成果報告書詳細
管理番号20100000001117
タイトル平成19年度-平成21年度成果報告書 「エネルギー使用合理化技術戦略的開発/エネルギー有効利用基盤技術先導研究開発/ディーゼルエンジンに匹敵する燃費の自動車用HCCIガソリンエンジンの研究開発」
公開日2010/9/9
報告書年度2007 - 2009
委託先名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 三菱重工業株式会社
プロジェクト番号P03033
部署名エネルギー対策推進部
和文要約ディーゼルエンジンの問題である排出ガス(NOxとSoot)の問題がないガソリンエンジンの燃費向上技術として、予混合圧縮着火燃焼HCCI(Homogeneous Charge Compression Ignition)が注目されている。この技術の問題点は運転領域が狭いことであるが、筆者らは「ブローダウン過給システムBlow Down Super-Charge」(以下BDSC)を考案して、平成18年度のFS研究によって、その問題を解決できる可能性があることをシミュレーションによって示した。本先導研究は、その可能性を実験によって示すとともに、シミュレーション技術を信頼度の高いものにして、実用化に向けたエンジンコンセプトを構築する。その上で、その可能性と開発課題を定量的に明らかにすることを目標とする。本技術が実用化されれば、「ディーゼルエンジンに匹敵する燃費の自動車用ガソリンエンジン(従来エンジン比30%燃費向上)」が量産され、自動車からのCO2削減に大いに貢献できる。研究開発課題(1)-(4)について、それぞれ目標を設定して参加企業・大学で共同研究を進めた。(1)高負荷運転領域の拡大:最初にシミュレーション技術を使って高負荷運転限界の拡大手段の仕様を決めて、量産の4気筒2.0Lエンジンを2気筒運転して、図示平均有効圧を基準として、実験でその効果を確認した。実験結果を利用してシミュレーション技術の精度を高め、シミュレーションと実験を併用して研究をすすめた。最後に4気筒エンジンを使って動力計トルクを基準として、その効果を確認した。(2)燃焼時期制御の研究:可視化エンジンを製作して、筒内現象を可視化してHCCI燃焼の理解を深めると同時に、シミュレーション結果を検証した。シミュレーション技術と4気筒エンジンを使う研究は(1)のテーマと同時に実施した。(3)過給システムの研究:最初にターボ過給HCCIエンジンに必要なターボチャージャーの要件を整理した上で、過渡応答性を高める手段の検討を行った。HCCI用として可能性の高い「S/C+T/C」と、「VGターボ」を選択して、ディーゼルエンジンを使って過渡応答性の実験を行った。並行してターボ過給にシミュレーション技術を開発して、HCCIエンジンと組み合わせた場合の定常と過渡の性能予測技術を開発した。(4)コンセプトの構築と基本設計:上記(1)-(3)の結果として得られた知見と確立したシミュレーション技術を使ってHCCIのコンエプトエンジンを企画して仕様を設定した。そのエンジンを車載した場合のモード走行燃費をシミュレーションで予測して、コンセプトエンジンの燃費性能が期待通りであることを明らかにした。研究成果としては、主要課題であったブローダウン過給と温度成層化の有効性が確認できた。また、実験と並行して進めたシミュレーション技術の開発が順調に進み、実用化開発に移行する場合に信頼度の高いシミュレーションができる体制になった。一方、予期していなかった高負荷の失火現象が発生し、その解決には気筒別の燃焼時期F/B制御が必要になるため、先導研究の中では解決できなかった。そのため一部に目標未達の部分が残ったが、「ディーゼルエンジンに匹敵する燃費の自動車用HCCIガソリンエンジン」の実用化の可能性を示して、その課題を明確にすることができた。
英文要約 Title: Fundamental Technology Development for Energy Conservation/ Strategic Development of Energy Conservation Technology Preparatory research phase/ A Study on HCCI Gasoline Engine Realizing the Fuel Efficiency equal to Diesel Engine (FY2007-FY2009) Final Report
HCCI engine has been already known as a high efficient and low exhaust gas emission engine. To realize the HCCI engine into a practical use, HCCI operational range has to be extended. In the previous study, to extend the HCCI operational range, “Blow-Down Super Charge (BDSC) system” was proposed and numerically examined. The present study aimed to establish the practical strategy to realize the HCCI operation into the production engine based on experimental and numerical investigations. This study mainly focused on next four topics. 1. Demonstration of the effect of the BDSC system on the high load HCCI operational limit: Firstly, numerical simulations were carried out to define the specifications of the proposed system. Secondly, based on the simulation results, the performance of the system was experimentally examined. In the first experiment, to simplify the experimental operation, the only two cylinders of the four cylinder engine were activated and the performance of the system was evaluated based on IMEP, after that, the four-cylinders operation performance was examined and evaluated based on BMEP. 2. Development of the technique to control ignition and combustion of the BDSC-HCCI engine: To investigate the ignition and combustion characteristics of the BDSC-HCCI engine, optical measurements were carried out using the optical accessible engine. Also, the accuracy of the numerical model was confirmed. 3. Construction of the boosting system as a component of an HCCI engine: It was found that the response of the boosting system can be improved by using a super-charger together with turbo-charger “S/C+T/C”. Also, “VG (Variable Geometry)-Turbo” was found as a high response boosting system. The transient response of the “S/C+T/C” and “VG-Turbo” was examined using a diesel engine. Also, a numerical simulation model of the boosting system was developed and the transient and steady performance could be predicted. 4. Establishment of the BDSC-HCCI engine concept as a practical engine: Using the simulation techniques developed in this study, a concept HCCI engine was constructed. And fuel consumption rate of the concept engine during JC 08 mode operation was numerically predicted. The results showed that the fuel consumption rate was successfully improved by using the concept engine. The results of the present study can be summarized as follows: 1. HCCI operational range was successfully extended using the BDSC system. 2. Numerical simulation techniques which have high accuracy to predict the BDSC-HCCI engine performance were developed. 3. At the maximum load operation, misfire was observed. This is probably due to the cycle variation of the ignition timing. Also, the high load limit of the four-cylinder operation was lower than that of the two-cylinder operation due to cylinder variation of the ignition timing. To realize much higher load HCCI operation, a F/B control of the ignition timing at each cylinder at each cycle is necessary.
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