2019 Fiscal Year Annual Research Report
Fundamental investigation and modeling of combustion characteristics of alkane isomers contained in next generation bio-fuels
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19H02078
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| Research Institution | Hiroshima University |
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Principal Investigator |
下栗 大右 広島大学, 工学研究科, 准教授 (40432687)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
三好 明 広島大学, 工学研究科, 教授 (60229903)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 次世代バイオ燃料 / 着火遅れ / 衝撃波管 / 一次元数値計算 / 炭化水素燃料 / 構造異性体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
石油代替として期待されるバイオ燃料であるが，最近，このバイオ燃料を，既存インフラに改変することなく利用できるような処理が提案され，それにより製造された次世代バイオ燃料（水素化脂肪酸燃料）は，高分岐飽和炭化水素によって構成されること，さらにはその分率が50％を超えることが予見されている．しかし，そのような化学種の燃焼特性は明らかにされていない．そこで本研究では高度分岐飽和炭化水素の燃焼特性（着火遅れ，燃焼速度，燃焼排ガス）を明らかにすることを目的とする．本研究では，燃焼特性の中でも火炎の成立を左右する着火遅れ期間について重点的に明らかにする．実験的には，新規に低ノイズ衝撃波管を作成し，過去に例のない高精度なデータの取得を試みる．数値的には，20mに渡る衝撃波管を詳細反応を考慮して解くことを試みる．最終的には，次世代バイオ燃料の反応機構を解明し，どのような組成が適しているかの提案を行うことを目的とする．
1年目である2019年度は，既存の衝撃波管にてC9異性体（n-C9, 2-methyloctane, 2,4-dimethylheptane, 2,2,4,4-trimethylheptane）の着火遅れを，様々な当量比で得ることに成功した．さらには，数値計算にて，全ての着火遅れおよび燃焼速度が，KUCRSにより生成される詳細反応機構で再現可能であることを明らかにした．
また，衝撃波管そのものの精度向上の取り組みも行い，始めに20mの衝撃波管を1次元コードをもちいて数値的に解析した．結果，衝撃波加熱にも非一様性が存在すること，また，冷炎・熱炎の発生によっても圧縮・膨張波が生成されることなどを明らかにした．
以上，実験，数値計算共に初年度としては想定以上に大きな進展があった.
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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
1年目である2019年度は，新規衝撃波管については設計，発注，および製作にほぼ一年を要した．これは想定通りであり，実験は既存の衝撃波管にて，C9異性体（n-C9, 2-methyloctane, 2,4-dimethylheptane, 2,2,4,4-tetramethylpentane）を対象として行った．結果，10気圧までの条件において上記の異性体の着火遅れを様々な当量比で得ることに成功している．一方，数値計算については高速計算アルゴリズムを組み込んだ詳細反応一次元計算コードを作成し，様々な条件での計算を開始することができた．20ｍに及ぶ計算領域を，3000を超える詳細反応機構を考慮して計算するというのは世界初の試みであったが，無事，n-C9, 2,2,4,4-tetramethylpentaneの着火遅れを幅広い温度条件で計算することに成功した．結果，衝撃波による急速昇温・昇圧実験においても，反射衝撃波による加熱時間が長い領域において優先的に自着火が生ずる様子を確認することができた．この結果は，衝撃波管実験のデータ処理・解釈において極めて重要な情報である．また，得られる着火遅れが実験値と極めて良く一致することを確認した．汎用のゼロ次元コードに比べ，特にNTC領域での着火遅れを高精度に再現可能で，今後の詳細反応機構の検証に大きく役立つものである．
さらに，着火後の圧力履歴も実験と極めて良い一致を示すことが判明した．このことは，燃焼後の排出物の予測に対して極めて大きなインパクトを持つ．ススや未燃炭化水素など，大気汚染物質の計算精度向上にも大きく貢献できる可能性がある．
以上，実験，数値計算共に大きな進展があったが，実験については新規衝撃波管の立ち上げについて完全に予定通りとは行っていない部分もある．部分的には最大で100気圧という高圧がかかるため，安全性を優先させるために納期のかかるパーツも多く，来期，早期に新規衝撃波管での実験を可能とするべく諸事検討中である．
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度には，10気圧までの条件において，様々な当量比条件においてC9異性体（n-C9, 2-methyloctane, 2,4-dimethylheptane, 2,2,4,4-tetramethylpentane）の着火遅れを取得することに成功した．次年度では，まずはＣ９異性体の種類を増やし，異性体の着火遅れ特性をより詳細に明らかにしてバイオ燃料の着火遅れ予測に役立てる．具体的には，数値計算において，トリメチルの着火遅れがテトラメチルより長期化する条件が存在する可能性が示唆されている．通常はメチル基の増加によって一方的に着火遅れは長期化すると想定されていたが，このようにトリメチルの方がテトラメチルよりも着火遅れが長い条件が存在するという事実が実験的にも確認されれば，そのメカニズムを解明することにより，燃料側から，より高効率，つまりより低CO2排出の燃焼器の開発に貢献できることになる．そこで次年度は，2,2,4-trimethylhexaneなど，高分岐異性体の種類についても拡大していく．
さらに，新規衝撃波管の立ち上げを急ぎ，実験可能となり次第，40気圧までの条件で実験を行う．40気圧は現在の超高圧縮燃焼機関において想定される条件であり，その実験結果は超高効率燃焼器の開発に直結する物である．
数値計算では，衝撃波管そのものの精度向上に対して検討するべき境界条件を組み込んでいく．具体的には２点，ガス界面の混合の影響，および壁面の熱的な条件（等温・断熱条件）の影響である．これらは現実的には回避できない問題であるにもかかわらず，着火遅れにどれだけの影響を与えうるかこれまでに一切検討された例が無い．次年度は，初年度に開発された数値計算コードを用いてこれらを数値的に再現し，その影響について定量的な評価を行うことを試みる．
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Research Products
(7 results)
