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KEIO
KEIO UNIVERSITY
UNIVERSITY
素反応数値計算によるHCCI機関の
燃焼位相と圧力上昇率の解析
研究背景
HCCI機関
HCCI機関の
ノッキング
Fuel
課題の一つである高負荷時におけるノッキングの原
因の一つとして，急峻な筒内ガス圧力上昇が生じるこ
とが挙げられる．この急峻な圧力上昇を緩慢にし，圧
力上昇率を低減させる方法として投入熱量を一定にし
て，吸気温度を変化することで燃焼時期をピストンに
よる圧力上昇率が負になる膨張行程に遷移させること
で圧力上昇率を低減させる方法が考えられている．
Combustion
Gas
Air
重豊健志
目的
Bulk Combustion
Premixed Gas
Premixed Gas
しかし，吸気温度を変化させ，高い燃焼効率を維持
しながら燃焼位相を遅延化させた際の圧力上昇率の
低減効果については，定量的に評価されていない．そ
こで詳細な素反応を考慮したマルチゾーンモデルを用
いて，吸気温度の変化に伴ったHCCI機関の燃焼位相
と圧力上昇率の関係について解析を行った．
HCCI機関は着火が化学反応に依存して
いるため，高負荷時におけるノッキングの
回避，低負荷時における失火および燃焼
時期の制御などが課題とされている。
素反応数値計算方法
Maximum In-cylinder Gas
Pressure Rise Rate
(dPc /dt)max [MPa/ms]
1-zone モデル
DME/Air
Qin =1000 J/cycle, P0=0.1MPa, T0 = Avairable
N-zones モデル
Ne=800rpm, = 8
16
2-zones モデル
Compression
Expansion
計算対象は，吸気弁が閉じた直後から排気弁が開く直
12
1
1 2
> 85%
前までの一回の圧縮・膨張行程中の閉じた系における
8
N
作動ガスとした．素反応数値計算には，計算コードとして
1 2 3 …=57%
4
T =365K
米国のSandia National Laboratoryで開発された
Fig. 1 マルチゾーンモデルの概念図
0
SenkinおよびCHEMKIN-IIを一部改良したものを用い
-10
0
-20
10
20
-30
‐40
CA50  [deg aTDC]
た．0次元モデルを基本としたマルチゾーンモデルを構築
DME/Air
n-Butane/Air
した．図1にマルチゾーンモデルの概念図を示す．ゾーン
Q =1000 J/cycle, P =0.1MPa, T = Avairable
Q =1000 J/cycle, P =0.1MPa, T = Avairable
zone1 zone2
zone3 zone4
zone5
Ne=800rpm, = 8
Ne=800rpm,
=21.6
間では熱量および化学種の移動はなく，ガス圧力が一
T -20K 80
T -10K
T
T +10K T +20K
16
Compression
Expansion
様となるように体積を断熱変化させた．全ての化学種の
Expansion
T=40K
60
12
気体は理想気体とし，エネルギー保存則および質量保 > 85%
> 85%
8
40
存則を仮定して計算を行った．また，残留ガスおよび壁
=17%
200 J/cycle
200J/cycle 200J/cycle
200J/cycle
200 J/cycle
=57%
4
20
面への熱損失は考慮しない．
Compression
T =325K
T =365K
0

素反応数値計算結果
0
0
‐40
=57%
T0=365K
-30
-10
0
-20
CA50  [deg aTDC]
10
-30
-10
0
-20
CA50  [deg aTDC]
10
20
60
> 85%
=17%
0
‐40
Compression
-30
-10
0
-20
CA50  [deg aTDC]
0
0
T0=325K
10
-30
-10
0
-20
CA50  [deg aTDC]
10
20
120
Expansion
100
80
60
T0=387K
=58%
40
20
0
‐40
Compression
-30
> 85%
-10
0
-20
CA50  [deg aTDC]
=17%
10
Fig.n-Butane/Air
3 DME, n-butane, Methane における吸気温度変化に対するCA50および最大圧力上昇率
Methane/Air
Qin =1000 J/cycle, P0=0.1MPa, T0 = Avairable
Ne=800rpm, =21.6
s
Qin =1000 J/cycle, P0=0.1MPa, T0 = Avairable
Ne=800rpm, =21.6
120
20
Methane/Air
Qin =1000 J/cycle, P0=0.1MPa, T0 = Avairable
Ne=800rpm, =21.6
Expansion
20
0
0
‐40
20
80
40
0
0
Fig. 2 吸気温度および投入熱量条件
0
Maximum In-cylinder Gas
Pressure Rise Rate
(dPc /dt)max [MPa/ms]
> 85%
8
Maximum In-cylinder Gas
Pressure Rise Rate
(dPc /dt)max [MPa/ms]
Maximum In-cylinder Gas
Pressure Rise Rate
(dPc /dt)max [MPa/ms]
Expansion
12
0
‐40
in
0
n-Butane/Air
Qin =1000 J/cycle, P0=0.1MPa, T0 = Avairable
Ne=800rpm, =21.6
16
4
0
0
DME/Air
Qin =1000 J/cycle, P0=0.1MPa, T0 = Avairable
Ne=800rpm, = 8
Compression
0
Maximum In-cylinder Gas
Pressure Rise Rate
(dPc /dt)max [MPa/ms]
Maximum In-cylinder Gas
Pressure Rise Rate
(dPc /dt)max [MPa/ms]
in
2008 IIDA LABORATORY
20

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