自動車工学の進歩
オープンアクセス

概要

火花点火エンジンにおける含水エタノール燃焼の診断

カイオ・H・ルフィーノ、ワルディア・LR・ガロ、ジャニート・V・フェレイラ

燃焼期間と火炎発達を評価することで、新しいタイプの燃料を利用した場合の効果を評価することができます。これにより、効率、ノック、排出量、性能に関して、点火時期、空燃比、スロットル開度などの動作パラメータを最適化できます。この研究では、ブラジルの含水エタノール燃料の燃焼を市販のフレックス燃料エンジンで評価しました。実験データの熱放出解析を実行し、燃焼特性を提供することで調査を実施しました。実験設計は、リーン状態でのエンジン速度、負荷、点火時期、空燃比の変化で構成されていました。結果は、広範囲の動作条件下でのエンジンパラメータと燃焼特性の関係を示し、市販エンジンでの燃料の物理的特性と燃焼の関係を特定しました。高エンジン速度では、リーン燃焼はストイキオメトリック燃焼期間と同様の期間を示しました。含水エタノールの燃焼特性をガソリン燃焼と比較すると、燃焼開始時の温度はエタノールの方が低かったものの、デトネーションに対する感度が低下し、燃焼期間が短いことが主な違いとして挙げられます。燃焼期間が短いことに加え、エタノールは Wiebe 指数の値も低くなっています。燃焼期間の値と Wiebe 関数のパラメータから得られた結果により、簡略化された燃焼シミュレーションに必要なデータセットを作成できます。燃焼診断は
内燃機関で使用される強力なツールであり、熱力学的アプローチを使用して燃焼特性に関する情報を提供します。これは、シリンダー内で最もアクセスしやすい熱力学的特性である測定されたシリンダー内圧を使用して実行されます。1 シリンダー内圧に対する燃焼の影響は、ブローバイ、熱伝達、内部エネルギー変化、仕事などの他の現象から分離できます。2 この手順の出力は、見かけの熱放出 (AHR) および熱放出率 (HRR) プロファイルと呼ばれます。燃焼開始 (SOC)、燃焼終了 (EOC)、および燃焼期間、着火遅延、燃焼形式などのその他の二次パラメータは、AHR プロファイルから推測できます。
したがって、この分析を実行することで、ピストン形状、圧縮比、バルブタイミングなどのエンジン設計パラメータや、空燃比、点火時期、負荷など、エンジンの動作中に電子制御ユニット (ECU) によって常に調整される動作パラメータが燃焼に与える影響を判断できます。HRR プロファイルから、テストされた各パラメータが燃焼の段階、具体的には炎の発生段階 (通常、燃料の 10% が燃焼するまでの段階)、急速燃焼段階 (燃焼した燃料が 10% から 90%)、消炎段階に与える影響も理解できます。3 スパーク点火エンジン (SI) については多くの研究が行われており、シリンダー内に閉じ込められた質量と燃料のエネルギー含有量を知ることで、AHR プロファイルから燃焼質量分率 (MFB) を導き出すことができ、エンジン サイクルに沿った燃焼燃料分率の値を提供できます。他の方法では、より詳細で微視的なアプローチから燃焼を特徴付けることができます。例えば、光学エンジンまたは密閉容器内で炎の成長、構造、速度を測定して、空燃比、希釈剤濃度、温度などの特定のパラメータが燃焼に与える影響を調べることができます
。7
このような分析は、異なるタイプの燃料間の比較を示すためにも使用できます 8,9 ただし、エンジンの幅広い動作条件内での多くのパラメータの複合的な変化の影響を判断することは困難な作業です。したがって、燃焼診断は依然として燃焼を特徴付けるための信頼性の高いツールであり、より理論的なアプローチに基づいて、これらの方法と並行して使用できます。さらに、燃焼診断は、エンジンシミュレーション用のデータベース MFB モデルのデータを提供することができます。MFB プロファイルを記述する最も頻繁に使用される相関関係は、Wiebe 関数です。10 そのため、燃焼診断に関するいくつかの研究では、Wiebe 関数のパラメータを研究対象のケースに適合させることによって燃焼特性を評価しました。