[mixi]HCCIについて語ろう - 低温酸化同好会mixi支部

[20] mixiユーザー 01月24日 20:45

PCCIのトピでのプリさんからの質問をこちらに。
＞DMEでのHCCI、PCCIは結局、どうなったのか？
DMEのHCCIの状況はどうなんでしょう？＞む～さん
大学で良くやられているのは、
・液化ガスなので吸気管に投入してHCCI燃焼させる実験が容易
・反応モデルがあり、反応数も多くないので解析が容易
などの側面があると思うのですが。

[21] mixiユーザー 01月24日 22:28

む～です。
レス遅くなりすんません。

DMEのHCCIですか。私の知る限りで話をさせていただきますと，まず手崎先生が研究されているように，DMEは反応メカニズム，素反応スキームの信頼性などの点から非常に分かりやすい，「教科書的な」存在の燃料です。低温酸化反応のメカニズム，高温酸化反応に移行するまでの過程などを探るためのモデル燃料として多く研究に使われていると思います（光学計測も含めて）。

では高出力，高効率のHCCIのためには，DMEをどう使うか。
大きくわけて2つあるかと思います。1つは，DMEは着火性があまりにも良すぎるので，EGRをガンガンにかけて着火を制御していく方法。外部EGRをかけるのもトライされていますし，バルブタイミングの変更，排気バルブの2回開けなどで，内部EGRをかけるのもあります。
この手法の基本にあるのは，ガソリンエンジンをベースとしてHCCIを実現することにあります。EGRのかけかた次第で，圧縮開始の温度をうまくコントロールして，圧縮比が低くても着火させることができて，かついいタイミングで着火させる。

もう1つは，私も大学でやっていた手法ですが，DMEを着火剤として，天然ガスのような着火温度の高い燃料と組み合わせる手法です。天然ガスのような燃料を使った場合，高圧縮比のディーゼルエンジンをベースとしても着火に至りにくいので，DMEを混合することで着火させやすくするということです。これは裏を返せば，DME単体では着火性がよすぎて早期に着火するので，着火性の悪い燃料で邪魔してやることで，ほどよい着火時期に調節しようということです。

いずれにせよ，純粋なDMEと空気だけの予混合気を導入してHCCIエンジンで出力，効率を稼ぐのは至難の業かもしれませんね。

[22] mixiユーザー 01月25日 22:19

ありがとうございます＞む～さん
DMEの研究トレンド、よくわかりました。

>純粋なDMEと空気だけの予混合気を導入してHCCIエンジンで出力，効率を稼ぐのは至難の業かもしれませんね。

着火性が良いですから、DMEだけで効率かせぐのでしたらディーゼルの方が良いのでしょうね。

[23] mixiユーザー 01月26日 00:20

着火すれば言い訳でもないんですね。効率稼ぐのと両立しないといけないわけですね。じゃあ、着火のいいやつに効率上がるやつって、２つ以上の燃料混ぜるというわけですか（あってますか？）。燃料を混ぜると今度は均一性が問題になる！というストーリですか。

[24] mixiユーザー 01月28日 21:29

＞着火のいいやつに効率上がるやつって、２つ以上の燃料混ぜるというわけですか（あってますか？）。
効率が上がる燃料と言うより、着火性の低い燃料を混ぜることによって、適切な時期に着火できると言うことでしょう。
もちろん、DMEでも、エンジンの圧縮比を低くしたら適切な時期に着火するのですが、それでは効率が低くなります。
熱効率が高くなる圧縮比ではDMEは早期着火してしまうので、着火を抑える燃料（天然ガスなど）を混合するのです。
む～さんの研究では、この二つの組み合わせで、かなり高負荷まで運転が可能でしたよね。

[25] mixiユーザー 01月28日 22:25

DMEとMethaneの組み合わせでは，IMEPで0.46MPaまで行きました。
でも実は，n-ButaneとMethaneの組み合わせでは0.5MPaまでいったんですよね。
いずれにしいても，吸気管で予混合気を形成する純粋な意味でのHCCIエンジンの結果としては，かなりの出力だと思います。
（もちろん過給すればもっといきますが）

反応解析の結果も合わせて考えてみると，n-Butaneとの組み合わせの方が，膨張行程での発熱量が大きいんです。DMEと組み合わせると，本来高温酸化反応でしか反応しないはずのMethaneが低温酸化反応でも微妙に酸化されています。n-Butaneと組み合わせると，そういう反応は起きません。

私の見解としては，2つの燃料の着火性に大きな差があるほうが，着火時期をコントロールできる範囲が大きいものの，高温酸化反応でしっかり発熱して欲しい（出力をちゃんと稼げるくらいの熱発生が欲しい）ときには少し不利になるのかな，と思っています。

悩ましいところです。

[26] mixiユーザー 01月28日 22:46

＞反応解析の結果も合わせて考えてみると，n-Butaneとの組み合わせの方が，膨張行程での発熱量が大きいんです。DMEと組み合わせると，本来高温酸化反応でしか反応しないはずのMethaneが低温酸化反応でも微妙に酸化されています。n-Butaneと組み合わせると，そういう反応は起きません。

　この部分，異様におもしろいですね．
　着火性等のことなる燃料を混合したら，混合した割合に応じて現象が変化するのは，言い換えれば至極当然．
　そうじゃない反応が起こる，起こさせられる，と言うところに本来の意味での燃料設計，添加剤の解がありそうに思います．

[27] mixiユーザー 01月29日 21:47

反応の面白い（というか、難しい）のは、着火遅れがAの燃料と着火遅れBの燃料を足しても（A+B)/2の線形性が成り立たないことなんでしょうね。振動燃焼なんかもまさにそういうことから起こるわけでー「不可逆過程の熱力学序論」妹尾著、p126によるとー。

[28] mixiユーザー 01月29日 22:31

いよいよ本コミュニティーの本質に来ましたね。

>DMEと組み合わせると，本来高温酸化反応でしか反応しない
>はずのMethaneが低温酸化反応でも微妙に酸化されています。
これは、DMEのある当量比φでの低温酸化発熱が1としたとき、
DMEの部分当量比がφにしてメタンを混合したら、低温酸化発熱が1+0（メタンの低温酸化発熱は0）＝1になるのではなく、1以上の値になったと言う事でしょうか？

同様に、
>n-Butaneと組み合わせると，そういう反応は起きません。
ブタンのある当量比φでの低温酸化発熱が1としたとき、ブタンの部分当量比がφにしてメタンを混合したら、低温酸化発熱が1+0＝1になったと言う事でしょうか？

このあたりは、Qさんが述べている燃料設計の本質だと思いますし、プリさんの指摘している非線形性の話でもあります。

メタンは炭化水素の着火反応を抑制することは知られていまして、私が大学助手時代、メタン雰囲気下で液体を噴霧着火させますと、着火遅れ時間が長くなる結果を学生が得ています。
http://envsys.k.u-tokyo.ac.jp/info/thesis16/36641.pdf

これを考えますとDMEの低温酸化の特殊性が原因なんかとも思えてきますね。

[29] mixiユーザー 01月29日 23:16

>これは、DMEのある当量比φでの低温酸化発熱が1としたとき、
>DMEの部分当量比がφにしてメタンを混合したら、
>低温酸化発熱が1+0（メタンの低温酸化発熱は0）＝1になるのではなく、
>1以上の値になったと言う事でしょうか？
>ブタンのある当量比φでの低温酸化発熱が1としたとき、
>ブタンの部分当量比がφにしてメタンを混合したら、
>低温酸化発熱が1+0＝1になったと言う事でしょうか？

そういうイメージで間違いないと思います。
CHEMKINの計算結果では，DMEとMethane混合のときに，
低温酸化反応の熱発生時にMethaneの量が少し減る結果が出ています。もちろんこれは反応モデルの信頼性も絡んでくる話なんですが。

実験結果と，混合割合と着火時期の関係から考えて推論としては妥当ではないかと思っています。
（すいません。自己満足かもしれませんが・・・）

[30] mixiユーザー 01月30日 09:52

DMEって、高温だと
CH3OCH3=CH3O+CH3=CH2O+H+CH3
低温だと
CH3OCH3+O2=CH3OCH2+HO2
だと思います。メタンは温度に関係なく
CH4+radical=CH3+RH
ですかね。ですから、CH3OCH3+O2より
CH3+O2の方が反応速度速いですから、
CH3OOになって、CH3OO自身は確か、
異性化してCH2OOHになる速度遅かった
気がするので、停止反応的に働いて
着火が遅れるのだと思いますが。いかが？
chemkinだと、そういう考察になるでし
ょうかね（自分でやったわけではないですが）。
温度が上がると、Ch3+O2からCH2O+OH
の経路が出てくるので、着火が進むんでしょう。

ハロンの着火抑制はWolfrum著"Gas Phase Chemical
Reaction Systems"のPart Vに反応機構の説明があ
って、HBr+H=H2+Br,H+Br2=HBr=HBr+Br,Br+Br+M=Br2+M
という連鎖が働くそうだ。ですのでHBr自身が分解する
温度になるとBrがいっぱい出て、コーティング作用を
もたらすんじゃないかと思います。NH3を使ったThermal
DeNOxも同じで、NH2+NOの反応が重要な特定の温度域
（Temperature Window）しかへらないのも同じ理屈じ
ゃないですかね。

[31] mixiユーザー 04月08日 12:30

HCCI は有か無かっ・・
最近の悩みどころれす・・ぴっ・・
ぴお太は”有を願う！”といったところでしょ～かっ・・

[32] mixiユーザー 04月10日 03:01

某先生が招待講演の先生を皮肉って
「講演であるあると言い続けているうちに
本当にあるって思い込んでしまうんだよな
(燃料電池？？)」といってました。実際の
ところはわかりません。
無いといってしまうと終わりなので、有ると
信じ続けることが研究では大事なようです。
ある先生は【信じたら、とことんやる】と言うのが
新庄でした。賛否の割れるテーマを始めると、最初
のころはいろいろ言われるのも常套みたいですし。
信じたら、とことんやる、です。あとはとことんやる
テーマを見つけるセンスを磨くだけ、と尊敬する先生
から言われました。

[33] mixiユーザー 04月10日 11:09

＞ある先生は【信じたら、とことんやる】と言うのが
新庄でした。

　ものすごく納得できるtypoです。（笑）

＞信じたら、とことんやる、です。あとはとことんやる
テーマを見つけるセンスを磨くだけ、

　センスのないひとがとことんやってしまうと恐ろしいことになりますが。。。（笑）

[34] mixiユーザー 10月02日 09:42

　9/29(WED)～10/1(FRI)の3日間、北九州の西日本総合展示場で、JSAE2010春季学術講演会が行われました。

　HCCIのセッションが1つだけになり少々寂しい気もします。実用化に向けて1歩1歩前進していることが分かるのですが、未だ山の彼方の感が否めません。外気温や気筒間のばらつき等に関するロバスト性が弱く、すぐにCOVが許容値を超えてしまいます。燃焼領域拡大やSIとの遷移領域のスムーズネスに関する研究に加えて、外乱に対するロバスト性確保も研究テーマになるでしょう。

　私も次(5月)は過給HCCI関係で発表したいと思います。頑張らなければ！

[35] mixiユーザー 10月02日 20:00

＞Island Cylinderさん
自動車技術会のHCCIセッションのご報告，ありがとうございます．
自技会秋には久しく行っていないのですが，HCCIセッションが
退潮ぎみであることは，講演数からも垣間見えますね．

＞私も次(5月)は過給HCCI関係で発表したいと思います。頑張らなければ！
楽しみにしています．よろしくお願いします．

[36] mixiユーザー 12月07日 21:08

久しぶり書きます．

燃焼シンポジウムのエンジン燃焼セッションを聴講しましたが，
HCCI研究も結構続けられているようです．

しかしながら，高負荷限界の問題は，未だ解決されていません．
高負荷でどかんと燃焼が起きるので，空気で薄めようと過給しても，
着火時期は遅くならないので，最後には燃料の着火時期が早くなりすぎて，
効率低下，激しい燃焼と言う問題に陥るところが解決できないようです．

で，この限界は燃料の着火性で決まります．勝手に火がつくのを
押さえることは困難ですから，解決策はなかなか思いつかない感じですね．

[37] mixiユーザー 12月09日 12:06

インチキ化学者さん

　エンジン屋としては全負荷近傍でHCCIをするメリットはなくデメリットが大きいことから、低負荷～中負荷をHCCIでやって高負荷は通常燃焼でいいと思います。
　とはいえ、少しでも高負荷側に限界を拡大したいのも事実です。そこで、着火時期は空燃比より温度が支配的なことに目をつけ、過給+インタークーラ+ミラーで圧縮開始温度を下げ着火時期をコントロールすることを考えています。
　あとは、筒内流動で温度傾斜をつけ、高温域と低温域で着火時期をオフセットすることで急激なdP/dθを緩和しようと考えています。

[38] mixiユーザー 12月09日 12:45

Island Cylinderさん．
コメント，ありがとうございます．せっかくですから，少し
書いてみたいと思います．
＃私はHCCIに否定的なわけではなく，課題を直視して，それを
＃解決させることが重要と思いますので，課題整理のために
＃書かせていただきます．

＞低負荷～中負荷をHCCIでやって高負荷は通常燃焼でいいと思います。
それが現実解なのでしょうね．
ただし，上をSIで回そうとしてもノックの問題がでますよね．
特にHCCIで圧縮比を高くしますと，さらに厳しくなります．

HCCI上を伸ばす方法は，やはり温度を下げることでしょう．
気温より下げることは難しいので，その辺りが下げの限界でしょうが．

＞温度傾斜
急激な燃焼の緩和には，有効だと思います．
一方で，熱い部分があると，そこが着火の開始になります．
熱い部分を作ると，着火がより早期化します．高負荷で着火時期
が過早期になると効率が悪化して負荷がとれなくなるので，
そこがHCCIの限界になるかと思います．

[39] mixiユーザー 12月09日 22:42

インチキ化学者さん

　方向性としては、NAの場合圧縮熱だけでは自着火しませんのでホットEGRを入れて温度上昇しているくらいなので、圧縮開始温度を下げる必要はありません。ただしEGRの分新気は減少しますので、高負荷限界はBMEP0.4MPa程度とSIの1/3程度です。
　過給するとEGR無しでも自着火して、燃料増量すると過早着火します。なので、温度を下げると過早着火抑制には効果的です。SI時は過給ミラーとすると圧縮比は高くてもノック回避できます。それでもHCCI高負荷限界は0.6MPa程度です。

　NAの場合吸気温度を大気温以下には出来ませんので温度傾斜をつけても効果は殆ど期待できません。むしろ高温領域が着火開始を支配しますので、温度傾斜はつけず均一温度のほうが高負荷限界は高くなります。
　過給の場合、思い切り高過給+インタークーラ+ミラーで下死点温度は大気温以下にできます。なので平均温度を下げれるだけ下げておいて、その中で温度傾斜をつけると、過早着火を回避しつつdP/dθを抑制することが可能です。

　温度傾斜によってどこまで高負荷限界を拡大できるか不明ですが、大幅な拡大は無理だと思いますので、全負荷近傍までのHCCIは困難だと思います。

[40] mixiユーザー 12月10日 12:34

ありがとうございます．NAの場合と過給の場合での高負荷の考え方が良くわかりました．

HCCIではNOxを出さないようにするため当量比を押さえなければいけないので，その面からも過給は必要そうですね．

過給HCCI燃焼時にミラーが必要な理由は何なのでしょうか．

[41] mixiユーザー 12月10日 20:24

＞過給HCCI燃焼時にミラーが必要な理由

　過早着火抑制のために圧縮行程後半温度を下げたいところです。そのためには下死点温度を下げる必要があります。オットーサイクルの場合下死点温度＝吸気温度＝インタークーラ出口温度になります。

　ミラーサイクルだと下死点温度＜吸気温度＝インタークーラ出口温度になります。ただ吸入空気量は減少してしまいます。その分過給圧を上げると、吸入空気量をオットーサイクルと同等にできます。
　ただし過給圧を上げると過給機出口温度＝インタークーラ入口温度は上昇しますので、インタークーラ出口温度も上昇します。しかしインタークーラ入口温度が上昇すると、インタークーラの放熱量も増加します。なのでインタークーラ出口温度が上昇若干しても、インタークーラの放熱量が増加した分下死点温度は下がることになります。

[42] mixiユーザー 12月10日 20:50

なるほど．過給＋ミラーで下死点温度を下げるためにミラーを使用するわけですね．

Island Cylinderさんのご意見は，非常に役に立ちます．HCCI研究者の皆様も，この辺りの議論をふまえた上で，研究を遂行していただけたらと思います．

[43] mixiユーザー 12月10日 23:35

大変興味深い議論をありがとうございます．
1点質問があります．

ミラーサイクルは，吸気弁を遅閉じにすることを指していますか．
それとも，早閉じでしょうか．

これまでの議論から推測すると，下死点温度（吸気温度）を低下させるとのことなので，後者を指していると思うのですが．

[44] mixiユーザー 12月11日 12:22

ごみポンさん

　広義のミラーサイクルは、早閉でも遅閉でもINバルブ閉弁時期を下死点から遠ざけて圧縮行程＜膨張行程を実現したサイクルということになります。R.H.Millerさんのオリジナルは、早閉式ターボディーゼルでした。

　計算上は早閉でも遅閉でも圧縮行程後半温度は同じになります。実際は遅閉の場合吸気の出入りがありますのでポンピングロスは増加しますし、ロスの分筒内温度は上昇します。早閉の場合下死点温度が低下しますので壁面から受熱しますが温度上昇は遅閉に比べて小さくなりますし、それ以外のロスは発生しません。
　したがって、早閉・遅閉どちらでも成立しますが、早閉のほうがベターだと思います。

[45] mixiユーザー 12月12日 22:58

　連投失礼します。
　37～44は、ガソリンベースHCCIを念頭に論じました。しかし、ディーゼルベースは事情が違います。ディーゼルは圧縮比が高い上、燃料のセタン価も高いので低負荷から過早着火に悩まされています。
　対策は今のところクールドEGRのみです。酸素濃度を下げて、着火遅れ期間を延長するとともにdP/dθも緩慢化しています。しかしクールドEGRといっても600K以上ありますので、入れすぎは筒内温度を上昇させてしまいますし、新気量が減少してしまいます。そのため、現状ではPCCI(ディーゼルではHCCIと言わず専らPCCIと言っています)高負荷限界が0.45～0.5MPa程度です。

　そこで圧縮比をできるだけ下げて、過給ミラーで下死点温度を下げてやれば、過早着火を抑制できる可能性があると思います。さらに温度傾斜でdP/dθも緩慢化すると、PCCI高負荷限界を拡大できる可能性があると思います。
　ただ、ガソリンにもディーゼルにもいえることですが、HCCI(PCCI)は絶対的負荷が低い上熱効率が高い(逆に排気中のエネルギーは少ない)ためターボに十分なエネルギーを供給できないことが予想されます。そのためシーケンシャルやVGなど、少ない排気エネルギーを効率よく生かす工夫が必要でしょう。

[46] mixiユーザー 12月13日 21:58

興味深く拝見させていただいております。

当方、吸気遅閉じによる有効圧縮比低下を用いた「Miller-PCCI」を提案し、
単気筒エンジンによる実証実験、およびKIVAによる数値解析を行っております。
（早閉じも試したいところですが、エンジンの仕様上遅閉じしかできませんでした）

ネットで検索すれば出てくると思いますので、ご参考になればと思います。

[47] mixiユーザー 12月15日 13:10

ひげすけさん

　拝見させていただきました。IMEP 1.35MPaは素晴らしいですね。乗用車用ディーゼルであれば十分実用できます。
　ガソリンHCCIでは燃料はポート噴射または直噴でも早期に噴射しますが、圧縮行程後半～上死点近傍噴射ならもう少し高負荷限界を拡大できる可能性があります。もちろん、排気やdP/dθに問題はあると思いますが。
　残念ながら今のところ実験できませんが、何とかしたいですね。

[48] mixiユーザー 03月27日 22:57

2012年の自動車技術会春季大会ではHCCIは1セッション6件の発表のようです．
http://www.jsae.or.jp/2012haru/jpn/24.html

[49] mixiユーザー 05月30日 10:46

　自動車技術会2012年春季大会に行ってきました。HCCIのセッションは5/23(Wed)のPMに行われ、発表件数は上記(48)のように6件の予定でしたが、ドタキャンが1件ありましたので結果的に5件の発表でした。
　周知のことですが着火時期制御が極めて困難で、皆さん苦労されています。安東先生(福井大)はケミカル面からアプローチされていて、ラジカルの果たす役割などを少しずつ明らかにされています。これをリアルなエンジンでどうコントロールするのかは、別の話になりますが。

　私としては、あくまで着火時期を精度よくコントロールする方向に拘るのか、別の可能性を考えるのかを決めてアプローチした方がいいのではないかと思います。着火時期コントロールは1つのソリューションでは困難なので、幾つかのソリューションを組み合わせる必要があると思います。
　別の可能性としては強力な点火装置でアシストする方法や、着火時期に関するロバスト性を高める方法が考えられます。着火時期関するロバスト性は早く着火すると緩慢に燃焼し、遅く着火すると急速に燃焼するようにしてやれば、ある程度高めることができます。

学会のレポートは↓
http://mixi.jp/view_diary.pl?id=1848465648&owner_id=10188904
です。よろしかったら、ご覧ください。

[50] mixiユーザー 06月01日 23:05

Island Cylinderさん，自動車技術会，お疲れさまでした．ご挨拶できて良かったです．
学会レポート，読ませて頂きました．まとまってあって素晴らしいです．

HCCIセッションと休憩時間に，日本工業大学の中野先生（元・豊田中研）と話をして，
ラジカルなどの活性物質による着火促進について，「促進させたい条件で促進させるのが
難しい」と見解が一致しました．

[51] mixiユーザー 06月02日 07:52

インチキ化学者さん
リアルでお会いできて良かったです。
次回お会いした時は、ゆっくりお話ししたいですね。

[52] mixiユーザー 05月31日 16:25

JSAE 2013年春季大会に行って着ました。今回は(知る限り)HCCIの発表は4本(含HCCI以外のセッションでの発表)でした。レポートを書きましたので、よろしければご覧ください。
http://mixi.jp/view_diary.pl?owner_id=10188904&id=1903103838

[53] mixiユーザー 06月05日 21:14

レポート，ありがとうございました　＞Island Cylinderさん．
今年は春の自技会には行けなかったので，レポートは助かります．

[54] mixiユーザー 05月31日 11:45

2015 JSAE 春季学術講演会のレポートをUPしまいた。会場ではお世話になりました。
よろしかったら、ご覧ください。
http://mixi.jp/home.pl#!/diary/10188904/1942659892

[55] mixiユーザー 05月31日 23:01

今年もレポート，ありがとうございました　＞Island Cylinderさん．
2015年秋季大会は北九州市で開かれますね．

ちなみに，本年のHigh Efficiency IC Engine Symposium (Detroit)で，マツダは
HCCIについて発表していたとのことです．

[56] mixiユーザー 06月01日 06:31

>>[55]
ε=18のガソリンエンジンですね。HCCI運転には丁度良さそうですが、SI運転領域をどう広げていくのか楽しみです。

[57] mixiユーザー 05月30日 21:33

JSAEに行ってきました。よろしければ、ご覧ください。
http://mixi.jp/view_diary.pl?id=1960694778&owner_id=10188904

[58] mixiユーザー 06月03日 20:29

>>[57]
JSAEの参加レポート，ありがとうございました．
現在，日本では，内閣府が行っているSIPという研究プログラムの中の，「革新的燃焼技術」プロジェクトが進行しており，熱効率50％に向けての成果が発表されてきていますよね．
今年はJSAEには行けませんでしたが，機械学会が主催するCOMODIA2017には参加する予定です．

[59] mixiユーザー 06月04日 11:18

>>[58]
COMODIA　私は行けませんが、参考になる発表があればいいですね。

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