Study on Mechanism of Particulate Matter Formation and its Reduction

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15K13889
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: 北川 敏明 九州大学, 工学研究院, 教授 (40214788)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 渡邊 裕章 九州大学, 工学研究院, 准教授 (60371598) ; 永野 幸秀 九州大学, 工学研究院, 助教 (20567060)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 燃焼 / 粒子状物質（PM) / すす生成機構 / 予混合火炎 / 電子顕微鏡 / 数値シミュレーション / すす生成モデル / 熱-拡散効果

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，粒子状物質であるすすの燃焼による生成機構を明らかするために，均質過濃混合気の燃焼により生成される粒子状物質について調べた．一般的に，すすは噴霧燃焼など燃料濃度が一様でない場合の過濃領域から生成されるとされているが，ここでは均質過濃予混合気を用い現象を単純化して調査することに特徴を有する．イソオクタン-空気混合気を対象とし，すす生成の臨界当量比付近である当量比1.8の層流火炎，乱流火炎の観察および火炎により生成される粒子状物質の観察，数値シミュレーションを行った．
最終年度は，すす生成モデルを組み込んだ球状伝播層流火炎の数値シミュレーションを行った．予混合火炎の背後の領域にすすが確認されるという実験の観察結果と一致する結果を得るとともに，すすの分布，質量分率，粒径分布，さらには，すす生成過程における核生成，凝集，表面成長，酸化反応の寄与を求め，すす生成挙動を明らかにした．
初年度は層流火炎を対象とした火炎の直接光写真および断層写真撮影，すすの走査透過型電子顕微鏡による観察を行った．この混合気のLewis数が0.96と小さいため，火炎が熱-拡散効果を受け消炎もしくは火炎温度が著しく低下している領域では燃焼反応があまり進まず，すすが生成されているものと考えられる結果を得た．また，すすの電子顕微鏡による観察から，要素粒子が鎖状となっている構造が確認された．
第2年度である昨年度は乱流火炎を対象とし，乱流火炎においてもすすが形成されているすじ状の領域が形成されるが，乱れが強い方がその領域は小さいことを明らかにした．
以上により，炭化水素燃料の燃焼によるすすの生成機構について，予混合火炎背後においてすすが生成され，その原因として火炎の熱-拡散効果が大きな要因となっていることを明らかにした．この熱-拡散効果を緩和することによりすす生成を抑制できる可能性があるという知見を得た．