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センター(研究拠点)紹介

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革新的燃焼技術研究センター
Research Center for Innovative Combustion Technology

センター長 : 植田  利久(理工学部教授)
活動拠点キャンパス : 矢上

センター概要

本先導研究センター内「革新的燃焼技術研究センター」は、エンジン熱効率向上のための革新的な燃焼要素技術の創出を目的として、関連する慶應義塾内および外部各機関の専門研究者間における密接な連携ネットワークを構築し、その研究・技術開発を迅速かつ円滑に実施するための研究拠点を形成するものである。
 研究対象としては、「高効率ガソリンエンジンのためのスーパーリーンバーン研究開発」であり、熱効率の飛躍的な向上に繋がるとされるスーパーリーンバーンを実現するための燃焼限界の拡大、およびノッキング回避に関わる各要素技術開発、熱効率低下の主要因の一つである冷却損失の低減のための要素技術開発を重点項目に設定する。具体的には、希薄燃焼時における安定着火システムの開発、火炎伝播現象の解明に基づく希薄燃焼促進技術の確立、ノッキング発生条件およびメカニズムの解明に基づくその抑制技術の策定、壁面熱伝達機構の解明・モデル化を基にした熱伝達低減技術の最適化等、各種要素技術の開発研究を有機的・相補的に進め、最終的にはエンジンの熱効率を50%まで向上させることを目指す。
 

キーワード・主な研究テーマ

内燃機関、自動車、燃焼技術、高効率化、CO削減

現状の自動車用ガソリン機関の最高正味熱効率39%50%に引き上げるためのスーパーリーンバーン技術を核とする以下の基盤技術を開発研究テーマとする。

・ 超希薄・高流動条件下で着火可能な点火システムの開発

・ タンブル流の最適化による火炎伝播の促進研究

・ 壁面熱伝達機構の解明に基づく冷却損失低減研究

・ 化学反応論的アプローチによるノッキング制御コンセプトの創出

2017年度 事業計画

■前年度より継続する活動内容について、継続する背景・根拠と目標
 従来のエンジン燃焼では、熱損失が大きく熱効率は41%程度に留まっていたが、今回、新着火方式(高流動、放電経路伸長、火炎放電着火)や新燃焼方式(Thin Reaction Zone燃焼)を導入することにより、従来よりも低温で燃焼する技術開発に成功し、2016年度に熱効率46%を達成した。
 2017年度は、圧縮比、EGR率、S/B比の変更(ロングストローク化)による高流動化(高タンブル化)と熱損失低減効果による熱効率向上についても検討し、さらなる熱効率向上を目指す。
■2017年度の新規活動目標と内容、実施の背景
 2017年度は「要素技術の効果検証と物理モデルの精度検証を達成する。」ことを新規活動目標とし、熱効率50%達成のための要素技術の提案を行う。具体的には、強力点火、高タンブルを軸とした高い乱れ生成、冷損低減、ノック改善に係る要素技術である。
 なお、過給、排熱回収、フリクション低減に係る要素技術およびサイクル変動の制御に係る革新的制御技術については、内閣府SIP「革新的燃焼技術」の損失低減チーム、制御チームとの連携を図りつつ推進する。

2016年度 事業報告

■当該年度事業計画に対する実施内容、および研究成果と達成度
 当該年度は、熱効率を追求するための研究開発を継続・実施した。前年度までのエンジン試験では、強力点火・高流動の利用によってリーン限界をλ=1。89まで拡大、また図示熱効率(電動スーパーチャージャー利用分を含む)を47。6 %にまで高めることができたが、その際に使用していた初期設計型のメタルエンジンでは、最適な高熱効率を得るにはバルブ作用角(開時間)若干大きいのではないかという可能性も各データから読み取れた。そこで今回、排気バルブの作用角(開時間)を狭めた形で再設計されたバルブタイミングカムを使用し、再度熱効率追求試験を実施した。その結果、本試験においてはリーン限界をλ=1。93まで拡大、図示熱効率48。5%を達成した。
 なお、先述の前年度の検討と同様に、電動スーパーチャージャーを実機ターボチャージャーに置き換えた場合の正味熱効率推定値は46。0%と見積もられる。この値は、2016年度における当研究センターの達成目標値であり、本年度の熱効率目標を達成できた。

■公刊論文数(件数と主たる公刊誌名)、学会発表件数(国内・国際)、イベントなど社会貢献の実績(年月日、場所)
 公刊論文0件、学会発表6件、および学会誌投稿1件。内訳は次の通り。
 ・学会発表(国内)4件発表済(2016年10月19-21日@札幌、JSAE秋季大会講演会、12月5-7日@東京、内燃機関シンポジウム)、
  1件発表予定(2016年3月8日@日本大学、JSAE関東支部講演会)
 ・学会発表(国際)1件発表済(2016年10月10日@仙台、Thirteenth International Conference on Flow Dynamics)
 ・学会投稿(国内)1件投稿中(JSAE論文集)

 対外的なイベントとして下記を実施し、本研究について社会への情報発信を行った。
 ・2016年6月1日@小野測器、SIP「革新的燃焼技術」オープンラボ(プレス発表・見学会)
 ・2016年6月20日@一橋講堂、SIP「革新的燃焼技術」公開シンポジウム

■センター活動を通じて特に成果を挙げた事柄
1)慶應SIPエンジンラボの単気筒メタルエンジンに新着火方式や新燃焼方式を導入することにより、従来よりも低温で燃焼する技術開発に成功し、2016年度に熱効率46%を達成した。
2)可視化エンジン内ピストン頂部の壁面境界層の構造をマイクロPIVにより計測した結果、従来発達した乱流境界層として扱われてきたエンジン内壁面流れが層流境界層であることを世界で初めて示した。
3)単気筒メタルエンジンの燃焼室壁面への瞬時熱流束計測を行い、スーパーリーンバーン燃焼時における熱損失の低減効果を初めて明らかにした。

所員

所員(兼担)
植田利久 理工学部 機械工学科 教授 
大森浩充 理工学部 SD工学科 教授
深潟康二 理工学部 機械工学科 教授
横森剛 理工学部 機械工学科 准教授
飯田訓正 大学院理工学研究科 特任教授


所員
井口靖敏 先導研究センター 共同研究員
浦田泰弘 先導研究センター 共同研究員
中田浩一 先導研究センター 共同研究員

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