2017 Fiscal Year Research-status Report
Development of exhaust gas particulate matters treatment using plasma-discharge magnetic functional fluid
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17K18060
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| Research Institution | Nippon Institute of Technology |
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Principal Investigator |
桑原 拓也 日本工業大学, 工学部, 准教授 (70602407)
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2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 非熱プラズマ / 磁気機能性流体 / ディーゼル微粒子 / 排ガス浄化 / 環境保全 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
マイクロ・ナノサイズの排ガス微粒子を圧力損失なしで再飛散なく捕集し、酸化燃焼除去するためのプラズマ放電磁気機能性流体ならびに排ガス微粒子浄化システムを開発する。実験による微粒子捕集特性の検証に加えて理論解析により排ガス微粒子浄化システムを最適化する。プラズマ放電条件や排ガス流動条件を変化させ、プラズマ放電磁気機能性流体の捕集効率を明らかにする。これらの学術的研究を行い、HEPAフィルタを上回る捕集性能を有し、圧力損失が0.5 Pa以下の性能達成を目標とする。今年度の成果は以下の通りである。
排ガス微粒子捕集除去の原理と基礎理論を提案した。排ガス配管に設置する排ガス微粒子捕集部の外側に磁石を固定し、捕集部の内側に磁石から発生する磁場により磁性流体を固定し排ガス微粒子捕集する磁性流体フィルタを提案した。理論的に考察に基づき、磁性流体フィルタを通り抜けた微粒子を捕集サイズが保証された膜フィルタで捕集し、流量変化を測定することで磁性流体フィルタの捕集能力を評価する方法を提案した。今年度は非熱プラズマを用いない場合の排ガス微粒子の磁性流体表面吸着について調査した。効率的に排ガス微粒子を捕集するために磁性流体スパイク現象を利用して磁性流体表面積を大きくすることに成功した。実際にディーゼルエンジンの排ガスを分流して排ガス微粒子捕集実験を行った結果、磁性流体フィルタの捕集能力が高いことが分かった。さらに排ガス流動を解明するための有限要素法による排ガス流動解析シミュレーションコードの基礎となる方程式系のモデリングも行った。
本研究で最も重要となる磁性流体フィルタの作製ならびに実験評価システムの構築を行い、排ガス微粒子の捕集能力評価方法を提案し、捕集能力が高いという結果を得たことは実用化への第一歩であり、研究成果の意義は大きい。
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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
当初計画では今年度は『排ガス微粒子浄化用プラズマ放電磁気機能性流体の開発』を達成目標とし、シリコーンオイルをベース液とし、10 nm程度の疎水化コーティング磁性ナノ粒子で分散させ、プラズマ放電特性の良い磁気機能性流体を作成する予定であった。しかし、試行の結果、当研究室の設備ではシリコーンオイルに磁性ナノ粒子を安定分散させることは容易ではないことが分かり、既存の磁性流体を用いることに変更した。
排ガス微粒子捕集除去の原理と基礎理論の提案、磁石から発生する磁場により磁性流体を固定し排ガス微粒子捕集する磁性流体フィルタの提案を行うとともに、次年度に予定していた『排ガス微粒子浄化システムの構築と捕集機能の解明』の一部の研究を前倒しした。まず、理論的に考察に基づき、磁性流体フィルタを通り抜けた微粒子を捕集サイズが保証された膜フィルタで捕集し、流量変化を測定することで磁性流体フィルタの捕集能力を評価する方法を提案した。磁性流体フィルタを作製し、排気量211 mLの実機ディーゼルエンジンを運転してエンジンからの排ガスを分流して排ガス微粒子捕集実験を行った。エンジン始動時のディーゼル微粒子の排出が極めて多くなる厳しい条件で実験を行った。実験結果より磁性流体フィルタの捕集能力が高いことが分かった。
数値シミュレーションについては当初の予定通り排ガス流動を解明するための有限要素法による排ガス流動解析コードの基礎となる方程式系のモデリングを行った。
以上の進捗状況より排ガス微粒子捕集システムの構築と数値シミュレーションのモデリングについては当初計画以上の進展が見られたものの、シリコーンオイルをベース液としたプラズマ放電磁気機能性流体の開発については当初計画の進展が見られなかったため、上記の評価とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の規制はより厳しい粒子数（PN）による規制に移りつつあるため、今年度の研究を進展させて定量的に磁性流体フィルタの捕集効率を明らかにする。まずは非熱プラズマ放電を行わない場合の基礎実験を実施する。粒子数については排ガス微粒子を同時サンプリングして粒径ごとに粒子数を測定するパーティクルカウンタを用いて測定を行う。排ガス微粒子捕集部の上流と下流の排ガス微粒子質量と粒子数（PN）を測定し捕集効率を算出する。なお、当初計画より捕集率が低い場合、磁性流体の配置改善などにより捕集効率の向上に努める。
さらに今年度実施しなかった磁性流体フィルタ内部の磁性流体での非熱プラズマ放電も達成目標とする。プラズマ放電方法の選定と電極の設計、高電圧電源の選定を行い、磁性流体フィルタでの非熱プラズマ放電を実現する。
一方で排ガス微粒子酸化除去機能の解明も達成目標とする。排ガスナノ微粒子のオゾン酸化燃焼特性を解明するためにカーボンナノ材料を合成しオゾン酸化燃焼特性を調べ、酸化除去反応理論を提案する。実機ディーゼルエンジンを用いた実験ではプラズマ放電なしとプラズマ放電ありの場合の捕集前後の粒子数および今年度と同様に膜フィルタを用いた流量変化測定によりプラズマ放電による排ガス微粒子の浄化特性を解明する。放電電力測定を行いながら放電条件を変化させ、排ガス微粒子測定により酸化除去効率を算出し評価する。また、放電時のオゾン濃度計測を行い、提案する方法におけるオゾン濃度と排ガス微粒子の酸化との相関関係を明らかにする。合わせて、放電電力とエンジン出力の関係から本システムのディーゼル微粒子捕集除去におけるエネルギー効率を算出し、実用化に向けた優位性を評価する。計画どおりに進まない場合は、別途酸素から無声放電により高濃度オゾンを発生させてから捕集部に注入する方法で酸化除去効率を向上させる。
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| Causes of Carryover |
次年度使用額は必要に応じた執行分の端数として生じたものである。実験消耗品の購入に使用する。
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