ブックタイトルマツダ技報　2013 No.31

概要

マツダ技報　2013 No.31

マツダ技報No.31(2013)たに開発することで複雑な燃焼パターンによる燃焼予測に対応した(5)。Temperature K13001100900700τ-mapPilot InjectionSingle Injection5000<1/τ1000<1/τ<2000100<1/τ<500History of Pressure and Temperature500Injection Duration1/τ<50Ignition Delay 1/τ3000 1 2 3 4 5 6 7Pressure MPa排気系の制御と燃焼を切り離して考えることはできない。そこで,上述の詳細化学反応燃焼モデルをマツダ内製の1DモデルGSP (6)に組み込んで燃焼と同時に吸排気計算を可能にした。更に,マツダ内製の車両モデルPT-VTES (7)及び制御モデルと組み合わせ,車重やギヤ比,制御などを考慮した上で燃焼挙動を検討する解析技術を開発し,吸排気・燃焼系諸元の検討を行うことが可能になった(8)(Fig. 6)。Fig. 7にEMモードを走行した時の予測・実測結果を示すが,よく一致していることがわかる。従来は実車での評価に頼らざるを得なかった過渡運転時の車の挙動も机上で検討が可能になり,実機と机上の組み合わせで諸元の最適化を図り,高品質な性能を実現できた。Fig. 3 Ignition Delay Map (τ-map)Injectionrate[mg/deg]Injectionrate[mg/deg]Out of cavityCylinderSpray Spray Piston cavitySprayPiston cavity(a)SOI=-30deg.ATDC (b)SOI=0deg.ATDC (c)SOI=20deg.ATDCFig. 4 Schematic (a) (b) and CAE (c) of the SprayInjected to Inside and Outside of Piston Cavity Areaこうした詳細化学反応を用いた改良に加え,0Dで表現の難しい形状の影響も検討を可能にした。SKYACTIV-Dは,遠隔パイロット噴射やアフタ噴射を採用し,燃料を噴射する時期が幅広い。例えばFig. 4(b)の噴射開始時期(SOI:Start of Ignition)=0deg.ATDCの場合はピストンキャビティ内に燃料を噴射するが,Fig. 4(a)(SOI=-30deg.ATDC)ではキャビティ外に燃料を噴くことになり,Fig. 4(c)(SOI=20deg.ATDC)では燃焼中の熱いガスの中に燃料を噴くことになる。これらを0Dモデルで考慮するため,まず3Dモデル,具体的には空気の流動や噴霧を計算する流れ解析(CFD:Computational Fluid Dynamics)を活用し,現象のメカニズムを解明した。その上で,代表的な回転数・負荷・燃料噴射パターンで3Dモデルの計算を行ってその結果を関数化し,更に0Dモデルに組み込むことで精度改善を行った。こうした結果のうち,パイロット噴射で精度改善を行った例をFig. 5(b)に示す。改良前の予測(Fig. 5(a))ではパイロット噴射を行った場合に圧縮上死点前に急激に燃焼が立ち上がっているが,改良後はそうした反応は起きず,大幅な精度改善が実現できた。こうした燃焼予測の精度向上により,燃料噴射パターンの違いを燃焼の違いとして正確に表現することが可能になった。上述のように燃焼の予測精度は大幅に改善できたが,実際にエンジンを車両に載せて走る場合には,ターボチャージャやEGRバルブ切り替えによる導入空気量の遅れや,燃料噴射パターンの組み合わせにより,希薄状態や過濃状態になりやすく,失火やEMの悪化を招きやすい。つまり,吸Cylinderpressure [MPa]R.O.H.R[J/deg]121086420100806040200ExperimentSimulation-90 -60 -30 0 30 60 90Crank angle [deg,ATDC]Cylinderpressure [MPa]R.O.H.R[J/deg]121086420100806040200-90 -60 -30 0 30 60 90Crank angle [deg,ATDC](a) Previous model(b) Improved modelFig. 5 Comparison of Heat Release Rate and CylinderPressure between Experimental and Simulated ResultDriverTarget torquePT-VTESSpeed, VehicleAccell pedal positionSimulinkECU(Injection control)Cylinder gasconditionEngine speedEngine torqueEGR valve liftpositionInjection patternGSPEngine(Cylinder&Pipe&T/C)Initial gasconditionHIDECS +Combustion withchemical reactionPackage Cell of Sprayof SprayP(L,M)C(I,L)BreakupLengthMLInjected at the start of injectionLIR.O.H.R,Gas pressure,Gas temperatureDARSFig. 6 Schematic of Total Transient Analysis SystemEngine Torque[Nm]ExperimentSimulation050100150200Time [Sec]Vehicle Speed[km/h]C14H28CO2C3H6050100150200Time [Sec]Fig. 7 Comparison of Transient Analysis Result andExperimental Result4.詳細設計段階でのモデルの活用一般的に燃焼室の詳細な形状はエンジンの性能に大きく影響するが,特に高性能を狙うSKYACTIVエンジンの場合,―56―