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ホーム天然ガスや水素を燃料とする新世代エンジンの高精度着火予測モデルの開発
SDGsの分類
研究テーマ
エネルギー・環境
学科の分類
工学部機械工学科

天然ガスや水素を燃料とする新世代エンジンの高精度着火予測モデルの開発 詳細反応モデルが記述する着火遅れ時間を高精度に再現可能な総括式を用いた遡り型Livengood-Wu積分という新たな方法

工学部

機械工学科

内燃機関研究室

桑原一成 教授

エンジン着火・燃焼モデリング燃料ノッキング

数値的検討により新たなエンジン技術の開発を加速することが求められている。数千の化学種と数千の素反応から構成される詳細反応モデルが記述するガソリンの着火遅れ時間の温度・圧力・当量比・EGR依存性をわずか五つの式により誤差10 %以内という高精度で再現可能な方法を確立した。この着火遅れ時間総括式を用い、最も簡素な着火予測モデルとして普及しているLivengood-Wu積分を遡り型で行うという新たな発想により、高汎用性、高精度、低計算負荷を極めて高いレベルで並立させたガソリン着火予測モデル(ノッキング予測モデル)を確立した。このモデルを天然ガス、水素、アンモニアなどの新燃料の着火予測に拡張することにより、これらの燃料を用いた新世代エンジンの開発に大きく貢献可能であると考える。

従来のアプローチ

・詳細反応モデル:数千の化学種と数千の素反応から構成される詳細反応モデルにより実燃料の着火遅れ時間を正確に記述可能であるが、計算負荷が極めて大きいため、汎用エンジンシミュレーターへの実装は不可能である。

・簡略化反応モデル:数十の化学種と数十の反応から構成される簡略化反応モデルがエンジンシミュレーションに用いられているが、詳細反応モデルが記述する着火遅れ時間を必ずしも高精度に再現可能であるわけではない。

・Livendood-Wu積分:定容過程であれば、着火遅れ時間の逆数を着火の鍵となるある物質の平均生成速度を代表するものと見なし、着火遅れ時間を経てこの物質の濃度が臨界値に達すると着火が生じると考える。温度と圧力の変化をともなうエンジンの中では、それぞれの温度と圧力を初期値とした定容過程の着火遅れ時間の逆数を温度と圧力の履歴に沿って積分し、積分値が1に達する時点で着火が生じると考える。1955年に提案されたこの方法が最も簡素で汎用的なモデルとして広く普及しているが、このような経験的方法によりなぜ着火予測が成立するのか、合理的な説明はなされていない。予測精度は必ずしも高くない。

ガソリン着火予測モデルの確立の歩み

・Livengood-Wu積分による着火予測が成立することに対する新規的な説明:正規化時間に対する熱発生速度の履歴が相似的であることを前提とすれば、熱の積分と見なせることを解明。

・ガソリンの着火遅れ時間総括式の確立:詳細反応モデルが記述する着火遅れ時間の温度・圧力・当量比・EGR依存性をわずか五つの式により誤差10 %以内という高精度で再現可能な方法を確立(下図)。

・着火遅れ時間総括式を用いたLivengood-Wu積分による着火予測の誤差要因の解明:従来、積分過程の後半に誤差が蓄積されると考えられてきたが、積分過程の前半に蓄積されることを解明。

・誤差補正式の確立:積分過程中間点の着火遅れ時間変化率により誤差を総括的に記述可能であることを解明。

・着火遅れ時間総括式と誤差補正式を用いた遡り型Livengood-Wu積分による高精度着火予測モデルの確立:積分過程の前半に誤差が蓄積されるため、積分を順方向ではなく逆方向に行うことによる高精度化を提案。

新燃料への拡張の鍵ノウハウ-着火遅れ時間総括式-

天然ガス、水素、アンモニアなどの新燃料への拡張を検討中

論文

「高精度エンドガス自着火予測モデルの開発(第4報)-着火遅れ時間総括式と誤差補正式を用いた遡り型Livengood-Wu積分-」(2020)桑原一成『自動車技術会論文集』51(4)p.655-662.

「高精度エンドガス自着火予測モデルの開発(第2報)-プレミアムガソリンサロゲート燃料の着火遅れ時間総括式の構築-」(2019)桑原一成『自動車技術会論文集』50(2)p.340-346.

「高精度エンドガス自着火予測モデルの開発-Livengood-Wu積分による着火予測の本質-」(2018)桑原一成『自動車技術会論文集』49(6)p.1143-1149.

研究者INFO: 工学部 機械工学科 内燃機関研究室 桑原一成 教授

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絶縁物への電子ビーム照射時の無帯電条件

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藤元 章

火星移住計画と太陽系ツアーをテーマにした課題解決型授業

[概要] 大阪工業大学の工学部では,PBL(ProblemあるいはProject-Based Learning)を基軸とした教育カリキュラムを実施している。1年次では各学科の専門分野に関連した課題の実験・実習的なPBLを行い,2年次生には物理学,地球科学,生物科学の分野横断型PBLを提供している。2015年度から2018年度まで「火星移住計画」を題材にして進めてきた。そして, 2019年度からは,火星の枠を飛び出して,「太陽系ツアー」をテーマにしたPBL型授業を進めている。

加瀬 渡

インタラクタを用いた線形制御系の解析・設計

追従制御系を構成する際、制御対象の伝達関数に対して、その逆数を前置補償器として用いる方法が考えられる。この補償器は微分器を含み、その部分をインタラクタという。一入出力系では、インタラクタは伝達関数の相対次数を有する多項式とすればよい。しかし、多入出力系においてはインタラクタは多項式を要素とする行列になり、伝達関数の相対次数以外に、そのパラメータにも依存するため導出も難しい。本研究では、出力数が入力数よりも多い系に対してインタラクタに関連する様々な問題、例えば特異な重みを有するLQ問題の解の陽表現、最大非可観測化問題、状態フィードバックにより逆インタラクタ化、不変零点の計算法などを考える。

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