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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の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。
 
  研究開発の対象は「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超希薄予混合気の着火および急速燃焼技術、熱効率低下の主要因の一つである冷却損失の低減技術、およびノッキング発生を回避するための燃料および燃料の素反応数値解析を重点項目設定する。
 
 具体的には、空気過剰率λ=2.0という希薄燃焼な低温燃焼を実現する安定着火システムの開発、20~50m/sレベルの強タンブル流動の解析と最適化、火炎伝播現象の解明に基づく希薄燃焼促進技術の確立、壁面熱伝達機構の解明・モデル化をもとにした熱伝達低減技術の最適化、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、各種要素技術の開発研究を有機的、相補的に進め、最終の2018年度にはエンジンの正味熱効率を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

2018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、2017年度には正味熱効率47.1%を達成した。この熱効率はSIエンジンとしては世界でトップクラスの値である。

 

 2018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)と強力点火装置にて実現される低温燃焼をλ=2.0超にチャレンジして、徹底的な熱損失低減により正味熱効率50%を達成する。

 

 この数値が達成されれば、EV自動車よりCO2排出が少ない内燃機関の自動車が実現され、温暖化効果ガスの削減に寄与する。当該研究センターの区切りの年としたい。


■2018年度の新規活動目標と内容、実施の背景
 2018年度は当センターの最終年度であり、当センターの最終目標として掲げたエンジン正味熱効率50%を実現する。


 具体的には次の研究開発を行い、世界で未踏の図示熱効率52%、正味熱効率50%を達成する。

1. スーパリーンバーンの進化(超強力点火装置の設計・導入)  ⇒ 低温燃焼の限界を追求

2. サイクル間の流動方向揺らき対策を施した点火プラグの開発(接地電極の改良:特許出願の手続き中)  ⇒ 燃焼変動の削減

3. ビストン表面にマイクボルテックスジェネレータμVGを装着/水噴射   ⇒ 冷損低減+ノック改善

4. 予混合気の圧縮自己着火に至る過程におけるNTC期間においてスパイク印加 ⇒ ノック改善

5. 燃料研究の強化  ⇒ノック改善+リーン急速燃焼


 なお、過給、排熱回収、フリクション低減に係る開発研究は、内閣府SIP「革新的燃焼技術」の損失低減チームとの連携を図りつつ推進する。

2017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
 2015年度までのエンジン試験にて、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。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、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2016年度には、排気バルブの作用角(開時間)を最適化したバルブタイミングカムを設計、熱効率向上を探求した。その結果、リーン燃焼限界がλ=1.93まで拡大し、図示熱効率48.5%を達成した。

 2017年度は、レシプロ型エンジンの基本パラメータである圧縮比εを13から15に高めるとともに、ボア・ストローク比B/Sの値を15から17に高めてロングストーク化することで、タンブル流動の強化および熱損失の低減を図った。その結果、図示熱効率50.1%を達成した。SIP研究で報告された損失低減チームによる過給機の効率向上0.63ptおよび摩擦損失低減1.11ptの成果を加味すると正味熱効率の推定値は47.1%に相当する。この値は当研究センターが2017年度の達成目標値とした正味熱効率46.1%を1ボイント上まわる値である。

■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16件、および学会誌投稿1件。内訳は次の通り。

・学会発表(国内)8件発表済

(2017年5月24-26日@神奈川・JSAE春季大会講演会、

2017年5月24-26日@埼玉・日本伝熱シンポジウム、

2017年8月30-9月1日@東京・日本流体力学会年会2017、

2017年12月6-8日@福岡・内燃機関シンポジウム)

・学会発表(国際)8件発表済

(2017年4月4-6日@USA・SAE WCX2017、2017年6月11-15日@ブラジル・9th World Conference on Experimental Heat Transfer、

2017年7月25-28日@岡山・COMODIA2017、2017年10月16-17日@北京・PF&L、2017年11月15-17日@ジャカルタ・SETC2017、

2017年11月19-21日@USA・70th Annual Meeting of the American Physical Society Division of Fluid Dynamics)

・学会投稿(国内)1件(JSAE論文集)

対外的なイベントとして、本研究について社会への情報発信を行った。

・2017年7月25-28日@岡山、JSME COMODIA2017、当該国際会議にて Plenary Lectureを行った

・2017年10月5日@ドイツ、「FVV Autumn Conference in Leipzig」2017、AICEが関わる研究成果を紹介する特別セッションが設けられ、SIPでの最新の研究成果について発表

■センター活動を通じて特に成果を挙げた事柄
 2014年9月より、塾内専任教員5名により当該センターを発足させ、事業の立ち上げと事業の構想を具現化するために準備を進めた。
 また、2015年2月には、トヨタ自動車(株)から中田浩一氏を共同研究員として迎え、本開発研究に必要とする単気筒試作エンジンおよび可視化エンジンの設計・試作に着手した。更に、2015年5月には、(株)本田技術研究所から浦田泰弘氏を共同研究員として迎え、単気筒試作エンジンおよび可視化エンジンの実験立ち上げに成功した。また、2017年度にはJXエネルギー(株)から井口靖敏氏を燃料特性と燃焼特性、特にノッキング特性を熟知する燃料の専門家として迎え、スーパーリーンバーン燃焼研究の支援を仰いだ、発足初期および推進過程における本センターの規模は適切であり、学のみでは実施できない本センターの運営が産学の連携により可能になった。
 2017年度は塾内専任教員5名が当該センターの運営を行った。植田利久教授は当該センターの責任者としてプログラム全体の総括的業務を行うとともに、燃焼室壁面熱伝達機構の解明を担当。大森浩充教授は燃焼の制御に係る研究開発、横森剛准教授は燃焼室内タンブル流動の解明およびスーパーリーンバーン燃焼時の壁面熱流束,ガス温度計測を担当、深潟 康二教授は2017年度からエンジン筒内流動予測用DESとハイブリッドRANS/LES乱流モデルの比較検証・改善提案を担当した。
 (株)小野測器テクニカルセンター内に設置した慶應SIPエンジンラボラトリーを運用し、導入されている単気筒メタルエンジンおよび可視化エンジンを用いてクラスター大学10校と共同で研究実験を行った。飯田訓正特任教授は、内閣府SIP革新的燃焼技術のガソリン燃焼チームの責任者として、本センターがエンジン実験の拠点とする「慶大SIPエンジンラボおよび共有設備の管理・運営を担当した。以上、当該センターの所員数は研究の進捗とともにを増減し、2017年度は兼担所員5名および共同研究員3名にて所員のスキルを活かした適材適所の体制とした。

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
浦田泰弘 先導研究センター 共同研究員
小畠 健 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
松浦 勝也 先導研究センター 共同研究員
横尾 望 先導研究センター 共同研究員

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