2017 Fiscal Year Research-status Report
Feasibility of Electrostatic Application and Multiplication of Nozzles in Alcoholic Fuel Atomization
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17K06186
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| Research Institution | Gunma University |
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Principal Investigator |
志賀 聖一 群馬大学, 大学院理工学府, 教授 (00154188)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
GONZALEZ・P JUAN 群馬大学, 大学院理工学府, 助教 (30720362)
荒木 幹也 群馬大学, 大学院理工学府, 准教授 (70344926)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 静電微粒化 / エタノール / 多重ノズル / 流量 / 粒径 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成29年度においては，静電微粒化の特性付けを目標とすべく，電圧―流量―粒径の3パラメータ平面上で静電微粒化のトレードオフを表すことを試み，ある電圧で微粒化モードが変化し，粒径が減少するが，それがある流量を超えると現れなくなる，などのいわゆる静電微粒化のレジーム変化の表現も期待した．エタノールが流出するノズルは，内径0.22 mm, 外径0.4 mmの真鍮管を用い，本研究においてはノズル数を7本として，ピッチ2 mmおよび8 mmのクラスター配置と，ピッチ2 mmの直線配置について，ノズル配置の影響を，上記特性付け平面上に表すことを試みた．
1.ノズルのクラスター配置が直線配置よりも微粒化を促進する傾向があり，ノズル間隔は，大きくすると微粒化を促進することが分かった．これは，ノズル同士の電界強度が大きくなり，中心ノズルでの微粒化が促進されたためである．
2.ノズル多重化は，中心ノズルの電界強度を小さくし，微粒化を抑制した事が分かった．そこで，ノズル配置間隔を大きくする事は，中心ノズルの電界強度を大きくし，微粒化を促進する事が分かった．
3.ノズル配置形状によらず，流量とSMDの関係は，ベキ関数的な関係性があることが分かった．本研究においては，SMD=78.2Q^0.59(ただしSMDはザウター平均粒径ミクロン，Qは流量ml/min)の関係が確認できた．他の研究は，SMD=81.4Q^0.42で，本研究のSMDが低いことが示された．
4.小流量（0.4 ml/min），印加電圧10 kVの条件でクラスター配置では，SMD約11ミクロンとなり．これはDI用インジェクタから生じる噴霧粒径に相当する．大流量（2.7 ml/min），印加電圧10 kVの条件では，SMD36.7ミクロンとなった．これはPFI用インジェクタから生じる噴霧の約1.2 倍の粒径に相当する．
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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
初年度の達成目標は，粒径と流量の平面上に印加電圧をパラメータとした，「特性付け」を実現することであった．さらに，ザウター平均粒径10 μm以下という目標までほんの少しである11 μmのところまでをカバーできる粒径と流量の実験式を求めることができ，従来の研究との対比を行いながら，本研究の優位性を示すことができた．したがって，所期の目標はほぼ達成できたといえる．一方，平成30年度の目標であるところの，ノズル多重化の影響についても，クラスター配置と直線配置，そしてノズルピッチを2 mmと8 mmの2種を設定し，それぞれの影響を明らかにするとともに，コーンジェットモードやマルチジェットモードなどの，望ましい静電微粒化モードの存在に関する知見を得ることができ，期待された静電微粒化レジームの変化も示すことができた．このことから，ノズル多重化の意義とそのための基本方策に関する鍵となる要因をある程度明らかにすることができたといえる．
しかしながら，これまでの手法はあまりに試行錯誤的であり，静電微粒化にとっての要因が示唆はされるものの，そのことを証明するには至っていない．この観点からは，特性付けはできたと言っても，そのような結果が現れるに至った機構は依然として明確な裏付けとともに明らかになったとは言えない．
したがって，今年度においては，この点をさらに掘り下げ，電解強度という物理的要因でどの程度現象を説明できるのか，現状の電極形状や配置がどの程度最適化されているといえるのか，といった「機構」を明らかにしてゆく必要がある．
さらに，ザウター平均粒径で10 μmの近くまでは到達したものの，目標をクリアしたとは言えない．また，11 μmという値も，最小の流量である0.4 ml/minにおいて得られているにすぎないことから，応用的観点からも十分とは言えない．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成30年度のテーマは，「マルチノズル化による流量増大の実証と第三電極による噴霧運動の制御」である．前記のように，マルチノズル化については，一部先行して明らかとなった内容ではあるが，その「機構」を解明するという観点において不十分であり，これを実施する必要がある．それとともに，具体的数値目標であるところの，SMD=10 μmは未達といってよく，これを達成するという課題解決も必要である．このように，昨年度の課題解決という，いわば延長上の研究がまず必要とされる．
しかしながら，これらに並行して，今年度の二つ目の目標である，「第三電極による噴霧運動の制御」に取り組む必要がある．すなわち，従来の静電微粒化に対して最も大きな独自性であるところの，「制御」を静電気によって行うことの可能性を明らかにしてゆく．
そのために，本研究課題の当初において十分想定していなかった要因に，気流との相互作用がある．火花点火機関のポート内壁流付着の減少が動機付けとなっている以上，気体の流れと噴霧との相互作用はきわめて重要であることから，気流の場をある程度基本的なパラメータとして設定する必要が生じる．したがって，吸気管を模した管内流れに対する静電微粒化という方向付けが必要になると考えられる．絶縁性と可視化性の両方の観点から，アクリルなどの透明プラスチック円管に定常空気流をつくり，そのなかでの静電微粒化を実験的に検討してゆく必要がある．
以上のことから，今年度においては，単純場における「機構」の解明と，数値目標である「SMD=10 μm」のクリア，そして，実用を視野に入れた空気流との相互作用の下での「噴霧制御」を実験的に明らかにしてゆく．
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