）を見込んでいる。他にはソフトのライセンス費用（CHEMKIN 約30万円），学会参加費等に使用する予定である。
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Research Products
(1 results)
