ブローダウン過給システムを用いたガソリンHCCI機関の 運転領域拡大について

ブローダウン過給システムを用いたガソリン

HCCI機関の運転領域拡大

本日の発表内容 1．背景 2．目的 3．ブローダウン過給(BDSCI)システム 4．EGRガイド 5．実験装置 6．実験結果と考察 6.1 BDSCシステムの効果 6.2 BDSCシステム+EGRガイドの効果 6.3 HCCIエンジン性能試験結果 7．まとめ

・HCCIエンジンの利点

・実用化における課題

Technique IMEP [kPa] dP/dq [kPa/deg. ] Reference NVO， NVO+DI 400 670 (1200rpm)

Urata, Y., et al., SAE Paper No. 2004-01-1898

Yang Dongbo, et al. SAE Paper 2009-01-1343

NVO

+DI +turbo 590

600

(1500rpm )

Thomas Johansson, et al.

“HCCI Operating Range in a Turbo-charged Multi Cylinder Engine with VVT and Spray-Guided DI” SAE Paper 2009-01-0494

気筒間

EGR過給 600

400

(1500rpm )

Junichi Takanashi et al. “A Study of a Gasoline HCCI Engine equipped with an Electromagnetic VVT Mechanism“JSAE Annual

congress 2006.,Spring, JSAE 20066516

従来の提案技術による高負荷HCCI運転成立限界 1．背景 Thermal stratified Simulation, RCM

M. Sojoberg, J. E. Dec and N. P. Cernansky, SAE Paper, No. 2005-01-0113, 2005., etc…

0 200 400 600 800 1000 2000 3000 IM EP (kPa) Ne(rpm) Japanese 10-15 mode NVO (内部 EGR) NVO + D.I 気筒間EGR (過給＋EGR) (JSAE 20066516) 1．背景

従来の提案技術によるHCCI運転成立範囲

○HCCI運転可能な範囲を拡大すること 充填効率を損なうことなくEGR導入と，過給の効果が得られる ブローダウン過給(BDSC)システム，及びシリンダ内の温度成 層化を促進するEGRガイドを提案し，それによる拡大効果を実 証することを目的とする． 2．目的

○圧縮行程初期に排気バルブを再開するシステム ・360deg.位相の異なる気筒の排気ブローダウン圧力を利用してEGRガ スを筒内に導入 ・1番と4番，2番と3番の排気ポートを連結 EGRガスを筒内に大量導入により過給・希釈効果を実現 燃焼温度が低下 圧力上昇低減，NOx排出の抑制を狙う 3．ブローダウン過給システム 4-2-1 Exhaust system #4 #3 #2 #1 0 2 4 6 8 10 0 180 360 540 720 Va lv e lif t mm 0 2 4 6 8 10 0 180 360 540 720

Cranck angle degree

Va lv e lif t mm

Exh. valve re-open for EGR gas re-breathing #4 Cyl. #1 Cyl. Exhaust Exhaust Intake Intake V alv e lift V alv e lift Exhaust Exhaust

Exhaust blow-down pressure wave #1からのブローダウン圧力波 で#4にEGRガスを導入 吸気 吸気 圧縮 圧縮 膨張 膨張 排気 排気 (EGR ) (EGR )

0 180 360 540 720 Crank angle deg.

L if t cam-1 cam-2 cam-3 cam-4 cam-5 cam-6 C000-EGR C000-IN C100-IN C100-EGR C200-IN C200-EGR C300-IN C300-EGR C400-IN C400-EGR C500-IN C500-EGR D000-EX カムプロフィール In+EGR Exh. 負荷-低 負荷-高 ○カムは目標負荷に応じて新気とEGRの量を変えたプロフィールとなっている． 1500rpm 3．ブローダウン過給システム

カムプロフィール

0 180 360 540 720

Crank angle deg.

L if t cam1 cam-2 cam-3 C600-IN C600-EGR C700-IN C700-EGR C800-IN C800-EGR In+EGR Exh. 2500rpm 負荷-低 負荷-高 ○カムは目標負荷に応じて新気とEGRの量を変えたプロフィールとなっている． 3．ブローダウン過給システム

EGRガイド－筒内温度分布の促進 Ex In Base chamber EGR guide Exhaust - side Intake -side Exhaust - side

Intake - side EGR gas

筒内に温度分布をつくり，自着火の順序付けをする 圧力上昇低減，

Base engine Honda K20A Engine type Inline 4 cylinder Bore x Stroke 86 mm x 86 mm Displacement 1998 cm3

Compression ratio 12 (HCCI)/ 11.5 (Base) Fuel injection Port injection

Fuel Gasoline (RON91)

Engine speed 1500 rpm / 2500rpm Ex. pressure 0.1～0.2 MPa Valve actuation Fixed cam(9)

catalyst #4 #1 Fuel injector Cylinder pressure (Kistler 6117B) Cylinder pressure (Kistler 6052c ) laminar flow meter Air conditioner

Surge tank Intake throttle valve

Variation between cylinders

Gasoline Fuel flow meter

fuel temperature

Coolant water temperature (out)

Oil pressure sensor

N2，3.5kgf/cm2

Eingine oil temperature Coolant water temperature (in) Ambient temperature

Air – Fuel ratio temperature of catalyst temperature before catalyst Ambient pressure

(Controlling intake gas temperature & humidity)

fuel flow rate

Silencer Exhaust gas

・FTIR (HORIBA;MEXA 6000FT) ・HFID (HORIBA;MEXA 1170HFID)

Exhaust throttle valve

#3 #2

Instantaneous intake gas pressure (Kistler 4005A)

Intake gas temperature Mean intake gas pressure

Instantaneous exhaust gas pressure (Kistler 4005A)

Mean exhaust gas pressure Intake gas temperature

・最大筒内圧力上昇率 (dP/dqmax) ⇒dP/dqmax≦400 kPa/deg. ・図示平均有効圧力の変動率 COV.of IMEP≦5% ・Nox排出量 ISNOx≦0.1 g/kWh ○HCCI運転成立条件 5．実験装置

6.実験結果と考察

-360 -180 0 180 360 0

100 200

Crank angle deg. ATDC

P re s s u re k Pa

P_cylinder, P_exhaust, P_intake

IntakeEGR Exhaust 排気管内の平均圧力による過給効果 排気ブローダウン圧力波による過給効果 10-5 10-4 10-3 50 100 500 1000 Cylinder volume m3 C y li n d e r p re s s u re k P a 158 kPa @BDC

Mean exhaust pres. 133kPa 6.1 BDSCシステムの効果 ○BDSCシステムによる過給効果

6.1 BDSCシステムの効果 Cam:2-5 Cam:4-3 Cam:6-1 ・Pex=130kPa ・高負荷限界⇒dP/dqmax≦400kPa/deg. ○BDSCシステムによる運転領域拡大 0 5 10 200 300 400 500 600 700 Net IMEP kPa

C o v o f IM EP % 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 200 300 400 500 600 700

Net IMEP kPa

ISN O x . g /k W h 0 200 400 600 800 200 300 400 500 600 700

Net IMEP kPa

d P/ d θm a x k Pa /d e g . 150 200 250 300 350 200 300 400 500 600 700 IMEP kPa ISF C g /k W h 15% improve _{20% improve} SI (ε= 11.5) BDSC NVO (IMEP=540kPa )

6.実験結果と考察

○EGRガイドが熱発生率に与える影響

熱発生が緩慢化

・燃焼期間(CA90-CA10)が，約16%長期化．

但しCA90,CA10は，燃焼質量割合90%，10%時のCA

0 100 200 300 400 500 600 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 IM E P n e t k P a 0 100 200 300 400 500 600 700 800 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 d P /d θm a x k P a /d e g . 0 2 4 6 8 10 100 120 140 160 180 200

Exhaust pressure kPa

C O V o f IM E P % 高負荷限界 低負荷限界 dP/dq≦400kPa/deg. Cov.of IMEP≦5% 6.2 EGRガイドの効果

○BDSC+EGRガイドの効果

w/o EGR guide

w/ EGR guide dP/dθ=400kPa/deg. CoV of IMEP=5% Cam:6 Engine speed:1500rpm 運転可能領域の比較 6.2 EGRガイドの効果

6.2 EGRガイドの効果

w/o EGR guide

w/ EGR guide

Cam:2

Engine speed:2500rpm

○BDSC+EGRガイドの効果

6.実験結果と考察

6.3 HCCIエンジン性能試験結果 Cam:2 0 100 200 300 400 500 600 700 800 5 10 15 20 Fuel amount mg/st. d P /d θ m a x kP a /d e g . Engine Speed:1500rpm Cam:4 Cam:5 Cam:6

0 2 4 6 8 10 5 10 15 20 Fuel amount mg/st. C O V . o f IM E P % Engine Speed:1500rpm 6.3 HCCIエンジン性能試験結果 ○HCCIエンジン性能試験(1500rpm) Cam:2 Cam:4 Cam:5 Cam:6

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 5 10 15 20 Fuel amount mg/st. IS N O x g /k Wh Engine Speed:1500rpm 6.3 HCCIエンジン性能試験結果 Cam:2 Cam:4 Cam:5 Cam:6

6.3 HCCIエンジン性能試験結果 100 200 300 400 500 600 700 5 10 15 20 Fuel amount mg/st. N e t IM E P k P a Engine Speed:1500rpm Cam:2 Cam:4 Cam:5 Cam:6 610kPa 290kPa

6.3 HCCIエンジン性能試験結果 100 200 300 400 500 600 700 5 10 15 20 Fuel amount mg/st. N e t IM E P k P a _530kPa 310kPa Engine Speed:2500rpm

○_{HCCI運転可能な範囲を拡大する方法として，ブローダウン過} 給システムとEGRガイドによる温度成層化を提案し，実証試験を 行った． ・BDSCシステムに併せて，シリンダ内の温度成層化を目的とし た EGRガイドを用いた実験より，高負荷HCCI運転時の圧力上 昇率_{dP/dθを低減できた．またこのシステムの可能性を示せた．} ・エンジン回転数1500rpmのもとで，10-15モードの上限負荷相当 のnetIMEP610ｋPaまで安定したHCCI運転を実現できた． ・エンジン回転数2500rpmのもとで,netIMEP530kPaまでHCCI運 転を実現できた．

(dP/dθmax≦400kPa/deg.,COV.of IMEP ≦5%，ISNOx=0.15g/kWh) 7.まとめ-1

7.まとめ-2 0 200 400 600 800 1000 2000 3000 IMEP (k P a) Ne(rpm) Japanese 10-15 mode NVO(Internal EGR) NVO + D.I “BDSC” system “BDSC” system

with “EGR guide” (thermal stratification)

Inter cylinder EGR 1500rpm _2500rpm

○NA(Naturally-aspirated)エンジンでは，これまで実現できなかった 高負荷運転を実現することが出来た．

7.これからの研究 更なる高負荷限界の拡大． ・HCCI燃焼は，当量比φ，EGR，温度，圧力，オクタン価などの様々な要因に起因さ れる．⇒バルブタイミングの検証 ・高負荷限界を決める要因の抽出と，解決策の考案 低負荷限界の拡大 ・HCCI運転は，SIの低負荷～部分負荷の代替としての期待が高い． ⇒低負荷限界を決める要因の抽出と，解決策の考案 SI-HCCI運転の切り替えの最適化

本研究は，「エネルギー使用合理化技術戦略

的開発」事業の一つとして実施するNEDO の

委託業務に基づくものである。

また、日本キスラーからは、圧力測定に関わ

り多大なる協力を頂いた。ここに謝意を表す。

Acknowledgement