成果報告書詳細
管理番号20130000000578
タイトル平成22年度-平成24年度成果報告書 省エネルギー革新技術開発事業 実用化開発 ハイブリッドパワートレインにブローダウン過給HCCIを適用して実用化するための研究開発
公開日2013/11/12
報告書年度2010 - 2012
委託先名株式会社本田技術研究所 株式会社畑村エンジン研究事務所 国立大学法人千葉大学
プロジェクト番号P09015
部署名省エネルギー部
和文要約本事業では、ブローダウン過給HCCIガソリンエンジンにマイルドハイブリッドを組み合わせて、従来パワートレインと比較して、JC08モード走行で40%以上の燃費向上し、ディーゼルエンジンを下回るCO2排出量をより低コストで実現するエンジンの実用化を目的とした。1.HCCI燃焼の確立とその基本制御の研究では、HCCI燃焼の成立する高負荷限界の拡大と熱効率の向上を目的とし、圧縮比、Cooled EGR、外部過給が高負荷運転限界、熱効率、排気性能に及ぼす影響を調べた。圧縮比を11.7から14.1へ高めた結果,低負荷限界が約90kPa拡大した.高負荷HCCI運転限界は20kPa低下し、総じて、圧縮比を高めることでHCCI燃焼を適用可能な負荷範囲が拡大した。さらに、圧縮比増加による理論効率向上に加えて,比熱比の増加,ポンプ損失の低減により,排気性能や運転可能範囲を大きく損なうことなく正味熱効率を最大で7%向上することが出来た。Cooled EGRを適用することで高負荷HCCI運転時の圧力上昇率を低減でき、HCCI運転の高負荷限界を拡大できることがわかった。ただし、Cooled EGR率を高めると、平均排気圧力を高めて再導入EGRガス量を増加させる必要があり,ポンプ損失がわずかに増大した。ブローダウン過給に外部過給機を併用することで、IMEP900 kPa 程度の高負荷HCCI運転を実現するとともに、38%を超える図示熱効率が得られた。オクタン価の異なる燃料を用いて、燃料のバラつきがHCCI運転の成立範囲に及ぼす影響を調べた。ハイオクタン価ガソリン(RON100)を用いると、レギュラーガソリン(RON91)を用いた場合に比べて、運転成立範囲がわずかに狭まった。2.可変バルブタイミング機構の研究開発では、ブローダウン過給HCCI機関の負荷制御に適した可変動弁機構を開発した。マルチボディダイナミクスシミュレーションによる動的挙動の予測を活用し、レイアウトと部品の設計を行った。試作機を用いて動的挙動試験を行い、7000rpmでの安定稼働など、当初の開発目標を達成していること、開発した連続可変動弁機構はSI燃焼の熱効率改善にも寄与することを実験的に確認した。3. HCCIの過渡運転の燃焼制御システムの開発では、燃焼モードの切り替え手法について、1次元HCCIエンジンシミュレータを用いて検討した。シミュレーションによる検討結果に基づき、切り替えに伴う負荷変動や燃焼騒音の増大、排気性能の低下を伴わないHCCIからSI燃焼への切り替え、SI燃焼からHCCI燃焼への切り替えを実験的に示した。また、筒内直接噴射や2次エア噴射を利用することでHCCI運転時の着火時期が制御できることを実証した。さらにHCCI機関の性能改善およびSI燃焼時のノッキング抑制を目的とした燃焼室壁温制御コンセプトについて検証した。4.BDSC-HCCIガソリンエンジンの基本設計では、設計と試作に先立ち、数値シミュレーションと可視化計測による設計検討を行った。数値シミュレーションによる検討結果を基に、ブローダウン過給を用いたHCCIエンジンのシリンダヘッドを設計試作し、性能試験を実施した。圧縮比を14とした場合に、エンジン回転数1500 rpmのもと、BMEP500 kPaを超える高い負荷でHCCI燃焼を実現し、正味熱効率39% が得られた。以上の結果を基にモード走行シミュレーションを実施し、ブローダウン過給HCCI燃焼をハイブリッドパワートレインに適用することで、JC08モード走行燃費を41%向上できる見込みが得られた。以上を総合して、実用化を想定したBDSC-HCCIエンジンの基本設計を行って、その性能見込みとコスト予測を実施した。燃費性能については目標値を達成できる計算結果になった。コスト目標については、わずかに未達となったため、量産開発段階でのコスト開発によってコスト削減を図る。
英文要約Title: Energy Conservation Innovative Technology Development Project / Practical use development / Development of the blow-down supercharged HCCI for hybrid powertrain (FY2010-FY2012)

The objective of this study is to develop a new hybrid powertrain system combined with the blow-down HCCI gasoline engine with low production cost. To achieve this, mainly four challenges have been carried out. Firstly, the effects of compression ratio, cooled EGR and external boosting on HCCI operational range, thermal efficiency and exhaust emissions were experimentally investigated. The results showed that the HCCI operational limit and the fuel consumption at the low load operation were successfully improved by increasing compression ratio. Also, it was found that the BDSC-HCCI engine with higher compression ratio improves the thermal efficiency. Cooled EGR was found to be effective to reduce in-cylinder pressure rise rate leading to extending the upper load limit of HCCI operation. However, a higher mean exhaust pressure was required with increasing cooled EGR ratio to obtain high enough in-cylinder mixture temperature to realize suitable ignition timing. Because of higher mean exhaust pressure required, pumping loss slightly increases with increasing EGR rate. External boosting was found to be highly effective technique to extend the HCCI operational range and to achieve high thermal efficiency. With an intake pressure of 200 kPa (abs.), high load HCCI operation with net IMEP of 900 kPa and brake thermal efficiency of 38 % at 1500 rpm could be achieved. The effect of fuel ignitability on the engine performance was also investigated. Next, a new continuously variable valve phase and lift/duration mechanism for has been developed aimed at installing into the BDSC-HCCI for combustion control. The mechanism enables to continuously change the phase and lift/duration simultaneously during the engine operation. Multi-body dynamics simulation oriented study predicted the unexpected problems for the initial designs and enables to improve the system without experiment. The prototype mechanism on the single cylinder head is successfully operated up to 7000 rpm, the targeted range of engine speed. Control strategies for the transient HCCI operation including combustion mode switching between HCCI and SI have been developed. Before the experimental works, 1-D HCCI engine simulator which is capable of predicting ignition timing and heat release rate of HCCI combustion was developed to examine control strategy. Based on the simulation result, the combustion mode transitions between HCCI and SI were successfully demonstrated. To define the optimum configuration of the BDSC-HCCI combustion with a wide operational range and high thermal efficiency, numerical simulations and in-cylinder flow field visualization using an optically accessible engine were carried. Based on the numerical and experimental results obtained in the whole works carried out in this project, a basic configuration of the BDSC-HCCI engine were designed and manufactured. Using the newly designed BDSC-HCCI engine, a performance test was conducted. As a result, a high load HCCI operation with more than BMEP of 500 kPa at an engine speed of 1500 rpm with a brake thermal efficiency of 39 % could be achieved. Finally, a driving cycle simulation during JC-08 mode was carried out, based on the performance test result. As a result, it was found that using the hybrid powertrain with the BDSC-HCCI engine improved fuel efficiency during JC-08 mode by about 41 % compared to the case using the conventional SI gasoline engine.
ダウンロード成果報告書データベース(ユーザ登録必須)から、ダウンロードしてください。

▲トップに戻る