2017 Fiscal Year Annual Research Report
ガス機関における燃焼後半の自着火を利用した高熱効率燃焼のメカニズム解明
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16H04601
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
冨田 栄二 岡山大学, 自然科学研究科, 教授 (80155556)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
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) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 船舶海洋工学 / 熱機関 / 燃焼 / 光計測 / CFDシミュレーション / 火炎伝播 / 自着火 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
二酸化炭素の排出および有害排出物質を低減するための一つの方法が，熱機関を石油系燃料ではなく，天然ガスで運転することである．天然ガスを利用する熱機関の熱効率を向上させるための一つの方法として，申請者らは，燃焼後半に発生する自着火を適切に制御して，ノックに至らず，圧力振動のない燃焼で終了させる方法が良いことを見出した．熱機関における自着火には酸素濃度，未燃ガス温度と圧力の履歴が影響を与えると云われている．本研究では，1回だけ燃焼が可能な圧縮・膨張装置を利用して，初期条件をいろいろと変化させる．どのような酸素濃度，未燃ガス温度および圧力の履歴において，自着火が発生し，そのあとの燃焼が圧力波を発生させるか否かを，燃焼室内の熱発生，自着火部の超高速度撮影，分光計測，簡略化素反応モデルによるシミュレーションを通して検討することが目的である．
平成29年度は，単一燃焼が可能な圧縮膨張機関における燃料噴射および吸気管からの予混合気吸入が可能になり，初期圧を上昇させること，また，燃焼室内温度を上昇させることによって，PREMIER燃焼の実現を可能にすることができた．また，別途，シュリーレン光学系を構築し，ピストンにミラーを設置して圧縮膨張機関内で撮影が可能なように準備するができた．平成30年度は，この光学系を圧縮膨張機関に適用する．
一方，数値シミュレーションのほうは，エンドガス部における自着火過程の簡略化素反応モデルを用いてワークステーションにより，3次元解析を継続して実施している．
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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
（理由）
実験の方は，圧縮膨張機関において，軽油パイロット着火による天然ガスの燃焼は可能であったが，PREMIER燃焼の実現ができなかった．しかし，初期圧力および初期温度を上昇させることによって，燃焼室中央部をピストンの下から観察する方法で，PREMIER燃焼を確認することが可能となった．また，シュリーレン光学系のほうは別途，構築済みである．平成30年度からは，シュリーレン光学系によって超高速度でのエンドガス部の撮影を開始することができる予定である．分光計測に関しては，今までの経験があり，平成30年度に，可視化と同時に実施する予定である．
一方，3次元CFD数値シミュレーションによる二元燃料の燃焼過程の解析の方は，詳細に計算をするには，まだまだ課題があることが判明し，検討中である．もう少し時間がかかりそうである．
しかし，全体としてみると，おおむね順調に進展していると判断することができる．
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| Strategy for Future Research Activity |
(1)最大で毎秒100万コマ以上で撮影可能な超高速度カメラを利用して自着火現象を高速度で捉える．シュリーレン法で撮影する．PREMIER燃焼の場合には ，自着火部の広がり速度が火炎伝播速度と同等か，それよりも速いのか興味がある． (2)分光計測によって自着火部から特定の化学種からの発光特性を計測し，燃焼状態を把握する．自着火部から発せられる光には， 波長306～312nm付近のOHラジカルがあるが，もし，自着火後の広がりが予混合伝播火炎であれば，波長432nm付近のCHラジカル の存在が確認できるかもしれない． (3)エンドガス部における自着火過程の簡略化素反応シミュレーションを継続して実施する．現在，ワークステーションを用いて，3次元CFD（数値流体力学）解析を熱機関に応用して，ガス流動および燃焼過程のシミュ レーションに関する研究を実施している．簡略化モデルがいくつか提唱されているが，最初の軽油による自着火の後，火炎伝播をして最後の自着火モデルまで扱った研究は少ない．ここでは，エンドガス部における自着火を簡略化素反 応モデルで表現することができるようにしたい． (4)エンドガス部における自着火燃焼のメカニズムを解明する．今までの実験結果から推察すると，自着火するまでの圧力および未燃ガス温度の履歴が重要なポイントになると考えられる．シ リンダ内圧力履歴は，圧力変換素子で測定することが可能であるが，厳密な未燃焼ガスの温度履歴の測定は困難である．よって ，未燃焼ガスの温度は，弁が閉じてから燃料噴射時期まではポリトロープ変化するとして求める．また，燃料噴射時期から後は 断熱的に圧縮されるものと仮定する．各種パラメータを変化させて実験をした結果を，説明することができるようにする． (5) 研究の総括を行う．
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