ディーゼル機関におけるアンモニアの燃焼及び燃焼生成物排出特性の解明

2015 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 15K18298
• Research Institution: National Maritime Research Institute
• Principal Investigator: 仁木 洋一 国立研究開発法人 海上技術安全研究所, その他部局等, 主任研究員 (10511587)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: アンモニア / 代替燃料 / ディーゼル / 燃焼解析シミュレーション / cantera

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、水素キャリアとして注目されるアンモニアを、ディーゼル機関により直接燃焼させて使用することを想定し、安全かつ効率的に使用する方法を開発することを目的としている。
本年度は、単気筒ディーゼル機関の吸気管にガスインジェクタを設置した。軽油により機関を運転し、設置したガスインジェクタを用いて、吸気行程中にアンモニアガスを噴射し運転特性の把握を行った。また、吸気に混合されたアンモニアを効率的に燃焼させる方法を検討するために、燃焼解析シミュレーションの作成を行った。
単気筒ディーゼル機関の吸気に発熱量割合で20%程度のアンモニアを供給し、軽油との混焼運転を行った結果、機関の出力を一定にした場合、アンモニアガス供給量と共に、筒内最高圧力は減少した。排ガス成分では、アンモニアガス供給量と共に、二酸化炭素の減少、アンモニア、水、一酸化二窒素の増加を確認した。一方、一酸化窒素はほとんど変化しなかった。排ガス中のアンモニアは、アンモニアガス供給量によらず、ほぼ一定の割合であった。また、アンモニア供給量と機関回転速度を一定とし、出力のみを低下させた場合、出力低下と共に排ガス中のアンモニア濃度は高くなった。これらの結果から、吸気中に混合されたアンモニアは、軽油噴霧内に導入され燃焼していることが示唆された。また、排ガス管後流に取り付けたSCR脱硝装置により、排ガス中のアンモニアと窒素酸化物が減少することを確認した。
燃焼解析シミュレーションでは、化学反応解析ソフト（cantera）と噴霧燃焼モデル（廣安モデル）を組み合わせたシミュレーションの作成を行っている。廣安モデル作成のための文献調査を実施し、シミュレーションを作成中である。
次年度は、単気筒ディーゼル機関を用いて軽油の多段噴射による未燃アンモニアの低減効果を確認する実験を実施するとともに、シミュレーション作成を引き続き行う。

Current Status of Research Progress

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

Reason

本年度は、ディーゼル機関によるアンモニアガス混焼運転を実施し、アンモニアガスの燃焼や大気汚染物質の排出特性を把握することができた。排ガス成分の中でも、未燃のアンモニア及び温室効果ガスである一酸化二窒素の排出が問題となることが明らかになった。さらに、実験結果から吸気に混合されたアンモニアは、軽油噴霧内に空気とともに導入され燃焼しており、自発着火していないことが推察された。また、燃焼解析シミュレーションの作成では、文献調査を実施し、作成するシミュレーションの構成を検討した。これらの知見は、次年度に実施予定の未燃アンモニアを低減するための燃焼制御に有用な知見である。これらの、有用な結果が得られたことから、概ね順調に進展していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

次年度は、アシスト燃料噴射装置をしようして、多段噴射による未燃アンモニアの低減効果を確認する実験を実施するとともに、シミュレーション作成を引き続き行う。また、作成したシミュレーションを用いて未燃アンモニアの削減に有効な燃料噴射タイミングや噴射量を検討する予定である。これらは、申請時の予定通りである。

Causes of Carryover

実験に使用する計測機器の交換品及び予備品の購入を行わなかった。

Expenditure Plan for Carryover Budget

繰り越し分は、国際学会（ASME Internal Combustion Engine Fall Technical Conference）参加に必要な渡航費及び登録費用に使用予定である。