2014 Fiscal Year Annual Research Report
電子顕微鏡を用いたディーゼル噴霧火炎内微粒子の生成・消滅過程の調査
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14J08204
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| Research Institution | Meiji University |
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Principal Investigator |
近藤 克文 明治大学, 理工学部, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2014-04-25 – 2017-03-31
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| Keywords | 微粒子 / PM / 電子顕微鏡 / 内燃機関 / ディーゼル燃焼 / 光学計測 / レーザー / ナノ構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ディーゼル機関から排出される微粒子低減に必要不可欠な，噴霧火炎内微粒子生成・消滅過程の解明を目標に，平成26年度に実施した研究内容を以下，三項目に分類し述べる．
1.微粒子生成・消滅過程のモデル化に必要な「微粒子前駆体PAHの構成，分子量，生成速度」及び「核生成・表面成長に関わる結晶子の大きさ・形状」を明らかにするため，微粒子一粒を構成する層状の多環平面結晶子の層長さ・屈曲率・間隔を定量解析するアルゴリズムをMATLABにより作成した．これを噴霧火炎内微粒子に適用し，得られた各パラメータの値が文献に矛盾しなかったことから，今回作成したアルゴリズムが適切に微細構造を定量化できていることも確認された．
3.火炎内微粒子の酸化速度を定量化するために必要な，温度，中間生成物OH及び微粒子の濃度，の時空間分布を得ることを目的とする．平成26年度は上記目標達成のための予備実験として火炎直接写真（温度）及びOH自発光（OH濃度）の同時計測光学系確立，高速度写真撮影を行った．その結果，OH自発光画像内に火炎の輻射光紫外成分が写る問題が生じたが，同時撮影している直接写真から火炎の輻射領域取得，背景として差し引く処理を加えることで，OH自発光のみの挙動を観察できるまでに至った．また同実験を様々な条件で行い，最適な撮影条件を得た．
3.現在の微粒子捕集装置で再現できていない，実エンジン筒内の現象で特に微粒子生成過程に影響を与えるとされる噴霧火炎の壁面衝突現象を現用の燃焼器で模擬し，光学計測及びTEM解析により調査することで，排ガス微粒子性状予測精度を向上させることを目的とする．衝突現象模擬用の捕集装置の設計・製作が早い段階で完成し，適切な量の微粒子サンプル捕集に成功したため，27年度実施予定のTEMによる性状解析を前倒しで行い，非衝突時の結果と比較した．また，ここで得られた知見を国際学会で発表した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
ディーゼル噴霧火炎内微粒子の生成・消滅過程の解明及びそのモデルの構築に必要とされている，微粒子前駆物質の構成，分子量，生成速度、核形成及び表面成長に関わる火炎内結晶子の大きさ，形状、微粒子のディーゼル噴霧火炎中での酸化速度，実エンジン筒内における噴火炎の壁面衝突現象の影響，を定量的に評価するため，当該研究を3テーマ（①火炎内微粒子の微細構造調査，②酸化速度の調査，③実エンジンでの現象解明）に分け，並行して進めている．当初の計画通りに達成した際に得られるであろう結果（①微細構造層長さ・屈曲率・間隔，②OHスペクトル波形，OH自発光・輝炎同時時系列撮影画像，③噴霧火炎衝突サンプリング粒子性状）が，それぞれのテーマにおいて出ていることから，年度計画通りに研究を遂行していると考える．また，機器の故障などのトラブルに対し，すぐさま次年度実施予定の研究内容を繰り上げて行う判断を下し，平行して機器の修理・交換を進めることで，次年度以降の研究も計画通りに遂行できる見通しを得ている．テーマ③に至っては懸念されていた微粒子捕集用グリッドのサンプリング時の破損も起こらず，微粒子性状の定量評価が行えたため，当初の予定よりも早い段階でデータをまとめ，国際学会で発表を行うことができた．
上記理由より，全体を通して当該研究は概ね順調に進展していると判断する．
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究の今後の推進方策を以下にテーマ毎に記載する．
微細構造の調査：今後はディーゼル噴霧火炎中の異なる位置で微粒子捕集実験を行い，得られた微粒子サンプルについて，初年度に作成したMATLABのアルゴリズムを用いて微細構造解析を行う．具体的には微粒子生成領域に相当する火炎上流域において，特に粒子中心部の結晶子の層長さ・屈曲率・間隔を定量化し，微粒子核形成に寄与しているすす前駆体PAHの分子量を推定する．また，粒子外周部に積層される結晶子についても同様のパラメータを定量化し，火炎上流域の複数点で値を追うことで表面成長に寄与するPAHの構成及びその成長速度を得る．
酸化速度の調査：機器故障により初年度実施できなかったレーザー透過光影写真を撮影する光学系を確立し，直接写真・OH自発光画像との同時計測を行い，微粒子の酸化を支配しているパラメータである，火炎内微粒子の濃度，温度，OH濃度を同一火炎について観察する．複数の微粒子群をラグランジュ的に追いかけ，微粒子濃・温度・OH濃度履歴を提唱されている酸化速度式に代入し，時空間酸化速度分布を取得する．
実エンジンでの現象解明：初年度に実施した噴霧火炎壁面衝突サンプリング実験と同条件で燃焼実験を行い，捕集装置近傍にパルスレーザーシート光を挿入することで，壁面付近境界層内微粒子径挙動をLII/散乱光計測する．従来捕集装置で同様の実験を行い，初年度に得られたTEM解析による微粒子性状結果と比較することで，噴霧火炎の壁面衝突現象が壁面堆積微粒子性状を変化させる原因を明らかにする．
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Research Products
(8 results)
