低環境負荷型天然ガス機関開発のためのパイロット着火制御の高度化に関する研究

2018 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K04591
• Research Institution: National Institute of Maritime, Port and Aviation Technology
• Principal Investigator: 今井 康雄 国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所, その他部局等, 研究員 (40426218)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 川内 智詞 国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所, その他部局等, 研究員 (20549993) ; 高木 正英 国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所, その他部局等, 研究員 (50371092)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 天然ガス / パイロット燃料 / 着火

Outline of Annual Research Achievements

単位発熱量当たりの二酸化炭素排出量が少ない天然ガスを効率良く利用することを目的とし，今まで明確な理由が明らかにされてこなかった，パイロット燃料着火方式における，メタン‐空気予混合気の当量比増加に伴うパイロット燃料の着火遅れの増加の原因を解明する．
原因解明のために，まずパイロット燃料(トリデカンを使用)の着火時に発生する化学種(OH，CH，C2ラジカル)の自発光タイミングを光電子増倍管で計測し，メタン‐空気予混合気の当量比増加に対する化学種の自発光タイミングへの影響を調べた．その結果，各化学種の自発光タイミングはメタン‐空気予混合気の当量比の増加に伴って全体的に遅延するものの，一部の化学種の自発光タイミングのみ極端に遅延するといった現象は見られなかった．つまり，メタン‐空気予混合気の当量比増加は，化学反応の経路の途中で化学反応を阻害するといった効果はほとんどないことが考えられる．また，化学種の自発光タイミングが全体的に遅延することから，メタン‐空気予混合気の当量比増加は，パイロット燃料の着火初期の熱分解反応に影響を及ぼしている可能性があることも考えられる．
次に，メタン‐空気予混合気中のパイロット燃料の着火の様子を，高速度ビデオカメラで撮影した．その結果，メタン‐空気予混合気の当量比が小さい場合は，パイロット燃料噴霧の先端で着火し，安定した着火が確保されているが，メタン‐空気予混合気の当量比が大きい場合には，着火位置は不規則になり，着火安定性の確保も難しいことが確認された．これは，パイロット燃料の化学反応開始時間が遅れたことにより，パイロット燃料と雰囲気の混合時間が長くなり，パイロット燃料混合気が希薄になりすぎたためと考えられる．
以上により，パイロット燃料はメタン‐空気予混合気の当量比増加に伴って着火遅れは増加することが明らかになった．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

初年度については，パイロット燃料着火方式における，メタン‐空気予混合気の当量比増加に伴うパイロット燃料の着火遅れの増加の原因を解明することを目的としたが，概ね要因が解明でき，当初の目的を達成した．

Strategy for Future Research Activity

パイロット燃料の着火遅れの増加は，エンジンの安定した運転および熱効率に影響を及ぼすため，着火遅れを制御する方策を探る必要があると考える．昨年度の成果から，パイロット燃料の着火遅れがパイロット燃料の熱分解の遅延によることから，パイロット燃料が熱分解をしやすくなるような噴射方法を検証する．具体的には，パイロット燃料の噴射圧力，燃料噴射ノズルの噴孔径等を変更して，パイロット燃料の着火遅れへの影響を調査する．また低着火性の液体燃料では，多段噴射により着火遅れ時間が短くなる事例があり，メタン‐空気予混合気中にパイロット燃料を多段噴射することで，パイロット燃料の着火遅れ改善効果があるかを検証する．

Causes of Carryover

物品費については，当初見積もり時よりも価格が安価になったためである．次年度は，パイロット燃料噴射装置を購入する予定であり，そのための費用として使用する．
また，旅費・その他については，口頭発表および論文投稿を想定しているが，会議のタイミングに成果が得られなかったため使用できなかった．しかしながら今年度一定の成果が得られたので，次年度は論文投稿を予定している．