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ホーム高精度ノッキング予測モデルの開発
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

高精度ノッキング予測モデルの開発 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着火予測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ノッキング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。

高精度ノッキング予測モデルの確立への歩み

・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。

・ガソリン着火遅れ時間総括式の確立: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。

・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積分による着火予測モデル(ノッキング予測モデル)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。

・ガソリンエンジン実験ベンチの構築:乗用車用4気筒ガソリンエンジンと渦電流式動力計を搭載したエンジン実験ベンチ、エンジン制御信号回路を学生が3年間を費やして構築。自由なエンジン運転条件でエンジン性能、排ガス組成、シリンダー内圧力を測定可能。

ノッキング予測モデルの鍵-着火遅れ時間総括式-

・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。

エンジン実験によるノッキング予測精度の検証(実施中)

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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