| Project/Area Number |
21K03890
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 19020:Thermal engineering-related
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
柴田 元 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (70613785)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2022: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
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| Keywords | ピストン圧縮改質 / ディーゼルエンジン / 部分酸化反応 / 水性ガスシフト反応 / 燃料改質 / バイオガス / ピストン圧縮 / 改質ガス / 水素 / 一酸化炭素 / 化学動力学計算 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では，燃料をディーゼルエンジンの改質気筒でピストン圧縮により水素，一酸化炭素，メタンなどのガスに改質して着火性を変更し，そのガスを出力気筒に導入して出力気筒の運転条件に最適な改質ガスを供給し，系全体での熱効率の向上を図るものである．研究では特に改質気筒での燃料改質に着目し，改質条件（当量比，酸素濃度，改質温度）が改質効率および総合効率に与える影響を調べ，改質ガスの生成プロセスについて化学動力学計算CHEMKIN Proとエンジン実験の両面から明らかにする．この知見をベースに，例えば水蒸気改質反応や二酸化炭素改質反応を用いて改質ガスを能動的に生成する方法について提案をする．
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| Outline of Annual Research Achievements |
舶用ディーゼルエンジンで使用される軽油の改質研究を実施した。燃料の改質にはエンジンの排熱で加熱した触媒を用いることが多いが、触媒の耐久性と軽油の揮発性の悪さから本研究ではピストン圧縮による過濃混合気の改質について、CHEMKIN Proを用いて反応のプロセスを調べ、エンジン実験により実際の改質反応を検証した。これまでの研究で軽油の直接改質はスモークを大量に排出するため、エンジンを吸気管内噴射方式に改造し、揮発性に優れるノルマルヘプタンを燃料に用いてピストン圧縮改質を実施した。
その結果、燃料改質は主に吸気酸素濃度と燃焼室内の平均最高温度の影響を受け、当量比2.0付近で水素と一酸化炭素の収率が多くなる。水素の反応は主に水素ラジカルによる燃料の脱水素反応であり、一酸化炭素の生成はカルボニルラジカルの解離反応である。燃料がメタンやエチレンに分解されてから水素が生成するため、メタンが分解する1200K以上の温度が必要である。ノルマルヘプタンを用いても煤の生成が課題であるため、実験燃料を気体燃料であるメタンに変更し、さらにドライリフォーミング反応を狙って希釈ガスを窒素から二酸化炭素に変更をしてシリンダ内に噴射した少量の軽油を熱源に実験を行った。CHEMKIN Proの計算結果では、当量比が1から1.5付近で部分酸化反応により合成ガス（水素および一酸化炭素）が生成し、その後、水性ガス逆シフト反応により反応が進んでおり、ドライリフォーミング反応を起こすには温度が低いことが分かった。また、二酸化炭素には水性逆シフト反応により一酸化炭素を生成するとともに激しい部分酸化反応を抑制する効果があり、燃料改質反応に有用なガスである。
今後、一酸化炭素や水素の収率と収量をさらに向上させるには、例えば吸気に水を吸気管に噴射し水蒸気改質反応による生成が期待できる。
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