マツダ技報 2022 No.39

24/275

CFS]hWkg[ ]hWkg[ CFS]hWkg[ ]hWkg[ ]hWkg[ CFS]hWkg[ CFS]hW]hW3rdstep idealCw=0.832ndstep target2ndstep target1ststep status1ststep status3rdstep ideal3rdstep ideal2ndstep target1ststep status1951901851801751701652ndstep target1ststep status3rdstep ideal1951901851801751701653rdstep ideal2ndstep target1ststep status195190185180175170は2nd stepの各因子の目標を示す。圧縮比と等容度のグラフ 165Targetには，G-ISFCに対する因子間の相互作用があるCwをベース Fig. 2　Targets of Control Factors for Improving Thermal の0.83，0.6, 0.4の3水準で計算した結果を示している。3rd Fig. 2Targets of Control Factors for Improving stepでは全ての因子で大幅な改善が必要であることがわかと置いて検討した3rdstepの各因子の目標を示し，赤の縦線 る。一方，2nd stepでは等容度に大きな改善目標を配分した。 これと併せてCwの低減が実現できれば大幅なG-ISFC改善が]期待できる。しかしながら，この高い等容度目標は1st stepg ed/Jで軽負荷に適用したPCI燃焼の等容度に迫る目標であり，[ R　Fig. 3 に示すように，マツダの現行量産ディーゼルエR従来の拡散燃焼ではその達成は困難で，革新的な燃焼技術eHu ンジンの軽負荷条件においては，燃焼期間の短いPCI燃qが必要となる。 ro T焼が採用されている（3）。一方，中・高負荷領域においてe nは主燃焼の前後に熱発生を伴う拡散燃焼が主体となってgFig. 3 に示すように，マツダの現行量産ディーゼルエン nおり，その長い燃焼期間のため等容度が低く燃費が犠牲Eジンの軽負荷条件においては，燃焼期間の短いPCI燃焼が になっている。そこで，中・高負荷域に適用可能な部分採用されている（3）。一方，中・高負荷領域においては主 予混合燃焼を新たに開発し，燃焼期間短縮による等容度燃焼の前後に熱発生を伴う拡散燃焼が主体となっており， の向上を図った。TDC付近で短期間の燃焼を行いつつ，その長い燃焼期間のため燃費が犠牲になっている。そこで，中・高負荷域に適用可能な部分予混合燃焼を新たに開発し， 燃焼音やエミッションの性能目標を両立するためには，Fig. 3 Target of Combustion Duration and 燃焼期間短縮による熱効率向上を図った。TDC付近で短期 多段噴射の各噴射段を時間的・空間的に制御することで，間の燃焼を行いつつ，燃焼音やエミッションの性能目標を 前段噴霧によって形成される既燃部と後段噴霧との干渉両立するためには，多段噴射の各噴射段を時間的・空間的 を抑えることが重要である。に制御することで，前段噴霧によって形成される既燃部と 後段噴霧との干渉を抑えることが重要である。 3rdstep idealCw=0.832ndstep target1ststep status2ndstep target1ststep status2ndstep target1ststep status3rdstep ideal3rdstep ideal3rdstep ideal1ststep status1951901851801751701651ststep status1951901851801751701653rdstep idealCw=0.832ndstep target1ststep status2ndstep target1ststep status3rdstep ideal3rdstep ideal2ndstep target1ststep status1951901851801751701652ndstep target1ststep status3rdstep ideal1951901853rdstep ideal2ndstep target1ststep status195190185/ i1I/I/I/I/I1 i 1 III///I/I/I/I/I /1 1i 1 CFS]hWkg[ ]g ed/J[ RReHu qro Te ng nE ―15―]ged/J[ RReHuqroTengnEpetSCAYKSpetSdn2CAYKSpetSdn2petSCAYKSp3rdstep ideale195tSd190r3185180175170165－2－ －2－CAYKSetSdr3tstsD-VITCAYKSD-VITCAYKSX-VITCAYKSG-VITCAYKSpetSdr3tstsD-VITCAYKSX-VITCAYKSG-VITCAYKSpetSdn2]hWkg[ CFStsts]ged/J[ RRHCFSCFSpetSpetSdn2petSdn2petS]ged/J[ RRH]hWkg[ CFS]ged/J[ RRHpetS]hWkg[ petSdn2petS]ged/J[ RRH]hWkg[ CFSCFS]hWkg[ CFSControlfactorsOOllddPPrreevviioouussWorldhighestratioCRCRHigherCompressionLeanCISpecificheat ratioLeanCICombustiondurationtimingCombustionto wallThermalHeat transfermanagementLeanCIPressurediff.Btw IN. & EX.Millercycle1MechanicalFurtherreductionfrictionFrictionreductionControlfactorsOOllddCompressionratioSpecificheat ratioCombustiondurationCombustiontimingHeat transferto wallPressurediff.Btw IN. & EX.FrictionreductionMechanicalfrictionGasoline engine1519Compression ratio [-]1314CloseDistance to idealDiesel engineGoal1951901851801751701650.930.940.950.960.970.980.99Degree of constant volume [-]19519018518017517016520211617180.30.4Far0.6Cw [-]0.50.70.90.8timingCombustionto wallHeat transferPressurediff.Btw IN. & EX.MechanicalfrictionOOllddWorldlowestCRLean PCILow PmaxFarHeatHeatThermalinsulationinsulationmanagementLeanCIMillercycle1FrictionreductionFurtherreductionThermalmanagementFurtherreductionLow PmaxNNeewwNNeewwPPrreevviioouussLean PCI extendedHeatHeatThermalinsulationinsulationmanagementFurtherreductionGasoline engineCw=0.4Distance to idealDiesel engineClosePPrreevviioouussNNeewwNNeewwHigherCRLean PCI extendedLeanCILeanCImanagement]hWLeankCIg[ managementinsulationinsulationThermalHeatHeatThermalMillercycle1FurtherCreductionFSFurtherreductionPPrreevviioouussOOllddWorldlowestCRLean PCILow PmaxCompression RatioλbG-ISFC five factors：Compression ratioSpecific heat ratioCombustion timing, Thermal Efficiency Combustion durationHeat transfer to wallCompression RatioDegree of constant volumeCwIntake temperatureCw=0.6Cw=0.40.70.80.9Compression RatioλbAir EntrainmentCrank AnglePreviousDurationLong Comb. Crank AngleLater Inj.Earlier Inj.Fig. 3 Target of Combustion Duration and Degree of constant volumeCwIntake temperatureCrank AngleCrank AngleEarlier Inj.TargetCw=0.6Cw=0.40.90.80.70.50.40.6Cw [-]Intake temperature[℃℃]Fig. 3 に示すように，マツダの現行量産ディーゼルエンジンの軽負荷条件においては，燃焼期間の短いPCI燃焼が採用されている（3）。一方，中・高負荷領域においては主燃焼の前後に熱発生を伴う拡散燃焼が主体となっており，その長い燃焼期間のため燃費が犠牲になっている。そこで，中・高負荷域に適用可能な部分予混合燃焼を新たに開発し，燃焼期間短縮による熱効率向上を図った。TDC付近で短期間の燃焼を行いつつ，燃焼音やエミッションの性能目標を両立するためには，多段噴射の各噴射段を時間的・空間的に制御することで，前段噴霧によって形成される既燃部と後段噴霧との干渉を抑えることが重要である。 Mixture Distribution for Medium-load Conditions Fig. 4 New Combustion Concept by Means of Fig. 3　Target of Combustion Duration and Mixture Distribution for Medium-load ConditionsMixture Distribution for Medium-load Conditions Fig. 1Roadmap to Ideal Internal Combustion Thermal Efficiency No.39（2022） FigMixtuFig. 後段噴霧とFig. 2 に1500rpm BMEP600kPa（エンジン諸元はTable 2の現行型）を代表運転条件と定め，この回転負荷においてグロスの図示燃料消費率（以下，G-ISFC）に関連する圧縮比，比熱比，燃焼期間，燃焼時期，壁面熱伝達の5つのを達成するように各制御因子に定量的な改善目標を配分制御因子に改善目標を配分した結果を示す。5因子のうちした。燃焼モデルにはディーゼル燃焼の特徴である空間燃焼時期・期間の指標には等容度を，壁面熱伝達の指標に的な不均質さが及ぼす熱効率への影響を簡易的に模擬すは吸気温度と壁面熱伝達予測式にかける補正係数Cwを，比ることを可能とするため，筒内を未燃領域と既燃領域に熱比の指標には吸気温度と2領域モデルの既燃領域におけ分けて表現する独自開発の2領域簡易燃焼モデル（2）（以る代表空気過剰率λbを選択した。各グラフは黒い縦線で示下，2領域モデル）を用いた。また配分した目標に対すした1st stepにおけるステータス値をベースに各因子及びそる進捗・達成のエンジン実験での検証を，同じ2領域モの関連指標を任意に変化させG-ISFCの改善をスタディしたデルを用いた実測指圧の熱力学的解析により行う。マツ結果である。Fig. 2 の緑の縦線は，ゴールとして正味熱効ダではこのように目標設定と検証のループを回し，制御率50%，G-ISFC 155g/kWhを仮目標値 因子を作り込んでいく開発を機能開発と呼んでいる。 Fig. 1　Roadmap to Ideal Internal Combustion Engine Fig. 1 Roadmap to Ideal Internal Combustion 　Fig. 2 に1500rpm BMEP600kPa（エンジン諸元は Table 2の現行型）を代表運転条件と定め，この回転負荷 においてグロスの図示燃料消費率（以下，GISFC）に関 連する圧縮比，比熱比，燃焼期間，燃焼時期，壁面熱伝 達の5つの制御因子に改善目標を配分した結果を示す。 5因子のうち燃焼時期・期間の指標には等容度を，壁面 熱伝達の指標には吸気温度と壁面熱伝達予測式にかける 補正係数Cwを，比熱比の指標には吸気温度と2領域燃 焼モデルの既燃領域における代表空気過剰率 λbを用い ることで定量化した。各グラフは黒い縦線で示した1st stepにおけるステータス値をベースに各因子及びその関 連指標を任意に変化させGISFCの改善をスタディした 結果である。Fig. 2の緑の縦線は，ゴールとして正味熱 効率50％，GISFC 155g/kWhを仮目標値と置いて検討 した3rd stepの各因子の目標を示し，赤の縦線は2nd step の各因子の目標を示す。圧縮比と等容度のグラフには， GISFCに対する因子間の相互作用があるCwをベースの 0.83，0.6，0.4の3水準で計算した結果を示している。 3rd stepでは全ての因子で大幅な改善が必要であることが わかる。一方，2nd stepでは等容度に大きな改善目標をFig. 2 Targets of Control Factors for Improving 配分した。この高い等容度目標は1st stepで軽負荷に適と置いて検討した3rd stepの各因子の目標を示し，赤の縦線用したPCI燃焼の等容度に迫る目標である。これと併せて吸気温度と熱伝達補正係数Cwの低減を行うことで大幅なGISFC改善を狙った。これらの目標を達成するための燃焼技術の革新について以降に検討する。17131416181.21.31.1λb [-]1951901851801751701650.930.940.950.960.970.980.99Degree of constant volume [-]195190185180175170165Cw=0.83Cw=0.60.6Cw [-]D-VITCAYKS210.30.40.5201.51.6Intake temperature [℃℃]14131.1Cw=0.6Cw=0.4Cw1951901851801751701650.930.940.950.960.970.980.99Degree of constant volume [-]195190185180175170165Cw=0.83Cw=0.621201716180.3Cw=0.41519Compression ratio [-]1.61.51.41.31.2253035404550556065707580λb [-]Air EntrainmentPCGoalDegree of constant volumeCw=0.83Cw=0.6Cw=0.4Intake temperatureλb3. 新燃焼コンセプト PreviousG-ISFC five factors：Compression ratioSpecific heat ratioCombustion timing, Combustion durationHeat transfer to wall3. 新燃焼コンセプトPCIEngine speedE■ciency3. 新燃焼コンセプト Dual Zone Egg-shaped Bowl PCIEngine speedにより行う。マツダではこのように目標設定と検証のループを回し，制御因子を作り込んでいく開発を機能開発と呼んでいる。 Fig. 2 に1500rpm BMEP600kPa（エンジン諸元はTable 2の現行型）を代表運転条件と定め，この回転負荷においてグロスの図示燃料消費率（以下，G-ISFC）に関連する圧縮比，比熱比，燃焼期間，燃焼時期，壁面熱伝達の5つの制御因子に改善目標を配分した結果を示す。5因子のうち燃焼時期・期間の指標には等容度を，壁面熱伝達の指標には吸気温度と壁面熱伝達予測式にかける補正係数Cwを，比熱比の指標には吸気温度と2領域モデルの既燃領域における代表空気過剰率λbを選択した。各グラフは黒い縦線で示した1st stepにおけるステータス値をベースに各因子及びその関連指標を任意に変化させG-ISFCの改善をスタディした結果である。Fig. 2 の緑の縦線は，ゴールとして正味熱効2ndstep target率50%，G-ISFC 155g/kWhを仮目標値 World1519highest Compression ratio [-]CR 2ndstep target G-ISFC five factors：Compression ratioSpecific heat ratioCombustion timing, Combustion durationHeat transfer to wallFig. 1 Roadmap to Ideal Internal Combustion 1.4253035404550556065707580マツダ技報 Long Comb. DurationShort Comb. DurationShort Comb. DurationTDCShort Comb. DurationCrank AngleShort Comb. DurationTDCCrank AngleEarlier Inj.Restrain interference by dividing sprayintoupper & lower zoneプを回し，制御因子を作り込んでいく開発を機能開発と呼んでいる。 には，G-ISFCに対する因子間の相互作用があるCwをベースの0.83，0.6, 0.4の3水準で計算した結果を示している。3rd stepでは全ての因子で大幅な改善が必要であることがわかる。一方，2nd stepでは等容度に大きな改善目標を配分した。これと併せてCwの低減が実現できれば大幅なG-ISFC改善が期待できる。しかしながら，この高い等容度目標は1st stepで軽負荷に適用したPCI燃焼の等容度に迫る目標であり，従来の拡散燃焼ではその達成は困難で，革新的な燃焼技術が必要となる。