水素燃焼エンジンの秘密を解き明かす: システム・シミュレーション手法の興味深い点
過去数十年にわたり、温室効果ガスが環境に与える影響について懸念が高まっています。工業化の増加と化石燃料の使用の増加により、大気中の温室効果ガスの濃度が高くなっています。二酸化炭素 (CO2)、メタン、亜酸化窒素などのガスは、大気中に熱を閉じ込めて地球温暖化の一因となり、地球に壊滅的な影響を及ぼします。
温室効果ガスを最も多く排出しているのは輸送分野です。国際エネルギー機関 (IEA) によると、輸送分野は世界のエネルギー関連の温室効果ガス排出量の約24%を占めています。これには、自動車、トラック、バス、航空機、船舶からの排出が含まれます。世界の人口が継続的に増加し、輸送需要が高まる中、気候変動の影響を緩和するには、輸送分野が環境に及ぼす影響に対処することが不可欠です。
このブログでは、水素 (H2) 燃焼エンジンが温室効果ガス排出量削減に貢献できる理由と、Simcenter Amesim 2304がその設計をどのようにサポートするかについて説明します。
なぜ水素燃焼エンジンなのか？
道路輸送分野では、世界中でCO2排出量を削減するための野心的な目標が掲げられています。目標を達成するための解決策は問いません。つまり、電気自動車であれ、e-fuel (合成燃料) やカーボンフリー燃料 (アンモニアや水素) を使用した内燃機関自動車であれ、目標を達成できれば良いのです。
カーボンフリー燃料の燃焼は、交通インフラの調整がしやすく、エネルギーと電力の需要が高い分野 (重機や長距離トラックなど) で期待できます。
このような状況で、一部の業界関係者は水素内燃エンジン技術の研究開発に取り組んでいます。
水素内燃エンジンの重要な設計基準
水素燃焼エンジンは、出力、効率、制御性、安全性の要件を満たすために、多大な技術的努力を必要とします。
これらのエンジニアリング活動のほとんどは、水素の熱力学的特性に関連しています。実際、気体燃料は、密度が低く、可燃性が高く、低位発熱量が高いという特性があります。例えば、燃料噴射システムは水素 (H2) が漏れやすく、噴射時にH2が燃焼室の大部分を占めるため、大量の空気と効率的なターボ過給システムが必要になります。ノッキング感度と窒素酸化物 (NOx) 排出量も重要な課題ですが、これらは、水噴射や排気再循環 (EGR) などの方法で解決できます。これらの課題のほとんどは、高周波モデリング・アプローチを使用してSimcenter Amesimエンジン・ソリューションで対処できます。
設計されたエンジン部品の誤用を避けるために、適切なエンジン・キャリブレーションも重要です。噴射開始、ラムダ、スパーク・タイミングなどのパラメーターは、定常状態条件で選択した設計に関係なく、NOx、ノック、H2の消費量に強く影響します。これらのキャリブレーション・パラメーターは通常、エンジン・テストベンチで定義されます。しかし、仮想 (プレ) キャリブレーションを採用すると、コスト効率が高いソリューションとして、テストベンチの実行時間を短縮できます。この仮想キャリブレーションは、ほとんどの場合、ソフトウェアインザループ (SIL) またはハードウェアインザループ (HIL) 手法を使用して実行されます。SIL手法やHIL手法は平均値モデリングアプローチを使用して、Simcenter Amesimで最適にサポートされます。
最後に、最終製品環境への水素内燃エンジンの統合は、市場に公開され、各種機関に認定されることになる性能指標を評価するために非常に重要です。これらの指標は通常、航続距離、燃料消費量、NOx排出量、全体的な性能です。この指標を評価するために、マップベースの準静的モデリング・アプローチを取り入れることをお勧めします。
Simcenter Amesim 2304リリースの各モデリング・アプローチについて説明します。
高周波エンジンモデル
Simcenter Amesim高周波エンジンモデルは、水素燃焼に対応し、検証済みの層流火炎速度相関、流体特性、ノック自己着火遅延テーブルを備えています。新たにリリースされた「ロングテール」Wiebeエンジンモデルには、ゼルドビッチ機構またはアレニウスの法則アプローチに基づくエンジンアウトNOxオブザーバーが含まれています。
Wiebeモデルは、IFPEN研究センターとの長年にわたるパートナーシップにより、試験データで実証され、Simcenter Amesim標準デモ・ポータルで利用できます。このデモのシナリオで使用しているのは、可変ノズルタービンと低圧EGR回路を備えた13.5リットルのターボチャージャー付き直噴水素エンジンです。
このモデルにより、以下に示すさまざまな解析が可能です。
- ノックなしで到達できる最高出力とトルクはどれくらいか？
- エンジンアウトNOx排出量と水素消費率との最適なトレードオフを得るEGR率はどれくらいか？
- 空燃等価比 (FAER) はどの程度低くできるか、燃料消費量とトルクにどのような影響があるか？
- 使用中のターボチャージャーは、低空燃等価比に達するのに適したサイズか？
毎分1400回転で15 barの指示平均有効圧力 (IMEP) に達するには、0.3より低く (ラムダ3.3より高く) できないことが、空燃等価比の変動から分かります。これは、特にコンプレッサー・ホイール側のターボチャージャーの設計上の制限によるものです。そのため、より多くの空気が必要になります。その他のコンプレッサー設計の可能性を評価するために、Simcenter Amesim 2304にはコンプレッサー・テーブル・クリエーター・アプリが付属しています。これにより、エンジン運転の設定値 (通常は全負荷曲線) から代表的なコンプレッサー・マップを非常に少ない情報量で作成できます。
コンプレッサー・テーブル・クリエーター・アプリは、自動車、トラック、船舶などの幅広いターボチャージャー用途の内燃機関用コンプレッサーで実証されています。また、燃料電池コンプレッサーのマップを生成することもできます。これは初期のカソード側の最適化に役立ちます。
エンジン・アーキテクチャを選択し、燃焼要件を満たしたら、高周波モデルをより高速で軽量な平均値エンジンモデル (MVEM) に縮退して、制御量のプレキャリブレーションとエンジン制御ユニットの仮想検証が可能になります。
平均値エンジンモデル (MVEM)
MVEMモデリング・アプローチは、気流システムの物理モデルと、シリンダー内プロセスの「平均」挙動を特徴付ける全球エネルギー収支に基づいています。効率データと相関関係を利用して、全サイクル中にエンジン・ブロックで何が起こるかが分かります。
高周波エンジンモデルまたはエンジン・テストベンチの結果から平均値エンジンモデルへの移行は、MVEMで使用される体積マップ、指示効率マップ、排気効率マップを計算する、いわゆるMVEMツールを使用して行うことができます。MVEMツールはSimcenter Amesim 2304のアップデートで、水素エンジン変換テンプレートが追加されました。
これらのマップを生成できたら、MVEMモデルに直接組み込むことができます。または、ニューラル・ネットワーク・アプローチ (Simcenter Reduced Order Modelingツールを使用) と組み合わせて、EGR率やNOx排出量など、モデルの入力と出力の数を増やすことができます。
このようにニューラル・ネットワークとMVEM手法を組み合わせることで、シミュレーション結果の精度が向上するだけでなく、CPU時間を短くし、リアルタイム機能を維持してハードウェアインザループ手法を実現できます。
このグラフが示しているのは、全エンジン範囲のMVEMに含まれる、エンジンアウトNOx排出ニューラル・ネットワーク・モデルの検証結果です。EGR率、ラムダ、エンジン速度、点火進角への依存性が含まれ、仮想キャリブレーションやハードウェアインザループに使用できます。
Simcenter Reduced Order Modelingの詳細については、こちらをご覧ください。
ほとんどのエンジン・エンジニアは、このモデリング・アプローチに従ってシミュレーション・タスクを完了し、高速、堅牢で正確な水素エンジンモデルを生成します。しかし、このようなモデルの生成に十分なデータがない部門はどうでしょうか？自社の技術がエンジン性能や燃料消費量に与える影響を確認したいトランスミッション・サプライヤーはどうでしょうか？このような場合は、マップベースの準静的エンジンモデルをお勧めします。
マップベースの準静的エンジンモデル
IFP-Driveライブラリの準静的エンジンモデルは、可変マップセット (燃料消費量、最大トルクなど) と、シミュレーションの目的に応じた複数の補正係数に基づいています。長いミッション・プロファイル (走行サイクル) での燃費や車両性能を予測することがシミュレーションの主な目的であり、エンジンの高周波ダイナミクスはそれほど重要ではないときに、このモデルが広く使用されます。
このエンジンモデルは、ユーザーが最小限のマップセットにアクセスできることを条件に、あらゆるタイプの燃料を考慮することができます。また、デュアルフュエルにも対応できます。
水素燃焼エンジンの主な問題点は、燃料消費量とトルクのマップが広く公開されておらず、ほとんどの場合、機密情報であることです。従って、このモデリング・アプローチの採用は一見難しく見えます。
この状況を解決するために、エンジン・テーブル・クリエーター・アプリをアップデートして、実証済みの水素エンジン・データセットを含めました。これにより、IFP-Driveエンジンのユーザーは、エンジン・アーキテクチャ、最大トルクと出力の曲線、燃焼推定パラメーターなど、非常に限られた高レベルのデータからでも燃料消費量マップを生成できるようになりました。
これらのテーブルを作成したら、特定の走行サイクルで特定のタンク寸法の車両の航続距離を評価できます。この例では、26トンのリージョナル・トラックをGEM非定常サイクルでシミュレーションしています。生成されたテーブルから、水素燃料の消費量は15kg/100km、航続距離は50kgの水素タンク (圧縮貯蔵量は約700bar) で約335 kmであることが分かります。
結論として、Simcenter Amesim 2304のリリースは、水素内燃エンジン・アプリケーション向けに完全に実証されています。非常に詳細なエンジンモデルから、高速でシンプルなエンジンモデルまで、堅牢で継続的なワークフローを実現するとともに、「データのジャングル」に陥らないように欠落しているデータを生成するアプリを提供します。Simcenter Amesim 2304のその他の新機能の詳細については、このブログ記事をご覧いただくか、以下のビデオをご覧ください。
