微量化学種の導入による非定常噴霧燃焼空気エントレインメントの高応答制御

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K04208
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 小橋 好充 北海道大学, 工学研究院, 助教 (80469072)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 噴霧燃焼 / 空気導入 / 圧縮着火 / 熱効率 / オゾン / スス

Outline of Annual Research Achievements

非定常噴霧の自着火燃焼を実現する熱機関において，燃焼由来のススおよび窒素酸化物といった有害物質の低減および熱効率の一層の向上は重要な課題である．本研究課題では，噴霧火炎内への空気導入を高応答に制御する燃焼法を構築することで，この課題解決を試みる．
本年度は，ごく微量でも酸化反応の促進効果が高いオゾンをレシプロ機関の吸気から導入した．これまでの研究から，オゾンは600K程度で酸素分子（O2）と酸素ラジカル（O）に分解することがわかっているため，その分解前に燃料を燃焼室内に直接噴射して，酸素ラジカルと反応させた．オゾン濃度およびこの一段目の燃料噴射量によって一段目燃料による発熱量を制御し，その後に噴射する二段目燃料の着火遅れおよび空気導入量の制御を試みた．本手法は二段目燃料の着火を促進するように制御するため，燃料には低着火性のガソリン系燃料（オクタン価90）を用い，着火遅れ期間の設定可能範囲を拡大した．
実験には単気筒ディーゼル機関を用いた．燃焼室内圧力の解析，排気ガスおよび排気黒煙濃度の測定により，その燃焼特性を把握した．図示平均有効圧力700kPa程度の負荷で機関を運転した結果，一段目噴射燃料量が全体の30%以上であれば，数十ppm程度のオゾン濃度で顕著に着火を促進し得ることが明らかとなった．さらに，一段目噴射燃料量を多くすると，より低濃度のオゾンで顕著な着火促進効果が得られることもわかった．この際，高応答に制御可能な一段目噴射燃料量とオゾン濃度に応じて，二段目噴射燃料由来のスス生成量が変化することを排気黒煙濃度の測定結果から明らかにするとともに，このことから，本手法により二段目噴射燃料への空気導入量を制御可能であることがわかった．

Current Status of Research Progress

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

Reason

上記のとおり，本研究では既に微量化学種として高応答に供給量の制御が可能であり，且つ着火促進剤として効果的なオゾンの選定を完了している．さらに，燃料噴射を二段に分割し，高速制御が可能な一段目噴射燃料量を制御変数とした燃焼制御法を考案し，その手法により二段目噴射燃料の噴霧火炎への空気導入量を制御できることを明らかにしている．
研究開始前の計画通りに研究が進展していることから，おおむね順調と判断できる．

Strategy for Future Research Activity

これまでの実験的検証は図示平均有効圧力700kPa程度の中負荷運転のみを対象とした．構築した制御手法の特性は燃料噴射量への依存性を有する可能性があることから，今後は運転負荷を変更とした実験を行い，オゾン濃度と一段目噴射量に対する燃焼特性の運転負荷依存性を明らかにする．さらに，オゾン濃度および一段目噴射量に対する一段目噴射燃料の発熱量および燃焼時期を重回帰分析し，これらの関係を簡単な数式で表現する．
これに加えて，単気筒ディーゼル機関を用いた実験のみでは燃焼室内で生じる現象を把握することが困難であることから，現有の熱流体解析コード（AVL社製FIRE)により実験と同様な条件で三次元数値解析を行う．数十反応式程度でガソリン標準燃料の化学反応を解く簡略反応モデルを採用し，これにオゾンの素反応を加える．これにより，噴霧の物理過程と化学反応過程を分けた考察を行う．
最終的には，得られた知見を総括し，高熱効率かつ低エミッションな燃焼を実証する．

Causes of Carryover

未使用額が発生した状況：
消費税額の変更にともない購入物品の計画を変更した結果，わずかに残額が生じた．
次年度における未使用額の使途内容：
2021年度は消耗品である燃料フィルタの購入に充当する．