ブックタイトルマツダ技報　2012 No.30

概要

マツダ技報　2012 No.30

No.30(2012)マツダ技報するため,熱効率が低下するとの報告(4)がある。これは異常燃焼などの燃焼上の課題や機械抵抗増などの構造上の課題をすべて解決しても,熱効率の限界が存在することを意味する。そこで本研究では,内燃機関の熱効率向上,冷却損失の大幅低減を目的として,燃焼室壁面へ断熱材をコーティングし,熱特性や基本エンジン諸元が,冷却損失や図示熱効率へ及ぼす影響について,0次元燃焼解析と1次元熱伝導解析の連成解析手法(5)を用いた基礎的な検討を行った。Well-to-Wheel CO2 g-CO2/kmCO 2低2減目標(JC08) Bカークラスを想定内燃機関HEV150100500(駆動系、車両軽量化、転がり&空気抵抗低減効果を含む)1 st step2 nd stepFinal stepEV Well-to-Tank CO2 :電力中央研究所(2010)の発電ライフサイクルCO2から電力構成比率を元に算出EV欧州A社製想定(1465kg)140Wh/km※1国内発電電力量実績(2009)※2長期エネルギー需給見通し(再計算)2009年※12030年※2Fig.1 CO2 Goal Setting of Internal Combustion Engine (3)2.計算解析手法Fig.2に本研究で使用した連成計算モデルを示す。シリンダ内ガスは理想気体を仮定した。燃焼室はシリンダヘッド,ライナ,ピストンの3部位に分割し,各壁面は厚さ方向のみ考慮した。連成計算では,シリンダ内ガスと燃焼室壁面間の接触面の温度差による熱移動のみ考慮した。2.1気相(シリンダ内ガス)計算手法シリンダ内ガスは理想気体で,温度?,圧力pはシリンダ内で均一であるとした。dpは全微分形式の気体状態方程式から,下式で表される。? dm dR dT dV ?dp ? p?? ? ? ?(1)? m R T V ?質量変化率dmは吸排気,燃焼等による組成変化から計算した。燃焼による組成変化率計算はWiebe関数を使用し,燃焼以外の影響を検討するため,変化率はすべての条件で一定とした。dTはエネルギ変化率dQから以下で表される。ns??dQ ? u j dm jj 1dT ?mCvdQ ? dQpiston_work? dQ? dH ? dHchemical_reactionfuel_latent_heatgas_in_and_out? dQ? dHcooling_loss? dHfuel injectionblowbynwdQcooling_loss? ??Sm ?Tm,n?1? T ? (4)m?1熱伝達係数?は以下のWoschni熱伝達モデル(6)を使用した。?0.2 0.8 ?0.53 0.8? ? 0.013 ? D p T wTr(5)w ? 2.28cmp ? 0.00324?p?pmotoring?Vhp rVr2.2熱伝導計算手法燃焼室形状は円柱とし,壁面はシリンダヘッド,シリンダライナ,ピストンの3部位に分割する(Fig.2)。各壁面は厚み方向のみnd個に分割し,非定常熱伝導方程式を使用して各格子点の温度Tm, nを計算した。dQm, ndTm, n ? (6)S m?m,nCm ? m,n以上のp,T,m,T m, nに関する常微分方程式を,VODESolver (7)を使用して解き,冷却損失や壁面温度等が収束するサイクルまで繰り返し計算を行った。Table 1 Specifications of CoatingHeat conductivitySpecific heatNMNo coatingVM1Al??0.01Al ?? 1VM2Al??0.001Al ?? 1VM3Al??0.01Al ?? 0.01VM4Al??0.001Al ?? 0.01VM5Al??1Al ?? 0.01(2)(3)Table 2 Base Engine SpecificationsFig.2 Calculation Model(? Compression ratio (? )20.0Cylinder volume (Vh) 500 [cm3]? Bore ? Stroke86?86 86?86 [mm]Connecting rod length146.25 [mm]Inlet valve timingIVO: 8 [deg. BTDC]IVC: VariableExhaust valve timingEVO: 52 [deg. BTDC]EVC: 18 [deg. ATDC]Inlet and Exhaust valve lift8 [mm]Number of valvesIntake: 2, Exhaust: 2Diameter of intake port40 [mm]Diameter of exhaust port30 [mm]Engine speed2500 [rpm]Intake air temperature293.15 [K]Intake air pressure1.01325?10 1.01325?105 [Pa]Target indicated mean effectivepressure (Pi) 400 [kPa](?)Excess air ratio (?)4Start of injection60 [deg. BTDC]Injection duration10 [deg.]Calculation method of reaction rateWiebe―215―