2017 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, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (60376514)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
上道 茜 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 助教 (10734155)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | エンジン / 燃焼 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，天然ガスを燃料とした小型の多気筒エンジンの各シリンダにおいて，運転条件によって異なる燃焼を生じさせることで，更なる高効率化を狙うものである。具体的には，高効率であるが運転可能な条件が限られるHCCI（予混合圧縮自己着火）燃焼と，熱効率は必ずしも高くはないが安定した燃焼を実現できるSI（火炎伝播）燃焼を組み合わせて用いることを考える。安定したSI燃焼で得られる排ガスのエンタルピー，およびリッチSI燃焼による排ガス中の改質燃料をHCCI燃焼が行われる気筒に供給することで，エンジンシステム全体として，安定した高効率運転の実現を目指す。これまでに，リッチSI燃焼による排気および改質燃料の組成を素反応数値計算により予測し，その排気，改質燃料と新気として，天然ガスの主成分であるメタンを混合し，実機に投入した試験において，HCCI燃焼が可能であることを確認した。また，実験でもリッチSI燃焼を実現し，点火時期，当量比が排ガス組成に及ぼす影響を明らかにするとともに，リッチ条件でも安定して効率よく運転できる運転条件を明らかにした。さらに，実エンジンの２気筒を用い，１気筒でリッチSI燃焼，その排ガスをもう１気筒に導入しHCCI燃焼を起こさせ，定常状態で１台のエンジンで同時に両方の燃焼の実現に成功し，リッチSI燃焼の図示出力を調節することによりエンジン全体の図示熱効率を向上させることが可能であることを明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
H27年度には，素反応数値計算により，SI燃焼の当量比が排ガス組成に及ぼす影響を把握した。また計算結果を利用してHCCI燃焼実験のガス供給条件を決定し，リッチSI燃焼の排気を模擬したガス（DEGR）と新気を任意の割合で混合した実験を行い，DEGRを導入することで，単独では着火させることが難しかった天然ガスの主成分であるメタンを新気の燃料としてもHCCI燃焼が可能となることを示した。また，DEGR率およびSI燃焼の当量比に対するHCCI燃焼の着火時期の感度を明らかにした。
H28年度には，前年度素反応数値計算で推定したリッチ燃焼時の排ガス組成について，実験的に確認した。点火時期，当量比をパラメータとして実験を行い，当量比の増加に伴いメタンの改質成分である水素，一酸化炭素のモル分率が計算同様に増加することを確認した。また，リッチ条件では一定以上の点火時期進角では失火サイクルが急増したが，ガス組成への点火時期の影響は少なかったことから，SI燃焼の点火時期を自身の熱効率を評価指標として設定できることが分かった。
H29年度には，実機多気筒エンジンの2気筒を使い，一方をリッチSI燃焼とし，そのDEGRをもう１つの気筒に供給してHCCI燃焼を行うために，実機の吸排気系の改造を行った。改造したエンジンを用いて実験を行った結果，２気筒で同時にリッチSI燃焼とHCCI燃焼を実現させることに成功した。リッチSI燃焼の当量比にエンジン全体の熱効率を評価関数とした場合に最適値があること，また，リッチSI気筒の図示出力が低い場合に，全体として効率が高くなることが明らかになった。しかしながら，吸排気系の改造が想定していたものよりも複雑になり，時間を要したため制御にまでは至らなかった。なお，これらの知見は，2018年6月の日本機械学会の第23回動力・エネルギー技術シンポジウムにて発表を行う予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
H27年度にはDEGRを導入したHCCIの燃焼特性を明らかにした。H28年度にはリッチSI燃焼での当量比，点火時期と排ガス組成の関係を明らかにした。またH29年度は，多気筒エンジンでリッチSI燃焼のDEGRを用いてHCCI燃焼を実現し，異なる気筒で2つの異なる燃焼を同時に行うことができ，また全体としての効率向上が可能であることを示した。ここまでの成果で，複数の燃焼モードを同時に実現することでシステムとしての高効率化を実現するというコンセプトの実現可能性が一部実証されたが，実験装置の改造に予想以上に時間を費やしたことなどにより，具体的な制御アルゴリズムの提案にまでは至っていない。従って，今年度は，これまでのデータ，知見を整理し，SI燃焼,リッチSI燃焼，HCCI燃焼の適切な組み合わせを明らかにし，制御アルゴリズムを提案することを目指す。具体的には，これまでの実機データ，パラメータの関係性を整理し，制御アルゴリズムを提案する。提案したアルゴリズムに基づいて実機の制御試験を行い，その有効性の検証を行う予定である。なお，データ整理，制御アルゴリズム提案に当たっては，統計的な処理による実験式を構築する予定であり，不足しているデータがあれば追加実験も行う。
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| Causes of Carryover |
計画ではH29年度内に制御アルゴリズムを提案し，その有効性を検証する予定であったが，実機においてDEGRを供給するための吸排気系のシステムが予想以上に複雑なものとなり，その改造に時間を要したため，コンセプトの有効性の検証実験までに留まった。H30年度はH29年度までのデータの整理に基づいて，制御アルゴリズムを提案するが，その際には追加実験も必要となることが予想される。昨年度動力計のトルク計が破損したことから，この交換に10万円程度必要となる。また，設備の関係上，速い過渡運転状態での制御アルゴリズムの有効性確認までは難しいが，徐々に出力等が変わるような条件は再現できるような可能性がある。そのような条件において制御アルゴリズムの有効性を検証するため，現在手動で調整しているDEGR用のバルブを電動化し，自動で制御を行うことを検討しており，このバルブの電動化に25万円程度必要と思われる。他，H29年度の成果を学会発表（第23回動力・エネルギー技術シンポジウム＠山口県）するための旅費，参加費として10万円程度を見込んでいる。
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Research Products
(1 results)
