水素エンジンの迅速な開発。クボタはシミュレーションを活用して加速【水素という選択肢 Vol. 7】

クボタは世界中のさまざまなOEMにCIエンジン（圧縮着火、ディーゼル）とSIエンジン（火花点火、ガソリンなど）を供給している。厳しさを増すディーゼルエンジンの排ガス規制強化を背景に、ディーゼルから水素への置き換えニーズが高まっているという。そのニーズに応えるべく、クボタは既存のディーゼルエンジンを水素エンジンに置換する開発を進めている。

シミュレーションによる水素エンジン開発期間の短縮

CIからSIへの転換なので点火プラグは必要で、シリンダーヘッドから上を置き換える必要はあるが、ブロックに手を入れずに転換することは可能。それなら、発電機などの定置用であれ、エンジンを車体構造の一部として使うトラクターであれ、搭載にまつわる仕様変更は必要なく、水素エンジンへの変更負担は小さくて済む。100%再生可能エネルギーで製造した場合にはなるが、燃料を軽油から水素に置き換えることでカーボンニュートラルが実現する。

水素エンジンを成立させるには特有の課題に直面する。最小点火エネルギーが小さいのでプレイグニッションが起きやすく、吸気系で着火するバックファイヤも課題。ブローバイガス中の水素がクランクケース内に留まることで、異常燃焼のリスクが高まることも知られている。

これらの課題に対し、クボタはシミュレーション技術を活用することにより、試作ベースで行なう従来の開発に対して開発期間を大幅に短縮した。具体的な事例を紹介していこう。

水素は最小点火エネルギーがガソリンの10分の1以下のため、異常燃焼が発生しやすい。クボタが開発しているポート噴射式の水素エンジン（V3800型、3.8ℓ直4）では、高温の既燃ガスがインテークマニフォールドに逆流することにより、吸気系に残留した水素が着火燃焼するバックファイヤを起こし、吸気系が想定以上の高圧の燃焼ガスにさらされる懸念があった。

この課題に対しては1D CAEのソフトウェア（GT POWER）を用い、インマニ内の残留水素濃度や逆流が基準値以内になるようインマニの設計を行なった。検討にあたっては燃焼室モデルを組み込むことで、異常燃焼のリスクやインマニ内の水素残留濃度および逆流を評価するだけでなく、インマニを設計変更したことによる出力や燃費性能への影響も評価した。

新気導入口と排出口配置の最適化

水素の主燃焼はガソリンと違い、筒内の乱れによって進行する乱流燃焼速度よりも、温度と圧力に依存する層流燃焼速度の影響が大きい。そのため、燃焼予測モデルに工夫を加えてマップを作成。そのマップを機械学習モデルに学習させて燃焼を予測する独自の手法を採用した。また、正常な運転条件だけではなく、モード運転における異常燃焼リスクも評価した。

解析してみると、バルブオーバーラップのところで筒内の燃焼ガスが吸気系に逆流する現象が確認できた。そこで、このような現象を回避するため、1D CAEを用いてインマニやカムの設計検討を行なった。

前述したように、ブローバイガス中の水素がクランクケース内に留まることでも異常燃焼のリスクは高まる。着火下限濃度はモル分率4%であり、この数値より高くなると異常燃焼のリスクは上昇。濃度を下限以下に収めるためにはクランクケース内の換気が重要なため、解析によってクランクケース内の水素濃度分布を予測し、新気導入口と排出口の配置を検討した。

クランクケース内換気システムの検討では、モデル化の対象範囲が広く、上下運動をするピストン、首振り運動をするコンロッド、回転運動をするクランクシャフトを動かす必要がある。燃焼解析ならピストンを動かすだけでいいが、コンロッドとクランクシャフトも動かすとなると解が発散しやすくなるし、負荷は高くなる。担当者が関連する文献を調査したところ、ひとケース解析を回すのに数ヵ月を要するという情報もあったという。そんなに時間を掛けていたのでは到底開発に間に合わないので、クボタ独自の取り組みにより、1ケース1週間程度まで大幅に計算時間を短縮し、解析を進めた。

その結果、エンジン前側に位置する1気筒目に比べて4気筒目のほうが水素濃度は高く、相対的に異常燃焼のリスクが高いことがわかった。また、換気流量が少ない場合と多い場合で解析を実施してみると、換気流量が多いとそのぶん水素濃度は下がることが確認できた。

シミュレーション解析は水素エンジンを開発する際に突然始めたわけではなく、ディーゼルやガソリンといった従来の燃焼でも用いており、その応用である。水素エンジンの解析を始めた際はGT POWERに標準で入っている機能では水素を表現することはできなかったので、クボタ独自の取り組みで水素を表現できるようにした。

小型ディーゼルの燃焼効率も向上

シミュレーション技術は電子制御小型ディーゼルエンジンの燃焼解析にも利用した。対象は出力19kW未満の小型IDI（副室式）エンジン、D902-Kである。19kW未満のエンジンについては、排ガス規制の強化に対応する必要があり、低燃費との両立を図るべく開発を行なった。