マイクロせん断層の時間スケールに適合した燃料ガス非定常噴射による超混合高速燃焼

1998 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 10650202
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 吉田 英生 東京工業大学, 工学部, 助教授 (50166964)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小林 健一 明治大学, 理工学部, 専任講師 (10242273)
• Keywords: 燃焼 / 混合促進 / マイクロせん断層 / 非定常性 / 音響励起

Research Abstract

燃焼により生ずる熱エネルギーを高効率で力学仕事に変換し、究極の熱機関であるカルノーサイクルに近づけるためには、等温膨張過程の実現が不可欠である。しかし従来の燃焼法は、オットーサイクルでは等積燃焼、ディーゼルサイクルまたはブレイトンサイクルでは等圧燃焼となり、何れの場合も等温で燃焼することはない。等温で燃焼する過程を実現するためには、膨張による温度低下に見合う分の発熱を燃焼により生じさせることが必要であるが、このような燃焼制御技術は、従来形の拡散燃焼では困難である。なぜなら、拡散燃焼では燃料と酸化剤の混合過程が律速となっており、たとえ乱流火炎により反応面積を著しく拡大しようとしても、エネルギーを含む分子レベルの混合にいたる時間遅れは、膨張過程における時間に比較して依然として大きい。
そこで本研究では、燃料ガスと空気のせん断層をマイクロ化し、さらに燃料ガス導入方法に、このマイクロせん断層のタイムスケールに適合した非定常性を重畳させることにより、液滴燃焼ならぬ“気滴"燃焼を実現し、これまで概念上のものでしかなかった超混合高速燃焼を図ることを目的として基礎的な検討を行った。その第一段階として、空間スケールが1mmオーダーのマイクロノズルから噴出した燃料に、音響励起を与えて共鳴現象により混合を促進することを試みた。まず非燃焼流において、空気中に二酸化炭素を噴出し、熱線流速計・シュリーレン写真から共鳴現象が生じることを確認し、最大共鳴がおこる周波数を明らかにした。次いで、都市ガスを噴出させた場合の燃焼状態につき、シュリーレン・熱電対・ガスクロ測定から、混合が著しく促進され、その結果として燃焼も高速化することを確かめ、今後の研究展開の指針を得た。