2019 Fiscal Year Research-status Report
DMEの燃料特性を活かした超高効率クリーン熱機関に関する研究
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17K06185
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| Research Institution | Ibaraki University |
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Principal Investigator |
金野 満 茨城大学, 理工学研究科(工学野), 教授 (90205576)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 新燃料 / ジメチルエーテル / 改質 / 流動特性 / 再生可能エネルギー / 水素 / 可視化 / キャビテーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、DMEの理論空気量の低さ、PM生成傾向の低さ、改質平衡温度の低さといった特色を活かし、排気熱を利用したDMEの吸熱改質反応を用いて、排気エネルギーの回収、改質成分による着火制御および希薄化により、石油系燃料では達成できない高効率・クリーン内燃機関を実現するための基礎的知見を得ることを目的とする。
詳細素反応モデルを用いた反応解析の結果から、先行研究の結果とは異なり、DMEの改質温度はガソリンの場合と変わらず、希薄域での改質は難しいことが明らかとなった。さらに、DMEの改質反応は空気過剰率に敏感なことが判明し、改質触媒システムを構築する上で、DMEと排気の混合精度の確保が重要な課題として浮上した。このことに対応するため、2018年度は一部計画を変更し、DMEの流動特性の把握を課題として数値解析によるノズル流路内挙動の把握を試みるとともに、検証の ための可視化実験装置の構築に取り組んだ。そして、噴射圧が一定圧を超えると流量が一定となるチョーク現象を起こすことを実験により明らかにした。数値解析を行って、その原因について検討した結果、流路内で発生したキャビテーションによって実効流路面積が減少することがチョークの主要因であり、さらに発生したボイドにより音速が急激に減少することもチョーク要因となっている可能性が示唆された。
2019年度は、数値解析の結果を検証するため、ノズルを模擬した可視化装置を構築し、ノズル内のDMEの流動の可視化実験を実施した。最初に触媒システムに用いるノズル形状を模擬した透明アクリル製の3次元可視化ノズルを用いて可視化を試みたが、アクリルとDMEの屈折率が異なるためキャビテーションを明確に可視化することができなかった。そこで、実機ノズル形状を模擬した2次元形状の石英製の可視化ノズルを製作し、DMEの流動を捉えることに成功した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
2017年度における解析結果から、2018年度は高精度のDME供給装置構築のための流動特性の把握に取り組んだ。数値解析は順調に進み、可視化装置も構築できたが、当初可視化観察窓に用いた透明硬質アクリルは、DMEと屈折率が異なり、さらにおそらくキャビテーションの発生によって短時間に浸食されたため、良質な画像を得ることができなかった。キャビテーション対策として、2019年度は石英ガラス製の3次元ノズルに変更したが、チョーク現象が生じる30MPa程度の圧力では、少ない実験回数で破壊したため、十分な可視化実験を実施することができなかった。石英ガラス製の3次元ノズルは加工費が高価なため、これ以上の実験を進めることをあきらめ、3次元ノズルと断面形状が同じ2次元ノズルを用いることとした。試作した2次元可視化ノズルで可視化できたが、観察対象とした流路収縮部ではなく、ノズル入口の流路屈曲部でキャビテーションが発生し、石英観察窓を短時間で侵食することが明らかとなった。そこで、入り口の流路屈曲半径を大きくした観察装置を設計して製作業者に製造を依頼したが、納期予定時期からしばらく経った後に製作できないとの連絡が入り、他の業者を模索するもコロナの影響等で新たな制作業者が見つかっていない。当初、当研究は2019年度が最終年度だったが、期間を1年延長して研究を遂行することとした。
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度の観察実験結果から、観察窓が短時間に侵食される原因は、DME供給系と観察流路装置をつなぐ屈曲部においてキャビテーションが発生していることと推察された。屈強部の半径を大きくしてキャビテーションの発生を防ぎたい。すでに改良した流路の設計は終了しており、これを加工製作する外注先を早急に探したい。
その上で、キャビテーションの発生に着目してノズル流路内のDME挙動の高速度可視化観察を実施し、2018年度の数値解析による結果を検証する。当初の計画では、研究の最終年度に実機改質装置を製作して、試験エンジンを用いた改質実験を実施する予定であったが、上述のようにDMEの流動特性の把握が新たな課題となり、その解明のために工数と予算を割いたため、改質の実験的検証は厳しい状況にある。ただし、DMEの流量制御のための重要な流動特性を明らかにすることができると考えている。
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| Causes of Carryover |
2019年度内に、改良2次元可視化ノズルを用いてDMEのノズル内流動の可視化観察を行う予定だったが、納入期限過ぎに、発注済みの加工製作業者から製作できない旨の連絡を受けた。その後、直ちに加工製作可能な外注先を探したが、コロナの影響もあって見つからなかった。そこで、次年度に製作予算を繰り越し、加工製作業者を見つけて製作を依頼することとした。
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