2020 Fiscal Year Research-status Report
Development of cold start premixed compression ignition ammonia combustion engine for zero emission
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19K04244
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| Research Institution | Sophia University |
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Principal Investigator |
一柳 満久 上智大学, 理工学部, 准教授 (00584252)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鈴木 隆 上智大学, 理工学部, 教授 (20206494)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 熱工学 / 熱機関 / アンモニア燃焼 / ゼロエミッション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
低炭素社会の実現に向けて，水素キャリアでのアンモニア（NH3）利用は実用間近だが，NH3を燃料とした自動車用エンジンの実現には至っていない．主たる要因は，NH3は従来の燃料と比較して保炎範囲が狭く燃焼速度が遅いこと，発火点が高く難着火性であることが挙げられる．NH3単一燃料のエンジンを実現するためには，燃焼方式として副燃焼室付きの予混合圧縮自着火を採用し，冷間始動が可能な燃焼室設計及び定常運転試験による適切な燃焼条件の導出が必要である．本研究では，3次元CFD解析及び定容燃焼器実験を用いて主及び副燃焼室設計を行い，定常運転試験にて燃焼条件を最適化し，冷間始動可能なカーボンフリーNH3エンジンを開発することを目的としている．
この目的を実現するため，①3次元CFD解析及び定容燃焼器実験に基づいた燃焼室の設計，②定容燃焼器実験によるNH3着火条件の検証及び燃焼状態の計測，③主及び副燃焼室を作製し，NH3エンジンの温間始動実験及び定常運転試験による燃焼条件の最適化，④予熱器を併用した冷間始動実験を行う予定である．
2020年度の研究成果は2点ある．1点目は，3次元CFD解析を用いてNH3の燃焼速度を速める燃焼室形状を提案した点である．燃焼室内のガス流動及び燃焼時間に着目し，乱流混合が促進する燃焼室形状を提案した．これより，解析上では，NH3燃焼の問題である遅い燃焼速度が改善され，中程度のエンジン回転数まで可能になると予測された．2点目は，定容燃焼器実験にて，NH3の難着火性を改善した点である．乾燥空気を用いた場合，上死点相当まで加圧したとしても，NH3の着火温度に達しないことがわかった．そのため，酸素濃度を上げてNH3と混合させたことで着火に成功した．加えて，解析結果を基に定容燃焼器を改良したことで，燃焼速度が改善され，実験的にも中程度のエンジン回転数が実現可能な燃焼速度に達した．
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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
申請時の研究計画では，2020年度は，定容燃焼器実験及び3次元CFD解析を用いて主及び副燃焼室の設計を行うこと，および定容燃焼器実験にてNH3の燃焼条件を把握することであった．その予定に対し，3次元CFD解析を用いて，NH3の燃焼速度を速める燃焼室形状を提案した．次いで，解析結果に基づき定容燃焼器を改良したところ，実験でもNH3の燃焼速度が速くなることを確認した．また，定容燃焼器実験にて，酸素濃度を上げることで，NH3の難着火性が改善されることがわかった．これらのことから，おおむね研究は順調に進展していると考えられる．
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年度は，各運転条件に対するNH3の燃焼特性を把握するため，定容燃焼器実験にて，多種の条件を変更し燃焼室内の圧力を測定する．また，実機エンジンを用いた実験では，NH3インジェクタ及びグロープラグを搭載するための装置の改良を行い，温間始動による定常運転試験を行う．予混合圧縮自着火による安定した定常運転を実現するため，軽油もしくはガソリンを用いて暖機させ，筒内温度がある一定値を超えたら燃料をNH3に切り替えることで，温間始動による定常運転試験を行う．
2022年度は，NH3エンジンの冷間始動を実現させる．冷間始動実現のため，2021年度に改造した副燃焼室付きエンジンと予熱器を併用して，冷間始動運転実験を行う．温間始動時の実験結果を基に，冷間始動時の最適運転条件を選出して冷間始動を実現させる．
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| Causes of Carryover |
実機エンジンにNH3インジェクタ及びグロープラグを搭載する改良を，2020年度に実施する予定であったが，Covid-19の影響により，物品の納品が大幅に遅延することがわかったため，2021年度に購入することとした．以上より，次年度使用額は，2020年度に予定していた装置改良のために使用する予定である．
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