NH3オットー機関への点火装置としての常時点火水素拡散火炎の適用法の考案

• Project/Area Number: 24K07917
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 24020:Marine engineering-related
• Research Institution: National Institute of Maritime, Port and Aviation Technology
• Principal Investigator: 岸 武行 国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所, 海上技術安全研究所, 研究員 (00462870)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 仁木 洋一 国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所, 海上技術安全研究所, グループ長 (10511587) ; 市川 泰久 国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所, 海上技術安全研究所, 主任研究員 (20586680)
• Project Period (FY): 2024-04-01 – 2027-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000); Fiscal Year 2026: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2025: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2024: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
• Keywords: 微少水素流量拡散火炎 / 保炎 / アンモニア－空気予混合気 / 水素拡散火炎 / NH3-空気予混合気点火 / 予混合気点火促進 / オットー機関点火装置

Outline of Research at the Start

NH3-空気予混合気を燃焼させるオットー機関において、パイロット火炎（予混合気点火用火炎）として水素拡散火炎を想定する。予混合気の点火時以外は水素は超微少流量で水素を節約する一方、水素火炎の燃焼は維持してサイクル毎のパイロット火炎の点火手順を省いてサイクル毎のNH3-空気予混合気の燃焼の点火遅れを短縮する。そして予混合気点火時は水素流量を増大させ、予混合気の燃焼を促進させる。以上による、NH3-空気予混合気オットー機関の燃焼安定化・高効率化を狙い、その実現のための条件や課題（水素拡散火炎の保炎条件、水素拡散火炎によるNH3-空気予混合気の点火や燃焼の促進方法）を整理する。

Outline of Annual Research Achievements

アンモニア燃料は燃えにくく点火遅れも長い。一方、水素は粘性係数が空気の約半分で音速は約4倍で、細い噴射管（内径コンマ数ミリ程度）でも大流量を流せることができ、かつ、水素拡散火炎は水素流量が微少であっても保炎を維持出来ることが分かっている。本研究はアンモニア燃料をオットー機関で使用する場合の点火装置（パイロット火炎）として、常時点火状態の水素拡散火炎を想定する。水素拡散火炎の常時点火により、パイロット火炎のサイクル毎の点火手順を省き、結果サイクル毎の空気-アンモニア予混合気の点火遅れも短縮させるとともに、空気-アンモニア予混合気を点火させるべき時のみ水素流量を増大させ空気-アンモニア予混合気の点火を促進、それ以外の時は水素流量は微少として、点火させるべき時以外での空気-アンモニア予混合気の点火を、アンモニアが燃えにくい性質を利用して防ぐ。この想定の実現に向け、エンジンの燃焼室内を想定した雰囲気下で、微少水素流量下での水素噴射口の形状や雰囲気温度・圧力、噴射口付近の流れ場、および、水素噴射量の急激な増減等が、常時点火水素拡散火炎の保炎に及ぼす影響を調べることで、アンモニア燃料使用オットー機関の点火装置としての、常時点火水素拡散火炎の可能性及び課題を整理することが本研究の目的である。
令和6年度は、本研究を実施するための実験装置を製作し、常温・常圧の空気中での拡散火炎の保炎について、水素と、比較としてメタンを燃料として用い、実験して調べた。その結果、メタンと比較して水素は保炎を維持しやすいことが分かった。また、燃料の噴射量を急激に少なくした場合も、水素の方がメタンよりも保炎を維持しやすいことが分かった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

実験装置については、令和6年度は当初の予定通り組み上がっており、水素拡散火炎の保炎に関する基礎データを得ている。令和7年度はこの実験装置を用いて、水素拡散火炎の保炎に及ぼす水素噴射口の形状や噴射口付近の周囲の流れ場の影響を調べるとともに、当該年度に配賦される予算により、この実験装置を高温状態においても実験可能なように改造予定である。そして当初予定通り、エンジンの燃焼室内により近い条件である、高温状態での実験を実施する予定である。よって、研究の進捗状況としておおむね順調に進展している。

Strategy for Future Research Activity

令和7年度は、組み上がった実験装置を用いて、水素拡散火炎の保炎に及ぼす水素噴射口の形状や噴射口付近の周囲の流れ場の影響を調べる。さらに、令和7年度中に実験装置を高温状態においても実験可能なように改造し、エンジンの燃焼室内により近い条件で、さらに保炎に関する実験を行う。そして研究期間を通しての最終目的として、実験で得られたデータを基に、燃えにくい燃料であるアンモニアをオットー機関の燃料として用いる場合の、機関の点火装置としての常時点火水素拡散火炎の可能性と課題を整理する。