エネルギー変換研究センター ; 先進エンジン工学講座 216 年 6 月 4 日 第 6 回 ディーゼル噴霧燃焼の基礎と応用 ; 高効率ディーゼル燃焼の最先端 のご案内 噴霧 燃焼工学研究室千田二郎 松村恵理子エネルギー変換研究センター 先端パワートレイン研究センター共催前略エネルギー変換研究センターでは 23 年からの文部科学省 - 私立大学大学院高度化研究助成 - 学術フロンティア推進事業 次世代ゼロエミッション エネルギー変換システム および 29 年からの文部科学省 - 私立大学戦略的研究基盤技術形成支援事業 ゼロエミッション技術を基盤とした環境調和型エネルギーグリッドの最適化研究 を実施し 関連分野の多数の技術セミナーを教育 研究の活性化の一環として開催してまいりました 今般 エンジン燃焼分野では 214 年 4 月から国内自動車メーカー 8 社および2 団体によって 自動車用内燃機関技術研究組合 ( 英語名 :Research Association of Automobile Internal Combustion Engines (AICE)) が発足し主にディーゼル機関の排気系の高度研究が開始され 214 年 9 月からは政府の総合科学技術会議 - 戦略的イノベーション創造プログラム (SIP) において 革新的燃焼技術 が始まりガソリン機関 ディーゼル機関双方で熱効率 5% の高い必達目標が設定されています この度 ディーゼル機関燃焼分野で著名な新エィシーイー研究部長の内田登氏をお招きして 首記の特別セミナーを開催いたします 関係者各位に多数ご参加いただきたく ここにご案内申し上げます 草々記日時 :216 年 6 月 29 日 ( 水 ) 13:~16: ; 事前申込不要 参加費無料場所 : 光喜館 3F 会議室 (KK313-314) 講演者 : 内田登 ( 株式会社新エィシーイー代表取締役常務研究部長 ) お問い合わせ先 : 同志社大学理工学部教授千田二郎 Tel & Fax:774-65-645 E-mail:jsenda@mail.doshisha.ac.jp 同志社大学理工学部准教授松村恵理子 Tel & Fax:774-65-6466 E-mail:ematsumu@mail.doshisha.ac.jp 共同研究室 ( 大学院生居室 ): Tel: 774-65-7742 会場のご案内 会場 : 同志社大学京田辺キャンパスエネルギー変換研究センター ( 光喜館 ) 交通機関最寄駅 ~ 同志社大学京田辺キャンパスエネルギー変換研究センター 興戸( こうど ) 駅下車, 徒歩 2 分近鉄京都線 新田辺 駅下車, 奈良交通バス 同志社大学デイヴィス記念館 行き 理工学部前 下車すぐあるいはタクシーにて同志社正門 ; 約 1 分,1 円 三山木( みやまき ) 駅下車, 奈良交通バス 同志社大学デイヴィス記念館 行き 理工学部前 下車すぐ JR 学研都市線 同志社前 駅下車, 徒歩 15 分 同志社大学のホームページ (http://www.doshisha.ac.jp) もご覧下さい. 以上
State of the Art High Efficiency Diesel Combustion Research 29, June, 216 @ Doushisha University Noboru Uchida Common Sense: The Target BTE is Around 5-55% 2 But, introducing WHR = increase in cycle complexity is the Only Breakthrough Technology to achieve more than 5% of BTE? from Remarks on the Efficiency Potential of Chemical Engines, Chris F. Edwards, Transportation Combustion Engine Efficiency Colloquium, March 3 4, 21
The Way to BTE of More than 5% 3 US DOE SuperTruck FP7 CO 2 RE + NoWaste Challenge: WHR Engine Mod.: Light Achieved! BTE of >5% Ricardo CryoPower Lund Univ. ε=6 Challenge: Friction, Exergy Balance Engine Mod.: Heavy (Split cycle and etc.) Underway What else? Challenge:??? but w/o WHR Engine Mod.: Medium Back to Combustion Itself How to Improve Diesel Engines BTE? 4 Theoretical efficiency ε c & ε ex Specific heat ratio Cylinder temp. (λ, Tin) Composition (atomic, λ, EGR) Combustion Can be controlled Fuel mixing with air (Pinj, nozzle hole etc.) Combustion (Pinj, Timing) Can not be controlled Combustion (Chemical) Exhaust Exhaust temperature Combustion phase (Timing, EGR) Mechanical (ε, EVO) Average temp. (ε c, λ, Tin) Pumping Valve flow resistance Exhaust pressure (Pb, EVO etc.) Time (Engine speed, IVC, EVO etc.) Mechanical Cylinder pressure Pmax (ε c, Pb, degree of constant volume) Average press. (ε c, Pb) Engine speed Cooling (wall) Temperature Average temp.(ε c, λ, EGR, Tin, Pinj) Local temp.(egr, Pinj) Heat transfer rate Flow velocity (Swirl, Piston velocity) Ambient composition (EGR, λ, Tcyl) Boundary layer (Pcyl, dp/dθ, Tcyl) Wall temperature Average & Local temp. Wall material & Material layer Surface area Many Constraints & Trade-offs For further improvement in BTE, it is important to maximize the thermal cycle efficiency against the increase in many energy es.
BTE [%] Degree of constant volume Difficult to Breakthrough the Trade-off between Thermal Efficiency and Energy Losses 5 Increase in degree of constant volume combustion 1..6.4.2 Energy balance.8 Ne:12rpm,Q:13mm3/st, Pin:191.3kPa(abs.), EGR3% SOC:TDC, 41.7 38.8 37.5 36.9 9.6 11.8 12.5 13.1 9.1 8.8 9.5 1. 38.4 39.3 39.3 38.8 9 12 15 18 Common rail pressure [MPa] 1 98 96 94 92 9 Exhaust Heat Mechanical Brake thermal efficiency Improvement in theoretical efficiency vs. Increase in heat and mechanical Shimada, K., et al., Transactions of JSAE, Vol. 45, No. 4, pp. 621-626, 214. Ne:12rpm,Q:115mm3/st, Pin:276.3kPa(abs.) 1..6.4.2 Energy balance.8 Decrease in heat by high EGR and multiple injection 33. 37.5 35.9 37.4 18.6 12.4 13.5 11.4 7.8 8.8 8.8 9. 39.5 4. 4.5 4.8 S Injection +M Injection EGR:% +EGR:6% SOC:TDC +SOC:-5 Decrease in heat vs. Increase in exhaust Decrease in cycle efficiency Osada, H., et al., SAE213-1-99 BTE was not significantly improved! Exhaust Heat Mechanical Brake thermal efficiency In Case of Large Two-stroke Marine Engines Neither High ε nor Otto-cycle is Essential! 6 2-stroke Large Marine Engines Power [W] Effective compression ratio and expansion ratio was not so high (14.:1 and 17.:1) Combustion profile was almost constant pressure Diesel cycle (low degree of constant volume combustion) and low ε (1) MITSUBISHI HEAVY INDUSTRIES, LTD. HP:http://www.mhi.co.jp/products/pdf/UEC8LSE-Eco-B1.pdf (2) Tayama, K., "Historical Development of Two Stroke Slow Speed Marine Diesel Engine," Systematization survey of the National Science Museum Technology, Vol. 8, pp. 183-24, 27.
Pathway for Thermal Efficiency Improvement 7 Thermal efficiency improvement from theoretical equation; η th = 1 1 ε γ 1 Determination Factors are only ε : Engine specifications and γ: Gas composition How to determine optimum ε to achieve 55% of BTE? For ε = 18., η th = 68% while η b of the single cylinder engine = Max.47% Assume each is unchanged, η th = 76% to achieve η b = 55% (8% increase), namely ε = 35. will be essential Consider whether it is possible to apply the theoretical equation itself to such a high ε, or not Potential to control γ Each reduction, that is gap reduction between η th and η b Why BTE of large 2-stroke marine engines is so high, even with relatively low ε (about 14.)? Cooling and exhaust are directly correlated with the engine specifications and the combustion control Brief overview of the recent findings for higher efficiency
Our Goal 9 Find out general solution for simultaneous improvement in engine efficiency and exhaust emissions through fundamental understanding of combustion phenomena Efficiency 55% of brake thermal efficiency (currently 5.3% by Wärtsilä 31 is the World Record) w/o any waste-heat recovery systems Emissions Future anticipated emission regulation targets Japan Challenging target in 216, and beyond 216 EURO VI & VII Evaluate in wide range of NOx emissions to take a variety of exhaust aftertreatment strategies into account Fuels Mainly based on Diesel fuel Alternative fuels to confirm compatibility of new technologies NACE Framework 1 BTE: 55% w/o WHR Practicability w/ real engines Translation of SCE results into MCE Opt. energy balance design Technical path evaluation for 55% New engine structures B/M Feasibility study of 2st engines As a part of MLIT (Japanese government) project Breakthrough-1 Breakthrough-2 Breakthrough-3 Combustion control w/ multi-injectors Spray mixture formation analysis Improvement in cycle efficiency Theoretical thermodynamics Improvement in PMEM and FMEP Trade-off Engine specification optimization Reduction in each energy Proposal of new insulated wall structure Fundamental heat analysis New engine design & Generalization of combustion control concept
Summary 11 Detailed investigation into the mechanism of the new combustion concept, and its improvement Improvement in the multiple-injector concept aiming active HRR control, which could overcome the trade-off between thermal efficiency and energy es Extend operating condition to a higher load, higher compression ratio Estimation of BTE of more than 5% as a Milestone in the way to 55% Detailed analysis of the spray from side injectors as the new mixture formation concept to realize the breakthrough between NOx and smoke exhaust emissions New wall heat mechanism analysis (ongoing toward the new heat insulating concepts) Effect of Zirconia thermal spraying on heat at the piston surface The cause of discontinuous heat variation for the set of pistons with different compression ratio Progress in the measurement and analyzing techniques Combustion visualization analysis Boundary layer observation at the point of spray flame impingement to the wall Two-dimensional flame speed analysis penetrating into the squish area High in-cylinder pressure (up to 16MPa) combustion observation (bottom view) Preparation of instantaneous and local wall heat flux by the original thin film thermocouple (TFT) Averaged but local wall temperature measurement to determine the TFT measuring point New TFT design to reduce the measurement errors into half More detailed scaling or translating strategy of the results achieved with the single cylinder engine into those with real multi-cylinder engines Schematic of Experimental Apparatus and Engine Specifications 12 DI single cylinder Engine type 4stroke diesel engine Bore Stroke Φ135mm 14mm Displacement 23.9cm 3 Forged steel Piston type Fuel injection equipment piston Denso common rail system (Max. 22MPa) Center: φ.177 8 Nozzle Side : φ.177 3 Valve Sturman cam-less actuation DHVVA Baseline compression 18.:1 ratio Swirl ratio.9
Brake thermal efficiency Pmax [MPa] -D BTE Calculation Process 13 P3 P2 Otto Sabathe (Limited pressure) Diesel ψ:pressure ratio =P3/P2 ξ ψ V2 ξ:cut-off ratio = V3/V2 V3 Assume fuel-air cycle, PMEP= Fuel energy(lhv) = Heat energy Theoretical IMEP Heat : Newton s law of cooling Heat transfer coefficient : Woschni IMEP= Theoretical IMEP Heat Mechanical : Chen-Flynn FMEP a bp cv Chen Flynn max piston Apparent IMEP (Gross) η i, η heat_ BMEP= IMEP FMEP (PMEP=) BMEP η b, η mechanical_ Effects of HRR on BTE potential by utilizing -D thermodynamic model Ne:1rpm Q:24mm3/st Tin:323K λ:3. EGR:% ε:14.,18.,22. 14 6 4 3 2.5.48 3 2 25.46.44.42.4 Otto ξ:1.2 ξ:1.4 ξ:1.6 Diesel There should be a optimum HRR to maximize BTE potential under each mechanical constraint
Strategy to achieve idealized HRR 15 Even applying multiple injection, it is difficult to realize such HRR profile only with a conventional centermounted injector by shot-to-shot and spray-to-spray interactions. Pre-mixed combustion region New HRR Control Concept Diffusion combustion region Concurrent heat release without any interactions Premixed combustion area and multiple diffusion combustion areas are spatially isolated even though their heat releases are temporally overlapped each other. No interference Overall HRR profile is provided as a total of both HRRs. New Combustion Concept 16 Independent fuel injection (timing, duration, and rate shape) from the separated points in the cavity realized by multiple injectors Expected Benefit Improve in air utilization Well divided combustion space for each spray + Improve in cycle efficiency Potential of active heat release rate control by Overall HRR = 3 i=1 HRRi + Reduce in heat Reduction in gas temperature close to the wall (a kind of spatial insulation) And + Possibly improve in fuel-air mixture formation Continuous air flow (swirl) from the upper stream of nozzle orifices May have a potential to overcome the trade-off between cooling and combustion efficiency, which can t be achieved with a conventional cylinder-center injector
Cylinder temperature [K] Needle lift Cylinder pressure [MPa] Apparent rate of heat release [J/ ] Piston Cavity Design, Injector Layout, and Spray Directions of Side Injectors 17 Center injector Side injector Side injector Piston Φ.177 8-15º Φ.177 3 *Nozzle hole size was the same as that of center injector Number of orifice was limited by nozzle sac size HRR and Cylinder Pressure Modulation by Each Injection Timing and Duration Control Ne:1rpm, Q:12mm 3 /st(4%load), λ:2.5, EGR: %, Pinj: 2MPa, Pin:171kPa(abs.), Tin:323K 18 2 6 16 12 8 ψ: Pressure ratio 4 2 4 1.18 1.59 1.35 2 1.69 1.5 1.77 15-2 ψ:1.77 1 5 ψ:1.59 ψ:1.35 Center Side1 Side2-6 -4-2 2 4 6 Crank angle [ ATDC] -6-4 -2 2 4 6 Crank angle [ ATDC] The required combination of constant volume combustion and constant pressure combustion can be achieved with appropriate injection parameters of each injector.
CO emission [ppm] THC emission [ppmc] NOx emission [ppm] Smoke [FSN] Indicated thermal efficiency Exhaust temperature [K] Degree of constant volume Effects of Pressure Ratio (HRR Profile) on Energy Balance and Combustion Characteristics 19 Ne:1rpm Q:12mm3/st λ:2.5 ψ:1.18,1.35,1.5,1.59,1.69,1.77 1..6.4.2 Energy balance.8 Brake thermal efficiency Mechanical Pumping Heat Exhaust 31.1 3.1 29.5 29.2 28.9 27.9 18.5 18. 17.9 18.5 19.7 21.1 12.6 13.9 14.3 13.8 13.8 13.8 37.8 37.9 38.3 38.5 38.2 37.7 1..98.96.94.92 34 33 1.18 1.35 1.5 1.59 1.69 1.77 Pressure ratio 32 31 As pressure ratio was increased, heat was also increased resulting in the optimum pressure ratio of 1.5 for indicated thermal efficiency. This result is almost consistent with -D thermodynamic model simulation..53.52.51.5 3 29.49 1.18 1.35 1.5 1.59 1.69 1.77 Pressure ratio 3 Effects of Pressure Ratio (HRR Profile) on Exhaust Emission Characteristics Ne:1rpm Q:12mm3/st (4%load) λ:2.5 ψ:1.18,1.35,1.5,1.59,1.69,1.77.6 2 25 2 15 1 5 5 1.18 1.35 1.5 1.59 1.69 1.77 Pressure ratio.5.4.3.2.1 24 1.18 1.35 1.5 1.59 1.69 1.77 Pressure ratio 4 3 2 1 2 16 12 8 4 1.18 1.35 1.5 1.59 1.69 1.77 Pressure ratio 1.18 1.35 1.5 1.59 1.69 1.77 Pressure ratio NOx emissions can be decreased to 1/3 without any increase in CO, HC and Smoke (simultaneously decreased! even under diesel combustion).
Energy balance Apparent rate of heat release [J/ ] Needle lift [mm] Cylinder pressure [MPa] dp/dθ [MPa] Apparent rate of heat release [J/ ] Cylinder pressure [MPa] Cylinder temperature [K] Late Combustion Deterioration with Increase in Injection Amount from Side Injectors Ne:1rpm Q:12mm3/st λ:2.5 21 2 2 16 15 12 8 1 4 Pressure Ratio:1. w/o Center Injection 1.5 5 6 1..5 Plausible HRR Experiment 4 2 -.5-1. -1.5-6 -4-2 2 4 6 Crank angle [ ATDC] -2-6 -4-2 2 4 6 Crank angle [ ATDC] Late Combustion by higher amount of fuel from the side injectors was inactive because of the mixture formation deterioration by the lack of penetration Effect of Post Injection of Center Injector on Combustion Characteristics Ne:1rpm Q:12mm3/st (4%load) λ:2.5 ψ:1.18 22.2 Needle lift [mm].4 w/o After injection w/ After injection Center Side1 Side2.4.2 12 9 6 3-6 -4-2 2 4 6 Crank angle [ ATDC] 1..8.6.4.2 31. 33.6 18.4 16.2 12.2 12.6 38.4 37.5 w/ w/o Exhaust Heat Pumping Mechanical Brake thermal efficiency w/ w/o 4 3 2 1-1 -6-4 -2 2 4 6 Crank angle [ ATDC]
Schematic of Bottom View 23 Comparison of combustion process by the bottom view 24
Indicated thermal efficiency Exhaust temperature [ ] Energy balance Degree of constant volume dp/dθ [MPa] Apparent rate of heat release [J/ ] Cylinder pressure [MPa] Cylinder temperature [K] Effect of Pressure Ratio on Combustion Characteristics under Higher Load Condition Ne:1rpm Q:24mm3/st(85%load) λ:2.4 ψ:1.,1.15,1.2,1.38,1.44,1.57 25 3 25 2 15 1 5 2. 1. -1. 2 15 1 5 1. 1.38 1.15 1.44 1.2 1.57 8 6 4 2-2. -6-4 -2 2 4 6 Crank angle [ ATDC] -2-6 -4-2 2 4 6 Crank angle [ ATDC] By applying the post injection, HRR in the late combustion was able to control like 4% load combustion Effects of Pressure Ratio (HRR Profile) on Energy Balance and Combustion Characteristics 26 Ne:1rpm Q:24mm3/st(85%load) λ:2.5 ψ:1.,1.15,1.2,1.38,1.44,1.57 1..8.6.4.2 Brake thermal efficiency Mechanical Pumping Heat Exhaust 36.3 34.8 34.7 34.3 33.5 33.3 11.2 12.2 11.8 12. 13.1 13.4 1.1 9.6 9.8 9.7 9.6 9.6 41.9 42.9 43.3 43.6 43.6 43.5 1. 1.15 1.2 1.38 1.44 1.57 Pressure ratio 1..97.94.91.88 39 38 37 The optimum BTE was achieved at the pressure ratio of around 1.4 under the high load condition, since the heat was significantly increased for the pressure ratio of above 1.38. Interestingly, the mechanical was the highest at the most Diesel-like combustion regardless of Pmax..54.535.53.525 36 35.52 1. 1.15 1.2 1.38 1.44 1.57 Pressure ratio
BTE [%] Mechanical friction [%] Apparent rate of heat release [J/ ] Smoke [FSN] More Degree of Freedom to Control HRR 28 8 6 4 2 Shorter premixed combustion duration Further improvement in late combustion 1.5 1..5 Multi Pin:4kPa(abs.) Multi Pin:32kPa(abs.) Single Pin: 32kPa (abs.) -2-6 -4-2 2 4 6 Crank angle [ ATDC] Further improvement in ITE (in heat ) New smoke reduction technique from the mixture formation point view HRR ramp modulation 5 1 15 2 25 3 NOx [ppm] Combustion improvement in side injectors w/o post injection Nozzle orifice optimization for both center and side injectors should be essential 29 Expected Pathway to BTE > 5% w/o Any WHRs based on Flexible HRR Control Concept 1..6.4.2 Energy balance.8 31.9 3.7 13.7 13.6 8. 7.9 45.5 46.6 Need better mixture formation 1.8 1.4 1. 9.6 1..6.4.2 Energy balance.8 εc:16. εe:18. Exp./Comp. Optimization Parasitic Loss Reduction εc:2. εe:22. 34.5 34.5 1.3 1.3 9.3 6.9 45.2 47.6 52. 5. 48. 46. 44. 45.2 Base 47.6 2.4 48.7 1.1 +C.R. +Injector 49.5.8 9.2 5.5 5.7.2 1. +Lubricant +Nozzle +TBC Oil A Oil B Oil C Low Viscosity Oil & Additives Nozzle Spec. Optimization G3-HP Multi-injector G4-HP7 Multi-injector
RHR [J/ ] Temperature [K] Pressure [MPa] Further HRR Control Potential 3 2 25 2 15 1 5 4 2 1 Experiment Calculation -1-6 -4-2 2 4 6 Crank angle [ ATDC] Ne:1rpm Q:24mm 3 /st λ:3. ε geo,exp :18. 2 15 1 5 Like -D Result 1..6.4.2 Energy balance.8 Exhaust.324.316 Heat.114.116 Indicated.561 work.568 Experiment Calculation Although there could be a tradeoff between ITE and heat, there remains a room for the improvement in BTE. Heat reduction is much more important for further BTE improvement by the HRR profile control. Try to Understand More Detailed Mechanism of Heat Loss from the Wall 31 Physical Insulation T walllocal = f T wallmean, ρ, λ, C, h, T glocal T glocal = f Inj. Param., R EGR, t ign, Mixture formation, T gmean Spatial Insulation R local = f T wallmean = f Cavity, Velo., Inj. Param ρ, λ, C, h, T gmean h = f T gmean, P g incl. pressure resonance, Velo., Local gas composition, T walllocal, Spray momentum Local Heat Loss from Impinged Spray Flame T gmean = f G air, G fuel, T air, T EGR, R EGR, P g, T wallmean h = f T gmean, P g incl. pressure resonance, Velo., Local gas composition
ROHR kj/deg Heat Balance dp/dθ MPa/deg Pcyl MPa Tcyl K Base, Steel Ra 3.2~6.3 ZrO2 Sprayed Ra 6.~7. Fe Sprayed Ra 8. Heat Transfer with ZrO 2 Coating and Cause of Its Difference from Baseline Ne=12rpm, ε=17, Rs =1.4, q=5mm3/st, EGR Rate % Pb=126.6kPa abs, λ=4.7 Indicated Work Wall Heat Loss Others 1% 9% 8% 7% 6% 5% 4% 3% 2% 1% % Pumping Work Exhaust Enargy 31.1% 32.4% 32.% 13.5% 13.5% 15.4% 3.% 3.% 3.% 54.4% 53.1% 51.6% Base Steel CR17 ZrO2 Sprayed CR16.7 Fe Sprayed CR16.7 2 1.3.2.1. Base, Steel_CR17 ZrO2_CR16.7 Crank Angle deg Fe_CR16.7 -.1-3 -2-1 1 2 3 4 5 From the comparison Piston of Baseline & Surface and Material Iron thermal spray, surface roughness affects heat. This could also be the reason why ZrO 2 was little effect on heat. 2 16 12 8 4 1..5. -.5-1. 32 Top View Visualization System and Captured Image Example True position 33 High Speed Camera Broadband Mirror Cylinder Head Sapphire Window Piston, Combustion Chamber φ98 Cavity Circumference Wall Inverted by a mirror Swirl Direction Mirror Image Swirl Direction Engine Conditions: 12rpm, ε18, Rs =1.4, Pinj=9MPa, Pb=126.3 kpa abs, EGR Rate %, Q=3mm3/st
Observation of Cavity Wall Edge during Combustion 34 To detect non-luminous boundary layer thickness very close to the piston wall, 1Heat-resistant silver painted on squish area of the piston identify the wall edge by utilizing the difference in reflection intensity 2Marking-off the1mm scale on the squish area set approximate measuring scale for the flame location and distance from the wall 5 5 Effect of Wall Surface Material on the Boundary Structure of Impinged Flame Pinj=2MPa,Steel Pinj=2MPa,Zirconia 35 8.5deg. ATDC 9.deg. ATDC 66.7μm 116.7μm 148.μm 164.4μm For ZrO 2, the layer between flame and wall was very thin Engine Conditions: 12rpm, ε17, Rs =1.4, q=5mm3/st, Pb=176.3kPa absegr Rate %
Permeable wall Smooth surface wall T K V m/s, P MPa Integral Heat Loss Changeing Rate % Integral Wall Heat Loss (Comp., Exp. cycle) kw 12rpm, ε18, Rs =1., q=12mm3/st, Pinj=2MPa, Pb=176.3 kpa abs, EGR Rate %, Category 3D Simulated Results of Piston Heat Loss for Various Surface Roughness Conditions Model Code AVL FIRE Turbulen ce k-ζ-f model Combusti on ECFM-3Z Ignition Droplet breakup Two-Stage (Database) KH-RT The smoother surface, the lower heat could be achieved 13. 12.5 12. 11.5 11. 1.5 1. 9.5 9. 4. 3. 2. 1.. -1. -2. -3. -4. Baseline Piston Piston Stable machining Piston limit Piston Optical surface Piston level roughness roughness roughness roughness roughness 5.μm 12.5μm 6.3μm 3.2μm.1μm Effect on heat balance (points) Surface Variation Piston roughness 5.μm Piston roughness 12.5μm BASE BASE Piston roughness 6.3μm Piston roughness 3.2μm Piston roughness.1μm 36 Porous & Permeable Wall 37 1Flow existence in the wall Surface velocity > Transition into turbulence by small change T@12MPa,2m/s V@12MPa,125K P@125K,2m/s 25 5 45 2 4 35 15 3 25 1 2 Critical Re along 15 5 1 flat plate 5 1.E+4 1.E+5 1.E+6 1.E+7 1.E+8 Re Sensitivity of Reynolds number for T, V and P h Increase in heat transfer by permeable wall Surface velocity > 2Possible to induce turbulence Turbulence at the surface reduces velocity, and increase heat transfer V Near Wall
12.11 11.3 14.87 13.34 Or, Surface Temperature Effect on both DeltaT (Gas-Surface) and h(quenching Distance) Aluminum Steel / Cast Iron ZrO 2 Coating Ceramics? There could be the optimum material to maintain the wall surface temperature Other Results from Different Piston Bowls 39 ε=18.(base) φ98 ε=22. Φ88.6 ε=26. φ81 ε=3. φ74.3 Chamber design concept: Clearance between cavity bottom surface and fuel spray are the same
Squish velocity Comparison of Heat Balance 4 Ne SOC P-inj. λ [O2]in ε q : 12rpm : TDC. : 2MPa : 4. : 2.9% :18.,22.,26.,3. :12mm3/st Cooling for ε: 22:1&26:1 was less than that for ε: 18:1, while that for ε: 3:1 was certainly higher What is the cause for such discontinuous behavior? Effect of Local Velocity induced by Squish Flow on Convective Heat Transfer High temperature corrosion appears only at chamber lip Wall temperature near the lip was increased by higher squish velocity CR 26:1 CR 3:1 Newton s Law Q=A h (Tg - Tw) Hashizume Toyota Woschni s formula doesn t account for the effect of squish velocity, even there have been many cases to improve heat by squish optimization
Flame Velocity [m/s] Averaged Wall Surface Temperature Measurement (at the Bottom of Cylinder Head) 42 Investigate the effect of squish flow (varied with different compression ratio, or cavity diameter) on the wall temperature distribution Identify the practical wall temperature (as the temperature and heat transfer coefficient of the coolant side was in constant, higher wall temperature indicates higher heat ) As compression ratio increased (cavity diameter decreased), hot spot in the cylinder head surface moved toward the periphery of the cylinder Thermo -couple Top-view Cylinder Head Measurement Plug (Cast Iron) Squish Velocity Analysis 43 C/R 18:1 22:1 26:1 3:1 5 4 3 2 1 5 4 3 2 1 3 38.9 26 33.2 18 25.2 2 4 6 8 Crank Angle [ ATDC] Temporal variation of flame velocity 2 4 6 8 AnalyAve_Rotate_917_1_1_N3_143.ti f AnalyAve_Rotate_17_1_9_N3_14.tif AnalyAve_Rotate_99_1_21_N5_124.tif AnalyAve_Rotate_929_1_9_N5_15.tif
Flame Speed m/s Averaged Wall Surface Temperature Measurement Results 44 5 4 3 2 1 3 3(28.5) C/R 28.5:1 C/R 3.:1 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 ATDC deg Ne SOC P-inj. λ [O2]in ε q : 12rpm : TDC. : 2MPa : 4. : 2.9% : 3. :12mm3/st By changing top clearance, flame speed in the squish area and the temperature distribution at the cylinder head were significantly changed Ne SOC P-inj. λ [O2]in q Cooling Loss should not be Determined Only by Squish Velocity : 12rpm : TDC. : 2MPa : 4. : 2.9% :12mm3/st 45 ε 24.9 26. ε 28.5 3. By utilizing ε: 26:1 piston, experiments ε were carried ε out to reduce squish velocity with thicker cylinder head gasket like ε: 3:1 s case. The 24.9 result indicated that 26. higher cooling was observed under less squish velocity. Difference in the cylinder head wall temperature distribution could be a hint for reducing cooling.
46 Other Topics Outside Japan SAE High Efficiency IC Engine Symposium
SAE High Efficiency IC Engine Symposium 歴史 48 第 1 回は 29 年のサンアントニオ ( テキサス ) で開催された PF&L Meeting においてパネルディスカッションセッションとして開催 近年は SAE World Congress 開催日の前日 + 前々日 ( つまり土 日 ) に Detroit にて開催されているディーゼルエンジンに限らず ガソリン或いは RCCI ガスエンジン等の新燃焼コンセプトエンジンの高効率化に関しても取り上げられてきた 当初は基礎的な熱力学的コンセプトに関する議論もあったが 近年は次第にエンジン開発に寄った内容 つまりストラテジーでなく数値を強調 が増えている感が強い ( 昨年同様 全体の方向性に対する議論は減っている ) SwRI T. Alger のスライド 7 年を振り返って 49
SwRI T. Alger のスライド 7 年を振り返って 5 SwRI T. Alger のスライド 7 年を振り返って 51
SwRI T. Alger のスライド 7 年を振り返って 52 納得 216 HEICE Symposium ( 青字は参加者に資料公開 ) 53 日時 :April 1-11, 216 場所 :Westin Book Cadillac Hotel 1 日目 - Dedicated EGR - High Efficiency Engine Technology Bundles - New Diesel Combustion Control( 内田 ) - Water Injection - Potential of VCR - How to Predict the Powertrains of the Future 2 日目 - Overview of the DOE - Fuels and Heat Rejection - Fuel to Power Gasoline Compression Ignition Engine - The State of Simulation for IC Engine Design - Enabling High Throughput Calculations on Supercomputers - Model-based Engine Combustion Control - 48V Architectures for Enabling High Efficiency - Emission Challenges for Advanced Combustion Engines - Direct Injection of DEF for Improved NOx Reduction
Dedicated EGR: Using In-Cylinder Reforming To Increase Thermal Efficiency in SI Engines 54 Terry Alger 氏 (SwRI) Dedicated EGR について実車試験結果および燃費改善効果について報告した 実車試験では低温始動性やドライバビリティは問題なく ベースエンジンより燃費が改善することを示した BTE は最大で 42% を達成した 既に某社が開発中と噂される D-EGR で 昨年からの新たな進展は特に無かった Fuel to Power Compression Ignition Engine 55 Virginie Morel 氏 (Aramco) 燃料の観点から低 CO2 低エミッションが達成できないか報告した CI エンジンにおいてディーゼル燃料の代わりに低オクタン価ガソリン ( ナフサ ) を用いることでディーゼル燃料比で トルク 出力は同等以上 CO 2 削減 PM の減少を達成できるとした 背反としては HC が 2 倍程度増加する エネルギー密度の低下や HC の増加等も有り Drop-in ではなく専用エンジン設計が必要となる事が課題
THE STATE OF SIMULATION FOR IC ENGINE DESIGN ENABLING HIGH THROUGHPUT CALCULATIONS ON SUPERCOMPUTERS FOR EFFICIENT ENGINE DESIGN High Efficiency といっても内燃機関についてではなく シミュレーションの効率化に関する話題もあり スパコンの素晴らしさを宣伝していた かなり High Efficiency と言う言葉に対するネタ切れ感 或いは現オーガナイザーの力不足 ( 多分 皆忙しすぎる ) を感じる 56 High Efficiency その他... 正直 新しくない 57 Water Injection for Spark Ignition Engines Li Jiang 氏 (Bosch) インマニへの水噴射による燃費改善効果の報告 水 - 燃料比で 35% の水噴射を行う事で,13% 燃費が向上する 噴射水源としては,1 タンクを追加する,2 エアコン周りの凝縮水を集める,3 排気中 H 2 O の活用などを考えている 水噴射系は DeNOx 触媒添加用を流用 Potential of VCR to Meet Future Legislative Requirements Rob de Bruijn 氏 (FEV) コンロッド小端部における可変圧縮比技術による熱効率改善効果の報告 高負荷で低圧縮比, 軽負荷で高圧縮比, 回転数でも可変する エキセントリックピストンピン ( 右図 ) による, 油圧制御型のシステムである
216 SAE HEICE シンポジウム総括 58 恐らく 22 年前後での実用化を目指した技術は OEM 各社共水面下で着実に開発が進行中である一方 その先の次世代コンセプトを模索している段階で 全体としてはトピックスとしてのインパクト ( 新鮮みも ) に欠けており 個人的感想からすると SAE World Congress の 1 セッションに戻す方が良いと感じた ( 但し 将来規制 & 燃料動向 48V 化や Super Computing 等 業界にどんな動きが有るかを纏めて俯瞰するには確かに有益で 初心者には興味深いかも )... でもそれにしては参加費が高く 参加者も減りつつある印象 (15 名程か?) 各講演の共通項が少なく High Efficiency の狙いに対しては各人各様の切り口 ( 捉え方 ) となり 将来エンジン としての方向性はむしろ曖昧になってしまっているどのカテゴリーにターゲットを絞るのか ( 熱損失 フリクション ポンピング サイクル効率??) またそのアプローチは全体のバランスをどう考えているのか? 現状レベルとの充分納得の行く定量化された損失とサイクル効率の比較が殆どなされていない熱効率改善のために必要なコンセプトとその実現に必要なハードウェア ( 要件 ) は? という視点がもう少し有るべき今年の傾向として 小型ガソリンエンジン固有の課題に対するテーマが多く ディーゼルエンジン ( 特に大型 ) の内容が乏しかった その他 NACE が見た SAE 216 World Congress 59 Cobo センター Registration 付近
World Congress Presentation Topics 1 6 Engine Concepts, Efficiency, etc. 216-1-681 (MCE-5 Development) Constensou, C. and Collee, V., VCR-VVA-High Expansion Ratio, a Very Effective Way to Miller-Atkinson Cycle, MCE-5 VCR エンジンを想定した GT-POWER モデルにて 可変圧縮比の可変範囲において CO2 低減ポテンシャルを検討 ε8~2 の連続可変と ε1.5&15. の 2 段切り替え型の違いなどを比較 連続可変は 1% の CO2 低減効果があるが SI でノック考慮条件では 2 段切り替え型と大差ない 216-1-119 (Achates Power Inc.) Sharma, A. and Redon, F., Multi-Cylinder Opposed-Piston Engine Results on Transient Test Cycle, Achates Power 対向ピストン 2 ストロークエンジンの 4.9L 3 気筒プリプロダクションエンジンにおける FTP モード燃費 エミッションに関する内容 試験エンジンからの小型化を行う傍ら FTP 平均 BTE38.4% 最大 BTE48% を実現している エミッションは DOC+DPF+SCR で EPA21 以下を実現 World Congress Presentation Topics 2 61 216-1-812 (Linkoping University) Eriksson, L. and Sivertsson, M., Calculation of Optimal Heat Release Rates under Constrained Conditions, NACE では理想の熱発生率制御を狙ったマルチインジェクタ燃焼系の研究を進めているが この研究も同様に理想の熱発生率形態を理論モデルから導く事を目指している 昨年のモデル構築の拡張から 本年は様々な制約条件の影響を導入し 膨張行程での損失を減らすためには上死点前着火も必要 などの結果を得た 216-1-815 (Michigan Tech. University) Razmara, M. et al., Innovative Exergy-Based Combustion Phasing Control of IC Engines, エクセルギー最大化の観点から どの様な燃焼位相 (CA5) に制御するのが最も良いか を考えた燃焼制御手法の提案 但し燃焼形態は無過給 HCCI を前提としている 燃焼位相を固定した場合に比べて 5.4% の燃費改善効果が得られたとしている 過給や後処理システム付きでの通常燃焼で同様な考え方が今後は必要
World Congress Presentation Topics 3 62 Turbocompound(ORC よりも最近の注目度は高い ) 216-1-567 (Technical Univ. of Braunschweig) Eilts, P., Investigation of Engine Processes with Extreme Pressures and Turbocompounding, φ32 4 という大型機関での研究 筒内最高圧を実用レベルに維持しながら平均有効圧を 55bar 程度まで増加させる手段として ターボコンパウンドを採用した理論解析を実施した 計算結果では圧縮比の最適化 (13.5) 等を含めて 筒内最高圧を 225bar に維持しつつ 165g/kWh の正味燃費を得た 216-1-548 (Universidad Politecnica de Valencia) Hervas-Blasco, E., et al., Dynamic Model of a New Powertrain Concept Based On Energy Recovery from Exhaust Gases and Kinetic Losses to Electrify the Main Auxiliaries Oriented To Reduce Fuel Consumption, 欧州委員会 FP7 の中の GASTONE と呼ばれるプロジェクトの一環 オルタネータ回生も含んでいるが 排気のエネルギーはガスの方が高い ということでガスエンジンをベースに排熱回生を想定したモデル検討 結果は 3.6% の燃費改善 3 rd ATZ International Engine Congress
開催地はドイツ南部の観光地 Baden-Baden 電車で Stuttgart から 1 時間半程度 64 街の目抜き通り 会場の Kongresshaus ATZ Congress が重要なのは 主に欧州 ( 特にドイツ語圏 ) における産 & 学の研究成果が混在して発表されるところ 発表に関連した新技術の展示も多く 講演時に質問できなかった内容を改めて聞くことが出来る ウィーンモーターシンポジウムやアーヘンコロキウムの様に 新製品や企業の将来ビジョンの発表だけでなく 現在進行形の研究も多くある意味 生 の欧州動向が反映されている Lichtentaler Allee 会場近くの散策路 ( 今年は雪が降ったり天気はあまり良くありませんでした ) 3 rd International Engine Congress(2 月 23 24 日 ) 乗用車関係と商用車関係がパラレルで講演 どちらも聴講可能 65
Progress in the development of natural gas high pressure direct injection for Euro VI heavy-duty trucks 66 Dale Goudie (Westport Innovations) 商用車のセッションに今回はガスエンジン ( 或いは Dual fuel と言った方が良い ) が加わり この発表もそのうちの 1 つ 1.Westport は Cummins と繋がりが深いと思っていたが 今回のインジェクタ HPDI2. は Delphi 社との協同開発 2.LNG を気化して軽油と同じコモンレールに蓄圧 (<5bar) 2 つの燃料をインライン供給 3. 燃焼期間は長くなり 軽油に比べて 1~3% 悪化 但し噴射圧上昇による燃費効果は 補機駆動ロスを入れても有意 4.Smoke が出にくいので Smoke limit を見直すことでトルクレスポンスは軽油より良好 CH 4 も規制内 Control of predefined diesel combustion processes by a burn-rate model 67 Reza Rezaei (IAV GmbH) 燃焼制御の考え方として 恐らく現在 NACE で取り組んでいるマルチインジェクタ燃焼系による燃焼制御にも 最終的には反映しなくてはならない考え方で 要するに要求熱発生率形状を実現するのには どの様な噴射率が必要かを数値モデルで逆算する手法の提案 1. 類似のケースとしては例えばマツダの SKYACTIV-D での燃焼制御の考え方も狙いは同じ 2. 無論 より一般化するためには混合気形成 着火遅れや燃焼等の数値シミュレーションを駆使した逆解析が必要になるため リアルタイム制御は未だ難しい 2. 更には時間遅れのある過給 +EGR 率の燃焼への影響も加味して順次噴射系制御を行わないと 過渡では狙い通りの結果が得られない
Electrically assisted turbocharging in longhaul truck application Hans Felix Seitz (AVL List GmbH) 電動アシストの過給システムのアセスメントを 12L の大型商用車エンジンをベースに実施 1. 燃費改善効果はダウンスピード込みで最大 3% 程度 2. エネルギー回生や過給機駆動を考えると 48V システムが前提 3. 電動ターボチャージャよりはブースターとパワータービンを分けた方が電気系の耐久性やレイアウトのし易さで有利 4. パワータービンはシリーズ配置より小型でウエストゲートの置換としたパラレル配置の方が主過給機のマッチングも損なわず 暖気時も主過給機を止められる等有利 SAE と同じく 排熱回生システムとして ORC より最近は T/Compound が優位にある印象が強い 68 3 rd ATZ International Engine Congress 総括 69 参加者は約 4 人 欧州のエンジン OEM サプライヤの目指す技術トレンドがある程度把握出来る一方で紹介しなかったが φ135 の大型と φ81 の小型エンジンを熱力学的に比較評価するといった FVV の成果報告や 噴射ノズルについたデポジットの過渡噴霧挙動への影響 ミラーサイクルの熱力学的本質にシミュレーションと実験から迫る といった基礎的な研究も多く発表された (4 室に分かれたパラレルセッションなので全ては聴講出来ていない また Proceedings も比較的簡素のため未聴講だと内容を追い切れない ) 本年のキーワードとしては 代替燃料 大型では特に Dual fuel としての天然ガス利用 小型は持続可能な燃料 ( 電気 :e-fuel を含む ) の製造まで検討 ディーゼル燃料として合成燃料の OME([CH3O(-CH2O-)nCH3] 特に n=1) も何件か有り ( バイエルン州がサポート Darmstadt と München 工科大等が研究 ) 燃料に関係したところでは Shell は今世紀末まで新たな化石燃料の開発はせず CCS 技術等に注力すると基調講演で話をしていた完全 HEV までの繋ぎとしての 48V 化 ( 大型でも検討 ) 過給機の電動化 and/or 排気エネルギー回生 (48V 化とも密接に関連 ) 残念ながら今年は基調講演でもないのに特定の技術ではなく 全体的なパワートレーンの周辺環境を含む将来予測のような発表 ( タイトルが曖昧 しかもそういった発表に限って資料を残さない ) がやや目立った ( 次回 217 年 2 月 21~22 日はどうなるか?)
Thank you! 7 Questions? Your Intuition, feedbacks, long-term support, understanding, encouragement, comments, and examinations are always helpful to our future research.