2018 Fiscal Year Annual Research Report
高温高圧環境下におけるアルコール系C3・C4混合バイオ燃料の乱流燃焼機構の解明
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17H03179
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
小林 秀昭 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (30170343)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
早川 晃弘 東北大学, 流体科学研究所, 助教 (90709156)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 高圧燃焼 / 乱流燃焼 / バイオ燃料 / 異性体燃料 / レーザー誘起蛍光法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題は，燃焼科学の先端研究分野である高温高圧乱流燃焼において，非食料バイオマスから生産されるアルコール系C3，C4バイオ燃料およびその混合燃料の乱流燃焼機構を明らかにし，極限環境乱流燃焼の学理構築を図りCO2排出削減燃焼技術へ寄与することを目的とする．具体的にはエンジン燃料として有効なプロパノール異性体，ブタノール異性体ならびにそれら混合燃料の乱流予混合火炎を高温高圧下で安定化させ，１）乱流燃焼速度および乱流火炎構造，２）中間化学種CH2O，NO，OHのレーザー計測による局所濃度分布，３）燃焼排出ガス組成を明らかにし，アルコール系C3・C4バイオ燃焼に対する乱流燃焼の異性体効果，混合組成効果，温度圧力依存性に対し，反応動力学と局所火炎不安定性原理に基づくメカニズム解明を行う．
平成30年度は、前年度に燃焼試験を実施した液体燃料蒸発装置が組み込まれた高圧燃焼試験設備の大型燃焼容器に加え，装置ハンドリングに優れた最大圧力1.0 MPaの小型高圧容器を用い，C3アルコール燃料であるn-プロパノール，iso-プロパノール， C4アルコール燃料である1-ブタノール， iso-プロパノールを用い0.3 MPaまでの高圧環境で乱流予混合火炎を安定化させ，OH-PLIF, CH2O-PLIF同時計測に成功した．その結果，CH2Oの方がOHよりも上流側に分布していることが確認され，1次元数値解析と同様の結果を得て数値解析の妥当性が示された．更に，OH-PLIF, CH2O-PLIFのオーバーラップから発熱領域を特定することに成功するとともに，CH2O分布からC2H2, C2H4分布を推定し，異性体バイオ燃料における中間化学種拡散効果を検討した.
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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
本研究の具体的目標である３）に関しては平成29年度に達成している．平成30年度は１）および２）に取り組み，特に２）について層流および乱流火炎に対してOH-PLIF, CH2O-PLIF同時計測に成功した．これによりCH2Oの方がOHよりも上流側に分布していることを確認し数値解析の妥当性が検証された．更に，OH-PLIF, CH2O-PLIFオーバーラップから発熱領域を特定したことにより，異性体間の発熱領域の幅や凹凸構造を評価する手段を確立した．CH2O-PLIFが可能になったことによる研究の大きな進展は，本研究の背景の一つである中間化学種の上流拡散効果を評価して異性体間の化学反応過程の違いが乱流火炎構造に及ぼす影響を議論することが可能になったことである．本研究では，乱流火炎構造，特に火炎の凹凸や火炎面密度に影響を及ぼすと考えられるC2H2およびC2H4とCH2Oの分布に認められる強い相関関係を数値解析で明らかにし，それにより，計測が困難なC2H2およびC2H4の分布をCH2O分布計測から推定することとした．それによると，火炎凹部で，n-プロパノール火炎の方がiso-プロパノール火炎よりもCH2O分布の半値幅が大きくなっていることが明らかになった．CH2Oの上流拡散量が増大していることを示しており，C2H2およびC2H4の上流拡散量の増加を示唆する結果である．この結果は，火炎面密度への異性体の影響に関する実験結果と照らし合わせて，２段反応モデルにより示された中間化学種拡散の影響と一致しており，乱流予混合火炎における異性体アルコール系燃料の予混合乱流火炎において，中間化学種の拡散が実際に火炎構造に影響を及ぼしている可能性を示している．CH2O-PLIF計測精度改善のため，次年度はCH2Oを効率的に励起できる色素レーザーを利用する予定である．
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| Strategy for Future Research Activity |
令和元年となる本年度は，CH2O-PLIFにNd-YAGレーザーの第3高調波ではなく，波長可変レーザーを用いCH2O-PLIF強度を増大させて画像のSN比を向上させ，CH2O分布ならびにOH-PLIFとのオーバーラップによる発熱帯厚さの計測精度を高める．その計測法を層流火炎から広い乱れ強さの範囲における乱流予混合火炎に適用して，火炎の凹凸正負と局所曲率半径に対する発熱帯厚さの関係を更に明らかにする．また，反応論的考察を進めて火炎中の中間化学種であるC2H2およびC2H4の分布とCH2O分布の相似性を理論的に明らかにし，CH2O分布帯厚さからC2H2およびC2H4分布帯厚さを推定する手法をより確実なものとする．これによって，通常の方法では計測できないC2H2およびC2H4分布に対する乱流火炎の凹凸正負と局所曲率半径の関係を明らかにし，これまでに行ってきた数値解析による中間化学種の火炎面固有不安定性への影響を検証し，乱流予混合火炎における火炎面密度分布への異性体効果を明らかにする．燃料の種類に関しては，異性体混合燃料の実験と考察にも可能な限り取り組む．これらの成果を総合してバイオ燃料異性体をガスタービンなど高圧燃焼機器の燃料として用いる際の設計指針をまとめる．
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