2017 Fiscal Year Research-status Report
燃焼制御最適化のためのエーテル燃料の詳細反応機構構築
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16K06112
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| Research Institution | University of Fukui |
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Principal Investigator |
酒井 康行 福井大学, 学術研究院工学系部門, 准教授 (70511088)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 燃焼 / 計算化学 / 内燃機関 / 自着火 / 火炎伝播 / 詳細反応機構 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
H28年度に求めたエーテル化合物の低温酸化反応機構の反応速度定数一般則を基に，ジメチルエーテル（DME），ジエチルエーテル（DEE），ジブチルエーテル（DBE），エチル-tert-ブチルエーテル（ETBE）の詳細反応機構の構築をして，実測値との比較から一般則の検証を行った．これら四種の燃料を選択した理由は，着火遅れ時間や層流燃焼速度などの基礎的な燃焼特性に関する実験値が報告されていること，代表者の過去の研究や文献から詳細反応機構を入手可能であることである．詳細反応機構に，これまでに求めた反応速度定数を反映させて，着火遅れ時間や層流燃焼速度と比較した．いずれの燃料についても，概ね着火遅れ時間の温度依存性などを再現することができたが，負の温度係数（NTC：Negative Temperature Coefficient）領域と呼ばれる温度800から1000 Kにおいて着火遅れ時間の再現性に難があることが確認された．反応経路解析や感度解析の結果，この温度領域においては，アルキル型ラジカルのβ分解反応，ヒドロキシアルキル型ラジカルの環状エーテル生成やβ分解反応に着火遅れ時間が大きく寄与していることが明らかにされた．そこで，内部回転子の分配関数の再評価，反応速度定数の炭素級数依存性の再検討を行い，反応速度定数一般則を更新した．修正した反応速度定数は，NTC領域の着火遅れ時間の温度依存性をほぼ定量的に再現できることを確認した．これらの反応速度定数の一般則は，H30年度に予定しているエーテル燃料の化学構造と着火に関する議論，エンジン燃焼環境下で着火及び火炎伝播に対する促進または抑制に有効なエーテル燃料の探索において必要不可欠なものとなる．
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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
次世代のエンジン燃焼技術には，より高効率でクリーンな燃焼，様々な燃料利用に対応できることが求められている．エーテル燃料の混合によるガソリン及び軽油の燃焼制御の可能性について，理論計算から得られた学術的知見を基に考察することが本研究の最終目的である．初年度はエーテル燃料の詳細反応機構の構築に必要な素反応群の反応速度定数を求めた．また，これらを利用してジエチルエーテルの自着火機構の解析を行い，詳細反応機構の精度向上のために再検証が必要な素反応を明らかにした．二年度目は，さらにDME，ETBE，DBEなどの燃料に拡張して，内部回転子の分配関数の再検証などにより反応速度定数一般則の修正を行った．これら四種の燃料は，分子サイズや分岐構造を考慮すると特徴的な化学構造を有しており，エーテル燃料の反応速度定数の一般則として必要最低限の検証を終了したということができる．計画書に記載した二年度の研究項目はほぼ終了している．したがって，自己評価は「おおむね順調に進展している」と判断した．
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| Strategy for Future Research Activity |
H30年度は，燃料の化学構造と着火特性の相関関係を明らかにするために，炭素骨格や官能基の位置に着目して，燃料化学構造と着火遅れ時間の整理を行う．この考察を遂行する上で，より多くの燃料の詳細反応機構構築のためには，手作業では限界がある．そこで，広島大学の三好が開発中の詳細反応機構自動生成プログラム（KUCRS）を利用して，H29年度に再検証した反応速度定数の一般則をライブラリに登録し，様々な化学構造をもつエーテル燃料の詳細反応機構を自動生成する予定である．また，このプログラムを利用することにより，火炎伝播速度の再現に重要であるベース反応機構（炭素数0から4程度までの化学種の反応機構，すべての燃料に共通する反応機構）の共通化を図ることができる．次に，エーテル燃料の混合によるガソリン及び軽油の着火制御の可能性を検討するために，0次元エンジンモデルを利用した燃焼シミュレーションを実施する．ガソリン及び軽油の詳細反応機構は，文献または研究代表者が構築したものを利用する（H26-30年度，戦略的イノベーション創造プログラム「革新的燃焼技術」）．燃料化学構造と着火特性の相関についての知見を基に，エンジン燃焼環境下で着火及び火炎伝播に対する促進または抑制に有効なエーテル燃料を探索する．
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