2015 Fiscal Year Research-status Report
火花放電におけるプラズマ形成から熱核へ至る着火過程のモデル化
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15K05832
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
河原 伸幸 岡山大学, 自然科学研究科, 准教授 (30314652)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 燃焼 / プラズマ / 熱機関 / 分光計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
熱機関における着火・点火は，ナノ秒で生成される火花放電などの非平衡プラズマによりプラズマ電子温度が上昇し，周囲への熱移動によりガス温度が上昇し，化学反応が開始する．このような火花放電におけるプラズマから周囲ガスへの熱移動現象をナノ秒・ナノメートルオーダで計測し，モデル化することを目的としている．本研究では，圧縮膨張機関を使用し，ピストン圧縮行程後半におけるガス混合気に火花放電を行い，プラズマ形成から着火に至る過程をプラズマ電子温度／ガス回転温度により調査した．まず，プラズマ電子温度計測のため，点火プラグに光ファイバを組み込んだ．光ファイバには，広範囲からの発光得られるように広いNA角の石英製ファイバを使用した．光ファイバで得られた火花放電～初期火炎核形成過程で得られた自発光を時系列分光分析した．火花放電から得られるCN自発光よりプラズマ振動温度を，初期火炎核から得られるOHラジカル自発光よりガス回転温度を算出した．プラズマ振動温度が6,000K程度であり，文献値と良い傾向を示した．分光計測から得られたガス回転温度は2,300K程度であり，断熱火炎温度とほぼ同じであった．さらにワークステーションで数値解析を行い，プラズマ形成から着火に至る過程をモデル化した．火花放電をプラズマ点が線状に連なった集合体としてモデル化した．個々のプラズマ点では，プラズマ形成から着火に至る過程をモデル化した．実際に火花放電から混合ガスへの着火を表現することができた．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
光ファイバを組み込んだ点火プラグ光学センサをEMCCD付き分光器に組みわせることで，火花放電～初期火炎核形成過程で得られる時系列分光分析を可能とした．プラズマ振動温度，ガス回転温度を求めることで，火花放電から初期火炎核形成過程における文献値と良い一致を示した．また，ワークステーションを用い，3次元エンジンCFD計算コードGTTに火花パーセル法を組み込んだ．火花放電から初期火炎核形成に至る過程をモデル化することができた．以上の成果により，当初の計画以上に進展していると考えている．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成27年度に得られた結果を基にして，圧縮膨張機関を用いて，点火プラグにおいて形成される火花放電に与えるシリンダ内流動の影響を評価する．流動，乱れによる火花放電の移動，形状変化を高速度カラーカメラにより可視化する．さらに，点火プラグに直接液体燃料を噴射し，火花放電の移動，形状変化に与える影響を可視化する．燃料噴射速度，噴射時期を変化させることで，火花放電形成位置，形状が受ける影響を評価する．
また，火花放電から初期火炎核形成過程に至る現象をモデル化する．吸気流動評価のため，RANS法を適用し，乱流強度，サイクル変動の影響を調査する．火花放電をプラズマ点が線状に連なった集合体としてモデル化する．個々のプラズマ点では，プラズマ形成から着火に至る過程をモデル化する．個々のプラズマ点におけるプラズマ形成過程から化学反応，着火に至る過程は，プラズマ温度から周囲のガス温度への熱移動現象をモデル化し，高温・高圧環境下で評価を行う．着火位置，着火時期によりその後の火炎伝ぱ形状，圧力上昇履歴へ与える影響を評価し，火炎の可視化結果や圧力計測結果との比較を行うことで，構築したモデルの評価を行う．
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